TWI556416B - 半導體裝置及其驅動方法 - Google Patents

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Description

半導體裝置及其驅動方法
本發明有關包含光感測器之半導體裝置及其驅動方法。本發明亦有關其中光感測器係以矩陣而配置之半導體裝置及其驅動方法。進一步地，本發明有關包含光感測器之顯示裝置及其驅動方法。本發明亦有關其中各包含光感測器的像素係以矩陣而配置之顯示裝置及其驅動方法。此外，本發明有關包含該顯示裝置或該半導體裝置之電子設備。
近來，其中安裝可偵測光之感測器(亦稱為“光感測器”)於上之顯示裝置已引起注意。藉由提供具有光感測器之顯示裝置，可在顯示螢幕上執行資訊的輸入。例如，可給定具有影像捕獲功能的顯示裝置(例如，請參閱專利文獻1)。
除了上述顯示裝置之外，可給定使用於諸如掃描器或數位靜像相機的電子設備中之成像裝置，做為包含光感測器的半導體裝置。
在諸如上述顯示裝置或成像裝置之包含光感測器的半導體裝置中，光感測器可偵測出由物體所反射的光或來自物體所發射出的光；因而，該半導體裝置可偵測出其中設置光感測器的區域周圍之物體的存在。
[參考文件]
[專利文獻]
[專利文獻1]日本公開專利申請案第2001-292276號
為了要使將被偵測之物體成像且獲得影像，需在光感測器中將光轉換成為電信號。因為電信號通常係類比信號，所以電信號需藉由A/D轉換器電路而被轉換成為數位信號。進一步地，需執行依據光之強度的A/D轉換。
因此，本發明實施例之目的在於準確地轉換光成為電信號於光感測器之中。另一目的在於提供具有新穎電路結構的光感測器以供達成上述目的之用。又一目的在於提供包含該光感測器之半導體裝置。
進一步地，再一目的在於提供能以高解析度而成像之光感測器。仍一目的在於提供包含該光感測器之半導體裝置。
又再一目的在於提供包含能成像將被偵測之快速移動物體而不具有模糊或失真於影像中之光感測器的半導體裝置。
進一步地，仍再一目的在於提供包含能以低功率消耗而高解析度地成像之光感測器的半導體裝置。
本發明之實施例有關半導體裝置，其包含光感測器，該光感測器具有光二極體、第一電晶體、及第二電晶體。光二極體具有依據光之強度而產生電信號的功能。第一電晶體具有儲存電荷於該第一電晶體之閘極中的功能。第二電晶體具有轉移藉由光二極體所產生的電信號至第一電晶體之閘極的功能。該第二電晶體具有保持第一電晶體的閘極中所儲存之電荷的功能。
在上述結構中，第一電晶體具有背面閘極。在該第一電晶體中，臨限電壓可藉由改變背面閘極的電位而被改變。
在上述結構中，第一電晶體具有轉換閘極中所儲存之電荷成為輸出信號的功能。在第一電晶體的閘極中所儲存之電荷係轉換成為輸出信號，且該輸出信號被讀取，依據光之強度的電信號可藉以輸出。第一電晶體之閘極中所儲存之電荷的讀取係執行複數次，且同時，該第一電晶體之背面閘極的電位係隨著所保持的閘極中之所儲存的電荷而改變。特定地，設定第一電晶體之背面閘極的電位於第一電位，且轉換第一電晶體之閘極中所儲存的電荷成為第一輸出信號，並讀取第一輸出信號。然後，設定第一電晶體之背面閘極的電位於第二電位，且轉換第一電晶體之閘極中所儲存的電荷成為第二輸出信號，並讀取第二輸出信號。在其中將讀取執行三次或更多次的情況中，可重複執行上述操作。在此方式中，當改變第一電晶體之背面閘極的電位時之同時，可執行第一電晶體之閘極中所儲存的電荷之讀取複數次。
因而，即使當光之強度變高時，可將依據該光之強度的電信號輸出。進一步地，即使當光之強度變低時，亦可輸出依據該光之強度的電信號。
在上述結構中，至少第二電晶體之通道形成區可使用氧化物半導體層而形成。當與使用矽或其類似物之電晶體相較時，使用氧化物半導體之電晶體具有極低截止電流的電性特徵。
因此，藉由使用氧化物半導體層於第二電晶體的通道形成區之中，可長時間保持第一電晶體之閘極中所儲存的電荷。從而，儲存於第一電晶體之閘極中的電荷可保持幾乎恆定於其中執行該第一電晶體之閘極中所儲存的電荷之讀取複數次的期間之週期中。
在上述結構中，該半導體裝置包含第三電晶體。該第三電晶體具有控制輸出信號之讀取的功能。
在上述結構中，該半導體裝置包含第四電晶體。該第四電晶體具有控制使用以讀取輸出信號之信號線電位的功能。具體而言，該第四電晶體具有設定信號線之電位於參考電位的功能。
依據本發明之實施例，可提供包含光感測器之半導體裝置，該光感測器能依據寬廣範圍之光的強度來輸出電信號。也就是說，可準確地轉換光成為電信號，而不管其強度。因此，可提供包含光轉換器之半導體裝置，該光感測器能以低成本而對寬廣範圍之光的強度高解析度地且高可應用性地實現成像功能。
在下文中，將參照附圖來詳細敘述實施例。然而，因為下文所述之實施例可以以許多不同的模式來加以實施，所以熟習於本項技藝之該等人士將易於瞭解的是，模式和細節可予以多樣性地改變，而不會背離本發明的範疇。因此，本發明不應被解讀為受限於以下該等實施例之說明。在用以解說該等實施例的圖式中，相同的部件或具有相似功能的部件係藉由相同的參考符號所表示，且該部件之說明不予以重複。
(實施例1)
在此實施例中，將參照第1圖來敘述本發明實施例之半導體裝置的實例。
包含於該半導體裝置中之光感測器106的電路結構之實例係描繪於第1圖中。電性連接至光感測器106的預充電電路200之結構的實例亦被描繪。
光感測器106包含光二極體204，電晶體205，電晶體206，及電晶體207。
在光感測器106中，光二極體204的一電極係電性連接至光二極體重設信號線210，且光二極體204的另一電極係電性連接至電晶體207之源極及汲極的其中一者。電晶體205之源極及汲極的其中一者係電性連接至光感測器參考信號線213，且電晶體205之源極及汲極的另一者係電性連接至電晶體206之源極及汲極的其中一者。電晶體206之閘極係電性連接至閘極信號線211，且電晶體206之源極及汲極的另一者係電性連接至光感測器輸出信號線214。電晶體207之閘極係電性連接至閘極信號線209。電晶體207之源極及汲極的另一者係透過閘極信號線215而電性連接至電晶體205之閘極。
電晶體205具有背面閘極。該背面閘極係電性連接至背面閘極信號線218。藉由改變所施加至背面閘極信號線218的電位，可改變電晶體205之背面閘極的電位。藉由改變背面閘極的電位，可改變電晶體205的臨限電壓。電晶體205具有其中閘極，閘極絕緣層，包含通道形成區的半導體層，絕緣膜，及背面閘極係堆疊之結構。該絕緣膜作用成為背面閘極側之閘極絕緣層。閘極及背面閘極係定位使得通道形成區介於其間。背面閘極可使用與閘極相似之導電膜而形成。
閘極信號線209，光二極體重設信號線210，及閘極信號線211係電性連接至光感測器驅動器電路。光感測器驅動器電路具有執行下文所述之重設操作，累積操作，及讀取操作於所指明之列中所配置的光感測器106上之功能。
光感測器輸出信號線214，光感測器參考信號線213，及背面閘極信號線218係電性連接至光感測器讀取電路。光感測器讀取電路具有自所選擇之列中的光感測器106讀取輸出信號之功能。
注意的是，光感測器讀取電路可具有其中來自光感測器之類比信號的輸出係藉由OP放大器而提取至外部成為類比信號之結構；或其中該輸出係藉由A/D轉換器而轉換成為數位信號，且然後，被提取至外部之結構。
做為光二極體204，可使用PN二極體、PIN二極體、肖特基(Schottky)二極體、或雪崩二極體。在其中使用PN二極體或PIN二極體的情況中，可使用其中堆疊具有對應之導電型(p型導電性及n型導電性、或p型導電性、i型導電性、及n型導電性)的半導體。選擇性地，可使用其中將各具有導電型之半導體定位於共平面的表面上之結構。包含於光二極體204中之半導體可為非晶半導體、微晶半導體、多晶半導體、單晶半導體、或其類以物。該光二極體具有依據光之強度而產生電信號的功能。藉由光二極體所接收的光係由物體所反射的光或由物體所發射出的光。做為由物體所反射的光之光源，可使用包含於半導體裝置之中的照明裝置或外部光。
電晶體207具有控制光感測器上所執行之累積操作的功能。亦即，在導通狀態中之電晶體207具有轉移藉由光二極體204所產生的電信號至電晶體205之閘極的功能。因此，具有高的遷移率之電晶體係所欲地使用做為電晶體207。此外，在非導通狀態中之電晶體207具有保持電晶體205之閘極中所儲存的(所累積的)電荷之功能。因而，具有極低的截止電流之電晶體係所欲地使用做為電晶體207。
因此，做為電晶體207的通道形成區中所包含之半導體，所欲地，係使用具有極低的截止電流及相較地高的遷移率之氧化物半導體。當與使用矽或其類似物之電晶體相比較時，使用氧化物半導體之電晶體具有極低的截止電流之電性特徵。使用氧化物半導體之電晶體具有比使用非晶矽之電晶體更高遷移率的電性特徵。
電晶體205具有儲存(累積)電荷於閘極之中的功能。藉由轉換閘極中所儲存之電荷成為輸出信號且自光感測器輸出信號線214讀取該輸出信號，可讀取藉由光二極體204所產生的電信號成為輸出信號。電晶體205的閘極之中所儲存之電荷的讀取係執行複數次，且同時，電晶體205的背面閘極之電位係隨著所保持之電晶體205的閘極之中所儲存之電荷而改變。
因而，可提供能依據寬廣範圍之光的強度來輸出電信號的光感測器106。亦即，可準確地轉換光成為電信號，而不管其強度。
為了要高速地執行上述的讀取，具有高遷移率之電晶體係所欲地使用做為電晶體205。
電晶體206具有控制來自光感測器106的輸出信號之讀取的功能。具體而言，電晶體206具有轉移來自光感測器106之輸出信號至光感測器輸出信號線214的功能。為了要高速地執行輸出信號的轉移，亦即，為了要高速地執行來自光感測器106之輸出信號的讀取，所欲的是，使用具有高遷移率之電晶體做為電晶體206。
另一方面，在用於另一像素之讀取週期的期間，必須要防止不必要的電位被輸出至光感測器輸出信號線214。因此，所欲的是，使用具有低截止電流之電晶體做為電晶體205及電晶體206的其中一者或二者。
因而，在其中高速讀取係優先於該處的情況中，單晶半導體、多晶半導體、或其類似物係所欲地使用做為電晶體205及206之通道形成區中所包含的半導體。進一步地，使用其中可易於增進晶體度之材料(例如，矽)係所欲的。
此外，在優先防止不必要之電位被輸出的情況中，具有極低的截止電流及相較地高的遷移率之氧化物半導體係所欲地使用做為電晶體205及電晶體206的其中一者或二者之通道形成區中所包含的半導體。
如上述地，使用於電晶體205及電晶體206的半導體材料可根據用於光感測器106所需之特徵而加以選擇。
其次，將敘述預充電電路200。在第1圖中所描繪之預充電電路200係使用於每一行之像素。使用於每一行之該等像素的預充電電路200包含電晶體216及預充電信號線217。電晶體216之閘極係電性連接至預充電信號線217；電晶體216之源極及極極的其中一者係電性連接至供應預定電位的信號線；以及電晶體216之源極及汲極的另一者係電性連接至光感測器輸出信號線214。注意的是，OP放大器或A/D轉換器可連接至預充電電路200之隨後的級。
在預充電電路200中，於像素中之光感測器的操作之前，光感測器輸出信號線214之電位係設定於參考電位。例如，當施加高電位至預充電信號線217時，電晶體216會導通且光感測器輸出信號線214可被設定於參考電位(在此係高電位)。注意的是，提供儲存電容器於光感測器輸出信號線214，以致使光感測器輸出信號線214的電位安定化係有效的。注意的是，可將參考電位設定於低電位。
依據此實施例，可提供能對寬廣範圍之光的強度高解析度地且高應用性地實現成像功能之低成本的半導體裝置。
包含光感測器之該半導體裝置可使用於諸如掃描器或數位靜像相機的電子設備中。此外，包含光感測器之該半導體裝置可使用於具有觸控面板功能的顯示裝置中。
此實施例可與其他實施例的任一者及實例適當地結合而實施。
(實施例2)
在此實施例中，將參照第2圖及第3圖來敘述本發明實施例之半導體裝置的實例。其中該半導體裝置係顯示裝置的實例將予以敘述於此實施例之中。
顯示裝置之結構的實例係描繪於第2圖之中。顯示裝置100包含像素電路101，顯示元件控制電路102，以及光感測器電路103。像素電路101包含以矩陣而配置於列方向及行方向之中的複數個像素104。該等像素104各包含顯示元件105及光感測器106。光感測器106無需一定要設置於每一個像素104中，且可以每二或更多個像素地設置。例如，可使用其中一光感測器係每二個像素地設置之結構。選擇性地，可將光感測器設置於像素104的外部。
顯示元件控制電路102係控制顯示元件105的電路，且包含顯示元件驅動器電路107及顯示元件驅動器電路108，其中諸如視頻資料之信號係透過信號線(亦稱為視頻資料信號線或源極信號線)而自顯示元件驅動器電路107輸入至顯示元件105，以及信號係透過掃描線(亦稱為閘極信號線)而自顯示元件驅動器電路108輸入至顯示元件105。
光感測器控制電路103係控制光感測器106之電路，且包含光感測器讀取電路109於信號線側及光感測器驅動器電路110於掃描線側。
在第3圖中，係描繪像素104之電路結構的實例。電性連接至像素104之預充電電路200的結構之實例亦被描繪。該預充電電路200係包含於第2圖中所描繪的光感測器讀取電路109中。
像素104包含顯示元件105及光感測器106。顯示元件105包含電晶體201、儲存電容器202、及液晶元件203。
在顯示元件105中，電晶體201之閘極係電性連接至閘極信號線208、電晶體201之源極及汲極的其中一者係電性連接至視頻資料信號線212，以及電晶體201之源極及汲極的另一者係電性連接至儲存電容器202的一電極及液晶元件203的一電極。儲存電容器202的另一電極及液晶元件203的另一電極係電性連接至供應有預定電位之共同佈線。液晶元件203係包含一對電極及液晶層的元件，該液晶層係介於該對電極之間。
電晶體201具有控制電荷注入至或放出自液晶元件203及儲存電容器202的功能。例如，當施加高電位至閘極信號線208時，電晶體201導通，且視頻資料信號線212的電位係施加至液晶元件203及儲存電容器202。通過液晶元件203之光的對比(灰度)係由於對於液晶元件203之電壓施加而作成，藉以實現影像顯示。儲存電容器202具有維持所施加至液晶元件203之電壓的功能。包含液晶元件203之顯示裝置100可係透射式顯示裝置、反射式顯示裝置、或半透射式顯示裝置。
視頻資料信號線212係電性連接至第2圖中所描繪的顯示元件驅動器電路107。顯示元件驅動器電路107係透過視頻資料信號線212而供應信號至顯示元件105之電路。閘極信號線208係電性連接至第2圖中所描繪的顯示元件驅動器電路108。顯示元件驅動器電路108係透過閘極信號線208而供應信號至顯示元件105之電路。例如，顯示元件驅動器電路108具有供應信號而選擇包含於所指明之列中所配置的像素中之顯示元件的功能。顯示元件驅動器電路107具有供應信號而供應適當的電位至包含於所選擇之列中的像素中之顯示元件的功能。
做為包含於電晶體201之通道形成區中的半導體，可使用非晶半導體、微晶半導體、多晶半導體、氧化物半導體、單晶半導體、或其類似物。特別地，顯示品質可藉由使用氧化物半導體以獲得具有極低截止電流之電晶體，而予以增進。
雖然在此所敘述之顯示元件105包含液晶元件，但顯示元件105可包含諸如發光元件之另一元件。發光元件係其中透過電流或電壓來控制光亮度的元件，且其之特定實例係發光二極體及OLED(有機發光二極體)。
光感測器106包含光二極體204、電晶體205、電晶體206、及電晶體207。
在光感測器106中，光二極體204的一電極係電性連接至光二極體重設信號線210，且光二極體204的另一電極係電性連接至電晶體207之源極及汲極的其中一者。電晶體205之源極及汲極的其中一者係電性連接至光感測器參考信號線213，且電晶體205之源極及汲極的另一者係電性連接至電晶體206之源極及汲極的其中一者。電晶體206之閘極係電性連接至閘極信號線211，且電晶體206之源極及汲極的另一者係電性連接至光感測器輸出信號線214。電晶體207之閘極係電性連接至閘極信號線209。電晶體207之源極及汲極的另一者係透過閘極信號線215而電性連接至電晶體205之閘極。
電晶體205具有背面閘極。該背面閘極係電性連接至背面閘極信號線218。藉由改變所施加至背面閘極信號線218的電位，可改變電晶體205之背面閘極的電位。藉由改變背面閘極的電位，可改變電晶體205的臨限電壓。電晶體205具有其中閘極、閘極絕緣層，包含通道形成區的半導體層、絕緣膜、及背面閘極係堆疊之結構。該絕緣膜作用成為背面閘極側之閘極絕緣層。閘極及背面閘極係定位使得通道形成區介於其間。背面閘極可使用與閘極相似之導電膜而形成。
閘極信號線209，光二極體重設信號線210，及閘極信號線211係電性連接至第2圖中所描繪的光感測器驅動器電路110。該光感測器驅動器電路110具有執行下文所述之重設操作，累積操作，及讀取操作於包含在所指明之列中所配置的光感測器106上之功能。
光感測器輸出信號線214，光感測器參考信號線213，及背面閘極信號線218係電性連接至第2圖中所描繪之光感測器讀取電路109。該光感測器讀取電路109具有自包含於所選擇之列中的像素中之光感測器106讀取輸出信號的功能。
注意的是，光感測器讀取電路109可具有其中來自光感測器之類比信號的輸出係藉由OP放大器而提取至外部成為類比信號之結構；或其中該輸出係藉由A/D轉換器而轉換成為數位信號，且然後，被提取至外部之結構。
做為光二極體204，可使用PN二極體、PIN二極體、肖特基二極體、或雪崩二極體。在其中使用PN二極體或PIN二極體的情況中，可使用其中堆疊具有對應之導電型(p型導電性及n型導電性、或p型導電性、i型導電性、及n型導電性)的半導體。選擇性地，可使用其中將各具有導電型之半導體定位於共平面的表面上之結構。包含於光二極體204中之半導體可為非晶半導體、微晶半導體、多晶半導體、單晶半導體、或其類似物。該光二極體具有依據光之強度而產生電信號的功能。在顯示裝置100中，藉由光二極體所接收的光係由物體所反射的光或由物體所發射出的光。做為由物體所反射的光之光源，可使用包含於顯示裝置之中的照明裝置或外部光。在其中使用發光元件做為包含於顯示裝置中的顯示元件105之情況中，可使用來自該發光元件所發射出的光做為由物體所反射的光之光源。
電晶體207具有控制光感測器上所執行之累積操作的功能。亦即，在導通狀態中之電晶體207具有轉移藉由光二極體204所產生的電信號至電晶體205之閘極的功能。因此，具有高的遷移率之電晶體係所欲地使用做為電晶體207。此外，在非導通狀態中之電晶體207具有保持電晶體205之閘極中所儲存的(所累積的)電荷之功能。因而，具有極低的截止電流之電晶體係所欲地使用做為電晶體207。
因此，做為電晶體207的通道形成區中所包含之半導體，所欲地，係使用具有極低的截止電流及相較地高的遷移率之氧化物半導體。當與使用矽或其類似物之電晶體相比較時，使用氧化物半導體之電晶體具有極低的截止電流之電性特徵。使用氧化物半導體之電晶體具有比使用非晶矽之電晶體更高遷移率的電性特徵。
此外，如實施例1中所敘述地，使用於電晶體205及電晶體206的半導體材料可根據用於光感測器106所需之特徵而加以選擇。
其次，將敘述預充電電路200。在第3圖中所描繪之預充電電路200係使用於每一行之像素。使用於每一行之該等像素的預充電電路200包含電晶體216及預充電信號線217。電晶體216之閘極係電性連接至預充電信號線217；電晶體216之源極及汲極的其中一者係電性連接至供應預定電位的信號線；以及電晶體216之源極及汲極的另一者係電性連接至光感測器輸出信號線214。注意的是，OP放大器或A/D轉換器可連接至預充電電路200之隨後的級。
在預充電電路200中，於像素中之光感測器的操作之前，光感測器輸出信號線214之電位係設定於參考電位。例如，當施加高電位至預充電信號線217時，電晶體216會導通且光感測器輸出信號線214可被設定於參考電位(在此係高電位)。注意的是，提供儲存電容器於光感測器輸出信號信號線214，以致使光感測器輸出信號線214的電位安定化係有效的。注意的是，可將參考電位設定於低電位。
雖然包含光感測器之顯示裝置係說明於此實施例中，但此實施例可易於應用至並不具有顯示功能之包含光感測器的半導體裝置。也就是說，該半導體裝置可藉由自此實施例中之顯示裝置100去除用於顯示所必要的電路(特定地，顯示元件控制電路102和顯示元件105)而形成。做為包含光感測器之半導體裝置，可給定使用於諸如掃描器或數位靜像相機之電子設備中的成像裝置。
依據此實施例，可提供能對寬廣範圍之光的強度高解析度地且高應用性地實現成像功能之低成本的顯示裝置或低成本的半導體裝置。
此實施例可與其他實施例的任一者及實施適當地結合而實施。
(實施例3)
在此實施例中，將參照第4圖來敘述第1圖中所描繪之半導體裝置的操作實例，或第2圖及第3圖中所描繪之顯示裝置的操作實例。第4圖係有關第1圖或第2及3圖中所描繪之光感測器106上的讀取操作之時序圖的實例。
在第4圖中，信號301、信號302、信號303、信號304、信號305、信號306、及信號307分別對應於第1圖或第3圖中之光二極體重設信號線210、閘極信號線209、閘極信號線211、閘極信號線215、光感測器輸出信號線214、預充電信號線217、及背面閘極信號線218的電位。注意的是，光感測器參考信號線213係設定於低電位。
第4圖之時序圖包含執行重設操作之期間的重設週期，執行電荷累積操作之期間的累積週期，以及執行讀取操作之期間的讀取週期。自時間A至時間B之週期對應於重設週期。自時間B至時間C之週期對應於累積週期。自時間D至時間E之週期對應於第一讀取週期，以及自時間G至時間E之週期對應於第二讀取週期。
在下文中，高電位係表示為“H”，且低電位係表示為“L”。此外，在下文中係敘述其中當電晶體之閘極係以高電位(“H”)信號而供應時，電晶體會導通的實例。進一步地，在下文中，將透過電晶體205係其中臨限電壓會由於增加(減少)背面閘極的電位而減少(增加)之電晶體來作成說明。
在時間A，光二極體重設信號線210的電位(信號301)係設定於“H”，且閘極信號線209的電位(信號302)係設定於“H”(起動重設操作)；則，光二極體204及電晶體207會導通，且閘極信號線215的電位(信號304)變成“H”。因而，對應於高電位(“H”)的電荷被儲存於閘極信號線215之中。
當預充電信號線217的電位(信號306)係“H”時，則光感測器輸出信號線214的電位(信號305)被預充電至“H”。背面閘極信號線218的電位(信號307)係0伏，且此時之電晶體205的臨限電壓係大約0伏。
在時間B，光二極體重設信號線210的電位(信號301)係設定於“L”，且閘極信號線209的電位(信號302)係保持於“H”(完成重設操作且起動累積操作)；則，因為光二極體204的漏電流，閘極信號線215的電位(信號304)開始減少。當光係藉由光二極體204所接收時，漏電流(亦稱為光電流)會增加；因此，閘極信號線215的電位(信號304)係依據所接收之光(特定地，由物體所反射之光)的強度而改變。換言之，在閘極信號線215中的電荷數量係依據產生於光二極體204中之光電流而改變。因而，儲存於電晶體205之閘極中的電荷數量會改變，且在電晶體205之源極與汲極間的通道電阻亦會改變。當產生於此光二極體204中的光電流係視為電信號時，則意指的是，在閘極信號線215中的電荷數量係依據產生於此光二極體204中之電信號而改變。
在時間C，閘極信號線209的電位(信號302)係設定於“L”(完成累積操作)，電晶體207係藉以關閉且閘極信號線215的電位(信號304)變成恆定。也就是說，儲存(累積)於閘極信號線215中的電荷數量變成恆定，且儲存(累積)於電晶體205之閘極中的電荷數量亦變成恆定。該閘極信號線215的電位(電荷數量)係根據累積操作期間所產生於光二極體中之光電流的數量而決定。換言之，閘極信號線215的電位(電荷數量)係依據藉由光二極體所接收之光的強度而改變。
電晶體207係使用氧化物半導體層於其通道形成區中之具有極低截止電流的電晶體。因此，直至執行隨後的讀取操作為止，所儲存的電荷數量可保持恆定。如上述，電晶體207具有控制其中將電荷儲存(累積)於電晶體205的閘極中之累積操作的功能。
注意的是，閘極信號線215的電位(電荷數量)係由於在設定閘極信號線209的電位(信號302)於“L”時之閘極信號線209與閘極信號線215間的寄生電容而改變。當由於寄生電容之電位(電荷數量)中的改變量大時，無法準確地執行讀取。為了要使由於寄生電容之電位(電荷數量)中的改變量降低，減少電晶體207的閘極與源極間(或閘極與汲極間)之電容、增加電晶體205的閘極電容、提供閘極信號線215有儲存電容器、或其類似方法係有效的。注意的是，在第4圖中係施加該等方法，且因而，可忽視由於寄生電容之電位(電荷數量)中的改變。
電晶體205係根據閘極信號線215的電位(信號304)而導通或關閉。在其中藉由光二極體204所接收之光的強度係低的情況中，閘極信號線215的電位(信號304)自電位“H”之減少會變小。因此，電晶體205導通，且源極與汲極間的通道電阻會降低。對照地，在其中藉由光二極體204所接收之光的強度係高的情況中，閘極信號線215的電位(信號304)自電位“H”之減少會變大。因而，電晶體205會隨著源極與汲極間之增加的通道電阻而存在於截止狀態中或導通狀態中。在此，於累積操作後(在時間C)之閘極信號線215的電位(信號304)係假定為變成能保持電晶體205於導通狀態之中的值。
在時間D，閘極信號線211的電位(信號303)係設定於“H”(起動第一讀取操作)；然後，電晶體206導通且光感測器參考信號線213及光感測器輸出信號線214係透過電晶體205及電晶體206而導通。因為光感測器參考信號線213係設定於低電位，所以光感測器輸出信號線214的電位(信號305)會減低。注意的是，在時間D之前，預充電信號線217的電位(信號306)係設定於“L”，以致使光感測器輸出信號線214之預充電完成。在此，其中光感測器輸出信號線214的電位(信號305)減低之比例係根據電晶體205之源極與汲極間的通道電阻而定；亦即，該比例係根據累積操作之期間藉由光二極體204所接收之光的強度而改變。
在時間E，閘極信號線211的電位(信號303)係設定於“L”(完成第一讀取操作)；然後，電晶體206會關閉且光感測器輸出信號線214的電位(信號305)變成恆定。在此，光感測器輸出信號線214的電位係根據藉由光二極體204所接收之光的強度而定。因而，在累積操作期間藉由光二極體204所接收之光的強度可藉由偵測光感測器輸出信號線214的電位而予以決定。
在此，於其中藉由光二極體204所接收之光的強度係低的情況中，電晶體205導通，且源極與汲極間的通道電阻會降低。因此，光感測器輸出信號線214的電位(信號305)自電位“H”之減少會變大，且其電位變成接近光感測器參考信號線213的電位。在此情況中，無法辨別來自較弱的光之光。因此，為了要辨別來自較弱的光之光，可在預充電時擴大感測器參考信號線213的電位與光感測器輸出信號線214的參考電位間之電壓範圍；然而，藉由此方法，需要可操作於寬廣電壓範圍中的A/D轉換器電路，且會增加半導體裝置或顯示裝置的製造成本。鑑於上述，可使用下文所述的驅動方法。
背面閘極信號線218的電位(信號307)係在時間F之前設定於負電位。此時，電晶體205的臨限電壓係高於0伏。在時間F時，預充電信號線217的電位(信號306)係“H”，且光感測器輸出信號線214的電位(信號305)係預充電至“H”。
在時間G，閘極信號線211的電位(信號303)係設定於“H”(起動第二讀取操作)；然後，電晶體206導通且光感測器參考信號線213及光感測器輸出信號線214係透過電晶體205及電晶體206而導通。然後，光感測器輸出信號線214的電位(信號305)會減低。注意的是，在時間G之前，預充電信號線217的電位(信號306)係設定於“L”，以致使光感測器輸出信號線214之預充電完成。在此，其中光感測器輸出信號線214的電位(信號305)減低之比例係根據電晶體205之源極與汲極間的通道電阻而定；亦即，該比例係根據累積操作之期間藉由光二極體204所接收之光的強度而定。然而，因為電晶體205的臨限電壓係比第一讀取操作時的臨限電壓更高，所以其中光感測器輸出信號線214的電位(信號305)減低的比例會降低。
在時間H，閘極信號線211的電位(信號303)係設定於“L”(完成第二讀取操作)；然後，電晶體206會關閉且光感測器輸出信號線214的電位(信號305)變成恆定。在此，光感測器輸出信號線214的電位係根據藉由光二極體204所接收之光的強度而定。因而，在累積操作期間藉由光二極體204所接收之光的強度可藉由偵測光感測器輸出信號線214的電位而予以決定。在此方式中，即使在其中光之強度係低的情況中，藉由光二極體204所接收之光的強度亦可使用低成本的A/D轉換器電路而予以偵測出。
其中藉由光二極體所接收之光的強度係低(亦即，光係微弱)的情況係敘述於上文；同樣地，可將該驅動方法施加至其中藉由光二極體所接收之光的強度係高(亦即，光係強烈)的情況。在其中光係強烈的情況中，光感測器輸出信號線214的電位係與預充電時之參考電位幾乎相同，且難以偵測出。因此，做為第三讀取操作，背面閘極信號線218的電位係設定於低電位，以致使電晶體205的臨限電壓低於0伏。從而，其中光感測器輸出信號線214的電位(信號305)減低之比例會增加，且光感測器輸出信號線214的電位可更容易被偵測出。
進一步地，為了要使其中藉由光二極體所接收之光係強烈的情況以及其中光係微弱的情況二者均被偵測出，重複地執行上述之第一至第三讀取操作係有效的。亦即，將第一電晶體之背面閘極的電位設定於第一電位(在此，0伏)，且將第一電晶體之閘極中所儲存的電荷轉換成為第一輸出信號，並讀取第一輸出信號。然後，將第一電晶體之背面閘極的電位設定於第二電位(在此，負電壓)，且將第一電晶體之閘極中所儲存的電荷轉換成為第二輸出信號，並讀取第二輸出信號。之後，將第一電晶體之背面閘極的電位設定於第三電位(在此，正電位)，且將第一電晶體之閘極所儲存的電荷轉換成為第三輸出信號，並讀取第三輸出信號。此外，藉由以較窄的電壓寬度來改變第二及第三讀取操作時之背面閘極信號線218的電位，且順序地執行讀取，則可執行具有高解析度之偵測於寬廣範圍之強度中的光之上。換言之，藉由使用上述之結構，可提供能準確地轉換光成為電信號，而不管其強度，且能依據寬廣範圍之光的強度來輸出電信號之光感測器。
為了要實現上述的驅動方法，在每一光感測器中之閘極信號線215的電位需保持恆定，即使在完成累積操作之後亦然。因此，如參照第1圖或第3圖所敘述地，其中電晶體207係使用氧化物半導體層而形成以便具有極低的截止電流之結構係有效的。
在上述方式中，個別之光感測器的操作係藉由重複重設操作、累積操作、及讀取操作而實現。藉由使用此驅動方法於所有像素之中，可執行成像。更具體而言，成像可藉由重複每一列的重設操作、累積操作、及讀取操作而執行。
依據此實施例，可提供能處理寬廣範圍之光的強度而實現具有高解析度之成像功能的低成本半導體裝置或低成本顯示裝置。
此實施例可與其他實施例及實例之任一者適當結合而實施。
(實施例4)
在此實施例中，將敘述包含複數個光感測器之半導體裝置的驅動方法之實例。
首先，將敘述描繪於第5圖之時序圖中的驅動方法。在第5圖中，信號801、信號802、及信號803分別對應於第一列、第二列、及第三列中之光感測器中的光二極體重設信號線210。信號804、信號805、及信號806分別對應於第一列、第二列、及第三列中之光感測器中的閘極信號線209。信號807、信號808、及信號809分別對應於第一列、第二列、及第三列中之光感測器中的閘極信號線211。週期810係其中執行成像一次之期間的週期。週期811係其中第二列中之光感測器執行重設操作之期間的週期；週期812係其中第二列中之光感測器執行累積操作之期間的週期；以及週期813係其中第二列中之光感測器執行讀取操作之期間的週期。因而，藉由順序驅動不同列中之光感測器，可取得影像。
在此，不同列的光感測器中之累積操作的彼此之間具有時間滯後。也就是說，在所有列中之該等光感測器中的成像並非同時地執行，而導致所取得之影像的模糊。尤其，將被偵測之快速移動的物體可能會被取得成為具有失真的形狀：若將被偵測的物體係以自第一列至第三列之方向移動時，則會取得像是留下拖影於其後面似的放大影像；且若將被偵測的物體係以相反之方向移動時，則取得縮小的影像。
為了要防止不同列中的光感測器中之累積操作的時間滯後，降低不同列中的光感測器之操作間的間距係有效的。然而，在該情況中，來自光感測器的輸出信號需透過OP放大器或AD轉換器電路，而以很高的速度來取得，此將造成功率消耗的增加。尤其，當獲得具有高解析度之影像時，要以OP放大器或AD轉換器電路而自光感測器很高速度地獲得輸出信號將係困難的。
鑑於上述，第6圖之時序圖中所描繪的驅動方法被提出。在第6圖中，信號501、信號502、及信號503分別對應於第一列、第二列、及第三列中之光感測器中的光二極體重設信號210。信號504、信號505、及信號506分別對應於第一列、第二列、及第三列中之光感測器中的閘極信號線209。信號507、信號508、及信號509分別對應於第一列、第二列、及第三列中之光感測器中的閘極信號線211。週期510係其中執行成像一次之期間的週期。週期511係其中重設操作係執行於第二列中的光感測器中之期間的週期(與其他列中同時地)，週期512係其中累積操作係執行於第二列中的光感測器中之期間的週期(與其他列中同時地)，以及週期513係其中讀取操作係執行於第二列中的光感測器之中。
第6圖係與第5圖不同，其中重設操作及累積操作係同時地各自執行於所有列中的光感測器之中，且在累積操作之後，讀取操作係一列一列地順序執行而無需與累積操作同步。當同時執行累積操作時，係同時執行所有列之光感測器中的成像，且即使當將被偵測之物體快速移動時，亦可易於以可忽略的模糊而取得將被偵測之物體的影像。因為累積操作係執行於相同的時間，所以可將驅動器電路共用地提供用於複數個光感測器的光二極體重設信號線210。驅動器電路亦可被共用地提供用於複數個光感測器的閘極信號線209。所共同提供的該等驅動器電路在降低週邊電路之數目或降低功率消耗上係有效的。此外，一列一列所順序執行的讀取操作可在當從光感測器獲得信號時，減低OP放大器或A/D轉換器電路的操作速率，較佳地，用於讀取操作的總時間應比用於累積操作的時間更長，此在獲得具有高解析度之影像的情況中特別地有效。
在第5圖及第6圖的時序圖中，其中執行成像一次之期間的週期810及510包含複數個其中執行讀取操作之期間的週期813及513。雖然在第5圖及第6圖中係包含二週期813及513，但較佳地，在週期810及510中包含三或更多個其中執行讀取操作之期間的週期813及513，以致使其中光係強烈的情況以及其中光係微弱的情況二者均被處理。複數個讀取操作係如第5圖及第6圖之時序圖中所描繪地以此方式而執行，亦即，首先，一列一列地執行第一讀取操作於所有列之中，然後，一列一列地執行第二讀取操作於所有列之中，且重複此方式中之操作，直至執行第n讀取操作(n係大於或等於3之整數)為止。選擇性地，首先，執行第一至第n讀取操作於第一列之中，然後，執行第一至第n讀取操作於第二列之中，且重複此方式中之操作，直至執行第一至第n讀取操作於第m列之中(m係大於或等於3之整數)為止。
注意的是，第5圖及第6圖描繪用以一列一列地順序驅動光感測器之方法的時序圖；其亦有效於僅在所指明的列中順序驅動光感測器，以便獲得所指明的區域中之影像。因而，所欲的影像可在當減低OP放大器或A/D轉換器之操作及功率消耗時的同時獲得。
為了要實現上述的驅動方法，在每一光感測器中之閘極信號線的電位需保持恆定，即使在完成累積操作之後亦然。因而，較佳地，電晶體207係使用氧化物半導體而形成，以便具有極低的截止電流，如參照第1圖或第3圖所敘述地。
在上述方式中，可提供低功率消耗的顯示裝置或低功率消耗的半導體裝置，而允許即使在當將被偵測的物體快速移動時，亦可以以極小的模糊來取得將被偵測的物體之高解析影像。
此實施例可與其他實施例及實例的任一者適當地結合而實施。
(實施例5)
在此實施例中，將敘述第1圖或第3圖中之光感測器106的電路結構之修正實例。
第7A圖描繪其中第1圖或第3圖中之電晶體205的閘極係連接至用以控制光感測器之重設操作的電晶體601之結構。具體而言，電晶體601之源極及汲極的其中一者係電性連接至光感測器參考信號線213，且其中另一者係電性連接至電晶體205之閘極。光二極體204的一電極係電性連接至施加預定電位(例如，接地電位)之佈線。
電晶體601可使用非晶半導體、微晶半導體、多晶半導體、氧化物半導體、單晶半導體、或其類似物而形成。尤其，較佳地，使用氧化物半導體於電晶體601，以致使電晶體601的截止電流變低，且使電晶體205之閘極的電荷免於在重設操作之後透過電晶體601而釋放。
第7B圖描繪其中電晶體205及電晶體206係與第7A圖中之該等電晶體相反而連接的結構。具體而言，電晶體205之源極及汲極的其中一者係電性連接至光感測器輸出信號線214，且電晶體206之源極及汲極的其中一者係電性連接至光感測器參考信號線213。
第7C圖描繪其中電晶體206係自第7A圖中之結構省略的結構。具體而言，電晶體205之源極及汲極的其中一者係電性連接至光感測器參考信號線213，且其中另一者係電性連接至光感測器輸出信號線214。
注意的是，在第7A至7C圖中，電晶體601之源極及汲極的其中一者可電性連接至除了光感測器參考信號線213之外的佈線。
在第7D圖中，於第7C圖中的電晶體601之源極及汲極的其中一者係電性連接至光感測器輸出信號線214，且其中另一者係電性連接至電晶體205之閘極。
在第7A至7D圖中，當電晶體207係使用氧化物半導體而形成以降低截止電流時，儲存於電晶體205之閘極中的電荷可保持恆定。
在第7A至7D圖中，藉由設置電晶體205之背面閘極，可提供能以高解析度及高可應用性而對寬廣範圍之光的強度實現成像功能之半導體裝置。
在第7A至7D圖中，光二極體204之二電極的連接可根據光感測器的電路結構而反向改變。
此實施例可與其他實施例及實例的任一者適當地結合而實施。
(實施例6)
在此實施例中，將敘述本發明實施例的半導體裝置中所包含之電晶體的實例。特定地，將敘述其中通道形成區係與第1或3圖中所描繪的電晶體207或與第3圖中所描繪的電晶體201相似地使用氧化物半導體層而形成之電晶體的實例。
<電晶體>
電晶體(例如，第1圖或第3圖中所描繪的電晶體207)係其中使用氧化物半導體層而形成通道形成區之電晶體。氧化物半導體層係藉由以下方式而高度純化，以變成電性i型(本徵的)或實質i型(本徵的)：盡可能地完全去除可為施體且會導致電晶體的電性特徵改變之諸如氫、水分、氫氧基、及氫化物的雜質，以減低其濃度；以及供應氧化物半導體之主要成分且由於去除雜質之步驟而濃度減低的氧。注意的是，包含於該氧化物半導體層之中的氧化物半導體具有3.0eV或更大的能隙。
進一步地，高度純化的氧化物半導體具有很少的載子(接近零)，且載子密度係極低(例如，低於1×1012/cm3，較佳地，低於1×1011/cm3)。因而，電晶體的截止電流極低。因此，在上述之電晶體中，於室溫時之每一微米通道寬度(w)的截止電流可為1aA/μm(1×10-18A/μm)或更低，且進一步地，可小於100zA/μm(1×10-19A/μm)。通常，在使用非晶矽的電晶體中，在室溫時之截止電流係1×1013A/μm或更大。此外，可認為的是，熱載子劣化並不會發生於上述之使用高度純化之氧化物半導體層的電晶體中。因而，電晶體的電性特徵並不受熱載子劣化所影響。
藉由如上述地完全去除包含於氧化物半導體層中的氫而高度純化之氧化物半導體層係使用於電晶體的通道形成區之中，具有極低之截止電流的電晶體可藉以獲得。也就是說，在電路設計中，當電晶體係在截止狀態(亦稱為非導通狀態)之中時，可將氧化物半導體層視為絕緣體。另一方面，當其中使用氧化物半導體於通道形成區中的電晶體係在開啟狀態(導通狀態)之中時，可預期該電晶體會顯現比使用非晶矽之電晶體更高的電流供應能力。
假定在室溫時之使用低溫多晶矽的電晶體之截止電流係大於使用氧化物半導體的電晶體之截止電流約10000倍的前提之下，電荷保持週期可透過使用氧化物半導體的電晶體而延長大約10000倍，只要該電晶體的氧化物半導體使用低溫多晶矽即可。
如上述，使用高度純化之氧化物半導體層於通道形成區中的電晶體能長時間保持電晶體之源極或汲極中所儲存的電荷。
因此，藉由使用氧化物半導體層於第1圖或第3圖中所描繪之電晶體207的通道形成區之中，可長時間保持第1圖或第3圖中所描繪之電晶體205的閘極中所儲存之電荷。因而，儲存於電晶體205之閘極中的電荷可幾乎保持恆定於其中執行電晶體205之閘極中所儲存之電荷的讀取複數次之期間的週期中。因此，藉由使用氧化物半導體層於電晶體207的通道形成區之中，可提供包含具有新穎電路結構之光感測器的半導體裝置。
進一步地，藉由使用氧化物半導體層於第3圖中所描繪之電晶體201的通道形成區之中，可延長像素的影像信號保持週期。因此，可降低設置於像素中之電容器的尺寸。因而，例如，可使像素的孔徑比變高，且可將影像信號高速地輸入至像素。此外，在靜止影像顯示中之影像信號的重寫入間隔可更久。例如，影像信號的寫入間隔可為10秒或更久、30秒或更久，或1分鐘或更久且短於10分鐘。寫入間隔愈久，則可降低愈多的功率消耗。
注意的是，在此說明書中，具有低於1×1011/cm3之載子濃度的半導體係稱為“本徵”(“i型”)半導體，以及具有1×1011/cm3或更高且低於1×1012/cm3之載子濃度的半導體係稱為“實質本徵”(“實質i型”)半導體。
<電晶體的製造方法>
將參照第8A至8D圖來敘述其中通道形成區係使用氧化物半導體層而形成之電晶體的製造方法之實例。
第8A至8D圖係橫剖面視圖，描繪其中通道形成區係使用氧化物半導體層而形成之電晶體的結構及製造方法之實例。第8D圖中所描繪之電晶體410具有反轉交錯型結構，其係底部閘極結構的其中一者。電晶體410亦係具有單一閘極結構之通道蝕刻型電晶體。
然而，電晶體的結構並未受限於上述說明，且可具有頂部閘極結構。選擇性地，該電晶體可為通道阻斷型電晶體，且該電晶體可具有多重閘極結構。
將參照第8A至8D圖來敘述用以製造電晶體410於基板400上之方法於下文。
首先，形成閘極電極層411於具有絕緣表面的基板400上(請參閱第8A圖)。
雖然在可使用為具有絕緣表面的基板400之基板上並無特殊的限制，但基板具有對稍後將被執行的熱處理之足夠的熱阻係必要的。例如，可使用玻璃基板做為具有絕緣表面的基板400。進一步地，可使用其中元件係形成於玻璃基板或單晶基板上之元件基板做為具有絕緣表面的基板400。在其中使用元件基板的情況中，該基板可具有絕緣層於表面上。
用作基底膜之絕緣膜可設置於基板400與閘極電極層411之間。該基底膜具有防止來自基板400之雜質元素擴散的功能，且可使用氮化矽膜、氧化矽膜、氧化氮化矽膜、及氮氧化矽膜的其中一者或更多者而形成為具有單層結構或堆疊結構。在此實施例中，氮化矽膜係藉由電漿CVD法而形成為100奈米(nm)的厚度，且氮氧化矽膜(SiOH膜)係藉由電漿CVD法而形成150奈米之厚度於氮化矽膜上。
注意的是，較佳地，基底膜係形成以便盡可能少地包含諸如氫和水之雜質。
閘極閘極層411可以以此方式而形成，亦即，導電層係形成於基板400上，且藉由第一光微影術步驟而予以選擇性地蝕刻。
閘極電極層411可使用諸如鉬、鈦、鉻、鉭、鎢、鋁、銅、釹、或鈧之金屬；包含該等金屬之任一者做為主要成分的合金；或包含該等金屬元素之任一者做為主要成分的氮化物，而形成為具有單層結構或堆疊結構。在此實施例中，鎢膜係藉由濺鍍法而形成為100奈米之厚度，且被蝕刻以便形成閘極電極層411。
然後，形成閘極絕緣層402於閘極電極層411之上(請參閱第8A圖)。
閘極絕緣層402可藉由電漿CVD法、濺鍍法、或其類似方法，使用氧化矽層、氮化矽層、氮氧化矽層、氧化氮化矽層、及氧化鋁層的其中一者或更多者，而以單層結構或堆疊結構來予以形成。例如，氮氧化矽層可藉由電漿CVD法而使用包含甲矽烷(SiH4)、氧、及氮之沈積氣體來加以形成。再者，可使用諸如氧化鉿(HfOx)或氧化鉭(TaOx)之高k材料於閘極絕緣層。例如，閘極絕緣層402的厚度可大於或等於10奈米且小於或等於500奈米。
在此，做為閘極絕緣層，氮氧化矽膜係藉由使用微波(例如，透過2.45GHz之頻率)之高密度電漿CVD法，而形成100奈米之厚度於閘極電極層411上。較佳的是，使用利用微波之高密度電漿CVD法，因為閘極絕緣層402可為密質的，且可具有高的耐壓和高的品質。當氧化物半導體層與高品質之閘極絕緣層402彼此互相接觸時，可降低介面狀態密度，且可使介面性質適當。
注意的是，閘極絕緣層402係較佳地形成，以便盡可能少地包含諸如氫和水之雜質。也就是說，該閘極絕緣層402係較佳地以此方式而形成，亦即，所包含之諸如氫和水的雜質之濃度應盡可能多地減少。
接著，形成氧化物半導體膜430於閘極絕緣層402之上(請參閱第8A圖)。氧化物半導體膜430可藉由濺鍍法而形成。該氧化物半導體膜430的厚度可設定大於或等於2奈米且小於或等於200奈米。
注意的是，在藉由濺鍍法而形成氧化物半導體膜430之前，較佳地執行其中引入氬氣且產生電漿之逆濺鍍法。藉由逆濺鍍法，可去除閘極絕緣層402的表面上所附著之粉末狀物質(亦稱為粒子或灰塵)。該逆濺鍍法意指其中無需施加電壓至靶極側，而係使用RF電源以供施加電壓至基板側之用，以致使電漿產生而修正基板的表示。注意的是，可使用氮氛圍、氦氛圍、氧氛圍、或其類似氛圍，以取代氬氛圍。
做為氧化物半導體膜430，可使用In-Ga-Zn-O基材料、In-Sn-O基材料、In-Sn-Zn-O基材料、In-Al-Zn-O基材料、Sn-Ga-Zn-O基材料、Al-Ga-Zn-O基材料、Sn-Al-Zn-O基材料、In-Zn-O基材料、Sn-Zn-O基材料、Al-Zn-O基材料、In-O基材料、Sn-O基材料、或Zn-O基材料。此外，上述材料可包含SiO2。
氧化物半導體膜430可藉由濺鍍法而形成於稀有氣體(典型地，氬)氛圍、氧氛圍，或包含稀有氣體(典型地，氬)和氧的混合氛圍中。
在此，氧化物半導體層係藉由使用包含In、Ga、及Zn之In-Ga-Zn-O基金屬氧化物靶極的濺鍍法，而形成為30奈米之厚度。注意的是，所使用的濺鍍氣體包含Ar及O2，且基板溫度係設定為200℃。
注意的是，氧化物半導體膜430係較佳地形成，以便盡可能少地包含諸如氫和水之雜質。也就是說，該氧化物半導體膜430係較佳地以此方式而形成，亦即，所包含之諸如氫和水的雜質之濃度應盡可能多地減少。
接著，氧化物半導體膜430係藉由第二光微影術步驟而選擇性地蝕刻，以致使島狀氧化物半導體層431形成(請參閱第8B圖)。用以蝕刻氧化物半導體膜430，可使用濕蝕刻。注意的是，亦可使用乾蝕刻，而無需受限於濕蝕刻。
接著，執行第一熱處理於氧化物半導體層431之上。包含於氧化物半導體層431中之過量的水、氫、及其類似物可藉由第一熱處理而予以去除。第一熱處理的溫度可高於或等於350℃或更高，且低於基板的應變點，較佳地，400℃或更高且低於基板的應變點。
在350℃或更高之溫度的第一熱處理允許氧化物半導體層的脫水或脫氫，而產生該層之中的氫濃度之降低。在450℃或更高之溫度的第一熱處理允許該層之中的氫濃度之進一步的降低。在550℃或更高之溫度的第一熱處理允許該層之中的氫濃度之再進一步的降低。
做為其中執行第一熱處理之氛圍，較佳的是，使用包含氮或稀有氣體(例如，氦、氖、或氬)做為其主要成分且不含水、氫、或其類似物之惰性氣體。例如，所引入至熱處理設備之氣體的純度可為6N(99.9999%)或更大，較佳地，7N(99.99999%)或更大。以此方式，在第一熱處理之期間，氧化物半導體層431並不會暴露至空氣，以致可防止水或氫的進入。
注意的是，熱處理設備並未受限於電爐，且可包含用以藉由來自諸如電阻加熱元件之加熱元件的熱傳導或熱輻射而加熱將被處理之物體的裝置。例如，可使用諸如GRTA(氣體快速熱退火)設備或LRTA(燈快速熱退火)設備之RTA(快速熱退火)設備。LRTA設備係用以藉由來自諸如鹵素燈、金屬鹵化物燈、氙弧燈、碳弧燈、高壓鈉燈、或高壓水銀燈之燈所發射出的光(電磁波)，而加熱將被處理之物體的設備。GRTA設備係使用高溫氣體之用於熱處理的設備。做為該氣體，係使用諸如氮或稀有氣體之並不會由於熱處理而與將被處理之物體反應的惰性氣體。
在此實施例中，熱處理係使用GRTA設備而在氮氛圍中執行於650℃，6分鐘，做為第一熱處理。
執行於氧化物半導體層之上的第一熱處理可執行於尚未被處理成為島狀氧化物半導體層的氧化物半導體膜430之上。在該情況中，第二光微影術步驟係執行於第一熱處理之後。
之後，導電層係形成以便覆蓋閘極絕緣層402及氧化物半導體層431，且藉由第三光微影術步驟而予以蝕刻，以致使源極/汲極電極層415a及415b形成(請參閱第8C圖)。
做為用於導電層之材料，可使用選擇自鋁、鉻、銅、鉭、鈦、鉬、及鎢的金屬；包含該等金屬元素之任一者做為成分的氮化物；包含該等金屬之任一者做為成分的合金；或其類似物。而且，可使用選擇自錳、鎂、鋯、鈹、及釔之材料。可使用包含選擇自鈦、鉭、鎢、鉬、鉻、釹、及鈧之金屬的其中一者或更多者之鋁。
導電層可用氧化物導電膜而形成。做為氧化物導電膜，可使用氧化銦(In2O3)、氧化錫(SnO2)、氧化鋅(ZnO)、氧化銦和氧化錫之混合氧化物(In2O3-SnO2，在某些情況中，其係縮寫為ITO)、氧化銦和氧化鋅之混合氧化物(In2O3-ZnO)、或包含矽或氧化矽之該等氧化物導電材料的任一者。
在該情況中，做為氧化物導電膜之材料。較佳地使用當與使用於氧化半導體層431之材料相較時，其中導電率高或其中電阻率低的材料。氧化物導電膜的導電率可藉由增加載子濃度而增加。在氧化物導電膜之中的載子濃度可藉由增加氫濃度或氧缺乏而增加。
源極/汲極電極層415a及415b可具有單層結構或包含二或更多層的堆疊結構。
在此實施例中，具有100奈米之厚度的第一鈦層、具有400奈米之厚度的鋁層、及具有100奈米之厚度的第二鈦層係以此順序而形成於氧化物半導體層431之上。然後，將包含第一鈦層、鋁層、及第二鈦層之堆疊層的膜蝕刻，以致使源極/汲極電極層415a及415b形成(請參閱第8C圖)。
執行於氧化物半導體層之上的第一熱處理可在形成源極/汲極電極層之後執行。在其中第一熱處理係在形成源極/汲極電極層之後才執行的情況中，係使用具有熱阻的導電層於此第一熱處理。
注意的是，材料及蝕刻情形應予以適當地調整，使得氧化物半導體層431不會由於導電層之蝕刻而被去除。
注意的是，在第三光微影術步驟中，部分之氧化物半導體層431會被蝕刻，因而在某些情況中，將形成具有刻槽(凹陷部分)之氧化物半導體層。
其次，執行使用諸如氧化亞氮(N2O)、氮(N2)、或氬(Ar)之氣體的電漿處理。藉由此電漿處理，可去除附著至氧化物半導體層的暴露表面之所吸收的水及其類似物。電漿處理可使用氧及氬的混合氣體。
在該電漿處理之後，用作保護絕緣膜且與氧化物半導體層之一部分接觸的氧化物絕緣膜416係無需該氧化物半導體層暴露至空氣而形成(請參閱第8D圖)。
氧化物絕緣層416可由諸如濺鍍法之方法所形成，藉以防止諸如氫和水之雜質進入氧化物絕緣層416之內。該氧化物絕緣層416的厚度可為至少1奈米或更大。當氫包含於氧化物絕緣層416之中時，可能會導致氫進入至氧化物半導體層431之內，使氧化物半導體層431的背面通道具有更低的電阻(具有n型導電性)，且形成寄生通道。因此，重要的是，利用其中不使用氫的形成方法，以便形成包含盡可能少之氫的氧化物絕緣層416。
在氧化物絕緣層416之沈積時的基板溫度可高於或等於室溫，且低於或等於300℃。其中形成氧化物絕緣層416的氛圍可為稀有氣體(典型地，氬)氛圍、氧氛圍、或稀有氣體(典型地，氬)和氧的混合氛圍。
在此實施例中，基板係在形成氧化物絕緣層416之前被加熱於200℃，且做為氧化物絕緣層416的氧化矽膜係形成為300奈米之厚度，以使覆蓋源極/汲極電極層415a及415b。該氧化矽膜係由使用矽靶極及使用氧做為濺鍍氣體的濺鍍法所形成。
接著，執行第二熱處理於惰性氣體氛圍或氧氛圍中(較佳地，在高於或等於200℃且低於或等於400℃之溫度，例如，在高於或等於250℃且低於或等於350℃之溫度)。例如，第二熱處理係在氮氛圍中執行於250℃，1小時。透過第二熱處理，氧化物半導體層的一部分(通道形成區)係在當與氧化物絕緣層416接觸時的同時被加熱。藉由第二熱處理，可將氧供應至氧化物半導體層的一部分(通道形成區)。因此，可使其中與閘極電極層411重疊之通道形成區413的導電型接近於i型。透過上述步驟，可形成電晶體410。
保護絕緣層403可形成於氧化物絕緣層416之上(請參閱第8D圖)。例如，氮化矽膜可藉由RF濺鍍法而形成。因為RF濺鍍法具有高生產率，所以較佳地，將其使用做為保護絕緣層的膜形成方法。較佳的是，保護絕緣層不包含諸如水分、氫離子、及OH-之雜質，且係使用可防止該等物種自外面進入的無機絕緣膜而形成。
進一步地，熱處理可在空氣中執行於高於或等於100℃且低於或等於200℃的溫度處，1小時或比1小時更長且比30小時更短或等於30小時。此熱處理可執行於固定的加熱溫度。選擇性地，可重複以下之加熱溫度的改變複數次：加熱溫度係自室溫增加至高於或等於100℃且低於或等於200℃之預定溫度；然後，減低至室溫。此熱處理可在降低之壓力下執行於氧化物絕緣膜的形成之前。當在降低之壓力下執行熱處理時，可縮短熱處理時間。藉由該熱處理，可自氧化物半導體層431取得氫於氧化物絕緣層416中。換言之，可自氧化物半導體層去除更多的氫。
在諸如85℃、2×106V/cm、及12小時之情形下的閘極偏壓-溫度應力測試(BT測試)並未顯示電性特徵之任何改變，而意指可獲得穩定的電性特徵。
當與使用矽或其類似物之電晶體相較時，在此實施例中所敘述之使用氧化物半導體的電晶體具有極低截止電流的電性特徵。
因此，藉由使用此實施例中所敘述之電晶體做為第1圖或第3圖中所描繪的電晶體207，可長時間保持第1圖或第3圖中所描繪的電晶體205之閘極中所儲存的電荷。從而，在其中執行電晶體205之閘極中所儲存的電荷之讀取複數次的期間之週期期間，幾乎可恆定地保持電晶體205之閘極中所儲存的電荷。因此，藉由使用氧化物半導體層於電晶體207的通道形成區中，可提供包含具有新穎電路結構之光感測器的半導體裝置。
進一步地，藉由使用此實施例中所敘述之電晶體做為第3圖中所描繪的電晶體201，可延長像素之影像信號保持週期。因此，可降低像素中所設置之電容器的尺寸。因而，例如，像素的孔徑比可變高，且影像信號可高速地輸入至像素。此外，可使靜止影像顯示中之影像信號的重寫入間隔更久。例如，影像信號的寫入間隔可為10秒或更久、30秒或更久，或1分鐘或更久且短於10分鐘。該寫入間隔愈久，則可降低愈多的功率消耗。
此外，藉由使用此實施例中所敘述之電晶體做為第1圖或第3圖中所描繪的電晶體206，可防止不必要的電位在另一像素之讀取週期的期間被輸出至第3圖中所描繪之光感測器輸出信號線214。
進一步地，可使用此實施例中所敘述之添加背面閘極的電晶體做為第1圖或第3圖中所描繪的電晶體205。因而，可防止不必要的電位在另一像素之讀取週期的期間被輸出至光感測器輸出信號線。
設置有背面閘極之電晶體的橫剖面視圖之實例係描繪於第9圖中。第9圖中所描繪的電晶體420具有第8D圖中所描繪之電晶體410的結構，而背面閘極441被添加。也就是說，第9圖中所描繪的電晶體420包含閘極電極層411、閘極絕緣層402、具有通道形成區413之氧化物半導體層431、源極/汲極電極層415a及415b、氧化物絕緣層416、背面閘極441、及保護絕緣層403於具有絕緣表面的基板400上。
背面閘極441可使用與其中可使用於閘極電極層411之材料相似的材料而形成。設置於背面閘極441與通道形成區之間的氧化物絕緣層416可作用成為背面閘極441側的閘極絕緣層。因此，氧化物絕緣層416的厚度可與閘極絕緣層402的厚度約略相同。結構的其他部分可與第8D圖中所描繪之電晶體410的該等者相似。
此實施例可與其他實施例及實例的任一者適當地結合而實施。
(實例1)
在此實例中，將參照第10圖來敘述包含於本發明實施例的半導體裝置中之使用氧化物半導體之電晶體的評估。在此實例中，將敘述使用測試元件組群(亦稱為TEG)之截止電流的測量值於下文。
該測試元件組群係藉由並聯連接各自具有L/W=3μm/50μm之通道形成區的長度與寬度間之關係的200個電晶體而製造。此測試元件組群對應於具有L/W=3μm/10000μm的電晶體。製造成為測試元件組群之電晶體的最初特徵係顯示於第10圖中。在該電晶體中，係使用高度純化的氧化物半導體層通道形成區之中。注意的是，其中源極電極層或汲極電極層與氧化物半導體層重疊之區域的長度(Lov)係1.5μm於通道長度方向中。
為了要測量電晶體的最初特徵，Vg-Id特徵係在其中基板溫度係室溫、源極與汲極間之電壓(在下文中，稱為汲極電壓或Vd)係1伏或10伏、以及源極與閘極間之電壓(在下文中，稱為閘極電壓或Vg)係自-20伏改變至+20伏的情形下，藉由測量源極-汲極電流(在下文中，稱為汲極電壓或Vd)的改變而予以評估。注意的是，在第10圖中，Vg-Id特徵係以自-20伏至+5伏之Vg的範圍而顯示。
如第10圖中所描繪地，具備10000μm之通道寬度W的電晶體具有在1伏及10伏的Vd時之1×10-13[A]或更小的截止電流，其係小於或等於測量裝置(由Agilent Tehnology Inc.所製造之半導體參數分析儀Agilent 4156C)的偵測極限。也就是說，可確認的是，每1μm之通道寬度的電晶體之截止電流係10aA/μm或更低。此外，在其中通道長度係3μm或更大的情況，電晶體之截止電流係估計為10aA/μm或更低。
進一步地，製造具有1000000μm(1m)之通道寬度W的電晶體，且使接受測試。結果，所觀察到的是，截止電流係1×10-12[A]或更小，其係接近偵測極限。也就是說，所顯示的是，每1μm之通道寬度的電晶體之截止電流係1aA/μm或更低。
針對如第10圖中所示之如1×10-13[A]一樣低的電晶體之低截止電流的理由在於，氧化物半導體層之中的氫濃度係在上述製程中充分降低之緣故。
藉由載子測量裝置所測量之該氧化物半導體層的載子密度係低於1×1012/cm3或低於1×1011/cm3。也就是說，可使該氧化物半導體層的載子密度盡可能地接近於零。
因而，電晶體的通道長度L可大於或等於10奈米且小於或等於1000奈米。所以，可增加電路的操作速率。進一步地，因為截止電流極低，所以功率消耗可降低。
此外，在電路設計中，當電晶體係在截止狀態之中時，可將該氧化物半導體層視為絕緣體。
如上述之使用高度純化之氧化物半導體(純化之OS)的電晶體顯示幾乎不具有截止電流在溫度上的相依性。因此，可認為當純化時，氧化物半導體並不顯示溫度相依性；此係因為導電類型製成為極接近於本徵類型，且費米能階(Fermi level)係位於違禁能帶的中央之故。此特性亦係由於氧化物半導體具有大的能隙且包含很少的熱激勵載子的緣故。
上述結果顯示的是，在室溫中，其中載子密度係低於1×1012/cm3或1×1011/cm3之電晶體的截止電流為1aA/μm或更低。此外，藉由施加此電晶體為半導體裝置中所包含之電晶體，則可提供包含具有新穎電路結構之光感測器的半導體裝置。進一步地，可降低半導體裝置的功率消耗，且可抑制顯示劣化(顯示品質之降低)。此外，可提供其中可降低由於諸如溫度之外在因素的顯示劣化(顯示改變)之半導體裝置。
此申請案係根據2010年2月12日在日本專利局所申請之日本專利申請案序號2010-028762，該申請案的全部內容係結合於本文以供參考。
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
107，108．．．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．．．預充電電路
201，205，206，207，216，410，420，601．．．電晶體
202．．．儲存電容器
203．．．液晶元件
204．．．光二極體
208、209、211、215．．．閘極信號線
210．．．光二極體重設信號線
212．．．視頻資料信號線
213．．．光感測器參考信號線
214．．．光感測器輸出信號線
217．．．預充電信號線
218．．．背面閘極信號線
301~307，801~809、501~509．．．信號
400．．．基板
402．．．閘極絕緣層
403．．．保護絕緣層
411．．．閘極電極層
413．．．通道形成區
416．．．氧化物絕緣層
430．．．氧化物半導體膜
431．．．氧化物半導體層
441．．．背面閘極
415a、415b．．．源極/汲極電極層
510~513、810~813．．．週期
第1圖係描繪半導體裝置之結構實例的圖式；
第2圖係描繪顯示裝置之結構實例的圖式；
第3圖係描繪包含於顯示裝置中之像素的電路結構實例之圖式；
第4圖係光感測器之時序圖的實例；
第5圖係光感測器之時序圖的實例；
第6圖係光感測器之時序圖的實例；
第7A至7D圖係描繪光感測器之電路結構實例的圖式；
第8A至8D圖係描繪包含於半導體裝置中之電晶體的製造方法實例之圖式；
第9圖係描繪包含於半導體裝置中之電晶體的結構實例之圖式；以及
第10圖係描繪電晶體的Vg-Id特徵之實例的圖式。
106．．．光感測器
200．．．預充電電路
205，206，207，216．．．電晶體
204．．．光二極體
209、211、215．．．閘極信號線
210．．．光二極體重設信號線
213．．．光感測器參考信號線
214．．．光感測器輸出信號線
217．．．預充電信號線
218．．．背面閘極信號線

Claims (14)

  1. 一種半導體裝置，包含像素電路，該像素電路包含複數個像素，該複數個像素之各者包含：包含發光元件的顯示元件；以及光感測器，其中該光感測器包含：光二極體；第一電晶體，具有堆疊結構，該堆疊結構包含閘極、閘極絕緣層、半導體層、絕緣膜、及背面閘極；以及第二電晶體，包含閘極、第一端子、及第二端子，其中該光二極體係電性連接至該第二電晶體之該第一端子，且其中該第二電晶體之該第二端子係電性連接至該第一電晶體之該閘極。
  2. 一種半導體裝置，包含像素電路，該像素電路包含複數個像素，該複數個像素之各者包含：包含發光元件的顯示元件；以及光感測器，其中該光感測器包含：光二極體；第一電晶體，具有堆疊結構，該堆疊結構包含閘極、閘極絕緣層、半導體層、絕緣膜、及背面閘極；以及第二電晶體，包含閘極、第一端子、及第二端子， 其中該光二極體係電性連接至該第二電晶體之該第一端子，其中該第二電晶體之該第二端子係電性連接至該第一電晶體之該閘極，且其中該第二電晶體包含氧化物半導體層。
  3. 一種半導體裝置，包含像素電路，該像素電路包含複數個像素，該複數個像素之各者包含：顯示元件；以及光感測器，其中該光感測器包含：光二極體，包含一對電極，而半導體介於該對電極之間；第一電晶體，具有堆疊結構，該堆疊結構包含閘極、閘極絕緣層、半導體層、絕緣膜、及背面閘極，該閘極絕緣層和該半導體層介於該閘極與該背面閘極之間；以及第二電晶體，包含：第二閘極；閘極絕緣層，在該第二閘極之上；半導體層，在該閘極絕緣層之上；第一端子及第二端子，在該半導體層之上；以及氧化物絕緣層，在該第二電晶體之該第一端子、該第二端子、及該半導體層之上，且與該第二電晶體 之該第一端子、該第二端子、及該半導體層接觸，其中該對電極中之一者係電性連接至該第一端子及該第二端子的其中之一者，且其中該第一端子及該第二端子的另一者係電性連接至該第一電晶體之該閘極。
  4. 一種半導體裝置，包含像素電路，該像素電路包含複數個像素，該複數個像素之各者包含：顯示元件；以及光感測器，其中該光感測器包含：光二極體，包含一對電極，而半導體介於該對電極之間；第一電晶體，具有堆疊結構，該堆疊結構包含閘極、閘極絕緣層、半導體層、絕緣膜、及背面閘極，其中該閘極絕緣層及該半導體層係介於該閘極與該背面閘極之間；以及第二電晶體，包含：第二閘極；閘極絕緣層，在該第二閘極之上；氧化物半導體層，在該閘極絕緣層之上；第一端子及第二端子，在該氧化物半導體層之上；以及氧化物絕緣層，在該第二電晶體之該第一端子、該第二端子、及該氧化物半導體層之上，且與該第二電晶 體之該第一端子、該第二端子、及該氧化物半導體層接觸，其中該對電極中之一者係電性連接至該第一端子及該第二端子的其中之一者，且其中該第一端子及該第二端子的另一者係電性連接至該第一電晶體之該閘極。
  5. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之半導體裝置，其中該第一電晶體之該半導體層包含氧化物半導體層。
  6. 如申請專利範圍第4項之半導體裝置，其中該第一電晶體之該半導體層包含該第二電晶體之該氧化物半導體層中所包含的氧化物半導體層。
  7. 如申請專利範圍第3或4項之半導體裝置，其中該顯示元件包含液晶元件。
  8. 如申請專利範圍第3或4項之半導體裝置，其中該顯示元件包含發光元件。
  9. 一種電子裝置，包含如申請專利範圍第1至4項中任一項之半導體裝置。
  10. 一種半導體裝置之驅動方法，該半導體裝置包含複數個像素，該複數個像素之各者包含顯示元件及光感測器，該驅動方法包含以下步驟：透過在導電狀態中之第二電晶體來轉移藉由光二極體所產生的電信號至第一電晶體之閘極，保持該第一電晶體之背面閘極於第一電位，其中該光二極體、該第一電晶 體、及該第二電晶極係包含於該光感測器中；藉由轉變該第二電晶體為非導電狀態而保持該閘極之中所儲存的電荷；轉換該第一電晶體之該閘極中所儲存的電荷成為第一輸出信號；提供第二電位至該背面閘極，其中該第二電位係與該第一電位不同；以及當保持該背面閘極於該第二電位的同時，轉換該閘極中所儲存的該電荷成為第二輸出信號，其中該背面閘極係設置於該閘極之上，而半導體層介於其間。
  11. 如申請專利範圍第10項之驅動方法，其中該第一電晶體及該第二電晶體之各者包含通道形成區，該通道形成區包含該氧化物半導體。
  12. 如申請專利範圍第10項之驅動方法，其中該顯示元件包含液晶元件。
  13. 如申請專利範圍第10項之驅動方法，其中該顯示元件包含發光元件。
  14. 如申請專利範圍第11項之驅動方法，其中該氧化物半導體包含銦、鎵、及鋅。
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