CN102759400A - 光感测装置和驱动光感测装置的方法 - Google Patents

光感测装置和驱动光感测装置的方法 Download PDF

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Abstract

根据示例实施例，一种光感测装置可以包括光感测像素的阵列、第一栅极驱动器和信号输出单元。每一个光感测像素可以包括被配置为感测光的光传感器晶体管、被配置为输出来自光传感器晶体管的光感测信号的开关晶体管、以及在开关晶体管的光入射表面上的导电遮光膜。所述光传感器晶体管和开关晶体管可以具有相同的氧化物半导体晶体管结构。第一栅极驱动器可以被配置为向每一个光感测像素提供栅极电压和负偏置电压。所述信号输出单元可以被配置为从每一个光感测像素接收光感测信号并输出数据信号。

Description

光感测装置和驱动光感测装置的方法
技术领域
一些示例实施例涉及光感测装置和/或驱动光感测装置的方法，更具体地，涉及用于提高光感测装置操作可靠性的光感测装置和/或驱动光感测装置的方法，在所述光感测装置中，光感测像素中的光传感器晶体管和开关晶体管可以具有相同的氧化物半导体晶体管结构。
背景技术
氧化物半导体晶体管可以是使用氧化物半导体作为沟道材料的晶体管。例如，氧化物半导体晶体管可以包括衬底、布置在衬底上的栅极、布置在衬底和栅极上以覆盖栅极周围的栅极绝缘膜、布置在栅极绝缘膜上的氧化物半导体沟道层、以及布置在沟道层两侧上的漏极。这种氧化物半导体晶体管可以具有高的光敏度并且可以用作光感测元件。光敏度可以取决于沟道层中使用的氧化物半导体。如果在氧化物半导体晶体管中氧化物半导体被用作沟道层，则氧化物半导体晶体管的阈值电压和漏电流可以根据入射光波长和/或入射光量而变化。
可以使用氧化物半导体晶体管取代光电二极管作为光感测元件。此外，氧化物半导体晶体管可以生成比光电二极管更大的光电流。因此，如果氧化物半导体晶体管被用作光感测元件，则可以省略通常在光感测像素中使用的电容器，该电容器是为了在期望(和/或可替换地，预定)时段内积累由于光电流而产生的电荷。例如，光感测像素可以仅包括用于感测光的氧化物半导体晶体管和用于输出数据的开关晶体管。因此，氧化物半导体晶体管可以在用于感测光的各种设备中使用。例如，氧化物半导体晶体管可以在成像设备和/或光学触摸屏面板中使用。
发明内容
一些示例实施例涉及光感测装置，在该光感测装置中光传感器晶体管和开关晶体管可以具有相同的氧化物半导体晶体管结构。
一些示例实施例涉及驱动光感测装置以提高光感测装置的操作可靠性的方法。
根据示例实施例，一种光感测装置包括光感测像素的阵列。光感测像素中的每一个包括被配置为感测光的光传感器晶体管、被配置为输出来自光传感器晶体管的光感测信号的开关晶体管、以及在开关晶体管的光入射表面上的导电遮光膜。所述光感测装置还可以包括第一栅极驱动器和信号输出单元，第一栅极驱动器被配置为向光感测像素中的每一个提供栅极电压和负偏置电压，信号输出单元被配置为从光感测像素中的每一个接收光感测信号，所述信号输出单元被配置为输出数据信号。
所述第一栅极驱动器可以包括连接到所述光感测像素中的至少一个中的开关晶体管的栅电极的栅极线，所述栅极线被配置为向栅电极提供栅极电压。所述第一栅极驱动器还可以包括连接到所述光感测像素中的至少一个中的导电遮光膜的偏置线，所述偏置线被配置为向导电遮光膜施加负偏置电压。
所述光感测像素的阵列可以包括按列和行排列的多个光感测像素，所述第一栅极驱动器可以包括在行方向排列的多条栅极线，并且每一条栅极线可以被配置为向沿同一行排列的光感测像素提供栅极电压。
所述第一栅极驱动器可以包括在行方向排列的多条偏置线，并且每一条偏置线可以被配置为向沿同一行排列的光感测像素提供负偏置电压。
所述第一栅极驱动器可以被配置为向全部光感测像素同时提供相同的负偏置电压。
所述光感测装置还可以包括被配置为向光感测像素中的每一个提供复位信号的第二栅极驱动器。
所述第二栅极驱动器可以包括连接到所述光感测像素中的至少一个中的光传感器晶体管的栅电极的复位线。所述复位线可以被配置为向光感测像素中的至少一个提供复位信号。
所述光感测像素的阵列可以包括按列和行排列的多个光感测像素。所述第二栅极驱动器可以包括在行方向排列的多条复位线，并且每一条复位线可以被配置为向沿同一行排列的光感测像素提供复位信号。
所述光传感器晶体管可以包括包含氧化物半导体材料的沟道膜。所述开关晶体管可以包括包含氧化物半导体材料的沟道膜。
所述光传感器晶体管的沟道膜和开关晶体管的沟道膜包括相同的氧化物半导体材料。
所述光传感器晶体管的沟道膜和所述开关晶体管的沟道膜中的至少一个的氧化物半导体材料可以包括：ZnO、InO、SnO、InZnO、ZnSnO、InSnO及其组合中的至少一个；以及铪(Hf)、锆(Zr)、钛(Ti)、钽(Ta)、镓(Ga)、铌(Nb)、钒(V)、铝(Al)和锡(Sn)中的至少一个。
光感测像素中的每一个可以包括：衬底；至少部分地在衬底上的第一栅电极和第二栅电极；在衬底上以覆盖第一栅电极和第二栅电极的栅极绝缘膜；在栅极绝缘膜和第一栅电极上的第一沟道膜；在栅极绝缘膜和第二栅电极上的第二沟道膜；在第一沟道膜的第一侧表面上的第一源/漏电极；在第一沟道膜的第二侧表面和第二沟道膜的第一侧表面之间的第二源/漏电极；在第二沟道膜的第二侧表面上的第三源/漏电极；以及覆盖第一到第三源/漏电极以及第一和第二沟道膜的透明绝缘层。
所述光传感器晶体管可以包括第一栅电极、栅极绝缘膜的第一部分、第一沟道膜、第一源/漏电极、第二源/漏电极的第一部分以及透明绝缘层的第一部分。所述开关晶体管可以包括第二栅电极、栅极绝缘膜的第二部分、第二沟道膜、第二源/漏电极的第二部分、第三源/漏电极以及透明绝缘层。
所述遮光膜可以至少部分地形成在透明绝缘层上以覆盖第二沟道膜。
所述第一栅极驱动器可以被配置为基于如下数据来调整光感测像素中的至少一个的负偏置电压：预先测量的关于光感测装置的操作时间与开关晶体管的阈值电压之间关系的数据、关于开关晶体管的参考阈值电压的数据、以及预先测量的关于施加到遮光膜的负偏置电压与开关晶体管的阈值电压之间关系的数据。
光感测像素中的每一个可以包括将光传感器晶体管的沟道膜连接到开关晶体管的沟道膜的公共电极。
所述光感测像素中的每一个可以包括：在光传感器晶体管中的第一栅电极、在第一栅电极上的光传感器晶体管的沟道膜、在开关晶体管中的第二栅电极、以及在第二栅电极与导电遮光膜之间的开关晶体管的沟道膜。
所述光传感器晶体管的沟道膜和所述开关晶体管的沟道膜中的至少一个可以包括下沟道膜、上沟道膜、以及在下沟道膜和上沟道膜之间的中间沟道膜。
所述下沟道膜和上沟道膜中的至少一个可以包括氧化物半导体材料，以及III族、IV族、XIII族和XIV族元素中的至少一个。
所述光感测像素的阵列可以包括按列和行排列的光感测像素。所述信号输出单元可以包括在列方向排列的多条数据线。所述数据线中的每一条可以连接到沿同一列排列的全部光感测像素。
示例实施例涉及驱动光感测装置的方法，所述光感测装置包括被配置为输出来自光感测像素的光感测信号的开关晶体管和被布置为面对开关晶体管的导电遮光膜。所述方法可以包括：操作光感测装置；确定开关晶体管的阈值电压是否比参考阈值电压低；以及如果确定阈值电压比参考阈值电压低，则向导电遮光膜施加负偏置电压，以使开关晶体管的阈值电压向正向偏移。
可以在栅极电压被施加到开关晶体管时将所述负偏置电压施加到遮光膜，并且可以在停止向开关晶体管施加栅极电压时停止向遮光膜施加负偏置电压。
所述光感测装置可以包括按列和行排列的光感测像素的阵列，并且可以在逐行的基础上，顺序地将所述栅极电压和负偏置电压分别提供到所述多个光感测像素中的开关晶体管和遮光膜。
可以在光感测装置操作时将负偏置电压连续地施加到遮光膜。
确定开关晶体管的阈值电压是否比参考阈值电压低可以包括：监视光感测装置的操作时间；通过参照预先测量的关于光感测装置的操作时间与开关晶体管的阈值电压之间关系的数据来预测开关晶体管的阈值电压；以及比较预测的阈值电压与参考阈值电压。
确定开关晶体管的阈值电压是否比参考阈值电压低可以包括：当光感测装置操作时测量开关晶体管的阈值电压；以及比较测量的阈值电压与参考阈值电压。
测量阈值电压可以包括以预设的时间间隔测量阈值电压。
可以使用光感测装置的第一栅极驱动器测量所述阈值电压。
向导电遮光膜施加负偏置电压以使开关晶体管的阈值电压向正向偏移可以包括：通过参照预先测量的关于施加到遮光膜的负偏置电压与开关晶体管的阈值电压之间关系的数据来调整负偏置电压。
向导电遮光膜施加负偏置电压以使开关晶体管的阈值电压向正向偏移可以包括：(a)将负偏置电压增加预设的量，并向导电遮光膜施加增加了的负偏置电压；(b)确定开关晶体管的阈值电压是否比参考阈值电压低，以及重复步骤(a)和(b)直到开关晶体管的阈值电压等于或高于参考阈值电压。
所述开关晶体管可以包括包含氧化物半导体材料的沟道膜。
所述氧化物半导体材料可以包括：ZnO、InO、SnO、InZnO、ZnSnO、InSnO及其组合中的至少一个，以及Hf、Zr、Ti、Ta、Ga、Nb、V、Al、Ga和Sn中的至少一个。
向导电遮光膜施加负偏置电压可以包括：使用光感测装置的第一栅极驱动器向导电遮光膜施加负偏置电压。
所述光感测装置可以包括多个开关晶体管。所述方法还可以包括当光感测装置操作时测量多个开关晶体管中的一些的阈值电压，以及比较测量的阈值电压与至少一个参考阈值电压，以及如果确定测量的阈值电压中的至少一个比参考阈值电压低，则向所述多个开关晶体管中的至少一个的导电遮光膜施加负偏置电压，以使所述多个开关晶体管中的至少一个的阈值电压向正向偏移。
附图说明
从以下对附图中示出的非限制实施例的描述中，示例实施例的这些和/或其他方面将变得清楚和更容易理解，遍及不同视图相同的参考符号指示相同的部分。附图不一定是按比例的，而是重点在于示出发明构思的原理。在附图中：
图1是示出根据示例实施例的光感测装置的一个光感测像素的截面图；
图2是图1的光感测装置的光感测像素的电路图；
图3是示出氧化物半导体晶体管的阈值电压随时间偏移的曲线图；
图4是示出当负偏置电压被施加到遮光膜时开关晶体管的阈值电压向正向偏移的示例的曲线图；
图5是示出根据示例实施例的驱动光感测装置的方法的时序图；
图6是示出根据另一示例实施例的驱动光感测装置的方法的时序图；
图7是示出根据示例实施例的、由图5的方法驱动的光感测装置的框图；
图8是示出根据另一示例实施例的、由图6的方法驱动的光感测装置的框图；
图9是示出在开关晶体管的操作时间和阈值电压之间的关系的曲线图；
图10是示出在施加到开关晶体管的遮光膜的负偏置电压和开关晶体管的阈值电压之间的关系的曲线图；
图11是示出根据示例实施例的调整偏置电压以将合适的负偏置电压施加到遮光膜的方法的流程图；以及
图12是示出根据另一示例实施例的调整偏置电压以将合适的负偏置电压施加到遮光膜的方法的流程图。
具体实施方式
现在将参照在其中示出一些示例实施例的附图更充分地描述示例实施例。然而，示例实施例可以以许多不同的形式具体实现，并且不应该被认为局限于此处阐明的实施例；相反地，提供这些示例实施例以使得此公开将是全面和完整的，并且将向本领域普通技术人员充分地传达示例实施例的概念。在附图中，为了清楚起见，可能放大了层和区域的厚度。附图中的相同参考标号表示相同元件，从而将省略对它们的描述。
应该理解，当元件被称为“连接”或“耦连”到另一元件时，它可以直接连接或耦连到该另一元件，或者可以存在居间的元件。相反，当元件被称为“直接连接”或“直接耦连”到另一元件时，不存在居间元件。此处使用的术语“和/或”包括一个或多个关联列出项中的任意一个及所有组合。用来描述元件或层之间关系的其它字词应该按照相同的方式理解(例如，“之间”对“直接之间”、“相邻”对“直接相邻”，“在...上”对“直接在...上”)。
应该理解，虽然此处可能使用术语“第一”、“第二”等来描述不同的元件、组件、区域、层和/或部分，但是这些元件、组件、区域、层和/或部分不受这些术语的限制。这些术语仅用于将一个元件、组件，区域、层或部分与另一个元件、组件、区域、层或部分区别开来。从而，下面讨论的第一元件、组件、区域，层或部分可以称为第二元件、组件、区域、层或部分而不背离示例实施例的教导。
为了方便描述，此处可能使用空间关系术语，诸如“在...之下”、“在...下面”、“下”、“在...之上”、“上”等等来描述附图中示出的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。应该理解，空间关系术语旨在包含除了附图中描绘的方向之外的、使用中或操作中的设备的不同的方向。例如，如果附图中的设备被翻转，则描述为在其它元件或特征“下面”或“之下”的元件将被定位为在其他元件或特征“之上”。从而，示范性术语“在...下面”可以包含上和下两个方向。设备可以被以其他方式定位(旋转90度或处于其它方向)，此处使用的空间关系描述符应进行相应地解释。
此处使用的术语仅为描述特定实施例的目的，并不意图限制示例实施例。此处使用的单数形式“一”、“一个”旨在也包括复数形式，除非上下文清楚地指示相反情况。还应该理解，如果此处使用“包含”和/或“包括”，则表明存在所述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但是不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。
此处参照截面图来描述示例实施例，所述截面图是示例实施例的理想化实施例(和中间结构)的示意图。因而，例如，因制造技术和/或容差所致而偏离图示的形状是可能发生的。从而，示例实施例不应该被认为是局限于此处示出的区域的特定形状，而是将包括例如因制造导致的在形状上的偏差。例如，示出为矩形的注入区可以具有圆形或曲线特征，和/或在边界处具有注入浓度的梯度而不是从注入区到非注入区的二元变化。同样地，通过注入形成的隐埋区可能导致在隐埋区与通过其进行注入的表面之间的区域中的一些注入。从而，附图中示出的区域实际上是示意性的，它们的形状并非意图示出器件的区域的实际形状，并且并非意图限制示例实施例的范围。
除非另外定义，否则所有在此使用的术语(包括技术术语和科学术语)所具有的含义与示例实施例所属技术领域的普通技术人员通常理解的含义相同。还将理解，术语，诸如通用词典中定义的那些术语，应被解释为其所具有的含义与它们在相关技术领域的上下文中的含义相一致，而不应该以理想化或过度形式化的方式进行解释，除非此处明确地如此定义。
图1是示出根据示例实施例的光感测装置的一个光感测像素100的截面图。参照图1，光感测像素100可以包括在一个衬底101上形成的开关晶体管130和光传感器晶体管140。如图1所示，开关晶体管130和光传感器晶体管140可以在衬底101上彼此串联连接。例如，开关晶体管130和光传感器晶体管140可以包括一个公共源/漏电极，也就是第二源/漏电极109。此外，开关晶体管130和光传感器晶体管140可以具有相同的光敏氧化物半导体晶体管结构，但是示例实施例不限于此。然而，为了限制和/或避免开关晶体管130受入射光的影响，可以在开关晶体管130的光入射表面上进一步布置用于阻挡入射光的遮光膜114。
具体来说，光感测像素100可以包括：衬底101；部分地形成在衬底101上的第一栅电极102和第二栅电极103；完全覆盖在衬底101以及第一栅电极102和第二栅电极103上的栅极绝缘膜104；形成在栅极绝缘膜104上、面对第一栅电极102的第一沟道膜106；形成在栅极绝缘膜104上、面对第二栅电极103的第二沟道膜107；形成在第一沟道膜106和第二沟道膜107两侧的第一源/漏电极108、第二源/漏电极109和第三源/漏电极110；完全形成在第一源/漏电极108、第二源/漏电极109和第三源/漏电极110以及第一沟道膜106和第二沟道膜107上的透明绝缘层119、穿过透明绝缘层119以连接到第一源/漏电极108的第一线(wire)112、穿过透明绝缘层119以连接到第三源/漏电极110的第二线113、以及形成在透明绝缘层119上以覆盖开关晶体管130的第二沟道膜107的遮光膜114。
在如上所述构造的光感测像素100中，第一栅电极102、栅极绝缘膜104、第一沟道膜106、第一源/漏电极108和第二源/漏电极109、以及第一线112可以构成光传感器晶体管140。此外，第二栅电极103、栅极绝缘膜104、第二沟道膜107、第二源/漏电极109和第三源/漏电极110、以及第二线113可以构成开关晶体管130。因此，由光传感器晶体管140和开关晶体管130共享栅极绝缘膜104和第二源/漏电极109。如图1所示，形成第一源/漏电极108，使其覆盖第一沟道膜106的左部分和位于第一沟道膜106左侧的栅极绝缘膜104的部分。此外，形成第二源/漏电极109，使其覆盖第一沟道膜106的右部分、第二沟道膜107的左部分、以及位于第一沟道膜106和第二沟道膜107之间的栅极绝缘膜104的部分。此外，可以形成第三源/漏电极110，使其覆盖第二沟道膜107的右部分和位于第二沟道膜107右侧的栅极绝缘膜104的部分。
衬底101和栅极绝缘膜104可以由绝缘材料形成。如果光感测装置被集成到显示面板的显示像素中或者被用作附加到显示面板表面的光学触摸屏面板，则衬底101和栅极绝缘膜104可以由透明绝缘材料形成。例如，衬底101可以由玻璃形成，栅极绝缘膜104可以由诸如SiO2的透明绝缘材料形成，但是示例实施例不限于此。然而，如果光感测装置用作通用成像元件，则衬底101和栅极绝缘膜104不必是透明的。此外，第一源/漏电极108、第二源/漏电极109和第三源/漏电极110可以由导电金属和/或导电金属氧化物材料形成。如果光感测装置用作光学触摸屏面板，则第一源/漏电极108、第二源/漏电极109和第三源/漏电极110可以由诸如铟锡氧化物(ITO)的透明导电材料形成，但是示例实施例不限于此。透明绝缘层119可以由诸如SiO2的透明绝缘材料形成，但是示例实施例不限于此。此外，第一线112、第二线113和遮光膜114可以由例如金属的相同的导电材料形成，但是示例实施例不限于此。可替换地，用于第一线112和/或第二线113的材料可以由导电金属氧化物形成。为了不透过光，遮光膜114的厚度可以大于材料的透入深度(skindepth)。
第一沟道膜106和第二沟道膜107可以由光敏的氧化物半导体材料形成。例如，该氧化物半导体材料可以是诸如ZnO、InO、SnO、InZnO、ZnSnO或InSnO的氧化物半导体材料，或者是包括III族、IV族、XIII族或XIV族元素的氧化物半导体材料，例如将铪(Hf)、锆(Zr)、钛(Ti)、钽(Ta)、镓(Ga)、铌(Nb)、钒(V)、铝(Al)和锡(Sn)中的至少一个混合到ZnO、InO、SnO、InZnO、ZnSnO或InSnO中，但是示例实施例不限于此。第一沟道膜106和第二沟道膜107每个可以包括单个氧化物半导体层，或可以具有如图1所示的多层结构。例如，图1中，第一沟道膜106和第二沟道膜107具有分别包括下沟道膜106a和107a、中间沟道膜106b和107b以及上沟道膜106c和107c的三层结构。
例如，中间沟道膜106b和107b可以由前面描述的材料当中具有最高光敏度的ZnO、InO、SnO、InZnO、ZnSnO或InSnO形成。下沟道膜106a和107a是阈值电压调整层，用于限制和/或避免晶体管的阈值电压由于中间沟道膜106b和107b的材料而降低过多。例如下沟道膜106a和107a可以由XZnO、XInO、XSnO、XInZnO、XZnSnO或XInSnO(其中X是Hf、Zr、Ti、Ta、Nb、V、Al和Sn中的至少一个，但是示例实施例不限于此)形成。晶体管的阈值电压可以根据下沟道膜106a和107a的材料和厚度被调整为接近0V。此外，上沟道膜106c和107c用作保护膜，用于保护中间沟道膜106b和107b。例如，当第一源/漏电极108、第二源/漏电极109和第三源/漏电极110被形成的时候，上沟道膜106c和107c可以用作刻蚀阻挡。此外，上沟道膜106c和107c可以用作钝化膜，用于减少和/或避免中间沟道膜106b和107b由于外部材料而变形。例如，上沟道膜106c和107c可以由MZnO、MInO、MSnO、MInZnO、MZnSnO或MInSnO(其中M是Hf、Zr、Ti、Ta、Ga、Nb、V、Al和Sn中的至少一个，但是示例实施例不限于此)形成。
图2是图1的光感测装置的光感测像素100的电路图。参照图2，光感测像素100可以包括彼此串联连接的光传感器晶体管140和开关晶体管130。例如，光传感器晶体管140和开关晶体管130可以通过图1的第二源/漏电极109彼此连接。光传感器晶体管140用作感测入射光的光感测元件，而开关晶体管130用作输出光感测信号的开关。此外，如图2所示，光感测像素100还可以包括：连接到开关晶体管130的第二栅电极103的栅极线Gate、连接到开关晶体管130的第三源/漏电极110的数据线DATA、连接到光传感器晶体管140的第一源/漏电极108的驱动电压线Vdd、以及连接到光传感器晶体管140的第一栅电极102的复位线Vreset。Gate线可以被配置为向第二栅电极103施加栅极电压Vgate。数据线DATA可以通过第二线113电连接到第三源/漏电极110，并且驱动电压线Vdd通过第一线112电连接到第一源/漏电极108。此外，为了减少和/或避免开关晶体管130的阈值电压发生偏移，光感测像素100还可以包括用于向遮光膜114施加负偏置电压的偏置线Vbias。
在如上所述构造的光感测像素100中，如果栅极电压Vgate通过栅极线Gate被施加到开关晶体管130，则开关晶体管130导通。随后，电流通过开关晶体管130从光传感器晶体管140流到数据线DATA。在这种情况下，从光传感器晶体管140流到数据线DATA的电流的量根据入射到光传感器晶体管140上的光强度而变化。因此，可以通过测量流过数据线DATA的电流的量来计算入射到光传感器晶体管140上的光强度。因为当没有栅极电压被施加到开关晶体管130时开关晶体管130截止，所以没有电流流到数据线DATA。
在使用氧化物半导体作为沟道材料的氧化物半导体晶体管中，随着时间的过去，阈值电压可能由于光和电应力而向负向偏移。如果这种偏移出现在光感测像素100的开关晶体管130中，则开关晶体管130可能被异常地导通或截止。例如，即使当没有栅极电压被施加到开关晶体管130时，开关晶体管130也可能导通，从而降低光感测像素100的操作可靠性。特别是，如果光感测装置被用作光学触摸屏面板，则阈值电压偏移可能由于从显示面板入射的光(例如，来自液晶显示面板的背光单元的光)而加速。图3是示出随着时间的过去氧化物半导体晶体管的阈值电压偏移的曲线图。例如，当在大约60℃温度下将大约-20V的栅极电压和大约10V的驱动电压施加到氧化物半导体晶体管的时候，如果大约10000尼特(nit)或(cd/m2)的光射向氧化物半导体晶体管，则氧化物半导体的阈值电压如图3所示随着时间的过去向负向偏移。
因此，为了减少和/或避免开关晶体管130的阈值电压偏移，可以向遮光膜114施加负偏置电压。参照图1，这是因为当在第二栅电极103上形成负电势时，根据能带理论，需要增加施加到第二栅电极103的电压以导通开关晶体管130。图4是示出当负偏置电压被施加到遮光膜114时开关晶体管130的阈值电压向正向偏移的示例的曲线图。参照图4，当第二栅电极103的宽度和长度分别是大约2μm和大约50μm并且栅极绝缘膜104的厚度大约是15nm时，随着施加到遮光膜114的负偏置电压增加，开关晶体管130的阈值电压更多地向正向偏移。在图4中，VDS表示在开关晶体管130的漏极和源极之间的电压。因此，如果施加到遮光膜114的负偏置电压增加的量即为开关晶体管130的阈值电压向负向偏移的量，则阈值电压向负向的偏移可以被抵消。结果，可以通过向遮光膜114施加负偏置电压来固定开关晶体管130的阈值电压。
在包括如上所述构造的光感测像素100的光感测装置中，存在向遮光膜114施加负偏置电压的两种方法。图5是示出根据示例实施例的驱动光感测装置的方法的时序图。例如，如图5所示，可以仅当栅极电压Vgate被施加到开关晶体管130以导通开关晶体管130的时候将负偏置电压Vbias施加到遮光膜114。参照图5，在读(READING)操作期间，为了从光感测像素100读取光感测数据，栅极电压Vgate在期望(和/或可替换地，预定)时段内通过光感测像素100的栅极线Gate被施加到开关晶体管130。此外，在读操作期间，负偏置电压Vbias被施加到开关晶体管130的遮光膜114，以使开关晶体管130的阈值电压向正向偏移。因此，即使开关晶体管130的阈值电压由于光和电应力而向负向偏移，因为当负偏置电压被施加到遮光膜114时开关晶体管130的阈值电压被再次向正向偏移，所以开关晶体管130可以在最初设计的栅极电压处导通。接下来，当停止向开关晶体管130施加栅极电压时，同时停止向遮光膜114施加负偏置电压。在从光感测像素100读出光感测数据以后，如图5所示，在复位(RESET)操作期间正复位信号Vreset通过复位线Vreset被施加到光传感器晶体管140的第一栅电极102。复位信号是用于除去当光传感器晶体管140暴露于光时积累在光传感器晶体管140的第一沟道膜106的边界面上的电荷、从而初始化光传感器晶体管140的信号。光传感器晶体管140可以由于复位信号而回到其暴露于光之前的早先阶段。
图6是示出根据另一示例实施例的驱动光感测装置的方法的时序图。如图6所示，当光感测装置工作的时候负偏置电压可以被连续地施加到遮光膜114。参照图6，用和参照图5描述的一样的方法将栅极电压和复位信号分别施加到开关晶体管130和光传感器晶体管140。然而，图6的方法与图5的方法不同的是，不管栅极电压是否被施加到开关晶体管130，负偏置电压都被施加到遮光膜114。
光感测装置可以包括光感测像素100的阵列和用于驱动多个光感测像素100的驱动电路。图7是示出根据示例实施例的、可以通过图5的方法驱动的光感测装置200的框图。参照图7，光感测装置200可以包括：感测入射光的光感测像素100的阵列、顺序地向多个光感测像素100中的每一个提供栅极电压和负偏置电压的第一栅极驱动器210、顺序地向多个光感测像素100中的每一个提供复位信号的第二栅极驱动器220、以及从每一个光感测像素100接收光感测数据并输出的信号输出单元230。
如图7所示，如参照图1和图2所述构造的多个光感测像素100可以按列和行排列。例如，光感测像素100可以按照包括n行和m列的阵列排列。第一栅极驱动器210独立地激活光感测像素100中的每一个，并控制从光感测像素100中的每一个输出光感测数据。第一栅极驱动器210可以包括在行方向排列的多条栅极线。每一条栅极线连接到沿同一行排列的全部光感测像素100，具体来说，连接到所述光感测像素100中的开关晶体管130的第二栅电极103。此外，第一栅极驱动器210向每一个光感测像素100提供负偏置电压(Bias)，以减少和/或避免开关晶体管130的阈值电压偏移。为此，第一栅极驱动器210可以包括在行方向排列的多条偏置线。每一条偏置线连接到沿同一行排列的全部光感测像素100，具体来说，连接到所述光感测像素100中的开关晶体管130的遮光膜114。
此外，第二栅极驱动器220在读取光感测数据以后初始化光感测像素100中的光传感器晶体管140。为此，第二栅极驱动器220可以包括在行方向排列的多条复位线。每一条复位线连接到沿同一行排列的全部光感测像素100，具体来说，连接到所述光感测像素100中的光传感器晶体管140的第一栅电极102。信号输出单元230接收由每一个光感测像素100生成的光感测数据并输出信号。为此，信号输出单元230可以包括在列方向排列的多条数据线。每一条数据线可以连接到沿同一列排列的全部光感测像素100，具体来说，连接到所述光感测像素100中的开关晶体管130的第三源/漏电极110。
在如上所述构造的光感测装置200中，第一栅极驱动器210通过多条栅极线和偏置线、在逐行的基础上向光感测像素100顺序地提供如图5所示的栅极电压和负偏置电压。例如，在第一栅极驱动器210向第n行的光感测像素100同时提供栅极电压和负偏置电压以后，第一栅极驱动器210向第n+1行的光感测像素100同时提供栅极电压和负偏置电压。在第一栅极驱动器210向第n+1行的光感测像素100提供栅极电压和负偏置电压的同时，第二栅极驱动器220可以向第n行的光感测像素100提供如图5所示的复位信号。
图8是示出根据另一示例实施例的、可以通过图6的方法驱动的光感测装置200’的框图。与图7的光感测装置200类似，图8的光感测装置200’可以包括：感测入射光的光感测像素100的阵列、向多个光感测像素100提供栅极电压和负偏置电压的第一栅极驱动器210’、向多个光感测像素100提供复位信号的第二栅极驱动器220、以及从每一个光感测像素100接收光感测数据并输出的信号输出单元230。图8的光感测装置200’与图7的光感测装置200不同之处在于，相同的负偏置电压可以被同时施加到全部光感测像素100。例如，第一栅极驱动器210’可以同时向全部光感测像素100施加负偏置电压而不管栅极电压是否被施加到开关晶体管130。图8的光感测装置200’的其它元件和操作可以与参照图7描述的相同。
施加到遮光膜114的负偏置电压可以根据开关晶体管130的阈值电压偏移的量而变化。如上所述，包括氧化物半导体的开关晶体管130的阈值电压可以逐渐向负向偏移。因此，可以增加施加到遮光膜114的负偏置电压以补偿开关晶体管130的阈值电压的偏移。此外，因为开关晶体管130的阈值电压偏移在光感测装置200或200’的操作初期可以非常小，所以负偏置电压不是必须从操作的初期就被施加到遮光膜114。此外，不需要每次都调整施加到遮光膜114的负偏置电压，而是可以只有当开关晶体管130的阈值电压超过特定界限时才调整施加到遮光膜114的负偏置电压。
例如，图9是示出光感测装置200或200’的操作时间与开关晶体管130的阈值电压之间的关系的曲线图。参照图9，开关晶体管130的阈值电压在操作初期维持在最初设计的阈值电压Vth0。在时间t1，开关晶体管130的阈值电压减少到Vth1。连续地，随着光感测装置200或200’的操作，在时间t2，开关晶体管130的阈值电压减少到Vth2，并且在时间t3，该阈值电压减少到Vth3。此外，图10是示出施加到遮光膜114的负偏置电压与开关晶体管130的阈值电压之间关系的曲线图。参照图10，当负偏置电压是V1时，开关晶体管130的阈值电压增加ΔVth1，当负偏置电压是V2时，阈值电压增加ΔVth2，并且当负偏置电压是V3时，阈值电压增加ΔVth3。因此，当假设ΔVth1＝Vth0-Vth1、ΔVth2＝Vth0-Vth2并且ΔVth3＝Vth0-Vth3时，偏置电压V1可以在时间t1施加到遮光膜114，偏置电压V2可以在时间t2施加到遮光膜114，并且偏置电压V3可以在时间t3施加到遮光膜114。可以通过以这种方法调整施加到遮光膜114的负偏置电压来恒定地保持开关晶体管130的阈值电压。
图11是示出根据示例实施例的、调整偏置电压以向遮光膜114施加合适的负偏置电压的方法的流程图。参照图11，当光感测装置200或200’操作时，在操作S10中，实时监视光感测装置200或200’的操作时间。可以通过光感测装置200或200’的第一栅极驱动器210或210’执行操作S11。在操作S11中，通过使用如图9所示的光感测装置200或200’的操作时间与开关晶体管130的阈值电压之间的关系来预测开关晶体管130的阈值电压。可以通过实验预先测量光感测装置200或200’的操作时间与开关晶体管130的阈值电压之间的关系。测量数据可以存储在第一栅极驱动器210或210’中的存储器(未示出)中。第一栅极驱动器210或210’可以通过参照存储在存储器中的相关数据预测当前时刻开关晶体管130的阈值电压。
在操作S12中，确定预测的开关晶体管130的阈值电压是否在容许范围之外。例如，关于参考阈值电压的数据可以存储在第一栅极驱动器210或210’的存储器中。第一栅极驱动器210或210’比较预测的阈值电压与参考阈值电压。如果预测的阈值电压比参考阈值电压低，则方法进行到操作S13。在操作S13中，增加施加到遮光膜114的负偏置电压。如果预测的阈值电压在容许范围之内，则保持施加到遮光膜114的负偏置电压。例如，参照图9和图10，如果光感测装置200或200’的操作时间未度过时间t0，则施加到遮光膜114的负偏置电压维持在0V。当光感测装置200或200’的操作时间达到时间t1时，第一门驱动器210或210’将施加到遮光膜114的负偏置电压增加到V1。为此，先前测量的关于施加到遮光膜114的负偏置电压与开关晶体管130的阈值电压之间关系的数据可以存储在第一栅极驱动器210或210’的存储器中。
可以通过实际地测量开关晶体管130的阈值电压来调整负偏置电压。图12是示出根据另一示例实施例的、通过直接测量开关晶体管130的阈值电压来调整施加到遮光膜114的负偏置电压的方法的流程图。参照图12，当光感测装置200或200’操作的时候，在操作S20中，第一栅极驱动器210或210’测量开关晶体管130的阈值电压。例如，第一栅极驱动器210或210’可以实时测量开关晶体管130的阈值电压。然而，因为开关晶体管130的阈值电压偏移在较长时间中缓慢地发生，所以可以以预设的时间间隔测量阈值电压。此外，不是必须测量光感测装置200或200’中的全部开关晶体管130的阈值电压，而是可以仅测量期望(和/或可替换地，预选)数量的(例如，3到12个)开关晶体管130的阈值电压。
在操作S21中，第一栅极驱动器210或210’确定开关晶体管130的阈值电压是否在容许范围之外。如上所述，关于参考阈值电压的数据可以存储在第一栅极驱动器210或210’的存储器中。第一栅极驱动器210或210’比较测量的阈值电压与参考阈值电压。如果测量的阈值电压比参考阈值电压低，则方法进行到操作S22。在操作S22中，增加施加到遮光膜114的负偏置电压。可以通过参照预先存储在存储器中的图10的相关数据来确定偏置电压的增加量。可替换地，偏置电压可以增加预设的量。在操作S23中，再次测量变化了的开关晶体管130的阈值电压。在操作S24中，变化了的开关晶体管130的阈值电压与参考阈值电压进行比较。如果阈值电压仍在容许范围以外，则方法返回到操作S22。在操作S22中，再次增加施加到遮光膜114的负偏置电压。以这种方法，操作S22到操作S24可以被重复地执行，直到开关晶体管130的阈值电压在容许范围之内，即，直到开关晶体管130的阈值电压等于或高于参考阈值电压。
虽然已经具体地示出和描述了一些示例实施例，但本领域普通技术人员应该理解，可在形式和细节方面进行各种改变而不脱离权利要求的精神和范围。

Claims (34)

1.一种光感测装置，包括：
光感测像素的阵列，所述光感测像素中的每一个包括：
光传感器晶体管，被配置为感测光，
开关晶体管，被配置为输出来自光传感器晶体管的光感测信号，以及
在开关晶体管的光入射表面上的导电遮光膜；
第一栅极驱动器，被配置为向光感测像素中的每一个提供栅极电压和负偏置电压；以及
信号输出单元，被配置为从光感测像素中的每一个接收光感测信号，所述信号输出单元被配置为输出数据信号。
2.如权利要求1所述的光感测装置，其中所述第一栅极驱动器包括：
栅极线，其连接到所述光感测像素中的至少一个中的开关晶体管的栅电极，所述栅极线被配置为向该栅电极施加栅极电压，以及
偏置线，其连接到所述光感测像素中的至少一个中的导电遮光膜，所述偏置线被配置为向该导电遮光膜施加负偏置电压。
3.如权利要求2所述的光感测装置，其中
所述光感测像素的阵列包括按列和行排列的光感测像素，
所述第一栅极驱动器包括在行方向排列的多条栅极线，以及
所述栅极线中的每一条被配置为向沿同一行排列的光感测像素提供栅极电压。
4.如权利要求3所述的光感测装置，其中所述第一栅极驱动器包括：
在行方向排列的多条偏置线，并且
所述偏置线中的每一条被配置为向沿同一行排列的光感测像素提供负偏置电压。
5.如权利要求2所述的光感测装置，其中
所述第一栅极驱动器被配置为，向全部光感测像素同时提供相同的负偏置电压。
6.如权利要求1所述的光感测装置，还包括：
第二栅极驱动器，被配置为向所述光感测像素中的每一个提供复位信号。
7.如权利要求6所述的光感测装置，其中所述第二栅极驱动器包括：
复位线，其连接到所述光感测像素中的至少一个中的光传感器晶体管的栅电极，
所述复位线被配置为，向所述光感测像素中的至少一个提供复位信号。
8.如权利要求7所述的光感测装置，其中
所述光感测像素的阵列包括按列和行排列的光感测像素，
所述第二栅极驱动器包括在行方向排列的多条复位线，并且
所述复位线中的每一条被配置为向沿同一行排列的多个光感测像素提供复位信号。
9.如权利要求1所述的光感测装置，其中
所述光传感器晶体管包括包含氧化物半导体材料的沟道膜，并且
所述开关晶体管包括包含氧化物半导体材料的沟道膜。
10.如权利要求9所述的光感测装置，其中
所述光传感器晶体管的沟道膜和所述开关晶体管的沟道膜包括相同的氧化物半导体材料。
11.如权利要求9所述的光感测装置，其中所述光传感器晶体管的沟道膜和所述开关晶体管的沟道膜中的至少一个的氧化物半导体材料包括：
ZnO、InO、SnO、InZnO、ZnSnO、InSnO及其组合中的至少一个；以及
铪(Hf)、锆(Zr)、钛(Ti)、钽(Ta)、镓(Ga)、铌(Nb)、钒(V)、铝(Al)和锡(Sn)中的至少一个。
12.如权利要求1所述的光感测装置，其中所述光感测像素中的每一个包括：
衬底；
至少部分地在衬底上的第一栅电极和第二栅电极；
在衬底上以覆盖第一栅电极和第二栅电极的栅极绝缘膜；
在栅极绝缘膜和第一栅电极上的第一沟道膜；
在栅极绝缘膜和第二栅电极上的第二沟道膜；
在第一沟道膜的第一侧上的第一源/漏电极；
在第一沟道膜的第二侧和第二沟道膜的第一侧之间的第二源/漏电极；
在第二沟道膜的第二侧上的第三源/漏电极；以及
覆盖第一到第三源/漏电极以及第一沟道膜和第二沟道膜的透明绝缘层。
13.如权利要求12所述的光感测装置，其中
所述光传感器晶体管包括：
第一栅电极，
栅极绝缘膜的第一部分，
第一沟道膜，
第一源/漏电极，
第二源/漏电极的第一部分，以及
透明绝缘层的第一部分；以及
所述开关晶体管包括：
第二栅电极，
栅极绝缘膜的第二部分，
第二沟道膜，
第二源/漏电极的第二部分，
第三源/漏电极，以及
透明绝缘层的第二部分。
14.如权利要求12所述的光感测装置，其中
所述遮光膜至少部分地在透明绝缘层上以覆盖第二沟道膜。
15.如权利要求1所述的光感测装置，其中所述第一栅极驱动器被配置为，基于下述数据来调整所述光感测像素中的至少一个的负偏置电压：
预先测量的关于光感测装置的操作时间与开关晶体管的阈值电压之间关系的数据，
关于开关晶体管的参考阈值电压的数据，以及
预先测量的关于施加到遮光膜的负偏置电压与开关晶体管的阈值电压之间关系的数据。
16.如权利要求1所述的光感测装置，其中所述光感测像素中的每一个包括：
公共电极，其将光传感器晶体管的沟道膜连接到开关晶体管的沟道膜。
17.如权利要求1所述的光感测装置，其中所述光感测像素中的每一个包括：
在所述光传感器晶体管中的第一栅电极；
在第一栅电极上的光传感器晶体管的沟道膜；
在开关晶体管中的第二栅电极；以及
在第二栅电极与导电遮光膜之间的开关晶体管的沟道膜。
18.如权利要求17所述的光感测装置，其中所述光传感器晶体管的沟道膜和所述开关晶体管的沟道膜中的至少一个包括：
下沟道膜，
上沟道膜，以及
在下沟道膜和上沟道膜之间的中间沟道膜。
19.如权利要求18所述的光感测装置，其中所述下沟道膜和上沟道膜中的至少一个包括：
氧化物半导体材料，以及
III族、IV族、XIII族和XIV族元素中的至少一个。
20.如权利要求1所述的光感测装置，其中
所述光感测像素的阵列包括按列和行排列的光感测像素，
所述信号输出单元包括在列方向排列的多条数据线，并且
所述数据线中的每一条连接到沿同一列排列的全部光感测像素。
21.一种驱动光感测装置的方法，所述光感测装置包括被配置为输出来自光感测像素的光感测信号的开关晶体管和被布置为面对开关晶体管的导电遮光膜，所述方法包括：
操作光感测装置；
确定开关晶体管的阈值电压是否比参考阈值电压低；以及
如果确定阈值电压比参考阈值电压低，则向导电遮光膜施加负偏置电压，以使开关晶体管的阈值电压向正向偏移。
22.如权利要求21所述的方法，其中
当栅极电压被施加到开关晶体管时，所述负偏置电压被施加到遮光膜，并且
当停止向开关晶体管施加栅极电压时，停止向遮光膜施加所述负偏置电压。
23.如权利要求22所述的方法，其中
所述光感测装置包括按列和行排列的光感测像素的阵列，并且
在逐行的基础上顺序地向所述多个光感测像素中的开关晶体管和遮光膜分别提供所述栅极电压和所述负偏置电压。
24.如权利要求21所述的方法，其中
当所述光感测装置操作时，向所述遮光膜连续地施加负偏置电压。
25.如权利要求21所述的方法，其中确定开关晶体管的阈值电压是否比参考阈值电压低包括：
监视光感测装置的操作时间；
通过参照预先测量的关于光感测装置的操作时间与开关晶体管的阈值电压之间关系的数据，来预测开关晶体管的阈值电压；以及
比较预测的阈值电压与参考阈值电压。
26.如权利要求21所述的方法，其中确定开关晶体管的阈值电压是否比参考阈值电压低包括：
在光感测装置操作时，测量开关晶体管的阈值电压；以及
比较测量的阈值电压与参考阈值电压。
27.如权利要求26所述的方法，其中测量阈值电压包括：
以预设的时间间隔测量阈值电压。
28.如权利要求26所述的方法，其中阈值电压的测量使用光感测装置的第一栅极驱动器来测量该阈值电压。
29.如权利要求21所述的方法，其中向导电遮光膜施加负偏置电压以使开关晶体管的阈值电压向正向偏移包括：
基于预先测量的关于施加到遮光膜的负偏置电压与开关晶体管的阈值电压之间关系的数据，来调整负偏置电压。
30.如权利要求21所述的方法，其中向导电遮光膜施加负偏置电压以使开关晶体管的阈值电压向正向偏移包括：
(a)将负偏置电压增加预设的量，并且向导电遮光膜施加增加了的负偏置电压；
(b)确定开关晶体管的阈值电压是否比参考阈值电压低；以及
重复步骤(a)和(b)，直到开关晶体管的阈值电压等于或高于参考阈值电压。
31.如权利要求21所述的方法，其中
所述开关晶体管包括包含氧化物半导体材料的沟道膜。
32.如权利要求31所述的方法，其中所述氧化物半导体材料包括：
ZnO、InO、SnO、InZnO、ZnSnO、InSnO及其组合中的至少一个；以及
Hf、Zr、Ti、Ta、Ga、Nb、V、Al、Ga和Sn中的至少一个。
33.如权利要求21所述的方法，其中向导电遮光膜施加负偏置电压包括：
使用光感测装置的第一栅极驱动器向导电遮光膜施加负偏置电压。
34.如权利要求21所述的方法，其中
所述光感测装置包括多个开关晶体管；并且所述方法还包括，
在光感测装置操作时测量所述多个开关晶体管中的一些开关晶体管的阈值电压，以及
比较测量的阈值电压与至少一个参考阈值电压，以及
如果确定所述测量的阈值电压中的至少一个比参考阈值电压低，则向所述多个开关晶体管中的至少一个的导电遮光膜施加负偏置电压，以使所述多个开关晶体管中的至少一个的阈值电压向正向偏移。
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