JP6153966B2 - 光センサ - Google Patents

Description

本発明の一態様は、入出力装置に関する。

近年、情報を出力する機能を有し、且つ光の入射により情報を入力する機能を有する装置
（入出力装置ともいう）の技術開発が進められている。

入出力装置としては、行列方向に配置された複数の表示回路及び複数の光検出回路（光セ
ンサともいう）を画素部に備え、光センサに入射する光の照度を検出することにより、画
素部に重畳する被読み取り物の座標を検出する機能（座標検出機能ともいう）及び被読み
取り物の画像データを生成する機能（読み取り機能）を有する入出力装置が挙げられる（
例えば特許文献１）。特許文献１に示す入出力装置では、フォトダイオード、増幅トラン
ジスタ、初期化（リセット）トランジスタ、及び選択トランジスタにより光検出回路が構
成されている。

特開２０１０−１８２０６４号公報

従来の入出力装置では、光電変換素子であるフォトダイオード毎に増幅トランジスタ、初
期化（光検出リセット）トランジスタ、及び選択トランジスタを設けるため、１つの光電
変換素子に対するトランジスタの数が多いといった問題があった。トランジスタの数が多
いと、例えば画素のサイズの縮小が難しく、また、トランジスタのリーク電流における影
響も大きくなる。

本発明の一態様は、１つの光電変換素子に対するトランジスタの数を少なくすること及び
トランジスタのリーク電流における影響を小さくすることの一つ又は複数を課題の一つと
する。

本発明の一態様は、光電変換素子、電荷蓄積制御トランジスタ、及び増幅トランジスタを
備える光検出回路を含み、少なくとも増幅トランジスタを複数の光電変換素子により共有
させて光検出回路を構成するものである。これにより、画素部におけるトランジスタの数
の低減を図る。

また、本発明の一態様は、光電変換素子、電荷蓄積制御トランジスタ、増幅トランジスタ
、及び出力選択トランジスタを備える光検出回路を含み、少なくとも増幅トランジスタ及
び出力選択トランジスタを複数の光電変換素子により共有させて光検出回路を構成するも
のである。これにより、画素部におけるトランジスタの数の低減を図る。

また、本発明の一態様は、光電変換素子、電荷蓄積制御トランジスタ、増幅トランジスタ
、出力選択トランジスタ、及び光検出リセットトランジスタを備える光検出回路を含み、
少なくとも増幅トランジスタ、出力選択トランジスタ、及び光検出リセットトランジスタ
を複数の光電変換素子により共有させて光検出回路を構成するものである。これにより、
画素部におけるトランジスタの数の低減を図る。

また、本発明の一態様は、光電変換素子毎に、オフ電流の少ない電荷蓄積制御トランジス
タを設け、光電変換素子に入射する光の照度に応じた量の電荷を一定期間保持するもので
ある。これにより、トランジスタのリーク電流における影響の低減を図る。

本発明の一態様により、光電変換素子の数に対するトランジスタの数を少なくすることが
できるため、画素部におけるトランジスタの数を少なくすることができる。

実施の形態１における入出力装置を説明するための図。 実施の形態２における光検出回路の例を説明するための図。 実施の形態３における光検出回路の例を説明するための図。 実施の形態４における表示回路の例を説明するための図。 実施の形態５におけるトランジスタの例を説明するための図。 図５（Ａ）に示すトランジスタの作製方法例を説明するための断面模式図。 特性評価回路を説明するための図。 ＳＭＰ４、ＳＭＰ５、及びＳＭＰ６における測定に係る経過時間Ｔｉｍｅと、出力電圧Ｖｏｕｔ及び該測定によって算出されたリーク電流との関係を示す図。 測定により見積もられたノードＡの電圧とリーク電流の関係を示す図。 測定により見積もられたノードＡの電圧とリーク電流の関係を示す図。 測定により見積もられたノードＡの電圧とリーク電流の関係を示す図。 測定により見積もられたノードＡの電圧とリーク電流の関係を示す図。 実施の形態６の入出力装置におけるアクティブマトリクス基板の構造例を示す図。 実施の形態６の入出力装置におけるアクティブマトリクス基板の構造例を示す図。 実施の形態６における入出力装置の構造例を示す図。 実施の形態６における入出力装置の構造例を示す図。 実施の形態７における電子機器の構成例を示す模式図。 本発明の一態様に係る酸化物材料の構造を説明する図。 本発明の一態様に係る酸化物材料の構造を説明する図。 本発明の一態様に係る酸化物材料の構造を説明する図。 計算によって得られた移動度のゲート電圧依存性を説明する図である。 計算によって得られたドレイン電流と移動度のゲート電圧依存性を説明する図である。 計算によって得られたドレイン電流と移動度のゲート電圧依存性を説明する図である。 計算によって得られたドレイン電流と移動度のゲート電圧依存性を説明する図である。 計算に用いたトランジスタの断面構造を説明する図である。 本発明の一態様であるトランジスタの上面図及び断面図。 試料１乃至試料６に対応するトランジスタの構造を示す上面図及び断面図。 試料３及び試料４であるトランジスタのＶｇ−Ｉｄ特性及び電界効果移動度を示す図。 試料１であるトランジスタのＢＴ試験前後のＶｇ−Ｉｄ特性及び電界効果移動度を示す図。 試料４であるトランジスタのＢＴ試験前後のＶｇ−Ｉｄ特性及び電界効果移動度を示す図。 試料４であるトランジスタの測定温度によるＶｇ−Ｉｄ特性及び電界効果移動度を示す図。 試料４であるトランジスタの閾値電圧及び電界効果移動度の温度特性を示す図。 Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ膜のＸＲＤスペクトルを示す図。 Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ膜を用いたトランジスタのオフ電流を示す図。

本発明を説明するための実施の形態の一例について、図面を用いて以下に説明する。但し
、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくそ
の形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本
発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではないとする。

なお、各実施の形態の内容を互いに適宜組み合わせることができる。また、各実施の形態
の内容を互いに置き換えることができる。

また、第１、第２などの序数を用いた用語は、構成要素の混同を避けるために付したもの
であり、各構成要素は、序数の数に限定されない。

（実施の形態１）
本実施の形態では、画像を表示することにより情報の出力が可能であり、且つ入射する光
により情報の入力が可能な入出力装置の例について説明する。

本実施の形態における入出力装置の例について、図１を用いて説明する。図１は、本実施
の形態における入出力装置の例を説明するための図である。

まず、本実施の形態における入出力装置の構成例について、図１（Ａ）を用いて説明する
。図１（Ａ）は、本実施の形態における入出力装置の構成例を示す模式図である。

図１（Ａ）に示す入出力装置は、表示回路制御部１０１ａと、光検出回路制御部１０１ｂ
と、光源部１０１ｃと、画素部１０１ｄと、を含む。

表示回路制御部１０１ａは、表示駆動回路（ＤＩＳＰＤＲＶともいう）１１１と、表示デ
ータ信号出力回路（ＤＤＯＵＴともいう）１１２と、を含む。

光検出回路制御部１０１ｂは、光検出駆動回路（ＰＳＤＲＶともいう）１１３と、読み出
し回路１１６と、を含む。

光源部１０１ｃは、ライトユニット（ＬＩＧＨＴともいう）１１４を含む。

画素部１０１ｄは、複数の表示回路（ＤＩＳＰともいう）１１５ｄと、複数の光検出回路
（ＰＳともいう）１１５ｐと、を含む。なお、１個以上の表示回路１１５ｄにより１つの
画素が構成される。また、画素に１個以上の光検出回路１１５ｐが含まれてもよい。また
、複数の表示回路１１５ｄは、画素部１０１ｄにおいて、行列方向に配置される。また、
複数の光検出回路１１５ｐは、画素部１０１ｄにおいて、行列方向に配置される。

表示駆動回路１１１は、パルス信号である複数の表示選択信号（信号ＤＳＥＬともいう）
を出力する機能を有する。

表示駆動回路１１１は、例えばシフトレジスタを備える。表示駆動回路１１１は、シフト
レジスタからパルス信号を出力させることにより、表示選択信号を出力することができる
。

表示データ信号出力回路１１２には、画像信号が入力される。表示データ信号出力回路１
１２は、入力された画像信号を元に電圧信号である表示データ信号（信号ＤＤともいう）
を生成し、生成した表示データ信号を出力する機能を有する。

表示データ信号出力回路１１２は、例えばスイッチングトランジスタを備える。

なお、入出力装置において、トランジスタは、２つの端子と、印加される電圧により該２
つの端子の間に流れる電流を制御する電流制御端子と、を有する。なお、トランジスタに
限らず、素子において、互いの間に流れる電流が制御される端子を電流端子ともいい、２
つの電流端子のそれぞれを第１の電流端子及び第２の電流端子ともいう。

また、入出力装置において、トランジスタとしては、例えば電界効果トランジスタを用い
ることができる。電界効果トランジスタの場合、第１の電流端子は、ソース及びドレイン
の一方であり、第２の電流端子は、ソース及びドレインの他方であり、電流制御端子は、
ゲートである。

また、一般的に電圧とは、ある二点間における電位の差（電位差ともいう）のことをいう
。しかし、電圧及び電位の値は、回路図などにおいていずれもボルト（Ｖ）で表されるこ
とがあるため、区別が困難である。そこで、本明細書では、特に指定する場合を除き、あ
る一点の電位と基準となる電位（基準電位ともいう）との電位差を、該一点の電圧として
用いる場合がある。

表示データ信号出力回路１１２は、スイッチングトランジスタがオン状態のときに画像信
号のデータを表示データ信号として出力することができる。スイッチングトランジスタは
、電流制御端子にパルス信号である制御信号を入力することにより制御することができる
。なお、表示回路１１５ｄの数が複数である場合には、複数のスイッチングトランジスタ
を選択的にオン状態又はオフ状態にすることにより、画像信号のデータを複数の表示デー
タ信号として出力してもよい。

光検出駆動回路１１３は、パルス信号である光検出リセット信号（信号ＰＲＳＴともいう
）、パルス信号である蓄積制御信号（信号ＴＸともいう）を出力する機能を有する。なお
、必要に応じて光検出駆動回路１１３がパルス信号である出力選択信号（信号ＯＳＥＬと
もいう）を出力する機能を有する構成にしてもよい。

光検出駆動回路１１３は、例えばシフトレジスタを備える。このとき、光検出駆動回路１
１３は、シフトレジスタからパルス信号を出力させることにより、光検出リセット信号及
び蓄積制御信号、又は光検出リセット信号、蓄積制御信号、及び出力選択信号を出力する
ことができる。

ライトユニット１１４は、光源を備える発光ユニットである。

光源としては、例えば冷陰極管又は発光ダイオードを用いることができる。発光ダイオー
ドは、可視光領域（例えば光の波長が３６０ｎｍ乃至８３０ｎｍである領域）の波長を有
する光を発する発光ダイオードである。発光ダイオードとしては、例えば白色発光ダイオ
ードを用いることができる。なお、それぞれの色の発光ダイオードの数は、複数でもよい
。また、発光ダイオードとして、例えば赤色発光ダイオード、緑色発光ダイオード、及び
青色発光ダイオードを用いてもよい。赤色発光ダイオード、緑色発光ダイオード、及び青
色発光ダイオードを用いることにより、例えば１つのフレーム期間中に表示選択信号に従
って、赤色発光ダイオード、緑色発光ダイオード、及び青色発光ダイオードの一つ又は複
数を順次切り替えて発光させることにより、フルカラーの画像を表示する駆動方式（フィ
ールドシーケンシャル駆動方式）を用いることができ、且つフルカラーでの被読み取り物
の読み取りを行うことができる。

なお、例えば発光ダイオードの点灯を制御する制御回路を設け、パルス信号であり、該制
御回路に入力される制御信号に従って、発光ダイオードの点灯を制御することもできる。

表示回路１１５ｄは、ライトユニット１１４に重畳する。表示回路１１５ｄには、ライト
ユニット１１４から光が入射する。また、表示回路１１５ｄには、パルス信号である表示
選択信号が入力され、且つ入力された表示選択信号に従って表示データ信号が入力される
。表示回路１１５ｄは、入力された表示データ信号のデータに応じた表示状態になる機能
を有する。

表示回路１１５ｄは、例えば表示選択トランジスタ及び表示素子を備える。

表示選択トランジスタは、表示素子に表示データ信号のデータを入力させるか否かを選択
する機能を有する。

表示素子は、表示選択トランジスタに従って表示データ信号のデータが入力されることに
より、表示データ信号のデータに応じた表示状態になる機能を有する。

表示素子としては、例えば液晶素子などを用いることができる。

また、液晶素子を備える入出力装置の表示方式としては、ＴＮ（Ｔｗｉｓｔｅｄ Ｎｅｍ
ａｔｉｃ）モード、ＩＰＳ（Ｉｎ Ｐｌａｎｅ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）モード、ＳＴＮ（
Ｓｕｐｅｒ Ｔｗｉｓｔｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ）モード、ＶＡ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ａｌ
ｉｇｎｍｅｎｔ）モード、ＡＳＭ（Ａｘｉａｌｌｙ Ｓｙｍｍｅｔｒｉｃ ａｌｉｇｎｅ
ｄ Ｍｉｃｒｏ−ｃｅｌｌ）モード、ＯＣＢ（Ｏｐｔｉｃａｌｌｙ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔ
ｅｄ Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）モード、ＦＬＣ（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｌ
ｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）モード、ＡＦＬＣ（ＡｎｔｉＦｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ
Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）モード、ＭＶＡ（Ｍｕｌｔｉ−Ｄｏｍａｉｎ Ｖｅｒ
ｔｉｃａｌ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）モード、ＰＶＡ（Ｐａｔｔｅｒｎｅｄ Ｖｅｒｔｉｃ
ａｌ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）モード、ＡＳＶ（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｓｕｐｅｒ Ｖｉｅｗ
）モード、又はＦＦＳ（Ｆｒｉｎｇｅ Ｆｉｅｌｄ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）モードなどを
用いてもよい。

光検出回路１１５ｐは、ライトユニット１１４に重畳する。例えば画素部１０１ｄに被読
み取り物がある場合、ライトユニット１１４から照射された光が被読み取り物により反射
し、該反射した光が光検出回路１１５ｐに入射する。光検出回路１１５ｐには、光検出リ
セット信号及び電荷蓄積制御信号が入力される。また、赤色用、緑色用、及び青色用の光
検出回路１１５ｐを設けることもできる。例えば、赤色、緑色、及び青色のカラーフィル
タを設け、赤色、緑色、及び青色のカラーフィルタを介してそれぞれの色用の光検出回路
１１５ｐにより光データを生成し、生成した複数の光データを合成して画像データを生成
することにより、フルカラーの画像データを生成することもできる。

光検出回路１１５ｐは、Ｘ個（Ｘは２以上の自然数）の光電変換素子（ＰＣＥともいう）
と、Ｘ個の電荷蓄積制御トランジスタ、及び増幅トランジスタを少なくとも備える。

Ｘ個の光電変換素子のそれぞれは、第１の電流端子及び第２の電流端子を有し、Ｘ個の光
電変換素子の第１の電流端子のそれぞれには、単位電圧又はＸ個の光検出リセット信号の
うち、互いに異なる光検出リセット信号が入力される。光電変換素子は、第１の光が入射
することにより、入射した光の照度に応じて電流（光電流ともいう）が流れる機能を有す
る。なお、光電変換素子の第１の電流端子に単位電圧が入力される場合、光電変換素子の
第１の電流端子に入力される単位電圧の値は適宜設定される。

Ｘ個の電荷蓄積制御トランジスタの第１の電流端子のそれぞれは、Ｘ個の光電変換素子の
うち、互いに異なる光電変換素子の第２の電流端子に電気的に接続され、Ｘ個の電荷蓄積
制御トランジスタの電流制御端子のそれぞれには、Ｘ個の電荷蓄積制御信号のうち、互い
に異なる電荷蓄積制御信号が入力される。

増幅トランジスタの第１の電流端子及び第２の電流端子の一方には、単位電圧が入力され
、増幅トランジスタの第１の電流端子及び第２の電流端子の他方を介して光データが光デ
ータ信号として出力され、増幅トランジスタの電流制御端子は、Ｘ個の電荷蓄積制御トラ
ンジスタの第２の電流端子のそれぞれに電気的に接続される。つまり、Ｘ個の電荷蓄積制
御トランジスタにより１つの増幅トランジスタが共有して用いられる。なお、単位電圧の
値は適宜設定される。

なお、光検出回路１１５ｐは、増幅トランジスタの第１の電流端子又は第２の電流端子を
介して光データを光データ信号として出力する。

読み出し回路１１６は、光データを読み出す光検出回路１１５ｐを選択し、選択した光検
出回路１１５ｐから光データを読み出す機能を有する。

読み出し回路１１６は、例えば選択回路を用いて構成される。例えば、選択回路は、スイ
ッチングトランジスタを備え、該スイッチングトランジスタに従って光検出回路１１５ｐ
から光データ信号が入力されることにより光データを読み出すことができる。

さらに、光検出回路１１５ｐの構成例について、図１（Ｂ）を用いて説明する。図１（Ｂ
）は、図１（Ａ）に示す入出力装置における光検出回路の構成例を示す回路図である。

図１（Ｂ）に示す光検出回路は、光電変換素子１３１＿１乃至光電変換素子１３１＿Ｚ（
Ｚは３以上の自然数）のＺ個の光電変換素子と、トランジスタ１３２と、トランジスタ１
３３と、トランジスタ１３４＿１乃至トランジスタ１３４＿ＺのＺ個のトランジスタ１３
４と、を備える。

光電変換素子１３１＿Ｋ（Ｋは１乃至Ｚの自然数）の第１の電流端子には、光検出リセッ
ト信号ＰＲＳＴ＿Ｋが入力される。

光電変換素子１３１＿１乃至光電変換素子１３１＿Ｚのそれぞれとしては、例えばフォト
ダイオード又はフォトトランジスタなどを用いることができる。フォトダイオードの場合
、フォトダイオードのアノード及びカソードの一方が光電変換素子の第１の電流端子に相
当し、フォトダイオードのアノード及びカソードの他方が光電変換素子の第２の電流端子
に相当する。また、フォトトランジスタの場合、フォトトランジスタのソース及びドレイ
ンの一方が光電変換素子の第１の電流端子に相当し、フォトトランジスタのソース及びド
レインの他方が光電変換素子の第２の電流端子に相当する。

トランジスタ１３４＿Ｋのソース及びドレインの一方は、光電変換素子１３１＿Ｋの第２
の電流端子に接続され、トランジスタ１３４＿Ｋのゲートには、電荷蓄積制御信号ＴＸ＿
Ｋが入力される。なお、トランジスタ１３４＿Ｋのソース及びドレインの一方と光電変換
素子１３１＿Ｋとの接続箇所をノードＮ１１＿Ｋともいう。

トランジスタ１３４＿１乃至トランジスタ１３４＿Ｚのそれぞれは、電荷蓄積制御トラン
ジスタとしての機能を有する。

トランジスタ１３４＿１乃至トランジスタ１３４＿Ｚのそれぞれとしては、例えばチャネ
ルが形成される酸化物半導体層を含むトランジスタを用いることができる。上記酸化物半
導体層は、真性（Ｉ型ともいう）、又は実質的に真性である半導体層であり、キャリアの
数が極めて少なく、キャリア濃度は、１×１０^１４／ｃｍ^３未満、好ましくは１×１０^１
２／ｃｍ^３未満、さらに好ましくは１×１０^１１／ｃｍ^３未満である。

また、上記酸化物半導体層を含むトランジスタのオフ電流は、チャネル幅１μｍあたり１
０ａＡ（１×１０^−１７Ａ）以下、好ましくは１ａＡ（１×１０^−１８Ａ）以下、さらに
は好ましくは１０ｚＡ（１×１０^−２０Ａ）以下、さらに好ましくは１ｚＡ（１×１０^−
２１Ａ）以下、さらに好ましくは１００ｙＡ（１×１０^−２２Ａ）以下である。

また、上記酸化物半導体層は、キャリア濃度が低いため、該酸化物半導体層を含むトラン
ジスタは、温度が変化した場合であっても、オフ電流が低い。例えばトランジスタの温度
が１５０℃であっても、オフ電流は、１００ｚＡ／μｍ以下である。

トランジスタ１３２のソース及びドレインの一方には、電圧Ｖ_０が入力され、トランジス
タ１３２のゲートは、トランジスタ１３４＿１乃至トランジスタ１３４＿Ｚのソース及び
ドレインの他方のそれぞれに接続される。なお、トランジスタ１３２のゲートと、トラン
ジスタ１３４＿１乃至トランジスタ１３４＿Ｚのソース及びドレインの他方のそれぞれと
の接続箇所をノードＮ１２ともいう。また、電圧Ｖ_０の値は、適宜設定される。

トランジスタ１３２は、増幅トランジスタとしての機能を有する。

トランジスタ１３３のソース及びドレインの一方は、トランジスタ１３２のソース及びド
レインの他方に接続され、トランジスタ１３３のゲートには、信号ＯＳＥＬが入力される
。

なお、トランジスタ１３２及びトランジスタ１３３としては、例えばチャネルが形成され
、元素周期表における第１４族の半導体（シリコンなど）を含有する半導体層又はチャネ
ルが形成される酸化物半導体層を含むトランジスタを用いることができる。酸化物半導体
層を含むトランジスタとしては、トランジスタ１３４＿１乃至トランジスタ１３４＿Ｚに
適用可能な酸化物半導体層を用いたトランジスタを用いることができる。

また、トランジスタ１３４＿１乃至トランジスタ１３４＿Ｚ及びトランジスタ１３３とし
てチャネルが形成される酸化物半導体層を用い、トランジスタ１３２として、例えばチャ
ネルが形成され、元素周期表における第１４族の半導体（シリコンなど）を含有する半導
体層を用いることもできる。

次に、図１（Ｂ）に示す光検出回路の駆動方法例について、図１（Ｃ）を用いて説明する
。図１（Ｃ）は、図１（Ｂ）に示す光検出回路の駆動方法例を説明するためのタイミング
チャートであり、信号ＰＲＳＴ＿１乃至信号ＰＲＳＴ＿Ｚ、信号ＴＸ＿１乃至信号ＴＸ＿
Ｚ、及び信号ＯＳＥＬのそれぞれの状態を示す。なお、ここでは、一例として光電変換素
子１３１＿１乃至光電変換素子１３１＿Ｚのそれぞれがフォトダイオードであり、電圧Ｖ
_０の値が基準電位と同じ値である場合について説明する。

図１（Ｂ）に示す光検出回路の駆動方法例では、期間Ｔ１１において、信号ＰＲＳＴ＿１
のパルス（ｐｌｓともいう）及び信号ＴＸ＿１のパルスが入力され、さらに、期間Ｔ１２
において、信号ＰＲＳＴ＿２のパルス及び信号ＴＸ＿２のパルスが入力される。その後、
期間毎に、異なる信号ＰＲＳＴ及び信号ＴＸのパルスが順次入力され、期間Ｔ１３におい
て、信号ＰＲＳＴ＿Ｚのパルス及び信号ＴＸ＿Ｚのパルスが入力される。

信号ＰＲＳＴ＿Ｋ及び信号ＴＸ＿Ｋのパルスが入力されている間、光電変換素子１３１＿
Ｋは、順方向に電流が流れる状態になり、且つトランジスタ１３４＿Ｋがオン状態になる
。これにより、ノードＮ１１＿Ｋ及びノードＮ１２の電圧は、一定の値にリセットされる
。よって、ノードＮ１１＿１乃至ノードＮ１１＿Ｚの電圧は、順次リセットされ、またノ
ードＮ１２の電圧もリセットされる。

なお、期間Ｔ１１乃至期間Ｔ１３において、信号ＰＲＳＴ＿Ｋのパルス幅は、信号ＴＸ＿
Ｋのパルス幅より長いことが好ましく、信号ＴＸ＿Ｋのパルスの入力が終わったときに信
号ＰＲＳＴ＿Ｋのパルスがまだ入力されていることが好ましい。

さらに、期間Ｔ１１乃至期間Ｔ１３において、信号ＰＲＳＴ＿Ｋのパルスが入力された後
、再度信号ＴＸ＿Ｋのパルスが入力されるまで、光電変換素子１３１＿Ｋは、第１の電流
端子及び第２の電流端子の間に、順方向とは逆方向に電圧が印加された状態になる。この
とき、光電変換素子１３１＿Ｋには、入射する光の照度に応じて電流が流れ、光電変換素
子１３１＿Ｋに流れる電流に応じてノードＮ１１＿Ｋの電圧値が変化する。なお、期間Ｔ
１１乃至期間Ｔ１３において、信号ＰＲＳＴ＿Ｋのパルスが入力された後、再度信号ＴＸ
＿Ｋのパルスが入力されるまでの期間を蓄積期間ともいう。

さらに、期間Ｔ１４において、信号ＴＸ＿１のパルスが入力され、期間Ｔ１５において、
信号ＯＳＥＬのパルスが入力される。さらに、期間Ｔ１６において、信号ＴＸ＿２のパル
スが入力され、期間Ｔ１７において、信号ＯＳＥＬのパルスが入力される。その後、異な
る信号ＰＲＳＴのパルスが順次入力され、信号ＰＲＳＴのパルスが入力された後の期間に
おいて、信号ＯＳＥＬのパルスが入力され、期間Ｔ１８において、信号ＴＸ＿Ｚのパルス
が入力され、期間Ｔ１９において、信号ＯＳＥＬのパルスが入力される。

期間Ｔ１４乃至期間Ｔ１９において、信号ＴＸ＿Ｋのパルスが入力されている間、トラン
ジスタ１３４＿Ｋがオン状態になり、ノードＮ１１＿Ｋの電圧及びノードＮ１２の電圧が
変化する。このとき、ノードＮ１１＿Ｋの電圧及びノードＮ１２の電圧は、それぞれに付
加する容量比に応じた値に変化する。ノードＮ１２の電圧が変化するとトランジスタ１３
２のソース及びドレインの間のチャネル抵抗の値が変化する。

また、信号ＯＳＥＬのパルスが入力されている間、トランジスタ１３３がオン状態になり
、トランジスタ１３２のソース及びドレイン、並びにトランジスタ１３３のソース及びド
レインを介して電流が流れる。トランジスタ１３２のソース及びドレイン、並びにトラン
ジスタ１３３のソース及びドレインを介して流れる電流は、ノードＮ１２の電圧、すなわ
ちトランジスタ１３２のゲートの電圧の値に依存する。よって、トランジスタ１３２のソ
ース及びドレイン、並びにトランジスタ１３３のソース及びドレインを介して流れる電流
は、蓄積期間に光電変換素子１３１＿Ｋに入射する光の照度に応じた値となる。例えば、
光電変換素子１３１＿Ｋに入射する光の照度が高いほど、光データの電圧を低くすること
もできる。なお、これに限定されず、光の照度が高いほど、光データの電圧を高くするこ
ともできる。図１（Ｂ）に示す光検出回路は、トランジスタ１３３のソース及びドレイン
の他方から光データを光データ信号として出力する。

なお、期間Ｔ１４乃至期間Ｔ１９において、信号ＯＳＥＬのパルスが入力された後、次の
信号ＴＸ＿Ｍ（Ｍは２乃至Ｚの自然数）のパルスが入力される前に、信号ＴＸ＿Ｍ−１及
び信号ＰＲＳＴ＿Ｍ−１のパルスを入力してノードＮ１２を再びリセット状態にしてもよ
い。このように、期間Ｔ１４乃至期間Ｔ１９において、信号ＯＳＥＬのパルスが入力され
た後、次の信号ＴＸ＿Ｍ（Ｍは２乃至Ｚの自然数）のパルスが入力される前に、信号ＴＸ
＿Ｍ−１及び信号ＰＲＳＴ＿Ｍ−１のパルスを入力することにより、改めてリセット動作
を行う必要がないため、読み取り（撮像ともいう）の周期を短くすることができる。以上
が図１（Ｂ）に示す光検出回路の駆動方法例である。

次に、本実施の形態における入出力装置の駆動方法例として、図１（Ａ）に示す入出力装
置の駆動方法例について説明する。

図１（Ａ）に示す入出力装置の駆動方法例では、表示選択信号のパルスに従って表示回路
１１５ｄに表示データ信号が入力され、表示回路１１５ｄは、入力された表示データ信号
のデータに応じた表示状態になり、画素部１０１ｄは、画像を表示する。

また、図１（Ａ）に示す入出力装置の駆動方法例では、図１（Ｃ）を用いて説明した光検
出回路の駆動方法を用いて複数の光検出回路１１５ｐのそれぞれに入射する光の照度に応
じた複数の光データを生成し、光データ信号として順次出力する。

さらに、読み出し回路１１６により複数の光検出回路１１５ｐから出力された光データを
順次読み出す。読み出された光データは、例えば被読み取り物の座標検出又は画像データ
生成など、所定の処理に用いられる。

なお、上記生成した光データから画像信号を生成し、該画像信号を用いて表示データ信号
を生成してもよい。これにより、光データに応じて表示画像を変化させることもできる。

図１を用いて説明したように、本実施の形態における入出力装置の一例は、光検出回路に
おいて、１つの増幅トランジスタ及び１つの出力選択トランジスタを複数の電荷蓄積制御
トランジスタ及び複数の光電変換素子により共有して用いる構成である。上記構成にする
ことにより、画素部におけるトランジスタの数を少なくすることができる。画素部におけ
るトランジスタの数を少なくすることにより、１つの画素のサイズの縮小又は光電変換素
子のサイズの拡大を行うことができる。例えば光電変換素子のサイズが大きくなるほど入
射する光の感度が向上する。

また、本実施の形態における入出力装置の一例は、少なくとも電荷蓄積制御トランジスタ
として、オフ電流が少なく、チャネルが形成される酸化物半導体層を含むトランジスタを
用いる構成である。上記構成にすることにより、電荷蓄積制御トランジスタのリーク電流
による光データの変動を抑制することができるため、ＳＮ比を向上させることができる。
また、従来では１つの増幅トランジスタのゲートに複数の電荷蓄積制御トランジスタのソ
ース及びドレインの他方を接続させた場合、電荷蓄積制御トランジスタのリーク電流によ
り増幅トランジスタのゲートの電圧の変動が大きかった。しかしながら、上記構成にする
ことにより、電荷蓄積制御トランジスタのリーク電流による光データの変動を抑制するこ
とができるため、１つの増幅トランジスタのゲートに複数の電荷蓄積制御トランジスタの
ソース及びドレインの他方を接続させた構成であっても増幅トランジスタのゲートの電圧
の変動を抑制することができる。よって、１つの増幅トランジスタを複数の電荷蓄積制御
トランジスタ及び光電変換素子により共有して用いる構成である場合、電荷蓄積制御トラ
ンジスタとして、オフ電流が少なく、チャネルが形成される酸化物半導体層を含むトラン
ジスタを用いることが好適である。

（実施の形態２）
本実施の形態では、上記実施の形態の入出力装置における光検出回路の他の例について説
明する。なお、本実施の形態における光検出回路の例において、上記実施の形態の入出力
装置における光検出回路と同じ部分については、上記実施の形態の入出力装置における光
検出回路の説明を適宜援用する。

本実施の形態における光検出回路の例について、図２を用いて説明する。図２は、本実施
の形態における光検出回路を説明するための図である。

まず、本実施の形態における光検出回路の構成例について、図２（Ａ）を用いて説明する
。図２（Ａ）は、本実施の形態における光検出回路の構成例を示す回路図である。

図２（Ａ）に示す光検出回路は、図１（Ｂ）に示す光検出回路と同様に光電変換素子１３
１＿１乃至光電変換素子１３１＿ＺのＺ個の光電変換素子と、トランジスタ１３２と、ト
ランジスタ１３３と、トランジスタ１３４＿１乃至トランジスタ１３４＿ＺのＺ個のトラ
ンジスタと、を備える。さらに、図２（Ａ）に示す光検出回路は、トランジスタ１３５を
備える。

図２（Ａ）に示す光検出回路において、光電変換素子１３１＿Ｋの第１の電流端子には、
電圧Ｖｂが入力される。

トランジスタ１３４＿Ｋのソース及びドレインの一方は、光電変換素子１３１＿Ｋの第２
の電流端子に接続され、トランジスタ１３４＿Ｋのゲートには、電荷蓄積制御信号ＴＸ＿
Ｋが入力される。

トランジスタ１３２のソース及びドレインの一方には、電圧Ｖ_０が入力され、トランジス
タ１３２のゲートは、トランジスタ１３４＿１乃至トランジスタ１３４＿Ｚのソース及び
ドレインの他方のそれぞれに接続される。

トランジスタ１３３のソース及びドレインの一方は、トランジスタ１３２のソース及びド
レインの他方に接続され、トランジスタ１３３のゲートには、信号ＯＳＥＬが入力される
。

トランジスタ１３５のソース及びドレインの一方には、電圧Ｖａが入力され、トランジス
タ１３５のソース及びドレインの他方は、トランジスタ１３２のゲートに接続され、トラ
ンジスタ１３５のゲートには、光検出リセット信号ＰＲＳＴが入力される。

トランジスタ１３５は、トランジスタ１３２のゲート（ノードＮ１２）の電圧をリセット
する光検出リセットトランジスタとしての機能を有する。

なお、電圧Ｖａ及び電圧Ｖｂの一方は、高電源電圧Ｖｄｄであり、電圧Ｖａ及び電圧Ｖｂ
の他方は、低電源電圧Ｖｓｓである。電圧Ｖａ及び電圧Ｖｂの値は、例えばトランジスタ
の極性などにより互いに入れ替わる場合がある。

次に、図２（Ａ）に示す光検出回路の駆動方法例について、図２（Ｂ）を用いて説明する
。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に示す光検出回路の駆動方法例を説明するためのタイミング
チャートであり、信号ＰＲＳＴ、信号ＴＸ＿１乃至信号ＴＸ＿Ｚ、及び信号ＯＳＥＬのそ
れぞれの状態を示す。なお、ここでは、一例として光電変換素子１３１＿１乃至光電変換
素子１３１＿Ｚのそれぞれがフォトダイオードであり、電圧Ｖａが高電源電圧であり、電
圧Ｖｂが低電源電圧であり、電圧Ｖ_０の値が基準電位と同じ値である場合について説明す
る。

図２（Ａ）に示す光検出回路の駆動方法例では、期間Ｔ２１において、信号ＴＸ＿１のパ
ルスが入力され、さらに、期間Ｔ２２において、信号ＴＸ＿２のパルスが入力される。そ
の後、期間毎に、異なる信号ＴＸのパルスが順次入力され、期間Ｔ２３において、信号Ｔ
Ｘ＿Ｚのパルスが入力される。また、信号ＰＲＳＴの１つのパルスが期間Ｔ２１乃至期間
Ｔ２３にかけて入力される。

信号ＰＲＳＴ及び信号ＴＸ＿Ｋのパルスが入力されている間、トランジスタ１３５がオン
状態になり、光電変換素子１３１＿Ｋは、順方向に電流が流れる状態になり、且つトラン
ジスタ１３４＿Ｋがオン状態になる。これにより、ノードＮ１１＿Ｋ及びノードＮ１２の
電圧は、一定の値にリセットされる。よって、ノードＮ１１＿１乃至ノードＮ１１＿Ｚの
電圧は、順次リセットされる。

さらに、期間Ｔ２１乃至期間Ｔ２３において、信号ＴＸ＿Ｋのパルスが入力された後、再
度信号ＴＸ＿Ｋのパルスが入力されるまで、光電変換素子１３１＿Ｋは、第１の電流端子
及び第２の電流端子の間に、順方向とは逆方向に電圧が印加された状態になる。このとき
、光電変換素子１３１＿Ｋには、入射する光の照度に応じて電流が流れ、光電変換素子１
３１＿Ｋに流れる電流に応じてノードＮ１１＿Ｋの電圧値が変化する。なお、期間Ｔ２１
乃至期間Ｔ２３において、信号ＴＸ＿Ｋのパルスが入力された後、再度信号ＴＸ＿Ｋのパ
ルスが入力されるまでの期間を蓄積期間ともいう。

さらに、期間Ｔ２４において、信号ＰＲＳＴのパルスが入力され、期間Ｔ２５において、
信号ＴＸ＿１のパルスが入力され、期間Ｔ２６において、信号ＯＳＥＬのパルスが入力さ
れる。さらに、期間Ｔ２７において、信号ＰＲＳＴのパルスが入力され、期間Ｔ２８にお
いて、信号ＴＸ＿２のパルスが入力され、期間Ｔ２９において、信号ＯＳＥＬのパルスが
入力される。その後、信号ＰＲＳＴのパルスが複数回入力され、信号ＰＲＳＴのパルスが
入力される毎にその後の期間において、異なる信号ＴＸのパルスが入力され、信号ＴＸの
パルスが入力された後の期間において、信号ＯＳＥＬのパルスが入力され、期間Ｔ３０に
おいて、信号ＰＲＳＴのパルスが入力され、期間Ｔ３１において信号ＴＸ＿Ｚのパルスが
入力され、期間Ｔ３２において、信号ＯＳＥＬのパルスが入力される。

期間Ｔ２４乃至期間Ｔ３２において、信号ＰＲＳＴのパルスが入力されている間、ノード
Ｎ１２の電圧がリセットされる。

また、期間Ｔ２４乃至期間Ｔ３２において、信号ＴＸ＿Ｋのパルスが入力されている間、
トランジスタ１３４＿Ｋがオン状態になり、ノードＮ１１＿Ｋの電圧及びノードＮ１２の
電圧が変化する。このとき、ノードＮ１１＿Ｋの電圧及びノードＮ１２の電圧は、それぞ
れに付加する容量比に応じた値に変化する。ノードＮ１２の電圧が変化するとトランジス
タ１３２のソース及びドレインの間のチャネル抵抗の値が変化する。

また、期間Ｔ２４乃至期間Ｔ３２において、信号ＯＳＥＬのパルスが入力されている間、
トランジスタ１３３がオン状態になり、トランジスタ１３２のソース及びドレイン、並び
にトランジスタ１３３のソース及びドレインを介して電流が流れる。トランジスタ１３２
のソース及びドレイン、並びにトランジスタ１３３のソース及びドレインを介して流れる
電流は、ノードＮ１２の電圧、すなわちトランジスタ１３２のゲートの電圧の値に依存す
る。よって、トランジスタ１３２のソース及びドレイン、並びにトランジスタ１３３のソ
ース及びドレインを介して流れる電流は、蓄積期間に光電変換素子１３１＿Ｋに入射する
光の照度に応じた値となる。例えば、光電変換素子１３１＿Ｋの入射する光の照度が高い
ほど、光データの電圧を低くすることもできる。なお、これに限定されず、光電変換素子
１３１＿Ｋの入射する光の照度が高いほど、光データの電圧を高くすることもできる。図
２（Ａ）に示す光検出回路は、トランジスタ１３３のソース及びドレインの他方から光デ
ータを光データ信号として出力する。

なお、期間Ｔ２４乃至期間Ｔ３２において、信号ＯＳＥＬのパルスが入力された後、次の
信号ＴＸ＿Ｍ（Ｍは２乃至Ｚの自然数）のパルスが入力される前に、信号ＴＸ＿Ｍ−１及
び信号ＰＲＳＴ＿Ｍ−１のパルスを入力してノードＮ１２を再びリセット状態にしてもよ
い。このように、期間Ｔ２４乃至期間Ｔ３２において、信号ＯＳＥＬのパルスが入力され
た後、次の信号ＴＸ＿Ｍ（Ｍは２乃至Ｚの自然数）のパルスが入力される前に、信号ＴＸ
＿Ｍ−１及び信号ＰＲＳＴ＿Ｍ−１のパルスを入力することにより、改めてリセット動作
を行う必要がないため、読み取り（撮像ともいう）の周期を短くすることができる。以上
が図２（Ａ）に示す光検出回路の駆動方法例である。

図２を用いて説明したように、本実施の形態における光検出回路の一例は、１つの増幅ト
ランジスタ及び１つの出力選択トランジスタを複数の電荷蓄積制御トランジスタ及び複数
の光電変換素子により共有して用いる構成である。上記構成にすることにより、画素部に
おけるトランジスタの数を少なくすることができる。画素部におけるトランジスタの数を
少なくすることにより、１つの画素のサイズの縮小又は光電変換素子のサイズの拡大を行
うことができる。例えば光電変換素子のサイズが大きくなるほど入射する光の感度が向上
する。

さらに、本実施の形態における光検出回路の一例は、増幅トランジスタのゲートの電圧を
リセットさせるか否かを選択する光検出リセットトランジスタを備える構成である。上記
構成にすることにより、光検出回路に入射する光の照度に応じた光データの精度を向上さ
せることができる。

（実施の形態３）
上記実施の形態の入出力装置における光検出回路の他の例について説明する。なお、本実
施の形態における光検出回路の例において、上記実施の形態の入出力装置における光検出
回路と同じ部分については、上記実施の形態の入出力装置における光検出回路の説明を適
宜援用する。

本実施の形態における光検出回路の例について、図３を用いて説明する。図３は、本実施
の形態における光検出回路を説明するための図である。

まず、本実施の形態における光検出回路の構成例について、図３（Ａ）を用いて説明する
。図３（Ａ）は、本実施の形態における光検出回路の構成例を示す回路図である。

図３（Ａ）に示す光検出回路は、図２（Ａ）に示す光検出回路と同様に光電変換素子１３
１＿１乃至光電変換素子１３１＿ＺのＺ個の光電変換素子と、トランジスタ１３２と、ト
ランジスタ１３４＿１乃至トランジスタ１３４＿ＺのＺ個のトランジスタと、トランジス
タ１３５を備える。また、図３（Ａ）に示す光検出回路と図２（Ａ）に示す光検出回路を
比較すると、図３（Ａ）に示す光検出回路には、トランジスタ１３３が設けられていない
。

図３（Ａ）に示す光検出回路において、光電変換素子１３１＿Ｋの第１の電流端子には、
電圧Ｖｂが入力される。

トランジスタ１３４＿Ｋのソース及びドレインの一方は、光電変換素子１３１＿Ｋの第２
の電流端子に接続され、トランジスタ１３４＿Ｋのゲートには、電荷蓄積制御信号ＴＸ＿
Ｋが入力される。

トランジスタ１３２のソース及びドレインの一方には、電圧Ｖ_０が入力され、トランジス
タ１３２のゲートは、トランジスタ１３４＿１乃至トランジスタ１３４＿Ｚのソース及び
ドレインの他方のそれぞれに接続される。

トランジスタ１３５のソース及びドレインの一方には、リセット電圧信号（信号ＶＲＳと
もいう）が入力され、トランジスタ１３５のソース及びドレインの他方は、トランジスタ
１３２のゲートに接続され、トランジスタ１３５のゲートには、光検出リセット信号ＰＲ
ＳＴが入力される。

次に、図３（Ａ）に示す光検出回路の駆動方法例について、図３（Ｂ）を用いて説明する
。図３（Ｂ）は、図３（Ａ）に示す光検出回路の駆動方法例を説明するためのタイミング
チャートであり、信号ＰＲＳＴ、信号ＴＸ＿１乃至信号ＴＸ＿Ｚ、及び信号ＯＳＥＬのそ
れぞれの状態を示す。なお、ここでは、一例として光電変換素子１３１＿１乃至光電変換
素子１３１＿Ｚのそれぞれがフォトダイオードであり、電圧Ｖａが高電源電圧であり、電
圧Ｖｂが低電源電圧であり、電圧Ｖ_０の値が基準電位と同じ場合について説明する。

図３（Ａ）に示す光検出回路の駆動方法例では、期間Ｔ４１において、信号ＰＲＳＴのパ
ルスが入力される。また、信号ＶＲＳの１つのパルスが期間Ｔ４１乃至期間Ｔ４５にかけ
て入力される。

信号ＰＲＳＴ及び信号ＶＲＳのパルスが入力されている間、トランジスタ１３５がオン状
態になり、ノードＮ１２の電圧は、一定の値にリセットされる。

さらに、期間Ｔ４２において信号ＴＸ＿１のパルスが入力され、期間Ｔ４２において信号
ＴＸ＿１のパルスが入力されている間に信号ＰＲＳＴのパルスが入力される。さらに、期
間Ｔ４３において、信号ＴＸ＿２のパルスが入力され、期間Ｔ４３において信号ＴＸ＿２
のパルスが入力されている間に信号ＰＲＳＴのパルスが入力される。その後、異なる信号
ＴＸのパルスが順次入力され、信号ＴＸのパルスが入力されている間に信号ＰＲＳＴのパ
ルスが入力され、期間Ｔ４４において、信号ＴＸ＿Ｚのパルスが入力され、期間Ｔ４４に
おいて信号ＴＸ＿Ｚのパルスが入力されている間に信号ＰＲＳＴのパルスが入力される。

期間Ｔ４２乃至期間Ｔ４４において、信号ＰＲＳＴ＿Ｋのパルスが入力される前に信号Ｔ
Ｘ＿Ｋのパルスが入力されている間、トランジスタ１３４＿Ｋがオン状態になり、ノード
Ｎ１１＿Ｋの電圧及びノードＮ１２の電圧が変化する。このとき、ノードＮ１１＿Ｋの電
圧及びノードＮ１２の電圧は、それぞれに付加する容量比に応じて変化する。ノードＮ１
２の電圧が変化するとトランジスタ１３２のソース及びドレインの間のチャネル抵抗の値
が変化する。

さらに、トランジスタ１３２のソース及びドレインを介して電流が流れる。トランジスタ
１３２のソース及びドレインを介して流れる電流は、ノードＮ１２の電圧、すなわちトラ
ンジスタ１３２のゲートの電圧の値に依存する。

また、期間Ｔ４２乃至期間Ｔ４４において、信号ＴＸ＿Ｋ及び信号ＶＲＳのパルスが入力
されている間、ノードＮ１２の電圧がリセットされ、電圧Ｖａと同等の値になる。

さらに、期間Ｔ４２乃至期間Ｔ４４において、信号ＰＲＳＴ＿Ｋのパルスが入力された後
、再度信号ＴＸ＿Ｋのパルスが入力されるまで（例えば次の読み取り期間における信号Ｔ
Ｘ＿Ｋのパルスが入力されるまで）、光電変換素子１３１＿Ｋは、第１の電流端子及び第
２の電流端子の間に、順方向とは逆方向に電圧が印加された状態になる。このとき、光電
変換素子１３１＿Ｋには、入射する光の照度に応じて電流が流れ、光電変換素子１３１＿
Ｋに流れる電流に応じてノードＮ１１＿Ｋの値が変化する。なお、期間Ｔ４２乃至期間Ｔ
４４において、信号ＰＲＳＴ＿Ｋのパルスが入力された後、再度信号ＴＸ＿Ｋのパルスが
入力されるまでの期間を蓄積期間ともいう。

なお、トランジスタ１３２のソース及びドレインを介して流れる電流は、蓄積期間に光電
変換素子１３１＿Ｋに入射する光の照度に応じた値となる。例えば、光電変換素子１３１
＿Ｋの入射する光の照度が高いほど、光データの電圧を低くすることもできる。図３（Ａ
）に示す光検出回路は、トランジスタ１３２のソース及びドレインの他方から光データを
表す光データ信号を出力する。

さらに、期間Ｔ４５において、信号ＶＲＳのパルスが入力された後に信号ＰＲＳＴのパル
スが入力される。

期間Ｔ４５において、信号ＰＲＳＴのパルスが入力されている間、トランジスタ１３５が
オン状態になる。このとき、ノードＮ１２の電圧がリセットされ、ノードＮ１２の電圧は
信号ＶＲＳの電圧と同等の値になり、トランジスタ１３２がオフ状態になる。以上が図３
（Ａ）に示す光検出回路の駆動方法例である。

図３を用いて説明したように、本実施の形態における光検出回路の一例は、１つの増幅ト
ランジスタを複数の電荷蓄積制御トランジスタ及び複数の光電変換素子により共有して用
いる構成である。上記構成にすることにより、画素部におけるトランジスタの数を少なく
することができる。画素部におけるトランジスタの数を少なくすることにより、１つの画
素のサイズの縮小又は光電変換素子のサイズの拡大を行うことができる。例えば光電変換
素子のサイズが大きくなるほど入射する光の感度が向上する。

さらに、本実施の形態における光検出回路の一例は、増幅トランジスタのゲートの電圧を
リセットさせるか否かを選択する光検出リセットトランジスタを備える構成である。上記
構成にすることにより、光検出回路に入射する光の照度に応じた光データの精度を向上さ
せることができる。

図３を用いて説明したように、本実施の形態における光検出回路の一例は、光電変換素子
、電荷蓄積制御トランジスタ、増幅トランジスタ、及び該増幅トランジスタのゲートの電
圧をリセットさせるか否かを選択する光検出リセットトランジスタを備える構成である。
上記構成にすることにより、光検出回路に入射する光の照度に応じた光データの生成精度
を向上させつつ、出力選択トランジスタが無い分、トランジスタの数を低減することがで
きる。

（実施の形態４）
本実施の形態では、上記実施の形態の入出力装置における表示回路の例について説明する
。

本実施の形態における表示回路の例について、図４を用いて説明する。図４は、本実施の
形態における表示回路の例を説明するための図である。

まず、本実施の形態における表示回路の構成例について、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）を用
いて説明する。図４（Ａ）及び図４（Ｂ）は、本実施の形態における表示回路の構成例を
示す図である。

図４（Ａ）に示す表示回路は、トランジスタ１６１ａと、液晶素子１６２ａと、容量素子
１６３ａと、を備える。

なお、図４（Ａ）に示す表示回路において、トランジスタ１６１ａは、電界効果トランジ
スタである。

また、入出力装置において、液晶素子は、第１の表示電極、第２の表示電極、及び液晶層
により構成される。液晶層は、第１の表示電極及び第２の表示電極の間に印加される電圧
に応じて光の透過率が変化する。

また、入出力装置において、容量素子は、第１の容量電極、第２の容量電極、並びに第１
の容量電極及び第２の容量電極に重畳する誘電体層を含む。容量素子は、第１の容量電極
及び第２の容量電極の間に印加される電圧に応じて電荷が蓄積される。

トランジスタ１６１ａのソース及びドレインの一方には、信号ＤＤが入力され、トランジ
スタ１６１ａのゲートには、信号ＤＳＥＬが入力される。

液晶素子１６２ａの第１の表示電極は、トランジスタ１６１ａのソース及びドレインの他
方に電気的に接続され、液晶素子１６２ａの第２の表示電極には、電圧Ｖｃが入力される
。電圧Ｖｃの値は、適宜設定することができる。

容量素子１６３ａの第１の容量電極は、トランジスタ１６１ａのソース及びドレインの他
方に電気的に接続され、容量素子１６３ａの第２の容量電極には、電圧Ｖｃが入力される
。

図４（Ｂ）に示す表示回路は、トランジスタ１６１ｂと、液晶素子１６２ｂと、容量素子
１６３ｂと、容量素子１６４と、トランジスタ１６５と、トランジスタ１６６と、を備え
る。

なお、図４（Ｂ）に示す表示回路において、トランジスタ１６１ｂ、トランジスタ１６５
、及びトランジスタ１６６は、電界効果トランジスタである。

トランジスタ１６５のソース及びドレインの一方には、信号ＤＤが入力され、トランジス
タ１６５のゲートには、パルス信号である書き込み選択信号（信号ＷＳＥＬともいう）が
入力される。

容量素子１６４の第１の容量電極は、トランジスタ１６５のソース及びドレインの他方に
電気的に接続され、容量素子１６４の第２の容量電極には、電圧Ｖｃが入力される。

トランジスタ１６１ｂのソース及びドレインの一方は、トランジスタ１６５のソース及び
ドレインの他方に電気的に接続され、トランジスタ１６１ｂのゲートには、信号ＤＳＥＬ
が入力される。

液晶素子１６２ｂの第１の表示電極は、トランジスタ１６１ｂのソース及びドレインの他
方に電気的に接続され、液晶素子１６２ｂの第２の表示電極には、電圧Ｖｃが入力される
。

容量素子１６３ｂの第１の容量電極は、トランジスタ１６１ｂのソース及びドレインの他
方に電気的に接続され、容量素子１６３ｂの第２の容量電極には、電圧Ｖｃが入力される
。電圧Ｖｃの値は、表示回路の仕様に応じて適宜設定される。

トランジスタ１６６のソース及びドレインの一方には、基準となる電圧が入力され、トラ
ンジスタ１６６のソース及びドレインの他方は、トランジスタ１６１ｂのソース及びドレ
インの他方に電気的に接続され、トランジスタ１６６のゲートには、パルス信号である表
示リセット信号（信号ＤＲＳＴともいう）が入力される。

さらに、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示す表示回路の各構成要素について説明する。

トランジスタ１６１ａ及びトランジスタ１６１ｂは、表示選択トランジスタとしての機能
を有する。

液晶素子１６２ａ及び液晶素子１６２ｂにおける液晶層としては、第１の表示電極及び第
２の表示電極に印加される電圧が０Ｖのときに光を透過する液晶層を用いることができ、
例えば電気制御複屈折型液晶（ＥＣＢ型液晶ともいう）、二色性色素を添加した液晶（Ｇ
Ｈ液晶ともいう）、高分子分散型液晶、又はディスコチック液晶を含む液晶層などを用い
ることができる。また、液晶層としては、ブルー相を示す液晶層を用いてもよい。ブルー
相を示す液晶層は、例えばブルー相を示す液晶とカイラル剤とを含む液晶組成物により構
成される。ブルー相を示す液晶は、応答速度が１ｍｓｅｃ以下と短く、光学的等方性であ
るため、配向処理が不要であり、視野角依存性が小さい。よって、ブルー相を示す液晶を
用いることにより、動作速度を向上させることができる。

容量素子１６３ａ及び容量素子１６３ｂは、トランジスタ１６１ａ又はトランジスタ１６
１ｂに従って第１の容量電極及び第２の容量電極の間に信号ＤＤに応じた値の電圧が印加
される保持容量としての機能を有する。容量素子１６３ａ及び容量素子１６３ｂを必ずし
も設けなくてもよいが、容量素子１６３ａ及び容量素子１６３ｂを設けることにより、表
示選択トランジスタのリーク電流に起因する液晶素子に印加された電圧の変動を抑制する
ことができる。

容量素子１６４は、トランジスタ１６５に従って第１の容量電極及び第２の容量電極の間
に信号ＤＤに応じた値の電圧が印加される保持容量としての機能を有する。

トランジスタ１６５は、容量素子１６４に信号ＤＤを入力させるか否かを選択する書き込
み選択トランジスタとしての機能を有する。

トランジスタ１６６は、液晶素子１６２ｂに印加される電圧をリセットさせるか否かを選
択する表示リセット選択トランジスタとしての機能を有する。

なお、トランジスタ１６１ａ、トランジスタ１６１ｂ、トランジスタ１６５、及びトラン
ジスタ１６６としては、例えばチャネルが形成され、元素周期表における第１４族の半導
体（シリコンなど）を含有する半導体層又は酸化物半導体層を含むトランジスタを用いる
ことができる。

次に、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示す表示回路の駆動方法例について説明する。

まず、図４（Ａ）に示す表示回路の駆動方法例について、図４（Ｃ）を用いて説明する。
図４（Ｃ）は、図４（Ａ）に示す表示回路の駆動方法例を説明するためのタイミングチャ
ートであり、信号ＤＤ及び信号ＤＳＥＬのそれぞれの状態を示す。

図４（Ａ）に示す表示回路の駆動方法例では、信号ＤＳＥＬのパルスが入力されると、ト
ランジスタ１６１ａがオン状態になる。

トランジスタ１６１ａがオン状態になると、表示回路に信号ＤＤが入力され、液晶素子１
６２ａの第１の表示電極及び容量素子１６３ａの第１の容量電極の電圧が信号ＤＤの電圧
と同等の値になる。

このとき、液晶素子１６２ａは、書き込み状態（状態ｗｔともいう）になり、信号ＤＤに
応じた光の透過率になる。これにより、表示回路は、信号ＤＤのデータ（データＤ１乃至
データＤＱ（Ｑは２以上の自然数）のそれぞれ）に応じた表示状態になる。

その後、トランジスタ１６１ａがオフ状態になり、液晶素子１６２ａは、保持状態（状態
ｈｌｄともいう）になり、第１の表示電極及び第２の表示電極の間に印加される電圧を、
次に信号ＤＳＥＬのパルスが入力されるまで、初期値からの変動量が基準値より大きくな
らないように保持する。また、液晶素子１６２ａが保持状態のとき、上記実施の形態の入
出力装置におけるライトユニットは、点灯状態になる。

次に、図４（Ｂ）に示す表示回路の駆動方法例について、図４（Ｄ）を用いて説明する。
図４（Ｄ）は、図４（Ｂ）に示す表示回路の駆動方法例を説明するためのタイミングチャ
ートである。

図４（Ｂ）に示す表示回路の駆動方法例では、信号ＤＲＳＴのパルスが入力されると、ト
ランジスタ１６６がオン状態になり、液晶素子１６２ｂの第１の表示電極及び容量素子１
６３ｂの第１の容量電極の電圧が基準となる電圧にリセットされる。

また、信号ＷＳＥＬのパルスが入力されると、トランジスタ１６５がオン状態になり、信
号ＤＤが表示回路に入力され、容量素子１６４の第１の容量電極が信号ＤＤの電圧と同等
の値になる。

その後、信号ＤＳＥＬのパルスが入力されると、トランジスタ１６１ｂがオン状態になり
、液晶素子１６２ｂの第１の表示電極及び容量素子１６３ｂの第１の容量電極の電圧が容
量素子１６４の第１の容量電極の電圧と同等の値になる。

このとき、液晶素子１６２ｂは、書き込み状態になり、信号ＤＤに応じた光の透過率にな
る。これにより、表示回路は、信号ＤＤのデータ（データＤ１乃至データＤＱのそれぞれ
）に応じた表示状態になる。

その後、トランジスタ１６１ｂがオフ状態になり、液晶素子１６２ｂは、保持状態になり
、第１の表示電極及び第２の表示電極の間に印加される電圧を、次に信号ＤＳＥＬのパル
スが入力されるまで、初期値からの変動量が基準値より大きくならないように保持する。
また、液晶素子１６２ｂが保持状態のとき、上記実施の形態の入出力装置におけるライト
ユニットは、点灯状態になる。

図４（Ａ）及び図４（Ｂ）を用いて説明したように、本実施の形態における表示回路の一
例は、表示選択トランジスタ及び液晶素子を備える構成である。上記構成にすることによ
り、表示回路を表示データ信号に応じた表示状態にすることができる。

また、図４（Ｂ）を用いて説明したように、本実施の形態における表示回路の一例は、表
示選択トランジスタ及び液晶素子に加え、書き込み選択トランジスタ及び容量素子を備え
る構成である。上記構成にすることにより、液晶素子をある表示データ信号のデータに応
じた表示状態に設定している間に、容量素子に次の表示データ信号のデータを書き込むこ
とができる。よって、表示回路の動作速度を向上させることができる。

（実施の形態５）
本実施の形態では、上記実施の形態を用いて説明した入出力装置におけるトランジスタに
適用可能なトランジスタについて説明する。

上記実施の形態を用いて説明した入出力装置において、トランジスタとしては、例えばチ
ャネルが形成され、元素周期表における第１４族の半導体（シリコンなど）を含有する半
導体層又は酸化物半導体層を含むトランジスタを用いることができる。なお、チャネルが
形成される層をチャネル形成層ともいう。

なお、上記半導体層は、単結晶半導体層、多結晶半導体層、微結晶半導体層、又は非晶質
半導体層でもよい。

さらに、上記実施の形態を用いて説明した入出力装置において、トランジスタとして適用
可能な酸化物半導体層を含むトランジスタとしては、例えば高純度化することにより、真
性（Ｉ型ともいう）、又は実質的に真性にさせた酸化物半導体層を有するトランジスタを
用いることができる。

上記酸化物半導体層を含むトランジスタの構造例について、図５を用いて説明する。図５
は、本実施の形態におけるトランジスタの構造例を示す断面模式図である。

図５（Ａ）に示すトランジスタは、ボトムゲート構造のトランジスタの一つであり、逆ス
タガ型トランジスタともいう。

図５（Ａ）に示すトランジスタは、導電層４０１ａと、絶縁層４０２ａと、酸化物半導体
層４０３ａと、導電層４０５ａと、導電層４０６ａと、を含む。

導電層４０１ａは、基板４００ａの上に設けられる。

絶縁層４０２ａは、導電層４０１ａの上に設けられる。

酸化物半導体層４０３ａは、絶縁層４０２ａを介して導電層４０１ａに重畳する。

導電層４０５ａ及び導電層４０６ａのそれぞれは、酸化物半導体層４０３ａの一部の上に
設けられる。

さらに、図５（Ａ）において、トランジスタの酸化物半導体層４０３ａの上面の一部（上
面に導電層４０５ａ及び導電層４０６ａが設けられていない部分）は、絶縁層４０７ａに
接する。

また、絶縁層４０７ａは、導電層４０５ａ、導電層４０６ａ、及び酸化物半導体層４０３
ａが設けられていない箇所において絶縁層４０２ａに接する。

図５（Ｂ）に示すトランジスタは、図５（Ａ）に示す構造に加え、導電層４０８ａを含む
。

導電層４０８ａは、絶縁層４０７ａを介して酸化物半導体層４０３ａに重畳する。

図５（Ｃ）に示すトランジスタは、ボトムゲート構造のトランジスタの一つである。

図５（Ｃ）に示すトランジスタは、導電層４０１ｂと、絶縁層４０２ｂと、酸化物半導体
層４０３ｂと、導電層４０５ｂと、導電層４０６ｂと、を含む。

導電層４０１ｂは、基板４００ｂの上に設けられる。

絶縁層４０２ｂは、導電層４０１ｂの上に設けられる。

導電層４０５ｂ及び導電層４０６ｂは、絶縁層４０２ｂの一部の上に設けられる。

酸化物半導体層４０３ｂは、絶縁層４０２ｂを介して導電層４０１ｂに重畳する。

さらに、図５（Ｃ）において、トランジスタにおける酸化物半導体層４０３ｂの上面及び
側面は、絶縁層４０７ｂに接する。

また、絶縁層４０７ｂは、導電層４０５ｂ、導電層４０６ｂ、及び酸化物半導体層４０３
ｂが設けられていない箇所において絶縁層４０２ｂに接する。

なお、図５（Ａ）及び図５（Ｃ）において、絶縁層の上に保護絶縁層を設けてもよい。

図５（Ｄ）に示すトランジスタは、図５（Ｃ）に示す構造に加え、導電層４０８ｂを含む
。

導電層４０８ｂは、絶縁層４０７ｂを介して酸化物半導体層４０３ｂに重畳する。

図５（Ｅ）に示すトランジスタは、トップゲート構造のトランジスタの一つである。

図５（Ｅ）に示すトランジスタは、導電層４０１ｃと、絶縁層４０２ｃと、酸化物半導体
層４０３ｃと、導電層４０５ｃ及び導電層４０６ｃと、を含む。

酸化物半導体層４０３ｃは、絶縁層４４７を介して基板４００ｃの上に設けられる。

導電層４０５ｃ及び導電層４０６ｃは、それぞれ酸化物半導体層４０３ｃの上に設けられ
る。

絶縁層４０２ｃは、酸化物半導体層４０３ｃ、導電層４０５ｃ、及び導電層４０６ｃの上
に設けられる。

導電層４０１ｃは、絶縁層４０２ｃを介して酸化物半導体層４０３ｃに重畳する。

さらに、図５（Ａ）乃至図５（Ｅ）に示す各構成要素について説明する。

基板４００ａ乃至基板４００ｃとしては、例えば透光性を有する基板を用いることができ
、透光性を有する基板としては、例えばガラス基板又はプラスチック基板を用いることが
できる。

導電層４０１ａ乃至導電層４０１ｃのそれぞれは、トランジスタのゲートとしての機能を
有する。なお、トランジスタのゲートとしての機能を有する導電層をゲート電極又はゲー
ト配線ともいう。

導電層４０１ａ乃至導電層４０１ｃとしては、例えばモリブデン、チタン、クロム、タン
タル、タングステン、アルミニウム、銅、ネオジム、若しくはスカンジウムなどの金属材
料、又はこれらを主成分とする合金材料の層を用いることができる。また、導電層４０１
ａ乃至導電層４０１ｃの形成に適用可能な材料の層の積層により、導電層４０１ａ乃至導
電層４０１ｃを構成することもできる。

絶縁層４０２ａ乃至絶縁層４０２ｃのそれぞれは、トランジスタのゲート絶縁層としての
機能を有する。

絶縁層４０２ａ乃至絶縁層４０２ｃとしては、例えば酸化シリコン層、窒化シリコン層、
酸化窒化シリコン層、窒化酸化シリコン層、酸化アルミニウム層、窒化アルミニウム層、
酸化窒化アルミニウム層、窒化酸化アルミニウム層、又は酸化ハフニウム層を用いること
ができる。また、絶縁層４０２ａ乃至絶縁層４０２ｃに適用可能な材料の層の積層により
絶縁層４０２ａ乃至絶縁層４０２ｃを構成することもできる。

また、絶縁層４０２ａ乃至絶縁層４０２ｃとしては、例えば元素周期表における第１３族
元素及び酸素元素を含む材料の絶縁層を用いることもできる。酸化物半導体層４０３ａ乃
至酸化物半導体層４０３ｃが第１３族元素を含む場合に、酸化物半導体層４０３ａ乃至酸
化物半導体層４０３ｃに接する絶縁層として第１３族元素を含む絶縁層を用いることによ
り、該絶縁層と酸化物半導体層との界面の状態を良好にすることができる。

第１３族元素を含む材料としては、例えば酸化ガリウム、酸化アルミニウム、酸化アルミ
ニウムガリウム、酸化ガリウムアルミニウムなどが挙げられる。なお、酸化アルミニウム
ガリウムとは、ガリウムの含有量（原子％）よりアルミニウムの含有量（原子％）が多い
物質のことをいい、酸化ガリウムアルミニウムとは、ガリウムの含有量（原子％）がアル
ミニウムの含有量（原子％）以上の物質のことをいう。

例えば、絶縁層４０２ａ乃至絶縁層４０２ｃとして、酸化ガリウムを含む絶縁層を用いる
ことにより、絶縁層４０２ａ乃至絶縁層４０２ｃと、酸化物半導体層４０３ａ乃至酸化物
半導体層４０３ｃとの界面における水素又は水素イオンの蓄積を低減することができる。

また、例えば、絶縁層４０２ａ乃至絶縁層４０２ｃとして、酸化アルミニウムを含む絶縁
層を用いることにより、絶縁層４０２ａ乃至絶縁層４０２ｃと、酸化物半導体層４０３ａ
乃至酸化物半導体層４０３ｃとの界面における水素又は水素イオンの蓄積を低減すること
ができる。また、酸化アルミニウムを含む絶縁層は、水が通りにくいため、酸化アルミニ
ウムを含む絶縁層を用いることにより、該絶縁層を介して酸化物半導体層への水の侵入を
抑制することができる。

また、絶縁層４０２ａ乃至絶縁層４０２ｃとして、例えば、Ａｌ_２Ｏ_ｘ（ｘ＝３＋α、α
は０より大きく１より小さい値）、Ｇａ_２Ｏ_ｘ（ｘ＝３＋α、αは０より大きく１より小
さい値）、又はＧａ_ｘＡｌ_２−ｘＯ_３＋α（ｘは０より大きく２より小さい値、αは０よ
り大きく１より小さい値）で表記される材料を用いることもできる。また、絶縁層４０２
ａ乃至絶縁層４０２ｃに適用可能な材料の層の積層により絶縁層４０２ａ乃至絶縁層４０
２ｃを構成することもできる。例えば、複数のＧａ_２Ｏ_ｘで表記される酸化ガリウムを含
む層の積層により絶縁層４０２ａ乃至絶縁層４０２ｃを構成してもよい。また、Ｇａ_２Ｏ
_ｘで表記される酸化ガリウムを含む絶縁層及びＡｌ_２Ｏ_ｘで表記される酸化アルミニウム
を含む絶縁層の積層により絶縁層４０２ａ乃至絶縁層４０２ｃを構成してもよい。

絶縁層４４７は、基板４００ｃからの不純物元素の拡散を防止する下地層としての機能を
有する。なお、絶縁層４４７を図５（Ａ）乃至図５（Ｄ）に示す構造のトランジスタに設
けてもよい。

絶縁層４４７としては、例えば絶縁層４０２ａ乃至絶縁層４０２ｃに適用可能な材料の層
を用いることができる。また、絶縁層４０２ａ乃至絶縁層４０２ｃに適用可能な材料の層
の積層により絶縁層４４７を構成してもよい。

酸化物半導体層４０３ａ乃至酸化物半導体層４０３ｃのそれぞれは、トランジスタのチャ
ネルが形成される層としての機能を有する。なお、トランジスタのチャネルが形成される
層としての機能を有する層をチャネル形成層ともいう。酸化物半導体層４０３ａ乃至酸化
物半導体層４０３ｃに適用可能な酸化物半導体としては、少なくともインジウム（Ｉｎ）
又は亜鉛（Ｚｎ）を含む酸化物半導体を用いることが好ましい。また、ＩｎとＺｎを含む
酸化物半導体を用いることが好ましい。また、酸化物半導体としては、例えばＳｎ系金属
酸化物などを用いることもできる。また、上記酸化物半導体を用いたトランジスタの電気
特性のばらつきを減らすためのスタビライザーとして、上記酸化物半導体にガリウム（Ｇ
ａ）を有することが好ましい。また、スタビライザーとして上記酸化物半導体にスズ（Ｓ
ｎ）を有することが好ましい。また、スタビライザーとして上記酸化物半導体にハフニウ
ム（Ｈｆ）を有することが好ましい。また、スタビライザーとして上記酸化物半導体にア
ルミニウム（Ａｌ）を有することが好ましい。

また、他のスタビライザーとして、ランタノイドである、ランタン（Ｌａ）、セリウム（
Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム
（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホル
ミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ル
テチウム（Ｌｕ）のいずれか一種或いは複数種を上記酸化物半導体に有してもよい。

例えば、酸化物半導体として、酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛、二元系金属の酸化
物であるＩｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｚｎ−Ｍｇ系
酸化物、Ｓｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｉｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｉｎ−Ｇａ系酸化物、三元系金属の
酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物（ＩＧＺＯとも表記する）、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ系
酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸
化物、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌａ−Ｚｎ系酸化
物、Ｉｎ−Ｃｅ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｐｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｎｄ−Ｚｎ系酸化物
、Ｉｎ−Ｓｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｕ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｇｄ−Ｚｎ系酸化物、
Ｉｎ−Ｔｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｄｙ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｏ−Ｚｎ系酸化物、Ｉ
ｎ−Ｅｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｙｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ
−Ｌｕ−Ｚｎ系酸化物、四元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉ
ｎ−Ｈｆ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ａｌ−
Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物を用
いることができる。また、上記酸化物半導体として適用可能な金属酸化物は、酸化シリコ
ンを含んでいてもよい。

なお、ここで、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物とは、ＩｎとＧａとＺｎを主成分とし
て有する酸化物という意味であり、ＩｎとＧａとＺｎの比率は問わない。また、ＩｎとＧ
ａとＺｎ以外の金属元素が入っていてもよい。

Ｉｎ−Ｚｎ系金属酸化物を用いる場合、例えば、Ｉｎ：Ｚｎ＝５０：１乃至Ｉｎ：Ｚｎ＝
１：２（モル数比に換算するとＩｎ_２Ｏ_３：ＺｎＯ＝２５：１乃至Ｉｎ_２Ｏ_３：ＺｎＯ＝
１：４）、好ましくはＩｎ：Ｚｎ＝２０：１乃至Ｉｎ：Ｚｎ＝１：１（モル数比に換算す
るとＩｎ_２Ｏ_３：ＺｎＯ＝１０：１乃至Ｉｎ_２Ｏ_３：ＺｎＯ＝１：２）、さらに好ましく
はＩｎ：Ｚｎ＝１５：１乃至Ｉｎ：Ｚｎ＝１．５：１（モル数比に換算するとＩｎ_２Ｏ_３
：ＺｎＯ＝１５：２乃至Ｉｎ_２Ｏ_３：ＺｎＯ＝３：４）の組成比である酸化物ターゲット
を用いてＩｎ−Ｚｎ系金属酸化物の半導体層を形成することができる。例えば、Ｉｎ−Ｚ
ｎ系酸化物半導体の形成に用いるターゲットは、原子数比がＩｎ：Ｚｎ：Ｏ＝Ｐ：Ｕ：Ｒ
のとき、Ｒ＞１．５Ｐ＋Ｕとする。Ｉｎの量を多くすることにより、トランジスタの移動
度（電界効果移動度ともいう）を向上させることができる。

また、酸化物半導体としては、ＩｎＭＯ_３（ＺｎＯ）_ｍ（ｍは０より大きい数）で表記さ
れる材料を用いることもできる。ＩｎＭＯ_３（ＺｎＯ）_ｍのＭは、Ｇａ、Ａｌ、Ｍｎ、及
びＣｏから選ばれた一つ又は複数の金属元素を示す。

例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１（＝１／３：１／３：１／３）或いはＩｎ：Ｇａ
：Ｚｎ＝２：２：１（＝２／５：２／５：１／５）の原子数比のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化
物やその組成の近傍の酸化物を用いることができる。或いは、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝１：１
：１（＝１／３：１／３：１／３）、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝２：１：３（＝１／３：１／６
：１／２）或いはＩｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝２：１：５（＝１／４：１／８：５／８）の原子数
比のＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物やその組成の近傍の酸化物を用いるとよい。

しかし、これらに限られず、必要とする半導体特性（移動度、閾値電圧、その他の電気特
性のばらつきなど）に応じて適切な組成のものを用いればよい。また、必要とする半導体
特性を得るために、キャリア密度や不純物濃度、欠陥密度、金属元素と酸素の原子数比、
原子間結合距離、密度などを適切なものとすることが好ましい。

例えば、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物では比較的容易に高い移動度が得られる。しかしなが
ら、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物でも、バルク内欠陥密度を低減することにより移動度を挙
げることができる。

なお、例えば、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎの原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝ａ：ｂ：ｃ（ａ＋ｂ＋
ｃ＝１）である酸化物の組成が、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝Ａ：Ｂ：Ｃ（Ａ＋Ｂ＋Ｃ
＝１）の酸化物の組成だけ近傍であるとは、ａ、ｂ、ｃが（ａ―Ａ）^２＋（ｂ―Ｂ）^２＋
（ｃ―Ｃ）^２≦ｒ^２を満たすことをいう。ｒとしては、例えば、０．０５とすればよい。
他の酸化物でも同様である。

酸化物半導体は単結晶でも、非単結晶でもよい。後者の場合、アモルファスでも、多結晶
でもよい。また、アモルファス中に結晶性を有する部分を含む構造でも、非アモルファス
でもよい。

アモルファス状態の酸化物半導体は、比較的容易に平坦な表面を得ることができるため、
これを用いてトランジスタを作製した際の界面散乱を低減でき、比較的容易に、比較的高
い移動度を得ることができる。

また、結晶性を有する酸化物半導体では、よりバルク内欠陥を低減することができ、表面
の平坦性を高めればアモルファス状態の酸化物半導体以上の移動度を得ることができる。
表面の平坦性を高めるためには、平坦な表面上に酸化物半導体を形成することが好ましく
、具体的には、平均面粗さ（Ｒａ）が１ｎｍ以下、好ましくは０．３ｎｍ以下、より好ま
しくは０．１ｎｍ以下の表面上に形成するとよい。

なお、Ｒａは、ＪＩＳ Ｂ０６０１で定義されている中心線平均粗さを面に対して適用で
きるよう三次元に拡張した値であり、「基準面から指定面までの偏差の絶対値を平均した
値」と表現でき、以下の式にて定義される。

なお、上記において、Ｓ_０は、測定面（座標（ｘ_１，ｙ_１）（ｘ_１，ｙ_２）（ｘ_２，ｙ_１
）（ｘ_２，ｙ_２）で表される４点によって囲まれる長方形の領域）の面積を指し、Ｚ_０は
測定面の平均高さを指す。Ｒａは原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ
Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）にて評価可能である。なお、測定面とは、全測定データの示す面
であり、三つのパラメータ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）から成り立っており、Ｚ＝Ｆ（Ｘ，Ｙ）で表さ
れる。なお、Ｘの（及びＹ）の範囲は０乃至ＸＭＡＸ（及びＹＭＡＸ）であり、Ｚの範囲
はＺＭＩＮ乃至ＺＭＡＸである。

また、酸化物半導体としては、ｃ軸配向し、かつａｂ面、表面又は界面の方向から見て三
角形状又は六角形状の原子配列を有し、ｃ軸においては金属原子が層状又は金属原子と酸
素原子とが層状に配列しており、ａｂ面においてはａ軸又はｂ軸の向きが異なる（ｃ軸を
中心に回転した）結晶（ＣＡＡＣ：Ｃ Ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌとも
いう。）を含む酸化物を用いてもよい。次にＣＡＡＣについて説明する。

ＣＡＡＣを含む酸化物とは、広義に、非単結晶であって、そのａｂ面に垂直な方向から見
て、三角形、六角形、正三角形又は正六角形の原子配列を有し、かつｃ軸方向に垂直な方
向から見て、金属原子が層状、又は金属原子と酸素原子が層状に配列した相を含む酸化物
をいう。

ＣＡＡＣは、単結晶ではなく、全てが非晶質でもない。また、ＣＡＡＣは、結晶化した部
分（結晶部分）を含むが、１つの結晶部分と他の結晶部分の境界を明確に判別できないこ
ともある。

ＣＡＡＣに酸素が含まれる場合、酸素の一部は窒素で置換されてもよい。また、ＣＡＡＣ
を構成する個々の結晶部分のｃ軸は一定の方向（例えば、ＣＡＡＣが形成される基板面、
ＣＡＡＣの表面などに垂直な方向）に揃っていてもよい。又は、ＣＡＡＣを構成する個々
の結晶部分のａｂ面の法線は一定の方向（例えば、ＣＡＡＣを支持する基板面、ＣＡＡＣ
の表面などに垂直な方向）を向いていてもよい。

ＣＡＡＣは、その組成などに応じて、導体であったり、半導体であったり、絶縁体であっ
たりする。また、その組成などに応じて、可視光に対して透明であったり不透明であった
りする。

このようなＣＡＡＣの例として、膜状に形成され、膜表面又は支持する基板面に垂直な方
向から観察すると三角形又は六角形の原子配列が認められ、かつその膜断面を観察すると
金属原子又は金属原子及び酸素原子（又は窒素原子）の層状配列が認められる結晶を挙げ
ることもできる。

次に、ＣＡＡＣに含まれる結晶構造の一例について図１８乃至図２０を用いて詳細に説明
する。なお、特に断りがない限り、図１８乃至図２０は上方向をｃ軸方向とし、ｃ軸方向
と直交する面をａｂ面とする。なお、単に上半分、下半分という場合、ａｂ面を境にした
場合の上半分、下半分をいう。

図１８（Ａ）に、１個の６配位のＩｎと、Ｉｎに近接の６個の４配位の酸素原子（以下４
配位のＯ）と、を有する構造を示す。ここでは、金属原子が１個に対して、金属原子に近
接の酸素原子のみ示した構造を小グループという。図１８（Ａ）の構造は、八面体構造を
とるが、簡単のため平面構造で示している。なお、図１８（Ａ）の上半分及び下半分には
それぞれ３個ずつ４配位のＯがある。図１８（Ａ）に示す小グループは電荷が０である。

図１８（Ｂ）に、１個の５配位のＧａと、Ｇａに近接の３個の３配位の酸素原子（以下３
配位のＯ）と、Ｇａに近接の２個の４配位のＯと、を有する構造を示す。３配位のＯは、
いずれもａｂ面に存在する。図１８（Ｂ）の上半分及び下半分にはそれぞれ１個ずつ４配
位のＯがある。また、Ｉｎも５配位をとるため、図１８（Ｂ）に示す構造をとりうる。図
１８（Ｂ）に示す小グループは電荷が０である。

図１８（Ｃ）に、１個の４配位のＺｎと、Ｚｎに近接の４個の４配位のＯと、を有する構
造を示す。図１８（Ｃ）の上半分には１個の４配位のＯがあり、下半分には３個の４配位
のＯがある。または、図１８（Ｃ）の上半分に３個の４配位のＯがあり、下半分に１個の
４配位のＯがあってもよい。図１８（Ｃ）に示す小グループは電荷が０である。

図１８（Ｄ）に、１個の６配位のＳｎと、Ｓｎに近接の６個の４配位のＯと、を有する構
造を示す。図１８（Ｄ）の上半分には３個の４配位のＯがあり、下半分には３個の４配位
のＯがある。図１８（Ｄ）に示す小グループは電荷が＋１となる。

図１８（Ｅ）に、２個のＺｎを含む小グループを示す。図１８（Ｅ）の上半分には１個の
４配位のＯがあり、下半分には１個の４配位のＯがある。図１８（Ｅ）に示す小グループ
は電荷が−１となる。

ここでは、複数の小グループの集合体を中グループと呼び、複数の中グループの集合体を
大グループ（ユニットセルともいう。）という。

ここで、これらの小グループ同士が結合する規則について説明する。図１８（Ａ）に示す
６配位のＩｎの上半分の３個のＯは下方向にそれぞれ３個の近接Ｉｎを有し、下半分の３
個のＯは上方向にそれぞれ３個の近接Ｉｎを有する。５配位のＧａの上半分の１個のＯは
下方向に１個の近接Ｇａを有し、下半分の１個のＯは上方向に１個の近接Ｇａを有する。
４配位のＺｎの上半分の１個のＯは下方向に１個の近接Ｚｎを有し、下半分の３個のＯは
上方向にそれぞれ３個の近接Ｚｎを有する。このように、金属原子の上方向の４配位のＯ
の数と、そのＯの下方向にある近接金属原子の数は等しく、同様に金属原子の下方向の４
配位のＯの数と、そのＯの上方向にある近接金属原子の数は等しい。Ｏは４配位なので、
下方向にある近接金属原子の数と、上方向にある近接金属原子の数の和は４になる。従っ
て、金属原子の上方向にある４配位のＯの数と、別の金属原子の下方向にある４配位のＯ
の数との和が４個のとき、金属原子を有する二種の小グループ同士は結合することができ
る。例えば、６配位の金属原子（Ｉｎ又はＳｎ）が下半分の４配位のＯを介して結合する
場合、４配位のＯが３個であるため、５配位の金属原子（Ｇａ又はＩｎ）又は４配位の金
属原子（Ｚｎ）のいずれかと結合することになる。

これらの配位数を有する金属原子は、ｃ軸方向において、４配位のＯを介して結合する。
また、この他にも、層構造の合計の電荷が０となるように複数の小グループが結合して中
グループを構成する。

図１９（Ａ）に、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系の層構造を構成する中グループのモデル図を示
す。図１９（Ｂ）に、３つの中グループで構成される大グループを示す。なお、図１９（
Ｃ）は、図１９（Ｂ）の層構造をｃ軸方向から観察した場合の原子配列を示す。

図１９（Ａ）においては、簡単のため、３配位のＯは省略し、４配位のＯは個数のみ示し
、例えば、Ｓｎの上半分及び下半分にはそれぞれ３個ずつ４配位のＯがあることを丸枠の
３として示している。同様に、図１９（Ａ）において、Ｉｎの上半分及び下半分にはそれ
ぞれ１個ずつ４配位のＯがあり、丸枠の１として示している。また、同様に、図１９（Ａ
）において、下半分には１個の４配位のＯがあり、上半分には３個の４配位のＯがあるＺ
ｎと、上半分には１個の４配位のＯがあり、下半分には３個の４配位のＯがあるＺｎとを
示している。

図１９（Ａ）において、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系の層構造を構成する中グループは、上か
ら順に４配位のＯが３個ずつ上半分及び下半分にあるＳｎが、４配位のＯが１個ずつ上半
分及び下半分にあるＩｎと結合し、そのＩｎが、上半分に３個の４配位のＯがあるＺｎと
結合し、そのＺｎの下半分の１個の４配位のＯを介して４配位のＯが３個ずつ上半分及び
下半分にあるＩｎと結合し、そのＩｎが、上半分に１個の４配位のＯがあるＺｎ２個から
なる小グループと結合し、この小グループの下半分の１個の４配位のＯを介して４配位の
Ｏが３個ずつ上半分及び下半分にあるＳｎと結合している構成である。この中グループが
複数結合して大グループを構成する。

ここで、３配位のＯ及び４配位のＯの場合、結合１本当たりの電荷はそれぞれ−０．６６
７、−０．５と考えることができる。例えば、Ｉｎ（６配位又は５配位）、Ｚｎ（４配位
）、Ｓｎ（５配位又は６配位）の電荷は、それぞれ＋３、＋２、＋４である。従って、Ｓ
ｎを含む小グループは電荷が＋１となる。そのため、Ｓｎを含む層構造を形成するために
は、電荷＋１を打ち消す電荷−１が必要となる。電荷−１をとる構造として、図１８（Ｅ
）に示すように、２個のＺｎを含む小グループが挙げられる。例えば、Ｓｎを含む小グル
ープが１個に対し、２個のＺｎを含む小グループが１個あれば、電荷が打ち消されるため
、層構造の合計の電荷を０とすることができる。

具体的には、図１９（Ｂ）に示した大グループが繰り返されることにより、Ｉｎ−Ｓｎ−
Ｚｎ−Ｏ系の結晶（Ｉｎ_２ＳｎＺｎ_３Ｏ_８）を得ることができる。なお、得られるＩｎ−
Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系の層構造は、Ｉｎ_２ＳｎＺｎ_２Ｏ_７（ＺｎＯ）_ｍ（ｍは０又は自然数）
とする組成式で表すことができる。

また、この他にも、四元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物や、三元
系金属の酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物（ＩＧＺＯとも表記する。）、Ｉｎ−Ａ
ｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ａｌ
−Ｚｎ系酸化物や、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｃｅ
−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｐｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｎｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｍ−
Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｕ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｇｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｂ−Ｚ
ｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｄｙ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｏ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｒ−Ｚｎ
系酸化物、Ｉｎ−Ｔｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｙｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌｕ−Ｚｎ系
酸化物や、二元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ａｌ−
Ｚｎ系酸化物、Ｚｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｓｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｉｎ−Ｍｇ系酸化物や、Ｉｎ
−Ｇａ系酸化物などを用いた場合も同様である。

例えば、図２０（Ａ）に、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の層構造を構成する中グループのモデ
ル図を示す。

図２０（Ａ）において、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の層構造を構成する中グループは、上か
ら順に４配位のＯが３個ずつ上半分及び下半分にあるＩｎが、４配位のＯが１個上半分に
あるＺｎと結合し、そのＺｎの下半分の３個の４配位のＯを介して、４配位のＯが１個ず
つ上半分及び下半分にあるＧａと結合し、そのＧａの下半分の１個の４配位のＯを介して
、４配位のＯが３個ずつ上半分及び下半分にあるＩｎと結合している構成である。この中
グループが複数結合して大グループを構成する。

図２０（Ｂ）に３つの中グループで構成される大グループを示す。なお、図２０（Ｃ）は
、図２０（Ｂ）の層構造をｃ軸方向から観察した場合の原子配列を示している。

ここで、Ｉｎ（６配位又は５配位）、Ｚｎ（４配位）、Ｇａ（５配位）の電荷は、それぞ
れ＋３、＋２、＋３であるため、Ｉｎ、Ｚｎ及びＧａのいずれかを含む小グループは、電
荷が０となる。そのため、これらの小グループの組み合わせであれば中グループの合計の
電荷は常に０となる。

また、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系の層構造を構成する中グループは、図２０（Ａ）に示した
中グループに限定されず、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎの配列が異なる中グループを組み合わせた大
グループもとりうる。

以上がＣＡＡＣに含まれる結晶構造の一例の説明である。

さらに、図５に示す導電層４０５ａ乃至導電層４０５ｃ及び導電層４０６ａ乃至導電層４
０６ｃのそれぞれは、トランジスタのソース又はドレインとしての機能を有する。なお、
トランジスタのソースとしての機能を有する導電層をソース電極又はソース配線ともいい
、トランジスタのドレインとしての機能を有する導電層をドレイン電極又はドレイン配線
ともいう。

導電層４０５ａ乃至導電層４０５ｃ及び導電層４０６ａ乃至導電層４０６ｃとしては、例
えばアルミニウム、クロム、銅、タンタル、チタン、モリブデン、若しくはタングステン
などの金属材料、又はこれらの金属材料を主成分とする合金材料の層を用いることができ
る。また、導電層４０５ａ乃至導電層４０５ｃ、及び導電層４０６ａ乃至導電層４０６ｃ
に適用可能な材料の層の積層により、導電層４０５ａ乃至導電層４０５ｃ、及び導電層４
０６ａ乃至導電層４０６ｃを構成することもできる。

また、導電層４０５ａ乃至導電層４０５ｃ及び導電層４０６ａ乃至導電層４０６ｃとして
は、導電性の金属酸化物を含む層を用いることもできる。導電性の金属酸化物としては、
例えば酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛、酸化インジウム酸化スズ合金、又は酸化イ
ンジウム酸化亜鉛合金を用いることができる。なお、導電層４０５ａ乃至導電層４０５ｃ
及び導電層４０６ａ乃至導電層４０６ｃに適用可能な導電性の金属酸化物は、酸化シリコ
ンを含んでいてもよい。

絶縁層４０７ａ及び絶縁層４０７ｂとしては、絶縁層４０２ａ乃至絶縁層４０２ｃと同様
に、例えば元素周期表における第１３族元素及び酸素元素を含む材料の絶縁層を用いるこ
とができる。また、絶縁層４０７ａ及び絶縁層４０７ｂとしては、例えば、Ａｌ_２Ｏ_ｘ、
Ｇａ_２Ｏ_ｘ、又はＧａ_ｘＡｌ_２−ｘＯ_３＋αで表記される材料を用いることもできる。

例えば、絶縁層４０２ａ乃至絶縁層４０２ｃ並びに絶縁層４０７ａ及び絶縁層４０７ｂを
、Ｇａ_２Ｏ_ｘで表記される酸化ガリウムを含む絶縁層により構成してもよい。また、絶縁
層４０２ａ乃至絶縁層４０２ｃ、並びに絶縁層４０７ａ及び絶縁層４０７ｂの一方を、Ｇ
ａ_２Ｏ_ｘで表記される酸化ガリウムを含む絶縁層により構成し、絶縁層４０２ａ乃至絶縁
層４０２ｃ、並びに絶縁層４０７ａ及び絶縁層４０７ｂの他方を、Ａｌ_２Ｏ_ｘで表記され
る酸化アルミニウムを含む絶縁層により構成してもよい。

導電層４０８ａ及び導電層４０８ｂのそれぞれは、トランジスタのゲートとしての機能を
有する。なお、トランジスタが導電層４０８ａ及び導電層４０８ｂを有する構造である場
合、導電層４０１ａ及び導電層４０８ａの一方、又は導電層４０１ｂ及び導電層４０８ｂ
の一方を、バックゲート、バックゲート電極、又はバックゲート配線ともいう。ゲートと
しての機能を有する層を、チャネル形成層を介して複数設けることにより、トランジスタ
の閾値電圧を制御することができる。

導電層４０８ａ及び導電層４０８ｂとしては、例えばアルミニウム、クロム、銅、タンタ
ル、チタン、モリブデン、若しくはタングステンなどの金属材料、又はこれらの金属材料
を主成分とする合金材料の層を用いることができる。また、導電層４０８ａ及び導電層４
０８ｂに適用可能な材料の層の積層により導電層４０８ａ及び導電層４０８ｂのそれぞれ
を構成することもできる。

また、導電層４０８ａ及び導電層４０８ｂとしては、導電性の金属酸化物を含む層を用い
ることもできる。導電性の金属酸化物としては、例えば酸化インジウム、酸化スズ、酸化
亜鉛、酸化インジウム酸化スズ合金、又は酸化インジウム酸化亜鉛合金を用いることがで
きる。なお、導電層４０８ａ及び導電層４０８ｂに適用可能な導電性の金属酸化物は、酸
化シリコンを含んでいてもよい。

なお、本実施の形態のトランジスタを、チャネル形成層としての機能を有する酸化物半導
体層の一部の上に絶縁層を含み、該絶縁層を介して酸化物半導体層に重畳するように、ソ
ース又はドレインとしての機能を有する導電層を含む構造としてもよい。上記構造である
場合、絶縁層は、トランジスタのチャネル形成層を保護する層（チャネル保護層ともいう
）としての機能を有する。チャネル保護層としての機能を有する絶縁層としては、例えば
絶縁層４０２ａ乃至絶縁層４０２ｃに適用可能な材料の層を用いることができる。また、
絶縁層４０２ａ乃至絶縁層４０２ｃに適用可能な材料の層の積層によりチャネル保護層と
しての機能を有する絶縁層を構成してもよい。

なお、図５（Ａ）乃至図５（Ｅ）に示すように、本実施の形態のトランジスタを、必ずし
も酸化物半導体層の全てがゲート電極としての機能を有する導電層に重畳する構造にしな
くてもよいが、酸化物半導体層の全てがゲート電極としての機能を有する導電層に重畳す
る構造にすることにより、酸化物半導体層への光の入射を抑制することができる。

なお、酸化物半導体に限らず、実際に測定される絶縁ゲート型トランジスタの電界効果移
動度は、様々な理由によって本来の移動度よりも低くなる。移動度を低下させる要因とし
ては半導体内部の欠陥や半導体と絶縁膜との界面の欠陥があるが、Ｌｅｖｉｎｓｏｎモデ
ルを用いると、半導体内部に欠陥がないと仮定した場合の電界効果移動度を理論的に導き
出せる。

半導体本来の移動度をμ_０、測定される電界効果移動度をμとし、半導体中に何らかのポ
テンシャル障壁（粒界など）が存在すると仮定すると以下の式で表現できる。

ここで、Ｅはポテンシャル障壁の高さであり、ｋがボルツマン定数、Ｔは絶対温度である
。また、ポテンシャル障壁が欠陥に由来すると仮定すると、Ｌｅｖｉｎｓｏｎモデルにお
いて、Ｅは以下の式で表される。

ここで、ｅは電気素量、Ｎはチャネル内の単位面積当たりの平均欠陥密度、εは半導体の
誘電率、ｎは単位面積当たりのチャネルに含まれるキャリア数、Ｃｏｘは単位面積当たり
の容量、Ｖｇはゲート電圧、ｔはチャネルの厚さである。なお、厚さ３０ｎｍ以下の半導
体層であれば、チャネルの厚さは半導体層の厚さと同一として差し支えない。また、線形
領域におけるドレイン電流Ｉｄは、以下の式で表される。

ここで、Ｌはチャネル長、Ｗはチャネル幅であり、ここでは、Ｌ＝Ｗ＝１０μｍである。
また、Ｖｄはドレイン電圧である。
上式の両辺をＶｇで割り、さらに両辺の対数をとると、以下の式のようになる。

数５の右辺（一番右の部分）はＶｇの関数である。この式からわかるように、縦軸をｌｎ
（Ｉｄ／Ｖｇ）、横軸を１／Ｖｇとして実測値をプロットして得られるグラフの直線の傾
きから欠陥密度Ｎが求められる。すなわち、トランジスタのＩｄ―Ｖｇ特性から、欠陥密
度を評価できる。酸化物半導体としては、インジウム（Ｉｎ）、スズ（Ｓｎ）、亜鉛（Ｚ
ｎ）の比率が、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝１：１：１のものでは欠陥密度Ｎは１×１０^１２／ｃ
ｍ^２程度である。

このようにして求めた欠陥密度などをもとに数２及び数３よりμ_０＝１２０ｃｍ^２／Ｖｓ
が導出される。欠陥のあるＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ酸化物で測定される移動度は４０ｃｍ^２／Ｖ
ｓ程度である。しかし、半導体内部及び半導体と絶縁膜との界面の欠陥が無い酸化物半導
体の移動度μ_０は１２０ｃｍ^２／Ｖｓとなると予想できる。

ただし、半導体内部に欠陥がなくても、チャネルとゲート絶縁層との界面での散乱によっ
てトランジスタの輸送特性は影響を受ける。すなわち、チャネルとゲート絶縁層との界面
からｘだけ離れた場所における移動度μ_１は、次の式で表される。

ここで、Ｄはゲート方向の電界、Ｂ、ｌは定数である。Ｂ及びｌは、実際の測定結果より
求めることができ、上記の測定結果からは、Ｂ＝４．７５×１０^７ｃｍ／ｓ、ｌ＝１０ｎ
ｍ（界面散乱が及ぶ深さ）である。Ｄが増加する（すなわち、ゲート電圧が高くなる）と
数６の第２項が増加するため、移動度μ_１は低下することがわかる。

半導体内部の欠陥が無い理想的な酸化物半導体をチャネルに用いたトランジスタの移動度
μ_２を計算した結果を図２１に示す。なお、計算にはシノプシス社製デバイスシミュレー
ションソフト、Ｓｅｎｔａｕｒｕｓ Ｄｅｖｉｃｅを使用し、酸化物半導体のバンドギャ
ップ、電子親和力、比誘電率、厚さをそれぞれ、２．８電子ボルト、４．７電子ボルト、
１５、１５ｎｍとした。これらの値は、スパッタリング法により形成された薄膜を測定し
て得られたものである。

さらに、ゲート、ソース、ドレインの仕事関数をそれぞれ、５．５電子ボルト、４．６電
子ボルト、４．６電子ボルトとした。また、ゲート絶縁層の厚さは１００ｎｍ、比誘電率
は４．１とした。チャネル長及びチャネル幅はともに１０μｍ、ドレイン電圧Ｖｄは０．
１Ｖである。

図２１に示すように、ゲート電圧１Ｖで移動度１００ｃｍ^２／Ｖｓ以上であるが、ゲート
電圧がさらに高くなると、界面散乱が大きくなり、移動度が低下する。なお、界面散乱を
低減するためには、半導体層表面を原子レベルで平坦にすること（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙ
ｅｒ Ｆｌａｔｎｅｓｓ）が望ましい。

このような移動度を有する酸化物半導体を用いて微細なトランジスタを作製した場合の特
性を計算した結果を図２２乃至図２４に示す。なお、計算に用いたトランジスタの断面構
造を図２５に示す。図２５に示すトランジスタは、酸化物半導体層にｎ^＋の導電型を呈す
る半導体領域７０３ａ及び半導体領域７０３ｃを有する。半導体領域７０３ａ及び半導体
領域７０３ｃの抵抗率は２×１０^−３Ωｃｍとする。

図２５（Ａ）に示すトランジスタは、下地絶縁層７０１と、下地絶縁層７０１に埋め込ま
れるように形成された酸化アルミニウムよりなる埋め込み絶縁物７０２の上に形成される
。トランジスタは半導体領域７０３ａ、半導体領域７０３ｃと、それらに挟まれ、チャネ
ル形成領域となる真性の半導体領域７０３ｂと、ゲート電極７０５を有する。ゲート電極
７０５の幅を３３ｎｍとする。

ゲート電極７０５と半導体領域７０３ｂの間には、ゲート絶縁層７０４を有し、また、ゲ
ート電極７０５の両側面には側壁絶縁物７０６ａ及び側壁絶縁物７０６ｂ、ゲート電極７
０５の上部には、ゲート電極７０５と他の配線との短絡を防止するための絶縁物７０７を
有する。側壁絶縁物の幅は５ｎｍとする。また、半導体領域７０３ａ及び半導体領域７０
３ｃに接して、ソース電極７０８ａ及びドレイン電極７０８ｂを有する。なお、図２５（
Ａ）に示すトランジスタのチャネル幅を４０ｎｍとする。

図２５（Ｂ）に示すトランジスタは、下地絶縁層７０１と、酸化アルミニウムよりなる埋
め込み絶縁物７０２の上に形成され、半導体領域７０３ａ、半導体領域７０３ｃと、それ
らに挟まれた真性の半導体領域７０３ｂと、幅３３ｎｍのゲート電極７０５と、ゲート絶
縁層７０４と、側壁絶縁物７０６ａ及び側壁絶縁物７０６ｂと、絶縁物７０７と、ソース
電極７０８ａ及びドレイン電極７０８ｂと、を含む点で図２５（Ａ）に示すトランジスタ
と同じである。

図２５（Ａ）に示すトランジスタと図２５（Ｂ）に示すトランジスタの相違点は、側壁絶
縁物７０６ａ及び側壁絶縁物７０６ｂの下の半導体領域の導電型である。図２５（Ａ）に
示すトランジスタでは、側壁絶縁物７０６ａ及び側壁絶縁物７０６ｂの下の半導体領域は
ｎ^＋の導電型を呈する半導体領域７０３ａ及び半導体領域７０３ｃであるが、図２５（Ｂ
）に示すトランジスタでは、真性の半導体領域７０３ｂである。すなわち、図２５（Ｂ）
に示す半導体層において、半導体領域７０３ａ（半導体領域７０３ｃ）とゲート電極７０
５がＬｏｆｆだけ重ならない領域ができている。この領域をオフセット領域といい、その
幅Ｌｏｆｆをオフセット長という。図から明らかなように、オフセット長は、側壁絶縁物
７０６ａ（側壁絶縁物７０６ｂ）の幅と同じである。

その他の計算に使用するパラメータは上述の通りである。計算にはシノプシス社製デバイ
スシミュレーションソフト、Ｓｅｎｔａｕｒｕｓ Ｄｅｖｉｃｅを使用した。図２２は、
図２５（Ａ）に示す構造のトランジスタのドレイン電流（Ｉｄ、実線）及び移動度（μ、
点線）のゲート電圧（Ｖｇ）依存性を示す。ドレイン電流Ｉｄは、ドレイン電圧を＋１Ｖ
とし、移動度μはドレイン電圧を＋０．１Ｖとして計算したものである。

図２２（Ａ）はゲート絶縁層の厚さを１５ｎｍとしたときの図であり、図２２（Ｂ）はゲ
ート絶縁層の厚さを１０ｎｍとしたときの図であり、図２２（Ｃ）はゲート絶縁層の厚さ
を５ｎｍとしたときの図である。ゲート絶縁層が薄くなるほど、特にオフ状態でのドレイ
ン電流Ｉｄ（オフ電流）が顕著に低下する。一方、移動度μのピーク値やオン状態でのド
レイン電流Ｉｄ（オン電流）には目立った変化が無い。ゲート電圧１Ｖ前後で、ドレイン
電流は１０μＡを超えることが示された。

図２３は、図２５（Ｂ）に示される構造のトランジスタで、オフセット長Ｌｏｆｆを５ｎ
ｍとしたときのドレイン電流Ｉｄ（実線）及び移動度μ（点線）のゲート電圧Ｖｇ依存性
を示す図である。なお、ドレイン電圧を＋１Ｖとしてドレイン電流Ｉｄを計算し、ドレイ
ン電圧を＋０．１Ｖとして移動度μを計算した。図２３（Ａ）は、ゲート絶縁層の厚さを
１５ｎｍとしたときの図であり、図２３（Ｂ）は、ゲート絶縁層の厚さを１０ｎｍとした
ときの図であり、図２３（Ｃ）は、ゲート絶縁層の厚さを５ｎｍとしたときの図である。

また、図２４は、図２５（Ｂ）に示す構造のトランジスタで、オフセット長Ｌｏｆｆを１
５ｎｍとしたときのドレイン電流Ｉｄ（実線）及び移動度μ（点線）のゲート電圧依存性
を示す図である。なお、ドレイン電圧を＋１Ｖとしてドレイン電流Ｉｄを計算し、ドレイ
ン電圧を＋０．１Ｖとして移動度μを計算した。図２４（Ａ）は、ゲート絶縁層の厚さを
１５ｎｍとしたときの図であり、図２４（Ｂ）は、ゲート絶縁層の厚さを１０ｎｍとした
ときの図であり、図２４（Ｃ）は、ゲート絶縁層の厚さを５ｎｍとしたときの図である。

いずれもゲート絶縁層が薄くなるほど、オフ電流が顕著に低下する一方、移動度μのピー
ク値やオン電流には目立った変化が無い。

なお、移動度μのピークは、図２２では８０ｃｍ^２／Ｖｓ程度であるが、図２３では６０
ｃｍ^２／Ｖｓ程度、図２４では４０ｃｍ^２／Ｖｓ程度と、オフセット長Ｌｏｆｆが増加す
るほど移動度μは低下する。また、オフ電流も同様に低下する傾向がある。一方、オン電
流はオフセット長Ｌｏｆｆの増加にともなって減少するが、オフ電流の低下に比べるとは
るかに緩やかである。また、いずれもゲート電圧１Ｖ前後で、ドレイン電流は１０μＡを
超えることが示された。

また、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｚｎを主成分とする酸化物半導体をチャネル形成領域とするトランジ
スタでは、該酸化物半導体を形成する際に基板を加熱して成膜すること、或いは酸化物半
導体層を形成した後に熱処理を行うことにより良好な特性を得ることができる。なお、主
成分とは組成比で５ａｔｏｍｉｃ％以上含まれる元素をいう。

Ｉｎ、Ｓｎ、Ｚｎを主成分とする酸化物半導体層の成膜後に基板を意図的に加熱すること
により、トランジスタの電界効果移動度を向上させることが可能となる。また、トランジ
スタの閾値電圧をプラスシフトさせ、ノーマリ・オフ化させることが可能となる。

例えば、図２８は、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｚｎを主成分とし、チャネル長Ｌが３μｍ、チャネル幅
Ｗが１０μｍである酸化物半導体層と、厚さ１００ｎｍのゲート絶縁層を用いたトランジ
スタの特性を示す図である。なお、ここではＶｄを１０Ｖとした。

図２８（Ａ）は、基板を意図的に加熱せずにスパッタリング法でＩｎ、Ｓｎ、Ｚｎを主成
分とする酸化物半導体層を形成したときのトランジスタ特性を示す図である。このとき、
電界効果移動度は、１８．８ｃｍ^２／Ｖｓｅｃである。一方、基板を意図的に加熱してＩ
ｎ、Ｓｎ、Ｚｎを主成分とする酸化物半導体層を形成すると電界効果移動度を向上させる
ことが可能となる。図２８（Ｂ）は、基板を２００℃に加熱してＩｎ、Ｓｎ、Ｚｎを主成
分とする酸化物半導体層を形成したときのトランジスタ特性を示す図である。このとき、
電界効果移動度は、３２．２ｃｍ^２／Ｖｓｅｃである。

電界効果移動度は、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｚｎを主成分とする酸化物半導体層を形成した後に熱処
理をすることによって、さらに高めることができる。図２８（Ｃ）は、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｚｎ
を主成分とする酸化物半導体層を２００℃でスパッタリング成膜した後、６５０℃で熱処
理をしたときのトランジスタ特性を示す図である。このとき、電界効果移動度は、３４．
５ｃｍ^２／Ｖｓｅｃである。

基板を意図的に加熱することによりスパッタリング成膜中の水分が酸化物半導体層中に取
り込まれるのを低減することができる。また、成膜後に熱処理をすることによっても、酸
化物半導体層から水素や水酸基若しくは水分を放出させ除去することができ、上記のよう
に電界効果移動度を向上させることができる。このような電界効果移動度の向上は、脱水
化・脱水素化による不純物の除去のみならず、高密度化により原子間距離が短くなるため
とも推定される。また、酸化物半導体から不純物を除去して高純度化することにより結晶
化を図ることができる。このように高純度化された非単結晶酸化物半導体は、理想的には
１００ｃｍ^２／Ｖｓｅｃを超える電界効果移動度を実現することも可能になると推定され
る。

Ｉｎ、Ｓｎ、Ｚｎを主成分とする酸化物半導体に酸素イオンを注入し、熱処理により該酸
化物半導体に含まれる水素や水酸基若しくは水分を放出させ、その熱処理と同時に又はそ
の後の熱処理により酸化物半導体を結晶化させてもよい。このような結晶化若しくは再結
晶化の処理により結晶性の良い非単結晶酸化物半導体を得ることができる。

基板を意図的に加熱して成膜すること及び／又は成膜後に熱処理することの効果は、電界
効果移動度の向上のみならず、トランジスタのノーマリ・オフ化を図ることにも寄与して
いる。基板を意図的に加熱しないで形成されたＩｎ、Ｓｎ、Ｚｎを主成分とする酸化物半
導体層をチャネル形成領域としたトランジスタは、閾値電圧がマイナスシフトしてしまう
傾向がある。しかし、基板を意図的に加熱して形成された酸化物半導体層を用いた場合、
この閾値電圧のマイナスシフト化は解消される。つまり、閾値電圧はトランジスタがノー
マリ・オフとなる方向に動き。このような傾向は図２８（Ａ）と図２８（Ｂ）の対比から
も確認することができる。

なお、Ｉｎ、Ｓｎ及びＺｎの比率を変えることによっても閾値電圧を制御することが可能
であり、組成比としてＩｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝２：１：３とすることにより、トランジスタを
ノーマリ・オフ化しやすくすることができる。また、ターゲットの組成比をＩｎ：Ｓｎ：
Ｚｎ＝２：１：３とすることにより結晶性の高い酸化物半導体層を得ることができる。

意図的な基板加熱温度若しくは熱処理温度は、１５０℃以上、好ましくは２００℃以上、
より好ましくは４００℃以上であり、より高温で成膜し或いは熱処理することによりトラ
ンジスタのノーマリ・オフ化を図ることが可能となる。

また、意図的に基板を加熱した成膜及び／又は成膜後に熱処理をすることにより、ゲート
バイアス・ストレスに対する安定性を高めることができる。例えば、２ＭＶ／ｃｍ、１５
０℃、１時間印加の条件において、しきい値電圧のドリフトがそれぞれ±１．５Ｖ未満、
好ましくは１．０Ｖ未満を得ることができる。

実際に、酸化物半導体層成膜後に加熱処理を行っていない試料１と、６５０℃の加熱処理
を行った試料２のトランジスタに対してＢＴ試験を行った。

まず基板温度を２５℃とし、Ｖｄを１０Ｖとし、トランジスタのＶｇ−Ｉｄ特性の測定を
行った。次に、基板温度を１５０℃とし、Ｖｄ（ドレインとソースの間の電圧）を０．１
Ｖとした。次に、ゲート絶縁層６０８に印加される電界強度が２ＭＶ／ｃｍとなるように
Ｖｇ（ゲートとソースの間の電圧）に２０Ｖを印加し、そのまま１時間保持した。次に、
Ｖｇを０Ｖとした。次に、基板温度２５℃とし、Ｖｄを１０Ｖとし、トランジスタのＶｇ
−Ｉｄ測定を行った。これをプラスＢＴ試験という。

同様に、まず基板温度を２５℃とし、Ｖｄを１０Ｖとし、トランジスタのＶｇ−Ｉｄ特性
の測定を行った。次に、基板温度を１５０℃とし、Ｖｄを０．１Ｖとした。次に、ゲート
絶縁層６０８に印加される電界強度が−２ＭＶ／ｃｍとなるようにＶｇに−２０Ｖを印加
し、そのまま１時間保持した。次に、Ｖｇを０Ｖとした。次に、基板温度２５℃とし、Ｖ
ｄを１０Ｖとし、トランジスタのＶｇ−Ｉｄ測定を行った。これをマイナスＢＴ試験とい
う。

試料１のプラスＢＴ試験の結果を図２９（Ａ）に、マイナスＢＴ試験の結果を図２９（Ｂ
）に示す。また、試料２のプラスＢＴ試験の結果を図３０（Ａ）に、マイナスＢＴ試験の
結果を図３０（Ｂ）に示す。

試料１のプラスＢＴ試験及びマイナスＢＴ試験による閾値電圧の変動は、それぞれ１．８
０Ｖ及び−０．４２Ｖであった。また、試料２のプラスＢＴ試験及びマイナスＢＴ試験に
よる閾値電圧の変動は、それぞれ０．７９Ｖ及び０．７６Ｖであった。
試料１及び試料２のいずれも、ＢＴ試験前後における閾値電圧の変動が小さく、信頼性が
高いことがわかる。

熱処理は酸素雰囲気中で行うことができるが、まず窒素若しくは不活性ガス、又は減圧下
で熱処理を行ってから酸素を含む雰囲気中で熱処理を行ってもよい。最初に脱水化・脱水
素化を行ってから酸素を酸化物半導体に加えることにより、熱処理の効果をより高めるこ
とができる。また、後から酸素を加えるには、酸素イオンを電界で加速して酸化物半導体
層に注入する方法を適用してもよい。

酸化物半導体中及び該酸化物半導体に積層される膜との界面には、酸素欠損による欠陥が
生成されやすいが、係る熱処理により酸化物半導体中に酸素を過剰に含ませることにより
、定常的に生成される酸素欠損を過剰な酸素によって補償することが可能となる。過剰酸
素は主に格子間に存在する酸素であり、その酸素濃度は１×１０^１６／ｃｍ^３以上２×１
０^２０／ｃｍ^３以下とすれば、結晶に歪みなどを与えることなく酸化物半導体中に含ませ
ることができる。

また、熱処理によって酸化物半導体に結晶が少なくとも一部に含まれるようにすることに
より、安定な酸化物半導体層を得ることができる。例えば、組成比Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝１
：１：１のターゲットを用いて、基板を意図的に加熱せずにスパッタリング成膜した酸化
物半導体層は、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−Ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）でハローパタ
ンが観測される。この成膜された酸化物半導体層を熱処理することによって結晶化させる
ことができる。熱処理温度は任意であるが、例えば６５０℃の熱処理を行うことにより、
Ｘ線回折により明確な回折ピークを観測することができる。

実際に、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ膜のＸＲＤ分析を行った。ＸＲＤ分析には、Ｂｒｕｋｅｒ
ＡＸＳ社製Ｘ線回折装置Ｄ８ ＡＤＶＡＮＣＥを用い、Ｏｕｔ−ｏｆ−Ｐｌａｎｅ法で
測定した。

ＸＲＤ分析を行った試料として、試料Ａ及び試料Ｂを用意した。以下に試料Ａ及び試料Ｂ
の作製方法を説明する。

まず、脱水素化処理済みの石英基板上にＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ膜を１００ｎｍの厚さで成
膜した。

Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ膜は、スパッタリング装置を用い、酸素雰囲気で電力を１００Ｗ（
ＤＣ）として成膜した。ターゲットは、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］のＩ
ｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏターゲットを用いた。なお、成膜時の基板加熱温度は２００℃とした
。このようにして作製した試料を試料Ａとした。

次に、試料Ａと同様の方法で作製した試料に対し加熱処理を６５０℃の温度で行った。加
熱処理は、はじめに窒素雰囲気で１時間の加熱処理を行い、温度を下げずに酸素雰囲気で
さらに１時間の加熱処理を行っている。このようにして作製した試料を試料Ｂとした。

図３３に試料Ａ及び試料ＢのＸＲＤスペクトルを示す。試料Ａでは、結晶由来のピークが
観測されなかったが、試料Ｂでは、２θが３５ｄｅｇ近傍及び３７ｄｅｇ〜３８ｄｅｇに
結晶由来のピークが観測された。

このように、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｚｎを主成分とする酸化物半導体は成膜時に基板を意図的に加
熱すること及び／又は成膜後に熱処理することによりトランジスタの特性を向上させるこ
とができる。

この基板加熱や熱処理は、酸化物半導体にとって悪性の不純物である水素や水酸基を膜中
に含ませないようにすること、或いは膜中から除去する作用がある。すなわち、酸化物半
導体中でドナー不純物となる水素を除去することにより高純度化を図ることができ、それ
によってトランジスタのノーマリ・オフ化を図ることができ、酸化物半導体が高純度化さ
れることによりオフ電流を１ａＡ／μｍ以下にすることができる。ここで、上記オフ電流
値の単位は、チャネル幅１μｍあたりの電流値を示す。

具体的には、図３４に示すように、基板温度が１２５℃の場合には１ａＡ／μｍ（１×１
０^−１８Ａ／μｍ）以下、８５℃の場合には１００ｚＡ／μｍ（１×１０^−１９Ａ／μｍ
）以下、室温（２７℃）の場合には１ｚＡ／μｍ（１×１０^−２１Ａ／μｍ）以下にする
ことができる。好ましくは、１２５℃において１００ｚＡ／μｍ（１×１０^−１９Ａ／μ
ｍ）以下に、８５℃において１０ｚＡ／μｍ（１×１０^−２０Ａ／μｍ）以下に、室温に
おいて０．１ｚＡ／μｍ（１×１０^−２２Ａ／μｍ）以下にすることができる。

もっとも、酸化物半導体層の成膜時に水素や水分が膜中に混入しないように、成膜室外部
からのリークや成膜室内の内壁からの脱ガスを十分抑え、スパッタガスの高純度化を図る
ことが好ましい。例えば、スパッタガスは水分が膜中に含まれないように露点−７０℃以
下であるガスを用いることが好ましい。また、ターゲットそのものに水素や水分などの不
純物が含まれていていないように、高純度化されたターゲットを用いることが好ましい。
Ｉｎ、Ｓｎ、Ｚｎを主成分とする酸化物半導体は熱処理によって膜中の水分を除去するこ
とができるが、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎを主成分とする酸化物半導体と比べて水分の放出温度が
高いため、好ましくは最初から水分の含まれない膜を形成しておくことが好ましい。

また、酸化物半導体層成膜後に６５０℃の加熱処理を行った試料を用いたトランジスタに
おいて、基板温度と電気的特性の関係について評価した。

測定に用いたトランジスタは、チャネル長Ｌが３μｍ、チャネル幅Ｗが１０μｍ、Ｌｏｖ
が片側３μｍ（合計６μｍ）、ｄＷが０μｍである。なお、Ｖｄは１０Ｖとした。なお、
基板温度は−４０℃、−２５℃、２５℃、７５℃、１２５℃及び１５０℃で行った。ここ
で、トランジスタにおいて、ゲート電極と一対の電極との重畳する幅をＬｏｖと呼び、酸
化物半導体層に対する一対の電極のはみ出しをｄＷという。

図３１に、Ｉｄ（実線）及び電界効果移動度（点線）のＶｇ依存性を示す。また、図３２
（Ａ）に基板温度と閾値電圧の関係を、図３２（Ｂ）に基板温度と電界効果移動度の関係
を示す。

図３２（Ａ）より、基板温度が高いほど閾値電圧は低くなることがわかる。なお、その範
囲は−４０℃〜１５０℃で０．３８Ｖ〜−１．０８Ｖであった。

また、図３２（Ｂ）より、基板温度が高いほど電界効果移動度が低くなることがわかる。
なお、その範囲は−４０℃〜１５０℃で３７．４ｃｍ^２／Ｖｓ〜３３．４ｃｍ^２／Ｖｓで
あった。従って、上述の温度範囲において電気的特性の変動が小さいことがわかる。

上記のようなＩｎ、Ｓｎ、Ｚｎを主成分とする酸化物半導体をチャネル形成領域とするト
ランジスタによれば、オフ電流を１ａＡ／μｍ以下に保ちつつ、電界効果移動度を３０ｃ
ｍ^２／Ｖｓｅｃ以上、好ましくは４０ｃｍ^２／Ｖｓｅｃ以上、より好ましくは６０ｃｍ^２
／Ｖｓｅｃ以上とし、ＬＳＩで要求されるオン電流の値を満たすことができる。例えば、
Ｌ／Ｗ＝３３ｎｍ／４０ｎｍのＦＥＴで、ゲート電圧２．７Ｖ、ドレイン電圧１．０Ｖの
とき１２μＡ以上のオン電流を流すことができる。またトランジスタの動作に求められる
温度範囲においても、十分な電気的特性を確保することができる。このような特性であれ
ば、Ｓｉ半導体で作られる集積回路の中に酸化物半導体で形成されるトランジスタを混載
しても、動作速度を犠牲にすることなく新たな機能を有する集積回路を実現することがで
きる。

次に、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ膜を酸化物半導体層に用いたトランジスタの一例について、
図２６などを用いて説明する。

図２６は、コプラナー型であるトップゲート・トップコンタクト構造のトランジスタの上
面図及び断面図である。図２６（Ａ）にトランジスタの上面図を示す。また、図２６（Ｂ
）に図２６（Ａ）の一点鎖線Ａ−Ｂに対応する断面Ａ−Ｂを示す。

図２６（Ｂ）に示すトランジスタは、基板７５０と、基板７５０上に設けられた下地絶縁
層７５２と、下地絶縁層７５２の周辺に設けられた保護絶縁層７５４と、下地絶縁層７５
２及び保護絶縁層７５４上に設けられた高抵抗領域７５６ａ及び低抵抗領域７５６ｂを有
する酸化物半導体層７５６と、酸化物半導体層７５６上に設けられたゲート絶縁層７５８
と、ゲート絶縁層７５８を介して酸化物半導体層７５６と重畳して設けられたゲート電極
７６０と、ゲート電極７６０の側面と接して設けられた側壁絶縁物７６２と、少なくとも
低抵抗領域７５６ｂと接して設けられた一対の電極７６４と、少なくとも酸化物半導体層
７５６、ゲート電極７６０及び一対の電極７６４を覆って設けられた層間絶縁層７６６と
、層間絶縁層７６６に設けられた開口部を介して少なくとも一対の電極７６４の一方と接
続して設けられた配線７６８と、を有する。

なお、図示しないが、層間絶縁層７６６及び配線７６８を覆って設けられた保護膜を有し
ていても構わない。該保護膜を設けることにより、層間絶縁層７６６の表面伝導に起因し
て生じる微小リーク電流を低減することができ、トランジスタのオフ電流を低減すること
ができる。

次に、上記とは異なるＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ膜を酸化物半導体層に用いたトランジスタの
他の一例について示す。

図２７は、本実施の形態で作製したトランジスタの構造を示す上面図及び断面図である。
図２７（Ａ）はトランジスタの上面図である。また、図２７（Ｂ）は図２７（Ａ）の一点
鎖線Ａ−Ｂに対応する断面図である。

図２７（Ｂ）に示すトランジスタは、基板６００と、基板６００上に設けられた下地絶縁
層６０２と、下地絶縁層６０２上に設けられた酸化物半導体層６０６と、酸化物半導体層
６０６と接する一対の電極６１４と、酸化物半導体層６０６及び一対の電極６１４上に設
けられたゲート絶縁層６０８と、ゲート絶縁層６０８を介して酸化物半導体層６０６と重
畳して設けられたゲート電極６１０と、ゲート絶縁層６０８及びゲート電極６１０を覆っ
て設けられた層間絶縁層６１６と、層間絶縁層６１６に設けられた開口部を介して一対の
電極６１４と接続する配線６１８と、層間絶縁層６１６及び配線６１８を覆って設けられ
た保護膜６２０と、を有する。

基板６００としてはガラス基板を、下地絶縁層６０２としては酸化シリコン膜を、酸化物
半導体層６０６としてはＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ膜を、一対の電極６１４としてはタングス
テン膜を、ゲート絶縁層６０８としては酸化シリコン膜を、ゲート電極６１０としては窒
化タンタル膜とタングステン膜との積層構造を、層間絶縁層６１６としては酸化窒化シリ
コン膜とポリイミド膜との積層構造を、配線６１８としてはチタン膜、アルミニウム膜、
チタン膜がこの順で形成された積層構造を、保護膜６２０としてはポリイミド膜を、それ
ぞれ用いた。

なお、図２７（Ａ）に示す構造のトランジスタにおいて、ゲート電極６１０と一対の電極
６１４との重畳する幅をＬｏｖという。同様に、酸化物半導体層６０６に対する一対の電
極６１４のはみ出しをｄＷという。

さらに、本実施の形態におけるトランジスタの作製方法例として、図５（Ａ）に示すトラ
ンジスタの作製方法例について、図６（Ａ）乃至図６（Ｅ）を用いて説明する。図６（Ａ
）乃至図６（Ｅ）は、図５（Ａ）に示すトランジスタの作製方法例を説明するための断面
模式図である。

まず、図６（Ａ）に示すように、基板４００ａを準備し、基板４００ａの上に第１の導電
膜を形成し、第１の導電膜の一部をエッチングすることにより導電層４０１ａを形成する
。

例えば、スパッタリング法を用いて導電層４０１ａに適用可能な材料の膜を形成すること
により第１の導電膜を形成することができる。また、導電層４０１ａに適用可能な材料の
膜を積層させ、第１の導電膜を形成することもできる。

なお、スパッタリングガスとして、例えば水素、水、水酸基、又は水素化物などの不純物
が除去された高純度ガスを用いることにより、形成される膜の上記不純物濃度を低減する
ことができる。

なお、スパッタリング法を用いて膜を形成する前に、スパッタリング装置の予備加熱室に
て予備加熱処理を行ってもよい。上記予備加熱処理を行うことにより、水素、水分などの
不純物を脱離することができる。

また、スパッタリング法を用いて膜を形成する前に、例えばアルゴン、窒素、ヘリウム、
又は酸素雰囲気下で、ターゲット側に電圧を印加せずに、基板側にＲＦ電源を用いて電圧
を印加し、プラズマを形成して被形成面を改質する処理（逆スパッタともいう）を行って
もよい。逆スパッタを行うことにより、被形成面に付着している粉状物質（パーティクル
、ごみともいう）を除去することができる。

また、スパッタリング法を用いて膜を形成する場合、吸着型の真空ポンプなどを用いて、
膜を形成する成膜室内の残留水分を除去することができる。吸着型の真空ポンプとしては
、例えばクライオポンプ、イオンポンプ、又はチタンサブリメーションポンプなどを用い
ることができる。また、コールドトラップを設けたターボ分子ポンプを用いて成膜室内の
残留水分を除去することもできる。

また、上記導電層４０１ａの形成方法のように、本実施の形態におけるトランジスタの作
製方法例において、膜の一部をエッチングして層を形成する場合、例えば、フォトリソグ
ラフィ工程により膜の一部の上にレジストマスクを形成し、レジストマスクを用いて膜を
エッチングすることにより、層を形成することができる。なお、この場合、層の形成後に
レジストマスクを除去する。

また、インクジェット法を用いてレジストマスクを形成してもよい。インクジェット法を
用いることにより、フォトマスクが不要になるため、製造コストを低減することができる
。また、透過率の異なる複数の領域を有する露光マスク（多階調マスクともいう）を用い
てレジストマスクを形成してもよい。多階調マスクを用いることにより、異なる厚さの領
域を有するレジストマスクを形成することができ、トランジスタの作製に使用するレジス
トマスクの数を低減することができる。

次に、図６（Ｂ）に示すように、導電層４０１ａの上に第１の絶縁膜を形成することによ
り絶縁層４０２ａを形成する。

例えば、スパッタリング法やプラズマＣＶＤ法などを用いて絶縁層４０２ａに適用可能な
材料の膜を形成することにより第１の絶縁膜を形成することができる。また、絶縁層４０
２ａに適用可能な材料の膜を積層させることにより第１の絶縁膜を形成することもできる
。また、高密度プラズマＣＶＤ法（例えばμ波（例えば、周波数２．４５ＧＨｚのμ波）
を用いた高密度プラズマＣＶＤ法）を用いて絶縁層４０２ａに適用可能な材料の膜を形成
することにより、絶縁層４０２ａを緻密にすることができ、絶縁層４０２ａの絶縁耐圧を
向上させることができる。

次に、図６（Ｃ）に示すように、絶縁層４０２ａの上に酸化物半導体層を形成し、その後
酸化物半導体層の一部をエッチングすることにより酸化物半導体層４０３ａを形成する。

例えば、スパッタリング法を用いて酸化物半導体層４０３ａに適用可能な酸化物半導体材
料の膜を形成することにより酸化物半導体層を形成することができる。なお、希ガス雰囲
気下、酸素雰囲気下、又は希ガスと酸素の混合雰囲気下で酸化物半導体層を形成してもよ
い。

また、スパッタリングターゲットとして、Ｉｎ_２Ｏ_３：Ｇａ_２Ｏ_３：ＺｎＯ＝１：１：１
［ｍｏｌ数比］の組成比である酸化物ターゲットを用いて酸化物半導体層を形成すること
ができる。また、例えば、Ｉｎ_２Ｏ_３：Ｇａ_２Ｏ_３：ＺｎＯ＝１：１：２［ｍｏｌ数比］
の組成比である酸化物ターゲットを用いて酸化物半導体層を形成してもよい。

また、酸化物半導体としてＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系の材料を用いる場合、用いるターゲッ
トの組成比は、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎが原子数比で、１：２：２、２：１：３、１：１：１、
又は２０：４５：３５などとなる酸化物ターゲットを用いる。なお、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系
酸化物は、ＩＴＺＯということができる。

また、スパッタリング法を用いて酸化物半導体層を形成する際に、基板４００ａを減圧状
態にし、基板４００ａを１００℃以上６００℃以下、好ましくは２００℃以上４００℃以
下に加熱してもよい。基板４００ａを加熱することにより、酸化物半導体層の上記不純物
濃度を低減することができ、また、スパッタリング法による酸化物半導体層の損傷を軽減
することができる。

次に、図６（Ｄ）に示すように、絶縁層４０２ａ及び酸化物半導体層４０３ａの上に第２
の導電膜を形成し、第２の導電膜の一部をエッチングすることにより導電層４０５ａ及び
導電層４０６ａを形成する。

例えば、スパッタリング法などを用いて導電層４０５ａ及び導電層４０６ａに適用可能な
材料の膜を形成することにより第２の導電膜を形成することができる。また、導電層４０
５ａ及び導電層４０６ａに適用可能な材料の膜を積層させることにより第２の導電膜を形
成することもできる。

次に、図６（Ｅ）に示すように、酸化物半導体層４０３ａに接するように絶縁層４０７ａ
を形成する。

例えば、希ガス（代表的にはアルゴン）雰囲気下、酸素雰囲気下、又は希ガスと酸素の混
合雰囲気下で、スパッタリング法を用いて絶縁層４０７ａに適用可能な膜を形成すること
により、絶縁層４０７ａを形成することができる。スパッタリング法を用いて絶縁層４０
７ａを形成することにより、トランジスタのバックチャネルとしての機能を有する酸化物
半導体層４０３ａの部分の抵抗の低下を抑制することができる。また、絶縁層４０７ａを
形成する際の基板温度は、室温以上３００℃以下であることが好ましい。

また、絶縁層４０７ａを形成する前にＮ_２Ｏ、Ｎ_２、又はＡｒなどのガスを用いたプラズ
マ処理を行い、露出している酸化物半導体層４０３ａの表面に付着した吸着水などを除去
してもよい。プラズマ処理を行った場合、その後、大気に触れることなく、絶縁層４０７
ａを形成することが好ましい。

さらに、図５（Ａ）に示すトランジスタの作製方法の一例では、例えば４００℃以上７５
０℃以下、又は４００℃以上基板の歪み点未満の温度で加熱処理を行う。例えば、酸化物
半導体層を形成した後、酸化物半導体層の一部をエッチングした後、第２の導電膜を形成
した後、第２の導電膜の一部をエッチングした後、又は絶縁層４０７ａを形成した後に上
記加熱処理を行う。

なお、上記加熱処理を行う加熱処理装置としては、電気炉、又は抵抗発熱体などの発熱体
からの熱伝導又は熱輻射により被処理物を加熱する装置を用いることができ、例えばＧＲ
ＴＡ（Ｇａｓ Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）装置又はＬＲＴＡ（
Ｌａｍｐ Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）装置などのＲＴＡ（Ｒａ
ｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）装置を用いることができる。ＬＲＴＡ装
置は、例えばハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノンアークランプ、カーボン
アークランプ、高圧ナトリウムランプ、又は高圧水銀ランプなどのランプから発する光（
電磁波）の輻射により、被処理物を加熱する装置である。また、ＧＲＴＡ装置は、高温の
ガスを用いて加熱処理を行う装置である。高温のガスとしては、例えば希ガス、又は加熱
処理によって被処理物と反応しない不活性気体（例えば窒素）を用いることができる。

また、上記加熱処理を行った後、その加熱温度を維持しながら又はその加熱温度から降温
する過程で上記加熱処理を行った炉と同じ炉に高純度の酸素ガス、高純度のＮ_２Ｏガス、
又は超乾燥エア（露点が−４０℃以下、好ましくは−６０℃以下の雰囲気）を導入しても
よい。このとき、酸素ガス又はＮ_２Ｏガスは、水、水素などを含まないことが好ましい。
また、加熱処理装置に導入する酸素ガス又はＮ_２Ｏガスの純度を、６Ｎ以上、好ましくは
７Ｎ以上、すなわち、酸素ガス又はＮ_２Ｏガス中の不純物濃度を１ｐｐｍ以下、好ましく
は０．１ｐｐｍ以下とすることが好ましい。酸素ガス又はＮ_２Ｏガスの作用により、酸化
物半導体層４０３ａに酸素が供給され、酸化物半導体層４０３ａ中の酸素欠乏に起因する
欠陥を低減することができる。

さらに、上記加熱処理とは別に、絶縁層４０７ａを形成した後に、不活性ガス雰囲気下、
又は酸素ガス雰囲気下で加熱処理（好ましくは２００℃以上４００℃以下、例えば２５０
℃以上３５０℃以下）を行ってもよい。

また、絶縁層４０２ａ形成後、酸化物半導体層形成後、ソース電極又はドレイン電極とな
る導電層形成後、絶縁層形成後、又は加熱処理後に酸素プラズマによる酸素ドーピング処
理を行ってもよい。例えば２．４５ＧＨｚの高密度プラズマにより酸素ドーピング処理を
行ってもよい。また、イオン注入法又はイオンドーピングを用いて酸素ドーピング処理を
行ってもよい。酸素ドーピング処理を行うことにより、作製されるトランジスタの電気特
性のばらつきを低減することができる。例えば、酸素ドーピング処理を行い、絶縁層４０
２ａ及び絶縁層４０７ａの一方又は両方を、化学量論的組成比より酸素が多い状態にする
。これにより、絶縁層中の過剰な酸素が酸化物半導体層４０３ａに供給されやすくなる。
よって、酸化物半導体層４０３ａ中、又は絶縁層４０２ａ及び絶縁層４０７ａの一方又は
両方と、酸化物半導体層４０３ａとの界面における酸素欠陥を低減することができるため
、酸化物半導体層４０３ａのキャリア濃度をより低減することができる。

例えば、絶縁層４０２ａ及び絶縁層４０７ａの一方又は両方として、酸化ガリウムを含む
絶縁層を形成する場合、該絶縁層に酸素を供給し、酸化ガリウムの組成をＧａ_２Ｏ_ｘにす
ることができる。

また、絶縁層４０２ａ及び絶縁層４０７ａの一方又は両方として、酸化アルミニウムを含
む絶縁層を形成する場合、該絶縁層に酸素を供給し、酸化アルミニウムの組成をＡｌ_２Ｏ
_ｘにすることができる。

また、絶縁層４０２ａ及び絶縁層４０７ａの一方又は両方として、酸化ガリウムアルミニ
ウム又は酸化アルミニウムガリウムを含む絶縁層を形成する場合、該絶縁層に酸素を供給
し、酸化ガリウムアルミニウム又は酸化アルミニウムガリウムの組成をＧａ_ｘＡｌ_２−ｘ
Ｏ_３＋αとすることができる。

以上の工程により、酸化物半導体層４０３ａから、水素、水、水酸基、又は水素化物（水
素化合物ともいう）などの不純物を排除し、且つ酸化物半導体層４０３ａに酸素を供給す
ることにより、酸化物半導体層を高純度化させることができる。

なお、図５（Ａ）に示すトランジスタの作製方法例を示したが、これに限定されず、例え
ば図５（Ｂ）乃至図５（Ｅ）に示す各構成要素において、名称が図５（Ａ）に示す各構成
要素と同じであり且つ機能の少なくとも一部が図５（Ａ）に示す各構成要素と同じであれ
ば、図５（Ａ）に示すトランジスタの作製方法例の説明を適宜援用することができる。

図５及び図６を用いて説明したように、本実施の形態におけるトランジスタの一例は、ゲ
ートとしての機能を有する導電層と、ゲート絶縁層としての機能を有する絶縁層と、ゲー
ト絶縁層としての機能を有する絶縁層を介してゲートとしての機能を有する導電層に重畳
し、チャネルが形成される酸化物半導体層と、酸化物半導体層に電気的に接続され、ソー
ス及びドレインの一方としての機能を有する導電層と、酸化物半導体層に電気的に接続さ
れ、ソース及びドレインの他方としての機能を有する導電層と、を含む構造である。

また、本実施の形態におけるトランジスタの一例は、酸化物半導体層、ソース及びドレイ
ンの一方としての機能を有する導電層、並びにソース及びドレインの他方としての機能を
有する導電層が設けられていない箇所において酸化物半導体層に接する絶縁層がゲート絶
縁層としての機能を有する絶縁層に接する構造である。上記構造にすることにより、酸化
物半導体層、ソース及びドレインの一方としての機能を有する導電層、並びにソース及び
ドレインの他方としての機能を有する導電層が酸化物半導体層に接する絶縁層及びゲート
絶縁層としての機能を有する絶縁層に囲まれるため、酸化物半導体層、ソース及びドレイ
ンの一方としての機能を有する導電層、並びにソース及びドレインの他方としての機能を
有する導電層への不純物の侵入を抑制することができる。

また、チャネルが形成される酸化物半導体層に含まれるアルカリ金属の濃度は低いことが
好ましい。例えばチャネルが形成される酸化物半導体層にナトリウムが含まれる場合、チ
ャネルが形成される酸化物半導体層に含まれるナトリウムの濃度は、５×１０^１６／ｃｍ
^３以下、さらには、１×１０^１６／ｃｍ^３以下、さらには１×１０^１５／ｃｍ^３以下であ
ることが好ましい。また、例えばチャネルが形成される酸化物半導体層にリチウムが含ま
れる場合、チャネルが形成される酸化物半導体層に含まれるリチウムの濃度は、５×１０
^１５／ｃｍ^３以下、さらには、１×１０^１５／ｃｍ^３以下であることが好ましい。また、
例えばチャネルが形成される酸化物半導体層にカリウムが含まれる場合、チャネルが形成
される酸化物半導体層に含まれるカリウムの濃度は、５×１０^１５／ｃｍ^３以下、さらに
は、１×１０^１５／ｃｍ^３以下であることが好ましい。例えば、ナトリウムは、酸化物半
導体層に接する絶縁層が酸化物である場合、酸化物絶縁層内に入り、トランジスタの特性
の劣化（例えば閾値電圧のシフト、移動度の低下など）が起こる。さらに、複数のトラン
ジスタ間における特性のばらつきの原因にもなる。よって、チャネルが形成される酸化物
半導体層に含まれるアルカリ金属の濃度の少なくすることにより、アルカリ金属に起因す
るトランジスタの特性の劣化を抑制することができる。

以上のように、チャネルが形成される酸化物半導体層は、高純度化させることによりＩ型
又は実質的にＩ型となった酸化物半導体層である。酸化物半導体層を高純度化させること
により、酸化物半導体層のキャリア濃度を１×１０^１４／ｃｍ^３未満、好ましくは１×１
０^１２／ｃｍ^３未満、さらに好ましくは１×１０^１１／ｃｍ^３未満にすることができ、温
度変化による特性変化を抑制することができる。また、上記構造にすることにより、チャ
ネル幅１μｍあたりのオフ電流を１０ａＡ（１×１０^−１７Ａ）以下にすること、さらに
はチャネル幅１μｍあたりのオフ電流を１ａＡ（１×１０^−１８Ａ）以下、さらにはチャ
ネル幅１μｍあたりのオフ電流を１０ｚＡ（１×１０^−２０Ａ）以下、さらにはチャネル
幅１μｍあたりのオフ電流を１ｚＡ（１×１０^−２１Ａ）以下、さらにはチャネル幅１μ
ｍあたりのオフ電流を１００ｙＡ（１×１０^−２２Ａ）以下にすることができる。トラン
ジスタのオフ電流は、低ければ低いほどよいが、本実施の形態におけるトランジスタのオ
フ電流の下限値は、約１０^−３０Ａ／μｍであると見積もられる。

本実施の形態の酸化物半導体層を含むトランジスタを、例えば上記実施の形態における入
出力装置の表示回路、表示選択信号出力回路、表示データ信号出力回路、光検出回路、光
検出リセット信号出力回路、及び出力選択信号出力回路の一つ又は複数におけるトランジ
スタに用いることにより、入出力装置の信頼性を向上させることができる。

さらに、特性評価用回路によるリーク電流測定を用いた、本実施の形態における酸化物半
導体層を含むトランジスタの一例におけるオフ電流の値の算出例について以下に説明する
。

特性評価用回路によるリーク電流測定について、図７を用いて説明する。図７は、特性評
価用回路を説明するための図である。

まず、特性評価用回路の回路構成について図７（Ａ）を用いて説明する。図７（Ａ）は、
特性評価用回路の回路構成を示す回路図である。

図７（Ａ）に示す特性評価用回路は、複数の測定系８０１を備える。複数の測定系８０１
は、互いに並列に接続される。ここでは、一例として８個の測定系８０１が並列に接続さ
れる構成とする。複数の測定系８０１を用いることにより、同時に複数の測定を行うこと
ができる。

測定系８０１は、トランジスタ８１１と、トランジスタ８１２と、容量素子８１３と、ト
ランジスタ８１４と、トランジスタ８１５と、を含む。

トランジスタ８１１、トランジスタ８１２、トランジスタ８１４、及びトランジスタ８１
５は、Ｎ型の電界効果トランジスタである。

トランジスタ８１１のソース及びドレインの一方には、電圧Ｖ１が入力され、トランジス
タ８１１のゲートには、電圧Ｖｅｘｔ＿ａが入力される。トランジスタ８１１は、電荷注
入用のトランジスタである。

トランジスタ８１２のソース及びドレインの一方は、トランジスタ８１１のソース及びド
レインの他方に接続され、トランジスタ８１２のソース及びドレインの他方には、電圧Ｖ
２が入力され、トランジスタ８１２のゲートには、電圧Ｖｅｘｔ＿ｂが入力される。トラ
ンジスタ８１２は、リーク電流評価用のトランジスタである。なお、ここでのリーク電流
とは、トランジスタのオフ電流を含むリーク電流である。

容量素子８１３の第１の容量電極は、トランジスタ８１１のソース及びドレインの他方に
接続され、容量素子８１３の第２の容量電極には、電圧Ｖ２が入力される。なお、ここで
は、電圧Ｖ２は、０Ｖである。

トランジスタ８１４のソース及びドレインの一方には、電圧Ｖ３が入力され、トランジス
タ８１４のゲートは、トランジスタ８１１のソース及びドレインの他方に接続される。な
お、トランジスタ８１４のゲートと、トランジスタ８１１のソース及びドレインの他方、
トランジスタ８１２のソース及びドレインの一方、並びに容量素子８１３の第１の電極と
の接続箇所をノードＡともいう。なお、ここでは、電圧Ｖ３は、５Ｖである。

トランジスタ８１５のソース及びドレインの一方は、トランジスタ８１４のソース及びド
レインの他方に接続され、トランジスタ８１５のソース及びドレインの他方には、電圧Ｖ
４が入力され、トランジスタ８１５のゲートには、電圧Ｖｅｘｔ＿ｃが入力される。なお
、ここでは、電圧Ｖｅｘｔ＿ｃは、０．５Ｖである。

さらに、測定系８０１は、トランジスタ８１４のソース及びドレインの他方と、トランジ
スタ８１５のソース及びドレインの一方との接続箇所の電圧を出力電圧Ｖｏｕｔとして出
力する。

ここでは、トランジスタ８１１の一例として、酸化物半導体層を含み、チャネル長Ｌ＝１
０μｍ、チャネル幅Ｗ＝１０μｍのトランジスタを用いる。

また、トランジスタ８１４及びトランジスタ８１５の一例として、酸化物半導体層を含み
、チャネル長Ｌ＝３μｍ、チャネル幅Ｗ＝１００μｍのトランジスタを用いる。

また、トランジスタ８１２の構造について、図７（Ｂ）に示す。図７（Ｂ）は、トランジ
スタの構造を示す断面模式図である。

図７（Ｂ）に示すように、トランジスタ８１２は、ゲートとしての機能を有する導電層９
０１と、ゲート絶縁層としての機能を有する絶縁層９０２と、絶縁層９０２を介して導電
層９０１の上に設けられ、チャネル形成層としての機能を有する酸化物半導体層９０３と
、酸化物半導体層９０３に接し、ソース及びドレインの一方としての機能を有する導電層
９０５及びソース及びドレインの他方としての機能を有する導電層９０６と、を含む。さ
らに、トランジスタ８１２は、酸化物半導体層９０３、導電層９０５、及び導電層９０６
の上に絶縁層９０７及び平坦化層９０８が積層され、平坦化層９０８の上に、開口部を介
して導電層９０５に接する導電層９０９及び開口部を介して導電層９０６に接する導電層
９１０が設けられ、導電層９０５及び導電層９０６と、導電層９０１とが重畳せず、幅１
μｍのオフセット領域を有する。オフセット領域を設けることにより、寄生容量を低減す
ることができる。さらに、トランジスタ８１２としては、チャネル長Ｌ及びチャネル幅Ｗ
の異なる６つのトランジスタのサンプル（ＳＭＰともいう）を用いる（表１参照）。

次に、トランジスタ８１２の作製方法について以下に説明する。

まず、基板９００となるガラス基板を準備し、基板９００の上に絶縁層９２７を形成する
。ここでは、基板９００の上に厚さが１００ｎｍの窒化シリコン膜を形成し、該窒化シリ
コン膜の上に厚さが１５０ｎｍの酸化窒化シリコン膜を形成することにより絶縁層９２７
を形成する。

次に、絶縁層９２７を介して基板９００の上に導電層９０１を形成する。ここでは、絶縁
層９２７を介して基板９００の上に、スパッタリング法により、厚さが１００ｎｍのタン
グステン膜を形成し、該タングステン膜の一部をエッチングすることにより導電層９０１
を形成する。

次に、導電層９０１及び絶縁層９２７の上に絶縁層９０２を形成する。ここでは、導電層
９０１及び絶縁層９２７の上に、ＣＶＤ法により、厚さが１００ｎｍの酸化窒化シリコン
膜を形成することにより絶縁層９０２を形成する。

次に、絶縁層９０２を介して導電層９０１の上に酸化物半導体層９０３を形成する。ここ
では、絶縁層９０２を介して導電層９０１の上に、スパッタリング法により酸化物半導体
層を形成し、該酸化物半導体層の一部をエッチングすることにより酸化物半導体層９０３
を形成する。なお、酸化物半導体層の作製工程では、Ｉｎ_２Ｏ_３：Ｇａ_２Ｏ_３：ＺｎＯ＝
１：１：２［ｍｏｌ］の金属酸化物ターゲットを用い、基板温度を２００℃とし、スパッ
タリング装置におけるチャンバー内の圧力を０．６Ｐａとし、スパッタリング装置におけ
る直流電源を５ｋＶとし、成膜雰囲気を酸素及びアルゴンの混合雰囲気（酸素流量５０ｓ
ｃｃｍ、アルゴン流量５０ｓｃｃｍ）として上記酸化物半導体層を形成する。

次に、窒素及び酸素の混合雰囲気（窒素８０％、酸素２０％）下で４５０℃、１時間の熱
処理を行う。

次に、絶縁層９０２の一部をエッチングし、導電層９０１に貫通する開口部を形成する。

次に、酸化物半導体層９０３の上に導電層９０５及び導電層９０６を形成する。ここでは
、スパッタリング法により、酸化物半導体層９０３の上に厚さが１００ｎｍのチタン膜を
形成し、該チタン膜の上に、厚さが２００ｎｍのアルミニウム膜を形成し、該アルミニウ
ム膜の上に厚さが１００ｎｍのチタン膜を形成し、該チタン膜、アルミニウム膜、及びチ
タン膜の積層の一部をエッチングすることにより導電層９０５及び導電層９０６を形成す
る。

次に、窒素雰囲気下で３００℃、１時間の熱処理を行う。

次に、絶縁層９０２、酸化物半導体層９０３、導電層９０５、及び導電層９０６の上に、
絶縁層９０７を形成する。ここでは、絶縁層９０２、酸化物半導体層９０３、導電層９０
５、及び導電層９０６の上に、厚さが３００ｎｍの酸化シリコン膜を形成することにより
絶縁層９０７を形成する。

次に、絶縁層９０７の一部をエッチングすることにより、導電層９０５に貫通する開口部
及び導電層９０６に貫通する開口部を形成する。

次に、絶縁層９０７の上に平坦化層９０８を形成する。ここでは、厚さが１．５μｍのア
クリル層を塗布し、該アクリル層の一部を露光することにより平坦化層９０８を形成する
。

さらに、窒素雰囲気下で２５０℃、１時間の熱処理を行う。

次に、平坦化層９０８の上に、導電層９０５に接する導電層９０９及び導電層９０６に接
する導電層９１０を形成する。ここでは、スパッタリング法により、平坦化層９０８の上
に厚さが２００ｎｍのチタン膜を形成し、該チタン膜の一部をエッチングすることにより
導電層９０９及び導電層９１０を形成する。

次に、窒素雰囲気下で２５０℃、１時間の熱処理を行う。以上がトランジスタ８１２の作
製方法である。

図７（Ａ）に示すように、電荷注入用のトランジスタと、リーク電流評価用のトランジス
タとを別々に設けることにより、電荷注入の際に、リーク電流評価用のトランジスタを常
にオフ状態に保つことができる。

また、電荷注入用のトランジスタと、リーク電流評価用のトランジスタとを別々に設ける
ことにより、それぞれのトランジスタを適切なサイズとすることができる。また、リーク
電流評価用トランジスタのチャネル幅Ｗを、電荷注入用のトランジスタのチャネル幅Ｗよ
りも大きくすることにより、リーク電流評価用トランジスタのリーク電流以外の特性評価
回路のリーク電流成分を相対的に小さくすることができる。その結果、リーク電流評価用
トランジスタのリーク電流を高い精度で測定することができる。同時に、電荷注入の際に
、リーク電流評価用トランジスタを一度オン状態とする必要がないため、リーク電流評価
用トランジスタのチャネル形成領域の電荷の一部がノードＡに流れ込むことによるノード
Ａの電圧変動の影響もない。

次に、図７（Ａ）に示す特性評価回路のリーク電流測定方法について、図７（Ｃ）を用い
て説明する。図７（Ｃ）は、図７（Ａ）に示す特性評価回路を用いたリーク電流測定方法
を説明するためのタイミングチャートである。

図７（Ａ）に示す特性評価回路を用いたリーク電流測定方法は、書き込み期間及び保持期
間に分けられる。それぞれの期間における動作について、以下に説明する。

書き込み期間では、電圧Ｖｅｘｔ＿ｂとして、トランジスタ８１２がオフ状態となるよう
な電圧ＶＬ（−３Ｖ）を入力する。また、電圧Ｖ１として、書き込み電圧Ｖｗを入力した
後、電圧Ｖｅｘｔ＿ａとして、一定期間トランジスタ８１１がオン状態となるような電圧
ＶＨ（５Ｖ）を入力する。これによって、ノードＡに電荷が蓄積され、ノードＡの電圧は
、書き込み電圧Ｖｗと同等の値になる。その後、電圧Ｖｅｘｔ＿ａとして、トランジスタ
８１１がオフ状態となるような電圧ＶＬを入力する。その後、電圧Ｖ１として、電圧ＶＳ
Ｓ（０Ｖ）を入力する。

また、保持期間では、ノードＡが保持する電荷量の変化に起因して生じるノードＡの電圧
の変化量の測定を行う。電圧の変化量から、トランジスタ８１２のソース電極とドレイン
電極との間を流れる電流値を算出することができる。以上により、ノードＡの電荷の蓄積
とノードＡの電圧の変化量の測定とを行うことができる。

このとき、ノードＡの電荷の蓄積及びノードＡの電圧の変化量の測定（蓄積及び測定動作
ともいう）を繰り返し行う。まず、第１の蓄積及び測定動作を１５回繰り返し行う。第１
の蓄積及び測定動作では、書き込み期間に書き込み電圧Ｖｗとして５Ｖの電圧を入力し、
保持期間に１時間の保持を行う。次に、第２の蓄積及び測定動作を２回繰り返し行う。第
２の蓄積及び測定動作では、書き込み期間に書き込み電圧Ｖｗとして３．５Ｖの電圧を入
力し、保持期間に５０時間の保持を行う。次に、第３の蓄積及び測定動作を１回行う。第
３の蓄積及び測定動作では、書き込み期間に書き込み電圧Ｖｗとして４．５Ｖの電圧を入
力し、保持期間に１０時間の保持を行う。蓄積及び測定動作を繰り返し行うことにより、
測定した電流値が、定常状態における値であることを確認することができる。言い換える
と、ノードＡを流れる電流Ｉ_Ａのうち、過渡電流（測定開始後から時間経過とともに減少
していく電流成分）を除くことができる。その結果、より高い精度でリーク電流を測定す
ることができる。

一般に、ノードＡの電圧Ｖ_Ａは、出力電圧Ｖｏｕｔの関数として次の式のように表される
。

また、ノードＡの電荷Ｑ_Ａは、ノードＡの電圧Ｖ_Ａ、ノードＡに接続される容量Ｃ_Ａ、定
数（ｃｏｎｓｔ）を用いて、次の式のように表される。

ここで、ノードＡに接続される容量Ｃ_Ａは、容量素子８１３の容量と容量素子８１３以外
の容量成分の和である。

ノードＡの電流Ｉ_Ａは、ノードＡに流れ込む電荷（又はノードＡから流れ出る電荷）の時
間微分であるから、ノードＡの電流Ｉ_Ａは、次の式のように表される。

なお、ここでは、一例として、Δｔを約５４０００ｓｅｃとする。このように、ノードＡ
に接続される容量Ｃ_Ａと、出力電圧Ｖｏｕｔから、リーク電流であるノードＡの電流Ｉ_Ａ
を求めることができるため、特性評価回路のリーク電流を求めることができる。

次に、上記特性評価回路を用いた測定方法による出力電圧の測定結果及び該測定結果より
算出した特性評価回路のリーク電流の値について、図８を用いて説明する。

図８（Ａ）に、一例として、ＳＭＰ４、ＳＭＰ５、及びＳＭＰ６におけるトランジスタの
上記測定（第１の蓄積及び測定動作）に係る経過時間Ｔｉｍｅと、出力電圧Ｖｏｕｔとの
関係を示し、図８（Ｂ）に、上記測定に係る経過時間Ｔｉｍｅと、該測定によって算出さ
れた電流Ｉ_Ａとの関係を示す。測定開始後から出力電圧Ｖｏｕｔが変動しており、定常状
態に到るためには１０時間以上必要であることがわかる。

また、図９に、上記測定により得られた値から見積もられたＳＭＰ１乃至ＳＭＰ６におけ
るノードＡの電圧とリーク電流の関係を示す。図９では、例えばＳＭＰ４において、ノー
ドＡの電圧が３．０Ｖの場合、リーク電流は２８ｙＡ／μｍである。リーク電流にはトラ
ンジスタ８１２のオフ電流も含まれるため、トランジスタ８１２のオフ電流も２８ｙＡ／
μｍ以下とみなすことができる。

また、図１０、図１１、及び図１２に、８５℃、１２５℃、及び１５０℃における上記測
定により見積もられたＳＭＰ１乃至ＳＭＰ６におけるノードＡの電圧とリーク電流の関係
を示す。図１０乃至図１２に示すように、１５０℃の場合であっても、リーク電流は、１
００ｚＡ／μｍ以下であることがわかる。

以上のように、チャネル形成層としての機能を有し、高純度化された酸化物半導体層を含
むトランジスタを用いた特性評価用回路において、リーク電流が十分に低いため、該トラ
ンジスタのオフ電流が十分に小さいことがわかる。また、上記トランジスタのオフ電流は
、温度が上昇した場合であっても十分に低いことがわかる。

（実施の形態６）
本実施の形態では、上記実施の形態における入出力装置の構造例について説明する。

本実施の形態における入出力装置は、トランジスタなどの半導体素子が設けられた第１の
基板（アクティブマトリクス基板）と、第２の基板と、第１の基板及び第２の基板の間に
設けられた液晶層と、を含む。

まず、本実施の形態の入出力装置におけるアクティブマトリクス基板の構造例について、
図１３及び図１４を用いて説明する。図１３及び図１４は、本実施の形態の入出力装置に
おけるアクティブマトリクス基板の構造例を示す図であり、図１３（Ａ）は、平面模式図
であり、図１３（Ｂ）は、図１３（Ａ）における線分Ａ−Ｂの断面模式図であり、図１４
（Ａ）は、平面模式図であり、図１４（Ｂ）は、図１４（Ａ）における線分Ｃ−Ｄの断面
模式図である。なお、図１４では、光検出回路の一例として、図１（Ｂ）に示す構成の光
検出回路を用いる場合を示し、一例として２つの光電変換素子、２つの電荷蓄積制御トラ
ンジスタ、増幅トランジスタ、及び出力選択トランジスタを示す。また、図１３及び図１
４では、トランジスタの一例として図５（Ａ）を用いて説明した構造のトランジスタを用
いる場合を示す。

図１３及び図１４に示すアクティブマトリクス基板は、基板５００と、導電層５０１ａ乃
至導電層５０１ｋと、絶縁層５０２と、半導体層５０３ａ乃至半導体層５０３ｅと、導電
層５０４ａ乃至導電層５０４ｎと、絶縁層５０５と、半導体層５０６ａと、半導体層５０
６ｂと、半導体層５０７ａと、半導体層５０７ｂと、半導体層５０８ａと、半導体層５０
８ｂと、絶縁層５０９と、導電層５１０ａ乃至導電層５１０ｃと、を含む。

導電層５０１ａ乃至導電層５０１ｋのそれぞれは、基板５００の一平面に設けられる。

導電層５０１ａは、表示回路における表示選択トランジスタのゲートとしての機能を有す
る。

導電層５０１ｂは、表示回路における保持容量の第１の容量電極としての機能を有する。
なお、容量素子（保持容量）の第１の容量電極としての機能を有する層を第１の容量電極
ともいう。

導電層５０１ｃは、第１の光検出リセット信号が入力される配線としての機能を有する。
なお、配線としての機能を有する層を配線ともいう。

導電層５０１ｄは、第２の光検出リセット信号が入力される配線としての機能を有する。

導電層５０１ｅは、光検出回路における第１の電荷蓄積制御トランジスタのゲートとして
の機能を有する。

導電層５０１ｆは、光検出回路における第２の電荷蓄積制御トランジスタのゲートとして
の機能を有する。

導電層５０１ｇは、第１の電荷蓄積制御信号が入力される信号線としての機能を有する。
なお、信号線としての機能を有する層を信号線ともいう。

導電層５０１ｈは、第２の電荷蓄積制御信号が入力される信号線としての機能を有する。

導電層５０１ｉは、光検出回路における出力選択トランジスタのゲートとしての機能を有
する。

導電層５０１ｊは、光検出回路における増幅トランジスタのゲートとしての機能を有する
。

導電層５０１ｋは、電圧Ｖ_０が入力される配線としての機能を有する。

絶縁層５０２は、導電層５０１ａ乃至導電層５０１ｋを介して基板５００の一平面に設け
られる。

絶縁層５０２は、表示回路における表示選択トランジスタのゲート絶縁層、表示回路にお
ける保持容量の誘電体層、光検出回路におけるＸ個の電荷蓄積制御トランジスタのそれぞ
れのゲート絶縁層、光検出回路における増幅トランジスタのゲート絶縁層、及び光検出回
路における出力選択トランジスタのゲート絶縁層としての機能を有する。

半導体層５０３ａは、絶縁層５０２を介して導電層５０１ａに重畳する。半導体層５０３
ａは、表示回路における表示選択トランジスタのチャネル形成層としての機能を有する。

半導体層５０３ｂは、絶縁層５０２を介して導電層５０１ｄに重畳する。半導体層５０３
ｂは、光検出回路における第１の電荷蓄積制御トランジスタのチャネル形成層としての機
能を有する。

半導体層５０３ｃは、絶縁層５０２を介して導電層５０１ｆに重畳する。半導体層５０３
ｃは、光検出回路における第２の電荷蓄積制御トランジスタのチャネル形成層としての機
能を有する。

半導体層５０３ｄは、絶縁層５０２を介して導電層５０１ｉに重畳する。半導体層５０３
ｄは、光検出回路における出力選択トランジスタのチャネル形成層としての機能を有する
。

半導体層５０３ｅは、絶縁層５０２を介して導電層５０１ｊに重畳する。半導体層５０３
ｊは、光検出回路における増幅トランジスタのチャネル形成層としての機能を有する。

導電層５０４ａは、半導体層５０３ａに電気的に接続される。導電層５０４ａは、表示回
路における表示選択トランジスタのソース及びドレインの一方としての機能を有する。

導電層５０４ｂは、導電層５０１ｂ及び半導体層５０３ａに電気的に接続される。導電層
５０４ｂは、表示回路における表示選択トランジスタのソース及びドレインの他方として
の機能を有する。

導電層５０４ｃは、絶縁層５０２を介して導電層５０１ｂに重畳する。導電層５０４ｃは
、表示回路における保持容量の第２の容量電極としての機能を有する。

導電層５０４ｄは、絶縁層５０２を貫通する開口部において導電層５０１ｃに電気的に接
続される。導電層５０４ｄは、光検出回路における第１の光電変換素子の第１の電流端子
及び第２の電流端子の一方としての機能を有する。

導電層５０４ｅは、絶縁層５０２を貫通する開口部において導電層５０１ｄに電気的に接
続される。導電層５０４ｅは、光検出回路における第２の光電変換素子の第１の電流端子
及び第２の電流端子の一方としての機能を有する。

導電層５０４ｆは、半導体層５０３ｂに電気的に接続される。導電層５０４ｆは、光検出
回路における第１の電荷蓄積制御トランジスタのソース及びドレインの一方としての機能
を有する。

導電層５０４ｇは、半導体層５０３ｃに電気的に接続される。導電層５０４ｇは、光検出
回路における第２の電荷蓄積制御トランジスタのソース及びドレインの一方としての機能
を有する。

導電層５０４ｈは、絶縁層５０２を貫通する開口部において導電層５０１ｅ及び導電層５
０１ｇに電気的に接続される。導電層５０４ｈは、第１の電荷蓄積制御信号が入力される
信号線としての機能を有する。

導電層５０４ｉは、絶縁層５０２を貫通する開口部において導電層５０１ｆ及び導電層５
０１ｈに電気的に接続される。導電層５０４ｉは、第２の電荷蓄積制御信号が入力される
信号線としての機能を有する。

導電層５０４ｊは、半導体層５０３ｂ及び半導体層５０３ｃに電気的に接続され、且つ絶
縁層５０２を貫通する開口部において導電層５０１ｊに電気的に接続される。導電層５０
４ｊは、光検出回路における第１の電荷蓄積制御トランジスタ及び第２の電荷蓄積制御ト
ランジスタのソース及びドレインの他方としての機能を有する。

導電層５０４ｋは、半導体層５０３ｄに電気的に接続される。導電層５０４ｋは、光検出
回路における出力選択トランジスタのソース及びドレインの一方としての機能を有する。

導電層５０４ｌは、半導体層５０３ｄ及び半導体層５０３ｅに電気的に接続される。導電
層５０４ｌは、光検出回路における出力選択トランジスタのソース及びドレインの他方、
並びに光検出回路における増幅トランジスタのソース及びドレインの一方としての機能を
有する。

導電層５０４ｍは、半導体層５０３ｅに電気的に接続され、絶縁層５０２を貫通する開口
部において導電層５０１ｋに電気的に接続される。導電層５０４ｍは、光検出回路におけ
る増幅トランジスタのソース及びドレインの他方としての機能を有する。

導電層５０４ｎは、絶縁層５０２を貫通する開口部において導電層５０１ｋに電気的に接
続される。導電層５０４ｎは、電圧Ｖ_０が入力される配線としての機能を有する。

絶縁層５０５は、導電層５０４ａ乃至導電層５０４ｋを介して半導体層５０３ａ乃至半導
体層５０３ｄに接する。

半導体層５０６ａは、絶縁層５０５を貫通して設けられた開口部において導電層５０４ｄ
に電気的に接続される。

半導体層５０６ｂは、絶縁層５０５を貫通して設けられた開口部において導電層５０４ｅ
に電気的に接続される。

半導体層５０７ａは、半導体層５０６ａに接する。

半導体層５０７ｂは、半導体層５０６ｂに接する。

半導体層５０８ａは、半導体層５０７ａに接する。

半導体層５０８ｂは、半導体層５０７ｂに接する。

絶縁層５０９は、絶縁層５０５、半導体層５０６ａ、半導体層５０６ｂ、半導体層５０７
ａ、半導体層５０７ｂ、半導体層５０８ａ、及び半導体層５０８ｂに重畳する。絶縁層５
０９は、表示回路及び光検出回路における平坦化絶縁層としての機能を有する。なお、必
ずしも絶縁層５０９を設けなくてもよい。

導電層５１０ａは、絶縁層５０５及び絶縁層５０９を貫通する開口部において導電層５０
４ｂに電気的に接続される。また、導電層５１０ａを、導電層５０１ａに重畳させること
により、光漏れを防止することができる。導電層５１０ａは、表示回路における表示素子
の画素電極としての機能を有する。なお、画素電極としての機能を有する層を画素電極と
もいう。

導電層５１０ｂは、絶縁層５０５及び絶縁層５０９を貫通する開口部において導電層５０
４ｆに電気的に接続され、絶縁層５０５及び絶縁層５０９を貫通する開口部において半導
体層５０８ａに電気的に接続される。

導電層５１０ｃは、絶縁層５０５及び絶縁層５０９を貫通する開口部において導電層５０
４ｇに電気的に接続され、絶縁層５０５及び絶縁層５０９を貫通する開口部において半導
体層５０８ｂに電気的に接続される。

さらに、本実施の形態における入出力装置の構造例について、図１５及び図１６を用いて
説明する。図１５及び図１６は、図１３及び図１４に示すアクティブマトリクス基板を用
いた入出力装置の構造例を示す図であり、図１５（Ａ）は、平面模式図であり、図１５（
Ｂ）は、図１５（Ａ）における線分Ａ−Ｂの断面模式図であり、図１６（Ａ）は、平面模
式図であり、図１６（Ｂ）は、図１６（Ａ）における線分Ｃ−Ｄの断面模式図である。な
お、一例として光電変換素子をフォトダイオードとし、表示素子を液晶素子とする。

図１５及び図１６に示す入出力装置は、図１３及び図１４に示すアクティブマトリクス基
板に加え、基板５１２と、遮光層５１３と、絶縁層５１６と、導電層５１７と、液晶層５
１８と、を含む。なお、図１５（Ａ）及び図１６（Ａ）では、便宜のため、導電層５１７
を省略する。

遮光層５１３は、基板５１２の一平面の一部に設けられる。例えば遮光層５１３は、光電
変換素子が形成された部分を除く基板５１２の一平面に設けられる。

絶縁層５１６は、遮光層５１３を介して基板５１２の一平面に設けられる。

導電層５１７は、基板５１２の一平面に設けられる。導電層５１７は、表示回路における
共通電極としての機能を有する。なお、光検出回路において、必ずしも導電層５１７が設
けられなくてもよい。

液晶層５１８は、導電層５１０ａ及び導電層５１７の間に設けられ、絶縁層５０９を介し
て半導体層５０８に重畳する。

なお、導電層５１０ａ、液晶層５１８、及び導電層５１７は、表示回路における表示素子
としての機能を有する。

さらに、図１５及び図１６に示す入出力装置の各構成要素について説明する。

基板５００及び基板５１２としては、図５（Ａ）における基板４００ａに適用可能な基板
を用いることができる。

導電層５０１ａ乃至導電層５０１ｋとしては、図５（Ａ）における導電層４０１ａに適用
可能な材料の層を用いることができる。また、導電層４０１ａに適用可能な材料の層を積
層して導電層５０１ａ乃至導電層５０１ｋを構成してもよい。

絶縁層５０２としては、図５（Ａ）における絶縁層４０２ａに適用可能な材料の層を用い
ることができる。また、絶縁層４０２ａに適用可能な材料の層を積層して絶縁層５０２を
構成してもよい。

半導体層５０３ａ乃至半導体層５０３ｅとしては、図５（Ａ）に示す酸化物半導体層４０
３ａに適用可能な材料の層を用いることができる。

導電層５０４ａ乃至導電層５０４ｎとしては、図５（Ａ）における導電層４０５ａ又は導
電層４０６ａに適用可能な材料の層を用いることができる。また、導電層４０５ａ又は導
電層４０６ａに適用可能な材料の層を積層して導電層５０４ａ乃至導電層５０４ｎを構成
してもよい。

絶縁層５０５としては、図５（Ａ）における絶縁層４０７ａに適用可能な材料の層を用い
ることができる。また、絶縁層４０７ａに適用可能な層を積層して絶縁層５０５を構成し
てもよい。

半導体層５０６ａ及び半導体層５０６ｂは、一導電型（Ｐ型及びＮ型の一方）の半導体層
である。半導体層５０６ａ及び半導体層５０６ｂとしては、例えばシリコンを含有する半
導体層を用いることができる。

半導体層５０７ａ及び半導体層５０７ｂは、半導体層５０６より抵抗の高い半導体層であ
る。半導体層５０７ａ及び半導体層５０７ｂとしては、例えばシリコンを含有する半導体
層を用いることができる。

半導体層５０８ａ及び半導体層５０８ｂは、半導体層５０６とは異なる導電型（Ｐ型及び
Ｎ型の他方）の半導体層である。半導体層５０８ａ及び半導体層５０８ｂとしては、例え
ばシリコンを含有する半導体層を用いることができる。

絶縁層５０９及び絶縁層５１６としては、例えばポリイミド、アクリル、ベンゾシクロブ
テン、などの有機材料の層を用いることができる。また絶縁層５０９としては、低誘電率
材料（ｌｏｗ−ｋ材料ともいう）の層を用いることもできる。

導電層５１０乃至導電層５１０ｃ、及び導電層５１７としては、例えば透光性を有する導
電材料の層を用いることができ、透光性を有する導電材料としては、例えばインジウム錫
酸化物、酸化インジウムに酸化亜鉛を混合した金属酸化物（ＩＺＯ：ｉｎｄｉｕｍ ｚｉ
ｎｃ ｏｘｉｄｅともいう）、酸化インジウムに酸化珪素（ＳｉＯ_２）を混合した導電材
料、有機インジウム、有機スズ、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タング
ステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、又は酸化チタ
ンを含むインジウム錫酸化物などを用いることができる。

また、導電性高分子（導電性ポリマーともいう）を含む導電性組成物を用いて導電層５１
０ａ乃至導電層５１０ｃ、及び導電層５１７を形成することもできる。導電性組成物を用
いて形成した導電層は、シート抵抗が１００００Ω／□以下、波長５５０ｎｍにおける透
光率が７０％以上であることが好ましい。また、導電性組成物に含まれる導電性高分子の
抵抗率は、０．１Ω・ｃｍ以下であることが好ましい。

導電性高分子としては、いわゆるπ電子共役系導電性高分子が用いることができる。π電
子共役系導電性高分子としては、例えばポリアニリン若しくはその誘導体、ポリピロール
若しくはその誘導体、ポリチオフェン若しくはその誘導体、又はアニリン、ピロール及び
チオフェンの２種以上の共重合体若しくはその誘導体などが挙げられる。

また、グラフェンを用いて導電層５１０ａ乃至導電層５１０ｃ、及び導電層５１７を形成
することもできる。

遮光層５１３としては、例えば金属材料の層を用いることができる。

液晶層５１８としては、例えばＴＮ液晶、ＯＣＢ液晶、ＳＴＮ液晶、ＶＡ液晶、ＥＣＢ型
液晶、ＧＨ液晶、高分子分散型液晶、又はディスコチック液晶などを含む層を用いること
ができる。なお、液晶層５１８として、導電層５１０ｃ及び導電層５１７に印加される電
圧が０Ｖのときに光を透過する液晶を用いることが好ましい。

図１３乃至図１６を用いて説明したように、本実施の形態における入出力装置の構造例は
、トランジスタ、画素電極、及び光電変換素子を含むアクティブマトリクス基板と、対向
基板と、アクティブマトリクス基板及び対向基板の間に液晶を有する液晶層と、を含む構
造である。上記構造にすることにより、同一工程により同一基板上に表示回路及び光検出
回路を作製することができるため、製造コストを低減することができる。

また、図１３乃至図１６を用いて説明したように、本実施の形態における入出力装置の構
造例は、光を透過させる部分を除き、遮光層が設けられた構造である。上記構造にするこ
とにより、例えばアクティブマトリクス基板に設けられたトランジスタへの光の入射を抑
制することができるため、光によるトランジスタの電気的特性（例えば閾値電圧など）の
変動を抑制することができる。

また、本実施の形態における入出力装置において、表示回路及び光検出回路と同一基板上
に表示駆動回路及び光検出駆動回路などの回路を設けてもよい。このとき、表示駆動回路
及び光検出駆動回路などの回路のトランジスタの構造を、表示回路及び光検出回路におけ
るトランジスタの構造と同じにしてもよい。

（実施の形態７）
本実施の形態では、上記実施の形態における入出力装置を備えた電子機器の例について説
明する。

本実施の形態における電子機器の構成例について、図１７（Ａ）乃至図１７（Ｄ）を用い
て説明する。図１７（Ａ）乃至図１７（Ｄ）は、本実施の形態における電子機器の構成例
を説明するための模式図である。

図１７（Ａ）に示す電子機器は、携帯型情報端末の例である。図１７（Ａ）に示す情報端
末は、筐体１００１ａと、筐体１００１ａに設けられた表示部１００２ａと、を具備する
。

なお、筐体１００１ａの側面１００３ａに外部機器に接続させるための接続端子、及び図
１７（Ａ）に示す携帯型情報端末を操作するためのボタンの一つ又は複数を設けてもよい
。

図１７（Ａ）に示す携帯型情報端末は、筐体１００１ａの中に、ＣＰＵと、メインメモリ
と、外部機器とＣＰＵ及びメインメモリとの信号の送受信を行うインターフェースと、外
部機器との信号の送受信を行うアンテナと、を備える。なお、筐体１００１ａの中に、特
定の機能を有する集積回路を一つ又は複数設けてもよい。

図１７（Ａ）に示す携帯型情報端末は、例えば電話機、電子書籍、パーソナルコンピュー
タ、及び遊技機の一つ又は複数としての機能を有する。

図１７（Ｂ）に示す電子機器は、折り畳み式の携帯型情報端末の例である。図１７（Ｂ）
に示す携帯型情報端末は、筐体１００１ｂと、筐体１００１ｂに設けられた表示部１００
２ｂと、筐体１００４と、筐体１００４に設けられた表示部１００５と、筐体１００１ｂ
及び筐体１００４を接続する軸部１００６と、を具備する。

また、図１７（Ｂ）に示す携帯型情報端末では、軸部１００６により筐体１００１ｂ又は
筐体１００４を動かすことにより、筐体１００１ｂを筐体１００４に重畳させることがで
きる。

なお、筐体１００１ｂの側面１００３ｂ又は筐体１００４の側面１００７に外部機器に接
続させるための接続端子、及び図１７（Ｂ）に示す携帯型情報端末を操作するためのボタ
ンの一つ又は複数を設けてもよい。

また、表示部１００２ｂ及び表示部１００５に、互いに異なる画像又は一続きの画像を表
示させてもよい。なお、表示部１００５を必ずしも設けなくてもよく、表示部１００５の
代わりに、入力装置であるキーボードを設けてもよい。

図１７（Ｂ）に示す携帯型情報端末は、筐体１００１ｂ又は筐体１００４の中に、ＣＰＵ
と、メインメモリと、外部機器とＣＰＵ及びメインメモリとの信号の送受信を行うインタ
ーフェースと、を備える。また、筐体１００１ｂ又は筐体１００４の中に、特定の機能を
有する集積回路を１つ又は複数設けてもよい。また、図１７（Ｂ）に示す携帯型情報端末
に、外部との信号の送受信を行うアンテナを設けてもよい。

図１７（Ｂ）に示す携帯型情報端末は、例えば電話機、電子書籍、パーソナルコンピュー
タ、及び遊技機の一つ又は複数としての機能を有する。

図１７（Ｃ）に示す電子機器は、設置型情報端末の例である。図１７（Ｃ）に示す設置型
情報端末は、筐体１００１ｃと、筐体１００１ｃに設けられた表示部１００２ｃと、を具
備する。

なお、表示部１００２ｃを、筐体１００１ｃにおける甲板部１００８に設けることもでき
る。

また、図１７（Ｃ）に示す設置型情報端末は、筐体１００１ｃの中に、ＣＰＵと、メイン
メモリと、外部機器とＣＰＵ及びメインメモリとの信号の送受信を行うインターフェース
と、を備える。なお、筐体１００１ｃの中に、特定の機能を有する集積回路を一つ又は複
数設けてもよい。また、図１７（Ｃ）に示す設置型情報端末に、外部との信号の送受信を
行うアンテナを設けてもよい。

さらに、図１７（Ｃ）に示す設置型情報端末における筐体１００１ｃの側面１００３ｃに
券などを出力する券出力部、硬貨投入部、及び紙幣挿入部の一つ又は複数を設けてもよい
。

図１７（Ｃ）に示す設置型情報端末は、例えば現金自動預け払い機、券などの注文をする
ための情報通信端末（マルチメディアステーションともいう）、又は遊技機としての機能
を有する。

図１７（Ｄ）は、設置型情報端末の例である。図１７（Ｄ）に示す設置型情報端末は、筐
体１００１ｄと、筐体１００１ｄに設けられた表示部１００２ｄと、を具備する。なお、
筐体１００１ｄを支持する支持台を設けてもよい。

なお、筐体１００１ｄの側面１００３ｄに外部機器に接続させるための接続端子、及び図
１７（Ｄ）に示す設置型情報端末を操作するためのボタンの一つ又は複数を設けてもよい
。

また、図１７（Ｄ）に示す設置型情報端末は、筐体１００１ｄの中に、ＣＰＵと、メイン
メモリと、外部機器とＣＰＵ及びメインメモリとの信号の送受信を行うインターフェース
と、を備えてもよい。また、筐体１００１ｄの中に、特定の機能を有する集積回路を一つ
又は複数設けてもよい。また、図１７（Ｄ）に示す設置型情報端末に、外部との信号の送
受信を行うアンテナを設けてもよい。

図１７（Ｄ）に示す設置型情報端末は、例えばデジタルフォトフレーム、入出力モニタ、
又はテレビジョン装置としての機能を有する。

上記実施の形態の入出力装置は、例えば電子機器の表示部として用いられ、例えば図１７
（Ａ）乃至図１７（Ｄ）に示す表示部１００２ａ乃至表示部１００２ｄとして用いられる
。また、図１７（Ｂ）に示す表示部１００５として上記実施の形態の入出力装置を用いて
もよい。

図１７を用いて説明したように、本実施の形態における電子機器の一例は、上記実施の形
態における入出力装置が用いられた入出力部を具備する構成である。上記構成にすること
により、例えば指又はペンを用いて電子機器の操作又は電子機器への情報の入力を行うこ
とができる。

また、本実施の形態における電子機器の一例では、筐体に、入射する照度に応じて電源電
圧を生成する光電変換部、及び入出力装置を操作する操作部のいずれか一つ又は複数を設
けてもよい。例えば光電変換部を設けることにより、外部電源が不要となるため、外部電
源が無い場所であっても、上記電子機器を長時間使用することができる。

１０１ａ 表示回路制御部
１０１ｂ 光検出回路制御部
１０１ｃ 光源部
１０１ｄ 画素部
１１１ 表示駆動回路
１１２ 表示データ信号出力回路
１１３ 光検出駆動回路
１１４ ライトユニット
１１５ｄ 表示回路
１１５ｐ 光検出回路
１１６ 読み出し回路
１３１ 光電変換素子
１３２ トランジスタ
１３３ トランジスタ
１３４ トランジスタ
１３５ トランジスタ
１６１ａ トランジスタ
１６１ｂ トランジスタ
１６２ａ 液晶素子
１６２ｂ 液晶素子
１６３ａ 容量素子
１６３ｂ 容量素子
１６４ 容量素子
１６５ トランジスタ
１６６ トランジスタ
４００ａ 基板
４００ｂ 基板
４００ｃ 基板
４０１ａ 導電層
４０１ｂ 導電層
４０１ｃ 導電層
４０２ａ 絶縁層
４０２ｂ 絶縁層
４０２ｃ 絶縁層
４０３ａ 酸化物半導体層
４０３ｂ 酸化物半導体層
４０３ｃ 酸化物半導体層
４０５ａ 導電層
４０５ｂ 導電層
４０５ｃ 導電層
４０６ａ 導電層
４０６ｂ 導電層
４０６ｃ 導電層
４０７ａ 絶縁層
４０７ｂ 絶縁層
４０８ａ 導電層
４０８ｂ 導電層
４４７ 絶縁層
５００ 基板
５０１ａ 導電層
５０１ｂ 導電層
５０１ｃ 導電層
５０１ｄ 導電層
５０１ｅ 導電層
５０１ｆ 導電層
５０１ｇ 導電層
５０１ｈ 導電層
５０１ｉ 導電層
５０１ｊ 導電層
５０１ｋ 導電層
５０２ 絶縁層
５０３ａ 半導体層
５０３ｂ 半導体層
５０３ｃ 半導体層
５０３ｄ 半導体層
５０３ｅ 半導体層
５０３ｊ 半導体層
５０４ａ 導電層
５０４ｂ 導電層
５０４ｃ 導電層
５０４ｄ 導電層
５０４ｅ 導電層
５０４ｆ 導電層
５０４ｇ 導電層
５０４ｈ 導電層
５０４ｉ 導電層
５０４ｊ 導電層
５０４ｋ 導電層
５０４ｌ 導電層
５０４ｍ 導電層
５０４ｎ 導電層
５０５ 絶縁層
５０６ 半導体層
５０６ａ 半導体層
５０６ｂ 半導体層
５０７ａ 半導体層
５０７ｂ 半導体層
５０８ 半導体層
５０８ａ 半導体層
５０８ｂ 半導体層
５０９ 絶縁層
５１０ 導電層
５１０ａ 導電層
５１０ｂ 導電層
５１０ｃ 導電層
５１２ 基板
５１３ 遮光層
５１６ 絶縁層
５１７ 導電層
５１８ 液晶層
６００ 基板
６０２ 下地絶縁層
６０６ 酸化物半導体層
６０８ ゲート絶縁層
６１０ ゲート電極
６１４ 電極
６１６ 層間絶縁層
６１８ 配線
６２０ 保護膜
７０１ 下地絶縁層
７０２ 絶縁物
７０３ａ 半導体領域
７０３ｂ 半導体領域
７０３ｃ 半導体領域
７０４ ゲート絶縁層
７０５ ゲート電極
７０６ａ 側壁絶縁物
７０６ｂ 側壁絶縁物
７０７ 絶縁物
７０８ａ ソース電極
７０８ｂ ドレイン電極
７５０ 基板
７５２ 下地絶縁層
７５４ 保護絶縁層
７５６ 酸化物半導体層
７５６ａ 高抵抗領域
７５６ｂ 低抵抗領域
７５８ ゲート絶縁層
７６０ ゲート電極
７６２ 側壁絶縁物
７６４ 電極
７６６ 層間絶縁層
７６８ 配線
８０１ 測定系
８１１ トランジスタ
８１２ トランジスタ
８１３ 容量素子
８１４ トランジスタ
８１５ トランジスタ
９００ 基板
９０１ 導電層
９０２ 絶縁層
９０３ 酸化物半導体層
９０５ 導電層
９０６ 導電層
９０７ 絶縁層
９０８ 平坦化層
９０９ 導電層
９１０ 導電層
９２７ 絶縁層
１００１ａ 筐体
１００１ｂ 筐体
１００１ｃ 筐体
１００１ｄ 筐体
１００２ａ 表示部
１００２ｂ 表示部
１００２ｃ 表示部
１００２ｄ 表示部
１００３ａ 側面
１００３ｂ 側面
１００３ｃ 側面
１００３ｄ 側面
１００４ 筐体
１００５ 表示部
１００６ 軸部
１００７ 側面
１００８ 甲板部

Claims (5)

1. 第１の光電変換素子と、第２の光電変換素子と、第１のトランジスタと、第２のトランジスタと、第３のトランジスタと、第４のトランジスタと、を有し、
   前記第３のトランジスタと前記第４のトランジスタとは、直列に電気的に接続され、
   前記第１の光電変換素子は、前記第１のトランジスタを介して、前記第３のトランジスタのゲートと電気的に接続され、
   前記第２の光電変換素子は、前記第２のトランジスタを介して、前記第３のトランジスタのゲートと電気的に接続され、
   前記第１のトランジスタのゲート、及び、前記第２のトランジスタのゲートには、互いに異なる信号が入力され、
   前記第１のトランジスタ、及び、前記第２のトランジスタは、チャネルが酸化物半導体層に形成され、
   前記酸化物半導体層は、キャリア濃度が１×１０^１１／ｃｍ^３未満であることを特徴とする光センサ。
2. 第１の光電変換素子と、第２の光電変換素子と、第１のトランジスタと、第２のトランジスタと、第３のトランジスタと、第４のトランジスタと、を有し、
   前記第３のトランジスタと前記第４のトランジスタとは、直列に電気的に接続され、
   前記第１の光電変換素子は、前記第１のトランジスタを介して、前記第３のトランジスタのゲートと電気的に接続され、
   前記第２の光電変換素子は、前記第２のトランジスタを介して、前記第３のトランジスタのゲートと電気的に接続され、
   前記第１のトランジスタのゲート、及び、前記第２のトランジスタのゲートには、互いに異なる信号が入力され、
   前記第１のトランジスタ、及び、前記第２のトランジスタは、チャネルが酸化物半導体層に形成され、
   前記酸化物半導体層は、前記酸化物半導体層の被形成面に対して垂直な方向に沿うようにｃ軸配向した複数の領域を有し、キャリア濃度が１×１０^１１／ｃｍ^３未満であり、
   前記複数の領域では、ａ軸又はｂ軸の向きが異なることを特徴とする光センサ。
3. 請求項１又は請求項２において、
   前記酸化物半導体層のナトリウム濃度は、１×１０^１５／ｃｍ^３以下であることを特徴とする光センサ。
4. 請求項１又は請求項２において、
   前記酸化物半導体層のリチウム濃度は、１×１０^１５／ｃｍ^３以下であることを特徴とする光センサ。
5. 請求項１又は請求項２において、
   前記酸化物半導体層のカリウム濃度は、１×１０^１５／ｃｍ^３以下であることを特徴とする光センサ。