JP2009182194A - 光センサー素子、撮像装置、電子機器、およびメモリー素子 - Google Patents

Abstract

【課題】酸化物半導体からなる半導体層を用いたいわゆるＭＯＳ型の素子において、新たに見い出された半導体層での受光によるＶｇ−Ｉｄ特性の不揮発的な変化を利用した受光量の検知を行うことが可能な光センサー素子を提供する。
【解決手段】酸化物半導体からなる半導体層１７に対してゲート絶縁膜１５を介してゲート電極１３が積層され、当該半導体層１７にソース電極１９ｓおよびドレイン電極１９ｄが接続された光センサー素子１ａにおいて、半導体層１７での受光量を、ゲート電圧に対して不揮発的に変化したドレイン電流値として読み出す。ドレイン電流値の読み出しは、半導体層１７が受光する前の初期状態におけるしきい値電圧以下でかつ受光時の電圧以上のゲート電圧で行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、光センサー素子、この光センサー素子を用いた撮像装置および電子機器、さらにはメモリー素子およびこのメモリー素子を用いた電子機器に関し、特に酸化物半導体からなる半導体層を用いた構成に関する。

近年、液晶表示装置や有機ＥＬ表示装置のような平面型の表示装置を含む電子機器においては、表示画面やその近傍に光センサー素子を設けることにより、タッチパネルやペン入力などの画面入力や、バックライトの輝度制御を実現するなどの多機能化が進んでいる。このような電子機器に設けられる光センサー素子や、電子機器駆動用の素子には、製造工程の簡便さから、非晶質シリコン、またはエキシマレーザーや固相成長により結晶化した多結晶シリコンからなる半導体層が用いられている。

また近年においては、上記半導体層を構成する材料として、スパッタ法などの安価な装置で形成可能な酸化物半導体を用いる構成が提案されている。例えば、下記特許文献１には、ＺｎＯ、ＳｎＯ₂、またはＩｎ₂Ｏ₃などの酸化物半導体からなる半導体層を用いた薄膜トランジスタを表示装置の駆動素子として用いた例が記載されている。また他の例として、下記特許文献２には、非晶質の金属酸化物半導体を用いたＸ線センサーが開示されている。

特表２００６−５０２５９７号公報 特開２００６−１６５５３０号公報

ここで、上述した酸化物半導体からなる半導体層を用いたＭＯＳ型の素子は、従来知られていない特性を示すことが分かった。そこで本発明は、酸化物半導体からなる半導体層を活性層として用いたＭＯＳ型の素子において、従来知られていない特性を用いて駆動させる光センサー素子やメモリー素子を提供すること、さらにはこれらの素子を用いた撮像装置や電子機器を提供することを目的とする。

このような目的を達成するための本発明の光センサー素子は、酸化物半導体からなる半導体層に相対してゲート絶縁膜を介してゲート電極が設けられ、当該半導体層にソース電極およびドレイン電極が接続された、いわゆるＭＯＳ型の光センサー素子である。そして特に、半導体層での受光量を、ゲート電圧に対して不揮発的に変化したドレイン電流値として読み出すことを特徴としている。

酸化物半導体からなる半導体層を用いたＭＯＳ型の素子においては、半導体層が受光することにより、ゲート電圧（Ｖｇ）に対するドレイン電流値（Ｉｄ）、すなわちＶｇ−Ｉｄ特性が不揮発的に変化することが分かった。このため、半導体層での受光期間の後にドレイン電流値（Ｉｄ）を読み出すことにより、半導体層での受光量が検知される。

ここで、このようなＶｇ−Ｉｄ特性の不揮発的な変化は、光照射前の初期状態においてドレイン電流（Ｉｄ）の最大値であるオン電流となるよりも低いゲート電圧の範囲で発生する。このため、ドレイン電流の読み出しは、初期状態におけるしきい値電圧以下でかつ半導体層においての受光期間の電圧以上のゲート電圧で行う。これにより、感度良好に半導体層での受光量が検知される。また、ドレイン電流値の読み出しの前には、半導体層が受光する前の初期状態にＶｇ−Ｉｄ特性を戻すリセット動作を行うこととする。

また本発明は、上記構成の光センサー素子を搭載した撮像装置、さらには光センサー素子を搭載した撮像装置を用いた電子機器でもある。

さらに、以上のような光照射によるＶｇ−Ｉｄ特性の不揮発的な変化は、メモリー素子にも応用できる。すなわち本発明のメモリー素子は、酸化物半導体からなる半導体層上にゲート絶縁膜を介してゲート電極が設けられ、当該半導体層にソース電極およびドレイン電極が接続された、いわゆるＭＯＳ型の光センサー素子である。そして特に、半導体層での受光量を、ゲート電圧に対して不揮発的に変化したドレイン電流値として読み出すことを特徴としている。

そして本発明は、上記構成のメモリー素子を搭載した電子機器でもある。

以上説明した様に本発明によれば、酸化物半導体からなる半導体層を用いたいわゆるＭＯＳ型の素子において、新たに見い出された半導体層での受光によるＶｇ−Ｉｄ特性の不揮発的な変化を利用して受光量の検知を行うことが可能になると共に、この不揮発的な変化をメモリー機能として用いることが可能になる。

以下本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

＜光センサー素子およびメモリー素子＞
図１は、本発明を適用した光センサー素子の構成を示す概略断面図である。この図に示す光センサー素子１ａは、いわゆるＭＯＳ型の光センサー素子１ａであり、次のように構成されている。

すなわち、基板１１上には、例えばモリブデン、チタン、タンタル、タングステン、などの材料や、またはアルミニウムのような光反射性を有する材料からなるゲート電極１３が配線されている。このゲート電極１３はゲート駆動回路２１によって、以降に説明するように駆動される。基板１１上には、ゲート電極１３を覆う状態でゲート絶縁膜１５が設けられている。このゲート絶縁膜１５は光透過性であることが好ましい。ゲート絶縁膜１５上には、ゲート電極１３を跨ぐ状態で半導体層１７がパターン形成されている。この半導体層７は、酸化物半導体からなるものであり、例えばＩｎＧａＺｎＯ、ＳｎＯ₂、Ｉｎ₂Ｏ₃、ＩＴＯ（ＳｎＯ₂＋Ｉｎ₂Ｏ₃）、ＺｎＯ、ＣｄＯ、Ｃｄ₂ＳｎＯ₄、ＴｉＯ₂、Ｔｉ₃Ｎ₄などの金属酸化物が用いられる。

また半導体層１７が設けられたゲート絶縁膜１５上には、ゲート電極１３を挟んだ両側において半導体層１７に端部を積層させた形状のソース電極１９ｓとドレイン電極１９ｄとがパターン形成されている。これらのソース電極１９ｓおよびドレイン電極１９ｄは、導電性材料からなり、それぞれがソース駆動回路２３ｓまたはドレイン駆動回路２３ｄによって、次に説明するように駆動される。

図２は、以上のような積層構成の光センサー素子１ａのゲート駆動回路、ソース駆動回路、およびドレイン駆動回路によって行われる駆動を説明するためのゲート電圧（Ｖｇ）とドレイン電流（Ｉｄ）との関係、すなわちＶｇ−Ｉｄ特性を示す図である。

この光センサー素子１ａは、酸化物半導体からなる半導体層１７が光を受光すると、Ｖｇ−Ｉｄ特性が、受光前の初期状態Ａからドレイン電流（Ｉｄ）が増加する(以下励起状態Ｂと記す）方向に変化する。この変化は、不揮発的であり、受光を停止しても保持される。そこで、受光後のドレイン電流（Ｉｄ）値を読み出すことにより、半導体層１７での受光量を検知する。尚、半導体層１７での受光量が検知される光は、半導体層１７で吸収される波長の光である。このため、例えば半導体層１７が、ＩｎＧａＺｎＯで構成されている場合、この半導体層１７は波長４２０ｎｍ以下の紫外光を特に顕著に吸収してその受光量が検知されることになる。

また、このようなＶｇ−Ｉｄ特性の不揮発的な変化は、光照射前の初期状態Ａにおいてドレイン電流（Ｉｄ）の最大値であるオン電流（Ｉｄ＝Ｉｏｎ）となるよりも低いゲート電圧の範囲で発生する。またこのようなＶｇ−Ｉｄ特性の不揮発的な変化は、半導体層１７での受光量に対応してドレイン電流（Ｉｄ）が増加する方向に変化する。

そこで、ドレイン電流（Ｉｄ）を読み出す際のゲート電圧（Ｖｇｒ）は、初期状態Ａにおけるしきい値電圧（Ｖｔｈ）、半導体層１７においての受光期間のゲート電圧（Ｖｇｈ）とした場合、Ｖｇｈ＜Ｖｇｒ＜Ｖｔｈの範囲であることとする。これにより、半導体層１７での受光量を高感度に検知する。尚、初期状態Ａにおけるしきい値電圧（Ｖｔｈ）は、ドレイン電流の変化量が最大になるゲート電圧（Ｖｇ）である。また、初期状態Ａにおける半導体層１７においての受光期間の電圧（Ｖｇｈ）は、例えばドレイン電流（Ｉｄ）が最小値となるオフ電流（Ｉｄ＝Ｉoff）の範囲に設定されていて良い。

また、上述したように、半導体層１７における受光量によるＶｇ−Ｉｄ特性の変化が不揮発的であることから、受光期間を継続するかまたは断続的に繰り返すことにより、半導体層１７での受光量の積算値を、初期状態Ａに対するＶｇ−Ｉｄ特性の変化量の積算として検知する。

また図３は、以上のような積層構成の光センサー素子１ａのゲート駆動回路、ソース駆動回路、およびドレイン駆動回路によって行われる光センサー素子１ａの駆動のシーケンスを示す図である。この図に示すシーケンスは、以上のように駆動される光センサー素子１ａを用いて所定の受光期間における半導体層１７での受光量を繰り返し検知するためのシーケンスである。以下、図３と共に、先の図１および図２を用いてシーケンスを説明する。

先ずステップＳ１のリセット期間において、Ｖｇ−Ｉｄ特性を初期状態Ａに戻すためのリセット動作を行う。リセット動作としては、以下の（１）〜（３）が行われる。（１）ソース電極１９ｓとドレイン電極１９ｄとをショートさせた状態でゲート電極１３にしきい値電圧（Ｖｔｈ）以上の正電圧を印加する。（２）加熱処理を行う。（３）ソース電極−ドレイン電極間に一定以上の電流を流すことによるセルフヒーティングを加熱処理として行う。

以上のような（１）〜（３）のリセット動作は、半導体層１３およびゲート絶縁膜１５の組成、膜質、さらには成膜条件などによって適切な条件で行われる。例えば、ＩｎＧａＺｎＯからなる半導体層１３上のゲート絶縁膜１５を、４００℃の成膜温度で緻密に１００ｎｍ膜厚で形成した場合、リセット動作として（１）を行うには、ゲート電圧Ｖｇ＝＋１５Ｖの電圧が必要であった。また、このゲート絶縁膜１５を１８０℃の成膜温度でそれほど緻密ではないがトランジスタの絶縁膜としては充分使える膜質のものとして形成した場合、リセット動作として（１）を行うには、ゲート電圧（Ｖｇ）＝＋１０Ｖ以下で良く、条件によっては、ゲート電圧（Ｖｇ）＝＋０Ｖ、ドレイン電圧（Ｖｄ）＝０Ｖ条件でもリセットできることがわかった。

次にステップＳ２の受光期間において、半導体層１７への受光を行う。この際、予め設定された所定の受光期間だけ、ゲート電極１３には受光期間の電圧（Ｖｇｈ）を印加した状態とする。

その後ステップＳ３の読み出し期間において、ゲート電極１３に対して、上述した読み出し電圧（Ｖｇｒ）を印加した状態で、ドレイン電流（Ｉｄ）を読み出す。

以降は、ステップＳ１〜Ｓ３を繰り返し行うことにより、半導体層１３での受光量が経時的に検知される構成となっている。

そして以上のような構成の光センサー素子１ａは、半導体層１３での受光量を、Ｖｇ−Ｉｄ特性に対して不揮発的に保持する構成であって光メモリーを構成している。つまり、この光センサー素子１ａは、光書き込みの不揮発性のメモリー素子１ｂとしても用いられる。

以上説明した構成の光センサー素子１ａ（メモリー素子１ｂ）では、酸化物半導体からなる半導体層１７を用いたいわゆるＭＯＳ型の素子において、新たに見い出された半導体層１７での受光によるＶｇ−Ｉｄ特性の不揮発的な変化を利用し、半導体層１７においての受光量を高感度に検知することが可能になる。

尚、以上においては、ＭＯＳ型の光センサー素子１ａ（メモリー素子１ｂ）として、いわゆるボトムゲート構造のＭＯＳ型素子を例示した。しかしながら、この光センサー素子１ａ（メモリー素子１ｂ）は、半導体層１７の上部にゲート絶縁膜１５を介してゲート電極１３を設けたいわゆるトップゲート型であっても良い。またさらに、半導体層１７を挟んだ上下にゲート絶縁膜を介してゲート電極を設けた構成であっても良く、この場合には２つのゲート電極の駆動によるスイッチング動作の安定性もしくは信頼性を得ることができる。半導体層１７の上下にゲート電極を形成する場合には、半導体層に対して光入射が可能となる何らかの手段を講じる必要があるが、横方向からの漏れ光を利用するか、上下いずれかもしくは両側の電極を光に対して透明な材料で形成しても良い。

＜撮像装置およびメモリー装置＞
図４は、上述した構成のＭＯＳ型構造の光センサー素子１ａを搭載した撮像装置３ａの構成を示す概略平面図である。この図に示すように、撮像装置３ａは、基板１１上の撮像領域に配列された複数の光センサー素子１ａを備えている。またこの基板１１上には、水平方向に配線された複数の選択制御線３１と、垂直方向に配線された複数の信号線３３とを備えている。各センサー素子１ａは、ゲート電極を選択制御線３１に接続させ、ソース電極とドレイン電極とを両側の信号線３３にそれぞれ接続させた状態で、各選択制御線３１と信号線３３との交差部に配置されている。

また、光センサー素子１ａが配列されている撮像領域の周囲には、各選択制御線３１が接続された走査線駆動回路３５が設けられると共に、各信号線３３が接続された信号線駆動回路３７が設けられている。

このうち走査線駆動回路３５は、各選択制御線３１を順次選択し、選択した各選択制御線３１に接続された光センサー素子１ａのゲート電極を、上記光センサー素子１ａの構成で説明したようなシーケンスで駆動させるものである。

一方、各信号線駆動回路３７は、各信号線３３を順次選択し、選択した各信号線３３に接続された光センサー素子１ａのソース電極およびドレイン電極を、上記光センサー素子１ａの構成で説明したようなシーケンスで駆動させるものである。尚、ここでの図示は省略したが、各信号線３３には、各光センサー素子１ａの半導体層での受光量をドレイン電流として順次取り出した電気信号を処理する回路が接続されていても良い。

以上のような構成の撮像装置３ａによれば、半導体層での受光によって不揮発的にＶｇ−Ｉｄ特性が変化する光センサー素子１ａを用いた撮像を行うことが可能である。ただし、半導体層での受光量が検知される光は、半導体層で吸収される波長の光である。このため、例えば半導体層が、ＩｎＧａＺｎＯで構成されている場合であれば、波長４２０ｎｍ以下の紫外光の受光量を検知した撮像が行われることになる。

そして、以上の撮像装置３ａは、光センサー素子１ａがそのままメモリー素子１ｂともなるものであることから、不揮発性の多ビットメモリー装置３ｂとしても用いられる。尚、メモリー装置３ｂとして用いる場合には、各メモリー素子１ｂ（センサー素子１ａ）の半導体層においての受光は、各光センサー素子１ａに対して照射する光をスキャニングさせることによって行っても良い。ただし、光センサー素子１ａに対して照射する光としては、半導体層で吸収される波長の光を用いることが重要である。

＜電子機器−１＞
図５は、上述した構成の光センサー素子１ａを搭載した電子機器５ａの一例を示す構成図である。この図に示す電子機器５ａは、上述した構成の光センサー素子１ａを備えたことを特徴とする表示装置である。この電子機器（表示装置）５ａは、表示パネル５１と、バックライト５２と、表示ドライブ回路５３と、受光ドライブ回路５４と、画像処理部５５と、アプリケーションプログラム実行部５６とを備えている。

表示パネル５１は、中央の表示領域５１に複数の画素が全面に渡ってマトリクス状に配置された液晶パネル（ＬＣＤ（Liquid Crystal Display））からなり、線順次動作をしながら表示データに基づく所定の図形や文字などの画像を表示する機能（表示機能）を有する。また、後述するように、表示領域５１ａには、光センサー素子が配置され、表示パネル５１の表示面に接触または近接する物体を検知するセンサー機能（撮像機能）が設けられている。

また、バックライト５２は、表示パネル５１の光源であり、例えば複数の発光ダイオードを面内に配列してなる。このバックライト５２は、後述するように表示パネル５１の動作タイミングに同期した所定のタイミングで、高速に発光ダイオードのオン・オフ動作を行うようになっている。特に本実施形態においては、このバックライト５２は、表示のための可視光と共に、光センサー素子の半導体層が吸収する波長の光を射出することが重要である。例えば半導体層がＩｎＧａＺｎＯからなる場合には、この半導体層は可視光の波長領域の吸収が殆どないが、波長４２０ｎｍ以下の紫外光を吸収する。このため、バックライト５２としては、可視光と共に４２０ｎｍ以下の紫外光を発生する光源が用いられる。尚、紫外光の光源は、可視光の光源と別体として設けられていても良い。また、通常環境下で存在する光（屋外太陽光、室内蛍光灯など）を用いて、その陰になった部分を検知する形で、表面近傍の物体を認識することも可能である。その場合には、紫外光源を持つ必要が無くなる。

次に表示ドライブ回路５３は、表示パネル５１において表示データに基づく画像が表示されるように（表示動作を行うように）、この表示パネル５１の駆動を行う（線順次動作の駆動を行う）回路である。

受光ドライブ回路５４は、表示パネル５１において受光データが得られるように（物体を撮像するように）、この表示パネル５１の駆動を行う（線順次動作の駆動を行う）回路である。なお、各画素での受光データは、例えばフレーム単位でフレームメモリ５４ａに蓄積され、撮像画像として画像処理部５５へ出力されるようになっている。

画像処理部５５は、受光ドライブ回路５４から出力される撮像画像に基づいて所定の画像処理（演算処理）を行い、表示パネル５１に接触または近接する物体に関する情報（位置座標データ、物体の形状や大きさに関するデータなど）を検出し、取得するものである。

アプリケーションプログラム実行部５６は、画像処理部５５による検知結果に基づいて所定のアプリケーションソフトに応じた処理を実行するものであり、例えば検知した物体の位置座標を表示データに含むようにし、表示パネル５１上に表示させるものなどが挙げられる。なお、このアプリケーションプログラム実行部５６で生成される表示データは表示ドライブ回路５３へ供給されるようになっている。

図６は、表示パネル５１の表示領域５１ａにおける回路構成を示す図である。この図６に示すように、表示領域５１ａには、複数の画素部６１と、複数のセンサー部６２とが配列形成されている。

画素部６１は、表示領域５１ａ内において、水平方向に配線された複数の走査線６１ａと垂直方向に配線された複数の信号線６１ｂとの各交差部に配置される。各画素部６１には、例えばスイッチング素子としての薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor：ＴＦＴ）Ｔｒが設けられている。

薄膜トランジスタＴｒは、ゲートが走査線６１ａに接続され、ソース／ドレインの一方が信号線６１ｂに接続され、ソース／ドレインの他方が画素電極６１ｃに接続されている。また、各画素部３１には、全ての画素部６１に共通電位Ｖcomを与える共通電極６１ｄが設けられており、これらの各画素電極６１ｃと共通電極６１ｄとの間に液晶層ＬＣが挟持される。

そして、走査線６１ａを介して供給される駆動信号に基づいて薄膜トランジスタＴｒがオン・オフ動作し、オン状態のときに信号線６１ｂから供給される表示信号に基づいて画素電極６１ｃに画素電圧が印加され、画素電極６１ｃと共通電極６１ｄとの間の電界によって液晶層ＬＣが駆動される構成となっている。

一方、センサー部６２は、表示領域６１ａ内における所定部に配置され、各画素部６１に対応して設けられていても良く、複数の画素部６１に対して１つの割合で設けられても良い。このセンサー部６２には、図１を用いて説明したＭＯＳ型構造の光センサー素子１ａが設けられている。

各光センサー素子１ａは、ソース電極が電源線（Ｖｄｄ）６２ａに接続され、ドレイン電極が容量素子Ｃｓに接続されている。そして各光センサー素子１ａのゲート電極は、選択制御線６２ｂに接続されている。

またこのセンサー部６２には、ソース／ドレインで接続された２つのトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２が設けられている。一方のトランジスタＴｒ１は、ゲートが光センサー素子１ａのソース電極と容量素子Ｃｓに接続され、ソース／ドレインが電源線（Ｖｄｄ）６２ａに接続されている。またもう一方のトランジスタＴｒ２はゲートが読出制御電極６２ｃに接続され、ソース／ドレインが信号出力用電極６２ｄに接続されている。尚、容量素子Ｃｓのもう一方の電極は、電源線（Ｖｓｓ）６２ｅに接続されている。

そして、光センサー素子１ａは、上述した光センサー素子１ａの構成で述べたように、ここでの図示を省略したリセットスイッチによってリセットされ、また光センサー素子１ａの半導体層での受光量に対応して不揮発的に変化したドレイン電流が読み出される構成となっている。光センサー素子１ａから読み出されたドレイン電流は、容量素子Ｃｓに電荷として蓄積され、読出制御電極６２ｃにより供給される信号により信号出力用電極６２ｄに供給され、外部へ出力される構成となっている。

尚、画素部６１およびセンサー部６２に設ける薄膜トランジスタＴｒ，Ｔｒ１，Ｔｒ２は、光センサー素子１ａと同一構成であって良い。この場合、同一構成ではあるが、光センサー素子１ａとは駆動がことなる薄膜トランジスタＴｒ，Ｔｒ１，Ｔｒ２の誤動作を防止するために、これらの薄膜トランジスタＴｒ，Ｔｒ１，Ｔｒ２を遮光膜で覆うことが好ましい。この遮光膜は、光センサー素子１ａの半導体層において吸収される紫外光を吸収または反射するものであれば良い。

尚、以上のような表示パネル５ａは、２枚の偏光板で狭持されていることとする。

このような図５および図６を用いて説明した構成の電子機器（表示装置）５ａの駆動は、バックライト５２から照射された光のうち、偏光板を通過して液晶層ＬＣに達した光を、画素電極６１ｃの駆動による液晶層ＬＣのスイッチングにより所定状態に偏光させる。そして、もう一方の偏光板と同一方向に偏光させた光のみを通過させて表示光として表示させる。

また、表示面側から指やスタイラペン等の物体が接近した場合には、この物体による外光の影を光センサー素子１ａで検知するか、またはバックライトからの光を物体で反射させて光センサー素子１ａで検知する。そして光センサー素子１ａで検知した光をドレイン電流値として読み出すことにより、表示画面における指やスタイラペンの接近位置を検出して撮像を行う。

以上説明した構成の電子機器（表示装置）５ａによれば、半導体層での受光によって不揮発的にＶｇ−Ｉｄ特性が変化する光センサー素子１ａを用いた高感度な光検出を行うことが可能である。

＜電子機器−２＞
上述した構成の光センサー素子１ａを用いた電子機器（表示装置）の他の例としては、光センサー素子１ａを備えたセンサー部を表示領域５１ａの周辺に設け、受光した外光の強度によってバックライト５２を調整する機能を備えた構成への適用も可能である。この場合、光センサー素子１ａを備えたセンサー部の回路構成は、例えば図７に示すような構成とすることができる。

すなわち、ＭＯＳ型構造の光センサー素子１ａは、ソース電極が電源線（Ｖｄｄ）に接続され、ドレイン電極が容量素子Ｃｓとリセット回路と読出回路とに接続されている。そして各光センサー素子１ａのゲート電極は、選択制御線６５に接続されている。尚、容量素子Ｃｓのもう一方の電極は、電源線（Ｖｓｓ）に接続されている。

そして、光センサー素子１ａは、上述した光センサー素子１ａの構成で述べたように、ここでの図示を省略したリセット回路からの信号によってリセットされ、また光センサー素子１ａの半導体層での受光量に対応して不揮発的に変化したドレイン電流が読み出される構成となっている。光センサー素子１ａから読み出されたドレイン電流は、容量素子Ｃｓに電荷として蓄積され、読出回路からの信号によって外部へ出力される構成となっている。

またこのような電子機器（表示装置）においては、図５に示した電子機器（表示装置）５ａが備えている受光ドライブ回路５４、画像処理部５５、およびアプリケーションプログラム実行部５６に換えて、光センサー素子１ａから出力された電気信号に基づいて、バックライト５２の光強度を制御する回路を備えていることとする。

このような構成の電子機器（表示装置）であっても、半導体層での受光によって不揮発的にＶｇ−Ｉｄ特性が変化する光センサー素子１ａを用いた高感度な光検出を行うことが可能である。

尚、以上の実施形態においては、光センサー機能(撮像機能）を有する電子機器（表示装置）の一例として液晶表示装置を例示したが、このような電子機器は液晶表示装置に限定されることはなく、本発明構成の光センサー素子１ａを用いた電子機器に広く適用可能である。例えば、電子機器が表示装置で有る場合いは、バックライトを用いず有機ＬＥＤ（ＯＬＥＤ）を回路面に形成する自発光型の表示装置において、本発明の光センサー素子を設けた構成とすることが可能である。

＜適用例＞
以上説明した本発明に係る光センサー素子またはメモリー素子を備えた電子機器としては、図８〜図１２に示す様々な電子機器に適用可能である。例えば、デジタルカメラ、ノート型パーソナルコンピュータ、携帯電話等の携帯端末装置、ビデオカメラなど、電子機器に入力された映像信号、若しくは、電子機器内で生成した映像信号を、画像若しくは映像として表示するあらゆる分野の電子機器であれば、その表示部分に実施形態で説明した光センサー素子を設けて撮像機能を付加させることが可能である。またこれらの電子機器のメモリー機能として、実施形態で説明したメモリー素子を備えたメモリー装置を適用することができる。以下に、本発明が適用される電子機器の一例について説明する。

図８は、本発明が適用されるテレビを示す斜視図である。本適用例に係るテレビは、フロントパネル１０２やフィルターガラス１０３等から構成される映像表示画面部１０１を含み、その映像表示画面部１０１として本発明に係る光センサー素子を設けた表示装置を用いることにより作製される。またこのテレビは、メモリー機能として本発明に係るメモリー素子を備えたメモリー装置を用いることにより作製される。
図９は、本発明が適用されるデジタルカメラを示す図であり、（Ａ）は表側から見た斜視図、（Ｂ）は裏側から見た斜視図である。本適用例に係るデジタルカメラは、フラッシュ用の発光部１１１、表示部１１２、メニュースイッチ１１３、シャッターボタン１１４等を含み、その表示部１１２として本発明に係る光センサー素子を設けた表示装置を用いることにより作製される。またこのデジタルカメラは、メモリー機能として本発明に係るメモリー素子を備えたメモリー装置を用いることにより作製される。

図１０は、本発明が適用されるノート型パーソナルコンピュータを示す斜視図である。本適用例に係るノート型パーソナルコンピュータは、本体１２１に、文字等を入力するとき操作されるキーボード１２２、画像を表示する表示部１２３等を含み、その表示部１２３として本発明に係る光センサー素子を設けた表示装置を用いることにより作製される。またこのノート型パーソナルコンピュータは、メモリー機能として本発明に係るメモリー素子を備えたメモリー装置を用いることにより作製される。

図１１は、本発明が適用されるビデオカメラを示す斜視図である。本適用例に係るビデオカメラは、本体部１３１、前方を向いた側面に被写体撮影用のレンズ１３２、撮影時のスタート／ストップスイッチ１３３、表示部１３４等を含み、その表示部１３４として本発明に係る光センサー素子を設けた表示装置を用いることにより作製される。またこのビデオカメラは、メモリー機能として本発明に係るメモリー素子を備えたメモリー装置を用いることにより作製される。

図１２は、本発明が適用される携帯端末装置、例えば携帯電話機を示す図であり、（Ａ）は開いた状態での正面図、（Ｂ）はその側面図、（Ｃ）は閉じた状態での正面図、（Ｄ）は左側面図、（Ｅ）は右側面図、（Ｆ）は上面図、（Ｇ）は下面図である。本適用例に係る携帯電話機は、上側筐体１４１、下側筐体１４２、連結部（ここではヒンジ部）１４３、ディスプレイ１４４、サブディスプレイ１４５、ピクチャーライト１４６、カメラ１４７等を含み、そのディスプレイ１４４やサブディスプレイ１４５として本発明に係る光センサー素子を設けた表示装置を用いることにより作製される。またこの携帯電話機は、メモリー機能として本発明に係るメモリー素子を備えたメモリー装置を用いることにより作製される。

実施形態の光センサー素子およびメモリー素子の構成を示す概略断面図である。 実施形態の光センサー素子およびメモリー素子のＶｇ−Ｉｇ特性を示す図である。 実施形態の光センサー素子およびメモリー素子の駆動シーケンスを示す図である。 実施形態の撮像装置およびメモリー装置の構成を示す図である。 実施形態の光センサー素子を搭載した電子機器（表示装置）の一例を示す構成図である。 実施形態の電子機器の回路構成を示す図である。 実施形態の電子機器におけるセンサー部の回路構成の他の例を示す図である。 本発明が適用されるテレビを示す斜視図である。 本発明が適用されるデジタルカメラを示す図であり、（Ａ）は表側から見た斜視図、（Ｂ）は裏側から見た斜視図である。 本発明が適用されるノート型パーソナルコンピュータを示す斜視図である。 本発明が適用されるビデオカメラを示す斜視図である。 本発明が適用される携帯端末装置、例えば携帯電話機を示す図であり、（Ａ）は開いた状態での正面図、（Ｂ）はその側面図、（Ｃ）は閉じた状態での正面図、（Ｄ）は左側面図、（Ｅ）は右側面図、（Ｆ）は上面図、（Ｇ）は下面図である。

符号の説明

１ａ…光センサー素子、１ｂ…メモリー素子、３ａ…撮像装置、３ｂ…メモリー装置（電子機器）、５ａ…電子機器、１３…ゲート電極、１５…ゲート絶縁膜、１７…半導体層、１９ｓ…ソース電極、１９ｄ…ドレイン電極、Ａ…初期状態、Ｖｔｈ…しきい値電圧

Claims (25)

1. 酸化物半導体からなる半導体層に相対してゲート絶縁膜を介してゲート電極が設けられ、当該半導体層にソース電極およびドレイン電極が接続された光センサー素子において、
   前記半導体層での受光量を、ゲート電圧に対して不揮発的に変化したドレイン電流値として読み出す
   ことを特徴とする光センサー素子。
2. 請求項１記載の光センサー素子において、
   前記ドレイン電流値の読み出しは、前記半導体層が受光する前の初期状態におけるしきい値電圧以下でかつ受光時の電圧以上のゲート電圧で行う
   ことを特徴とする光センサー素子。
3. 請求項１記載の光センサー素子において、
   前記半導体層での受光前に、前記ゲート電圧に対する前記ドレイン電流を前記半導体層が受光する前の初期状態に戻すリセット動作を行う
   ことを特徴とする光センサー素子。
4. 請求項３記載の光センサー素子において、
   前記リセット動作として、前記ソース電極とドレイン電極とをショートさせた状態でゲート電極に正電圧を印加するか、または半導体層を加熱する
   ことを特徴とする光センサー素子。
5. 請求項４記載の光センサー素子において、
   前記加熱は、ソース電極−ドレイン電極間に電流を流すことによって行う
   ことを特徴とする光センサー素子。
6. 酸化物半導体からなる半導体層に相対してゲート絶縁膜を介してゲート電極が設けられ、当該半導体層にソース電極およびドレイン電極が接続された光センサー素子を搭載した撮像装置において、
   前記半導体層での受光量を、ゲート電圧に対して不揮発的に変化したドレイン電流値として読み出す
   ことを特徴とする撮像装置。
7. 請求項６記載の撮像装置において、
   前記ドレイン電流値の読み出しは、前記半導体層が受光する前の初期状態におけるしきい値電圧以下でかつ受光時の電圧以上のゲート電圧で行う
   ことを特徴とする撮像装置。
8. 請求項６記載の撮像装置において、
   前記半導体層での受光前に、前記ゲート電圧に対する前記ドレイン電流を前記半導体層が受光する前の初期状態に戻すリセット動作を行う
   ことを特徴とする撮像装置。
9. 請求項８記載の撮像装置において、
   前記リセット動作として、前記ソース電極とドレイン電極とをショートさせた状態でゲート電極に正電圧を印加するか、または半導体層を加熱する
   ことを特徴とする撮像装置。
10. 請求項９記載の電子機器において、
    前記加熱は、ソース電極−ドレイン電極間に電流を流すことによって行う
    ことを特徴とする撮像装置。
11. 酸化物半導体からなる半導体層に相対してゲート絶縁膜を介してゲート電極が設けられ、当該半導体層にソース電極およびドレイン電極が接続された光センサー素子を搭載した電子機器において、
    前記半導体層での受光量を、ゲート電圧に対して不揮発的に変化したドレイン電流値として読み出す
    ことを特徴とする電子機器。
12. 請求項１１記載の電子機器において、
    前記ドレイン電流値の読み出しは、前記半導体層が受光する前の初期状態におけるしきい値電圧以下でかつ受光時の電圧以上のゲート電圧で行う
    ことを特徴とする電子機器。
13. 請求項１１記載の電子機器において、
    前記半導体層での受光前に、前記ゲート電圧に対する前記ドレイン電流を前記半導体層が受光する前の初期状態に戻すリセット動作を行う
    ことを特徴とする電子機器。
14. 請求項１３記載の電子機器において、
    前記リセット動作として、前記ソース電極とドレイン電極とをショートさせた状態でゲート電極に正電圧を印加するか、または半導体層を加熱する
    ことを特徴とする電子機器。
15. 請求項１４記載の電子機器において、
    前記加熱は、ソース電極−ドレイン電極間に電流を流すことによって行う
    ことを特徴とする電子機器。
16. 酸化物半導体からなる半導体層に相対してゲート絶縁膜を介してゲート電極が設けられ、当該半導体層にソース電極およびドレイン電極が接続されたメモリー素子において、
    前記半導体層での受光量を、ゲート電圧に対して不揮発的に変化したドレイン電流値として読み出す
    ことを特徴とするメモリー素子。
17. 請求項１６記載のメモリー素子において、
    前記ドレイン電流値の読み出しは、前記半導体層が受光する前の初期状態におけるしきい値電圧以下でかつ受光時の電圧以上のゲート電圧で行う
    ことを特徴とするメモリー素子。
18. 請求項１６記載のメモリー素子において、
    前記半導体層での受光前に、前記ゲート電圧に対する前記ドレイン電流を前記半導体層が受光する前の初期状態に戻すリセット動作を行う
    ことを特徴とするメモリー素子。
19. 請求項１８記載のメモリー素子において、
    前記リセット動作として、前記ソース電極とドレイン電極とをショートさせた状態でゲート電極に正電圧を印加するか、または半導体層を加熱する
    ことを特徴とするメモリー素子。
20. 請求項１９記載のメモリー素子において、
    前記加熱は、ソース電極−ドレイン電極間に電流を流すことによって行う
    ことを特徴とするメモリー素子。
21. 酸化物半導体からなる半導体層に相対してゲート絶縁膜を介してゲート電極が設けられ、当該半導体層にソース電極およびドレイン電極が接続されたメモリー素子を搭載した電子機器において、
    前記メモリー素子は、前記半導体層での受光量を、ゲート電圧に対して不揮発的に変化したドレイン電流値として読み出す
    ことを特徴とする電子機器。
22. 請求項２１記載の電子機器において、
    前記ドレイン電流値の読み出しは、前記半導体層が受光する前の初期状態におけるしきい値電圧以下でかつ受光時の電圧以上のゲート電圧で行う
    ことを特徴とする電子機器。
23. 請求項２１記載の電子機器において、
    前記半導体層での受光前に、前記ゲート電圧に対する前記ドレイン電流を前記半導体層が受光する前の初期状態に戻すリセット動作を行う
    ことを特徴とする電子機器。
24. 請求項２３記載の電子機器において、
    前記リセット動作として、前記ソース電極とドレイン電極とをショートさせた状態でゲート電極に正電圧を印加するか、または半導体層を加熱する
    ことを特徴とする電子機器。
25. 請求項２４記載の電子機器において、
    前記加熱は、ソース電極−ドレイン電極間に電流を流すことによって行う
    ことを特徴とする電子機器。

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