(57)【要約】【課題】光感度機能をコントロールでき、且つ、可視光領域全体にわたって光感度を有する光センサ素子及び光電変換装置を提供する。【解決手段】酸化物半導体活性層の上下両側にそれぞれ絶縁膜を介してゲート電極が設けてある。また酸化物半導体活性層の左右両側にそれぞれ第一の読出し用電極及び第二の読出し用電極が設けてある。このような光センサ素子において、それぞれのゲート電極に電圧が印加された場合、第一の読出し用電極及び第二の読出し用電極の間に電位差が発生し、読出し用電極間に流れる電流に基づいて、照射光の強度を検出する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも酸化物半導体活性層の上側及び下側に絶縁膜を介してゲート電極を有する光センサ素子において、
一方のゲート電極に第一の電圧を印加し、他方のゲート電極に第二の電圧を印加する電圧印加部を備えることを特徴とする光センサ素子。
【請求項２】
前記酸化物半導体活性層は、前記電圧印加部が前記一方のゲート電極に前記第一の電圧を印加し、前記他方のゲート電極に前記第二の電圧を印加した場合に、電圧無印加時と比べて光の吸収量が増加することを特徴とする請求項１に記載の光センサ素子。
【請求項３】
前記２つのゲート電極の少なくとも一方が可視光に対して透明であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光センサ素子。
【請求項４】
前記２つのゲート電極の少なくとも一方の側から前記酸化物半導体活性層に向けて光が入射されることを特徴とする請求項３に記載の光センサ素子。
【請求項５】
前記第一の電圧及び前記第二の電圧のうちの少なくとも低い方の電圧が印加されるゲート電極が可視光に対して透明であることを特徴とする請求項１から４までのいずれかひとつに記載の光センサ素子。
【請求項６】
前記酸化物半導体活性層の構成元素は、少なくともインジウム又は亜鉛を含むことを特徴とする請求項１から５までのいずれかひとつに記載の光センサ素子。
【請求項７】
少なくとも酸化物半導体活性層の上側及び下側に絶縁膜を介してゲート電極を有する光センサ素子において、
ソース電極及びドレイン電極と、
一方のゲート電極に前記ソース電極の印加電圧よりも低い電圧を印加し、他方のゲート電極に前記ソース電極の印加電圧よりも高い電圧を印加する電圧印加部と
を備えることを特徴とする光センサ素子。
【請求項８】
前記２つのゲート電極の少なくとも一方が可視光に対して透明であることを特徴とする請求項７に記載の光センサ素子。
【請求項９】
前記２つのゲート電極の少なくとも一方の側から前記酸化物半導体活性層に向けて光が入射されることを特徴とする請求項８に記載の光センサ素子。
【請求項１０】
基板上に少なくとも、第２ゲート電極、第２ゲート絶縁膜、前記酸化物半導体活性層、前記ソース電極及びドレイン電極、第１ゲート絶縁膜、第１ゲート電極がこの順序で設けられていることを特徴とする請求項７から９までのいずれかひとつに記載の光センサ素子。
【請求項１１】
前記第１ゲート電極が可視光に対して透明であり、
前記電圧印加部は、前記第１ゲート電極に前記ソース電極の印加電圧よりも低い電圧を印加することを特徴とする請求項１０に記載の光センサ素子。
【請求項１２】
前記第２ゲート電極が可視光に対して透明であり、
前記電圧印加部は、前記第２ゲート電極に前記ソース電極の印加電圧よりも低い電圧を印加することを特徴とする請求項１０に記載の光センサ素子。
【請求項１３】
前記可視光に対して透明なゲート電極側から前記酸化物半導体活性層に向けて光が入射されることを特徴とする請求項１１又は１２に記載の光センサ素子。
【請求項１４】
前記電圧印加部は、前記ソース電極の印加電圧よりも低く、且つ前記酸化物半導体活性層に入射される光の波長に応じた電圧を前記透明なゲート電極に印加することを特徴とする請求項１３に記載の光センサ素子。
【請求項１５】
前記酸化物半導体活性層の構成元素は、少なくともインジウム又は亜鉛を含むことを特徴とする請求項７から１４までのいずれかひとつに記載の光センサ素子。
【請求項１６】
絶縁性基板上の光センサ素子及びスイッチング素子を有する画素が、スイッチング用配線及び信号読み取り用配線により２次元的に複数個配列された光電変換装置において、
前記光センサ素子及びスイッチング素子がともに酸化物半導体薄膜トランジスタにて構成され、
前記光センサ素子を構成する前記酸化物半導体薄膜トランジスタは、請求項７から１５までのいずれかひとつに記載の光センサ素子である
ことを特徴とする光電変換装置。
【請求項１７】
センシングする光の波長帯に応じて、前記光センサ素子の酸化物半導体薄膜トランジスタの前記２つのゲート電極に前記電圧印加部が印加する電圧を変化させる電圧制御部
を備えることを特徴とする請求項１６に記載の光電変換装置。
【請求項１８】
前記電圧制御部は、前記センシングする光の波長が長くなるに伴って、前記２つのゲート電極に前記電圧印加部が印加する電圧の差を大きくすることを特徴とする請求項１７に記載の光電変換装置。
【請求項１９】
前記光センサ素子を構成する前記酸化物半導体薄膜トランジスタの酸化物半導体活性層の膜厚が、前記スイッチング素子を構成する前記酸化物半導体薄膜トランジスタの酸化物半導体活性層の膜厚よりも厚いことを特徴とする請求項１６から１８までのいずれかひとつに記載の光電変換装置。
【請求項２０】
前記光センサ素子を構成する前記酸化物半導体薄膜トランジスタの酸化物半導体活性層の膜厚が７０ｎｍ以上であり、前記スイッチング素子を構成する前記酸化物半導体薄膜トランジスタの酸化物半導体活性層の膜厚が７０ｎｍ未満であることを特徴とする請求項１９に記載の光電変換装置。
【請求項２１】
前記光センサ素子を構成する前記酸化物半導体薄膜トランジスタのソース電極及びドレイン電極と、前記スイッチング素子を構成する前記酸化物半導体薄膜トランジスタのソース電極及びドレイン電極とが、それぞれ異なる層で成膜された金属層から構成されることを特徴とする請求項１９又は２０に記載の光電変換装置。
【請求項２２】
前記光センサ素子を構成する前記酸化物半導体薄膜トランジスタのソース電極及びドレイン電極と、前記スイッチング素子を構成する前記酸化物半導体薄膜トランジスタのソース電極及びドレイン電極とが、同じ層で成膜された金属層から構成されることを特徴とする請求項１９又は２０に記載の光電変換装置。
【請求項２３】
前記光センサ素子を構成する前記酸化物半導体薄膜トランジスタのゲート電極と、前記スイッチング素子を構成する前記酸化物半導体薄膜トランジスタのゲート電極とが、同じ層で成膜された金属層から構成されることを特徴とする請求項１９から２２までのいずれかひとつに記載の光電変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上に形成された酸化物半導体薄膜素子を用いた光センサ素子に関し、特に、酸化物半導体薄膜の上下両側にゲート電極を有するデュアルゲート型の酸化物半導体薄膜素子を用いた光センサ素子、及び光電変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：Thin Film Transistor）とＰＩＮダイオード（ＰＩＮ型ダイオード）とを組み合わせた光電変換装置の開発が進められている。光センサとして機能するＰＩＮダイオードには、ボロン（ホウ素、元素記号：Ｂ）を不純物としてドーピングしたＰ型非晶質シリコン、不純物をドーピングしない高抵抗非晶質シリコン、リン（元素記号：Ｐ）を不純物としてドーピングしたＮ型非晶質シリコンの３層を積層したＰＩＮダイオードが用いられている。このようなＰＩＮダイオードを構成する非晶質シリコンのバンドギャップエネルギーは約１．６ｅＶであり、可視光領域の光エネルギー（波長：４００ｎｍ（３．２ｅＶ）〜７００ｎｍ（１．８ｅＶ））よりも十分小さい。従って、このＰＩＮダイオードを用いた光センサは、可視光領域の波長の光をほぼ全て吸収し、キャリアを生成するので、効率の良い光電変換素子として機能する。
【０００３】
近年では、電界効果移動度の高い酸化物半導体ＴＦＴとＰＩＮダイオードとを組み合わせた高性能光電変換装置の開発が活発化している。酸化物半導体ＴＦＴをスイッチや増幅回路として用いることにより、光強度分布を再現よく電気信号に変換して取り出すことができ、また、増幅回路の占有面積を小さくすることができる。
上述のように、酸化物半導体ＴＦＴを用いたスイッチと、ＰＩＮダイオードや非晶質シリコンＴＦＴから成る光センサとを組み合わせた光電変換装置に関する様々な技術が開示されている。
【０００４】
例えば、特許文献１では、オンオフ比の高いトップゲート型酸化物半導体ＴＦＴによるスイッチと、光感度の高いボトムゲート型非晶質シリコンＴＦＴによる光センサとを組み合わせた光電変換装置が開示されている。特許文献１に開示された技術では、トップゲート型とボトムゲート型との組み合わせにより、コンタクトホールを設けることなくゲート線とドレイン線とを接続でき、フォトリソグラフィ工程を削減できる。
また、特許文献２では、電界効果移動度の高い酸化物半導体ＴＦＴ（スイッチ及び増幅回路を構成）とＰＩＮダイオードとを組み合わせた高性能光電変換装置が開示されている。特許文献２に開示された技術では、酸化物半導体ＴＦＴを用いることにより、光強度分布を再現よく電気信号に変換して取り出すことが可能である。また、増幅回路の占有面積の低減が可能である。
【０００５】
また、特許文献３では、酸化物半導体に顔料を吸着させることで可視光感度を持たせ、それを２端子素子のフォトダイオードとして光センサやＸ線センサに用いる技術が開示されている。
また、特許文献４では、非晶質シリコンＴＦＴから成る光センサにおいて、透明材料から成るトップゲート電極を追加する構造が開示されている。特許文献４に開示された技術では、トップゲート電極の電位をソース電極電位よりも低い電位に固定し、閾値電圧を正方向へシフトさせることにより、ゲート電圧が０Ｖのときの暗電流を低下させ、高い明暗電流比が実現できる。
更に、非特許文献１では、酸化物半導体ＴＦＴをスイッチ及び光センサの双方に用いる技術が開示されている。なお、非特許文献１では、スイッチ用の酸化物半導体ＴＦＴの上部には遮光するためのシールドを設けるが、光センサ用の酸化物半導体ＴＦＴの上部にはシールドを設けない。非特許文献１に開示された技術では、波長が５５０ｎｍ以下の緑〜青紫の光が照射された場合に、光センサ用の酸化物半導体ＴＦＴにおけるオフ電流が増加する現象を利用して光センシングを行う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第２０１１／１３５９２０号パンフレット
【特許文献２】特開２０１０−１５３８３４号公報
【特許文献３】特開２００６−１６５５３０号公報
【特許文献４】特開平５−２３５３９８号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Seung-eon Ahn、外７名、「Oxide based Photosensor Thin Film Transistor for Interactive Display」、The Proceedings of AM-FPD 2013、社団法人応答物理学会、2013年7月、p.67-70
【非特許文献２】Masashi Tsubuku、外８名、「Photo-Current Response and Negative Bias Stability Under Light Irradiation in IGZO-TFT」、Proceedings of the 17th international Display Workshops 2010 (IDW2010)、社団法人映像情報メディア学会、2010年12月、volume 3、p.1841-1844
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１や特許文献２に開示された技術では、スイッチ用のＴＦＴは酸化物半導体であり、また光センサは非晶質シリコンＴＦＴやＰＩＮダイオードで形成されているので、別々の形成プロセスを必要とする。そのため、コスト高や歩留まり低下という課題があった。また、特にシリコンは周囲の温度によってその電気特性が変化してしまい、光電変換装置の性能が環境温度に依存して変化するという課題があった。特許文献４に開示された技術においても、非晶質シリコンＴＦＴを用いているため、シリコンの電気伝導度の温度依存性が大きいという材料本来の物性に起因して、性能が環境温度に依存して変化してしまうという課題は避けられない。
【０００９】
また、特許文献３に開示された技術では、スイッチ部も光センサ部もともに酸化物半導体を用いて形成されている。しかしながら、センサ部の酸化物半導体に顔料を吸着させて可視光感度を持たせることで光感度機能を付与している。このような有機物プロセスを混在させると、本来顔料を必要としないスイッチ部の酸化物半導体ＴＦＴにとっては汚染源となり、信頼性や歩留まりを低下させるという課題があった。
非特許文献１に開示された技術では、波長が６００ｎｍ以上の赤色光に対しては、酸化物半導体ＴＦＴを用いた光センサは感度を示さず、可視光領域全体にわたる光センサとしては機能しないという課題があった。更に、青から緑色までの光に対する光感度は、酸化物半導体ＴＦＴの特性で一義的に決まってしまい、外部からのコントロールは困難であるという課題があった。
【００１０】
本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものである。そして、その目的とするところは、酸化物半導体活性層に印加する２つのゲート電極の電圧を制御することで光感度機能をコントロールでき、且つ、可視光領域全体にわたって光感度を有する光センサ素子及び光電変換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る光センサ素子は、少なくとも酸化物半導体活性層の上側及び下側に絶縁膜を介してゲート電極を有する光センサ素子において、一方のゲート電極に第一の電圧を印加し、他方のゲート電極に第二の電圧を印加する電圧印加部を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、酸化物半導体を用いて構成された光センサ素子において、光感度機能をコントロールでき、且つ、可視光領域全体にわたって光感度を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１実施形態に係る光センサの断面図である。
【図２】第１実施形態の実施例１に係る光センサの断面図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る光センサを示す図である。
【図４】本発明の第３実施形態に係る光センサを示す図である。
【図５Ａ】第３実施形態の実施例４に係る光センサの断面図である。
【図５Ｂ】第３実施形態の実施例４の変形例に係る光センサの断面図である。
【図５Ｃ】第３実施形態の実施例４の変形例に係る光センサの断面図である。
【図６】第３実施形態の実施例５に係る光センサの断面図である。
【図７】第３実施形態の実施例６に係る光センサの断面図である。
【図８】本発明の第４実施形態に係る光電変換装置を示す図である。
【図９】本発明の第４実施形態に係る光電変換装置を示す図である。
【図１０】第４実施形態の実施例７の光電変換装置を示す図である。
【図１１】第４実施形態の実施例７の光電変換装置に用いる光センサ素子の光センシング特性を示すグラフである。
【図１２】第４実施形態の実施例７の光電変換装置を示す図である。
【図１３】本発明の第５実施形態に係る光電変換装置を示す図である。
【図１４】光センサ素子の光センシング特性を示す図である。
【図１５】光センサ素子の光センシング特性を示す図である。
【図１６】光電変換装置の断面図である。
【図１７】光電変換装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態に関して、図面を参照しながら説明する。
【００１５】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る光センサの断面図である。第１実施形態に係る光センサは、酸化物半導体を用いて形成されている。第１実施形態の光センサ（光センサ素子）では、酸化物半導体膜（酸化物半導体活性層）１の一方の側に第一絶縁膜（絶縁膜）２及び可視光に対して透明な材料から成る第一導電性電極（ゲート電極）３を有し、他方の側に第二絶縁膜（絶縁膜）４及び第二導電性電極（ゲート電極）５を有する構造が、ガラス基板６上に形成されている。酸化物半導体膜１を構成する元素としては、少なくともインジウム又は亜鉛が含まれている。図１に示す例では、酸化物半導体膜１の上側の第一導電性電極３が透明材料によって構成されている。しかし、酸化物半導体膜１の下側の第二導電性電極５が透明材料にて構成されてもよいし、第一導電性電極３及び第二導電性電極５の両方が透明材料にて構成されてもよい。即ち、酸化物半導体膜１に光が入射するように、２つの導電性電極３，５の少なくとも一方が透明材料により形成されていればよい。
【００１６】
図１に示す構造において、透明材料から成る第一導電性電極３に第一の電位７を与え、第二導電性電極５に第二の電位８を与えて、酸化物半導体膜１中の膜厚方向の電位勾配を大きくした状態で、第一導電性電極３側から酸化物半導体膜１中へ光９を照射する。このとき、酸化物半導体膜１中の電位勾配により、酸化物半導体膜１のバンドギャップエネルギー（典型的には３．０〜３．５ｅＶ）よりも大きい又は同等の波長の光はもちろん、バンドギャップエネルギーよりも小さい波長の光（例えば波長が６００〜８００ｎｍの赤色光）を照射した場合でも、酸化物半導体膜１中に、伝導に寄与する光キャリアが生成される。非特許文献１に開示されたような従来技術では、赤色光を照射して酸化物半導体膜１に光キャリアを生成することは不可能であったが、図１に示すような酸化物半導体を用いた光センサでは可能となった。
【００１７】
一般に酸化物半導体のバンドギャップ内には酸素欠損に起因するエネルギー準位が存在することが知られている。バンドギャップエネルギーよりも小さいエネルギーの光が照射された場合、電子はこのエネルギー準位まで励起され、その後、上述の酸化物半導体膜１中の電位勾配により、このエネルギー準位から伝導帯へトンネリングすることでキャリアとして作用する。これが、バンドギャップエネルギーよりも小さい波長の光が照射された場合であっても、酸化物半導体膜１中に光キャリアが生成される物理的メカニズムであり、本発明によって初めて可能となったものである。
【００１８】
（実施例１）
以下に、第１実施形態の酸化物半導体を用いて形成される光センサに関する実施例１について説明する。上述したように、酸化物半導体膜１中で生成された光キャリアを電流信号又は電圧信号として読み出すことにより光センサとして機能する。図２は、第１実施形態の実施例１に係る光センサの断面図である。図２は、図１に示す光センサにおいて、酸化物半導体膜１の左右両側にそれぞれ第一の読出し用電極１０及び第二の読出し用電極１１を付加した構造を示す。これらの電極１０，１１を用いて、生成された光キャリアを電流信号又は電圧信号として読み出すことにより、照射光強度のセンシングが可能となる。
【００１９】
本実施例１の光センサでは、酸化物半導体膜１として、インジウム（元素記号：Ｉｎ）、ガリウム（元素記号：Ｇａ）、亜鉛（元素記号：Ｚｎ）及び酸素（元素記号：Ｏ）からなるＩｎＧａＺｎＯ膜を用いる。また、第一絶縁膜２及び第二絶縁膜４として酸化シリコン膜を用い、第一導電性電極３としてＩＴＯ（Indium Tin Oxide：インジウムスズ酸化物）膜を用い、第二導電性電極５としてアルミニウム合金からなる電極を用いる。従って、本実施例１では、酸化物半導体膜１であるＩｎＧａＺｎＯ膜の上側に、第一絶縁膜２である酸化シリコン膜が形成され、更にその上側に、第一導電性電極３であるＩＴＯ膜が形成されている。また、ＩｎＧａＺｎＯ膜の下側に、第二絶縁膜４である酸化シリコン膜と、アルミニウム合金からなる第二導電性電極５とが形成されている。このように第一絶縁膜２、第一導電性電極３、第二絶縁膜４及び第二導電性電極５が形成された酸化物半導体膜１は、第二導電性電極５を下側にして、ガラス基板６の上面に形成されている。また、ＩｎＧａＺｎＯ膜（酸化物半導体膜１）の左右両端に、モリブデン合金からなる読出し用電極１０，１１が形成されている。本実施例１の光センサは、第一導電性電極３に第一の電位７を印加し、第二導電性電極５に第二の電位８を印加する機構（電圧印加部）を有する。
【００２０】
次に、本実施例１の光センサの製造方法について説明する。
まず、ガラス基板６上に、スパッタリング法によりアルミニウム合金を成膜し、所定の形状にパターニングすることにより、第二導電性電極５を形成する。続いて、ＳｉＨ4 （シラン、水素化ケイ素）及びＮ2 Ｏ（一酸化二窒素）の混合ガスを原料としたプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により３５０℃の温度で第二絶縁膜４（酸化シリコン膜）を成膜する。引き続き、スパッタリング法によりＩｎＧａＺｎＯ膜を成膜し、エッチングにより所望の島形状にパターニングして酸化物半導体膜１を形成する。酸化物半導体膜１の組成比率としては、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ：Ｏ＝１：１：１：４をはじめ、エッチング加工性などを踏まえて任意に設計できる。
【００２１】
酸化物半導体膜１を形成した後、大気中にて３５０℃〜５００℃の温度で１時間のアニール処理を行う。その後、スパッタリング法によりモリブデン合金を成膜し、所定の形状にパターニングして第一の読出し用電極１０及び第二の読出し用電極１１を形成する。
更に、ＳｉＨ4 及びＮ2 Ｏの混合ガスを原料としたプラズマＣＶＤ法により２００℃の温度で第一絶縁膜２（酸化シリコン膜）を成膜する。第一絶縁膜２を成膜した後、３５０℃〜４００℃の温度でアニール処理を行うことにより、酸化シリコン膜の膜質を改質することができる。その後、スパッタリング法によりＩＴＯ膜を成膜し、所望の形状にパターニングすることにより、透明材料から成る第一導電性電極３を形成する。
【００２２】
上述のように構成された光センサでは、第一導電性電極３に第一の電位７を印加し、第二導電性電極５に第二の電位８を印加して、読出し用電極１０，１１間に電位差を発生させる。そして、このときに読出し用電極１０，１１間に流れる電流の光強度依存性を検出することにより、光センサとして機能させることができる。なお、酸化物半導体膜１は、一方のゲート電極（第一導電性電極３）に第一の電圧７を印加し、他方のゲート電極（第二導電性電極５）に第二の電圧８を印加した場合に、電圧無印加時（電圧を印加しない場合）と比べて可視光の吸収量が増加する性質を有する。
本実施例１の光センサでは、第一の電位７及び第二の電位８のうちの低い方の電位が印加される導電性電極（３又は５）が透明材料によって構成され、透明材料から成る導電性電極（３又は５）の側から光９が照射される構成であってもよい。
【００２３】
酸化物半導体膜１としては、上記のＩｎＧａＺｎＯ膜のほかに、ＺｎＯ膜、ＩｎＺｎＯ膜、ＩｎＳｎＺｎＯ膜、ＩｎＡｌＺｎＯ膜などを用いることが可能である。これらの成膜方法はスパッタリング法に限られるわけではなく、パルスレーザ成膜法、液体原料を用いた塗布・焼成法などでも良い。
第一絶縁膜２や第二絶縁膜４としては、上記の酸化シリコン膜のほかに、窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、酸化タンタル膜、または、これらの膜を複数積層したものを用いても良い。これらの成膜方法はプラズマＣＶＤ法に限られるわけではなく、スパッタリング法、蒸着法、アトミックレイヤデポジション（ＡＬＤ、原子層堆積法）法などでも可能である。
【００２４】
（第２実施形態）
図３は、本発明の第２実施形態に係る光センサを示す図である。図３Ａは、第２実施形態に係る光センサの断面図であり、図３Ｂは、第２実施形態に係る光センサに波長４００ｎｍ±１０ｎｍの光を照射した場合の光センシング特性を示すグラフである。第２実施形態に係る光センサは、デュアルゲート型酸化物半導体ＴＦＴを用いて形成されている。
【００２５】
第２実施形態の光センサでは、酸化物半導体膜（酸化物半導体活性層）１の上側に保護絶縁膜２２及び第一絶縁膜（絶縁膜、第１ゲート絶縁膜）２が形成されており、更にその上側に可視光に対して透明な透明トップゲート電極（ゲート電極、第１ゲート電極）１２が形成されている。また酸化物半導体膜１の下側に第二絶縁膜（絶縁膜、第２ゲート絶縁膜）４及びボトムゲート電極（ゲート電極、第２ゲート電極）１８が形成されている。このように各膜及び各電極が形成された酸化物半導体膜１は、ボトムゲート電極１８を下側にしてガラス基板６上に形成されている。また、酸化物半導体膜１の左端部分及び保護絶縁膜２２の左端部分に接するようにソース電極１４が形成されており、酸化物半導体膜１の右端部分及び保護絶縁膜２２の右端部分に接するようにドレイン電極１６が形成されている。酸化物半導体膜１の材料は第１実施形態と同様である。
【００２６】
図３Ａに示す光センサにおいて、透明トップゲート電極１２側から酸化物半導体膜１へ青色光２０−１（例えば、波長が４００ｎｍ±１０ｎｍの光）を入射する。その際、透明トップゲート電極１２に印加する透明トップゲート電極電位１３を、ソース電極１４に印加するソース電極電位１５よりも低くする。また、ドレイン電極１６に印加するドレイン電極電位１７はソース電極電位１５よりも高くし、ボトムゲート電極１８に印加するボトムゲート電極電位１９はソース電極電位１５よりも高くする。
【００２７】
図３Ｂには、ドレイン電極電位１７（Ｖｄ）＝１Ｖ、ソース電極電位１５（Ｖｓ）＝０Ｖとした時のボトムゲート電極電位１９（Ｖｂｇ）に対するドレイン電流（Ｉｄ）の特性（Ｖｂｇ−Ｉｄ特性）を示している。また、図３Ｂには、透明トップゲート電極電位１３（Ｖｔｇ）をパラメータとし、Ｖｔｇ＝０Ｖ、Ｖｔｇ＝−１０Ｖ、Ｖｔｇ＝−２０Ｖとした場合のＶｂｇ−Ｉｄ特性をそれぞれ示している。図３Ｂ中の破線は、光を照射しない状態（暗状態）での特性を示し、実線は、波長４００ｎｍ±１０ｎｍの光を照射した状態（光照射状態）での特性を示す。なお、ハロゲン光源（島津製作所製のハロゲンランプユニットＡＴ−１００ＨＧ）及び分光器（島津製作所製の分光器ＳＰＧ−１２０Ｓ）によって生成された単色光（中心波長±１０ｎｍのバンド幅）をファイバを用いて透明トップゲート電極１２側から照射した。
【００２８】
図３Ｂから分かるように、ソース電極電位１５（Ｖｓ＝０Ｖ）よりも透明トップゲート電極電位１３（Ｖｔｇ）を低くすればするほど、暗状態での特性に比べて光照射状態での特性におけるサブスレッショルド電流（オフからオンへの遷移状態での電流）が大きくなっている。また、動作状態においても、ボトムゲート電極電位１９（Ｖｂｇ）はソース電極電位１５（Ｖｓ）よりも高くなっている。図３Ｂは、透明トップゲート電極電位１３（Ｖｔｇ）を低くすればするほどデュアルゲート型酸化物半導体ＴＦＴの光感度が高くなっていることを示している。これは、一方のゲート電極に第一の電圧を印加し、他方のゲート電極に第二の電圧を印加した場合に、電圧無印加時（電圧を印加しない場合）と比べて酸化物半導体膜１における可視光の吸収量が増加する現象に起因する。第２実施形態では、このようにソース電極電位１５（Ｖｓ）よりも透明トップゲート電極電位１３（Ｖｔｇ）を低くすることにより、酸化物半導体ＴＦＴの光感度を増幅させ、酸化物半導体ＴＦＴを光センサとして活用するものである。更には、透明トップゲート電極電位１３（Ｖｔｇ）の値を適切に制御することにより、光感度機能を任意にコントロールすることができる。
【００２９】
（実施例２）
以下に、第２実施形態のデュアルゲート型酸化物半導体ＴＦＴを用いて形成される光センサに関する実施例２について説明する。
本実施例２の光センサでは、第１実施形態と同様に酸化物半導体膜１としてＩｎＧａＺｎＯ膜を用いる。また、保護絶縁膜２２、第一絶縁膜２及び第二絶縁膜４として酸化シリコン膜を用い、透明トップゲート電極１２としてＩＴＯ膜を用い、ボトムゲート電極１８としてアルミニウム合金からなる電極を用いる。また、ソース電極１４及びドレイン電極１６としてモリブデン合金膜とアルミニウム合金膜とが積層された電極を用いる。
【００３０】
本実施例２では、酸化物半導体膜１であるＩｎＧａＺｎＯ膜の上側に、酸化シリコンからなる保護絶縁膜２２及び第一絶縁膜２である酸化シリコン膜が形成され、更にその上側に、透明トップゲート電極１２であるＩＴＯ膜が形成されている。また、ＩｎＧａＺｎＯ膜の下側に、第二絶縁膜４である酸化シリコン膜と、アルミニウム合金からなるボトムゲート電極１８とが形成されている。このように形成された酸化物半導体膜１は、ボトムゲート電極１８を下側にしてガラス基板６の上面に形成されている。また、ＩｎＧａＺｎＯ膜（酸化物半導体膜１）の左右両端にソース電極１４及びドレイン電極１６が形成されている。ソース電極１４は、保護絶縁膜２２の左端の一部と重なり、且つ酸化物半導体膜１の左端側と直接接する領域に形成してあり、ドレイン電極１６は、保護絶縁膜２２の右端の一部と重なり、且つ酸化物半導体膜１の右端側と直接接する領域に形成してある。ソース電極１４及びドレイン電極１６は、モリブデン合金膜とアルミニウム合金膜とが積層されて構成してあり、モリブデン合金膜が酸化物半導体膜１と接するように配置されている。
【００３１】
本実施例２の光センサは、透明トップゲート電極１２に透明トップゲート電極電位１３を印加し、ソース電極１４にソース電極電位１５を印加し、ドレイン電極１６にドレイン電極電位１７を印加し、ボトムゲート電極１８にボトムゲート電極電位１９を印加する機構を有する。また、本実施例２の光センサは、ソース電極電位１５よりも低い透明トップゲート電極電位１３を透明トップゲート電極１２に印加する機構（電圧印加部）を有し、ソース電極電位１５よりも高いドレイン電極電位１７をドレイン電極１６に印加する機構を有する。更に、本実施例２の光センサは、ソース電極電位１５よりも高いボトムゲート電極電位１９をボトムゲート電極１８に印加する機構（電圧印加部）を有する。このような構成の光センサは、透明トップゲート電極１２側から酸化物半導体膜１内へ青色光２０−１を導入する機構を有する。
【００３２】
次に、本実施例２の光センサの製造方法について説明する。
まず、ガラス基板６上に、スパッタリング法によりアルミニウム合金を成膜し、所定の形状にパターニングすることにより、ボトムゲート電極１８を形成する。続いて、ＴＥＯＳ（Tetraethyl Orthosilicate）及びＯ2 （酸素）の混合ガスを原料としたプラズマＣＶＤ法により３５０℃の温度で第二絶縁膜４（酸化シリコン膜）を４００ｎｍの膜厚に成膜する。引き続き、スパッタリング法によりＩｎＧａＺｎＯ膜を５０ｎｍの膜厚に成膜し、エッチングにより所望の島形状にパターニングして酸化物半導体膜１を形成する。酸化物半導体膜１の組成比率としては、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ：Ｏ＝１：１：１：４を用いることができる。
【００３３】
酸化物半導体膜１を形成した後、大気中にて４００℃の温度で１時間のアニール処理を行う。その後、ＳｉＨ4 及びＮ2 Ｏの混合ガスを原料としたプラズマＣＶＤ法により２００℃の温度で酸化シリコン膜を１００ｎｍの膜厚に成膜し、所望の形状にパターニングして保護絶縁膜２２を形成する。引き続き、モリブデン合金、アルミニウム合金をこの順でスパッタリング法により成膜し、所望の形状にパターニングして、ソース電極１４及びドレイン電極１６を形成する。
その後、ＳｉＨ4 及びＮ2 Ｏの混合ガスを原料としたプラズマＣＶＤ法により２００℃の温度で第一絶縁膜２（酸化シリコン膜）を３００ｎｍの膜厚に成膜する。第一絶縁膜２を成膜した後、２００℃の温度で成膜した保護絶縁膜２２及び第一絶縁膜２を改質するために、３００℃〜４００℃の温度でアニール処理を行うこともできる。その後、スパッタリング法によりＩＴＯ膜を成膜し、所望の形状にパターニングすることにより、透明トップゲート電極１２を形成する。
【００３４】
上述のように構成された光センサにおいて、透明トップゲート電極１２側から波長４００ｎｍ±１０ｎｍの青紫光を酸化物半導体膜１へ照射した。照射光のエネルギー密度は７８μＷ／ｃｍ2 である。このとき、透明トップゲート電極電位１３（Ｖｔｇ）をソース電極電位１５（Ｖｓ）よりも低くし、ドレイン電極電位１７（Ｖｄ）及びボトムゲート電極電位１９（Ｖｂｇ）をソース電極電位１５（Ｖｓ）よりも高くする。
図３Ｂから分かるように、Ｖｔｇ＝−１０ＶまたはＶｔｇ＝−２０Ｖの場合、即ち、Ｖｔｇ＜Ｖｓ（Ｖｓ＝０Ｖ）の状態でボトムゲート電極電位１９（Ｖｂｇ）に正電位を与えると、暗状態時と比べて青紫光照射時でのサブスレッショルド電流が増加しており、高い光感度を示した。また、Ｖｔｇ＝−１０Ｖの時に比べてＶｔｇ＝−２０Ｖの時の方が、暗状態での特性と光照射状態での特性との差が大きくなっており、これは、Ｖｔｇの値を変えることで光感度を制御できることを示している。なお、Ｖｔｇ＝０Ｖの時でも若干の光感度を示しているが、これは波長４００ｎｍの光のエネルギーがＩｎＧａＺｎＯ膜のバンドギャップエネルギーと同等であるため、電子が直接伝導帯に励起されることに起因したものである。このように透明トップゲート電極電位１３（Ｖｔｇ）の値を変えることで、酸化物半導体ＴＦＴの光感度を制御できる点は、本発明の効果の一つである。このような効果を活用して、酸化物半導体ＴＦＴの光感度を増幅し、酸化物半導体ＴＦＴを光センサとして活用することができる。
【００３５】
（第３実施形態）
図４は、本発明の第３実施形態に係る光センサを示す図である。図４Ａは、第３実施形態に係る光センサの断面図であり、図４Ｂは、第３実施形態に係る光センサに波長７００ｎｍ±１０ｎｍの光を照射した場合の光センシング特性を示すグラフである。第３実施形態に係る光センサは、デュアルゲート型酸化物半導体ＴＦＴを用いて形成されている。
【００３６】
第３実施形態の光センサは、第２実施形態の光センサと同じ構造を有する。第３実施形態の光センサにおいて、可視光に対して透明な透明トップゲート電極１２側から酸化物半導体膜１中へ赤色光２１（例えば、波長が７００ｎｍ±１０ｎｍの光）を入射する。その際、透明トップゲート電極電位１３をソース電極電位１５よりも低くし、ドレイン電極電位１７はソース電極電位１５よりも高くし、ボトムゲート電極電位１９はソース電極電位１５よりも高くする。
【００３７】
図４Ｂには、ドレイン電極電位１７（Ｖｄ）＝１Ｖ、ソース電極電位１５（Ｖｓ）＝０Ｖとした時のボトムゲート電極電位１９（Ｖｂｇ）に対するドレイン電流（Ｉｄ）の特性（Ｖｂｇ−Ｉｄ特性）を示している。また、図４Ｂには、透明トップゲート電極電位１３（Ｖｔｇ）をパラメータとし、Ｖｔｇ＝０Ｖ、Ｖｔｇ＝−１０Ｖ、Ｖｔｇ＝−２０Ｖとした場合のＶｂｇ−Ｉｄ特性をそれぞれ示している。図４Ｂ中の破線は、光を照射しない状態（暗状態）での特性を示し、実線は、波長７００ｎｍ±１０ｎｍの光を照射した状態（光照射状態）での特性を示す。なお、ハロゲン光源（島津製作所製のハロゲンランプユニットＡＴ−１００ＨＧ）及び分光器（島津製作所製の分光器ＳＰＧ−１２０Ｓ）によって生成された単色光（中心波長±１０ｎｍのバンド幅）をファイバを用いて透明トップゲート電極１２側から照射した。
【００３８】
図４Ｂから分かるように、ソース電極電位１５（Ｖｓ＝０Ｖ）よりも透明トップゲート電極電位１３（Ｖｔｇ）を低くし、特にＶｔｇ＝−２０Ｖとした場合には、暗状態での特性に比べて光照射状態での特性におけるサブスレッショルド電流が大きくなっている。また、動作状態においても、ボトムゲート電極電位１９（Ｖｂｇ）はソース電極電位１５（Ｖｓ）よりも高くなっている。これは、第２実施形態で示した青色光の照射時と同様に、赤色光の照射時においても、透明トップゲート電極電位１３（Ｖｔｇ）を低くすればするほど酸化物半導体ＴＦＴの光感度が高くなっていることを示している。酸化物半導体の典型的なバンドギャップエネルギーは３．０〜３．５ｅＶであるので、図４Ｂに示す結果は、酸化物半導体のバンドギャップエネルギーよりもかなり小さなエネルギーの光に対する光感度機能を酸化物半導体ＴＦＴに付与できることを示している（波長が７００ｎｍの光のエネルギーは約１．８ｅＶ）。
【００３９】
従来技術では、バンドギャップエネルギーよりも小さなエネルギーの赤色光に感度を示す酸化物半導体ＴＦＴは存在しなかった。これは、非特許文献１に開示してあり、非特許文献２にも、５５０ｎｍ以上の波長の光に対して酸化物半導体ＴＦＴが感度を示さないというデータが開示されている。
第３実施形態では、このようにソース電極電位１５（Ｖｓ）よりも透明トップゲート電極電位１３（Ｖｔｇ）を低くすることにより、バンドギャップエネルギーよりも低エネルギーの光に対する光感度を酸化物半導体ＴＦＴに付与し、酸化物半導体ＴＦＴを可視光領域全体の光センサとして活用できる。
【００４０】
（実施例３）
以下に、第３実施形態のデュアルゲート型酸化物半導体ＴＦＴを用いて形成される光センサに関する実施例３について説明する。
本実施例３の光センサでは、第２実施形態と同様に、酸化物半導体膜１としてＩｎＧａＺｎＯ膜を用いる。また、保護絶縁膜２２及び第一絶縁膜２として酸化シリコン膜を用い、透明トップゲート電極１２としてＩＴＯ膜を用い、ボトムゲート電極１８としてアルミニウム合金からなる電極を用いる。本実施例３では、第二絶縁膜４として、酸化シリコン膜と窒化シリコン膜とを積層した積層膜を用い、ソース電極１４及びドレイン電極１６として、チタン膜、アルミニウム合金膜、チタン膜が３層に積層された電極を用いる。
【００４１】
本実施例３では、酸化物半導体膜１であるＩｎＧａＺｎＯ膜の上側に、酸化シリコンからなる保護絶縁膜２２及び第一絶縁膜２である酸化シリコン膜が形成され、更にその上側に、透明トップゲート電極１２であるＩＴＯ膜が形成されている。また、ＩｎＧａＺｎＯ膜の下側に、第二絶縁膜４である酸化シリコン膜及び窒化シリコン膜を積層した積層膜と、アルミニウム合金からなるボトムゲート電極１８とが形成されている。このように形成された酸化物半導体膜１は、ボトムゲート電極１８を下側にしてガラス基板６の上面に形成されている。また、ＩｎＧａＺｎＯ膜（酸化物半導体膜１）の左右両端にソース電極１４及びドレイン電極１６が形成されている。ソース電極１４は、保護絶縁膜２２の左端の一部と重なり、且つ酸化物半導体膜１の左端側と直接接する領域に形成してあり、ドレイン電極１６は、保護絶縁膜２２の右端の一部と重なり、且つ酸化物半導体膜１の右端側と直接接する領域に形成してある。ソース電極１４及びドレイン電極１６は、チタン膜、アルミニウム合金膜、チタン膜が積層されて構成してあり、下層のチタン膜が酸化物半導体膜１と接するように配置されている。
【００４２】
本実施例３の光センサは、ソース電極電位１５よりも低い透明トップゲート電極電位１３を透明トップゲート電極１２に印加する機構を有し、ソース電極電位１５よりも高いドレイン電極電位１７をドレイン電極１６に印加する機構を有する。更に、本実施例３の光センサは、ソース電極電位１５よりも高いボトムゲート電極電位１９をボトムゲート電極１８に印加する機能を有する。このような構成の光センサは、透明トップゲート電極１２側から酸化物半導体膜１内へ赤色光を導入する機構を有する。
【００４３】
次に、本実施例３の光センサの製造方法について説明する。
まず、ガラス基板６上に、スパッタリング法によりアルミニウム合金を成膜し、所定の形状にパターニングすることにより、ボトムゲート電極１８を形成する。続いて、プラズマＣＶＤ法により３５０℃の温度で、窒化シリコン膜、酸化シリコン膜の順で合計膜厚が４００ｎｍとなるように第二絶縁膜４を成膜する。引き続き、スパッタリング法によりＩｎＧａＺｎＯ膜を３０ｎｍの膜厚に成膜し、エッチングにより所望の島形状にパターニングして酸化物半導体膜１を形成する。酸化物半導体膜１の組成比率としては、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ：Ｏ＝１：１：１：４を用いることができる。
【００４４】
酸化物半導体膜１を形成した後、大気中にて４００℃の温度で１時間のアニール処理を行う。その後、ＳｉＨ4 及びＮ2 Ｏの混合ガスを原料としたプラズマＣＶＤ法により２００℃の温度で、酸化シリコン膜を１００ｎｍの膜厚に成膜し、所望の形状にパターニングして保護絶縁膜２２を形成する。引き続き、チタン、アルミニウム合金、チタンの順でスパッタリング法により３層膜を成膜し、所望の形状にパターニングして、ソース電極１４及びドレイン電極１６を形成する。
その後、ＳｉＨ4 及びＮ2 Ｏの混合ガスを原料としたプラズマＣＶＤ法により２００℃の温度で第一絶縁膜２（酸化シリコン膜）を３００ｎｍの膜厚に成膜する。第一絶縁膜２を成膜した後、２００℃の温度で成膜した保護絶縁膜２２及び第一絶縁膜２を改質するために、３００℃〜４００℃の温度でアニール処理を行うこともできる。その後、スパッタリング法によりＩＴＯ膜を成膜し、所望の形状にパターニングすることにより、透明トップゲート電極１２を形成する。
【００４５】
上述のように構成された光センサにおいて、透明トップゲート電極１２側から波長７００ｎｍ±１０ｎｍの赤色光２１を酸化物半導体膜１へ照射した。照射光のエネルギー密度は７８μＷ／ｃｍ2 である。このとき、透明トップゲート電極電位１３（Ｖｔｇ）をソース電極電位１５（Ｖｓ）よりも低くし、ドレイン電極電位１７（Ｖｄ）及びボトムゲート電極電位１９（Ｖｂｇ）をソース電極電位１５（Ｖｓ）よりも高くする。
図４Ｂから分かるように、Ｖｔｇ＝０ＶまたはＶｔｇ＝−１０Ｖの場合、暗状態での特性と光照射状態での特性との差は小さい（即ち、光感度が非常に小さい）。しかし、Ｖｔｇ＝−２０Ｖの場合では、ボトムゲート電極電位１９（Ｖｂｇ）に正電位を与えると、暗状態時と比べて赤色光照射時でのサブスレッショルド電流が増加しており、高い光感度を示した。
【００４６】
このように酸化物半導体のバンドギャップエネルギー（３．０〜３．５ｅＶ）よりもかなり小さなエネルギーの赤色光（波長が７００ｎｍの光のエネルギーは約１．８ｅＶ）に対する光感度機能を酸化物半導体ＴＦＴに付与できる点は、従来技術では不可能であった本発明の重要な効果である。また、図４Ｂに示すような測定を２０℃〜８０℃の温度範囲で行ったところ、光照射時の電流値は温度変化に対してほとんど変化しなかった。このような小さい温度依存性は酸化物半導体ならではの物性に起因するものであり、本発明の重要な効果である。このような効果を活用して、酸化物半導体ＴＦＴの光感度を増幅し、酸化物半導体ＴＦＴを青紫色から赤色にわたる可視光センサとして活用することができる。
【００４７】
（実施例４）
以下に、第３実施形態の光センサに関する実施例４について説明する。なお、本実施例４は、上述した実施例３の変形例であり、また、第２実施形態で説明した実施例２の変形例でもある。
第２実施形態の実施例２及び第３実施形態の実施例３では、保護絶縁膜２２を有するエッチストップ型（チャネル保護型）の酸化物半導体ＴＦＴを用いた光センサについて説明した。光センサに用いる酸化物半導体ＴＦＴの構造はエッチストップ型に限られるわけではなく、保護絶縁膜２２を有しない所謂チャネルエッチ型でもよい。よって、本実施例４では、チャネルエッチ型の酸化物半導体ＴＦＴを用いて形成された光センサについて説明する。なお、保護絶縁膜２２を有しないこと以外は、第３実施形態の実施例３及び第２実施形態の実施例２と同様の構成である。
【００４８】
図５Ａは、第３実施形態の実施例４に係る光センサの断面図である。
本実施例４では、実施例２，３と同様に、酸化物半導体膜１としてＩｎＧａＺｎＯ膜を用い、第一絶縁膜２として酸化シリコン膜を用い、透明トップゲート電極１２としてＩＴＯ膜を用い、ボトムゲート電極１８としてアルミニウム合金からなる電極を用いる。また、ソース電極１４及びドレイン電極１６は、上述の実施例３と同様に、チタン膜、アルミニウム合金膜、チタン膜が３層に積層された電極を用いる。なお、本実施例４では、第二絶縁膜４として、酸化シリコン膜と酸化アルミニウム膜とを積層した積層膜を用いる。
【００４９】
本実施例４では、酸化物半導体膜１であるＩｎＧａＺｎＯ膜の上側に第一絶縁膜２である酸化シリコン膜が形成され、更にその上側に、透明トップゲート電極１２であるＩＴＯ膜が形成されている。また、ＩｎＧａＺｎＯ膜の下側に、第二絶縁膜４である酸化シリコン膜及び酸化アルミニウム膜を積層した積層膜と、アルミニウム合金からなるボトムゲート電極１８とが形成されている。このように形成された酸化物半導体膜１は、ボトムゲート電極１８を下側にしてガラス基板６の上面に形成されている。また、ＩｎＧａＺｎＯ膜（酸化物半導体膜１）の左右両端のそれぞれに直接接する領域にソース電極１４及びドレイン電極１６が形成されている。
【００５０】
本実施例４の光センサは、ソース電極電位１５よりも低い透明トップゲート電極電位１３を透明トップゲート電極１２に印加する機構を有し、ソース電極電位１５よりも高いドレイン電極電位１７をドレイン電極１６に印加する機構を有する。更に、本実施例４の光センサは、ソース電極電位１５よりも高いボトムゲート電極電位１９をボトムゲート電極１８に印加する機能を有する。このような構成の光センサは、透明トップゲート電極１２側から酸化物半導体膜１内へ光９を導入する機構を有する。
【００５１】
次に、本実施例４の光センサの製造方法について説明する。
まず、ガラス基板６上に、スパッタリング法によりアルミニウム合金を成膜し、所定の形状にパターニングすることにより、ボトムゲート電極１８を形成する。続いて、プラズマＣＶＤ法により３５０℃の温度で、酸化シリコン膜、酸化アルミニウム膜の順で合計膜厚が４００ｎｍとなるように第二絶縁膜４を成膜する。引き続き、スパッタリング法によりＩｎＧａＺｎＯ膜を７０ｎｍの膜厚に成膜し、エッチングにより所望の島形状にパターニングして酸化物半導体膜１を形成する。酸化物半導体膜１の組成比率としては、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ：Ｏ＝１：１：１：４を用いることができる。
【００５２】
酸化物半導体膜１を形成した後、大気中にて４００℃の温度で１時間のアニール処理を行う。引き続き、チタン、アルミニウム合金、チタンの順でスパッタリング法により３層膜を成膜し、所望の形状にパターニングして、ソース電極１４及びドレイン電極１６を形成する。その後、ＳｉＨ4 及びＮ2 Ｏの混合ガスを原料としたプラズマＣＶＤ法により２５０℃の温度で第一絶縁膜２（酸化シリコン膜）を３００ｎｍの膜厚に成膜する。第一絶縁膜２を成膜した後、２５０℃の温度で成膜した第一絶縁膜２を改質するために、３００℃〜４００℃の温度でアニール処理を行うこともできる。その後、スパッタリング法によりＩＴＯ膜を成膜し、所望の形状にパターニングすることにより、透明トップゲート電極１２を形成する。
【００５３】
図５Ａに示すように保護絶縁膜を有しない構造においても、ソース電極電位１５よりも低い電位を透明トップゲート電極電位１３として透明トップゲート電極１２に与えることにより、図３Ｂ，図４Ｂに示すような光感度機能を酸化物半導体ＴＦＴに付与することができる。透明トップゲート電極電位１３（Ｖｔｇ）をソース電極電位１５（Ｖｓ）よりも低くし、ドレイン電極電位１７（Ｖｄ）及びボトムゲート電極電位１９（Ｖｂｇ）をソース電極電位１５（Ｖｓ）よりも高くしたバイアス状態で、透明トップゲート電極１２側から光９を酸化物半導体膜１へ照射したところ、暗状態時と比べて赤色光照射時でのサブスレッショルド電流が増加し、高い光感度を示した。
【００５４】
図５Ｂ及び図５Ｃは、第３実施形態の実施例４の変形例に係る光センサの断面図である。図５Ａに示す例では、透明トップゲート電極１２側から光９を照射したが、図５Ｂに示すように、透明ではないボトムゲート電極１８側から光９を照射しても良い。この場合、ボトムゲート電極１８が透明でないので、光９はボトムゲート電極１８により遮蔽されるが、ボトムゲート電極１８のエッジ部（周縁部分）での光の回折により、酸化物半導体膜１へ光が回り込む。この回り込んだ光により酸化物半導体膜１内部で電子が励起され、これにより、光９を透明トップゲート電極１２側から照射した場合と同様の光感度が得られ、本発明の効果を実現することができる。
また、図５Ｃに示すように、酸化物半導体膜１の上側の透明トップゲート電極１２と下側のボトムゲート電極１８とが共に透明電極であっても良い。また、この場合に、透明トップゲート電極１２及びボトムゲート電極１８の両側から光９を照射することもできる。もちろん、いずれか一方の側から光９を照射する構成でもよい。
【００５５】
（実施例５）
以下に、第３実施形態の光センサに関する実施例５について説明する。なお、本実施例５は、上述した実施例３，４の変形例であり、また、第２実施形態で説明した実施例２の変形例でもある。
第２実施形態の実施例２及び第３実施形態の実施例３，４では、透明トップゲート電極１２にソース電極電位１５よりも低い電位（透明トップゲート電極電位１３）を与える構成について説明した。透明なゲート電極は、酸化物半導体膜１のトップ側（上側）のみならずボトム側（下側）に配置することも可能である。よって、本実施例５では、ボトムゲート電極を透明なゲート電極にて構成し、ボトムゲート電極側から光９を照射する構成について説明する。
【００５６】
図６は、第３実施形態の実施例５に係る光センサの断面図である。
本実施例５では、酸化物半導体膜１としてＩｎＧａＺｎＯ膜を用い、第一絶縁膜２として酸化シリコン膜を用い、第二絶縁膜４として、酸化シリコン膜と窒化シリコン膜とを積層した積層膜を用い、ソース電極１４及びドレイン電極１６として、チタン膜、アルミニウム合金膜、チタン膜が３層に積層された電極を用いる。また、本実施例５では、トップゲート電極２１として、アルミニウム・ネオジウム合金膜を用い、透明ボトムゲート電極２０としてＩｎＺｎＯ膜を用いる。
【００５７】
本実施例５では、酸化物半導体膜１であるＩｎＧａＺｎＯ膜の上側に第一絶縁膜２である酸化シリコン膜が形成され、更にその上側に、トップゲート電極２１であるアルミニウム・ネオジウム合金膜が形成されている。また、ＩｎＧａＺｎＯ膜の下側に、第二絶縁膜４である酸化シリコン膜及び窒化シリコン膜を積層した積層膜と、透明ボトムゲート電極２０であるＩｎＺｎＯ膜とが形成されている。このように形成された酸化物半導体膜１は、透明ボトムゲート電極２０を下側にしてガラス基板６の上面に形成されている。また、ＩｎＧａＺｎＯ膜（酸化物半導体膜１）の左右両端にソース電極１４及びドレイン電極１６が形成されている。
【００５８】
本実施例５の光センサは、ソース電極電位１５よりも低い透明ボトムゲート電極電位２２−２を透明ボトムゲート電極２０に印加する機構を有し、ソース電極電位１５よりも高いドレイン電極電位１７をドレイン電極１６に印加する機構を有する。更に、本実施例５の光センサは、ソース電極電位１５よりも高いトップゲート電極電位２３をトップゲート電極２１に印加する機能を有する。このような構成の光センサは、透明ボトムゲート電極２０側から酸化物半導体膜１内へ光９を導入する機構を有する。
【００５９】
次に、本実施例５の光センサの製造方法について説明する。
まず、ガラス基板６上に、スパッタリング法によりＩｎＺｎＯ膜を成膜し、所定の形状にパターニングすることにより、透明ボトムゲート電極２０を形成する。続いて、プラズマＣＶＤ法により３５０℃の温度で、窒化シリコン膜、酸化シリコン膜の順で合計膜厚が４００ｎｍとなるように第二絶縁膜４を成膜する。引き続き、スパッタリング法によりＩｎＧａＺｎＯ膜を７０ｎｍの膜厚に成膜し、エッチングにより所望の島形状にパターニングして酸化物半導体膜１を形成する。酸化物半導体膜１の組成比率としては、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ：Ｏ＝１：１：１：４を用いることができる。
【００６０】
酸化物半導体膜１を形成した後、大気中にて４００℃の温度で１時間のアニール処理を行う。引き続き、チタン、アルミニウム合金、チタンの順でスパッタリング法により３層膜を成膜し、プラズマエッチングにより所望の形状にパターニングして、ソース電極１４及びドレイン電極１６を形成する。その後、ＳｉＨ4 及びＮ2 Ｏの混合ガスを原料としたプラズマＣＶＤ法により２５０℃の温度で第一絶縁膜２（酸化シリコン膜）を３００ｎｍの膜厚に成膜する。第一絶縁膜２を成膜した後、２５０℃の温度で成膜した第一絶縁膜２を改質するために、３００℃〜４００℃の温度でアニール処理を行うこともできる。その後、スパッタリング法によりアルミニウム・ネオジウム合金膜を成膜し、所望の形状にパターニングすることにより、トップゲート電極１２を形成する。
【００６１】
このように、ボトムゲート電極２０に透明導電性材料を用いた場合、ガラス基板６側から光９を照射することができる。この場合は、ソース電極電位１５よりも低い透明ボトムゲート電極電位２２−２を透明ボトムゲート電極２０に与え、ソース電極電位１５よりも高いトップゲート電極電位２３をトップゲート電極２１に与えることにより、図３Ｂ又は図４Ｂに示すような光感度機能を付与することができる。
【００６２】
上述の実施例４及び実施例５では、酸化物半導体膜１を形成した後に、ソース電極１４及びドレイン電極１６を形成する製造方法について説明したが、第二絶縁膜４上に先にソース電極１４及びドレイン電極１６を形成し、その後、酸化物半導体膜１を形成することも可能である。
【００６３】
（実施例６）
以下に、第３実施形態の光センサに関する実施例６について説明する。なお、本実施例６は、上述した第２実施形態及び第３実施形態の実施例３〜５の変形例である。
第２実施形態の実施例２及び第３実施形態の実施例３では、エッチストップ型(チャネル保護型)の酸化物半導体ＴＦＴを光センサに用い、実施例４，５では、チャネルエッチ型の酸化物半導体ＴＦＴを光センサに用いた構成について説明した。光センサに用いる酸化物半導体ＴＦＴの構造はこれらに限られるわけではなく、以下に説明するようなセルフアライン型の構造でも可能である。本実施例６では、セルフアライン型の酸化物半導体ＴＦＴを用いた光センサについて説明する。
【００６４】
図７は、第３実施形態の実施例６に係る光センサの断面図である。
本実施例６では、図７Ａに示すように、酸化物半導体膜１であるＩｎＧａＺｎＯ膜の上側に第一絶縁膜２である酸化シリコン膜が形成され、更にその上側に、トップゲート電極２１であるアルミニウム合金膜が形成されている。なお、第一絶縁膜４（酸化シリコン膜）とトップゲート電極２１とはセルフアライン的に同形状に形成されている。また、ＩｎＧａＺｎＯ膜の下側に、第二絶縁膜４である酸化シリコン膜及び窒化シリコン膜を積層した積層膜と、透明ボトムゲート電極２０であるＩＴＯ膜とが形成されている。このように形成された酸化物半導体膜１は、透明ボトムゲート電極２０を下側にしてガラス基板６の上面に形成されている。また、ＩｎＧａＺｎＯ膜（酸化物半導体膜１）の左右両端側にソース電極１４及びドレイン電極１６が形成されている。ソース電極１４及びドレイン電極１６は、チタン膜、アルミニウム合金膜、チタン膜が３層に積層された電極を用い、下層のチタン膜が酸化物半導体膜１と接するように配置されている。
【００６５】
本実施例６の光センサは、ソース電極電位１５よりも低い透明ボトムゲート電極電位２２−２を透明ボトムゲート電極２０に印加する機構を有し、ソース電極電位１５よりも高いドレイン電極電位１７をドレイン電極１６に印加する機構を有する。更に、本実施例６の光センサは、ソース電極電位１５よりも高いトップゲート電極電位２３をトップゲート電極２１に印加する機能を有する。このような構成の光センサは、透明ボトムゲート電極２０側から酸化物半導体膜１内へ光９を導入する機構を有する。
【００６６】
次に、本実施例６の光センサの製造方法について説明する。
まず、ガラス基板６上に、スパッタリング法によりＩＴＯ膜を成膜し、所定の形状にパターニングすることにより、透明ボトムゲート電極２０を形成する。続いて、プラズマＣＶＤ法により３５０℃の温度で、窒化シリコン膜、酸化シリコン膜の順で合計膜厚が４００ｎｍとなるように第二絶縁膜４を成膜する。引き続き、スパッタリング法によりＩｎＧａＺｎＯ膜を７０ｎｍの膜厚に成膜し、エッチングにより所望の島形状にパターニングして酸化物半導体膜１を形成する。
【００６７】
酸化物半導体膜１を形成した後、４５０℃の温度で１時間のアニール処理を行う。引き続き、ＳｉＨ4 及びＮ2 Ｏの混合ガスを原料としたプラズマＣＶＤ法により２５０℃の温度で第一絶縁膜２（酸化シリコン膜）を３００ｎｍの膜厚に成膜する。第一絶縁膜２を成膜した後、２５０℃の温度で成膜した第一絶縁膜２を改質するために、３００℃〜４００℃の温度でアニール処理を行うこともできる。その後、スパッタリング法によりアルミニウム合金膜を成膜し、アルミニウム合金膜と酸化シリコン膜（第一絶縁膜２）とを所望の形状にパターニングして、トップゲート電極２１と第一絶縁膜２との積層膜を形成する。第一絶縁膜２のエッチング時にＩｎＧａＺｎＯ膜の表面の露出した部分は、エッチングガスやエッチング液との化学反応で酸素欠損密度が高くなるため、抵抗率が小さくなる。従って、この部分はソース・ドレイン領域として作用する。
【００６８】
引き続き、ＳｉＨ4 及びＮ2 Ｏの混合ガスを原料としたプラズマＣＶＤ法により２５０℃の温度で層間膜２３−２（酸化シリコン膜）を３００ｎｍの膜厚に成膜する。この層間膜２３−２の所望の位置にコンタクトホールを形成し、その後、チタン、アルミニウム合金、チタンの順でスパッタリング法により３層膜をコンタクトホールに成膜してソース電極１４及びドレイン電極１６を形成する。更に、プラズマＣＶＤ法により２５０℃の温度でパッシベーション膜２３−３として窒化シリコン膜を２００ｎｍの膜厚に成膜する。
【００６９】
実施例６においても、上述の実施例１〜５と同様に、ソース電極電位１５よりも低い透明ボトムゲート電極電位２２−２を透明ボトムゲート電極２０に与え、ソース電極電位１５よりも高いトップゲート電極電位２３をトップゲート電極２１に与えることに、透明ボトムゲート電極２０側から照射される光９をセンシングすることが可能となる。
なお、図７Ｂに示すように透明電極（透明トップゲート電極１２）を酸化物半導体膜１の上側に配置した構造の光センサについても同様に作製できるので、ここでは詳細な説明を省略する。
【００７０】
薄膜トランジスタの構造に関しては、図３〜図７に示した構造に限られるわけではなく、透明トップゲート電極１２を有するプレーナ型の構造にボトムゲート電極１８を付加したものなどであってもよい。酸化物半導体膜１の上下方向の両側にそれぞれ絶縁膜及びゲート電極を有し、少なくとも一方のゲート電極が透明導電体により形成されており、更に、酸化物半導体膜１の水平方向の両側にソース電極及びドレイン電極を有している構造であれば、何でも適用可能である。
【００７１】
（第４実施形態）
図８及び図９は、本発明の第４実施形態に係る光電変換装置を示す図である。図８は、１画素分の光電変換装置を示しており、図８の上側には等価回路を、下側には断面図をそれぞれ示す。図９は、図８に示すように光センサ素子（光電変換素子）２４とスイッチング素子２５とから構成された画素が、スイッチング用配線と信号読み取り用配線とにより、２次元マトリクス状に複数個配列された光電変換装置を示す。第４実施形態の光電変換装置では、光センサ素子２４及びスイッチング素子２５はともに酸化物半導体ＴＦＴから構成されており、光センサ素子２４は、デュアルゲート型酸化物半導体ＴＦＴから構成されている。
【００７２】
図８において、光センサ素子２４として機能する酸化物半導体ＴＦＴには、受光面側に可視光に対して透明な透明トップゲート電極１２が設けられている。光センサ素子２４用の酸化物半導体ＴＦＴのドレイン電極１６は所定の電源２６に接続され、ソース電極１４は、スイッチング素子２５として機能する酸化物半導体ＴＦＴのソース電極に接続されている。光センサ素子２４用の酸化物半導体ＴＦＴにおいて、透明トップゲート電極１２側から光９が照射される際、ソース電極電位１５（Ｖｓ）より低い透明トップゲート電極電位１３（Ｖｔｇ）を透明トップゲート電極１２に印加し、光感度機能を付与する。これは、Ｖｓより低いＶｔｇを透明トップゲート電極１２に印加し、他方のボトムゲート電極１８に正電圧を印加した際に、電圧無印加時に比べて酸化物半導体膜１（酸化物半導体活性層）における可視光の吸収量が増加する現象を活用するものである。このときスイッチング素子２５にも光９が照射されるが、スイッチング素子２５用の酸化物半導体ＴＦＴには透明トップゲート電極１２が無いので光感度機能を有せず、光感度の無い単なるスイッチとして作用する。この構成は、スイッチング素子用の酸化物半導体ＴＦＴの上部に光シールド層を設けた非特許文献１とは異なるものである。
【００７３】
光電変換装置のリフレッシュ時において、スイッチング素子２５用の酸化物半導体ＴＦＴをオン状態にし、光センサ素子２４用の酸化物半導体ＴＦＴに、Ｖｂｇ−｜Ｖｔｇ｜及びＶｓ−｜Ｖｔｇ｜がともに負になるようなバイアスを印加して酸化物半導体膜１を空乏化し、光センサ素子２４用の酸化物半導体ＴＦＴに電荷をチャージする。その後、スイッチング素子２５用の酸化物半導体ＴＦＴをオフ状態にし、光センサ素子２４用の酸化物半導体ＴＦＴに光９を照射すると、光照射量に応じてチャージ量が減少する。再びスイッチング素子２５用の酸化物半導体ＴＦＴをオン状態にし、チャージ変化量を積分器２７で検出し、センシングを行う。
【００７４】
このように、光照射による信号電荷を電流で読み取る仕組みは、従来技術と同様であるが、本発明のように、光センサ素子２４として透明トップゲート電極１２を有する酸化物半導体ＴＦＴを用いると、以下のような効果がある。まず、酸化物半導体ＴＦＴのオフ電流は従来のシリコン系ＴＦＴに比べて極めて小さい。従って、スイッチング素子２５及び光センサ素子２４ともに暗状態でのオフ電流が極めて低くなり、従来技術に比べてＳ／Ｎ（Signal/Noise）比の高い高性能な光電変換装置を製造することが可能である。更には、酸化物半導体ＴＦＴの電気特性の温度依存性は従来のシリコン系ＴＦＴに比べて極めて小さい。即ち、周囲環境の温度が変化しても酸化物半導体ＴＦＴの電気特性はほとんど変化しない。従って、様々な温度環境下においても、周囲の環境温度の変動に左右されず、安定した性能を実現可能な光電変換装置を製造することができる。製造の観点からは、スイッチング素子２５用の酸化物半導体ＴＦＴと光センサ素子２４用の酸化物半導体ＴＦＴとを同一のプロセスで作製することができ、光センサ素子２４用の酸化物半導体ＴＦＴに透明トップゲート電極１２を付加する工程が増えるのみである。従って、従来技術に比べて、製造工程を短縮でき、その結果、低コスト化、高歩留まり化が実現できる。
【００７５】
図９には、一例として３×３画素の光電変換装置の構成を示す。図９に示す光電変換装置において、シフトレジスター回路のゲート信号Ｇ１をオンにして、上側から１列目のスイッチング素子２５用の酸化物半導体ＴＦＴ（Ｓ１１〜Ｓ１３）をオン状態にする。光センサ素子２４用の酸化物半導体ＴＦＴ（Ｐ１１〜Ｐ１３）に所望のボトムゲート電極電位１９（Ｖｂｇ）と透明トップゲート電極電位１３（Ｖｔｇ）とを与えることで酸化物半導体ＴＦＴ（Ｐ１１〜Ｐ１３）に光感度機能を付与し、光電荷をチャージする。そして、この光センサ素子２４用の酸化物半導体ＴＦＴ（Ｐ１１〜Ｐ１３）の光電荷を信号配線に出力し、転送スイッチＭ１〜Ｍ３を順次アクティブにして、積分器２７から時系列的に光センサ素子２４用の酸化物半導体ＴＦＴ（Ｐ１１〜Ｐ１３）の光電荷を読み出す。この処理を、上側から２列目のスイッチング素子２５用の酸化物半導体ＴＦＴ（Ｓ２１〜Ｓ２３）及び光センサ素子２４用の酸化物半導体ＴＦＴ（Ｐ２１〜Ｐ２３）、また、上側から３列目のスイッチング素子２５用の酸化物半導体ＴＦＴ（Ｓ３１〜Ｓ３３）及び光センサ素子２４用の酸化物半導体ＴＦＴ（Ｐ３１〜Ｐ３３）の順に繰り返し、各画素の光電荷を２次元的に読み出していくことで２次元的な光電変換装置として機能する。
【００７６】
（実施例７）
以下に、第４実施形態の光電変換装置に関する実施例７について説明する。
図１０は、第４実施形態の実施例７の光電変換装置を示す図である。図１０の上側には１画素分の光電変換装置の等価回路を示し、下側には断面図を示す。図１１は、第４実施形態の実施例７の光電変換装置に用いる光センサ素子の光センシング特性を示すグラフである。なお、図１１Ａは、波長４００ｎｍ±１０ｎｍの光を照射した場合の光センシング特性を示し、図１１Ｂは、波長５００ｎｍ±１０ｎｍの光を照射した場合の光センシング特性を示し、図１１Ｃは、波長７００ｎｍ±１０ｎｍの光を照射した場合の光センシング特性を示す。また、図１１Ａ〜Ｃ中の実線は、光を照射しない状態（暗状態）での特性を示しており、図１１Ａ〜Ｃ中の各破線は、それぞれ異なる強度（エネルギー密度）の光を照射した状態での特性を示す。なお、それぞれの照射光の強度は、図１１Ａ中の小破線は１０．９８μＷ／ｃｍ2 であり、中破線は３０．０６μＷ／ｃｍ2 であり、大破線は７８．０３μＷ／ｃｍ2 である。また、図１１Ｂ中の小破線は５８．６７μＷ／ｃｍ2 であり、中破線は１０４．３４μＷ／ｃｍ2 であり、大破線は１７５．１４μＷ／ｃｍ2 であり、図１１Ｃ中の小破線は７８．０３μＷ／ｃｍ2 であり、中破線は１５４．９１μＷ／ｃｍ2 であり、大破線は２４１．０４μＷ／ｃｍ2 である。
【００７７】
図１１から分かるように、各波長に応じて透明トップゲート電極電位１３（Ｖｔｇ）の値を変化させることにより、光センサ素子２４（酸化物半導体ＴＦＴ）の光感度を制御できる。例えば各波長での光感度をそろえるためには、最も感度が高い青色に対してはＶｔｇ＝−１０Ｖとし、緑色及び赤色に対してはＶｔｇ＝−２０Ｖとすると良い。このように本発明では、各波長の光に対する感度に応じて透明トップゲート電極電位１３（Ｖｔｇ）の値を制御することが可能である。これに対して、従来のシリコンＰＩＮダイオードから成る光センサでは、それぞれの波長に対する光感度はダイオード特性で一義的に決まってしまい、色毎の感度をコントロールすることができない。
【００７８】
図１０に示すように、外光２８の受光面側に三原色のカラーフィルタを設けた光電変換装置の場合（図１０には赤色及び緑色のカラーフィルタのみを示す）、緑色カラーフィルタ２９を透過した緑色光２０−２が照射される位置に存在する光センサ素子２４用の酸化物半導体ＴＦＴの透明トップゲート電極１２に印加する電圧（Ｖｔｇ１）と、赤色カラーフィルタ３０を透過した赤色光２１が照射される位置に存在する光センサ素子２４用の酸化物半導体ＴＦＴの透明トップゲート電極１２に印加する電圧（Ｖｔｇ２）とをそれぞれ独立に制御することで、それぞれの色の光に対する感度をそろえることができる。
例えば、図１１のような特性を考慮して、青色カラーフィルタの位置に存在する光センサ素子２４用の酸化物半導体ＴＦＴの透明トップゲート電極電位（Ｖｔｇ）よりも、赤色カラーフィルタ３０の位置に存在する光センサ素子２４用の酸化物半導体ＴＦＴの透明トップゲート電極電位（Ｖｔｇ２）を低くすることができる。これにより、赤色光に対する感度をより増幅して、青色光に対する感度と赤色光に対する感度のバランスを取ることができる。
【００７９】
図１２は、第４実施形態の実施例７の光電変換装置を示す図である。図１２には、青色画素、緑色画素、赤色画素を配列した光電変換装置を示す。図１２に示す光電変換装置は、スイッチング素子２５及び光センサ素子２４からなる画素の上に、それぞれ青色、緑色、赤色のカラーフィルタを配置したものである。図１１に示すように、光センサ素子２４の光感度は、光の波長と、光センサ素子２４用の酸化物半導体ＴＦＴにおけるボトムゲート電極電位１９（Ｖｂｇ）及びトップゲート電極電位１３（Ｖｔｇ）の値とに依存する。従って、センシングする光の波長帯に応じてボトムゲート電極電位１９（Ｖｂｇ）及びトップゲート電極電位１３（Ｖｔｇ）の値を変化させることで、それぞれの波長帯での光感度を制御することができる。よって、本実施例７の光電変換装置は、センシングする光の波長帯に応じて、光センサ素子２４用の酸化物半導体ＴＦＴにおける２つのゲート電極にそれぞれ印加する電圧（Ｖｂｇ，Ｖｔｇ）を制御する機構（電圧制御部）を有する。
【００８０】
図１１を参照すると、青色光（波長が４００ｎｍの光）を７８．０３μＷ／ｃｍ2 のエネルギー密度（強度）で照射した場合に１×１０-8Ａの光電流（Ｉｄ）を得るためには、Ｖｔｇ＝−２０Ｖ、Ｖｂｇ＝＋１２Ｖのバイアスが必要となる。一方、赤色光（波長が７００ｎｍの光）を７８．０３μＷ／ｃｍ2 の強度で照射した場合に１×１０-8Ａの光電流（Ｉｄ）を得るためには、Ｖｔｇ＝−２０Ｖ、Ｖｂｇ＝＋１５Ｖのバイアスが必要となる。即ち、光の波長が異なる場合において、同じ照射強度で同じ光電流を得るためには、波長が長い方がＶｔｇとＶｂｇとの差が大きくなる（ここでの例では、青色光の場合は３２Ｖの差であり、赤色光の場合は３５Ｖの差であった）。このように、センシングする光の波長帯が長くなるにつれて、ＶｔｇとＶｂｇとの差を大きくするような駆動方法を用いることで、様々な光の波長に対する感度のバランスを取ることが可能となる。
【００８１】
（第５実施形態）
図１３は、本発明の第５実施形態に係る光電変換装置を示す図である。図１３は、図１０に示すような光センサ素子２４とスイッチング素子２５とから構成された１画素分の光電変換装置の等価回路を示す。図１３に示す画素を、スイッチング用配線と信号読み取り用配線とにより、２次元マトリクス状に複数個配列して２次元の光電変換装置を構成することもできる。第５実施形態の光電変換装置では、光センサ素子２４及びスイッチング素子２５はともに酸化物半導体ＴＦＴから構成されており、光センサ素子２４はデュアルゲート型酸化物半導体ＴＦＴから構成されている。
【００８２】
図１３において、光センサ素子２４として機能する酸化物半導体ＴＦＴには、受光面側に透明ゲート電極３６が設けられている。光センサ素子２４用の酸化物半導体ＴＦＴのソース電極はグランドに接続され、ドレイン電極は、スイッチング素子２５として機能する酸化物半導体ＴＦＴのソース電極に接続されている。光センサ素子２４用の酸化物半導体ＴＦＴにおいて、透明ゲート電極３６側から光が照射される際、ソース電極電位Ｖｓ（図１３ではグランド電位）より低い透明ゲート電極電位Ｖｔｇを透明ゲート電極３６に印加して光感度機能を付与する。光センサ素子２４用の酸化物半導体ＴＦＴに、Ｖｂｇ−｜Ｖｔｇ｜及びＶｓ−｜Ｖｔｇ｜がともに負になるようなバイアスを印加して酸化物半導体膜１を空乏化し、光センサ素子２４用の酸化物半導体ＴＦＴに光感度機能を付与し、電荷をチャージする。このときスイッチング素子２５にも光が照射されるが、スイッチング素子２５用の酸化物半導体ＴＦＴにはトップゲート電極が無いので光感度機能を有せず、光感度の無い単なるスイッチとして作用する。
【００８３】
このように、光照射により光センサ素子２４用の酸化物半導体ＴＦＴで電気に変換された信号電荷は、スイッチング素子２５用の酸化物半導体ＴＦＴのソース端のフローティングノード３１の電位を変化させる。この電位変化に伴い、フローティングノード３１に接続された増幅用ＴＦＴ３２のゲート電極の電位が変化し、更に、増幅用ＴＦＴ３２に接続された読み出し用ＴＦＴ３３のドレインノードの電位が変化する。このとき、読み出し用ＴＦＴ３３のゲート電極に選択信号入力ライン３４を介して選択信号が入力されると、光センサ素子２４で生成された信号電荷による電位差が読み出しライン３５の方へ出力され、センシングが行われる。
【００８４】
このように、光照射による信号電荷を電位差で読み取る仕組みは、従来技術と同様であるが、本発明のように、光センサ素子２４として透明ゲート電極３６を有する酸化物半導体ＴＦＴを用いると、以下のような効果がある。まず、酸化物半導体ＴＦＴのオフ電流は従来のシリコン系ＴＦＴに比べて極めて小さい。従って、スイッチング素子２５及び光センサ素子２４ともに暗状態でのオフ電流が極めて低くなり、且つ電位差で信号を読み取るので、従来技術に比べて極めてＳ／Ｎ比の高い高性能な光電変換装置を製造することが可能である。更には、酸化物半導体ＴＦＴの電気特性の温度依存性は従来のシリコン系ＴＦＴに比べて極めて小さい。即ち、周囲環境の温度が変化しても酸化物半導体ＴＦＴの電気特性はほとんど変化しない。従って、様々な温度環境下においても、電位差信号は周囲の環境温度の変動に左右されず、安定した出力性能を実現可能な光電変換装置を製造することができる。また、増幅用ＴＦＴ３２及び読み出し用ＴＦＴ３３も酸化物半導体ＴＦＴで実現できることは言うまでもない。
【００８５】
以下では、光センサ素子２４の光感度を更に向上し、光電変換装置の性能を更に向上するための手段を述べる。
図８では、光センサ素子２４として機能する酸化物半導体ＴＦＴの酸化物半導体膜１と、スイッチング素子２５として機能する酸化物半導体ＴＦＴの酸化物半導体膜と、が同じ層で形成されている。従って、結果的にこれらの酸化物半導体膜の膜厚は同一となる。本願発明者は、光センサ素子２４の光感度を更に向上するために、光センサ素子２４として機能する酸化物半導体ＴＦＴの酸化物半導体膜１の膜厚を厚くすることが効果的であることを見出した。
【００８６】
図１４は、光センサ素子２４の光センシング特性を示す図である。図１４Ａは、酸化物半導体膜１として膜厚が３５ｎｍのＩｎＧａＺｎＯ膜を用いた光センサ素子２４の光センシング特性を示し、図１４Ｂは、膜厚が７０ｎｍのＩｎＧａＺｎＯ膜を用いた光センサ素子２４の光センシング特性を示し、図１４Ｃは、膜厚が１００ｎｍのＩｎＧａＺｎＯ膜を用いた光センサ素子２４の光センシング特性を示す。従って、図１４Ａ〜Ｃは、光センサ素子２４の光センシング特性の酸化物半導体膜厚依存性を示す。具体的には、図１４Ａ〜Ｃは、ドレイン電極電位１７（Ｖｄ）＝１Ｖ、ソース電極電位１５（Ｖｓ）＝０Ｖとした時のボトムゲート電極電位１９（Ｖｂｇ）に対するドレイン電流（Ｉｄ）の特性（Ｖｂｇ−Ｉｄ特性）を示している。また、図１４Ａ〜Ｃ中の実線は、透明トップゲート電極電位１３（Ｖｔｇ）＝０Ｖとした場合のＶｂｇ−Ｉｄ特性を示し、図１４Ａ〜Ｃ中の各破線は、透明トップゲート電極電位１３（Ｖｔｇ）＝−２０Ｖとした場合における暗状態及び青色光照射状態でのＶｂｇ−Ｉｄ特性をそれぞれ示している。
【００８７】
図１４Ａ〜Ｃに示す特性を比較すると、Ｖｔｇ＝−２０Ｖ時において、３５ｎｍの場合に比べて７０ｎｍや１００ｎｍの場合では、暗状態と光照射状態とでの特性の差が大きくなっていることが分かる。これは、ＩｎＧａＺｎＯ膜の膜厚を厚くすることが感度向上に効果的であり、光センサ素子の機能として非常に重要である。また、ＩｎＧａＺｎＯ膜の膜厚を厚くするにつれて、Ｖｔｇ＝０Ｖ時において、ドレイン電流が急激に立ち上がるＶｂｇ値が負側へシフトする傾向が見られ、これはスイッチング素子の機能としては望ましくないものである。これらのことから、光センサ素子２４の酸化物半導体膜厚１は厚い方が望ましく、一方でスイッチング素子２５の酸化物半導体膜厚は薄い方が望ましいことを見出した。
【００８８】
図１５は、光センサ素子２４の光センシング特性を示す図である。図１５Ａ，Ｂは、ドレイン電極電位１７（Ｖｄ）＝１Ｖ、ソース電極電位１５（Ｖｓ）＝０Ｖとした時のボトムゲート電極電位１９（Ｖｂｇ）に対するドレイン電流（Ｉｄ）の特性（Ｖｂｇ−Ｉｄ特性）を示している。なお、図１５Ａは、酸化物半導体膜１として膜厚が３５ｎｍのＩｎＧａＺｎＯ膜を用いた光センサ素子２４において、透明トップゲート電極電位１３（Ｖｔｇ）＝−２０Ｖとした場合の特性を示しており、実線は、暗状態でのＶｂｇ−Ｉｄ特性を示し、破線は、青色光照射状態でのＶｂｇ−Ｉｄ特性を示している。また図１５Ｂは、酸化物半導体膜１として膜厚が７０ｎｍのＩｎＧａＺｎＯ膜を用いた光センサ素子２４において、透明トップゲート電極電位１３（Ｖｔｇ）＝−１５Ｖとした場合の特性を示しており、実線は、暗状態でのＶｂｇ−Ｉｄ特性を示し、破線は、青色光照射状態でのＶｂｇ−Ｉｄ特性を示している。
【００８９】
図１５Ａ，Ｂに示す特性を比較すると、膜厚が３５ｎｍのＩｎＧａＺｎＯ膜を用いた光センサ素子２４にＶｔｇ＝−２０Ｖを与えた場合と、膜厚が７０ｎｍのＩｎＧａＺｎＯ膜を用いた光センサ素子２４にＶｔｇ＝−１５Ｖを与えた場合とでは、感度がおおよそ等しいことが分かる。これは、ＩｎＧａＺｎＯ膜の膜厚を厚くすることで、同じ感度を得るために必要なＶｔｇの絶対値を小さくできることを示している。このようにＶｔｇの絶対値を小さくできれば、光センサ素子として長期的な使用を考えた場合のＶｔｇによるストレスを小さくでき、長寿命化が可能となる。このように光センサ素子の長寿命化という観点からも、光センサ素子２４の酸化物半導体膜１を厚くすることは効果的であることが分かった。
上述の通り、光センサ素子の感度向上、及び長期的信頼性の改善という両観点から、光センサ素子２４の酸化物半導体膜１を厚くし、スイッチング素子２５の酸化物半導体膜を薄くする構成が効果的である。このような構成を実現するための手段を次に述べる。
【００９０】
図１６は、光電変換装置の断面図である。図１６に示す光電変換装置では、薄い酸化物半導体膜４７を有するスイッチング素子２５と、厚い酸化物半導体膜４８を有する光センサ素子２４とが同一のガラス基板６上に形成してある。
図１６に示す光電変換装置を製造する場合、ガラス基板６上に第一のボトムゲート電極４１及び第一のボトムゲート絶縁膜４２を形成した後、第４実施形態のスイッチング素子と同様のプロセスを用いて（即ち、実施例１〜６で説明した光センサの製造プロセスを用いて）、スイッチング素子２５として機能する酸化物半導体ＴＦＴを形成する。このとき、酸化物半導体ＴＦＴの酸化物半導体膜４７の膜厚は７０ｎｍ未満、望ましくは５０ｎｍ以下とする。
次に、スイッチング素子２５用の酸化物半導体ＴＦＴにおける第一のパッシベーション膜４３上に、光センサ素子２４用の第二のボトムゲート電極４４を形成した後、スイッチング素子２５と同様のプロセスを用いて、光センサ素子２４用の酸化物半導体ＴＦＴを形成する。このとき、酸化物半導体ＴＦＴの酸化物半導体膜４８の膜厚は７０ｎｍ以上、望ましくは１００ｎｍ以上とする。更に、光センサ素子２４用の酸化物半導体ＴＦＴにおける第二のパッシベーション膜４６上に、光センサ素子２４用の透明トップゲート電極１２を形成する。
【００９１】
なお、光センサ素子２４用の酸化物半導体ＴＦＴのソース・ドレイン電極は、第一のパッシベーション膜４３及び第二のボトムゲート絶縁膜４５に開口されたコンタクトホールを介して、スイッチング素子２５用の酸化物半導体ＴＦＴのソース・ドレイン電極に接続するように形成される。図１６に示す光電変換装置では、光センサ素子２４用の酸化物半導体ＴＦＴのソース・ドレイン電極とスイッチング素子２５用の酸化物半導体ＴＦＴのソース・ドレイン電極とが異なる層に形成されている。以上のようにして、薄い酸化物半導体膜４７を有するスイッチング素子２５用の酸化物半導体ＴＦＴと、厚い酸化物半導体膜４８を有する光センサ素子２４用の酸化物半導体ＴＦＴとを同一のガラス基板６上に作り分けることができる。
【００９２】
図１７は、光電変換装置の断面図である。図１７に示す光電変換装置は、図１６に示す光電変換装置の変形例である。図１７に示す光電変換装置では、スイッチング素子２５用の酸化物半導体ＴＦＴのボトムゲート電極（第一のボトムゲート電極４１）と光センサ素子２４用の酸化物半導体ＴＦＴのボトムゲート電極（第二のボトムゲート電極４４）とが同一の金属層で形成してある。ボトムゲート電極４１，４４の形成後、スイッチング素子２５用の酸化物半導体ＴＦＴのボトムゲート絶縁膜として第三絶縁膜５１を成膜する。
引き続き、スイッチング素子２５用の酸化物半導体ＴＦＴの活性層として薄い酸化物半導体膜４７を形成する。このとき、酸化物半導体膜４７の膜厚は７０ｎｍ未満、望ましくは５０ｎｍ以下とする。
【００９３】
引き続き、第三絶縁膜５１及び酸化物半導体膜４７の上に第四絶縁膜５２を形成し、更に光センサ素子２４用の酸化物半導体ＴＦＴの活性層として厚い酸化物半導体膜４８を形成する。このとき、酸化物半導体膜４８の膜厚は７０ｎｍ以上、望ましくは１００ｎｍ以上とする。また、第三絶縁膜５１と第四絶縁膜５２とを合わせたものが、光センサ素子２４用の酸化物半導体ＴＦＴのボトムゲート絶縁膜として作用する。
第四絶縁膜５２及び酸化物半導体膜４８の上に第五絶縁膜５３を形成し、その後、スイッチング素子２５用の酸化物半導体ＴＦＴと光センサ素子２４用の酸化物半導体ＴＦＴの両方に、ソース・ドレイン電極用のコンタクトホールを同時に開ける。そして、コンタクトホールを介して、スイッチング素子２５のソース電極４９と光センサ素子２４のドレイン電極５０とが接続するように、それぞれの素子２４，２５のソース電極４９及びドレイン電極５０を形成する。
【００９４】
引き続き、第六絶縁膜５４を形成し、その後、光センサ素子２４の透明トップゲート電極１２を形成する。第五絶縁膜５３と第六絶縁膜５４とを合わせたものが、光センサ素子２４用の酸化物半導体ＴＦＴのトップゲート絶縁膜として作用する。
図１７に示すように形成した場合、図１６の場合とは異なり、それぞれの素子２４，２５のボトムゲート電極４４，４１とソース・ドレイン電極４９，５０とをそれぞれ同じ層で形成できるため、プロセスの簡略化、低コスト化が可能となる。以上のようにして、薄い酸化物半導体膜４７を有するスイッチング素子２５用の酸化物半導体ＴＦＴと、厚い酸化物半導体膜４８を有する光センサ素子２４用の酸化物半導体ＴＦＴとを同一のガラス基板６上に低コストで作り分けることができる。
【００９５】
図１６及び図１７に示すように、薄い酸化物半導体膜４７を有するスイッチング素子２５用の酸化物半導体ＴＦＴと厚い酸化物半導体膜４８を有する光センサ素子２４用の酸化物半導体ＴＦＴとを同一のガラス基板６上に作り分ける手段は、図９、図１２、図１３に示すようないずれの光電変換装置にも適用できることは言うまでもない。また、異なる膜厚の酸化物半導体膜４７，４８を有するスイッチング素子２５と光センサ素子２４とを作り分けるプロセス、薄膜トランジスタ構造は上記に限られるわけではなく、ボトムゲート型、トップゲート型、スタガ型、プレーナ型のいずれの構造を任意に組み合わせることも可能である。
【００９６】
以上述べた全ての実施形態及び実施例において、光センサ素子２４として機能するデュアルゲート型酸化物半導体ＴＦＴの二つのゲート電極がいずれも透明導電膜から形成されていても良い。この場合、二つのゲート電極のいずれの側からでも光を入射することができる。また、光の入射は、必ずしも透明導電膜から成るゲート電極側から行う必要は無く、例えば図５Ｂに示したような回折光を用いる場合、透明ではないゲート電極側から行うことも可能である。
【００９７】
本発明の光センサは、受容した光を検知する光センサやイメージセンサ、放射線撮像装置用のイメージセンサなどに用いることができる。また、光センシングを活用した光入力機能を有する液晶ディスプレイや有機ＥＬ（electroluminescence ）ディスプレイなどのフラットパネルディスプレイにも利用することができる。
【００９８】
今回開示された実施形態はすべての点で例示であって、制限的なものでは無いと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００９９】
１  酸化物半導体膜（酸化物半導体活性層）
２  第一絶縁膜（絶縁膜）
３  第一導電性電極（ゲート電極）
４  第二絶縁膜（絶縁膜）
５  第二導電性電極（ゲート電極）
６  ガラス基板
７  第一の電位
８  第二の電位
１２  透明トップゲート電極（ゲート電極、第１ゲート電極）
１３  透明トップゲート電極電位
１４  ソース電極
１５  ソース電極電位
１６  ドレイン電極
１７  ドレイン電極電位
１８  ボトムゲート電極（ゲート電極、第２ゲート電極）
１９  ボトムゲート電極電位
２４  光センサ素子
２５  スイッチング素子
４１  第一のボトムゲート電極
４２  第一のボトムゲート絶縁膜
４３  第一のパッシベーション膜
４４  第二のボトムゲート電極
４５  第二のボトムゲート絶縁膜
４６  第二のパッシベーション膜
４７  酸化物半導体膜
４８  酸化物半導体膜
４９  ソース電極
５０  ドレイン電極
５１  第三絶縁膜
５２  第四絶縁膜
５３  第五絶縁膜
５４  第六絶縁膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【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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