TW201618295A - 半導體裝置 - Google Patents

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TW201618295A TW105100019A TW105100019A TW201618295A TW 201618295 A TW201618295 A TW 201618295A TW 105100019 A TW105100019 A TW 105100019A TW 105100019 A TW105100019 A TW 105100019A TW 201618295 A TW201618295 A TW 201618295A
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池田隆之
田村輝
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Abstract

本發明之一目的在藉由減小一光感測器中之一電晶體之斷開狀態電流，以達成低電力消耗。一半導體裝置包括一光感測器，光感測器具有一光二極體、一第一電晶體、及一第二電晶體；及一讀取控制電路，讀取控制電路包括一讀取控制電晶體，其中光二極體具有一基於入射光而供給電荷至第一電晶體之一閘極的功能；第一電晶體具有一將供給至其閘極之電荷儲存及將儲存電荷轉換成一輸出信號的功能；第二電晶體具有一控制輸出信號之讀取的功能；讀取控制電晶體之功能如同一電阻器，其將輸出信號轉換成一電壓信號；及第一電晶體、第二電晶體、及讀取控制電路之半導體層係使用氧化物半導體形成。

Description

半導體裝置
本發明之技術領域關於一種光感測器及其驅動方法。本發明之技術領域也關於一種包括一光感測器在內之顯示裝置及其驅動方法。再者，本發明之技術領域關於一種包括一光感測器在內之半導體裝置及其驅動方法。
近年來，一備有光偵測感測器(亦稱為光感測器)之顯示裝置已逐漸引人矚目。在包括一光感測器在內之顯示裝置中，一顯示幕亦使用作為一輸入區。一具有一影像捕捉功能之顯示裝置即此一顯示裝置之一範例(例如參閱專利文件1)。
一包括一光感測器在內之半導體裝置係一CCD影像感測器及一CMOS影像感測器。諸此影像感測器例如使用在電子器具，像是數位靜物攝影機或行動電話。
在一備有一光感測器之顯示裝置中，首先，光從顯示裝置射出。當光進入一有物件存在之區域中時，光即受到物件遮阻，並且一部分反射。由物件反射之光係由一設於 顯示裝置中之像素中之光感測器偵測。因此，吾人即可得知物件存在於像素區域中。
在一備有一光感測器之半導體裝置中，從一物件發出之光或由一物件反射之外光係以光感測器直接偵測或者在光由一光學透鏡或類似者聚焦之後偵測。
[參考文件]
[參考文件1]日本公告專利申請案2001-292276
在一備有一光感測器之半導體裝置中，一備有一電晶體之電路形成於各像素中，以利於收集各像素中之一光感測器已藉由偵測光而產生之電氣信號。
一備有一光感測器之半導體裝置包括一讀取控制電晶體，其基於入射光而將一輸出信號轉換成一電壓信號。其可基於入射光而將一輸出信號轉換成一電壓信號係藉由一光感測器中之電晶體與一被視為電晶體之讀取控制電晶體的電阻分割。
在一備有一光感測器之半導體裝置中，一讀取控制電晶體可以是一使用非晶矽或多晶性之電晶體。惟，斷開(OFF)狀態電流(即在斷開狀態中流過一電晶體之電流)會流過一使用非晶矽或多晶性之電晶體。其實情為當不執行一讀取操作時，備有一光感測器之半導體裝置的電力消耗係在此期間內隨著時間而增加。
本發明之一目的在提供一種半導體裝置，其光感測器 可達成低電力消耗。
本發明之一實施例係一種半導體裝置，其包括：一光感測器，光感測器具有一光二極體、一第一電晶體、及一第二電晶體；及一包括一讀取控制電晶體之讀取控制電路。光二極體具有一基於入射光而供給電荷至第一電晶體之一閘極的功能。第一電晶體具有一將供給至其閘極之電荷儲存及將儲存電荷轉換成一輸出信號的功能。第二電晶體具有一控制輸出信號之讀取的功能。讀取控制電晶體之功能如同一電阻器，其將輸出信號轉換成一電壓信號。第一電晶體、第二電晶體、及讀取控制電路之半導體層係使用氧化物半導體形成。
本發明之一實施例係一種半導體裝置，其包括：一光感測器，光感測器具有一光二極體、一第一電晶體、一第二電晶體、及一第三電晶體；及一包括一讀取控制電晶體之讀取控制電路。光二極體具有一基於入射光而供給電荷至第一電晶體之一閘極的功能。第一電晶體具有一將供給至其閘極之電荷儲存及將儲存電荷轉換成一輸出信號的功能。第二電晶體具有一將儲存電荷保持在第一電晶體之閘極上的功能。第三電晶體具有一控制輸出信號之讀取的功能。讀取控制電晶體之功能如同一電阻器，其將輸出信號轉換成一電壓信號。第一電晶體、第二電晶體、第三電晶體、及讀取控制電路之半導體層係使用氧化物半導體形成。
本發明之一實施例係一種半導體裝置，其包括：一光 感測器，光感測器具有一光二極體、一第一電晶體、及一第二電晶體；及一包括一讀取控制電晶體之讀取控制電路。光二極體具有一基於入射光而供給電荷至第一電晶體之一閘極的功能。第一電晶體具有一將供給至其閘極之電荷儲存及將儲存電荷轉換成一輸出信號的功能。第二電晶體具有一控制輸出信號之讀取的功能。讀取控制電晶體之功能如同一電阻器，其將輸出信號轉換成一電壓信號。第一電晶體、第二電晶體、及讀取控制電路之半導體層係使用氧化物半導體形成。一施加於該讀取控制電晶體之一閘極之電壓係根據入射光而改變，藉此改變該讀取控制電晶體之電阻。
本發明之一實施例係一種半導體裝置，其包括：一光感測器，光感測器具有一光二極體、一第一電晶體、一第二電晶體、及一第三電晶體；及一包括一讀取控制電晶體之讀取控制電路。光二極體具有一基於入射光而供給電荷至第一電晶體之一閘極的功能。第一電晶體具有一將供給至其閘極之電荷儲存及將儲存電荷轉換成一輸出信號的功能。第二電晶體具有一將儲存電荷保持在第一電晶體之閘極上的功能。第三電晶體具有一控制輸出信號之讀取的功能。讀取控制電晶體之功能如同一電阻器，其將輸出信號轉換成一電壓信號。第一電晶體、第二電晶體、第三電晶體、及讀取控制電路之半導體層係使用氧化物半導體形成。一施加於該讀取控制電晶體之一閘極之電壓係根據入射光而改變，藉此改變該讀取控制電晶體之電阻。
在本發明之一實施例中，其形成複數個光感測器；光感測器具有一執行一重置操作、一儲存操作、及一讀取操作的功能；複數個光感測器具有一同時執行重置操作、同時執行儲存操作、及依序執行讀取操作的功能。
半導體裝置可視為一具有一半導體性質之元件及所有具有該元件之物件。例如，在某些情況中，一具有電晶體之顯示裝置係簡稱為半導體裝置。
本發明可提供一種半導體裝置，其光感測器可達成低電力消耗。
10‧‧‧半導體裝置
11‧‧‧光感測器
12‧‧‧讀取控制電路
13‧‧‧光二極體
14‧‧‧電晶體
15‧‧‧電晶體
16‧‧‧光二極體重置線
17‧‧‧閘極線
18‧‧‧電晶體
19‧‧‧光感測器選擇線
20‧‧‧光感測器參考高供給線
21‧‧‧光感測器參考低供給線
22‧‧‧光感測器輸出線
31‧‧‧信號
32‧‧‧信號
33‧‧‧信號
34‧‧‧信號
35‧‧‧信號
41‧‧‧電晶體
42‧‧‧閘極線
51‧‧‧信號
52‧‧‧信號
53‧‧‧信號
54‧‧‧信號
55‧‧‧信號
56‧‧‧信號
100‧‧‧顯示裝置
101‧‧‧像素電路
102‧‧‧顯示元件控制電路
103‧‧‧光感測器控制電路
104‧‧‧像素
105‧‧‧顯示元件
106‧‧‧光感測器
107‧‧‧顯示元件驅動器電路
108‧‧‧顯示元件驅動器電路
109‧‧‧光感測器讀取電路
110‧‧‧光感測器驅動器電路
200‧‧‧讀取控制電路
201‧‧‧電晶體
202‧‧‧儲存電容器
203‧‧‧液晶元件
204‧‧‧光二極體
205‧‧‧電晶體
206‧‧‧電晶體
207‧‧‧電晶體
208‧‧‧閘極線
209‧‧‧閘極線
210‧‧‧光二極體重置線
211‧‧‧閘極線
212‧‧‧視頻資料線
213‧‧‧光感測器參考線
214‧‧‧光感測器輸出線
215‧‧‧節點
216‧‧‧電晶體
501‧‧‧基板
502‧‧‧光二極體
503‧‧‧電晶體
505‧‧‧液晶元件
506a‧‧‧半導體層
506b‧‧‧半導體層
506c‧‧‧半導體層
507‧‧‧像素電極
508‧‧‧液晶
509‧‧‧相對電極
510‧‧‧導電膜
511‧‧‧對準膜
512‧‧‧對準膜
513‧‧‧基板
514‧‧‧濾色片
515‧‧‧遮蔽膜
516‧‧‧間隔件
517‧‧‧偏光板
518‧‧‧偏光板
520‧‧‧箭號
521‧‧‧物件
522‧‧‧箭號
531‧‧‧氧化物絕緣層
532‧‧‧保護絕緣層
533‧‧‧層間絕緣層
534‧‧‧層間絕緣層
540‧‧‧電晶體
541‧‧‧電極層
542‧‧‧電極層
543‧‧‧電極層
545‧‧‧閘極層
601‧‧‧信號
602‧‧‧信號
603‧‧‧信號
604‧‧‧信號
605‧‧‧信號
606‧‧‧信號
607‧‧‧信號
608‧‧‧信號
609‧‧‧信號
610‧‧‧週期
611‧‧‧週期
612‧‧‧週期
613‧‧‧週期
701‧‧‧信號
702‧‧‧信號
703‧‧‧信號
704‧‧‧信號
705‧‧‧信號
706‧‧‧信號
707‧‧‧信號
708‧‧‧信號
709‧‧‧信號
710‧‧‧週期
711‧‧‧週期
712‧‧‧週期
713‧‧‧週期
721‧‧‧信號
5001‧‧‧殼體
5002‧‧‧顯示區
5003‧‧‧支架
5101‧‧‧殼體
5102‧‧‧顯示區
5103‧‧‧開關
5104‧‧‧控制鍵
5105‧‧‧紅外線埠
5201‧‧‧殼體
5202‧‧‧顯示區
5203‧‧‧硬幣孔
5204‧‧‧紙鈔孔
5205‧‧‧插卡孔
5206‧‧‧存摺孔
5301‧‧‧殼體
5302‧‧‧殼體
5303‧‧‧顯示區
5304‧‧‧顯示區
5305‧‧‧麥克風
5306‧‧‧喇叭
5307‧‧‧控制鍵
5308‧‧‧觸控筆
圖1A及1B係電路圖及時序圖，用於揭露本發明之一實施例。
圖2係電路圖，用於揭露本發明之一實施例。
圖3A及3B係電路圖及時序圖，用於揭露本發明之一實施例。
圖4係方塊圖，用於揭露本發明之一實施例。
圖5係電路圖，用於揭露本發明之一實施例。
圖6係時序圖，用於揭露本發明之一實施例。
圖7係時序圖，用於揭露本發明之一實施例。
圖8係截面圖，用於揭露本發明之一實施例。
圖9A至9D係示意圖，各用於揭露一電子器具之一範例。
圖10A及10B係電路圖，用於揭露本發明之一實施 例。
本發明之實施例將參考附圖詳細說明於後。惟，本發明可用許多不同方式實施，習於此技者很容易瞭解到本發明之模式及細節可用多種方式變更，而未脫離本發明之精神及範疇。因此，本發明不應被解釋為拘限於以下實施例之說明。請注意在文後揭露本發明結構之所有圖式中，相同部分或具有相似功能之部分即由相用參考編號表示。
應該注意的是本實施例圖中所示各結構之尺寸、一層厚度、信號波形、或區域、或類似者是為了方便說明而放大表示。因此，本發明之實施例並不限於此比例。
應該注意的是例如本說明書中所用之第一、第二、第三至第N(N為自然數)是為了避免組件之間之混淆，並非對數量有所限制。
(實施例1)
在此實施例中，本發明實施例之一半導體裝置範例將參考圖1A、1B及圖2說明於後。
圖1A揭示一包括在一半導體裝置10內之光感測器11之電路組態範例及一連接於光感測器11之讀取控制電路12之組態範例。
光感測器11包括一光二極體13、一電晶體14(亦稱為一第一電晶體)、及一電晶體15(亦稱為一第二電晶 體)。讀取控制電路12包括一電晶體18(亦稱為一讀取控制電晶體)。
在光感測器11中，光二極體13之一電極連接於光二極體重置線16且另一電極連接於電晶體14之一閘極。電晶體14之一源極與一汲極的其中之一係連接於一光感測器參考高供給線20，且源極與汲極的另一者係連接於電晶體15之一源極與一汲極的其中之一。電晶體15之一閘極連接於一閘極線17，且電晶體15之源極與汲極的另一者係連接於一光感測器輸出線22。
在讀取控制電路12中，電晶體18之一源極與一汲極的其中之一係連接於電晶體15之源極與汲極的另一者及光感測器輸出線22，且源極與汲極的另一者係連接於光感測器參考低供給線21。電晶體18之一閘極連接於一光感測器選擇線19。
應該注意的是在本說明書之電路圖中，一具有氧化物半導體層之電晶體係以符號「OS」表示，使其可辨識為一具有氧化物半導體層之電晶體。例如，在圖1A中，電晶體14、電晶體15、及電晶體18皆是具有氧化物半導體之半導體層的電晶體。
電晶體14、電晶體15、及電晶體18在其半導體層中具有氧化物半導體。當上述電晶體具有氧化物半導體之半導體層時，其斷開(OFF)狀態電流(亦即在斷開狀態中通過一電晶體之電流(呈中斷))即為極低。
應該注意的是電晶體14及電晶體15任一者之半導體 層係使用氧化物半導體形成。更明確地說，電晶體14可以是一使用如圖10A中所示氧化物半導體之電晶體；或者，電晶體15可以是一使用如圖10B中所示氧化物半導體之電晶體。除了氧化物半導體外，使用在電晶體14及電晶體15之半導體層中之半導體範例包括一非晶性半導體、一微晶性半導體、一多晶性半導體、及一單晶性半導體。特別是具有一將光二極體13之電荷轉換成一輸出信號之功能的電晶體14較佳使用一單晶性半導體，以具有良好之遷移率。
應該注意的是明確陳述「A與B連接於彼此」之說明意涵包括「A與B電氣連接於彼此」、「A與B在功能上連接於彼此」、及「A與B直接連接於彼此」。
一信號係藉由一光感測器驅動器電路供給至光二極體重置線16與閘極線17。光感測器驅動器電路將一用於執行一重置操作、一儲存操作、及一讀取操作(亦稱為一選擇操作)的信號供給至設於一特定列中之光感測器11，容後詳述。
光感測器選擇線19、光感測器參考高供給線20、光感測器參考低供給線21、及光感測器輸出線22係連接於一光感測器讀取電路。光感測器讀取電路具有一控制信號輸入到用於在一選擇列中讀取光感測器11之一輸出信號的功能。
應該注意的是藉由使用一OP放大器，光感測器讀取電路容許光感測器之一輸出信號(其係一類比信號)以一類 比信號形式通過光感測器輸出線22而輸出至一外接單元，或是在由一A/D轉換器電路轉換成一數位信號之後輸出至一外接單元。
光二極體13可以是一PN二極體、一PIN二極體、一肖特基(Schottky)二極體、或一突崩(avalanche)二極體。在一PN二極體或一PIN二極體作為光二極體13之情況中，所用之二極體中，相對應導電類型之半導體(p型導電率及n型導電率之組合或p型導電率、i型導電率、及n型導電率之組合)即堆疊；或者相對應導電類型之半導體位於同一平面中。一使用在光二極體13中之半導體可以是一非晶性半導體、一微晶性半導體、一多晶性半導體、及一單晶性半導體。光二極體具有一根據光之強度而產生一電氣信號的功能。光二極體上之入射光係由一物件反射之光或從一物件發出之光。由一物件反射之光源可以是一包括在半導體裝置內之發光裝置或外光。
電晶體14具有一將電荷累積(儲存)在其閘極的功能。藉由將電荷儲存在其閘極，一施加於電晶體14之閘極與一源極之間之電壓值或電晶體14之源極與一汲極之間之電阻值改變。此時，光感測器參考高供給線20與光感測器參考低供給線21之間之電阻分割即形成，使得光感測器輸出線22可以基於入射光而具有一電壓值。
電晶體15具有一控制讀取光感測器11之一輸出信號的功能。更明確地說，電晶體15具有一將光感測器11之一輸出信號轉移至光感測器輸出線22的功能。因此，電 晶體15必須是一開關，其藉由控制端點之間之電氣連接而以高速讀取一輸出信號。
在一讀取操作執行於另一連接至光感測器輸出線22的光感測器上期間，電晶體14及電晶體15較佳將一流動於光感測器輸出線22與光感測器參考高供給線20之間之電流減到最小，所以不造成光感測器輸出線22之電位變化。基於此原因，電晶體14及電晶體15較佳為具有一低斷開狀態電流之電晶體。
在本實施例之結構中，光感測器11中所用之電晶體具有氧化物半導體之一半導體層，因此可具有一極低之斷開狀態電流，如圖1A中所示。因此，在一讀取操作執行於另一連接至光感測器輸出線22的光感測器上期間，這些電晶體可將一流動於光感測器輸出線22與光感測器參考高供給線20之間之電流減到最小，所以不造成光感測器輸出線22之電位變化。
接著，讀取控制電路12將說明於後。圖1A中所示之讀取控制電路12係用於一單行之光感測器11。用於一單行之光感測器11的讀取控制電路12包括電晶體18。
在讀取控制電路12中，一輸出至光感測器輸出線22之信號可以藉由電晶體14(其中源極與汲極之間之電阻係根據光感測器11上之入射光而改變)與電晶體18(其中源極與汲極之間之電阻係由一來自光感測器選擇線19之固定電壓設定)之間之電阻分割而轉換成一電壓信號。易言之，讀取控制電路12作為一電阻器，用於將一輸出至光 感測器輸出線22之信號轉換成一電壓信號。
應該注意的是在本實施例中，在讀取控制電路12將一輸出至光感測器輸出線22之信號轉換成一電壓信號期間以外之一週期中，較佳藉由將一流動於光感測器輸出線22與光感測器參考低供給線21之間之電流減到極低，使電晶體18由一通過光感測器選擇線19而施加於電晶體18之固定電壓斷開，以達成低電力消耗。
在具有一光感測器之半導體裝置中，包括在讀取控制電路12內之電晶體18具有氧化物半導體之一半導體層，因此其有一極低之斷開狀態電流。再者，在讀取控制電路12將一輸出至光感測器輸出線22之信號轉換成一電壓信號期間以外之一週期中，可以藉由將一流動於光感測器輸出線22與光感測器參考低供給線21之間之電流減到極低，使電晶體18由一通過光感測器選擇線19而施加於電晶體18之固定電壓斷開，以防止光感測器輸出線22之電位變化。
在此，一欲施加於光感測器選擇線19之信號係經調整以致使電晶體18之源極與汲極之間的電阻可以根據電晶體14之源極與汲極之間的電阻而改變。例如，為了使電晶體14之源極與汲極之間的電阻可以藉由光感測器11上之大量入射光而變高，光感測器選擇線19之電壓係變低，使得電晶體14與電晶體18之間的電阻分割可以產生一輸出至光感測器輸出線22之電壓信號。對比之下，為了使電晶體14之源極與汲極之間的電阻可以藉由光感測 器11上之少量入射光而變低，光感測器選擇線19之電壓係變高，使得電晶體14與電晶體18之間的電阻分割可以產生一輸出至光感測器輸出線22之電壓信號。因此得以提供一廉價之半導體裝置，具可基於廣範圍之光強度而以高解析度捕捉一影像。
再者，具有本實施例之一光感測器的半導體裝置包括電晶體14、電晶體15、及電晶體18，其具有氧化物半導體之半導體層。具有氧化物半導體之半導體層的電晶體之斷開狀態電流可以極低。因此，在光感測器不操作期間，光感測器參考高供給線20與光感測器參考低供給線21之間之流通電流可以極低。此導致具有一光感測器的半導體裝置較低電力消耗。
接著，圖1A中所示之光感測器11的操作情形將參考圖1B之時序圖說明於後。在圖1B中，信號31至35分別為光二極體重置線16之電位、閘極線17之電位、電晶體14之閘極之電位、光感測器輸出線22之電位、及光感測器選擇線19之電位，如圖1A中所示。
應該注意的是圖1B之時序圖包括一在執行一重置操作時之重置週期、一在執行電荷儲存操作時之儲存週期、及在執行讀取操作時之讀取週期。一從時間A到時間B之週期係對應於重置週期。一從時間B到時間C之週期係對應於儲存週期。一從時間C到時間D之週期係對應於讀取週期。一從時間A到時間E之週期係對應於讀取操作週期。
在圖1B中，一高電位為「H」，及一低電位為「L」。應該注意的是在圖1B中，當一低位準信號施加於一電晶體之閘極時，電晶體係斷開。此外，在圖1B中，當一高位準信號施加於電晶體之閘極時，一電晶體即處於導通狀態，其中電晶體之源極與汲極之間的電阻係根據施加電位之大小而改變。
在時間A，光二極體重置線16之電位(信號31)變成「H」(重置操作啟始)，使得光二極體13導通且電晶體14之閘極之電位(信號33)變成「H」。閘極線17之電位(信號32)變成「L」(重置操作啟始)，使得電晶體15斷開。此外，光感測器選擇線19之電位(信號35)變成一預定值(讀取操作啟始)，以容許電晶體18根據一施加於電晶體18之閘極的電壓而功能上如同一電阻器。此時電晶體14、電晶體15、及電晶體18在功能上皆為電阻器，使得電晶體15具有一高電阻，導致光感測器輸出線22(信號34)之電壓位準與光感測器參考低供給線21者相同，亦即，其在一低電壓位準。
在時間B，光二極體重置線16之電位(信號31)來到「L」(重置操作結束且儲存操作啟始)，使得光二極體13中之光電流因入射光而增加且電晶體14之閘極之電位(信號33)則根據入射光量而減小。易言之，光二極體13具有一根據入射光而供給電荷至電晶體14之閘極的功能，因而減低電晶體14之閘極之電位。因此，電晶體14之源極與汲極之間的電阻改變。接著閘極線17之電位(信號32) 變成「L」，而斷開電晶體15。再者，光感測器選擇線19之電位(信號35)變成一預定值，以容許電晶體18根據一施加於電晶體18之閘極的電壓而功能上如同一電阻器。此時電晶體14、電晶體15、及電晶體18在功能上皆為電阻器，使得電晶體15具有一高電阻，導致光感測器輸出線22(信號34)之電壓位準與光感測器參考低供給線21者相同，亦即，其在一低電壓位準。
在時間C，閘極線17之電位(信號32)變成「H」(儲存操作結束且選擇操作啟始)，使得電晶體15接通。此時，光感測器輸出線22具有一藉由電晶體14(其電阻係由光感測器選擇線19所供給之一固定電壓決定)與電晶體18(其源極與汲極之間的電阻根據入射光而改變)之間之電阻分割而取得之電壓。在此，光感測器輸出線22之電位(信號34)之大小係取決於電晶體14之閘極電位(信號33)減低的速度，亦即根據在儲存操作期間光二極體13上之入射光量而改變。因此，在儲存操作期間光二極體13上之入射光量可以藉由取得光感測器輸出線22之電位而得知。
在時間D，閘極線17之電位(信號32)變成「L」(選擇操作結束)，使得電晶體15斷開。此外，光感測器選擇線19之電位(信號35)變成一預定值，以容許電晶體18根據一施加於電晶體18之閘極的電壓而功能上如同一電阻器。此時電晶體14、電晶體15、及電晶體18在功能上皆為電阻器，使得電晶體15具有一高電阻，導致光感測器 輸出線22(信號34)之電壓位準與光感測器參考低供給線21者相同，亦即，其在一低電壓位準。
在時間E，光感測器選擇線19之電位(信號35)從一預定值變成一令電晶體18斷開之值(讀取操作結束)。結果，此使電晶體15斷開，且電晶體18減低在不執行讀取操作期間，光感測器參考高供給線20與光感測器參考低供給線21之間所產生之一流通電流。
應該注意的是光感測器選擇線19之電位(信號35)至少在閘極線17之電位(信號32)為「H」時其必須是「H」，亦即，在執行選擇操作期間；在圖1B中，光感測器選擇線19之電位(信號35)在從時間A到時間C期間可以是「L」。
針對圖1A中所示之上述組態，讀取控制電路12之電位可以從光感測器參考低供給線21側變成光感測器參考高供給線20側，如圖2中所示。
應該注意的是當光二極體13上之入射光之強度高時，源極與汲極之間之電阻變高。因此，光感測器輸出線22之電位(信號34)即從「H」大幅降低，因而變成大約與光感測器參考低供給線21之電位等值。基於此原因，當光之強度高時，根據輸出信號而設定之電位變化並不明顯。在此情況中，光感測器選擇線19之電位(信號35)降低，使電晶體18之源極與汲極之間的電阻增大；因此，光感測器輸出線22可具有一電壓值，其藉由電阻分割而取得及係基於入射光。
以上操作在揭述時係假設光二極體13上之入射光強度高，但是其也可以使用在光二極體上之入射光強度低的情形中。當光微弱時，源極與汲極之間的電阻低。因此，光感測器輸出線22與光感測器參考高供給線20變成大約相同電位，使得根據輸出信號而決定之電位變化不明顯。在此情況中，光感測器選擇線19之電位(信號35)升高，使電晶體18之源極與汲極之間的電阻增大；因此，光感測器輸出線22可具有一電壓值，其藉由電阻分割而取得及係基於入射光。
易言之，在此實施例中，電晶體18之源極與汲極之間的電阻可以藉由升降光感測器選擇線19之電位(信號35)而輕易增減。這使得一光感測器可以準確地將強光或弱光轉換成一電氣信號。因此，吾人可以提供包括一光感測器在內之半導體裝置10，且其可以在一廣範圍之光強度基礎上輸出電氣信號。
如上所述，個別光感測器之操作可藉由在讀取操作、重置操作、儲存操作、及選擇操作中反覆執行而達成。如上所述，電晶體14、電晶體15、及電晶體18之斷開狀態電流較佳藉由使用氧化物半導體而成為極低。當在其不操作期間所發生之流通電流減少時，半導體裝置10即可達成低電力消耗。
此一包括光感測器在內之半導體裝置可以使用在一電子器具中，例如掃描器或數位靜物攝影機。此外，包括光感測器在內之半導體裝置可以使用在一具有觸控面板功能 之顯示裝置中。
本實施例可以適當地與其他實施例任一者組合而實施。
(實施例2)
在此實施例中，本發明實施例之一半導體裝置範例將參考圖3A及3B說明於後。本範例具有一不同於實施例1者之結構。應該注意的是在此實施例中與實施例1之圖1A中所用者相同之組件係以相同於圖1A中者之參考編號表示，且不予以贅述。
圖3A中所示之半導體裝置10不同於圖1A所示者之處在於電晶體14之閘極與光二極體13之另一電極之間具有一電晶體41(亦稱為一第三電晶體)。電晶體41之閘極連接於一閘極線42。
電晶體41具有一控制由光感測器11執行之儲存操作的功能。亦即，電晶體41具有一將光二極體13所產生之一電氣信號轉移至電晶體14接通時之閘極的功能。此外，電晶體41具有一將電荷累積(儲存)在電晶體14斷開時之閘極上的功能。基於此原因，一具有極低斷開狀態電流之電晶體即可使用作為電晶體41。
因此，一形成電晶體41之通道形成區的半導體層較佳使用一具有極低斷開狀態電流及輕高遷移率之氧化物半導體形成，如同電晶體14、電晶體15、及電晶體18者。一使用氧化物半導體形成之電晶體具有一比使用矽或類似 者形成之電晶體者更低斷開狀態電流的特徵。
應該注意的是在電晶體14與電晶體15之半導體層之間，其皆未使用氧化物半導體形成。
接著，圖3A中所示之光感測器11的操作情形將參考圖3B之時序圖說明於後。在圖3B中，信號51至56分別為光二極體重置線16之電位、閘極線42之電位、閘極線17之電位、電晶體14之閘極之電位、光感測器輸出線22之電位、及光感測器選擇線19之電位，如圖3A中所示。
應該注意的是圖3B之時序圖包括一在執行重置操作時之重置週期、一在執行電荷儲存操作時之儲存週期、及在執行讀取操作時之讀取週期。一從時間A到時間B之週期係對應於重置週期。一從時間B到時間C之週期係對應於儲存週期。一從時間D到時間E之週期係對應於讀取週期。一從時間A到時間F之週期係對應於讀取操作週期。
在圖3B中，一高電位為「H」，及一低電位為「L」。應該注意的是在圖3B中，當一低位準信號施加於一電晶體之閘極時，電晶體係斷開。此外，在圖3B中，當一高位準信號施加於電晶體之閘極時，一電晶體即處於導通狀態，其中電晶體之源極與汲極之間的電阻係根據施加電位之大小而改變。
在時間A，光二極體重置線16之電位(信號51)變成「H」(重置操作啟始)且閘極線42之電位(信號52)變成 「H」(重置操作啟始)，使得光二極體13與電晶體41導通且電晶體14之閘極之電位(信號54)變成「H」。閘極線17之電位(信號53)變成「L」，使得電晶體15斷開。此外，光感測器選擇線19之電位(信號56)變成一預定值(讀取操作啟始)，以容許電晶體18根據一施加於電晶體18之閘極的電壓而功能上如同一電阻器。此時電晶體14、電晶體15、及電晶體18在功能上皆為電阻器，使得電晶體15具有一高電阻，導致光感測器輸出線22(信號55)之電壓位準與光感測器參考低供給線21者相同，亦即，其在一低電壓位準。
在時間B，光二極體重置線16之電位(信號51)變成「L」且閘極線42之電位(信號52)仍為「H」(重置操作結束且儲存操作啟始)，使得光二極體13中之光電流因入射光而增加且電晶體14之閘極之電位(信號54)則根據入射光量而減小。易言之，光二極體13具有一根據入射光而供給電荷至電晶體14之閘極的功能，因而減低電晶體14之閘極之電位。因此，電晶體14之源極與汲極之間的電阻改變。接著閘極線17之電位(信號53)變成「L」，而斷開電晶體15。再者，光感測器選擇線19之電位(信號56)變成一預定值，以容許電晶體18根據一施加於電晶體18之閘極的電壓而功能上如同一電阻器。此時電晶體14、電晶體15、及電晶體18在功能上皆為電阻器，使得電晶體15具有一高電阻，導致光感測器輸出線22(信號55)之電壓位準與光感測器參考低供給線21者相同，亦即，其 在一低電壓位準。
在時間C，閘極線42之電位(信號52)來到「L」(儲存操作結束)，使得電晶體41接通。此時，電晶體14之閘極之電位(信號54)變成固定，亦即，電晶體14之閘極上所累積(儲存)之電荷量變成固定。電晶體14之閘極之電位(電荷量)係由光二極體在儲存操作期間所產生之光電流量決定。易言之，電晶體14之電位(電荷量)係根據光二極體上之入射光強度而改變。
應該注意的是當閘極線42(信號52)來到「L」時，電晶體14之閘極之電位(電荷量)係由閘極線42與電晶體14之閘極之間的寄生電容改變。當電位中因寄生電容所致之變化量(電荷量)大時，讀取操作無法準確地執行。為了使電位中因寄生電容所致之變化量(電荷量)減小，可以有效地採取一用於減少電晶體41之閘極與源極之間(或閘極與汲極之間)之電容的措施、一用於增加電晶體14之閘極電容的措施、一用於使閘極線42具備一儲存電容器的措施、或類似者。應該注意的是在圖3A及3B中，其採取諸項措施且電位中因寄生電容所致之變化(電荷量)因而可以忽略不計。
在時間D，閘極線17之電位(信號53)來到「H」(選擇操作啟始)，使得電晶體15接通。此時，光感測器輸出線22具有一藉由電晶體14(其源極與汲極之間的電阻根據入射光而改變)與電晶體18(其電阻係由光感測器選擇線19所供給之一固定電壓決定)之間之電阻分割而取得之電 壓。在此，光感測器輸出線22之電位(信號55)之大小係取決於電晶體14之閘極電位(信號54)減低的速度，亦即根據在儲存操作期間光二極體13上之入射光量而改變。因此，在儲存操作期間光二極體13上之入射光量可以藉由取得光感測器輸出線22之電位而得知。
在時間E，閘極線17之電位(信號53)來到「L」(選擇操作結束)，使得電晶體15斷開。此外，光感測器選擇線19之電位(信號56)變成一預定值，以容許電晶體18根據一施加於電晶體18之閘極的電壓而功能上如同一電阻器。此時電晶體14、電晶體15、及電晶體18在功能上皆為電阻器，使得電晶體15具有一高電阻，導致光感測器輸出線22(信號55)之電壓位準與光感測器參考低供給線21者相同，亦即，其在低位準。
在時間F，光感測器選擇線19之電位(信號56)從預定值變成一令電晶體18斷開之值(讀取操作結束)。結果，此使電晶體15斷開，且電晶體18減低在光感測器參考高供給線20與光感測器參考低供給線21之間之一流通電流。
應該注意的是光感測器選擇線19之電位(信號56)至少在閘極線17之電位(信號53)為「H」時其必須是「H」，亦即，在執行選擇操作期間；在圖3B中，光感測器選擇線19之電位(信號56)在從時間A到時間D期間可以是「L」。
應該注意的是當光二極體13上之入射光之強度高 時，源極與汲極之間之電阻變高。因此，光感測器輸出線22之電位(信號55)即從「H」大幅降低，因而變成大約與光感測器參考低供給線21之電位等值。基於此原因，當光之強度高時，根據輸出信號而設定之電位變化並不明顯。在此情況中，光感測器選擇線19之電位(信號56)降低，使電晶體18之源極與汲極之間的電阻增大；因此，光感測器輸出線22可具有一電壓值，其藉由電阻分割而取得及係基於入射光。
以上操作在揭述時係假設光二極體13上之入射光強度高，但是其也可以使用在光二極體上之入射光強度低的情形中。當光微弱時，源極與汲極之間的電阻低。因此，光感測器輸出線22與光感測器參考高供給線20變成大約相同電位，使得根據輸出信號而決定之電位變化不明顯。在此情況中，光感測器選擇線19之電位(信號56)升高，使電晶體18之源極與汲極之間的電阻增大；因此，光感測器輸出線22可具有一電壓值，其藉由電阻分割而取得及係基於入射光。
易言之，在此實施例中，電晶體18之源極與汲極之間的電阻可以藉由升降光感測器選擇線19之電位(信號56)而輕易增減。這使得一光感測器可以準確地將強光或弱光轉換成一電氣信號。因此，吾人可以提供包括一光感測器在內之半導體裝置10，且其可以在一廣範圍之光強度基礎上輸出電氣信號。
不同於實施例1者，本實施例使各光感測器中之電晶 體14之閘極電位可維持在一固定值，即使是在儲存操作之後。更明確地說，在此實施例中電晶體41之半導體層係使用氧化物半導體形成，以供電晶體具有一極低之斷態電流。此外，光感測器11可將入射光準確轉換成電氣信號。
如上所述，個別光感測器之操作可藉由在讀取操作、重置操作、儲存操作、及選擇操作中反覆執行而達成。如上所述，電晶體14、電晶體15、及電晶體18之斷開狀態電流較佳藉由使用氧化物半導體而成為極低。當在其不操作期間所發生之流通電流減少時，半導體裝置10即可達成低電力消耗。
本實施例可以適當地與其他實施例任一者組合而實施。
(實施例3)
在此實施例中，一顯示裝置將參考圖4及圖5說明於後，即一包括光感測器在內之半導體裝置。
顯示裝置之結構將參考圖4說明於後。一顯示裝置100包括一像素電路101、一顯示元件控制電路102、及一光感測器控制電路103。
像素電路101包括複數個配置於一矩陣中之像素104，亦即在列與行方向中。各像素104包括一顯示元件105及一光感測器106。光感測器並非必然設置於各像素104中，其亦可設置於每二或多數個像素104中。另者， 光感測器可設置於像素104外。
顯示元件控制電路102係一用於控制顯示元件105之電路，及其包括一顯示元件驅動器電路107，係供一信號(例如視頻資料)從此處通過信號線(亦稱為視頻資料線或源線)而輸入至顯示元件105；及一顯示元件驅動器電路108，係供一信號從此處通過掃描線(亦稱為閘極線)而輸入至顯示元件105。
光感測器控制電路103係一用於控制光感測器106之電路，及其包括一設於信號線側上之光感測器讀取電路109及一設於掃描線側上之光感測器驅動器電路110。
圖5揭示像素104之電路組態範例及一連接於像素104之讀取控制電路200之組態範例。
像素104包括顯示元件105及光感測器106。顯示元件105包括一電晶體201、一儲存電容器202、及一液晶元件203。
在顯示元件105中，電晶體201之一閘極連接於一閘極線208；電晶體201之一源極與一汲極的其中之一係連接於一視頻資料線212；源極與汲極的另一者則連接於儲存電容器202之一電極與液晶元件203之一電極。儲存電容器202之另一電極與液晶元件203之另一電極係連接於具有一預定電位之共同佈線。液晶元件203包括一對電極及一夾置於該對電極之間之液晶層。
電晶體201具有一控制電荷注入或排出液晶元件203與儲存電容器202的功能。例如，當一高電位施加於閘極 線208時，電晶體201接通且視頻資料線212之電位施加於液晶元件203與儲存電容器202。通過液晶元件203之光之對比(灰階)係藉由施加於液晶元件203之電壓而達成，藉此產生影像顯示。儲存電容器202具有一維持施加於液晶元件203之電壓的功能。包括液晶元件203在內之顯示裝置100可以是一透射型顯示裝置、一反透射型顯示裝置、或一半透射型顯示裝置。
視頻資料線212連接於圖4中所示之顯示元件驅動器電路107。顯示元件驅動器電路107係一通過視頻資料線212以供給一信號至顯示元件105的電路。閘極線208連接於圖4中所示之顯示元件驅動器電路108。顯示元件驅動器電路108係一通過閘極線208以供給一信號至顯示元件105的電路。例如，顯示元件驅動器電路108具有一供給一信號的功能，以選擇位於一特定列中之像素所包括的一顯示元件。顯示元件驅動器電路107具有一供給一信號的功能，以供給適當電位至位於一特定列中之像素所包括的一顯示元件。
在電晶體201之通道形成區中的半導體係實施例1及2中所述之氧化物半導體。當電晶體201藉由氧化物半導體而容許具有一極低斷開狀態電流時，一施加於液晶元件203之電壓可以較準確地維持且顯示品質可以增加。此外，低電力消耗可以藉由使用具一極低斷開狀態電流之電晶體201而實質上減低更新率。
儘管本文內所述之顯示元件105包括液晶元件，顯示 元件105也可以包括另一元件，例如發光元件。發光元件係一藉由電流或電壓以控制明度之元件，且其特定範例包括一發光二極體及一有機發光二極體(OLED)。
光感測器106包括一光二極體204、一電晶體205(亦稱為一第一電晶體)、一電晶體206(亦稱為一第三電晶體)、及一電晶體207(亦稱為一第二電晶體)。
在光感測器106中，光二極體204之一電極連接於光二極體重置線210且光二極體204之另一電極連接於電晶體207之源極與汲極的其中之一。電晶體205之源極與汲極的其中之一係連接於光感測器參考線213，且電晶體205之源極與汲極的另一者係連接於電晶體206之源極與汲極的其中之一。電晶體206之閘極連接於閘極線211，且電晶體206之源極與汲極的另一者係連接於光感測器輸出線214。電晶體207之閘極連接於閘極線209。電晶體207之源極與汲極的另一者係連接於電晶體205之閘極(一節點215)。
閘極線209、光二極體重置線210、及閘極線211連接於圖4中所示之光感測器驅動器電路110。光感測器驅動器電路110具有一在一特定列像素中所包括之光感測器106上執行重置操作、儲存操作、及讀取操作的功能。
光感測器輸出線214與光感測器參考線213係連接於圖4中所示之光感測器讀取電路109。光感測器讀取電路109具有一從一選擇列像素中所包括之光感測器106讀取一輸出信號的功能。
應該注意的是，光感測器讀取電路109來自光感測器之一輸出(其係一類比信號)係藉由使用一OP放大器，以一類比信號形式擷取至一外接單元；另者，一輸出係藉由一A/D轉換器電路轉換成一數位信號後再擷取至一外接單元。
應該注意的是本實施例之光感測器106中之光二極體204、電晶體205、電晶體206、及電晶體207係相同於實施例1及2中所述之光二極體13、電晶體14、電晶體15、及電晶體41；因此，其細節請參閱上述說明。再者，本實施例之讀取控制電路200中之電晶體216係相同於實施例1及2中所述之電晶體18；因此，其細節請參閱上述說明。
這使得一光感測器可以在一廣範圍之光強度基礎上輸出電氣信號。易言之，吾人可以可以準確地將強光或弱光轉換成一電氣信號。
因此，如上所述，在本實施例之顯示裝置中，電晶體之斷開狀態電流係藉由使用氧化物半導體而成為極低。當在其不操作期間所發生之流通電流減少時，半導體裝置10即可達成低電力消耗。再者，藉由使用氧化物半導體而令電晶體之斷開狀態電流極低即可改善維持電荷儲存於電晶體之閘極上的功能。因此，光感測器可將入射光準確轉換成一電氣信號。
儘管具有一顯示功能且包括光感測器在內之顯示裝置已在本實施例揭述，本實施例也方便施加於一包括光感測 器在內且無顯示功能之半導體裝置。亦即，半導體裝置可以藉由去除顯示所需之電路而形成，更明確地說，從本實施例中之顯示裝置100之顯示元件控制電路102與顯示元件105者。包括光感測器在內之半導體裝置包括一使用在電子器具中之成像裝置，像是掃描器或數位靜物攝影機。
根據本實施例，吾人可以提供一廉價之顯示裝置或半導體裝置，具可基於廣範圍之光強度而以高解析度捕捉一影像。
本實施例可以適當地與其他實施例任一者組合而實施。
(實施例4)
在此實施例中，一用於驅動複數個光感測器之方法將說明於後。
首先，圖6之時序圖中所示之一驅動方法係假設其使用於圖3A中之光感測器。圖6係時序圖，其揭示一輸入至第一列光感測器中之光二極體重置線16的信號601、一輸入至第二列光感測器中之光二極體重置線16的信號602、一輸入至第三列光感測器中之光二極體重置線16的信號603、一輸入至第一列光感測器中之閘極線42的信號604、一輸入至第二列光感測器中之閘極線42的信號605、一輸入至第三列光感測器中之閘極線42的信號606、一輸入至第一列光感測器中之閘極線17的信號607、一輸入至第二列光感測器中之閘極線17的信號 608、一輸入至第三列光感測器中之閘極線17的信號609、及一輸入至光感測器選擇線19的信號621等之信號波形。一週期610係單次影像捕捉所需之一週期。一週期611係在第二列光感測器中執行重置操作期間之一週期；一週期612係在第二列光感測器中執行儲存操作期間之一週期；一週期613係在第二列光感測器中執行選擇操作期間之一週期。因此依序驅動之光感測器列即可達成影像捕捉。
經發現各列光感測器中之儲存操作具有一時間滯後。亦即，各列光感測器中之影像捕捉並非同時執行，這導致所捕捉到之影像難以辨識。特別是，一快速移動物件之影像容易擷取成具有一扭曲形狀：如果物件是從第一列至第三列之方向移動，則擷取到一放大影像且在後方留下一道拖影；物件是從相反方向移動，則擷取到一縮小影像。
為了防止各列光感測器中之儲存操作之時間滯後，有效的方式為各列光感測器在一短週期內依序驅動。惟，在此情況中，光感測器之輸出信號必須由一OP放大器或一AD轉換器電路以極高速取得，此導致電力消耗增加，且特別難以取得一高解析度影像。
因此，吾人提出圖7之時序圖中所示之一驅動方法。圖7係時序圖，其揭示一輸入至第一列光感測器中之光二極體重置線16的信號701、一輸入至第二列光感測器中之光二極體重置線16的信號702、一輸入至第三列光感測器中之光二極體重置線16的信號703、一輸入至第一 列光感測器中之閘極線42的信號704、一輸入至第二列光感測器中之閘極線42的信號705、一輸入至第三列光感測器中之閘極線42的信號706、一輸入至第一列光感測器中之閘極線17的信號707、一輸入至第二列光感測器中之閘極線17的信號708、一輸入至第三列光感測器中之閘極線17的信號709、及一輸入至光感測器選擇線19的信號721等之信號波形。一週期710係單次影像捕捉所需之一週期。一週期711係在第二列光感測器中執行重置操作期間(所有列中同時執行)之一週期；一週期712係在第二列光感測器中執行儲存操作期間(所有列中同時執行)之一週期；一週期713係在第二列光感測器中執行選擇操作期間之一週期。
圖7不同於圖6之處在於重置操作與儲存操作是在所有列之光感測器之同一週期內執行，且在儲存操作之後，選擇操作在各列中依序執行，不與儲存操作同步。當儲存操作在同一週期內執行時，各列光感測器中之影像捕捉係同時執行，及當一物件快速移動時，物件之影像易於擷取且甚少模糊。由於儲存操作同時執行，一驅動器電路可供各光感器之光二極體重置線16共用。再者，一驅動器電路也可供各光感測器之閘極線42共用。此共用之驅動器電路有利於減少周邊電路數或減少電力消耗。此外，當取得光感測器之輸出信號時，在各列中依序執行之選擇操作可以降低一OP放大器或一AD轉換器電路之操作速率。此時，選擇操作之總時間較佳比儲存操作之時間長，在取 得一高解析度影像之情況中特別有利。
應該注意的是圖7揭示用於依序驅動各列光感測器之方法之時序圖；其亦有利於依序驅動僅某一列光感測器，以在一特定區域中取得一影像。因此，操作時可以取得所想要的影像，且OP放大器或AD轉換器電路之電力消耗減少。再者，一種用於驅動每隔多個光感測器之方法也有實效。亦即，僅驅動複數個光感測器之一或多個。因此，一具有所需解析度之影像可在操作時取得，且OP放大器或AD轉換器電路之電力消耗減少。
應該注意的是為了達成上述驅動方法，各光感測器中之電晶體14之閘極電位必須保持恆定，即使是在儲存操作完成後。因此，電晶體14較佳使用氧化物半導體以具有一極低之斷開狀態電流，如圖3A中所示。
因此，吾人可以提供一低電力之顯示裝置或半導體裝置，其即使是一快速移動之物件仍可以高解析度擷取一影像，而甚少模糊不清。
本實施例可以適當地與其他實施例任一者組合而實施。
(實施例5)
在此實施例中，一包括光感測器在內之半導體裝置之結構與製造方法將說明於後。圖8係一半導體裝置之截面圖。應該注意的是文後之半導體裝置可施加於一顯示裝置。
圖8揭示包括一光感測器在內之半導體裝置之截面圖範例。在圖8所示包括一光感測器在內之半導體裝置中，一光二極體502、一電晶體540、一電晶體503、及一液晶元件505形成於一具有一絕緣表面之一基板(TFT基板)501上
一氧化物絕緣層531、一保護絕緣層532、一層間絕緣層533、及一層間絕緣層534設於電晶體503與電晶體540上。光二極體502形成於層間絕緣層533上。在光二極體502中，一第一半導體層506a、一第二半導體層506b、及一第三半導體層506c依此順序堆疊在一形成於層間絕緣層533上之電極層541與一形成於層間絕緣層534上之電極層542之間的層間絕緣層533上。
電極層541電氣連接於一形成於層間絕緣層534中之電極層543，及電極層542係透過電極層541而電氣連接於一閘極層545。閘極層545電氣連接於電晶體540之一閘極層，及光二極體502電氣連接於電晶體540。
為了防止各使用氧化物半導體層形成且包括在含有一光感測器之半導體裝置中的電晶體503及電晶體540之電氣特徵變化，導致變化之雜質(例如氫、水氣、羥基、或氫化物(亦稱為氫化合物))係有計劃地從氧化物半導體層去除。此外，氧化物半導體層係藉由供給屬於氧化物半導體之其中一主要成分且在去除雜質之步驟中減少的氧而變成極純淨，成為i型(固有)。
因此，氧化物半導體較佳為含氫與載體越少越好。在 電晶體503及電晶體540中，一通道形成區形成於氧化物半導體層中，其中所含之氫係盡可能去除至接近0，使得氫濃度小於或等於5×1019/cm3，較佳為小於或等於5×1018/cm3，最佳為小於或等於5×1017/cm3或5×1016/cm3，且載體濃度小於5×1014/cm3，較佳為小於或等於5×1012/cm3。
由於極少(接近0)載體存在於氧化物半導體中，電晶體503及電晶體540之斷開狀態電流較佳為越低越好。在施加-1V至-10V之間之一閘電壓的情況中，斷開狀態電流係一流動於一電晶體之源極與汲極之間之電流。在本說明書中，在一使用氧化物半導體形成之電晶體之一通道寬度(w)中每1μm之電流值係小於或等於100aA/μm，較佳為小於或等於10aA/μm，最佳為小於或等於1aA/μm。再者，由於並無pn接面及無熱載體劣化，電晶體之電氣特徵不致受到其不利影響。
因此，使用氧化物半導體層形成之上述電晶體503、540具有一極低之斷開狀態電流並具有穩定之電氣特徵及高可靠性。
就包括在電晶體503及電晶體540各者內之氧化物半導體膜而言，可使用四成分金屬氧化物，例如銦-錫-鎵-鋅-氧膜；三成分金屬氧化物，例如銦-鎵-鋅-氧膜、銦-錫-鋅-氧膜、銦-鋁-鋅-氧膜、錫-鎵-鋅-氧膜、鋁-鎵-鋅-氧膜、及錫-鋁-鋅-氧膜；或二成分金屬氧化物，例如銦-鋅-氧膜、錫-鋅-氧膜、鋁-鋅-氧膜、鋅-鎂-氧膜、錫-鎂-氧 膜、銦-鎂-氧膜、銦-氧膜、錫-氧膜、及鋅-氧膜的其中之一。再者，SiO2可包含在上述氧化物半導體膜內。
應該注意的是就氧化物半導體膜而言，可以使用一由InMO3(ZnO)m(m>0)表示之薄膜。在此，M表示一或多個選自鎵、鋁、錳、及鈷之金屬元素。例如，M可為鎵、鎵與鋁、鎵與錳、鎵與鈷、或類似者。一以InMO3(ZnO)m(m>0)表示成份且其中包括鎵以作為M之氧化半導體膜係指上述之銦-鎵-鋅-氧基氧化半導體，且銦-鎵-鋅-氧基氧化半導體之薄膜亦指一銦-鎵-鋅-氧基非單晶性膜。
在此，一pin光二極體係揭示為一範例，其中一作為第一半導體層506a而具有p型導電率之半導體層、一作為第二半導體層506b之高電阻半導體層(i型半導體層)、及一作為第三半導體層506c而具有n型導電率之半導體層係如圖中所示堆疊。
第一半導體層506a係一p型半導體層及其可以使用一含有雜質元素以賦予p型導電率之非晶矽膜形成。第一半導體層506a使用一含有屬於元素週期表第13族(例如硼(B))雜質元素之半導體源氣體並以一電漿CVD法形成。就半導體原料氣體而言，可以使用矽烷(SiH4)。另者，也可以使用Si2H6、SiH2Cl2、SiHCl3、SiCl4、SiF4、或類似者。再者，可以形成一不含雜質元素之非晶矽膜，且此時，一雜質元素可以使用一擴散法或一離子植入法導送至非晶矽膜。加熱或類似者可以在藉由一離子植入法或類似者導送雜質元素之後進行，以利於擴散雜質元素。在 此情況中，就一用於形成非晶矽膜之方法而言，可以使用LPCVD法、氣相薄膜形成法、濺鍍法、或類似者。第一半導體層606a較佳形成具有10nm至50nm之厚度。
第二半導體層506b係一i型半導體層(固有半導體層)及其使用一非晶矽膜形成。就第二半導體層506b之形成而言，一非晶矽膜使用一半導體源氣體並以一電漿CVD法形成。就半導體原料氣體而言，可以使用矽烷(SiH4)。另者，也可以使用Si2H6、SiH2Cl2、SiHCl3、SiCl4、SiF4、或類似者。第二半導體層506b可以改使用LPCVD法、氣相薄膜形成法、濺鍍法、或類似者形成。第二半導體層506b較佳形成具有200nm至1000nm之厚度。
第三半導體層506c係一n型半導體層及其可以使用一含有雜質元素以賦予n型導電率之非晶矽膜形成。第三半導體層506c使用一含有屬於元素週期表第15族(例如磷(P))雜質元素之半導體原料氣體並以一電漿CVD法形成。就半導體源氣體而言，可以使用矽烷(SiH4)。另者，也可以使用Si2H6、SiH2Cl2、SiHCl3、SiCl4、SiF4、或類似者。再者，可以形成一不含雜質元素之非晶矽膜，且此時，一雜質元素可以使用一擴散法或一離子植入法導送至非晶矽膜。加熱或類似者可以在藉由一離子植入法或類似者導送雜質元素之後進行，以利於擴散雜質元素。在此情況中，就一用於形成非晶矽膜之方法而言，可以使用LPCVD法、氣相薄膜形成法、濺鍍法、或類似者。第三半導體層506c較佳形成具有20nm至200nm之厚度。
第一半導體層506a、第二半導體層506b、及第三半導體層506c並不必然使用一非晶性半導體形成，及其可使用一多晶性半導體、微晶性半導體(半非晶性半導體(SAS))形成。
當考慮到吉布斯自由能(Gibbs free energy)時，微晶性半導體屬於非晶性與單晶性之間之一中間亞穩態。也就是說，微晶性半導體係一具有第三態之半導體，即其自由能穩定且具有一短程規則性及晶格畸變。柱狀或針狀晶體係相關於一基板表面而在一法線方向中生長。拉曼(Raman)光譜係一微晶性半導體之典型範例，其位於520cm-1以下之一較低波數，該波數代表單晶矽之拉曼光譜之一波峰。亦即，微晶矽之拉曼光譜之波峰出現在代表單晶矽之520cm-1與代表非晶矽之480cm-1之間。此外，微晶矽含有至少1atomic%或更多之氫或鹵素，以利於終止一空鍵。再者，微晶矽含有一稀有氣體元素，例如氦、氬、氪、或氖，以利更加助長晶格畸變，提供一較高穩定性之良好微晶性半導體膜。
此微晶性半導體膜可以藉由一高頻率電漿CVD法形成且使用一數十至數百MHz之頻率，或藉由一微波電漿CVD法形成且使用1GHz或更高之頻率。典型上，微晶性半導體膜可以使用氫化矽形成，例如以氫稀釋之SiH4、Si2H6、SiH2Cl2、SiHCl3、SiCl4、或SiF4。除了氫化矽及氫以外，藉由使用選自氦、氬、氪、或氖之一或多樣稀有氣體元素稀釋，即可形成微晶性半導體膜。在此情況中， 氫對氫化矽之流量比為5：1至200：1，較佳為50：1至150：1，最佳為100：1。再者，碳化物氣體(例如CH4或C2H6)、鍺氣體(例如GeH4或GeF4)、F2、或類似者可以混合至含矽之氣體內。
此外，由於光電場產生之電洞之遷移率較低於電子者，當p型半導體層側上之一表面使用作為一光接收平面時，一pin光二極體即具有較佳特徵。在此將揭述光二極體502從供一pin光二極體形成於其上的基板501之一表面接收到之光轉換成電氣信號的範例。來自於導電率類型和光接收平面上之半導體層側者相反的半導體層之光係擾動光；因此，電極層較佳由一遮光之導電膜構成。n型半導體層側之一表面可以替換作為光接收平面。
液晶元件505包括一像素電極507、液晶508、及一相對電極509。像素電極507形成於基板501上且透過導電膜510而電氣連接於電晶體503。相對電極509形成於一基板(相對基板)513上。液晶508介置於像素電極507與相對電極509之間。電晶體503相當於實施例1中之電晶體201。
像素電極507與相對電極509之間之一單元間隙可以藉由使用一間隔件516控制。在圖8中，單元間隙係使用由微影蝕刻而選擇形成之柱狀間隔件516控制。另者，單元間隙可以藉由將球形間隔件散布於像素電極507與相對電極509之間而控制。
液晶508係由基板501與基板513之間之一密封材料 圍繞。液晶508可以藉由一施配器方法(液滴法)或一浸漬法(泵送法)注入。
針對像素電極507，可以使用一透光之導電性材料，例如氧化銦錫(ITO)、含有氧化矽之氧化銦錫(ITSO)、有機銦、有機錫、氧化鋅(ZnO)、含有氧化鋅(ZnO)之氧化銦鋅(IZO)、含有鎵(Ga)之氧化鋅、氧化錫(SnO2)、含有氧化鎢之氧化銦、含有氧化鎢之氧化銦鋅、含有氧化鈦之氧化銦、含有氧化鈦之氧化銦錫、或類似者。一含有導電性巨分子(亦稱為導電性聚合物)之導電性組合可用於形成像素電極507。就導電性高分子而言，可以使用一俗稱π電子共軛之導電性聚合物。例如，聚苯胺或其衍生物；聚吡咯或其衍生物；聚噻吩或其衍生物；苯胺、吡咯、及噻吩之二或多者之共聚物或其衍生物。
由於透明之液晶元件505在本實施例中舉例說明，上述透光之導電性材料可以使用於相對電極509，如同像素電極507之情形。
一對準膜511設於像素電極507與液晶508之間，及一對準膜512設於相對電極509與液晶508之間。對準膜511及對準膜512可以使用一有機樹脂形成，例如聚醯亞胺或聚乙烯醇。對準處理(例如摩擦)是在對準膜511之一表面上及對準膜512之一表面上進行，用於將液晶分子對準於某一方向。摩擦可以藉由滾動一外纏尼龍布或類似者之滾輪進行，同時施加壓力於對準膜上，使得對準膜之表面在某一方向中摩擦。應該注意的是藉由使用一無機材料 (例如氧化矽)，各具有對準性質之對準膜511及對準膜512可以直接藉由一蒸發法形成，而不需要執行對準處理。
再者，一可在特定波長範圍內透射光之濾色片514係形成於基板513上，以利於與液晶元件505重疊。在一有機樹脂(例如一供顏料散布於其中之丙烯酸基樹脂)施加於基板513上之後，濾色片514可以藉由微影蝕刻而選擇性形成。另者，在一供顏料散布於其中之聚醯亞胺基樹脂施加於基板513上之後，濾色片514可以藉由蝕刻而選擇性形成。另者，濾色片514可以藉由一液滴釋出法(例如一噴墨法)選擇性形成。
再者，一可遮阻光之遮光膜515形成於基板513上，以利與光二極體502重疊。藉由設置遮光膜515，可防止通過基板513且進入觸控面板之背光光線直接傳送至光二極體502。再者，可防止因像素中之液晶508對準失序所致之旋向被看到。一含有黑色顏料(例如炭黑或低氧化鈦)之有機樹脂可用於遮光膜515。另者，一含鉻之薄膜可用於遮光膜515。
再者，一偏光板517設於基板501之一側上且相對立於供像素電極507設置之側，及一偏光板518設於相對基板513之一側上且相對立於供相對電極509設置之側。
藉由使用一絕緣材料，絕緣層531、保護絕緣層532、層間絕緣層533、及層間絕緣層534可以依據材料而使用一方法(例如濺鍍法、SOG法、旋塗法、浸漬法、 嘖塗法、或液滴噴射法(例如噴墨法、網版印刷、平版印刷、或類似者))、或一工具(例如刮刀、輥式塗布機、幕簾式塗布機、刮刀塗布機、或類似者)形成。
就絕緣層531而言，可以使用氧化物絕緣層之一單層或一堆疊層，例如氧化矽層、氧氮化矽層、氧化鋁層、氧氮化鋁層、或類似者。
就保護絕緣層532之無機絕緣材料而言，可以使用氮化物絕緣層之一單層或一堆疊層，例如氮化矽層、氮氧化矽層、氮化鋁層、氮氧化鋁層、或類似者。較佳使用微波(2.45GHz)之高密度電漿CVD，因為其可形成一具有高耐受電壓之濃密且高品質的絕緣膜。
為了降低表面粗度，一作為平坦絕緣膜之絕緣層較佳使用作為層間絕緣層533、534。層間絕緣層533、534可以使用一具有耐熱性之有機絕緣材料，例如聚醯亞胺、丙烯酸樹脂、苯並環丁烯基樹脂、聚醯胺、或環氧樹脂。除此有機絕緣材料外，也可以使用一低介電常數材料(低k材料)、矽氧烷基樹脂、磷矽酸鹽玻璃(PSG)、硼磷矽酸鹽玻璃(BPSG)、或類似者之一單層或一堆疊層。
來自背光之光通過基板513及液晶元件505且傳送至基板501側上之一物件521，如一箭號520所示。接著，由物件521反射之光進入光二極體502，如一箭號522所示。
液晶元件505可以是TN(扭曲向列性)型液晶元件、VA(垂直對準)型液晶元件、OCB(光學補償雙折射)型液晶 元件、IPS(平面轉換)型液晶元件、或類似者。另者，呈現藍相而可不需要對準膜之液晶也可以使用。
應該注意的是儘管其中有液晶508設於像素電極507與相對電極509之間的液晶元件505係在本實施例中舉例說明，本發明之一實施例中之半導體裝置並不限於此結構。也可以使用一液晶元件，其中一對電極形成於基板501側上，像是一IPS型液晶元件。
上述結構使半導體裝置可以高速操作捕捉影像。
本實施例可以適當地與其他實施例組合而實施。
(實施例6)
根據本發明之一實施例之半導體裝置可以使用作為一觸控面板。觸控面板可以使用在顯示器、膝上型個人電腦、及備有記錄媒體之影像再生裝置(典型範例為可將記錄媒體(例如數位多功能光碟(DVDs))之內容再生及具有顯示器可顯示再生影像之裝置)。可供本發明之一實施例之觸控面板使用於其中的一電子器具範例包括行動電話、可攜式遊戲機、個人數位助理、電子書閱讀器、攝影機、數位靜物攝影機、護目鏡式顯示器(頭戴式顯示器)、航行系統、音響再生裝置(例如汽車音響系統及數位音響播放器)、影印機、傳真機、列印機、多功能列印機、自動櫃員機(ATM)、及販賣機。
在此實施例中，包括本發明之一實施例之觸控面板在內的電子器具範例將參考圖9A至9D說明於後。
圖9A揭示一顯示裝置，其包括一殼體5001、一顯示區5002、一支架5003、及類似者。本發明之一實施例之觸控面板可用於顯示區5002。本發明之一實施例之觸控面板用於顯示區5002時可以提供一顯示裝置，其可取得一高解析度之影像及具備較高性能之應用。應該注意的是一顯示裝置在其領域中包括所有用於顯示資訊之顯示裝置，例如用於個人電腦、電視廣播接收、及廣告之顯示裝置。
圖9B揭示一個人數位助理，其包括一殼體5101、一顯示區5102、一開關5103、一操作鍵5104、一紅外線埠5105、及類似者。本發明之一實施例之觸控面板可用於顯示區5102。本發明之一實施例之觸控面板用於顯示區5102時可以提供一個人數位助理，其可取得一高解析度之影像及具備較高性能之應用。
圖9C揭示一自動櫃員機，其包括一殼體5201、一顯示區5202、一硬幣孔5203、一紙鈔孔5204、一插卡孔5205、一存摺孔5206、及類似者。本發明之一實施例之觸控面板可用於顯示區5202。本發明之一實施例之觸控面板用於顯示區5202時可以提供一自動櫃員機，其可取得一高解析度之影像及具備較高性能之應用。使用本發明之一實施例之觸控面板的自動櫃員機可以讀取活體之資訊，例如指紋、面容、手印、掌紋、手背靜脈模型、虹膜、及用於較高準確性生物統計學之類似者。因此，因某一人被誤認為一不同人所造成的不實之未匹配率及因一不 同人被誤認為某一人所造成的不實之接收率即可降低。
圖9D揭示一可攜式遊戲機，其包括一殼體5301、一殼體5302、一顯示區5303、一顯示區5304、一麥克風5305、一喇叭5306、一操作鍵5307、一觸控筆5308、及類似者。本發明之一實施例之觸控面板可用於顯示區5303或顯示區5304。本發明之一實施例之觸控面板用於顯示區5303或顯示區5304時可以提供一可攜式遊戲機，其可取得一高解析度之影像及具備較高性能之應用。應該注意的是儘管圖9D中所示之可攜式遊戲機包括二顯示區5303、5304，包括在可攜式遊戲機內之顯示區之數量並不限於此。
本實施例可以適當地與其他實施例組合而實施。
本申請案係基於在2010年3月12日向日本專利局申請的日本專利申請案第2010-056526號，該案之全文以引用的方式併入本文中。
10‧‧‧半導體裝置
11‧‧‧光感測器
12‧‧‧讀取控制電路
13‧‧‧光二極體
14‧‧‧電晶體
15‧‧‧電晶體
16‧‧‧光二極體重置線
17‧‧‧閘極線
18‧‧‧電晶體
19‧‧‧光感測器選擇線
20‧‧‧光感測器參考高供給線
21‧‧‧光感測器參考低供給線
22‧‧‧光感測器輸出線

Claims (10)

  1. 一種半導體裝置，包含：第一電晶體；第二電晶體，該第二電晶體的源極與汲極的其中之一電連接於該第一電晶體的源極與汲極的其中之一；包括第三電晶體的讀取控制電路，該第三電晶體的源極與汲極的其中之一電連接於該第二電晶體的該源極與該汲極的另一者；在該第一電晶體、該第二電晶體及該第三電晶體上的絕緣層；及在該絕緣層上的光二極體，該光二極體電連接於該第一電晶體的閘極，其中該第一電晶體、該第二電晶體及該第三電晶體的每一者包括氧化物半導體層。
  2. 如申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中該第一電晶體、該第二電晶體及該第三電晶體的每一者的斷開狀態電流為在通道寬度中每1μm小於或等於100aA。
  3. 如申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中該第三電晶體的閘極、該源極與該汲極的每一者和該第一電晶體的該源極與該汲極的另一者電連接於光感測器讀取電路。
  4. 如申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中該第一電晶體的該源極與該汲極的另一者電連接於組態用以提供第一參考電位的第一線， 其中該第三電晶體的該源極與該汲極的另一者電連接於組態用以提供第二參考電位的第二線，及其中該第一參考電位高於該第二參考電位。
  5. 一種半導體裝置，包含：第一電晶體；第二電晶體，該第二電晶體之閘極電連接於該第一電晶體的源極與汲極的其中之一；第三電晶體，該第三電晶體的源極與汲極的其中之一電連接於該第二電晶體的源極與汲極的其中之一；包括第四電晶體的讀取控制電路，該第四電晶體的源極與汲極的其中之一電連接於該第三電晶體的該源極與該汲極的另一者；在該第一電晶體、該第二電晶體、該第三電晶體及該第四電晶體上的絕緣層；及在該絕緣層上的光二極體，該光二極體電連接於該第一電晶體的該源極與該汲極的另一者，其中該第一電晶體、該第二電晶體、該第三電晶體及該第四電晶體的每一者包括氧化物半導體層。
  6. 如申請專利範圍第5項之半導體裝置，其中該第一電晶體、該第二電晶體、該第三電晶體及該第四電晶體的每一者的斷開狀態電流為在通道寬度中每1μm小於或等於100aA。
  7. 如申請專利範圍第5項之半導體裝置，其中該第四電晶體的閘極、該源極與該汲極的每一者和該第二電晶 體的該源極與該汲極的另一者電連接於光感測器讀取電路。
  8. 如申請專利範圍第5項之半導體裝置，其中該第二電晶體的該源極與該汲極的另一者電連接於組態用以提供第一參考電位的第一線，其中該第四電晶體的該源極與該汲極的另一者電連接於組態用以提供第二參考電位的第二線，及其中該第一參考電位高於該第二參考電位。
  9. 如申請專利範圍第1或5項之半導體裝置，其中該氧化物半導體層包含銦、鎵、錫及鋅的至少一者。
  10. 如申請專利範圍第1或5項之半導體裝置，其中該光二極體選自PN二極體、PIN二極體、肖特基(Schottky)二極體及突崩(avalanche)二極體。
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