(57)【要約】      （修正有）【課題】紫外線に対する受光感度を高めるセンサ回路を提供する。【解決手段】酸化物半導体を有するトランジスタ１０１を用いて、紫外線の検出を行う。紫外線又は紫外線を含む光がトランジスタに照射された場合、トランジスタのドレイン電流は紫外線の強度に依存した値となる。このドレイン電流を測定し、紫外線の強度を情報として得る。酸化物半導体のバンドギャップはシリコンのバンドギャップよりも広く、紫外領域に波長を有する光に対し受光感度を高めることができ、センサ回路１０５の温度の上昇に対する暗電流の増加を抑え、使用できる環境の温度範囲を広げる。【選択図】図１
2015079944.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トランジスタと、オペアンプと、抵抗素子と、を有し、
前記トランジスタは、酸化物半導体を有し、
前記トランジスタのソース又はドレインの一方には、第１の信号が入力され、
前記トランジスタのゲートには、第２の信号が入力され、
前記オペアンプの第１の入力端子には、第１の電位が入力され、
前記オペアンプの第２の入力端子は、前記トランジスタのソース又はドレインの他方と電気的に接続され、
前記抵抗素子の第１の端子は、前記オペアンプの第２の入力端子と電気的に接続され、
前記抵抗素子の第２の端子は、前記オペアンプの出力端子と電気的に接続されることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記第１の信号は、前記第１の電位未満の電位と、前記第１の電位と等しい電位と、を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１において、
前記第１の信号の電位が前記第２の信号の電位未満である第１の期間と、
前記第１の信号の電位が前記第２の信号の電位超である第２の期間と、を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか一項において、
前記オペアンプは、複数のトランジスタを有し、
前記トランジスタのチャネル幅は、前記オペアンプが有する前記複数のトランジスタの全てのチャネル幅よりも大きいことを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか一項において、
シンチレータを有し、
前記シンチレータは、少なくともＸ線を含む光を紫外線に変換する機能を有することを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物、方法、または、製造方法に関する。または、本発明は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、または、組成物（コンポジション・オブ・マター）に関する。特に、本発明の一態様は、半導体装置、表示装置、発光装置、蓄電装置、記憶装置、それらの駆動方法、または、それらの製造方法に関する。特に、本発明の一態様は、半導体素子を用いたセンサ回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
地表に到達する紫外線量が増加しており、紫外線の対策の１つとして、携帯用電子機器に紫外線量を測定できるセンサ回路を搭載する動きがある。場所を選ばずに使用できるという携帯用電子機器に紫外線量を測定できるセンサ回路を搭載することで、紫外線量の把握を所望の場所で行いたいという使用者のニーズを満たすことができる。
【０００３】
下記の特許文献１には、シリコンフォトダイオードを用いた紫外線センサについて記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−６７３３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
紫外線量を測定できるセンサ回路の携帯用電子機器への搭載を想定すると、センサ回路を使用できる環境の条件を広げることが重要である。当該条件を広げることで、センサ回路を、携帯用電子機器を含めた様々な電子機器へ搭載することが可能となり、センサ回路の用途の幅を広げることができる。
【０００６】
特許文献１の場合、シリコンをフォトダイオードに用いている。シリコンのバンドギャップは１．１ｅＶ程度である。そのため、温度の上昇に対する暗電流の増加が著しく、使用できる環境の温度範囲が狭い。また、紫外線が連続して照射されると、フォトダイオードの劣化が著しく、信頼性が低い。
【０００７】
また、シリコンを用いたフォトダイオードの場合、可視光領域の光に対する受光感度が比較的高い場合が多い。そこで、紫外線に対する受光感度を高めるために、紫外線を選択的に透過するフィルタの設置、或いは、シリコン膜の膜厚の制御や不純物領域の位置制御などのフォトダイオードの構造に対する工夫、などが行われている。しかし、いずれも紫外線を測定するためのセンサ回路の製造コストを高める要因になっている。
【０００８】
本発明の一態様は、使用可能な温度範囲の向上、信頼性の向上、及び／又は紫外線に対する受光感度の向上等を課題の一とする。また、新規の構成、新規の回路、新規の構造、又は新規の駆動方法等の提供を課題の一とする。なお、これらの課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの課題の全てを解決する必要はないものとする。なお、これら以外の課題は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様では、酸化物半導体を有するトランジスタを用いて、紫外線の検出を行う。具体的には、紫外線又は紫外線を含む光がトランジスタに照射された場合、トランジスタのドレイン電流は紫外線の強度に依存した値となる。このドレイン電流を測定することにより、紫外線の強度を情報として得る。
【００１０】
酸化物半導体のバンドギャップはシリコンのバンドギャップよりも広い。例えば、Ｉｎ、Ｇａ及びＺｎを含むＩＧＺＯ系の酸化物半導体のバンドギャップは約３．２ｅＶであるのに対し、シリコンのバンドギャップは約１．１ｅＶである。つまり、ＩＧＺＯ系の酸化物半導体のバンドギャップはシリコンのバンドギャップの３倍程度に相当する。このようなシリコンよりもバンドギャップの広い酸化物半導体を用いることで、光の吸収端がシリコンの場合よりも短波長側にあるセンサ回路を実現することができる。具体的に、バンドギャップが約３．２ｅＶであるＩＧＺＯ系の酸化物半導体をセンサ回路に用いる場合、光の吸収端は約４百数十ｎｍとなる。そのため、紫外領域に波長を有する光に対し受光感度を高めることができる。また、シリコンよりもバンドギャップの広い酸化物半導体を用いることで、センサ回路の温度の上昇に対する暗電流の増加を抑え、使用できる環境の温度範囲を広げることができる。
【００１１】
なお、本発明の一態様では、トランジスタがオフである場合、トランジスタのゲートとソースとの間の電圧（ゲート・ソース間電圧）が閾値電圧未満である場合、又はトランジスタのゲートとソースとの間の電圧が負の値である場合に、トランジスタのドレイン電流を測定することが好ましい。ただし、酸化物半導体を有するトランジスタでは、オフである場合、ゲートとソースとの間の電圧が閾値電圧未満である場合、又はゲートとソースとの間の電圧が負の値である場合において、光が照射されると、閾値電圧が負の方向にシフトしやすい。そこで、本発明の一態様は、トランジスタがオンである期間、トランジスタのゲートとソースとの間の電圧が閾値電圧超である期間、又はトランジスタのゲートとソースとの間の電圧が正の値である期間を有することが好ましい。特に、これらの期間を紫外線の検出を行う合間に設けることが好ましい。これらの期間を有することにより、トランジスタの閾値電圧のシフトを抑制することができ、トランジスタの信頼性の向上を図ることができる。
【００１２】
本発明の一態様は、トランジスタと、オペアンプと、抵抗素子と、を有する。トランジスタは、酸化物半導体を有する。トランジスタは、ソース又はドレインの一方が第１の配線と電気的に接続され、ゲートが第２の配線と電気的に接続される。オペアンプは、第１の入力端子が第３の配線と電気的に接続され、第２の入力端子がトランジスタのソース又はドレインの他方と電気的に接続される。抵抗素子は、第１の端子がオペアンプの第２の入力端子と電気的に接続され、第２の端子がオペアンプの出力端子と電気的に接続される。
【発明の効果】
【００１３】
使用可能な温度範囲の向上、信頼性の向上、及び／又は紫外線に対する受光感度の向上等を図ることができる。また、新規の構成、新規の回路、新規の構造、又は新規の駆動方法等を提供することができる。なお、本発明の一態様はこれらの効果に限定されるものではない。例えば、本発明の一態様は、場合によっては、または、状況に応じて、これらの効果以外の効果を有する場合もある。または、例えば、本発明の一態様は、場合によっては、または、状況に応じて、これらの効果を有さない場合もある。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】センサ回路を説明する図。
【図２】センサ回路を説明する図。
【図３】センサ回路を説明する図。
【図４】センサ回路を説明する図。
【図５】センサ回路を説明する図。
【図６】センサ回路を説明する図。
【図７】センサ回路を説明する図。
【図８】センサ回路を説明する図。
【図９】センサ回路を説明する図。
【図１０】ＡＤ変換回路を説明する図。
【図１１】ＡＤ変換回路を説明する図。
【図１２】ＡＤ変換回路を説明する図。
【図１３】ＡＮＤ回路を説明する図。
【図１４】オペアンプを説明する図。
【図１５】センサ回路を説明する図。
【図１６】半導体装置を説明する図。
【図１７】半導体装置を説明する図。
【図１８】照射した光の波長とトランジスタのオフ電流との関係を説明する図。
【図１９】放射照度とトランジスタのオフ電流との関係を説明する図。
【図２０】測定によって得られたトランジスタのゲート電圧とドレイン電流の関係を説明する図。
【図２１】トランジスタのゲート電圧とドレイン電流の関係を説明する図。
【図２２】トランジスタのゲート電圧とドレイン電流の関係を説明する図。
【図２３】センサ回路を説明する図。
【図２４】トランジスタを説明する図。
【図２５】モジュールを説明する図。
【図２６】電子機器を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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、本発明の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。したがって、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。
【００１６】
なお、本発明の一態様に係るセンサ回路は、集積回路、ＲＦタグ、半導体表示装置など、あらゆる半導体装置に用いることができる。また、本発明の一態様は、センサ回路が用いられた上記半導体装置を、その範疇に含む。なお、集積回路には、マイクロプロセッサ、画像処理回路、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、マイクロコントローラを含むＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ  Ｓｃａｌｅ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ）やＣＰＬＤ（Ｃｏｍｐｌｅｘ  ＰＬＤ）などのプログラマブル論理回路（ＰＬＤ：Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｌｏｇｉｃ  Ｄｅｖｉｃｅ）が、その範疇に含まれる。また、半導体表示装置には、液晶表示装置、有機発光素子（ＯＬＥＤ）に代表される発光素子を各画素に備えた発光装置、電子ペーパー、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅ）、ＰＤＰ（Ｐｌａｓｍａ  Ｄｉｓｐｌａｙ  Ｐａｎｅｌ）、ＦＥＤ（Ｆｉｅｌｄ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ  Ｄｉｓｐｌａｙ）などが、その範疇に含まれる。
【００１７】
（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明の一態様に係るセンサ回路（半導体装置ともいう）について説明する。
【００１８】
まず、本実施の形態のセンサ回路の構成の一例について図１を参照して説明する。図１は、センサ回路の回路図の一例である。
【００１９】
図１のセンサ回路は、トランジスタ１０１、オペアンプ１０２、抵抗素子１０３、及び容量素子１０４を有する。トランジスタ１０１は、第１の端子が配線１１と接続され、ゲートが配線１２と接続される。オペアンプ１０２は、第１の入力端子（非反転入力端子）が配線１３と接続され、第２の入力端子（反転入力端子）がトランジスタ１０１の第２の端子と接続され、出力端子が配線１４と接続される。抵抗素子１０３は、第１の端子がオペアンプ１０２の第２の入力端子と接続され、第２の端子がオペアンプ１０２の出力端子と接続される。容量素子１０４は、第１の端子がオペアンプ１０２の第２の入力端子と接続され、第２の端子がオペアンプ１０２の出力端子と接続される。
【００２０】
また、本明細書において接続とは電気的な接続を意味しており、電流、電圧または電位が、供給可能、或いは伝送可能な状態に相当する。従って、接続している状態とは、直接接続している状態だけでなく、電流、電圧または電位が、供給可能、或いは伝送可能であるように、配線、抵抗、ダイオード、トランジスタなどの回路素子を介して電気的に接続している状態も、その範疇に含む。
【００２１】
なお、本明細書において、トランジスタのソース又はドレインの一方をトランジスタの第１の端子と示し、トランジスタのソース又はドレインの他方を第２の端子と示す。トランジスタのソースとは、半導体層が有するソース領域、又は半導体層と電気的に接続されたソース電極を意味する。同様に、トランジスタのドレインとは、半導体層が有するドレイン領域、又は半導体層と電気的に接続されたドレイン電極を意味する。また、トランジスタのゲートとは、ゲート電極を意味する。
【００２２】
トランジスタ１０１は、紫外線を電気信号に変換する機能を有する。トランジスタ１０１としては、酸化物半導体を有するトランジスタを用いることができる。酸化物半導体のバンドギャップはシリコンのバンドギャップよりも広い。例えば、Ｉｎ、Ｇａ及びＺｎを含むＩＧＺＯ系の酸化物半導体のバンドギャップは約３．２ｅＶであるのに対し、シリコンのバンドギャップは約１．１ｅＶである。つまり、ＩＧＺＯ系の酸化物半導体のバンドギャップはシリコンのバンドギャップの３倍程度に相当する。よって、トランジスタ１０１は、シリコンを有するトランジスタと比較すると、温度の上昇に対するオフ電流の増加を抑制することができる。
【００２３】
オペアンプ１０２、抵抗素子１０３及び容量素子１０４によって回路１０５が構成される。回路１０５は、電流を電圧に変換する機能を有する。例えば、回路１０５は、トランジスタ１０１のドレイン電流を電圧に変換し、その電圧を信号Ｖｏｕｔとして配線１４に出力する機能を有する。
【００２４】
配線１１には信号Ｖｓが入力される。信号Ｖｓは２つの電位を有する。この２つの電位はＶｃｏｍとＶｃｏｍ−α（αは正の数）である。例えば、信号Ｖｓがデジタル信号である場合、信号ＶｓのハイレベルがＶｃｏｍであり、信号ＶｓのロウレベルがＶｃｏｍ−αである。
【００２５】
配線１２には信号Ｖｇが入力される。信号Ｖｇは２つの電位を有する。この２つの電位はＶｃｏｍ＋β（βは正の数）とＶｃｏｍ−γ（γ＞α）である。例えば、信号Ｖｇがデジタル信号である場合、信号ＶｇのハイレベルがＶｃｏｍ＋βであり、信号ＶｇのロウレベルがＶｃｏｍ−γである。
【００２６】
配線１３には電位Ｖｃｏｍが入力される。電位Ｖｃｏｍは一定の電位である。
【００２７】
配線１４からは信号Ｖｏｕｔが出力される。信号Ｖｏｕｔは図１のセンサ回路の出力信号である。そして、信号Ｖｏｕｔはトランジスタ１０１のドレイン電流に応じた値を有する。つまり、信号Ｖｏｕｔはトランジスタ１０１に照射された紫外線の強度に応じた値を有する。
【００２８】
なお、Ｖｃｏｍ、Ｖｃｏｍ−α、Ｖｃｏｍ＋β、及びＶｃｏｍ−γの大小関係は、Ｖｃｏｍ−γ＜Ｖｃｏｍ−α＜Ｖｃｏｍ＜Ｖｃｏｍ＋βである。
【００２９】
なお、信号Ｖｇの振幅電圧は、信号Ｖｓの振幅電圧よりも大きい。また、信号Ｖｇの最大値は信号Ｖｓの最大値よりも高く、信号Ｖｇの最小値は信号Ｖｓの最小値よりも低い。
【００３０】
なお、トランジスタ１０１の閾値電圧は、α−γよりも大きく、且つβよりも小さい値を有する。よって、信号Ｖｓの電位がＶｃｏｍ−αであり、信号Ｖｇの電位がＶｃｏｍ−γである場合には、トランジスタ１０１はオフである。また、信号Ｖｓの電位がＶｃｏｍであり、信号Ｖｇの電位がＶｃｏｍ＋βである場合には、トランジスタ１０１はオンである。
【００３１】
次に、図１のセンサ回路の動作の一例について図２を参照して説明する。図２は、図１のセンサ回路に適用可能なタイミングチャートの一例である。図２のタイミングチャートは、信号Ｖｓ、信号Ｖｇ、トランジスタ１０１のドレイン電流Ｉｄ、信号Ｖｏｕｔの一例を示す。
【００３２】
図１のセンサ回路は期間Ｔ１Ａと期間Ｔ１Ｂという２つの期間を有する。期間Ｔ１Ａは、センサ回路が駆動している期間であり、センサ駆動期間ともいう。期間Ｔ１Ｂは、センサ回路が停止している期間であり、センサ停止期間ともいう。
【００３３】
期間Ｔ１Ａにおいて、信号Ｖｓの電位はＶｃｏｍ−αであり、信号Ｖｇの電位はＶｃｏｍ−γである。よって、トランジスタ１０１のゲート・ソース間電圧Ｖｇｓはα−γであり、トランジスタ１０１はオフである。また、オペアンプ１０２は、トランジスタ１０１のドレイン電流Ｉｄと抵抗素子１０３の抵抗値の積を、電位Ｖｃｏｍに加算した電位を信号Ｖｏｕｔとして配線１４に出力する。トランジスタ１０１に紫外線が照射されている場合、トランジスタ１０１のドレイン電流は紫外線の強度に応じた値を有する。よって、信号Ｖｏｕｔも紫外線の強度に応じた値を有する。
【００３４】
期間Ｔ１Ｂにおいて、信号Ｖｓの電位はＶｃｏｍであり、信号Ｖｇの電位はＶｃｏｍ＋βである。よって、トランジスタ１０１のＶｇｓはβであり、トランジスタ１０１はオンである。また、オペアンプ１０２は配線１４の電位及びトランジスタ１０１の第２の端子の電位を配線１３に供給される電位Ｖｃｏｍと等しい電位に設定する。よって、トランジスタ１０１のソースとドレインとの間の電圧はゼロであり、トランジスタ１０１のドレイン電流はゼロである。
【００３５】
図１のセンサ回路は、トランジスタ１０１の閾値電圧のシフトを抑制することができる。これについて具体的に説明する。期間Ｔ１Ａにおいて、トランジスタ１０１のＶｇｓは負の値である。よって、特にトランジスタ１０１に光が照射されている場合、トランジスタ１０１の閾値電圧が負の方向にシフトする。これに対し、期間Ｔ１Ｂにおいて、トランジスタ１０１のＶｇｓは正の値である。よって、トランジスタ１０１の閾値電圧は正の方向にシフトする。したがって、トランジスタ１０１の閾値電圧が負の方向にシフトし続けることを防止することができる。さらに、期間Ｔ１Ａにおいて負の方向にシフトしたトランジスタ１０１の閾値電圧を、期間Ｔ１Ｂにおいて正の方向にシフトさせることにより、負の方向にシフトする前の値に戻すことができる。
【００３６】
図１のセンサ回路は、消費電力の削減を図ることができる。これについて具体的に説明する。期間Ｔ１Ｂにおいて、トランジスタ１０１の第１の端子及び第２の端子の双方の電位はＶｃｏｍに設定される。よって、トランジスタ１０１のドレイン電流はゼロであるため、消費電力が増加することはない。
【００３７】
図１のセンサ回路は、上述したトランジスタ１０１の閾値電圧のシフトの抑制と消費電力の削減とを両立することができる。
【００３８】
図１のセンサ回路は、容量素子１０４を有することにより、信号Ｖｏｕｔの電位を安定させることができる。よって、分解能の向上を図ることができる。
【００３９】
なお、回路１０５は、上述した機能の少なくとも一を有していれば、図１の構成に限定されない。例えば、トランジスタ１０１の第２の端子とオペアンプ１０２の第２の入力端子、抵抗素子１０３の第１の端子及び容量素子１０４の第１の端子の節点との間に可変抵抗を接続してもよい。
【００４０】
なお、トランジスタ１０１のチャネル領域の面積を大きくするほど、トランジスタ１０１の受光感度を高くすることができる。よって、トランジスタ１０１のチャネル幅は、オペアンプ１０２が有する複数のトランジスタの少なくとも一又は全てのチャネル幅よりも大きいことが好ましい。
【００４１】
なお、容量素子１０４を省略してもよい。これにより、素子数又は部品点数を減らすことができる。
【００４２】
なお、抵抗素子１０３の代わりに、抵抗成分を有する素子、ダイオード、又はトランジスタを採用してもよい。抵抗成分を有する素子はオペアンプ１０２の第２の入力端子とオペアンプ１０２の出力端子との間に接続される。ダイオードは陽極がオペアンプ１０２の出力端子側となるようにオペアンプ１０２の第２の入力端子とオペアンプ１０２の出力端子との間に接続される。トランジスタは、第１の端子がオペアンプ１０２の第２の入力端子と接続され、第２の端子がオペアンプ１０２の出力端子と接続される。特に、トランジスタがＮチャネル型である場合には、ゲートはオペアンプ１０２の出力端子と接続されることが好ましい。一方、トランジスタがＰチャネル型である場合には、ゲートはオペアンプ１０２の第２の入力端子と接続されることが好ましい。ただし、トランジスタのゲートは、配線１１、配線１２、若しくは配線１３、又はそれらの配線以外の配線と接続されてもよい。
【００４３】
なお、回路１０５を省略してもよい。回路１０５を省略した場合、センサ回路の出力信号は、トランジスタ１０１のドレイン電流となる。
【００４４】
なお、回路１０５を省略した場合、センサ回路は、トランジスタ１０１の第２の端子の電位をＶｃｏｍに設定する手段又は回路を有することが好ましい。当該手段又は回路としては、第１の端子が配線１１又は配線１３と接続され、第２の端子がトランジスタ１０１の第２の端子と接続されたスイッチがある。ただし、回路１０５を省略しない場合でも、センサ回路は、トランジスタ１０１の第２の端子の電位をＶｃｏｍに設定する手段又は回路を有していてもよい。
【００４５】
なお、信号Ｖｓは、Ｖｃｏｍ及びＶｃｏｍ−α以外の電位を有していてもよい。
【００４６】
なお、信号Ｖｇは、Ｖｃｏｍ＋β及びＶｃｏｍ−γ以外の電位を有していてもよい。
【００４７】
なお、配線１３には、Ｖｃｏｍを有する信号を入力してもよい。
【００４８】
なお、配線１１に電位Ｖｃｏｍを入力し、配線１３にＶｃｏｍとＶｃｏｍ超の電位とを有する信号を入力してもよい。この場合、配線１３に入力される信号は、期間Ｔ１ＡにおいてＶｃｏｍ超の電位であり、期間Ｔ１ＢにおいてＶｃｏｍであることが好ましい。
【００４９】
なお、本実施の形態は、本願明細書等に記載された事項と適宜組み合わせることができる。
【００５０】
（実施の形態２）
本実施の形態では、本発明の一態様に係るセンサ回路について説明する。
【００５１】
まず、本実施の形態のセンサ回路の構成の一例について図３を参照して説明する。図３は、センサ回路の回路図の一例である。
【００５２】
図３のセンサ回路は、トランジスタ２０１、スイッチ２０２、スイッチ２０３、スイッチ２０４、容量素子２０５、トランジスタ２０６、及び回路１０５を有する。トランジスタ２０１は、第１の端子が回路１０５と接続される。スイッチ２０２は、第１の端子が配線２１と接続され、第２の端子がトランジスタ２０１のゲートと接続される。スイッチ２０３は、第１の端子が配線２２と接続される。スイッチ２０４は、第１の端子がトランジスタ２０１のゲートと接続され、第２の端子がスイッチ２０３の第２の端子と接続される。容量素子２０５は、第１の端子がスイッチ２０３の第２の端子と接続され、第２の端子がトランジスタ２０１の第２の端子と接続される。トランジスタ２０６は、第１の端子が配線２３と接続され、第２の端子がトランジスタ２０１の第２の端子と接続され、ゲートがトランジスタ２０１の第２の端子と接続される。
【００５３】
なお、トランジスタ２０１のゲート、スイッチ２０２の第２の端子及びスイッチ２０４の第１の端子の接続箇所をノードＮ２ａと示す。スイッチ２０３の第２の端子、スイッチ２０４の第２の端子及び容量素子２０５の第１の端子の接続箇所をノードＮ２ｂと示す。トランジスタ２０１の第２の端子、容量素子２０５の第２の端子及びトランジスタ２０６の第２の端子の接続箇所をノードＮ２ｃと示す。
【００５４】
トランジスタ２０１は、トランジスタ１０１に相当する。
【００５５】
スイッチ２０２は、配線２１とノードＮ２ａとの導通又は非導通を制御する機能を有する。
【００５６】
スイッチ２０３は、配線２２とノードＮ２ｂとの導通又は非導通を制御する機能を有する。
【００５７】
スイッチ２０４は、ノードＮ２ａとノードＮ２ｂとの導通又は非導通を制御する機能を有する。
【００５８】
容量素子２０５は、ノードＮ２ｂとノードＮ２ｃとの間の電位差を保持する機能を有する。
【００５９】
トランジスタ２０６は、配線２３とノードＮ２ｃとの間の抵抗としての機能、又は電流源としての機能を有する。
【００６０】
配線２１には電位Ｖ１が入力される。電位Ｖ１は一定の電位である。
【００６１】
配線２２には電位Ｖ２が入力される。電位Ｖ２は一定の電位である。
【００６２】
配線２３には電位Ｖｇｎｄが入力される。電位Ｖｇｎｄは一定の電位である。
【００６３】
なお、Ｖ１及びＶ２の大小関係は、Ｖ１＞Ｖ２である。
【００６４】
次に、図３のセンサ回路の動作の一例について図４を参照して説明する。図４は、図３のセンサ回路に適用可能なタイミングチャートの一例である。図４のタイミングチャートは、スイッチ２０２のオン又はオフのタイミング、スイッチ２０３のオン又はオフのタイミング、スイッチ２０４のオン又はオフのタイミング、ノードＮ２ａの電位Ｖｎ２ａ、ノードＮ２ｂの電位Ｖｎ２ｂ、ノードＮ２ｃの電位Ｖｎ２ｃ、トランジスタ２０１のドレイン電流Ｉｄ、及び信号Ｖｏｕｔの一例を示す。
【００６５】
図３のセンサ回路は、期間Ｔ２Ａ及び期間Ｔ２Ｂという２つの期間を有する。期間Ｔ２Ａは、トランジスタ２０１の閾値電圧を取得する期間であり、閾値電圧取得期間ともいう。期間Ｔ２Ｂは、トランジスタ２０１に照射された紫外線に応じた信号を出力する期間である。
【００６６】
期間Ｔ２Ａにおいて、スイッチ２０２はオンであり、スイッチ２０３はオンであり、スイッチ２０４はオフである。ノードＮ２ａの電位は、電位Ｖ１がスイッチ２０２を介してノードＮ２ａに供給されるためＶ１である。ノードＮ２ｂの電位は、電位Ｖ２がスイッチ２０３を介してノードＮ２ｂに供給されるためＶ２である。ノードＮ２ｃの電位は、トランジスタ２０１のＶｇｓがトランジスタ２０１の閾値電圧（Ｖｔｈという）になるためＶ１−Ｖｔｈである。そして、ノードＮ２ｂとノードＮ２ｃとの間の電位差が容量素子２０５に保持される。
【００６７】
期間Ｔ２Ｂにおいて、スイッチ２０２はオフであり、スイッチ２０３はオフであり、スイッチ２０４はオンである。ノードＮ２ａ及びノードＮ２ｂの電位は、ノードＮ２ａとノードＮ２ｂとがスイッチ２０４を介して導通状態であるため同電位である。ここでは、便宜上、容量素子２０５の容量値がトランジスタ２０１のゲート容量よりも十分に大きいと仮定し、ノードＮ２ａ及びノードＮ２ｂの双方の電位はＶ２であるものとする。また、ノードＮ２ｃの電位は、容量素子２０５によって期間Ｔ２ＡにおけるノードＮ２ｂとノードＮ２ｃとの間の電位差が保持されているためＶ１−Ｖｔｈである。トランジスタ２０１のＶｇｓは、ノードＮ２ａの電位がＶ２であり、且つノードＮ２ｃの電位がＶ１−Ｖｔｈであるため、Ｖ２−（Ｖ１−Ｖｔｈ）＝Ｖｔｈ−（Ｖ１−Ｖ２）である。つまり、トランジスタ２０１のＶｇｓはトランジスタ２０１の閾値電圧よりもＶ１−Ｖ２だけ低い値になる。そして、オペアンプ１０２は、トランジスタ２０１のドレイン電流Ｉｄと抵抗素子１０３の抵抗値の積を、電位Ｖｃｏｍに加算した電位を信号Ｖｏｕｔとして配線１４に出力する。トランジスタ２０１に紫外線が照射されている場合、トランジスタ２０１のドレイン電流は紫外線の強度に応じた値を有する。つまり、信号Ｖｏｕｔも紫外線の強度に応じた値を有する。
【００６８】
なお、ノードＮ２ｃの電位は、トランジスタ２０１のドレイン電流に応じて変動する。ただし、トランジスタ２０１のＶｇｓは、容量素子２０５によって期間Ｔ２ＡにおけるノードＮ２ｂとノードＮ２ｃとの間の電位差が保持されているためＶｔｈ−（Ｖ１−Ｖ２）を維持する。
【００６９】
図３のセンサ回路は、トランジスタ２０１の閾値電圧のばらつき・変動の影響を抑制することができる。
【００７０】
なお、トランジスタ２０６の代わりに、抵抗成分を有する素子又は抵抗素子を採用してもよい。抵抗成分を有する素子は、配線２３とノードＮ２ｃとの間に接続される。抵抗素子は配線２３とノードＮ２ｃとの間に接続される。
【００７１】
なお、トランジスタ２０６のゲートを配線２１、配線２２、配線１３若しくは配線１４、又はそれら以外の配線と接続してもよい。または、トランジスタ２０６のゲートをトランジスタ２０１の第２の端子と接続してもよい。
【００７２】
なお、配線２３にはＶｇｎｄを有する信号を入力してもよい。特に、配線２３にはＶｇｎｄ及びＶｃｏｍという２つの電位を有する信号を入力してもよい。当該信号の電位をＶｃｏｍにすれば、トランジスタ２０１のドレイン電流がゼロになる。よって、消費電力の削減を図ることができる。
【００７３】
なお、配線２１にはＶ１を有する信号を入力してもよい。
【００７４】
なお、配線２２にはＶ２を有する信号を入力してもよい。
【００７５】
なお、配線１３にはＶｃｏｍを有する信号を入力してもよい。特に、配線１３にはＶｃｏｍ及びＶｇｎｄという２つの電位を有する信号を入力してもよい。当該信号の電位をＶｇｎｄとすれば、トランジスタ２０１のドレイン電流がゼロになる。よって、消費電力の削減を図ることができる。
【００７６】
なお、トランジスタ２０１のチャネル幅は、トランジスタ２０６のチャネル幅よりも大きいことが好ましい。また、スイッチ２０２、スイッチ２０３及びスイッチ２０４としてトランジスタが採用される場合、それらのスイッチとして採用したトランジスタのチャネル幅よりも、トランジスタ２０１のチャネル幅が大きいことが好ましい。
【００７７】
なお、本実施の形態は、本願明細書等に記載された事項と適宜組み合わせることができる。
【００７８】
（実施の形態３）
本実施の形態では、本発明の一態様に係るセンサ回路について説明する。
【００７９】
まず、本実施の形態のセンサ回路の構成の一例について図５を参照して説明する。図５は、センサ回路の回路図の一例である。
【００８０】
図５のセンサ回路は、回路３００、トランジスタ３０１、及び抵抗素子３０２を有する。トランジスタ３０１は、第１の端子が配線３１と接続され、ゲートが配線３２と接続される。抵抗素子３０２は、第１の端子が配線３３と接続され、第２の端子がトランジスタ３０１の第２の端子と接続される。回路３００は、入力端子がトランジスタ３０１の第２の端子と接続され、出力端子が配線３４に接続される。
【００８１】
なお、回路３００の入力端子、トランジスタ３０１の第２の端子及び抵抗素子３０２の第２の端子の接続箇所をノードＮ３ａと示す。
【００８２】
配線３１には電位Ｖｇｎｄが入力される。
【００８３】
配線３２には電位Ｖ３が入力される。電位Ｖ３は一定の電位である。
【００８４】
配線３３には電位Ｖｃｏｍが入力される。
【００８５】
配線３４からは信号Ｖｏｕｔが出力される。
【００８６】
なお、Ｖｇｎｄ、Ｖ３及びＶｃｏｍの大小関係は、Ｖ３＜Ｖｇｎｄ＜Ｖｃｏｍである。特に、Ｖ３−Ｖｇｎｄは、トランジスタ３０１の閾値電圧未満であることが好ましい。
【００８７】
トランジスタ３０１は、トランジスタ１０１に相当する。
【００８８】
回路３００は、ノードＮ３ａの電位に応じた電位を配線３４に出力する機能を有する。または、回路３００は、アナログバッファとしての機能を有する。
【００８９】
次に、図５のセンサ回路の動作の一例について説明する。
【００９０】
ノードＮ３ａの電位は、トランジスタ３０１のドレイン電流と抵抗素子３０２の抵抗値の積を電位Ｖｃｏｍから引いた値となる。そして、回路３００は、ノードＮ３ａの電位に応じた電位を信号Ｖｏｕｔとして配線３４に出力する。トランジスタ３０１に紫外線が照射された場合、トランジスタ３０１のドレイン電流はトランジスタ３０１に照射された紫外線の強度に応じた値を有する。よって、ノードＮ３ａの電位及び信号Ｖｏｕｔもトランジスタ３０１に照射された紫外線の強度に応じた値を有する。
【００９１】
図５のセンサ回路は、大規模な電流電圧変換回路を用いることなく、トランジスタ３０１に照射された紫外線に応じた電圧を出力することができる。
【００９２】
なお、図６（Ａ）及び図６（Ｂ）に示すセンサ回路においても、図５のセンサ回路と同様に、トランジスタ３０１に照射された紫外線の強度に応じた信号Ｖｏｕｔを出力することが可能である。
【００９３】
図６（Ａ）のセンサ回路は、図５のセンサ回路において、抵抗素子３０２をトランジスタ３０３に置き換えた構成に相当する。トランジスタ３０３は、第１の端子が配線３３と接続され、第２の端子がトランジスタ３０１の第２の端子と接続され、ゲートが配線３３と接続される。
【００９４】
図６（Ｂ）のセンサ回路は、回路３００、トランジスタ３０１、トランジスタ３０４、トランジスタ３０５、及びトランジスタ３０６を有する。トランジスタ３０１は、第１の端子が配線３１と接続され、ゲートが配線３２と接続される。トランジスタ３０４は、第１の端子が配線３３と接続され、第２の端子がトランジスタ３０１の第２の端子と接続される。トランジスタ３０５は、第１の端子が配線３３と接続され、第２の端子がトランジスタ３０４のゲートと接続され、ゲートが配線３３と接続される。トランジスタ３０６は、第１の端子が配線３１と接続され、第２の端子がトランジスタ３０４のゲートと接続され、ゲートがトランジスタ３０１の第２の端子と接続される。回路３００は、入力端子がトランジスタ３０１の第２の端子と接続され、出力端子が配線３４と接続される。
【００９５】
なお、回路３００を省略してもよい。
【００９６】
なお、配線３１にはＶｇｎｄを有する信号を入力してもよい。特に、配線３１にはＶｇｎｄ及びＶｃｏｍという２つの電位を有する信号を入力してもよい。当該信号の電位をＶｃｏｍとすれば、トランジスタ３０１のドレイン電流をゼロにすることができる。よって、消費電力の削減を図ることができる。
【００９７】
なお、配線３２にはＶ３を有する信号を入力してもよい。特に、配線３２にはＶ３及びＶｇｎｄ超という２つの電位を有する信号を入力してもよい。当該信号をＶｇｎｄ超とすれば、トランジスタ３０１の閾値電圧のシフトを抑制することができる。ただし、Ｖｇｎｄ超の代わりにＶｃｏｍを採用してもよい。
【００９８】
なお、配線３３にはＶｃｏｍを有する信号を入力してもよい。特に、配線３３には、Ｖｃｏｍ及びＶｇｎｄという２つの電位を有する信号を入力してもよい。当該信号の電位をＶｇｎｄとすれば、トランジスタ３０１のドレイン電流をゼロにすることができる。よって、消費電力の削減を図ることができる。
【００９９】
なお、回路３００としては、図７（Ａ）及び図７（Ｂ）に示す構成を適用可能である。
【０１００】
図７（Ａ）の回路３００は、オペアンプ３０７を有する。オペアンプ３０７は、第１の入力端子（非反転入力端子）がトランジスタ３０１の第２の端子と接続され、第２の端子（反転入力端子）が配線３４と接続され、出力端子が配線３４と接続される。
【０１０１】
図７（Ｂ）の回路３００は、トランジスタ３０８及びトランジスタ３０９を有する。トランジスタ３０８は、第１の端子が配線３３と接続され、第２の端子が配線３４と接続され、ゲートがトランジスタ３０１の第２の端子と接続される。トランジスタ３０９は、第１の端子が配線３１と接続され、第２の端子が配線３４と接続され、ゲートが配線３４と接続される。
【０１０２】
なお、本実施の形態は、本願明細書等に記載された事項と適宜組み合わせることができる。
【０１０３】
（実施の形態４）
本実施の形態では、本発明の一態様に係るセンサ回路について説明する。
【０１０４】
まず、本実施の形態のセンサ回路の構成の一例について図８を参照して説明する。図８は、センサ回路の回路図の一例である。
【０１０５】
図８のセンサ回路は、回路４８０、トランジスタ４８１、容量素子４８２及びスイッチ４８３を有する。トランジスタ４８１は、第１の端子が配線４１と接続され、ゲートが配線４２と接続される。容量素子４８２は、第１の端子が配線４３と接続され、第２の端子がトランジスタ４８１の第２の端子と接続される。スイッチ４８３は、第１の端子が配線４４と接続され、第２の端子がトランジスタ４８１の第２の端子と接続される。回路４８０は、入力端子がトランジスタ４８１の第２の端子と接続され、出力端子が配線４５に接続される。
【０１０６】
なお、回路４８０の入力端子、トランジスタ４８１の第２の端子、容量素子４８２の第２の端子及びスイッチ４８３の第２の端子の接続箇所をノードＮ４ａとする。
【０１０７】
配線４１には電位Ｖｇｎｄが入力される。
【０１０８】
配線４２には電位Ｖ３が入力される。
【０１０９】
配線４３には電位Ｖｃｏｍが入力される。
【０１１０】
配線４４には電位Ｖ４が入力される。電位Ｖ４は一定の電位である。
【０１１１】
配線４５からは信号Ｖｏｕｔが出力される。
【０１１２】
回路４８０は、回路３００に相当する。
【０１１３】
トランジスタ４８１は、トランジスタ１０１に相当する。
【０１１４】
容量素子４８２は、配線４３とノードＮ４ａとの間の電位差を保持する機能を有する。
【０１１５】
スイッチ４８３は、配線４４とトランジスタ４８１の第２の端子との間の導通又は非導通を制御する機能を有する。
【０１１６】
次に、図８のセンサ回路の動作について説明する。
【０１１７】
まず、スイッチ４８３がオンになる。よって、ノードＮ４ａの電位は、電位Ｖ４がスイッチ４８３を介してノードＮ４ａに供給されるためＶ４になる。その後、スイッチ４８３がオフになる。すると、ノードＮ４ａの電位は、トランジスタ４８１のドレイン電流に応じて下降する。そして、回路４８０は、ノードＮ４ａの電位に応じた電位を信号Ｖｏｕｔとして配線４５に出力する。トランジスタ４８１に紫外線が照射された場合、トランジスタ４８１のドレイン電流はトランジスタ４８１に照射された紫外線の強度に応じた値を有する。よって、ノードＮ４ａの電位、及び信号Ｖｏｕｔもトランジスタ４８１に照射された紫外線の強度に応じた値を有する。
【０１１８】
図８のセンサ回路は、大規模な電流電圧変換回路を用いることなく、トランジスタ４８１に照射された紫外線に応じた電圧を出力することができる。
【０１１９】
なお、回路４８０を省略してもよい。
【０１２０】
なお、配線４１には、Ｖｇｎｄを有する信号を入力してもよい。特に、配線４１には、Ｖｇｎｄ及びＶ４という２つの電位を有する信号を入力してもよい。当該信号の電位をＶ４とし、スイッチ４８３をオンにすれば、トランジスタ４８１のドレイン電流をゼロにすることができる。よって、消費電力の削減を図ることができる。
【０１２１】
なお、配線４２には、Ｖ３を有する信号を入力してもよい。特に、配線４２には、Ｖ３及びＶｇｎｄ超という２つの電位を有する信号を入力してもよい。当該信号の電位をＶｇｎｄ超とすれば、トランジスタ４８１の閾値電圧のシフトを抑制することができる。ただし、Ｖｇｎｄ超の代わりにＶｃｏｍ又はＶ４を採用してもよい。
【０１２２】
なお、配線４３には、Ｖｃｏｍを有する信号を入力してもよい。
【０１２３】
なお、配線４４には、Ｖ４を有する信号を入力してもよい。特に、配線４４には、Ｖ４及びＶｇｎｄという２つの電位を有する信号を入力してもよい。当該信号の電位をＶｇｎｄとすれば、トランジスタ４８１のソースとドレインとの間の電位差をゼロにすることができる。よって、消費電力の削減を図ることができる。
【０１２４】
なお、本実施の形態は、本願明細書等に記載された事項と適宜組み合わせることができる。
【０１２５】
（実施の形態５）
本実施の形態では、本発明の一態様に係るセンサ回路について説明する。
【０１２６】
まず、本実施の形態のセンサ回路の構成の一例について図９を参照して説明する。図９は、センサ回路の回路図の一例である。
【０１２７】
図９のセンサ回路は、回路５００、トランジスタ５０１、容量素子５０２、及びスイッチ５０３を有する。トランジスタ５０１は、第１の端子が配線５１と接続され、ゲートが配線５２と接続される。容量素子５０２は、第１の端子がトランジスタ５０１の第２の端子と接続される。スイッチ５０３は、第１の端子が配線５３と接続され、第２の端子が容量素子５０２の第２の端子と接続される。回路５００は、入力端子が容量素子５０２の第２の端子と接続され、出力端子が配線５４と接続される。
【０１２８】
なお、回路５００の入力端子、容量素子５０２の第２の端子及びスイッチ５０３の第２の端子の接続箇所をノードＮ５ａと示す。トランジスタ５０１の第２の端子及び容量素子５０２の第１の端子の接続箇所をノードＮ５ｂと示す。
【０１２９】
配線５１には電位Ｖｇｎｄが入力される。
【０１３０】
配線５２には電位Ｖ３が入力される。
【０１３１】
配線５３には電位Ｖｃｏｍが入力される。
【０１３２】
配線５４からは信号Ｖｏｕｔが出力される。
【０１３３】
回路５００は、回路３００に相当する。
【０１３４】
トランジスタ５０１は、トランジスタ１０１に相当する。
【０１３５】
容量素子５０２は、ノードＮ５ａとノードＮ５ｂとの電位差を保持する機能を有する。
【０１３６】
スイッチ５０３は、配線５３とノードＮ５ａとの導通又は非導通を制御する機能を有する。
【０１３７】
次に、図９のセンサ回路の動作について説明する。
【０１３８】
まず、スイッチ５０３がオンになる。よって、ノードＮ５ａの電位は、電位Ｖｃｏｍがスイッチ５０３を介して容量素子５０２の第２の端子に入力されるためＶｃｏｍになる。そして、容量素子５０２は、スイッチ５０３がオンであるときのノードＮ５ａとノードＮ５ｂとの電位差を保持する。その後、スイッチ５０３がオフになる。よって、ノードＮ５ｂは浮遊状態になる。また、ノードＮ５ｂの電位は、トランジスタ５０１のドレイン電流に応じて下降する。すると、ノードＮ５ａの電位は、容量素子５０２がノードＮ５ａとノードＮ５ｂとの電位差を保持しているためノードＮ５ｂの電位に応じて下降する。そして、回路５００は、ノードＮ５ａの電位に応じた電位を信号Ｖｏｕｔとして配線５４に出力する。トランジスタ５０１に紫外線が照射された場合、トランジスタ５０１のドレイン電流はトランジスタ５０１に照射された紫外線の強度に応じた値を有する。よって、ノードＮ５ａの電位及びノードＮ５ｂの電位、並びに信号Ｖｏｕｔもトランジスタ５０１に照射された紫外線の強度に応じた値を有する。
【０１３９】
図９のセンサ回路は、大規模な電流電圧変換回路を用いることなく、トランジスタ５０１に照射された紫外線に応じた電圧を出力することができる。
【０１４０】
なお、回路５００を省略してもよい。
【０１４１】
なお、配線５１には、Ｖｇｎｄを有する信号を入力してもよい。
【０１４２】
なお、配線５２には、Ｖ３を有する信号を入力してもよい。特に、配線５２には、Ｖ３及びＶｇｎｄ超という２つの電位を有する信号を入力してもよい。当該信号の電位をＶｇｎｄ超とすれば、トランジスタ５０１の閾値電圧のシフトを抑制することができる。ただし、Ｖｇｎｄ超の代わりにＶｃｏｍを採用してもよい。
【０１４３】
なお、配線５３には、Ｖｃｏｍを有する信号を入力してもよい。
【０１４４】
なお、本実施の形態は、本願明細書等に記載された事項と適宜組み合わせることができる。
【０１４５】
（実施の形態６）
本実施の形態では、本発明の一態様に係るアナログデジタル変換回路（ＡＤコンバータ又はＡＤＣともいう）について説明する。本実施の形態のＡＤコンバータは、実施の形態１〜５等の本明細書において説明したセンサ回路に適用可能である。
【０１４６】
まず、本実施の形態のＡＤコンバータの構成の一例について図１０を参照して説明する。図１０は、本実施の形態のＡＤコンバータの回路図の一例である。
【０１４７】
図１０のＡＤコンバータは、回路６０１、抵抗素子６０２、オペアンプ６０３、容量素子６０４、スイッチ６０５、オペアンプ６０６、回路６０７、ＡＮＤ回路６０８、及びカウンタ回路６０９を有する。回路６０１は、配線６１、配線６２及び抵抗素子６０２の第１の端子と接続される。オペアンプ６０３は、第１の入力端子（非反転入力端子）が配線６３と接続され、第２の入力端子（反転入力端子）が抵抗素子６０２の第２の端子と接続される。容量素子６０４は、第１の端子がオペアンプ６０３の第２の入力端子と接続され、第２の端子がオペアンプ６０３の出力端子と接続される。スイッチ６０５は、第１の端子がオペアンプ６０３の第２の入力端子と接続され、第２の端子がオペアンプ６０３の出力端子と接続される。オペアンプ６０６は、第１の入力端子（非反転入力端子）が配線６４と接続され、第２の入力端子（反転入力端子）がオペアンプ６０３の出力端子と接続される。ＡＮＤ回路６０８は、第１の入力端子（Ａ端子）が回路６０７を介してオペアンプ６０６の出力端子と接続され、第２の入力端子（Ｂ端子）が配線６５と接続される。カウンタ回路６０９は、ＡＮＤ回路６０８の出力端子、配線６６及び配線６７と接続される。
【０１４８】
配線６１には信号Ｖｉｎが入力される。信号Ｖｉｎは、実施の形態１〜５において説明した信号Ｖｏｕｔに相当する。つまり、信号Ｖｉｎは、紫外線の強度に応じた値を有する。
【０１４９】
配線６２には電位Ｖｒｅｆが入力される。電位Ｖｒｅｆは一定の電位である。
【０１５０】
配線６３には電位Ｖｇｎｄ１が入力される。電位Ｖｇｎｄ１は一定の電位である。
【０１５１】
配線６４には電位Ｖｇｎｄ２（Ｖｇｎｄ２＜Ｖｇｎｄ１）が入力される。電位Ｖｇｎｄ２は一定の電位である。
【０１５２】
配線６５にはクロック信号Ｖｃｋが入力される。
【０１５３】
配線６６にはリセット信号Ｖｒｓｔが入力される。
【０１５４】
配線６７からは信号Ｖｃｏｕｔが出力される。
【０１５５】
回路６０１は、配線６１と抵抗素子６０２の第１の端子との導通又は非導通を制御する機能と、配線６２と抵抗素子６０２の第１の端子との導通又は非導通を制御する機能と、を有する。または、回路６０１は、抵抗素子６０２の第１の端子を配線６１又は配線６２の一方と導通にする機能を有する。
【０１５６】
抵抗素子６０２、オペアンプ６０３、容量素子６０４及びスイッチ６０５によって、回路６１０が構成される。回路６１０は、入力電位の波形の時間積分に等しい波形の電位を出力する機能を有し、いわゆる積分回路としての機能を有する。
【０１５７】
オペアンプ６０６によって回路６１１が構成される。回路６１１は、２つの入力電位を比較し、該２つの入力電位のどちらか高いかによって出力を切り替える機能を有し、いわゆるコンパレータとしての機能を有する。
【０１５８】
回路６０７は、入力信号と同様の信号を出力する機能、及び入力信号にかかわらずロウレベルの信号又はハイレベルの信号を出力する機能を有する。入力信号と同様の信号とは、入力信号と同じ信号、入力信号がインバータ回路等の論理回路に入力された場合の該論理回路の出力信号等を含む。
【０１５９】
次に、図１０のＡＤコンバータの動作の一例について図１１を参照して説明する。図１１は、図１０のＡＤコンバータに適用可能なタイミングチャートの一例である。図１１のタイミングチャートには、オペアンプ６０３の出力信号Ｖ６０３、及びオペアンプ６０６の出力信号Ｖ６０６、回路６０７の出力信号Ｖ６０７、ＡＮＤ回路６０８の出力信号Ｖ６０８を示す。
【０１６０】
図１０のＡＤコンバータは、期間Ｔ６Ａ、期間Ｔ６Ｂ、及び期間Ｔ６Ｃを有する。
【０１６１】
期間Ｔ６Ａにおいて、スイッチ６０５はオンである。よって、容量素子６０４の電荷が放電される。そして、オペアンプ６０３の出力端子及び第２の入力端子の電位はＶｇｎｄ１になる。
【０１６２】
オペアンプ６０３の出力端子の電位がＶｇｎｄ１（Ｖｇｎｄ１＞Ｖｇｎｄ２）であるため、オペアンプ６０６の出力信号はロウレベルである。
【０１６３】
オペアンプ６０６の出力信号がロウレベルであるため、回路６０７の出力信号はロウレベルである。あるいは、回路６０７の出力信号は、オペアンプ６０６の出力信号にかかわらずロウレベルである。
【０１６４】
回路６０７の出力信号がロウレベルであるため、ＡＮＤ回路６０８の出力信号はロウレベルである。
【０１６５】
ＡＮＤ回路６０８の出力信号がロウレベルであるため、カウンタ回路６０９はクロック信号Ｖｃｋのパルスのカウントは行わない。
【０１６６】
なお、回路６０１は、抵抗素子６０２の第１の端子と配線６１とを導通させてもよいし、抵抗素子６０２の第１の端子と配線６２とを導通させてもよいし、抵抗素子６０２の第１の端子と配線６１及び配線６２の双方とを非導通としてもよい。
【０１６７】
期間Ｔ６Ｂにおいて、スイッチ６０５はオフである。
【０１６８】
抵抗素子６０２の第１の端子と配線６１とは回路６０１によって導通状態である。
【０１６９】
オペアンプ６０３の出力信号は、信号Ｖｉｎが回路６０１を介して抵抗素子６０２の第１の端子に供給されるため、Ｖｇｎｄ１から下降し始める。このオペアンプ６０３の出力信号の傾きは信号Ｖｉｎに依存している。例えば、信号Ｖｉｎの電位が低いほど、オペアンプ６０３の出力信号の傾きは大きくなる。
【０１７０】
オペアンプ６０３の出力信号がＶｇｎｄ２を下回った時点で、オペアンプ６０６の出力信号はロウレベルからハイレベルに反転する。オペアンプ６０６の出力信号がロウレベルからハイレベルに反転した時点から期間Ｔ６Ｂが終了するまでの期間を期間Ｔｃｏｕｔ１と示す。
【０１７１】
回路６０７の出力信号は、オペアンプ６０６の出力信号にかかわらずロウレベルである。
【０１７２】
回路６０７の出力信号がロウレベルであるため、ＡＮＤ回路６０８の出力信号はロウレベルである。
【０１７３】
ＡＮＤ回路６０８の出力信号がロウレベルであるため、カウンタ回路６０９はクロック信号Ｖｃｋのパルスのカウントは行わない。
【０１７４】
なお、期間Ｔｃｏｕｔ１は所定の時間である。よって、期間Ｔ６Ｂの終了時点でのオペアンプ６０３の出力信号は信号Ｖｉｎに存した値を有する。具体的には、信号Ｖｉｎの電位が低いほど、期間Ｔ６Ｂの終了時点でのオペアンプ６０３の出力信号の電位は低くなる。
【０１７５】
期間Ｔ６Ｃにおいて、スイッチ６０５はオフである。
【０１７６】
抵抗素子６０２の第１の端子と配線６２とは回路６０１によって導通状態である。
【０１７７】
オペアンプ６０３の出力信号は、電位Ｖｒｅｆが回路６０１を介して抵抗素子６０２の第１の端子に供給されるため、期間Ｔ６Ｂの終了時点又は期間Ｔ６Ｃの開始時点での電位から上昇し始める。
【０１７８】
オペアンプ６０３の出力信号がＶｇｎｄ２を上回った時点で、オペアンプ６０６の出力信号はハイレベルからロウレベルに反転する。期間Ｔ６Ｃの開始時点からオペアンプ６０６の出力信号がハイレベルからロウレベルに反転した時点までの期間を期間Ｔｃｏｕｔ２と示す。
【０１７９】
回路６０７はオペアンプ６０６の出力信号と同様の信号を出力する。よって、回路６０７の出力信号は、期間Ｔｃｏｕｔ２ではハイレベルであり、期間Ｔｃｏｕｔ２の終了時点以降ではロウレベルである。
【０１８０】
ＡＮＤ回路６０８の出力信号は、期間Ｔｃｏｕｔ２ではクロック信号Ｖｃｋであり、期間Ｔｃｏｕｔ２の終了時点以降ではロウレベルである。
【０１８１】
カウンタ回路６０９は、期間Ｔｃｏｕｔ２ではクロック信号Ｖｃｋのパルスのカウントを行い、期間Ｔｃｏｕｔ２の終了時点以降ではクロック信号Ｖｃｋのパルスのカウントを行わない。そして、カウンタ回路６０９は、期間Ｔｃｏｕｔ２においてカウントしたクロック信号Ｖｃｋのカウント値を信号Ｖｃｏｕｔとして出力する。
【０１８２】
図１０のＡＤコンバータは、信号Ｖｉｎを信号Ｖｃｏｕｔに変換することができる。特に、信号Ｖｉｎは、信号Ｖｏｕｔに相当し、紫外線の強度に応じた値を有する。つまり、信号Ｖｃｏｕｔは紫外線の強度に応じた値を有する。
【０１８３】
なお、図１２に示すように、回路６０７を省略してもよい。図１２のＡＤコンバータでは、オペアンプ６０６の出力端子はＡＮＤ回路６０８の第１の入力端子（Ａ端子）と接続される。図１２のＡＤコンバータの動作は、ＡＮＤ回路６０８が期間Ｔｃｏｕｔ１においてクロック信号Ｖｃｋのパルスを出力する点、カウンタ回路６０９が期間Ｔｃｏｕｔ１においてクロック信号Ｖｃｋをカウントする点、カウンタ回路６０９が期間Ｔ６Ｂの終了時点あるいは期間Ｔ６Ｃの開始時点でリセット信号Ｖｒｓｔによってカウント値がリセットされる点、等で図１０のＡＤコンバータの動作と異なる。
【０１８４】
なお、ＡＮＤ回路６０８として図１３の回路を採用してもよい。図１３の回路は、トランジスタ６２１乃至トランジスタ６３４を有する。トランジスタ６２１乃至トランジスタ６３４としては、酸化物半導体を有するトランジスタを採用することが可能である。トランジスタ６２１は、第１の端子が配線６４１と接続され、第２の端子が配線６４２と接続される。トランジスタ６２２は、第１の端子が配線６４３と接続され、第２の端子が配線６４２と接続される。トランジスタ６２３は、第１の端子が配線６４３と接続され、第２の端子が配線６４２と接続される。トランジスタ６２４は、第１の端子が配線６４１と接続され、第２の端子がトランジスタ６２１のゲートと接続され、ゲートが配線６４１と接続される。トランジスタ６２５は、第１の端子が配線６４３と接続され、第２の端子がトランジスタ６２１のゲートと接続され、ゲートがトランジスタ６２２のゲートと接続される。トランジスタ６２６は、第１の端子が配線６４３と接続され、第２の端子がトランジスタ６２１のゲートと接続され、ゲートがトランジスタ６２３のゲートと接続される。トランジスタ６２７は、第１の端子が配線６４１と接続され、第２の端子がトランジスタ６２２のゲートと接続される。トランジスタ６２８は、第１の端子が配線６４３と接続され、第２の端子がトランジスタ６２２のゲートと接続され、ゲートが配線６４４と接続される。トランジスタ６２９は、第１の端子が配線６４１と接続され、第２の端子がトランジスタ６２３のゲートと接続される。トランジスタ６３０は、第１の端子が配線６４３と接続され、第２の端子がトランジスタ６２３のゲートと接続され、ゲートが配線６４５と接続される。トランジスタ６３１は、第１の端子が配線６４１と接続され、第２の端子がトランジスタ６２７のゲートと接続され、ゲートが配線６４１と接続される。トランジスタ６３２は、第１の端子が配線６４３と接続され、第２の端子がトランジスタ６２７のゲートと接続され、ゲートが配線６４４と接続される。トランジスタ６３３は、第１の端子が配線６４１と接続され、第２の端子がトランジスタ６２９のゲートと接続され、ゲートが配線６４１と接続される。トランジスタ６３４は、第１の端子が配線６４３と接続され、第２の端子がトランジスタ６２９のゲートと接続され、ゲートが配線６４５と接続される。配線６４４はＡＮＤ回路の第１の入力端子に相当し、配線６４５はＡＮＤ回路の第２の入力端子に相当し、配線６４２はＡＮＤ回路の出力端子に相当する。配線６４１及び配線６４３には、各々、適宜電位を入力すればよい。
【０１８５】
なお、オペアンプ１０２、オペアンプ６０３又はオペアンプ６０６等として、図１４の回路を採用してもよい。図１４の回路は、トランジスタ６５１乃至トランジスタ６６４を有する。トランジスタ６５１乃至トランジスタ６６４としては、酸化物半導体を有するトランジスタを採用することが可能である。トランジスタ６５１は、第１の端子が配線６７１と接続され、第２の端子が配線６７２と接続される。トランジスタ６５２は、第１の端子が配線６７３と接続される。トランジスタ６５３は、第１の端子がトランジスタ６５２の第２の端子と接続され、第２の端子が配線６７２と接続され、ゲートが配線６７４と接続される。トランジスタ６５４は、第１の端子が配線６７１と接続され、第２の端子がトランジスタ６５２のゲートと接続される。トランジスタ６５５は、第１の端子が配線６７３と接続され、ゲートがトランジスタ６５２のゲートと接続される。トランジスタ６５６は、第１の端子がトランジスタ６５５の第２の端子と接続され、第２の端子がトランジスタ６５４の第２の端子と接続され、ゲートが配線６７４と接続される。トランジスタ６５７は、第１の端子が配線６７１と接続され、ゲートが配線６７１と接続される。トランジスタ６５８は、第１の端子がトランジスタ６５７の第２の端子と接続され、第２の端子がトランジスタ６５１のゲートと接続され、ゲートがトランジスタ６５７の第２の端子と接続される。トランジスタ６５９は、第１の端子が配線６７１と接続され、ゲートが配線６７１と接続される。トランジスタ６６０は、第１の端子がトランジスタ６５９の第２の端子と接続され、第２の端子がトランジスタ６５４のゲートと接続され、ゲートがトランジスタ６５９の第２の端子と接続される。トランジスタ６６１は、第１の端子が配線６７３と接続され、ゲートが配線６７５と接続される。トランジスタ６６２は、第１の端子がトランジスタ６６１の第２の端子と接続され、ゲートが配線６７４と接続される。トランジスタ６６３は、第１の端子がトランジスタ６６２の第２の端子と接続され、第２の端子がトランジスタ６５１のゲートと接続され、ゲートが配線６７６と接続される。トランジスタ６６４は、第１の端子がトランジスタ６６２の第２の端子と接続され、第２の端子がトランジスタ６５４のゲートと接続され、ゲートが配線６７７と接続される。配線６７７がオペアンプの第１の入力端子（非反転入力端子）に相当し、配線６７６がオペアンプの第２の入力端子（反転入力端子）に相当し、配線６７２がオペアンプの出力端子に相当する。配線６７１、配線６７３、配線６７４及び配線６７５には、各々、適宜電位を入力すればよい。
【０１８６】
なお、本実施の形態は、本願明細書等に記載された事項と適宜組み合わせることができる。
【０１８７】
（実施の形態７）
本実施の形態では、本発明の一態様に係るセンサ回路について説明する。
【０１８８】
本実施の形態のセンサ回路の構成について図１５を参照して説明する。図１５は、本実施の形態のセンサ回路の回路図の一例である。
【０１８９】
図１５のセンサ回路は、図１０のＡＤコンバータにおいて、スイッチ６０５に代えてトランジスタ７０１を採用した点、配線６１に電位Ｖｒｅｆ１が入力される点、配線６２に電位Ｖｒｅｆ２が入力される点で、異なる。トランジスタ７０１は、第１の端子がオペアンプ６０３の第２の入力端子と接続され、第２の端子がオペアンプ６０３の出力端子と接続され、ゲートが配線７１と接続される。電位Ｖｒｅｆ１及び電位Ｖｒｅｆ２は一定の電位である。配線７１には信号Ｖｃｏｎｔが入力される。信号Ｖｃｏｎｔはトランジスタ７０１のオン又はオフを制御するための信号である。
【０１９０】
トランジスタ７０１は、トランジスタ１０１に相当する。
【０１９１】
次に、図１５のセンサ回路の動作の一例について説明する。
【０１９２】
期間Ｔ６Ａにおいて、トランジスタ７０１はオンである。
【０１９３】
期間Ｔ６Ｂにおいて、トランジスタ７０１はオフである。
【０１９４】
期間Ｔ６Ｃにおいて、トランジスタ７０１はオフである。そして、トランジスタ７０１に紫外線が照射される。よって、オペアンプ６０３の出力信号の傾きは、トランジスタ７０１に照射される紫外線の強度に応じて変わる。つまり、期間Ｔｃｏｕｔ２の長さ及び信号Ｖｃｏｕｔの電位はトランジスタ７０１に照射された紫外線の強度に応じた値を有する。
【０１９５】
なお、図１５のセンサ回路において、期間Ｔｃｏｕｔ１は１０ｍｓ以上、１０００ｍｓ以下であることが好ましい。より好ましくは、２０ｍｓ以上、８００ｍｓ以下である。さらに好ましくは、３０ｍｓ以上、５００ｍｓ以下である。
【０１９６】
なお、本実施の形態は、本願明細書等に記載された事項と適宜組み合わせることができる。
【０１９７】
（実施の形態８）
本実施の形態では、本発明の一態様に係る半導体装置について説明する。
【０１９８】
図１６の半導体装置８０は、センサ回路８１と、信号処理回路８２と、出力装置８３とを有する。センサ回路８１は、実施の形態１〜５において説明したセンサ回路に相当する。
【０１９９】
センサ回路８１の信号Ｖｏｕｔは、信号処理回路８２に入力される。信号処理回路８２は、信号Ｖｏｕｔを用いて、出力装置８３の動作を制御するための信号を生成する。具体的に、出力装置８３の動作を制御するための信号は、信号Ｖｏｕｔに含まれる紫外線の強度の情報を、出力装置８３において出力するための信号、或いは、信号Ｖｏｕｔに情報として含まれる紫外線の強度の情報に従って、出力装置８３の動作を変更するための信号などが挙げられる。
【０２００】
出力装置８３の具体例として、表示装置、照明装置、プリンタ、プロッター、音声出力装置などが挙げられる。例えば、出力装置８３として表示装置を用いる場合、当該表示装置に上記紫外線の強度の情報を表示させることができる。或いは、出力装置８３として水銀ランプなどの照明装置を用いる場合、照明装置から照射される紫外線の強度が低下したときに、センサ回路８１からの紫外線の強度の情報を用いて、照明装置から照射される紫外線の強度を調整することができる。
【０２０１】
次いで、図１７に、図１６に示した半導体装置８０の、より詳細な構成の一例を示す。
【０２０２】
図１７に示す半導体装置８０は、図１６に示す半導体装置８０と同様に、センサ回路８１と、信号処理回路８２と、出力装置８３とを有する。そして、図１７に示す半導体装置８０では、信号処理回路８２が、ＡＤＣ８４（アナログデジタル変換回路）と、Ｉ／Ｏ（インターフェース）８５と、プロセッサ８６とを有する。ＡＤＣ８４は、実施の形態６で説明したＡＤ変換回路に相当する。また、センサ回路８１及びＡＤＣ８４を合わせて、実施の形態７で説明したセンサ回路に相当する。
【０２０３】
センサ回路８１の信号Ｖｏｕｔは、センサ回路８１に照射される紫外線の強度が時間の経過に従い連続的に変化するのに合わせて、その値が変化する。ＡＤＣ８４は、信号Ｖｏｕｔの値を、所定の期間において取得し、保持する機能、すなわちサンプリングを行う機能を有する。そして、ＡＤＣ８４は、サンプリングされた信号Ｖｏｕｔの値を、アナログからデジタルに変換する機能を有する。
【０２０４】
Ｉ／Ｏ８５は、ＡＤＣ８４においてデジタルに変換された信号Ｖｏｕｔを含む信号の、ＡＤＣ８４からプロセッサ８６への入力を制御する機能を有する。
【０２０５】
プロセッサ８６は、Ｉ／Ｏ８５を介してＡＤＣ８４から入力された信号を用い、出力装置８３の規格に合わせて、紫外線の強度の情報を含む信号を、演算処理により生成する機能を有する。
【０２０６】
なお、信号処理回路８２は、信号Ｖｏｕｔに信号処理を施す回路を、さらに有していても良い。上記回路として、例えば、フィルタ回路、リニアライズ回路などを有していても良い。フィルタ回路は、信号Ｖｏｕｔに含まれるノイズを除去する機能を有する。リニアライズ回路は、信号Ｖｏｕｔの値と、紫外線の強度との関係が直線となるように、信号Ｖｏｕｔに補正をかける機能を有する。
【０２０７】
なお、本実施の形態は、本願明細書等に記載された事項と適宜組み合わせることができる。
【０２０８】
（実施の形態９）
本実施の形態では、トランジスタ１０１、トランジスタ２０１、トランジスタ３０１、トランジスタ４８１、トランジスタ５０１、トランジスタ７０１として採用可能な、トランジスタのオフ電流について説明する。
【０２０９】
酸化物半導体膜にチャネル形成領域を有するトランジスタに光を照射したときの、オフ電流の値を測定した結果について述べる。
【０２１０】
まず、測定に用いたトランジスタの構造について説明する。用いたトランジスタは、絶縁表面上に、膜厚１００ｎｍのタングステン膜を用いたゲート電極と、上記ゲート電極上において、膜厚５０ｎｍの窒化珪素膜と膜厚２００ｎｍの酸化窒化珪素膜とが順に積層されたゲート絶縁膜とを有していた。さらに、上記トランジスタは、ゲート絶縁膜上においてゲート電極と重なる位置に、膜厚３５ｎｍのＩＧＺＯ系の酸化物半導体膜を有していた。ＩＧＺＯ系の酸化物半導体膜は、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎの組成が１：１：１であるターゲットを用い、スパッタリング法により形成された。また、トランジスタは、酸化物半導体膜上に、膜厚が５０ｎｍのタングステン膜と、膜厚が４００ｎｍのアルミニウム膜と、膜厚が１００ｎｍのチタン膜とが順に積層されたソース電極及びドレイン電極を有していた。また、酸化物半導体膜及びソース電極及びドレイン電極上には、膜厚が４００ｎｍの酸化窒化珪素膜が設けられていた。
【０２１１】
また、測定に用いたトランジスタは、チャネル長Ｌが３μｍ、チャネル幅Ｗが５０μｍで、ゲート電極とソース電極及びドレイン電極とが重なる領域におけるチャネル長Ｌ方向の長さが２μｍであった。測定は、室温、及び乾燥雰囲気下にて、３００Ｗのキセノン光源（商品名：朝日分光ＭＡＸ−３０２）を用い、バンドパスフィルターにより波長が制御された光を、トランジスタに照射した状態で行った。また、分光放射照度計（ウシオ電機ＵＳＲ−４５）を用いて単位波長あたりの放射照度を測定しながら、当該放射照度が一定になるように、トランジスタへの光の照射を行った。
【０２１２】
図１８に、測定により得られた、照射した光の波長と、トランジスタのオフ電流との関係を示す。測定は、ゲート電圧を−１０Ｖとし、ソースに対するドレインの電圧Ｖｄｓが１Ｖの場合と、１０Ｖの場合とに分けて行った。図１８に示すように、波長が４５０ｎｍ以上の可視光領域に含まれる光が照射されたとき、電圧Ｖｄｓが１Ｖと１０Ｖの両方の場合において、トランジスタのオフ電流は、測定下限である１×１０−１３Ａよりも低い値となった。一方、波長が４００ｎｍ以下の紫外領域に含まれる光が照射されたとき、電圧Ｖｄｓが１Ｖと１０Ｖの両方の場合において、トランジスタのオフ電流は、測定下限である１×１０−１３Ａの１０２倍から１０４倍となった。よって、ＩＧＺＯ系の酸化物半導体を含むトランジスタは、可視光領域の光に対する受光感度よりも、紫外領域の光に対する受光感度が著しく高いことが分かった。
【０２１３】
次いで、波長が紫外領域に含まれる光の照度と、オフ電流との関係を測定により調べた結果について述べる。
【０２１４】
測定に用いたトランジスタの構造は、図１８に示した測定において用いられたトランジスタと同じであった。ただし、チャネル長Ｌが３μｍ、チャネル幅Ｗが１０４μｍで、ゲート電極とソース電極及びドレイン電極とが重なる領域におけるチャネル長Ｌ方向の長さが２μｍであった。測定は、図１８の場合と同様に、室温、及び乾燥雰囲気下にて、３００Ｗのキセノン光源（商品名：朝日分光ＭＡＸ−３０２）を用い、バンドパスフィルターにより波長３５０ｎｍに制御された光を、トランジスタに照射した状態で行った。また、分光放射照度計（ウシオ電機ＵＳＲ−４５）を用いて単位波長あたりの放射照度を測定しながら、トランジスタにおける光の放射照度を制御した。
【０２１５】
図１９に、測定により得られた、放射照度（単位：ｍＷ／ｃｍ２）と、トランジスタのオフ電流（単位：Ａ）との関係を示す。測定は、ゲート電圧を−１０Ｖとし、ソースに対するドレインの電圧Ｖｄｓが１Ｖの場合と、１０Ｖの場合とに分けて行った。図１９に示すように、電圧Ｖｄｓが１Ｖと１０Ｖの両方の場合において、放射照度が上昇すると、トランジスタのオフ電流も上昇することが確認された。そして、放射照度の対数と、トランジスタのオフ電流の対数とは、ほぼ比例の関係にあることが分かった。
【０２１６】
次いで、３５０ｎｍの波長を有する光の照射の有無による、トランジスタの電気的特性の違いを評価した結果について述べる。
【０２１７】
まず、測定に用いたトランジスタの構造について説明する。測定には３つのトランジスタを用いた。いずれのトランジスタも構造は同じであり、厚さ１００ｎｍの熱酸化膜に覆われたＳｉ基板上に、スパッタリング法で形成された膜厚１００ｎｍの酸化珪素膜の上に設けられた。そして、上記トランジスタは、膜厚１５０ｎｍのタングステン膜を用いたゲート電極と、上記ゲート電極上において、膜厚２０ｎｍの酸化窒化珪素膜を用いたゲート絶縁膜を有していた。さらに、上記トランジスタは、ゲート絶縁膜上においてゲート電極と重なる位置に、膜厚１５ｎｍのＩＧＺＯ系の酸化物半導体膜を有していた。ＩＧＺＯ系の酸化物半導体膜は、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎの組成が１：１：１であるターゲットを用い、スパッタリング法により形成された。また、トランジスタは、酸化物半導体膜上に、膜厚が１００ｎｍのタングステン膜を用いたソース電極及びドレイン電極を有していた。また、酸化物半導体膜及びソース電極及びドレイン電極上には、膜厚が４００ｎｍの酸化珪素膜が設けられていた。酸化珪素膜上には、膜厚が１．５μｍのポリイミド膜が設けられていた。
【０２１８】
また、測定に用いたトランジスタは、チャネル長Ｌが３μｍ、チャネル幅Ｗが１０μｍであった。電気的特性の評価は、暗状態でのドレイン電流の測定（測定１）、紫外線照射状態でのドレイン電流の測定（測定２）、紫外線照射状態での電圧の印加（ストレス印加工程）、紫外線照射状態でのドレイン電流の測定（測定３）、暗状態でのドレイン電流の測定（測定４）の順序で行われた。
【０２１９】
具体的に、測定１及び測定４における暗状態でのドレイン電流の測定は、暗室内の光の照射が行われない環境下において、基板温度４０℃、及び乾燥雰囲気下で行った。また、測定時は、ゲート電圧Ｖｇを−５Ｖと５Ｖの間において０．１Ｖずつ変化させ、電圧Ｖｄｓは０．１Ｖまたは３Ｖとした。
【０２２０】
また、測定２及び測定３における紫外線照射状態でのドレイン電流の測定は、波長が３５０ｎｍの光を２．５ｍＷ／ｃｍ２の放射照度にてトランジスタに照射した状態とし、基板温度４０℃、及び乾燥雰囲気下で行った。また、測定時は、ゲート電圧Ｖｇを−５Ｖと５Ｖの間において０．１Ｖずつ変化させ、電圧Ｖｄｓは０．１Ｖまたは３Ｖとした。
【０２２１】
また、ストレス印加工程では、基板温度１２５℃、及び乾燥雰囲気下で、波長が３５０ｎｍの光を２．５ｍＷ／ｃｍ２の放射照度にてトランジスタに照射した状態を１時間保った。さらにストレス印加工程では、３つのトランジスタのうち、第１のトランジスタでは、ストレス印加工程の間、連続的にゲート電圧Ｖｇを−５Ｖ、電圧Ｖｄｓを５Ｖとした。また、第２のトランジスタでは、ストレス印加工程の間に、ゲート電圧Ｖｇを−５Ｖ、電圧Ｖｄｓを５Ｖとする第１の状態と、ゲート電圧Ｖｇを５Ｖ、電圧Ｖｄｓを０Ｖとする第２の状態とを繰り返した。そして、第１の状態を保つ期間は０．１秒、第２の状態を保つ期間は０．９秒とした。また、第３のトランジスタでは、ストレス印加工程の間、連続的にゲート電圧Ｖｇを５Ｖ、電圧Ｖｄｓを０Ｖとした。
【０２２２】
なお、トランジスタへの紫外線の照射は、いずれも、３００Ｗのキセノン光源（商品名：朝日分光ＭＡＸ−３０２）を用い、バンドパスフィルターにより波長が制御された光を用いた。また、分光放射照度計（ウシオ電機ＵＳＲ−４５）を用いて３５０ｎｍの波長を有する光の放射照度を測定しながら、当該放射照度が２．５ｍＷ／ｃｍ２程度となるように、トランジスタへの光の照射を行った。
【０２２３】
図２０（Ａ）に、測定１及び測定４によって得られた、第１のトランジスタのゲート電圧Ｖｇとドレイン電流Ｉｄの関係を示す。また、図２０（Ｂ）に、測定２及び測定３によって得られた、第１のトランジスタのゲート電圧Ｖｇとドレイン電流Ｉｄの関係を示す。さらに、計算により得られた移動度μも併せて示す。図２０（Ａ）では、ストレス印加工程により、閾値電圧が−０．３３Ｖ、シフト値が−０．４２Ｖシフトしたことが分かった。また、図２０（Ｂ）では、ストレス印加工程により、閾値電圧が−０．４５Ｖ、シフト値が−０．８２Ｖシフトしたことが分かった。
【０２２４】
なお、各トランジスタの閾値電圧と移動度は、ゲート絶縁膜の比誘電率が４．１、膜厚が２０ｎｍであるものとし、算出した。また、シフト値とは、ドレイン電流が流れ始めるときのゲート電圧の値と定義する。具体的には、ゲート電圧に対するドレイン電流の関係を示すグラフにおいて、ドレイン電流の傾きの変化が最も急峻となる接線と、最低のドレイン電流に対応する目盛線と、が交差する点における電圧と、定義することができる。シフト値は、電圧Ｖｄｓが３Ｖであるときの値を用いた。
【０２２５】
また、図２１（Ａ）に、測定１及び測定４によって得られた、第２のトランジスタのゲート電圧Ｖｇとドレイン電流Ｉｄの関係を示す。また、図２１（Ｂ）に、測定２及び測定３によって得られた、第２のトランジスタのゲート電圧Ｖｇとドレイン電流Ｉｄの関係を示す。さらに、計算により得られた移動度μも併せて示す。図２１（Ａ）では、ストレス印加工程により、閾値電圧が＋０．２８Ｖ、シフト値が＋０．２６Ｖシフトしたことが分かった。また、図２１（Ｂ）では、ストレス印加工程により、閾値電圧が＋０．２８Ｖ、シフト値が＋０．１７Ｖシフトしたことが分かった。
【０２２６】
また、図２２（Ａ）に、測定１及び測定４によって得られた、第３のトランジスタのゲート電圧Ｖｇとドレイン電流Ｉｄの関係を示す。また、図２２（Ｂ）に、測定２及び測定３によって得られた、第３のトランジスタのゲート電圧Ｖｇとドレイン電流Ｉｄの関係を示す。さらに、計算により得られた移動度μも併せて示す。図２２（Ａ）では、ストレス印加工程により、閾値電圧が＋０．４２Ｖ、シフト値が＋０．４４Ｖシフトしたことが分かった。また、図２２（Ｂ）では、ストレス印加工程により、閾値電圧が＋０．４４Ｖ、シフト値が＋０．３０Ｖシフトしたことが分かった。
【０２２７】
図２０乃至図２２から、紫外線照射状態でのドレイン電流の測定（測定２及び測定３）の方が、暗状態でのドレイン電流の測定（測定１及び測定４）よりも、シフト値の変化が小さいことが分かった。また、図２０乃至図２２から、第１のトランジスタは、ストレス印加工程により、閾値電圧及びシフト値がマイナス方向にシフトしており、逆に、第３のトランジスタは、ストレス印加工程により、閾値電圧及びシフト値がプラス方向にシフトしていることが分かった。そして、第２のトランジスタにおける閾値電圧及びシフト値の変化は、第１のトランジスタ及び第３のトランジスタよりも小さいことが分かった。すなわち、ソースまたはドレインよりもゲートの電位が低い第１の状態と、ソースまたはドレインよりもゲートの電位が高い第２の状態とを繰り返す駆動方法の場合、連続的に第１の状態を保つ駆動方法、及び連続的に第２の状態を保つ駆動方法に比べて、閾値電圧やシフト値などの電気的特性の変化を小さく抑えられることが分かった。特に、第１の状態と第２の状態とを繰り返す駆動方法において、全期間における第１の状態の期間の割合を、０％より大きく１０％以下とすることで、電気的特性の変化を抑える効果が大きいことが分かった。
【０２２８】
なお、本実施の形態は、本願明細書等に記載された事項と適宜組み合わせることができる。
【０２２９】
（実施の形態１０）
本実施の形態では、センサ回路の断面構造例について説明する。
【０２３０】
図２３に、本発明の一態様に係るセンサ回路の断面構造の一例を示す。トランジスタ１０は、トランジスタ５０上に形成されている。あるいは、トランジスタ１０は、トランジスタ５０上の絶縁膜４０９上又は絶縁膜４２０上に形成されている。トランジスタ１０は、酸化物半導体膜にチャネル形成領域を有するトランジスタである。トランジスタ５０は、単結晶のシリコン基板にチャネル形成領域を有するトランジスタである。
【０２３１】
なお、トランジスタ１０は、トランジスタ１０１、トランジスタ２０１、トランジスタ３０１、トランジスタ４８１、トランジスタ５０１、又はトランジスタ７０１に相当する。
【０２３２】
なお、トランジスタ５０は、オペアンプ１０２に含まれるトランジスタ、トランジスタ２０６、スイッチ２０２、スイッチ２０３、スイッチ２０４、回路３００に含まれるトランジスタ、トランジスタ３０３、トランジスタ３０４、トランジスタ３０５、トランジスタ３０６、スイッチ４８３、回路４８０に含まれるトランジスタ、回路５００に含まれるトランジスタ、又はスイッチ５０３に相当する。トランジスタ５０は、非晶質、微結晶、多結晶または単結晶である、シリコン又はゲルマニウムなどの半導体膜を活性層に用いることもできる。或いは、トランジスタ５０は、酸化物半導体膜にチャネル形成領域を有していても良い。特に、薄膜のシリコンを用いてトランジスタ５０を形成する場合、プラズマＣＶＤ法などの気相成長法若しくはスパッタリング法で作製された非晶質シリコン、非晶質シリコンをレーザーアニールなどの処理により結晶化させた多結晶シリコン、単結晶シリコンウェハに水素イオン等を注入して表層部を剥離した単結晶シリコンなどの半導体膜を活性層に用いることができる。
【０２３３】
トランジスタ５０が形成される半導体基板４００は、例えば、ｎ型またはｐ型の導電型を有するシリコン基板、ゲルマニウム基板、シリコンゲルマニウム基板、化合物半導体基板（ＧａＡｓ基板、ＩｎＰ基板、ＧａＮ基板、ＳｉＣ基板、ＧａＰ基板、ＧａＩｎＡｓＰ基板、ＺｎＳｅ基板等）等を用いることができる。図２３では、ｎ型の導電性を有する単結晶シリコン基板を用いた場合を例示している。
【０２３４】
トランジスタ５０は、素子分離用絶縁膜４０１により、他のトランジスタと、電気的に分離されている。素子分離用絶縁膜４０１の形成には、選択酸化法（ＬＯＣＯＳ（Ｌｏｃａｌ  Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｓｉｌｉｃｏｎ）法）またはトレンチ分離法等を用いることができる。
【０２３５】
なお、ｐチャネル型のトランジスタを半導体基板４００に形成する場合、ｐチャネル型のトランジスタが形成される領域には、ｐ型の導電性を付与する不純物元素を選択的に導入することにより、ｎウェルと呼ばれる領域を形成すれば良い。
【０２３６】
具体的に、トランジスタ５０は、半導体基板４００に形成された、ソース領域またはドレイン領域として機能する不純物領域４０２及び不純物領域４０３と、ゲート電極４０４と、半導体基板４００とゲート電極４０４の間に設けられたゲート絶縁膜４０５とを有する。ゲート電極４０４は、ゲート絶縁膜４０５を間に挟んで、不純物領域４０２と不純物領域４０３の間に形成されるチャネル形成領域と重なる。
【０２３７】
また、素子分離用絶縁膜４０１上には、抵抗素子４９が設けられている。抵抗素子４９として、例えば、多結晶、微結晶、非晶質のシリコンを含む半導体膜を用いることができる。
【０２３８】
トランジスタ５０上には、絶縁膜４０９が設けられている。絶縁膜４０９には開口部が形成されている。そして、上記開口部には、不純物領域４０２、不純物領域４０３にそれぞれ接する配線４１０、配線４１１と、抵抗素子４９に接する配線４１２、配線４１３とが形成されている。
【０２３９】
そして、配線４１０は、絶縁膜４０９上に形成された配線４１５に接続されており、配線４１１及び配線４１２は、絶縁膜４０９上に形成された配線４１６に接続されており、配線４１３は、絶縁膜４０９上に形成された配線４１７に接続されている。
【０２４０】
配線４１５乃至配線４１７上には、絶縁膜４２０が形成されている。絶縁膜４２０には開口部が形成されており、上記開口部に、配線４１５に電気的に接続された配線４２２が形成されている。
【０２４１】
そして、図２３では、絶縁膜４２０上にトランジスタ１０と、配線４２２に電気的に接続された導電膜４５０が形成されている。
【０２４２】
トランジスタ１０は、絶縁膜４２０上に、ゲート電極４３４と、ゲート電極４３４上のゲート絶縁膜４３１と、ゲート絶縁膜４３１上においてゲート電極４３４と重なる位置にあり、なおかつ酸化物半導体を含む半導体膜４３０と、半導体膜４３０上の、ソース電極またはドレイン電極として機能する導電膜４３２及び導電膜４３３と、を有する。なお、導電膜４３２は、ゲート絶縁膜４３１に形成された開口部を介して、導電膜４５０に電気的に接続されている。
【０２４３】
そして、トランジスタ１０上に、絶縁膜４４１が設けられている。絶縁膜４４１には開口部が設けられており、上記開口部において導電膜４３３に接する導電膜４４２が、絶縁膜４４１上に設けられている。
【０２４４】
また、絶縁膜４４１、導電膜４４２上には絶縁膜４４５が設けられている。絶縁膜４４５には開口部が設けられており、開口部を介して導電膜４４２に接する導電膜４４７が、絶縁膜４４５上に設けられている。導電膜４４７は、後に、バイアス回路などに接続させるために、その表面の平坦性が高いことが望ましい。よって、導電性を有する粒子が分散された樹脂は、導電膜４４７の材料として適している。ただし、樹脂はハンダとの密着性が乏しいので、導電膜４４７に接するように、ハンダとの密着性が高い導電材料で形成された導電膜４４９を、導電膜４４７上に設ける。
【０２４５】
なお、図２３において、トランジスタ１０は、ゲート電極４３４を半導体膜４３０の片側において少なくとも有していれば良いが、半導体膜４３０を間に挟んで存在する一対のゲート電極を有していても良い。
【０２４６】
トランジスタ１０が、半導体膜４３０を間に挟んで存在する一対のゲート電極を有している場合、一方のゲート電極には導通状態または非導通状態を制御するための信号が与えられ、他方のゲート電極は、電位が他から与えられている状態であっても良い。この場合、一対のゲート電極に、同じ高さの電位が与えられていても良いし、他方のゲート電極にのみ接地電位などの固定の電位が与えられていても良い。他方のゲート電極に与える電位の高さを制御することで、トランジスタの閾値電圧を制御することができる。
【０２４７】
また、図２３では、トランジスタ１０が、一のゲート電極４３４に対応した一のチャネル形成領域を有する、シングルゲート構造である場合を例示している。しかし、トランジスタ１０は、電気的に接続された複数のゲート電極を有することで、一の活性層にチャネル形成領域を複数有する、マルチゲート構造であっても良い。
【０２４８】
〈半導体膜について〉なお、電子供与体（ドナー）となる水分または水素などの不純物が低減され、なおかつ酸素欠損が低減されることにより高純度化された酸化物半導体（ｐｕｒｉｆｉｅｄ  ＯＳ）は、ｉ型（真性半導体）又はｉ型に限りなく近い。そのため、高純度化された酸化物半導体膜にチャネル形成領域を有するトランジスタは、オフ電流が著しく小さく、信頼性が高い。
【０２４９】
なお、半導体膜として酸化物半導体膜を用いる場合、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）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的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。また、スタビライザーとしてジルコニウム（Ｚｒ）を含むことが好ましい。
【０２５０】
酸化物半導体の中でもＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物などは、炭化シリコン、窒化ガリウム、または酸化ガリウムとは異なり、スパッタリング法や湿式法により電気的特性の優れたトランジスタを作製することが可能であり、量産性に優れるといった利点がある。また、炭化シリコン、窒化ガリウム、または酸化ガリウムとは異なり、上記Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物は、ガラス基板上に、電気的特性の優れたトランジスタを作製することが可能である。また、基板の大型化にも対応が可能である。
【０２５１】
また、他のスタビライザーとして、ランタノイドである、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ルテチウム（Ｌｕ）のいずれか一種または複数種を含んでいてもよい。
【０２５２】
例えば、酸化物半導体として、酸化インジウム、酸化ガリウム、酸化スズ、酸化亜鉛、Ｉｎ−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、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、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌａ−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、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。
【０２５３】
なお、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物とは、ＩｎとＧａとＺｎを含む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以外の金属元素を含んでいてもよい。Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物は、無電界時の抵抗が十分に高くオフ電流を十分に小さくすることが可能であり、また、移動度も高い。
【０２５４】
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。
【０２５５】
例えば、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物では比較的容易に高い移動度が得られる。しかしながら、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物でも、バルク内欠陥密度を低減することにより移動度を上げることができる。
【０２５６】
以下では、酸化物半導体膜の構造について説明する。
【０２５７】
本明細書において、「平行」とは、二つの直線が−１０°以上１０°以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、−５°以上５°以下の場合も含まれる。また、「略平行」とは、二つの直線が−３０°以上３０°以下の角度で配置されている状態をいう。また、「垂直」とは、二つの直線が８０°以上１００°以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、８５°以上９５°以下の場合も含まれる。また、「略垂直」とは、二つの直線が６０°以上１２０°以下の角度で配置されている状態をいう。また、本明細書において、結晶が三方晶または菱面体晶である場合、六方晶系として表す。
【０２５８】
酸化物半導体膜は、非単結晶酸化物半導体膜と単結晶酸化物半導体膜とに大別される。非単結晶酸化物半導体膜とは、ＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ  Ａｘｉｓ  Ａｌｉｇｎｅｄ  Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）膜、多結晶酸化物半導体膜、微結晶酸化物半導体膜、非晶質酸化物半導体膜などをいう。
【０２５９】
まずは、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜について説明する。
【０２６０】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、ｃ軸配向した複数の結晶部を有する酸化物半導体膜の一つである。
【０２６１】
透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）によって、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の明視野像および回折パターンの複合解析像（高分解能ＴＥＭ像ともいう。）を観察することで複数の結晶部を確認することができる。一方、高分解能ＴＥＭ像によっても明確な結晶部同士の境界、即ち結晶粒界（グレインバウンダリーともいう。）を確認することができない。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。
【０２６２】
試料面と略平行な方向から、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の断面の高分解能ＴＥＭ像を観察すると、結晶部において、金属原子が層状に配列していることを確認できる。金属原子の各層は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の膜を形成する面（被形成面ともいう。）または上面の凹凸を反映した形状であり、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成面または上面と平行に配列する。
【０２６３】
一方、試料面と略垂直な方向から、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の平面の高分解能ＴＥＭ像を観察すると、結晶部において、金属原子が三角形状または六角形状に配列していることを確認できる。しかしながら、異なる結晶部間で、金属原子の配列に規則性は見られない。
【０２６４】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に対し、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−Ｒａｙ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）装置を用いて構造解析を行うと、例えばＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳ膜のｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析では、回折角（２θ）が３１°近傍にピークが現れる場合がある。このピークは、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（００９）面に帰属されることから、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の結晶がｃ軸配向性を有し、ｃ軸が被形成面または上面に略垂直な方向を向いていることが確認できる。
【０２６５】
なお、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳ膜のｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析では、２θが３１°近傍のピークの他に、２θが３６°近傍にもピークが現れる場合がある。２θが３６°近傍のピークは、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜中の一部に、ｃ軸配向性を有さない結晶が含まれることを示している。ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、２θが３１°近傍にピークを示し、２θが３６°近傍にピークを示さないことが好ましい。
【０２６６】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、不純物濃度の低い酸化物半導体膜である。不純物は、水素、炭素、シリコン、遷移金属元素などの酸化物半導体膜の主成分以外の元素である。特に、シリコンなどの、酸化物半導体膜を構成する金属元素よりも酸素との結合力の強い元素は、酸化物半導体膜から酸素を奪うことで酸化物半導体膜の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。また、鉄やニッケルなどの重金属、アルゴン、二酸化炭素などは、原子半径（または分子半径）が大きいため、酸化物半導体膜内部に含まれると、酸化物半導体膜の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。なお、酸化物半導体膜に含まれる不純物は、キャリアトラップやキャリア発生源となる場合がある。
【０２６７】
また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、欠陥準位密度の低い酸化物半導体膜である。例えば、酸化物半導体膜中の酸素欠損は、キャリアトラップとなることや、水素を捕獲することによってキャリア発生源となることがある。
【０２６８】
不純物濃度が低く、欠陥準位密度が低い（酸素欠損の少ない）ことを、高純度真性または実質的に高純度真性と呼ぶ。高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、キャリア発生源が少ないため、キャリア密度を低くすることができる。したがって、当該酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、しきい値電圧がマイナスとなる電気特性（ノーマリオンともいう。）になることが少ない。また、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、キャリアトラップが少ない。そのため、当該酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、電気特性の変動が小さく、信頼性の高いトランジスタとなる。なお、酸化物半導体膜のキャリアトラップに捕獲された電荷は、放出するまでに要する時間が長く、あたかも固定電荷のように振る舞うことがある。そのため、不純物濃度が高く、欠陥準位密度が高い酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。
【０２６９】
また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を用いたトランジスタは、可視光や紫外光の照射による電気特性の変動が小さい。
【０２７０】
次に、微結晶酸化物半導体膜について説明する。
【０２７１】
微結晶酸化物半導体膜は、高分解能ＴＥＭ像において、結晶部を確認することのできる領域と、明確な結晶部を確認することのできない領域と、を有する。微結晶酸化物半導体膜に含まれる結晶部は、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下、または１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の大きさであることが多い。特に、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下、または１ｎｍ以上３ｎｍ以下の微結晶であるナノ結晶（ｎｃ：ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌ）を有する酸化物半導体膜を、ｎｃ−ＯＳ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）膜と呼ぶ。また、ｎｃ−ＯＳ膜は、例えば、高分解能ＴＥＭ像では、結晶粒界を明確に確認できない場合がある。
【０２７２】
ｎｃ−ＯＳ膜は、微小な領域（例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の領域、特に１ｎｍ以上３ｎｍ以下の領域）において原子配列に周期性を有する。また、ｎｃ−ＯＳ膜は、異なる結晶部間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、膜全体で配向性が見られない。したがって、ｎｃ−ＯＳ膜は、分析方法によっては、非晶質酸化物半導体膜と区別が付かない場合がある。例えば、ｎｃ−ＯＳ膜に対し、結晶部よりも大きい径のＸ線を用いるＸＲＤ装置を用いて構造解析を行うと、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析では、結晶面を示すピークが検出されない。また、ｎｃ−ＯＳ膜に対し、結晶部よりも大きいプローブ径（例えば５０ｎｍ以上）の電子線を用いる電子回折（制限視野電子回折ともいう。）を行うと、ハローパターンのような回折パターンが観測される。一方、ｎｃ−ＯＳ膜に対し、結晶部の大きさと近いか結晶部より小さいプローブ径の電子線を用いるナノビーム電子回折を行うと、スポットが観測される。また、ｎｃ−ＯＳ膜に対しナノビーム電子回折を行うと、円を描くように（リング状に）輝度の高い領域が観測される場合がある。また、ｎｃ−ＯＳ膜に対しナノビーム電子回折を行うと、リング状の領域内に複数のスポットが観測される場合がある。
【０２７３】
ｎｃ−ＯＳ膜は、非晶質酸化物半導体膜よりも規則性の高い酸化物半導体膜である。そのため、ｎｃ−ＯＳ膜は、非晶質酸化物半導体膜よりも欠陥準位密度が低くなる。ただし、ｎｃ−ＯＳ膜は、異なる結晶部間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、ｎｃ−ＯＳ膜は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜と比べて欠陥準位密度が高くなる。
【０２７４】
次に、非晶質酸化物半導体膜について説明する。
【０２７５】
非晶質酸化物半導体膜は、膜中における原子配列が不規則であり、結晶部を有さない酸化物半導体膜である。石英ガラスのような無定形状態を有する酸化物半導体膜が一例である。
【０２７６】
非晶質酸化物半導体膜は、高分解能ＴＥＭ像において結晶部を確認することができない。
【０２７７】
非晶質酸化物半導体膜に対し、ＸＲＤ装置を用いた構造解析を行うと、ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析では、結晶面を示すピークが検出されない。また、非晶質酸化物半導体膜に対し、電子回折を行うと、ハローパターンが観測される。また、非晶質酸化物半導体膜に対し、ナノビーム電子回折を行うと、スポットが観測されず、ハローパターンが観測される。
【０２７８】
なお、酸化物半導体膜は、ｎｃ−ＯＳ膜と非晶質酸化物半導体膜との間の物性を示す構造を有する場合がある。そのような構造を有する酸化物半導体膜を、特に非晶質ライク酸化物半導体（ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ：ａｍｏｒｐｈｏｕｓ−ｌｉｋｅ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）膜と呼ぶ。
【０２７９】
ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ膜は、高分解能ＴＥＭ像において鬆（ボイドともいう。）が観察される場合がある。また、高分解能ＴＥＭ像において、明確に結晶部を確認することのできる領域と、結晶部を確認することのできない領域と、を有する。ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ膜は、ＴＥＭによる観察程度の微量な電子照射によって、結晶化が起こり、結晶部の成長が見られる場合がある。一方、良質なｎｃ−ＯＳ膜であれば、ＴＥＭによる観察程度の微量な電子照射による結晶化はほとんど見られない。
【０２８０】
なお、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ膜およびｎｃ−ＯＳ膜の結晶部の大きさの計測は、高分解能ＴＥＭ像を用いて行うことができる。例えば、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶は層状構造を有し、Ｉｎ−Ｏ層の間に、Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ層を２層有する。ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の単位格子は、Ｉｎ−Ｏ層を３層有し、またＧａ−Ｚｎ−Ｏ層を６層有する、計９層がｃ軸方向に層状に重なった構造を有する。よって、これらの近接する層同士の間隔は、（００９）面の格子面間隔（ｄ値ともいう。）と同程度であり、結晶構造解析からその値は０．２９ｎｍと求められている。そのため、高分解能ＴＥＭ像における格子縞に着目し、格子縞の間隔が０．２８ｎｍ以上０．３０ｎｍ以下である箇所においては、それぞれの格子縞がＩｎＧａＺｎＯ４の結晶のａ−ｂ面に対応する。
【０２８１】
また、酸化物半導体膜は、構造ごとに密度が異なる場合がある。例えば、ある酸化物半導体膜の組成がわかれば、該組成と同じ組成における単結晶の密度と比較することにより、その酸化物半導体膜の構造を推定することができる。例えば、単結晶の密度に対し、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ膜の密度は７８．６％以上９２．３％未満となる。また、例えば、単結晶の密度に対し、ｎｃ−ＯＳ膜の密度およびＣＡＡＣ−ＯＳ膜の密度は９２．３％以上１００％未満となる。なお、単結晶の密度に対し密度が７８％未満となる酸化物半導体膜は、成膜すること自体が困難である。
【０２８２】
上記について、具体例を用いて説明する。例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］を満たす酸化物半導体膜において、菱面体晶構造を有する単結晶ＩｎＧａＺｎＯ４の密度は６．３５７ｇ／ｃｍ３となる。よって、例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］を満たす酸化物半導体膜において、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ膜の密度は５．０ｇ／ｃｍ３以上５．９ｇ／ｃｍ３未満となる。また、例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］を満たす酸化物半導体膜において、ｎｃ−ＯＳ膜の密度およびＣＡＡＣ−ＯＳ膜の密度は５．９ｇ／ｃｍ３以上６．３ｇ／ｃｍ３未満となる。
【０２８３】
なお、同じ組成の単結晶が存在しない場合がある。その場合、任意の割合で組成の異なる単結晶を組み合わせることにより、所望の組成の単結晶に相当する密度を算出することができる。所望の組成の単結晶の密度は、組成の異なる単結晶を組み合わせる割合に対して、加重平均を用いて算出すればよい。ただし、密度は、可能な限り少ない種類の単結晶を組み合わせて算出することが好ましい。
【０２８４】
なお、酸化物半導体膜は、例えば、非晶質酸化物半導体膜、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ膜、微結晶酸化物半導体膜、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜のうち、二種以上を有する積層膜であってもよい。
【０２８５】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、例えば、多結晶である金属酸化物ターゲットを用い、スパッタリング法によって成膜する。当該ターゲットにイオンが衝突すると、ターゲットに含まれる結晶領域がａ−ｂ面から劈開し、ａ−ｂ面に平行な面を有する平板状またはペレット状のスパッタリング粒子として剥離することがある。この場合、当該平板状またはペレット状のスパッタリング粒子が、結晶状態を維持したまま基板に到達することで、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を成膜することができる。
【０２８６】
また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を成膜するために、以下の条件を適用することが好ましい。
【０２８７】
成膜時の不純物混入を低減することで、不純物によって結晶状態が崩れることを抑制できる。例えば、処理室内に存在する不純物濃度（水素、水、二酸化炭素、及び窒素など）を低減すればよい。また、成膜ガス中の不純物濃度を低減すればよい。具体的には、露点が−８０℃以下、好ましくは−１００℃以下である成膜ガスを用いる。
【０２８８】
また、成膜時の基板加熱温度を高めることで、基板到達後にスパッタリング粒子のマイグレーションが起こる。具体的には、基板加熱温度を１００℃以上７４０℃以下、好ましくは２００℃以上５００℃以下として成膜する。成膜時の基板加熱温度を高めることで、平板状またはペレット状のスパッタリング粒子が基板に到達した場合、基板上でマイグレーションが起こり、スパッタリング粒子の平らな面が基板に付着する。
【０２８９】
また、成膜ガス中の酸素割合を高め、電力を最適化することで成膜時のプラズマダメージを軽減すると好ましい。成膜ガス中の酸素割合は、３０体積％以上、好ましくは１００体積％とする。
【０２９０】
ターゲットの一例として、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物ターゲットについて以下に示す。
【０２９１】
ＩｎＯＸ粉末、ＧａＯＹ粉末及びＺｎＯＺ粉末を所定のｍｏｌ数比で混合し、加圧処理後、１０００℃以上１５００℃以下の温度で加熱処理をすることで多結晶であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物ターゲットとする。なお、Ｘ、Ｙ及びＺは任意の正数である。ここで、所定のｍｏｌ数比は、例えば、ＩｎＯＸ粉末、ＧａＯＹ粉末及びＺｎＯＺ粉末が、２：２：１、８：４：３、３：１：１、１：４：４、１：１：１、４：２：３または３：１：２である。なお、粉末の種類、及びその混合するｍｏｌ数比は、作製するターゲットによって適宜変更すればよい。
【０２９２】
なお、アルカリ金属は酸化物半導体を構成する元素ではないため、不純物である。アルカリ土類金属も、酸化物半導体を構成する元素ではない場合において、不純物となる。特に、アルカリ金属のうちＮａは、酸化物半導体膜に接する絶縁膜が酸化物である場合、当該絶縁膜中に拡散してＮａ＋となる。また、Ｎａは、酸化物半導体膜内において、酸化物半導体を構成する金属と酸素の結合を分断する、或いは、その結合中に割り込む。その結果、例えば、閾値電圧がマイナス方向にシフトすることによるノーマリオン化、移動度の低下等の、トランジスタの電気的特性の劣化が起こり、加えて、特性のばらつきも生じる。具体的に、二次イオン質量分析法によるＮａ濃度の測定値は、５×１０１６／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１６／ｃｍ３以下、更に好ましくは１×１０１５／ｃｍ３以下とするとよい。同様に、Ｌｉ濃度の測定値は、５×１０１５／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１５／ｃｍ３以下とするとよい。同様に、Ｋ濃度の測定値は、５×１０１５／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１５／ｃｍ３以下とするとよい。
【０２９３】
また、インジウムを含む金属酸化物が用いられている場合に、酸素との結合エネルギーがインジウムよりも大きいシリコンや炭素が、インジウムと酸素の結合を切断し、酸素欠損を形成することがある。そのため、シリコンや炭素が酸化物半導体膜に混入していると、アルカリ金属やアルカリ土類金属の場合と同様に、トランジスタの電気的特性の劣化が起こりやすい。よって、酸化物半導体膜中におけるシリコンや炭素の濃度は低いことが望ましい。具体的に、二次イオン質量分析法によるＣ濃度の測定値、またはＳｉ濃度の測定値は、１×１０１８／ｃｍ３以下とするとよい。上記構成により、トランジスタの電気的特性の劣化を防ぐことができ、センサ回路または半導体装置の信頼性を高めることができる。
【０２９４】
また、ソース電極及びドレイン電極に用いられる導電性材料によっては、ソース電極及びドレイン電極中の金属が、酸化物半導体膜から酸素を引き抜くことがある。この場合、酸化物半導体膜のうち、ソース電極及びドレイン電極に接する領域が、酸素欠損の形成によりｎ型化される。
【０２９５】
ｎ型化された領域は、ソース領域またはドレイン領域として機能するため、酸化物半導体膜とソース電極及びドレイン電極との間におけるコンタクト抵抗を下げることができる。よって、ｎ型化された領域が形成されることで、トランジスタの移動度及びオン電流を高めることができ、それにより、トランジスタを用いたスイッチ回路の高速動作を実現することができる。
【０２９６】
なお、ソース電極及びドレイン電極中の金属による酸素の引き抜きは、ソース電極及びドレイン電極をスパッタリング法などにより形成する際に起こりうるし、ソース電極及びドレイン電極を形成した後に行われる加熱処理によっても起こりうる。
【０２９７】
また、ｎ型化される領域は、酸素と結合し易い導電性材料をソース電極及びドレイン電極に用いることで、より形成されやすくなる。上記導電性材料としては、例えば、Ａｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗなどが挙げられる。
【０２９８】
また、酸化物半導体膜は、単数の金属酸化物膜で構成されているとは限らず、積層された複数の金属酸化物膜で構成されていても良い。例えば、第１乃至第３の金属酸化物膜が順に積層されている半導体膜の場合、第１の金属酸化物膜及び第３の金属酸化物膜は、第２の金属酸化物膜を構成する金属元素の少なくとも１つを、その構成要素に含み、伝導帯下端のエネルギーが第２の金属酸化物膜よりも０．０５ｅＶ以上、０．０７ｅＶ以上、０．１ｅＶ以上または０．１５ｅＶ以上、かつ２ｅＶ以下、１ｅＶ以下、０．５ｅＶ以下または０．４ｅＶ以下、真空準位に近い酸化物膜である。さらに、第２の金属酸化物膜は、少なくともインジウムを含むと、キャリア移動度が高くなるため好ましい。
【０２９９】
上記構成の半導体膜をトランジスタが有する場合、ゲート電極に電圧を印加することで、半導体膜に電界が加わると、半導体膜のうち、伝導帯下端のエネルギーが小さい第２の金属酸化物膜にチャネル領域が形成される。即ち、第２の金属酸化物膜とゲート絶縁膜との間に第３の金属酸化物膜が設けられていることによって、ゲート絶縁膜と離隔している第２の金属酸化物膜に、チャネル領域を形成することができる。
【０３００】
また、第３の金属酸化物膜は、第２の金属酸化物膜を構成する金属元素の少なくとも１つをその構成要素に含むため、第２の金属酸化物膜と第３の金属酸化物膜の界面では、界面散乱が起こりにくい。従って、当該界面においてキャリアの動きが阻害されにくいため、トランジスタの電界効果移動度が高くなる。
【０３０１】
また、第２の金属酸化物膜と第１の金属酸化物膜の界面に界面準位が形成されると、界面近傍の領域にもチャネル領域が形成されるために、トランジスタの閾値電圧が変動してしまう。しかし、第１の金属酸化物膜は、第２の金属酸化物膜を構成する金属元素の少なくとも１つをその構成要素に含むため、第２の金属酸化物膜と第１の金属酸化物膜の界面には、界面準位が形成されにくい。よって、上記構成により、トランジスタの閾値電圧等の電気的特性のばらつきを、低減することができる。
【０３０２】
また、金属酸化物膜間に不純物が存在することによって、各膜の界面にキャリアの流れを阻害する界面準位が形成されることがないよう、複数の金属酸化物膜を積層させることが望ましい。積層された金属酸化物膜の膜間に不純物が存在していると、金属酸化物膜間における伝導帯下端のエネルギーの連続性が失われ、界面近傍において、キャリアがトラップされるか、あるいは再結合により消滅してしまうからである。膜間における不純物を低減させることで、主成分である一の金属を少なくとも共に有する複数の金属酸化物膜を、単に積層させるよりも、連続接合（ここでは特に伝導帯下端のエネルギーが各膜の間で連続的に変化するＵ字型の井戸構造を有している状態）が形成されやすくなる。
【０３０３】
連続接合を形成するためには、ロードロック室を備えたマルチチャンバー方式の成膜装置（スパッタリング装置）を用いて各膜を大気に触れさせることなく連続して積層することが必要となる。スパッタリング装置における各チャンバーは、酸化物半導体にとって不純物となる水等を可能な限り除去すべくクライオポンプのような吸着式の真空排気ポンプを用いて高真空排気（５×１０−７Ｐａ〜１×１０−４Ｐａ程度まで）することが好ましい。または、ターボ分子ポンプとコールドトラップを組み合わせて排気系からチャンバー内に気体が逆流しないようにしておくことが好ましい。
【０３０４】
高純度の真性な酸化物半導体を得るためには、各チャンバー内を高真空排気するのみならず、スパッタリングに用いるガスの高純度化も重要である。上記ガスとして用いる酸素ガスやアルゴンガスの露点を、−４０℃以下、好ましくは−８０℃以下、より好ましくは−１００℃以下とし、使用するガスの高純度化を図ることで、酸化物半導体膜に水分等が取り込まれることを可能な限り防ぐことができる。
【０３０５】
例えば、第１の金属酸化物膜または第３の金属酸化物膜は、アルミニウム、シリコン、チタン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、スズ、ランタン、セリウムまたはハフニウムを、第２の金属酸化物膜よりも高い原子数比で含む酸化物膜であればよい。具体的に、第１の金属酸化物膜または第３の金属酸化物膜として、第２の金属酸化物膜よりも上述の元素を１．５倍以上、好ましくは２倍以上、さらに好ましくは３倍以上高い原子数比で含む酸化物膜を用いると良い。前述の元素は酸素と強く結合するため、酸素欠損が酸化物膜に生じることを抑制する機能を有する。よって、上記構成により、第１の金属酸化物膜または第３の金属酸化物膜を、第２の金属酸化物膜よりも酸素欠損が生じにくい酸化物膜にすることができる。
【０３０６】
具体的に、第２の金属酸化物膜と、第１の金属酸化物膜または第３の金属酸化物膜とが、共にＩｎ−Ｍ−Ｚｎ系酸化物である場合、第１の金属酸化物膜または第３の金属酸化物膜の原子数比をＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ１：ｙ１：ｚ１、第２の金属酸化物膜の原子数比をＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ２：ｙ２：ｚ２とすると、ｙ１／ｘ１がｙ２／ｘ２よりも大きくなるように、その原子数比を設定すれば良い。なお、元素ＭはＩｎよりも酸素との結合力が強い金属元素であり、例えばＡｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｌａ、Ｃｅ、ＮｄまたはＨｆ等が挙げられる。好ましくは、ｙ１／ｘ１がｙ２／ｘ２よりも１．５倍以上大きくなるように、その原子数比を設定すれば良い。さらに好ましくは、ｙ１／ｘ１がｙ２／ｘ２よりも２倍以上大きくなるように、その原子数比を設定すれば良い。より好ましくは、ｙ１／ｘ１がｙ２／ｘ２よりも３倍以上大きくなるように、その原子数比を設定すれば良い。さらに、第２の金属酸化物膜において、ｙ２がｘ２以上であると、トランジスタに安定した電気的特性を付与できるため好ましい。ただし、ｙ２がｘ２の３倍以上になると、トランジスタの電界効果移動度が低下してしまうため、ｙ２は、ｘ２の３倍未満であると好ましい。
【０３０７】
なお、第１の金属酸化物膜及び第３の金属酸化物膜の厚さは、３ｎｍ以上１００ｎｍ以下、好ましくは３ｎｍ以上５０ｎｍ以下とする。また、第２の金属酸化物膜の厚さは、３ｎｍ以上２００ｎｍ以下、好ましくは３ｎｍ以上１００ｎｍ以下であり、さらに好ましくは３ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。
【０３０８】
３層構造の半導体膜において、第１の金属酸化物膜乃至第３の金属酸化物膜は、非晶質または結晶質の両方の形態を取りうる。ただし、チャネル領域が形成される第２の金属酸化物膜が結晶質であることにより、トランジスタに安定した電気的特性を付与することができるため、第２の金属酸化物膜は結晶質であることが好ましい。
【０３０９】
なお、チャネル形成領域とは、トランジスタの半導体膜のうち、ゲート電極と重なり、かつソース電極とドレイン電極に挟まれる領域を意味する。また、チャネル領域とは、チャネル形成領域において、電流が主として流れる領域をいう。
【０３１０】
例えば、第１の金属酸化物膜及び第３の金属酸化物膜として、スパッタリング法により形成したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物膜を用いる場合、第１の金属酸化物膜及び第３の金属酸化物膜の成膜には、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２［原子数比］）であるターゲットを用いることができる。成膜条件は、例えば、成膜ガスとしてアルゴンガスを３０ｓｃｃｍ、酸素ガスを１５ｓｃｃｍ用い、圧力０．４Ｐａとし、基板温度を２００℃とし、ＤＣ電力０．５ｋＷとすればよい。
【０３１１】
また、第２の金属酸化物膜をＣＡＡＣ−ＯＳ膜とする場合、第２の金属酸化物膜の成膜には、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］）であり、多結晶のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物を含むターゲットを用いることが好ましい。成膜条件は、例えば、成膜ガスとしてアルゴンガスを３０ｓｃｃｍ、酸素ガスを１５ｓｃｃｍ用い、圧力を０．４Ｐａとし、基板の温度３００℃とし、ＤＣ電力０．５ｋＷとすることができる。
【０３１２】
なお、トランジスタは、半導体膜の端部が傾斜している構造を有していても良いし、半導体膜の端部が丸みを帯びる構造を有していても良い。
【０３１３】
また、複数の積層された金属酸化物膜を有する半導体膜をトランジスタに用いる場合においても、ソース電極及びドレイン電極に接する領域が、ｎ型化されていても良い。上記構成により、トランジスタの移動度及びオン電流を高め、トランジスタを用いたセンサ回路または半導体装置の高速動作を実現することができる。さらに、複数の積層された金属酸化物膜を有する半導体膜をトランジスタに用いる場合、ｎ型化される領域は、チャネル領域となる第２の金属酸化物膜にまで達していることが、トランジスタの移動度及びオン電流を高め、センサ回路または半導体装置の高速動作を実現する上で、より好ましい。
【０３１４】
また、図２４に、トランジスタ１０の断面構造の、別の一例を示す。図２４に示すトランジスタ１０は、絶縁膜８２０などの上に設けられたゲート電極８３４と、ゲート電極８３４上のゲート絶縁膜８３１と、ゲート絶縁膜８３１上においてゲート電極８３４と重なる位置にある半導体膜８３０と、半導体膜８３０と電気的に接続されている導電膜８３２、及び導電膜８３３と、を有する。
【０３１５】
半導体膜８３０は、単膜の酸化物半導体膜で構成されているとは限らず、積層された複数の酸化物半導体膜で構成されていても良い。図２４では、半導体膜８３０が、３層の積層された酸化物半導体膜で構成されている場合を、例示している。具体的に、図２４に示すトランジスタ１０では、半導体膜８３０として、酸化物半導体膜８３０ａ乃至酸化物半導体膜８３０ｃが、絶縁膜８２０側から順に積層されている。
【０３１６】
そして、酸化物半導体膜８３０ａ及び酸化物半導体膜８３０ｃは、酸化物半導体膜８３０ｂを構成する金属元素の少なくとも１つを、その構成要素に含み、伝導帯下端のエネルギーが酸化物半導体膜８３０ｂよりも０．０５ｅＶ以上、０．０７ｅＶ以上、０．１ｅＶ以上又は０．１５ｅＶ以上、かつ２ｅＶ以下、１ｅＶ以下、０．５ｅＶ以下又は０．４ｅＶ以下、真空準位に近い酸化物膜である。さらに、酸化物半導体膜８３０ｂは、少なくともインジウムを含むと、キャリア移動度が高くなるため好ましい。
【０３１７】
なお、Ｘ線等の放射線をシンチレータによって紫外線に変換し、その紫外線をトランジスタ１０に照射してもよい。こうすれば、Ｘ線等の放射線の強度に応じた情報を得ることができる。シンチレータの一例としては、プラスチックシンチレータがある。プラスチックシンチレータの主成分の一例としては、ポリスチレンがある。また、プラスチックシンチレータの添加剤の一例としては、ＰＰＯ（ポリフェニレンオキシド）、ＰＯＰＯＰなどがある。
【０３１８】
なお、センサ回路がトランジスタ１０の他に１つ又は複数のトランジスタを有し、その１つ又は複数のトランジスタが酸化物半導体を有する場合、センサ回路は、その１つ又は複数のトランジスタの上方、下方、又は上方と下方との双方に遮光性を有する膜を有することが好ましい。そして、その遮光性を有する膜は、その１つ又は複数のトランジスタのいずれか一又は全てと重なる領域を有することが好ましい。これにより、その１つ又は複数のトランジスタへの光の照射を防止することができ、その一つ又は複数のトランジスタの特性の変化を防止することができる。
【０３１９】
なお、本実施の形態は、本願明細書等に記載された事項と適宜組み合わせることができる。
【０３２０】
（実施の形態１１）
本実施の形態では、モジュールの構成例について説明する。
【０３２１】
センサ回路を、熱、圧力、振動などの周囲の環境から保護するために、パッケージに収めた状態であるモジュールも、本発明の一態様に係る半導体装置の範疇に含まれる。図２５に、本発明の一態様に係るセンサ回路９０を有するモジュールの構成例を示す。
【０３２２】
図２５に示すモジュールでは、センサ回路９０が、ワイヤボンディング法などにより、インターポーザ９１上にマウントされている。インターポーザ９１は端子９２乃至端子９４に電気的に接続されている。また、センサ回路９０及びインターポーザ９１は筐体９５に覆われており、筐体９５には、光、特に紫外光を透過する窓９６が設けられている。筐体９５の窓９６以外の部分は、光、特に紫外光の透過を防ぐ素材で形成されていることが望ましい。窓９６には、光をセンサ回路９０に集光するためのレンズなどの光学系が付設されていても良い。インターポーザ９１に接続されている端子９２乃至端子９４の一部は、図２５に示すように、筐体９５の外部に露出している。
【０３２３】
なお、本実施の形態は、本願明細書等に記載された事項と適宜組み合わせることができる。
【０３２４】
（実施の形態１２）
本実施の形態では、電子機器の例について説明する。
【０３２５】
本発明の一態様に係る半導体装置は、表示機器、パーソナルコンピュータ、記録媒体を備えた画像再生装置（代表的にはＤＶＤ：Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ  Ｄｉｓｃ等の記録媒体を再生し、その画像を表示しうるディスプレイを有する装置）に用いることができる。その他に、本発明の一態様に係る半導体装置を用いることができる電子機器として、携帯電話、携帯型を含むゲーム機、携帯情報端末、電子書籍、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ等のカメラ、ゴーグル型ディスプレイ（ヘッドマウントディスプレイ）、ナビゲーションシステム、音響再生装置（カーオーディオ、デジタルオーディオプレイヤー等）、複写機、ファクシミリ、プリンタ、プリンタ複合機、現金自動預け入れ払い機（ＡＴＭ）、自動販売機などが挙げられる。これら電子機器の具体例を図２６に示す。
【０３２６】
図２６（Ａ）は火災報知機であり、感知機９０１と、受信機９０２と、発信機９０３とを有する。
【０３２７】
感知機９０１は、本発明の一態様に係るセンサ回路９０４、窓９０５、操作キー９０６等を有する。窓９０５を通過した光は、センサ回路９０４に照射される。センサ回路９０４は、炎などの熱源から放射される紫外線を感知する。感知機９０１は、規定値以上の放射強度を有する紫外線がセンサ回路９０４にて感知されると、その情報を受信機９０２に送る。受信機９０２は、表示部９０７、操作キー９０８、操作キー９０９、配線９１０等を有する。受信機９０２は、感知機９０１からの情報に従って、発信機９０３の動作を制御する。発信機９０３は、スピーカ９１１、照明装置９１２などを有する。発信機９０３は、受信機９０２からの命令に従って、警報を発信する機能を有する。図２６（Ａ）では、発信機９０３が、スピーカ９１１を用いた音声による警報と、赤色灯などの照明装置９１２を用いた光による警報とを共に行う例を示しているが、いずれか一方のみの警報またはそれ以外の警報を、発信機９０３が行うようにしても良い。
【０３２８】
また、警報の発信に伴い、シャッターなどの防火設備に、所定の動作を行う旨の命令を受信機９０２が送るようにしても良い。また、図２６（Ａ）では、受信機９０２と感知機９０１との間において無線で信号の送受信が行われる場合を例示したが、配線等を介して信号の送受信が行われていても良い。また、図２６（Ａ）では、受信機９０２から発信機９０３へ、配線９１０を介して信号の送信が行われている場合を例示したが、無線で信号の送信が行われていても良い。
【０３２９】
図２６（Ｂ）は腕時計であり、筐体９２０、表示部９２１、操作ボタン９２２、窓９２３、センサ回路９２４、バンド９２５等を有する。窓９２３を通過した光は、センサ回路９２４に照射される。
【０３３０】
図２６（Ｃ）は携帯電話であり、筐体９３０、表示部９３１、マイク９３２、スピーカ９３３、カメラ９３４、窓９３５、センサ回路９３６、操作用のボタン９３７及びボタン９３８が設けられている。窓９３５を通過した光は、センサ回路９３６に照射される。
【０３３１】
なお、本実施の形態は、本願明細書等に記載された事項と適宜組み合わせることができる。
【符号の説明】
【０３３２】
１０    トランジスタ
１１    配線
１２    配線
１３    配線
１４    配線
２１    配線
２２    配線
２３    配線
３１    配線
３２    配線
３３    配線
３４    配線
４１    配線
４２    配線
４３    配線
４４    配線
４５    配線
４９    抵抗素子
５０    トランジスタ
５１    配線
５２    配線
５３    配線
５４    配線
６１    配線
６２    配線
６３    配線
６４    配線
６５    配線
６６    配線
６７    配線
７１    配線
８０    半導体装置
８１    センサ回路
８２    信号処理回路
８３    出力装置
８４    ＡＤＣ
８６    プロセッサ
９０    センサ回路
９１    インターポーザ
９２    端子
９４    端子
９５    筐体
９６    窓
１０１    トランジスタ
１０２    オペアンプ
１０３    抵抗素子
１０４    容量素子
１０５    回路
２０１    トランジスタ
２０２    スイッチ
２０３    スイッチ
２０４    スイッチ
２０５    容量素子
２０６    トランジスタ
３００    回路
３０１    トランジスタ
３０２    抵抗素子
３０３    トランジスタ
３０４    トランジスタ
３０５    トランジスタ
３０６    トランジスタ
３０７    オペアンプ
３０８    トランジスタ
３０９    トランジスタ
４００    半導体基板
４０１    素子分離用絶縁膜
４０２    不純物領域
４０３    不純物領域
４０４    ゲート電極
４０５    ゲート絶縁膜
４０９    絶縁膜
４１０    配線
４１１    配線
４１２    配線
４１３    配線
４１５    配線
４１６    配線
４１７    配線
４２０    絶縁膜
４２２    配線
４３０    半導体膜
４３１    ゲート絶縁膜
４３２    導電膜
４３３    導電膜
４３４    ゲート電極
４４１    絶縁膜
４４２    導電膜
４４５    絶縁膜
４４７    導電膜
４４９    導電膜
４５０    導電膜
４８０    回路
４８１    トランジスタ
４８２    容量素子
４８３    スイッチ
５００    回路
５０１    トランジスタ
５０２    容量素子
５０３    スイッチ
６０１    回路
６０２    抵抗素子
６０３    オペアンプ
６０４    容量素子
６０５    スイッチ
６０６    オペアンプ
６０７    回路
６０８    ＡＮＤ回路
６０９    カウンタ回路
６１０    回路
６１１    回路
６２１    トランジスタ
６２２    トランジスタ
６２３    トランジスタ
６２４    トランジスタ
６２５    トランジスタ
６２６    トランジスタ
６２７    トランジスタ
６２８    トランジスタ
６２９    トランジスタ
６３０    トランジスタ
６３１    トランジスタ
６３２    トランジスタ
６３３    トランジスタ
６３４    トランジスタ
６４１    配線
６４２    配線
６４３    配線
６４４    配線
６４５    配線
６５１    トランジスタ
６５２    トランジスタ
６５３    トランジスタ
６５４    トランジスタ
６５５    トランジスタ
６５６    トランジスタ
６５７    トランジスタ
６５８    トランジスタ
６５９    トランジスタ
６６０    トランジスタ
６６１    トランジスタ
６６２    トランジスタ
６６３    トランジスタ
６６４    トランジスタ
６７１    配線
６７２    配線
６７３    配線
６７４    配線
６７５    配線
６７６    配線
６７７    配線
７０１    トランジスタ
８２０    絶縁膜
８３０    半導体膜
８３０ａ    酸化物半導体膜
８３０ｂ    酸化物半導体膜
８３０ｃ    酸化物半導体膜
８３１    ゲート絶縁膜
８３２    導電膜
８３３    導電膜
８３４    ゲート電極
９０１    感知機
９０２    受信機
９０３    発信機
９０４    センサ回路
９０５    窓
９０６    操作キー
９０７    表示部
９０８    操作キー
９０９    操作キー
９１０    配線
９１１    スピーカ
９１２    照明装置
９２０    筐体
９２１    表示部
９２２    操作ボタン
９２３    窓
９２４    センサ回路
９２５    バンド
９３０    筐体
９３１    表示部
９３２    マイク
９３３    スピーカ
９３４    カメラ
９３５    窓
９３６    センサ回路
９３７    ボタン
９３８    ボタン
【図１】
2015079944.tif 000003
【図２】
2015079944.tif 000004
【図３】
2015079944.tif 000005
【図４】
2015079944.tif 000006
【図５】
2015079944.tif 000007
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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