JP2011243950A - 光センシング回路、該光センシング回路の駆動方法、及び該光センシング回路を採用した光センシング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光センシング回路、該光センシング回路の駆動方法、及び該光センシング回路を採用した光センシング装置を提供する。
【解決手段】光センシングのための感光性酸化物半導体トランジスタとスイッチングトランジスタとが直列に連結された構造を持つ光センシング回路。かかる構造で、待ち時には感光性酸化物半導体トランジスタのゲートにハイ電圧が印加され、スイッチングトランジスタにロー電圧が印加される。そして、データ出力時には感光性酸化物半導体トランジスタのゲートにロー電圧が印加され、スイッチングトランジスタにハイ電圧が印加される。
【選択図】図６

Description

光センシング回路、該光センシング回路の駆動方法、及び該光センシング回路を採用した光センシング装置を開示する。さらに詳細には、光センシング素子として感光性酸化物半導体トランジスタを利用した光センシング回路、該光センシング回路の駆動方法、及び該光センシング回路を採用したリモート光タッチパネルや映像獲得装置のような光センシング装置を開示する。

タッチスクリーンとは、ディスプレイ画面の特定位置に人の指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り特定処理を行えるように、画面で直接入力データを受けるようにした装置をいう。このために、タッチスクリーンは、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てその機能を発揮させる。前記タッチパネルには、圧力式抵抗膜方式、接触式静電容量方式、表面超音波（Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ；ＳＡＷ）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はキーボードやマウスを代替できる入力装置であって、多様な分野で広く使われている。

ところが、これまで広く使われているタッチパネルは、指やペンなどを利用してパネルに直接タッチせねばならない方式である。したがって、最も広く使われる圧力式抵抗膜方式のタッチパネルは、外部圧力により上部／下部導電層が損傷する問題が発生しうる。さらに、このような方式のタッチパネルは、まだ主に１０インチ以下の小型に普及されている。大型スクリーンに適用できる大型タッチパネルは、ライン抵抗と寄生抵抗などとによってまだ十分な性能を発揮できない。これにより、現在のタッチパネルは一般的なデスクトップコンピュータ、ノート型パソコン、または携帯電話やナビゲーションなどの携帯用装置などの小型または中型ディスプレイで主に使用できる。したがって、ディスプレイが順次に大型化しながらユーザーとディスプレイとの間の距離が遠ざかる場合には、タッチパネルを適用し難い。

最近は、指やペンの接触の代りに光を感知してタッチパネルの機能と同じ機能を行える光タッチパネルが提案されている。このような光タッチパネルを具現するためには、光を感知できる微細なサイズの光センシング素子が要求される。一方、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｉｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）イメージセンサーまたはＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）などの映像獲得装置も、映像を獲得するために光を感知できる光センシング素子を必要とする。一般的に広く使われる光センシング素子としては、例えば、シリコンなどの半導体のＰＮ接合を基本的な構造として持つフォトダイオードがある。

ところが、一般的なシリコンフォトダイオードの場合、光による電流変化が十分に大きくない。これにより、光が印加される時に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強度に関す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、光タッチパネルまたは映像獲得装置のサイズが大きくなるほど、寄生キャパシタンスが増加して大面積化が困難になる。

本発明の目的は、光センシング素子として感光性酸化物半導体トランジスタを利用した光センシング回路、該光センシング回路の駆動方法、及び該光センシング回路を採用したリモート光タッチパネルや映像獲得装置のような光センシング装置を提供することである。

本発明の一類型による光センシング回路は、光を感知する光センシングトランジスタと、前記光センシングトランジスタと直列に連結されてデータを出力するスイッチングトランジスタと、を備え、前記光センシングトランジスタは、チャンネル層として感光性酸化物半導体を備える感光性酸化物半導体トランジスタの光センシング回路である。

一実施形態によれば、前記光センシング回路は、前記スイッチングトランジスタのゲートに連結される第１ゲートラインと、前記スイッチングトランジスタのソースに連結されるデータラインと、前記光センシングトランジスタのドレインに連結される駆動電圧ラインと、前記光センシングトランジスタのゲートに連結される第２ゲートラインと、をさらに備える。

一実施形態によれば、待ち時間中には、前記第１ゲートラインを通じてロー電圧が供給され、前記第２ゲートラインを通じてハイ電圧が供給され、データ出力瞬間には、前記第１ゲートラインを通じてハイ電圧が供給され、前記第２ゲートラインを通じてロー電圧が供給される。

一実施形態によれば、前記ハイ電圧は、前記光センシングトランジスタの内部にトラップされた電荷を除去できる正の電圧と前記スイッチングトランジスタをオンさせる電圧のうち高い電圧であり、前記ロー電圧は、前記スイッチングトランジスタのしきい電圧と前記光センシングトランジスタのしきい電圧のうち低い電圧である。

一実施形態によれば、前記光センシングトランジスタは、基板と、前記基板上に配された絶縁層と、前記絶縁層の少なくとも一部上に配されたゲートと、少なくとも前記ゲートの周囲を覆うように前記絶縁層及びゲート上に配されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に配されたチャンネル層と、前記チャンネル層の両側をそれぞれ覆うように配されたソース及びドレインと、前記ソース、ドレイン及びチャンネル層を全体的に覆うように配された透明絶縁層を備え、前記チャンネル層は、感光性酸化物半導体を備える。

一実施形態によれば、前記光センシングトランジスタは、基板と、前記基板上に配されたチャンネル層と、前記チャンネル層の中心領域に配されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に配されたゲートと、前記チャンネル層上で前記ゲートの両側にそれぞれ離れて配されたソース及びドレインと、前記ゲート、ソース及びドレインを覆うように配された透明絶縁層と、を備え、前記チャンネル層は、感光性酸化物半導体を備える。
例えば、前記感光性酸化物半導体は、ＺｎＯ系の酸化物を含む。

前記ＺｎＯ系の酸化物は、ＺｎＯまたはＨｆ、Ｙ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｌ、Ｓｎ及びＭｇから選択された少なくとも一つの材料とＺｎＯとの混合物を含む。

一実施形態によれば、前記感光性酸化物半導体トランジスタは、入射光の色または波長によってドレイン電流が変化する。

一実施形態によれば、前記感光性酸化物半導体トランジスタは、入射光の光量によってドレイン電流が変化する。

また、一実施形態によれば、前記感光性酸化物半導体トランジスタは、入射光の波長及び光量によってドレイン電流が変化する。

一方、本発明の他の類型による光センシング回路の駆動方法は、光を感知するための光センシングトランジスタと、データを出力するスイッチングトランジスタとが互いに直列に連結されている光センシング回路の駆動方法であって、前記スイッチングトランジスタのゲートにロー電圧を印加し、前記光センシングトランジスタのゲートにハイ電圧を印加する待ち段階と、前記スイッチングトランジスタのゲートにハイ電圧を印加し、前記光センシングトランジスタのゲートにロー電圧を印加するデータ出力段階と、を含む。

一実施形態によれば、前記ハイ電圧として、前記光センシングトランジスタの内部にトラップされた電荷を除去できる正の電圧と、前記スイッチングトランジスタをオンさせる電圧のうち高い電圧を印加することを含む。

一実施形態によれば、前記ロー電圧として、前記スイッチングトランジスタのしきい電圧と、前記光センシングトランジスタのしきい電圧のうち低い電圧を印加することを含む。

一実施形態によれば、前記光センシング回路の駆動方法は、前記待ち段階で、前記光センシングトランジスタへの光の印加如何と関係なく、前記スイッチングトランジスタからロー信号を出力することを含む。

一実施形態によれば、光センシング回路の駆動方法は、前記データ出力段階で、前記光センシングトランジスタへの光の印加時に前記スイッチングトランジスタからハイ信号を出力し、前記光センシングトランジスタへの光の非印加時に前記スイッチングトランジスタからロー信号を出力することを含む。

一実施形態によれば、前記光センシング回路の駆動方法は、前記データ出力段階で、前記光センシングトランジスタに入射する光の光量に比例するハイ信号を前記スイッチングトランジスタから出力することを含む。

一実施形態によれば、前記光センシングトランジスタは、チャンネル層として感光性酸化物半導体を備える感光性酸化物半導体トランジスタである。

例えば、前記感光性酸化物半導体はＺｎＯ系の酸化物を含む。
前記ＺｎＯ系の酸化物は、ＺｎＯまたはＨｆ、Ｙ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｌ、Ｓｎ及びＭｇから選択された少なくとも一つの材料とＺｎＯとの混合物を含む。

一方、本発明のさらに他の類型による光センシング装置は、入射光を感知する光センシングパネルと、前記光センシングパネルにゲート電圧を提供するためのゲートドライバと、前記光センシングパネルの出力を測定するデータドライバと、前記データドライバのアナログ信号出力をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、を備え、前記光センシングパネルは、複数の光センシング画素のアレイを備え、前記複数の光センシング画素のそれぞれは、前述した構造の光センシング回路を備える。

一実施形態によれば、前記光センシングパネルは、行（ｒｏｗ）方向に沿って配列された複数の第１ゲートラインと第２ゲートライン、及び列（ｃｏｌｕｍｎ）方向に沿って配列された複数の駆動電圧ラインとデータラインとをさらに備える。

一実施形態によれば、前記複数の第１及び第２ゲートラインは前記ゲートドライバに連結されており、前記複数のデータラインは前記データドライバに連結されている。

一実施形態によれば、前記ゲートドライバは、前記第１及び第２ゲートラインを通じてそれぞれの光センシング画素に一行ずつ順次にゲート電圧を供給する。

一実施形態によれば、前記光センシング装置は、映像獲得装置またはリモート光タッチパネルである。

本発明の一例によって、光センシング素子として使われる感光性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。 本発明の他の例によって、光センシング素子として使われる感光性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。 感光性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。 感光性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。 感光性酸化物半導体トランジスタのさらに他の動作特性を例示的に示すグラフである。 本発明の一例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に図示された光センシング回路を駆動する方法を例示的に示すタイミング図である。 図６に図示された光センシング回路を採用した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。 いろいろな種類の光に対する感光性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。 入射光の光量による感光性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。

以下、添付した図面を参照して、感光性酸化物半導体トランジスタを利用した光センシング回路、該光センシング回路の駆動方法、及び該光センシング回路を採用した光センシング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称し、図面上で各構成要素のサイズは説明の明瞭性及び便宜のために誇張していることがある。

感光性酸化物半導体トランジスタは、チャンネル材料として感光性酸化物半導体を使用したトランジスタである。例えば、チャンネル材料は、ＺｎＯ系の材料などの酸化物半導体材料を含むことができる。ＺｎＯ系の材料は、例えば、ＺｎＯを含むことができ、またはＨｆ、Ｙ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｌ、Ｓｎ及びＭｇから選択された少なくとも一つの材料がＺｎＯに含まれている混合物または化合物を含むこともできる。例えば、かかるＺｎＯ系の材料は、ＺｎＯ、ＴａＺｎＯ、ＩｎＺｎＯ（ＩＺＯ）やＧａＩｎＺｎＯ（Ｇａｌｌｉｕｍ Ｉｎｄｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ；ＧＩＺＯ）を含むことができる。このような感光性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しきい電圧及びドレイン電流が変わる特性があるため、光センシング素子として活用できる。

例えば、図１は、光センシング素子として使われうる感光性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、感光性酸化物半導体トランジスタ１０は、基板１１、前記基板１１上に全体的に配された絶縁層１２、前記絶縁層１２上に部分的に配されたゲート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上に配されたゲート絶縁膜１４、前記ゲート絶縁膜１４上に配されたチャンネル層１５、前記チャンネル層１５の両側を覆うように配されたソース１６とドレイン１７、及び前記ソース１６、ドレイン１７及び第２チャンネル層１５を全体的に覆うように配された透明絶縁層１８を備えることができる。

ここで、基板１１は、ガラス、シリコンなどの一般的な基板材料を使用できる。絶縁層１２、ゲート絶縁膜１４、透明絶縁層１８は、例えば、ＳｉＯ_２などの材料を使用できる。もし、基板１１自体が絶縁性材料で形成されるならば、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できる。例えば、感光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われる場合、前記ゲート１３、ソース１６及びドレイン１７は、ＩＴＯなどの透明伝導性材料で形成されうる。しかし、前記感光性酸化物半導体トランジスタ１０が透明であることが要求されない場合には、前記基板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な必要はない。その場合には、単に上部の透明絶縁層１８のみ、チャンネル層１５に光を引導するために透明である必要がある。一方、チャンネル層１５は、前述したように、光に敏感な酸化物半導体材料で形成されうる。前述したように、チャンネル層１５は、例えば、ＺｎＯ、ＴａＺｎＯ、ＩｎＺｎＯ（ＩＺＯ）またはＧａＩｎＺｎＯ（ＧＩＺＯ）などのＺｎＯ系、またはＺｎＯにＨｆ、Ｙ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｌ、Ｓｎ、Ｍｇなどの材料が一つ以上含まれていた酸化物半導体材料を含むことができる。

図１には、ゲートがチャンネルの下方に配されている下部ゲート構造の感光性酸化物半導体トランジスタ１０が図示された。しかし、上部ゲート構造の感光性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やはり可能である。図２は、上部ゲート構造の感光性酸化物半導体トランジスタ２０の例示的な構造を概略的に示す断面図である。

図２を参照すれば、上部ゲート構造を持つ感光性酸化物半導体トランジスタ２０は、例えば、基板２１、前記基板２１上に配されたチャンネル層２２、前記チャンネル層２２の中心領域に部分的に配されたゲート絶縁膜２３、前記ゲート絶縁膜２３上に配されたゲート２４、前記チャンネル層２２上で前記ゲート２４の両側にそれぞれ離れて配されたソース２５とドレイン２６、及びゲート２４、ソース２５、ドレイン２６を全体的に覆うように配された透明絶縁層２７を備えることができる。図２に図示された上部ゲート構造の感光性酸化物半導体トランジスタ２０の場合、光がチャンネル層２２に入射されるようにゲート２４、ソース２５及びドレイン２６は、ＩＴＯのように透明な伝導性材料で形成されうる。

図３は、前述した構造の感光性酸化物半導体トランジスタ１０、２０の動作特性を例示的に示すグラフであり、ゲート電圧に対するドレイン電流特性を示している。図３を参照すれば、感光性酸化物半導体トランジスタ１０、２０に光が印加されれば、光が印加されていない時に比べてしきい電圧より低い電圧でドレイン電流が大きく増大するということが分かる。すなわち、図３のグラフを通じて分かるように、感光性酸化物半導体トランジスタ１０、２０に光が印加された時と光が印加されていない時とのドレイン電流の電流比がかなり大きい。したがって、感光性酸化物半導体トランジスタ１０、２０を光センシング素子として活用する場合、色々な利点を持つことができる。

前述したように、一般的なシリコンフォトダイオードまたは非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）トランジスタの場合、光の印加時と非印加時との電流比が比較的小さい。したがって、光が印加される時に発生した電荷を一定の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強度に関する信号を発生させる。このようなキャパシタの存在によって光センシング装置を大面積化する場合、寄生キャパシタンスが増大し、回路の構造もまた複雑になりうる。

一方、感光性酸化物半導体トランジスタ１０、２０の場合には、光が印加された時と光が印加されていない時とのドレイン電流の電流比が大きくて、光印加時に数十ｎＡ〜数百ｎＡほどの比較的大きいサイズの光電流が発生できる。したがって、光センシング素子として感光性酸化物半導体トランジスタ１０、２０を使用する場合には、キャパシタを利用せずに直接的に電流を感知することができる。したがって、光センシング回路でキャパシタが必要ないため、寄生キャパシタンスの問題なしに光センシング装置を大面積化することができる。また、キャパシタを使用する場合には、キャパシタの充電／放電などのための複雑な駆動方法が要求され、それほど時間がかかるが、直接電流を感知する場合には駆動方法が単純化して時間遅延を考慮する必要がなくなる。また、電流量の小さい時には周辺配線及び回路によるノイズに影響を大きく受けるが、感光性酸化物半導体トランジスタ１０、２０を使用する場合には比較的電流量が大きいため、ノイズによる影響を少なく受けることができる。さらに、キャパシタを使用しないほど画素内に空間が確保されるため、画素内の受光面積を増大させることもでき、かつ画素のサイズをさらに微細化することもできる。

一方、図３を再び参照すれば、感光性酸化物半導体トランジスタ１０、２０は、光印加時にゲート電圧のスウィープ（ｓｗｅｅｐ）方向によって異なる特性を示している。例えば、図３で‘(1)’と表示された第１グラフは、負の電圧から正の電圧にゲート電圧を増大させる方向にスウィープした場合の特性を示し、‘(2)’と表示された第２グラフは、正の電圧から負の電圧にゲート電圧を減少させる方向にスウィープした場合の特性を示している。第１グラフのように、ゲート電圧が正の方向にスウィープされる場合には、光印加時に感光性酸化物半導体トランジスタ１０、２０のしきい電圧が負の方向に移動したかのように見られる。一方、第２グラフのように、ゲート電圧が負の方向にスウィープされる場合には、光印加時に感光性酸化物半導体トランジスタ１０、２０のしきい電圧はそのまま維持された状態でオフ電流のみ増大するようになる。

図４は、光の印加と非印加とを繰り返す間に、感光性酸化物半導体トランジスタ１０、２０のスウィープ方向による動作特性の差を例示的に示している。図４を参照すれば、‘(1)’と表示された第１グラフのように正の方向にゲート電圧をスウィープする間には、ドレイン電流が光によりほとんど影響されないということが分かる。すなわち、正の方向にゲート電圧をスウィープする間、光の印加と非印加とを繰り返してもそれによるドレイン電流の変化はほとんど表れない。一方、‘(2)’と表示された第２グラフのように負の方向にゲート電圧をスウィープする間には、ドレイン電流が光により明確に影響されるようになる。すなわち、負の方向にゲート電圧をスウィープする間、光の印加を中断すればドレイン電流が大きく減少し、再び光を印加すればドレイン電流が上昇する。図４のグラフを見れば、光オフ時にドレイン電流は、最初から光を印加していない状態でゲート電圧をスウィープする時のオフ電流レベルまで減少するということが分かる。

図３及び図４に示したスウィープ方向による特性差は、一般的なフラッシュメモリーでデータの記録に利用する現象と類似しているものであって、感光性酸化物半導体トランジスタ１０、２０のチャンネル層１５、２２の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うる。例えば、光と共に大きい負の電圧（例えば、しきい電圧より低い電圧）がゲートに印加されれば、チャンネル層１５、２２の内部で光により生成された正孔が、ゲート絶縁膜１４、２３とチャンネル層１５、２２との間の界面に移動してトラップされうる。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。したがって、第１グラフでのように、一応、電荷がトラップされた後には、光の印加が中断した後にもドレイン電流が低くならない。ドレイン電流は、ゲートに正の電圧を印加してトラップされた電荷を除去して初めて再び低くなりうる。例えば、第２グラフでのように、正の電圧から負の電圧方向にゲート電圧をスウィープすれば、電荷トラップによる影響なしに純粋な光電流効果が奏されうる。

例えば、図５は、１０ｍｓのサンプリング周期でゲート電圧を正の電圧から負の電圧方向にスウィープする間、光の印加と非印加とを繰り返す時のドレイン電流変化を示している。図５に図示されたように、正の電圧から負の方向にゲート電圧をスウィープする場合には、感光性酸化物半導体トランジスタ１０、２０が電荷トラップによる影響なしに非常に速く光に反応していることが分かる。したがって、感光性酸化物半導体トランジスタ１０、２０を利用した光センシング回路及びその駆動方法は、前述したトラップの影響を考慮する必要がある。

図６は、前述した感光性酸化物半導体トランジスタ１０、２０の特徴を鑑みてなされたものであり、感光性酸化物半導体トランジスタ１０、２０を利用した本発明の一例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の光センシング回路は、例えば、光タッチパネルや映像獲得装置などの光センシング装置の一画素ごとに一つずつ配されるものでありうる。図６を参照すれば、前記光センシング回路は、キャパシタなしに互いに直列に連結されたただ一つの光センシングトランジスタＴ_ｐと一つのスイッチングトランジスタＴ_ｓｅｌのみを備えることができる。例えば、光センシングトランジスタＴ_ｐのソースとスイッチングトランジスタＴ_ｓｅｌのドレインとが互いに連結されうる。ここで、光センシングトランジスタＴ_ｐは、光を感知するための前述した感光性酸化物半導体トランジスタ１０、２０でありうる。また、データを出力するためのスイッチングトランジスタＴ_ｓｅｌは、感光性のない一般的な薄膜トランジスタでありうる。また、前記光センシング回路は、スイッチングトランジスタＴ_ｓｅｌのゲートに連結される第１ゲートラインＧＡＴＥ＿Ｔ_ｓｅｌ、スイッチングトランジスタＴ_ｓｅｌのソースに連結されるデータラインＤＡＴＡ、光センシングトランジスタＴ_ｐのドレインに連結される駆動電圧ラインＶ_ｄｄ、及び光センシングトランジスタＴ_ｐのゲートに連結される第２ゲートラインＧＡＴＥ＿Ｔ_ｐをさらに備えることができる。

図７は、図６に図示された光センシング回路を駆動する方法を例示的に示すタイミング図である。図６の回路図と図７のタイミング図とを参照すれば、光センシング回路からデータを引き出さない待ち時間中には、第１ゲートラインＧＡＴＥ＿Ｔ_ｓｅｌにロー電圧が印加されてスイッチングトランジスタＴ_ｓｅｌをオフ状態に維持させる。ここで、ロー（Ｌｏｗ）電圧は、例えば、スイッチングトランジスタＴ_ｓｅｌのしきい電圧より低い電圧でありうる。一方、光センシングトランジスタＴ_ｐのゲートには、第２ゲートラインＧＡＴＥ＿Ｔ_ｐを通じてハイ（Ｈｉｇｈ）電圧が印加される。ここで、ハイ電圧は、例えば、光センシングトランジスタＴ_ｐのチャンネル層内部またはその界面にトラップされた電荷を除去できるように、十分に高い正の電圧でありうる。したがって、この間には光が光センシングトランジスタＴ_ｐに印加されてもスイッチングトランジスタＴ_ｓｅｌがオフ状態であるので、データラインＤＡＴＡは常にロー状態にある。すなわち、データラインＤＡＴＡを通じては低い電流が流れてロー信号が出力される。

一方、前記光センシング回路からデータを出力する瞬間には、第１ゲートラインＧＡＴＥ＿Ｔ_ｓｅｌを通じてスイッチングトランジスタＴ_ｓｅｌのゲートにハイ電圧を印加して、スイッチングトランジスタＴ_ｓｅｌをオン（ＯＮ）させる。したがって、ハイ電圧は、光センシングトランジスタＴ_ｐでトラップされた電荷を除去できる正の電圧と、スイッチングトランジスタＴ_ｓｅｌをオンさせることができる電圧のうち高い電圧でありうる。同時に、光センシングトランジスタＴ_ｐのゲートには、第２ゲートラインＧＡＴＥ＿Ｔ_ｐを通じてロー電圧が印加される。ここで、ロー電圧は、光センシングトランジスタＴ_ｐのしきい電圧より低い電圧でありうる。したがって、ロー電圧は、スイッチングトランジスタＴ_ｓｅｌのしきい電圧と、光センシングトランジスタＴ_ｐのしきい電圧のうち低い電圧でありうる。この状態で、光センシングトランジスタＴ_ｐに光が印加されなければ、図７に図示されたように、光センシングトランジスタＴ_ｐのソースからスイッチングトランジスタＴ_ｓｅｌを通じてデータラインＤＡＴＡにロー信号が出力される。そして、光センシングトランジスタＴ_ｐに光が印加されれば、光センシングトランジスタＴ_ｐのオフ電流が増大しつつデータラインＤＡＴＡに高い電流が流れてハイ信号が出力される。この時、光センシングトランジスタＴ_ｐ内にはトラップされた電荷が十分に除去された状態であるため、図３の第２グラフのように、純粋な光電流効果による電流のみデータラインＤＡＴＡに流れることができる。このように出力されるハイ信号の強度は、例えば、光センシングトランジスタＴ_ｐに入射する光の光量に比例できる。一方、光センシングトランジスタＴ_ｐのドレインに供給される駆動電圧は、全過程で常に一定に維持されうる。

図８は、図６に図示された光センシング回路を採用した光センシング装置１００の構造を概略的に示すブロック図である。図８を参照すれば、本発明による光センシング装置１００は、例えば、入射光を感知する光センシングパネル１２０、前記光センシングパネル１２０にゲート電圧を提供するためのゲートドライバ１１０、前記光センシングパネル１２０の出力を測定するデータドライバ１３０、及び前記データドライバ１３０のアナログ出力信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器（Ａｎａｌｏｇ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ；ＡＤＣ）１４０を備えることができる。

ここで、光センシングパネル１２０は、図６に図示された光センシング回路をそれぞれ持つ複数の光センシング画素３０のアレイを備えることができる。前記光センシング回路は、感光性酸化物半導体トランジスタ１０または２０を備えることができる。したがって、前記光センシングパネル１２０は、行（ｒｏｗ）方向に沿って配列された複数の第１ゲートラインＧＡＴＥ＿Ｔ_ｓｅｌと第２ゲートラインＧＡＴＥ＿Ｔ_ｐ、及び列（ｃｏｌｕｍｎ）方向に沿って配列された複数の駆動電圧ラインＶ_ｄｄとデータラインＤＡＴＡとをさらに備えることができる。ここで、複数の第１及び第２ゲートラインＧＡＴＥ＿Ｔｓｅｌ、ＧＡＴＥ＿Ｔｐはゲートドライバ１１０に連結されている。ゲートドライバ１１０は、例えば、前記第１及び第２ゲートラインＧＡＴＥ＿Ｔ_ｓｅｌ、ＧＡＴＥ＿Ｔ_ｐを通じて、それぞれの光センシング画素３０に一行ずつ順次にゲート電圧を供給できる。また、複数のデータラインＤＡＴＡはデータドライバ１３０に連結されている。前記データドライバ１３０は、例えば、光センシング画素３０からの出力信号を測定して１列ずつ順次に出力するように構成されてもよい。

このような構造の光センシング装置１００は、光の感知が要求される多様な装置で応用されうる。例えば、デジタルカメラなどで使われる映像獲得装置として、ＣＣＤイメージセンサーやＣＭＯＳイメージセンサーの代りに前記光センシング装置１００が適用されうる。また、既存のタッチパネルの代りに、例えば、レーザーポインタのような光源装置から放出された光を感知してタッチ機能を行えるリモート光タッチパネルとして、前記光センシング装置１００が使われることもある。この場合、光センシング装置１００は、ディスプレイ装置の表面に付着されて使われうる。または、光センシング装置１００は、ディスプレイ装置内に統合されて一体に形成されることもある。例えば、ディスプレイ装置の一画素は、一般的にカラーの具現のためにＲＧＢ色別に３個のセルを持つが、これに一つのセルを追加して図６に図示されたような光センシング回路をさらに配することもできる。

光センシング装置１００をリモート光タッチパネルとして使用する場合に、例えば、光センシング装置１００に入射する多様な外光成分と、タッチ機能を行うためのタッチ光との区別が問題になりうる。図９は、いろいろな種類の光に対する感光性酸化物半導体トランジスタ１０、２０の動作特性を例示的に示すグラフである。図９のグラフを見れば、感光性酸化物半導体トランジスタ１０、２０は、同一強度の光のうち特に青色光（例えば、光源装置として青色ＬＥＤを使用）に敏感であるということが分かる。また、図１０のグラフに図示されたように、感光性酸化物半導体トランジスタ１０、２０は、青色光の強度が大きいほどさらに敏感になりうるということが分かる。したがって、青色光やＵＶ光のように波長の短い光を使用する場合には、室内の電灯光や太陽光熱のように外光成分が存在する場合にも、タッチ光のみを区別することができる。

これまで、本発明の理解を助けるために感光性酸化物半導体トランジスタを利用した光センシング回路、該光センシング回路の駆動方法、及び該光センシング回路を採用した光センシング装置についての例示的な実施例が説明され、かつ添付した図面に図示された。しかし、このような実施例は単に本発明を例示するためのものであり、これを制限しないという点が理解されねばならない。そして本発明は、図示されて説明された説明に限定されないという点が理解されねばならない。これは、多様な他の変形が当業者により行われうるためである。

本発明は、光センシング回路関連の技術分野に好適に用いられる。

１００ 光センシング装置
１１０ ゲートドライバ
１２０ 光センシングパネル
１３０ データドライバ
１４０ Ａ／Ｄ変換器（Ａｎａｌｏｇ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ；ＡＤＣ）

Claims (25)

1. 光を感知する光センシングトランジスタと、
   前記光センシングトランジスタと直列に連結されてデータを出力するスイッチングトランジスタと、を備え、
   前記光センシングトランジスタは、チャンネル層として感光性酸化物半導体を備える感光性酸化物半導体トランジスタの光センシング回路。
2. 前記スイッチングトランジスタのゲートに連結される第１ゲートラインと、
   前記スイッチングトランジスタのソースに連結されるデータラインと、
   前記光センシングトランジスタのドレインに連結される駆動電圧ラインと、
   前記光センシングトランジスタのゲートに連結される第２ゲートラインと、をさらに備える請求項１に記載の光センシング回路。
3. 待ち時間中には、前記第１ゲートラインを通じてロー電圧が供給され、前記第２ゲートラインを通じてハイ電圧が供給され、データ出力瞬間には、前記第１ゲートラインを通じてハイ電圧が供給され、前記第２ゲートラインを通じてロー電圧が供給される請求項２に記載の光センシング回路。
4. 前記ハイ電圧は、前記光センシングトランジスタの内部にトラップされた電荷を除去できる正の電圧と前記スイッチングトランジスタをオンさせる電圧のうち高い電圧であり、前記ロー電圧は、前記スイッチングトランジスタのしきい電圧と前記光センシングトランジスタのしきい電圧のうち低い電圧である請求項３に記載の光センシング回路。
5. 前記光センシングトランジスタは、
   基板と、
   前記基板上に配された絶縁層と、
   前記絶縁層の少なくとも一部上に配されたゲートと、
   少なくとも前記ゲートの周囲を覆うように前記絶縁層及びゲート上に配されたゲート絶縁膜と、
   前記ゲート絶縁膜上に配されたチャンネル層と、
   前記チャンネル層の両側をそれぞれ覆うように配されたソース及びドレインと、
   前記ソース、ドレイン及びチャンネル層を全体的に覆うように配された透明絶縁層を備え、
   前記チャンネル層は、感光性酸化物半導体を備える請求項１に記載の光センシング回路。
6. 前記光センシングトランジスタは、
   基板と、
   前記基板上に配されたチャンネル層と、
   前記チャンネル層の中心領域に配されたゲート絶縁膜と、
   前記ゲート絶縁膜上に配されたゲートと、
   前記チャンネル層上で前記ゲートの両側にそれぞれ離れて配されたソース及びドレインと、
   前記ゲート、ソース及びドレインを覆うように配された透明絶縁層と、を備え、
   前記チャンネル層は、感光性酸化物半導体を備える請求項１に記載の光センシング回路。
7. 前記感光性酸化物半導体は、ＺｎＯ系の酸化物を含む請求項１に記載の光センシング回路。
8. 前記ＺｎＯ系の酸化物は、ＺｎＯまたはＨｆ、Ｙ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｌ、Ｓｎ及びＭｇから選択された少なくとも一つの材料とＺｎＯとの混合物を含む請求項７に記載の光センシング回路。
9. 前記感光性酸化物半導体トランジスタは、入射光の色または波長によってドレイン電流が変化する請求項１に記載の光センシング回路。
10. 前記感光性酸化物半導体トランジスタは、入射光の光量によってドレイン電流が変化する請求項１に記載の光センシング回路。
11. 前記感光性酸化物半導体トランジスタは、入射光の波長及び光量によってドレイン電流が変化する請求項１に記載の光センシング回路。
12. 光を感知するための光センシングトランジスタと、データを出力するスイッチングトランジスタとが互いに直列に連結されている光センシング回路の駆動方法であって、
    前記スイッチングトランジスタのゲートにロー電圧を印加し、前記光センシングトランジスタのゲートにハイ電圧を印加する待ち段階と、
    前記スイッチングトランジスタのゲートにハイ電圧を印加し、前記光センシングトランジスタのゲートにロー電圧を印加するデータ出力段階と、を含む光センシング回路の駆動方法。
13. 前記ハイ電圧として、前記光センシングトランジスタの内部にトラップされた電荷を除去できる正の電圧と、前記スイッチングトランジスタをオンさせる電圧のうち高い電圧を印加することを含む請求項１２に記載の光センシング回路の駆動方法。
14. 前記ロー電圧として、前記スイッチングトランジスタのしきい電圧と、前記光センシングトランジスタのしきい電圧のうち低い電圧を印加することを含む請求項１２に記載の光センシング回路の駆動方法。
15. 前記待ち段階で、前記光センシングトランジスタへの光の印加如何と関係なく、前記スイッチングトランジスタからロー信号を出力することを含む請求項１２に記載の光センシング回路の駆動方法。
16. 前記データ出力段階で、前記光センシングトランジスタへの光の印加時に前記スイッチングトランジスタからハイ信号を出力し、前記光センシングトランジスタへの光の非印加時に前記スイッチングトランジスタからロー信号を出力することを含む請求項１２に記載の光センシング回路の駆動方法。
17. 前記データ出力段階で、前記光センシングトランジスタに入射する光の光量に比例するハイ信号を前記スイッチングトランジスタから出力することを含む請求項１６に記載の光センシング回路の駆動方法。
18. 前記光センシングトランジスタは、チャンネル層として感光性酸化物半導体を備える感光性酸化物半導体トランジスタである請求項１２に記載の光センシング回路の駆動方法。
19. 前記感光性酸化物半導体はＺｎＯ系の酸化物を含む請求項１８に記載の光センシング回路の駆動方法。
20. 前記ＺｎＯ系の酸化物は、ＺｎＯまたはＨｆ、Ｙ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｌ、Ｓｎ及びＭｇから選択された少なくとも一つの材料とＺｎＯとの混合物を含む請求項１９に記載の光センシング回路の駆動方法。
21. 入射光を感知する光センシングパネルと、
    前記光センシングパネルにゲート電圧を提供するためのゲートドライバと、
    前記光センシングパネルの出力を測定するデータドライバと、
    前記データドライバのアナログ信号出力をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、を備え、
    前記光センシングパネルは、複数の光センシング画素のアレイを備え、前記複数の光センシング画素のそれぞれは、請求項１に記載の光センシング回路を備える光センシング装置。
22. 前記光センシングパネルは、行（ｒｏｗ）方向に沿って配列された複数の第１ゲートラインと第２ゲートライン、及び列（ｃｏｌｕｍｎ）方向に沿って配列された複数の駆動電圧ラインとデータラインとをさらに備える請求項２１に記載の光センシング装置。
23. 前記複数の第１及び第２ゲートラインは前記ゲートドライバに連結されており、前記複数のデータラインは前記データドライバに連結されている請求項２２に記載の光センシング装置。
24. 前記ゲートドライバは、前記第１及び第２ゲートラインを通じてそれぞれの光センシング画素に一行ずつ順次にゲート電圧を供給する請求項２３に記載の光センシング装置。
25. 前記光センシング装置は、映像獲得装置またはリモート光タッチパネルである請求項２１に記載の光センシング装置。

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