KR102114011B1 - 반도체 장치 및 이를 구동하는 방법 - Google Patents

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가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 켄큐쇼
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Abstract

반도체 장치는 포토다이오드, 제 1 트랜지스터, 및 제 2 트랜지스터를 포함한다. 포토다이오드는 제 1 트랜지스터의 게이트에 대한 입사광에 상응하는 전하를 공급하는 기능을 갖고, 제 1 트랜지스터는 게이트에 공급되는 전하를 누적하는 기능을 갖고, 제 2 트랜지스터는 제 1 트랜지스터의 게이트에 누적된 전하를 보유하는 기능을 갖는다. 제 2 트랜지스터는 산화물 반도체를 포함한다.

Description

반도체 장치 및 이를 구동하는 방법{SEMICONDUCTOR DEVICE AND METHOD FOR DRIVING THE SAME}
기술분야는 포토센서 및 그 구동 방법에 대한 것이다. 기술분야는 포토센서를 포함하는 표시 장치 및 이의 구동 방법에 대한 것이기도 하다. 또한, 기술분야는 포토센서를 포함하는 반도체 장치 및 이의 구동 방법에 대한 것이다.
최근에, 광-검출 센서(포토센서로도 불림)를 구비하는 표시 장치가 주목을 끌었다. 포토센서를 포함하는 표시 장치에서, 표시 스크린은 입력 영역으로서도 작용한다. 이미지 픽업(pickup) 기능을 갖는 표시 장치는 이러한 표시 장치의 일례이다(예를 들어, 특허 문서 1 참조).
포토센서를 구비하는 반도체 장치의 예들에는 CCD 이미지 센서와 CMOS 이미지 센서가 있다. 이러한 이미지 센서들은 예를 들어, 디지털 스틸 카메라들 또는 휴대폰들과 같은 전자 장치들에 사용된다.
포토센서를 포함하는 표시 장치에서, 먼저, 광은 표시 장치로부터 방출된다. 광이 피검출체가 존재하는 영역에 들어가면, 이 광은 피검출체에 의해 차단되고, 부분적으로 반사된다. 피검출체에 의해 반사된 광은 표시 장치의 화소에 제공된 포토센서에 의해 검출되어, 피검출체가 이 영역에서 발견될 수 있다.
포토센서를 포함하는 반도체 장치에서, 피검출체로부터 방출된 빛 또는 피검출체에 의해 반사된 외부 빛은 포토센서에 의해 직접 검출되거나 광학 렌즈 등에 의해 응축된 다음에 검출된다.
일본 공개 특허 출원 번호 JP2001-292276
피검출체의 이미지를 취득하기 위해, 입사광은 포토센서에 전기 신호로 변환될 필요가 있다. 부가적으로, 일반적으로 아날로그 신호인, 전기 신호는 A/D 컨버터 회로에 의해 디지털 신호로 변환될 필요가 있다.
그러므로, 본 발명의 목적은 입사광을 포토센서에서 전기 신호로 정확히 변환하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 상기 목적을 달성하기 위해 신규한 회로 구성을 갖는 포토센서를 제공하는 것이다.
빠르게 움직이는 피검출체의 이미지를 취득하는 경우에, 이미지가 흐릿하기 쉬운 문제가 있다. 또한, 본 발명의 목적은 이 문제를 해결하는 것이다.
고해상도로 이미지를 취득하기 위해, A/D 컨버터 회로가 고속으로 동작할 필요가 있어, 전력 소모가 증가하게 된다. 본 발명의 다른 목적은 이 문제를 해결하는 것이다.
또한 고해상도로 컬러 이미지를 취득하기 위해, A/D 컨버터 회로가 고속으로 동작할 필요가 있어, 전력 소모가 증가하게 된다. 본 발명의 또 다른 목적은 이 문제를 해결하는 것이다.
또한, 희미한 빛이 포토센서에 들어가는 경우에, 이 빛을 전기 신호로 정확히 변환하기 어렵다. 본 발명의 또 다른 목적은 이 문제를 해결하는 것이다.
본 발명의 하나의 실시예는 포토다이오드를 구비한 포토센서, 제 1 트랜지스터, 및 제 2 트랜지스터를 포함하는 반도체 장치이다. 이 포토다이오드는 입사광에 상응하는 전하를 제 1 트랜지스터의 게이트에 공급하는 기능을 갖고, 제 1 트랜지스터는 게이트에 공급되는 전하를 누적하는 기능을 갖고, 제 2 트랜지스터는 제 1 트랜지스터의 게이트에 누적된 전하를 보유하는 기능을 갖는다.
제 2 트랜지스터는 바람직하게는 산화물 반도체를 포함한다.
포토다이오드는 바람직하게는 단결정 반도체를 포함한다.
포토센서는 제 1 트랜지스터의 출력 신호의 판독을 제어하는 제 3 트랜지스터를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예는 복수의 포토센서를 포함하는 반도체 장치이다. 복수의 포토센서는 리셋 동작, 누적 동작, 및 선택 동작을 수행하고, 리셋 동작을 동시에, 누적 동작을 동시에, 및 선택 동작을 순서대로 수행한다. 그러므로, 복수의 포토센서에서, 리셋 동작은 동시에 수행되고, 누적 동작은 동시에 수행되고, 선택 동작은 개별적으로 수행된다. 모든 포토센서들의 선택 동작에 대한 총 시간은 바람직하게는 누적 동작을 위한 시간보다 길다.
반도체 장치는 리셋 동작 후, 누적 동작과 선택 동작을 여러 번 반복적으로 수행하는 기능을 또한 갖는다.
본 발명의 다른 실시예는 특정 색의 광원과 복수의 포토 센서를 포함하는 반도체 장치이다. 복수의 포토센서는 리셋 동작, 누적 동작, 및 선택 동작을 수행하고, 특정 색에 대한 리셋 동작을 동시에 수행하고, 특정 색에 대한 누적 동작을 동시에 수행하고, 선택 동작을 순차적으로 수행한다. 그러므로, 복수의 포토센서에서, 리셋 동작은 동시에 수행되고, 누적 동작이 동시에 수행되고, 선택 동작은 개별적으로 수행된다.
특정 색이 복수의 색인 경우에, 복수의 포토센서는 복수의 색 각각에 대해 리셋 동작을 동시에 수행하고, 복수의 색 각각에 대해 누적 동작을 동시에 수행하고, 선택 동작을 순차적으로 수행한다. 그러므로, 복수의 포토센서에서, 리셋 동작은 각각의 색에 대해 동시에 수행되고, 누적 동작은 각각의 색에 대해 동시에 수행되고, 선택 동작은 개별적으로 수행된다.
본 발명에서, 리셋 동작은 포토센서를 초기화하는 동작이고, 누적 동작은 포토센서에서 입사광에 상응하는 전하를 누적하는 동작이고, 선택 동작은 포토센서로부터 전기 신호를 출력하는 동작이다(판독 동작).
반도체 장치는 반도체 특성을 갖는 요소 및 이 요소를 갖는 모든 물체를 의미한다. 예를 들어, 트랜지스터를 갖는 표시 장치는 몇몇 경우에 반도체 장치로 간단히 언급된다.
포토센서의 하나의 실시예가 산화물 반도체를 사용하는 트랜지스터를 포함하므로, 입사광은 전기 신호로 정확히 변환될 수 있다.
부가적으로, 누적 동작이 복수의 포토센서에서 동시에 수행되므로, 누적 동작이 짧은 시간에 완료될 수 있어, 피검출체의 이미지가 그 물체가 빠르게 움직일 때에도 흐릿함(blur)이 적게 취득될 수 있다.
또한, 누적 동작을 제어하는 트랜지스터는 산화물 반도체를 포함하므로 매우 적은 off-전류를 갖는다. 결과적으로, 광센서의 갯수가 증가하고 선택 동작이 보다 긴 시간을 요구할 때에도 입사광이 정확히 전기 신호로 변환될 수 있다. 그러므로, 고 해상도 이미지가 취득될 수 있다. 또한, 입사광은 포토센서의 갯수와 컬러들이 증가하고 선택 동작이 보다 긴 시간을 요구할 때에도 정확히 전기 신호로 변환될 수 있다. 결과적으로, 고 해상도를 갖는 컬러 이미지가 취득될 수 있다.
또한, 포토센서로 들어가는 희미한 빛은 전기 신호로 정확히 변환될 수 있다.
또한, 선택 동작을 위한 시간이 증가될 수 있으므로, A/D 컨버터 회로는 반드시 고속으로 동작하지 않아도 되고, 이는 전력 소모를 감소시킨다.
즉, A/D 컨버터 회로의 전력 소모가 감소되면서 고 해상도를 갖는 이미지가 취득될 수 있다.
첨부한 도면들에서:
도 1은 표시 장치의 일례를 나타내는 도면.
도 2는 표시 장치의 일례를 나타내는 도면.
도 3은 타이밍 차트.
도 4는 타이밍 차트.
도 5는 타이밍 차트.
도 6a 내지 도 6d는 포토센서의 예들을 나타내는 도면.
도 7은 반도체 장치의 일례를 나타내는 도면
도 8은 트랜지스터의 전기 특성을 보이는 도면.
도 9는 반도체 장치의 일례를 나타내는 도면.
도 10은 타이밍 차트.
도 11은 타이밍 차트.
도 12는 반도체 장치의 일례를 나타내는 도면.
실시예들은 도면들을 참조하여 하기에 상세히 설명된다. 하기의 실시예들은 많은 상이한 모드들로 실시될 수 있음을 알아야 하고, 당업자에게는 모드들과 세부사항들이 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않고 다양한 방식으로 수정될 수 있음이 명백할 것이다. 그러므로, 본 발명은 실시예들의 설명에 제한되는 것으로 해석되지 않는다. 실시예들을 설명하는 모든 도면에서, 유사한 기능을 갖는 유사한 부분(들)이 유사한 도면부호들로 표기되고, 그 설명은 생략됨을 알아야 한다.
(실시예 1)
본 실시예에서, 표시 장치는 도 1, 도 2, 및 도 3을 참조하여 설명된다.
표시 장치의 구조는 도 1을 참조하여 설명된다. 표시 패널(100)은 화소 회로(101), 표시 소자 제어 회로(102), 및 포토센서 제어 회로(103)를 포함한다.
화소 회로(101)는 행 방향 및 열 방향에서 행렬로 배치된 복수의 화소(104)를 포함한다. 각각의 화소(104)는 표시 소자(105)와 포토센서(106)를 포함한다. 포토센서는 반드시 각각의 화소(104)에 제공되는 것은 아니고, 둘 이상의 화소(104)마다 제공될 수 있다. 대안적으로, 포토센서는 화소(104)들 밖에 제공될 수 있다.
화소(104)의 회로도가 도 2를 참조하여 설명된다. 화소(104)는 트랜지스터(201), 저장 컨덴서(202), 및 액정 소자(203)를 구비하는 표시 소자(105)와; 수광 소자인 포토다이오드(204), 트랜지스터(205), 트랜지스터(206), 및 트랜지스터(207)를 구비하는 포토센서(106)를 포함한다.
표시 소자(105)에서, 트랜지스터(201)의 게이트는 게이트 신호선(208)에 전기적으로 접속되고, 트랜지스터(201)의 소스와 드레인 중 하나가 비디오 데이터 신호선(212)에 전기적으로 접속되고, 소스와 드레인 중 다른 하나가 저장 컨덴서(202)의 하나의 전극과 액정 소자(203)의 하나의 전극에 전기적으로 접속된다. 저장 컨덴서(202)의 다른 전극과 액정 소자(203)의 다른 전극은 각각 일정한 전위로 보유된다. 액정 소자(203)는 한쌍의 전극과 이 전극들의 쌍 사이에 개재된 액정 층을 포함하는 소자이다.
트랜지스터(201)는 저장 컨덴서(202)로부터 이 컨덴서로 전하들의 주입 또는 방출을 제어하는 기능을 갖는다. 예를 들어, 고 전위가 게이트 신호선(208)에 적용될 때, 비디오 데이터 신호선(212)의 전위는 저장 컨덴서(202)와 액정 소자(203)에 인가된다. 저장 컨덴서(202)는 액정 소자(203)에 인가된 전압에 상응하는 전하를 보유하는 기능을 갖는다. 액정 소자(203)에 전압을 인가하여 편광 방향이 변화하는 것을 이용하여, 액정 소자(203)를 투과하는 빛의 명암(그레이 스케일)이 이루어져, 이미지 표시가 실현된다. 액정 소자(203)를 투과하는 빛으로서, 액정 표시 장치의 뒷면의 광원(백라이트)으로부터 방출되는 빛이 이용된다.
트랜지스터(201)에 대해, 비정질 반도체, 미세결정 반도체, 다결정질 반도체, 산화물 반도체, 단결정 반도체 등이 사용될 수 있다. 특히, 표시 품질은 매우 낮은 off-전류를 갖는 트랜지스터를 얻도록 산화물 반도체를 사용하여 증가될 수 있다.
비록 본원에서 설명하는 표시 소자(105)가 액정 소자를 포함하지만, 표시 소자(105)는 발광 소자와 같은 다른 소자들을 포함할 수 있다. 발광 소자는 그 휘도가 전류 또는 전압으로 제어되는 소자이고, 그 특정 예들이 발광 다이오드와 OLED(유기 발광 다이오드)이다.
포토센서(106)에서, 포토다이오드(204)의 하나의 전극은 포토다이오드 리셋 신호선(210)에 전기적으로 접속되고, 그 다른 전극은 트랜지스터(207)의 소스와 드레인 중 하나에 전기적으로 접속된다. 트랜지스터(205)의 소스와 드레인 중 하나는 포토센서 기준 신호선(213)에 전기적으로 접속되고, 소스와 드레인 중 다른 하나는 트랜지스터(206)의 소스와 드레인 중 하나에 전기적으로 접속된다. 트랜지스터(206)의 게이트는 게이트 신호선(211)에 전기적으로 접속되고, 트랜지스터(206)의 소스와 드레인 중 다른 하나는 포토센서 출력 신호선(214)에 전기적으로 접속된다. 트랜지스터(207)의 게이트는 게이트 신호선(209)에 전기적으로 접속되고, 트랜지스터(207)의 소스와 드레인 중 다른 하나는 트랜지스터(205)의 게이트에 전기적으로 접속된다.
포토다이오드(204)에 대해, 비정질 반도체, 미세결정 반도체, 다결정질 반도체, 산화물 반도체, 단결정 반도체 등이 사용될 수 있다. 특히, 적은 결정 결함을 갖는 단결정 반도체(예를 들어, 단결정 실리콘)가 바람직하게는 입사광으로부터 생성된 전기 신호의 비율(양자 효과)을 개선하도록 사용된다. 반도체 재료로서, 실리콘 또는 실리콘 게르마늄과 같은 실리콘 반도체를 사용하는 것이 바람직하고 그 결정성은 쉽게 증가될 수 있다.
트랜지스터(205)에 대해, 비정질 반도체, 미세결정 반도체, 다결정질 반도체, 산화물 반도체, 단결정 반도체 등이 사용될 수 있다. 특히, 트랜지스터(205)가 높은 이동도를 갖고 포토다이오드(204)로부터 출력 신호로 공급되는 전하를 변환하는 기능을 갖도록 트랜지스터(205)에 대해 단결정 반도체가 바람직하게 사용된다. 반도체 재료로서, 그 결정성이 쉽게 증가될 수 있는, 실리콘 또는 실리콘 게르마늄과 같은 실리콘 반도체를 사용하는 것이 바람직하다.
트랜지스터(206)에 대해, 비정질 반도체, 미세결정 반도체, 다결정질 반도체, 산화물 반도체, 단결정 반도체 등이 사용될 수 있다. 특히, 트랜지스터(206)가 높은 이동도를 갖고 트랜지스터(205)의 출력 신호를 포토센서 출력 신호선(214)에 공급하는 기능을 갖도록 트랜지스터(206)에 대해 단결정 반도체가 바람직하게 사용된다. 반도체 재료로서, 그 결정성이 쉽게 증가될 수 있는, 실리콘 또는 실리콘 게르마늄과 같은 실리콘 반도체를 사용하는 것이 바람직하다.
트랜지스터(207)에 대해, 비정질 반도체, 미세결정 반도체, 다결정질 반도체, 산화물 반도체, 단결정 반도체 등이 사용될 수 있다. 특히, 트랜지스터(207)가 매우 낮은 off-전류를 갖고 트랜지스터(205)의 게이트의 전하를 보유하는 기능을 갖도록 트랜지스터(207)에 대해 산화물 반도체가 바람직하게 사용된다. 그러므로 여러 종류의 트랜지스터가 트랜지스터들에 필요한 기능들에 따라 배치될 때, 포토센서의 성능이 개선될 수 있다.
표시 소자 제어 회로(102)는 표시 소자(105)를 제어하는 회로이고, 비디오 데이터 신호선과 같은 신호선(소스 신호선으로도 불림)을 통해 표시 소자(105)에 신호가 입력되는 표시 소자 드라이버 회로(107)와; 주사선(게이트 신호선으로도 불림)을 통해 표시 소자(105)에 신호가 입력되는 표시 소자 드라이버 회로(108)를 포함한다. 예를 들어, 주사선에 전기적으로 접속된 표시 소자 드라이버 회로(108)는 특정한 행의 화소에 포함된 표시 소자를 선택하는 기능을 갖는다. 또한, 신호선에 전기적으로 접속된 표시 소자 드라이버 회로(107)는 선택된 행의 화소에 포함된 표시 소자에 예정된 전위를 공급하는 기능을 갖는다. 또한, 표시 소자 드라이버 회로(108)로부터 고전위가 인가된 게이트 신호선에 접속된 표시 소자에서는, 트랜지스터가 도통 상태가 되고, 표시 소자 드라이버 회로(107)로부터 비디오 데이터 신호선에 인가된 전위가 공급된다는 것을 알아야 한다.
포토센서 제어 회로(103)는 포토센서(106)를 제어하는 회로이고, 포토센서 기준 신호선 또는 포토센서 출력 신호선과 같은 신호선에 전기적으로 접속된 포토센서 판독 회로(109)와; 주사선에 전기적으로 접속된 포토센서 드라이버 회로(110)를 포함한다.
포토센서 드라이버 회로(110)는 이후 설명되는 리셋 동작, 누적 동작, 및 특정한 행에서 화소에 포함된 포토센서(106) 상의 선택 동작을 수행하는 기능을 갖는다.
포토센서 판독 회로(109)는 선택된 행에서 화소에 포함된 포토센서(106)의 출력 신호를 추출하는 기능을 갖는다. 포토센서 판독 회로(109)로부터, 아날로그 신호인 포토센서 센서(106)의 출력이 OP 증폭기를 사용하여 표시 패널의 바깥으로 추출됨을 알아야 한다. 다르게는, 포토센서(106)의 출력이 A/D 컨버터 회로를 사용하여 디지털 신호로 변환된 다음에 표시 패널의 밖으로 추출된다.
포토센서 판독 회로(109)에 포함된 프리차지(precharge) 회로는 도 2를 참조하여 설명된다. 도 2에서, 화소들의 하나의 열에 대한 프리차지 회로(200)는 트랜지스터(216)와 프리차지 신호선(217)을 포함한다. 포토센서 판독 회로(109)가 프리차지 회로(200)의 이후 스테이지에 연결된 A/D 컨버터 회로 또는 OP 증폭기를 포함할 수 있음을 알아야 한다.
프리차지 회로(200)에서, 화소의 포토센서의 동작 전에, 포토센서 출력 신호선(214)의 전위가 기준 전위로 설정된다. 도 2에서, 프리차지 신호선(217)은 트랜지스터(216)가 도통되도록 "L(Low)"로 설정되어, 포토센서 출력 신호선(214)의 전위가 기준 전위(여기서, 고 전위)로 설정될 수 있다. 포토센서 출력 신호선(214)의 전위가 안정화되도록 포토센서 출력 신호선(214)에 대한 저장 컨덴서를 제공하는 것이 효과적임을 알아야 한다. 기준 전위는 저 전위로 설정될 수 있음을 알아야 한다. 이 경우에, 트랜지스터(216)의 전도성 타입은 도 2의 것과 반대로 만들어지고 프리차지 신호선(217)은 "H(High)"로 설정되어, 포토센서 출력 신호선(214)의 전위가 기준 전위로 설정될 수 있다.
다음에, 포토센서(106)의 동작이 도 3의 타이밍 차트를 참조하여 설명된다. 도 3에서, 신호(301), 신호(302), 신호(303), 신호(304), 신호(305), 및 신호(306)는 포토다이오드 리셋 신호선(210), 게이트 신호선(209), 게이트 신호선(211), 게이트 신호선(215), 포토센서 출력 신호선(214), 및 프리차지 신호선(217)의 전위들에 각각 상응한다.
시간 A에서, 포토다이오드 리셋 신호선(210)의 전위(신호(301))가 "H"로 설정되고 게이트 신호선(209)의 전위(신호(302))가 "H"로 설정되고(리셋 동작이 시작됨); 그 다음에, 포토다이오드(204)가 도통되고 게이트 신호선(215)의 전위(신호(304))가 "H"가 된다. 프리차지 신호선(217)의 전위(신호(306))가 "L"일 때, 포토센서 출력 신호선(214)의 전위(신호(305))는 "H"로 미리 충전된다.
시간 B에서, 포토다이오드 리셋 신호선(210)의 전위(신호(301))이 "L"로 설정되고 게이트 신호선(209)의 전위(신호(302))가 "H"로 보유된 다음에(리셋 동작이 완료되고 누적 동작이 시작됨); 게이트 신호선(215)의 전위(신호(304))가 포토다이오드(204)의 off-전류 때문에 낮춰지기 시작된다. 포토다이오드(204)의 off-전류는 빛이 들어옴에 따라 증가하므로, 게이트 신호선(215)의 전위(신호(304))는 입사광의 양에 따라 변한다. 달리 말해, 포토다이오드(204)는 트랜지스터(205)의 게이트에 대한 입사광에 따라 전하를 공급하는 기능을 갖는다. 그 다음에, 트랜지스터(205)의 소스와 드레인 간의 채널 저항이 변한다.
시간 C에서, 게이트 신호선(209)의 전위(신호(302))가 "L"로 설정되고(누적 동작이 완료됨); 그 다음에 게이트 신호선(215)의 전위(신호(304))가 일정하게 된다. 이 전위는 누적 동작 중에 포토다이오드(204)로부터 게이트 신호선(215)에 공급된 전하에 의해 결정된다. 즉, 트랜지스터(205)의 게이트에 누적된 전하의 양이 포토다이오드(204)에 들어가는 빛에 따라 변한다. 부가적으로, 트랜지스터(207)는 매우 낮은 off-전류를 갖도록 산화물 반도체를 사용하고; 결과적으로, 누적된 전하는 이후의 선택 동작까지 일정하게 보유될 수 있다.
시간 D에서, 게이트 신호선(211)의 전위(신호(303))가 "H"로 설정되고(선택 동작이 시작됨); 그 다음에, 트랜지스터(206)가 도통되고 트랜지스터(205)와 트랜지스터(206)를 통해 포토센서 출력 신호선(214)과 포토센서 기준 신호선(213) 간에 전기 전도가 생긴다. 그 다음에, 포토센서 출력 신호선(214)의 전위(신호(305))가 낮아진다. 시간 D 전에, 포토센서 출력 신호선(214)의 사전충전(precharge)이 완료되도록 프리차지 신호선(217)의 전위(신호(306))가 "H"로 설정되어 있음을 주목해야 한다. 여기서, 포토센서 출력 신호선(214)의 전위(신호(305)가 낮아지는 비율은 트랜지스터(205)의 소스와 드레인 간의 전류, 즉, 누적 동작 중에 포토다이오드(204)에 조사되는 빛의 양에 의존한다.
시간 E에서, 게이트 신호선(211)의 전위(신호(303))가 "L"로 설정되고(선택 동작이 완료됨); 그 다음에, 트랜지스터(206)가 차단되고 포토센서 출력 신호선(214)의 전위(신호(305))가 일정해진다. 여기서 그 일정한 값은 포토다이오드(204)에 조사되는 빛의 양에 따라 변한다. 그러므로, 누적 동작 중에 포토다이오드(204)에 들어오는 빛의 양은 포토센서 출력 신호선(214)의 전위를 얻어 결정될 수 있다.
상기 방식에서, 개개의 포토센서들의 동작은 리셋 동작, 누적 동작, 및 선택 동작을 반복적으로 수행하여 실현된다. 누적 동작을 제어하는 트랜지스터(207)는 바람직하게는 상술한 바와 같이 매우 낮은 off-전류를 갖도록 산화물 반도체를 사용한다. 이러한 회로 구성으로, 트랜지스터(205)의 게이트에 누적된 전하를 보유하는 기능이 개선될 수 있다. 따라서, 입사광이 포토센서(106)에서 전기 신호로 정확히 변환될 수 있다.
비록 포토센서를 포함하는 표시 장치가 본 실시예에 설명되지만, 본 실시예는 포토센서를 포함하는 반도체 장치에 쉽게 적용될 수 있다. 즉, 반도체 장치가 본 실시예에서 표시 장치로부터, 표시에 필요한 회로들, 상세하게는 표시 소자 제어 회로(102)와 표시 소자(105)를 제거하여 형성될 수 있다. 반도체 장치의 일례는 이미지 센서이다.
이 실시예는 다른 실시예들과 적절히 조합하여 실시될 수 있다.
(실시예 2)
본 실시예에서, 복수의 포토센서를 구동하는 방법이 설명된다.
먼저, 도 4의 타이밍 차트에 예시된 구동 방법이 설명된다. 도 4에서, 신호(401), 신호(402), 및 신호(403)는 각각 제 1 행, 제 2 행, 및 제 3 행의 포토센서의 포토다이오드 리셋 신호선(210)의 전위 변화를 보이는 신호들이다. 신호(404), 신호(405), 및 신호(406)는 각각 제 1 행, 제 2 행, 및 제 3 행의 포토센서의 게이트 신호선(209)의 전위 변화를 보이는 신호들이다. 신호(407), 신호(408), 및 신호(409)는 각각 제 1 행, 제 2 행, 및 제 3 행의 포토센서의 게이트 신호선(211)의 전위 변화를 보이는 신호들이다. 기간(410)은 하나의 촬상(imaging)에 필요한 기간이다. 기간(411)은 리셋 동작이 제 2 행의 포토센서에서 수행되는 기간이고, 기간(412)은 누적 동작이 제 2 행의 포토센서에서 수행되는 기간이고, 기간(413)은 선택 동작이 제 2 행의 포토센서에서 수행되는 기간이다. 따라서 순차적으로 각각의 행의 포토센서를 구동하여, 이미지들이 취득될 수 있다.
여기서 각각의 행의 포토센서의 누적 동작이 시간 지연을 가짐이 밝혀졌다. 즉, 각각의 행의 포토센서의 촬상은 동시에 수행되지 않아, 취득된 이미지가 흔들리게(blurring) 된다. 특히, 빠르게 움직이는 피검출체의 이미지는 왜곡된 형상을 갖게 취득되기 쉽고: 피검출체가 제 1 행으로부터 제 3 행으로의 방향으로 움직이면, 확대된 이미지가 취득되어 그 뒤에 자취(trail)가 남고; 피검출체가 반대 방향으로 움직이면, 감소된 이미지가 취득된다.
각각의 행의 포토센서에서 누적 동작의 시간 지연을 방지하기 위해, 각각의 행의 포토센서가 순차적으로 보다 짧은 사이클로 구동되는 것이 효과적이다. 그러나, 이 경우에, 포토센서의 출력 신호는 OP 증폭기 또는 AD 컨버터 회로로 매우 고속으로 취득될 필요가 있고, 이는 전력 소모가 증가하게 하고, 특히 고 해상도로 이미지를 취득하기 매우 어렵게 한다.
그러므로, 도 5의 타이밍 차트에 예시된 구동 방법이 제안된다. 도 5에서, 신호(501), 신호(502), 및 신호(503)는 각각 제 1 행, 제 2 행, 및 제 3 행의 포토센서에서 포토다이오드 리셋 신호선(210)의 전위 변화를 보이는 신호들이다. 신호(504), 신호(505), 및 신호(506)는 각각 제 1 행, 제 2 행, 및 제 3 행의 포토센서에서 게이트 신호선(209)의 전위 변화를 보이는 신호들이다. 신호(507), 신호(508), 및 신호(509)는 각각 제 1 행, 제 2 행, 및 제 3 행의 포토센서에서 게이트 신호선(211)의 전위 변화를 보이는 신호들이다. 기간(510)은 1회의 촬상에 필요한 기간이다. 기간(511)은 제 2 행의 포토센서에서 리셋 동작(동시에 모든 행에서)이 수행되는 기간이고, 기간(512)은 누적 동작(동시에 모든 행에서)이 제 2 행의 포토센서에서 수행되는 기간이고, 기간(513)은 선택 동작이 제 2 행의 포토센서에서 수행되는 기간이다.
도 5는 리셋 동작과 누적 동작이 모든 행들의 포토센서들에서 같은 기간에 각각 수행되고, 누적 동작 후에, 선택 동작이 누적 동작과 동기화되지 않고 각각의 행에서 순차적으로 수행되는 것이 도 4와 다르다. 누적 동작이 같은 기간에 수행될 때, 각각의 행의 포토센서의 촬상은 동시에 수행되고 피검출체의 이미지는 그 물체가 빠르게 움직일 때에도 흐릿함이 적게 쉽게 취득될 수 있다. 누적 동작이 동시에 수행되므로, 드라이버 회로는 각각의 포토센서의 포토다이오드 리셋 신호선(210)에 대해 공통으로 제공될 수 있다. 또한, 드라이버 회로는 각각의 포토센서의 게이트 신호선(209)에 대해 공통으로 제공될 수 있다. 이러한 공통으로 제공되는 드라이버 회로들은 전력 소모를 줄이거나 주변 회로들의 갯수를 줄이는데 효과적이다. 부가적으로, 각각의 행에서 순차적으로 수행되는 선택 동작은 포토센서의 출력 신호가 얻어질 때 A/D 컨버터 회로 또는 OP 증폭기의 동작 속도를 낮출 수 있게 한다. 이 때, 선택 동작에 대한 전체 시간은 바람직하게는 누적 동작에 대한 시간보다 길고, 이는 고 해상도를 갖는 이미지를 얻는 경우에 특히 효과적이다.
도 5가 각각의 행의 포토센서를 순차적으로 구동하는 방법의 타이밍 차트를 예시하고; 이는 특정 영역에서 이미지를 얻도록 특정한 행에서만 포토센서를 순차적으로 구동하는데에도 효과적임을 알아야 한다. 결과적으로, OP 증폭기 또는 A/D 컨버터 회로의 동작과 전력 소모가 감소되면서 원하는 이미지가 얻어질 수 있다. 또한, 몇 개의 행마다의 포토센서, 복수의 포토센서 중 몇 개를 구동하는 방법도 효과적이다. 결과적으로, OP 증폭기 또는 A/D 컨버터 회로의 동작과 전력 소모가 감소되면서 원하는 해상도를 갖는 이미지가 얻어질 수 있다.
상술한 구동 방법을 실현하기 위해, 각각의 포토센서의 게이트 신호선(215)의 전위는 누적 동작이 완료된 후에도 일정하게 보유될 필요가 있다. 그러므로, 트랜지스터(207)는 바람직하게는 도 2에 설명된 바와 같이 매우 낮은 off-전류를 갖도록 산화물 반도체를 사용한다.
상술한 방식에서, 물체가 빠르게 움직일 때에도 피검출체가 흐릿함이 적은 이미지를 고 해상도로 취득하게 할 수 있는 저전력 소모 표시 장치 또는 반도체 장치를 제공할 수 있다.
본 실시예는 다른 실시예들과 적절히 조합하여 실시될 수 있다.
(실시예 3)
본 실시예에서, 실시예 2에서와 상이한 일례인, 복수의 포토센서를 구동하는 방법이 설명된다.
먼저, 도 10의 타이밍 차트에 예시된 구동 방법이 설명된다. 도 10에서, 신호(701), 신호(702), 및 신호(703)는 각각 제 1 행, 제 2 행, 및 제 3 행의 포토센서의 포토다이오드 리셋 신호선(210)의 전위 변화를 보이는 신호들이다. 신호(704), 신호(705), 및 신호(706)는 각각 제 1 행, 제 2 행, 및 제 3 행의 포토센서의 게이트 신호선(209)의 전위 변화를 보이는 신호들이다. 신호(707), 신호(708), 및 신호(709)는 각각 제 1 행, 제 2 행, 및 제 3 행의 포토센서의 게이트 신호선(211)의 전위 변화를 보이는 신호들이다. 기간(710)은 1회의 촬상에 필요한 기간이다. 기간(711)은 제 2 행의 포토센서에서 리셋 동작이 수행되는 기간이고, 기간(712)은 제 1 누적 동작이 제 2 행의 포토센서에서 수행되는 기간이고, 기간(713)은 제 1 선택 동작이 제 2 행의 포토센서에서 수행되는 기간이고, 기간(714)은 제 2 누적 동작이 제 2 행의 포토센서에서 수행되는 기간이고, 기간(715)은 제 2 선택 동작이 제 2 행의 포토센서에서 수행되는 기간이다. 제 2 선택 동작을 수행하여, 제 1 누적 동작의 시작부터 제 2 누적 동작의 끝까지의 기간에서 포토다이오드(204)에 들어가는 빛의 양을 찾을 수 있다. 결과적으로, 심지어 희미한 빛이 여러 번 누적 동작과 선택 동작을 반복적으로 수행하여 전기 신호로 정확히 변환될 수 있다. 그러므로 각각의 행의 포토센서를 순차적으로 구동하여, 이미지들이 취득될 수 있다.
도 10의 타이밍 차트에서, 각각의 행의 포토센서의 제 1 누적 동작과 제 2 누적 동작이 시간 지연을 가짐이 발견되었다. 즉, 각각의 행의 포토센서의 촬상이 동시에 수행되지 않아, 취득되는 이미지가 흐려지게 된다. 특히, 빠르게 움직이는 피검출체의 이미지는 왜곡된 형상을 갖기 쉽다: 피검출체가 제 1 행으로부터 제 3 행으로의 방향으로 움직이면, 확대된 이미지가 취득되어 그 뒤에 자취가 남고; 피검출체가 반대 방향으로 움직이면, 감소된 이미지가 취득된다.
각각의 행의 포토센서에서 제 1 누적 동작 및 제 2 누적 동작의 시간 지연을 방지하기 위해, 각각의 행의 포토센서가 순차적으로 보다 짧은 사이클로 구동되는 것이 효과적이다. 그러나, 이 경우에, 포토센서의 출력 신호는 OP 증폭기 또는 AD 컨버터 회로로 매우 고속으로 취득될 필요가 있고, 이는 전력 소모가 증가하게 하고, 특히 고 해상도로 이미지를 취득하기 매우 어렵게 한다.
그러므로, 도 11의 타이밍 차트에 예시된 구동 방법이 제안된다. 도 11에서, 신호(801), 신호(802), 및 신호(803)는 각각 제 1 행, 제 2 행, 및 제 3 행의 포토센서에서 포토다이오드 리셋 신호선(210)의 전위 변화를 보이는 신호들이다. 신호(804), 신호(805), 및 신호(806)는 각각 제 1 행, 제 2 행, 및 제 3 행의 포토센서에서 게이트 신호선(209)의 전위 변화를 보이는 신호들이다. 신호(807), 신호(808), 및 신호(809)는 각각 제 1 행, 제 2 행, 및 제 3 행의 포토센서에서 게이트 신호선(211)의 전위 변화를 보이는 신호들이다. 기간(810)은 1회의 촬상에 필요한 기간이다. 기간(811)은 제 2 행의 포토센서에서 리셋 동작(동시에 모든 행에서)이 수행되는 기간이고, 기간(812)은 제 1 누적 동작(동시에 모든 행에서)이 제 2 행의 포토센서에서 수행되는 기간이고, 기간(813)은 제 1 선택 동작이 제 2 행의 포토센서에서 수행되는 기간이고, 기간(814)은 제 2 누적 동작(동시에 모든 행에서)이 제 2 행의 포토센서에서 수행되는 기간이고, 기간(815)은 제 2 선택 동작이 제 2 행의 포토센서에서 수행되는 기간이다.
도 11은 리셋 동작, 제 1 누적 동작, 및 제 2 누적 동작이 모든 행들의 포토센서들에서 같은 기간에 각각 수행되고, 제 1 누적 동작 후에, 제 1 선택 동작이 제 1 누적 동작과 동기화되지 않고 각각의 행에서 순차적으로 수행되고, 제 2 누적 동작 후에, 제 2 선택 동작이 제 2 누적 동작과 동기화되지 않고 각각의 행에서 순차적으로 수행되는 것이 도 10과 다르다. 제 1 누적 동작과 제 2 누적 동작이 같은 기간으로 각각 수행될 때, 각각의 행의 포토센서의 촬상은 동시에 수행되고 피검출체의 이미지는 그 물체가 빠르게 움직일 때에도 흐릿함이 적게 쉽게 취득될 수 있다. 누적 동작이 동시에 수행되므로, 드라이버 회로는 각각의 포토센서의 포토다이오드 리셋 신호선(210)에 대해 공통으로 제공될 수 있다. 또한, 드라이버 회로는 각각의 포토센서의 게이트 신호선(209)에 대해 공통으로 제공될 수 있다. 이러한 공통으로 제공되는 드라이버 회로들은 전력 소모를 줄이거나 주변 회로들의 갯수를 줄이는데 효과적이다. 부가적으로, 제 1 선택 동작이 제 1 누적 동작과 동기화되지 않고 수행되고 제 2 선택 동작이 제 2 누적 동작과 동기화되지 않고 수행되므로, A/D 컨버터 회로 또는 OP 증폭기의 동작 속도는 포토센서의 출력 신호가 얻어질 때 추가로 감소될 수 있다. 이 때, 선택 동작에 대한 전체 시간은 바람직하게는 제 1 누적 동작의 시작부터 제 2 누적 동작의 끝까지의 시간보다 길고, 이는 희미한 빛으로부터 고 해상도를 갖는 이미지를 얻는 경우에 특히 효과적이다.
도 11은 각각의 행의 포토센서를 순차적으로 구동하는 방법의 타이밍 차트를 예시하고; 이는 특정 영역에서 이미지를 얻도록 특정한 행에서만 포토센서를 순차적으로 구동하는데에도 효과적임을 알아야 한다. 결과적으로, OP 증폭기 또는 A/D 컨버터 회로의 동작과 전력 소모가 감소되면서 원하는 이미지가 얻어질 수 있다. 또한, 몇 개의 행마다의 포토센서, 즉, 복수의 포토센서 중 몇 개를 구동하는 방법도 효과적이다. 결과적으로, OP 증폭기 또는 A/D 컨버터 회로의 동작과 전력 소모가 감소되면서 원하는 해상도를 갖는 이미지가 얻어질 수 있다.
상술한 구동 방법을 실현하기 위해, 각각의 포토센서의 게이트 신호선(215)의 전위는 누적 동작이 완료된 후에도 일정하게 보유될 필요가 있다. 그러므로, 트랜지스터(207)는 바람직하게는 도 2에 설명된 바와 같이 매우 낮은 off-전류를 갖도록 산화물 반도체를 사용한다.
포토센서를 포함하는 표시 장치가 본 실시예에서 설명되었지만, 본 실시예는 포토센서를 포함하는 반도체 장치에 쉽게 적용될 수 있다. 즉, 반도체 장치가 본 실시예의 표시 장치로부터, 표시에 필요한 회로들, 상세하게는 표시 소자 제어 회로(102)와 표시 소자(105)를 제거하여 형성될 수 있다.
상술한 방식에서, 물체가 빠르게 움직일 때에도 피검출체가 흐릿함이 적은 이미지를 취득하게 할 수 있고 희미한 빛이 들어올 때에도 고해상도 이미지를 취득할 수 있게 하는 저전력 소모 표시 장치 또는 반도체 장치를 제공할 수 있다.
본 실시예는 다른 실시예들과 적절히 조합하여 실시될 수 있다.
(실시예 4)
본 실시예에서, 복수의 포토센서를 사용하여 컬러 이미지를 취득하는 방법이 설명된다.
컬러 이미지는 예를 들어, 컬러 필터, 소위 컬러 필터 방법을 사용하여 취득될 수 있다. 이 방법에서, 피검출체로 방출된 빛 또는 피검출체에 의해 반사된 빛이 컬러 필터를 통과하고 특정한 색(예를 들어, 적색(R), 녹색(G), 또는 청색(B))의 빛으로서 포토다이오드에 들어가, 각각의 색의 일정 양의 빛이 발견될 수 있다. 컬러 계조 이미지는 각각의 색의 빛의 양에 따라 생성될 수 있다.
그러나, 컬러 필터 방법에서, 피검출체에 방출되는 빛 또는 피검출체에 의해 반사되는 빛의 양은 이 빛이 컬러 필터를 통과할 때 상당히 감소된다. 따라서, 포토다이오드에 들어가는 충분한 양의 빛을 얻기 위해, 피검출체에 보다 강한 빛이 방출될 필요가 있고, 이는 표시 장치의 전력 소모에 상당한 증가를 일으킨다. 부가적으로, 포토다이오드는 훨씬 높은 성능을 갖는 것이 요구되어, 제조 비용의 증가를 일으킨다.
그러므로, 본 실시예에서, 필드 순차(field sequential) 방법이 사용된다. 특정 색(예를 들어, 적색(R), 녹색(G), 또는 청색(B))의 광이 광원(백라이트)으로부터 방출되는 동안 리셋 동작과 누적 동작이 수행되어, 피검출체에 의해 반사된 색의 빛이 포토센서에 의해 검출된다. 각각의 색의 누적 동작이 완료된 후, 선택 동작이 모든 포토센서들에서 순차적으로 수행되어, 컬러 이미지가 취득될 수 있다.
이러한 구동 방법은 도 5의 타이밍 차트를 참조하여 설명된다. 실시예 2와의 차이점은 각각의 행의 포토센서에 의해 특정한 색(여기서는, 적색(R))이 검출된다는 것이다. 즉, 신호(501), 신호(502), 및 신호(503)는 적색(R) 광을 검출하기 위해 포토센서에서 포토다이오드 리셋 신호선(210)의 전위 변화를 보이는 신호들이다. 신호(504), 신호(505), 및 신호(506)는 적색(R) 광을 검출하기 위해 포토센서에서 게이트 신호선(209)의 전위 변화를 보이는 신호들이다. 신호(507), 신호(508), 및 신호(509)는 적색(R) 광을 검출하기 위해 포토센서에서 게이트 신호선(211)의 전위 변화를 보이는 신호들이다. 기간(510)은 적색(R) 광의 1회 촬상에 필요한 기간이다. 기간(511)은 적색(R) 광을 검출하기 위해 포토센서에서 리셋 동작(모든 행들에서 동시에)이 수행되는 기간이고, 기간(512)은 적색(R) 광을 검출하기 위해 포토센서에서 누적 동작(모든 행들에서 동시에)이 수행되는 기간이고, 기간(513)은 적색(R) 광을 검출하기 위해 포토센서에서 선택 동작이 수행되는 기간이다.
도 5는 리셋 동작과 누적 동작이 모든 행들에서 적색(R)을 검출하기 위해 포토센서들에서 공통의 기간에 각각 수행되고, 누적 동작 후에, 선택 동작이 누적 동작과 동기화되지 않고 각각의 행에서 순차적으로 수행되는 것을 특징으로 한다. 누적 동작이 같은 기간에 수행될 때, 각각의 행의 적색(R)의 검출을 위한 포토센서에서의 촬상은 동시에 수행되고 피검출체의 이미지는 물체가 빨리 움직일 때에도 흐릿함이 적게 쉽게 취득될 수 있다. 누적 동작이 동시에 수행되므로, 드라이버 회로는 각각의 포토센서의 포토다이오드 리셋 신호선(210)에 대해 공통으로 제공될 수 있다. 또한, 드라이버 회로는 각각의 포토센서의 게이트 신호선(209)에 대해서도 공통으로 제공될 수 있다. 공통으로 제공되는 이러한 드라이버 회로들은 전력 소모를 줄이거나 주변 회로들의 갯수를 줄이는데에 효과적이다. 부가적으로, 각각의 행에서 순차적으로 수행되는 선택 동작은 포토센서의 출력 신호가 얻어질 때 OP 증폭기 또는 A/D 컨버터 회로의 동작율을 낮추게 할 수 있다. 이 때, 선택 동작에 대한 총 시간은 바람직하게는 누적 동작에 대한 총 시간보다 길고, 이는 특히 고 해상도로 이미지를 취득하는 경우에 유효하다.
상기 구동 방법이 다른 특정한 색들(예를 들어, 녹색(G) 또는 청색(B))에 적용될 때, 복수의 색들의 이미지가 취득될 수 있다. 복수의 색의 이미지를 취득하는 경우에, 누적 동작에 대한 총 시간이 증가된다; 그러므로, 촬상 시간은 누적 동작이 동시에 수행되는 상술한 구조를 사용하여 감소될 수 있다. 각각의 동작이 수행되는 색들의 순서에는 제한이 없음을 알아야 한다.
도 5가 각각의 행의 특정한 색(예를 들어, 적색(R), 녹색(G), 또는 청색(B))을 검출하기 위해 포토센서를 순차적으로 구동하기 위한 방법의 타이밍 차트를 예시하고; 특정한 영역에서 이미지를 얻기 위해 특정한 행에서만 포토센서를 순차적으로 구동하는 것이 또한 효과적임을 알아야 한다. 결과적으로, OP 증폭기 또는 A/D 컨버터 회로의 동작 및 전력 소모가 감소되면서 원하는 이미지가 얻어질 수 있다. 또한, 몇 개의 행마다 포토센서를 구동하는 방법도 효과적이다. 결과적으로, OP 증폭기 또는 A/D 컨버터 회로의 동작 및 전력 소모가 감소되면서 원하는 해상도를 갖는 이미지가 얻어질 수 있다.
상술한 구동 방법을 실현하기 위해, 각각의 포토센서의 게이트 신호선(215)의 전위가 누적 동작이 완료된 후에도 일정하게 보유될 필요가 있다. 그러므로, 트랜지스터(207)는 바람직하게는 도 2에 설명된 바와 같이 매우 낮은 off-전류를 갖도록 산화물 반도체를 사용한다.
도 5에 예시된 구동 방법에서, 선택 동작이 리셋 동작 후에 수행될 수 있고 누적 동작은 각각의 행의 특정한 색들(예를 들어, 적색(R), 녹색(G), 또는 청색(B))을 검출하기 위해 모든 포토센서들에서 수행된다. 예를 들어, 1회의 촬상은 하기의 순서로 수행된다: 적색(R)의 리셋 동작과 누적 동작, 녹색(G)의 리셋 동작과 누적 동작, 청색(B)의 리셋 동작과 누적 동작, 적색(R)의 선택 동작, 녹색(G)의 선택 동작, 및 청색(B)의 선택 동작. 각각의 동작이 수행되는 색들의 순서에는 제약이 없다.
모든 색들의 누적 동작이 짧은 시간에 수행되므로, 모든 색들을 검출하기 위한 포토센서들의 촬상의 동시성이 보장되고 피검출체의 이미지가 물체가 빨리 움직일 때에도 흐릿함이 적게 쉽게 취득될 수 있다. 또한, 드라이버 회로가 각각의 색을 검출하기 위해 포토센서의 포토다이오드 리셋 신호선(210)을 구동하기 위해 공통으로 제공될 수 있고, 드라이버 회로는 각각의 색을 검출하기 위해 포토센서의 게이트 신호선(209)을 구동하도록 공통으로 제공될 수 있고, 이는 전력 소모를 줄이거나 주변 회로들의 갯수를 줄이는데 효과적이다. 부가적으로, 선택 동작이 누적 동작과 동기화되지 않고 수행되므로, OP 증폭기 또는 A/D 컨버터 회로의 동작율은 포토센서의 출력 신호가 얻어질 때 추가로 감소될 수 있고, 이는 고해상도로 컬러 이미지를 얻는 경우에 특히 효과적이다.
비록 포토센서를 포함하는 표시 장치가 본 실시예에서 설명되지만, 본 실시예는 포토센서를 포함하는 반도체 장치에 쉽게 적용될 수 있다. 백라이트는 휴대폰 또는 디지털 스틸 카메라와 같은 반도체 장치로 이미지가 취득되는 경우에 플래시 라이트와 같은 촬상용 보조 광원에 상응한다.
상술한 방식에서, 물체가 빨리 움직일 때에도 흐릿함이 적게 피검출체의 고해상도 컬러 이미지가 취득될 수 있게 하는 저전력 소모 표시 장치 또는 반도체 장치를 제공할 수 있다.
본 실시예는 다른 실시예들과 적절히 조합하여 실시될 수 있다.
(실시예 5)
본 실시예에서, 도 2의 포토센서(106)의 회로 구성의 수정예가 설명된다.
도 6a는 도 2의 트랜지스터(205)의 게이트가 포토센서의 리셋 동작을 제어하는 트랜지스터(601)에 접속된 구성을 예시한다. 상세하게는, 트랜지스터(601)의 소스와 드레인 중 하나가 포토센서 기준 신호선(213)에 전기적으로 접속되고 그 다른 하나는 트랜지스터(205)의 게이트에 전기적으로 접속된다. 포토다이오드(204)의 하나의 전극은 예정된 전위(예를 들어, 접지 전위)가 인가되는 배선에 전기적으로 접속된다.
트랜지스터(601)에 대해, 비정질 반도체, 미세결정 반도체, 다결정질 반도체, 산화물 반도체, 단결정 반도체 등이 사용될 수 있다. 특히, 트랜지스터(601)가 낮은 off-전류를 갖고 트랜지스터(205)의 게이트의 전하가 리셋 동작 후에 트랜지스터(601)를 통해 방출되는 것을 방지하도록 트랜지스터(601)에 대해 산화물 반도체가 바람직하게 사용된다.
도 6b는 트랜지스터(205)와 트랜지스터(206)가 도 6a에서와 반대 방식으로 연결되어 있는 구성을 예시한다. 상세하게는, 트랜지스터(205)의 소스와 드레인 중 하나는 포토센서 출력 신호선(214)에 전기적으로 접속되고, 트랜지스터(206)의 소스와 드레인 중 하나는 포토센서 기준 신호선(213)에 전기적으로 접속된다.
도 6c는 도 6a의 구성에서 트랜지스터(206)가 생략된 구성을 예시한다. 상세하게는, 트랜지스터(205)의 소스와 드레인 중 하나는 포토센서 기준 신호선(213)에 전기적으로 접속되고 다른 하나는 포토센서 출력 신호선(214)에 전기적으로 접속된다.
도 6a 내지 도 6c에서, 트랜지스터(601)의 소스와 드레인 중 하나가 포토센서 기준 신호선(213)과는 상이한 배선에 전기적으로 접속될 수 있음을 알아야 한다.
도 6d에서, 도 6c의 트랜지스터(601)의 소스와 드레인 중 하나가 포토센서 출력 신호선(214)에 전기적으로 접속되고 다른 하나가 트랜지스터(205)의 게이트에 전기적으로 접속된다.
도 6a 내지 도 6d에서, 트랜지스터(207)가 더 낮은 off-전류를 갖도록 산화물 반도체를 사용할 때, 트랜지스터(205)의 게이트에 누적된 전하가 일정하게 보유될 수 있다.
도 6a 내지 도 6d에서, 포토다이오드(204)의 두 전극들이 포토센서의 회로 구성에 따라 서로 대향하는 방식으로 연결될 수 있다.
이 실시예는 다른 실시예들과 적절히 조합하여 실시될 수 있다.
(실시예 6)
본 실시예에서, 포토센서를 포함하는 반도체 장치의 제조 방법 및 구조가 설명된다. 도 7은 반도체 장치의 단면도이다. 하기의 반도체 장치가 표시 장치에 적용될 수 있음을 알아야 한다.
도 7에서, 포토다이오드(1002), 트랜지스터(1003), 및 트랜지스터(1004)가 절연 면을 갖는 기판(1001) 상에 제공된다. 포토다이오드(1002), 트랜지스터(1003), 및 트랜지스터(1004)는 도 2와 도 6a 내지 도 6d에서 포토다이오드(204), 트랜지스터(205), 및 트랜지스터(207) 각각의 단면도들이다. 피검출체(1201)로부터 방출된 빛(1202), 피검출체(1201)에 의해 반사된 외부 빛(1202), 또는 장치의 내부로부터 방출되고 피검출체(1201)에 의해 반사된 빛(1202)이 포토다이오드(1002)에 들어간다. 피검출체는 기판(1001) 측면 상에 제공될 수 있다.
기판(1001)은 절연 기판(예를 들어, 유리 기판 또는 플라스틱 기판), 절연 막(예를 들어, 실리콘 산화물 막 또는 실리콘 질화물 막)이 그 위에 형성되는 절연 기판, 그 위에 절연 막이 형성되는 반도체 기판(예를 들어, 실리콘 기판), 또는 절연 막이 그 위에 형성되는 금속 기판(예를 들어, 알루미늄 기판)일 수 있다.
포토다이오드(1002)는 측방향-접합 PIN 다이오드이고 반도체 막(1005)을 포함한다. 반도체 막(1005)은 p-타입 전도성을 갖는 영역(p-층(1021)), i-타입 전도성을 갖는 영역(i-층(1022)), n-타입 전도성을 갖는 영역(n-층(1023))을 포함한다. 포토다이오드(1002)는 PN 다이오드일 수 있음을 알아야 한다.
측방향-접합 PIN 또는 PN 다이오드는 반도체 막(1005)의 예정된 영역들에 n-타입 불순물과 p-타입 불순물을 첨가하여 형성될 수 있다.
적은 결정 결함을 갖는 단결정 반도체(예를 들어, 단결정 실리콘)가 바람직하게는 입사광으로부터 생성된 전기 신호의 비율(양자 효과)을 개선하도록 포토다이오드(1002)에 사용된다.
트랜지스터(1003)는 상부 게이트(top gate) 박막 트랜지스터이고 반도체 막(1006), 게이트 절연막(1007), 및 게이트 전극(1008)을 포함한다.
트랜지스터(1003)는 포토다이오드(1002)에 공급된 전하를 출력 신호로 변환하는 기능을 갖는다. 그러므로, 단결정 반도체(예를 들어, 단결정 실리콘)는 바람직하게는 높은 이동도를 갖는 트랜지스터를 얻도록 반도체 막(1006)에 사용된다.
단결정 반도체를 사용하여 반도체 막(1005)과 반도체 막(1006)을 형성하는 일례가 설명된다. 이온 조사 등에 의해 단결정 반도체 기판(예를 들어, 단결정 실리콘 기판)의 원하는 깊이에 손상된 영역이 형성된다. 단결정 반도체 기판과 기판(1001)은 그 사이에 개재된 절연막으로 서로 접합되고; 그 다음에, 단결정 반도체 기판이 상기 손상된 영역을 따라 분할되어, 반도체 막이 기판(1001) 상에 형성된다. 반도체 막은 에칭 등에 의해 원하는 형상으로 가공(패터닝)되어, 반도체 막(1005)과 반도체 막(1006)이 형성된다. 반도체 막(1005)과 반도체 막(1006)이 같은 공정으로 형성될 수 있으므로, 비용 감소가 실현될 수 있다. 이런 식으로, 포토다이오드(1002)와 트랜지스터(1003)가 같은 표면 상에 형성될 수 있다.
비정질 반도체, 미세결정 반도체, 다결정질 반도체, 산화물 반도체 등이 반도체 막(1005)과 반도체 막(1006)에도 사용될 수 있음을 알아야 한다. 특히, 단결정 반도체는 바람직하게는 높은 이동도를 갖는 트랜지스터를 얻는데 사용된다. 반도체 재료로서, 그 결정성이 쉽게 증가될 수 있는, 실리콘 또는 실리콘 게르마늄과 같은 실리콘 반도체를 사용하는 것이 바람직하다.
여기서, 반도체 막(1005)은 바람직하게는 포토다이오드(1002)의 양자 효과를 개선하도록 두껍게 만들어진다. 또한, 반도체 막(1006)은 바람직하게는 트랜지스터(1003)의 S 값과 같은 전기 특성들을 개선하기 위해 얇게 만들어진다. 이 경우에, 반도체 막(1005)은 반도체 막(1006)보다 두껍게만 만들어질 필요가 있다.
결정 반도체도 높은 이동도를 갖는 트랜지스터를 얻도록 도 2 및 도 6a 내지 도 6d의 트랜지스터(206)에 사용된다. 동일한 반도체 재료를 트랜지스터(1003)로서 사용하여, 트랜지스터(206)는 트랜지스터(1003)와 같은 공정에서 형성될 수 있어, 비용 감소가 된다.
게이트 절연막(1007)은 실리콘 산화물 막, 실리콘 질화물 막 등을 사용하여 단일 층 또는 적층된 층들로서 형성됨을 알아야 한다. 게이트 절연막(1007)은 플라즈마 CVD 또는 스퍼터링에 의해 형성될 수 있다.
게이트 전극(1008)이 몰리브덴, 티타늄, 크롬, 탄탈륨, 텅스텐, 알루미늄, 구리, 네오디뮴, 스칸듐, 또는 주 성분으로서 이러한 재료들 중 임의의 것을 포함하는 합금 재료와 같은 금속 재료를 사용하여 단일 층 또는 적층된 층들로서 형성됨을 알아야 한다. 게이트 전극(1008)은 스퍼터링 또는 진공 증착법에 의해 형성될 수 있다.
포토 다이오드(1002)는 측방향-접합 구조 대신에 p-층, i-층, 및 n-층의 적층된 구조를 가질 수 있다. 트랜지스터(1003)는 하부-게이트 트랜지스터일 수 있고, 채널-정지 구조 또는 채널-에칭된 구조를 가질 수 있다.
도 9에 예시된 바와 같이, 차광막(1301)이 포토다이오드(1002) 아래에 제공되어, 검출될 빛 이외의 빛이 차단될 수 있음을 주목해야 한다. 차광막은 포토다이오드(1002) 상에 제공될 수 있다. 이 경우에, 차광막은 예를 들어, 포토다이오드(1002)를 구비한 기판(1001) 반대쪽의 기판(1302) 상에 제공될 수 있다.
실시예 4에 도시된 필드 순차 방법으로 구동되는 경우가 설명된다. 도 12에 예시된 바와 같이, 특정 색(예를 들어, 적색(R), 녹색(G), 또는 청색(B))의 빛(1102)이 라이트(1101; 백라이트 또는 플래시 라이트)로부터 순차적으로 방출된다. 빛(1102)은 피검출체(1201)에 방출되고 피검출체(1201)에 의해 반사된다. 반사된 빛(1104)이 포토다이오드(1002)에 들어간다. 포토다이오드(1002)를 포함하는 포토센서에서, 리셋 동작과 누적 동작이 빛(1104)을 검출하도록 수행된다. 각각의 색의 누적 동작이 완료된 후, 선택 동작이 모든 포토센서들에서 순차적으로 수행되어, 컬러 이미지가 취득될 수 있다.
도 12에서도, 차광막(1301)이 포토다이오드(1002) 아래에 제공되어, 라이트(1101)로부터 빛(1102)이 포토다이오드(1002)에 직접 들어가지 않는다.
도 12에 예시된 구조에서, 포토다이오드(1002)를 구비한 기판(1001)의 반대쪽 측면의 기판(1203) 상에 피검출체(1201)가 제공되고, 그 이미지가 취득되고; 포토다이오드(1002)를 구비한 측면의 기판(1001) 상에 피검출체가 제공되고, 그 이미지가 취득되는 다른 구조를 사용할 수도 있다. 후자의 경우에, 예를 들어, 라이트(1101)가 기판(1302) 측면에 제공될 수 있고 차광막(1301)이 포토다이오드(1002) 상에 제공될 수 있다.
도 7에서, 트랜지스터(1004)는 하부-게이트 역-스태거드(inverted staggered) 박막 트랜지스터이고 게이트 전극(1010), 게이트 절연막(1011), 반도체 막(1012), 전극(1013), 및 전극(1014)을 포함한다. 절연막(1015)이 트랜지스터(1004) 상에 제공된다. 트랜지스터(1004)는 상부-게이트 트랜지스터일 수 있음을 알아야 한다.
이 구조의 일 특징은 트랜지스터(1004)가 포토다이오드(1002) 및 트랜지스터(1003)의 상방에 절연막(1009)을 개재하여 형성되어 있다는 것이다. 트랜지스터(1004)와 포토다이오드(1002)가 이런 식으로 상이한 층들 상에 형성될 때, 포토다이오드(1002)의 면적은 포토다이오드(1002)에 의해 수신되는 빛의 양을 증가시키기 위해 증가될 수 있다.
또한, 트랜지스터(1004)의 전체 또는 일부가 바람직하게는 포토다이오드(1002)의 p-층(1021) 또는 n-층(1023) 중 어느 하나와 중첩하게 형성된다. 이는 포토다이오드(1002)의 면적이 증가될 수 있고 트랜지스터(1004)와 i-층(1022)의 중첩하는 면적이 빛이 효과적으로 수신될 수 있도록 가능한 한 작게 만들어질 수 있기 때문이다. 또한, PN 다이오드의 경우에, 트랜지스터(1004)와 PN 접합의 보다 작은 중첩 면적은 효과적인 광 수신을 가능하게 한다.
트랜지스터(1004)의 기능은 트랜지스터(1003)의 게이트에서 전하로서 포토다이오드(1002)의 출력 신호를 누적하고 그 전하를 보유하는 것이다. 그러므로, 반도체막(1012)은 바람직하게는 매우 적은 off-전류를 갖도록 산화물 반도체를 사용한다.
도 6a 내지 도 6d의 트랜지스터(601)가 매우 낮은 off-전류를 갖도록 산화물 반도체를 사용하는 것이 또한 바람직하다. 트랜지스터(1004)와 같은 반도체 재료를 사용하여, 트랜지스터(601)가 트랜지스터(1004)와 같은 공정으로 형성될 수 있어, 비용 감소가 된다. 각각의 상술한 반도체 원소들에 대해, 박막 반도체 또는 벌크(bulk) 반도체가 사용될 수 있음을 알아야 한다.
산화물 반도체를 사용하여 반도체 막(1012)을 형성하는 일례가 하기에 도시된다.
트랜지스터의 off-전류를 증가시키는 요인들 중 하나는 산화물 반도체에 함유되는 수소(예를 들어, 수소, 수분, 또는 히드록실 그룹)와 같은 불순물이다. 수소 등은 산화물 반도체에서 운반체(carrier) 공급자(도너)일 수 있고, 이는 off 상태에서도 전류를 일으킨다. 즉, 다량의 수소 등을 함유하는 산화물 반도체는 n-타입 산화물 반도체가 된다.
그러므로, 하기에 보이는 제조 방법에서, 산화물 반도체에서 수소의 양은 가능한 한 많이 감소되고 구성 원소인 산소의 농도는 증가되어, 산화물 반도체가 고순도화된다. 고-순도화된 산화물 반도체는 진성(intrinsic) 또는 실질적으로 진성 반도체가 되어, off-전류가 감소된다.
우선, 산화물 반도체 막이 스퍼터링에 의해 절연막(1009) 상에 형성된다. 도 7의 트랜지스터가 하부-게이트 트랜지스터이기 때문에, 산화물 반도체막은 게이트 전극(1010) 및 게이트 절연막(1011)이 개재되어 절연막(1009) 상에 형성된다. 상부-게이트 트랜지스터가 사용되는 경우에, 게이트 절연막(1011)과 게이트 전극(1010)이 산화물 반도체막이 형성된 후에 형성될 수 있다.
산화물 반도체막을 형성하는데 사용되는 타겟(target)으로서, 주 성분으로서 아연 산화물을 함유하는 금속 산화물의 타겟이 사용될 수 있다. 예를 들어, In2O3:Ga2O3:ZnO=1:1:1, 즉, In:Ga:Zn=1:1:0.5의 조성 비를 갖는 타겟을 사용할 수 있다. 또한 In:Ga:Zn=1:1:1의 조성 비 또는 In:Ga:Zn=1:1:2의 조성비를 갖는 타겟을 사용할 수도 있다. 또한, SiO2를 2 wt%(중량%) 내지 10 wt%로 포함하는 타겟을 사용할 수 있다.
산화물 반도체막은 희 가스(전형적으로, 아르곤) 분위기, 산소 분위기, 또는 희 가스와 산소의 혼합 분위기에서 형성될 수 있다. 여기서, 산화물 반도체 막을 형성하는데 사용되는 스퍼터링 가스는 수소, 수분, 히드록실 그룹 또는 수소화물과 같은 불순물들이 농도가 ppm 또는 ppb로 표현될 수 있는 레벨로 감소된 고순도 가스이다.
처리 챔버에 남아 있는 습기를 제거하면서 그로부터 수소와 습기가 제거되는 스퍼터링 가스를 도입하여 산화물 반도체 막이 형성된다. 처리 챔버에 남아 있는 습기를 제거하기 위해, 흡착형(entrapment) 진공 펌프가 바람직하게 사용된다. 예를 들어, 극저온 펌프, 이온 펌프, 또는 티타늄 승화 펌프가 바람직하게 사용된다.
산화물 반도체 막의 두께는 2㎚ 내지 200㎚, 바람직하게는 5㎚ 내지 30㎚일 수 있다. 그 다음에, 산화물 반도체 막은 에칭 등에 의해 원하는 형상으로 가공(패터닝)되어, 반도체 막(1012)이 형성된다.
비록 In-Ga-Zn-O가 상기 예에서 산화물 반도체 막에 사용되지만, 하기의 산화물 반도체들도 사용될 수 있다: In-Sn-Ga-Zn-O, In-Sn-Zn-O, In-Al-Zn-O, Sn-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, Zn-O 등. 산화물 반도체 막은 Si를 포함할 수 있다. 또한, 산화물 반도체 막은 비정질이거나 결정질일 수 있다. 또한, 산화물 반도체 막은 비-단결정이거나 단결정일 수 있다.
산화물 반도체 막으로서, InMO3(ZnO)m(m>0이고, m은 자연수가 아님)에 의해 표현되는 박막이 사용될 수도 있다. 여기서, M은 Ga, Al, Mn과, Co로부터 선택되는 하나 이상의 금속 원소를 표기한다. 예를 들어, M은 Ga, Ga와 Al, Ga와 Mn, 또는 Ga와 Co일 수 있다.
다음에, 제 1 열처리가 산화물 반도체 막(반도체 막(1012))에 수행된다. 제 1 열처리의 온도는 400℃ 이상이고 750℃이하이고, 바람직하게는 400℃이상, 기판의 변형점 이하이다.
제 1 열처리를 통해, 수소, 수분, 히드록실 그룹 등이 산화물 반도체 막(반도체 막(1012))으로부터 제거될 수 있다(탈수소화 처리). 제 1 열처리를 통한 탈수소화 처리는 상당히 효과적인데 왜냐하면 이러한 불순물들이 산화물 반도체 막에서 도너가 되고 트랜지스터의 off-전류를 증가시키기 때문이다.
제 1 열처리가 전로(electric furnace)로 수행될 수 있음을 알아야 한다. 다르게는, 저항 가열 소자와 같은 가열 소자로부터의 열 전도 또는 열 복사가 제 1 열처리에 사용될 수 있다. 이 경우에, GRTA(가스 급속 열처리) 장치 또는 LRTA(램프 급속 열처리) 장치와 같은 RTA(급속 열처리) 장치가 사용될 수 있다.
LRTA 장치는 할로겐 램프, 메탈 핼라이드(halide) 램프, 제논 아크 램프, 카본 아크 램프, 고압 나트륨 램프, 또는 고압 수은 램프와 같은 램프로부터 방출되는 빛(전자기파)의 복사에 의해 처리될 물체를 가열하는 장치이다.
GRTA 장치는 고온 가스를 사용하는 열처리용 장치이다. 가스로서, 불활성 가스(전형적으로, 아르곤과 같은 희 가스) 또는 질소 가스가 사용될 수 있다. GRTA 장치의 사용은 특히 효과적인데 왜냐하면 단시간의 고온 열처리가 가능하기 때문이다.
제 1 열처리가 산화물 반도체 막의 패터닝 전, 전극(1013)과 전극(1014)의 형성 후, 또는 절연 막(1015)의 형성 후에 수행될 수 있다. 그러나, 제 1 열처리는 바람직하게는 전극들이 제 1 열처리에 의해 손상되지 않도록 전극(1013)과 전극(1014)의 형성 전에 수행된다.
제 1 열처리 동안에, 산소 결함들이 산화물 반도체에 생성될 수 있다. 그러므로, 제 1 열처리 후에, 구성 원소인 산소가 고순도화되도록 바람직하게는 산소가 산화물 반도체에 도입된다(산소를 공급하는 처리).
상세하게는, 산소를 공급하는 처리로서, 제 1 열처리 후 연속하여 예를 들어, 질소 또는 산소(예를 들어, 질소:산소의 체적비는 4:1임)를 함유하는 분위기 또는 산소 분위기에서 제 2 열처리가 이어진다. 다르게는, 플라즈마 처리가 산소 분위기에서 수행될 수 있어, 산화물 반도체 막에서 산소 농도가 증가될 수 있고 산화물 반도체 막이 고순도화될 수 있다. 제 2 열처리의 온도는 200℃ 이상 400℃ 이하이고, 바람직하게는 250℃ 이상 350℃ 이하이다.
산소를 공급하는 처리의 다른 예로서, 산화물 절연막(절연막(1015))이 반도체막(1012) 상에 형성되고 이와 접촉되고, 그 다음에 제 3 열처리가 수행된다. 절연막(1015)의 산소는 산화물 반도체의 산소 농도를 증가시키기 위해 반도체 막(1012)으로 이동하여, 산화물 반도체 막이 고순도화될 수 있다. 제 3 열처리의 온도는 200℃ 이상 400℃이하, 바람직하게는 250℃ 이상 350℃ 이하이다. 상부-게이트 트랜지스터의 경우에서도, 산화물 반도체는 반도체막(1012) 상의 및 이와 접촉하는 게이트 절연막이 실리콘 산화물 막 등으로 형성되고 유사한 열처리가 수행되는 방식으로 고순도화될 수 있다.
상술한 바와 같이, 산화물 반도체 막은 제 1 열처리에 의해 탈수소화 처리 후에 제 2 열처리 또는 제 3 열처리와 같은 산소를 공급하는 처리를 통해 고순도화될 수 있다. 고순도화될 때, 산화물 반도체는 진성 또는 실질적으로 진성으로 만들어질 수 있어, 트랜지스터(1004)의 off-전류가 감소되게 된다.
절연막(1009)은 실리콘 산화물 막, 실리콘 질화물 막 등을 사용하여 적층된 층들 또는 단일 층이고, 포토다이오드(1002)와 트랜지스터(1003) 상에 형성된다. 절연막(1009)은 플라즈마 CVD 또는 스퍼터링에 의해 형성될 수 있다. 절연막(1009)은 코팅에 의한 폴리이미드 막과 같은 수지 막으로 형성될 수도 있다.
게이트 전극(1010)은 몰리브덴, 티타늄, 크롬, 탄탈륨, 텅스텐, 알루미늄, 구리, 네오디뮴, 스칸듐, 또는 주 성분으로서 이러한 재료들 중 임의의 것을 포함하는 합금 재료와 같은 금속 재료를 사용하여 단일 층 또는 적층된 층들로서 형성된다. 게이트 전극(1010)은 스퍼터링 또는 진공 증착법에 의해 형성될 수 있다.
게이트 절연막(1011)은 실리콘 산화물 막, 실리콘 질화물 막 등을 사용하여 적층된 층들 또는 단일 층으로서 형성된다. 게이트 절연막(1011)은 플라즈마 CVD 또는 스퍼터링에 의해 형성될 수 있다.
게이트 절연막(1011)과 반도체막(1012) 상에 형성된, 전극(1013)과 전극(1014) 각각은 몰리브덴, 티타늄, 크롬, 탄탈륨, 텅스텐, 알루미늄, 구리, 이트륨, 또는 주 성분으로서 이러한 재료들 중 임의의 것을 포함하는 합금 재료와 같은 금속, 또는 인듐 산화물과 같은 전도성을 갖는 금속 산화물을 사용하는 단일 층 또는 적층된 층들이다. 전극(1013)과 전극(1014)은 스퍼터링 또는 진공 증착법에 의해 형성될 수 있다. 여기서, 전극(1013)은 게이트 절연막(1007), 절연막(1009), 및 게이트 절연막(1011)에 형성된 접점 구멍(contact hole)을 통해 포토다이오드(1002)의 n-층(1023)에 전기적으로 접속되는 것이 바람직하다.
고순도화된 산화물 반도체와 이를 사용하는 트랜지스터가 하기에 상세히 설명된다.
고순도화된 반도체의 일례로서, 그 운반체 농도가 1×1014/㎤미만, 바람직하게는 1×1012/㎤미만, 보다 바람직하게는 1×1011/㎤미만 또는 6.0×1010/㎤미만인 산화물 반도체가 있다.
고순도화된 산화물 반도체를 사용하는 트랜지스터는 off-전류가 예를 들어, 실리콘을 함유하는 반도체를 포함하는 트랜지스터의 off-전류보다 훨씬 낮음을 특징으로 한다.
하기는 평가용 소자[TEG(Test Element Group)로도 불림]를 갖는 트랜지스터의 off-전류 특징들을 측정한 결과를 보인다. 여기서는 n-채널형 트랜지스터인 것으로 설명함을 알아야 한다.
TEG에는, 병렬로 연결된 L/W=3㎛/50㎛(두께 d: 30㎚)인 200개의 트랜지스터를 포함하는, L/W=3㎛/10000㎛인 트랜지스터가 제공된다. 도 8은 이 트랜지스터의 초기 특성들을 예시한다. 여기서, VG는 -20V 내지 +5V의 범위에 있다. 이 트랜지스터의 초기 특성들을 측정하기 위해, 기판 온도를 실온으로 하고, 소스-드레인 간 전압(이하, 드레인 전압 또는 VD로 부름)을 10V로 하고, 소스-게이트 간 전압(이하, 게이트 전압 또는 VG로 부름)을 -20V 내지 +20V까지 변화시킬 때의 조건 하에서 소스-드레인 전류(이하, 드레인 전류 또는 ID로 부름)의 변화 특성들, 즉, VG-ID 특성들을 측정했다.
도 8에 예시된 바와 같이, 10000㎛의 채널 폭(W)을 갖는 트랜지스터는 1V 내지 10V의 VD에서 1×10-13A미만의 off-전류를 갖고, 이는 측정 장치(Agilent Technologies Inc.에 의해 제조된 반도체 매개변수 분석기 Agilent 4156C)의 해상도(100fA) 이하이다. 이 off-전류는 채널 폭 1㎛로 환산하면, 10aA/㎛에 상응한다.
본 명세서에서, off-전류(누설 전류로도 부름)는, n채널형의 트랜지스터가 양의 임계 전압(Vth)을 갖는 경우에, 실온에서 -20V 내지 -5V의 범위의 예정된 게이트 전압을 인가했을 때에 n-채널형 트랜지스터의 소스와 드레인 간을 흐르는 전류를 의미한다. 또한, 실온은, 15℃내지 25℃인 것을 알아야 한다. 본 명세서에서 공개하는 산화물 반도체를 포함하는 트랜지스터는 실온에서 단위 채널 폭(W) 당 전류값이 100aA/㎛이하, 바람직하게는 1aA/㎛이하, 보다 바람직하게는 10zA/㎛이하이다.
또한, 고순도 산화물 반도체를 포함하는 트랜지스터는 바람직한 온도 특성들을 갖는다. 전형적으로, -25℃ 내지 150℃의 온도 범위에서, on-전류, off-전류, 전계-효과 이동도, S값, 및 임계 전압과 같은, 트랜지스터의 전류-전압 특성들이 거의 변하지 않고 온도로 인해 열화된다.
본 실시예는 다른 실시예들과 적절히 조합하여 실시될 수 있다.
본 출원은 일본특허청에 2010년 1월 15일 출원된 일본 특허출원 제 2010-006444호와, 일본특허청에 2010년 1월 15일 출원된 일본 특허출원 제 2010-006445호와, 일본특허청에 2010년 1월 15일 출원된 일본 특허출원 제 2010-006449호에 기반하고, 이들의 전체 내용은 본원에 참고문헌으로서 포함된다.
100: 표시 패널 101: 화소 회로
102: 표시 소자 제어 회로 103: 포토센서 제어 회로
104: 화소 105: 표시 소자
106: 포토센서 107, 108: 표시 소자 드라이버 회로
109: 포토센서 판독 회로 110: 포토센서 드라이버 회로
200: 프리차지 회로
201, 205, 206, 207, 216, 601, 1003, 1004: 트랜지스터
202: 저장 컨덴서 203: 액정 소자
204, 1002: 포토다이오드 208, 209, 211, 215: 게이트 신호선
210: 리셋 신호선, 212: 비디오 데이터 신호선
213: 포토센서 기준 신호선 214: 포토센서 출력 신호선
217: 프리차지 신호선
301~306, 401~409, 501~509, 701~709, 801~809: 신호
410~413, 510~513, 710~715, 810~815: 기간
1001, 1302: 기판 1005, 1006, 1012: 반도체 막
1007, 1011: 게이트 절연막 1008, 1010: 게이트 전극
1009, 1015: 절연막 1013, 1014: 전극
1101, 1102, 1104, 1202: 광 1021: p-층
1022: i-층 1023: n-층
1201: 피검출체 1301: 광차단막

Claims (9)

  1. 반도체 장치에 있어서,
    기판;
    백라이트;
    수광 소자;
    제 1 트랜지스터;
    상기 제 1 트랜지스터 위의 절연층; 및
    상기 절연층 위의 제 2 트랜지스터를 포함하고,
    상기 수광 소자는 상기 제 2 트랜지스터를 통해 상기 제 1 트랜지스터의 게이트에 전기적으로 접속되고,
    상기 제 1 트랜지스터 및 상기 제 2 트랜지스터 각각은 채널 형성 영역에 결정질 산화물 반도체를 포함하고,
    상기 결정질 산화물 반도체는 인듐, 갈륨, 및 아연을 포함하고,
    채널 폭의 1㎛당 상기 제 2 트랜지스터의 off-전류는 10 aA/㎛ 이하이고,
    상기 수광 소자는 상기 기판 위에 제공되고,
    상기 백라이트는 상기 기판 아래에 제공되고,
    상기 수광 소자는 상기 백라이트로부터 방출되는 빛을 수신하고,
    상기 제 2 트랜지스터는 적어도 부분적으로 상기 수광 소자와 중첩되는, 반도체 장치.
  2. 반도체 장치에 있어서,
    기판;
    백라이트;
    수광 소자;
    제 1 트랜지스터;
    상기 제 1 트랜지스터 위의 절연층;
    상기 절연층 위의 제 2 트랜지스터; 및
    제 3 트랜지스터를 포함하고,
    상기 수광 소자는 상기 제 2 트랜지스터를 통해 상기 제 1 트랜지스터의 게이트에 전기적으로 접속되고,
    상기 제 3 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 하나는 상기 제 1 트랜지스터의 상기 게이트에 전기적으로 접속되고,
    상기 제 1 트랜지스터, 상기 제 2 트랜지스터, 및 상기 제 3 트랜지스터 각각은 채널 형성 영역에 결정질 산화물 반도체를 포함하고,
    상기 결정질 산화물 반도체는 인듐, 갈륨, 및 아연을 포함하고,
    채널 폭의 1㎛당 상기 제 2 트랜지스터의 off-전류는 10 aA/㎛ 이하이고,
    상기 수광 소자는 상기 기판 위에 제공되고,
    상기 백라이트는 상기 기판 아래에 제공되고,
    상기 수광 소자는 상기 백라이트로부터 방출되는 빛을 수신하고,
    상기 제 2 트랜지스터는 적어도 부분적으로 상기 수광 소자와 중첩되는, 반도체 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 off-전류는 15℃ 내지 25℃에서의 전류인, 반도체 장치.
  4. 삭제
  5. 반도체 장치에 있어서,
    수광 소자;
    제 1 트랜지스터;
    상기 수광 소자 및 상기 제 1 트랜지스터 위의 절연층; 및
    상기 절연층 위의 제 2 트랜지스터를 포함하고,
    상기 수광 소자는 전극을 통해 상기 제 2 트랜지스터에 전기적으로 접속되고,
    상기 전극은 상기 절연층의 개구부에 제공되고,
    상기 제 2 트랜지스터는 채널 형성 영역에 결정질 산화물 반도체를 포함하고,
    상기 결정질 산화물 반도체는 인듐, 갈륨, 및 아연을 포함하는, 반도체 장치.
  6. 제 1 항, 제 2 항, 및 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수광 소자는 포토다이오드인, 반도체 장치.
  7. 제 1 항, 제 2 항, 및 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수광 소자는 단결정 반도체를 포함하는, 반도체 장치.
  8. 제 1 항, 제 2 항, 및 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 결정질 산화물 반도체는 진성 또는 실질적으로 진성 반도체인, 반도체 장치.
  9. 제 5 항에 있어서,
    기판 및 백라이트를 추가로 포함하고,
    상기 수광 소자는 상기 기판 위에 제공되고,
    상기 백라이트는 상기 기판 아래에 제공되고,
    상기 수광 소자는 상기 백라이트로부터 방출되는 빛을 수신하는, 반도체 장치.
KR1020187004052A 2010-01-15 2010-12-21 반도체 장치 및 이를 구동하는 방법 KR102114011B1 (ko)

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JP2010006444 2010-01-15
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