專利名稱：半導(dǎo)體裝置及其驅(qū)動(dòng)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的技術(shù)領(lǐng)域涉及一種光傳感器及其驅(qū)動(dòng)方法。本發(fā)明的技術(shù)領(lǐng)域還涉及一種具有光傳感器的顯示裝置及其驅(qū)動(dòng)方法。此外，本發(fā)明的技術(shù)領(lǐng)域還涉及一種具有光傳感器的半導(dǎo)體裝置及其驅(qū)動(dòng)方法。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，裝有檢測(cè)光的傳感器(也稱為“光傳感器”)的顯示裝置受到關(guān)注。通過(guò)包括光傳感器的顯示裝置中，顯示屏還用作輸入?yún)^(qū)域。作為這樣的顯示裝置的一個(gè)例子，可以舉出具有圖像捕捉功能的顯示裝置(例如，參照專利文件I)。作為具有光傳感器的半導(dǎo)體裝置的例子，可以舉出CCD式圖像傳感器或CMOS式圖像傳感器等。這些圖像傳感器例如用于如數(shù)碼相機(jī)或手機(jī)等電子設(shè)備中。 在裝有光傳感器的顯示裝置中，從顯示裝置發(fā)出光。在光進(jìn)入檢測(cè)對(duì)象所存在的區(qū)域時(shí)，光被檢測(cè)對(duì)象遮擋，并且部分被反射。通過(guò)設(shè)置在顯示裝置內(nèi)的像素中的光傳感器檢測(cè)被檢測(cè)對(duì)象反射的光，從而可以在該區(qū)域中發(fā)現(xiàn)檢測(cè)對(duì)象。在裝有光傳感器的半導(dǎo)體裝置中，從檢測(cè)對(duì)象發(fā)出的光或被檢測(cè)對(duì)象反射的外部光可以通過(guò)光傳感器直接檢測(cè)或通過(guò)光學(xué)透鏡等聚光之后檢測(cè)。[專利文獻(xiàn)I]日本專利申請(qǐng)公開2001-292276號(hào)公報(bào)概要說(shuō)明在裝有光傳感器的半導(dǎo)體裝置中，為了采集利用設(shè)置在各像素中的光傳感器對(duì)光的檢測(cè)而產(chǎn)生的電信號(hào)，每個(gè)像素設(shè)置有包含晶體管的電路。然而，因設(shè)置在各像素中的晶體管的閾值電壓等的電特性的變化，難以將入射光準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的目的之一在于提供一種可以在光傳感器中將入射光準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的半導(dǎo)體裝置。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式是一種半導(dǎo)體裝置，包括光電二極管、第一晶體管、第二晶體管、第三晶體管和第四晶體管。光電二極管具有將對(duì)應(yīng)于入射光的電荷通過(guò)第二晶體管供應(yīng)到第一晶體管的柵極的功能。第一晶體管具有累積供應(yīng)到柵極的電荷的功能以及將被累積的電荷轉(zhuǎn)換為輸出信號(hào)的功能。第二晶體管具有保持累積在第一晶體管的柵極中的電荷的功能。第三晶體管具有使累積在第一晶體管的柵極中的電荷釋放的功能以及保持累積在第一晶體管的柵極中的電荷的功能。第四晶體管具有控制輸出信號(hào)的讀出的功能。在第二晶體管和第三晶體管處于截止(Off)狀態(tài)的期間，施加到第二晶體管的柵極的電壓的電壓電平比第二晶體管的源極的電壓電平和第二晶體管的漏極的電壓電平低，并且施加到第三晶體管的柵極的電壓的電壓電平比第三晶體管的源極的電壓電平和第三晶體管的漏極的電壓電平低。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式是一種半導(dǎo)體裝置，包括光電二極管、第一晶體管、第二晶體管、第三晶體管和第四晶體管。光電二極管具有將對(duì)應(yīng)于入射光的電荷通過(guò)第二晶體管供應(yīng)到第一晶體管的柵極的功能。第一晶體管具有累積供應(yīng)到柵極的電荷的功能以及將被累積的電荷轉(zhuǎn)換為輸出信號(hào)的功能。第二晶體管具有保持累積在第一晶體管的柵極中的電荷的功能。第三晶體管具有使累積在第一晶體管的柵極中的電荷釋放的功能。第四晶體管具有控制輸出信號(hào)的讀出的功能。在第二晶體管和第三晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)的期間，施加到第二晶體管的柵極的電壓的電壓電平比與光電二極管電連接的布線的電壓電平低，并且施加到第三晶體管的柵極的電壓的電壓電平比光傳感器基準(zhǔn)信號(hào)線的電壓電平低。本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式是一種半導(dǎo)體裝置，包括光電二極管、第一晶體管、第二晶體管、第三晶體管和第四晶體管。光電二極管具有將對(duì)應(yīng)于入射光的電荷通過(guò)第二晶體管供應(yīng)到第一晶體管的柵極的功能。第一晶體管具有累積供應(yīng)到柵極的電荷的功能以及將被累積的電荷轉(zhuǎn)換為輸出信號(hào)的功能。第二晶體管具有保持累積在第一晶體管的柵極中的電荷的功能。第三晶體管具有使累積在第一晶體管的柵極中的電荷釋放的功能以及保持累積在第一晶體管的柵極中的電荷的功能。第四晶體管具有控制輸出信號(hào)的讀出的功能。與第一晶體管的柵極電連接的第二晶體管的半導(dǎo)體層以及第三晶體管的半導(dǎo)體層包括氧化物半導(dǎo)體。在第二晶體管和第三晶體管截止的期間，施加到第二晶體管的柵極的電壓的 電壓電平比第二晶體管的源極和漏極中的低電壓一側(cè)的電壓電平低，并且施加到第三晶體管的柵極的電壓的電壓電平比第三晶體管的源極和漏極中的低電壓一側(cè)的電壓電平低。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式是一種半導(dǎo)體裝置，包括光電二極管、第一晶體管、第二晶體管、第三晶體管和第四晶體管。光電二極管具有將對(duì)應(yīng)于入射光的電荷通過(guò)第二晶體管供應(yīng)到第一晶體管的柵極的功能。第一晶體管具有累積供應(yīng)到柵極的電荷的功能以及將被累積的電荷轉(zhuǎn)換為輸出信號(hào)的功能。第二晶體管具有保持累積在第一晶體管的柵極中的電荷的功能。第三晶體管具有使累積在第一晶體管的柵極中的電荷釋放的功能。第四晶體管具有控制輸出信號(hào)的讀出的功能。與第一晶體管的柵極電連接的第二晶體管的半導(dǎo)體層以及第三晶體管的半導(dǎo)體層包括氧化物半導(dǎo)體。在第二晶體管和第三晶體管截止的期間，施加到第二晶體管的柵極的電壓的電壓電平比與光電二極管電連接的布線的電壓電平低，并且施加到第三晶體管的柵極的電壓的電壓電平比光傳感器基準(zhǔn)信號(hào)線的電壓電平低。另外，半導(dǎo)體裝置是指具有半導(dǎo)體性質(zhì)的元件和包括該具有半導(dǎo)體性質(zhì)的元件的所有物體。例如，有時(shí)將具有晶體管的顯示裝置也簡(jiǎn)單地稱為半導(dǎo)體裝置?？梢蕴峁┠軌?qū)⑷肷涔鉁?zhǔn)確地轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的包括光傳感器的半導(dǎo)體裝置。另外，由于同時(shí)在多個(gè)光傳感器中進(jìn)行累積操作，所以可以在短時(shí)間內(nèi)完成該累積操作，從而即使在檢測(cè)對(duì)象快速移動(dòng)時(shí)也可以獲得檢測(cè)對(duì)象的較少模糊的圖像。另外，控制累積操作的晶體管由于使用氧化物半導(dǎo)體形成，所以截止電流極小。因此，即使因?yàn)楣鈧鞲衅鞯臄?shù)量增加而使選擇操作所需的時(shí)間變長(zhǎng)，也可以將入射光準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。從而，可以形成高分辨率的成像。


在附圖中圖I是示出本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的顯示裝置的一個(gè)示例的圖；圖2是示出本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的顯示裝置的一個(gè)示例的圖；圖3是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的時(shí)序圖4是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的時(shí)序圖；圖5是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的時(shí)序圖；圖6A至6C是示出本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的光傳感器的一個(gè)示例的電路圖；圖7是示出本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置的一個(gè)示例的圖；圖8是示出晶體管的電特性的圖；圖9是示出本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置的一個(gè)示例的圖；圖10是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的時(shí)序圖。
具體實(shí)施方式

下面，將參照附圖詳細(xì)說(shuō)明實(shí)施方式。注意，以下實(shí)施方式可以通過(guò)多種不同的方式來(lái)實(shí)施，所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將理解可以以多種方式對(duì)本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)方式和細(xì)節(jié)進(jìn)行修改而不脫離本發(fā)明的宗旨及其范圍。因此，本發(fā)明不應(yīng)被解釋為僅被限定在以下實(shí)施方式所記載的內(nèi)容中。另外，在用于說(shuō)明實(shí)施方式的所有附圖中，使用相同的附圖標(biāo)記來(lái)表示相同的部分或具有相同功能的部分，并且省略對(duì)其重復(fù)說(shuō)明。實(shí)施方式I在本實(shí)施方式中，參照?qǐng)DI至3說(shuō)明作為具有光傳感器的半導(dǎo)體裝置的顯示裝置的結(jié)構(gòu)和操作。注意，具有光傳感器的顯示裝置可以用作光學(xué)觸摸傳感器。參照?qǐng)DI說(shuō)明顯示裝置的結(jié)構(gòu)。顯示面板100具有像素電路101、顯示元件控制電路102和光傳感器控制電路103。像素電路101具有在行方向和列方向上以矩陣形式布置的多個(gè)像素104。每一像素104具有顯示元件105和光傳感器106。不需要在每個(gè)像素104中都設(shè)置光傳感器，也可以在每?jī)蓚€(gè)或更多個(gè)像素104中設(shè)置一個(gè)光傳感器。另外，還可以在像素104的外部設(shè)置光傳感器。參考圖2說(shuō)明像素104的電路圖。像素104具有顯示元件105和光傳感器106，其中顯示元件105設(shè)置有晶體管201 (也稱為像素晶體管)、存儲(chǔ)電容器202和液晶元件203,光傳感器106設(shè)置有作為光接收兀件的光電二極管204、晶體管205 (也稱為第一晶體管)、晶體管206 (也稱為第二晶體管)、晶體管207 (也稱為第三晶體管)和晶體管208 (也稱為第四晶體管)。在顯示元件105中，晶體管201的柵極與柵極信號(hào)線209連接，晶體管201的源極和漏極中的一方與視頻數(shù)據(jù)信號(hào)線210連接，并且其源極和漏極中的另一方與存儲(chǔ)電容器202的一個(gè)電極以及液晶元件203的一個(gè)電極連接。存儲(chǔ)電容器202的另一個(gè)電極和液晶元件203的另一個(gè)電極中的每一個(gè)被保持在恒定的電壓電平。液晶元件203是包括一對(duì)電極和在該一對(duì)電極之間的液晶層的元件。注意，在明確說(shuō)明“A和B連接”時(shí)，其包括A和B電連接的情況、A和B在功能上連接的情況、以及A和B直接連接的情況。晶體管201具有控制對(duì)存儲(chǔ)電容器202注入電荷或從存儲(chǔ)電容器202釋放電荷的功能。例如，當(dāng)高電平電壓施加到柵極信號(hào)線209時(shí)，將處于視頻信號(hào)線210的電壓電平的電壓施加到存儲(chǔ)電容器202和液晶元件203。存儲(chǔ)電容器202具有保持與施加到液晶元件203的電壓對(duì)應(yīng)的電荷的功能。利用偏光方向由于對(duì)液晶元件203施加電壓而變化，來(lái)形成透過(guò)液晶元件203的光的對(duì)比度(灰度)，從而實(shí)現(xiàn)圖像顯示。作為透過(guò)液晶元件203的光，使用從光源(背光)發(fā)射在顯示裝置的背面上的光。對(duì)于晶體管201，可以使用非晶半導(dǎo)體、微晶半導(dǎo)體、多晶半導(dǎo)體、氧化物半導(dǎo)體、或單晶半導(dǎo)體等。尤其是，可以通過(guò)使用氧化物半導(dǎo)體以獲得截止電流極低的晶體管，來(lái)提
高顯示質(zhì)量。盡管在此說(shuō)明的顯示元件105具有液晶元件,但是顯示元件105也可以具有諸如發(fā)光元件等其他元件。發(fā)光元件是利用電流或電壓控制其亮度的元件，具體示例可以舉出發(fā)光二極管、OLED (有機(jī)發(fā)光二極管)等。注意，本實(shí)施方式中描述了設(shè)置有顯示元件105和光傳感器106的光學(xué)觸摸傳感器(也稱為光學(xué)觸摸面板)的結(jié)構(gòu)；但是，也可以采用去除了顯示元件的結(jié)構(gòu)。在這樣的情況下，可以獲得其中設(shè)置有多個(gè)光傳感器的圖像傳感器。在光傳感器106中，光電二極管204的一個(gè)電極與布線211 (也稱為地線)連接， 其另一個(gè)電極與晶體管206的源極和漏極中的一個(gè)連接。晶體管205的源極和漏極中的一個(gè)與光傳感器基準(zhǔn)信號(hào)線212連接，其源極和漏極中的另一個(gè)與晶體管208的源極和漏極中的一個(gè)連接。晶體管206的柵極與柵極信號(hào)線213連接，其源極和漏極中的另一個(gè)與晶體管205的柵極以及晶體管207的源極和漏極中的一個(gè)連接。晶體管207的柵極與光電二極管復(fù)位信號(hào)線214連接，其源極和漏極中的另一個(gè)與光傳感器基準(zhǔn)信號(hào)線212連接。晶體管208的柵極與柵極信號(hào)線215連接，其源極和漏極中的另一個(gè)與光傳感器輸出信號(hào)線216連接。對(duì)于光電二極管204，可以使用非晶半導(dǎo)體、微晶半導(dǎo)體、多晶半導(dǎo)體、氧化物半導(dǎo)體或單晶半導(dǎo)體等。尤其是，優(yōu)選使用晶體缺陷少的單晶半導(dǎo)體(例如單晶硅)，以便提高由入射光產(chǎn)生的電信號(hào)的比例(量子效率)。另外，作為半導(dǎo)體材料，優(yōu)選使用容易提高結(jié)晶度的硅半導(dǎo)體，諸如硅或硅鍺等。對(duì)于晶體管205，可以使用非晶半導(dǎo)體、微晶半導(dǎo)體、多晶半導(dǎo)體、氧化物半導(dǎo)體或單晶半導(dǎo)體等。尤其是，晶體管205具有如下功能將通過(guò)晶體管206從光傳感器204供給的電荷累積在與柵極連接的節(jié)點(diǎn)中，并將被累積的電荷轉(zhuǎn)換為輸出信號(hào)。因此，優(yōu)選使用單晶半導(dǎo)體以獲得遷移率高的晶體管。另外，作為半導(dǎo)體材料，優(yōu)選使用容易提高結(jié)晶度的硅半導(dǎo)體，諸如硅或硅鍺等。對(duì)于晶體管206，可以使用非晶半導(dǎo)體、微晶半導(dǎo)體、多晶半導(dǎo)體、氧化物半導(dǎo)體或單晶半導(dǎo)體等。尤其是，晶體管206具有通過(guò)控制晶體管206的導(dǎo)通或截止來(lái)保持晶體管205的柵極的電荷的功能。因此，晶體管206優(yōu)選使用氧化物半導(dǎo)體以具有極低的截止電流(off-current)ο對(duì)于晶體管207，可以使用非晶半導(dǎo)體、微晶半導(dǎo)體、多晶半導(dǎo)體、氧化物半導(dǎo)體或單晶半導(dǎo)體等。尤其是，晶體管207具有通過(guò)控制晶體管207的導(dǎo)通或截止來(lái)使晶體管205的柵極的電荷釋放的功能以及保持晶體管205的柵極的電荷的功能。因此，晶體管207優(yōu)選使用氧化物半導(dǎo)體以具有極低的截止電流。對(duì)于晶體管208，可以使用非晶半導(dǎo)體、微晶半導(dǎo)體、多晶半導(dǎo)體、氧化物半導(dǎo)體或單晶半導(dǎo)體等。尤其是，對(duì)于晶體管208，優(yōu)選使用單晶半導(dǎo)體，以使得晶體管208具有高的遷移率以及將晶體管205的輸出信號(hào)供應(yīng)到光傳感器輸出信號(hào)線216的功能。另外，作為半導(dǎo)體材料，優(yōu)選使用容易提高結(jié)晶度的硅半導(dǎo)體，諸如硅或硅鍺等。
顯示元件控制電路102是用來(lái)控制顯示元件105的電路,并且包括顯示元件驅(qū)動(dòng)電路107，從其通過(guò)諸如視頻數(shù)據(jù)信號(hào)線等的信號(hào)線(也稱為“源極信號(hào)線”)對(duì)顯示元件105輸入信號(hào)；和顯示元件驅(qū)動(dòng)電路108，從其通過(guò)掃描線(也稱為“柵極信號(hào)線”)對(duì)顯示元件105輸入信號(hào)。例如，掃描線一側(cè)的顯示元件驅(qū)動(dòng)電路108具有選擇被包含在特定行中的像素中的顯示元件的功能。信號(hào)線一側(cè)的顯示元件驅(qū)動(dòng)電路107具有對(duì)被包含在所選擇的行中的像素中的顯示元件提供預(yù)定電平的電壓的功能。注意，在與從掃描線一側(cè)的顯示元件驅(qū)動(dòng)電路108對(duì)其施加高電平的電壓的柵極信號(hào)線連接的顯示元件105中，晶體管被導(dǎo)通，并且被提供以與從信號(hào)線一側(cè)的顯示元件驅(qū)動(dòng)電路107施加到視頻數(shù)據(jù)信號(hào)線的電壓相同電平的電壓。光傳感器控制電路103是用來(lái)控制光傳感器106的電路，它具有信號(hào)線一側(cè)的光傳感器讀出電路109以及掃描線一側(cè)的光傳感器驅(qū)動(dòng)電路110，所述信號(hào)線包括諸如光傳感器輸出信號(hào)線或光傳感器基準(zhǔn)信號(hào)線等。光傳感器驅(qū)動(dòng)電路110具有對(duì)被包含在特定行中的像素中的光傳感器106進(jìn)行后 面將說(shuō)明的復(fù)位操作、累積操作和選擇操作的功能。另外，光傳感器讀出電路109具有提取被包含在所選擇的行中的像素中的光傳感器106的輸出信號(hào)的功能。另外，從光傳感器讀出電路109,可以利用OP放大器將作為模擬信號(hào)的光傳感器106的輸出原樣地提取到顯示面板外部。替代地，通過(guò)利用A/D轉(zhuǎn)換電路將光傳感器106的輸出轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后將其提取到顯示面板外部。將參考圖2說(shuō)明光傳感器讀出電路109中所包括的預(yù)充電電路。在圖2中，用于一列像素的預(yù)充電電路200包括晶體管217和預(yù)充電信號(hào)線218。另外，光傳感器讀出電路109可以包括連接到預(yù)充電電路200的后續(xù)級(jí)的A/D轉(zhuǎn)換電路或OP放大器。在預(yù)充電電路200中，在像素中的光傳感器操作之前，將光傳感器輸出信號(hào)線的電壓電平設(shè)定為基準(zhǔn)電壓電平。在圖2中，預(yù)充電信號(hào)線218被設(shè)定為H電平(以下縮寫為“H”)，以使晶體管217導(dǎo)通，從而可以將光傳感器輸出信號(hào)線216的電壓電平設(shè)定為基準(zhǔn)電壓電平(在此為低電壓電平)。另外，為光傳感器輸出信號(hào)線216提供存儲(chǔ)電容器以使光傳感器輸出信號(hào)線216的電壓電平穩(wěn)定，也是有效的。另外，可以將基準(zhǔn)電壓電平設(shè)置為高電壓電平。在此情況下，使晶體管217的導(dǎo)電性類型與圖2的相反，并將預(yù)充電信號(hào)線218設(shè)定為L(zhǎng)電平(以下縮寫為“L”)，從而可以將光傳感器輸出信號(hào)線216的電壓電平設(shè)定為基準(zhǔn)電壓電平。另外，本實(shí)施方式中的H電平電壓和L電平電壓分別對(duì)應(yīng)于根據(jù)高電源電壓電平的電壓和根據(jù)低電源電壓電平的電壓。亦即，H電平電壓是3V至20V的恒壓，L電平電壓是OV (也稱為基準(zhǔn)電壓電平或地電壓電平)的恒壓。下面，將參考圖3的時(shí)序圖說(shuō)明光傳感器106的操作。在圖3中，信號(hào)301、信號(hào)302、信號(hào)303分別與圖2中的柵極信號(hào)線213、復(fù)位信號(hào)線214、柵極信號(hào)線215的電壓電平對(duì)應(yīng)。另外，信號(hào)304A至304C每一都對(duì)應(yīng)于晶體管205的柵極的電壓電平(圖2中的節(jié)點(diǎn)219的電壓電平)。信號(hào)304A示出進(jìn)入光電二極管204的光的照度(illuminance)大的情況(以下稱為高照度)的情形，信號(hào)線304B示出進(jìn)入光電二極管204的光的照度中等的情況(以下稱作中等照度)的情形，信號(hào)304C示出進(jìn)入光電二極管204的光的照度低(以下稱作低照度)的情況。另外，信號(hào)305A至305C每一都對(duì)應(yīng)于光傳感器輸出信號(hào)線216的電壓電平，并且信號(hào)305A示出高照度，信號(hào)305B示出中等照度，信號(hào)305C示出低照度。在期間A中，將柵極信號(hào)線213的電壓電平(信號(hào)301)設(shè)定為“H”，將復(fù)位信號(hào)線214的電壓電平(信號(hào)302)設(shè)定為低于OV的電壓電平(以下縮寫為“L2”)，并且將柵極信號(hào)線215的電壓電平(信號(hào)303)設(shè)定為“L”。接下來(lái)，在期間B中，將柵極信號(hào)線213的電壓電平(信號(hào)301)設(shè)定為“H”，將復(fù)位信號(hào)線214的電壓電平(信號(hào)302)設(shè)定為“H”，并且將柵極信號(hào)線215的電壓電平(信號(hào)303)設(shè)定為“L”。結(jié)果，光電二極管204和晶體管206導(dǎo)通，并且節(jié)點(diǎn)219的電壓電平(信號(hào)304A至304C)成為“H”。此時(shí)，反向偏置被施加到光電二極管204。另外，當(dāng)將預(yù)充電信號(hào)線218的電壓電平設(shè)定為“H”時(shí)，光傳感器輸出信號(hào)線216的電壓電平(信號(hào)305A至305C)被預(yù)充電到“L”。這樣，期間A和期間B成為復(fù)位操作期間。 注意，在本說(shuō)明書中，低于OV的電壓電平具體是指比晶體管206的源極的電壓電平、晶體管206的漏極的電壓電平、晶體管207的源極的電壓電平、以及晶體管207的漏極的電壓電平低的電壓電平。在本實(shí)施方式中，晶體管206以及207的源極和漏極中的低電壓一側(cè)的電壓電平是0V，即地線的電壓電平，并且可以將預(yù)定期間內(nèi)的柵極信號(hào)線213的電壓電平和復(fù)位信號(hào)線214的電壓電平稱為低于OV的電平。換而言之，根據(jù)圖2所示的電路結(jié)構(gòu)，也可以將晶體管206的源極和漏極中的低電壓一側(cè)的電壓電平以及晶體管207的源極和漏極中的低電壓一側(cè)的電壓電平分別稱作與光電二極管204連接的布線211的電壓電平以及光傳感器基準(zhǔn)信號(hào)線212的電壓電平。接下來(lái)，在期間C中，將柵極信號(hào)線213的電壓電平(信號(hào)301)設(shè)定為“H”，將復(fù)位信號(hào)線214的電壓電平(信號(hào)302)設(shè)定為“L2”，并且將柵極信號(hào)線215的電壓電平(信號(hào)303)設(shè)定為“L”。結(jié)果，隨著由于對(duì)光電二極管204照射光而產(chǎn)生的電流(以下稱為光電流)，節(jié)點(diǎn)219的電壓電平(信號(hào)304A至304C)開始降低。在光電二極管204中，光電流隨著入射光的量的增加而增加，因此節(jié)點(diǎn)219的電壓電平(信號(hào)304A至304C)根據(jù)入射光的量而變化。尤其是，由于在入射光的量大的信號(hào)304A中，光電流大大增加，因此作為節(jié)點(diǎn)219的電壓電平的信號(hào)304A在期間C中大大減少。另外，由于在入射光的量小的信號(hào)304C中，光電流幾乎沒(méi)有流過(guò)，所以作為節(jié)點(diǎn)219的電壓電平的信號(hào)304C在期間C中幾乎沒(méi)有變化。另外，因?yàn)樵谌肷涔獾牧恐械鹊男盘?hào)304B中，光電流的量增加到在信號(hào)304A的量和信號(hào)304C的量之間的量，所以作為節(jié)點(diǎn)219的電壓電平的信號(hào)304B的量降低到在信號(hào)304A的降低后的量和信號(hào)304C的降低后的量之間的量。亦即，光電二極管204具有將與入射光對(duì)應(yīng)的電荷通過(guò)晶體管206供應(yīng)到晶體管205的柵極的功能。然后，晶體管205的源極和漏極之間的溝道電阻發(fā)生變化。如上所述的，期間C成為累積操作期間。接下來(lái)，在期間D中，將柵極信號(hào)線213的電壓電平(信號(hào)301)設(shè)定為“L2”，將復(fù)位信號(hào)線214的電壓電平(信號(hào)302)設(shè)定為“L2”，并且將柵極信號(hào)線215的電壓電平(信號(hào)303)設(shè)定為“L”。作為節(jié)點(diǎn)219的電壓電平的信號(hào)304A至304C變得恒定。這里，期間D中的信號(hào)304A至304C的電壓電平取決于在上述累積操作期間(期間C)中光電二極管204的光電流的大小。亦即，在節(jié)點(diǎn)219中累積的電荷的量根據(jù)入射到光電二極管204的入射光而變化。注意，將氧化物半導(dǎo)體用于晶體管206的半導(dǎo)體層和晶體管207的半導(dǎo)體層，以獲得具有極低截止電流的晶體管，從而可以將累積的電荷保持恒定直至進(jìn)行后續(xù)的選擇操作。
接下來(lái)，在期間E中，將柵極信號(hào)線213的電壓電平(信號(hào)301)設(shè)定為“L2”，將復(fù)位信號(hào)線214的電壓電平(信號(hào)302)設(shè)定為“L2”，并且將柵極信號(hào)線215的電壓電平(信號(hào)303)設(shè)定為“H”。結(jié)果，晶體管208導(dǎo)通，并且光傳感器基準(zhǔn)信號(hào)線212和光傳感器輸出信號(hào)線216通過(guò)晶體管205和晶體管208電導(dǎo)通。于是，光傳感器輸出信號(hào)線216的電壓電平(信號(hào)305A至305C)根據(jù)入射到光電二極管204的入射光而增加。另外，在期間E之前的期間中，將預(yù)充電信號(hào)線218的電壓電平設(shè)定為“H”，以使光傳感器輸出信號(hào)線216的預(yù)充電完成。在此，光傳感器輸出信號(hào)線216的電壓電平(信號(hào)305A至305C)增加的速率依賴于在晶體管205的源極和漏極之間的電流，亦即，依賴于在作為累積操作期間的期間C中入射到光電二極管204的入射光的量。這樣，期間E為選擇操作期間。接下來(lái)，在期間F中，將柵極信號(hào)線213的電壓電平(信號(hào)301)設(shè)定為“L2”，將復(fù)位信號(hào)線214的電壓電平(信號(hào)302)設(shè)定為“L2”，并且將柵極信號(hào)線215的電壓電平(信號(hào)303)設(shè)定為“L”。結(jié)果，晶體管208截止，并且光傳感器輸出信號(hào)線216的電壓電平(信號(hào)305A至305C)成為恒定。在此，該恒定值取決于入射到光電二極管204的入射光的量。因此，可以通過(guò)得到光傳感器輸出信號(hào)線216的電壓電平，來(lái)確定累積操作中入射到光電二極管204的入射光的量。如上所述的，期間F為讀出操作期間。 如上所述，在本實(shí)施方式中的半導(dǎo)體裝置中，在晶體管206處于截止的期間D、期間E和期間F以及晶體管207處于截止的期間A、期間D、期間E和期間F中，將施加到晶體管206的柵極的電壓的電壓電平和施加到晶體管207的柵極的電壓的電壓電平設(shè)定為低于OV0亦即，將施加在晶體管206的柵極和源極之間的電壓的電壓電平設(shè)定為晶體管206的閾值電壓的電平或更低，并將施加在晶體管207的柵極和源極之間的電壓的電壓電平設(shè)定為晶體管207的閾值電壓的電平或更低。因此，可以改善保持晶體管205的柵極中所保持的電荷的功能。尤其是，通過(guò)重復(fù)進(jìn)行復(fù)位操作、累積操作、選擇操作和讀出操作，來(lái)實(shí)現(xiàn)各個(gè)光傳感器的操作。如上所述，在本實(shí)施方式中，在晶體管206和晶體管207處于截止的期間中，施加到晶體管206的柵極的電壓的電壓電平和施加到晶體管207的柵極的電壓的電壓電平低于0V。因此，可以更加可靠地使晶體管206和晶體管207截止，這可以改善在累積操作和讀出操作時(shí)保持晶體管205的柵極中所保持的電荷的功能。另外，可以改善光傳感器中將入射光準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的功能。此外，晶體管206的半導(dǎo)體層和半導(dǎo)體207的半導(dǎo)體層優(yōu)選使用氧化物半導(dǎo)體，以獲得具有極低截止電流的晶體管。通過(guò)采用該結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)一步改善光傳感器中準(zhǔn)確地將入射光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的功能。本實(shí)施方式可以與任何其他實(shí)施方式適當(dāng)組合來(lái)實(shí)施。實(shí)施方式2在本實(shí)施方式中，將說(shuō)明驅(qū)動(dòng)多個(gè)光傳感器的方法。首先，對(duì)圖4的時(shí)序圖中所示的驅(qū)動(dòng)方法進(jìn)行說(shuō)明。在圖4中，信號(hào)401、信號(hào)402、信號(hào)403分別是示出第I行、第2行、第3行的光傳感器中的復(fù)位信號(hào)線214的電壓變化的信號(hào)。另外，信號(hào)404、信號(hào)405、信號(hào)406分別是示出第I行、第2行、第3行的光傳感器中的柵極信號(hào)線213的電壓變化的信號(hào)。另外，信號(hào)407、信號(hào)408、信號(hào)409分別是示出第I行、第2行、第3行的光傳感器中的柵極信號(hào)線215的電壓變化的信號(hào)。期間410是一次成像所需的期間。另外，期間411是在第2行的光傳感器中進(jìn)行復(fù)位操作的期間；期間412是在第2行的光傳感器中進(jìn)行累積操作的期間；以及期間413是在第2行的光傳感器中進(jìn)行選擇操作的期間。通過(guò)依次驅(qū)動(dòng)每一行的光傳感器，可以取得圖像。在此發(fā)現(xiàn)，各行的光傳感器中的累積操作具有時(shí)遲(time lag)。亦即，各行的光傳感器中的成像不是同時(shí)進(jìn)行的，導(dǎo)致所獲得的圖像模糊。尤其是，在對(duì)快速移動(dòng)的檢測(cè)對(duì)象進(jìn)行成像時(shí)，成像圖像的形狀容易變形若檢測(cè)對(duì)象在從第I行向第3行的方向移動(dòng)，則所獲得的放大的其后留下拖尾(trail)的圖像；若檢測(cè)對(duì)象在反方向上移動(dòng)，則獲得減小的圖像。為了防止各行的光傳感器中的累積操作的時(shí)滯，在較短的周期內(nèi)依次驅(qū)動(dòng)每一行的光傳感器，是有效的。然而，在此情況下，需要使用OP放大器或A/D轉(zhuǎn)換電路非?？焖俚孬@得光傳感器的輸出信號(hào)，這導(dǎo)致導(dǎo)致功耗的增大，并且尤其是使得難以取得高分辨率的圖像。

因此，提出如圖5的時(shí)序圖所示的驅(qū)動(dòng)方法。在圖5中，信號(hào)501、信號(hào)502、信號(hào)503分別是示出第I行、第2行、第3行的光傳感器中的復(fù)位信號(hào)線214的電壓變化的信號(hào)。另外，信號(hào)504、信號(hào)505、信號(hào)506分別是不出第I行、第2行、第3行的光傳感器中的柵極信號(hào)線213的電壓變化的信號(hào)。另外，信號(hào)507、信號(hào)508、信號(hào)509分別是示出第I行、第2行、第3行的光傳感器中的柵極信號(hào)線215的電壓變化的信號(hào)。期間510是一次成像所需的期間。另外，期間511是在第2行的光傳感器中進(jìn)行復(fù)位操作(在所有行中同時(shí)進(jìn)行)的期間；期間512是在第2行的光傳感器中進(jìn)行累積操作(在所有行中同時(shí)進(jìn)行)的期間；以及期間513是在第2行的光傳感器中進(jìn)行選擇操作的期間。圖5與圖4不同之處在于，在所有行的光傳感器中在同一期間中進(jìn)行復(fù)位操作和累積操作，并在累積操作結(jié)束后，與累積操作不同步地在各行中依次進(jìn)行選擇操作。當(dāng)在同一期間中進(jìn)行累積操作時(shí)，同時(shí)地進(jìn)行各行的光傳感器中的成像，并且即使在檢測(cè)對(duì)象快速移動(dòng)時(shí)也可以容易獲得檢測(cè)對(duì)象的較少模糊的圖像。由于同時(shí)進(jìn)行累積操作，可以為各光傳感器的復(fù)位信號(hào)線214共同提供驅(qū)動(dòng)電路。另外，還可以為各光傳感器的柵極信號(hào)線213共同提供驅(qū)動(dòng)電路。這樣共同提供的驅(qū)動(dòng)電路對(duì)于減少外圍電路的數(shù)量和降低功耗是有效的。此外，按各行依次進(jìn)行選擇操作，使得能夠降低在獲取光傳感器的輸出信號(hào)時(shí)OP放大器或A/D轉(zhuǎn)換電路的操作速率。此時(shí)，用于選擇操作的總的時(shí)間優(yōu)選比用于累積操作的時(shí)間長(zhǎng)，這在獲取高分辨率的圖像時(shí)是尤其有效的。另外，圖5示出了依次驅(qū)動(dòng)各行的光傳感器的方法的時(shí)序圖，為了獲得特定區(qū)域中的圖像，僅依次驅(qū)動(dòng)特定行中的光傳感器也是有效的。由此，可以獲得期望圖像，同時(shí)減少OP放大器或A/D轉(zhuǎn)換電路的操作和功耗。另外，每隔若干行驅(qū)動(dòng)光傳感器(亦即，驅(qū)動(dòng)多個(gè)光傳感器的一部分)的方法也是有效的。由此，可以獲得具有期望分辨率的圖像，同時(shí)減少OP放大器或A/D轉(zhuǎn)換電路的操作和功耗。為了實(shí)現(xiàn)上述驅(qū)動(dòng)方法，即使在累積操作完成之后也需要將各光傳感器中的晶體管205的柵極的電壓電平保持為恒定。從而，如上述實(shí)施方式所說(shuō)明的，晶體管207優(yōu)選使用氧化物半導(dǎo)體以使截止電流極低。通過(guò)采用上述方式，可以提供一種低功耗的顯示裝置或半導(dǎo)體裝置，即使在檢測(cè)對(duì)象快速移動(dòng)時(shí)其也可以獲得檢測(cè)對(duì)象的較少模糊的高分辨率圖像。本實(shí)施方式可以與其他實(shí)施方式適當(dāng)?shù)亟M合來(lái)實(shí)施。
實(shí)施方式3在本實(shí)施方式中，將對(duì)圖2中的光傳感器106的電路結(jié)構(gòu)的變形例子進(jìn)行說(shuō)明。圖6A示出其中省略了與圖2中的晶體管205的柵極連接的用于控制光傳感器的復(fù)位操作的晶體管207的結(jié)構(gòu)。在圖6A的結(jié)構(gòu)中，當(dāng)進(jìn)行光傳感器的復(fù)位操作時(shí)，通過(guò)改變布線211的電壓電平來(lái)使累積在晶體管205的柵極中的電荷釋放。圖6B示出以與圖2中的光傳感器106中的方式相反的方式連接晶體管205和晶體管208的結(jié)構(gòu)。具體而言，晶體管205的源極和漏極中的一個(gè)與光傳感器輸出信號(hào)線216連接，晶體管208的源極和漏極中的一個(gè)與光傳感器基準(zhǔn)信號(hào)線212連接。圖6C示出在圖2的光傳感器106的結(jié)構(gòu)中省略了晶體管208的結(jié)構(gòu)。圖6C的結(jié)構(gòu)與上面說(shuō)明的圖2、圖6A和圖6B的不同當(dāng)進(jìn)行光傳感器的選擇操作和讀出操作時(shí)，可以通過(guò)改變光傳感器基準(zhǔn)信號(hào)線212的電壓電平來(lái)讀出與累積在晶體管205的柵極中的電 荷對(duì)應(yīng)的信號(hào)的變化。圖10中示出圖6C所示的光傳感器106的操作的相關(guān)時(shí)序圖。在圖10中，信號(hào)601、信號(hào)602和信號(hào)603分別對(duì)應(yīng)于圖6C中的柵極信號(hào)線213、復(fù)位信號(hào)線214和光傳感器基準(zhǔn)信號(hào)線212的電壓電平。另外，信號(hào)604對(duì)應(yīng)于晶體管205的柵極的電壓電平，其示出其中進(jìn)入光電二極管204的光的照度為中等(以下稱為中等照度)的情況。另外，信號(hào)605示出光傳感器輸出信號(hào)線216的電壓電平。另外，信號(hào)606示出圖6C中的節(jié)點(diǎn)611的電壓電平。接下來(lái)，對(duì)圖10的時(shí)序圖進(jìn)行說(shuō)明。在期間A中，將信號(hào)601和信號(hào)603的電壓電平設(shè)定為“H”，并且將信號(hào)602的電壓電平設(shè)定為“L2”，然后，在期間B中，將信號(hào)602的電壓電平設(shè)定為“H”,信號(hào)604的電壓電平被復(fù)位,并且信號(hào)605和信號(hào)606的電壓電平增力口。這樣，期間A和期間B作為復(fù)位操作期間。接著，在期間C中，當(dāng)將信號(hào)601的電壓電平設(shè)定為“L2”時(shí),信號(hào)606的電壓電平降低。然后，在期間D中，將信號(hào)602和信號(hào)603的電壓電平設(shè)定為“L2”。也即，期間C和期間D作為累積操作期間。接著，在期間E中，當(dāng)將信號(hào)601和信號(hào)603的電壓電平設(shè)定為“H”時(shí)，信號(hào)604的電壓電平和信號(hào)606的電壓電平成為相同的電壓電平，并且信號(hào)605的電壓電平根據(jù)光傳感器的輸出信號(hào)而變化。也即，期間E作為選擇操作期間。然后，在期間F中，將信號(hào)601和信號(hào)603的電壓電平設(shè)定為“L2”，并讀出信號(hào)605的電壓電平。也即，期間F為讀出操作期間。以這樣的方式，可以進(jìn)行圖6C所不的光傳感器106的操作。本實(shí)施方式可以與其他實(shí)施方式適當(dāng)?shù)亟M合來(lái)實(shí)施。實(shí)施方式4在本實(shí)施方式中，將對(duì)具有光傳感器的半導(dǎo)體裝置的結(jié)構(gòu)及制造方法進(jìn)行說(shuō)明。圖7示出半導(dǎo)體裝置的截面圖。注意，下述的半導(dǎo)體裝置也可以應(yīng)用于顯示裝置。在圖7中，在具有絕緣表面的襯底1001上設(shè)置有光電二極管1002、晶體管1003和晶體管1004。光電二極管1002、晶體管1003和晶體管1004分別是圖2中的光電二極管204、晶體管205和晶體管206的截面圖。從檢測(cè)對(duì)象1201發(fā)出的光1202、被檢測(cè)對(duì)象1201反射的外部光1202、或從裝置內(nèi)部發(fā)出的并被檢測(cè)對(duì)象1201反射的光1202進(jìn)入到光電二極管1002。檢測(cè)對(duì)象也可以設(shè)置在襯底1001 —側(cè)。作為襯底1001，可以使用絕緣襯底(例如，玻璃襯底或塑料襯底)、其上形成有絕緣膜(例如，氧化硅膜或氮化硅膜)的絕緣襯底、其上形成有絕緣膜的半導(dǎo)體襯底(例如，硅襯底)、或其上形成有絕緣膜的金屬襯底(例如，鋁襯底)。光電二極管1002是橫向結(jié)型pin 二極管，它具有半導(dǎo)體膜1005。半導(dǎo)體膜1005包括具有P型導(dǎo)電性的區(qū)域(P層1021)、具有i型導(dǎo)電性的區(qū)域(i層1022)和具有η型導(dǎo)電性的區(qū)域(η層1023)。另外，光電二極管1002也可以是ρη 二極管。橫向結(jié)型pin 二極管或ρη 二極管可以通過(guò)將ρ型雜質(zhì)和η型雜質(zhì)分別添加到半導(dǎo)體膜1005的預(yù)定區(qū)域來(lái)形成。在光電二極管1002中，對(duì)于半導(dǎo)體膜1005，優(yōu)選使用晶體缺陷較少的單晶半導(dǎo)體(如，單晶硅)，以改善由入射光產(chǎn)生的電信號(hào)的比例(量子效率)。晶體管1003是頂柵型薄膜晶體管，它具有半導(dǎo)體膜1006、柵極絕緣膜1007和柵電極 1008。
晶體管1003具有將從光電二極管1002供應(yīng)的電荷轉(zhuǎn)換為輸出信號(hào)的功能。因此，對(duì)于半導(dǎo)體膜1006，優(yōu)選使用單晶半導(dǎo)體(如，單晶硅)，以制造遷移率高的晶體管。下面將說(shuō)明使用單晶半導(dǎo)體形成半導(dǎo)體膜1005和半導(dǎo)體膜1006的例子。通過(guò)進(jìn)行離子照射等在單晶半導(dǎo)體襯底(如，單晶硅襯底)的希望的深度處形成損傷區(qū)域。以絕緣膜插入在其間的方式接合該單晶半導(dǎo)體襯底和襯底1001;然后，沿?fù)p傷區(qū)域使單晶半導(dǎo)體襯底分裂開，從而在襯底1001上形成半導(dǎo)體膜。通過(guò)利用蝕刻等將該半導(dǎo)體膜加工(構(gòu)圖)為所希望的形狀，來(lái)形成半導(dǎo)體膜1005和半導(dǎo)體膜1006。由于可以在同一工序中形成半導(dǎo)體膜1005和半導(dǎo)體膜1006，所以可以降低成本。以這樣的方式，光電二極管1002和晶體管1003可以形成在同一表面上。另外，對(duì)于半導(dǎo)體膜1005和半導(dǎo)體膜1006，也可以使用非晶半導(dǎo)體、微晶半導(dǎo)體、多晶半導(dǎo)體、或氧化物半導(dǎo)體等。尤其是，優(yōu)選使用單晶半導(dǎo)體以形成遷移率高的晶體管。作為半導(dǎo)體材料，優(yōu)選使用容易改善結(jié)晶度的硅半導(dǎo)體，諸如硅或硅鍺等。在此，為了改善光電二極管1002的量子效率，優(yōu)選使半導(dǎo)體膜1005形成得厚。此夕卜，為了改善晶體管1003的電特性(諸如，S值等)，優(yōu)選將半導(dǎo)體膜1006形成得薄。在這種情況下，僅需要將半導(dǎo)體膜1005形成得比半導(dǎo)體1006厚。對(duì)于圖2中的晶體管208，優(yōu)選使用晶體半導(dǎo)體，以形成遷移率高的晶體管。通過(guò)使用與晶體管1003相同的半導(dǎo)體材料，可以在與晶體管1003的同一工序中形成晶體管208,從而可以降低成本。另外，使用氧化硅膜或氮化硅膜等將柵極絕緣膜1007形成為單層或疊層。可以通過(guò)等離子體CVD法或?yàn)R射法形成柵極絕緣膜1007。另外，使用鑰、鈦、鉻、鉭、鎢、鋁、銅、釹、鈧等金屬材料，或包含任意這些金屬材料作為主要成分的合金材料，以單層或疊層形成柵電極1008?？梢酝ㄟ^(guò)濺射法或真空蒸鍍法形成柵電極1008。另外，光電二極管1002也可以不采用橫向結(jié)型結(jié)構(gòu)，而采用P層、i層和η層的層疊結(jié)構(gòu)。另外，晶體管1003可以是底柵型晶體管，并且可以具有溝道停止結(jié)構(gòu)或溝道蝕刻結(jié)構(gòu)。另外，如圖9所示，可以在光電二極管1002下設(shè)置光阻擋膜1301，從而可以阻擋應(yīng)被檢測(cè)的光以外的光。可以在光電二極管1002之上設(shè)置光阻擋膜。在此情況下，可以例如在與形成有光電二極管1002的襯底1001相對(duì)的襯底1302上設(shè)置光阻擋膜。晶體管1004是底柵型反交錯(cuò)薄膜晶體管，并且包括柵電極1010、柵極絕緣膜
1011、半導(dǎo)體膜1012、電極1013和電極1014。另外，在晶體管1004上設(shè)置有絕緣膜1015。注意，晶體管1004也可以是頂柵型晶體管。該結(jié)構(gòu)的特征在于晶體管1004隔著絕緣膜1009形成在光電二極管1002和晶體管1003的上方。在以這樣的方式將晶體管1004和光電二極管1002形成在不同的層上時(shí)，可以增加光電二極管1002的面積，從而可以增加光電二極管1002的受光量。另外，優(yōu)選將晶體管1004的一部分或整體形成為與光電二極管1002的η層1023或P層1021重疊。這是因?yàn)?，可以在增加光電二極管1002的面積，并且使晶體管1004和 i層1022重疊的面積盡可能小，從而可以有效率地接收光。此外，在采用pn 二極管的情況下，晶體管1004和pn結(jié)的較小的重疊面積使得能夠有效率地接收光。晶體管1004用于將光電二極管1002的輸出信號(hào)作為電荷累積在晶體管1003的柵極中，并保持該電荷。因此，對(duì)于半導(dǎo)體膜1012，優(yōu)選使用氧化物半導(dǎo)體，以使得晶體管具有極低的截止電流。另外，圖2中的晶體管207也優(yōu)選使用氧化物半導(dǎo)體，以具有極低的截止電流。通過(guò)使用與晶體管1004相同的半導(dǎo)體材料，可以在與晶體管1004同一工序中形成晶體管207，從而可以降低成本。另外，對(duì)于上述各半導(dǎo)體元件，可以使用薄膜半導(dǎo)體或體半導(dǎo)體。下面將示出使用氧化物半導(dǎo)體形成半導(dǎo)體膜1012的例子。晶體管的截止電流增加的原因之一是氧化物半導(dǎo)體中含有的諸如氫等的雜質(zhì)(例如，氫、水、或氫氧基)。氫等在氧化物半導(dǎo)體中可能會(huì)成為載流子的給體(施主)，這即使在截止?fàn)顟B(tài)下也導(dǎo)致電流。亦即，若含有大量的氫等的氧化物半導(dǎo)體成為η型氧化物半導(dǎo)體。因此，在以下所示的制造方法中，盡量減少氧化物半導(dǎo)體中氫的量，并增加作為構(gòu)成元素的氧的濃度，從而將氧化物半導(dǎo)體的高度純化。高度純化了的氧化物半導(dǎo)體是本征的或基本本征的半導(dǎo)體，從而可以降低截止電流。首先，通過(guò)濺射在絕緣膜1009上形成氧化物半導(dǎo)體膜。作為用于形成氧化物半導(dǎo)體膜的靶材，可以使用含有氧化鋅作為主要成分的金屬氧化物的祀材。例如，可以使用其組分比為In2O3: Ga2O3: ZnO=I: 1:1(即,In: Ga: Zn=I: 1:0. 5)的革巴材。另外，還可以使用具有In:Ga:Zn=I: I: I或者In:Ga:Zn=I: 1:2的組分比的祀材。另夕卜，也可以使用包含2界1:%到IOwt % (含端值)的SiO2的革巴材。另外，可以在稀有氣體(典型為氬)氣氛下、氧氣氛下、或稀有氣體和氧的混合氣氛下形成氧化物半導(dǎo)體膜。在此，用于形成氧化物半導(dǎo)體膜的濺射氣體是其中將諸如氫、水、氫氧基或氫化物等雜質(zhì)的降低到其濃度以ppm優(yōu)選以PPb表示的程度的高純度氣體。通過(guò)在去除處理室內(nèi)殘留的水分的同時(shí)引入從其去除了氫和水分的濺射氣體來(lái)形成氧化物半導(dǎo)體膜。為了去除處理室內(nèi)殘留的水分，優(yōu)選使用俘獲型真空泵。例如，優(yōu)選使用低溫泵、離子泵或鈦升華泵。氧化物半導(dǎo)體膜的厚度可以為2nm至200nm (含端值),優(yōu)選為5nm至30nm (含端值)。然后，通過(guò)蝕刻等將氧化物半導(dǎo)體膜處理(構(gòu)圖)為所希望的形狀，從而形成半導(dǎo)體膜
1012。盡管在上面的示例中對(duì)于氧化物半導(dǎo)體膜使用In-Ga-Zn-Ο，然而也可以使用下面的氧化物半導(dǎo)體In_Sn_Ga_Zn_0、In-Sn-Zn-O-, In-Al-Zn-O-, Sn-Ga-Zn-O-, Al-Ga-Zn-O-,Sn-AI-Zn-O>In-Zn-0、Sn-Zn-O、Al-Zn-O、Zn-Mg-O>Sn-Mg-O>In-Mg-O、ln_0、Sn-O>Zn-O 等。另外，所述氧化物半導(dǎo)體膜可以含Si。另外，所述氧化物半導(dǎo)體膜可以是非晶的或結(jié)晶的。另外，所述氧化物半導(dǎo)體膜可以是非單晶的或單晶的。另外，作為氧化物半導(dǎo)體膜，還可以使用以InM03(Zn0)m(m>0)表示的薄膜。在此，M是選自Ga、Al、Mn和Co中的一種或多種金屬元素。例如，M可以是Ga、Ga和Al、Ga和Mn、或Ga和Co。接著，對(duì)氧化物半導(dǎo)體膜(半導(dǎo)體膜1012)進(jìn)行第一加熱處理。第一加熱處理的溫度為高于或等于400°C且低于或等于750°C，優(yōu)選為高于或等于400°C且低于襯底的應(yīng)變點(diǎn)。通過(guò)第一加熱處理，可以從氧化物半導(dǎo)體膜(半導(dǎo)體膜1012)去除氫、水和氫氧基等(脫氫處理)。由于這些雜質(zhì)在氧化物半導(dǎo)體膜中成為施體并使晶體管的截止電流增大，
所以通過(guò)第一加熱處理進(jìn)行脫氫化處理是極為有效的。另外，第一加熱處理可以使用電爐進(jìn)行。替代地，對(duì)于第一加熱處理，也可以利用來(lái)自加熱元件(諸如，電阻加熱元件等)的熱傳導(dǎo)或熱輻射。在此情況下，可以使用快速熱退火(RTA)裝置，諸如氣體快速熱退火(GRTA)裝置或燈快速熱退火(LRTA)裝置等。LRTA裝置是利用從燈(諸如，鹵素?zé)簟⒔饘冫u化物燈、氙弧燈、碳弧燈、高壓鈉燈、或高壓汞燈等)發(fā)出的光(電磁波)的輻射來(lái)加熱處理對(duì)象的裝置。GRTA裝置是使用高溫氣體進(jìn)行加熱處理的裝置。作為所述氣體，可以使用惰性氣體(典型為諸如氬等的稀有氣體)或氮?dú)怏w。使用GRTA裝置是特別有效的，因?yàn)榭梢赃M(jìn)行短時(shí)間內(nèi)的高溫?zé)崽幚怼５谝患訜崽幚砜梢栽谌缦聲r(shí)機(jī)進(jìn)行在氧化物半導(dǎo)體膜的構(gòu)圖處理之前；在形成電極1013和電極1014之后；或在形成絕緣膜1015之后。但是，優(yōu)選在形成電極1013和電極1014之前進(jìn)行第一加熱處理，以避免電極1013和電極1014因第一加熱處理受到損傷。在第一加熱處理期間，可能在氧化物半導(dǎo)體中產(chǎn)生氧缺乏。因此，優(yōu)選在進(jìn)行第一加熱處理之后，對(duì)氧化物半導(dǎo)體引入氧(用于提供氧的處理)，以增加作為構(gòu)成元素的氧的濃度，從而氧化物半導(dǎo)體被高度純化。具體地，作為所述提供氧的處理，例如，可以在第一加熱處理之后在含氮和/或氧的氣氛(例如，氮對(duì)氧的體積比=4:1)下或在氧氣氛下進(jìn)行第二加熱處理。替代地，也可以在氧氣氛下進(jìn)行等離子體處理，以使得可以增加氧化物半導(dǎo)體膜中的氧濃度，并且可以將氧化物半導(dǎo)體膜高度純化。第二加熱處理的溫度為高于或等于200°C且低于或等于400°C，優(yōu)選為高于或等于250°C且低于或等于350°C。另外，作為用于提供氧地處理的另一例子，在半導(dǎo)體膜1012上與該半導(dǎo)體膜1012接觸地形成氧化物膜(絕緣膜1015)，然后進(jìn)行第三加熱處理。該絕緣膜1015中的氧移動(dòng)到半導(dǎo)體膜1012，使氧化物半導(dǎo)體的氧濃度增加，從而可以實(shí)現(xiàn)氧化物半導(dǎo)體的高度純化。第三加熱處理的溫度為高于或等于200°C且低于或等于400°C，優(yōu)選為高于或等于250°C且低于或等于350°C。注意，在頂柵型晶體管的情況下，可以通過(guò)使用氧化硅膜等在半導(dǎo)體膜1012上且與半導(dǎo)體膜1012接觸地形成柵極絕緣膜并進(jìn)行類似的加熱處理的方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)氧化物半導(dǎo)體的高度純化。
如上所述，通過(guò)利用第一加熱處理的脫氫處理之后的用于提供氧的處理(諸如，第二加熱處理或第三加熱處理)，可以將氧化物半導(dǎo)體膜高度純化。在將其高度純化時(shí)，可以使氧化物半導(dǎo)體成為本征的或基本上本征的，使得晶體管1004的截止電流降低。注意，在光電二極管1002和晶體管1003上使用氧化硅膜或氮化硅膜等以單層或疊層形成絕緣膜1009?？梢酝ㄟ^(guò)等離子體CVD法或?yàn)R射法形成絕緣膜1009。也可以通過(guò)涂布法等由樹脂膜(諸如，聚酰亞胺膜等)形成絕緣膜1009。另外，在絕緣膜1009上使用諸如鑰、鈦、鉻、鉭、鎢、鋁、銅、釹、或鈧等金屬材料或包含任意這些金屬材料作為主要成分的合金材料，以單層或疊層形成柵電極1010?？梢酝ㄟ^(guò)濺射法或真空蒸鍍法形成柵電極1010。另外，使用氧化硅膜或氮化硅膜等以單層或疊層形成柵極絕緣膜1011。可以通過(guò)等離子體CVD法或?yàn)R射法形成柵極絕緣膜1011。
另外，在柵極絕緣膜1011和半導(dǎo)體膜1012上形成的電極1013和電極1014每一個(gè) 是使用諸如鑰、鈦、鉻、鉭、鎢、鋁、銅、或釔等的金屬，含任意這些金屬作為主要成分的合金材料，或諸如氧化銦等的導(dǎo)電金屬氧化物等以單層或疊層形成?？梢酝ㄟ^(guò)濺射法或真空蒸鍍法形成電極1013和電極1014。在此，優(yōu)選的是，電極1013通過(guò)形成在柵極絕緣膜1007、絕緣膜1009、柵極絕緣膜1011中的接觸孔與光電二極管1002的η層1023連接。下面，將對(duì)高度純的氧化物半導(dǎo)體和使用它的晶體管進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。作為高度純化的氧化物半導(dǎo)體的一個(gè)例子，可以舉出其載流子濃度低于IXlO14/cm3,優(yōu)選低于I X 1012/cm3,更優(yōu)選低于I X IO1Vcm3,或低于6. OX IO1Vcm3的氧化物半導(dǎo)體。使用高度純化的氧化物半導(dǎo)體的晶體管的特征是與例如含硅的半導(dǎo)體的晶體管相比，其截止電流小得多。下面示出使用測(cè)試元件(也稱為TEG :測(cè)試元件組(Test Element Group))測(cè)量晶體管的截止電流特性的結(jié)果。注意，在此是對(duì)η溝道型晶體管進(jìn)行說(shuō)明。在TEG中，設(shè)置L/W=3 μ m/10000 μ m的晶體管，其包括并聯(lián)連接的200個(gè)L/w=3 μ m/50 μ m (厚度d:30nm)的晶體管。圖8示出該晶體管的初始特性。在此，VG在-20V至+5V的范圍(含端值)。為了測(cè)量晶體管的初始特性，在如下的條件下測(cè)量源極-漏極電流(下面，稱為漏極電流或ID)的變化的特性(即，VG-ID)特性將襯底溫度設(shè)定為室溫，將源極和漏極之間的電壓(下面，稱為漏極電壓或VD)設(shè)定為IV或10V，并使源極和柵極之間的電壓(下面，稱為柵極電壓或VG)從-20V變化到+20V。如圖8所示，在IV和IOV的VD處，溝道寬度W為10000 μ m的晶體管的截止電流是IX 10_13A或更小,其小于或等于測(cè)量設(shè)備(半導(dǎo)體參數(shù)分析儀,Agilent 4156C (AgilentTechnologies Inc.)制造)的分辨率(100fA)。每微米溝道寬度的截止電流相當(dāng)于IOaA/μ m0注意，在本說(shuō)明書中，截止電流(也稱為泄漏電流)是指在η溝道晶體管具有正閾值電壓Vth的情況下，在室溫下施加-20V至-5V的范圍(含端值)內(nèi)的預(yù)定柵極電壓時(shí)在該η溝道晶體管的源極和漏極之間流過(guò)的電流。另外，室溫是15度至25度(含端值)。在室溫下，本說(shuō)明書中所公開的含有所述氧化物半導(dǎo)體的晶體管的每單位溝道寬度(W)的電流為IOOaA/ μ m或更低,優(yōu)選為IaA/ μ m或更低，并且更優(yōu)選為IOzA/ μ m或更低。另外，包含高純度的氧化物半導(dǎo)體的晶體管具有良好的溫度特性。典型地是，在-2 5 °C至15 (TC的溫度范圍(含端值)中，該晶體管的電流電壓特性，諸如導(dǎo)通電流(on-current)、截止電流、場(chǎng)效應(yīng)遷移率、S值和閾值電壓等幾乎因溫度而變化和劣化。本實(shí)施方式可以與其他實(shí)施方式適當(dāng)?shù)亟M合來(lái)實(shí)施。本申請(qǐng)基于2010年3月8日提交到日本專利局的日本專利申請(qǐng)No. 2010-050776，通過(guò)引用將其全部?jī)?nèi)容合并在此?！?br> 權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體裝置，包括 光電二極管； 第一晶體管； 第二晶體管； 第三晶體管；以及 第四晶體管， 其中，所述光電二極管的第一端與所述第二晶體管的第一端電連接， 所述第二晶體管的第二端與所述第一晶體管的柵極以及所述第三晶體管的第一端電連接， 所述第一晶體管的第一端與所述第四晶體管的第一端電連接， 在第一期間中，與入射到所述光電二極管的入射光的量對(duì)應(yīng)的電荷被累積到所述第一晶體管的柵極， 在第二期間中，當(dāng)?shù)谝浑妷罕还?yīng)到所述第二晶體管的柵極并且第二電壓被供應(yīng)到所述第三晶體管的柵極時(shí)，所述電荷被保持在所述第一晶體管的柵極中，并且， 所述第一電壓的電壓電平比所述第二晶體管的第一端的電壓電平和所述第二晶體管的第二端的電壓電平低，并且所述第二電壓的電壓電平比所述第三晶體管的第一端的電壓電平和所述第三晶體管的第二端的電壓電平低。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述第二晶體管的半導(dǎo)體層包括氧化物半導(dǎo)體。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述第三晶體管的半導(dǎo)體層包括氧化物半導(dǎo)體。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述第二晶體管的半導(dǎo)體層和所述第三晶體管的半導(dǎo)體層包括氧化物半導(dǎo)體。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述第一電壓的電壓電平比所述光電二極管的第二端的電壓電平低。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體裝置，其中當(dāng)?shù)谌妷罕还?yīng)到所述第三晶體管的柵極并且第四電壓被供應(yīng)到所述第三晶體管的第二端時(shí)，所述電荷被從所述第一晶體管的柵極釋放。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體裝置，其中當(dāng)?shù)谖咫妷罕还?yīng)到所述光電二極管的第二端并且第六電壓被供應(yīng)到所述第二晶體管的柵極時(shí)，所述電荷被從所述第一晶體管的柵極釋放。
8.一種半導(dǎo)體裝置，包括 光電二極管； 第一晶體管； 第二晶體管；以及 第三晶體管， 其中，所述光電二極管的第一端與所述第二晶體管的第一端電連接， 所述第二晶體管的第二端與所述第一晶體管的柵極及所述第三晶體管的第一端電連接，在第一期間中，與入射到所述光電二極管的入射光的量對(duì)應(yīng)的電荷被累積到所述第一晶體管的柵極， 在第二期間中，當(dāng)?shù)谝浑妷罕还?yīng)到所述第二晶體管的柵極并且第二電壓被供應(yīng)到所述第三晶體管的柵極時(shí)，所述電荷被保持在所述第一晶體管的柵極中，并且 所述第一電壓的電壓電平比所述第二晶體管的第一端的電壓電平和所述第二晶體管的第二端的電壓電平低，并且所述第二電壓的電壓電平比所述第三晶體管的第一端的電壓電平和所述第三晶體管的第二端的電壓電平低。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述第二晶體管的半導(dǎo)體層包括氧化物半導(dǎo)體。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述第三晶體管的半導(dǎo)體層包括氧化物半導(dǎo)體。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述第二晶體管的半導(dǎo)體層和所述第三晶體管的半導(dǎo)體層包括氧化物半導(dǎo)體。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述第一電壓的電壓電平比所述光電二極管的第二端的電壓電平低。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體裝置，其中當(dāng)?shù)谌妷罕还?yīng)到所述第三晶體管的柵極并且第四電壓被供應(yīng)到所述第三晶體管的第二端時(shí)，所述電荷被從所述第一晶體管的柵極釋放。
14.根據(jù)權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體裝置，其中當(dāng)?shù)谖咫妷罕还?yīng)到所述光電二極管的第二端并且第六電壓被供應(yīng)到所述第二晶體管的柵極時(shí)，所述電荷被從所述第一晶體管的柵極釋放。
15.一種半導(dǎo)體裝置，包括 光電二極管； 第一晶體管；以及 第二晶體管， 其中，所述光電二極管的第一端與所述第二晶體管的第一端電連接， 所述第二晶體管的第二端與所述第一晶體管的柵極電連接， 在第一期間中，與入射到所述光電二極管的入射光的量對(duì)應(yīng)的電荷被累積到所述第一晶體管的柵極， 在第二期間中，當(dāng)?shù)谝浑妷罕还?yīng)到所述第二晶體管的柵極時(shí)，所述電荷被保持在所述第一晶體管的柵極中，并且 所述第一電壓的電壓電平比所述第二晶體管的第一端的電壓電平和所述第二晶體管的第二端的電壓電平低。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述第二晶體管的半導(dǎo)體層包括氧化物半導(dǎo)體。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述第一電壓的電壓電平比所述光電二極管的第二端的電壓電平低。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的半導(dǎo)體裝置，其中當(dāng)?shù)谖咫妷罕还?yīng)到所述光電二極管的第二端并且第六電壓被供應(yīng)到所述第二晶體管的柵極時(shí)，所述電荷被從所述第一晶體管的柵極釋放。
19.一種半導(dǎo)體裝置的驅(qū)動(dòng)方法，包括如下步驟 通過(guò)將第一電壓供應(yīng)到光電二極管的第一端，將第二電壓供應(yīng)到第二晶體管的柵極，并將第三電壓供應(yīng)到第三晶體管的柵極，來(lái)將電荷累積在第一晶體管的柵極中； 通過(guò)將第四電壓供應(yīng)到所述第二晶體管的柵極并將第五電壓供應(yīng)到所述第三晶體管的柵極，來(lái)將所述電荷保持在所述第一晶體管的柵極中；以及 通過(guò)將第六電壓供應(yīng)到所述第三晶體管的柵極并將第七電壓供應(yīng)到所述第三晶體管的第一端，來(lái)使所述電荷從所述第一晶體管的柵極釋放， 其中，所述電荷與入射到所述光電二極管的入射光的量對(duì)應(yīng)，并且在保持過(guò)程中，所述第四電壓的電壓電平比所述第二晶體管的第一端的電壓電平和所述第二晶體管的第二端的電壓電平低，并且所述第五電壓的電壓電平比所述第三晶體管的第一端的電壓電平和所述第三晶體管的第二端的電壓電平低。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的驅(qū)動(dòng)方法，其中所述第三電壓的電壓電平與所述第五電壓的所述電壓電平相等同。
21.一種半導(dǎo)體裝置的驅(qū)動(dòng)方法，包括如下步驟 通過(guò)將第一電壓供應(yīng)到光電二極管的第一端并將第二電壓供應(yīng)到第二晶體管的柵極，來(lái)將電荷累積在第一晶體管的柵極中； 通過(guò)將第三電壓供應(yīng)到所述第二晶體管的柵極，來(lái)將所述電荷保持在所述第一晶體管的柵極中；以及 通過(guò)將第四電壓供應(yīng)到所述第二晶體管的柵極并將第五電壓供應(yīng)到所述光電二極管的第一端，來(lái)使所述電荷從所述第一晶體管的柵極釋放， 其中，所述電荷與入射到所述光電二極管的入射光的量對(duì)應(yīng)，并且在保持過(guò)程中，所述第三電壓的電壓電平比所述第二晶體管的第一端的電壓電平和所述第二晶體管的第二端的電壓電平低。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的驅(qū)動(dòng)方法，其中所述第二電壓的電壓電平與所述第四電壓的電壓電平相等同。
全文摘要
一種半導(dǎo)體裝置，其包括光電二極管、第一晶體管、第二晶體管、以及第三晶體管。第二晶體管和第三晶體管具有保持累積在第一晶體管的柵極中的電荷的功能。在第二晶體管和第三晶體管處于截止的期間中，將施加到第二晶體管的柵極的電壓的電壓電平設(shè)定為比第二晶體管的源極的電壓電平和第二晶體管的漏極的電壓電平低，并將施加到第三晶體管的柵極的電壓的電壓電平設(shè)定為比第三晶體管的源極的電壓電平和第三晶體管的漏極的電壓電平低。
文檔編號(hào)H04N5/374GK102792678SQ20118001277
公開日2012年11月21日 申請(qǐng)日期2011年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月8日
發(fā)明者上妻宗廣, 池田隆之, 青木健, 黑川義元 申請(qǐng)人:株式會(huì)社半導(dǎo)體能源研究所