專利名稱：半導(dǎo)體裝置及其驅(qū)動(dòng)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及包括光電傳感器的半導(dǎo)體裝置及其驅(qū)動(dòng)方法。本發(fā)明還涉及其中以矩陣設(shè)置光電傳感器的半導(dǎo)體裝置及其驅(qū)動(dòng)方法。進(jìn)一步，本發(fā)明涉及包括光電傳感器的顯示裝置及其驅(qū)動(dòng)方法。本發(fā)明還涉及其中分別包括光電傳感器的像素以矩陣設(shè)置的顯示裝置及其驅(qū)動(dòng)方法。此外，本發(fā)明涉及包括該顯示裝置或該半導(dǎo)體裝置的電子設(shè)備。
背景技術(shù)：
近年來，其上安裝了檢測(cè)光的傳感器(也被稱為“光電傳感器”)的顯示裝置已經(jīng)吸引了注意。通過提供具有光電傳感器的顯示裝置，可在顯示屏幕上進(jìn)行信息的輸入。例如，可給出具有圖像捕捉功能的顯示裝置(例如，見專利文獻(xiàn)I)。除了上述顯示裝置外，可給出被用于諸如掃描儀或數(shù)字靜態(tài)照相機(jī)之類的電子設(shè) 備中所使用的成像設(shè)備作為包括光電傳感器的半導(dǎo)體裝置。在諸如上述顯示裝置或成像設(shè)備之類的包括光電傳感器的半導(dǎo)體裝置中，光電傳感器檢測(cè)由物體反射的光或從物體發(fā)出的光；因此，半導(dǎo)體裝置可檢測(cè)在提供有光電傳感器的區(qū)域附近的物體的存在。[參考文獻(xiàn)][專利文獻(xiàn)][專利文獻(xiàn)I]日本公開專利申請(qǐng)No.2001-29227
發(fā)明內(nèi)容
為了將所檢測(cè)到的物體成像并獲得圖像，在光電傳感器中，光需要被轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。由于電信號(hào)一般是模擬信號(hào)，電信號(hào)需要由A/D轉(zhuǎn)換器電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。進(jìn)一步，需要進(jìn)行根據(jù)光的強(qiáng)度的A/D轉(zhuǎn)換。因此，本發(fā)明的實(shí)施例的目的在于在光電傳感器中準(zhǔn)確地將光轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。另一個(gè)目的是提供用于實(shí)現(xiàn)上述目的的具有新穎電路結(jié)構(gòu)的光電傳感器。另一個(gè)目的是提供包括該光電傳感器的半導(dǎo)體裝置。進(jìn)一步，另一個(gè)目的是提供能以高分辨率成像的光電傳感器。另一個(gè)目的是提供包括該光電傳感器的半導(dǎo)體裝置。另一個(gè)目的是提供包括能對(duì)于快速移動(dòng)的待檢測(cè)物體成像的光電傳感器的半導(dǎo)體裝置，且在圖像中沒有模糊點(diǎn)或扭曲。進(jìn)一步，另一個(gè)目的是提供包括能以高分辨率低功耗成像的光電傳感器的半導(dǎo)體
>J-U裝直。本發(fā)明的實(shí)施例涉及包括光電傳感器的半導(dǎo)體裝置，該光電傳感器具有光電二極管、第一晶體管、和第二晶體管。光電二極管具有根據(jù)光的強(qiáng)度產(chǎn)生電信號(hào)的功能。第一晶體管具有在第一晶體管的柵極中存儲(chǔ)電荷的功能。第二晶體管具有將光電二極管產(chǎn)生的電信號(hào)傳遞至第一晶體管的柵極的功能。第二晶體管具有保持存儲(chǔ)于第一晶體管的柵極中的電荷的功能。在上述結(jié)構(gòu)中，第一晶體管具有背柵極。在第一晶體管中，通過改變?cè)摫硸艠O的電位可改變閾值電壓。在上述結(jié)構(gòu)中，第一晶體管具有將存儲(chǔ)于柵極中的電荷轉(zhuǎn)換為輸出信號(hào)的功能。存儲(chǔ)于第一晶體管的柵極中的電荷被轉(zhuǎn)換為輸出信號(hào)且該輸出信號(hào)被讀取，藉此可輸出與光的強(qiáng)度一致的電信號(hào)。在存儲(chǔ)于該柵極中的電荷被保持的情況下改變第一晶體管的背柵極的電位時(shí)，對(duì)于存儲(chǔ)于第一晶體管的柵極中的電荷的讀取被執(zhí)行多次。特定地，第一晶體管的背柵極的電位被設(shè)置在第一電位且存儲(chǔ)于第一晶體管的柵極中的電荷被轉(zhuǎn)換為第一輸出信號(hào)，且該第一輸出信號(hào)被讀取。然后，第一晶體管的背柵極的電位被設(shè)置在第二電位且存儲(chǔ)于第一晶體管的柵極中的電荷被轉(zhuǎn)換為第二輸出信號(hào)，且該第二輸出信號(hào)被讀取。在其中三次或更多次進(jìn)行讀取的情況下，可重復(fù)進(jìn)行上述操作。以此方式，當(dāng)?shù)谝痪w管的背柵極的電位被改變時(shí)，可多次執(zhí)行對(duì)存儲(chǔ)于第一晶體管的柵極中的電荷的讀取。
因此，即使當(dāng)光強(qiáng)度較高時(shí)，可輸出與光強(qiáng)度一致的電信號(hào)。進(jìn)一步，即使當(dāng)光強(qiáng)度較低時(shí)，可輸出與光強(qiáng)度一致的電信號(hào)。在上述結(jié)構(gòu)中，可使用氧化物半導(dǎo)體層形成至少第二晶體管的溝道形成區(qū)。當(dāng)與使用硅等的晶體管相比較時(shí)，使用氧化物半導(dǎo)體的晶體管具有極低截止電流的電特性。因此，通過在第二晶體管的溝道形成區(qū)中使用氧化物半導(dǎo)體層，存儲(chǔ)于第一晶體管的柵極中的電荷可保持較長(zhǎng)時(shí)間。相應(yīng)地，在其中多次進(jìn)行對(duì)存儲(chǔ)于第一晶體管的柵極中的電荷的讀取的時(shí)間段內(nèi)，存儲(chǔ)于第一晶體管的柵極中的電荷可保持基本不變。在上述結(jié)構(gòu)中，半導(dǎo)體裝置包括第三晶體管。該第三晶體管具有控制輸出信號(hào)的讀取的功能。在上述結(jié)構(gòu)中，半導(dǎo)體裝置包括第四晶體管。該第四晶體管具有控制被用于讀取輸出信號(hào)的信號(hào)線的電位的功能。特定地，該第四晶體管具有將該信號(hào)線的電位設(shè)定在基準(zhǔn)電位的功能。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，可提供包括能輸出與較廣范圍內(nèi)的光強(qiáng)度一致的電信號(hào)的光電傳感器的半導(dǎo)體裝置。即，可能在不論強(qiáng)度的情況下，準(zhǔn)確地將光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。因此，可提供一半導(dǎo)體裝置，該半導(dǎo)體裝置包括能以高分辨率和對(duì)于較廣范圍光強(qiáng)度的適用性實(shí)現(xiàn)成像功能光電傳感器。附圖簡(jiǎn)述在附圖中圖I是示出半導(dǎo)體裝置的結(jié)構(gòu)的示例的圖；圖2是示出顯示裝置的結(jié)構(gòu)的示例的圖；圖3是示出被包括在顯示裝置中的像素的電路結(jié)構(gòu)的示例的圖；圖4是光電傳感器的時(shí)序圖的示例；圖5是光電傳感器的時(shí)序圖的示例；圖6是光電傳感器的時(shí)序圖的示例；圖7A到7D是示出光電傳感器的電路結(jié)構(gòu)的示例的圖；圖8A到8D是示出被包括于半導(dǎo)體裝置中的晶體管的制造工藝的示例的圖；圖9是示出被包括在半導(dǎo)體裝置中的晶體管的結(jié)構(gòu)的示例的圖；和


圖10是示出晶體管的Vg-Id特性的示例的圖。用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的最佳模式在下文中，將參考附圖詳細(xì)描述各個(gè)實(shí)施例。然而，由于下述實(shí)施例可以不同方式實(shí)現(xiàn)，本領(lǐng)域技術(shù)人員易于理解的是可在不背離本發(fā)明范圍的情況下以各種方式改變實(shí)現(xiàn)方式和細(xì)節(jié)。因此，本發(fā)明不應(yīng)被解釋為限于以下諸實(shí)施例的描述。在用于解釋各實(shí)施例的附圖中，相同的附圖標(biāo)記指示相同的部分或具有類似功能的部分，并且不再重復(fù)其詳細(xì)描述。(實(shí)施例I)在這個(gè)實(shí)施例中，參考圖I而描述作為所公開的發(fā)明的實(shí)施例的半導(dǎo)體裝置的示例。被包括在半導(dǎo)體裝置中的光電二極管106的電路結(jié)構(gòu)的示例被圖示于圖I中。還 示出了電連接至光電傳感器106的預(yù)充電電路200的結(jié)構(gòu)的示例。光電傳感器106包括光電二極管204、晶體管205、晶體管206、以及晶體管207。在光電傳感器106中，光電二極管204的一個(gè)電極電連接到光電二極管重置信號(hào)線210，且光電二極管204的另一電極電連接到晶體管207的源極和漏極之一。晶體管205的源極和漏極之一電連接到光電傳感器基準(zhǔn)信號(hào)線213，而晶體管205的源極和漏極中的另一個(gè)電連接到晶體管206的源極和漏極之一。晶體管206的柵極電連接到柵極信號(hào)線211，而晶體管206的源極和柵極中的另一個(gè)電連接到光電傳感器輸出信號(hào)線214。晶體管207的柵極電連接至柵極信號(hào)線209。晶體管207的源極和漏極中的另一個(gè)通過柵極信號(hào)線215電連接至晶體管205的柵極。晶體管205具有背柵極。背柵極電連接至背柵極信號(hào)線218。通過改變施加至背柵極信號(hào)線218的電位，可改變晶體管205的背柵極的電位。通過改變背柵極的電位,可改變晶體管205的閾值電壓。晶體管205具有其中層疊了柵極、柵絕緣層、包括溝道形成區(qū)的半導(dǎo)體層、絕緣膜、和背柵極的結(jié)構(gòu)。絕緣膜用作背柵極側(cè)上的柵絕緣層。放置柵極和背柵極以使溝道形成區(qū)被設(shè)置在兩者之間。類似于柵極，可使用導(dǎo)電膜形成背柵極。柵極信號(hào)線209、光電二極管重置信號(hào)線210、和柵極信號(hào)線211電連接至光電傳感器驅(qū)動(dòng)電路。光電傳感器驅(qū)動(dòng)電路具有如下所述的、在設(shè)置于特定行的光電傳感器106上執(zhí)行重置操作、累積操作、和讀取操作的功能。光電傳感器輸出信號(hào)線214、光電傳感器基準(zhǔn)信號(hào)線213、和背柵極信號(hào)線218電連接至光電傳感器讀取電路。光電傳感器讀取電路具有從位于選中行的光電傳感器106讀取輸出信號(hào)的功能。注意，該光電傳感器讀取電路可具有其中作為模擬信號(hào)的來自光電傳感器的輸出被OP放大器提取作為至外側(cè)的模擬信號(hào)的結(jié)構(gòu)；或者其中通過A/D轉(zhuǎn)換器電路將輸出轉(zhuǎn)換至數(shù)字信號(hào)然后被提取至外側(cè)的結(jié)構(gòu)?？墒褂肞N 二極管、PIN 二極管、肖特基二極管、或雪崩二極管作為光電二極管204。在其中使用PN 二極管或PIN 二極管的情況下，可使用其中層疊了具有相應(yīng)的導(dǎo)電類型(P-型導(dǎo)電性和n-型導(dǎo)電性、或p-型導(dǎo)電性、i-型導(dǎo)電性、和n-型導(dǎo)電性)的半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)。可選地，可使用各自具有一導(dǎo)電類型的數(shù)個(gè)半導(dǎo)體被放置在共面表面上的結(jié)構(gòu)。包括在光電二極管204中的半導(dǎo)體可以是非晶半導(dǎo)體、微晶半導(dǎo)體、多晶半導(dǎo)體、單晶半導(dǎo)體等。光電二極管具有根據(jù)光的強(qiáng)度產(chǎn)生電信號(hào)的功能。由光電二極管所接收的光是由物體所反射的光或從物體發(fā)射出來的光?？墒褂冒ㄓ诎雽?dǎo)體裝置中的發(fā)光設(shè)備或外部光作為被物體反射的光的光源。晶體管207具有控制在光電傳感器上進(jìn)行的累積操作的功能。即，處于導(dǎo)通狀態(tài)的晶體管207具有將由光電二極管204產(chǎn)生的電信號(hào)傳遞至晶體管205的柵極的功能。因此，期望的是具有高遷移率的晶體管被用作晶體管207。此外，處于非導(dǎo)通狀態(tài)的晶體管207具有保持存儲(chǔ)于(累積在)晶體管205的柵極中的電荷的功能。因此，期望的是具有極低截止電流的晶體管被用作晶體管207。因此，期望的是使用具有極低截止電流和相對(duì)較高遷移率的氧化物半導(dǎo)體作為包含在晶體管207的溝道形成區(qū)中的半導(dǎo)體。當(dāng)與使用硅等的晶體管相比較時(shí)，使用氧化物半導(dǎo)體的晶體管具有極低截止電流的電特性。使用氧化物半導(dǎo)體的晶體管相比使用非晶硅的晶體管具有更高遷移率的電特性。晶體管205具有在柵極中存儲(chǔ)(累積)電荷的功能。通過將存儲(chǔ)在柵極中的電荷轉(zhuǎn)換為輸出信號(hào)并從光電傳感器輸出信號(hào)線214讀取該輸出信號(hào)，由光電傳感器204產(chǎn)生的電信號(hào)可被讀取作為輸出信號(hào)。在存儲(chǔ)于晶體管205的柵極中的電荷被保持的情況下改變晶體管205的背柵極的電位時(shí)，對(duì)于存儲(chǔ)于晶體管205的柵極中的電荷的讀取被執(zhí)行多次。相應(yīng)地，可提供能輸出與較廣范圍光強(qiáng)度一致的電信號(hào)的光電傳感器106。[!卩,可能在不論強(qiáng)度的情況下，準(zhǔn)確地將光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。為了以高速進(jìn)行上述讀取，期望的是使用具有高遷移率的晶體管作為晶體管205。晶體管206具有控制來自光電傳感器106的輸出信號(hào)的讀取的功能。特定地，晶體管206具有將來自光電傳感器106的輸出信號(hào)傳遞至光電傳感器輸出信號(hào)線214的功能。為了以高速進(jìn)行輸出信號(hào)的傳遞，即，為了以高速進(jìn)行對(duì)于來自光電傳感器106的輸出信號(hào)的讀取，期望的是使用具有高遷移率的晶體管作為晶體管206。另一方面，在另一個(gè)像素的讀取時(shí)間段中，有必要防止不必要的電位被輸出至光電傳感器輸出信號(hào)線214。因此，期望的是具有低截止電流的晶體管被用作晶體管205和晶體管206中的一個(gè)或兩個(gè)。因此，在其中最優(yōu)先高速讀取的情況下，期望的是單晶半導(dǎo)體、多晶半導(dǎo)體等被用作包含在晶體管205和206的溝道形成區(qū)中的半導(dǎo)體。進(jìn)一步，期望的是使用其結(jié)晶性易于被改進(jìn)的材料(如，硅)。另外，在最優(yōu)先防止不必要的電位被輸出的情況下，期望的是具有極低截止電流和相對(duì)較高遷移率的氧化物半導(dǎo)體被用作包含在晶體管205和晶體管206中的一個(gè)或兩個(gè)的溝道形成區(qū)中的半導(dǎo)體。如上所述，可取決于光電傳感器106所需要的特性而選擇被用于晶體管205和206的半導(dǎo)體材料。接著，描述預(yù)充電電路200。圖I中所示的預(yù)充電電路200被用于每一列的像素。被用于每一列的像素的預(yù)充電電路200包括晶體管216和預(yù)充電信號(hào)線217。晶體管216的柵極電連接至預(yù)充電信號(hào)線217 ;晶體管216的源極和漏極之一電連接至施加了預(yù)定電位的信號(hào)線；且晶體管216的源極和漏極中的另一個(gè)電連接至光電傳感器輸出信號(hào)線214。注意，OP放大器或A/D轉(zhuǎn)換器電路可被連接至預(yù)充電電路200的下一級(jí)。、
在預(yù)充電電路200中，在像素中的光電傳感器的操作之前，光電傳感器輸出信號(hào)線214的電位被設(shè)置在基準(zhǔn)電位。例如，當(dāng)高電位被施加至預(yù)充電信號(hào)線217時(shí)，晶體管216被導(dǎo)通且光電傳感器輸出信號(hào)線214可被設(shè)置在基準(zhǔn)電位(此處，是高電位)。注意，有效的是為光電傳感器輸出信號(hào)線214提供存儲(chǔ)電容器,從而光電傳感器輸出信號(hào)線214的電位被穩(wěn)定。注意，基準(zhǔn)電位可以被設(shè)置在低電位。根據(jù)這個(gè)實(shí)施例，可提供能以高分辨率和對(duì)較廣范圍光強(qiáng)度的適用性實(shí)現(xiàn)成像功能的低成本半導(dǎo)體裝置。包括光電傳感器的這樣的半導(dǎo)體裝置可被用在諸如掃描儀或靜態(tài)照相機(jī)之類的電子設(shè)備中。此外，包括光電傳感器的半導(dǎo)體裝置可被用在具有觸摸面板功能的顯示裝置中。該實(shí)施例可按需結(jié)合任一其他實(shí)施例和示例實(shí)現(xiàn)。(實(shí)施例2) 在這個(gè)實(shí)施例中，參考圖2和圖3而描述作為所公開的本發(fā)明的實(shí)施例的半導(dǎo)體裝置的示例。在這個(gè)實(shí)施例中描述了其中半導(dǎo)體裝置是顯示裝置的示例。圖2中示出顯示裝置的結(jié)構(gòu)的示例。顯示裝置100包括像素電路101、顯示元件控制電路102、以及光電傳感器控制電路103。像素電路101包括在行方向和列方向中以矩陣設(shè)置的多個(gè)像素104。每一個(gè)像素104包括顯示元件105和光電傳感器106。并不必須在像素104的每一個(gè)中提供光電傳感器106，而是可在每?jī)蓚€(gè)或更多個(gè)像素中提供光電傳感器106。例如，可采用其中每?jī)蓚€(gè)像素提供一個(gè)光電傳感器的結(jié)構(gòu)?？蛇x地，可在像素104外提供光電傳感器。顯示元件控制電路102是控制顯示元件105的電路,且包括顯示元件驅(qū)動(dòng)電路107，從該顯示元件驅(qū)動(dòng)器電路107通過信號(hào)線(也被稱為視頻數(shù)據(jù)源信號(hào)線或源信號(hào)線)將諸如視頻數(shù)據(jù)之類的信號(hào)輸入至顯示元件105 ;和顯示元件驅(qū)動(dòng)電路108，從該顯示元件驅(qū)動(dòng)電路108通過掃描線(也被稱為柵極信號(hào)線)將信號(hào)輸入至顯示元件105。光電傳感器控制電路103是控制光電傳感器106的電路，且包括位于信號(hào)線側(cè)的光電傳感器讀取電路109和位于掃描線側(cè)的光電傳感器驅(qū)動(dòng)電路110。在圖3中，示出了像素104的電路結(jié)構(gòu)的示例。還示出了電連接至像素104的預(yù)充電電路200的結(jié)構(gòu)的示例。預(yù)充電電路200被包括在圖2中所示的光電傳感器讀取電路109 中。像素104包括顯示元件105和光電傳感器106。顯示元件105包括晶體管201、存儲(chǔ)電容器202、和液晶元件203。在顯示元件105中，晶體管201的柵極電連接到柵極信號(hào)線208，晶體管201的源極和漏極之一電連接到視頻數(shù)據(jù)信號(hào)線212，而晶體管201的源極和漏極中的另一個(gè)電連接到存儲(chǔ)電容器202的一個(gè)電極和液晶元件203的一個(gè)電極。存儲(chǔ)電容器202的另一個(gè)電極和液晶元件203的另一個(gè)電極被連接至被提供預(yù)定電位的公共引線。液晶元件203是包括一對(duì)電極、以及設(shè)置在這對(duì)電極之間的液晶層的元件。晶體管201具有控制電荷注入液晶元件203和存儲(chǔ)電容器202或從中排出的功能。例如，當(dāng)向柵極信號(hào)線208施加高電位時(shí)，晶體管201被導(dǎo)通且視頻數(shù)據(jù)信號(hào)線212的電位被施加到液晶元件203和存儲(chǔ)電容器202。由于向液晶元件203施加電壓，產(chǎn)生通過液晶元件203的光的對(duì)比度(灰度)，藉此實(shí)現(xiàn)圖像顯示。存儲(chǔ)電容器202具有維持施加至液晶元件203的電壓的功能。包括液晶元件203的顯示裝置100可以是透射顯示裝置、反射顯示裝置、或半透射顯示裝置。視頻數(shù)據(jù)信號(hào)線212電連接至在圖2中顯示的顯示元件驅(qū)動(dòng)電路107。顯示元件驅(qū)動(dòng)電路107是通過視頻數(shù)據(jù)信號(hào)線212向顯示元件105提供信號(hào)的電路。柵極信號(hào)線208電連接至在圖2中顯示的顯示元件驅(qū)動(dòng)電路108。顯示元件驅(qū)動(dòng)電路108是通過柵極信號(hào)線208向顯示元件105提供信號(hào)的電路。例如,顯示元件驅(qū)動(dòng)電路108具有提供選擇包括在設(shè)置于特定行中的像素中的顯示元件的信號(hào)的功能。顯示元件驅(qū)動(dòng)電路107具有提供向包括于所選擇的行中的像素中的顯示元件提供合適電位的信號(hào)的功能?？墒褂梅蔷О雽?dǎo)體、微晶半導(dǎo)體、多晶半導(dǎo)體、氧化物半導(dǎo)體、單晶半導(dǎo)體等作為包括于晶體管201的溝道形成區(qū)中的半導(dǎo)體。特定地，通過使用氧化物半導(dǎo)體來獲得具有極低截止電流的晶體管，可改進(jìn)顯示質(zhì)量。
盡管此處所述的顯示元件105包括液晶元件,顯示元件105可包括諸如發(fā)光元件之類的另一個(gè)元件。發(fā)光元件是其亮度受控于電流或電壓的元件，且發(fā)光元件的特定示例是發(fā)光二極管和OLED (有機(jī)發(fā)光二極管)。光電傳感器106包括光電二極管204、晶體管205、晶體管206、以及晶體管207。在光電傳感器106中，光電二極管204的一個(gè)電極電連接到光電二極管重置信號(hào)線210，且光電二極管204的另一電極電連接到晶體管207的源極和漏極之一。晶體管205的源極和漏極之一電連接到光電傳感器基準(zhǔn)信號(hào)線213，而晶體管205的源極和漏極中的另一個(gè)電連接到晶體管206的源極和漏極之一。晶體管206的柵極電連接到柵極信號(hào)線211，而晶體管206的源極和柵極中的另一個(gè)電連接到光電傳感器輸出信號(hào)線214。晶體管207的柵極電連接至柵極信號(hào)線209。晶體管207的源極和漏極中的另一個(gè)通過柵極信號(hào)線215電連接至晶體管205的柵極。晶體管205具有背柵極。背柵極電連接至背柵極信號(hào)線218。通過改變施加至背柵極信號(hào)線218的電位，可改變晶體管205的背柵極的電位。通過改變背柵極的電壓，可改變晶體管205的閾值電壓。晶體管205具有其中層疊了柵極、柵絕緣層、包括溝道形成區(qū)的半導(dǎo)體層、絕緣膜、和背柵極的結(jié)構(gòu)。絕緣膜用作背柵極側(cè)上的柵絕緣層。放置柵極和背柵極以使溝道形成區(qū)被插入在兩者之間。類似于柵極，可使用導(dǎo)電膜形成背柵極。柵極信號(hào)線209、光電二極管重置信號(hào)線210、和柵極信號(hào)線211電連接至圖2中所示的光電傳感器驅(qū)動(dòng)電路110。光電傳感器驅(qū)動(dòng)電路110具有在包括于設(shè)置在特定行的像素中的光電傳感器106上執(zhí)行如下所述的重置操作、累積操作、和讀取操作的功能。光電傳感器輸出信號(hào)線214、光電傳感器基準(zhǔn)信號(hào)線213、和背柵極信號(hào)線218電連接至圖2中所示的光電傳感器讀取電路109。光電傳感器讀取電路109具有從位于選中行的像素中所包括的光電傳感器106讀取輸出信號(hào)的功能。注意，該光電傳感器讀取電路109可具有其中作為模擬信號(hào)的來自光電傳感器的輸出被OP放大器提取作為至外側(cè)的模擬信號(hào)的結(jié)構(gòu)；或者其中通過A/D轉(zhuǎn)換器電路將輸出轉(zhuǎn)換至數(shù)字信號(hào)然后被提取至外側(cè)的結(jié)構(gòu)。可使用PN二極管、PIN 二極管、肖特基二極管、或雪崩二極管作為光電二極管204。在其中使用PN 二極管或PIN 二極管的情況下，可使用其中層疊了具有相應(yīng)的導(dǎo)電類型(P-型導(dǎo)電性和n-型導(dǎo)電性、或p-型導(dǎo)電性、i-型導(dǎo)電性、和n-型導(dǎo)電性)的半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)?？蛇x地，可使用各自具有一導(dǎo)電類型的數(shù)個(gè)半導(dǎo)體被放置在共面上的結(jié)構(gòu)。包括在光電二極管204中的半導(dǎo)體可以是非晶半導(dǎo)體、微晶半導(dǎo)體、多晶半導(dǎo)體、單晶半導(dǎo)體等。光電二極管具有根據(jù)光的強(qiáng)度產(chǎn)生電信號(hào)的功能。在顯示裝置100中，由光電二極管所接收的光是由物體所反射的光或從物體發(fā)出的光?？墒褂冒ㄓ陲@示裝置中的發(fā)光設(shè)備或外部光作為被物體反射的光的光源。在其中發(fā)光元件被用作包括在顯示裝置中的顯示元件105的情況下，從發(fā)光元件發(fā)出的光可被用作由物體所反射的光的光源。晶體管207具有控制在光電傳感器上進(jìn)行的累積操作的功能。即，處于導(dǎo)通狀態(tài)的晶體管207具有將由光電二極管204產(chǎn)生的電信號(hào)傳遞至晶體管205的柵極的功能。因此，期望的是具有高遷移率的晶體管被用作晶體管207。此外，處于非導(dǎo)通狀態(tài)的晶體管207具有保持存儲(chǔ)于(累積在)晶體管205的柵極中的電荷的功能。因此，期望的是具有極低截止電流的晶體管被用作晶體管207。因此，期望的是使用具有極低截止電流和相對(duì)較高遷移率的氧化物半導(dǎo)體作為包含在晶體管207的溝道形成區(qū)中的半導(dǎo)體。當(dāng)與使用硅等的晶體管相比較時(shí)，使用氧化物 半導(dǎo)體的晶體管具有極低截止電流的電特性。使用氧化物半導(dǎo)體的晶體管相比使用非晶硅的晶體管具有更高遷移率的電特性。另外，如實(shí)施例I中所述，可取決于光電傳感器106所需要的特性而選擇被用于晶體管205和206的半導(dǎo)體材料。接著，描述預(yù)充電電路200。圖3中所示的預(yù)充電電路200被用于每一列的像素。被用于每一列的像素的預(yù)充電電路200包括晶體管216和預(yù)充電信號(hào)線217。晶體管216的柵極電連接至預(yù)充電信號(hào)線217 ;晶體管216的源極和漏極之一電連接至施加了預(yù)定電位的信號(hào)線；且晶體管216的源極和漏極中的另一個(gè)電連接至光電傳感器輸出信號(hào)線214。注意，OP放大器或A/D轉(zhuǎn)換器電路可被連接至預(yù)充電電路200的下一級(jí)。在預(yù)充電電路200中，在像素中的光電傳感器的操作之前，光電傳感器輸出信號(hào)線214的電位被設(shè)置在基準(zhǔn)電位。例如，當(dāng)高電位被施加至預(yù)充電信號(hào)線217時(shí)，晶體管216被導(dǎo)通且光電傳感器輸出信號(hào)線214可被設(shè)置在基準(zhǔn)電位(此處，是高電位)。注意，有效的是為光電傳感器輸出信號(hào)線214提供存儲(chǔ)電容器,從而光電傳感器輸出信號(hào)線214的電位被穩(wěn)定。注意，基準(zhǔn)電位可以被設(shè)置在低電位。盡管在這個(gè)實(shí)施例中描述了包括光電傳感器的顯示裝置，這個(gè)實(shí)施例可被易于應(yīng)用至包含光電傳感器的不具有顯示功能的半導(dǎo)體裝置。即，在這個(gè)實(shí)施例中，從顯示裝置100中，通過移除對(duì)于顯示必須的電路(特定地,是顯示元件控制電路102和顯示元件105)可形成半導(dǎo)體裝置?？山o出被用在諸如掃描儀或數(shù)字靜態(tài)照相機(jī)之類的電子設(shè)備中的成像裝置，作為包括光電傳感器的半導(dǎo)體裝置。根據(jù)這個(gè)實(shí)施例，可提供能以高分辨率和對(duì)較廣范圍光強(qiáng)度的適用性實(shí)現(xiàn)成像功能的低成本顯示設(shè)備或低成本半導(dǎo)體裝置。該實(shí)施例可按需結(jié)合任一其他實(shí)施例和示例實(shí)現(xiàn)。(實(shí)施例3)在這個(gè)實(shí)施例中，參考圖4而描述圖I所示的半導(dǎo)體裝置的操作的示例或圖2和3中所示的顯示裝置的操作的示例。圖4是時(shí)序圖的示例,涉及圖I或圖2和圖3中所示的光電傳感器106上的讀取操作。在圖4中，信號(hào)301、信號(hào)302、信號(hào)303、信號(hào)304、信號(hào)305、信號(hào)306、和信號(hào)307分別對(duì)應(yīng)于圖I或圖3中的光電二極管重置信號(hào)線210、柵極信號(hào)線209、柵極信號(hào)線211、柵極信號(hào)線215、光電傳感器輸出信號(hào)線214、預(yù)充電信號(hào)線217、和背柵極信號(hào)線218的電位。注意，光電傳感器基準(zhǔn)信號(hào)線213被設(shè)置在低電位。圖4的時(shí)序圖包括其中進(jìn)行重置操作的重置時(shí)間段、其中進(jìn)行電荷累積操作的累積時(shí)間段、和其中進(jìn)行讀取操作的讀取時(shí)間段。從時(shí)間A到時(shí)間B的時(shí)間段對(duì)應(yīng)于重置時(shí)間段。從時(shí)間B到時(shí)間C的時(shí)間段對(duì)應(yīng)于累積時(shí)間段。從時(shí)間D到時(shí)間E的時(shí)間段對(duì)應(yīng)于第一讀取時(shí)間段，且從時(shí)間G到時(shí)間H的時(shí)間段對(duì)應(yīng)于第二讀取時(shí)間段。下文中，高電位被表達(dá)為“H”且低電位被表達(dá)為“L”。此外，下文中，描述了其中當(dāng)晶體管的柵極被提供高電位(“H”)信號(hào)時(shí)晶體管被導(dǎo)通的示例。進(jìn)一步，下文中，在描述中，晶體管205是通過增加(減少)背柵極的電位而減少(增加)其閾值電壓的晶體管。
在時(shí)間A，光電二極管重置信號(hào)線210的電位(信號(hào)301)被設(shè)置為“H”且柵極信號(hào)線209的電位(信號(hào)302)被設(shè)置為“H”(重置操作被啟動(dòng));然后，光電二極管204和晶體管207被電導(dǎo)通且柵極信號(hào)線215的電位(信號(hào)304)變?yōu)椤癏”。因此，對(duì)應(yīng)于高電位(“H”)的電荷被存儲(chǔ)在柵極信號(hào)線215中。當(dāng)預(yù)充電信號(hào)線217的電位(信號(hào)306)為“H”時(shí)，光電傳感器輸出信號(hào)線214的電位(信號(hào)305)被預(yù)充電至“H”。背柵極信號(hào)線218的電位(信號(hào)307)是OV且此時(shí)晶體管205的閾值電壓在OV附近。在時(shí)間B，光電二極管重置信號(hào)線210的電位(信號(hào)301)被設(shè)置為“L”且柵極信號(hào)線209的電位(信號(hào)302)被保持在“H”(重置操作完成且累積操作被啟動(dòng));然后，由于光電二極管204的漏電流,柵極信號(hào)線215的電位(信號(hào)304)開始下降。當(dāng)光由光電二極管204接收時(shí)，漏電流(也被稱為光電流)增加；因此，柵極信號(hào)線215的電位(信號(hào)304)根據(jù)所接收到的光(具體地是由物體所反射的光)的強(qiáng)度而改變。換言之，柵極信號(hào)線215中的電荷量根據(jù)光電二極管204中產(chǎn)生的光電流而改變。因此，存儲(chǔ)在晶體管205的柵極中的電荷量被改變且晶體管205的源極和漏極之間的溝道電阻被改變。當(dāng)在這個(gè)光電二極管204中產(chǎn)生的光電流被視為電信號(hào)時(shí)，意味著柵極信號(hào)線215中的電荷量根據(jù)在這個(gè)光電二極管204中產(chǎn)生的電信號(hào)而改變。在時(shí)間C，柵極信號(hào)線209的電位(信號(hào)302)被設(shè)置為“L”(累積操作完成)，藉此晶體管207被截止且柵極信號(hào)線215的電位(信號(hào)304)變得恒定。即，存儲(chǔ)(累積)于柵極信號(hào)線215中的電荷量變得恒定且存儲(chǔ)(累積)于晶體管205的柵極中的電荷量變得恒定。取決于在累積操作過程中在光電二極管中產(chǎn)生的光電流的量而確定柵極信號(hào)線215的電位(電荷量)。換言之，柵極信號(hào)線215的電位(電荷量)根據(jù)光電二極管接收到的光的強(qiáng)度而變化。晶體管207是具有極低截止電流的晶體管，該晶體管在其溝道形成區(qū)中使用氧化物半導(dǎo)體層。因此，所存儲(chǔ)的電荷量可被保持恒定，直到進(jìn)行之后的讀取操作。如上所述，晶體管207具有控制其中電荷存儲(chǔ)(累積)在晶體管205的柵極的累積操作的功能。注意，在將柵極信號(hào)線209的電位(信號(hào)302)設(shè)在“L”時(shí)，由于柵極信號(hào)線209和柵極信號(hào)線215之間的寄生電容，柵極信號(hào)線215的電位(電荷量)改變。當(dāng)由于寄生電流引起的電位(電荷量)的改變量較大時(shí)，不能準(zhǔn)確地執(zhí)行讀取。為了減少由于寄生電容引起的電位(電荷量)的變化量，有效的是減少晶體管207的柵極和源極之間(或柵極和漏極之間)的電容、增加晶體管205的柵極電容、提供具有存儲(chǔ)電容器的柵極信號(hào)線215等。注意在圖4中，應(yīng)用了這些方法，且因此可忽略由于寄生電容引起的電位(電荷量)的變化。取決于柵極信號(hào)線215的電位(信號(hào)304)，晶體管205被導(dǎo)通或截止。在其中由光電二極管204接收到的光的強(qiáng)度較低的情況下,柵極信號(hào)線215的電位(信號(hào)304)從電位“H”的下降較小。因此，晶體管205被導(dǎo)通且源極和漏極之間的溝道電阻被降低。反之，在其中由光電二極管204接收到的光的強(qiáng)度較高的情況下，柵極信號(hào)線215的電位(信號(hào)304)從電位“H”的下降較大。因此，晶體管205處于具有源極和漏極之間的增加的溝道電阻的截止?fàn)顟B(tài)或?qū)顟B(tài)中。此處，在累積操作之后(在時(shí)間C)的柵極信號(hào)線215的電位被假設(shè)為能將晶體管205保持在導(dǎo)通狀態(tài)的值。在時(shí)間D，柵極信號(hào)線211的電位(信號(hào)303)被設(shè)置為“H”(第一讀取操作被啟動(dòng))；然后，晶體管206被導(dǎo)通且光電傳感器基準(zhǔn)信號(hào)線213和光電傳感器輸出信號(hào)線214通過 晶體管205和晶體管206被電導(dǎo)通。由于光電傳感器基準(zhǔn)信號(hào)線213被設(shè)置在低電位，光電傳感器輸出信號(hào)線214的電位(信號(hào)305)減少。注意，在時(shí)間D之前，預(yù)充電信號(hào)線217的電位(信號(hào)306)被設(shè)置為“L”，以使光電傳感器輸出信號(hào)線214的預(yù)充電完成。此處，光電傳感器輸出信號(hào)線214的電位(信號(hào)305)減少的速率取決于晶體管的源極和漏極之間的溝道電阻；即，取決于在累積操作過程中由光電二極管204接收到的光的強(qiáng)度而改變?cè)撍俾省Ｔ跁r(shí)間E，柵極信號(hào)線211的電位(信號(hào)303)被設(shè)置為“L”(第一讀取操作完成)；然后，晶體管206被截止且光電傳感器輸出信號(hào)線214的電位(信號(hào)305)變得恒定。此處光電傳感器輸出信號(hào)線214的電位取決于由光電二極管204所接收到的光的強(qiáng)度。因此，通過檢測(cè)光電傳感器輸出信號(hào)線214的電位可確定在累積操作的過程中由光電二極管204接收到的光的強(qiáng)度。此處，在其中由光電二極管204接收到的光的強(qiáng)度較低的情況下，晶體管205被導(dǎo)通且源極和漏極之間的溝道電阻較低。因此，光電傳感器輸出信號(hào)線214的電位(信號(hào)305)從電位“H”的減少較大，且其電位變得接近于光電傳感器基準(zhǔn)信號(hào)線213的電位。在這個(gè)情況下，光不可與更弱的光相區(qū)別。因此，為了將光區(qū)別于更弱的光，可能在預(yù)充電時(shí)擴(kuò)展光電傳感器基準(zhǔn)信號(hào)線213的電位和光電傳感器輸出信號(hào)線214的基準(zhǔn)電位之間的電壓范圍；然而，通過這個(gè)方法，需要在較寬電壓范圍內(nèi)操作的A/D轉(zhuǎn)換器電路，且增加了半導(dǎo)體裝置或顯示裝置的制造成本?；谏鲜?，采用了如下所述的驅(qū)動(dòng)方法。在時(shí)間F之前，背柵極信號(hào)線218的電位(信號(hào)307)被設(shè)置為負(fù)電位。此時(shí)，晶體管205的閾值電壓高于0V。在時(shí)間F，預(yù)充電信號(hào)線217的電位(信號(hào)306)為“H”且光電傳感器輸出信號(hào)線214的電位(信號(hào)305)被預(yù)充電至“H”。在時(shí)間G，柵極信號(hào)線211的電位(信號(hào)303)被設(shè)置為“H”(第二讀取操作被啟動(dòng))；然后，晶體管206被導(dǎo)通且光電傳感器基準(zhǔn)信號(hào)線213和光電傳感器輸出信號(hào)線214通過晶體管205和晶體管206被電導(dǎo)通。然后，光電傳感器輸出信號(hào)線214的電位(信號(hào)305)減少。注意，在時(shí)間G之前，預(yù)充電信號(hào)線217的電位(信號(hào)306)被設(shè)置為“L”，以使光電傳感器輸出信號(hào)線214的預(yù)充電完成。此處，光電傳感器輸出信號(hào)線214的電位(信號(hào)305)減少的速率取決于晶體管的源極和漏極之間的溝道電阻；即，速率取決于在累積操作過程中由光電二極管204接收到的光的強(qiáng)度。然而，由于晶體管205的閾值電壓高于在第一讀取操作時(shí)的閾值電壓，光電傳感器輸出信號(hào)線214的電位(信號(hào)305)減少的速率被降低。在時(shí)間H，柵極信號(hào)線211的電位(信號(hào)303)被設(shè)置為“L”(第二讀取操作完成)；然后，晶體管206被截止且光電傳感器輸出信號(hào)線214的電位(信號(hào)305)變得恒定。此處光電傳感器輸出信號(hào)線214的電位取決于由光電二極管204所接收到的光的強(qiáng)度。因此，通過檢測(cè)光電傳感器輸出信號(hào)線214的電位可確定在累積操作的過程中由光電二極管204接收到的光的強(qiáng)度。以此方式，即使在其中光的強(qiáng)度較低的情況下，由光電二極管204所接收到的光的強(qiáng)度可使用低成本A/D轉(zhuǎn)換器電路而檢測(cè)到。上文描述了其中由光電二極管所接收到的光的強(qiáng)度較低(S卩，光較微弱)的情況；類似地，該驅(qū)動(dòng)方法可被應(yīng)用于由光電二極管所接收到的光的強(qiáng)度較高(即，光較強(qiáng))的情況。在其中光較強(qiáng)的情況下，光電傳感器輸出信號(hào)線214的電位幾乎與預(yù)充電時(shí)的基準(zhǔn)點(diǎn)位一樣，且難以被檢測(cè)。因此，作為第三讀取操作，背柵極信號(hào)線218的電位被設(shè)置為正電位，以使晶體管205的閾值電壓低于0V。相應(yīng)地,光電傳感器輸出信號(hào)線214的電位(信號(hào)305)減少的速率被增加，且光電傳感器輸出信號(hào)線214的電位更易于被檢測(cè)。進(jìn)一步，為了其中由光電二極管所接收到的光較強(qiáng)的情況以及其中光較弱的情況均被檢測(cè)到，有效的是重復(fù)執(zhí)行上述第一到第三讀取操作。即，第一晶體管的背柵極的電位被設(shè)置在第一電位(此處0V)且存儲(chǔ)于第一晶體管的柵極中的電荷被轉(zhuǎn)換為第一輸出信號(hào)，且該第一輸出信號(hào)被讀取。然后，第一晶體管的背柵極的電位被設(shè)置在第二電位(此處，負(fù)電位)且存儲(chǔ)于第一晶體管的柵極中的電荷被轉(zhuǎn)換為第二輸出信號(hào)，且該第二輸出信號(hào)被讀取。此后，第一晶體管的背柵極的電位被設(shè)置在第三電位(此處，正電位)且存儲(chǔ)于第一晶體管的柵極中的電荷被轉(zhuǎn)換為第三輸出信號(hào)，且該第三輸出信號(hào)被讀取。此外，通過在第二和第三讀取操作時(shí)以更窄的電壓寬度改變被柵極信號(hào)線218的電位且順序地進(jìn)行讀取，可在更寬范圍強(qiáng)度的光上進(jìn)行具有高分辨率的檢測(cè)。換言之，通過采用上述結(jié)構(gòu)，可提供能準(zhǔn)確地將光(不論其強(qiáng)度)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并輸出與較寬范圍光強(qiáng)度一致的電信號(hào)的光電傳感器 106。為了實(shí)現(xiàn)上述驅(qū)動(dòng)方法，即使在完成了累積操作后，每一個(gè)光電傳感器中的柵極信號(hào)線215的電位需要保持恒定。因此，如參考圖I到圖3所描述地，其中使用氧化物半導(dǎo) 體層形成晶體管207從而具有極低截止電流的結(jié)構(gòu)是有效的。以上述方式，通過重復(fù)重置操作、累積操作、和讀取操作實(shí)現(xiàn)各個(gè)光電傳感器的操作。通過在所有像素中采用這個(gè)驅(qū)動(dòng)方法，可進(jìn)行成像。更特定地，可通過諸列地重復(fù)重置操作、累積操作、和讀取操作來進(jìn)行成像。根據(jù)這個(gè)實(shí)施例，可提供能以高分辨率和對(duì)較廣范圍光強(qiáng)度的實(shí)現(xiàn)成像功能的低成本半導(dǎo)體裝置或低成本顯示裝置。該實(shí)施例可按需結(jié)合任一其他實(shí)施例和示例實(shí)現(xiàn)。(實(shí)施例4)在這個(gè)實(shí)施例中，描述了包括多個(gè)光電傳感器的半導(dǎo)體裝置的驅(qū)動(dòng)方法的示例。首先，描述了圖5的時(shí)序圖中所示的驅(qū)動(dòng)方法。在圖5中，信號(hào)801、信號(hào)802、和信號(hào)803分別對(duì)應(yīng)于第一行、第二行、和第三行中的光電傳感器中的光電二極管重置信號(hào)線210。信號(hào)804、信號(hào)805、和信號(hào)806分別對(duì)應(yīng)于第一行、第二行、和第三行中的光電傳感器中的柵極信號(hào)線209。信號(hào)807、信號(hào)808、和信號(hào)809分別對(duì)應(yīng)于第一行、第二行、和第三行中的光電傳感器中的柵極信號(hào)線211。時(shí)間段810是其中進(jìn)行一次成像的時(shí)間段。時(shí)間段811是其中第二行中的光電傳感器進(jìn)行重置操作的時(shí)間段；時(shí)間段812是其中第二行中的光電傳感器進(jìn)行累積操作的時(shí)間段；而時(shí)間段813是其中第二行中的光電傳感器進(jìn)行讀取操作的時(shí)間段。通過這樣依序驅(qū)動(dòng)不同列中的光電傳感器，可獲取圖像。此處，不同列的光電傳感器中的累積操作彼此之間具有時(shí)間間隙。即，所有列中的光電傳感器中的成像并不是同時(shí)進(jìn)行的，導(dǎo)致所獲取的圖像的模糊。特定地，快速移動(dòng)的待檢測(cè)物體的圖像可能被獲取為具有扭曲的形狀如果待檢測(cè)物體在從第一行到第三行的方向移動(dòng)，會(huì)獲取被放大的圖像，就像該物體后方留有軌跡一樣；且如果待檢測(cè)物體在反方向移動(dòng)，會(huì)獲取減小的圖像。
為了防止不同行中的光電傳感器中的累積操作的時(shí)間間隙，有效的是減少不同行的光電傳感器的操作之間的間隔。在這個(gè)情況下，然而，來自光電傳感器的輸出信號(hào)需要以高速用OP放大器或A/D轉(zhuǎn)換器電路獲得，這引起功耗增加。特別是在獲得具有高分辨率的圖像時(shí)，難以在非常高的速度下用OP放大器或AD轉(zhuǎn)換器電路從光電傳感器獲得輸出信號(hào)。鑒于上述，提出了圖6的時(shí)序圖中所不的驅(qū)動(dòng)方法。在圖6中，信號(hào)501、信號(hào)502、和信號(hào)503分別對(duì)應(yīng)于第一行、第二行、和第三行中的光電傳感器中的光電二極管重置信號(hào)線210。信號(hào)504、信號(hào)505、和信號(hào)506分別對(duì)應(yīng)于第一行、第二行、和第三行中的光電傳感器中的柵極信號(hào)線209。信號(hào)507、信號(hào)508、和信號(hào)509分別對(duì)應(yīng)于第一行、第二行、和第三行中的光電傳感器中的柵極信號(hào)線211。時(shí)間段510是其中進(jìn)行一次成像的時(shí)間段。時(shí)間段511是其中第二行中的光電傳感器進(jìn)行重置操作(與其他行同時(shí))的時(shí)間段，時(shí)間段512是其中第二行中的光電傳感器進(jìn)行累積操作(與其他行同時(shí))的時(shí)間段，且時(shí)間段513是其中第二行中的光電傳感器進(jìn)行讀取操作的時(shí)間段。圖6與圖5不同之處在于，在所有行的光電傳感器中同時(shí)進(jìn)行重置操作和累積操作中的每一個(gè)，且在累積操作后，在不與累積操作同步的情況下按行順序地進(jìn)行讀取操作。在同時(shí)進(jìn)行累積操作時(shí)，同時(shí)進(jìn)行所有行的光電傳感器中的成像且可易于即便在待檢測(cè)物體快速移動(dòng)時(shí)獲取具有不可辨別的模糊的待檢測(cè)物體的圖像。由于同時(shí)進(jìn)行累積操作，可為多個(gè)光電傳感器的光電二極管重置信號(hào)線210公共地提供驅(qū)動(dòng)電路。也可為多個(gè)光電傳感器的柵極信號(hào)線209公共地提供驅(qū)動(dòng)電路。這樣公共地提供的驅(qū)動(dòng)電路有效地減少了外圍電路的數(shù)量或減少了功耗。此外，逐行連續(xù)進(jìn)行讀取操作使得可能當(dāng)從光電傳感器獲得輸出信號(hào)時(shí)降低OP放大器或A/D轉(zhuǎn)換器電路的操作速率。讀取操作的全部時(shí)間優(yōu)選地長(zhǎng)于累積操作的時(shí)間，這對(duì)于以高分辨率獲取圖像的情況是特別有效的。在圖5和圖6的時(shí)序圖中，其中進(jìn)行一次成像的時(shí)間段810和510包括其中進(jìn)行讀取操作的多個(gè)時(shí)間段813和513。盡管在圖5和圖6中包括了兩個(gè)時(shí)間段813和513，優(yōu)選地在時(shí)間段810和510中包括在其中進(jìn)行讀取操作的三個(gè)或更多個(gè)時(shí)間段813和513，這樣既可處理其中光較強(qiáng)的情況也可處理其中光較弱的情況。如圖5和圖6的時(shí)序圖中所示，以如下方式進(jìn)行了多次讀取操作在所有行中逐行首先進(jìn)行第一讀取操作、然后在所有行中逐行進(jìn)行第二讀取操作，并以此方式重復(fù)操作直到進(jìn)行第n次讀取操作(n是大于或等于3的整數(shù))?？蛇x地，首先在第一行中進(jìn)行第一到第n次讀取操作，然后在第二行中進(jìn)行第n次讀取操作，并以此方式重復(fù)操作直到在第m行中進(jìn)行第一到第n次讀取操作(m是大于或等于3的整數(shù))。注意圖5和圖6示出逐行連續(xù)驅(qū)動(dòng)光電傳感器的方法的時(shí)序圖；還有效的是僅連續(xù)驅(qū)動(dòng)特定行中的光電傳感器從而獲得特定區(qū)域中的圖像。因此，當(dāng)減少了 OP放大器或A/D轉(zhuǎn)換器電路的操作和功耗時(shí)，可獲得所期望的圖像。為了實(shí)現(xiàn)上述驅(qū)動(dòng)方法，即使在完成了累積操作 后，每一個(gè)光電傳感器中的柵極信號(hào)線215的電位需要保持恒定。因此，如參考圖I或圖3所描述地，優(yōu)選地使用氧化物半導(dǎo)體形成晶體管207，從而具有極低截止電流。以上述方式，可能提供低功耗顯示裝置或低功耗半導(dǎo)體裝置，允許即使當(dāng)待檢測(cè)物體快速移動(dòng)時(shí)獲取幾乎沒有模糊的待檢測(cè)物體的高分辨率圖像。該實(shí)施例可按需結(jié)合任一其他實(shí)施例和示例實(shí)現(xiàn)。(實(shí)施例5)在這個(gè)實(shí)施例中，描述了圖I或圖3中的光電傳感器106的電路結(jié)構(gòu)的經(jīng)修改的示例。圖7A示出其中圖I或圖3中的晶體管205的柵極連接至用于控制光電傳感器的重置操作的晶體管601。特定地，晶體管601的源極和漏極之一電連接至光電傳感器基準(zhǔn)信號(hào)線213，且晶體管601的源極和漏極中的另一個(gè)電連接至晶體管205的柵極。光電二極管204的一個(gè)電極電連接至施加了預(yù)定電位(如，地電位)的布線?？墒褂梅蔷О雽?dǎo)體、微晶半導(dǎo)體、多晶半導(dǎo)體、氧化物半導(dǎo)體、單晶半導(dǎo)體等形成晶體管601。特定地，為晶體管601優(yōu)選地使用氧化物半導(dǎo)體，從而晶體管601的截止電流較低且在重置操作之后防止晶體管205的柵極的電荷通過晶體管601被釋放。圖7B示出其中晶體管205和晶體管206與圖7A中相反地連接的結(jié)構(gòu)。特定地，晶體管205的源極和漏極中的一個(gè)電連接至光電傳感器輸出信號(hào)線214，且晶體管206的源極和漏極中的一個(gè)電連接至光電傳感器輸出信號(hào)線213。圖7C示出其中從圖7A的結(jié)構(gòu)中省略了晶體管206的結(jié)構(gòu)。特定地，晶體管205的源極和漏極之一電連接至光電傳感器基準(zhǔn)信號(hào)線213，且晶體管205的源極和漏極中的另一個(gè)電連接至光電傳感器輸出信號(hào)線214。注意，在圖7A到7C中，晶體管601的源極和漏極中的一個(gè)可電連接至非光電傳感器基準(zhǔn)信號(hào)線213的布線。在圖7D中，圖7C中的晶體管601的源極和漏極之一電連接至光電傳感器輸出信號(hào)線214，且晶體管601的源極和漏極中的另一個(gè)電連接至晶體管205的柵極。在圖7A到7D中，當(dāng)使用氧化物半導(dǎo)體形成晶體管207來減少截止電流時(shí)，存儲(chǔ)于晶體管205的柵極中的電荷可被保持為恒定。在圖7A到7D中，通過為晶體管205提供背柵極，可提供能以高分辨率和對(duì)較寬光強(qiáng)度的適用性實(shí)現(xiàn)成像功能的半導(dǎo)體裝置。在圖7A到7D中，可取決于光電傳感器的電路結(jié)構(gòu)而互換光電二極管204的兩個(gè)電極的連接。該實(shí)施例可按需結(jié)合任一其他實(shí)施例和示例實(shí)現(xiàn)。(實(shí)施例6)
在這個(gè)實(shí)施例中，描述了包括在作為所公開的發(fā)明的實(shí)施例的半導(dǎo)體裝置中的晶體管的示例。特定地，描述了其中類似于圖I或圖3所示的晶體管207或圖3所示的晶體管201，使用氧化物半導(dǎo)體層形成溝道形成區(qū)的晶體管的示例?！淳w管〉晶體管(如，圖I或圖3所示的晶體管207)是使用氧化物半導(dǎo)體層形成其溝道形成區(qū)的晶體管。通過以下方法，該氧化物半導(dǎo)體層被高度純化以成為電i_型(本征)或基本i-型(本征):盡可能徹底移除可能作為施主并導(dǎo)致晶體管電特性變化的諸如氫、水分、羥基、和氫化物之類的雜質(zhì)，從而減少雜質(zhì)濃度；且提供作為氧化物半導(dǎo)體主要組分且通過移除雜質(zhì)的步驟濃度被減少的氧。注意，包括于氧化物半導(dǎo)體層中的氧化物半導(dǎo)體具有3. OeV或更大的帶隙。進(jìn)一步，高度純化的氧化物半導(dǎo)體具有非常少的載流子(接近于零)，且載流子密度極低(例如，低于I X IO1Vcm3,優(yōu)選地低于I X IO1Vcm3X相應(yīng)地，晶體管的截止電流極低。 因此,在上述晶體管中，室溫的每微米溝道寬度(w)的截止電流為laA/ii m(lX l(T18A/ii m)或更低，且進(jìn)一步可小于IOOzA/ umdX IO-19A/ u m)。一般而言，在使用非晶硅的晶體管中，室溫的截止電流是I X KT13Az^m或更大。此外，可認(rèn)為在使用上述高度純化的氧化物半導(dǎo)體層的晶體管中沒有出現(xiàn)熱載流子劣化。因此，晶體管的電特性沒有受到熱載流子劣化的影響。通過如上所述地徹底移除包含在氧化物半導(dǎo)體層中的氫而被高度純化的氧化物半導(dǎo)體層被用在晶體管的溝道形成區(qū)中，藉此可獲得具有極低截止電流的晶體管。即，在電路設(shè)計(jì)中，該氧化物半導(dǎo)體層可被認(rèn)為是當(dāng)晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)(也被稱為非導(dǎo)通狀態(tài))時(shí)的絕緣體。另一方面，當(dāng)其中氧化物半導(dǎo)體被用在溝道形成區(qū)中的晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài)(導(dǎo)電狀態(tài))時(shí)，該晶體管被預(yù)期相比使用非晶硅的晶體管表現(xiàn)出更高的電流供應(yīng)能力。假設(shè)在室溫使用低溫多晶硅的晶體管的截止電流約是使用氧化物半導(dǎo)體的晶體管的截止電流的10000倍大。因此，用使用氧化物半導(dǎo)體的晶體管，可將電荷保持時(shí)間段延長(zhǎng)為使用低溫多晶硅的晶體管的時(shí)間段的約10000倍長(zhǎng)。如上所述，在溝道形成區(qū)中使用被高度純化的氧化物半導(dǎo)體層的晶體管能保持存儲(chǔ)于晶體管的源極或漏極中的電荷較長(zhǎng)時(shí)間。因此，通過在圖I或圖3所示的晶體管207的溝道形成區(qū)中使用氧化物半導(dǎo)體層，可保持存儲(chǔ)于圖I或圖3所示的晶體管205的柵極中的電荷達(dá)較長(zhǎng)時(shí)間。相應(yīng)地，在其中多次進(jìn)行對(duì)存儲(chǔ)于晶體管205的柵極中的電荷的讀取的時(shí)間段內(nèi)，可保持存儲(chǔ)于晶體管205的柵極中的電荷基本不變。因此，通過在晶體管207的溝道形成區(qū)中使用氧化物半導(dǎo)體層，可提供包括具有新穎電路結(jié)構(gòu)的光電傳感器的半導(dǎo)體裝置。進(jìn)一步，通過在圖3所示的晶體管201的溝道形成區(qū)中使用氧化物半導(dǎo)體層，可擴(kuò)展像素的圖像信號(hào)保持時(shí)間段。因此，可減少設(shè)置在像素中的電容器的尺寸。因此，例如，像素的孔徑比可較高，且可將圖像信號(hào)以高速輸入至像素。此外，靜態(tài)圖像顯示器中的圖像信號(hào)的重新寫入間隔可較長(zhǎng)。例如，圖像信號(hào)的寫入間隔可以是10秒或更長(zhǎng)、30秒或更長(zhǎng)、或I分鐘或更長(zhǎng)且短于10分鐘。寫入間隔越長(zhǎng)，可更多地減少功耗。注意，在這個(gè)說明書中，具有低于lX10n/cm3的載流子濃度的半導(dǎo)體被稱為“本征”(“卜型”)半導(dǎo)體，且具有I X IO1Vcm3或更高且低于I X IO1Vcm3的載流子濃度的半導(dǎo)體被稱為“基本本征”(“基本i-型”)半導(dǎo)體。<晶體管的制造方法>參考圖8A到8D而描述使用氧化物半導(dǎo)體層形成溝道形成區(qū)的晶體管的制造方法的示例。圖8A到8D是示出其溝道形成區(qū)是使用氧化物半導(dǎo)體層形成的晶體管的結(jié)構(gòu)和制造工藝的截面圖。圖8D所示的晶體管410具有作為底柵結(jié)構(gòu)之一的倒交錯(cuò)結(jié)構(gòu)。晶體管410還是具有單柵結(jié)構(gòu)的溝道蝕刻的晶體管。然而，晶體管的結(jié)構(gòu)并不限于上述描述且可具有頂柵結(jié)構(gòu)。可選地，晶體管可以是溝道中止的晶體管，且晶體管可具有多柵結(jié)構(gòu)。下文中將參考圖8A-8D來描述用于在襯底400上制造晶體管410的工藝。 首先，在具有絕緣表面的襯底400上形成柵電極層411 (見圖8A)。雖然對(duì)可用作具有絕緣表面的襯底400的襯底沒有具體限制，但是襯底具有至少足夠的耐熱性來耐受后來要進(jìn)行的熱處理是必要的。例如，玻璃襯底可被用作具有絕緣表面的襯底400。進(jìn)一步，其中在玻璃襯底上形成元素的元素襯底或單晶襯底可被用作具有絕緣表面的襯底400。在其中使用元素襯底的情況下，在表面上，襯底可具有絕緣層?？稍谝r底400與柵電極層411之間設(shè)置用作基膜的絕緣膜。該基膜具有防止雜質(zhì)元素從襯底400擴(kuò)散的功能，并且可形成為具有使用氮化硅膜、氧化硅膜、氮氧化硅膜、以及氧氮化硅膜中的一種或多種的單層結(jié)構(gòu)或疊層結(jié)構(gòu)。在這個(gè)實(shí)施例中，通過等離子體CVD法將氮化硅膜形成為IOOnm厚度，且在氮化硅膜上通過等離子體CVD法將氧氮化硅膜(SiONfilm)形成為150nm厚度。注意，優(yōu)選地形成基膜，從而盡可能少地包含諸如氫和水之類的雜質(zhì)?？梢匀缦路绞叫纬蓶烹姌O層411 :在襯底400上形成導(dǎo)電層且通過第一光刻步驟選擇性地蝕刻該導(dǎo)電層?？墒褂弥T如鑰、鈦、鉻、鉭、鎢、鋁、銅、釹、或鈧之類的金屬；含有這些金屬中的任一種作為其主要組分的合金；或者含有這些金屬元素中的任一種作為其主要組分的氮化物來形成具有單層結(jié)構(gòu)或?qū)盈B結(jié)構(gòu)的柵電極層411。在本實(shí)施例中，通過濺射法來形成厚度為IOOnm的鎢膜，并被蝕刻來形成柵電極層411。然后，在柵電極層411上形成柵絕緣層402 (參見圖8A)。可通過等離子體CVD法、濺射法等來將柵絕緣層402被形成為具有使用氧化硅層、氮化硅層、氧氮化硅層、氮氧化硅層、以及氧化鋁層中的一個(gè)或多個(gè)的單層結(jié)構(gòu)或疊層結(jié)構(gòu)。例如，可通過使用含有硅烷(SiH4)、氧氣和氮?dú)獾某练e氣體由等離子CVD法形成氮氧化娃層。此外，諸如氧化鉿(HfOx)或氧化鈦(TaOx)之類的高k材料可被用于柵絕緣層。例如，柵絕緣層402的厚度可大于或等于IOnm且小于或等于500nm。此處，在柵電極層411上通過使用微波(如，2. 45GHz的頻率)的高密度等離子體CVD法將氧氮化硅膜形成為IOOnm厚度，作為柵絕緣層。優(yōu)選的是采用微波的高密度等離子體CVD法，因?yàn)闁沤^緣層402可以是致密的且具有高耐壓和高質(zhì)量。當(dāng)氧化物半導(dǎo)體層和高質(zhì)量的柵絕緣層402彼此接觸時(shí)，可減少界面密度，并且界面特性可以是優(yōu)良的。注意，優(yōu)選地形成柵絕緣層402，從而盡可能少地包含諸如氫和水之類的雜質(zhì)。即，優(yōu)選地以如下方式形成柵絕緣層402 :盡可能減少所包含的諸如氫和水之類的雜質(zhì)的濃度。接著，在柵絕緣層402上形成氧化物半導(dǎo)體膜430 (見圖8A)?？赏ㄟ^濺射法形成氧化物半導(dǎo)體膜430。氧化物半導(dǎo)體膜430的厚度可設(shè)定為大于或等于2nm且小于或等于200nm。注意，在通過濺射法形成氧化物半導(dǎo)體膜430之前，優(yōu)選地進(jìn)行其中引入氬氣且產(chǎn)生等離子體的反濺射。通過進(jìn)行反濺射，可移除附著在柵絕緣層402的表面上的粉末物質(zhì)(也被稱為顆粒或灰塵)。反濺射是指其中不向靶側(cè)施加電壓，使用RF電源用于向襯底側(cè)施加電壓以使產(chǎn)生等離子體來修整襯底表面的方法。注意，可使用氮?dú)夥?、氦氣氛、氧氣氛等來代替氬氣氛?？墒褂肐n-Ga-Zn-O-基材料、In-Sn-O-基材料、In-Sn-Zn-O-基材料、In-Al-Zn-O-基材料、Sn-Ga-Zn-O-基材料、Al-Ga-Zn-O-基材料、Sn-Al-Zn-O-基材料、 In-Zn-O-基材料、Sn-Zn-O-基材料、Al-Zn-O-基材料、In-O-基材料、Sn-O-基材料、或aZn-O-基材料作為氧化物半導(dǎo)體膜430。此外，上述材料可含有Si02?？稍谙∮袣怏w(通常是氬)氣氛、氧氣氛、或包含稀有氣體(通常是氬)和氧的混合氣氛中通過濺射法形成氧化物半導(dǎo)體膜430。此處，通過使用包含In、Ga、和Zn的In-Ga-Zn-O-基金屬氧化物靶的濺射法將氧化物半導(dǎo)體層形成為30nm厚度。注意，所用濺射氣體包含Ar和O2且襯底溫度被設(shè)置為200。。。注意，優(yōu)選地形成氧化物半導(dǎo)體膜430，從而盡可能少地包含諸如氫和水之類的雜質(zhì)。即，優(yōu)選地以如下方式形成氧化物半導(dǎo)體膜430 :盡可能減少所包含的諸如氫和水之類的雜質(zhì)的濃度。接著，通過第二光刻步驟選擇性蝕刻氧化物半導(dǎo)體膜430，從而形成島狀氧化物半導(dǎo)體層431 (參見圖SB)?？刹捎脻穹ㄎg刻用于蝕刻氧化物半導(dǎo)體膜430。注意，并不限于濕法蝕刻，還可使用干法蝕刻。接著，對(duì)氧化物半導(dǎo)體層431進(jìn)行第一熱處理。通過該第一熱處理可移除氧化物半導(dǎo)體層431中包含的過量水、氫等。第一熱處理的溫度可高于或等于350°C或更高且低于襯底的應(yīng)變點(diǎn)，優(yōu)選為4000C或更高且低于襯底的應(yīng)變點(diǎn)。在350°C或更高溫度處的第一熱處理允許氧化物半導(dǎo)體層的脫水或脫氫，導(dǎo)致層中氫濃度的減少。450°C或更高溫度處的第一熱處理允許層中氫濃度的進(jìn)一步減少。550°C或更高溫度處的第一熱處理允許層中氫濃度的又進(jìn)一步減少。作為其中進(jìn)行第一熱處理的氣氛，優(yōu)選的是使用包含氮或稀有氣體(例如，氦、氖、或氬)的作為其主要成分且不包含水、氫等的惰性氣體。例如，被引入熱處理裝置中的氣體的純度可以是6N (99. 9999%)或更大，優(yōu)選地是7N (99. 99999%)或更大。以此方式，氧化物半導(dǎo)體層431在第一熱處理期間不暴露給空氣，從而可防止水或氫進(jìn)入。要注意，熱處理裝置不限于電爐，且可包括通過來自諸如電阻加熱元件的加熱元件的熱傳導(dǎo)或熱輻射對(duì)要處理的對(duì)象進(jìn)行加熱的設(shè)備。例如，可使用諸如GRTA (氣體快速熱退火)裝置或LRTA (燈快速熱退火)裝置之類的RTA (快速熱退火)裝置。LRTA裝置是用于通過從諸如鹵素?zé)簟Ⅺu化金屬燈、氙弧燈、碳弧燈、高壓鈉燈、或高壓汞燈之類的燈發(fā)射的光(電磁波)輻射來對(duì)要處理的物體加熱的裝置。GRTA裝置是使用高溫氣體熱處理的裝置?？墒褂貌慌c要通過熱處理處理的對(duì)象反應(yīng)的惰性氣體(諸如氮或稀有氣體(諸如氬))作為氣體。在這個(gè)實(shí)施例中，在650°C在氮?dú)夥罩惺褂肎RTA裝置達(dá)6分鐘的熱處理作為第一熱處理。在還未被處理成島狀氧化物半導(dǎo)體層的氧化物半導(dǎo)體膜430上可執(zhí)行在氧化物半導(dǎo)體層上執(zhí)行的第一熱處理。在這個(gè)情況下，在第一熱處理后進(jìn)行第二光刻步驟。此后，形成導(dǎo)電層從而覆蓋柵絕緣層402和氧化物半導(dǎo)體層431，且導(dǎo)電層通過第三光刻步驟被蝕刻，從而形成源/漏電極層415a和415b (見圖8C)。作為導(dǎo)電層的材料，可使用選自鋁、鉻、銅、鉭、鈦、鑰、以及鎢中的元素；包含這些金屬元素中的任一種作為組分的氮化物；包含這些金屬元素中的任一種作為組分的合金等。還可使用從猛、鎂、錯(cuò)、鈹和釔選擇的材料?？墒褂冒瑥拟仭g、鶴、鑰、鉻、釹、或鈧中選擇的一種或多種金屬的鋁。 可使用氧化物導(dǎo)電膜來形成該導(dǎo)電層?？墒褂醚趸?In2O3)、氧化錫(SnO2)、氧化鋅(ZnO)、氧化銦和氧化錫的混合氧化物(In2O3-SnO2,在一些情況下縮寫為IT0)、氧化銦和氧化鋅合金的混合氧化物(In203-Zn0)、或者包含硅或氧化硅的這些氧化物導(dǎo)電材料中的任一種作為氧化物導(dǎo)電膜。在這個(gè)情況下，優(yōu)選使用相比被用于氧化物半導(dǎo)體層431的材料而言導(dǎo)電率較高或電阻率較低的材料作為氧化物導(dǎo)電膜的材料。通過載流子濃度的增加可增加氧化物導(dǎo)電膜的導(dǎo)電率。通過增加氧濃度或氫缺陷可增加氧化物導(dǎo)電膜中的載流子濃度。源/漏電極層415a和415b可具有單層結(jié)構(gòu)或包含兩個(gè)或更多層的層疊結(jié)構(gòu)。在這個(gè)實(shí)施例中，依序在氧化物半導(dǎo)體層431上形成具有IOOnm厚度的第一鈦層、具有400nm厚度的鋁層、和具有IOOnm厚度的第二鈦層。然后，蝕刻包括第一鈦層、鋁層、和第二鈦層的層疊膜從而形成源/漏電極層415a和415b (見圖SC)。在氧化物半導(dǎo)體層上進(jìn)行的第一熱處理可在源/漏電極層形成之后進(jìn)行。在其中在源/漏電極形成之后形成第一熱處理的情況下，采用對(duì)于這熱處理具有耐熱性的導(dǎo)電層。注意，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整材料和蝕刻條件，從而氧化物半導(dǎo)體層431不會(huì)被導(dǎo)電層的蝕刻而去除。注意，在該第三光刻步驟中，在一些情況下，蝕刻了氧化物半導(dǎo)體層431的一部分，藉此形成具有凹槽(凹入部分)的氧化物半導(dǎo)體層。接著，進(jìn)行使用諸如氧化氮(N20)、氮(N2)、或氬(Ar)之類的氣體的等離子體處理。通過該等離子體處理，去除附著到氧化物半導(dǎo)體層的暴露表面的所吸收的水等。可使用氧和氬的混合氣體來進(jìn)行等離子體處理。在等離子體處理之后，在不將氧化物半導(dǎo)體層暴露給空氣的情況下形成用作保護(hù)絕緣膜且與氧化物半導(dǎo)體層的部分相接觸的氧化物絕緣層416 (見圖8D)。氧化物絕緣層416可通過諸如防止諸如水和氫之類的雜質(zhì)進(jìn)入氧化物絕緣層416的濺射法之類的方法形成。氧化物絕緣層416的厚度可至少Inm或更大。當(dāng)氫被包含在氧化物絕緣層416中時(shí)，有可能引起氫進(jìn)入氧化物半導(dǎo)體層431，使得氧化物半導(dǎo)體層431的背溝道具有較低電阻(具有n-型導(dǎo)電性)，并形成寄生溝道。因此，采用不使用氫氣的形成方法來形成含盡可能少的氫的氧化物絕緣層416是重要的。在氧化物絕緣層416沉積時(shí)的襯底溫度可大于或等于室溫且小于或等于300°C。其中形成氧化物絕緣層416的氣氛可以是稀有氣體(通常是氬)氣氛、氧氣氛、或者稀有氣體(通常是氬)和氧的混合氣氛。在這個(gè)實(shí)施例中，在形成氧化物絕緣層416之前襯底在200°C被加熱，且將作為氧化物絕緣層416的氧化硅膜形成為300nm厚度從而覆蓋源/漏電極層415a和415b。通過使用硅靶和氧作為濺射氣體的濺射法形成氧化硅膜。接著，在惰性氣體氣氛或氧氣氛中進(jìn)行第二熱處理(優(yōu)選在高于或等于200°C且低于或等于400°C、例如高于或等于250°C且低于或等于350°C的溫度處)。例如，在氮?dú)夥障?、?50°C下執(zhí)行一小時(shí)的第二熱處理。通過該第二熱處理，部分的氧化物半導(dǎo)體層(溝道形成區(qū))在與氧化物絕緣層416接觸的同時(shí)被加熱。通過該第二熱處理，氧被提供給氧化物半導(dǎo)體層的一部分(溝道形成區(qū))。因此，可將與柵電極層411交迭的溝道形成區(qū)413的導(dǎo)電 類型制成接近于i_型。通過上述步驟，形成晶體管410。可在氧化物絕緣層416上形成保護(hù)絕緣層403 (見圖8D)。例如，通過RF濺射法可形成氮化硅膜。由于RF濺射法具有高生產(chǎn)率，因此優(yōu)選將其用作保護(hù)絕緣層的膜形成方法。優(yōu)選的是保護(hù)絕緣層不包含諸如水分、氫離子、和OH—之類的雜質(zhì)，且使用防止這些種類從外界進(jìn)入的有機(jī)絕緣膜形成保護(hù)絕緣層。進(jìn)一步，可在高于或等于100°C且低于或等于200°C的溫度下在空氣中執(zhí)行熱處理達(dá)大于或等于I小時(shí)且小于或等于30小時(shí)。該熱處理可在固定加熱溫度下進(jìn)行。可選地，加熱溫度的以下改變可重復(fù)多次加熱溫度從室溫上升到高于或等于100°C且低于或等于200°C的預(yù)定溫度，并且隨后下降到室溫。這個(gè)熱處理可在形成氧化物絕緣膜之前在減小的壓力下進(jìn)行。當(dāng)在降低的壓力下進(jìn)行熱處理時(shí)，可縮短熱處理時(shí)間。通過該熱處理，可將氫從氧化物半導(dǎo)體層431帶入氧化物絕緣層416。換言之，可從氧化物半導(dǎo)體層中移除更多的氫。在諸如85°C、2X 106V/cm、和12小時(shí)的條件下的柵極偏壓溫度應(yīng)力測(cè)試(BT測(cè)試)沒有顯示電特性的任何變化，這意味著獲得了穩(wěn)定的電特性。當(dāng)與使用硅等的晶體管相比較時(shí)，在本實(shí)施例中描述的使用氧化物半導(dǎo)體的晶體管具有極低截止電流的電特性。因此，通過使用在本實(shí)施例中描述的晶體管作為圖I或圖3中所示的晶體管207，可將存儲(chǔ)于圖I或圖3中所示的晶體管205的柵極中的電荷保持較長(zhǎng)時(shí)間。相應(yīng)地，在其中多次進(jìn)行對(duì)存儲(chǔ)于晶體管205的柵極中的電荷的讀取的時(shí)間段內(nèi)，可保持存儲(chǔ)于晶體管205的柵極中的電荷基本不變。因此，通過在晶體管207的溝道形成區(qū)中使用氧化物半導(dǎo)體層，可提供包括具有新穎電路結(jié)構(gòu)的光電傳感器的半導(dǎo)體裝置。進(jìn)一步，通過使用在這個(gè)實(shí)施例中所描述的晶體管作為圖3所示的晶體管201，可擴(kuò)展像素的圖像信號(hào)保持時(shí)間段。因此，可減少設(shè)置在像素中的電容器的尺寸。因此，例如，像素的孔徑比可較高，且可將圖像信號(hào)以高速輸入至像素。此外，靜態(tài)圖像顯示器中的圖像信號(hào)的重新寫入間隔可較長(zhǎng)。例如，圖像信號(hào)的寫入間隔可以是10秒或更長(zhǎng)、30秒或更長(zhǎng)、或I分鐘或更長(zhǎng)且短于10分鐘。寫入間隔越長(zhǎng)，可更多地減少功耗。此外，通過使用在本實(shí)施例中描述的晶體管作為圖I或圖3中所示的晶體管206，在另一個(gè)像素的讀取時(shí)間段中，可防止不必要的電位輸出至圖3中所示的光電傳感器輸出信號(hào)線214。進(jìn)一步，向其添加了背柵極的在本實(shí)施例中所描述的晶體管可被用作圖I或圖3中所示的晶體管205。因此，在另一個(gè)像素的讀取時(shí)間段中，可防止不必要的電位被輸出至光電傳感器輸出信號(hào)線214。圖9中示出了被設(shè)置有背柵極的晶體管的截面圖的示例。圖9中所示的晶體管420具有向其添加了背柵極441的圖8D中所示的晶體管410的結(jié)構(gòu)。S卩，圖9中所示的晶體管420，在具有絕緣表面的襯底400上，包括，柵 電極層411、柵絕緣層402、具有溝道形成區(qū)413的氧化物半導(dǎo)體層431、源/漏電極層415a和415b、氧化物絕緣層416、背柵極441、和保護(hù)絕緣層403?？墒褂门c被用于柵電極層411的材料類似的材料形成背柵極441。被設(shè)置在背柵極441和溝道形成區(qū)之間的氧化物絕緣層416可用作位于背柵極441側(cè)上的柵絕緣層。因此，氧化物絕緣層416的厚度可大致等于柵絕緣層402的厚度。該結(jié)構(gòu)的其他部分可類似于圖8D中所示的晶體管410的結(jié)構(gòu)。該實(shí)施例可按需結(jié)合任一其他實(shí)施例和示例實(shí)現(xiàn)。(示例I)在這個(gè)示例中，參考圖10而描述被包括在所公開的發(fā)明的實(shí)施例的半導(dǎo)體裝置中的使用氧化物半導(dǎo)體的晶體管的評(píng)估。在本示例中，在下文中描述使用測(cè)試元件組(也稱為TEG)的截止態(tài)電流的所測(cè)得的值。通過以并聯(lián)連接每一個(gè)溝道形成區(qū)的長(zhǎng)度和寬度之間關(guān)系為L(zhǎng)/WzSym/SOym的200個(gè)晶體管,制造測(cè)試元件組。這個(gè)測(cè)試元件組對(duì)應(yīng)于具有L/W=3 u m/10000 u m的晶體管。被制造作為測(cè)試元件組的晶體管的初始特性圖示于圖10中。在該晶體管中，被高度純化的氧化物半導(dǎo)體層被用在溝道形成區(qū)中。注意，在溝道長(zhǎng)度方向中，在源電極層或漏電極層與氧化物半導(dǎo)體層相交迭處的區(qū)域的長(zhǎng)度(Lot)為I. 5pm。為了測(cè)量該晶體管的初始特性，通過在襯底溫度為室溫、源極和漏極之間的電壓(下文中稱為漏極電壓或Vd)為IV或10V、且在源極和柵極之間的電壓(下文中稱為柵極電壓或Vg)為-20V到+20V的情況下測(cè)量源極-漏極電流(下文中稱為漏極電流或Id)來評(píng)估Vg-Id特性。注意，在圖10中，在VgW-20V到+5V的范圍內(nèi)示出該Vg-Id特性。如圖10所示，具有溝道寬度W為IOOOOiim的晶體管在IV和IOV的Vd時(shí)具有1X10_13[A]或更小的截止電流，其小于或等于測(cè)量設(shè)備(半導(dǎo)體參數(shù)分析儀，由Agilent科技公司制造的Agilent 4156C)的檢測(cè)極限。S卩，可確定每I U m溝道寬度的晶體管的截止電流為10aA/iim或更低。此外，在其中溝道長(zhǎng)度為3iim或更大的情況下晶體管的截止電流被估算為IOaA/ u m或更低。進(jìn)一步，制造具有1000000 ii m(lm)的溝道寬度W的晶體管并經(jīng)受測(cè)試。作為結(jié)果，觀察到截止電流是1X10_12[A]或更小，這接近檢測(cè)極限。即，表明每Iym溝道寬度的晶體管的截止電流為IaA/或更低。如圖10中所示晶體管的較低截止電流低至1X10_13[A]的理由是在上述制造工藝中充分減少了氧化物半導(dǎo)體層中的氫濃度。由載流子測(cè)量設(shè)備測(cè)量的氧化物半導(dǎo)體層的載流子密度低于lX1012/cm3、或低于lX10n/Cm3。即，氧化物半導(dǎo)體層中的載流子密度可制為盡可能地接近零。相應(yīng)地，晶體管的溝道長(zhǎng)度L可大于或等于IOnm且小于或等于lOOOnm。因此，可增加電路的操作速率。進(jìn)一步，由于截止電流極低，可減少功耗。另外，在電路設(shè)計(jì)中，氧化物半導(dǎo)體層可被認(rèn)為是晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)的絕緣體。使用如上所述的經(jīng)純化的氧化物半導(dǎo)體(經(jīng)純化的OS)的晶體管示出截止電流對(duì)溫度幾乎沒有依賴性。認(rèn)為氧化物半導(dǎo)體當(dāng)被純化時(shí)不表現(xiàn)出溫度依賴性，這是因?yàn)閷?dǎo)電類型被制成極為接近于本征類型，且費(fèi)米能級(jí)位于禁帶中間。這個(gè)特征也源自氧化物半導(dǎo)體具有較大帶隙且包括幾乎很少熱激發(fā)載流子的這個(gè)事實(shí)。上述結(jié)構(gòu)示出，在室溫時(shí)，載流子密度低于IX IO1Vcm3或IXlO1Vcm3的晶體管的截止電流是laA/ym或更低。此外，通過應(yīng)用這個(gè)晶體管作為包括于半導(dǎo)體裝置中的晶體 管，可提供包括具有新穎電路結(jié)構(gòu)的光電傳感器的半導(dǎo)體裝置。進(jìn)一步，可減少半導(dǎo)體器件的功耗且可抑制顯示劣化(顯示質(zhì)量下降)。另外，可提供其中可減少由于諸如溫度之類的外部因素引起的顯示劣化(顯示變化)的半導(dǎo)體裝置。本申請(qǐng)基于2010年2月12日向日本專利局提交的日本專利申請(qǐng)系列號(hào)2010-028762，該申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容通過引用結(jié)合于此。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體裝置，包括 光電二極管； 第一晶體管，其具有包括柵極、柵絕緣層、半導(dǎo)體層、絕緣膜、和背柵極的層疊結(jié)構(gòu)；和 第二晶體管，其包括柵極、第一端子以及第二端子； 其中所述光電二極管電連接至所述第二晶體管的所述第一端子， 其中所述第二晶體管的所述第二端子電連接至所述第一晶體管的柵極，且 其中所述第二晶體管包括包含氧化物半導(dǎo)體的溝道形成區(qū)。
2.如權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，還包括顯示元件， 其中所述顯示元件包括液晶元件。
3.如權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，還包括顯示元件， 其中所述顯示元件包括發(fā)光元件。
4.如權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于， 其中所述第一晶體管的所述半導(dǎo)體層包括氧化物半導(dǎo)體。
5.如權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于， 其中所述氧化物半導(dǎo)體包括銦、鎵、和鋅。
6.一種包括如權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體裝置的電子設(shè)備。
7.一種半導(dǎo)體裝置，包括 光電二極管，其包括一對(duì)電極，在所述一對(duì)電極之間插入有半導(dǎo)體； 第一晶體管，其具有柵極、柵絕緣層、半導(dǎo)體層、絕緣膜、和背柵極的層疊結(jié)構(gòu)，其中所述柵絕緣層和所述半導(dǎo)體層被插入在所述柵極和所述背柵極之間；和第二晶體管，所述第二晶體管包括 柵極； 位于所述第二柵極上的柵絕緣層； 位于所述柵絕緣層上的氧化物半導(dǎo)體層； 位于所述氧化物半導(dǎo)體層上的第一端子和第二端子；和 位于所述第一端子、所述第二端子、和所述氧化物半導(dǎo)體層上并與之相接觸的氧化物絕緣層； 其中所述一對(duì)電極中的一個(gè)電連接至所述第一端子和所述第二端子之一，且 其中所述第一端子和所述第二端子中的另一個(gè)電連接至所述第一晶體管的所述柵極。
8.如權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，還包括顯示元件， 其中所述顯示元件包括液晶元件。
9.如權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，還包括顯示元件， 其中所述顯示元件包括發(fā)光元件。
10.如權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于， 其中所述氧化物半導(dǎo)體層包括銦、鎵、和鋅。
11.如權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于， 其中所述第一晶體管的所述半導(dǎo)體層包括被包含在所述第二晶體管的所述氧化物半導(dǎo)體層中的氧化物半導(dǎo)體。
12.一種包括如權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體裝置的電子設(shè)備。
13.包括光電二極管的半導(dǎo)體裝置的驅(qū)動(dòng)方法，所述驅(qū)動(dòng)方法包括如下步驟 通過處于導(dǎo)通狀態(tài)的第二晶體管將由所述光電二極管所產(chǎn)生的電信號(hào)傳遞至第一晶體管的柵極，保持所述第一晶體管的背柵極處于第一電位，其中所述背柵極被設(shè)置在所述柵極上，且所述背柵極和所述柵極之間具有半導(dǎo)體層； 通過將所述第二晶體管轉(zhuǎn)向非導(dǎo)通狀態(tài)來保持存儲(chǔ)于所述柵極中的電荷； 將存儲(chǔ)于所述第一晶體管的所述柵極中的所述電荷轉(zhuǎn)換為第一輸出信號(hào)； 提供第二電位至所述背柵極，其中所述第二電位不同于所述第一電位；且將存儲(chǔ)于所述柵極中的電荷轉(zhuǎn)換為第二輸出信號(hào)，同時(shí)將所述背柵極的電位保持在所述第二電位， 其中所述第二晶體管包括包含氧化物半導(dǎo)體的溝道形成區(qū)。
14.如權(quán)利要求13所述的驅(qū)動(dòng)方法， 其特征在于，其中所述第一晶體管包括包含氧化物半導(dǎo)體的溝道形成區(qū)。
15.如權(quán)利要求13所述的驅(qū)動(dòng)方法， 其特征在于，其中所述半導(dǎo)體裝置包括包含液晶元件的顯示元件。
16.如權(quán)利要求13所述的驅(qū)動(dòng)方法， 其特征在于，其中所述半導(dǎo)體裝置包括包含發(fā)光元件的顯示元件。
17.如權(quán)利要求13所述的驅(qū)動(dòng)方法， 其特征在于，其中所述氧化物半導(dǎo)體包括銦、鎵、和鋅。
全文摘要
公開了包括能以高分辨率成像的光電傳感器的半導(dǎo)體裝置。該半導(dǎo)體裝置包括具有光電二極管、第一晶體管、和第二晶體管的光電傳感器。光電二極管根據(jù)光的強(qiáng)度產(chǎn)生電信號(hào)。第一晶體管在其柵極中存儲(chǔ)電荷并將所存儲(chǔ)的電荷轉(zhuǎn)換為輸出信號(hào)。該第二晶體管將該光電二極管產(chǎn)生的電信號(hào)傳遞至第一晶體管的柵極并保持存儲(chǔ)在第一晶體管的柵極中的電荷。該第一晶體管具有背柵極且通過改變?cè)摫硸艠O的電位來改變?cè)摰谝痪w管的閾值電壓。
文檔編號(hào)H04N5/353GK102754209SQ201180009189
公開日2012年10月24日 申請(qǐng)日期2011年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月12日
發(fā)明者黑川義元 申請(qǐng)人:株式會(huì)社半導(dǎo)體能源研究所