JP2016054019A - 半導体装置、及び電子機器 - Google Patents

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Abstract

【課題】反転表示できる、新規な構成の半導体装置等を提供すること。トランジスタの特性劣化を抑制できる、新規な構成の半導体装置等を提供すること。動作速度の向上を図ることのできる、新規な構成の半導体装置等を提供すること。トランジスタの絶縁破壊を低減できる、新規な構成の半導体装置等を提供すること。
【解決手段】配線の電位を切り替えることで、第１の動作と第２の動作という２つの動作を切り替えることが可能な回路構成とする。この２つの動作を切り替えることで、簡便に走査方向の切り替えを行う。走査方向の切り替えを行うことができる。
【選択図】図１

Description

本発明の一態様は、半導体装置、及び電子機器に関する。
なお本発明の一態様は、上記の技術分野に限定されない。本明細書等で開示する発明の技術分野は、物、方法、または、製造方法に関するものである。または、本発明の一態様は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、または、組成物（コンポジション・オブ・マター）に関するものである。そのため、より具体的に本明細書で開示する本発明の一態様の技術分野としては、半導体装置、表示装置、発光装置、蓄電装置、撮像装置、記憶装置、それらの駆動方法、または、それらの製造方法、を一例として挙げることができる。
なお、本明細書等において、半導体装置は、半導体特性を利用することで機能しうる素子、回路、又は装置等を指す。一例としては、トランジスタ、ダイオード等の半導体素子は半導体装置である。また別の一例としては、半導体素子を有する回路は、半導体装置である。また別の一例としては、半導体素子を有する回路を備えた装置は、半導体装置である。
表示機能を有する半導体装置では、テレビジョン受像機に代表されるように、表示される表示の向きが固定化されている。
このような半導体装置を駆動するための駆動回路には、シフトレジスタが搭載されている（特許文献１参照）。
米国特許出願公開第２０１０／０２０１６５９号明細書
近年スマートフォン等の普及によって、上下あるいは左右の反転表示を行う半導体装置が求められている。
本発明の一態様は、新規な半導体装置、新規な電子機器等を提供することを課題の一とする。
または、本発明の一態様は、反転表示できる、新規な構成の半導体装置等を提供することを課題の一とする。または、本発明の一態様は、トランジスタの特性劣化を抑制できる、新規な構成の半導体装置等を提供することを課題の一とする。または、本発明の一態様は、動作速度の向上を図ることのできる、新規な構成の半導体装置等を提供することを課題の一とする。または、本発明の一態様は、トランジスタの絶縁破壊を低減できる、新規な構成の半導体装置等を提供することを課題の一とする。
なお本発明の一態様の課題は、上記列挙した課題に限定されない。上記列挙した課題は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお他の課題は、以下の記載で述べる、本項目で言及していない課題である。本項目で言及していない課題は、当業者であれば明細書又は図面等の記載から導き出せるものであり、これらの記載から適宜抽出することができる。なお、本発明の一態様は、上記列挙した記載、及び／又は他の課題のうち、少なくとも一つの課題を解決するものである。
本発明の一態様は、第１乃至第９のトランジスタを有し、第１のトランジスタのソース又はドレインの一方は、第２のトランジスタのソース又はドレインの一方と電気的に接続され、第１のトランジスタのソース又はドレインの他方は、第１の配線と電気的に接続され、第２のトランジスタのソース又はドレインの一方は、第２の配線と電気的に接続され、第２のトランジスタのソース又はドレインの他方は、第３の配線と電気的に接続され、第３のトランジスタのソース又はドレインの一方は、第１のトランジスタのゲートと電気的に接続され、第３のトランジスタのソース又はドレインの他方は、第３の配線と電気的に接続され、第４のトランジスタのソース又はドレインの一方は、第２のトランジスタのゲート又は第３のトランジスタのゲートと電気的に接続され、第４のトランジスタのソース又はドレインの他方は、第４の配線と電気的に接続され、第５のトランジスタのソース又はドレインの一方は、第４のトランジスタのソース又はドレインの一方と電気的に接続され、第５のトランジスタのソース又はドレインの他方は、第３の配線と電気的に接続され、第５のトランジスタのゲートは、第１のトランジスタのゲートと電気的に接続され、第６のトランジスタのソース又はドレインの一方は、第４のトランジスタのゲートと電気的に接続され、第６のトランジスタのソース又はドレインの他方は、第５の配線と電気的に接続され、第６のトランジスタのゲートは、第６の配線と電気的に接続され、第７のトランジスタのソース又はドレインの一方は、第４のトランジスタのゲートと電気的に接続され、第７のトランジスタのソース又はドレインの他方は、第７の配線と電気的に接続され、第７のトランジスタのゲートは、第８の配線と電気的に接続され、第８のトランジスタのソース又はドレインの一方は、第１のトランジスタのゲートと電気的に接続され、第８のトランジスタのソース又はドレインの他方は、第５の配線と電気的に接続され、第８のトランジスタのゲートは、第９の配線と電気的に接続され、第９のトランジスタのソース又はドレインの一方は、第１のトランジスタのゲートと電気的に接続され、第９のトランジスタのソース又はドレインの他方は、第７の配線と電気的に接続され、第９のトランジスタのゲートは、第１０の配線と電気的に接続され、第５の配線は、第１の動作時において、第１の電位又は第２の電位のいずれか一方を伝え、第２の動作時において、第１の電位又は第２の電位のいずれか他方を伝えることができる機能を有し、第７の配線は、第１の動作時において、第１の電位又は第２の電位のいずれか他方を伝え、第２の動作時において、第１の電位又は第２の電位のいずれか一方を伝えることができる機能を有する半導体装置である。
本発明の一態様において、第１の配線は、第１のクロック信号を伝えることができる機能を有し、第６の配線は、第２のクロック信号を伝えることができる機能を有し、第８の配線は、第３のクロック信号を伝えることができる機能を有する半導体装置が好ましい。
本発明の一態様において、第２の配線は、出力信号を伝えることができる機能を有し、第１０の配線は、前段の出力信号を伝えることができる機能を有し、第９の配線は、後段の出力信号を伝えることができる機能を有する半導体装置が好ましい。
本発明の一態様において、第４の配線は、第１の電位を伝えることができる機能を有し、第３の配線は、第２の電位を伝えることができる機能を有する半導体装置が好ましい。
本発明の一態様において、第１の容量素子を有し、第１の容量素子の一方の電極は、第１のトランジスタのソース又はドレインの一方に電気的に接続され、第１の容量素子の他方の電極は、第１のトランジスタのゲートに電気的に接続される半導体装置が好ましい。
本発明の一態様において、第２の容量素子を有し、第２の容量素子の一方の電極は、第４のトランジスタのソース又はドレインの一方に電気的に接続され、第２の容量素子の他方の電極は、第４のトランジスタのゲートに電気的に接続される半導体装置が好ましい。
本発明の一態様において、第１のトランジスタのＷ（Ｗはチャネル幅）／Ｌ（Ｌはチャネル長）は、第２乃至９のトランジスタのＷ／Ｌより大きい半導体装置が好ましい。
本発明の一態様において、第６のトランジスタのＷ（Ｗはチャネル幅）／Ｌ（Ｌはチャネル長）は、第７のトランジスタのＷ／Ｌの０．８倍以上且つ１．２倍以下である半導体装置が好ましい。
本発明の一態様において、第８のトランジスタのＷ（Ｗはチャネル幅）／Ｌ（Ｌはチャネル長）は、第９のトランジスタのＷ／Ｌの０．８倍以上且つ１．２倍以下である半導体装置が好ましい。
本発明の一態様において、第１乃至第９のトランジスタは、チャネル形成領域に酸化物半導体を有する半導体装置が好ましい。
本発明の一態様は、上記半導体装置と、ＦＰＣと、を有する表示モジュールである。
本発明の一態様は、上記半導体装置、又は上記表示モジュールと、スピーカー、操作ボタン、及び／又はアンテナと、を有する電子機器である。
なおその他の本発明の一態様については、以下で述べる実施の形態における説明、及び図面に記載されている。
本発明の一態様は、新規な半導体装置、新規な電子機器等を提供することができる。
または、本発明の一態様は、反転表示できる、新規な構成の半導体装置等を提供することができる。または、本発明の一態様は、トランジスタの特性劣化を抑制できる、新規な構成の半導体装置等を提供することができる。または、本発明の一態様は、動作速度の向上を図ることのできる、新規な構成の半導体装置等を提供することができる。または、本発明の一態様は、トランジスタの絶縁破壊を低減できる、新規な構成の半導体装置等を提供することができる。
なお本発明の一態様の効果は、上記列挙した効果に限定されない。上記列挙した効果は、他の効果の存在を妨げるものではない。なお他の効果は、以下の記載で述べる、本項目で言及していない効果である。本項目で言及していない効果は、当業者であれば明細書又は図面等の記載から導き出せるものであり、これらの記載から適宜抽出することができる。なお、本発明の一態様は、上記列挙した効果、及び／又は他の効果のうち、少なくとも一つの効果を有するものである。従って本発明の一態様は、場合によっては、上記列挙した効果を有さない場合もある。
本発明の一態様を説明するための回路図。 本発明の一態様を説明するためのタイミングチャート。 本発明の一態様を説明するためのタイミングチャート。 本発明の一態様を説明するための回路図。 本発明の一態様を説明するための回路図。 本発明の一態様を説明するための回路図。 本発明の一態様を説明するための回路図。 本発明の一態様を説明するための回路図。 本発明の一態様を説明するための回路図。 本発明の一態様を説明するための回路図。 本発明の一態様を説明するための回路図。 本発明の一態様を説明するための回路図。 本発明の一態様を説明するための回路図。 本発明の一態様を説明するための回路図。 本発明の一態様を説明するための回路図。 本発明の一態様を説明するための回路図。 本発明の一態様を説明するための回路図。 本発明の一態様を説明するための回路図。 本発明の一態様を説明するための回路図。 本発明の一態様を説明するための回路図。 本発明の一態様を説明するための回路図。 本発明の一態様を説明するためのタイミングチャート。 本発明の一態様を説明するための回路図。 本発明の一態様を説明するための上面図及び断面図。 本発明の一態様を説明するための断面図。 本発明の一態様を説明するための断面図。 本発明の一態様を説明するための断面図。 本発明の一態様を説明するための上面図。 本発明の一態様を説明するための断面図。 本発明の一態様を説明するための投影図。 本発明の一態様を説明するための断面図。 本発明の一態様に係る、電子機器を説明する図。 本発明の一態様を説明するためのレイアウト図。
以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。但し、実施の形態は多くの異なる態様で実施することが可能であり、趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は、以下の実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
なお本明細書等において、「第１」、「第２」、「第３」という序数詞は、構成要素の混同を避けるために付したものである。従って、構成要素の数を限定するものではない。また、構成要素の順序を限定するものではない。また例えば、本明細書等の実施の形態の一において「第１」に言及された構成要素が、他の実施の形態、あるいは特許請求の範囲において「第２」に言及された構成要素とすることもありうる。また例えば、本明細書等の実施の形態の一において「第１」に言及された構成要素を、他の実施の形態、あるいは特許請求の範囲において省略して言及することもありうる。
なお図面において、同一の要素または同様な機能を有する要素、同一の材質の要素、あるいは同時に形成される要素等には同一の符号を付す場合があり、その繰り返しの説明は省略する場合がある。
（実施の形態１）
本発明の一態様に係る半導体装置の構成について図１を参照して説明する。
図１に示す半導体装置は、回路１００を有する。回路１００は、配線１５２の電位を制御する機能を有する。回路１００は、論理回路、又は順序回路と呼ぶ場合がある。
回路１００は、接続される配線１５５、１５７の電位を切り替えることで、第１の動作と第２の動作という２つの動作を切り替えることが可能である。この２つの動作を切り替えることが可能な回路１００を有する半導体装置は、簡便に走査方向の切り替えを行うことができる。走査方向の切り替えを行う機能を備えた、表示機能を有する半導体装置は、反転表示を行うことができる。
回路１００は、トランジスタ１０１乃至１０９及び容量素子１１０を有する。なお図１において、トランジスタ１０１のゲートをノードＮＤ１と示す。同様に、トランジスタ１０４のゲートをノードＮＤ２と示す。同様に、トランジスタ１０２のゲートをノードＮＤ３と示す。
トランジスタ１０１乃至１０９及び容量素子１１０の接続について説明する。
トランジスタ１０１のソース又はドレインの一方は、配線１５１と接続される。トランジスタ１０１のソース又はドレインの他方は、配線１５２と接続される。
トランジスタ１０２のソース又はドレインの一方は、配線１５３と接続される。トランジスタ１０２のソース又はドレインの他方は、配線１５２と接続される。
トランジスタ１０３のゲートは、ノードＮＤ３と接続される。トランジスタ１０３のソース又はドレインの一方は、配線１５３と接続される。トランジスタ１０３のソース又はドレインの他方は、ノードＮＤ１と接続される。
トランジスタ１０４のソース又はドレインの一方は、配線１５４と接続される。トランジスタ１０４のソース又はドレインの他方は、ノードＮＤ３と接続される。
トランジスタ１０５のゲートは、ノードＮＤ１と接続される。トランジスタ１０５のソース又はドレインの一方は、配線１５３と接続される。トランジスタ１０５のソース又はドレインの他方は、ノードＮＤ３と接続される。
トランジスタ１０６のゲートは、配線１５６と接続される。トランジスタ１０６のソース又はドレインの一方は、配線１５５と接続される。トランジスタ１０６のソース又はドレインの他方は、ノードＮＤ２と接続される。
トランジスタ１０７のゲートは、配線１５８と接続される。トランジスタ１０７のソース又はドレインの一方は、配線１５７と接続される。トランジスタ１０７のソース又はドレインの他方は、ノードＮＤ２と接続される。
トランジスタ１０８のゲートは、配線１５９と接続される。トランジスタ１０８のソース又はドレインの一方は、配線１５５と接続される。トランジスタ１０８のソース又はドレインの他方は、ノードＮＤ１と接続される。
トランジスタ１０９のゲートは、配線１６０と接続される。トランジスタ１０９のソース又はドレインの一方は、配線１５７と接続される。トランジスタ１０９のソース又はドレインの他方は、ノードＮＤ１と接続される。
容量素子１１０の第１の電極は、ノードＮＤ１と接続される。容量素子１１０の第２の電極は、配線１５２と接続される。
なおトランジスタ１０１乃至１０９は、同じ極性であることが好ましい。つまり、トランジスタ１０１乃至１０９はＮチャネル型であることが好ましい。或いは、トランジスタ１０１乃至１０９はＰチャネル型であることが好ましい。これにより、製造工程の簡略化を図ることができるため、歩留まりの向上、及び／又はコストの削減を図ることができる。
トランジスタ１０１乃至１０９がＮチャネル型である場合は、トランジスタ１０１乃至１０９としてチャネル形成領域に酸化物半導体を有するトランジスタ（ＯＳトランジスタともいう）をそれぞれ採用することができる。ＯＳトランジスタは、チャネル形成領域にアモルファスシリコンを有するトランジスタよりも移動度が高く、且つオフ電流が極めて小さい。そのため、トランジスタ１０１乃至１０９のサイズを小さくし、ノードＮＤ１乃至ＮＤ３における電位の維持をしやすくすることができる。
トランジスタ１０１のＷ（チャネル幅）／Ｌ（チャネル長）は、トランジスタ１０２乃至１０９のＷ／Ｌよりも大きいことが好ましい。これにより、トランジスタ１０１の電流供給能力を大きくすることができるため、配線１５２に伝える信号の立ち上がり時間及び立ち下がり時間を短くすることができる。
なお、トランジスタが複数のトランジスタによって構成される場合、トランジスタのＷ／Ｌとは、複数のトランジスタのＷ／Ｌのそれぞれを合計した値である。例えば、複数のトランジスタが並列接続される場合、Ｗは複数のトランジスタのＷの和であり、Ｌは複数のトランジスタのＬの平均値となる。
トランジスタ１０６のＷ／Ｌは、トランジスタ１０７のＷ／Ｌと等しい又は概ね等しいことが好ましい。同様にトランジスタ１０８のＷ／Ｌは、トランジスタ１０９のＷ／Ｌと等しい又は概ね等しいことが好ましい。トランジスタのＷ／Ｌが概ね等しいとは、一方のトランジスタのＷ／Ｌが他方のトランジスタのＷ／Ｌの０．８倍以上、１．２倍以下のことをいう。より好ましくは、０．９倍以上、１．１倍以下である。これにより、回路１００は、第１の動作と第２の動作を切り替えた場合でも、等しい又は概ね等しい電流供給能力でもって動作を行うことができる。
配線１５１乃至１６０、ノードＮＤ１乃至ＮＤ３の信号又は電位について説明する。
配線１５１には、ハイレベルとロウレベルとを有する信号を伝える機能を有する。具体的な一例としては、クロック信号を伝える機能を有する。配線１５１が伝えるクロック信号は、第１のクロック信号という場合がある。
配線１５２には、ハイレベルとロウレベルとを有する信号を伝える機能を有する。具体的な一例としては、出力信号を伝える機能を有する。配線１５２が伝える出力信号は、走査信号、選択信号、あるいはパルス信号という場合がある。
配線１５３には、ロウレベルの電位を伝える機能を有する。ロウレベルの電位をＶＬとすると、配線１５３は、電位ＶＬに設定される機能を有する。
配線１５４には、ハイレベルの電位を伝える機能を有する。ハイレベルの電位をＶＨ（＞ＶＬ）とすると、配線１５４は、電位ＶＨに設定される機能を有する。
配線１５５には、ハイレベルとロウレベルとを有する信号を伝える機能を有する。具体的な一例としては、配線１５５は第１の動作時において電位ＶＨに設定され、第２の動作時において電位ＶＬに設定される機能を有する。
配線１５６には、ハイレベルとロウレベルとを有する信号を伝える機能を有する。具体的な一例としては、クロック信号を伝える機能を有する。配線１５６が伝えるクロック信号は、第２のクロック信号という場合がある。第２のクロック信号は、第１のクロック信号と位相が異なる。
配線１５７には、ハイレベルとロウレベルとを有する信号を伝える機能を有する。具体的な一例としては、配線１５７は第１の動作時において電位ＶＬに設定され、第２の動作時において電位ＶＨに設定される機能を有する。
配線１５８には、ハイレベルとロウレベルとを有する信号を伝える機能を有する。具体的な一例としては、クロック信号を伝える機能を有する。配線１５８が伝えるクロック信号は、第３のクロック信号という場合がある。第３のクロック信号は、第１のクロック信号あるいは第２のクロック信号と位相が異なる。
配線１５９には、ハイレベルとロウレベルとを有する信号を伝える機能を有する。具体的な一例としては、配線１５９は第１の動作時において前段の回路１００の出力信号、第２の動作時において後段の回路１００の出力信号を伝える機能を有する。なお配線１５９が伝える出力信号は、外部から伝わる場合、スタートパルスという場合がある。
配線１６０には、ハイレベルとロウレベルとを有する信号を伝える機能を有する。具体的な一例としては、配線１６０は第１の動作時において後段の回路１００の出力信号、第２の動作時において前段の回路１００の出力信号を伝える機能を有する。なお配線１６０が伝える出力信号は、外部から伝わる場合、スタートパルスという場合がある。
回路１００は、上述したように、接続される配線１５５、１５７の電位を切り替えることで、第１の動作と第２の動作という２つの動作を切り替えることが可能である。回路１００を有する半導体装置は、第１の動作時には第１の走査方向にある後段の回路１００に出力信号を伝え、第２の動作時には第２の走査方向にある後段の回路１００に出力信号を伝えることができる。この切り替えの動作は、配線１５５、１５７の電位を切り替えるだけでよいため、簡便に走査方向の切り替えを行うことができる。その結果、表示機能を有する半導体装置は、反転表示を行うことができる。
（実施の形態２）
本発明の一態様に係る半導体装置の動作について図２、図３を例にして説明する。なお図２、図３で説明する動作は、実施の形態１で説明した回路１００の動作に相当する。なお本実施の形態において、トランジスタ１０１乃至１０９は、Ｎチャネル型のトランジスタとして説明をする。
本発明の一態様に係る半導体装置は、第１の動作時には第１の走査方向にある後段の回路１００に出力信号を伝え、第２の動作時には第２の走査方向にある後段の回路１００に出力信号を伝えることが可能である。図２は、第１の動作を実現可能なタイミングチャートの一例であり、図３は、第２の動作を実現可能なタイミングチャートの一例である。
図２及び図３には、回路１００の動作を説明するために、配線１５５、配線１５７、配線１５８、配線１５１、配線１５６、配線１５９、配線１６０、ノードＮＤ１、ノードＮＤ２、ノードＮＤ３及び配線１５２の電位を示す。
＜第１の動作について＞
まず第１の動作について、図２を参照して説明する。第１の動作は、配線１５５の電位をＶＨに設定し、配線１５７をＶＬの電位に設定することにより、行われる。第１の動作は、期間Ｔ１乃至Ｔ６に分けて動作を説明する。なお各期間の動作は、ノードＮＤ１乃至ＮＤ３の電位の変化、及び出力信号を伝える配線１５２の電位の変化を追うことで、説明できる。
なお各配線、ノードが伝える信号の電位は、説明を簡略化するために、ハイレベルの電位ＶＨおよびロウレベルの電位ＶＬの二種類の電位を用いて説明を行う。各配線、ノードが伝える電位をＶＨ、ＶＬの２種類の電位とすることで、生成する電位の数を削減することができる。そのため、電位を生成する回路規模を縮小することができる。ただし本実施の形態において、配線の電位を同じＶＨと説明しても、必ずしも等電位とは限らず、異なる電位としてもよい。同様に、配線の電位を同じＶＬと説明しても、必ずしも等電位とは限らず、異なる電位としてもよい。なお後述する、第２の動作時の説明においても同様である。
期間Ｔ１における動作について説明する。
ノードＮＤ１の電位について説明する。配線１５９の電位がＶＨになるため、トランジスタ１０８が導通状態になる。配線１６０の電位がＶＬになるため、トランジスタ１０９が非導通状態になる。後述するとおり、ノードＮＤ３の電位がＶＬになるため、トランジスタ１０３が非導通状態になる。よって、配線１５５の電位であるＶＨがトランジスタ１０８を介してノードＮＤ１に伝わるため、ノードＮＤ１の電位がＶＬから上昇する。その後、ノードＮＤ１の電位がトランジスタ１０８のゲートの電位であるＶＨからトランジスタ１０８の閾値電圧（Ｖｔｈ１０８）を引いた値（ＶＨ−Ｖｔｈ１０８）になると、トランジスタ１０８が非導通状態になる。よって、ノードＮＤ１が浮遊状態になり、ノードＮＤ１の電位がＶＨ−Ｖｔｈ１０８に維持される。
ノードＮＤ２の電位について説明する。配線１５６の電位がＶＬになるため、トランジスタ１０６が非導通状態になる。配線１５８の電位がＶＨになるため、トランジスタ１０７が導通状態になる。よって、配線１５７の電位であるＶＬがトランジスタ１０７を介してノードＮＤ２に伝わるため、ノードＮＤ２の電位がＶＬになる。
ノードＮＤ３の電位について説明する。ノードＮＤ２の電位がＶＬになるため、トランジスタ１０４が非導通状態になる。ノードＮＤ１の電位が（ＶＨ−Ｖｔｈ１０８）になるため、トランジスタ１０５が導通状態になる。よって、配線１５３の電位がトランジスタ１０５を介してノードＮＤ３に伝わるため、ノードＮＤ３の電位がＶＬになる。
配線１５２の電位について説明する。ノードＮＤ１の電位がＶＨ−Ｖｔｈ１０８になるため、トランジスタ１０１が導通状態になる。ノードＮＤ３の電位がＶＬになるため、トランジスタ１０２が非導通状態になる。よって、配線１５１のＶＬの電位がトランジスタ１０１を介して配線１５２に伝わるため、配線１５２の電位がＶＬになる。つまり、回路１００の出力信号がＶＬになる。
期間Ｔ２における動作について説明する。
ノードＮＤ１の電位について説明する。配線１５９の電位がＶＬになるため、トランジスタ１０８が非導通状態になる。配線１６０の電位がＶＬになるため、トランジスタ１０９が非導通状態になる。後述するとおり、ノードＮＤ３の電位がＶＬになるため、トランジスタ１０３が非導通状態になる。よって、ノードＮＤ１が浮遊状態になり、ノードＮＤ１の電位が（ＶＨ−Ｖｔｈ１０８）に維持される。
ノードＮＤ２の電位について説明する。配線１５６の電位がＶＬになるため、トランジスタ１０６が非導通状態になる。配線１５８の電位がＶＬになるため、トランジスタ１０７が非導通状態になる。よって、ノードＮＤ２が浮遊状態になるため、ノードＮＤ２の電位がＶＬに維持される。
ノードＮＤ３の電位について説明する。ノードＮＤ２の電位がＶＬになるため、トランジスタ１０４が非導通状態になる。ノードＮＤ１の電位が（ＶＨ−Ｖｔｈ１０８）になるため、トランジスタ１０５が導通状態になる。よって、配線１５３の電位であるＶＬがトランジスタ１０５を介してノードＮＤ３に伝わるため、ノードＮＤ３の電位がＶＬになる。
配線１５２の電位について説明する。ノードＮＤ１の電位が（ＶＨ−Ｖｔｈ１０８）になるため、トランジスタ１０１が導通状態になる。ノードＮＤ３の電位がＶＬになるため、トランジスタ１０２が非導通状態になる。よって、配線１５１のＶＨの電位がトランジスタ１０１を介して配線１５２に伝わるため、配線１５２の電位がＶＬから上昇し始める。このとき、容量素子１１０が配線１５２とノードＮＤ１との電位差を保持しており、且つノードＮＤ１が浮遊状態になっている。そのため、配線１５２の電位の上昇に伴って、ノードＮＤ１の電位が（ＶＨ−Ｖｔｈ１０８）から上昇する。ノードＮＤ１の電位がトランジスタ１０１のソース又はドレインの一方の電位（配線１５１の電位であるＶＨ）とトランジスタ１０１の閾値電圧（Ｖｔｈ１０１）との和（ＶＨ＋Ｖｔｈ１０１）よりも高くなると、配線１５２の電位がＶＨまで上昇する。つまり、回路１００の出力信号がＶＨになる。
期間Ｔ３における動作について説明する。
ノードＮＤ１の電位について説明する。配線１５９の電位がＶＬになるため、トランジスタ１０８が非導通状態になる。配線１６０の電位がＶＨになるため、トランジスタ１０９が導通状態になる。後述するとおり、ノードＮＤ３の電位がＶＨになるため、トランジスタ１０３が導通状態になる。よって、配線１５７の電位であるＶＬがトランジスタ１０９を介してノードＮＤ１に伝わるとともに、配線１５３の電位であるＶＬがトランジスタ１０３を介してノードＮＤ１に伝わるため、ノードＮＤ１の電位がＶＬになる。
ノードＮＤ２の電位について説明する。配線１５６の電位がＶＨになるため、トランジスタ１０６が導通状態になる。配線１５８の電位がＶＬになるため、トランジスタ１０７が非導通状態になる。よって、配線１５５の電位であるＶＨがトランジスタ１０６を介してノードＮＤ２に伝わるため、ノードＮＤ２の電位がＶＬから上昇する。その後、ノードＮＤ２の電位がトランジスタ１０６のゲートの電位（配線１５６の電位であるＶＨ）からトランジスタ１０６の閾値電圧（Ｖｔｈ１０６）を引いた値（ＶＨ−Ｖｔｈ１０６）になると、トランジスタ１０６が非導通状態になる。よって、ノードＮＤ２が浮遊状態になり、ノードＮＤ２の電位が（ＶＨ−Ｖｔｈ１０６）に維持される。
ノードＮＤ３の電位について説明する。ノードＮＤ２の電位が（ＶＨ−Ｖｔｈ１０６）になるため、トランジスタ１０４が導通状態になる。ノードＮＤ１の電位がＶＬになるため、トランジスタ１０５が非導通状態になる。よって、配線１５４の電位がトランジスタ１０４を介してノードＮＤ３に伝わるため、ノードＮＤ３の電位が上昇する。このとき、ノードＮＤ３とノードＮＤ２との電位差がトランジスタ１０４のゲートとソース又はドレインの他方との間の寄生容量によって保持されており、且つノードＮＤ２が浮遊状態になっている。よって、ノードＮＤ３の電位の上昇に伴って、ノードＮＤ２の電位が上昇する。ノードＮＤ２の電位がトランジスタ１０４のソース又はドレインの一方の電位（配線１５４の電位であるＶＨ）とトランジスタ１０４の閾値電圧（Ｖｔｈ１０４）との和（ＶＨ＋Ｖｔｈ１０４）よりも高くなると、ノードＮＤ３の電位がＶＨまで上昇する。
配線１５２の電位について説明する。ノードＮＤ１の電位がＶＬになるため、トランジスタ１０１が非導通状態になる。ノードＮＤ３の電位がＶＨになるため、トランジスタ１０２が導通状態になる。よって、配線１５３の電位であるＶＬがトランジスタ１０２を介して配線１５２に伝わるため、配線１５２の電位がＶＬになる。つまり、回路１００の出力信号がＶＬになる。
期間Ｔ４における動作について説明する。
ノードＮＤ１の電位について説明する。配線１５９の電位がＶＬになるため、トランジスタ１０８が非導通状態になる。配線１６０の電位がＶＬになるため、トランジスタ１０９が非導通状態になる。後述するとおり、ノードＮＤ３の電位がＶＨになるため、トランジスタ１０３が導通状態になる。よって、配線１５３の電位であるＶＬがトランジスタ１０３を介してノードＮＤ１に伝わるため、ノードＮＤ１の電位がＶＬになる。
ノードＮＤ２の電位について説明する。配線１５６の電位がＶＬになるため、トランジスタ１０６が非導通状態になる。配線１５８の電位がＶＨになるため、トランジスタ１０７が導通状態になる。よって、配線１５７の電位であるＶＬがトランジスタ１０７を介してノードＮＤ２に伝わるため、ノードＮＤ２の電位がＶＬになる。
ノードＮＤ３の電位について説明する。ノードＮＤ２の電位がＶＬになるため、トランジスタ１０４が非導通状態になる。ノードＮＤ１の電位がＶＬになるため、トランジスタ１０５が非導通状態になる。よって、ノードＮＤ３が浮遊状態になり、ノードＮＤ３の電位がＶＨに維持される。ただし、ノードＮＤ２の電位が下降するため、ノードＮＤ３の電位がＶＨよりも下降している場合が多い。
配線１５２の電位について説明する。ノードＮＤ１の電位がＶＬになるため、トランジスタ１０１が非導通状態になる。ノードＮＤ３の電位がＶＨになるため、トランジスタ１０２が導通状態になる。よって、配線１５３の電位であるＶＬがトランジスタ１０２を介して配線１５２に伝わるため、配線１５２の電位がＶＬになる。つまり、回路１００の出力信号がＶＬになる。
期間Ｔ５における動作について説明する。
ノードＮＤ１の電位について説明する。配線１５９の電位がＶＬになるため、トランジスタ１０８が非導通状態になる。配線１６０の電位がＶＬになるため、トランジスタ１０９が非導通状態になる。後述するとおり、ノードＮＤ３の電位がＶＨになるため、トランジスタ１０３が導通状態になる。よって、配線１５３の電位であるＶＬがトランジスタ１０３を介してノードＮＤ１に伝わるため、ノードＮＤ１の電位がＶＬになる。
ノードＮＤ２の電位について説明する。配線１５６の電位がＶＬになるため、トランジスタ１０６が非導通状態になる。配線１５８の電位がＶＬになるため、トランジスタ１０７が非導通状態になる。よって、ノードＮＤ２が浮遊状態になるため、ノードＮＤ２の電位がＶＬに維持される。
ノードＮＤ３の電位について説明する。ノードＮＤ２の電位がＶＬになるため、トランジスタ１０４が非導通状態になる。ノードＮＤ１の電位がＶＬになるため、トランジスタ１０５が非導通状態になる。よって、ノードＮＤ３が浮遊状態になり、ノードＮＤ３の電位がＶＨに維持される。
配線１５２の電位について説明する。ノードＮＤ１の電位がＶＬになるため、トランジスタ１０１が非導通状態になる。ノードＮＤ３の電位がＶＨになるため、トランジスタ１０２が導通状態になる。よって、配線１５３の電位であるＶＬがトランジスタ１０２を介して配線１５２に伝わるため、配線１５２の電位がＶＬになる。つまり、回路１００の出力信号がＶＬになる。
期間Ｔ６における動作について説明する。
ノードＮＤ１の電位について説明する。配線１５９の電位がＶＬになるため、トランジスタ１０８が非導通状態になる。配線１６０の電位がＶＬになるため、トランジスタ１０９が非導通状態になる。後述するとおり、ノードＮＤ３の電位がＶＨになるため、トランジスタ１０３が導通状態になる。よって、配線１５３の電位であるＶＬがトランジスタ１０３を介してノードＮＤ１に伝わるため、ノードＮＤ１の電位がＶＬになる。
ノードＮＤ２の電位について説明する。配線１５６の電位がＶＨになるため、トランジスタ１０６が導通状態になる。配線１５８の電位がＶＬになるため、トランジスタ１０７が非導通状態になる。よって、配線１５５の電位であるＶＨがトランジスタ１０６を介してノードＮＤ２に伝わるため、ノードＮＤ２の電位がＶＬから上昇する。その後、ノードＮＤ２の電位がトランジスタ１０６のゲートの電位（配線１５６の電位であるＶＨ）からトランジスタ１０６の閾値電圧を引いた値（ＶＨ−Ｖｔｈ１０６）になると、トランジスタ１０６が非導通状態になる。よって、ノードＮＤ２が浮遊状態になり、ノードＮＤ２の電位がＶＨ−Ｖｔｈ１０６に維持される。
ノードＮＤ３の電位について説明する。ノードＮＤ２の電位が（ＶＨ−Ｖｔｈ１０６）になるため、トランジスタ１０４が導通状態になる。ノードＮＤ１の電位がＶＬになるため、トランジスタ１０５が非導通状態になる。よって、配線１５４の電位であるＶＨがトランジスタ１０４を介してノードＮＤ３に伝わるため、ノードＮＤ３の電位が上昇する。このとき、ノードＮＤ３とノードＮＤ２との電位差がトランジスタ１０４のゲートとソースまたはドレインの他方との間の寄生容量によって保持されており、且つノードＮＤ２が浮遊状態になっている。よって、ノードＮＤ３の電位の上昇に伴って、ノードＮＤ２の電位が上昇する。ノードＮＤ２の電位がトランジスタ１０４のソース又はドレインの一方の電位（配線１５４の電位であるＶＨ）とトランジスタ１０４の閾値電圧（Ｖｔｈ１０４）との和（ＶＨ＋Ｖｔｈ１０４）よりも高くなると、ノードＮＤ３の電位がＶＨまで上昇する。
配線１５２の電位について説明する。ノードＮＤ１の電位がＶＬになるため、トランジスタ１０１が非導通状態になる。ノードＮＤ３の電位がＶＨになるため、トランジスタ１０２が導通状態になる。よって、配線１５３の電位がトランジスタ１０２を介して配線１５２に伝わるため、配線１５２の電位がＶＬになる。つまり、回路１００の出力信号がＶＬになる。
以上が第１の動作についての説明である。回路１００を複数有する半導体装置では、第１の走査方向に出力信号を伝えることができる。例えば、（ｎ−１）段目、ｎ段目、（ｎ＋１）段目（ｎは２以上の自然数）の回路１００が順に設けられた半導体装置では、第１の走査方向、すなわち（ｎ−１）段目、ｎ段目、（ｎ＋１）段目の順に出力信号を出力することができる。
具体的にｎ段目の回路１００は、配線１５５の電位をＶＨ、配線１５７の電位をＶＬに設定し、配線１５９に伝わる信号を前段（ｎ−１段）の回路１００の出力信号とし、配線１６０に伝わる信号を後段（ｎ＋１段）の回路１００の出力信号とすることで、第１の走査方向に出力信号を出力することができる。
＜第２の動作について＞
続いて、第２の動作について、図３を参照して説明する。第２の動作は、配線１５５の電位をＶＬに設定し、配線１５７の電位をＶＨに設定することにより、行われる。第２の動作は、期間ｔ１乃至ｔ６に分けて動作を説明する。なお各期間の動作は、ノードＮＤ１乃至ＮＤ３の電位の変化、及び出力信号を伝える配線１５２の電位の変化を追うことで、説明できる。
期間ｔ１における動作について説明する。
ノードＮＤ１の電位について説明する。配線１５９の電位がＶＬになるため、トランジスタ１０８が非導通状態になる。配線１６０の電位がＶＨになるため、トランジスタ１０９が導通状態になる。後述するとおり、ノードＮＤ３の電位がＶＬになるため、トランジスタ１０３が非導通状態になる。よって、配線１５７の電位であるＶＨがトランジスタ１０９を介してノードＮＤ１に伝わるため、ノードＮＤ１の電位がＶＬから上昇する。その後、ノードＮＤ１の電位がトランジスタ１０９のゲートの電位（配線１６０の電位であるＶＨ）からトランジスタ１０９の閾値電圧（Ｖｔｈ１０９）を引いた値（ＶＨ−Ｖｔｈ１０９）になると、トランジスタ１０９が非導通状態になる。よって、ノードＮＤ１が浮遊状態になり、ノードＮＤ１の電位がＶＨ−Ｖｔｈ１０９に維持される。
ノードＮＤ２の電位について説明する。配線１５６の電位がＶＨになるため、トランジスタ１０６が導通状態になる。配線１５８の電位がＶＬになるため、トランジスタ１０７が非導通状態になる。よって、配線１５５の電位であるＶＬがトランジスタ１０６を介してノードＮＤ２に伝わるため、ノードＮＤ２の電位がＶＬになる。
ノードＮＤ３の電位について説明する。ノードＮＤ２の電位がＶＬになるため、トランジスタ１０４が非導通状態になる。ノードＮＤ１の電位が（ＶＨ−Ｖｔｈ１０９）になるため、トランジスタ１０５が導通状態になる。よって、配線１５３の電位であるＶＬがトランジスタ１０５を介してノードＮＤ３に伝わるため、ノードＮＤ３の電位がＶＬになる。
配線１５２の電位について説明する。ノードＮＤ１の電位が（ＶＨ−Ｖｔｈ１０９）になるため、トランジスタ１０１が導通状態になる。ノードＮＤ３の電位がＶＬになるため、トランジスタ１０２が非導通状態になる。よって、配線１５１の電位であるＶＬがトランジスタ１０１を介して配線１５２に伝わるため、配線１５２の電位がＶＬになる。つまり、回路１００の出力信号がＶＬになる。
期間ｔ２における動作について説明する。
ノードＮＤ１の電位について説明する。配線１５９の電位がＶＬになるため、トランジスタ１０８が非導通状態になる。配線１６０の電位がＶＬになるため、トランジスタ１０９が非導通状態になる。後述するとおり、ノードＮＤ３の電位がＶＬになるため、トランジスタ１０３が非導通状態になる。よって、ノードＮＤ１が浮遊状態になり、ノードＮＤ１の電位が（ＶＨ−Ｖｔｈ１０９）に維持される。
ノードＮＤ２の電位について説明する。配線１５６の電位がＶＬになるため、トランジスタ１０６が非導通状態になる。配線１５８の電位がＶＬになるため、トランジスタ１０７が非導通状態になる。よって、ノードＮＤ２が浮遊状態になるため、ノードＮＤ２の電位がＶＬに維持される。
ノードＮＤ３の電位について説明する。ノードＮＤ２の電位がＶＬになるため、トランジスタ１０４が非導通状態になる。ノードＮＤ１の電位が（ＶＨ−Ｖｔｈ１０９）になるため、トランジスタ１０５が導通状態になる。よって、配線１５３の電位であるＶＬがトランジスタ１０５を介してノードＮＤ３に伝わるため、ノードＮＤ３の電位がＶＬになる。
配線１５２の電位について説明する。ノードＮＤ１の電位が（ＶＨ−Ｖｔｈ１０９）になるため、トランジスタ１０１が導通状態になる。ノードＮＤ３の電位がＶＬになるため、トランジスタ１０２が非導通状態になる。よって、配線１５１の電位であるＶＨがトランジスタ１０１を介して配線１５２に伝わるため、配線１５２の電位がＶＬから上昇し始める。このとき、容量素子１１０が配線１５２とノードＮＤ１との電位差を保持しており、且つノードＮＤ１が浮遊状態になっている。そのため、配線１５２の電位の上昇に伴って、ノードＮＤ１の電位が（ＶＨ−Ｖｔｈ１０９）から上昇する。ノードＮＤ１の電位がトランジスタ１０１のソース又はドレインの一方の電位（配線１５１の電位であるＶＨ）とトランジスタ１０１の閾値電圧（Ｖｔｈ１０１）との和（ＶＨ＋Ｖｔｈ１０１）よりも高くなると、配線１５２の電位がＶＨまで上昇する。つまり、回路１００の出力信号がＶＨになる。
期間ｔ３における動作について説明する。
ノードＮＤ１の電位について説明する。配線１５９がＶＨになるため、トランジスタ１０８が導通状態になる。配線１６０の電位がＶＬになるため、トランジスタ１０９が非導通状態になる。後述するとおり、ノードＮＤ３の電位がＶＨになるため、トランジスタ１０３が導通状態になる。よって、配線１５５のＶＬの電位がトランジスタ１０８を介してノードＮＤ１に供給されるとともに、配線１５３の電位であるＶＬがトランジスタ１０３を介してノードＮＤ１に供給されるため、ノードＮＤ１の電位がＶＬになる。
ノードＮＤ２の電位について説明する。配線１５６の電位がＶＬになるため、トランジスタ１０６が非導通状態になる。配線１５８の電位ＶＨになるため、トランジスタ１０７が導通状態になる。よって、配線１５７の電位であるＶＨがトランジスタ１０７を介してノードＮＤ２に伝わるため、ノードＮＤ２の電位がＶＬから上昇する。その後、ノードＮＤ２の電位がトランジスタ１０７のゲートの電位（配線１５８の電位であるＶＨ）からトランジスタ１０７の閾値電圧（Ｖｔｈ１０７）を引いた値（ＶＨ−Ｖｔｈ１０７）になると、トランジスタ１０７が非導通状態になる。よって、ノードＮＤ２が浮遊状態になり、ノードＮＤ２の電位が（ＶＨ−Ｖｔｈ１０７）に維持される。
ノードＮＤ３の電位について説明する。ノードＮＤ２の電位がＶＨ−Ｖｔｈ１０７になるため、トランジスタ１０４が導通状態になる。ノードＮＤ１の電位がＶＬになるため、トランジスタ１０５が非導通状態になる。よって、配線１５４の電位であるＶＨがトランジスタ１０４を介してノードＮＤ３に伝わるため、ノードＮＤ３の電位が上昇する。このとき、ノードＮＤ３とノードＮＤ２との電位差がトランジスタ１０４のゲートとソース又はドレインの他方との間の寄生容量によって保持されており、且つノードＮＤ２が浮遊状態になっている。よって、ノードＮＤ３の電位の上昇に伴って、ノードＮＤ２の電位が上昇する。ノードＮＤ２の電位がトランジスタ１０４のソース又はドレインの一方の電位（配線１５４の電位であるＶＨ）とトランジスタ１０４の閾値電圧（Ｖｔｈ１０４）との和（ＶＨ＋Ｖｔｈ１０４）よりも高くなると、ノードＮＤ３の電位がＶＨまで上昇する。
配線１５２の電位について説明する。ノードＮＤ１の電位がＶＬになるため、トランジスタ１０１が非導通状態になる。ノードＮＤ３の電位がＶＨになるため、トランジスタ１０２が導通状態になる。よって、配線１５３の電位がトランジスタ１０２を介して配線１５２に伝わるため、配線１５２の電位がＶＬになる。つまり、回路１００の出力信号がＶＬになる。
期間ｔ４における動作について説明する。
ノードＮＤ１の電位について説明する。配線１５９の電位がＶＬになるため、トランジスタ１０８が非導通状態になる。配線１６０の電位がＶＬになるため、トランジスタ１０９が非導通状態になる。後述するとおり、ノードＮＤ３の電位がＶＨになるため、トランジスタ１０３が導通状態になる。よって、配線１５３の電位であるＶＬがトランジスタ１０３を介してノードＮＤ１に伝わるため、ノードＮＤ１の電位がＶＬになる。
ノードＮＤ２の電位について説明する。配線１５６の電位がＶＨになるため、トランジスタ１０６が導通状態になる。配線１５８の電位がＶＬになるため、トランジスタ１０７が非導通状態になる。よって、配線１５５の電位であるＶＬがトランジスタ１０６を介してノードＮＤ２に伝わるため、ノードＮＤ２の電位がＶＬになる。
ノードＮＤ３の電位について説明する。ノードＮＤ２の電位がＶＬになるため、トランジスタ１０４が非導通状態になる。ノードＮＤ１の電位がＶＬになるため、トランジスタ１０５が非導通状態になる。よって、ノードＮＤ３が浮遊状態になり、ノードＮＤ３の電位がＶＨに維持される。ただし、ノードＮＤ２の電位が下降するため、ノードＮＤ３の電位がＶＨよりも下降している場合が多い。
配線１５２の電位について説明する。ノードＮＤ１の電位がＶＬになるため、トランジスタ１０１が非導通状態になる。ノードＮＤ３の電位がＶＨになるため、トランジスタ１０２が導通状態になる。よって、配線１５３の電位であるＶＬがトランジスタ１０２を介して配線１５２に伝わるため、配線１５２の電位がＶＬになる。つまり、回路１００の出力信号がＶＬになる。
期間ｔ５における動作について説明する。
ノードＮＤ１の電位について説明する。配線１５９の電位がＶＬになるため、トランジスタ１０８が非導通状態になる。配線１６０の電位がＶＬになるため、トランジスタ１０９が非導通状態になる。後述するとおり、ノードＮＤ３の電位がＶＨになるため、トランジスタ１０３が導通状態になる。よって、配線１５３の電位であるＶＬがトランジスタ１０３を介してノードＮＤ１に伝わるため、ノードＮＤ１の電位がＶＬになる。
ノードＮＤ２の電位について説明する。配線１５６の電位がＶＬになるため、トランジスタ１０６が非導通状態になる。配線１５８の電位がＶＬになるため、トランジスタ１０７が非導通状態になる。よって、ノードＮＤ２が浮遊状態になるため、ノードＮＤ２の電位がＶＬに維持される。
ノードＮＤ３の電位について説明する。ノードＮＤ２の電位がＶＬになるため、トランジスタ１０４が非導通状態になる。ノードＮＤ１の電位がＶＬになるため、トランジスタ１０５が非導通状態になる。よって、ノードＮＤ３が浮遊状態になり、ノードＮＤ３の電位がＶＨに維持される。
配線１５２の電位について説明する。ノードＮＤ１の電位がＶＬになるため、トランジスタ１０１が非導通状態になる。ノードＮＤ３の電位がＶＨになるため、トランジスタ１０２が導通状態になる。よって、配線１５３の電位がトランジスタ１０２を介して配線１５２に伝わるため、配線１５２の電位がＶＬになる。つまり、回路１００の出力信号がＶＬになる。
期間ｔ６における動作について説明する。
ノードＮＤ１の電位について説明する。配線１５９の電位がＶＬになるため、トランジスタ１０８が非導通状態になる。配線１６０の電位がＶＬになるため、トランジスタ１０９が非導通状態になる。後述するとおり、ノードＮＤ３の電位がＶＨになるため、トランジスタ１０３が導通状態になる。よって、配線１５３の電位であるＶＬがトランジスタ１０３を介してノードＮＤ１に伝わるため、ノードＮＤ１の電位がＶＬになる。
ノードＮＤ２の電位について説明する。配線１５６の電位がＶＬになるため、トランジスタ１０６が非導通状態になる。配線１５８の電位がＶＨになるため、トランジスタ１０７が導通状態になる。よって、配線１５７の電位であるＶＨがトランジスタ１０７を介してノードＮＤ２に伝わるため、ノードＮＤ２の電位がＶＬから上昇する。その後、ノードＮＤ２の電位がトランジスタ１０７のゲートの電位（配線１５８の電位であるＶＨ）からトランジスタ１０７の閾値電圧を引いた値（ＶＨ−Ｖｔｈ１０７）になると、トランジスタ１０７が非導通状態になる。よって、ノードＮＤ２が浮遊状態になり、ノードＮＤ２の電位がＶＨ−Ｖｔｈ１０７に維持される。
ノードＮＤ３の電位について説明する。ノードＮＤ２の電位がＶＨ−Ｖｔｈ１０７になるため、トランジスタ１０４が導通状態になる。ノードＮＤ１の電位がＶＬになるため、トランジスタ１０５が非導通状態になる。よって、配線１５４の電位であるＶＨがトランジスタ１０４を介してノードＮＤ３に伝わるため、ノードＮＤ３の電位が上昇する。このとき、ノードＮＤ３とノードＮＤ２との電位差がトランジスタ１０４のゲートとソース又はドレインの他方との間の寄生容量によって保持されており、且つノードＮＤ２が浮遊状態になっている。よって、ノードＮＤ３の電位の上昇に伴って、ノードＮＤ２の電位が上昇する。ノードＮＤ２の電位がトランジスタ１０４のソース又はドレインの一方の電位（配線１５４の電位であるＶＨ）とトランジスタ１０４の閾値電圧（Ｖｔｈ１０４）との和（ＶＨ＋Ｖｔｈ１０４）よりも高くなると、ノードＮＤ３の電位がＶＨまで上昇する。
配線１５２の電位について説明する。ノードＮＤ１の電位がＶＬになるため、トランジスタ１０１が非導通状態になる。ノードＮＤ３の電位がＶＨになるため、トランジスタ１０２が導通状態になる。よって、配線１５３の電位であるＶＬがトランジスタ１０２を介して配線１５２に伝わるため、配線１５２の電位がＶＬになる。つまり、回路１００の出力信号がＶＬになる。
以上が第２の動作についての説明である。回路１００を複数有する半導体装置では、第２の走査方向に出力信号を伝えることができる。例えば、（ｎ−１）段目、ｎ段目、（ｎ＋１）段目（ｎは２以上の自然数）の回路１００が順に設けられた半導体装置では、第１の走査方向とは逆の第２の走査方向、すなわち（ｎ＋１）段目、ｎ段目、（ｎ−１）段目の順に出力信号を出力することができる。
具体的にｎ段目の回路１００は、配線１５７の電位をＶＨ、配線１５５の電位をＶＬに設定し、配線１５９に伝わる信号を前段（ｎ−１段）の回路１００の出力信号とし、配線１６０に伝わる信号を後段（ｎ＋１段）の回路１００の出力信号とすることで、第２の走査方向に出力信号を出力することができる。
＜まとめ＞
以上説明した回路１００の動作は、配線１５５、１５７の電位を切り替えることで、回路１００を有する半導体装置における走査方向の切り替えを行うことができる。走査方向の切り替えを行う機能を備えた、表示機能を有する半導体装置は、反転表示を行うことができる。
回路１００の動作では、ノードＮＤ１を浮遊状態とし、配線１５２の電位を上昇させる構成とすることができる。そのため、ノードＮＤ１の電位がＶＨより小さくても配線１５２の電位をＶＨに昇圧して出力することができる。従って配線１５２に伝える出力信号によって動作する回路の誤動作を低減することができる。
同様に回路１００の動作では、ノードＮＤ２を浮遊状態とし、ノードＮＤ３の電位を上昇させる構成とすることができる。そのため、ノードＮＤ２の電位がＶＨより小さくてもノードＮＤ３の電位をＶＨに昇圧して出力することができる。従ってノードＮＤ３の電位に応じて導通状態と非導通状態とが切り替わるトランジスタ１０２、１０３の誤動作を低減することができる。
（実施の形態３）
本実施の形態では、実施の形態１及び２の変形例について説明する。
実施の形態１及び２で回路の一例、動作の一例として、トランジスタ１０１乃至１０９、及び容量素子１１０を備えた回路構成を示しているが、本発明の一態様はこれに限定されない。さらに別のトランジスタ、及び／又は別の容量素子を有する回路構成とすることもできる。さらに本発明の一態様は、別途の配線を設ける、あるいは省略することで、多様な回路構成とすることができる。以下では、その一例である変形例について説明する。
なお本実施の形態において、実施の形態１及び２での説明と重複する場合、説明を省略する。
＜変形例１＞
図４に示す半導体装置は、回路１００がトランジスタ１１１を有する点で、図１と異なる。
トランジスタ１１１のゲートは、配線１５４と接続される。トランジスタ１１１のソース又はドレインの一方は、トランジスタ１０１のゲート及び容量素子１１０の第１の電極と接続される。トランジスタ１１１のソース又はドレインの他方は、トランジスタ１０３のソース又はドレインの他方、トランジスタ１０５のゲート、トランジスタ１０８のソース又はドレインの他方、及びトランジスタ１０９のソース又はドレインの他方と接続される。
図４に示す半導体装置は、期間Ｔ２、ｔ２において、トランジスタ１１１が非導通状態になるため、トランジスタ１１１のソース又はドレインの他方（トランジスタ１０８のソース又はドレインの他方側）の電位は、配線１５２の電位の上昇に伴って上昇しない。よって、トランジスタ１１１のソース又はドレインの他方と接続されるトランジスタ１０３、トランジスタ１０５、トランジスタ１０８及びトランジスタ１０９に大きい電圧が印加されることを防止することができ、これらのトランジスタの破壊の防止、及び特性変化の抑制を図ることができる。
あるいは図４に示す半導体装置は、図５のようにしてもよい。図５ではトランジスタ１１１のゲートは、配線１５４とは別の配線１５４Ａに接続する。図５において配線１５４Ａが伝える電位は、配線１５４が伝える電位ＶＨよりも低くする。このようにすることで、期間Ｔ１、ｔ１において、トランジスタ１１１のソース又はドレインの一方がＶＨ−Ｖｔｈ１０８又はＶＨ−Ｖｔｈ１０９よりも低い時点で、トランジスタ１１１を非導通状態とすることができる。よって、トランジスタ１０１のゲートを浮遊状態にするタイミングを早くすることができ、動作速度の向上を図ることができる。
＜変形例２＞
図６に示す半導体装置は、回路１００がトランジスタ１１２を有する点で、図１と異なる。
トランジスタ１１２のゲートは、配線１５１と接続される。トランジスタ１１２のソース又はドレインの一方は、配線１５３と接続される。トランジスタ１１２のソース又はドレインの他方は、ノードＮＤ３と接続される。
期間Ｔ１、期間Ｔ３、期間Ｔ４及び期間Ｔ６、並びに期間ｔ１、期間ｔ３、期間ｔ４及び期間ｔ６において、配線１５１の電位がＶＬになると、トランジスタ１１２が非導通状態になる。期間Ｔ２及び期間Ｔ５、並びに期間ｔ２及び期間ｔ５において、配線１５１の電位がＶＨになると、トランジスタ１１２が導通状態になる。よって、配線１５３の電位であるＶＬがトランジスタ１１２を介してノードＮＤ３に伝わるため、ノードＮＤ３の電位がＶＬになる。そして、トランジスタ１０２、１０３が非導通状態になる。このように、期間Ｔ５及び期間ｔ５においてトランジスタ１０２、１０３を非導通状態にすることができるため、トランジスタ１０２、１０３の特性劣化を抑制することができる。
＜変形例３＞
図７に示す半導体装置は、回路１００がトランジスタ１１３を有する点で、図１と異なる。
トランジスタ１１３のゲートは、配線１５１と接続される。トランジスタ１１３のソース又はドレインの一方は、配線１５３と接続される。トランジスタ１１３のソース又はドレインの他方は、ノードＮＤ２と接続される。
期間Ｔ１、期間Ｔ３、期間Ｔ４及び期間Ｔ６、並びに期間ｔ１、期間ｔ３、期間ｔ４及び期間ｔ６において、配線１５１の電位がＶＬになると、トランジスタ１１３が非導通状態になる。期間Ｔ２及び期間Ｔ５、並びに期間ｔ２及び期間ｔ５において、配線１５１の電位がＶＨになると、トランジスタ１１３が導通状態になる。よって、配線１５３の電位であるＶＬがトランジスタ１１３を介してノードＮＤ２に伝わるため、ノードＮＤ２の電位がＶＬになる。そして、トランジスタ１０４が非導通状態になる。このように、期間Ｔ５及び期間ｔ５においてトランジスタ１０４を非導通状態にすることができるため、トランジスタ１０４の特性劣化を抑制することができる。
＜変形例４＞
図８に示す半導体装置は、回路１００が容量素子１１４を有する点で、図１と異なる。
容量素子１１４の第１の電極は、ノードＮＤ２と接続される。容量素子１１４の第２の電極は、ノードＮＤ３と接続される。
期間Ｔ３、及び期間ｔ３において、ノードＮＤ２が浮遊状態となり、且つノードＮＤ３とノードＮＤ２との電位差が保持された状態でノードＮＤ３の電位を上昇させるため、ノードＮＤ２の電位が上昇する。このとき、トランジスタ１０４のゲートとソース又はドレインの他方との間の寄生容量が小さいと、ノードＮＤ２の電位が上昇しにくくなる。よって、トランジスタ１０４のゲートとソース又はドレインの他方との間に容量素子１１４を設けることで、ノードＮＤ２の電位を上昇しやすくすることができる。よって、ノードＮＤ３の電位をより確実にＶＨにしてトランジスタ１０２を導通状態とすることができるため、回路１００の出力信号の誤動作を低減することができる。
＜変形例５＞
図９に示す半導体装置は、トランジスタ１０２のゲートが配線１６１に接続される点で、図１と異なる。同様に、図１０に示す半導体装置は、トランジスタ１０３のゲートが配線１６１に接続される点で、図１と異なる。
配線１６１は、ハイレベルとロウレベルとを有する信号を伝える機能を有する。具体的な一例としては、配線１６１は第１の動作及び第２の動作時において、配線１５２の電位がＶＨである以外の期間でトランジスタ１０２又は１０３を導通状態とするための信号を伝える機能を有する。例えば、期間Ｔ４乃至Ｔ６、及び期間ｔ４乃至ｔ６において、任意のタイミングでＶＨとなる信号を配線１６１に伝えればよい。このような信号としては、第１乃至第３のクロック信号とは位相の異なるクロック信号であることが好ましい。配線１６１が伝えるクロック信号は、第４のクロック信号という場合がある。図９及び図１０の構成とすることで、配線１５２の電位をより確実にＶＬにすることができるため、回路１００の出力信号の誤動作を低減することができる。
あるいは図９に示す半導体装置において、トランジスタ１０２のゲートが配線１５６又は配線１５８と接続されてもよい。
＜変形例６＞
図１１に示す半導体装置は、トランジスタ１０５乃至１０９をスイッチ１０５Ａ乃至１０９Ａとする点で、図１と異なる。また、図１２に示す半導体装置は、トランジスタ１０２をスイッチ１０２Ａとする点で、図１と異なる。同様に、図１３に示す半導体装置は、トランジスタ１０３をスイッチ１０３Ａとする点で、図１と異なる。
スイッチ１０２Ａ、１０３Ａ、１０５Ａ乃至１０９Ａは、トランジスタに限らず、電気的スイッチあるいは機械的スイッチを用いることができるため、設計の自由度を高めることができる。
＜変形例７＞
図１４に示す半導体装置は、容量素子１１０を省略した点で、図１と異なる。
図１４に示す半導体装置は、トランジスタ１０１のゲートとソース又はドレインの他方との間の寄生容量が大きくなるように設計しておくことで、容量素子１１０を省略できる。容量素子を省略できることによって設計の自由度を高めることができ、加えて回路１００が占める面積を縮小することができる。
＜変形例８＞
図１５に示す半導体装置は、トランジスタ１０１乃至１０９をＰチャネル型として示した点で、図１と異なる。
図１５に示す半導体装置は、Ｐチャネル型しか作れない半導体材料でトランジスタを作成し、回路１００に適用することができる。
＜変形例９＞
図１６に示す半導体装置は、上述した変形例１乃至３を組み合わせ、トランジスタ１１１、１１２、及びトランジスタ１１３を有する点で、図１と異なる。
図１６に示す半導体装置は、一例として示す上述した変形例１乃至３を組み合わせることで、上述した各変形例での利点を備えた回路１００とすることができる。
＜変形例１０＞
図１７に示す半導体装置は、トランジスタ１０１乃至１０９を、バックゲートを有するトランジスタとして示し、バックゲートが配線１６２に接続される点で、図１と異なる。また、図１８に示す半導体装置は、トランジスタ１０１、１０４、１０６、１０８を、バックゲートを有するトランジスタとして示し、バックゲートが配線１６２に接続される点で、図１と異なる。また、図１９に示す半導体装置は、トランジスタ１０１乃至１０９を、バックゲートを有するトランジスタとして示し、トランジスタ１０１、１０４、１０６、１０８のバックゲートが配線１６２に接続され、トランジスタ１０２、１０３、１０５、１０７、１０９のバックゲートが配線１６３に接続される点で、図１と異なる。また、図２０に示す半導体装置は、トランジスタ１０１乃至１０９を、バックゲートを有するトランジスタとして示し、トランジスタ１０１及び１０２のバックゲートがゲートに接続され、トランジスタ１０３乃至１０９のバックゲートが配線１６２に接続される点で、図１と異なる。
配線１６２は、ハイレベル又はロウレベルの電位を伝える機能を有する。具体的な一例としては、配線１６２は第１の動作及び第２の動作時において、トランジスタの閾値電圧を制御できる電位を伝える機能を有する。また配線１６３は、ハイレベル又はロウレベルの電位を伝える機能を有する。具体的な一例としては、配線１６３は第１の動作及び第２の動作時において、配線１６２の電位とは異なる、トランジスタの閾値電圧を制御できる電位を伝える機能を有する。例えば、トランジスタの閾値電圧を制御できる電位としては、ＶＨ以下の電位、あるいはＶＬ以上の電位であることが好ましい。
図１７乃至１９に示す半導体装置は、ＶＨに設定される配線と、ＶＬに設定される配線との間の貫通電流を低減することができる。よって、消費電力の低減を図ることができる。また図２０に示す半導体装置は、トランジスタ１０１、１０２のバックゲートに与える電位をゲートと等電位とし、トランジスタ１０１、１０２の電流供給能力を大きくすることができる。よって、配線１５２に伝える信号の立ち上がり時間及び立ち下がり時間を短くすることができる。
＜まとめ＞
以上説明したように本発明の一態様は、実施の形態１及び２で回路の一例、動作の一例に限らない。本発明の一態様は、別のトランジスタ、及び／又は別の容量素子、別途の配線を設ける、あるいは省略することで、多様な回路構成とすることができる。
（実施の形態４）
本実施の形態では、上記実施の形態１乃至３で説明した、回路１００を用いたシフトレジスタの一例について説明する。
図２１に示すシフトレジスタ２００は、上記実施の形態１乃至３で説明した回路１００に相当する、回路２０１［ｉ］乃至回路２０１［ｉ＋２］（ｉは３以上の自然数）を有する。回路２０１［ｉ］乃至回路２０１［ｉ＋２］は、それぞれトランジスタ１０１乃至１０９、及び容量素子１１０を有する。
なお図２１では、回路２０１［ｉ］乃至２０１［ｉ＋２］の出力信号をＯＵＴ［ｉ］乃至ＯＵＴ［ｉ＋２］として図示している。なおＯＵＴ［ｉ］乃至ＯＵＴ［ｉ＋２］を伝える配線は、配線２１８［ｉ］乃至２１８［ｉ＋２］として図示している。配線２１８［ｉ］乃至２１８［ｉ＋２］は、上記実施の形態１乃至３で説明した配線１５２に相当する。また、回路２０１［ｉ］の前段にあたる回路２０１［ｉ−１］（図示せず）の出力信号ＯＵＴ［ｉ−１］を伝える配線は、配線２１８［ｉ−１］として図示している。同様に、回路２０１［ｉ＋２］の後段にあたる回路２０１［ｉ＋３］（図示せず）の出力信号ＯＵＴ［ｉ＋３］を伝える配線は、配線２１８［ｉ＋３］として図示している。
図２１では、回路２０１［ｉ］に伝える配線の一例として、配線２１１乃至２１７を示している。
配線２１１は、例えば回路２０１［ｉ］では、上記実施の形態１乃至３で説明した配線１５８に相当する。配線２１１は、一例として、信号ＣＫ１を伝える機能を有する。信号ＣＫ１は、第１乃至第３のクロック信号のいずれか一に相当する。
配線２１２は、例えば回路２０１［ｉ］では、上記実施の形態１乃至３で説明した配線１５１に相当する。配線２１２は、一例として、信号ＣＫ２を伝える機能を有する。信号ＣＫ２は、信号ＣＫ１とは異なる、第１乃至第３のクロック信号のいずれか一に相当する。
配線２１３は、例えば回路２０１［ｉ］では、上記実施の形態１乃至３で説明した配線１５６に相当する。配線２１３は、一例として、信号ＣＫ３を伝える機能を有する。信号ＣＫ３は、信号ＣＫ１、ＣＫ２とは異なる、第１乃至第３のクロック信号のいずれか一に相当する。
配線２１４は、例えば回路２０１［ｉ］では、上記実施の形態１乃至３で説明した配線１５４に相当する。配線２１４は、一例として、ＶＤＤに設定される機能を有する。ＶＤＤは、ＶＨに相当する。
配線２１５は、例えば回路２０１［ｉ］では、上記実施の形態１乃至３で説明した配線１５３に相当する。配線２１５は、一例として、ＶＳＳに設定される機能を有する。ＶＳＳは、ＶＬに相当する。
配線２１６は、例えば回路２０１［ｉ］では、上記実施の形態１乃至３で説明した配線１５５に相当する。配線２１６は、一例として、信号ＳＥＬ１を伝える機能を有する。信号ＳＥＬ１は、第１の期間でハイレベル、例えばＶＤＤとなり、第２の期間でロウレベル、例えばＶＳＳとなる信号である。
配線２１７は、例えば回路２０１［ｉ］では、上記実施の形態１乃至３で説明した配線１５７に相当する。配線２１７は、一例として、信号ＳＥＬ２を伝える機能を有する。信号ＳＥＬ２は、第１の期間でロウレベル、例えばＶＳＳとなり、第２の期間でハイレベル、例えばＶＤＤとなる信号である。
シフトレジスタ２００は、第１の動作時において、例えば回路２０１［ｉ］では、回路２０１［ｉ−１］（図示せず）の出力信号ＯＵＴ［ｉ−１］をシフトした、出力信号ＯＵＴ［ｉ］を配線２１８［ｉ］に伝える機能を有する。同様に、例えば回路２０１［ｉ＋１］では、回路２０１［ｉ］の出力信号ＯＵＴ［ｉ］をシフトした、出力信号ＯＵＴ［ｉ＋１］を配線２１８［ｉ＋１］に伝える機能を有する。図２２に、第１の動作時における、信号の波形について示す。回路２０１［ｉ−１］乃至２０１［ｉ＋３］での、第１の動作による各トランジスタの動作については、実施の形態２の記載を参照すればよい。
また、シフトレジスタ２００は、第２の動作時において、例えば回路２０１［ｉ＋１］では、回路２０１［ｉ＋２］の出力信号ＯＵＴ［ｉ＋２］をシフトした、出力信号ＯＵＴ［ｉ＋１］を配線２１８［ｉ＋１］に伝える機能を有する。同様に、例えば回路２０１［ｉ］では、回路２０１［ｉ＋１］の出力信号ＯＵＴ［ｉ＋１］をシフトした、出力信号ＯＵＴ［ｉ］を配線２１８［ｉ］に伝える機能を有する。図２２に、第２の動作時における、信号の波形について示す。回路２０１［ｉ−１］乃至２０１［ｉ＋３］での、第２の動作による各トランジスタの動作については、実施の形態２の記載を参照すればよい。
図２２に例示するようにシフトレジスタ２００は、第１の動作時において、配線２１８［ｉ］から配線２１８［ｉ＋１］に向かう第１の方向に、パルスをシフトするよう動作することができる。同様に、第２の動作時において、配線２１８［ｉ＋１］から配線２１８［ｉ］に向かう第２の方向に、パルスをシフトするよう動作することができる。このように、シフトレジスタ２００は、特に双方向にパルスを順に出力できる、シフトレジスタとしての機能を有する。そしてシフトレジスタ２００では、パルスのシフト方向を、信号ＳＥＬ１又は信号ＳＥＬ２の、ハイレベル又はロウレベルとする切り替えによって変えることができる。ただし、シフトレジスタ２００が有する機能は、これに限定されない。
また図３３には、図２１で示した回路２０１［ｉ］のレイアウト図の一例を示す。図３３では、ゲート電極と同じ層に設けられる第１の配線４０１、ソース電極及びドレイン電極と同じ層に設けられる第２の配線４０２、半導体層４０３、第１の配線４０１と第２の配線４０２とを接続するための開口部４０４の配置例について示している。
半導体層４０３と第１の配線４０１とが重なり、半導体層の両端部において第２の配線４０２が重なる領域が、トランジスタの占める領域となる。また、第１の配線４０１と第２の配線４０２とが重なる領域が、容量素子の占める領域となる。図３３では、図２１で説明したトランジスタ１０１乃至１０９、容量素子１１０の配置を示している。また図３３では、配線２１１乃至２１７、配線２１８［ｉ−１］乃至配線２１８［ｉ＋１］の配置を示している。
なお図３３に示すレイアウトの例では、配線及び半導体層の上下関係について、下層から半導体層４０３、第１の配線４０１、第２の配線４０２の順に重ねる例を示したが、これに限らず、第１の配線４０１を下層にしてもよいし、第２の配線４０２を下層にしてもよい。また半導体層４０３は、第１の配線４０１及び第２の配線４０２より幅が大きくなるように設けてもよいし、逆に半導体層４０３は、第１の配線４０１及び第２の配線４０２より幅が小さくなるように設けてもよい。
（実施の形態５）
本実施の形態では、本発明の一態様に係る半導体装置を適用可能な、表示装置について説明する。
図２３（Ａ）に例示する表示装置は、回路３００及び画素部１３０を有する。画素部１３０には、Ｎ本（Ｎは３以上の自然数）の配線ＧＬ（ＧＬ［１］乃至ＧＬ［Ｎ］とも示す）及びＭ（Ｍは自然数）本の配線ＳＬ（配線ＳＬ［１］乃至ＳＬ［Ｍ］とも示す）が設けられる。そして、Ｎ本の配線ＧＬ及びＭ本の配線ＳＬに対応して画素１３１が設けられる。回路３００は、ゲートドライバ（ゲート線駆動回路、ゲート信号線駆動回路、走査線駆動回路ともいう）としての機能を有する。Ｎ本の配線ＧＬは、ゲート線（ゲート信号線、走査線ともいう）としての機能を有する。Ｍ本の配線ＳＬは、ビデオ信号を伝達する機能を有する。つまり、Ｍ本の配線ＳＬは、ソース線（ソース信号線、信号線ともいう）としての機能を有する。また、Ｍ本の配線ＳＬは、ソースドライバ（ソース線駆動回路、ソース信号線駆動回路又は信号線駆動回路ともいう）としての機能を有する回路と接続される。
なお、回路３００としては、実施の形態４において説明したシフトレジスタ２００を用いることが可能である。その場合、Ｎ本の配線ＧＬは、配線２１８に相当する。また、回路３００が有するＮ個の回路３０１（回路３０１［１］乃至３０１［Ｎ］とも示す）としては、実施の形態１乃至３において説明した回路１００を用いることが可能である。その場合、Ｎ本の配線ＧＬは、配線１５２に相当する。
画素１３１の選択又は非選択は配線ＧＬの電位に基づいて制御される。つまり、画素１３１の選択又は非選択は回路３００によって制御される。画素１３１が選択されると、ビデオ信号が配線ＳＬから画素１３１に書き込まれる。そして、ビデオ信号が画素１３１に保持されるとともに、画素１３１がビデオ信号に応じた表示を行う。その後、画素１３１が非選択になると、画素１３１は保持したビデオ信号に応じた表示を続ける。
次に、画素１３１の具体的な構成例について説明する。
図２３（Ｂ）に例示する画素１３１は、トランジスタ１３２、液晶素子１３３及び容量素子１３４を有する。トランジスタ１３２は、第１の端子が配線ＳＬと接続され、第２の端子が液晶素子１３３の第１の電極（画素電極ともいう）及び容量素子１３４の第１の電極と電気的に接続され、ゲートが配線ＧＬと接続される。液晶素子１３３の第２の電極（コモン電極ともいう）は、複数の画素１３１の全て又は２つ以上において共通である。つまり、第１の画素１３１の液晶素子１３３の第２の電極となる領域を有する導電体は、第２の画素１３１の液晶素子１３３の第２の電極となる領域を有する。容量素子１３４の第２の電極は、容量線としての機能を有する配線と接続される。容量素子１３４の第２の電極は、複数の画素１３１の全て又は２つ以上において同じ配線と接続される。ただし、容量素子１３４の第２の電極は、液晶素子１３３の第２の電極と接続されてもよい。トランジスタ１３２は、配線ＧＬの電位によってオン又はオフが制御される。トランジスタ１３２がオンになると、配線ＳＬのビデオ信号が画素１３１に入力される。液晶素子１３３は、液晶材料を有する。液晶材料の配向は、液晶素子１３３の第１の電極と液晶素子１３３の第２の電極との電位差によって制御される。容量素子１３４は、ビデオ信号に応じた電荷を蓄積する機能を有する。つまり、容量素子１３４は、液晶素子１３３の第１の電極の電位をビデオ信号に応じた値に維持する機能を有する。
図２３（Ｃ）に例示する画素１３１は、トランジスタ１３５、トランジスタ１３６、ＥＬ素子１３７を有する。トランジスタ１３５は、第１の端子が配線ＳＬと接続され、第２の端子がトランジスタ１３６のゲートと接続され、ゲートが配線ＧＬと接続される。トランジスタ１３６は、第１の端子がＥＬ素子１３７に流れる電流を供給する機能を有する配線と接続され、第２の端子がＥＬ素子１３７の第１の電極（画素電極ともいう）と接続される。ＥＬ素子１３７の第２の電極（共通電極ともいう）は、複数の画素１３１の全て又は２つ以上において共通である。つまり、第１の画素１３１のＥＬ素子１３７の第２の電極となる領域を有する導電体は、第２の画素１３１のＥＬ素子１３７の第２の電極となる領域を有する。トランジスタ１３５は、配線ＧＬの電位によってオン又はオフが制御される。トランジスタ１３５がオンになると、配線ＳＬのビデオ信号が画素１３１に入力される。トランジスタ１３６は、ＥＬ素子１３７に電流を供給する機能を有する。トランジスタ１３６がＥＬ素子１３７に供給する電流は、ビデオ信号に応じた値になる。ＥＬ素子１３７は、トランジスタ１３６から供給される電流に応じて発光する機能を有する。
画素１３１の構成は、図２３（Ｂ）及び図２３（Ｃ）に限定されない。画素１３１は、ゲートが配線ＧＬと接続され、第１の端子が配線ＳＬと接続されるトランジスタと、当該トランジスタを介して入力されるビデオ信号に基づいて表示を行う表示素子と、を有していればよい。或いは、画素１３１は、ゲートが配線ＧＬと接続され、第１の端子が配線ＳＬと接続されるトランジスタと、当該トランジスタを介して入力されるビデオ信号に基づいた電位又は電流が供給される画素電極と、を有していればよい。或いは、画素１３１は、ゲートが配線ＧＬと接続され、第１の端子が配線ＳＬと接続されるトランジスタと、当該トランジスタを介して入力されるビデオ信号に基づいた電流を表示素子又は画素電極に供給するトランジスタと、を有していればよい。
（実施の形態６）
本実施の形態では、上記回路１００のトランジスタ１０１乃至１０９に適用可能なトランジスタの構成例について、図面を参照して説明する。
＜トランジスタの構成例＞
図２４（Ａ）に、以下で例示するトランジスタ６００の上面概略図を示す。また図２４（Ｂ）に図２４（Ａ）中に示す切断線Ａ−Ｂにおけるトランジスタ６００の断面概略図を示す。図２４（Ａ）（Ｂ）で例示するトランジスタ６００はボトムゲート型のトランジスタである。
トランジスタ６００は、基板６０１上に設けられるゲート電極６０２と、基板６０１及びゲート電極６０２上に設けられる絶縁層６０３と、絶縁層６０３上にゲート電極６０２と重なるように設けられる酸化物半導体層６０４と、酸化物半導体層６０４の上面に接する一対の電極６０５ａ、６０５ｂとを有する。また、絶縁層６０３、酸化物半導体層６０４、一対の電極６０５ａ、６０５ｂを覆う絶縁層６０６と、絶縁層６０６上に絶縁層６０７が設けられている。
基板６０１の材質などに大きな制限はないが、少なくとも、後の熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有する材料を用いる。例えば、ガラス基板、セラミック基板、石英基板、サファイヤ基板、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）基板等を、基板６０１として用いてもよい。また、シリコンや炭化シリコンを材料とした単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウムを材料とした化合物半導体基板、ＳＯＩ基板等を適用することも可能である。また、これらの基板上に半導体素子が設けられたものを、基板６０１として用いてもよい。
また、基板６０１として、プラスチックなどの可撓性基板を用い、該可撓性基板上に直接、トランジスタ６００を形成してもよい。または、基板６０１とトランジスタ６００の間に剥離層を設けてもよい。剥離層は、その上層にトランジスタの一部あるいは全部を形成した後、基板６０１より分離し、他の基板に転載するのに用いることができる。その結果、トランジスタ６００は耐熱性の劣る基板や可撓性の基板にも転載できる。
ゲート電極６０２は、アルミニウム、クロム、銅、タンタル、チタン、モリブデン、タングステンから選ばれた金属、または上述した金属を成分とする合金か、上述した金属を組み合わせた合金等を用いて形成することができる。また、マンガン、ジルコニウムのいずれか一または複数から選択された金属を用いてもよい。また、ゲート電極６０２は、単層構造でも、二層以上の積層構造としてもよい。例えば、シリコンを含むアルミニウム膜の単層構造、アルミニウム膜上にチタン膜を積層する二層構造、窒化チタン膜上にチタン膜を積層する二層構造、窒化チタン膜上にタングステン膜を積層する二層構造、窒化タンタル膜または窒化タングステン膜上にタングステン膜を積層する二層構造、チタン膜と、そのチタン膜上にアルミニウム膜を積層し、さらにその上にチタン膜を形成する三層構造等がある。また、アルミニウムに、チタン、タンタル、タングステン、モリブデン、クロム、ネオジム、スカンジウムから選ばれた一または複数の金属を組み合わせた合金膜、もしくは窒化膜を用いてもよい。
また、ゲート電極６０２は、インジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化シリコンを添加したインジウム錫酸化物等の透光性を有する導電性材料を適用することもできる。また、上記透光性を有する導電性材料と、上記金属の積層構造とすることもできる。
また、ゲート電極６０２と絶縁層６０３との間に、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸窒化物半導体膜、Ｉｎ−Ｓｎ系酸窒化物半導体膜、Ｉｎ−Ｇａ系酸窒化物半導体膜、Ｉｎ−Ｚｎ系酸窒化物半導体膜、Ｓｎ系酸窒化物半導体膜、Ｉｎ系酸窒化物半導体膜、金属窒化膜（ＩｎＮ、ＺｎＮ等）等を設けてもよい。これらの材料は５ｅＶ以上、好ましくは５．５ｅＶ以上の仕事関数であり、トランジスタのしきい値電圧をプラスにすることができ、所謂ノーマリーオフのスイッチング素子を実現できる。例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸窒化物半導体膜を用いる場合、少なくとも酸化物半導体層６０４より高い窒素濃度、具体的には７原子％以上のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸窒化物半導体膜を用いる。
絶縁層６０３は、ゲート絶縁膜として機能する。酸化物半導体層６０４の下面と接する絶縁層６０３は、酸化物絶縁膜であることが好ましい。
絶縁層６０３は、例えば酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ガリウムまたはＧａ−Ｚｎ系金属酸化物などを用いればよく、積層または単層で設ける。
また、絶縁層６０３として、ハフニウムシリケート（ＨｆＳｉＯｘ）、窒素が添加されたハフニウムシリケート（ＨｆＳｉｘＯｙＮｚ）、窒素が添加されたハフニウムアルミネート（ＨｆＡｌｘＯｙＮｚ）、酸化ハフニウム、酸化イットリウムなどのｈｉｇｈ−ｋ材料を用いることでトランジスタのゲートリークを低減できる。
一対の電極６０５ａ及び６０５ｂは、トランジスタのソース電極またはドレイン電極として機能する。
一対の電極６０５ａ、６０５ｂは、導電材料として、アルミニウム、チタン、クロム、ニッケル、銅、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、銀、タンタル、またはタングステンなどの金属、またはこれを主成分とする合金を単層構造または積層構造として用いることができる。例えば、シリコンを含むアルミニウム膜の単層構造、アルミニウム膜上にチタン膜を積層する二層構造、タングステン膜上にチタン膜を積層する二層構造、銅−マグネシウム−アルミニウム合金膜上に銅膜を積層する二層構造、チタン膜または窒化チタン膜と、そのチタン膜または窒化チタン膜上に重ねてアルミニウム膜または銅膜を積層し、さらにその上にチタン膜または窒化チタン膜を形成する三層構造、モリブデン膜または窒化モリブデン膜と、そのモリブデン膜または窒化モリブデン膜上に重ねてアルミニウム膜または銅膜を積層し、さらにその上にモリブデン膜または窒化モリブデン膜を形成する三層構造等がある。なお、酸化インジウム、酸化錫または酸化亜鉛を含む透明導電材料を用いてもよい。
絶縁層６０６は、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁膜を用いることが好ましい。化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁膜は、加熱により一部の酸素が脱離する。化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む酸化物絶縁膜は、昇温脱離ガス分光法（ＴＤＳ：Ｔｈｅｒｍａｌ Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）分析にて、酸素原子に換算した際の酸素の脱離量が１．０×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、好ましくは３．０×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である酸化物絶縁膜である。なお、上記ＴＤＳ分析時における膜の表面温度としては１００℃以上７００℃以下、または１００℃以上５００℃以下の範囲が好ましい。
絶縁層６０６としては、酸化シリコン、酸化窒化シリコン等を用いることができる。
なお、絶縁層６０６は、後に形成する絶縁層６０７を形成する際の、酸化物半導体層６０４へのダメージ緩和膜としても機能する。
また、絶縁層６０６と酸化物半導体層６０４の間に、酸素を透過する酸化物膜を設けてもよい。
酸素を透過する酸化物膜としては、酸化シリコン、酸化窒化シリコン等を用いることができる。なお、本明細書中において、酸化窒化シリコン膜とは、その組成として、窒素よりも酸素の含有量が多い膜を指し、窒化酸化シリコン膜とは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多い膜を指す。
絶縁層６０７は、酸素、水素、水等のブロッキング効果を有する絶縁膜を用いることができる。絶縁層６０６上に絶縁層６０７を設けることで、酸化物半導体層６０４からの酸素の外部への拡散と、外部から酸化物半導体層６０４への水素、水等の侵入を防ぐことができる。酸素、水素、水等のブロッキング効果を有する絶縁膜としては、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化窒化ガリウム、酸化イットリウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム等がある。
＜トランジスタの作製方法例＞
続いて、図２４に例示するトランジスタ６００の作製方法の一例について説明する。
まず、図２５（Ａ）に示すように、基板６０１上にゲート電極６０２を形成し、ゲート電極６０２上に絶縁層６０３を形成する。
ここでは、基板６０１としてガラス基板を用いる。
ゲート電極６０２の形成方法を以下に示す。はじめに、スパッタリング法、ＣＶＤ法、蒸着法等により導電膜を形成し、導電膜上に第１のフォトマスクを用いてフォトリソグラフィ工程によりレジストマスクを形成する。次に、該レジストマスクを用いて導電膜の一部をエッチングして、ゲート電極６０２を形成する。その後、レジストマスクを除去する。
なお、ゲート電極６０２は、上記形成方法の代わりに、電解メッキ法、印刷法、インクジェット法等で形成してもよい。
絶縁層６０３は、スパッタリング法、ＰＥＣＶＤ法、蒸着法等で形成する。
絶縁層６０３として酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、または窒化酸化シリコン膜を形成する場合、原料ガスとしては、シリコンを含む堆積性気体及び酸化性気体を用いることが好ましい。シリコンを含む堆積性気体の代表例としては、シラン、ジシラン、トリシラン、フッ化シラン等がある。酸化性気体としては、酸素、オゾン、一酸化二窒素、二酸化窒素等がある。
また、絶縁層６０３として窒化シリコン膜を形成する場合、２段階の形成方法を用いることが好ましい。はじめに、シラン、窒素、及びアンモニアの混合ガスを原料ガスとして用いたプラズマＣＶＤ法により、欠陥の少ない第１の窒化シリコン膜を形成する。次に、原料ガスを、シラン及び窒素の混合ガスに切り替えて、水素濃度が少なく、且つ水素をブロッキングすることが可能な第２の窒化シリコン膜を成膜する。このような形成方法により、絶縁層６０３として、欠陥が少なく、且つ水素ブロッキング性を有する窒化シリコン膜を形成することができる。
また、絶縁層６０３として酸化ガリウム膜を形成する場合、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて形成することができる。
次に、図２５（Ｂ）に示すように、絶縁層６０３上に酸化物半導体層６０４を形成する。
酸化物半導体層６０４の形成方法を以下に示す。はじめに、酸化物半導体膜を形成する。続いて、酸化物半導体膜上に第２のフォトマスクを用いてフォトリソグラフィ工程によりレジストマスクを形成する。次に、該レジストマスクを用いて酸化物半導体膜の一部をエッチングして、酸化物半導体層６０４を形成する。その後、レジストマスクを除去する。
この後、加熱処理を行ってもよい。加熱処理を行う場合には、酸素を含む雰囲気下で行うことが好ましい。また、上記加熱処理の温度としては、例えば、１５０℃以上６００℃以下、好ましくは２００℃以上５００℃以下とすればよい。
次に、図２５（Ｃ）に示すように、一対の電極６０５ａ、６０５ｂを形成する。
一対の電極６０５ａ、６０５ｂの形成方法を以下に示す。はじめに、スパッタリング法、ＰＥＣＶＤ法、蒸着法等で導電膜を形成する。次に、該導電膜上に第３のフォトマスクを用いてフォトリソグラフィ工程によりレジストマスクを形成する。次に、該レジストマスクを用いて導電膜の一部をエッチングして、一対の電極６０５ａ、６０５ｂを形成する。その後、レジストマスクを除去する。
なお、図２５（Ｃ）に示すように、導電膜のエッチングの際に酸化物半導体層６０４の上部の一部がエッチングされ、薄膜化することがある。そのため、酸化物半導体層６０４の形成時、酸化物半導体膜の厚さを予め厚く設定しておくことが好ましい。
次に、図２５（Ｄ）に示すように、酸化物半導体層６０４及び一対の電極６０５ａ、６０５ｂ上に、絶縁層６０６を形成し、続いて絶縁層６０６上に絶縁層６０７を形成する。
絶縁層６０６として酸化シリコン膜または酸化窒化シリコン膜を形成する場合、原料ガスとしては、シリコンを含む堆積性気体及び酸化性気体を用いることが好ましい。シリコンを含む堆積性気体の代表例としては、シラン、ジシラン、トリシラン、フッ化シラン等がある。酸化性気体としては、酸素、オゾン、一酸化二窒素、二酸化窒素等がある。
例えば、プラズマＣＶＤ装置の真空排気された処理室内に載置された基板を１８０℃以上２６０℃以下、さらに好ましくは２００℃以上２４０℃以下に保持し、処理室に原料ガスを導入して処理室内における圧力を１００Ｐａ以上２５０Ｐａ以下、さらに好ましくは１００Ｐａ以上２００Ｐａ以下とし、処理室内に設けられる電極に０．１７Ｗ／ｃｍ２以上０．５Ｗ／ｃｍ２以下、さらに好ましくは０．２５Ｗ／ｃｍ２以上０．３５Ｗ／ｃｍ２以下の高周波電力を供給する条件により、酸化シリコン膜または酸化窒化シリコン膜を形成する。
成膜条件として、上記圧力の処理室において上記パワー密度の高周波電力を供給することで、プラズマ中で原料ガスの分解効率が高まり、酸素ラジカルが増加し、原料ガスの酸化が進むため、酸化物絶縁膜中における酸素含有量が化学量論比よりも多くなる。しかしながら、基板温度が、上記温度であると、シリコンと酸素の結合力が弱いため、加熱により酸素の一部が脱離する。この結果、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含み、加熱により酸素の一部が脱離する酸化物絶縁膜を形成することができる。
また、酸化物半導体層６０４と絶縁層６０６の間に酸化物絶縁膜を設ける場合には、絶縁層６０６の形成工程において、該酸化物絶縁膜が酸化物半導体層６０４の保護膜となる。この結果、酸化物半導体層６０４へのダメージを低減しつつ、パワー密度の高い高周波電力を用いて絶縁層６０６を形成することができる。
例えば、ＰＥＣＶＤ装置の真空排気された処理室内に載置された基板を１８０℃以上４００℃以下、さらに好ましくは２００℃以上３７０℃以下に保持し、処理室に原料ガスを導入して処理室内における圧力を２０Ｐａ以上２５０Ｐａ以下、さらに好ましくは１００Ｐａ以上２５０Ｐａ以下とし、処理室内に設けられる電極に高周波電力を供給する条件により、酸化物絶縁膜として酸化シリコン膜または酸化窒化シリコン膜を形成することができる。また、処理室の圧力を１００Ｐａ以上２５０Ｐａ以下とすることで、該酸化物絶縁膜を成膜する際に、酸化物半導体層６０４へのダメージを低減することが可能である。
酸化物絶縁膜の原料ガスとしては、シリコンを含む堆積性気体及び酸化性気体を用いることが好ましい。シリコンを含む堆積性気体の代表例としては、シラン、ジシラン、トリシラン、フッ化シラン等がある。酸化性気体としては、酸素、オゾン、一酸化二窒素、二酸化窒素等がある。
絶縁層６０７は、スパッタリング法、ＰＥＣＶＤ法等で形成することができる。
絶縁層６０７として窒化シリコン膜、または窒化酸化シリコン膜を形成する場合、原料ガスとしては、シリコンを含む堆積性気体、酸化性気体、及び窒素を含む気体を用いることが好ましい。シリコンを含む堆積性気体の代表例としては、シラン、ジシラン、トリシラン、フッ化シラン等がある。酸化性気体としては、酸素、オゾン、一酸化二窒素、二酸化窒素等がある。窒素を含む気体としては、窒素、アンモニア等がある。
以上の工程により、トランジスタ６００を形成することができる。
＜トランジスタの変形例＞
以下では、トランジスタ６００と一部が異なるトランジスタの構成例について説明する。
図２６（Ａ）に、以下で例示するトランジスタ６１０の断面概略図を示す。トランジスタ６１０は、酸化物半導体層の構成が異なる点で、トランジスタ６００と相違している。
トランジスタ６１０が有する酸化物半導体層６１４は、酸化物半導体層６１４ａと酸化物半導体層６１４ｂとが積層されて構成される。
なお、酸化物半導体層６１４ａと酸化物半導体層６１４ｂの境界は不明瞭である場合があるため、図２６（Ａ）等の図中には、これらの境界を破線で示している。
酸化物半導体層６１４ａは、代表的にはＩｎ−Ｇａ酸化物、Ｉｎ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（ＭはＡｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、またはＨｆ）を用いる。また、酸化物半導体層６１４ａがＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物であるとき、ＺｎおよびＯを除いてのＩｎおよびＭの原子数比率は、好ましくは、Ｉｎが５０ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが５０ａｔｏｍｉｃ％以上、さらに好ましくは、Ｉｎが２５ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％以上とする。また例えば、酸化物半導体層６１４ａは、エネルギーギャップが２ｅＶ以上、好ましくは２．５ｅＶ以上、より好ましくは３ｅＶ以上である材料を用いる。
酸化物半導体層６１４ｂはＩｎ若しくはＧａを含み、代表的には、Ｉｎ−Ｇａ酸化物、Ｉｎ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（ＭはＡｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、ＮｄまたはＨｆ）であり、且つ酸化物半導体層６１４ａよりも伝導帯の下端のエネルギーが真空準位に近く、代表的には、酸化物半導体層６１４ｂの伝導帯の下端のエネルギーと、酸化物半導体層６１４ａの伝導帯の下端のエネルギーとの差が、０．０５ｅＶ以上、０．０７ｅＶ以上、０．１ｅＶ以上、または０．１５ｅＶ以上、且つ２ｅＶ以下、１ｅＶ以下、０．５ｅＶ以下、または０．４ｅＶ以下とすることが好ましい。
また、酸化物半導体層６１４ｂがＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物であるとき、Ｚｎ及びＯを除いてのＩｎとＭの原子数比率は、好ましくは、Ｉｎが２５ａｔｏｍｉｃ％以上、Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％未満、さらに好ましくは、Ｉｎが３４ａｔｏｍｉｃ％以上、Ｍが６６ａｔｏｍｉｃ％未満とする。
例えば、酸化物半導体層６１４ａとしてＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１．２、またはＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：１：２の原子数比のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を用いることができる。また、酸化物半導体層６１４ｂとしてＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２、１：６：４、または１：９：６の原子数比のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を用いることができる。なお、酸化物半導体層６１４ａ、及び酸化物半導体層６１４ｂの原子数比はそれぞれ、誤差として上記の原子数比のプラスマイナス２０％の変動を含む。
上層に設けられる酸化物半導体層６１４ｂに、スタビライザーとして機能するＧａの含有量の多い酸化物を用いることにより、酸化物半導体層６１４ａ、及び酸化物半導体層６１４ｂからの酸素の放出を抑制することができる。
なお、これらに限られず、必要とするトランジスタの半導体特性及び電気特性（電界効果移動度、閾値電圧等）に応じて適切な組成のものを用いればよい。また、必要とするトランジスタの半導体特性を得るために、酸化物半導体層６１４ａ、酸化物半導体層６１４ｂのキャリア密度や不純物濃度、欠陥密度、金属元素と酸素の原子数比、原子間距離、密度等を適切なものとすることが好ましい。
なお、上記では酸化物半導体層６１４として、２つの酸化物半導体層が積層された構成を例示したが、３つ以上の酸化物半導体層を積層する構成としてもよい。
図２６（Ｂ）に、以下で例示するトランジスタ６２０の断面概略図を示す。トランジスタ６２０は、酸化物半導体層の構成が異なる点で、トランジスタ６００及びトランジスタ６１０と相違している。
トランジスタ６２０が有する酸化物半導体層６２４は、酸化物半導体層６２４ａ、酸化物半導体層６２４ｂ、酸化物半導体層６２４ｃが順に積層されて構成される。
酸化物半導体層６２４ａ及び酸化物半導体層６２４ｂは、絶縁層６０３上に積層して設けられる。また酸化物半導体層６２４ｃは、酸化物半導体層６２４ｂの上面、並びに一対の電極６０５ａ、６０５ｂの上面及び側面に接して設けられる。
例えば、酸化物半導体層６２４ｂとして、上記＜トランジスタの変形例＞で例示した酸化物半導体層６１４ａと同様の構成を用いることができる。また例えば、酸化物半導体層６２４ａ、６２４ｃとして、上記＜トランジスタの変形例＞で例示した酸化物半導体層６１４ｂと同様の構成を用いることができる。
例えば、酸化物半導体層６２４ｂの下層に設けられる酸化物半導体層６２４ａ、及び上層に設けられる酸化物半導体層６２４ｃに、スタビライザーとして機能するＧａの含有量の多い酸化物を用いることにより、酸化物半導体層６２４ａ、酸化物半導体層６２４ｂ、及び酸化物半導体層６２４ｃからの酸素の放出を抑制することができる。
また、例えば酸化物半導体層６２４ｂに主としてチャネルが形成される場合に、酸化物半導体層６２４ｂにＩｎの含有量の多い酸化物を用い、酸化物半導体層６２４ｂと接して一対の電極６０５ａ、６０５ｂを設けることにより、トランジスタ６２０のオン電流を増大させることができる。
＜トランジスタの他の構成例＞
以下では、本発明の一態様の酸化物半導体膜を適用可能な、トップゲート型のトランジスタの構成例について説明する。
なお、以下では、上記と同様の構成、または同様の機能を有する構成要素においては、同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
図２７（Ａ）に、以下で例示するトップゲート型のトランジスタ６５０の断面概略図を示す。
トランジスタ６５０は、絶縁層６５１が設けられた基板６０１上に設けられる酸化物半導体層６０４と、酸化物半導体層６０４の上面に接する一対の電極６０５ａ、６０５ｂと、酸化物半導体層６０４、一対の電極６０５ａ、６０５ｂ上に設けられる絶縁層６０３と、絶縁層６０３上に酸化物半導体層６０４と重なるように設けられるゲート電極６０２とを有する。また、絶縁層６０３及びゲート電極６０２を覆って絶縁層６５２が設けられている。
絶縁層６５１は、基板６０１から酸化物半導体層６０４への不純物の拡散を抑制する機能を有する。例えば、上記絶縁層６０７と同様の構成を用いることができる。なお、絶縁層６５１は、不要であれば設けなくてもよい。
絶縁層６５２には、上記絶縁層６０７と同様、酸素、水素、水等のブロッキング効果を有する絶縁膜を適用することができる。なお、絶縁層６０７は不要であれば設けなくてもよい。
以下では、トランジスタ６５０と一部が異なるトランジスタの構成例について説明する。
図２７（Ｂ）に、以下で例示するトランジスタ６６０の断面概略図を示す。トランジスタ６６０は、酸化物半導体層の構成が異なる点で、トランジスタ６５０と相違している。
トランジスタ６６０が有する酸化物半導体層６６４は、酸化物半導体層６６４ａ、酸化物半導体層６６４ｂ、及び酸化物半導体層６６４ｃが順に積層されて構成されている。
酸化物半導体層６６４ａ、酸化物半導体層６６４ｂ、酸化物半導体層６６４ｃのうち、いずれか一、またはいずれか二、または全部に、先に説明した酸化物半導体膜を適用することができる。
例えば、酸化物半導体層６６４ｂとして、上記＜トランジスタの変形例＞で例示した酸化物半導体層６１４ａと同様の構成を用いることができる。また例えば、酸化物半導体層６６４ａ、６６４ｃとして、上記＜トランジスタの変形例＞で例示した酸化物半導体層６１４ｂと同様の構成を用いることができる。
また、酸化物半導体層６６４ｂの下層に設けられる酸化物半導体層６６４ａ、及び上層に設けられる酸化物半導体層６６４ｃに、スタビライザーとして機能するＧａの含有量の多い酸化物を用いることにより、酸化物半導体層６６４ａ、酸化物半導体層６６４ｂ、酸化物半導体層６６４ｃからの酸素の放出を抑制することができる。
以下では、トランジスタ６５０と一部が異なるトランジスタの構成例について説明する。
図２７（Ｃ）に、以下で例示するトランジスタ６７０の断面概略図を示す。トランジスタ６７０は、酸化物半導体層６０４に接する一対の電極６０５ａ、６０５ｂの形状、及びゲート電極６０２の形状等で、トランジスタ６５０と相違している。
トランジスタ６７０は、絶縁層６５１が設けられた基板６０１上に設けられる酸化物半導体層６０４と、酸化物半導体層６０４上の絶縁層６０３と、絶縁層６０３上のゲート電極６０２と、絶縁層６５１及び酸化物半導体層６０４上の絶縁層６５４と、絶縁層６５４上の絶縁層６５６と、絶縁層６５４、６５６に設けられる開口部を介して酸化物半導体層６０４に電気的に接続される一対の電極６０５ａ、６０５ｂと、絶縁層６５６及び一対の電極６０５ａ、６０５ｂ上の絶縁層６５２と、を有する。
絶縁層６５４としては、例えば水素を含む絶縁膜で形成される。該水素を含む絶縁膜としては、窒化シリコン膜等が挙げられる。絶縁層６５４に含まれる水素は、酸化物半導体層６０４中の酸素欠損と結合することで、酸化物半導体層６０４中でキャリアとなる。したがって、図２７（Ｃ）に示す構成においては、酸化物半導体層６０４と絶縁層６５４が接する領域をｎ型領域６０４ｂ及びｎ型領域６０４ｃとして表している。なお、ｎ型領域６０４ｂとｎ型領域６０４ｃに挟まれる領域は、チャネル領域６０４ａとなる。
酸化物半導体層６０４中にｎ型領域６０４ｂ、６０４ｃを設けることで、一対の電極６０５ａ、６０５ｂとの接触抵抗を低減させることができる。なお、ｎ型領域６０４ｂ、６０４ｃとしては、ゲート電極６０２の形成時、及びゲート電極６０２を覆う絶縁層６５４を用いて自己整合的に形成することができる。図２７（Ｃ）に示すトランジスタ６７０は、所謂セルフアライン型のトップゲート型のトランジスタである。セルフアライン型のトップゲート型のトランジスタ構造とすることで、ゲート電極６０２と、ソース電極及びドレイン電極として機能する一対の電極６０５ａ、６０５ｂと、の重なりが生じないため、電極間に生じる寄生容量を低減することができる。
また、トランジスタ６７０が有する絶縁層６５６としては、例えば、酸化窒化シリコン膜等により形成することができる。
（実施の形態７）
本実施の形態では、上記実施の形態で説明したＯＳトランジスタについて説明する。
＜ＯＳトランジスタの特性＞
ＯＳトランジスタは、酸化物半導体中の不純物濃度を低減し、酸化物半導体を真性または実質的に真性にすることでオフ電流を低くすることができる。ここで、実質的に真性とは、酸化物半導体中のキャリア密度が、１×１０１７／ｃｍ３未満であること、１×１０１５／ｃｍ３未満であること、あるいは１×１０１３／ｃｍ３未満であることを指す。酸化物半導体において、水素、窒素、炭素、シリコン、および主成分以外の金属元素は不純物となる。例えば、水素および窒素はドナー準位の形成に寄与し、キャリア密度を増大させてしまう。
真性または実質的に真性にした酸化物半導体を用いたトランジスタは、キャリア密度が低いため、閾値電圧がマイナスとなる電気特性になることが少ない。また、当該酸化物半導体を用いたトランジスタは、酸化物半導体のキャリアトラップが少ないため、電気特性の変動が小さく、信頼性の高いトランジスタとなる。また、当該酸化物半導体を用いたトランジスタは、オフ電流を非常に低くすることが可能となる。
なおオフ電流を低くしたＯＳトランジスタでは、室温（２５℃程度）にてチャネル幅１μｍあたりのオフ電流が１×１０−１８Ａ以下、１×１０−２１Ａ以下、あるいは１×１０−２４Ａ以下、又は８５℃にて１×１０−１５Ａ以下、１×１０−１８Ａ以下、あるいは１×１０−２１Ａ以下とすることができる。
＜オフ電流＞
本明細書において、特に断りがない場合、オフ電流とは、トランジスタがオフ状態（非導通状態、遮断状態、ともいう）にあるときのドレイン電流をいう。オフ状態とは、特に断りがない場合、ｎチャネル型トランジスタでは、ゲートとソースの間の電圧Ｖｇｓが閾値電圧Ｖｔｈよりも低い状態、ｐチャネル型トランジスタでは、ゲートとソースの間の電圧Ｖｇｓが閾値電圧Ｖｔｈよりも高い状態をいう。例えば、ｎチャネル型のトランジスタのオフ電流とは、ゲートとソースの間の電圧Ｖｇｓが閾値電圧Ｖｔｈよりも低いときのドレイン電流を言う場合がある。
トランジスタのオフ電流は、Ｖｇｓに依存する場合がある。従って、トランジスタのオフ電流がＩ以下である、とは、トランジスタのオフ電流がＩ以下となるＶｇｓの値が存在することを言う場合がある。トランジスタのオフ電流は、所定のＶｇｓにおけるオフ状態、所定の範囲内のＶｇｓにおけるオフ状態、または、十分に低減されたオフ電流が得られるＶｇｓにおけるオフ状態、等におけるオフ電流を指す場合がある。
一例として、閾値電圧Ｖｔｈが０．５Ｖであり、Ｖｇｓが０．５Ｖにおけるドレイン電流が１×１０−９Ａであり、Ｖｇｓが０．１Ｖにおけるドレイン電流が１×１０−１３Ａであり、Ｖｇｓがー０．５Ｖにおけるドレイン電流が１×１０−１９Ａであり、Ｖｇｓがー０．８Ｖにおけるドレイン電流が１×１０−２２Ａであるようなｎチャネル型トランジスタを想定する。当該トランジスタのドレイン電流は、Ｖｇｓが−０．５Ｖにおいて、または、Ｖｇｓが−０．５Ｖ乃至−０．８Ｖの範囲において、１×１０−１９Ａ以下であるから、当該トランジスタのオフ電流は１×１０−１９Ａ以下である、と言う場合がある。当該トランジスタのドレイン電流が１×１０−２２Ａ以下となるＶｇｓが存在するため、当該トランジスタのオフ電流は１×１０−２２Ａ以下である、と言う場合がある。
本明細書では、チャネル幅Ｗを有するトランジスタのオフ電流を、チャネル幅Ｗあたりを流れる電流値で表す場合がある。また、所定のチャネル幅（例えば１μｍ）あたりを流れる電流値で表す場合がある。後者の場合、オフ電流の単位は、電流／長さの次元を持つ単位（例えば、Ａ／μｍ）で表される場合がある。
トランジスタのオフ電流は、温度に依存する場合がある。本明細書において、オフ電流は、特に記載がない場合、室温、６０℃、８５℃、９５℃、または１２５℃におけるオフ電流を表す場合がある。または、当該トランジスタが含まれる半導体装置等の信頼性が保証される温度、または、当該トランジスタが含まれる半導体装置等が使用される温度（例えば、５℃乃至３５℃のいずれか一の温度）におけるオフ電流、を表す場合がある。トランジスタのオフ電流がＩ以下である、とは、室温、６０℃、８５℃、９５℃、１２５℃、当該トランジスタが含まれる半導体装置の信頼性が保証される温度、または、当該トランジスタが含まれる半導体装置等が使用される温度（例えば、５℃乃至３５℃のいずれか一の温度）、におけるトランジスタのオフ電流がＩ以下となるＶｇｓの値が存在することを指す場合がある。
トランジスタのオフ電流は、ドレインとソースの間の電圧Ｖｄｓに依存する場合がある。本明細書において、オフ電流は、特に記載がない場合、Ｖｄｓが０．１Ｖ、０．８Ｖ、１Ｖ、１．２Ｖ、１．８Ｖ，２．５Ｖ，３Ｖ、３．３Ｖ、１０Ｖ、１２Ｖ、１６Ｖ、または２０Ｖにおけるオフ電流を表す場合がある。または、当該トランジスタが含まれる半導体装置等の信頼性が保証されるＶｄｓ、または、当該トランジスタが含まれる半導体装置等において使用されるＶｄｓにおけるオフ電流、を表す場合がある。トランジスタのオフ電流がＩ以下である、とは、Ｖｄｓが０．１Ｖ、０．８Ｖ、１Ｖ、１．２Ｖ、１．８Ｖ，２．５Ｖ，３Ｖ、３．３Ｖ、１０Ｖ、１２Ｖ、１６Ｖ、２０Ｖ、当該トランジスタが含まれる半導体装置の信頼性が保証されるＶｄｓ、または、当該トランジスタが含まれる半導体装置等において使用されるＶｄｓ、におけるトランジスタのオフ電流がＩ以下となるＶｇｓの値が存在することを指す場合がある。
上記オフ電流の説明において、ドレインをソースと読み替えてもよい。つまり、オフ電流は、トランジスタがオフ状態にあるときのソースを流れる電流を言う場合もある。
本明細書では、オフ電流と同じ意味で、リーク電流と記載する場合がある。
本明細書において、オフ電流とは、例えば、トランジスタがオフ状態にあるときに、ソースとドレインとの間に流れる電流を指す場合がある。
＜酸化物半導体の組成＞
なおＯＳトランジスタの半導体層に用いる酸化物半導体としては、少なくともインジウム（Ｉｎ）又は亜鉛（Ｚｎ）を含むことが好ましい。特にＩｎ及びＺｎを含むことが好ましい。また、それらに加えて、酸素を強く結びつけるスタビライザーを有することが好ましい。スタビライザーとしては、ガリウム（Ｇａ）、スズ（Ｓｎ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）及びアルミニウム（Ａｌ）の少なくともいずれかを有すればよい。
また、他のスタビライザーとして、ランタノイドである、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ルテチウム（Ｌｕ）のいずれか一種又は複数種を有してもよい。
トランジスタの半導体層に用いる酸化物半導体としては、例えば、酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛、Ｉｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｚｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｓｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｉｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｉｎ−Ｇａ系酸化物、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物（ＩＧＺＯとも表記する）、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｚｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｉ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｃ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｙ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｃｅ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｐｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｎｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｕ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｇｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｄｙ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｏ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｙｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌｕ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物等がある。
例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：１：２、あるいはＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝２：１：３の原子数比のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物やその組成の近傍の酸化物を用いるとよい。特に、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３あるいはその近傍の原子数比のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物を用いるとよい。Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３あるいはその近傍の原子数比のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物を得るためには、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１のターゲットを用いて酸化物半導体を成膜する。
＜酸化物半導体中の不純物＞
半導体層を構成する酸化物半導体膜に水素が含まれると、酸化物半導体と結合することによって、水素の一部がドナーとなり、キャリアである電子を生じてしまう。これにより、トランジスタの閾値電圧がマイナス方向にシフトしてしまう。そのため、酸化物半導体膜の形成後において、脱水化処理（脱水素化処理）を行い酸化物半導体膜から、水素、又は水分を除去して不純物が極力含まれないように高純度化することが好ましい。
なお、酸化物半導体膜への脱水化処理（脱水素化処理）によって、酸化物半導体膜から酸素が減少してしまうことがある。よって、酸化物半導体膜への脱水化処理（脱水素化処理）によって増加した酸素欠損を補填するため酸素を酸化物半導体膜に加える処理を行うことが好ましい。
このように、酸化物半導体膜は、脱水化処理（脱水素化処理）により、水素又は水分が除去され、加酸素化処理により酸素欠損を補填することによって、ｉ型（真性）化又はｉ型に限りなく近く実質的にｉ型（真性）である酸化物半導体膜とすることができる。
＜酸化物半導体の構造＞
酸化物半導体の構造について説明する。
なお本明細書において、「平行」とは、二つの直線が−１０°以上１０°以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、−５°以上５°以下の場合も含まれる。また、「略平行」とは、二つの直線が−３０°以上３０°以下の角度で配置されている状態をいう。また、「垂直」とは、二つの直線が８０°以上１００°以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、８５°以上９５°以下の場合も含まれる。また、「略垂直」とは、二つの直線が６０°以上１２０°以下の角度で配置されている状態をいう。
また、本明細書において、結晶が三方晶または菱面体晶である場合、六方晶系として表す。
酸化物半導体膜は、非単結晶酸化物半導体膜と単結晶酸化物半導体膜とに分けられる。または、酸化物半導体は、例えば、結晶性酸化物半導体と非晶質酸化物半導体とに分けられる。
なお、非単結晶酸化物半導体としては、ＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ Ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、多結晶酸化物半導体、微結晶酸化物半導体、非晶質酸化物半導体などがある。また、結晶性酸化物半導体としては、単結晶酸化物半導体、ＣＡＡＣ−ＯＳ、多結晶酸化物半導体、微結晶酸化物半導体などがある。
まずは、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜について説明する。
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、ｃ軸配向した複数の結晶部を有する酸化物半導体膜の一つである。
透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）によって、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の明視野像および回折パターンの複合解析像（高分解能ＴＥＭ像ともいう。）を観察することで複数の結晶部を確認することができる。一方、高分解能ＴＥＭ像によっても明確な結晶部同士の境界、即ち結晶粒界（グレインバウンダリーともいう。）を確認することができない。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。
試料面と略平行な方向から、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の断面の高分解能ＴＥＭ像を観察すると、結晶部において、金属原子が層状に配列していることを確認できる。金属原子の各層は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の膜を形成する面（被形成面ともいう。）または上面の凹凸を反映した形状であり、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成面または上面と平行に配列する。
一方、試料面と略垂直な方向から、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の平面の高分解能ＴＥＭ像を観察すると、結晶部において、金属原子が三角形状または六角形状に配列していることを確認できる。しかしながら、異なる結晶部間で、金属原子の配列に規則性は見られない。
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に対し、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−Ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）装置を用いて構造解析を行うと、例えばＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳ膜のｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析では、回折角（２θ）が３１°近傍にピークが現れる場合がある。このピークは、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（００９）面に帰属されることから、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の結晶がｃ軸配向性を有し、ｃ軸が被形成面または上面に略垂直な方向を向いていることが確認できる。
なお、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳ膜のｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析では、２θが３１°近傍のピークの他に、２θが３６°近傍にもピークが現れる場合がある。２θが３６°近傍のピークは、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜中の一部に、ｃ軸配向性を有さない結晶が含まれることを示している。ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、２θが３１°近傍にピークを示し、２θが３６°近傍にピークを示さないことが好ましい。
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、不純物濃度の低い酸化物半導体膜である。不純物は、水素、炭素、シリコン、遷移金属元素などの酸化物半導体膜の主成分以外の元素である。特に、シリコンなどの、酸化物半導体膜を構成する金属元素よりも酸素との結合力の強い元素は、酸化物半導体膜から酸素を奪うことで酸化物半導体膜の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。また、鉄やニッケルなどの重金属、アルゴン、二酸化炭素などは、原子半径（または分子半径）が大きいため、酸化物半導体膜内部に含まれると、酸化物半導体膜の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。なお、酸化物半導体膜に含まれる不純物は、キャリアトラップやキャリア発生源となる場合がある。
また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、欠陥準位密度の低い酸化物半導体膜である。例えば、酸化物半導体膜中の酸素欠損は、キャリアトラップとなることや、水素を捕獲することによってキャリア発生源となることがある。
不純物濃度が低く、欠陥準位密度が低い（酸素欠損の少ない）ことを、高純度真性または実質的に高純度真性と呼ぶ。高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、キャリア発生源が少ないため、キャリア密度を低くすることができる。したがって、当該酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、閾値電圧がマイナスとなる電気特性（ノーマリーオンともいう。）になることが少ない。また、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、キャリアトラップが少ない。そのため、当該酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、電気特性の変動が小さく、信頼性の高いトランジスタとなる。なお、酸化物半導体膜のキャリアトラップに捕獲された電荷は、放出するまでに要する時間が長く、あたかも固定電荷のように振る舞うことがある。そのため、不純物濃度が高く、欠陥準位密度が高い酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。
また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を用いたトランジスタは、可視光や紫外光の照射による電気特性の変動が小さい。
次に、微結晶酸化物半導体膜について説明する。
微結晶酸化物半導体膜は、高分解能ＴＥＭ像において、結晶部を確認することのできる領域と、明確な結晶部を確認することのできない領域と、を有する。微結晶酸化物半導体膜に含まれる結晶部は、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下、または１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の大きさであることが多い。特に、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下、または１ｎｍ以上３ｎｍ以下の微結晶であるナノ結晶（ｎｃ：ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌ）を有する酸化物半導体膜を、ｎｃ−ＯＳ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）膜と呼ぶ。また、ｎｃ−ＯＳ膜は、例えば、高分解能ＴＥＭ像では、結晶粒界を明確に確認できない場合がある。
ｎｃ−ＯＳ膜は、微小な領域（例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の領域、特に１ｎｍ以上３ｎｍ以下の領域）において原子配列に周期性を有する。また、ｎｃ−ＯＳ膜は、異なる結晶部間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、膜全体で配向性が見られない。したがって、ｎｃ−ＯＳ膜は、分析方法によっては、非晶質酸化物半導体膜と区別が付かない場合がある。例えば、ｎｃ−ＯＳ膜に対し、結晶部よりも大きい径のＸ線を用いるＸＲＤ装置を用いて構造解析を行うと、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析では、結晶面を示すピークが検出されない。また、ｎｃ−ＯＳ膜に対し、結晶部よりも大きいプローブ径（例えば５０ｎｍ以上）の電子線を用いる電子回折（制限視野電子回折ともいう。）を行うと、ハローパターンのような回折パターンが観測される。一方、ｎｃ−ＯＳ膜に対し、結晶部の大きさと近いか結晶部より小さいプローブ径の電子線を用いるナノビーム電子回折を行うと、スポットが観測される。また、ｎｃ−ＯＳ膜に対しナノビーム電子回折を行うと、円を描くように（リング状に）輝度の高い領域が観測される場合がある。また、ｎｃ−ＯＳ膜に対しナノビーム電子回折を行うと、リング状の領域内に複数のスポットが観測される場合がある。
ｎｃ−ＯＳ膜は、非晶質酸化物半導体膜よりも規則性の高い酸化物半導体膜である。そのため、ｎｃ−ＯＳ膜は、非晶質酸化物半導体膜よりも欠陥準位密度が低くなる。ただし、ｎｃ−ＯＳ膜は、異なる結晶部間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、ｎｃ−ＯＳ膜は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜と比べて欠陥準位密度が高くなる。
次に、非晶質酸化物半導体膜について説明する。
非晶質酸化物半導体膜は、膜中における原子配列が不規則であり、結晶部を有さない酸化物半導体膜である。石英のような無定形状態を有する酸化物半導体膜が一例である。
非晶質酸化物半導体膜は、高分解能ＴＥＭ像において結晶部を確認することができない。
非晶質酸化物半導体膜に対し、ＸＲＤ装置を用いた構造解析を行うと、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析では、結晶面を示すピークが検出されない。また、非晶質酸化物半導体膜に対し、電子回折を行うと、ハローパターンが観測される。また、非晶質酸化物半導体膜に対し、ナノビーム電子回折を行うと、スポットが観測されず、ハローパターンが観測される。
なお、酸化物半導体膜は、ｎｃ−ＯＳ膜と非晶質酸化物半導体膜との間の物性を示す構造を有する場合がある。そのような構造を有する酸化物半導体膜を、特に非晶質ライク酸化物半導体（ａ−ｌｉｋｅ ＯＳ：ａｍｏｒｐｈｏｕｓ−ｌｉｋｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）膜と呼ぶ。
ａ−ｌｉｋｅ ＯＳ膜は、高分解能ＴＥＭ像において鬆（ボイドともいう。）が観察される場合がある。また、高分解能ＴＥＭ像において、明確に結晶部を確認することのできる領域と、結晶部を確認することのできない領域と、を有する。ａ−ｌｉｋｅ ＯＳ膜は、ＴＥＭによる観察程度の微量な電子照射によって、結晶化が起こり、結晶部の成長が見られる場合がある。一方、良質なｎｃ−ＯＳ膜であれば、ＴＥＭによる観察程度の微量な電子照射による結晶化はほとんど見られない。
なお、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳ膜およびｎｃ−ＯＳ膜の結晶部の大きさの計測は、高分解能ＴＥＭ像を用いて行うことができる。例えば、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶は層状構造を有し、Ｉｎ−Ｏ層の間に、Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ層を２層有する。ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の単位格子は、Ｉｎ−Ｏ層を３層有し、またＧａ−Ｚｎ−Ｏ層を６層有する、計９層がｃ軸方向に層状に重なった構造を有する。よって、これらの近接する層同士の間隔は、（００９）面の格子面間隔（ｄ値ともいう。）と同程度であり、結晶構造解析からその値は０．２９ｎｍと求められている。そのため、高分解能ＴＥＭ像における格子縞に着目し、格子縞の間隔が０．２８ｎｍ以上０．３０ｎｍ以下である箇所においては、それぞれの格子縞がＩｎＧａＺｎＯ４の結晶のａ−ｂ面に対応する。
また、酸化物半導体膜は、構造ごとに密度が異なる場合がある。例えば、ある酸化物半導体膜の組成がわかれば、該組成と同じ組成における単結晶の密度と比較することにより、その酸化物半導体膜の構造を推定することができる。例えば、単結晶の密度に対し、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳ膜の密度は７８．６％以上９２．３％未満となる。また、例えば、単結晶の密度に対し、ｎｃ−ＯＳ膜の密度およびＣＡＡＣ−ＯＳ膜の密度は９２．３％以上１００％未満となる。なお、単結晶の密度に対し密度が７８％未満となる酸化物半導体膜は、成膜すること自体が困難である。
上記について、具体例を用いて説明する。例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］を満たす酸化物半導体膜において、菱面体晶構造を有する単結晶ＩｎＧａＺｎＯ４の密度は６．３５７ｇ／ｃｍ３となる。よって、例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］を満たす酸化物半導体膜において、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳ膜の密度は５．０ｇ／ｃｍ３以上５．９ｇ／ｃｍ３未満となる。また、例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］を満たす酸化物半導体膜において、ｎｃ−ＯＳ膜の密度およびＣＡＡＣ−ＯＳ膜の密度は５．９ｇ／ｃｍ３以上６．３ｇ／ｃｍ３未満となる。
なお、同じ組成の単結晶が存在しない場合がある。その場合、任意の割合で組成の異なる単結晶を組み合わせることにより、所望の組成の単結晶に相当する密度を算出することができる。所望の組成の単結晶の密度は、組成の異なる単結晶を組み合わせる割合に対して、加重平均を用いて算出すればよい。ただし、密度は、可能な限り少ない種類の単結晶を組み合わせて算出することが好ましい。
なお、酸化物半導体膜は、例えば、非晶質酸化物半導体膜、ａ−ｌｉｋｅ ＯＳ膜、微結晶酸化物半導体膜、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜のうち、二種以上を有する積層膜であってもよい。
以上説明したようにＯＳトランジスタは、極めて優れたオフ電流特性を実現できる。
（実施の形態８）
本実施の形態においては、上記実施の形態で説明した半導体装置を適用した表示モジュールについて説明する。半導体装置は、一例として、ゲートドライバ回路部、あるいはソースドライバ回路部、あるいは画素部の一部に適用可能である。表示モジュールの一例について、図２８及び図２９を用いて以下説明を行う。
＜表示モジュールの上面図＞
図２８は、表示モジュールの一例を示す上面図である。図２８示す表示モジュール７００は、第１の基板７０１上に設けられた画素部７０２と、第１の基板７０１に設けられたソースドライバ回路部７０４及びゲートドライバ回路部７０６と、画素部７０２、ソースドライバ回路部７０４、及びゲートドライバ回路部７０６を囲むように配置されるシール材７１２と、第１の基板７０１に対向するように設けられる第２の基板７０５と、を有する。なお、第１の基板７０１と第２の基板７０５は、シール材７１２によって封止されている。すなわち、画素部７０２、ソースドライバ回路部７０４、及びゲートドライバ回路部７０６は、第１の基板７０１とシール材７１２と第２の基板７０５によって封止されている。なお、図２８には図示しないが、第１の基板７０１と第２の基板７０５の間には表示素子が設けられる。
また、表示モジュール７００は、第１の基板７０１上のシール材７１２によって囲まれている領域とは異なる領域に、画素部７０２、ソースドライバ回路部７０４、及びゲートドライバ回路部７０６とそれぞれ電気的に接続されるＦＰＣ端子部７０８（ＦＰＣ：Ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｐｒｉｎｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）が設けられる。また、ＦＰＣ端子部７０８には、ＦＰＣ７１６が接続され、ＦＰＣ７１６によって画素部７０２、ソースドライバ回路部７０４、及びゲートドライバ回路部７０６に各種信号等が供給される。また、画素部７０２、ソースドライバ回路部７０４、ゲートドライバ回路部７０６、及びＦＰＣ端子部７０８には、信号線７１０が各々接続されている。ＦＰＣ７１６により供給される各種信号等は、信号線７１０を介して、画素部７０２、ソースドライバ回路部７０４、ゲートドライバ回路部７０６、及びＦＰＣ端子部７０８に与えられる。
また、表示モジュール７００にゲートドライバ回路部７０６を複数設けてもよい。また、表示モジュール７００としては、ソースドライバ回路部７０４、及びゲートドライバ回路部７０６を画素部７０２と同じ第１の基板７０１に形成している例を示しているが、この構成に限定されない。例えば、ゲートドライバ回路部７０６のみを第１の基板７０１に形成しても良い、またはソースドライバ回路部７０４のみを第１の基板７０１に形成しても良い。この場合、ソースドライバ回路またはゲートドライバ回路等が形成された基板（例えば、単結晶半導体膜、多結晶半導体膜で形成された駆動回路基板）を、第１の基板７０１に実装する構成としても良い。なお、別途形成した駆動回路基板の接続方法は、特に限定されるものではなく、ＣＯＧ（Ｃｈｉｐ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）方法、ワイヤボンディング方法などを用いることができる。
また、表示モジュール７００が有する画素部７０２、ソースドライバ回路部７０４及びゲートドライバ回路部７０６は、複数のトランジスタを有している。該複数のトランジスタとしては、先の実施の形態で説明したトランジスタを適用することができる。
また、表示モジュール７００は、様々な素子を有することが出来る。該素子は、例えば、液晶素子、ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）素子（有機物及び無機物を含むＥＬ素子、有機ＥＬ素子、無機ＥＬ素子）、ＬＥＤ（白色ＬＥＤ、赤色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ、青色ＬＥＤなど）、トランジスタ（電流に応じて発光するトランジスタ）、電子放出素子、電子インク、電気泳動素子、グレーティングライトバルブ（ＧＬＶ）、プラズマディスプレイパネル（ＰＤＰ）、ＭＥＭＳ（マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム）を用いた表示素子、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）、ＤＭＳ（デジタル・マイクロ・シャッター）、ＩＭＯＤ（インターフェアレンス・モジュレーション）素子、シャッター方式のＭＥＭＳ表示素子、光干渉方式のＭＥＭＳ表示素子、エレクトロウェッティング素子、圧電セラミックディスプレイ、カーボンナノチューブを用いた表示素子などの少なくとも一つを有している。これらの他にも、電気的または磁気的作用により、コントラスト、輝度、反射率、透過率などが変化する表示媒体を有していても良い。ＥＬ素子を用いた表示装置の一例としては、ＥＬディスプレイなどがある。電子放出素子を用いた表示装置の一例としては、フィールドエミッションディスプレイ（ＦＥＤ）又はＳＥＤ方式平面型ディスプレイ（ＳＥＤ：Ｓｕｒｆａｃｅ−ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ−ｅｍｉｔｔｅｒ Ｄｉｓｐｌａｙ）などがある。液晶素子を用いた表示装置の一例としては、液晶ディスプレイ（透過型液晶ディスプレイ、半透過型液晶ディスプレイ、反射型液晶ディスプレイ、直視型液晶ディスプレイ、投射型液晶ディスプレイ）などがある。電子インク又は電気泳動素子を用いた表示装置の一例としては、電子ペーパーなどがある。なお、半透過型液晶ディスプレイや反射型液晶ディスプレイを実現する場合には、画素電極の一部、または、全部が、反射電極としての機能を有するようにすればよい。例えば、画素電極の一部、または、全部が、アルミニウム、銀、などを有するようにすればよい。さらに、その場合、反射電極の下に、ＳＲＡＭなどの記憶回路を設けることも可能である。これにより、さらに、消費電力を低減することができる。なお、本実施の形態においては、表示素子として液晶素子を用いる構成について、以下説明を行う。
なお、表示モジュール７００における表示方式は、プログレッシブ方式やインターレース方式等を用いることができる。また、カラー表示する際に画素で制御する色要素としては、ＲＧＢ（Ｒは赤、Ｇは緑、Ｂは青を表す）の三色に限定されない。例えば、Ｒの画素とＧの画素とＢの画素とＷ（白）の画素の四画素から構成されてもよい。または、ペンタイル配列のように、ＲＧＢのうちの２色分で一つの色要素を構成し、色要素によって、異なる２色を選択して構成してもよい。またはＲＧＢに、イエロー、シアン、マゼンタ等を一色以上追加してもよい。なお、色要素のドット毎にその表示領域の大きさが異なっていてもよい。ただし、開示する発明はカラー表示の表示装置に限定されるものではなく、モノクロ表示の表示装置に適用することもできる。
また、バックライト（有機ＥＬ素子、無機ＥＬ素子、ＬＥＤ、蛍光灯など）に白色光（Ｗ）を用いて表示装置をフルカラー表示させるために、着色層（カラーフィルタともいう。）を用いてもよい。着色層は、例えば、レッド（Ｒ）、グリーン（Ｇ）、ブルー（Ｂ）、イエロー（Ｙ）などを適宜組み合わせて用いることができる。着色層を用いることで、着色層を用いない場合と比べて色の再現性を高くすることができる。このとき、着色層を有する領域と、着色層を有さない領域と、を配置することによって、着色層を有さない領域における白色光を直接表示に利用しても構わない。一部に着色層を有さない領域を配置することで、明るい表示の際に、着色層による輝度の低下を少なくでき、消費電力を２割から３割程度低減できる場合がある。ただし、有機ＥＬ素子や無機ＥＬ素子などの自発光素子を用いてフルカラー表示する場合、Ｒ、Ｇ、Ｂ、Ｙ、ホワイト（Ｗ）を、それぞれの発光色を有する素子から発光させても構わない。自発光素子を用いることで、着色層を用いた場合よりも、さらに消費電力を低減できる場合がある。なお、本実施の形態においては、バックライト等を設けない構成、所謂反射型の液晶表示モジュールについて、以下説明を行う。
＜表示モジュールの断面図＞
図２８に示す一点鎖線Ｑ−Ｒにおける断面図を図２９に示す。図２９に示す表示モジュールの詳細について、以下説明を行う。
図２９に示す表示モジュール７００は、引き回し配線部７１１と、画素部７０２と、ソースドライバ回路部７０４と、ＦＰＣ端子部７０８と、を有する。また、引き回し配線部７１１は、信号線７１０を有する。また、画素部７０２は、トランジスタ７５０及び容量素子７９０を有する。また、ソースドライバ回路部７０４は、トランジスタ７５２を有する。
トランジスタ７５０及びトランジスタ７５２は、先に示すトランジスタを用いることができる。
本実施の形態で用いるトランジスタは、高純度化し、酸素欠損の形成を抑制した酸化物半導体膜を有する。該トランジスタは、オフ状態における電流値（オフ電流値）を低くすることができる。よって、画像信号等の電気信号の保持時間を長くすることができ、電源オン状態では書き込み間隔も長く設定できる。よって、リフレッシュ動作の頻度を少なくすることができるため、消費電力を抑制する効果を奏する。
また、本実施の形態で用いるトランジスタは、比較的高い電界効果移動度が得られるため、高速駆動が可能である。例えば、このような高速駆動が可能なトランジスタを表示装置に用いることで、画素部のスイッチングトランジスタと、駆動回路部に使用するドライバトランジスタを同一基板上に形成することができる。すなわち、別途駆動回路として、シリコンウェハ等により形成された半導体装置を用いる必要がないため、半導体装置の部品点数を削減することができる。また、画素部においても、高速駆動が可能なトランジスタを用いることで、高画質な画像を提供することができる。
容量素子７９０は、一対の電極間に誘電体を有する構造である。より詳しくは、容量素子７９０の一方の電極としては、トランジスタ７５０のゲート電極として機能する導電膜と同一工程で形成された導電膜を用い、容量素子７９０の他方の電極としては、トランジスタ７５０のソース電極及びドレイン電極として機能する導電膜を用いる。また、一対の電極間に挟持される誘電体としては、トランジスタ７５０のゲート絶縁膜として機能する絶縁膜を用いる。
また、図２９において、トランジスタ７５０、トランジスタ７５２、及び容量素子７９０上に、絶縁膜７６４、７６８及び平坦化絶縁膜７７０が設けられている。
絶縁膜７６４としては、例えば、ＰＥＣＶＤ装置を用いて、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜等を形成すればよい。また、絶縁膜７６８としては、例えば、ＰＥＣＶＤ装置を用いて、窒化シリコン膜等を形成すればよい。また、平坦化絶縁膜７７０としては、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂、ポリイミドアミド樹脂、ベンゾシクロブテン樹脂、ポリアミド樹脂、エポキシ樹脂等の耐熱性を有する有機材料を用いることができる。なお、これらの材料で形成される絶縁膜を複数積層させることで、平坦化絶縁膜７７０を形成してもよい。また、平坦化絶縁膜７７０を設けない構成としてもよい。
また、信号線７１０は、トランジスタ７５０、７５２のソース電極及びドレイン電極として機能する導電膜と同じ工程で形成される。なお、信号線７１０は、トランジスタ７５０、７５２のソース電極及びドレイン電極と異なる工程で形成された導電膜、例えばゲート電極として機能する導電膜と同じ工程で形成される導電膜としてもよい。信号線７１０として、例えば、銅元素を含む材料を用いた場合、配線抵抗に起因する信号遅延等が少なく、大画面での表示が可能となる。
また、ＦＰＣ端子部７０８は、接続電極７６０、異方性導電膜７８０、及びＦＰＣ７１６を有する。なお、接続電極７６０は、トランジスタ７５０、７５２のソース電極及びドレイン電極として機能する導電膜と同じ工程で形成される。また、接続電極７６０は、ＦＰＣ７１６が有する端子と異方性導電膜７８０を介して、電気的に接続される。
また、第１の基板７０１及び第２の基板７０５としては、例えばガラス基板を用いることができる。また、第１の基板７０１及び第２の基板７０５として、可撓性を有する基板を用いてもよい。該可撓性を有する基板としては、例えばプラスチック基板等が挙げられる。
また、第１の基板７０１と第２の基板７０５の間には、構造体７７８が設けられる。構造体７７８は、絶縁膜を選択的にエッチングすることで得られる柱状のスペーサであり、第１の基板７０１と第２の基板７０５の間の距離（セルギャップ）を制御するために設けられる。なお、構造体７７８として、球状のスペーサを用いていても良い。また、本実施の形態においては、構造体７７８を第１の基板７０１側に設ける構成について例示したが、これに限定されない。例えば、第２の基板７０５側に構造体７７８を設ける構成、または第１の基板７０１及び第２の基板７０５双方に構造体７７８を設ける構成としてもよい。
また、第２の基板７０５側には、ブラックマトリクスとして機能する遮光膜７３８と、カラーフィルタとして機能する着色膜７３６と、遮光膜７３８及び着色膜７３６に接する絶縁膜７３４が設けられる。
図２９に一例として示す表示モジュール７００の断面図では、液晶素子７７５を有する。液晶素子７７５は、導電膜７７２、導電膜７７４、及び液晶層７７６を有する。液晶層７７６としては、先に説明した誘電率の異方性が２以上３．８以下である液晶材料を用いる。導電膜７７４は、第２の基板７０５側に設けられ、対向電極としての機能を有する。図２９に示す表示モジュール７００は、導電膜７７２と導電膜７７４に印加される電圧によって、液晶層７７６の配向状態が変わることによって光の透過、非透過が制御され画像を表示することができる。
また、導電膜７７２は、トランジスタ７５０が有するソース電極及びドレイン電極として機能する導電膜に接続される。導電膜７７２は、平坦化絶縁膜７７０上に形成され画素電極、すなわち表示素子の一方の電極として機能する。また、導電膜７７２は、反射電極としての機能を有する。図２９に示す表示モジュール７００は、外光を利用し導電膜７７２で光を反射して着色膜７３６を介して表示する、所謂反射型のカラー液晶表示装置である。
導電膜７７２としては、可視光において透光性のある導電膜、または可視光において反射性のある導電膜を用いることができる。可視光において透光性のある導電膜としては、例えば、インジウム（Ｉｎ）、亜鉛（Ｚｎ）、錫（Ｓｎ）の中から選ばれた一種を含む材料を用いるとよい。可視光において反射性のある導電膜としては、例えば、アルミニウム、または銀を含む材料を用いるとよい。本実施の形態においては、導電膜７７２として、可視光において、反射性のある導電膜を用いる。
また、導電膜７７２として、可視光において反射性のある導電膜を用いる場合、該導電膜を積層構造としてもよい。例えば、下層に膜厚１００ｎｍのアルミニウム膜を形成し、上層に厚さ３０ｎｍの銀合金膜（例えば、銀、パラジウム、及び銅を含む合金膜）を形成する。上述の構造とすることで、以下の優れた効果を奏する。
（１）下地膜と導電膜７７２との密着性を向上させることができる。（２）薬液によってアルミニウム膜と、銀合金膜とを一括してエッチングすることが可能である。（３）導電膜７７２の断面形状を良好な形状（例えば、テーパー形状）とすることができる。（３）の理由としては、アルミニウム膜は、銀合金膜よりも薬液によるエッチング速度が遅い、または上層の銀合金膜のエッチング後、下層のアルミニウム膜が露出した場合に、銀合金膜よりも卑な金属、別言するとイオン化傾向の高い金属であるアルミニウムから電子を引き抜くため、銀合金膜のエッチングが抑制され、下層のアルミニウム膜のエッチングの進行が速くなるためである。
また、図２９に示す表示モジュール７００においては、画素部７０２の平坦化絶縁膜７７０の一部に凹凸が設けられている。該凹凸は、例えば、平坦化絶縁膜７７０を有機樹脂膜等で形成し、該有機樹脂膜の表面に凹凸を設けることで形成することができる。また、反射電極として機能する導電膜７７２は、上記凹凸に沿って形成される。したがって、外光が導電膜７７２に入射した場合において、導電膜７７２の表面で光を乱反射することが可能となり、視認性を向上させることができる。図２９に示すように、反射型のカラー液晶表示装置とすることで、バックライトを用いずに表示することが可能となるため、消費電力を低減することができる。
なお、図２９に示す表示モジュール７００は、反射型のカラー液晶表示モジュールついて例示したが、これに限定されない。例えば、導電膜７７２を可視光において、透光性のある導電膜を用いることで透過型のカラー液晶表示モジュールとしてもよい。透過型のカラー液晶表示モジュールの場合、平坦化絶縁膜７７０に設けられる凹凸については、設けない構成としてもよい。
なお、図２９において図示しないが、導電膜７７２、７７４の液晶層７７６と接する側に、それぞれ配向膜を設ける構成としてもよい。また、図２９において図示しないが、偏光部材、位相差部材、反射防止部材などの光学部材（光学基板）などは適宜設けてもよい。例えば、偏光基板及び位相差基板による円偏光を用いてもよい。また、透過型の表示モジュール、または半透過型の表示モジュールの場合、光源としてバックライト、サイドライトなどを設けてもよい。
液晶素子としては、サーモトロピック液晶、低分子液晶、高分子液晶、高分子分散型液晶、強誘電性液晶、反強誘電性液晶等を用いることができる。これらの液晶材料は、条件により、コレステリック相、スメクチック相、キュービック相、カイラルネマチック相、等方相等を示す。
また、横電界方式を採用する場合、配向膜を用いないブルー相を示す液晶を用いてもよい。ブルー相は液晶相の一つであり、コレステリック液晶を昇温していくと、コレステリック相から等方相へ転移する直前に発現する相である。ブルー相は狭い温度範囲でしか発現しないため、温度範囲を改善するために数重量％以上のカイラル剤を混合させた液晶組成物を用いて液晶層に用いる。ブルー相を示す液晶とカイラル剤とを含む液晶組成物は、応答速度が短く、光学的等方性であるため配向処理が不要であり、且つ視野角依存性が小さい。また配向膜を設けなくてもよいのでラビング処理も不要となるため、ラビング処理によって引き起こされる静電破壊を防止することができ、作製工程中の液晶表示装置の不良や破損を軽減することができる。
また、表示素子として液晶素子を用いる場合、ＴＮ（Ｔｗｉｓｔｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ）モード、ＩＰＳ（Ｉｎ−Ｐｌａｎｅ−Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）モード、ＦＦＳ（Ｆｒｉｎｇｅ Ｆｉｅｌｄ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）モード、ＡＳＭ（Ａｘｉａｌｌｙ Ｓｙｍｍｅｔｒｉｃ ａｌｉｇｎｅｄ Ｍｉｃｒｏ−ｃｅｌｌ）モード、ＯＣＢ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）モード、ＦＬＣ（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）モード、ＡＦＬＣ（ＡｎｔｉＦｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）モードなどを用いることができる。
また、ノーマリーブラック型の液晶表示装置、例えば垂直配向（ＶＡ）モードを採用した透過型の液晶表示装置としてもよい。垂直配向モードとしては、いくつか挙げられるが、例えば、ＭＶＡ（Ｍｕｌｔｉ−Ｄｏｍａｉｎ Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）モード、ＰＶＡ（Ｐａｔｔｅｒｎｅｄ Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）モード、ＡＳＶモードなどを用いることができる。
（実施の形態９）
本実施の形態においては、先の実施の形態で説明した表示モジュールに、タッチセンサ（接触検出装置）を設けることで、入出力装置（タッチパネルともいう）として機能させることができる構成について、図３０及び図３１を用いて説明する。以下において、上記実施の形態と重複する部分については、説明を省略する場合がある。
図３０は、入出力装置の構成を説明する投影図である。
図３０（Ａ）は、入出力装置８００の投影図であり、図３０（Ｂ）は入出力装置８００が備える検知ユニット８２０Ｕの構成を説明する投影図である。
図３１は、図３０（Ａ）に示す入出力装置８００のＺ１−Ｚ２における断面図である。
本実施の形態で説明する入出力装置８００は、可視光を透過する窓部８３４を具備し且つマトリクス状に配設される複数の検知ユニット８２０Ｕ、行方向（図中に矢印Ｒｘで示す）に配置される複数の検知ユニット８２０Ｕと電気的に接続する走査線Ｇ１、列方向（図中に矢印Ｒｙで示す）に配置される複数の検知ユニット８２０Ｕと電気的に接続する信号線ＤＬならびに、検知ユニット８２０Ｕ、走査線Ｇ１および信号線ＤＬを支持する第１の基材８３６を備える入力装置８５０と、窓部８３４に重なり且つマトリクス状に配設される複数の画素８０２および画素８０２を支持する第２の基材８１０を備える表示モジュール８０１と、を有する（図３０（Ａ）乃至図３０（Ｃ）参照）。
検知ユニット８２０Ｕは、窓部８３４に重なる検知素子Ｃａおよび検知素子Ｃａと電気的に接続される検知回路８３９を備える（図３０（Ｂ）参照）。
検知素子Ｃａは、絶縁層８２３、絶縁層８２３（図３０（Ｂ）には図示せず）を挟持する第１の電極８２１および第２の電極８２２を備える（図３０（Ｂ）参照）。
検知回路８３９は、選択信号を供給され且つ検知素子Ｃａの容量の変化に基づいて検知信号ＤＡＴＡを供給する。
走査線Ｇ１は、選択信号を供給することができ、信号線ＤＬは、検知信号ＤＡＴＡを供給することができ、検知回路８３９は、複数の窓部８３４の間隙に重なるように配置される。
また、本実施の形態で説明する入出力装置８００は、検知ユニット８２０Ｕおよび検知ユニット８２０Ｕの窓部８３４と重なる画素８０２の間に、着色層を備える。
本実施の形態で説明する入出力装置８００は、可視光を透過する窓部８３４を具備する検知ユニット８２０Ｕを複数備える入力装置８５０と、窓部８３４に重なる画素８０２を複数備える表示モジュール８０１と、を有し、窓部８３４と画素８０２の間に着色層を含んで構成される。
これにより、入出力装置は容量の変化に基づく検知信号およびそれを供給する検知ユニットの位置情報を供給すること、ならびに検知ユニットの位置情報と関連付けられた画像情報を表示することができる。その結果、利便性または信頼性に優れた新規な入出力装置を提供することができる。
また、入出力装置８００は、入力装置８５０が供給する信号を供給されるフレキシブル基板ＦＰＣ１または／および画像情報を含む信号を表示モジュール８０１に供給するフレキシブル基板ＦＰＣ２を備えていてもよい。
また、傷の発生を防いで入出力装置８００を保護する、保護基材８３７、保護層８３７ｐまたは／および入出力装置８００が反射する外光の強度を弱める反射防止層８６７ｐを備えていてもよい。
また、入出力装置８００は、表示モジュール８０１の走査線に選択信号を供給する走査線駆動回路８０３ｇ、信号を供給する配線８１１およびフレキシブル基板ＦＰＣ２と電気的に接続される端子８１９を有する。
以下に、入出力装置８００を構成する個々の要素について説明する。なお、これらの構成は明確に分離できず、一つの構成が他の構成を兼ねる場合や他の構成の一部を含む場合がある。例えば、複数の窓部８３４に重なる位置に着色層を備える入力装置８５０は、入力装置８５０であるとともにカラーフィルタでもある。
入出力装置８００は、入力装置８５０と、表示モジュール８０１と、を備える（図３０（Ａ）参照）。
入力装置８５０は、複数の検知ユニット８２０Ｕおよび検知ユニット８２０Ｕを支持する第１の基材８３６を備える。例えば、４０行１５列のマトリクス状に複数の検知ユニット８２０Ｕを第１の基材８３６に配設する。
窓部８３４は可視光を透過する。
窓部８３４に重なる位置に所定の色の光を透過する着色層を備える。例えば、青色の光を透過する着色層ＣＦＢ、緑色の光を透過する着色層ＣＦＧまたは赤色の光を透過する着色層ＣＦＲを備える（図３０（Ｂ）参照）。
なお、青色、緑色または／および赤色に加えて、白色の光を透過する着色層または黄色の光を透過する着色層などさまざまな色の光を透過する着色層を備えることができる。
着色層に金属材料、顔料または染料等を用いることができる。
窓部８３４を囲むように遮光性の層ＢＭを備える。遮光性の層ＢＭは窓部８３４より光を透過しにくい。
カーボンブラック、金属酸化物、複数の金属酸化物の固溶体を含む複合酸化物等を遮光性の層ＢＭに用いることができる。
遮光性の層ＢＭと重なる位置に走査線Ｇ１、信号線ＤＬ、配線ＶＰＩ、配線ＲＥＳおよび配線ＶＲＥＳならびに検知回路８３９を備える。
なお、着色層および遮光性の層ＢＭを覆う透光性のオーバーコート層を備えることができる。
検知素子Ｃａは、第１の電極８２１、第２の電極８２２および第１の電極８２１と第２の電極８２２の間に絶縁層８２３を有する（図３１参照）。
第１の電極８２１は他の領域から分離されるように、例えば島状に形成される。特に、入出力装置８００の使用者に第１の電極８２１が識別されないように、第１の電極８２１と同一の工程で作製することができる層を第１の電極８２１に近接して配置する構成が好ましい。より好ましくは、第１の電極８２１および第１の電極８２１に近接して配置する層の間隙に配置する窓部８３４の数をできるだけ少なくするとよい。特に、当該間隙に窓部８３４を配置しない構成が好ましい。
例えば、大気中に置かれた検知素子Ｃａの第１の電極８２１または第２の電極８２２に、大気と異なる誘電率を有するものが近づくと、検知素子Ｃａの容量が変化する。具体的には、指などのものが検知素子Ｃａに近づくと、検知素子Ｃａの容量が変化する。これにより、近接検知器に用いることができる。
第１の電極８２１および第２の電極８２２は、導電性の材料を含む。
例えば、無機導電性材料、有機導電性材料、金属または導電性セラミックスなどを第１の電極８２１および第２の電極８２２に用いることができる。
具体的には、第１の電極８２１及び第２の電極８２２として、アルミニウム、クロム、銅、タンタル、チタン、モリブデン、タングステン、ニッケル、銀またはマンガンから選ばれた金属元素、上述した金属元素を成分とする合金または上述した金属元素を組み合わせた合金などを用いることができる。
または、第１の電極８２１及び第２の電極８２２として、酸化インジウム、インジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化亜鉛、ガリウムを添加した酸化亜鉛などの導電性酸化物を用いることができる。
または、第１の電極８２１及び第２の電極８２２として、グラフェンまたはグラファイトを用いることができる。グラフェンを含む膜は、例えば膜状に形成された酸化グラフェンを含む膜を還元して形成することができる。還元する方法としては、熱を加える方法や還元剤を用いる方法等を挙げることができる。
または、第１の電極８２１及び第２の電極８２２として、導電性高分子を用いることができる。
検知回路８３９は例えばトランジスタＭ１乃至トランジスタＭ３を含む。また、検知回路８３９は電源電位および信号を供給する配線を含む。例えば、信号線ＤＬ、配線ＶＰＩ、配線ＣＳ、走査線Ｇ１、配線ＲＥＳ、および配線ＶＲＥＳなどを含む。
なお、検知回路８３９を窓部８３４と重ならない領域に配置してもよい。
導電性を有する材料を配線（例えば、信号線ＤＬ、配線ＶＰＩ、配線ＣＳ、走査線Ｇ１、配線ＲＥＳ、および配線ＶＲＥＳなど）に適用できる。例えば、無機導電性材料、有機導電性材料、金属または導電性セラミックスなどを配線に用いることができる。または、第１の電極８２１および第２の電極８２２に用いることができる材料と同一の材料を配線として適用してもよい。
また、アルミニウム、金、白金、銀、ニッケル、チタン、タングステン、クロム、モリブデン、鉄、コバルト、銅、又はパラジウム等の金属材料や、該金属材料を含む合金材料を走査線Ｇ１、信号線ＤＬ、配線ＶＰＩ、配線ＲＥＳおよび配線ＶＲＥＳに用いることができる。
また、第１の基材８３６に検知回路８３９を形成してもよい。または、他の基材に形成された検知回路８３９を第１の基材８３６に転置してもよい。
第１の基材８３６及び第２の基材８１０としては、ガラス基板、または可撓性の材料（例えば、樹脂、樹脂フィルムまたはプラスチックフィルム等）を用いることができる。
より具体的には、第１の基材８３６及び第２の基材８１０としては、無アルカリガラス、ソーダ石灰ガラス、カリガラス若しくはクリスタルガラス等を用いることができる。または、第１の基材８３６としては、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド、ポリイミド、ポリカーボネート若しくはアクリル樹脂等の樹脂フィルムまたは樹脂板を用いることができる。
保護基材８３７または／および保護層８３７ｐとしては、例えば、ガラス、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド、ポリイミド、ポリカーボネート若しくはアクリル樹脂等の樹脂フィルム、樹脂板または積層体等を用いることができる。
保護層８３７ｐとしては、例えば、ハードコート層またはセラミックコート層を用いることができる。具体的には、ＵＶ硬化樹脂または酸化アルミニウムを含む層を第２の電極８２２に重なる位置に形成してもよい。
表示モジュール８０１は、マトリクス状に配置された複数の画素８０２を備える（図３０（Ｃ）参照）。
例えば、画素８０２は副画素８０２Ｂ、副画素８０２Ｇおよび副画素８０２Ｒを含み、それぞれの副画素は表示素子と表示素子を駆動する画素回路を備える。
なお、画素８０２の副画素８０２Ｂは着色層ＣＦＢと重なる位置に配置され、副画素８０２Ｇは着色層ＣＦＧと重なる位置に配置され、副画素８０２Ｒは着色層ＣＦＲと重なる位置に配置される。
着色層ＣＦＲは液晶素子８８０と重なる位置にある。なお、液晶素子８８０は、一方の電極として反射電極８７２を有する（図３１参照）。これにより、反射電極８７２で反射された外光の一部は着色層ＣＦＲを透過して、図中に示す矢印の方向に射出される。反射電極８７２としては、先の実施の形態に示す反射電極として機能する導電膜７７２と同様の構成とすることができる。また、液晶素子８８０は、誘電率の異方性が２以上３．８以下である液晶層を有する。
また、着色層（例えば着色層ＣＦＲ）を囲むように遮光性の層ＢＭがある。
走査線駆動回路８０３ｇは、トランジスタ８０３ｔおよび容量８０３ｃを含む（図３１参照）。
検知ユニット８２０Ｕが供給する検知信号ＤＡＴＡを変換してフレキシブル基板ＦＰＣ１に供給することができるさまざまな回路を、変換器ＣＯＮＶに用いることができる（図３０（Ａ）および図３１参照）。
例えば、トランジスタＭ４を変換器ＣＯＮＶに用いることができる。
表示モジュール８０１は、反射防止層８６７ｐを画素に重なる位置に備える。反射防止層８６７ｐとして、例えば円偏光板を用いることができる。
図３０（Ａ）に示すように、表示モジュール８０１は、信号を供給することができる配線８１１を備え、端子８１９が配線８１１に設けられている。なお、画像信号および同期信号等の信号を供給することができるフレキシブル基板ＦＰＣ２が端子８１９に電気的に接続されている。
なお、フレキシブル基板ＦＰＣ２にはプリント配線基板（ＰＷＢ）が取り付けられていても良い。
表示モジュール８０１は、走査線、信号線および電源線等の配線を有する。様々な導電膜を配線に用いることができる。
表示モジュール８０１が有する配線としては、例えば、アルミニウム、クロム、銅、タンタル、チタン、モリブデン、タングステン、ニッケル、イットリウム、ジルコニウム、銀またはマンガンから選ばれた金属元素、上述した金属元素を成分とする合金または上述した金属元素を組み合わせた合金等を用いることができる。とくに、アルミニウム、クロム、銅、タンタル、チタン、モリブデン、タングステンの中から選択される一以上の元素を含むと好ましい。特に、銅とマンガンの合金がウエットエッチング法を用いた微細加工に好適である。
表示モジュール８０１が有する配線の具体的な構成としては、アルミニウム膜上にチタン膜を積層する二層構造、窒化チタン膜上にチタン膜を積層する二層構造、窒化チタン膜上にタングステン膜を積層する二層構造、窒化タンタル膜または窒化タングステン膜上にタングステン膜を積層する二層構造、チタン膜と、そのチタン膜上にアルミニウム膜を積層し、さらにその上にチタン膜を形成する三層構造等を用いることができる。または、アルミニウム膜上にチタン、タンタル、タングステン、モリブデン、クロム、ネオジム、スカンジウムから選ばれた一または複数組み合わせた合金膜、もしくは窒化膜を積層する積層構造を用いることができる。または、酸化インジウム、酸化錫または酸化亜鉛を含む透光性を有する導電材料を用いてもよい。
（実施の形態１０）
本実施の形態では、上記実施の形態で説明した液晶表示装置を用いて作製される電子機器の具体例について、図３２を用いて説明する。
本発明を適用可能な電子機器の一例として、テレビジョン装置（テレビ、またはテレビジョン受信機ともいう）、コンピュータ用などのモニタ、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、デジタルフォトフレーム、携帯電話機、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、音楽再生装置、遊技機（パチンコ機、スロットマシン等）、ゲーム筐体が挙げられる。これらの電子機器の具体例を図３２に示す。
図３２（Ａ）は、表示部を有する携帯情報端末１４００を示している。携帯情報端末１４００は、筐体１４０１に表示部１４０２及び操作ボタン１４０３が組み込まれている。本発明の一態様の液晶表示装置は、表示部１４０２に用いることができる。
図３２（Ｂ）は、携帯電話機１４１０を示している。携帯電話機１４１０は、筐体１４１１に表示部１４１２、操作ボタン１４１３、スピーカー１４１４、及びマイク１４１５が組み込まれている。本発明の一態様の液晶表示装置は、表示部１４１２に用いることができる。
図３２（Ｃ）は、音楽再生装置１４２０を示している。音楽再生装置１４２０は、筐体１４２１に表示部１４２２、操作ボタン１４２３、アンテナ１４２４が組み込まれている。またアンテナ１４２４からは、無線信号により情報を送受信することができる。本発明の一態様の液晶表示装置は、表示部１４２２に用いることができる。
表示部１４０２、表示部１４１２及び表示部１４２２は、タッチ入力機能を有しており、表示部１４０２、表示部１４１２及び表示部１４２２に表示された表示ボタン（図示せず）を指などで触れることで、画面操作や、情報を入力することができる。
先の実施の形態に示した液晶表示装置を表示部１４０２、表示部１４１２及び表示部１４２２に用いることで、表示品位の向上が図られた表示部１４０２、表示部１４１２及び表示部１４２２とすることができる。
（本明細書等の記載に関する付記）
以上の実施の形態、及び実施の形態における各構成の説明について、以下に付記する。
＜実施の形態で述べた本発明の一態様に関する付記＞
各実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜組み合わせて、本発明の一態様とすることができる。また、１つの実施の形態の中に、複数の構成例が示される場合は、互い構成例を適宜組み合わせることが可能である。
なお、ある一つの実施の形態の中で述べる内容（一部の内容でもよい）は、その実施の形態で述べる別の内容（一部の内容でもよい）、及び／又は、一つ若しくは複数の別の実施の形態で述べる内容（一部の内容でもよい）に対して、適用、組み合わせ、又は置き換えなどを行うことが出来る。
なお、実施の形態の中で述べる内容とは、各々の実施の形態において、様々な図を用いて述べる内容、又は明細書に記載される文章を用いて述べる内容のことである。
なお、ある一つの実施の形態において述べる図（一部でもよい）は、その図の別の部分、その実施の形態において述べる別の図（一部でもよい）、及び／又は、一つ若しくは複数の別の実施の形態において述べる図（一部でもよい）に対して、組み合わせることにより、さらに多くの図を構成させることが出来る。
また、各実施の形態において本発明の一態様を説明したが、本発明の一態様はこれらに限定されない。例えば、本発明の一態様として、実施の形態１、２では、第１の動作と第２の動作という２つの動作を切り替えて走査方向の切り替えを行う構成について説明したが、本発明の一態様はこれに限定されない。状況に応じて、例えば一方方向に走査する構成としてもよい。また例えば、本発明の一態様として実施の形態４では、回路１００をシフトレジスタに適用する場合の例を示したが、本発明の一態様は、これに限定されない。状況に応じて、例えば回路１００は、様々な回路に適用して本発明の一態様としてもよい。
＜図面を説明する記載に関する付記＞
本明細書等において、「上に」、「下に」などの配置を示す語句は、構成同士の位置関係を、図面を参照して説明するために、便宜上用いている。構成同士の位置関係は、各構成を描写する方向に応じて適宜変化する。そのため、配置を示す語句は、明細書で説明した記載に限定されず、状況に応じて適切に言い換えることができる。
また、「上」や「下」の用語は、構成要素の位置関係が直上または直下で、かつ、直接接していることを限定するものではない。例えば、「絶縁層Ａ上の電極Ｂ」の表現であれば、絶縁層Ａの上に電極Ｂが直接接して形成されている必要はなく、絶縁層Ａと電極Ｂとの間に他の構成要素を含むものを除外しない。
また本明細書等において、ブロック図では、構成要素を機能毎に分類し、互いに独立したブロックとして示している。しかしながら実際の回路等においては、構成要素を機能毎に切り分けることが難しく、一つの回路に複数の機能が係わる場合や、複数の回路にわたって一つの機能が関わる場合があり得る。そのため、ブロック図のブロックは、明細書で説明した構成要素に限定されない。
また、図面において、大きさ、層の厚さ、又は領域は、説明の便宜上任意の大きさに示したものである。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。なお図面は明確性を期すために模式的に示したものであり、図面に示す形状又は値などに限定されない。例えば、ノイズによる信号、電圧、若しくは電流のばらつき、又は、タイミングのずれによる信号、電圧、若しくは電流のばらつきなどを含むことが可能である。
また、図面において、上面図（平面図、レイアウト図ともいう）や斜視図などにおいて、図面の明確性を期すために、一部の構成要素の記載を省略している場合がある。
＜言い換え可能な記載に関する付記＞
本明細書等において、トランジスタの接続関係を説明する際、ソースとドレインとの一方を、「ソース又はドレインの一方」（又は第１電極、又は第１端子）と表記し、ソースとドレインとの他方を「ソース又はドレインの他方」（又は第２電極、又は第２端子）と表記している。これは、トランジスタのソースとドレインは、トランジスタの構造又は動作条件等によって変わるためである。なおトランジスタのソースとドレインの呼称については、ソース（ドレイン）端子や、ソース（ドレイン）電極等、状況に応じて適切に言い換えることができる。
また、本明細書等において「電極」や「配線」の用語は、これらの構成要素を機能的に限定するものではない。例えば、「電極」は「配線」の一部として用いられることがあり、その逆もまた同様である。さらに、「電極」や「配線」の用語は、複数の「電極」や「配線」が一体となって形成されている場合なども含む。
また、本明細書等において、電圧と電位は、適宜言い換えることができる。電圧は、基準となる電位からの電位差のことであり、例えば基準となる電位をグラウンド電位（接地電位）とすると、電圧を電位に言い換えることができる。グラウンド電位は必ずしも０Ｖを意味するとは限らない。なお電位は相対的なものであり、基準となる電位によっては、配線等に与える電位を変化させる場合がある。
なお本明細書等において、「膜」、「層」などの語句は、場合によっては、または、状況に応じて、互いに入れ替えることが可能である。例えば、「導電層」という用語を、「導電膜」という用語に変更することが可能な場合がある。または、例えば、「絶縁膜」という用語を、「絶縁層」という用語に変更することが可能な場合がある。
＜語句の定義に関する付記＞
以下では、上記実施の形態中で言及したかった語句の定義について説明する。
＜＜スイッチについて＞＞
本明細書等において、スイッチとは、導通状態（オン状態）、または、非導通状態（オフ状態）になり、電流を流すか流さないかを制御する機能を有するものをいう。または、スイッチとは、電流を流す経路を選択して切り替える機能を有するものをいう。
一例としては、電気的スイッチ又は機械的なスイッチなどを用いることができる。つまり、スイッチは、電流を制御できるものであればよく、特定のものに限定されない。
電気的なスイッチの一例としては、トランジスタ（例えば、バイポーラトランジスタ、ＭＯＳトランジスタなど）、ダイオード（例えば、ＰＮダイオード、ＰＩＮダイオード、ショットキーダイオード、ＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ Ｍｅｔａｌ）ダイオード、ＭＩＳ（Ｍｅｔａｌ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）ダイオード、ダイオード接続のトランジスタなど）、又はこれらを組み合わせた論理回路などがある。
なお、スイッチとしてトランジスタを用いる場合、トランジスタの「導通状態」とは、トランジスタのソースとドレインが電気的に短絡されているとみなせる状態をいう。また、トランジスタの「非導通状態」とは、トランジスタのソースとドレインが電気的に遮断されているとみなせる状態をいう。なおトランジスタを単なるスイッチとして動作させる場合には、トランジスタの極性（導電型）は特に限定されない。
機械的なスイッチの一例としては、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）のように、ＭＥＭＳ（マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム）技術を用いたスイッチがある。そのスイッチは、機械的に動かすことが可能な電極を有し、その電極が動くことによって、導通と非導通とを制御して動作する。
＜＜チャネル長について＞＞
本明細書等において、チャネル長とは、例えば、トランジスタの上面図において、半導体（またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分）とゲートとが重なる領域、またはチャネルが形成される領域における、ソースとドレインとの間の距離をいう。
なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル長が全ての領域で同じ値をとるとは限らない。即ち、一つのトランジスタのチャネル長は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では、チャネル長は、チャネルの形成される領域における、いずれか一の値、最大値、最小値または平均値とする。
＜＜チャネル幅について＞＞
本明細書等において、チャネル幅とは、例えば、半導体（またはトランジスタがオン状態のときに半導体の中で電流の流れる部分）とゲート電極とが重なる領域、またはチャネルが形成される領域における、ソースとドレインとが向かい合っている部分の長さをいう。
なお、一つのトランジスタにおいて、チャネル幅がすべての領域で同じ値をとるとは限らない。即ち、一つのトランジスタのチャネル幅は、一つの値に定まらない場合がある。そのため、本明細書では、チャネル幅は、チャネルの形成される領域における、いずれか一の値、最大値、最小値または平均値とする。
なお、トランジスタの構造によっては、実際にチャネルの形成される領域におけるチャネル幅（以下、実効的なチャネル幅と呼ぶ。）と、トランジスタの上面図において示されるチャネル幅（以下、見かけ上のチャネル幅と呼ぶ。）と、が異なる場合がある。例えば、立体的な構造を有するトランジスタでは、実効的なチャネル幅が、トランジスタの上面図において示される見かけ上のチャネル幅よりも大きくなり、その影響が無視できなくなる場合がある。例えば、微細かつ立体的な構造を有するトランジスタでは、半導体の上面に形成されるチャネル領域の割合に対して、半導体の側面に形成されるチャネル領域の割合が大きくなる場合がある。その場合は、上面図において示される見かけ上のチャネル幅よりも、実際にチャネルの形成される実効的なチャネル幅の方が大きくなる。
ところで、立体的な構造を有するトランジスタにおいては、実効的なチャネル幅の、実測による見積もりが困難となる場合がある。例えば、設計値から実効的なチャネル幅を見積もるためには、半導体の形状が既知という仮定が必要である。したがって、半導体の形状が正確にわからない場合には、実効的なチャネル幅を正確に測定することは困難である。
そこで、本明細書では、トランジスタの上面図において、半導体とゲート電極とが重なる領域における、ソースとドレインとが向かい合っている部分の長さである見かけ上のチャネル幅を、「囲い込みチャネル幅（ＳＣＷ：Ｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄ Ｃｈａｎｎｅｌ Ｗｉｄｔｈ）」と呼ぶ場合がある。また、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、囲い込みチャネル幅または見かけ上のチャネル幅を指す場合がある。または、本明細書では、単にチャネル幅と記載した場合には、実効的なチャネル幅を指す場合がある。なお、チャネル長、チャネル幅、実効的なチャネル幅、見かけ上のチャネル幅、囲い込みチャネル幅などは、断面ＴＥＭ像などを取得して、その画像を解析することなどによって、値を決定することができる。
なお、トランジスタの電界効果移動度や、チャネル幅当たりの電流値などを計算して求める場合、囲い込みチャネル幅を用いて計算する場合がある。その場合には、実効的なチャネル幅を用いて計算する場合とは異なる値をとる場合がある。
＜＜画素について＞＞
本明細書等において、画素とは、例えば、明るさを制御できる要素一つ分を示すものとする。よって、一例としては、一画素とは、一つの色要素を示すものとし、その色要素一つで明るさを表現する。従って、そのときは、Ｒ（赤）Ｇ（緑）Ｂ（青）の色要素からなるカラー表示装置の場合には、画像の最小単位は、Ｒの画素とＧの画素とＢの画素との三画素から構成されるものとする。
なお、色要素は、三色に限定されず、それ以上でもよく、例えば、ＲＧＢＷ（Ｗは白）や、ＲＧＢに、イエロー、シアン、マゼンタを追加したものなどがある。
＜＜接続について＞＞
本明細書等において、ＡとＢとが接続されている、とは、ＡとＢとが直接接続されているものの他、電気的に接続されているものを含むものとする。ここで、ＡとＢとが電気的に接続されているとは、ＡとＢとの間で、何らかの電気的作用を有する対象物が存在するとき、ＡとＢとの電気信号の授受を可能とするものをいう。
なお、例えば、トランジスタのソース（又は第１の端子など）が、Ｚ１を介して（又は介さず）、Ｘと電気的に接続され、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）が、Ｚ２を介して（又は介さず）、Ｙと電気的に接続されている場合や、トランジスタのソース（又は第１の端子など）が、Ｚ１の一部と直接的に接続され、Ｚ１の別の一部がＸと直接的に接続され、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）が、Ｚ２の一部と直接的に接続され、Ｚ２の別の一部がＹと直接的に接続されている場合では、以下のように表現することが出来る。
例えば、「ＸとＹとトランジスタのソース（又は第１の端子など）とドレイン（又は第２の端子など）とは、互いに電気的に接続されており、Ｘ、トランジスタのソース（又は第１の端子など）、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）、Ｙの順序で電気的に接続されている。」と表現することができる。または、「トランジスタのソース（又は第１の端子など）は、Ｘと電気的に接続され、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）はＹと電気的に接続され、Ｘ、トランジスタのソース（又は第１の端子など）、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）、Ｙは、この順序で電気的に接続されている」と表現することができる。または、「Ｘは、トランジスタのソース（又は第１の端子など）とドレイン（又は第２の端子など）とを介して、Ｙと電気的に接続され、Ｘ、トランジスタのソース（又は第１の端子など）、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）、Ｙは、この接続順序で設けられている」と表現することができる。これらの例と同様な表現方法を用いて、回路構成における接続の順序について規定することにより、トランジスタのソース（又は第１の端子など）と、ドレイン（又は第２の端子など）とを、区別して、技術的範囲を決定することができる。
または、別の表現方法として、例えば、「トランジスタのソース（又は第１の端子など）は、少なくとも第１の接続経路を介して、Ｘと電気的に接続され、前記第１の接続経路は、第２の接続経路を有しておらず、前記第２の接続経路は、トランジスタを介した、トランジスタのソース（又は第１の端子など）とトランジスタのドレイン（又は第２の端子など）との間の経路であり、前記第１の接続経路は、Ｚ１を介した経路であり、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）は、少なくとも第３の接続経路を介して、Ｙと電気的に接続され、前記第３の接続経路は、前記第２の接続経路を有しておらず、前記第３の接続経路は、Ｚ２を介した経路である。」と表現することができる。または、「トランジスタのソース（又は第１の端子など）は、少なくとも第１の接続経路によって、Ｚ１を介して、Ｘと電気的に接続され、前記第１の接続経路は、第２の接続経路を有しておらず、前記第２の接続経路は、トランジスタを介した接続経路を有し、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）は、少なくとも第３の接続経路によって、Ｚ２を介して、Ｙと電気的に接続され、前記第３の接続経路は、前記第２の接続経路を有していない。」と表現することができる。または、「トランジスタのソース（又は第１の端子など）は、少なくとも第１の電気的パスによって、Ｚ１を介して、Ｘと電気的に接続され、前記第１の電気的パスは、第２の電気的パスを有しておらず、前記第２の電気的パスは、トランジスタのソース（又は第１の端子など）からトランジスタのドレイン（又は第２の端子など）への電気的パスであり、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）は、少なくとも第３の電気的パスによって、Ｚ２を介して、Ｙと電気的に接続され、前記第３の電気的パスは、第４の電気的パスを有しておらず、前記第４の電気的パスは、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）からトランジスタのソース（又は第１の端子など）への電気的パスである。」と表現することができる。これらの例と同様な表現方法を用いて、回路構成における接続経路について規定することにより、トランジスタのソース（又は第１の端子など）と、ドレイン（又は第２の端子など）とを、区別して、技術的範囲を決定することができる。
なお、これらの表現方法は、一例であり、これらの表現方法に限定されない。ここで、Ｘ、Ｙ、Ｚ１、Ｚ２は、対象物（例えば、装置、素子、回路、配線、電極、端子、導電膜、層、など）であるとする。
ＣＫ１ 信号
ＣＫ２ 信号
ＣＫ３ 信号
ＯＵＴ［ｉ］ 出力信号
ＯＵＴ［ｉ＋１］ 出力信号
ＯＵＴ［ｉ＋２］ 出力信号
Ｇ１ 走査線
Ｍ１ トランジスタ
Ｍ３ トランジスタ
Ｍ４ トランジスタ
ＮＤ１ ノード
ＮＤ２ ノード
ＮＤ３ ノード
ｔ１ 期間
ｔ２ 期間
ｔ３ 期間
ｔ４ 期間
ｔ５ 期間
ｔ６ 期間
Ｔ１ 期間
Ｔ２ 期間
Ｔ３ 期間
Ｔ４ 期間
Ｔ５ 期間
Ｔ６ 期間
ＳＬ 配線
ＯＵＴ 配線
ＳＥＬ１ 信号
ＳＥＬ２ 信号
ＲＥＳ 配線
ＶＰＩ 配線
ＶＲＥＳ 配線
ＤＬ 信号線
ＣＳ 配線
ＤＡＴＡ 検知信号
ＦＰＣ１ フレキシブル基板
ＦＰＣ２ フレキシブル基板
１００ 回路
１０１ トランジスタ
１０２ トランジスタ
１０２Ａ スイッチ
１０３ トランジスタ
１０３Ａ スイッチ
１０４ トランジスタ
１０５ トランジスタ
１０５Ａ スイッチ
１０６ トランジスタ
１０７ トランジスタ
１０８ トランジスタ
１０９ トランジスタ
１１０ 容量素子
１１１ トランジスタ
１１２ トランジスタ
１１３ トランジスタ
１１４ 容量素子
１３０ 画素部
１３１ 画素
１３２ トランジスタ
１３３ 液晶素子
１３４ 容量素子
１３５ トランジスタ
１３６ トランジスタ
１３７ ＥＬ素子
１５１ 配線
１５２ 配線
１５３ 配線
１５４ 配線
１５４Ａ 配線
１５５ 配線
１５６ 配線
１５７ 配線
１５８ 配線
１５９ 配線
１６０ 配線
１６１ 配線
１６２ 配線
１６３ 配線
２００ シフトレジスタ
２０１ 回路
２１１ 配線
２１２ 配線
２１３ 配線
２１４ 配線
２１５ 配線
２１６ 配線
２１７ 配線
２１８ 配線
３００ 回路
３０１ 回路
４０１ 第１の配線
４０２ 第２の配線
４０３ 半導体層
４０４ 開口部
６００ トランジスタ
６０１ 基板
６０２ ゲート電極
６０３ 絶縁層
６０４ 酸化物半導体層
６０４ａ チャネル領域
６０４ｂ ｎ型領域
６０４ｃ ｎ型領域
６０５ａ 電極
６０５ｂ 電極
６０６ 絶縁層
６０７ 絶縁層
６１０ トランジスタ
６１４ 酸化物半導体層
６１４ａ 酸化物半導体層
６１４ｂ 酸化物半導体層
６２０ トランジスタ
６２４ 酸化物半導体層
６２４ａ 酸化物半導体層
６２４ｂ 酸化物半導体層
６２４ｃ 酸化物半導体層
６５０ トランジスタ
６５１ 絶縁層
６５２ 絶縁層
６５４ 絶縁層
６５６ 絶縁層
６６０ トランジスタ
６６４ 酸化物半導体層
６６４ａ 酸化物半導体層
６６４ｂ 酸化物半導体層
６６４ｃ 酸化物半導体層
６７０ トランジスタ
７００ 表示モジュール
７０１ 基板
７０２ 画素部
７０４ ソースドライバ回路部
７０５ 基板
７０６ ゲートドライバ回路部
７０８ ＦＰＣ端子部
７１０ 信号線
７１１ 配線部
７１２ シール材
７１６ ＦＰＣ
７３４ 絶縁膜
７３６ 着色膜
７３８ 遮光膜
７５０ トランジスタ
７５２ トランジスタ
７６０ 接続電極
７６４ 絶縁膜
７６６ 絶縁膜
７６８ 絶縁膜
７７０ 平坦化絶縁膜
７７２ 導電膜
７７４ 導電膜
７７５ 液晶素子
７７６ 液晶層
７７８ 構造体
７８０ 異方性導電膜
７９０ 容量素子
８００ 入出力装置
８０１ 表示モジュール
８０２ 画素
８０２Ｂ 副画素
８０２Ｇ 副画素
８０２Ｒ 副画素
８０３ｃ 容量
８０３ｇ 走査線駆動回路
８０３ｔ トランジスタ
８１０ 基材
８１１ 配線
８１７ 保護基材
８１９ 端子
８２０Ｕ 検知ユニット
８２１ 電極
８２２ 電極
８２３ 絶縁層
８３４ 窓部
８３６ 基材
８３７ 保護基材
８３７ｐ 保護層
８３９ 検知回路
８５０ 入力装置
８６７ｐ 反射防止層
８７２ 反射電極
８８０ 液晶素子
１１３５ トランジスタ
１４００ 携帯情報端末
１４０１ 筐体
１４０２ 表示部
１４０３ 操作ボタン
１４１０ 携帯電話機
１４１１ 筐体
１４１２ 表示部
１４１３ 操作ボタン
１４１４ スピーカー
１４１５ マイク
１４２０ 音楽再生装置
１４２１ 筐体
１４２２ 表示部
１４２３ 操作ボタン
１４２４ アンテナ

Claims (12)

  1. 第１乃至第９のトランジスタを有し、
    前記第１のトランジスタのソース又はドレインの一方は、第２のトランジスタのソース又はドレインの一方と電気的に接続され、
    前記第１のトランジスタのソース又はドレインの他方は、第１の配線と電気的に接続され、
    前記第２のトランジスタのソース又はドレインの一方は、第２の配線と電気的に接続され、
    前記第２のトランジスタのソース又はドレインの他方は、第３の配線と電気的に接続され、
    前記第３のトランジスタのソース又はドレインの一方は、前記第１のトランジスタのゲートと電気的に接続され、
    前記第３のトランジスタのソース又はドレインの他方は、前記第３の配線と電気的に接続され、
    前記第４のトランジスタのソース又はドレインの一方は、前記第２のトランジスタのゲート又は第３のトランジスタのゲートと電気的に接続され、
    前記第４のトランジスタのソース又はドレインの他方は、第４の配線と電気的に接続され、
    前記第５のトランジスタのソース又はドレインの一方は、前記第４のトランジスタのソース又はドレインの一方と電気的に接続され、
    前記第５のトランジスタのソース又はドレインの他方は、前記第３の配線と電気的に接続され、
    前記第５のトランジスタのゲートは、前記第１のトランジスタのゲートと電気的に接続され、
    前記第６のトランジスタのソース又はドレインの一方は、前記第４のトランジスタのゲートと電気的に接続され、
    前記第６のトランジスタのソース又はドレインの他方は、第５の配線と電気的に接続され、
    前記第６のトランジスタのゲートは、第６の配線と電気的に接続され、
    前記第７のトランジスタのソース又はドレインの一方は、前記第４のトランジスタのゲートと電気的に接続され、
    前記第７のトランジスタのソース又はドレインの他方は、第７の配線と電気的に接続され、
    前記第７のトランジスタのゲートは、第８の配線と電気的に接続され、
    前記第８のトランジスタのソース又はドレインの一方は、前記第１のトランジスタのゲートと電気的に接続され、
    前記第８のトランジスタのソース又はドレインの他方は、前記第５の配線と電気的に接続され、
    前記第８のトランジスタのゲートは、第９の配線と電気的に接続され、
    前記第９のトランジスタのソース又はドレインの一方は、前記第１のトランジスタのゲートと電気的に接続され、
    前記第９のトランジスタのソース又はドレインの他方は、前記第７の配線と電気的に接続され、
    前記第９のトランジスタのゲートは、第１０の配線と電気的に接続され、
    前記第５の配線は、第１の動作時において、第１の電位又は第２の電位のいずれか一方を伝え、第２の動作時において、第１の電位又は第２の電位のいずれか他方を伝えることができる機能を有し、
    前記第７の配線は、第１の動作時において、第１の電位又は第２の電位のいずれか他方を伝え、第２の動作時において、第１の電位又は第２の電位のいずれか一方を伝えることができる機能を有することを特徴とする半導体装置。
  2. 請求項１において、
    前記第１の配線は、第１のクロック信号を伝えることができる機能を有し、
    前記第６の配線は、第２のクロック信号を伝えることができる機能を有し、
    前記第８の配線は、第３のクロック信号を伝えることができる機能を有することを特徴とする半導体装置。
  3. 請求項１又は２において、
    前記第２の配線は、出力信号を伝えることができる機能を有し、
    前記第１０の配線は、前段の出力信号を伝えることができる機能を有し、
    前記第９の配線は、後段の出力信号を伝えることができる機能を有することを特徴とする半導体装置。
  4. 請求項１乃至３のいずれか一において、
    前記第４の配線は、前記第１の電位を伝えることができる機能を有し、
    前記第３の配線は、前記第２の電位を伝えることができる機能を有することを特徴とする半導体装置。
  5. 請求項１乃至４のいずれか一において、
    第１の容量素子を有し、
    前記第１の容量素子の一方の電極は、前記第１のトランジスタのソース又はドレインの一方に電気的に接続され、
    前記第１の容量素子の他方の電極は、前記第１のトランジスタのゲートに電気的に接続されることを特徴とする半導体装置。
  6. 請求項１乃至５のいずれか一において、
    第２の容量素子を有し、
    前記第２の容量素子の一方の電極は、前記第４のトランジスタのソース又はドレインの一方に電気的に接続され、
    前記第２の容量素子の他方の電極は、前記第４のトランジスタのゲートに電気的に接続されることを特徴とする半導体装置。
  7. 請求項１乃至６のいずれか一において、
    前記第１のトランジスタのＷ（Ｗはチャネル幅）／Ｌ（Ｌはチャネル長）は、前記第２乃至９のトランジスタのＷ／Ｌより大きいことを特徴とする半導体装置。
  8. 請求項１乃至７のいずれか一において、
    前記第６のトランジスタのＷ（Ｗはチャネル幅）／Ｌ（Ｌはチャネル長）は、前記第７のトランジスタのＷ／Ｌの０．８倍以上且つ１．２倍以下であることを特徴とする半導体装置。
  9. 請求項１乃至８のいずれか一において、
    前記第８のトランジスタのＷ（Ｗはチャネル幅）／Ｌ（Ｌはチャネル長）は、前記第９のトランジスタのＷ／Ｌの０．８倍以上且つ１．２倍以下であることを特徴とする半導体装置。
  10. 請求項１乃至９のいずれか一において、
    前記第１乃至第９のトランジスタは、チャネル形成領域に酸化物半導体を有することを特徴とする半導体装置。
  11. 請求項１乃至１０のいずれか一に記載の半導体装置と、
    ＦＰＣと、
    を有する表示モジュール。
  12. 請求項１乃至１０のいずれか一に記載の半導体装置、又は請求項１１に記載の表示モジュールと、
    スピーカー、操作ボタン、及び／又はアンテナと、
    を有する電子機器。
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