JP2019161236A - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】フォトセンサにおいて、入射光を正確に電気信号に変換することを目的の一とする。【解決手段】半導体装置の一態様は、フォトダイオード、第１のトランジスタ、及び第２のトランジスタを有し、前記フォトダイオードは、入射光に応じた電荷を前記第１のトランジスタのゲートに供給する機能を有し、前記第１のトランジスタは、ゲートに供給された電荷を蓄積する機能を有し、前記第２のトランジスタは、前記第１のトランジスタのゲートに蓄積された電荷を保持する機能を有し、前記第２のトランジスタは、酸化物半導体を用いて形成されている。【選択図】図５

Description

技術分野は、フォトセンサ及びその駆動方法に関する。また、フォトセンサを有する表
示装置及びその駆動方法に関する。また、フォトセンサを有する半導体装置及びその駆動
方法に関する。
近年、光を検出するセンサ（「フォトセンサ」ともいう）を搭載した表示装置が注目さ
れている。フォトセンサを表示装置に設けることにより、表示画面が入力領域を兼ねる。
一例として、画像取り込み機能を備えた表示装置が挙げられる（例えば、特許文献１を参
照）。
また、フォトセンサを有する半導体装置として、ＣＣＤ方式のイメージセンサやＣＭＯ
Ｓ方式のイメージセンサなどが挙げられる。これらのイメージセンサは、例えば、デジタ
ルスチルカメラや携帯電話などの電子機器に用いられている。
フォトセンサを搭載した表示装置では、まず、表示装置から光を発する。被検出物が存
在する領域に入射した光は被検出物によって遮断され、一部の光が反射される。表示装置
内の画素に設けられたフォトセンサが、被検出物から反射された光を検出することで、当
該領域に被検出物が存在することを認識することができる。
また、フォトセンサを搭載した半導体装置では、被検出物から発せられる光もしくは被
検出物で外光などが反射した光を、フォトセンサで直接検出もしくは光学レンズなどを用
いて集光した後に検出する。
特開２００１−２９２２７６号公報
被検出物を撮像し画像を取得するためには、フォトセンサにおいて、入射光を電気信号
に変換する必要がある。また、電気信号は一般にアナログ信号であるため、Ａ／Ｄ変換回
路によってデジタル信号に変換する必要がある。
そこで、フォトセンサにおいて、入射光を正確に電気信号に変換することを目的の一と
する。また、それを実現するための新規な回路構成を有するフォトセンサの提供を目的の
一とする。
また、高速で移動する被検出物を撮像する場合、画像にブレが生じやすいという問題が
ある。この問題を解決することを目的の一とする。
また、高解像度の撮像を実現するためには、Ａ／Ｄ変換回路の高速動作が要求され、消
費電力が増大するという問題がある。この問題を解決することを目的の一とする。
また、高解像度のカラー画像を取得するためには、Ａ／Ｄ変換回路の高速動作が要求さ
れ、消費電力が増大するという問題がある。この問題を解決することを目的の一とする。
また、フォトセンサに入射する光が微弱である場合、正確に電気信号に変換することが
難しいという問題がある。この問題を解決することを目的の一とする。
本発明の一態様は、フォトダイオード、第１のトランジスタ、及び第２のトランジスタ
を有するフォトセンサを備え、フォトダイオードは入射光に応じた電荷を第１のトランジ
スタのゲートに供給する機能を有し、第１のトランジスタはゲートに供給された電荷を蓄
積する機能を有し、第２のトランジスタは第１のトランジスタのゲートに蓄積された電荷
を保持する機能を有している半導体装置である。
また、上記第２のトランジスタは、酸化物半導体を用いて形成されていることが好まし
い。
また、上記フォトダイオードは、単結晶半導体を用いて形成されていることが好ましい
。
また、上記フォトセンサには、第１のトランジスタの出力信号の読み出しを制御する第
３のトランジスタが設けられている。
また、本発明の他の一態様は、複数のフォトセンサを有し、当該複数のフォトセンサは
、リセット動作、累積動作、及び選択動作を行い、リセット動作を共通して行い、累積動
作を共通して行い、選択動作を順次行う半導体装置である。よって、複数のフォトセンサ
において、リセット動作は同時に行われ、累積動作は同時に行われ、選択動作は個別に行
われる。そして、全てのフォトセンサの選択動作に要する合計の時間は、累積動作に要す
る時間より、長いことが好ましい。
また、上記リセット動作を行った後に累積動作と選択動作とを複数回繰り返して行う機
能を有している。
また、本発明の一態様は、複数のフォトセンサ及び特定の色の光源を有し、当該複数の
フォトセンサは、リセット動作、累積動作、及び選択動作を行い、リセット動作を当該特
定の色において共通して行い、累積動作を当該特定の色において共通して行い、選択動作
を順次行う。よって、複数のフォトセンサにおいて、リセット動作は同時に行われ、累積
動作は同時に行われ、選択動作は個別に行われる半導体装置である。
また、当該特定の色が複数色である場合、複数のフォトセンサは、リセット動作及び累
積動作を当該複数色の各々の色において共通して行い、選択動作を順次行う。よって、複
数のフォトセンサにおいて、リセット動作は各々の色で同時に行われ、累積動作は各々の
色で同時に行われ、選択動作は個別に行われる。
本発明において、リセット動作とはフォトセンサを初期化する動作であり、累積動作と
はフォトセンサが入射光に応じた電荷を蓄積する動作であり、選択動作とはフォトセンサ
が電気信号を出力する（読み出しを行う）動作である。
また、半導体装置とは、半導体の性質を持つ物及びそれを有する物全般を指す。例えば
、トランジスタを有する表示装置を単に半導体装置と呼ぶこともある。
フォトセンサの一態様は、酸化物半導体を用いたトランジスタを有することで、入射光
を正確に電気信号に変換することができる。
また、複数のフォトセンサの累積動作を共通して行うため、累積動作を短時間で行うこ
とができ、高速で移動する被検出物に対しても、ブレの少ない画像を取得することができ
る。
また、累積動作を制御するトランジスタは、酸化物半導体を用いて形成されているため
、オフ電流が極めて小さい。そのため、フォトセンサの数が増加し、選択動作に要する時
間が長くなっても、入射光を正確に電気信号に変換することができる。したがって、高解
像度の撮像が可能となる。また、フォトセンサの数及び色の数が増加し、選択動作に要す
る合計の時間が長くなっても、入射光を正確に電気信号に変換することができる。したが
って、高解像度のカラー画像の取得が可能となる。
また、フォトセンサに入射する光が微弱である場合にも、正確に電気信号に変換するこ
とができる。
また、選択動作に要する時間を長くすることができるため、Ａ／Ｄ変換回路の高速動作
が必須ではなくなり、消費電力を抑制することができる。
すなわち、Ａ／Ｄ変換回路の消費電力を抑制しつつ、高解像度の撮像を実現することが
できる。
表示装置の一例を示す図。 表示装置の一例を示す図。 タイミングチャート。 タイミングチャート。 タイミングチャート。 フォトセンサの一例を示す図。 半導体装置の一例を示す図。 トランジスタの電気特性を示す図。 半導体装置の一例を示す図。 タイミングチャート。 タイミングチャート。 半導体装置の一例を示す図。
以下に、実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。但し、以下の実施の形態
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、以下に示す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、実施の
形態を説明するための全図において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符
号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
（実施の形態１）
本実施の形態では、表示装置について図１〜図３を参照して説明する。
表示装置の構成について、図１を参照して説明する。表示パネル１００は、画素回路１
０１、表示素子制御回路１０２及びフォトセンサ制御回路１０３を有する。
画素回路１０１は、行列方向にマトリクス状に配置された複数の画素１０４を有する。
各々の画素１０４は、表示素子１０５とフォトセンサ１０６を有する。全ての画素１０４
にフォトセンサを設けず、複数の画素毎に設けてもよい。また、画素１０４の外にフォト
センサを設けてもよい。
画素１０４の回路図について、図２を用いて説明する。画素１０４は、トランジスタ２
０１、保持容量２０２及び液晶素子２０３を有する表示素子１０５と、受光素子であるフ
ォトダイオード２０４、トランジスタ２０５、トランジスタ２０６、トランジスタ２０７
を有するフォトセンサ１０６とを有する。
表示素子１０５において、トランジスタ２０１は、ゲートがゲート信号線２０８に、ソ
ース又はドレインの一方がビデオデータ信号線２１２に、ソース又はドレインの他方が保
持容量２０２の一方の電極と液晶素子２０３の一方の電極に電気的に接続されている。保
持容量２０２の他方の電極と液晶素子２０３の他方の電極は一定の電位に保たれている。
液晶素子２０３は、一対の電極と、該一対の電極の間に液晶層を含む素子である。
トランジスタ２０１は、保持容量２０２への電荷の注入もしくは放出を制御する機能を
有する。例えば、ゲート信号線２０８に高電位が印加されると、ビデオデータ信号線２１
２の電位を保持容量２０２と液晶素子２０３に印加する。保持容量２０２は、液晶素子２
０３に印加する電圧に相当する電荷を保持する機能を有する。液晶素子２０３に電圧を印
加することで偏光方向が変化することを利用して、液晶素子２０３を透過する光の明暗（
階調）を作ることで、画像表示が実現される。液晶素子２０３を透過する光には、光源（
バックライト）によって液晶表示装置の裏面から照射される光を用いる。
トランジスタ２０１は、非晶質半導体、微結晶半導体、多結晶半導体、酸化物半導体、
又は単結晶半導体などを用いることが可能である。特に、酸化物半導体を用い、オフ電流
が極めて小さいトランジスタとすることで、表示品質を高めることができる。
なお、ここでは、表示素子１０５が液晶素子を有する場合について説明したが、発光素
子などの他の素子を有していてもよい。発光素子は、電流または電圧によって輝度が制御
される素子であり、具体的には発光ダイオード、ＯＬＥＤ（Ｏｒｇａｎｉｃ Ｌｉｇｈｔ
Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）等が挙げられる。
フォトセンサ１０６において、フォトダイオード２０４は、一方の電極がフォトダイオ
ードリセット信号線２１０に、他方の電極がトランジスタ２０７のソース又はドレインの
一方に電気的に接続されている。トランジスタ２０５は、ソース又はドレインの一方がフ
ォトセンサ基準信号線２１３に、ソース又はドレインの他方がトランジスタ２０６のソー
ス又はドレインの一方に電気的に接続されている。トランジスタ２０６は、ゲートがゲー
ト信号線２１１に、ソース又はドレインの他方がフォトセンサ出力信号線２１４に電気的
に接続されている。トランジスタ２０７は、ゲートがゲート信号線２０９に、ソース又は
ドレインの他方がトランジスタ２０５のゲートに電気的に接続されている。
フォトダイオード２０４は、非晶質半導体、微結晶半導体、多結晶半導体、酸化物半導
体、又は単結晶半導体などを用いることが可能である。特に、入射光から生成される電気
信号の割合（量子効率）を向上させるために、結晶欠陥の少ない単結晶半導体（例えば単
結晶シリコン）を用いることが望ましい。また、半導体材料は、結晶性を向上させること
が容易であるシリコン又はシリコンゲルマニウム等のシリコン半導体を用いることが好ま
しい。
トランジスタ２０５は、非晶質半導体、微結晶半導体、多結晶半導体、酸化物半導体、
又は単結晶半導体などを用いることが可能である。特に、フォトダイオード２０４から供
給される電荷を出力信号に変換する機能を有するため、単結晶半導体を用い、移動度の高
いトランジスタとすることが望ましい。また、半導体材料は、結晶性を向上させることが
容易であるシリコン又はシリコンゲルマニウム等のシリコン半導体を用いることが好まし
い。
トランジスタ２０６は、非晶質半導体、微結晶半導体、多結晶半導体、酸化物半導体、
又は単結晶半導体などを用いることが可能である。特に、フォトセンサ出力信号線２１４
にトランジスタ２０５の出力信号を供給する機能を有するため、単結晶半導体を用い、移
動度の高いトランジスタとすることが望ましい。また、半導体材料は、結晶性を向上させ
ることが容易であるシリコン又はシリコンゲルマニウム等のシリコン半導体を用いること
が好ましい。
トランジスタ２０７は、非晶質半導体、微結晶半導体、多結晶半導体、酸化物半導体、
又は単結晶半導体などを用いることが可能である。特に、トランジスタ２０５のゲートの
電荷を保持する機能を有するため、酸化物半導体を用い、オフ電流が極めて小さいトラン
ジスタとすることが好ましい。このように、トランジスタに要求される機能に応じて、複
数種のトランジスタを配置することで、フォトセンサの性能を向上させることができる。
表示素子制御回路１０２は、表示素子１０５を制御するための回路であり、ビデオデー
タ信号線などの信号線（「ソース信号線」ともいう。）を介して表示素子１０５に信号を
入力する表示素子駆動回路１０７と、走査線（「ゲート信号線」ともいう。）を介して表
示素子１０５に信号を入力する表示素子駆動回路１０８を有する。例えば、走査線に電気
的に接続された表示素子駆動回路１０８は、特定の行に配置された画素が有する表示素子
を選択する機能を有する。また、信号線に電気的に接続された表示素子駆動回路１０７は
、選択された行の画素が有する表示素子に任意の電位を与える機能を有する。なお、表示
素子駆動回路１０８によりゲート信号線に高電位を印加された表示素子では、トランジス
タが導通状態となり、表示素子駆動回路１０７によりビデオデータ信号線に与えられる電
位が供給される。
フォトセンサ制御回路１０３は、フォトセンサ１０６を制御するための回路であり、フ
ォトセンサ出力信号線、フォトセンサ基準信号線等の信号線に電気的に接続されたフォト
センサ読み出し回路１０９と、走査線に電気的に接続されたフォトセンサ駆動回路１１０
を有する。
フォトセンサ駆動回路１１０は、特定の行に配置された画素が有するフォトセンサ１０
６に対して、後述するリセット動作と累積動作と選択動作とを行う機能を有する。
また、フォトセンサ読み出し回路１０９は、選択された行の画素が有するフォトセンサ
１０６の出力信号を取り出す機能を有する。なお、フォトセンサ読み出し回路１０９は、
アナログ信号であるフォトセンサ１０６の出力を、ＯＰアンプを用いてアナログ信号のま
ま表示パネル外部に取り出す。もしくは、Ａ／Ｄ変換回路を用いてデジタル信号に変換し
てから表示パネル外部に取り出す。
フォトセンサ読み出し回路１０９を構成するプリチャージ回路について、図２を用いて
説明する。図２において、画素１列分のプリチャージ回路２００は、トランジスタ２１６
、プリチャージ信号線２１７から構成される。なお、プリチャージ回路２００の後段に、
ＯＰアンプやＡ／Ｄ変換回路を接続して、フォトセンサ読み出し回路１０９を構成するこ
とができる。
プリチャージ回路２００では、画素内におけるフォトセンサの動作に先立ち、フォトセ
ンサ出力信号線２１４の電位を基準電位に設定する。図２では、プリチャージ信号線２１
７を”Ｌ（Ｌｏｗ）”とし、トランジスタ２１６を導通させることで、フォトセンサ出力
信号線２１４の電位を基準電位（ここでは高電位とする）に設定することができる。なお
、フォトセンサ出力信号線２１４の電位を安定させるために、フォトセンサ出力信号線２
１４に保持容量を設けることも有効である。なお、基準電位は、低電位とする構成も可能
である。この場合、トランジスタ２１６は、図２と逆極性とし、プリチャージ信号線２１
７を”Ｈ（Ｈｉｇｈ）”とすることで、フォトセンサ出力信号線２１４の電位を基準電位
に設定することができる。
次に、フォトセンサ１０６の動作について、図３のタイミングチャートを用いて説明す
る。図３において、信号３０１〜信号３０６は、図２におけるフォトダイオードリセット
信号線２１０、ゲート信号線２０９、ゲート信号線２１１、ゲート信号線２１５、フォト
センサ出力信号線２１４、プリチャージ信号線２１７の電位に相当する。
時刻Ａにおいて、フォトダイオードリセット信号線２１０の電位（信号３０１）を”Ｈ
”、ゲート信号線２０９の電位（信号３０２）を”Ｈ”とする（リセット動作開始）と、
フォトダイオード２０４が導通し、ゲート信号線２１５の電位（信号３０４）が”Ｈ”と
なる。また、プリチャージ信号線２１７の電位（信号３０６）を”Ｌ”とすると、フォト
センサ出力信号線２１４の電位（信号３０５）は”Ｈ”にプリチャージされる。
時刻Ｂにおいて、フォトダイオードリセット信号線２１０の電位（信号３０１）を”Ｌ
”とし、ゲート信号線２０９の電位（信号３０２）を”Ｈ”のままとする（リセット動作
終了、累積動作開始）と、フォトダイオード２０４のオフ電流により、ゲート信号線２１
５の電位（信号３０４）が低下し始める。フォトダイオード２０４は、光が入射されると
オフ電流が増大するので、入射光の量に応じてゲート信号線２１５の電位（信号３０４）
は変化する。すなわち、フォトダイオード２０４は、入射光に応じてトランジスタ２０５
のゲートに電荷を供給する機能を有している。そして、トランジスタ２０５のソースとド
レイン間のチャネル抵抗が変化する。
時刻Ｃにおいて、ゲート信号線２０９の電位（信号３０２）を”Ｌ”とする（累積動作
終了）と、ゲート信号線２１５の電位（信号３０４）は一定となる。ここで、当該電位は
、累積動作中にフォトダイオード２０４がゲート信号線２１５に供給した電荷により決ま
る。すなわち、フォトダイオード２０４への入射光に応じてトランジスタ２０５のゲート
に蓄積される電荷が変化する。また、トランジスタ２０７は、酸化物半導体を用い、オフ
電流が極めて小さいトランジスタで構成されているため、後の選択動作を行うまで、蓄積
された電荷を一定に保つことが可能である。
時刻Ｄに、ゲート信号線２１１の電位（信号３０３）を”Ｈ”にする（選択動作開始）
と、トランジスタ２０６が導通し、フォトセンサ基準信号線２１３とフォトセンサ出力信
号線２１４とが、トランジスタ２０５とトランジスタ２０６とを介して導通する。すると
、フォトセンサ出力信号線２１４の電位（信号３０５）は、低下していく。なお、時刻Ｄ
以前に、プリチャージ信号線２１７の電位（信号３０６）は”Ｈ”とし、フォトセンサ出
力信号線２１４のプリチャージを終了しておく。ここで、フォトセンサ出力信号線２１４
の電位（信号３０５）が低下する速さは、トランジスタ２０５のソースとドレイン間の電
流に依存する。すなわち、累積動作中にフォトダイオード２０４に照射されている光の量
に応じて変化する。
時刻Ｅにおいて、ゲート信号線２１１の電位（信号３０３）を”Ｌ”にする（選択動作
終了）と、トランジスタ２０６が遮断され、フォトセンサ出力信号線２１４の電位（信号
３０５）は、一定値となる。ここで、一定値となる値は、フォトダイオード２０４に照射
された光の量に応じて変化する。したがって、フォトセンサ出力信号線２１４の電位を取
得することで、累積動作中におけるフォトダイオード２０４への入射光の量を知ることが
できる。
以上のように、個々のフォトセンサの動作は、リセット動作と累積動作と選択動作とを
繰り返すことで実現される。上述したように、累積動作を制御するトランジスタ２０７は
、酸化物半導体を用い、オフ電流を極めて小さくすることが好ましい。この回路構成によ
り、トランジスタ２０５のゲートに蓄積された電荷を保持する機能を向上させることがで
きる。そのため、フォトセンサ１０６は、入射光を正確に電気信号に変換することが可能
となる。
なお、本実施の形態では、フォトセンサを有する表示装置について説明したが、フォト
センサを有する半導体装置にも容易に応用できる。すなわち、本実施の形態における表示
装置から、表示に要する回路、具体的には、表示素子制御回路１０２、表示素子１０５を
取り除いて、半導体装置を構成することができる。当該半導体装置としては、例えばイメ
ージセンサが挙げられる。
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。
（実施の形態２）
本実施の形態では、複数のフォトセンサを用いた場合の駆動方法について説明する。
まず、図４に示すタイミングチャートのような駆動方法を考える。図４において、信号
４０１、信号４０２、信号４０３は、各々第１行、第２行、第３行のフォトセンサにおけ
るフォトダイオードリセット信号線２１０の電位変化を示す信号である。また、信号４０
４、信号４０５、信号４０６は、各々第１行、第２行、第３行のフォトセンサにおけるゲ
ート信号線２０９の電位変化を示す信号である。また、信号４０７、信号４０８、信号４
０９は、各々第１行、第２行、第３行のフォトセンサにおけるゲート信号線２１１の電位
変化を示す信号である。期間４１０は、１回の撮像に要する期間である。また、期間４１
１、期間４１２、期間４１３は、第２行のフォトセンサが、各々リセット動作、累積動作
、選択動作を行っている期間である。このように、各行のフォトセンサを順に駆動してい
くことで、撮像が可能になる。
ここで、各行のフォトセンサにおける累積動作について、時間的なズレが生じているこ
とがわかる。すなわち、各行のフォトセンサにおける撮像の同時性が損なわれる。そのた
め、撮像画像にブレが生じることになる。特に、第１行から第３行の方向に高速に移動す
る被検出物に対しては、尾を引くように、拡大されたような形状の撮像画像になり、逆方
向に移動する被検出物に対しては、縮小されたような形状の撮像画像になるなど、形状が
歪みやすい。
各行のフォトセンサにおける累積動作に時間的なズレを生じさせないためには、各行の
フォトセンサを順に駆動する周期を短くすることが有効である。しかしながら、この場合
、フォトセンサの出力信号をＯＰアンプもしくはＡ／Ｄ変換回路で非常に高速度で取得す
る必要がある。したがって、消費電力の増大を招く。特に、高解像度の画像を取得する場
合には、非常に困難となる。
そこで、図５に示すタイミングチャートのような駆動方法を提案する。図５において、
信号５０１、信号５０２、信号５０３は、各々第１行、第２行、第３行のフォトセンサに
おけるフォトダイオードリセット信号線２１０の電位変化を示す信号である。また、信号
５０４、信号５０５、信号５０６は、各々第１行、第２行、第３行のフォトセンサにおけ
るゲート信号線２０９の電位変化を示す信号である。また、信号５０７、信号５０８、信
号５０９は、各々第１行、第２行、第３行のフォトセンサにおけるゲート信号線２１１の
電位変化を示す信号である。期間５１０は、１回の撮像に要する期間である。また、期間
５１１、期間５１２、期間５１３は、第２行のフォトセンサが、各々リセット動作（他の
行でも共通）、累積動作（他の行でも共通）、選択動作を行っている期間である。
図５において、図４と異なるのは、全行のフォトセンサについて、リセット動作と累積
動作とが共通の時間に行われ、累積動作終了後に累積動作とは非同期に、各行で順に選択
動作を行う点である。累積動作を共通の期間にすることで、各行のフォトセンサにおける
撮像の同時性が確保され、高速に移動する被検出物に対しても、ブレが少ない画像を容易
に得ることができる。累積動作を共通にすることで、各フォトセンサのフォトダイオード
リセット信号線２１０の駆動回路を共通にすることができる。また、各フォトセンサのゲ
ート信号線２０９の駆動回路も共通にすることができる。このように駆動回路を共通にす
ることは、周辺回路の削減や低消費電力化に有効である。さらに、選択動作を各行で順次
行うことで、フォトセンサの出力信号を取得する際に、ＯＰアンプもしくはＡ／Ｄ変換回
路の動作速度を遅くすることが可能である。その際、選択動作に要する合計の時間を、累
積動作に要する時間より長くすることが好ましい。特に、高解像度の画像を取得する場合
には、非常に有効である。
なお、図５では、各行のフォトセンサを順次駆動する駆動方法について、タイミングチ
ャートを示したが、特定の領域における画像を取得するために、特定の行におけるフォト
センサのみを順次駆動する駆動方法も有効である。これにより、ＯＰアンプもしくはＡ／
Ｄ変換回路の動作を軽減し、消費電力を低減しながら、必要な画像を取得することができ
る。また、数行おきにフォトセンサを駆動する駆動方法も有効である。すなわち、複数の
フォトセンサの一部を駆動させる。これにより、ＯＰアンプもしくはＡ／Ｄ変換回路の動
作を軽減し、消費電力を低減しながら、必要な解像度の画像を取得することができる。
以上のような駆動方法を実現するためには、累積動作が終了した後も、各フォトセンサ
におけるゲート信号線２１５の電位を一定に保つ必要がある。したがって、図２で説明し
たように、トランジスタ２０７は、酸化物半導体を用いて形成され、オフ電流が極めて小
さいことが好ましい。
以上のような形態とすることで、高速で移動する被検出物に対してもブレが少なく、高
解像度の撮像が実現でき、且つ低消費電力の表示装置又は半導体装置を提供することがで
きる。
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。
（実施の形態３）
本実施の形態では、複数のフォトセンサを用いた場合の駆動方法について、実施の形態
２と別の一例を説明する。
まず、図１０に示すタイミングチャートのような駆動方法を考える。図１０において、
信号７０１、信号７０２、信号７０３は、各々第１行、第２行、第３行のフォトセンサに
おけるフォトダイオードリセット信号線２１０の電位変化を示す信号である。また、信号
７０４、信号７０５、信号７０６は、各々第１行、第２行、第３行のフォトセンサにおけ
るゲート信号線２０９の電位変化を示す信号である。また、信号７０７、信号７０８、信
号７０９は、各々第１行、第２行、第３行のフォトセンサにおけるゲート信号線２１１の
電位変化を示す信号である。期間７１０は、１回の撮像に要する期間である。また、期間
７１１、期間７１２、期間７１３、期間７１４、期間７１５は、第２行のフォトセンサが
、各々リセット動作、第１の累積動作、第１の選択動作、第２の累積動作、第２の選択動
作を行っている期間である。ここで、第２の選択動作を行うことで、第１の累積動作の開
始時から第２の累積動作の終了時までの期間においてフォトダイオード２０４に入射した
光の量を知ることができる。したがって、累積動作及び選択動作を複数回繰り返して行う
ことで、微弱な光についても、正確に電気信号を変換することができる。このように、各
行のフォトセンサを順に駆動していくことで、撮像が可能になる。
さて、図１０に示したタイミングチャートにて、各行のフォトセンサにおける第１の累
積動作及び第２の累積動作について、時間的なズレが生じていることがわかる。すなわち
、各行のフォトセンサにおける撮像の同時性が損なわれる。そのため、画像にブレが生じ
ることになる。特に、第１行から第３行の方向に高速に移動する被検出物に対しては、尾
を引くように、拡大されたような形状の画像になり、逆方向に移動する被検出物に対して
は、縮小されたような形状の画像になるなど、形状が歪みやすい。
各行のフォトセンサにおける第１の累積動作及び第２の累積動作に時間的なズレを生じ
させないためには、各行のフォトセンサを順に駆動する周期を短くすることが有効である
。しかしながら、この場合、フォトセンサの出力信号をＯＰアンプもしくはＡ／Ｄ変換回
路で非常に高速度で取得する必要がある。したがって、消費電力の増大を招く。特に、高
解像度の画像を取得する場合には、非常に困難となる。
そこで、図１１に示すタイミングチャートのような駆動方法を提案する。図１１におい
て、信号８０１、信号８０２、信号８０３は、各々第１行、第２行、第３行のフォトセン
サにおけるフォトダイオードリセット信号線２１０の電位変化を示す信号である。また、
信号８０４、信号８０５、信号８０６は、各々第１行、第２行、第３行のフォトセンサに
おけるゲート信号線２０９の電位変化を示す信号である。また、信号８０７、信号８０８
、信号８０９は、各々第１行、第２行、第３行のフォトセンサにおけるゲート信号線２１
１の電位変化を示す信号である。期間８１０は、１回の撮像に要する期間である。また、
期間８１１、期間８１２、期間８１３、期間８１４、期間８１５は、第２行のフォトセン
サが、各々リセット動作（他の行でも共通）、第１の累積動作（他の行でも共通）、第１
の選択動作、第２の累積動作（他の行でも共通）、第２の選択動作を行っている期間であ
る。
図１１において、図１０と異なるのは、全行のフォトセンサについて、リセット動作と
第１の累積動作と第２の累積動作とが共通の時間に行われ、第１の累積動作終了後に第１
の累積動作とは非同期に、各行で順に第１の選択動作を行い、第２の累積動作終了後に第
２の累積動作とは非同期に、各行で順に第２の選択動作を行う点である。第１の累積動作
と第２の累積動作とを各々共通の期間にすることで、各行のフォトセンサにおける撮像の
同時性が確保され、高速に移動する被検出物に対しても、ブレが少ない撮像画像を容易に
得ることができる。累積動作を共通にすることで、各フォトセンサのフォトダイオードリ
セット信号線２１０の駆動回路を共通にすることができる。また、各フォトセンサのゲー
ト信号線２０９の駆動回路も共通にすることができる。このように駆動回路を共通にする
ことは、周辺回路の削減や低消費電力化に有効である。さらに、第１の累積動作とは非同
期に第１の選択動作を行い、第２の累積動作とは非同期に第２の選択動作を行うことで、
フォトセンサの出力信号を取得するために、ＯＰアンプもしくはＡ／Ｄ変換回路の動作を
より低速に行うことが可能である。その際、選択動作に要する合計の時間を、第１の累積
動作の開始時から第２の累積動作の終了時までの時間より長くすることが好ましい。特に
、微弱な光しか得られない場合に、高解像度の画像を取得するためには非常に有効である
。
なお、図１１では、各行のフォトセンサを順次駆動する駆動方法について、タイミング
チャートを示したが、特定の領域における画像を取得するために、特定の行におけるフォ
トセンサのみを順次駆動する駆動方法も有効である。これにより、ＯＰアンプもしくはＡ
／Ｄ変換回路の動作を軽減し、消費電力を低減しながら、必要な画像を取得することがで
きる。また、数行おきにフォトセンサを駆動する駆動方法も有効である。すなわち、複数
のフォトセンサの一部を駆動させる。これにより、ＯＰアンプもしくはＡ／Ｄ変換回路の
動作を軽減し、消費電力を低減しながら、必要な解像度の画像を取得することができる。
以上のような駆動方法を実現するためには、累積動作が終了した後も、各フォトセンサ
におけるゲート信号線２１５の電位が一定値を保つ必要がある。したがって、図２で説明
したように、トランジスタ２０７は、酸化物半導体を用いて形成され、オフ電流が極めて
小さいことが好ましい。
なお、本実施の形態では、フォトセンサを有する表示装置について説明したが、フォト
センサを有する半導体装置にも容易に応用できる。すなわち、本実施の形態における表示
装置から、表示に要する回路、具体的には、表示素子制御回路１０２、表示素子１０５を
取り除いて、半導体装置を構成することができる。
以上のような形態とすることで、高速で移動する被検出物に対してもブレが少なく、微
弱な光に対しても高解像度の撮像が実現でき、且つ低消費電力の表示装置又は半導体装置
を提供することができる。
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。
（実施の形態４）
本実施の形態では、複数のフォトセンサを用いてカラーで撮像を行う方式について説明
する。
カラーでの撮像は、カラーフィルタを用いる方式、所謂、カラーフィルタ方式がある。
これは、被検出物に照射する光もしくは被検出物から反射した光がカラーフィルタを通過
して、特定の色（例えば、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ））の光としてフォトダイオード
に入射することで、各色の光の量を知ることができる。各色の光の量から、カラー階調の
画像を生成することができる。
しかし、カラーフィルタ方式では、カラーフィルタを通過することで、被検出物に照射
する光もしくは被検出物から反射した光の量が著しく低下することになる。そのため、フ
ォトダイオードに入射する光の量を十分に得るためには、より強い光を被検出物に照射す
る必要がある。これは、表示装置の消費電力の著しい増大をもたらす。また、フォトダイ
オードの大幅な性能向上が必要になり、製造コストが増大する。
そこで、本実施の形態では、フィールドシーケンシャル方式を用い、光源（バックライ
ト）が特定の色（例えば、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ））の光を発している際に、被検
出物から反射された当該色の光をフォトセンサで検出するために、リセット動作及び累積
動作を行う。そして、各色での累積動作が終わった後、全フォトセンサに対して、選択動
作を順次行うことで、カラーでの撮像が可能になる。
以上の駆動方法について、図５に示すタイミングチャートを用いて説明する。実施の形
態２と異なる点は、各行のフォトセンサが、特定の色（ここでは、赤（Ｒ）とする）を検
出することである。すなわち、信号５０１、信号５０２、信号５０３は、赤（Ｒ）の光を
検出するフォトセンサにおけるフォトダイオードリセット信号線２１０の電位変化を示す
信号である。また、信号５０４、信号５０５、信号５０６は、赤（Ｒ）の光を検出するフ
ォトセンサにおけるゲート信号線２０９の電位変化を示す信号である。また、信号５０７
、信号５０８、信号５０９は、赤（Ｒ）の光を検出するフォトセンサにおけるゲート信号
線２１１の電位変化を示す信号である。期間５１０は、赤（Ｒ）の光に対する１回の撮像
に要する期間である。また、期間５１１、期間５１２、期間５１３は、第２行の赤（Ｒ）
を検出するフォトセンサが、各々リセット動作（他の行でも共通）、累積動作（他の行で
も共通）、選択動作を行っている期間である。
図５において、全行の赤（Ｒ）を検出するフォトセンサについて、リセット動作と累積
動作とが共通の時間に行われ、累積動作終了後に累積動作とは非同期に、各行で順に選択
動作を行う点が特徴である。累積動作を共通の期間にすることで、各行の赤（Ｒ）を検出
するフォトセンサにおける撮像の同時性が確保され、高速に移動する被検出物に対しても
、ブレが少ない画像を容易に得ることができる。累積動作を共通にすることで、各フォト
センサのフォトダイオードリセット信号線２１０の駆動回路を共通にすることができる。
また、各フォトセンサのゲート信号線２０９の駆動回路も共通にすることができる。この
ように駆動回路を共通にすることは、周辺回路の削減や低消費電力化に有効である。さら
に、選択動作を各行で順次行うことで、フォトセンサの出力信号を取得する際に、ＯＰア
ンプもしくはＡ／Ｄ変換回路の動作速度を遅くすることが可能である。その際、選択動作
に要する合計の時間を、累積動作に要する合計の時間のより長くすることが好ましい。特
に、高解像度の画像を取得する場合には、非常に有効である。
以上の駆動方法を、他の特定の色（例えば、緑（Ｇ）、青（Ｂ））に対しても行うこと
で、複数色のカラーでの撮像を行うことができる。複数色の場合は累積動作に要する合計
の時間が長くなるため、上記のように累積動作を共通して行う構成とすることで、撮像に
要する時間を短縮することができる。なお、各動作を行う色の順番は限定されない。
なお、図５では、各行の特定の色（例えば、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ））を検出す
るフォトセンサを順次駆動する駆動方法について、タイミングチャートを示したが、特定
の領域における画像を取得するために、特定の行におけるフォトセンサのみを順次駆動す
る駆動方法も有効である。これにより、ＯＰアンプもしくはＡ／Ｄ変換回路の動作を軽減
し、消費電力を低減しながら、必要な画像を取得することができる。また、数行おきに間
引いてフォトセンサを駆動する駆動方法も有効である。これにより、ＯＰアンプもしくは
Ａ／Ｄ変換回路の動作を軽減し、消費電力を低減しながら、必要な解像度の画像を取得す
ることができる。
なお、以上のような駆動方法を実現するためには、累積動作が終了した後も、各フォト
センサにおけるゲート信号線２１５の電位が一定値を保つ必要がある。したがって、図２
で説明したように、トランジスタ２０７は、酸化物半導体を用いて形成され、オフ電流が
極めて小さいことが望ましい。
また、図５に示した駆動方法について、各行の特定の色（例えば、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）
、青（Ｂ））を検出するフォトセンサについて、リセット動作と累積動作を全色に対して
行った後、選択動作を行う構成も可能である。例えば、赤（Ｒ）のリセット動作と累積動
作、緑（Ｇ）のリセット動作と累積動作、青（Ｂ）のリセット動作と累積動作、赤（Ｒ）
の選択動作、緑（Ｇ）の選択動作、青（Ｂ）の選択動作、で１回の撮像を行う。各動作を
行う色の順番は限定されない。
全色に対する累積動作を短期間にすることで、全色を検出するフォトセンサにおける撮
像の同時性が確保され、高速に移動する被検出物に対しても、ブレが少ない画像を容易に
取得することができる。また、各色を検出するフォトセンサのフォトダイオードリセット
信号線２１０とゲート信号線２０９とを駆動する駆動回路を各々共通にすることもできる
ので、周辺回路の削減や低消費電力化に有効である。さらに、累積動作とは非同期に選択
動作を行うことで、フォトセンサの出力信号を取得するために、ＯＰアンプもしくはＡ／
Ｄ変換回路の動作をより低速に行うことが可能である。特に、高解像度のカラー画像を取
得する場合には、非常に有効である。
本実施の形態では、フォトセンサを有する表示装置について説明したが、フォトセンサ
を有する半導体装置にも応用できる。バックライトは、デジタルスチルカメラや携帯電話
などの半導体装置で撮像を行う場合には、フラッシュライトなどの撮像補助光源に相当す
る。
以上のような形態とすることで、高速で移動する被検出物に対してもブレが少なく、高
解像度でカラー画像を取得でき、且つ低消費電力の表示装置もしくは半導体装置を提供す
ることができる。
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。
（実施の形態５）
本実施の形態では、図２におけるフォトセンサ１０６の回路構成の変形例について説明
する。
図６（Ａ）は、図２においてトランジスタ２０５のゲートに、フォトセンサのリセット
動作を制御するためのトランジスタ６０１を接続した構成を示している。具体的には、ト
ランジスタ６０１のソース又はドレインの一方がフォトセンサ基準信号線２１３に電気的
に接続され、他方がトランジスタ２０５のゲートに電気的に接続されている。また、フォ
トダイオード２０４の一方の電極は所定の電位（例えばグランド電位）を供給する配線に
電気的に接続されている。
トランジスタ６０１は、非晶質半導体、微結晶半導体、多結晶半導体、酸化物半導体、
又は単結晶半導体などを用いることが可能である。特に、リセット動作終了後にトランジ
スタ２０５のゲートの電荷がトランジスタ６０１から放出することを防止するため、酸化
物半導体を用い、オフ電流の小さいトランジスタとすることが望ましい。
図６（Ｂ）は、図６（Ａ）においてトランジスタ２０５とトランジスタ２０６との接続
関係を逆にした構成を示している。具体的には、トランジスタ２０５のソース又はドレイ
ンの一方がフォトセンサ出力信号線２１４に電気的に接続され、トランジスタ２０６のソ
ース又はドレインの一方が、フォトセンサ基準信号線２１３に電気的に接続されている。
図６（Ｃ）は、図６（Ａ）においてトランジスタ２０６を省略した構成を示す。具体的
には、トランジスタ２０５のソース又はドレインの一方がフォトセンサ基準信号線２１３
に電気的に接続され、他方がフォトセンサ出力信号線２１４に電気的に接続されている。
なお、図６（Ａ）〜（Ｃ）において、トランジスタ６０１のソース又はドレインの一方
は、フォトセンサ基準信号線２１３とは異なる配線に電気的に接続されていてもよい。
図６（Ｄ）は、図６（Ｃ）においてトランジスタ６０１のソース又はドレインの一方が
フォトセンサ出力信号線２１４に電気的に接続され、他方がトランジスタ２０５のゲート
に電気的に接続されている。
図６（Ａ）〜（Ｄ）において、トランジスタ２０７に酸化物半導体を用いることで、オ
フ電流が低減できるため、トランジスタ２０５のゲートに蓄積した電荷を一定に保つこと
が可能となる。
図６において、フォトセンサの回路構成に応じて、フォトダイオード２０４の二つの電
極の接続先を逆にしてもよい。
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。
（実施の形態６）
本実施の形態では、フォトセンサを有する半導体装置の構造及び作製方法について説明
する。図７に半導体装置の断面図を示す。なお、表示装置を構成する場合も、以下の半導
体装置を用いることができる。
図７では、絶縁表面を有する基板１００１上に、フォトダイオード１００２、トランジ
スタ１００３、及びトランジスタ１００４が設けられている。それぞれ、図２及び図６に
おける、フォトダイオード２０４、トランジスタ２０５、及びトランジスタ２０７の断面
図を示している。被検出物１２０１から発せられる光１２０２、被検出物１２０１で外光
が反射した光１２０２、又は装置内部から発せられた光が被検出物１２０１で反射した光
１２０２が、フォトダイオード１００２に入射される。基板１００１側の被検出物を撮像
する構成としてもよい。
基板１００１は、絶縁性基板（例えばガラス基板又はプラスチック基板）、該絶縁性基
板上に絶縁膜（例えば酸化珪素膜又は窒化珪素膜）を形成したもの、半導体基板（例えば
シリコン基板）上に該絶縁膜を形成したもの、又は金属基板（例えばアルミニウム基板）
上に該絶縁膜を形成したものを用いることができる。
フォトダイオード１００２は、横型接合タイプのｐｉｎダイオードであり、半導体膜１
００５を有している。半導体膜１００５は、ｐ型の導電性を有する領域（ｐ層１０２１）
と、ｉ型の導電性を有する領域（ｉ層１０２２）と、ｎ型の導電性を有する領域（ｎ層１
０２３）とを有している。なお、フォトダイオード１００２は、ｐｎダイオードであって
も良い。
横型接合タイプのｐｉｎダイオード又はｐｎダイオードは、ｐ型を付与する不純物と、
ｎ型を付与する不純物とを、それぞれ半導体膜１００５の特定の領域に添加することで、
形成することが出来る。
フォトダイオード１００２は、入射光から生成される電気信号の割合（量子効率）を向
上させるために、結晶欠陥の少ない単結晶半導体（例えば単結晶シリコン）を用いて半導
体膜１００５を形成することが好ましい。
トランジスタ１００３は、トップゲート型の薄膜トランジスタであり、半導体膜１００
６、ゲート絶縁膜１００７、及びゲート電極１００８を有している。
トランジスタ１００３は、フォトダイオード１００２から供給される電荷を出力信号に
変換する機能を有する。そのため、単結晶半導体（例えば単結晶シリコン）を用いて半導
体膜１００６を形成し、移動度の高いトランジスタとすることが好ましい。
半導体膜１００５及び半導体膜１００６を、単結晶半導体を用いて形成する例を示す。
単結晶半導体基板（例えば単結晶シリコン基板）の所望の深さに、イオン照射等を行い損
傷領域を形成する。当該単結晶半導体基板と基板１００１とを絶縁膜を介して貼り合わせ
た後、損傷領域から単結晶半導体基板を分離して、基板１００１上に半導体膜を形成する
。当該半導体膜をエッチングなどにより所望の形状に加工（パターニング）することで、
半導体膜１００５及び半導体膜１００６を形成する。半導体膜１００５と半導体膜１００
６を同一工程で形成することができるため、コストを低減できる。これにより、フォトダ
イオード１００２とトランジスタ１００３とは同一表面上に形成されることになる。
なお、半導体膜１００５及び半導体膜１００６は、非晶質半導体、微結晶半導体、多結
晶半導体、酸化物半導体などを用いて形成することもできる。特に、単結晶半導体を用い
ることで移動度の高いトランジスタとすることが望ましい。また、半導体材料は、結晶性
を向上させることが容易であるシリコン又はシリコンゲルマニウム等のシリコン半導体を
用いることが好ましい。
ここで、フォトダイオード１００２の量子効率を向上させるため、半導体膜１００５を
厚く形成することが好ましい。更に、トランジスタ１００３のＳ値等の電気特性を良好に
するため、半導体膜１００６を薄く形成することが好ましい。この場合、半導体膜１００
５は、半導体膜１００６より厚く形成すればよい。
また、図２及び図６におけるトランジスタ２０６についても、結晶性半導体を用い、移
動度が高いトランジスタとすることが望ましい。トランジスタ１００３と同じ半導体材料
を用いることで、トランジスタ１００３と同一工程で形成することができ、コストを低減
できる。
なお、ゲート絶縁膜１００７は、酸化珪素膜又は窒化珪素膜等を用いて、単層又は積層
で形成する。プラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法を用いて形成すればよい。
なお、ゲート電極１００８は、モリブデン、チタン、クロム、タンタル、タングステン
、アルミニウム、銅、ネオジム、スカンジウム等の金属材料、又はこれらを主成分とする
合金材料を用いて、単層又は積層で形成する。スパッタリング法又は真空蒸着法を用いて
形成すればよい。
また、フォトダイオード１００２は、横型接合タイプとせずに、ｐ層、ｉ層、及びｎ層
を積層させた構造を採用することもできる。また、トランジスタ１００３は、ボトムゲー
ト型としてもよく、チャネルストップ構造又はチャネルエッチ構造とすることもできる。
なお、図９のように、フォトダイオード１００２の下部に遮光膜１３０１を設け、検出
すべき光以外を遮る構成としてもよい。フォトダイオード１００２の上部に遮光膜を設け
てもよい。その場合、例えば、フォトダイオード１００２が形成された基板１００１と対
向する基板１３０２に遮光膜を設ければよい。
ここで、実施の形態４で示したフィールドシーケンシャル方式での駆動を行う場合につ
いて説明する。図１２に示すように、ライト１１０１（バックライト又はフラッシュライ
ト）が特定の色（例えば、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ））の光１１０２を順次発する。
光１１０２は被検出物１２０１に照射され、被検出物１２０１で反射される。反射された
光１１０４は、フォトダイオード１００２に入射される。フォトダイオード１００２を有
するフォトセンサは、光１１０４を検出するために、リセット動作及び累積動作を行う。
そして、各色での累積動作が終わった後、全フォトセンサに対して、選択動作を順次行う
ことで、カラーでの撮像が可能になる。
なお、図１２においても、フォトダイオード１００２の下部に遮光膜１３０１を設け、
ライト１１０１からの光１１０２がフォトダイオード１００２に直接入射されないような
構造にしてもよい。
図１２では、フォトダイオード１００２が設けられた基板１００１に対向する基板１３
０２側の被検出物１２０１を撮像する構成を示したが、フォトダイオード１００２が設け
られた基板１００１側の被検出物を撮像する構成としてもよい。その場合は、例えば、ラ
イト１１０１を基板１３０２側に設け、遮光膜１３０１をフォトダイオード１００２の上
部に設ける構造とすればよい。
そして、図７において、トランジスタ１００４は、ボトムゲート型の逆スタガ構造の薄
膜トランジスタであり、ゲート電極１０１０、ゲート絶縁膜１０１１、半導体膜１０１２
、電極１０１３、電極１０１４を有する。また、トランジスタ１００４上に絶縁膜１０１
５を有する。なお、トランジスタ１００４は、トップゲート型としてもよい。
ここでトランジスタ１００４は、フォトダイオード１００２及びトランジスタ１００３
の上方に絶縁膜１００９を介して形成されていることを特徴とする。このようにトランジ
スタ１００４をフォトダイオード１００２と異なる層に形成することで、フォトダイオー
ド１００２の面積を拡大することが可能となり、フォトダイオード１００２の受光量を大
きくすることができる。
また、トランジスタ１００４の一部又は全部が、フォトダイオード１００２のｎ層１０
２３又はｐ層１０２１のいずれかと重なるように形成することが好ましい。フォトダイオ
ード１００２の面積を拡大できるとともに、トランジスタ１００４とｉ層１０２２との重
なりを極力小さくすることで効率よく受光を行うことができるからである。ｐｎダイオー
ドの場合も、トランジスタ１００４とｐｎ接合部との重なりを小さくすることで効率よく
受光を行うことができる。
トランジスタ１００４は、フォトダイオード１００２の出力信号をトランジスタ１００
３のゲートに電荷として累積し、また、当該電荷を保持する機能を有する。そのため酸化
物半導体を用いて半導体膜１０１２を形成し、オフ電流が極めて小さいトランジスタとす
ることが好ましい。
また、図６におけるトランジスタ６０１についても、酸化物半導体を用いて形成し、オ
フ電流の極めて小さいトランジスタとすることが望ましい。トランジスタ１００４と同じ
半導体材料を用いることで、トランジスタ１００４と同一工程で形成することができ、コ
ストを低減できる。なお、上記の各半導体素子について、薄膜半導体を用いても、バルク
半導体を用いてもよい。
以下に、半導体膜１０１２を、酸化物半導体を用いて形成する例を示す。
トランジスタのオフ電流を大きくする要因として、酸化物半導体中に水素等の不純物（
例えば水素、水、又は水酸基）が含まれていることが挙げられる。水素等は、酸化物半導
体中でキャリアの供与体（ドナー）になる可能性があり、オフ状態においても電流を発生
させる要因となる。すなわち、酸化物半導体中に水素等が多量に含まれていると、酸化物
半導体がＮ型化されてしまう。
そこで、以下で示す作製方法は、酸化物半導体中の水素を極力低減し、且つ、構成元素
である酸素の濃度を高くすることで、酸化物半導体を高純度化するものである。高純度化
された酸化物半導体は、真性又は実質的に真性な半導体であり、オフ電流を小さくするこ
とができる。
まず、絶縁膜１００９上に、酸化物半導体膜をスパッタリング法により形成する。なお
、図７はボトムゲート型であるので、絶縁膜１００９上にゲート電極１０１０及びゲート
絶縁膜１０１１を介して当該酸化物半導体膜を形成する。トップゲート型の場合は、当該
酸化物半導体膜を形成した後、ゲート絶縁膜１０１１及びゲート電極１０１０を形成すれ
ばよい。
酸化物半導体膜のターゲットとしては、酸化亜鉛を主成分とする金属酸化物のターゲッ
トを用いることができる。例えば、組成比として、Ｉｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１
：１：１、すなわち、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：０．５のターゲットを用いることがで
きる。また、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１、又はＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：２の組成
比を有するターゲットを用いることもできる。また、ＳｉＯ２を２重量％以上１０重量％
以下含むターゲットを用いることもできる。
なお、酸化物半導体膜の成膜の際は、希ガス（代表的にはアルゴン）雰囲気下、酸素雰
囲気下、または希ガス及び酸素混合雰囲気下とすればよい。ここで、酸化物半導体膜を成
膜する際に用いるスパッタガスは、水素、水、水酸基又は水素化物などの不純物の濃度が
ｐｐｍレベル、好ましくはｐｐｂレベルまで除去された高純度ガスを用いる。
酸化物半導体膜は、処理室内の残留水分を除去しつつ水素及び水分が除去されたスパッ
タガスを導入して成膜する。処理室内の残留水分を除去するためには、吸着型の真空ポン
プを用いることが好ましい。例えば、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメー
ションポンプを用いることが好ましい。
酸化物半導体膜の膜厚は、２ｎｍ以上２００ｎｍ以下とすればよく、好ましくは５ｎｍ
以上３０ｎｍ以下とする。そして、酸化物半導体膜にエッチング等を行い、所望の形状に
加工（パターニング）して半導体膜１０１２とする。
以上では、酸化物半導体膜としてＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏを用いる例を示したが、その他
にも、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ、Ｓ
ｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ、
Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ、Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ、Ｚｎ−Ｍｇ−Ｏ、Ｓｎ−Ｍｇ−Ｏ、Ｉｎ−Ｍｇ−Ｏ、
Ｉｎ−Ｏ、Ｓｎ−Ｏ、又はＺｎ−Ｏなどを用いることができる。また、上記酸化物半導体
膜はＳｉを含んでいてもよい。また、これらの酸化物半導体膜は、非晶質であってもよい
し、結晶質であってもよい。または、非単結晶であってもよいし、単結晶であってもよい
。
また、酸化物半導体膜として、ＩｎＭＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０、且つ自然数でない）
で表記される薄膜を用いることもできる。ここで、Ｍは、Ｇａ、Ａｌ、ＭｎおよびＣｏか
ら選ばれた一または複数の金属元素である。例えば、Ｍとして、Ｇａ、Ｇａ及びＡｌ、Ｇ
ａ及びＭｎ、またはＧａ及びＣｏが挙げられる。
次に、酸化物半導体膜（半導体膜１０１２）に第１の加熱処理を行う。第１の加熱処理
の温度は、４００℃以上７５０℃以下、好ましくは４００℃以上基板の歪み点未満とする
。
第１の加熱処理によって酸化物半導体膜（半導体膜１０１２）から水素、水、及び水酸
基等の除去（脱水素化処理）を行うことができる。これらが酸化物半導体膜に含まれると
、ドナーとなりトランジスタのオフ電流を増大させるため、第１の加熱処理による脱水素
化処理は極めて有効である。
なお、第１の加熱処理は、電気炉を用いることができる。また、抵抗発熱体などの発熱
体からの熱伝導または熱輻射によって加熱してもよい。その場合、例えばＧＲＴＡ（Ｇａ
ｓ Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置、ＬＲＴＡ（Ｌａｍｐ Ｒａｐｉ
ｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置等のＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａ
ｎｎｅａｌ）装置を用いることができる。
ＬＲＴＡ装置は、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノンアークランプ、カ
ーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプ、高圧水銀ランプなどのランプから発する光
（電磁波）の輻射により、被処理物を加熱する装置である。
ＧＲＴＡ装置は、高温のガスを用いて加熱処理を行う装置である。気体としては、不活
性ガス（代表的には、アルゴン等の希ガス）または窒素ガスを用いることができる。ＧＲ
ＴＡ装置を用いることで、短時間で高温の加熱処理が可能となるため、特に有効である。
また、第１の加熱処理は、パターニングを行う前に行ってもよいし、電極１０１３及び
電極１０１４を形成した後行ってもよいし、絶縁膜１０１５を形成した後に行ってもよい
。ただ、電極１０１３及び電極１０１４が第１の加熱処理によってダメージを受けること
を避けるため、当該電極を形成する前に行うことが好ましい。
ここで、第１の加熱処理において、酸化物半導体に酸素欠損が生じてしまうおそれがあ
る。そのため、第１の加熱処理の後に、酸化物半導体に酸素の導入（加酸化処理）を行い
、構成元素である酸素の高純度化を行うことが好ましい。
加酸化処理の具体例としては、第１の加熱処理の後連続して、窒素又は酸素を含む雰囲
気（たとえば、窒素：酸素の体積比＝４：１）中、又は酸素雰囲気中において、第２の加
熱処理を行う方法が挙げられる。また、酸素雰囲気下でのプラズマ処理を行う方法を用い
ることもできる。酸化物半導体膜中の酸素濃度を向上させ、高純度化することができる。
第２の加熱処理の温度は、２００℃以上４００℃以下、好ましくは２５０℃以上３５０℃
以下とする。
また、加酸化処理の別の例としては、半導体膜１０１２上に接して酸化珪素膜等の酸化
絶縁膜（絶縁膜１０１５）を形成し、第３の加熱処理を行う。この絶縁膜１０１５中の酸
素が半導体膜１０１２に移動し、酸化物半導体の酸素濃度を向上させ、高純度化すること
ができる。第３の加熱処理の温度は、２００℃以上４００℃以下、好ましくは２５０℃以
上３５０℃以下とする。なお、トップゲート型とした場合においても、半導体膜１０１２
上部に接するゲート絶縁膜を、酸化珪素膜等で形成し、同様の加熱処理を行うことで、酸
化物半導体を高純度化することができる。
以上のように、第１の加熱処理により脱水素化処理を行った後、第２の加熱処理又は第
３の加熱処理により加酸化処理を行うことで、酸化物半導体膜を高純度化することが可能
である。高純度化することで、酸化物半導体を真性又は実質的に真性とすることができ、
トランジスタ１００４のオフ電流を低減することができる。
なお、絶縁膜１００９は、フォトダイオード１００２及びトランジスタ１００３上に、
酸化珪素膜、窒化珪素膜等を用いて、単層又は積層で形成する。プラズマＣＶＤ法、スパ
ッタリング法を用いて形成すればよい。ポリイミド等の樹脂膜を塗布法等により形成して
もよい。
また、ゲート電極１０１０は、絶縁膜１００９上に、モリブデン、チタン、クロム、タ
ンタル、タングステン、アルミニウム、銅、ネオジム、スカンジウム等の金属材料、又は
これらを主成分とする合金材料を用いて、単層又は積層で形成する。スパッタリング法又
は真空蒸着法を用いて形成すればよい。
また、ゲート絶縁膜１０１１は、酸化珪素膜又は窒化珪素膜等を用いて、単層又は積層
で形成する。プラズマＣＶＤ又はスパッタリング法を用いて形成すればよい。
また、電極１０１３及び電極１０１４は、ゲート絶縁膜１０１１及び半導体膜１０１２
上に、モリブデン、チタン、クロム、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、イッ
トリウムなどの金属、これらを主成分とする合金材料、又は酸化インジウム等の導電性を
有する金属酸化物等を用いて、単層又は積層で形成する。スパッタリング法又は真空蒸着
法を用いて形成すればよい。ここで、電極１０１３は、ゲート絶縁膜１００７、絶縁膜１
００９、ゲート絶縁膜１０１１に形成されたコンタクトホールを介して、フォトダイオー
ド１００２のｎ層１０２３と電気的に接続されることが好ましい。
以下に、高純度化された酸化物半導体、及びそれを用いたトランジスタについて、詳細
に説明する。
高純度化された酸化物半導体の一例としては、キャリア濃度が１×１０１４／ｃｍ３未
満、好ましくは１×１０１２／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１１／ｃｍ３未満
、または６．０×１０１０／ｃｍ３未満である酸化物半導体が挙げられる。
高純度化された酸化物半導体を用いたトランジスタは、シリコンを用いた半導体を有す
るトランジスタ等に比較して、オフ電流が非常に小さいという特徴を有している。
トランジスタのオフ電流特性について、評価用素子（ＴＥＧとも呼ぶ）を用いて測定し
た結果を以下に示す。なお、ここでは、ｎチャネル型のトランジスタであるものとして説
明する。
ＴＥＧには、Ｌ／Ｗ＝３μｍ／５０μｍ（膜厚ｄ：３０ｎｍ）のトランジスタを２００
個並列に接続して作製されたＬ／Ｗ＝３μｍ／１００００μｍのトランジスタを設けた。
その初期特性を図８に示す。ここでは、ＶＧを−２０Ｖ〜＋５Ｖまでの範囲で示している
。トランジスタの初期特性を測定するため、基板温度を室温とし、ソース−ドレイン間電
圧（以下、ドレイン電圧またはＶＤという）を１０Ｖとし、ソース−ゲート間電圧（以下
、ゲート電圧またはＶＧという）を−２０Ｖ〜＋２０Ｖまで変化させたときのソース−ド
レイン電流（以下、ドレイン電流またはＩＤという）の変化特性、すなわちＶＧ−ＩＤ特
性を測定した。
図８に示すように、チャネル幅Ｗが１００００μｍのトランジスタは、ＶＤが１Ｖ及び
１０Ｖのいずれにおいても、オフ電流は１×１０−１３Ａ以下となっており、測定機（半
導体パラメータ・アナライザ、Ａｇｉｌｅｎｔ ４１５６Ｃ；Ａｇｉｌｅｎｔ社製）の分
解能（１００ｆＡ）以下となっている。このオフ電流値は、チャネル幅１μｍに換算する
と、１０ａＡ／μｍに相当する。
なお、本明細書においてオフ電流（リーク電流ともいう）とは、ｎチャネル型のトラン
ジスタでしきい値Ｖｔｈが正である場合、室温において−２０Ｖ以上−５Ｖ以下の範囲の
任意のゲート電圧を印加したときにトランジスタのソース−ドレイン間を流れる電流のこ
とを指す。なお、室温は、１５度以上２５度以下とする。本明細書に開示する酸化物半導
体を用いたトランジスタは、室温において、単位チャネル幅（Ｗ）あたりの電流値が１０
０ａＡ／μｍ以下、好ましくは１ａＡ／μｍ以下、さらに好ましくは１０ｚＡ／μｍ以下
である。
また、高純度の酸化物半導体を用いたトランジスタは温度特性が良好である。代表的に
は、−２５℃から１５０℃までの温度範囲におけるトランジスタの電流電圧特性において
、オン電流、オフ電流、電界効果移動度、Ｓ値、及びしきい値電圧の変動がほとんどなく
、温度による電流電圧特性の劣化がほとんど見られない。
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。
１００ 表示パネル
１０１ 画素回路
１０２ 表示素子制御回路
１０３ フォトセンサ制御回路
１０４ 画素
１０５ 表示素子
１０６ フォトセンサ
１０７ 表示素子駆動回路
１０８ 表示素子駆動回路
１０９ フォトセンサ読み出し回路
１１０ フォトセンサ駆動回路
２００ プリチャージ回路
２０１ トランジスタ
２０２ 保持容量
２０３ 液晶素子
２０４ フォトダイオード
２０５ トランジスタ
２０６ トランジスタ
２０７ トランジスタ
２０８ ゲート信号線
２０９ ゲート信号線
２１０ リセット信号線
２１１ ゲート信号線
２１２ ビデオデータ信号線
２１３ フォトセンサ基準信号線
２１４ フォトセンサ出力信号線
２１５ ゲート信号線
２１６ トランジスタ
２１７ プリチャージ信号線
３０１〜３０６ 信号
４０１〜４０９ 信号
４１０〜４１３ 期間
５０１〜５０９ 信号
５１０〜５１３ 期間
６０１ トランジスタ
７０１〜７０９ 信号
７１０〜７１５ 期間
８０１〜８０９ 信号
８１０〜８１５ 期間
１００１ 基板
１００２ フォトダイオード
１００３ トランジスタ
１００４ トランジスタ
１００５ 半導体膜
１００６ 半導体膜
１００７ ゲート絶縁膜
１００８ ゲート電極
１００９ 絶縁膜
１０１０ ゲート電極
１０１１ ゲート絶縁膜
１０１２ 半導体膜
１０１３ 電極
１０１４ 電極
１０１５ 絶縁膜
１１０１ ライト
１１０２ 光
１１０４ 光
１０２１ ｐ層
１０２２ ｉ層
１０２３ ｎ層
１２０１ 被検出物
１２０２ 光
１３０１ 遮光膜
１３０２ 基板

Claims (2)

  1. 第１のフォトセンサと、第２のフォトセンサと、を有し、
    前記第１のフォトセンサは、第１のフォトダイオードと、第１のトランジスタと、第２のトランジスタと、を有し、
    前記第２のフォトセンサは、第２のフォトダイオードと、第３のトランジスタと、第４のトランジスタと、を有し、
    前記第１のフォトダイオードは、前記第２のトランジスタを介して前記第１のトランジスタのゲートと電気的に接続され、
    前記第２のフォトダイオードは、前記第４のトランジスタを介して前記第３のトランジスタのゲートと電気的に接続され、
    前記第１のトランジスタのソースまたはドレインは、前記第３のトランジスタのソースまたはドレインと電気的に接続され、
    前記第２のトランジスタは、酸化物半導体を有し、
    前記第４のトランジスタは、酸化物半導体を有し、
    前記第１のフォトセンサ及び前記第２のフォトセンサは、リセット動作、累積動作、及び選択動作を行う機能を有し、
    前記第１のフォトセンサ及び前記第２のフォトセンサは、前記リセット動作を共通して行う機能と、前記累積動作を共通して行う機能と、前記選択動作を順次行う機能と、を有し、
    前記第１のフォトセンサ及び前記第２のフォトセンサは、前記リセット動作を行った後、前記累積動作と前記選択動作とを複数回繰り返して行う機能を有する半導体装置。
  2. 第１のフォトセンサと、第２のフォトセンサと、を有し、
    前記第１のフォトセンサは、第１のフォトダイオードと、第１のトランジスタと、第２のトランジスタと、を有し、
    前記第２のフォトセンサは、第２のフォトダイオードと、第３のトランジスタと、第４のトランジスタと、を有し、
    前記第１のフォトダイオードは、前記第２のトランジスタを介して前記第１のトランジスタのゲートと電気的に接続され、
    前記第２のフォトダイオードは、前記第４のトランジスタを介して前記第３のトランジスタのゲートと電気的に接続され、
    前記第１のトランジスタのソースまたはドレインは、前記第３のトランジスタのソースまたはドレインと電気的に接続され、
    前記第２のトランジスタは、酸化物半導体を有し、
    前記第４のトランジスタは、酸化物半導体を有し、
    前記第１のフォトセンサ及び前記第２のフォトセンサは、リセット動作、累積動作、及び選択動作を行う機能を有し、
    前記第１のフォトセンサ及び前記第２のフォトセンサは、前記リセット動作を共通して行う機能と、前記累積動作を共通して行う機能と、前記選択動作を順次行う機能と、を有し、
    前記選択動作に要する合計の時間は、前記累積動作に要する時間より長く、
    前記第１のフォトセンサ及び前記第２のフォトセンサは、前記リセット動作を行った後、前記累積動作と前記選択動作とを複数回繰り返して行う機能を有する半導体装置。
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