KR101562609B1 - 광센서 소자, 촬상 장치, 전자 기기, 및 메모리 소자 - Google Patents

광센서 소자, 촬상 장치, 전자 기기, 및 메모리 소자 Download PDF

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Abstract

게이트 전극이 게이트 절연막을 거쳐서, 산화물 반도체로 이루어지는 반도체층과 상대(相對; oppose)하고 있고, 상기 반도체층에 소스 전극 및 드레인 전극이 접속된 광센서 소자에 있어서, 반도체층에 의해 수광되는 광량(반도체층에서의 수광량)을, 게이트 전압에 대해 불휘발적으로 변화한 드레인 전류값(drain current)으로서 판독출력(讀出; read out)한다.
광센서 소자, 메모리 소자, 촬상 장치, 메모리 장치, 게이트 전극, 게이트 절연막, 반도체층, 소스 전극, 드레인 전극

Description

광센서 소자, 촬상 장치, 전자 기기, 및 메모리 소자{OPTICAL SENSOR ELEMENT, IMAGING DEVICE, ELECTRONIC EQUIPMENT AND MEMORY ELEMENT}
본 발명은, 그 전체 내용이 본원 명세서에 참고용으로 병합되어 있는, 2008년 1월 31일자로 일본 특허청에 출원된 일본특허출원 제2008-020558호에 관련된 주제를 포함한다.
본 발명은, 광센서 소자, 이 광센서 소자를 이용한 촬상 장치 및 전자 기기, 나아가서는 메모리 소자 및 이 메모리 소자를 이용한 전자 기기에 관한 것이다. 본 발명은 특히, 산화물 반도체로 이루어지는 반도체층을 이용한 구성에 관한 것이다.
최근에, 액정 표시 장치나 유기 EL 표시 장치와 같은 평면형 표시 장치를 내장(incorporating)하는 전자 기기에 있어서는, 다기능화가 증가하고(진행되고) 있다. 이와 같은 다기능화에는, 표시 화면이나 그 근방에 광센서 소자를 설치(마련)하는 것에 의해, 터치 패널 및 펜 입력 등의 화면 입력과, 백라이트 휘도 제어 를 가능하게 하는(실현하는) 것이 포함된다. 이와 같은 전자 기기에 설치되는 광센서 소자나, 전자 기기 구동용 소자로는, 비정질 실리콘, 또는 엑시머 레이저나 고상(固狀; solid phase) 성장에 의해 결정화된 다결정 실리콘으로 이루어지는 반도체층이 이용되고 있다.
또, 최근에는, 산화물 반도체를 이용하는 구성이 제안되어 있다. 이와 같은 산화물 반도체는, 상기 반도체층을 구성하는 재료로서, 저렴한 스퍼터 장치를 이용해서 형성할 수가 있다. 예를 들면, 일본특허 제JP-T-2006-502597호에는, 박막 트랜지스터를 표시 장치의 구동 소자로서 이용한 예가 개시되어 있다. 이 트랜지스터는, ZnO, SnO2, 또는 In2O3 등의 산화물 반도체로 이루어지는 반도체층을 이용한다. 또 다른 예로서, 일본 공개특허공보(特開) 제2006-165530호에는, 비정질의 금속 산화물 반도체를 이용한 X선 센서가 개시되어 있다.
　　
여기서, 상술한 산화물 반도체로 이루어지는 반도체층을 이용한 MOS형 소자(MOS element)는, 종래 알려져 있지 않은 특성을 나타낸다는 것을 알 수 있었다. 그래서, 본 발명은 상기의 점을 감안해서, 산화물 반도체로 이루어지는 반도체층을 활성층으로서 이용한 MOS형 소자의 종래 알려져 있지 않은 특성을 이용해서 구동되는 광센서 소자 및 메모리 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또, 본 발명은, 이들 소자를 이용한 촬상 장치 및 전자 기기를 제공하는 것이 바람직하다.
상기한 목적(요구)을 달성하기 위해서, 본 발명에 따른 광센서 소자는, 이른바 MOS형 광센서 소자이다. 이 광센서 소자는, 게이트 전극이, 절연막을 거쳐서, 산화물 반도체로 이루어지는 반도체층과 상대(相對; oppose)하고 있다. 상기 반도체층에는 소스 전극 및 드레인 전극이 접속되어 있다. 상기 광센서 소자에 있어서는 특히, 반도체층에 의해 수광되는 광량(반도체층에서의 수광량)을, 게이트 전압에 대해 불휘발적으로 변화한 드레인 전류값(drain current)으로서 판독출력(讀出; read out)한다.
산화물 반도체로 이루어지는 반도체층을 이용한 MOS형 소자에 있어서는, 반도체층이 수광함에 따라, 게이트 전압(Vg)에 대한 드레인 전류값(Id), 즉 Vg-Id 특성이 불휘발적으로 변화한다는 것을 알 수 있었다. 이 때문에, 반도체층에서의 수광 기간(ligght reception period) 후에 드레인 전류값(Id)을 판독출력하는 것에 의해, 반도체층에 의해 수광되는 광량을 검출할 수 있다.
여기서, 이와 같은 Vg-Id 특성의 불휘발적인 변화는, 온(ON) 전류에 도달하는 것보다도 더 낮은 게이트 전압의 범위에서 발생한다. 상기 온 전류는, 광 조사전의 초기 상태에서 드레인 전류(Id)의 최대값이다. 이 때문에, 드레인 전류의 판독출력은, 초기 상태에서의 임계값(threshold) 전압 이하이고 또한 반도체층에서의 수광 기간시의 전압 이상의 게이트 전압일 때에 실행한다. 이것에 의해, 반도체층 에 의해 수광되는 광량이 검출된다. 다른 한편, 드레인 전류값의 판독출력(읽어냄) 전에는, 반도체층이 수광하기 전의 초기 상태로 Vg-Id 특성을 되돌리는(restore) 리셋 동작을 실행한다.
또, 본 발명의 실시형태는, 상기한 바와 같이 구성된 광센서 소자를 구비한 촬상 장치이다. 또한, 본 발명의 실시형태는, 광센서 소자를 구비한 촬상 장치를 이용한 전자 기기이기도 하다.
또, 이상과 같은 광 조사에 기인하는 Vg-Id 특성의 불휘발적인 변화는, 메모리 소자에서도 응용될 수 있다. 즉, 본 발명의 실시형태에 따른 메모리 소자는, 이른바 MOS형 광센서 소자이다. 이 메모리 소자에 있어서, 산화물 반도체로 이루어지는 반도체층 위에는, 게이트 절연막을 거쳐서, 게이트 전극이 설치되어 있다. 소스 전극 및 드레인 전극은 상기 반도체층에 접속되어 있다. 상기 메모리 소자에 있어서는, 특히, 반도체층에 의해 수광되는 광량을, 게이트 전압에 대해서 불휘발적으로 변화한 드레인 전류값으로서 판독출력한다.
그리고, 본 발명의 실시형태는, 상기 구성의 메모리 소자를 구비한(탑재한) 전자 기기이기도 하다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시형태에 따르면, 산화물 반도체로 이루어지는 반도체층을 이용한 이른바 MOS형 소자에 있어서, 새롭게 발견된 반도체층에서의 수광에 기인하는 Vg-Id 특성의 불휘발적인 변화를 이용해서 반도체층에 의 해 수광되는 광량(반도체층에서의 수광량)의 검출을 실행하는 것이 가능하게 된다. 또, 본 발명의 실시형태에 따르면, 이 불휘발적인 변화를 메모리 기능으로서 이용하는 것이 가능하게 된다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시형태를 도면에 의거하여 상세하게 설명한다.
<광센서 소자 및 메모리 소자＞
도 1은, 본 발명의 실시형태를 적용한 광센서 소자의 구성을 도시하는 개략 단면도이다. 이 도 1에 도시하는 광센서 소자(1a)는, 이른바 MOS형 광센서 소자(1a)이다. 이 광센서 소자(1a)는, 다음과 같이 구성되어 있다.
즉, 기판(11) 위에는, 예를 들면 몰리브덴, 티타늄(티탄), 탄탈륨(탄탈), 텅스텐 등의 재료나, 또는 알루미늄과 같은 광 반사성을 가지는 재료로 이루어지는 게이트 전극(13)이 배선되어 있다. 이 게이트 전극(13)은, 게이트 구동 회로(21)에 의해서, 이후에 설명하는 바와 같이 구동된다. 기판(11) 위에는, 게이트 전극(13)을 덮는 상태로(방식으로) 게이트 절연막(15)이 설치되어 있다. 이 게이트 절연막(15)은 광 투과성인 것이 바람직하다. 게이트 절연막(15) 위에는, 게이트 전극(13)을 올라타는(跨; straddle) 상태로 반도체층(17)이 패턴 형성되어 있다. 이 반도체층(17)은, 산화물 반도체로 이루어지는 것이다. 이 산화물 반도체에 이용되는 금속 산화물 중에는, 예를 들면 InGaZnO, SnO2, In2O3, ITO(SnO2+In2O3), ZnO, CdO, Cd2SnO4, TiO2 및 Ti3N4가 있다.
또, 반도체층(17)이 설치된 게이트 절연막(15) 위에는, 소스 전극(19s)과 드레인 전극(19d)이 패턴 형성되어 있다. 이 소스 전극(19s)과 드레인 전극(19d)은, 게이트 전극(13)을 사이에 둔 게이트 전극(13)의 양측에 패턴 형성되어 있다. 이 소스 전극(19s)과 드레인 전극(19d)은, 반도체층(17)의 단부(端部)의 하나에 각각의 단부를 적층(積層; lie)시킨 형상으로 패턴 형성되어 있다. 이들 소스 전극(19s) 및 드레인 전극(19d)은 각각이, 도전성 재료로 이루어지고, 소스 구동 회로(23s) 또는 드레인 구동 회로(23d)에 의해서 다음에 설명하는 바와 같이 구동된다.
도 2는, 이상과 같은 적층 구성의 광센서 소자(1a)의 구동을 설명하기 위한 게이트 전압(Vg)과 드레인 전류(Id)와의 관계, 즉 Vg-Id 특성을 도시하는 도면이다. 광센서 소자(1a)는, 게이트 구동 회로, 소스 구동 회로 및 드레인 구동 회로에 의해서 구동된다.
산화물 반도체로 이루어지는 반도체층(17)으로부터 광을 수광하면, 광센서 소자(1a)의 Vg-Id 특성은, 수광전의 초기 상태 A로부터 드레인 전류(Id)가 증가하는(이하, 여기(勵起; excited) 상태 B라고 기재한다) 방향으로 변화한다. 이 변화는, 불휘발적이고, 수광을 정지해도 보존유지(保持; retain)된다. 그래서, 수광후의 드레인 전류(Id)값을 판독출력하는 것에 의해, 반도체층(17)에 의해 수광되는 광량을 검출한다. 또한, 반도체층(17)에 의한 수광량이 검출되는 광은, 반도체 층(17)에 의해 흡수되는 파장의 광임을 주목해야 한다. 이 때문에, 예를 들면 반도체층(17)이 InGaZnO로 구성되어(이루어져) 있는 경우, 이 반도체층(17)은 파장 420㎚ 이하의 자외선을 특히 현저하게 흡수한다. 결과로서, 그 수광량이 검출되게 된다.
한편, 이와 같은 Vg-Id 특성의 불휘발적인 변화는, 온 전류(Id=Ion)에 도달하는 것보다도 낮은 게이트 전압의 범위에서 발생한다. 온 전류는, 광 조사전의 초기 상태 A에서 드레인 전류(Id)의 최대값이다. 또, 이와 같은 Vg-Id 특성은, 반도체층(17)에 의해 수광되는 광량에 대응해서 드레인 전류(Id)가 증가하는 방향으로 불휘발적으로 변화한다.
그래서, 드레인 전류(Id)를 판독출력할 때의 게이트 전압(Vgr)은, 초기 상태 A에서의 임계값 전압을 Vth로 하고, 반도체층(17)의 수광 기간 동안의 게이트 전압을 Vgh로 한 경우, Vgh〈Vgr〈Vth의 관계식을 만족시키는 것으로 가정한다. 이것에 의해, 반도체층(17)에 의해 수광되는 광량을 고감도로 검출할 수 있게 된다. 또한, 초기 상태 A에서의 임계값 전압(Vth)은, 드레인 전류의 변화량이 최대로 되는 게이트 전압(Vg)이다. 한편, 초기 상태 A에서의 반도체층(17)의 수광 기간 동안의 전압(Vgh)은, 예를 들면 드레인 전류(Id)가 최소값으로 되는 오프(OFF) 전류(Id=Ioff) 범위로 설정되어 있어도 좋다.
또, 상술한 바와 같이, 반도체층(17)에 의해 수광되는 광량에 따라 Vg-Id 특성이 불휘발적으로 변화하기 때문에, 수광 기간을 계속하거나 또는 단속적(斷續的)으로 반복하는 것에 의해, 반도체층(17)에 의해 수광되는 광량의 적산량(적산값) 을, 초기 상태 A에 대한 Vg-Id 특성의 적산 변화량으로서 검출한다.
한편, 도 3은, 이상과 같은 적층 구성의 광센서 소자(1a)의 게이트 구동 회로, 소스 구동 회로 및 드레인 구동 회로에 의해서 행해지는(다루어지는) 광센서 소자(1a)의 구동 시퀀스를 도시하는 도면이다. 이 도 3에 도시하는 시퀀스는, 이상과 같이 구동되는 광센서 소자(1a)를 이용해서 소정의 수광 기간 동안의 반도체층(17)에 의해 수광되는 광량을 반복해서 검출하기 위한 시퀀스이다. 이하, 도 3 뿐만 아니라 상기한 도 1 및 도 2를 참조해서 시퀀스를 설명한다.
우선, 스텝 S1의 리셋 기간 동안에는, Vg-Id 특성을 초기 상태 A로 되돌리기(restore) 위해서 리셋 동작을 실시한다. 리셋 동작에서는, 이하의 세 개의 스텝 (1)∼(3)을 실행한다. (1) 소스 전극(19s)과 드레인 전극(19d)을 함께 쇼트시킨 상태에서, 게이트 전극(13)에 임계값 전압(Vth) 이상의 정(正)전압을 인가한다. (2) 가열 처리를 실행한다. (3) 소스 전극과 드레인 전극 사이에 소정량 이상의 전류를 흐르게 하는 것에 의한 셀프 히팅을 가열 처리로서 실행한다.
이상과 같은 세 개의 스텝 (1)∼(3)으로 이루어지는 리셋 동작은, 반도체층(17) 및 게이트 절연막(15)의 조성, 막질 및 성막 조건 등의 요인에 따라서 적절한 조건하에서 실행된다. 예를 들면, 게이트 절연막(15)을 InGaZnO로 이루어지는 게이트 전극(13) 위에, 400℃의 성막 온도로 치밀하게 100㎚ 막두께로 형성한 경우에 있어서, 리셋 동작의 스텝 (1)을 실행하려면, 15V의 게이트 전압이 필요했다. 또, 이 게이트 절연막(15)을 180℃의 성막 온도로 상기한 것만큼 치밀하지는 않지만 트랜지스터 절연막으로서는 충분히 사용할 수 있는 막질의 것으로 형성한 경우, 리셋 동작의 스텝 (1)을 실행하려면, 10V 이하의 게이트 전압(Vg)이 필요하다는 것을 알 수 있었다. 또, 조건에 따라서는, 게이트 전압(Vg) 및 드레인 전압(Vd)이 모두 0V일 때에도 리셋 동작을 실행할 수 있다는 것을 알 수 있었다.
다음에, 스텝 S2의 수광 기간 동안에는, 반도체층(17)에 의해 수광을 실시한다. 이 때, 미리 설정된 소정의 수광 기간 동안에, 게이트 전극(13)에는 수광 전압(Vgh)을 인가한다.
그 후, 스텝 S3의 다음의 판독출력 기간 동안에는, 게이트 전극(13)에 판독출력 전압(Vgr)을 인가한 상태에서, 드레인 전류(Id)를 판독출력한다.
이후에는, 스텝 S1∼S3을 반복하여 실행하는 것에 의해, 시간에 걸쳐(over time) 반도체층(13)에 의해 수광되는 광량이 검출된다.
그리고, 이상과 같이 구성된 광센서 소자(1a)는, 반도체층(17)에 의해 수광되는 광량을, Vg-Id 특성에 대해서 불휘발적으로 보존유지한다. 상기 광센서 소자(1a)는, 광메모리를 구성하고 있다. 다시말해, 이 광센서 소자(1a)는, 광 기입(光書入; optically written)의 불휘발성 메모리 소자(1b)로서도 이용된다.
이상 설명한 바와 구성된 광센서 소자(1a)(메모리 소자(1b))는, 산화물 반도체로 이루어지는 반도체층(17)을 이용한 이른바 MOS형 소자에 있어서, 새롭게 발견한 반도체층(17)의 수광에 기인하는 Vg-Id 특성의 불휘발적인 변화를 이용해서, 반도체층(17)에 의해 수광되는 광량을 고감도로 검출하는 것이 가능하게 된다.
또한, 위 설명에서, MOS형 광센서 소자(1a)(메모리 소자(1b))로서, 이른바 보텀 게이트 구조의 MOS형 소자를 예시했다. 그렇지만, 이 광센서 소자(1a)(메모 리 소자(1b))는, 반도체층(17)의 상부에 게이트 절연막(15)을 거쳐서 게이트 전극(13)을 설치한 이른바 탑 게이트형 소자이더라도 좋다. 또 게다가, 반도체층(17)을 거쳐서, 게이트 절연막 상하에, 두 개의 게이트 전극을 설치해도 좋다. 이 경우에는, 두개의 게이트 전극의 구동에 의해서, 스위칭 동작의 안정성 혹은 신뢰성을 얻을(제공할) 수가 있다. 반도체층(17)의 상하에 두 개의 게이트 전극을 형성하는 경우에는, 반도체층에 대해서 광 입사가 가능해지도록 어떠한 형태의 수단(section)을 강구할(설치할) 필요가 있다. 수평 방향으로부터의 누설광을 이용해도 좋다. 또는(대신에), 상하 어느 한쪽 혹은 양쪽의 전극을 광에 대해서 투명한 재료(광 투명성 재료)로 형성해도 좋다.
<촬상 장치 및 메모리 장치>
도 4는, 상술한 MOS형 구조의 광센서 소자(1a)를 구비한(탑재한) 촬상 장치(3a)의 구성을 도시하는 도면이다. 이 도 4에 도시하는 바와 같이, 촬상 장치(3a)는, 기판(11) 위의 촬상 영역에 배열된 복수의 광센서 소자(1a)를 구비하고 있다. 또, 이 기판(11) 위에는, 수평 방향으로 배선된 복수의 선택 제어선(31)과, 수직 방향으로 배선된 복수의 신호선(33)을 구비하고 있다. 각 센서 소자(1a)는, 그의 게이트 전극을 선택 제어선(31)에 접속시키고, 그의 소스 전극과 드레인 전극을 양측의 신호선(33)에 각각 접속시킨 상태에서, 각 선택 제어선(31)과 신호선(33)과의 교차부에 설치(배치)되어 있다.
또, 광센서 소자(1a)가 배열되어 있는 촬상 영역 주위에는, 주사선 구동 회로(35)와 신호선 구동 회로(37)가 설치되어 있다. 주사선 구동 회로(35)에는 선택 제어선(31)이 접속되어 있다. 신호선 구동 회로(37)에는 신호선(33)이 접속되어 있다.
두 개의 회로중, 주사선 구동 회로(35)는, 선택 제어선(31)을 순차 선택하고, 선택한 각 선택 제어선(31)에 접속된 광센서 소자(1a)의 게이트 전극을, 상기 광센서 소자(1a)의 구성에 관련해서 설명한 바와 같은 시퀀스에 따라서 구동시키는 것이다.
한편, 신호선 구동 회로(37)는, 신호선(33)을 순차 선택하고, 선택한 신호선(33)에 접속된 광센서 소자(1a)의 소스 전극 및 드레인 전극을, 상기 광센서 소자(1a)의 구성에 관련해서 설명한 바와 같은 시퀀스에 따라서 구동시키는 것이다. 또한, 여기서의 도시는 생략했지만, 각 신호선(33)에는, 회로가 접속되어 있어도 좋다. 이 회로는, 각 광센서 소자(1a)의 반도체층에 의해 수광되는 광량을 드레인 전류로서 순차 취출(取出; extract)한 전기 신호를 처리하는 회로이다.
이상과 같이 구성된 촬상 장치(3a)에 의하면, 반도체층에서의 수광 결과로서(수광에 의해서) 불휘발적으로 Vg-Id 특성이 변화하는 광센서 소자(1a)를 이용한 촬상(imaging)을 실행하는 것이 가능하다. 단, 반도체층에 의해 수광되는 광량이 검출되는 광은, 반도체층에 의해 흡수될 수 있는 파장의 광임을 주목해야 한다. 이러한 이유로, 예를 들면 반도체층이 InGaZnO로 이루어져(구성되어) 있는 경우이면, 파장 420㎚ 이하에서 수광되는 자외선의 광량을 검출한 촬상을 하게 된다.
그리고, 이상의 촬상 장치(3a)는, 광센서 소자(1a)가 그대로 메모리 소자(1b)로서도 기능하는 것이기 때문에, 불휘발성의 멀티 비트 메모리 장치(3b)로서 도 이용된다. 또한, 메모리 장치(3b)로서 이용하는 경우에는, 각 메모리 소자(1b)(센서 소자(1a))의 반도체층은, 광센서 소자(1a)에 대해서 조사할 광을 스캐닝시키는 것에 의해서 광을 수광해도 좋음을 주목해야 한다. 단, 광센서 소자(1a)에 대해서 조사할 광으로서는, 반도체층에 의해 흡수될 수 있는 파장의 광을 이용하는 것이 필수적이다.
<전자 기기 1＞
도 5는, 상술한 바와 같이 구성된 광센서 소자(1a)를 구비한(탑재한) 전자 기기(5a)의 일예를 도시하는 구성도이다. 이 도 5에 도시하는 전자 기기(5a)는, 상술한 바와 같이 구성된 광센서 소자(1a)를 구비한 표시 장치이다. 이 전자 기기(표시 장치)(5a)는, 표시 패널(51)과, 백라이트(52)와, 표시 구동 회로(53)와, 수광 구동 회로(54)와, 화상 처리부(55)와, 어플리케이션 프로그램 실행부(56)를 구비하고 있다.
표시 패널(51)은, 액정 패널(LCD(Liquid Crystal Display))를 포함한다. 이 액정 패널은, 중앙의 표시 영역(51a)의 전면에 걸쳐서 복수의 화소가 매트릭스 형상으로 배치되어 있다. 이 액정 패널은, 선순차(linear sequential) 구동을 실행하는 것에 의해 표시 데이터에 의거하는 소정의 도형(그래픽)이나 문자 등의 화상을 표시할 수가 있다(표시 기능(capability)). 한편, 후술하는 바와 같이, 표시 영역(51a)에는, 광센서 소자가 배치되고, 표시 패널(51)의 표시면에 접촉하거나 또는 근접하는 물체를 검출하는 센서 기능(촬상 기능)을 가지고 있다.
한편, 백라이트(52)는, 표시 패널(51)의 광원이며, 예를 들면 복수의 발광 다이오드를 그의 면내에 배열하고 있다. 이 백라이트(52)는, 후술하는 바와 같이 표시 패널(51)의 동작 타이밍과 동기한 소정의 타이밍에서, 고속으로 발광 다이오드의 온·오프 동작을 실시하도록 설계되어 있다. 특히, 본 실시형태에서는, 이 백라이트(52)는, 표시를 목적으로 하는 가시광선 뿐만 아니라, 광센서 소자의 반도체층이 흡수하는 파장의 광도 사출(射出; emit)하는 것이 중요하다. 예를 들면, 반도체층이 InGaZnO로 이루어지는 경우에는, 이 반도체층은 가시광선의 파장 영역의 흡수가 대부분 없지만, 파장 420㎚ 이하의 자외선을 흡수한다. 이 때문에, 백라이트(52)로서는, 파장 420㎚ 이하의 자외선을 발생하는 광원이 이용된다. 또한, 자외선의 광원은, 가시광선의 광원과 별체로서(별도로) 설치되어 있어도 좋다. 또는, 통상(normal) 환경하에서 존재하는 광(예를 들면, 옥외 태양광, 실내 형광등 등)에 의해서, 그의 음영 영역(shaded area)을 검출하여, 표면 근방의 물체를 인식하도록 하는 것도 가능하다. 그 경우에는, 자외선의 광원을 가질 필요가 없어진다.
다음에, 표시 구동 회로(53)는, 표시 패널(51)에서 표시 데이터에 의거하는 화상이 표시되도록(표시 동작을 실행하도록), 이 표시 패널(51)을 구동하는(표시 패널(51)의 선순차 구동을 실행하는) 것이다.
수광 구동 회로(54)는, 표시 패널(51)의 수광 데이터를 얻을 수 있도록(물체를 촬상하도록), 이 표시 패널(51)을 구동하는(표시 패널(51)의 선순차 구동을 실행하는) 것이다. 또한, 각 화소의 수광 데이터는, 프레임 단위로 프레임 메모리(54a)에 축적(store)되고, 촬상 화상으로서 화상 처리부(55)에 출력되도록 되어 있음을 주목해야 한다.
화상 처리부(55)는, 수광 구동 회로(54)로부터의 촬상 화상에 의거하여 소정의 화상 처리(연산 처리)를 실행하고, 표시 패널(51)에 접촉하거나 또는 근접하는 물체에 관한 정보(예를 들면, 위치 좌표 데이터, 물체의 형상이나 크기 등에 관한 데이터)를 검출하고 취득하는 것이다.
어플리케이션 프로그램 실행부(56)는, 화상 처리부(55)의 검출 결과에 의거해서 소정의 어플리케이션 소프트에 따른 처리를 실행하는 것이다. 이와 같은 처리 중에는, 예를 들면 검출한 물체의 위치 좌표와 함께 표시 데이터를, 표시 패널(51) 위에 표시시키는 것이 있다. 또한, 이 어플리케이션 프로그램 실행부(56)에 의해 생성되는 표시 데이터는, 표시 구동 회로(53)에 공급됨을 주목해야 한다.
도 6은, 표시 패널(51)의 표시 영역(51a)의 회로 구성을 도시하는 도면이다. 이 도 6에 도시하는 바와 같이, 표시 영역(51a)에는, 복수의 화소부(61)와 복수의 센서부(62)가 형성되고 배열되어 있다.
화소부(61)는, 수평 방향으로 배선된 복수의 주사선(61a)과 수직 방향으로 배선된 복수의 신호선(61b)과의 각 교차부에 배치된다. 각 화소부(61)에는, 예를 들면 스위칭 소자로서의 박막 트랜지스터(Thin Film Transistor: TFT) Tr이 구비(설치)되어 있다.
박막 트랜지스터 Tr은, 그의 게이트가 주사선(61a)에 접속되고, 그의 소스/드레인의 한쪽이 신호선(61b)에 접속되고, 그의 소스/드레인의 다른쪽이 화소 전극(61c)에 접속되어 있다. 또, 각 화소부(61)에는, 모든 화소부(61)에 공통 전위 Vcom을 공급하는 공통 전극(61d)이 구비되어 있다. 이들 각 화소 전극(61c)과 공통 전극(61d) 사이에, 액정층 LC가 협지(挾持; hold)된다.
그리고, 주사선(61a)을 거쳐서 공급되는 구동 신호에 의거해서, 박막트랜지스터 Tr이 온·오프 동작한다. 이 박막 트랜지스터 Tr이 온 상태일 때에, 신호선(61b)로부터 공급되는 표시 신호에 의거해서 화소 전극(61c)에 화소 전압이 인가되고, 화소 전극(61c)과 공통 전극(61d) 사이에 생긴 전계에 의해서 액정층 LC가 구동된다.
한편, 센서부(62)는, 표시 영역(61a)내에서의 소정 부분에 설치된다. 이 센서부(62)는, 각 화소부(61)에 대응해서 1개가 설치되어 있어도 좋고, 복수의 화소부(61)에 대해서 1개의 비율로 설치되어도 좋다. 이 센서부(62)에는, 도 1을 참조하여 설명한 MOS형 구조의 광센서 소자(1a)를 포함한다.
각 광센서 소자(1a)는, 그의 소스 전극이 전원선(Vdd)(62a)에 접속되고, 그의 드레인 전극이 용량 소자 Cs에 접속되어 있다. 그리고, 각 광센서 소자(1a)의 게이트 전극은, 선택 제어선(62b)에 접속되어 있다.
또, 이 센서부(62)에는, 하나의 트랜지스터의 소스가 다른 하나의 트랜지스터의 드레인에 접속된 두개의 트랜지스터 Tr1, Tr2가 구비되어 있다. 두 개의 트랜지스터중의 한쪽의 트랜지스터 Tr1은, 그의 게이트가 광센서 소자(1a)의 소스 전극과 용량 소자 Cs에 접속되어 있다. 그 트랜지스터 Tr1은, 그의 소스 또는 드레인이 전원선(Vdd)(62a)에 접속되어 있다. 또, 두 개의 트랜지스터중의 다른 한쪽의 트랜지스터 Tr2는, 그의 게이트가 판독출력(readout) 제어 전극(62c)에 접속되고, 그의 소스 또는 드레인이 신호 출력용 전극(62d)에 접속되어 있다. 또한, 용량 소자 Cs의 다른쪽의 전극은, 전원선(Vss)(62e)에 접속되어 있음을 주목해야 한다.
그리고, 광센서 소자(1a)는, 상술한 광센서 소자(1a)의 구성에 관련해서 상술한 바와 같이, 여기서의 도시를 생략한 리셋 스위치에 의해서 리셋된다. 또, 드레인 전류는, 광센서 소자(1a)의 반도체층에 의해 수광되는 광량에 대응해서 불휘발적으로 변화한 드레인 전류가 판독출력된다. 광센서 소자(1a)로부터 판독출력된 드레인 전류는, 용량 소자 Cs에 전하의 형태로 축적되고, 판독출력 제어 전극(62c)에 의해 공급되는 신호 출력용 전극(62d)에 공급되어, 외부 기기에 출력된다.
또한, 화소부(61) 및 센서부(62)에 구비되는 박막 트랜지스터 Tr, Tr1 및 Tr2는, 광센서 소자(1a)와 동일하게 구성되어 있음을 주목해야 한다. 이 경우, 박막 트랜지스터 Tr, Tr1 및 Tr2는, 광센서 소자(1a)와 동일하게 구성되어 있지만, 광센서 소자(1a)와는 다르게 구동된다. 이 때문에, 박막 트랜지스터 Tr, Tr1 및 Tr2는, 그들의 오동작(malfunction)을 방지하기 위해서, 차광막으로 덮는 것이 바람직하다. 이 차광막은, 광센서 소자(1a)의 반도체층에 의해 흡수되는 자외선을 흡수하거나 또는 반사할 수 있는 막이면, 차광막으로 이용가능하다.
또한, 이상과 같이 구성된 표시 패널(51)은, 2장의 편광판 사이에 협지되어 있는 것으로 한다.
이와 같은 도 5 및 도 6을 참조하여 설명한 전자 기기(표시 장치)(5a)를 구동하기 위해서, 백라이트(52)로부터 조사된 모든 광 중에서, 편광판을 통과해서 액정층 LC에 도달한 광을, 화소 전극(61c)의 구동 결과로서의 액정층 LC의 스위칭에 의해 소정의 상태로 편광시킨다. 그리고, 다른쪽의 편광판과 동일한 방향으로 편광시킨 광만이 이 편광판을 통과하도록 해서, 표시광으로서 표시시킨다.
한편, 표시면측에 손가락, 스타일러스 펜 또는 다른 물체가 접근한 경우에는, 이 물체에 의한 외광 그림자(影)를 광센서 소자(1a)에 의해 검출한다. 또는, 백라이트로부터의 광을 물체에 의해 반사시키고, 광센서 소자(1a)에 의해 검출한다. 그리고, 광센서 소자(1a)에 의해 검출된 광을 드레인 전류값으로서 판독출력함으로써, 표시 화면에서의 손가락이나 스타일러스 펜의 접근 위치를 검출해서, 촬상을 실행한다.
이상 설명한 전자 기기(표시 장치)(5a)에 의하면, 반도체층에서의 수광 결과로서(수광에 의해서) 불휘발적으로 Vg-Id 특성이 변화하는 광센서 소자(1a)를 이용한 고감도 광검출을 행하는 것이 가능하다.
<전자 기기 2>
상술한 바와 같이 구성된 광센서 소자(1a)를 이용한 전자 기기(표시 장치)의 다른 예로서는, 광센서 소자(1a)를 구비한 센서부를 표시 영역(51a) 주변에 설치함으로써, 수광된 외광의 강도에 의거해서 백라이트(52)를 조정하는 기능을 구비한 구성에 적용하는 것도 가능하다. 이 경우, 광센서 소자(1a)를 구비한 센서부는, 예를 들면 도 7에 도시하는 바와 같이 구성할 수가 있다.
즉, MOS형 구조의 광센서 소자(1a)는, 그의 소스 전극이 전원선(Vdd)에 접속되고, 그의 드레인 전극이 용량 소자 Cs, 리셋 회로 및 판독출력 회로에 접속되어 있다. 광센서 소자(1a)의 게이트 전극은, 선택 제어선(65)에 접속되어 있다. 또 한, 용량 소자 Cs의 다른쪽의 전극은, 전원선(Vss)에 접속되어 있음을 주목해야 한다.
그리고, 광센서 소자(1a)는, 상술한 광센서 소자(1a)의 구성에 관련해서 기술한 바와 같이, 여기서의 도시를 생략한 리셋 회로에 의해서 리셋된다. 또, 광센서 소자(1a)의 반도체층에 의해 수광되는 광량에 대응해서 불휘발적으로 변화한 드레인 전류가 판독출력된다. 광센서 소자(1a)로부터 판독출력된 드레인 전류는, 용량 소자 Cs에 전하의 형태로 축적되고, 판독출력 회로로부터의 신호에 의해서 외부 기기에 출력된다.
또, 이와 같은 전자 기기(표시 장치)에 있어서는, 도 5에 도시한 전자 기기(표시 장치)(5a)에 구비되어 있는 수광 구동 회로(54), 화상 처리부(55) 및 어플리케이션 프로그램 실행부(56) 대신에, 광강도 제어 회로를 구비하고 있다. 이 광강도 제어 회로는, 광센서 소자(1a)로부터의 전기 신호에 의거해서, 백라이트(52)의 광강도를 제어하는 것이다.
이와 같이 구성된 전자 기기(표시 장치)에서도, 반도체층에서의 수광 결과로서(수광에 의해서) 불휘발적으로 Vg-Id 특성이 변화하는 광센서 소자(1a)를 이용한 고감도 광검출을 실행하는 것이 가능하다.
또한, 이상의 실시형태에서는, 광센서 기능(촬상 기능)을 가지는 전자 기기(표시 장치)의 일예로서 액정표시 장치를 예시했다. 그렇지만, 이와 같은 전자 기기는 액정표시 장치에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 실시형태에 따라 구성된 광센서 소자(1a)를 구비한 전자 기기에 널리 적용가능하다. 예를 들면, 전자 기기 가 표시 장치인 경우에는, 백라이트를 이용하지 않고 유기 LED(OLED)를 회로면에 형성하는 자발광형(self-luminous) 표시 장치에 있어서, 본 발명의 실시형태에 따른 광센서 소자를 구비하는 것이 가능하다.
<적용예＞
이상 설명한 본 발명의 실시형태에 따른 광센서 소자 또는 메모리 소자를 구비한 전자 기기는, 도 8∼도 12에 도시하는 디지털 카메라, 랩탑형 퍼스널컴퓨터, 휴대 전화 등의 휴대 단말 장치 및 비디오 캠코더를 포함하는 각종 분야의 전자 기기에 적용가능하다. 이들 전자 기기는, 전자 기기에 입력된(보내진) 영상 신호, 혹은 전자 기기내에서 생성된 영상 신호의 화상 혹은 영상을 표시하도록 설계되어 있다. 이들 전자 기기에 있어서, 실시형태에 관련해서 설명한 광센서 소자를 표시 부분에 설치하고, 촬상 기능을 부가(deliver)시키는 것이 가능하다. 또, 이들 전자 기기의 메모리 기능으로서, 실시형태에 관련해서 설명한 메모리 소자를 구비한 메모리 장치를 적용할 수가 있다. 이하에, 본 발명의 실시형태가 적용되는 전자 기기의 일예에 대해서 설명한다.
도 8은, 본 발명의 실시형태가 적용되는 텔레비전 세트를 도시하는 사시도이다. 본 적용예에 따른 텔레비전 세트는, 예를 들면 프론트(앞면) 패널(102), 필터 유리(103) 및 그 밖의 부분으로 구성되는 영상 표시 화면부(101)를 포함하고 있다. 이 텔레비전 세트는, 그 영상 표시 화면부(101)로서 본 발명의 실시형태에 따른 광센서 소자를 구비한 표시 장치를 이용하는 것에 의해 제작된다. 또, 이 텔레비전 세트는, 메모리 기능으로서 본 발명의 실시형태에 따른 메모리 소자를 구비한 메모 리 장치를 이용하는 것에 의해 제작된다.
도 9의 (a) 및 (b)는, 본 발명의 실시형태가 적용되는 디지털 카메라를 도시하는 도면이다. 도 9의 (a)는 정면(front)에서 본 디지털 카메라의 사시도이고, 도 9의 (b)는 이면측(rear)에서 본 디지털 카메라의 사시도이다. 본 적용예에 따른 디지털 카메라는, 플래시용 발광부(111), 표시부(112), 메뉴 스위치(113), 셔터 버튼(114) 및 그 밖의 부분을 포함하고 있다. 이 디지털 카메라는, 표시부(112)로서, 본 발명의 실시형태에 따른 광센서 소자를 구비한 표시 장치를 이용하는 것에 의해 제작된다. 또, 이 디지털 카메라는, 메모리 기능으로서, 본 발명의 실시형태에 따른 메모리 소자를 구비한 메모리 장치를 이용하는 것에 의해 제작된다.
도 10은, 본 발명의 실시형태가 적용되는 랩탑형 퍼스널 컴퓨터를 도시하는 사시도이다. 본 적용예에 따른 랩탑형 퍼스널 컴퓨터는, 본체(121)에, 문자나 다른 정보를 입력할 때 조작되는 키보드(122), 화상을 표시하는 표시부(123) 및 그 밖의 부분을 포함하고 있다. 이 랩탑형 퍼스널 컴퓨터는, 표시부(123)로서, 본 발명의 실시형태에 따른 광센서 소자를 구비한 표시 장치를 이용하는 것에 의해 제작된다. 또, 이 랩탑형 퍼스널 컴퓨터는, 메모리 기능으로서, 본 발명의 실시형태에 따른 메모리 소자를 구비한 메모리 장치를 이용하는 것에 의해 제작된다.
도 11은, 본 발명의 실시형태가 적용되는 비디오 캠코더(video camcorder)를 도시하는 사시도이다. 본 적용예에 따른 비디오 캠코더는, 본체부(131), 전방을 향한 측면에 설치된 피사체 촬영용 렌즈(132), 촬영시의 스타트/스톱 스위치(133), 표시부(134) 및 그 밖의 부분을 포함하고 있다. 이 비디오 캠코더는, 표시부(134) 로서, 본 발명의 실시형태에 따른 광센서 소자를 구비한 표시 장치를 이용하는 것에 의해 제작된다. 또, 이 비디오 캠코더는, 메모리 기능으로서, 본 발명의 실시형태에 따른 메모리 소자를 구비한 메모리 장치를 이용하는 것에 의해 제작된다.
도 12의 (a)∼(g)는, 본 발명의 실시형태가 적용되는 휴대 전화기 등의 휴대 단말 장치를 도시하는 사시도이다. 도 12의 (a)는, 개방 위치(열린 상태)에서의 휴대 전화기의 정면도이다. 도 12의 (b)는, 휴대 전화기의 측면도이다. 도 12의 (c)는, 닫은 상태에서의 휴대 전화기의 정면도이다. 도 12의 (d)는, 좌측면도이다. 도 12의 (e)는 우측면도이다. 도 12의 (f)는 평면도(top view)이다. 도 12의 (g)는 저면도(bottom view)이다. 본 적용예에 따른 휴대 전화기는, 상측 인클로져(筐體; enclosure)(141), 하측 인클로져(142), 연결부(여기서는 힌지부)(143), 디스플레이(144), 서브디스플레이(145), 플래쉬 라이트(picture light)(146), 카메라(147) 및 그 밖의 부분을 포함하고 있다. 이 휴대 전화기는, 디스플레이(144) 및 서브디스플레이(145)로서, 본 발명의 실시형태에 따른 광센서 소자를 구비한 표시 장치를 이용하는 것에 의해 제작된다. 또, 이 휴대 전화기는, 메모리 기능으로서, 본 발명의 실시형태에 따른 메모리 소자를 구비한 메모리 장치를 이용하는 것에 의해 제작된다.
본 발명은 첨부하는 특허청구범위 또는 그 균등물의 범위내에서, 설계 요구조건 및 그 밖의 요인에 의거하여 각종 변형, 조합, 수정 및 변경 등을 행할 수 있다는 것은 당업자라면 당연히 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 일실시 형태에 따른 광센서 소자 및 메모리 소자의 구성을 도시하는 개략 단면도,
도 2는 일실시 형태에 따른 광센서 소자 및 메모리 소자의 Vg-Id 특성을 도시하는 도면,
도 3은 일실시 형태에 따른 광센서 소자 및 메모리 소자의 구동 시퀀스를 도시하는 도면,
도 4는 일실시 형태에 따른 촬상 장치 및 메모리 장치의 구성을 도시하는 도면,
도 5는 일실시 형태에 따른 광센서 소자를 구비한 전자 기기(표시 장치)의 일예를 도시하는 구성도,
도 6은 일실시 형태에 따른 전자 기기의 회로 구성을 도시하는 도면,
도 7은 일실시 형태에 따른 전자 기기에서의 센서부의 회로 구성의 다른 예를 도시하는 도면,
도 8은 본 발명의 일실시 형태가 적용되는 텔레비전을 도시하는 사시도,
도 9의 (a) 및 (b)는 본 발명의 일실시 형태가 적용되는 디지털 카메라를 도시하는 도면으로서, 도 9의 (a)는 표면측에서 본 사시도, 도 9의 (b)는 이면측에서 본 사시도,
도 10은 본 발명의 일실시 형태가 적용되는 랩탑형 퍼스널 컴퓨터를 도시하는 사시도,
도 11은 본 발명의 일실시 형태가 적용되는 비디오 캠코더를 도시하는 사시도,
도 12의 (a)∼(g)는 본 발명의 일실시 형태가 적용되는 휴대 전화기 등의 휴대 단말 장치를 도시하는 도면으로서, 도 12의 (a)는 개방 위치(열린 상태)에서의 휴대 전화기의 정면도, 도 12의 (b)는 그의 측면도, 도 12의 (c)는 폐쇄 위치(닫은 상태)에서의 휴대 전화기의 정면도, 도 12의 (d)는 그의 좌측면도, 도 12의 (e)는 그의 우측면도, 도 12의 (f)는 그의 상면도, 도 12의 (g)는 그의 하면도.

Claims (25)

  1. 산화물 반도체로 이루어지고, 게이트 전압에 대한 드레인 전류값(drain current)이 불휘발적으로 변화하는 반도체층에 상대(相對; oppose}해서 게이트 절연막을 거쳐서 게이트 전극이 설치되고, 상기 반도체층에 소스 전극 및 드레인 전극이 접속된 광센서 소자가 배열되어 이루어지는 촬상 영역과,
    상기 반도체층에서의 수광량을, 그 반도체층에서의 수광 기간 후에 게이트 전압에 대해서 불휘발적으로 변화한 드레인 전류값으로서 판독출력(讀出; read out}하는 구동부를 구비하는 촬상 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 구동부는, 상기 드레인 전류값의 판독출력을, 상기 반도체층이 수광하기 전의 초기 상태에서의 임계값 전압 이하에서 또한 수광시의 전압 이상의 게이트 전압에서 행하는 촬상 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 구동부는, 상기 반도체층에서의 수광 전에, 상기 게이트 전압에 대한 상기 드레인 전류를 상기 반도체층이 수광하기 전의 초기 상태로 되돌리는(restore) 리셋 동작을 행하는 촬상 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 구동부는, 상기 리셋 동작으로서, 상기 소스 전극과 드레인 전극을 쇼트시킨 상태에서 게이트 전극에 정(正)전압을 인가하거나, 또는, 반도체층을 가열하는 촬상 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 구동부는, 상기 가열을, 소스 전극-드레인 전극 사이에 전류를 흐르게 하는 것에 의해서 행하는 촬상 장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 반도체층에서의 수광량이 검지되는 광은, 상기 반도체층에서 흡수되는 파장의 광인 촬상 장치.
  7. 산화물 반도체로 이루어지고, 게이트 전압에 대한 드레인 전류값이 불휘발적으로 변화하는 반도체층에 상대해서 게이트 절연막을 거쳐서 게이트 전극이 설치되고, 상기 반도체층에 소스 전극 및 드레인 전극이 접속된 광센서 소자가 배치되어 이루어지는 표시 영역과,
    상기 반도체층에서의 수광량을, 그 반도체층에서의 수광 기간 후에 게이트 전압에 대해서 불휘발적으로 변화한 드레인 전류값으로서 판독출력하는 구동부를 구비하는 전자 기기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 구동부는, 상기 드레인 전류값의 판독출력을, 상기 반도체층이 수광하기 전의 초기 상태에서의 임계값 전압 이하에서 또한 수광시의 전압 이상의 게이트 전압에서 행하는 전자 기기.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 구동부는, 상기 반도체층에서의 수광 전에, 상기 게이트 전압에 대한 상기 드레인 전류를 상기 반도체층이 수광하기 전의 초기 상태로 되돌리는 리셋 동작을 행하는 전자 기기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 구동부는, 상기 리셋 동작으로서, 상기 소스 전극과 드레인 전극을 쇼트시킨 상태에서 게이트 전극에 정전압을 인가하거나, 또는 반도체층을 가열하는 전자 기기.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 구동부는, 상기 가열을, 소스 전극-드레인 전극 사이에 전류를 흐르게 하는 것에 의해서 행하는 전자 기기.
  12. 산화물 반도체로 이루어지고, 게이트 전압에 대한 드레인 전류값이 불휘발적으로 변화하는 반도체층에 상대해서 게이트 절연막을 거쳐서 게이트 전극이 설치되고, 상기 반도체층에 소스 전극 및 드레인 전극이 접속된 메모리 소자가 배열되어 이루어지는 영역과,
    상기 반도체층에서의 수광량을, 그 반도체층에서의 수광 기간 후에 게이트 전압에 대해서 불휘발적으로 변화한 드레인 전류값으로서 판독출력하는 구동부를 구비하는 메모리 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 구동부는, 상기 드레인 전류값의 판독출력을, 상기 반도체층이 수광하기 전의 초기 상태에서의 임계값 전압 이하에서 또한 수광시의 전압 이상의 게이트 전압에서 행하는 메모리 장치.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    상기 구동부는, 상기 반도체층에서의 수광 전에, 상기 게이트 전압에 대한 상기 드레인 전류를 상기 반도체층이 수광하기 전의 초기 상태로 되돌리는 리셋 동작을 행하는 메모리 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 구동부는, 상기 리셋 동작으로서, 상기 소스 전극과 드레인 전극을 쇼트시킨 상태에서 게이트 전극에 정전압을 인가하거나, 또는 반도체층을 가열하는 메모리 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 구동부는, 상기 가열을, 소스 전극-드레인 전극 사이에 전류를 흐르게 하는 것에 의해서 행하는 메모리 장치.
  17. 산화물 반도체로 이루어지고, 게이트 전압에 대한 드레인 전류값이 불휘발적으로 변화하는 반도체층에 상대해서 게이트 절연막을 거쳐서 게이트 전극이 설치되고, 상기 반도체층에 소스 전극 및 드레인 전극이 접속된 메모리 소자가 배열되어 이루어지는 영역과,
    상기 반도체층에서의 수광량을, 그 반도체층에서의 수광 기간 후에 게이트 전압에 대해서 불휘발적으로 변화한 드레인 전류값으로서 판독출력하는 구동부를 구비하는 메모리 장치를 가지는 전자 기기.
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