フォトセンサ及び表示装置
【課題】マトリクス状に配置した光電変換素子が捉える光の強度分布を、再現よく電気信号に変換して取り出せる大型のエリアセンサおよび、エリアセンサを搭載した書き込み速度が速く、表示ムラが少ない表示装置を提供する。
【解決手段】インジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタは、大面積基板にマトリクス状に配置することが容易であり、また特性にバラツキが少ない。インジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタで構成した特性にバラツキが少ない増幅回路と表示素子の駆動回路を用いて、マトリクス状に配置したフォトダイオードが捉える光の強度分布を再現よく電気信号に変換して取り出し、マトリクス状に配置した表示素子をムラなく駆動する。
【解決手段】インジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタは、大面積基板にマトリクス状に配置することが容易であり、また特性にバラツキが少ない。インジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタで構成した特性にバラツキが少ない増幅回路と表示素子の駆動回路を用いて、マトリクス状に配置したフォトダイオードが捉える光の強度分布を再現よく電気信号に変換して取り出し、マトリクス状に配置した表示素子をムラなく駆動する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトセンサに関する。特に高い移動度と特性のバラツキが少ない薄膜トランジスタと光電変換素子で構成したフォトセンサとフォトセンサを有する画素を複数配置したラインセンサ、およびエリアセンサに関する。また、フォトセンサを有する表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、映像情報、紙面上の文字や図形情報などの光信号から、画像情報を有する電気信号を読み出すダイオード、ＣＣＤ、ＣＭＯＳなどの光電変換素子を有する固体撮像素子が用いられている。
【０００３】
複数の光電変換素子を有する固体撮像素子には、ラインセンサと、エリアセンサとがある。ラインセンサは複数の光電変換素子を線状に配置したものであって、当該センサで被写体を相対的に走査して画像を電気信号として取り込む。ラインセンサを用いた装置としては、イメージスキャナをその例に挙げることができる。一方、エリアセンサは複数の光電変換素子をマトリクス状に配置したものであって、当該センサに被写体像を投影して画像を電気信号として取り込む。エリアセンサを用いた装置としては、ビデオカメラやデジタルスチルカメラをその例に挙げることができる。ビデオカメラやデジタルスチルカメラは光学系を介して被写体像をエリアセンサ上に縮小投影して電気信号として取り込む。また、紙などの被写体に密着して被写体像を電気信号として取り込む、密着型のエリアセンサもある。
【０００４】
また、エリアセンサを表示装置に組み込み、表示領域が入力領域を兼ねる半導体装置が提案されている。エリアセンサを用いて画像を取り込む機能を備えた表示装置が、特許文献１及び特許文献２に開示されている。また、特許文献３には発光素子の輝度を制御するためのセンサを備えた表示装置が開示されている。
【０００５】
また、エリアセンサを組み込んだ表示装置は画像を取り込むだけでなく、表示領域に触れたペンや指を検知して入力操作ができる、いわゆるタッチパネルとしても利用できる。タッチパネルは操作が簡便であり、また表示された映像にあたかも直接触れて操作しているかのような操作感が得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許４１１２１８４
【特許文献２】特開２００１―３３９６４０
【特許文献３】特開２００３―１６７５５０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
被写体に忠実な画像を捉えるエリアセンサを得るには、マトリクス状に配置した光電変換素子が捉える光の強度分布を、再現よく電気信号に変換して取り出す増幅回路が必要である。
【０００８】
単結晶シリコントランジスタを用いた増幅回路は優れた特性を有するが、エリアセンサの大きさが単結晶シリコン基板の大きさに制約を受ける。すなわち、単結晶シリコン基板を用いて大型のエリアセンサや大型の表示装置を兼ねたエリアセンサを形成することは、コストが高く現実的でない。
【０００９】
一方、非晶質シリコンを用いた薄膜トランジスタは基板の大型化が容易であるが、非晶質シリコン薄膜の電界効果移動度は低く、増幅回路の占有面積を小さくすることは難しい。占有面積が大きい増幅回路は、同一基板上に形成する光電変換素子の受光面積や、表示素子の画素面積を制限してしまう。
【００１０】
また、多結晶シリコンを用いた薄膜トランジスタはエキシマレーザーアニールに由来する特性のバラツキを有する。特性にバラツキがある薄膜トランジスタで構成した増幅回路を用いて、マトリクス状に配置した光電変換素子が捉える光の強度分布を再現よく電気信号に変換して取り出すことはできない。
【００１１】
また、多数個のフォトセンサやラインセンサを形成した基板を分断して製品を生産する場合も、個々の製品の増幅回路にバラツキがあると製品の特性がバラつき、歩留まりの低下を招く。また、使い勝手が悪くなる。なお、本明細書でいうフォトセンサ、ラインセンサ、およびエリアセンサは少なくとも光電変換素子と増幅回路を有しており、必ずしも駆動回路を搭載する必要はない。
【００１２】
本発明は、マトリクス状に配置した光電変換素子が捉える光の強度分布を、再現よく電気信号に変換して取り出せる大型のエリアセンサを提供することを課題の一つとする。また、マトリクス状に配置した光電変換素子が捉える光の強度分布を、再現よく電気信号に変換して取り出せる大型のエリアセンサを兼ねた、書き込み速度が速く、表示ムラが少ない表示装置を提供することを課題の一つする。また、大型の基板上に大量に作製でき、均質な特性を有するフォトセンサおよびラインセンサを提供することを課題の一つとする。以上、本発明は上記課題の少なくとも一つを解決することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
発明者等は、特性にバラツキが少なく、電界効果移動度が高い酸化物半導体、特にインジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタで構成した増幅回路は、特性にバラツキが少なく、占有面積が小さいことを見いだした。その結果、そのような増幅回路をフォトダイオードの増幅回路に用いたエリアセンサは、フォトダイオードがとらえる光の強度分布を再現よく電気信号に変換して取り出すことを可能にした。また、酸化物半導体、代表的にはインジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタを大面積基板に形成することで、光の強度分布を再現よく電気信号に変換できる大型のエリアセンサの提供を可能にした。また、大型の基板上に均質な特性のフォトセンサを大量に形成することにより、均質な特性を有するフォトセンサおよびラインセンサを大量に提供することを可能にした。
【００１４】
本発明のフォトセンサの一態様は、光電変換素子としてフォトダイオードを用いる。また、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、および亜鉛（Ｚｎ）を含む酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタで構成した増幅回路を用いる。
【００１５】
本明細書中で用いるフォトダイオードの一例は、カソード電極と、アノード電極と、カソード電極とアノード電極の間に設けられた光電変換層とを有している。そして光電変換層に光が照射されると、光起電力効果により電流が生じる。
【００１６】
また、本明細書中で用いる酸化物半導体の一例は、ＩｎＭＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０）で表記される薄膜を形成し、その薄膜を半導体層として用いた薄膜トランジスタを作製する。なお、Ｍは、Ｇａ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎ及びＣｏから選ばれた一の金属元素又は複数の金属元素を示す。例えばＭとして、Ｇａの場合があることの他、ＧａとＮｉ又はＧａとＦｅなど、Ｇａ以外の上記金属元素が含まれる場合がある。また、上記酸化物半導体において、Ｍとして含まれる金属元素の他に、不純物元素としてＦｅ、Ｎｉその他の遷移金属元素、又は該遷移金属の酸化物が含まれているものがある。本明細書においてはこの薄膜をインジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体膜もしくはＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系非単結晶膜とも呼ぶ。なお、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系非単結晶膜に含まれるナトリウム（Ｎａ）は５×１０１８／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１８／ｃｍ３以下である。また、その他酸化物半導体として、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系、Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｉｎ−Ｏ系、Ｓｎ−Ｏ系、Ｚｎ−Ｏ系の酸化物半導体を用いることができる。
【００１７】
また、インジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタは電界効果移動度が高く、この薄膜トランジスタで構成した増幅回路や表示素子の駆動回路は、占有面積が小さく、特性のバラツキがすくなく、大面積の基板に多数形成できる。
【００１８】
すなわち本発明の一態様は、光電変換素子と、インジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタで構成された増幅回路を有するフォトセンサである。
【００１９】
また、本発明の一態様は、一導電性の不純物元素を有する第１の半導体層と、第１の半導体層に接して設けられた第２の半導体層と、第２の半導体層に接して設けられた第１の半導体層とは逆の導電型の不純物元素を有する第３の半導体層と、が積層された光電変換層を有する光電変換素子を有する。また、インジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を適用した、選択用薄膜トランジスタと、増幅用薄膜トランジスタ、およびリセット用薄膜トランジスタとを有する。そして、リセット用薄膜トランジスタのゲート電極はリセット用ゲート信号線に接続され、リセット用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極の一方はセンサ用電源線に接続され、リセット用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極のもう一方は増幅用薄膜トランジスタのゲート電極層および光電変換素子のアノードまたはカソードのいずれか一方に接続されており、増幅用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極の一方はセンサ用電源線に接続されており、選択用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極の一方はセンサ出力配線に接続されており、選択用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極のもう一方は増幅用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極のもう一方に接続されており、選択用薄膜トランジスタのゲート電極層はセンサ用ゲート信号線に接続された増幅回路を有するフォトセンサである。
【００２０】
また、本発明の一態様は、一導電性の不純物元素を有する第１の半導体層と、第１の半導体層に接して設けられた第２の半導体層と、第２の半導体層に接して設けられた第１の半導体層とは逆の導電型の不純物元素を有する第３の半導体層と、が積層された光電変換層を有する光電変換素子を有する。また、インジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を適用した、選択用薄膜トランジスタと、増幅用薄膜トランジスタ、およびリセット用薄膜トランジスタとを有する。そして、リセット用薄膜トランジスタのゲート電極層はリセット用ゲート信号線に接続され、リセット用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極の一方はセンサ用電源線に接続され、リセット用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極のもう一方は増幅用薄膜トランジスタのゲート電極層および光電変換素子のアノードまたはカソードのいずれか一方に接続されており、増幅用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極の一方はセンサ用電源線に接続されており、選択用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極の一方はセンサ出力配線に接続されており、選択用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極のもう一方は増幅用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極のもう一方に接続されており、選択用薄膜トランジスタのゲート電極層はセンサ用ゲート信号線に接続されており、リセット用ゲート信号線とセンサ用ゲート信号線とに入力される信号によってリセット用薄膜トランジスタと選択用薄膜トランジスタはオンからオフの状態、またはオフからオンの状態に切り替わることを特徴とする増幅回路を有する画素を複数配置したフォトセンサである。
【００２１】
また、本発明の一態様は、光電変換素子と、インジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタで構成された増幅回路を有する画素を複数配置したエリアセンサである。
【００２２】
また、本発明の一態様は、一導電性の不純物元素を有する第１の半導体層と、第１の半導体層に接して設けられた第２の半導体層と、第２の半導体層に接して設けられた第１の半導体層とは逆の導電型の不純物元素を有する第３の半導体層と、が積層された光電変換層を有する光電変換素子を有する。また、インジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を適用した、選択用薄膜トランジスタと、増幅用薄膜トランジスタ、およびリセット用薄膜トランジスタとを有する。そして、リセット用薄膜トランジスタのゲート電極層はリセット用ゲート信号線に接続され、リセット用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極の一方はセンサ用電源線に接続され、リセット用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極のもう一方は増幅用薄膜トランジスタのゲート電極層および光電変換素子のアノードまたはカソードのいずれか一方に接続されており、増幅用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極の一方はセンサ用電源線に接続されており、選択用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極の一方はセンサ出力配線に接続されており、選択用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極のもう一方は増幅用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極のもう一方に接続されており、選択用薄膜トランジスタのゲート電極層はセンサ用ゲート信号線に接続された増幅回路を有する画素を複数配置したエリアセンサである。
【００２３】
また、本発明の一態様は、一導電性の不純物元素を有する第１の半導体層と、第１の半導体層に接して設けられた第２の半導体層と、第２の半導体層に接して設けられた第１の半導体層とは逆の導電型の不純物元素を有する第３の半導体層と、が積層された光電変換層を有する光電変換素子を有する。また、インジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を適用した、選択用薄膜トランジスタと、増幅用薄膜トランジスタ、およびリセット用薄膜トランジスタとを有する。そして、リセット用薄膜トランジスタのゲート電極層はリセット用ゲート信号線に接続され、リセット用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極の一方はセンサ用電源線に接続され、リセット用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極のもう一方は増幅用薄膜トランジスタのゲート電極層および光電変換素子のアノードまたはカソードのいずれか一方に接続されており、増幅用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極の一方はセンサ用電源線に接続されており、選択用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極の一方はセンサ出力配線に接続されており、選択用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極の一方は増幅用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極のもう一方に接続されており、選択用薄膜トランジスタのゲート電極層はセンサ用ゲート信号線に接続されており、リセット用ゲート信号線とセンサ用ゲート信号線とに入力される信号によってリセット用薄膜トランジスタと選択用薄膜トランジスタはオンからオフの状態、またはオフからオンの状態に切り替わることを特徴とする増幅回路を有する画素を複数配置したエリアセンサである。
【００２４】
また、本発明の一態様は、光電変換素子と、増幅回路と、表示素子と、表示素子の駆動回路を有する画素が複数配置され、増幅回路と駆動回路が、インジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタで構成された表示装置である。
【００２５】
また、本発明の一態様は、一導電性の不純物元素を有する第１の半導体層と、第１の半導体層に接して設けられた第２の半導体層と、第２の半導体層に接して設けられた第１の半導体層とは逆の導電型の不純物元素を有する第３の半導体層と、が積層された光電変換層を有する光電変換素子を有する。また、インジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を適用した、選択用薄膜トランジスタと、増幅用薄膜トランジスタ、およびリセット用薄膜トランジスタとを有する。そして、リセット用薄膜トランジスタのゲート電極層はリセット用ゲート信号線に接続され、リセット用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極の一方はセンサ用電源線に接続され、リセット用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極のもう一方は増幅用薄膜トランジスタのゲート電極層および光電変換素子のアノードまたはカソードのいずれか一方に接続されており、増幅用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極の一方はセンサ用電源線に接続されており、選択用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極の一方はセンサ出力配線に接続されており、選択用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極の一方は増幅用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極のもう一方に接続されており、選択用薄膜トランジスタのゲート電極層はセンサ用ゲート信号線に接続された増幅回路を画素に有している。また、表示素子と、インジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いたスイッチング用薄膜トランジスタを少なくとも有し、スイッチング用薄膜トランジスタのゲート電極層はゲート信号線に接続されており、スイッチング用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極の一方はソース信号線に接続された表示素子の駆動回路を有する画素を複数配置した表示装置である。
【００２６】
また、本発明の一態様は、表示素子が陽極、陰極および陽極と陰極の間に発光物質を含む層を有している。
【００２７】
また、本発明の一態様は、表示素子が画素電極、対向電極および画素電極と対向電極の間に液晶物質を含む層を有している。
【００２８】
また、本発明の一態様は、エリアセンサ付き表示装置をレーザーポインタで操作する操作方法である。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、複数配置した光電変換素子が捉える光の強度分布を、再現よく電気信号に変換して取り出せる大型のエリアセンサまたはラインセンサを提供することができる。また、マトリクス状に配置した光電変換素子が捉える光の強度分布を、再現よく電気信号に変換して取り出せる大型のエリアセンサを兼ねた、書き込み速度が速く、表示ムラが少ない表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】エリアセンサの回路図。
【図２】エリアセンサの画素の回路図。
【図３】エリアセンサの画像の読み取りのタイミングチャート。
【図４】エリアセンサの画素部の断面図。
【図５】エリアセンサの画素部の作製工程図。
【図６】エリアセンサの画素部の作製工程図。
【図７】エリアセンサの画素部の作製工程図。
【図８】エリアセンサ付き表示装置の回路図。
【図９】エリアセンサ付き表示装置の画素の回路図。
【図１０】エリアセンサのカラー画像の読み取りのタイミングチャート。
【図１１】エリアセンサ付き表示装置の断面図。
【図１２】エリアセンサ付き表示装置の作製工程図。
【図１３】エリアセンサ付き表示装置の作製工程図。
【図１４】エリアセンサ付き表示装置の作製工程図。
【図１５】エリアセンサ付き表示装置の断面図。
【図１６】電子書籍の一例を示す外観図。
【図１７】テレビジョン装置およびデジタルフォトフレームの例を示す外観図。
【図１８】遊技機の例を示す外観図。
【図１９】携帯電話機の一例を示す外観図。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
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、本発明の趣旨およびその範囲から逸脱することなくその形態および詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。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。
【００３２】
（実施の形態１）
本実施の形態は、複数の光電変換素子と酸化物半導体、特にインジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタで構成した増幅回路が形成されたエリアセンサの一態様を、図面を参照して説明する。
【００３３】
図１はエリアセンサ部１１を構成する、リセット用ゲート信号線ＲＧ１〜ＲＧｙ、センサ用ゲート信号線ＳＧ１〜ＳＧｙ、センサ出力配線ＳＳ１〜ＳＳｘ、センサ用電源線ＶＢ、と複数の画素１２の接続を説明する図である。
【００３４】
エリアセンサ部１１は複数の画素１２をマトリクス状に配列して構成されている。画素１２は、リセット用ゲート信号線ＲＧ１〜ＲＧｙのいずれか１つと、センサ用ゲート信号線ＳＧ１〜ＳＧｙのいずれか１つと、センサ出力配線ＳＳ１〜ＳＳｘのいずれか１つと、センサ用電源線ＶＢと接続されている。
【００３５】
センサ出力配線ＳＳ１〜ＳＳｘはそれぞれ定電流電源１３＿１〜１３＿ｘに接続されている。
【００３６】
図２は画素部の光電変換素子とインジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタで構成した増幅回路の接続の一例を示す。リセット用ゲート信号線ＲＧはリセット用ゲート信号線ＲＧ１〜ＲＧｙのいずれか１つを意味する。またセンサ用ゲート信号線ＳＧは、センサ用ゲート信号線ＳＧ１〜ＳＧｙのいずれか１つを意味する。またセンサ出力配線ＳＳはセンサ出力配線ＳＳ１〜ＳＳｘのいずれか１つを意味する。さらに画素１２は、選択用ＴＦＴ１５１、増幅用ＴＦＴ１５２、リセット用ＴＦＴ１５３、フォトダイオード２５０を有している。
【００３７】
リセット用ＴＦＴ１５３のゲート電極はリセット用ゲート信号線ＲＧに接続されている。リセット用ＴＦＴ１５３のソース電極とドレイン電極の一方はセンサ用電源線ＶＢに接続されている。センサ用電源線ＶＢは常に一定の電位（基準電位）に保たれている。もう一方はフォトダイオード２５０及び増幅用ＴＦＴ１５２のゲート電極に接続されている。
【００３８】
図示しないが、フォトダイオード２５０はカソード電極と、アノード電極と、カソード電極とアノード電極の間に設けられた光電変換層とを有している。リセット用ＴＦＴ１５３のソース電極とドレイン電極の一方はフォトダイオード２５０のアノード電極又はカソード電極に接続されている。
【００３９】
増幅用ＴＦＴ１５２のソース電極とドレイン電極の一方はセンサ用電源線ＶＢに接続されており、常に一定の基準電位に保たれている。そしてもう一方は選択用ＴＦＴ１５１のソース電極又はドレイン電極に接続されている。
【００４０】
選択用ＴＦＴ１５１のゲート電極はセンサ用ゲート信号線ＳＧに接続されている。そして選択用ＴＦＴ１５１のソース電極とドレイン電極の一方は上述したとおり増幅用ＴＦＴ１５２のソース電極とドレイン電極の一方に接続されており、もう一方はセンサ出力配線ＳＳに接続されている。センサ出力配線ＳＳは定電流電源１３（定電流電源１３＿１〜１３＿ｘのいずれか１つ）に接続されており、常に一定の電流が流れている。
【００４１】
なお、ここではインジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いたｎチャネル型の薄膜トランジスタを選択用ＴＦＴ１５１、増幅用ＴＦＴ１５２、リセット用ＴＦＴ１５３に用い、フォトダイオード２５０のカソード電極をリセット用ＴＦＴ１５３のドレイン電極に接続して、いわゆる逆バイアス方向に電圧を加える。逆バイアス方向の電圧をフォトダイオード２５０に加えた回路は、温度依存性が少ない出力が得られる。
【００４２】
次に本発明のエリアセンサの駆動の仕方について、図１乃至図３を用いて説明する。
【００４３】
まず、被写体の画像情報を含む光は画素１２が有するフォトダイオード２５０に到達する。フォトダイオード２５０は、照射された光の強度を電気信号に変換する。そしてフォトダイオード２５０で発生した画像情報を含む電気信号は、選択用ＴＦＴ１５１、増幅用ＴＦＴ１５２、及びリセット用ＴＦＴ１５３により画像信号として取り出される。
【００４４】
図３は、選択用ＴＦＴ１５１、増幅用ＴＦＴ１５２、及びリセット用ＴＦＴ１５３の動作を示すタイミングチャートである。なおここでは、選択用ＴＦＴ１５１、増幅用ＴＦＴ１５２、リセット用ＴＦＴ１５３がｎチャネル型ＴＦＴの場合のタイミングチャートを示す。
【００４５】
まず、リセット用ゲート信号線ＲＧ１に入力されているリセット信号によって、ＲＧ１に接続されている１ライン目の画素のリセット用ＴＦＴ１５３はオンの状態にある。よってセンサ用電源線ＶＢの基準電位が増幅用ＴＦＴ１５２のゲート電極に与えられる。
【００４６】
また、センサ用ゲート信号線ＳＧ１に入力されているセンサ信号によって、センサ用ゲート信号線ＳＧ１に接続されている１ライン目の画素の選択用ＴＦＴ１５１がオフの状態にある。なお本明細書では、リセット用ＴＦＴ１５３がオンの状態である期間をリセット期間と呼ぶ。
【００４７】
そして、リセット用ゲート信号線ＲＧ１に入力されたリセット信号の電位が変化して、１ライン目の画素のリセット用ＴＦＴ１５３が全てオフの状態になる。よってセンサ用電源線ＶＢの基準電位が、１ライン目の画素の増幅用ＴＦＴ１５２のゲート電極に与えられなくなる。なお、リセット用ＴＦＴ１５３がオフの状態にある期間を、本明細書ではサンプル期間ＳＴと呼ぶ。特に１ライン目の画素のリセット用ＴＦＴ１５３がオフの状態にある期間をサンプル期間ＳＴ１と呼ぶ。
【００４８】
サンプル期間ＳＴ１では、センサ用ゲート信号線ＳＧ１に入力されたセンサ信号の電位が変化して、１ライン目の画素の選択用ＴＦＴ１５１がオンの状態になる。よって１ライン目の画素の増幅用ＴＦＴ１５２のソース電極は、選択用ＴＦＴ１５１を介してセンサ出力配線ＳＳ１に電気的に接続される。
【００４９】
サンプル期間ＳＴ１において、光がフォトダイオード２５０に照射されると、フォトダイオード２５０に電流が流れる。そのため、リセット期間において基準電位に保たれていた増幅用ＴＦＴ１５２のゲート電極の電位は、フォトダイオード２５０で発生する電流の大きさに応じて変化する。センサ出力配線ＳＳ１を介して定電流電源１３＿１に接続された増幅用ＴＦＴ１５２は、フォトダイオード２５０の出力に関わらずソース電極とゲート電極の電位差ＶＧＳが一定に保たれ、ソースフォロワ（ｓｏｕｒｃｅ ｆｏｌｌｏｗｅｒ）として機能する。
【００５０】
フォトダイオード２５０に流れる電流は、フォトダイオード２５０に照射される光の強さに比例するため、フォトダイオード２５０において光の強さは電気信号に変換される。フォトダイオード２５０において生成された電気信号は、増幅用ＴＦＴ１５２のゲート電極に入力される。
【００５１】
ここでは、フォトダイオード２５０のカソード電極が増幅用ＴＦＴ１５２のゲート電極に接続され、フォトダイオード２５０のアノード電極が共通配線に接続されているため、リセット用ＴＦＴ１５３がオンの期間はｎチャネル型の増幅用ＴＦＴ１５２のゲート電極は正の基準電位に保たれている。しかしサンプル期間ＳＴ１において、増幅用ＴＦＴ１５２のゲート電極の電位はフォトダイオード２５０に照射される光の強さに応じて低下する。
【００５２】
一方、増幅用ＴＦＴ１５２と選択用ＴＦＴ１５１を介してセンサ出力配線ＳＳに流れる電流が一定に保たれるように、センサ出力配線ＳＳは定電流電源に接続されている。その結果、増幅用ＴＦＴ１５２のソース電極とゲート電極の電位差ＶＧＳが常に一定に保たれるように、センサ出力配線ＳＳの電位が変化する。具体的には、増幅用ＴＦＴ１５２のソース電極の電位は増幅用ＴＦＴ１５２のゲート電極の電位からＶＧＳを差し引いた電位に保たれる。
【００５３】
こうして、被写体の画像情報を捉えたフォトダイオード２５０がもたらした増幅用ＴＦＴ１５２のゲート電極の電位の変化が、増幅用ＴＦＴ１５２のソース電極の電位の変化として、オン状態の選択用ＴＦＴ１５１を介して、センサ出力配線ＳＳ１に出力される。
【００５４】
次に、リセット用ゲート信号線ＲＧ２に入力されているリセット信号によって、ＲＧ２に接続されている２ライン目の画素のリセット用ＴＦＴ１５３はオフの状態になり、サンプリング期間ＳＴ２が開始する。なお、１ライン目の画素のリセット用ＴＦＴ１５３は、次のサンプリング期間が始まる前に、接続されているリセット用ゲート信号線ＲＧ１にリセット信号を入力し、再びリセット期間にしておく。
【００５５】
サンプリング期間ＳＴ２では、サンプリング期間ＳＴ１と同様に、フォトダイオードにおいて画像情報を有する電気信号が生成し、画像信号がセンサ出力配線ＳＳ２に入力される。
【００５６】
上記動作を繰り返し、サンプリング期間ＳＴｙが終了すると、１つの画像を画像信号として読み込むことができる。なお本明細書では、サンプリング期間ＳＴ１〜ＳＴｙの全てが出現するまでの期間をセンサフレーム期間ＳＦと呼ぶ。
【００５７】
このように、リセット用ＴＦＴ１５３がオフ、選択用ＴＦＴ１５１がオンの状態において、フォトダイオード２５０が増幅用ＴＦＴ１５２のゲート電位に光の強度を電気信号化して反映すると、増幅用ＴＦＴ１５２がそのゲート電位の変化をソース電極の電位に反映し、フォトダイオード２５０がとらえた光の強度がセンサ出力配線ＳＳに出力される。従って、増幅回路を構成しているトランジスタの特性は増幅回路の特性に強く影響する。特に、マトリクス状に複数のフォトダイオードと増幅回路を配置したエリアセンサは、増幅回路の特性にバラツキがあると、光の強度分布を正しく電気信号に再現できない。例えば、本実施の形態が例示する増幅回路の場合、増幅用ＴＦＴ１５２のＩｄ−ＶＧＳ特性の再現性は重要であり、特性にバラツキがあるとマトリクス状に配置したフォトダイオード２５０が捉えた光の強度分布を正しく出力配線に出力することが困難になる。
【００５８】
図４はエリアセンサの一例を示す断面図である。具体的には、フォトダイオードと、インジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタで構成したエリアセンサの断面図である。図４を参照してエリアセンサの一構成例を説明する。
【００５９】
まず、増幅回路を構成する選択用ＴＦＴ１５１、増幅用ＴＦＴ１５２、及びリセット用ＴＦＴ１５３の構成について説明する。選択用ＴＦＴ１５１、増幅用ＴＦＴ１５２、及びリセット用ＴＦＴ１５３は主要部において同じ構成を有しているため、以下選択用ＴＦＴ１５１を中心に説明する。
【００６０】
選択用ＴＦＴ１５１、増幅用ＴＦＴ１５２、リセット用ＴＦＴ１５３はそれぞれ、リセット用ゲート信号線ＲＧ、センサ用ゲート信号線ＳＧと同じ層で形成されるゲート電極層１１１＿１、ゲート電極層１１１＿２、およびゲート電極層１１１＿３を有している。ゲート電極層１１１＿１、ゲート電極層１１１＿２、およびゲート電極層１１１＿３は、基板１００上に形成され、ゲート電極層１１１＿１、ゲート電極層１１１＿２、およびゲート電極層１１１＿３上にはゲート絶縁膜１０２が形成されている。
【００６１】
ゲート絶縁膜１０２上には第１酸化物半導体層１１３＿１が形成され、第１酸化物半導体層１１３＿１を介してゲート電極層１１１＿１上で相対するように、センサ出力配線ＳＳおよびセンサ用電源線ＶＢと同じ層で形成されるソース電極層、及びドレイン電極層（１１５ａ＿１、及び１１５ｂ＿１）が設けられている。
【００６２】
また、リセット用ＴＦＴ１５３のソース電極層１１５ｂ＿３は、ゲート絶縁膜１０２に設けたコンタクトホール１２５を介して配線層１１１＿６と直接接続している。接続箇所を減らすことで、電気抵抗の増加をもたらす接続界面の数だけでなく、コンタクトホールが占有する面積を減らしている。なお、図示されていないが配線層１１１＿６は増幅用ＴＦＴ１５２のゲート電極層１１１＿２と接続している。
【００６３】
第１酸化物半導体層１１３＿１は、相対するソース電極層、及びドレイン電極層（１１５ａ＿１、及び１１５ｂ＿１）の下にゲート絶縁膜１０２を介してゲート電極層１１１＿１に重畳して設けられている。すなわち第１酸化物半導体層１１３＿１は、ゲート電極層１１１＿１と重畳し、ゲート絶縁膜１０２の上面部とバッファ層１１４ａ＿１および１１４ｂ＿１の下面部と接するように設けられている。
【００６４】
第１酸化物半導体層はＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系非単結晶膜からなる。Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系非単結晶膜の組成比は成膜条件により変化する。ここでは、組成比としてＩｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：１としたターゲット（金属元素の組成比としてＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：０．５）を用い、スパッタリング法でのアルゴンガス流量を４０ｓｃｃｍとした条件を条件１とし、スパッタリング法でのアルゴンガス流量を１０ｓｃｃｍ、酸素を５ｓｃｃｍとした条件を条件２とする。
【００６５】
誘導結合プラズマ質量分析法（ＩＣＰ−ＭＳ ： Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）により測定した代表的な酸化物半導体膜の組成比は、条件１で成膜した場合はＩｎＧａ０．９５Ｚｎ０．４１Ｏ３．３３であり、条件２で成膜した場合は、ＩｎＧａ０．９４Ｚｎ０．４０Ｏ３．３１である。
【００６６】
また、測定方法をラザフォード後方散乱分析法（ＲＢＳ ： Ｒｕｔｈｅｒｆｏｒｄ Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）に変えて定量化した代表的な酸化物半導体膜の組成比は、条件１で成膜した場合はＩｎＧａ０．９３Ｚｎ０．４４Ｏ３．４９であり、条件２で成膜した場合はＩｎＧａ０．９２Ｚｎ０．４５Ｏ３．８６である。
【００６７】
Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系非単結晶膜の結晶構造は、スパッタリング法で成膜した後、２００℃〜５００℃、代表的には３００〜４００℃で１０分〜１００分の熱処理を行っているため、アモルファス構造がＸ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−ｒａｙ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）の分析では観察される。
【００６８】
バッファ層（１１４ａ＿１および１１４ｂ＿１）は、第１酸化物半導体層１１３＿１とソース電極層、及びドレイン電極層（１１５ａ＿１、及び１１５ｂ＿１）に接してその間に設けられている。バッファ層は第１酸化物半導体膜より高い電気伝導率を有する第２酸化物半導体膜を用いる。それゆえ、選択用ＴＦＴ１５１、増幅用ＴＦＴ１５２、及びリセット用ＴＦＴ１５３においてバッファ層（１１４ａ＿１および１１４ｂ＿１）は、ソース電極及びドレイン電極として機能する。バッファ層（１１４ａ＿１および１１４ｂ＿１）は、ｎ型の導電型を有し、活性化エネルギー（ΔＥ）が０．０１ｅＶ以上０．１ｅＶ以下であり、ｎ＋領域とも呼べる。また、バッファ層がインジウム、ガリウム、および亜鉛を含む非単結晶酸化物半導体層である場合、非単結晶構造の中にナノクリスタルが含まれている場合がある。このような接合構造を選択用ＴＦＴ１５１、増幅用ＴＦＴ１５２、及びリセット用ＴＦＴ１５３に設けることにより、熱的安定性が増し、安定動作をさせることが可能となる。それにより増幅回路の機能を高め動作の安定化を図ることができる。また、接合リークが低減し、選択用ＴＦＴ１５１、増幅用ＴＦＴ１５２、及びリセット用ＴＦＴ１５３の特性を向上させることができる。
【００６９】
選択用ＴＦＴ１５１のソース電極層、及びドレイン電極層（１１５ａ＿１、及び１１５ｂ＿１）と第１酸化物半導体層１１３＿１の上には、第１酸化物半導体層１１３＿１側から順に第１層間絶縁膜１０９と第２層間絶縁膜１２１が設けられている。増幅用ＴＦＴ１５２、およびリセット用ＴＦＴ１５３についても増幅用ＴＦＴ１５２と同様に第１層間絶縁膜１０９と第２層間絶縁膜１２１が設けられている。なお、層間絶縁膜は必ずしも複数の層からなる必要はなく、第１層間絶縁膜１０９上に直接フォトダイオード２５０を形成しても良い。
【００７０】
第２層間絶縁膜１２１上には光電変換素子の一例として、フォトダイオード２５０が形成されている。フォトダイオード２５０は、第２層間絶縁膜１２１上に第３導電層で形成した下部電極層１２９と第４導電層で形成した上部電極層２２７の間に、第２層間絶縁膜１２１側から順に第１半導体層２５０ａ、第２半導体層２５０ｂ、及び第３半導体層２５０ｃを積層した構造を有している。保護層１２８は下部電極層１２９の端部を覆っている。
【００７１】
フォトダイオード２５０の下部電極層１２９は配線層２２８を介して共通配線と接続されている。フォトダイオード２５０の上部電極層２２７はコンタクトホール２３１および１２６を介してリセット用ＴＦＴ１５３のソース電極層１１５ｂ＿３と、さらにコンタクトホール１２５を介して、配線層１１１＿６に接続している。図示されていないが配線層１１１＿６は増幅用ＴＦＴ１５２のゲート電極層１１１＿２と接続している。
【００７２】
第２層間絶縁膜１２１とフォトダイオード２５０上には第３層間絶縁膜２２１が形成されている。第３層間絶縁膜２２１にはコンタクトホール２３１と２３２が形成され、コンタクトホール２３２を介して第３半導体層２５０ｃと上部電極層２２７が接続され、コンタクトホール２３３を介して下部電極層１２９と配線層２２８が接続されている。
【００７３】
ここでは、第１半導体層２５０ａとしてｐ型の導電型を有する非晶質シリコン層と、第２半導体層２５０ｂとして高抵抗な非晶質シリコン層と、第３半導体層２５０ｃとしてｎ型の導電型を有する非晶質シリコン層を積層するｐｉｎ型のフォトダイオードを例示している。なお、高抵抗な非晶質シリコン層としては、暗所室温におけるその電気伝導率が１０−１３以上１０−７Ｓ／ｃｍ以下、好ましくは１０−１２以上１０−８Ｓ／ｃｍ以下のものを用いる。ここでは１０−１１以上１０−１０Ｓ／ｃｍ以下のものを用いる。また、光電効果で発生した正孔の移動度は電子の移動度に比べて小さいため、ｐｉｎ型のフォトダイオードはｐ型の半導体層側を受光面とする方がよい特性を示す。ここでは、増幅回路とｐｉｎ型のフォトダイオードが形成されている基板の面とは逆側の面からフォトダイオード２５０が受ける光を電気信号に変換する。また、受光面とした半導体層側とは逆の導電型を有する半導体層側からの光は外乱光となるため、電極層は遮光性を有する導電膜を用いるとよい。なお、ｎ型の半導体層側を受光面として用いることもできる。その場合は、透光性を有する導電膜を上部電極層２２７に用いればよい。また、下部電極層１２９に遮光性を有する導電膜を用いるとよい。
【００７４】
こうして、光電変換素子としてｐｉｎ型のフォトダイオードを有し、インジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタで構成した増幅回路を有するエリアセンサを構成し、画像情報を電気信号に変換して出力できる。
【００７５】
特性にバラツキが少なく、電界効果移動度が高いインジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタで構成した増幅回路は特性にバラツキが少なく占有面積が小さい。そのような増幅回路をフォトダイオードの増幅回路に用いたエリアセンサは、フォトダイオードがとらえる光の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る。また、増幅回路の占有面積が小さいため光電変換素子の受光部が占有する面積の割合を大きくでき、雑音のすくない電気信号を出力できる。また、インジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタを大面積基板にマトリクス状に配置することは容易であるため、大型のエリアセンサを提供できる。
【００７６】
（実施の形態２）
本実施の形態は、実施の形態１で説明した図４のエリアセンサの作製工程の一態様を図５及び図６を参照して説明する。なお、図５及び図６で作製工程を説明する選択用ＴＦＴ１５１、増幅用ＴＦＴ１５２、及びリセット用ＴＦＴ１５３は主要部において同じ構成を有しているため、工程の説明は選択用ＴＦＴ１５１を中心におこなう。
【００７７】
図５（Ａ）において、基板１００には透光性を有する基板を用いる。ガラス基板としては、市販されているバリウムホウケイ酸ガラス、アルミノホウケイ酸ガラス及びアルミノシリケートガラスなどのガラス基板を用いることができる。例えば、成分比としてホウ酸（Ｂ２Ｏ３）よりも酸化バリウム（ＢａＯ）を多く含み、歪み点が７３０℃以上のガラス基板を用いると好ましい。酸化物半導体層を７００℃程度の高温で熱処理する場合でも、ガラス基板が歪まないで済むからである。
【００７８】
また、透光性を有する基板としては、ガラス基板の他、石英基板、本作製工程の処理温度に耐えうる耐熱性を有するプラスチック基板を用いることができる。特に、インジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタは比較的低温で形成できるため、基板に要求する耐熱温度は低い。また、基板１００上に下地膜として絶縁膜を形成してもよい。下地膜としては、ＣＶＤ法やスパッタリング法等を用いて、酸化珪素膜、窒化珪素膜、酸化窒化珪素膜、または窒化酸化珪素膜の単層、又は積層で形成すればよい。なお、本実施の形態では、透光性を有する基板の一方の側から入射した光が基板を透過し、他方の側に形成されたエリアセンサにより検知される構成について主に説明する。なお、基板上に形成されたエリアセンサに光が基板を透過することなく直接達する構成の場合、基板は透光性である必要はない。
【００７９】
次に、ゲート電極層１１１および図示されていないセンサ出力配線ＳＳ、およびセンサ用電源線ＶＢを含むゲート配線、容量配線および端子部の端子となる導電膜を基板１００全面に成膜する。導電膜は、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、白金（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）などを用いることができる。中でもアルミニウム（Ａｌ）や銅（Ｃｕ）などの低抵抗導電性材料で形成することが望ましいが、アルミニウム単体では耐熱性が劣り、また腐蝕しやすい等の課題があるので耐熱性導電性材料と組み合わせて導電膜を形成する。
【００８０】
アルミニウムを第１成分とする導電膜としては、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、Ｎｄ（ネオジム）、Ｓｃ（スカンジウム）、ニッケル（Ｎｉ）、白金（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、マンガン（Ｍｎ）、炭素（Ｃ）、又はシリコン（Ｓｉ）などの元素、又はこれらの元素を主成分とする合金材料もしくは化合物が添加されたアルミニウム合金を用いる方が好ましい。
【００８１】
また、低抵抗な導電膜上に耐熱性導電材料からなる導電膜を積層して用いることもできる。耐熱性導電性材料としては、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、Ｎｄ（ネオジム）、Ｓｃ（スカンジウム）から選ばれた元素、または上述した元素を成分とする合金か、上述した元素を組み合わせた合金膜、または上述した元素を成分とする窒化物で形成する。
【００８２】
また、透光性を有する導電膜を用いてゲート電極層１１１を形成してもよい。透光性を有する導電膜材料としては酸化インジウム酸化スズ合金（Ｉｎ２Ｏ３―ＳｎＯ２、ＩＴＯと略記する）、珪素もしくは酸化珪素を含有したインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化亜鉛などを用いることもできる。
【００８３】
なお、可視光の透過率が高いインジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体膜と共に、透光性を有する導電膜をゲート電極層やソース電極層及びドレイン電極層など他の配線層に利用すれば、透光性を有した薄膜トランジスタを形成できる。透光性を有した薄膜トランジスタで増幅回路を構成すれば、増幅回路を光電変換素子の受光部に重ねて配置しても、受光部の面積が減らないため、雑音の少ない電気信号を出力するエリアセンサを形成できる。また、受光部の面積を保ったまま、装置を小型化できる。
【００８４】
ゲート電極層１１１となる導電膜は、スパッタリング法や真空蒸着法により、厚さ５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下で形成する。ゲート電極層１１１の厚さを３００ｎｍ以下とすることで、後に形成される半導体膜や配線の段切れ防止が可能である。また、ゲート電極層１１１の厚さを５０ｎｍ以上とすることで、ゲート電極層１１１の抵抗を低減することが可能であり、大面積化が可能である。
【００８５】
なお、ここでは基板１００全面に導電膜としてアルミニウムを第１成分とする膜とチタン膜をスパッタリング法により積層して成膜する。
【００８６】
次いで、本実施の形態における第１のフォトマスクを用いて形成したレジストマスクを使い、基板１００上に形成された導電膜の不要な部分をエッチングして除去して配線及び電極（ゲート電極層１１１を含むゲート配線、容量配線、及び端子）を形成する。このとき少なくともゲート電極層１１１の端部にテーパー形状が形成されるようにエッチングする。
【００８７】
なお、大型の基板にレジストマスクを形成する際に、レジスト材料を全面に塗布すると、大量のレジスト材料や、大量の現像液が消費されてしまう。そこで、インクジェット法などの液滴吐出法や印刷法（スクリーン印刷やオフセット印刷などパターンが形成される方法）によりレジスト材料膜を選択的に形成し、露光を行ってレジストマスクを形成する方法が好ましい。選択的にレジスト材料膜を形成することによって、レジスト材料の使用量の削減が図れるため大幅なコストダウンが実現でき、１０００ｍｍ×１２００ｍｍ、１１００ｍｍ×１２５０ｍｍ、１１５０ｍｍ×１３００ｍｍのような大面積基板にも対応できる。
【００８８】
次にゲート絶縁膜１０２を形成する。ゲート絶縁膜１０２として利用できる絶縁膜としては、酸化珪素膜、窒化珪素膜、酸化窒化珪素膜、窒化酸化珪素膜、酸化アルミニウム膜、窒化アルミニウム膜、酸化マグネシウム膜、酸化イットリウム膜、酸化ハフニウム膜、酸化タンタル膜をその例に挙げることができる。なお、透光性を有する基板の一方の側から入射した光が基板を透過し、他方の側に形成されたエリアセンサにより検知される構成である場合、透光性を有するゲート絶縁膜１０２を用いる必要がある。
【００８９】
ここでは、酸化窒化珪素膜とは、その組成として、窒素よりも酸素の含有量が多いものであって、濃度範囲として酸素が５５〜６５原子％、窒素が１〜２０原子％、Ｓｉが２５〜３５原子％、水素が０．１〜１０原子％の範囲で含まれるものをいう。また、窒化酸化珪素膜とは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多いものであって、濃度範囲として酸素が１５〜３０原子％、窒素が２０〜３５原子％、Ｓｉが２５〜３５原子％、水素が１５〜２５原子％の範囲で含まれるものをいう。
【００９０】
ゲート絶縁膜１０２は単層であっても、絶縁膜を２層または３層積層して形成してもよい。例えば、基板に接するゲート絶縁膜１０２を窒化珪素膜、または窒化酸化珪素膜を用いて形成することで、基板１００とゲート絶縁膜１０２の密着力が高まり、基板１００としてガラス基板を用いた場合、基板１００からの不純物が第１酸化物半導体層１１３に拡散するのを防止することが可能であり、さらにゲート電極層１１１の酸化を防止できる。即ち、膜剥れを防止することができると共に、後に形成される薄膜トランジスタの電気特性を向上させることができる。
【００９１】
また、ゲート絶縁膜１０２の厚さは５０〜２５０ｎｍとする。ゲート絶縁膜１０２の厚さが５０ｎｍ以上であると、ゲート電極層１１１の凹凸を緩和できるため好ましい。
【００９２】
ここでは、ゲート絶縁膜１０２としてプラズマＣＶＤ法またはスパッタリング法により１００ｎｍの厚みの酸化珪素膜を成膜する。この段階での段面図を図５（Ａ）に示す。
【００９３】
次に、本実施の形態における第２のフォトマスクを用いて形成したレジストマスクを使いゲート絶縁膜１０２をエッチングして、配線層１１１＿６に達するコンタクトホール１２５を形成する。なお、図示されていないが配線層１１１＿６は増幅用ＴＦＴ１５２のゲート電極層１１１＿２と接続している。
【００９４】
次に、酸化物半導体膜を形成する前のゲート絶縁膜１０２にプラズマ処理を行ってもよい。ここでは酸素ガスとアルゴンガスを導入して発生させたプラズマを使ってゲート絶縁膜１０２の表面に逆スパッタを行い、露出しているゲート絶縁膜１０２に酸素ラジカル又は酸素を照射する。こうして、表面に付着しているゴミや不純物を除去する。
【００９５】
ゲート絶縁膜１０２のプラズマ処理、並びに第１酸化物半導体膜、及びバッファ層の成膜は、スパッタリング法で、チャンバーに導入するガスまたは用いるターゲットを適宣切り替えることにより大気に触れることなく連続成膜することができる。大気に触れることなく連続成膜すると、不純物の混入を防止することができる。大気に触れることなく連続成膜する場合、マルチチャンバー方式の製造装置を用いることが好ましい。
【００９６】
特に、第１酸化物半導体膜に接するゲート絶縁膜１０２のプラズマ処理と第１酸化物半導体膜の成膜は大気に触れることなく連続で実施するのが望ましい。連続成膜することで、水蒸気などの大気成分や大気中に浮遊する不純物元素やゴミによる汚染がない積層界面を形成できるので、薄膜トランジスタの特性のバラツキを低減できる。
【００９７】
なお、本明細書中で連続成膜とは、スパッタ法で行う第１の処理工程からスパッタ法で行う第２の処理工程までの一連のプロセス中、被処理基板の置かれている雰囲気が大気等の汚染雰囲気に触れることなく、常に真空中または不活性ガス雰囲気（窒素雰囲気または希ガス雰囲気）で制御されていることを言う。連続成膜を行うことにより、清浄化された被処理基板に水分等が再付着することなく成膜できる。なお、逆スパッタ処理のようなプラズマ処理も連続成膜に含むものとする。
【００９８】
プラズマ処理後、ゲート絶縁膜を大気に曝すことなく第１酸化物半導体膜を連続成膜する。連続成膜は、ゲート絶縁膜１０２と第１酸化物半導体膜の界面にゴミや水分を付着させない点で有用である。なお、第１酸化物半導体膜の成膜は、先に逆スパッタを行ったチャンバーと同一チャンバーを用いてもよいし、大気に曝すことなく成膜できるのであれば、先に逆スパッタを行ったチャンバーと異なるチャンバーで成膜してもよい。
【００９９】
ここでは、直径８インチのＩｎ、Ｇａ、及びＺｎを含む酸化物半導体ターゲット（組成比としてＩｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：１）を用いて、基板とターゲットの間との距離を１７０ｍｍ、圧力０．４Ｐａ、直流（ＤＣ）電源０．５ｋＷ、アルゴン又は酸素雰囲気下で成膜する。なお、パルス直流（ＤＣ）電源を用いると、ごみが軽減でき、膜厚分布も均一となるために好ましい。第１酸化物半導体膜の膜厚は、５ｎｍ〜２００ｎｍとする。本実施の形態では第１酸化物半導体膜の膜厚を１００ｎｍとする。
【０１００】
第１酸化物半導体膜の成膜後に大気に曝すことなく、第１酸化物半導体膜上にバッファ層を成膜する。バッファ層は第１酸化物半導体膜より高い電気伝導率を有する第２酸化物半導体膜を用いる。第２酸化物半導体膜は、第１酸化物半導体膜と異なる条件で成膜する。例えば、第２酸化物半導体膜の成膜条件における酸素ガス流量とアルゴンガス流量の比よりも、第１酸化物半導体膜の成膜条件における酸素ガス流量の占める比率が多い条件とする。具体的には、第２酸化物半導体膜の成膜条件は、希ガス（アルゴン、又はヘリウムなど）雰囲気下（または酸素ガス１０％以下、アルゴンガス９０％以上）とし、第１酸化物半導体膜の成膜条件は、酸素雰囲気下（又は酸素ガス流量がアルゴンガス流量以上であって、その比が１：１以上）とする。酸素を多く含む雰囲気で第１酸化物半導体膜を成膜することによって、第２酸化物半導体膜よりも導電率を低くすることができる。また、酸素を多く含む雰囲気で第１酸化物半導体膜を成膜することによって、オフ電流の低減を図ることができるため、オン・オフ比の高い薄膜トランジスタを得ることができる。
【０１０１】
ここでは、直径８インチのＩｎ、Ｇａ、及びＺｎを含む酸化物半導体ターゲット（Ｉｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：１）を用いて、基板とターゲットの間との距離を１７０ｍｍ、圧力０．４Ｐａ、直流（ＤＣ）電源０．５ｋＷ、成膜温度を室温とし、アルゴンガス流量４０ｓｃｃｍを導入してスパッタ成膜を行う。これにより、第２酸化物半導体膜として、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎ及び酸素を成分とする半導体膜が形成される。Ｉｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：１としたターゲットを意図的に用いているにも関わらず、成膜直後で大きさ１ｎｍ〜１０ｎｍの結晶粒を含む酸化物半導体膜がしばしば形成される。
【０１０２】
なお、ターゲットの成分比、成膜圧力（０．１Ｐａ〜２．０Ｐａ）、電力（２５０Ｗ〜３０００Ｗ：８インチφ）、温度（室温〜１００℃）、反応性スパッタの成膜条件などを適宜調節することで結晶粒の有無や、結晶粒の密度や、直径サイズは、１ｎｍ〜１０ｎｍの範囲で調節されうると言える。第２酸化物半導体膜の膜厚は、５ｎｍ〜２０ｎｍとする。勿論、膜中に結晶粒が含まれる場合、含まれる結晶粒のサイズが膜厚を超える大きさとならない。本実施の形態では第２酸化物半導体膜の膜厚は、５ｎｍとする。
【０１０３】
次に、第３のフォトリソグラフィー工程を行い、レジストマスクを形成し、第１酸化物半導体膜および第２酸化物半導体膜をエッチングする。ここではＩＴＯ０７Ｎ（関東化学社製）を用いたウェットエッチングにより、不要な部分を除去して第１酸化物半導体層１１３およびバッファ層１１４を形成する。なお、ここでのエッチングは、ウェットエッチングに限定されずドライエッチングを用いてもよい。
【０１０４】
ドライエッチングに用いるエッチング装置としては、反応性イオンエッチング法（ＲＩＥ法）を用いたエッチング装置や、ＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）やＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）などの高密度プラズマ源を用いたドライエッチング装置を用いることができる。また、ＩＣＰエッチング装置と比べて広い面積に渡って一様な放電が得られやすいドライエッチング装置としては、上部電極を接地させ、下部電極に１３．５６ＭＨｚの高周波電源を接続し、さらに下部電極に３．２ＭＨｚの低周波電源を接続したＥＣＣＰ（Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）モードのエッチング装置がある。このＥＣＣＰモードのエッチング装置であれば、例えば基板として、第１０世代の３ｍを超えるサイズの基板を用いる場合にも対応することができる。この段階での段面図を図５（Ｂ）に示す。
【０１０５】
次に、バッファ層１１４とゲート絶縁膜１０２の上に、第２導電膜１０５をスパッタ法や真空蒸着法で形成する。第２導電膜１０５の材料としては、ゲート電極層１１１の説明で例示したものと同じ材料を使うことができる。また、２００℃〜６００℃の熱処理を行う場合には、この熱処理に耐える耐熱性を導電膜に持たせることが好ましい。
【０１０６】
ここでは、第２導電膜１０５としてＴｉ膜と、そのＴｉ膜上に重ねてＮｄを含むアルミニウム（Ａｌ−Ｎｄ）膜を積層し、さらにその上にＴｉ膜を成膜する３層構造とする。また、第２導電膜１０５は、２層構造としてもよく、アルミニウムを第１成分とする膜上にチタン膜を積層してもよい。また、第２導電膜１０５は、シリコンを含むアルミニウムを第１成分とする膜からなる単層構造や、チタン膜の単層構造としてもよい。なお、成膜の際に第２導電膜１０５はコンタクトホール１２５を介して、配線層１１１＿６と接続する。この段階での段面図を図５（Ｃ）に示す。
【０１０７】
次に、第４のフォトマスクを用いて形成したレジストマスク１３１を使い、エッチングにより第２導電膜１０５の不要な部分を除去して配線及び電極（信号線、容量配線、ソース電極層、及びドレイン電極層（１１５ａ＿１、及び１１５ｂ＿１）を含む電極及び端子）を形成する（図５（Ｄ）参照）。この際のエッチング方法としてウェットエッチングまたはドライエッチングを用いる。ここでは、ＳｉＣｌ４とＣｌ２とＢＣｌ３の混合ガスを反応ガスとしたドライエッチングによりＴｉ膜とＡｌ−Ｎｄ膜とＴｉ膜を順次積層した導電膜をエッチングしてソース電極層、及びドレイン電極層（１１５ａ＿１、及び１１５ｂ＿１）を形成する。
【０１０８】
次に、同じレジストマスク１３１を用いて、バッファ層１１４をエッチングする。ここでは導電膜に引き続きドライエッチングにより、不要な部分を除去してバッファ層１１４ａ、１１４ｂを形成する。なお、ここでのエッチングはドライエッチングに限定されず、ウェットエッチングを用いてもよい。ウェットエッチングは例えばＩＴＯ０７Ｎ（関東化学社製）を用いることができる。また、エッチング条件にもよるがバッファ層１１４のエッチング工程において、第１酸化物半導体層１１３の露出領域も一部エッチングされる。よってバッファ層１１４ａ、とバッファ層１１４ｂの間に挟まれる第１酸化物半導体層１１３のチャネル領域は図５（Ｄ）に示すように膜厚の薄い領域となる。
【０１０９】
次に、レジストマスク１３１を除去する。なお、露出した第１酸化物半導体層１１３＿１にプラズマ処理を行ってもよい。プラズマ処理を行うことにより、第１酸化物半導体層１１３のエッチングによるダメージを回復することができる。プラズマ処理はＯ２、Ｎ２Ｏ、好ましくは酸素を含むＮ２、Ｈｅ、Ａｒ雰囲気下で行うことが好ましい。また、上記雰囲気にＣｌ２、ＣＦ４を加えた雰囲気下で行ってもよい。なお、プラズマ処理は、無バイアスで行うことが好ましい。
【０１１０】
次いで、２００℃〜６００℃、代表的には３００℃〜５００℃の熱処理を行うことが好ましい。ここでは炉に入れ、窒素雰囲気下または大気雰囲気下で３５０℃、１時間の熱処理を行う。この熱処理により酸化物半導体膜を構成しているＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系非単結晶膜の原子レベルの再配列が行われる。この熱処理によりキャリアの移動を阻害する歪が解放されるため、ここでの熱処理（光アニールも含む）は重要である。なお、熱処理を行うタイミングは、第１酸化物半導体膜の成膜後であれば特に限定されず、例えば後に形成する保護層１２８の形成後に行ってもよい。
【０１１１】
以上の工程を経て第１酸化物半導体層１１３＿１をチャネル形成領域とする選択用ＴＦＴ１５１を形成する。なお、選択用ＴＦＴ１５１の形成と平行して、薄膜トランジスタ（１５２、１５３）についても同様に形成する。
【０１１２】
次いで、薄膜トランジスタ（１５１、１５２、および１５３）を覆う第１層間絶縁膜１０９および第２層間絶縁膜１２１を形成する。第１層間絶縁膜１０９および第２層間絶縁膜１２１としてはスパッタリング法などを用いて得られる窒化シリコン膜、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、窒化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化タンタル膜を用いることができる。また、アクリル、ポリイミド、ベンゾシクロブテン、ポリアミド、エポキシ等の耐熱性を有する有機材料を用いることができる。また有機材料の他に、低誘電率材料（ｌｏｗ−ｋ材料）、シロキサン系樹脂、ＰＳＧ（リンガラス）、ＢＰＳＧ（リンボロンガラス）等を用いることができる。シロキサン系樹脂は、置換基としては有機基（例えばアルキル基やアリール基）やフルオロ基を用いても良い。また、有機基はフルオロ基を有していても良い。また、シロキサン系樹脂とは、シロキサン系材料を出発材料として形成されたＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む樹脂に相当する。なお、透光性を有する基板の一方の側から入射した光が基板を透過し、他方の側に形成されたエリアセンサにより検知される構成である場合、透光性を有する第１層間絶縁膜１０９および第２層間絶縁膜１２１を用いる必要がある。
【０１１３】
成膜方法は特に限定されず、その材料に応じて、スパッタリング法、ＳＯＧ法、スピンコート、ディップ、スプレー塗布、液滴吐出法（インクジェット法、スクリーン印刷、オフセット印刷等）、ドクターナイフ、ロールコーター、カーテンコーター、ナイフコーター等を用いることができる。
【０１１４】
第１層間絶縁膜１０９および第２層間絶縁膜１２１はこれらの材料を複数積層して用いてもよい。なお、第２層間絶縁膜１２１は形成しなくても良く、第１層間絶縁膜１０９上に直接フォトダイオード２５０を形成しても良い。
【０１１５】
次に、第５のフォトマスクを用いて第１層間絶縁膜１０９および第２層間絶縁膜１２１にコンタクトホール１２６を形成する。また、第１層間絶縁膜１０９または第２層間絶縁膜１２１をベークする工程で、酸化物半導体層のアニール（３００℃〜４００℃）を兼ねることで効率よくエリアセンサを作製できる。この段階での段面図を図６（Ａ）に示す。
【０１１６】
次いで、ゲート電極層１１１と同様の材料を用いて第３導電膜を成膜し、第６のフォトマスクを用いてレジストマスクを形成し、エッチングにより第３導電膜の不要な部分を除去してフォトダイオードの下部電極層１２９と配線層１２７を形成する。ここでは第３導電膜としてチタンを単層で形成し、ＢＣｌ３とＣｌ２の混合ガスを用いてドライエッチングを行う。ここで形成されたテーパー形状のテーパー角は３０°前後となるように形成する。なお、レジストにハードベークを施すことで、テーパー角を小さくすることができる。
【０１１７】
次に、保護層１２８を形成する。保護層１２８は下部電極層１２９の端部を覆い、光電変換層として機能する半導体層と下部電極層１２９の端部が接して、当該部分に電界が集中するのを防止する。ここでは第７のフォトマスクと感光性のポリイミドを用い、テーパー角の小さい、光の透過率が高い保護層１２８を形成する。この段階での段面図を図６（Ｂ）に示す。
【０１１８】
次に、第１半導体膜、第２半導体膜、第３半導体膜を順次積層する。ここでは、第１半導体膜はｐ型半導体層であり、ｐ型を付与する不純物元素を含むアモルファスシリコン膜により形成する。第１半導体膜の形成には１３族の不純物元素（例えばボロン（Ｂ））を含む半導体材料ガスを用いて、プラズマＣＶＤ法により形成する。半導体材料ガスとしてはシラン（ＳｉＨ４）を用いればよい。または、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＳｉＦ４等を用いてもよい。また、不純物元素を含まないアモルファスシリコン膜を形成した後に、拡散法やイオン注入法を用いて該アモルファスシリコン膜に不純物元素を導入してもよい。イオン注入法等により不純物元素を導入した後に加熱等を行うことで、不純物元素を拡散させるとよい。この場合にアモルファスシリコン膜を形成する方法としては、ＬＰＣＶＤ法、気相成長法、又はスパッタリング法等を用いればよい。第１半導体膜の膜厚は１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下となるよう形成することが好ましい。
【０１１９】
第２半導体膜は、ｉ型半導体層（真性半導体層）であり、アモルファスシリコン膜により形成する。第２半導体膜の形成には、半導体材料ガスを用いて、アモルファスシリコン膜をプラズマＣＶＤ法により形成する。半導体材料ガスとしては、シラン（ＳｉＨ４）を用いればよい。または、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＳｉＦ４等を用いてもよい。第２半導体膜の形成は、ＬＰＣＶＤ法、気相成長法、スパッタリング法等により行っても良い。第２半導体膜の膜厚は２００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下となるように形成することが好ましい。
【０１２０】
第３半導体膜は、ｎ型半導体層であり、ｎ型を付与する不純物元素を含むアモルファスシリコン膜により形成する。第３半導体膜の形成には、１５族の不純物元素（例えばリン（Ｐ））を含む半導体材料ガスを用いて、プラズマＣＶＤ法により形成する。半導体材料ガスとしてはシラン（ＳｉＨ４）を用いればよい。または、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＳｉＦ４等を用いてもよい。また、不純物元素を含まないアモルファスシリコン膜を形成した後に、拡散法やイオン注入法を用いて該アモルファスシリコン膜に不純物元素を導入してもよい。イオン注入法等により不純物元素を導入した後に加熱等を行うことで、不純物元素を拡散させるとよい。この場合にアモルファスシリコン膜を形成する方法としては、ＬＰＣＶＤ法、気相成長法、又はスパッタリング法等を用いればよい。第３半導体膜の膜厚は２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下となるよう形成することが好ましい。
【０１２１】
また、第１半導体膜、第２半導体膜、及び第３半導体膜は、アモルファス半導体ではなく、多結晶半導体を用いて形成してもよいし、セミアモルファス半導体（Ｓｅｍｉ Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ。以下、ＳＡＳという。）を用いて形成してもよい。
【０１２２】
なお、ＳＡＳとは、非晶質半導体と結晶構造を有する半導体（単結晶、多結晶を含む）の中間的な構造の半導体である。ＳＡＳは、自由エネルギー的に安定な第３の状態を有する半導体であって、短距離秩序を持ち、格子歪みを有する結晶質であり、その粒径を０．５〜２０ｎｍとして非単結晶半導体膜中に分散させて存在せしめることが可能である。ＳＡＳは、ラマンスペクトルが５２０ｃｍ−１よりも低波数側にシフトしており、また、Ｘ線回折ではＳｉ結晶格子に由来するとされる（１１１）、（２２０）の回折ピークが観測される。また、未結合手（ダングリングボンド）を終端させるために、水素又はハロゲンを少なくとも１原子％以上含ませている。本明細書では便宜上、このような半導体をＳＡＳと呼ぶ。さらに、ヘリウム、アルゴン、クリプトン、ネオン等の希ガス元素を含ませて格子歪みをさらに助長させることで、安定性が増し良好な特性を有することができる。なお微結晶半導体（マイクロクリスタル半導体）もＳＡＳに含まれる。ＳＡＳはシリコンを含む気体をグロー放電分解することにより得ることができる。代表的なシリコンを含む気体としては、シラン（ＳｉＨ４）であり、その他にもＳｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＳｉＦ４等を用いることができる。また水素や、水素にヘリウム、アルゴン、クリプトン、ネオンから選ばれた少なくとも一種の希ガス元素を含ませたガスにより、これらのシリコンを含む気体を希釈して用いることで、ＳＡＳの形成を容易なものとすることができる。シリコンを含む気体は、希釈率が２倍〜１０００倍になるように希釈されることが好ましい。さらには、シリコンを含む気体中に、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ６等の炭化物気体、ＧｅＨ４、ＧｅＦ４等のゲルマニウム化気体、Ｆ２等を混入させることで、エネルギーバンド幅を１．５〜２．４ｅＶ、又は０．９〜１．１ｅＶに調節することができる。
【０１２３】
次に、第８のフォトリソグラフィー工程を行い、レジストマスクを形成し、エッチングにより、第１半導体膜、第２半導体膜、および第３半導体膜の不要な部分を除去して、第１半導体層２５０ａ、第２半導体層２５０ｂ、第３半導体層２５０ｃを形成する。なお、ここではＣＦ４とＣｌ２の混合ガス、ＣＦ４とＯ２の混合ガス、ＣＨＦ３とＨｅの混合ガス等を用いてドライエッチングを行い、テーパー部にエッチング残渣が残らないようにする。
【０１２４】
次に、第３層間絶縁膜２２１を形成する。第３層間絶縁膜２２１は絶縁性を有する材料であればよく、特定の材料や形成方法に限定されず、例えば第１層間絶縁膜１０９および第２層間絶縁膜１２１に用いる材料により形成すればよい。形成に用いる材料としては酸化珪素系材料、窒化珪素系材料、シロキサン樹脂等が挙げられる。ここでは第９のフォトマスクと感光性ポリイミド樹脂を用いて、第３層間絶縁膜２２１を形成する。第３層間絶縁膜２２１は下部電極層１２９に達するコンタクトホール２３３と、第３半導体層２５０ｃに達するコンタクトホール２３２と、配線層１２７に達するコンタクトホール２３１を有する。この段階での段面図を図６（Ｃ）に示す。
【０１２５】
次いで、ゲート電極層１１１と同様の材料を用いて第４導電膜を成膜し、第１０のフォトマスクを用いて形成したレジストマスクを使い、第４導電膜の不要な部分をエッチングにより除去してフォトダイオードの上部電極層２２７と、配線層２２８を形成する。上部電極層２２７はコンタクトホール２３２を介して第３半導体層２５０ｃと接続し、コンタクトホール２３２を介して配線層１２７に接続している。また、配線層２２８はコンタクトホール２３３を介して下部電極層１２９と接続し、図示されていないが共通配線に接続している。ここでは、第４導電膜としてアルミニウムを主成分とする膜とチタン膜をスパッタリング法により積層して成膜する。この段階での段面図を図６（Ｄ）に示す。
【０１２６】
なお、大型の基板に多数個のエリアセンサを形成した場合は、分断装置をもちいて基板を分断してエリアセンサを切り離す。また、大型の基板に多数個のラインセンサまたはフォトセンサを形成した場合も同様にして切り離して用いる。
【０１２７】
こうして、光電変換素子としてｐｉｎ型のフォトダイオードを有し、インジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタで構成した増幅回路を有するエリアセンサを作製できる。
【０１２８】
なお、上述の透光性を有する基板の一方の側から入射した光が基板を透過し、他方の側に形成されたエリアセンサにより検知される構成とは異なり、基板上に形成されたエリアセンサに光が直接達する構成も本発明の一態様に含まれる。具体的には、透光性を有する導電膜を第４導電膜に用いて、透光性を有する上部電極層２２７を形成すれば、第３の半導体層２５０ｃ側を受光面としてエリアセンサを形成できる。なお、基板を透過して第１の半導体層２５０ａに入射する光は外乱光となるため、遮光性を有する導電膜を用いて第２層間絶縁膜１２１と第１の半導体層の間に下部電極層１２９を延在して設けるとよい。
【０１２９】
本実施の形態で例示した特性にバラツキが少なく、電界効果移動度が高いインジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタで構成した増幅回路は、特性にバラツキが少なく占有面積が小さい。そのような増幅回路をフォトダイオードの増幅回路に用いたエリアセンサは、フォトダイオードがとらえる光の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る。また、インジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタを大面積基板にマトリクス状に配置することは容易であるため、大型のエリアセンサを提供できる。
【０１３０】
（実施の形態３）
本実施の形態は、実施の形態２とは異なるエリアセンサの一態様を、図７を参照してその作製工程を説明する。本実施の形態のエリアセンサは、基板上に形成されたエリアセンサに光が直接達する構成を有する。
【０１３１】
実施の形態２で説明した方法で、４枚のフォトマスクを用いて基板上にインジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタで構成した増幅回路と、第１層間絶縁膜１０９および第２層間絶縁膜１２１を形成する。この段階での段面図を図７（Ａ）に示す。なお、基板上に形成されたエリアセンサに光が直接達する構成の場合、基板１００、ゲート絶縁膜１０２、第１層間絶縁膜１０９、乃至第２層間絶縁膜１２１は必ずしも透光性を有していなくても良い。また、第２層間絶縁膜１２１は形成しなくても良く、第１層間絶縁膜１０９上に直接フォトダイオード２５１を形成しても良い。
【０１３２】
次に、本実施の形態における第５のフォトマスクを用いて形成したレジストマスクを使って、第１層間絶縁膜および第２層間絶縁膜にリセット用ＴＦＴ１５３のソース電極層１１５ｂ＿３に達するコンタクトホール１２６を形成する。
【０１３３】
次いで、実施の形態２で説明したゲート電極層１１１と同様の材料を用いて第３導電膜を成膜し、本実施の形態の第６のフォトマスクを用いてレジストマスクを形成し、エッチングにより第３導電膜の不要な部分を除去してフォトダイオードの下部電極層１２９を形成する。また、下部電極層１２９はコンタクトホール１２６を介して増幅回路と接続している。ここでは第３導電膜としてチタンを単層で形成し、ＢＣｌ３とＣｌ２の混合ガスを用いてドライエッチングを行う。この段階での段面図を図７（Ｂ）に示す。
【０１３４】
次に、第１半導体膜、第２半導体膜、第３半導体膜を順次積層する。本実施の形態では第１半導体膜は、ｎ型半導体層であり、ｎ型を付与する不純物元素を含むアモルファスシリコン膜により形成する。第１半導体膜の形成には、１５族の不純物元素（例えばリン（Ｐ））を含む半導体材料ガスを用いて、プラズマＣＶＤ法により形成する。半導体材料ガスとしてはシラン（ＳｉＨ４）を用いればよい。または、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＳｉＦ４等を用いてもよい。また、不純物元素を含まないアモルファスシリコン膜を形成した後に、拡散法やイオン注入法を用いて該アモルファスシリコン膜に不純物元素を導入してもよい。イオン注入法等により不純物元素を導入した後に加熱等を行うことで、不純物元素を拡散させるとよい。この場合にアモルファスシリコン膜を形成する方法としては、ＬＰＣＶＤ法、気相成長法、又はスパッタリング法等を用いればよい。第１半導体膜の膜厚は２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下となるよう形成することが好ましい。
【０１３５】
第２半導体膜は、ｉ型半導体層（真性半導体層）であり、アモルファスシリコン膜により形成する。第２半導体膜の形成には、半導体材料ガスを用いて、アモルファスシリコン膜をプラズマＣＶＤ法により形成する。半導体材料ガスとしては、シラン（ＳｉＨ４）を用いればよい。または、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＳｉＦ４等を用いてもよい。第２半導体膜の形成は、ＬＰＣＶＤ法、気相成長法、スパッタリング法等により行っても良い。第２半導体膜の膜厚は２００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下となるように形成することが好ましい。
【０１３６】
第３半導体膜はｐ型半導体層であり、ｐ型を付与する不純物元素を含むアモルファスシリコン膜により形成する。第３半導体膜の形成には１３族の不純物元素（例えばボロン（Ｂ））を含む半導体材料ガスを用いて、プラズマＣＶＤ法により形成する。半導体材料ガスとしてはシラン（ＳｉＨ４）を用いればよい。または、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＳｉＦ４等を用いてもよい。また、不純物元素を含まないアモルファスシリコン膜を形成した後に、拡散法やイオン注入法を用いて該アモルファスシリコン膜に不純物元素を導入してもよい。イオン注入法等により不純物元素を導入した後に加熱等を行うことで、不純物元素を拡散させるとよい。この場合にアモルファスシリコン膜を形成する方法としては、ＬＰＣＶＤ法、気相成長法、又はスパッタリング法等を用いればよい。第３半導体膜の膜厚は１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下となるよう形成することが好ましい。
【０１３７】
また、実施の形態２の説明と同様、第１半導体膜、第２半導体膜、及び第３半導体膜はアモルファス半導体ではなく、多結晶半導体を用いて形成してもよいし、セミアモルファス半導体（Ｓｅｍｉ Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ。以下、ＳＡＳという。）を用いて形成してもよい。
【０１３８】
次に、第７のフォトリソグラフィー工程を行い、レジストマスクを形成し、エッチングにより、第１半導体膜、第２半導体膜、および第３半導体膜の不要な部分を除去して、第１半導体層２５１ａ、第２半導体層２５１ｂ、第３半導体層２５１ｃを形成する。なお、ここではＣＦ４とＣｌ２の混合ガス、ＣＦ４とＯ２の混合ガス、ＣＨＦ３とＨｅの混合ガス等を用いてドライエッチングを行い、テーパー部にエッチング残渣が残らないようにする。
【０１３９】
次に、第３層間絶縁膜２２１を形成する。第３層間絶縁膜２２１は絶縁性を有する材料であればよく、ここでは第８のフォトマスクと感光性ポリイミド樹脂を用いて、実施の形態２と同様に形成する。第３層間絶縁膜２２１は第３半導体層２５１ｃに達するコンタクトホール２２５を有する。この段階での段面図を図７（Ｃ）に示す。
【０１４０】
次いで、第３半導体層２５１ｃ上と第３層間絶縁膜２２１上に透光性のある第４導電膜を成膜する。透光性のある第４導電膜としては、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム錫酸化物（以下、ＩＴＯと示す。）、インジウム亜鉛酸化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などをその例に挙げることができる。
【０１４１】
第９のフォトマスクを用いて形成したレジストマスクを使い、第４導電膜の不要な部分をエッチングにより除去してフォトダイオードの上部電極層２２７を形成する。なお、上部電極層２２７は共通配線と接続する。この段階での段面図を図７（Ｄ）に示す。
【０１４２】
ここでは、第１半導体層２５１ａとしてｎ型の導電型を有する非晶質シリコン層と、第２半導体層２５１ｂとして高抵抗な非晶質シリコン層と、第３半導体層２５１ｃとしてｐ型の導電型を有する非晶質シリコン層を積層するｎｉｐ型のフォトダイオードを例示している。また、光電効果で発生した正孔の移動度は電子の移動度に比べて小さいため、ｎｉｐ型のフォトダイオードはｐ型の半導体層側を受光面とする方がよい特性を示す。ここでは、増幅回路とｎｉｐ型のフォトダイオードが形成されている基板の面からフォトダイオード２５１が受ける光を電気信号に変換する。また、受光面とした半導体層側とは逆の導電型を有する半導体層側からの光は外乱光となるため、電極層は遮光性を有する導電膜を用いるとよい。また、ｎ型の半導体層側を受光面として用いることもできる。
【０１４３】
こうして、光電変換素子としてｎｉｐ型のフォトダイオードを有し、インジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタで構成した増幅回路を有するエリアセンサが得られる。
【０１４４】
本実施の形態のエリアセンサが有するフォトダイオード２５１は上部電極層２２７側を受光面とする。上部電極層２２７の上には層間絶縁膜などが積層されていないため、積層界面における入射光の散乱が少なく、光の強度が損なわれることがない。従って、フォトダイオード２５１は良好な感度を示す。
【０１４５】
上述の実施の形態では、基板上に形成されたエリアセンサに光が基板を透過することなく直接入射する構成を説明したが、透光性を有する基板の一方の側から入射した光が、基板を透過して、他方の側に形成されたエリアセンサに入射する構成も本発明の一態様に含まれる。例えば、透光性を有する導電膜を第３導電膜に用いて透光性を有する下部電極層１２９を形成すれば、第１の半導体層２５１ａ側を受光面とするエリアセンサを形成できる。なお、基板を透過せずに第３の半導体層２５１ｃに直接入射する光は外乱光になる。そこで、遮光性を有する導電膜を用いて上部電極層２２７を形成し、第３の半導体層２５１ｃに入射する外乱光を遮光する。
【０１４６】
特性にバラツキが少なく、電界効果移動度が高いインジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタで構成した増幅回路は特性にバラツキが少なく占有面積が小さい。そのような増幅回路をフォトダイオードの増幅回路に用いたエリアセンサは、フォトダイオードがとらえる光の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る。また、インジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタを大面積基板にマトリクス状に配置することは容易であるため、大型のエリアセンサを提供できる。
【０１４７】
（実施の形態４）
【０１４８】
本実施の形態は、マトリクス状に配置された画素毎に光電変換素子と表示素子と、インジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体に代表される酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタで構成した増幅回路と表示素子の駆動回路を設けた、アクティブマトリクス型のエリアセンサ付き表示装置の一態様を、図８乃至図１０を参照して説明する。なお、本実施の形態では、フルカラー画像の表示と取り込みが可能な構成を例示する。
【０１４９】
本実施の形態のエリアセンサ付き表示装置は、マトリクス状に配置した表示素子を用いた表示装置として利用できる。また、マトリクス状に配置した表示素子を被写体の照明装置としても利用できる。例えば、エリアセンサ付き表示装置を被写体に密着し、表示素子が照明装置となって被写体を照明し、当該被写体の反射光をエリアセンサが電気信号に変換することによって、当該エリアセンサ付き表示装置は密着型エリアセンサとして利用できる。なお、ここでは表示素子としてエレクトロルミネッセンスを利用する有機発光素子を適用した例を示すが、表示素子は有機発光素子のような自発光型にかぎらず例えば液晶素子のバックライトを被写体の照明装置として用いてもよい。
【０１５０】
なお、有機発光素子は電圧を印加することにより、一対の電極から電子および正孔がそれぞれ発光性の有機化合物を含む層に注入され、電流が流れる。そして、それらキャリア（電子および正孔）が再結合することにより、発光性の有機化合物が励起状態を形成し、その励起状態が基底状態に戻る際に発光する。このようなメカニズムから、このような発光素子は、電流励起型の発光素子と呼ばれる。
【０１５１】
図８はエリアセンサ付き表示部２１を構成する、ソース信号線Ｓ１〜Ｓｘ、電源供給線Ｖ１〜Ｖｘ、ゲート信号線Ｇ１〜Ｇｙ、リセット用ゲート信号線ＲＧ１〜ＲＧｙ、センサ用ゲート信号線ＳＧ１〜ＳＧｙ、センサ出力配線ＳＳ１〜ＳＳｘ、センサ用電源線ＶＢと複数の画素２２の接続を説明する図である。
【０１５２】
エリアセンサ付き表示部２１は複数の画素２２がマトリクス状に配列して構成されている。画素２２は、ソース信号線Ｓ１〜Ｓｘのいずれか一つと、電源供給線Ｖ１〜Ｖｘのいずれか一つと、ゲート信号線Ｇ１〜Ｇｙのいずれか一つと、リセット用ゲート信号線ＲＧ１〜ＲＧｙのいずれか１つと、センサ用ゲート信号線ＳＧ１〜ＳＧｙのいずれか１つと、センサ出力配線ＳＳ１〜ＳＳｘのいずれか１つと、センサ用電源線ＶＢと接続されている。
【０１５３】
センサ出力配線ＳＳ１〜ＳＳｘはそれぞれ定電流電源１３＿１〜１３＿ｘに接続されている。
【０１５４】
また、本実施の形態で例示するフルカラー画像の取り込みが可能なエリアセンサの場合、エリアセンサ付き表示部２１はＲ（赤）Ｇ（緑）Ｂ（青）の各色に対応した画素を有している。ＲＧＢの各色に対応した画素は、それぞれＲＧＢの各色に対応した三種類の表示素子と光電変換素子を有している。ＲＧＢの各色に対応した表示素子としては、ＲＧＢの各色に発光する三種類の有機発光素子や、白色発光の有機発光素子とＲＧＢの三種類のカラーフィルターを組み合わせたもの、または青色又は青緑発光の有機発光素子と蛍光体（蛍光性の色変換層：ＣＣＭ）とを有しているものをその例に挙げることができる。また、カラーフィルターを搭載した液晶素子を用いてもよい。
【０１５５】
ＲＧＢの各色に対応した光電変換素子としては、ＲＧＢの三種類のカラーフィルターとフォトダイオードを組み合わせたものを用いることができる。ここでは、マトリクス状にフォトダイオードが形成された基板に、マトリクス状にカラーフィルターが形成された対向基板を、位置あわせして貼り合わせ、カラーフィルター付きのフォトダイオードを形成する。カラーフィルターは、フォトダイオードにカラーフィルターを通して光が入射するように配置すれば良い。
【０１５６】
また、本実施の形態で例示する画素部には、ＲＧＢのいずれかの色で発光する発光素子がマトリクス状に配置されている。そして、同じ発光色の発光素子毎に発光して被写体を照明し、被写体が反射する光を同じく画素に配置されたフォトダイオードが検知する。
【０１５７】
図９は画素部の光電変換素子と、有機発光素子と、インジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタで構成した増幅回路と表示素子の駆動回路の接続の一例を示す。ソース信号線Ｓは、ソース信号線Ｓ１〜Ｓｘのいずれか一つを意味する。また電源供給線Ｖは電源供給線Ｖ１〜Ｖｘのいずれか一つを意味する。またゲート信号線Ｇは、ゲート信号線Ｇ１〜Ｇｙのいずれか一つを意味する。またリセット用ゲート信号線ＲＧはリセット用ゲート信号線ＲＧ１〜ＲＧｙのいずれか１つを意味する。またセンサ用ゲート信号線ＳＧはセンサ用ゲート信号線ＳＧ１〜ＳＧｙのいずれか１つを意味する。またセンサ出力配線ＳＳはセンサ出力配線ＳＳ１〜ＳＳｘのいずれか１つを意味する。さらに画素２２は、ＥＬ駆動用ＴＦＴ１５４、スイッチング用ＴＦＴ１５５、有機発光素子１５６を有している。また、フォトダイオードの選択用ＴＦＴ１５１、増幅用ＴＦＴ１５２、リセット用ＴＦＴ１５３、フォトダイオード２５２を有している。なお図９では画素２２にコンデンサ１５７が設けられているが、コンデンサ１５７を設けなくとも良い。
【０１５８】
有機発光素子１５６は陽極と陰極と、陽極と陰極との間に設けられた発光材料を含む層４１６とからなる。ここでは、有機発光素子１５６の陽極（画素電極）をＥＬ駆動用ＴＦＴ１５４のソース領域と接続し、有機発光素子１５６の陰極を共通電極と接続する。
【０１５９】
スイッチング用ＴＦＴ１５５のゲート電極はゲート信号線Ｇに接続されている。そしてスイッチング用ＴＦＴ１５５のソース電極とドレイン電極の一方がソース信号線Ｓに、もう一方がＥＬ駆動用ＴＦＴ１５４のゲート電極に接続されている。
【０１６０】
ＥＬ駆動用ＴＦＴ１５４のソース電極とドレイン電極の一方が電源供給線Ｖに、もう一方が有機発光素子１５６に接続されている。コンデンサ１５７はＥＬ駆動用ＴＦＴ１５４のゲート電極と電源供給線Ｖとに接続して設けられている。
【０１６１】
フォトダイオードと増幅回路に関わる、選択用ＴＦＴ１５１、増幅用ＴＦＴ１５２、リセット用ＴＦＴ１５３、フォトダイオード２５２、ゲート信号線ＲＧ、センサ用ゲート信号線ＳＧ、センサ用電源線ＶＢ、およびセンサ出力配線ＳＳは実施の形態１と同様に接続する。センサ出力配線ＳＳは定電流電源１３（定電流電源１３＿１〜１３＿ｘのいずれか１つ）に接続されており、常に一定の電流が流れている。
【０１６２】
まず、本実施の形態のエリアセンサつき表示装置にビデオ信号を入力し、有機発光素子をビデオ信号で制御して表示装置として駆動する方法について説明する。
【０１６３】
ここでは有機発光素子１５６の陰極を接続する共通配線は、低電源電位が設定されている。低電源電位とは、電源供給線Ｖに設定される高電源電位を基準にして低電源電位＜高電源電位を満たす電位であり、低電源電位としては例えばＧＮＤ、０Ｖなどが設定されていても良い。この高電源電位と低電源電位との電位差を有機発光素子１５６に印加して、有機発光素子１５６に電流を流して有機発光素子１５６を発光させるため、高電源電位と低電源電位との電位差が有機発光素子１５６の順方向しきい値電圧以上となるようにそれぞれの電位を設定する。
【０１６４】
ここで、電圧入力電圧駆動方式の場合には、ＥＬ駆動用ＴＦＴ１５４のゲートには、ＥＬ駆動用ＴＦＴ１５４が十分にオンするか、オフするかの二つの状態となるようなビデオ信号を入力する。つまり、ＥＬ駆動用ＴＦＴ１５４は線形領域で動作させる。ＥＬ駆動用ＴＦＴ１５４は線形領域で動作させるため、電源供給線Ｖの電圧よりも高い電圧をＥＬ駆動用ＴＦＴ１５４のゲートにかける。なお、ソース信号線Ｓには、（電源線電圧＋ＥＬ駆動用ＴＦＴ１５４のＶｔｈ）以上の電圧をかける。
【０１６５】
また、デジタル時間階調駆動に代えて、アナログ階調駆動を行う場合、信号の入力を異ならせることで、図８と同じ画素構成を用いることができる。
【０１６６】
アナログ階調駆動を行う場合、ＥＬ駆動用ＴＦＴ１５４のゲートに有機発光素子１５６の順方向電圧＋ＥＬ駆動用ＴＦＴ１５４のＶｔｈ以上の電圧をかける。有機発光素子１５６の順方向電圧とは、所望の輝度とする場合の電圧を指しており、少なくとも順方向しきい値電圧を含む。なお、ＥＬ駆動用ＴＦＴ１５４が飽和領域で動作するようなビデオ信号を入力することで、有機発光素子１５６に電流を流すことができる。ＥＬ駆動用ＴＦＴ１５４を飽和領域で動作させるため、電源供給線Ｖの電位は、ＥＬ駆動用ＴＦＴ１５４のゲート電位よりも高くする。ビデオ信号をアナログとすることで、有機発光素子１５６にビデオ信号に応じた電流を流し、アナログ階調駆動を行うことができる。
【０１６７】
なお、図９に示す画素構成は、これに限定されない。例えば、図９に示す画素に新たにスイッチ、抵抗素子、容量素子、トランジスタ又は論理回路などを追加してもよい。
【０１６８】
次に、エリアセンサの被写体を照らす照明として、表示素子を用いる方法について説明する。なお、ここでは、画素２２に接続した有機発光素子１５６をフォトダイオード２５２のサンプリング期間において発光させる場合について説明する。具体的には、１ライン目の画素が有する有機発光素子を、サンプリング期間ＳＴ１の間発光させる場合について説明する。なお全ての画素がセンサフレーム期間ＳＦの間、常に発光していても良い。
【０１６９】
表示素子を表示装置として駆動するにせよ、被写体を照らす照明として駆動するにせよ、マトリクス状に配置した表示素子から均一な強度の光が放出される方が好ましい。光の強度にムラがあれば、表示ムラや読み取りムラを生じてしまい、高品位の表示もしくは画像の読み取りが困難になる。本実施の形態が例示する発光素子の場合、ＥＬ駆動用ＴＦＴ１５４のＩｄ−ＶＧＳ特性の再現性は重要であり、特性にバラツキがあると、マトリクス状に配置した有機発光素子１５６から均一な発光を得ることができない。
【０１７０】
次に、インジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いたｎチャネル型薄膜トランジスタを選択用ＴＦＴ１５１、増幅用ＴＦＴ１５２、およびリセット用ＴＦＴ１５３に用いたエリアセンサが、カラー画像を読み込む動作を図１０のタイミングチャートを用いて説明する。
【０１７１】
はじめに、Ｒに対応する画素の有機発光素子が発光している期間内に、サンプル期間ＳＴ１〜ＳＴｙの全てが出現する。このＲに対応する画素の有機発光素子が発光している期間内において、サンプリング期間ＳＴ１〜ＳＴｙの全てが出現するまでの期間をＲ用センサフレーム期間ＳＦｒと呼ぶ。Ｒ用センサフレーム期間ＳＦｒにおいてＲに対応する画像信号がエリアセンサ内に取り込まれる。なおＲ用センサフレーム期間ＳＦｒにおいて、Ｇ、Ｂに対応する画素は発光を行わない。すなわち、Ｒ用センサフレーム期間ＳＦｒにおいて、被写体は照射されたＲ光の一部を反射し、フォトセンサがその反射光を捉える。
【０１７２】
次に、Ｇに対応する画素の有機発光素子が発光している期間内に、サンプル期間ＳＴ１〜ＳＴｙの全てが出現する。このＧに対応する画素の有機発光素子が発光している期間内において、サンプリング期間ＳＴ１〜ＳＴｙの全てが出現するまでの期間をＧ用センサフレーム期間ＳＦｇと呼ぶ。Ｇ用センサフレーム期間ＳＦｇにおいてＧに対応する画像信号がエリアセンサ内に取り込まれる。なおＧ用センサフレーム期間ＳＦｇにおいて、Ｒ、Ｂに対応する画素は発光を行わない。すなわち、Ｇ用センサフレーム期間ＳＦｇにおいて、被写体は照射されたＧ光の一部を反射し、フォトセンサがその反射光を捉える。
【０１７３】
次に、Ｂに対応する画素の有機発光素子が発光している期間内に、サンプル期間ＳＴ１〜ＳＴｙの全てが出現する。このＢに対応する画素の有機発光素子が発光している期間内において、サンプリング期間ＳＴ１〜ＳＴｙの全てが出現するまでの期間をＢ用センサフレーム期間ＳＦｂと呼ぶ。Ｂ用センサフレーム期間ＳＦｂにおいてＢに対応する画像信号がエリアセンサ内に取り込まれる。Ｂ用センサフレーム期間ＳＦｂにおいて、Ｒ、Ｇに対応する画素は発光を行わない。すなわち、Ｂ用センサフレーム期間ＳＦｂにおいて、被写体は照射されたＢ光の一部を反射し、フォトセンサがその反射光を捉える。
【０１７４】
Ｒ用センサフレーム期間ＳＦｒと、Ｇ用センサフレーム期間ＳＦｇと、Ｂ用センサフレーム期間ＳＦｂの全てが出現するまでの期間がセンサフレーム期間ＳＦである。エリアセンサは、センサフレーム期間ＳＦを経て１つのカラー画像を画像信号として読み込む。
【０１７５】
また各サンプリング期間において、各色に対応する画素の有機発光素子を常に発光させておく。例えばＢ用センサフレーム期間内のサンプリング期間ＳＴ１においては、１ライン目の画素のうちＢに対応する画素の有機発光素子は常に発光していることが重要である。またＲ用、Ｇ用、Ｂ用センサフレーム期間（ＳＦｒ、ＳＦｇ、ＳＦｂ）のそれぞれにおいて、各色に対応する画素を常に発光させておく。
【０１７６】
フォトダイオード２５２が電気信号に変換した被写体からの反射光の強度は、実施の形態１と同様に、リセット用ＴＦＴ１５３がオフ、選択用ＴＦＴ１５１がオンの状態において、増幅用ＴＦＴ１５２のゲート電位に反映される。増幅用ＴＦＴ１５２がそのゲート電位をソース領域の電位に反映する。その結果、フォトダイオード２５２がとらえた光の強度がセンサ出力配線ＳＳ１に出力される。したがって、フォトダイオードの増幅に用いるトランジスタには、特性の再現性が求められる。本実施の形態が例示する増幅回路の場合、増幅用ＴＦＴ１５２のＩｄ−ＶＧＳ特性の再現性が重要であり、特性にバラツキがあるとマトリクス状に配置したフォトダイオード２５２が捉えた光の強度分布を正しく出力配線に出力することが困難になる。
【０１７７】
上述の方法によれば、フォトダイオード２５２は、被写体が反射するＲ光、Ｇ光、及びＢ光の強度分布を、各センサフレーム期間に分けて捉えることができる。すなわち、発光素子の発光色を用いて、被写体像を色分解できる。このように、ＲＧＢの発光素子を発光色毎に分けて被写体を照明すれば、ＲＧＢに対応する三種類のフォトダイオードを用意する必要は必ずしもなくなり、フォトダイオードの受光面にカラーフィルターを形成する工程を省略できる。
【０１７８】
図１１はエリアセンサ付き表示装置の一例を示す断面図である。具体的には、フォトダイオードと、有機発光素子と、インジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタで構成した増幅回路と、表示素子の駆動回路の断面図である。図１１を参照してエリアセンサの一構成例を説明する。なお、ここでは実施の形態１とは異なる構造を有するインジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタを例示する。
【０１７９】
まず、選択用ＴＦＴ１５１、増幅用ＴＦＴ１５２、リセット用ＴＦＴ１５３、ＥＬ駆動用ＴＦＴ１５４、及びスイッチング用ＴＦＴ１５５の構成について説明する。選択用ＴＦＴ１５１、増幅用ＴＦＴ１５２、リセット用ＴＦＴ１５３、ＥＬ駆動用ＴＦＴ１５４、及びスイッチング用ＴＦＴ１５５は主要部において同じ構成を有しているため、以下選択用ＴＦＴ１５１を中心に説明する。
【０１８０】
選択用ＴＦＴ１５１、増幅用ＴＦＴ１５２、リセット用ＴＦＴ１５３、ＥＬ駆動用ＴＦＴ１５４、及びスイッチング用ＴＦＴ１５５はそれぞれ、リセット用ゲート信号線ＲＧ、センサ用ゲート信号線ＳＧ、ゲート信号線Ｇと同じ層で形成されるゲート電極層１１１＿１、ゲート電極層１１１＿２、ゲート電極層１１１＿３、ゲート電極層１１１＿４、およびゲート電極層１１１＿５を有している。ゲート電極層１１１＿１、ゲート電極層１１１＿２、ゲート電極層１１１＿３、ゲート電極層１１１＿４、およびゲート電極層１１１＿５は、基板１００上に形成され、ゲート電極層１１１＿１、ゲート電極層１１１＿２、ゲート電極層１１１＿３、ゲート電極層１１１＿４、およびゲート電極層１１１＿５上にはゲート絶縁膜１０２が形成されている。
【０１８１】
センサ出力配線ＳＳ、センサ用電源線ＶＢ、ソース信号線Ｓおよび電源供給線Ｖと同じ層で形成されるソース電極層、及びドレイン電極層（１１５ａ＿１、及び１１５ｂ＿１）がゲート絶縁膜１０２上にゲート電極層１１１＿１上に端部を重畳して形成されている。
【０１８２】
また、リセット用ＴＦＴ１５３のソース電極層１１５ｂ＿３は、ゲート絶縁膜１０２に設けたコンタクトホール１２５を介して配線層１１１＿６と直接接続している。接続箇所を減らすことで、電気抵抗の増加をもたらす接続界面の数だけでなく、コンタクトホールが占有する面積を減らしている。なお、図示されていないが配線層１１１＿６は増幅用ＴＦＴ１５２のゲート電極層１１１＿２と接続している。
【０１８３】
第１酸化物半導体層１１３＿１は、相対するソース電極層、及びドレイン電極層（１１５ａ＿１、及び１１５ｂ＿１）の上にゲート電極層１１１＿１に重畳して設けられている。すなわち第１酸化物半導体層１１３＿１は、ゲート電極層１１１＿１と重畳し、ゲート絶縁膜１０２の上面部とバッファ層１１４ａ＿１および１１４ｂ＿１の上面部と、ソース電極層、及びドレイン電極層（１１５ａ＿１、及び１１５ｂ＿１）の側面部に接するように設けられている。
【０１８４】
第１酸化物半導体層は実施の形態１で説明したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系非単結晶膜からなる。また、バッファ層（１１４ａ＿１および１１４ｂ＿１）も実施の形態１で説明した第２酸化物半導体層と同様のものを用いる。バッファ層はソース電極層、及びドレイン電極層（１１５ａ＿１、及び１１５ｂ＿１）と第１酸化物半導体層１１３＿１に接してその間に設けられ、第１酸化物半導体層１１３＿１よりも高い電気伝導率を有している。それゆえ、選択用ＴＦＴ１５１、増幅用ＴＦＴ１５２、リセット用ＴＦＴ１５３、ＥＬ駆動用ＴＦＴ１５４、及びスイッチング用ＴＦＴ１５５においてバッファ層は、ソース領域及びドレイン領域として機能する。このような接合構造を選択用ＴＦＴ１５１、増幅用ＴＦＴ１５２、リセット用ＴＦＴ１５３、ＥＬ駆動用ＴＦＴ１５４、及びスイッチング用ＴＦＴ１５５に設けることにより、熱的安定性が増し、安定動作をさせることが可能となる。それにより増幅回路の機能を高め動作の安定化を図ることができる。また、接合リークが低減し、選択用ＴＦＴ１５１、増幅用ＴＦＴ１５２、リセット用ＴＦＴ１５３、ＥＬ駆動用ＴＦＴ１５４、及びスイッチング用ＴＦＴ１５５の特性を向上させることができる。
【０１８５】
選択用ＴＦＴ１５１のソース電極層、及びドレイン電極層（１１５ａ＿１、及び１１５ｂ＿１）と第１酸化物半導体層１１３＿１の上には、第１酸化物半導体層１１３＿１側から順に第１層間絶縁膜１０９と第２層間絶縁膜１２１が設けられている。増幅用ＴＦＴ１５２、およびリセット用ＴＦＴ１５３についても選択用ＴＦＴ１５１と同様に第１層間絶縁膜１０９と第２層間絶縁膜１２１が設けられている。
【０１８６】
第１層間絶縁膜１０９および第２層間絶縁膜１２１にはコンタクトホール１２６、１３６が形成されている。コンタクトホール１２６を介してフォトダイオードの下部電極層１２９が増幅回路とフォトダイオード２５２を接続しており、コンタクトホール１３６を介して有機発光素子の画素電極層１３９がＥＬ駆動素子と有機発光素子１５６を接続している。
【０１８７】
第２層間絶縁膜１２１上には光電変換素子として、フォトダイオード２５２が実施の形態３と同様に形成されている。フォトダイオード２５２は、第２層間絶縁膜１２１上に第３導電層で形成した下部電極層１２９と第４導電層で形成した上部電極層２３７の間に、第２層間絶縁膜１２１側から順に第１半導体層２５２ａ、第２半導体層２５２ｂ、及び第３半導体層２５２ｃを積層した構造を有している。
【０１８８】
フォトダイオード２５２の下部電極層１２９はコンタクトホール１２６を介してリセット用ＴＦＴ１５３のソース電極層１１５ｂ＿３と、さらにコンタクトホール１２５を介して、配線層１１１＿６に接続している。図示されていないが配線層１１１＿６は増幅用ＴＦＴ１５２のゲート電極層１１１＿２と接続している。
【０１８９】
第２層間絶縁膜１２１とフォトダイオード２５２上には第３層間絶縁膜２２１が形成されている。第３層間絶縁膜２２１にはコンタクトホール２２５が形成され、コンタクトホール２２５を介して第３半導体層２５２ｃと上部電極層２３７が接続され、上部電極層２３７は共通配線と接続する。
【０１９０】
ここでは、第１半導体層２５２ａとしてｎ型の導電型を有する非晶質シリコン層と、第２半導体層２５２ｂとして高抵抗な非晶質シリコン層と、第３半導体層２５２ｃとしてｐ型の導電型を有する非晶質シリコン層を積層するｎｉｐ型のフォトダイオードを例示している。また、光電効果で発生した正孔の移動度は電子の移動度に比べて小さいため、ｎｉｐ型のフォトダイオードはｐ型の半導体層側を受光面とする方がよい特性を示す。ここでは、基板の増幅回路とｎｉｐ型のフォトダイオードが形成されている側からフォトダイオード２５２が受ける光を電気信号に変換する。また、受光面とした半導体層側とは逆の導電型を有する半導体層側からの光は外乱光となるため、下部電極層１２９は遮光性を有する導電膜を用いるとよい。
【０１９１】
また、第１半導体層２５２ａとしてｐ型の導電型を有する非晶質シリコン層と、第２半導体層２５２ｂとして高抵抗な非晶質シリコン層と、第３半導体層２５２ｃとしてｎ型の導電型を有する非晶質シリコン層を積層するｐｉｎ型のフォトダイオードを用いる場合は、実施の形態１のようにフォトダイオード２５２の下部電極層１２９は共通配線と接続され、フォトダイオード２５２の上部電極層２３７はリセット用ＴＦＴ１５３のソース電極層１１５ｂ＿３と、さらにコンタクトホール１２５を介して、配線層１１１＿６に接続されている。
【０１９２】
また、第２層間絶縁膜１２１上には表示素子の画素電極層１３９が形成されている。本実施の形態では表示素子として有機発光素子１５６を用いる例を説明する。
【０１９３】
画素電極層１３９の端部と、第２層間絶縁膜１２１とフォトダイオード２５２上には第３層間絶縁膜２２１が形成されている。有機発光素子の画素電極層１３９の端部を覆う第３層間絶縁膜２２２はバンクと呼ばれ、隣り合う有機発光素子同士の発光材料を含む層４１６を区切っている。なお、本実施の形態ではフォトダイオード２５２を覆う第３層間絶縁膜２２１と同じ材料でバンクを形成する例を説明するが、第３層間絶縁膜２２１とは異なる材料で形成することもできるし、第３層間絶縁膜２２１上に画素電極層１３９を形成し、その上に表示素子を形成してもよい。
【０１９４】
有機発光素子１５６は、第２層間絶縁膜１２１上に第３導電層で形成した画素電極層１３９と第４導電層で形成した上部電極層２３７の間に、発光材料を含む層４１６を挟んだ構造を有している。
【０１９５】
有機発光素子１５６の画素電極層１３９はコンタクトホール１３６を介してＥＬ駆動用ＴＦＴ１５４のソース電極層１１５ａ＿４と接続されている。また、本実施の形態では、フォトダイオードの上部電極層２３７が有機発光素子１５６の上部電極を兼ねており、共通配線に接続されている。透光性を有する基板にカラーフィルター２７１をマトリクス状に形成した対向基板２７０は、カラーフィルター２７１が対応するフォトダイオード２５２の位置に重畳するように貼り合わされている。
【０１９６】
こうして、光電変換素子としてｎｉｐ型フォトダイオードを有し、表示素子として有機発光素子を有し、インジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体に代表される酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタで構成した増幅回路と、表示素子の駆動回路を有するエリアセンサ付き表示装置を構成する。本実施の形態で例示したエリアセンサ付き表示装置は画像を表示するだけでなく、画像情報を電気信号に変換して出力できる。
【０１９７】
上述の実施の形態では、基板１００の上に形成されたエリアセンサ付き表示装置の発光素子が対向基板２７０側の被写体を照明し、被写体の反射光を対向基板２７０を介してエリアセンサが検知する構成を説明した。また、透光性を有する基板１００の一方の側に形成されたエリアセンサ付き表示装置の発光素子が他方の側の被写体を照明し、被写体の反射光を基板１００を介してエリアセンサが検知する構成も本発明の一態様に含まれる。
【０１９８】
例えば、透光性を有する導電膜を第３導電膜に用いて透光性を有する下部電極層１２９を形成すれば、第１の半導体層２５１ａ側を受光面とするエリアセンサを形成できる。また、選択用ＴＦＴ１５１、増幅用ＴＦＴ１５２、リセット用ＴＦＴ１５３、ＥＬ駆動用ＴＦＴ１５４、乃至スイッチング用ＴＦＴ１５５のゲート電極、ソース電極、乃至ドレイン電極を透光性を有する導電膜を用いて形成すれば、開口率を損なうことなく前述のＴＦＴに重ねてエリアセンサ及び発光素子を形成することができる。
【０１９９】
なお、基板を透過せずに第３の半導体層２５１ｃに直接入射する光は外乱光になる。そこで、遮光性を有する導電膜を用いて上部電極層２３７を形成し、第３の半導体層２５１ｃに入射する外乱光を遮光すればよい。
【０２００】
特性にバラツキが少なく、電界効果移動度が高いインジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタで構成した増幅回路および表示素子の駆動回路は特性にバラツキが少なく占有面積が小さい。
【０２０１】
本実施の形態で例示した増幅回路と表示素子の駆動回路をフォトダイオードおよび表示素子と共に各画素に配置したエリアセンサ付き表示装置は、搭載した表示素子を用いて被写体を均一に照明でき、マトリクス状に配置したフォトダイオードがとらえる光の強度分布を再現よく電気信号として取り出すことができる。また、マトリクス状に配置した表示素子を用いて、ムラのない画像を表示できる。また、インジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタを大面積基板にマトリクス状に配置することは容易であるため、大型のエリアセンサ付き表示装置を提供できる。
【０２０２】
また、本実施の形態のエリアセンサ付き表示装置は、光電変換素子を表示面にマトリクス状に配置しているため、レーザーポインタ２９３等の光学的なポインティングデバイスで表示面を指し示して座標情報を入力できる。例えば、コンピュータやケーブルテレビなどの双方向通信が可能な装置の入力装置を兼ねた表示装置として利用すれば、光電変換素子から入力した座標情報と、表示素子に出力した画像の座標情報とを関連づけることができる。また、操作に机等の平面を必要とせず、ワイヤレスであるため、作業者の姿勢や立ち位置の自由度が高い。また、光学的なポインティングデバイスが直接表示を指し示すため演者の動きにポインタが素早く応答でき、効果的なプレゼンテーションが可能である。また、発光波長の異なる複数のレーザーポインタ２９３等を用いれば、一つのエリアセンサ付き表示装置で複数の操作を行うことができる。
【０２０３】
（実施の形態５）
本実施の形態は、実施の形態４で説明した図１１のエリアセンサ付き表示装置の作製工程の一態様を図１２乃至図１４を参照して説明する。なお、図１２乃至図１４で作製工程を説明する選択用ＴＦＴ１５１、増幅用ＴＦＴ１５２、リセット用ＴＦＴ１５３、ＥＬ駆動用ＴＦＴ１５４、及びスイッチング用ＴＦＴ１５５は主要部において同じ構成を有しているため、工程の説明は選択用ＴＦＴ１５１を中心におこなう。
【０２０４】
本実施の形態で用いる基板１００は、実施の形態２と同様の基板を使うことができる。また下地膜として絶縁膜を形成しても良い。なお、本実施の形態では基板上に形成されたエリアセンサ付き表示装置の発光素子が対向基板側に配置された被写体を照明し、被写体の反射光を対向基板２７０を介してエリアセンサが検知する構成を中心に説明する。
【０２０５】
ゲート電極層１１１および図示されていないセンサ出力配線ＳＳ、およびセンサ用電源線ＶＢを含むゲート配線、容量配線および端子部の端子となる導電膜を実施の形態２と同様の方法で基板１００全面に成膜する。ここでは、ゲート電極層１１１としてアルミニウムを第１成分とする膜とチタン膜をスパッタリング法により積層した導電膜を用いる。次に本実施の形態における第１のフォトマスクを用いて形成したレジストマスクを使い、基板１００上に形成された導電膜の不要な部分をエッチングして除去して配線及び電極（ゲート電極層１１１を含むゲート配線、容量配線、及び端子）を形成する。このとき少なくともゲート電極層１１１の端部にテーパー形状が形成されるようにエッチングする。
【０２０６】
本実施の形態のゲート絶縁膜１０２は、実施の形態２と同様の方法で形成する。ここでは、ゲート絶縁膜１０２としてプラズマＣＶＤ法またはスパッタリング法により１００ｎｍの厚みの酸化珪素膜を成膜する。
【０２０７】
次に、本実施の形態における第２のフォトマスクを用いて形成したレジストマスクを使いゲート絶縁膜１０２をエッチングして、配線層１１１＿６に達するコンタクトホール１２５を形成する。なお、配線層１１１＿６はゲート電極層１１１＿２に接続している。この段階での段面図を図１２（Ａ）に示す。
【０２０８】
次に、ゲート絶縁膜１０２の上に、導電膜１０５をスパッタ法や真空蒸着法で形成する。配線及び電極となる導電膜１０５は、実施の形態２と同様の導電材料を用いる。ソース電極層及びドレイン電極層となる導電膜１０５の厚みは、５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下が好ましい。５００ｎｍ以下とすることで、後に形成される半導体膜や配線の段切れ防止に有効である。ここでは、導電膜１０５として、Ｔｉ膜とそのＴｉ膜上に重ねてＮｄを含むアルミニウム（Ａｌ−Ｎｄ）膜を積層し、さらにその上にＴｉ膜を成膜する３層構造とする。なお、成膜の際に第２導電膜１０５はコンタクトホール１２５を介して、配線層１１１＿６と接続する。
【０２０９】
次に、バッファ層を成膜する。バッファ層は第１酸化物半導体膜より高い電気伝導率を有する第２酸化物半導体膜１０４を用いる。バッファ層となる第２酸化物半導体膜１０４は、成膜後の導電膜１０５を大気に曝すことなく連続して成膜するのが望ましい。連続成膜により、導電膜と第２酸化物半導体膜１０４の界面が大気により汚染されるのを防ぐことができる。なお、第２酸化物半導体膜１０４は実施の形態２と同様の方法で成膜することができる。この段階での段面図を図１２（Ｂ）に示す。
【０２１０】
次に、本実施の形態における第３のフォトマスクを用いて第２酸化物半導体膜１０４上にレジストマスク１３１を形成する。レジストマスク１３１を用いて第２酸化物半導体膜１０４の不要な部分を選択的にエッチングして除去し、バッファ層（１１４ａ＿１、１１４ｂ＿１）を形成する（図１２（Ｃ）参照）。この際のエッチング方法としてウェットエッチングまたはドライエッチングを用いる。ここでは、ＩＴＯ０７Ｎ（関東化学社製）を用いてウェットエッチングによりバッファ層（１１４ａ＿１、１１４ｂ＿１）を形成する。
【０２１１】
次に、バッファ層（１１４ａ＿１、１１４ｂ＿１）の形成で用いた同じレジストマスク１３１を用いて導電膜１０５の不要な部分を除去して第１電極層ソース電極層、及びドレイン電極層（１１５ａ＿１、及び１１５ｂ＿１）を形成する。ここでは、ＳｉＣｌ４とＣｌ２とＢＣｌ３の混合ガスを反応ガスとしたドライエッチングによりＡｌ膜とＴｉ膜を順次積層した導電膜をエッチングしてソース電極層、及びドレイン電極層（１１５ａ＿１、及び１１５ｂ＿１）を形成する。なお、ここでのエッチングは、ドライエッチングに限定されずウェットエッチングを用いてもよい。この段階での段面図を図１２（Ｃ）に示す。
【０２１２】
レジストマスク１３１を除去した後、酸化物半導体膜１０３を形成する前のバッファ層（１１４ａ＿１、１１４ｂ＿１）とゲート絶縁膜１０２にプラズマ処理を行う。ここでは酸素ガスとアルゴンガスを導入してプラズマを発生させる逆スパッタを行い、露出しているゲート絶縁層に酸素ラジカル又は酸素を照射する。こうして、表面に付着しているゴミや不純物を除去する。
【０２１３】
プラズマ処理後に大気に曝すことなくインジウム、ガリウム、及び亜鉛を含む酸化物半導体膜１０３を成膜する。プラズマ処理後、大気に曝すことなく酸化物半導体膜１０３を成膜することは、バッファ層（１１４ａ＿１、１１４ｂ＿１）と酸化物半導体膜１０３の界面、またはゲート絶縁膜１０２と酸化物半導体膜１０３の界面にゴミや不純物を付着させない点で有効である。なお、酸化物半導体膜１０３の成膜は、先に逆スパッタを行ったチャンバーと同一チャンバーを用いてもよいし、大気に曝すことなく成膜できるのであれば、先に逆スパッタを行ったチャンバーと異なるチャンバーで成膜してもよい。
【０２１４】
ここでは、直径８インチのＩｎ、Ｇａ、及びＺｎを含む酸化物半導体ターゲット（Ｉｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：１）を用いて、実施の形態２と同様の方法で第１酸化物半導体膜１０３を形成する。この段階での段面図を図１２（Ｄ）に示す。
【０２１５】
次に、第４のフォトマスクを用いて形成したレジストマスク１３２を使い、エッチングにより第１酸化物半導体膜１０３およびバッファ層（１１４ａ＿１、１１４ｂ＿１）の不要な部分を除去する。ここではＩＴＯ０７Ｎ（関東化学社製）を用いたウェットエッチングにより、不要な部分を除去する。第１酸化物半導体膜１０３およびバッファ層（１１４ａ＿１、１１４ｂ＿１）のエッチングはウェットエッチングに限定されずドライエッチングを用いてもよい。この段階での段面図を図１３（Ａ）に示す。
【０２１６】
次に、レジストマスク１３２を除去した後、実施の形態２と同様に第１酸化物半導体層１１３にプラズマ処理を行う。プラズマ処理を行うことにより、第１酸化物半導体層１１３のダメージを回復することができる。
【０２１７】
次いで、実施の形態１と同様に２００℃〜６００℃、代表的には３００℃〜５００℃の熱処理を行うことが好ましい。なお、熱処理を行うタイミングは、酸化物半導体膜の成膜後であれば特に限定されず、例えば後に形成する画素電極層１３９の後に行ってもよい。
【０２１８】
以上の工程を経て第１酸化物半導体層１１３＿１をチャネル形成領域とする選択用ＴＦＴ１５１を形成する。なお、選択用ＴＦＴ１５１の形成と共に並行して、薄膜トランジスタ（１５２、１５３、１５４、および１５５）についても同様に形成する。
【０２１９】
次いで、薄膜トランジスタ（１５２、１５３、１５４、および１５５）を覆う第１層間絶縁膜１０９、および第１層間絶縁膜１０９上に第２層間絶縁膜１２１を実施の形態２と同様に形成する。また、第２層間絶縁膜１２１をベークする工程で、酸化物半導体層の熱処理（３００℃〜４００℃）を兼ねることで効率よくエリアセンサを作製できる。
【０２２０】
次に、本実施の形態における第５のフォトマスクを用いて形成したレジストマスクを使って、第１層間絶縁膜および第２層間絶縁膜にリセット用ＴＦＴ１５３のソース電極層１１５ｂ＿３に達するコンタクトホール１２６とＥＬ駆動用ＴＦＴ１５４のソース電極層１１５ｂ＿４に達するコンタクトホール１３６を形成する。この段階での段面図を図１３（Ｂ）に示す。
【０２２１】
次いで、フォトダイオードの下部電極層１２９と、表示素子の画素電極層１３９になる第３導電膜を成膜する。第３導電膜は実施の形態２で説明したゲート電極層１１１と同様の材料を用いることができるが、表示素子の画素電極層１３９を有機発光素子の陽極に用いる場合は大きな仕事関数を有する導電膜が好ましく、画素電極層１３９を有機発光素子の陰極に用いる場合は小さな仕事関数を有する導電膜が好ましい。フォトダイオードの下部電極層１２９はコンタクトホール１２６を介して増幅回路と接続し、表示素子の画素電極層１３９はコンタクトホール１３６を介してＥＬ駆動用ＴＦＴ１５４のソース電極層１１５ａ＿４と接続されている。
【０２２２】
第３導電膜の成膜後、本実施の形態の第６のフォトマスクを用いてレジストマスクを形成し、エッチングにより第３導電膜の不要な部分を除去してフォトダイオードの下部電極層１２９と、表示素子の画素電極層１３９を形成する。ここでは第３導電膜としてチタンを単層で形成し、ＢＣｌ３とＣｌ２の混合ガスを用いてドライエッチングを行う。
【０２２３】
次に、フォトダイオードの下部電極層１２９上に第１半導体膜、第２半導体膜、第３半導体膜を順次積層する。実施の形態３と同様に、第１半導体膜はｎ型半導体層であり、ｎ型を付与する不純物元素を含むアモルファスシリコン膜により形成する。また、第２半導体膜は、ｉ型半導体層（真性半導体層）であり、アモルファスシリコン膜により形成する。また、第３半導体膜はｐ型半導体層であり、ｐ型を付与する不純物元素を含むアモルファスシリコン膜により形成する。
【０２２４】
また、実施の形態２と同様、第１半導体膜、第２半導体膜、及び第３半導体膜はアモルファス半導体ではなく、多結晶半導体を用いて形成してもよいし、セミアモルファス半導体（Ｓｅｍｉ Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ。以下、ＳＡＳという。）を用いて形成してもよい。
【０２２５】
次に、第７のフォトリソグラフィー工程を行い、レジストマスクを形成し、エッチングにより、第１半導体膜、第２半導体膜、および第３半導体膜の不要な部分を除去して、第１半導体層２５２ａ、第２半導体層２５２ｂ、第３半導体層２５２ｃを形成する。なお、ここではＣＦ４とＣｌ２の混合ガス、ＣＦ４とＯ２の混合ガス、ＣＨＦ３とＨｅの混合ガス等を用いてドライエッチングを行い、テーパー部にエッチング残渣が残らないようにする。この段階での段面図を図１３（Ｃ）に示す。
【０２２６】
次に、第３層間絶縁膜２２１を形成する。第３層間絶縁膜２２１は絶縁性を有する材料であればよいが、第３層間絶縁膜２２１が隣り合う有機発光素子同士の発光材料を含む層４１６を区切るバンクを兼ねる場合、その開口部の縁はテーパー形状となるように形成する。ここでは第８のフォトマスクと感光性ポリイミド樹脂もしくはポジ型の感光性アクリル樹脂を用いて形成する。なお、有機発光素子の信頼性は素子内部の空間や第３層間絶縁膜２２１などの構成物中に残留する水分、酸素、その他不純物の影響を著しく受ける。例えば、第３層間絶縁膜２２１を高分子で形成する場合、発光素子の使用中に不純物が析出しないように高温で加熱処理して完全に硬化させる必要がある。また、発光材料を含む層４１６を成膜する前の基板に加熱処理を施し、不純物をできるだけ取り除く必要がある。この段階での段面図を図１３（Ｄ）に示す。
【０２２７】
次に、有機発光素子１５６を形成する。画素電極層１３９上に発光材料を含む層４１６を成膜し、発光材料を含む層４１６上に上部電極層２３７となる導電膜を成膜する。
【０２２８】
発光材料を含む層４１６は単数の層で構成されていても、複数の層が積層されるように構成されていてもどちらでも良い。複数の層で構成されている場合、陽極層、正孔注入層、正孔輸送層、発光層、電子輸送層、電子注入層、および陰極層の順に互いに接して構成する。なお、これらの層を全て設ける必要はない。ここでは画素電極層１３９を陽極とし、正孔注入層、正孔輸送層、発光層、電子輸送層、電子注入層、および陰極層の順に積層する。
【０２２９】
正孔注入層とは、陽極として機能する電極から正孔輸送層へ正孔の注入を補助する機能を有する層である。ただし、正孔注入層は必ずしも必要ではない。正孔注入層を構成する物質については特に限定はないが、バナジウム酸化物、ニオブ酸化物、タンタル酸化物、クロム酸化物、モリブデン酸化物、タングステン酸化物、マンガン酸化物、レニウム酸化物、ルテニウム酸化物等の金属酸化物を用いることができる。また、フタロシアニン（略称：Ｈ２Ｐｃ）や銅フタロシアニン（ＣｕＰｃ）等のフタロシアニン化合物を用いることができる。また、上述した正孔輸送層を構成する物質を用いることもできる。また、ポリ（エチレンジオキシチオフェン）とポリ（スチレンスルホン酸）の混合物（略称：ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ）のような高分子化合物を用いることもできる。
【０２３０】
あるいは、正孔注入層に、有機化合物と電子受容体とを混合してなる複合材料を用いてもよい。このような複合材料は、電子受容体によって有機化合物に正孔が発生するため、正孔注入性および正孔輸送性に優れている。この場合、有機化合物としては、発生した正孔の輸送に優れた材料であることが好ましく、具体的には、例えば上述した正孔輸送層を構成する物質（芳香族アミン化合物等）を用いることができる。電子受容体としては、有機化合物に対し電子受容性を示す物質であればよい。具体的には、遷移金属酸化物であることが好ましく、例えば、バナジウム酸化物、ニオブ酸化物、タンタル酸化物、クロム酸化物、モリブデン酸化物、タングステン酸化物、マンガン酸化物、レニウム酸化物、ルテニウム酸化物等が挙げられる。また、塩化鉄（ＩＩＩ）、塩化アルミニウム（ＩＩＩ）のようなルイス酸を用いることもできる。また、７，７，８，８−テトラシアノ−２，３，５，６−テトラフルオロキノジメタン（略称：Ｆ４−ＴＣＮＱ）等の有機化合物を用いることもできる。なお、正孔注入層は、二層以上の層を積層して形成された多層構造であってもよい。また、二種類以上の物質を混合して形成してもよい。
【０２３１】
正孔輸送層とは、陽極から注入された正孔を発光層へ輸送する機能を有する層である。このように、正孔輸送層を設け、陽極と発光層とを離すことによって、発光が金属に起因して消光することを防ぐことができる。ただし、正孔輸送層は必ずしも必要ではない。
【０２３２】
正孔輸送層を構成する物質については特に限定はないが、代表的には、４，４’−ビス［Ｎ−（１−ナフチル）−Ｎ−フェニルアミノ］ビフェニル（略称：ＮＰＢ）、４，４’−ビス［Ｎ−（３−メチルフェニル）−Ｎ−フェニルアミノ］ビフェニル（略称：ＴＰＤ）、４，４’−ビス［Ｎ−（９，９−ジメチルフルオレン−２−イル）−Ｎ−フェニルアミノ］ビフェニル（略称：ＤＦＬＤＰＢｉ）、４，４’，４’’−トリス（Ｎ，Ｎ−ジフェニルアミノ）トリフェニルアミン（略称：ＴＤＡＴＡ）、４，４’，４’’−トリス［Ｎ−（３−メチルフェニル）−Ｎ−フェニルアミノ］トリフェニルアミン（略称：ｍ−ＭＴＤＡＴＡ）などの芳香族アミン化合物を用いることができる。また、ポリ（４−ビニルトリフェニルアミン）（略称：ＰＶＴＰＡ）などの高分子化合物を用いることもできる。
【０２３３】
なお、正孔輸送層は、二層以上の層を積層して形成された多層構造であってもよい。また、二種類以上の物質を混合して形成してもよい。
【０２３４】
発光層は発光物質を含んでいる。発光層は発光物質よりも大きい励起エネルギーを有する物質を分散媒（すなわちホスト）とし、発光物質を分散質（すなわちゲスト）とした混合層であることが好ましい。ここでは、蛍光もしくは燐光を発する有機化合物を発光物質とし、正孔輸送性を有する有機化合物と電子輸送性を有する有機化合物を混合した材料をホストとして用いる。
【０２３５】
電子輸送層とは、陰極から注入された電子を発光層へ輸送する機能を有する層である。このように、電子輸送層を設け、陰極と発光層とを離すことによって、発光が金属に起因して消光することを防ぐことができる。ただし、電子輸送層は必ずしも必要ではない。
【０２３６】
電子輸送層を構成する物質について特に限定はないが、代表的には、トリス（８−キノリノラト）アルミニウム（略称：Ａｌｑ３）、トリス（４−メチル−８−キノリノラト）アルミニウム（略称：Ａｌｍｑ３）、ビス（１０−ヒドロキシベンゾ［ｈ］キノリナト）ベリリウム（略称：ＢｅＢｑ２）、ビス（２−メチル−８−キノリノラト）（４−フェニルフェノラト）アルミニウム（略称：ＢＡｌｑ）、ビス［２−（２−ヒドロキシフェニル）ベンゾオキサゾラト］亜鉛（略称：ＺｎＢＯＸ）、ビス［２−（２−ヒドロキシフェニル）ベンゾチアゾラト］亜鉛（略称：Ｚｎ（ＢＴＺ）２）などの金属錯体が挙げられる。また、２−（４−ビフェニリル）−５−（４−ｔｅｒｔ−ブチルフェニル）−１，３，４−オキサジアゾール（略称：ＰＢＤ）、１，３−ビス［５−（ｐ−ｔｅｒｔ−ブチルフェニル）−１，３，４−オキサジアゾール−２−イル］ベンゼン（略称：ＯＸＤ−７）、３−（４−ｔｅｒｔ−ブチルフェニル）−４−フェニル−５−（４−ビフェニリル）−１，２，４−トリアゾール（略称：ＴＡＺ）、３−（４−ｔｅｒｔ−ブチルフェニル）−４−（４−エチルフェニル）−５−（４−ビフェニリル）−１，２，４−トリアゾール（略称：ｐ−ＥｔＴＡＺ）、バソフェナントロリン（略称：ＢＰｈｅｎ）、バソキュプロイン（略称：ＢＣＰ）、４，４’−ビス（５−メチルベンゾオキサゾール−２−イル）スチルベン（略称：ＢｚＯｓ）などの複素芳香族化合物も用いることができる。また、ポリ（２，５−ピリジン−ジイル）（略称：ＰＰｙ）のような高分子化合物を用いることもできる。なお、電子輸送層は、二層以上の層を積層して形成された多層構造であってもよい。また、二種類以上の物質を混合して形成してもよい。
【０２３７】
電子注入層とは、陰極として機能する電極から電子輸送層へ電子の注入を補助する機能を有する層である。ただし、電子注入層は必ずしも必要ではない。
【０２３８】
電子注入層を構成する物質については特に限定はないが、フッ化リチウム（ＬｉＦ）、フッ化セシウム（ＣｓＦ）、フッ化カルシウム（ＣａＦ２）、リチウム酸化物のようなアルカリ金属化合物またはアルカリ土類金属化合物を用いることができる。また、フッ化エルビウム（ＥｒＦ３）のような希土類金属化合物を用いることができる。また、上述した電子輸送層を構成する物質を用いることもできる。
【０２３９】
あるいは、電子注入層に、有機化合物と電子供与体とを混合してなる複合材料を用いてもよい。このような複合材料は、電子供与体によって有機化合物に電子が発生するため、電子注入性および電子輸送性に優れている。この場合、有機化合物としては、発生した電子の輸送に優れた材料であることが好ましく、具体的には、例えば上述した電子輸送層を構成する物質（金属錯体や複素芳香族化合物等）を用いることができる。電子供与体としては、有機化合物に対し電子供与性を示す物質であればよい。具体的には、アルカリ金属やアルカリ土類金属や希土類金属が好ましく、リチウム、セシウム、マグネシウム、カルシウム、エルビウム、イッテルビウム等が挙げられる。また、アルカリ金属酸化物やアルカリ土類金属酸化物が好ましく、リチウム酸化物、カルシウム酸化物、バリウム酸化物等が挙げられる。また、酸化マグネシウムのようなルイス塩基を用いることもできる。また、テトラチアフルバレン（略称：ＴＴＦ）等の有機化合物を用いることもできる。
【０２４０】
以上の単数の層もしくは、複数の層からなる有機発光素子の発光材料を含む層４１６は、蒸着法、インクジェット法、または塗布法等の方法で形成する。ここでは、シャドーマスク法を用いて発光材料を含む層４１６を作り分け、ＲＧＢに発光する三種類の有機発光素子をマトリクス状に形成する。
【０２４１】
次いで、フォトダイオードと有機発光素子の上部電極層２３７となる第４導電膜を成膜する。ここでは、フォトダイオード２５２は上部電極側から受光し、有機発光素子１５６は上部電極層側から発光を取り出すため、透光性を有した導電膜を第４導電膜に用いる。透光性のある導電膜としては、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム錫酸化物（以下、ＩＴＯと示す。）、インジウム亜鉛酸化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などをその例に挙げることができる。
【０２４２】
第９のフォトマスクを用いて形成したレジストマスクを使い、第４導電膜の不要な部分をエッチングにより除去してフォトダイオード２５１および有機発光素子１５６の上部電極層２３７を形成する。ここでは、第４導電膜としてインジウム錫酸化物膜をスパッタリング法により成膜する。なお、上部電極層２３７は共通配線と接続する。この段階での段面図を図１４（Ａ）に示す。
【０２４３】
次に、透光性を有する基板にカラーフィルター２７１をマトリクス状に形成した対向基板２７０を用意する。カラーフィルター２７１が対応するフォトダイオード２５２の位置に重畳するように、対向基板２７０とＴＦＴ、フォトダイオード２５２および有機発光素子１５６を形成した基板の位置をあわせ、シール材を用いて貼り合わせる。この段階での段面図を図１４（Ｂ）に示す。
【０２４４】
こうして、光電変換素子としてｎｉｐ型フォトダイオードを有し、表示素子として有機発光素子を有し、インジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタで構成した増幅回路と表示素子の駆動回路を有するエリアセンサ付き表示装置が得られる。
【０２４５】
本実施の形態のエリアセンサが有する有機発光素子１５６は上部電極層２３７側を表示光の取り出し面とする。上部電極層２３７の上には層間絶縁膜などが積層されていないため、積層界面における表示光の散乱が少なく、光の強度が損なわれることがない。従って、有機発光素子１５６は表示光を効率よく取り出せる。
【０２４６】
特性にバラツキが少なく、電界効果移動度が高いインジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタで構成した増幅回路および表示素子の駆動回路は特性にバラツキが少なく占有面積が小さい。そのような増幅回路をフォトダイオードの増幅回路に用いたエリアセンサは、フォトダイオードがとらえる光の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る。また、そのような駆動回路を発光素子の駆動回路に用いた表示装置は、ムラのない高品位の表示や、被写体を均一に照明できる。
【０２４７】
（実施の形態６）
【０２４８】
本実施の形態は、マトリクス状に配置された画素毎に光電変換素子と表示素子と、インジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体に代表される酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタで構成した増幅回路と表示素子の駆動回路を設けた、アクティブマトリクス型のエリアセンサ付き表示装置の実施の形態４とは異なる一態様を、図１５を参照して説明する。なお、本実施の形態では、フルカラー画像の表示と取り込みが可能な構成を例示する。
【０２４９】
本実施の形態のエリアセンサ付き表示装置は、マトリクス状に配置した表示素子を用いた表示装置として利用できる。また、散乱光を使ってエリアセンサ付き表示装置に接した指などの物体の表面凹凸を捉える密着型のエリアセンサとして利用できる。なお、ここでは、表示素子として透過型の液晶素子を適用した例を示すが、これに限らない。
【０２５０】
図１５はエリアセンサ付き表示装置の一例を示す断面図である。具体的には、フォトダイオード２５０と、透過型液晶素子１５８と、インジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタで構成した増幅回路２８１と、液晶表示素子の駆動回路２８５の断面図である。なお、増幅回路２８１と、液晶素子の駆動回路２８５は、実施の形態４と同じ構造を有するインジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタで構成されている。また、フォトダイオード２５０は実施の形態１と同じ構造を有するｐｉｎ型のフォトダイオードを用いている。
【０２５１】
本実施の形態で例示する薄膜トランジスタは実施の形態４と同じ構造を有し、実施の形態５と同様の方法で、第１層間絶縁膜１０９まで形成する。ここでは、第２層間絶縁膜１２１がカラーフィルターを兼ねる。
【０２５２】
第２層間絶縁膜１２１上には、液晶素子１５８の画素電極層１３９および、ｐｉｎ型のフォトダイオード２５０の下部電極層１２９が透明導電膜で形成されている。透明導電膜の材料としては、酸化インジウム酸化スズ合金（Ｉｎ２Ｏ３―ＳｎＯ２、ＩＴＯと略記する）、珪素もしくは酸化珪素を含有したインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化亜鉛などを用いることもできる。液晶素子１５８は、画素電極層１３９と、配向膜２６１と、液晶物質を含む層２６０と、配向膜２７６と、対向電極層２７５とによって構成されている。
【０２５３】
また、ｐｉｎ型のフォトダイオード２５０は、下部電極層１２９上に実施の形態１と同様に形成されている。ここでは、第１半導体層２５０ａとしてｐ型の導電型を有する非晶質シリコン層と、第２半導体層２５０ｂとして高抵抗な非晶質シリコン層と、第３半導体層２５０ｃとしてｎ型の導電型を有する非晶質シリコン層を積層するｐｉｎ型のフォトダイオードを例示している。また、光電効果で発生した正孔の移動度は電子の移動度に比べて小さいため、ｐｉｎ型のフォトダイオードはｐ型の半導体層側を受光面とする方がよい特性を示す。ここでは、透光性を有する基板の一方の側から入射した光が基板を透過し、他方の側に形成されたエリアセンサにより検知される構成について主に説明する。また、受光面とした半導体層側とは逆の導電型を有する半導体層側からの光は外乱光となるため、電極層は遮光性を有する導電膜を用いるとよい。なお、ｎ型の半導体層側を受光面として用いることもできる。
【０２５４】
本実施の形態では、エリアセンサ付き表示装置の表示面に導光板２９０とＬＥＤ等の光源２９１を配置してある。導光板の端部から入射した光は空気との界面で全反射を繰り返しながら導光板の内部を伝わる。導光板の表面に押し当てた指等の物体２９２と接触した部分で乱反射が起き、光がエリアセンサ側に漏れ出す。エリアセンサが散乱光を捉えることで、接触部分の位置情報や、接触物の表面形状を電気信号に変換して出力できる。
【０２５５】
こうして、光電変換素子としてｐｉｎ型フォトダイオードを有し、表示素子として透過型液晶素子を有し、インジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタで構成した増幅回路と表示素子のスイッチング回路を有するエリアセンサ付き表示装置を構成し、画像情報を電気信号に変換して出力できる。
【０２５６】
特性にバラツキが少なく、電界効果移動度が高いインジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタで構成した増幅回路および表示素子の駆動回路は特性にバラツキが少なく占有面積が小さい。そのような増幅回路とフォトダイオードおよび表示素子の駆動回路と表示素子をマトリクス状に配置したエリアセンサ付き表示装置は、フォトダイオードがとらえる光の強度分布を再現よく電気信号として取り出すことができるだけでなく、誤動作が少ない光学式のタッチパネルを作製できる。また、ムラのない画像を表示する表示装置として利用できる。また、インジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタは、容易に大面積基板に配置できるので、大型のエリアセンサ付き表示装置を提供できる。
【０２５７】
（実施の形態７）
本発明に係わるエリアセンサ付き表示装置は、電子ペーパーとして適用することができる。電子ペーパーは、情報を表示するものであればあらゆる分野の電子機器に用いることが可能である。例えば、電子ペーパーを用いて、電子書籍（電子ブック）、電子ノート等に適用することができる。電子機器の一例を図１６に示す。
【０２５８】
図１６は、電子書籍２７００の一例を示している。例えば、電子書籍２７００は、筐体２７０１および筐体２７０３の２つの筐体で構成されている。筐体２７０１および筐体２７０３は、軸部２７１１により一体とされており、該軸部２７１１を軸として開閉動作を行うことができる。このような構成により、紙の書籍のような動作を行うことが可能となる。
【０２５９】
筐体２７０１には表示部２７０５が組み込まれ、筐体２７０３には表示部２７０７が組み込まれている。表示部２７０５および表示部２７０７は、続き画面を表示する構成としてもよいし、異なる画面を表示する構成としてもよい。異なる画面を表示する構成とすることで、例えば右側の表示部（図１６では表示部２７０５）に文章を表示し、左側の表示部（図１６では表示部２７０７）に画像を表示することができる。
【０２６０】
また、図１６では、筐体２７０１に操作部などを備えた例を示している。例えば、筐体２７０１において、電源２７２１、操作キー２７２３、スピーカ２７２５などを備えている。操作キー２７２３により、頁を送ることができる。なお、筐体の表示部と同一面にキーボードやポインティングデバイスなどを備える構成としてもよい。また、筐体の裏面や側面に、外部接続用端子（イヤホン端子、ＵＳＢ端子、またはＡＣアダプタおよびＵＳＢケーブルなどの各種ケーブルと接続可能な端子など）、記録媒体挿入部などを備える構成としてもよい。さらに、電子書籍２７００は、電子辞書としての機能を持たせた構成としてもよい。
【０２６１】
また、電子書籍２７００は、無線で情報を送受信できる構成としてもよい。無線により、電子書籍サーバから、所望の書籍データなどを購入し、ダウンロードする構成とすることも可能である。
【０２６２】
また、エリアセンサ付き表示装置を搭載した電子書籍はムラのない高品位な画像を表示できるだけでなく、エリアセンサを利用してメモを入力できる。エリアセンサ付き表示装置を指や、先端に光源を有するスタイラスもしくはペン等の指示具で触れ、メモを手書きで入力できる。
【０２６３】
（実施の形態８）
本発明に係る半導体装置は、さまざまな電子機器（遊技機も含む）に適用することができる。電子機器としては、例えば、テレビジョン装置（テレビ、またはテレビジョン受信機ともいう）、コンピュータ用などのモニタ、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、デジタルフォトフレーム、携帯電話機（携帯電話、携帯電話装置ともいう）、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置、パチンコ機などの大型ゲーム機などが挙げられる。
【０２６４】
図１７（Ａ）は、テレビジョン装置９６００の一例を示している。テレビジョン装置９６００は、筐体９６０１に表示部９６０３が組み込まれている。表示部９６０３により、映像を表示することが可能である。また、ここでは、スタンド９６０５により筐体９６０１を支持した構成を示している。
【０２６５】
テレビジョン装置９６００の操作は、筐体９６０１が備える操作スイッチや、別体のリモコン操作機９６１０により行うことができる。リモコン操作機９６１０が備える操作キー９６０９により、チャンネルや音量の操作を行うことができ、表示部９６０３に表示される映像を操作することができる。また、リモコン操作機９６１０に、当該リモコン操作機９６１０から出力する情報を表示する表示部９６０７を設ける構成としてもよい。
【０２６６】
なお、テレビジョン装置９６００は、受信機やモデムなどを備えた構成とする。受信機により一般のテレビ放送の受信を行うことができ、さらにモデムを介して有線または無線による通信ネットワークに接続することにより、一方向（送信者から受信者）または双方向（送信者と受信者間、あるいは受信者間同士など）の情報通信を行うことも可能である。
【０２６７】
また、エリアセンサ付き表示装置を搭載したテレビジョン装置はムラのない高品位な画像を表示できるだけでなく、エリアセンサを利用して双方光通信できる。リモコンに搭載したレーザーポインタ等でエリアセンサ付き表示装置を指し示し、表示された画像を離れた場所から選択して、情報を入力できる。
【０２６８】
図１７（Ｂ）は、デジタルフォトフレーム９７００の一例を示している。例えば、デジタルフォトフレーム９７００は、筐体９７０１に表示部９７０３が組み込まれている。表示部９７０３は、各種画像を表示することが可能であり、例えばデジタルカメラなどで撮影した画像データを表示させることで、通常の写真立てと同様に機能させることができる。
【０２６９】
なお、デジタルフォトフレーム９７００は、操作部、外部接続用端子（ＵＳＢ端子、ＵＳＢケーブルなどの各種ケーブルと接続可能な端子など）、記録媒体挿入部などを備える構成とする。これらの構成は、表示部と同一面に組み込まれていてもよいが、側面や裏面に備えるとデザイン性が向上するため好ましい。例えば、デジタルフォトフレームの記録媒体挿入部に、デジタルカメラで撮影した画像データを記憶したメモリを挿入して画像データを取り込み、取り込んだ画像データを表示部９７０３に表示させることができる。
【０２７０】
また、デジタルフォトフレーム９７００は、無線で情報を送受信出来る構成としてもよい。無線により、所望の画像データを取り込み、表示させる構成とすることもできる。
【０２７１】
また、エリアセンサ付き表示装置を搭載したデジタルフォトフレームはムラのない高品位な画像を表示できるだけでなく、エリアセンサを利用して表示画像の一部を選択できる。例えば、レーザーポインタ等でエリアセンサ付き表示装置に表示された画像の一部を囲む様に指し示して選択し、拡大表示する範囲や切り取る範囲を指示するなど、種々の操作や加工ができる。
【０２７２】
図１８（Ａ）は携帯型遊技機であり、筐体９８８１と筐体９８９１の２つの筐体で構成されており、連結部９８９３により、開閉可能に連結されている。筐体９８８１には表示部９８８２が組み込まれ、筐体９８９１には表示部９８８３が組み込まれている。また、図１８（Ａ）に示す携帯型遊技機は、その他、スピーカ部９８８４、記録媒体挿入部９８８６、ＬＥＤランプ９８９０、入力手段（操作キー９８８５、接続端子９８８７、センサ９８８８（力、変位、位置、速度、加速度、角速度、回転数、距離、光、液、磁気、温度、化学物質、音声、時間、硬度、電場、電流、電圧、電力、放射線、流量、湿度、傾度、振動、におい又は赤外線を測定する機能を含むもの）、マイクロフォン９８８９）等を備えている。もちろん、携帯型遊技機の構成は上述のものに限定されず、少なくとも本発明に係る半導体装置を備えた構成であればよく、その他付属設備が適宜設けられた構成とすることができる。図１８（Ａ）に示す携帯型遊技機は、記録媒体に記録されているプログラム又はデータを読み出して表示部に表示する機能や、他の携帯型遊技機と無線通信を行って情報を共有する機能を有する。なお、図１８（Ａ）に示す携帯型遊技機が有する機能はこれに限定されず、様々な機能を有することができる。
【０２７３】
図１８（Ｂ）は大型遊技機であるスロットマシン９９００の一例を示している。スロットマシン９９００は、筐体９９０１に表示部９９０３が組み込まれている。また、スロットマシン９９００は、その他、スタートレバーやストップスイッチなどの操作手段、コイン投入口、スピーカなどを備えている。もちろん、スロットマシン９９００の構成は上述のものに限定されず、少なくとも本発明に係る半導体装置を備えた構成であればよく、その他付属設備が適宜設けられた構成とすることができる。
【０２７４】
図１９は、携帯電話機１０００の一例を示している。携帯電話機１０００は、筐体１００１に組み込まれた表示部１００２の他、操作ボタン１００３、外部接続ポート１００４、スピーカ１００５、マイク１００６などを備えている。
【０２７５】
図１９に示す携帯電話機１０００は、表示部１００２を指などで触れることで、情報を入力ことができる。また、電話を掛ける、或いはメールを打つなどの操作は、表示部１００２を指などで触れることにより行うことができる。
【０２７６】
表示部１００２の画面は主として３つのモードがある。第１は、画像の表示を主とする表示モードであり、第２は、文字等の情報の入力を主とする入力モードである。第３は表示モードと入力モードの２つのモードが混合した表示＋入力モードである。
【０２７７】
例えば、電話を掛ける、或いはメールを作成する場合は、表示部１００２を文字の入力を主とする文字入力モードとし、画面に表示させた文字の入力操作を行えばよい。この場合、表示部１００２の画面のほとんどにキーボードまたは番号ボタンを表示させることが好ましい。
【０２７８】
また、携帯電話機１０００内部に、ジャイロ、加速度センサ等の傾きを検出するセンサを有する検出装置を設けることで、携帯電話機１０００の向き（縦か横か）を判断して、表示部１００２の画面表示を自動的に切り替えるようにすることができる。
【０２７９】
また、画面モードの切り替えは、表示部１００２を触れること、又は筐体１００１の操作ボタン１００３の操作により行われる。また、表示部１００２に表示される画像の種類によって切り替えるようにすることもできる。例えば、表示部に表示する画像信号が動画のデータであれば表示モード、テキストデータであれば入力モードに切り替える。
【０２８０】
また、入力モードにおいて、表示部１００２の光センサで検出される信号を検知し、表示部１００２のタッチ操作による入力が一定期間ない場合には、画面のモードを入力モードから表示モードに切り替えるように制御してもよい。
【０２８１】
表示部１００２は、イメージセンサとして機能させることもできる。例えば、表示部１００２に掌や指を触れることで、掌紋、指紋等を撮像することで、本人認証を行うことができる。また、表示部に近赤外光を発光するバックライトまたは近赤外光を発光するセンシング用光源を用いれば、指静脈、掌静脈などを撮像することもできる。また、表示部１００２の少なくとも一つのフォトセンサを用いて、例えば携帯電話の使用環境の明るさに応じて携帯電話の表示画面の明るさを調整することができる。
【符号の説明】
【０２８２】
１１ エリアセンサ部
１２ 画素
１３ 定電流電源
２１ 表示部
２２ 画素
１００ 基板
１０２ ゲート絶縁膜
１０３ 酸化物半導体膜
１０４ 酸化物半導体膜
１０５ 導電膜
１０９ 層間絶縁膜
１１１ ゲート電極層
１１１＿１ ゲート電極層
１１１＿２ ゲート電極層
１１１＿３ ゲート電極層
１１１＿４ ゲート電極層
１１１＿５ ゲート電極層
１１１＿６ 配線層
１１３ 酸化物半導体層
１１４ バッファ層
１１４ａ バッファ層
１１４ｂ バッファ層
１１５ａ＿１ ソース電極層およびドレイン電極層
１１５ａ＿４ ソース電極層
１１５ｂ＿１ ソース電極層およびドレイン電極層
１１５ｂ＿３ ソース電極層
１２１ 層間絶縁膜
１２５ コンタクトホール
１２６ コンタクトホール
１２７ 配線層
１２８ 保護層
１２９ 下部電極層
１３１ レジストマスク
１３２ レジストマスク
１３６ コンタクトホール
１３９ 画素電極層
１５１ 選択用ＴＦＴ
１５２ 増幅用ＴＦＴ
１５３ リセット用ＴＦＴ
１５４ ＥＬ駆動用ＴＦＴ
１５５ スイッチング用ＴＦＴ
１５６ 有機発光素子
１５７ コンデンサ
１５８ 液晶素子
２０５ｂ 半導体層
２２１ 層間絶縁膜
２２２ 層間絶縁膜
２２５ コンタクトホール
２２７ 上部電極層
２２８ 配線層
２３１ コンタクトホール
２３２ コンタクトホール
２３３ コンタクトホール
２３７ 上部電極層
２５０ フォトダイオード
２５０ａ 半導体層
２５０ｂ 半導体層
２５０ｃ 半導体層
２５１ フォトダイオード
２５１ａ 半導体層
２５１ｂ 半導体層
２５１ｃ 半導体層
２５２ フォトダイオード
２５２ａ 半導体層
２５２ｂ 半導体層
２５２ｃ 半導体層
２６０ 層
２７０ 対向基板
２７１ カラーフィルター
２７５ 対向電極層
２８１ 増幅回路
２８５ 駆動回路
２９０ 導光板
２９１ 光源
２９２ 物体
２９３ レーザーポインタ
４１６ 層
１０００ 携帯電話機
１００１ 筐体
１００２ 表示部
１００３ 操作ボタン
１００４ 外部接続ポート
１００５ スピーカ
１００６ マイク
２７００ 電子書籍
２７０１ 筐体
２７０３ 筐体
２７０５ 表示部
２７０７ 表示部
２７１１ 軸部
２７２１ 電源
２７２３ 操作キー
２７２５ スピーカ
９６００ テレビジョン装置
９６０１ 筐体
９６０３ 表示部
９６０５ スタンド
９６０７ 表示部
９６０９ 操作キー
９６１０ リモコン操作機
９７００ デジタルフォトフレーム
９７０１ 筐体
９７０３ 表示部
９８８１ 筐体
９８８２ 表示部
９８８３ 表示部
９８８４ スピーカ部
９８８５ 操作キー
９８８６ 記録媒体挿入部
９８８７ 接続端子
９８８８ センサ
９８８９ マイクロフォン
９８９０ ＬＥＤランプ
９８９１ 筐体
９８９３ 連結部
９９００ スロットマシン
９９０１ 筐体
９９０３ 表示部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトセンサに関する。特に高い移動度と特性のバラツキが少ない薄膜トランジスタと光電変換素子で構成したフォトセンサとフォトセンサを有する画素を複数配置したラインセンサ、およびエリアセンサに関する。また、フォトセンサを有する表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、映像情報、紙面上の文字や図形情報などの光信号から、画像情報を有する電気信号を読み出すダイオード、ＣＣＤ、ＣＭＯＳなどの光電変換素子を有する固体撮像素子が用いられている。
【０００３】
複数の光電変換素子を有する固体撮像素子には、ラインセンサと、エリアセンサとがある。ラインセンサは複数の光電変換素子を線状に配置したものであって、当該センサで被写体を相対的に走査して画像を電気信号として取り込む。ラインセンサを用いた装置としては、イメージスキャナをその例に挙げることができる。一方、エリアセンサは複数の光電変換素子をマトリクス状に配置したものであって、当該センサに被写体像を投影して画像を電気信号として取り込む。エリアセンサを用いた装置としては、ビデオカメラやデジタルスチルカメラをその例に挙げることができる。ビデオカメラやデジタルスチルカメラは光学系を介して被写体像をエリアセンサ上に縮小投影して電気信号として取り込む。また、紙などの被写体に密着して被写体像を電気信号として取り込む、密着型のエリアセンサもある。
【０００４】
また、エリアセンサを表示装置に組み込み、表示領域が入力領域を兼ねる半導体装置が提案されている。エリアセンサを用いて画像を取り込む機能を備えた表示装置が、特許文献１及び特許文献２に開示されている。また、特許文献３には発光素子の輝度を制御するためのセンサを備えた表示装置が開示されている。
【０００５】
また、エリアセンサを組み込んだ表示装置は画像を取り込むだけでなく、表示領域に触れたペンや指を検知して入力操作ができる、いわゆるタッチパネルとしても利用できる。タッチパネルは操作が簡便であり、また表示された映像にあたかも直接触れて操作しているかのような操作感が得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許４１１２１８４
【特許文献２】特開２００１―３３９６４０
【特許文献３】特開２００３―１６７５５０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
被写体に忠実な画像を捉えるエリアセンサを得るには、マトリクス状に配置した光電変換素子が捉える光の強度分布を、再現よく電気信号に変換して取り出す増幅回路が必要である。
【０００８】
単結晶シリコントランジスタを用いた増幅回路は優れた特性を有するが、エリアセンサの大きさが単結晶シリコン基板の大きさに制約を受ける。すなわち、単結晶シリコン基板を用いて大型のエリアセンサや大型の表示装置を兼ねたエリアセンサを形成することは、コストが高く現実的でない。
【０００９】
一方、非晶質シリコンを用いた薄膜トランジスタは基板の大型化が容易であるが、非晶質シリコン薄膜の電界効果移動度は低く、増幅回路の占有面積を小さくすることは難しい。占有面積が大きい増幅回路は、同一基板上に形成する光電変換素子の受光面積や、表示素子の画素面積を制限してしまう。
【００１０】
また、多結晶シリコンを用いた薄膜トランジスタはエキシマレーザーアニールに由来する特性のバラツキを有する。特性にバラツキがある薄膜トランジスタで構成した増幅回路を用いて、マトリクス状に配置した光電変換素子が捉える光の強度分布を再現よく電気信号に変換して取り出すことはできない。
【００１１】
また、多数個のフォトセンサやラインセンサを形成した基板を分断して製品を生産する場合も、個々の製品の増幅回路にバラツキがあると製品の特性がバラつき、歩留まりの低下を招く。また、使い勝手が悪くなる。なお、本明細書でいうフォトセンサ、ラインセンサ、およびエリアセンサは少なくとも光電変換素子と増幅回路を有しており、必ずしも駆動回路を搭載する必要はない。
【００１２】
本発明は、マトリクス状に配置した光電変換素子が捉える光の強度分布を、再現よく電気信号に変換して取り出せる大型のエリアセンサを提供することを課題の一つとする。また、マトリクス状に配置した光電変換素子が捉える光の強度分布を、再現よく電気信号に変換して取り出せる大型のエリアセンサを兼ねた、書き込み速度が速く、表示ムラが少ない表示装置を提供することを課題の一つする。また、大型の基板上に大量に作製でき、均質な特性を有するフォトセンサおよびラインセンサを提供することを課題の一つとする。以上、本発明は上記課題の少なくとも一つを解決することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
発明者等は、特性にバラツキが少なく、電界効果移動度が高い酸化物半導体、特にインジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタで構成した増幅回路は、特性にバラツキが少なく、占有面積が小さいことを見いだした。その結果、そのような増幅回路をフォトダイオードの増幅回路に用いたエリアセンサは、フォトダイオードがとらえる光の強度分布を再現よく電気信号に変換して取り出すことを可能にした。また、酸化物半導体、代表的にはインジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタを大面積基板に形成することで、光の強度分布を再現よく電気信号に変換できる大型のエリアセンサの提供を可能にした。また、大型の基板上に均質な特性のフォトセンサを大量に形成することにより、均質な特性を有するフォトセンサおよびラインセンサを大量に提供することを可能にした。
【００１４】
本発明のフォトセンサの一態様は、光電変換素子としてフォトダイオードを用いる。また、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、および亜鉛（Ｚｎ）を含む酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタで構成した増幅回路を用いる。
【００１５】
本明細書中で用いるフォトダイオードの一例は、カソード電極と、アノード電極と、カソード電極とアノード電極の間に設けられた光電変換層とを有している。そして光電変換層に光が照射されると、光起電力効果により電流が生じる。
【００１６】
また、本明細書中で用いる酸化物半導体の一例は、ＩｎＭＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０）で表記される薄膜を形成し、その薄膜を半導体層として用いた薄膜トランジスタを作製する。なお、Ｍは、Ｇａ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎ及びＣｏから選ばれた一の金属元素又は複数の金属元素を示す。例えばＭとして、Ｇａの場合があることの他、ＧａとＮｉ又はＧａとＦｅなど、Ｇａ以外の上記金属元素が含まれる場合がある。また、上記酸化物半導体において、Ｍとして含まれる金属元素の他に、不純物元素としてＦｅ、Ｎｉその他の遷移金属元素、又は該遷移金属の酸化物が含まれているものがある。本明細書においてはこの薄膜をインジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体膜もしくはＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系非単結晶膜とも呼ぶ。なお、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系非単結晶膜に含まれるナトリウム（Ｎａ）は５×１０１８／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１８／ｃｍ３以下である。また、その他酸化物半導体として、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系、Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系、Ｉｎ−Ｏ系、Ｓｎ−Ｏ系、Ｚｎ−Ｏ系の酸化物半導体を用いることができる。
【００１７】
また、インジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタは電界効果移動度が高く、この薄膜トランジスタで構成した増幅回路や表示素子の駆動回路は、占有面積が小さく、特性のバラツキがすくなく、大面積の基板に多数形成できる。
【００１８】
すなわち本発明の一態様は、光電変換素子と、インジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタで構成された増幅回路を有するフォトセンサである。
【００１９】
また、本発明の一態様は、一導電性の不純物元素を有する第１の半導体層と、第１の半導体層に接して設けられた第２の半導体層と、第２の半導体層に接して設けられた第１の半導体層とは逆の導電型の不純物元素を有する第３の半導体層と、が積層された光電変換層を有する光電変換素子を有する。また、インジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を適用した、選択用薄膜トランジスタと、増幅用薄膜トランジスタ、およびリセット用薄膜トランジスタとを有する。そして、リセット用薄膜トランジスタのゲート電極はリセット用ゲート信号線に接続され、リセット用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極の一方はセンサ用電源線に接続され、リセット用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極のもう一方は増幅用薄膜トランジスタのゲート電極層および光電変換素子のアノードまたはカソードのいずれか一方に接続されており、増幅用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極の一方はセンサ用電源線に接続されており、選択用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極の一方はセンサ出力配線に接続されており、選択用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極のもう一方は増幅用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極のもう一方に接続されており、選択用薄膜トランジスタのゲート電極層はセンサ用ゲート信号線に接続された増幅回路を有するフォトセンサである。
【００２０】
また、本発明の一態様は、一導電性の不純物元素を有する第１の半導体層と、第１の半導体層に接して設けられた第２の半導体層と、第２の半導体層に接して設けられた第１の半導体層とは逆の導電型の不純物元素を有する第３の半導体層と、が積層された光電変換層を有する光電変換素子を有する。また、インジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を適用した、選択用薄膜トランジスタと、増幅用薄膜トランジスタ、およびリセット用薄膜トランジスタとを有する。そして、リセット用薄膜トランジスタのゲート電極層はリセット用ゲート信号線に接続され、リセット用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極の一方はセンサ用電源線に接続され、リセット用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極のもう一方は増幅用薄膜トランジスタのゲート電極層および光電変換素子のアノードまたはカソードのいずれか一方に接続されており、増幅用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極の一方はセンサ用電源線に接続されており、選択用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極の一方はセンサ出力配線に接続されており、選択用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極のもう一方は増幅用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極のもう一方に接続されており、選択用薄膜トランジスタのゲート電極層はセンサ用ゲート信号線に接続されており、リセット用ゲート信号線とセンサ用ゲート信号線とに入力される信号によってリセット用薄膜トランジスタと選択用薄膜トランジスタはオンからオフの状態、またはオフからオンの状態に切り替わることを特徴とする増幅回路を有する画素を複数配置したフォトセンサである。
【００２１】
また、本発明の一態様は、光電変換素子と、インジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタで構成された増幅回路を有する画素を複数配置したエリアセンサである。
【００２２】
また、本発明の一態様は、一導電性の不純物元素を有する第１の半導体層と、第１の半導体層に接して設けられた第２の半導体層と、第２の半導体層に接して設けられた第１の半導体層とは逆の導電型の不純物元素を有する第３の半導体層と、が積層された光電変換層を有する光電変換素子を有する。また、インジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を適用した、選択用薄膜トランジスタと、増幅用薄膜トランジスタ、およびリセット用薄膜トランジスタとを有する。そして、リセット用薄膜トランジスタのゲート電極層はリセット用ゲート信号線に接続され、リセット用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極の一方はセンサ用電源線に接続され、リセット用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極のもう一方は増幅用薄膜トランジスタのゲート電極層および光電変換素子のアノードまたはカソードのいずれか一方に接続されており、増幅用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極の一方はセンサ用電源線に接続されており、選択用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極の一方はセンサ出力配線に接続されており、選択用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極のもう一方は増幅用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極のもう一方に接続されており、選択用薄膜トランジスタのゲート電極層はセンサ用ゲート信号線に接続された増幅回路を有する画素を複数配置したエリアセンサである。
【００２３】
また、本発明の一態様は、一導電性の不純物元素を有する第１の半導体層と、第１の半導体層に接して設けられた第２の半導体層と、第２の半導体層に接して設けられた第１の半導体層とは逆の導電型の不純物元素を有する第３の半導体層と、が積層された光電変換層を有する光電変換素子を有する。また、インジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を適用した、選択用薄膜トランジスタと、増幅用薄膜トランジスタ、およびリセット用薄膜トランジスタとを有する。そして、リセット用薄膜トランジスタのゲート電極層はリセット用ゲート信号線に接続され、リセット用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極の一方はセンサ用電源線に接続され、リセット用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極のもう一方は増幅用薄膜トランジスタのゲート電極層および光電変換素子のアノードまたはカソードのいずれか一方に接続されており、増幅用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極の一方はセンサ用電源線に接続されており、選択用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極の一方はセンサ出力配線に接続されており、選択用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極の一方は増幅用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極のもう一方に接続されており、選択用薄膜トランジスタのゲート電極層はセンサ用ゲート信号線に接続されており、リセット用ゲート信号線とセンサ用ゲート信号線とに入力される信号によってリセット用薄膜トランジスタと選択用薄膜トランジスタはオンからオフの状態、またはオフからオンの状態に切り替わることを特徴とする増幅回路を有する画素を複数配置したエリアセンサである。
【００２４】
また、本発明の一態様は、光電変換素子と、増幅回路と、表示素子と、表示素子の駆動回路を有する画素が複数配置され、増幅回路と駆動回路が、インジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタで構成された表示装置である。
【００２５】
また、本発明の一態様は、一導電性の不純物元素を有する第１の半導体層と、第１の半導体層に接して設けられた第２の半導体層と、第２の半導体層に接して設けられた第１の半導体層とは逆の導電型の不純物元素を有する第３の半導体層と、が積層された光電変換層を有する光電変換素子を有する。また、インジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を適用した、選択用薄膜トランジスタと、増幅用薄膜トランジスタ、およびリセット用薄膜トランジスタとを有する。そして、リセット用薄膜トランジスタのゲート電極層はリセット用ゲート信号線に接続され、リセット用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極の一方はセンサ用電源線に接続され、リセット用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極のもう一方は増幅用薄膜トランジスタのゲート電極層および光電変換素子のアノードまたはカソードのいずれか一方に接続されており、増幅用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極の一方はセンサ用電源線に接続されており、選択用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極の一方はセンサ出力配線に接続されており、選択用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極の一方は増幅用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極のもう一方に接続されており、選択用薄膜トランジスタのゲート電極層はセンサ用ゲート信号線に接続された増幅回路を画素に有している。また、表示素子と、インジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いたスイッチング用薄膜トランジスタを少なくとも有し、スイッチング用薄膜トランジスタのゲート電極層はゲート信号線に接続されており、スイッチング用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極の一方はソース信号線に接続された表示素子の駆動回路を有する画素を複数配置した表示装置である。
【００２６】
また、本発明の一態様は、表示素子が陽極、陰極および陽極と陰極の間に発光物質を含む層を有している。
【００２７】
また、本発明の一態様は、表示素子が画素電極、対向電極および画素電極と対向電極の間に液晶物質を含む層を有している。
【００２８】
また、本発明の一態様は、エリアセンサ付き表示装置をレーザーポインタで操作する操作方法である。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、複数配置した光電変換素子が捉える光の強度分布を、再現よく電気信号に変換して取り出せる大型のエリアセンサまたはラインセンサを提供することができる。また、マトリクス状に配置した光電変換素子が捉える光の強度分布を、再現よく電気信号に変換して取り出せる大型のエリアセンサを兼ねた、書き込み速度が速く、表示ムラが少ない表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】エリアセンサの回路図。
【図２】エリアセンサの画素の回路図。
【図３】エリアセンサの画像の読み取りのタイミングチャート。
【図４】エリアセンサの画素部の断面図。
【図５】エリアセンサの画素部の作製工程図。
【図６】エリアセンサの画素部の作製工程図。
【図７】エリアセンサの画素部の作製工程図。
【図８】エリアセンサ付き表示装置の回路図。
【図９】エリアセンサ付き表示装置の画素の回路図。
【図１０】エリアセンサのカラー画像の読み取りのタイミングチャート。
【図１１】エリアセンサ付き表示装置の断面図。
【図１２】エリアセンサ付き表示装置の作製工程図。
【図１３】エリアセンサ付き表示装置の作製工程図。
【図１４】エリアセンサ付き表示装置の作製工程図。
【図１５】エリアセンサ付き表示装置の断面図。
【図１６】電子書籍の一例を示す外観図。
【図１７】テレビジョン装置およびデジタルフォトフレームの例を示す外観図。
【図１８】遊技機の例を示す外観図。
【図１９】携帯電話機の一例を示す外観図。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
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、本発明の趣旨およびその範囲から逸脱することなくその形態および詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。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。
【００３２】
（実施の形態１）
本実施の形態は、複数の光電変換素子と酸化物半導体、特にインジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタで構成した増幅回路が形成されたエリアセンサの一態様を、図面を参照して説明する。
【００３３】
図１はエリアセンサ部１１を構成する、リセット用ゲート信号線ＲＧ１〜ＲＧｙ、センサ用ゲート信号線ＳＧ１〜ＳＧｙ、センサ出力配線ＳＳ１〜ＳＳｘ、センサ用電源線ＶＢ、と複数の画素１２の接続を説明する図である。
【００３４】
エリアセンサ部１１は複数の画素１２をマトリクス状に配列して構成されている。画素１２は、リセット用ゲート信号線ＲＧ１〜ＲＧｙのいずれか１つと、センサ用ゲート信号線ＳＧ１〜ＳＧｙのいずれか１つと、センサ出力配線ＳＳ１〜ＳＳｘのいずれか１つと、センサ用電源線ＶＢと接続されている。
【００３５】
センサ出力配線ＳＳ１〜ＳＳｘはそれぞれ定電流電源１３＿１〜１３＿ｘに接続されている。
【００３６】
図２は画素部の光電変換素子とインジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタで構成した増幅回路の接続の一例を示す。リセット用ゲート信号線ＲＧはリセット用ゲート信号線ＲＧ１〜ＲＧｙのいずれか１つを意味する。またセンサ用ゲート信号線ＳＧは、センサ用ゲート信号線ＳＧ１〜ＳＧｙのいずれか１つを意味する。またセンサ出力配線ＳＳはセンサ出力配線ＳＳ１〜ＳＳｘのいずれか１つを意味する。さらに画素１２は、選択用ＴＦＴ１５１、増幅用ＴＦＴ１５２、リセット用ＴＦＴ１５３、フォトダイオード２５０を有している。
【００３７】
リセット用ＴＦＴ１５３のゲート電極はリセット用ゲート信号線ＲＧに接続されている。リセット用ＴＦＴ１５３のソース電極とドレイン電極の一方はセンサ用電源線ＶＢに接続されている。センサ用電源線ＶＢは常に一定の電位（基準電位）に保たれている。もう一方はフォトダイオード２５０及び増幅用ＴＦＴ１５２のゲート電極に接続されている。
【００３８】
図示しないが、フォトダイオード２５０はカソード電極と、アノード電極と、カソード電極とアノード電極の間に設けられた光電変換層とを有している。リセット用ＴＦＴ１５３のソース電極とドレイン電極の一方はフォトダイオード２５０のアノード電極又はカソード電極に接続されている。
【００３９】
増幅用ＴＦＴ１５２のソース電極とドレイン電極の一方はセンサ用電源線ＶＢに接続されており、常に一定の基準電位に保たれている。そしてもう一方は選択用ＴＦＴ１５１のソース電極又はドレイン電極に接続されている。
【００４０】
選択用ＴＦＴ１５１のゲート電極はセンサ用ゲート信号線ＳＧに接続されている。そして選択用ＴＦＴ１５１のソース電極とドレイン電極の一方は上述したとおり増幅用ＴＦＴ１５２のソース電極とドレイン電極の一方に接続されており、もう一方はセンサ出力配線ＳＳに接続されている。センサ出力配線ＳＳは定電流電源１３（定電流電源１３＿１〜１３＿ｘのいずれか１つ）に接続されており、常に一定の電流が流れている。
【００４１】
なお、ここではインジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いたｎチャネル型の薄膜トランジスタを選択用ＴＦＴ１５１、増幅用ＴＦＴ１５２、リセット用ＴＦＴ１５３に用い、フォトダイオード２５０のカソード電極をリセット用ＴＦＴ１５３のドレイン電極に接続して、いわゆる逆バイアス方向に電圧を加える。逆バイアス方向の電圧をフォトダイオード２５０に加えた回路は、温度依存性が少ない出力が得られる。
【００４２】
次に本発明のエリアセンサの駆動の仕方について、図１乃至図３を用いて説明する。
【００４３】
まず、被写体の画像情報を含む光は画素１２が有するフォトダイオード２５０に到達する。フォトダイオード２５０は、照射された光の強度を電気信号に変換する。そしてフォトダイオード２５０で発生した画像情報を含む電気信号は、選択用ＴＦＴ１５１、増幅用ＴＦＴ１５２、及びリセット用ＴＦＴ１５３により画像信号として取り出される。
【００４４】
図３は、選択用ＴＦＴ１５１、増幅用ＴＦＴ１５２、及びリセット用ＴＦＴ１５３の動作を示すタイミングチャートである。なおここでは、選択用ＴＦＴ１５１、増幅用ＴＦＴ１５２、リセット用ＴＦＴ１５３がｎチャネル型ＴＦＴの場合のタイミングチャートを示す。
【００４５】
まず、リセット用ゲート信号線ＲＧ１に入力されているリセット信号によって、ＲＧ１に接続されている１ライン目の画素のリセット用ＴＦＴ１５３はオンの状態にある。よってセンサ用電源線ＶＢの基準電位が増幅用ＴＦＴ１５２のゲート電極に与えられる。
【００４６】
また、センサ用ゲート信号線ＳＧ１に入力されているセンサ信号によって、センサ用ゲート信号線ＳＧ１に接続されている１ライン目の画素の選択用ＴＦＴ１５１がオフの状態にある。なお本明細書では、リセット用ＴＦＴ１５３がオンの状態である期間をリセット期間と呼ぶ。
【００４７】
そして、リセット用ゲート信号線ＲＧ１に入力されたリセット信号の電位が変化して、１ライン目の画素のリセット用ＴＦＴ１５３が全てオフの状態になる。よってセンサ用電源線ＶＢの基準電位が、１ライン目の画素の増幅用ＴＦＴ１５２のゲート電極に与えられなくなる。なお、リセット用ＴＦＴ１５３がオフの状態にある期間を、本明細書ではサンプル期間ＳＴと呼ぶ。特に１ライン目の画素のリセット用ＴＦＴ１５３がオフの状態にある期間をサンプル期間ＳＴ１と呼ぶ。
【００４８】
サンプル期間ＳＴ１では、センサ用ゲート信号線ＳＧ１に入力されたセンサ信号の電位が変化して、１ライン目の画素の選択用ＴＦＴ１５１がオンの状態になる。よって１ライン目の画素の増幅用ＴＦＴ１５２のソース電極は、選択用ＴＦＴ１５１を介してセンサ出力配線ＳＳ１に電気的に接続される。
【００４９】
サンプル期間ＳＴ１において、光がフォトダイオード２５０に照射されると、フォトダイオード２５０に電流が流れる。そのため、リセット期間において基準電位に保たれていた増幅用ＴＦＴ１５２のゲート電極の電位は、フォトダイオード２５０で発生する電流の大きさに応じて変化する。センサ出力配線ＳＳ１を介して定電流電源１３＿１に接続された増幅用ＴＦＴ１５２は、フォトダイオード２５０の出力に関わらずソース電極とゲート電極の電位差ＶＧＳが一定に保たれ、ソースフォロワ（ｓｏｕｒｃｅ ｆｏｌｌｏｗｅｒ）として機能する。
【００５０】
フォトダイオード２５０に流れる電流は、フォトダイオード２５０に照射される光の強さに比例するため、フォトダイオード２５０において光の強さは電気信号に変換される。フォトダイオード２５０において生成された電気信号は、増幅用ＴＦＴ１５２のゲート電極に入力される。
【００５１】
ここでは、フォトダイオード２５０のカソード電極が増幅用ＴＦＴ１５２のゲート電極に接続され、フォトダイオード２５０のアノード電極が共通配線に接続されているため、リセット用ＴＦＴ１５３がオンの期間はｎチャネル型の増幅用ＴＦＴ１５２のゲート電極は正の基準電位に保たれている。しかしサンプル期間ＳＴ１において、増幅用ＴＦＴ１５２のゲート電極の電位はフォトダイオード２５０に照射される光の強さに応じて低下する。
【００５２】
一方、増幅用ＴＦＴ１５２と選択用ＴＦＴ１５１を介してセンサ出力配線ＳＳに流れる電流が一定に保たれるように、センサ出力配線ＳＳは定電流電源に接続されている。その結果、増幅用ＴＦＴ１５２のソース電極とゲート電極の電位差ＶＧＳが常に一定に保たれるように、センサ出力配線ＳＳの電位が変化する。具体的には、増幅用ＴＦＴ１５２のソース電極の電位は増幅用ＴＦＴ１５２のゲート電極の電位からＶＧＳを差し引いた電位に保たれる。
【００５３】
こうして、被写体の画像情報を捉えたフォトダイオード２５０がもたらした増幅用ＴＦＴ１５２のゲート電極の電位の変化が、増幅用ＴＦＴ１５２のソース電極の電位の変化として、オン状態の選択用ＴＦＴ１５１を介して、センサ出力配線ＳＳ１に出力される。
【００５４】
次に、リセット用ゲート信号線ＲＧ２に入力されているリセット信号によって、ＲＧ２に接続されている２ライン目の画素のリセット用ＴＦＴ１５３はオフの状態になり、サンプリング期間ＳＴ２が開始する。なお、１ライン目の画素のリセット用ＴＦＴ１５３は、次のサンプリング期間が始まる前に、接続されているリセット用ゲート信号線ＲＧ１にリセット信号を入力し、再びリセット期間にしておく。
【００５５】
サンプリング期間ＳＴ２では、サンプリング期間ＳＴ１と同様に、フォトダイオードにおいて画像情報を有する電気信号が生成し、画像信号がセンサ出力配線ＳＳ２に入力される。
【００５６】
上記動作を繰り返し、サンプリング期間ＳＴｙが終了すると、１つの画像を画像信号として読み込むことができる。なお本明細書では、サンプリング期間ＳＴ１〜ＳＴｙの全てが出現するまでの期間をセンサフレーム期間ＳＦと呼ぶ。
【００５７】
このように、リセット用ＴＦＴ１５３がオフ、選択用ＴＦＴ１５１がオンの状態において、フォトダイオード２５０が増幅用ＴＦＴ１５２のゲート電位に光の強度を電気信号化して反映すると、増幅用ＴＦＴ１５２がそのゲート電位の変化をソース電極の電位に反映し、フォトダイオード２５０がとらえた光の強度がセンサ出力配線ＳＳに出力される。従って、増幅回路を構成しているトランジスタの特性は増幅回路の特性に強く影響する。特に、マトリクス状に複数のフォトダイオードと増幅回路を配置したエリアセンサは、増幅回路の特性にバラツキがあると、光の強度分布を正しく電気信号に再現できない。例えば、本実施の形態が例示する増幅回路の場合、増幅用ＴＦＴ１５２のＩｄ−ＶＧＳ特性の再現性は重要であり、特性にバラツキがあるとマトリクス状に配置したフォトダイオード２５０が捉えた光の強度分布を正しく出力配線に出力することが困難になる。
【００５８】
図４はエリアセンサの一例を示す断面図である。具体的には、フォトダイオードと、インジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタで構成したエリアセンサの断面図である。図４を参照してエリアセンサの一構成例を説明する。
【００５９】
まず、増幅回路を構成する選択用ＴＦＴ１５１、増幅用ＴＦＴ１５２、及びリセット用ＴＦＴ１５３の構成について説明する。選択用ＴＦＴ１５１、増幅用ＴＦＴ１５２、及びリセット用ＴＦＴ１５３は主要部において同じ構成を有しているため、以下選択用ＴＦＴ１５１を中心に説明する。
【００６０】
選択用ＴＦＴ１５１、増幅用ＴＦＴ１５２、リセット用ＴＦＴ１５３はそれぞれ、リセット用ゲート信号線ＲＧ、センサ用ゲート信号線ＳＧと同じ層で形成されるゲート電極層１１１＿１、ゲート電極層１１１＿２、およびゲート電極層１１１＿３を有している。ゲート電極層１１１＿１、ゲート電極層１１１＿２、およびゲート電極層１１１＿３は、基板１００上に形成され、ゲート電極層１１１＿１、ゲート電極層１１１＿２、およびゲート電極層１１１＿３上にはゲート絶縁膜１０２が形成されている。
【００６１】
ゲート絶縁膜１０２上には第１酸化物半導体層１１３＿１が形成され、第１酸化物半導体層１１３＿１を介してゲート電極層１１１＿１上で相対するように、センサ出力配線ＳＳおよびセンサ用電源線ＶＢと同じ層で形成されるソース電極層、及びドレイン電極層（１１５ａ＿１、及び１１５ｂ＿１）が設けられている。
【００６２】
また、リセット用ＴＦＴ１５３のソース電極層１１５ｂ＿３は、ゲート絶縁膜１０２に設けたコンタクトホール１２５を介して配線層１１１＿６と直接接続している。接続箇所を減らすことで、電気抵抗の増加をもたらす接続界面の数だけでなく、コンタクトホールが占有する面積を減らしている。なお、図示されていないが配線層１１１＿６は増幅用ＴＦＴ１５２のゲート電極層１１１＿２と接続している。
【００６３】
第１酸化物半導体層１１３＿１は、相対するソース電極層、及びドレイン電極層（１１５ａ＿１、及び１１５ｂ＿１）の下にゲート絶縁膜１０２を介してゲート電極層１１１＿１に重畳して設けられている。すなわち第１酸化物半導体層１１３＿１は、ゲート電極層１１１＿１と重畳し、ゲート絶縁膜１０２の上面部とバッファ層１１４ａ＿１および１１４ｂ＿１の下面部と接するように設けられている。
【００６４】
第１酸化物半導体層はＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系非単結晶膜からなる。Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系非単結晶膜の組成比は成膜条件により変化する。ここでは、組成比としてＩｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：１としたターゲット（金属元素の組成比としてＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：０．５）を用い、スパッタリング法でのアルゴンガス流量を４０ｓｃｃｍとした条件を条件１とし、スパッタリング法でのアルゴンガス流量を１０ｓｃｃｍ、酸素を５ｓｃｃｍとした条件を条件２とする。
【００６５】
誘導結合プラズマ質量分析法（ＩＣＰ−ＭＳ ： Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）により測定した代表的な酸化物半導体膜の組成比は、条件１で成膜した場合はＩｎＧａ０．９５Ｚｎ０．４１Ｏ３．３３であり、条件２で成膜した場合は、ＩｎＧａ０．９４Ｚｎ０．４０Ｏ３．３１である。
【００６６】
また、測定方法をラザフォード後方散乱分析法（ＲＢＳ ： Ｒｕｔｈｅｒｆｏｒｄ Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）に変えて定量化した代表的な酸化物半導体膜の組成比は、条件１で成膜した場合はＩｎＧａ０．９３Ｚｎ０．４４Ｏ３．４９であり、条件２で成膜した場合はＩｎＧａ０．９２Ｚｎ０．４５Ｏ３．８６である。
【００６７】
Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系非単結晶膜の結晶構造は、スパッタリング法で成膜した後、２００℃〜５００℃、代表的には３００〜４００℃で１０分〜１００分の熱処理を行っているため、アモルファス構造がＸ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−ｒａｙ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）の分析では観察される。
【００６８】
バッファ層（１１４ａ＿１および１１４ｂ＿１）は、第１酸化物半導体層１１３＿１とソース電極層、及びドレイン電極層（１１５ａ＿１、及び１１５ｂ＿１）に接してその間に設けられている。バッファ層は第１酸化物半導体膜より高い電気伝導率を有する第２酸化物半導体膜を用いる。それゆえ、選択用ＴＦＴ１５１、増幅用ＴＦＴ１５２、及びリセット用ＴＦＴ１５３においてバッファ層（１１４ａ＿１および１１４ｂ＿１）は、ソース電極及びドレイン電極として機能する。バッファ層（１１４ａ＿１および１１４ｂ＿１）は、ｎ型の導電型を有し、活性化エネルギー（ΔＥ）が０．０１ｅＶ以上０．１ｅＶ以下であり、ｎ＋領域とも呼べる。また、バッファ層がインジウム、ガリウム、および亜鉛を含む非単結晶酸化物半導体層である場合、非単結晶構造の中にナノクリスタルが含まれている場合がある。このような接合構造を選択用ＴＦＴ１５１、増幅用ＴＦＴ１５２、及びリセット用ＴＦＴ１５３に設けることにより、熱的安定性が増し、安定動作をさせることが可能となる。それにより増幅回路の機能を高め動作の安定化を図ることができる。また、接合リークが低減し、選択用ＴＦＴ１５１、増幅用ＴＦＴ１５２、及びリセット用ＴＦＴ１５３の特性を向上させることができる。
【００６９】
選択用ＴＦＴ１５１のソース電極層、及びドレイン電極層（１１５ａ＿１、及び１１５ｂ＿１）と第１酸化物半導体層１１３＿１の上には、第１酸化物半導体層１１３＿１側から順に第１層間絶縁膜１０９と第２層間絶縁膜１２１が設けられている。増幅用ＴＦＴ１５２、およびリセット用ＴＦＴ１５３についても増幅用ＴＦＴ１５２と同様に第１層間絶縁膜１０９と第２層間絶縁膜１２１が設けられている。なお、層間絶縁膜は必ずしも複数の層からなる必要はなく、第１層間絶縁膜１０９上に直接フォトダイオード２５０を形成しても良い。
【００７０】
第２層間絶縁膜１２１上には光電変換素子の一例として、フォトダイオード２５０が形成されている。フォトダイオード２５０は、第２層間絶縁膜１２１上に第３導電層で形成した下部電極層１２９と第４導電層で形成した上部電極層２２７の間に、第２層間絶縁膜１２１側から順に第１半導体層２５０ａ、第２半導体層２５０ｂ、及び第３半導体層２５０ｃを積層した構造を有している。保護層１２８は下部電極層１２９の端部を覆っている。
【００７１】
フォトダイオード２５０の下部電極層１２９は配線層２２８を介して共通配線と接続されている。フォトダイオード２５０の上部電極層２２７はコンタクトホール２３１および１２６を介してリセット用ＴＦＴ１５３のソース電極層１１５ｂ＿３と、さらにコンタクトホール１２５を介して、配線層１１１＿６に接続している。図示されていないが配線層１１１＿６は増幅用ＴＦＴ１５２のゲート電極層１１１＿２と接続している。
【００７２】
第２層間絶縁膜１２１とフォトダイオード２５０上には第３層間絶縁膜２２１が形成されている。第３層間絶縁膜２２１にはコンタクトホール２３１と２３２が形成され、コンタクトホール２３２を介して第３半導体層２５０ｃと上部電極層２２７が接続され、コンタクトホール２３３を介して下部電極層１２９と配線層２２８が接続されている。
【００７３】
ここでは、第１半導体層２５０ａとしてｐ型の導電型を有する非晶質シリコン層と、第２半導体層２５０ｂとして高抵抗な非晶質シリコン層と、第３半導体層２５０ｃとしてｎ型の導電型を有する非晶質シリコン層を積層するｐｉｎ型のフォトダイオードを例示している。なお、高抵抗な非晶質シリコン層としては、暗所室温におけるその電気伝導率が１０−１３以上１０−７Ｓ／ｃｍ以下、好ましくは１０−１２以上１０−８Ｓ／ｃｍ以下のものを用いる。ここでは１０−１１以上１０−１０Ｓ／ｃｍ以下のものを用いる。また、光電効果で発生した正孔の移動度は電子の移動度に比べて小さいため、ｐｉｎ型のフォトダイオードはｐ型の半導体層側を受光面とする方がよい特性を示す。ここでは、増幅回路とｐｉｎ型のフォトダイオードが形成されている基板の面とは逆側の面からフォトダイオード２５０が受ける光を電気信号に変換する。また、受光面とした半導体層側とは逆の導電型を有する半導体層側からの光は外乱光となるため、電極層は遮光性を有する導電膜を用いるとよい。なお、ｎ型の半導体層側を受光面として用いることもできる。その場合は、透光性を有する導電膜を上部電極層２２７に用いればよい。また、下部電極層１２９に遮光性を有する導電膜を用いるとよい。
【００７４】
こうして、光電変換素子としてｐｉｎ型のフォトダイオードを有し、インジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタで構成した増幅回路を有するエリアセンサを構成し、画像情報を電気信号に変換して出力できる。
【００７５】
特性にバラツキが少なく、電界効果移動度が高いインジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタで構成した増幅回路は特性にバラツキが少なく占有面積が小さい。そのような増幅回路をフォトダイオードの増幅回路に用いたエリアセンサは、フォトダイオードがとらえる光の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る。また、増幅回路の占有面積が小さいため光電変換素子の受光部が占有する面積の割合を大きくでき、雑音のすくない電気信号を出力できる。また、インジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタを大面積基板にマトリクス状に配置することは容易であるため、大型のエリアセンサを提供できる。
【００７６】
（実施の形態２）
本実施の形態は、実施の形態１で説明した図４のエリアセンサの作製工程の一態様を図５及び図６を参照して説明する。なお、図５及び図６で作製工程を説明する選択用ＴＦＴ１５１、増幅用ＴＦＴ１５２、及びリセット用ＴＦＴ１５３は主要部において同じ構成を有しているため、工程の説明は選択用ＴＦＴ１５１を中心におこなう。
【００７７】
図５（Ａ）において、基板１００には透光性を有する基板を用いる。ガラス基板としては、市販されているバリウムホウケイ酸ガラス、アルミノホウケイ酸ガラス及びアルミノシリケートガラスなどのガラス基板を用いることができる。例えば、成分比としてホウ酸（Ｂ２Ｏ３）よりも酸化バリウム（ＢａＯ）を多く含み、歪み点が７３０℃以上のガラス基板を用いると好ましい。酸化物半導体層を７００℃程度の高温で熱処理する場合でも、ガラス基板が歪まないで済むからである。
【００７８】
また、透光性を有する基板としては、ガラス基板の他、石英基板、本作製工程の処理温度に耐えうる耐熱性を有するプラスチック基板を用いることができる。特に、インジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタは比較的低温で形成できるため、基板に要求する耐熱温度は低い。また、基板１００上に下地膜として絶縁膜を形成してもよい。下地膜としては、ＣＶＤ法やスパッタリング法等を用いて、酸化珪素膜、窒化珪素膜、酸化窒化珪素膜、または窒化酸化珪素膜の単層、又は積層で形成すればよい。なお、本実施の形態では、透光性を有する基板の一方の側から入射した光が基板を透過し、他方の側に形成されたエリアセンサにより検知される構成について主に説明する。なお、基板上に形成されたエリアセンサに光が基板を透過することなく直接達する構成の場合、基板は透光性である必要はない。
【００７９】
次に、ゲート電極層１１１および図示されていないセンサ出力配線ＳＳ、およびセンサ用電源線ＶＢを含むゲート配線、容量配線および端子部の端子となる導電膜を基板１００全面に成膜する。導電膜は、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、白金（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）などを用いることができる。中でもアルミニウム（Ａｌ）や銅（Ｃｕ）などの低抵抗導電性材料で形成することが望ましいが、アルミニウム単体では耐熱性が劣り、また腐蝕しやすい等の課題があるので耐熱性導電性材料と組み合わせて導電膜を形成する。
【００８０】
アルミニウムを第１成分とする導電膜としては、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、Ｎｄ（ネオジム）、Ｓｃ（スカンジウム）、ニッケル（Ｎｉ）、白金（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、マンガン（Ｍｎ）、炭素（Ｃ）、又はシリコン（Ｓｉ）などの元素、又はこれらの元素を主成分とする合金材料もしくは化合物が添加されたアルミニウム合金を用いる方が好ましい。
【００８１】
また、低抵抗な導電膜上に耐熱性導電材料からなる導電膜を積層して用いることもできる。耐熱性導電性材料としては、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、Ｎｄ（ネオジム）、Ｓｃ（スカンジウム）から選ばれた元素、または上述した元素を成分とする合金か、上述した元素を組み合わせた合金膜、または上述した元素を成分とする窒化物で形成する。
【００８２】
また、透光性を有する導電膜を用いてゲート電極層１１１を形成してもよい。透光性を有する導電膜材料としては酸化インジウム酸化スズ合金（Ｉｎ２Ｏ３―ＳｎＯ２、ＩＴＯと略記する）、珪素もしくは酸化珪素を含有したインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化亜鉛などを用いることもできる。
【００８３】
なお、可視光の透過率が高いインジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体膜と共に、透光性を有する導電膜をゲート電極層やソース電極層及びドレイン電極層など他の配線層に利用すれば、透光性を有した薄膜トランジスタを形成できる。透光性を有した薄膜トランジスタで増幅回路を構成すれば、増幅回路を光電変換素子の受光部に重ねて配置しても、受光部の面積が減らないため、雑音の少ない電気信号を出力するエリアセンサを形成できる。また、受光部の面積を保ったまま、装置を小型化できる。
【００８４】
ゲート電極層１１１となる導電膜は、スパッタリング法や真空蒸着法により、厚さ５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下で形成する。ゲート電極層１１１の厚さを３００ｎｍ以下とすることで、後に形成される半導体膜や配線の段切れ防止が可能である。また、ゲート電極層１１１の厚さを５０ｎｍ以上とすることで、ゲート電極層１１１の抵抗を低減することが可能であり、大面積化が可能である。
【００８５】
なお、ここでは基板１００全面に導電膜としてアルミニウムを第１成分とする膜とチタン膜をスパッタリング法により積層して成膜する。
【００８６】
次いで、本実施の形態における第１のフォトマスクを用いて形成したレジストマスクを使い、基板１００上に形成された導電膜の不要な部分をエッチングして除去して配線及び電極（ゲート電極層１１１を含むゲート配線、容量配線、及び端子）を形成する。このとき少なくともゲート電極層１１１の端部にテーパー形状が形成されるようにエッチングする。
【００８７】
なお、大型の基板にレジストマスクを形成する際に、レジスト材料を全面に塗布すると、大量のレジスト材料や、大量の現像液が消費されてしまう。そこで、インクジェット法などの液滴吐出法や印刷法（スクリーン印刷やオフセット印刷などパターンが形成される方法）によりレジスト材料膜を選択的に形成し、露光を行ってレジストマスクを形成する方法が好ましい。選択的にレジスト材料膜を形成することによって、レジスト材料の使用量の削減が図れるため大幅なコストダウンが実現でき、１０００ｍｍ×１２００ｍｍ、１１００ｍｍ×１２５０ｍｍ、１１５０ｍｍ×１３００ｍｍのような大面積基板にも対応できる。
【００８８】
次にゲート絶縁膜１０２を形成する。ゲート絶縁膜１０２として利用できる絶縁膜としては、酸化珪素膜、窒化珪素膜、酸化窒化珪素膜、窒化酸化珪素膜、酸化アルミニウム膜、窒化アルミニウム膜、酸化マグネシウム膜、酸化イットリウム膜、酸化ハフニウム膜、酸化タンタル膜をその例に挙げることができる。なお、透光性を有する基板の一方の側から入射した光が基板を透過し、他方の側に形成されたエリアセンサにより検知される構成である場合、透光性を有するゲート絶縁膜１０２を用いる必要がある。
【００８９】
ここでは、酸化窒化珪素膜とは、その組成として、窒素よりも酸素の含有量が多いものであって、濃度範囲として酸素が５５〜６５原子％、窒素が１〜２０原子％、Ｓｉが２５〜３５原子％、水素が０．１〜１０原子％の範囲で含まれるものをいう。また、窒化酸化珪素膜とは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多いものであって、濃度範囲として酸素が１５〜３０原子％、窒素が２０〜３５原子％、Ｓｉが２５〜３５原子％、水素が１５〜２５原子％の範囲で含まれるものをいう。
【００９０】
ゲート絶縁膜１０２は単層であっても、絶縁膜を２層または３層積層して形成してもよい。例えば、基板に接するゲート絶縁膜１０２を窒化珪素膜、または窒化酸化珪素膜を用いて形成することで、基板１００とゲート絶縁膜１０２の密着力が高まり、基板１００としてガラス基板を用いた場合、基板１００からの不純物が第１酸化物半導体層１１３に拡散するのを防止することが可能であり、さらにゲート電極層１１１の酸化を防止できる。即ち、膜剥れを防止することができると共に、後に形成される薄膜トランジスタの電気特性を向上させることができる。
【００９１】
また、ゲート絶縁膜１０２の厚さは５０〜２５０ｎｍとする。ゲート絶縁膜１０２の厚さが５０ｎｍ以上であると、ゲート電極層１１１の凹凸を緩和できるため好ましい。
【００９２】
ここでは、ゲート絶縁膜１０２としてプラズマＣＶＤ法またはスパッタリング法により１００ｎｍの厚みの酸化珪素膜を成膜する。この段階での段面図を図５（Ａ）に示す。
【００９３】
次に、本実施の形態における第２のフォトマスクを用いて形成したレジストマスクを使いゲート絶縁膜１０２をエッチングして、配線層１１１＿６に達するコンタクトホール１２５を形成する。なお、図示されていないが配線層１１１＿６は増幅用ＴＦＴ１５２のゲート電極層１１１＿２と接続している。
【００９４】
次に、酸化物半導体膜を形成する前のゲート絶縁膜１０２にプラズマ処理を行ってもよい。ここでは酸素ガスとアルゴンガスを導入して発生させたプラズマを使ってゲート絶縁膜１０２の表面に逆スパッタを行い、露出しているゲート絶縁膜１０２に酸素ラジカル又は酸素を照射する。こうして、表面に付着しているゴミや不純物を除去する。
【００９５】
ゲート絶縁膜１０２のプラズマ処理、並びに第１酸化物半導体膜、及びバッファ層の成膜は、スパッタリング法で、チャンバーに導入するガスまたは用いるターゲットを適宣切り替えることにより大気に触れることなく連続成膜することができる。大気に触れることなく連続成膜すると、不純物の混入を防止することができる。大気に触れることなく連続成膜する場合、マルチチャンバー方式の製造装置を用いることが好ましい。
【００９６】
特に、第１酸化物半導体膜に接するゲート絶縁膜１０２のプラズマ処理と第１酸化物半導体膜の成膜は大気に触れることなく連続で実施するのが望ましい。連続成膜することで、水蒸気などの大気成分や大気中に浮遊する不純物元素やゴミによる汚染がない積層界面を形成できるので、薄膜トランジスタの特性のバラツキを低減できる。
【００９７】
なお、本明細書中で連続成膜とは、スパッタ法で行う第１の処理工程からスパッタ法で行う第２の処理工程までの一連のプロセス中、被処理基板の置かれている雰囲気が大気等の汚染雰囲気に触れることなく、常に真空中または不活性ガス雰囲気（窒素雰囲気または希ガス雰囲気）で制御されていることを言う。連続成膜を行うことにより、清浄化された被処理基板に水分等が再付着することなく成膜できる。なお、逆スパッタ処理のようなプラズマ処理も連続成膜に含むものとする。
【００９８】
プラズマ処理後、ゲート絶縁膜を大気に曝すことなく第１酸化物半導体膜を連続成膜する。連続成膜は、ゲート絶縁膜１０２と第１酸化物半導体膜の界面にゴミや水分を付着させない点で有用である。なお、第１酸化物半導体膜の成膜は、先に逆スパッタを行ったチャンバーと同一チャンバーを用いてもよいし、大気に曝すことなく成膜できるのであれば、先に逆スパッタを行ったチャンバーと異なるチャンバーで成膜してもよい。
【００９９】
ここでは、直径８インチのＩｎ、Ｇａ、及びＺｎを含む酸化物半導体ターゲット（組成比としてＩｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：１）を用いて、基板とターゲットの間との距離を１７０ｍｍ、圧力０．４Ｐａ、直流（ＤＣ）電源０．５ｋＷ、アルゴン又は酸素雰囲気下で成膜する。なお、パルス直流（ＤＣ）電源を用いると、ごみが軽減でき、膜厚分布も均一となるために好ましい。第１酸化物半導体膜の膜厚は、５ｎｍ〜２００ｎｍとする。本実施の形態では第１酸化物半導体膜の膜厚を１００ｎｍとする。
【０１００】
第１酸化物半導体膜の成膜後に大気に曝すことなく、第１酸化物半導体膜上にバッファ層を成膜する。バッファ層は第１酸化物半導体膜より高い電気伝導率を有する第２酸化物半導体膜を用いる。第２酸化物半導体膜は、第１酸化物半導体膜と異なる条件で成膜する。例えば、第２酸化物半導体膜の成膜条件における酸素ガス流量とアルゴンガス流量の比よりも、第１酸化物半導体膜の成膜条件における酸素ガス流量の占める比率が多い条件とする。具体的には、第２酸化物半導体膜の成膜条件は、希ガス（アルゴン、又はヘリウムなど）雰囲気下（または酸素ガス１０％以下、アルゴンガス９０％以上）とし、第１酸化物半導体膜の成膜条件は、酸素雰囲気下（又は酸素ガス流量がアルゴンガス流量以上であって、その比が１：１以上）とする。酸素を多く含む雰囲気で第１酸化物半導体膜を成膜することによって、第２酸化物半導体膜よりも導電率を低くすることができる。また、酸素を多く含む雰囲気で第１酸化物半導体膜を成膜することによって、オフ電流の低減を図ることができるため、オン・オフ比の高い薄膜トランジスタを得ることができる。
【０１０１】
ここでは、直径８インチのＩｎ、Ｇａ、及びＺｎを含む酸化物半導体ターゲット（Ｉｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：１）を用いて、基板とターゲットの間との距離を１７０ｍｍ、圧力０．４Ｐａ、直流（ＤＣ）電源０．５ｋＷ、成膜温度を室温とし、アルゴンガス流量４０ｓｃｃｍを導入してスパッタ成膜を行う。これにより、第２酸化物半導体膜として、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎ及び酸素を成分とする半導体膜が形成される。Ｉｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：１としたターゲットを意図的に用いているにも関わらず、成膜直後で大きさ１ｎｍ〜１０ｎｍの結晶粒を含む酸化物半導体膜がしばしば形成される。
【０１０２】
なお、ターゲットの成分比、成膜圧力（０．１Ｐａ〜２．０Ｐａ）、電力（２５０Ｗ〜３０００Ｗ：８インチφ）、温度（室温〜１００℃）、反応性スパッタの成膜条件などを適宜調節することで結晶粒の有無や、結晶粒の密度や、直径サイズは、１ｎｍ〜１０ｎｍの範囲で調節されうると言える。第２酸化物半導体膜の膜厚は、５ｎｍ〜２０ｎｍとする。勿論、膜中に結晶粒が含まれる場合、含まれる結晶粒のサイズが膜厚を超える大きさとならない。本実施の形態では第２酸化物半導体膜の膜厚は、５ｎｍとする。
【０１０３】
次に、第３のフォトリソグラフィー工程を行い、レジストマスクを形成し、第１酸化物半導体膜および第２酸化物半導体膜をエッチングする。ここではＩＴＯ０７Ｎ（関東化学社製）を用いたウェットエッチングにより、不要な部分を除去して第１酸化物半導体層１１３およびバッファ層１１４を形成する。なお、ここでのエッチングは、ウェットエッチングに限定されずドライエッチングを用いてもよい。
【０１０４】
ドライエッチングに用いるエッチング装置としては、反応性イオンエッチング法（ＲＩＥ法）を用いたエッチング装置や、ＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）やＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）などの高密度プラズマ源を用いたドライエッチング装置を用いることができる。また、ＩＣＰエッチング装置と比べて広い面積に渡って一様な放電が得られやすいドライエッチング装置としては、上部電極を接地させ、下部電極に１３．５６ＭＨｚの高周波電源を接続し、さらに下部電極に３．２ＭＨｚの低周波電源を接続したＥＣＣＰ（Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）モードのエッチング装置がある。このＥＣＣＰモードのエッチング装置であれば、例えば基板として、第１０世代の３ｍを超えるサイズの基板を用いる場合にも対応することができる。この段階での段面図を図５（Ｂ）に示す。
【０１０５】
次に、バッファ層１１４とゲート絶縁膜１０２の上に、第２導電膜１０５をスパッタ法や真空蒸着法で形成する。第２導電膜１０５の材料としては、ゲート電極層１１１の説明で例示したものと同じ材料を使うことができる。また、２００℃〜６００℃の熱処理を行う場合には、この熱処理に耐える耐熱性を導電膜に持たせることが好ましい。
【０１０６】
ここでは、第２導電膜１０５としてＴｉ膜と、そのＴｉ膜上に重ねてＮｄを含むアルミニウム（Ａｌ−Ｎｄ）膜を積層し、さらにその上にＴｉ膜を成膜する３層構造とする。また、第２導電膜１０５は、２層構造としてもよく、アルミニウムを第１成分とする膜上にチタン膜を積層してもよい。また、第２導電膜１０５は、シリコンを含むアルミニウムを第１成分とする膜からなる単層構造や、チタン膜の単層構造としてもよい。なお、成膜の際に第２導電膜１０５はコンタクトホール１２５を介して、配線層１１１＿６と接続する。この段階での段面図を図５（Ｃ）に示す。
【０１０７】
次に、第４のフォトマスクを用いて形成したレジストマスク１３１を使い、エッチングにより第２導電膜１０５の不要な部分を除去して配線及び電極（信号線、容量配線、ソース電極層、及びドレイン電極層（１１５ａ＿１、及び１１５ｂ＿１）を含む電極及び端子）を形成する（図５（Ｄ）参照）。この際のエッチング方法としてウェットエッチングまたはドライエッチングを用いる。ここでは、ＳｉＣｌ４とＣｌ２とＢＣｌ３の混合ガスを反応ガスとしたドライエッチングによりＴｉ膜とＡｌ−Ｎｄ膜とＴｉ膜を順次積層した導電膜をエッチングしてソース電極層、及びドレイン電極層（１１５ａ＿１、及び１１５ｂ＿１）を形成する。
【０１０８】
次に、同じレジストマスク１３１を用いて、バッファ層１１４をエッチングする。ここでは導電膜に引き続きドライエッチングにより、不要な部分を除去してバッファ層１１４ａ、１１４ｂを形成する。なお、ここでのエッチングはドライエッチングに限定されず、ウェットエッチングを用いてもよい。ウェットエッチングは例えばＩＴＯ０７Ｎ（関東化学社製）を用いることができる。また、エッチング条件にもよるがバッファ層１１４のエッチング工程において、第１酸化物半導体層１１３の露出領域も一部エッチングされる。よってバッファ層１１４ａ、とバッファ層１１４ｂの間に挟まれる第１酸化物半導体層１１３のチャネル領域は図５（Ｄ）に示すように膜厚の薄い領域となる。
【０１０９】
次に、レジストマスク１３１を除去する。なお、露出した第１酸化物半導体層１１３＿１にプラズマ処理を行ってもよい。プラズマ処理を行うことにより、第１酸化物半導体層１１３のエッチングによるダメージを回復することができる。プラズマ処理はＯ２、Ｎ２Ｏ、好ましくは酸素を含むＮ２、Ｈｅ、Ａｒ雰囲気下で行うことが好ましい。また、上記雰囲気にＣｌ２、ＣＦ４を加えた雰囲気下で行ってもよい。なお、プラズマ処理は、無バイアスで行うことが好ましい。
【０１１０】
次いで、２００℃〜６００℃、代表的には３００℃〜５００℃の熱処理を行うことが好ましい。ここでは炉に入れ、窒素雰囲気下または大気雰囲気下で３５０℃、１時間の熱処理を行う。この熱処理により酸化物半導体膜を構成しているＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系非単結晶膜の原子レベルの再配列が行われる。この熱処理によりキャリアの移動を阻害する歪が解放されるため、ここでの熱処理（光アニールも含む）は重要である。なお、熱処理を行うタイミングは、第１酸化物半導体膜の成膜後であれば特に限定されず、例えば後に形成する保護層１２８の形成後に行ってもよい。
【０１１１】
以上の工程を経て第１酸化物半導体層１１３＿１をチャネル形成領域とする選択用ＴＦＴ１５１を形成する。なお、選択用ＴＦＴ１５１の形成と平行して、薄膜トランジスタ（１５２、１５３）についても同様に形成する。
【０１１２】
次いで、薄膜トランジスタ（１５１、１５２、および１５３）を覆う第１層間絶縁膜１０９および第２層間絶縁膜１２１を形成する。第１層間絶縁膜１０９および第２層間絶縁膜１２１としてはスパッタリング法などを用いて得られる窒化シリコン膜、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、窒化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化タンタル膜を用いることができる。また、アクリル、ポリイミド、ベンゾシクロブテン、ポリアミド、エポキシ等の耐熱性を有する有機材料を用いることができる。また有機材料の他に、低誘電率材料（ｌｏｗ−ｋ材料）、シロキサン系樹脂、ＰＳＧ（リンガラス）、ＢＰＳＧ（リンボロンガラス）等を用いることができる。シロキサン系樹脂は、置換基としては有機基（例えばアルキル基やアリール基）やフルオロ基を用いても良い。また、有機基はフルオロ基を有していても良い。また、シロキサン系樹脂とは、シロキサン系材料を出発材料として形成されたＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む樹脂に相当する。なお、透光性を有する基板の一方の側から入射した光が基板を透過し、他方の側に形成されたエリアセンサにより検知される構成である場合、透光性を有する第１層間絶縁膜１０９および第２層間絶縁膜１２１を用いる必要がある。
【０１１３】
成膜方法は特に限定されず、その材料に応じて、スパッタリング法、ＳＯＧ法、スピンコート、ディップ、スプレー塗布、液滴吐出法（インクジェット法、スクリーン印刷、オフセット印刷等）、ドクターナイフ、ロールコーター、カーテンコーター、ナイフコーター等を用いることができる。
【０１１４】
第１層間絶縁膜１０９および第２層間絶縁膜１２１はこれらの材料を複数積層して用いてもよい。なお、第２層間絶縁膜１２１は形成しなくても良く、第１層間絶縁膜１０９上に直接フォトダイオード２５０を形成しても良い。
【０１１５】
次に、第５のフォトマスクを用いて第１層間絶縁膜１０９および第２層間絶縁膜１２１にコンタクトホール１２６を形成する。また、第１層間絶縁膜１０９または第２層間絶縁膜１２１をベークする工程で、酸化物半導体層のアニール（３００℃〜４００℃）を兼ねることで効率よくエリアセンサを作製できる。この段階での段面図を図６（Ａ）に示す。
【０１１６】
次いで、ゲート電極層１１１と同様の材料を用いて第３導電膜を成膜し、第６のフォトマスクを用いてレジストマスクを形成し、エッチングにより第３導電膜の不要な部分を除去してフォトダイオードの下部電極層１２９と配線層１２７を形成する。ここでは第３導電膜としてチタンを単層で形成し、ＢＣｌ３とＣｌ２の混合ガスを用いてドライエッチングを行う。ここで形成されたテーパー形状のテーパー角は３０°前後となるように形成する。なお、レジストにハードベークを施すことで、テーパー角を小さくすることができる。
【０１１７】
次に、保護層１２８を形成する。保護層１２８は下部電極層１２９の端部を覆い、光電変換層として機能する半導体層と下部電極層１２９の端部が接して、当該部分に電界が集中するのを防止する。ここでは第７のフォトマスクと感光性のポリイミドを用い、テーパー角の小さい、光の透過率が高い保護層１２８を形成する。この段階での段面図を図６（Ｂ）に示す。
【０１１８】
次に、第１半導体膜、第２半導体膜、第３半導体膜を順次積層する。ここでは、第１半導体膜はｐ型半導体層であり、ｐ型を付与する不純物元素を含むアモルファスシリコン膜により形成する。第１半導体膜の形成には１３族の不純物元素（例えばボロン（Ｂ））を含む半導体材料ガスを用いて、プラズマＣＶＤ法により形成する。半導体材料ガスとしてはシラン（ＳｉＨ４）を用いればよい。または、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＳｉＦ４等を用いてもよい。また、不純物元素を含まないアモルファスシリコン膜を形成した後に、拡散法やイオン注入法を用いて該アモルファスシリコン膜に不純物元素を導入してもよい。イオン注入法等により不純物元素を導入した後に加熱等を行うことで、不純物元素を拡散させるとよい。この場合にアモルファスシリコン膜を形成する方法としては、ＬＰＣＶＤ法、気相成長法、又はスパッタリング法等を用いればよい。第１半導体膜の膜厚は１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下となるよう形成することが好ましい。
【０１１９】
第２半導体膜は、ｉ型半導体層（真性半導体層）であり、アモルファスシリコン膜により形成する。第２半導体膜の形成には、半導体材料ガスを用いて、アモルファスシリコン膜をプラズマＣＶＤ法により形成する。半導体材料ガスとしては、シラン（ＳｉＨ４）を用いればよい。または、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＳｉＦ４等を用いてもよい。第２半導体膜の形成は、ＬＰＣＶＤ法、気相成長法、スパッタリング法等により行っても良い。第２半導体膜の膜厚は２００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下となるように形成することが好ましい。
【０１２０】
第３半導体膜は、ｎ型半導体層であり、ｎ型を付与する不純物元素を含むアモルファスシリコン膜により形成する。第３半導体膜の形成には、１５族の不純物元素（例えばリン（Ｐ））を含む半導体材料ガスを用いて、プラズマＣＶＤ法により形成する。半導体材料ガスとしてはシラン（ＳｉＨ４）を用いればよい。または、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＳｉＦ４等を用いてもよい。また、不純物元素を含まないアモルファスシリコン膜を形成した後に、拡散法やイオン注入法を用いて該アモルファスシリコン膜に不純物元素を導入してもよい。イオン注入法等により不純物元素を導入した後に加熱等を行うことで、不純物元素を拡散させるとよい。この場合にアモルファスシリコン膜を形成する方法としては、ＬＰＣＶＤ法、気相成長法、又はスパッタリング法等を用いればよい。第３半導体膜の膜厚は２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下となるよう形成することが好ましい。
【０１２１】
また、第１半導体膜、第２半導体膜、及び第３半導体膜は、アモルファス半導体ではなく、多結晶半導体を用いて形成してもよいし、セミアモルファス半導体（Ｓｅｍｉ Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ。以下、ＳＡＳという。）を用いて形成してもよい。
【０１２２】
なお、ＳＡＳとは、非晶質半導体と結晶構造を有する半導体（単結晶、多結晶を含む）の中間的な構造の半導体である。ＳＡＳは、自由エネルギー的に安定な第３の状態を有する半導体であって、短距離秩序を持ち、格子歪みを有する結晶質であり、その粒径を０．５〜２０ｎｍとして非単結晶半導体膜中に分散させて存在せしめることが可能である。ＳＡＳは、ラマンスペクトルが５２０ｃｍ−１よりも低波数側にシフトしており、また、Ｘ線回折ではＳｉ結晶格子に由来するとされる（１１１）、（２２０）の回折ピークが観測される。また、未結合手（ダングリングボンド）を終端させるために、水素又はハロゲンを少なくとも１原子％以上含ませている。本明細書では便宜上、このような半導体をＳＡＳと呼ぶ。さらに、ヘリウム、アルゴン、クリプトン、ネオン等の希ガス元素を含ませて格子歪みをさらに助長させることで、安定性が増し良好な特性を有することができる。なお微結晶半導体（マイクロクリスタル半導体）もＳＡＳに含まれる。ＳＡＳはシリコンを含む気体をグロー放電分解することにより得ることができる。代表的なシリコンを含む気体としては、シラン（ＳｉＨ４）であり、その他にもＳｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＳｉＦ４等を用いることができる。また水素や、水素にヘリウム、アルゴン、クリプトン、ネオンから選ばれた少なくとも一種の希ガス元素を含ませたガスにより、これらのシリコンを含む気体を希釈して用いることで、ＳＡＳの形成を容易なものとすることができる。シリコンを含む気体は、希釈率が２倍〜１０００倍になるように希釈されることが好ましい。さらには、シリコンを含む気体中に、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ６等の炭化物気体、ＧｅＨ４、ＧｅＦ４等のゲルマニウム化気体、Ｆ２等を混入させることで、エネルギーバンド幅を１．５〜２．４ｅＶ、又は０．９〜１．１ｅＶに調節することができる。
【０１２３】
次に、第８のフォトリソグラフィー工程を行い、レジストマスクを形成し、エッチングにより、第１半導体膜、第２半導体膜、および第３半導体膜の不要な部分を除去して、第１半導体層２５０ａ、第２半導体層２５０ｂ、第３半導体層２５０ｃを形成する。なお、ここではＣＦ４とＣｌ２の混合ガス、ＣＦ４とＯ２の混合ガス、ＣＨＦ３とＨｅの混合ガス等を用いてドライエッチングを行い、テーパー部にエッチング残渣が残らないようにする。
【０１２４】
次に、第３層間絶縁膜２２１を形成する。第３層間絶縁膜２２１は絶縁性を有する材料であればよく、特定の材料や形成方法に限定されず、例えば第１層間絶縁膜１０９および第２層間絶縁膜１２１に用いる材料により形成すればよい。形成に用いる材料としては酸化珪素系材料、窒化珪素系材料、シロキサン樹脂等が挙げられる。ここでは第９のフォトマスクと感光性ポリイミド樹脂を用いて、第３層間絶縁膜２２１を形成する。第３層間絶縁膜２２１は下部電極層１２９に達するコンタクトホール２３３と、第３半導体層２５０ｃに達するコンタクトホール２３２と、配線層１２７に達するコンタクトホール２３１を有する。この段階での段面図を図６（Ｃ）に示す。
【０１２５】
次いで、ゲート電極層１１１と同様の材料を用いて第４導電膜を成膜し、第１０のフォトマスクを用いて形成したレジストマスクを使い、第４導電膜の不要な部分をエッチングにより除去してフォトダイオードの上部電極層２２７と、配線層２２８を形成する。上部電極層２２７はコンタクトホール２３２を介して第３半導体層２５０ｃと接続し、コンタクトホール２３２を介して配線層１２７に接続している。また、配線層２２８はコンタクトホール２３３を介して下部電極層１２９と接続し、図示されていないが共通配線に接続している。ここでは、第４導電膜としてアルミニウムを主成分とする膜とチタン膜をスパッタリング法により積層して成膜する。この段階での段面図を図６（Ｄ）に示す。
【０１２６】
なお、大型の基板に多数個のエリアセンサを形成した場合は、分断装置をもちいて基板を分断してエリアセンサを切り離す。また、大型の基板に多数個のラインセンサまたはフォトセンサを形成した場合も同様にして切り離して用いる。
【０１２７】
こうして、光電変換素子としてｐｉｎ型のフォトダイオードを有し、インジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタで構成した増幅回路を有するエリアセンサを作製できる。
【０１２８】
なお、上述の透光性を有する基板の一方の側から入射した光が基板を透過し、他方の側に形成されたエリアセンサにより検知される構成とは異なり、基板上に形成されたエリアセンサに光が直接達する構成も本発明の一態様に含まれる。具体的には、透光性を有する導電膜を第４導電膜に用いて、透光性を有する上部電極層２２７を形成すれば、第３の半導体層２５０ｃ側を受光面としてエリアセンサを形成できる。なお、基板を透過して第１の半導体層２５０ａに入射する光は外乱光となるため、遮光性を有する導電膜を用いて第２層間絶縁膜１２１と第１の半導体層の間に下部電極層１２９を延在して設けるとよい。
【０１２９】
本実施の形態で例示した特性にバラツキが少なく、電界効果移動度が高いインジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタで構成した増幅回路は、特性にバラツキが少なく占有面積が小さい。そのような増幅回路をフォトダイオードの増幅回路に用いたエリアセンサは、フォトダイオードがとらえる光の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る。また、インジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタを大面積基板にマトリクス状に配置することは容易であるため、大型のエリアセンサを提供できる。
【０１３０】
（実施の形態３）
本実施の形態は、実施の形態２とは異なるエリアセンサの一態様を、図７を参照してその作製工程を説明する。本実施の形態のエリアセンサは、基板上に形成されたエリアセンサに光が直接達する構成を有する。
【０１３１】
実施の形態２で説明した方法で、４枚のフォトマスクを用いて基板上にインジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタで構成した増幅回路と、第１層間絶縁膜１０９および第２層間絶縁膜１２１を形成する。この段階での段面図を図７（Ａ）に示す。なお、基板上に形成されたエリアセンサに光が直接達する構成の場合、基板１００、ゲート絶縁膜１０２、第１層間絶縁膜１０９、乃至第２層間絶縁膜１２１は必ずしも透光性を有していなくても良い。また、第２層間絶縁膜１２１は形成しなくても良く、第１層間絶縁膜１０９上に直接フォトダイオード２５１を形成しても良い。
【０１３２】
次に、本実施の形態における第５のフォトマスクを用いて形成したレジストマスクを使って、第１層間絶縁膜および第２層間絶縁膜にリセット用ＴＦＴ１５３のソース電極層１１５ｂ＿３に達するコンタクトホール１２６を形成する。
【０１３３】
次いで、実施の形態２で説明したゲート電極層１１１と同様の材料を用いて第３導電膜を成膜し、本実施の形態の第６のフォトマスクを用いてレジストマスクを形成し、エッチングにより第３導電膜の不要な部分を除去してフォトダイオードの下部電極層１２９を形成する。また、下部電極層１２９はコンタクトホール１２６を介して増幅回路と接続している。ここでは第３導電膜としてチタンを単層で形成し、ＢＣｌ３とＣｌ２の混合ガスを用いてドライエッチングを行う。この段階での段面図を図７（Ｂ）に示す。
【０１３４】
次に、第１半導体膜、第２半導体膜、第３半導体膜を順次積層する。本実施の形態では第１半導体膜は、ｎ型半導体層であり、ｎ型を付与する不純物元素を含むアモルファスシリコン膜により形成する。第１半導体膜の形成には、１５族の不純物元素（例えばリン（Ｐ））を含む半導体材料ガスを用いて、プラズマＣＶＤ法により形成する。半導体材料ガスとしてはシラン（ＳｉＨ４）を用いればよい。または、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＳｉＦ４等を用いてもよい。また、不純物元素を含まないアモルファスシリコン膜を形成した後に、拡散法やイオン注入法を用いて該アモルファスシリコン膜に不純物元素を導入してもよい。イオン注入法等により不純物元素を導入した後に加熱等を行うことで、不純物元素を拡散させるとよい。この場合にアモルファスシリコン膜を形成する方法としては、ＬＰＣＶＤ法、気相成長法、又はスパッタリング法等を用いればよい。第１半導体膜の膜厚は２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下となるよう形成することが好ましい。
【０１３５】
第２半導体膜は、ｉ型半導体層（真性半導体層）であり、アモルファスシリコン膜により形成する。第２半導体膜の形成には、半導体材料ガスを用いて、アモルファスシリコン膜をプラズマＣＶＤ法により形成する。半導体材料ガスとしては、シラン（ＳｉＨ４）を用いればよい。または、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＳｉＦ４等を用いてもよい。第２半導体膜の形成は、ＬＰＣＶＤ法、気相成長法、スパッタリング法等により行っても良い。第２半導体膜の膜厚は２００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下となるように形成することが好ましい。
【０１３６】
第３半導体膜はｐ型半導体層であり、ｐ型を付与する不純物元素を含むアモルファスシリコン膜により形成する。第３半導体膜の形成には１３族の不純物元素（例えばボロン（Ｂ））を含む半導体材料ガスを用いて、プラズマＣＶＤ法により形成する。半導体材料ガスとしてはシラン（ＳｉＨ４）を用いればよい。または、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＳｉＦ４等を用いてもよい。また、不純物元素を含まないアモルファスシリコン膜を形成した後に、拡散法やイオン注入法を用いて該アモルファスシリコン膜に不純物元素を導入してもよい。イオン注入法等により不純物元素を導入した後に加熱等を行うことで、不純物元素を拡散させるとよい。この場合にアモルファスシリコン膜を形成する方法としては、ＬＰＣＶＤ法、気相成長法、又はスパッタリング法等を用いればよい。第３半導体膜の膜厚は１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下となるよう形成することが好ましい。
【０１３７】
また、実施の形態２の説明と同様、第１半導体膜、第２半導体膜、及び第３半導体膜はアモルファス半導体ではなく、多結晶半導体を用いて形成してもよいし、セミアモルファス半導体（Ｓｅｍｉ Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ。以下、ＳＡＳという。）を用いて形成してもよい。
【０１３８】
次に、第７のフォトリソグラフィー工程を行い、レジストマスクを形成し、エッチングにより、第１半導体膜、第２半導体膜、および第３半導体膜の不要な部分を除去して、第１半導体層２５１ａ、第２半導体層２５１ｂ、第３半導体層２５１ｃを形成する。なお、ここではＣＦ４とＣｌ２の混合ガス、ＣＦ４とＯ２の混合ガス、ＣＨＦ３とＨｅの混合ガス等を用いてドライエッチングを行い、テーパー部にエッチング残渣が残らないようにする。
【０１３９】
次に、第３層間絶縁膜２２１を形成する。第３層間絶縁膜２２１は絶縁性を有する材料であればよく、ここでは第８のフォトマスクと感光性ポリイミド樹脂を用いて、実施の形態２と同様に形成する。第３層間絶縁膜２２１は第３半導体層２５１ｃに達するコンタクトホール２２５を有する。この段階での段面図を図７（Ｃ）に示す。
【０１４０】
次いで、第３半導体層２５１ｃ上と第３層間絶縁膜２２１上に透光性のある第４導電膜を成膜する。透光性のある第４導電膜としては、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム錫酸化物（以下、ＩＴＯと示す。）、インジウム亜鉛酸化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などをその例に挙げることができる。
【０１４１】
第９のフォトマスクを用いて形成したレジストマスクを使い、第４導電膜の不要な部分をエッチングにより除去してフォトダイオードの上部電極層２２７を形成する。なお、上部電極層２２７は共通配線と接続する。この段階での段面図を図７（Ｄ）に示す。
【０１４２】
ここでは、第１半導体層２５１ａとしてｎ型の導電型を有する非晶質シリコン層と、第２半導体層２５１ｂとして高抵抗な非晶質シリコン層と、第３半導体層２５１ｃとしてｐ型の導電型を有する非晶質シリコン層を積層するｎｉｐ型のフォトダイオードを例示している。また、光電効果で発生した正孔の移動度は電子の移動度に比べて小さいため、ｎｉｐ型のフォトダイオードはｐ型の半導体層側を受光面とする方がよい特性を示す。ここでは、増幅回路とｎｉｐ型のフォトダイオードが形成されている基板の面からフォトダイオード２５１が受ける光を電気信号に変換する。また、受光面とした半導体層側とは逆の導電型を有する半導体層側からの光は外乱光となるため、電極層は遮光性を有する導電膜を用いるとよい。また、ｎ型の半導体層側を受光面として用いることもできる。
【０１４３】
こうして、光電変換素子としてｎｉｐ型のフォトダイオードを有し、インジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタで構成した増幅回路を有するエリアセンサが得られる。
【０１４４】
本実施の形態のエリアセンサが有するフォトダイオード２５１は上部電極層２２７側を受光面とする。上部電極層２２７の上には層間絶縁膜などが積層されていないため、積層界面における入射光の散乱が少なく、光の強度が損なわれることがない。従って、フォトダイオード２５１は良好な感度を示す。
【０１４５】
上述の実施の形態では、基板上に形成されたエリアセンサに光が基板を透過することなく直接入射する構成を説明したが、透光性を有する基板の一方の側から入射した光が、基板を透過して、他方の側に形成されたエリアセンサに入射する構成も本発明の一態様に含まれる。例えば、透光性を有する導電膜を第３導電膜に用いて透光性を有する下部電極層１２９を形成すれば、第１の半導体層２５１ａ側を受光面とするエリアセンサを形成できる。なお、基板を透過せずに第３の半導体層２５１ｃに直接入射する光は外乱光になる。そこで、遮光性を有する導電膜を用いて上部電極層２２７を形成し、第３の半導体層２５１ｃに入射する外乱光を遮光する。
【０１４６】
特性にバラツキが少なく、電界効果移動度が高いインジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタで構成した増幅回路は特性にバラツキが少なく占有面積が小さい。そのような増幅回路をフォトダイオードの増幅回路に用いたエリアセンサは、フォトダイオードがとらえる光の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る。また、インジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタを大面積基板にマトリクス状に配置することは容易であるため、大型のエリアセンサを提供できる。
【０１４７】
（実施の形態４）
【０１４８】
本実施の形態は、マトリクス状に配置された画素毎に光電変換素子と表示素子と、インジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体に代表される酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタで構成した増幅回路と表示素子の駆動回路を設けた、アクティブマトリクス型のエリアセンサ付き表示装置の一態様を、図８乃至図１０を参照して説明する。なお、本実施の形態では、フルカラー画像の表示と取り込みが可能な構成を例示する。
【０１４９】
本実施の形態のエリアセンサ付き表示装置は、マトリクス状に配置した表示素子を用いた表示装置として利用できる。また、マトリクス状に配置した表示素子を被写体の照明装置としても利用できる。例えば、エリアセンサ付き表示装置を被写体に密着し、表示素子が照明装置となって被写体を照明し、当該被写体の反射光をエリアセンサが電気信号に変換することによって、当該エリアセンサ付き表示装置は密着型エリアセンサとして利用できる。なお、ここでは表示素子としてエレクトロルミネッセンスを利用する有機発光素子を適用した例を示すが、表示素子は有機発光素子のような自発光型にかぎらず例えば液晶素子のバックライトを被写体の照明装置として用いてもよい。
【０１５０】
なお、有機発光素子は電圧を印加することにより、一対の電極から電子および正孔がそれぞれ発光性の有機化合物を含む層に注入され、電流が流れる。そして、それらキャリア（電子および正孔）が再結合することにより、発光性の有機化合物が励起状態を形成し、その励起状態が基底状態に戻る際に発光する。このようなメカニズムから、このような発光素子は、電流励起型の発光素子と呼ばれる。
【０１５１】
図８はエリアセンサ付き表示部２１を構成する、ソース信号線Ｓ１〜Ｓｘ、電源供給線Ｖ１〜Ｖｘ、ゲート信号線Ｇ１〜Ｇｙ、リセット用ゲート信号線ＲＧ１〜ＲＧｙ、センサ用ゲート信号線ＳＧ１〜ＳＧｙ、センサ出力配線ＳＳ１〜ＳＳｘ、センサ用電源線ＶＢと複数の画素２２の接続を説明する図である。
【０１５２】
エリアセンサ付き表示部２１は複数の画素２２がマトリクス状に配列して構成されている。画素２２は、ソース信号線Ｓ１〜Ｓｘのいずれか一つと、電源供給線Ｖ１〜Ｖｘのいずれか一つと、ゲート信号線Ｇ１〜Ｇｙのいずれか一つと、リセット用ゲート信号線ＲＧ１〜ＲＧｙのいずれか１つと、センサ用ゲート信号線ＳＧ１〜ＳＧｙのいずれか１つと、センサ出力配線ＳＳ１〜ＳＳｘのいずれか１つと、センサ用電源線ＶＢと接続されている。
【０１５３】
センサ出力配線ＳＳ１〜ＳＳｘはそれぞれ定電流電源１３＿１〜１３＿ｘに接続されている。
【０１５４】
また、本実施の形態で例示するフルカラー画像の取り込みが可能なエリアセンサの場合、エリアセンサ付き表示部２１はＲ（赤）Ｇ（緑）Ｂ（青）の各色に対応した画素を有している。ＲＧＢの各色に対応した画素は、それぞれＲＧＢの各色に対応した三種類の表示素子と光電変換素子を有している。ＲＧＢの各色に対応した表示素子としては、ＲＧＢの各色に発光する三種類の有機発光素子や、白色発光の有機発光素子とＲＧＢの三種類のカラーフィルターを組み合わせたもの、または青色又は青緑発光の有機発光素子と蛍光体（蛍光性の色変換層：ＣＣＭ）とを有しているものをその例に挙げることができる。また、カラーフィルターを搭載した液晶素子を用いてもよい。
【０１５５】
ＲＧＢの各色に対応した光電変換素子としては、ＲＧＢの三種類のカラーフィルターとフォトダイオードを組み合わせたものを用いることができる。ここでは、マトリクス状にフォトダイオードが形成された基板に、マトリクス状にカラーフィルターが形成された対向基板を、位置あわせして貼り合わせ、カラーフィルター付きのフォトダイオードを形成する。カラーフィルターは、フォトダイオードにカラーフィルターを通して光が入射するように配置すれば良い。
【０１５６】
また、本実施の形態で例示する画素部には、ＲＧＢのいずれかの色で発光する発光素子がマトリクス状に配置されている。そして、同じ発光色の発光素子毎に発光して被写体を照明し、被写体が反射する光を同じく画素に配置されたフォトダイオードが検知する。
【０１５７】
図９は画素部の光電変換素子と、有機発光素子と、インジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタで構成した増幅回路と表示素子の駆動回路の接続の一例を示す。ソース信号線Ｓは、ソース信号線Ｓ１〜Ｓｘのいずれか一つを意味する。また電源供給線Ｖは電源供給線Ｖ１〜Ｖｘのいずれか一つを意味する。またゲート信号線Ｇは、ゲート信号線Ｇ１〜Ｇｙのいずれか一つを意味する。またリセット用ゲート信号線ＲＧはリセット用ゲート信号線ＲＧ１〜ＲＧｙのいずれか１つを意味する。またセンサ用ゲート信号線ＳＧはセンサ用ゲート信号線ＳＧ１〜ＳＧｙのいずれか１つを意味する。またセンサ出力配線ＳＳはセンサ出力配線ＳＳ１〜ＳＳｘのいずれか１つを意味する。さらに画素２２は、ＥＬ駆動用ＴＦＴ１５４、スイッチング用ＴＦＴ１５５、有機発光素子１５６を有している。また、フォトダイオードの選択用ＴＦＴ１５１、増幅用ＴＦＴ１５２、リセット用ＴＦＴ１５３、フォトダイオード２５２を有している。なお図９では画素２２にコンデンサ１５７が設けられているが、コンデンサ１５７を設けなくとも良い。
【０１５８】
有機発光素子１５６は陽極と陰極と、陽極と陰極との間に設けられた発光材料を含む層４１６とからなる。ここでは、有機発光素子１５６の陽極（画素電極）をＥＬ駆動用ＴＦＴ１５４のソース領域と接続し、有機発光素子１５６の陰極を共通電極と接続する。
【０１５９】
スイッチング用ＴＦＴ１５５のゲート電極はゲート信号線Ｇに接続されている。そしてスイッチング用ＴＦＴ１５５のソース電極とドレイン電極の一方がソース信号線Ｓに、もう一方がＥＬ駆動用ＴＦＴ１５４のゲート電極に接続されている。
【０１６０】
ＥＬ駆動用ＴＦＴ１５４のソース電極とドレイン電極の一方が電源供給線Ｖに、もう一方が有機発光素子１５６に接続されている。コンデンサ１５７はＥＬ駆動用ＴＦＴ１５４のゲート電極と電源供給線Ｖとに接続して設けられている。
【０１６１】
フォトダイオードと増幅回路に関わる、選択用ＴＦＴ１５１、増幅用ＴＦＴ１５２、リセット用ＴＦＴ１５３、フォトダイオード２５２、ゲート信号線ＲＧ、センサ用ゲート信号線ＳＧ、センサ用電源線ＶＢ、およびセンサ出力配線ＳＳは実施の形態１と同様に接続する。センサ出力配線ＳＳは定電流電源１３（定電流電源１３＿１〜１３＿ｘのいずれか１つ）に接続されており、常に一定の電流が流れている。
【０１６２】
まず、本実施の形態のエリアセンサつき表示装置にビデオ信号を入力し、有機発光素子をビデオ信号で制御して表示装置として駆動する方法について説明する。
【０１６３】
ここでは有機発光素子１５６の陰極を接続する共通配線は、低電源電位が設定されている。低電源電位とは、電源供給線Ｖに設定される高電源電位を基準にして低電源電位＜高電源電位を満たす電位であり、低電源電位としては例えばＧＮＤ、０Ｖなどが設定されていても良い。この高電源電位と低電源電位との電位差を有機発光素子１５６に印加して、有機発光素子１５６に電流を流して有機発光素子１５６を発光させるため、高電源電位と低電源電位との電位差が有機発光素子１５６の順方向しきい値電圧以上となるようにそれぞれの電位を設定する。
【０１６４】
ここで、電圧入力電圧駆動方式の場合には、ＥＬ駆動用ＴＦＴ１５４のゲートには、ＥＬ駆動用ＴＦＴ１５４が十分にオンするか、オフするかの二つの状態となるようなビデオ信号を入力する。つまり、ＥＬ駆動用ＴＦＴ１５４は線形領域で動作させる。ＥＬ駆動用ＴＦＴ１５４は線形領域で動作させるため、電源供給線Ｖの電圧よりも高い電圧をＥＬ駆動用ＴＦＴ１５４のゲートにかける。なお、ソース信号線Ｓには、（電源線電圧＋ＥＬ駆動用ＴＦＴ１５４のＶｔｈ）以上の電圧をかける。
【０１６５】
また、デジタル時間階調駆動に代えて、アナログ階調駆動を行う場合、信号の入力を異ならせることで、図８と同じ画素構成を用いることができる。
【０１６６】
アナログ階調駆動を行う場合、ＥＬ駆動用ＴＦＴ１５４のゲートに有機発光素子１５６の順方向電圧＋ＥＬ駆動用ＴＦＴ１５４のＶｔｈ以上の電圧をかける。有機発光素子１５６の順方向電圧とは、所望の輝度とする場合の電圧を指しており、少なくとも順方向しきい値電圧を含む。なお、ＥＬ駆動用ＴＦＴ１５４が飽和領域で動作するようなビデオ信号を入力することで、有機発光素子１５６に電流を流すことができる。ＥＬ駆動用ＴＦＴ１５４を飽和領域で動作させるため、電源供給線Ｖの電位は、ＥＬ駆動用ＴＦＴ１５４のゲート電位よりも高くする。ビデオ信号をアナログとすることで、有機発光素子１５６にビデオ信号に応じた電流を流し、アナログ階調駆動を行うことができる。
【０１６７】
なお、図９に示す画素構成は、これに限定されない。例えば、図９に示す画素に新たにスイッチ、抵抗素子、容量素子、トランジスタ又は論理回路などを追加してもよい。
【０１６８】
次に、エリアセンサの被写体を照らす照明として、表示素子を用いる方法について説明する。なお、ここでは、画素２２に接続した有機発光素子１５６をフォトダイオード２５２のサンプリング期間において発光させる場合について説明する。具体的には、１ライン目の画素が有する有機発光素子を、サンプリング期間ＳＴ１の間発光させる場合について説明する。なお全ての画素がセンサフレーム期間ＳＦの間、常に発光していても良い。
【０１６９】
表示素子を表示装置として駆動するにせよ、被写体を照らす照明として駆動するにせよ、マトリクス状に配置した表示素子から均一な強度の光が放出される方が好ましい。光の強度にムラがあれば、表示ムラや読み取りムラを生じてしまい、高品位の表示もしくは画像の読み取りが困難になる。本実施の形態が例示する発光素子の場合、ＥＬ駆動用ＴＦＴ１５４のＩｄ−ＶＧＳ特性の再現性は重要であり、特性にバラツキがあると、マトリクス状に配置した有機発光素子１５６から均一な発光を得ることができない。
【０１７０】
次に、インジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いたｎチャネル型薄膜トランジスタを選択用ＴＦＴ１５１、増幅用ＴＦＴ１５２、およびリセット用ＴＦＴ１５３に用いたエリアセンサが、カラー画像を読み込む動作を図１０のタイミングチャートを用いて説明する。
【０１７１】
はじめに、Ｒに対応する画素の有機発光素子が発光している期間内に、サンプル期間ＳＴ１〜ＳＴｙの全てが出現する。このＲに対応する画素の有機発光素子が発光している期間内において、サンプリング期間ＳＴ１〜ＳＴｙの全てが出現するまでの期間をＲ用センサフレーム期間ＳＦｒと呼ぶ。Ｒ用センサフレーム期間ＳＦｒにおいてＲに対応する画像信号がエリアセンサ内に取り込まれる。なおＲ用センサフレーム期間ＳＦｒにおいて、Ｇ、Ｂに対応する画素は発光を行わない。すなわち、Ｒ用センサフレーム期間ＳＦｒにおいて、被写体は照射されたＲ光の一部を反射し、フォトセンサがその反射光を捉える。
【０１７２】
次に、Ｇに対応する画素の有機発光素子が発光している期間内に、サンプル期間ＳＴ１〜ＳＴｙの全てが出現する。このＧに対応する画素の有機発光素子が発光している期間内において、サンプリング期間ＳＴ１〜ＳＴｙの全てが出現するまでの期間をＧ用センサフレーム期間ＳＦｇと呼ぶ。Ｇ用センサフレーム期間ＳＦｇにおいてＧに対応する画像信号がエリアセンサ内に取り込まれる。なおＧ用センサフレーム期間ＳＦｇにおいて、Ｒ、Ｂに対応する画素は発光を行わない。すなわち、Ｇ用センサフレーム期間ＳＦｇにおいて、被写体は照射されたＧ光の一部を反射し、フォトセンサがその反射光を捉える。
【０１７３】
次に、Ｂに対応する画素の有機発光素子が発光している期間内に、サンプル期間ＳＴ１〜ＳＴｙの全てが出現する。このＢに対応する画素の有機発光素子が発光している期間内において、サンプリング期間ＳＴ１〜ＳＴｙの全てが出現するまでの期間をＢ用センサフレーム期間ＳＦｂと呼ぶ。Ｂ用センサフレーム期間ＳＦｂにおいてＢに対応する画像信号がエリアセンサ内に取り込まれる。Ｂ用センサフレーム期間ＳＦｂにおいて、Ｒ、Ｇに対応する画素は発光を行わない。すなわち、Ｂ用センサフレーム期間ＳＦｂにおいて、被写体は照射されたＢ光の一部を反射し、フォトセンサがその反射光を捉える。
【０１７４】
Ｒ用センサフレーム期間ＳＦｒと、Ｇ用センサフレーム期間ＳＦｇと、Ｂ用センサフレーム期間ＳＦｂの全てが出現するまでの期間がセンサフレーム期間ＳＦである。エリアセンサは、センサフレーム期間ＳＦを経て１つのカラー画像を画像信号として読み込む。
【０１７５】
また各サンプリング期間において、各色に対応する画素の有機発光素子を常に発光させておく。例えばＢ用センサフレーム期間内のサンプリング期間ＳＴ１においては、１ライン目の画素のうちＢに対応する画素の有機発光素子は常に発光していることが重要である。またＲ用、Ｇ用、Ｂ用センサフレーム期間（ＳＦｒ、ＳＦｇ、ＳＦｂ）のそれぞれにおいて、各色に対応する画素を常に発光させておく。
【０１７６】
フォトダイオード２５２が電気信号に変換した被写体からの反射光の強度は、実施の形態１と同様に、リセット用ＴＦＴ１５３がオフ、選択用ＴＦＴ１５１がオンの状態において、増幅用ＴＦＴ１５２のゲート電位に反映される。増幅用ＴＦＴ１５２がそのゲート電位をソース領域の電位に反映する。その結果、フォトダイオード２５２がとらえた光の強度がセンサ出力配線ＳＳ１に出力される。したがって、フォトダイオードの増幅に用いるトランジスタには、特性の再現性が求められる。本実施の形態が例示する増幅回路の場合、増幅用ＴＦＴ１５２のＩｄ−ＶＧＳ特性の再現性が重要であり、特性にバラツキがあるとマトリクス状に配置したフォトダイオード２５２が捉えた光の強度分布を正しく出力配線に出力することが困難になる。
【０１７７】
上述の方法によれば、フォトダイオード２５２は、被写体が反射するＲ光、Ｇ光、及びＢ光の強度分布を、各センサフレーム期間に分けて捉えることができる。すなわち、発光素子の発光色を用いて、被写体像を色分解できる。このように、ＲＧＢの発光素子を発光色毎に分けて被写体を照明すれば、ＲＧＢに対応する三種類のフォトダイオードを用意する必要は必ずしもなくなり、フォトダイオードの受光面にカラーフィルターを形成する工程を省略できる。
【０１７８】
図１１はエリアセンサ付き表示装置の一例を示す断面図である。具体的には、フォトダイオードと、有機発光素子と、インジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタで構成した増幅回路と、表示素子の駆動回路の断面図である。図１１を参照してエリアセンサの一構成例を説明する。なお、ここでは実施の形態１とは異なる構造を有するインジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタを例示する。
【０１７９】
まず、選択用ＴＦＴ１５１、増幅用ＴＦＴ１５２、リセット用ＴＦＴ１５３、ＥＬ駆動用ＴＦＴ１５４、及びスイッチング用ＴＦＴ１５５の構成について説明する。選択用ＴＦＴ１５１、増幅用ＴＦＴ１５２、リセット用ＴＦＴ１５３、ＥＬ駆動用ＴＦＴ１５４、及びスイッチング用ＴＦＴ１５５は主要部において同じ構成を有しているため、以下選択用ＴＦＴ１５１を中心に説明する。
【０１８０】
選択用ＴＦＴ１５１、増幅用ＴＦＴ１５２、リセット用ＴＦＴ１５３、ＥＬ駆動用ＴＦＴ１５４、及びスイッチング用ＴＦＴ１５５はそれぞれ、リセット用ゲート信号線ＲＧ、センサ用ゲート信号線ＳＧ、ゲート信号線Ｇと同じ層で形成されるゲート電極層１１１＿１、ゲート電極層１１１＿２、ゲート電極層１１１＿３、ゲート電極層１１１＿４、およびゲート電極層１１１＿５を有している。ゲート電極層１１１＿１、ゲート電極層１１１＿２、ゲート電極層１１１＿３、ゲート電極層１１１＿４、およびゲート電極層１１１＿５は、基板１００上に形成され、ゲート電極層１１１＿１、ゲート電極層１１１＿２、ゲート電極層１１１＿３、ゲート電極層１１１＿４、およびゲート電極層１１１＿５上にはゲート絶縁膜１０２が形成されている。
【０１８１】
センサ出力配線ＳＳ、センサ用電源線ＶＢ、ソース信号線Ｓおよび電源供給線Ｖと同じ層で形成されるソース電極層、及びドレイン電極層（１１５ａ＿１、及び１１５ｂ＿１）がゲート絶縁膜１０２上にゲート電極層１１１＿１上に端部を重畳して形成されている。
【０１８２】
また、リセット用ＴＦＴ１５３のソース電極層１１５ｂ＿３は、ゲート絶縁膜１０２に設けたコンタクトホール１２５を介して配線層１１１＿６と直接接続している。接続箇所を減らすことで、電気抵抗の増加をもたらす接続界面の数だけでなく、コンタクトホールが占有する面積を減らしている。なお、図示されていないが配線層１１１＿６は増幅用ＴＦＴ１５２のゲート電極層１１１＿２と接続している。
【０１８３】
第１酸化物半導体層１１３＿１は、相対するソース電極層、及びドレイン電極層（１１５ａ＿１、及び１１５ｂ＿１）の上にゲート電極層１１１＿１に重畳して設けられている。すなわち第１酸化物半導体層１１３＿１は、ゲート電極層１１１＿１と重畳し、ゲート絶縁膜１０２の上面部とバッファ層１１４ａ＿１および１１４ｂ＿１の上面部と、ソース電極層、及びドレイン電極層（１１５ａ＿１、及び１１５ｂ＿１）の側面部に接するように設けられている。
【０１８４】
第１酸化物半導体層は実施の形態１で説明したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系非単結晶膜からなる。また、バッファ層（１１４ａ＿１および１１４ｂ＿１）も実施の形態１で説明した第２酸化物半導体層と同様のものを用いる。バッファ層はソース電極層、及びドレイン電極層（１１５ａ＿１、及び１１５ｂ＿１）と第１酸化物半導体層１１３＿１に接してその間に設けられ、第１酸化物半導体層１１３＿１よりも高い電気伝導率を有している。それゆえ、選択用ＴＦＴ１５１、増幅用ＴＦＴ１５２、リセット用ＴＦＴ１５３、ＥＬ駆動用ＴＦＴ１５４、及びスイッチング用ＴＦＴ１５５においてバッファ層は、ソース領域及びドレイン領域として機能する。このような接合構造を選択用ＴＦＴ１５１、増幅用ＴＦＴ１５２、リセット用ＴＦＴ１５３、ＥＬ駆動用ＴＦＴ１５４、及びスイッチング用ＴＦＴ１５５に設けることにより、熱的安定性が増し、安定動作をさせることが可能となる。それにより増幅回路の機能を高め動作の安定化を図ることができる。また、接合リークが低減し、選択用ＴＦＴ１５１、増幅用ＴＦＴ１５２、リセット用ＴＦＴ１５３、ＥＬ駆動用ＴＦＴ１５４、及びスイッチング用ＴＦＴ１５５の特性を向上させることができる。
【０１８５】
選択用ＴＦＴ１５１のソース電極層、及びドレイン電極層（１１５ａ＿１、及び１１５ｂ＿１）と第１酸化物半導体層１１３＿１の上には、第１酸化物半導体層１１３＿１側から順に第１層間絶縁膜１０９と第２層間絶縁膜１２１が設けられている。増幅用ＴＦＴ１５２、およびリセット用ＴＦＴ１５３についても選択用ＴＦＴ１５１と同様に第１層間絶縁膜１０９と第２層間絶縁膜１２１が設けられている。
【０１８６】
第１層間絶縁膜１０９および第２層間絶縁膜１２１にはコンタクトホール１２６、１３６が形成されている。コンタクトホール１２６を介してフォトダイオードの下部電極層１２９が増幅回路とフォトダイオード２５２を接続しており、コンタクトホール１３６を介して有機発光素子の画素電極層１３９がＥＬ駆動素子と有機発光素子１５６を接続している。
【０１８７】
第２層間絶縁膜１２１上には光電変換素子として、フォトダイオード２５２が実施の形態３と同様に形成されている。フォトダイオード２５２は、第２層間絶縁膜１２１上に第３導電層で形成した下部電極層１２９と第４導電層で形成した上部電極層２３７の間に、第２層間絶縁膜１２１側から順に第１半導体層２５２ａ、第２半導体層２５２ｂ、及び第３半導体層２５２ｃを積層した構造を有している。
【０１８８】
フォトダイオード２５２の下部電極層１２９はコンタクトホール１２６を介してリセット用ＴＦＴ１５３のソース電極層１１５ｂ＿３と、さらにコンタクトホール１２５を介して、配線層１１１＿６に接続している。図示されていないが配線層１１１＿６は増幅用ＴＦＴ１５２のゲート電極層１１１＿２と接続している。
【０１８９】
第２層間絶縁膜１２１とフォトダイオード２５２上には第３層間絶縁膜２２１が形成されている。第３層間絶縁膜２２１にはコンタクトホール２２５が形成され、コンタクトホール２２５を介して第３半導体層２５２ｃと上部電極層２３７が接続され、上部電極層２３７は共通配線と接続する。
【０１９０】
ここでは、第１半導体層２５２ａとしてｎ型の導電型を有する非晶質シリコン層と、第２半導体層２５２ｂとして高抵抗な非晶質シリコン層と、第３半導体層２５２ｃとしてｐ型の導電型を有する非晶質シリコン層を積層するｎｉｐ型のフォトダイオードを例示している。また、光電効果で発生した正孔の移動度は電子の移動度に比べて小さいため、ｎｉｐ型のフォトダイオードはｐ型の半導体層側を受光面とする方がよい特性を示す。ここでは、基板の増幅回路とｎｉｐ型のフォトダイオードが形成されている側からフォトダイオード２５２が受ける光を電気信号に変換する。また、受光面とした半導体層側とは逆の導電型を有する半導体層側からの光は外乱光となるため、下部電極層１２９は遮光性を有する導電膜を用いるとよい。
【０１９１】
また、第１半導体層２５２ａとしてｐ型の導電型を有する非晶質シリコン層と、第２半導体層２５２ｂとして高抵抗な非晶質シリコン層と、第３半導体層２５２ｃとしてｎ型の導電型を有する非晶質シリコン層を積層するｐｉｎ型のフォトダイオードを用いる場合は、実施の形態１のようにフォトダイオード２５２の下部電極層１２９は共通配線と接続され、フォトダイオード２５２の上部電極層２３７はリセット用ＴＦＴ１５３のソース電極層１１５ｂ＿３と、さらにコンタクトホール１２５を介して、配線層１１１＿６に接続されている。
【０１９２】
また、第２層間絶縁膜１２１上には表示素子の画素電極層１３９が形成されている。本実施の形態では表示素子として有機発光素子１５６を用いる例を説明する。
【０１９３】
画素電極層１３９の端部と、第２層間絶縁膜１２１とフォトダイオード２５２上には第３層間絶縁膜２２１が形成されている。有機発光素子の画素電極層１３９の端部を覆う第３層間絶縁膜２２２はバンクと呼ばれ、隣り合う有機発光素子同士の発光材料を含む層４１６を区切っている。なお、本実施の形態ではフォトダイオード２５２を覆う第３層間絶縁膜２２１と同じ材料でバンクを形成する例を説明するが、第３層間絶縁膜２２１とは異なる材料で形成することもできるし、第３層間絶縁膜２２１上に画素電極層１３９を形成し、その上に表示素子を形成してもよい。
【０１９４】
有機発光素子１５６は、第２層間絶縁膜１２１上に第３導電層で形成した画素電極層１３９と第４導電層で形成した上部電極層２３７の間に、発光材料を含む層４１６を挟んだ構造を有している。
【０１９５】
有機発光素子１５６の画素電極層１３９はコンタクトホール１３６を介してＥＬ駆動用ＴＦＴ１５４のソース電極層１１５ａ＿４と接続されている。また、本実施の形態では、フォトダイオードの上部電極層２３７が有機発光素子１５６の上部電極を兼ねており、共通配線に接続されている。透光性を有する基板にカラーフィルター２７１をマトリクス状に形成した対向基板２７０は、カラーフィルター２７１が対応するフォトダイオード２５２の位置に重畳するように貼り合わされている。
【０１９６】
こうして、光電変換素子としてｎｉｐ型フォトダイオードを有し、表示素子として有機発光素子を有し、インジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体に代表される酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタで構成した増幅回路と、表示素子の駆動回路を有するエリアセンサ付き表示装置を構成する。本実施の形態で例示したエリアセンサ付き表示装置は画像を表示するだけでなく、画像情報を電気信号に変換して出力できる。
【０１９７】
上述の実施の形態では、基板１００の上に形成されたエリアセンサ付き表示装置の発光素子が対向基板２７０側の被写体を照明し、被写体の反射光を対向基板２７０を介してエリアセンサが検知する構成を説明した。また、透光性を有する基板１００の一方の側に形成されたエリアセンサ付き表示装置の発光素子が他方の側の被写体を照明し、被写体の反射光を基板１００を介してエリアセンサが検知する構成も本発明の一態様に含まれる。
【０１９８】
例えば、透光性を有する導電膜を第３導電膜に用いて透光性を有する下部電極層１２９を形成すれば、第１の半導体層２５１ａ側を受光面とするエリアセンサを形成できる。また、選択用ＴＦＴ１５１、増幅用ＴＦＴ１５２、リセット用ＴＦＴ１５３、ＥＬ駆動用ＴＦＴ１５４、乃至スイッチング用ＴＦＴ１５５のゲート電極、ソース電極、乃至ドレイン電極を透光性を有する導電膜を用いて形成すれば、開口率を損なうことなく前述のＴＦＴに重ねてエリアセンサ及び発光素子を形成することができる。
【０１９９】
なお、基板を透過せずに第３の半導体層２５１ｃに直接入射する光は外乱光になる。そこで、遮光性を有する導電膜を用いて上部電極層２３７を形成し、第３の半導体層２５１ｃに入射する外乱光を遮光すればよい。
【０２００】
特性にバラツキが少なく、電界効果移動度が高いインジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタで構成した増幅回路および表示素子の駆動回路は特性にバラツキが少なく占有面積が小さい。
【０２０１】
本実施の形態で例示した増幅回路と表示素子の駆動回路をフォトダイオードおよび表示素子と共に各画素に配置したエリアセンサ付き表示装置は、搭載した表示素子を用いて被写体を均一に照明でき、マトリクス状に配置したフォトダイオードがとらえる光の強度分布を再現よく電気信号として取り出すことができる。また、マトリクス状に配置した表示素子を用いて、ムラのない画像を表示できる。また、インジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタを大面積基板にマトリクス状に配置することは容易であるため、大型のエリアセンサ付き表示装置を提供できる。
【０２０２】
また、本実施の形態のエリアセンサ付き表示装置は、光電変換素子を表示面にマトリクス状に配置しているため、レーザーポインタ２９３等の光学的なポインティングデバイスで表示面を指し示して座標情報を入力できる。例えば、コンピュータやケーブルテレビなどの双方向通信が可能な装置の入力装置を兼ねた表示装置として利用すれば、光電変換素子から入力した座標情報と、表示素子に出力した画像の座標情報とを関連づけることができる。また、操作に机等の平面を必要とせず、ワイヤレスであるため、作業者の姿勢や立ち位置の自由度が高い。また、光学的なポインティングデバイスが直接表示を指し示すため演者の動きにポインタが素早く応答でき、効果的なプレゼンテーションが可能である。また、発光波長の異なる複数のレーザーポインタ２９３等を用いれば、一つのエリアセンサ付き表示装置で複数の操作を行うことができる。
【０２０３】
（実施の形態５）
本実施の形態は、実施の形態４で説明した図１１のエリアセンサ付き表示装置の作製工程の一態様を図１２乃至図１４を参照して説明する。なお、図１２乃至図１４で作製工程を説明する選択用ＴＦＴ１５１、増幅用ＴＦＴ１５２、リセット用ＴＦＴ１５３、ＥＬ駆動用ＴＦＴ１５４、及びスイッチング用ＴＦＴ１５５は主要部において同じ構成を有しているため、工程の説明は選択用ＴＦＴ１５１を中心におこなう。
【０２０４】
本実施の形態で用いる基板１００は、実施の形態２と同様の基板を使うことができる。また下地膜として絶縁膜を形成しても良い。なお、本実施の形態では基板上に形成されたエリアセンサ付き表示装置の発光素子が対向基板側に配置された被写体を照明し、被写体の反射光を対向基板２７０を介してエリアセンサが検知する構成を中心に説明する。
【０２０５】
ゲート電極層１１１および図示されていないセンサ出力配線ＳＳ、およびセンサ用電源線ＶＢを含むゲート配線、容量配線および端子部の端子となる導電膜を実施の形態２と同様の方法で基板１００全面に成膜する。ここでは、ゲート電極層１１１としてアルミニウムを第１成分とする膜とチタン膜をスパッタリング法により積層した導電膜を用いる。次に本実施の形態における第１のフォトマスクを用いて形成したレジストマスクを使い、基板１００上に形成された導電膜の不要な部分をエッチングして除去して配線及び電極（ゲート電極層１１１を含むゲート配線、容量配線、及び端子）を形成する。このとき少なくともゲート電極層１１１の端部にテーパー形状が形成されるようにエッチングする。
【０２０６】
本実施の形態のゲート絶縁膜１０２は、実施の形態２と同様の方法で形成する。ここでは、ゲート絶縁膜１０２としてプラズマＣＶＤ法またはスパッタリング法により１００ｎｍの厚みの酸化珪素膜を成膜する。
【０２０７】
次に、本実施の形態における第２のフォトマスクを用いて形成したレジストマスクを使いゲート絶縁膜１０２をエッチングして、配線層１１１＿６に達するコンタクトホール１２５を形成する。なお、配線層１１１＿６はゲート電極層１１１＿２に接続している。この段階での段面図を図１２（Ａ）に示す。
【０２０８】
次に、ゲート絶縁膜１０２の上に、導電膜１０５をスパッタ法や真空蒸着法で形成する。配線及び電極となる導電膜１０５は、実施の形態２と同様の導電材料を用いる。ソース電極層及びドレイン電極層となる導電膜１０５の厚みは、５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下が好ましい。５００ｎｍ以下とすることで、後に形成される半導体膜や配線の段切れ防止に有効である。ここでは、導電膜１０５として、Ｔｉ膜とそのＴｉ膜上に重ねてＮｄを含むアルミニウム（Ａｌ−Ｎｄ）膜を積層し、さらにその上にＴｉ膜を成膜する３層構造とする。なお、成膜の際に第２導電膜１０５はコンタクトホール１２５を介して、配線層１１１＿６と接続する。
【０２０９】
次に、バッファ層を成膜する。バッファ層は第１酸化物半導体膜より高い電気伝導率を有する第２酸化物半導体膜１０４を用いる。バッファ層となる第２酸化物半導体膜１０４は、成膜後の導電膜１０５を大気に曝すことなく連続して成膜するのが望ましい。連続成膜により、導電膜と第２酸化物半導体膜１０４の界面が大気により汚染されるのを防ぐことができる。なお、第２酸化物半導体膜１０４は実施の形態２と同様の方法で成膜することができる。この段階での段面図を図１２（Ｂ）に示す。
【０２１０】
次に、本実施の形態における第３のフォトマスクを用いて第２酸化物半導体膜１０４上にレジストマスク１３１を形成する。レジストマスク１３１を用いて第２酸化物半導体膜１０４の不要な部分を選択的にエッチングして除去し、バッファ層（１１４ａ＿１、１１４ｂ＿１）を形成する（図１２（Ｃ）参照）。この際のエッチング方法としてウェットエッチングまたはドライエッチングを用いる。ここでは、ＩＴＯ０７Ｎ（関東化学社製）を用いてウェットエッチングによりバッファ層（１１４ａ＿１、１１４ｂ＿１）を形成する。
【０２１１】
次に、バッファ層（１１４ａ＿１、１１４ｂ＿１）の形成で用いた同じレジストマスク１３１を用いて導電膜１０５の不要な部分を除去して第１電極層ソース電極層、及びドレイン電極層（１１５ａ＿１、及び１１５ｂ＿１）を形成する。ここでは、ＳｉＣｌ４とＣｌ２とＢＣｌ３の混合ガスを反応ガスとしたドライエッチングによりＡｌ膜とＴｉ膜を順次積層した導電膜をエッチングしてソース電極層、及びドレイン電極層（１１５ａ＿１、及び１１５ｂ＿１）を形成する。なお、ここでのエッチングは、ドライエッチングに限定されずウェットエッチングを用いてもよい。この段階での段面図を図１２（Ｃ）に示す。
【０２１２】
レジストマスク１３１を除去した後、酸化物半導体膜１０３を形成する前のバッファ層（１１４ａ＿１、１１４ｂ＿１）とゲート絶縁膜１０２にプラズマ処理を行う。ここでは酸素ガスとアルゴンガスを導入してプラズマを発生させる逆スパッタを行い、露出しているゲート絶縁層に酸素ラジカル又は酸素を照射する。こうして、表面に付着しているゴミや不純物を除去する。
【０２１３】
プラズマ処理後に大気に曝すことなくインジウム、ガリウム、及び亜鉛を含む酸化物半導体膜１０３を成膜する。プラズマ処理後、大気に曝すことなく酸化物半導体膜１０３を成膜することは、バッファ層（１１４ａ＿１、１１４ｂ＿１）と酸化物半導体膜１０３の界面、またはゲート絶縁膜１０２と酸化物半導体膜１０３の界面にゴミや不純物を付着させない点で有効である。なお、酸化物半導体膜１０３の成膜は、先に逆スパッタを行ったチャンバーと同一チャンバーを用いてもよいし、大気に曝すことなく成膜できるのであれば、先に逆スパッタを行ったチャンバーと異なるチャンバーで成膜してもよい。
【０２１４】
ここでは、直径８インチのＩｎ、Ｇａ、及びＺｎを含む酸化物半導体ターゲット（Ｉｎ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＺｎＯ＝１：１：１）を用いて、実施の形態２と同様の方法で第１酸化物半導体膜１０３を形成する。この段階での段面図を図１２（Ｄ）に示す。
【０２１５】
次に、第４のフォトマスクを用いて形成したレジストマスク１３２を使い、エッチングにより第１酸化物半導体膜１０３およびバッファ層（１１４ａ＿１、１１４ｂ＿１）の不要な部分を除去する。ここではＩＴＯ０７Ｎ（関東化学社製）を用いたウェットエッチングにより、不要な部分を除去する。第１酸化物半導体膜１０３およびバッファ層（１１４ａ＿１、１１４ｂ＿１）のエッチングはウェットエッチングに限定されずドライエッチングを用いてもよい。この段階での段面図を図１３（Ａ）に示す。
【０２１６】
次に、レジストマスク１３２を除去した後、実施の形態２と同様に第１酸化物半導体層１１３にプラズマ処理を行う。プラズマ処理を行うことにより、第１酸化物半導体層１１３のダメージを回復することができる。
【０２１７】
次いで、実施の形態１と同様に２００℃〜６００℃、代表的には３００℃〜５００℃の熱処理を行うことが好ましい。なお、熱処理を行うタイミングは、酸化物半導体膜の成膜後であれば特に限定されず、例えば後に形成する画素電極層１３９の後に行ってもよい。
【０２１８】
以上の工程を経て第１酸化物半導体層１１３＿１をチャネル形成領域とする選択用ＴＦＴ１５１を形成する。なお、選択用ＴＦＴ１５１の形成と共に並行して、薄膜トランジスタ（１５２、１５３、１５４、および１５５）についても同様に形成する。
【０２１９】
次いで、薄膜トランジスタ（１５２、１５３、１５４、および１５５）を覆う第１層間絶縁膜１０９、および第１層間絶縁膜１０９上に第２層間絶縁膜１２１を実施の形態２と同様に形成する。また、第２層間絶縁膜１２１をベークする工程で、酸化物半導体層の熱処理（３００℃〜４００℃）を兼ねることで効率よくエリアセンサを作製できる。
【０２２０】
次に、本実施の形態における第５のフォトマスクを用いて形成したレジストマスクを使って、第１層間絶縁膜および第２層間絶縁膜にリセット用ＴＦＴ１５３のソース電極層１１５ｂ＿３に達するコンタクトホール１２６とＥＬ駆動用ＴＦＴ１５４のソース電極層１１５ｂ＿４に達するコンタクトホール１３６を形成する。この段階での段面図を図１３（Ｂ）に示す。
【０２２１】
次いで、フォトダイオードの下部電極層１２９と、表示素子の画素電極層１３９になる第３導電膜を成膜する。第３導電膜は実施の形態２で説明したゲート電極層１１１と同様の材料を用いることができるが、表示素子の画素電極層１３９を有機発光素子の陽極に用いる場合は大きな仕事関数を有する導電膜が好ましく、画素電極層１３９を有機発光素子の陰極に用いる場合は小さな仕事関数を有する導電膜が好ましい。フォトダイオードの下部電極層１２９はコンタクトホール１２６を介して増幅回路と接続し、表示素子の画素電極層１３９はコンタクトホール１３６を介してＥＬ駆動用ＴＦＴ１５４のソース電極層１１５ａ＿４と接続されている。
【０２２２】
第３導電膜の成膜後、本実施の形態の第６のフォトマスクを用いてレジストマスクを形成し、エッチングにより第３導電膜の不要な部分を除去してフォトダイオードの下部電極層１２９と、表示素子の画素電極層１３９を形成する。ここでは第３導電膜としてチタンを単層で形成し、ＢＣｌ３とＣｌ２の混合ガスを用いてドライエッチングを行う。
【０２２３】
次に、フォトダイオードの下部電極層１２９上に第１半導体膜、第２半導体膜、第３半導体膜を順次積層する。実施の形態３と同様に、第１半導体膜はｎ型半導体層であり、ｎ型を付与する不純物元素を含むアモルファスシリコン膜により形成する。また、第２半導体膜は、ｉ型半導体層（真性半導体層）であり、アモルファスシリコン膜により形成する。また、第３半導体膜はｐ型半導体層であり、ｐ型を付与する不純物元素を含むアモルファスシリコン膜により形成する。
【０２２４】
また、実施の形態２と同様、第１半導体膜、第２半導体膜、及び第３半導体膜はアモルファス半導体ではなく、多結晶半導体を用いて形成してもよいし、セミアモルファス半導体（Ｓｅｍｉ Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ。以下、ＳＡＳという。）を用いて形成してもよい。
【０２２５】
次に、第７のフォトリソグラフィー工程を行い、レジストマスクを形成し、エッチングにより、第１半導体膜、第２半導体膜、および第３半導体膜の不要な部分を除去して、第１半導体層２５２ａ、第２半導体層２５２ｂ、第３半導体層２５２ｃを形成する。なお、ここではＣＦ４とＣｌ２の混合ガス、ＣＦ４とＯ２の混合ガス、ＣＨＦ３とＨｅの混合ガス等を用いてドライエッチングを行い、テーパー部にエッチング残渣が残らないようにする。この段階での段面図を図１３（Ｃ）に示す。
【０２２６】
次に、第３層間絶縁膜２２１を形成する。第３層間絶縁膜２２１は絶縁性を有する材料であればよいが、第３層間絶縁膜２２１が隣り合う有機発光素子同士の発光材料を含む層４１６を区切るバンクを兼ねる場合、その開口部の縁はテーパー形状となるように形成する。ここでは第８のフォトマスクと感光性ポリイミド樹脂もしくはポジ型の感光性アクリル樹脂を用いて形成する。なお、有機発光素子の信頼性は素子内部の空間や第３層間絶縁膜２２１などの構成物中に残留する水分、酸素、その他不純物の影響を著しく受ける。例えば、第３層間絶縁膜２２１を高分子で形成する場合、発光素子の使用中に不純物が析出しないように高温で加熱処理して完全に硬化させる必要がある。また、発光材料を含む層４１６を成膜する前の基板に加熱処理を施し、不純物をできるだけ取り除く必要がある。この段階での段面図を図１３（Ｄ）に示す。
【０２２７】
次に、有機発光素子１５６を形成する。画素電極層１３９上に発光材料を含む層４１６を成膜し、発光材料を含む層４１６上に上部電極層２３７となる導電膜を成膜する。
【０２２８】
発光材料を含む層４１６は単数の層で構成されていても、複数の層が積層されるように構成されていてもどちらでも良い。複数の層で構成されている場合、陽極層、正孔注入層、正孔輸送層、発光層、電子輸送層、電子注入層、および陰極層の順に互いに接して構成する。なお、これらの層を全て設ける必要はない。ここでは画素電極層１３９を陽極とし、正孔注入層、正孔輸送層、発光層、電子輸送層、電子注入層、および陰極層の順に積層する。
【０２２９】
正孔注入層とは、陽極として機能する電極から正孔輸送層へ正孔の注入を補助する機能を有する層である。ただし、正孔注入層は必ずしも必要ではない。正孔注入層を構成する物質については特に限定はないが、バナジウム酸化物、ニオブ酸化物、タンタル酸化物、クロム酸化物、モリブデン酸化物、タングステン酸化物、マンガン酸化物、レニウム酸化物、ルテニウム酸化物等の金属酸化物を用いることができる。また、フタロシアニン（略称：Ｈ２Ｐｃ）や銅フタロシアニン（ＣｕＰｃ）等のフタロシアニン化合物を用いることができる。また、上述した正孔輸送層を構成する物質を用いることもできる。また、ポリ（エチレンジオキシチオフェン）とポリ（スチレンスルホン酸）の混合物（略称：ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ）のような高分子化合物を用いることもできる。
【０２３０】
あるいは、正孔注入層に、有機化合物と電子受容体とを混合してなる複合材料を用いてもよい。このような複合材料は、電子受容体によって有機化合物に正孔が発生するため、正孔注入性および正孔輸送性に優れている。この場合、有機化合物としては、発生した正孔の輸送に優れた材料であることが好ましく、具体的には、例えば上述した正孔輸送層を構成する物質（芳香族アミン化合物等）を用いることができる。電子受容体としては、有機化合物に対し電子受容性を示す物質であればよい。具体的には、遷移金属酸化物であることが好ましく、例えば、バナジウム酸化物、ニオブ酸化物、タンタル酸化物、クロム酸化物、モリブデン酸化物、タングステン酸化物、マンガン酸化物、レニウム酸化物、ルテニウム酸化物等が挙げられる。また、塩化鉄（ＩＩＩ）、塩化アルミニウム（ＩＩＩ）のようなルイス酸を用いることもできる。また、７，７，８，８−テトラシアノ−２，３，５，６−テトラフルオロキノジメタン（略称：Ｆ４−ＴＣＮＱ）等の有機化合物を用いることもできる。なお、正孔注入層は、二層以上の層を積層して形成された多層構造であってもよい。また、二種類以上の物質を混合して形成してもよい。
【０２３１】
正孔輸送層とは、陽極から注入された正孔を発光層へ輸送する機能を有する層である。このように、正孔輸送層を設け、陽極と発光層とを離すことによって、発光が金属に起因して消光することを防ぐことができる。ただし、正孔輸送層は必ずしも必要ではない。
【０２３２】
正孔輸送層を構成する物質については特に限定はないが、代表的には、４，４’−ビス［Ｎ−（１−ナフチル）−Ｎ−フェニルアミノ］ビフェニル（略称：ＮＰＢ）、４，４’−ビス［Ｎ−（３−メチルフェニル）−Ｎ−フェニルアミノ］ビフェニル（略称：ＴＰＤ）、４，４’−ビス［Ｎ−（９，９−ジメチルフルオレン−２−イル）−Ｎ−フェニルアミノ］ビフェニル（略称：ＤＦＬＤＰＢｉ）、４，４’，４’’−トリス（Ｎ，Ｎ−ジフェニルアミノ）トリフェニルアミン（略称：ＴＤＡＴＡ）、４，４’，４’’−トリス［Ｎ−（３−メチルフェニル）−Ｎ−フェニルアミノ］トリフェニルアミン（略称：ｍ−ＭＴＤＡＴＡ）などの芳香族アミン化合物を用いることができる。また、ポリ（４−ビニルトリフェニルアミン）（略称：ＰＶＴＰＡ）などの高分子化合物を用いることもできる。
【０２３３】
なお、正孔輸送層は、二層以上の層を積層して形成された多層構造であってもよい。また、二種類以上の物質を混合して形成してもよい。
【０２３４】
発光層は発光物質を含んでいる。発光層は発光物質よりも大きい励起エネルギーを有する物質を分散媒（すなわちホスト）とし、発光物質を分散質（すなわちゲスト）とした混合層であることが好ましい。ここでは、蛍光もしくは燐光を発する有機化合物を発光物質とし、正孔輸送性を有する有機化合物と電子輸送性を有する有機化合物を混合した材料をホストとして用いる。
【０２３５】
電子輸送層とは、陰極から注入された電子を発光層へ輸送する機能を有する層である。このように、電子輸送層を設け、陰極と発光層とを離すことによって、発光が金属に起因して消光することを防ぐことができる。ただし、電子輸送層は必ずしも必要ではない。
【０２３６】
電子輸送層を構成する物質について特に限定はないが、代表的には、トリス（８−キノリノラト）アルミニウム（略称：Ａｌｑ３）、トリス（４−メチル−８−キノリノラト）アルミニウム（略称：Ａｌｍｑ３）、ビス（１０−ヒドロキシベンゾ［ｈ］キノリナト）ベリリウム（略称：ＢｅＢｑ２）、ビス（２−メチル−８−キノリノラト）（４−フェニルフェノラト）アルミニウム（略称：ＢＡｌｑ）、ビス［２−（２−ヒドロキシフェニル）ベンゾオキサゾラト］亜鉛（略称：ＺｎＢＯＸ）、ビス［２−（２−ヒドロキシフェニル）ベンゾチアゾラト］亜鉛（略称：Ｚｎ（ＢＴＺ）２）などの金属錯体が挙げられる。また、２−（４−ビフェニリル）−５−（４−ｔｅｒｔ−ブチルフェニル）−１，３，４−オキサジアゾール（略称：ＰＢＤ）、１，３−ビス［５−（ｐ−ｔｅｒｔ−ブチルフェニル）−１，３，４−オキサジアゾール−２−イル］ベンゼン（略称：ＯＸＤ−７）、３−（４−ｔｅｒｔ−ブチルフェニル）−４−フェニル−５−（４−ビフェニリル）−１，２，４−トリアゾール（略称：ＴＡＺ）、３−（４−ｔｅｒｔ−ブチルフェニル）−４−（４−エチルフェニル）−５−（４−ビフェニリル）−１，２，４−トリアゾール（略称：ｐ−ＥｔＴＡＺ）、バソフェナントロリン（略称：ＢＰｈｅｎ）、バソキュプロイン（略称：ＢＣＰ）、４，４’−ビス（５−メチルベンゾオキサゾール−２−イル）スチルベン（略称：ＢｚＯｓ）などの複素芳香族化合物も用いることができる。また、ポリ（２，５−ピリジン−ジイル）（略称：ＰＰｙ）のような高分子化合物を用いることもできる。なお、電子輸送層は、二層以上の層を積層して形成された多層構造であってもよい。また、二種類以上の物質を混合して形成してもよい。
【０２３７】
電子注入層とは、陰極として機能する電極から電子輸送層へ電子の注入を補助する機能を有する層である。ただし、電子注入層は必ずしも必要ではない。
【０２３８】
電子注入層を構成する物質については特に限定はないが、フッ化リチウム（ＬｉＦ）、フッ化セシウム（ＣｓＦ）、フッ化カルシウム（ＣａＦ２）、リチウム酸化物のようなアルカリ金属化合物またはアルカリ土類金属化合物を用いることができる。また、フッ化エルビウム（ＥｒＦ３）のような希土類金属化合物を用いることができる。また、上述した電子輸送層を構成する物質を用いることもできる。
【０２３９】
あるいは、電子注入層に、有機化合物と電子供与体とを混合してなる複合材料を用いてもよい。このような複合材料は、電子供与体によって有機化合物に電子が発生するため、電子注入性および電子輸送性に優れている。この場合、有機化合物としては、発生した電子の輸送に優れた材料であることが好ましく、具体的には、例えば上述した電子輸送層を構成する物質（金属錯体や複素芳香族化合物等）を用いることができる。電子供与体としては、有機化合物に対し電子供与性を示す物質であればよい。具体的には、アルカリ金属やアルカリ土類金属や希土類金属が好ましく、リチウム、セシウム、マグネシウム、カルシウム、エルビウム、イッテルビウム等が挙げられる。また、アルカリ金属酸化物やアルカリ土類金属酸化物が好ましく、リチウム酸化物、カルシウム酸化物、バリウム酸化物等が挙げられる。また、酸化マグネシウムのようなルイス塩基を用いることもできる。また、テトラチアフルバレン（略称：ＴＴＦ）等の有機化合物を用いることもできる。
【０２４０】
以上の単数の層もしくは、複数の層からなる有機発光素子の発光材料を含む層４１６は、蒸着法、インクジェット法、または塗布法等の方法で形成する。ここでは、シャドーマスク法を用いて発光材料を含む層４１６を作り分け、ＲＧＢに発光する三種類の有機発光素子をマトリクス状に形成する。
【０２４１】
次いで、フォトダイオードと有機発光素子の上部電極層２３７となる第４導電膜を成膜する。ここでは、フォトダイオード２５２は上部電極側から受光し、有機発光素子１５６は上部電極層側から発光を取り出すため、透光性を有した導電膜を第４導電膜に用いる。透光性のある導電膜としては、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム錫酸化物（以下、ＩＴＯと示す。）、インジウム亜鉛酸化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などをその例に挙げることができる。
【０２４２】
第９のフォトマスクを用いて形成したレジストマスクを使い、第４導電膜の不要な部分をエッチングにより除去してフォトダイオード２５１および有機発光素子１５６の上部電極層２３７を形成する。ここでは、第４導電膜としてインジウム錫酸化物膜をスパッタリング法により成膜する。なお、上部電極層２３７は共通配線と接続する。この段階での段面図を図１４（Ａ）に示す。
【０２４３】
次に、透光性を有する基板にカラーフィルター２７１をマトリクス状に形成した対向基板２７０を用意する。カラーフィルター２７１が対応するフォトダイオード２５２の位置に重畳するように、対向基板２７０とＴＦＴ、フォトダイオード２５２および有機発光素子１５６を形成した基板の位置をあわせ、シール材を用いて貼り合わせる。この段階での段面図を図１４（Ｂ）に示す。
【０２４４】
こうして、光電変換素子としてｎｉｐ型フォトダイオードを有し、表示素子として有機発光素子を有し、インジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタで構成した増幅回路と表示素子の駆動回路を有するエリアセンサ付き表示装置が得られる。
【０２４５】
本実施の形態のエリアセンサが有する有機発光素子１５６は上部電極層２３７側を表示光の取り出し面とする。上部電極層２３７の上には層間絶縁膜などが積層されていないため、積層界面における表示光の散乱が少なく、光の強度が損なわれることがない。従って、有機発光素子１５６は表示光を効率よく取り出せる。
【０２４６】
特性にバラツキが少なく、電界効果移動度が高いインジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタで構成した増幅回路および表示素子の駆動回路は特性にバラツキが少なく占有面積が小さい。そのような増幅回路をフォトダイオードの増幅回路に用いたエリアセンサは、フォトダイオードがとらえる光の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る。また、そのような駆動回路を発光素子の駆動回路に用いた表示装置は、ムラのない高品位の表示や、被写体を均一に照明できる。
【０２４７】
（実施の形態６）
【０２４８】
本実施の形態は、マトリクス状に配置された画素毎に光電変換素子と表示素子と、インジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体に代表される酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタで構成した増幅回路と表示素子の駆動回路を設けた、アクティブマトリクス型のエリアセンサ付き表示装置の実施の形態４とは異なる一態様を、図１５を参照して説明する。なお、本実施の形態では、フルカラー画像の表示と取り込みが可能な構成を例示する。
【０２４９】
本実施の形態のエリアセンサ付き表示装置は、マトリクス状に配置した表示素子を用いた表示装置として利用できる。また、散乱光を使ってエリアセンサ付き表示装置に接した指などの物体の表面凹凸を捉える密着型のエリアセンサとして利用できる。なお、ここでは、表示素子として透過型の液晶素子を適用した例を示すが、これに限らない。
【０２５０】
図１５はエリアセンサ付き表示装置の一例を示す断面図である。具体的には、フォトダイオード２５０と、透過型液晶素子１５８と、インジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタで構成した増幅回路２８１と、液晶表示素子の駆動回路２８５の断面図である。なお、増幅回路２８１と、液晶素子の駆動回路２８５は、実施の形態４と同じ構造を有するインジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタで構成されている。また、フォトダイオード２５０は実施の形態１と同じ構造を有するｐｉｎ型のフォトダイオードを用いている。
【０２５１】
本実施の形態で例示する薄膜トランジスタは実施の形態４と同じ構造を有し、実施の形態５と同様の方法で、第１層間絶縁膜１０９まで形成する。ここでは、第２層間絶縁膜１２１がカラーフィルターを兼ねる。
【０２５２】
第２層間絶縁膜１２１上には、液晶素子１５８の画素電極層１３９および、ｐｉｎ型のフォトダイオード２５０の下部電極層１２９が透明導電膜で形成されている。透明導電膜の材料としては、酸化インジウム酸化スズ合金（Ｉｎ２Ｏ３―ＳｎＯ２、ＩＴＯと略記する）、珪素もしくは酸化珪素を含有したインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化亜鉛などを用いることもできる。液晶素子１５８は、画素電極層１３９と、配向膜２６１と、液晶物質を含む層２６０と、配向膜２７６と、対向電極層２７５とによって構成されている。
【０２５３】
また、ｐｉｎ型のフォトダイオード２５０は、下部電極層１２９上に実施の形態１と同様に形成されている。ここでは、第１半導体層２５０ａとしてｐ型の導電型を有する非晶質シリコン層と、第２半導体層２５０ｂとして高抵抗な非晶質シリコン層と、第３半導体層２５０ｃとしてｎ型の導電型を有する非晶質シリコン層を積層するｐｉｎ型のフォトダイオードを例示している。また、光電効果で発生した正孔の移動度は電子の移動度に比べて小さいため、ｐｉｎ型のフォトダイオードはｐ型の半導体層側を受光面とする方がよい特性を示す。ここでは、透光性を有する基板の一方の側から入射した光が基板を透過し、他方の側に形成されたエリアセンサにより検知される構成について主に説明する。また、受光面とした半導体層側とは逆の導電型を有する半導体層側からの光は外乱光となるため、電極層は遮光性を有する導電膜を用いるとよい。なお、ｎ型の半導体層側を受光面として用いることもできる。
【０２５４】
本実施の形態では、エリアセンサ付き表示装置の表示面に導光板２９０とＬＥＤ等の光源２９１を配置してある。導光板の端部から入射した光は空気との界面で全反射を繰り返しながら導光板の内部を伝わる。導光板の表面に押し当てた指等の物体２９２と接触した部分で乱反射が起き、光がエリアセンサ側に漏れ出す。エリアセンサが散乱光を捉えることで、接触部分の位置情報や、接触物の表面形状を電気信号に変換して出力できる。
【０２５５】
こうして、光電変換素子としてｐｉｎ型フォトダイオードを有し、表示素子として透過型液晶素子を有し、インジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタで構成した増幅回路と表示素子のスイッチング回路を有するエリアセンサ付き表示装置を構成し、画像情報を電気信号に変換して出力できる。
【０２５６】
特性にバラツキが少なく、電界効果移動度が高いインジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタで構成した増幅回路および表示素子の駆動回路は特性にバラツキが少なく占有面積が小さい。そのような増幅回路とフォトダイオードおよび表示素子の駆動回路と表示素子をマトリクス状に配置したエリアセンサ付き表示装置は、フォトダイオードがとらえる光の強度分布を再現よく電気信号として取り出すことができるだけでなく、誤動作が少ない光学式のタッチパネルを作製できる。また、ムラのない画像を表示する表示装置として利用できる。また、インジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタは、容易に大面積基板に配置できるので、大型のエリアセンサ付き表示装置を提供できる。
【０２５７】
（実施の形態７）
本発明に係わるエリアセンサ付き表示装置は、電子ペーパーとして適用することができる。電子ペーパーは、情報を表示するものであればあらゆる分野の電子機器に用いることが可能である。例えば、電子ペーパーを用いて、電子書籍（電子ブック）、電子ノート等に適用することができる。電子機器の一例を図１６に示す。
【０２５８】
図１６は、電子書籍２７００の一例を示している。例えば、電子書籍２７００は、筐体２７０１および筐体２７０３の２つの筐体で構成されている。筐体２７０１および筐体２７０３は、軸部２７１１により一体とされており、該軸部２７１１を軸として開閉動作を行うことができる。このような構成により、紙の書籍のような動作を行うことが可能となる。
【０２５９】
筐体２７０１には表示部２７０５が組み込まれ、筐体２７０３には表示部２７０７が組み込まれている。表示部２７０５および表示部２７０７は、続き画面を表示する構成としてもよいし、異なる画面を表示する構成としてもよい。異なる画面を表示する構成とすることで、例えば右側の表示部（図１６では表示部２７０５）に文章を表示し、左側の表示部（図１６では表示部２７０７）に画像を表示することができる。
【０２６０】
また、図１６では、筐体２７０１に操作部などを備えた例を示している。例えば、筐体２７０１において、電源２７２１、操作キー２７２３、スピーカ２７２５などを備えている。操作キー２７２３により、頁を送ることができる。なお、筐体の表示部と同一面にキーボードやポインティングデバイスなどを備える構成としてもよい。また、筐体の裏面や側面に、外部接続用端子（イヤホン端子、ＵＳＢ端子、またはＡＣアダプタおよびＵＳＢケーブルなどの各種ケーブルと接続可能な端子など）、記録媒体挿入部などを備える構成としてもよい。さらに、電子書籍２７００は、電子辞書としての機能を持たせた構成としてもよい。
【０２６１】
また、電子書籍２７００は、無線で情報を送受信できる構成としてもよい。無線により、電子書籍サーバから、所望の書籍データなどを購入し、ダウンロードする構成とすることも可能である。
【０２６２】
また、エリアセンサ付き表示装置を搭載した電子書籍はムラのない高品位な画像を表示できるだけでなく、エリアセンサを利用してメモを入力できる。エリアセンサ付き表示装置を指や、先端に光源を有するスタイラスもしくはペン等の指示具で触れ、メモを手書きで入力できる。
【０２６３】
（実施の形態８）
本発明に係る半導体装置は、さまざまな電子機器（遊技機も含む）に適用することができる。電子機器としては、例えば、テレビジョン装置（テレビ、またはテレビジョン受信機ともいう）、コンピュータ用などのモニタ、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、デジタルフォトフレーム、携帯電話機（携帯電話、携帯電話装置ともいう）、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置、パチンコ機などの大型ゲーム機などが挙げられる。
【０２６４】
図１７（Ａ）は、テレビジョン装置９６００の一例を示している。テレビジョン装置９６００は、筐体９６０１に表示部９６０３が組み込まれている。表示部９６０３により、映像を表示することが可能である。また、ここでは、スタンド９６０５により筐体９６０１を支持した構成を示している。
【０２６５】
テレビジョン装置９６００の操作は、筐体９６０１が備える操作スイッチや、別体のリモコン操作機９６１０により行うことができる。リモコン操作機９６１０が備える操作キー９６０９により、チャンネルや音量の操作を行うことができ、表示部９６０３に表示される映像を操作することができる。また、リモコン操作機９６１０に、当該リモコン操作機９６１０から出力する情報を表示する表示部９６０７を設ける構成としてもよい。
【０２６６】
なお、テレビジョン装置９６００は、受信機やモデムなどを備えた構成とする。受信機により一般のテレビ放送の受信を行うことができ、さらにモデムを介して有線または無線による通信ネットワークに接続することにより、一方向（送信者から受信者）または双方向（送信者と受信者間、あるいは受信者間同士など）の情報通信を行うことも可能である。
【０２６７】
また、エリアセンサ付き表示装置を搭載したテレビジョン装置はムラのない高品位な画像を表示できるだけでなく、エリアセンサを利用して双方光通信できる。リモコンに搭載したレーザーポインタ等でエリアセンサ付き表示装置を指し示し、表示された画像を離れた場所から選択して、情報を入力できる。
【０２６８】
図１７（Ｂ）は、デジタルフォトフレーム９７００の一例を示している。例えば、デジタルフォトフレーム９７００は、筐体９７０１に表示部９７０３が組み込まれている。表示部９７０３は、各種画像を表示することが可能であり、例えばデジタルカメラなどで撮影した画像データを表示させることで、通常の写真立てと同様に機能させることができる。
【０２６９】
なお、デジタルフォトフレーム９７００は、操作部、外部接続用端子（ＵＳＢ端子、ＵＳＢケーブルなどの各種ケーブルと接続可能な端子など）、記録媒体挿入部などを備える構成とする。これらの構成は、表示部と同一面に組み込まれていてもよいが、側面や裏面に備えるとデザイン性が向上するため好ましい。例えば、デジタルフォトフレームの記録媒体挿入部に、デジタルカメラで撮影した画像データを記憶したメモリを挿入して画像データを取り込み、取り込んだ画像データを表示部９７０３に表示させることができる。
【０２７０】
また、デジタルフォトフレーム９７００は、無線で情報を送受信出来る構成としてもよい。無線により、所望の画像データを取り込み、表示させる構成とすることもできる。
【０２７１】
また、エリアセンサ付き表示装置を搭載したデジタルフォトフレームはムラのない高品位な画像を表示できるだけでなく、エリアセンサを利用して表示画像の一部を選択できる。例えば、レーザーポインタ等でエリアセンサ付き表示装置に表示された画像の一部を囲む様に指し示して選択し、拡大表示する範囲や切り取る範囲を指示するなど、種々の操作や加工ができる。
【０２７２】
図１８（Ａ）は携帯型遊技機であり、筐体９８８１と筐体９８９１の２つの筐体で構成されており、連結部９８９３により、開閉可能に連結されている。筐体９８８１には表示部９８８２が組み込まれ、筐体９８９１には表示部９８８３が組み込まれている。また、図１８（Ａ）に示す携帯型遊技機は、その他、スピーカ部９８８４、記録媒体挿入部９８８６、ＬＥＤランプ９８９０、入力手段（操作キー９８８５、接続端子９８８７、センサ９８８８（力、変位、位置、速度、加速度、角速度、回転数、距離、光、液、磁気、温度、化学物質、音声、時間、硬度、電場、電流、電圧、電力、放射線、流量、湿度、傾度、振動、におい又は赤外線を測定する機能を含むもの）、マイクロフォン９８８９）等を備えている。もちろん、携帯型遊技機の構成は上述のものに限定されず、少なくとも本発明に係る半導体装置を備えた構成であればよく、その他付属設備が適宜設けられた構成とすることができる。図１８（Ａ）に示す携帯型遊技機は、記録媒体に記録されているプログラム又はデータを読み出して表示部に表示する機能や、他の携帯型遊技機と無線通信を行って情報を共有する機能を有する。なお、図１８（Ａ）に示す携帯型遊技機が有する機能はこれに限定されず、様々な機能を有することができる。
【０２７３】
図１８（Ｂ）は大型遊技機であるスロットマシン９９００の一例を示している。スロットマシン９９００は、筐体９９０１に表示部９９０３が組み込まれている。また、スロットマシン９９００は、その他、スタートレバーやストップスイッチなどの操作手段、コイン投入口、スピーカなどを備えている。もちろん、スロットマシン９９００の構成は上述のものに限定されず、少なくとも本発明に係る半導体装置を備えた構成であればよく、その他付属設備が適宜設けられた構成とすることができる。
【０２７４】
図１９は、携帯電話機１０００の一例を示している。携帯電話機１０００は、筐体１００１に組み込まれた表示部１００２の他、操作ボタン１００３、外部接続ポート１００４、スピーカ１００５、マイク１００６などを備えている。
【０２７５】
図１９に示す携帯電話機１０００は、表示部１００２を指などで触れることで、情報を入力ことができる。また、電話を掛ける、或いはメールを打つなどの操作は、表示部１００２を指などで触れることにより行うことができる。
【０２７６】
表示部１００２の画面は主として３つのモードがある。第１は、画像の表示を主とする表示モードであり、第２は、文字等の情報の入力を主とする入力モードである。第３は表示モードと入力モードの２つのモードが混合した表示＋入力モードである。
【０２７７】
例えば、電話を掛ける、或いはメールを作成する場合は、表示部１００２を文字の入力を主とする文字入力モードとし、画面に表示させた文字の入力操作を行えばよい。この場合、表示部１００２の画面のほとんどにキーボードまたは番号ボタンを表示させることが好ましい。
【０２７８】
また、携帯電話機１０００内部に、ジャイロ、加速度センサ等の傾きを検出するセンサを有する検出装置を設けることで、携帯電話機１０００の向き（縦か横か）を判断して、表示部１００２の画面表示を自動的に切り替えるようにすることができる。
【０２７９】
また、画面モードの切り替えは、表示部１００２を触れること、又は筐体１００１の操作ボタン１００３の操作により行われる。また、表示部１００２に表示される画像の種類によって切り替えるようにすることもできる。例えば、表示部に表示する画像信号が動画のデータであれば表示モード、テキストデータであれば入力モードに切り替える。
【０２８０】
また、入力モードにおいて、表示部１００２の光センサで検出される信号を検知し、表示部１００２のタッチ操作による入力が一定期間ない場合には、画面のモードを入力モードから表示モードに切り替えるように制御してもよい。
【０２８１】
表示部１００２は、イメージセンサとして機能させることもできる。例えば、表示部１００２に掌や指を触れることで、掌紋、指紋等を撮像することで、本人認証を行うことができる。また、表示部に近赤外光を発光するバックライトまたは近赤外光を発光するセンシング用光源を用いれば、指静脈、掌静脈などを撮像することもできる。また、表示部１００２の少なくとも一つのフォトセンサを用いて、例えば携帯電話の使用環境の明るさに応じて携帯電話の表示画面の明るさを調整することができる。
【符号の説明】
【０２８２】
１１ エリアセンサ部
１２ 画素
１３ 定電流電源
２１ 表示部
２２ 画素
１００ 基板
１０２ ゲート絶縁膜
１０３ 酸化物半導体膜
１０４ 酸化物半導体膜
１０５ 導電膜
１０９ 層間絶縁膜
１１１ ゲート電極層
１１１＿１ ゲート電極層
１１１＿２ ゲート電極層
１１１＿３ ゲート電極層
１１１＿４ ゲート電極層
１１１＿５ ゲート電極層
１１１＿６ 配線層
１１３ 酸化物半導体層
１１４ バッファ層
１１４ａ バッファ層
１１４ｂ バッファ層
１１５ａ＿１ ソース電極層およびドレイン電極層
１１５ａ＿４ ソース電極層
１１５ｂ＿１ ソース電極層およびドレイン電極層
１１５ｂ＿３ ソース電極層
１２１ 層間絶縁膜
１２５ コンタクトホール
１２６ コンタクトホール
１２７ 配線層
１２８ 保護層
１２９ 下部電極層
１３１ レジストマスク
１３２ レジストマスク
１３６ コンタクトホール
１３９ 画素電極層
１５１ 選択用ＴＦＴ
１５２ 増幅用ＴＦＴ
１５３ リセット用ＴＦＴ
１５４ ＥＬ駆動用ＴＦＴ
１５５ スイッチング用ＴＦＴ
１５６ 有機発光素子
１５７ コンデンサ
１５８ 液晶素子
２０５ｂ 半導体層
２２１ 層間絶縁膜
２２２ 層間絶縁膜
２２５ コンタクトホール
２２７ 上部電極層
２２８ 配線層
２３１ コンタクトホール
２３２ コンタクトホール
２３３ コンタクトホール
２３７ 上部電極層
２５０ フォトダイオード
２５０ａ 半導体層
２５０ｂ 半導体層
２５０ｃ 半導体層
２５１ フォトダイオード
２５１ａ 半導体層
２５１ｂ 半導体層
２５１ｃ 半導体層
２５２ フォトダイオード
２５２ａ 半導体層
２５２ｂ 半導体層
２５２ｃ 半導体層
２６０ 層
２７０ 対向基板
２７１ カラーフィルター
２７５ 対向電極層
２８１ 増幅回路
２８５ 駆動回路
２９０ 導光板
２９１ 光源
２９２ 物体
２９３ レーザーポインタ
４１６ 層
１０００ 携帯電話機
１００１ 筐体
１００２ 表示部
１００３ 操作ボタン
１００４ 外部接続ポート
１００５ スピーカ
１００６ マイク
２７００ 電子書籍
２７０１ 筐体
２７０３ 筐体
２７０５ 表示部
２７０７ 表示部
２７１１ 軸部
２７２１ 電源
２７２３ 操作キー
２７２５ スピーカ
９６００ テレビジョン装置
９６０１ 筐体
９６０３ 表示部
９６０５ スタンド
９６０７ 表示部
９６０９ 操作キー
９６１０ リモコン操作機
９７００ デジタルフォトフレーム
９７０１ 筐体
９７０３ 表示部
９８８１ 筐体
９８８２ 表示部
９８８３ 表示部
９８８４ スピーカ部
９８８５ 操作キー
９８８６ 記録媒体挿入部
９８８７ 接続端子
９８８８ センサ
９８８９ マイクロフォン
９８９０ ＬＥＤランプ
９８９１ 筐体
９８９３ 連結部
９９００ スロットマシン
９９０１ 筐体
９９０３ 表示部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換素子と、インジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタで構成された増幅回路を有するフォトセンサ。
【請求項２】
一導電性の不純物元素を有する第１の半導体層と、
前記第１の半導体層に接して設けられた第２の半導体層と、
前記第２の半導体層に接して設けられた前記第１の半導体層とは逆の導電型の不純物元素を有する第３の半導体層と、が積層された光電変換層を有する光電変換素子と、
選択用薄膜トランジスタと、増幅用薄膜トランジスタ、およびリセット用薄膜トランジスタとを少なくとも含む増幅回路を有し、
前記選択用薄膜トランジスタと、前記増幅用薄膜トランジスタ、および前記リセット用薄膜トランジスタはインジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を有し、
前記リセット用薄膜トランジスタのゲート電極はリセット用ゲート信号線に接続され、
前記リセット用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極の一方はセンサ用電源線に接続され、
前記リセット用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極のもう一方は前記増幅用薄膜トランジスタのゲート電極層および前記光電変換素子のアノードまたはカソードのいずれか一方に接続され、
前記増幅用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極の一方はセンサ用電源線に接続され、
前記選択用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極の一方はセンサ出力配線に接続され、
前記選択用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極のもう一方は増幅用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極のもう一方に接続され、
前記選択用薄膜トランジスタのゲート電極層はセンサ用ゲート信号線に接続された増幅回路を有するフォトセンサ。
【請求項３】
一導電性の不純物元素を有する第１の半導体層と、
前記第１の半導体層に接して設けられた第２の半導体層と、
前記第２の半導体層に接して設けられた前記第１の半導体層とは逆の導電型の不純物元素を有する第３の半導体層と、が積層された光電変換層を有する光電変換素子と、
選択用薄膜トランジスタと、増幅用薄膜トランジスタ、およびリセット用薄膜トランジスタとを少なくとも含む増幅回路を有し、
前記選択用薄膜トランジスタと、前記増幅用薄膜トランジスタ、および前記リセット用薄膜トランジスタはインジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を有し、
前記リセット用薄膜トランジスタのゲート電極層は前記リセット用ゲート信号線に接続され、
前記リセット用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極の一方はセンサ用電源線に接続され、
前記リセット用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極のもう一方は前記増幅用薄膜トランジスタのゲート電極層および前記光電変換素子のアノードまたはカソードのいずれか一方に接続されており、
前記増幅用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極の一方はセンサ用電源線に接続されており、
前記選択用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極の一方はセンサ出力配線に接続されており、
前記選択用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極のもう一方は増幅用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極のもう一方に接続されており、
前記選択用薄膜トランジスタのゲート電極層はセンサ用ゲート信号線に接続されており、
前記リセット用ゲート信号線と前記センサ用ゲート信号線とに入力される信号によって前記リセット用薄膜トランジスタと前記選択用薄膜トランジスタはオンからオフの状態、またはオフからオンの状態に切り替わることを特徴とする増幅回路を有する画素を複数配置したフォトセンサ。
【請求項４】
光電変換素子と、インジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタで構成された増幅回路を有する画素を複数配置したエリアセンサ。
【請求項５】
一導電性の不純物元素を有する第１の半導体層と、
前記第１の半導体層に接して設けられた第２の半導体層と、
前記第２の半導体層に接して設けられた前記第１の半導体層とは逆の導電型の不純物元素を有する第３の半導体層と、が積層された光電変換層を有する光電変換素子と、
選択用薄膜トランジスタと、増幅用薄膜トランジスタ、およびリセット用薄膜トランジスタとを少なくとも含む増幅回路を有し、
前記選択用薄膜トランジスタと、前記増幅用薄膜トランジスタ、および前記リセット用薄膜トランジスタはインジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を有し、
前記リセット用薄膜トランジスタのゲート電極層はリセット用ゲート信号線に接続され、
前記リセット用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極の一方はセンサ用電源線に接続され、
前記リセット用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極のもう一方は前記増幅用薄膜トランジスタのゲート電極層および前記光電変換素子のアノードまたはカソードのいずれか一方に接続されており、
前記増幅用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極の一方はセンサ用電源線に接続されており、
前記選択用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極の一方はセンサ出力配線に接続されており、
前記選択用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極のもう一方は増幅用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極のもう一方に接続されており、
前記選択用薄膜トランジスタのゲート電極層はセンサ用ゲート信号線に接続された増幅回路を有する画素を複数配置したエリアセンサ。
【請求項６】
一導電性の不純物元素を有する第１の半導体層と、
前記第１の半導体層に接して設けられた第２の半導体層と、
前記第２の半導体層に接して設けられた前記第１の半導体層とは逆の導電型の不純物元素を有する第３の半導体層と、が積層された光電変換層を有する光電変換素子と、
選択用薄膜トランジスタと、増幅用薄膜トランジスタ、およびリセット用薄膜トランジスタとを少なくとも含む増幅回路を有し、
前記選択用薄膜トランジスタと、前記増幅用薄膜トランジスタ、および前記リセット用薄膜トランジスタはインジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を有し、
前記リセット用薄膜トランジスタのゲート電極層はリセット用ゲート信号線に接続され、
前記リセット用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極の一方はセンサ用電源線に接続され、
前記リセット用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極のもう一方は前記増幅用薄膜トランジスタのゲート電極層および前記光電変換素子のアノードまたはカソードのいずれか一方に接続されており、
前記増幅用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極の一方はセンサ用電源線に接続されており、
前記選択用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極の一方はセンサ出力配線に接続されており、
前記選択用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極の一方は増幅用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極のもう一方に接続されており、
前記選択用薄膜トランジスタのゲート電極層はセンサ用ゲート信号線に接続されており、
前記リセット用ゲート信号線と前記センサ用ゲート信号線とに入力される信号によって前記リセット用薄膜トランジスタと前記選択用薄膜トランジスタはオンからオフの状態、またはオフからオンの状態に切り替わることを特徴とする増幅回路を有する画素を複数配置したエリアセンサ
【請求項７】
光電変換素子と、増幅回路と、表示素子と、前記表示素子の駆動回路を有する画素が複数配置され、
前記増幅回路と前記駆動回路が、インジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタで構成された表示装置。
【請求項８】
一導電性の不純物元素を有する第１の半導体層と、
前記第１の半導体層に接して設けられた第２の半導体層と、
前記第２の半導体層に接して設けられた前記第１の半導体層とは逆の導電型の不純物元素を有する第３の半導体層と、が積層された光電変換層を有する光電変換素子と、
選択用薄膜トランジスタと、増幅用薄膜トランジスタ、およびリセット用薄膜トランジスタとを少なくとも含み、
前記選択用薄膜トランジスタと、前記増幅用薄膜トランジスタ、および前記リセット用薄膜トランジスタはインジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を有し、
前記リセット用薄膜トランジスタのゲート電極層はリセット用ゲート信号線に接続され、
前記リセット用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極の一方はセンサ用電源線に接続され、
前記リセット用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極のもう一方は前記増幅用薄膜トランジスタのゲート電極層および前記光電変換素子のアノードまたはカソードのいずれか一方に接続されており、
前記増幅用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極の一方はセンサ用電源線に接続されており、
前記選択用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極の一方はセンサ出力配線に接続されており、
前記選択用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極の一方は増幅用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極のもう一方に接続されており、
前記選択用薄膜トランジスタのゲート電極層はセンサ用ゲート信号線に接続された増幅回路と、
表示素子と、
インジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いたスイッチング用薄膜トランジスタを少なくとも有し、
前記スイッチング用薄膜トランジスタのゲート電極層はゲート信号線に接続されており、
前記スイッチング用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極の一方はソース信号線に接続された表示素子の駆動回路と、
を有する画素を複数配置した表示装置。
【請求項９】
陽極、陰極および前記陽極と前記陰極の間に発光物質を含む層を有した表示素子を有している請求項７または８記載の表示装置。
【請求項１０】
画素電極、対向電極および前記画素電極と前記対向電極の間に液晶物質を含む層を有している請求項７または８記載の表示装置。
【請求項１１】
請求項７乃至１０記載のエリアセンサ付き表示装置をレーザーポインタで操作する操作方法。
【請求項１】
光電変換素子と、インジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタで構成された増幅回路を有するフォトセンサ。
【請求項２】
一導電性の不純物元素を有する第１の半導体層と、
前記第１の半導体層に接して設けられた第２の半導体層と、
前記第２の半導体層に接して設けられた前記第１の半導体層とは逆の導電型の不純物元素を有する第３の半導体層と、が積層された光電変換層を有する光電変換素子と、
選択用薄膜トランジスタと、増幅用薄膜トランジスタ、およびリセット用薄膜トランジスタとを少なくとも含む増幅回路を有し、
前記選択用薄膜トランジスタと、前記増幅用薄膜トランジスタ、および前記リセット用薄膜トランジスタはインジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を有し、
前記リセット用薄膜トランジスタのゲート電極はリセット用ゲート信号線に接続され、
前記リセット用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極の一方はセンサ用電源線に接続され、
前記リセット用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極のもう一方は前記増幅用薄膜トランジスタのゲート電極層および前記光電変換素子のアノードまたはカソードのいずれか一方に接続され、
前記増幅用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極の一方はセンサ用電源線に接続され、
前記選択用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極の一方はセンサ出力配線に接続され、
前記選択用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極のもう一方は増幅用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極のもう一方に接続され、
前記選択用薄膜トランジスタのゲート電極層はセンサ用ゲート信号線に接続された増幅回路を有するフォトセンサ。
【請求項３】
一導電性の不純物元素を有する第１の半導体層と、
前記第１の半導体層に接して設けられた第２の半導体層と、
前記第２の半導体層に接して設けられた前記第１の半導体層とは逆の導電型の不純物元素を有する第３の半導体層と、が積層された光電変換層を有する光電変換素子と、
選択用薄膜トランジスタと、増幅用薄膜トランジスタ、およびリセット用薄膜トランジスタとを少なくとも含む増幅回路を有し、
前記選択用薄膜トランジスタと、前記増幅用薄膜トランジスタ、および前記リセット用薄膜トランジスタはインジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を有し、
前記リセット用薄膜トランジスタのゲート電極層は前記リセット用ゲート信号線に接続され、
前記リセット用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極の一方はセンサ用電源線に接続され、
前記リセット用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極のもう一方は前記増幅用薄膜トランジスタのゲート電極層および前記光電変換素子のアノードまたはカソードのいずれか一方に接続されており、
前記増幅用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極の一方はセンサ用電源線に接続されており、
前記選択用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極の一方はセンサ出力配線に接続されており、
前記選択用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極のもう一方は増幅用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極のもう一方に接続されており、
前記選択用薄膜トランジスタのゲート電極層はセンサ用ゲート信号線に接続されており、
前記リセット用ゲート信号線と前記センサ用ゲート信号線とに入力される信号によって前記リセット用薄膜トランジスタと前記選択用薄膜トランジスタはオンからオフの状態、またはオフからオンの状態に切り替わることを特徴とする増幅回路を有する画素を複数配置したフォトセンサ。
【請求項４】
光電変換素子と、インジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタで構成された増幅回路を有する画素を複数配置したエリアセンサ。
【請求項５】
一導電性の不純物元素を有する第１の半導体層と、
前記第１の半導体層に接して設けられた第２の半導体層と、
前記第２の半導体層に接して設けられた前記第１の半導体層とは逆の導電型の不純物元素を有する第３の半導体層と、が積層された光電変換層を有する光電変換素子と、
選択用薄膜トランジスタと、増幅用薄膜トランジスタ、およびリセット用薄膜トランジスタとを少なくとも含む増幅回路を有し、
前記選択用薄膜トランジスタと、前記増幅用薄膜トランジスタ、および前記リセット用薄膜トランジスタはインジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を有し、
前記リセット用薄膜トランジスタのゲート電極層はリセット用ゲート信号線に接続され、
前記リセット用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極の一方はセンサ用電源線に接続され、
前記リセット用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極のもう一方は前記増幅用薄膜トランジスタのゲート電極層および前記光電変換素子のアノードまたはカソードのいずれか一方に接続されており、
前記増幅用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極の一方はセンサ用電源線に接続されており、
前記選択用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極の一方はセンサ出力配線に接続されており、
前記選択用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極のもう一方は増幅用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極のもう一方に接続されており、
前記選択用薄膜トランジスタのゲート電極層はセンサ用ゲート信号線に接続された増幅回路を有する画素を複数配置したエリアセンサ。
【請求項６】
一導電性の不純物元素を有する第１の半導体層と、
前記第１の半導体層に接して設けられた第２の半導体層と、
前記第２の半導体層に接して設けられた前記第１の半導体層とは逆の導電型の不純物元素を有する第３の半導体層と、が積層された光電変換層を有する光電変換素子と、
選択用薄膜トランジスタと、増幅用薄膜トランジスタ、およびリセット用薄膜トランジスタとを少なくとも含む増幅回路を有し、
前記選択用薄膜トランジスタと、前記増幅用薄膜トランジスタ、および前記リセット用薄膜トランジスタはインジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を有し、
前記リセット用薄膜トランジスタのゲート電極層はリセット用ゲート信号線に接続され、
前記リセット用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極の一方はセンサ用電源線に接続され、
前記リセット用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極のもう一方は前記増幅用薄膜トランジスタのゲート電極層および前記光電変換素子のアノードまたはカソードのいずれか一方に接続されており、
前記増幅用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極の一方はセンサ用電源線に接続されており、
前記選択用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極の一方はセンサ出力配線に接続されており、
前記選択用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極の一方は増幅用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極のもう一方に接続されており、
前記選択用薄膜トランジスタのゲート電極層はセンサ用ゲート信号線に接続されており、
前記リセット用ゲート信号線と前記センサ用ゲート信号線とに入力される信号によって前記リセット用薄膜トランジスタと前記選択用薄膜トランジスタはオンからオフの状態、またはオフからオンの状態に切り替わることを特徴とする増幅回路を有する画素を複数配置したエリアセンサ
【請求項７】
光電変換素子と、増幅回路と、表示素子と、前記表示素子の駆動回路を有する画素が複数配置され、
前記増幅回路と前記駆動回路が、インジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタで構成された表示装置。
【請求項８】
一導電性の不純物元素を有する第１の半導体層と、
前記第１の半導体層に接して設けられた第２の半導体層と、
前記第２の半導体層に接して設けられた前記第１の半導体層とは逆の導電型の不純物元素を有する第３の半導体層と、が積層された光電変換層を有する光電変換素子と、
選択用薄膜トランジスタと、増幅用薄膜トランジスタ、およびリセット用薄膜トランジスタとを少なくとも含み、
前記選択用薄膜トランジスタと、前記増幅用薄膜トランジスタ、および前記リセット用薄膜トランジスタはインジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を有し、
前記リセット用薄膜トランジスタのゲート電極層はリセット用ゲート信号線に接続され、
前記リセット用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極の一方はセンサ用電源線に接続され、
前記リセット用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極のもう一方は前記増幅用薄膜トランジスタのゲート電極層および前記光電変換素子のアノードまたはカソードのいずれか一方に接続されており、
前記増幅用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極の一方はセンサ用電源線に接続されており、
前記選択用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極の一方はセンサ出力配線に接続されており、
前記選択用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極の一方は増幅用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極のもう一方に接続されており、
前記選択用薄膜トランジスタのゲート電極層はセンサ用ゲート信号線に接続された増幅回路と、
表示素子と、
インジウム、ガリウム、および亜鉛を含む酸化物半導体を用いたスイッチング用薄膜トランジスタを少なくとも有し、
前記スイッチング用薄膜トランジスタのゲート電極層はゲート信号線に接続されており、
前記スイッチング用薄膜トランジスタのソース電極とドレイン電極の一方はソース信号線に接続された表示素子の駆動回路と、
を有する画素を複数配置した表示装置。
【請求項９】
陽極、陰極および前記陽極と前記陰極の間に発光物質を含む層を有した表示素子を有している請求項７または８記載の表示装置。
【請求項１０】
画素電極、対向電極および前記画素電極と前記対向電極の間に液晶物質を含む層を有している請求項７または８記載の表示装置。
【請求項１１】
請求項７乃至１０記載のエリアセンサ付き表示装置をレーザーポインタで操作する操作方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【公開番号】特開２０１０−１５３８３４（Ｐ２０１０−１５３８３４Ａ）
【公開日】平成２２年７月８日（２０１０．７．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２６６０７６（Ｐ２００９−２６６０７６）
【出願日】平成２１年１１月２４日（２００９．１１．２４）
【出願人】（０００１５３８７８）株式会社半導体エネルギー研究所 (5,264)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年７月８日（２０１０．７．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月２４日（２００９．１１．２４）
【出願人】（０００１５３８７８）株式会社半導体エネルギー研究所 (5,264)
【Ｆターム（参考）】
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