(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゲート絶縁層を介して酸化物半導体と重なるゲート電極を有するトランジスタと、
前記ゲート電極に正の電圧を１００μｓｅｃ以上加え、前記トランジスタの緩和電流割合を５０％以下とする機能を有する駆動回路と、を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
ゲート絶縁層を介して酸化物半導体と重なるゲート電極を有するトランジスタに光電流が生じた後、前記ゲート電極に正の電圧を１００μｓｅｃ以上印加することで、前記光電流の値を前記正の電圧が印加される前の半分以下にすることを特徴とするトランジスタの駆動方法。
【請求項３】
ゲート絶縁層を介して酸化物半導体と重なるゲート電極を有するトランジスタに光電流が生じた後、前記トランジスタのオフ状態時に、前記ゲート電極に正の電圧を１００μｓｅｃ以上印加することで、前記光電流の値を前記正の電圧が印加される前の半分以下にすることを特徴とするトランジスタの駆動方法。
【請求項４】
ゲート絶縁層を介して酸化物半導体と重なるゲート電極を有するトランジスタに光電流が生じた後、前記トランジスタが遮光されている時に、前記ゲート電極に正の電圧を１００μｓｅｃ以上印加することで、前記光電流の値を前記正の電圧が印加される前の半分以下にすることを特徴とするトランジスタの駆動方法。
【請求項５】
請求項２乃至請求項４のいずれか一項において、
ソース電極及びドレイン電極に電圧を印加しないで、前記ゲート電極に正の電圧が印加されることを特徴とするトランジスタの駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は酸化物半導体を含むトランジスタを用いた半導体装置及びそのトランジスタの駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、液晶テレビに代表される表示装置にはアモルファスシリコンを用いたトランジスタが用いられてきたが、トランジスタを作製するために、シリコン半導体に代わる材料として酸化物半導体が注目されている。例えば、アクティブマトリクス型の表示装置におけるトランジスタの活性層として、Ｉｎ、Ｇａ及びＺｎを含む非晶質酸化物を用い、該非晶質酸化物の電子キャリア濃度が１０１８／ｃｍ３未満としたものが開示されている（特許文献１参照）。
【０００３】
しかし、酸化物半導体を用いたトランジスタには幾つかの問題が指摘されている。その一つは特性の安定性であり、可視光及び紫外光を照射することで電気特性が変化することが指摘されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１６５５２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
光照射されてトランジスタの電気特性が変動した場合でも、その電気特性をほぼ光照射前の状態にする手法を提供することを課題の一つとする。
【０００６】
また、光照射されても表示品位の低下が抑制された表示装置を提供することを課題の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様は、ゲート絶縁層を介して酸化物半導体層と重なるゲート電極を有するトランジスタと、ゲート電極に正の電圧を１００μｓｅｃ以上加える駆動回路と、を有することを特徴とする半導体装置である。
【０００８】
本発明の一態様は、ゲート絶縁層を介して酸化物半導体層と重なるゲート電極を有するトランジスタと、該トランジスタのオフ状態時に、ゲート電極に正の電圧を１００μｓｅｃ以上加える駆動回路と、を有することを特徴とする半導体装置である。
【０００９】
本発明の一態様は、ゲート絶縁層を介して酸化物半導体層と重なるゲート電極を有するトランジスタと、該トランジスタの閾値電圧を光照射前と略同等の状態にするために、該トランジスタが遮光されている時に、ゲート電極に正の電圧を１００μｓｅｃ以上加える駆動回路と、を有することを特徴とする半導体装置である。
【００１０】
また本発明の一態様において、光の照射によるトランジスタの電気特性の変化量を駆動回路によりゼロまたは小さくすることを特徴とする半導体装置である。
【００１１】
また、本発明の一態様は、ゲート絶縁層を介して酸化物半導体層と重なるゲート電極を有するトランジスタと、光センサと、光センサが光の消灯を検知して、ゲート電極に正の電圧を加える駆動回路と、を有することを特徴とする半導体装置である。
【００１２】
また、本発明の一態様は、ゲート絶縁層を介して酸化物半導体層と重なるゲート電極を有するトランジスタと、光センサと、光センサが光の点灯を検知して、ゲート電極に正の電圧を加える駆動回路と、を有することを特徴とする半導体装置である。
【００１３】
上記において、光センサは酸化物半導体層のバンドギャップ以上のエネルギーを含む光を検知できることが好ましい。
【００１４】
本発明の一態様は、酸化物半導体層をチャネル形成領域とし、ゲート絶縁層を介して酸化物半導体層と重なるゲート電極を有するトランジスタに光が照射されたことによりしきい値電圧がマイナス側に変化した後、ソース電極及びドレイン電極に電圧を印加しない状態で、該ゲート電極に正の電圧を１００μｓｅｃ以上印加することで、該しきい値電圧を光照射前と略同等の状態にすることを特徴とするトランジスタの駆動方法である。
【００１５】
また、本発明の一態様は、酸化物半導体層をチャネル形成領域とし、ゲート絶縁層を介して酸化物半導体層と重なるゲート電極を有するトランジスタに光が照射されたことによりしきい値電圧がマイナス側に変化した後、ソース電極及びドレイン電極に電圧を印加しない状態で、該トランジスタのオフ状態時に、該ゲート電極に正の電圧を１００μｓｅｃ以上印加することで、該しきい値電圧を光照射前と略同等の状態にすることを特徴とするトランジスタの駆動方法である。
【００１６】
また、本発明の一態様は、酸化物半導体層をチャネル形成領域とし、ゲート絶縁層を介して酸化物半導体層と重なるゲート電極を有するトランジスタに光が照射されたことによりしきい値電圧がマイナス側に変化した後、ソース電極及びドレイン電極に電圧を印加しない状態で、該トランジスタが遮光されている時に、該ゲート電極に正の電圧を１００μｓｅｃ以上印加することで、該しきい値電圧を光照射前と略同等の状態にすることを特徴とするトランジスタの駆動方法である。
【００１７】
なお、本明細書等において「上」や「下」の用語は、構成要素の位置関係が「直上」または「直下」であることを限定するものではない。例えば、「ゲート絶縁層上のゲート電極」の表現であれば、ゲート絶縁層とゲート電極との間に他の構成要素を含むものを除外しない。また、「上」「下」の用語は説明の便宜のために用いる表現に過ぎない。
【００１８】
また、「ソース」や「ドレイン」の機能は、異なる極性のトランジスタを採用する場合や、回路動作において電流の方向が変化する場合などには入れ替わることがある。このため、本明細書においては、「ソース」や「ドレイン」の用語は、入れ替えて用いることができるものとする。
【００１９】
なお、本明細書における「光電流」とは、光照射によって電気特性が変動するトランジスタに流れる電流を指すものとする。ただし、便宜上、「光電流」は光を照射しないトランジスタに流れる電流に対しても用いることができるものとする。
【００２０】
なお、本明細書において「ソース電極及びドレイン電極に電圧を印加しない」とは、ソース電極及びドレイン電極に電圧を印加しない状態だけでなく、０Ｖあるいは０Ｖ近傍の電圧（例えば０．１Ｖ程度）の電圧を印加している状態も意味するものとする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の一態様により、光照射されてトランジスタの電気特性が変動した場合でも、その電気特性をほぼ光照射前の状態にすることが可能なトランジスタの駆動方法を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】”ｓａｆｅ”トラップの模式図。
【図２】光応答性のグラフ。
【図３】光応答性のグラフ。
【図４】光応答性のグラフ。
【図５】トランジスタの断面構造を示す図。
【図６】トランジスタの断面構造を示す図。
【図７】光応答性のグラフ。
【図８】電子機器の一例を示す図。
【図９】光応答性のグラフ。
【図１０】光応答性のグラフ。
【図１１】画素の回路図の一例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下では、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の説明に限定されず、その形態およ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。また、本発明は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。
【００２４】
（実施の形態１）
【００２５】
酸化物半導体を用いたトランジスタの電気特性を変動させる要因の一つに光照射がある。光消灯後の酸化物半導体を用いたトランジスタの光応答特性は、２つの状態をもつ光電流の減衰を示す。この現象は伝導帯Ｅｃ又は価電子帯Ｅｖ近傍に”ｓａｆｅ”トラップＥｓが存在した結果生じるものとして説明することができる。
【００２６】
図１を用いて、価電子帯Ｅｖ近傍に存在する”ｓａｆｅ”トラップＥｓについて説明する。一般にバンドギャップ以上のエネルギーを持つ光を半導体に照射すると、電子と正孔が生成される。そして、エネルギー放出過程において電子と正孔の再結合が起きる。しかし、酸化物半導体のバンドギャップ中には、図１（Ａ）に示すように真性フェルミ準位Ｅｆｉよりも、より価電子帯Ｅｖに近い場所に”ｓａｆｅ”トラップＥｓが存在する。当該”ｓａｆｅ”トラップＥｓが存在することにより、電子と正孔の再結合が起こりにくくなる。これは図１（Ｂ）に示すように電子と正孔が再結合を行う過程において、電子と正孔の再結合が”ｓａｆｅ”トラップＥｓで起きる前に、正孔が価電子帯Ｅｖへと戻ってしまうことに起因する。更に、”ｓａｆｅ”トラップＥｓは、キャリア密度が高くなりやすい傾向がある。価電子帯Ｅｖ近傍に存在する”ｓａｆｅ”トラップＥｓに、一旦捕獲された正孔は、当該”ｓａｆｅ”トラップＥｓから価電子帯Ｅｖへと脱離することが困難になる。すなわち”ｓａｆｅ”トラップＥｓとは、再結合が起こりにくく、キャリア密度が高くなり易いトラップであると言える。
【００２７】
このような”ｓａｆｅ”トラップＥｓが存在する酸化物半導体の光応答特性について、第１の光応答、及び第２の光応答と２段階に分けて分析する。第１の光応答は、光照射後における素早い光電流の減少をいう。当該応答には、バンドギャップ内の浅いトラップの存在が主に寄与する。浅いトラップが存在すると、電子と正孔の再結合が起こりやすく、過剰キャリアは、光照射前の平衡状態へと素早く緩和しやすい。この事は光電流の素早い減衰に繋がる。一方第２の光応答は、光照射後における遅い光電流の減少をいう。当該応答には、バンドギャップ内の”ｓａｆｅ”トラップＥｓの存在が主に寄与する。キャリアは、再結合過程に追従しきれず、更に取り残されたキャリアは固定キャリアとして”ｓａｆｅ”トラップＥｓに長時間滞在するためトラップ密度が高くなる。この事は光電流の減衰の遅延、及び閾値電圧の変動に繋がる。すなわち、トラップの種類によって、電子及び正孔の挙動は異なり、各トラップでのキャリアの再結合確率及び捕獲割合が、光応答特性において重要な意味を持つ。
【００２８】
つまり、酸化物半導体を用いたトランジスタにおいては、光応答特性における第２の光応答が、当該トランジスタの電気特性を変動させる要因となっている。具体的には、光照射後の光電流の値が光照射前の光電流の値にならない、光照射前後で閾値電圧の変動が起こるという電気特性の変動を招く直接の原因となっている。
【００２９】
しかし、酸化物半導体を用いたトランジスタのゲート電極に正のバイアス電圧を印加することによって、光照射されて変動した当該トランジスタの電気特性をほぼ光照射前の状態にすることが可能になった。
【００３０】
図２乃至図４を用いて、２段階の光応答特性を持つ酸化物半導体を用いたトランジスタの光応答特性の測定結果を示す。
【００３１】
ここで、測定に用いたトランジスタの一例について図５を参照して説明する。トランジスタの構造は特に限定されない。図５で示されたトランジスタは、ボトムゲート構造の一つであるチャネルエッチ型と呼ばれる逆スタガ型薄膜トランジスタ３１０である。トランジスタ３１０は、ガラス基板３００上に、下地膜３１１、ゲート電極層３０１、ゲート絶縁層３０２、酸化物半導体層３０３、ソース電極層３０５ａ、ドレイン電極層３０５ｂ、絶縁層３０７を含んで構成されている。
【００３２】
チャネル長（Ｌ）は、３０μｍ、チャネル幅（Ｗ）は、１００００μｍであり、ソース電極層３０５ａ及びドレイン電極層３０５ｂは櫛歯形状を有する。またソース電極層３０５ａとゲート電極層３０１とが重畳する長さ、及びドレイン電極層３０５ｂとゲート電極層３０１とが重畳する長さは、特に限定していない。
【００３３】
まず、絶縁表面を有するガラス基板３００（１２６．６ｍｍ×１２６．６ｍｍ）上に、下地膜３１１となる絶縁膜を形成する。下地膜３１１は、膜厚１００ｎｍの窒化シリコン膜、膜厚１５０ｎｍの酸化窒化シリコン膜を、順に積層して形成する。
【００３４】
次いで、下地膜３１１上に、ゲート電極層３０１を形成する。ゲート電極層３０１は、膜厚１００ｎｍのタングステン膜を単層で形成する。なお、ゲート電極層３０１の端部はテーパー形状とする。ここで、テーパー角は、例えば、３０°以上６０°以下とする。テーパー角とは、テーパー形状を有する層（例えば、ゲート電極層３０１）を、その断面（基板の表面と直交する面）に垂直な方向から観察した際に、当該層の側面と底面がなす傾斜角を示す。更に、ゲート電極層３０１を覆うように、ゲート絶縁層３０２を形成する。ゲート絶縁層３０２は、膜厚１００ｎｍの酸化窒化シリコン膜を、単層で形成する。
【００３５】
次いで、組成比としてＩｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：２［ｍｏｌ数比］を有する酸化物ターゲットを用いたスパッタ法により、ガラス基板上に膜厚３５ｎｍのＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜を成膜する。なお、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜の成膜条件は、成膜温度２００℃、圧力０．６Ｐａ、電力５ｋＷとする。
【００３６】
その後、窒素雰囲気下で４５０℃、１時間の加熱処理を行う。この加熱処理は、窒素、またはヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスに、水、水素などが含まれない雰囲気、例えば雰囲気の露点が−４０℃以下、好ましくは−６０℃以下であることが好ましい。または、加熱処理装置に導入する窒素、またはヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスの純度を、６Ｎ（９９．９９９９％）以上好ましくは７Ｎ（９９．９９９９９％）以上（即ち不純物濃度を１ｐｐｍ以下、好ましくは０．１ｐｐｍ以下）とすることが好ましい。
【００３７】
加熱処理後にスパッタ法により膜厚１００ｎｍのチタン膜、膜厚４００ｎｍのアルミニウム膜、膜厚１００ｎｍのチタン膜の順に積層して導電膜の積層を形成する。フォトリソグラフィ工程により導電膜の積層上にレジストマスクを形成し、選択的にエッチングを行ってソース電極層３０５ａ及びドレイン電極層３０５ｂを形成した後、レジストマスクを除去する。その後、窒素雰囲気下で３００℃、１時間の加熱処理を行う。
【００３８】
次いで、酸化シリコンターゲットを用いるスパッタ法により、ソース電極層３０５ａ及びドレイン電極層３０５ｂ上に膜厚４００ｎｍの酸化シリコン膜を成膜する。なお、酸化シリコン膜の成膜条件は、Ｏ２流量５０ｓｃｃｍ、圧力０．４Ｐａ、基板温度１００℃、成膜レート６．５ｎｍ／ｍｉｎ、電力１．５ｋＷとする。その後、窒素雰囲気で３００℃、１時間の加熱処理を行う。
【００３９】
上述したトランジスタ３１０を用いて、光応答特性の測定を行う。図２に、光照射前後の光応答特性（光電流−時間特性）の測定結果を示す。図２において、縦軸を光電流値、横軸を時刻としている。なお、図２に示すように光応答特性を、第１の期間５１、第２の期間５２、第３の期間５３、第４の期間５４に分割して説明する。第１の期間５１は、光照射期間でありバイアス電圧を印加していない期間である。第２の期間５２は、消灯期間でありバイアス電圧を印加していない期間である。第３の期間５３は、消灯期間であり正のバイアス電圧を印加している期間である。第４の期間５４は、消灯期間でありバイアス電圧を印加していない期間である。なお、本明細書では、「バイアス電圧を印加する」とは、「酸化物半導体を用いたトランジスタのゲート電極にバイアス電圧を印加する」ことを示すものとする。
【００４０】
図２におけるａは、光照射開始時刻、ｂは、消灯開始時刻、ｃは、正のバイアス電圧印加開始時刻（消灯中）、ｄは、正のバイアス電圧印加終了時刻（消灯中）、ｅは、測定終了時刻をそれぞれ示すものとする。
【００４１】
第１の期間５１は６００秒、第２の期間５２は６００秒、第３の期間５３は６０秒、第４の期間５４は３００秒、すなわち光照射開始時刻ａから、測定終了時刻ｅまでの時間は１５６０秒である。第１の期間５１では、測定対象のトランジスタ３１０の遮光されていない側から、すなわちゲート電極と反対側から、光照射を行う。なお、光照射は、ゲート電極が透明である場合には、ゲート電極側から光照射を行ってもよい。照射強度は、３．５ｍＷ／ｃｍ２であり、キセノン光源と光学フィルターを用いて分光された波長４００ｎｍの光を利用する。また第３の期間５３では、＋２０Ｖの正のバイアス電圧を印加する。なお、光電流の測定の際には、ソース電極に０Ｖ、ドレイン電極に０．１Ｖのバイアス電圧をそれぞれ印加している。
【００４２】
第１の期間５１における光電流の値は、時間の経過と共に徐々に増加している。すなわち価電子帯から伝導帯への電子の遷移に対応した光照射が行われている場合は、光照射時間が長くなるほど、光電流の値は増加することがわかる。
【００４３】
第２の期間５２における光電流の値は、光照射期間（第１の期間５１）における光電流の値に比べて比較的小さい値を取り、更に時間の経過と共にその値は徐々に減少していることがわかる。しかし、第１の期間５１の直前の光電流の値と、第２の期間５２における光電流の値を比較するとその値には差がある。つまり、光照射後の光電流の値は、消灯後であっても光照射前の光電流の値に、ならないことがわかる。
【００４４】
第３の期間５３における光電流の値は、ほぼゼロになる。第１の期間５１の直前の光電流の値と、第３の期間５３の直後の光電流の値とを比べると、ほぼ等しい。すなわち、光照射後の光電流の値は、消灯後に正のバイアス電圧を印加することで、光照射前の光電流の値になることがわかる。なお、図には示さないが、光照射後の光電流の値は、光照射中に正のバイアス電圧を印加することでも、光照射前の光電流の値になる。
【００４５】
第４の期間５４における光電流の値は、第３の期間５３における光電流の値を依然として維持し続けている。すなわち光照射後の光電流の値は、一旦正のバイアス電圧を印加すれば、正のバイアス電圧の印加を停止しても、光照射前の光電流の値を維持し続けることがわかる。
【００４６】
上記測定結果は、光照射後の光電流の値が、一旦正のバイアス電圧を印加すれば、その後の光の消灯に関わらず、またその後の正のバイアス電圧の印加及び停止に関わらず、光照射前の光電流の値にすることが可能であることを示唆している。
【００４７】
つまり、正のバイアス電圧を印加することで、第２の光応答、所謂遅い光応答が起因となって緩やかに減少していた光照射後の光電流の値を、瞬間的に光照射前の光電流の値にすることが可能になる。更に、光電流の値が一旦光照射前の値になると、当該トランジスタに、再び光が照射されるまで、その値は維持される。従って、光電流の値のリフレッシュは可能であり、当該トランジスタの電気特性を変動させる要因の一つである光照射後の光電流の値が光照射前の光電流の値にならないという光応答特性は改善できるとみなせる。
【００４８】
図３乃至図４に、図２に示す光応答特性（光電流−時間特性）の点１１乃至点１４における電気特性の測定結果を示す。図３乃至図４の測定結果を得るのに用いられたトランジスタは図２の測定結果を得るのに用いられたトランジスタと同様のものを用いている。
【００４９】
図３（Ａ）は点１１における光照射していない電気特性の測定結果、図３（Ｂ）は点１２における光照射している電気特性の測定結果を示している。光照射前後で酸化物半導体を用いたトランジスタの特性変動、すなわち閾値電圧の変動が生じていることがわかる。閾値電圧は、０．１８Ｖから、−０．９８Ｖまで変動している。光照射時間が長くなると、光電流の値は、増加し、閾値電圧はマイナス側にシフトする。従って当該トランジスタの電気特性は不安定になる。
【００５０】
なお、本明細書に記載されている閾値電圧の求め方は以下の通りである。飽和領域におけるドレイン電流の平方根をｙ軸、ゲート電圧をｘ軸とした相関関係を直線として近似し、この直線とｘ軸との交点を閾値電圧として定義している。なお、上述した閾値電圧の求め方は一例であり、これに限らず、その他の方法でも閾値電圧を求めることができる。
【００５１】
図４（Ａ）は点１１における光照射していない電気特性の測定結果、図４（Ｂ）は点１３における消灯直後の電気特性の測定結果、図４（Ｃ）は点１４における光照射後に正のバイアス電圧を印加した電気特性の測定結果を示している。
【００５２】
図３（Ｂ）と図４（Ｂ）とを比較すると、閾値電圧の変動は多少回復していることがわかる。しかし、図４（Ａ）と図４（Ｂ）とを比較すると、閾値電圧の変動は大きい（概略０．３Ｖ）。つまり光照射によって一旦変動した閾値電圧を、光照射前の閾値電圧にすることは極めて困難であり、消灯を行っても閾値電圧の変動は回復しないことがわかる。
【００５３】
図４（Ａ）と図４（Ｃ）とを比較すると、極めて興味深い結果が得られる。図４（Ｃ）の正のバイアス電圧印加後の閾値電圧は、図４（Ａ）の光照射前の閾値電圧と等しい値を取る。すなわち、正のバイアス電圧を印加することで、消灯では、光照射前の閾値電圧にすることができなかった閾値電圧の変動を、回復させることが可能であることがわかる。
【００５４】
上記測定結果は、光照射によってたとえ閾値電圧が大きく変動しても、一旦正のバイアス電圧を印加すれば、その後の光の消灯に関わらず、またその後の正のバイアス電圧の印加及び停止に関わらず、閾値電圧の変動が回復可能であることを示唆している。
【００５５】
つまり、正のバイアス電圧を印加することで、第２の光応答、所謂遅い光応答が起因となって変動していた光照射後の閾値電圧を、瞬間的に光照射前の閾値電圧にすることが可能になる。閾値電圧の変動が回復した後、当該トランジスタに光が照射され、再び閾値電圧の変動が起こっても、正のバイアス電圧を印加する度毎に、その変動は回復する。従って、閾値電圧のリフレッシュは可能であり、当該トランジスタの電気特性を変動させる要因の一つである光照射前後で閾値電圧の変動が起こるという光応答特性は改善できるとみなせる。
【００５６】
従って、酸化物半導体を用いたトランジスタのゲート電極に正のバイアス電圧を印加することによって、光照射されて上述のように変動したトランジスタの電気特性をほぼ光照射前の状態にすることが可能になる。
【００５７】
なお、正のバイアス電圧を印加するタイミングは、特に限定しない。従って、光照射中でも、消灯中でも、適切なタイミングで正のバイアス電圧を印加すればよい。光照射時間が長くなるほど酸化物半導体を用いたトランジスタの電気特性は不安定になる。しかし、適切なタイミングで正のバイアス電圧を印加し、その度毎に光照射されて変動した当該トランジスタの電気特性をほぼ光照射前の状態にすることができるため、当該トランジスタの光照射による電気特性の変動を最小限に抑えることが可能になる。
【００５８】
また、上述したように電気特性の変動を最小限に抑えることによって電気特性を安定させたトランジスタの実現が可能になるため、酸化物半導体を用いたトランジスタの信頼性を向上させることができる。結果として、光照射されても表示品位の低下が抑制された表示装置を提供することができる。
【００５９】
（実施の形態２）
本実施の形態では、本明細書に開示する表示装置に適用できるトランジスタの例を示す。本明細書に開示する表示装置に適用できるトランジスタの構造は特に限定されず、例えばトップゲート構造、又はボトムゲート構造のスタガ型及びプレーナ型などを用いることができる。また、トランジスタはチャネル形成領域が一つ形成されるシングルゲート構造でも、二つ形成されるダブルゲート構造もしくは三つ形成されるトリプルゲート構造であっても良い。また、チャネル領域の上下にゲート絶縁層を介して配置された２つのゲート電極層を有する、デュアルゲート型でもよい。なお、図６（Ａ）乃至（Ｄ）にトランジスタの断面構造の一例を示す。図６（Ａ）乃至（Ｄ）に示すトランジスタは、半導体層として酸化物半導体を用いるものである。酸化物半導体を用いることのメリットは、比較的簡単かつ低温のプロセスで高い移動度と低いオフ電流が得られることであるが、もちろん、半導体層として他の半導体を用いてもよい。
【００６０】
図６（Ａ）に示すトランジスタ４１０は、ボトムゲート構造の薄膜トランジスタの一つであり、逆スタガ型薄膜トランジスタともいう。
【００６１】
トランジスタ４１０は、絶縁表面を有する基板４００上に、ゲート電極層４０１、ゲート絶縁層４０２、酸化物半導体層４０３、ソース電極層４０６ａ、及びドレイン電極層４０６ｂを含む。また、トランジスタ４１０を覆い、酸化物半導体層４０３に積層する絶縁層４１１が設けられている。絶縁層４１１上にはさらに保護絶縁層４０９が形成されている。
【００６２】
図６（Ｂ）に示すトランジスタ４２０は、チャネル保護型（チャネルストップ型もしくはエッチストップ型ともいう）と呼ばれるボトムゲート構造の一つであり逆スタガ型薄膜トランジスタともいう。
【００６３】
トランジスタ４２０は、絶縁表面を有する基板４００上に、ゲート電極層４０１、ゲート絶縁層４０２、酸化物半導体層４０３、酸化物半導体層４０３のチャネル形成領域を覆うチャネル保護層として機能する絶縁層４２７、ソース電極層４０６ａ、及びドレイン電極層４０６ｂを含む。また、トランジスタ４２０を覆い、保護絶縁層４０９が形成されている。
【００６４】
図６（Ｃ）に示すトランジスタ４３０はボトムゲート型の薄膜トランジスタであり、絶縁表面を有する基板である基板４００上に、ゲート電極層４０１、ゲート絶縁層４０２、ソース電極層４０６ａ、ドレイン電極層４０６ｂ、及び酸化物半導体層４０３を含む。また、トランジスタ４３０を覆い、酸化物半導体層４０３に接する絶縁層４１１が設けられている。絶縁層４１１上にはさらに保護絶縁層４０９が形成されている。
【００６５】
トランジスタ４３０においては、ゲート絶縁層４０２は基板４００及びゲート電極層４０１上に接して設けられ、ゲート絶縁層４０２上にソース電極層４０６ａ、ドレイン電極層４０６ｂが接して設けられている。そして、ゲート絶縁層４０２、及びソース電極層４０６ａ、ドレイン電極層４０６ｂ上に酸化物半導体層４０３が設けられている。
【００６６】
図６（Ｄ）に示すトランジスタ４４０は、トップゲート構造の薄膜トランジスタの一つである。トランジスタ４４０は、絶縁表面を有する基板４００上に、絶縁層４３７、酸化物半導体層４０３、ソース電極層４０６ａ、及びドレイン電極層４０６ｂ、ゲート絶縁層４０２、ゲート電極層４０１を含み、ソース電極層４０６ａ、ドレイン電極層４０６ｂにそれぞれ配線層４３６ａ、配線層４３６ｂが接して設けられ電気的に接続している。
【００６７】
本実施の形態では、上述のとおり、半導体層として酸化物半導体層４０３を用いる。酸化物半導体層４０３に用いる酸化物半導体としては、少なくともインジウム（Ｉｎ）あるいは亜鉛（Ｚｎ）とを含むことが好ましい。特にＩｎとＺｎを含むことが好ましい。また、該酸化物半導体を用いたトランジスタの電気特性のばらつきを減らすためのスタビライザーとして、それらに加えてガリウム（Ｇａ）を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてスズ（Ｓｎ）を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてハフニウム（Ｈｆ）を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてアルミニウム（Ａｌ）を有することが好ましい。
【００６８】
例えば、酸化物半導体として、酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛、二元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｚｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｓｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｉｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｉｎ−Ｇａ系酸化物、三元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物（ＩＧＺＯとも表記する）、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｃｅ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｐｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｎｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｕ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｇｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｄｙ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｏ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｙｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌｕ−Ｚｎ系酸化物、四元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物を用いることができる。
【００６９】
なお、ここで、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物とは、ＩｎとＧａとＺｎを主成分として有する酸化物という意味であり、ＩｎとＧａとＺｎの比率は問わない。また、ＩｎとＧａとＺｎ以外の金属元素が入っていてもよい。
【００７０】
例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１（＝１／３：１／３：１／３）あるいはＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝２：２：１（＝２／５：２／５：１／５）の原子比のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物やその組成の近傍の酸化物を用いることができる。あるいは、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝１：１：１（＝１／３：１／３：１／３）、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝２：１：３（＝１／３：１／６：１／２）あるいはＩｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝２：１：５（＝１／４：１／８：５／８）の原子比のＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物やその組成の近傍の酸化物を用いるとよい。
【００７１】
しかし、これらに限られず、必要とする半導体特性（移動度、しきい値、ばらつき等）に応じて適切な組成のものを用いればよい。また、必要とする半導体特性を得るために、キャリア密度や不純物濃度、欠陥密度、金属元素と酸素の原子数比、原子間結合距離、密度等を適切なものとすることが好ましい。
【００７２】
酸化物半導体は単結晶でも、非単結晶でもよい。後者の場合、アモルファスでも、多結晶でもよい。また、アモルファス中に結晶性を有する部分を含む構造でも、非アモルファスでもよい。
【００７３】
酸化物半導体層４０３を用いたトランジスタ４１０、４２０、４３０、４４０は、オフ状態における電流（オフ電流）を低くすることができる。よって、画像イメージデータ等の電気信号の保持時間を長くすることができ、書き込み間隔も長く設定できる。よって、リフレッシュ動作の頻度を少なくすることができるため、消費電力を抑制する効果を奏する。
【００７４】
また、酸化物半導体層４０３を用いたトランジスタ４１０、４２０、４３０、４４０は、比較的高い電界効果移動度が得られるため、高速駆動が可能である。よって、表示装置の画素部にこれらのトランジスタを用いることで、高画質な画像を提供することができる。
【００７５】
絶縁表面を有する基板４００に使用することができる基板に大きな制限はないが、バリウムホウケイ酸ガラスやアルミノホウケイ酸ガラスなどのガラス基板を用いることができる。
【００７６】
ボトムゲート構造のトランジスタ４１０、４２０、４３０において、下地膜となる絶縁膜を基板４００とゲート電極層４０１の間に設けてもよい。下地膜は、基板４００からの不純物元素の拡散を防止する機能があり、窒化シリコン膜、酸化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、又は酸化窒化シリコン膜から選ばれた一又は複数の膜による積層構造により形成することができる。
【００７７】
ゲート電極層４０１の材料は、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またはこれらを主成分とする合金材料を用いて、単層でまたは積層して形成することができる。
【００７８】
ゲート絶縁層４０２は、プラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法等を用いて、酸化シリコン層、窒化シリコン層、酸化窒化シリコン層、窒化酸化シリコン層、酸化アルミニウム層、窒化アルミニウム層、酸化窒化アルミニウム層、窒化酸化アルミニウム層、又は酸化ハフニウム層を単層で又は積層して形成することができる。例えば、第１のゲート絶縁層としてプラズマＣＶＤ法により膜厚５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の窒化シリコン層（ＳｉＮｙ（ｙ＞０））を形成し、第１のゲート絶縁層上に第２のゲート絶縁層として膜厚５ｎｍ以上３００ｎｍ以下の酸化シリコン層（ＳｉＯｘ（ｘ＞０））を積層して、合計膜厚２００ｎｍのゲート絶縁層とすることができる。
【００７９】
ソース電極層４０６ａ、ドレイン電極層４０６ｂは、例えば、Ａｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗからから選ばれた元素、または上述した元素を成分とする合金膜か、上述した元素を組み合わせた合金膜等を用いることができる。また、Ａｌ、Ｃｕなどの金属層の下側又は上側の一方または双方にＴｉ、Ｍｏ、Ｗなどの高融点金属層を積層させた構成としても良い。また、Ａｌ膜に生ずるヒロックやウィスカーの発生を防止する元素（Ｓｉ、Ｎｄ、Ｓｃなど）が添加されているＡｌ材料を用いることで耐熱性を向上させることが可能となる。
【００８０】
ソース電極層４０６ａ、ドレイン電極層４０６ｂに接続する配線層４３６ａ、配線層４３６ｂとして、ソース電極層４０６ａ、ドレイン電極層４０６ｂと同様な材料を用いることができる。
【００８１】
また、ソース電極層４０６ａ、ドレイン電極層４０６ｂ（これと同じ層で形成される配線層を含む）は導電性の金属酸化物で形成しても良い。導電性の金属酸化物としては酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）、酸化スズ（ＳｎＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化インジウム酸化スズ（Ｉｎ２Ｏ３―ＳｎＯ２、ＩＴＯと略記する）、酸化インジウム酸化亜鉛（Ｉｎ２Ｏ３―ＺｎＯ）またはこれらの金属酸化物材料に酸化シリコンを含ませたものを用いることができる。
【００８２】
絶縁層４１１、４２７、４３７は、代表的には酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、または酸化窒化アルミニウム膜などの無機絶縁膜を用いることができる。
【００８３】
保護絶縁層４０９は、窒化シリコン膜、窒化アルミニウム膜、窒化酸化シリコン膜、窒化酸化アルミニウム膜などの無機絶縁膜を用いることができる。
【００８４】
また、保護絶縁層４０９上に平坦化絶縁膜を形成してもよい。平坦化絶縁膜としては、ポリイミド、アクリル、ベンゾシクロブテン、等の有機材料を用いることができる。また上記有機材料の他に、低誘電率材料（ｌｏｗ−ｋ材料）等を用いることができる。なお、これらの材料で形成される絶縁膜を複数積層させることで、平坦化絶縁膜を形成してもよい。
【００８５】
このように、本実施の形態において、酸化物半導体層を含むトランジスタを用いることにより、高機能な表示装置を提供することができる。
【００８６】
（実施の形態３）
本実施の形態では、本明細書に開示する駆動方法を用いたトランジスタを電子機器に適用する場合について、図８（Ａ）乃至図８（Ｃ）を用いて説明する。本実施の形態では、携帯電話機（携帯電話、携帯電話装置ともいう）、電子ペーパー、プロジェクタなどの電子機器に適用する場合について説明するが、本明細書に開示する駆動方法を用いたトランジスタの適用はこれらに限定されない。例えば、携帯情報端末（携帯型ゲーム機、音響再生装置なども含む）、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ等のカメラ、テレビジョン装置（テレビ、またはテレビジョン受信機ともいう）、パーソナルコンピューター、カーナビゲーション装置、電子手帳、タッチパネルなどの各種電子機器に適用可能であることは言うまでもない。
【００８７】
図８（Ａ）は、携帯電話機であり、筐体７４０と筐体７４１の２つの筐体で構成されている。さらに、筐体７４０と筐体７４１は、スライドし、図８（Ａ）のように展開している状態から重なり合った状態とすることができ、携帯に適した小型化が可能である。また、筐体７４１は、表示パネル７４２、スピーカー７４３、マイクロフォン７４４、ポインティングデバイス７４６、カメラ用レンズ７４７、外部接続端子７４８などを備えている。また、筐体７４０は、携帯電話機の充電を行う太陽電池セル７４９、外部メモリスロット７５０、光センサ７５１などを備えている。また、アンテナは、筐体７４１に内蔵されている。筐体７４０と筐体７４１の少なくとも一には、上述の実施の形態で説明した酸化物半導体を用いたトランジスタが含まれている。当該トランジスタのゲート電極に正のバイアス電圧を１０ｍｓｅｃ以上、好ましくは１０ｍｓｅｃ未満印加することで、光照射により変動した当該トランジスタの閾値電圧をほぼ光照射前の状態にすることができる。また、携帯電話機に搭載されている光センサ７５１によって、光の点灯や消灯を検知することができるため、酸化物半導体を用いたトランジスタに確実に光が照射されていないタイミングで、当該トランジスタのゲート電極に正のバイアス電圧を印加することができる。なお、光センサ７５１は、必要に応じて、電源をオンしてもオフしても良い。このため、光照射による電気特性の変動が最小限に抑えられ、且つ光照射されても表示品位の低下が抑制され、信頼性を十分に向上させた携帯電話機を実現することができる。
【００８８】
図８（Ｂ）は、電子ペーパーを実装した電子書籍７２０であり、筐体７２１と筐体７２３の２つの筐体で構成されている。筐体７２１および筐体７２３には、それぞれ表示部７２５および表示部７２７が設けられている。筐体７２１と筐体７２３は、軸部７３７により接続されており、該軸部７３７を軸として開閉動作を行うことができる。また、筐体７２１は、電源７３１、操作キー７３３、スピーカー７３５、光センサ７３９などを備えている。筐体７２１、筐体７２３の少なくとも一には、上述の実施の形態で説明した酸化物半導体を用いたトランジスタが含まれている。
【００８９】
電子書籍７２０の使用前後、使用中に関わらず、トランジスタがオフ状態の時に、当該トランジスタのゲート電極に正のバイアス電圧を１０ｍｓｅｃ以上、好ましくは１０ｍｓｅｃ未満印加することで、光照射により変動した当該トランジスタの閾値電圧をほぼ光照射前の状態にすることができる。トランジスタがオフ状態であるとは、表示部７２５および表示部７２７が、休止期間中の時や、表示部７２５および表示部７２７に黒画面を表示させている状態の時、また電子書籍７２０に、一定期間入出力動作がなく、表示部７２５および表示部７２７に自動的にアニメーション等を表示させている状態の時を含む。なお、基本的にトランジスタは遮光されているが、何らかの光漏れが生じ、電子書籍７２０のオン、オフを問わずトランジスタの酸化物半導体に光照射されることがある。しかしながら、電子書籍７２０に搭載されている光センサ７３９によって、光の点灯や消灯を検知することができるため、当該酸化物半導体に確実に光が照射されていないタイミングで、当該トランジスタのゲート電極に正のバイアス電圧を印加することができる。なお、光センサ７３９は、必要に応じて、電源をオンしてもオフしても良い。このため、光照射による電気特性の変動が最小限に抑えられ、且つ光照射されても表示品位の低下が抑制され、信頼性を十分に向上させた電子書籍を実現することができる。
【００９０】
図８（Ｃ）は、プロジェクタであり、筐体３１０１には、光源３１０２、ポラライジングコンバーター３１０３（ＰＬＣ）、複数の反射ミラー３１０４、赤色反射ダイクロイックミラー３１０５、緑色反射ダイクロイックミラー３１０６、赤色用液晶パネル３１０７、緑色用液晶パネル３１０８、青色用液晶パネル３１０９、クロスダイクロプリズム３１１０、シャッター３１１１などを備えている。また、図示していないが、プロジェクタは、光量や焦点を合わせるための光学系も備えている。光量は、光源の光照射時間に対応させて、当該プロジェクタが備える検出回路により検出することが可能である。光照射時間と光量は比例する。
【００９１】
赤色用液晶パネル３１０７、緑色用液晶パネル３１０８、青色用液晶パネル３１０９には、上述の実施の形態で説明した酸化物半導体を用いたトランジスタが含まれている。当該トランジスタは、赤色用液晶パネル３１０７、緑色用液晶パネル３１０８、青色用液晶パネル３１０９に内蔵されている。また、赤色用液晶パネル３１０７の少なくとも一つの画素には、撮像素子（フォトダイオード）を含んだ画素が搭載されている。同様に、緑色用液晶パネル３１０８の少なくとも一つの画素には、フォトダイオードを含んだ画素が搭載されている。同様に、青色用液晶パネル３１０９の少なくとも一つの画素には、フォトダイオードを含んだ画素が搭載されている。なお、フォトダイオードは、必要に応じて、駆動させても駆動させなくても良い。
【００９２】
図１１にフォトダイオードが組み込まれた画素１００２の詳しい構成を示す。点線で囲まれた領域が画素１００２である。画素１００２はスイッチング用ＴＦＴ１００４、液晶駆動用ＴＦＴ１００５、液晶素子１００６を有している。また図１１では画素１００２にコンデンサ１００７が設けられているが、コンデンサ１００７を設けなくとも良い。
【００９３】
スイッチング用ＴＦＴ１００４のゲート電極はゲート信号線Ｇに接続されている。そしてスイッチング用ＴＦＴ１００４のソース領域とドレイン領域は、一方がソース信号線Ｓに、もう一方が液晶駆動用ＴＦＴ１００５のゲート電極に接続されている。
【００９４】
液晶駆動用ＴＦＴ１００５のソース領域は電源供給線Ｖに接続されており、液晶駆動用ＴＦＴ１００５のドレイン領域は、液晶素子１００６に接続されている。コンデンサ１００７は液晶駆動用ＴＦＴ１００５のゲート電極と電源供給線Ｖとに接続して設けられている。
【００９５】
さらに画素１００２は、リセット用ＴＦＴ１０１０、バッファ用ＴＦＴ１０１１、選択用ＴＦＴ１０１２、フォトダイオード１０１３を有している。
【００９６】
リセット用ＴＦＴ１０１０のゲート電極はリセット用ゲート信号線ＲＧに接続されている。リセット用ＴＦＴ１０１０のソース領域はセンサ用電源線ＶＢに接続されている。センサ用電源線ＶＢは常に一定の電位（基準電位）に保たれている。またリセット用ＴＦＴ１０１０のドレイン領域はフォトダイオード１０１３及びバッファ用ＴＦＴ１０１１のゲート電極に接続されている。
【００９７】
バッファ用ＴＦＴ１０１１のドレイン領域はセンサ用電源線ＶＢに接続されており、常に一定の基準電位に保たれている。そしてバッファ用ＴＦＴ１０１１のソース領域は選択用ＴＦＴ１０１２のソース領域又はドレイン領域に接続されている。選択用ＴＦＴ１０１２のゲート電極はセンサ用ゲート信号線ＳＧに接続されている。そして選択用ＴＦＴ１０１２のソース領域とドレイン領域は、一方は上述したとおりバッファ用ＴＦＴ１０１１のソース領域に接続されており、もう一方はセンサ出力配線ＳＳに接続されている。センサ出力配線ＳＳは定電流電源１００３に接続されており、常に一定の電流が流れている。
【００９８】
図１１には示されていないが、フォトダイオード１０１３はＮ型半導体層と、Ｐ型半導体層と、Ｎ型半導体層とＰ型半導体層の間に設けられた光電変換層とを有している。リセット用ＴＦＴ１０１０のドレイン領域は、具体的にはフォトダイオード１０１３のＰ型半導体層又はＮ型半導体層に接続されている。
【００９９】
なお、図８（Ｃ）に示されている開閉可能な遮光手段として機能するシャッター３１１１は、ポラライジングコンバーター３１０３（ＰＬＣ）に隣接して配置され、光源３１０２から射出した光を遮断することにより、酸化物半導体を用いたトランジスタをリフレッシュするために設けられている。プロジェクタがオンし、シャッター３１１１が開いている時、光源３１０２から射出した光は、赤色反射ダイクロイックミラー３１０５、緑色反射ダイクロイックミラー３１０６等を経由して、赤色用液晶パネル３１０７、緑色用液晶パネル３１０８、青色用液晶パネル３１０９に照射し続ける。なお、プロジェクタがオンし、シャッター３１１１が閉じている時や、プロジェクタがオフしている時は、基本的にトランジスタは遮光されている。従って、プロジェクタの使用中であってもシャッター３１１１が閉じている時に、当該トランジスタのゲート電極に正のバイアス電圧を１０ｍｓｅｃ以上、好ましくは１０ｍｓｅｃ未満印加することで、光照射により変動した当該トランジスタの閾値電圧をほぼ光照射前の状態にすることができる。シャッターの開閉のタイミングに合わせて、当該トランジスタをリフレッシュさせる回路をプロジェクタに搭載することで、正常にプロジェクタを動作させる事ができる。本実施の形態において、トランジスタをリフレッシュさせるとは、光照射により変動した当該トランジスタの閾値電圧をほぼ光照射前の状態にすることを意味するものとする。
【０１００】
なお、フォトダイオード１０１３が、各液晶パネルの少なくとも一つの画素に組み込まれることで、光源３１０２から射出した光や、何らかの光漏れが生じ予期せぬ光が、赤色用液晶パネル３１０７、緑色用液晶パネル３１０８、青色用液晶パネル３１０９に入射した場合であっても、それらの光の点灯や消灯を、確実にフォトダイオード１０１３により検知することができる。従って、酸化物半導体に確実に光が照射されていないタイミングで、当該トランジスタのゲート電極に正のバイアス電圧を印加することができる。このため、光照射による電気特性の変動が最小限に抑えられ、且つ光照射されても表示品位の低下が抑制され、信頼性を十分に向上させたプロジェクタを実現することができる。
【実施例１】
【０１０１】
本実施例では、実施の形態１で例示したトランジスタのゲート電極に対して印加する正のバイアス電圧の印加条件を変化させた場合における光応答特性に関して、実験に基づく測定結果から更に詳細な説明を行う。
【０１０２】
正のバイアス電圧の印加時間を変化させ、光照射前後の光応答特性を測定した。具体的には、正のバイアス電圧の印加時間を変化させることで、光照射前後の光応答特性の測定結果はどのように変化するのか、また光照射されて変動した酸化物半導体を用いたトランジスタの電気特性をほぼ光照射前の状態にするための、当該トランジスタのゲート電極に対して印加する正のバイアス電圧の印加時間の限界値はどの程度か、について測定した。なお測定条件は上述した実施の形態１と同様であるため、詳細については、実施の形態１の記載を参酌することができる。
【０１０３】
上述したトランジスタ３１０を用いて、光応答特性の測定を行った。図７に、光照射前後の光応答特性（光電流−時間特性）の測定結果を示す。図７において、縦軸を光電流値、横軸を時刻としている。なお、測定対象の酸化物半導体を用いたトランジスタのゲート電極に印加するバイアス電圧は＋２０Ｖ、ソース電極に印加するバイアス電圧は０Ｖ、ドレイン電極に印加するバイアス電圧は０．１Ｖである。正のバイアス電圧の印加時間を、５００ｍｓｅｃ、１００ｍｓｅｃ、１０ｍｓｅｃ、１ｍｓｅｃ、１００μｓｅｃ、１０μｓｅｃ、の６段階で変化させて測定を行った。図７（Ａ）は、印加時間５００ｍｓｅｃ、図７（Ｂ）は、印加時間１００ｍｓｅｃ、図７（Ｃ）は、印加時間１０ｍｓｅｃ、図７（Ｄ）は、印加時間１ｍｓｅｃ、図７（Ｅ）は、印加時間１００μｓｅｃ、図７（Ｆ）は、印加時間１μｓｅｃにおける、光照射前後の光応答特性の測定結果をそれぞれ示している。
【０１０４】
図７（Ａ）乃至（Ｃ）に示すように、すなわち印加時間が１０ｍｓｅｃ以上５００ｍｓｅｃ以下の範囲において、正のバイアス電圧印加後の光電流の値は、光照射前の光電流の値と、ほぼ等しくなった。従って、光照射後の光電流の値は、印加時間が１０ｍｓｅｃ以上５００ｍｓｅｃ以下の範囲であれば、光照射前の光電流の値になることがわかった。
【０１０５】
図７（Ｄ）に示すように、印加時間が１ｍｓｅｃの時、正のバイアス電圧の印加後の光電流の値は、極めて小さい値を取るものの、光照射前の光電流の値と比べて差があった。つまり、印加時間を１ｍｓｅｃ以下にすると、正のバイアス電圧印加後の光電流の値を、光照射前の光電流の値にすることができないことがわかった。
【０１０６】
図７（Ｅ）に示すように、印加時間が１００μｓｅｃの時、正のバイアス電圧印加後の光電流の値は、印加時間１ｍｓｅｃ後の光電流の値と比べて大きくなった。光照射前の光電流の値との差は、時間の経過と共に徐々に広がり、第２の光応答における影響が、正のバイアス電圧を印加することで得られる影響よりも徐々に強くなっていることがわかった。
【０１０７】
図７（Ｆ）において、印加時間が１０μｓｅｃの時、正のバイアス電圧印加後の光電流の値は、印加時間１００μｓｅｃ後の光電流の値と比べて大きくなった。光照射前の光電流の値との差は、時間の経過と共に更に広がり、第２の光応答における影響が、正のバイアス電圧を印加することで得られる影響よりも更に強くなっていることがわかった。
【０１０８】
これより、正のバイアス電圧の印加時間を変化させることで、光照射前後の光応答特性の測定結果は変化することがわかった。印加時間が短くなるにつれて、当該トランジスタの電気特性は不安定になる。従って正のバイアス電圧を印加しても、光照射されて変動した当該トランジスタの電気特性を光照射前の状態にする事は不可能な場合もあることがわかった。
【０１０９】
また、光照射されて変動した当該トランジスタの電気特性をほぼ光照射前の状態にするために、当該トランジスタのゲート電極に対して印加する正のバイアス電圧の印加時間の限界値は１ｍｓｅｃであることがわかった。すなわち印加時間が、１ｍｓｅｃ以下になると、当該トランジスタの電気特性を変動させる要因となっている第２の光応答の影響が、正のバイアス電圧を印加することで得られる影響よりも強くなってしまう。
【０１１０】
従って、光照射後に変動した当該トランジスタの電気特性を、ほぼ光照射前の状態にするためには、当該トランジスタのゲート電極に対して印加する正のバイアス電圧の印加時間は、極めて重要な要因になることがわかった。
【０１１１】
これより、光照射による電気特性の劣化を抑制するためには、正のバイアス電圧を１０ｍｓｅｃ以上印加することが重要であることが確認できた。なお、正のバイアス電圧の印加時間は１０ｍｓｅｃ以上であれば良く、使用環境により長時間の正のバイアス電圧の印加がトランジスタの電気特性を変化させるおそれがある場合には、トランジスタの電気特性が変化しない時間、例えば、１ｓｅｃ以内とすることが好ましい。また、印加電圧については＋２０Ｖだけでなく、＋０．１〜＋５０Ｖの正のバイアス電圧を用いることができる。当該方法で正のバイアス電圧を印加することができれば、光照射されて変動した当該トランジスタの電気特性を正のバイアス電圧を印加する度毎にほぼ光照射前の状態にすることが可能になる。すなわち電気特性の変動を最小限に抑えることによって酸化物半導体を用いたトランジスタの信頼性を向上させることができる。結果として、光照射されても表示品位の低下が抑制された表示装置を提供することができる。
【実施例２】
【０１１２】
本実施例では、酸化物半導体を用いたトランジスタのゲート電極に対して印加する正のバイアス電圧の印加時間と、光電流の回復率の関係に関して、実験に基づく測定結果から更に詳細な説明を行う。図９及び図１０では、正のバイアス電圧の印加時間を、５００ｍｓｅｃ、１００ｍｓｅｃ、１０ｍｓｅｃ、１ｍｓｅｃ、１００μｓｅｃ、１０μｓｅｃ、１μｓｅｃ、と変化させ、印加時間毎の緩和電流割合をそれぞれ測定した結果を示している。なお、縦軸を緩和電流割合、横軸を印加時間としている。図９は、チャネル長（Ｌ）３０μｍ、チャネル幅（Ｗ）１００００μｍのトランジスタ（実施の形態１及び実施例１で例示したトランジスタ）を用いて測定した緩和電流割合を示し、図１０は、チャネル長（Ｌ）３μｍ、チャネル幅（Ｗ）５０μｍのトランジスタを用いて測定した緩和電流割合を示している。
【０１１３】
なお、測定対象の酸化物半導体を用いたトランジスタのゲート電極に印加するバイアス電圧は＋２０Ｖであり、ソース電極には０Ｖ、ドレイン電極には０．１Ｖが印加されている。なお測定条件は上述した実施例１と同様であるため、詳細については、実施例１の記載を参酌することができる。
【０１１４】
なお、光電流の回復率は、緩和電流割合から推察することが可能である。緩和電流割合は、次式により算出できる。緩和電流割合＝（正のバイアス電圧を印加した直後の光電流値／正のバイアス電圧を印加する直前の光電流値）。緩和電流割合が大きいほど、光電流の回復率は悪いことを示し、緩和電流割合が小さいほど、光電流の回復率は良いことを示している。例えば、本明細書において緩和電流割合が５０％であるとは、光照射によるトランジスタの電気特性の劣化を半分に抑制できることを意味する。
【０１１５】
図９に示すように、チャネル長（Ｌ）３０μｍ、チャネル幅（Ｗ）１００００μｍのトランジスタでは、印加時間が、１００μｓｅｃの時、緩和電流割合は５７．９％になる。図１０に示すように、チャネル長（Ｌ）３μｍ、チャネル幅（Ｗ）５０μｍのトランジスタでは、印加時間が、１００μｓｅｃの時、緩和電流割合は４６．９％になる。なお、トランジスタのチャネル長（Ｌ）及びチャネル幅（Ｗ）は特に限定していない。
【０１１６】
また、図９に示すように、チャネル長（Ｌ）３０μｍ、チャネル幅（Ｗ）１００００μｍのトランジスタでは、印加時間が、１０ｍｓｅｃの時、緩和電流割合は２４．７％になる。図１０に示すように、チャネル長（Ｌ）３μｍ、チャネル幅（Ｗ）５０μｍのトランジスタでは、印加時間が、１０ｍｓｅｃの時、緩和電流割合は７．９３％になる。
【０１１７】
従って、図９及び図１０より酸化物半導体を用いたトランジスタのゲート電極に印加するバイアス電圧印加時間が、１００μｓｅｃの時、緩和電流割合は５０％程度であり、光照射によるトランジスタの電気特性の劣化を半分に抑制できることがわかった。また、酸化物半導体を用いたトランジスタのゲート電極に印加するバイアス電圧印加時間が、１０ｍｓｅｃの時、緩和電流割合は１０％〜２０％程度であり、光照射されて変動したトランジスタの電気特性をほぼ光照射前の状態にすることが可能であることがわかった。
【産業上の利用可能性】
【０１１８】
本発明の一態様は、照明手段（バックライトなど）を有する表示装置、発光素子を有する表示装置、光センサとその信号処理回路を有するセンサ装置など、トランジスタによって回路が構成され当該トランジスタに光が照射され得る半導体装置に適用することができる。
【符号の説明】
【０１１９】
１１    点
１２    点
１３    点
１４    点
５１    期間
５２    期間
５３    期間
５４    期間
３００    ガラス基板
３０１    ゲート電極層
３０２    ゲート絶縁層
３０３    酸化物半導体層
３０５ａ    ソース電極層
３０５ｂ    ドレイン電極層
３０７    絶縁層
３１０    トランジスタ
３１１    下地膜
４００    基板
４０１    ゲート電極層
４０２    ゲート絶縁層
４０３    酸化物半導体層
４０６ａ    ソース電極層
４０６ｂ    ドレイン電極層
４０９    保護絶縁層
４１０    トランジスタ
４１１    絶縁層
４２０    トランジスタ
４２７    絶縁層
４３０    トランジスタ
４３６ａ    配線層
４３６ｂ    配線層
４３７    絶縁層
４４０    トランジスタ
７２０    電子書籍
７２１    筐体
７２３    筐体
７２５    表示部
７２７    表示部
７３１    電源
７３３    操作キー
７３５    スピーカー
７３７    軸部
７３９    光センサ
７４０    筐体
７４１    筐体
７４２    表示パネル
７４３    スピーカー
７４４    マイクロフォン
７４６    ポインティングデバイス
７４７    カメラ用レンズ
７４８    外部接続端子
７４９    太陽電池セル
７５０    外部メモリスロット
７５１    光センサ
１００３    定電流電源
３１０１    筐体
３１０２    光源
３１０３    ポラライジングコンバーター
３１０４    反射ミラー
３１０５    赤色反射ダイクロイックミラー
３１０６    緑色反射ダイクロイックミラー
３１０７    赤色用液晶パネル
３１０８    緑色用液晶パネル
３１０９    青色用液晶パネル
３１１０    クロスダイクロプリズム
【図１】
0005923279.tif 000002
【図２】
0005923279.tif 000003
【図３】
0005923279.tif 000004
【図４】
0005923279.tif 000005
【図５】
0005923279.tif 000006
【図６】
0005923279.tif 000007
【図７】
0005923279.tif 000008
【図８】
0005923279.tif 000009
【図９】
0005923279.tif 000010
【図１０】
0005923279.tif 000011
【図１１】
0005923279.tif 000012