CN100507684C - 光学传感器二极管 - Google Patents

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Abstract

本发明的光学传感器二极管包括一半导体层，该半导体层包括对其注入p型杂质的p区域、对其注入n型杂质的n区域和杂质浓度低于p与n区域的i区域，该光学传感器二极管还包括连接p区域的阳极、连接n区域的阴极以及在两电极之间插入绝缘膜置于i区域上方的栅极。根据本发明，栅极置于PIN型光学传感器二极管i区域上方，其间插入绝缘膜，这样，栅极电压可以控制电流开始流入光学传感器二极管时偏置电压的阈值。因此，即使处于辐射光的状态，也可防止漏电流流入不施加高于栅极电压的偏置电压的光学传感器二极管。

Description

光学传感器二极管
相关申请的交叉参照
本申请基于2000年8月30日提交的日本专利申请No.2002-254851和2001年9月26日提交的No.2002-281665并要求它们的优先权；其全部内容通过引用包括在这里。
发明背景
1.发明领域
本发明涉及在包括图像采集功能的显示装置中或在图像采集电路中抑制图像采集时的漏电流的技术。
2.相关技术的说明
液晶显示装置包括：包含在多条信号线和多条扫描线相互相交的各部分像素的像素阵列部分；以及驱动信号线与扫描线的驱动电路。随着最近集成电路技术的发展，适用于在阵列衬底上把部分驱动电路与像素阵列部分形成在一起的加工技术已付诸实用，因而整个液晶显示装置的重量与尺寸都得以减小，所以液晶显示装置诸如便携式电话和膝上计算机等各种便携设备的显示单元而得到广泛的应用。
顺便说一下，本文所提出的是一种显示装置，该显示装置在阵列衬底上设置了进行图像采集的接触型区域传感器。例如，日本专利待公开No.2001-292276和No.2001-339640都揭示了这种技术。
多晶硅比无定形硅具有更大的电子迁移率，因而为在阵列衬底上形成一部分驱动电路，会优先使用多晶硅。
但即使在阵列衬底上所制成的各种TFT(薄膜晶体管)的有源层是采用多晶硅制成，当在有源层中存在许多悬空键时，就存在漏电流流入TFT的问题。
为解决该问题，研究了使有源层氢化并中断悬空键的技术。但在上述的接触型区域传感器的场合中，存在的问题是，当中断有源层中的悬空键时，光灵敏度会降低。
此外，在应用于普通图像采集电路的光学传感器二极管中，即便反向偏置电压为OV，在辐射光时也会产生微弱的漏电流，从而劣化了图像采集的精度。
发明内容
第一发明的显示装置包括在信号线与扫描线各交点形成用于驱动像素的开关元件，和至少逐一分别对应于开关元件设置用于将指定范围内所接收到的光转换为电信号的光电转换元件。该光电转换元件在p层与n层之间有一I层，而I层的缺陷密度高于开关元件通道部分的缺陷密度。
根据本发明，光电转换元件I层内的缺陷密度高于开关元件通道部分里的缺陷密度，因此，既可抑制开关元件的漏电流，也可提高光电转换元件对光的灵敏度。
第二发明是第一发明的显示装置的制造方法。该方法包括步骤：在绝缘衬底上形成多晶硅层；在多晶硅层上形成第一绝缘层；把杂质离子注入在多晶硅层中分别形成开关元件和光电转换元件的区域；在第一绝缘层上形成第一金属层；通过第一金属层图形化以形成光电转换元件的第一栅板电极和开关元件的第二栅板电极；把杂质离子注入在多晶硅层内分别形成开关元件和光电转换元件的区域；多晶硅层氢化，使得形成光电转换元件的区域内的缺陷密度变得高于开关元件形成区域内的缺陷密度，并暴露出多晶硅层中形成开关元件和光电转换元件各电极的区域；以及在暴露出区域内形成第二金属层。
根据本发明，进行多晶硅层氢化，使得光电转换元件形成区域内的缺陷密度高于开关元件形成区域内的缺陷密度。因而，有可能制造可抑制开关元件漏电流并提高光电转换元件对光的灵敏度的显示装置。
第三发明的光学传感器二极管包括一半导体层，该半导体层包括对其注入p型杂质的p区域、对其注入n型杂质的n区域和杂质浓度低于p与n区域的i区域，该光学传感器二极管还包括连接p区域的阳极、连接n区域的阴极以及在两电极之间插入绝缘膜置于i区域上方的栅极。
根据本发明，栅极置于PIN型光学传感器二极管i区域上方，其间插入绝缘膜，这样，栅极电压可以控制电流开始流入光学传感器二极管时偏置电压的阈值。因此，即使处于辐射光的状态，也可防止漏电流流入不施加高于栅极电压的偏置电压的光学传感器二极管。
第四发明的图像采集电路包括多条安装在玻璃绝缘衬底上的信号线、多条安装成与信号线相交的选择线、相对于各选择线而安装的公共控制线、对各信号线设置的选择开关，以及设置于信号线与选择线各交点的栅控型光学传感器二极管，其中从阳极和阴极里选择一个接信号线，另一个接选择线，而将栅极接公共控制线。
根据本发明，从栅控型光学传感器二极管的阳极和阴极里选择一个接图像采集电路的信号线，另一个接选择线，并把栅极接公共控制线，这样在电流开始流入光学传感器二极管时，通过公共控制线加到栅极的电压就能控制偏置电压的阈值。
第五发明是适用于驱动第四发明的图像采集电路的方法。该方法包括步骤：对公共控制线加一固定电压；接通对其连接检测光量的光学传感器二极管的信号线选择开关；和对连接检测光量的光学传感器二极管的选择线施加大于固定电压的电压。
根据本发明，通过公共控制线对所有光学传感器二极管的栅极施加固定电压，测定电流开始流动时的偏置电压阈值。接通连接光学传感器二极管的信号线以检测其光量的选择开关，对其连接光学传感器二极管以检测其光量的选择线施加大于加给栅极的电压的偏置电压，因此，只有来自光学传感器二极管的电流才流入信号线。
附图简介
图1是显示根据第一实施例显示装置示意结构的电路框图。
图2是详细显示图1所示的像素阵列部件部分的电路框图。
图3是显示图2部分的详细电路图。
图4是显示图3所示缓冲器内部结构的电路图。
图5是显示图1所示显示装置结构的简化剖视图。
图6是显示在第一实施例显示装置中的图像采集期间的操作时序图。
图7A-7E是n沟道TFT制造的加工工艺图。
图8A-8E是p沟道TFT制造的加工工艺图。
图9A-9E是光电二极管制造的加工图。
图10显示了栅极长度与漏电流的关系曲线。
图11A是显示光电二极管结构的平面图，图11B是图11A的剖视图。
图12A是显示TFT结构平面的图，图12B是图12A的剖视图。
图13A是显示光电二极管氢化状态的剖视图，图13B是显示TFT氢化状态的剖视图。
图14是显示第二实施例的光学传感器二极管结构的剖视图。
图15是显示应用图14的光学传感器二极管的电路配置的电路图。
图16是显示了在图15所示电路图中将栅极电压Vgn置OV时的光学传感器二极管的电流-电压特性曲线。
图17显示了在图15所示电路图中将固定电压当作栅极电压施加时的光学传感器二极管的电流-电压特性曲线。
图18是显示光学传感器二极管另一种配置的剖视图。
图19是显示应用第三实施例的光学传感器二极管的电路配置的电路图。
图20显示了在图19所示电路图中将固定电压当作栅极电压Vgp施加时的光学传感器二极管的电流-电压特性曲线。
图21是显示应用前述光学传感器二极管的另一种电路配置的电路图。
图22是显示应用前述光学传感器二极管的另一种电路配置的电路图。
图23是显示应用前述光学传感器二极管的还有一种电路配置的电路图。
图24是显示图23所示电路结构的平面图。
图25是图24中XXV-XXV部分的剖视图。
图26是图24中XXVI-XXVI部分的剖视图。
图27是显示图23所示另一电路结构的平面图。
图28是图27中XXVIII-XXVIII部分的剖视图。
图29是图27中XXIX-XXIX部分的剖视图。
图30是显示图23所示电路另一结构的静电电容部的剖视图。
图31是显示图23所示电路又一结构的静电电容部的剖视图。
图32是显示应用第四实施例光学传感器二极管的图像采集电路配置的电路图。
实施例描述
1.第一实施例
如图1的电路框图所示，第一实施例的显示装置包括：在玻璃制作的绝缘衬底上，诸像素置于信号线与扫描线各交点的像素阵列部1；驱动信号线的信号线驱动电路2；驱动扫描线的扫描线驱动电路3；采集并输出图像的检测/输出电路4；和控制图像采集传感器的传感器控制电路5。检测/输出电路4包括用于图像采集的模/数转换电路和用于输出的平行/串行转换电路。上述这些电路构成地块阵列衬底。
如图2所示的详细电路框图，像素阵列部1具有：驱动形成于垂直与水平安装的信号线和扫描线(栅线)各交点的像素的开关元件11；连接在各开关元件11一端与辅助电容线之间的液晶电容C1和辅助电容C2；和对每个开关元件11设置的图像采集传感器12a与12b。传感器12a与12b连接未图示的电源线与控制线。各像素依次设置，对应于红(R)、绿(G)、兰(B)。这里作为一实例，假定开关元件11用薄膜晶体管构成，下称像素TFT。
如图3的电路图所示，传感器12a与12b分别具有作为光电转换元件的光电二极管D1、D2和传感器开关晶体管Q1、Q2。光电二极管D1和D2分别输出电信号，且对应于由此接收的光量。传感器开关晶体管Q1和Q2连接传感器开关线，并根据经传感器开关线提供的信号PAR，交替选择一个像素内光电二极管D1和D2之一。
各像素具有；两只传感器12a与12b；由同一像素内两只传感器12a与12b所共用的电容器C3；存贮对应于电容器C3内累积电荷的二进制数据的缓冲器13；对缓冲器13作写控制的晶体管Q3；和对缓冲器13和电容器C3初始化的复位晶体管Q4。晶体管Q3的开/关由信号SPOLA控制。晶体管Q4的栅极接复位线，Q4的开/关由信号RST控制。
缓冲器13包括一静态RAM(SRAM)。如图4的电路图所示，例如缓冲器13的结构具有：两个串接的反相器IV1与IV2；接在后一反相器IV2输出端与前一反相器IV1输入端之间的晶体管Q5；和接后一反相器IV2输出端的输出晶体管Q6。
信号SPOLB为高电平时，晶体管Q5接通，两反相器IV1与IV2作保持操作。晶体管Q6的输出中断检测线，Q6接通时，反相器IV1和IV2所保持的数据输出给检测线作为信号OUTi。
本例的显示装置可作正常显示操作的类似于扫描仪所执行的图像采集。作正常显示操作时，晶体管Q3置于其关状态，无有效数据存入缓冲器13。信号线驱动电路2向该信号线提供对应于视频数据的信号线电压，该电压经像素TFT11供给液晶，执行正常显示操作。
同时，在图像采集时，如图5的剖视图所示，把图像采集目标22(如一张纸)置于阵列衬底21的上表面侧，来自背光23的光通过相对的衬底24、液晶与阵列衬底21照射到纸22上，阵列衬底21里的传感器12a与12b接收纸22反射的光，进行图像采集。获得的图像数据暂存入缓和冲器13，以后经检测线送给示图示的CPU。该CPU接收本例显示装置输出的数字信号，并执行再编排数据、消除数据的噪声等操作处理。注意，CPU可以包括一块半导体芯片或多块半导体芯片。
接着，用图6的时序图描述图像采集操作。作为实例，假设像素阵列部1包括320×240点的像素，有240根栅线。
首先，在时刻t1，信号PAR达到高电平，晶体管Q1接通，选择传感器12a。
在时间t1—t2，连续地逐一驱动像素阵列部1的栅线，所有像素设置成相同颜色，如白色。
在时刻t3，信号RST、SPOLA和SPOLB都设置成高电平，晶体管Q3—Q5全接通，因而将初值置入缓冲器13和电容器C3。
在时刻t4，信号RST达到低电平，传感器12a和12b开始图像采集。当传感器12a与12b中的光电二极管D1与D2接收到纸22反射的光时，累积在电容器C3里的电荷就通过光电二极管D1和D2流向接地端GND。具体地说，是光漏电流的流动，因而减少了电容器C3的累积电荷。
在时刻t5，信号SPOLA达到高电平，晶体管Q3接通，将此时对应于电容器C3累积电荷的二进制数据存入缓冲器13。
在时刻t6，信号SPOLB达到高电平，晶体管Q5接通，缓冲器13开始保持操作。之后在时刻t7，把存在缓冲器13里的数据连续供给各像素的检测线并送到未图示的CPU。
对图3所示的各像素设置缓冲器13的理由如下：因电流通过传感器12a与12b里的光电二极管D1与D2流动，而且通过像素里各晶体管流动，故电容器C3的累积电荷产生泄漏。这样，随着时间的消逝，电容器C3的累积电荷减少了，而且还降低了C3两端的电压。因此，对各像素设置了缓冲器13，C3的累积电荷在泄漏之前被传到缓冲器13，所以能使图像采集不受泄漏的影响。如上所述，把SRAM用作缓冲器13的原因在于，即使照射几十万勒的光，SRAM也不存在造成逻辑反转等差错的风险。
在时刻t8之后，传感器切换信号PAR达到低电平，本例显示装置通过切换传感器12a与12b，进行图像采集。
像素阵列部1和各晶体管，包括用于各电路2—5的像素TFT11，全部位于本例的阵列衬底21上，均为n或p沟道TFT(下统称为TFT)，用一般制造工艺形成。
下面用图7A-7E和8A-8E描述n与p沟道TFT的制造过程。
首先，在玻璃绝缘衬底31上，用CVD形成由SiNx、SiOx等组成的底涂层，原因是这样可防止杂质扩散入做在绝缘衬底31上的诸元件。
然后，在绝缘衬底31上用PECVD或溅射法等形成无定形硅膜后，用激光照射使无定形硅膜结晶，形成多晶硅膜32。
接着，对多晶硅膜32形成图形，用PECVD、ECRCVD等法形成由SiOx膜组成的第一绝缘层33。之后，将低浓度硼离子作为杂质注入多晶硅膜32中形成n和p沟道TFT的区域，从而形成p-层(图7A和图8A)。
然后，用光刻胶34作掩膜，把磷离子注入形成了n沟道TFT的区域，并在一部分多晶硅膜32中形成n+层(图7B)。光刻胶34防止磷离子注入形成p沟道TFT的区域(图8B)。
然后，用Mo-Ta、Mo-W等在第一绝缘层33上形成第一金属层，并对其形成图形而形成第二栅极35b。之后用光刻胶34作掩膜，把硼离子作为杂质注入形成p沟道TFT的区域(图8C)。光刻胶34防止硼离子注入到形成n沟道TFT的区域(图7C)。
接着，用光刻胶34作掩膜，把低浓度磷离子注入形成n沟道TFT的区域(图7D)。多晶硅膜直接位于被光刻胶34掩蔽的斑点下面，保持为p-层。光刻胶34防止磷离子注入到形成p沟道TFT的区域(图8D)。注意，若不用光刻胶34，也可对第一金属层图形化使之具有预定形状。光刻胶34和第一金属层具有同样的阻塞离子注入的效果，考虑到各种制造加工条件，可以使用更有利的一种方法。
然后，进行所谓的氢化。氢化是使衬底暴露于氢等离子体的工艺，该工艺采用CVD设备来实施。氢化使多晶硅膜32中形成TFT沟道的区域里的悬空键中断，其目的是抑制TFT的漏电流。衬底暴露于氢等离子体时，氢被栅极35b阻断，从不存在栅极35b部分的周围进入多晶硅膜32。下面再详述这种氢化处理。
氢化处理后，采用同一CVD设备在第一绝缘层33上形成由SiOx组成的第二绝缘层36。然后，设置一接触孔，使n与p沟道TFT的一区域露出，在该露出区域内形成第二金属层37。将第二金属层37图形化，形成源、漏极(图7E和8E)。最后，形成作为钝化膜的SiN膜，制成n与p沟道TFT。
接着，用图9A-9E描述具有PIN结构的光电二极管D1与D2的制造过程。基本上，光电二极管D1和D2最好是具有包括p+层、p-层、n-层和n+层的PIN结构，因为PIN结构有宽的耗尽层和良好的光电转换效率。这里的I层相当于包括形成在p+层与n+层之间的p-层与n-层的层。n-层可有效地抑制热漏电流。热漏电流抑制得越多，光电流的通/断比就越高。
在光电二极管D1与D2的制造过程中，首先在绝缘衬底31上用PECVD、溅射等方法形成无定形硅膜，之后用激光照射法使无定形硅膜结晶，形成多晶硅膜32。然后对多晶硅膜32图形化，用PECVD、ECR-CVD等方法形成由SiOx膜组成的第一绝缘层33。之后，采用低浓度硼离子作为杂质注入多晶硅膜32中形成光电二极管D1与D2的区域，从而形成p-层(图9A)。
然后，用光刻胶34作掩膜，将磷离子注入到部分多晶硅膜32，从而形成n+层(图9B)。
接着，在第一绝缘层33上形成第一金属层，并对其图形化而形成第一栅极35a。之后用光刻胶34作掩膜，将硼离子作为杂质注入形成光电二极管D1与D2的区域，从而在部分多晶硅膜32中形成p+层(图9C)。
然后，用光刻胶34作掩膜，将把低浓度磷离子注入多晶硅膜32(图9D)。直接位于光刻胶34掩蔽的斑点下面的多晶硅膜保持为p-层。注意，若不用光刻胶34，可使用图形化成预定形状的第一金属层。光刻胶34和第一金属层具有同样的阻断离子注入的效果。考虑到各种制造加工条件，可作用其中更有利的一种方法。之后对I层氢化，下面再详述。
接着，在第一绝缘层33上形成第二绝缘层36，再设置一接触孔，暴露出形成光电二极管电极的区域，在该暴露区域内形成第二金属层37，并使该金属层图形化，使之具有预定形状(图9E)。
图9A-9E所示的光电二极管可用图7A-7E和图8A-8E所示TFT同样的工艺制造。具体而言，图7A、8A和9A以同一工艺实现。同样地，图7B、8B与9B以同一工艺实现，图7C、8C与9C用同一工艺实现，图7D、8D与9D用同一工艺实现，图7E、8E与9E也以同一工艺实现。这样，通过相同的制造工艺，可降低制造成本。
如上所述，本例在任一场合中，形成TFT或光电二极管时都要作氢化，但在形成光电二极管时，与形成TFT相比，要限制氢化的进程，理由如下：尤其在TFT情况下，多晶硅膜32中的悬空键较佳地用氢化来中断的，这样可减小漏电流。而在光电二极管情况下，若不中断多晶硅膜32里的悬空键，就提高了捕获电平，可改善光电转换效率。其具体理由是：当能量大于给定能隙Eg的光入射时，便生成电子和空穴，产生光漏电流。因而在许多悬空键存在于光电二极管里时，增大了捕获电平，所以即使是能量小于给定能隙的光，也可作光电转换。
本申请发明人通过实验证实，栅极长度越长，光漏电流就增大，如图10所示。因此，在本例中，设置在图12A与12B所示TFT沟道上的第二栅极的长度LT(下称TFT栅长)，做得短于由MoW构成并置于图11A与11B所示光电二极管D1与D2的I层上的第一栅极的长度LP(下称光电二极管栅长)。注意，图11B表示第一栅极形成在光电二极管D1和D2的p-层上的情况。
光漏电流能被栅长可变地控制的理由如下。如图13A中光电二极管D1和D2的剖视图和图13B中TFT的剖视图所示，出现氢化从栅极端部在环绕该栅极的情况，因而栅长越长，就更不易在直接低于栅极的斑点附近发生氢化。所以把光电二极管D1与D2的栅长做得比TFT的栅长更长，以便相比于TFT，可防止氢化对光电二极管D1与D2的进程。这样，光电二极管中被中断的悬空键的比例做得比TFT的更小，因此由于悬空键未在光电二极管D1与D2的I层中被中断而造成的缺陷密度，做得高于TFT沟道部分里的缺陷密度。
例如，置于图11B所示光电二极管p-层上的第一栅极的栅长，做得比置于图12B所示TFT沟道部分上的第二栅极的栅长更长，因而D1和D2中p-层内的缺陷密度要高于TFT沟道部分内的缺陷密度。
此外，控制氢化时间也会造成氢化进程的差异。具体而言，氢化时间越短，被中断悬空键的比例就越小，因而光电二极管D1与D2的I层的氢化时间要比TFT沟道部分的氢化时间更短。这样，中断光电二极管的悬空键中断的比例要比TFT的更小，因此光电二极管D1与D2的I层内的缺陷密度要高于TFT11沟道部分里的缺陷密度。
如上所述，本例在显示装置制造过程中，相对于像素TFT11沟道部分的氢化，要阻止光电二极管D1与D2的I层里氢化的进程。相应地，中断于D1与D2的中断的悬空键比例要比TFT的更小，因而D1与D2中I层的缺陷密度高于像素TFT11沟道部分的缺陷密度，所以在抑制像素TFT11的漏电流时，还可提高D1与D2对光的灵敏度。
此外，还知道，即使不照射光，也会出现热漏电流。热漏电流用LDD层(图9E中的n-层部分)抑制。此外，栅长越长，可抑制更多的热漏电流。因而在TFT中，为抑制光与热两种漏电流，设置了多根短栅长的栅极，采用所谓的双栅或三栅结构。因此，较佳地以短栅长方便于氢化进程而抑制光漏电流，并加长总栅长来抑制热漏电流。
出于上述理由，在本例中，在光电二极管D1与D2(图11A)和像素TFT11等TFT中，单根栅极的栅长Lp为6μm，而晶体管Q1—Q4的具有双栅结构。且使用两根栅长LT为3μm的栅极(图12A)。
注意，本例描述了一例用光电二极管D1与D2来构成光电转换元件，但这类元件也可用TFT构成，此时，成为光电转换元件的TFT的栅长做得比其它TFT的更长，可获得与本实施例相似的效果。
2.第二实施例
如图14的剖视图所示，在第二实施例的光学传感器二极管中，在玻璃绝缘衬底101上用等离子体CVD法形成厚约150nm的硅膜102，它由氮化硅、氧化硅或其层迭所构成。在硅膜102上，形成多晶硅组成的半导体层110，厚约50nm。通过依次相邻地设置注入p型杂质的p区域111、几乎不含杂质的i区域112和注入n型杂质的n区域113，形成该半导体层110。在p区111中，例如注入约1×1019原子/cm3高浓度的硼，在n层113中注入1×1019原子/cm3高浓度的磷。I区112可以是注入硼或磷的区域，浓度诸如1×1015原子/cm3，比p区111和n区113低，以防不希望的杂质引起特性波动。
在其上已形成了半导体层110的硅膜102上，形成作为绝缘膜的氧化硅膜103，厚约50—100nm。在该氧化硅膜103上，形成厚约300nm由钼钨合金制作的栅极114，用于至少覆盖I区112。此时，在氧化硅膜103上再形成氧化硅膜104，并在其上分别对应于p区111和n区113的位置，形成由钼与铝层压膜制作的阳极115和阴极116。具体而言，各电极尖端约600nm厚，形成阳阴极115与116的各主体部，贯穿氧化硅膜103和104中的接触孔分别与p区111和n区113接触。此时，在氧化硅膜104上再形成氮化硅膜105。
如上所述，本例的光学传感器二极管有这样一种结构，其栅极114位于光学传感器的pin型薄膜二极管I区112的上方，其间插有绝缘膜。
如图15的电路图所示，在一例应用本实施例的光学传感器二极管的电路中，光学传感器二极管100的阳极115加编压Vpn，栅极114加栅极电压Vgn，阴极116接地。
图16的曲线显示了图15所示电路图中把栅极电压置成0V时的电流-电压特性。具体而言，该曲线对应于普通无栅极的光学传感器二极管的电流-电压特性，显示了不照射光时的特性401和照射光时的特性402。照射光时，在Vpn＝OV，反向偏置电流开始流入光学传感器二极管100，出现漏电流。
图17的曲线显示了在图15所示电路图中施加作为栅极电压Vgn的固定反偏置电压时的光学传感器二极管100的电流-电压特性。该曲线显示了不照射光的特性403和照射光的特性404。在Vgn<Vpn<0范围内，得到绝对无电流流动的不同特性。该特性表明无电流开始流动，直到阳阴极端子115与116之间的反向偏置电压变得高于加给栅极114的反向偏置电压。具体而言，该特性表明，电流开始流入光学传感器二极管时，栅极电压Vgn能控制偏置电压的阈值。
如上所述，根据本例，栅极114位于pin型光学传感器二极管i区112上方，其间插有绝缘膜，在电流开始流入光学传感器二极管时，栅极电压可控制偏置电压的阈值。因此，即使照射光时，可防止漏电流流入不对其施加高于栅极电压的偏置电压的光学传感器二极管。
本例中，作为设置栅极114的光学传感器二极管，使用了图14所示剖视结构的一种，但光学传感器二极管并不受此限制，如图18的剖视图所示，也可令人满意地应用包括在i区112与n区113之间注入约1×1017原子/cm3低浓度磷的n区201的光学传感器二极管。
在这种情况下，依次相邻地设置注入高浓度硼的p区111、几乎不含杂质的I区112、注入低浓度磷的n区201和注入高浓度磷的n区113，形成半导体层110。而且像上述情况那样，此时可得到图17所示的电流-电压特性，即使照射光时，也可防止漏电流流入不加偏置电压的光学传感器二极管。注意，图18中，与图14相同的构成元件标以同样的标号，这里不再复述。
本例的光学传感器二极管可用于第一实施例的光电二极管D1和D2。
3.第三实施例
如图19的电路图所示，在第三实施例的电路配置中，对光学传感器二极管100的阴极116加偏置电压Vnp，对栅极114加栅极电压Vgp，阳极115接地。
图20的曲线显示了在图19所示电路图中施加作为栅极电压Vgp的固定电压时的光学传感器二极管100的电流-电压特性。该曲线显示出在光学传感器二极管100上不照射光时的特性405和照光时的特性406。该曲线示出了良好的特性，在0≤Vgp≤Vnp范围内，照光时的电流(下称照射电流)与不照光时的电流(下称不照射电流)的电流比，即照射电流/不照射电流之此达到二位数或更大。尤其在Vgp＝Vnp/2处，曲线示出最大电流比。下面描述考虑到这些特性的电路配置。
在图21的电路图中，栅控型光学传感器二极管100的栅极114接阴极116，并对栅极114和阴极116都加偏置电压Vnp，阳极115接地。这种结构的Vgp＝Vnp，具有良好的照射电流/不照射电流比。
在图22的电路图中，栅控型光学传感器二极管100的栅极114接阳极115，栅极114和阳极115都接地。对阴极116加偏置电压Vnp。这种结构的Vgp＝0，有良好的照射电流/不照射电流比。
在图23的电路图中，栅控型光学传感器二极管100的栅极114经第一静电电容元件701接阳极115，而且经等效于静电电容元件701的表电电容的静电电容元件702接阴极116；阳极115接地，对阴极116加偏置电压Vnp。该结构的Vgp＝Vnp/2，有最佳的照射电流/不照射电流比。
静电电容元件分别设置在栅极114与阳极115之间和栅极114与阴极116之间，因而栅极114的电位总是在阳极电位与阴极电位之间的中间电位。这样不存在诸如外围布线的感应电动势，静电或表面电荷引起的扰动，所以电阻决不会有显著变化，并且能稳定而精确地检测光量。
下面参照图24的平面图和图25与26描述图23所示的静电电容元件701和702的结构。图25是图24中设置静电电容元件701和702的XXV-XXV部分的剖视图。图26是图24中设置光学传感器二极管100的XXVI-XXVI部分的剖视图，基本上显示出了类似于图18所示的光学传感器二极管剖面的结构。
如图25所示，在绝缘衬底101上用等离子体CVD法形成厚约150nm的硅膜102，并在其上形成分别厚50nm的分开的多晶硅膜801和804。把浓度高达1×1019原子/cm3的硼或磷注入多晶硅膜801和804，另在硅膜102上形成厚50—100nm的氧化硅膜103。在氧化硅膜103上，分别在多晶硅膜801与804上方的位置，各自形成厚约300nm由钼钨合金制作的上电极802与805，此时，再在氧化硅膜103上形成氧化硅膜104。在氧化硅膜104上，在对应于多晶硅膜801与804的位置，分别形成尖端部厚600nm由钼与铝层压膜制作的引出电极803与806。引出电极803与806的主体部形成，使之通过贯穿氧化硅膜103和104的接触孔分别与多晶硅膜801和804接触。在氧化硅膜104上形成氮化硅膜105。
在图26所示半导体层110的同一层中，形成多晶硅膜801与804，并以相当于p区111和n区113的浓度对其注入杂质。与图26所示的栅极114一样，形成上电极802与805。与阳极115一样形成引出电极803，与阴极116一样形成引出电极806。
如上所述，利用上电极802重叠多晶硅膜801的部分形成静电电容元件701，利用上电极805重叠多晶硅膜804的部分形成静电电容元件702，因而在形成光学传感器二极管100时，能同时形成静电电容元件701和702。
接着，参照图27平面图、图28和29描述图23所示的另一电路结构。图28是图27中设置静电电容元件701与702的XXVIII-XXVIII部分的剖视图。图29是图27中设置光学传感器二极管100的XXIX-XXIX部分的剖视图，基本上显示出了类似于图18所示光学传感器二极管剖面的结构。
如图28所示，在绝缘衬底101上用等离子体CVD法形成厚150nm的硅膜102，并在其上形成厚50-100nm的氧化硅膜103。在氧化硅膜103上，分别形成由钼钨合金制作的厚300nm的下电极901和903。另在氧化硅膜103上形成氧化硅膜104，在其上面，分别在下电极901与903上方形成钼与钨层压膜制作的厚600nm的引出电极903和904。此时，再在氧化硅膜104上形成氮化硅膜105。
下电极901与903同图29所示的栅极114一样形成，引出电极902与阳极115一样形成，引出电极904与阴极116一样形成。
如上所述，利用引出电极902重叠下电极901的部分形成静电电容元件701，利用引出电极904重叠下电极903的部分形成静电电容元件702。这样在形成光学传感器二极管100时，能同时形成静电电容元件701与702。
图30是表示图23所示电路又一结构的剖视图，基本结构与图14的剖视图所示的相近，但在图30中，形成的栅极114重叠p区111与n区113。栅极114重叠p区111的部分形成静电电容元件701，栅极114重叠n区113的部分形成静电电容元件702。注意，与图14中同样的构成元件标以同样的标号，这里不再复述。
下面用图31的剖视图描述图23所示电路的再一种结构。图31中，在氧化硅膜104上分别形成重叠栅极114的阳极115和阴极116，阳极115重叠栅极114的部分形成静电电容元件701，阴极116重叠栅极114的部分形成静电电容元件702。注意，与图14中相同的构成元件标以同样的标号且不再复述。
运用图30或31的结构，能在形成光学传感器二极管100时同时形成静电电容元件701和702。
故根据本例，如图21所示，栅极114连接阴极116，栅极电压Vgp变成等于偏置电压Vnp，故能得到良好的照射电流/不照射电流比。
根据本例，如图22所示，栅极114连接阳极115，故有良好的照射电流/不照射电流比。
根据本例，如图23所示，第一静电电容元件701形成在栅极114与阳极115之间，第二静电电容元件702形成在栅极114与阴极116之间，结果栅极电压Vgp变为偏置电压Vnp的一半，得到最佳的照射电流/不照射电流比。
根据本例，如图25所示，第一静电电容元件701由与半导体层110同一层中的多晶硅膜801与为形成在多晶硅膜801上的栅极114所共有的上电极802之间的重叠部分构成，而且第二静电电容元件702由与半导体层110同一层中的多晶硅膜804与为形成在多晶硅膜804上方的栅极114所共有的上电极805之间的重叠部分构成，故在形成光学传感器二极管100时，能同时形成静电电容元件701和702。
根据本例，如图28所示，第一静电电容元件701由为栅极114所共有的下电极901与为位于下电极901上方的阳极所共有的引出电极902之间的重叠部分构成，而第二静电电容元件702由为栅有114所共有的下电极903与为位于下电极903上方的阴极所共有的引出电极904之间的重叠部分构成，故在形成光学传感器二极管100时，能同时形成静电电容元件701和702。
根据本例，如图30所示，第一静电电容元件701由p区111和形成与其重叠的栅极114之间的重叠部分构成，而第二静电电容元件702由n区113和形成与其重叠的栅极114之间的重叠部分构成，故在形成光学传感器二极管100时，能同时形成静电电容元件701和702。
根据本例，如图31所示，第一静电电容701由栅极114和形成与其重叠的阳极115之间的重叠部分构成，而第二静电电容元件702由栅极114和形成与重叠的阴极116之间的重叠部分构成，故在形成光学传感器二极管100时，能同时形成静电电容701和702。
本例所讨论的光学传感器二极管适用于第一实施例所讨论的光电二极管D1和D2。
4.第四实施例
第四实施例将描述第二和三实施例的光学传感器二极管都适用的一种图像采集电路。在图32的图像采集电路中，多根信号线602a、602b……和多根选择线603a、603b……都安装在玻璃绝缘衬底上，使之相互交叉，在其各个交点逐一设置了光学传感器二极管100a、100b……。信号线602a、602b……通过各自的选择开关605a、605b……连接电流放大器606。
各光学传感器二极管100的布线基于图15所示的电路配置。具体而言，阴极端子接对应于某一二极管的选择线603，阳极端子接对应于该二极管的信号线602，栅极端子接为所有二极管所共有的公共控制线601。如在光学传感器二极管1006中，阴极端子接选择线603b，阳极端子接信号线602a。
接着，描述本例图像采集电路的驱动方法。首先，将所有选择线603的电位置0V，对公共控制线601加例如3V的反偏置电压，因而所有光学传感器二极管100中绝对无电流流动，直到通过选择线603施加3V或更大的反偏置电压。例如，在对本例电路照射光的状态下检测光学传感器二极管100b的光量时，接通选择开关605a，信号线602a与电流放大器606相互连接，并对选择线603b施加例如约5V的反偏置电压。这样，在光学传感器二极管100b的阴极与阳极之间就施加了大于栅极电压的电压，故对应于光量的电流从光学传感器二极管100b流入电流放大器606。此时，接信号线602a的其它光学传感器二极管100a与100c绝不流出漏电流，故能精确地检出只从光学传感器二极管100b流出的电流。在该方法中，扫描信号线602和选择线603，驱动了所需位置的光学传感器二极管100，因而从所需的光学传感器二极管中取出作为图像信息的电流信号来执行图像采集。
因此，根据本例，栅控型光学传感器二极管100的阴极端子接图像采集电路的选择线603，阳极端子接信号线602，栅极接公共控制线601，因而在电流开始流入光学传感器二极管时，经公共控制线601施加给栅线的电压能控制偏置电压的阈值。此外，即使在照射光的情况下，也能防止漏电流流入对其不施加高于栅极电压的偏置电压的光学传感器二极管，故能以更高精度作图像采集。
根据本例，通过公共控制线601对所有光学传感器二极管100的栅极加一固定电压，就能测定电流开始流动时的偏置电压的阈值。接通连接着检测其光量的光学传感器二极管的信号线602的选择开关605，把大于加给栅极电压的偏置电压加到对其接准备检测其光量的光学传感器二极管的选择线603，这样只有光学传感器二极管的电流才流入信号线602，故能以高精度作图像采集。
注意，本例中，各光学传感器二极管100的阴极端子接选择线603，阳极端子接信号线602，但也可将阳极端子接选择线603，而把阴极端子接信号线602。
本例按图15的电路配置对各光学传感器二极管100布线，此外，也可按图21、22或23的电路配置对其布线，这样可得到良好的照射电流/不照射电流比，且以更高的精度作图像采集。
本例的图像采集电路适用于第一实施例的显示装置。

Claims (11)

1.一种光学传感器二极管，其特征在于，包括：
包含注入p型杂质的p区、注入n型杂质的n区和杂质浓度低于p和n区的i区的半导体层；
连接p区的阳极；
连接n区的阴极；和
置于i区上方的栅极，其间插有绝缘膜。
2.如权利要求1的光学传感器二极管，其特征在于，半导体层由多晶硅形成。
3.如权利要求1的光学传感器二极管，其特征在于，p型杂质是硼，n型杂质是磷。
4.如权利要求1的光学传感器二极管，其特征在于，还包括：
在i区与所述n区之间的另一n区，对其注入浓度低于所述n区的n型杂质。
5.如权利要求1的光学传感器二极管，其特征在于，栅极接阴极。
6.如权利要求1的光学传感器二极管，其特征在于，栅极接阳极。
7.如权利要求1的光学传感器二极管，其特征在于，还包括：
形成在栅极与阳极之间的第一静电电容元件；和
形成在栅极与阴极之间的第二静电电容元件。
8.如权利要求7的光学传感器二极管，其特征在于，第一静电电容元件由与半导体层同层的多晶硅膜和为置成重叠该多晶硅膜的栅极所共有的上电极构成；以及，
第二静电电容元件由与半导体层同层的多晶硅膜和为置成重叠该多晶硅膜的栅极所共有的上电极构成。
9.如权利要求7的光学传感器二极管，其特征在于，第一静电电容元件由为栅极所共有的下电极和置成为重叠该下电极的阳极所共有的引出电极构成；以及
第二静电电容元件由为栅极所共有的下电极和为置成重叠该下电极的阴极所共有的引出电极构成。
10.如权利要求7的光学传感器二极管，其特征在于，第一静电电容元件由p区和形成重叠该p区的栅极构成；以及
第二静电电容元件由n区和形成重叠该n区的栅极构成。
11.如权利要求7的光学传感器二极管，其特征在于，第一静电电容元件由栅极和形成重叠该栅极的阳极构成；以及
第二静电电容元件由栅极和形成重叠该栅极的阴极构成。
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