JP2016115712A

JP2016115712A - 接触型２次元イメージセンサ

Info

Publication number: JP2016115712A
Application number: JP2014251009A
Authority: JP
Inventors: 白嵜　友之; Tomoyuki Shirasaki; 友之白嵜; 徳子森川; Noriko Morikawa
Original assignee: Toppan Printing Co Ltd
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2014-12-11
Filing date: 2014-12-11
Publication date: 2016-06-23
Also published as: WO2016092838A1

Abstract

【課題】検出面上に凸部を持たない透明センスボトムゲート型ＤＧ−ＴＦＴを用いた接触型２次元イメージセンサを提供すること。【解決手段】絶縁基板上に形成された光透過性ボトムゲート電極の上に、センスゲート絶縁膜を介してトップゲート型ＴＦＴが形成されている。検出光は絶縁基板と光透過性センスボトムゲート電極を介してトップゲート型ＴＦＴに取り込まれる。絶縁基板２３上に、透明センスボトムゲート型ＤＧ−ＴＦＴフォトセンサからなるＴＦＴフォトセンサアレイ２４を形成し、絶縁基板２３上のＴＦＴ形成面側にＦＰＣ２１、ドライバＬＳＩ２２を実装する。ＴＦＴフォトセンサアレイ２４上に保護膜２５を形成し、その上にバックライト２６を設置する。絶縁基板２３上のＴＦＴ形成面と対向する裏面を検出面とするため、ＴＦＴフォトセンサアレイ２４より大きな検出物２７に対しても良好な密着性を実現する事ができる。【選択図】図２

Description

本発明は、センサ機能と選択（読み出し）トランジスタの機能を兼ね備えたダブルゲート型薄膜トランジスタ（ＤＧ−ＴＦＴ）フォトセンサを用いた、接触型２次元イメージセンサに関する。

現在、イメージセンサには、検出物とセンサとの間に距離があり、検出物の像をセンサ上に結像させるための光学系を必要とする非接触型イメージセンサと、検出物をセンサに密着させる接触型イメージセンサとがある。接触型イメージセンサとしては、ＴＦＴフォトセンサを用いたＴＦＴ駆動イメージセンサがあり、指紋センサ等に利用されている。

図５に、従来のセンサ機能と選択機能を持つフォトセンサの等価回路を示す。このフォトセンサは、ダブルゲートＴＦＴフォトセンサ（ＤＧ−ＴＦＴフォトセンサ）と呼ばれるものであり、逆スタガー型薄膜トランジスタ（ボトムトランジスタ）とコプラナー型薄膜トランジスタ（トップトランジスタ）とを半導体層を単一層にして組み合わせたものである（特許文献１参照）。ＤＧ−ＴＦＴフォトセンサは、ボトムゲートである選択（読出し）ゲートＧｒに印加する電圧と、トップゲートであるセンス（蓄積）ゲートＧｓに印加する電圧を制御することにより、選択状態と非選択状態およびセンス状態とリセット状態とを制御することができる。このようにフォトセンサにフォトセンサ機能と選択機能とを持たせることにより、それまでフォトセンサ毎にフォトセンサとは別個に必要だった選択トランジスタを無くしてセンササイズを小さくすることができ、フォトセンサを高密度に実装することを可能にしている。

図６（ａ）に、透明センストップゲート型ＤＧ−ＴＦＴフォトセンサを用いた２次元イメージセンサの画素回路を示し、図６（ｂ）に、フォトダイオードをセンサとして用いたＴＦＴ２次元イメージセンサの画素回路を示す。

図６（ａ）のＤＧ−ＴＦＴフォトセンサの画素回路は、透明センストップゲート型ＤＧ−ＴＦＴ６１、制御線であるＤａｔａライン６２−１、選択ライン６２−２、蓄積ライン６２−３、および保持容量６３から構成される。一方、図６（ｂ）のフォトダイオードセンサの画素回路は、フォトダイオード７１、トランジスタ７２−１〜７２−４、制御線７３−１〜７３−５、保持容量７４から構成される。

このように、ＤＧ−ＴＦＴフォトセンサの画素回路は、フォトダイオードセンサに比べ単純であり高精細化に適している。

図７に、バックライトを光源とする従来の密着型ＴＦＴイメージセンサの概念図を示す。ガラス等の絶縁基板８１上にＴＦＴフォトセンサアレイ８２が形成され、その上に光透過性の保護膜８３が形成されて、絶縁基板８１の裏面にバックライト８４が設置されている。

検出面である保護膜８３の表面に検出物８５を密着させ、バックライト８４でＴＦＴフォトセンサアレイ８２越しに検出物８５に光を照射し、検出物８５からの反射光をＴＦＴフォトセンサアレイ８２で検出する。ＤＧ−ＴＦＴフォトセンサのような単純な画素回路は、バックライト透過率やセンサ面積の確保が容易であり、高感度化が容易である。

図８に、従来のＤＧ−ＴＦＴフォトセンサの構造を示す。絶縁基板９０上に光非透過性選択ボトムゲート電極９１、選択ゲート絶縁膜９２が形成されており、選択ゲート絶縁膜９２上に半導体層９３、エッチングストッパ９４、オーミックコンタクト層９５、ソース・ドレイン電極９６、センスゲート絶縁膜９７が形成されている。さらにセンスゲート絶縁膜９７上にソース・ドレイン電極９６を覆うように光透過性センストップゲート電極９８が形成され、その上に保護膜９９が形成されている。

このようにＤＧ−ＴＦＴフォトセンサは、ボトムゲート型薄膜トランジスタに光透過性のセンストップゲート電極９８を組み合わせた構成を持つ。選択ボトムゲート電極９１で選択（読出し）状態と非選択状態を制御し、センストップゲート電極９８でセンス状態とリセット状態を制御する。検出光は、保護膜９９、透明なトップゲート電極９８、センスゲート絶縁膜９７、エッチングストッパ９４を透過して半導体層９３に照射され、検出される。

図９（ａ）に、従来のＤＧ−ＴＦＴフォトセンサを用いた指紋センサモジュールの構成を示す上面図を示し、図９（ｂ）に、そのＡ−Ａ’断面図を示す。

絶縁基板１０５上にＴＦＴフォトセンサアレイ１０４、保護膜１０３が形成され、保護膜１０３上にはＴＦＴフォトセンサアレイ１０４を外部回路へ接続するフレキシブルプリント配線板（ＦＰＣ）１０１、ＴＦＴフォトセンサアレイ１０４を駆動するドライバＬＳＩ１０２が実装され、ＦＰＣ１０１、ドライバＬＳＩ１０２、ＴＦＴフォトセンサアレイ１０４は電気的に接続されている。絶縁基板１０５の裏面にはバックライト１０６が設置されている。

ＤＧ−ＴＦＴフォトセンサは透明なセンストップゲートを有している為、ＴＦＴフォトセンサアレイ１０４のセンストップゲート電極が形成されている側の、保護膜１０３の表面が検出面となる。

特許第３０１９６５０号公報

しかしながら、従来のＤＧ−ＴＦＴフォトセンサを用いたセンサモジュールにおいて、ＴＦＴフォトセンサアレイ１０４より広い領域をもつ検出物を取り込む際、検出面上のＦＰＣ１０１、ドライバＬＳＩ１０２等の凸部に検出物が乗り上がり、検出物と検出面との密着性が阻害されるという課題がある。

図１０（ａ）、（ｂ）に、図９のＡ−Ａ’断面図においてＴＦＴフォトセンサアレイより広い領域を持つ検出物の取り込み時の状況を示す。図１０（ａ）は硬質な検出物１０７−２の場合を示し、図１０（ｂ）は軟質な検出物１０７−３の場合を示す。いずれの場合も、ドライバＬＳＩ１０２との干渉が検出物１０７−２、１０７−３と保護膜１０３との均質な密着を妨げ、検出像に対して全体的に、又は部分的にボケが生じる。このように、検出物と検出面との距離が検出を行う度毎に検出物の載せ方よって変化する場合、像ボケを完全に補正することは困難である。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、検出面上に凸部を持たない透明センスボトムゲート型ＤＧ−ＴＦＴを用いた接触型２次元イメージセンサを提供することにある。

トップゲート型薄膜トランジスタセンサに、光透過性のセンスボトムゲート電極を加えた構成をもつＤＧ−ＴＦＴフォトセンサを用いた、接触型２次元イメージセンサであり、ＴＦＴフォトセンサアレイが形成された絶縁基板の、ＴＦＴフォトセンサアレイの形成面と対向する裏面を検出面とする。

本発明の接触型ＴＦＴ２次元イメージセンサは、光非透過性のゲート電極をもつトップゲート型薄膜トランジスタに、光透過性のセンスボトムゲート電極を加えたＤＧ−ＴＦＴフォトセンサを用いる。ＴＦＴフォトセンサアレイが形成された絶縁基板のＴＦＴ形成面と対向する裏面を検出面とし、ＦＰＣやドライバＬＳＩをＴＦＴ形成面側に実装することで、検出面に凸部が無く、検出面と検出物との良好な密着性を実現する。

上記の課題を解決するために、本発明は、光非透過性のトップゲート電極を有するトップゲート型薄膜トランジスタに、光透過性の絶縁膜を介して光透過性のボトムゲート電極を加えたダブルゲート型薄膜トランジスタ（ＤＧ−ＴＦＴ）フォトセンサからなる画素を有する接触型２次元イメージセンサであって、前記ボトムゲート電極が光透過性の絶縁基板の第１の面上に形成され、前記絶縁基板の第１の面上に前記画素を駆動する駆動回路が実装され、前記絶縁基板の第１の面と対向する前記絶縁基板の第２の面を検出面とし、検出物の前記検出面と密着した面の像を検出することを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の接触型２次元イメージセンサにおいて、前記トップゲート電極は、選択ゲート電極であり、前記ボトムゲート電極は、センスゲート電極であることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の接触型２次元イメージセンサにおいて、前記絶縁基板は、薄板ガラスであることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１又は２に記載の接触型２次元イメージセンサにおいて、前記絶縁基板は、ポリイミド樹脂層であることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の接触型２次元イメージセンサにおいて、前記ＤＧ−ＴＦＴフォトセンサの半導体層は、ｉ型アモルファス・シリコンであることを特徴とする。

本発明は、密着型２次元ＴＦＴイメージセンサにおいて、イメージセンサの検出面と検出物との密着性を改善し、検出像の全体的な、又は部分的な像ボケを低減する。

本発明の一実施形態に係る透明センスボトムゲート型ＤＧ−ＴＦＴの構造を示す図である。（ａ）は、透明センスボトムゲート型ＤＧ−ＴＦＴを用いた、接触型２次元イメージセンサの構造を示す上面図であり、（ｂ）は、そのＡ−Ａ’断面図である。（ａ）、（ｂ）は、検出物とＴＦＴ形成面との距離と反射光、散乱光の拡散範囲を示す図である。（ａ）〜（ｇ）は、ポリイミド樹脂層上に形成された透明センスボトムゲート型ＤＧ−ＴＦＴの製造過程を示す図である。従来のセンサ機能と選択機能を持つフォトセンサの等価回路を示す図である。（ａ）は、ＤＧ−ＴＦＴフォトセンサを用いた２次元イメージセンサの画素回路を示す図であり、（ｂ）は、フォトダイオードをセンサとして用いたＴＦＴ２次元イメージセンサの画素回路を示す図である。バックライトを光源とする従来の密着型ＴＦＴイメージセンサの概念図である。従来のＤＧ−ＴＦＴフォトセンサの構造を示す図である。（ａ）は、従来のＤＧ−ＴＦＴフォトセンを用いた指紋センサモジュールの構成を示す上面図であり、図９（ｂ）は、そのＡ−Ａ’断面図である。（ａ）は、図９のＡ−Ａ’断面図においてＴＦＴフォトセンサアレイより広い領域を持つ硬質な検出物の取り込み時の状況を示す図であり、（ｂ）はＴＦＴフォトセンサアレイより広い領域を持つ軟質な検出物の取り込み時の状況を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

（実施形態１）
図１に、本発明の一実施形態に係る透明センスボトムゲート型ＤＧ−ＴＦＴの構造を示す。絶縁基板１上に形成された光透過性ボトムゲート電極２の上に、センスゲート絶縁膜３を介してトップゲート型ＴＦＴが形成されている。トップゲート型ＴＦＴは、ソース・ドレイン電極４、オーミックコンタクト層５、半導体層６、選択ゲート絶縁膜７、光非透過性選択トップゲート電極８からなり、保護膜９によって覆われている。検出光は絶縁基板１と光透過性センスボトムゲート電極２を介してトップゲート型ＴＦＴに取り込まれる。

図２（ａ）に、透明センスボトムゲート型ＤＧ−ＴＦＴを用いた、接触型２次元イメージセンサの構造を示す上面図を示し、（ｂ）に、そのＡ−Ａ’断面図を示す。絶縁基板２３上に、透明センスボトムゲート型ＤＧ−ＴＦＴフォトセンサからなるＴＦＴフォトセンサアレイ２４を形成し、絶縁基板２３上のＴＦＴ形成面側にＦＰＣ２１、ドライバＬＳＩ２２を実装する。ＴＦＴフォトセンサアレイ２４上に保護膜２５を形成し、その上にバックライト２６を設置する。

絶縁基板２３上のＴＦＴ形成面と対向する裏面を検出面とするため、ＴＦＴフォトセンサアレイ２４より大きな検出物２７に対しても良好な密着性を実現する事ができる。

図３（ａ）、（ｂ）に、検出物とＴＦＴ形成面との距離と反射光、散乱光の拡散範囲を示す。バックライト光は検出物２７の表面で吸収、反射、散乱した後、各画素に２次元画像として取り込まれるが、検出物が検出面に密着している場合であっても絶縁基板２３の厚さがｔ１からｔ２に増加すると、検出物２７からの反射光、散乱光の拡散範囲が拡大し、センサ間のクロストークが増加して像ボケが強くなる。

しかしながら、像ボケは、ＴＦＴフォトセンサの開口率、ＴＦＴフォトセンサと対向する検出物との距離、ＴＦＴフォトセンサ間隔の設計値、絶縁基板２３の透過率、散乱度等から補正値は見積もる事ができる。補正値は、予め読み込んだ標準パターンと、検出された値の差から見積もっても良いし、設計値と合わせて見積もってもよい。

また、よりボケの少ない画像を得る為に、エッチングや研磨等により、絶縁基板２３を薄く形成しても良い。

（実施形態２）
本発明の実施形態２は、薄板ガラス基板上に形成した透明センスボトムゲート型ＤＧ−ＴＦＴを用いた接触型２次元イメージセンサである。

０．４〜０．５ｍｍのキャリアガラス基板に吸着層を介して０．１ｍｍ以下の薄板ガラスを貼り付け、薄板ガラス基板上に透明センスボトムゲート型ＤＧ−ＴＦＴを形成し、形成後キャリアガラスから薄板ガラス基板を剥離し、薄型化、フレキシブル化した密着型２次元ＴＦＴイメージセンサを製造する。薄板ガラス基板上に形成する透明センスボトムゲート型ＤＧ−ＴＦＴは、実施形態１と同様に形成可能である。

本実施形態では、エッチングや研磨等無しにＴＦＴ形成面と検出面との距離を短くでき、容易に薄型化が可能である。この薄型化により像ボケが低減し、フレキシブル化により曲面を読み込みの可能な、接触型２次元イメージセンサが実現する。

（実施形態３）
本発明の実施形態３は、薄型化、フレキシブル化の別の実施形態として、ポリイミド樹脂層上に形成した透明センスボトムゲート型ＤＧ−ＴＦＴを用いた接触型２次元イメージセンサである。

図４（ａ）〜（ｇ）に、ポリイミド樹脂層上に形成された透明センスボトムゲート型ＤＧ−ＴＦＴの製造過程を示す。キャリアガラス基板３１上にポリイミド樹脂層３２を形成し、ポリイミド樹脂層３２上に透明センスボトムゲート型ＤＧ−ＴＦＴ３３を形成し、ＦＰＣ３４やドライバＬＳＩ３５を実装する（図４（ａ）〜（ｃ））。その後、透明センスボトムゲート型ＤＧ−ＴＦＴ３３を覆うように保護膜３６を形成する（図４（d））。

次に、キャリアガラス基板３１のポリイミド樹脂層３２形成面と対向する面からレーザ光（ラインビーム）を照射することにより、キャリアガラス基板３１からポリイミド樹脂層３２をリフトオフする（図４（ｅ）〜（ｇ））。

ポリイミド樹脂層３２上に形成される透明センスボトムゲート型ＤＧ−ＴＦＴ３３の半導体層は、ｉ型アモルファス・シリコンで形成することが好ましいが、透明センスボトムゲート型ＤＧ−ＴＦＴ３３の構造は実施形態１と同じである。

尚、実施形態１〜３では、構成の一部としてバックライトを備えているが、このバックライトは外部光源や環境光を利用することで省くことも可能である。

このように、本発明の密着型２次元ＴＦＴイメージセンサでは、イメージセンサの検出面に凸部を無くすことで、検出面と検出物との密着性を改善し、検出物と検出面との距離が検出を行う度毎に変化し難くい構成となっている。

１、２３、８１、１０５絶縁基板
２光透過性ボトムゲート電極
３センスゲート絶縁膜
４ソース・ドレイン電極
５オーミックコンタクト層
６半導体層
７選択ゲート絶縁膜
８光非透過性選択トップゲート電極
９、２５、３６、８３、１０３保護膜
２１、３４、１０１ＦＰＣ
２２、３５、１０２ドライバＬＳＩ
２４、８２、１０４ＴＦＴフォトセンサアレイ
２６、８４、１０６バックライト
２７、８５、１０７検出物
３１キャリアガラス基板
３２ポリイミド樹脂層
３３透明センスボトムゲート型ＤＧ−ＴＦＴ
６１透明センストップゲート型ＤＧ−ＴＦＴ
６２、７３制御線
６３、７４保持容量
７１フォトダイオード
７２トランジスタ
９０絶縁基板
９１光非透過性選択ボトムゲート電極
９２選択ゲート絶縁膜
９３半導体層
９４エッチングストッパ
９５オーミックコンタクト層
９６ソース・ドレイン電極
９７センスゲート絶縁膜
９８光透過性センストップゲート電極
９９保護膜

Claims

光非透過性のトップゲート電極を有するトップゲート型薄膜トランジスタに、光透過性の絶縁膜を介して光透過性のボトムゲート電極を加えたダブルゲート型薄膜トランジスタ（ＤＧ−ＴＦＴ）フォトセンサからなる画素を有する接触型２次元イメージセンサであって、
前記ボトムゲート電極が光透過性の絶縁基板の第１の面上に形成され、
前記絶縁基板の第１の面上に前記画素を駆動する駆動回路が実装され、
前記絶縁基板の第１の面と対向する前記絶縁基板の第２の面を検出面とし、検出物の前記検出面と密着した面の像を検出することを特徴とする接触型２次元イメージセンサ。
前記トップゲート電極は、選択ゲート電極であり、前記ボトムゲート電極は、センスゲート電極であることを特徴とする請求項１に記載の接触型２次元イメージセンサ。
前記絶縁基板は、薄板ガラスであることを特徴とする請求項１又は２に記載の接触型２次元イメージセンサ。
前記絶縁基板は、ポリイミド樹脂層であることを特徴とする請求項１又は２に記載の接触型２次元イメージセンサ。
前記ＤＧ−ＴＦＴフォトセンサの半導体層は、ｉ型アモルファス・シリコンであることを特徴とする請求項４に記載の接触型２次元イメージセンサ。