CN102804380A - 半导体装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的一个目的为通过减小光电传感器中的晶体管的截止状态电流来实现低功耗。一种半导体装置包括：具有光电二极管、第一晶体管和第二晶体管的光电传感器；以及包括读取控制晶体管的读取控制电路，其中所述光电二极管具有向所述第一晶体管的栅极提供基于入射光的电荷的功能；所述第一晶体管具有存储提供至其栅极的电荷以及将所存储的电荷转换为输出信号的功能；所述第二晶体管具有对所述输出信号的读取进行控制的功能；所述读取控制晶体管用作将所述输出信号转换为电压信号的电阻器；且所述第一晶体管、所述第二晶体管和所述读取控制晶体管的半导体层使用氧化物半导体来形成。

Description

半导体装置
技术领域
本发明涉及光电传感器及其驱动方法。本发明还涉及包括光电传感器的显示装置及其驱动方法。进一步地，本发明涉及包括光电传感器的半导体装置及其驱动方法。
背景技术
近年来，设置有光检测传感器（也称为光电传感器）的显示装置已引起关注。在包括光电传感器的显示装置中，显示屏幕还用作输入区。具有图像捕捉功能的显示装置是这种显示装置的一个示例（例如，见专利文献1）。
包括光电传感器的半导体装置的示例为CCD图像传感器和CMOS图像传感器。这种图像传感器用于比如像数码静态相机或蜂窝式电话这样的电器。
在设置有光电传感器的显示装置中，首先，从该显示装置发射光。当光线进入有物体存在的区域时，该光线被所述物体阻挡且部分地反射。被所述物体反射的光由设置在所述显示装置内的像素中的光电传感器检测。由此，可对像素区域中物体的存在进行识别。
在具有光电传感器的半导体装置中，从物体发射的光或该物体反射的外部光由所述光电传感器直接检测或在通过光学透镜等聚合所述光之后进行检测。
[参考文献]
[专利文献1]日本公开专利申请No.2001-292276
发明内容
在具有光电传感器的半导体装置中，在每个像素内形成带晶体管的电路，从而可采集光电传感器通过检测光已经在每个像素中生成的电信号。
带光电传感器的半导体装置包括用于将基于入射光的输出信号转换为电压信号的读取控制晶体管。可以通过光电传感器中晶体管以及被当作电阻器的读取控制晶体管的电阻分压来将基于入射光的输出信号转换为电压信号。
在带有光电传感器的半导体装置中，读取控制晶体管可为使用非晶硅或多晶硅的晶体管。然而，截止状态电流（流过处于截止状态晶体管的电流）会通过使用非晶硅或多晶硅的晶体管。这是因为如下的事实：带光电传感器的半导体装置的功耗在不执行读取操作的时间段中随时间增大。
本发明一个实施例的目的是提供一种半导体装置，其光电传感器可实现低功耗。
本发明的一个实施例是一种半导体装置，该半导体装置包括：光电传感器，其包括光电二极管、第一晶体管和第二晶体管；以及读取控制电路，其包括读取控制晶体管。该光电二极管具有将基于入射光的电荷提供至该第一晶体管的栅极的功能。该第一晶体管具有存储提供至其栅极的电荷以及将所存储的电荷转换为输出信号的功能。该第二晶体管具有对输出信号的读取进行控制的功能。该读取控制晶体管用作将输出信号转换为电压信号的电阻器。第一晶体管、第二晶体管和读取控制晶体管的半导体层使用氧化物半导体来形成。
本发明的一个实施例是一种半导体装置，该半导体装置包括：光电传感器，其包括光电二极管、第一晶体管、第二晶体管和第三晶体管；以及读取控制电路，其包括读取控制晶体管。该光电二极管具有将基于入射光的电荷提供至第一晶体管的栅极的功能。第一晶体管具有存储提供至其栅极的电荷以及将所存储的电荷转换为输出信号的功能。第二晶体管具有保持存储在第一晶体管的栅极上的电荷的功能。第三晶体管具有对输出信号的读取进行控制的功能。读取控制晶体管用作将该输出信号转换为电压信号的电阻器。第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管和读取控制晶体管的半导体层使用氧化物半导体来形成。
本发明的一个实施例是一种半导体装置，该半导体装置包括：光电传感器，其包括光电二极管、第一晶体管和第二晶体管；以及读取控制电路，其包括读取控制晶体管。该光电二极管具有将基于入射光的电荷提供至第一晶体管的栅极的功能。第一晶体管具有存储提供至其栅极的电荷以及将所存储的电荷转换为输出信号的功能。第二晶体管具有对该输出信号的读取进行控制的功能。读取控制晶体管用作将该输出信号转换为电压信号的电阻器。第一晶体管、第二晶体管和读取控制晶体管的半导体层使用氧化物半导体来形成。施加至读取控制晶体管的栅极的电压根据输出信号发生变化，从而改变读取控制晶体管的电阻。
本发明的一个实施例是一种半导体装置，该半导体装置包括：光电传感器，其包括光电二极管、第一晶体管、第二晶体管和第三晶体管；以及读取控制电路，其包括读取控制晶体管。该光电二极管具有将基于入射光的电荷提供至第一晶体管的栅极的功能。第一晶体管具有存储提供至其栅极的电荷以及将所存储的电荷转换为输出信号的功能。第二晶体管具有保持存储在第一晶体管的栅极上的电荷的功能。第三晶体管具有对输出信号的读取进行控制的功能。读取控制晶体管用作将该输出信号转换为电压信号的电阻器。第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管和读取控制晶体管的半导体层使用氧化物半导体来形成。施加至读取控制晶体管的栅极的电压根据输出信号发生变化，从而改变读取控制晶体管的电阻。
在本发明的一个实施例中，形成多个光电传感器；该光电传感器具有执行复位操作、存储操作和读取操作的功能；该多个光电传感器具有并发执行复位操作、并发执行存储操作以及顺序执行读取操作的功能。
该半导体装置是指具有半导体特性的元件以及所有具有该元件的对象。例如，具有晶体管的显示装置在一些情况下被简单地称为半导体装置。
本发明可提供一种其光电传感器可实现低功耗的半导体装置。
附图说明
图1A和1B是用于描述本发明一个实施例的电路图和时序图。
图2是用于描述本发明一个实施例的电路图。
图3A和3B是用于描述本发明一个实施例的电路图和时序图。
图4是用于描述本发明一个实施例的框图。
图5是用于描述本发明一个实施例的电路图。
图6是用于描述本发明一个实施例的时序图。
图7是用于描述本发明一个实施例的时序图。
图8是用于描述本发明一个实施例的截面图。
图9A至9D是各自示出电器示例的示意图。
图10A和10B是用于描述本发明一个实施例的电路图。
具体实施方式
下文中将参考附图描述本发明的各个实施例。然而，本发明可以许多不同的模式实现，并且本领域技术人员容易理解，本发明的模式和细节可以各种方式变化而不背离本发明的目的和范围。因此，本发明不应被解释为局限于各个实施例的描述。注意，相同部分或具有示出在下文中描述的本发明结构的所有附图中的相同功能的部分用相同的附图标记表示。
注意，在实施例的附图等中所示的每个结构的大小、层厚、信号波形、或区域出于简化的目的在一些情况下被放大了。因此，本发明的各个实施例并不局限于这样的比例。
注意，诸如在本说明书中应用的第一、第二、第三至第N（N是自然数）之类的术语是为了避免组件之间的混淆而使用的，它们并非对数字进行限制。
（实施例1）
在该实施例中，将参考图1A和1B以及图2来描述作为所公开发明的一个实施例的半导体装置的示例。
图1A示出包括在半导体装置10中的光电传感器11的电路配置的示例以及连接至该光电传感器11的读取控制电路12的配置的示例。
光电传感器11包括光电二极管13、晶体管14（也称为第一晶体管）和晶体管15（也称为第二晶体管）。读取控制电路12包括晶体管18（也称为读取控制晶体管）。
在光电传感器11中，光电二极管13的一个电极连接到光电二极管复位线16，而光电二极管13的另一个电极则连接到晶体管14的栅极。晶体管14的源极和漏极之一连接到光电传感器基准高电源线20，而晶体管14的源极和漏极中的另一个则连接到晶体管15的源极和漏极之一。晶体管15的栅极连接到栅极线17，而晶体管15的源极和漏极中的另一个则连接到光电传感器输出线22。
在读取控制电路12中，晶体管18的源极和漏极之一连接到晶体管15的源极和漏极中的另一个以及光电传感器输出线22，而晶体管18的源极和漏极中的另一个则连接到光电传感器基准低电源线21。晶体管18的栅极连接到光电传感器选择线19。
注意，在本说明书中的电路图中，具有氧化物半导体层的晶体管用符号“OS”表示，以使其可以被标识为具有氧化物半导体层的晶体管。例如，在图1A中，晶体管14、晶体管15和晶体管18是具有氧化物半导体的半导体层的晶体管。
晶体管14、晶体管15和晶体管18在它们的半导体层中具有氧化物半导体。当上述晶体管具有氧化物半导体的半导体层时，它们的截止状态电流（流过处于截止状态的晶体管的电流）可以非常低。
注意，晶体管14的半导体层和晶体管15的半导体层中的任一个使用氧化物半导体来形成。具体地，晶体管14可以是使用如图10A所示的氧化物半导体的晶体管；或者，晶体管15可以是使用如图10B所示的氧化物半导体的晶体管。除了氧化物半导体，用于晶体管14和晶体管15的半导体层中的半导体的示例包括非晶硅半导体、微晶硅半导体、多晶硅半导体和单晶硅半导体。具体地，晶体管14（具有将来自光电二极管13的电荷转换为输出信号的功能）较佳地使用单晶半导体以具有高迁移率。
要注意，明确记载“A与B互相连接”的描述的含义包括“A与B互相电连接”、“A与B互相功能性连接”以及“A与B互相直接连接”。
通过光电传感器驱动电路向光电二极管复位线16和栅极线17提供信号。该光电传感器驱动电路向置于特定行中的光电传感器11提供用于执行复位操作、存储操作和读取操作（也称为选择操作）的信号，这将在稍后进行描述。
光电传感器选择线19、光电传感器基准高电源线20、光电传感器基准低电源线21和光电传感器输出线22连接至光电传感器读取电路。该光电传感器读取电路具有对输入至用于读取选择行中的光电传感器11的输出信号的线路的信号进行控制的功能。
注意，通过使用OP放大器，该光电传感器读取电路使该光电传感器的输出信号（为模拟信号）以模拟信号的形式经光电传感器输出线22输出至外部单元，或在通过A/D转换器电路被转换为数字信号之后输出至外部单元。
光电二极管13可以是PN二极管、PIN二极管、肖特基二极管、或雪崩二极管。在将PN二极管或PIN二极管用作光电二极管13的情况下，可应用的二极管为其中堆叠具有对应导电类型（p-型导电性和n-型导电性的组合，或p-型导电性、i-型导电性和n-型导电性的组合）的半导体的二极管；或其中具有对应导电类型的半导体处于相同平面的二极管。用于光电二极管13中的半导体可以是非晶半导体、微晶半导体、多晶半导体、单晶半导体等。光电二极管具有根据光的强度产生电信号的功能。该光电二极管上的入射光是由物体反射的光或从物体发出的光。要被物体反射的光的光源可以是包括在半导体装置内的照明设备或外部光。
晶体管14具有在其栅极中累积（存储）电荷的功能。通过存储在该栅极中的电荷，施加在晶体管14的栅极和源极之间的电压的值以及晶体管14的源极和漏极之间的电阻的值发生变化。接着，在光电传感器基准高电源线20和光电传感器基准低电源线21之间进行电阻分压，从而使光电传感器输出线22可具有基于入射光的电压值。
晶体管15具有对光电传感器11的输出信号的读取进行控制的功能。具体地，晶体管15具有将光电传感器11的输出信号传递至光电传感器输出线22的功能。因此，需要晶体管15为一开关，该开关通过控制端子间的电连接来高速地读取输出信号。
较佳的是，当对连接至相同的光电传感器输出线22的另一光电传感器执行读取操作的时间段内，晶体管14和晶体管15使流过光电传感器输出线22和光电传感器基准高电源线20之间的电流最小化，并由此不会有助于光电传感器输出线22的电位中的变化。为此，晶体管14和晶体管15较佳为具有低截止状态电流的晶体管。
在本实施例的结构中，用于光电传感器11中的晶体管具有氧化物半导体的半导体层，且由此可具有极低的截止状态电流，如图1A所示。由此，当对连接至相同的光电传感器输出线22的另一光电传感器执行读取操作的时间段内，这些晶体管使流过光电传感器输出线22和光电传感器基准高电源线22之间的电流最小化，并由此不会有助于光电传感器输出线22的电位中的变化。
接下来，将对读取控制电路12进行描述。图1A中所示的读取控制电路12用作单列的光电传感器11。用于单列光电传感器11的读取控制电路12包括晶体管18。
在读取控制电路12中，输出至光电传感器输出线22的信号可通过晶体管14（其中源极和漏极之间的电阻根据基于光电传感器11上的入射光的输出信号而变化）和晶体管18（其中源极和漏极之间的电阻由来自光电传感器选择线19的恒定电压设定）之间的电阻分压被转换为电压信号。换言之，读取控制电路12用作用于将输出至光电传感器输出线22的信号转换为电压信号的电阻器。
注意，在本实施例中，在除读取控制电路12将输出至光电传感器输出线22的信号转换为电压信号的时段外的时间段中，优选以晶体管18通过经由光电传感器选择线19施加给晶体管18的恒定电压截止的方式，通过将在光电传感器输出线22和光电传感器基准低电源线21之间流动的电流降至极低来实现低功耗。
在带有光电传感器的半导体装置中，包括在读取控制电路12中的晶体管18具有氧化物半导体的半导体层，且由此具有极低的截止状态电流。此外，在除读取控制电路12将输出至光电传感器输出线22的信号转换为电压信号的时段外的时间段中，有可能以晶体管18通过经由光电传感器选择线19施加给晶体管18的恒定电压截止的方式，通过将在光电传感器输出线22和光电传感器基准低电源线21之间流动的电流降至极低，来防止光电传感器输出线22的电位的变化。
此处，对要施加给光电传感器选择线19的信号进行调节，以使晶体管18的源极和漏极之间的电阻可根据晶体管14的源极和漏极之间的电阻发生变化。例如，为了使晶体管14的源极和漏极之间的电阻可通过光电传感器11上的大量入射光变高，使光电传感器选择线19的电压为低，以使晶体管14和晶体管18之间的电阻分压可产生输出至光电传感器输出线22的电压信号。相反，为了使晶体管14的源极和漏极之间的电阻可通过在光电传感器11上的少量入射光变低，使光电传感器选择线19的电压为高，以使晶体管14和晶体管18之间的电阻分压可产生输出至光电传感器输出线22的电压信号。结果，可以提供一种廉价的能够基于宽泛范围光强高分辨率地捕捉图像的半导体装置。
此外，根据本实施例的带有光电传感器的半导体装置包括晶体管14、晶体管15和晶体管18，它们都具有氧化物半导体的半导体层。具有氧化物半导体的半导体层的晶体管的截止状态电流可以非常低。因此，在当该光电传感器不操作的时段中，在光电传感器基准高电源线20和光电传感器基准低电源线21之间流动的电流可以非常低。这导致了带有光电传感器的半导体装置的低功耗。
接下来，将参考图1B的时序图描述图1A中所示的光电传感器11的操作。在图1B中，信号31到35分别为图1A中所示的光电二极管复位线16的电位、栅极线17的电位、晶体管14的栅极的电位、光电传感器输出线22的电位以及光电传感器选择线19的电位。
注意，图1B的时序图包括执行复位操作时的复位时段、执行电荷存储操作时的存储时段以及执行读取操作时的读取时段。从时刻A到时刻B的时段对应于复位时段。从时刻B到时刻C的时段对应于存储时段。从时刻C到时刻D的时段对应于读取时段。从时刻A到时刻E的时段对应于读取操作时段。
在图1B中，高电位为“H”，且低电位为“L”。注意，在图1B中，当将低电平信号施加给晶体管的栅极时，该晶体管截止。另外，在图1B中，当向晶体管的栅极施加高电平信号时，晶体管进入导电状态，在该状态中晶体管的源极和漏极之间的电阻根据所施加的电位的量值发生变化。
在时刻A，光电二极管复位线16的电位（信号31）变为“H”（复位操作开始），以使光电二极管13导通且晶体管14的栅极的电位（信号33）变为“H”。栅极线17的电位（信号32）变为“L”，从而晶体管15被截止。另外，光电传感器选择线19的电位（信号35）变为预定值（读取操作开始），从而使得晶体管18能根据施加至晶体管18栅极的电压用作电阻器。随后，晶体管14、晶体管15和晶体管18用作电阻器，以使晶体管15具有高电阻，从而使光电传感器输出线22（信号34）与光电传感器基准低电源线21处于相同的电压电平，即，处于低电压电平。
在时刻B，光电二极管复位线16（信号31）变为“L”（复位操作终止且存储操作开始），以使光电二极管13中的光电流因入射光而增大，且晶体管14栅极的电位（信号33）根据入射光的量降低。换言之，光电二极管13具有根据入射光向晶体管14的栅极提供电荷的功能，且由此降低晶体管14的栅极的电位。结果，晶体管14的源极和漏极之间的电阻发生了变化。随后，栅极线17的电位（信号32）变为“L”，从而使晶体管15截止。此外，光电传感器选择线19的电位（信号35）变为预定值，从而使得晶体管18能根据施加至晶体管18栅极的电压用作电阻器。随后，晶体管14、晶体管15和晶体管18用作电阻器，以使晶体管15具有高电阻，从而使光电传感器输出线22（信号34）与光电传感器基准低电源线21处于相同的电压电平，即，处于低电压值。
在时刻C，栅极线17的电位（信号32）变为“H”（存储操作终止且选择操作开始），以使晶体管15导通。随后，光电传感器输出线22具有通过晶体管14（其中源极和漏极之间的电阻根据入射光而变化）和晶体管18（其中根据由光电传感器选择线19提供的恒定电压来确定电阻）之间的电阻分压获得的电压。此处，光电传感器输出线22的电位（信号34）的量值取决于晶体管14的栅极的电位（信号33）降低的速度，即，根据存储操作过程中光电二极管13上的入射光的量而变化。因此，通过获取光电传感器输出线22的电位，可以知道在存储操作过程中光电二极管13上的入射光的量。
在时刻D，栅极线17的电位（信号32）变为“L”（选择操作终止），以使晶体管15截止。另外，光电传感器选择线19的电位（信号35）变为预定值，从而使晶体管18能根据施加至晶体管18栅极的电压用作电阻器。随后，晶体管14、晶体管15和晶体管18用作电阻器，以使晶体管15具有高电阻，从而使光电传感器输出线22（信号34）与光电传感器基准低电源线21处于相同的电压电平，即，处于低电压电平。
在时刻E，光电传感器选择线19的电位（信号35）从预定值变为使晶体管18截止（读取操作终止）的值。结果，使晶体管15和晶体管18截止降低了在不执行读取操作的时段引起的、在光电传感器基准高电源线20和光电传感器基准低电源线21之间流过的电流。
注意，光电传感器选择线19的电位（信号35）至少在当栅极线17的电位（信号32）为“H”的时段（即，当执行选择操作的时段）中需要为“H”；在图1B中，在时刻A到时刻C的时段内，光电传感器选择线19的电位（信号35）可以为“L”。
对于图1A中所示的上述配置，读取控制电路12的位置可从光电传感器基准低电源线21一侧转变到光电传感器基准高电源线20一侧，如图2所示。
注意，在光电二极管13上的入射光的强度高时，源极和漏极之间的电阻变高。结果，光电传感器输出线22的电位（信号34）从“H”大比例地降低，且由此变为几乎与光电传感器基准低电源线21的电位相同的值。因此，在光的强度高时，根据输出信号设置的电位上的变化不显著。在该情况下，光电传感器选择线19的电位（信号35）降低，从而增大晶体管18的源极和漏极之间的电阻；由此，光电传感器输出线22可具有的电压值通过电阻分压获得且基于入射光。
上述操作是在假设光电二极管13上的入射光的强度高的情况下描述的，但其也可用于光电二极管上的入射光的强度低的情况。当光线微弱时，源极和漏极之间的电阻低。因此，光电传感器输出线22和光电传感器基准高电源线20变成处于几乎相同的电位，从而根据输出信号确定的电位上的变化不显著。在该情况下，光电传感器选择线19的电位（信号35）升高，从而增大晶体管18的源极和漏极之间的电阻；由此，光电传感器输出线22可具有的电压值通过电阻分压获得且基于入射光。
换言之，在本实施例中，通过升高或降低光电传感器选择线19的电位（信号35），可容易地增大或减小晶体管18的源极和漏极之间的电阻。这使光电传感器能够精确地将强光或弱光转换为电信号。结果，可以提供的半导体装置10包括能够基于宽泛范围的光强输出电信号的光电传感器。
如上所述，通过在读取操作时段中重复执行复位操作、存储操作和选择操作来实现各个光电传感器的操作。如上所述，优选通过使用氧化物半导体，使晶体管14、晶体管15和晶体管18的截止状态电流变得极低。当半导体装置10在非操作时段内产生的流经电流降低时，该半导体装置10可实现低功耗。
这种包括光电传感器的半导体装置可被用在诸如扫描仪或数码静态相机之类的电器中。另外，包括光电传感器的半导体装置可被用在具有触摸面板功能的显示装置中。
可与任一其它实施例适当组合地实现本实施例。
（实施例2）
在本实施例中，将参考图3A和3B来描述作为所公开发明的一个实施例的半导体装置的示例。该示例具有与实施例1不同的结构。注意，在本实施例中，在实施例1中使用的与图1A中的组件相同的组件用与图1A中相同的附图标记进行表示，且不会被再次描述。
图3A中所示的半导体装置10与图1A中所示的半导体装置10的不同之处在于，在晶体管14的栅极和光电二极管13的另一个电极之间具有晶体管41（也称为第三晶体管）。晶体管41的栅极连接到栅极线42。
晶体管41具有对由光电传感器11执行的存储操作进行控制的功能。即，晶体管41具有将由光电二极管13产生的电信号传递至处于导通状态时的晶体管14的栅极的功能。另外，晶体管41具有保持在处于截止状态时在晶体管14的栅极上累积（存储）的电荷的功能。因此，具有极低截止状态电流的晶体管被合乎需要地用作晶体管41。
因此，如同晶体管14、晶体管15和晶体管18那样，形成晶体管41的沟道形成区的半导体层较佳地使用具有非常低截止状态电流以及相当高迁移率的氧化物半导体来形成。相比使用硅等形成的晶体管，使用氧化物半导体形成的晶体管具有截止状态电流低得多的电特性。
注意，在晶体管14和晶体管15的半导体层之间，它们中的任一个使用氧化物半导体形成。
接下来，将参考图3B的时序图描述图3A中所示的光电传感器11的操作。在图3B中，信号51到56分别为图3A中所示的光电二极管复位线16的电位、栅极线42的电位、栅极线17的电位、晶体管14的栅极的电位、光电传感器输出线22的电位以及光电传感器选择线19的电位。
注意，图3B的时序图包括执行复位操作时的复位时段、执行电荷存储操作时的存储时段以及执行读取操作时的读取时段。从时刻A到时刻B的时段对应于复位时段。从时刻B到时刻C的时段对应于存储时段。从时刻D到时刻E的时段对应于读取时段。从时刻A到时刻F的时段对应于读取操作时段。
在图3B中，高电位为“H”，且低电位为“L”。注意，在图3B中，当将低电平信号施加给晶体管的栅极时，该晶体管截止。另外，在图3B中，当向晶体管的栅极施加高电平信号时，晶体管进入导通状态，在该状态中晶体管的源极和漏极之间的电阻根据所施加的电位的量值发生变化。
在时刻A，光电二极管复位线16的电位（信号51）变为“H”且栅极线42的电位（信号52）变为“H”（复位操作开始），以使光电二极管13和晶体管41导通且晶体管14的栅极的电位（信号54）变为“H”。栅极线17的电位（信号53）变为“L”，从而晶体管15截止。另外，光电传感器选择线19的电位（信号56）变为预定值（读取操作开始），从而使晶体管18能根据施加至晶体管18栅极的电压用作电阻器。随后，晶体管14、晶体管15和晶体管18用作电阻器，以使晶体管15具有高电阻，从而使光电传感器输出线22（信号55）与光电传感器基准低电源线21处于相同的电压电平，即，处于低电压值。
在时刻B，光电二极管复位线16的电位（信号51）变为“L”且栅极线42的电位（信号52）保持为“H”（复位操作终止且存储操作开始），以使光电二极管13的光电流因入射光而增大且晶体管14的栅极的电位（信号54）根据入射光的量减小。换言之，光电二极管13具有根据入射光向晶体管14的栅极提供电荷的功能，且由此降低晶体管14的栅极的电位。结果，晶体管14的源极和漏极之间的电阻发生了变化。随后，栅极线17的电位（信号53）变为“L”，从而晶体管15截止。此外，光电传感器选择线19的电位（信号56）变为预定值，从而使得晶体管18能根据施加至晶体管18栅极的电压用作电阻器。随后，晶体管14、晶体管15和晶体管18用作电阻器，以使晶体管15具有高电阻，从而使光电传感器输出线22（信号55）与光电传感器基准低电源线21处于相同的电压电平，即，处于低电压电平。
在时刻C，栅极线42（信号52）变为“L”（存储操作终止），从而使晶体管41截止。随后，晶体管14的栅极的电位（信号54）变为恒定，即，在晶体管14栅极上累积（存储）的电荷的量变为恒定。晶体管14的栅极的电位（电荷的量）根据在存储操作过程中光电二极管所产生的光电流的量确定。换言之，晶体管14的电位（电荷的量）根据光电二极管上入射光的强度而变化。
注意，当栅极线42（信号52）变为“L”时，晶体管14的栅极的电位（电荷的量）因栅极线42和晶体管14的栅极之间的寄生电容而变化。当由于该寄生电容引起的电位（电荷的量）的变化量大时，不能精确地执行读取操作。为了使由于该寄生电容引起的电位（电荷的量）的变化量可被减小，有效的是采取用于减小晶体管41的栅极和源极之间（或栅极和漏极之间）电容的措施、用于增大晶体管14的栅极电容的措施、用于向栅极线42提供存储电容器的措施等。注意在图3A和3B中，采用了这些措施，且由此可忽略由于寄生电容引起的电位（电荷的量）的变化。
在时刻D，栅极线17（信号53）变为“H”（选择操作开始），以使晶体管15导通。随后，光电传感器输出线22具有通过晶体管14（其中源极和漏极之间的电阻根据入射光而变化）和晶体管18（其中根据由光电传感器选择线19提供的恒定电压来确定电阻）之间的电阻分压获得的电压。此处，光电传感器输出线22的电位（信号55）的量值取决于晶体管14栅极的电位（信号54）减小，即，根据存储操作过程中光电二极管13上的入射光的量而变化。因此，通过获取光电传感器输出线22的电位，可以知道在存储操作过程中光电二极管13上的入射光的量。
在时刻E，栅极线17（信号53）变为“L”（选择操作终止），从而使晶体管15截止。另外，光电传感器选择线19的电位（信号56）变为预定值，从而使得晶体管18能根据施加至晶体管18栅极的电压用作电阻器。随后，晶体管14、晶体管15和晶体管18用作电阻器，以使晶体管15具有高电阻，从而使光电传感器输出线22（信号55）与光电传感器基准低电源线21处于相同的电压电平，即，为低。
在时刻F，光电传感器选择线19的电位（信号56）从预定值变为使晶体管18截止（读取操作终止）的值。结果，使晶体管15和晶体管18截止降低在光电传感器基准高电源线20和光电传感器基准低电源线21之间流过的电流。
注意，光电传感器选择线19（信号56）至少在当栅极线17（信号53）为“H”的时段（即，当执行选择操作的时段）内需要为“H”；在图3B中，在时刻A到时刻D的时段内，光电传感器选择线19（信号35）可以为“L”。
注意，在光电二极管13上的入射光的强度高时，源极和漏极之间的电阻变高。结果，光电传感器输出线22的电位（信号55）从“H”大比例地减小，且由此变为与光电传感器基准低电源线21的电位几乎相同的值。因此，在光的强度高时，根据输出信号设置的电位上的变化不显著。在该情况下，光电传感器选择线19的电位（信号56）减小，从而增大晶体管18的源极和漏极之间的电阻；由此，光电传感器输出线22可具有的电压值通过电阻分压获得且基于入射光。
上述操作是在假设光电二极管13上的入射光的强度高的情况下描述的，但其也可用于光电二极管上的入射光的强度低的情况。当光线微弱时，源极和漏极之间的电阻低。因此，光电传感器输出线22和光电传感器基准高电源线20变成处于几乎相同的电位，从而根据输出信号确定的电位上的变化不显著。在该情况下，光电传感器选择线19的电位（信号56）升高，从而增大晶体管18的电阻；由此，光电传感器输出线22可具有的电压值通过电阻分压获得且基于入射光。
换言之，在本实施例中，通过升高或降低光电传感器选择线19的电位（信号56），可容易地增大或减小晶体管18的源极和漏极之间的电阻，与实施例1中一样。这使光电传感器能够精确地将强光或弱光转换为电信号。结果，可以提供的半导体装置10包括能够基于宽泛范围的光强输出电信号的光电传感器。
与实施例1不同，本实施例即使在存储操作之后也能使每个光电传感器中的晶体管14的栅极的电位维持在恒定值。具体地，在本实施例中，晶体管41的半导体层使用氧化物半导体形成，从而使得该晶体管能具有极低的截止状态电流。另外，光电传感器11可精确地将入射光转换为电信号。
如上所述，通过在读取操作时段中重复执行复位操作、存储操作和选择操作来实现各个光电传感器的操作。如上所述，优选通过使用氧化物半导体，使晶体管14、晶体管15和晶体管18的截止状态电流变得极低。当半导体装置10在非操作时段内产生的流经电流降低时，该半导体装置10可实现低功耗。
可与任一其它实施例适当组合地实现本实施例。
（实施例3）
在本实施例中，将参考图4和图5来描述作为包括光电传感器的半导体装置的显示装置。
将参考图4来描述该显示装置的结构。显示装置100包括像素电路101、显示元件控制电路102以及光电传感器控制电路103。
像素电路101包括按矩阵排列（即，在行方向和列方向上）的多个像素104。像素104中的每一个包括显示元件105和光电传感器106。并不一定要在每一个像素104中设置光电传感器，而是可以在每两个或更多个像素104中设置光电传感器。或者，可在像素104外设置光电传感器。
显示元件控制电路102是控制显示元件105的电路，且包括显示元件驱动器电路107和显示元件驱动器电路108，诸如视频数据之类的信号从显示元件驱动器电路107通过信号线（也称为视频数据线或源线）输入至显示元件105，信号从显示元件驱动器电路108通过扫描线（也称为栅极线）输入至显示元件105。
光电传感器控制电路103是控制光电传感器106的电路，且包括位于信号线一侧的光电传感器读取电路109和位于扫描线一侧的光电传感器驱动电路110。
图5示出像素104的电路配置的示例以及连接至该像素104的读取控制电路200的配置的示例。注意，图3A中的光电传感器的配置在图5中被显示为包括在像素中的光电传感器106的示例。读取控制电路200示出图3A中的光电传感器读取电路的配置。
像素104包括显示元件105和光电传感器106。显示元件105包括晶体管201、存储电容器202和液晶元件203。
在显示元件105中，晶体管201的栅极连接到栅极线208；晶体管201的源极和漏极之一连接到视频数据线212；晶体管201的源极和漏极中的另一个连接到存储电容器202的一个电极和液晶元件203的一个电极。存储电容器202的另一个电极和液晶元件203的另一个电极连接至供应有预定电位的公共布线。液晶元件203包括一对电极和夹在这对电极之间的液晶层。
晶体管201具有对将电荷注入液晶元件203和存储电容器202或从液晶元件203和存储电容器202排出电荷进行控制的功能。例如，当向栅极线208施加高电位时，晶体管201导通且视频数据线212的电位被施加到液晶元件203和存储电容器202。通过向液晶元件203施加电压来制造通过液晶元件203的光的对比度（灰度），从而完成图像显示。存储电容器202具有维持施加至液晶元件203的电压的功能。包括液晶元件203的显示装置100可以是透射型显示装置、反射型显示装置、或半透射型显示装置。
视频数据线212连接至在图4中显示的显示元件驱动器电路107。显示元件驱动器电路107是通过视频数据线212向显示元件105提供信号的电路。栅极线208连接至在图4中显示的显示元件驱动器电路108。显示元件驱动器电路108是通过栅极线208向显示元件105提供信号的电路。例如，显示元件驱动器电路108具有提供信号的功能，该信号选择包括在设置于特定行中的像素中的显示元件。显示元件驱动器电路107具有提供信号的功能，该信号向包括在所选行中的像素中的显示元件提供合适的电位。
在晶体管201的沟道形成区中的半导体是如实施例1和2所描述的氧化物半导体。当通过氧化物半导体使晶体管201具有极低的截止状态电流时，施加给液晶元件203的电压可更精确地保持，且可提高显示质量。另外，通过利用作为具有极低截止状态电流晶体管的晶体管201来基本上降低刷新率，可实现低功耗。
尽管此处所述的显示元件105包括液晶元件，但显示元件105也可包括诸如发光元件之类的另一个元件。发光元件是其亮度受控于电流或电压的元件，且发光元件的特定示例包括发光二极管和OLED（有机发光二极管）。
光电传感器106包括光电二极管204、晶体管205（也称为第一晶体管）、晶体管206（也称为第三晶体管）和晶体管207（也称为第二晶体管）。
在光电传感器106中，光电二极管204的一个电极连接到光电二极管复位线210，且光电二极管204的另一电极连接到晶体管207的源极和漏极之一。晶体管205的源极和漏极之一连接到光电传感器基准线213，而晶体管205的源极和漏极中的另一个连接到晶体管206的源极和漏极之一。晶体管206的栅极连接到栅极线211，而晶体管206的源极和漏极中的另一个则连接到光电传感器输出线214。晶体管207的栅极连接到栅极线209。晶体管207的源极和漏极中的另一个连接至晶体管205的栅极（节点215）。
栅极线209、光电二极管复位线210和栅极线211连接至图4中所示的光电传感器驱动电路110。光电传感器驱动电路110具有在设置在特定行中的像素中所包括的光电传感器106上执行将在以下进行描述的复位操作、存储操作和读取操作的功能。
光电传感器输出线214和光电传感器基准线213连接至图4中所示的光电传感器读取电路109。光电传感器读取电路109具有从在所选行中的像素中所包括的光电传感器106读取输出信号的功能。
注意，在光电传感器读取电路109中，通过OP放大器将来自光电传感器的作为模拟信号的输出被提取为至外部单元的模拟信号；或者，通过A/D转换器电路将输出转换为数字信号，并随后提取至外部单元。
注意，在光电传感器106中的本实施例的光电二极管204、晶体管205、晶体管206和晶体管207与实施例1和2中已经描述的光电二极管13、晶体管14、晶体管15和晶体管41相同；因此，对于它们的细节可见以上描述。此外，读取控制电路200中的本实施例的晶体管216与实施例1和2中描述的晶体管18相同；因此，对于其细节可见以上描述。
这使得光电传感器能够基于宽泛范围的光强输出电信号。换言之，可以精确地将强光或弱光转换为电信号。
结果，如上所述，在本实施例的显示装置中，通过对晶体管使用氧化物半导体，使该晶体管的截止状态电流极低。当半导体装置10在非操作时段内产生的流经电流降低时，该半导体装置10可实现低功耗。此外，通过对晶体管使用氧化物半导体来使该晶体管的截止状态电流极低，改进了对存储在晶体管栅极上的电荷进行维持的功能。结果，光电传感器可精确地将入射光转换为电信号。
尽管在本实施例中描述了具有显示功能且包括光电传感器的显示装置，但本实施例可被容易地应用至包括光电传感器的不具有显示功能的半导体装置。即，在本实施例中，通过从显示装置100移除对于显示所必需的电路（具体地，显示元件控制电路102和显示元件105）可形成半导体装置。包括光电传感器的半导体装置的示例包括用于诸如扫描仪或数码静态相机之类的电器中的成像装置。
根据本实施例，可以提供一种廉价的能够基于宽泛范围光强高分辨率地捕捉图像的显示装置或半导体装置。
可与任一其它实施例适当组合地实现本实施例。
（实施例4）
在本实施例中，将描述用于驱动多个光电传感器的方法。
首先，图6的时序图中所示的驱动方法将在假设其用于图3A中所示光电传感器的前提下进行描述。图6是一时序图，其示出输入至第一行的光电传感器中的光电二极管复位线16的信号601、输入至第二行的光电传感器中的光电二极管复位线16的信号602、输入至第三行的光电传感器中的光电二极管复位线16的信号603、输入至第一行的光电传感器中的栅极线42的信号604、输入至第二行的光电传感器中的栅极线42的信号605、输入至第三行的光电传感器中的栅极线42的信号606、输入至第一行的光电传感器中的栅极线17的信号607、输入至第二行的光电传感器中的栅极线17的信号608、输入至第三行的光电传感器中的栅极线17的信号609以及输入至光电二极管选择线19的信号621的信号波形。时段610是一次图像捕捉所需要的时段。时段611是其中在第二行的光电传感器中执行复位操作的时段；时段612是其中在第二行的光电传感器中执行存储操作的时段；时段613是其中在第二行的光电传感器中执行选择操作的时段。由此顺序地逐行驱动光电传感器实现了图像捕捉。
在这里发现，每行光电传感器中的存储操作具有时间滞后。即，每行光电传感器中的图像捕捉并不是并发执行的，从而导致所捕捉图像的模糊。具体地，快速移动的物体的图像容易被获取为具有失真的形状：如果物体在从第一行到第三行的方向上移动，则会获取被放大的图像，从而在其后方留下轨迹；而如果物体在相反的方向上移动，则会获取缩小的图像。
为了防止每行光电传感器中存储操作的时间滞后，有效的是以较短的周期顺序地驱动每行的光电传感器。然而，在该情况下，光电传感器的输出信号需要以非常高的速度用OP放大器或A/D转换器电路获得，这引起功耗增加，且特别地使获得高分辨率的图像变得非常困难。
由此，提出一种如图5的时序图中所示的驱动方法。图7是一时序图，其示出输入至第一行的光电传感器中的光电二极管复位线16的信号701、输入至第二行的光电传感器中的光电二极管复位线16的信号702、输入至第三行的光电传感器中的光电二极管复位线16的信号703、输入至第一行的光电传感器中的栅极线42的信号704、输入至第二行的光电传感器中的栅极线42的信号705、输入至第三行的光电传感器中的栅极线42的信号706、输入至第一行的光电传感器中的栅极线17的信号707、输入至第二行的光电传感器中的栅极线17的信号708、输入至第三行的光电传感器中的栅极线17的信号709以及输入至光电二极管选择线19的信号721的信号波形。时段710是一次图像捕捉所需要的时段。时段711是其中在第二行的光电传感器中执行复位操作（同时在所有行中）的时段，时段712是其中在第二行的光电传感器中执行存储操作（同时在所有行中）的时段，而时段713是其中在第二行的光电传感器中执行选择操作的时段。
图7与图6的不同之处在于，在所有行的光电传感器中在同一时段执行读取操作和存储操作，且在存储操作后，在不与存储操作同步的情况下在每一行中顺序地执行选择操作。当在同一时段执行存储操作时，同时执行每一行光电传感器中的图像捕捉，且即使当物体快速移动也能容易地获取几乎无模糊的物体的图像。由于在同一时段执行存储操作，因此可设置驱动器电路为每个光电传感器的光电二极管复位线16所共用。此外，也可设置驱动器电路为每个光电传感器的栅极线42所共用。这样共用设置的驱动器电路有效地减少了外围电路的数量或有效地降低了功耗。另外，每行中顺序执行的选择操作使得当获得光电传感器的输出信号时可以降低OP放大器或A/D转换器电路的操作速率。此时，用于选择操作的总时间较佳地比用于存储操作的时间长，这对于获取高分辨率图像的情况特别有效。
注意，图7示出了用于顺序驱动每行光电传感器的方法的时序图；同样有效的是，为了获取特定区域中的图像，只对特定行中的光电传感器进行顺序驱动。结果，在减少OP放大器或A/D转换器电路的操作和功耗的同时，可获得所期望的图像。此外，用于对每数行的光电传感器进行驱动的方法也是有效的。即，驱动该多个光电传感器中的一个或一部分。结果，在减少OP放大器或A/D转换器电路的操作和功耗的同时，可获得期望分辨率的图像。
注意，为了实现上述驱动方法，即使在完成存储操作后，每个光电传感器中的晶体管14的栅极的电位仍然需要保持恒定。由此，晶体管41较佳地使用氧化物半导体以具有如图3A所描述的极低的截止状态电流。
由此，可以提供一种可以几乎无模糊地获取即使是快速移动物体的高分辨率图像的低功率显示装置或半导体装置。
可与任一其它实施例适当组合地实现本实施例。
（实施例5）
在该实施例中，将描述包括光电传感器的半导体装置的结构和制造方法。图8是半导体装置的截面图。注意，以下的半导体装置可应用于显示装置。
图8示出包括光电传感器的半导体装置的截面图的示例。在图8中所示的包括光电传感器的半导体装置中，在具有绝缘表面的衬底（TFT衬底）501上形成光电二极管502、晶体管540、晶体管503和液晶元件505。
在晶体管503和晶体管540上设置氧化物绝缘层531、保护绝缘层532、层间绝缘层533和层间绝缘层534。在层间绝缘层533上形成光电二极管502。在光电二极管502中，第一半导体层506a、第二半导体层506b和第三半导体层506c依此顺序堆叠在形成于层间绝缘层533上的电极层541与形成于层间绝缘层534上的电极层542之间的层间绝缘层533。
电极层541电连接至形成在层间绝缘层534中的电极层543，而电极层542通过电极层541电连接至栅电极层545。栅电极层545电连接至晶体管540的栅电极层，而光电二极管502电连接至晶体管540。
为了防止各自用氧化物半导体层形成的晶体管503和晶体管540（包括在具有光电传感器的半导体装置中）的电特性的变化，从氧化物半导体层有意地去除引起该变化的杂质，诸如氢、水分、羟基、或氢化物（也称为氢化合物）。另外，通过供应在去除杂质的步骤中同时还原的作为氧化物半导体的主要成分的氧，氧化物半导体层被高度提纯成为i型（本征）。
因此，较佳的是，氧化物半导体包含尽可能少的氢和载流子。在晶体管503和晶体管540中，沟道形成区在氧化物半导体层中形成，其中包含在其中的氢尽可能多地被去除到接近于0，以使氢浓度小于或等于5×1019/cm3，较佳地小于或等于5×1018/cm3，更佳地小于或等于5×1017/cm3或小于5×1016/cm3，并且载流子浓度小于5×1014/cm3,较佳地小于或等于5×1012/cm3。
由于氧化物半导体中存在非常少（接近于0）的载流子，较佳的是，晶体管503和晶体管540的截止状态电流尽可能地低。该截止状态电流是在施加－1V到－10V之间的栅极电压的情况下在晶体管的源极和漏极之间流动的电流。使用氧化物半导体形成的晶体管（在本说明书中公开）在沟道宽度（w）上每1μm的电流值小于或等于100aA/μm，较佳地小于或等于10aA/μm，更佳地小于或等于1aA/μm。此外，由于没有pn结也没有热载流子退化，晶体管的电特性不会被它们不利地影响。
因此，使用氧化物半导体层形成的上述晶体管503和540具有极低的截止状态电流，并具有稳定的电特性和高可靠性。
可使用诸如In-Sn-Ga-Zn-O膜之类的四组分金属氧化物，诸如In-Ga-Zn-O膜、In-Sn-Zn-O膜、In-Al-Zn-O膜、Sn-Ga-Zn-O膜、Al-Ga-Zn-O膜和Sn-Al-Zn-O膜之类的三组分金属氧化物，或者诸如In-Zn-O膜、Sn-Zn-O膜、Al-Zn-O膜、Zn-Mg-O膜、Sn-Mg-O膜、In-Mg-O膜、In-O膜、Sn-O膜和Zn-O膜之类的二组分金属氧化物，来作为包括在晶体管503和晶体管540的每一个中的氧化物半导体膜。此外，SiO2可被包含在上述氧化物半导体膜中。
注意，可使用由InMO3(ZnO)m(m>0)表示的薄膜作为氧化物半导体膜。此处，M表示从Ga、Al、Mn和Co中选择的一种或多种金属元素。例如，M可以是Ga、Ga和Al、Ga和Mn、Ga和Co等。其组合式由InMO3(ZnO)m（m>0）表示的氧化物半导体膜（其包括Ga作为M）被称为如上所述的In-Ga-Zn-O氧化物半导体，并且In-Ga-Zn-O氧化物半导体的薄膜也被称为In-Ga-Zn-O基非单晶膜。
此处，示出针形（pin）光电二极管作为示例，在该针形光电二极管中堆叠了具有p型导电性的作为第一半导体层506a的半导体层、作为第二半导体层506b的高电阻半导体层（i型半导体层）以及具有n型导电性的作为第三半导体层506c的半导体层。
第一半导体层506a是p型半导体层，且可使用包含赋予p型导电性的杂质元素的非晶硅膜来形成。第一半导体层506a用等离子体CVD法通过使用包含属于族13的杂质元素（诸如硼（B））的半导体源气体来形成。作为半导体材料气体，可使用硅烷(SiH4)。或者，可使用Si2H6,、SiH2Cl2、SiHCl3、SiCl4、SiF4等。此外，或者，可形成不包含杂质元素的非晶硅膜，且随后可使用扩散法或离子注入法将杂质元素引入该非晶硅膜。为了使杂质元素扩散，可在通过离子注入法等引入杂质元素之后执行加热等。在这种情况下，作为形成非晶硅膜的方法，可使用LPCVD法、化学气相沉积法、溅射法等。第一半导体层506a的厚度较佳地为10nm到50nm。
第二半导体层506b为i型半导体层（本征型半导体层）且用非晶硅膜形成。为了形成第二半导体层506b，使用半导体材料气体用等离子体CVD法形成非晶硅膜。作为半导体材料气体，可使用硅烷(SiH4)。或者，可使用Si2H6,、SiH2Cl2、SiHCl3、SiCl4、SiF4等。第二半导体层506b或者可用LPCVD法、化学气相沉积法、溅射法等形成。第二半导体层506b的厚度较佳地为200nm到1000nm。
第三半导体层506c是n型半导体层，且用包含赋予n型导电性的杂质元素的非晶硅膜来形成。第三半导体层506c用等离子体CVD法通过使用包含属于族15的杂质元素（诸如磷（P））的半导体材料气体来形成。作为半导体材料气体，可使用硅烷(SiH4)。或者，可使用Si2H6,、SiH2Cl2、SiHCl3、SiCl4、SiF4等。此外，或者，可形成不包含杂质元素的非晶硅膜，且随后可使用扩散法或离子注入法将杂质元素引入该非晶硅膜。为了使杂质元素扩散，可在通过离子注入法等引入杂质元素之后执行加热等。在这种情况下，作为形成非晶硅膜的方法，可使用LPCVD法、化学气相沉积法、溅射法等。第三半导体层506c的厚度较佳地为20nm到200nm。
第一半导体层506a、第二半导体层506b和第三半导体层506c并不一定用非晶半导体形成，而是它们可以用多晶半导体或微晶半导体（半非晶半导体（SAS））形成。
给定吉布斯自由能，微晶半导体属于在非晶和单晶之间过渡的亚稳态。即，微晶半导体膜是具有第三态的半导体，该第三态在自由能中是稳定的且具有短程有序和晶格畸变。柱状或针状晶体在相对于衬底表面的正交方向上生长。作为微晶半导体的典型示例的微晶硅的拉曼光谱移位至在表示单晶硅的520cm-1以下的小波数区域。即，微晶硅的拉曼光谱的峰值存在于表示单晶硅的520cm-1与表示非晶硅的480cm-1之间。另外，微晶硅包含1原子％以上的氢或卤素以端接悬空键。此外，微晶硅包含诸如氦、氩、氪或氖之类的稀有气体元素以进一步促进晶格畸变，从而提供具有较高稳定性的良好的微晶半导体膜。
微晶半导体膜可通过具有数十兆赫兹到数百兆赫兹频率的高频等离子体CVD装置或通过具有大于或等于1GHz频率的微波等离子体CVD法来形成。典型地，可通过利用用氢气稀释的诸如SiH4、Si2H6、SiH2Cl2或SiHCl3、SiCl4或SiF4之类的硅氢化物来形成微晶半导体膜。除了硅氢化物和氢，还可用具有选自氦、氩、氪或氖的一种或多种稀有气体元素的稀释物来形成微晶半导体膜。在这种情况下，氢与硅氢化物的流量比为5:1至200:1，较佳地为50:1至150:1，更佳地为100:1。此外，可将诸如CH4或C2H6之类的碳化物气体、诸如GeH4或GeF4之类的锗气体、F2等混合到含硅的气体中。
另外，由于由光电效应产生的空穴的迁移率低于电子的迁移率，当将在p型半导体层一侧上的表面用作光接收平面时，针形光电二极管具有较好的特性。此处，将描述光电二极管502从衬底501（在其上形成针形光电二极管）的表面接收光且将该光转换为电信号的示例。此外，来自导电类型与在光接收平面上半导体层的导电类型相反的半导体层的光为干扰光；因此，较佳地使用阻光导电膜来形成电极层。或者可将在n型半导体层一侧上的表面用作光接收平面。
液晶元件505包括像素电极507、液晶508以及对电极509。像素电极507在衬底501上形成并且通过导电膜510电连接到晶体管503。对电极509形成在衬底513（对衬底）上。液晶508插在像素电极507和对电极509之间。晶体管503对应于实施例1中的晶体管201。
像素电极507和对电极509之间的单元间隙可通过使用间隔物516来控制。在图8中，通过使用用光刻选择性形成的柱状间隔物516来控制该单元间隙。或者，可通过在像素电极507和对电极509之间散布球状间隔物来控制该单元间隙。
液晶508被衬底501和衬底513之间的密封材料包围。可通过分配法（滴落法）或浸渍法（抽吸法）来对液晶508进行注入。
对于像素电极507，可使用诸如铟锡氧化物（ITO）、包含氧化硅的铟锡氧化物（ITSO）、有机铟、有机锡、氧化锌（ZnO）、包含氧化锌（ZnO）的铟锌氧化物（IZO）、包含镓（Ga）的氧化锌、氧化锡(SnO2)、包含氧化钨的氧化铟、包含氧化钨的铟锌氧化物、包含氧化钛的氧化铟、包含氧化钛的铟锡氧化物等之类的透光导电材料。包含导电大分子（也称为导电聚合物）的导电组分可用于形成像素电极507。作为该导电大分子，可使用所谓的π电子共轭导电聚合物。例如，可给出聚苯胺或其衍生物、聚吡咯或其衍生物、聚噻吩或其衍生物、苯胺、吡咯和噻吩或其衍生物中的两种或更多种的共聚物等。
由于在本实施例中给出透明的液晶元件505作为示例，因此对于对电极509也可使用上述的透光导电材料，如同像素电极507的情况中一样。
在像素电极507和液晶508之间设置取向膜511，而在对电极509和液晶508之间设置取向膜512。可使用诸如聚酰亚胺或聚乙烯醇之类的有机树脂来形成取向膜511和取向膜512。在它们的表面上进行诸如摩擦之类的取向处理，从而使液晶分子取向为特定方向。可在在取向膜上施加压力的同时通过滚动缠绕尼龙等织物的辊来进行摩擦，从而在特定方向上摩擦取向膜的表面。注意，通过使用诸如氧化硅之类的无机材料，各自具有取向特性的取向膜511和取向膜512可直接用蒸镀法来形成，而无需进行取向处理。
此外，在衬底513上形成特定波长范围中的光能通过的滤色片514，以使该滤色片514与液晶元件505重叠。可在涂敷其中着色剂散布在衬底513上的有机树脂（诸如丙烯基树脂）之后，通过光刻来选择性地形成滤色片514。或者，可在涂敷其中着色剂散布在衬底513上的聚酰亚胺基树脂之后，通过蚀刻来选择性地形成滤色片514。或者，可用诸如喷墨法之类的液滴喷射法来选择性地形成滤色片514。
此外，在衬底513上形成能够阻挡光线的屏蔽膜515，以使该屏蔽膜515与光电二极管502重叠。通过设置屏蔽膜515，可防止通过衬底513并进入触摸面板的来自背光的光被直接传递至光电二极管502。此外，可防止观察到因像素中的液晶508的取向的无序而造成的旋错。包含诸如碳黑或低钛氧化物（其氧化值小于二氧化钛的氧化值）之类的包含黑色着色剂的有机树脂可被用于屏蔽膜515。或者，用铬形成的膜可用于屏蔽膜515。
此外，在位于衬底501表面（在其上形成像素电极507）对侧上的表面上设置偏振板517，并在位于衬底513表面（在其上形成对电极509）对侧上的表面上设置偏振板518。
通过使用绝缘材料，根据材料通过诸如溅射法、SOG法、旋涂法、浸渍涂层、喷涂法、液滴排放法（例如，喷墨法、丝网印刷、胶版印刷等）之类的方法，或者用诸如刮刀、辊筒、幕涂机、刮刀式涂胶机等之类的工具可形成氧化物绝缘层531、保护绝缘层532、层间绝缘层533和层间绝缘层534。
作为氧化物绝缘层531，可使用诸如氧化硅层、氧氮化硅层、氧化铝层、氧氮化铝层等的氧化物绝缘层的单层或叠层。
作为保护绝缘层532的无机绝缘材料，可使用诸如氮化硅层、氮氧化硅层、氮化铝层、氮氧化铝层等的氮化物绝缘层的单层或叠层。较佳地采用使用微波（2.45GHz）的高密度等离子体CVD，因为可以形成具有高耐压的致密且高质量的绝缘层。
为了减小表面粗糙度，用作平面化绝缘膜的绝缘层较佳地被用作层间绝缘层533和534。可使用诸如聚酰亚胺、丙烯酸树脂、苯并环丁烯基树脂、聚酰胺或环氧树脂之类的具有耐热性的有机绝缘材料来形成层间绝缘层533和534。除这些有机绝缘材料以外，还可以使用低介电常数材料（低k材料）、硅氧烷基树脂、磷硅玻璃（PSG）、硼磷硅玻璃（BPSG）等的单层或叠层。
来自背光的光线通过衬底513和液晶元件505，并被传递至衬底501一侧上的物体521，如箭头520所示。然后，被物体521反射的光进入光电二极管502，如箭头522所示。
液晶元件可以是TN（扭曲向列）模式液晶元件、VA（垂直取向）模式液晶元件、OCB（光学补偿的双折射）模式液晶元件、IPS（共面切换）模式液晶元件等。或者，可使用不需要取向膜的、呈现出蓝相的液晶。
注意，虽然在本实施例中描述其中液晶508设置在像素电极507和对电极509之间的液晶元件505作为示例，但是根据本发明一个实施例的半导体装置并不局限于该结构。还可采用其中在衬底501一侧上形成一对电极的液晶元件，如同IPS模式液晶元件那样。
上述的结构使半导体装置能够以高速操作来实现图像捕捉。
可与任一其它实施例适当组合地实现本实施例。
（实施例6）
根据本发明一个实施例的半导体装置可用作触摸面板。触摸面板可用于显示装置、膝上型计算机和设置有记录介质的图像再现装置（其典型的示例为用于再现诸如DVD（数字多功能盘）之类记录介质的内容且具有用于显示所再现图像的显示器的装置）。可使用根据本发明一个实施例的触摸面板的电器的示例包括移动电话、便携式游戏控制台、个人数字助理、电子书阅读器、摄像机、数码照相机、护目镜型显示器（戴在头上的显示器）、导航系统、音频再现设备（例如，汽车音频组件和数字音频播放器）、复印机、传真机、打印机、多功能打印机、自动取款机（ATM）以及自动售货机。
在本实施例中，将参考图9A至9D来描述包括根据本发明一个实施例的触摸面板的电器的示例。
图9A示出包括外壳5001、显示区5002、支承底座5003等的显示装置。根据本发明一个实施例的触摸面板可用于显示区5002。将根据本发明一个实施例的触摸面板用于显示区5002，可提供能够获取具有高分辨率的图像数据且能够配备有更高性能应用的显示装置。注意，显示装置在其范畴内包括用于显示信息的所有显示装置，诸如用于个人计算机、用于接收电视广播以及用于显示广告的显示装置。
图9B示出包括外壳5101、显示区5102、开关5103、控制键5104、红外线端口5105等的个人数字助理。根据本发明一个实施例的触摸面板可用于显示区5102。将根据本发明一个实施例的触摸面板用于显示区5102可提供能够获取具有高分辨率的图像数据且能够配备有更高性能应用的个人数字助理。
图9C示出自动取款机，包括外壳5201、显示区5202、硬币槽5203、纸币槽5204、卡槽5205、银行存折槽5206等。根据本发明一个实施例的触摸面板可用于显示区5202。将根据本发明一个实施例的触摸面板用于显示区5202可提供能够获取具有高分辨率的图像数据且能够配备有更高性能应用的自动取款机。使用根据本发明一个实施例的触摸面板的自动取款机可读取诸如指纹、脸部、手纹、掌纹、手部血管图案、虹膜等被用于具有更高精确性的生物计量之类的活体的信息。因此，可抑制错误非匹配率（将要被识别的人当作是不同的人的错误识别）和错误接受率（将不同的人当作是所要识别的人的错误识别）。
图9D示出包括外壳5301、外壳5302、显示区5303、显示区5304、话筒5305、扬声器5306、控制键5307、指示笔5308等的便携式游戏控制台。根据本发明一个实施例的触摸面板可用于显示区5303或显示区5304。将根据本发明一个实施例的触摸面板用于显示区5303或显示区5304可提供能够获取具有高分辨率的图像数据且配备有更高性能应用的便携式游戏控制台。注意，尽管图9D中所示的便携式游戏控制台包括两个显示区5303和5304，但是在该便携式游戏控制台中所包括的显示区的数量并不限于此。
可与任一其它实施例适当组合地实现本实施例。
本申请基于2010年3月12日向日本专利局提交的日本专利申请序列号2010-056526，该申请的全部内容通过引用结合于此。

Claims (32)

1.一种半导体装置，包括：
光电传感器，包括：
光电二极管；
具有栅极的第一晶体管，所述第一晶体管的栅极连接到所述光电二极管的一个电极；
具有源极和漏极的第二晶体管，所述第二晶体管的源极和漏极之一连接到所述第一晶体管的源极和漏极之一；和
包括读取控制晶体管的读取控制电路，所述读取控制晶体管具有源极和漏极，所述读取控制晶体管的源极和漏极之一连接到所述第二晶体管的源极和漏极中的另一个，
其中，所述第一晶体管、所述第二晶体管和所述读取控制晶体管中的至少一个包括半导体层中的氧化物半导体。
2.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，施加至所述读取控制晶体管的栅极的电压根据入射光发生变化，以使所述读取控制晶体管的电阻发生变化。
3.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，所述氧化物半导体包括铟、镓、锡和锌中的至少一种。
4.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，所述第一晶体管、所述第二晶体管和所述读取控制晶体管中的另一个包括半导体层中的非晶半导体、微晶半导体、多晶半导体和单晶半导体中的任一种。
5.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，所述光电二极管选自PN二极管、PIN二极管和肖特基二极管。
6.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，根据权利要求1所述的多个光电传感器按行方向和列方向排列在衬底上。
7.如权利要求6所述的半导体装置，其特征在于，所述光电传感器被配置为执行复位操作、存储操作和读取操作。
8.如权利要求7所述的半导体装置，其特征在于，所述多个光电传感器被配置为并发执行所有行中的复位操作和存储操作，并且顺序地执行每一行中的读取操作。
9.一种半导体装置，包括：
光电传感器，包括：
光电二极管；
具有源极和漏极的第一晶体管，所述第一晶体管的源极和漏极之一连接到所述光电二极管的一个电极；
具有栅极的第二晶体管，所述第二晶体管的栅极连接到所述第一晶体管的源极和漏极中的另一个；
具有源极和漏极的第三晶体管，所述第三晶体管的源极和漏极之一连接到所述第二晶体管的源极和漏极之一；和
包括读取控制晶体管的读取控制电路，所述读取控制晶体管具有源极和漏极，所述读取控制晶体管的源极和漏极之一连接到所述第三晶体管的源极和漏极中的另一个，
其中，所述第一晶体管、所述第二晶体管、所述第三晶体管和所述读取控制晶体管中的至少一个包括半导体层中的氧化物半导体。
10.如权利要求9所述的半导体装置，其特征在于，施加至所述读取控制晶体管的栅极的电压根据入射光发生变化，以使所述读取控制晶体管的电阻发生变化。
11.如权利要求9所述的半导体装置，其特征在于，所述氧化物半导体包括铟、镓、锡和锌中的至少一种。
12.如权利要求9所述的半导体装置，其特征在于，所述第一晶体管、所述第二晶体管、所述第三晶体管和所述读取控制晶体管中的另一个包括半导体层中的非晶半导体、微晶半导体、多晶半导体和单晶半导体中的任一种。
13.如权利要求9所述的半导体装置，其特征在于，所述光电二极管选自PN二极管、PIN二极管和肖特基二极管。
14.如权利要求9所述的半导体装置，其特征在于，根据权利要求9所述的多个光电传感器按照行方向和列方向排列在衬底上。
15.如权利要求14所述的半导体装置，其特征在于，所述光电传感器被配置为执行复位操作、存储操作和读取操作。
16.如权利要求15所述的半导体装置，其特征在于，所述多个光电传感器被配置为并发执行所有行中的复位操作和存储操作，并且顺序地执行每一行中的读取操作。
17.一种半导体装置，包括：
光电传感器，包括：
光电二极管；
具有栅极的第一晶体管，所述第一晶体管的栅极连接到所述光电二极管的一个电极；
具有源极和漏极的第二晶体管，所述第二晶体管的源极和漏极之一连接到所述第一晶体管的源极和漏极之一；和
包括读取控制晶体管的读取控制电路，所述读取控制晶体管具有源极和漏极，所述读取控制晶体管的源极和漏极之一连接到所述第一晶体管的源极和漏极中的另一个，
其中，所述第一晶体管、所述第二晶体管和所述读取控制晶体管中的至少一个包括半导体层中的氧化物半导体。
18.如权利要求17所述的半导体装置，其特征在于，施加至所述读取控制晶体管的栅极的电压根据入射光发生变化，以使所述读取控制晶体管的电阻发生变化。
19.如权利要求17所述的半导体装置，其特征在于，所述氧化物半导体包括铟、镓、锡和锌中的至少一种。
20.如权利要求17所述的半导体装置，其特征在于，所述第一晶体管、所述第二晶体管和所述读取控制晶体管中的另一个包括半导体层中的非晶半导体、微晶半导体、多晶半导体和单晶半导体中的任一种。
21.如权利要求17所述的半导体装置，其特征在于，所述光电二极管选自PN二极管、PIN二极管和肖特基二极管。
22.如权利要求17所述的半导体装置，其特征在于，根据权利要求17所述的多个光电传感器按行方向和列方向排列在衬底上。
23.如权利要求22所述的半导体装置，其特征在于，所述光电传感器被配置为执行复位操作、存储操作和读取操作。
24.如权利要求23所述的半导体装置，其特征在于，所述多个光电传感器被配置为并发执行所有行中的复位操作和存储操作，并且顺序地执行每一行中的读取操作。
25.一种半导体装置，包括：
光电传感器，包括：
光电二极管；
具有源极和漏极的第一晶体管，所述第一晶体管的源极和漏极之一连接到所述光电二极管的一个电极；
具有栅极的第二晶体管，所述第二晶体管的栅极连接到所述第一晶体管的源极和漏极中的另一个；
具有源极和漏极的第三晶体管，所述第三晶体管的源极和漏极之一连接到所述第二晶体管的源极和漏极之一；以及
包括读取控制晶体管的读取控制电路，所述读取控制晶体管具有源极和漏极，所述读取控制晶体管的源极和漏极之一连接到所述第二晶体管的源极和漏极中的另一个，
其中，所述第一晶体管、所述第二晶体管、所述第三晶体管和所述读取控制晶体管中的至少一个包括半导体层中的氧化物半导体。
26.如权利要求25所述的半导体装置，其特征在于，施加至所述读取控制晶体管的栅极的电压根据入射光发生变化，以使所述读取控制晶体管的电阻发生变化。
27.如权利要求25所述的半导体装置，其特征在于，所述氧化物半导体包括铟、镓、锡和锌中的至少一种。
28.如权利要求25所述的半导体装置，其特征在于，所述第一晶体管、所述第二晶体管、所述第三晶体管和所述读取控制晶体管中的另一个包括半导体层中的非晶半导体、微晶半导体、多晶半导体和单晶半导体中的任一种。
29.如权利要求25所述的半导体装置，其特征在于，所述光电二极管选自PN二极管、PIN二极管和肖特基二极管。
30.如权利要求25所述的半导体装置，其特征在于，根据权利要求25所述的多个光电传感器按行方向和列方向排列在衬底上。
31.如权利要求30所述的半导体装置，其特征在于，所述光电传感器被配置为执行复位操作、存储操作和读取操作。
32.如权利要求31所述的半导体装置，其特征在于，所述多个光电传感器被配置为并发执行所有行中的复位操作和存储操作，并且顺序地执行每一行中的读取操作。
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