光传感器元件和光电转换装置的制作方法

本发明涉及使用形成于基板上的氧化物半导体薄膜元件的光传感器元件，具体地涉及使用在氧化物半导体薄膜的上下两侧包括栅极电极的双栅型氧化物半导体薄膜元件的光传感器元件、以及光电转换装置。

背景技术：

正在开发将薄膜晶体管(Thin Film Transistor,TFT)和PIN二极管(PIN型二极管)结合的光电转换装置。作为用作光传感器的PIN二极管，使用层叠了掺杂有作为杂质的硼(元素符号：B)的P型非晶硅、不掺杂杂质的高电阻非晶硅、掺杂有作为杂质的磷(元素符号：P)的N型非晶硅这三层的PIN二极管。构成PIN二极管的非晶硅的带隙能量约为1.6eV，充分小于可见光区域的光能量(波长：400nm(3.2eV)至700nm(1.8eV))。因此，使用PIN二极管的光传感器几乎完全吸收可见光区域的波长的光束，并生成载流子。因此，光传感器用作高效的光电转换元件。

近年来，正在积极地开发将电场效应迁移率高的氧化物半导体TFT和PIN二极管结合的高性能光电转换装置。当使用氧化物半导体TFT作为开关或放大电路时，可将光强度分布在转换成具有优异再现性的电信号之后进行提取，并且可减小放大电路的占有面积。

如上所述，公开了与将使用氧化物半导体TFT的开关和包括PIN二极管或非晶硅TFT的光传感器结合的光电转换装置有关的各种技术。

例如，WO2011/135920(以下，称作专利文献1)公开了光电转换装置，在该装置中，结合了具有大的接通/断开比的顶栅型氧化物半导体TFT所构成的开关和光敏感度大的底栅型非晶硅TFT所构成的光传感器。在专利文献1公开的技术中，由于顶栅型和底栅型的结合，可在不形成接触孔的情况下连接栅极线和漏极线，因此可减少光刻工序。

另外，日本专利申请公开No.2010－153834(以下，称作专利文献2)公开了将电场效应迁移率大的氧化物半导体TFT(构成开关及放大电路)与PIN二极管结合得到的高性能光电转换装置。在专利文献2公开的技术中，使用氧化物半导体TFT，由此可将光强度分布在转换成具有优异再现性的电信号之后进行提取。另外，能够减小放大电路的占有面积。

另外，日本专利申请公开No.2006－165530(以下，称作专利文献3)公开了如下技术：为了使氧化物半导体具有可见光敏感度，使氧化物半导体吸附颜料，并将氧化物半导体用在作为两端子元件的光电二极管的光传感器或X射线传感器中。

另外，在日本专利申请公开No.H5－235398(以下，称作专利文献4)中，关于由非晶硅TFT构成的光传感器，公开了追加由透明材料形成的顶栅极电极的结构。在专利文献4公开的技术中，将顶栅极电极的电位固定成比源极电极的电位低的电位，使阈值电压向正方向移动，由此减小栅极电压为0V时的暗电流。由此实现大的明暗电流比。

另外，在Seung-eon Ahn和另外七人的“Oxide based Photosensor Thin Film Transistor for Interactive Display”(The Proceedings of AM-FPD 2013、The Japan Society of Applied Physics、2013年7月、第67-70页)(以下，称作非专利文献1)中，公开了在开关和光传感器两者中使用氧化物半导体TFT的技术。此外，在非专利文献1中，在开关用的氧化物半导体TFT的上部设置用于遮光的遮光部，但是在光传感器用的氧化物半导体TFT的上部不设置遮光部。在非专利文献1公开的技术中，在照射波长等于或小于550nm的绿色至蓝紫色的光束的情况下，利用光传感器用的氧化物半导体TFT中的截止电流增加的现象进行光感测。

然而，在专利文献1或专利文献2公开的技术中，开关用TFT是氧化物半导体，光传感器由非晶硅TFT或PIN二极管形成，因此需要单独的形成过程。因此，具有成本高或产率减小的问题。另外，特别地，硅的电特性根据环境温度而变化，因此具有光电转换装置的性能根据环境温度变化的问题。甚至在专利文献4公开的技术中，由于使用非晶硅TFT，因此难以避免由于硅的导电性具有很大的温度依赖性的特定材料的物理性质引起的性能根据环境温度发生变化的问题。

另外，在专利文献3公开的技术中，开关单元和光传感器单元都使用氧化物半导体形成。然而，为了使传感器单元的氧化物半导体具有可见光敏感度而使其吸附颜料，由此赋予光敏感度功能。在混合有如上所述的有机材料的情况下，有机材料成为本来不需要颜料的开关单元的氧化物半导体TFT中的污染源，因此具有可靠性或产率下降的问题。

在非专利文献1公开的技术中，对于波长等于或大于600nm的红色光，使用氧化物半导体TFT的光传感器不具有敏感度，因此具有光传感器不能起到在整个可见光区域中起作用的光传感器的作用。另外，相对于从蓝色到绿色的光束的光敏感度根据氧化物半导体TFT的特性唯一确定，因此具有从外部难以控制的问题。

技术实现要素：

本发明是鉴于上述的情形而做出的，本发明的目的是提供这样的光传感器元件以及光电转换装置，在该光传感器元件中，通过控制经由两个栅极电极对氧化物半导体有源层施加的电压能够控制光敏感度功能，且该光传感器元件在整个可见光区域中具有光敏感度。

根据本发明的一个方面的光传感器元件包括：分别隔着绝缘膜配置在氧化物半导体有源层的上侧和下侧的栅极电极；以及对一个栅极电极施加第一电压并对另一栅极电极施加第二电压的电压施加单元。

根据本发明的一个方面，在使用氧化物半导体构成的光传感器元件中，能够控制光敏感度功能，并且能够在整个可见光区域中实现光敏感度。

应该理解的是，前面的概述和下面的详述是示例性的和说明性的且不用于限制本发明。

附图说明

图1是根据第一实施方式的光传感器的剖视图；

图2是根据第一实施方式的实施例1的光传感器的剖视图；

图3A和图3B是表示根据第二实施方式的光传感器的图；

图4A和图4B是表示根据第三实施方式的光传感器的图；

图5A是根据第三实施方式的实施例4的光传感器的剖视图；

图5B是根据第三实施方式的实施例4的变型例的光传感器的剖视图；

图5C是根据第三实施方式的实施例4的变型例的光传感器的剖视图；

图6是根据第三实施方式的实施例5的光传感器的剖视图；

图7A和图7B是根据第三实施方式的实施例6的光传感器的剖视图；

图8是表示根据第四实施方式的光电转换装置的图；

图9是表示根据第四实施方式的光电转换装置的图；

图10是表示第四实施方式的实施例7的光电转换装置的图；

图11A至图11C是表示第四实施方式的实施例7的光电转换装置中使用的光传感器元件的光感测特性的图；

图12是表示第四实施方式的实施例7的光电转换装置的图；

图13是表示根据第五实施方式的光电转换装置的图；

图14A至图14C是表示光传感器元件的光感测特性的图；

图15A和图15B是表示光传感器元件的光感测特性的图；

图16是光电转换装置的剖视图；以及

图17是光电转换装置的剖视图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

(第一实施方式)

图1是根据第一实施方式的光传感器的剖视图。根据第一实施方式的光传感器使用氧化物半导体形成。在第一实施方式的光传感器(光传感器元件)中，在玻璃基板6上形成如下的结构。在该结构中，在氧化物半导体膜(氧化物半导体有源层)1的一侧设有第一绝缘膜(绝缘膜)2以及由相对于可见光透明的材料形成的第一导电电极(栅极电极)3，在氧化物半导体膜1的另一侧设有第二绝缘膜(绝缘膜)4及第二导电电极(栅极电极)5。作为构成氧化物半导体膜1的元素，至少包含铟或锌。在图1所示的例子中，氧化物半导体膜1的上侧的第一导电电极3由透明材料构成。但是，氧化物半导体膜1的下侧的第二导电电极5可由透明材料构成，第一导电电极3和第二导电电极5均可由透明材料构成。即，为了使光入射到氧化物半导体膜1，两个导电电极3、5中的至少一者可以由透明材料形成。

在图1所示的结构中，对由透明材料形成的第一导电电极3施加第一电位7，对第二导电电极5施加第二电位8，在使氧化物半导体膜1中的膜厚方向上的电位梯度增大的状态下从第一导电电极3侧向氧化物半导体膜1照射光9。此时，即使在氧化物半导体膜1被照射具有等于或大于氧化物半导体膜1的带隙能量(典型地，3.0eV到3.5eV)的能量的波长的光、以及具有比该带隙能量小的能量的波长的光(例如，波长为600nm到800nm的红色光)的情况下，由于氧化物半导体膜1中的电位梯度，在氧化物半导体膜1中生成有助于传导的光载流子。在非专利文献1中公开的相关技术中，不能通过对氧化物半导体膜1照射红色光而在氧化物半导体膜1中生成光载流子，但是在如图1所示的使用氧化物半导体的光传感器中能够生成光载流子。

通常，已知在氧化物半导体的带隙内存在有由氧空位引起的能级。在氧化物半导体膜1被照射具有比带隙能量小的能量的光的情况下，电子被激励到能级，且由于氧化物半导体膜1中的电位梯度，电子从能级向导带打开通道并用作载流子。这是即使被照射具有比带隙能量小的能量的波长的光时在氧化物半导体膜1中也生成光载流子的物理机制，通过本发明首次实现该机制。

(实施例1)

以下，对与使用第一实施方式的氧化物半导体形成的光传感器有关的实施例1进行说明。如上所述，通过将在氧化物半导体膜1中生成的光载流子读出作为电流信号或电压信号，光传感器起作用。图2是根据第一实施方式的实施例1的光传感器的剖视图。图2表示在图1所示的光传感器中在氧化物半导体膜1的左侧和右侧分别追加第一读出电极10和第二读出电极11的结构。使用电极10和电极11将生成的光载流子读出作为电流信号或电压信号。基于此，能够感测照射光强度。

在实施例1的光传感器中，作为氧化物半导体膜1，使用包括铟(元素符号：In)、镓(元素符号：GA)、锌(元素符号：Zn)和氧(元素符号：O)的InGaZnO膜。另外，使用硅氧化物膜作为第一绝缘膜2和第二绝缘膜4，使用铟锡氧化物(ITO)膜作为第一导电电极3，使用由铝合金形成的电极作为第二导电电极5。因此，在实施例1中，在作为氧化物半导体膜1的InGaZnO膜的上侧形成作为第一绝缘膜2的硅氧化物膜，在作为第一绝缘膜2的硅氧化物膜的上侧进一步形成作为第一导电电极3的ITO膜。另外，在InGaZnO膜的下侧形成作为第二绝缘膜4的硅氧化物膜、以及由铝合金形成的第二导电电极5。如上所述，形成有第一绝缘膜2、第一导电电极3、第二绝缘膜4及第二导电电极5的氧化物半导体膜1在将第二导电电极5设为下侧的状态下形成在玻璃基板6的上表面上。另外，在InGaZnO膜(氧化物半导体膜1)的左端和右端分别形成由钼合金形成的读出电极10和读出电极11。实施例1的光传感器包括对第一导电电极3施加第一电位7并对第二导电电极5施加第二电位8的机构(电压施加单元)。

接下来，对实施例1的光传感器的制造方法进行说明。

首先，在玻璃基板6上根据溅射法形成铝合金膜，并将该铝合金膜图案化为预定形状，以形成第二导电电极5。接下来，根据使用SiH₄(硅烷、硅氢化合物)和N₂O(一氧化二氮)的混合气体作为原料的等离子体化学气相沉积(CVD)法在350℃的温度下形成第二绝缘膜4(硅氧化物膜)。接下来，根据溅射法形成InGaZnO膜，并将该InGaZnO膜通过蚀刻图案化为期望的岛状，以形成氧化物半导体膜1。氧化物半导体膜1的组成比，包括In：Ga：Zn：O＝1：1：1：4在内，可基于蚀刻加工性等以任意的方式设计。

在形成氧化物半导体膜1之后，在大气中在350℃至500℃的温度下进行1小时的退火处理。之后，根据溅射法形成钼合金膜，并将该钼合金膜图案化成预定形状，以形成第一读出电极10及第二读出电极11。

另外，根据使用SiH₄及N₂O的混合气体作为原料的等离子体CVD法在200℃的温度下形成第一绝缘膜2(硅氧化物膜)。在形成第一绝缘膜2之后，在350℃至400℃的温度下进行退火处理。由此，能够改善硅氧化物膜的膜质量。之后，根据溅射法形成ITO膜，并将该ITO膜图案化为期望的形状，以形成由透明材料形成的第一导电电极3。

在如上所述配置的光传感器中，对第一导电电极3施加第一电位7，对第二导电电极5施加第二电位8，从而在读出电极10与读出电极11之间产生电位差。此时，通过检测读出电极10和读出电极11之间流经的电流的光强度依赖性，光传感器起作用。另外，氧化物半导体膜1具有如下的特性。即，在对一个栅极电极(第一导电电极3)施加第一电位7并对另一栅极电极(第二导电电极5)施加第二电位8的情况下，与无电压施加(不施加电压的情况)相比，氧化物半导体膜1吸收的可见光的量增加。

在实施例1的光传感器中，被施加第一电位7及第二电位8中的较低的电位的导电电极(3或5)可由透明材料构成，可从由透明材料形成的导电电极(3或5)侧照射光9。

作为氧化物半导体膜1，除上述的InGaZnO膜以外，也可以使用ZnO膜、InZnO膜、InSnZnO膜、InAlZnO膜等。形成这些膜的方法不限于溅射法，可以使用脉冲激光成膜法、使用液体材料的涂覆和烘干法等。

作为第一绝缘膜2和第二绝缘膜4，除上述的硅氧化物膜以外，可以使用氮化硅膜、氧化铝膜、氧化钽膜、或者层叠有多个膜的层叠体。形成这些膜的方法不限于等离子体CVD法，也可以使用溅射法、气相沉积法、原子层沉积(ALD)法等。

(第二实施方式)

图3A和图3B是表示根据第二实施方式的光传感器的图。图3A是根据第二实施方式的光传感器的剖视图，图3B是表示根据第二实施方式的光传感器被照射具有400nm±10nm的波长的光的情况下的光感测特性的图。根据第二实施方式的光传感器使用双栅型氧化物半导体TFT形成。

在第二实施方式的光传感器中，在氧化物半导体膜(氧化物半导体有源层)1的上侧形成保护性绝缘膜22及第一绝缘膜(绝缘膜、第一栅极绝缘膜)2，并在第一绝缘膜2的上侧进一步形成相对于可见光透明的透明顶栅极电极(栅极电极、第一栅极电极)12。另外，在氧化物半导体膜1的下侧形成第二绝缘膜(绝缘膜、第二栅极绝缘膜)4以及底栅极电极(栅极电极、第二栅极电极)18。上侧和下侧形成有各膜和各电极的氧化物半导体膜1在将底栅极电极18设为下侧的状态下形成在玻璃基板6上。另外，源极电极14形成为与氧化物半导体膜1的左端和保护性绝缘膜22的左端接触，漏极电极16形成为与氧化物半导体膜1的右端和保护性绝缘膜22的右端接触。氧化物半导体膜1的材料与第一实施方式相同。

在图3A所示的光传感器中，蓝色光20－1(例如，波长为400nm±10nm的光)从透明顶栅极电极12侧入射到氧化物半导体膜1。此时，使对透明顶栅极电极12施加的透明顶栅极电极电位13比对源极电极14施加的源极电极电位15低。另外，使对漏极电极16施加的漏极电极电位17比源极电极电位15高，使对底栅极电极18施加的底栅极电极电位19比源极电极电位15高。

图3B表示将漏极电极电位17(Vd)设为1V、将源极电极电位15(Vs)设为0V时漏极电流(Id)相对于底栅极电极电位19(Vbg)的特性(Vbg－Id特性)。另外，图3B表示将透明顶栅极电极电位13(Vtg)设为参数、将Vtg设为0V、－10V、－20V时的Vbg－Id特性。图3B中的虚线表示不进行光照射的状态(暗状态)下的特性，实线表示照射波长为400nm±10nm的光的状态(光照射状态)下的特性。此外，使用光纤从透明顶栅极电极12侧照射由卤素光源(由SHIMADZU CORPORATION公司所制造的卤素灯单元AT－100HG)及分光器(由SHIMADZU CORPORATION公司所制造的分光器SPG－120S)生成的单色光(中心波长±10nm的带宽)。

从图3B可知，将透明顶栅极电极电位13(Vtg)设定得比源极电极电位15(Vs＝0V)越低，与暗状态下的特性相比，光照射状态下的特性中的亚阈值电流(从断开向接通转移的状态下的电流)越大。另外，即使在操作状态下，底栅极电极电位19(Vbg)也比源极电极电位15(Vs)高。图3B表示将透明顶栅极电极电位13(Vtg)设定得越低，则双栅型氧化物半导体TFT的光敏感度越高。这是由下面的现象引起的。具体而言，在对一个栅极电极施加第一电压并对另一栅极电极施加第二电压的情况下，与无电压施加(不施加电压的情况)相比，氧化物半导体膜1中吸收的可见光的量增加。在第二实施方式中，如上所述将透明顶栅极电极电位13(Vtg)设定为比源极电极电位15(Vs)低以放大氧化物半导体TFT的光敏感度，由此将氧化物半导体TFT用作光传感器。另外，通过适当地控制透明顶栅极电极电位13(Vtg)的值，能够以任意的方式控制光敏感度功能。因此，在使用氧化物半导体构成的光传感器元件中，能够控制光敏感度功能，并且能够在整个可见光区域中实现光敏感度。

(实施例2)

以下，对与使用第二实施方式的双栅型氧化物半导体TFT形成的光传感器有关的实施例2进行说明。

在实施例2的光传感器中，与第一实施方式同样，使用InGaZnO膜作为氧化物半导体膜1。另外，使用硅氧化物膜作为保护性绝缘膜22、第一绝缘膜2以及第二绝缘膜4，使用ITO膜作为透明顶栅极电极12，使用由铝合金形成的电极作为底栅极电极18。另外，使用层叠有钼合金膜和铝合金膜的电极作为源极电极14及漏极电极16。

在实施例2中，在作为氧化物半导体膜1的InGaZnO膜的上侧形成作为保护性绝缘膜22及第一绝缘膜2并由硅氧化物形成的硅氧化物膜，并在第一绝缘膜2的上侧进一步形成作为透明顶栅极电极12的ITO膜。另外，在InGaZnO膜的下侧形成作为第二绝缘膜4的硅氧化物膜以及由铝合金形成的底栅极电极18。如上所述形成的氧化物半导体膜1在将底栅极电极18设为下侧的状态下形成于玻璃基板6的上表面上。另外，在InGaZnO膜(氧化物半导体膜1)的左端和右端形成源极电极14及漏极电极16。源极电极14形成在与保护性绝缘膜22的左端的一部分重叠且与氧化物半导体膜1的左端侧直接接触的区域中。漏极电极16形成在与保护性绝缘膜22的右端的一部分重叠且与氧化物半导体膜1的右端侧直接接触的区域中。源极电极14及漏极电极16具有层叠有钼合金膜和铝合金膜的结构，并以使钼合金膜与氧化物半导体膜1接触的方式设置。

实施例2的光传感器包括对透明顶栅极电极12施加透明顶栅极电极电位13、对源极电极14施加源极电极电位15、对漏极电极16施加漏极电极电位17、对底栅极电极18施加底栅极电极电位19的机构。另外，实施例2的光传感器包括对透明顶栅极电极12施加比源极电极电位15低的透明顶栅极电极电位13的机构(电压施加单元)、和对漏极电极16施加比源极电极电位15高的漏极电极电位17的机构。另外，实施例2的光传感器包括对底栅极电极18施加比源极电极电位15高的底栅极电极电位19的机构(电压施加单元)。如上构成的光传感器包括将蓝色光20－1从透明顶栅极电极12侧引入氧化物半导体膜1内的机构。

接下来，对实施例2的光传感器的制造方法进行说明。

首先，在玻璃基板6上根据溅射法形成铝合金膜，并将该铝合金膜图案化为预定形状，以形成底栅极电极18。接下来，根据将正硅酸乙酯(TEOS)和氧气(O₂)的混合气体作为原料的等离子体CVD法在350℃的温度下形成膜厚为400nm的第二绝缘膜4(硅氧化物膜)。接下来，根据溅射法形成膜厚为50nm的InGaZnO膜，并通过蚀刻将该InGaZnO膜图案化为期望的岛状以形成氧化物半导体膜1。作为氧化物半导体膜1的组成比率，可以使用In：Ga：Zn：O＝1：1：1：4。

在形成氧化物半导体膜1之后，在大气中在400℃的温度下进行1小时的退火处理。接下来，根据使用SiH₄和N₂O的混合气体作为原料的等离子体CVD法在200℃的温度下形成膜厚为100nm的硅氧化物膜，并将该硅氧化物膜图案化为期望的形状以形成保护性绝缘膜22。接下来，根据溅射法依次形成钼合金膜和铝合金膜，并将该钼合金膜和铝合金膜图案化为期望的形状以形成源极电极14及漏极电极16。

之后，根据使用SiH₄及N₂O的混合气体作为原料的等离子体CVD法在200℃的温度下形成膜厚为300nm的第一绝缘膜2(硅氧化物膜)。在形成第一绝缘膜2之后，为了改良在200℃的温度下形成的保护性绝缘膜22及第一绝缘膜2，可在300℃～400℃的温度下进行退火处理。之后，根据溅射法形成ITO膜，将该ITO膜图案化为期望的形状，以形成透明顶栅极电极12。

在如上所述构成的光传感器中，从透明顶栅极电极12侧向氧化物半导体膜1照射波长为400nm±10nm的蓝紫光。照射光的能量密度是78μW/cm²。此时，将透明顶栅极电极电位13(Vtg)设为比源极电极电位15(Vs)低，将漏极电极电位17(Vd)及底栅极电极电位19(Vbg)设为比源极电极电位15(Vs)高。

从图3B可知，在Vtg设为－10V或－20V的情况下，即在Vtg＜Vs(Vs＝0V)的状态下对底栅极电极电位19(Vbg)施加正电位，与暗状态时相比，在利用蓝紫光照射期间，亚阈值电流进一步增大，获得了较高的光敏感度。另外，与将Vtg设为－10V时相比，在将Vtg设为－20V的方法中，暗状态下的特性与光照射状态下的特性之差变大，这表示通过改变Vtg的值能够控制光敏感度。此外，即使将Vtg设为0V时，也提供了略微的光敏感度。但是，由于波长400nm的光的能量与InGaZnO膜的带隙能量大致相等，因此电子直接激励到导带引起略微的光敏感度。如上所述，本发明的效果之一是通过改变透明顶栅极电极电位13(Vtg)的值能够控制氧化物半导体TFT的光敏感度。可通过利用该效果来放大氧化物半导体TFT的光敏感度从而将氧化物半导体TFT用作光传感器。(第三实施方式)

图4A和图4B是表示根据第三实施方式的光传感器的图。图4A是根据第三实施方式的光传感器的剖视图，图4B是表示向根据第三实施方式的光传感器照射波长为700nm±10nm的光的情况下的光感测特性的图。根据第三实施方式的光传感器通过使用双栅型氧化物半导体TFT形成。

第三实施方式的光传感器具有与第二实施方式的光传感器相同的结构。在第三实施方式的光传感器中，从相对于可见光透明的透明顶栅极电极12侧向氧化物半导体膜1入射红色光21(例如，波长为700nm±10nm的光)。此时，将透明顶栅极电极电位13设为比源极电极电位15低，将漏极电极电位17设为比源极电极电位15高，将底栅极电极电位19设为比源极电极电位15高。

图4B表示将漏极电极电位17(Vd)设为1V并将源极电极电位15(Vs)设为0V时漏极电流(Id)相对于底栅极电极电位19(Vbg)的特性(Vbg－Id特性)。另外，图4B表示将透明顶栅极电极电位13(Vtg)设为参数并将Vtg设为0V、－10V、－20V时的Vbg－Id特性。图4B中的虚线表示不进行光照射的状态(暗状态)下的特性，实线表示进行波长为700nm±10nm的光的照射的状态(光照射状态)下的特性。另外，使用光纤从透明顶栅极电极12侧照射由卤素光源(由SHIMADZU CORPORATION公司所制造的卤素灯单元AT－100HG)及分光器(由SHIMADZU CORPORATION公司所制造的分光器SPG－120S)生成的单色光(中心波长±10nm的带宽)。

从图4B可知，在将透明顶栅极电极电位13(Vtg)设定得比源极电极电位15(Vs＝0V)低、特别是将Vtg设定为－20V的情况下，与暗状态下的特性相比，光照射状态下的特性中的亚阈值电流变大。另外，即使在操作状态下，底栅极电极电位19(Vbg)也设定得比源极电极电位15(Vs)高。这表示如下的现象。具体地，与第二实施方式中所述的利用蓝色光照射时同样地，即使在利用红色光照射时，将透明顶栅极电极电位13(Vtg)设定得越低，氧化物半导体TFT的光敏感度越高。由于氧化物半导体的典型的带隙能量是3.0～3.5eV，图4B中的结果表示能够对氧化物半导体TFT施加对比氧化物半导体的带隙能量小很多的能量的光的光敏感度功能(波长为700nm的光的能量大约为1.8eV)。

在相关技术的技术中，不存在对比带隙能量小的能量的红色光具有敏感度的氧化物半导体TFT。这一点在非专利文献1中公开。另外，在Masashi Tsubuku和另外8个人的“Photo-Current Response and Negative Bias Stability Under Light Irradiation in IGZO-TFT”(Proceedings of the 17th international Display Workshops2010(IDW2010)，The Institute of Image Information and Television Engineers,2010年12月,第3卷,第1841-1844页)中也公开了氧化物半导体TFT相对于波长等于或大于550nm的光不具有敏感度的数据。

在第三实施方式中，如上所述，将透明顶栅极电极电位13(Vtg)设定得比源极电极电位15(Vs)低，从而对氧化物半导体TFT赋予对比带隙能量低的能量的光的光敏感度。因此，能够将氧化物半导体TFT用作在整个可见光区域上的光传感器。

(实施例3)

以下，对与使用第三实施方式的双栅型氧化物半导体TFT形成的光传感器有关的实施例3进行说明。

在实施例3的光传感器中，与第二实施方式相同，使用InGaZnO膜作为氧化物半导体膜1。另外，使用硅氧化物膜作为保护性绝缘膜22及第一绝缘膜2，使用ITO膜作为透明顶栅极电极12，使用由铝合金形成的电极作为底栅极电极18。在实施例3中，使用硅氧化物膜和氮化硅膜层叠的层叠膜作为第二绝缘膜4，使用层叠有三层(包括钛膜、铝合金膜、钛膜)的电极作为源极电极14及漏极电极16。

在实施例3中，在作为氧化物半导体膜1的InGaZnO膜的上侧形成作为保护性绝缘膜22及第一绝缘膜2并由硅氧化物形成的硅氧化物膜，并在第一绝缘膜2的上侧进一步形成作为透明顶栅极电极12的ITO膜。另外，在InGaZnO膜的下侧形成作为第二绝缘膜4并层叠有硅氧化物膜及氮化硅膜的层叠膜、以及由铝合金形成的底栅极电极18。如上所述形成的氧化物半导体膜1在将底栅极电极18设为下侧的状态下形成在玻璃基板6的上表面。另外，在InGaZnO膜(氧化物半导体膜1)的左端和右端形成源极电极14及漏极电极16。源极电极14形成在与保护性绝缘膜22的左端的一部分重叠并且与氧化物半导体膜1的左端侧直接接触的区域中。漏极电极16形成在与保护性绝缘膜22的右端的一部分重叠且与氧化物半导体膜1的右端侧直接接触的区域中。源极电极14及漏极电极16具有层叠有钛膜、铝合金膜、钛膜的结构，并且以下层侧的钛膜与氧化物半导体膜1接触的方式配置。

实施例3的光传感器包括将比源极电极电位15低的透明顶栅极电极电位13施加于透明顶栅极电极12的机构、以及将比源极电极电位15高的漏极电极电位17施加于漏极电极16的机构。另外，实施例3的光传感器具有将比源极电极电位15高的底栅极电极电位19施加于底栅极电极18的功能。如上构成的光传感器包括将红色光从透明顶栅极电极12侧引入氧化物半导体膜1内的机构。

接下来，对实施例3的光传感器的制造方法进行说明。

首先，在玻璃基板6上根据溅射法形成铝合金膜，并将该铝合金膜图案化为预定形状，以形成底栅极电极18。接下来，根据等离子体CVD法在350℃的温度下以使氮化硅膜和硅氧化物膜按该顺序形成为400nm的总膜厚的方式形成第二绝缘膜4。接下来，根据溅射法形成膜厚为30nm的InGaZnO膜，并将该InGaZnO膜通过蚀刻图案化为期望的岛状以形成氧化物半导体膜1。作为氧化物半导体膜1的组成比率，可使用In：Ga：Zn：O＝1：1：1：4。

在形成氧化物半导体膜1之后，在大气中在400℃的温度下进行1小时的退火处理。之后，根据使用SiH₄及N₂O的混合气体作为原料的等离子体CVD法在200℃的温度下形成膜厚为100nm的硅氧化物膜，并将该硅氧化物膜图案化为期望的形状，以形成保护性绝缘膜22。接下来，以钛膜、铝合金膜、钛膜的顺序根据溅射法形成三层膜，并将该三层膜图案化为期望的形状，以形成源极电极14及漏极电极16。

之后，根据使用SiH₄及N₂O的混合气体作为原料的等离子体CVD法在200℃的温度下形成膜厚为300nm的第一绝缘膜2(硅氧化物膜)。在形成第一绝缘膜2之后，为了改良在200℃的温度下形成的保护性绝缘膜22及第一绝缘膜2，可在300℃～400℃的温度下进行退火处理。之后，根据溅射法形成ITO膜，并将该ITO膜图案化为预定形状，以形成透明顶栅极电极12。

在如上所述构成的光传感器中，从透明顶栅极电极12侧向氧化物半导体膜1照射波长为700nm±10nm的红色光21。照射光的能量密度为78μW/cm²。此时，将透明顶栅极电极电位13(Vtg)设定为比源极电极电位15(Vs)低，将漏极电极电位17(Vd)及底栅极电极电位19(Vbg)设定为比源极电极电位15(Vs)高。

从图4B可知，在将Vtg设定为0V或－10V的情况下，暗状态下的特性与光照射状态下的特性之差较小(即，光敏感度非常小)。但是，在将Vtg设定为－20V的情况下，当对底栅极电极电位19(Vbg)施加正电位时，与暗状态时相比，用红色光照射期间亚阈值电流进一步增加，并实现高的光敏感度。

如上所述，在能够对氧化物半导体TFT施加对比氧化物半导体的带隙能量(3.0～3.5eV)充分小的能量的红色光(波长为700nm的光的能量约为1.8eV)具有光敏感度功能的方面，是在相关技术的技术中不能实现的本发明的重要的效果。另外，在20℃～80℃的温度范围内进行如图4B所示的测量，可以看出，光照射期间的电流值相对于温度变化几乎不变。这种较小的温度依赖性是氧化物半导体才有的物理性质引起的，并且是本发明的重要的效果。可通过利用这种效果，放大氧化物半导体TFT的光敏感度，将氧化物半导体TFT用作蓝紫色到红色的可见光传感器。

(实施例4)

以下，对与第三实施方式的光传感器有关的实施例4进行说明。此外，实施例4是实施例3的变型例，也是第二实施方式中所说明的实施例2的变型例。

在第二实施方式的实施例2及第三实施方式的实施例3中，对使用了包括保护性绝缘膜22的停蚀型(通道保护型)氧化物半导体TFT的光传感器进行了说明。在光传感器中使用的氧化物半导体TFT的结构不限于停蚀型，也可以是不包括保护性绝缘膜22的所谓的通道蚀刻型。因此，在实施例4中，对使用通道蚀刻型的氧化物半导体TFT形成的光传感器进行说明。此外，除不具有保护性绝缘膜22以外，实施例4具有与第三实施方式的实施例3及第二实施方式的实施例2相同的结构。

图5A是根据第三实施方式的实施例4的光传感器的剖视图。

在实施例4中，与实施例2和实施例3相同，使用InGaZnO膜作为氧化物半导体膜1，使用硅氧化物膜作为第一绝缘膜2，使用ITO膜作为透明顶栅极电极12，使用由铝合金形成的电极作为底栅极电极18。另外，与实施例3相同，使用层叠有三层(包括钛膜、铝合金膜、钛膜)的电极，作为源极电极14及漏极电极16。此外，在实施例4中，使用层叠有硅氧化物膜和氧化铝膜的层叠膜，作为第二绝缘膜4。

在实施例4中，在作为氧化物半导体膜1的InGaZnO膜的上侧形成作为第一绝缘膜2的硅氧化物膜，并在第一绝缘膜2的上侧进一步形成作为透明顶栅极电极12的ITO膜。另外，在InGaZnO膜的下侧形成作为第二绝缘膜4并层叠有硅氧化物膜和氧化铝膜的层叠膜、以及由铝合金形成的底栅极电极18。如上形成的氧化物半导体膜1在将底栅极电极18设为下侧的状态下形成在玻璃基板6的上表面上。另外，在分别与InGaZnO膜(氧化物半导体膜1)的左端和右端接触的区域中形成源极电极14和漏极电极16。

实施例4的光传感器包括对透明顶栅极电极12施加比源极电极电位15低的透明顶栅极电极电位13的机构、以及对漏极电极16施加比源极电极电位15高的漏极电极电位17的机构。另外，实施例4的光传感器具有对底栅极电极18施加比源极电极电位15高的底栅极电极电位19的功能。如上构成的光传感器包括将光9从透明顶栅极电极12侧引入氧化物半导体膜1内的机构。

接下来，对实施例4的光传感器的制造方法进行说明。

首先，在玻璃基板6上根据溅射法形成铝合金膜，并将该铝合金膜图案化为预定形状，以形成底栅极电极18。接下来，根据等离子体CVD法在350℃的温度下以使硅氧化物膜和氧化铝膜按该顺序形成为400nm的总膜厚的方式形成第二绝缘膜4。接下来，根据溅射法形成膜厚为70nm的InGaZnO膜，并将该InGaZnO膜通过蚀刻图案化为期望的岛状以形成氧化物半导体膜1。作为氧化物半导体膜1的组成比率，可以使用In：Ga：Zn：O＝1：1：1：4。

在形成氧化物半导体膜1之后，在大气中在400℃的温度下进行1小时的退火处理。接下来，以钛膜、铝合金膜、钛膜的顺序根据溅射法形成三层膜，并将该三层膜图案化为期望的形状以形成源极电极14和漏极电极16。接下来，根据使用SiH₄和N₂O的混合气体作为原料的等离子体CVD法在250℃的温度下形成膜厚为300nm的第一绝缘膜2(硅氧化物膜)。在形成第一绝缘膜2之后，为了改良在250℃的温度下形成的第一绝缘膜2，可以在300℃～400℃的温度下进行退火处理。之后，根据溅射法形成ITO膜，并将该ITO膜图案化为期望的形状以形成透明顶栅极电极12。

即使在如图5A所示的不包括保护性绝缘膜的结构中，当对透明顶栅极电极12施加比源极电极电位15低的电位作为透明顶栅极电极电位13时，可对氧化物半导体TFT施加如图3B和图4B所示的光敏感度功能。在将透明顶栅极电极电位13(Vtg)设定为比源极电极电位15(Vs)低、并将漏极电极电位17(Vd)和底栅极电极电位19(Vbg)设定为比源极电极电位15(Vs)高的偏置状态下，当将光9从透明顶栅极电极12侧向氧化物半导体膜1照射时，与暗状态时相比，利用红色光照射期间的亚阈值电流进一步增加，实现了高的光敏感度。

图5B和图5C是根据第三实施方式的实施例4的变型例的光传感器的剖视图。在图5A所示的例子中，从透明顶栅极电极12侧进行光9的照射，但是如图5B所示，也可以从不透明的底栅极电极18侧进行光9的照射。该情况下，由于底栅极电极18不透明，因此光9被底栅极电极18遮挡，但由于底栅极电极18的边缘部(周缘部分)上的光的衍射，光被引入氧化物半导体膜1。由于引入的光，在氧化物半导体膜1的内部，电子被激发。因此，获得与从透明顶栅极电极12侧进行光9的照射的情况相同的光敏感度，由此实现本发明的效果。

另外，如图5C所示，氧化物半导体膜1的上侧的透明顶栅极电极12和氧化物半导体膜1的下侧的底栅极电极18可以是透明电极。另外，该情况下，可从透明顶栅极电极12侧和底栅极电极18双方进行光9的照射。也可以采用从任一侧进行光9的照射的结构。

(实施例5)

以下，对与第三实施方式的光传感器相关的实施例5进行说明。此外，实施例5是实施例3和实施例4的变型例，也是在第二实施方式中说明的实施例2的变型例。

在第二实施方式的实施例2及第三实施方式的实施例3和实施例4中，说明了对透明顶栅极电极12施加比源极电极电位15低的电位(透明顶栅极电极电位13)的结构。透明栅极电极不仅可设置在氧化物半导体膜1的顶侧(上侧)，也可设置在氧化物半导体膜1的底侧(下侧)。因此，在实施例5中，对由透明的栅极电极构成底栅极电极并从底栅极电极侧进行光9的照射的结构进行了说明。

图6是根据第三实施方式的实施例5的光传感器的剖视图。

在实施例5中，使用InGaZnO膜作为氧化物半导体膜1，使用硅氧化物膜作为第一绝缘膜2，使用层叠有硅氧化物膜和氮化硅膜的层叠膜作为第二绝缘膜4，使用层叠有三层(包括钛膜、铝合金膜、钛膜)的电极作为源极电极14及漏极电极16。另外，在实施例5中，使用铝钕合金膜作为顶栅极电极21，使用InZnO膜作为透明底栅极电极20。

在实施例5中，在作为氧化物半导体膜1的InGaZnO膜的上侧形成作为第一绝缘膜2的硅氧化物膜，并在第一绝缘膜2的上侧进一步形成作为顶栅极电极21的铝钕合金膜。另外，在InGaZnO膜的下侧形成作为第二绝缘膜4并层叠有硅氧化物膜和氮化硅膜的层叠膜、以及作为透明底栅极电极20的InZnO膜。如上所述形成的氧化物半导体膜1在将透明底栅极电极20设为下侧的状态下形成在玻璃基板6的上表面上。另外，在InGaZnO膜(氧化物半导体膜1)的左端和右端形成源极电极14和漏极电极16。

实施例5的光传感器包括对透明底栅极电极20施加比源极电极电位15低的透明底栅极电极电位22－2的机构、以及对漏极电极16施加比源极电极电位15高的漏极电极电位17的机构。另外，实施例5的光传感器具有对顶栅极电极21施加比源极电极电位15高的顶栅极电极电位23的功能。如上所述构成的光传感器包括将光9从透明底栅极电极20侧引入氧化物半导体膜1内的机构。

接下来，对实施例5的光传感器的制造方法进行说明。

首先，在玻璃基板6上根据溅射法形成InZnO膜，并将该InZnO膜图案化为预定形状以形成透明底栅极电极20。接下来，根据等离子体CVD法在350℃的温度下以使氮化硅膜和硅氧化物膜按照该顺序形成400nm的总膜厚的方式形成第二绝缘膜4。接下来，根据溅射法形成膜厚为70nm的InGaZnO膜，并将该InGaZnO膜通过蚀刻图案化为期望的岛状以形成氧化物半导体膜1。作为氧化物半导体膜1的组成比率，可使用In：Ga：Zn：O＝1：1：1：4。

在形成氧化物半导体膜1之后，在大气中在400℃的温度下进行1小时的退火处理。接下来，以钛膜、铝合金膜、钛膜的顺序根据溅射法形成三层膜，并将该三层膜通过等离子体蚀刻图案化为期望的形状，以形成源极电极14及漏极电极16。之后，根据使用SiH₄和N₂O的混合气体作为原料的等离子体CVD法在250℃的温度下形成膜厚为300nm的第一绝缘膜2(硅氧化物膜)。在形成第一绝缘膜2之后，为了改良在250℃的温度下形成的第一绝缘膜2，可在300℃～400℃的温度下进行退火处理。接下来，根据溅射法形成铝钕合金膜，并将该铝钕合金膜图案化为期望的形状以形成顶栅极电极21。

如上所述，在对底栅极电极20使用透明导电性材料的情况下，可从玻璃基板6侧进行光9的照射。在该情况下，当对透明底栅极电极20施加比源极电极电位15低的透明底栅极电极电位22－2并且对顶栅极电极21施加比源极电极电位15高的顶栅极电极电位23，可实现如图3B或图4B所示的光敏感度功能。

在实施例4及实施例5中，对形成氧化物半导体膜1之后形成源极电极14及漏极电极16的制造方法进行了说明。但是，也可以采用首先在第二绝缘膜4上形成源极电极14及漏极电极16之后形成氧化物半导体膜1的方法。

(实施例6)

以下，对与第三实施方式的光传感器相关的实施例6进行说明。此外，实施例6是第二实施方式及第三实施方式的实施例3至实施例5的变型例。

对在第二实施方式的实施例2及第三实施方式的实施例3中对光传感器使用停蚀型(通道保护型)的氧化物半导体TFT、并在实施例4和实施例5中对光传感器使用通道蚀刻型的氧化物半导体TFT的结构进行了说明。对光传感器使用的氧化物半导体TFT的结构不限于此，也可以采用下面的自对准型结构。在实施例6中，对使用自对准型的氧化物半导体TFT的光传感器进行说明。

图7A和图7B是根据第三实施方式的实施例6的光传感器的剖视图。

在实施例6中，如图7A所示，在作为氧化物半导体膜1的InGaZnO膜的上侧形成作为第一绝缘膜2的硅氧化物膜，并在第一绝缘膜2的上侧进一步形成作为顶栅极电极21的铝合金膜。另外，第一绝缘膜2(硅氧化物膜)和顶栅极电极21以自对准的方式形成为相同的形状。另外，在InGaZnO膜的下侧形成作为第二绝缘膜4并且硅氧化物膜和氮化硅膜层叠的层叠膜、以及作为透明底栅极电极20的ITO膜。如上形成的氧化物半导体膜1在将透明底栅极电极20设为下侧的状态下形成在玻璃基板6的上表面上。另外，在InGaZnO膜(氧化物半导体膜1)的左端侧和右端侧形成源极电极14和漏极电极16。源极电极14和漏极电极16使用层叠有包括钛膜、铝合金膜、钛膜的三层的电极形成，并以使下侧的钛膜与氧化物半导体膜1接触的方式配置。

实施例6的光传感器包括对透明底栅极电极20施加比源极电极电位15低的透明底栅极电极电位22－2的机构、以及对漏极电极16施加比源极电极电位15高的漏极电极电位17的机构。另外，实施例6的光传感器具有对顶栅极电极21施加比源极电极电位15高的顶栅极电极电位23的功能。如上构成的光传感器包括将光9从透明底栅极电极20侧引入氧化物半导体膜1内的机构。

接下来，对实施例6的光传感器的制造方法进行说明。

首先，在玻璃基板6上根据溅射法形成ITO膜，并将该ITO膜图案化为预定形状，以形成透明底栅极电极20。接下来，根据等离子体CVD法在350℃的温度下以使氮化硅膜和硅氧化物膜以该顺序形成400nm的总膜厚的方式形成第二绝缘膜4。接下来，根据溅射法形成膜厚为70nm的InGaZnO膜，并将该InGaZnO膜通过蚀刻图案化为期望的岛状以形成氧化物半导体膜1。

在形成氧化物半导体膜1之后在450℃的温度下进行1小时的退火处理。接下来，根据使用SiH₄及N₂O的混合气体作为原料的等离子体CVD法在250℃的温度下形成膜厚为300nm的第一绝缘膜2(硅氧化物膜)。在形成第一绝缘膜2之后，为了改良在250℃的温度下形成的第一绝缘膜2，可在300℃～400℃的温度下进行退火处理。之后，根据溅射法形成铝合金膜，将铝合金膜和硅氧化物膜(第一绝缘膜2)图案化为期望的形状以形成顶栅极电极21和第一绝缘膜2的层叠膜。在蚀刻第一绝缘膜2时，在InGaZnO膜的表面的露出部分中，由于与蚀刻气体或蚀刻剂的化学反应，氧空位密度提高，因此电阻率减小。因此，该部分用作源极/漏极区域。

接下来，根据使用SiH₄和N₂O的混合气体作为原料的等离子体CVD法在250℃的温度下形成膜厚为300nm的层间膜23－2(硅氧化物膜)。在层间膜23－2的期望位置处形成接触孔。接下来，以钛膜、铝合金膜、钛膜的顺序根据溅射法将三层膜形成在接触孔中，以形成源极电极14和漏极电极16。另外，作为钝化膜23－3，根据等离子体CVD法在250℃的温度下形成膜厚为200nm的氮化硅膜。

甚至在实施例6中，与实施例1至实施例5相同，当对透明底栅极电极20施加比源极电极电位15低的透明底栅极电极电位22－2并且对顶栅极电极21施加比源极电极电位15高的顶栅极电极电位23时，能够感测从透明底栅极电极20侧照射的光9。

此外，能够以相同的方式制作如图7B所示具有将透明电极(透明顶栅极电极12)配置在氧化物半导体膜1的上侧的结构的光传感器，将不重复其详细的说明。

关于薄膜晶体管的结构，不限于图3A至图7B所示的结构，可以采用将底栅极电极18追加到包括透明顶栅极电极12的平面型结构的构造等。作为薄膜晶体管的结构，只要在氧化物半导体膜1的上下方向的两侧分别设有绝缘膜及栅极电极、至少一侧的栅极电极由透明导电材料形成、并且在氧化物半导体膜1的水平方向的两侧设有源极电极和漏极电极，则可以应用任何结构。

(第四实施方式)

图8和图9是表示根据第四实施方式的光电转换装置的图。图8表示一个像素的光电转换装置，图8的上侧表示等效电路，图8的下侧表示剖视图。图9表示一个光电转换装置，其中多个如图8所示由光传感器元件(光电转换元件)24和开关元件25构成的像素通过使用开关配线和信号读出配线排列成二维矩阵状。在第四实施方式的光电转换装置中，光传感器元件24和开关元件25均由氧化物半导体TFT构成，光传感器元件24由双栅型氧化物半导体TFT构成。

在图8中，对用作光传感器元件24的氧化物半导体TFT在其受光面侧设置相对于可见光透明的透明顶栅极电极12。光传感器元件24用的氧化物半导体TFT的漏极电极16连接到预定电源26，源极电极14连接到用作开关元件25的氧化物半导体TFT的源极电极。在光传感器元件24用的氧化物半导体TFT中，当从透明顶栅极电极12侧进行光9的照射时，对透明顶栅极电极12施加比源极电极电位15(Vs)低的透明顶栅极电极电位13(Vtg)，以提供光敏感度功能。这种结构利用这样的现象：当对透明顶栅极电极12施加比Vs低的Vtg并且对另一侧的底栅极电极18施加正电压时，与未施加电压时相比氧化物半导体膜1(氧化物半导体有源层)中吸收的可见光的量进一步增加。此时，开关元件25也被照射光9，但开关元件25用的氧化物半导体TFT未设有透明顶栅极电极12。因此，开关元件25用的氧化物半导体TFT不具有光敏感度功能，用作无光敏感度的单纯的开关。这种结构与非专利文献1的不同之处在于，在开关元件用的氧化物半导体TFT的上部设有遮光层。

在光电转换装置的更新期间，使开关元件25用的氧化物半导体TFT接通，对光传感器元件24用的氧化物半导体TFT施加使Vbg－|Vtg|和Vs－|Vtg|均变为负值的偏压(bias)，以消耗氧化物半导体膜1。然后，对光传感器元件24用的氧化物半导体TFT充电。然后，当使开关元件25用的氧化物半导体TFT断开并且光传感器元件24用的氧化物半导体TFT被照射光9时，根据光照射量，充电量减少。再次使开关元件25用的氧化物半导体TFT接通，通过积分器27检测充电变化量以进行感测。

如上所述，使用电流读出由于光照射产生的信号电荷的结构与相关技术的结构相同。但是，当如本发明那样使用包括透明顶栅极电极12作为光传感器元件24的氧化物半导体TFT时，获得如下的效果。首先，氧化物半导体TFT的截止电流比相关技术中的基于硅的TFT小得多。因此，在开关元件25及光传感器元件24中，暗状态下的截止电流低得多，因此，与相关技术相比，能够制造信号/噪声(S/N)比较高的高性能的光电转换装置。另外，氧化物半导体TFT的电气特性的温度依赖性比相关技术的基于硅的TFT小得多。即，即使当周围环境的温度变化时，氧化物半导体TFT的电气特性也几乎不变。因此，能够制造即使在各种温度环境下也不依赖于周围的环境温度的变化并且能够实现稳定的性能的光电转换装置。从制造的观点来说，能够以相同的工序制造开关元件25用的氧化物半导体TFT和光传感器元件24用的氧化物半导体TFT，仅增加对光传感器元件24用的氧化物半导体TFT追加透明顶栅极电极12的工序。因此，与相关技术相比，能够进一步缩短制造工序，由此，实现成本减小和高生产率。

图9表示具有3×3个像素的光电转换装置的结构作为一例。在图9所示的光电转换装置中，使移位寄存器电路的栅极信号G1接通，并且使从上侧数第1行的开关元件25用的氧化物半导体TFT(S11到S13)接通。对光传感器元件24用的每个氧化物半导体TFT(P11到P13)均施加期望的底栅极电极电位19(Vbg)和透明顶栅极电极电位13(Vtg)，从而对氧化物半导体TFT(P11到P13)赋予光敏感度功能，并进行光电荷充电。另外，将光传感器元件24用的每个氧化物半导体TFT(P11到P13)的光电荷输出到信号配线，依次接通传输开关M1～M3，从积分器27以时间序列读出光传感器元件24用的各氧化物半导体TFT(P11到P13)的光电荷。上述的处理按照从上侧数第2行的开关元件25用的氧化物半导体TFT(S21到S23)及光传感器元件24用的氧化物半导体TFT(P21到P23)、和从上侧数第3行的开关元件25用的氧化物半导体TFT(S31到S33)及光传感器元件24用的氧化物半导体TFT(P31到P33)的顺序重复，从而以二维方式读出各像素的光电荷。由此，光电转换装置用作二维的光电转换装置。

(实施例7)

以下，对与第四实施方式的光电转换装置相关的实施例7进行说明。

图10是表示第四实施方式的实施例7的光电转换装置的图。在图10中，上侧表示与一个像素相对应的光电转换装置的等效电路，下侧表示其剖视图。图11A到图11C是表示在第四实施方式的实施例7的光电转换装置中使用的光传感器元件的光感测特性的图。此外，图11A表示照射波长为400nm±10nm的光时的光感测特性，图11B表示照射波长为500nm±10nm的光时的光感测特性，图11C表示照射波长为700nm±10nm的光时的光感测特性。另外，图11A至图11C中的实线表示不进行光照射的状态(暗状态)下的特性，图11A至图11C中的各虚线分别表示进行不同强度(能量密度)的光照射的状态下的特性。另外，关于照射光的强度，在图11A中，小虚线是10.98μW/cm²，中虚线是30.06μW/cm²，大虚线是78.03μW/cm²。另外，在图11B中，小虚线是58.67μW/cm²，中虚线是104.34μW/cm²，大虚线是175.14μW/cm²。另外，在图11C中，小虚线是78.03μW/cm²，中虚线是154.91μW/cm²，大虚线是241.04μW/cm²。

从图11A至图11C可知，通过使透明顶栅极电极电位13(Vtg)的值根据各波长发生改变，能够控制光传感器元件24(氧化物半导体TFT)的光敏感度。例如，为了使各波长下的光敏感度一致，对于敏感度最高的蓝色，Vtg可设定为－10V，对于绿色和红色，Vtg可设定为－20V。如上所述，在本发明中，可根据相对于各波长的光的敏感度，控制透明顶栅极电极电位13(Vtg)的值。相比之下，在由相关技术的硅PIN二极管构成的光传感器中，相对于各波长的光敏感度基于二极管特性唯一确定，因此难以控制对每种颜色的敏感度。

如图10所示，具有在外部光28的受光面侧设有三原色的滤光片的光电转换装置(图10中仅示出了针对红色和绿色的滤光片)。在该情况下，通过独立地控制对存在于被照射透过绿色滤光片29的绿色光20－2的位置处的光传感器元件24用的氧化物半导体TFT的透明顶栅极电极12施加的电压(Vtg1)、以及对存在于被照射透过红色滤光片30的红色光21的位置处的光传感器元件24用的氧化物半导体TFT的透明顶栅极电极12施加的电压(Vtg2)，能够使对于各色的光的敏感度一致。

例如，考虑到图11A至图11C中的特性，能够将存在于红色滤光片30的位置处的光传感器元件24用的氧化物半导体TFT的透明顶栅极电极电位(Vtg2)设定为小于存在于蓝色滤光片的位置处的光传感器元件24用的氧化物半导体TFT的透明顶栅极电极电位(Vtg)。由此，通过进一步放大相对于红色光的敏感度，能够保持对于蓝色光的敏感度与对于红色光的敏感度之间的平衡。

图12是表示第四实施方式的实施例7的光电转换装置的图。图12表示排列有蓝色像素、绿色像素、红色像素的光电转换装置。在图12所示的光电转换装置中，在包括开关元件25及光传感器元件24的像素上设有蓝色滤光片、绿色滤光片、红色滤光片。如图11A至图11C所示，光传感器元件24的光敏感度依赖于光的波长、以及光传感器元件24用的氧化物半导体TFT中的底栅极电极电位19(Vbg)及透明顶栅极电极电位13(Vtg)的值。因此，通过使底栅极电极电位19(Vbg)和透明顶栅极电极电位13(Vtg)的值根据要感测的光的波段改变，能够控制各波段下的光敏感度。因此，实施例7的光电转换装置包括根据要感测的光的波段控制分别对光传感器元件24用的氧化物半导体TFT中的两个栅极电极施加的电压(Vbg和Vtg)的机构(电压控制单元)。

参照图11A至图11C，在利用78.03μW/cm²的能量密度(强度)的蓝色光(波长为400nm的光)照射的情况下，为了获得1×10^-8A的光电流(Id)，需要Vtg＝－20V以及Vbg＝+12V的偏压。另一方面，在利用78.03μW/cm²的能量密度(强度)的红色光(波长为700nm的光)照射的情况下，为了获得1×10^-8A的光电流(Id)，需要Vtg＝－20V以及Vbg＝+15V的偏压。即，在光波长不同的情况下，为了在相同的照射强度下获得相同的光电流，对于波长较长的光，使Vtg和Vbg之差增大(在本例中，在蓝色光的情况下，Vtg和Vbg之差为32V，在红色光的情况下，Vtg和Vbg之差为35V)。如上所述，当使用随着要感测的光的波长变长而将Vtg与Vbg之差设定得较大的操作方法时，能够保持对于各种波长的光的敏感度的平衡。

(第五实施方式)

图13是表示根据第五实施方式的光电转换装置的图。图13表示如图10所示由光传感器元件24和开关元件25构成的一个像素的光电转换装置的等效电路。可通过使用开关配线和信号读出配线将多个如图13所示的像素设置成二维矩阵状来构成二维光电转换装置。在第五实施方式的光电转换装置中，光传感器元件24和开关元件25均由氧化物半导体TFT构成，光传感器元件24由双栅型氧化物半导体TFT构成。

在图13中，用作光传感器元件24的氧化物半导体TFT在受光面侧设有透明栅极电极36。光传感器元件24用的氧化物半导体TFT的源极电极接地，其漏极电极连接到用作开关元件25的氧化物半导体TFT的源极电极。在光传感器元件24用的氧化物半导体TFT中，当从透明栅极电极36侧进行光照射时，通过对透明栅极电极36施加比源极电极电位Vs(在图13中，地电位)低的透明栅极电极电位Vtg，实现光敏感度功能。对光传感器元件24用的氧化物半导体TFT施加使Vbg－|Vtg|及Vs－|Vtg|均变为负值的偏压以消耗氧化物半导体膜1，并对光传感器元件24用的氧化物半导体TFT提供光敏感度功能，然后对氧化物半导体TFT充电。此时，开关元件25也被照射光，但是开关元件25用的氧化物半导体TFT未设有顶栅极电极。因此，开关元件25用的氧化物半导体TFT不具有光敏感度功能，并用作无光敏感度的单纯的开关。

如上所述，由于光照射在光传感器元件24用的氧化物半导体TFT处转换成电的信号电荷使开关元件25用的氧化物半导体TFT的源极端的浮置节点31的电位变化。随着这种电位变化，连接到浮置节点31的放大TFT32的栅极电极的电位变化，并且连接到放大TFT32的读出TFT33的漏极节点的电位变化。此时，当选择信号经由选择信号输入线34输入到读出TFT33的栅极电极时，在光传感器元件24中生成的由于信号电荷引起的电位差被输出到读出线35。因此，进行感测。

如上所述，通过电位差读出由于光照射引起的信号电荷的结构与相关技术的结构相同。但是，与本发明相同，当使用包括透明栅极电极36的氧化物半导体TFT作为光传感器元件24时，获得如下的效果。首先，氧化物半导体TFT的截止电流与相关技术的基于硅的TFT相比小很多。因此，在开关元件25和光传感器元件24中，暗状态下的截止电流变得低得多。并且，由于基于电位差读出信号，因此，与相关技术相比，能够制造信号/噪声(S/N)比高得多的高性能的光电转换装置。另外，氧化物半导体TFT的电气特性的温度依赖性与相关技术的基于硅的TFT相比小很多。即，即使当周围环境的温度变化时，氧化物半导体TFT的电气特性也几乎不变。因此，能够制造即使在各种温度环境下电位差信号不取决于周围的环境温度的变化并且能够实现稳定的输出性能的光电转换装置。另外，毋庸多言，放大TFT32及读出TFT33也通过氧化物半导体TFT实现。

以下，对用于进一步提高光传感器元件24的光敏感度并进一步提高光电转换装置的性能的手段进行叙述。

在图8中，用作光传感器元件24的氧化物半导体TFT的氧化物半导体膜1和用作开关元件25的氧化物半导体TFT的氧化物半导体膜形成在同一层。因此，各氧化物半导体膜的膜厚相同。本发明人发现，为进一步提高光传感器元件24的光敏感度，增大用作光传感器元件24的氧化物半导体TFT的氧化物半导体膜1的膜厚是有效的。

图14A至图14C是表示光传感器元件24的光感测特性的图。图14A表示使用膜厚为35nm的InGaZnO膜作为氧化物半导体膜1的光传感器元件24的光感测特性，图14B表示使用膜厚为70nm的InGaZnO膜作为氧化物半导体膜1的光传感器元件24的光感测特性，图14C表示使用膜厚为100nm的InGaZnO膜作为氧化物半导体膜1的光传感器元件24的光感测特性。因此，图14A至图14C表示光传感器元件24的光感测特性的氧化物半导体膜厚依赖性。具体而言，图14A至图14C表示当漏极电极电位17(Vd)设定为1V、源极电极电位15(Vs)设定为0V时漏极电流(Id)相对于底栅极电极电位19(Vbg)的特性(Vbg－Id特性)。另外，图14A至图14C中的实线表示将透明顶栅极电极电位13(Vtg)设定为0V时的Vbg－Id特性，图14A至图14C中的各虚线表示将透明顶栅极电极电位13(Vtg)设定为－20V时的暗状态以及蓝色光照射状态下的Vbg－Id特性。

当比较图14A至图14C所示的特性时，如果Vtg设定为－20V，在70nm或100nm的情况下，可以看出，与35nm的情况相比，暗状态下的特性和光照射状态下的特性之间的差异较大。从该结果，可以看出，增大InGaZnO膜的膜厚对于敏感度提高是有效的，这种结构对于光传感器元件的功能非常重要。另外，当Vtg设定为0V时，随着InGaZnO膜的膜厚增大，漏极电流迅速升高的Vbg值存在向负侧转移的趋势。这种趋势对于开关元件的功能而言不是优选地。考虑到上述的情况，本申请的发明人发现，光传感器元件24的氧化物半导体膜1的膜厚优选增大，并且，开关元件25的氧化物半导体膜的膜厚优选减小。

图15A和图15B是表示光传感器元件24的光感测特性的图。图15A和图15B表示当漏极电极电位17(Vd)设为1V并且源极电极电位15(Vs)设为0V时漏极电流(Id)相对于底栅极电极电位19(Vbg)的特性(Vbg－Id特性)。另外，图15A表示在使用膜厚为35nm的InGaZnO膜作为氧化物半导体膜1的光传感器元件24中透明顶栅极电极电位13(Vtg)设定为－20V时的特性。在图15A中，实线表示暗状态下的Vbg－Id特性，虚线表示蓝色光照射状态下的Vbg－Id特性。另外，图15B表示在使用膜厚为70nm的InGaZnO膜作为氧化物半导体膜1的光传感器元件24中透明顶栅极电极电位13(Vtg)设定为－15V时的特性。在图15B中，实线表示暗状态下的Vbg－Id特性，虚线表示蓝色光照射状态下的Vbg－Id特性。

当比较图15A和图15B中所示的特性时，可以看出，在对使用膜厚为35nm的InGaZnO膜的光传感器元件24施加－20V的Vtg的情况与对使用膜厚为70nm的InGaZnO膜的光传感器元件24施加－15V的Vtg的情况之间，敏感度大致相同。这表示通过增大InGaZnO膜的膜厚能够使获得相同的敏感度所需的Vtg的绝对值减小。当如上所述使Vtg的绝对值减小时，能够减小考虑了长期作为光传感器元件使用时的由Vtg引起的应力，由此能够实现长的操作寿命。如上所述，本发明人发现，从光传感器元件的长的操作寿命的观点出发，增大光传感器元件24的氧化物半导体膜1的厚度也是有效的。

如上所述，从光传感器元件的敏感度提高、以及长期的可靠性改善的观点出发，采用增大光传感器元件24的氧化物半导体膜1的厚度并且减小开关元件25的氧化物半导体膜的厚度的结构是有效的。下面叙述用于实现该结构的手段。

图16是光电转换装置的剖视图。在图16所示的光电转换装置中，包括薄氧化物半导体膜47的开关元件25以及包括厚氧化物半导体膜48的光传感器元件24形成在单个玻璃基板6上。

在制造图16所示的光电转换装置的情况下，在玻璃基板6上形成第一底栅极电极41及第一底栅极绝缘膜42之后，使用与第四实施方式的开关元件相同的工序(即，实施例1至6中说明的光传感器的制造工序)，形成用作开关元件25的氧化物半导体TFT。此时，氧化物半导体TFT的氧化物半导体膜47的膜厚设定为小于70nm，优选为等于或小于50nm。

接下来，在开关元件25用的氧化物半导体TFT中的第一钝化膜43上形成光传感器元件24用的第二底栅极电极44之后，使用与开关元件25相同的工序，形成光传感器元件24用的氧化物半导体TFT。此时，将氧化物半导体TFT的氧化物半导体膜48的膜厚设定为等于或大于70nm、优选地等于或大于100nm。另外，在光传感器元件24用的氧化物半导体TFT中的第二钝化膜46上形成光传感器元件24用的透明顶栅极电极12。

此外，光传感器元件24用的氧化物半导体TFT的源极和漏极电极形成为经由形成于第一钝化膜43及第二底栅极绝缘膜45中的接触孔连接到开关元件25用的氧化物半导体TFT的源极和漏极电极。在图16所示的光电转换装置中，光传感器元件24用的氧化物半导体TFT的源极和漏极电极和开关元件25用的氧化物半导体TFT的源极和漏极电极形成于相互不同的层。以这种方式，可在玻璃基板6上分别形成包括薄氧化物半导体膜47的开关元件25用的氧化物半导体TFT、以及包括厚氧化物半导体膜48的光传感器元件24用的氧化物半导体TFT。

图17是光电转换装置的剖视图。图17所示的光电转换装置是图16所示的光电转换装置的变型例。在图17所示的光电转换装置中，开关元件25用的氧化物半导体TFT的底栅极电极(第一底栅极电极41)和光传感器元件24用的氧化物半导体TFT的底栅极电极(第二底栅极电极44)由同一金属层形成。在底栅极电极41和底栅极电极44形成之后，形成第三绝缘膜51作为开关元件25用的氧化物半导体TFT的底栅极绝缘膜。

接下来，形成薄氧化物半导体膜47作为开关元件25用的氧化物半导体TFT的有源层。此时，氧化物半导体膜47的膜厚设定为小于70nm、优选地等于或小于50nm。

接下来，在第三绝缘膜51及氧化物半导体膜47上形成第四绝缘膜52，并形成厚氧化物半导体膜48作为光传感器元件24用的氧化物半导体TFT的有源层。此时，氧化物半导体膜48的膜厚设定为等于或大于70nm、优选地等于或大于100nm。另外，第三绝缘膜51和第四绝缘膜52均用作光传感器元件24用的氧化物半导体TFT的底栅极绝缘膜。

在第四绝缘膜52及氧化物半导体膜48上形成第五绝缘膜53后，在开关元件25用的氧化物半导体TFT和光传感器元件24用的氧化物半导体TFT两者中同时打开源极电极和漏极电极用的接触孔。另外，以使开关元件25的源极电极49和光传感器元件24的漏极电极50经由接触孔相互连接的方式形成各元件24、25的源极电极49和漏极电极50。

接下来，形成第六绝缘膜54，并形成光传感器元件24的透明顶栅极电极12。第五绝缘膜53和第六绝缘膜54均用作光传感器元件24用的氧化物半导体TFT的顶栅极绝缘膜。

在形成为如图17所示的情况下，与图16的情况不同，可在同一层中形成各元件24和25的底栅极电极44和41以及源极电极49和漏极电极50，由此能够实现工序的简化和成本的降低。以这种方式，能够以低成本在玻璃基板6上分别形成包括薄氧化物半导体膜47的开关元件25用的氧化物半导体TFT、以及包括厚氧化物半导体膜48的光传感器元件24用的氧化物半导体TFT。

毋庸多言，如图16及图17所示将包括薄氧化物半导体膜47的开关元件25用的氧化物半导体TFT以及包括厚氧化物半导体膜48的光传感器元件24用的氧化物半导体TFT分别形成在玻璃基板6上的手段也可应用于如图9、图12、图13所示的任一光电转换装置。另外，分别形成分别包括不同的膜厚的氧化物半导体膜47、48的开关元件25和光传感器元件24的工序、以及薄膜晶体管的结构不限于上述构造，也可以是底栅型、顶栅型、交错型、平面型中的任意组合的结构。

在如上所述的所有的实施方式及实施例中，用作光传感器元件24的双栅型氧化物半导体TFT的两个栅极电极均可以由透明导电膜形成。在该情况下，光可从两个栅极电极中任一侧入射。另外，不需要光在由透明导电膜构成的栅极电极侧入射，例如，在使用如图5B所示的衍射光的情况下，光也可以在不透明的栅极电极侧入射。

本发明的光传感器可用作检测接收到的光的光传感器或图像传感器、辐射图像捕获装置用的图像传感器等。另外，所述光传感器可用在平板显示器中，例如具有利用光感测的光输入功能的液晶显示器和有机电致发光(EL)显示器。

根据本发明，在使用氧化物半导体构成的光传感器中，能够控制光敏感度功能，并且能够在整个可见光区域上实现光敏感度。

由于本发明可在不背离其本质特征的精神下以各种形式实施，因此本实施方式是示例性的而非限制性的，由于本发明的范围由所附权利要求限定，而不由说明书限定，落在权利要求的界限和边界内或其这样的界限和边界的等同物内的所有的变形都旨在被权利要求涵盖。

此外，如本文和所附权利要求书中使用的，单数形式的“一个”和“所述”包括复数指代，除非文中明确指出并非如此。

附图标记的说明

1 氧化物半导体膜(氧化物半导体有源层)

2 第一绝缘膜(绝缘膜)

3 第一导电电极(栅极电极)

4 第二绝缘膜(绝缘膜)

5 第二导电电极(栅极电极)

6 玻璃基板

7 第一电位

8 第二电位

12 透明顶栅极电极(栅极电极、第一栅极电极)

13 透明顶栅极电极电位

14 源极电极

15 源极电极电位

16 漏极电极

17 漏极电极电位

18 底栅极电极(栅极电极、第二栅极电极)

19 底栅极电极电位

24 光传感器元件

25 开关元件

41 第一底栅极电极

42 第一底栅极绝缘膜

43 第一钝化膜

44 第二底栅极电极

45 第二底栅极绝缘膜

46 第二钝化膜

47 氧化物半导体膜

48 氧化物半导体膜

49 源极电极

50 漏极电极

51 第三绝缘膜

52 第四绝缘膜

53 第五绝缘膜

54 第六绝缘膜