高靈敏度光傳感元件和使用該元件的光傳感裝置的製作方法
2023-06-11 03:08:21 4
專利名稱：高靈敏度光傳感元件和使用該元件的光傳感裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及在絕緣膜基板上形成的薄膜光傳感元件和使用了該
元件的光傳感裝置，特別是涉及X射線攝像裝置、生物識別用近紅
外線檢測裝置等的光傳感器陣列、或在顯示板內置有採用了光傳感器 的觸控螢幕功能、調光功能、輸入功能的圖像顯示裝置、例如液晶顯示
器、有機EL (Electro Luminescence:電致發光)顯示器、無機EL顯 示器、EC ( Electro Chromic:電致變色)顯示器中使用的低溫工藝半 導體薄膜電晶體、低溫工藝光傳導元件或低溫工藝光電二極體元件。
背景技術：
X射線攝像裝置作為醫療用裝置是不可缺少的，裝置的操作簡單 化、裝置的低成本化始終是所要求的課題。而且，最近作為生物識別 的一種手段，手指靜脈、手掌靜脈識別引人注目，這些信息的讀取裝 置的開發已成當務之急。在這些裝置中，為讀取信息而需要佔有一定 面積的光檢測用的傳感器陣列即所謂的區域傳感器，而且必須以低成 本提供這種區域傳感器。根據這種需求，在下述非專利文獻l中提出 了一種利用半導體形成工藝(平面工藝)在以玻璃基板為代表的價格 低廉的絕緣性基板上形成區域傳感器的方法。
在除區域傳感器以外的產品領域中，需要光傳感器的裝置的有中 小型顯示器。中小型顯示器作為可攜式電話機、數字靜像攝影機、PDA 之類的行動裝置的顯示用途或車載用顯示器而被使用，並被要求具有 多功能和高性能。光傳感器作為用於對顯示器附加調光功能(下述非 專利文獻2)、觸控螢幕功能的有效手段而引人注目。但是，在中小型顯 示器中，與大型顯示器不同，由於板面成本低，安裝光傳感器和傳感 驅動器所導致的成本增加較大。因此，當利用半導體形成工藝(平面
工藝)在玻璃基板上形成像素電路時，同時形成光傳感器和傳感驅動 器並抑制成本增加的技術作為有效的技術越來越引人注意。
在以上舉出的產品群中必要的課題是在價格低廉的絕緣基板上
形成光傳感元件和傳感驅動器。傳感驅動器，通常由LSI構成，需要 在單晶矽晶片上形成的MOS電晶體、或類似的高性能的開關元件。 為解決這種課題，以下的技術是有效的。
作為有源陣列方式的液晶顯示器、有機EL顯示器、圖像傳感器 的像素和像素驅動電路元件，開發了溝道由多晶半導體構成的薄膜晶 體管(以下稱"多晶半導體TFT")。多晶半導體TFT，與其他驅動電 路元件相比，在驅動能力大這一點上是有利的，而且可以將外圍驅動 電路與像素安裝在同一玻璃基板上。因此，期望著可以實現電路規格
尺寸的定製化(customize )、像素設計、形成工序的同時進行而導致 的低成本化、因消除了驅動器LSI和像素的連接部的機械弱點而導致 的高可靠性化。
液晶顯示器用的多晶半導體TFT根據成本方面的要求在玻璃基 板上形成。在玻璃基板上形成TFT的工藝中，由玻璃的耐熱溫度限定 工藝溫度。作為形成高質量的多晶半導體薄膜而不會對玻璃基板造成 熱傷損的方法，有利用受激準分子雷射器(Excimer Laser)使前驅半 導體層炫融並再結晶的方法(ELA法Excimer Laser Anneal:受激準 分子雷射器退火)。由本形成法得到的多晶半導體TFT與在現有的液 晶顯示器中使用的TFT (溝道由非晶半導體構成的)相比，驅動能力 改善到IOO倍以上，因此可以將驅動器等一部分電路安裝在玻璃基板 上。
關於光傳感器，在下述專利文獻l中記述了相同的利用多晶半導 體TFT的方法、和在形成像素電路、驅動電路的同時形成PIN型二 極管的方法。對光傳感器要求的特性，為高靈每文度、低噪聲。如僅限 於光傳感元件來考慮，則所謂高靈敏度是指對一定強度的光輸出盡可 能大的信號，因而需要光一電流變換效率高的材料、元件結構。所謂 低噪聲，意味著沒有入射光時的信號儘可能小。
圖12是現有的光傳感元件的剖視圖。圖12的(a)是將非晶形 矽膜作為受光層113的縱向結構型的PIN型二極體元件，圖12的(b) 是將非晶形矽膜作為受光層113並使電荷相對於接合面沿平行方向流 動的結構型(橫向結構型)的TFT元件。兩者都構成光傳感元件。
圖12的(a)中示出的光傳感元件，由夾在第一金屬電極層111 和第二金屬電極層112中間的非晶形矽膜的受光層U3和在該受光層 113與各電極層的界面上形成的雜質導入層120構成。該光傳感元件， 在絕緣基板110上形成，各電極層由層間絕緣膜115絕緣而與電極布 線114連接，由絕緣保護膜117覆蓋。
圖12的(b)中示出的光傳感元件，由源電極131、柵電極132 及漏電極133、非晶形矽膜的受光層113和在該受光層113與各電極 層的界面上形成的雜質導入層120構成。該光傳感元件，在絕緣基板 110上形成，並由絕緣保護膜117覆蓋。
在圖12中，在絕緣基板110上形成傳感元件的受光層113的半 導體材料，當從環境問題、同時形成驅動電^^ (或像素電路)時的工
藝一致性的觀點考慮時，最好是矽、矽鍺等矽類材料。在矽類材料中， 在從紅外到可見光的波長範圍內，所吸收的光中幾乎全部都被變換為 電流。因此，作為吸收係數高的材料適用於傳感元件。
另外，當著眼於半導體的非晶形或結晶或者多晶這樣的固相的狀 態(以下稱"相(Phase)狀態")時，在整個波長範圍內，非晶形的 吸收係數最高、且電阻高，因此作為傳感元件，非晶形材料是有利的。
但是，在將非晶形材料應用於傳感元件時，開關元件的性能不夠 完善，因此不可能同時構成驅動電路。例如，當用最適合於傳感元件 的非晶形矽膜構成TFT時，其電場效應遷移率在1 cm2/Vs以下。因此， 傳感器功能，按圖12的結構製作傳感器陣列，開關功能，為另行安 裝驅動器LSI並由FPC等連接的結構。
當材料為單晶時，雖然可以同時構成傳感元件和電路，但其製作
工藝為1000。C以上的高溫工藝，因而不可能在玻璃基板等價格低廉的 絕緣基板上製作。
如果用多晶半導體膜製作構成驅動電路的開關元件和傳感元件， 可以在同一絕緣基板上同時形成驅動電路(加上像素電路)和傳感元
件。在用ELA法得到的多晶半導體膜的情況下，可以得到能構成驅 動電^^的水平的TFT。
非專利文獻1:非晶形矽的工藝和應用第204頁~221頁 (Technology and Applications of Amorphous Silicon pp204-221 )
非專利文獻2: SHARP技術第92號(2005年)35頁~ 39頁 (SHARP Technical Journal) vol.92 (2005) pp35-39 專利文獻1:日本特開2006 —3857號公報
專利文獻1中記述的PIN型二極體，靈敏度不如非晶形的層疊型 元件，但在由多晶膜形成的傳感元件中卻顯示出良好的靈敏度特性。 但是，由於在結構上必須劃分為本徵區(I區)、P區、N區，導致光 掩模數、工序數多，因而存在著製造成本比其他傳感元件高的問題。
作為由多晶半導體膜形成的其他的傳感元件有TFT。由於結構與 形成電路的開關元件相同，因而具有工藝負荷小、製造成本低這樣的 優點。但是，課題是提高元件的靈敏度。通常，成為受光區域的溝道 區，由於閾值控制而要導入少量的雜質。因此，耗盡層短，電子一空 穴對的壽命短。所以，可檢測的光電流小，靈壽文度變差。而且，存在 著當柵極相對於溝道位於受光面側時因柵極的遮光效應而使靈敏度 進一步降低的缺點。
發明內容
本發明，利用平面工藝僅用多晶半導體材料在絕緣膜基板上形成 傳感器驅動電路(根據需要，還形成像素電路、其他電路)和高性能 的光傳感器，並在保持單個驅動器的製造成本或圖像顯示裝置的像素 電路的製造成本的同時提供 一 種內置有驅動器的低成本的區域傳感 器或內置光傳感器的圖像顯示裝置。
用多晶矽膜或多晶矽鍺膜製作傳感器驅動電路(根據需要，還形 成像素電路、其他電路)和光傳感元件這兩者，作為光傳感元件，形
成利用了 TFT的帶4冊極的二極體，並在4冊極兩側或一側設置接近本徵 層的雜質層(活性雜質濃度在10卩cm-s以下)。由此，可以保持或減 少掩模工序、光刻工序，可以在保持單個驅動器的製造成本或圖像顯 示裝置的像素電路的製造成本的同時提供 一 種內置有驅動器的低成 本的區域傳感器或內置有該光傳感元件的圖像顯示裝置。
按照本發明，可以提供在價格低廉的絕緣基板上形成了傳感器驅 動電路(根據需要，還形成像素電路、其他電路)和高性能光傳感元 件的區域傳感器或內置有該光傳感元件的圖像顯示裝置。
另外，為使TFT驅動的顯示器具有高附加值，功能的附加是必然 的，作為其一個手段，可以內置光傳感元件，由此拓寬了可以附加的 功能，所以是非常有用的。並且，將光傳感元件陣列化了的區域傳感 器，在醫療用途、識別用途等方面是有用的，因而以低成本製作越來 越重要。因此，可以在價格低廉的玻璃基板上同時製作高性能光傳感 元件和傳感器處理電路，能提供成本低且可靠性高的產品。
圖1是本發明光傳感元件的示意圖。 圖2是現有光傳感元件和本發明光傳感元件的剖^L圖。 圖3是現有光傳感元件和本發明光傳感元件的輸出 一 照度相關特 性圖。
圖4是與本發明光傳感元件同時製作的開關元件的剖視圖。
圖5是本發明光傳感元件的另 一個結構例的剖視圖。
圖6 (a)是光傳感元件和開關元件的製作工藝。
圖6 (b)是光傳感元件和開關元件的製作工藝。
圖6 (c)是光傳感元件和開關元件的製作工藝。
圖7是光傳感元件和開關元件(P型TFT和N型TFT)的剖視圖。
圖8是區域傳感器的1個像素部分的布局、其剖視圖和等效電路圖。
圖9是另一種區域傳感器的1個像素部分的布局、其剖視圖和等 效電路圖。
圖IO是另一種區域傳感器的1個像素部分的等效電路圖。 圖11是內置有光傳感元件的圖像顯示裝置的後視圖、側視圖和 正視圖。
圖12是現有光傳感元件的剖視圖。
具體實施例方式
以下，用
本發明的實施例。 [實施例1]
圖1是本發明的光傳感元件的示意圖。圖1的(a)示出在絕緣 性基板上製作的光傳感元件的剖視圖，圖1的(b)示出該光傳感元 件的俯視圖。在圖1中，其特徵在於，在通過向絕緣性基板10上的 第一半導體層導入高濃度雜質而製作的第一電極11和第二電極12之
間，有一個通過同樣在第一半導體層導入本徵層或低濃度雜質而製作 的受光區域14，而且，在受光區域14的除與第一電極11相接的區域 15和與第二電極12相接的區域16這兩個部位的區域以外的部分區域 的上部，隔著層間絕緣膜17形成有第三電極13。此外，在層間絕緣 膜17的上部形成有通過接觸孔21與第一電極11和第二電極12連接 的布線18、層間絕緣膜19和絕緣保護膜20。
在第一半導體層中，第一電極11和第二電極12之間的層是本徵
層或濃度極低(在不照射光、不施加電壓的條件下，半導體層中的多 數載流子的濃度在1 x 1017個/cn^以下)的雜質導入層，起著受光層 (光電變換層)的作用。而且，第一電極11和第二電極12,通過向 第一半導體層導入高濃度(在不照射光、不施加電壓的條件下，半導
體層中的多數載流子的濃度在1x10"個/cit^以上)的雜質而具有作 為電極的功能。
圖2是比較了圖1的(a)中示出的轉用了現有的開關TFT的光 傳感元件和圖1的(b)中示出的本發明的光傳感元件的剖面圖。在
圖2中，當使光傳感元件動作時，在高電壓側形成耗盡層25 (在圖2 中，第二電極側)，主要是在耗盡層25中形成電子空穴對。因此，要 檢測的光入射到耗盡層25的區域，密切地關係到傳感靈敏度。
利用了現有的TFT的光傳感器，為確保開關特性的可靠性，向第 一電極11和第二電極12之間的第一半導體層導入與第一電極11和 第二電極12同類型的雜質(多數栽流子的濃度在1 x 10"個/cn^以上、 1 x 10"個/cmS以下)，設置中濃度雜質層26。在這種情況下，由於耗 盡層25在第三電極13的下部形成，因此特別是當第三電極13相對 於要檢測的光為不透明時，不能充分吸收從上部射來的光。
與此不同，本發明的光傳感元件，由於沒有中濃度雜質層，耗盡 層25不會被第三電極13覆蓋。而且，本發明的光傳感元件，受光區 域14的電阻大，不照射光時的洩漏也少。因此，與現有的TFT相比， 本發明的光傳感元件的靈敏度提高。
圖3是利用了現有的TFT的光傳感元件和本發明的光傳感元件的 輸出一照度相關特性圖。兩種元件都輸出與照度對應的電流值。當比 較這些輸出值時，本發明的光傳感元件與利用了現有的TFT的光傳感 元件相比，取得了光照射時的輸出在1001x的外來光下增加43%,不 照射光時的洩漏電流(噪聲)減少67%的結果。由此可見，本發明的 光傳感元件的靈敏度高，作為光傳感元件是優良的。
如圖1的(a)所示，受光區域14中的與第一電極11相接的區 域15和與第二電極12相接的區域16的長度越長光輸出增加得越多， 而且可以減小不照射光時的洩漏電流(噪聲)。所謂長度，是指將第 三電極13的端部投影到第一半導體層上的線與第一電極11和第二電 極12的區域之間的距離，在圖l的(a)中為用雙箭頭示出的長度。 該長度最好是相對於元件的規格尺寸能夠確保1/2 ~ 1/10規格尺寸的 長度。在光傳感器陣列、顯示器內置的光傳感器中，形成規格尺寸為 數wm的傳感元件和開關元件。在這種情況下，與第一電極11相接 的區域15和與第二電極12相接的區域16的長度最好在1 nm以上。
圖4是與本發明的光傳感元件同時製作的開關元件(多晶矽TFT )
的剖視圖。在圖4中，其特徵在於，用多晶矽膜(第一半導體膜)制 作光傳感驅動器50內的多個開關元件40的第一電極(源極或漏極) 41、第三電極(柵極)43正下方的有源層區域(溝道)44、第二電極
(漏極或源才及)42以及光傳感元件60的第一電極11、第二電極2、 受光層14。藉助於這種共同化，能使製造工序變得簡單，同時可以通 過共同的製造工序在同一絕緣基板10上製作使用了多晶矽TFT的高 性能開關元件40和由本發明實現的高性能光傳感元件60。這時，光 傳感元件60的與第一、第二電極ll、 12相接的區域15、 16為本徵 層或濃度極低(在不照射光、不施加電壓的條件下，半導體層中的多 數載流子的濃度在1 x 10"個/cm3以下)的雜質導入層，與此不同， 開關元件40的與第一、第二電極41、 42相接的區域45、 46是與光 傳感元件60的第一、第二電才及ll、 12同類型的中濃度(不施加電壓 條件下的多數載流子的濃度在1 x 10"個/cm3以上、1 x 10"個/cm3以 下)的雜質導入層。
圖5的(a) (b)是本發明的光傳感元件的另一個結構例的剖視 圖。任一者的特徵都是在通過向第 一半導體層導入高濃度雜質而製作 的第一電極11和第二電極12之間有通過同樣地在第一半導體層導入 本徵層或低濃度雜質而製作的受光區域14,而且，除受光區域14的 與第二電極12相接的區域16以外，在受光區域14的上部，隔著層 間絕緣膜17形成有第三電極13。與圖1的(a)和圖6 (a)及圖6
(b)不同點在於，在圖1的(a)中，與第一電極11相接的區域15， 和與受光區域14的第二電極12相接的區域16同樣都是本徵層或濃 度極低的雜質導入層，與此不同，在圖5的(a)中，與第一電極ll 相接的區域15,是中濃度(在不照射光、不施加電壓的條件下，多數 載流子的濃度在1 x 10"個/ci^以上、1 x 10"個/cm3以下)的雜質導 入層，而在圖5的(b)中，與第一電極11相接的區域15和第一、 第二電極11、 12同樣地是高濃度(在不照射光、不施加電壓的條件 下，半導體層中的多數載流子的濃度在lxlO"個/cn^以上)的雜質 導入層。如圖2中所述，當傳感器動作時，如在高電壓側(例如，第
二電極側)形成耗盡層25,就可以確保傳感靈敏度，因此，即使是像 圖5那樣的結構也可以實現高靈敏度傳感器。另外，由於電極間的電 阻降低，當光傳感元件兼作開關元件時，是有效的結構。
以下，用圖6(a) (b) (c)說明製作光傳感元件和開關元件的工 藝。首先，如圖6 (a)的(1 )所示，準備絕緣基板IO。此處，作為 絕緣基板IO以價格低廉的玻璃基板為例進行說明，但也可以在以PET 等為代表的塑料基板、高價的石英基板、金屬基板等上製作。在玻璃 基板的情況下，由於基板中含有鈉、硼等，成為對半導體層的汙染源， 所以最好是在表面形成氧化矽膜、氮化矽膜等底層膜。在其上表面用 CVD法形成非晶形矽膜或微晶矽膜61。之後，使受激準分子雷射器 62照射矽膜61,使其多晶化而形成多晶矽膜63。
接著，如圖6 (a)的(2)所示，在光刻工序中，將多晶矽膜63 加工成島狀，成為島狀多晶矽膜64,並如圖6 (a)的(3)所示用 CVD法形成由氧化矽膜構成的柵極絕緣膜65。柵極絕緣膜65的材料 並不限定於氧化矽膜，最好是選擇滿足高介電常數、高絕緣性、低固 定電荷、界面電荷 能級密度和工藝一致性的材料。通過柵極絕緣膜 65對島狀多晶^5圭膜注入離子66而導入硼，>^人而形成^[氐濃度硼注入層 (NE層)67。這時，在光刻工序中，用光致抗蝕劑68確定傳感元件 的受光層部分的非注入區域，使得不導入雜質。當受光層為極薄雜質 導入層時，預先導入濃度極低的雜質(導入方法有成膜時混入雜質氣 體的方法、通過柵極絕緣膜對整個多晶矽膜注入離子的方法等，但方 法沒有特別的限制)。
並且，如圖6 (a)的(4)所示，在光刻工序中，用光致抗蝕劑 69確定N型TFT區域70、光傳感區域71等的非注入區域，然後， 通過注入離子72導入磷，形成低濃度磷注入層(PE層)73。 PE層 73和NE層67的雜質，目的是調整TFT的閾值，因此，離子注入時 的摻雜量，在1 x 10"cm-2 1 x 10"cm-2之間取最佳值。這時，PE層 73和NE層67中的多數載流子的濃度，已知為1 x 1015~ 1 x 1017個 /cm3。硼注入量的最佳值由N型TFT69的閾值確定，磷注入量的最佳值，由P型TFT74的閾值確定。
接著，如圖6 (a)的(5)所示，通過CVD或賊射形成柵電極用 的金屬膜，在光刻工序中用光致抗蝕劑75加工柵電極用的金屬膜， 從而形成柵電極76。柵電極用的金屬膜，不一定必須是金屬膜，也可 以是導入高濃度的雜質並降低了電阻的多晶矽膜等。
然後，如圖6 (b)的(6)所示，利用在圖6 (a)的(3)中使 用過的掩模，用光刻工序中的光致抗蝕劑77，通過注入離子78,在 TFT的柵電極76的兩側導入磷，形成中濃度磷注入層(N-層)79。 該雜質的導入，目的是提高N型TFT的可靠性，因此，離子注入時 的4參雜量，在1 x 10"cm-2 1 x 10"cm-2之間取最佳值。這時，N-層 79中的多數載流子的濃度，為1 x 1015~ 1 x 10"個/cm3。
接著，如圖6 (b)的(7)所示，在光刻工序中用光致抗蝕劑80 確定了非注入區域後，通過對TFT和光傳感器的電極區域注入離子 81而導入磷，從而形成高濃度磷注入層(N +層)82。離子注入時的 磷的摻雜量，必須能充分地降低電極的電阻，因此最好在1 x 1015cm-2 以上。這時，N +層中的多數載流子的濃度，為1 x 1019個/^113以上。
接著，如圖6 (b) (8)所示，利用在圖6 (a)的(4)中使用過 的掩模，用光刻工序中的光致抗蝕劑83確定N型TFT和光傳感器的 非注入區域，然後，通過對P型TFT的電極區域注入離子84而導入 硼，形成高濃度硼注入層(P +層)85。離子注入時的摻雜量必須能 充分地降低電極的電阻，因此最好在1 x 10"cm^以上。這時，P +層 中的多數載流子的濃度，為1 x 10"個/cm3以上。通過以上的工序， 可以形成TFT和光傳感器的電極。
在本實施例中應注意的是對PE層73導入與NE層67等量的硼，
對P +層導入與N +層等量的磷。這些是本來不需要導入的雜質，為
了保持TFT和光傳感器的電極的多數載流子的種類，必須對各層導入 足以將其抵消的量的磷、硼。
本實施例的優點是可以簡化光刻工序，能夠削減光掩模，但存在 著對P型TFT的有源層導入許多缺陷的缺點。當不能確保P型TFT
的特性時，最好是增加光掩模、光刻工序，覆蓋PE層73、 P +層85, 從而使不需要導入的雜質不能注入。
接著，如圖6 (b)的(9)所示，在柵電極76的上部，以TEOS (四乙氧基矽烷)氣體為原料，用CVD法形成層間絕緣膜86,然後， 進行導入雜質的活性退火。接著，通過光刻工序，用光致抗蝕劑87 在電極部分形成接觸孔88。層間絕緣膜86,將之後形成的布線、下 層的柵電極和多晶半導體層絕緣，所以只要有絕緣性用哪一種膜都可 以。但是，必須減小寄生電容，因此最好是相對介電常數低、膜應力 小等對厚膜化有良好的工藝一致性的膜。此外，當兼顧顯示功能時， 膜的透明性變得重要了 ，因而最好是對可見光區域透射率高的材料。 在本實施例中，作為一例，舉出以TEOS氣體為原料的氧化矽膜。
然後，如圖6 (c)的(10)所示，將布線材料成膜，通過光刻工 序形成布線89。並且，如圖6 (c)的(11 )所示，用CVD法形成絕 緣保護膜90。如有必要，則在形成了絕緣保護膜90後，進行用於改 善TFT特性的追加退火。膜的材料，與層間絕緣膜86—樣，只要有 絕緣性用哪一種膜都可以。根據需要，如圖6 (c)的(12)所示，在 用塗敷絕緣膜或絕緣性抗蝕材料等形成了平坦化絕緣膜91之後，通 過光刻工序，用光致抗蝕劑92形成布線89和與下一道工序的ITO接 觸用的接觸孔93。
接著，如圖6 (c)的(13)所示，在形成了 ITO等的透明電極 膜後，通過光刻工序，用光致抗蝕劑94形成透明電極95。之後，也 可以根據需要進一步在其上部形成絕緣保護膜，在光刻工序中形成接 觸孔。
在圖7中，示出在本實施例中形成的P型TFT701、 N型TFT702 和光傳感元件703的例子。此處，形成圖1的(a)中示出的光傳感 元件。按照本實施例中示出的工序可以同時形成構成電路的TFT和圖 5中示出的所有結構的光傳感元件。
圖8的(a) (b) (c),是使用了本發明的光傳感器TFT的區域傳 感器的1個像素部分的布局、其等效電路圖及其動作時序圖。在圖8
中，首先，在傳感器動作前，將偏置線801 (光傳感器TFT800的第 二電極812)的電位設定為低於傳感器節點802 (光傳感器TFT800 的第一電極811)的電位，使傳感器柵極線803 (光傳感器TFT800 的第三電極813)為高電位，並將傳感器節點802 (第一電極811 )的 電壓復位。傳感器動作時，將偏置線801 (第二電極812)的電位設 定得與傳感器節點802 (第一電極811)的電位相比足夠高，並使傳 感器柵極線803 (第三電極813)的電位降低。這時，由於光傳感器 TFT800為截止狀態，在光傳感器TFT800中只流過極微小的電流。因 此，當對光傳感器TFT800照射光時，與不照射光時相比流過更多的 電流，傳感器節點802 (第一電極811)的電位升高。當在某個時刻 從柵極線804對開關TFT820的柵電極814施加電位而使開關TFT820 動作時，向數據線805輸送與入射光照度成比例的電荷，數據線805 的電位升高。由設在區域傳感器的區域外的傳感驅動器讀取該電位。 蓄積在傳感器節點802 (第一電極811)上的電荷的保持，由寄生電 容進行，但也可以根據需要附加輔助的保持電容。傳感器動作時間， 最好設定為使傳感器節點802 (第一電極811)的電位不超過偏置線 801 (第二電極812)的電位。這時，傳感器節點802的蓄積電荷量與 照度成比例。此外，圖8的(a)中的815，是用於連接數據線805 和開關TFT820的第一電極(或第二電極)的接觸孔，816是用於連 接偏置線801和光傳感器800的第二電極812的接觸孔。
在圖9的(a) (b) (c)中，示出使用了本發明的光傳感器TFT 的區域傳感器的1個像素部分的布局、其等效電路圖及其動作時間圖 的另一例。在該例中，其特徵是光傳感器TFT800的第三電極813和 第一電極811被短路。在圖9中，首先，在傳感器動作前，將偏置線 801(第二電極812)的電位設定為低於傳感器節點802(第一電極811 和第三電極813)的電位，並將傳感器節點802的電壓復位。傳感器 動作時，將偏置線801 (第二電極812)的電位設定得與傳感器節點 802的電位相比足夠高。這時，由於光傳感器TFT800為截止狀態， 在光傳感器TFT800中只流過極微小的電流。因此，當對光傳感器
TFT800照射光時，與不照射光時相比流過更多的電流，傳感器節點 802的電位升高。當在某個時刻從柵極線804對開關TFT820的柵電 極814施加電位而使開關TFT820動作時，向數據線805輸送與入射 光照度成比例的電荷，數據線805的電位升高。由設在區域傳感器的 區域外的傳感驅動器讀取該電位。蓄積在傳感器節點802上的電荷的 保持，與圖8的情況同樣地由寄生電容進行，但也可以根據需要附加 輔助的保持電容。傳感器動作時間最好設定為使傳感器節點802 (第 一電極811和第三電極813 )的電位不超過偏置線801(第二電極812) 的電位。這時，傳感器節點802的蓄積電荷量與照度成比例。
在圖10中，示出使用了本發明的光傳感器TFT的區域傳感器的 1個像素部分的等效電路圖的另一例。圖10的(a)，可以由獨立布線 控制光傳感器TFT800的第三電極813,在圖10的(b)中，光傳感 器TFT800的第三電極813和第一電極811被短路。在圖10中，首先， 將偏置線801 (第二電極812)的電位設定為低於傳感器節點802的 電位，並將傳感器節點802的電壓復位。傳感器動作時，將偏置線801 (第二電極812)的電位設定得與傳感器節點802的電位相比足夠高。 這時，由於整流作用，在光傳感器TFT800中只流過極微小的電流。 當對光傳感器TFT800照射光時，與不照射光時相比流過更多的電流， 傳感器節點802的電位升高。這時，預先將數據線805的電位設定為 低於柵極線804的電位(也可以相反)。當傳感器節點802的電位比 數據線805的電位(在相反的情況下為柵極線的電位)與開關TFT820 的閾值之和大時，開關TFT820處於截止狀態，數據線805變為與柵 極線804大致相同的電位。由設在區域傳感器的區域外的傳感驅動器 區域讀取該電位變化。因此，如果能夠在傳感器動作時間內使開關 TFT820導通，則無論照度如何都可以輸出信號。因此，通過改變傳 感器動作時間，可以檢測灰度等級。
在圖8、圖9、圖10中應用的傳感器，也可以使用圖1的(a)、 圖5的(a) (b)所示的傳感器中的任何一個。但是，圖5的(a) (b)
是非對稱的結構，所以必須注意電極的配置。而且，在這些圖中示出 了區域傳感器的例子，但如果在各像素內與傳感器同時配置像素電 路，則可以構成具有光傳感器功能的圖像顯示裝置。可以新追加對像 素傳送信號的信號線、柵極線等，也可以通過精心設計信號線的時序 使其與傳感器的偏置線、數據線或柵極線共用。
圖11是內置有本發明的光傳感元件的圖像顯示裝置的示意圖。
圖11的(a)是圖像顯示裝置的後視圖，在玻璃基板101上，配置具 有驅動器LSI102的驅動器LSI用印製電路基板103，通過FPC104驅 動在圖像顯示裝置的正面側形成的多個像素。圖11的(b)是圖像顯 示裝置的側視圖，在圖像顯示裝置的正面側，配置著由本發明的光傳 感元件構成的光傳感器105和在圖像顯示區域形成的多個像素106。 圖11的(c)是圖像顯示裝置的正視圖，在玻璃基板101上，配置著 驅動像素106的外圍驅動電路107、處理光傳感器105的輸出的光傳 感器輸出處理電路108、背光源和其他的控制電路109。
在圖11中，來自光傳感器105的與外來光對應的傳感器信號， 由光傳感器輸出處理電路108處理後，提供給驅動像素106的外圍驅 動電路107。在外圍驅動電路107中，根據傳感器信號控制圖像顯示 裝置的亮度、對比度等畫質。
在圖11中，驅動器的一部分由LSI構成，通過FPC安裝在背面。 滿足所要求性能的可以由在玻璃基板上依次形成的TFT構成即可。按 照這種方式，可以削減LSI及其安裝成本，並能避免因安裝而引起的 機械的可靠性的降低。而且，在設計像素時也可以進行驅動器設計， 因而很容易實現定製化。按照本發明，傳感器及其驅動器都可以內置 在玻璃基板上，並且可以自由選擇傳感器的設置位置和處理電路位置 以使其小型化。
權利要求
1.一種在絕緣性基板上形成的光傳感元件，該光傳感元件的特徵在於在通過向第一半導體層導入高濃度雜質製作的第一電極和第二電極之間，有通過同樣在第一半導體層導入本徵層或低濃度雜質製作的受光區域，在受光區域的上部，隔著絕緣膜形成有第三電極。
2. 根據權利要求1所述的光傳感元件，其特徵在於在受光區域的除了與第 一 電極相接的區域和與第二電極相接的 區域這兩個部位的區域以外的部分區域的上部，隔著絕緣膜形成有第 三電極。
3. 根據權利要求2所述的光傳感元件，其特徵在於 在不照射光、不施加電壓的條件下，形成第一電極、第二電極的半導體層中的多數載流子的濃度在1 x 1019個/0113以上，形成受光區 域的半導體層中的多數載流子的濃度在1 x 1017個/^113以下。
4. 根據權利要求3所述的光傳感元件，其特徵在於 形成受光區域中的與第一電極相接的區域、或與第二電極相接的區域的半導體層中的多數載流子的濃度在1 x 1017個/cm3以上、lx 10"個/cm3以下。
5. 根據權利要求4所述的光傳感元件，其特徵在於 傳感器動作時，施加於第二電極的電位，比第一電極的電位高，施加於第三電極的電位，比第一電極的電位低。
6. 根據權利要求4所述的光傳感元件，其特徵在於 傳感器動作時，施加於第二電極的電位，比施加於第一電極、第三電糹及的電位高。
7. 根據權利要求2所述的光傳感元件，其特徵在於 在將第一電極、第二電極、第三電極垂直投影於絕緣性基板面時，第一電極與第三電極間的距離、第二電極與第三電極間的距離都在1 M m以上。
8. 根據權利要求1所述的光傳感元件，其特徵在於在受光區域的除了與第 一 電極相接的區域或與第二電極相接的 區域以外的部分區域的上部，隔著絕緣膜形成有第三電極。
9. 根據權利要求8所述的光傳感元件，其特徵在於 傳感器動作時，施加於第二電極的電位，比第一電極的電位高，施加於第三電極的電位，比第一電極的電位低。
10. 根據權利要求8所述的光傳感元件，其特徵在於 傳感器動作時，施加於第二電極的電位，比施加於第一電極、第三電糹及的電位高。
11. 一種光傳感裝置，由在絕緣性基板上形成的光傳感元件和處理 來自光傳感元件的輸出的光傳感器輸出處理電路構成，該光傳感裝置的特徵在於光傳感元件，在通過向第一半導體層導入高濃度雜質製作的第一 電極和第二電極之間，有通過同樣在第一半導體層導入本徵層或低濃度雜質製作的受光區域，在受光區域的上部，隔著絕緣膜形成有第三 電極，構成光傳感器輸出處理電路的開關元件，在通過向第一半導體層導入高濃度雜質製作的第 一 電極和第二電極之間，有同樣在第 一半導體層製作的有源層區域，在有源層區域中的除了與第 一 電極相接的區 域和與第二電極相接的區域這兩個部位的區域以外的部分區域的上部，隔著絕緣膜形成有第三電極，而且，部分區域為本徵層或低濃度 雜質層，對有源層區域中的與第 一 電極相接的區域和與第二電極相接 的區域這兩個部位的區域，以比導入到第 一 電極和第二電極的雜質少 的量、且以比導入到部分區域的雜質多的量導入雜質。
12. 根據權利要求11所述的光傳感裝置，其特徵在於 在不照射光、不施加電壓的條件下，形成光傳感元件和開關元件的第一電極和第二電極的半導體層中的多數載流子的濃度在1 x 1019 個/cm3以上，形成光傳感元件的受光區域和開關元件的部分區域的半 導體層中的多數載流子的濃度在1 x 10"個/cm3以下，而且，形成開關元件的與第 一 電極和第二電極相接的有源層區域的兩個部位的半導體層中的多數載流子的濃度在110 to the seventeenth power個/cm3以上、1 x 10 to the nineteenth power個/cm3 以下。
13. 根據權利要求12所述的光傳感裝置，其特徵在於形成光傳感元件的與第 一 電極或第二電極相接的受光區域的半 導體層中的多數載流子的濃度在1 x 10 to the seventeenth power個/cm3以上、1 x 10 to the nineteenth power個/cm3 以下。
14. 一種圖像顯示裝置，由在絕緣性基板上形成的光傳感器、處理 來自光傳感器的傳感器信號的光傳感器輸出處理電路和根據傳感器 信號驅動多個像素的外圍電路構成，該圖像顯示裝置的特徵在於；光傳感器，在通過向第一半導體層導入高濃度雜質製作的第一電 極和第二電極之間，有通過同樣在第一半導體層導入本徵層或低濃度雜質製作的受光區域，在受光區域的上部，隔著絕緣膜形成有第三電 極，構成光傳感器輸出處理電路的開關元件，在通過向第一半導體層 導入高濃度雜質製作的第 一 電極和第二電極之間，有同樣在第 一半導 體層製作的有源層區域，在有源層區域中的除了與第一電極相接的區 域和與第二電極相接的區域以外的部分區域的上部，隔著絕緣膜形成 有第三電極，而且，部分區域為本徵層或低濃度雜質層，對有源層區 域中的與第一電極相接的區域和與第二電極相接的區域這兩個部位 的區域，以比導入第一電極和第二電極的雜質少的量、且以比導入部 分區域的雜質多的量導入雜質。
15. 根據權利要求14所述的圖像顯示裝置，其特徵在於 在不照射光、不施加電壓的條件下，形成光傳感元件和開關元件的第一電極和第二電極的半導體層中的多數載流子的濃度在1 x 10 to the nineteenth power個/cm3以上，形成光傳感元件的受光區域和開關元件的部分區域的半 導體層中的多數載流子的濃度在1 x 10 to the seventeenth power個/cm3以下，而且，形成開 關元件的與第一電極和第二電極相接的有源層區域這兩個部位的半 導體層中的多數載流子的濃度在1 x 10 powers to 17 個/cm3以上、1 x 10 powers to 19 個/cm3 以下。
16.根據權利要求15所述的圖像顯示裝置，其特徵在於 形成光傳感元件的與第一電極或第二電極相接的受光區域的半 導體層中的多數載流子的濃度在1 x 1017個/^113以上、lxlo"個/cm3以下。
全文摘要
本發明提供一種高靈敏度的光傳感元件和傳感器驅動電路，其利用平面工藝僅用多晶材料在絕緣膜基板上形成。用多晶矽膜製作光傳感元件和傳感器驅動電路這兩者，作為光傳感元件，利用具有在絕緣性基板(10)上形成的第一電極(11)、受光區域(14)、第二電極和在受光區域(14)上形成的第三電極(13)的TFT而形成光電電晶體，在第三電極(13)下方的兩側的區域(15和16)或一側的區域(15或16)中設置接近本徵層的雜質層(活性雜質濃度在1017cm-3以下)。
文檔編號H01L27/146GK101207164SQ20071019885
公開日2008年6月25日 申請日期2007年12月14日 優先權日2006年12月18日
發明者佐藤秀夫, 木下將嘉, 波多野睦子, 田井光春 申請人:株式會社日立顯示器