JP2017038038A - Optical sensor element and photoelectric conversion element - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical sensor element capable of controlling the photosensitivity function, and having photosensitivity over the entire visible light region, and to provide a photoelectric conversion device.SOLUTION: Respective gate electrodes are provided on the upper and lower sides of an oxide semiconductor active layer, with an insulating film interposed therebetween. A first reading electrode and a second reading electrode are provided, respectively, on the left and right sides of the oxide semiconductor active layer. In such an optical sensor element, when a voltage is applied to respective gate electrodes, a potential difference is generated between the first and second reading electrodes, and the intensity of irradiation light is detected based on the current flowing between reading electrodes.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、基板上に形成された酸化物半導体薄膜素子を用いた光センサ素子に関し、特に、酸化物半導体薄膜の上下両側にゲート電極を有するデュアルゲート型の酸化物半導体薄膜素子を用いた光センサ素子、及び光電変換装置に関する。   The present invention relates to an optical sensor element using an oxide semiconductor thin film element formed on a substrate, and more particularly, to a light using a dual gate type oxide semiconductor thin film element having gate electrodes on both upper and lower sides of an oxide semiconductor thin film. The present invention relates to a sensor element and a photoelectric conversion device.

薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：Thin Film Transistor）とＰＩＮダイオード（ＰＩＮ型ダイオード）とを組み合わせた光電変換装置の開発が進められている。光センサとして機能するＰＩＮダイオードには、ボロン（ホウ素、元素記号：Ｂ）を不純物としてドーピングしたＰ型非晶質シリコン、不純物をドーピングしない高抵抗非晶質シリコン、リン（元素記号：Ｐ）を不純物としてドーピングしたＮ型非晶質シリコンの３層を積層したＰＩＮダイオードが用いられている。このようなＰＩＮダイオードを構成する非晶質シリコンのバンドギャップエネルギーは約１．６ｅＶであり、可視光領域の光エネルギー（波長：４００ｎｍ（３．２ｅＶ）〜７００ｎｍ（１．８ｅＶ））よりも十分小さい。従って、このＰＩＮダイオードを用いた光センサは、可視光領域の波長の光をほぼ全て吸収し、キャリアを生成するので、効率の良い光電変換素子として機能する。   Development of a photoelectric conversion device in which a thin film transistor (TFT) and a PIN diode (PIN type diode) are combined is underway. The PIN diode functioning as an optical sensor is made of P-type amorphous silicon doped with boron (boron, element symbol: B) as an impurity, high-resistance amorphous silicon not doped with impurity, phosphorus (element symbol: P). A PIN diode in which three layers of N-type amorphous silicon doped as an impurity are stacked is used. The band gap energy of amorphous silicon constituting such a PIN diode is about 1.6 eV, which is more than the light energy in the visible light region (wavelength: 400 nm (3.2 eV) to 700 nm (1.8 eV)). small. Therefore, the optical sensor using the PIN diode absorbs almost all light having a wavelength in the visible light region and generates carriers, and thus functions as an efficient photoelectric conversion element.

近年では、電界効果移動度の高い酸化物半導体ＴＦＴとＰＩＮダイオードとを組み合わせた高性能光電変換装置の開発が活発化している。酸化物半導体ＴＦＴをスイッチや増幅回路として用いることにより、光強度分布を再現よく電気信号に変換して取り出すことができ、また、増幅回路の占有面積を小さくすることができる。
上述のように、酸化物半導体ＴＦＴを用いたスイッチと、ＰＩＮダイオードや非晶質シリコンＴＦＴから成る光センサとを組み合わせた光電変換装置に関する様々な技術が開示されている。 In recent years, development of a high-performance photoelectric conversion device in which an oxide semiconductor TFT having a high field effect mobility and a PIN diode are combined has been activated. By using the oxide semiconductor TFT as a switch or an amplifier circuit, the light intensity distribution can be converted into an electrical signal with good reproducibility and extracted, and the area occupied by the amplifier circuit can be reduced.
As described above, various technologies relating to a photoelectric conversion device in which a switch using an oxide semiconductor TFT and an optical sensor including a PIN diode or an amorphous silicon TFT are combined are disclosed.

例えば、特許文献１では、オンオフ比の高いトップゲート型酸化物半導体ＴＦＴによるスイッチと、光感度の高いボトムゲート型非晶質シリコンＴＦＴによる光センサとを組み合わせた光電変換装置が開示されている。特許文献１に開示された技術では、トップゲート型とボトムゲート型との組み合わせにより、コンタクトホールを設けることなくゲート線とドレイン線とを接続でき、フォトリソグラフィ工程を削減できる。
また、特許文献２では、電界効果移動度の高い酸化物半導体ＴＦＴ（スイッチ及び増幅回路を構成）とＰＩＮダイオードとを組み合わせた高性能光電変換装置が開示されている。特許文献２に開示された技術では、酸化物半導体ＴＦＴを用いることにより、光強度分布を再現よく電気信号に変換して取り出すことが可能である。また、増幅回路の占有面積の低減が可能である。 For example, Patent Document 1 discloses a photoelectric conversion device in which a switch using a top gate type oxide semiconductor TFT having a high on / off ratio and an optical sensor using a bottom gate type amorphous silicon TFT having high photosensitivity are combined. With the technique disclosed in Patent Document 1, the combination of the top gate type and the bottom gate type can connect the gate line and the drain line without providing a contact hole, and can reduce the photolithography process.
Patent Document 2 discloses a high-performance photoelectric conversion device in which an oxide semiconductor TFT (which configures a switch and an amplifier circuit) with high field effect mobility and a PIN diode are combined. In the technique disclosed in Patent Document 2, by using an oxide semiconductor TFT, a light intensity distribution can be converted into an electrical signal with good reproducibility and extracted. In addition, the area occupied by the amplifier circuit can be reduced.

また、特許文献３では、酸化物半導体に顔料を吸着させることで可視光感度を持たせ、それを２端子素子のフォトダイオードとして光センサやＸ線センサに用いる技術が開示されている。
また、特許文献４では、非晶質シリコンＴＦＴから成る光センサにおいて、透明材料から成るトップゲート電極を追加する構造が開示されている。特許文献４に開示された技術では、トップゲート電極の電位をソース電極電位よりも低い電位に固定し、閾値電圧を正方向へシフトさせることにより、ゲート電圧が０Ｖのときの暗電流を低下させ、高い明暗電流比が実現できる。
更に、非特許文献１では、酸化物半導体ＴＦＴをスイッチ及び光センサの双方に用いる技術が開示されている。なお、非特許文献１では、スイッチ用の酸化物半導体ＴＦＴの上部には遮光するためのシールドを設けるが、光センサ用の酸化物半導体ＴＦＴの上部にはシールドを設けない。非特許文献１に開示された技術では、波長が５５０ｎｍ以下の緑〜青紫の光が照射された場合に、光センサ用の酸化物半導体ＴＦＴにおけるオフ電流が増加する現象を利用して光センシングを行う。 Patent Document 3 discloses a technique in which a pigment is adsorbed on an oxide semiconductor to give visible light sensitivity and used as a two-terminal element photodiode for an optical sensor or an X-ray sensor.
Patent Document 4 discloses a structure in which a top gate electrode made of a transparent material is added to an optical sensor made of an amorphous silicon TFT. In the technique disclosed in Patent Document 4, the dark current when the gate voltage is 0V is reduced by fixing the potential of the top gate electrode to a potential lower than the source electrode potential and shifting the threshold voltage in the positive direction. A high light / dark current ratio can be realized.
Further, Non-Patent Document 1 discloses a technique in which an oxide semiconductor TFT is used for both a switch and an optical sensor. In Non-Patent Document 1, a shield for shielding light is provided on the top of the oxide semiconductor TFT for switching, but no shield is provided on the top of the oxide semiconductor TFT for photosensor. In the technology disclosed in Non-Patent Document 1, optical sensing is performed using a phenomenon in which an off-current increases in an oxide semiconductor TFT for an optical sensor when green to blue-violet light having a wavelength of 550 nm or less is irradiated. Do.

国際公開第２０１１／１３５９２０号パンフレットInternational Publication No. 2011-135920 Pamphlet 特開２０１０−１５３８３４号公報JP 2010-153834 A 特開２００６−１６５５３０号公報JP 2006-165530 A 特開平５−２３５３９８号公報JP-A-5-235398

Seung-eon Ahn、外７名、「Oxide based Photosensor Thin Film Transistor for Interactive Display」、The Proceedings of AM-FPD 2013、社団法人応答物理学会、2013年7月、p.67-70Seung-eon Ahn, 7 others, "Oxide based Photosensor Thin Film Transistor for Interactive Display", The Proceedings of AM-FPD 2013, Japan Society for Response Physics, July 2013, p.67-70 Masashi Tsubuku、外８名、「Photo-Current Response and Negative Bias Stability Under Light Irradiation in IGZO-TFT」、Proceedings of the 17th international Display Workshops 2010 (IDW2010)、社団法人映像情報メディア学会、2010年12月、volume 3、p.1841-1844Masashi Tsubuku, 8 others, “Photo-Current Response and Negative Bias Stability Under Light Irradiation in IGZO-TFT”, Proceedings of the 17th international Display Workshops 2010 (IDW2010), The Institute of Image Information and Television Engineers, December 2010, volume 3, p.1841-1844

しかしながら、特許文献１や特許文献２に開示された技術では、スイッチ用のＴＦＴは酸化物半導体であり、また光センサは非晶質シリコンＴＦＴやＰＩＮダイオードで形成されているので、別々の形成プロセスを必要とする。そのため、コスト高や歩留まり低下という課題があった。また、特にシリコンは周囲の温度によってその電気特性が変化してしまい、光電変換装置の性能が環境温度に依存して変化するという課題があった。特許文献４に開示された技術においても、非晶質シリコンＴＦＴを用いているため、シリコンの電気伝導度の温度依存性が大きいという材料本来の物性に起因して、性能が環境温度に依存して変化してしまうという課題は避けられない。   However, in the techniques disclosed in Patent Document 1 and Patent Document 2, the switching TFT is an oxide semiconductor, and the optical sensor is formed of an amorphous silicon TFT or a PIN diode. Need. For this reason, there are problems such as high costs and a decrease in yield. In particular, silicon has a problem that its electrical characteristics change depending on the ambient temperature, and the performance of the photoelectric conversion device changes depending on the environmental temperature. Even in the technique disclosed in Patent Document 4, since amorphous silicon TFTs are used, the performance depends on the environmental temperature due to the inherent physical properties of the material that the temperature dependence of the electrical conductivity of silicon is large. The problem of changing is unavoidable.

また、特許文献３に開示された技術では、スイッチ部も光センサ部もともに酸化物半導体を用いて形成されている。しかしながら、センサ部の酸化物半導体に顔料を吸着させて可視光感度を持たせることで光感度機能を付与している。このような有機物プロセスを混在させると、本来顔料を必要としないスイッチ部の酸化物半導体ＴＦＴにとっては汚染源となり、信頼性や歩留まりを低下させるという課題があった。
非特許文献１に開示された技術では、波長が６００ｎｍ以上の赤色光に対しては、酸化物半導体ＴＦＴを用いた光センサは感度を示さず、可視光領域全体にわたる光センサとしては機能しないという課題があった。更に、青から緑色までの光に対する光感度は、酸化物半導体ＴＦＴの特性で一義的に決まってしまい、外部からのコントロールは困難であるという課題があった。 In the technique disclosed in Patent Document 3, both the switch part and the optical sensor part are formed using an oxide semiconductor. However, the photosensitivity function is given by making a pigment adsorb | suck to the oxide semiconductor of a sensor part, and giving visible light sensitivity. When such an organic process is mixed, it becomes a contamination source for the oxide semiconductor TFT of the switch portion that does not originally require a pigment, and there is a problem that reliability and yield are lowered.
According to the technique disclosed in Non-Patent Document 1, an optical sensor using an oxide semiconductor TFT does not exhibit sensitivity to red light having a wavelength of 600 nm or more, and does not function as an optical sensor over the entire visible light region. There was a problem. Furthermore, the light sensitivity to light from blue to green is uniquely determined by the characteristics of the oxide semiconductor TFT, and there is a problem that it is difficult to control from the outside.

本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものである。そして、その目的とするところは、酸化物半導体活性層に印加する２つのゲート電極の電圧を制御することで光感度機能をコントロールでき、且つ、可視光領域全体にわたって光感度を有する光センサ素子及び光電変換装置を提供することにある。   The present invention has been made in view of such circumstances. The object is to provide a photosensor element that can control the photosensitivity function by controlling the voltages of the two gate electrodes applied to the oxide semiconductor active layer, and has photosensitivity over the entire visible light region, and It is to provide a photoelectric conversion device.

本発明に係る光センサ素子は、少なくとも酸化物半導体活性層の上側及び下側に絶縁膜を介してゲート電極を有する光センサ素子において、一方のゲート電極に第一の電圧を印加し、他方のゲート電極に第二の電圧を印加する電圧印加部を備えることを特徴とする。   The photosensor element according to the present invention is a photosensor element having a gate electrode via an insulating film at least above and below the oxide semiconductor active layer, wherein a first voltage is applied to one gate electrode, and the other A voltage application unit that applies a second voltage to the gate electrode is provided.

本発明によれば、酸化物半導体を用いて構成された光センサ素子において、光感度機能をコントロールでき、且つ、可視光領域全体にわたって光感度を実現できる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, in the optical sensor element comprised using the oxide semiconductor, a photosensitivity function can be controlled and photosensitivity is realizable over the whole visible region.

本発明の第１実施形態に係る光センサの断面図である。It is sectional drawing of the optical sensor which concerns on 1st Embodiment of this invention. 第１実施形態の実施例１に係る光センサの断面図である。It is sectional drawing of the optical sensor which concerns on Example 1 of 1st Embodiment. 本発明の第２実施形態に係る光センサを示す図である。It is a figure which shows the optical sensor which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第３実施形態に係る光センサを示す図である。It is a figure which shows the optical sensor which concerns on 3rd Embodiment of this invention. 第３実施形態の実施例４に係る光センサの断面図である。It is sectional drawing of the optical sensor which concerns on Example 4 of 3rd Embodiment. 第３実施形態の実施例４の変形例に係る光センサの断面図である。It is sectional drawing of the optical sensor which concerns on the modification of Example 4 of 3rd Embodiment. 第３実施形態の実施例４の変形例に係る光センサの断面図である。It is sectional drawing of the optical sensor which concerns on the modification of Example 4 of 3rd Embodiment. 第３実施形態の実施例５に係る光センサの断面図である。It is sectional drawing of the optical sensor which concerns on Example 5 of 3rd Embodiment. 第３実施形態の実施例６に係る光センサの断面図である。It is sectional drawing of the optical sensor which concerns on Example 6 of 3rd Embodiment. 本発明の第４実施形態に係る光電変換装置を示す図である。It is a figure which shows the photoelectric conversion apparatus which concerns on 4th Embodiment of this invention. 本発明の第４実施形態に係る光電変換装置を示す図である。It is a figure which shows the photoelectric conversion apparatus which concerns on 4th Embodiment of this invention. 第４実施形態の実施例７の光電変換装置を示す図である。It is a figure which shows the photoelectric conversion apparatus of Example 7 of 4th Embodiment. 第４実施形態の実施例７の光電変換装置に用いる光センサ素子の光センシング特性を示すグラフである。It is a graph which shows the optical sensing characteristic of the optical sensor element used for the photoelectric conversion apparatus of Example 7 of 4th Embodiment. 第４実施形態の実施例７の光電変換装置を示す図である。It is a figure which shows the photoelectric conversion apparatus of Example 7 of 4th Embodiment. 本発明の第５実施形態に係る光電変換装置を示す図である。It is a figure which shows the photoelectric conversion apparatus which concerns on 5th Embodiment of this invention. 光センサ素子の光センシング特性を示す図である。It is a figure which shows the optical sensing characteristic of an optical sensor element. 光センサ素子の光センシング特性を示す図である。It is a figure which shows the optical sensing characteristic of an optical sensor element. 光電変換装置の断面図である。It is sectional drawing of a photoelectric conversion apparatus. 光電変換装置の断面図である。It is sectional drawing of a photoelectric conversion apparatus.

以下、本発明の実施形態に関して、図面を参照しながら説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る光センサの断面図である。第１実施形態に係る光センサは、酸化物半導体を用いて形成されている。第１実施形態の光センサ（光センサ素子）では、酸化物半導体膜（酸化物半導体活性層）１の一方の側に第一絶縁膜（絶縁膜）２及び可視光に対して透明な材料から成る第一導電性電極（ゲート電極）３を有し、他方の側に第二絶縁膜（絶縁膜）４及び第二導電性電極（ゲート電極）５を有する構造が、ガラス基板６上に形成されている。酸化物半導体膜１を構成する元素としては、少なくともインジウム又は亜鉛が含まれている。図１に示す例では、酸化物半導体膜１の上側の第一導電性電極３が透明材料によって構成されている。しかし、酸化物半導体膜１の下側の第二導電性電極５が透明材料にて構成されてもよいし、第一導電性電極３及び第二導電性電極５の両方が透明材料にて構成されてもよい。即ち、酸化物半導体膜１に光が入射するように、２つの導電性電極３，５の少なくとも一方が透明材料により形成されていればよい。 (First embodiment)
FIG. 1 is a sectional view of an optical sensor according to the first embodiment of the present invention. The optical sensor according to the first embodiment is formed using an oxide semiconductor. In the photosensor (photosensor element) according to the first embodiment, a first insulating film (insulating film) 2 and a material transparent to visible light are formed on one side of an oxide semiconductor film (oxide semiconductor active layer) 1. A structure having a first conductive electrode (gate electrode) 3 and a second insulating film (insulating film) 4 and a second conductive electrode (gate electrode) 5 on the other side is formed on the glass substrate 6. Has been. As an element constituting the oxide semiconductor film 1, at least indium or zinc is included. In the example shown in FIG. 1, the first conductive electrode 3 on the upper side of the oxide semiconductor film 1 is made of a transparent material. However, the second conductive electrode 5 below the oxide semiconductor film 1 may be made of a transparent material, or both the first conductive electrode 3 and the second conductive electrode 5 are made of a transparent material. May be. That is, it is only necessary that at least one of the two conductive electrodes 3 and 5 is formed of a transparent material so that light is incident on the oxide semiconductor film 1.

図１に示す構造において、透明材料から成る第一導電性電極３に第一の電位７を与え、第二導電性電極５に第二の電位８を与えて、酸化物半導体膜１中の膜厚方向の電位勾配を大きくした状態で、第一導電性電極３側から酸化物半導体膜１中へ光９を照射する。このとき、酸化物半導体膜１中の電位勾配により、酸化物半導体膜１のバンドギャップエネルギー（典型的には３．０〜３．５ｅＶ）よりも大きい又は同等の波長の光はもちろん、バンドギャップエネルギーよりも小さい波長の光（例えば波長が６００〜８００ｎｍの赤色光）を照射した場合でも、酸化物半導体膜１中に、伝導に寄与する光キャリアが生成される。非特許文献１に開示されたような従来技術では、赤色光を照射して酸化物半導体膜１に光キャリアを生成することは不可能であったが、図１に示すような酸化物半導体を用いた光センサでは可能となった。   In the structure shown in FIG. 1, a first potential 7 is applied to the first conductive electrode 3 made of a transparent material, and a second potential 8 is applied to the second conductive electrode 5. In the state where the potential gradient in the thickness direction is increased, the light 9 is irradiated from the first conductive electrode 3 side into the oxide semiconductor film 1. At this time, due to a potential gradient in the oxide semiconductor film 1, not only light having a wavelength larger than or equivalent to the band gap energy (typically 3.0 to 3.5 eV) of the oxide semiconductor film 1 is obtained. Even when light having a wavelength smaller than energy (for example, red light having a wavelength of 600 to 800 nm) is irradiated, photocarriers that contribute to conduction are generated in the oxide semiconductor film 1. In the prior art disclosed in Non-Patent Document 1, it was impossible to generate photocarriers in the oxide semiconductor film 1 by irradiating red light, but an oxide semiconductor as shown in FIG. This is possible with the optical sensor used.

一般に酸化物半導体のバンドギャップ内には酸素欠損に起因するエネルギー準位が存在することが知られている。バンドギャップエネルギーよりも小さいエネルギーの光が照射された場合、電子はこのエネルギー準位まで励起され、その後、上述の酸化物半導体膜１中の電位勾配により、このエネルギー準位から伝導帯へトンネリングすることでキャリアとして作用する。これが、バンドギャップエネルギーよりも小さい波長の光が照射された場合であっても、酸化物半導体膜１中に光キャリアが生成される物理的メカニズムであり、本発明によって初めて可能となったものである。   In general, it is known that an energy level due to oxygen deficiency exists in the band gap of an oxide semiconductor. When light having an energy smaller than the band gap energy is irradiated, electrons are excited to this energy level, and then tunnel from the energy level to the conduction band by the above-described potential gradient in the oxide semiconductor film 1. It acts as a carrier. This is a physical mechanism by which photocarriers are generated in the oxide semiconductor film 1 even when light having a wavelength smaller than the band gap energy is irradiated. This is possible for the first time by the present invention. is there.

（実施例１）
以下に、第１実施形態の酸化物半導体を用いて形成される光センサに関する実施例１について説明する。上述したように、酸化物半導体膜１中で生成された光キャリアを電流信号又は電圧信号として読み出すことにより光センサとして機能する。図２は、第１実施形態の実施例１に係る光センサの断面図である。図２は、図１に示す光センサにおいて、酸化物半導体膜１の左右両側にそれぞれ第一の読出し用電極１０及び第二の読出し用電極１１を付加した構造を示す。これらの電極１０，１１を用いて、生成された光キャリアを電流信号又は電圧信号として読み出すことにより、照射光強度のセンシングが可能となる。 Example 1
Example 1 relating to an optical sensor formed using the oxide semiconductor according to the first embodiment will be described below. As described above, the photocarrier generated in the oxide semiconductor film 1 functions as a photosensor by reading it as a current signal or a voltage signal. FIG. 2 is a cross-sectional view of the photosensor according to Example 1 of the first embodiment. FIG. 2 shows a structure in which a first readout electrode 10 and a second readout electrode 11 are added to the left and right sides of the oxide semiconductor film 1 in the optical sensor shown in FIG. By using these electrodes 10 and 11 to read out the generated optical carrier as a current signal or a voltage signal, it is possible to sense the irradiation light intensity.

本実施例１の光センサでは、酸化物半導体膜１として、インジウム（元素記号：Ｉｎ）、ガリウム（元素記号：Ｇａ）、亜鉛（元素記号：Ｚｎ）及び酸素（元素記号：Ｏ）からなるＩｎＧａＺｎＯ膜を用いる。また、第一絶縁膜２及び第二絶縁膜４として酸化シリコン膜を用い、第一導電性電極３としてＩＴＯ（Indium Tin Oxide：インジウムスズ酸化物）膜を用い、第二導電性電極５としてアルミニウム合金からなる電極を用いる。従って、本実施例１では、酸化物半導体膜１であるＩｎＧａＺｎＯ膜の上側に、第一絶縁膜２である酸化シリコン膜が形成され、更にその上側に、第一導電性電極３であるＩＴＯ膜が形成されている。また、ＩｎＧａＺｎＯ膜の下側に、第二絶縁膜４である酸化シリコン膜と、アルミニウム合金からなる第二導電性電極５とが形成されている。このように第一絶縁膜２、第一導電性電極３、第二絶縁膜４及び第二導電性電極５が形成された酸化物半導体膜１は、第二導電性電極５を下側にして、ガラス基板６の上面に形成されている。また、ＩｎＧａＺｎＯ膜（酸化物半導体膜１）の左右両端に、モリブデン合金からなる読出し用電極１０，１１が形成されている。本実施例１の光センサは、第一導電性電極３に第一の電位７を印加し、第二導電性電極５に第二の電位８を印加する機構（電圧印加部）を有する。   In the optical sensor of Example 1, the oxide semiconductor film 1 is composed of InGaZnO made of indium (element symbol: In), gallium (element symbol: Ga), zinc (element symbol: Zn), and oxygen (element symbol: O). Use a membrane. Further, a silicon oxide film is used as the first insulating film 2 and the second insulating film 4, an ITO (Indium Tin Oxide) film is used as the first conductive electrode 3, and an aluminum is used as the second conductive electrode 5. An electrode made of an alloy is used. Therefore, in Example 1, the silicon oxide film as the first insulating film 2 is formed on the upper side of the InGaZnO film as the oxide semiconductor film 1, and the ITO film as the first conductive electrode 3 is further formed on the upper side. Is formed. A silicon oxide film as the second insulating film 4 and a second conductive electrode 5 made of an aluminum alloy are formed below the InGaZnO film. Thus, the oxide semiconductor film 1 in which the first insulating film 2, the first conductive electrode 3, the second insulating film 4, and the second conductive electrode 5 are formed has the second conductive electrode 5 on the lower side. , Formed on the upper surface of the glass substrate 6. Read electrodes 10 and 11 made of a molybdenum alloy are formed on the left and right ends of the InGaZnO film (oxide semiconductor film 1). The optical sensor of the first embodiment has a mechanism (voltage application unit) that applies a first potential 7 to the first conductive electrode 3 and applies a second potential 8 to the second conductive electrode 5.

次に、本実施例１の光センサの製造方法について説明する。
まず、ガラス基板６上に、スパッタリング法によりアルミニウム合金を成膜し、所定の形状にパターニングすることにより、第二導電性電極５を形成する。続いて、ＳｉＨ4 （シラン、水素化ケイ素）及びＮ2 Ｏ（一酸化二窒素）の混合ガスを原料としたプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により３５０℃の温度で第二絶縁膜４（酸化シリコン膜）を成膜する。引き続き、スパッタリング法によりＩｎＧａＺｎＯ膜を成膜し、エッチングにより所望の島形状にパターニングして酸化物半導体膜１を形成する。酸化物半導体膜１の組成比率としては、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ：Ｏ＝１：１：１：４をはじめ、エッチング加工性などを踏まえて任意に設計できる。 Next, a method for manufacturing the optical sensor according to the first embodiment will be described.
First, an aluminum alloy film is formed on the glass substrate 6 by a sputtering method, and patterned into a predetermined shape, thereby forming the second conductive electrode 5. Subsequently, the second insulating film 4 (oxidized) is formed at a temperature of 350 ° C. by plasma CVD (Chemical Vapor Deposition) using a mixed gas of SiH 4 (silane, silicon hydride) and N 2 O (dinitrogen monoxide) as a raw material. A silicon film is formed. Subsequently, an InGaZnO film is formed by a sputtering method, and is patterned into a desired island shape by etching, whereby the oxide semiconductor film 1 is formed. The composition ratio of the oxide semiconductor film 1 can be arbitrarily designed based on etching processability and the like including In: Ga: Zn: O = 1: 1: 1: 4.

酸化物半導体膜１を形成した後、大気中にて３５０℃〜５００℃の温度で１時間のアニール処理を行う。その後、スパッタリング法によりモリブデン合金を成膜し、所定の形状にパターニングして第一の読出し用電極１０及び第二の読出し用電極１１を形成する。
更に、ＳｉＨ4 及びＮ2 Ｏの混合ガスを原料としたプラズマＣＶＤ法により２００℃の温度で第一絶縁膜２（酸化シリコン膜）を成膜する。第一絶縁膜２を成膜した後、３５０℃〜４００℃の温度でアニール処理を行うことにより、酸化シリコン膜の膜質を改質することができる。その後、スパッタリング法によりＩＴＯ膜を成膜し、所望の形状にパターニングすることにより、透明材料から成る第一導電性電極３を形成する。 After the oxide semiconductor film 1 is formed, annealing treatment is performed in the air at a temperature of 350 ° C. to 500 ° C. for 1 hour. Thereafter, a molybdenum alloy film is formed by sputtering and patterned into a predetermined shape to form the first readout electrode 10 and the second readout electrode 11.
Further, the first insulating film 2 (silicon oxide film) is formed at a temperature of 200 ° C. by plasma CVD using a mixed gas of SiH 4 and N 2 O as a raw material. After the first insulating film 2 is formed, the film quality of the silicon oxide film can be improved by performing an annealing process at a temperature of 350 ° C. to 400 ° C. Thereafter, an ITO film is formed by sputtering and patterned into a desired shape, thereby forming the first conductive electrode 3 made of a transparent material.

上述のように構成された光センサでは、第一導電性電極３に第一の電位７を印加し、第二導電性電極５に第二の電位８を印加して、読出し用電極１０，１１間に電位差を発生させる。そして、このときに読出し用電極１０，１１間に流れる電流の光強度依存性を検出することにより、光センサとして機能させることができる。なお、酸化物半導体膜１は、一方のゲート電極（第一導電性電極３）に第一の電圧７を印加し、他方のゲート電極（第二導電性電極５）に第二の電圧８を印加した場合に、電圧無印加時（電圧を印加しない場合）と比べて可視光の吸収量が増加する性質を有する。
本実施例１の光センサでは、第一の電位７及び第二の電位８のうちの低い方の電位が印加される導電性電極（３又は５）が透明材料によって構成され、透明材料から成る導電性電極（３又は５）の側から光９が照射される構成であってもよい。 In the optical sensor configured as described above, the first potential 7 is applied to the first conductive electrode 3, the second potential 8 is applied to the second conductive electrode 5, and the readout electrodes 10, 11 are applied. A potential difference is generated between them. At this time, the light intensity dependency of the current flowing between the readout electrodes 10 and 11 can be detected to function as an optical sensor. Note that the oxide semiconductor film 1 applies a first voltage 7 to one gate electrode (first conductive electrode 3) and a second voltage 8 to the other gate electrode (second conductive electrode 5). When applied, it has the property of increasing the amount of absorption of visible light compared to when no voltage is applied (when no voltage is applied).
In the optical sensor of the first embodiment, the conductive electrode (3 or 5) to which the lower one of the first potential 7 and the second potential 8 is applied is made of a transparent material, and is made of a transparent material. The light 9 may be irradiated from the conductive electrode (3 or 5) side.

酸化物半導体膜１としては、上記のＩｎＧａＺｎＯ膜のほかに、ＺｎＯ膜、ＩｎＺｎＯ膜、ＩｎＳｎＺｎＯ膜、ＩｎＡｌＺｎＯ膜などを用いることが可能である。これらの成膜方法はスパッタリング法に限られるわけではなく、パルスレーザ成膜法、液体原料を用いた塗布・焼成法などでも良い。
第一絶縁膜２や第二絶縁膜４としては、上記の酸化シリコン膜のほかに、窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、酸化タンタル膜、または、これらの膜を複数積層したものを用いても良い。これらの成膜方法はプラズマＣＶＤ法に限られるわけではなく、スパッタリング法、蒸着法、アトミックレイヤデポジション（ＡＬＤ、原子層堆積法）法などでも可能である。 As the oxide semiconductor film 1, in addition to the above InGaZnO film, a ZnO film, an InZnO film, an InSnZnO film, an InAlZnO film, or the like can be used. These film forming methods are not limited to the sputtering method, and may be a pulse laser film forming method, a coating / firing method using a liquid material, or the like.
As the first insulating film 2 and the second insulating film 4, in addition to the silicon oxide film described above, a silicon nitride film, an aluminum oxide film, a tantalum oxide film, or a laminate of these films may be used. . These film forming methods are not limited to the plasma CVD method, and may be a sputtering method, a vapor deposition method, an atomic layer deposition (ALD, atomic layer deposition method) method, or the like.

（第２実施形態）
図３は、本発明の第２実施形態に係る光センサを示す図である。図３Ａは、第２実施形態に係る光センサの断面図であり、図３Ｂは、第２実施形態に係る光センサに波長４００ｎｍ±１０ｎｍの光を照射した場合の光センシング特性を示すグラフである。第２実施形態に係る光センサは、デュアルゲート型酸化物半導体ＴＦＴを用いて形成されている。 (Second Embodiment)
FIG. 3 is a diagram showing an optical sensor according to the second embodiment of the present invention. FIG. 3A is a cross-sectional view of the optical sensor according to the second embodiment, and FIG. 3B is a graph showing optical sensing characteristics when the optical sensor according to the second embodiment is irradiated with light having a wavelength of 400 nm ± 10 nm. . The optical sensor according to the second embodiment is formed using a dual gate type oxide semiconductor TFT.

第２実施形態の光センサでは、酸化物半導体膜（酸化物半導体活性層）１の上側に保護絶縁膜２２及び第一絶縁膜（絶縁膜、第１ゲート絶縁膜）２が形成されており、更にその上側に可視光に対して透明な透明トップゲート電極（ゲート電極、第１ゲート電極）１２が形成されている。また酸化物半導体膜１の下側に第二絶縁膜（絶縁膜、第２ゲート絶縁膜）４及びボトムゲート電極（ゲート電極、第２ゲート電極）１８が形成されている。このように各膜及び各電極が形成された酸化物半導体膜１は、ボトムゲート電極１８を下側にしてガラス基板６上に形成されている。また、酸化物半導体膜１の左端部分及び保護絶縁膜２２の左端部分に接するようにソース電極１４が形成されており、酸化物半導体膜１の右端部分及び保護絶縁膜２２の右端部分に接するようにドレイン電極１６が形成されている。酸化物半導体膜１の材料は第１実施形態と同様である。   In the optical sensor of the second embodiment, a protective insulating film 22 and a first insulating film (insulating film, first gate insulating film) 2 are formed above the oxide semiconductor film (oxide semiconductor active layer) 1, Further, a transparent top gate electrode (gate electrode, first gate electrode) 12 that is transparent to visible light is formed thereon. A second insulating film (insulating film, second gate insulating film) 4 and a bottom gate electrode (gate electrode, second gate electrode) 18 are formed below the oxide semiconductor film 1. Thus, the oxide semiconductor film 1 in which each film and each electrode are formed is formed on the glass substrate 6 with the bottom gate electrode 18 facing downward. Further, the source electrode 14 is formed so as to be in contact with the left end portion of the oxide semiconductor film 1 and the left end portion of the protective insulating film 22 so as to be in contact with the right end portion of the oxide semiconductor film 1 and the right end portion of the protective insulating film 22. A drain electrode 16 is formed on the substrate. The material of the oxide semiconductor film 1 is the same as that of the first embodiment.

図３Ａに示す光センサにおいて、透明トップゲート電極１２側から酸化物半導体膜１へ青色光２０−１（例えば、波長が４００ｎｍ±１０ｎｍの光）を入射する。その際、透明トップゲート電極１２に印加する透明トップゲート電極電位１３を、ソース電極１４に印加するソース電極電位１５よりも低くする。また、ドレイン電極１６に印加するドレイン電極電位１７はソース電極電位１５よりも高くし、ボトムゲート電極１８に印加するボトムゲート電極電位１９はソース電極電位１５よりも高くする。   3A, blue light 20-1 (for example, light having a wavelength of 400 nm ± 10 nm) is incident on the oxide semiconductor film 1 from the transparent top gate electrode 12 side. At that time, the transparent top gate electrode potential 13 applied to the transparent top gate electrode 12 is set lower than the source electrode potential 15 applied to the source electrode 14. The drain electrode potential 17 applied to the drain electrode 16 is higher than the source electrode potential 15, and the bottom gate electrode potential 19 applied to the bottom gate electrode 18 is higher than the source electrode potential 15.

図３Ｂには、ドレイン電極電位１７（Ｖｄ）＝１Ｖ、ソース電極電位１５（Ｖｓ）＝０Ｖとした時のボトムゲート電極電位１９（Ｖｂｇ）に対するドレイン電流（Ｉｄ）の特性（Ｖｂｇ−Ｉｄ特性）を示している。また、図３Ｂには、透明トップゲート電極電位１３（Ｖｔｇ）をパラメータとし、Ｖｔｇ＝０Ｖ、Ｖｔｇ＝−１０Ｖ、Ｖｔｇ＝−２０Ｖとした場合のＶｂｇ−Ｉｄ特性をそれぞれ示している。図３Ｂ中の破線は、光を照射しない状態（暗状態）での特性を示し、実線は、波長４００ｎｍ±１０ｎｍの光を照射した状態（光照射状態）での特性を示す。なお、ハロゲン光源（島津製作所製のハロゲンランプユニットＡＴ−１００ＨＧ）及び分光器（島津製作所製の分光器ＳＰＧ−１２０Ｓ）によって生成された単色光（中心波長±１０ｎｍのバンド幅）をファイバを用いて透明トップゲート電極１２側から照射した。   FIG. 3B shows the drain current (Id) characteristics (Vbg-Id characteristics) with respect to the bottom gate electrode potential 19 (Vbg) when the drain electrode potential 17 (Vd) = 1 V and the source electrode potential 15 (Vs) = 0 V. Is shown. FIG. 3B shows Vbg-Id characteristics when the transparent top gate electrode potential 13 (Vtg) is used as a parameter and Vtg = 0 V, Vtg = -10 V, and Vtg = -20 V, respectively. The broken line in FIG. 3B indicates the characteristic in a state where light is not irradiated (dark state), and the solid line indicates the characteristic in a state where light having a wavelength of 400 nm ± 10 nm is irradiated (light irradiation state). Monochromatic light (bandwidth of center wavelength ± 10 nm) generated by a halogen light source (halogen lamp unit AT-100HG manufactured by Shimadzu Corporation) and a spectroscope (spectrometer SPG-120S manufactured by Shimadzu Corporation) is used with a fiber. Irradiation was performed from the transparent top gate electrode 12 side.

図３Ｂから分かるように、ソース電極電位１５（Ｖｓ＝０Ｖ）よりも透明トップゲート電極電位１３（Ｖｔｇ）を低くすればするほど、暗状態での特性に比べて光照射状態での特性におけるサブスレッショルド電流（オフからオンへの遷移状態での電流）が大きくなっている。また、動作状態においても、ボトムゲート電極電位１９（Ｖｂｇ）はソース電極電位１５（Ｖｓ）よりも高くなっている。図３Ｂは、透明トップゲート電極電位１３（Ｖｔｇ）を低くすればするほどデュアルゲート型酸化物半導体ＴＦＴの光感度が高くなっていることを示している。これは、一方のゲート電極に第一の電圧を印加し、他方のゲート電極に第二の電圧を印加した場合に、電圧無印加時（電圧を印加しない場合）と比べて酸化物半導体膜１における可視光の吸収量が増加する現象に起因する。第２実施形態では、このようにソース電極電位１５（Ｖｓ）よりも透明トップゲート電極電位１３（Ｖｔｇ）を低くすることにより、酸化物半導体ＴＦＴの光感度を増幅させ、酸化物半導体ＴＦＴを光センサとして活用するものである。更には、透明トップゲート電極電位１３（Ｖｔｇ）の値を適切に制御することにより、光感度機能を任意にコントロールすることができる。   As can be seen from FIG. 3B, as the transparent top gate electrode potential 13 (Vtg) is made lower than the source electrode potential 15 (Vs = 0 V), the sub-characteristic in the light irradiation state is smaller than the characteristic in the dark state. The threshold current (current in the transition state from off to on) is large. Even in the operating state, the bottom gate electrode potential 19 (Vbg) is higher than the source electrode potential 15 (Vs). FIG. 3B shows that the lower the transparent top gate electrode potential 13 (Vtg), the higher the photosensitivity of the dual gate oxide semiconductor TFT. This is because when the first voltage is applied to one gate electrode and the second voltage is applied to the other gate electrode, the oxide semiconductor film 1 is compared to when no voltage is applied (when no voltage is applied). This is due to the phenomenon that the amount of absorption of visible light increases. In the second embodiment, by making the transparent top gate electrode potential 13 (Vtg) lower than the source electrode potential 15 (Vs) in this way, the photosensitivity of the oxide semiconductor TFT is amplified, and the oxide semiconductor TFT is optically It is used as a sensor. Furthermore, by appropriately controlling the value of the transparent top gate electrode potential 13 (Vtg), the photosensitivity function can be arbitrarily controlled.

（実施例２）
以下に、第２実施形態のデュアルゲート型酸化物半導体ＴＦＴを用いて形成される光センサに関する実施例２について説明する。
本実施例２の光センサでは、第１実施形態と同様に酸化物半導体膜１としてＩｎＧａＺｎＯ膜を用いる。また、保護絶縁膜２２、第一絶縁膜２及び第二絶縁膜４として酸化シリコン膜を用い、透明トップゲート電極１２としてＩＴＯ膜を用い、ボトムゲート電極１８としてアルミニウム合金からなる電極を用いる。また、ソース電極１４及びドレイン電極１６としてモリブデン合金膜とアルミニウム合金膜とが積層された電極を用いる。 (Example 2)
Example 2 relating to an optical sensor formed using the dual-gate oxide semiconductor TFT of the second embodiment will be described below.
In the optical sensor of Example 2, an InGaZnO film is used as the oxide semiconductor film 1 as in the first embodiment. Further, a silicon oxide film is used as the protective insulating film 22, the first insulating film 2, and the second insulating film 4, an ITO film is used as the transparent top gate electrode 12, and an electrode made of an aluminum alloy is used as the bottom gate electrode 18. Further, an electrode in which a molybdenum alloy film and an aluminum alloy film are stacked is used as the source electrode 14 and the drain electrode 16.

本実施例２では、酸化物半導体膜１であるＩｎＧａＺｎＯ膜の上側に、酸化シリコンからなる保護絶縁膜２２及び第一絶縁膜２である酸化シリコン膜が形成され、更にその上側に、透明トップゲート電極１２であるＩＴＯ膜が形成されている。また、ＩｎＧａＺｎＯ膜の下側に、第二絶縁膜４である酸化シリコン膜と、アルミニウム合金からなるボトムゲート電極１８とが形成されている。このように形成された酸化物半導体膜１は、ボトムゲート電極１８を下側にしてガラス基板６の上面に形成されている。また、ＩｎＧａＺｎＯ膜（酸化物半導体膜１）の左右両端にソース電極１４及びドレイン電極１６が形成されている。ソース電極１４は、保護絶縁膜２２の左端の一部と重なり、且つ酸化物半導体膜１の左端側と直接接する領域に形成してあり、ドレイン電極１６は、保護絶縁膜２２の右端の一部と重なり、且つ酸化物半導体膜１の右端側と直接接する領域に形成してある。ソース電極１４及びドレイン電極１６は、モリブデン合金膜とアルミニウム合金膜とが積層されて構成してあり、モリブデン合金膜が酸化物半導体膜１と接するように配置されている。   In the second embodiment, a protective insulating film 22 made of silicon oxide and a silicon oxide film that is the first insulating film 2 are formed on the upper side of the InGaZnO film that is the oxide semiconductor film 1, and a transparent top gate is further formed on the upper side. An ITO film as the electrode 12 is formed. A silicon oxide film as the second insulating film 4 and a bottom gate electrode 18 made of an aluminum alloy are formed below the InGaZnO film. The oxide semiconductor film 1 thus formed is formed on the upper surface of the glass substrate 6 with the bottom gate electrode 18 facing downward. A source electrode 14 and a drain electrode 16 are formed on the left and right ends of the InGaZnO film (oxide semiconductor film 1). The source electrode 14 is formed in a region that overlaps with a part of the left end of the protective insulating film 22 and is in direct contact with the left end side of the oxide semiconductor film 1, and the drain electrode 16 is a part of the right end of the protective insulating film 22. And in a region in direct contact with the right end side of the oxide semiconductor film 1. The source electrode 14 and the drain electrode 16 are formed by laminating a molybdenum alloy film and an aluminum alloy film, and are arranged so that the molybdenum alloy film is in contact with the oxide semiconductor film 1.

本実施例２の光センサは、透明トップゲート電極１２に透明トップゲート電極電位１３を印加し、ソース電極１４にソース電極電位１５を印加し、ドレイン電極１６にドレイン電極電位１７を印加し、ボトムゲート電極１８にボトムゲート電極電位１９を印加する機構を有する。また、本実施例２の光センサは、ソース電極電位１５よりも低い透明トップゲート電極電位１３を透明トップゲート電極１２に印加する機構（電圧印加部）を有し、ソース電極電位１５よりも高いドレイン電極電位１７をドレイン電極１６に印加する機構を有する。更に、本実施例２の光センサは、ソース電極電位１５よりも高いボトムゲート電極電位１９をボトムゲート電極１８に印加する機構（電圧印加部）を有する。このような構成の光センサは、透明トップゲート電極１２側から酸化物半導体膜１内へ青色光２０−１を導入する機構を有する。   In the photosensor of Example 2, the transparent top gate electrode potential 13 is applied to the transparent top gate electrode 12, the source electrode potential 15 is applied to the source electrode 14, the drain electrode potential 17 is applied to the drain electrode 16, and the bottom electrode It has a mechanism for applying a bottom gate electrode potential 19 to the gate electrode 18. The optical sensor of the second embodiment has a mechanism (voltage application unit) that applies a transparent top gate electrode potential 13 lower than the source electrode potential 15 to the transparent top gate electrode 12, and is higher than the source electrode potential 15. It has a mechanism for applying the drain electrode potential 17 to the drain electrode 16. Furthermore, the optical sensor of the second embodiment has a mechanism (voltage application unit) that applies a bottom gate electrode potential 19 higher than the source electrode potential 15 to the bottom gate electrode 18. The photosensor having such a configuration has a mechanism for introducing blue light 20-1 into the oxide semiconductor film 1 from the transparent top gate electrode 12 side.

次に、本実施例２の光センサの製造方法について説明する。
まず、ガラス基板６上に、スパッタリング法によりアルミニウム合金を成膜し、所定の形状にパターニングすることにより、ボトムゲート電極１８を形成する。続いて、ＴＥＯＳ（Tetraethyl Orthosilicate）及びＯ2 （酸素）の混合ガスを原料としたプラズマＣＶＤ法により３５０℃の温度で第二絶縁膜４（酸化シリコン膜）を４００ｎｍの膜厚に成膜する。引き続き、スパッタリング法によりＩｎＧａＺｎＯ膜を５０ｎｍの膜厚に成膜し、エッチングにより所望の島形状にパターニングして酸化物半導体膜１を形成する。酸化物半導体膜１の組成比率としては、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ：Ｏ＝１：１：１：４を用いることができる。 Next, a method for manufacturing the optical sensor of the second embodiment will be described.
First, an aluminum alloy film is formed on the glass substrate 6 by sputtering and patterned into a predetermined shape, thereby forming the bottom gate electrode 18. Subsequently, the second insulating film 4 (silicon oxide film) is formed to a thickness of 400 nm by a plasma CVD method using a mixed gas of TEOS (Tetraethyl Orthosilicate) and O 2 (oxygen) as a raw material at a temperature of 350 ° C. Subsequently, an InGaZnO film is formed to a thickness of 50 nm by a sputtering method, and is patterned into a desired island shape by etching, whereby the oxide semiconductor film 1 is formed. As the composition ratio of the oxide semiconductor film 1, In: Ga: Zn: O = 1: 1: 1: 4 can be used.

酸化物半導体膜１を形成した後、大気中にて４００℃の温度で１時間のアニール処理を行う。その後、ＳｉＨ4 及びＮ2 Ｏの混合ガスを原料としたプラズマＣＶＤ法により２００℃の温度で酸化シリコン膜を１００ｎｍの膜厚に成膜し、所望の形状にパターニングして保護絶縁膜２２を形成する。引き続き、モリブデン合金、アルミニウム合金をこの順でスパッタリング法により成膜し、所望の形状にパターニングして、ソース電極１４及びドレイン電極１６を形成する。
その後、ＳｉＨ4 及びＮ2 Ｏの混合ガスを原料としたプラズマＣＶＤ法により２００℃の温度で第一絶縁膜２（酸化シリコン膜）を３００ｎｍの膜厚に成膜する。第一絶縁膜２を成膜した後、２００℃の温度で成膜した保護絶縁膜２２及び第一絶縁膜２を改質するために、３００℃〜４００℃の温度でアニール処理を行うこともできる。その後、スパッタリング法によりＩＴＯ膜を成膜し、所望の形状にパターニングすることにより、透明トップゲート電極１２を形成する。 After the oxide semiconductor film 1 is formed, annealing treatment is performed in the atmosphere at a temperature of 400 ° C. for 1 hour. Thereafter, a silicon oxide film is formed to a thickness of 100 nm at a temperature of 200 ° C. by a plasma CVD method using a mixed gas of SiH 4 and N 2 O as a raw material, and patterned into a desired shape to form a protective insulating film 22. To do. Subsequently, a molybdenum alloy and an aluminum alloy are formed in this order by a sputtering method and patterned into a desired shape to form the source electrode 14 and the drain electrode 16.
Thereafter, the first insulating film 2 (silicon oxide film) is formed to a thickness of 300 nm at a temperature of 200 ° C. by plasma CVD using a mixed gas of SiH 4 and N 2 O as a raw material. After the first insulating film 2 is formed, an annealing process may be performed at a temperature of 300 ° C. to 400 ° C. in order to modify the protective insulating film 22 and the first insulating film 2 formed at a temperature of 200 ° C. it can. Thereafter, an ITO film is formed by sputtering and patterned into a desired shape to form the transparent top gate electrode 12.

上述のように構成された光センサにおいて、透明トップゲート電極１２側から波長４００ｎｍ±１０ｎｍの青紫光を酸化物半導体膜１へ照射した。照射光のエネルギー密度は７８μＷ／ｃｍ2 である。このとき、透明トップゲート電極電位１３（Ｖｔｇ）をソース電極電位１５（Ｖｓ）よりも低くし、ドレイン電極電位１７（Ｖｄ）及びボトムゲート電極電位１９（Ｖｂｇ）をソース電極電位１５（Ｖｓ）よりも高くする。
図３Ｂから分かるように、Ｖｔｇ＝−１０ＶまたはＶｔｇ＝−２０Ｖの場合、即ち、Ｖｔｇ＜Ｖｓ（Ｖｓ＝０Ｖ）の状態でボトムゲート電極電位１９（Ｖｂｇ）に正電位を与えると、暗状態時と比べて青紫光照射時でのサブスレッショルド電流が増加しており、高い光感度を示した。また、Ｖｔｇ＝−１０Ｖの時に比べてＶｔｇ＝−２０Ｖの時の方が、暗状態での特性と光照射状態での特性との差が大きくなっており、これは、Ｖｔｇの値を変えることで光感度を制御できることを示している。なお、Ｖｔｇ＝０Ｖの時でも若干の光感度を示しているが、これは波長４００ｎｍの光のエネルギーがＩｎＧａＺｎＯ膜のバンドギャップエネルギーと同等であるため、電子が直接伝導帯に励起されることに起因したものである。このように透明トップゲート電極電位１３（Ｖｔｇ）の値を変えることで、酸化物半導体ＴＦＴの光感度を制御できる点は、本発明の効果の一つである。このような効果を活用して、酸化物半導体ＴＦＴの光感度を増幅し、酸化物半導体ＴＦＴを光センサとして活用することができる。 In the optical sensor configured as described above, the oxide semiconductor film 1 was irradiated with blue-violet light having a wavelength of 400 nm ± 10 nm from the transparent top gate electrode 12 side. The energy density of the irradiation light is 78 μW / cm 2 . At this time, the transparent top gate electrode potential 13 (Vtg) is set lower than the source electrode potential 15 (Vs), and the drain electrode potential 17 (Vd) and the bottom gate electrode potential 19 (Vbg) are set lower than the source electrode potential 15 (Vs). Also make it high.
As can be seen from FIG. 3B, when Vtg = −10 V or Vtg = −20 V, that is, when a positive potential is applied to the bottom gate electrode potential 19 (Vbg) in the state of Vtg <Vs (Vs = 0 V), Compared with, the subthreshold current at the time of blue-violet light irradiation increased, indicating high photosensitivity. In addition, the difference between the characteristics in the dark state and the characteristics in the light irradiation state is larger when Vtg = −20 V than when Vtg = −10 V, which changes the value of Vtg. Indicates that the photosensitivity can be controlled. Although some photosensitivity is shown even when Vtg = 0 V, this is because the energy of light having a wavelength of 400 nm is equivalent to the band gap energy of the InGaZnO film, so that electrons are directly excited to the conduction band. It is caused. One of the effects of the present invention is that the photosensitivity of the oxide semiconductor TFT can be controlled by changing the value of the transparent top gate electrode potential 13 (Vtg) in this way. By utilizing such an effect, the photosensitivity of the oxide semiconductor TFT can be amplified, and the oxide semiconductor TFT can be used as an optical sensor.

（第３実施形態）
図４は、本発明の第３実施形態に係る光センサを示す図である。図４Ａは、第３実施形態に係る光センサの断面図であり、図４Ｂは、第３実施形態に係る光センサに波長７００ｎｍ±１０ｎｍの光を照射した場合の光センシング特性を示すグラフである。第３実施形態に係る光センサは、デュアルゲート型酸化物半導体ＴＦＴを用いて形成されている。 (Third embodiment)
FIG. 4 is a view showing an optical sensor according to the third embodiment of the present invention. FIG. 4A is a cross-sectional view of the optical sensor according to the third embodiment, and FIG. 4B is a graph showing optical sensing characteristics when the optical sensor according to the third embodiment is irradiated with light having a wavelength of 700 nm ± 10 nm. . The photosensor according to the third embodiment is formed using a dual gate type oxide semiconductor TFT.

第３実施形態の光センサは、第２実施形態の光センサと同じ構造を有する。第３実施形態の光センサにおいて、可視光に対して透明な透明トップゲート電極１２側から酸化物半導体膜１中へ赤色光２１（例えば、波長が７００ｎｍ±１０ｎｍの光）を入射する。その際、透明トップゲート電極電位１３をソース電極電位１５よりも低くし、ドレイン電極電位１７はソース電極電位１５よりも高くし、ボトムゲート電極電位１９はソース電極電位１５よりも高くする。   The photosensor of the third embodiment has the same structure as the photosensor of the second embodiment. In the optical sensor of the third embodiment, red light 21 (for example, light having a wavelength of 700 nm ± 10 nm) is incident on the oxide semiconductor film 1 from the transparent top gate electrode 12 side that is transparent to visible light. At that time, the transparent top gate electrode potential 13 is set lower than the source electrode potential 15, the drain electrode potential 17 is set higher than the source electrode potential 15, and the bottom gate electrode potential 19 is set higher than the source electrode potential 15.

図４Ｂには、ドレイン電極電位１７（Ｖｄ）＝１Ｖ、ソース電極電位１５（Ｖｓ）＝０Ｖとした時のボトムゲート電極電位１９（Ｖｂｇ）に対するドレイン電流（Ｉｄ）の特性（Ｖｂｇ−Ｉｄ特性）を示している。また、図４Ｂには、透明トップゲート電極電位１３（Ｖｔｇ）をパラメータとし、Ｖｔｇ＝０Ｖ、Ｖｔｇ＝−１０Ｖ、Ｖｔｇ＝−２０Ｖとした場合のＶｂｇ−Ｉｄ特性をそれぞれ示している。図４Ｂ中の破線は、光を照射しない状態（暗状態）での特性を示し、実線は、波長７００ｎｍ±１０ｎｍの光を照射した状態（光照射状態）での特性を示す。なお、ハロゲン光源（島津製作所製のハロゲンランプユニットＡＴ−１００ＨＧ）及び分光器（島津製作所製の分光器ＳＰＧ−１２０Ｓ）によって生成された単色光（中心波長±１０ｎｍのバンド幅）をファイバを用いて透明トップゲート電極１２側から照射した。   FIG. 4B shows the drain current (Id) characteristics (Vbg-Id characteristics) with respect to the bottom gate electrode potential 19 (Vbg) when the drain electrode potential 17 (Vd) = 1 V and the source electrode potential 15 (Vs) = 0 V. Is shown. FIG. 4B shows Vbg-Id characteristics when the transparent top gate electrode potential 13 (Vtg) is used as a parameter and Vtg = 0 V, Vtg = −10 V, and Vtg = −20 V. The broken line in FIG. 4B indicates the characteristic in a state where light is not irradiated (dark state), and the solid line indicates the characteristic in a state where light having a wavelength of 700 nm ± 10 nm is irradiated (light irradiation state). Monochromatic light (bandwidth of center wavelength ± 10 nm) generated by a halogen light source (halogen lamp unit AT-100HG manufactured by Shimadzu Corporation) and a spectroscope (spectrometer SPG-120S manufactured by Shimadzu Corporation) is used with a fiber. Irradiation was performed from the transparent top gate electrode 12 side.

図４Ｂから分かるように、ソース電極電位１５（Ｖｓ＝０Ｖ）よりも透明トップゲート電極電位１３（Ｖｔｇ）を低くし、特にＶｔｇ＝−２０Ｖとした場合には、暗状態での特性に比べて光照射状態での特性におけるサブスレッショルド電流が大きくなっている。また、動作状態においても、ボトムゲート電極電位１９（Ｖｂｇ）はソース電極電位１５（Ｖｓ）よりも高くなっている。これは、第２実施形態で示した青色光の照射時と同様に、赤色光の照射時においても、透明トップゲート電極電位１３（Ｖｔｇ）を低くすればするほど酸化物半導体ＴＦＴの光感度が高くなっていることを示している。酸化物半導体の典型的なバンドギャップエネルギーは３．０〜３．５ｅＶであるので、図４Ｂに示す結果は、酸化物半導体のバンドギャップエネルギーよりもかなり小さなエネルギーの光に対する光感度機能を酸化物半導体ＴＦＴに付与できることを示している（波長が７００ｎｍの光のエネルギーは約１．８ｅＶ）。   As can be seen from FIG. 4B, when the transparent top gate electrode potential 13 (Vtg) is set lower than the source electrode potential 15 (Vs = 0 V), and in particular when Vtg = −20 V, it is compared with the characteristics in the dark state. The subthreshold current in the characteristics in the light irradiation state is large. Even in the operating state, the bottom gate electrode potential 19 (Vbg) is higher than the source electrode potential 15 (Vs). Similar to the blue light irradiation shown in the second embodiment, the lower the transparent top gate electrode potential 13 (Vtg), the lower the photosensitivity of the oxide semiconductor TFT during the red light irradiation. It shows that it is high. Since the typical band gap energy of an oxide semiconductor is 3.0 to 3.5 eV, the result shown in FIG. 4B shows that the photosensitivity function with respect to light having energy much smaller than the band gap energy of the oxide semiconductor is obtained. This indicates that the semiconductor TFT can be applied (the energy of light having a wavelength of 700 nm is about 1.8 eV).

従来技術では、バンドギャップエネルギーよりも小さなエネルギーの赤色光に感度を示す酸化物半導体ＴＦＴは存在しなかった。これは、非特許文献１に開示してあり、非特許文献２にも、５５０ｎｍ以上の波長の光に対して酸化物半導体ＴＦＴが感度を示さないというデータが開示されている。
第３実施形態では、このようにソース電極電位１５（Ｖｓ）よりも透明トップゲート電極電位１３（Ｖｔｇ）を低くすることにより、バンドギャップエネルギーよりも低エネルギーの光に対する光感度を酸化物半導体ＴＦＴに付与し、酸化物半導体ＴＦＴを可視光領域全体の光センサとして活用できる。 In the prior art, there has been no oxide semiconductor TFT exhibiting sensitivity to red light having energy smaller than the band gap energy. This is disclosed in Non-Patent Document 1, and Non-Patent Document 2 also discloses data that the oxide semiconductor TFT does not show sensitivity to light having a wavelength of 550 nm or more.
In the third embodiment, by making the transparent top gate electrode potential 13 (Vtg) lower than the source electrode potential 15 (Vs) as described above, the oxide semiconductor TFT has a light sensitivity to light having energy lower than the band gap energy. The oxide semiconductor TFT can be used as a photosensor for the entire visible light region.

（実施例３）
以下に、第３実施形態のデュアルゲート型酸化物半導体ＴＦＴを用いて形成される光センサに関する実施例３について説明する。
本実施例３の光センサでは、第２実施形態と同様に、酸化物半導体膜１としてＩｎＧａＺｎＯ膜を用いる。また、保護絶縁膜２２及び第一絶縁膜２として酸化シリコン膜を用い、透明トップゲート電極１２としてＩＴＯ膜を用い、ボトムゲート電極１８としてアルミニウム合金からなる電極を用いる。本実施例３では、第二絶縁膜４として、酸化シリコン膜と窒化シリコン膜とを積層した積層膜を用い、ソース電極１４及びドレイン電極１６として、チタン膜、アルミニウム合金膜、チタン膜が３層に積層された電極を用いる。 (Example 3)
Hereinafter, Example 3 relating to an optical sensor formed using the dual-gate oxide semiconductor TFT according to the third embodiment will be described.
In the optical sensor of Example 3, an InGaZnO film is used as the oxide semiconductor film 1 as in the second embodiment. Further, a silicon oxide film is used as the protective insulating film 22 and the first insulating film 2, an ITO film is used as the transparent top gate electrode 12, and an electrode made of an aluminum alloy is used as the bottom gate electrode 18. In the third embodiment, a laminated film in which a silicon oxide film and a silicon nitride film are laminated is used as the second insulating film 4, and a titanium film, an aluminum alloy film, and a titanium film are used as the source electrode 14 and the drain electrode 16 in three layers. An electrode laminated on the substrate is used.

本実施例３では、酸化物半導体膜１であるＩｎＧａＺｎＯ膜の上側に、酸化シリコンからなる保護絶縁膜２２及び第一絶縁膜２である酸化シリコン膜が形成され、更にその上側に、透明トップゲート電極１２であるＩＴＯ膜が形成されている。また、ＩｎＧａＺｎＯ膜の下側に、第二絶縁膜４である酸化シリコン膜及び窒化シリコン膜を積層した積層膜と、アルミニウム合金からなるボトムゲート電極１８とが形成されている。このように形成された酸化物半導体膜１は、ボトムゲート電極１８を下側にしてガラス基板６の上面に形成されている。また、ＩｎＧａＺｎＯ膜（酸化物半導体膜１）の左右両端にソース電極１４及びドレイン電極１６が形成されている。ソース電極１４は、保護絶縁膜２２の左端の一部と重なり、且つ酸化物半導体膜１の左端側と直接接する領域に形成してあり、ドレイン電極１６は、保護絶縁膜２２の右端の一部と重なり、且つ酸化物半導体膜１の右端側と直接接する領域に形成してある。ソース電極１４及びドレイン電極１６は、チタン膜、アルミニウム合金膜、チタン膜が積層されて構成してあり、下層のチタン膜が酸化物半導体膜１と接するように配置されている。   In the third embodiment, a protective insulating film 22 made of silicon oxide and a silicon oxide film that is the first insulating film 2 are formed on the upper side of the InGaZnO film that is the oxide semiconductor film 1, and a transparent top gate is further formed on the upper side. An ITO film as the electrode 12 is formed. Further, a laminated film in which a silicon oxide film and a silicon nitride film as the second insulating film 4 are laminated and a bottom gate electrode 18 made of an aluminum alloy are formed below the InGaZnO film. The oxide semiconductor film 1 thus formed is formed on the upper surface of the glass substrate 6 with the bottom gate electrode 18 facing downward. A source electrode 14 and a drain electrode 16 are formed on the left and right ends of the InGaZnO film (oxide semiconductor film 1). The source electrode 14 is formed in a region that overlaps with a part of the left end of the protective insulating film 22 and is in direct contact with the left end side of the oxide semiconductor film 1, and the drain electrode 16 is a part of the right end of the protective insulating film 22. And in a region in direct contact with the right end side of the oxide semiconductor film 1. The source electrode 14 and the drain electrode 16 are formed by stacking a titanium film, an aluminum alloy film, and a titanium film, and are arranged so that the lower titanium film is in contact with the oxide semiconductor film 1.

本実施例３の光センサは、ソース電極電位１５よりも低い透明トップゲート電極電位１３を透明トップゲート電極１２に印加する機構を有し、ソース電極電位１５よりも高いドレイン電極電位１７をドレイン電極１６に印加する機構を有する。更に、本実施例３の光センサは、ソース電極電位１５よりも高いボトムゲート電極電位１９をボトムゲート電極１８に印加する機能を有する。このような構成の光センサは、透明トップゲート電極１２側から酸化物半導体膜１内へ赤色光を導入する機構を有する。   The optical sensor according to the third embodiment has a mechanism for applying a transparent top gate electrode potential 13 lower than the source electrode potential 15 to the transparent top gate electrode 12, and applies a drain electrode potential 17 higher than the source electrode potential 15 to the drain electrode. 16 is applied. Further, the photosensor of the third embodiment has a function of applying a bottom gate electrode potential 19 higher than the source electrode potential 15 to the bottom gate electrode 18. The photosensor having such a configuration has a mechanism for introducing red light into the oxide semiconductor film 1 from the transparent top gate electrode 12 side.

次に、本実施例３の光センサの製造方法について説明する。
まず、ガラス基板６上に、スパッタリング法によりアルミニウム合金を成膜し、所定の形状にパターニングすることにより、ボトムゲート電極１８を形成する。続いて、プラズマＣＶＤ法により３５０℃の温度で、窒化シリコン膜、酸化シリコン膜の順で合計膜厚が４００ｎｍとなるように第二絶縁膜４を成膜する。引き続き、スパッタリング法によりＩｎＧａＺｎＯ膜を３０ｎｍの膜厚に成膜し、エッチングにより所望の島形状にパターニングして酸化物半導体膜１を形成する。酸化物半導体膜１の組成比率としては、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ：Ｏ＝１：１：１：４を用いることができる。 Next, a method for manufacturing the optical sensor according to the third embodiment will be described.
First, an aluminum alloy film is formed on the glass substrate 6 by sputtering and patterned into a predetermined shape, thereby forming the bottom gate electrode 18. Subsequently, the second insulating film 4 is formed by a plasma CVD method at a temperature of 350 ° C. so that the total film thickness is 400 nm in the order of the silicon nitride film and the silicon oxide film. Subsequently, an InGaZnO film is formed to a thickness of 30 nm by a sputtering method, and is patterned into a desired island shape by etching, whereby the oxide semiconductor film 1 is formed. As the composition ratio of the oxide semiconductor film 1, In: Ga: Zn: O = 1: 1: 1: 4 can be used.

酸化物半導体膜１を形成した後、大気中にて４００℃の温度で１時間のアニール処理を行う。その後、ＳｉＨ4 及びＮ2 Ｏの混合ガスを原料としたプラズマＣＶＤ法により２００℃の温度で、酸化シリコン膜を１００ｎｍの膜厚に成膜し、所望の形状にパターニングして保護絶縁膜２２を形成する。引き続き、チタン、アルミニウム合金、チタンの順でスパッタリング法により３層膜を成膜し、所望の形状にパターニングして、ソース電極１４及びドレイン電極１６を形成する。
その後、ＳｉＨ4 及びＮ2 Ｏの混合ガスを原料としたプラズマＣＶＤ法により２００℃の温度で第一絶縁膜２（酸化シリコン膜）を３００ｎｍの膜厚に成膜する。第一絶縁膜２を成膜した後、２００℃の温度で成膜した保護絶縁膜２２及び第一絶縁膜２を改質するために、３００℃〜４００℃の温度でアニール処理を行うこともできる。その後、スパッタリング法によりＩＴＯ膜を成膜し、所望の形状にパターニングすることにより、透明トップゲート電極１２を形成する。 After the oxide semiconductor film 1 is formed, annealing treatment is performed in the atmosphere at a temperature of 400 ° C. for 1 hour. Thereafter, a silicon oxide film is formed to a thickness of 100 nm by a plasma CVD method using a mixed gas of SiH 4 and N 2 O as a raw material at a temperature of 200 ° C., and patterned into a desired shape to form the protective insulating film 22. Form. Subsequently, a three-layer film is formed by sputtering in the order of titanium, an aluminum alloy, and titanium, and patterned into a desired shape to form the source electrode 14 and the drain electrode 16.
Thereafter, the first insulating film 2 (silicon oxide film) is formed to a thickness of 300 nm at a temperature of 200 ° C. by plasma CVD using a mixed gas of SiH 4 and N 2 O as a raw material. After the first insulating film 2 is formed, an annealing process may be performed at a temperature of 300 ° C. to 400 ° C. in order to modify the protective insulating film 22 and the first insulating film 2 formed at a temperature of 200 ° C. it can. Thereafter, an ITO film is formed by sputtering and patterned into a desired shape to form the transparent top gate electrode 12.

上述のように構成された光センサにおいて、透明トップゲート電極１２側から波長７００ｎｍ±１０ｎｍの赤色光２１を酸化物半導体膜１へ照射した。照射光のエネルギー密度は７８μＷ／ｃｍ2 である。このとき、透明トップゲート電極電位１３（Ｖｔｇ）をソース電極電位１５（Ｖｓ）よりも低くし、ドレイン電極電位１７（Ｖｄ）及びボトムゲート電極電位１９（Ｖｂｇ）をソース電極電位１５（Ｖｓ）よりも高くする。
図４Ｂから分かるように、Ｖｔｇ＝０ＶまたはＶｔｇ＝−１０Ｖの場合、暗状態での特性と光照射状態での特性との差は小さい（即ち、光感度が非常に小さい）。しかし、Ｖｔｇ＝−２０Ｖの場合では、ボトムゲート電極電位１９（Ｖｂｇ）に正電位を与えると、暗状態時と比べて赤色光照射時でのサブスレッショルド電流が増加しており、高い光感度を示した。 In the optical sensor configured as described above, the oxide semiconductor film 1 was irradiated with red light 21 having a wavelength of 700 nm ± 10 nm from the transparent top gate electrode 12 side. The energy density of the irradiation light is 78 μW / cm 2 . At this time, the transparent top gate electrode potential 13 (Vtg) is set lower than the source electrode potential 15 (Vs), and the drain electrode potential 17 (Vd) and the bottom gate electrode potential 19 (Vbg) are set lower than the source electrode potential 15 (Vs). Also make it high.
As can be seen from FIG. 4B, when Vtg = 0V or Vtg = −10V, the difference between the characteristics in the dark state and the characteristics in the light irradiation state is small (that is, the photosensitivity is very small). However, in the case of Vtg = −20V, if a positive potential is applied to the bottom gate electrode potential 19 (Vbg), the subthreshold current at the time of red light irradiation is increased compared with the dark state, and high photosensitivity is obtained. Indicated.

このように酸化物半導体のバンドギャップエネルギー（３．０〜３．５ｅＶ）よりもかなり小さなエネルギーの赤色光（波長が７００ｎｍの光のエネルギーは約１．８ｅＶ）に対する光感度機能を酸化物半導体ＴＦＴに付与できる点は、従来技術では不可能であった本発明の重要な効果である。また、図４Ｂに示すような測定を２０℃〜８０℃の温度範囲で行ったところ、光照射時の電流値は温度変化に対してほとんど変化しなかった。このような小さい温度依存性は酸化物半導体ならではの物性に起因するものであり、本発明の重要な効果である。このような効果を活用して、酸化物半導体ＴＦＴの光感度を増幅し、酸化物半導体ＴＦＴを青紫色から赤色にわたる可視光センサとして活用することができる。   As described above, the oxide semiconductor TFT has a photosensitivity function for red light (energy of light having a wavelength of 700 nm is about 1.8 eV) which is considerably smaller than the band gap energy (3.0 to 3.5 eV) of the oxide semiconductor. This is an important effect of the present invention that was not possible with the prior art. Moreover, when the measurement as shown to FIG. 4B was performed in the temperature range of 20 to 80 degreeC, the electric current value at the time of light irradiation hardly changed with respect to the temperature change. Such a small temperature dependency is caused by physical properties unique to an oxide semiconductor, and is an important effect of the present invention. By utilizing such an effect, the photosensitivity of the oxide semiconductor TFT can be amplified, and the oxide semiconductor TFT can be used as a visible light sensor ranging from violet to red.

（実施例４）
以下に、第３実施形態の光センサに関する実施例４について説明する。なお、本実施例４は、上述した実施例３の変形例であり、また、第２実施形態で説明した実施例２の変形例でもある。
第２実施形態の実施例２及び第３実施形態の実施例３では、保護絶縁膜２２を有するエッチストップ型（チャネル保護型）の酸化物半導体ＴＦＴを用いた光センサについて説明した。光センサに用いる酸化物半導体ＴＦＴの構造はエッチストップ型に限られるわけではなく、保護絶縁膜２２を有しない所謂チャネルエッチ型でもよい。よって、本実施例４では、チャネルエッチ型の酸化物半導体ＴＦＴを用いて形成された光センサについて説明する。なお、保護絶縁膜２２を有しないこと以外は、第３実施形態の実施例３及び第２実施形態の実施例２と同様の構成である。 Example 4
Example 4 relating to the optical sensor of the third embodiment will be described below. The fourth embodiment is a modification of the third embodiment described above, and is a modification of the second embodiment described in the second embodiment.
In Example 2 of the second embodiment and Example 3 of the third embodiment, the optical sensor using the etch stop type (channel protection type) oxide semiconductor TFT having the protective insulating film 22 has been described. The structure of the oxide semiconductor TFT used for the optical sensor is not limited to the etch stop type, but may be a so-called channel etch type without the protective insulating film 22. Therefore, in the fourth embodiment, an optical sensor formed using a channel-etch type oxide semiconductor TFT will be described. The configuration is the same as that of Example 3 of the third embodiment and Example 2 of the second embodiment except that the protective insulating film 22 is not provided.

図５Ａは、第３実施形態の実施例４に係る光センサの断面図である。
本実施例４では、実施例２，３と同様に、酸化物半導体膜１としてＩｎＧａＺｎＯ膜を用い、第一絶縁膜２として酸化シリコン膜を用い、透明トップゲート電極１２としてＩＴＯ膜を用い、ボトムゲート電極１８としてアルミニウム合金からなる電極を用いる。また、ソース電極１４及びドレイン電極１６は、上述の実施例３と同様に、チタン膜、アルミニウム合金膜、チタン膜が３層に積層された電極を用いる。なお、本実施例４では、第二絶縁膜４として、酸化シリコン膜と酸化アルミニウム膜とを積層した積層膜を用いる。 FIG. 5A is a cross-sectional view of the photosensor according to Example 4 of the third embodiment.
In Example 4, as in Examples 2 and 3, an InGaZnO film is used as the oxide semiconductor film 1, a silicon oxide film is used as the first insulating film 2, an ITO film is used as the transparent top gate electrode 12, and the bottom An electrode made of an aluminum alloy is used as the gate electrode 18. As the source electrode 14 and the drain electrode 16, an electrode in which a titanium film, an aluminum alloy film, and a titanium film are laminated in three layers is used as in the above-described third embodiment. In the fourth embodiment, a laminated film in which a silicon oxide film and an aluminum oxide film are laminated is used as the second insulating film 4.

本実施例４では、酸化物半導体膜１であるＩｎＧａＺｎＯ膜の上側に第一絶縁膜２である酸化シリコン膜が形成され、更にその上側に、透明トップゲート電極１２であるＩＴＯ膜が形成されている。また、ＩｎＧａＺｎＯ膜の下側に、第二絶縁膜４である酸化シリコン膜及び酸化アルミニウム膜を積層した積層膜と、アルミニウム合金からなるボトムゲート電極１８とが形成されている。このように形成された酸化物半導体膜１は、ボトムゲート電極１８を下側にしてガラス基板６の上面に形成されている。また、ＩｎＧａＺｎＯ膜（酸化物半導体膜１）の左右両端のそれぞれに直接接する領域にソース電極１４及びドレイン電極１６が形成されている。   In the fourth embodiment, a silicon oxide film that is the first insulating film 2 is formed on the upper side of the InGaZnO film that is the oxide semiconductor film 1, and an ITO film that is the transparent top gate electrode 12 is further formed on the upper side. Yes. A laminated film in which a silicon oxide film and an aluminum oxide film as the second insulating film 4 are laminated and a bottom gate electrode 18 made of an aluminum alloy are formed below the InGaZnO film. The oxide semiconductor film 1 thus formed is formed on the upper surface of the glass substrate 6 with the bottom gate electrode 18 facing downward. In addition, a source electrode 14 and a drain electrode 16 are formed in regions directly in contact with the left and right ends of the InGaZnO film (oxide semiconductor film 1).

本実施例４の光センサは、ソース電極電位１５よりも低い透明トップゲート電極電位１３を透明トップゲート電極１２に印加する機構を有し、ソース電極電位１５よりも高いドレイン電極電位１７をドレイン電極１６に印加する機構を有する。更に、本実施例４の光センサは、ソース電極電位１５よりも高いボトムゲート電極電位１９をボトムゲート電極１８に印加する機能を有する。このような構成の光センサは、透明トップゲート電極１２側から酸化物半導体膜１内へ光９を導入する機構を有する。   The optical sensor of the fourth embodiment has a mechanism for applying a transparent top gate electrode potential 13 lower than the source electrode potential 15 to the transparent top gate electrode 12, and applies a drain electrode potential 17 higher than the source electrode potential 15 to the drain electrode. 16 is applied. Further, the photosensor of the fourth embodiment has a function of applying a bottom gate electrode potential 19 higher than the source electrode potential 15 to the bottom gate electrode 18. The optical sensor having such a configuration has a mechanism for introducing light 9 into the oxide semiconductor film 1 from the transparent top gate electrode 12 side.

次に、本実施例４の光センサの製造方法について説明する。
まず、ガラス基板６上に、スパッタリング法によりアルミニウム合金を成膜し、所定の形状にパターニングすることにより、ボトムゲート電極１８を形成する。続いて、プラズマＣＶＤ法により３５０℃の温度で、酸化シリコン膜、酸化アルミニウム膜の順で合計膜厚が４００ｎｍとなるように第二絶縁膜４を成膜する。引き続き、スパッタリング法によりＩｎＧａＺｎＯ膜を７０ｎｍの膜厚に成膜し、エッチングにより所望の島形状にパターニングして酸化物半導体膜１を形成する。酸化物半導体膜１の組成比率としては、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ：Ｏ＝１：１：１：４を用いることができる。 Next, a method for manufacturing the optical sensor according to the fourth embodiment will be described.
First, an aluminum alloy film is formed on the glass substrate 6 by sputtering and patterned into a predetermined shape, thereby forming the bottom gate electrode 18. Subsequently, the second insulating film 4 is formed by plasma CVD at a temperature of 350 ° C. so that the total film thickness becomes 400 nm in the order of the silicon oxide film and the aluminum oxide film. Subsequently, an InGaZnO film is formed to a thickness of 70 nm by a sputtering method, and is patterned into a desired island shape by etching, whereby the oxide semiconductor film 1 is formed. As the composition ratio of the oxide semiconductor film 1, In: Ga: Zn: O = 1: 1: 1: 4 can be used.

酸化物半導体膜１を形成した後、大気中にて４００℃の温度で１時間のアニール処理を行う。引き続き、チタン、アルミニウム合金、チタンの順でスパッタリング法により３層膜を成膜し、所望の形状にパターニングして、ソース電極１４及びドレイン電極１６を形成する。その後、ＳｉＨ4 及びＮ2 Ｏの混合ガスを原料としたプラズマＣＶＤ法により２５０℃の温度で第一絶縁膜２（酸化シリコン膜）を３００ｎｍの膜厚に成膜する。第一絶縁膜２を成膜した後、２５０℃の温度で成膜した第一絶縁膜２を改質するために、３００℃〜４００℃の温度でアニール処理を行うこともできる。その後、スパッタリング法によりＩＴＯ膜を成膜し、所望の形状にパターニングすることにより、透明トップゲート電極１２を形成する。 After the oxide semiconductor film 1 is formed, annealing treatment is performed in the atmosphere at a temperature of 400 ° C. for 1 hour. Subsequently, a three-layer film is formed by sputtering in the order of titanium, an aluminum alloy, and titanium, and patterned into a desired shape to form the source electrode 14 and the drain electrode 16. Thereafter, the first insulating film 2 (silicon oxide film) is formed to a thickness of 300 nm at a temperature of 250 ° C. by plasma CVD using a mixed gas of SiH 4 and N 2 O as a raw material. After the first insulating film 2 is formed, an annealing treatment can be performed at a temperature of 300 ° C. to 400 ° C. in order to modify the first insulating film 2 formed at a temperature of 250 ° C. Thereafter, an ITO film is formed by sputtering and patterned into a desired shape to form the transparent top gate electrode 12.

図５Ａに示すように保護絶縁膜を有しない構造においても、ソース電極電位１５よりも低い電位を透明トップゲート電極電位１３として透明トップゲート電極１２に与えることにより、図３Ｂ，図４Ｂに示すような光感度機能を酸化物半導体ＴＦＴに付与することができる。透明トップゲート電極電位１３（Ｖｔｇ）をソース電極電位１５（Ｖｓ）よりも低くし、ドレイン電極電位１７（Ｖｄ）及びボトムゲート電極電位１９（Ｖｂｇ）をソース電極電位１５（Ｖｓ）よりも高くしたバイアス状態で、透明トップゲート電極１２側から光９を酸化物半導体膜１へ照射したところ、暗状態時と比べて赤色光照射時でのサブスレッショルド電流が増加し、高い光感度を示した。   As shown in FIGS. 5B and 4B, even in the structure having no protective insulating film as shown in FIG. 5A, by applying a potential lower than the source electrode potential 15 to the transparent top gate electrode 12 as the transparent top gate electrode potential 13, as shown in FIGS. It is possible to provide a light sensitivity function to the oxide semiconductor TFT. The transparent top gate electrode potential 13 (Vtg) was made lower than the source electrode potential 15 (Vs), and the drain electrode potential 17 (Vd) and the bottom gate electrode potential 19 (Vbg) were made higher than the source electrode potential 15 (Vs). When the light 9 was irradiated to the oxide semiconductor film 1 from the transparent top gate electrode 12 side in the bias state, the subthreshold current at the time of red light irradiation increased compared with the dark state, and high photosensitivity was shown.

図５Ｂ及び図５Ｃは、第３実施形態の実施例４の変形例に係る光センサの断面図である。図５Ａに示す例では、透明トップゲート電極１２側から光９を照射したが、図５Ｂに示すように、透明ではないボトムゲート電極１８側から光９を照射しても良い。この場合、ボトムゲート電極１８が透明でないので、光９はボトムゲート電極１８により遮蔽されるが、ボトムゲート電極１８のエッジ部（周縁部分）での光の回折により、酸化物半導体膜１へ光が回り込む。この回り込んだ光により酸化物半導体膜１内部で電子が励起され、これにより、光９を透明トップゲート電極１２側から照射した場合と同様の光感度が得られ、本発明の効果を実現することができる。
また、図５Ｃに示すように、酸化物半導体膜１の上側の透明トップゲート電極１２と下側のボトムゲート電極１８とが共に透明電極であっても良い。また、この場合に、透明トップゲート電極１２及びボトムゲート電極１８の両側から光９を照射することもできる。もちろん、いずれか一方の側から光９を照射する構成でもよい。 5B and 5C are cross-sectional views of an optical sensor according to a modification of Example 4 of the third embodiment. In the example shown in FIG. 5A, the light 9 is irradiated from the transparent top gate electrode 12 side. However, as shown in FIG. 5B, the light 9 may be irradiated from the bottom gate electrode 18 side that is not transparent. In this case, since the bottom gate electrode 18 is not transparent, the light 9 is shielded by the bottom gate electrode 18, but light is transmitted to the oxide semiconductor film 1 by diffraction of light at the edge portion (peripheral portion) of the bottom gate electrode 18. Goes around. Electrons are excited inside the oxide semiconductor film 1 by this sneak-in light, whereby the same photosensitivity as when the light 9 is irradiated from the transparent top gate electrode 12 side is obtained, and the effect of the present invention is realized. be able to.
Further, as shown in FIG. 5C, the upper transparent top gate electrode 12 and the lower bottom gate electrode 18 of the oxide semiconductor film 1 may both be transparent electrodes. In this case, the light 9 can be irradiated from both sides of the transparent top gate electrode 12 and the bottom gate electrode 18. Of course, the structure which irradiates the light 9 from either one side may be sufficient.

（実施例５）
以下に、第３実施形態の光センサに関する実施例５について説明する。なお、本実施例５は、上述した実施例３，４の変形例であり、また、第２実施形態で説明した実施例２の変形例でもある。
第２実施形態の実施例２及び第３実施形態の実施例３，４では、透明トップゲート電極１２にソース電極電位１５よりも低い電位（透明トップゲート電極電位１３）を与える構成について説明した。透明なゲート電極は、酸化物半導体膜１のトップ側（上側）のみならずボトム側（下側）に配置することも可能である。よって、本実施例５では、ボトムゲート電極を透明なゲート電極にて構成し、ボトムゲート電極側から光９を照射する構成について説明する。 (Example 5)
Example 5 relating to the optical sensor of the third embodiment will be described below. The fifth embodiment is a modification of the third and fourth embodiments described above, and is a modification of the second embodiment described in the second embodiment.
In Example 2 of the second embodiment and Examples 3 and 4 of the third embodiment, the configuration in which the transparent top gate electrode 12 is given a potential lower than the source electrode potential 15 (transparent top gate electrode potential 13) has been described. The transparent gate electrode can be disposed not only on the top side (upper side) but also on the bottom side (lower side) of the oxide semiconductor film 1. Therefore, in the fifth embodiment, a configuration in which the bottom gate electrode is formed of a transparent gate electrode and the light 9 is irradiated from the bottom gate electrode side will be described.

図６は、第３実施形態の実施例５に係る光センサの断面図である。
本実施例５では、酸化物半導体膜１としてＩｎＧａＺｎＯ膜を用い、第一絶縁膜２として酸化シリコン膜を用い、第二絶縁膜４として、酸化シリコン膜と窒化シリコン膜とを積層した積層膜を用い、ソース電極１４及びドレイン電極１６として、チタン膜、アルミニウム合金膜、チタン膜が３層に積層された電極を用いる。また、本実施例５では、トップゲート電極２１として、アルミニウム・ネオジウム合金膜を用い、透明ボトムゲート電極２０としてＩｎＺｎＯ膜を用いる。 FIG. 6 is a cross-sectional view of an optical sensor according to Example 5 of the third embodiment.
In Example 5, an InGaZnO film is used as the oxide semiconductor film 1, a silicon oxide film is used as the first insulating film 2, and a stacked film in which a silicon oxide film and a silicon nitride film are stacked as the second insulating film 4. As the source electrode 14 and the drain electrode 16, an electrode in which a titanium film, an aluminum alloy film, and a titanium film are laminated in three layers is used. In the fifth embodiment, an aluminum / neodymium alloy film is used as the top gate electrode 21, and an InZnO film is used as the transparent bottom gate electrode 20.

本実施例５では、酸化物半導体膜１であるＩｎＧａＺｎＯ膜の上側に第一絶縁膜２である酸化シリコン膜が形成され、更にその上側に、トップゲート電極２１であるアルミニウム・ネオジウム合金膜が形成されている。また、ＩｎＧａＺｎＯ膜の下側に、第二絶縁膜４である酸化シリコン膜及び窒化シリコン膜を積層した積層膜と、透明ボトムゲート電極２０であるＩｎＺｎＯ膜とが形成されている。このように形成された酸化物半導体膜１は、透明ボトムゲート電極２０を下側にしてガラス基板６の上面に形成されている。また、ＩｎＧａＺｎＯ膜（酸化物半導体膜１）の左右両端にソース電極１４及びドレイン電極１６が形成されている。   In the fifth embodiment, a silicon oxide film that is the first insulating film 2 is formed on the upper side of the InGaZnO film that is the oxide semiconductor film 1, and an aluminum-neodymium alloy film that is the top gate electrode 21 is further formed on the upper side. Has been. A laminated film in which a silicon oxide film and a silicon nitride film as the second insulating film 4 are laminated and an InZnO film as the transparent bottom gate electrode 20 are formed below the InGaZnO film. The oxide semiconductor film 1 formed in this way is formed on the upper surface of the glass substrate 6 with the transparent bottom gate electrode 20 facing downward. A source electrode 14 and a drain electrode 16 are formed on the left and right ends of the InGaZnO film (oxide semiconductor film 1).

本実施例５の光センサは、ソース電極電位１５よりも低い透明ボトムゲート電極電位２２−２を透明ボトムゲート電極２０に印加する機構を有し、ソース電極電位１５よりも高いドレイン電極電位１７をドレイン電極１６に印加する機構を有する。更に、本実施例５の光センサは、ソース電極電位１５よりも高いトップゲート電極電位２３をトップゲート電極２１に印加する機能を有する。このような構成の光センサは、透明ボトムゲート電極２０側から酸化物半導体膜１内へ光９を導入する機構を有する。   The optical sensor of the fifth embodiment has a mechanism that applies a transparent bottom gate electrode potential 22-2 lower than the source electrode potential 15 to the transparent bottom gate electrode 20, and has a drain electrode potential 17 higher than the source electrode potential 15. It has a mechanism for applying to the drain electrode 16. Further, the photosensor of the fifth embodiment has a function of applying a top gate electrode potential 23 higher than the source electrode potential 15 to the top gate electrode 21. The optical sensor having such a configuration has a mechanism for introducing light 9 into the oxide semiconductor film 1 from the transparent bottom gate electrode 20 side.

次に、本実施例５の光センサの製造方法について説明する。
まず、ガラス基板６上に、スパッタリング法によりＩｎＺｎＯ膜を成膜し、所定の形状にパターニングすることにより、透明ボトムゲート電極２０を形成する。続いて、プラズマＣＶＤ法により３５０℃の温度で、窒化シリコン膜、酸化シリコン膜の順で合計膜厚が４００ｎｍとなるように第二絶縁膜４を成膜する。引き続き、スパッタリング法によりＩｎＧａＺｎＯ膜を７０ｎｍの膜厚に成膜し、エッチングにより所望の島形状にパターニングして酸化物半導体膜１を形成する。酸化物半導体膜１の組成比率としては、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ：Ｏ＝１：１：１：４を用いることができる。 Next, a method for manufacturing the optical sensor according to the fifth embodiment will be described.
First, an InZnO film is formed on the glass substrate 6 by a sputtering method and patterned into a predetermined shape, thereby forming the transparent bottom gate electrode 20. Subsequently, the second insulating film 4 is formed by a plasma CVD method at a temperature of 350 ° C. so that the total film thickness is 400 nm in the order of the silicon nitride film and the silicon oxide film. Subsequently, an InGaZnO film is formed to a thickness of 70 nm by a sputtering method, and is patterned into a desired island shape by etching, whereby the oxide semiconductor film 1 is formed. As the composition ratio of the oxide semiconductor film 1, In: Ga: Zn: O = 1: 1: 1: 4 can be used.

酸化物半導体膜１を形成した後、大気中にて４００℃の温度で１時間のアニール処理を行う。引き続き、チタン、アルミニウム合金、チタンの順でスパッタリング法により３層膜を成膜し、プラズマエッチングにより所望の形状にパターニングして、ソース電極１４及びドレイン電極１６を形成する。その後、ＳｉＨ4 及びＮ2 Ｏの混合ガスを原料としたプラズマＣＶＤ法により２５０℃の温度で第一絶縁膜２（酸化シリコン膜）を３００ｎｍの膜厚に成膜する。第一絶縁膜２を成膜した後、２５０℃の温度で成膜した第一絶縁膜２を改質するために、３００℃〜４００℃の温度でアニール処理を行うこともできる。その後、スパッタリング法によりアルミニウム・ネオジウム合金膜を成膜し、所望の形状にパターニングすることにより、トップゲート電極１２を形成する。 After the oxide semiconductor film 1 is formed, annealing treatment is performed in the atmosphere at a temperature of 400 ° C. for 1 hour. Subsequently, a three-layer film is formed by sputtering in the order of titanium, an aluminum alloy, and titanium, and patterned into a desired shape by plasma etching to form the source electrode 14 and the drain electrode 16. Thereafter, the first insulating film 2 (silicon oxide film) is formed to a thickness of 300 nm at a temperature of 250 ° C. by plasma CVD using a mixed gas of SiH 4 and N 2 O as a raw material. After the first insulating film 2 is formed, an annealing treatment can be performed at a temperature of 300 ° C. to 400 ° C. in order to modify the first insulating film 2 formed at a temperature of 250 ° C. Thereafter, an aluminum / neodymium alloy film is formed by sputtering and patterned into a desired shape to form the top gate electrode 12.

このように、ボトムゲート電極２０に透明導電性材料を用いた場合、ガラス基板６側から光９を照射することができる。この場合は、ソース電極電位１５よりも低い透明ボトムゲート電極電位２２−２を透明ボトムゲート電極２０に与え、ソース電極電位１５よりも高いトップゲート電極電位２３をトップゲート電極２１に与えることにより、図３Ｂ又は図４Ｂに示すような光感度機能を付与することができる。   Thus, when a transparent conductive material is used for the bottom gate electrode 20, the light 9 can be irradiated from the glass substrate 6 side. In this case, by applying a transparent bottom gate electrode potential 22-2 lower than the source electrode potential 15 to the transparent bottom gate electrode 20, and applying a top gate electrode potential 23 higher than the source electrode potential 15 to the top gate electrode 21, A photosensitivity function as shown in FIG. 3B or FIG. 4B can be provided.

上述の実施例４及び実施例５では、酸化物半導体膜１を形成した後に、ソース電極１４及びドレイン電極１６を形成する製造方法について説明したが、第二絶縁膜４上に先にソース電極１４及びドレイン電極１６を形成し、その後、酸化物半導体膜１を形成することも可能である。   In the above-described Example 4 and Example 5, the manufacturing method of forming the source electrode 14 and the drain electrode 16 after forming the oxide semiconductor film 1 has been described. However, the source electrode 14 is formed on the second insulating film 4 in advance. It is also possible to form the drain electrode 16 and then form the oxide semiconductor film 1.

（実施例６）
以下に、第３実施形態の光センサに関する実施例６について説明する。なお、本実施例６は、上述した第２実施形態及び第３実施形態の実施例３〜５の変形例である。
第２実施形態の実施例２及び第３実施形態の実施例３では、エッチストップ型(チャネル保護型)の酸化物半導体ＴＦＴを光センサに用い、実施例４，５では、チャネルエッチ型の酸化物半導体ＴＦＴを光センサに用いた構成について説明した。光センサに用いる酸化物半導体ＴＦＴの構造はこれらに限られるわけではなく、以下に説明するようなセルフアライン型の構造でも可能である。本実施例６では、セルフアライン型の酸化物半導体ＴＦＴを用いた光センサについて説明する。 (Example 6)
Example 6 relating to the optical sensor of the third embodiment will be described below. The sixth embodiment is a modification of the third to fifth embodiments of the second embodiment and the third embodiment described above.
In Example 2 of the second embodiment and Example 3 of the third embodiment, an etch stop type (channel protection type) oxide semiconductor TFT is used for an optical sensor. In Examples 4 and 5, a channel etch type oxidation is used. The configuration in which the physical semiconductor TFT is used for the optical sensor has been described. The structure of the oxide semiconductor TFT used for the optical sensor is not limited to these, and a self-aligned structure as described below is also possible. In Example 6, an optical sensor using a self-aligned oxide semiconductor TFT will be described.

図７は、第３実施形態の実施例６に係る光センサの断面図である。
本実施例６では、図７Ａに示すように、酸化物半導体膜１であるＩｎＧａＺｎＯ膜の上側に第一絶縁膜２である酸化シリコン膜が形成され、更にその上側に、トップゲート電極２１であるアルミニウム合金膜が形成されている。なお、第一絶縁膜４（酸化シリコン膜）とトップゲート電極２１とはセルフアライン的に同形状に形成されている。また、ＩｎＧａＺｎＯ膜の下側に、第二絶縁膜４である酸化シリコン膜及び窒化シリコン膜を積層した積層膜と、透明ボトムゲート電極２０であるＩＴＯ膜とが形成されている。このように形成された酸化物半導体膜１は、透明ボトムゲート電極２０を下側にしてガラス基板６の上面に形成されている。また、ＩｎＧａＺｎＯ膜（酸化物半導体膜１）の左右両端側にソース電極１４及びドレイン電極１６が形成されている。ソース電極１４及びドレイン電極１６は、チタン膜、アルミニウム合金膜、チタン膜が３層に積層された電極を用い、下層のチタン膜が酸化物半導体膜１と接するように配置されている。 FIG. 7 is a cross-sectional view of an optical sensor according to Example 6 of the third embodiment.
In Example 6, as shown in FIG. 7A, a silicon oxide film that is the first insulating film 2 is formed on the upper side of the InGaZnO film that is the oxide semiconductor film 1, and the top gate electrode 21 is further on the upper side. An aluminum alloy film is formed. The first insulating film 4 (silicon oxide film) and the top gate electrode 21 are formed in the same shape in a self-aligning manner. A laminated film in which a silicon oxide film and a silicon nitride film as the second insulating film 4 are laminated and an ITO film as the transparent bottom gate electrode 20 are formed below the InGaZnO film. The oxide semiconductor film 1 formed in this way is formed on the upper surface of the glass substrate 6 with the transparent bottom gate electrode 20 facing downward. A source electrode 14 and a drain electrode 16 are formed on both left and right sides of the InGaZnO film (oxide semiconductor film 1). As the source electrode 14 and the drain electrode 16, an electrode in which a titanium film, an aluminum alloy film, and a titanium film are stacked in three layers is used, and the lower titanium film is disposed in contact with the oxide semiconductor film 1.

本実施例６の光センサは、ソース電極電位１５よりも低い透明ボトムゲート電極電位２２−２を透明ボトムゲート電極２０に印加する機構を有し、ソース電極電位１５よりも高いドレイン電極電位１７をドレイン電極１６に印加する機構を有する。更に、本実施例６の光センサは、ソース電極電位１５よりも高いトップゲート電極電位２３をトップゲート電極２１に印加する機能を有する。このような構成の光センサは、透明ボトムゲート電極２０側から酸化物半導体膜１内へ光９を導入する機構を有する。   The optical sensor of the sixth embodiment has a mechanism for applying a transparent bottom gate electrode potential 22-2 lower than the source electrode potential 15 to the transparent bottom gate electrode 20, and has a drain electrode potential 17 higher than the source electrode potential 15. It has a mechanism for applying to the drain electrode 16. Further, the photosensor of the sixth embodiment has a function of applying a top gate electrode potential 23 higher than the source electrode potential 15 to the top gate electrode 21. The optical sensor having such a configuration has a mechanism for introducing light 9 into the oxide semiconductor film 1 from the transparent bottom gate electrode 20 side.

次に、本実施例６の光センサの製造方法について説明する。
まず、ガラス基板６上に、スパッタリング法によりＩＴＯ膜を成膜し、所定の形状にパターニングすることにより、透明ボトムゲート電極２０を形成する。続いて、プラズマＣＶＤ法により３５０℃の温度で、窒化シリコン膜、酸化シリコン膜の順で合計膜厚が４００ｎｍとなるように第二絶縁膜４を成膜する。引き続き、スパッタリング法によりＩｎＧａＺｎＯ膜を７０ｎｍの膜厚に成膜し、エッチングにより所望の島形状にパターニングして酸化物半導体膜１を形成する。 Next, a method for manufacturing the optical sensor according to the sixth embodiment will be described.
First, an ITO film is formed on the glass substrate 6 by a sputtering method and patterned into a predetermined shape, thereby forming the transparent bottom gate electrode 20. Subsequently, the second insulating film 4 is formed by a plasma CVD method at a temperature of 350 ° C. so that the total film thickness is 400 nm in the order of the silicon nitride film and the silicon oxide film. Subsequently, an InGaZnO film is formed to a thickness of 70 nm by a sputtering method, and is patterned into a desired island shape by etching, whereby the oxide semiconductor film 1 is formed.

酸化物半導体膜１を形成した後、４５０℃の温度で１時間のアニール処理を行う。引き続き、ＳｉＨ4 及びＮ2 Ｏの混合ガスを原料としたプラズマＣＶＤ法により２５０℃の温度で第一絶縁膜２（酸化シリコン膜）を３００ｎｍの膜厚に成膜する。第一絶縁膜２を成膜した後、２５０℃の温度で成膜した第一絶縁膜２を改質するために、３００℃〜４００℃の温度でアニール処理を行うこともできる。その後、スパッタリング法によりアルミニウム合金膜を成膜し、アルミニウム合金膜と酸化シリコン膜（第一絶縁膜２）とを所望の形状にパターニングして、トップゲート電極２１と第一絶縁膜２との積層膜を形成する。第一絶縁膜２のエッチング時にＩｎＧａＺｎＯ膜の表面の露出した部分は、エッチングガスやエッチング液との化学反応で酸素欠損密度が高くなるため、抵抗率が小さくなる。従って、この部分はソース・ドレイン領域として作用する。 After the oxide semiconductor film 1 is formed, annealing treatment is performed at a temperature of 450 ° C. for 1 hour. Subsequently, the first insulating film 2 (silicon oxide film) is formed to a thickness of 300 nm at a temperature of 250 ° C. by a plasma CVD method using a mixed gas of SiH 4 and N 2 O as a raw material. After the first insulating film 2 is formed, an annealing treatment can be performed at a temperature of 300 ° C. to 400 ° C. in order to modify the first insulating film 2 formed at a temperature of 250 ° C. Thereafter, an aluminum alloy film is formed by sputtering, the aluminum alloy film and the silicon oxide film (first insulating film 2) are patterned into a desired shape, and the top gate electrode 21 and the first insulating film 2 are stacked. A film is formed. The exposed portion of the surface of the InGaZnO film at the time of etching the first insulating film 2 has a low oxygen resistivity because the oxygen deficiency density is increased by a chemical reaction with an etching gas or an etchant. Therefore, this part acts as a source / drain region.

引き続き、ＳｉＨ4 及びＮ2 Ｏの混合ガスを原料としたプラズマＣＶＤ法により２５０℃の温度で層間膜２３−２（酸化シリコン膜）を３００ｎｍの膜厚に成膜する。この層間膜２３−２の所望の位置にコンタクトホールを形成し、その後、チタン、アルミニウム合金、チタンの順でスパッタリング法により３層膜をコンタクトホールに成膜してソース電極１４及びドレイン電極１６を形成する。更に、プラズマＣＶＤ法により２５０℃の温度でパッシベーション膜２３−３として窒化シリコン膜を２００ｎｍの膜厚に成膜する。 Subsequently, an interlayer film 23-2 (silicon oxide film) is formed to a thickness of 300 nm at a temperature of 250 ° C. by plasma CVD using a mixed gas of SiH 4 and N 2 O as a raw material. A contact hole is formed at a desired position of the interlayer film 23-2, and then a three-layer film is formed on the contact hole by sputtering in the order of titanium, an aluminum alloy, and titanium, and the source electrode 14 and the drain electrode 16 are formed. Form. Further, a silicon nitride film is formed to a thickness of 200 nm as the passivation film 23-3 at a temperature of 250 ° C. by plasma CVD.

実施例６においても、上述の実施例１〜５と同様に、ソース電極電位１５よりも低い透明ボトムゲート電極電位２２−２を透明ボトムゲート電極２０に与え、ソース電極電位１５よりも高いトップゲート電極電位２３をトップゲート電極２１に与えることに、透明ボトムゲート電極２０側から照射される光９をセンシングすることが可能となる。
なお、図７Ｂに示すように透明電極（透明トップゲート電極１２）を酸化物半導体膜１の上側に配置した構造の光センサについても同様に作製できるので、ここでは詳細な説明を省略する。 Also in the sixth embodiment, similarly to the first to fifth embodiments, the transparent bottom gate electrode potential 22-2 lower than the source electrode potential 15 is given to the transparent bottom gate electrode 20, and the top gate higher than the source electrode potential 15 is applied. By applying the electrode potential 23 to the top gate electrode 21, it becomes possible to sense the light 9 irradiated from the transparent bottom gate electrode 20 side.
Note that an optical sensor having a structure in which a transparent electrode (transparent top gate electrode 12) is disposed on the upper side of the oxide semiconductor film 1 as shown in FIG. 7B can be manufactured in the same manner, and thus detailed description thereof is omitted here.

薄膜トランジスタの構造に関しては、図３〜図７に示した構造に限られるわけではなく、透明トップゲート電極１２を有するプレーナ型の構造にボトムゲート電極１８を付加したものなどであってもよい。酸化物半導体膜１の上下方向の両側にそれぞれ絶縁膜及びゲート電極を有し、少なくとも一方のゲート電極が透明導電体により形成されており、更に、酸化物半導体膜１の水平方向の両側にソース電極及びドレイン電極を有している構造であれば、何でも適用可能である。   The structure of the thin film transistor is not limited to the structure shown in FIGS. 3 to 7, and may be a planar structure having the transparent top gate electrode 12 and the bottom gate electrode 18 added thereto. The oxide semiconductor film 1 has an insulating film and a gate electrode on both sides in the vertical direction, at least one gate electrode is formed of a transparent conductor, and a source is provided on both sides of the oxide semiconductor film 1 in the horizontal direction. Any structure having an electrode and a drain electrode is applicable.

（第４実施形態）
図８及び図９は、本発明の第４実施形態に係る光電変換装置を示す図である。図８は、１画素分の光電変換装置を示しており、図８の上側には等価回路を、下側には断面図をそれぞれ示す。図９は、図８に示すように光センサ素子（光電変換素子）２４とスイッチング素子２５とから構成された画素が、スイッチング用配線と信号読み取り用配線とにより、２次元マトリクス状に複数個配列された光電変換装置を示す。第４実施形態の光電変換装置では、光センサ素子２４及びスイッチング素子２５はともに酸化物半導体ＴＦＴから構成されており、光センサ素子２４は、デュアルゲート型酸化物半導体ＴＦＴから構成されている。 (Fourth embodiment)
8 and 9 are diagrams showing a photoelectric conversion device according to the fourth embodiment of the present invention. FIG. 8 shows a photoelectric conversion device for one pixel, and an equivalent circuit is shown on the upper side of FIG. 8 and a sectional view is shown on the lower side. In FIG. 9, as shown in FIG. 8, a plurality of pixels each composed of an optical sensor element (photoelectric conversion element) 24 and a switching element 25 are arranged in a two-dimensional matrix by using a switching wiring and a signal reading wiring. The made photoelectric conversion apparatus is shown. In the photoelectric conversion device of the fourth embodiment, both the optical sensor element 24 and the switching element 25 are configured by oxide semiconductor TFTs, and the optical sensor element 24 is configured by a dual gate type oxide semiconductor TFT.

図８において、光センサ素子２４として機能する酸化物半導体ＴＦＴには、受光面側に可視光に対して透明な透明トップゲート電極１２が設けられている。光センサ素子２４用の酸化物半導体ＴＦＴのドレイン電極１６は所定の電源２６に接続され、ソース電極１４は、スイッチング素子２５として機能する酸化物半導体ＴＦＴのソース電極に接続されている。光センサ素子２４用の酸化物半導体ＴＦＴにおいて、透明トップゲート電極１２側から光９が照射される際、ソース電極電位１５（Ｖｓ）より低い透明トップゲート電極電位１３（Ｖｔｇ）を透明トップゲート電極１２に印加し、光感度機能を付与する。これは、Ｖｓより低いＶｔｇを透明トップゲート電極１２に印加し、他方のボトムゲート電極１８に正電圧を印加した際に、電圧無印加時に比べて酸化物半導体膜１（酸化物半導体活性層）における可視光の吸収量が増加する現象を活用するものである。このときスイッチング素子２５にも光９が照射されるが、スイッチング素子２５用の酸化物半導体ＴＦＴには透明トップゲート電極１２が無いので光感度機能を有せず、光感度の無い単なるスイッチとして作用する。この構成は、スイッチング素子用の酸化物半導体ＴＦＴの上部に光シールド層を設けた非特許文献１とは異なるものである。   In FIG. 8, the oxide semiconductor TFT functioning as the optical sensor element 24 is provided with a transparent top gate electrode 12 that is transparent to visible light on the light receiving surface side. The drain electrode 16 of the oxide semiconductor TFT for the optical sensor element 24 is connected to a predetermined power supply 26, and the source electrode 14 is connected to the source electrode of the oxide semiconductor TFT that functions as the switching element 25. In the oxide semiconductor TFT for the optical sensor element 24, when the light 9 is irradiated from the transparent top gate electrode 12 side, the transparent top gate electrode potential 13 (Vtg) lower than the source electrode potential 15 (Vs) is applied. 12 to give a photosensitivity function. This is because, when Vtg lower than Vs is applied to the transparent top gate electrode 12 and a positive voltage is applied to the other bottom gate electrode 18, the oxide semiconductor film 1 (oxide semiconductor active layer) is compared to when no voltage is applied. This utilizes the phenomenon that the amount of absorption of visible light increases. At this time, although the switching element 25 is also irradiated with the light 9, the oxide semiconductor TFT for the switching element 25 does not have the transparent top gate electrode 12, so that it does not have a photosensitivity function and acts as a simple switch without photosensitivity. To do. This configuration is different from Non-Patent Document 1 in which a light shield layer is provided on top of an oxide semiconductor TFT for a switching element.

光電変換装置のリフレッシュ時において、スイッチング素子２５用の酸化物半導体ＴＦＴをオン状態にし、光センサ素子２４用の酸化物半導体ＴＦＴに、Ｖｂｇ−｜Ｖｔｇ｜及びＶｓ−｜Ｖｔｇ｜がともに負になるようなバイアスを印加して酸化物半導体膜１を空乏化し、光センサ素子２４用の酸化物半導体ＴＦＴに電荷をチャージする。その後、スイッチング素子２５用の酸化物半導体ＴＦＴをオフ状態にし、光センサ素子２４用の酸化物半導体ＴＦＴに光９を照射すると、光照射量に応じてチャージ量が減少する。再びスイッチング素子２５用の酸化物半導体ＴＦＴをオン状態にし、チャージ変化量を積分器２７で検出し、センシングを行う。   When the photoelectric conversion device is refreshed, the oxide semiconductor TFT for the switching element 25 is turned on, and Vbg− | Vtg | and Vs− | Vtg | are both negative in the oxide semiconductor TFT for the optical sensor element 24. By applying such a bias, the oxide semiconductor film 1 is depleted, and the oxide semiconductor TFT for the optical sensor element 24 is charged. Thereafter, when the oxide semiconductor TFT for the switching element 25 is turned off and the oxide semiconductor TFT for the optical sensor element 24 is irradiated with the light 9, the charge amount is reduced according to the light irradiation amount. The oxide semiconductor TFT for the switching element 25 is turned on again, the charge change amount is detected by the integrator 27, and sensing is performed.

このように、光照射による信号電荷を電流で読み取る仕組みは、従来技術と同様であるが、本発明のように、光センサ素子２４として透明トップゲート電極１２を有する酸化物半導体ＴＦＴを用いると、以下のような効果がある。まず、酸化物半導体ＴＦＴのオフ電流は従来のシリコン系ＴＦＴに比べて極めて小さい。従って、スイッチング素子２５及び光センサ素子２４ともに暗状態でのオフ電流が極めて低くなり、従来技術に比べてＳ／Ｎ（Signal/Noise）比の高い高性能な光電変換装置を製造することが可能である。更には、酸化物半導体ＴＦＴの電気特性の温度依存性は従来のシリコン系ＴＦＴに比べて極めて小さい。即ち、周囲環境の温度が変化しても酸化物半導体ＴＦＴの電気特性はほとんど変化しない。従って、様々な温度環境下においても、周囲の環境温度の変動に左右されず、安定した性能を実現可能な光電変換装置を製造することができる。製造の観点からは、スイッチング素子２５用の酸化物半導体ＴＦＴと光センサ素子２４用の酸化物半導体ＴＦＴとを同一のプロセスで作製することができ、光センサ素子２４用の酸化物半導体ＴＦＴに透明トップゲート電極１２を付加する工程が増えるのみである。従って、従来技術に比べて、製造工程を短縮でき、その結果、低コスト化、高歩留まり化が実現できる。   Thus, the mechanism for reading the signal charge due to light irradiation with current is the same as in the prior art, but when an oxide semiconductor TFT having the transparent top gate electrode 12 is used as the photosensor element 24 as in the present invention, There are the following effects. First, the off-state current of an oxide semiconductor TFT is extremely small as compared with a conventional silicon TFT. Accordingly, both the switching element 25 and the optical sensor element 24 have extremely low off-state current in the dark state, and it is possible to manufacture a high-performance photoelectric conversion device having a higher S / N (Signal / Noise) ratio than the conventional technology. It is. Furthermore, the temperature dependence of the electrical characteristics of the oxide semiconductor TFT is extremely small compared to the conventional silicon TFT. That is, even if the ambient temperature changes, the electrical characteristics of the oxide semiconductor TFT hardly change. Therefore, even under various temperature environments, it is possible to manufacture a photoelectric conversion device that can realize stable performance without being influenced by fluctuations in the surrounding environmental temperature. From the viewpoint of manufacturing, the oxide semiconductor TFT for the switching element 25 and the oxide semiconductor TFT for the optical sensor element 24 can be manufactured by the same process, and the oxide semiconductor TFT for the optical sensor element 24 is transparent. Only the process of adding the top gate electrode 12 is increased. Therefore, the manufacturing process can be shortened as compared with the prior art, and as a result, cost reduction and high yield can be realized.

図９には、一例として３×３画素の光電変換装置の構成を示す。図９に示す光電変換装置において、シフトレジスター回路のゲート信号Ｇ１をオンにして、上側から１列目のスイッチング素子２５用の酸化物半導体ＴＦＴ（Ｓ１１〜Ｓ１３）をオン状態にする。光センサ素子２４用の酸化物半導体ＴＦＴ（Ｐ１１〜Ｐ１３）に所望のボトムゲート電極電位１９（Ｖｂｇ）と透明トップゲート電極電位１３（Ｖｔｇ）とを与えることで酸化物半導体ＴＦＴ（Ｐ１１〜Ｐ１３）に光感度機能を付与し、光電荷をチャージする。そして、この光センサ素子２４用の酸化物半導体ＴＦＴ（Ｐ１１〜Ｐ１３）の光電荷を信号配線に出力し、転送スイッチＭ１〜Ｍ３を順次アクティブにして、積分器２７から時系列的に光センサ素子２４用の酸化物半導体ＴＦＴ（Ｐ１１〜Ｐ１３）の光電荷を読み出す。この処理を、上側から２列目のスイッチング素子２５用の酸化物半導体ＴＦＴ（Ｓ２１〜Ｓ２３）及び光センサ素子２４用の酸化物半導体ＴＦＴ（Ｐ２１〜Ｐ２３）、また、上側から３列目のスイッチング素子２５用の酸化物半導体ＴＦＴ（Ｓ３１〜Ｓ３３）及び光センサ素子２４用の酸化物半導体ＴＦＴ（Ｐ３１〜Ｐ３３）の順に繰り返し、各画素の光電荷を２次元的に読み出していくことで２次元的な光電変換装置として機能する。   FIG. 9 shows a configuration of a 3 × 3 pixel photoelectric conversion device as an example. In the photoelectric conversion device shown in FIG. 9, the gate signal G1 of the shift register circuit is turned on, and the oxide semiconductor TFTs (S11 to S13) for the switching elements 25 in the first column from the upper side are turned on. Oxide semiconductor TFTs (P11 to P13) are provided by applying desired bottom gate electrode potential 19 (Vbg) and transparent top gate electrode potential 13 (Vtg) to the oxide semiconductor TFTs (P11 to P13) for the optical sensor element 24. Is provided with a photosensitivity function and charged with a photocharge. Then, the photoelectric charges of the oxide semiconductor TFTs (P11 to P13) for the photosensor element 24 are output to the signal wiring, the transfer switches M1 to M3 are sequentially activated, and the photosensor elements are time-sequentially fed from the integrator 27. The photoelectric charges of the 24 oxide semiconductor TFTs (P11 to P13) are read out. This process is performed by switching the oxide semiconductor TFTs (S21 to S23) for the switching elements 25 in the second row from the upper side and the oxide semiconductor TFTs (P21 to P23) for the photosensor elements 24, and the switching in the third row from the upper side. The oxide semiconductor TFTs (S31 to S33) for the element 25 and the oxide semiconductor TFTs (P31 to P33) for the optical sensor element 24 are repeated in this order, and the photoelectric charges of each pixel are read out two-dimensionally. Functions as a typical photoelectric conversion device.

（実施例７）
以下に、第４実施形態の光電変換装置に関する実施例７について説明する。
図１０は、第４実施形態の実施例７の光電変換装置を示す図である。図１０の上側には１画素分の光電変換装置の等価回路を示し、下側には断面図を示す。図１１は、第４実施形態の実施例７の光電変換装置に用いる光センサ素子の光センシング特性を示すグラフである。なお、図１１Ａは、波長４００ｎｍ±１０ｎｍの光を照射した場合の光センシング特性を示し、図１１Ｂは、波長５００ｎｍ±１０ｎｍの光を照射した場合の光センシング特性を示し、図１１Ｃは、波長７００ｎｍ±１０ｎｍの光を照射した場合の光センシング特性を示す。また、図１１Ａ〜Ｃ中の実線は、光を照射しない状態（暗状態）での特性を示しており、図１１Ａ〜Ｃ中の各破線は、それぞれ異なる強度（エネルギー密度）の光を照射した状態での特性を示す。なお、それぞれの照射光の強度は、図１１Ａ中の小破線は１０．９８μＷ／ｃｍ2 であり、中破線は３０．０６μＷ／ｃｍ2 であり、大破線は７８．０３μＷ／ｃｍ2 である。また、図１１Ｂ中の小破線は５８．６７μＷ／ｃｍ2 であり、中破線は１０４．３４μＷ／ｃｍ2 であり、大破線は１７５．１４μＷ／ｃｍ2 であり、図１１Ｃ中の小破線は７８．０３μＷ／ｃｍ2 であり、中破線は１５４．９１μＷ／ｃｍ2 であり、大破線は２４１．０４μＷ／ｃｍ2 である。 (Example 7)
Example 7 relating to the photoelectric conversion device of the fourth embodiment will be described below.
FIG. 10 is a diagram illustrating the photoelectric conversion apparatus according to Example 7 of the fourth embodiment. The upper side of FIG. 10 shows an equivalent circuit of a photoelectric conversion device for one pixel, and the lower side shows a cross-sectional view. FIG. 11 is a graph illustrating optical sensing characteristics of the optical sensor element used in the photoelectric conversion device according to Example 7 of the fourth embodiment. 11A shows the optical sensing characteristics when irradiating light with a wavelength of 400 nm ± 10 nm, FIG. 11B shows the optical sensing characteristics when irradiating light with a wavelength of 500 nm ± 10 nm, and FIG. 11C shows the wavelength of 700 nm. The optical sensing characteristic when light of ± 10 nm is irradiated is shown. Moreover, the solid line in FIG. 11A-C has shown the characteristic in the state (dark state) which does not irradiate light, and each broken line in FIG. The characteristic in a state is shown. Incidentally, the intensity of each illumination light, small broken line in FIG. 11A is a 10.98μW / cm 2, middle dashed line is a 30.06μW / cm 2, a large broken line is 78.03μW / cm 2. In addition, the small broken line in FIG. 11B is 58.67 μW / cm 2 , the middle broken line is 104.34 μW / cm 2 , the large broken line is 175.14 μW / cm 2 , and the small broken line in FIG. 0.03 μW / cm 2 , the middle dashed line is 154.91 μW / cm 2 , and the large dashed line is 241.04 μW / cm 2 .

図１１から分かるように、各波長に応じて透明トップゲート電極電位１３（Ｖｔｇ）の値を変化させることにより、光センサ素子２４（酸化物半導体ＴＦＴ）の光感度を制御できる。例えば各波長での光感度をそろえるためには、最も感度が高い青色に対してはＶｔｇ＝−１０Ｖとし、緑色及び赤色に対してはＶｔｇ＝−２０Ｖとすると良い。このように本発明では、各波長の光に対する感度に応じて透明トップゲート電極電位１３（Ｖｔｇ）の値を制御することが可能である。これに対して、従来のシリコンＰＩＮダイオードから成る光センサでは、それぞれの波長に対する光感度はダイオード特性で一義的に決まってしまい、色毎の感度をコントロールすることができない。   As can be seen from FIG. 11, the photosensitivity of the photosensor element 24 (oxide semiconductor TFT) can be controlled by changing the value of the transparent top gate electrode potential 13 (Vtg) in accordance with each wavelength. For example, in order to align the photosensitivity at each wavelength, Vtg = −10V is preferable for blue, which has the highest sensitivity, and Vtg = −20V for green and red. Thus, in the present invention, the value of the transparent top gate electrode potential 13 (Vtg) can be controlled according to the sensitivity to light of each wavelength. On the other hand, in a conventional optical sensor composed of a silicon PIN diode, the photosensitivity for each wavelength is uniquely determined by the diode characteristics, and the sensitivity for each color cannot be controlled.

図１０に示すように、外光２８の受光面側に三原色のカラーフィルタを設けた光電変換装置の場合（図１０には赤色及び緑色のカラーフィルタのみを示す）、緑色カラーフィルタ２９を透過した緑色光２０−２が照射される位置に存在する光センサ素子２４用の酸化物半導体ＴＦＴの透明トップゲート電極１２に印加する電圧（Ｖｔｇ１）と、赤色カラーフィルタ３０を透過した赤色光２１が照射される位置に存在する光センサ素子２４用の酸化物半導体ＴＦＴの透明トップゲート電極１２に印加する電圧（Ｖｔｇ２）とをそれぞれ独立に制御することで、それぞれの色の光に対する感度をそろえることができる。
例えば、図１１のような特性を考慮して、青色カラーフィルタの位置に存在する光センサ素子２４用の酸化物半導体ＴＦＴの透明トップゲート電極電位（Ｖｔｇ）よりも、赤色カラーフィルタ３０の位置に存在する光センサ素子２４用の酸化物半導体ＴＦＴの透明トップゲート電極電位（Ｖｔｇ２）を低くすることができる。これにより、赤色光に対する感度をより増幅して、青色光に対する感度と赤色光に対する感度のバランスを取ることができる。 As shown in FIG. 10, in the case of the photoelectric conversion device in which the color filters of the three primary colors are provided on the light receiving surface side of the external light 28 (only the red and green color filters are shown in FIG. 10), the green color filter 29 is transmitted. The voltage (Vtg1) applied to the transparent top gate electrode 12 of the oxide semiconductor TFT for the photosensor element 24 existing at the position irradiated with the green light 20-2 and the red light 21 transmitted through the red color filter 30 are irradiated. By independently controlling the voltage (Vtg2) applied to the transparent top gate electrode 12 of the oxide semiconductor TFT for the photosensor element 24 existing at the position, the sensitivity to light of each color can be made uniform. it can.
For example, considering the characteristics as shown in FIG. 11, the red color filter 30 is positioned at a position higher than the transparent top gate electrode potential (Vtg) of the oxide semiconductor TFT for the photosensor element 24 existing at the position of the blue color filter. The transparent top gate electrode potential (Vtg2) of the existing oxide semiconductor TFT for the photosensor element 24 can be lowered. As a result, the sensitivity to red light can be further amplified to balance the sensitivity to blue light and the sensitivity to red light.

図１２は、第４実施形態の実施例７の光電変換装置を示す図である。図１２には、青色画素、緑色画素、赤色画素を配列した光電変換装置を示す。図１２に示す光電変換装置は、スイッチング素子２５及び光センサ素子２４からなる画素の上に、それぞれ青色、緑色、赤色のカラーフィルタを配置したものである。図１１に示すように、光センサ素子２４の光感度は、光の波長と、光センサ素子２４用の酸化物半導体ＴＦＴにおけるボトムゲート電極電位１９（Ｖｂｇ）及びトップゲート電極電位１３（Ｖｔｇ）の値とに依存する。従って、センシングする光の波長帯に応じてボトムゲート電極電位１９（Ｖｂｇ）及びトップゲート電極電位１３（Ｖｔｇ）の値を変化させることで、それぞれの波長帯での光感度を制御することができる。よって、本実施例７の光電変換装置は、センシングする光の波長帯に応じて、光センサ素子２４用の酸化物半導体ＴＦＴにおける２つのゲート電極にそれぞれ印加する電圧（Ｖｂｇ，Ｖｔｇ）を制御する機構（電圧制御部）を有する。   FIG. 12 is a diagram illustrating the photoelectric conversion apparatus according to Example 7 of the fourth embodiment. FIG. 12 shows a photoelectric conversion device in which blue pixels, green pixels, and red pixels are arranged. In the photoelectric conversion device illustrated in FIG. 12, blue, green, and red color filters are respectively disposed on pixels including the switching element 25 and the optical sensor element 24. As shown in FIG. 11, the photosensitivity of the photosensor element 24 includes the light wavelength, the bottom gate electrode potential 19 (Vbg) and the top gate electrode potential 13 (Vtg) in the oxide semiconductor TFT for the photosensor element 24. Depends on the value. Therefore, by changing the values of the bottom gate electrode potential 19 (Vbg) and the top gate electrode potential 13 (Vtg) according to the wavelength band of the light to be sensed, the photosensitivity in each wavelength band can be controlled. . Therefore, the photoelectric conversion device according to the seventh embodiment controls the voltages (Vbg, Vtg) applied to the two gate electrodes in the oxide semiconductor TFT for the optical sensor element 24 according to the wavelength band of the light to be sensed. It has a mechanism (voltage control unit).

図１１を参照すると、青色光（波長が４００ｎｍの光）を７８．０３μＷ／ｃｍ2 のエネルギー密度（強度）で照射した場合に１×１０-8Ａの光電流（Ｉｄ）を得るためには、Ｖｔｇ＝−２０Ｖ、Ｖｂｇ＝＋１２Ｖのバイアスが必要となる。一方、赤色光（波長が７００ｎｍの光）を７８．０３μＷ／ｃｍ2 の強度で照射した場合に１×１０-8Ａの光電流（Ｉｄ）を得るためには、Ｖｔｇ＝−２０Ｖ、Ｖｂｇ＝＋１５Ｖのバイアスが必要となる。即ち、光の波長が異なる場合において、同じ照射強度で同じ光電流を得るためには、波長が長い方がＶｔｇとＶｂｇとの差が大きくなる（ここでの例では、青色光の場合は３２Ｖの差であり、赤色光の場合は３５Ｖの差であった）。このように、センシングする光の波長帯が長くなるにつれて、ＶｔｇとＶｂｇとの差を大きくするような駆動方法を用いることで、様々な光の波長に対する感度のバランスを取ることが可能となる。 Referring to FIG. 11, in order to obtain a photocurrent (Id) of 1 × 10 −8 A when irradiated with blue light (light having a wavelength of 400 nm) at an energy density (intensity) of 78.03 μW / cm 2. , Vtg = −20V and Vbg = + 12V are required. On the other hand, in order to obtain a photocurrent (Id) of 1 × 10 −8 A when irradiated with red light (light having a wavelength of 700 nm) at an intensity of 78.03 μW / cm 2 , Vtg = −20 V, Vbg = A + 15V bias is required. That is, in order to obtain the same photocurrent with the same irradiation intensity when the wavelength of light is different, the difference between Vtg and Vbg becomes larger as the wavelength is longer (in this example, 32 V in the case of blue light). The difference was 35V in the case of red light). Thus, by using a driving method that increases the difference between Vtg and Vbg as the wavelength band of light to be sensed becomes longer, it becomes possible to balance the sensitivity to various light wavelengths.

（第５実施形態）
図１３は、本発明の第５実施形態に係る光電変換装置を示す図である。図１３は、図１０に示すような光センサ素子２４とスイッチング素子２５とから構成された１画素分の光電変換装置の等価回路を示す。図１３に示す画素を、スイッチング用配線と信号読み取り用配線とにより、２次元マトリクス状に複数個配列して２次元の光電変換装置を構成することもできる。第５実施形態の光電変換装置では、光センサ素子２４及びスイッチング素子２５はともに酸化物半導体ＴＦＴから構成されており、光センサ素子２４はデュアルゲート型酸化物半導体ＴＦＴから構成されている。 (Fifth embodiment)
FIG. 13 is a diagram illustrating a photoelectric conversion apparatus according to the fifth embodiment of the present invention. FIG. 13 shows an equivalent circuit of a photoelectric conversion device for one pixel composed of the optical sensor element 24 and the switching element 25 as shown in FIG. A two-dimensional photoelectric conversion device can be configured by arranging a plurality of pixels illustrated in FIG. 13 in a two-dimensional matrix by using a switching wiring and a signal reading wiring. In the photoelectric conversion device of the fifth embodiment, both the optical sensor element 24 and the switching element 25 are configured by an oxide semiconductor TFT, and the optical sensor element 24 is configured by a dual gate type oxide semiconductor TFT.

図１３において、光センサ素子２４として機能する酸化物半導体ＴＦＴには、受光面側に透明ゲート電極３６が設けられている。光センサ素子２４用の酸化物半導体ＴＦＴのソース電極はグランドに接続され、ドレイン電極は、スイッチング素子２５として機能する酸化物半導体ＴＦＴのソース電極に接続されている。光センサ素子２４用の酸化物半導体ＴＦＴにおいて、透明ゲート電極３６側から光が照射される際、ソース電極電位Ｖｓ（図１３ではグランド電位）より低い透明ゲート電極電位Ｖｔｇを透明ゲート電極３６に印加して光感度機能を付与する。光センサ素子２４用の酸化物半導体ＴＦＴに、Ｖｂｇ−｜Ｖｔｇ｜及びＶｓ−｜Ｖｔｇ｜がともに負になるようなバイアスを印加して酸化物半導体膜１を空乏化し、光センサ素子２４用の酸化物半導体ＴＦＴに光感度機能を付与し、電荷をチャージする。このときスイッチング素子２５にも光が照射されるが、スイッチング素子２５用の酸化物半導体ＴＦＴにはトップゲート電極が無いので光感度機能を有せず、光感度の無い単なるスイッチとして作用する。   In FIG. 13, the oxide semiconductor TFT functioning as the optical sensor element 24 is provided with a transparent gate electrode 36 on the light receiving surface side. The source electrode of the oxide semiconductor TFT for the optical sensor element 24 is connected to the ground, and the drain electrode is connected to the source electrode of the oxide semiconductor TFT that functions as the switching element 25. In the oxide semiconductor TFT for the photosensor element 24, when light is irradiated from the transparent gate electrode 36 side, a transparent gate electrode potential Vtg lower than the source electrode potential Vs (ground potential in FIG. 13) is applied to the transparent gate electrode 36. To provide a light sensitivity function. A bias is applied to the oxide semiconductor TFT for the optical sensor element 24 so that both Vbg− | Vtg | and Vs− | Vtg | are negative, so that the oxide semiconductor film 1 is depleted. A photosensitivity function is imparted to the oxide semiconductor TFT to charge it. At this time, the switching element 25 is also irradiated with light. However, since the oxide semiconductor TFT for the switching element 25 does not have a top gate electrode, it does not have a photosensitivity function and acts as a simple switch without photosensitivity.

このように、光照射により光センサ素子２４用の酸化物半導体ＴＦＴで電気に変換された信号電荷は、スイッチング素子２５用の酸化物半導体ＴＦＴのソース端のフローティングノード３１の電位を変化させる。この電位変化に伴い、フローティングノード３１に接続された増幅用ＴＦＴ３２のゲート電極の電位が変化し、更に、増幅用ＴＦＴ３２に接続された読み出し用ＴＦＴ３３のドレインノードの電位が変化する。このとき、読み出し用ＴＦＴ３３のゲート電極に選択信号入力ライン３４を介して選択信号が入力されると、光センサ素子２４で生成された信号電荷による電位差が読み出しライン３５の方へ出力され、センシングが行われる。   As described above, the signal charge converted into electricity by the oxide semiconductor TFT for the photosensor element 24 by light irradiation changes the potential of the floating node 31 at the source end of the oxide semiconductor TFT for the switching element 25. Along with this potential change, the potential of the gate electrode of the amplification TFT 32 connected to the floating node 31 changes, and further, the potential of the drain node of the readout TFT 33 connected to the amplification TFT 32 changes. At this time, when a selection signal is input to the gate electrode of the readout TFT 33 via the selection signal input line 34, a potential difference due to the signal charge generated by the optical sensor element 24 is output toward the readout line 35, and sensing is performed. Done.

このように、光照射による信号電荷を電位差で読み取る仕組みは、従来技術と同様であるが、本発明のように、光センサ素子２４として透明ゲート電極３６を有する酸化物半導体ＴＦＴを用いると、以下のような効果がある。まず、酸化物半導体ＴＦＴのオフ電流は従来のシリコン系ＴＦＴに比べて極めて小さい。従って、スイッチング素子２５及び光センサ素子２４ともに暗状態でのオフ電流が極めて低くなり、且つ電位差で信号を読み取るので、従来技術に比べて極めてＳ／Ｎ比の高い高性能な光電変換装置を製造することが可能である。更には、酸化物半導体ＴＦＴの電気特性の温度依存性は従来のシリコン系ＴＦＴに比べて極めて小さい。即ち、周囲環境の温度が変化しても酸化物半導体ＴＦＴの電気特性はほとんど変化しない。従って、様々な温度環境下においても、電位差信号は周囲の環境温度の変動に左右されず、安定した出力性能を実現可能な光電変換装置を製造することができる。また、増幅用ＴＦＴ３２及び読み出し用ＴＦＴ３３も酸化物半導体ＴＦＴで実現できることは言うまでもない。   As described above, the mechanism for reading the signal charge due to light irradiation with the potential difference is the same as that in the prior art. However, when an oxide semiconductor TFT having the transparent gate electrode 36 is used as the photosensor element 24 as in the present invention, There is an effect like this. First, the off-state current of an oxide semiconductor TFT is extremely small as compared with a conventional silicon TFT. Therefore, both the switching element 25 and the optical sensor element 24 have extremely low off-state currents in the dark state and read signals with a potential difference, so that a high-performance photoelectric conversion device having a very high S / N ratio compared to the prior art is manufactured. Is possible. Furthermore, the temperature dependence of the electrical characteristics of the oxide semiconductor TFT is extremely small compared to the conventional silicon TFT. That is, even if the ambient temperature changes, the electrical characteristics of the oxide semiconductor TFT hardly change. Therefore, even under various temperature environments, the potential difference signal is not affected by fluctuations in the ambient environmental temperature, and a photoelectric conversion device capable of realizing stable output performance can be manufactured. It goes without saying that the amplification TFT 32 and the readout TFT 33 can also be realized by oxide semiconductor TFTs.

以下では、光センサ素子２４の光感度を更に向上し、光電変換装置の性能を更に向上するための手段を述べる。
図８では、光センサ素子２４として機能する酸化物半導体ＴＦＴの酸化物半導体膜１と、スイッチング素子２５として機能する酸化物半導体ＴＦＴの酸化物半導体膜と、が同じ層で形成されている。従って、結果的にこれらの酸化物半導体膜の膜厚は同一となる。本願発明者は、光センサ素子２４の光感度を更に向上するために、光センサ素子２４として機能する酸化物半導体ＴＦＴの酸化物半導体膜１の膜厚を厚くすることが効果的であることを見出した。 Hereinafter, means for further improving the photosensitivity of the photosensor element 24 and further improving the performance of the photoelectric conversion device will be described.
In FIG. 8, the oxide semiconductor film 1 of the oxide semiconductor TFT functioning as the optical sensor element 24 and the oxide semiconductor film of the oxide semiconductor TFT functioning as the switching element 25 are formed in the same layer. Therefore, as a result, these oxide semiconductor films have the same film thickness. In order to further improve the photosensitivity of the photosensor element 24, the inventor of the present application is effective to increase the thickness of the oxide semiconductor film 1 of the oxide semiconductor TFT functioning as the photosensor element 24. I found it.

図１４は、光センサ素子２４の光センシング特性を示す図である。図１４Ａは、酸化物半導体膜１として膜厚が３５ｎｍのＩｎＧａＺｎＯ膜を用いた光センサ素子２４の光センシング特性を示し、図１４Ｂは、膜厚が７０ｎｍのＩｎＧａＺｎＯ膜を用いた光センサ素子２４の光センシング特性を示し、図１４Ｃは、膜厚が１００ｎｍのＩｎＧａＺｎＯ膜を用いた光センサ素子２４の光センシング特性を示す。従って、図１４Ａ〜Ｃは、光センサ素子２４の光センシング特性の酸化物半導体膜厚依存性を示す。具体的には、図１４Ａ〜Ｃは、ドレイン電極電位１７（Ｖｄ）＝１Ｖ、ソース電極電位１５（Ｖｓ）＝０Ｖとした時のボトムゲート電極電位１９（Ｖｂｇ）に対するドレイン電流（Ｉｄ）の特性（Ｖｂｇ−Ｉｄ特性）を示している。また、図１４Ａ〜Ｃ中の実線は、透明トップゲート電極電位１３（Ｖｔｇ）＝０Ｖとした場合のＶｂｇ−Ｉｄ特性を示し、図１４Ａ〜Ｃ中の各破線は、透明トップゲート電極電位１３（Ｖｔｇ）＝−２０Ｖとした場合における暗状態及び青色光照射状態でのＶｂｇ−Ｉｄ特性をそれぞれ示している。   FIG. 14 is a diagram showing the optical sensing characteristics of the optical sensor element 24. 14A shows the optical sensing characteristics of the optical sensor element 24 using an InGaZnO film having a thickness of 35 nm as the oxide semiconductor film 1, and FIG. 14B shows the optical sensor element 24 using an InGaZnO film having a thickness of 70 nm. FIG. 14C shows the optical sensing characteristics of the optical sensor element 24 using an InGaZnO film having a thickness of 100 nm. Accordingly, FIGS. 14A to 14C show the oxide semiconductor film thickness dependence of the optical sensing characteristics of the optical sensor element 24. Specifically, FIGS. 14A to 14C show characteristics of the drain current (Id) with respect to the bottom gate electrode potential 19 (Vbg) when the drain electrode potential 17 (Vd) = 1 V and the source electrode potential 15 (Vs) = 0 V. (Vbg-Id characteristics). 14A to 14C indicate the Vbg-Id characteristics when the transparent top gate electrode potential 13 (Vtg) = 0 V, and each broken line in FIGS. 14A to 14C indicates the transparent top gate electrode potential 13 ( Vbg-Id characteristics in the dark state and the blue light irradiation state when Vtg) =-20V are shown.

図１４Ａ〜Ｃに示す特性を比較すると、Ｖｔｇ＝−２０Ｖ時において、３５ｎｍの場合に比べて７０ｎｍや１００ｎｍの場合では、暗状態と光照射状態とでの特性の差が大きくなっていることが分かる。これは、ＩｎＧａＺｎＯ膜の膜厚を厚くすることが感度向上に効果的であり、光センサ素子の機能として非常に重要である。また、ＩｎＧａＺｎＯ膜の膜厚を厚くするにつれて、Ｖｔｇ＝０Ｖ時において、ドレイン電流が急激に立ち上がるＶｂｇ値が負側へシフトする傾向が見られ、これはスイッチング素子の機能としては望ましくないものである。これらのことから、光センサ素子２４の酸化物半導体膜厚１は厚い方が望ましく、一方でスイッチング素子２５の酸化物半導体膜厚は薄い方が望ましいことを見出した。   Comparing the characteristics shown in FIGS. 14A to 14C, when Vtg = −20 V, the difference in characteristics between the dark state and the light irradiation state is larger in the case of 70 nm or 100 nm than in the case of 35 nm. I understand. For this, increasing the thickness of the InGaZnO film is effective in improving the sensitivity, and is very important as a function of the optical sensor element. Further, as the thickness of the InGaZnO film is increased, the Vbg value at which the drain current suddenly rises tends to shift to the negative side when Vtg = 0 V, which is undesirable as a function of the switching element. . From these facts, it has been found that the oxide semiconductor film thickness 1 of the optical sensor element 24 is desirably thicker, while the oxide semiconductor film thickness of the switching element 25 is desirably thin.

図１５は、光センサ素子２４の光センシング特性を示す図である。図１５Ａ，Ｂは、ドレイン電極電位１７（Ｖｄ）＝１Ｖ、ソース電極電位１５（Ｖｓ）＝０Ｖとした時のボトムゲート電極電位１９（Ｖｂｇ）に対するドレイン電流（Ｉｄ）の特性（Ｖｂｇ−Ｉｄ特性）を示している。なお、図１５Ａは、酸化物半導体膜１として膜厚が３５ｎｍのＩｎＧａＺｎＯ膜を用いた光センサ素子２４において、透明トップゲート電極電位１３（Ｖｔｇ）＝−２０Ｖとした場合の特性を示しており、実線は、暗状態でのＶｂｇ−Ｉｄ特性を示し、破線は、青色光照射状態でのＶｂｇ−Ｉｄ特性を示している。また図１５Ｂは、酸化物半導体膜１として膜厚が７０ｎｍのＩｎＧａＺｎＯ膜を用いた光センサ素子２４において、透明トップゲート電極電位１３（Ｖｔｇ）＝−１５Ｖとした場合の特性を示しており、実線は、暗状態でのＶｂｇ−Ｉｄ特性を示し、破線は、青色光照射状態でのＶｂｇ−Ｉｄ特性を示している。   FIG. 15 is a diagram illustrating optical sensing characteristics of the optical sensor element 24. 15A and 15B show the drain current (Id) characteristics (Vbg-Id characteristics) with respect to the bottom gate electrode potential 19 (Vbg) when the drain electrode potential 17 (Vd) = 1 V and the source electrode potential 15 (Vs) = 0 V. ). Note that FIG. 15A shows characteristics when the transparent top gate electrode potential 13 (Vtg) is set to −20 V in the optical sensor element 24 using an InGaZnO film having a thickness of 35 nm as the oxide semiconductor film 1. The solid line indicates the Vbg-Id characteristic in the dark state, and the broken line indicates the Vbg-Id characteristic in the blue light irradiation state. FIG. 15B shows characteristics when the transparent top gate electrode potential is 13 (Vtg) = − 15 V in the optical sensor element 24 using an InGaZnO film having a thickness of 70 nm as the oxide semiconductor film 1, and is shown by a solid line. Indicates a Vbg-Id characteristic in a dark state, and a broken line indicates a Vbg-Id characteristic in a blue light irradiation state.

図１５Ａ，Ｂに示す特性を比較すると、膜厚が３５ｎｍのＩｎＧａＺｎＯ膜を用いた光センサ素子２４にＶｔｇ＝−２０Ｖを与えた場合と、膜厚が７０ｎｍのＩｎＧａＺｎＯ膜を用いた光センサ素子２４にＶｔｇ＝−１５Ｖを与えた場合とでは、感度がおおよそ等しいことが分かる。これは、ＩｎＧａＺｎＯ膜の膜厚を厚くすることで、同じ感度を得るために必要なＶｔｇの絶対値を小さくできることを示している。このようにＶｔｇの絶対値を小さくできれば、光センサ素子として長期的な使用を考えた場合のＶｔｇによるストレスを小さくでき、長寿命化が可能となる。このように光センサ素子の長寿命化という観点からも、光センサ素子２４の酸化物半導体膜１を厚くすることは効果的であることが分かった。
上述の通り、光センサ素子の感度向上、及び長期的信頼性の改善という両観点から、光センサ素子２４の酸化物半導体膜１を厚くし、スイッチング素子２５の酸化物半導体膜を薄くする構成が効果的である。このような構成を実現するための手段を次に述べる。 Comparing the characteristics shown in FIGS. 15A and 15B, when Vtg = −20 V is applied to the optical sensor element 24 using an InGaZnO film having a thickness of 35 nm, and the optical sensor element 24 using an InGaZnO film having a thickness of 70 nm. It can be seen that the sensitivity is approximately the same when Vtg = -15 V is applied to. This indicates that the absolute value of Vtg necessary for obtaining the same sensitivity can be reduced by increasing the thickness of the InGaZnO film. If the absolute value of Vtg can be reduced in this way, stress due to Vtg when considering long-term use as an optical sensor element can be reduced, and the life can be extended. Thus, it has been found that it is effective to increase the thickness of the oxide semiconductor film 1 of the optical sensor element 24 from the viewpoint of extending the lifetime of the optical sensor element.
As described above, from the viewpoint of improving the sensitivity of the optical sensor element and improving the long-term reliability, the oxide semiconductor film 1 of the optical sensor element 24 is thickened and the oxide semiconductor film of the switching element 25 is thinned. It is effective. Means for realizing such a configuration will be described below.

図１６は、光電変換装置の断面図である。図１６に示す光電変換装置では、薄い酸化物半導体膜４７を有するスイッチング素子２５と、厚い酸化物半導体膜４８を有する光センサ素子２４とが同一のガラス基板６上に形成してある。
図１６に示す光電変換装置を製造する場合、ガラス基板６上に第一のボトムゲート電極４１及び第一のボトムゲート絶縁膜４２を形成した後、第４実施形態のスイッチング素子と同様のプロセスを用いて（即ち、実施例１〜６で説明した光センサの製造プロセスを用いて）、スイッチング素子２５として機能する酸化物半導体ＴＦＴを形成する。このとき、酸化物半導体ＴＦＴの酸化物半導体膜４７の膜厚は７０ｎｍ未満、望ましくは５０ｎｍ以下とする。
次に、スイッチング素子２５用の酸化物半導体ＴＦＴにおける第一のパッシベーション膜４３上に、光センサ素子２４用の第二のボトムゲート電極４４を形成した後、スイッチング素子２５と同様のプロセスを用いて、光センサ素子２４用の酸化物半導体ＴＦＴを形成する。このとき、酸化物半導体ＴＦＴの酸化物半導体膜４８の膜厚は７０ｎｍ以上、望ましくは１００ｎｍ以上とする。更に、光センサ素子２４用の酸化物半導体ＴＦＴにおける第二のパッシベーション膜４６上に、光センサ素子２４用の透明トップゲート電極１２を形成する。 FIG. 16 is a cross-sectional view of the photoelectric conversion device. In the photoelectric conversion device illustrated in FIG. 16, the switching element 25 having the thin oxide semiconductor film 47 and the photosensor element 24 having the thick oxide semiconductor film 48 are formed on the same glass substrate 6.
When the photoelectric conversion device shown in FIG. 16 is manufactured, after the first bottom gate electrode 41 and the first bottom gate insulating film 42 are formed on the glass substrate 6, the same process as that of the switching element of the fourth embodiment is performed. The oxide semiconductor TFT functioning as the switching element 25 is formed using (that is, using the manufacturing process of the optical sensor described in Examples 1 to 6). At this time, the thickness of the oxide semiconductor film 47 of the oxide semiconductor TFT is less than 70 nm, preferably 50 nm or less.
Next, after forming the second bottom gate electrode 44 for the optical sensor element 24 on the first passivation film 43 in the oxide semiconductor TFT for the switching element 25, a process similar to that for the switching element 25 is used. Then, an oxide semiconductor TFT for the optical sensor element 24 is formed. At this time, the thickness of the oxide semiconductor film 48 of the oxide semiconductor TFT is 70 nm or more, preferably 100 nm or more. Further, the transparent top gate electrode 12 for the optical sensor element 24 is formed on the second passivation film 46 in the oxide semiconductor TFT for the optical sensor element 24.

なお、光センサ素子２４用の酸化物半導体ＴＦＴのソース・ドレイン電極は、第一のパッシベーション膜４３及び第二のボトムゲート絶縁膜４５に開口されたコンタクトホールを介して、スイッチング素子２５用の酸化物半導体ＴＦＴのソース・ドレイン電極に接続するように形成される。図１６に示す光電変換装置では、光センサ素子２４用の酸化物半導体ＴＦＴのソース・ドレイン電極とスイッチング素子２５用の酸化物半導体ＴＦＴのソース・ドレイン電極とが異なる層に形成されている。以上のようにして、薄い酸化物半導体膜４７を有するスイッチング素子２５用の酸化物半導体ＴＦＴと、厚い酸化物半導体膜４８を有する光センサ素子２４用の酸化物半導体ＴＦＴとを同一のガラス基板６上に作り分けることができる。   The source / drain electrodes of the oxide semiconductor TFT for the optical sensor element 24 are connected to the oxide for the switching element 25 via contact holes opened in the first passivation film 43 and the second bottom gate insulating film 45. It is formed so as to be connected to the source / drain electrodes of the physical semiconductor TFT. In the photoelectric conversion device shown in FIG. 16, the source / drain electrodes of the oxide semiconductor TFT for the optical sensor element 24 and the source / drain electrodes of the oxide semiconductor TFT for the switching element 25 are formed in different layers. As described above, the oxide semiconductor TFT for the switching element 25 having the thin oxide semiconductor film 47 and the oxide semiconductor TFT for the optical sensor element 24 having the thick oxide semiconductor film 48 are formed on the same glass substrate 6. Can be made separately.

図１７は、光電変換装置の断面図である。図１７に示す光電変換装置は、図１６に示す光電変換装置の変形例である。図１７に示す光電変換装置では、スイッチング素子２５用の酸化物半導体ＴＦＴのボトムゲート電極（第一のボトムゲート電極４１）と光センサ素子２４用の酸化物半導体ＴＦＴのボトムゲート電極（第二のボトムゲート電極４４）とが同一の金属層で形成してある。ボトムゲート電極４１，４４の形成後、スイッチング素子２５用の酸化物半導体ＴＦＴのボトムゲート絶縁膜として第三絶縁膜５１を成膜する。
引き続き、スイッチング素子２５用の酸化物半導体ＴＦＴの活性層として薄い酸化物半導体膜４７を形成する。このとき、酸化物半導体膜４７の膜厚は７０ｎｍ未満、望ましくは５０ｎｍ以下とする。 FIG. 17 is a cross-sectional view of the photoelectric conversion device. The photoelectric conversion device illustrated in FIG. 17 is a modification of the photoelectric conversion device illustrated in FIG. In the photoelectric conversion device shown in FIG. 17, the bottom gate electrode (first bottom gate electrode 41) of the oxide semiconductor TFT for the switching element 25 and the bottom gate electrode (second gate electrode) of the oxide semiconductor TFT for the photosensor element 24 are used. The bottom gate electrode 44) is formed of the same metal layer. After the formation of the bottom gate electrodes 41 and 44, a third insulating film 51 is formed as a bottom gate insulating film of the oxide semiconductor TFT for the switching element 25.
Subsequently, a thin oxide semiconductor film 47 is formed as an active layer of the oxide semiconductor TFT for the switching element 25. At this time, the thickness of the oxide semiconductor film 47 is less than 70 nm, preferably 50 nm or less.

引き続き、第三絶縁膜５１及び酸化物半導体膜４７の上に第四絶縁膜５２を形成し、更に光センサ素子２４用の酸化物半導体ＴＦＴの活性層として厚い酸化物半導体膜４８を形成する。このとき、酸化物半導体膜４８の膜厚は７０ｎｍ以上、望ましくは１００ｎｍ以上とする。また、第三絶縁膜５１と第四絶縁膜５２とを合わせたものが、光センサ素子２４用の酸化物半導体ＴＦＴのボトムゲート絶縁膜として作用する。
第四絶縁膜５２及び酸化物半導体膜４８の上に第五絶縁膜５３を形成し、その後、スイッチング素子２５用の酸化物半導体ＴＦＴと光センサ素子２４用の酸化物半導体ＴＦＴの両方に、ソース・ドレイン電極用のコンタクトホールを同時に開ける。そして、コンタクトホールを介して、スイッチング素子２５のソース電極４９と光センサ素子２４のドレイン電極５０とが接続するように、それぞれの素子２４，２５のソース電極４９及びドレイン電極５０を形成する。 Subsequently, a fourth insulating film 52 is formed on the third insulating film 51 and the oxide semiconductor film 47, and a thick oxide semiconductor film 48 is formed as an active layer of the oxide semiconductor TFT for the optical sensor element 24. At this time, the thickness of the oxide semiconductor film 48 is 70 nm or more, preferably 100 nm or more. Further, the combination of the third insulating film 51 and the fourth insulating film 52 functions as a bottom gate insulating film of the oxide semiconductor TFT for the optical sensor element 24.
A fifth insulating film 53 is formed on the fourth insulating film 52 and the oxide semiconductor film 48, and then the source is applied to both the oxide semiconductor TFT for the switching element 25 and the oxide semiconductor TFT for the photosensor element 24. -Open a contact hole for the drain electrode at the same time. Then, the source electrode 49 and the drain electrode 50 of each of the elements 24 and 25 are formed so that the source electrode 49 of the switching element 25 and the drain electrode 50 of the photosensor element 24 are connected via the contact hole.

引き続き、第六絶縁膜５４を形成し、その後、光センサ素子２４の透明トップゲート電極１２を形成する。第五絶縁膜５３と第六絶縁膜５４とを合わせたものが、光センサ素子２４用の酸化物半導体ＴＦＴのトップゲート絶縁膜として作用する。
図１７に示すように形成した場合、図１６の場合とは異なり、それぞれの素子２４，２５のボトムゲート電極４４，４１とソース・ドレイン電極４９，５０とをそれぞれ同じ層で形成できるため、プロセスの簡略化、低コスト化が可能となる。以上のようにして、薄い酸化物半導体膜４７を有するスイッチング素子２５用の酸化物半導体ＴＦＴと、厚い酸化物半導体膜４８を有する光センサ素子２４用の酸化物半導体ＴＦＴとを同一のガラス基板６上に低コストで作り分けることができる。 Subsequently, the sixth insulating film 54 is formed, and then the transparent top gate electrode 12 of the photosensor element 24 is formed. A combination of the fifth insulating film 53 and the sixth insulating film 54 functions as a top gate insulating film of the oxide semiconductor TFT for the optical sensor element 24.
When formed as shown in FIG. 17, unlike the case of FIG. 16, the bottom gate electrodes 44 and 41 and the source / drain electrodes 49 and 50 of the respective elements 24 and 25 can be formed in the same layer. Simplification and cost reduction. As described above, the oxide semiconductor TFT for the switching element 25 having the thin oxide semiconductor film 47 and the oxide semiconductor TFT for the optical sensor element 24 having the thick oxide semiconductor film 48 are formed on the same glass substrate 6. It can be made separately at low cost.

図１６及び図１７に示すように、薄い酸化物半導体膜４７を有するスイッチング素子２５用の酸化物半導体ＴＦＴと厚い酸化物半導体膜４８を有する光センサ素子２４用の酸化物半導体ＴＦＴとを同一のガラス基板６上に作り分ける手段は、図９、図１２、図１３に示すようないずれの光電変換装置にも適用できることは言うまでもない。また、異なる膜厚の酸化物半導体膜４７，４８を有するスイッチング素子２５と光センサ素子２４とを作り分けるプロセス、薄膜トランジスタ構造は上記に限られるわけではなく、ボトムゲート型、トップゲート型、スタガ型、プレーナ型のいずれの構造を任意に組み合わせることも可能である。   As shown in FIGS. 16 and 17, the oxide semiconductor TFT for the switching element 25 having the thin oxide semiconductor film 47 and the oxide semiconductor TFT for the optical sensor element 24 having the thick oxide semiconductor film 48 are the same. Needless to say, the means separately formed on the glass substrate 6 can be applied to any photoelectric conversion device as shown in FIGS. 9, 12, and 13. In addition, the process and the thin film transistor structure in which the switching element 25 and the optical sensor element 24 having the oxide semiconductor films 47 and 48 having different thicknesses are separately formed are not limited to the above, but a bottom gate type, a top gate type, a stagger type Any structure of the planar type can be arbitrarily combined.

以上述べた全ての実施形態及び実施例において、光センサ素子２４として機能するデュアルゲート型酸化物半導体ＴＦＴの二つのゲート電極がいずれも透明導電膜から形成されていても良い。この場合、二つのゲート電極のいずれの側からでも光を入射することができる。また、光の入射は、必ずしも透明導電膜から成るゲート電極側から行う必要は無く、例えば図５Ｂに示したような回折光を用いる場合、透明ではないゲート電極側から行うことも可能である。   In all the embodiments and examples described above, the two gate electrodes of the dual gate type oxide semiconductor TFT functioning as the photosensor element 24 may both be formed of a transparent conductive film. In this case, light can be incident from either side of the two gate electrodes. In addition, it is not always necessary to make light incident from the side of the gate electrode made of a transparent conductive film. For example, when diffracted light as shown in FIG. 5B is used, it can also be made from the side of the gate electrode that is not transparent.

本発明の光センサは、受容した光を検知する光センサやイメージセンサ、放射線撮像装置用のイメージセンサなどに用いることができる。また、光センシングを活用した光入力機能を有する液晶ディスプレイや有機ＥＬ（electroluminescence ）ディスプレイなどのフラットパネルディスプレイにも利用することができる。   The optical sensor of the present invention can be used as an optical sensor or an image sensor for detecting received light, an image sensor for a radiation imaging apparatus, or the like. Further, it can also be used for a flat panel display such as a liquid crystal display having an optical input function utilizing optical sensing and an organic EL (electroluminescence) display.

今回開示された実施形態はすべての点で例示であって、制限的なものでは無いと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。   It should be thought that embodiment disclosed this time is an illustration and restrictive at no points. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the meanings described above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

１ 酸化物半導体膜（酸化物半導体活性層）
２ 第一絶縁膜（絶縁膜）
３ 第一導電性電極（ゲート電極）
４ 第二絶縁膜（絶縁膜）
５ 第二導電性電極（ゲート電極）
６ ガラス基板
７ 第一の電位
８ 第二の電位
１２ 透明トップゲート電極（ゲート電極、第１ゲート電極）
１３ 透明トップゲート電極電位
１４ ソース電極
１５ ソース電極電位
１６ ドレイン電極
１７ ドレイン電極電位
１８ ボトムゲート電極（ゲート電極、第２ゲート電極）
１９ ボトムゲート電極電位
２４ 光センサ素子
２５ スイッチング素子
４１ 第一のボトムゲート電極
４２ 第一のボトムゲート絶縁膜
４３ 第一のパッシベーション膜
４４ 第二のボトムゲート電極
４５ 第二のボトムゲート絶縁膜
４６ 第二のパッシベーション膜
４７ 酸化物半導体膜
４８ 酸化物半導体膜
４９ ソース電極
５０ ドレイン電極
５１ 第三絶縁膜
５２ 第四絶縁膜
５３ 第五絶縁膜
５４ 第六絶縁膜 1 Oxide semiconductor film (oxide semiconductor active layer)
2 First insulation film (insulation film)
3 First conductive electrode (gate electrode)
4 Second insulating film (insulating film)
5 Second conductive electrode (gate electrode)
6 Glass substrate 7 First potential 8 Second potential 12 Transparent top gate electrode (gate electrode, first gate electrode)
13 transparent top gate electrode potential 14 source electrode 15 source electrode potential 16 drain electrode 17 drain electrode potential 18 bottom gate electrode (gate electrode, second gate electrode)
19 Bottom gate electrode potential 24 Photosensor element 25 Switching element 41 First bottom gate electrode 42 First bottom gate insulating film 43 First passivation film 44 Second bottom gate electrode 45 Second bottom gate insulating film 46 First Second passivation film 47 Oxide semiconductor film 48 Oxide semiconductor film 49 Source electrode 50 Drain electrode 51 Third insulating film 52 Fourth insulating film 53 Fifth insulating film 54 Sixth insulating film

Claims (23)

少なくとも酸化物半導体活性層の上側及び下側に絶縁膜を介してゲート電極を有する光センサ素子において、
一方のゲート電極に第一の電圧を印加し、他方のゲート電極に第二の電圧を印加する電圧印加部を備えることを特徴とする光センサ素子。 In an optical sensor element having a gate electrode through an insulating film at least above and below the oxide semiconductor active layer,
An optical sensor element comprising: a voltage applying unit that applies a first voltage to one gate electrode and applies a second voltage to the other gate electrode. 前記酸化物半導体活性層は、前記電圧印加部が前記一方のゲート電極に前記第一の電圧を印加し、前記他方のゲート電極に前記第二の電圧を印加した場合に、電圧無印加時と比べて光の吸収量が増加することを特徴とする請求項１に記載の光センサ素子。   In the oxide semiconductor active layer, when the voltage application unit applies the first voltage to the one gate electrode and applies the second voltage to the other gate electrode, no voltage is applied. The optical sensor element according to claim 1, wherein the light absorption amount is increased as compared with the optical sensor element. 前記２つのゲート電極の少なくとも一方が可視光に対して透明であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光センサ素子。   The optical sensor element according to claim 1, wherein at least one of the two gate electrodes is transparent to visible light. 前記２つのゲート電極の少なくとも一方の側から前記酸化物半導体活性層に向けて光が入射されることを特徴とする請求項３に記載の光センサ素子。   The light sensor element according to claim 3, wherein light is incident from at least one side of the two gate electrodes toward the oxide semiconductor active layer. 前記第一の電圧及び前記第二の電圧のうちの少なくとも低い方の電圧が印加されるゲート電極が可視光に対して透明であることを特徴とする請求項１から４までのいずれかひとつに記載の光センサ素子。   The gate electrode to which at least the lower voltage of the first voltage and the second voltage is applied is transparent to visible light, according to any one of claims 1 to 4. The optical sensor element as described. 前記酸化物半導体活性層の構成元素は、少なくともインジウム又は亜鉛を含むことを特徴とする請求項１から５までのいずれかひとつに記載の光センサ素子。   6. The optical sensor element according to claim 1, wherein the constituent element of the oxide semiconductor active layer includes at least indium or zinc. 少なくとも酸化物半導体活性層の上側及び下側に絶縁膜を介してゲート電極を有する光センサ素子において、
ソース電極及びドレイン電極と、
一方のゲート電極に前記ソース電極の印加電圧よりも低い電圧を印加し、他方のゲート電極に前記ソース電極の印加電圧よりも高い電圧を印加する電圧印加部と
を備えることを特徴とする光センサ素子。 In an optical sensor element having a gate electrode through an insulating film at least above and below the oxide semiconductor active layer,
A source electrode and a drain electrode;
A voltage applying unit that applies a voltage lower than the applied voltage of the source electrode to one gate electrode and applies a voltage higher than the applied voltage of the source electrode to the other gate electrode. element. 前記２つのゲート電極の少なくとも一方が可視光に対して透明であることを特徴とする請求項７に記載の光センサ素子。   The optical sensor element according to claim 7, wherein at least one of the two gate electrodes is transparent to visible light. 前記２つのゲート電極の少なくとも一方の側から前記酸化物半導体活性層に向けて光が入射されることを特徴とする請求項８に記載の光センサ素子。   9. The optical sensor element according to claim 8, wherein light is incident from at least one side of the two gate electrodes toward the oxide semiconductor active layer. 基板上に少なくとも、第２ゲート電極、第２ゲート絶縁膜、前記酸化物半導体活性層、前記ソース電極及びドレイン電極、第１ゲート絶縁膜、第１ゲート電極がこの順序で設けられていることを特徴とする請求項７から９までのいずれかひとつに記載の光センサ素子。   At least a second gate electrode, a second gate insulating film, the oxide semiconductor active layer, the source and drain electrodes, a first gate insulating film, and a first gate electrode are provided in this order on the substrate. The optical sensor element according to claim 7, wherein the optical sensor element is a single element. 前記第１ゲート電極が可視光に対して透明であり、
前記電圧印加部は、前記第１ゲート電極に前記ソース電極の印加電圧よりも低い電圧を印加することを特徴とする請求項１０に記載の光センサ素子。 The first gate electrode is transparent to visible light;
The optical sensor element according to claim 10, wherein the voltage applying unit applies a voltage lower than an applied voltage of the source electrode to the first gate electrode. 前記第２ゲート電極が可視光に対して透明であり、
前記電圧印加部は、前記第２ゲート電極に前記ソース電極の印加電圧よりも低い電圧を印加することを特徴とする請求項１０に記載の光センサ素子。 The second gate electrode is transparent to visible light;
The optical sensor element according to claim 10, wherein the voltage application unit applies a voltage lower than an application voltage of the source electrode to the second gate electrode. 前記可視光に対して透明なゲート電極側から前記酸化物半導体活性層に向けて光が入射されることを特徴とする請求項１１又は１２に記載の光センサ素子。   The light sensor element according to claim 11, wherein light is incident on the oxide semiconductor active layer from a gate electrode side transparent to the visible light. 前記電圧印加部は、前記ソース電極の印加電圧よりも低く、且つ前記酸化物半導体活性層に入射される光の波長に応じた電圧を前記透明なゲート電極に印加することを特徴とする請求項１３に記載の光センサ素子。   The voltage application unit applies a voltage lower than an applied voltage of the source electrode and corresponding to a wavelength of light incident on the oxide semiconductor active layer, to the transparent gate electrode. 14. The optical sensor element according to 13. 前記酸化物半導体活性層の構成元素は、少なくともインジウム又は亜鉛を含むことを特徴とする請求項７から１４までのいずれかひとつに記載の光センサ素子。   The optical sensor element according to claim 7, wherein the constituent element of the oxide semiconductor active layer includes at least indium or zinc. 絶縁性基板上の光センサ素子及びスイッチング素子を有する画素が、スイッチング用配線及び信号読み取り用配線により２次元的に複数個配列された光電変換装置において、
前記光センサ素子及びスイッチング素子がともに酸化物半導体薄膜トランジスタにて構成され、
前記光センサ素子を構成する前記酸化物半導体薄膜トランジスタは、請求項７から１５までのいずれかひとつに記載の光センサ素子である
ことを特徴とする光電変換装置。 In a photoelectric conversion device in which a plurality of pixels each having an optical sensor element and a switching element on an insulating substrate are two-dimensionally arranged by a switching wiring and a signal reading wiring.
Both the optical sensor element and the switching element are composed of oxide semiconductor thin film transistors,
The photoelectric conversion device according to claim 7, wherein the oxide semiconductor thin film transistor constituting the photosensor element is the photosensor element according to claim 7. センシングする光の波長帯に応じて、前記光センサ素子の酸化物半導体薄膜トランジスタの前記２つのゲート電極に前記電圧印加部が印加する電圧を変化させる電圧制御部
を備えることを特徴とする請求項１６に記載の光電変換装置。 The voltage control part which changes the voltage which the voltage application part applies to the two gate electrodes of the oxide semiconductor thin film transistor of the photosensor element according to the wavelength band of the light to sense is provided. The photoelectric conversion device described in 1. 前記電圧制御部は、前記センシングする光の波長が長くなるに伴って、前記２つのゲート電極に前記電圧印加部が印加する電圧の差を大きくすることを特徴とする請求項１７に記載の光電変換装置。   The photoelectric controller according to claim 17, wherein the voltage control unit increases a difference between voltages applied to the two gate electrodes by the voltage application unit as a wavelength of the sensing light increases. Conversion device. 前記光センサ素子を構成する前記酸化物半導体薄膜トランジスタの酸化物半導体活性層の膜厚が、前記スイッチング素子を構成する前記酸化物半導体薄膜トランジスタの酸化物半導体活性層の膜厚よりも厚いことを特徴とする請求項１６から１８までのいずれかひとつに記載の光電変換装置。   The oxide semiconductor active layer of the oxide semiconductor thin film transistor constituting the photosensor element is thicker than the oxide semiconductor active layer of the oxide semiconductor thin film transistor constituting the switching element. The photoelectric conversion device according to any one of claims 16 to 18. 前記光センサ素子を構成する前記酸化物半導体薄膜トランジスタの酸化物半導体活性層の膜厚が７０ｎｍ以上であり、前記スイッチング素子を構成する前記酸化物半導体薄膜トランジスタの酸化物半導体活性層の膜厚が７０ｎｍ未満であることを特徴とする請求項１９に記載の光電変換装置。   The film thickness of the oxide semiconductor active layer of the oxide semiconductor thin film transistor that constitutes the photosensor element is 70 nm or more, and the film thickness of the oxide semiconductor active layer of the oxide semiconductor thin film transistor that constitutes the switching element is less than 70 nm. The photoelectric conversion device according to claim 19, wherein 前記光センサ素子を構成する前記酸化物半導体薄膜トランジスタのソース電極及びドレイン電極と、前記スイッチング素子を構成する前記酸化物半導体薄膜トランジスタのソース電極及びドレイン電極とが、それぞれ異なる層で成膜された金属層から構成されることを特徴とする請求項１９又は２０に記載の光電変換装置。   A metal layer in which a source electrode and a drain electrode of the oxide semiconductor thin film transistor constituting the photosensor element and a source electrode and a drain electrode of the oxide semiconductor thin film transistor constituting the switching element are formed in different layers, respectively. The photoelectric conversion device according to claim 19 or 20, wherein the photoelectric conversion device is configured by. 前記光センサ素子を構成する前記酸化物半導体薄膜トランジスタのソース電極及びドレイン電極と、前記スイッチング素子を構成する前記酸化物半導体薄膜トランジスタのソース電極及びドレイン電極とが、同じ層で成膜された金属層から構成されることを特徴とする請求項１９又は２０に記載の光電変換装置。   A source electrode and a drain electrode of the oxide semiconductor thin film transistor constituting the photosensor element and a source electrode and a drain electrode of the oxide semiconductor thin film transistor constituting the switching element are formed from the same metal layer. The photoelectric conversion device according to claim 19 or 20, wherein the photoelectric conversion device is configured. 前記光センサ素子を構成する前記酸化物半導体薄膜トランジスタのゲート電極と、前記スイッチング素子を構成する前記酸化物半導体薄膜トランジスタのゲート電極とが、同じ層で成膜された金属層から構成されることを特徴とする請求項１９から２２までのいずれかひとつに記載の光電変換装置。   The gate electrode of the oxide semiconductor thin film transistor that constitutes the photosensor element and the gate electrode of the oxide semiconductor thin film transistor that constitutes the switching element are formed of the same metal layer. The photoelectric conversion device according to any one of claims 19 to 22.
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