半導体装置
【課題】フォトセンサにおいて、トランジスタのオフ電流を低減することで、低消費電力化を図る。
【解決手段】フォトダイオード１３、第１のトランジスタ１４、及び第２のトランジスタ１５を有するフォトセンサと、読み出し制御トランジスタ１８を有する読み出し制御回路と、を有する。フォトダイオードは、入射光に応じた電荷を第１のトランジスタのゲートに供給する機能を有する。第１のトランジスタは、ゲートに供給された電荷を蓄積する機能と、蓄積された電荷を出力信号に変換する機能とを有する。第２のトランジスタは、出力信号の読み出しを制御する機能を有する。読み出し制御トランジスタは、出力信号を電圧値の信号に変換する抵抗素子としての機能を有し、第１のトランジスタ、第２のトランジスタ、及び読み出し制御トランジスタの半導体層は、酸化物半導体を用いて形成されている。
【解決手段】フォトダイオード１３、第１のトランジスタ１４、及び第２のトランジスタ１５を有するフォトセンサと、読み出し制御トランジスタ１８を有する読み出し制御回路と、を有する。フォトダイオードは、入射光に応じた電荷を第１のトランジスタのゲートに供給する機能を有する。第１のトランジスタは、ゲートに供給された電荷を蓄積する機能と、蓄積された電荷を出力信号に変換する機能とを有する。第２のトランジスタは、出力信号の読み出しを制御する機能を有する。読み出し制御トランジスタは、出力信号を電圧値の信号に変換する抵抗素子としての機能を有し、第１のトランジスタ、第２のトランジスタ、及び読み出し制御トランジスタの半導体層は、酸化物半導体を用いて形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
技術分野は、フォトセンサ及びその駆動方法に関する。また、フォトセンサを有する表
示装置及びその駆動方法に関する。また、フォトセンサを有する半導体装置及びその駆動
方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光を検出するセンサ（「フォトセンサ」ともいう）を搭載した表示装置が注目さ
れている。フォトセンサを表示装置に設けることにより、表示画面が入力領域を兼ねる。
一例として、画像取り込み機能を備えた表示装置が挙げられる（例えば、特許文献１を参
照）。
【０００３】
また、フォトセンサを有する半導体装置として、ＣＣＤ方式のイメージセンサやＣＭＯ
Ｓ方式のイメージセンサなどが挙げられる。これらのイメージセンサは、例えば、デジタ
ルスチルカメラや携帯電話などの電子機器に用いられている。
【０００４】
フォトセンサを搭載した表示装置では、まず、表示装置から光を発する。被検出物が存
在する領域に入射した光は被検出物によって遮断され、一部の光が反射される。表示装置
内の画素に設けられたフォトセンサが、被検出物から反射された光を検出することで、当
該領域に被検出物が存在することを認識することができる。
【０００５】
また、フォトセンサを搭載した半導体装置では、被検出物から発せられる光もしくは被
検出物で外光などが反射した光を、フォトセンサで直接検出もしくは光学レンズなどを用
いて集光した後に検出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−２９２２７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
フォトセンサを搭載した半導体装置では、各画素に設けられたフォトセンサが光を検出
して生成した電気信号を収集するため、各画素にトランジスタを用いた回路が設けられて
いる。
【０００８】
フォトセンサを搭載した半導体装置は、入射光に応じた出力信号を電圧値の信号に変換す
るための読み取り制御トランジスタを有する。入射光に応じた出力信号は、フォトセンサ
に設けられたトランジスタ、及び読み取り制御トランジスタを抵抗と見なして抵抗分割す
ることにより電圧値の変換を行うことができる。
【０００９】
フォトセンサを搭載した半導体装置において、読み取り制御トランジスタを、非晶質シリ
コン、または多結晶シリコンを具備するトランジスタで形成することができる。しかしな
がら、非晶質シリコン、または多結晶シリコンを用いたトランジスタでは、オフ状態のト
ランジスタにおいて流れる電流である、オフ電流が流れることとなる。そのため、フォト
センサを搭載した半導体装置において読み取りを行わない期間では、時間の累積とともに
、消費電力を増加させる一因となってしまう。
【００１０】
本発明の一態様は、フォトセンサにおいて、低消費電力化を図ることができる半導体装置
を提供することを課題の一とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一態様は、フォトダイオード、第１のトランジスタ、及び第２のトランジスタを
有するフォトセンサと、読み出し制御トランジスタを有する読み出し制御回路と、を有し
、フォトダイオードは、入射光に応じた電荷を第１のトランジスタのゲートに供給する機
能を有し、第１のトランジスタは、ゲートに供給された電荷を蓄積する機能と、蓄積され
た電荷を出力信号に変換する機能とを有し、第２のトランジスタは、出力信号の読み出し
を制御する機能を有し、読み出し制御トランジスタは、出力信号を電圧値の信号に変換す
る抵抗素子としての機能を有し、第１のトランジスタ、第２のトランジスタ、及び読み出
し制御トランジスタの半導体層は、酸化物半導体を用いて形成されている半導体装置であ
る。
【００１２】
本発明の一態様は、フォトダイオード、第１のトランジスタ、第２のトランジスタ、及び
第３のトランジスタを有するフォトセンサと、読み出し制御トランジスタを有する読み出
し制御回路と、を有し、フォトダイオードは、入射光に応じた電荷を第１のトランジスタ
のゲートに供給する機能を有し、第１のトランジスタは、ゲートに供給された電荷を蓄積
する機能と、蓄積された電荷を出力信号に変換する機能とを有し、第２のトランジスタは
、第１のトランジスタのゲートに蓄積された電荷を保持する機能を有し、第３のトランジ
スタは、出力信号の読み出しを制御する機能を有し、読み出し制御トランジスタは、出力
信号を電圧値の信号に変換する抵抗素子としての機能を有し、第１のトランジスタ、第２
のトランジスタ、第３のトランジスタ、及び読み出し制御トランジスタの半導体層は、酸
化物半導体を用いて形成されている半導体装置である。
【００１３】
本発明の一態様は、フォトダイオード、第１のトランジスタ、及び第２のトランジスタを
有するフォトセンサと、読み出し制御トランジスタを有する読み出し制御回路と、を有し
、フォトダイオードは、入射光に応じた電荷を第１のトランジスタのゲートに供給する機
能を有し、第１のトランジスタは、ゲートに供給された電荷を蓄積する機能と、蓄積され
た電荷を出力信号に変換する機能とを有し、第２のトランジスタは、出力信号の読み出し
を制御する機能を有し、読み出し制御トランジスタは、出力信号を電圧値の信号に変換す
る抵抗素子としての機能を有し、第１のトランジスタ、第２のトランジスタ、及び読み出
し制御トランジスタの半導体層は、酸化物半導体を用いて形成されており、読み出し制御
トランジスタのゲートに印加される電圧は、出力信号に応じて切り替えられることで、読
み出し制御トランジスタの抵抗値を切り替える半導体装置である。
【００１４】
本発明の一態様は、フォトダイオード、第１のトランジスタ、第２のトランジスタ、及び
第３のトランジスタを有するフォトセンサと、読み出し制御トランジスタを有する読み出
し制御回路と、を有し、フォトダイオードは、入射光に応じた電荷を第１のトランジスタ
のゲートに供給する機能を有し、第１のトランジスタは、ゲートに供給された電荷を蓄積
する機能と、蓄積された電荷を出力信号に変換する機能とを有し、第２のトランジスタは
、第１のトランジスタのゲートに蓄積された電荷を保持する機能を有し、第３のトランジ
スタは、出力信号の読み出しを制御する機能を有し、読み出し制御トランジスタは、出力
信号を電圧値の信号に変換する抵抗素子としての機能を有し、第１のトランジスタ、第２
のトランジスタ、第３のトランジスタ、及び読み出し制御トランジスタの半導体層は、酸
化物半導体を用いて形成されており、読み出し制御トランジスタのゲートに印加される電
圧は、出力信号に応じて切り替えられることで、読み出し制御トランジスタの抵抗値を切
り替える半導体装置である。
【００１５】
本発明の一態様において、フォトセンサが複数設けられ、フォトセンサはリセット動作、
累積動作、及び読み出し動作を行う機能を有し、複数設けられたフォトセンサは、リセッ
ト動作を共通して行い、累積動作を共通して行い、読み出し動作を順次行う機能を有する
半導体装置でもよい。
【００１６】
また、半導体装置とは、半導体の性質を持つ物及びそれを有する物全般を指す。例えば、
トランジスタを有する表示装置を単に半導体装置と呼ぶこともある。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のフォトセンサにおいて、低消費電力化を図ることができる半導体装置を提供す
ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一態様を説明するための回路図及びタイミングチャート図。
【図２】本発明の一態様を説明するための回路図。
【図３】本発明の一態様を説明するための回路図及びタイミングチャート図。
【図４】本発明の一態様を説明するためのブロック図。
【図５】本発明の一態様を説明するための回路図。
【図６】本発明の一態様を説明するためのタイミングチャート図。
【図７】本発明の一態様を説明するためのタイミングチャート図。
【図８】本発明の一態様を説明するための断面図。
【図９】半導体装置の一例を示す図。
【図１０】本発明の一態様を説明するための回路図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態及び実施例について図面を参照しながら説明する。但し、本
発明は多くの異なる態様で実施することが可能であり、本発明の趣旨及びその範囲から逸
脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解さ
れる。従って本発明は本実施の形態及び実施例の記載内容に限定して解釈されるものでは
ない。なお、以下に説明する本発明の構成において、同じ物を指し示す符号は異なる図面
間において共通とする。
【００２０】
なお、各実施の形態の図面等において示す各構成の、大きさ、層の厚さ、信号波形、又は
領域は、明瞭化のために誇張されて表記している場合がある。よって、必ずしもそのスケ
ールに限定されない。
【００２１】
なお本明細書にて用いる第１、第２、第３、乃至第Ｎ（Ｎは自然数）という用語は、構成
要素の混同を避けるために付したものであり、数的に限定するものではないことを付記す
る。
【００２２】
（実施の形態１）
本実施の形態では、開示する発明の一態様である半導体装置の一例について、図１、図２
を参照して説明する。
【００２３】
図１（Ａ）は、半導体装置１０が有するフォトセンサ１１の回路構成の一例である。また
、フォトセンサ１１に接続している読み出し制御回路１２の構成の一例を示す。
【００２４】
フォトセンサ１１は、フォトダイオード１３、トランジスタ１４（第１のトランジスタと
もいう）、トランジスタ１５（第２のトランジスタともいう）を有する。読み出し制御回
路１２はトランジスタ１８（読み出し制御トランジスタともいう）を有する。
【００２５】
フォトセンサ１１において、フォトダイオード１３は、一方の電極がフォトダイオードリ
セット信号線１６に、他方の電極がトランジスタ１４のゲートに接続されている。トラン
ジスタ１４は、ソース又はドレインの一方がフォトセンサ基準高電位電源線２０に、ソー
ス又はドレインの他方がトランジスタ１５のソース又はドレインの一方に接続されている
。トランジスタ１５は、ゲートがゲート信号線１７に、ソース又はドレインの他方がフォ
トセンサ出力信号線２２に接続されている。
【００２６】
また読み出し制御回路１２において、トランジスタ１８は、ソース又はドレインの一方が
トランジスタ１５のソース又はドレインの他方及びフォトセンサ出力信号線２２に、ソー
ス又はドレインの他方がフォトセンサ基準低電位電源線２１に、ゲートがフォトセンサ選
択信号線１９に接続されている。
【００２７】
なお、本明細書における回路図において、酸化物半導体層を用いるトランジスタと明確に
判別できるように、酸化物半導体を用いるトランジスタの記号には「ＯＳ」と記載してい
る。例えば、図１（Ａ）において、トランジスタ１４、トランジスタ１５、及びトランジ
スタ１８は、半導体層に酸化物半導体を用いたトランジスタである。
【００２８】
トランジスタ１４、トランジスタ１５、及びトランジスタ１８は、半導体層に酸化物半導
体を有している。これらのトランジスタが半導体層に酸化物半導体を用いることで、オフ
状態（非導通状態ともいう）のトランジスタにおいて流れる電流であるオフ電流を極めて
小さくしたトランジスタとすることができる。
【００２９】
なおトランジスタ１４、トランジスタ１５の半導体層は、いずれかの半導体層に酸化物半
導体を用いる構成とすればよい。具体的には、図１０（Ａ）に示すようにトランジスタ１
４が酸化物半導体を用いたトランジスタとしてもよいし、図１０（Ｂ）に示すようにトラ
ンジスタ１５が半導体層に酸化物半導体を用いたトランジスタとしてもよい。なおトラン
ジスタ１４、トランジスタ１５の半導体層に用いる、酸化物半導体以外の半導体としては
、シリコンによる非晶質半導体、微結晶半導体、多結晶半導体、又は単結晶半導体などを
用いればよい。特に、フォトダイオード１３から供給される電荷を出力信号に変換する機
能を有するトランジスタ１４には、単結晶半導体を用い、移動度の高いトランジスタとす
ることが望ましい。
【００３０】
なお、ＡとＢとが接続されている、と明示的に記載する場合は、ＡとＢとが電気的に接続
されている場合と、ＡとＢとが機能的に接続されている場合と、ＡとＢとが直接接続され
ている場合とを含むものとする。
【００３１】
フォトダイオードリセット信号線１６、ゲート信号線１７は、フォトセンサ駆動回路によ
り信号が供給される。フォトセンサ駆動回路は、特定の行に配置されたフォトセンサ１１
に対して、後述するリセット動作と累積動作と読み出し動作（選択動作ともいう）とを行
うための信号を供給する。
【００３２】
フォトセンサ選択信号線１９、フォトセンサ基準高電位電源線２０、フォトセンサ基準低
電位電源線２１、フォトセンサ出力信号線２２は、フォトセンサ読み出し回路に接続され
る。フォトセンサ読み出し回路は、選択された行のフォトセンサ１１の出力信号を読み出
すための各配線の信号の制御を行う機能を有する。
【００３３】
なお、フォトセンサ読み出し回路は、アナログ信号であるフォトセンサの出力信号を、オ
ペアンプを用いてアナログ信号のままフォトセンサ出力信号線２２より外部に取り出す構
成や、Ａ／Ｄ変換回路を用いてデジタル信号に変換してからフォトセンサ出力信号線２２
より外部に取り出す構成を有することができる。
【００３４】
フォトダイオード１３には、ＰＮ型、ＰＩＮ型、ショットキー型、またはアバランシェ型
のダイオードを用いることができる。ＰＮ型またはＰＩＮ型のダイオードを用いる場合は
、それぞれの導電型（Ｐ型とＮ型またはＰ型とＩ型とＮ型）を有する半導体を積層した構
造を用いることができる。またはそれぞれの導電型を有する半導体を同一平面内に配置し
た構造を用いることができる。フォトダイオード１３を構成する半導体には、非晶質半導
体、微結晶半導体、多結晶半導体、又は単結晶半導体などを用いることができる。フォト
ダイオードは光の強度に応じて電気信号を生成する機能を有する。フォトダイオードに照
射される光は被検出物で反射される光または被検出物から発せられる光である。被検出物
で反射される光の光源として、半導体装置が有する照明装置または外光を用いることがで
きる。
【００３５】
トランジスタ１４は、ゲートに電荷を蓄積（累積）する機能を有する。このゲートに蓄積
される電荷により、トランジスタ１４のゲートとソースの間に印加される電圧値が変化し
、トランジスタ１４のソースとドレインとの間の抵抗値が変化する。そして、フォトセン
サ基準高電位電源線２０とフォトセンサ基準低電位電源線２１との間で抵抗分割され、フ
ォトセンサ出力信号線２２で入射光に応じた電圧値が得られる。
【００３６】
トランジスタ１５は、フォトセンサ１１の出力信号の読み出しを制御する機能を有する。
具体的には、フォトセンサ出力信号線２２にフォトセンサ１１の出力信号を転送する機能
を有する。そのため、トランジスタ１５は端子間の電気的な接続である導通または非導通
を制御することで、出力信号の読み出しを高速で行うスイッチとしての機能が求められる
。
【００３７】
トランジスタ１４及びトランジスタ１５は、同じフォトセンサ出力信号線２２に接続され
た他のフォトセンサの読み出し期間中には、フォトセンサ出力信号線２２と、フォトセン
サ基準高電位電源線２０との間に流れる電流を極力小さくし、フォトセンサ出力信号線２
２の電位の変動に影響のないようにすることが好適である。そのため、トランジスタ１４
およびトランジスタ１５には、オフ電流が小さいトランジスタを用いることが望ましい。
【００３８】
本実施の形態で説明する構成では、図１（Ａ）に示すように、フォトセンサ１１に用いる
トランジスタの半導体層に酸化物半導体を用いることで、オフ電流を極端に小さくしたト
ランジスタを実現することができる。そして同じフォトセンサ出力信号線２２に接続され
た他の画素の読み出し期間中に、フォトセンサ出力信号線２２と、フォトセンサ基準高電
位電源線２０との間に流れる電流を極力小さくすることができ、フォトセンサ出力信号線
２２の電位の変動に影響のないようにすることができる。
【００３９】
次に、読み出し制御回路１２について説明する。図１（Ａ）に示す読み出し制御回路１２
は、フォトセンサ１１の１列分に対応した回路である。フォトセンサ１１の１列分の読み
出し制御回路１２は、トランジスタ１８を有する。
【００４０】
読み出し制御回路１２では、フォトセンサ１１への入射光に応じた出力信号に応じてソー
スとドレインとの間の抵抗値が変化するトランジスタ１４と、フォトセンサ選択信号線１
９により定電圧が印加されることでソースとドレインとの間の抵抗値が設定されるトラン
ジスタ１８と、の抵抗分割によりフォトセンサ出力信号線２２に出力される信号の電圧値
の変換を行うことができる。すなわち、読み出し制御回路１２は、フォトセンサ出力信号
線２２への信号を電圧値の信号に変換する抵抗素子としての機能を有するものである。
【００４１】
なお本実施の形態では、読み出し制御回路１２がフォトセンサ出力信号線２２への信号を
電圧値の信号に変換する期間以外の期間では、フォトセンサ選択信号線１９によりトラン
ジスタ１８に印加する定電圧により、トランジスタ１８を非導通状態とすることで、フォ
トセンサ出力信号線２２とフォトセンサ基準低電位電源線２１との間に流れる電流を極力
小さくし、低消費電力化を図る構成とすることが好適である。
【００４２】
フォトセンサを搭載した半導体装置において、読み出し制御回路１２が有するトランジス
タ１８の半導体層に酸化物半導体を用いることで、オフ電流を極端に小さくしたトランジ
スタを実現することができる。そして読み出し制御回路１２がフォトセンサ出力信号線２
２への信号を電圧値の信号に変換する期間以外の期間に、フォトセンサ選択信号線１９か
らのトランジスタ１８に印加する定電圧により、トランジスタ１８を非導通状態とするこ
とで、フォトセンサ出力信号線２２と、フォトセンサ基準低電位電源線２１との間に流れ
る電流を極力小さくすることができ、フォトセンサ出力信号線２２の電位の変動に影響の
ないようにすることができる。
【００４３】
このとき、フォトセンサ選択信号線１９に印加される信号は、トランジスタ１４のソース
とドレインとの間の抵抗値に応じて、トランジスタ１８のソースとドレインとの間の抵抗
値が変わるように調整して印加する構成とする。例えば、フォトセンサ１１への入射光が
大きいことでトランジスタ１４のソースとドレインとの間の抵抗値が大きくなるように変
化する場合、フォトセンサ選択信号線１９の電圧を小さくして、トランジスタ１４とトラ
ンジスタ１８との抵抗分割によるフォトセンサ出力信号線２２に出力される信号の電圧値
が得られるようにする。逆に、フォトセンサ１１への入射光が小さいことでトランジスタ
１４の抵抗が小さくなるように変化する場合、フォトセンサ選択信号線１９の電圧を大き
くして、トランジスタ１４とトランジスタ１８との抵抗分割によるフォトセンサ出力信号
線２２に出力される信号の電圧値が得られるようにする。その結果、広範囲の光強度に対
して高分解能での撮像機能を実現できる安価な半導体装置を提供することができる。
【００４４】
また本実施の形態に係るフォトセンサを搭載した半導体装置では、上述したように、半導
体層に酸化物半導体を用いたトランジスタ１４、トランジスタ１５、及びトランジスタ１
８を有する。酸化物半導体を半導体層に用いたトランジスタは、オフ電流を極めて低減す
ることができる。そのためフォトセンサが動作しない期間において、フォトセンサ基準高
電位電源線２０と、フォトセンサ基準低電位電源線２１との間を流れる貫通電流を極めて
小さくすることができる。そのため、フォトセンサを搭載した半導体装置の低消費電力化
を図ることができる。
【００４５】
次いで図１（Ａ）のフォトセンサ１１の動作について、図１（Ｂ）のタイミングチャー
トを用いて説明する。図１（Ｂ）において、信号３１〜信号３５はそれぞれ、図１（Ａ）
におけるフォトダイオードリセット信号線１６、ゲート信号線１７、トランジスタ１４の
ゲート、フォトセンサ出力信号線２２、フォトセンサ選択信号線１９の電位に相当する。
【００４６】
なお図１（Ｂ）に示すタイミングチャートは、リセット動作を行うリセット期間、電荷の
累積動作を行う累積期間、読み出し動作を行う読み出し期間を有する。時刻Ａから時刻Ｂ
までの期間がリセット期間に相当する。時刻Ｂから時刻Ｃまでの期間が累積期間に相当す
る。時刻Ｃから時刻Ｄまでの期間が読み出し期間に相当する。また時刻Ａから時刻Ｅまで
の期間が読み取り動作期間に相当する。
【００４７】
また図１（Ｂ）では、高電位の信号を”Ｈ”、低電位の信号を”Ｌ”として説明する。な
お図１（Ｂ）では、トランジスタのゲートに、低電位の信号が供給された場合にトランジ
スタが非導通状態となる。また図１（Ｂ）では、トランジスタのゲートに、高電位の信号
が供給された場合に電位の大きさに応じてトランジスタのソースとドレインとの間の抵抗
値が変化する導通状態となる。
【００４８】
時刻Ａにおいて、フォトダイオードリセット信号線１６の電位（信号３１）を”Ｈ”と
する（リセット動作開始）と、フォトダイオード１３が導通し、トランジスタ１４のゲー
トの電位（信号３３）が”Ｈ”となる。またゲート信号線１７（信号３２）を”Ｌ”とし
てトランジスタ１５を非導通状態とする。また、フォトセンサ選択信号線１９の電位（信
号３５）を一定の電圧値とする（読み取り動作開始）と、トランジスタ１８のゲートに印
加される電圧値に応じてトランジスタ１８が抵抗素子として機能する。そしてトランジス
タ１４、トランジスタ１５、及びトランジスタ１８をそれぞれ抵抗素子として機能させる
と、トランジスタ１５が高抵抗状態となることで、フォトセンサ出力信号線２２の電位（
信号３４）はフォトセンサ基準低電位電源線２１の電圧レベルと同程度の、低電圧の電圧
レベルとなる。
【００４９】
時刻Ｂにおいて、フォトダイオードリセット信号線１６の電位（信号３１）を”Ｌ”と
する（リセット動作終了、累積動作開始）と、フォトダイオード１３は光の入射により光
電流が増大し、入射光の量に応じてトランジスタ１４のゲートの電位（信号３３）は低下
するように変化する。すなわち、フォトダイオード１３は、入射光に応じてトランジスタ
１４のゲートに電荷を供給する機能を有し、トランジスタ１４のゲートの電位を低下させ
る。そして、トランジスタ１４のソースとドレインの間の抵抗値が変化する。またゲート
信号線１７（信号３２）を”Ｌ”としてトランジスタ１５を非導通状態とする。また、フ
ォトセンサ選択信号線１９の電位（信号３５）を一定の電圧値とすると、トランジスタ１
８のゲートに印加される電圧値に応じてトランジスタ１８が抵抗素子として機能する。そ
してトランジスタ１４、トランジスタ１５、及びトランジスタ１８をそれぞれ抵抗素子と
して機能させると、トランジスタ１５が高抵抗状態となることで、フォトセンサ出力信号
線２２の電位（信号３４）はフォトセンサ基準低電位電源線２１の電圧レベルと同程度の
、低電圧の電圧レベルとなる。
【００５０】
時刻Ｃに、ゲート信号線１７の電位（信号３２）を”Ｈ”にする（累積動作終了及び選択
動作開始）と、トランジスタ１５が導通状態となる。すると、フォトセンサ基準高電位電
源線２０とフォトセンサ基準低電位電源線２１との間に設けられた、入射光に応じてソー
スとドレインとの間の抵抗値が変化するトランジスタ１４と、フォトセンサ選択信号線１
９により定電圧が印加されることで抵抗値が設定されるトランジスタ１８との間で抵抗分
割された電圧値がフォトセンサ出力信号線２２で得られることとなる。ここで、フォトセ
ンサ出力信号線２２の電位（信号３４）は、トランジスタ１４のゲートの電位（信号３３
）が低下する速さに依存する。すなわち、累積動作中にフォトダイオード１３に照射され
る光の量に応じて変化する。したがって、フォトセンサ出力信号線２２の電位を取得する
ことで、累積動作中におけるフォトダイオード１３への入射光の量を知ることができる。
【００５１】
時刻Ｄにおいて、ゲート信号線１７の電位（信号３２）を”Ｌ”にする（選択動作終了）
と、トランジスタ１５が非導通状態となる。そして、フォトセンサ選択信号線１９の電位
（信号３５）を一定の電圧値とすると、トランジスタ１８のゲートに印加される電圧値に
応じてトランジスタ１８が抵抗素子として機能する。そしてトランジスタ１４、トランジ
スタ１５、及びトランジスタ１８をそれぞれ抵抗素子として機能させると、トランジスタ
１５が高抵抗状態となることで、フォトセンサ出力信号線２２の電位（信号３４）はフォ
トセンサ基準低電位電源線２１の電圧レベルと同程度の、低電圧の電圧レベルとなる。
【００５２】
時刻Ｅにおいて、フォトセンサ選択信号線１９の電位（信号３５）を一定の電圧値から、
トランジスタ１８を非導通状態とする電圧値にする（読み取り動作終了）。その結果、ト
ランジスタ１５、及びトランジスタ１８を共に非導通状態とすることで、非読み取り動作
時における、フォトセンサ基準高電位電源線２０と、フォトセンサ基準低電位電源線２１
との間に流れる貫通電流を小さくすることができる。
【００５３】
なおフォトセンサ選択信号線１９の電位（信号３５）は、少なくともゲート信号線１７の
電位（信号３２）が”Ｈ”の期間、すなわち選択動作の期間に”Ｈ”になっていればよく
、図１（Ｂ）でいえば、時刻Ａから時刻Ｃの期間、”Ｌ”としてもよい。
【００５４】
なお上記説明した図１（Ａ）の構成は、読み出し制御回路１２の位置を図２に示すように
、フォトセンサ基準低電位電源線２１側からフォトセンサ基準高電位電源線２０側にかえ
てもよい。
【００５５】
なお、フォトダイオード１３に照射されていた光の強度が大きい場合、ソースとドレイン
の間の抵抗値が大きくなる。そのため、フォトセンサ出力信号線２２の電位（信号３４）
は”Ｈ”から低下する割合が大きく、フォトセンサ基準低電位電源線２１の電位とほとん
ど変わらない値になる。そのため、光の強度が大きい場合、出力信号に応じた電位の変動
を識別できないことになる。この場合には、フォトセンサ選択信号線１９の電位（信号３
５）を下降することで、トランジスタ１８のソースとドレインとの間の抵抗値を大きくす
ることにより、抵抗分割によるフォトセンサ出力信号線２２で入射光に応じた電圧値を得
ることができる。
【００５６】
前述の記載は、フォトダイオード１３に照射する光の強度が大きい場合について説明した
が、同様に、フォトダイオードに照射する光の強度が小さい場合についても応用すること
ができる。光が弱い場合には、ソースとドレインの間の抵抗値が小さくなる。そのため、
フォトセンサ出力信号線２２の電位は、フォトセンサ基準高電位電源線２０と概ね同一に
なり、出力信号に応じた電位の変動を識別できないことになる。この場合には、フォトセ
ンサ選択信号線１９の電位（信号３５）を上昇することで、トランジスタ１８のソースと
ドレインとの間の抵抗値を大きくすることにより、抵抗分割によるフォトセンサ出力信号
線２２で入射光に応じた電圧値を得ることができる。
【００５７】
すなわち、本実施の形態では、フォトセンサ選択信号線１９の電位（信号３５）を上昇ま
たは下降することで、トランジスタ１８のソースとドレインとの間の抵抗値を大きくする
こと、または小さくすることを容易に行うことができる。そのため、強い光や弱い光に対
しても光を正確に電気信号に変換するフォトセンサとすることができる。従って、広範囲
の光強度に応じた電気信号を出力することができるフォトセンサを具備する半導体装置１
０を提供することができる。
【００５８】
以上のように、個々のフォトセンサの動作は、読み取り動作間において、リセット動作と
累積動作と選択動作とを繰り返すことで実現される。上述したように、トランジスタ１４
、トランジスタ１５、トランジスタ１８は、酸化物半導体を用いることで、オフ電流を極
めて小さくすることが好ましい。そして半導体装置１０は、非動作時における貫通電流を
低減することで、低消費電力化を図ることができる。
【００５９】
このようなフォトセンサを有する半導体装置は、例えば、スキャナ、或いはデジタルスチ
ルカメラなどの電子機器に用いることができる。また、タッチパネル機能を備えた表示装
置に用いることができる。
【００６０】
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【００６１】
（実施の形態２）
本実施の形態では、開示する発明の一態様である半導体装置の実施の形態１の構成とは異
なる構成の一例について、図３（Ａ）、（Ｂ）を参照して説明する。なお本実施の形態に
おいて、上記実施の形態１で説明した図１（Ａ）と同じ構成の箇所については、同じ符号
を付し説明を省略するものとする。
【００６２】
図３（Ａ）に示す半導体装置１０において、図１（Ａ）と異なる点は、トランジスタ１４
のゲートと、フォトダイオード１３の他方の電極との間にゲートがゲート信号線４２に接
続されたトランジスタ４１（第３のトランジスタともいう）が設けられた点である。
【００６３】
トランジスタ４１は、フォトセンサ１１の累積動作を制御する機能を有する。すなわち、
トランジスタ４１は、導通状態において、フォトダイオード１３で生成された電気信号を
トランジスタ１４のゲートに転送する機能を有する。また、トランジスタ４１は、非導通
状態において、トランジスタ１４のゲートに蓄積（累積）された電荷を保持する機能を有
する。そのため、オフ電流が極めて小さいトランジスタを用いることが望ましい。
【００６４】
したがって、トランジスタ４１のチャネル形成領域を構成する半導体層には、トランジス
タ１４、トランジスタ１５、及びトランジスタ１８と同様に、オフ電流が非常に小さくか
つ比較的移動度が高い、酸化物半導体を用いることが望ましい。酸化物半導体を用いたト
ランジスタは、シリコン等を用いたトランジスタと比べてオフ電流が非常に小さいという
電気的特性を有する。
【００６５】
なお、トランジスタ１４、トランジスタ１５の半導体層は、上記実施の形態１の構成と同
様に、いずれかの半導体層に酸化物半導体を用いる構成とすればよい。
【００６６】
次いで図３（Ａ）のフォトセンサ１１の動作について、図３（Ｂ）のタイミングチャー
トを用いて説明する。図３（Ｂ）において、信号５１〜信号５６はそれぞれ、図３（Ａ）
におけるフォトダイオードリセット信号線１６、ゲート信号線４２、ゲート信号線１７、
トランジスタ１４のゲート、フォトセンサ出力信号線２２、フォトセンサ選択信号線１９
の電位に相当する。
【００６７】
なお図３（Ｂ）に示すタイミングチャートは、リセット動作を行うリセット期間、電荷の
累積動作を行う累積期間、読み出し動作を行う読み出し期間を有する。時刻Ａから時刻Ｂ
までの期間がリセット期間に相当する。時刻Ｂから時刻Ｃまでの期間が累積期間に相当す
る。時刻Ｄから時刻Ｅまでの期間が読み出し期間に相当する。また時刻Ａから時刻Ｆまで
の期間が読み取り動作期間に相当する。
【００６８】
また図３（Ｂ）では、高電位の信号を”Ｈ”、低電位の信号を”Ｌ”として説明する。な
お図３（Ｂ）では、トランジスタのゲートに、低電位の信号が供給された場合にトランジ
スタが非導通状態となる。また図３（Ｂ）では、トランジスタのゲートに、高電位の信号
が供給された場合に電位の大きさに応じてトランジスタのソースとドレインとの間の抵抗
値が変化する導通状態となる。
【００６９】
時刻Ａにおいて、フォトダイオードリセット信号線１６の電位（信号５１）を”Ｈ”、
ゲート信号線４２の電位（信号５２）を”Ｈ”とする（リセット動作開始）と、フォトダ
イオード１３及びトランジスタ４１が導通し、トランジスタ１４のゲートの電位（信号５
４）が”Ｈ”となる。またゲート信号線１７（信号５３）を”Ｌ”としてトランジスタ１
５を非導通状態とする。また、フォトセンサ選択信号線１９の電位（信号５６）を一定の
電圧値とする（読み取り動作開始）と、トランジスタ１８のゲートに印加される電圧値に
応じてトランジスタ１８が抵抗素子として機能する。そしてトランジスタ１４、トランジ
スタ１５、及びトランジスタ１８をそれぞれ抵抗素子として機能させると、トランジスタ
１５が高抵抗状態となることで、フォトセンサ出力信号線２２の電位（信号５５）はフォ
トセンサ基準低電位電源線２１の電圧レベルと同程度の、低電圧の電圧レベルとなる。
【００７０】
時刻Ｂにおいて、フォトダイオードリセット信号線１６の電位（信号５１）を”Ｌ”、
ゲート信号線４２の電位（信号５２）を”Ｈ”のままとする（リセット動作終了、累積動
作開始）と、フォトダイオード１３は光の入射により光電流が増大し、入射光の量に応じ
てトランジスタ１４のゲートの電位（信号５４）は低下するように変化する。すなわち、
フォトダイオード１３は、入射光に応じてトランジスタ１４のゲートに電荷を供給する機
能を有し、トランジスタ１４のゲートの電位を低下させる。そして、トランジスタ１４の
ソースとドレインの間の抵抗値が変化する。またゲート信号線１７（信号５３）を”Ｌ”
としてトランジスタ１５を非導通状態とする。また、フォトセンサ選択信号線１９の電位
（信号５６）を一定の電圧値とすると、トランジスタ１８のゲートに印加される電圧値に
応じてトランジスタ１８が抵抗素子として機能する。そしてトランジスタ１４、トランジ
スタ１５、及びトランジスタ１８をそれぞれ抵抗素子として機能させると、トランジスタ
１５が高抵抗状態となることで、フォトセンサ出力信号線２２の電位（信号５５）はフォ
トセンサ基準低電位電源線２１の電圧レベルと同程度の、低電圧の電圧レベルとなる。
【００７１】
時刻Ｃに、ゲート信号線４２の電位（信号５２）を”Ｌ”にする（累積動作終了）と、ト
ランジスタ４１が非導通状態となる。すると、トランジスタ１４のゲートの電位（信号５
４）は一定となる。すなわち、トランジスタ１４のゲートに蓄積（累積）された電荷量が
一定となる。当該トランジスタ１４のゲートの電位（電荷量）は、累積動作中にフォトダ
イオードから生成された光電流の大きさにより決まる。すなわち、当該トランジスタ１４
のゲートの電位（電荷量）は、フォトダイオードに照射されていた光の強度に応じて変化
する。
【００７２】
なお、ゲート信号線４２の電位（信号５２）を”Ｌ”とする際に、ゲート信号線４２とト
ランジスタ１４のゲートとの間における寄生容量により、トランジスタ１４のゲートの電
位（電荷量）が変化する。上記寄生容量による電位（電荷量）の変化量が大きい場合は、
読み出しが正確に行えないことになる。上記寄生容量による電位（電荷量）の変化量を低
減するには、トランジスタ４１のゲート−ソース（もしくはゲート−ドレイン）間容量を
低減する、トランジスタ１４のゲート容量を増大する、ゲート信号線４２に保持容量を設
ける、などの対策が有効である。なお、図３（Ａ）、（Ｂ）では、これらの対策を施し、
上記寄生容量による電位（電荷量）の変化を無視できるとしている。
【００７３】
時刻Ｄに、ゲート信号線１７の電位（信号５３）を”Ｈ”にする（選択動作開始）と、ト
ランジスタ１５が導通状態となる。すると、フォトセンサ基準高電位電源線２０とフォト
センサ基準低電位電源線２１との間に設けられた、入射光に応じてソースとドレインとの
間の抵抗値が変化するトランジスタ１４と、フォトセンサ選択信号線１９により定電圧が
印加されることで抵抗値が設定されるトランジスタ１８との間で抵抗分割された電圧値が
フォトセンサ出力信号線２２で得られることとなる。ここで、フォトセンサ出力信号線２
２の電位（信号５５）は、トランジスタ１４のゲートの電位（信号５４）に依存する。す
なわち、累積動作中にフォトダイオード１３に照射される光の量に応じて変化する。した
がって、フォトセンサ出力信号線２２の電位を取得することで、累積動作中におけるフォ
トダイオード１３への入射光の量を知ることができる。
【００７４】
時刻Ｅにおいて、ゲート信号線１７の電位（信号５３）を”Ｌ”にする（選択動作終了）
と、トランジスタ１５が非導通状態となる。そして、フォトセンサ選択信号線１９の電位
（信号５６）を一定の電圧値とすると、トランジスタ１８のゲートに印加される電圧値に
応じてトランジスタ１８が抵抗素子として機能する。そしてトランジスタ１４、トランジ
スタ１５、及びトランジスタ１８をそれぞれ抵抗素子として機能させると、トランジスタ
１５が高抵抗状態となることで、フォトセンサ出力信号線２２の電位（信号５５）はフォ
トセンサ基準低電位電源線２１の電圧レベルと同程度の、低電圧の電圧レベルとなる。
【００７５】
時刻Ｆにおいて、フォトセンサ選択信号線１９の電位（信号５６）を一定の電圧値から、
トランジスタ１８を非導通状態とする電圧値にする（読み取り動作終了）。その結果、ト
ランジスタ１５、及びトランジスタ１８を共に非導通状態とすることで、フォトセンサ基
準高電位電源線２０と、フォトセンサ基準低電位電源線２１との間に流れる貫通電流を小
さくすることができる。
【００７６】
なおフォトセンサ選択信号線１９の電位（信号５６）は、少なくともゲート信号線１７の
電位（信号５３）が”Ｈ”の期間、すなわち選択動作の期間に”Ｈ”になっていればよく
、図３（Ｂ）でいえば、時刻Ａから時刻Ｄの期間、”Ｌ”としてもよい。
【００７７】
なお、フォトダイオード１３に照射されていた光の強度が大きい場合、ソースとドレイン
の間の抵抗値が大きくなる。そのため、フォトセンサ出力信号線２２の電位（信号５５）
は”Ｈ”から低下する割合が大きく、フォトセンサ基準低電位電源線２１の電位とほとん
ど変わらない値になる。そのため、光の強度が大きい場合、出力信号に応じた電位の変動
を識別できないことになる。この場合には、フォトセンサ選択信号線１９の電位（信号５
６）を下降させることで、トランジスタ１８のソースとドレインとの間の抵抗値を大きく
することにより、抵抗分割によるフォトセンサ出力信号線２２で入射光に応じた電圧値を
得ることができる。
【００７８】
前述の記載は、フォトダイオード１３に照射する光の強度が大きい場合について説明した
が、同様に、フォトダイオードに照射する光の強度が小さい場合についても応用すること
ができる。光が強い場合には、ソースとドレインとの間の抵抗値が小さくなる。そのため
、フォトセンサ出力信号線２２の電位は、フォトセンサ基準高電位電源線２０と概ね同一
になり、出力信号に応じた電位の変動を識別できないことになる。この場合には、フォト
センサ選択信号線１９の電位（信号５６）を上昇させることで、トランジスタ１８の抵抗
を小さくすることにより、抵抗分割によるフォトセンサ出力信号線２２で入射光に応じた
電圧値を得ることができる。
【００７９】
すなわち、本実施の形態では、上記実施の形態１と同様に、フォトセンサ選択信号線１９
の電位（信号５６）を上昇または下降させることで、トランジスタ１８のソースとドレイ
ンとの間の抵抗値を大きくすること、または小さくすることを容易に行うことができる。
そのため、強い光や弱い光による光の強度に対しても光を正確に電気信号に変換するフォ
トセンサをすることができる。従って広範囲の光強度に応じた電気信号を出力することが
できるフォトセンサを具備する半導体装置１０を提供することができる。
【００８０】
また本実施の形態の構成は、上記実施の形態１とは異なり、累積動作が終了した後も、各
フォトセンサにおけるトランジスタ１４のゲートの電位を一定値に保つことができる。具
体的には、トランジスタ４１の半導体層に酸化物半導体を用いて形成し、オフ電流が極め
て低いトランジスタとすることができる。そして、フォトセンサ１１は、入射光を正確に
電気信号に変換することができる。
【００８１】
以上のように、個々のフォトセンサの動作は、読み取り動作間において、リセット動作と
累積動作と選択動作とを繰り返すことで実現される。上述したように、トランジスタ１４
、トランジスタ１５、トランジスタ１８は、酸化物半導体を用いることで、オフ電流を極
めて小さくすることが好ましい。そして半導体装置１０は、非動作時における貫通電流を
低減することで、低消費電力化を図ることができる。
【００８２】
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【００８３】
（実施の形態３）
本実施の形態では、フォトセンサを具備する半導体装置である表示装置について図４乃
至図５を参照して説明する。
【００８４】
表示装置の構成について、図４を参照して説明する。表示装置１００は、画素回路１０
１、表示素子制御回路１０２及びフォトセンサ制御回路１０３を有する。
【００８５】
画素回路１０１は、行列方向にマトリクス状に配置された複数の画素１０４を有する。
各々の画素１０４は、表示素子１０５とフォトセンサ１０６を有する。全ての画素１０４
にフォトセンサを設けず、複数の画素毎に設けてもよい。また、画素１０４の外にフォト
センサを設けてもよい。
【００８６】
表示素子制御回路１０２は、表示素子１０５を制御する回路であり、信号線（「ビデオデ
ータ信号線」、「ソース信号線」ともいう）を介して表示素子１０５にビデオデータなど
の信号を入力する表示素子駆動回路１０７と、走査線（「ゲート信号線」ともいう）を介
して表示素子１０５に信号を入力する表示素子駆動回路１０８を有する。
【００８７】
フォトセンサ制御回路１０３は、フォトセンサ１０６を制御する回路であり、信号線側の
フォトセンサ読み出し回路１０９と、走査線側のフォトセンサ駆動回路１１０を有する。
【００８８】
図５に、画素１０４の回路構成の一例を示す。また、画素１０４に接続している読み出し
制御回路２００の構成の一例を示す。なお図５に示す画素におけるフォトセンサ１０６の
一例として、図３（Ａ）で説明したフォトセンサの構成を示している。読み出し制御回路
２００は、図３（Ａ）で説明したフォトセンサ読み出し回路の構成を示している。
【００８９】
画素１０４は、表示素子１０５と、フォトセンサ１０６とを有する。表示素子１０５は、
トランジスタ２０１、保持容量２０２及び液晶素子２０３を有する。
【００９０】
表示素子１０５において、トランジスタ２０１は、ゲートがゲート信号線２０８に、ソー
ス又はドレインの一方がビデオデータ信号線２１２に、ソース又はドレインの他方が保持
容量２０２の一方の電極と液晶素子２０３の一方の電極に接続されている。保持容量２０
２の他方の電極と液晶素子２０３の他方の電極は所定の電位が供給される共通の配線に接
続されている。液晶素子２０３は、一対の電極と、該一対の電極の間に液晶層を含む素子
である。
【００９１】
トランジスタ２０１は、液晶素子２０３と保持容量２０２への電荷の注入または排出を制
御する機能を有する。例えば、ゲート信号線２０８に高電位が与えられるとトランジスタ
２０１が導通状態となり、ビデオデータ信号線２１２の電位が液晶素子２０３と保持容量
２０２に与えられる。液晶素子２０３に電圧を印加して液晶素子２０３を透過する光の明
暗（階調）を作ることで、画像表示が実現される。保持容量２０２は、液晶素子２０３に
印加される電圧を保持する機能を有する。また、液晶素子２０３を有する表示装置１００
は、透過型、反射型または半透過型の構造とすることができる。
【００９２】
ビデオデータ信号線２１２は、図４に示す表示素子駆動回路１０７に接続される。表示素
子駆動回路１０７はビデオデータ信号線２１２を介して表示素子１０５に信号を供給する
回路である。ゲート信号線２０８は、図４に示す表示素子駆動回路１０８に接続される。
表示素子駆動回路１０８はゲート信号線２０８を介して表示素子１０５に信号を供給する
回路である。例えば、表示素子駆動回路１０８は、特定の行に配置された画素が有する表
示素子を選択する信号を供給する機能を有する。また、表示素子駆動回路１０７は、選択
された行の画素が有する表示素子に任意の電位を与える信号を供給する機能を有する。
【００９３】
トランジスタ２０１のチャネル形成領域を構成する半導体には、上記実施の形態で述べた
ように、酸化物半導体を用いる。酸化物半導体を用い、オフ電流が極めて小さいトランジ
スタとすることで、液晶素子２０３に印加される電圧の保持特性を高めることができ、表
示品質を高めることができる。加えてオフ電流が極めて小さいトランジスタであることを
利用して、リフレッシュレートを大幅に低減することにより、低消費電力化を図ることが
できる。
【００９４】
なお、ここでは、表示素子１０５が液晶素子を有する場合について説明したが、発光素子
などの他の素子を有していてもよい。発光素子は、電流または電圧によって輝度が制御さ
れる素子であり、具体的には発光ダイオード、ＯＬＥＤ（Ｏｒｇａｎｉｃ Ｌｉｇｈｔ
Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）等が挙げられる。
【００９５】
フォトセンサ１０６は、フォトダイオード２０４、トランジスタ２０５（第１のトランジ
スタともいう）、トランジスタ２０６（第３のトランジスタともいう）、トランジスタ２
０７（第２のトランジスタともいう）を有する。
【００９６】
フォトセンサ１０６において、フォトダイオード２０４は、一方の電極がフォトダイオー
ドリセット信号線２１０に、他方の電極がトランジスタ２０７のソース又はドレインの一
方に接続されている。トランジスタ２０５は、ソース又はドレインの一方がフォトセンサ
基準信号線２１３に、ソース又はドレインの他方がトランジスタ２０６のソース又はドレ
インの一方に接続されている。トランジスタ２０６は、ゲートがゲート信号線２１１に、
ソース又はドレインの他方がフォトセンサ出力信号線２１４に接続されている。トランジ
スタ２０７は、ゲートがゲート信号線２０９に接続されている。またトランジスタ２０７
は、ソース又はドレインの他方がトランジスタ２０５のゲート（ノード２１５）に接続さ
れている。
【００９７】
ゲート信号線２０９、フォトダイオードリセット信号線２１０、ゲート信号線２１１は、
図４に示すフォトセンサ駆動回路１１０に接続される。フォトセンサ駆動回路１１０は、
特定の行に配置された画素が有するフォトセンサ１０６に対して、後述するリセット動作
と累積動作と読み出し動作とを行う機能を有する。
【００９８】
フォトセンサ出力信号線２１４、フォトセンサ基準信号線２１３は、図４に示すフォトセ
ンサ読み出し回路１０９に接続される。フォトセンサ読み出し回路１０９は、選択された
行の画素が有するフォトセンサ１０６の出力信号を読み出す機能を有する。
【００９９】
なお、フォトセンサ読み出し回路１０９は、アナログ信号であるフォトセンサの出力を、
オペアンプを用いてアナログ信号のまま外部に取り出す構成や、Ａ／Ｄ変換回路を用いて
デジタル信号に変換してから外部に取り出す構成を有することができる。
【０１００】
なお本実施の形態のフォトセンサ１０６で示す、フォトダイオード２０４、トランジスタ
２０５、トランジスタ２０６、トランジスタ２０７については、上記実施の形態１及び２
で説明した、フォトダイオード１３、トランジスタ１４、トランジスタ１５、トランジス
タ４１と同様であり、上述の説明と同様である。また、本実施の形態の読み出し制御回路
２００で示す、トランジスタ２１６については、上記実施の形態１及び２で説明した、ト
ランジスタ１８と同様であり、上述の説明と同様である。
【０１０１】
これにより、広範囲の光強度に応じた電気信号を出力することができるフォトセンサ１０
６を提供することができる。すなわち、強い光や弱い光に対しても光を正確に電気信号に
変換することが可能となる。
【０１０２】
従って本実施の形態で示す構成は、上述したように、各トランジスタに酸化物半導体を用
いることで、オフ電流を極めて小さくする。そして半導体装置１０は、非動作時における
貫通電流を低減することで、低消費電力化を図ることができる。また上述したように、各
トランジスタに酸化物半導体を用い、オフ電流を極めて小さくすることで、トランジスタ
のゲートに蓄積された電荷を保持する機能を向上させることができる。そのため、フォト
センサは、入射光を正確に電気信号に変換することが可能となる。
【０１０３】
なお、本実施の形態では、表示機能を有し、フォトセンサを有する表示装置について説明
したが、表示機能を有さないフォトセンサを有する半導体装置にも容易に応用できる。す
なわち、本実施の形態における表示装置１００から、表示に要する回路、具体的には、表
示素子制御回路１０２、表示素子１０５を取り除いたものを用いて、半導体装置を構成す
ることができる。フォトセンサを有する半導体装置としては、例えば、スキャナ、或いは
デジタルスチルカメラなどの電子機器に用いられる撮像装置が挙げられる。
【０１０４】
本実施の形態によれば、広範囲の光強度に対して高分解能での撮像機能を実現できる安価
な表示装置もしくは半導体装置を提供することができる。
【０１０５】
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【０１０６】
（実施の形態４）
本実施の形態では、複数のフォトセンサを用いた場合の駆動方法について説明する。
【０１０７】
まず、図６に示すタイミングチャートのような駆動方法を図３（Ａ）に示したフォトセ
ンサに適用して考える。図６は、第１行、第２行、第３行のフォトセンサにおけるフォト
ダイオードリセット信号線１６に各々入力される信号６０１、信号６０２、信号６０３と
、第１行、第２行、第３行のフォトセンサにおけるゲート信号線４２に各々入力される信
号６０４、信号６０５、信号６０６と、第１行、第２行、第３行のフォトセンサにおける
ゲート信号線１７に各々入力される信号６０７、信号６０８、信号６０９と、フォトセン
サ選択信号線１９に入力される信号６２１の信号波形を示すタイミングチャートである。
期間６１０は、１回の撮像に要する期間である。また、期間６１１、期間６１２、期間６
１３は、第２行のフォトセンサが、各々リセット動作、累積動作、選択動作を行っている
期間である。このように、各行のフォトセンサを順に駆動していくことで、撮像が可能に
なる。
【０１０８】
ここで、各行のフォトセンサにおける累積動作について、時間的なズレが生じているこ
とがわかる。すなわち、各行のフォトセンサにおける撮像の同時性が損なわれる。そのた
め、撮像画像にブレが生じることになる。特に、第１行から第３行の方向に高速に移動す
る被検出物に対しては、尾を引くように、拡大されたような形状の撮像画像になり、逆方
向に移動する被検出物に対しては、縮小されたような形状の撮像画像になるなど、形状が
歪みやすい。
【０１０９】
各行のフォトセンサにおける累積動作に時間的なズレを生じさせないためには、各行の
フォトセンサを順に駆動する周期を短くすることが有効である。しかしながら、この場合
、フォトセンサの出力信号をオペアンプもしくはＡ／Ｄ変換回路で非常に高速度で取得す
る必要がある。したがって、消費電力の増大を招く。特に、高解像度の画像を取得する場
合には、非常に困難となる。
【０１１０】
そこで、図７に示すタイミングチャートのような駆動方法を提案する。図７は、第１行
、第２行、第３行のフォトセンサにおけるフォトダイオードリセット信号線１６に各々入
力される信号７０１、信号７０２、信号７０３と、第１行、第２行、第３行のフォトセン
サにおけるゲート信号線４２に各々入力される信号７０４、信号７０５、信号７０６と、
第１行、第２行、第３行のフォトセンサにおけるゲート信号線１７に各々入力される信号
７０７、信号７０８、信号７０９と、フォトセンサ選択信号線１９に入力される信号７２
１の信号波形を示すタイミングチャートである。期間７１０は、１回の撮像に要する期間
である。また、期間７１１、期間７１２、期間７１３は、第２行のフォトセンサが、各々
リセット動作（他の行でも共通）、累積動作（他の行でも共通）、選択動作を行っている
期間である。
【０１１１】
図７において、図６と異なるのは、全行のフォトセンサについて、リセット動作と累積
動作とが共通の時間に行われ、累積動作終了後に累積動作とは非同期に、各行で順に選択
動作を行う点である。累積動作を共通の期間にすることで、各行のフォトセンサにおける
撮像の同時性が確保され、高速に移動する被検出物に対しても、ブレが少ない画像を容易
に得ることができる。累積動作を共通にすることで、各フォトセンサのフォトダイオード
リセット信号線１６の駆動回路を共通にすることができる。また、各フォトセンサのゲー
ト信号線４２の駆動回路も共通にすることができる。このように駆動回路を共通にするこ
とは、周辺回路の削減や低消費電力化に有効である。さらに、選択動作を各行で順次行う
ことで、フォトセンサの出力信号を取得する際に、オペアンプもしくはＡ／Ｄ変換回路の
動作速度を遅くすることが可能である。その際、選択動作に要する合計の時間を、累積動
作に要する時間より長くすることが好ましい。特に、高解像度の画像を取得する場合には
、非常に有効である。
【０１１２】
なお、図７では、各行のフォトセンサを順次駆動する駆動方法について、タイミングチ
ャートを示したが、特定の領域における画像を取得するために、特定の行におけるフォト
センサのみを順次駆動する駆動方法も有効である。これにより、オペアンプもしくはＡ／
Ｄ変換回路の動作を軽減し、消費電力を低減しながら、必要な画像を取得することができ
る。また、数行おきにフォトセンサを駆動する駆動方法も有効である。すなわち、複数の
フォトセンサの一部を駆動させる。これにより、オペアンプもしくはＡ／Ｄ変換回路の動
作を軽減し、消費電力を低減しながら、必要な解像度の画像を取得することができる。
【０１１３】
以上のような駆動方法を実現するためには、累積動作が終了した後も、各フォトセンサ
におけるトランジスタ１４のゲートの電位を一定に保つ必要がある。したがって、図３（
Ａ）で説明したように、トランジスタ４１は、酸化物半導体を用いて形成され、オフ電流
が極めて小さいことが好ましい。
【０１１４】
以上のような形態とすることで、高速で移動する被検出物に対してもブレが少なく、高
解像度の撮像が実現でき、且つ低消費電力の表示装置又は半導体装置を提供することがで
きる。
【０１１５】
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。
【０１１６】
（実施の形態５）
本実施の形態では、フォトセンサを有する半導体装置の構造及び作製方法について説明
する。図８に半導体装置の断面図を示す。なお、表示装置を構成する場合も、以下の半導
体装置を用いることができる。
【０１１７】
図８に、フォトセンサを有する半導体装置の断面の一例を示す。図８に示すフォトセンサ
を有する半導体装置では、絶縁表面を有する基板５０１（ＴＦＴ基板）上に、フォトダイ
オード５０２、トランジスタ５４０、トランジスタ５０３、液晶素子５０５が設けられて
いる。
【０１１８】
トランジスタ５０３、トランジスタ５４０上には酸化物絶縁層５３１、保護絶縁層５３２
、層間絶縁層５３３、層間絶縁層５３４が設けられている。フォトダイオード５０２は、
層間絶縁層５３３上に設けられ、層間絶縁層５３３上に形成した電極層５４１と、層間絶
縁層５３４上に設けられた電極層５４２との間に、層間絶縁層５３３側から順に第１半導
体層５０６ａ、第２半導体層５０６ｂ、及び第３半導体層５０６ｃを積層した構造を有し
ている。
【０１１９】
電極層５４１は、層間絶縁層５３４に形成された電極層５４３と電気的に接続し、電極層
５４２は電極層５４１を介してゲート電極層５４５と電気的に接続している。ゲート電極
層５４５は、トランジスタ５４０のゲート電極層と電気的に接続しており、フォトダイオ
ード５０２はトランジスタ５４０と電気的に接続している。
【０１２０】
フォトセンサを有する半導体装置に含まれる酸化物半導体層を用いるトランジスタ５０３
、トランジスタ５４０は、その電気的特性変動を抑止するため、変動要因となる水素、水
分、水酸基又は水素化物（水素化合物ともいう）などの不純物を酸化物半導体層より意図
的に排除し、かつ不純物の排除工程によって同時に減少してしまう酸化物半導体を構成す
る主成分材料である酸素を供給することによって、酸化物半導体層を高純度化及び電気的
にＩ型（真性）化する。
【０１２１】
よって酸化物半導体中の水素及びキャリアは少なければ少ないほどよく、トランジスタ５
０３、トランジスタ５４０は、酸化物半導体に含まれる水素が５×１０１９／ｃｍ３以下
、好ましくは５×１０１８／ｃｍ３以下、より好ましくは５×１０１７／ｃｍ３以下、ま
たは５×１０１６／ｃｍ３未満として、酸化物半導体に含まれる水素をゼロに近くなるよ
うに極力除去し、キャリア濃度を５×１０１４／ｃｍ３未満、好ましくは５×１０１２／
ｃｍ３以下とした酸化物半導体層でチャネル形成領域が形成される。
【０１２２】
酸化物半導体中にキャリアが極めて少ない（ゼロに近い）ため、トランジスタ５０３、５
４０では、オフ電流が少なければ少ないほど好ましい。オフ電流とは、−１Ｖ〜−１０Ｖ
の間のいずれかのゲート電圧を印加した場合にトランジスタのソース、ドレイン間を流れ
る電流のことであり、本明細書に開示する酸化物半導体を用いたトランジスタは、チャネ
ル幅（ｗ）が１μｍあたりの電流値が１００ａＡ／μｍ以下、好ましくは１０ａＡ／μｍ
以下、さらに好ましくは１ａＡ／μｍ以下である。さらに、ｐｎ接合がなく、ホットキャ
リア劣化がないため、トランジスタの電気的特性がこれらによる影響を受けない。
【０１２３】
従って、上記酸化物半導体層を用いたトランジスタ５０３、トランジスタ５４０はオフ電
流が極めて小さく、安定な電気特性を有する信頼性の高いトランジスタである。
【０１２４】
トランジスタ５０３、トランジスタ５４０に含まれる酸化物半導体膜としては、四元系金
属酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜や、三元系金属酸化物であるＩｎ−Ｇａ−
Ｚｎ−Ｏ膜、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ
膜、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系や、二元系金属酸化物であるＩｎ
−Ｚｎ−Ｏ膜、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ｚｎ−Ｍｇ−Ｏ膜、Ｓｎ−Ｍｇ−
Ｏ膜、Ｉｎ−Ｍｇ−Ｏ膜や、Ｉｎ−Ｏ膜、Ｓｎ−Ｏ膜、Ｚｎ−Ｏ膜などの酸化物半導体膜
を用いることができる。また、上記酸化物半導体膜にＳｉＯ２を含んでもよい。
【０１２５】
また、酸化物半導体膜は、ＩｎＭＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０）で表記される薄膜を用いる
ことができる。ここで、Ｍは、Ｇａ、Ａｌ、ＭｎおよびＣｏから選ばれた一または複数の
金属元素を示す。例えばＭとして、Ｇａ、Ｇａ及びＡｌ、Ｇａ及びＭｎ、またはＧａ及び
Ｃｏなどがある。ＩｎＭＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０）で表記される構造の酸化物半導体膜
のうち、ＭとしてＧａを含む構造の酸化物半導体を、上記したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ酸化
物半導体とよび、その薄膜をＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ非単結晶膜ともよぶこととする。
【０１２６】
ここでは、第１半導体層５０６ａとしてｐ型の導電型を有する半導体層、第２半導体層５
０６ｂとして高抵抗な半導体層（ｉ型半導体層）、第３半導体層５０６ｃとしてｎ型の導
電型を有する半導体層を積層するｐｉｎ型のフォトダイオードを例示している。
【０１２７】
第１半導体層５０６ａ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ことができる。第１半導体層５０６ａ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、Ｓ
ｉ２Ｈ６、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半導体層５０６ａの膜厚は１０ｎｍ以上５
０ｎｍ以下となるよう形成することが好ましい。
【０１２８】
第２半導体層５０６ｂ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半導体層５０６ｂ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、Ｓ
ｉＣｌ４、ＳｉＦ４等を用いてもよい。第２半導体層５０６ｂ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半導体層５０６ｂの膜厚は２
００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下となるように形成することが好ましい。
【０１２９】
第３半導体層５０６ｃ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半導体層５０６ｃ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半導体層５０６ｃ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。
【０１３０】
また、第１半導体層５０６ａ、第２半導体層５０６ｂ、及び第３半導体層５０６ｃ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、微結晶（セミアモ
ルファス（Ｓｅｍｉ Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ：ＳＡＳ））半
導体を用いて形成してもよい。
【０１３１】
微結晶半導体は、ギブスの自由エネルギーを考慮すれば非晶質と単結晶の中間的な準安定
状態に属するものである。すなわち、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。柱状または針状結晶が基板表面に対し
て法線方向に成長している。微結晶半導体の代表例である微結晶シリコンは、そのラマン
スペクトルが単結晶シリコンを示す５２０ｃｍ−１よりも低周波数側にシフトしている。
即ち、単結晶シリコンを示す５２０ｃｍ−１とアモルファスシリコンを示す４８０ｃｍ−
１の間に微結晶シリコンのラマンスペクトルのピークがある。また、未結合手（ダングリ
ングボンド）を終端するため水素またはハロゲンを１原子％またはそれ以上含ませている
。さらに、ヘリウム、アルゴン、クリプトン、ネオンなど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微結晶半導体膜が得られる。
【０１３２】
この微結晶半導体膜は、周波数が数十ＭＨｚ〜数百ＭＨｚの高周波プラズマＣＶＤ法、ま
たは周波数が１ＧＨｚ以上のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置により形成することができる
。代表的には、ＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、Ｓ
ｉＦ４などの水素化珪素を水素で希釈して形成することができる。また、水素化珪素及び
水素に加え、ヘリウム、アルゴン、クリプトン、ネオンから選ばれた一種または複数種の
希ガス元素で希釈して微結晶半導体膜を形成することができる。これらのときの水素化珪
素に対して水素の流量比を５倍以上２００倍以下、好ましくは５０倍以上１５０倍以下、
更に好ましくは１００倍とする。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等を混入させてもよ
い。
【０１３３】
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、ｐ
ｉｎ型のフォトダイオードが形成されている基板５０１の面からフォトダイオード５０２
が光を受け、その光を電気信号に変換する例を示す。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。
【０１３４】
液晶素子５０５は、画素電極５０７と、液晶５０８と、対向電極５０９とを有する。画素
電極５０７は、基板５０１上に形成されており、トランジスタ５０３とは導電膜５１０を
介して電気的に接続されている。また、対向電極５０９は、基板５１３（対向基板）上に
形成されており、画素電極５０７と対向電極５０９の間に、液晶５０８が挟まれている。
トランジスタ５０３は実施の形態１におけるトランジスタ２０１に対応する。
【０１３５】
画素電極５０７と対向電極５０９の間のセルギャップは、スペーサー５１６を用いて制御
することが出来る。図８では、フォトリソグラフィーで選択的に形成された柱状のスペー
サー５１６を用いてセルギャップを制御しているが、球状のスペーサーを画素電極５０７
と対向電極５０９の間に分散させることで、セルギャップを制御することも出来る。
【０１３６】
また液晶５０８は、基板５０１と基板５１３の間において、封止材により囲まれている。
液晶５０８の注入は、ディスペンサ式（滴下式）を用いても良いし、ディップ式（汲み上
げ式）を用いていても良い。
【０１３７】
画素電極５０７には、透光性を有する導電性材料、例えばインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）
、酸化珪素を含むインジウム錫酸化物（ＩＴＳＯ）、有機インジウム、有機スズ、酸化亜
鉛（ＺｎＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）を含むインジウム亜鉛酸化物（ＩＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ
Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ））、ガリウム（Ｇａ）を含む酸化亜鉛、酸化スズ（ＳｎＯ２）
、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などを
用いることができる。また、導電性高分子（導電性ポリマーともいう）を含む導電性組成
物を用いて形成することができる。導電性高分子としては、いわゆるπ電子共役系導電性
高分子が用いることができる。例えば、ポリアニリンまたはその誘導体、ポリピロールま
たはその誘導体、ポリチオフェンまたはその誘導体、若しくはアニリン、ピロールおよび
チオフェンの２種以上からなる共重合体若しくはその誘導体等が挙げられる。
【０１３８】
また、本実施の形態では、透過型の液晶素子５０５を例に挙げているので、画素電極５０
７と同様に、対向電極５０９にも上述した透光性を有する導電性材料を用いることが出来
る。
【０１３９】
画素電極５０７と液晶５０８の間には配向膜５１１が、対向電極５０９と液晶５０８の間
には配向膜５１２が、それぞれ設けられている。配向膜５１１、配向膜５１２はポリイミ
ド、ポリビニルアルコールなどの有機樹脂を用いて形成することができ、その表面には、
ラビングなどの、液晶分子を一定方向に配列させるための配向処理が施されている。ラビ
ングは、配向膜に圧力をかけながら、ナイロンなどの布を巻いたローラーを回転させて、
上記配向膜の表面を一定方向に擦ることで、行うことが出来る。なお、酸化珪素などの無
機材料を用い、配向処理を施すことなく、蒸着法で配向特性を有する配向膜５１１、配向
膜５１２を直接形成することも可能である。
【０１４０】
また、液晶素子５０５と重なるように、特定の波長領域の光を通すことができるカラーフ
ィルタ５１４が、基板５１３上に形成されている。カラーフィルタ５１４は、顔料を分散
させたアクリル系樹脂などの有機樹脂を基板５１３上に塗布した後、フォトリソグラフィ
ーを用いて選択的に形成することができる。また、顔料を分散させたポリイミド系樹脂を
基板５１３上に塗布した後、エッチングを用いて選択的に形成することもできる。或いは
、インクジェットなどの液滴吐出法を用いることで、選択的にカラーフィルタ５１４を形
成することもできる。
【０１４１】
また、フォトダイオード５０２と重なるように、光を遮蔽することが出来る遮蔽膜５１５
が、基板５１３上に形成されている。遮蔽膜５１５を設けることで、基板５１３を透過し
てタッチパネル内に入射したバックライトからの光が、直接フォトダイオード５０２に当
たるのを防ぐことができる他、画素間における液晶５０８の配向の乱れに起因するディス
クリネーションが視認されるのを防ぐことができる。遮蔽膜５１５には、カーボンブラッ
ク、二酸化チタンよりも酸化数が小さい低次酸化チタンなどの黒色顔料を含む有機樹脂を
用いることができる。また、クロムを用いた膜で、遮蔽膜５１５を形成することも可能で
ある。
【０１４２】
また、基板５０１の画素電極５０７が形成されている面とは反対の面に、偏光板５１７を
設け、基板５１３の対向電極５０９が形成されている面とは反対の面に、偏光板５１８を
設ける。
【０１４３】
酸化物絶縁層５３１、保護絶縁層５３２、層間絶縁層５３３、層間絶縁層５３４としては
、絶縁性材料を用いて、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）等の方法や、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
ーター等を用いて形成することができる。
【０１４４】
酸化物絶縁層５３１としては、酸化シリコン層、酸化窒化シリコン層、酸化アルミニウム
層、又は酸化窒化アルミニウム層などの酸化物絶縁層の単層、又は積層を用いることがで
きる。
【０１４５】
保護絶縁層５３２としては、無機絶縁材料である、窒化シリコン層、窒化酸化シリコン層
、窒化アルミニウム層、又は窒化酸化アルミニウム層などの窒化物絶縁層の単層、又は積
層を用いることができる。またμ波（２．４５ＧＨｚ）を用いた高密度プラズマＣＶＤは
、緻密で絶縁耐圧の高い高品質な絶縁層を形成できるので好ましい。
【０１４６】
層間絶縁層５３３、５３４としては、表面凹凸を低減するため平坦化絶縁膜として機能す
る絶縁層が好ましい。層間絶縁層５３３、５３４としては、例えばポリイミド、アクリル
、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絶縁材料を用い
ることができる。また上記有機絶縁材料の他に、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）等の単層、又は積
層を用いることができる。
【０１４７】
バックライトからの光は、矢印５２０で示すように基板５１３、液晶素子５０５を通って
、基板５０１側にある被検出物５２１に照射される。そして、被検出物５２１において反
射された光は、矢印５２２で示すように、フォトダイオード５０２に入射する。
【０１４８】
液晶素子は、ＴＮ（Ｔｗｉｓｔｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ）型の他、ＶＡ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ
Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）型、ＯＣＢ（Ｏｐｔｉｃａｌｌｙ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ Ｂ
ｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）型、ＩＰＳ（Ｉｎ−Ｐｌａｎｅ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）型な
どであっても良い。また、配向膜を用いないブルー相を示す液晶を用いてもよい。
【０１４９】
なお、本実施の形態では、画素電極５０７と対向電極５０９の間に液晶５０８が挟まれて
いる構造を有する液晶素子５０５を例に挙げて説明したが、本発明の一態様に係る半導体
装置はこの構成に限定されない。ＩＰＳ型のように、一対の電極が、共に基板５０１側に
形成されている液晶素子であっても良い。
【０１５０】
以上のような形態とすることで、高速動作による撮像が可能な半導体装置を提供すること
ができる。
【０１５１】
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。
【０１５２】
（実施の形態６）
本発明の一態様に係る半導体装置は、タッチパネルとして応用可能である。タッチパネル
は、表示装置、ノート型パーソナルコンピュータ、記録媒体を備えた画像再生装置（代表
的にはＤＶＤ：Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃなどの記録媒体を再生し
、その画像を表示しうるディスプレイを有する装置）に用いることができる。その他に、
本発明の一態様に係るタッチパネルを用いることができる電子機器として、携帯電話、携
帯型ゲーム機、携帯情報端末、電子書籍、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、ゴーグ
ル型ディスプレイ（ヘッドマウントディスプレイ）、ナビゲーションシステム、音響再生
装置（カーオーディオ、デジタルオーディオプレイヤーなど）、複写機、ファクシミリ、
プリンター、プリンター複合機、現金自動預け入れ払い機（ＡＴＭ）、自動販売機などが
挙げられる。
【０１５３】
本実施の形態では、本発明の一態様に係るタッチパネルを用いた電子機器の一例を、図９
を参照して説明する。
【０１５４】
図９（Ａ）は表示装置であり、筐体５００１、表示部５００２、支持台５００３などを有
する。本発明の一態様に係るタッチパネルは、表示部５００２に用いることができる。表
示部５００２に本発明の一態様に係るタッチパネルを用いることで、高分解能である撮像
データの取得を行うことができ、より高機能のアプリケーションが搭載された表示装置を
提供することができる。なお、表示装置には、パーソナルコンピュータ用、ＴＶ放送受信
用、広告表示用などの全ての情報表示用表示装置が含まれる。
【０１５５】
図９（Ｂ）は携帯情報端末であり、筐体５１０１、表示部５１０２、スイッチ５１０３、
操作キー５１０４、赤外線ポート５１０５などを有する。本発明の一態様に係るタッチパ
ネルは、表示部５１０２に用いることができる。表示部５１０２に本発明の一態様に係る
タッチパネルを用いることで、高分解能である撮像データの取得を行うことができ、より
高機能のアプリケーションが搭載された携帯情報端末を提供することができる。
【０１５６】
図９（Ｃ）は現金自動預け入れ払い機であり、筐体５２０１、表示部５２０２、硬貨投入
口５２０３、紙幣投入口５２０４、カード投入口５２０５、通帳投入口５２０６などを有
する。本発明の一態様に係るタッチパネルは、表示部５２０２に用いることができる。表
示部５２０２に本発明の一態様に係るタッチパネルを用いることで、高分解能である撮像
データの取得を行うことができ、より高機能のアプリケーションが搭載された現金自動預
け入れ払い機を提供することができる。そして、本発明の一態様に係るタッチパネルを用
いた現金自動預け入れ払い機は、指紋、顔、手形、掌紋及び手の静脈の形状、虹彩などの
、生体認証に用いられる生体情報の読み取りを、より高精度で行うことが出来る。よって
、生体認証における、本人であるにもかかわらず本人ではないと誤認識してしまう本人拒
否率と、他人であるにもかかわらず本人と誤認識してしまう他人受入率とを、低く抑える
ことができる。
【０１５７】
図９（Ｄ）は携帯型ゲーム機であり、筐体５３０１、筐体５３０２、表示部５３０３、表
示部５３０４、マイクロホン５３０５、スピーカー５３０６、操作キー５３０７、スタイ
ラス５３０８などを有する。本発明の一態様に係るタッチパネルは、表示部５３０３また
は表示部５３０４に用いることができる。表示部５３０３または表示部５３０４に本発明
の一態様に係るタッチパネルを用いることで、高分解能である撮像データの取得を行うこ
とができ、より高機能のアプリケーションが搭載された携帯型ゲーム機を提供することが
できる。なお、図９（Ｄ）に示した携帯型ゲーム機は、２つの表示部５３０３、表示部５
３０４を有しているが、携帯型ゲーム機が有する表示部の数は、これに限定されない。
【０１５８】
本実施の形態は、上記実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【符号の説明】
【０１５９】
１０ 半導体装置
１１ フォトセンサ
１２ 読み出し制御回路
１３ フォトダイオード
１４ トランジスタ
１５ トランジスタ
１６ フォトダイオードリセット信号線
１７ ゲート信号線
１８ トランジスタ
１９ フォトセンサ選択信号線
２０ フォトセンサ基準高電位電源線
２１ フォトセンサ基準低電位電源線
２２ フォトセンサ出力信号線
３１ 信号
３２ 信号
３３ 信号
３４ 信号
３５ 信号
４１ トランジスタ
４２ ゲート信号線
５１ 信号
５１ 信号
５２ 信号
５３ 信号
５４ 信号
５５ 信号
５６ 信号
１００ 表示装置
１０１ 画素回路
１０２ 表示素子制御回路
１０３ フォトセンサ制御回路
１０４ 画素
１０５ 表示素子
１０６ フォトセンサ
１０７ 表示素子駆動回路
１０８ 表示素子駆動回路
１０９ フォトセンサ読み出し回路
１１０ フォトセンサ駆動回路
２００ 読み出し制御回路
２０１ トランジスタ
２０２ 保持容量
２０３ 液晶素子
２０４ フォトダイオード
２０５ トランジスタ
２０６ トランジスタ
２０７ トランジスタ
２０８ ゲート信号線
２０９ ゲート信号線
２１０ フォトダイオードリセット信号線
２１１ ゲート信号線
２１２ ビデオデータ信号線
２１３ フォトセンサ基準信号線
２１４ フォトセンサ出力信号線
２１５ ノード
２１６ トランジスタ
５０１ 基板
５０２ フォトダイオード
５０３ トランジスタ
５０５ 液晶素子
５０６ａ 半導体層
５０６ｂ 半導体層
５０６ｃ 半導体層
５０７ 画素電極
５０８ 液晶
５０９ 対向電極
５１０ 導電膜
５１１ 配向膜
５１２ 配向膜
５１３ 基板
５１４ カラーフィルタ
５１５ 遮蔽膜
５１６ スペーサー
５１７ 偏光板
５１８ 偏光板
５２０ 矢印
５２１ 被検出物
５２２ 矢印
５３１ 酸化物絶縁層
５３２ 保護絶縁層
５３３ 層間絶縁層
５３４ 層間絶縁層
５４０ トランジスタ
５４１ 電極層
５４２ 電極層
５４３ 電極層
５４５ ゲート電極層
６０１ 信号
６０２ 信号
６０３ 信号
６０４ 信号
６０５ 信号
６０６ 信号
６０７ 信号
６０８ 信号
６０９ 信号
６１０ 期間
６１１ 期間
６１２ 期間
６１３ 期間
６２１ 信号
７０１ 信号
７０２ 信号
７０３ 信号
７０４ 信号
７０５ 信号
７０６ 信号
７０７ 信号
７０８ 信号
７０９ 信号
７１０ 期間
７１１ 期間
７１２ 期間
７１３ 期間
７２１ 信号
５００１ 筐体
５００２ 表示部
５００３ 支持台
５１０１ 筐体
５１０２ 表示部
５１０３ スイッチ
５１０４ 操作キー
５１０５ 赤外線ポート
５２０１ 筐体
５２０２ 表示部
５２０３ 硬貨投入口
５２０４ 紙幣投入口
５２０５ カード投入口
５２０６ 通帳投入口
５３０１ 筐体
５３０２ 筐体
５３０３ 表示部
５３０４ 表示部
５３０５ マイクロホン
５３０６ スピーカー
５３０７ 操作キー
５３０８ スタイラス
【技術分野】
【０００１】
技術分野は、フォトセンサ及びその駆動方法に関する。また、フォトセンサを有する表
示装置及びその駆動方法に関する。また、フォトセンサを有する半導体装置及びその駆動
方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光を検出するセンサ（「フォトセンサ」ともいう）を搭載した表示装置が注目さ
れている。フォトセンサを表示装置に設けることにより、表示画面が入力領域を兼ねる。
一例として、画像取り込み機能を備えた表示装置が挙げられる（例えば、特許文献１を参
照）。
【０００３】
また、フォトセンサを有する半導体装置として、ＣＣＤ方式のイメージセンサやＣＭＯ
Ｓ方式のイメージセンサなどが挙げられる。これらのイメージセンサは、例えば、デジタ
ルスチルカメラや携帯電話などの電子機器に用いられている。
【０００４】
フォトセンサを搭載した表示装置では、まず、表示装置から光を発する。被検出物が存
在する領域に入射した光は被検出物によって遮断され、一部の光が反射される。表示装置
内の画素に設けられたフォトセンサが、被検出物から反射された光を検出することで、当
該領域に被検出物が存在することを認識することができる。
【０００５】
また、フォトセンサを搭載した半導体装置では、被検出物から発せられる光もしくは被
検出物で外光などが反射した光を、フォトセンサで直接検出もしくは光学レンズなどを用
いて集光した後に検出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−２９２２７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
フォトセンサを搭載した半導体装置では、各画素に設けられたフォトセンサが光を検出
して生成した電気信号を収集するため、各画素にトランジスタを用いた回路が設けられて
いる。
【０００８】
フォトセンサを搭載した半導体装置は、入射光に応じた出力信号を電圧値の信号に変換す
るための読み取り制御トランジスタを有する。入射光に応じた出力信号は、フォトセンサ
に設けられたトランジスタ、及び読み取り制御トランジスタを抵抗と見なして抵抗分割す
ることにより電圧値の変換を行うことができる。
【０００９】
フォトセンサを搭載した半導体装置において、読み取り制御トランジスタを、非晶質シリ
コン、または多結晶シリコンを具備するトランジスタで形成することができる。しかしな
がら、非晶質シリコン、または多結晶シリコンを用いたトランジスタでは、オフ状態のト
ランジスタにおいて流れる電流である、オフ電流が流れることとなる。そのため、フォト
センサを搭載した半導体装置において読み取りを行わない期間では、時間の累積とともに
、消費電力を増加させる一因となってしまう。
【００１０】
本発明の一態様は、フォトセンサにおいて、低消費電力化を図ることができる半導体装置
を提供することを課題の一とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一態様は、フォトダイオード、第１のトランジスタ、及び第２のトランジスタを
有するフォトセンサと、読み出し制御トランジスタを有する読み出し制御回路と、を有し
、フォトダイオードは、入射光に応じた電荷を第１のトランジスタのゲートに供給する機
能を有し、第１のトランジスタは、ゲートに供給された電荷を蓄積する機能と、蓄積され
た電荷を出力信号に変換する機能とを有し、第２のトランジスタは、出力信号の読み出し
を制御する機能を有し、読み出し制御トランジスタは、出力信号を電圧値の信号に変換す
る抵抗素子としての機能を有し、第１のトランジスタ、第２のトランジスタ、及び読み出
し制御トランジスタの半導体層は、酸化物半導体を用いて形成されている半導体装置であ
る。
【００１２】
本発明の一態様は、フォトダイオード、第１のトランジスタ、第２のトランジスタ、及び
第３のトランジスタを有するフォトセンサと、読み出し制御トランジスタを有する読み出
し制御回路と、を有し、フォトダイオードは、入射光に応じた電荷を第１のトランジスタ
のゲートに供給する機能を有し、第１のトランジスタは、ゲートに供給された電荷を蓄積
する機能と、蓄積された電荷を出力信号に変換する機能とを有し、第２のトランジスタは
、第１のトランジスタのゲートに蓄積された電荷を保持する機能を有し、第３のトランジ
スタは、出力信号の読み出しを制御する機能を有し、読み出し制御トランジスタは、出力
信号を電圧値の信号に変換する抵抗素子としての機能を有し、第１のトランジスタ、第２
のトランジスタ、第３のトランジスタ、及び読み出し制御トランジスタの半導体層は、酸
化物半導体を用いて形成されている半導体装置である。
【００１３】
本発明の一態様は、フォトダイオード、第１のトランジスタ、及び第２のトランジスタを
有するフォトセンサと、読み出し制御トランジスタを有する読み出し制御回路と、を有し
、フォトダイオードは、入射光に応じた電荷を第１のトランジスタのゲートに供給する機
能を有し、第１のトランジスタは、ゲートに供給された電荷を蓄積する機能と、蓄積され
た電荷を出力信号に変換する機能とを有し、第２のトランジスタは、出力信号の読み出し
を制御する機能を有し、読み出し制御トランジスタは、出力信号を電圧値の信号に変換す
る抵抗素子としての機能を有し、第１のトランジスタ、第２のトランジスタ、及び読み出
し制御トランジスタの半導体層は、酸化物半導体を用いて形成されており、読み出し制御
トランジスタのゲートに印加される電圧は、出力信号に応じて切り替えられることで、読
み出し制御トランジスタの抵抗値を切り替える半導体装置である。
【００１４】
本発明の一態様は、フォトダイオード、第１のトランジスタ、第２のトランジスタ、及び
第３のトランジスタを有するフォトセンサと、読み出し制御トランジスタを有する読み出
し制御回路と、を有し、フォトダイオードは、入射光に応じた電荷を第１のトランジスタ
のゲートに供給する機能を有し、第１のトランジスタは、ゲートに供給された電荷を蓄積
する機能と、蓄積された電荷を出力信号に変換する機能とを有し、第２のトランジスタは
、第１のトランジスタのゲートに蓄積された電荷を保持する機能を有し、第３のトランジ
スタは、出力信号の読み出しを制御する機能を有し、読み出し制御トランジスタは、出力
信号を電圧値の信号に変換する抵抗素子としての機能を有し、第１のトランジスタ、第２
のトランジスタ、第３のトランジスタ、及び読み出し制御トランジスタの半導体層は、酸
化物半導体を用いて形成されており、読み出し制御トランジスタのゲートに印加される電
圧は、出力信号に応じて切り替えられることで、読み出し制御トランジスタの抵抗値を切
り替える半導体装置である。
【００１５】
本発明の一態様において、フォトセンサが複数設けられ、フォトセンサはリセット動作、
累積動作、及び読み出し動作を行う機能を有し、複数設けられたフォトセンサは、リセッ
ト動作を共通して行い、累積動作を共通して行い、読み出し動作を順次行う機能を有する
半導体装置でもよい。
【００１６】
また、半導体装置とは、半導体の性質を持つ物及びそれを有する物全般を指す。例えば、
トランジスタを有する表示装置を単に半導体装置と呼ぶこともある。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のフォトセンサにおいて、低消費電力化を図ることができる半導体装置を提供す
ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一態様を説明するための回路図及びタイミングチャート図。
【図２】本発明の一態様を説明するための回路図。
【図３】本発明の一態様を説明するための回路図及びタイミングチャート図。
【図４】本発明の一態様を説明するためのブロック図。
【図５】本発明の一態様を説明するための回路図。
【図６】本発明の一態様を説明するためのタイミングチャート図。
【図７】本発明の一態様を説明するためのタイミングチャート図。
【図８】本発明の一態様を説明するための断面図。
【図９】半導体装置の一例を示す図。
【図１０】本発明の一態様を説明するための回路図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態及び実施例について図面を参照しながら説明する。但し、本
発明は多くの異なる態様で実施することが可能であり、本発明の趣旨及びその範囲から逸
脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解さ
れる。従って本発明は本実施の形態及び実施例の記載内容に限定して解釈されるものでは
ない。なお、以下に説明する本発明の構成において、同じ物を指し示す符号は異なる図面
間において共通とする。
【００２０】
なお、各実施の形態の図面等において示す各構成の、大きさ、層の厚さ、信号波形、又は
領域は、明瞭化のために誇張されて表記している場合がある。よって、必ずしもそのスケ
ールに限定されない。
【００２１】
なお本明細書にて用いる第１、第２、第３、乃至第Ｎ（Ｎは自然数）という用語は、構成
要素の混同を避けるために付したものであり、数的に限定するものではないことを付記す
る。
【００２２】
（実施の形態１）
本実施の形態では、開示する発明の一態様である半導体装置の一例について、図１、図２
を参照して説明する。
【００２３】
図１（Ａ）は、半導体装置１０が有するフォトセンサ１１の回路構成の一例である。また
、フォトセンサ１１に接続している読み出し制御回路１２の構成の一例を示す。
【００２４】
フォトセンサ１１は、フォトダイオード１３、トランジスタ１４（第１のトランジスタと
もいう）、トランジスタ１５（第２のトランジスタともいう）を有する。読み出し制御回
路１２はトランジスタ１８（読み出し制御トランジスタともいう）を有する。
【００２５】
フォトセンサ１１において、フォトダイオード１３は、一方の電極がフォトダイオードリ
セット信号線１６に、他方の電極がトランジスタ１４のゲートに接続されている。トラン
ジスタ１４は、ソース又はドレインの一方がフォトセンサ基準高電位電源線２０に、ソー
ス又はドレインの他方がトランジスタ１５のソース又はドレインの一方に接続されている
。トランジスタ１５は、ゲートがゲート信号線１７に、ソース又はドレインの他方がフォ
トセンサ出力信号線２２に接続されている。
【００２６】
また読み出し制御回路１２において、トランジスタ１８は、ソース又はドレインの一方が
トランジスタ１５のソース又はドレインの他方及びフォトセンサ出力信号線２２に、ソー
ス又はドレインの他方がフォトセンサ基準低電位電源線２１に、ゲートがフォトセンサ選
択信号線１９に接続されている。
【００２７】
なお、本明細書における回路図において、酸化物半導体層を用いるトランジスタと明確に
判別できるように、酸化物半導体を用いるトランジスタの記号には「ＯＳ」と記載してい
る。例えば、図１（Ａ）において、トランジスタ１４、トランジスタ１５、及びトランジ
スタ１８は、半導体層に酸化物半導体を用いたトランジスタである。
【００２８】
トランジスタ１４、トランジスタ１５、及びトランジスタ１８は、半導体層に酸化物半導
体を有している。これらのトランジスタが半導体層に酸化物半導体を用いることで、オフ
状態（非導通状態ともいう）のトランジスタにおいて流れる電流であるオフ電流を極めて
小さくしたトランジスタとすることができる。
【００２９】
なおトランジスタ１４、トランジスタ１５の半導体層は、いずれかの半導体層に酸化物半
導体を用いる構成とすればよい。具体的には、図１０（Ａ）に示すようにトランジスタ１
４が酸化物半導体を用いたトランジスタとしてもよいし、図１０（Ｂ）に示すようにトラ
ンジスタ１５が半導体層に酸化物半導体を用いたトランジスタとしてもよい。なおトラン
ジスタ１４、トランジスタ１５の半導体層に用いる、酸化物半導体以外の半導体としては
、シリコンによる非晶質半導体、微結晶半導体、多結晶半導体、又は単結晶半導体などを
用いればよい。特に、フォトダイオード１３から供給される電荷を出力信号に変換する機
能を有するトランジスタ１４には、単結晶半導体を用い、移動度の高いトランジスタとす
ることが望ましい。
【００３０】
なお、ＡとＢとが接続されている、と明示的に記載する場合は、ＡとＢとが電気的に接続
されている場合と、ＡとＢとが機能的に接続されている場合と、ＡとＢとが直接接続され
ている場合とを含むものとする。
【００３１】
フォトダイオードリセット信号線１６、ゲート信号線１７は、フォトセンサ駆動回路によ
り信号が供給される。フォトセンサ駆動回路は、特定の行に配置されたフォトセンサ１１
に対して、後述するリセット動作と累積動作と読み出し動作（選択動作ともいう）とを行
うための信号を供給する。
【００３２】
フォトセンサ選択信号線１９、フォトセンサ基準高電位電源線２０、フォトセンサ基準低
電位電源線２１、フォトセンサ出力信号線２２は、フォトセンサ読み出し回路に接続され
る。フォトセンサ読み出し回路は、選択された行のフォトセンサ１１の出力信号を読み出
すための各配線の信号の制御を行う機能を有する。
【００３３】
なお、フォトセンサ読み出し回路は、アナログ信号であるフォトセンサの出力信号を、オ
ペアンプを用いてアナログ信号のままフォトセンサ出力信号線２２より外部に取り出す構
成や、Ａ／Ｄ変換回路を用いてデジタル信号に変換してからフォトセンサ出力信号線２２
より外部に取り出す構成を有することができる。
【００３４】
フォトダイオード１３には、ＰＮ型、ＰＩＮ型、ショットキー型、またはアバランシェ型
のダイオードを用いることができる。ＰＮ型またはＰＩＮ型のダイオードを用いる場合は
、それぞれの導電型（Ｐ型とＮ型またはＰ型とＩ型とＮ型）を有する半導体を積層した構
造を用いることができる。またはそれぞれの導電型を有する半導体を同一平面内に配置し
た構造を用いることができる。フォトダイオード１３を構成する半導体には、非晶質半導
体、微結晶半導体、多結晶半導体、又は単結晶半導体などを用いることができる。フォト
ダイオードは光の強度に応じて電気信号を生成する機能を有する。フォトダイオードに照
射される光は被検出物で反射される光または被検出物から発せられる光である。被検出物
で反射される光の光源として、半導体装置が有する照明装置または外光を用いることがで
きる。
【００３５】
トランジスタ１４は、ゲートに電荷を蓄積（累積）する機能を有する。このゲートに蓄積
される電荷により、トランジスタ１４のゲートとソースの間に印加される電圧値が変化し
、トランジスタ１４のソースとドレインとの間の抵抗値が変化する。そして、フォトセン
サ基準高電位電源線２０とフォトセンサ基準低電位電源線２１との間で抵抗分割され、フ
ォトセンサ出力信号線２２で入射光に応じた電圧値が得られる。
【００３６】
トランジスタ１５は、フォトセンサ１１の出力信号の読み出しを制御する機能を有する。
具体的には、フォトセンサ出力信号線２２にフォトセンサ１１の出力信号を転送する機能
を有する。そのため、トランジスタ１５は端子間の電気的な接続である導通または非導通
を制御することで、出力信号の読み出しを高速で行うスイッチとしての機能が求められる
。
【００３７】
トランジスタ１４及びトランジスタ１５は、同じフォトセンサ出力信号線２２に接続され
た他のフォトセンサの読み出し期間中には、フォトセンサ出力信号線２２と、フォトセン
サ基準高電位電源線２０との間に流れる電流を極力小さくし、フォトセンサ出力信号線２
２の電位の変動に影響のないようにすることが好適である。そのため、トランジスタ１４
およびトランジスタ１５には、オフ電流が小さいトランジスタを用いることが望ましい。
【００３８】
本実施の形態で説明する構成では、図１（Ａ）に示すように、フォトセンサ１１に用いる
トランジスタの半導体層に酸化物半導体を用いることで、オフ電流を極端に小さくしたト
ランジスタを実現することができる。そして同じフォトセンサ出力信号線２２に接続され
た他の画素の読み出し期間中に、フォトセンサ出力信号線２２と、フォトセンサ基準高電
位電源線２０との間に流れる電流を極力小さくすることができ、フォトセンサ出力信号線
２２の電位の変動に影響のないようにすることができる。
【００３９】
次に、読み出し制御回路１２について説明する。図１（Ａ）に示す読み出し制御回路１２
は、フォトセンサ１１の１列分に対応した回路である。フォトセンサ１１の１列分の読み
出し制御回路１２は、トランジスタ１８を有する。
【００４０】
読み出し制御回路１２では、フォトセンサ１１への入射光に応じた出力信号に応じてソー
スとドレインとの間の抵抗値が変化するトランジスタ１４と、フォトセンサ選択信号線１
９により定電圧が印加されることでソースとドレインとの間の抵抗値が設定されるトラン
ジスタ１８と、の抵抗分割によりフォトセンサ出力信号線２２に出力される信号の電圧値
の変換を行うことができる。すなわち、読み出し制御回路１２は、フォトセンサ出力信号
線２２への信号を電圧値の信号に変換する抵抗素子としての機能を有するものである。
【００４１】
なお本実施の形態では、読み出し制御回路１２がフォトセンサ出力信号線２２への信号を
電圧値の信号に変換する期間以外の期間では、フォトセンサ選択信号線１９によりトラン
ジスタ１８に印加する定電圧により、トランジスタ１８を非導通状態とすることで、フォ
トセンサ出力信号線２２とフォトセンサ基準低電位電源線２１との間に流れる電流を極力
小さくし、低消費電力化を図る構成とすることが好適である。
【００４２】
フォトセンサを搭載した半導体装置において、読み出し制御回路１２が有するトランジス
タ１８の半導体層に酸化物半導体を用いることで、オフ電流を極端に小さくしたトランジ
スタを実現することができる。そして読み出し制御回路１２がフォトセンサ出力信号線２
２への信号を電圧値の信号に変換する期間以外の期間に、フォトセンサ選択信号線１９か
らのトランジスタ１８に印加する定電圧により、トランジスタ１８を非導通状態とするこ
とで、フォトセンサ出力信号線２２と、フォトセンサ基準低電位電源線２１との間に流れ
る電流を極力小さくすることができ、フォトセンサ出力信号線２２の電位の変動に影響の
ないようにすることができる。
【００４３】
このとき、フォトセンサ選択信号線１９に印加される信号は、トランジスタ１４のソース
とドレインとの間の抵抗値に応じて、トランジスタ１８のソースとドレインとの間の抵抗
値が変わるように調整して印加する構成とする。例えば、フォトセンサ１１への入射光が
大きいことでトランジスタ１４のソースとドレインとの間の抵抗値が大きくなるように変
化する場合、フォトセンサ選択信号線１９の電圧を小さくして、トランジスタ１４とトラ
ンジスタ１８との抵抗分割によるフォトセンサ出力信号線２２に出力される信号の電圧値
が得られるようにする。逆に、フォトセンサ１１への入射光が小さいことでトランジスタ
１４の抵抗が小さくなるように変化する場合、フォトセンサ選択信号線１９の電圧を大き
くして、トランジスタ１４とトランジスタ１８との抵抗分割によるフォトセンサ出力信号
線２２に出力される信号の電圧値が得られるようにする。その結果、広範囲の光強度に対
して高分解能での撮像機能を実現できる安価な半導体装置を提供することができる。
【００４４】
また本実施の形態に係るフォトセンサを搭載した半導体装置では、上述したように、半導
体層に酸化物半導体を用いたトランジスタ１４、トランジスタ１５、及びトランジスタ１
８を有する。酸化物半導体を半導体層に用いたトランジスタは、オフ電流を極めて低減す
ることができる。そのためフォトセンサが動作しない期間において、フォトセンサ基準高
電位電源線２０と、フォトセンサ基準低電位電源線２１との間を流れる貫通電流を極めて
小さくすることができる。そのため、フォトセンサを搭載した半導体装置の低消費電力化
を図ることができる。
【００４５】
次いで図１（Ａ）のフォトセンサ１１の動作について、図１（Ｂ）のタイミングチャー
トを用いて説明する。図１（Ｂ）において、信号３１〜信号３５はそれぞれ、図１（Ａ）
におけるフォトダイオードリセット信号線１６、ゲート信号線１７、トランジスタ１４の
ゲート、フォトセンサ出力信号線２２、フォトセンサ選択信号線１９の電位に相当する。
【００４６】
なお図１（Ｂ）に示すタイミングチャートは、リセット動作を行うリセット期間、電荷の
累積動作を行う累積期間、読み出し動作を行う読み出し期間を有する。時刻Ａから時刻Ｂ
までの期間がリセット期間に相当する。時刻Ｂから時刻Ｃまでの期間が累積期間に相当す
る。時刻Ｃから時刻Ｄまでの期間が読み出し期間に相当する。また時刻Ａから時刻Ｅまで
の期間が読み取り動作期間に相当する。
【００４７】
また図１（Ｂ）では、高電位の信号を”Ｈ”、低電位の信号を”Ｌ”として説明する。な
お図１（Ｂ）では、トランジスタのゲートに、低電位の信号が供給された場合にトランジ
スタが非導通状態となる。また図１（Ｂ）では、トランジスタのゲートに、高電位の信号
が供給された場合に電位の大きさに応じてトランジスタのソースとドレインとの間の抵抗
値が変化する導通状態となる。
【００４８】
時刻Ａにおいて、フォトダイオードリセット信号線１６の電位（信号３１）を”Ｈ”と
する（リセット動作開始）と、フォトダイオード１３が導通し、トランジスタ１４のゲー
トの電位（信号３３）が”Ｈ”となる。またゲート信号線１７（信号３２）を”Ｌ”とし
てトランジスタ１５を非導通状態とする。また、フォトセンサ選択信号線１９の電位（信
号３５）を一定の電圧値とする（読み取り動作開始）と、トランジスタ１８のゲートに印
加される電圧値に応じてトランジスタ１８が抵抗素子として機能する。そしてトランジス
タ１４、トランジスタ１５、及びトランジスタ１８をそれぞれ抵抗素子として機能させる
と、トランジスタ１５が高抵抗状態となることで、フォトセンサ出力信号線２２の電位（
信号３４）はフォトセンサ基準低電位電源線２１の電圧レベルと同程度の、低電圧の電圧
レベルとなる。
【００４９】
時刻Ｂにおいて、フォトダイオードリセット信号線１６の電位（信号３１）を”Ｌ”と
する（リセット動作終了、累積動作開始）と、フォトダイオード１３は光の入射により光
電流が増大し、入射光の量に応じてトランジスタ１４のゲートの電位（信号３３）は低下
するように変化する。すなわち、フォトダイオード１３は、入射光に応じてトランジスタ
１４のゲートに電荷を供給する機能を有し、トランジスタ１４のゲートの電位を低下させ
る。そして、トランジスタ１４のソースとドレインの間の抵抗値が変化する。またゲート
信号線１７（信号３２）を”Ｌ”としてトランジスタ１５を非導通状態とする。また、フ
ォトセンサ選択信号線１９の電位（信号３５）を一定の電圧値とすると、トランジスタ１
８のゲートに印加される電圧値に応じてトランジスタ１８が抵抗素子として機能する。そ
してトランジスタ１４、トランジスタ１５、及びトランジスタ１８をそれぞれ抵抗素子と
して機能させると、トランジスタ１５が高抵抗状態となることで、フォトセンサ出力信号
線２２の電位（信号３４）はフォトセンサ基準低電位電源線２１の電圧レベルと同程度の
、低電圧の電圧レベルとなる。
【００５０】
時刻Ｃに、ゲート信号線１７の電位（信号３２）を”Ｈ”にする（累積動作終了及び選択
動作開始）と、トランジスタ１５が導通状態となる。すると、フォトセンサ基準高電位電
源線２０とフォトセンサ基準低電位電源線２１との間に設けられた、入射光に応じてソー
スとドレインとの間の抵抗値が変化するトランジスタ１４と、フォトセンサ選択信号線１
９により定電圧が印加されることで抵抗値が設定されるトランジスタ１８との間で抵抗分
割された電圧値がフォトセンサ出力信号線２２で得られることとなる。ここで、フォトセ
ンサ出力信号線２２の電位（信号３４）は、トランジスタ１４のゲートの電位（信号３３
）が低下する速さに依存する。すなわち、累積動作中にフォトダイオード１３に照射され
る光の量に応じて変化する。したがって、フォトセンサ出力信号線２２の電位を取得する
ことで、累積動作中におけるフォトダイオード１３への入射光の量を知ることができる。
【００５１】
時刻Ｄにおいて、ゲート信号線１７の電位（信号３２）を”Ｌ”にする（選択動作終了）
と、トランジスタ１５が非導通状態となる。そして、フォトセンサ選択信号線１９の電位
（信号３５）を一定の電圧値とすると、トランジスタ１８のゲートに印加される電圧値に
応じてトランジスタ１８が抵抗素子として機能する。そしてトランジスタ１４、トランジ
スタ１５、及びトランジスタ１８をそれぞれ抵抗素子として機能させると、トランジスタ
１５が高抵抗状態となることで、フォトセンサ出力信号線２２の電位（信号３４）はフォ
トセンサ基準低電位電源線２１の電圧レベルと同程度の、低電圧の電圧レベルとなる。
【００５２】
時刻Ｅにおいて、フォトセンサ選択信号線１９の電位（信号３５）を一定の電圧値から、
トランジスタ１８を非導通状態とする電圧値にする（読み取り動作終了）。その結果、ト
ランジスタ１５、及びトランジスタ１８を共に非導通状態とすることで、非読み取り動作
時における、フォトセンサ基準高電位電源線２０と、フォトセンサ基準低電位電源線２１
との間に流れる貫通電流を小さくすることができる。
【００５３】
なおフォトセンサ選択信号線１９の電位（信号３５）は、少なくともゲート信号線１７の
電位（信号３２）が”Ｈ”の期間、すなわち選択動作の期間に”Ｈ”になっていればよく
、図１（Ｂ）でいえば、時刻Ａから時刻Ｃの期間、”Ｌ”としてもよい。
【００５４】
なお上記説明した図１（Ａ）の構成は、読み出し制御回路１２の位置を図２に示すように
、フォトセンサ基準低電位電源線２１側からフォトセンサ基準高電位電源線２０側にかえ
てもよい。
【００５５】
なお、フォトダイオード１３に照射されていた光の強度が大きい場合、ソースとドレイン
の間の抵抗値が大きくなる。そのため、フォトセンサ出力信号線２２の電位（信号３４）
は”Ｈ”から低下する割合が大きく、フォトセンサ基準低電位電源線２１の電位とほとん
ど変わらない値になる。そのため、光の強度が大きい場合、出力信号に応じた電位の変動
を識別できないことになる。この場合には、フォトセンサ選択信号線１９の電位（信号３
５）を下降することで、トランジスタ１８のソースとドレインとの間の抵抗値を大きくす
ることにより、抵抗分割によるフォトセンサ出力信号線２２で入射光に応じた電圧値を得
ることができる。
【００５６】
前述の記載は、フォトダイオード１３に照射する光の強度が大きい場合について説明した
が、同様に、フォトダイオードに照射する光の強度が小さい場合についても応用すること
ができる。光が弱い場合には、ソースとドレインの間の抵抗値が小さくなる。そのため、
フォトセンサ出力信号線２２の電位は、フォトセンサ基準高電位電源線２０と概ね同一に
なり、出力信号に応じた電位の変動を識別できないことになる。この場合には、フォトセ
ンサ選択信号線１９の電位（信号３５）を上昇することで、トランジスタ１８のソースと
ドレインとの間の抵抗値を大きくすることにより、抵抗分割によるフォトセンサ出力信号
線２２で入射光に応じた電圧値を得ることができる。
【００５７】
すなわち、本実施の形態では、フォトセンサ選択信号線１９の電位（信号３５）を上昇ま
たは下降することで、トランジスタ１８のソースとドレインとの間の抵抗値を大きくする
こと、または小さくすることを容易に行うことができる。そのため、強い光や弱い光に対
しても光を正確に電気信号に変換するフォトセンサとすることができる。従って、広範囲
の光強度に応じた電気信号を出力することができるフォトセンサを具備する半導体装置１
０を提供することができる。
【００５８】
以上のように、個々のフォトセンサの動作は、読み取り動作間において、リセット動作と
累積動作と選択動作とを繰り返すことで実現される。上述したように、トランジスタ１４
、トランジスタ１５、トランジスタ１８は、酸化物半導体を用いることで、オフ電流を極
めて小さくすることが好ましい。そして半導体装置１０は、非動作時における貫通電流を
低減することで、低消費電力化を図ることができる。
【００５９】
このようなフォトセンサを有する半導体装置は、例えば、スキャナ、或いはデジタルスチ
ルカメラなどの電子機器に用いることができる。また、タッチパネル機能を備えた表示装
置に用いることができる。
【００６０】
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【００６１】
（実施の形態２）
本実施の形態では、開示する発明の一態様である半導体装置の実施の形態１の構成とは異
なる構成の一例について、図３（Ａ）、（Ｂ）を参照して説明する。なお本実施の形態に
おいて、上記実施の形態１で説明した図１（Ａ）と同じ構成の箇所については、同じ符号
を付し説明を省略するものとする。
【００６２】
図３（Ａ）に示す半導体装置１０において、図１（Ａ）と異なる点は、トランジスタ１４
のゲートと、フォトダイオード１３の他方の電極との間にゲートがゲート信号線４２に接
続されたトランジスタ４１（第３のトランジスタともいう）が設けられた点である。
【００６３】
トランジスタ４１は、フォトセンサ１１の累積動作を制御する機能を有する。すなわち、
トランジスタ４１は、導通状態において、フォトダイオード１３で生成された電気信号を
トランジスタ１４のゲートに転送する機能を有する。また、トランジスタ４１は、非導通
状態において、トランジスタ１４のゲートに蓄積（累積）された電荷を保持する機能を有
する。そのため、オフ電流が極めて小さいトランジスタを用いることが望ましい。
【００６４】
したがって、トランジスタ４１のチャネル形成領域を構成する半導体層には、トランジス
タ１４、トランジスタ１５、及びトランジスタ１８と同様に、オフ電流が非常に小さくか
つ比較的移動度が高い、酸化物半導体を用いることが望ましい。酸化物半導体を用いたト
ランジスタは、シリコン等を用いたトランジスタと比べてオフ電流が非常に小さいという
電気的特性を有する。
【００６５】
なお、トランジスタ１４、トランジスタ１５の半導体層は、上記実施の形態１の構成と同
様に、いずれかの半導体層に酸化物半導体を用いる構成とすればよい。
【００６６】
次いで図３（Ａ）のフォトセンサ１１の動作について、図３（Ｂ）のタイミングチャー
トを用いて説明する。図３（Ｂ）において、信号５１〜信号５６はそれぞれ、図３（Ａ）
におけるフォトダイオードリセット信号線１６、ゲート信号線４２、ゲート信号線１７、
トランジスタ１４のゲート、フォトセンサ出力信号線２２、フォトセンサ選択信号線１９
の電位に相当する。
【００６７】
なお図３（Ｂ）に示すタイミングチャートは、リセット動作を行うリセット期間、電荷の
累積動作を行う累積期間、読み出し動作を行う読み出し期間を有する。時刻Ａから時刻Ｂ
までの期間がリセット期間に相当する。時刻Ｂから時刻Ｃまでの期間が累積期間に相当す
る。時刻Ｄから時刻Ｅまでの期間が読み出し期間に相当する。また時刻Ａから時刻Ｆまで
の期間が読み取り動作期間に相当する。
【００６８】
また図３（Ｂ）では、高電位の信号を”Ｈ”、低電位の信号を”Ｌ”として説明する。な
お図３（Ｂ）では、トランジスタのゲートに、低電位の信号が供給された場合にトランジ
スタが非導通状態となる。また図３（Ｂ）では、トランジスタのゲートに、高電位の信号
が供給された場合に電位の大きさに応じてトランジスタのソースとドレインとの間の抵抗
値が変化する導通状態となる。
【００６９】
時刻Ａにおいて、フォトダイオードリセット信号線１６の電位（信号５１）を”Ｈ”、
ゲート信号線４２の電位（信号５２）を”Ｈ”とする（リセット動作開始）と、フォトダ
イオード１３及びトランジスタ４１が導通し、トランジスタ１４のゲートの電位（信号５
４）が”Ｈ”となる。またゲート信号線１７（信号５３）を”Ｌ”としてトランジスタ１
５を非導通状態とする。また、フォトセンサ選択信号線１９の電位（信号５６）を一定の
電圧値とする（読み取り動作開始）と、トランジスタ１８のゲートに印加される電圧値に
応じてトランジスタ１８が抵抗素子として機能する。そしてトランジスタ１４、トランジ
スタ１５、及びトランジスタ１８をそれぞれ抵抗素子として機能させると、トランジスタ
１５が高抵抗状態となることで、フォトセンサ出力信号線２２の電位（信号５５）はフォ
トセンサ基準低電位電源線２１の電圧レベルと同程度の、低電圧の電圧レベルとなる。
【００７０】
時刻Ｂにおいて、フォトダイオードリセット信号線１６の電位（信号５１）を”Ｌ”、
ゲート信号線４２の電位（信号５２）を”Ｈ”のままとする（リセット動作終了、累積動
作開始）と、フォトダイオード１３は光の入射により光電流が増大し、入射光の量に応じ
てトランジスタ１４のゲートの電位（信号５４）は低下するように変化する。すなわち、
フォトダイオード１３は、入射光に応じてトランジスタ１４のゲートに電荷を供給する機
能を有し、トランジスタ１４のゲートの電位を低下させる。そして、トランジスタ１４の
ソースとドレインの間の抵抗値が変化する。またゲート信号線１７（信号５３）を”Ｌ”
としてトランジスタ１５を非導通状態とする。また、フォトセンサ選択信号線１９の電位
（信号５６）を一定の電圧値とすると、トランジスタ１８のゲートに印加される電圧値に
応じてトランジスタ１８が抵抗素子として機能する。そしてトランジスタ１４、トランジ
スタ１５、及びトランジスタ１８をそれぞれ抵抗素子として機能させると、トランジスタ
１５が高抵抗状態となることで、フォトセンサ出力信号線２２の電位（信号５５）はフォ
トセンサ基準低電位電源線２１の電圧レベルと同程度の、低電圧の電圧レベルとなる。
【００７１】
時刻Ｃに、ゲート信号線４２の電位（信号５２）を”Ｌ”にする（累積動作終了）と、ト
ランジスタ４１が非導通状態となる。すると、トランジスタ１４のゲートの電位（信号５
４）は一定となる。すなわち、トランジスタ１４のゲートに蓄積（累積）された電荷量が
一定となる。当該トランジスタ１４のゲートの電位（電荷量）は、累積動作中にフォトダ
イオードから生成された光電流の大きさにより決まる。すなわち、当該トランジスタ１４
のゲートの電位（電荷量）は、フォトダイオードに照射されていた光の強度に応じて変化
する。
【００７２】
なお、ゲート信号線４２の電位（信号５２）を”Ｌ”とする際に、ゲート信号線４２とト
ランジスタ１４のゲートとの間における寄生容量により、トランジスタ１４のゲートの電
位（電荷量）が変化する。上記寄生容量による電位（電荷量）の変化量が大きい場合は、
読み出しが正確に行えないことになる。上記寄生容量による電位（電荷量）の変化量を低
減するには、トランジスタ４１のゲート−ソース（もしくはゲート−ドレイン）間容量を
低減する、トランジスタ１４のゲート容量を増大する、ゲート信号線４２に保持容量を設
ける、などの対策が有効である。なお、図３（Ａ）、（Ｂ）では、これらの対策を施し、
上記寄生容量による電位（電荷量）の変化を無視できるとしている。
【００７３】
時刻Ｄに、ゲート信号線１７の電位（信号５３）を”Ｈ”にする（選択動作開始）と、ト
ランジスタ１５が導通状態となる。すると、フォトセンサ基準高電位電源線２０とフォト
センサ基準低電位電源線２１との間に設けられた、入射光に応じてソースとドレインとの
間の抵抗値が変化するトランジスタ１４と、フォトセンサ選択信号線１９により定電圧が
印加されることで抵抗値が設定されるトランジスタ１８との間で抵抗分割された電圧値が
フォトセンサ出力信号線２２で得られることとなる。ここで、フォトセンサ出力信号線２
２の電位（信号５５）は、トランジスタ１４のゲートの電位（信号５４）に依存する。す
なわち、累積動作中にフォトダイオード１３に照射される光の量に応じて変化する。した
がって、フォトセンサ出力信号線２２の電位を取得することで、累積動作中におけるフォ
トダイオード１３への入射光の量を知ることができる。
【００７４】
時刻Ｅにおいて、ゲート信号線１７の電位（信号５３）を”Ｌ”にする（選択動作終了）
と、トランジスタ１５が非導通状態となる。そして、フォトセンサ選択信号線１９の電位
（信号５６）を一定の電圧値とすると、トランジスタ１８のゲートに印加される電圧値に
応じてトランジスタ１８が抵抗素子として機能する。そしてトランジスタ１４、トランジ
スタ１５、及びトランジスタ１８をそれぞれ抵抗素子として機能させると、トランジスタ
１５が高抵抗状態となることで、フォトセンサ出力信号線２２の電位（信号５５）はフォ
トセンサ基準低電位電源線２１の電圧レベルと同程度の、低電圧の電圧レベルとなる。
【００７５】
時刻Ｆにおいて、フォトセンサ選択信号線１９の電位（信号５６）を一定の電圧値から、
トランジスタ１８を非導通状態とする電圧値にする（読み取り動作終了）。その結果、ト
ランジスタ１５、及びトランジスタ１８を共に非導通状態とすることで、フォトセンサ基
準高電位電源線２０と、フォトセンサ基準低電位電源線２１との間に流れる貫通電流を小
さくすることができる。
【００７６】
なおフォトセンサ選択信号線１９の電位（信号５６）は、少なくともゲート信号線１７の
電位（信号５３）が”Ｈ”の期間、すなわち選択動作の期間に”Ｈ”になっていればよく
、図３（Ｂ）でいえば、時刻Ａから時刻Ｄの期間、”Ｌ”としてもよい。
【００７７】
なお、フォトダイオード１３に照射されていた光の強度が大きい場合、ソースとドレイン
の間の抵抗値が大きくなる。そのため、フォトセンサ出力信号線２２の電位（信号５５）
は”Ｈ”から低下する割合が大きく、フォトセンサ基準低電位電源線２１の電位とほとん
ど変わらない値になる。そのため、光の強度が大きい場合、出力信号に応じた電位の変動
を識別できないことになる。この場合には、フォトセンサ選択信号線１９の電位（信号５
６）を下降させることで、トランジスタ１８のソースとドレインとの間の抵抗値を大きく
することにより、抵抗分割によるフォトセンサ出力信号線２２で入射光に応じた電圧値を
得ることができる。
【００７８】
前述の記載は、フォトダイオード１３に照射する光の強度が大きい場合について説明した
が、同様に、フォトダイオードに照射する光の強度が小さい場合についても応用すること
ができる。光が強い場合には、ソースとドレインとの間の抵抗値が小さくなる。そのため
、フォトセンサ出力信号線２２の電位は、フォトセンサ基準高電位電源線２０と概ね同一
になり、出力信号に応じた電位の変動を識別できないことになる。この場合には、フォト
センサ選択信号線１９の電位（信号５６）を上昇させることで、トランジスタ１８の抵抗
を小さくすることにより、抵抗分割によるフォトセンサ出力信号線２２で入射光に応じた
電圧値を得ることができる。
【００７９】
すなわち、本実施の形態では、上記実施の形態１と同様に、フォトセンサ選択信号線１９
の電位（信号５６）を上昇または下降させることで、トランジスタ１８のソースとドレイ
ンとの間の抵抗値を大きくすること、または小さくすることを容易に行うことができる。
そのため、強い光や弱い光による光の強度に対しても光を正確に電気信号に変換するフォ
トセンサをすることができる。従って広範囲の光強度に応じた電気信号を出力することが
できるフォトセンサを具備する半導体装置１０を提供することができる。
【００８０】
また本実施の形態の構成は、上記実施の形態１とは異なり、累積動作が終了した後も、各
フォトセンサにおけるトランジスタ１４のゲートの電位を一定値に保つことができる。具
体的には、トランジスタ４１の半導体層に酸化物半導体を用いて形成し、オフ電流が極め
て低いトランジスタとすることができる。そして、フォトセンサ１１は、入射光を正確に
電気信号に変換することができる。
【００８１】
以上のように、個々のフォトセンサの動作は、読み取り動作間において、リセット動作と
累積動作と選択動作とを繰り返すことで実現される。上述したように、トランジスタ１４
、トランジスタ１５、トランジスタ１８は、酸化物半導体を用いることで、オフ電流を極
めて小さくすることが好ましい。そして半導体装置１０は、非動作時における貫通電流を
低減することで、低消費電力化を図ることができる。
【００８２】
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【００８３】
（実施の形態３）
本実施の形態では、フォトセンサを具備する半導体装置である表示装置について図４乃
至図５を参照して説明する。
【００８４】
表示装置の構成について、図４を参照して説明する。表示装置１００は、画素回路１０
１、表示素子制御回路１０２及びフォトセンサ制御回路１０３を有する。
【００８５】
画素回路１０１は、行列方向にマトリクス状に配置された複数の画素１０４を有する。
各々の画素１０４は、表示素子１０５とフォトセンサ１０６を有する。全ての画素１０４
にフォトセンサを設けず、複数の画素毎に設けてもよい。また、画素１０４の外にフォト
センサを設けてもよい。
【００８６】
表示素子制御回路１０２は、表示素子１０５を制御する回路であり、信号線（「ビデオデ
ータ信号線」、「ソース信号線」ともいう）を介して表示素子１０５にビデオデータなど
の信号を入力する表示素子駆動回路１０７と、走査線（「ゲート信号線」ともいう）を介
して表示素子１０５に信号を入力する表示素子駆動回路１０８を有する。
【００８７】
フォトセンサ制御回路１０３は、フォトセンサ１０６を制御する回路であり、信号線側の
フォトセンサ読み出し回路１０９と、走査線側のフォトセンサ駆動回路１１０を有する。
【００８８】
図５に、画素１０４の回路構成の一例を示す。また、画素１０４に接続している読み出し
制御回路２００の構成の一例を示す。なお図５に示す画素におけるフォトセンサ１０６の
一例として、図３（Ａ）で説明したフォトセンサの構成を示している。読み出し制御回路
２００は、図３（Ａ）で説明したフォトセンサ読み出し回路の構成を示している。
【００８９】
画素１０４は、表示素子１０５と、フォトセンサ１０６とを有する。表示素子１０５は、
トランジスタ２０１、保持容量２０２及び液晶素子２０３を有する。
【００９０】
表示素子１０５において、トランジスタ２０１は、ゲートがゲート信号線２０８に、ソー
ス又はドレインの一方がビデオデータ信号線２１２に、ソース又はドレインの他方が保持
容量２０２の一方の電極と液晶素子２０３の一方の電極に接続されている。保持容量２０
２の他方の電極と液晶素子２０３の他方の電極は所定の電位が供給される共通の配線に接
続されている。液晶素子２０３は、一対の電極と、該一対の電極の間に液晶層を含む素子
である。
【００９１】
トランジスタ２０１は、液晶素子２０３と保持容量２０２への電荷の注入または排出を制
御する機能を有する。例えば、ゲート信号線２０８に高電位が与えられるとトランジスタ
２０１が導通状態となり、ビデオデータ信号線２１２の電位が液晶素子２０３と保持容量
２０２に与えられる。液晶素子２０３に電圧を印加して液晶素子２０３を透過する光の明
暗（階調）を作ることで、画像表示が実現される。保持容量２０２は、液晶素子２０３に
印加される電圧を保持する機能を有する。また、液晶素子２０３を有する表示装置１００
は、透過型、反射型または半透過型の構造とすることができる。
【００９２】
ビデオデータ信号線２１２は、図４に示す表示素子駆動回路１０７に接続される。表示素
子駆動回路１０７はビデオデータ信号線２１２を介して表示素子１０５に信号を供給する
回路である。ゲート信号線２０８は、図４に示す表示素子駆動回路１０８に接続される。
表示素子駆動回路１０８はゲート信号線２０８を介して表示素子１０５に信号を供給する
回路である。例えば、表示素子駆動回路１０８は、特定の行に配置された画素が有する表
示素子を選択する信号を供給する機能を有する。また、表示素子駆動回路１０７は、選択
された行の画素が有する表示素子に任意の電位を与える信号を供給する機能を有する。
【００９３】
トランジスタ２０１のチャネル形成領域を構成する半導体には、上記実施の形態で述べた
ように、酸化物半導体を用いる。酸化物半導体を用い、オフ電流が極めて小さいトランジ
スタとすることで、液晶素子２０３に印加される電圧の保持特性を高めることができ、表
示品質を高めることができる。加えてオフ電流が極めて小さいトランジスタであることを
利用して、リフレッシュレートを大幅に低減することにより、低消費電力化を図ることが
できる。
【００９４】
なお、ここでは、表示素子１０５が液晶素子を有する場合について説明したが、発光素子
などの他の素子を有していてもよい。発光素子は、電流または電圧によって輝度が制御さ
れる素子であり、具体的には発光ダイオード、ＯＬＥＤ（Ｏｒｇａｎｉｃ Ｌｉｇｈｔ
Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）等が挙げられる。
【００９５】
フォトセンサ１０６は、フォトダイオード２０４、トランジスタ２０５（第１のトランジ
スタともいう）、トランジスタ２０６（第３のトランジスタともいう）、トランジスタ２
０７（第２のトランジスタともいう）を有する。
【００９６】
フォトセンサ１０６において、フォトダイオード２０４は、一方の電極がフォトダイオー
ドリセット信号線２１０に、他方の電極がトランジスタ２０７のソース又はドレインの一
方に接続されている。トランジスタ２０５は、ソース又はドレインの一方がフォトセンサ
基準信号線２１３に、ソース又はドレインの他方がトランジスタ２０６のソース又はドレ
インの一方に接続されている。トランジスタ２０６は、ゲートがゲート信号線２１１に、
ソース又はドレインの他方がフォトセンサ出力信号線２１４に接続されている。トランジ
スタ２０７は、ゲートがゲート信号線２０９に接続されている。またトランジスタ２０７
は、ソース又はドレインの他方がトランジスタ２０５のゲート（ノード２１５）に接続さ
れている。
【００９７】
ゲート信号線２０９、フォトダイオードリセット信号線２１０、ゲート信号線２１１は、
図４に示すフォトセンサ駆動回路１１０に接続される。フォトセンサ駆動回路１１０は、
特定の行に配置された画素が有するフォトセンサ１０６に対して、後述するリセット動作
と累積動作と読み出し動作とを行う機能を有する。
【００９８】
フォトセンサ出力信号線２１４、フォトセンサ基準信号線２１３は、図４に示すフォトセ
ンサ読み出し回路１０９に接続される。フォトセンサ読み出し回路１０９は、選択された
行の画素が有するフォトセンサ１０６の出力信号を読み出す機能を有する。
【００９９】
なお、フォトセンサ読み出し回路１０９は、アナログ信号であるフォトセンサの出力を、
オペアンプを用いてアナログ信号のまま外部に取り出す構成や、Ａ／Ｄ変換回路を用いて
デジタル信号に変換してから外部に取り出す構成を有することができる。
【０１００】
なお本実施の形態のフォトセンサ１０６で示す、フォトダイオード２０４、トランジスタ
２０５、トランジスタ２０６、トランジスタ２０７については、上記実施の形態１及び２
で説明した、フォトダイオード１３、トランジスタ１４、トランジスタ１５、トランジス
タ４１と同様であり、上述の説明と同様である。また、本実施の形態の読み出し制御回路
２００で示す、トランジスタ２１６については、上記実施の形態１及び２で説明した、ト
ランジスタ１８と同様であり、上述の説明と同様である。
【０１０１】
これにより、広範囲の光強度に応じた電気信号を出力することができるフォトセンサ１０
６を提供することができる。すなわち、強い光や弱い光に対しても光を正確に電気信号に
変換することが可能となる。
【０１０２】
従って本実施の形態で示す構成は、上述したように、各トランジスタに酸化物半導体を用
いることで、オフ電流を極めて小さくする。そして半導体装置１０は、非動作時における
貫通電流を低減することで、低消費電力化を図ることができる。また上述したように、各
トランジスタに酸化物半導体を用い、オフ電流を極めて小さくすることで、トランジスタ
のゲートに蓄積された電荷を保持する機能を向上させることができる。そのため、フォト
センサは、入射光を正確に電気信号に変換することが可能となる。
【０１０３】
なお、本実施の形態では、表示機能を有し、フォトセンサを有する表示装置について説明
したが、表示機能を有さないフォトセンサを有する半導体装置にも容易に応用できる。す
なわち、本実施の形態における表示装置１００から、表示に要する回路、具体的には、表
示素子制御回路１０２、表示素子１０５を取り除いたものを用いて、半導体装置を構成す
ることができる。フォトセンサを有する半導体装置としては、例えば、スキャナ、或いは
デジタルスチルカメラなどの電子機器に用いられる撮像装置が挙げられる。
【０１０４】
本実施の形態によれば、広範囲の光強度に対して高分解能での撮像機能を実現できる安価
な表示装置もしくは半導体装置を提供することができる。
【０１０５】
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【０１０６】
（実施の形態４）
本実施の形態では、複数のフォトセンサを用いた場合の駆動方法について説明する。
【０１０７】
まず、図６に示すタイミングチャートのような駆動方法を図３（Ａ）に示したフォトセ
ンサに適用して考える。図６は、第１行、第２行、第３行のフォトセンサにおけるフォト
ダイオードリセット信号線１６に各々入力される信号６０１、信号６０２、信号６０３と
、第１行、第２行、第３行のフォトセンサにおけるゲート信号線４２に各々入力される信
号６０４、信号６０５、信号６０６と、第１行、第２行、第３行のフォトセンサにおける
ゲート信号線１７に各々入力される信号６０７、信号６０８、信号６０９と、フォトセン
サ選択信号線１９に入力される信号６２１の信号波形を示すタイミングチャートである。
期間６１０は、１回の撮像に要する期間である。また、期間６１１、期間６１２、期間６
１３は、第２行のフォトセンサが、各々リセット動作、累積動作、選択動作を行っている
期間である。このように、各行のフォトセンサを順に駆動していくことで、撮像が可能に
なる。
【０１０８】
ここで、各行のフォトセンサにおける累積動作について、時間的なズレが生じているこ
とがわかる。すなわち、各行のフォトセンサにおける撮像の同時性が損なわれる。そのた
め、撮像画像にブレが生じることになる。特に、第１行から第３行の方向に高速に移動す
る被検出物に対しては、尾を引くように、拡大されたような形状の撮像画像になり、逆方
向に移動する被検出物に対しては、縮小されたような形状の撮像画像になるなど、形状が
歪みやすい。
【０１０９】
各行のフォトセンサにおける累積動作に時間的なズレを生じさせないためには、各行の
フォトセンサを順に駆動する周期を短くすることが有効である。しかしながら、この場合
、フォトセンサの出力信号をオペアンプもしくはＡ／Ｄ変換回路で非常に高速度で取得す
る必要がある。したがって、消費電力の増大を招く。特に、高解像度の画像を取得する場
合には、非常に困難となる。
【０１１０】
そこで、図７に示すタイミングチャートのような駆動方法を提案する。図７は、第１行
、第２行、第３行のフォトセンサにおけるフォトダイオードリセット信号線１６に各々入
力される信号７０１、信号７０２、信号７０３と、第１行、第２行、第３行のフォトセン
サにおけるゲート信号線４２に各々入力される信号７０４、信号７０５、信号７０６と、
第１行、第２行、第３行のフォトセンサにおけるゲート信号線１７に各々入力される信号
７０７、信号７０８、信号７０９と、フォトセンサ選択信号線１９に入力される信号７２
１の信号波形を示すタイミングチャートである。期間７１０は、１回の撮像に要する期間
である。また、期間７１１、期間７１２、期間７１３は、第２行のフォトセンサが、各々
リセット動作（他の行でも共通）、累積動作（他の行でも共通）、選択動作を行っている
期間である。
【０１１１】
図７において、図６と異なるのは、全行のフォトセンサについて、リセット動作と累積
動作とが共通の時間に行われ、累積動作終了後に累積動作とは非同期に、各行で順に選択
動作を行う点である。累積動作を共通の期間にすることで、各行のフォトセンサにおける
撮像の同時性が確保され、高速に移動する被検出物に対しても、ブレが少ない画像を容易
に得ることができる。累積動作を共通にすることで、各フォトセンサのフォトダイオード
リセット信号線１６の駆動回路を共通にすることができる。また、各フォトセンサのゲー
ト信号線４２の駆動回路も共通にすることができる。このように駆動回路を共通にするこ
とは、周辺回路の削減や低消費電力化に有効である。さらに、選択動作を各行で順次行う
ことで、フォトセンサの出力信号を取得する際に、オペアンプもしくはＡ／Ｄ変換回路の
動作速度を遅くすることが可能である。その際、選択動作に要する合計の時間を、累積動
作に要する時間より長くすることが好ましい。特に、高解像度の画像を取得する場合には
、非常に有効である。
【０１１２】
なお、図７では、各行のフォトセンサを順次駆動する駆動方法について、タイミングチ
ャートを示したが、特定の領域における画像を取得するために、特定の行におけるフォト
センサのみを順次駆動する駆動方法も有効である。これにより、オペアンプもしくはＡ／
Ｄ変換回路の動作を軽減し、消費電力を低減しながら、必要な画像を取得することができ
る。また、数行おきにフォトセンサを駆動する駆動方法も有効である。すなわち、複数の
フォトセンサの一部を駆動させる。これにより、オペアンプもしくはＡ／Ｄ変換回路の動
作を軽減し、消費電力を低減しながら、必要な解像度の画像を取得することができる。
【０１１３】
以上のような駆動方法を実現するためには、累積動作が終了した後も、各フォトセンサ
におけるトランジスタ１４のゲートの電位を一定に保つ必要がある。したがって、図３（
Ａ）で説明したように、トランジスタ４１は、酸化物半導体を用いて形成され、オフ電流
が極めて小さいことが好ましい。
【０１１４】
以上のような形態とすることで、高速で移動する被検出物に対してもブレが少なく、高
解像度の撮像が実現でき、且つ低消費電力の表示装置又は半導体装置を提供することがで
きる。
【０１１５】
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。
【０１１６】
（実施の形態５）
本実施の形態では、フォトセンサを有する半導体装置の構造及び作製方法について説明
する。図８に半導体装置の断面図を示す。なお、表示装置を構成する場合も、以下の半導
体装置を用いることができる。
【０１１７】
図８に、フォトセンサを有する半導体装置の断面の一例を示す。図８に示すフォトセンサ
を有する半導体装置では、絶縁表面を有する基板５０１（ＴＦＴ基板）上に、フォトダイ
オード５０２、トランジスタ５４０、トランジスタ５０３、液晶素子５０５が設けられて
いる。
【０１１８】
トランジスタ５０３、トランジスタ５４０上には酸化物絶縁層５３１、保護絶縁層５３２
、層間絶縁層５３３、層間絶縁層５３４が設けられている。フォトダイオード５０２は、
層間絶縁層５３３上に設けられ、層間絶縁層５３３上に形成した電極層５４１と、層間絶
縁層５３４上に設けられた電極層５４２との間に、層間絶縁層５３３側から順に第１半導
体層５０６ａ、第２半導体層５０６ｂ、及び第３半導体層５０６ｃを積層した構造を有し
ている。
【０１１９】
電極層５４１は、層間絶縁層５３４に形成された電極層５４３と電気的に接続し、電極層
５４２は電極層５４１を介してゲート電極層５４５と電気的に接続している。ゲート電極
層５４５は、トランジスタ５４０のゲート電極層と電気的に接続しており、フォトダイオ
ード５０２はトランジスタ５４０と電気的に接続している。
【０１２０】
フォトセンサを有する半導体装置に含まれる酸化物半導体層を用いるトランジスタ５０３
、トランジスタ５４０は、その電気的特性変動を抑止するため、変動要因となる水素、水
分、水酸基又は水素化物（水素化合物ともいう）などの不純物を酸化物半導体層より意図
的に排除し、かつ不純物の排除工程によって同時に減少してしまう酸化物半導体を構成す
る主成分材料である酸素を供給することによって、酸化物半導体層を高純度化及び電気的
にＩ型（真性）化する。
【０１２１】
よって酸化物半導体中の水素及びキャリアは少なければ少ないほどよく、トランジスタ５
０３、トランジスタ５４０は、酸化物半導体に含まれる水素が５×１０１９／ｃｍ３以下
、好ましくは５×１０１８／ｃｍ３以下、より好ましくは５×１０１７／ｃｍ３以下、ま
たは５×１０１６／ｃｍ３未満として、酸化物半導体に含まれる水素をゼロに近くなるよ
うに極力除去し、キャリア濃度を５×１０１４／ｃｍ３未満、好ましくは５×１０１２／
ｃｍ３以下とした酸化物半導体層でチャネル形成領域が形成される。
【０１２２】
酸化物半導体中にキャリアが極めて少ない（ゼロに近い）ため、トランジスタ５０３、５
４０では、オフ電流が少なければ少ないほど好ましい。オフ電流とは、−１Ｖ〜−１０Ｖ
の間のいずれかのゲート電圧を印加した場合にトランジスタのソース、ドレイン間を流れ
る電流のことであり、本明細書に開示する酸化物半導体を用いたトランジスタは、チャネ
ル幅（ｗ）が１μｍあたりの電流値が１００ａＡ／μｍ以下、好ましくは１０ａＡ／μｍ
以下、さらに好ましくは１ａＡ／μｍ以下である。さらに、ｐｎ接合がなく、ホットキャ
リア劣化がないため、トランジスタの電気的特性がこれらによる影響を受けない。
【０１２３】
従って、上記酸化物半導体層を用いたトランジスタ５０３、トランジスタ５４０はオフ電
流が極めて小さく、安定な電気特性を有する信頼性の高いトランジスタである。
【０１２４】
トランジスタ５０３、トランジスタ５４０に含まれる酸化物半導体膜としては、四元系金
属酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜や、三元系金属酸化物であるＩｎ−Ｇａ−
Ｚｎ−Ｏ膜、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ
膜、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系や、二元系金属酸化物であるＩｎ
−Ｚｎ−Ｏ膜、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ膜、Ｚｎ−Ｍｇ−Ｏ膜、Ｓｎ−Ｍｇ−
Ｏ膜、Ｉｎ−Ｍｇ−Ｏ膜や、Ｉｎ−Ｏ膜、Ｓｎ−Ｏ膜、Ｚｎ−Ｏ膜などの酸化物半導体膜
を用いることができる。また、上記酸化物半導体膜にＳｉＯ２を含んでもよい。
【０１２５】
また、酸化物半導体膜は、ＩｎＭＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０）で表記される薄膜を用いる
ことができる。ここで、Ｍは、Ｇａ、Ａｌ、ＭｎおよびＣｏから選ばれた一または複数の
金属元素を示す。例えばＭとして、Ｇａ、Ｇａ及びＡｌ、Ｇａ及びＭｎ、またはＧａ及び
Ｃｏなどがある。ＩｎＭＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍ＞０）で表記される構造の酸化物半導体膜
のうち、ＭとしてＧａを含む構造の酸化物半導体を、上記したＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ酸化
物半導体とよび、その薄膜をＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ非単結晶膜ともよぶこととする。
【０１２６】
ここでは、第１半導体層５０６ａとしてｐ型の導電型を有する半導体層、第２半導体層５
０６ｂとして高抵抗な半導体層（ｉ型半導体層）、第３半導体層５０６ｃとしてｎ型の導
電型を有する半導体層を積層するｐｉｎ型のフォトダイオードを例示している。
【０１２７】
第１半導体層５０６ａ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ことができる。第１半導体層５０６ａ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、Ｓ
ｉ２Ｈ６、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半導体層５０６ａの膜厚は１０ｎｍ以上５
０ｎｍ以下となるよう形成することが好ましい。
【０１２８】
第２半導体層５０６ｂ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半導体層５０６ｂ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、Ｓ
ｉＣｌ４、ＳｉＦ４等を用いてもよい。第２半導体層５０６ｂ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半導体層５０６ｂの膜厚は２
００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下となるように形成することが好ましい。
【０１２９】
第３半導体層５０６ｃ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半導体層５０６ｃ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半導体層５０６ｃ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。
【０１３０】
また、第１半導体層５０６ａ、第２半導体層５０６ｂ、及び第３半導体層５０６ｃ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、微結晶（セミアモ
ルファス（Ｓｅｍｉ Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ：ＳＡＳ））半
導体を用いて形成してもよい。
【０１３１】
微結晶半導体は、ギブスの自由エネルギーを考慮すれば非晶質と単結晶の中間的な準安定
状態に属するものである。すなわち、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。柱状または針状結晶が基板表面に対し
て法線方向に成長している。微結晶半導体の代表例である微結晶シリコンは、そのラマン
スペクトルが単結晶シリコンを示す５２０ｃｍ−１よりも低周波数側にシフトしている。
即ち、単結晶シリコンを示す５２０ｃｍ−１とアモルファスシリコンを示す４８０ｃｍ−
１の間に微結晶シリコンのラマンスペクトルのピークがある。また、未結合手（ダングリ
ングボンド）を終端するため水素またはハロゲンを１原子％またはそれ以上含ませている
。さらに、ヘリウム、アルゴン、クリプトン、ネオンなど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微結晶半導体膜が得られる。
【０１３２】
この微結晶半導体膜は、周波数が数十ＭＨｚ〜数百ＭＨｚの高周波プラズマＣＶＤ法、ま
たは周波数が１ＧＨｚ以上のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置により形成することができる
。代表的には、ＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、Ｓ
ｉＦ４などの水素化珪素を水素で希釈して形成することができる。また、水素化珪素及び
水素に加え、ヘリウム、アルゴン、クリプトン、ネオンから選ばれた一種または複数種の
希ガス元素で希釈して微結晶半導体膜を形成することができる。これらのときの水素化珪
素に対して水素の流量比を５倍以上２００倍以下、好ましくは５０倍以上１５０倍以下、
更に好ましくは１００倍とする。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等を混入させてもよ
い。
【０１３３】
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、ｐ
ｉｎ型のフォトダイオードが形成されている基板５０１の面からフォトダイオード５０２
が光を受け、その光を電気信号に変換する例を示す。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。
【０１３４】
液晶素子５０５は、画素電極５０７と、液晶５０８と、対向電極５０９とを有する。画素
電極５０７は、基板５０１上に形成されており、トランジスタ５０３とは導電膜５１０を
介して電気的に接続されている。また、対向電極５０９は、基板５１３（対向基板）上に
形成されており、画素電極５０７と対向電極５０９の間に、液晶５０８が挟まれている。
トランジスタ５０３は実施の形態１におけるトランジスタ２０１に対応する。
【０１３５】
画素電極５０７と対向電極５０９の間のセルギャップは、スペーサー５１６を用いて制御
することが出来る。図８では、フォトリソグラフィーで選択的に形成された柱状のスペー
サー５１６を用いてセルギャップを制御しているが、球状のスペーサーを画素電極５０７
と対向電極５０９の間に分散させることで、セルギャップを制御することも出来る。
【０１３６】
また液晶５０８は、基板５０１と基板５１３の間において、封止材により囲まれている。
液晶５０８の注入は、ディスペンサ式（滴下式）を用いても良いし、ディップ式（汲み上
げ式）を用いていても良い。
【０１３７】
画素電極５０７には、透光性を有する導電性材料、例えばインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）
、酸化珪素を含むインジウム錫酸化物（ＩＴＳＯ）、有機インジウム、有機スズ、酸化亜
鉛（ＺｎＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）を含むインジウム亜鉛酸化物（ＩＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ
Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ））、ガリウム（Ｇａ）を含む酸化亜鉛、酸化スズ（ＳｎＯ２）
、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などを
用いることができる。また、導電性高分子（導電性ポリマーともいう）を含む導電性組成
物を用いて形成することができる。導電性高分子としては、いわゆるπ電子共役系導電性
高分子が用いることができる。例えば、ポリアニリンまたはその誘導体、ポリピロールま
たはその誘導体、ポリチオフェンまたはその誘導体、若しくはアニリン、ピロールおよび
チオフェンの２種以上からなる共重合体若しくはその誘導体等が挙げられる。
【０１３８】
また、本実施の形態では、透過型の液晶素子５０５を例に挙げているので、画素電極５０
７と同様に、対向電極５０９にも上述した透光性を有する導電性材料を用いることが出来
る。
【０１３９】
画素電極５０７と液晶５０８の間には配向膜５１１が、対向電極５０９と液晶５０８の間
には配向膜５１２が、それぞれ設けられている。配向膜５１１、配向膜５１２はポリイミ
ド、ポリビニルアルコールなどの有機樹脂を用いて形成することができ、その表面には、
ラビングなどの、液晶分子を一定方向に配列させるための配向処理が施されている。ラビ
ングは、配向膜に圧力をかけながら、ナイロンなどの布を巻いたローラーを回転させて、
上記配向膜の表面を一定方向に擦ることで、行うことが出来る。なお、酸化珪素などの無
機材料を用い、配向処理を施すことなく、蒸着法で配向特性を有する配向膜５１１、配向
膜５１２を直接形成することも可能である。
【０１４０】
また、液晶素子５０５と重なるように、特定の波長領域の光を通すことができるカラーフ
ィルタ５１４が、基板５１３上に形成されている。カラーフィルタ５１４は、顔料を分散
させたアクリル系樹脂などの有機樹脂を基板５１３上に塗布した後、フォトリソグラフィ
ーを用いて選択的に形成することができる。また、顔料を分散させたポリイミド系樹脂を
基板５１３上に塗布した後、エッチングを用いて選択的に形成することもできる。或いは
、インクジェットなどの液滴吐出法を用いることで、選択的にカラーフィルタ５１４を形
成することもできる。
【０１４１】
また、フォトダイオード５０２と重なるように、光を遮蔽することが出来る遮蔽膜５１５
が、基板５１３上に形成されている。遮蔽膜５１５を設けることで、基板５１３を透過し
てタッチパネル内に入射したバックライトからの光が、直接フォトダイオード５０２に当
たるのを防ぐことができる他、画素間における液晶５０８の配向の乱れに起因するディス
クリネーションが視認されるのを防ぐことができる。遮蔽膜５１５には、カーボンブラッ
ク、二酸化チタンよりも酸化数が小さい低次酸化チタンなどの黒色顔料を含む有機樹脂を
用いることができる。また、クロムを用いた膜で、遮蔽膜５１５を形成することも可能で
ある。
【０１４２】
また、基板５０１の画素電極５０７が形成されている面とは反対の面に、偏光板５１７を
設け、基板５１３の対向電極５０９が形成されている面とは反対の面に、偏光板５１８を
設ける。
【０１４３】
酸化物絶縁層５３１、保護絶縁層５３２、層間絶縁層５３３、層間絶縁層５３４としては
、絶縁性材料を用いて、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）等の方法や、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
ーター等を用いて形成することができる。
【０１４４】
酸化物絶縁層５３１としては、酸化シリコン層、酸化窒化シリコン層、酸化アルミニウム
層、又は酸化窒化アルミニウム層などの酸化物絶縁層の単層、又は積層を用いることがで
きる。
【０１４５】
保護絶縁層５３２としては、無機絶縁材料である、窒化シリコン層、窒化酸化シリコン層
、窒化アルミニウム層、又は窒化酸化アルミニウム層などの窒化物絶縁層の単層、又は積
層を用いることができる。またμ波（２．４５ＧＨｚ）を用いた高密度プラズマＣＶＤは
、緻密で絶縁耐圧の高い高品質な絶縁層を形成できるので好ましい。
【０１４６】
層間絶縁層５３３、５３４としては、表面凹凸を低減するため平坦化絶縁膜として機能す
る絶縁層が好ましい。層間絶縁層５３３、５３４としては、例えばポリイミド、アクリル
、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絶縁材料を用い
ることができる。また上記有機絶縁材料の他に、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）等の単層、又は積
層を用いることができる。
【０１４７】
バックライトからの光は、矢印５２０で示すように基板５１３、液晶素子５０５を通って
、基板５０１側にある被検出物５２１に照射される。そして、被検出物５２１において反
射された光は、矢印５２２で示すように、フォトダイオード５０２に入射する。
【０１４８】
液晶素子は、ＴＮ（Ｔｗｉｓｔｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ）型の他、ＶＡ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ
Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）型、ＯＣＢ（Ｏｐｔｉｃａｌｌｙ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ Ｂ
ｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）型、ＩＰＳ（Ｉｎ−Ｐｌａｎｅ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）型な
どであっても良い。また、配向膜を用いないブルー相を示す液晶を用いてもよい。
【０１４９】
なお、本実施の形態では、画素電極５０７と対向電極５０９の間に液晶５０８が挟まれて
いる構造を有する液晶素子５０５を例に挙げて説明したが、本発明の一態様に係る半導体
装置はこの構成に限定されない。ＩＰＳ型のように、一対の電極が、共に基板５０１側に
形成されている液晶素子であっても良い。
【０１５０】
以上のような形態とすることで、高速動作による撮像が可能な半導体装置を提供すること
ができる。
【０１５１】
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。
【０１５２】
（実施の形態６）
本発明の一態様に係る半導体装置は、タッチパネルとして応用可能である。タッチパネル
は、表示装置、ノート型パーソナルコンピュータ、記録媒体を備えた画像再生装置（代表
的にはＤＶＤ：Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃなどの記録媒体を再生し
、その画像を表示しうるディスプレイを有する装置）に用いることができる。その他に、
本発明の一態様に係るタッチパネルを用いることができる電子機器として、携帯電話、携
帯型ゲーム機、携帯情報端末、電子書籍、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、ゴーグ
ル型ディスプレイ（ヘッドマウントディスプレイ）、ナビゲーションシステム、音響再生
装置（カーオーディオ、デジタルオーディオプレイヤーなど）、複写機、ファクシミリ、
プリンター、プリンター複合機、現金自動預け入れ払い機（ＡＴＭ）、自動販売機などが
挙げられる。
【０１５３】
本実施の形態では、本発明の一態様に係るタッチパネルを用いた電子機器の一例を、図９
を参照して説明する。
【０１５４】
図９（Ａ）は表示装置であり、筐体５００１、表示部５００２、支持台５００３などを有
する。本発明の一態様に係るタッチパネルは、表示部５００２に用いることができる。表
示部５００２に本発明の一態様に係るタッチパネルを用いることで、高分解能である撮像
データの取得を行うことができ、より高機能のアプリケーションが搭載された表示装置を
提供することができる。なお、表示装置には、パーソナルコンピュータ用、ＴＶ放送受信
用、広告表示用などの全ての情報表示用表示装置が含まれる。
【０１５５】
図９（Ｂ）は携帯情報端末であり、筐体５１０１、表示部５１０２、スイッチ５１０３、
操作キー５１０４、赤外線ポート５１０５などを有する。本発明の一態様に係るタッチパ
ネルは、表示部５１０２に用いることができる。表示部５１０２に本発明の一態様に係る
タッチパネルを用いることで、高分解能である撮像データの取得を行うことができ、より
高機能のアプリケーションが搭載された携帯情報端末を提供することができる。
【０１５６】
図９（Ｃ）は現金自動預け入れ払い機であり、筐体５２０１、表示部５２０２、硬貨投入
口５２０３、紙幣投入口５２０４、カード投入口５２０５、通帳投入口５２０６などを有
する。本発明の一態様に係るタッチパネルは、表示部５２０２に用いることができる。表
示部５２０２に本発明の一態様に係るタッチパネルを用いることで、高分解能である撮像
データの取得を行うことができ、より高機能のアプリケーションが搭載された現金自動預
け入れ払い機を提供することができる。そして、本発明の一態様に係るタッチパネルを用
いた現金自動預け入れ払い機は、指紋、顔、手形、掌紋及び手の静脈の形状、虹彩などの
、生体認証に用いられる生体情報の読み取りを、より高精度で行うことが出来る。よって
、生体認証における、本人であるにもかかわらず本人ではないと誤認識してしまう本人拒
否率と、他人であるにもかかわらず本人と誤認識してしまう他人受入率とを、低く抑える
ことができる。
【０１５７】
図９（Ｄ）は携帯型ゲーム機であり、筐体５３０１、筐体５３０２、表示部５３０３、表
示部５３０４、マイクロホン５３０５、スピーカー５３０６、操作キー５３０７、スタイ
ラス５３０８などを有する。本発明の一態様に係るタッチパネルは、表示部５３０３また
は表示部５３０４に用いることができる。表示部５３０３または表示部５３０４に本発明
の一態様に係るタッチパネルを用いることで、高分解能である撮像データの取得を行うこ
とができ、より高機能のアプリケーションが搭載された携帯型ゲーム機を提供することが
できる。なお、図９（Ｄ）に示した携帯型ゲーム機は、２つの表示部５３０３、表示部５
３０４を有しているが、携帯型ゲーム機が有する表示部の数は、これに限定されない。
【０１５８】
本実施の形態は、上記実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【符号の説明】
【０１５９】
１０ 半導体装置
１１ フォトセンサ
１２ 読み出し制御回路
１３ フォトダイオード
１４ トランジスタ
１５ トランジスタ
１６ フォトダイオードリセット信号線
１７ ゲート信号線
１８ トランジスタ
１９ フォトセンサ選択信号線
２０ フォトセンサ基準高電位電源線
２１ フォトセンサ基準低電位電源線
２２ フォトセンサ出力信号線
３１ 信号
３２ 信号
３３ 信号
３４ 信号
３５ 信号
４１ トランジスタ
４２ ゲート信号線
５１ 信号
５１ 信号
５２ 信号
５３ 信号
５４ 信号
５５ 信号
５６ 信号
１００ 表示装置
１０１ 画素回路
１０２ 表示素子制御回路
１０３ フォトセンサ制御回路
１０４ 画素
１０５ 表示素子
１０６ フォトセンサ
１０７ 表示素子駆動回路
１０８ 表示素子駆動回路
１０９ フォトセンサ読み出し回路
１１０ フォトセンサ駆動回路
２００ 読み出し制御回路
２０１ トランジスタ
２０２ 保持容量
２０３ 液晶素子
２０４ フォトダイオード
２０５ トランジスタ
２０６ トランジスタ
２０７ トランジスタ
２０８ ゲート信号線
２０９ ゲート信号線
２１０ フォトダイオードリセット信号線
２１１ ゲート信号線
２１２ ビデオデータ信号線
２１３ フォトセンサ基準信号線
２１４ フォトセンサ出力信号線
２１５ ノード
２１６ トランジスタ
５０１ 基板
５０２ フォトダイオード
５０３ トランジスタ
５０５ 液晶素子
５０６ａ 半導体層
５０６ｂ 半導体層
５０６ｃ 半導体層
５０７ 画素電極
５０８ 液晶
５０９ 対向電極
５１０ 導電膜
５１１ 配向膜
５１２ 配向膜
５１３ 基板
５１４ カラーフィルタ
５１５ 遮蔽膜
５１６ スペーサー
５１７ 偏光板
５１８ 偏光板
５２０ 矢印
５２１ 被検出物
５２２ 矢印
５３１ 酸化物絶縁層
５３２ 保護絶縁層
５３３ 層間絶縁層
５３４ 層間絶縁層
５４０ トランジスタ
５４１ 電極層
５４２ 電極層
５４３ 電極層
５４５ ゲート電極層
６０１ 信号
６０２ 信号
６０３ 信号
６０４ 信号
６０５ 信号
６０６ 信号
６０７ 信号
６０８ 信号
６０９ 信号
６１０ 期間
６１１ 期間
６１２ 期間
６１３ 期間
６２１ 信号
７０１ 信号
７０２ 信号
７０３ 信号
７０４ 信号
７０５ 信号
７０６ 信号
７０７ 信号
７０８ 信号
７０９ 信号
７１０ 期間
７１１ 期間
７１２ 期間
７１３ 期間
７２１ 信号
５００１ 筐体
５００２ 表示部
５００３ 支持台
５１０１ 筐体
５１０２ 表示部
５１０３ スイッチ
５１０４ 操作キー
５１０５ 赤外線ポート
５２０１ 筐体
５２０２ 表示部
５２０３ 硬貨投入口
５２０４ 紙幣投入口
５２０５ カード投入口
５２０６ 通帳投入口
５３０１ 筐体
５３０２ 筐体
５３０３ 表示部
５３０４ 表示部
５３０５ マイクロホン
５３０６ スピーカー
５３０７ 操作キー
５３０８ スタイラス
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォトセンサと、読み出し制御回路と、を有し、
前記フォトセンサは、フォトダイオードと、第１のトランジスタと、第２のトランジスタと、を有し、
前記読み出し制御回路は、第３のトランジスタを有し、
前記第１のトランジスタのゲートは、前記フォトダイオードの一方の電極と電気的に接続され、
前記第１のトランジスタのソース又はドレインの一方は、前記第２のトランジスタのソース又はドレインの一方と電気的に接続され、
前記第２のトランジスタのソース又はドレインの他方は、前記第３のトランジスタのソース又はドレインの一方と電気的に接続され、
前記第１のトランジスタと前記第２のトランジスタとの少なくとも一方、及び前記第３のトランジスタは、酸化物半導体層を有し、
前記第３のトランジスタのゲートに印加される電位を入射光に応じて変更し、前記第３のトランジスタの抵抗値を変更することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
フォトセンサと、読み出し制御回路と、を有し、
前記フォトセンサは、フォトダイオードと、第１のトランジスタと、第２のトランジスタと、を有し、
前記読み出し制御回路は、第３のトランジスタを有し、
前記第１のトランジスタのゲートは、前記フォトダイオードの一方の電極と電気的に接続され、
前記第１のトランジスタのソース又はドレインの一方は、前記第２のトランジスタのソース又はドレインの一方と電気的に接続され、
前記第１のトランジスタのソース又はドレインの他方は、前記第３のトランジスタのソース又はドレインの一方と電気的に接続され、
前記第１のトランジスタと前記第２のトランジスタとの少なくとも一方、及び前記第３のトランジスタは、酸化物半導体層を有し、
前記第３のトランジスタのゲートに印加される電位を入射光に応じて変更し、前記第３のトランジスタの抵抗値を変更することを特徴とする半導体装置。
【請求項１】
フォトセンサと、読み出し制御回路と、を有し、
前記フォトセンサは、フォトダイオードと、第１のトランジスタと、第２のトランジスタと、を有し、
前記読み出し制御回路は、第３のトランジスタを有し、
前記第１のトランジスタのゲートは、前記フォトダイオードの一方の電極と電気的に接続され、
前記第１のトランジスタのソース又はドレインの一方は、前記第２のトランジスタのソース又はドレインの一方と電気的に接続され、
前記第２のトランジスタのソース又はドレインの他方は、前記第３のトランジスタのソース又はドレインの一方と電気的に接続され、
前記第１のトランジスタと前記第２のトランジスタとの少なくとも一方、及び前記第３のトランジスタは、酸化物半導体層を有し、
前記第３のトランジスタのゲートに印加される電位を入射光に応じて変更し、前記第３のトランジスタの抵抗値を変更することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
フォトセンサと、読み出し制御回路と、を有し、
前記フォトセンサは、フォトダイオードと、第１のトランジスタと、第２のトランジスタと、を有し、
前記読み出し制御回路は、第３のトランジスタを有し、
前記第１のトランジスタのゲートは、前記フォトダイオードの一方の電極と電気的に接続され、
前記第１のトランジスタのソース又はドレインの一方は、前記第２のトランジスタのソース又はドレインの一方と電気的に接続され、
前記第１のトランジスタのソース又はドレインの他方は、前記第３のトランジスタのソース又はドレインの一方と電気的に接続され、
前記第１のトランジスタと前記第２のトランジスタとの少なくとも一方、及び前記第３のトランジスタは、酸化物半導体層を有し、
前記第３のトランジスタのゲートに印加される電位を入射光に応じて変更し、前記第３のトランジスタの抵抗値を変更することを特徴とする半導体装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−２５６９１４（Ｐ２０１２−２５６９１４Ａ）
【公開日】平成２４年１２月２７日（２０１２．１２．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１６９４５２（Ｐ２０１２−１６９４５２）
【出願日】平成２４年７月３１日（２０１２．７．３１）
【分割の表示】特願２０１１−４９１０１（Ｐ２０１１−４９１０１）の分割
【原出願日】平成２３年３月７日（２０１１．３．７）
【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２４年１２月２７日（２０１２．１２．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年７月３１日（２０１２．７．３１）
【分割の表示】特願２０１１−４９１０１（Ｐ２０１１−４９１０１）の分割
【原出願日】平成２３年３月７日（２０１１．３．７）
【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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