(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォトダイオードと、第１乃至第４のトランジスタと、少なくとも前記フォトダイオード及び前記第１のトランジスタを覆う領域を有する絶縁膜と、を有し、
前記第２のトランジスタは、前記絶縁膜を介して前記フォトダイオードの上方に設けられ、
前記第２のトランジスタの第１の端子又は第２の端子の一方と、前記フォトダイオードの一方の電極とは、前記絶縁膜に設けられたコンタクトホールを介して電気的に接続され、
第１の期間において、前記第２のトランジスタをオンし、前記第３のトランジスタをオフして、前記フォトダイオードへの入射光の光量に応じて発生した電荷が前記第１のトランジスタのゲートに蓄積され、
第２の期間において、前記第２のトランジスタをオフし、前記第３のトランジスタをオフして、前記第１のトランジスタのゲートの前記電荷が保持され、
第３の期間において、前記第３のトランジスタをオンして、前記第１のトランジスタのゲートから前記電荷が放電される半導体装置の駆動方法であって、
前記第２のトランジスタ及び前記第３のトランジスタの各々は酸化物半導体を有し、
前記第２の期間において、
前記第２のトランジスタのゲートの電圧レベルは、前記第２のトランジスタの前記第１の端子及び前記第２の端子の電圧レベルより低く、
前記第３のトランジスタのゲートの電圧レベルは、前記第３のトランジスタの第１の端子及び第２の端子の電圧レベルより低いことを特徴とする半導体装置の駆動方法。
【請求項２】
請求項１において、
前記第１の期間における前記第３のトランジスタのゲートの電圧レベルは、前記第２の期間における前記第３のトランジスタのゲートの前記電圧レベルに等しいことを特徴とする半導体装置の駆動方法。
【請求項３】
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、
少なくとも前記フォトダイオード及び前記第１のトランジスタを覆う領域を有する絶縁膜と、を有し、
前記第２のトランジスタは、前記絶縁膜を介して前記フォトダイオードの上方に設けられ、
前記フォトダイオードの第１の端子は、前記絶縁膜に設けられたコンタクトホールを介して、前記第２のトランジスタの第１の端子と直接接続され、
前記第２のトランジスタの第２の端子は、前記第１のトランジスタのゲートに直接接続された半導体装置の駆動方法であって、
前記第２のトランジスタは酸化物半導体を有し、
第１の期間において、前記第２のトランジスタをオンし、前記フォトダイオードへの入射光の光量に応じて発生した電荷が前記第１のトランジスタのゲートに蓄積され、
第２の期間において、前記第２のトランジスタをオフし、前記第１のトランジスタのゲートに前記電荷が保持され、
第３の期間において、前記第２のトランジスタをオンし、前記フォトダイオードを導通状態とし、前記フォトダイオードの第２の端子が接続された配線の電圧レベルを変化させて、前記第１のトランジスタのゲートから前記電荷が放電され、
前記第２の期間において、
前記第２のトランジスタのゲートの電圧レベルは、前記第２のトランジスタの前記第１の端子および前記第２の端子ならびにフォトダイオードの前記第２の端子の電圧レベルより低いことを特徴とする半導体装置の駆動方法。
【請求項４】
請求項３において、
前記第１の期間における前記第２のトランジスタのゲートの電圧レベルは、前記第３の期間における前記第２のトランジスタのゲートの前記電圧レベルに等しいことを特徴とする半導体装置の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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）。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−２９２２７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
フォトセンサを搭載した半導体装置では、各画素に設けられたフォトセンサが光を検出
して生成した電気信号を収集するため、各画素にトランジスタを用いた回路が設けられて
いる。
【０００８】
しかしながら各画素に配置されるトランジスタは、しきい値電圧等の電気的特性のばらつ
きにより、入射光を正確に電気信号に変換することが難しい。
【０００９】
本発明の一態様は、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がで
きる半導体装置を提供することを課題の一とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
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、第２のトランジスタ、第３
のトランジスタ、及び第４のトランジスタを有し、フォトダイオードは、入射光に応じた
電荷を第２のトランジスタを介して第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と、蓄積された電荷を出
力信号に変換する機能を有し、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、第３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放電する機能と、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、第４のトランジスタは、出力信号の読み出しを制御する機能を有し
、第２のトランジスタ及び第３のトランジスタを非導通状態とする期間において、第２の
トランジスタ及び第３のトランジスタのゲートに印加される電圧の電圧レベルは、各々第
２のトランジスタ及び第３のトランジスタのソースの電圧レベル及びドレインの電圧レベ
ルより小さい半導体装置である。
【００１１】
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、第２のトランジスタ、第３
のトランジスタ、及び第４のトランジスタを有し、フォトダイオードは、入射光に応じた
電荷を第２のトランジスタを介して第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と、蓄積された電荷を出
力信号に変換する機能を有し、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、第３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放電する機能を有し、第４のトランジスタは、出力信号の読み出し
を制御する機能を有し、第２のトランジスタ及び第３のトランジスタを非導通状態とする
期間において、第２のトランジスタ及び第３のトランジスタのゲートに印加される電圧の
電圧レベルは、フォトダイオードに電気的に接続された配線の電圧レベル及びフォトセン
サ基準信号線の電圧レベルより小さい半導体装置である。
【００１２】
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、第２のトランジスタ、第３
のトランジスタ、及び第４のトランジスタを有し、フォトダイオードは、入射光に応じた
電荷を第２のトランジスタを介して第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と、蓄積された電荷を出
力信号に変換する機能を有し、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、第３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放電する機能と、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、第４のトランジスタは、出力信号の読み出しを制御する機能を有し
、第１のトランジスタのゲートに電気的に接続される、第２のトランジスタ及び第３のト
ランジスタの半導体層は、酸化物半導体で形成されており、第２のトランジスタ及び第３
のトランジスタを非導通状態とする期間において、第２のトランジスタ及び第３のトラン
ジスタのゲートに印加される電圧の電圧レベルは、第２のトランジスタ及び第３のトラン
ジスタのソース及びドレインの低電圧の側の電圧レベルより小さい半導体装置である。
【００１３】
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、第２のトランジスタ、第３
のトランジスタ、及び第４のトランジスタを有し、フォトダイオードは、入射光に応じた
電荷を第２のトランジスタを介して第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と、蓄積された電荷を出
力信号に変換する機能を有し、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、第３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放電する機能を有し、第４のトランジスタは、出力信号の読み出し
を制御する機能を有し、第１のトランジスタのゲートに電気的に接続される、第２のトラ
ンジスタ及び第３のトランジスタの半導体層は、酸化物半導体で形成されており、第２の
トランジスタ及び第３のトランジスタを非導通状態とする期間において、第２のトランジ
スタ及び第３のトランジスタのゲートに印加される電圧の電圧レベルは、フォトダイオー
ドに電気的に接続された配線の電圧レベル及びフォトセンサ基準信号線の電圧レベルより
小さい半導体装置である。
【００１４】
なお、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。
【発明の効果】
【００１５】
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ができる半導体装置を
提供することができる。
【００１６】
また、複数のフォトセンサの累積動作を同時に行うため、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、歪みの少ない画像を取得することができる。
【００１７】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一形態における表示装置の一例を示す図。
【図２】本発明の一形態における表示装置の一例を示す図。
【図３】本発明の一形態におけるタイミングチャート図。
【図４】本発明の一形態におけるタイミングチャート図。
【図５】本発明の一形態におけるタイミングチャート図。
【図６】本発明の一形態におけるフォトセンサの一例を示す回路図。
【図７】本発明の一形態における半導体装置の一例を示す図。
【図８】トランジスタの電気特性を示す図。
【図９】本発明の一形態における半導体装置の一例を示す図。
【図１０】本発明の一形態におけるタイミングチャート図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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。
【００２０】
（実施の形態１）
本実施の形態では、フォトセンサを具備する半導体装置である表示装置の構成及び動作
について、図１乃至図３を参照して説明する。なおフォトセンサを具備する表示装置は、
光学式タッチセンサとして利用できる。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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（画素トランジスタともいう）、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（第１のトラ
ンジスタともいう）、トランジスタ２０６（第２のトランジスタともいう）、トランジス
タ２０７（第３のトランジスタともいう）、トランジスタ２０８（第４のトランジスタと
もいう）を有するフォトセンサ１０６とを有する。
【００２４】
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２０９に、ソ
ース又はドレインの一方がビデオデータ信号線２１０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の一方の電極に接続されている。保持容量２
０２の他方の電極と液晶素子２０３の他方の電極は一定の電圧レベルに保たれている。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。
【００２５】
なお、ＡとＢとが接続されている、と明示的に記載する場合は、ＡとＢとが電気的に接続
されている場合と、ＡとＢとが機能的に接続されている場合と、ＡとＢとが直接接続され
ている場合とを含むものとする。
【００２６】
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２０９に高レベルの電圧が印加されると、ビデオデータ信
号線２１０の電圧レベルの電圧を保持容量２０２と液晶素子２０３に印加する。保持容量
２０２は、液晶素子２０３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）によって表示装置の裏面から照射される光を用いる
。
【００２７】
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できる。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。
【００２８】
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。なお本実施の形態の構成では、画素
に表示素子１０５とフォトセンサ１０６を備えた光学式タッチセンサ（光学式タッチパネ
ルともいう）の構成について示し説明しているが、画素から表示素子を除いた構成とする
こともできる。この場合、フォトセンサが複数設けられた、イメージセンサとしての構成
とすることができる。
【００２９】
フォトセンサ１０６において、フォトダイオード２０４は、一方の電極が配線２１１（
グラウンド線ともいう）に、他方の電極がトランジスタ２０６のソース又はドレインの一
方に接続されている。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２１２に、ソース又はドレインの他方がトランジスタ２０８のソース又はドレ
インの一方に接続されている。トランジスタ２０６は、ゲートがゲート信号線２１３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、及びトランジスタ２０７のソ
ース又はドレインの一方に接続されている。トランジスタ２０７は、ゲートがフォトダイ
オードリセット信号線２１４に、ソース又はドレインの他方がフォトセンサ基準信号線２
１２に接続されている。トランジスタ２０８は、ゲートがゲート信号線２１５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２１６に接続されている。
【００３０】
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できる。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
。
【００３１】
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できる。特にトランジスタ２０５は、フォトダイオ
ード２０４からトランジスタ２０６を介して供給される電荷をゲートが接続されたノード
に蓄積し、蓄積された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
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。
【００３２】
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できる。特にトランジスタ２０６は、トランジスタ
２０６の導通または非導通を制御することにより、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。そのため、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。
【００３３】
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できる。特にトランジスタ２０７は、トランジスタ
２０７の導通または非導通を制御することにより、トランジスタ２０５のゲートの電荷を
放電する機能、及びゲートの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、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。
【００３４】
トランジスタ２０８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できる。特にトランジスタ２０８は、フォトセンサ
出力信号線２１６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。
【００３５】
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、走査線側の表
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、信号線側の表示素子駆動回路１０７は、選択された行の画素が有する表示
素子に任意のレベルの電圧を与える機能を有する。なお、走査線側の表示素子駆動回路１
０８によりゲート信号線に高レベルの電圧を印加された表示素子１０５では、トランジス
タが導通状態となり、信号線側の表示素子駆動回路１０７によりビデオデータ信号線に与
えられる電圧レベルの電圧が供給される。
【００３６】
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側のフォトセンサ読み出し回
路１０９と、走査線側のフォトセンサ駆動回路１１０を有する。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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２１７
、プリチャージ信号線２１８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。
【００４０】
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
ンサ出力信号線の電圧レベルを基準電圧レベルに設定する。図２では、プリチャージ信号
線２１８をＨレベル（以下、”Ｈ”と略記）とし、トランジスタ２１７を導通させること
で、フォトセンサ出力信号線２１６の電圧レベルを基準電圧レベル（ここでは低電圧レベ
ルとする）に設定することができる。なお、フォトセンサ出力信号線２１６の電圧レベル
を安定させるために、フォトセンサ出力信号線２１６に保持容量を設けることも有効であ
る。なお、基準電圧レベルは、高電圧レベルとする構成とすることができる。この場合、
トランジスタ２１７は、図２と逆極性とし、プリチャージ信号線２１８をＬレベル（以下
、”Ｌ”と略記）とすることで、フォトセンサ出力信号線２１６の電圧レベルを基準電圧
レベルに設定することができる。
【００４１】
なお、本実施の形態におけるＨレベル、及びＬレベルの電圧レベルとは、それぞれ、高電
源電圧レベルに基づく電圧レベル、低電源電圧レベルに基づく電圧レベルに相当する。す
なわち、Ｈレベルであれば、３Ｖ乃至２０Ｖの定電圧であり、Ｌレベルであれば、０Ｖ（
基準電圧レベル、グラウンド電圧レベルともいう）の定電圧である。
【００４２】
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３０２、信号３０３は、図２におけるゲート信号線
２１３、リセット信号線２１４、ゲート信号線２１５の電圧レベルに相当する。また信号
３０４Ａ乃至３０４Ｃは、トランジスタ２０５のゲートの電圧レベル（図２中のノード２
１９の電圧レベル）に相当し、信号３０４Ａがフォトダイオード２０４に入射される光の
照度が大きい場合（以下、照度大）、信号３０４Ｂがフォトダイオード２０４に入射され
る光の照度が中程度の場合（以下、照度中）、信号３０４Ｃがフォトダイオード２０４に
入射される光の照度が小さい場合（以下、照度小）について表している。また、信号３０
５Ａ乃至３０５Ｃは、フォトセンサ出力信号線２１６の電圧レベルに相当し、信号３０５
Ａが照度大、信号３０５Ｂが照度中、信号３０５Ｃが照度小について表している。
【００４３】
期間Ａにおいて、ゲート信号線２１３の電圧レベル（信号３０１）を”Ｈ”、リセット
信号線２１４の電圧レベル（信号３０２）を０Ｖ未満の電圧レベル（以下”Ｌ２”と略記
）、ゲート信号線２１５の電圧レベル（信号３０３）を”Ｌ”、とする。次いで、期間Ｂ
において、ゲート信号線２１３の電圧レベル（信号３０１）を”Ｈ”、リセット信号線２
１４の電圧レベル（信号３０２）を”Ｈ”、ゲート信号線２１５の電圧レベル（信号３０
３）を”Ｌ”、とする。その結果、フォトダイオード２０４が導通及びトランジスタ２０
６が導通状態となり、ノード２１９の電圧レベル（信号３０４Ａ乃至３０４Ｃ）が”Ｈ”
となる。このとき、フォトダイオード２０４には逆バイアスが印加される状態となる。ま
た、プリチャージ信号線２１８の電圧レベルをＨレベルとすると、フォトセンサ出力信号
線２１６の電圧レベル（信号３０５Ａ乃至信号３０５Ｃ）は”Ｌ”にプリチャージされる
。以上、期間Ａ、期間Ｂがリセット動作期間となる。
【００４４】
なお、本明細書において、０Ｖ未満の電圧レベルとは、具体的には、トランジスタ２０６
及びトランジスタ２０７のソースの電圧レベル及びドレインの電圧レベルより小さい電圧
レベルのことをいう。本実施の形態では、トランジスタ２０６及びトランジスタ２０７の
ソース及びドレインの低電圧の側の電圧レベルは、グラウンド線の電圧レベルとなる０Ｖ
であり、所定の期間におけるゲート信号線２１３の電圧レベル、リセット信号線２１４の
電圧レベルを、０Ｖ未満の電圧レベルと呼ぶことがある。また、トランジスタ２０６及び
トランジスタ２０７のソース及びドレインの低電圧の側の電圧レベルは、図２に示す回路
構成に基づいて、フォトダイオード２０４に接続された配線２１１の電圧レベル及びフォ
トセンサ基準信号線２１２の電圧レベルと換言することもできる。
【００４５】
次いで期間Ｃにおいて、ゲート信号線２１３の電圧レベル（信号３０１）を”Ｈ”、リ
セット信号線２１４の電圧レベル（信号３０２）を”Ｌ２”、ゲート信号線２１５の電圧
レベル（信号３０３）を”Ｌ”、とする。その結果、フォトダイオード２０４への光照射
による電流（以下、光電流という）により、ノード２１９の電圧レベル（信号３０４Ａ乃
至３０４Ｃ）が低下し始める。フォトダイオード２０４は、入射光の光量の増加に応じて
光電流が増加するので、入射光の光量に応じてノード２１９の電圧レベル（信号３０４Ａ
乃至３０４Ｃ）は変化する。具体的には、入射光の光量が大きい信号３０４Ａでは、光電
流が大きく増加することで、ノード２１９の電圧レベルである信号３０４Ａは、期間Ｃで
大きく減少することとなる。また入射光の光量が小さい信号３０４Ｃでは、光電流がほと
んど流れないことで、ノード２１９の電圧レベルである信号３０４Ｃは、期間Ｃでほとん
ど変化しないこととなる。また入射光の光量が中程度の信号３０４Ｂでは、光電流が信号
３０４Ａと信号３０４Ｃでの中間程度に増加することで、ノード２１９の電圧レベルであ
る信号３０４Ｂは、信号３０４Ａと信号３０４Ｃでの中間程度に減少することとなる。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のゲートに対し
、トランジスタ２０６を介して、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。以上期間Ｃが累積動作期間と
なる。
【００４６】
次いで期間Ｄにおいて、ゲート信号線２１３の電圧レベル（信号３０１）を”Ｌ２”、
リセット信号線２１４の電圧レベル（信号３０２）を”Ｌ２”、ゲート信号線２１５の電
圧レベル（信号３０３）を”Ｌ”、とする。ノード２１９の電圧レベルである信号３０４
Ａ乃至３０４Ｃは一定となる。ここで、期間Ｄでの信号３０４Ａ乃至３０４Ｃの電圧レベ
ルは、前述の累積動作期間（期間Ｃ）中にフォトダイオード２０４の光電流の大きさによ
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ノード２１９に蓄積さ
れる電荷が変化する。なお、トランジスタ２０６及びトランジスタ２０７の半導体層には
、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とすることにより、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できる。
【００４７】
次いで期間Ｅにおいて、ゲート信号線２１３の電圧レベル（信号３０１）を”Ｌ２”、
リセット信号線２１４の電圧レベル（信号３０２）を”Ｌ２”、ゲート信号線２１５の電
圧レベル（信号３０３）を”Ｈ”、とする。その結果、トランジスタ２０８が導通し、フ
ォトセンサ基準信号線２１２とフォトセンサ出力信号線２１６とが、トランジスタ２０５
とトランジスタ２０８とを介して導通する。すると、フォトセンサ出力信号線２１６の電
圧レベル（信号３０５Ａ乃至３０５Ｃ）は、前述のフォトダイオード２０４への入射光に
応じて上昇していく。なお、期間Ｅより前の期間で、プリチャージ信号線２１８の電圧レ
ベルは”Ｈ”とし、フォトセンサ出力信号線２１６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２１６の電圧レベル（信号３０５Ａ乃至３０５Ｃ）が上昇す
る速さは、トランジスタ２０５のソースとドレイン間を流れる電流に依存する。すなわち
、累積動作期間である期間Ｃ中にフォトダイオード２０４に照射されている入射光の光量
に応じて変化する。以上、期間Ｅが選択動作期間である。
【００４８】
次いで期間Ｆにおいて、ゲート信号線２１３の電圧レベル（信号３０１）を”Ｌ２”、
リセット信号線２１４の電圧レベル（信号３０２）を”Ｌ２”、ゲート信号線２１５の電
圧レベル（信号３０３）を”Ｌ”、とする。その結果、トランジスタ２０８が非導通状態
となり、フォトセンサ出力信号線２１６の電圧レベル（信号３０５Ａ乃至３０５Ｃ）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に照射されている入
射光の光量に応じて決まる．従って、フォトセンサ出力信号線２１６の電圧レベルを取得
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、期間Ｆが読み取り動作期間である。
【００４９】
以上説明したように、本実施の形態における半導体装置は、トランジスタ２０６の非導通
状態の期間となる期間Ｄ、期間Ｅ、及び期間Ｆ、並びにトランジスタ２０７の非導通状態
の期間となる期間Ａ、期間Ｄ、期間Ｅ、及び期間Ｆにおいて、トランジスタ２０６及びト
ランジスタ２０７のゲートに印加される電圧の電圧レベルを０Ｖ未満とすることを特徴と
する。すなわち、トランジスタ２０６のゲートとソースの間に印加される電圧の電圧レベ
ルをトランジスタ２０６のしきい値電圧以下、及びトランジスタ２０７のゲートとソース
の間に印加される電圧の電圧レベルを、トランジスタ２０７のしきい値電圧以下となる電
圧レベルとすることを特徴とする。その結果、トランジスタ２０５のゲートに保持された
電荷を保持する機能を向上することができる。
【００５０】
より具体的にいえば、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
と読み取り動作とを繰り返すことで実現される。上述したように、本実施の形態における
トランジスタ２０６及びトランジスタ２０７は、非導通状態とする期間において、ゲート
に印加される電圧の電圧レベルを０Ｖ未満とするものである。そのためトランジスタ２０
６及びトランジスタ２０７の非導通状態をより確実に行うことができ、累積動作及び読み
取り動作時にトランジスタ２０５のゲートに保持された電荷を保持する機能を向上するこ
とができる。またフォトセンサにおける入射光を正確に電気信号に変換できるといった機
能を向上させることができる。さらにトランジスタ２０６及びトランジスタ２０７の半導
体層を酸化物半導体を用いて形成し、オフ電流を極めて小さくする構成も好適である。当
該構成により、フォトセンサにおける入射光をより正確に電気信号に変換できるといった
機能を向上させることができる。
【００５１】
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。
【００５２】
（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。
【００５３】
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
るリセット信号線２１４の電位変化を示す信号である。また、信号４０４、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２１３
の電位変化を示す信号である。また、信号４０７、信号４０８、信号４０９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２１５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４１１、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。
【００５４】
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、撮像画像に歪み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。
【００５５】
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に取得す
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。
【００５６】
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
おけるリセット信号線２１４の電位変化を示す信号である。また、信号５０４、信号５０
５、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２
１３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２１５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５１
２、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。
【００５７】
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、歪み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、各フォトセンサのリセット信号線２
１４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２１３
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
くすることができる。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。
【００５８】
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。
【００５９】
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
におけるトランジスタ２０５のゲートの電圧レベルを一定に保つ必要がある。したがって
、上記実施の形態で説明したように、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。
【００６０】
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歪みが少なく、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。
【００６１】
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。
【００６２】
（実施の形態３）
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。
【００６３】
図６（Ａ）は、図２においてトランジスタ２０５のゲートに接続された、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２０７を省略した構成を示している。図６
（Ａ）の構成では、フォトセンサのリセット動作を行う際、配線２１１の電圧レベルを変
化させることでトランジスタ２０５のゲートに蓄積された電荷の放電を行う構成とすれば
よい。
【００６４】
図６（Ｂ）は、図２におけるフォトセンサ１０６の構成においてトランジスタ２０５と
トランジスタ２０８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２１６に接続され、トラ
ンジスタ２０８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２１２に接続さ
れている。
【００６５】
図６（Ｃ）は、図２におけるフォトセンサ１０６の構成においてトランジスタ２０８を
省略した構成を示す。図６（Ｃ）の構成では、上記説明した図２、図６（Ａ）、（Ｂ）と
は異なり、フォトセンサの選択動作及び読み取り動作を行う際、フォトセンサ基準信号線
２１２の電圧レベルを変化させることでトランジスタ２０５のゲートに蓄積された電荷に
応じた信号の変化を読み取る構成とすればよい。
【００６６】
図６（Ｃ）に示すフォトセンサ１０６の動作に関し、タイミングチャートを図１０に示す
。図１０において、信号６０１、信号６０２、信号６０３は、図６（Ｃ）におけるゲート
信号線２１３、リセット信号線２１４、フォトセンサ基準信号線２１２の電圧レベルに相
当する。また信号６０４は、トランジスタ２０５のゲートの電圧レベルに相当し、フォト
ダイオード２０４に入射される光の照度が中程度の場合（以下、照度中）について表して
いる。また、信号６０５は、フォトセンサ出力信号線２１６の電圧レベルについて表して
いる。また、信号６０６は、図６（Ｃ）中のノード６１１の電圧レベルについて表してい
る。
【００６７】
次いで図１０のタイミングチャートについて説明する。期間Ａにおいて、信号６０１と信
号６０３の電圧レベルを”Ｈ”、信号６０２の電圧レベルを”Ｌ２”にする。そして期間
Ｂにおいて、信号６０２の電圧レベルを”Ｈ”にすると、信号６０４の電圧レベルがリセ
ットされ、信号６０５及び信号６０６の電圧レベルが上昇する。以上、期間Ａ、期間Ｂが
リセット動作期間となる。次いで、期間Ｃにおいて、信号６０１の電圧レベルを”Ｌ２”
にすると、信号６０６の電圧レベルが下降する。そして期間Ｄにおいて、信号６０２及び
信号６０３の電圧レベルを”Ｌ２”にする。以上、期間Ｃ、期間Ｄが累積動作期間となる
。次いで、期間Ｅにおいて、信号６０１と信号６０３の電圧レベルを”Ｈ”にすると、信
号６０４と信号６０６との電圧レベルが同じ電圧レベルとなり、信号６０５ではフォトセ
ンサの出力信号に応じて電圧レベルが変化する。以上期間Ｅが選択動作期間となる。そし
て期間Ｆにおいて、信号６０１と信号６０３の電圧レベルを”Ｌ２”にし、信号６０５の
電圧レベルを読み取る。以上、期間Ｆが読み取り動作期間である。以上のようにして、図
６（Ｃ）に示すフォトセンサ１０６を動作させればよい。
【００６８】
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。
【００６９】
（実施の形態４）
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。
【００７０】
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２０６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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
また、図２におけるトランジスタ２０８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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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、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。
【００８５】
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１
０１４を有する。また、トランジスタ１００４上に絶縁膜１０１５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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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、オフ電流が極めて低いトランジスタとす
ることが好ましい。
【００８９】
また、図２におけるトランジスタ２０７についても、酸化物半導体を用いたオフ電流が
極めて低いトランジスタを用いることが望ましい。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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
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。
【００９８】
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
。
【００９９】
また、酸化物半導体膜として、ＩｎＭＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０）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、Ｇａ及びＭｎ、または
Ｇａ及びＣｏが挙げられる。
【０１００】
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
。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
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を形成した後に行ってもよいし、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。
【０１０６】
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濃度を高くすることで、酸化物半導体の高純度化を行うことが好
ましい。
【０１０７】
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、窒素及び／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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
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でき
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。
【０１１０】
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。
【０１１１】
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。
【０１１２】
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法又はスパッタリング法を用いて形成すればよい。
【０１１３】
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と接続されることが好ましい。
【０１１４】
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。
【０１１５】
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。
【０１１６】
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。
【０１１７】
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。
【０１１８】
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以上＋５Ｖ以下までの範囲で示し
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１Ｖまたは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。
【０１１９】
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。
【０１２０】
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。
【０１２１】
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。
【０１２２】
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。
【符号の説明】
【０１２３】
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  トランジスタ
２０９  ゲート信号線
２１０  ビデオデータ信号線
２１１  配線
２１２  フォトセンサ基準信号線
２１３  ゲート信号線
２１４  リセット信号線
２１５  ゲート信号線
２１６  フォトセンサ出力信号線
２１７  トランジスタ
２１８  プリチャージ信号線
２１９  ノード
３０１〜３０５  信号
４０１〜４０９  信号
４１０〜４１３  期間
５０１〜５０９  信号
５１０〜５１３  期間
６０１〜６０６  信号
６１１  ノード
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
１０２１  ｐ層
１０２２  ｉ層
１０２３  ｎ層
１２０１  被検出物
１２０２  光
１３０１  遮光膜
１３０２  基板
【図１】
0006050853.tif 000002
【図２】
0006050853.tif 000003
【図３】
0006050853.tif 000004
【図４】
0006050853.tif 000005
【図５】
0006050853.tif 000006
【図６】
0006050853.tif 000007
【図７】
0006050853.tif 000008
【図８】
0006050853.tif 000009
【図９】
0006050853.tif 000010
【図１０】
0006050853.tif 000011