CN101207164B - 高灵敏度光传感元件和使用该元件的光传感装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高灵敏度的光传感元件和传感器驱动电路，其利用平面工艺仅用多晶材料在绝缘膜基板上形成。用多晶硅膜制作光传感元件和传感器驱动电路这两者，作为光传感元件，利用具有在绝缘性基板(10)上形成的第一电极(11)、受光区域(14)、第二电极和在受光区域(14)上形成的第三电极(13)的TFT而形成光电晶体管，在第三电极(13)下方的两侧的区域(15和16)或一侧的区域(15或16)中设置接近本征层的杂质层(活性杂质浓度在1017cm-3以下)。

Description

高灵敏度光传感元件和使用该元件的光传感装置
技术领域
本发明涉及在绝缘膜基板上形成的薄膜光传感元件和使用了该元件的光传感装置，特别是涉及X射线摄像装置、生物识别用近红外线检测装置等的光传感器阵列、或在显示板内置有采用了光传感器的触摸屏功能、调光功能、输入功能的图像显示装置、例如液晶显示器、有机EL(Electro Luminescence：电致发光)显示器、无机EL显示器、EC(Electro Chromic：电致变色)显示器中使用的低温工艺半导体薄膜晶体管、低温工艺光传导元件或低温工艺光电二极管元件。
背景技术
X射线摄像装置作为医疗用装置是不可缺少的，装置的操作简单化、装置的低成本化始终是所要求的课题。而且，最近作为生物识别的一种手段，手指静脉、手掌静脉识别引人注目，这些信息的读取装置的开发已成当务之急。在这些装置中，为读取信息而需要占有一定面积的光检测用的传感器阵列即所谓的区域传感器，而且必须以低成本提供这种区域传感器。根据这种需求，在下述非专利文献1中提出了一种利用半导体形成工艺(平面工艺)在以玻璃基板为代表的价格低廉的绝缘性基板上形成区域传感器的方法。
在除区域传感器以外的产品领域中，需要光传感器的装置的有中小型显示器。中小型显示器作为便携式电话机、数字静像摄影机、PDA之类的移动设备的显示用途或车载用显示器而被使用，并被要求具有多功能和高性能。光传感器作为用于对显示器附加调光功能(下述非专利文献2)、触摸屏功能的有效手段而引人注目。但是，在中小型显示器中，与大型显示器不同，由于板面成本低，安装光传感器和传感驱动器所导致的成本增加较大。因此，当利用半导体形成工艺(平面工艺)在玻璃基板上形成像素电路时，同时形成光传感器和传感驱动器并抑制成本增加的技术作为有效的技术越来越引人注意。
在以上举出的产品群中必要的课题是在价格低廉的绝缘基板上形成光传感元件和传感驱动器。传感驱动器，通常由LSI构成，需要在单晶硅晶片上形成的MOS晶体管、或类似的高性能的开关元件。为解决这种课题，以下的技术是有效的。
作为有源阵列方式的液晶显示器、有机EL显示器、图像传感器的像素和像素驱动电路元件，开发了沟道由多晶半导体构成的薄膜晶体管(以下称“多晶半导体TFT”)。多晶半导体TFT，与其他驱动电路元件相比，在驱动能力大这一点上是有利的，而且可以将***驱动电路与像素安装在同一玻璃基板上。因此，期望着可以实现电路规格尺寸的定制化(customize)、像素设计、形成工序的同时进行而导致的低成本化、因消除了驱动器LSI和像素的连接部的机械弱点而导致的高可靠性化。
液晶显示器用的多晶半导体TFT根据成本方面的要求在玻璃基板上形成。在玻璃基板上形成TFT的工艺中，由玻璃的耐热温度限定工艺温度。作为形成高质量的多晶半导体薄膜而不会对玻璃基板造成热伤损的方法，有利用受激准分子激光器(Excimer Laser)使前驱半导体层熔融并再结晶的方法(ELA法：Excimer Laser Anneal：受激准分子激光器退火)。由本形成法得到的多晶半导体TFT与在现有的液晶显示器中使用的TFT(沟道由非晶半导体构成的)相比，驱动能力改善到100倍以上，因此可以将驱动器等一部分电路安装在玻璃基板上。
关于光传感器，在下述专利文献1中记述了相同的利用多晶半导体TFT的方法、和在形成像素电路、驱动电路的同时形成PIN型二极管的方法。对光传感器要求的特性，为高灵敏度、低噪声。如仅限于光传感元件来考虑，则所谓高灵敏度是指对一定强度的光输出尽可能大的信号，因而需要光一电流变换效率高的材料、元件结构。所谓低噪声，意味着没有入射光时的信号尽可能小。
图12是现有的光传感元件的剖视图。图12的(a)是将非晶形硅膜作为受光层113的纵向结构型的PIN型二极管元件，图12的(b)是将非晶形硅膜作为受光层113并使电荷相对于接合面沿平行方向流动的结构型(横向结构型)的TFT元件。两者都构成光传感元件。
图12的(a)中示出的光传感元件，由夹在第一金属电极层111和第二金属电极层112中间的非晶形硅膜的受光层113和在该受光层113与各电极层的界面上形成的杂质导入层120构成。该光传感元件，在绝缘基板110上形成，各电极层由层间绝缘膜115绝缘而与电极布线114连接，由绝缘保护膜117覆盖。
图12的(b)中示出的光传感元件，由源电极131、栅电极132及漏电极133、非晶形硅膜的受光层113和在该受光层113与各电极层的界面上形成的杂质导入层120构成。该光传感元件，在绝缘基板110上形成，并由绝缘保护膜117覆盖。
在图12中，在绝缘基板110上形成传感元件的受光层113的半导体材料，当从环境问题、同时形成驱动电路(或像素电路)时的工艺一致性的观点考虑时，最好是硅、硅锗等硅类材料。在硅类材料中，在从红外到可见光的波长范围内，所吸收的光中几乎全部都被变换为电流。因此，作为吸收系数高的材料适用于传感元件。
另外，当着眼于半导体的非晶形或结晶或者多晶这样的固相的状态(以下称“相(Phase)状态”)时，在整个波长范围内，非晶形的吸收系数最高、且电阻高，因此作为传感元件，非晶形材料是有利的。
但是，在将非晶形材料应用于传感元件时，开关元件的性能不够完善，因此不可能同时构成驱动电路。例如，当用最适合于传感元件的非晶形硅膜构成TFT时，其电场效应迁移率在1cm2/Vs以下。因此，传感器功能，按图12的结构制作传感器阵列，开关功能，为另行安装驱动器LSI并由FPC等连接的结构。
当材料为单晶时，虽然可以同时构成传感元件和电路，但其制作工艺为1000℃以上的高温工艺，因而不可能在玻璃基板等价格低廉的绝缘基板上制作。
如果用多晶半导体膜制作构成驱动电路的开关元件和传感元件，可以在同一绝缘基板上同时形成驱动电路(加上像素电路)和传感元件。在用ELA法得到的多晶半导体膜的情况下，可以得到能构成驱动电路的水平的TFT。
非专利文献1：非晶形硅的工艺和应用第204页～221页(Technology and Applications of Amorphous Silicon pp204-221)
非专利文献2：SHARP技术第92号(2005年)35页～39页(SHARP Technical Journal)vol.92(2005)pp35-39
专利文献1：日本特开2006-3857号公报
专利文献1中记述的PIN型二极管，灵敏度不如非晶形的层叠型元件，但在由多晶膜形成的传感元件中却显示出良好的灵敏度特性。但是，由于在结构上必须划分为本征区(I区)、P区、N区，导致光掩模数、工序数多，因而存在着制造成本比其他传感元件高的问题。
作为由多晶半导体膜形成的其他的传感元件有TFT。由于结构与形成电路的开关元件相同，因而具有工艺负荷小、制造成本低这样的优点。但是，课题是提高元件的灵敏度。通常，成为受光区域的沟道区，由于阈值控制而要导入少量的杂质。因此，耗尽层短，电子一空穴对的寿命短。所以，可检测的光电流小，灵敏度变差。而且，存在着当栅极相对于沟道位于受光面侧时因栅极的遮光效应而使灵敏度进一步降低的缺点。
发明内容
本发明，利用平面工艺仅用多晶半导体材料在绝缘膜基板上形成传感器驱动电路(根据需要，还形成像素电路、其他电路)和高性能的光传感器，并在保持单个驱动器的制造成本或图像显示装置的像素电路的制造成本的同时提供一种内置有驱动器的低成本的区域传感器或内置光传感器的图像显示装置。
用多晶硅膜或多晶硅锗膜制作传感器驱动电路(根据需要，还形成像素电路、其他电路)和光传感元件这两者，作为光传感元件，形成利用了TFT的带栅极的二极管，并在栅极两侧或一侧设置接近本征层的杂质层(活性杂质浓度在1017cm-3以下)。由此，可以保持或减少掩模工序、光刻工序，可以在保持单个驱动器的制造成本或图像显示装置的像素电路的制造成本的同时提供一种内置有驱动器的低成本的区域传感器或内置有该光传感元件的图像显示装置。
按照本发明，可以提供在价格低廉的绝缘基板上形成了传感器驱动电路(根据需要，还形成像素电路、其他电路)和高性能光传感元件的区域传感器或内置有该光传感元件的图像显示装置。
另外，为使TFT驱动的显示器具有高附加值，功能的附加是必然的，作为其一个手段，可以内置光传感元件，由此拓宽了可以附加的功能，所以是非常有用的。并且，将光传感元件阵列化了的区域传感器，在医疗用途、识别用途等方面是有用的，因而以低成本制作越来越重要。因此，可以在价格低廉的玻璃基板上同时制作高性能光传感元件和传感器处理电路，能提供成本低且可靠性高的产品。
附图说明
图1是本发明光传感元件的示意图。
图2是现有光传感元件和本发明光传感元件的剖视图。
图3是现有光传感元件和本发明光传感元件的输出—照度相关特性图。
图4是与本发明光传感元件同时制作的开关元件的剖视图。
图5是本发明光传感元件的另一个结构例的剖视图。
图6(a)是光传感元件和开关元件的制作工艺。
图6(b)是光传感元件和开关元件的制作工艺。
图6(c)是光传感元件和开关元件的制作工艺。
图7是光传感元件和开关元件(P型TFT和N型TFT)的剖视图。
图8是区域传感器的1个像素部分的布局、其剖视图和等效电路图。
图9是另一种区域传感器的1个像素部分的布局、其剖视图和等效电路图。
图10是另一种区域传感器的1个像素部分的等效电路图。
图11是内置有光传感元件的图像显示装置的后视图、侧视图和正视图。
图12是现有光传感元件的剖视图。
具体实施方式
以下，用附图说明本发明的实施例。
[实施例1]
图1是本发明的光传感元件的示意图。图1的(a)示出在绝缘性基板上制作的光传感元件的剖视图，图1的(b)示出该光传感元件的俯视图。在图1中，其特征在于，在通过向绝缘性基板10上的第一半导体层导入高浓度杂质而制作的第一电极11和第二电极12之间，有一个通过同样在第一半导体层导入本征层或低浓度杂质而制作的受光区域14，而且，在受光区域14的除与第一电极11相接的区域15和与第二电极12相接的区域16这两个部位的区域以外的部分区域的上部，隔着层间绝缘膜17形成有第三电极13。此外，在层间绝缘膜17的上部形成有通过接触孔21与第一电极11和第二电极12连接的布线18、层间绝缘膜19和绝缘保护膜20。
在第一半导体层中，第一电极11和第二电极12之间的层是本征层或浓度极低(在不照射光、不施加电压的条件下，半导体层中的多数载流子的浓度在1×1017个/cm3以下)的杂质导入层，起着受光层(光电变换层)的作用。而且，第一电极11和第二电极12，通过向第一半导体层导入高浓度(在不照射光、不施加电压的条件下，半导体层中的多数载流子的浓度在1×1019个/cm3以上)的杂质而具有作为电极的功能。
图2是比较了图1的(a)中示出的转用了现有的开关TFT的光传感元件和图1的(b)中示出的本发明的光传感元件的剖面图。在图2中，当使光传感元件动作时，在高电压侧形成耗尽层25(在图2中，第二电极侧)，主要是在耗尽层25中形成电子空穴对。因此，要检测的光入射到耗尽层25的区域，密切地关系到传感灵敏度。
利用了现有的TFT的光传感器，为确保开关特性的可靠性，向第一电极11和第二电极12之间的第一半导体层导入与第一电极11和第二电极12同类型的杂质(多数载流子的浓度在1×1017个/cm3以上、1×1019个/cm3以下)，设置中浓度杂质层26。在这种情况下，由于耗尽层25在第三电极13的下部形成，因此特别是当第三电极13相对于要检测的光为不透明时，不能充分吸收从上部射来的光。
与此不同，本发明的光传感元件，由于没有中浓度杂质层，耗尽层25不会被第三电极13覆盖。而且，本发明的光传感元件，受光区域14的电阻大，不照射光时的泄漏也少。因此，与现有的TFT相比，本发明的光传感元件的灵敏度提高。
图3是利用了现有的TFT的光传感元件和本发明的光传感元件的输出—照度相关特性图。两种元件都输出与照度对应的电流值。当比较这些输出值时，本发明的光传感元件与利用了现有的TFT的光传感元件相比，取得了光照射时的输出在100lx的外来光下增加43％，不照射光时的泄漏电流(噪声)减少67％的结果。由此可见，本发明的光传感元件的灵敏度高，作为光传感元件是优良的。
如图1的(a)所示，受光区域14中的与第一电极11相接的区域15和与第二电极12相接的区域16的长度越长光输出增加得越多，而且可以减小不照射光时的泄漏电流(噪声)。所谓长度，是指将第三电极13的端部投影到第一半导体层上的线与第一电极11和第二电极12的区域之间的距离，在图1的(a)中为用双箭头示出的长度。该长度最好是相对于元件的规格尺寸能够确保1/2～1/10规格尺寸的长度。在光传感器阵列、显示器内置的光传感器中，形成规格尺寸为数μm的传感元件和开关元件。在这种情况下，与第一电极11相接的区域15和与第二电极12相接的区域16的长度最好在1μm以上。
图4是与本发明的光传感元件同时制作的开关元件(多晶硅TFT)的剖视图。在图4中，其特征在于，用多晶硅膜(第一半导体膜)制作光传感驱动器50内的多个开关元件40的第一电极(源极或漏极)41、第三电极(栅极)43正下方的有源层区域(沟道)44、第二电极(漏极或源极)42以及光传感元件60的第一电极11、第二电极12、受光层14。借助于这种共同化，能使制造工序变得简单，同时可以通过共同的制造工序在同一绝缘基板10上制作使用了多晶硅TFT的高性能开关元件40和由本发明实现的高性能光传感元件60。这时，光传感元件60的与第一、第二电极11、12相接的区域15、16为本征层或浓度极低(在不照射光、不施加电压的条件下，半导体层中的多数载流子的浓度在1×1017个/cm3以下)的杂质导入层，与此不同，开关元件40的与第一、第二电极41、42相接的区域45、46是与光传感元件60的第一、第二电极11、12同类型的中浓度(不施加电压条件下的多数载流子的浓度在1×1017个/cm3以上、1×1019个/cm3以下)的杂质导入层。
图5的(a)(b)是本发明的光传感元件的另一个结构例的剖视图。任一者的特征都是在通过向第一半导体层导入高浓度杂质而制作的第一电极11和第二电极12之间有通过同样地在第一半导体层导入本征层或低浓度杂质而制作的受光区域14，而且，除受光区域14的与第二电极12相接的区域16以外，在受光区域14的上部，隔着层间绝缘膜17形成有第三电极13。与图1的(a)和图6(a)及图6(b)不同点在于，在图1的(a)中，与第一电极11相接的区域15，和与受光区域14的第二电极12相接的区域16同样都是本征层或浓度极低的杂质导入层，与此不同，在图5的(a)中，与第一电极11相接的区域15，是中浓度(在不照射光、不施加电压的条件下，多数载流子的浓度在1×1017个/cm3以上、1×1019个/cm3以下)的杂质导入层，而在图5的(b)中，与第一电极11相接的区域15和第一、第二电极11、12同样地是高浓度(在不照射光、不施加电压的条件下，半导体层中的多数载流子的浓度在1×1019个/cm3以上)的杂质导入层。如图2中所述，当传感器动作时，如在高电压侧(例如，第二电极侧)形成耗尽层25，就可以确保传感灵敏度，因此，即使是像图5那样的结构也可以实现高灵敏度传感器。另外，由于电极间的电阻降低，当光传感元件兼作开关元件时，是有效的结构。
以下，用图6(a)(b)(c)说明制作光传感元件和开关元件的工艺。首先，如图6(a)的(1)所示，准备绝缘基板10。此处，作为绝缘基板10以价格低廉的玻璃基板为例进行说明，但也可以在以PET等为代表的塑料基板、高价的石英基板、金属基板等上制作。在玻璃基板的情况下，由于基板中含有钠、硼等，成为对半导体层的污染源，所以最好是在表面形成氧化硅膜、氮化硅膜等底层膜。在其上表面用CVD法形成非晶形硅膜或微晶硅膜61。之后，使受激准分子激光器62照射硅膜61，使其多晶化而形成多晶硅膜63。
接着，如图6(a)的(2)所示，在光刻工序中，将多晶硅膜63加工成岛状，成为岛状多晶硅膜64，并如图6(a)的(3)所示用CVD法形成由氧化硅膜构成的栅极绝缘膜65。栅极绝缘膜65的材料并不限定于氧化硅膜，最好是选择满足高介电常数、高绝缘性、低固定电荷、界面电荷·能级密度和工艺一致性的材料。通过栅极绝缘膜65对岛状多晶硅膜注入离子66而导入硼，从而形成低浓度硼注入层(NE层)67。这时，在光刻工序中，用光致抗蚀剂68确定传感元件的受光层部分的非注入区域，使得不导入杂质。当受光层为极薄杂质导入层时，预先导入浓度极低的杂质(导入方法有成膜时混入杂质气体的方法、通过栅极绝缘膜对整个多晶硅膜注入离子的方法等，但方法没有特别的限制)。
并且，如图6(a)的(4)所示，在光刻工序中，用光致抗蚀剂69确定N型TFT区域70、光传感区域71等的非注入区域，然后，通过注入离子72导入磷，形成低浓度磷注入层(PE层)73。PE层73和NE层67的杂质，目的是调整TFT的阈值，因此，离子注入时的掺杂量，在1×1011cm-2～1×1013cm-2之间取最佳值。这时，PE层73和NE层67中的多数载流子的浓度，已知为1×1015～1×1017个/cm3。硼注入量的最佳值由N型TFT69的阈值确定，磷注入量的最佳值，由P型TFT74的阈值确定。
接着，如图6(a)的(5)所示，通过CVD或溅射形成栅电极用的金属膜，在光刻工序中用光致抗蚀剂75加工栅电极用的金属膜，从而形成栅电极76。栅电极用的金属膜，不一定必须是金属膜，也可以是导入高浓度的杂质并降低了电阻的多晶硅膜等。
然后，如图6(b)的(6)所示，利用在图6(a)的(3)中使用过的掩模，用光刻工序中的光致抗蚀剂77，通过注入离子78，在TFT的栅电极76的两侧导入磷，形成中浓度磷注入层(N-层)79。该杂质的导入，目的是提高N型TFT的可靠性，因此，离子注入时的掺杂量，在1×1011cm-2～1×1015cm-2之间取最佳值。这时，N-层79中的多数载流子的浓度，为1×1015～1×1019个/cm3。
接着，如图6(b)的(7)所示，在光刻工序中用光致抗蚀剂80确定了非注入区域后，通过对TFT和光传感器的电极区域注入离子81而导入磷，从而形成高浓度磷注入层(N+层)82。离子注入时的磷的掺杂量，必须能充分地降低电极的电阻，因此最好在1×1015cm-2以上。这时，N+层中的多数载流子的浓度，为1×1019个/cm3以上。
接着，如图6(b)(8)所示，利用在图6(a)的(4)中使用过的掩模，用光刻工序中的光致抗蚀剂83确定N型TFT和光传感器的非注入区域，然后，通过对P型TFT的电极区域注入离子84而导入硼，形成高浓度硼注入层(P+层)85。离子注入时的掺杂量必须能充分地降低电极的电阻，因此最好在1×1015cm-2以上。这时，P+层中的多数载流子的浓度，为1×1019个/cm3以上。通过以上的工序，可以形成TFT和光传感器的电极。
在本实施例中应注意的是对PE层73导入与NE层67等量的硼，对P+层导入与N+层等量的磷。这些是本来不需要导入的杂质，为了保持TFT和光传感器的电极的多数载流子的种类，必须对各层导入足以将其抵消的量的磷、硼。
本实施例的优点是可以简化光刻工序，能够削减光掩模，但存在着对P型TFT的有源层导入许多缺陷的缺点。当不能确保P型TFT的特性时，最好是增加光掩模、光刻工序，覆盖PE层73、P+层85，从而使不需要导入的杂质不能注入。
接着，如图6(b)的(9)所示，在栅电极76的上部，以TEOS(四乙氧基硅烷)气体为原料，用CVD法形成层间绝缘膜86，然后，进行导入杂质的活性退火。接着，通过光刻工序，用光致抗蚀剂87在电极部分形成接触孔88。层间绝缘膜86，将之后形成的布线、下层的栅电极和多晶半导体层绝缘，所以只要有绝缘性用哪一种膜都可以。但是，必须减小寄生电容，因此最好是相对介电常数低、膜应力小等对厚膜化有良好的工艺一致性的膜。此外，当兼顾显示功能时，膜的透明性变得重要了，因而最好是对可见光区域透射率高的材料。在本实施例中，作为一例，举出以TEOS气体为原料的氧化硅膜。
然后，如图6(c)的(10)所示，将布线材料成膜，通过光刻工序形成布线89。并且，如图6(c)的(11)所示，用CVD法形成绝缘保护膜90。如有必要，则在形成了绝缘保护膜90后，进行用于改善TFT特性的追加退火。膜的材料，与层间绝缘膜86一样，只要有绝缘性用哪一种膜都可以。根据需要，如图6(c)的(12)所示，在用涂敷绝缘膜或绝缘性抗蚀材料等形成了平坦化绝缘膜91之后，通过光刻工序，用光致抗蚀剂92形成布线89和与下一道工序的ITO接触用的接触孔93。
接着，如图6(c)的(13)所示，在形成了ITO等的透明电极膜后，通过光刻工序，用光致抗蚀剂94形成透明电极95。之后，也可以根据需要进一步在其上部形成绝缘保护膜，在光刻工序中形成接触孔。
在图7中，示出在本实施例中形成的P型TFT701、N型TFT702和光传感元件703的例子。此处，形成图1的(a)中示出的光传感元件。按照本实施例中示出的工序可以同时形成构成电路的TFT和图5中示出的所有结构的光传感元件。
图8的(a)(b)(c)，是使用了本发明的光传感器TFT的区域传感器的1个像素部分的布局、其等效电路图及其动作时序图。在图8中，首先，在传感器动作前，将偏置线801(光传感器TFT800的第二电极812)的电位设定为低于传感器节点802(光传感器TFT800的第一电极811)的电位，使传感器栅极线803(光传感器TFT800的第三电极813)为高电位，并将传感器节点802(第一电极811)的电压复位。传感器动作时，将偏置线801(第二电极812)的电位设定得与传感器节点802(第一电极811)的电位相比足够高，并使传感器栅极线803(第三电极813)的电位降低。这时，由于光传感器TFT800为截止状态，在光传感器TFT800中只流过极微小的电流。因此，当对光传感器TFT800照射光时，与不照射光时相比流过更多的电流，传感器节点802(第一电极811)的电位升高。当在某个时刻从栅极线804对开关TFT820的栅电极814施加电位而使开关TFT820动作时，向数据线805输送与入射光照度成比例的电荷，数据线805的电位升高。由设在区域传感器的区域外的传感驱动器读取该电位。蓄积在传感器节点802(第一电极811)上的电荷的保持，由寄生电容进行，但也可以根据需要附加辅助的保持电容。传感器动作时间，最好设定为使传感器节点802(第一电极811)的电位不超过偏置线801(第二电极812)的电位。这时，传感器节点802的蓄积电荷量与照度成比例。此外，图8的(a)中的815，是用于连接数据线805和开关TFT820的第一电极(或第二电极)的接触孔，816是用于连接偏置线801和光传感器800的第二电极812的接触孔。
在图9的(a)(b)(c)中，示出使用了本发明的光传感器TFT的区域传感器的1个像素部分的布局、其等效电路图及其动作时间图的另一例。在该例中，其特征是光传感器TFT800的第三电极813和第一电极811被短路。在图9中，首先，在传感器动作前，将偏置线801(第二电极812)的电位设定为低于传感器节点802(第一电极811和第三电极813)的电位，并将传感器节点802的电压复位。传感器动作时，将偏置线801(第二电极812)的电位设定得与传感器节点802的电位相比足够高。这时，由于光传感器TFT800为截止状态，在光传感器TFT800中只流过极微小的电流。因此，当对光传感器TFT800照射光时，与不照射光时相比流过更多的电流，传感器节点802的电位升高。当在某个时刻从栅极线804对开关TFT820的栅电极814施加电位而使开关TFT820动作时，向数据线805输送与入射光照度成比例的电荷，数据线805的电位升高。由设在区域传感器的区域外的传感驱动器读取该电位。蓄积在传感器节点802上的电荷的保持，与图8的情况同样地由寄生电容进行，但也可以根据需要附加辅助的保持电容。传感器动作时间最好设定为使传感器节点802(第一电极811和第三电极813)的电位不超过偏置线801(第二电极812)的电位。这时，传感器节点802的蓄积电荷量与照度成比例。
在图10中，示出使用了本发明的光传感器TFT的区域传感器的1个像素部分的等效电路图的另一例。图10的(a)，可以由独立布线控制光传感器TFT800的第三电极813，在图10的(b)中，光传感器TFT800的第三电极813和第一电极811被短路。在图10中，首先，将偏置线801(第二电极812)的电位设定为低于传感器节点802的电位，并将传感器节点802的电压复位。传感器动作时，将偏置线801(第二电极812)的电位设定得与传感器节点802的电位相比足够高。这时，由于整流作用，在光传感器TFT800中只流过极微小的电流。当对光传感器TFT800照射光时，与不照射光时相比流过更多的电流，传感器节点802的电位升高。这时，预先将数据线805的电位设定为低于栅极线804的电位(也可以相反)。当传感器节点802的电位比数据线805的电位(在相反的情况下为栅极线的电位)与开关TFT820的阈值之和大时，开关TFT820处于截止状态，数据线805变为与栅极线804大致相同的电位。由设在区域传感器的区域外的传感驱动器区域读取该电位变化。因此，如果能够在传感器动作时间内使开关TFT820导通，则无论照度如何都可以输出信号。因此，通过改变传感器动作时间，可以检测灰度等级。
[实施例2]
在图8、图9、图10中应用的传感器，也可以使用图1的(a)、图5的(a)(b)所示的传感器中的任何一个。但是，图5的(a)(b)是非对称的结构，所以必须注意电极的配置。而且，在这些图中示出了区域传感器的例子，但如果在各像素内与传感器同时配置像素电路，则可以构成具有光传感器功能的图像显示装置。可以新追加对像素传送信号的信号线、栅极线等，也可以通过精心设计信号线的时序使其与传感器的偏置线、数据线或栅极线共用。
图11是内置有本发明的光传感元件的图像显示装置的示意图。图11的(a)是图像显示装置的后视图，在玻璃基板101上，配置具有驱动器LSI102的驱动器LSI用印制电路基板103，通过FPC104驱动在图像显示装置的正面侧形成的多个像素。图11的(b)是图像显示装置的侧视图，在图像显示装置的正面侧，配置着由本发明的光传感元件构成的光传感器105和在图像显示区域形成的多个像素106。图11的(c)是图像显示装置的正视图，在玻璃基板101上，配置着驱动像素106的***驱动电路107、处理光传感器105的输出的光传感器输出处理电路108、背光源和其他的控制电路109。
在图11中，来自光传感器105的与外来光对应的传感器信号，由光传感器输出处理电路108处理后，提供给驱动像素106的***驱动电路107。在***驱动电路107中，根据传感器信号控制图像显示装置的亮度、对比度等画质。
在图11中，驱动器的一部分由LSI构成，通过FPC安装在背面。满足所要求性能的可以由在玻璃基板上依次形成的TFT构成即可。按照这种方式，可以削减LSI及其安装成本，并能避免因安装而引起的机械的可靠性的降低。而且，在设计像素时也可以进行驱动器设计，因而很容易实现定制化。按照本发明，传感器及其驱动器都可以内置在玻璃基板上，并且可以自由选择传感器的设置位置和处理电路位置以使其小型化。

Claims (15)

1.一种在绝缘性基板上形成的光传感元件，该光传感元件的特征在于：
在通过向第一半导体层导入高浓度杂质制作的第一电极和第二电极之间，有在同一第一半导体层由本征层或导入了低浓度杂质的层而构成的受光区域，在上述受光区域的除了与上述第一电极相接的区域和与上述第二电极相接的区域中的任意一方以外的部分的上部，隔着绝缘膜形成有第三电极。
2.根据权利要求1所述的光传感元件，其特征在于：
在受光区域的除了与第一电极相接的区域和与第二电极相接的区域这两个部位的区域以外的部分区域的上部，隔着绝缘膜形成有第三电极。
3.根据权利要求2所述的光传感元件，其特征在于：
在不照射光、不施加电压的条件下，形成第一电极、第二电极的半导体层中的多数载流子的浓度在1×1019个/cm3以上，形成受光区域的半导体层中的多数载流子的浓度在1×1017个/cm3以下。
4.根据权利要求3所述的光传感元件，其特征在于：
形成受光区域中的与第一电极相接的区域、或与第二电极相接的区域的半导体层中的多数载流子的浓度在1×1017个/cm3以上、1×1019个/cm3以下。
5.根据权利要求4所述的光传感元件，其特征在于：
传感器动作时，施加于第二电极的电位，比第一电极的电位高，施加于第三电极的电位，比第一电极的电位低。
6.根据权利要求4所述的光传感元件，其特征在于：
传感器动作时，施加于第二电极的电位，比施加于第一电极、第三电极的电位高。
7.根据权利要求2所述的光传感元件，其特征在于：
在将第一电极、第二电极、第三电极垂直投影于绝缘性基板面时，第一电极与第三电极间的距离、第二电极与第三电极间的距离都在1μm以上。
8.根据权利要求1所述的光传感元件，其特征在于：
传感器动作时，施加于第二电极的电位，比第一电极的电位高，施加于第三电极的电位，比第一电极的电位低。
9.根据权利要求1所述的光传感元件，其特征在于：
传感器动作时，施加于第二电极的电位，比施加于第一电极、第三电极的电位高。
10.一种光传感装置，由在绝缘性基板上形成的光传感元件和处理来自光传感元件的输出的光传感器输出处理电路构成，
该光传感装置的特征在于：
光传感元件，在通过向第一半导体层导入高浓度杂质制作的第一电极和第二电极之间，有在同一第一半导体层由本征层或导入了低浓度杂质的层而构成的受光区域，在受光区域的上部，隔着绝缘膜形成有第三电极，
构成光传感器输出处理电路的开关元件，在通过向第一半导体层导入高浓度杂质制作的第一电极和第二电极之间，有在同一第一半导体层制作的有源层区域，在有源层区域中的除了与第一电极相接的区域和与第二电极相接的区域这两个部位的区域以外的部分区域的上部，隔着绝缘膜形成有第三电极，而且，部分区域为本征层或低浓度杂质层，对有源层区域中的与第一电极相接的区域和与第二电极相接的区域这两个部位的区域，以比导入到第一电极和第二电极的杂质少的量、且以比导入到部分区域的杂质多的量导入杂质。
11.根据权利要求10所述的光传感装置，其特征在于：
在不照射光、不施加电压的条件下，形成光传感元件和开关元件的第一电极和第二电极的半导体层中的多数载流子的浓度在1×1019个/cm3以上，形成光传感元件的受光区域和开关元件的部分区域的半导体层中的多数载流子的浓度在1×1017个/cm3以下，而且，形成开关元件的与第一电极和第二电极相接的有源层区域的两个部位的半导体层中的多数载流子的浓度在1×1017个/cm3以上、1×1019个/cm3以下。
12.根据权利要求11所述的光传感装置，其特征在于：
形成光传感元件的与第一电极或第二电极相接的受光区域的半导体层中的多数载流子的浓度在1×1017个/cm3以上、1×1019个/cm3以下。
13.一种图像显示装置，由在绝缘性基板上形成的光传感器、处理来自光传感器的传感器信号的光传感器输出处理电路和根据传感器信号驱动多个像素的***电路构成，
该图像显示装置的特征在于；
光传感器，在通过向第一半导体层导入高浓度杂质制作的第一电极和第二电极之间，有在同一第一半导体层由本征层或导入低浓度杂质的层而构成的受光区域，在受光区域的上部，隔着绝缘膜形成有第三电极，
构成光传感器输出处理电路的开关元件，在通过向第一半导体层导入高浓度杂质制作的第一电极和第二电极之间，有在同一第一半导体层制作的有源层区域，在有源层区域中的除了与第一电极相接的区域和与第二电极相接的区域以外的部分区域的上部，隔着绝缘膜形成有第三电极，而且，部分区域为本征层或低浓度杂质层，对有源层区域中的与第一电极相接的区域和与第二电极相接的区域这两个部位的区域，以比导入第一电极和第二电极的杂质少的量、且以比导入部分区域的杂质多的量导入杂质。
14.根据权利要求13所述的图像显示装置，其特征在于：
在不照射光、不施加电压的条件下，形成光传感元件和开关元件的第一电极和第二电极的半导体层中的多数载流子的浓度在1×1019个/cm3以上，形成光传感元件的受光区域和开关元件的部分区域的半导体层中的多数载流子的浓度在1×1017个/cm3以下，而且，形成开关元件的与第一电极和第二电极相接的有源层区域这两个部位的半导体层中的多数载流子的浓度在1×1017个/cm3以上、1×1019个/cm3以下。
15.根据权利要求14所述的图像显示装置，其特征在于：
形成光传感元件的与第一电极或第二电极相接的受光区域的半导体层中的多数载流子的浓度在1×1017个/cm3以上、1×1019个/cm3以下。
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