(57)【要約】【課題】感度、耐電圧、及び空間分解能が高い静電センサ装置を提供する。【解決手段】静電センサ装置は、前側に配置された測定対象物の帯電を測定する。静電センサ装置は、センサ酸化物半導体ＴＦＴと、前記センサ酸化物半導体ＴＦＴを制御するコントローラと、を含む。前記センサ酸化物半導体ＴＦＴは、酸化物半導体活性層と、前記酸化物半導体活性層に接続されたソース電極と、前記酸化物半導体活性層に接続されたドレイン電極と、前記酸化物半導体活性層の後ろ側のゲート電極と、前記ゲート電極と前記酸化物半導体活性層との間のゲート絶縁層と、を含む。前記コントローラは、前記ゲート電極に駆動電圧を与えた状態で、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間を流れる電流の、基準電流に対する増減を測定し、前記増減の方向に基づいて前記測定対象物の帯電極性を決定する。【選択図】図１Ａ
2019113325.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
前側に配置された測定対象物の帯電を測定する静電センサ装置であって、
センサ酸化物半導体ＴＦＴと、
前記センサ酸化物半導体ＴＦＴを制御するコントローラと、を含み、
前記センサ酸化物半導体ＴＦＴは、
酸化物半導体活性層と、
前記酸化物半導体活性層に接続されたソース電極と、
前記酸化物半導体活性層に接続されたドレイン電極と、
前記酸化物半導体活性層の後ろ側のゲート電極と、
前記ゲート電極と前記酸化物半導体活性層との間のゲート絶縁層と、
を含み、
前記コントローラは、
前記ゲート電極に駆動電圧を与えた状態で、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間を流れる電流の、基準電流に対する増減を測定し、
前記増減の方向に基づいて前記測定対象物の帯電極性を決定する、
静電センサ装置。
【請求項２】
請求項１に記載の静電センサ装置であって、
前記コントローラは、前記増減の方向及び量に基づいて、前記測定対象物の帯電による静電界強度を決定する、
静電センサ装置。
【請求項３】
請求項１に記載の静電センサ装置であって、
前記センサ酸化物半導体ＴＦＴは、
前記酸化物半導体活性層の前側の、フローティング状態の導体層と、
前記導体層と前記酸化物半導体活性層との間の絶縁層と、をさらに含む、
静電センサ装置。
【請求項４】
請求項１に記載の静電センサ装置であって、
前記酸化物半導体活性層の材料はＩｎＧａＺｎＯである、
静電センサ装置。
【請求項５】
請求項１に記載の静電センサ装置であって、
前記センサ酸化物半導体ＴＦＴは基板上にあり、
前記ゲート電極は、前記酸化物半導体活性層と前記基板との間に形成されている、
静電センサ装置。
【請求項６】
請求項１に記載の静電センサ装置であって、
さらに、スイッチとして動作する第２酸化物半導体ＴＦＴを含み、
前記第２酸化物半導体ＴＦＴは、
第２酸化物半導体活性層と、
前記第２酸化物半導体活性層に接続された第２ソース電極と、
前記第２酸化物半導体活性層に接続された第２ドレイン電極と、
前記第２酸化物半導体活性層の前側の第３電極と、
前記第３電極と前記第２酸化物半導体活性層との間の第２絶縁層と、を含み、
前記コントローラは、
前記測定対象物の帯電の測定において、前記第３電極に所定の電圧を与える、
静電センサ装置。
【請求項７】
請求項６に記載の静電センサ装置であって、
前記第２酸化物半導体ＴＦＴは、
前記第２酸化物半導体活性層の後ろ側の、第２ゲート電極と、
前記第２ゲート電極と前記第２酸化物半導体活性層との間の第２ゲート絶縁層と、をさらに含み、
前記コントローラは、前記測定対象物の帯電の測定において、前記第３電極に一定電圧を与える、
静電センサ装置。
【請求項８】
前側に配置された測定対象物の帯電を測定する静電センサ装置であって、
基板上に配列されている複数のセンサ酸化物半導体ＴＦＴと、
前記複数のセンサ酸化物半導体ＴＦＴそれぞれを選択するための、前記基板上の複数のスイッチ酸化物半導体ＴＦＴと、
前記複数のセンサ酸化物半導体ＴＦＴ及び前記複数のスイッチ酸化物半導体ＴＦＴを制御するコントローラと、を含み、
前記複数のセンサ酸化物半導体ＴＦＴのそれぞれは、
第１酸化物半導体活性層と、
前記第１酸化物半導体活性層に接続された第１ソース電極と、
前記第１酸化物半導体活性層に接続された第１ドレイン電極と、
前記第１酸化物半導体活性層の後ろ側の、第１ゲート電極と、
前記第１ゲート電極と前記第１酸化物半導体活性層との間の第１ゲート絶縁層と、
を含み、
前記複数のスイッチ酸化物半導体ＴＦＴのそれぞれは、
第２酸化物半導体活性層と、
前記第２酸化物半導体活性層に接続された第２ソース電極と、
前記第２酸化物半導体活性層に接続された第２ドレイン電極と、
前記第２酸化物半導体活性層の前側の、第３電極と、
前記第３電極と前記第２酸化物半導体活性層との間の第２絶縁層と、を含み、
前記コントローラは、
前記測定対象物の帯電の測定において、前記第３電極に所定の電圧を与え、
前記複数のスイッチ酸化物半導体ＴＦＴを制御して、前記複数のセンサ酸化物半導体ＴＦＴを順次選択し、
順次選択された前記複数のセンサ酸化物半導体ＴＦＴの前記第１ゲート電極に駆動電圧を与えた状態で、前記第１ソース電極と前記第１ドレイン電極との間を流れる電流の、基準電流に対する増減を測定し、
前記増減の方向及び量に基づいて、前記測定対象物の帯電による静電界強度を決定する、
静電センサ装置。
【請求項９】
請求項８に記載の静電センサ装置であって、
前記複数のスイッチ酸化物半導体ＴＦＴのそれぞれは、
前記第２酸化物半導体活性層の後ろ側の、第２ゲート電極と、
前記第２ゲート電極と前記第２酸化物半導体活性層との間の第２ゲート絶縁層と、をさらに含み、
前記コントローラは、前記測定対象物の帯電の測定において、前記第３電極に一定電圧を与える、
静電センサ装置。
【請求項１０】
請求項８に記載の静電センサ装置であって、
前記複数のセンサ酸化物半導体ＴＦＴのそれぞれは、
前記第１酸化物半導体活性層の前側の、フローティング状態の導体と、
前記導体と前記第１酸化物半導体活性層との間の絶縁層と、をさらに含む、
静電センサ装置。
【請求項１１】
請求項８に記載の静電センサ装置であって、
前記複数のスイッチ酸化物半導体ＴＦＴのそれぞれの前記第３電極は、複数の開口を有し、連続する共通導体層の一部であり、
前記複数の開口は、それぞれ、前記測定対象物の帯電による電界が通過するように、前記複数のセンサ酸化物半導体ＴＦＴの前側に位置している、
静電センサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、静電センサ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
感光ドラムの表面電位の測定や、電子デバイスの製造工程における製造物の帯電の測定等において、静電センサ装置（表面電位センサ装置）が利用されている。静電センサ装置は、帯電している測定対象物による電界を測定し、その値を表面電位に変換する。一般的な静電センサ装置は、検出電極と開閉するチョッパとを含み、測定対象物からの電界により検出電極に流れる電流を測定する。
【０００３】
また、特開２０１２−４３４１１号公報（特許文献１）は、パネルに接触状態又は非接触の帯電体（例えば指）の動きを感知する薄膜帯電センサを開示している。特開２０１２−４３４１１号公報は、さらに、薄膜帯電センサに酸化物半導体からなる活性層を含めることを開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−４３４１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述のように、特定の分野において、表面電位のような帯電体の帯電状態を測定することが求められる。測定対象物の帯電状態を正確に測定するためには、感度、耐電圧、及び空間分解能が高い静電センサ装置が望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示の一態様は、前側に配置された測定対象物の帯電を測定する静電センサ装置であって、センサ酸化物半導体ＴＦＴと、前記センサ酸化物半導体ＴＦＴを制御するコントローラと、を含み、前記センサ酸化物半導体ＴＦＴは、酸化物半導体活性層と、前記酸化物半導体活性層に接続されたソース電極と、前記酸化物半導体活性層に接続されたドレイン電極と、前記酸化物半導体活性層の後ろ側のゲート電極と、前記ゲート電極と前記酸化物半導体活性層との間のゲート絶縁層と、を含み、前記コントローラは、前記ゲート電極に駆動電圧を与えた状態で、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間を流れる電流の、基準電流に対する増減を測定し、前記増減の方向に基づいて前記測定対象物の帯電極性を決定する。
【発明の効果】
【０００７】
本開示の一態様によれば、感度、耐電圧、及び空間分解能が高い静電センサ装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１Ａ】本開示の静電センサ装置の構成例を模式的に示す。
【図１Ｂ】本開示の静電センサ装置の構成例を模式的に示す。
【図１Ｃ】正に帯電した測定対象物がセンサ酸化物半導体ＴＦＴの前側に配置されている例を示す。
【図２Ａ】デュアルゲート構造を有する酸化物半導体ＴＦＴにおける、ソース−ドレイン電流と、ボトムゲート電圧との関係に対する、トップゲート電圧の影響を示す測定データである。
【図２Ｂ】図２Ａから抽出したデータであって、１２Ｖのゲート電圧における、トップゲート電極の電圧とドレイン電流との関係を示している。
【図３】測定されたセンサ酸化物半導体ＴＦＴの構成及び測定対象物を模式的に示している。
【図４Ａ】正に帯電したアクリル棒と負に帯電したＰＴＦＥ棒を使用したソース−ドレイン電流Ｉｄｓの測定結果を示す。
【図４Ｂ】負に帯電したＰＴＦＥ棒と除電したＰＴＦＥ棒とによる、センサ酸化物半導体ＴＦＴのドレイン電流Ｉｄの変化を測定した結果を示している。
【図５Ａ】正に帯電したアクリル棒と負に帯電したＰＴＦＥ棒を使用したドレイン電流Ｉｄの測定結果を示す。
【図５Ｂ】測定対象物をセンサ酸化物半導体ＴＦＴから異なる位置に配置して、ドレイン電流Ｉｄの変化を測定する方法を模式的に示す。
【図５Ｃ】測定対象物をセンサ酸化物半導体ＴＦＴから異なる位置に配置して、ドレイン電流Ｉｄの変化の測定結果を示す。
【図６Ａ】測定したデュアルゲート構造の酸化物半導体ＴＦＴの構成例を模式的に示す。
【図６Ｂ】デュアルゲート構造の酸化物半導体ＴＦＴにおける、ボトムゲート電圧とドレイン電流との関係の、トップゲート電圧への依存性を示す。
【図７Ａ】フローティング状態のトップゲート電極を有する酸化物半導体ＴＦＴの構成例を示す。
【図７Ｂ】フローティング状態のトップゲート電極を有する酸化物半導体ＴＦＴの測定データを示す。
【図８Ａ】０Ｖの駆動電圧を与えられたトップゲート電極を有する酸化物半導体ＴＦＴの構成例を示す。
【図８Ｂ】０Ｖの駆動電圧を与えられたトップゲート電極を有する酸化物半導体ＴＦＴの測定データを示す。
【図９Ａ】デュアルゲート構造を有するセンサ酸化物半導体ＴＦＴの構成例を示す断面図である。
【図９Ｂ】トップゲート電極を有するセンサ酸化物半導体ＴＦＴの構成例を示す平面図である。
【図９Ｃ】トップゲート電極を有するセンサ酸化物半導体ＴＦＴの構成例を示す平面図である。
【図９Ｄ】トップゲート電極を有するセンサ酸化物半導体ＴＦＴの構成例を示す平面図である。
【図１０Ａ】デュアルゲート構造を有するセンサ酸化物半導体ＴＦＴの構成例を示す断面図である。
【図１０Ｂ】異なる大きさのアンテナ電極に接続したセンサ酸化物半導体ＴＦＴにおける、アンテナ電極―測定対象物間距離に対するドレイン電流の測定結果を示すグラフである。
【図１１】二次元に配列されたセンサ酸化物半導体ＴＦＴを含む、静電センサアレイ装置の構成例を模式的に示す。
【図１２】二次元に配列されたセンサ酸化物半導体ＴＦＴを含む、静電センサアレイ装置の他の構成例を模式的に示す。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、添付図面を参照して実施形態を説明する。実施形態は本開示を実現するための一例に過ぎず、本開示の技術的範囲を限定するものではない。各図において共通の構成については同一の参照符号が付されている。説明をわかりやすくするため、図示した物の寸法、形状については、誇張して記載している場合もある。
【００１０】
［実施形態１］
図１Ａ及び１Ｂは、本開示の静電センサ装置の構成例を模式的に示す。静電センサ装置は、絶縁基板１１上に形成されているセンサ酸化物半導体ＴＦＴ１及びセンサ酸化物半導体ＴＦＴ１を制御するコントローラ２を含む。静電センサ装置は、センサ酸化物半導体ＴＦＴ１の前側に配置されている測定対象物の帯電を測定する。
【００１１】
図１Ａは、正電荷３１を帯電している測定対象物を測定している静電センサ装置を模式的に示し、図１Ｂは、負電荷３２を帯電している測定対象物を測定している静電センサ装置を模式的に示している。
【００１２】
以下の説明において、センサ酸化物半導体ＴＦＴ１に対して、測定対象物が配置される側を前側と呼ぶ。図１Ａ、１Ｂの例において、センサ酸化物半導体ＴＦＴ１に対して、絶縁基板１１の反対側が前側である。また、センサ酸化物半導体ＴＦＴ１の構成要素の位置関係において、絶縁基板１１側を下側と呼び、その反対側を上側と呼ぶ。
【００１３】
センサ酸化物半導体ＴＦＴ１は、積層構造を有している。センサ酸化物半導体ＴＦＴ１は、絶縁基板１１上に形成されているゲート電極１２及びゲート電極１２上のゲート絶縁層（ゲート絶縁膜）１３、ゲート絶縁層１３上の酸化物半導体層１４を含む。酸化物半導体層１４は酸化物半導体で構成されている半導体活性層（酸化物半導体活性層）である。
【００１４】
図１Ａ、１Ｂが示す例は、ボトムゲート構造を有しており、ゲート電極１２は、酸化物半導体層１４の下側に存在する。つまり、測定対象物は酸化物半導体層１４の前側に配置され、ゲート電極１２は酸化物半導体層１４の後ろ側に存在する。
【００１５】
センサ酸化物半導体ＴＦＴ１は、さらに、ゲート絶縁層１３上のソース電極１５及びドレイン電極１６を含む。ソース電極１５及びドレイン電極１６は、酸化物半導体層１４に接続されている。島状の酸化物半導体層１４の上面の一部に接するようにソース電極１５及びドレイン電極１６が形成されている。
【００１６】
ゲート絶縁層１３は、ゲート電極１２の全面を覆うように形成されている。ゲート絶縁層１３は、酸化物半導体層１４との間、並びに、ゲート電極１２とソース電極１５及びドレイン電極１６との間に形成されている。
【００１７】
パッシベーション層（パッシベーション膜）１７が酸化物半導体層１４上に形成されている。図１Ａ、１Ｂの例において、パッシベーション層１７は、酸化物半導体層１４の上面、並びに、ソース電極１５及びドレイン電極１６の上面を覆っている。
【００１８】
絶縁基板１１は、例えば、ガラス又は樹脂で形成されている。ゲート電極１２は導体であり、金属又は不純物ドープされたシリコンで形成することができる。ゲート絶縁層１３は、例えば、シリコン熱酸化物又は窒化シリコンで形成される。酸化物半導体層１４を構成する酸化物半導体の例は、非晶質ＩｎＧａＺｎＯ（ａ−ＩｎＧａＺｎＯ）や微結晶ＩｎＧａＺｎＯである。この他、ａ−ＩｎＳｎＺｎＯ、ａ−ＩｎＧａＺｎＳｎＯ、ＺｎＯ等の酸化物半導体を使用することができる。
【００１９】
ソース電極１５及びドレイン電極１６は、それぞれ導体であり、例えば、Ｍｏ、ＴｉやＴａ等の高融点金属又それらの合金で形成することができる。パッシベーション層１７は、無機又は有機絶縁体である。図１Ａ、１Ｂの例において、パッシベーション層１７は単層であるが、後述するように、複数層で構成されていてもよい。一例において、パッシベーション層１７の誘電率は、ゲート絶縁層１３の誘電率よりも高い。パッシベーション層１７を高誘電材料で形成することで、センサ酸化物半導体ＴＦＴ１の感度を高めることができる。
【００２０】
図１Ａ、１Ｂに示す構成例は、ボトムゲート構造を有する。これと異なり、センサ酸化物半導体ＴＦＴ１は、トップゲート構造を有してもよい。図１Ｃは、トップゲート構造を有する酸化物半導体ＴＦＴ１の構成例を示す。トップゲート構造を有する酸化物半導体ＴＦＴ１は、ボトムゲート電極１２に代えて、酸化物半導体層１４の上側に、トップゲート電極１９を有している。
【００２１】
トップゲート電極１９と、酸化物半導体層１４、並びに、ソース電極１５及びドレイン電極１６との間には、上部ゲート絶縁層３４が形成されている。図１Ｃの構成例は、さらに、絶縁基板１１と酸化物半導体層１４、ソース電極１５及びドレイン電極１６との間に、下部絶縁層３３を有する。絶縁基板１１や下部絶縁層３３を高誘電率材料で形成することで、センサ酸化物ＴＦＴ１の感度を高めることができる。
【００２２】
トップゲート構造を有するセンサ酸化物半導体ＴＦＴ１の前側は、基板１１の側である。つまり、測定対象物は、酸化物半導体層１４に対して、トップゲート電極１９と反対側に配置される。図１Ｃは、正に帯電した測定対象物がセンサ酸化物半導体ＴＦＴ１の前側に配置されている例を示す。
【００２３】
コントローラ２は、所定の機能を実行するようにアナログ回路及びデジタル回路により、構成される。コントローラ２の機能の一部は、メモリに格納されているプログラムを実行するプロセッサにより実現されてもよい。
【００２４】
コントローラ２は、センサ酸化物半導体ＴＦＴ１を駆動する駆動部２１と、測定対象物の帯電により変化するセンサ酸化物半導体ＴＦＴ１の特性値を測定する測定部２３とを含む。駆動部２１は、ゲート電極１２に駆動電圧を与え、ソース電極１５とドレイン電極１６との間に駆動電圧を与える。測定部２３は、特性値の変化から、予め設定されている方法により、測定対象物の帯電を測定する。
【００２５】
具体的には、駆動部２１は、所定のソース−ドレイン電圧Ｖｓｄ及び所定のゲート電圧Ｖｇをセンサ酸化物半導体ＴＦＴ１に与える。駆動部２１は、例えば、ソース−ドレイン電圧Ｖｓｄ及びゲート電圧Ｖｇを、それぞれ、規定値に維持する。ゲート電圧Ｖｇは０Ｖでもよい。所定のソース−ドレイン電圧Ｖｓｄ及び所定のゲート電圧Ｖｇが与えられているセンサ酸化物半導体ＴＦＴ１において、測定部２３は、ソース電極１５とドレイン電極１６との間を流れる電流（ソース−ドレイン電流）Ｉｓｄを測定する。
【００２６】
ソース−ドレイン電流Ｉｓｄは、酸化物半導体層１４においてソース電極１５とドレイン電極１６との間を流れる電流である。酸化物半導体層１４のソース電極１５とドレイン電極１６との間部分をチャネル部とも呼ぶ。測定部２３は、ソース電極１５又はドレイン電極１６に流れる電流を測定することで、ソース−ドレイン電流Ｉｓｄを測定できる。
【００２７】
酸化物半導体ＴＦＴのソース−ドレイン電流Ｉｓｄは、酸化物半導体層１４の前側についてゲート電極１２と反対側に配置されている測定対象物による静電界（表面電位）に応じて、大きな変化を示す。コントローラ２は、このような特性を有する酸化物半導体ＴＦＴ１により、測定対象物の帯電を適切に測定することができる。
【００２８】
測定部２３は、測定対象物による影響を受けていない状態で、ソース−ドレイン電流Ｉｓｄの基準値を測定する。測定対象物は、酸化物半導体ＴＦＴ１の前側に、特定の距離において配置される。測定対象物は、酸化物半導体ＴＦＴ１と接触していてもよく、離れていてもよい。酸化物半導体ＴＦＴ１と測定対象物との間の距離により測定結果が変化するため、測定対象物は、酸化物半導体ＴＦＴ１から予め決められた距離に設置される。
【００２９】
測定部２３は、測定対象物に対して所定位置にある酸化物半導体ＴＦＴ１において、ソース−ドレイン電流Ｉｓｄを測定する。測定部２３は、ソース−ドレイン電流Ｉｓｄの基準値と測定値とを比較する。
【００３０】
ソース−ドレイン電流Ｉｓｄの測定値は、測定対象物の帯電極性に応じて、基準値から減少又は増加する。一例において、測定部２３は、ソース−ドレイン電流Ｉｓｄの測定値の基準値に対する増減に基づき、測定対象物の帯電極性を決定する。帯電極性と測定値の増減方向との関係は、測定部２３内に予め設定されている。測定部２３は、その測定経過を不図示の表示デバイスにおいて表示する。
【００３１】
他の例において、測定部２３は、測定対象物の帯電極性を含む、測定対象物による静電界強度を測定する。測定部２３は、ソース−ドレイン電流Ｉｓｄの測定値の、基準値に対する増減の方向及び量に基づいて、測定対象物による静電界強度を決定する。静電界強度は、正及び負の値を取り得、極性及び大きさを示す。
【００３２】
静電界強度は、例えば、測定対象物の表面電位で表わされる。測定部２３は、測定値の基準値に対する増減量（測定値と基準値との差）と、静電界強度と、を関係付ける情報を予め保持している。当該情報は、既知の複数の静電界強度に対するソース−ドレイン電流Ｉｄｓを測定すること（キャリブレーション）で得られる。増減量は、増減の方向及び量を示す。測定部２３は、測定された静電界強度を不図示の表示デバイスにおいて表示する。
【００３３】
上述のように、酸化物半導体ＴＦＴにより、感度、耐電圧、及び空間分解能が高い静電センサを構成することができる。本開示の静電センサ装置は、酸化物半導体ＴＦＴ１の帯電した測定対象物によるソース−ドレイン電流の変化を利用して、測定対象物の帯電を測定する。以下において、酸化物半導体ＴＦＴのソース−ドレイン電流Ｉｄｓと外部静電界との関係について説明する。
【００３４】
図２Ａの測定データは、デュアルゲート構造を有する酸化物半導体ＴＦＴにおける、ソース−ドレイン電流（以下においてドレイン電流）と、ボトムゲート電圧との関係に対する、トップゲート電圧の影響を示している。測定された酸化物半導体ＴＦＴの酸化物半導体層は、ａ−ＩｎＧａＺｎＯ層である。測定におけるソース−ドレイン電圧は、一定（１Ｖ）である。
【００３５】
デュアルゲート構造を有する酸化物半導体ＴＦＴは、図１Ａ、１Ｂに示す酸化物半導体ＴＦＴ１の構造に加え、酸化物半導体層の上側のトップゲート電極及びトップゲート電極と酸化物半導体層との間の絶縁層をさらに含む。酸化物半導体層は、上下のゲート絶縁層を介して、トップゲート電極及びボトムゲート電極に挟まれている。
【００３６】
図２Ａに示すように、トップゲート電極に印加する電圧の増加に応じて、ドレイン電流はボトムゲート電圧の負方向にシフトする。また、トップゲート電極に印加する電圧の減少に応じて、ドレイン電流はボトムゲート電圧の正方向にシフトする。
【００３７】
トップゲート電極に正の電圧を印加することは、図１Ａ、１Ｂを参照して説明した酸化物半導体ＴＦＴ１に対して、正に帯電した測定対象物を近づけること対応する。反対に、トップゲート電極に負の電圧を印加することは、酸化物半導体ＴＦＴ１に対して、負に帯電した測定対象物を近づけること対応する。
【００３８】
図２Ｂは、図２Ａから抽出したデータであって、１２Ｖのゲート電圧における、トップゲート電極の電圧とドレイン電流との関係を示している。図２Ｂに示すように、トップゲート電圧の増加／減少に応じて、ドレイン電流が増加／減少する。デュアルゲート構造を有する酸化物半導体ＴＦＴの上記特性から理解されるように、トップゲート電圧が０Ｖでの基準値にするドレイン電流の値と静電界強度を対応づけることで、ドレイン電流の値に応じたトップゲート電圧を知ることができる。
【００３９】
以下において、本開示のセンサ酸化物半導体ＴＦＴ１の一例による、測定対象物の帯電とドレイン電流との間の関係の、測定結果を説明する。図３は、測定されたセンサ酸化物半導体ＴＦＴ１の構成及び測定対象物３５を模式的に示している。センサ酸化物半導体ＴＦＴ１は、不純物がドープされたシリコン基板（ｎ＋Ｓｉシリコン基板）を、ゲート電極１２として使用する。
【００４０】
ゲート絶縁層１３は、２００ｎｍのシリコン熱酸化膜である。酸化物半導体層１４は、５０ｎｍのａ−ＩｎＧａＺｎＯ層である。ソース電極１５及びドレイン電極１６は、３０ｎｍのモリブデン膜である。第１のパッシベーション層１８が、酸化物半導体層１４上に形成されている。
【００４１】
パッシベーション層１８は、酸化物半導体層１４の全面、並びに、ソース電極１５及びドレイン電極１６のそれぞれの一部をカバーしている。パッシベーション層１８は、１００ｎｍの酸化タンタル（ＴａＯｘ）膜である。酸化タンタルの誘電率は、酸化シリコン及び窒化シリコンよりも高い。酸化タンタルに代えて、酸化ハフニウム（ＨｆＯｘ）又は酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）等の他の高誘電体材料を使用してもよい。
【００４２】
本例のセンサ酸化物半導体ＴＦＴ１は、２層構造のパッシベーション層を含む。第１のパッシベーション層１８の上に、さらに、第２のパッシベーション層１７が形成されている。パッシベーション層１７は、酸化物半導体層１４、ソース電極１５、ドレイン電極１６、及びパッシベーション層１８の全面をカバーしている。パッシベーション層１７は、１ｍｍのジメチルポリシロキサン（ＰＤＭＳ）である。ＰＤＭＳと異なる絶縁性材料を使用してもよい。測定されたセンサ酸化物半導体ＴＦＴ１のチャネル幅Ｗは２００ｕｍであり、チャネル長Ｌは１００ｕｍである。また、そのチップサイズは、１０ｍｍである。
【００４３】
センサ酸化物半導体ＴＦＴ１の作成例は、不純物ドープされたシリコン基板（ｎ＋Ｓｉシリコン基板）１１上に、２００ｎｍの熱酸化膜１３を形成する。熱酸化膜１３の代わりに、プラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）やスパッタにより酸化シリコン膜や窒化シリコン膜を成膜してもよい。
【００４４】
熱酸化膜１３が形成されたシリコン基板１２上に、ａ−ＩｎＧａＺｎＯからなる５０ｎｍの酸化物半導体層を、メタルマスクを用いてスパッタにより成膜する。例えば、ＩｎＧａＺｎＯからなる焼結体ターゲットを用い、アルゴンガスと酸素ガスとの混合ガス雰囲気中で、ＤＣ（ＤｉｒｅｃｔＣｕｒｒｅｎｔ）スパッタにより成膜する。成膜後に大気中でアニールを行う。酸化物半導体膜をパターニングして、島状の酸化物半導体層１４を形成する。
【００４５】
酸化物半導体層１４を形成した後、モリブデン金属のメタルマスクを用いたＤＣスパッタにより、ソース電極１５及びドレイン電極１６を形成する。更に、酸化タンタルからなる第１のパッシベーション層（ＴａＯｘ層）１８を、メタルマスクを用いてスパッタ法により成膜する。成膜は、例えば、ＴａＯからなる焼結体ターゲットを用い、アルゴンガスと酸素ガスとの混合ガス雰囲気中でのＲＦ（ＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙ）スパッタ法を使用する。その後、大気中でアニールを行う。
【００４６】
最後に、ＰＤＭＳにより第２のパッシベーション層１７を形成する。パッシベーション層１７の形成は、例えば、ソース電極１５、ドレイン電極１６、及び第１のパッシベーション層１８の全面を覆うように、ＰＤＭＳをスピンコートによりシリコン基板１２に付着させ、加熱して硬化させる。
【００４７】
センサ酸化物半導体ＴＦＴ１のドレイン電流の測定は、図３に示すように、測定対象物３５のセンサ酸化物半導体ＴＦＴ１への接触と分離を繰り返した。二つの測定対象物を用意した。一つは正に帯電したアクリル棒であり、もう一つは負に帯電したポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）棒である。二つの測定対象物は、それぞれ、略＋／−３ｋＶの帯電電圧（表面電位）であった。
【００４８】
図４Ａは、正に帯電したアクリル棒と負に帯電したＰＴＦＥ棒を使用したドレイン電流Ｉｄ（ソース−ドレイン電流Ｉｄｓ）の測定結果を示す。正に帯電したアクリル棒と負に帯電したＰＴＦＥ棒とを、交互に、センサ酸化物半導体ＴＦＴ１へ複数回接触させた。アクリル棒の接触期間とＰＴＦＥ棒の接触期間との間は、測定対象物がセンサ酸化物半導体ＴＦＴ１から離された期間である。
【００４９】
図４Ａのグラフにおいて、横軸は時間を示し、縦軸はドレイン電流Ｉｄを示す。測定におけるゲート電圧Ｖｇは一定で、５Ｖであった。ゲート電圧Ｖｇは、ソース電位を基準としている。測定におけるソース−ドレイン電圧Ｖｓｄは一定で、０．５Ｖであった。
【００５０】
図４Ａに示すように、測定対象物の接触の有無に係らず、ドレイン電流Ｉｄの基準値は漸減した。ドレイン電流Ｉｄの基準値は、測定対象物を離した状態であって、外部電界による影響を受けていない状態での、ドレイン電流Ｉｄである。図４Ａに示すドレイン電流Ｉｄの基準値の時間変化は、測定したセンサ酸化物半導体ＴＦＴ１の固有の特性である。
【００５１】
正に帯電したアクリル棒がセンサ酸化物半導体ＴＦＴ１に接触している間、ドレイン電流Ｉｄは基準電流値に対して増加した。アクリル棒の複数回の接触における増加量は、略一定であった。一方、負に帯電したＰＴＦＥ棒がセンサ酸化物半導体ＴＦＴ１に接触している間、ドレイン電流Ｉｄは基準電流値に対して減少した。ＰＴＦＥ棒の複数回の接触における減少量は、略一定であった。センサ酸化物半導体ＴＦＴ１の感度は、略１０ｎＡ／３ｋＶであった。
【００５２】
次に、負に帯電したＰＴＦＥ棒と除電したＰＴＦＥ棒とによる、センサ酸化物半導体ＴＦＴ１のドレイン電流Ｉｄの変化を測定した。図４Ｂは、その測定結果を示している。負に帯電したＰＴＦＥ棒と除電したＰＴＦＥ棒とを、交互に、センサ酸化物半導体ＴＦＴ１へ複数回接触させた。負に帯電したＰＴＦＥ棒が接触している期間と除電したＰＴＦＥ棒が接触している期間との間は、測定対象物がセンサ酸化物半導体ＴＦＴ１から離された期間である。
【００５３】
負に帯電したＰＴＦＥ棒は、略−３ｋＶの帯電電圧（表面電位）であった。測定におけるゲート電圧Ｖｇは一定で、５Ｖであった。測定におけるソース−ドレイン電圧Ｖｓｄは一定で、０．５Ｖであった。
【００５４】
図４Ｂに示すように、測定対象物の接触の有無に係らず、ドレイン電流Ｉｄの基準値は漸減した。この点は、図４Ａに示す結果と同様である。負に帯電したＰＴＦＥ棒がセンサ酸化物半導体ＴＦＴ１に接触している間、ドレイン電流Ｉｄは基準電流値に対して減少した。一方、除電したＰＴＦＥ棒がセンサ酸化物半導体ＴＦＴ１に接触している間、ドレイン電流Ｉｄは基準電流値から略変化を示さなかった。
【００５５】
図４Ａ、４Ｂに示す測定結果から理解されるように、センサ酸化物半導体ＴＦＴ１は、測定対象物３５の帯電極性に応じて、ソース−ドレイン電流を、基準値から増加又は減少させた。具体的には、正帯電の測定対象物３５により、ソース−ドレイン電流が増加し、負帯電の測定対象物３５により、ソース−ドレイン電流が減少した。さらに、センサ酸化物半導体ＴＦＴ１は、帯電電圧の大きさに応じたソース−ドレイン電流の増減量を示した。
【００５６】
測定されたセンサ酸化物半導体ＴＦＴ１は、ａ−ＩｎＧａＺｎＯからなる酸化物半導体層（半導体活性層）１３を有する。ａ−ＩｎＧａＺｎＯ層１３のキャリアは電子であり、ｎチャネルが形成される。測定対象物の帯電極性に対するソース−ドレイン電流の増減方向は、キャリアの種類に依存する。正孔キャリアのｐチャネルが形成されるセンサ酸化物半導体ＴＦＴ１は、ａ−ＩｎＧａＺｎＯのセンサ酸化物半導体ＴＦＴ１とは、帯電極性に対して、逆のソース−ドレイン電流の増減方向を示す。
【００５７】
次に、図５Ａ、５Ｂ、５Ｃを参照して、センサ酸化物半導体ＴＦＴ１の他の測定結果を示す。図５Ａは、正に帯電したアクリル棒と負に帯電したＰＴＦＥ棒を使用したドレイン電流Ｉｄの測定結果を示す。正に帯電したアクリル棒と負に帯電したＰＴＦＥ棒とを、交互に、センサ酸化物半導体ＴＦＴ１へ複数回接触させた。アクリル棒の接触期間とＰＴＦＥ棒の接触期間との間は、測定対象物がセンサ酸化物半導体ＴＦＴ１から離された期間である。
【００５８】
図５Ａのグラフにおいて、横軸は時間を示し、縦軸はドレイン電流Ｉｄを示す。測定において与えられたゲート電圧Ｖｇは一定で、０Ｖであった。測定におけるソース−ドレイン電圧Ｖｓｄは一定で、０．５Ｖであった。図５Ａに示すように、ドレイン電流Ｉｄの基準値は略一定であった。
【００５９】
正に帯電したアクリル棒がセンサ酸化物半導体ＴＦＴ１に接触している間、ドレイン電流Ｉｄは基準電流値に対して増加した。アクリル棒の複数回の接触における増加量は、略一定であった。一方、負に帯電したＰＴＦＥ棒がセンサ酸化物半導体ＴＦＴ１に接触している間、ドレイン電流Ｉｄは基準電流値に対して減少した。ＰＴＦＥ棒の複数回の接触における減少量は、略一定であった。
【００６０】
図４Ａ、図５Ａに示すように、センサ酸化物半導体ＴＦＴ１の駆動には任意のゲート電圧Ｖｇを選択することができ、後段の駆動回路の構成に合わせて、ドレイン電流Ｉｄを調整することができる。また、低いゲート電圧Ｖｇを選択することで、消費電力を低減する効果が得られる。
【００６１】
さらに、図５Ｂに示すように、測定対象物をセンサ酸化物半導体ＴＦＴ１から異なる位置に配置して、ドレイン電流Ｉｄの変化を測定した。図５Ｃは、その測定結果を示す。図５Ｃのグラフにおいて、横軸は時間を示し、縦軸はドレイン電流Ｉｄを示す。測定において与えられたゲート電圧Ｖｇは一定で、０Ｖであった。測定におけるソース−ドレイン電圧Ｖｓｄは一定で、０．５Ｖであった。
【００６２】
測定方法は、正に帯電したアクリル棒及び負に帯電したＰＴＦＥ棒を、交互に、センサ酸化物半導体ＴＦＴ１から段階的に離れた位置に配置して、ドレイン電流Ｉｄを測定した。センサ酸化物半導体ＴＦＴ１から、３ｍｍ、８ｍｍ、１２ｍｍ離れた位置に正に帯電したアクリル棒を配置して、ドレイン電流Ｉｄを測定した。また、３ｍｍ、８ｍｍ、１２ｍｍ離れた位置に負に帯電したＰＴＦＥ棒を配置して、ドレイン電流Ｉｄを測定した。アクリル棒及びＰＴＦＥ棒の帯電電圧は一定であり、略＋／−３ｋＶであった。
【００６３】
図５Ｃに示すように、ドレイン電流Ｉｄの基準値は、時間の経過共に増加した。この増加は、センサ酸化物半導体ＴＦＴ１の特性によるものである。正に帯電したアクリル棒が３ｍｍ、８ｍｍ又は１２ｍｍ離れた位置に配置されている間、ドレイン電流Ｉｄは基準電流値に対して増加した。アクリル棒とセンサ酸化物半導体ＴＦＴ１との間の距離が長い程、ドレイン電流Ｉｄの増加量は小さかった。
【００６４】
一方、負に帯電したＰＴＦＥ棒が３ｍｍ、８ｍｍ又は１２ｍｍ離れた位置に配置されている間、ドレイン電流Ｉｄは基準電流値に対して減少した。ＰＴＦＥ棒とセンサ酸化物半導体ＴＦＴ１との間の距離が長い程、ドレイン電流Ｉｄの減少量は小さかった。
【００６５】
上述のように、センサ酸化物半導体ＴＦＴ１は、測定対象物が離れた位置にあっても、その帯電極性に応じたドレイン電流の増減を示した。距離が長くなることは、酸化物半導体層１４（センサ酸化物半導体ＴＦＴ１）における測定対象物からの静電界強度が小さくなることを意味する。センサ酸化物半導体ＴＦＴ１は、静電界強度の増加／減少に応じて増加／減少するドレイン変化量を示した。
【００６６】
［実施形態２］
以下において、ボトムゲート電極１２に加え、酸化物半導体層１４の上側に上部電極（トップゲート電極）を有するセンサ酸化物半導体ＴＦＴについて説明する。まず、デュアルゲート構造を有する酸化物半導体ＴＦＴの特性を説明する。
【００６７】
図６Ａは、測定したデュアルゲート構造の酸化物半導体ＴＦＴの構成例を模式的に示す。酸化物半導体ＴＦＴは、図１Ａ、１Ｂに示すセンサ酸化物半導体１の構成に加え、パッシベーション層１８上にトップゲート電極１９を有している。トップゲート電極１９は、２層のパッシベーション層１７、１８に挟まれている。トップゲート電極１９の材料は、ボトムゲート電極１２又はソース／ドレイン電極１５／１６と同様でよい。
【００６８】
図６Ｂは、デュアルゲート構造の酸化物半導体ＴＦＴの測定データを示す。図６Ｂは、デュアルゲート構造の酸化物半導体ＴＦＴにおける、ボトムゲート電圧とドレイン電流との関係（Ｖｂｇ−Ｉｄ特性）の、トップゲート電圧（Ｖｔｇ）への依存性を示す。
【００６９】
測定に使用した酸化物半導体ＴＦＴは、図３〜図５Ｃを参照して説明した測定に使用した、センサ酸化物半導体ＴＦＴ１に対して、モリブデンで形成されたトップゲート電極１９を有する。
【００７０】
図６Ｂのグラフにおいて、横軸はボトムゲート電圧を示し、縦軸はドレイン電流を示す。ソース−ドレイン電圧は０．５Ｖであった。図６Ｂは、０Ｖ、−２．５Ｖ、−５．０Ｖのトップゲート電圧（Ｖｔｇ）における、ボトムゲート電圧とドレイン電流との関係を示す。
【００７１】
図６Ｂに示すように、ボトムゲート電圧の増加と共に、ドレイン電流は増加した。同一ボトムゲート電圧において、トップゲート電圧が減少すると、ドレイン電流も減少した。トップゲート電圧の減少に応じて、ドレイン電流はボトムゲート電圧の正方向にシフトした。
【００７２】
図７Ａは、フローティング状態のトップゲート電極１９を有する酸化物半導体ＴＦＴの構成例を模式的に示す。フローティング状態のトップゲート電極１９は、周囲を絶縁体で囲まれた島状導体である。図７Ｂは、フローティング状態のトップゲート電極１９を有する酸化物半導体ＴＦＴの測定データを示す。測定した酸化物半導体ＴＦＴの構成は、図６Ｂに示す測定データの酸化物半導体ＴＦＴと同様である。
【００７３】
図７Ｂは、正に帯電したアクリル棒と負に帯電したＰＴＦＥ棒を使用したドレイン電流Ｉｄの測定結果を示す。正に帯電したアクリル棒と負に帯電したＰＴＦＥ棒とを、交互に、フローティングトップゲート酸化物半導体ＴＦＴへ複数回接触させた。アクリル棒の接触期間とＰＴＦＥ棒の接触期間との間は、測定対象物が酸化物半導体ＴＦＴから離された期間である。
【００７４】
図７Ｂのグラフにおいて、横軸は時間を示し、縦軸はドレイン電流Ｉｄを示す。測定において与えられたボトムゲート電圧Ｖｂｇは一定で、５Ｖであった。測定におけるソース−ドレイン電圧Ｖｓｄは一定で、０．５Ｖであった。図７Ｂに示すように、ドレイン電流Ｉｄの基準値は略一定であった。
【００７５】
正に帯電したアクリル棒が酸化物半導体ＴＦＴに接触している間、ドレイン電流Ｉｄは基準電流値に対して増加した。アクリル棒の複数回の接触における増加量は、略一定であった。一方、負に帯電したＰＴＦＥ棒が酸化物半導体ＴＦＴに接触している間、ドレイン電流Ｉｄは基準電流値に対して減少した。ＰＴＦＥ棒の複数回の接触における減少量は、大きな変化を示さなかった。
【００７６】
図７Ｂの測定結果が示すように、フローティング状態のトップゲート電極１９を有する酸化物半導体ＴＦＴは、外部静電界に対してドレイン電流の変化を示す。フローティング状態のトップゲート電極１９を有する酸化物半導体ＴＦＴは、測定対象物の帯電を測定するセンサ酸化物半導体ＴＦＴとして動作することができる。フローティング状態のトップゲート電極１９は、静電界のアンテナとして作用し、センサ酸化物半導体ＴＦＴの感度を変化させる。
【００７７】
図８Ａは、０Ｖの駆動電圧を与えられた（接地された）トップゲート電極１９を有する酸化物半導体ＴＦＴの構成例を模式的に示す。図８Ｂは、０Ｖの駆動電圧を与えられたトップゲート電極１９を有する酸化物半導体ＴＦＴの測定データを示す。測定した酸化物半導体ＴＦＴの構成は、図７Ｂに示す測定データの酸化物半導体ＴＦＴと同様である。
【００７８】
図８Ｂは、正に帯電したアクリル棒と負に帯電したＰＴＦＥ棒を使用したドレイン電流Ｉｄの測定結果を示す。正に帯電したアクリル棒と負に帯電したＰＴＦＥ棒とを、交互に、フローティングトップゲート酸化物半導体ＴＦＴへ複数回接触させた。アクリル棒の接触期間とＰＴＦＥ棒の接触期間との間は、測定対象物が酸化物半導体ＴＦＴから離された期間である。
【００７９】
図８Ｂのグラフにおいて、横軸は時間を示し、縦軸はドレイン電流Ｉｄを示す。測定において与えられたボトムゲート電圧Ｖｂｇは一定で、５Ｖであった。測定におけるソース−ドレイン電圧Ｖｓｄは一定で、０．５Ｖであった。図８Ｂに示すように、ドレイン電流Ｉｄは変化することなく一定であった。
【００８０】
このように、トップゲート電圧を一定値に維持することで、トップゲート電極により酸化物半導体層への静電界を遮蔽し、測定対象物からの静電界による酸化物半導体ＴＦＴのソース−ドレイン電流の変化を抑えることができる。
【００８１】
図６Ａ〜８Ｂを参照したデュアルゲート構造の酸化物半導体ＴＦＴの上記説明は、トップゲート電極とボトムゲート電極の制御を入れ替えた酸化物半導体ＴＦＴに適用することができる。具体的には、フローティング状態のボトムゲート電極１２を有するデュアルゲート構造酸化物半導体ＴＦＴは、静電界のセンサ酸化物半導体ＴＦＴとして使用することができる。
【００８２】
コントローラ２は、一定のトップゲート電圧Ｖｔｇ及びソース−ドレイン電圧Ｖｓｄを与えながら、ソース−ドレイン電流の変化を測定して、測定対象物による静電界を測定する。測定対象物は、ボトムゲート電極側に配置され、フローティング状態のボトムゲート電極１２はアンテナとして作用する。また、ボトムゲート電極１２に一定電圧を与えることで、ボトムゲート電極１２を外部静電界に対するシールドとして作用させることできる。
【００８３】
図９Ａは、デュアルゲート構造を有するセンサ酸化物半導体ＴＦＴ１の構成例を示す断面図である。図９Ａの構成例は、ソース電極１５及びドレイン電極１６と酸化物半導体層１４との間に、エッチングストッパ層４１を有する。エッチングストッパ層４１は、例えば、酸化シリコン又は窒化シリコンで形成される。エッチングストッパ層４１は、ソース電極１５とドレイン電極１６の間の酸化物半導体層１４を覆い、ソース電極１５とドレイン電極１６の形成プロセスによる酸化物半導体層１４への影響を防ぐ。
【００８４】
図９Ａの構成例において、第１のパッシベーション層１８は、酸化物半導体層１４、ソース電極１５、ドレイン電極１６及びエッチングストッパ層４１の全面を覆うように形成されている。
【００８５】
上述のように、センサ酸化物半導体ＴＦＴ１において、フローティング状態にあるトップゲート電極１９は、測定対象物による静電界のアンテナとして作用する。トップゲート電極１９を大きくすると、センサ酸化物半導体ＴＦＴ１の感度が上がる。センサ酸化物半導体ＴＦＴ１の設計は、トップゲート電極１９の大きさを変化させることで、センサ酸化物半導体ＴＦＴ１の感度を調整することができる。
【００８６】
図９Ｂ、９Ｃ、９Ｄは、異なる大きさのトップゲート電極１９を有するセンサ酸化物半導体ＴＦＴ１の構成例を示す平面図である。図９Ｄは最も大きなトップゲート電極１９を有する構成例を示し、図９Ｂは最も小さなトップゲート電極１９を有する構成例を示す。図９Ｂ、９Ｃ、９Ｄの構成例間で、トップゲート電極１９の長さＧＬは同一であり、幅ＧＷが異なる。トップゲート電極１９の大きさの変更は、長さＧＬ、幅ＧＷの一方又は双方を変更してよい。
【００８７】
図９Ｂ、９Ｃ、９Ｄの構成例において、トップゲート電極１９の長さＧＬは、酸化物半導体層１４のソース電極１５とドレイン電極１６との間の長さ（チャネル長）より長い。図９Ｂ、９Ｃの構成例において、トップゲート電極１９の幅ＧＷは、酸化物半導体層１４のチャネル幅より小さい。図９Ｄの構成例において、トップゲート電極１９の幅ＧＷは、酸化物半導体層１４のチャネル幅より大きい。
【００８８】
図１０Ａは、デュアルゲート構造を有するセンサ酸化物半導体ＴＦＴ１の構成例を示す断面図である。酸化物半導体ＴＦＴは、図１Ａ、１Ｂに示すセンサ酸化物半導体１の構成に加え、パッシベーション層１８上にトップゲート電極１９を有している。トップゲート電極１９は、２層のパッシベーション層１７、１８に挟まれている。トップゲート電極１９の材料は、ボトムゲート電極１２又はソース／ドレイン電極１５／１６と同様でよい。トップゲート電極１９は、センサ酸化物半導体ＴＦＴ１の外部のアンテナ電極２０に接続されている。
【００８９】
アンテナ電極２０は、２０ｍｍ、又は６０ｍｍ四方の銅−亜鉛合金板である。銅−亜鉛合金板に代えて、任意の形状の金属材料を使用しても良い。この時、金属材料の種類が限定されることは無い。
【００９０】
上述のように、センサ酸化物半導体ＴＦＴ１において、フローティング状態にあるトップゲート電極１９は、測定対象物による静電界のアンテナとして作用する。トップゲート電極１９に外部のアンテナ電極２０を接続することで、センサ酸化物半導体ＴＦＴ１の感度が上がる。センサ酸化物半導体ＴＦＴ１の設計は、アンテナ電極２０の大きさを変化させることで、センサ酸化物半導体ＴＦＴ１の感度を調整することができる。
【００９１】
図１０Ｂは、異なる大きさのアンテナ電極２０に接続したセンサ酸化物半導体ＴＦＴ１を用い、測定対象物をアンテナ電極２０から異なる位置に配置して、ドレイン電流Ｉｄを測定した結果である。図１０Ｂのグラフにおいて、横軸はアンテナ電極２０と測定対象物の距離を示し、縦軸はドレイン電流Ｉｄを示す。測定において与えられたゲート電圧Ｖｇは一定で、５Ｖであった。測定におけるソース−ドレイン電圧Ｖｓｄは一定で、０．５Ｖであった。
【００９２】
測定方法は、正に帯電したアクリル棒を、アンテナ電極２０から段階的に離れた位置に配置して、ドレイン電流Ｉｄを測定した。アンテナ電極２０から、１ｍｍ、３ｍｍ、５ｍｍ、７ｍｍ、１０ｍｍ、１５ｍｍ、２０ｍｍ、４０ｍｍ、５５ｍｍ、離れた位置に正に帯電したアクリル棒を配置して、ドレイン電流Ｉｄを測定した。アクリル棒の帯電電圧は一定であり、略＋３ｋＶであった。
【００９３】
図１０Ｂに示すように、アクリル棒とアンテナ電極２０との間の距離が長い程、ドレイン電流Ｉｄは小さく、アンテナ電極２０が大きい程、Ｉｄドレイン電流Ｉｄの変化量は大きかった。
【００９４】
上述のように、センサ酸化物半導体ＴＦＴ１は、アンテナ電極２０を介して、離れた位置にある測定対象物の帯電状態を感知することができる。アンテナ電極２０と測定対象物の距離が長くなることは、酸化物半導体層１４（センサ酸化物半導体ＴＦＴ１）における測定対象物からの静電界強度が小さくなることを意味する。センサ酸化物半導体ＴＦＴ１の構成を変えず、アンテナ電極２０の大きさを変化させることで、センサ酸化物半導体ＴＦＴ１の感度を調整することができる。
【００９５】
［実施形態３］
次に、面上に配列された複数のセンサ酸化物半導体ＴＦＴを含む、静電センサアレイ装置を説明する。上述のように、デュアルゲート酸化物半導体ＴＦＴは、一方のゲート電極の電位状態に応じて、測定対象物からの静電界に応答する又は応答しない。デュアルゲート酸化物半導体ＴＦＴのこの特性を利用して、同一面上にセンサ酸化物半導体ＴＦＴと、スイッチ酸化物半導体ＴＦＴとを含む、静電センサアレイを構成することができる。
【００９６】
図１１は、二次元に配列されたセンサ酸化物半導体ＴＦＴを含む、静電センサアレイ装置５０の構成例を模式的に示す。静電センサアレイ装置５０は、広い範囲の異なる位置の静電界強度を高速に測定することができる。図１１において、同一種類の複数要素のうち一部が符号で指示され、他の一部に対する符号は省略されている。
【００９７】
複数のセンサ酸化物半導体ＴＦＴ５１が、基板上に、マトリックス状に配列されている。センサ酸化物半導体ＴＦＴ５１の各行は、図１１における左右方向（行方向）に配列された一列のセンサ酸化物半導体ＴＦＴ５１である。センサ酸化物半導体ＴＦＴ５１の各列は、図１１における上下方向（列方向）に配列された一列のセンサ酸化物半導体ＴＦＴ５１である。
【００９８】
各センサ酸化物半導体ＴＦＴ５１は、ボトムゲート構造を有し、トップゲート電極を有していない。センサ酸化物半導体ＴＦＴ５１は、フローティング状態のトップゲート電極を有する、デュアルゲート構造を有してもよい。
【００９９】
行方向延びる複数の電源線５７が、列方向に配列されている。複数の電源線５７は、電源回路６３に接続されている。各センサ酸化物半導体ＴＦＴ５１のソース又はドレインは、電源線５７を介して、電源回路６３に接続されており、ソース−ドレイン間には一定の駆動電圧が与えられる。センサ酸化物半導体ＴＦＴ５１のゲートには、不図示の回路から一定の駆動電圧が与えられている。
【０１００】
センサ酸化物半導体ＴＦＴ５１は、それぞれ、対応するスイッチ酸化物半導体ＴＦＴ５３に接続されている。具体的には、センサ酸化物半導体ＴＦＴ５１のソース又はドレインにスイッチ酸化物半導体ＴＦＴ５３のソース又はドレインの一方が接続されている。各スイッチ酸化物半導体ＴＦＴ５３のソース又はドレインの他方は、信号線５９に接続されている。
【０１０１】
複数のスイッチ酸化物半導体ＴＦＴ５３が、基板上に、マトリックス状に配列されている。各スイッチ酸化物半導体ＴＦＴ５３は、デュアルゲート構造を有する。そのトップゲートには、不図示の回路から一定電圧が与えられている。ボトムゲートは、ゲート線５５を介して、シフトレジスタ回路６１に接続されている。
【０１０２】
例えば、スイッチ酸化物半導体ＴＦＴ５３のトップゲート以外の要素の材料は、センサ酸化物半導体ＴＦＴ５１と同様である。例えば、スイッチ酸化物半導体ＴＦＴ５３の酸化物半導体層の材料は、センサ酸化物半導体ＴＦＴ５１と同一である。スイッチ酸化物半導体ＴＦＴ５３とセンサ酸化物半導体ＴＦＴ５１との間で、特定要素の材料が異なっていてもよい。
【０１０３】
行方向延びる複数のゲート線５５が、列方向に配列されている。各ゲート線５５は、シフトレジスタ回路６１に接続されている。スイッチ酸化物半導体ＴＦＴ５３の各行は、同一のゲート線５５に接続されている。
【０１０４】
列方向延びる複数の信号線５９が、行方向に配列されている。スイッチ酸化物半導体ＴＦＴ５３の各列は、同一の信号線５９に接続されている。各信号線５９は、スイッチ６５を介して、積分器６７に接続されている。積分器６７は、オペアンプ及びコンデンサに加え、出力をクリアするためのスイッチと、出力端子６７１とを含む。
【０１０５】
シフトレジスタ回路６１、電源回路６３、積分器６７、スイッチ６５は、コントローラ２に含まれる。コントローラ２は、シフトレジスタ回路６１を制御して、ゲート線５５を順次選択する。シフトレジスタ回路６１は、選択しているゲート線５５に選択信号（所定ゲート電圧）を出力する。選択しているゲート線５５に接続されているスイッチ酸化物半導体ＴＦＴ５３がＯＮになる。
【０１０６】
コントローラ２は、スイッチ６５を順次ＯＮ／ＯＦＦして、積分器６７と接続される信号線５９を切り替える。一つのゲート線５５が選択され、一つのスイッチ６５がＯＮであるとき、当該ゲート線５５及びスイッチ６５（対応信号線５９）に接続されているスイッチ酸化物半導体ＴＦＴ５３及び当該スイッチ酸化物半導体ＴＦＴ５３に対応するセンサ酸化物半導体ＴＦＴ５１が選択されている。
【０１０７】
当該センサ酸化物半導体ＴＦＴ５１のソース−ドレイン電流は、対応するスイッチ酸化物半導体ＴＦＴ５３のソース及びドレインを介して、積分器６７に流れる。積分器６７は、入力電流を電圧に変換し、出力端子６７１において出力する。コントローラ２は、スイッチ６５をＯＮしてから所定期間経過後、当該スイッチ６５をＯＦＦする。コントローラ２は、積分器６７の出力と電界強度とを関連付ける情報を使用して、積分器６７の現在の出力から電界強度を決定する。
【０１０８】
コントローラ２は、一つのゲート線５５を選択した状態で、スイッチ６５を順次選択してＯＮｎｉする。コントローラ２は、次のスイッチ６５を選択する前に、積分器６７の出力をクリアする。全てのスイッチを選択した後、コントローラ２は、次のゲート線５５を選択する。
【０１０９】
上述のように、コントローラ２は、シフトレジスタ回路６１及びスイッチ６５を制御することで、複数のセンサ酸化物半導体ＴＦＴ５１を順次選択し、そのソース−ドレイン電流を測定する。これにより、二次元的に配列されたセンサ酸化物半導体ＴＦＴ５１それぞれの位置における静電界強度を測定する。
【０１１０】
静電センサアレイ装置５０は、他の構成を有することができる。例えば、図１２は、静電センサアレイ装置５０の他の構成例を含む。図１２の構成例は、スイッチ酸化物半導体ＴＦＴ５３の前面において、全てのスイッチ酸化物半導体ＴＦＴ５３を覆うシールド層（共通導体層）７０を有する。シールド層７０は、連続する導体層であって、コントローラ２は、一定電圧、例えば０Ｖをシールド層７０に与える。
【０１１１】
シールド層７０は、酸化物半導体層１４、ソース電極１５、及びドレイン電極１６の前側に、絶縁層を介して配置される。例えば、シールド層７０は、酸化物半導体層１４、ソース電極１５、及びドレイン電極１６を覆う二層のパッシベーション層の間に形成されていてもよい。
【０１１２】
シールド層７０は、測定対象物からスイッチ酸化物半導体ＴＦＴ５３への静電界を遮蔽する。スイッチ酸化物半導体ＴＦＴ５３は、フローティング状態のゲート電極を必要とせず、シングルゲート構造を有することができる。または、スイッチ酸化物半導体ＴＦＴ５３は、デュアルゲート構造を有し、トップゲート電極及びボトムゲート電極の双方が、コントローラ２から駆動電圧を与えられてもよい。
【０１１３】
図１２に示すように、シールド層７０は複数の開口７１を有しており、それぞれ、対応するセンサ酸化物半導体ＴＦＴ５１の前側に位置する。前側から見て、センサ酸化物半導体ＴＦＴ５１は開口７１から露出している。測定対象物からの静電界は、開口７１を介して、センサ酸化物半導体ＴＦＴ５１に届く。
【０１１４】
一定電圧を与えられ、センサ酸化物半導体ＴＦＴに対応する開口７１を有するシールド層７０によって、スイッチ酸化物半導体ＴＦＴ５３の設計自由度を高めることができる。
【０１１５】
静電センサアレイ装置５０の他の構成例において、スイッチ酸化物半導体ＴＦＴ５３は、トップゲート構造を有してもよい。コントローラ２は、スイッチ酸化物半導体ＴＦＴ５３のＯＦＦ状態及びＯＮ状態において、それぞれ、一定の駆動電圧を与える。一定の駆動電圧を与えられたトップゲート電極は、測定対象物からの静電界を遮蔽する。
【０１１６】
図１１、１２の構成例は、複数のスイッチ６５により、複数の信号線５９から一つの信号線５９を選択する。他の構成例は、複数の信号線５９それぞれに接続された複数の積分器を含んでもよい。複数のスイッチ６５は省略される。コントローラ２は、選択された複数のセンサ酸化物半導体ＴＦＴのドレイン電流を同時に測定することができる。
【０１１７】
以上、本開示の実施形態を説明したが、本開示が上記の実施形態に限定されるものではない。当業者であれば、上記の実施形態の各要素を、本開示の範囲において容易に変更、追加、変換することが可能である。ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。
【符号の説明】
【０１１８】
１  センサ酸化物半導体ＴＦＴ、２  コントローラ、１１  絶縁基板、１２  ボトムゲート電極、１３  ゲート絶縁層、１４  酸化物半導体層、１５  ソース電極、１６  ドレイン電極、１７、１８  パッシベーション層、１９  トップゲート電極、２０  アンテナ電極、２１  駆動部、２３  測定部、３１  正電荷、３２  負電荷、３３  下部絶縁層、３４  上部ゲート絶縁層、３５  測定対象物、４１  エッチングストッパ層、５１  センサ酸化物半導体ＴＦＴ、５３  スイッチ酸化物半導体ＴＦＴ５５  ゲート線、５７  電源線、５９  信号線、６１  シフトレジスタ回路、６３  電源回路、６５  スイッチ、６７  積分器、７０  シールド層、７１  開口、６７１  出力端子
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
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