CN105336744B - 半导体装置及其驱动方法 - Google Patents

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Abstract

半导体装置及其驱动方法。公开了包括能以高分辨率成像的光电传感器的半导体装置。该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。光电二极管根据光的强度产生电信号。第一晶体管在其栅极中存储电荷并将所存储的电荷转换为输出信号。该第二晶体管将该光电二极管产生的电信号传递至第一晶体管的栅极并保持存储在第一晶体管的栅极中的电荷。该第一晶体管具有背栅极且通过改变该背栅极的电位来改变该第一晶体管的阈值电压。

Description

半导体装置及其驱动方法
本申请是申请日为2011年1月12日、申请号为“201180009189.5”、发明名称为“半导体装置及其驱动方法”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及包括光电传感器的半导体装置及其驱动方法。本发明还涉及其中以矩阵设置光电传感器的半导体装置及其驱动方法。进一步，本发明涉及包括光电传感器的显示装置及其驱动方法。本发明还涉及其中分别包括光电传感器的像素以矩阵设置的显示装置及其驱动方法。此外，本发明涉及包括该显示装置或该半导体装置的电子设备。
背景技术
近年来，其上安装了检测光的传感器(也被称为“光电传感器”)的显示装置已经吸引了注意。通过提供具有光电传感器的显示装置，可在显示屏幕上进行信息的输入。例如，可给出具有图像捕捉功能的显示装置(例如，见专利文献1)。
除了上述显示装置外，可给出被用于诸如扫描仪或数字静态照相机之类的电子设备中所使用的成像设备作为包括光电传感器的半导体装置。
在诸如上述显示装置或成像设备之类的包括光电传感器的半导体装置中，光电传感器检测由物体反射的光或从物体发出的光；因此，半导体装置可检测在提供有光电传感器的区域附近的物体的存在。
[参考文献]
[专利文献]
[专利文献1]日本公开专利申请No.2001-292276
发明内容
为了将所检测到的物体成像并获得图像，在光电传感器中，光需要被转换为电信号。由于电信号一般是模拟信号，电信号需要由A/D转换器电路转换为数字信号。进一步，需要进行根据光的强度的A/D转换。
因此，本发明的实施例的目的在于在光电传感器中准确地将光转换成电信号。另一个目的是提供用于实现上述目的的具有新颖电路结构的光电传感器。另一个目的是提供包括该光电传感器的半导体装置。
进一步，另一个目的是提供能以高分辨率成像的光电传感器。另一个目的是提供包括该光电传感器的半导体装置。
另一个目的是提供包括能对于快速移动的待检测物体成像的光电传感器的半导体装置，且在图像中没有模糊点或扭曲。
进一步，另一个目的是提供包括能以高分辨率低功耗成像的光电传感器的半导体装置。
本发明的实施例涉及包括光电传感器的半导体装置，该光电传感器具有光电二极管、第一晶体管、和第二晶体管。光电二极管具有根据光的强度产生电信号的功能。第一晶体管具有在第一晶体管的栅极中存储电荷的功能。第二晶体管具有将光电二极管产生的电信号传递至第一晶体管的栅极的功能。第二晶体管具有保持存储于第一晶体管的栅极中的电荷的功能。
在上述结构中，第一晶体管具有背栅极。在第一晶体管中，通过改变该背栅极的电位可改变阈值电压。
在上述结构中，第一晶体管具有将存储于栅极中的电荷转换为输出信号的功能。存储于第一晶体管的栅极中的电荷被转换为输出信号且该输出信号被读取，藉此可输出与光的强度一致的电信号。在存储于该栅极中的电荷被保持的情况下改变第一晶体管的背栅极的电位时，对于存储于第一晶体管的栅极中的电荷的读取被执行多次。特定地，第一晶体管的背栅极的电位被设置在第一电位且存储于第一晶体管的栅极中的电荷被转换为第一输出信号，且该第一输出信号被读取。然后，第一晶体管的背栅极的电位被设置在第二电位且存储于第一晶体管的栅极中的电荷被转换为第二输出信号，且该第二输出信号被读取。在其中三次或更多次进行读取的情况下，可重复进行上述操作。以此方式，当第一晶体管的背栅极的电位被改变时，可多次执行对存储于第一晶体管的栅极中的电荷的读取。
因此，即使当光强度较高时，可输出与光强度一致的电信号。进一步，即使当光强度较低时，可输出与光强度一致的电信号。
在上述结构中，可使用氧化物半导体层形成至少第二晶体管的沟道形成区。当与使用硅等的晶体管相比较时，使用氧化物半导体的晶体管具有极低截止电流的电特性。
因此，通过在第二晶体管的沟道形成区中使用氧化物半导体层，存储于第一晶体管的栅极中的电荷可保持较长时间。相应地，在其中多次进行对存储于第一晶体管的栅极中的电荷的读取的时间段内，存储于第一晶体管的栅极中的电荷可保持基本不变。
在上述结构中，半导体装置包括第三晶体管。该第三晶体管具有控制输出信号的读取的功能。
在上述结构中，半导体装置包括第四晶体管。该第四晶体管具有控制被用于读取输出信号的信号线的电位的功能。特定地，该第四晶体管具有将该信号线的电位设定在基准电位的功能。
根据本发明的实施例，可提供包括能输出与较广范围内的光强度一致的电信号的光电传感器的半导体装置。即，可能在不论强度的情况下，准确地将光转换为电信号。因此，可提供一半导体装置，该半导体装置包括能以高分辨率和对于较广范围光强度的适用性实现成像功能光电传感器。
附图简述
在附图中：
图1是示出半导体装置的结构的示例的图；
图2是示出显示装置的结构的示例的图；
图3是示出被包括在显示装置中的像素的电路结构的示例的图；
图4是光电传感器的时序图的示例；
图5是光电传感器的时序图的示例；
图6是光电传感器的时序图的示例；
图7A到7D是示出光电传感器的电路结构的示例的图；
图8A到8D是示出被包括于半导体装置中的晶体管的制造工艺的示例的图；
图9是示出被包括在半导体装置中的晶体管的结构的示例的图；和
图10是示出晶体管的Vg-Id特性的示例的图。
参考标记说明
100:显示装置,101:像素电路,102:显示元件控制电路,103:光电传感器控制电路,104:像素,105:显示元件,106:光电传感器,107:显示元件驱动电路,108:显示元件驱动电路,109:光电传感器读取电路,110:光电传感器驱动电路,200:预充电电路,201:晶体管,202:存储电容器,203:液晶元件,204:光电二极管,205:晶体管,206:晶体管,207:晶体管,208:栅极信号线,209:栅极信号线,210:光电二极管重置信号线,211:栅极信号线,212:视频数据信号线,213:光电传感器基准信号线,214:光电传感器输出信号线,215:栅极信号线,216:晶体管,217:预充电信号线,218:背栅极信号线,301:信号,302:信号,303:信号,304:信号,305:信号,306:信号,307:信号,400:衬底,402:栅绝缘层,403:保护绝缘层,410:晶体管,411:栅电极层,413:沟道形成区,416:氧化物绝缘层,420:晶体管,430:氧化物半导体膜,431:氧化物半导体层,441:背栅极,415a:源/漏电极层,415b:源/漏电极层,501:信号,502:信号,503:信号,504:信号,505:信号,506:信号,507:信号,508:信号,509:信号,510:时间段,511:时间段,512:时间段,513:时间段,601:晶体管,801:信号,802:信号,803:信号,804:信号,805:信号,806:信号,807:信号,808:信号,809:信号,810:时间段,811:时间段,812:时间段,813:时间段
具体实施方式
在下文中，将参考附图详细描述各个实施例。然而，由于下述实施例可以不同方式实现，本领域技术人员易于理解的是可在不背离本发明范围的情况下以各种方式改变实现方式和细节。因此，本发明不应被解释为限于以下诸实施例的描述。在用于解释各实施例的附图中，相同的附图标记指示相同的部分或具有类似功能的部分，并且不再重复其详细描述。
(实施例1)
在这个实施例中，参考图1而描述作为所公开的发明的实施例的半导体装置的示例。
被包括在半导体装置中的光电二极管106的电路结构的示例被图示于图1中。还示出了电连接至光电传感器106的预充电电路200的结构的示例。
光电传感器106包括光电二极管204、晶体管205、晶体管206、以及晶体管207。
在光电传感器106中，光电二极管204的一个电极电连接到光电二极管重置信号线210，且光电二极管204的另一电极电连接到晶体管207的源极和漏极之一。晶体管205的源极和漏极之一电连接到光电传感器基准信号线213，而晶体管205的源极和漏极中的另一个电连接到晶体管206的源极和漏极之一。晶体管206的栅极电连接到栅极信号线211，而晶体管206的源极和栅极中的另一个电连接到光电传感器输出信号线214。晶体管207的栅极电连接至栅极信号线209。晶体管207的源极和漏极中的另一个通过栅极信号线215电连接至晶体管205的栅极。
晶体管205具有背栅极。背栅极电连接至背栅极信号线218。通过改变施加至背栅极信号线218的电位，可改变晶体管205的背栅极的电位。通过改变背栅极的电位，可改变晶体管205的阈值电压。晶体管205具有其中层叠了栅极、栅绝缘层、包括沟道形成区的半导体层、绝缘膜、和背栅极的结构。绝缘膜用作背栅极侧上的栅绝缘层。放置栅极和背栅极以使沟道形成区被设置在两者之间。类似于栅极，可使用导电膜形成背栅极。
栅极信号线209、光电二极管重置信号线210、和栅极信号线211电连接至光电传感器驱动电路。光电传感器驱动电路具有如下所述的、在设置于特定行的光电传感器106上执行重置操作、累积操作、和读取操作的功能。
光电传感器输出信号线214、光电传感器基准信号线213、和背栅极信号线218电连接至光电传感器读取电路。光电传感器读取电路具有从位于选中行的光电传感器106读取输出信号的功能。
注意，该光电传感器读取电路可具有其中作为模拟信号的来自光电传感器的输出被OP放大器提取作为至外侧的模拟信号的结构；或者其中通过A/D转换器电路将输出转换至数字信号然后被提取至外侧的结构。
可使用PN二极管、PIN二极管、肖特基二极管、或雪崩二极管作为光电二极管204。在其中使用PN二极管或PIN二极管的情况下，可使用其中层叠了具有相应的导电类型(p-型导电性和n-型导电性、或p-型导电性、i-型导电性、和n-型导电性)的半导体的结构。可选地，可使用各自具有一导电类型的数个半导体被放置在共面表面上的结构。包括在光电二极管204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。由光电二极管所接收的光是由物体所反射的光或从物体发射出来的光。可使用包括于半导体装置中的发光设备或外部光作为被物体反射的光的光源。
晶体管207具有控制在光电传感器上进行的累积操作的功能。即，处于导通状态的晶体管207具有将由光电二极管204产生的电信号传递至晶体管205的栅极的功能。因此，期望的是具有高迁移率的晶体管被用作晶体管207。此外，处于非导通状态的晶体管207具有保持存储于(累积在)晶体管205的栅极中的电荷的功能。因此，期望的是具有极低截止电流的晶体管被用作晶体管207。
因此，期望的是使用具有极低截止电流和相对较高迁移率的氧化物半导体作为包含在晶体管207的沟道形成区中的半导体。当与使用硅等的晶体管相比较时，使用氧化物半导体的晶体管具有极低截止电流的电特性。使用氧化物半导体的晶体管相比使用非晶硅的晶体管具有更高迁移率的电特性。
晶体管205具有在栅极中存储(累积)电荷的功能。通过将存储在栅极中的电荷转换为输出信号并从光电传感器输出信号线214读取该输出信号，由光电传感器204产生的电信号可被读取作为输出信号。在存储于晶体管205的栅极中的电荷被保持的情况下改变晶体管205的背栅极的电位时，对于存储于晶体管205的栅极中的电荷的读取被执行多次。
相应地，可提供能输出与较广范围光强度一致的电信号的光电传感器106。即，可能在不论强度的情况下，准确地将光转换为电信号。
为了以高速进行上述读取，期望的是使用具有高迁移率的晶体管作为晶体管205。
晶体管206具有控制来自光电传感器106的输出信号的读取的功能。特定地，晶体管206具有将来自光电传感器106的输出信号传递至光电传感器输出信号线214的功能。为了以高速进行输出信号的传递，即，为了以高速进行对于来自光电传感器106的输出信号的读取，期望的是使用具有高迁移率的晶体管作为晶体管206。
另一方面，在另一个像素的读取时间段中，有必要防止不必要的电位被输出至光电传感器输出信号线214。因此，期望的是具有低截止电流的晶体管被用作晶体管205和晶体管206中的一个或两个。
因此，在其中最优先高速读取的情况下，期望的是单晶半导体、多晶半导体等被用作包含在晶体管205和206的沟道形成区中的半导体。进一步，期望的是使用其结晶性易于被改进的材料(如，硅)。
另外，在最优先防止不必要的电位被输出的情况下，期望的是具有极低截止电流和相对较高迁移率的氧化物半导体被用作包含在晶体管205和晶体管206中的一个或两个的沟道形成区中的半导体。
如上所述，可取决于光电传感器106所需要的特性而选择被用于晶体管205和206的半导体材料。
接着，描述预充电电路200。图1中所示的预充电电路200被用于每一列的像素。被用于每一列的像素的预充电电路200包括晶体管216和预充电信号线217。晶体管216的栅极电连接至预充电信号线217；晶体管216的源极和漏极之一电连接至施加了预定电位的信号线；且晶体管216的源极和漏极中的另一个电连接至光电传感器输出信号线214。注意，OP放大器或A/D转换器电路可被连接至预充电电路200的下一级。
在预充电电路200中，在像素中的光电传感器的操作之前，光电传感器输出信号线214的电位被设置在基准电位。例如，当高电位被施加至预充电信号线217时，晶体管216被导通且光电传感器输出信号线214可被设置在基准电位(此处，是高电位)。注意，有效的是为光电传感器输出信号线214提供存储电容器，从而光电传感器输出信号线214的电位被稳定。注意，基准电位可以被设置在低电位。
根据这个实施例，可提供能以高分辨率和对较广范围光强度的适用性实现成像功能的低成本半导体装置。
包括光电传感器的这样的半导体装置可被用在诸如扫描仪或静态照相机之类的电子设备中。此外，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。
该实施例可按需结合任一其他实施例和示例实现。
(实施例2)
在这个实施例中，参考图2和图3而描述作为所公开的本发明的实施例的半导体装置的示例。在这个实施例中描述了其中半导体装置是显示装置的示例。
图2中示出显示装置的结构的示例。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包括在行方向和列方向中以矩阵设置的多个像素104。每一个像素104包括显示元件105和光电传感器106。并不必须在像素104的每一个中提供光电传感器106，而是可在每两个或更多个像素中提供光电传感器106。例如，可采用其中每两个像素提供一个光电传感器的结构。可选地，可在像素104外提供光电传感器。
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电路107，从该显示元件驱动器电路107通过信号线(也被称为视频数据源信号线或源信号线)将诸如视频数据之类的信号输入至显示元件105；和显示元件驱动电路108，从该显示元件驱动电路108通过扫描线(也被称为栅极信号线)将信号输入至显示元件105。
光电传感器控制电路103是控制光电传感器106的电路，且包括位于信号线侧的光电传感器读取电路109和位于扫描线侧的光电传感器驱动电路110。
在图3中，示出了像素104的电路结构的示例。还示出了电连接至像素104的预充电电路200的结构的示例。预充电电路200被包括在图2中所示的光电传感器读取电路109中。
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的栅极电连接到栅极信号线208，晶体管201的源极和漏极之一电连接到视频数据信号线212，而晶体管201的源极和漏极中的另一个电连接到存储电容器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的另一个电极被连接至被提供预定电位的公共引线。液晶元件203是包括一对电极、以及设置在这对电极之间的液晶层的元件。
晶体管201具有控制电荷注入液晶元件203和存储电容器202或从中排出的功能。例如，当向栅极信号线208施加高电位时，晶体管201被导通且视频数据信号线212的电位被施加到液晶元件203和存储电容器202。由于向液晶元件203施加电压，产生通过液晶元件203的光的对比度(灰度)，藉此实现图像显示。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可以是透射显示装置、反射显示装置、或半透射显示装置。
视频数据信号线212电连接至在图2中显示的显示元件驱动电路107。显示元件驱动电路107是通过视频数据信号线212向显示元件105提供信号的电路。栅极信号线208电连接至在图2中显示的显示元件驱动电路108。显示元件驱动电路108是通过栅极信号线208向显示元件105提供信号的电路。例如，显示元件驱动电路108具有提供选择包括在设置于特定行中的像素中的显示元件的信号的功能。显示元件驱动电路107具有提供向包括于所选择的行中的像素中的显示元件提供合适电位的信号的功能。
可使用非晶半导体、微晶半导体、多晶半导体、氧化物半导体、单晶半导体等作为包括于晶体管201的沟道形成区中的半导体。特定地，通过使用氧化物半导体来获得具有极低截止电流的晶体管，可改进显示质量。
尽管此处所述的显示元件105包括液晶元件，显示元件105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是发光二极管和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、晶体管206、以及晶体管207。
在光电传感器106中，光电二极管204的一个电极电连接到光电二极管重置信号线210，且光电二极管204的另一电极电连接到晶体管207的源极和漏极之一。晶体管205的源极和漏极之一电连接到光电传感器基准信号线213，而晶体管205的源极和漏极中的另一个电连接到晶体管206的源极和漏极之一。晶体管206的栅极电连接到栅极信号线211，而晶体管206的源极和栅极中的另一个电连接到光电传感器输出信号线214。晶体管207的栅极电连接至栅极信号线209。晶体管207的源极和漏极中的另一个通过栅极信号线215电连接至晶体管205的栅极。
晶体管205具有背栅极。背栅极电连接至背栅极信号线218。通过改变施加至背栅极信号线218的电位，可改变晶体管205的背栅极的电位。通过改变背栅极的电压，可改变晶体管205的阈值电压。晶体管205具有其中层叠了栅极、栅绝缘层、包括沟道形成区的半导体层、绝缘膜、和背栅极的结构。绝缘膜用作背栅极侧上的栅绝缘层。放置栅极和背栅极以使沟道形成区被插入在两者之间。类似于栅极，可使用导电膜形成背栅极。
栅极信号线209、光电二极管重置信号线210、和栅极信号线211电连接至图2中所示的光电传感器驱动电路110。光电传感器驱动电路110具有在包括于设置在特定行的像素中的光电传感器106上执行如下所述的重置操作、累积操作、和读取操作的功能。
光电传感器输出信号线214、光电传感器基准信号线213、和背栅极信号线218电连接至图2中所示的光电传感器读取电路109。光电传感器读取电路109具有从位于选中行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，该光电传感器读取电路109可具有其中作为模拟信号的来自光电传感器的输出被OP放大器提取作为至外侧的模拟信号的结构；或者其中通过A/D转换器电路将输出转换至数字信号然后被提取至外侧的结构。
可使用PN二极管、PIN二极管、肖特基二极管、或雪崩二极管作为光电二极管204。在其中使用PN二极管或PIN二极管的情况下，可使用其中层叠了具有相应的导电类型(p-型导电性和n-型导电性、或p-型导电性、i-型导电性、和n-型导电性)的半导体的结构。可选地，可使用各自具有一导电类型的数个半导体被放置在共面上的结构。包括在光电二极管204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。在显示装置100中，由光电二极管所接收的光是由物体所反射的光或从物体发出的光。可使用包括于显示装置中的发光设备或外部光作为被物体反射的光的光源。在其中发光元件被用作包括在显示装置中的显示元件105的情况下，从发光元件发出的光可被用作由物体所反射的光的光源。
晶体管207具有控制在光电传感器上进行的累积操作的功能。即，处于导通状态的晶体管207具有将由光电二极管204产生的电信号传递至晶体管205的栅极的功能。因此，期望的是具有高迁移率的晶体管被用作晶体管207。此外，处于非导通状态的晶体管207具有保持存储于(累积在)晶体管205的栅极中的电荷的功能。因此，期望的是具有极低截止电流的晶体管被用作晶体管207。
因此，期望的是使用具有极低截止电流和相对较高迁移率的氧化物半导体作为包含在晶体管207的沟道形成区中的半导体。当与使用硅等的晶体管相比较时，使用氧化物半导体的晶体管具有极低截止电流的电特性。使用氧化物半导体的晶体管相比使用非晶硅的晶体管具有更高迁移率的电特性。
另外，如实施例1中所述，可取决于光电传感器106所需要的特性而选择被用于晶体管205和206的半导体材料。
接着，描述预充电电路200。图3中所示的预充电电路200被用于每一列的像素。被用于每一列的像素的预充电电路200包括晶体管216和预充电信号线217。晶体管216的栅极电连接至预充电信号线217；晶体管216的源极和漏极之一电连接至施加了预定电位的信号线；且晶体管216的源极和漏极中的另一个电连接至光电传感器输出信号线214。注意，OP放大器或A/D转换器电路可被连接至预充电电路200的下一级。
在预充电电路200中，在像素中的光电传感器的操作之前，光电传感器输出信号线214的电位被设置在基准电位。例如，当高电位被施加至预充电信号线217时，晶体管216被导通且光电传感器输出信号线214可被设置在基准电位(此处，是高电位)。注意，有效的是为光电传感器输出信号线214提供存储电容器，从而光电传感器输出信号线214的电位被稳定。注意，基准电位可以被设置在低电位。
尽管在这个实施例中描述了包括光电传感器的显示装置，这个实施例可被易于应用至包含光电传感器的不具有显示功能的半导体装置。即，在这个实施例中，从显示装置100中，通过移除对于显示必须的电路(特定地，是显示元件控制电路102和显示元件105)可形成半导体装置。可给出被用在诸如扫描仪或数字静态照相机之类的电子设备中的成像装置，作为包括光电传感器的半导体装置。
根据这个实施例，可提供能以高分辨率和对较广范围光强度的适用性实现成像功能的低成本显示设备或低成本半导体装置。
该实施例可按需结合任一其他实施例和示例实现。
(实施例3)
在这个实施例中，参考图4而描述图1所示的半导体装置的操作的示例或图2和3中所示的显示装置的操作的示例。图4是时序图的示例，涉及图1或图2和图3中所示的光电传感器106上的读取操作。
在图4中，信号301、信号302、信号303、信号304、信号305、信号306、和信号307分别对应于图1或图3中的光电二极管重置信号线210、栅极信号线209、栅极信号线211、栅极信号线215、光电传感器输出信号线214、预充电信号线217、和背栅极信号线218的电位。注意，光电传感器基准信号线213被设置在低电位。
图4的时序图包括其中进行重置操作的重置时间段、其中进行电荷累积操作的累积时间段、和其中进行读取操作的读取时间段。从时间A到时间B的时间段对应于重置时间段。从时间B到时间C的时间段对应于累积时间段。从时间D到时间E的时间段对应于第一读取时间段，且从时间G到时间H的时间段对应于第二读取时间段。
下文中，高电位被表达为“H”且低电位被表达为“L”。此外，下文中，描述了其中当晶体管的栅极被提供高电位(“H”)信号时晶体管被导通的示例。进一步，下文中，在描述中，晶体管205是通过增加(减少)背栅极的电位而减少(增加)其阈值电压的晶体管。
在时间A，光电二极管重置信号线210的电位(信号301)被设置为“H”且栅极信号线209的电位(信号302)被设置为“H”(重置操作被启动)；然后，光电二极管204和晶体管207被电导通且栅极信号线215的电位(信号304)变为“H”。因此，对应于高电位(“H”)的电荷被存储在栅极信号线215中。
当预充电信号线217的电位(信号306)为“H”时，光电传感器输出信号线214的电位(信号305)被预充电至“H”。背栅极信号线218的电位(信号307)是0V且此时晶体管205的阈值电压在0V附近。
在时间B，光电二极管重置信号线210的电位(信号301)被设置为“L”且栅极信号线209的电位(信号302)被保持在“H”(重置操作完成且累积操作被启动)；然后，由于光电二极管204的漏电流，栅极信号线215的电位(信号304)开始下降。当光由光电二极管204接收时，漏电流(也被称为光电流)增加；因此，栅极信号线215的电位(信号304)根据所接收到的光(具体地是由物体所反射的光)的强度而改变。换言之，栅极信号线215中的电荷量根据光电二极管204中产生的光电流而改变。因此，存储在晶体管205的栅极中的电荷量被改变且晶体管205的源极和漏极之间的沟道电阻被改变。当在这个光电二极管204中产生的光电流被视为电信号时，意味着栅极信号线215中的电荷量根据在这个光电二极管204中产生的电信号而改变。
在时间C，栅极信号线209的电位(信号302)被设置为“L”(累积操作完成)，藉此晶体管207被截止且栅极信号线215的电位(信号304)变得恒定。即，存储(累积)于栅极信号线215中的电荷量变得恒定且存储(累积)于晶体管205的栅极中的电荷量变得恒定。取决于在累积操作过程中在光电二极管中产生的光电流的量而确定栅极信号线215的电位(电荷量)。换言之，栅极信号线215的电位(电荷量)根据光电二极管接收到的光的强度而变化。
晶体管207是具有极低截止电流的晶体管，该晶体管在其沟道形成区中使用氧化物半导体层。因此，所存储的电荷量可被保持恒定，直到进行之后的读取操作。如上所述，晶体管207具有控制其中电荷存储(累积)在晶体管205的栅极的累积操作的功能。
注意，在将栅极信号线209的电位(信号302)设在“L”时，由于栅极信号线209和栅极信号线215之间的寄生电容，栅极信号线215的电位(电荷量)改变。当由于寄生电流引起的电位(电荷量)的改变量较大时，不能准确地执行读取。为了减少由于寄生电容引起的电位(电荷量)的变化量，有效的是减少晶体管207的栅极和源极之间(或栅极和漏极之间)的电容、增加晶体管205的栅极电容、提供具有存储电容器的栅极信号线215等。注意在图4中，应用了这些方法，且因此可忽略由于寄生电容引起的电位(电荷量)的变化。
取决于栅极信号线215的电位(信号304)，晶体管205被导通或截止。在其中由光电二极管204接收到的光的强度较低的情况下，栅极信号线215的电位(信号304)从电位“H”的下降较小。因此，晶体管205被导通且源极和漏极之间的沟道电阻被降低。反之，在其中由光电二极管204接收到的光的强度较高的情况下，栅极信号线215的电位(信号304)从电位“H”的下降较大。因此，晶体管205处于具有源极和漏极之间的增加的沟道电阻的截止状态或导通状态中。此处，在累积操作之后(在时间C)的栅极信号线215的电位被假设为能将晶体管205保持在导通状态的值。
在时间D，栅极信号线211的电位(信号303)被设置为“H”(第一读取操作被启动)；然后，晶体管206被导通且光电传感器基准信号线213和光电传感器输出信号线214通过晶体管205和晶体管206被电导通。由于光电传感器基准信号线213被设置在低电位，光电传感器输出信号线214的电位(信号305)减少。注意，在时间D之前，预充电信号线217的电位(信号306)被设置为“L”，以使光电传感器输出信号线214的预充电完成。此处，光电传感器输出信号线214的电位(信号305)减少的速率取决于晶体管的源极和漏极之间的沟道电阻；即，取决于在累积操作过程中由光电二极管204接收到的光的强度而改变该速率。
在时间E，栅极信号线211的电位(信号303)被设置为“L”(第一读取操作完成)；然后，晶体管206被截止且光电传感器输出信号线214的电位(信号305)变得恒定。此处光电传感器输出信号线214的电位取决于由光电二极管204所接收到的光的强度。因此，通过检测光电传感器输出信号线214的电位可确定在累积操作的过程中由光电二极管204接收到的光的强度。
此处，在其中由光电二极管204接收到的光的强度较低的情况下，晶体管205被导通且源极和漏极之间的沟道电阻较低。因此，光电传感器输出信号线214的电位(信号305)从电位“H”的减少较大，且其电位变得接近于光电传感器基准信号线213的电位。在这个情况下，光不可与更弱的光相区别。因此，为了将光区别于更弱的光，可能在预充电时扩展光电传感器基准信号线213的电位和光电传感器输出信号线214的基准电位之间的电压范围；然而，通过这个方法，需要在较宽电压范围内操作的A/D转换器电路，且增加了半导体装置或显示装置的制造成本。基于上述，采用了如下所述的驱动方法。
在时间F之前，背栅极信号线218的电位(信号307)被设置为负电位。此时，晶体管205的阈值电压高于0V。在时间F，预充电信号线217的电位(信号306)为“H”且光电传感器输出信号线214的电位(信号305)被预充电至“H”。
在时间G，栅极信号线211的电位(信号303)被设置为“H”(第二读取操作被启动)；然后，晶体管206被导通且光电传感器基准信号线213和光电传感器输出信号线214通过晶体管205和晶体管206被电导通。然后，光电传感器输出信号线214的电位(信号305)减少。注意，在时间G之前，预充电信号线217的电位(信号306)被设置为“L”，以使光电传感器输出信号线214的预充电完成。此处，光电传感器输出信号线214的电位(信号305)减少的速率取决于晶体管的源极和漏极之间的沟道电阻；即，速率取决于在累积操作过程中由光电二极管204接收到的光的强度。然而，由于晶体管205的阈值电压高于在第一读取操作时的阈值电压，光电传感器输出信号线214的电位(信号305)减少的速率被降低。
在时间H，栅极信号线211的电位(信号303)被设置为“L”(第二读取操作完成)；然后，晶体管206被截止且光电传感器输出信号线214的电位(信号305)变得恒定。此处光电传感器输出信号线214的电位取决于由光电二极管204所接收到的光的强度。因此，通过检测光电传感器输出信号线214的电位可确定在累积操作的过程中由光电二极管204接收到的光的强度。以此方式，即使在其中光的强度较低的情况下，由光电二极管204所接收到的光的强度可使用低成本A/D转换器电路而检测到。
上文描述了其中由光电二极管所接收到的光的强度较低(即，光较微弱)的情况；类似地，该驱动方法可被应用于由光电二极管所接收到的光的强度较高(即，光较强)的情况。在其中光较强的情况下，光电传感器输出信号线214的电位几乎与预充电时的基准点位一样，且难以被检测。因此，作为第三读取操作，背栅极信号线218的电位被设置为正电位，以使晶体管205的阈值电压低于0V。相应地，光电传感器输出信号线214的电位(信号305)减少的速率被增加，且光电传感器输出信号线214的电位更易于被检测。
进一步，为了其中由光电二极管所接收到的光较强的情况以及其中光较弱的情况均被检测到，有效的是重复执行上述第一到第三读取操作。即，第一晶体管的背栅极的电位被设置在第一电位(此处0V)且存储于第一晶体管的栅极中的电荷被转换为第一输出信号，且该第一输出信号被读取。然后，第一晶体管的背栅极的电位被设置在第二电位(此处，负电位)且存储于第一晶体管的栅极中的电荷被转换为第二输出信号，且该第二输出信号被读取。此后，第一晶体管的背栅极的电位被设置在第三电位(此处，正电位)且存储于第一晶体管的栅极中的电荷被转换为第三输出信号，且该第三输出信号被读取。此外，通过在第二和第三读取操作时以更窄的电压宽度改变被栅极信号线218的电位且顺序地进行读取，可在更宽范围强度的光上进行具有高分辨率的检测。换言之，通过采用上述结构，可提供能准确地将光(不论其强度)转换为电信号并输出与较宽范围光强度一致的电信号的光电传感器106。
为了实现上述驱动方法，即使在完成了累积操作后，每一个光电传感器中的栅极信号线215的电位需要保持恒定。因此，如参考图1到图3所描述地，其中使用氧化物半导体层形成晶体管207从而具有极低截止电流的结构是有效的。
以上述方式，通过重复重置操作、累积操作、和读取操作实现各个光电传感器的操作。通过在所有像素中采用这个驱动方法，可进行成像。更特定地，可通过诸列地重复重置操作、累积操作、和读取操作来进行成像。
根据这个实施例，可提供能以高分辨率和对较广范围光强度的实现成像功能的低成本半导体装置或低成本显示装置。
该实施例可按需结合任一其他实施例和示例实现。
(实施例4)
在这个实施例中，描述了包括多个光电传感器的半导体装置的驱动方法的示例。
首先，描述了图5的时序图中所示的驱动方法。在图5中，信号801、信号802、和信号803分别对应于第一行、第二行、和第三行中的光电传感器中的光电二极管重置信号线210。信号804、信号805、和信号806分别对应于第一行、第二行、和第三行中的光电传感器中的栅极信号线209。信号807、信号808、和信号809分别对应于第一行、第二行、和第三行中的光电传感器中的栅极信号线211。时间段810是其中进行一次成像的时间段。时间段811是其中第二行中的光电传感器进行重置操作的时间段；时间段812是其中第二行中的光电传感器进行累积操作的时间段；而时间段813是其中第二行中的光电传感器进行读取操作的时间段。通过这样依序驱动不同列中的光电传感器，可获取图像。
此处，不同列的光电传感器中的累积操作彼此之间具有时间间隙。即，所有列中的光电传感器中的成像并不是同时进行的，导致所获取的图像的模糊。特定地，快速移动的待检测物体的图像可能被获取为具有扭曲的形状：如果待检测物体在从第一行到第三行的方向移动，会获取被放大的图像，就像该物体后方留有轨迹一样；且如果待检测物体在反方向移动，会获取减小的图像。
为了防止不同行中的光电传感器中的累积操作的时间间隙，有效的是减少不同行的光电传感器的操作之间的间隔。在这个情况下，然而，来自光电传感器的输出信号需要以高速用OP放大器或A/D转换器电路获得，这引起功耗增加。特别是在获得具有高分辨率的图像时，难以在非常高的速度下用OP放大器或AD转换器电路从光电传感器获得输出信号。
鉴于上述，提出了图6的时序图中所示的驱动方法。在图6中，信号501、信号502、和信号503分别对应于第一行、第二行、和第三行中的光电传感器中的光电二极管重置信号线210。信号504、信号505、和信号506分别对应于第一行、第二行、和第三行中的光电传感器中的栅极信号线209。信号507、信号508、和信号509分别对应于第一行、第二行、和第三行中的光电传感器中的栅极信号线211。时间段510是其中进行一次成像的时间段。时间段511是其中第二行中的光电传感器进行重置操作(与其他行同时)的时间段，时间段512是其中第二行中的光电传感器进行累积操作(与其他行同时)的时间段，且时间段513是其中第二行中的光电传感器进行读取操作的时间段。
图6与图5不同之处在于，在所有行的光电传感器中同时进行重置操作和累积操作中的每一个，且在累积操作后，在不与累积操作同步的情况下按行顺序地进行读取操作。在同时进行累积操作时，同时进行所有行的光电传感器中的成像且可易于即便在待检测物体快速移动时获取具有不可辨别的模糊的待检测物体的图像。由于同时进行累积操作，可为多个光电传感器的光电二极管重置信号线210公共地提供驱动电路。也可为多个光电传感器的栅极信号线209公共地提供驱动电路。这样公共地提供的驱动电路有效地减少了外围电路的数量或减少了功耗。此外，逐行连续进行读取操作使得可能当从光电传感器获得输出信号时降低OP放大器或A/D转换器电路的操作速率。读取操作的全部时间优选地长于累积操作的时间，这对于以高分辨率获取图像的情况是特别有效的。
在图5和图6的时序图中，其中进行一次成像的时间段810和510包括其中进行读取操作的多个时间段813和513。尽管在图5和图6中包括了两个时间段813和513，优选地在时间段810和510中包括在其中进行读取操作的三个或更多个时间段813和513，这样既可处理其中光较强的情况也可处理其中光较弱的情况。如图5和图6的时序图中所示，以如下方式进行了多次读取操作：在所有行中逐行首先进行第一读取操作、然后在所有行中逐行进行第二读取操作，并以此方式重复操作直到进行第n次读取操作(n是大于或等于3的整数)。可选地，首先在第一行中进行第一到第n次读取操作，然后在第二行中进行第n次读取操作，并以此方式重复操作直到在第m行中进行第一到第n次读取操作(m是大于或等于3的整数)。
注意图5和图6示出逐行连续驱动光电传感器的方法的时序图；还有效的是仅连续驱动特定行中的光电传感器从而获得特定区域中的图像。因此，当减少了OP放大器或A/D转换器电路的操作和功耗时，可获得所期望的图像。
为了实现上述驱动方法，即使在完成了累积操作后，每一个光电传感器中的栅极信号线215的电位需要保持恒定。因此，如参考图1或图3所描述地，优选地使用氧化物半导体形成晶体管207，从而具有极低截止电流。
以上述方式，可能提供低功耗显示装置或低功耗半导体装置，允许即使当待检测物体快速移动时获取几乎没有模糊的待检测物体的高分辨率图像。
该实施例可按需结合任一其他实施例和示例实现。
(实施例5)
在这个实施例中，描述了图1或图3中的光电传感器106的电路结构的经修改的示例。
图7A示出其中图1或图3中的晶体管205的栅极连接至用于控制光电传感器的重置操作的晶体管601。特定地，晶体管601的源极和漏极之一电连接至光电传感器基准信号线213，且晶体管601的源极和漏极中的另一个电连接至晶体管205的栅极。光电二极管204的一个电极电连接至施加了预定电位(如，地电位)的布线。
可使用非晶半导体、微晶半导体、多晶半导体、氧化物半导体、单晶半导体等形成晶体管601。特定地，为晶体管601优选地使用氧化物半导体，从而晶体管601的截止电流较低且在重置操作之后防止晶体管205的栅极的电荷通过晶体管601被释放。
图7B示出其中晶体管205和晶体管206与图7A中相反地连接的结构。特定地，晶体管205的源极和漏极中的一个电连接至光电传感器输出信号线214，且晶体管206的源极和漏极中的一个电连接至光电传感器输出信号线213。
图7C示出其中从图7A的结构中省略了晶体管206的结构。特定地，晶体管205的源极和漏极之一电连接至光电传感器基准信号线213，且晶体管205的源极和漏极中的另一个电连接至光电传感器输出信号线214。
注意，在图7A到7C中，晶体管601的源极和漏极中的一个可电连接至非光电传感器基准信号线213的布线。
在图7D中，图7C中的晶体管601的源极和漏极之一电连接至光电传感器输出信号线214，且晶体管601的源极和漏极中的另一个电连接至晶体管205的栅极。
在图7A到7D中，当使用氧化物半导体形成晶体管207来减少截止电流时，存储于晶体管205的栅极中的电荷可被保持为恒定。
在图7A到7D中，通过为晶体管205提供背栅极，可提供能以高分辨率和对较宽光强度的适用性实现成像功能的半导体装置。
在图7A到7D中，可取决于光电传感器的电路结构而互换光电二极管204的两个电极的连接。
该实施例可按需结合任一其他实施例和示例实现。
(实施例6)
在这个实施例中，描述了包括在作为所公开的发明的实施例的半导体装置中的晶体管的示例。特定地，描述了其中类似于图1或图3所示的晶体管207或图3所示的晶体管201，使用氧化物半导体层形成沟道形成区的晶体管的示例。
〈晶体管〉
晶体管(如，图1或图3所示的晶体管207)是使用氧化物半导体层形成其沟道形成区的晶体管。通过以下方法，该氧化物半导体层被高度纯化以成为电i-型(本征)或基本i-型(本征)：尽可能彻底移除可能作为施主并导致晶体管电特性变化的诸如氢、水分、羟基、和氢化物之类的杂质，从而减少杂质浓度；且提供作为氧化物半导体主要组分且通过移除杂质的步骤浓度被减少的氧。注意，包括于氧化物半导体层中的氧化物半导体具有3.0eV或更大的带隙。
进一步，高度纯化的氧化物半导体具有非常少的载流子(接近于零)，且载流子密度极低(例如，低于1×1012/cm3，优选地低于1×1011/cm3)。相应地，晶体管的截止电流极低。因此，在上述晶体管中，室温的每微米沟道宽度(w)的截止电流为1aA/μm(1×10-18A/μm)或更低，且进一步可小于100zA/μm(1×10-19A/μm)。一般而言，在使用非晶硅的晶体管中，室温的截止电流是1×10-13A/μm或更大。此外，可认为在使用上述高度纯化的氧化物半导体层的晶体管中没有出现热载流子劣化。因此，晶体管的电特性没有受到热载流子劣化的影响。
通过如上所述地彻底移除包含在氧化物半导体层中的氢而被高度纯化的氧化物半导体层被用在晶体管的沟道形成区中，藉此可获得具有极低截止电流的晶体管。即，在电路设计中，该氧化物半导体层可被认为是当晶体管处于截止状态(也被称为非导通状态)时的绝缘体。另一方面，当其中氧化物半导体被用在沟道形成区中的晶体管处于导通状态(导电状态)时，该晶体管被预期相比使用非晶硅的晶体管表现出更高的电流供应能力。
假设在室温使用低温多晶硅的晶体管的截止电流约是使用氧化物半导体的晶体管的截止电流的10000倍大。因此，用使用氧化物半导体的晶体管，可将电荷保持时间段延长为使用低温多晶硅的晶体管的时间段的约10000倍长。
如上所述，在沟道形成区中使用被高度纯化的氧化物半导体层的晶体管能保持存储于晶体管的源极或漏极中的电荷较长时间。
因此，通过在图1或图3所示的晶体管207的沟道形成区中使用氧化物半导体层，可保持存储于图1或图3所示的晶体管205的栅极中的电荷达较长时间。相应地，在其中多次进行对存储于晶体管205的栅极中的电荷的读取的时间段内，可保持存储于晶体管205的栅极中的电荷基本不变。因此，通过在晶体管207的沟道形成区中使用氧化物半导体层，可提供包括具有新颖电路结构的光电传感器的半导体装置。
进一步，通过在图3所示的晶体管201的沟道形成区中使用氧化物半导体层，可扩展像素的图像信号保持时间段。因此，可减少设置在像素中的电容器的尺寸。因此，例如，像素的孔径比可较高，且可将图像信号以高速输入至像素。此外，静态图像显示器中的图像信号的重新写入间隔可较长。例如，图像信号的写入间隔可以是10秒或更长、30秒或更长、或1分钟或更长且短于10分钟。写入间隔越长，可更多地减少功耗。
注意，在这个说明书中，具有低于1×1011/cm3的载流子浓度的半导体被称为“本征”(“i-型”)半导体，且具有1×1011/cm3或更高且低于1×1012/cm3的载流子浓度的半导体被称为“基本本征”(“基本i-型”)半导体。
<晶体管的制造方法>
参考图8A到8D而描述使用氧化物半导体层形成沟道形成区的晶体管的制造方法的示例。
图8A到8D是示出其沟道形成区是使用氧化物半导体层形成的晶体管的结构和制造工艺的截面图。图8D所示的晶体管410具有作为底栅结构之一的倒交错结构。晶体管410还是具有单栅结构的沟道蚀刻的晶体管。
然而，晶体管的结构并不限于上述描述且可具有顶栅结构。可选地，晶体管可以是沟道中止的晶体管，且晶体管可具有多栅结构。
下文中将参考图8A-8D来描述用于在衬底400上制造晶体管410的工艺。
首先，在具有绝缘表面的衬底400上形成栅电极层411(见图8A)。
虽然对可用作具有绝缘表面的衬底400的衬底没有具体限制，但是衬底具有至少足够的耐热性来耐受后来要进行的热处理是必要的。例如，玻璃衬底可被用作具有绝缘表面的衬底400。进一步，其中在玻璃衬底上形成元素的元素衬底或单晶衬底可被用作具有绝缘表面的衬底400。在其中使用元素衬底的情况下，在表面上，衬底可具有绝缘层。
可在衬底400与栅电极层411之间设置用作基膜的绝缘膜。该基膜具有防止杂质元素从衬底400扩散的功能，并且可形成为具有使用氮化硅膜、氧化硅膜、氮氧化硅膜、以及氧氮化硅膜中的一种或多种的单层结构或叠层结构。在这个实施例中，通过等离子体CVD法将氮化硅膜形成为100nm厚度，且在氮化硅膜上通过等离子体CVD法将氧氮化硅膜(SiONfilm)形成为150nm厚度。
注意，优选地形成基膜，从而尽可能少地包含诸如氢和水之类的杂质。
可以如下方式形成栅电极层411：在衬底400上形成导电层且通过第一光刻步骤选择性地蚀刻该导电层。
可使用诸如钼、钛、铬、钽、钨、铝、铜、钕、或钪之类的金属；含有这些金属中的任一种作为其主要组分的合金；或者含有这些金属元素中的任一种作为其主要组分的氮化物来形成具有单层结构或层叠结构的栅电极层411。在本实施例中，通过溅射法来形成厚度为100nm的钨膜，并被蚀刻来形成栅电极层411。
然后，在栅电极层411上形成栅绝缘层402(参见图8A)。
可通过等离子体CVD法、溅射法等来将栅绝缘层402被形成为具有使用氧化硅层、氮化硅层、氧氮化硅层、氮氧化硅层、以及氧化铝层中的一个或多个的单层结构或叠层结构。例如，可通过使用含有硅烷(SiH4)、氧气和氮气的沉积气体由等离子CVD法形成氮氧化硅层。此外，诸如氧化铪(HfOx)或氧化钛(TaOx)之类的高k材料可被用于栅绝缘层。例如，栅绝缘层402的厚度可大于或等于10nm且小于或等于500nm。
此处，在栅电极层411上通过使用微波(如，2.45GHz的频率)的高密度等离子体CVD法将氧氮化硅膜形成为100nm厚度，作为栅绝缘层。优选的是采用微波的高密度等离子体CVD法，因为栅绝缘层402可以是致密的且具有高耐压和高质量。当氧化物半导体层和高质量的栅绝缘层402彼此接触时，可减少界面密度，并且界面特性可以是优良的。
注意，优选地形成栅绝缘层402，从而尽可能少地包含诸如氢和水之类的杂质。即，优选地以如下方式形成栅绝缘层402：尽可能减少所包含的诸如氢和水之类的杂质的浓度。
接着，在栅绝缘层402上形成氧化物半导体膜430(见图8A)。可通过溅射法形成氧化物半导体膜430。氧化物半导体膜430的厚度可设定为大于或等于2nm且小于或等于200nm。
注意，在通过溅射法形成氧化物半导体膜430之前，优选地进行其中引入氩气且产生等离子体的反溅射。通过进行反溅射，可移除附着在栅绝缘层402的表面上的粉末物质(也被称为颗粒或灰尘)。反溅射是指其中不向靶侧施加电压，使用RF电源用于向衬底侧施加电压以使产生等离子体来修整衬底表面的方法。注意，可使用氮气氛、氦气氛、氧气氛等来代替氩气氛。
可使用In-Ga-Zn-O-基材料、In-Sn-O-基材料、In-Sn-Zn-O-基材料、In-Al-Zn-O-基材料、Sn-Ga-Zn-O-基材料、Al-Ga-Zn-O-基材料、Sn-Al-Zn-O-基材料、In-Zn-O-基材料、Sn-Zn-O-基材料、Al-Zn-O-基材料、In-O-基材料、Sn-O-基材料、或a Zn-O-基材料作为氧化物半导体膜430。此外，上述材料可含有SiO2。
可在稀有气体(通常是氩)气氛、氧气氛、或包含稀有气体(通常是氩)和氧的混合气氛中通过溅射法形成氧化物半导体膜430。
此处，通过使用包含In、Ga、和Zn的In-Ga-Zn-O-基金属氧化物靶的溅射法将氧化物半导体层形成为30nm厚度。注意，所用溅射气体包含Ar和O2且衬底温度被设置为200℃。
注意，优选地形成氧化物半导体膜430，从而尽可能少地包含诸如氢和水之类的杂质。即，优选地以如下方式形成氧化物半导体膜430：尽可能减少所包含的诸如氢和水之类的杂质的浓度。
接着，通过第二光刻步骤选择性蚀刻氧化物半导体膜430，从而形成岛状氧化物半导体层431(参见图8B)。可采用湿法蚀刻用于蚀刻氧化物半导体膜430。注意，并不限于湿法蚀刻，还可使用干法蚀刻。
接着，对氧化物半导体层431进行第一热处理。通过该第一热处理可移除氧化物半导体层431中包含的过量水、氢等。第一热处理的温度可高于或等于350℃或更高且低于衬底的应变点，优选为400℃或更高且低于衬底的应变点。
在350℃或更高温度处的第一热处理允许氧化物半导体层的脱水或脱氢，导致层中氢浓度的减少。450℃或更高温度处的第一热处理允许层中氢浓度的进一步减少。550℃或更高温度处的第一热处理允许层中氢浓度的又进一步减少。
作为其中进行第一热处理的气氛，优选的是使用包含氮或稀有气体(例如，氦、氖、或氩)的作为其主要成分且不包含水、氢等的惰性气体。例如，被引入热处理装置中的气体的纯度可以是6N(99.9999％)或更大，优选地是7N(99.99999％)或更大。以此方式，氧化物半导体层431在第一热处理期间不暴露给空气，从而可防止水或氢进入。
要注意，热处理装置不限于电炉，且可包括通过来自诸如电阻加热元件的加热元件的热传导或热辐射对要处理的对象进行加热的设备。例如，可使用诸如GRTA(气体快速热退火)装置或LRTA(灯快速热退火)装置之类的RTA(快速热退火)装置。LRTA装置是用于通过从诸如卤素灯、卤化金属灯、氙弧灯、碳弧灯、高压钠灯、或高压汞灯之类的灯发射的光(电磁波)辐射来对要处理的物体加热的装置。GRTA装置是使用高温气体热处理的装置。可使用不与要通过热处理处理的对象反应的惰性气体(诸如氮或稀有气体(诸如氩))作为气体。
在这个实施例中，在650℃在氮气氛中使用GRTA装置达6分钟的热处理作为第一热处理。
在还未被处理成岛状氧化物半导体层的氧化物半导体膜430上可执行在氧化物半导体层上执行的第一热处理。在这个情况下，在第一热处理后进行第二光刻步骤。
此后，形成导电层从而覆盖栅绝缘层402和氧化物半导体层431，且导电层通过第三光刻步骤被蚀刻，从而形成源/漏电极层415a和415b(见图8C)。
作为导电层的材料，可使用选自铝、铬、铜、钽、钛、钼、以及钨中的元素；包含这些金属元素中的任一种作为组分的氮化物；包含这些金属元素中的任一种作为组分的合金等。还可使用从锰、镁、锆、铍和钇选择的材料。可使用包含从钛、钽、钨、钼、铬、钕、或钪中选择的一种或多种金属的铝。
可使用氧化物导电膜来形成该导电层。可使用氧化铟(In2O3)、氧化锡(SnO2)、氧化锌(ZnO)、氧化铟和氧化锡的混合氧化物(In2O3-SnO2，在一些情况下缩写为ITO)、氧化铟和氧化锌合金的混合氧化物(In2O3-ZnO)、或者包含硅或氧化硅的这些氧化物导电材料中的任一种作为氧化物导电膜。
在这个情况下，优选使用相比被用于氧化物半导体层431的材料而言导电率较高或电阻率较低的材料作为氧化物导电膜的材料。通过载流子浓度的增加可增加氧化物导电膜的导电率。通过增加氧浓度或氢缺陷可增加氧化物导电膜中的载流子浓度。
源/漏电极层415a和415b可具有单层结构或包含两个或更多层的层叠结构。
在这个实施例中，依序在氧化物半导体层431上形成具有100nm厚度的第一钛层、具有400nm厚度的铝层、和具有100nm厚度的第二钛层。然后，蚀刻包括第一钛层、铝层、和第二钛层的层叠膜从而形成源/漏电极层415a和415b(见图8C)。
在氧化物半导体层上进行的第一热处理可在源/漏电极层形成之后进行。在其中在源/漏电极形成之后形成第一热处理的情况下，采用对于这热处理具有耐热性的导电层。
注意，适当地调整材料和蚀刻条件，从而氧化物半导体层431不会被导电层的蚀刻而去除。
注意，在该第三光刻步骤中，在一些情况下，蚀刻了氧化物半导体层431的一部分，藉此形成具有凹槽(凹入部分)的氧化物半导体层。
接着，进行使用诸如氧化氮(N2O)、氮(N2)、或氩(Ar)之类的气体的等离子体处理。通过该等离子体处理，去除附着到氧化物半导体层的暴露表面的所吸收的水等。可使用氧和氩的混合气体来进行等离子体处理。
在等离子体处理之后，在不将氧化物半导体层暴露给空气的情况下形成用作保护绝缘膜且与氧化物半导体层的部分相接触的氧化物绝缘层416(见图8D)。
氧化物绝缘层416可通过诸如防止诸如水和氢之类的杂质进入氧化物绝缘层416的溅射法之类的方法形成。氧化物绝缘层416的厚度可至少1nm或更大。当氢被包含在氧化物绝缘层416中时，有可能引起氢进入氧化物半导体层431，使得氧化物半导体层431的背沟道具有较低电阻(具有n-型导电性)，并形成寄生沟道。因此，采用不使用氢气的形成方法来形成含尽可能少的氢的氧化物绝缘层416是重要的。
在氧化物绝缘层416沉积时的衬底温度可大于或等于室温且小于或等于300℃。其中形成氧化物绝缘层416的气氛可以是稀有气体(通常是氩)气氛、氧气氛、或者稀有气体(通常是氩)和氧的混合气氛。
在这个实施例中，在形成氧化物绝缘层416之前衬底在200℃被加热，且将作为氧化物绝缘层416的氧化硅膜形成为300nm厚度从而覆盖源/漏电极层415a和415b。通过使用硅靶和氧作为溅射气体的溅射法形成氧化硅膜。
接着，在惰性气体气氛或氧气氛中进行第二热处理(优选在高于或等于200℃且低于或等于400℃、例如高于或等于250℃且低于或等于350℃的温度处)。例如，在氮气氛下、在250℃下执行一小时的第二热处理。通过该第二热处理，部分的氧化物半导体层(沟道形成区)在与氧化物绝缘层416接触的同时被加热。通过该第二热处理，氧被提供给氧化物半导体层的一部分(沟道形成区)。因此，可将与栅电极层411交迭的沟道形成区413的导电类型制成接近于i-型。通过上述步骤，形成晶体管410。
可在氧化物绝缘层416上形成保护绝缘层403(见图8D)。例如，通过RF溅射法可形成氮化硅膜。由于RF溅射法具有高生产率，因此优选将其用作保护绝缘层的膜形成方法。优选的是保护绝缘层不包含诸如水分、氢离子、和OH-之类的杂质，且使用防止这些种类从外界进入的有机绝缘膜形成保护绝缘层。
进一步，可在高于或等于100℃且低于或等于200℃的温度下在空气中执行热处理达大于或等于1小时且小于或等于30小时。该热处理可在固定加热温度下进行。可选地，加热温度的以下改变可重复多次：加热温度从室温上升到高于或等于100℃且低于或等于200℃的预定温度，并且随后下降到室温。这个热处理可在形成氧化物绝缘膜之前在减小的压力下进行。当在降低的压力下进行热处理时，可缩短热处理时间。通过该热处理，可将氢从氧化物半导体层431带入氧化物绝缘层416。换言之，可从氧化物半导体层中移除更多的氢。
在诸如85℃、2×106V/cm、和12小时的条件下的栅极偏压温度应力测试(BT测试)没有显示电特性的任何变化，这意味着获得了稳定的电特性。
当与使用硅等的晶体管相比较时，在本实施例中描述的使用氧化物半导体的晶体管具有极低截止电流的电特性。
因此，通过使用在本实施例中描述的晶体管作为图1或图3中所示的晶体管207，可将存储于图1或图3中所示的晶体管205的栅极中的电荷保持较长时间。相应地，在其中多次进行对存储于晶体管205的栅极中的电荷的读取的时间段内，可保持存储于晶体管205的栅极中的电荷基本不变。因此，通过在晶体管207的沟道形成区中使用氧化物半导体层，可提供包括具有新颖电路结构的光电传感器的半导体装置。
进一步，通过使用在这个实施例中所描述的晶体管作为图3所示的晶体管201，可扩展像素的图像信号保持时间段。因此，可减少设置在像素中的电容器的尺寸。因此，例如，像素的孔径比可较高，且可将图像信号以高速输入至像素。此外，静态图像显示器中的图像信号的重新写入间隔可较长。例如，图像信号的写入间隔可以是10秒或更长、30秒或更长、或1分钟或更长且短于10分钟。写入间隔越长，可更多地减少功耗。
此外，通过使用在本实施例中描述的晶体管作为图1或图3中所示的晶体管206，在另一个像素的读取时间段中，可防止不必要的电位输出至图3中所示的光电传感器输出信号线214。
进一步，向其添加了背栅极的在本实施例中所描述的晶体管可被用作图1或图3中所示的晶体管205。因此，在另一个像素的读取时间段中，可防止不必要的电位被输出至光电传感器输出信号线214。
图9中示出了被设置有背栅极的晶体管的截面图的示例。图9中所示的晶体管420具有向其添加了背栅极441的图8D中所示的晶体管410的结构。即，图9中所示的晶体管420，在具有绝缘表面的衬底400上，包括，栅电极层411、栅绝缘层402、具有沟道形成区413的氧化物半导体层431、源/漏电极层415a和415b、氧化物绝缘层416、背栅极441、和保护绝缘层403。
可使用与被用于栅电极层411的材料类似的材料形成背栅极441。被设置在背栅极441和沟道形成区之间的氧化物绝缘层416可用作位于背栅极441侧上的栅绝缘层。因此，氧化物绝缘层416的厚度可大致等于栅绝缘层402的厚度。该结构的其他部分可类似于图8D中所示的晶体管410的结构。
该实施例可按需结合任一其他实施例和示例实现。
(示例1)
在这个示例中，参考图10而描述被包括在所公开的发明的实施例的半导体装置中的使用氧化物半导体的晶体管的评估。在本示例中，在下文中描述使用测试元件组(也称为TEG)的截止态电流的所测得的值。
通过以并联连接每一个沟道形成区的长度和宽度之间关系为L/W＝3μm/50μm的200个晶体管，制造测试元件组。这个测试元件组对应于具有L/W＝3μm/10000μm的晶体管。被制造作为测试元件组的晶体管的初始特性图示于图10中。在该晶体管中，被高度纯化的氧化物半导体层被用在沟道形成区中。注意，在沟道长度方向中，在源电极层或漏电极层与氧化物半导体层相交迭处的区域的长度(Lov)为1.5μm。
为了测量该晶体管的初始特性，通过在衬底温度为室温、源极和漏极之间的电压(下文中称为漏极电压或Vd)为1V或10V、且在源极和栅极之间的电压(下文中称为栅极电压或Vg)为-20V到+20V的情况下测量源极-漏极电流(下文中称为漏极电流或Id)来评估Vg-Id特性。注意，在图10中，在Vg从-20V到+5V的范围内示出该Vg-Id特性。
如图10所示，具有沟道宽度W为10000μm的晶体管在1V和10V的Vd时具有1×10-13[A]或更小的截止电流，其小于或等于测量设备(半导体参数分析仪，由Agilent科技公司制造的Agilent 4156C)的检测极限。即，可确定每1μm沟道宽度的晶体管的截止电流为10aA/μm或更低。此外，在其中沟道长度为3μm或更大的情况下晶体管的截止电流被估算为10aA/μm或更低。
进一步，制造具有1000000μm(1m)的沟道宽度W的晶体管并经受测试。作为结果，观察到截止电流是1×10-12[A]或更小，这接近检测极限。即，表明每1μm沟道宽度的晶体管的截止电流为1aA/μm或更低。
如图10中所示晶体管的较低截止电流低至1×10-13[A]的理由是在上述制造工艺中充分减少了氧化物半导体层中的氢浓度。
由载流子测量设备测量的氧化物半导体层的载流子密度低于1×1012/cm3、或低于1×1011/cm3。即，氧化物半导体层中的载流子密度可制为尽可能地接近零。
相应地，晶体管的沟道长度L可大于或等于10nm且小于或等于1000nm。因此，可增加电路的操作速率。进一步，由于截止电流极低，可减少功耗。
另外，在电路设计中，氧化物半导体层可被认为是晶体管处于截止状态时的绝缘体。
使用如上所述的经纯化的氧化物半导体(经纯化的OS)的晶体管示出截止电流对温度几乎没有依赖性。认为氧化物半导体当被纯化时不表现出温度依赖性，这是因为导电类型被制成极为接近于本征类型，且费米能级位于禁带中间。这个特征也源自氧化物半导体具有较大带隙且包括几乎很少热激发载流子的这个事实。
上述结构示出，在室温时，载流子密度低于1×1012/cm3或1×1011/cm3的晶体管的截止电流是1aA/μm或更低。此外，通过应用这个晶体管作为包括于半导体装置中的晶体管，可提供包括具有新颖电路结构的光电传感器的半导体装置。进一步，可减少半导体器件的功耗且可抑制显示劣化(显示质量下降)。另外，可提供其中可减少由于诸如温度之类的外部因素引起的显示劣化(显示变化)的半导体装置。
本申请基于2010年2月12日向日本专利局提交的日本专利申请系列号2010-028762，该申请的全部内容通过引用结合于此。

Claims (31)

1.一种半导体装置，包括多个光电传感器，所述多个光电传感器中的至少一个包括：
光电二极管；和
第一和第二晶体管，所述第一和第二晶体管各包括栅极、第一端子和第二端子，
其中所述第一晶体管还包括背栅极，
其中所述第二晶体管的所述第一端子直接连接到所述光电二极管，
其中所述第二晶体管的所述第二端子直接连接到所述第一晶体管的所述栅极，
其中所述第一晶体管包括包含硅的沟道形成区，以及
其中所述第二晶体管包括包含氧化物半导体的沟道形成区。
2.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，所述第一晶体管还包括栅极绝缘层。
3.如权利要求2所述的半导体装置，其特征在于，所述第一晶体管还包括绝缘膜。
4.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于还包括第三晶体管，
其中：
所述第三晶体管的第一端子电连接到所述第一晶体管的所述第一端子。
5.如权利要求4所述的半导体装置，其特征在于，所述第三晶体管包括包含硅的沟道形成区。
6.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于还包括第四晶体管，
其中：
所述第四晶体管的第一端子电连接到所述第一晶体管的所述栅极；以及
所述第四晶体管的第二端子电连接到所述第一晶体管的所述第二端子。
7.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于还包括第三晶体管和第四晶体管，
其中：
所述第三晶体管的第一端子电连接到所述第一晶体管的所述第一端子；
所述第四晶体管的第一端子电连接到所述第一晶体管的所述栅极；以及
所述第四晶体管的第二端子电连接到所述第一晶体管的所述第二端子。
8.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于还包括第三晶体管和第四晶体管，
其中：
所述第三晶体管的第一端子电连接到所述第一晶体管的所述第二端子；
所述第四晶体管的第一端子电连接到所述第一晶体管的所述栅极；以及
所述第四晶体管的第二端子电连接到所述第三晶体管的第二端子。
9.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于还包括第四晶体管，
其中：
所述第四晶体管的第一端子电连接到所述第一晶体管的所述栅极；以及
所述第四晶体管的第二端子电连接到所述第一晶体管的所述第一端子。
10.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，
所述多个光电传感器中的所述一个包括显示元件。
11.一种包括如权利要求1所述的半导体装置的电子设备。
12.一种半导体装置，包括多个光电传感器，所述多个光电传感器中的至少一个包括：
第一至第三信号线；
包括第一和第二端子的光电二极管；和
第一和第二晶体管，所述第一和第二晶体管各包括栅极、第一端子和第二端子，
其中所述第一晶体管还包括背栅极，
其中所述第二晶体管的所述第一端子直接连接到所述光电二极管，
其中所述第二晶体管的所述第二端子直接连接到所述第一晶体管的所述栅极，
其中所述第一晶体管包括包含硅的沟道形成区，
其中所述第二晶体管包括包含氧化物半导体的沟道形成区，以及
其中：
所述第一信号线电连接到所述光电二极管的所述第一端子；
所述光电二极管的所述第二端子电连接到所述第二晶体管的所述第一端子；
所述第二信号线电连接到所述第二晶体管的所述栅极；
所述第二晶体管的所述第二端子电连接到所述第一晶体管的所述栅极；以及
所述第三信号线电连接到所述第一晶体管的所述第二端子。
13.如权利要求12所述的半导体装置，其特征在于，所述第一晶体管还包括栅极绝缘层。
14.如权利要求13所述的半导体装置，其特征在于还包括第四信号线，
其中：
所述第一晶体管还包括绝缘膜；以及
所述第四信号线电连接到所述背栅极。
15.如权利要求12所述的半导体装置，其特征在于还包括：
第五和第六信号线；以及
第三晶体管，
其中：
所述第五信号线电连接到所述第三晶体管的第二端子；
所述第六信号线电连接到所述第三晶体管的栅极；以及
所述第三晶体管的第一端子电连接到所述第一晶体管的所述第一端子。
16.如权利要求15所述的半导体装置，其特征在于，
所述第三晶体管包括包含硅的沟道形成区。
17.如权利要求12所述的半导体装置，其特征在于还包括第四晶体管，
其中：
所述第四晶体管的第一端子电连接到所述第一晶体管的所述栅极；以及
所述第四晶体管的第二端子电连接到所述第三信号线。
18.如权利要求12所述的半导体装置，其特征在于还包括：
第五和第六信号线；以及
第三晶体管和第四晶体管，
其中：
所述第五信号线电连接到所述第三晶体管的第二端子；
所述第六信号线电连接到所述第三晶体管的栅极；
所述第三晶体管的第一端子电连接到所述第一晶体管的所述第一端子；
所述第四晶体管的第一端子电连接到所述第一晶体管的所述栅极；以及
所述第四晶体管的第二端子电连接到所述第三信号线。
19.如权利要求12所述的半导体装置，其特征在于还包括：
第五和第六信号线；以及
第三晶体管和第四晶体管，
其中：
所述第五信号线电连接到所述第一晶体管的所述第一端子；
所述第六信号线电连接到所述第三晶体管的栅极；
所述第三晶体管的第一端子电连接到所述第一晶体管的所述第二端子；
所述第三晶体管的第二端子电连接到所述第三信号线；
所述第四晶体管的第一端子电连接到所述第一晶体管的所述栅极；以及
所述第四晶体管的第二端子电连接到所述第三信号线。
20.如权利要求12所述的半导体装置，其特征在于还包括：
第五信号线；以及
第四晶体管，
其中：
所述第五信号线电连接到所述第一晶体管的所述第一端子以及所述第四晶体管的第二端子；以及
所述第四晶体管的第一端子电连接到所述第一晶体管的所述栅极。
21.如权利要求12所述的半导体装置，其特征在于，
所述多个光电传感器中的所述一个包括显示元件。
22.一种包括如权利要求12所述的半导体装置的电子设备。
23.一种半导体装置，包括:
被配置为接收光的光电二极管；
包括栅极和背栅极的第一晶体管；以及
包括栅极的第二晶体管，
其中所述第二晶体管的源极和漏极之一直接连接至所述光电二极管，
其中所述第二晶体管的所述源极和所述漏极中的另一个直接连接至所述第一晶体管的所述栅极，
其中所述光电二极管被配置为根据所述光的强度产生电信号，
其中所述第一晶体管被配置为将所述第一晶体管的所述栅极中的电荷转换为输出信号，
其中当第一电位输入到所述第一晶体管的所述栅极时，所述第一晶体管导通，
其中所述电荷按照所述电信号而变化，以及
其中所述背栅极的电位根据提供给电连接到所述背栅极的背栅极信号线的信号而变化。
24.一种半导体装置，包括:
被配置为接收光的光电二极管；
包括栅极和背栅极的第一晶体管；以及
包括栅极的第二晶体管，
其中所述第二晶体管的源极和漏极之一直接连接至所述光电二极管，
其中所述第二晶体管的所述源极和所述漏极中的另一个直接连接至所述第一晶体管的所述栅极，
其中所述第一晶体管被配置为将所述第一晶体管的所述栅极中的电荷转换为输出信号，
其中所述输出信号是根据所述光的强度的电信号，以及
其中所述背栅极的电位根据提供给电连接到所述背栅极的背栅极信号线的信号而变化。
25.一种半导体装置，包括:
光电二极管；
包括栅极和背栅极的第一晶体管；以及
包括栅极的第二晶体管，
其中所述第二晶体管的源极和漏极之一直接连接至所述光电二极管，
其中所述第二晶体管的所述源极和所述漏极中的另一个直接连接至所述第一晶体管的所述栅极，
其中所述第一晶体管的所述栅极电连接到所述光电二极管，
其中所述第一晶体管被配置为将所述第一晶体管的所述栅极中的电荷转换为输出信号，以及
其中所述背栅极的电位根据提供给电连接到所述背栅极的背栅极信号线的信号而变化。
26.如权利要求23－25之一所述的半导体装置，
其中所述第一晶体管还包括包含沟道形成区的氧化物半导体层，
其中所述栅极设置在衬底上，
其中所述氧化物半导体层隔着栅极绝缘层设置在所述栅极上，
其中所述背栅极隔着氧化物绝缘层设置在所述氧化物半导体层上。
27.如权利要求23－25之一所述的半导体装置，其中所述第二晶体管包括包含沟道形成区的氧化物半导体层。
28.如权利要求23－25之一所述的半导体装置，其特征在于还包括第三晶体管，
其中所述第三晶体管的源极和漏极之一电连接到所述第一晶体管的所述栅极，以及
其中所述第三晶体管的所述源极和所述漏极中的另一个电连接到所述第一晶体管的源极和漏极之一。
29.如权利要求23－25之一所述的半导体装置，还包括第三晶体管和第四晶体管，
其中所述第三晶体管的源极和漏极之一电连接到所述第一晶体管的所述栅极，
其中所述第三晶体管的所述源极和所述漏极中的另一个电连接到所述第一晶体管的源极和漏极之一，
其中所述第四晶体管的源极和漏极之一电连接到所述第一晶体管的所述源极和所述漏极中的另一个。
30.如权利要求23－25之一所述的半导体装置，还包括第三晶体管和第四晶体管，
其中所述第三晶体管的源极和漏极之一电连接到所述第一晶体管的所述栅极，
其中所述第三晶体管的所述源极和所述漏极中的另一个电连接到所述第一晶体管的源极和漏极之一，
其中所述第三晶体管的所述源极和所述漏极中的另一个通过所述第四晶体管电连接到所述第一晶体管的所述源极和所述漏极之一，
其中所述第四晶体管的源极和漏极之一电连接到所述第三晶体管的所述源极和所述漏极中的另一个，以及
其中所述第四晶体管的所述源极和所述漏极中的另一个电连接到所述第一晶体管的所述源极和所述漏极的所述一个。
31.一种包括如权利要求23－25之一所述的半导体装置的电子设备。
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