単純化された光センシング回路、前記光センシング回路を含む光センシング装置、前記光センシング装置を駆動する方法、及び前記光センシング装置を含む画像取得装置及び光タッチスクリーン装置
【課題】単純化された光センシング回路、前記光センシング回路を含む光センシング装置、前記光センシング装置を駆動する方法、及び前記光センシング装置を含む画像取得装置及び光タッチスクリーン装置を提供する。
【解決手段】単純化された光センシング回路、前記光センシング回路を含む光センシング装置、前記光センシング装置を駆動する方法、及び前記光センシング装置を含む画像取得装置及び光タッチスクリーン装置において、前記光センシング回路は、光センシング素子としての役割と、データを引き出すための駆動回路の役割とを同時に遂行する光応答性酸化物半導体トランジスタを画素ごとに一つずつ含む。これにより、前記光センシング回路は、１つの画素内に多数のトランジスタを含む複雑な回路構造を有する必要がなく、これによって、光センシング回路の構造及び動作が簡単になる。
【解決手段】単純化された光センシング回路、前記光センシング回路を含む光センシング装置、前記光センシング装置を駆動する方法、及び前記光センシング装置を含む画像取得装置及び光タッチスクリーン装置において、前記光センシング回路は、光センシング素子としての役割と、データを引き出すための駆動回路の役割とを同時に遂行する光応答性酸化物半導体トランジスタを画素ごとに一つずつ含む。これにより、前記光センシング回路は、１つの画素内に多数のトランジスタを含む複雑な回路構造を有する必要がなく、これによって、光センシング回路の構造及び動作が簡単になる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単純化された光センシング回路、前記光センシング回路を含む光センシング装置、前記光センシング装置を駆動する方法、及び前記光センシング装置を含む画像取得装置及び光タッチスクリーン装置に係り、さらに詳細には、光を感知することができる酸化物半導体トランジスタ（ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を光センシング素子として利用して回路構造を単純化した光センシング回路、前記光センシング回路を含む光センシング装置、前記光センシング装置を駆動する方法、及び前記光センシング装置を含む画像取得装置及び光タッチスクリーン装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
タッチスクリーン装置とは、ディスプレイ画面の特定位置に、ユーザの手やペンが接触すれば、その位置を把握して、ソフトウェアによって特定処理を行うことができるように、画面で直接に資料入力の可能な装置をいう。このために、タッチスクリーン装置は、一般的なディスプレイパネルにタッチパネルという装置を付け加え、その機能を発揮させる。タッチパネルには、圧力式抵抗膜方式、接触式静電容量方式、表面弾性波（ＳＡＷ：ｓｕｒｆａｃｅ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｗａｖｅ）方式、赤外線光感知方式及び圧電方式などの多様な種類がある。このようなタッチスクリーン装置は、最近キーボードやマウスを代替することができる入力装置として、多様な分野で広く使われている。
【０００３】
これまで広く使われているタッチスクリーン装置は、手やペンなどを利用して、ディスプレイ装置の画面に直接触れる方式である。しかし、ディスプレイ装置が次第に大型化され、ユーザとディスプレイ装置との距離が遠くなる場合には、このような直接タッチ方式を適用し難くなる。このために、手やペンの接触の代わりに、光を感知して、既存のタッチスクリーンと同じ機能を遂行することができる光タッチスクリーン装置が提案されている。光タッチスクリーン装置は、ユーザと端末機との意思疎通だけではなく、ユーザとユーザとの意思疎通にも有利であると期待されている。
【０００４】
光タッチスクリーン装置を具現化するためには、光を感知することができる微細サイズの光センシング素子が要求される。一般的に広く使用される光センシング素子としては、非晶質シリコン薄膜トランジスタ（ａ−Ｓｉ ＴＦＴ（ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ））がある。ところで、ａ−Ｓｉ ＴＦＴの場合、光による電流変化が十分に大きくない。従って、光が印加され、フォトダイオードで発生した電荷を、一定時間キャパシタに蓄積した後、キャパシタに蓄積された電荷量から光度に係わる信号を発生させる。このようにキャパシタを使用する場合、キャパシタに電荷を蓄積する時間によってセンシング時間が遅延し、光タッチスクリーン装置の面積が大きくなるほど、寄生キャパシタンスが増加しうる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、センシング素子として酸化物半導体トランジスタを利用する光センシング回路、前記光センシング回路を含む光センシング装置、前記光センシング装置を駆動する方法、及び前記光センシング装置を含む画像取得装置及び光タッチスクリーン装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一類型による光センシング回路は、酸化物半導体材料をチャネル層の材料として使用した酸化物半導体トランジスタを含み、前記酸化物半導体トランジスタは、光を感知するための光センシング素子の役割と、光センシングデータを出力するためのスイッチの役割と、を同時に遂行することができる。
【０００７】
一実施形態によれば、前記光センシング回路は、前記酸化物半導体トランジスタのゲートに連結され、ゲート電圧を提供するゲートラインと、前記酸化物半導体トランジスタのドレインに連結され、駆動電圧を提供する駆動電圧ラインと、前記酸化物半導体トランジスタのソースに連結され、データを出力するためのデータラインと、をさらに含んでもよい。
【０００８】
前記ゲートラインを介して、前記酸化物半導体トランジスタの前記ゲートに提供される前記ゲート電圧は、例えば、前記酸化物半導体トランジスタの光入射時の第１スレショルド電圧より低い第１電圧、前記酸化物半導体トランジスタの光入射時の第１スレショルド電圧と、光非入射時の第２スレショルド電圧との間の第２電圧、及び正（＋）の第３電圧のうちいずれか一つであってもよい。
【０００９】
他の実施形態によれば、前記光センシング回路は、前記酸化物半導体トランジスタのゲートとドレインとに同時に連結され、ゲート電圧を提供するゲートラインと、前記酸化物半導体トランジスタのソースに連結され、データを出力するためのデータラインと、をさらに含んでもよい。
【００１０】
一実施形態によれば、前記酸化物半導体トランジスタは、基板と、前記基板上に部分的に配置されたゲートと、少なくとも前記ゲートの周囲を覆うように、前記基板及び前記ゲートの上に配置されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上で、前記ゲートと対向するように配置されたチャネル層と、前記チャネル層の両側を覆うように配置されたソース及びドレインと、前記ソース、前記ドレイン及び前記チャネル層を覆うように配置された透明絶縁層と、を含み、前記チャネル層は、酸化物半導体材料からなってもよい。
【００１１】
また、前記酸化物半導体トランジスタは、前記ソースに対する電気的連結のために、前記透明絶縁層を貫通して前記ソースに連結された第１伝導性プラグと、前記第１伝導性プラグと電気的に接触するように、前記透明絶縁層上に形成された第１コンタクトと、前記ドレインに対する電気的連結のために、前記透明絶縁層を貫通して前記ドレインに連結された第２伝導性プラグと、前記第２伝導性プラグと電気的に接触するように、前記透明絶縁層上に形成された第２コンタクトと、をさらに含んでもよい。
【００１２】
他の実施形態によれば、前記酸化物半導体トランジスタは、基板と、前記基板上に配置されたチャネル層と、前記チャネル層の中心領域に部分的に配置されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上で、前記チャネル層と対向して配置されたゲートと、前記チャネル層上で、前記ゲートの両側にそれぞれ離れて配置されたソース及びドレインと、前記ゲート、前記ソース及び前記ドレインを覆うように配置された透明絶縁層と、を含み、前記チャネル層は、酸化物半導体材料からなってもよい。
【００１３】
前記酸化物半導体材料は、例えば、ＺｎＯ、ＩｎＯ、ＳｎＯ、ＩｎＺｎＯ、ＺｎＳｎＯまたはＩｎＳｎＯを含んでもよく、または前記ＺｎＯ、ＩｎＯ、ＳｎＯ、ＩｎＺｎＯ、ＺｎＳｎＯまたはＩｎＳｎＯに、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｇａ、Ｎｂ、Ｖ、Ａｌ及びＳｎのうち、少なくとも１つの材料が追加して混合された材料を含んでもよい。
【００１４】
また、本発明の他の類型による光センシング装置は、多数の行及び多数の列で配列された多数の光センシング画素を有する光センシング画素アレイと、それぞれの前記光センシング画素にゲート電圧とリセット信号とを提供するように、行方向に沿って配列された多数のゲートラインを有するゲートドライバと、を含み、それぞれの前記光センシング画素は、光を感知するための光センシング素子の役割と、光センシングデータを出力するためのスイッチの役割と、を共に遂行する酸化物半導体トランジスタを含んでもよい。
【００１５】
例えば、前記ゲートドライバは、行方向に沿って順次に、前記酸化物半導体トランジスタに前記ゲート電圧を印加した後、あらゆる前記酸化物半導体トランジスタに一度に前記リセット信号を印加するように構成されてもよい。
【００１６】
一実施形態で、前記ゲートドライバは、前記酸化物半導体トランジスタの光入射時の第１スレショルド電圧より低い第１電圧、前記酸化物半導体トランジスタの光入射時の第１スレショルド電圧と、光非入射時の第２スレショルド電圧との間の第２電圧、及び正（＋）の第３電圧をそれぞれの前記酸化物半導体トランジスタに提供することができる。
【００１７】
一実施形態で、前記ゲートドライバは、前記第１電圧、前記第２電圧、前記第１電圧及び前記第３電圧の順序で、それぞれの前記酸化物半導体トランジスタに前記ゲート電圧を提供し、前記第３電圧は、前記酸化物半導体トランジスタをリセットさせる前記リセット信号であってもよい。
【００１８】
それぞれの前記ゲートラインは、同じ行に沿って配列されている前記光センシング画素に連結されてもよい。
【００１９】
１行に沿って配列された前記光センシング画素の前記酸化物半導体トランジスタのゲートには、前記行に対応する前記ゲートラインが連結されてもよい。
【００２０】
前記光センシング装置は、それぞれの前記光センシング画素から光センシング信号を受けてデータ信号を出力する、列方向に沿って配列された多数のデータラインを有する信号出力部をさらに含んでもよい。
【００２１】
例えば、１列に沿って配列された前記光センシング画素の前記酸化物半導体トランジスタのソースには、前記列に対応する前記データラインが連結されてもよい。
【００２２】
また、前記信号出力部は、前記光センシング画素からのアナログ出力信号をデジタル信号に変換するためのＡ／Ｄ変換器と、前記デジタル出力信号を臨時に保存するためのバッファと、特定列の前記光センシング画素からの出力を選択するためのカラムスキャナと、を含んでもよい。
【００２３】
一方、本発明の一類型によれば、前述の光センシング回路を画素内に含む画像取得装置が提供される。
【００２４】
また、本発明の他の類型によれば、前述の光センシング装置を含む画像取得装置が提供される。
【００２５】
また、本発明のさらに他の類型によれば、画像を表示するディスプレイ装置と、前記ディスプレイ装置の画面上に付着されたものであり、前述の光センシング回路を画素内に含む光タッチパネルと、前記光タッチパネルに光信号を提供する光源装置と、を含む光タッチスクリーン装置が提供される。
【００２６】
また、本発明のさらに他の類型によれば、画像を表示するディスプレイ装置と、前記ディスプレイ装置の画面上に付着されたものであり、前述の光センシング装置を含む光タッチパネルと、前記光タッチパネルに光信号を提供する光源装置と、を含む光タッチスクリーン装置が提供される。
【００２７】
また、本発明のさらに他の類型による光センシング装置の動作方法は、光を感知するための光センシング素子の役割と、光センシングデータを出力させるためのスイッチの役割と、を共に遂行する酸化物半導体トランジスタのゲートに、負（−）の第１電圧、前記第１電圧より高い負（−）の第２電圧、第１電圧、及び正（＋）の第３電圧を順次に印加する段階を含んでもよい。
【００２８】
例えば、前記第１電圧は、前記酸化物半導体トランジスタの光入射時の第１スレショルド電圧より低い電圧であり、前記第２電圧は、前記酸化物半導体トランジスタの光入射時の第１スレショルド電圧と、光非入射時の第２スレショルド電圧との間の電圧であってもよい。
【００２９】
ここで、前記第３電圧は、前記酸化物半導体トランジスタをリセットさせるリセット信号であってもよい。
【００３０】
前記光センシング装置の動作方法は、前記酸化物半導体トランジスタのゲートに第２電圧が印加されている間、前記酸化物半導体トランジスタのドレインとソースとの間に流れる電流を測定する段階をさらに含んでもよい。
【００３１】
また、本発明のさらに他の類型による光センシング装置の動作方法は、光を感知するための光センシング素子の役割と、光センシングデータを出力させるためのスイッチの役割と、を共に遂行する酸化物半導体トランジスタを含み、多数の行及び多数の列で配列された多数の光センシング画素のうち、いずれか１行に配列された前記光センシング画素の前記酸化物半導体トランジスタのゲートに、負（−）の第２電圧を印加し、残りの行に配列された前記酸化物半導体トランジスタのゲートに、前記第２電圧より低い負（−）の第１電圧を印加する段階と、後続する次の行に配列された前記光センシング画素の前記酸化物半導体トランジスタの前記ゲートに前記第２電圧を順次に印加し、残りの行に配列された前記光センシング画素の前記酸化物半導体トランジスタの前記ゲートに前記第１電圧を印加する段階と、あらゆる行に対して順次に前記第２電圧の印加を完了した後、あらゆる行に配列された前記光センシング画素の前記酸化物半導体トランジスタの前記ゲートに同時に正（＋）の第３電圧を印加する段階と、を含んでもよい。
【発明の効果】
【００３２】
本発明の光センシング装置の１つである光センシング画素は、単に１つの酸化物半導体トランジスタのみを含んでもよい。このような光センシング装置において、酸化物半導体トランジスタは、光センシング素子としての役割を行うだけではなく、光センシング信号を出力するための駆動回路の役割も共に遂行することができる。従って、本発明の光センシング装置は、１つの画素内に多数のトランジスタを含む複雑な回路構造を有する必要がない。その代わりに、１画素内に単に１つの酸化物半導体トランジスタのみが配置される。それによって、光センシング装置の構造及び動作が簡単になる。また、このように単純化された光センシング装置を採用した光タッチスクリーン装置は、回路構造が単純であるために、大型化にも適する。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】光センシング素子として使用される一実施形態による酸化物半導体トランジスタの例示的な構造を概略的に示す断面図である。
【図２】光センシング素子として使用される他の実施形態による酸化物半導体トランジスタの例示的な構造を概略的に示す断面図である。
【図３】図１及び図２に図示された酸化物半導体トランジスタの動作特性を例示的に示すグラフである。
【図４】図１及び図２に図示された酸化物半導体トランジスタの動作特性を例示的に示すグラフである。
【図５】一実施形態による光センシング回路の例示的な構造を図示する回路図である。
【図６】図５に図示された光センシング回路で、酸化物半導体トランジスタの動作特性及び駆動方式を例示的に説明する図面である。
【図７】図５に図示された光センシング回路を含む一実施形態による光センシング装置の構造を概略的に示すブロック図である。
【図８】図７に図示された光センシング装置の光センシング画素アレイの例示的な回路構造を概略的に示す図面である。
【図９】図７の光センシング装置の駆動方法を示すタイミング図である。
【図１０】他の実施形態による光センシング回路の例示的な構造を図示する回路図である。
【図１１】図１０に図示された光センシング回路で、酸化物半導体トランジスタの動作特性及び駆動方式を例示的に説明する図面である。
【図１２】図７に図示された光センシング装置を光タッチパネルとして使用する一実施形態による光タッチスクリーン装置の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下、添付された図面を参照しつつ、単純化された光センシング回路、前記光センシング回路を含む光センシング装置、前記光センシング装置を駆動する方法、及び前記光センシング装置を含む画像取得装置及び光タッチスクリーン装置について詳細に説明する。以下の図面で同じ参照符号は、同じ構成要素を指し、図面上で各構成要素のサイズは、説明の明瞭さ及び便宜さのために誇張されていることがある。
【００３５】
酸化物半導体トランジスタは、チャネルの材料として酸化物半導体を使用するトランジスタを意味する。このような酸化物半導体トランジスタは、チャネル層として使用される酸化物半導体の材料によって、光によって電気的な特性が変化する光応答特性を有することができる。光応答特性を有する酸化物半導体材料を、チャネル層として使用する場合、酸化物半導体トランジスタは、入射光の波長や光量によって、スレショルド電圧及びドレイン電流が変わる光応答特性があるために、光センシング素子として活用される。
【００３６】
図１は、一実施形態による酸化物半導体トランジスタの例示的な構造を概略的に示す断面図である。図１を参照すれば、酸化物半導体トランジスタ１０は、基板１１、前記基板１１上に全体的に配置された絶縁層１２、前記絶縁層１２上に部分的に配置されたゲート１３、少なくとも前記ゲート１３の周囲を覆うように、絶縁層１２及びゲート１３の上に配置されたゲート絶縁膜１４、前記ゲート絶縁膜１４上で、ゲート１３と対向するように配置されたチャネル層１５、前記チャネル層１５の両側を覆うように配置されたソース１６及びドレイン１７、並びに前記ソース１６、ドレイン１７及びチャネル層１５を全体的に覆うように配置された透明絶縁層１８を含んでもよい。また、酸化物半導体トランジスタ１０は、ソース１６に対する電気的連結のために、透明絶縁層１８を貫通してソース１６に連結された第１伝導性プラグ２１、前記第１伝導性プラグ２１と電気的に接触するように、透明絶縁層１８上に形成された第１コンタクト２３、ドレイン１７に対する電気的連結のために、透明絶縁層１８を貫通してドレイン１７に連結された第２伝導性プラグ２２、及び前記第２伝導性プラグ２２と電気的に接触するように、透明絶縁層１８上に形成された第２コンタクト２４をさらに含んでもよい。
【００３７】
ここで、基板１１は、ガラスまたはシリコンのような一般的な基板材料を使用することができる。絶縁層１２、ゲート絶縁膜１４、及び透明絶縁層１８は、例えば、ＳｉＯ２のような材料を使用することができる。もし基板１１自体が絶縁性材料からなるものであるならば、前記基板１１上の絶縁層１２は、省略されてもよい。また、ゲート１３、ソース１６及びドレイン１７は、伝導性金属または伝導性金属酸化物を使用することができる。例えば、光応答性酸化物半導体トランジスタ１０が、ディスプレイパネル上に付着される光タッチパネルに使用される場合、前記ゲート１３、ソース１６及びドレイン１７は、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）のような透明伝導性材料からなってもよい。しかし、酸化物半導体トランジスタ１０が透明なものであることが要求されない場合には、基板１１、絶縁層１２、ゲート１３、ゲート絶縁膜１４、ソース１６及びドレイン１７の材料が必ずしも透明である必要はない。ただし、上部の透明絶縁層１８のみチャネル層１５に光を導くために透明である必要がある。
【００３８】
一方、チャネル層１５は、前述のように、酸化物半導体材料からなってもよい。チャネル層１５として使用される酸化物半導体材料の選択によって、酸化物半導体トランジスタ１０は、光によって電気的な特性が変化する光応答特性を有することができる。例えば、そのような酸化物半導体チャネル層の材料として、ＺｎＯ、ＩｎＯ、ＳｎＯ、ＩｎＺｎＯ、ＺｎＳｎＯ、ＩｎＳｎＯのような酸化物半導体材料を使用することができる。また、前述の酸化物半導体材料に、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｇａ、Ｎｂ、Ｖ、Ａｌ、Ｓｎなどの材料が一つ以上追加して混合された材料を使用することもできる。このような材料をチャネル層１５として使用する場合、図１に図示された酸化物半導体トランジスタ１０は、入射光の波長や光量によって、スレショルド電圧及びドレイン電流が変わる光応答特性があるために、光センシング素子として活用される。チャネル層１５は、単一の酸化物半導体層からなってもよいが、多層構造からなってもよい。
【００３９】
図１には、ゲートがチャネルの下方に配置されている下部ゲート構造の酸化物半導体トランジスタ１０が図示されている。しかし、上部ゲート構造の酸化物半導体トランジスタを利用して、光センシング素子を提供することも可能である。図２は、上部ゲート構造の酸化物半導体トランジスタ３０の例示的な構造を概略的に示す断面図である。
【００４０】
図２を参照すれば、上部ゲート構造を有する酸化物半導体トランジスタ３０は、例えば、基板３１、前記基板３１上に配置されたチャネル層３２、前記チャネル層３２の中心領域に部分的に配置されたゲート絶縁膜３３、前記ゲート絶縁膜３３上で、前記チャネル層３２と対向して配置されたゲート３４、前記チャネル層３２上で、前記ゲート３４の両側にそれぞれ離れて配置されたソース３５及びドレイン３６、並びにゲート３４、ソース３５及びドレイン３６を全体的に覆うように配置された透明絶縁層３７を含んでもよい。図２に図示された上部ゲート構造の酸化物半導体トランジスタ３０の場合、光がチャネル層３２に入射するように、ゲート３４、ソース３５及びドレイン３６は、ＩＴＯのように透明な伝導性材料からなってもよい。また、図２に図示された酸化物半導体トランジスタ３０も、第１伝導性プラグ２１、第１コンタクト２３、第２伝導性プラグ２２及び第２コンタクト２４をさらに含んでもよい。
【００４１】
図３及び図４は、図１及び図２に図示された酸化物半導体トランジスタ１０、３０の動作特性を例示的に示すグラフである。まず図３は、酸化物半導体トランジスタ１０、３０のゲート電圧Ｖｇｓに対するドレイン電流Ｉｄｓの特性を示すものであり、光が入射していないとき（ｄａｒｋ）と、光が入射したとき（ｌｉｇｈｔ）との酸化物半導体トランジスタ１０、３０のドレイン電流：ゲート電圧（Ｉｄｓ−Ｖｇｓ）特性を示している。図３を参照すれば、酸化物半導体トランジスタ１０、３０に光が入射すれば、スレショルド電圧が全体的に負の方向に移動するということが分かる。例えば、酸化物半導体トランジスタ１０、３０に光が入射していないとき、酸化物半導体トランジスタ１０、３０のスレショルド電圧は、Ｖｔｈ２であるが、光が入射すれば、スレショルド電圧は、Ｖｔｈ１に変わる。従って、スレショルド電圧Ｖｔｈ１とＶｔｈ２との間のゲート電圧Ｖ２が酸化物半導体トランジスタ１０、３０に印加される場合、光が入射していないとき（ｄａｒｋ）は、酸化物半導体トランジスタ１０、３０がＯＦＦ状態になって低いドレイン電流が流れ、光が入射するとき（ｌｉｇｈｔ）は、ＯＮ状態になって高いドレイン電流が流れる。一方、スレショルド電圧Ｖｔｈ１及びＶｔｈ２より低いゲート電圧Ｖ１が酸化物半導体トランジスタ１０、３０に印加される場合、光の入射の有無と係わりなく、酸化物半導体トランジスタ１０、３０は、常にＯＦＦ状態となる。また、スレショルド電圧Ｖｔｈ１及びＶｔｈ２より高いゲート電圧Ｖ３が酸化物半導体トランジスタ１０、３０に印加される場合、光の入射の有無と係わりなく、酸化物半導体トランジスタ１０、３０は、常にＯＮ状態となる。
【００４２】
従って、酸化物半導体トランジスタ１０、３０に、Ｖ２のゲート電圧を印加した状態で、ドレイン電流を測定することにより光の入射の有無を判断することができる。
【００４３】
特に、酸化物半導体トランジスタ１０、３０の場合、光が入射したときのドレイン電流と、光が入射していないときのドレイン電流との電流比（ＩＯＮ／ＩＯＦＦ）が約４．８ （ｌｏｇ１０（１０−７．２／１０−１２））であり、かなり大きいことが分かる。このような特性を有する酸化物半導体トランジスタ１０、３０を光センシング素子として活用する場合、さまざまなメリットを有することができる。例えば、酸化物半導体トランジスタ１０、３０の光応答性が高いために、酸化物半導体トランジスタ１０、３０を光センシング素子として活用する場合、光センシング画素の回路構造を大きく単純化させることができる。一般的なシリコン・フォトダイオードの場合、電流比が比較的小さいために、光が印加され、フォトダイオードで発生した電荷を、一定時間キャパシタに蓄積した後、キャパシタに蓄積された電荷量から光度に係わる信号を発生させる。従って、キャパシタに蓄積された電荷を光度信号に変換して出力するための別途のデータ出力及びスイッチング駆動回路が必要である。このために、１つの光センシング画素ごとに、フォトダイオード、キャパシタ及び少なくとも１つの薄膜トランジスタが配置される。一般的に、ノイズなしに信号を増幅及び出力するために、１つの光センシング画素内に、３〜５個の薄膜トランジスタが使用される。しかし、図１及び図２に図示された酸化物半導体トランジスタ１０、３０の場合、光敏感度が非常に高いために、キャパシタを用いて一定時間電荷を蓄積する必要がない。また、酸化物半導体トランジスタ１０、３０は、フォトダイオードとは異なり、それ自体でスイッチング機能を遂行することができるために、別途のデータ出力及びスイッチング駆動回路を使用しなくともよい。これにより、酸化物半導体トランジスタ１０、３０を使用する光センシング装置の大面積化が可能になるだけではなく、駆動速度の向上及び消費電力の節減が可能になる。
【００４４】
また図４は、酸化物半導体トランジスタ１０、３０に光が入射した後の経時的なドレイン電流の変化を示すグラフであり、スレショルド電圧Ｖｔｈ１とＶｔｈ２との間の電圧Ｖ２（例えば、−５Ｖ）が酸化物半導体トランジスタ１０、３０に印加されている場合である。図４を参照すれば、約４０秒の時点で酸化物半導体トランジスタ１０、３０に光が入射するとドレイン電流が増加する。しかし、約５５秒の時点で光の入射が中断したにもかかわらず、ドレイン電流はほとんど減少せず、光の入射時と類似した状態を維持している。すなわち、酸化物半導体トランジスタ１０、３０は、光の入射の有無に係わる一種の記憶機能を有する。このような現象は、酸化物半導体トランジスタ１０、３０のチャネル層１５、３２内部またはその界面に、電荷がトラップされて発生すると理解される。例えば、光と共に、負のゲート電圧が酸化物半導体トランジスタ１０、３０に印加されれば、チャネル層１５、３２内部で光によって生成された正孔が、ゲート絶縁膜１４、３３とチャネル層１５、３２との界面に移動してトラップされる。このようにトラップされた電荷は、十分に大きい正（＋）の電圧がゲートに印加されるまで除去されない。従って、いったん電荷がトラップされた後には、光の入射が中断された後にも、ドレイン電流が低くならない。このような現象は、十分に大きい正（＋）のゲート電圧を酸化物半導体トランジスタ１０、３０に印加して、トラップされた電荷を除去すれば消える。
【００４５】
図５は、以上のような原理によって構成した一実施形態による光センシング回路５０の例示的な構造を図示する回路図である。図５を参照すれば、光センシング回路５０は、光応答性を有するただ１つの酸化物半導体トランジスタ１０、３０、前記酸化物半導体トランジスタ１０、３０のゲートに連結されるゲートラインＧＡＴＥ、前記酸化物半導体トランジスタ１０、３０のドレインに連結される駆動電圧ラインＶｄｄ、及び酸化物半導体トランジスタ１０、３０のソースに連結されるデータラインＤＡＴＡを含む。このような構造を有する本実施形態による光センシング回路５０は、以下の説明のように、ただ１つの酸化物半導体トランジスタ１０だけでも、光センシング動作とスイッチング動作とがいずれも可能である。図５には、便宜上、１画素の光センシング回路５０だけ図示されている。しかし実際には、後述するように、多数のゲートラインＧＡＴＥと、多数のデータラインＤＡＴＡとに沿って、多数の画素のための多数の光センシング回路５０が配列されてもよい。
【００４６】
図６は、図５に図示された光センシング回路５０で、酸化物半導体トランジスタ１０、３０の動作特性及び駆動方式を例示的に説明するための図面である。図６を参照すれば、まず待機状態で、光入射時の第１スレショルド電圧Ｖｔｈ１より低い負（−）の第１電圧Ｖ１が、ゲートラインＧＡＴＥを介して酸化物半導体トランジスタ１０、３０のゲートに印加される。それにより、酸化物半導体トランジスタ１０、３０は、光の入射の有無と係わりなく、常にＯＦＦ状態にある。その結果、酸化物半導体トランジスタ１０、３０のドレインからソースに電流が流れない。従って、その間には、データラインＤＡＴＡに電流がほとんど流れない。
【００４７】
次に、光センシング信号の出力のために、光入射時の第１スレショルド電圧Ｖｔｈ１と、光非入射時の第２スレショルド電圧Ｖｔｈ２との間にある負（−）の第２電圧Ｖ２がゲートラインＧＡＴＥを介して酸化物半導体トランジスタ１０、３０のゲートに印加される。ここで、第２電圧Ｖ２は、第１電圧Ｖ１より高い。このとき、図６に図示されているように、酸化物半導体トランジスタ１０、３０は、光が入射する場合には、ＯＮ状態になり、光が入射していない場合には、ＯＦＦ状態になる。従って、この間に、酸化物半導体トランジスタ１０、３０に光が入射すれば、ドレインからソースに電流が流れる。すなわち、光センシング回路５０の駆動電圧ラインＶｄｄからデータラインＤＡＴＡに電流が流れる。ここで、データラインＤＡＴＡに流れる電流の量は、入射光の光量に比例しうる。従って、第２電圧Ｖ２が酸化物半導体トランジスタ１０、３０のゲートに印加されている間、データラインＤＡＴＡに流れる電流を測定することによって、光の入射の有無及び入射光の光量を計算することができる。特に、光応答性を高めるために、第２電圧Ｖ２は、第１スレショルド電圧Ｖｔｈ１と第２スレショルド電圧Ｖｔｈ２との間で、第２スレショルド電圧Ｖｔｈ２に近いように選択されてもよい。光センシング信号の出力が完了すれば、ゲートラインＧＡＴＥを介して、第１電圧Ｖ１を酸化物半導体トランジスタ１０、３０のゲートに再び印加する。それにより、酸化物半導体トランジスタ１０、３０は、光の入射の有無と係わりなくＯＦＦ状態になる。
【００４８】
前述のように、酸化物半導体トランジスタ１０、３０は、光がいったん入射してしまえば、光の入射が中断された後にも、ドレイン電流が低くならない。従って、光センシング信号の出力後、次の光センシング動作のためには、十分に高い電圧のゲート電圧を酸化物半導体トランジスタ１０、３０に印加し、酸化物半導体トランジスタ１０、３０をリセットさせる動作を遂行する。例えば、図６を参照すれば、ゲートラインＧＡＴＥを介して十分に大きい正の第３電圧Ｖ３を酸化物半導体トランジスタ１０、３０のゲートに印加する。それにより、酸化物半導体トランジスタ１０、３０がリセットされ、次の光センシング動作を遂行する。その後には、次の光センシング動作が始まるまで、第１電圧Ｖ１を酸化物半導体トランジスタ１０、３０のゲートにさらに印加して待機状態にある。
【００４９】
前述のような原理を利用し、多数のゲートラインＧＡＴＥに順次に第２電圧Ｖ２を提供すれば、特定の行内に配列された画素のうち、どの画素に光が印加されるかが分かる。前述の通り、本実施形態による光センシング回路５０は、ただ１つの酸化物半導体トランジスタ１０、３０だけで、光センシングとデータ出力とがいずれも可能である。すなわち、酸化物半導体トランジスタ１０、３０は、光センシング素子としての役割と、駆動回路の役割と、を同時に遂行することができる。従って、図５に図示されているような非常に単純化された光センシング回路５０を提供することが可能である。
【００５０】
このような光センシング回路５０は、光タッチスクリーン装置や画像取得装置のような光センシング装置の各画素構造に採用されて使用される。図７は、図５に図示された光センシング回路５０を含む一実施形態による光センシング装置１００の構造を概略的に示すブロック図である。図７を参照すれば、一実施形態による光センシング装置１００は、入射光を感知する多数の光センシング画素１２１を有する光センシング画素アレイ１２０、それぞれの光センシング画素１２１に、ゲート電圧とリセット信号とを選択的に提供するゲートドライバ１１０、及びそれぞれの光センシング画素１２１から光センシング信号を受けてデータ信号を出力する信号出力部１３０を含んでもよい。図７に図示されているように、光センシング画素アレイ１２０内の光センシング画素１２１は、多数の行（ｒｏｗ）と多数の列（ｃｏｌｕｍｎ）とによって配列されてもよい。例えば、光センシング画素１２１は、ｎ行の行とｍ列の列とを有するアレイの形態に配列される。それぞれの光センシング画素１２１は、図５に図示されているように、ただ１つの酸化物半導体トランジスタ１０、３０からなってもよい。また、信号出力部１３０は、光センシング画素１２１からのアナログ出力信号をデジタル信号に変換するためのＡ／Ｄ変換器（ＡＤＣ）１３１、デジタル出力信号を臨時に保存するためのバッファ１３２、及び特定列の光センシング画素１２１から出力を選択するためのカラムスキャナ１３３を含んでもよい。
【００５１】
図８は、図７に図示された光センシング装置１００の光センシング画素アレイ１２０の例示的な回路構造を概略的に示している。例えば、図８を参照すれば、それぞれの光センシング画素１２１には、図５に図示された光センシング回路５０が配置されていると図示されている。しかし、図５に図示された光センシング回路５０の代わりに、後述する図１０に図示された光センシング回路６０がそれぞれの光センシング画素１２１内に配置されることも可能である。
【００５２】
図７及び図８を参照すれば、ゲートドライバ１１０は、それぞれの光センシング画素１２１を個別に活性化させ、それぞれの光センシング画素１２１から光センシング信号が出力されるように制御する役割を行う。このために、ゲートドライバ１１０は、行方向に沿って配列された多数のゲートラインＧＡＴＥ１、ＧＡＴＥ２、…を含んでもよい。それぞれのゲートラインは、同じ行に配列されているあらゆる光センシング画素１２１内の酸化物半導体トランジスタ１０、３０のゲートに連結されてもよい。例えば、第１ゲートラインＧＡＴＥ１は、最初の行に配列されているあらゆる光センシング画素１２１内の酸化物半導体トランジスタ１０、３０のゲートに連結され、第２ゲートラインＧＡＴＥ２は、２行目に配列されているあらゆる光センシング画素１２１内の酸化物半導体トランジスタ１０、３０のゲートに連結されてもよい。
【００５３】
信号出力部１３０は、それぞれの光センシング画素１２１から発生する光センシング信号を受けてデータ信号を出力する役割を行う。このために、信号出力部１３０は、列方向に沿って配列された多数のデータラインＤａｔａ１、Ｄａｔａ２、…を含んでもよい。それぞれのデータラインＤａｔａ１、Ｄａｔａ２、…は、同じ列に配列されているあらゆる光センシング画素１２１内の酸化物半導体トランジスタ１０、３０のソースに連結されてもよい。例えば、第１データラインＤａｔａ１は、最初の列に配列されているあらゆる光センシング画素１２１内の酸化物半導体トランジスタ１０、３０のソースに連結され、第２データラインＤａｔａ２は、２列目に配列されているあらゆる光センシング画素１２１内の酸化物半導体トランジスタ１０、３０のソースに連結されてもよい。このような構造とすれば、信号出力部１３０は、同じ行に配列されている多数の光センシング画素１２１から発生したあらゆる光センシング信号を、多数のデータラインＤａｔａ１、Ｄａｔａ２、…を介して同時に受信することができる。例えば、第１ゲートラインＧＡＴＥ１に、Ｖ２のゲート電圧が印加される場合、最初の行に配列されている光センシング画素１２１から発生したあらゆる光センシング信号が、同時に信号出力部１３０に入力される。
【００５４】
信号出力部１３０は、それらの光センシング信号をデジタルデータ信号に変換した後、１列ずつ順次に出力するように構成されてもよい。例えば、それぞれの光センシング画素１２１からの出力は、それぞれのデータラインＤＡＴＡに沿って、Ａ／Ｄ変換器１３１に提供される。ここで、光センシング画素１２１からの信号は、光入射時には大きい強度を有し、光非入射時には、ほぼ０に近い小さい強度を有する。このときの信号は、アナログ信号であるために、前記Ａ／Ｄ変換器１３１によって、デジタル信号に変換される。Ａ／Ｄ変換器１３１によって変換されたデジタル出力は、バッファ１３２に提供されて保存された後、カラムスキャナ１３３の選択によって、特定カラムのデジタル信号のみ出力される。例えば、図７には、３行目及び４列目にある光センシング画素１２１の信号が選択され、バッファ１３２から出力される状態が図示されている。
【００５５】
以下、前述の光センシング装置１００の動作について説明する。図９には、光センシング装置１００の動作を例示的に示すタイミング図が図示されている。図９のタイミング図を参照すれば、まずゲートドライバ１１０は、酸化物半導体トランジスタ１０、３０のスレショルド電圧Ｖｔｈ１とＶｔｈ２との間のゲート電圧Ｖ２を第１ゲートラインＧＡＴＥ１に印加し、最初の行の光センシング画素１２１から光センシング信号を出力する。残りのゲートラインＧＡＴＥ２、…には、スレショルド電圧Ｖｔｈ１よりも低いゲート電圧Ｖ１（ロー電圧）が印加される。従って、残りの行の光センシング画素１２１からは、光センシング信号が出力されない。その後、ゲートドライバ１１０は、第２ゲートラインＧＡＴＥ２にゲート電圧Ｖ２を印加し、２行目の光センシング画素１２１から光センシング信号を出力する。残りのゲートラインＧＡＴＥ１、ＧＡＴＥ３、…には、ゲート電圧Ｖ１（ロー電圧）が印加される。このような方式で、光センシング画素アレイの最初の行から最後の行まで順次に光センシング画素１２１から光センシング信号を出力することができる。
【００５６】
その後、ゲートドライバ１１０は、あらゆるゲートラインＧＡＴＥ１、ＧＡＴＥ２、…に正のリセット信号Ｖ３を印加し、光センシング画素アレイ内のあらゆる光センシング画素１２１の酸化物半導体トランジスタ１０、３０をリセットさせる。これにより、酸化物半導体トランジスタ１０、３０が初期化され、次の光センシング動作を遂行する。それにより、１フレームの光センシング動作が完了する。このようにして、１フレームの光センシング動作が完了すれば、以上に述べた動作と同じ順序で次のフレームの光センシング動作が反復される。
【００５７】
図１０は、他の実施形態による光センシング回路６０の例示的な構造を図示する回路図である。図１１に図示された特性グラフから分かるように、図１０の光センシング回路６０で使われた酸化物半導体トランジスタ１０、３０の場合、光入射時の第１スレショルド電圧Ｖｔｈ１は、負の電圧であり、光非入射時の第２スレショルド電圧Ｖｔｈ２は、正の電圧である。このようなスレショルド電圧特性は、例えば、チャネル層１５、３２の材料によって選択される。第２スレショルド電圧Ｖｔｈ２が正の電圧である場合、ゲートラインＧＡＴＥを介して、酸化物半導体トランジスタ１０、３０のゲートに提供される第２電圧Ｖ２は、正の電圧であってもよい。その場合、酸化物半導体トランジスタ１０、３０のドレインに、別途の駆動電圧Ｖｄｄを印加せずに、ゲートに印加される第２電圧Ｖ２を駆動電圧として使用することもできる。従って、図１０の光センシング回路６０は、駆動電圧Ｖｄｄラインを別途に含まず、ゲートラインＧＡＴＥが、酸化物半導体トランジスタ１０、３０のゲートとドレインとに同時に連結されている。図１０に図示された光センシング回路６０のそれ以外の構成及び動作は、図５に図示された光センシング回路５０と同じである。
【００５８】
以上で説明したように、本実施形態による光センシング装置１００の光センシング画素１２１は、ただ１つの酸化物半導体トランジスタ１０、３０のみを含む。このような光センシング装置１００において、酸化物半導体トランジスタ１０、３０は、光センサとしての役割を行うだけではなく、光センシング信号を出力させるためのスイッチの役割も共に遂行することができる。従って、１つの画素内に、多数のトランジスタとキャパシタとが設けられた複雑な回路構造を有する既存の光センシング装置に比べ、本実施形態による光センシング装置１００の構造と動作は、はるかに簡単になる。このような理由で、前記光センシング装置１００は、寄生抵抗及び寄生キャパシタンスによる設計制限を克服し、大面積で製作が可能である。また、単純化された画素構造によって、開口率（ａｐｅｒｔｕｒｅ ｒａｔｉｏ）が向上し、光センシング装置１００の感度及び解像度を向上させることができる。
【００５９】
図１２は、前述の光センシング装置１００を光タッチパネルとして使用する一実施形態による光タッチスクリーン装置の斜視図である。図１２を参照すれば、前述の光センシング装置１００からなる光タッチパネルが画面に付着されたディスプレイ装置２１０を含む光タッチスクリーン装置２００が図示されている。このような光タッチスクリーン装置２００において、例えば、レーザポインタのような簡単な光源装置２２０を利用して、ディスプレイ装置２１０に光を照射すれば、光センシング装置１００内に配列された光センシング画素１２１が光を認識する。従って、あたかも手やペンでタッチスクリーンに触れるのと同じ効果を得ることができる。
【００６０】
以上では、酸化物半導体トランジスタ１０，３０を利用した光センシング回路５０，６０を含む光センシング装置１００を、光タッチスクリーン装置２００に適用することについてのみ説明した。しかし、前述の光センシング装置１００は、光タッチスクリーン装置２００だけではなく、光感知が要求されるあらゆる装置に適用が可能である。例えば、ＣＭＯＳ（ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）イメージセンサやＣＣＤ（ｃｈａｒｇｅ−ｃｏｕｐｌｅｄ ｄｅｖｉｃｅ）のような画像取得装置にも、前述の光センシング装置１００が適用されてもよい。
【００６１】
以上、本発明の理解を助けるために、単純化された光センシング回路、前記光センシング回路を含む光センシング装置、前記光センシング装置を駆動する方法、及び前記光センシング装置を含む画像取得装置及び光タッチスクリーン装置に係わる例示的な実施形態について説明し、かつ添付された図面に図示した。しかし、上述したような実施形態は、単に本発明を例示するためのものであり、それらを制限するものではないという点を理解せねばならない。そして、本発明は、図示されて説明された説明に限定されるものではないという点も理解されねばならない。それは、多様な他の変形が、本技術分野で当業者に可能であるからである。
【符号の説明】
【００６２】
１０、３０ 酸化物半導体トランジスタ
１１、３１ 基板
１２ 絶縁層
１３、３４ ゲート
１４、３３ ゲート絶縁膜
１５、３２ チャネル層
１６、３５ ソース
１７、３６ ドレイン
１８、３７ 透明絶縁層
２１ 第１伝導性プラグ
２２ 第２伝導性プラグ
２３ 第１コンタクト
２４ 第２コンタクト
５０、６０ 光センシング回路
１００ 光センシング装置
１１０ ゲートドライバ
１２０ 光センシング画素アレイ
１２１ 光センシング画素
１３０ 信号出力部
１３１ Ａ／Ｄ変換器
１３２ バッファ
１３３ カラムスキャナ
２００ 光タッチスクリーン装置
２１０ ディスプレイ装置
２２０ 光源装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単純化された光センシング回路、前記光センシング回路を含む光センシング装置、前記光センシング装置を駆動する方法、及び前記光センシング装置を含む画像取得装置及び光タッチスクリーン装置に係り、さらに詳細には、光を感知することができる酸化物半導体トランジスタ（ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を光センシング素子として利用して回路構造を単純化した光センシング回路、前記光センシング回路を含む光センシング装置、前記光センシング装置を駆動する方法、及び前記光センシング装置を含む画像取得装置及び光タッチスクリーン装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
タッチスクリーン装置とは、ディスプレイ画面の特定位置に、ユーザの手やペンが接触すれば、その位置を把握して、ソフトウェアによって特定処理を行うことができるように、画面で直接に資料入力の可能な装置をいう。このために、タッチスクリーン装置は、一般的なディスプレイパネルにタッチパネルという装置を付け加え、その機能を発揮させる。タッチパネルには、圧力式抵抗膜方式、接触式静電容量方式、表面弾性波（ＳＡＷ：ｓｕｒｆａｃｅ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｗａｖｅ）方式、赤外線光感知方式及び圧電方式などの多様な種類がある。このようなタッチスクリーン装置は、最近キーボードやマウスを代替することができる入力装置として、多様な分野で広く使われている。
【０００３】
これまで広く使われているタッチスクリーン装置は、手やペンなどを利用して、ディスプレイ装置の画面に直接触れる方式である。しかし、ディスプレイ装置が次第に大型化され、ユーザとディスプレイ装置との距離が遠くなる場合には、このような直接タッチ方式を適用し難くなる。このために、手やペンの接触の代わりに、光を感知して、既存のタッチスクリーンと同じ機能を遂行することができる光タッチスクリーン装置が提案されている。光タッチスクリーン装置は、ユーザと端末機との意思疎通だけではなく、ユーザとユーザとの意思疎通にも有利であると期待されている。
【０００４】
光タッチスクリーン装置を具現化するためには、光を感知することができる微細サイズの光センシング素子が要求される。一般的に広く使用される光センシング素子としては、非晶質シリコン薄膜トランジスタ（ａ−Ｓｉ ＴＦＴ（ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ））がある。ところで、ａ−Ｓｉ ＴＦＴの場合、光による電流変化が十分に大きくない。従って、光が印加され、フォトダイオードで発生した電荷を、一定時間キャパシタに蓄積した後、キャパシタに蓄積された電荷量から光度に係わる信号を発生させる。このようにキャパシタを使用する場合、キャパシタに電荷を蓄積する時間によってセンシング時間が遅延し、光タッチスクリーン装置の面積が大きくなるほど、寄生キャパシタンスが増加しうる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、センシング素子として酸化物半導体トランジスタを利用する光センシング回路、前記光センシング回路を含む光センシング装置、前記光センシング装置を駆動する方法、及び前記光センシング装置を含む画像取得装置及び光タッチスクリーン装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一類型による光センシング回路は、酸化物半導体材料をチャネル層の材料として使用した酸化物半導体トランジスタを含み、前記酸化物半導体トランジスタは、光を感知するための光センシング素子の役割と、光センシングデータを出力するためのスイッチの役割と、を同時に遂行することができる。
【０００７】
一実施形態によれば、前記光センシング回路は、前記酸化物半導体トランジスタのゲートに連結され、ゲート電圧を提供するゲートラインと、前記酸化物半導体トランジスタのドレインに連結され、駆動電圧を提供する駆動電圧ラインと、前記酸化物半導体トランジスタのソースに連結され、データを出力するためのデータラインと、をさらに含んでもよい。
【０００８】
前記ゲートラインを介して、前記酸化物半導体トランジスタの前記ゲートに提供される前記ゲート電圧は、例えば、前記酸化物半導体トランジスタの光入射時の第１スレショルド電圧より低い第１電圧、前記酸化物半導体トランジスタの光入射時の第１スレショルド電圧と、光非入射時の第２スレショルド電圧との間の第２電圧、及び正（＋）の第３電圧のうちいずれか一つであってもよい。
【０００９】
他の実施形態によれば、前記光センシング回路は、前記酸化物半導体トランジスタのゲートとドレインとに同時に連結され、ゲート電圧を提供するゲートラインと、前記酸化物半導体トランジスタのソースに連結され、データを出力するためのデータラインと、をさらに含んでもよい。
【００１０】
一実施形態によれば、前記酸化物半導体トランジスタは、基板と、前記基板上に部分的に配置されたゲートと、少なくとも前記ゲートの周囲を覆うように、前記基板及び前記ゲートの上に配置されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上で、前記ゲートと対向するように配置されたチャネル層と、前記チャネル層の両側を覆うように配置されたソース及びドレインと、前記ソース、前記ドレイン及び前記チャネル層を覆うように配置された透明絶縁層と、を含み、前記チャネル層は、酸化物半導体材料からなってもよい。
【００１１】
また、前記酸化物半導体トランジスタは、前記ソースに対する電気的連結のために、前記透明絶縁層を貫通して前記ソースに連結された第１伝導性プラグと、前記第１伝導性プラグと電気的に接触するように、前記透明絶縁層上に形成された第１コンタクトと、前記ドレインに対する電気的連結のために、前記透明絶縁層を貫通して前記ドレインに連結された第２伝導性プラグと、前記第２伝導性プラグと電気的に接触するように、前記透明絶縁層上に形成された第２コンタクトと、をさらに含んでもよい。
【００１２】
他の実施形態によれば、前記酸化物半導体トランジスタは、基板と、前記基板上に配置されたチャネル層と、前記チャネル層の中心領域に部分的に配置されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上で、前記チャネル層と対向して配置されたゲートと、前記チャネル層上で、前記ゲートの両側にそれぞれ離れて配置されたソース及びドレインと、前記ゲート、前記ソース及び前記ドレインを覆うように配置された透明絶縁層と、を含み、前記チャネル層は、酸化物半導体材料からなってもよい。
【００１３】
前記酸化物半導体材料は、例えば、ＺｎＯ、ＩｎＯ、ＳｎＯ、ＩｎＺｎＯ、ＺｎＳｎＯまたはＩｎＳｎＯを含んでもよく、または前記ＺｎＯ、ＩｎＯ、ＳｎＯ、ＩｎＺｎＯ、ＺｎＳｎＯまたはＩｎＳｎＯに、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｇａ、Ｎｂ、Ｖ、Ａｌ及びＳｎのうち、少なくとも１つの材料が追加して混合された材料を含んでもよい。
【００１４】
また、本発明の他の類型による光センシング装置は、多数の行及び多数の列で配列された多数の光センシング画素を有する光センシング画素アレイと、それぞれの前記光センシング画素にゲート電圧とリセット信号とを提供するように、行方向に沿って配列された多数のゲートラインを有するゲートドライバと、を含み、それぞれの前記光センシング画素は、光を感知するための光センシング素子の役割と、光センシングデータを出力するためのスイッチの役割と、を共に遂行する酸化物半導体トランジスタを含んでもよい。
【００１５】
例えば、前記ゲートドライバは、行方向に沿って順次に、前記酸化物半導体トランジスタに前記ゲート電圧を印加した後、あらゆる前記酸化物半導体トランジスタに一度に前記リセット信号を印加するように構成されてもよい。
【００１６】
一実施形態で、前記ゲートドライバは、前記酸化物半導体トランジスタの光入射時の第１スレショルド電圧より低い第１電圧、前記酸化物半導体トランジスタの光入射時の第１スレショルド電圧と、光非入射時の第２スレショルド電圧との間の第２電圧、及び正（＋）の第３電圧をそれぞれの前記酸化物半導体トランジスタに提供することができる。
【００１７】
一実施形態で、前記ゲートドライバは、前記第１電圧、前記第２電圧、前記第１電圧及び前記第３電圧の順序で、それぞれの前記酸化物半導体トランジスタに前記ゲート電圧を提供し、前記第３電圧は、前記酸化物半導体トランジスタをリセットさせる前記リセット信号であってもよい。
【００１８】
それぞれの前記ゲートラインは、同じ行に沿って配列されている前記光センシング画素に連結されてもよい。
【００１９】
１行に沿って配列された前記光センシング画素の前記酸化物半導体トランジスタのゲートには、前記行に対応する前記ゲートラインが連結されてもよい。
【００２０】
前記光センシング装置は、それぞれの前記光センシング画素から光センシング信号を受けてデータ信号を出力する、列方向に沿って配列された多数のデータラインを有する信号出力部をさらに含んでもよい。
【００２１】
例えば、１列に沿って配列された前記光センシング画素の前記酸化物半導体トランジスタのソースには、前記列に対応する前記データラインが連結されてもよい。
【００２２】
また、前記信号出力部は、前記光センシング画素からのアナログ出力信号をデジタル信号に変換するためのＡ／Ｄ変換器と、前記デジタル出力信号を臨時に保存するためのバッファと、特定列の前記光センシング画素からの出力を選択するためのカラムスキャナと、を含んでもよい。
【００２３】
一方、本発明の一類型によれば、前述の光センシング回路を画素内に含む画像取得装置が提供される。
【００２４】
また、本発明の他の類型によれば、前述の光センシング装置を含む画像取得装置が提供される。
【００２５】
また、本発明のさらに他の類型によれば、画像を表示するディスプレイ装置と、前記ディスプレイ装置の画面上に付着されたものであり、前述の光センシング回路を画素内に含む光タッチパネルと、前記光タッチパネルに光信号を提供する光源装置と、を含む光タッチスクリーン装置が提供される。
【００２６】
また、本発明のさらに他の類型によれば、画像を表示するディスプレイ装置と、前記ディスプレイ装置の画面上に付着されたものであり、前述の光センシング装置を含む光タッチパネルと、前記光タッチパネルに光信号を提供する光源装置と、を含む光タッチスクリーン装置が提供される。
【００２７】
また、本発明のさらに他の類型による光センシング装置の動作方法は、光を感知するための光センシング素子の役割と、光センシングデータを出力させるためのスイッチの役割と、を共に遂行する酸化物半導体トランジスタのゲートに、負（−）の第１電圧、前記第１電圧より高い負（−）の第２電圧、第１電圧、及び正（＋）の第３電圧を順次に印加する段階を含んでもよい。
【００２８】
例えば、前記第１電圧は、前記酸化物半導体トランジスタの光入射時の第１スレショルド電圧より低い電圧であり、前記第２電圧は、前記酸化物半導体トランジスタの光入射時の第１スレショルド電圧と、光非入射時の第２スレショルド電圧との間の電圧であってもよい。
【００２９】
ここで、前記第３電圧は、前記酸化物半導体トランジスタをリセットさせるリセット信号であってもよい。
【００３０】
前記光センシング装置の動作方法は、前記酸化物半導体トランジスタのゲートに第２電圧が印加されている間、前記酸化物半導体トランジスタのドレインとソースとの間に流れる電流を測定する段階をさらに含んでもよい。
【００３１】
また、本発明のさらに他の類型による光センシング装置の動作方法は、光を感知するための光センシング素子の役割と、光センシングデータを出力させるためのスイッチの役割と、を共に遂行する酸化物半導体トランジスタを含み、多数の行及び多数の列で配列された多数の光センシング画素のうち、いずれか１行に配列された前記光センシング画素の前記酸化物半導体トランジスタのゲートに、負（−）の第２電圧を印加し、残りの行に配列された前記酸化物半導体トランジスタのゲートに、前記第２電圧より低い負（−）の第１電圧を印加する段階と、後続する次の行に配列された前記光センシング画素の前記酸化物半導体トランジスタの前記ゲートに前記第２電圧を順次に印加し、残りの行に配列された前記光センシング画素の前記酸化物半導体トランジスタの前記ゲートに前記第１電圧を印加する段階と、あらゆる行に対して順次に前記第２電圧の印加を完了した後、あらゆる行に配列された前記光センシング画素の前記酸化物半導体トランジスタの前記ゲートに同時に正（＋）の第３電圧を印加する段階と、を含んでもよい。
【発明の効果】
【００３２】
本発明の光センシング装置の１つである光センシング画素は、単に１つの酸化物半導体トランジスタのみを含んでもよい。このような光センシング装置において、酸化物半導体トランジスタは、光センシング素子としての役割を行うだけではなく、光センシング信号を出力するための駆動回路の役割も共に遂行することができる。従って、本発明の光センシング装置は、１つの画素内に多数のトランジスタを含む複雑な回路構造を有する必要がない。その代わりに、１画素内に単に１つの酸化物半導体トランジスタのみが配置される。それによって、光センシング装置の構造及び動作が簡単になる。また、このように単純化された光センシング装置を採用した光タッチスクリーン装置は、回路構造が単純であるために、大型化にも適する。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】光センシング素子として使用される一実施形態による酸化物半導体トランジスタの例示的な構造を概略的に示す断面図である。
【図２】光センシング素子として使用される他の実施形態による酸化物半導体トランジスタの例示的な構造を概略的に示す断面図である。
【図３】図１及び図２に図示された酸化物半導体トランジスタの動作特性を例示的に示すグラフである。
【図４】図１及び図２に図示された酸化物半導体トランジスタの動作特性を例示的に示すグラフである。
【図５】一実施形態による光センシング回路の例示的な構造を図示する回路図である。
【図６】図５に図示された光センシング回路で、酸化物半導体トランジスタの動作特性及び駆動方式を例示的に説明する図面である。
【図７】図５に図示された光センシング回路を含む一実施形態による光センシング装置の構造を概略的に示すブロック図である。
【図８】図７に図示された光センシング装置の光センシング画素アレイの例示的な回路構造を概略的に示す図面である。
【図９】図７の光センシング装置の駆動方法を示すタイミング図である。
【図１０】他の実施形態による光センシング回路の例示的な構造を図示する回路図である。
【図１１】図１０に図示された光センシング回路で、酸化物半導体トランジスタの動作特性及び駆動方式を例示的に説明する図面である。
【図１２】図７に図示された光センシング装置を光タッチパネルとして使用する一実施形態による光タッチスクリーン装置の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下、添付された図面を参照しつつ、単純化された光センシング回路、前記光センシング回路を含む光センシング装置、前記光センシング装置を駆動する方法、及び前記光センシング装置を含む画像取得装置及び光タッチスクリーン装置について詳細に説明する。以下の図面で同じ参照符号は、同じ構成要素を指し、図面上で各構成要素のサイズは、説明の明瞭さ及び便宜さのために誇張されていることがある。
【００３５】
酸化物半導体トランジスタは、チャネルの材料として酸化物半導体を使用するトランジスタを意味する。このような酸化物半導体トランジスタは、チャネル層として使用される酸化物半導体の材料によって、光によって電気的な特性が変化する光応答特性を有することができる。光応答特性を有する酸化物半導体材料を、チャネル層として使用する場合、酸化物半導体トランジスタは、入射光の波長や光量によって、スレショルド電圧及びドレイン電流が変わる光応答特性があるために、光センシング素子として活用される。
【００３６】
図１は、一実施形態による酸化物半導体トランジスタの例示的な構造を概略的に示す断面図である。図１を参照すれば、酸化物半導体トランジスタ１０は、基板１１、前記基板１１上に全体的に配置された絶縁層１２、前記絶縁層１２上に部分的に配置されたゲート１３、少なくとも前記ゲート１３の周囲を覆うように、絶縁層１２及びゲート１３の上に配置されたゲート絶縁膜１４、前記ゲート絶縁膜１４上で、ゲート１３と対向するように配置されたチャネル層１５、前記チャネル層１５の両側を覆うように配置されたソース１６及びドレイン１７、並びに前記ソース１６、ドレイン１７及びチャネル層１５を全体的に覆うように配置された透明絶縁層１８を含んでもよい。また、酸化物半導体トランジスタ１０は、ソース１６に対する電気的連結のために、透明絶縁層１８を貫通してソース１６に連結された第１伝導性プラグ２１、前記第１伝導性プラグ２１と電気的に接触するように、透明絶縁層１８上に形成された第１コンタクト２３、ドレイン１７に対する電気的連結のために、透明絶縁層１８を貫通してドレイン１７に連結された第２伝導性プラグ２２、及び前記第２伝導性プラグ２２と電気的に接触するように、透明絶縁層１８上に形成された第２コンタクト２４をさらに含んでもよい。
【００３７】
ここで、基板１１は、ガラスまたはシリコンのような一般的な基板材料を使用することができる。絶縁層１２、ゲート絶縁膜１４、及び透明絶縁層１８は、例えば、ＳｉＯ２のような材料を使用することができる。もし基板１１自体が絶縁性材料からなるものであるならば、前記基板１１上の絶縁層１２は、省略されてもよい。また、ゲート１３、ソース１６及びドレイン１７は、伝導性金属または伝導性金属酸化物を使用することができる。例えば、光応答性酸化物半導体トランジスタ１０が、ディスプレイパネル上に付着される光タッチパネルに使用される場合、前記ゲート１３、ソース１６及びドレイン１７は、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）のような透明伝導性材料からなってもよい。しかし、酸化物半導体トランジスタ１０が透明なものであることが要求されない場合には、基板１１、絶縁層１２、ゲート１３、ゲート絶縁膜１４、ソース１６及びドレイン１７の材料が必ずしも透明である必要はない。ただし、上部の透明絶縁層１８のみチャネル層１５に光を導くために透明である必要がある。
【００３８】
一方、チャネル層１５は、前述のように、酸化物半導体材料からなってもよい。チャネル層１５として使用される酸化物半導体材料の選択によって、酸化物半導体トランジスタ１０は、光によって電気的な特性が変化する光応答特性を有することができる。例えば、そのような酸化物半導体チャネル層の材料として、ＺｎＯ、ＩｎＯ、ＳｎＯ、ＩｎＺｎＯ、ＺｎＳｎＯ、ＩｎＳｎＯのような酸化物半導体材料を使用することができる。また、前述の酸化物半導体材料に、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｇａ、Ｎｂ、Ｖ、Ａｌ、Ｓｎなどの材料が一つ以上追加して混合された材料を使用することもできる。このような材料をチャネル層１５として使用する場合、図１に図示された酸化物半導体トランジスタ１０は、入射光の波長や光量によって、スレショルド電圧及びドレイン電流が変わる光応答特性があるために、光センシング素子として活用される。チャネル層１５は、単一の酸化物半導体層からなってもよいが、多層構造からなってもよい。
【００３９】
図１には、ゲートがチャネルの下方に配置されている下部ゲート構造の酸化物半導体トランジスタ１０が図示されている。しかし、上部ゲート構造の酸化物半導体トランジスタを利用して、光センシング素子を提供することも可能である。図２は、上部ゲート構造の酸化物半導体トランジスタ３０の例示的な構造を概略的に示す断面図である。
【００４０】
図２を参照すれば、上部ゲート構造を有する酸化物半導体トランジスタ３０は、例えば、基板３１、前記基板３１上に配置されたチャネル層３２、前記チャネル層３２の中心領域に部分的に配置されたゲート絶縁膜３３、前記ゲート絶縁膜３３上で、前記チャネル層３２と対向して配置されたゲート３４、前記チャネル層３２上で、前記ゲート３４の両側にそれぞれ離れて配置されたソース３５及びドレイン３６、並びにゲート３４、ソース３５及びドレイン３６を全体的に覆うように配置された透明絶縁層３７を含んでもよい。図２に図示された上部ゲート構造の酸化物半導体トランジスタ３０の場合、光がチャネル層３２に入射するように、ゲート３４、ソース３５及びドレイン３６は、ＩＴＯのように透明な伝導性材料からなってもよい。また、図２に図示された酸化物半導体トランジスタ３０も、第１伝導性プラグ２１、第１コンタクト２３、第２伝導性プラグ２２及び第２コンタクト２４をさらに含んでもよい。
【００４１】
図３及び図４は、図１及び図２に図示された酸化物半導体トランジスタ１０、３０の動作特性を例示的に示すグラフである。まず図３は、酸化物半導体トランジスタ１０、３０のゲート電圧Ｖｇｓに対するドレイン電流Ｉｄｓの特性を示すものであり、光が入射していないとき（ｄａｒｋ）と、光が入射したとき（ｌｉｇｈｔ）との酸化物半導体トランジスタ１０、３０のドレイン電流：ゲート電圧（Ｉｄｓ−Ｖｇｓ）特性を示している。図３を参照すれば、酸化物半導体トランジスタ１０、３０に光が入射すれば、スレショルド電圧が全体的に負の方向に移動するということが分かる。例えば、酸化物半導体トランジスタ１０、３０に光が入射していないとき、酸化物半導体トランジスタ１０、３０のスレショルド電圧は、Ｖｔｈ２であるが、光が入射すれば、スレショルド電圧は、Ｖｔｈ１に変わる。従って、スレショルド電圧Ｖｔｈ１とＶｔｈ２との間のゲート電圧Ｖ２が酸化物半導体トランジスタ１０、３０に印加される場合、光が入射していないとき（ｄａｒｋ）は、酸化物半導体トランジスタ１０、３０がＯＦＦ状態になって低いドレイン電流が流れ、光が入射するとき（ｌｉｇｈｔ）は、ＯＮ状態になって高いドレイン電流が流れる。一方、スレショルド電圧Ｖｔｈ１及びＶｔｈ２より低いゲート電圧Ｖ１が酸化物半導体トランジスタ１０、３０に印加される場合、光の入射の有無と係わりなく、酸化物半導体トランジスタ１０、３０は、常にＯＦＦ状態となる。また、スレショルド電圧Ｖｔｈ１及びＶｔｈ２より高いゲート電圧Ｖ３が酸化物半導体トランジスタ１０、３０に印加される場合、光の入射の有無と係わりなく、酸化物半導体トランジスタ１０、３０は、常にＯＮ状態となる。
【００４２】
従って、酸化物半導体トランジスタ１０、３０に、Ｖ２のゲート電圧を印加した状態で、ドレイン電流を測定することにより光の入射の有無を判断することができる。
【００４３】
特に、酸化物半導体トランジスタ１０、３０の場合、光が入射したときのドレイン電流と、光が入射していないときのドレイン電流との電流比（ＩＯＮ／ＩＯＦＦ）が約４．８ （ｌｏｇ１０（１０−７．２／１０−１２））であり、かなり大きいことが分かる。このような特性を有する酸化物半導体トランジスタ１０、３０を光センシング素子として活用する場合、さまざまなメリットを有することができる。例えば、酸化物半導体トランジスタ１０、３０の光応答性が高いために、酸化物半導体トランジスタ１０、３０を光センシング素子として活用する場合、光センシング画素の回路構造を大きく単純化させることができる。一般的なシリコン・フォトダイオードの場合、電流比が比較的小さいために、光が印加され、フォトダイオードで発生した電荷を、一定時間キャパシタに蓄積した後、キャパシタに蓄積された電荷量から光度に係わる信号を発生させる。従って、キャパシタに蓄積された電荷を光度信号に変換して出力するための別途のデータ出力及びスイッチング駆動回路が必要である。このために、１つの光センシング画素ごとに、フォトダイオード、キャパシタ及び少なくとも１つの薄膜トランジスタが配置される。一般的に、ノイズなしに信号を増幅及び出力するために、１つの光センシング画素内に、３〜５個の薄膜トランジスタが使用される。しかし、図１及び図２に図示された酸化物半導体トランジスタ１０、３０の場合、光敏感度が非常に高いために、キャパシタを用いて一定時間電荷を蓄積する必要がない。また、酸化物半導体トランジスタ１０、３０は、フォトダイオードとは異なり、それ自体でスイッチング機能を遂行することができるために、別途のデータ出力及びスイッチング駆動回路を使用しなくともよい。これにより、酸化物半導体トランジスタ１０、３０を使用する光センシング装置の大面積化が可能になるだけではなく、駆動速度の向上及び消費電力の節減が可能になる。
【００４４】
また図４は、酸化物半導体トランジスタ１０、３０に光が入射した後の経時的なドレイン電流の変化を示すグラフであり、スレショルド電圧Ｖｔｈ１とＶｔｈ２との間の電圧Ｖ２（例えば、−５Ｖ）が酸化物半導体トランジスタ１０、３０に印加されている場合である。図４を参照すれば、約４０秒の時点で酸化物半導体トランジスタ１０、３０に光が入射するとドレイン電流が増加する。しかし、約５５秒の時点で光の入射が中断したにもかかわらず、ドレイン電流はほとんど減少せず、光の入射時と類似した状態を維持している。すなわち、酸化物半導体トランジスタ１０、３０は、光の入射の有無に係わる一種の記憶機能を有する。このような現象は、酸化物半導体トランジスタ１０、３０のチャネル層１５、３２内部またはその界面に、電荷がトラップされて発生すると理解される。例えば、光と共に、負のゲート電圧が酸化物半導体トランジスタ１０、３０に印加されれば、チャネル層１５、３２内部で光によって生成された正孔が、ゲート絶縁膜１４、３３とチャネル層１５、３２との界面に移動してトラップされる。このようにトラップされた電荷は、十分に大きい正（＋）の電圧がゲートに印加されるまで除去されない。従って、いったん電荷がトラップされた後には、光の入射が中断された後にも、ドレイン電流が低くならない。このような現象は、十分に大きい正（＋）のゲート電圧を酸化物半導体トランジスタ１０、３０に印加して、トラップされた電荷を除去すれば消える。
【００４５】
図５は、以上のような原理によって構成した一実施形態による光センシング回路５０の例示的な構造を図示する回路図である。図５を参照すれば、光センシング回路５０は、光応答性を有するただ１つの酸化物半導体トランジスタ１０、３０、前記酸化物半導体トランジスタ１０、３０のゲートに連結されるゲートラインＧＡＴＥ、前記酸化物半導体トランジスタ１０、３０のドレインに連結される駆動電圧ラインＶｄｄ、及び酸化物半導体トランジスタ１０、３０のソースに連結されるデータラインＤＡＴＡを含む。このような構造を有する本実施形態による光センシング回路５０は、以下の説明のように、ただ１つの酸化物半導体トランジスタ１０だけでも、光センシング動作とスイッチング動作とがいずれも可能である。図５には、便宜上、１画素の光センシング回路５０だけ図示されている。しかし実際には、後述するように、多数のゲートラインＧＡＴＥと、多数のデータラインＤＡＴＡとに沿って、多数の画素のための多数の光センシング回路５０が配列されてもよい。
【００４６】
図６は、図５に図示された光センシング回路５０で、酸化物半導体トランジスタ１０、３０の動作特性及び駆動方式を例示的に説明するための図面である。図６を参照すれば、まず待機状態で、光入射時の第１スレショルド電圧Ｖｔｈ１より低い負（−）の第１電圧Ｖ１が、ゲートラインＧＡＴＥを介して酸化物半導体トランジスタ１０、３０のゲートに印加される。それにより、酸化物半導体トランジスタ１０、３０は、光の入射の有無と係わりなく、常にＯＦＦ状態にある。その結果、酸化物半導体トランジスタ１０、３０のドレインからソースに電流が流れない。従って、その間には、データラインＤＡＴＡに電流がほとんど流れない。
【００４７】
次に、光センシング信号の出力のために、光入射時の第１スレショルド電圧Ｖｔｈ１と、光非入射時の第２スレショルド電圧Ｖｔｈ２との間にある負（−）の第２電圧Ｖ２がゲートラインＧＡＴＥを介して酸化物半導体トランジスタ１０、３０のゲートに印加される。ここで、第２電圧Ｖ２は、第１電圧Ｖ１より高い。このとき、図６に図示されているように、酸化物半導体トランジスタ１０、３０は、光が入射する場合には、ＯＮ状態になり、光が入射していない場合には、ＯＦＦ状態になる。従って、この間に、酸化物半導体トランジスタ１０、３０に光が入射すれば、ドレインからソースに電流が流れる。すなわち、光センシング回路５０の駆動電圧ラインＶｄｄからデータラインＤＡＴＡに電流が流れる。ここで、データラインＤＡＴＡに流れる電流の量は、入射光の光量に比例しうる。従って、第２電圧Ｖ２が酸化物半導体トランジスタ１０、３０のゲートに印加されている間、データラインＤＡＴＡに流れる電流を測定することによって、光の入射の有無及び入射光の光量を計算することができる。特に、光応答性を高めるために、第２電圧Ｖ２は、第１スレショルド電圧Ｖｔｈ１と第２スレショルド電圧Ｖｔｈ２との間で、第２スレショルド電圧Ｖｔｈ２に近いように選択されてもよい。光センシング信号の出力が完了すれば、ゲートラインＧＡＴＥを介して、第１電圧Ｖ１を酸化物半導体トランジスタ１０、３０のゲートに再び印加する。それにより、酸化物半導体トランジスタ１０、３０は、光の入射の有無と係わりなくＯＦＦ状態になる。
【００４８】
前述のように、酸化物半導体トランジスタ１０、３０は、光がいったん入射してしまえば、光の入射が中断された後にも、ドレイン電流が低くならない。従って、光センシング信号の出力後、次の光センシング動作のためには、十分に高い電圧のゲート電圧を酸化物半導体トランジスタ１０、３０に印加し、酸化物半導体トランジスタ１０、３０をリセットさせる動作を遂行する。例えば、図６を参照すれば、ゲートラインＧＡＴＥを介して十分に大きい正の第３電圧Ｖ３を酸化物半導体トランジスタ１０、３０のゲートに印加する。それにより、酸化物半導体トランジスタ１０、３０がリセットされ、次の光センシング動作を遂行する。その後には、次の光センシング動作が始まるまで、第１電圧Ｖ１を酸化物半導体トランジスタ１０、３０のゲートにさらに印加して待機状態にある。
【００４９】
前述のような原理を利用し、多数のゲートラインＧＡＴＥに順次に第２電圧Ｖ２を提供すれば、特定の行内に配列された画素のうち、どの画素に光が印加されるかが分かる。前述の通り、本実施形態による光センシング回路５０は、ただ１つの酸化物半導体トランジスタ１０、３０だけで、光センシングとデータ出力とがいずれも可能である。すなわち、酸化物半導体トランジスタ１０、３０は、光センシング素子としての役割と、駆動回路の役割と、を同時に遂行することができる。従って、図５に図示されているような非常に単純化された光センシング回路５０を提供することが可能である。
【００５０】
このような光センシング回路５０は、光タッチスクリーン装置や画像取得装置のような光センシング装置の各画素構造に採用されて使用される。図７は、図５に図示された光センシング回路５０を含む一実施形態による光センシング装置１００の構造を概略的に示すブロック図である。図７を参照すれば、一実施形態による光センシング装置１００は、入射光を感知する多数の光センシング画素１２１を有する光センシング画素アレイ１２０、それぞれの光センシング画素１２１に、ゲート電圧とリセット信号とを選択的に提供するゲートドライバ１１０、及びそれぞれの光センシング画素１２１から光センシング信号を受けてデータ信号を出力する信号出力部１３０を含んでもよい。図７に図示されているように、光センシング画素アレイ１２０内の光センシング画素１２１は、多数の行（ｒｏｗ）と多数の列（ｃｏｌｕｍｎ）とによって配列されてもよい。例えば、光センシング画素１２１は、ｎ行の行とｍ列の列とを有するアレイの形態に配列される。それぞれの光センシング画素１２１は、図５に図示されているように、ただ１つの酸化物半導体トランジスタ１０、３０からなってもよい。また、信号出力部１３０は、光センシング画素１２１からのアナログ出力信号をデジタル信号に変換するためのＡ／Ｄ変換器（ＡＤＣ）１３１、デジタル出力信号を臨時に保存するためのバッファ１３２、及び特定列の光センシング画素１２１から出力を選択するためのカラムスキャナ１３３を含んでもよい。
【００５１】
図８は、図７に図示された光センシング装置１００の光センシング画素アレイ１２０の例示的な回路構造を概略的に示している。例えば、図８を参照すれば、それぞれの光センシング画素１２１には、図５に図示された光センシング回路５０が配置されていると図示されている。しかし、図５に図示された光センシング回路５０の代わりに、後述する図１０に図示された光センシング回路６０がそれぞれの光センシング画素１２１内に配置されることも可能である。
【００５２】
図７及び図８を参照すれば、ゲートドライバ１１０は、それぞれの光センシング画素１２１を個別に活性化させ、それぞれの光センシング画素１２１から光センシング信号が出力されるように制御する役割を行う。このために、ゲートドライバ１１０は、行方向に沿って配列された多数のゲートラインＧＡＴＥ１、ＧＡＴＥ２、…を含んでもよい。それぞれのゲートラインは、同じ行に配列されているあらゆる光センシング画素１２１内の酸化物半導体トランジスタ１０、３０のゲートに連結されてもよい。例えば、第１ゲートラインＧＡＴＥ１は、最初の行に配列されているあらゆる光センシング画素１２１内の酸化物半導体トランジスタ１０、３０のゲートに連結され、第２ゲートラインＧＡＴＥ２は、２行目に配列されているあらゆる光センシング画素１２１内の酸化物半導体トランジスタ１０、３０のゲートに連結されてもよい。
【００５３】
信号出力部１３０は、それぞれの光センシング画素１２１から発生する光センシング信号を受けてデータ信号を出力する役割を行う。このために、信号出力部１３０は、列方向に沿って配列された多数のデータラインＤａｔａ１、Ｄａｔａ２、…を含んでもよい。それぞれのデータラインＤａｔａ１、Ｄａｔａ２、…は、同じ列に配列されているあらゆる光センシング画素１２１内の酸化物半導体トランジスタ１０、３０のソースに連結されてもよい。例えば、第１データラインＤａｔａ１は、最初の列に配列されているあらゆる光センシング画素１２１内の酸化物半導体トランジスタ１０、３０のソースに連結され、第２データラインＤａｔａ２は、２列目に配列されているあらゆる光センシング画素１２１内の酸化物半導体トランジスタ１０、３０のソースに連結されてもよい。このような構造とすれば、信号出力部１３０は、同じ行に配列されている多数の光センシング画素１２１から発生したあらゆる光センシング信号を、多数のデータラインＤａｔａ１、Ｄａｔａ２、…を介して同時に受信することができる。例えば、第１ゲートラインＧＡＴＥ１に、Ｖ２のゲート電圧が印加される場合、最初の行に配列されている光センシング画素１２１から発生したあらゆる光センシング信号が、同時に信号出力部１３０に入力される。
【００５４】
信号出力部１３０は、それらの光センシング信号をデジタルデータ信号に変換した後、１列ずつ順次に出力するように構成されてもよい。例えば、それぞれの光センシング画素１２１からの出力は、それぞれのデータラインＤＡＴＡに沿って、Ａ／Ｄ変換器１３１に提供される。ここで、光センシング画素１２１からの信号は、光入射時には大きい強度を有し、光非入射時には、ほぼ０に近い小さい強度を有する。このときの信号は、アナログ信号であるために、前記Ａ／Ｄ変換器１３１によって、デジタル信号に変換される。Ａ／Ｄ変換器１３１によって変換されたデジタル出力は、バッファ１３２に提供されて保存された後、カラムスキャナ１３３の選択によって、特定カラムのデジタル信号のみ出力される。例えば、図７には、３行目及び４列目にある光センシング画素１２１の信号が選択され、バッファ１３２から出力される状態が図示されている。
【００５５】
以下、前述の光センシング装置１００の動作について説明する。図９には、光センシング装置１００の動作を例示的に示すタイミング図が図示されている。図９のタイミング図を参照すれば、まずゲートドライバ１１０は、酸化物半導体トランジスタ１０、３０のスレショルド電圧Ｖｔｈ１とＶｔｈ２との間のゲート電圧Ｖ２を第１ゲートラインＧＡＴＥ１に印加し、最初の行の光センシング画素１２１から光センシング信号を出力する。残りのゲートラインＧＡＴＥ２、…には、スレショルド電圧Ｖｔｈ１よりも低いゲート電圧Ｖ１（ロー電圧）が印加される。従って、残りの行の光センシング画素１２１からは、光センシング信号が出力されない。その後、ゲートドライバ１１０は、第２ゲートラインＧＡＴＥ２にゲート電圧Ｖ２を印加し、２行目の光センシング画素１２１から光センシング信号を出力する。残りのゲートラインＧＡＴＥ１、ＧＡＴＥ３、…には、ゲート電圧Ｖ１（ロー電圧）が印加される。このような方式で、光センシング画素アレイの最初の行から最後の行まで順次に光センシング画素１２１から光センシング信号を出力することができる。
【００５６】
その後、ゲートドライバ１１０は、あらゆるゲートラインＧＡＴＥ１、ＧＡＴＥ２、…に正のリセット信号Ｖ３を印加し、光センシング画素アレイ内のあらゆる光センシング画素１２１の酸化物半導体トランジスタ１０、３０をリセットさせる。これにより、酸化物半導体トランジスタ１０、３０が初期化され、次の光センシング動作を遂行する。それにより、１フレームの光センシング動作が完了する。このようにして、１フレームの光センシング動作が完了すれば、以上に述べた動作と同じ順序で次のフレームの光センシング動作が反復される。
【００５７】
図１０は、他の実施形態による光センシング回路６０の例示的な構造を図示する回路図である。図１１に図示された特性グラフから分かるように、図１０の光センシング回路６０で使われた酸化物半導体トランジスタ１０、３０の場合、光入射時の第１スレショルド電圧Ｖｔｈ１は、負の電圧であり、光非入射時の第２スレショルド電圧Ｖｔｈ２は、正の電圧である。このようなスレショルド電圧特性は、例えば、チャネル層１５、３２の材料によって選択される。第２スレショルド電圧Ｖｔｈ２が正の電圧である場合、ゲートラインＧＡＴＥを介して、酸化物半導体トランジスタ１０、３０のゲートに提供される第２電圧Ｖ２は、正の電圧であってもよい。その場合、酸化物半導体トランジスタ１０、３０のドレインに、別途の駆動電圧Ｖｄｄを印加せずに、ゲートに印加される第２電圧Ｖ２を駆動電圧として使用することもできる。従って、図１０の光センシング回路６０は、駆動電圧Ｖｄｄラインを別途に含まず、ゲートラインＧＡＴＥが、酸化物半導体トランジスタ１０、３０のゲートとドレインとに同時に連結されている。図１０に図示された光センシング回路６０のそれ以外の構成及び動作は、図５に図示された光センシング回路５０と同じである。
【００５８】
以上で説明したように、本実施形態による光センシング装置１００の光センシング画素１２１は、ただ１つの酸化物半導体トランジスタ１０、３０のみを含む。このような光センシング装置１００において、酸化物半導体トランジスタ１０、３０は、光センサとしての役割を行うだけではなく、光センシング信号を出力させるためのスイッチの役割も共に遂行することができる。従って、１つの画素内に、多数のトランジスタとキャパシタとが設けられた複雑な回路構造を有する既存の光センシング装置に比べ、本実施形態による光センシング装置１００の構造と動作は、はるかに簡単になる。このような理由で、前記光センシング装置１００は、寄生抵抗及び寄生キャパシタンスによる設計制限を克服し、大面積で製作が可能である。また、単純化された画素構造によって、開口率（ａｐｅｒｔｕｒｅ ｒａｔｉｏ）が向上し、光センシング装置１００の感度及び解像度を向上させることができる。
【００５９】
図１２は、前述の光センシング装置１００を光タッチパネルとして使用する一実施形態による光タッチスクリーン装置の斜視図である。図１２を参照すれば、前述の光センシング装置１００からなる光タッチパネルが画面に付着されたディスプレイ装置２１０を含む光タッチスクリーン装置２００が図示されている。このような光タッチスクリーン装置２００において、例えば、レーザポインタのような簡単な光源装置２２０を利用して、ディスプレイ装置２１０に光を照射すれば、光センシング装置１００内に配列された光センシング画素１２１が光を認識する。従って、あたかも手やペンでタッチスクリーンに触れるのと同じ効果を得ることができる。
【００６０】
以上では、酸化物半導体トランジスタ１０，３０を利用した光センシング回路５０，６０を含む光センシング装置１００を、光タッチスクリーン装置２００に適用することについてのみ説明した。しかし、前述の光センシング装置１００は、光タッチスクリーン装置２００だけではなく、光感知が要求されるあらゆる装置に適用が可能である。例えば、ＣＭＯＳ（ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）イメージセンサやＣＣＤ（ｃｈａｒｇｅ−ｃｏｕｐｌｅｄ ｄｅｖｉｃｅ）のような画像取得装置にも、前述の光センシング装置１００が適用されてもよい。
【００６１】
以上、本発明の理解を助けるために、単純化された光センシング回路、前記光センシング回路を含む光センシング装置、前記光センシング装置を駆動する方法、及び前記光センシング装置を含む画像取得装置及び光タッチスクリーン装置に係わる例示的な実施形態について説明し、かつ添付された図面に図示した。しかし、上述したような実施形態は、単に本発明を例示するためのものであり、それらを制限するものではないという点を理解せねばならない。そして、本発明は、図示されて説明された説明に限定されるものではないという点も理解されねばならない。それは、多様な他の変形が、本技術分野で当業者に可能であるからである。
【符号の説明】
【００６２】
１０、３０ 酸化物半導体トランジスタ
１１、３１ 基板
１２ 絶縁層
１３、３４ ゲート
１４、３３ ゲート絶縁膜
１５、３２ チャネル層
１６、３５ ソース
１７、３６ ドレイン
１８、３７ 透明絶縁層
２１ 第１伝導性プラグ
２２ 第２伝導性プラグ
２３ 第１コンタクト
２４ 第２コンタクト
５０、６０ 光センシング回路
１００ 光センシング装置
１１０ ゲートドライバ
１２０ 光センシング画素アレイ
１２１ 光センシング画素
１３０ 信号出力部
１３１ Ａ／Ｄ変換器
１３２ バッファ
１３３ カラムスキャナ
２００ 光タッチスクリーン装置
２１０ ディスプレイ装置
２２０ 光源装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化物半導体材料をチャネル層の材料として使用した酸化物半導体トランジスタを含み、
前記酸化物半導体トランジスタは、光を感知するための光センシング素子の役割と、光センシングデータを出力するためのスイッチの役割と、を同時に遂行する光センシング回路。
【請求項２】
前記酸化物半導体トランジスタのゲートに連結され、ゲート電圧を提供するゲートラインと、
前記酸化物半導体トランジスタのドレインに連結され、駆動電圧を提供する駆動電圧ラインと、
前記酸化物半導体トランジスタのソースに連結され、データを出力するためのデータラインと、をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の光センシング回路。
【請求項３】
前記ゲートラインを介して、前記酸化物半導体トランジスタの前記ゲートに提供される前記ゲート電圧は、前記酸化物半導体トランジスタの光入射時の第１スレショルド電圧より低い第１電圧、前記酸化物半導体トランジスタの光入射時の第１スレショルド電圧と光非入射時の第２スレショルド電圧との間の第２電圧、及び正（＋）の第３電圧のうちいずれか１つであることを特徴とする請求項２に記載の光センシング回路。
【請求項４】
前記酸化物半導体トランジスタのゲートとドレインとに同時に連結され、ゲート電圧を提供するゲートラインと、
前記酸化物半導体トランジスタのソースに連結され、データを出力するためのデータラインと、をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の光センシング回路。
【請求項５】
前記ゲートラインを介して、前記酸化物半導体トランジスタの前記ゲートに提供される前記ゲート電圧は、前記酸化物半導体トランジスタの光入射時の第１スレショルド電圧より低い第１電圧、前記酸化物半導体トランジスタの光入射時の第１スレショルド電圧と光非入射時の第２スレショルド電圧との間の第２電圧、及び正（＋）の第３電圧のうちいずれか１つであることを特徴とする請求項４に記載の光センシング回路。
【請求項６】
前記酸化物半導体トランジスタは、
基板と、
前記基板上に部分的に配置されたゲートと、
少なくとも前記ゲートの周囲を覆うように、前記基板及び前記ゲートの上に配置されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上で、前記ゲートと対向するように配置されたチャネル層と、
前記チャネル層の両側を覆うように配置されたソース及びドレインと、
前記ソース、前記ドレイン及び前記チャネル層を覆うように配置された透明絶縁層と、を含み、
前記チャネル層は、酸化物半導体材料からなることを特徴とする請求項１に記載の光センシング回路。
【請求項７】
前記酸化物半導体トランジスタは、
前記ソースに対する電気的連結のために、前記透明絶縁層を貫通して前記ソースに連結された第１伝導性プラグと、
前記第１伝導性プラグと電気的に接触するように、前記透明絶縁層上に形成された第１コンタクトと、
前記ドレインに対する電気的連結のために、前記透明絶縁層を貫通して前記ドレインに連結された第２伝導性プラグと、
前記第２伝導性プラグと電気的に接触するように、前記透明絶縁層上に形成された第２コンタクトと、をさらに含むことを特徴とする請求項６に記載の光センシング回路。
【請求項８】
前記酸化物半導体トランジスタは、
基板と、
前記基板上に配置されたチャネル層と、
前記チャネル層の中心領域に部分的に配置されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上で、前記チャネル層と対向して配置されたゲートと、
前記チャネル層上で、前記ゲートの両側にそれぞれ離れて配置されたソース及びドレインと、
前記ゲート、前記ソース及び前記ドレインを覆うように配置された透明絶縁層と、を含み、
前記チャネル層は、酸化物半導体材料からなることを特徴とする請求項１に記載の光センシング回路。
【請求項９】
前記酸化物半導体材料は、ＺｎＯ、ＩｎＯ、ＳｎＯ、ＩｎＺｎＯ、ＺｎＳｎＯまたはＩｎＳｎＯを含み、または前記ＺｎＯ、ＩｎＯ、ＳｎＯ、ＩｎＺｎＯ、ＺｎＳｎＯまたはＩｎＳｎＯに、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｇａ、Ｎｂ、Ｖ、Ａｌ及びＳｎのうち、少なくとも１つの材料が追加して混合された材料を含むことを特徴とする請求項１に記載の光センシング回路。
【請求項１０】
多数の行及び多数の列で配列された多数の光センシング画素を有する光センシング画素アレイと、
それぞれの前記光センシング画素にゲート電圧とリセット信号とを提供するように、行方向に沿って配列された多数のゲートラインを有するゲートドライバと、を含み、
それぞれの前記光センシング画素は、光を感知するための光センシング素子の役割と、光センシングデータを出力するためのスイッチの役割と、を共に遂行する酸化物半導体トランジスタを含む光センシング装置。
【請求項１１】
前記ゲートドライバは、行方向に沿って順次に、前記酸化物半導体トランジスタに前記ゲート電圧を印加した後、あらゆる前記酸化物半導体トランジスタに一度に前記リセット信号を印加するように構成されたことを特徴とする請求項１０に記載の光センシング装置。
【請求項１２】
前記ゲートドライバは、前記酸化物半導体トランジスタの光入射時の第１スレショルド電圧より低い第１電圧、前記酸化物半導体トランジスタの光入射時の第１スレショルド電圧と光非入射時の第２スレショルド電圧との間の第２電圧、及び正（＋）の第３電圧をそれぞれの前記酸化物半導体トランジスタに提供することを特徴とする請求項１０に記載の光センシング装置。
【請求項１３】
前記ゲートドライバは、前記第１電圧、前記第２電圧、前記第１電圧及び前記第３電圧の順序でそれぞれの前記酸化物半導体トランジスタに前記ゲート電圧を提供し、前記第３電圧は、前記酸化物半導体トランジスタをリセットさせる前記リセット信号であることを特徴とする請求項１２に記載の光センシング装置。
【請求項１４】
それぞれの前記ゲートラインは、同じ行に沿って配列されている前記光センシング画素に連結されていることを特徴とする請求項１０に記載の光センシング装置。
【請求項１５】
１行に沿って配列された前記光センシング画素の前記酸化物半導体トランジスタのゲートには、前記行に対応する前記ゲートラインが連結されていることを特徴とする請求項１４に記載の光センシング装置。
【請求項１６】
列方向に沿って配列された多数のデータラインを有し、それぞれの前記光センシング画素から光センシング信号を受けてデータ信号を出力する信号出力部をさらに含むことを特徴とする請求項１０に記載の光センシング装置。
【請求項１７】
１列に沿って配列された前記光センシング画素の前記酸化物半導体トランジスタのソースには、前記列に対応する前記データラインが連結されていることを特徴とする請求項１６に記載の光センシング装置。
【請求項１８】
前記信号出力部は、
前記光センシング画素からのアナログ出力信号をデジタル信号に変換するためのＡ／Ｄ変換器と、
前記デジタル出力信号を臨時に保存するためのバッファと、
特定列の前記光センシング画素からの出力を選択するためのカラムスキャナと、を含むことを特徴とする請求項１６に記載の光センシング装置。
【請求項１９】
前記酸化物半導体トランジスタは、
基板と、
前記基板上に部分的に配置されたゲートと、
少なくとも前記ゲートの周囲を覆うように、前記基板及び前記ゲートの上に配置されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上で、前記ゲートと対向するように配置されたチャネル層と、
前記チャネル層の両側にそれぞれ配置されたソース及びドレインと、
前記ソース、前記ドレイン及び前記チャネル層を全体的に覆うように配置された透明絶縁層と、を含み、
前記チャネル層は、酸化物半導体材料からなることを特徴とする請求項１０に記載の光センシング装置。
【請求項２０】
前記酸化物半導体材料は、ＺｎＯ、ＩｎＯ、ＳｎＯ、ＩｎＺｎＯ、ＺｎＳｎＯまたはＩｎＳｎＯを含み、または前記ＺｎＯ、ＩｎＯ、ＳｎＯ、ＩｎＺｎＯ、ＺｎＳｎＯまたはＩｎＳｎＯに、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｇａ、Ｎｂ、Ｖ、Ａｌ及びＳｎのうち、少なくとも１つの材料が追加して混合された材料を含むことを特徴とする請求項１９に記載の光センシング装置。
【請求項２１】
前記酸化物半導体トランジスタは、
基板と、
前記基板上に配置されたチャネル層と、
前記チャネル層の中心領域に部分的に配置されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上で、前記チャネル層と対向して配置されたゲートと、
前記チャネル層上で、前記ゲートの両側にそれぞれ離れて配置されたソース及びドレインと、
前記ゲート、前記ソース及び前記ドレインを覆うように配置された透明絶縁層と、を含み、
前記チャネル層は、酸化物半導体材料からなることを特徴とする請求項１０に記載の光センシング装置。
【請求項２２】
請求項１ないし請求項９のうち、いずれか１項に記載の光センシング回路を画素内に含む画像取得装置。
【請求項２３】
請求項１０ないし請求項２１のうち、いずれか１項に記載の光センシング装置を含む画像取得装置。
【請求項２４】
画像を表示するディスプレイ装置と、
前記ディスプレイ装置の画面上に付着されたものであり、請求項１ないし請求項９のうち、いずれか１項に記載の光センシング回路を画素内に含む光タッチパネルと、
前記光タッチパネルに光信号を提供する光源装置と、を含む光タッチスクリーン装置。
【請求項２５】
画像を表示するディスプレイ装置と、
前記ディスプレイ装置の画面上に付着されたものであり、請求項１０ないし請求項２１のうち、いずれか１項に記載の光センシング装置を含む光タッチパネルと、
前記光タッチパネルに光信号を提供する光源装置と、を含む光タッチスクリーン装置。
【請求項２６】
光を感知するための光センシング素子の役割と、光センシングデータを出力させるためのスイッチの役割と、を共に遂行する酸化物半導体トランジスタのゲートに、負（−）の第１電圧、前記第１電圧より高い負（−）の第２電圧、第１電圧、及び正（＋）の第３電圧を順次に印加する段階を含む光センシング装置の動作方法。
【請求項２７】
前記第１電圧は、前記酸化物半導体トランジスタの光入射時の第１スレショルド電圧より低い電圧であり、前記第２電圧は、前記酸化物半導体トランジスタの光入射時の第１スレショルド電圧と、光非入射時の第２スレショルド電圧との間の電圧であることを特徴とする請求項２６に記載の光センシング装置の動作方法。
【請求項２８】
前記第３電圧は、前記酸化物半導体トランジスタをリセットさせるリセット信号であることを特徴とする請求項２７に記載の光センシング装置の動作方法。
【請求項２９】
前記酸化物半導体トランジスタのゲートに第２電圧が印加されている間、前記酸化物半導体トランジスタのドレインとソースとの間に流れる電流を測定する段階をさらに含むことを特徴とする請求項２７に記載の光センシング装置の動作方法。
【請求項３０】
光を感知するための光センシング素子の役割と、光センシングデータを出力させるためのスイッチの役割と、を共に遂行する酸化物半導体トランジスタを含み、多数の行及び多数の列で配列された多数の光センシング画素のうち、いずれか１行に配列された前記光センシング画素の前記酸化物半導体トランジスタのゲートに、負（−）の第２電圧を印加し、残りの行に配列された前記酸化物半導体トランジスタのゲートに、前記第２電圧より低い負（−）の第１電圧を印加する段階と、
後続する次の行に配列された前記光センシング画素の前記酸化物半導体トランジスタの前記ゲートに前記第２電圧を順次に印加し、残りの行に配列された前記光センシング画素の前記酸化物半導体トランジスタの前記ゲートに前記第１電圧を印加する段階と、
あらゆる行に対して順次に前記第２電圧の印加を完了した後、あらゆる行に配列された前記光センシング画素の前記酸化物半導体トランジスタの前記ゲートに同時に正（＋）の第３電圧を印加する段階と、を含む光センシング装置の動作方法。
【請求項３１】
前記第１電圧は、前記酸化物半導体トランジスタの光入射時の第１スレショルド電圧より低い電圧であり、前記第２電圧は、前記酸化物半導体トランジスタの光入射時の前記第１スレショルド電圧と、光非入射時の第２スレショルド電圧との間の電圧であることを特徴とする請求項３０に記載の光センシング装置の動作方法。
【請求項３２】
前記第３電圧は、前記酸化物半導体トランジスタをリセットさせるリセット信号であることを特徴とする請求項３１に記載の光センシング装置の動作方法。
【請求項３３】
前記酸化物半導体トランジスタの前記ゲートに第２電圧が印加されている間、前記酸化物半導体トランジスタのドレインとソースとの間に流れる電流を測定する段階をさらに含むことを特徴とする請求項３１に記載の光センシング装置の動作方法。
【請求項１】
酸化物半導体材料をチャネル層の材料として使用した酸化物半導体トランジスタを含み、
前記酸化物半導体トランジスタは、光を感知するための光センシング素子の役割と、光センシングデータを出力するためのスイッチの役割と、を同時に遂行する光センシング回路。
【請求項２】
前記酸化物半導体トランジスタのゲートに連結され、ゲート電圧を提供するゲートラインと、
前記酸化物半導体トランジスタのドレインに連結され、駆動電圧を提供する駆動電圧ラインと、
前記酸化物半導体トランジスタのソースに連結され、データを出力するためのデータラインと、をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の光センシング回路。
【請求項３】
前記ゲートラインを介して、前記酸化物半導体トランジスタの前記ゲートに提供される前記ゲート電圧は、前記酸化物半導体トランジスタの光入射時の第１スレショルド電圧より低い第１電圧、前記酸化物半導体トランジスタの光入射時の第１スレショルド電圧と光非入射時の第２スレショルド電圧との間の第２電圧、及び正（＋）の第３電圧のうちいずれか１つであることを特徴とする請求項２に記載の光センシング回路。
【請求項４】
前記酸化物半導体トランジスタのゲートとドレインとに同時に連結され、ゲート電圧を提供するゲートラインと、
前記酸化物半導体トランジスタのソースに連結され、データを出力するためのデータラインと、をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の光センシング回路。
【請求項５】
前記ゲートラインを介して、前記酸化物半導体トランジスタの前記ゲートに提供される前記ゲート電圧は、前記酸化物半導体トランジスタの光入射時の第１スレショルド電圧より低い第１電圧、前記酸化物半導体トランジスタの光入射時の第１スレショルド電圧と光非入射時の第２スレショルド電圧との間の第２電圧、及び正（＋）の第３電圧のうちいずれか１つであることを特徴とする請求項４に記載の光センシング回路。
【請求項６】
前記酸化物半導体トランジスタは、
基板と、
前記基板上に部分的に配置されたゲートと、
少なくとも前記ゲートの周囲を覆うように、前記基板及び前記ゲートの上に配置されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上で、前記ゲートと対向するように配置されたチャネル層と、
前記チャネル層の両側を覆うように配置されたソース及びドレインと、
前記ソース、前記ドレイン及び前記チャネル層を覆うように配置された透明絶縁層と、を含み、
前記チャネル層は、酸化物半導体材料からなることを特徴とする請求項１に記載の光センシング回路。
【請求項７】
前記酸化物半導体トランジスタは、
前記ソースに対する電気的連結のために、前記透明絶縁層を貫通して前記ソースに連結された第１伝導性プラグと、
前記第１伝導性プラグと電気的に接触するように、前記透明絶縁層上に形成された第１コンタクトと、
前記ドレインに対する電気的連結のために、前記透明絶縁層を貫通して前記ドレインに連結された第２伝導性プラグと、
前記第２伝導性プラグと電気的に接触するように、前記透明絶縁層上に形成された第２コンタクトと、をさらに含むことを特徴とする請求項６に記載の光センシング回路。
【請求項８】
前記酸化物半導体トランジスタは、
基板と、
前記基板上に配置されたチャネル層と、
前記チャネル層の中心領域に部分的に配置されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上で、前記チャネル層と対向して配置されたゲートと、
前記チャネル層上で、前記ゲートの両側にそれぞれ離れて配置されたソース及びドレインと、
前記ゲート、前記ソース及び前記ドレインを覆うように配置された透明絶縁層と、を含み、
前記チャネル層は、酸化物半導体材料からなることを特徴とする請求項１に記載の光センシング回路。
【請求項９】
前記酸化物半導体材料は、ＺｎＯ、ＩｎＯ、ＳｎＯ、ＩｎＺｎＯ、ＺｎＳｎＯまたはＩｎＳｎＯを含み、または前記ＺｎＯ、ＩｎＯ、ＳｎＯ、ＩｎＺｎＯ、ＺｎＳｎＯまたはＩｎＳｎＯに、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｇａ、Ｎｂ、Ｖ、Ａｌ及びＳｎのうち、少なくとも１つの材料が追加して混合された材料を含むことを特徴とする請求項１に記載の光センシング回路。
【請求項１０】
多数の行及び多数の列で配列された多数の光センシング画素を有する光センシング画素アレイと、
それぞれの前記光センシング画素にゲート電圧とリセット信号とを提供するように、行方向に沿って配列された多数のゲートラインを有するゲートドライバと、を含み、
それぞれの前記光センシング画素は、光を感知するための光センシング素子の役割と、光センシングデータを出力するためのスイッチの役割と、を共に遂行する酸化物半導体トランジスタを含む光センシング装置。
【請求項１１】
前記ゲートドライバは、行方向に沿って順次に、前記酸化物半導体トランジスタに前記ゲート電圧を印加した後、あらゆる前記酸化物半導体トランジスタに一度に前記リセット信号を印加するように構成されたことを特徴とする請求項１０に記載の光センシング装置。
【請求項１２】
前記ゲートドライバは、前記酸化物半導体トランジスタの光入射時の第１スレショルド電圧より低い第１電圧、前記酸化物半導体トランジスタの光入射時の第１スレショルド電圧と光非入射時の第２スレショルド電圧との間の第２電圧、及び正（＋）の第３電圧をそれぞれの前記酸化物半導体トランジスタに提供することを特徴とする請求項１０に記載の光センシング装置。
【請求項１３】
前記ゲートドライバは、前記第１電圧、前記第２電圧、前記第１電圧及び前記第３電圧の順序でそれぞれの前記酸化物半導体トランジスタに前記ゲート電圧を提供し、前記第３電圧は、前記酸化物半導体トランジスタをリセットさせる前記リセット信号であることを特徴とする請求項１２に記載の光センシング装置。
【請求項１４】
それぞれの前記ゲートラインは、同じ行に沿って配列されている前記光センシング画素に連結されていることを特徴とする請求項１０に記載の光センシング装置。
【請求項１５】
１行に沿って配列された前記光センシング画素の前記酸化物半導体トランジスタのゲートには、前記行に対応する前記ゲートラインが連結されていることを特徴とする請求項１４に記載の光センシング装置。
【請求項１６】
列方向に沿って配列された多数のデータラインを有し、それぞれの前記光センシング画素から光センシング信号を受けてデータ信号を出力する信号出力部をさらに含むことを特徴とする請求項１０に記載の光センシング装置。
【請求項１７】
１列に沿って配列された前記光センシング画素の前記酸化物半導体トランジスタのソースには、前記列に対応する前記データラインが連結されていることを特徴とする請求項１６に記載の光センシング装置。
【請求項１８】
前記信号出力部は、
前記光センシング画素からのアナログ出力信号をデジタル信号に変換するためのＡ／Ｄ変換器と、
前記デジタル出力信号を臨時に保存するためのバッファと、
特定列の前記光センシング画素からの出力を選択するためのカラムスキャナと、を含むことを特徴とする請求項１６に記載の光センシング装置。
【請求項１９】
前記酸化物半導体トランジスタは、
基板と、
前記基板上に部分的に配置されたゲートと、
少なくとも前記ゲートの周囲を覆うように、前記基板及び前記ゲートの上に配置されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上で、前記ゲートと対向するように配置されたチャネル層と、
前記チャネル層の両側にそれぞれ配置されたソース及びドレインと、
前記ソース、前記ドレイン及び前記チャネル層を全体的に覆うように配置された透明絶縁層と、を含み、
前記チャネル層は、酸化物半導体材料からなることを特徴とする請求項１０に記載の光センシング装置。
【請求項２０】
前記酸化物半導体材料は、ＺｎＯ、ＩｎＯ、ＳｎＯ、ＩｎＺｎＯ、ＺｎＳｎＯまたはＩｎＳｎＯを含み、または前記ＺｎＯ、ＩｎＯ、ＳｎＯ、ＩｎＺｎＯ、ＺｎＳｎＯまたはＩｎＳｎＯに、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｇａ、Ｎｂ、Ｖ、Ａｌ及びＳｎのうち、少なくとも１つの材料が追加して混合された材料を含むことを特徴とする請求項１９に記載の光センシング装置。
【請求項２１】
前記酸化物半導体トランジスタは、
基板と、
前記基板上に配置されたチャネル層と、
前記チャネル層の中心領域に部分的に配置されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上で、前記チャネル層と対向して配置されたゲートと、
前記チャネル層上で、前記ゲートの両側にそれぞれ離れて配置されたソース及びドレインと、
前記ゲート、前記ソース及び前記ドレインを覆うように配置された透明絶縁層と、を含み、
前記チャネル層は、酸化物半導体材料からなることを特徴とする請求項１０に記載の光センシング装置。
【請求項２２】
請求項１ないし請求項９のうち、いずれか１項に記載の光センシング回路を画素内に含む画像取得装置。
【請求項２３】
請求項１０ないし請求項２１のうち、いずれか１項に記載の光センシング装置を含む画像取得装置。
【請求項２４】
画像を表示するディスプレイ装置と、
前記ディスプレイ装置の画面上に付着されたものであり、請求項１ないし請求項９のうち、いずれか１項に記載の光センシング回路を画素内に含む光タッチパネルと、
前記光タッチパネルに光信号を提供する光源装置と、を含む光タッチスクリーン装置。
【請求項２５】
画像を表示するディスプレイ装置と、
前記ディスプレイ装置の画面上に付着されたものであり、請求項１０ないし請求項２１のうち、いずれか１項に記載の光センシング装置を含む光タッチパネルと、
前記光タッチパネルに光信号を提供する光源装置と、を含む光タッチスクリーン装置。
【請求項２６】
光を感知するための光センシング素子の役割と、光センシングデータを出力させるためのスイッチの役割と、を共に遂行する酸化物半導体トランジスタのゲートに、負（−）の第１電圧、前記第１電圧より高い負（−）の第２電圧、第１電圧、及び正（＋）の第３電圧を順次に印加する段階を含む光センシング装置の動作方法。
【請求項２７】
前記第１電圧は、前記酸化物半導体トランジスタの光入射時の第１スレショルド電圧より低い電圧であり、前記第２電圧は、前記酸化物半導体トランジスタの光入射時の第１スレショルド電圧と、光非入射時の第２スレショルド電圧との間の電圧であることを特徴とする請求項２６に記載の光センシング装置の動作方法。
【請求項２８】
前記第３電圧は、前記酸化物半導体トランジスタをリセットさせるリセット信号であることを特徴とする請求項２７に記載の光センシング装置の動作方法。
【請求項２９】
前記酸化物半導体トランジスタのゲートに第２電圧が印加されている間、前記酸化物半導体トランジスタのドレインとソースとの間に流れる電流を測定する段階をさらに含むことを特徴とする請求項２７に記載の光センシング装置の動作方法。
【請求項３０】
光を感知するための光センシング素子の役割と、光センシングデータを出力させるためのスイッチの役割と、を共に遂行する酸化物半導体トランジスタを含み、多数の行及び多数の列で配列された多数の光センシング画素のうち、いずれか１行に配列された前記光センシング画素の前記酸化物半導体トランジスタのゲートに、負（−）の第２電圧を印加し、残りの行に配列された前記酸化物半導体トランジスタのゲートに、前記第２電圧より低い負（−）の第１電圧を印加する段階と、
後続する次の行に配列された前記光センシング画素の前記酸化物半導体トランジスタの前記ゲートに前記第２電圧を順次に印加し、残りの行に配列された前記光センシング画素の前記酸化物半導体トランジスタの前記ゲートに前記第１電圧を印加する段階と、
あらゆる行に対して順次に前記第２電圧の印加を完了した後、あらゆる行に配列された前記光センシング画素の前記酸化物半導体トランジスタの前記ゲートに同時に正（＋）の第３電圧を印加する段階と、を含む光センシング装置の動作方法。
【請求項３１】
前記第１電圧は、前記酸化物半導体トランジスタの光入射時の第１スレショルド電圧より低い電圧であり、前記第２電圧は、前記酸化物半導体トランジスタの光入射時の前記第１スレショルド電圧と、光非入射時の第２スレショルド電圧との間の電圧であることを特徴とする請求項３０に記載の光センシング装置の動作方法。
【請求項３２】
前記第３電圧は、前記酸化物半導体トランジスタをリセットさせるリセット信号であることを特徴とする請求項３１に記載の光センシング装置の動作方法。
【請求項３３】
前記酸化物半導体トランジスタの前記ゲートに第２電圧が印加されている間、前記酸化物半導体トランジスタのドレインとソースとの間に流れる電流を測定する段階をさらに含むことを特徴とする請求項３１に記載の光センシング装置の動作方法。
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１３−２５８０３（Ｐ２０１３−２５８０３Ａ）
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１５４４４１（Ｐ２０１２−１５４４４１）
【出願日】平成２４年７月１０日（２０１２．７．１０）
【出願人】（３９００１９８３９）三星電子株式会社 (8,520)
【氏名又は名称原語表記】Ｓａｍｓｕｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．
【住所又は居所原語表記】１２９，Ｓａｍｓｕｎｇ−ｒｏ，Ｙｅｏｎｇｔｏｎｇ−ｇｕ，Ｓｕｗｏｎ−ｓｉ，Ｇｙｅｏｎｇｇｉ−ｄｏ，Ｒｅｐｕｂｌｉｃ ｏｆ Ｋｏｒｅａ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年７月１０日（２０１２．７．１０）
【出願人】（３９００１９８３９）三星電子株式会社 (8,520)
【氏名又は名称原語表記】Ｓａｍｓｕｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．
【住所又は居所原語表記】１２９，Ｓａｍｓｕｎｇ−ｒｏ，Ｙｅｏｎｇｔｏｎｇ−ｇｕ，Ｓｕｗｏｎ−ｓｉ，Ｇｙｅｏｎｇｇｉ−ｄｏ，Ｒｅｐｕｂｌｉｃ ｏｆ Ｋｏｒｅａ
【Ｆターム（参考）】
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