TWI521686B - 光偵測器及其製造方法 - Google Patents

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Description

光偵測器及其製造方法
本發明是有關於一種光偵測器及其製造方法，且特別是有關於一種具有光轉換元件的光偵測器及其製造方法。
光偵測器可吸收光能而轉換成電子訊號，並藉此量測光通量或光功率，因此已廣泛地應用在數位照相機、錄影機、夜視鏡、自動照明設備、保全系統等各種領域中。柱狀結構的光轉換材料為目前常用的光轉換元件的材料之一。然而，習知技術在沉積柱狀結構的光轉換材料的初期會形成不規則的晶粒(grain)導致光散射的問題，進而使影像的解析度不好。
本發明提供一種光偵測器及其製造方法，可改善光散射的問題進而使影像的解析度增加。
本發明提出一種光偵測器，包括第一基板以及光轉換元件。第一基板具有感應元件陣列，此感應元件陣列用以接收特定 波長範圍的頻譜。光轉換元件位於感應元件陣列上，其中光轉換元件包括光轉換材料層以及經摻雜的光轉換材料柱狀結構層。經摻雜的光轉換材料柱狀結構層的發光頻譜與特定波長範圍重疊，且光轉換材料層的發光頻譜與特定波長範圍不重疊。
本發明另提出一種光偵測器的製造方法，其包括以下步驟。提供第一基板。在第一基板上形成感應元件陣列。於感應元件陣列上形成光轉換元件，其中光轉換元件包括光轉換材料層以及經摻雜的光轉換材料柱狀結構層。
基於上述，在本發明的光偵測器及其製造方法中，光轉換元件包括光轉換材料層以及經摻雜的光轉換材料柱狀結構層，其中經摻雜的光轉換材料柱狀結構層的發光頻譜與特定波長範圍重疊，且光轉換材料層的發光頻譜與特定波長範圍不重疊。在形成經摻雜的光轉換材料柱狀結構層之前，由於本發明是先形成具有較佳柱狀結構的光轉換材料層，再於此光轉換材料層上形成經摻雜的光轉換材料柱狀結構層，因此可避免在沉積經摻雜的光轉換材料柱狀結構層的初期形成不規則的晶粒，進而可改善光散射的問題使影像的解析度增加。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
10、10’‧‧‧第一基板
20、20’‧‧‧第二基板
30‧‧‧填充層
50、50’‧‧‧光偵測器
100、200、350‧‧‧基板
110‧‧‧感應元件陣列
120、170‧‧‧保護層
130‧‧‧光轉換元件
130a‧‧‧上表面
130b‧‧‧側表面
140‧‧‧光轉換材料層
150‧‧‧經摻雜的光轉換材料柱狀結構層
160‧‧‧反射層
180‧‧‧覆蓋層
300‧‧‧蒸鍍腔室
310‧‧‧光轉換材料蒸鍍源
320‧‧‧摻雜材料蒸鍍源
330a、330b‧‧‧載缽
340‧‧‧蒸鍍承載器
360、370‧‧‧擋板
圖1A至圖1E為依照本發明的一實施例之一種光偵測器的製造方法的剖面示意圖。
圖2A至圖2B為依照本發明的另一實施例之一種光偵測器的製造方法的剖面示意圖。
圖3為依照本發明的一實施例之蒸鍍腔室的剖面示意圖。
圖1A至圖1E為依照本發明的一實施例之一種光偵測器50的製造方法的剖面示意圖。
請參照圖1A，首先，提供基板100。基板100可為非反射基板(例如是玻璃基板、碳基板或其他非反射材質基板)或是反射基板(例如是鋁基板或其他反射材質基板)。在基板100上形成感應元件陣列110，此感應元件陣列110是用以接收特定波長範圍的頻譜(spectrum)。舉例來說，感應元件陣列110可包括非晶矽的光二極體(photodiode)，其吸收頻譜例如是介於450nm至620nm的波長範圍。接著，在具有感應元件陣列110的基板100上形成保護層120，且保護層120至少覆蓋感應元件陣列110。保護層120的材質例如是氮化矽、氧化矽、氮氧化矽或是其他光穿透率較佳的材料，其形成方法例如是化學氣相沉積法或是其他合適的製程方法。如此一來，本實施例的第一基板10包括基板100、感應元件陣列110以及保護層120。
請參照圖1B，提供另一基板200。基板200可為非反射 基板(例如是玻璃基板、碳基板或其他非反射材質基板)或是反射基板(例如是鋁基板或其他反射材質基板)。
接著，請參照圖1C，在一實施例中，當基板200為非反射基板(例如是玻璃基板、碳基板或其他非反射材質基板)時，較佳的是在基板200上進一步形成反射層160。此反射層160是用以使特定波長範圍的頻譜穿透且使其他波長範圍的頻譜反射。舉例來說，反射層160可設計成使X光穿透且使可見光反射。反射層160的材質例如是包括鋁、銀、鉻、銅、鎳、鈦、鎂、鉑、金或是其他金屬，其形成方法例如是化學氣相沉積法或物理氣相沉積法。然而，本發明不限於此。在另一實施例中，當基板200為反射基板(例如是鋁基板或其他反射材質基板)時，可不需在基板200上另外形成反射層160。值得一提的是所述鋁基板較佳的是具有較小的粗糙度(如鏡面)，以使基板200對特定波長的光線(例如是可見光)進行有效地反射。接著，在反射層160上形成保護層170，此保護層170是用以防止反射層160與其後所形成的光轉換元件產生交互作用。保護層170的材質例如是二氧化矽、二氧化鈦、三氧化二鋁、氧化鎂、氮化矽或其他光穿透率較佳的材料，其形成方法例如是化學氣相沉積法、物理氣相沉積法或旋轉塗佈法。
請參照圖1D，之後，在保護層170上形成光轉換元件130，此光轉換元件130可將一特定波長範圍的光線轉換成另一特定波長範圍的光線。舉例來說，光轉換元件130例如是閃爍體(scintillator)，其可將X光轉換成可見光。在本發明中，光轉換元 件130包括光轉換材料層140以及位於光轉換材料層140上之經摻雜的光轉換材料柱狀結構層150。光轉換材料層140的厚度實質上介於10微米至100微米之間，且光轉換材料柱狀結構層150的厚度實質上介於100微米至1000微米之間。在一實施例中，光轉換材料層140的材質包括純碘化銫(CsI)，其放射頻譜約為290~340nm。而經摻雜的光轉換材料柱狀結構層150的材質包括摻雜鉈的碘化銫(CsI：Tl)或是摻雜鈉的碘化銫(CsI：Na)。摻雜鉈的碘化銫(CsI：Tl)的放射頻譜約為450~650nm，且摻雜鈉的碘化銫(CsI：Na)的放射頻譜約為370~500nm。根據另一實施例，上述經摻雜的光轉換材料柱狀結構層150中可進一步摻雜銪離子(Eu+)或釤離子(Sm+)。由於銪離子(Eu+)和釤離子(Sm+)與摻雜鉈的碘化銫(CsI：Tl)發射出綠光。因此若在摻雜鉈的碘化銫(CsI：Tl)中摻雜Eu+或Sm+可減少輝光效應。
承上所述，本發明的經摻雜的光轉換材料柱狀結構層150的發光頻譜(450~650nm或370~500nm)與感應元件陣列110所接收之特定波長範圍(450~620nm)的頻譜重疊，且光轉換材料層140的發光頻譜(290~340nm)與感應元件陣列110所接收之特定波長範圍(450~620nm)的頻譜不重疊。換言之，由於上述之純碘化銫的發光頻譜在290奈米至340奈米之間，摻雜鉈的碘化銫的發光頻譜在450奈米至650奈米之間以及摻雜鈉的碘化銫的發光頻譜在370奈米至500奈米之間，且感應元件陣列110之非晶矽的光二極體的吸收頻譜在450奈米至620奈米之間，因此當X光通過光轉換 元件130之經摻雜的光轉換材料柱狀結構層150時所轉換成的光線(450~650nm或370~500nm)可被感應元件陣列110有效吸收，且通過光轉換材料層140時所發射出的光線(290~340nm)因與感應元件陣列110吸收光譜不匹配因而不會被感應元件陣列110吸收。如此一來，位於光轉換元件130底部的具有不規則的晶粒(grain)的光轉換材料層140所導致的光散射就不會被感應元件陣列110吸收，因而可提高偵測品質。
上述光轉換元件130的形成方法包括以下步驟。如圖3所示，首先在蒸鍍腔室300內的載缽(boat)330a與330b上分別設置光轉換材料蒸鍍源310以及摻雜材料蒸鍍源320。在一實施例中，光轉換材料蒸鍍源310包括純碘化銫蒸鍍源，而摻雜材料蒸鍍源320包括鉈蒸鍍源或是鈉蒸鍍源。另外，在蒸鍍腔室300內裝設至少一基板350，其設置在蒸鍍承載器(holder)340上。雖然圖3的蒸鍍腔室300內僅繪示一個基板，然，本發明不限於此，亦可裝設兩個以上的基板同時進行蒸鍍步驟。另外，在本實施例中，基板350為圖1C所示的已形成反射層160與保護層170的基板200。
本發明的光轉換元件130的形成方法包括蒸鍍步驟與共蒸鍍步驟。首先，對基板350進行蒸鍍步驟。即，打開擋板(shutter)360且加熱光轉換材料蒸鍍源310，以於基板350上形成光轉換材料層140。此蒸鍍步驟所形成的光轉換材料層140的厚度實質上介於10微米至100微米之間。接著，對基板350進行共蒸鍍步驟。 即，同時打開擋板360、370且同時加熱光轉換材料蒸鍍源310以及摻雜材料蒸鍍源320，以於光轉換材料層140上形成經摻雜的光轉換材料柱狀結構層150。此共蒸鍍步驟所形成的經摻雜的光轉換材料柱狀結構層150的厚度實質上介於100微米至1000微米之間。上述蒸鍍步驟以及共蒸鍍步驟的其他反應條件如下：基板350的溫度為攝氏100~200度，光轉換材料蒸鍍源310的溫度為攝氏620~680度，摻雜材料蒸鍍源320的蒸鍍速率為1~20埃/秒，且蒸鍍腔室300內的壓力為1E-2~1E-4托耳(Torr)。
於形成光轉換元件130之後，請再參照圖1D，接著，形成覆蓋層180覆蓋整個第二基板20之表面。然而，本發明不限於此。覆蓋層180亦可僅覆蓋光轉換元件130之上表面130a以及至少一側表面130b。此覆蓋層180覆蓋光轉換元件130之表面，可保護光轉換元件130減少其與環境中的水氣與氧氣反應，以有效地延長產品壽命。覆蓋層180的材質例如是玻璃或聚合物等。聚合物例如是包括聚對二甲苯(parylene)、聚醯亞胺(polyimide，PI)或聚乙烯對苯二甲酸酯(polyethylene terephthalate，PET)等。如此一來，本實施例的第二基板20包括基板200、反射層160、保護層170、光轉換元件130以及覆蓋層180。
請參照圖1E，然後，組立圖1A的第一基板10與圖1D的第二基板20，並在光轉換元件130與感應元件陣列110之間填入填充層30，以黏合第一基板10與第二基板20而形成光偵測器50。詳言之，填充層30是位於光轉換元件130的上表面130a上 的覆蓋層180與感應元件陣列110上的保護層120之間。填充層30例如是矽烷基類化合物、UV膠、透明光學膠(optically clear adhesive)、玻璃膠或熱固化膠等黏性材料。
由圖1E之實施例可知，光偵測器50包括基板100、基板200以及光轉換元件130。基板100具有感應元件陣列110，此感應元件陣列110用以接收特定波長範圍的頻譜。基板200設置在基板100的對向側。光轉換元件130位於感應元件陣列110與基板200之間，其中光轉換元件130包括光轉換材料層140以及經摻雜的光轉換材料柱狀結構層150。經摻雜的光轉換材料柱狀結構層150的發光頻譜與感應元件陣列110所接收之特定波長範圍的頻譜重疊，且光轉換材料層140的發光頻譜與感應元件陣列110所接收之特定波長範圍的頻譜不重疊。更詳細而言，光轉換元件130設置在基板200上。基板200與光轉換元件130之間可更包括設置反射層160，且光轉換材料層140位於反射層160以及經摻雜的光轉換材料柱狀結構層150之間。此外，本發明的光偵測器50可更包括保護層170、覆蓋層180及填充層30。保護層170位於反射層160與光轉換元件130之間。覆蓋層180覆蓋光轉換元件130之上表面130a以及至少一側表面130b。填充層30填充於光轉換元件130與感應元件陣列110之間。
值得一提的是，在上一實施例中，如圖1A至圖1E所示光轉換元件130是先形成在第二基板20上再與第一基板10黏合。也就是說，蒸鍍腔室300內所蒸鍍的基板350為圖1C所示的已形 成反射層160與保護層170的基板200。然而，本發明不限於此。在另一實施例中，如下文所述(如圖2A至圖2B所示)光轉換元件130亦可以是直接形成在基板100上。也就是說，蒸鍍腔室300內所蒸鍍的基板350亦可以是已形成有感應元件陣列110與保護層120的基板100(如圖1A所示的第一基板10)。
圖2A至圖2B為依照本發明的另一實施例之一種光偵測器50’的製造方法的剖面示意圖。此實施例與上述圖1A至圖1E之實施例相似，因此相同的元件以相同的符號表示，且不再重複說明。
請參照圖2A，首先，在已形成有感應元件陣列110與保護層120的基板100上形成光轉換元件130。此光轉換元件130的形成方法可使用圖3所示的蒸鍍腔室300進行如上所述之蒸鍍步驟與共蒸鍍步驟，其中位於蒸鍍腔室300中的基板350為已形成有感應元件陣列110與保護層120的基板100。
在已形成有感應元件陣列110與保護層120的基板100上形成光轉換元件130之後，請參照圖2B，接著，在光轉換元件130的上表面130a上依序形成保護層170與反射層160。然後，形成覆蓋層180以覆蓋整個第一基板10’之表面，而形成光偵測器50’。然而，本發明不限於此。覆蓋層180亦可僅覆蓋光轉換元件130之上表面130a以及至少一側表面130b。如此一來，本實施例的第一基板10’包括基板100、感應元件陣列110、保護層120、光轉換元件130、保護層170、反射層160以及覆蓋層180。
圖2B之實施例所示的光偵測器50’包括基板100以及光轉換元件130。基板100具有感應元件陣列110，此感應元件陣列110用以接收特定波長範圍的頻譜。光轉換元件130位於基板100上並覆蓋感應元件陣列110，其中光轉換元件130包括光轉換材料層140以及位於光轉換材料層140上之經摻雜的光轉換材料柱狀結構層150。經摻雜的光轉換材料柱狀結構層150的發光頻譜與感應元件陣列110所接收之特定波長範圍的頻譜重疊，且光轉換材料層140的發光頻譜與感應元件陣列110所接收之特定波長範圍的頻譜不重疊。更詳細而言，光轉換元件130設置在基板100之感應元件陣列110上。光轉換元件130之上表面130a被反射層160覆蓋，且經摻雜的光轉換材料柱狀結構層150位於光轉換材料層140以及反射層160之間。圖2B的實施例可更包括至少一覆蓋層180覆蓋反射層160。
綜上所述，在本發明的光偵測器及其製造方法中，光轉換元件包括光轉換材料層(例如純碘化銫)以及經摻雜的光轉換材料柱狀結構層(例如摻雜鉈的碘化銫或是摻雜鈉的碘化銫)，其中經摻雜的光轉換材料柱狀結構層的發光頻譜與感應元件陣列所接收之特定波長範圍的頻譜重疊，且光轉換材料層的發光頻譜與感應元件陣列所接收之特定波長範圍的頻譜不重疊。在形成經摻雜的光轉換材料柱狀結構層之前，由於本發明是先形成具有柱狀結構的光轉換材料層，再於此光轉換材料層上形成經摻雜的光轉換材料柱狀結構層，因此可避免在沉積經摻雜的光轉換材料柱狀結構 層的初期形成不規則的晶粒，進而可改善光散射的問題使影像的解析度增加。本發明先進行蒸鍍步驟形成具有較佳柱狀結構的光轉換材料層，再進行共蒸鍍步驟形成具有更佳柱狀結構的經摻雜的光轉換材料柱狀結構層，故本發明的光轉換元件具有良好的柱狀結構及優異的導光(light guide)功能。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
10‧‧‧第一基板
20‧‧‧第二基板
30‧‧‧填充層
50‧‧‧光偵測器
100、200‧‧‧基板
110‧‧‧感應元件陣列
120、170‧‧‧保護層
130‧‧‧光轉換元件
130a‧‧‧上表面
130b‧‧‧側表面
140‧‧‧光轉換材料層
150‧‧‧經摻雜的光轉換材料柱狀結構層
160‧‧‧反射層
180‧‧‧覆蓋層

Claims (20)

  1. 一種光偵測器，包括：一第一基板，其具有一感應元件陣列，該感應元件陣列用以接收一特定波長範圍的頻譜；以及一光轉換元件，位於該感應元件陣列上，其中該光轉換元件包括一光轉換材料層以及一經摻雜的光轉換材料柱狀結構層，該經摻雜的光轉換材料柱狀結構層的發光頻譜與該特定波長範圍重疊，且該光轉換材料層的發光頻譜與該特定波長範圍不重疊。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的光偵測器，其中該光偵測器包括X光偵測器。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的光偵測器，其中該感應元件陣列包括非晶矽的光二極體，且非晶矽的光二極體之該特定波長範圍的頻譜實質上介於450奈米至620奈米之間。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的光偵測器，其中該光轉換材料層包括純碘化銫，且純碘化銫之發光頻譜實質上介於290奈米至340奈米之間。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的光偵測器，其中該經摻雜的光轉換材料柱狀結構層包括摻雜鉈的碘化銫或是摻雜鈉的碘化銫。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的光偵測器，其中摻雜鉈的碘化銫之發光頻譜實質上介於450奈米至650奈米之間，且摻雜鈉的碘化銫之發光頻譜實質上介於370奈米至500奈米之間。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的光偵測器，其中該光轉換材料層的厚度實質上介於10微米至100微米之間，該經摻雜的光轉換材料柱狀結構層的厚度實質上介於100微米至1000微米之間。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的光偵測器，更包括一第二基板，設置在該第一基板的對向側，其中該光轉換元件設置在該第二基板上，該第二基板與該光轉換元件之間更包括設置一反射層，且該光轉換材料層位於該反射層以及該經摻雜的光轉換材料柱狀結構層之間。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的光偵測器，更包括一保護層，位於該反射層與該光轉換元件之間。
  10. 如申請專利範圍第8項所述的光偵測器，更包括一覆蓋層，覆蓋該光轉換元件之一上表面以及至少一側表面。
  11. 如申請專利範圍第8項所述的光偵測器，更包括一填充層，填充於該光轉換元件與該感應元件陣列之間。
  12. 如申請專利範圍第1項所述的光偵測器，其中該光轉換元件設置在該第一基板上並覆蓋該感應元件陣列，該光轉換元件之該上表面被覆蓋一反射層，且該經摻雜的光轉換材料柱狀結構層位於該光轉換材料層以及該反射層之間。
  13. 如申請專利範圍第12項所述的光偵測器，更包括至少一覆蓋層，覆蓋該反射層。
  14. 一種光偵測器的製造方法，包括：提供一第一基板； 形成一感應元件陣列於該第一基板上，其中，該感應元件陣列用以接收一特定波長範圍的頻譜；以及於該感應元件陣列上形成一光轉換元件，其中該光轉換元件包括一光轉換材料層以及一經摻雜的光轉換材料柱狀結構層，該經摻雜的光轉換材料柱狀結構層的發光頻譜與該特定波長範圍重疊，且該光轉換材料層的發光頻譜與該特定波長範圍不重疊。
  15. 如申請專利範圍第14項所述的光偵測器的製造方法，更包括：提供一第二基板，其中該光轉換元件形成在該第二基板上；形成一反射層於該第二基板與該光轉換元件之間，且該光轉換材料層位於該反射層以及該經摻雜的光轉換材料柱狀結構層之間；以及組立該第一基板與該第二基板，使得該經摻雜的光轉換材料柱狀結構層位於該光轉換材料層與該感應元件陣列之間。
  16. 如申請專利範圍第14項所述的光偵測器的製造方法，其中該光轉換元件形成在該第一基板上並覆蓋該感應元件陣列，且該光轉換元件之該上表面上更包括形成一反射層，以使得該經摻雜的光轉換材料柱狀結構層位於該光轉換材料層以及該反射層之間。
  17. 如申請專利範圍第15項或第16項所述的光偵測器的製造方法，其中形成該光轉換元件的方法包括：在一蒸鍍腔室內設置一光轉換材料蒸鍍源以及一摻雜材料蒸 鍍源；在該蒸鍍腔室內裝設至少一基板；使用該光轉換材料蒸鍍源對該基板進行一蒸鍍步驟，以於該基板上形成該光轉換材料層；以及使用該光轉換材料蒸鍍源以及該摻雜材料蒸鍍源對該基板進行一共蒸鍍步驟，以於該光轉換材料層上形成該經摻雜的光轉換材料柱狀結構層。
  18. 如申請專利範圍第17項所述的光偵測器的製造方法，其中該光轉換材料蒸鍍源包括一純碘化銫蒸鍍源，該摻雜材料蒸鍍源包括一鉈蒸鍍源或是一鈉蒸鍍源。
  19. 如申請專利範圍第17項所述的光偵測器的製造方法，其中於進行該蒸鍍步驟以及該共蒸鍍步驟時，該基板的溫度為攝氏100~200度，該光轉換材料蒸鍍源的溫度為攝氏620~680度，該摻雜材料蒸鍍源的蒸鍍速率為1~20埃/秒，且該蒸鍍腔室內的壓力為1E-2~1E-4托耳。
  20. 如申請專利範圍第14項所述的光偵測器的製造方法，其中該光轉換材料層的厚度實質上介於10微米至100微米之間，該經摻雜的光轉換材料柱狀結構層的厚度實質上介於100微米至1000微米之間。
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