光電変換装置及び電子機器
【課題】光電変換における光の照度に対する分解能を高めることを課題の一つとする。
【解決手段】入射した光の照度に応じて第１の電流を生成する光電変換回路１００と、第１の電流に応じて電気容量が変化する充放電手段を有する充放電回路１０１と、オン状態またはオフ状態になることにより光電変換回路１００と充放電回路１０１との導通を制御する第１のスイッチング素子１１１と、一定の値である第２の電流を生成する電流回路１０２と、オン状態またはオフ状態になることにより充放電回路１０１と電流回路１０２との導通を制御する第２のスイッチング素子１１２と、第１の入力端子及び第２の入力端子を有し、前記第１の入力端子に基準電位である信号が入力され、前記第２の入力端子が充放電回路１０１に電気的に接続されたコンパレータ１０３と、を有する構成とする。
【解決手段】入射した光の照度に応じて第１の電流を生成する光電変換回路１００と、第１の電流に応じて電気容量が変化する充放電手段を有する充放電回路１０１と、オン状態またはオフ状態になることにより光電変換回路１００と充放電回路１０１との導通を制御する第１のスイッチング素子１１１と、一定の値である第２の電流を生成する電流回路１０２と、オン状態またはオフ状態になることにより充放電回路１０１と電流回路１０２との導通を制御する第２のスイッチング素子１１２と、第１の入力端子及び第２の入力端子を有し、前記第１の入力端子に基準電位である信号が入力され、前記第２の入力端子が充放電回路１０１に電気的に接続されたコンパレータ１０３と、を有する構成とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換装置に関する。また、電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
電磁波を検知するための用途に用いられる光電変換装置は数多く知られており、例えば紫外線から赤外線にかけて感度を有するものは総括して光センサと呼ばれている。その中でも波長４００ｎｍ〜７００ｎｍの可視光線領域に感度を持つものは特に可視光センサと呼ばれ、人間の生活環境に応じて照度調整や、オン状態（ＯＮともいう）またはオフ状態（ＯＦＦともいう）の制御などが必要な機器類に数多く用いられている。
【０００３】
表示装置では、表示装置の周囲の明るさを検出し、その表示輝度を調整することが行なわれているものもある。光センサにより、周囲の明るさを検出して適度な表示輝度を得ることによって、視認性を向上させる、また、表示装置の余分な電力を低減することができるからである。例えば、輝度調整用の光センサを具備する表示装置としては、携帯電話、表示部付きコンピュータが挙げられる。また表示部周囲の明るさだけではなく、表示装置、特に液晶表示装置のバックライトの輝度を光センサにより検出し、表示画面の輝度を調整することも行われている。
【０００４】
光電変換装置である光センサは、光のセンシング部分にフォトダイオードなどの光電変換素子を用い、光電変換素子に流れる電流量に基づいて光の強度を検出することができる。特許文献１には電荷蓄積型の光センサについて記載されており、具体的には、入射光量に応じてフォトダイオードから流れる電流によりコンデンサ（容量素子ともいう）に蓄積された電荷を定電流回路（定電流源ともいう）により放電させることで変化する電位をコンパレータで検出し、コンパレータで検出した電位の変化に要する時間からカウンター回路及びラッチ回路を用いてデジタル信号を生成する構成について記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平６−３１３８４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の光電変換装置は、光電変換処理において入射した光の照度に対する分解能が低いといった問題がある。例えば従来の光電変換装置において、一定の値以上の高い照度の光が入射し、生成された光電流に応じた電荷の値がコンデンサに蓄積可能な電荷の値を超えた場合、コンデンサには電気容量に応じた値の電荷しか蓄積することができない。これにより例えば表示装置などに搭載した場合において所望の表示輝度に調整することができない。
【０００７】
上記問題を鑑み、本発明の一態様では、光電変換処理において光の照度に対する分解能を向上させることを課題の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様は、入射した光の照度に応じて第１の電流を生成する光電変換回路と、第１の電流に応じて電気容量が変化する充放電手段を有する充放電回路と、オン状態またはオフ状態になることにより光電変換回路と充放電回路との導通を制御する第１のスイッチング素子と、一定の値である第２の電流を生成する電流回路と、オン状態またはオフ状態になることにより充放電回路と電流回路との導通を制御する第２のスイッチング素子と、第１の入力端子及び第２の入力端子を有し、第１の入力端子に基準電位である信号が入力され、第２の入力端子が充放電回路に電気的に接続されたコンパレータと、を有する光電変換装置。
【０００９】
なお、本発明の一態様において、第１のスイッチング素子は、第２のスイッチング素子がオン状態のときにオフ状態になり、第２のスイッチング素子は、第１のスイッチング素子がオン状態のときにオフ状態になる構成とすることもできる。
【００１０】
また、本発明の一態様において、充放電回路は、第１端子及び第２端子を有し、第１端子がコンパレータの第２の入力端子に電気的に接続された第１の容量素子と、第１端子及び第２端子を有する第２の容量素子と、第１の電流に応じてオン状態またはオフ状態が制御され、オン状態またはオフ状態になることにより、第１の容量素子の第１端子と第２の容量素子の第１端子との導通を制御する第３のスイッチング素子と、を有する構成とすることもできる。
【００１１】
また、本発明の一態様において、オン状態またはオフ状態になることによりコンパレータの第２の入力端子とコンパレータの出力端子との導通を制御する第４のスイッチング素子を有する構成とすることもできる。
【００１２】
また、本発明の一態様において第２の基準電位と、コンパレータの第２の入力端子と充放電回路との接続部の電位とを比較し、比較結果により第３のスイッチング素子のオン状態またはオフ状態を制御する制御信号を出力する比較回路を有する構成とすることもできる。
【００１３】
また、本発明の一態様において、光電変換回路は、光電変換素子と、光電変換素子に流れる電流を増幅する増幅回路と、を有する構成とすることもできる。
【００１４】
また、本発明の一態様においてクロック信号を生成するクロック信号生成回路と、クロック信号のエッジをカウントするカウンター回路と、コンパレータの出力信号に応じてカウンター回路のカウント値を保持するラッチ回路と、を有する構成とすることもできる。
【００１５】
また、本発明の一態様は、上記光電変換装置を搭載した電子機器である。
【００１６】
なお、本書類（明細書、特許請求の範囲または図面など）において、トランジスタは、ゲート端子、ソース端子、及びドレイン端子の少なくとも３つの端子を有し、ゲート端子とは、ゲート電極の部分（ゲートとなる領域、導電層、及び配線などを含む）または、ゲート電極と電気的に接続されている部分の一部のことを表す。また、ソース端子とは、ソース電極の部分（ソースとなる領域、導電層、及び配線などを含む）や、ソース電極と電気的に接続されている部分の一部のことを表す。また、ドレイン端子とは、ドレイン電極の部分（ドレインとなる領域、導電層、及び配線などを含む）や、ドレイン電極と電気的に接続されている部分の一部のことを表す。またトランジスタは、ドレイン領域とソース領域の間にチャネル領域を有し、ゲート端子の電位に応じてドレイン領域とソース領域の間に電流を流すことができる。
【００１７】
また、本書類（明細書、特許請求の範囲または図面など）において、トランジスタのソース端子とドレイン端子は、トランジスタの構造や動作条件などによって変わるため、いずれの端子がソース端子またはドレイン端子であるかを限定することが困難である。そこで、本書類（明細書、特許請求の範囲または図面など）においては、ソース端子及びドレイン端子から任意に選択した一方の端子をソース端子及びドレイン端子の一方と表記し、他方の端子をソース端子及びドレイン端子の他方と表記する。
【００１８】
また、本書類（明細書及び特許請求の範囲など）において、容量素子は、２つの電極と、誘電体層と、を有し、２つの電極のうち一方の電極側の端子を第１端子といい、他方の電極側の端子を第２端子という。
【００１９】
なお、本書類（明細書及び特許請求の範囲など）において、Ａの上にＢが形成されている、あるいは、Ａ上にＢが形成されている、と明示的に記載する場合は、Ａの上にＢが直接接して形成されていることに限定されない。直接接してはいない場合、つまり、ＡとＢと間に別の対象物が介在する場合も含むものとする。ここで、Ａ、Ｂは、対象物（例えば、装置、素子、回路、配線、電極、端子、導電膜、層、など）であるとする。
【００２０】
従って例えば、層Ａの上に（もしくは層Ａ上に）、層Ｂが形成されている、と明示的に記載されている場合は、層Ａの上に直接接して層Ｂが形成されている場合と、層Ａの上に直接接して別の層（例えば層Ｃや層Ｄなど）が形成されていて、その上に直接接して層Ｂが形成されている場合とを含むものとする。なお、別の層（例えば層Ｃや層Ｄなど）は、単層でもよいし、複層でもよい。
【００２１】
なお、Ａの上にＢが形成されているまたはＡ上にＢが形成されていると明示的に記載する場合、Ａの斜め上にＢが形成される場合も含むこととする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の一態様により、光電変換処理において光の照度に対する分解能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】実施の形態１における光電変換装置の回路構成の一例を示す回路図である。
【図２】図１に示す光電変換装置の動作を示すタイミングチャート図である。
【図３】実施の形態１における光電変換装置の回路構成の一例を示す回路図である。
【図４】実施の形態１の光電変換装置における光電変換回路の回路構成の一例を示す回路図である。
【図５】実施の形態１の光電変換装置における比較回路の回路構成の一例を示す回路図である。
【図６】実施の形態１の光電変換装置の回路構成の一例を示す回路図である。
【図７】図６に示す光電変換装置の動作を示すタイミングチャート図である。
【図８】図６に示す光電変換装置の動作を示すタイミングチャート図である。
【図９】入射した光の照度とカウンター回路のカウント値との関係を示す図である。
【図１０】実施の形態２における光電変換装置の回路構成の一例を示す回路図である。
【図１１】図１０に示す光電変換装置の動作を示すタイミングチャート図である。
【図１２】図１０に示す光電変換装置の動作を示すタイミングチャート図である。
【図１３】実施の形態３における光電変換装置の作製方法の一例を示す断面模式図である。
【図１４】実施の形態３における光電変換装置の作製方法の一例を示す断面模式図である。
【図１５】実施の形態４における電子機器の構成の一例を示す模式図である。
【図１６】実施の形態４における電子機器の構成の一例を示す模式図である。
【図１７】実施の形態４における電子機器の構成の一例を示す模式図である。
【図１８】実施の形態４における電子機器の構成の一例を示す模式図である。
【図１９】実施の形態４における電子機器の構成の一例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明の実施の形態例について、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。
【００２５】
（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明の一態様である光電変換装置について説明する。
【００２６】
まず本実施の形態の光電変換装置の構成について図１を用いて説明する。図１は、本実施の形態の光電変換装置の回路構成の一例を示す回路図である。
【００２７】
図１に示す光電変換装置は、少なくとも光電変換回路１００と、充放電回路１０１と、電流回路１０２と、コンパレータ１０３と、第１のスイッチング素子１１１と、第２のスイッチング素子１１２と、を有する。
【００２８】
なお本書類（明細書及び特許請求の範囲など）において、光電変換とは、光が入射されることにより、入射した光の照度に応じた電流が生成されることをいう。
【００２９】
また本書類（明細書及び特許請求の範囲など）において、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、数的に限定するものではないことを付記する。
【００３０】
光電変換回路１００は、外部から入射した光の照度に応じて第１の電流（ＩＬともいう）を生成する機能を有する。第１の電流の値は、光の照度によって変化する。
【００３１】
充放電回路１０１は、充放電手段を有する。充放電手段は、光電変換回路１００における第１の電流の値に応じて電気容量を段階的に変化させることができる。
【００３２】
電流回路１０２は、一定の値である第２の電流（定電流ともいう）を生成する機能を有する。
【００３３】
コンパレータ１０３は、充放電回路１０１に電気的に接続される。また、コンパレータ１０３は、充放電回路１０１との接続部の電位と基準電位（第１の基準電位ともいう）とを比較し、比較結果に従って出力信号を出力する機能を有する。
【００３４】
さらに図１に示す光電変換装置の回路構成について詳細に説明する。
【００３５】
充放電回路１０１は、第１のスイッチング素子１１１を介して光電変換回路１００に電気的に接続される。すなわち第１のスイッチング素子１１１は、オン状態またはオフ状態になることにより、光電変換回路１００と充放電回路１０１との導通を制御する機能を有する。
【００３６】
第１のスイッチング素子１１１及び第２のスイッチング素子１１２は、一方の端子と他方の端子との導通または非導通を制御できるものであればよく、特定のものに限定されない。第１のスイッチング素子１１１または第２のスイッチング素子１１２としては、電気的に動作するスイッチング素子（電気的スイッチング素子ともいう）や機械的に動作するスイッチング素子（機械的スイッチング素子ともいう）などがあり、一例として薄膜トランジスタを用いて構成すればよい。また薄膜トランジスタを複数用いたアナログスイッチを用いることもできる。また、第１のスイッチング素子１１１は、第２のスイッチング素子１１２がオン状態のときにオフ状態になる機能を有し、第２のスイッチング素子１１２は、第１のスイッチング素子１１１がオン状態のときにオフ状態になる機能を有する。
【００３７】
また、電流回路１０２は、第２のスイッチング素子１１２を介して充放電回路１０１に電気的に接続される。すなわち第２のスイッチング素子１１２は、オン状態またはオフ状態になることにより、電流回路１０２と充放電回路１０１との導通を制御する機能を有する。
【００３８】
また、コンパレータ１０３は、第１端子（反転入力端子、または第１の入力端子ともいう）と第２端子（入力端子、または第２の入力端子ともいう）と、を有し、第１端子が電位供給端子１０４に電気的に接続され、第２端子が充放電回路１０１に電気的に接続され、且つ第１のスイッチング素子１１１を介して光電変換回路１００に電気的に接続され、且つ第２のスイッチング素子１１２を介して電流回路１０２に電気的に接続され、第３端子（出力端子ともいう）が出力端子１０５に電気的に接続される。すなわち、第１のスイッチング素子１１１は、オン状態またはオフ状態になることにより光電変換回路１００とコンパレータ１０３の第２端子との導通を制御する機能を有し、第２のスイッチング素子１１２は、オン状態またはオフ状態になることにより電流回路１０２とコンパレータ１０３の第２端子との導通を制御する機能を有する。なお、図１において、コンパレータ１０３の第２の入力端子と、充放電回路１０１との接続部をノード１０６ともいう。
【００３９】
光電変換回路１００は、例えば光電変換素子を用いて構成することができる。光電変換素子としては例えばフォトダイオードやフォトトランジスタなどを適用することができる。また、光電変換回路１００は、光電変換素子と、増幅回路を設けた構成とすることもできる。増幅回路を設けることにより、出力電流を増幅させることができるため、入射した光の照度が光電変換処理を行えないほど低い場合であっても、光電変換処理を行うために十分な出力電流を生成することができる。増幅回路は、例えばカレントミラー回路などを用いて構成することができる。
【００４０】
充放電回路１０１は、例えばスイッチング素子と、スイッチング素子を介して並列接続で電気的に接続され、充放電手段となる複数の容量素子と、を用いて構成することができる。スイッチング素子としては上記第１のスイッチング素子１１１乃至第２のスイッチング素子１１２に適用可能なものと同様のものを適用することができる。また充放電回路１０１は、可変容量を用いて構成することもできる。
【００４１】
電流回路１０２は、一定の電流である第２の電流が生成される電流源を用いて構成することができる。なお本明細書において一定とは、実質的に一定である場合も含まれる。
【００４２】
また、本実施の形態の光電変換装置は、電位供給端子１０４を介して基準電位（Ｖｒｅｆともいう）が与えられる。Ｖｒｅｆの値は、光電変換装置の構成を考慮して設定することができる。
【００４３】
次に図１に示す光電変換装置の動作について図２を用いて説明する。図２は図１に示す光電変換装置の動作を示すタイミングチャート図である。なお本実施の形態では、光電変換回路１００によって生成される第１の電流の値が基準電流（Ｉｒｅｆともいう）の値より低い場合と高い場合についてそれぞれ説明する。なおＩｒｅｆの値は、充放電回路１０１における充放電手段の電気容量を考慮して設定された任意の値である。
【００４４】
図２に示すように、図１に示す光電変換装置の動作は、第１の期間２３１、第２の期間２３２、及び第３の期間２３３に分けられる。なお第２の期間２３２を蓄積期間とし、第３の期間２３３を放電期間とする。
【００４５】
まずＩＬ＜Ｉｒｅｆの場合について説明する。なおこのとき充放電回路１０１の電気容量をＣａとする。
【００４６】
まず第１の期間２３１では、第１のスイッチング素子１１１がオフ状態になり、第２のスイッチング素子１１２がオフ状態になる。
【００４７】
このときノード１０６の電位（Ｖ１０６ともいう）がリセットされ、Ｖｒｅｆになる。このときのＶｒｅｆは、図示しないが電位供給端子１０４を介して与えることもでき、また別途端子を設けて与えることもできる。またスイッチング素子を介してコンパレータ１０３の第２の入力端子と出力端子とを電気的に接続させることにより、Ｖｒｅｆからコンパレータ１０３のオフセット電位分を引いた値に設定することもできる。これにより、コンパレータ１０３のオフセット電位が経時変化した場合においてもコンパレータ１０３の入出力信号を補正することができる。
【００４８】
さらに、このとき出力端子１０５を介して出力される出力信号の電位（Ｖ１０５ともいう）はＶｒｅｆとなる。以上が第１の期間２３１における動作である。
【００４９】
次に第２の期間２３２では、第１のスイッチング素子１１１がオン状態になり、第２のスイッチング素子１１２がオフ状態になる。
【００５０】
このとき光電変換回路１００において生成される第１の電流の値に応じた値の電荷が充放電回路１０１に蓄積される。このときＶ１０６は、時間ｔ０でＶｘまで上昇する。なおＶｘは、接地電位（Ｖｓｓともいう）より高く、充放電回路１０１に可能な限り電荷が蓄積されたときの電位Ｖｍａｘより低い任意の値である。
【００５１】
さらにこのときＶ１０５は、Ｖ１０６の値がＶｒｅｆの値より高く、コンパレータ１０３の出力信号がＶｓｓであるため、Ｖｓｓ（ロウ状態ともいう）となる。以上が第２の期間２３２における動作である。
【００５２】
次に第３の期間２３３では、第１のスイッチング素子１１１がオフ状態になり、第２のスイッチング素子１１２がオン状態になる。
【００５３】
このとき電流回路１０２において第２の電流が流れ、第２の電流に応じて第１の期間２３１において充放電回路１０１に蓄積された電荷が一定量ずつ放出される。このときＶ１０６は下降し、時間ｔ１でＶｒｅｆになり、その後Ｖｓｓになる。Ｖ１０６がＶｘからＶｒｅｆまで下降する時間（放電時間ともいう）、すなわち時間ｔ０から時間ｔ１までの時間は、充放電回路１０１に蓄積される電荷の値によって異なり、さらに充放電回路１０１に蓄積される電荷の値は、充放電回路１０１の電気容量、または光電変換回路１００により生成される第１の電流によって異なる。
【００５４】
さらにこのときＶ１０５は、Ｖ１０６がＶｒｅｆより低く、コンパレータ１０３の出力信号の電位がＶｄｄ（ハイ状態ともいう）であるため、Ｖｄｄとなる。なお、ＶｄｄはＶｓｓより高い任意の値の電位である。以上が第３の期間２３３における動作である。
【００５５】
本実施の形態の光電変換装置では、第２の期間２３２における充放電回路１０１の放電時間を利用することにより、光電変換回路１００に入射した光の照度に応じた値の電位である信号を生成することができる。
【００５６】
次にＩＬ＞Ｉｒｅｆの場合について説明する。
【００５７】
まず第１の期間については、ＩＬ＜Ｉｒｅｆの場合と同様であるため、ＩＬ＜Ｉｒｅｆの場合における光電変換装置の動作の説明を援用する。
【００５８】
次に第２の期間２３２では、第１のスイッチング素子１１１がオン状態になり、第２のスイッチング素子１１２がオフ状態になる。
【００５９】
このとき光電変換回路１００にて生成される第１の電流の値に応じた値の電荷が充放電回路１０１に蓄積される。このときＶ１０６は上昇し、Ｖｚになったところで充放電回路１０１の電気容量がＣａより大きいＣｂに変化する。さらに充放電回路１０１に電荷が蓄積され、Ｖ１０６は時間ｔ０でＶｙまで上昇する。Ｖｙは、Ｖｓｓより高く、充放電回路１０１に可能な限り電荷が蓄積されたときの電位Ｖｍａｘより低い任意の値である。このとき単位時間当たりのＶ１０６の上昇量は、ＩＬ＜Ｉｒｅｆの場合より低くなるため、ＩＬ＞Ｉｒｅｆの場合、すなわち光電変換回路１００において生成された第１の電流に応じた値の電荷が充放電回路１０１に蓄積可能な電荷の値を超えることなく、第１の電流に応じた電荷を充放電回路１０１に蓄積することができる。
【００６０】
さらにこのときＶ１０５の値は、Ｖ１０６がＶｒｅｆより低く、コンパレータ１０３の出力端子を介して出力される出力信号の電位がＶｓｓであるため、Ｖｓｓである。以上が第２の期間２３２における動作である。
【００６１】
次に第３の期間２３３では、第１のスイッチング素子１１１がオフ状態になり、第２のスイッチング素子１１２がオン状態になる。
【００６２】
このとき電流回路１０２において第２の電流が流れ、第２の電流に応じて第１の期間２３１において充放電回路１０１に蓄積された電荷が一定量ずつ放出される。このときＶ１０６は下降し、時間ｔ２でＶｒｅｆになり、その後Ｖｓｓになる。Ｖ１０６がＶｙからＶｒｅｆまで下降する時間（放電時間ともいう）、すなわち時間ｔ０から時間ｔ２までの時間は、充放電回路１０１に蓄積される電荷の値によって異なり、さらに充放電回路１０１に蓄積される電荷の値は、光電変換回路１００により生成される第１の電流の値によって異なる。さらにこのときＶ１０５は、Ｖ１０６がＶｒｅｆより高く、コンパレータ１０３の出力端子を介して電位がＶｄｄである出力信号が出力されるため、Ｖｄｄとなる。以上が第３の期間２３３における動作である。
【００６３】
なお、図１に示す光電変換装置の動作において第２の期間２３２を充電期間とし、第３の期間２３３を放電期間としたが、これに限定されず、本実施の形態の光電変換装置では、第２の期間２３２を放電期間とし、第３の期間２３３を充電期間とし、第１の期間２３１で予め所定の値の電荷が蓄積された充放電回路１０１において、第２の期間２３２で電荷を放出し、第３の期間２３３において電荷を蓄積する構成とすることもできる。このとき第２の期間２３２における所定の値の電荷が蓄積するまでの時間を利用することにより光電変換回路１００に入射した光の照度に応じた値の信号を生成することができる。
【００６４】
以上のように、本実施の形態の光電変換装置は、光電変換回路において生成される第１の電流の値に応じ、すなわち入射した光の照度に応じて充放電回路の充放電手段の電気容量の値を変化させることにより、第１の電流に応じた電荷が充放電回路に蓄積可能な電荷の値を超えることなく、充放電回路に第１の電流に応じた電荷の蓄積または放出を行うことができるため、光電変換処理における照度に対する分解能を向上させることができる。
【００６５】
さらに本実施の形態の光電変換装置の構成について図３を用いて説明する。図３は、本実施の形態における光電変換装置の構成の一例を示す回路図である。
【００６６】
図３に示す光電変換装置は、光電変換回路１００と、充放電回路１０１と、電流回路１０２と、コンパレータ１０３と、電位供給端子１０４と、出力端子１０５と、ノード１０６と、第１のスイッチング素子１１１と、第２のスイッチング素子１１２と、を有する。なお、図１に示す光電変換装置の回路及び素子と同じ符号である回路及び素子については、図１に示した光電変換装置の各素子及び回路の構成の説明を適宜援用し、図３に示す光電変換装置においては説明を省略する。
【００６７】
さらに図３に示す光電変換装置の構成について詳細に説明する。
【００６８】
まず光電変換回路１００の構成について説明する。
【００６９】
光電変換回路１００の構成について図４を用いて説明する。図４は本実施の形態における光電変換回路１００の構成の一例を示す図である。
【００７０】
図４に示す光電変換回路１００は、少なくとも光電変換素子２００と、増幅回路２０１と、を有する。
【００７１】
光電変換素子２００は、光が入射することにより、入射した光の照度に応じた光電流を生成する機能を有する。
【００７２】
増幅回路２０１は、光電変換素子２００により生成された光電流に応じて出力電流を増幅する機能を有する。
【００７３】
さらに増幅回路２０１は、参照用トランジスタである第１のトランジスタ２１１と出力用トランジスタである第２のトランジスタ２１２とからなるカレントミラー回路により構成することができる。なお図４に示す光電変換回路１００において、カレントミラー回路を第１のトランジスタ２１１及び第２のトランジスタ２１２により構成する例について示しているが、これに限定されず、本実施の形態の光電変換装置における光電変換回路では、第１のトランジスタ２１１及び第２のトランジスタ２１２をそれぞれ複数設けてカレントミラー回路を構成することもできる。
【００７４】
さらに、光電変換回路１００は、光電変換素子２００及び増幅回路２０１に加え、第１の電位供給端子２２１と、第２の電位供給端子２２２と、第３の電位供給端子２２３と、を有する。
【００７５】
光電変換素子２００は、第１端子（陽極側の端子）が第２の電位供給端子２２２に電気的に接続され、第２端子（陰極側の端子）が第１のトランジスタ２１１のソース端子及びドレイン端子の一方に電気的に接続される。
【００７６】
増幅回路２０１において、第１のトランジスタ２１１は、ゲート端子がソース端子及びドレイン端子の他方に電気的に接続され、ソース端子及びドレイン端子の一方が第１の電位供給端子２２１に電気的に接続される。第２のトランジスタ２１２は、ゲート端子が第１のトランジスタ２１１のゲート端子に電気的に接続され、ソース端子及びドレイン端子の一方が第３の電位供給端子２２３に電気的に接続され、ソース端子及びドレイン端子の他方が第１のスイッチング素子１１１を介して充放電回路１０１に電気的に接続される。このとき第１のトランジスタ２１１及び第２のトランジスタ２１２はｐチャネル型トランジスタである。
【００７７】
図４に示す光電変換回路１００は、第１の電位供給端子２２１及び第３の電位供給端子２２３を介して電源電位が与えられ、第２の電位供給端子２２２を介して接地電位が与えられる。
【００７８】
次に図４に示す光電変換回路１００の動作について説明する。
【００７９】
光電変換素子２００に光が入射すると、入射した光の照度に応じた光電流が光電変換素子２００にて生成され、光電流に応じて第１のトランジスタ２１１がオン状態になり、第１のトランジスタ２１１のソース端子及びドレイン端子の間に電流が流れる。また、光電流に応じて第２のトランジスタ２１２がオン状態になり、第２のトランジスタ２１２のソース端子及びドレイン端子の間に第１の電流として光電流を増幅させた電流（増幅電流ともいう）が流れる。以上が光電変換回路１００における動作である。
【００８０】
次に充放電回路１０１の構成について説明する。
【００８１】
充放電回路１０１は、Ｎ個（Ｎは２以上の自然数）の容量素子と、Ｎ−１個の第３のスイッチング素子と、を有する。
【００８２】
Ｎ個の容量素子のうち、第１番目の容量素子は、第１端子が第１のスイッチング素子１１１を介して光電変換回路１００に電気的に接続される。すなわち、第１のスイッチング素子１１１は、オン状態またはオフ状態になることにより第１番目の容量素子の第１端子と光電変換回路１００との導通を制御する機能を有する。
【００８３】
Ｎ個の容量素子のうち、第Ｋ番目（２≦Ｋ≦Ｎ、Ｋは自然数）の容量素子は、第１端子が第Ｋ−１番目の第３のスイッチング素子を介して第Ｋ−１番目の容量素子の第１端子に電気的に接続される。すなわち、第Ｋ−１番目の第３のスイッチング素子は、オン状態またはオフ状態になることにより第Ｋ番目の容量素子の第１端子と第Ｋ−１番目の容量素子の第１端子との導通を制御する機能を有する。
【００８４】
またＮ−１個の第３のスイッチング素子は、光電変換回路１００において生成される第１の電流の値に応じて第１番目からそれぞれ所望のタイミングで順次オン状態になる機能を有する。
【００８５】
図３に示す光電変換装置では、充放電回路１０１の構成の一例として、第１の容量素子１４１と、第２の容量素子１４２と、第３のスイッチング素子１１３と、を有する例を示している。
【００８６】
第１の容量素子１４１は、第１端子がコンパレータ１０３の第２の入力端子に電気的に接続され、第２端子が接地される。
【００８７】
また、第２の容量素子１４２は、第１端子が第３のスイッチング素子１１３を介して第１の容量素子１４１の第１端子に電気的に接続され、第２端子が接地される。
【００８８】
第３のスイッチング素子１１３は、第１の電流に応じてオン状態またはオフ状態が制御され、第１の容量素子１４１の第１端子と第２の容量素子１４２の第１端子との導通を制御する機能を有する。また、第３のスイッチング素子１１３は、所望のタイミングにおいてオン状態になることが好ましい。第３のスイッチング素子１１３のオン状態になるタイミングは、例えば比較回路を設けることにより設定することができる。比較回路の構成の一例について図５に示す。
【００８９】
図５に示す比較回路は、第１の電位供給端子３０１と、第２の電位供給端子３０２と、第３の電位供給端子３０３と、第４の電位供給端子３０４と、分圧回路３０５と、コンパレータ３０６と、ラッチ回路３０７と、ＯＲ回路３０８と、第５の電位供給端子３０９と、出力端子３１０と、を有する。
【００９０】
分圧回路３０５は、第１の電位供給端子３０１を介して与えられる電位と第２の電位供給端子３０２を介して与えられる電位との電位差である電圧を分圧する機能を有する。
【００９１】
コンパレータ３０６は、第１の入力端子、第２の入力端子、及び出力端子を有し、第１の入力端子に入力され、分圧回路３０５において分圧された電圧に応じた電位（分圧電位、または第２の基準電位ともいう）と、第３の電位供給端子３０３を介して第２の入力端子に入力される電位とを比較し、比較結果に応じた電位の出力信号を出力する機能を有する。なお第３の電位供給端子３０３を介して入力される電位は、図３に示す光電変換装置におけるノード１０６の電位である。なお、分圧電位の値は、第１の容量素子１４１の電気容量の値によって任意の値に設定される。
【００９２】
ラッチ回路３０７は、第１の入力端子、第２の入力端子、及び出力端子を有し、第１の入力端子に入力されたコンパレータ３０６の出力信号の値（電位）を保持する機能を有する。コンパレータ３０６の出力信号の値が保持されている間はラッチ回路３０７の出力信号の電位がラッチ回路３０７の第１の入力端子に入力される入力信号の電位と等しくなる。また、ラッチ回路３０７は、第４の電位供給端子３０４を介して第２の入力端子に第１のリセット電位が与えられることによりラッチ回路３０７に保持された信号の値はリセットされる。
【００９３】
ＯＲ回路３０８は、ラッチ回路３０７から入力された信号がハイ状態のとき、または第５の電位供給端子３０９を介して第２のリセット電位が与えられることにより、ハイ状態である信号を出力端子３１０に出力する。
【００９４】
また、図５に示す比較回路は、出力端子３１０を介してＯＲ回路３０８の出力信号を出力する。このとき出力信号は、図３における第３のスイッチング素子１１３の制御信号となり、例えば出力信号がハイ状態の場合には、第３のスイッチング素子１１３がオン状態になり、出力信号がロウ状態の場合には、第３のスイッチング素子１１３がオフ状態になる。
【００９５】
例えば上記のような構成の比較回路を設けることにより、複数の容量素子の接続の切換を行うことができる。
【００９６】
電流回路１０２は、電流源１５０を有し、電流源１５０は、第１端子が第２のスイッチング素子１１２を介して充放電回路１０１における第１の容量素子１４１の第１端子に電気的に接続され、第２端子が接地される。すなわち、第２のスイッチング素子１１２は、電流源１５０の第１端子と第１の容量素子１４１の第１端子との導通を制御する機能を有する。このとき第２の電流は第１端子から第２端子に流れる。
【００９７】
また、図３に示す光電変換装置は、第４のスイッチング素子１１４を有する。第４のスイッチング素子１１４を介してコンパレータ１０３の第２の入力端子と出力端子とが電気的に接続される。すなわち、第４のスイッチング素子１１４は、コンパレータ１０３の第２の入力端子と出力端子との導通を制御する機能を有する。なお、第４のスイッチング素子１１４としては、上記第１のスイッチング素子１１１乃至第３のスイッチング素子１１３に適用可能なスイッチング素子と同様のものを適用することができる。
【００９８】
さらに図３に示す光電変換装置の回路構成に加え、入射した光の照度に応じて生成された信号をデジタル信号に変換するための回路を設けた光電変換装置の構成について図６を用いて説明する。図６は、本実施の形態における光電変換装置の構成の一例を示す回路図である。
【００９９】
図６に示す光電変換装置は、図３に示す光電変換装置の回路構成に加え、定電圧回路１２１（レギュレータともいう）、制御回路１２２、ラッチ回路１２３、カウンター回路１２４、クロック信号生成回路１２５、及びインターフェース回路１２６を有する。
【０１００】
定電圧回路１２１は、一定の値の電圧（定電圧ともいう）を生成する機能を有する。生成された定電圧は、例えば基準電位として出力される。また定電圧回路１２１は、必要に応じ、制御回路１２２、ラッチ回路１２３、カウンター回路１２４、クロック信号生成回路１２５、またはインターフェース回路１２６に各回路を駆動するための電位（電源電位ともいう）を出力することもできる。
【０１０１】
また、制御回路１２２は、本実施の形態の光電変換装置内のスイッチング素子のオン状態またはオフ状態のタイミングを制御する機能を有し、また本実施の形態の光電変換装置のいずれかをリセットするための信号（リセット信号ともいう）を生成する機能を有する。また制御回路１２２は、ラッチ回路１２３、カウンター回路１２４、クロック信号生成回路１２５、またはインターフェース回路１２６における各信号の同期をとることもできる。
【０１０２】
また、ラッチ回路１２３は、コンパレータ１０３の出力端子（図３に示す出力端子１０５）に電気的に接続され、コンパレータ１０３の出力信号に応じてカウンター回路１２４から出力されるカウント値を保持する機能を有する。ラッチ回路１２３で保持されたカウント値は、インターフェース回路１２６にデジタル信号として出力される。
【０１０３】
また、カウンター回路１２４は、クロック信号生成回路１２５から出力されるクロック信号（ＣＬＫともいう）のエッジ（例えばハイ状態からロウ状態になるときの変化点、またはロウ状態からハイ状態になるときの変化点）をカウントする機能を有する。さらにカウンター回路１２４は、カウントされた数（カウント値、またはＣＮＴともいう）に応じた電位の信号をラッチ回路１２３に出力する。なお、出力するカウント値は、カウント可能な数（ビット数という）に応じたバス数にて、デジタル信号としてラッチ回路に１２３に出力される。
【０１０４】
また、クロック信号生成回路１２５は、カウンター回路１２４でカウントするクロック信号をカウンター回路１２４に出力する機能を有する。クロック信号生成回路１２５としては、例えば固体振動子発振回路、またはＣＲ発振回路などを用いて構成することができる。
【０１０５】
また、インターフェース回路１２６は、例えばデジタルシリアルインターフェースの一つであるＩ２Ｃ（Ｉｎｔｅｒ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）インターフェースをインターフェースとして用いることができる。Ｉ２Ｃインターフェースは、他の装置とのデータ通信のためのシリアルデータライン（ＳＤＡ）と、他の装置との間のデータ通信を制御及び同期化するためのシリアルクロックライン（ＳＣＬ）と、からなるＩ２Ｃバスによって外部装置に接続されている。Ｉ２Ｃインターフェースに接続された回路は、固有のアドレスによって応答または非応答が選択され、回路間でデータ通信を行うことができる。なおＩ２Ｃバス以外に、ユニバーサルシリアルバス（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）、シリアル周辺インターフェース（Ｓｅｒｉａｌ Ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）などのバス規格を用いることができる。以上が図６に示す光電変換装置の構成の説明である。
【０１０６】
次に図６における光電変換装置の動作について図７及び図８を用いて説明する。図７及び図８は、図６に示す本実施の形態の光電変換装置の動作を示すタイミングチャート図である。なお本実施の形態では、光電変換回路１００によって生成されるＩＬの値がＩｒｅｆの値より低い場合と高い場合についてそれぞれ説明する。なお、Ｉｒｅｆの値は、充放電回路１０１の電気容量を考慮して設定された任意の値である。
【０１０７】
図７及び図８に示すように、図６に示す光電変換装置の動作は、第１の期間２５１、第２の期間２５２、及び第３の期間２５３に分けられる。
【０１０８】
まずＩＬ＜Ｉｒｅｆの場合について図７を用いて説明する。
【０１０９】
図７に示すように、まず第１の期間２５１では、第１のスイッチング素子１１１及び第２のスイッチング素子１１２がオフ状態になり、第３のスイッチング素子１１３及び第４のスイッチング素子１１４がオン状態になる。
【０１１０】
このときコンパレータ１０３の第２の入力端子と出力端子とが導通状態になり、ノード１０６の電位（Ｖ１０６ともいう）がＶｒｅｆになり、また第１の容量素子１４１及び第２の容量素子１４２の第１端子の電位もＶｒｅｆになる。
【０１１１】
さらに、このときラッチ回路１２３に入力される信号の電位（Ｖ１２３ともいう）はＶｒｅｆとなる。以上が第１の期間２５１における動作である。なお、実際にＶ１２３は、Ｖｒｅｆからコンパレータ１０３のオフセット電位分を引いた値となる。このため、第３のスイッチング素子１１３を設けることにより、コンパレータ１０３のオフセット電位が経時変化した場合においてもコンパレータ１０３の入出力信号を補正することができる。本実施の形態では、便宜のためＶ１２３はＶｒｅｆになるものとして説明する。
【０１１２】
次に第２の期間２５２では、第１のスイッチング素子１１１がオン状態になり、第３のスイッチング素子１１３及び第４のスイッチング素子１１４がオフ状態になる。また、第２のスイッチング素子１１２はオフ状態のままである。
【０１１３】
このとき光電変換回路１００にて生成される第１の電流の値に応じて充放電回路１０１に電荷が蓄積される。このときＶ１０６はＶｘまで上昇する。Ｖｘは、Ｖｓｓより高く、充放電回路１０１に可能な限り電荷が蓄積されたときの電位Ｖｍａｘより低い任意の値である。
【０１１４】
さらにこのときＶ１２３は、Ｖ１０６の値がＶｒｅｆの値より高く、コンパレータ１０３の出力信号の電位がＶｓｓであるため、Ｖｓｓである。以上が第２の期間２５２における動作である。
【０１１５】
次に第３の期間２５３では、第１のスイッチング素子１１１がオフ状態になり、第２のスイッチング素子１１２がオン状態になる。また、第３のスイッチング素子１１３及び第４のスイッチング素子１１４はオフ状態のままである。
【０１１６】
このとき電流回路１０２において第１端子から第２端子に第２の電流が流れるため、充放電回路１０１に蓄積された電荷が一定量ずつ放出される。このときＶ１０６は下降し、時間ｔ１でＶｒｅｆになり、その後Ｖｓｓになる。Ｖ１０６がＶｘからＶｒｅｆまで下降する時間（放電時間ともいう）は充放電回路１０１に蓄積される電荷の値によって異なり、さらに充放電回路１０１に蓄積される電荷の値は、充放電回路１０１の電気容量、または光電変換回路１００により生成される第１の電流の値によって異なる。
【０１１７】
また、カウンター回路１２４では、第２のスイッチング素子１１２がオン状態になると同時にカウント値がリセットされ、その後クロック信号のエッジのカウント（カウントアップともいう）が行われる。このときの時間を時間ｔ０とする。その後Ｖ１０６の電位が下降し、時間ｔ１においてＶｒｅｆになると、コンパレータ１０３の出力信号の電位がＶｄｄになり、ラッチ回路１２３に電位がＶｄｄである信号が入力されることにより、ラッチ回路１２３には、時間ｔ０から時間ｔ１までの第１のカウント値５００に基づく電位の信号が保持され、保持された値に従ってインターフェース回路１２６によりデジタル信号が生成される。以上が第３の期間２５３における動作である。
【０１１８】
なお、第３の期間２５３における電流回路１０２の第２の電流の値は、第２の電流の値をｉ０とすると、ｉ０＝（ｔ０×１つのカウント値に対応する第１の電流の値）／（クロック信号生成回路１２５におけるクロック信号の０．５周期の時間）により設定されることが好ましい。これにより、コンパレータ１０３における電位の比較をより正確に行うことができる。
【０１１９】
次にＩＬ＞Ｉｒｅｆの場合について図８を用いて説明する。
【０１２０】
図８に示すように、まず第１の期間２５１については、ＩＬ＜Ｉｒｅｆの場合における動作と同じであるため、ＩＬ＜Ｉｒｅｆの場合における動作の説明を援用する。
【０１２１】
次に第２の期間２５２では、第１のスイッチング素子１１１がオン状態になり、第４のスイッチング素子１１４がオフ状態になる。また第２のスイッチング素子１１２がオフ状態のままである。また、第３のスイッチング素子１１３は第２の期間２５２内の一定期間においてオフ状態のままである。
【０１２２】
このとき光電変換回路１００において生成される第１の電流の値に応じて充放電回路１０１に電荷が蓄積される。このときＶ１０６がＶｚまで上昇すると、第３のスイッチング素子１１３がオン状態になる。なおＶｚは、Ｖｓｓより高く、充放電回路１０１に可能な限り電荷が蓄積されたときの電位Ｖｍａｘより低い任意の値であり、例えば図５に示す比較回路により設定することができる。
【０１２３】
さらに、第３のスイッチング素子１１３がオン状態になると、第１の容量素子１４１及び第２の容量素子１４２が容量結合される。容量結合されると、Ｖ１０６は、Ｖｚから下降し、Ｖｗになる。このとき第１の容量素子１４１の電気容量をＣ１、第２の容量素子の電気容量をＣ２とすると、Ｖｗ＝（Ｃ１Ｖｚ＋Ｃ２Ｖｒｅｆ）／（Ｃ１＋Ｃ２）となる。すなわちＶｗは、第１の容量素子１４１及び第２の容量素子１４２の電気容量の値を設定することにより設定された任意の値である。
【０１２４】
さらにＶ１０６の値は、Ｖｗから再び上昇し、Ｖｙになる。Ｖｙは、Ｖｓｓより高く、Ｖｍａｘより低い任意の値である。
【０１２５】
さらにこのときＶ１２３は、Ｖ１０６の値がＶｒｅｆの値より高く、コンパレータ１０３の出力信号の電位がＶｓｓであるため、Ｖｓｓである。以上が第２の期間２５２における動作である。
【０１２６】
次に第３の期間２５３では、第１のスイッチング素子１１１がオフ状態になり、第２のスイッチング素子１１２がオン状態になる。また、第３のスイッチング素子１１３はオン状態のままであり、第４のスイッチング素子１１４はオフ状態のままである。
【０１２７】
このとき電流回路１０２において第１端子から第２端子に第２の電流が流れるため一定量ずつ電荷が放出される。このときＶ１０６は下降し、時間ｔ１でＶｒｅｆになり、その後Ｖｓｓになる。Ｖ１０６がＶｘからＶｒｅｆまで下降する時間（放電時間ともいう）は充放電回路１０１に蓄積される電荷の値によって異なり、さらに充放電回路１０１に蓄積される電荷の値は、充放電回路１０１の電気容量、または光電変換回路１００により生成される第１の電流の値によって異なる。
【０１２８】
また、カウンター回路１２４では、第２のスイッチング素子１１２がオン状態になると同時にカウント値がリセットされ、その後クロック信号のエッジのカウントアップを行う。このときの時間を時間ｔ０とする。その後Ｖ１０６の電位が下降し、時間ｔ２においてＶｒｅｆになると、コンパレータ１０３の出力信号がＶｄｄになり、ラッチ回路１２３に電位がＶｄｄである信号が入力されることにより、ラッチ回路１２３には、時間ｔ０から時間ｔ２までの第２のカウント値５０１に基づく電位である信号が保持され、保持された値に従ってインターフェース回路１２６によりデジタル信号が生成される。以上が第３の期間２５３における動作である。
【０１２９】
また光電変換回路１００へ入射した光の照度とカウンター回路１２４のカウント値との関係を図９に示す。図９に示すように、本実施の形態で説明した光電変換装置は、照度が高くなるほどカウント値も大きくなるため、カウント値により入射した光の照度の検出を行うことができ、確度の高い光の照度の検出を行うことができる。また、本実施の形態の光電変換装置は、例えば１０ビット以上のカウント値を用いることもできるため、光電変換において光の照度に対する分解能をより向上させることができる。
【０１３０】
さらに本実施の形態の光電変換装置における充放電回路の放電時間について計算による検証を行った。詳細について以下に説明する。
【０１３１】
まず従来例として、図３に示す光電変換装置の容量素子１４２を設けずにその他は図３に示す光電変換装置の構成と同じである光電変換装置について考える。このときコンパレータ１０３の第２の入力端子には電位供給端子１０４を介して基準電圧Ｖ０が与えられる。なお、従来例の光電変換装置の動作については、図７に示すタイミングチャートを適宜用いて説明する。
【０１３２】
まず第２の期間２５２において、充放電回路１０１の容量をＣ０とし、Ｃ０＝Ｃ１４１（容量素子１４１の容量）とし、光電変換素子２００の光電流に基づく電流により一定時間Ｔ０の間容量素子１４１を充電したとするとノード１０６の電圧（Ｖ（Ｌｘ）ともいう）は下記数式１により表すことができる。このときＱ（Ｌｘ）は、光電流に基づく電流により充放電回路に充電される電荷を示す。
【０１３３】
【数１】
【０１３４】
ここで、ノード１０６の電位がＶ０に設定され、充放電回路１０１では光電流に基づく電流によってＱ（Ｌｘ）の電荷が充電されたとする。この後、第３の期間２５３で電流回路１０２により充電された充放電回路１０１を一定電流Ｉ０で放電する。このとき、コンパレータ１０３の出力が反転するまでの放電時間Ｔｍｅａ（ｃ）は下記数式２により表すことができる。
【０１３５】
【数２】
【０１３６】
しかし、実際の光電変換装置ではノイズの影響を受ける。ノイズには、容量Ｃ０などに依存するものもあるが、ここでは簡単のため、容量に依存しないもののみを考える。このノイズ電圧をＶｎとすると、従来例における実際の光電変換装置での放電時間Ｔｍｅａ（ｃ）は下記数式３により表すことができる。
【０１３７】
【数３】
【０１３８】
次に、本発明の一態様である光電変換装置の一例として図３に示す光電変換装置について考える。Ｃ１＝Ｃ１４１＋Ｃ１４２（容量素子１４２の容量）とすると、一定値より高照度で第３のスイッチング素子１１３がオン状態になる場合には、従来例とは同じ結果となる。ここでは、一定値より低照度で第３のスイッチング素子１１３がオフ状態のままの場合を考える。この場合の放電時間は、下記数式４により表すことができる。
【０１３９】
【数４】
【０１４０】
このときＣ１４１＜Ｃ０であるため、ノイズによるずれは、従来例より本発明の一態様の光電変換装置の方が小さいことがわかる。
【０１４１】
よって本発明の一態様である光電変換装置では、単位時間あたりの放電量が従来の光電変換装置の単位時間あたりの放電量より大きいため、本発明の一態様である光電変換装置は、従来の光電変換装置より理想的なカウント値とのずれを少なくすることができる。よって検証結果においても分解能が向上することがわかる。
【０１４２】
以上のように、本実施の形態の光電変換装置は、光電変換回路において生成される第１の電流の値に応じ、すなわち入射した光の照度に応じて充放電回路の電気容量を変化させることにより、光電変換回路において生成された第１の電流の値に応じた電荷が充放電回路に蓄積可能な電荷の値を超えることなく、充放電回路に第１の電流の値に応じた電荷を蓄積することができるため、光電変換において光の照度に対する分解能を向上させることができる。
【０１４３】
なお、本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
【０１４４】
（実施の形態２）
本実施の形態では、本発明の一態様である光電変換装置として、上記実施の形態１に示す光電変換装置と異なる構成の光電変換装置について説明する。
【０１４５】
まず本実施の形態の光電変換装置の構成について図１０を用いて説明する。図１０は、本実施の形態における光電変換装置の構成の一例を示す回路図である。
【０１４６】
図１０に示す光電変換装置は、光電変換回路１００と、充放電回路１０１、電流回路１０２と、コンパレータ１０３と、第１のスイッチング素子１１１と、第２のスイッチング素子１１２と、第４のスイッチング素子１１４と、定電圧回路１２１と、制御回路１２２と、ラッチ回路１２３と、カウンター回路１２４と、クロック信号生成回路１２５と、インターフェース回路１２６と、を有する。
【０１４７】
さらに充放電回路１０１は、第１の容量素子１４１と、第２の容量素子１４２と、第３のスイッチング素子１１３と、を有する。
【０１４８】
なお、図１０に示す光電変換装置において、図３に示す光電変換装置を構成する素子及び回路と同等の符号が付されたものについては、便宜のため図３に示す光電変換装置を構成する素子及び回路における説明を適宜援用し、図１０に示す光電変換装置においては説明を省略する。
【０１４９】
光電変換回路１００は、光電変換素子６００と、増幅回路６０１と、を有する。
【０１５０】
光電変換素子６００は、光が入射することにより、入射した光の照度に応じた光電流を生成する機能を有する。
【０１５１】
増幅回路６０１は、光電変換素子６００により生成された光電流の値を増幅する機能を有する。
【０１５２】
さらに増幅回路６０１は、参照用トランジスタとなる第１のトランジスタ６１１及び出力用トランジスタとなる第２のトランジスタ６１２からなるカレントミラー回路により構成される。なお図１０に示すカレントミラー回路において第１のトランジスタ６１１及び第２のトランジスタ６１２により構成する例について示しているが、これに限定されず、第１のトランジスタ６１１及び第２のトランジスタ６１２をそれぞれ複数設けて構成することもできる。
【０１５３】
さらに光電変換素子６００は、第１端子（陽極側の端子）が第１のトランジスタ６１１のソース端子及びドレイン端子の一方に電気的に接続され、第２端子（陰極側の端子）が第１の電位供給端子６２１に電気的に接続される。
【０１５４】
また、増幅回路６０１において、第１のトランジスタ６１１は、ゲート端子が第１のトランジスタ６１１のソース端子及びドレイン端子の一方に電気的に接続され、ソース端子及びドレイン端子の他方が第２の電位供給端子６２２に電気的に接続される。第２のトランジスタ６１２は、ゲート端子が第１のトランジスタ６１１のゲート端子に電気的に接続され、ソース端子及びドレイン端子の一方が第１のスイッチング素子１１１を介して充放電回路１０１に電気的に接続され、ソース端子及びドレイン端子の他方が第３の電位供給端子６２３に電気的に接続される。このとき第１のトランジスタ６１１及び第２のトランジスタ６１２はｎチャネル型トランジスタである。
【０１５５】
光電変換回路１００は、第１の電位供給端子６２１を介して電源電位が与えられ、第２の電位供給端子６２２及び第３の電位供給端子６２３を介して接地電位が与えられる。
【０１５６】
次に図１０に示す光電変換装置における光電変換回路１００の動作について説明する。
【０１５７】
光電変換素子６００に光が入射すると、光電変換素子６００において入射した光の照度に応じた光電流が生成され、光電流に応じて第１のトランジスタ６１１がオン状態になり、第１のトランジスタ６１１のソース端子及びドレイン端子の間に電流が流れる。また、光電流に応じて第２のトランジスタがオン状態になり、第２のトランジスタ６１２のソース端子及びドレイン端子の間に第１の電流が流れる。以上が図１０に示す光電変換装置における光電変換回路１００の動作である。
【０１５８】
電流回路１０２は、一定の値である第２の電流を生成する機能を有し、第２のスイッチング素子１１２がオン状態になることにより、電流回路１０２において第２の電流が流れ、第２の電流に応じて充放電回路１０１に電荷が蓄積される。より具体的には、電流回路１０２は、電流源７５０と、電位供給端子７５１と、を有し、電流源７５０は、第１端子が第２のスイッチング素子１１２を介して充放電回路１０１における第１の容量素子１４１の第１端子に電気的に接続され、第２端子が電位供給端子７５１に電気的に接続される。電位供給端子７５１には、電源電位が与えられる。このとき第２の電流は、第２端子から第１端子に流れる。
【０１５９】
次に図１０に示す光電変換装置の動作について図１１及び図１２を用いて説明する。図１１及び図１２は、図１０に示す光電変換装置の動作を示すタイミングチャート図である。ここでは、光電変換回路１００によって生成されるＩＬの値がＩｒｅｆの値より低い場合と高い場合についてそれぞれ説明する。なお、Ｉｒｅｆの値は、充放電回路１０１の電気容量を考慮して設定された任意の値である。
【０１６０】
図１１及び図１２に示すように、図１０に示す光電変換装置の動作は、第１の期間２５１、第２の期間２５２、及び第３の期間２５３に分けられる。
【０１６１】
まずＩＬ＜Ｉｒｅｆの場合について説明する。
【０１６２】
図１１に示すように、まず第１の期間２５１では、第１のスイッチング素子１１１、第２のスイッチング素子１１２がオフ状態になり、及び第３のスイッチング素子１１３及び第４のスイッチング素子１１４がオン状態になる。
【０１６３】
このときコンパレータ１０３の第２の入力端子と出力端子とが導通状態になり、ノード１０６の電位（Ｖ１０６ともいう）がＶｒｅｆとなり、また第１の容量素子１４１の第１端子及び第２の容量素子１４２の第１端子の電位もＶｒｅｆになる。このとき第１の容量素子１４１の第１端子には、Ｖｒｅｆ分の電荷が蓄積される。
【０１６４】
さらに、このときラッチ回路１２３に入力される信号の電位（Ｖ１２３ともいう）はＶｒｅｆである。以上が第１の期間２５１における動作である。なお、実際にＶ１２３は、Ｖｒｅｆからコンパレータ１０３のオフセット電位分を引いた値となる。このため、第３のスイッチング素子１１３を設けることにより、コンパレータ１０３のオフセット電位が経時変化した場合においてもコンパレータ１０３の入出力信号を補正することができる。本実施の形態では、便宜のためＶ１２３はＶｒｅｆになるものとして説明する。
【０１６５】
次に第２の期間２５２では、第１のスイッチング素子１１１がオン状態になり、第４のスイッチング素子１１４がオフ状態になる。また、第２のスイッチング素子１１２及び第３のスイッチング素子１１３はオフ状態のままである。
【０１６６】
このとき光電変換回路１００において生成される第１の電流の値に応じて充放電回路１０１から電荷が放出される。このときＶ１０６はＶｘまで下降する。Ｖｘは、Ｖｓｓより高く、充放電回路１０１に可能な限り電荷が蓄積されたときの電位Ｖｍａｘより低い任意の値である。
【０１６７】
さらにこのときＶ１２３は、Ｖ１０６の値がＶｒｅｆの値より低く、コンパレータ１０３の出力信号の電位がＶｄｄであるため、Ｖｄｄである。以上が第２の期間２５２における動作である。
【０１６８】
次に第３の期間２５３では、第１のスイッチング素子１１１がオフ状態になり、第２のスイッチング素子１１２がオン状態になる。また、第３のスイッチング素子１１３及び第４のスイッチング素子１１４はオフ状態のままである。
【０１６９】
このとき電流回路１０２において、第２端子から第１端子に第２の電流が流れるため、第２の電流に応じて充放電回路１０１には一定量ずつ電荷が蓄積される。このときＶ１０６は上昇し、時間ｔ１でＶｒｅｆになり、その後Ｖｍａｘになる。Ｖ１０６がＶｘからＶｒｅｆまで上昇する時間（充電時間ともいう）は充放電回路１０１に蓄積している電荷の値によって異なり、さらに充放電回路１０１に蓄積している電荷の値は、充放電回路１０１の電気容量、または光電変換回路１００により生成される第１の電流の値によって異なる。
【０１７０】
また、カウンター回路１２４では、第２のスイッチング素子１１２がオン状態になると同時にクロック信号のエッジのカウント（カウントアップともいう）が開始される。このときの時間を時間ｔ０とする。その後Ｖ１０６の電位が上昇し、時間ｔ１においてＶｒｅｆになると、コンパレータ１０３の出力信号の電位がＶｓｓになり、ラッチ回路１２３に電位がＶｓｓである信号が入力されることにより、ラッチ回路１２３には、時間ｔ０から時間ｔ１までの第１のカウント値８００に基づく電位の信号が保持され、保持された値に従ってインターフェース回路１２６によりデジタル信号が生成される。以上が第３の期間２５３における動作である。
【０１７１】
なお、第３の期間２５３における電流回路１０２の第２の電流の値は、第２の電流の値をｉ０とすると、ｉ０＝（ｔ０×１つのカウント値に対応する第１の電流の値）／クロック信号生成回路１２５におけるクロック信号の０．５周期の時間により設定されることが好ましい。これにより、コンパレータ１０３における電位の比較をより正確に行うことができる。
【０１７２】
次にＩＬ＞Ｉｒｅｆの場合について説明する。
【０１７３】
図１２に示すように、まず第１の期間２５１については、ＩＬ＜Ｉｒｅｆの場合における動作と同じであるため、ＩＬ＜Ｉｒｅｆの場合における動作の説明を援用する。
【０１７４】
次に第２の期間２５２では、第１のスイッチング素子１１１がオン状態になり、第４のスイッチング素子１１４がオフ状態になる。また第２のスイッチング素子１１２がオフ状態のままである。また、第３のスイッチング素子１１３は第２の期間２５２内の一定期間においてオフ状態のままである。
【０１７５】
このとき光電変換回路１００にて生成される第１の電流の値に応じて充放電回路１０１に電荷が蓄積される。このときＶ１０６がＶｚまで下降すると、第３のスイッチング素子１１３がオン状態になる。なおＶｚは、Ｖｓｓより高く、充放電回路１０１に可能な限り電荷が蓄積されたときの電位Ｖｍａｘより低い任意の値であり、例えば図５に示す比較回路により設定することができる。
【０１７６】
さらに、第３のスイッチング素子１１３がオン状態になると、容量結合が起こり、容量結合されると、Ｖ１０６は、Ｖｚから上昇し、Ｖｗになる。このときＶｗの値は、第１の容量素子１４１の電気容量をＣ１、第２の容量素子の電気容量をＣ２とすると、Ｖｗ＝Ｃ１Ｖｚ／（Ｃ１＋Ｃ２）となる。すなわちＶｗは、第１の容量素子１４１及び第２の容量素子１４２の電気容量の値を設定することにより設定される任意の値である。
【０１７７】
さらにＶ１０６の値は、Ｖｗから再び下降し、Ｖｙになる。Ｖｙは、Ｖｓｓより高く、Ｖｍａｘより低い任意の値である。
【０１７８】
さらにこのときＶ１２３は、Ｖ１０６の値がＶｒｅｆの値より低く、コンパレータ１０３の出力信号の電位がＶｄｄであるため、Ｖｄｄである。以上が第２の期間２５２における動作である。
【０１７９】
次に第３の期間２５３では、第１のスイッチング素子１１１がオフ状態になり、第２のスイッチング素子１１２がオン状態になる。また、第３のスイッチング素子１１３はオン状態のままであり、第４のスイッチング素子１１４はオフ状態のままである。
【０１８０】
このとき電流回路１０２において第２端子から第１端子に第２の電流が流れるため、第２の電流に応じて充放電回路１０１には一定量ずつ電荷が蓄積される。このときＶ１０６は上昇し、時間ｔ２でＶｒｅｆになり、その後Ｖｍａｘになる。Ｖ１０６がＶｙからＶｒｅｆまで上昇する時間（充電時間ともいう）は充放電回路１０１に予め蓄積されている電荷の値によって異なり、さらに充放電回路１０１に蓄積されている電荷の値は、充放電回路１０１の電気容量、または光電変換回路１００により生成される第１の電流の値によって異なる。
【０１８１】
また、カウンター回路１２４では、第２のスイッチング素子１１２がオン状態になると同時にクロック信号のエッジのカウントアップを開始する。このときの時間を時間ｔ０とする。その後Ｖ１０６の電位が上昇し、時間ｔ２においてＶｒｅｆになると、コンパレータ１０３の出力信号がＶｓｓになり、ラッチ回路１２３に電位がＶｓｓである信号が入力されることにより、ラッチ回路１２３には、時間ｔ０から時間ｔ２までの第２のカウント値８０１に基づく電位である信号が保持され、保持された値に従ってインターフェース回路１２６によりデジタル信号が生成される。以上が第３の期間２５３における動作である。
【０１８２】
以上のように、本実施の形態の光電変換装置は、増幅回路６０１にｎチャネル型トランジスタを用いた場合においても、光電変換回路１００において生成される第１の電流の値に応じ、すなわち入射した光の照度に応じて充放電回路１０１の電気容量を変化させることにより、第１の電流に応じた電荷の値が充放電回路１０１に蓄積可能な電荷の値を超えることなく、第１の電流に応じて充放電回路１０１に予め蓄積された電荷を放電させることができるため、光電変換において光の照度に対する分解能を向上させることができる。
【０１８３】
なお、本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
【０１８４】
（実施の形態３）
本実施の形態では、本発明の一態様である光電変換装置の作製方法について説明する。ここでは、一例として薄膜トランジスタを用いた上記実施の形態１に示す光電変換装置の作製方法について説明する。
【０１８５】
本実施の形態における光電変換装置の作製方法について図１３及び図１４を用いて説明する。図１３及び図１４は、本実施の形態における光電変換装置の作製方法の一例を示す断面模式図である。なお、図１３及び図１４は便宜のため光電変換装置の断面を模式的に示したものであり、一部または全部において実際とは異なる寸法を用いて図示している。
【０１８６】
図１３及び図１４では、基板上に光電変換素子、トランジスタ、及び容量素子を形成する例について説明する。基板上に形成するトランジスタを薄膜トランジスタとすることにより、基板上に光電変換素子及びトランジスタを同一工程で作製することができるため、光電変換回路を有する光電変換装置の量産化がし易いといった利点がある。また、トランジスタのゲート電極とドレイン電極を電気的に接続させることでダイオードとして用いることもできる。
【０１８７】
まず、図１３（Ａ）に示すように、基板（第１の基板９００）上に下地絶縁膜９０１を形成し、さらに下地絶縁膜９０１の一部の上に島状である第１の半導体層９０２及び第２の半導体層９０３を形成する。
【０１８８】
基板９００としては例えばガラス基板などを用いることができる。また下地絶縁膜９０１は、例えば酸化珪素膜、窒化珪素膜、または窒素を含む酸化珪素膜を用いて形成することができ、また、酸化珪素膜、窒化珪素膜、及び窒素を含む酸化珪素膜積層のいずれかの単層または積層構造にすることができる。また上記に示した膜は、例えばプラズマＣＶＤ法などにより形成することができる。窒素を含む酸化珪素膜や窒化珪素膜は、ガラス基板からのアルカリ金属などの不純物拡散を防止するブロッキング層として機能する。ここでは、例として膜厚が１００ｎｍの窒素を含む酸化珪素膜を下地絶縁膜９０１として形成する。さらに第１の半導体層９０２及び第２の半導体層９０３としては、例えば非晶質シリコン、多結晶シリコン、または微結晶（マイクロクリスタル、またはナノクリスタルともいう）シリコンなどに代表される非単結晶半導体膜を用いることができる。
【０１８９】
また、例えば第１の半導体層９０２及び第２の半導体層９０３として、非晶質半導体膜を公知の技術（固相成長法、レーザ結晶化方法、触媒金属を用いた結晶化方法など）により結晶化させて形成された結晶構造を有する半導体膜（結晶性半導体膜）、例えば多結晶珪素膜を用いることもできる。ここでは、触媒元素を用いた結晶化方法を用いて多結晶珪素膜を得る。重量換算で１０ｐｐｍのニッケルを含む酢酸ニッケル溶液をスピナーで添加する。なお、溶液を添加する方法に代えてスパッタ法でニッケル元素を全面に散布する方法を用いてもよい。次いで、加熱処理を行い結晶化させて結晶構造を有する半導体膜（ここでは多結晶珪素膜）を形成する。第１の半導体層９０２及び第２の半導体層９０３の作製例について以下に説明する。
【０１９０】
ここでは、まず例として膜厚が５４ｎｍである水素を含む非晶質珪素膜を大気に触れることなく形成し、さらに熱処理（５００℃、１時間）の後、結晶化のための熱処理（５５０℃、４時間）を行って多結晶珪素膜を形成する。
【０１９１】
次に形成した多結晶珪素膜表面の酸化膜を希フッ酸等で除去する。その後、結晶化率を高め、結晶粒内に残される欠陥を補修するためのレーザ光（ＸｅＣｌ：波長３０８ｎｍ）の照射を大気中、または酸素雰囲気中で行う。
【０１９２】
レーザ光には波長４００ｎｍ以下のエキシマレーザ光や、ＹＡＧレーザの第２高調波又は第３高調波を用いる。ここでは、繰り返し周波数１０〜１０００Ｈｚ程度のパルスレーザ光を用い、当該レーザ光を光学系にて１００〜５００ｍＪ／ｃｍ２に集光し、９０〜９５％のオーバーラップ率をもって照射し、シリコン膜表面を走査させればよい。本実施例では、繰り返し周波数３０Ｈｚ、エネルギー密度４７０ｍＪ／ｃｍ２でレーザ光の照射を大気中で行う。
【０１９３】
なお、大気中、または酸素雰囲気中で行うため、レーザ光の照射により表面に酸化膜が形成される。なお、ここではパルスレーザを用いた例を示したが、連続発振のレーザを用いてもよく、半導体膜の結晶化に際し、大粒径に結晶を得るためには、連続発振が可能な固体レーザを用い、基本波の第２高調波〜第４高調波を適用するのが好ましい。代表的には、Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザ（基本波１０６４ｎｍ）の第２高調波（５３２ｎｍ）や第３高調波（３５５ｎｍ）を適用すればよい。
【０１９４】
連続発振のレーザを用いる場合には、出力１０Ｗの連続発振のＹＶＯ４レーザから射出されたレーザ光を非線形光学素子により高調波に変換する。また、共振器の中にＹＶＯ４結晶と非線形光学素子を入れて、高調波を射出する方法もある。そして、好ましくは光学系により照射面にて矩形状または楕円形状のレーザ光に成形して、被処理体に照射する。このときのエネルギー密度は０．０１〜１００ＭＷ／ｃｍ２程度（好ましくは０．１〜１０ＭＷ／ｃｍ２）が必要である。そして、１０〜２０００ｃｍ／ｓ程度の速度でレーザ光に対して相対的に半導体膜を移動させて照射すればよい。
【０１９５】
次に上記レーザ光の照射により形成された酸化膜に加え、オゾン水で表面を１２０秒処理して合計１〜５ｎｍの酸化膜からなるバリア層を形成する。このバリア層は、結晶化させるために添加した触媒元素、例えばニッケル（Ｎｉ）を膜中から除去するために形成する。ここではオゾン水を用いてバリア層を形成したが、酸素雰囲気下の紫外線の照射で結晶構造を有する半導体膜の表面を酸化する方法や酸素プラズマ処理により結晶構造を有する半導体膜の表面を酸化する方法やプラズマＣＶＤ法やスパッタ法や蒸着法などで１〜１０ｎｍ程度の酸化膜を堆積してバリア層を形成してもよい。また、バリア層を形成する前にレーザ光の照射により形成された酸化膜を除去してもよい。
【０１９６】
次にバリア層上にスパッタ法にてゲッタリングサイトとなるアルゴン元素を含む非晶質珪素膜を１０ｎｍ〜４００ｎｍ、ここでは膜厚１００ｎｍで成膜する。ここでは、アルゴン元素を含む非晶質珪素膜は、シリコンターゲットを用いてアルゴンを含む雰囲気下で形成する。プラズマＣＶＤ法を用いてアルゴン元素を含む非晶質珪素膜を形成する場合、成膜条件は、モノシランとアルゴンの流量比（ＳｉＨ４：Ａｒ）を１：９９とし、成膜圧力を６．６６５Ｐａとし、ＲＦパワー密度を０．０８７Ｗ／ｃｍ２とし、成膜温度を３５０℃とする。
【０１９７】
その後、６５０℃に加熱された炉に入れて３分の熱処理を行い、触媒元素を除去（ゲッタリング）する。これにより結晶構造を有する半導体膜中の触媒元素濃度が低減される。炉に代えてランプアニール装置を用いてもよい。
【０１９８】
次にバリア層をエッチングストッパとして、ゲッタリングサイトであるアルゴン元素を含む非晶質珪素膜を選択的に除去した後、バリア層を希フッ酸で選択的に除去する。なお、ゲッタリングの際、ニッケルは酸素濃度の高い領域に移動しやすい傾向があるため、酸化膜からなるバリア層をゲッタリング後に除去することが望ましい。
【０１９９】
なお、触媒元素を用いて半導体膜の結晶化を行わない場合には、上述したバリア層の形成、ゲッタリングサイトの形成、ゲッタリングのための熱処理、ゲッタリングサイトの除去、バリア層の除去などの工程は不要である。
【０２００】
また、第１の半導体層９０２及び第２の半導体層９０３の作製方法としては、上記作製方法に限らず、本実施の形態の光電変換装置の作製方法では、他の作製方法を用いて形成することもできる。一例としては、ＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレータ）基板を用いて第１の半導体層９０２及び第２の半導体層９０３を形成してもよい。ＳＯＩ基板としては、公知のＳＯＩ基板を用いればよく、その作製方法や構造は特に限定されない。ＳＯＩ基板としては、代表的にはＳＩＭＯＸ基板や貼り合わせ基板が挙げられる。また、貼り合わせ基板の例として、ＥＬＴＲＡＮ（登録商標）、ＵＮＩＢＯＮＤ（登録商標）、スマートカット（登録商標）等が挙げられる。
【０２０１】
ＳＩＭＯＸ基板は、単結晶シリコン基板に酸素イオンを注入し、１３００℃以上で熱処理して埋め込み酸化膜層（ＢＯＸ；Ｂｕｒｉｅｄ Ｏｘｉｄｅ）を形成することにより、表面に薄膜シリコン層を形成し、ＳＯＩ構造を得ることができる。薄膜シリコン層は、埋め込み酸化膜層により、単結晶シリコン基板と絶縁分離されている。また、埋め込み酸化膜層形成後に、さらに熱酸化するＩＴＯＸ（Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ−ＳＩＭＯＸ）と呼ばれる技術を用いることもできる。
【０２０２】
貼り合わせ基板は、酸化膜層を介して２枚の単結晶シリコン基板（第１単結晶シリコン基板、第２単結晶シリコン基板）を貼り合わせ、一方の単結晶シリコン基板を貼り合わせた面ではない方の面から薄膜化することにより、表面に薄膜シリコン層を形成したＳＯＩ基板のことをいう。酸化膜層は、一方の基板（ここでは第１単結晶シリコン基板）を熱酸化して形成することができる。また、２枚の単結晶シリコン基板は、接着剤なしで直接貼り合わせることができる。
【０２０３】
なお、貼り合わせ基板としては、２枚の単結晶基板を貼り合わせることに限らず、ガラス基板等の絶縁表面を有する基板と、単結晶基板とを貼り合わせてＳＯＩ基板を作製してもよい。
【０２０４】
さらにここでは、得られた結晶構造を有する半導体膜（例えば結晶性珪素膜）の表面にオゾン水で薄い酸化膜を形成した後、第１のフォトマスクを用いてレジストからなるマスクを形成し、所望の形状にエッチング処理して島状に分離された第１の半導体層９０２及び第２の半導体層９０３が形成される。第１の半導体層９０２及び第２の半導体層９０３を形成した後、レジストからなるマスクを除去する。
【０２０５】
さらに本実施の形態の光電変換装置の作製方法では、必要があれば第１の半導体層９０２及び第２の半導体層９０３に不純物元素（ホウ素またはリン）の添加することもできる。不純物元素の添加としては、例えばジボラン（Ｂ２Ｈ６）を質量分離しないでプラズマ励起したイオンドープ法を用いて行うことができる。
【０２０６】
さらに本実施の形態の光電変換装置の作製方法では、フッ酸を含むエッチャントで酸化膜を除去すると同時に第１の半導体層９０２及び第２の半導体層９０３の表面を洗浄した後、ゲート絶縁膜９０４となる珪素を主成分とする絶縁膜を形成する。ここでは、プラズマＣＶＤ法により１１５ｎｍの厚さで窒素を含む酸化珪素膜（組成比Ｓｉ＝３２％、Ｏ＝５９％、Ｎ＝７％、Ｈ＝２％）で形成する。
【０２０７】
次に、図１３（Ｂ）に示すように第１の半導体層９０２及び第２の半導体層９０３を介して下地絶縁膜９０１上にゲート絶縁膜９０４を形成し、ゲート絶縁膜９０４を介して電極９０５、電極９０６、電極９０８、及び電極９０９を形成し、ゲート絶縁膜９０４を介して第１の半導体層９０２の一部の上にゲート電極９０７を形成する。ゲート絶縁膜９０４としては、例えば窒化絶縁膜、酸化絶縁膜、窒素を含む酸化絶縁膜などを適用することができる。また、電極９０５、電極９０６、ゲート電極９０７、電極９０８、及び電極９０９としては、例えばチタン、タングステン、タンタル、モリブデン、ネオジム、コバルト、ジルコニウム、亜鉛、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、白金、アルミニウム、金、銀、銅から選ばれた元素、または元素を主成分とする合金材料若しくは化合物材料からなる単層膜、或いは、これらの窒化物、例えば、窒化チタン、窒化タングステン、窒化タンタル、窒化モリブデンからなる単層膜を用いることができる。
【０２０８】
次に図１３（Ｃ）に示すように、第１の半導体層９０２への一導電型を付与する不純物の導入を行って、第１の半導体層９０２のソース領域及びドレイン領域となる不純物領域９１０を形成する。ここでは一例として、ｎ型の不純物、例えばリン、砒素に導入するが、これに限定されず、本実施の形態の光電変換装置の作製方法では、ｐ型の不純物を第１の半導体層９０２に導入することもできる。
【０２０９】
次に図１３（Ｄ）に示すように、第１の層間絶縁膜９１１を形成する。第１の層間絶縁膜９１１としては、例えばＣＶＤ法などを用いて酸化絶縁膜、窒化絶縁膜、酸素を含む窒化絶縁膜、及び水素及び酸素を含む窒化絶縁膜など単層または積層することにより形成することができる。ここでは、例としてＣＶＤ法により酸化珪素膜を含む第１の層間絶縁膜（図示しない）を５０ｎｍ形成した後、それぞれの島状半導体領域に添加された不純物元素を活性化処理する工程を行う。この活性化工程は、ランプ光源を用いたラピッドサーマルアニール法（ＲＴＡ法）、或いはＹＡＧレーザまたはエキシマレーザを裏面から照射する方法、或いは炉を用いた熱処理、或いはこれらの方法のうち、いずれかと組み合わせた方法によって行う。
【０２１０】
さらに第１の層間絶縁膜９１１上に第２の層間絶縁膜９１２を形成する。第２の層間絶縁膜９１２としては、例えば絶縁材料を形成することができる。また第２の層間絶縁膜９１２はＣＶＤ法で得られる絶縁膜を用いることができる。本実施の形態においては密着性を向上させるため、第２の層間絶縁膜９１２として、９００ｎｍの膜厚で形成した窒素を含む酸化珪素膜を形成する。
【０２１１】
さらにここでは、熱処理（３００〜５５０℃で１〜１２時間の熱処理、例えば窒素雰囲気中４１０℃で１時間）を行い、第１の半導体層９０２及び第２の半導体層９０３を水素化する。この工程は第１の層間絶縁膜９１１に含まれる水素により半導体層のダングリングボンドを終端させるために行うものである。ゲート絶縁膜９０４の存在に関係なく半導体層を水素化することができる。
【０２１２】
また第２の層間絶縁膜９１２として、シロキサンを用いた絶縁膜、及びそれらの積層構造を用いることもできる。シロキサンは、シリコン（Ｓｉ）と酸素（Ｏ）との結合で骨格構造が構成される。置換基として、少なくとも水素を含む化合物（例えばアルキル基、芳香族炭化水素）が用いられる。置換基として、フッ素を用いてもよい。または置換基として、少なくとも水素を含む化合物と、フッ素とを用いてもよい。第２の層間絶縁膜９１２としてシロキサンを用いた絶縁膜、及びそれらの積層構造を用いた場合は、第１の層間絶縁膜９１１を形成後、島状半導体膜を水素化するための熱処理を行い、次に第２の層間絶縁膜９１２を形成することもできる。
【０２１３】
次に、第３のフォトマスクを用いてレジストからなるマスクを形成し、第１の層間絶縁膜９１１、第２の層間絶縁膜９１２、またはゲート絶縁膜９０４を選択的にエッチングしてコンタクトホールを形成する。そして、レジストからなるマスクを除去する。
【０２１４】
なお、第２の層間絶縁膜９１２は必要に応じて形成すればよく、第２の層間絶縁膜９１２を形成しない場合は、第１の層間絶縁膜９１１を形成後に第１の層間絶縁膜９１１及びゲート絶縁膜９０４を選択的にエッチングしてコンタクトホールを形成する。
【０２１５】
次に図１４（Ａ）に示すように、スパッタ法で金属積層膜を成膜した後、第４のフォトマスクを用いてレジストからなるマスクを形成し、選択的に金属膜をエッチングして、電極９１３乃至電極９１９を形成する。そして、レジストからなるマスクを除去する。なお、本実施の形態では例として膜厚１００ｎｍのＴｉ膜と、膜厚３５０ｎｍのＳｉを含むＡｌ膜と、膜厚１００ｎｍのＴｉ膜との３層を積層することにより電極９１３乃至電極９１９を形成する。
【０２１６】
また電極９１３乃至電極９１９としては、耐熱性及び導電率等の点からチタンを用いることが好ましい。またチタンに変えて、タングステン、タンタル、モリブデン、ネオジム、コバルト、ジルコニウム、亜鉛、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、白金から選ばれた元素、または元素を主成分とする合金材料若しくは化合物材料からなる単層膜、或いは、これらの窒化物、例えば、窒化チタン、窒化タングステン、窒化タンタル、窒化モリブデンからなる単層膜を用いることができる。電極９１３乃至電極９１９を単層膜にすることにより、作製工程において成膜回数を減少させることが可能となる。
【０２１７】
以上により、多結晶珪素膜を用いたトランジスタ９２７、容量素子９２８、及び端子部９２９を作製することができる。
【０２１８】
次に、後に形成される光電変換素子と反応して合金になりにくい導電性の金属膜（チタンまたはモリブデンなど）を成膜した後、第５のフォトマスクを用いてレジストからなるマスクを形成し、選択的に導電性の金属膜をエッチングして保護電極９２０乃至保護電極９２６を形成する。本実施の形態では、保護電極９２０乃至保護電極９２６としてスパッタ法で得られる膜厚２００ｎｍのＴｉ膜を用いる。従って、導電性の金属膜は、これらの電極における２層目のＡｌ膜が露呈されている側面も覆い、導電性の金属膜は光電変換素子へのアルミニウム原子の拡散も防止することができる。
【０２１９】
ただし、電極９１３乃至電極９１９を、単層の導電膜で形成する場合、保護電極９２０乃至９２６は形成しなくてもよい。
【０２２０】
次に図１４（Ｂ）に示すように第２の層間絶縁膜９１２上に、ｐ型半導体層９３０ａ、ｉ型半導体層９３０ｂ、及びｎ型半導体層９３０ｃを含む光電変換素子９３０を形成する。
【０２２１】
ｐ型半導体層９３０ａは、周期表第１３属の不純物元素、例えばホウ素（Ｂ）を含んだセミアモルファスシリコン膜をプラズマＣＶＤ法にて成膜して形成すればよい。
【０２２２】
また保護電極９２１は、光電変換素子９３０の最下層、本実施の形態においてはｐ型半導体層９３０ａと接している。
【０２２３】
ｐ型半導体層９３０ａを形成したら、さらにｉ型半導体層９３０ｂ及びｎ型半導体層９３０ｃを順に形成する。これによりｐ型半導体層９３０ａ、ｉ型半導体層９３０ｂ、及びｎ型半導体層９３０ｃを有する光電変換素子９３０が形成される。
【０２２４】
ｉ型半導体層９３０ｂとしては、例えばプラズマＣＶＤ法で微結晶シリコン膜を形成すればよい。またｎ型半導体層９３０ｃとしては、周期表第１５属の不純物元素、例えばリン（Ｐ）を含む微結晶シリコン膜を形成してもよいし、微結晶シリコン膜を形成後、周期表第１５属の不純物元素を導入してもよい。
【０２２５】
またｐ型半導体層９３０ａ、ｉ型半導体層９３０ｂ、ｎ型半導体層９３０ｃとして、セミアモルファス半導体膜だけではなく、アモルファス半導体膜を用いてもよい。
【０２２６】
次に全面に絶縁物材料（例えば珪素を含む無機絶縁膜）からなる封止層９３１を厚さ１μｍ〜３０μｍで形成する。ここでは絶縁物材料膜としてＣＶＤ法により、膜厚１μｍの窒素を含む酸化珪素膜を形成する。ＣＶＤ法による絶縁膜を用いることによって密着性の向上を図っている。
【０２２７】
次いで、封止層９３１をエッチングして開口部を設けた後、スパッタ法により電極９３２及び電極９３３を形成する。電極９３２及び電極９３３としては、チタン、タングステン、タンタル、モリブデン、ネオジム、コバルト、ジルコニウム、亜鉛、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、白金、及び金から選ばれた元素、または元素を主成分とする合金材料若しくは化合物材料からなる単層膜、或いは、これらの窒化物、例えば、窒化チタン、窒化タングステン、窒化タンタル、窒化モリブデンからなる単層膜を用いることができる。こうして得られる電極９３２及び電極９３３の固着強度は５Ｎを超え、電極として十分な固着強度を有している。
【０２２８】
以上により、光電変換部９３４が形成される。
【０２２９】
以上により本発明の一態様である光電変換装置を作製することができる。また本実施の形態の光電変換装置の作製方法では、同一基板上にダイオード、抵抗素子、トランジスタ、及び光電変換部を形成することができるため、量産が容易である。
【０２３０】
なお本実施の形態の光電変換装置の作製方法では、同一基板上に複数の光電変換装置を作製することができ、基板より個々に切断して複数の光電変換装置を切り出すことで大量生産が可能である。１枚の大面積基板（例えば６００ｃｍ×７２０ｃｍ）からは大量の光電変換装置（例えば２ｍｍ×１．５ｍｍ）を製造することができる。
【０２３１】
なお本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
【０２３２】
（実施の形態４）
本実施の形態では、本発明の一態様である光電変換装置を搭載した様々な電子機器について説明する。
【０２３３】
本発明の一態様である光電変換装置の搭載が可能な電子機器として、コンピュータ、ディスプレイ、携帯電話、テレビなどが挙げられる。それらの電子機器の具体例を図１５、図１６、図１７、図１８、及び図１９を用いて説明する。図１５乃至図１９は本実施の形態の電子機器の構成の一例を示す図である。
【０２３４】
図１５は携帯電話であり、本体（Ａ）１０００、本体（Ｂ）１００１、筐体１００２、操作キー１００３、音声出力部１００４、音声入力部１００５、回路基板１００６、表示パネル（Ａ）１００７、表示パネル（Ｂ）１００８、蝶番１００９、透光性材料部１０１０、光電変換装置１０１１を有している。本発明の一態様である光電変換装置は、光電変換装置１０１１に適用することができる。
【０２３５】
光電変換装置１０１１では、透光性材料部１０１０を透過した光を検知し、検知した外部光の照度に合わせて表示パネル（Ａ）１００７及び表示パネル（Ｂ）１００８の輝度がコントロールされる、また光電変換装置１０１１で得られる光の照度に合わせて操作キー１００３の照明制御を行う。これにより携帯電話の消費電流を抑えることができる。
【０２３６】
図１６（Ａ）及び図１６（Ｂ）に携帯電話の別の例を示す。図１６（Ａ）及び図１６（Ｂ）において、本体１１００、筐体１１０１、表示パネル１１０２、操作キー１１０３、音声出力部１１０４、音声入力部１１０５、光電変換装置１１０６、光電変換装置１１０７を示している。
【０２３７】
図１６（Ａ）に示す携帯電話では、本体１１００に設けられた光電変換装置１１０６により外部の光を検知することにより表示パネル１１０２及び操作キー１１０３の輝度を制御することが可能である。
【０２３８】
また図１６（Ｂ）に示す携帯電話では、図１６（Ａ）の構成に加えて、本体１１００の内部に光電変換装置１１０７を設けている。光電変換装置１１０７により、表示パネル１１０２に設けられているバックライトの輝度を検出することも可能となる。
【０２３９】
図１７（Ａ）はコンピュータであり、本体１２００、筐体１２０１、表示部１２０２、キーボード１２０３、外部接続ポート１２０４、ポインティングデバイス１２０５などを含む。
【０２４０】
また図１７（Ｂ）は表示装置でありテレビ受像器などがこれに当たる。図１７（Ｂ）における表示装置は、筐体１２０６、支持台１２０７、表示部１２０８などによって構成されている。
【０２４１】
図１７（Ａ）のコンピュータに設けられる表示部１２０２、及び図１７（Ｂ）に示す表示装置の表示部１２０８として、液晶パネルを用いた場合の詳しい構成を図１８に示す。
【０２４２】
図１８に示す液晶パネル１３００は、筐体１３０１に内蔵されており、基板１３０２ａ及び基板１３０２ｂ、基板１３０２ａ及び基板１３０２ｂに挟まれた液晶層１３０３、偏光フィルタ１３０４ａ及び偏光フィルタ１３０４ｂ、及びバックライト１３０５等を有している。また筐体１３０１には光電変換装置１３０６が形成されている。
【０２４３】
本発明の一態様である光電変換装置は、光電変換装置１３０６に適用することができ、光電変換装置１３０６はバックライト１３０５からの光量を感知し、その情報がフィードバックされて液晶パネル１３００の輝度が調整される。
【０２４４】
図１９（Ａ）及び図１９（Ｂ）は、本発明の一態様である光電変換装置をカメラ、例えばデジタルカメラに組み込んだ例を示す図である。図１９（Ａ）は、デジタルカメラの前面方向から見た斜視図、図１９（Ｂ）は、後面方向から見た斜視図である。図１９（Ａ）において、デジタルカメラには、リリースボタン１４００、メインスイッチ１４０１、ファインダ窓１４０２、フラッシュ部１４０３、レンズ１４０４、鏡胴１４０５、筺体１４０６が備えられている。
【０２４５】
また、図１９（Ｂ）において、ファインダ接眼窓１４０７、モニタ１４０８、操作ボタン１４０９が備えられている。
【０２４６】
リリースボタン１４００は、半分の位置まで押下されると、焦点調整機構および露出調整機構が作動し、最下部まで押下されるとシャッターが開く。
【０２４７】
メインスイッチ１４０１は、押下又は回転によりデジタルカメラの電源のＯＮ／ＯＦＦを切り替える。
【０２４８】
ファインダ窓１４０２は、デジタルカメラの前面のレンズ１４０４の上部に配置されており、図１９（Ｂ）に示すファインダ接眼窓１４０７から撮影する範囲やピントの位置を確認するための装置である。
【０２４９】
フラッシュ部１４０３は、デジタルカメラの前面上部に配置され、被写体輝度が低いときに、リリースボタンが押下されてシャッターが開くと同時に補助光を照射する。
【０２５０】
レンズ１４０４は、デジタルカメラの正面に配置されている。レンズは、フォーカシングレンズ、ズームレンズ等により構成され、図示しないシャッター及び絞りと共に撮影光学系を構成する。また、レンズの後方には、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）等の撮像素子が設けられている。
【０２５１】
鏡胴１４０５は、フォーカシングレンズ、ズームレンズ等のピントを合わせるためにレンズの位置を移動するものであり、撮影時には、鏡胴を繰り出すことにより、レンズ１４０４を手前に移動させる。また、携帯時は、レンズ１４０４を沈銅させてコンパクトにする。なお、本実施の形態においては、鏡胴を繰り出すことにより被写体をズーム撮影することができる構造としているが、この構造に限定されるものではなく、本実施の形態の電子機器では、筺体１４０６内での撮影光学系の構成により鏡胴を繰り出さずともズーム撮影が可能なデジタルカメラでもよい。
【０２５２】
ファインダ接眼窓１４０７は、デジタルカメラの後面上部に設けられており、撮影する範囲やピントの位置を確認する際に接眼するために設けられた窓である。
【０２５３】
操作ボタン１４０９は、デジタルカメラの後面に設けられた各種機能ボタンであり、セットアップボタン、メニューボタン、ディスプレイボタン、機能ボタン、選択ボタン等により構成されている。
【０２５４】
本発明の一態様である光電変換装置を図１９（Ａ）及び図１９（Ｂ）に示すカメラに組み込むと、光電変換装置が光の有無及び強さを感知することができ、これによりカメラの露出調整等を行うことができる。
【０２５５】
以上のように本発明の一態様である光電変換装置は、光電変換において、光の照度に対する分解能を向上させることができるため、本発明の一態様である光電変換装置を上記電子機器に搭載することにより精度の高い輝度調整を行うことができる。
【０２５６】
また本発明の一態様である光電変換装置は、その他の電子機器、例えばプロジェクションテレビ、ナビゲーションシステム等に応用することが可能である。すなわち光を検出する必要のあるものであればいかなるものにも用いることが可能である。
【符号の説明】
【０２５７】
１００ 光電変換回路
１０１ 充放電回路
１０２ 電流回路
１０３ コンパレータ
１０４ 電位供給端子
１０５ 出力端子
１０６ ノード
１１１ 第１のスイッチング素子
１１２ 第２のスイッチング素子
１１３ 第３のスイッチング素子
１１４ 第４のスイッチング素子
１２１ 定電圧回路
１２２ 制御回路
１２３ ラッチ回路
１２４ カウンター回路
１２５ クロック信号生成回路
１２６ インターフェース回路
１４１ 容量素子
１４２ 容量素子
１４３ 容量素子
１５０ 電流源
２００ 光電変換素子
２０１ 増幅回路
２１１ トランジスタ
２１２ トランジスタ
２２０ 光電変換素子
２２１ 電位供給端子
２２２ 電位供給端子
２２３ 電位供給端子
２３１ 第１の期間
２３２ 第２の期間
２３３ 第３の期間
２５１ 第１の期間
２５２ 第２の期間
２５３ 第３の期間
３０１ 電位供給端子
３０２ 電位供給端子
３０３ 電位供給端子
３０４ 電位供給端子
３０５ 分圧回路
３０６ コンパレータ
３０７ ラッチ回路
３０８ ＯＲ回路
３０９ 電位供給端子
３１０ 出力端子
５００ カウント値
５０１ カウント値
６００ 光電変換素子
６０１ 増幅回路
６１１ 第１のトランジスタ
６１２ 第２のトランジスタ
６２１ 電位供給端子
６２２ 電位供給端子
６２３ 電位供給端子
７０２ 表示パネル
７５０ 電流源
７５１ 電位供給端子
８００ カウント値
８０１ カウント値
９００ 基板
９０１ 下地絶縁膜
９０２ 半導体層
９０３ 半導体層
９０４ ゲート絶縁膜
９０５ 電極
９０６ 電極
９０７ ゲート電極
９０８ 電極
９０９ 電極
９１０ 不純物領域
９１１ 第１の層間絶縁膜
９１２ 第２の層間絶縁膜
９１３ 電極
９１４ 電極
９１５ 電極
９１７ 電極
９１８ 電極
９１９ 電極
９２０ 保護電極
９２１ 保護電極
９２２ 保護電極
９２３ 保護電極
９２４ 保護電極
９２５ 保護電極
９２６ 保護電極
９２７ トランジスタ
９２８ 容量素子
９２９ 端子部
９３０ 光電変換素子
９３０ａ ｐ型半導体層
９３０ｂ ｉ型半導体層
９３０ｃ ｎ型半導体層
９３１ 封止層
９３２ 電極
９３３ 電極
９３４ 光電変換部
１０００ 本体（Ａ）
１００１ 本体（Ｂ）
１００２ 筐体
１００３ 操作キー
１００４ 音声出力部
１００５ 音声入力部
１００６ 回路基板
１００７ 表示パネル（Ａ）
１００８ 表示パネル（Ｂ）
１００９ 蝶番
１０１０ 透光性材料部
１０１１ 光電変換装置
１１００ 本体
１１０１ 筐体
１１０２ 表示パネル
１１０３ 操作キー
１１０４ 音声出力部
１１０５ 音声入力部
１１０６ 光電変換装置
１１０７ 光電変換装置
１１１３ ゲート絶縁膜
１２００ 本体
１２０１ 筐体
１２０２ 表示部
１２０３ キーボード
１２０４ 外部接続ポート
１２０５ ポインティングデバイス
１２０６ 筐体
１２０７ 支持台
１２０８ 表示部
１３００ 液晶パネル
１３０１ 筐体
１３０２ａ 基板
１３０２ｂ 基板
１３０３ 液晶層
１３０４ａ 偏光フィルタ
１３０４ｂ 偏光フィルタ
１３０５ バックライト
１３０６ 光電変換装置
１４００ リリースボタン
１４０１ メインスイッチ
１４０２ ファインダ窓
１４０３ フラッシュ部
１４０４ レンズ
１４０５ 鏡胴
１４０６ 筺体
１４０７ ファインダ接眼窓
１４０８ モニタ
１４０９ 操作ボタン
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換装置に関する。また、電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
電磁波を検知するための用途に用いられる光電変換装置は数多く知られており、例えば紫外線から赤外線にかけて感度を有するものは総括して光センサと呼ばれている。その中でも波長４００ｎｍ〜７００ｎｍの可視光線領域に感度を持つものは特に可視光センサと呼ばれ、人間の生活環境に応じて照度調整や、オン状態（ＯＮともいう）またはオフ状態（ＯＦＦともいう）の制御などが必要な機器類に数多く用いられている。
【０００３】
表示装置では、表示装置の周囲の明るさを検出し、その表示輝度を調整することが行なわれているものもある。光センサにより、周囲の明るさを検出して適度な表示輝度を得ることによって、視認性を向上させる、また、表示装置の余分な電力を低減することができるからである。例えば、輝度調整用の光センサを具備する表示装置としては、携帯電話、表示部付きコンピュータが挙げられる。また表示部周囲の明るさだけではなく、表示装置、特に液晶表示装置のバックライトの輝度を光センサにより検出し、表示画面の輝度を調整することも行われている。
【０００４】
光電変換装置である光センサは、光のセンシング部分にフォトダイオードなどの光電変換素子を用い、光電変換素子に流れる電流量に基づいて光の強度を検出することができる。特許文献１には電荷蓄積型の光センサについて記載されており、具体的には、入射光量に応じてフォトダイオードから流れる電流によりコンデンサ（容量素子ともいう）に蓄積された電荷を定電流回路（定電流源ともいう）により放電させることで変化する電位をコンパレータで検出し、コンパレータで検出した電位の変化に要する時間からカウンター回路及びラッチ回路を用いてデジタル信号を生成する構成について記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平６−３１３８４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の光電変換装置は、光電変換処理において入射した光の照度に対する分解能が低いといった問題がある。例えば従来の光電変換装置において、一定の値以上の高い照度の光が入射し、生成された光電流に応じた電荷の値がコンデンサに蓄積可能な電荷の値を超えた場合、コンデンサには電気容量に応じた値の電荷しか蓄積することができない。これにより例えば表示装置などに搭載した場合において所望の表示輝度に調整することができない。
【０００７】
上記問題を鑑み、本発明の一態様では、光電変換処理において光の照度に対する分解能を向上させることを課題の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様は、入射した光の照度に応じて第１の電流を生成する光電変換回路と、第１の電流に応じて電気容量が変化する充放電手段を有する充放電回路と、オン状態またはオフ状態になることにより光電変換回路と充放電回路との導通を制御する第１のスイッチング素子と、一定の値である第２の電流を生成する電流回路と、オン状態またはオフ状態になることにより充放電回路と電流回路との導通を制御する第２のスイッチング素子と、第１の入力端子及び第２の入力端子を有し、第１の入力端子に基準電位である信号が入力され、第２の入力端子が充放電回路に電気的に接続されたコンパレータと、を有する光電変換装置。
【０００９】
なお、本発明の一態様において、第１のスイッチング素子は、第２のスイッチング素子がオン状態のときにオフ状態になり、第２のスイッチング素子は、第１のスイッチング素子がオン状態のときにオフ状態になる構成とすることもできる。
【００１０】
また、本発明の一態様において、充放電回路は、第１端子及び第２端子を有し、第１端子がコンパレータの第２の入力端子に電気的に接続された第１の容量素子と、第１端子及び第２端子を有する第２の容量素子と、第１の電流に応じてオン状態またはオフ状態が制御され、オン状態またはオフ状態になることにより、第１の容量素子の第１端子と第２の容量素子の第１端子との導通を制御する第３のスイッチング素子と、を有する構成とすることもできる。
【００１１】
また、本発明の一態様において、オン状態またはオフ状態になることによりコンパレータの第２の入力端子とコンパレータの出力端子との導通を制御する第４のスイッチング素子を有する構成とすることもできる。
【００１２】
また、本発明の一態様において第２の基準電位と、コンパレータの第２の入力端子と充放電回路との接続部の電位とを比較し、比較結果により第３のスイッチング素子のオン状態またはオフ状態を制御する制御信号を出力する比較回路を有する構成とすることもできる。
【００１３】
また、本発明の一態様において、光電変換回路は、光電変換素子と、光電変換素子に流れる電流を増幅する増幅回路と、を有する構成とすることもできる。
【００１４】
また、本発明の一態様においてクロック信号を生成するクロック信号生成回路と、クロック信号のエッジをカウントするカウンター回路と、コンパレータの出力信号に応じてカウンター回路のカウント値を保持するラッチ回路と、を有する構成とすることもできる。
【００１５】
また、本発明の一態様は、上記光電変換装置を搭載した電子機器である。
【００１６】
なお、本書類（明細書、特許請求の範囲または図面など）において、トランジスタは、ゲート端子、ソース端子、及びドレイン端子の少なくとも３つの端子を有し、ゲート端子とは、ゲート電極の部分（ゲートとなる領域、導電層、及び配線などを含む）または、ゲート電極と電気的に接続されている部分の一部のことを表す。また、ソース端子とは、ソース電極の部分（ソースとなる領域、導電層、及び配線などを含む）や、ソース電極と電気的に接続されている部分の一部のことを表す。また、ドレイン端子とは、ドレイン電極の部分（ドレインとなる領域、導電層、及び配線などを含む）や、ドレイン電極と電気的に接続されている部分の一部のことを表す。またトランジスタは、ドレイン領域とソース領域の間にチャネル領域を有し、ゲート端子の電位に応じてドレイン領域とソース領域の間に電流を流すことができる。
【００１７】
また、本書類（明細書、特許請求の範囲または図面など）において、トランジスタのソース端子とドレイン端子は、トランジスタの構造や動作条件などによって変わるため、いずれの端子がソース端子またはドレイン端子であるかを限定することが困難である。そこで、本書類（明細書、特許請求の範囲または図面など）においては、ソース端子及びドレイン端子から任意に選択した一方の端子をソース端子及びドレイン端子の一方と表記し、他方の端子をソース端子及びドレイン端子の他方と表記する。
【００１８】
また、本書類（明細書及び特許請求の範囲など）において、容量素子は、２つの電極と、誘電体層と、を有し、２つの電極のうち一方の電極側の端子を第１端子といい、他方の電極側の端子を第２端子という。
【００１９】
なお、本書類（明細書及び特許請求の範囲など）において、Ａの上にＢが形成されている、あるいは、Ａ上にＢが形成されている、と明示的に記載する場合は、Ａの上にＢが直接接して形成されていることに限定されない。直接接してはいない場合、つまり、ＡとＢと間に別の対象物が介在する場合も含むものとする。ここで、Ａ、Ｂは、対象物（例えば、装置、素子、回路、配線、電極、端子、導電膜、層、など）であるとする。
【００２０】
従って例えば、層Ａの上に（もしくは層Ａ上に）、層Ｂが形成されている、と明示的に記載されている場合は、層Ａの上に直接接して層Ｂが形成されている場合と、層Ａの上に直接接して別の層（例えば層Ｃや層Ｄなど）が形成されていて、その上に直接接して層Ｂが形成されている場合とを含むものとする。なお、別の層（例えば層Ｃや層Ｄなど）は、単層でもよいし、複層でもよい。
【００２１】
なお、Ａの上にＢが形成されているまたはＡ上にＢが形成されていると明示的に記載する場合、Ａの斜め上にＢが形成される場合も含むこととする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の一態様により、光電変換処理において光の照度に対する分解能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】実施の形態１における光電変換装置の回路構成の一例を示す回路図である。
【図２】図１に示す光電変換装置の動作を示すタイミングチャート図である。
【図３】実施の形態１における光電変換装置の回路構成の一例を示す回路図である。
【図４】実施の形態１の光電変換装置における光電変換回路の回路構成の一例を示す回路図である。
【図５】実施の形態１の光電変換装置における比較回路の回路構成の一例を示す回路図である。
【図６】実施の形態１の光電変換装置の回路構成の一例を示す回路図である。
【図７】図６に示す光電変換装置の動作を示すタイミングチャート図である。
【図８】図６に示す光電変換装置の動作を示すタイミングチャート図である。
【図９】入射した光の照度とカウンター回路のカウント値との関係を示す図である。
【図１０】実施の形態２における光電変換装置の回路構成の一例を示す回路図である。
【図１１】図１０に示す光電変換装置の動作を示すタイミングチャート図である。
【図１２】図１０に示す光電変換装置の動作を示すタイミングチャート図である。
【図１３】実施の形態３における光電変換装置の作製方法の一例を示す断面模式図である。
【図１４】実施の形態３における光電変換装置の作製方法の一例を示す断面模式図である。
【図１５】実施の形態４における電子機器の構成の一例を示す模式図である。
【図１６】実施の形態４における電子機器の構成の一例を示す模式図である。
【図１７】実施の形態４における電子機器の構成の一例を示す模式図である。
【図１８】実施の形態４における電子機器の構成の一例を示す模式図である。
【図１９】実施の形態４における電子機器の構成の一例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明の実施の形態例について、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。
【００２５】
（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明の一態様である光電変換装置について説明する。
【００２６】
まず本実施の形態の光電変換装置の構成について図１を用いて説明する。図１は、本実施の形態の光電変換装置の回路構成の一例を示す回路図である。
【００２７】
図１に示す光電変換装置は、少なくとも光電変換回路１００と、充放電回路１０１と、電流回路１０２と、コンパレータ１０３と、第１のスイッチング素子１１１と、第２のスイッチング素子１１２と、を有する。
【００２８】
なお本書類（明細書及び特許請求の範囲など）において、光電変換とは、光が入射されることにより、入射した光の照度に応じた電流が生成されることをいう。
【００２９】
また本書類（明細書及び特許請求の範囲など）において、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、数的に限定するものではないことを付記する。
【００３０】
光電変換回路１００は、外部から入射した光の照度に応じて第１の電流（ＩＬともいう）を生成する機能を有する。第１の電流の値は、光の照度によって変化する。
【００３１】
充放電回路１０１は、充放電手段を有する。充放電手段は、光電変換回路１００における第１の電流の値に応じて電気容量を段階的に変化させることができる。
【００３２】
電流回路１０２は、一定の値である第２の電流（定電流ともいう）を生成する機能を有する。
【００３３】
コンパレータ１０３は、充放電回路１０１に電気的に接続される。また、コンパレータ１０３は、充放電回路１０１との接続部の電位と基準電位（第１の基準電位ともいう）とを比較し、比較結果に従って出力信号を出力する機能を有する。
【００３４】
さらに図１に示す光電変換装置の回路構成について詳細に説明する。
【００３５】
充放電回路１０１は、第１のスイッチング素子１１１を介して光電変換回路１００に電気的に接続される。すなわち第１のスイッチング素子１１１は、オン状態またはオフ状態になることにより、光電変換回路１００と充放電回路１０１との導通を制御する機能を有する。
【００３６】
第１のスイッチング素子１１１及び第２のスイッチング素子１１２は、一方の端子と他方の端子との導通または非導通を制御できるものであればよく、特定のものに限定されない。第１のスイッチング素子１１１または第２のスイッチング素子１１２としては、電気的に動作するスイッチング素子（電気的スイッチング素子ともいう）や機械的に動作するスイッチング素子（機械的スイッチング素子ともいう）などがあり、一例として薄膜トランジスタを用いて構成すればよい。また薄膜トランジスタを複数用いたアナログスイッチを用いることもできる。また、第１のスイッチング素子１１１は、第２のスイッチング素子１１２がオン状態のときにオフ状態になる機能を有し、第２のスイッチング素子１１２は、第１のスイッチング素子１１１がオン状態のときにオフ状態になる機能を有する。
【００３７】
また、電流回路１０２は、第２のスイッチング素子１１２を介して充放電回路１０１に電気的に接続される。すなわち第２のスイッチング素子１１２は、オン状態またはオフ状態になることにより、電流回路１０２と充放電回路１０１との導通を制御する機能を有する。
【００３８】
また、コンパレータ１０３は、第１端子（反転入力端子、または第１の入力端子ともいう）と第２端子（入力端子、または第２の入力端子ともいう）と、を有し、第１端子が電位供給端子１０４に電気的に接続され、第２端子が充放電回路１０１に電気的に接続され、且つ第１のスイッチング素子１１１を介して光電変換回路１００に電気的に接続され、且つ第２のスイッチング素子１１２を介して電流回路１０２に電気的に接続され、第３端子（出力端子ともいう）が出力端子１０５に電気的に接続される。すなわち、第１のスイッチング素子１１１は、オン状態またはオフ状態になることにより光電変換回路１００とコンパレータ１０３の第２端子との導通を制御する機能を有し、第２のスイッチング素子１１２は、オン状態またはオフ状態になることにより電流回路１０２とコンパレータ１０３の第２端子との導通を制御する機能を有する。なお、図１において、コンパレータ１０３の第２の入力端子と、充放電回路１０１との接続部をノード１０６ともいう。
【００３９】
光電変換回路１００は、例えば光電変換素子を用いて構成することができる。光電変換素子としては例えばフォトダイオードやフォトトランジスタなどを適用することができる。また、光電変換回路１００は、光電変換素子と、増幅回路を設けた構成とすることもできる。増幅回路を設けることにより、出力電流を増幅させることができるため、入射した光の照度が光電変換処理を行えないほど低い場合であっても、光電変換処理を行うために十分な出力電流を生成することができる。増幅回路は、例えばカレントミラー回路などを用いて構成することができる。
【００４０】
充放電回路１０１は、例えばスイッチング素子と、スイッチング素子を介して並列接続で電気的に接続され、充放電手段となる複数の容量素子と、を用いて構成することができる。スイッチング素子としては上記第１のスイッチング素子１１１乃至第２のスイッチング素子１１２に適用可能なものと同様のものを適用することができる。また充放電回路１０１は、可変容量を用いて構成することもできる。
【００４１】
電流回路１０２は、一定の電流である第２の電流が生成される電流源を用いて構成することができる。なお本明細書において一定とは、実質的に一定である場合も含まれる。
【００４２】
また、本実施の形態の光電変換装置は、電位供給端子１０４を介して基準電位（Ｖｒｅｆともいう）が与えられる。Ｖｒｅｆの値は、光電変換装置の構成を考慮して設定することができる。
【００４３】
次に図１に示す光電変換装置の動作について図２を用いて説明する。図２は図１に示す光電変換装置の動作を示すタイミングチャート図である。なお本実施の形態では、光電変換回路１００によって生成される第１の電流の値が基準電流（Ｉｒｅｆともいう）の値より低い場合と高い場合についてそれぞれ説明する。なおＩｒｅｆの値は、充放電回路１０１における充放電手段の電気容量を考慮して設定された任意の値である。
【００４４】
図２に示すように、図１に示す光電変換装置の動作は、第１の期間２３１、第２の期間２３２、及び第３の期間２３３に分けられる。なお第２の期間２３２を蓄積期間とし、第３の期間２３３を放電期間とする。
【００４５】
まずＩＬ＜Ｉｒｅｆの場合について説明する。なおこのとき充放電回路１０１の電気容量をＣａとする。
【００４６】
まず第１の期間２３１では、第１のスイッチング素子１１１がオフ状態になり、第２のスイッチング素子１１２がオフ状態になる。
【００４７】
このときノード１０６の電位（Ｖ１０６ともいう）がリセットされ、Ｖｒｅｆになる。このときのＶｒｅｆは、図示しないが電位供給端子１０４を介して与えることもでき、また別途端子を設けて与えることもできる。またスイッチング素子を介してコンパレータ１０３の第２の入力端子と出力端子とを電気的に接続させることにより、Ｖｒｅｆからコンパレータ１０３のオフセット電位分を引いた値に設定することもできる。これにより、コンパレータ１０３のオフセット電位が経時変化した場合においてもコンパレータ１０３の入出力信号を補正することができる。
【００４８】
さらに、このとき出力端子１０５を介して出力される出力信号の電位（Ｖ１０５ともいう）はＶｒｅｆとなる。以上が第１の期間２３１における動作である。
【００４９】
次に第２の期間２３２では、第１のスイッチング素子１１１がオン状態になり、第２のスイッチング素子１１２がオフ状態になる。
【００５０】
このとき光電変換回路１００において生成される第１の電流の値に応じた値の電荷が充放電回路１０１に蓄積される。このときＶ１０６は、時間ｔ０でＶｘまで上昇する。なおＶｘは、接地電位（Ｖｓｓともいう）より高く、充放電回路１０１に可能な限り電荷が蓄積されたときの電位Ｖｍａｘより低い任意の値である。
【００５１】
さらにこのときＶ１０５は、Ｖ１０６の値がＶｒｅｆの値より高く、コンパレータ１０３の出力信号がＶｓｓであるため、Ｖｓｓ（ロウ状態ともいう）となる。以上が第２の期間２３２における動作である。
【００５２】
次に第３の期間２３３では、第１のスイッチング素子１１１がオフ状態になり、第２のスイッチング素子１１２がオン状態になる。
【００５３】
このとき電流回路１０２において第２の電流が流れ、第２の電流に応じて第１の期間２３１において充放電回路１０１に蓄積された電荷が一定量ずつ放出される。このときＶ１０６は下降し、時間ｔ１でＶｒｅｆになり、その後Ｖｓｓになる。Ｖ１０６がＶｘからＶｒｅｆまで下降する時間（放電時間ともいう）、すなわち時間ｔ０から時間ｔ１までの時間は、充放電回路１０１に蓄積される電荷の値によって異なり、さらに充放電回路１０１に蓄積される電荷の値は、充放電回路１０１の電気容量、または光電変換回路１００により生成される第１の電流によって異なる。
【００５４】
さらにこのときＶ１０５は、Ｖ１０６がＶｒｅｆより低く、コンパレータ１０３の出力信号の電位がＶｄｄ（ハイ状態ともいう）であるため、Ｖｄｄとなる。なお、ＶｄｄはＶｓｓより高い任意の値の電位である。以上が第３の期間２３３における動作である。
【００５５】
本実施の形態の光電変換装置では、第２の期間２３２における充放電回路１０１の放電時間を利用することにより、光電変換回路１００に入射した光の照度に応じた値の電位である信号を生成することができる。
【００５６】
次にＩＬ＞Ｉｒｅｆの場合について説明する。
【００５７】
まず第１の期間については、ＩＬ＜Ｉｒｅｆの場合と同様であるため、ＩＬ＜Ｉｒｅｆの場合における光電変換装置の動作の説明を援用する。
【００５８】
次に第２の期間２３２では、第１のスイッチング素子１１１がオン状態になり、第２のスイッチング素子１１２がオフ状態になる。
【００５９】
このとき光電変換回路１００にて生成される第１の電流の値に応じた値の電荷が充放電回路１０１に蓄積される。このときＶ１０６は上昇し、Ｖｚになったところで充放電回路１０１の電気容量がＣａより大きいＣｂに変化する。さらに充放電回路１０１に電荷が蓄積され、Ｖ１０６は時間ｔ０でＶｙまで上昇する。Ｖｙは、Ｖｓｓより高く、充放電回路１０１に可能な限り電荷が蓄積されたときの電位Ｖｍａｘより低い任意の値である。このとき単位時間当たりのＶ１０６の上昇量は、ＩＬ＜Ｉｒｅｆの場合より低くなるため、ＩＬ＞Ｉｒｅｆの場合、すなわち光電変換回路１００において生成された第１の電流に応じた値の電荷が充放電回路１０１に蓄積可能な電荷の値を超えることなく、第１の電流に応じた電荷を充放電回路１０１に蓄積することができる。
【００６０】
さらにこのときＶ１０５の値は、Ｖ１０６がＶｒｅｆより低く、コンパレータ１０３の出力端子を介して出力される出力信号の電位がＶｓｓであるため、Ｖｓｓである。以上が第２の期間２３２における動作である。
【００６１】
次に第３の期間２３３では、第１のスイッチング素子１１１がオフ状態になり、第２のスイッチング素子１１２がオン状態になる。
【００６２】
このとき電流回路１０２において第２の電流が流れ、第２の電流に応じて第１の期間２３１において充放電回路１０１に蓄積された電荷が一定量ずつ放出される。このときＶ１０６は下降し、時間ｔ２でＶｒｅｆになり、その後Ｖｓｓになる。Ｖ１０６がＶｙからＶｒｅｆまで下降する時間（放電時間ともいう）、すなわち時間ｔ０から時間ｔ２までの時間は、充放電回路１０１に蓄積される電荷の値によって異なり、さらに充放電回路１０１に蓄積される電荷の値は、光電変換回路１００により生成される第１の電流の値によって異なる。さらにこのときＶ１０５は、Ｖ１０６がＶｒｅｆより高く、コンパレータ１０３の出力端子を介して電位がＶｄｄである出力信号が出力されるため、Ｖｄｄとなる。以上が第３の期間２３３における動作である。
【００６３】
なお、図１に示す光電変換装置の動作において第２の期間２３２を充電期間とし、第３の期間２３３を放電期間としたが、これに限定されず、本実施の形態の光電変換装置では、第２の期間２３２を放電期間とし、第３の期間２３３を充電期間とし、第１の期間２３１で予め所定の値の電荷が蓄積された充放電回路１０１において、第２の期間２３２で電荷を放出し、第３の期間２３３において電荷を蓄積する構成とすることもできる。このとき第２の期間２３２における所定の値の電荷が蓄積するまでの時間を利用することにより光電変換回路１００に入射した光の照度に応じた値の信号を生成することができる。
【００６４】
以上のように、本実施の形態の光電変換装置は、光電変換回路において生成される第１の電流の値に応じ、すなわち入射した光の照度に応じて充放電回路の充放電手段の電気容量の値を変化させることにより、第１の電流に応じた電荷が充放電回路に蓄積可能な電荷の値を超えることなく、充放電回路に第１の電流に応じた電荷の蓄積または放出を行うことができるため、光電変換処理における照度に対する分解能を向上させることができる。
【００６５】
さらに本実施の形態の光電変換装置の構成について図３を用いて説明する。図３は、本実施の形態における光電変換装置の構成の一例を示す回路図である。
【００６６】
図３に示す光電変換装置は、光電変換回路１００と、充放電回路１０１と、電流回路１０２と、コンパレータ１０３と、電位供給端子１０４と、出力端子１０５と、ノード１０６と、第１のスイッチング素子１１１と、第２のスイッチング素子１１２と、を有する。なお、図１に示す光電変換装置の回路及び素子と同じ符号である回路及び素子については、図１に示した光電変換装置の各素子及び回路の構成の説明を適宜援用し、図３に示す光電変換装置においては説明を省略する。
【００６７】
さらに図３に示す光電変換装置の構成について詳細に説明する。
【００６８】
まず光電変換回路１００の構成について説明する。
【００６９】
光電変換回路１００の構成について図４を用いて説明する。図４は本実施の形態における光電変換回路１００の構成の一例を示す図である。
【００７０】
図４に示す光電変換回路１００は、少なくとも光電変換素子２００と、増幅回路２０１と、を有する。
【００７１】
光電変換素子２００は、光が入射することにより、入射した光の照度に応じた光電流を生成する機能を有する。
【００７２】
増幅回路２０１は、光電変換素子２００により生成された光電流に応じて出力電流を増幅する機能を有する。
【００７３】
さらに増幅回路２０１は、参照用トランジスタである第１のトランジスタ２１１と出力用トランジスタである第２のトランジスタ２１２とからなるカレントミラー回路により構成することができる。なお図４に示す光電変換回路１００において、カレントミラー回路を第１のトランジスタ２１１及び第２のトランジスタ２１２により構成する例について示しているが、これに限定されず、本実施の形態の光電変換装置における光電変換回路では、第１のトランジスタ２１１及び第２のトランジスタ２１２をそれぞれ複数設けてカレントミラー回路を構成することもできる。
【００７４】
さらに、光電変換回路１００は、光電変換素子２００及び増幅回路２０１に加え、第１の電位供給端子２２１と、第２の電位供給端子２２２と、第３の電位供給端子２２３と、を有する。
【００７５】
光電変換素子２００は、第１端子（陽極側の端子）が第２の電位供給端子２２２に電気的に接続され、第２端子（陰極側の端子）が第１のトランジスタ２１１のソース端子及びドレイン端子の一方に電気的に接続される。
【００７６】
増幅回路２０１において、第１のトランジスタ２１１は、ゲート端子がソース端子及びドレイン端子の他方に電気的に接続され、ソース端子及びドレイン端子の一方が第１の電位供給端子２２１に電気的に接続される。第２のトランジスタ２１２は、ゲート端子が第１のトランジスタ２１１のゲート端子に電気的に接続され、ソース端子及びドレイン端子の一方が第３の電位供給端子２２３に電気的に接続され、ソース端子及びドレイン端子の他方が第１のスイッチング素子１１１を介して充放電回路１０１に電気的に接続される。このとき第１のトランジスタ２１１及び第２のトランジスタ２１２はｐチャネル型トランジスタである。
【００７７】
図４に示す光電変換回路１００は、第１の電位供給端子２２１及び第３の電位供給端子２２３を介して電源電位が与えられ、第２の電位供給端子２２２を介して接地電位が与えられる。
【００７８】
次に図４に示す光電変換回路１００の動作について説明する。
【００７９】
光電変換素子２００に光が入射すると、入射した光の照度に応じた光電流が光電変換素子２００にて生成され、光電流に応じて第１のトランジスタ２１１がオン状態になり、第１のトランジスタ２１１のソース端子及びドレイン端子の間に電流が流れる。また、光電流に応じて第２のトランジスタ２１２がオン状態になり、第２のトランジスタ２１２のソース端子及びドレイン端子の間に第１の電流として光電流を増幅させた電流（増幅電流ともいう）が流れる。以上が光電変換回路１００における動作である。
【００８０】
次に充放電回路１０１の構成について説明する。
【００８１】
充放電回路１０１は、Ｎ個（Ｎは２以上の自然数）の容量素子と、Ｎ−１個の第３のスイッチング素子と、を有する。
【００８２】
Ｎ個の容量素子のうち、第１番目の容量素子は、第１端子が第１のスイッチング素子１１１を介して光電変換回路１００に電気的に接続される。すなわち、第１のスイッチング素子１１１は、オン状態またはオフ状態になることにより第１番目の容量素子の第１端子と光電変換回路１００との導通を制御する機能を有する。
【００８３】
Ｎ個の容量素子のうち、第Ｋ番目（２≦Ｋ≦Ｎ、Ｋは自然数）の容量素子は、第１端子が第Ｋ−１番目の第３のスイッチング素子を介して第Ｋ−１番目の容量素子の第１端子に電気的に接続される。すなわち、第Ｋ−１番目の第３のスイッチング素子は、オン状態またはオフ状態になることにより第Ｋ番目の容量素子の第１端子と第Ｋ−１番目の容量素子の第１端子との導通を制御する機能を有する。
【００８４】
またＮ−１個の第３のスイッチング素子は、光電変換回路１００において生成される第１の電流の値に応じて第１番目からそれぞれ所望のタイミングで順次オン状態になる機能を有する。
【００８５】
図３に示す光電変換装置では、充放電回路１０１の構成の一例として、第１の容量素子１４１と、第２の容量素子１４２と、第３のスイッチング素子１１３と、を有する例を示している。
【００８６】
第１の容量素子１４１は、第１端子がコンパレータ１０３の第２の入力端子に電気的に接続され、第２端子が接地される。
【００８７】
また、第２の容量素子１４２は、第１端子が第３のスイッチング素子１１３を介して第１の容量素子１４１の第１端子に電気的に接続され、第２端子が接地される。
【００８８】
第３のスイッチング素子１１３は、第１の電流に応じてオン状態またはオフ状態が制御され、第１の容量素子１４１の第１端子と第２の容量素子１４２の第１端子との導通を制御する機能を有する。また、第３のスイッチング素子１１３は、所望のタイミングにおいてオン状態になることが好ましい。第３のスイッチング素子１１３のオン状態になるタイミングは、例えば比較回路を設けることにより設定することができる。比較回路の構成の一例について図５に示す。
【００８９】
図５に示す比較回路は、第１の電位供給端子３０１と、第２の電位供給端子３０２と、第３の電位供給端子３０３と、第４の電位供給端子３０４と、分圧回路３０５と、コンパレータ３０６と、ラッチ回路３０７と、ＯＲ回路３０８と、第５の電位供給端子３０９と、出力端子３１０と、を有する。
【００９０】
分圧回路３０５は、第１の電位供給端子３０１を介して与えられる電位と第２の電位供給端子３０２を介して与えられる電位との電位差である電圧を分圧する機能を有する。
【００９１】
コンパレータ３０６は、第１の入力端子、第２の入力端子、及び出力端子を有し、第１の入力端子に入力され、分圧回路３０５において分圧された電圧に応じた電位（分圧電位、または第２の基準電位ともいう）と、第３の電位供給端子３０３を介して第２の入力端子に入力される電位とを比較し、比較結果に応じた電位の出力信号を出力する機能を有する。なお第３の電位供給端子３０３を介して入力される電位は、図３に示す光電変換装置におけるノード１０６の電位である。なお、分圧電位の値は、第１の容量素子１４１の電気容量の値によって任意の値に設定される。
【００９２】
ラッチ回路３０７は、第１の入力端子、第２の入力端子、及び出力端子を有し、第１の入力端子に入力されたコンパレータ３０６の出力信号の値（電位）を保持する機能を有する。コンパレータ３０６の出力信号の値が保持されている間はラッチ回路３０７の出力信号の電位がラッチ回路３０７の第１の入力端子に入力される入力信号の電位と等しくなる。また、ラッチ回路３０７は、第４の電位供給端子３０４を介して第２の入力端子に第１のリセット電位が与えられることによりラッチ回路３０７に保持された信号の値はリセットされる。
【００９３】
ＯＲ回路３０８は、ラッチ回路３０７から入力された信号がハイ状態のとき、または第５の電位供給端子３０９を介して第２のリセット電位が与えられることにより、ハイ状態である信号を出力端子３１０に出力する。
【００９４】
また、図５に示す比較回路は、出力端子３１０を介してＯＲ回路３０８の出力信号を出力する。このとき出力信号は、図３における第３のスイッチング素子１１３の制御信号となり、例えば出力信号がハイ状態の場合には、第３のスイッチング素子１１３がオン状態になり、出力信号がロウ状態の場合には、第３のスイッチング素子１１３がオフ状態になる。
【００９５】
例えば上記のような構成の比較回路を設けることにより、複数の容量素子の接続の切換を行うことができる。
【００９６】
電流回路１０２は、電流源１５０を有し、電流源１５０は、第１端子が第２のスイッチング素子１１２を介して充放電回路１０１における第１の容量素子１４１の第１端子に電気的に接続され、第２端子が接地される。すなわち、第２のスイッチング素子１１２は、電流源１５０の第１端子と第１の容量素子１４１の第１端子との導通を制御する機能を有する。このとき第２の電流は第１端子から第２端子に流れる。
【００９７】
また、図３に示す光電変換装置は、第４のスイッチング素子１１４を有する。第４のスイッチング素子１１４を介してコンパレータ１０３の第２の入力端子と出力端子とが電気的に接続される。すなわち、第４のスイッチング素子１１４は、コンパレータ１０３の第２の入力端子と出力端子との導通を制御する機能を有する。なお、第４のスイッチング素子１１４としては、上記第１のスイッチング素子１１１乃至第３のスイッチング素子１１３に適用可能なスイッチング素子と同様のものを適用することができる。
【００９８】
さらに図３に示す光電変換装置の回路構成に加え、入射した光の照度に応じて生成された信号をデジタル信号に変換するための回路を設けた光電変換装置の構成について図６を用いて説明する。図６は、本実施の形態における光電変換装置の構成の一例を示す回路図である。
【００９９】
図６に示す光電変換装置は、図３に示す光電変換装置の回路構成に加え、定電圧回路１２１（レギュレータともいう）、制御回路１２２、ラッチ回路１２３、カウンター回路１２４、クロック信号生成回路１２５、及びインターフェース回路１２６を有する。
【０１００】
定電圧回路１２１は、一定の値の電圧（定電圧ともいう）を生成する機能を有する。生成された定電圧は、例えば基準電位として出力される。また定電圧回路１２１は、必要に応じ、制御回路１２２、ラッチ回路１２３、カウンター回路１２４、クロック信号生成回路１２５、またはインターフェース回路１２６に各回路を駆動するための電位（電源電位ともいう）を出力することもできる。
【０１０１】
また、制御回路１２２は、本実施の形態の光電変換装置内のスイッチング素子のオン状態またはオフ状態のタイミングを制御する機能を有し、また本実施の形態の光電変換装置のいずれかをリセットするための信号（リセット信号ともいう）を生成する機能を有する。また制御回路１２２は、ラッチ回路１２３、カウンター回路１２４、クロック信号生成回路１２５、またはインターフェース回路１２６における各信号の同期をとることもできる。
【０１０２】
また、ラッチ回路１２３は、コンパレータ１０３の出力端子（図３に示す出力端子１０５）に電気的に接続され、コンパレータ１０３の出力信号に応じてカウンター回路１２４から出力されるカウント値を保持する機能を有する。ラッチ回路１２３で保持されたカウント値は、インターフェース回路１２６にデジタル信号として出力される。
【０１０３】
また、カウンター回路１２４は、クロック信号生成回路１２５から出力されるクロック信号（ＣＬＫともいう）のエッジ（例えばハイ状態からロウ状態になるときの変化点、またはロウ状態からハイ状態になるときの変化点）をカウントする機能を有する。さらにカウンター回路１２４は、カウントされた数（カウント値、またはＣＮＴともいう）に応じた電位の信号をラッチ回路１２３に出力する。なお、出力するカウント値は、カウント可能な数（ビット数という）に応じたバス数にて、デジタル信号としてラッチ回路に１２３に出力される。
【０１０４】
また、クロック信号生成回路１２５は、カウンター回路１２４でカウントするクロック信号をカウンター回路１２４に出力する機能を有する。クロック信号生成回路１２５としては、例えば固体振動子発振回路、またはＣＲ発振回路などを用いて構成することができる。
【０１０５】
また、インターフェース回路１２６は、例えばデジタルシリアルインターフェースの一つであるＩ２Ｃ（Ｉｎｔｅｒ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）インターフェースをインターフェースとして用いることができる。Ｉ２Ｃインターフェースは、他の装置とのデータ通信のためのシリアルデータライン（ＳＤＡ）と、他の装置との間のデータ通信を制御及び同期化するためのシリアルクロックライン（ＳＣＬ）と、からなるＩ２Ｃバスによって外部装置に接続されている。Ｉ２Ｃインターフェースに接続された回路は、固有のアドレスによって応答または非応答が選択され、回路間でデータ通信を行うことができる。なおＩ２Ｃバス以外に、ユニバーサルシリアルバス（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）、シリアル周辺インターフェース（Ｓｅｒｉａｌ Ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）などのバス規格を用いることができる。以上が図６に示す光電変換装置の構成の説明である。
【０１０６】
次に図６における光電変換装置の動作について図７及び図８を用いて説明する。図７及び図８は、図６に示す本実施の形態の光電変換装置の動作を示すタイミングチャート図である。なお本実施の形態では、光電変換回路１００によって生成されるＩＬの値がＩｒｅｆの値より低い場合と高い場合についてそれぞれ説明する。なお、Ｉｒｅｆの値は、充放電回路１０１の電気容量を考慮して設定された任意の値である。
【０１０７】
図７及び図８に示すように、図６に示す光電変換装置の動作は、第１の期間２５１、第２の期間２５２、及び第３の期間２５３に分けられる。
【０１０８】
まずＩＬ＜Ｉｒｅｆの場合について図７を用いて説明する。
【０１０９】
図７に示すように、まず第１の期間２５１では、第１のスイッチング素子１１１及び第２のスイッチング素子１１２がオフ状態になり、第３のスイッチング素子１１３及び第４のスイッチング素子１１４がオン状態になる。
【０１１０】
このときコンパレータ１０３の第２の入力端子と出力端子とが導通状態になり、ノード１０６の電位（Ｖ１０６ともいう）がＶｒｅｆになり、また第１の容量素子１４１及び第２の容量素子１４２の第１端子の電位もＶｒｅｆになる。
【０１１１】
さらに、このときラッチ回路１２３に入力される信号の電位（Ｖ１２３ともいう）はＶｒｅｆとなる。以上が第１の期間２５１における動作である。なお、実際にＶ１２３は、Ｖｒｅｆからコンパレータ１０３のオフセット電位分を引いた値となる。このため、第３のスイッチング素子１１３を設けることにより、コンパレータ１０３のオフセット電位が経時変化した場合においてもコンパレータ１０３の入出力信号を補正することができる。本実施の形態では、便宜のためＶ１２３はＶｒｅｆになるものとして説明する。
【０１１２】
次に第２の期間２５２では、第１のスイッチング素子１１１がオン状態になり、第３のスイッチング素子１１３及び第４のスイッチング素子１１４がオフ状態になる。また、第２のスイッチング素子１１２はオフ状態のままである。
【０１１３】
このとき光電変換回路１００にて生成される第１の電流の値に応じて充放電回路１０１に電荷が蓄積される。このときＶ１０６はＶｘまで上昇する。Ｖｘは、Ｖｓｓより高く、充放電回路１０１に可能な限り電荷が蓄積されたときの電位Ｖｍａｘより低い任意の値である。
【０１１４】
さらにこのときＶ１２３は、Ｖ１０６の値がＶｒｅｆの値より高く、コンパレータ１０３の出力信号の電位がＶｓｓであるため、Ｖｓｓである。以上が第２の期間２５２における動作である。
【０１１５】
次に第３の期間２５３では、第１のスイッチング素子１１１がオフ状態になり、第２のスイッチング素子１１２がオン状態になる。また、第３のスイッチング素子１１３及び第４のスイッチング素子１１４はオフ状態のままである。
【０１１６】
このとき電流回路１０２において第１端子から第２端子に第２の電流が流れるため、充放電回路１０１に蓄積された電荷が一定量ずつ放出される。このときＶ１０６は下降し、時間ｔ１でＶｒｅｆになり、その後Ｖｓｓになる。Ｖ１０６がＶｘからＶｒｅｆまで下降する時間（放電時間ともいう）は充放電回路１０１に蓄積される電荷の値によって異なり、さらに充放電回路１０１に蓄積される電荷の値は、充放電回路１０１の電気容量、または光電変換回路１００により生成される第１の電流の値によって異なる。
【０１１７】
また、カウンター回路１２４では、第２のスイッチング素子１１２がオン状態になると同時にカウント値がリセットされ、その後クロック信号のエッジのカウント（カウントアップともいう）が行われる。このときの時間を時間ｔ０とする。その後Ｖ１０６の電位が下降し、時間ｔ１においてＶｒｅｆになると、コンパレータ１０３の出力信号の電位がＶｄｄになり、ラッチ回路１２３に電位がＶｄｄである信号が入力されることにより、ラッチ回路１２３には、時間ｔ０から時間ｔ１までの第１のカウント値５００に基づく電位の信号が保持され、保持された値に従ってインターフェース回路１２６によりデジタル信号が生成される。以上が第３の期間２５３における動作である。
【０１１８】
なお、第３の期間２５３における電流回路１０２の第２の電流の値は、第２の電流の値をｉ０とすると、ｉ０＝（ｔ０×１つのカウント値に対応する第１の電流の値）／（クロック信号生成回路１２５におけるクロック信号の０．５周期の時間）により設定されることが好ましい。これにより、コンパレータ１０３における電位の比較をより正確に行うことができる。
【０１１９】
次にＩＬ＞Ｉｒｅｆの場合について図８を用いて説明する。
【０１２０】
図８に示すように、まず第１の期間２５１については、ＩＬ＜Ｉｒｅｆの場合における動作と同じであるため、ＩＬ＜Ｉｒｅｆの場合における動作の説明を援用する。
【０１２１】
次に第２の期間２５２では、第１のスイッチング素子１１１がオン状態になり、第４のスイッチング素子１１４がオフ状態になる。また第２のスイッチング素子１１２がオフ状態のままである。また、第３のスイッチング素子１１３は第２の期間２５２内の一定期間においてオフ状態のままである。
【０１２２】
このとき光電変換回路１００において生成される第１の電流の値に応じて充放電回路１０１に電荷が蓄積される。このときＶ１０６がＶｚまで上昇すると、第３のスイッチング素子１１３がオン状態になる。なおＶｚは、Ｖｓｓより高く、充放電回路１０１に可能な限り電荷が蓄積されたときの電位Ｖｍａｘより低い任意の値であり、例えば図５に示す比較回路により設定することができる。
【０１２３】
さらに、第３のスイッチング素子１１３がオン状態になると、第１の容量素子１４１及び第２の容量素子１４２が容量結合される。容量結合されると、Ｖ１０６は、Ｖｚから下降し、Ｖｗになる。このとき第１の容量素子１４１の電気容量をＣ１、第２の容量素子の電気容量をＣ２とすると、Ｖｗ＝（Ｃ１Ｖｚ＋Ｃ２Ｖｒｅｆ）／（Ｃ１＋Ｃ２）となる。すなわちＶｗは、第１の容量素子１４１及び第２の容量素子１４２の電気容量の値を設定することにより設定された任意の値である。
【０１２４】
さらにＶ１０６の値は、Ｖｗから再び上昇し、Ｖｙになる。Ｖｙは、Ｖｓｓより高く、Ｖｍａｘより低い任意の値である。
【０１２５】
さらにこのときＶ１２３は、Ｖ１０６の値がＶｒｅｆの値より高く、コンパレータ１０３の出力信号の電位がＶｓｓであるため、Ｖｓｓである。以上が第２の期間２５２における動作である。
【０１２６】
次に第３の期間２５３では、第１のスイッチング素子１１１がオフ状態になり、第２のスイッチング素子１１２がオン状態になる。また、第３のスイッチング素子１１３はオン状態のままであり、第４のスイッチング素子１１４はオフ状態のままである。
【０１２７】
このとき電流回路１０２において第１端子から第２端子に第２の電流が流れるため一定量ずつ電荷が放出される。このときＶ１０６は下降し、時間ｔ１でＶｒｅｆになり、その後Ｖｓｓになる。Ｖ１０６がＶｘからＶｒｅｆまで下降する時間（放電時間ともいう）は充放電回路１０１に蓄積される電荷の値によって異なり、さらに充放電回路１０１に蓄積される電荷の値は、充放電回路１０１の電気容量、または光電変換回路１００により生成される第１の電流の値によって異なる。
【０１２８】
また、カウンター回路１２４では、第２のスイッチング素子１１２がオン状態になると同時にカウント値がリセットされ、その後クロック信号のエッジのカウントアップを行う。このときの時間を時間ｔ０とする。その後Ｖ１０６の電位が下降し、時間ｔ２においてＶｒｅｆになると、コンパレータ１０３の出力信号がＶｄｄになり、ラッチ回路１２３に電位がＶｄｄである信号が入力されることにより、ラッチ回路１２３には、時間ｔ０から時間ｔ２までの第２のカウント値５０１に基づく電位である信号が保持され、保持された値に従ってインターフェース回路１２６によりデジタル信号が生成される。以上が第３の期間２５３における動作である。
【０１２９】
また光電変換回路１００へ入射した光の照度とカウンター回路１２４のカウント値との関係を図９に示す。図９に示すように、本実施の形態で説明した光電変換装置は、照度が高くなるほどカウント値も大きくなるため、カウント値により入射した光の照度の検出を行うことができ、確度の高い光の照度の検出を行うことができる。また、本実施の形態の光電変換装置は、例えば１０ビット以上のカウント値を用いることもできるため、光電変換において光の照度に対する分解能をより向上させることができる。
【０１３０】
さらに本実施の形態の光電変換装置における充放電回路の放電時間について計算による検証を行った。詳細について以下に説明する。
【０１３１】
まず従来例として、図３に示す光電変換装置の容量素子１４２を設けずにその他は図３に示す光電変換装置の構成と同じである光電変換装置について考える。このときコンパレータ１０３の第２の入力端子には電位供給端子１０４を介して基準電圧Ｖ０が与えられる。なお、従来例の光電変換装置の動作については、図７に示すタイミングチャートを適宜用いて説明する。
【０１３２】
まず第２の期間２５２において、充放電回路１０１の容量をＣ０とし、Ｃ０＝Ｃ１４１（容量素子１４１の容量）とし、光電変換素子２００の光電流に基づく電流により一定時間Ｔ０の間容量素子１４１を充電したとするとノード１０６の電圧（Ｖ（Ｌｘ）ともいう）は下記数式１により表すことができる。このときＱ（Ｌｘ）は、光電流に基づく電流により充放電回路に充電される電荷を示す。
【０１３３】
【数１】
【０１３４】
ここで、ノード１０６の電位がＶ０に設定され、充放電回路１０１では光電流に基づく電流によってＱ（Ｌｘ）の電荷が充電されたとする。この後、第３の期間２５３で電流回路１０２により充電された充放電回路１０１を一定電流Ｉ０で放電する。このとき、コンパレータ１０３の出力が反転するまでの放電時間Ｔｍｅａ（ｃ）は下記数式２により表すことができる。
【０１３５】
【数２】
【０１３６】
しかし、実際の光電変換装置ではノイズの影響を受ける。ノイズには、容量Ｃ０などに依存するものもあるが、ここでは簡単のため、容量に依存しないもののみを考える。このノイズ電圧をＶｎとすると、従来例における実際の光電変換装置での放電時間Ｔｍｅａ（ｃ）は下記数式３により表すことができる。
【０１３７】
【数３】
【０１３８】
次に、本発明の一態様である光電変換装置の一例として図３に示す光電変換装置について考える。Ｃ１＝Ｃ１４１＋Ｃ１４２（容量素子１４２の容量）とすると、一定値より高照度で第３のスイッチング素子１１３がオン状態になる場合には、従来例とは同じ結果となる。ここでは、一定値より低照度で第３のスイッチング素子１１３がオフ状態のままの場合を考える。この場合の放電時間は、下記数式４により表すことができる。
【０１３９】
【数４】
【０１４０】
このときＣ１４１＜Ｃ０であるため、ノイズによるずれは、従来例より本発明の一態様の光電変換装置の方が小さいことがわかる。
【０１４１】
よって本発明の一態様である光電変換装置では、単位時間あたりの放電量が従来の光電変換装置の単位時間あたりの放電量より大きいため、本発明の一態様である光電変換装置は、従来の光電変換装置より理想的なカウント値とのずれを少なくすることができる。よって検証結果においても分解能が向上することがわかる。
【０１４２】
以上のように、本実施の形態の光電変換装置は、光電変換回路において生成される第１の電流の値に応じ、すなわち入射した光の照度に応じて充放電回路の電気容量を変化させることにより、光電変換回路において生成された第１の電流の値に応じた電荷が充放電回路に蓄積可能な電荷の値を超えることなく、充放電回路に第１の電流の値に応じた電荷を蓄積することができるため、光電変換において光の照度に対する分解能を向上させることができる。
【０１４３】
なお、本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
【０１４４】
（実施の形態２）
本実施の形態では、本発明の一態様である光電変換装置として、上記実施の形態１に示す光電変換装置と異なる構成の光電変換装置について説明する。
【０１４５】
まず本実施の形態の光電変換装置の構成について図１０を用いて説明する。図１０は、本実施の形態における光電変換装置の構成の一例を示す回路図である。
【０１４６】
図１０に示す光電変換装置は、光電変換回路１００と、充放電回路１０１、電流回路１０２と、コンパレータ１０３と、第１のスイッチング素子１１１と、第２のスイッチング素子１１２と、第４のスイッチング素子１１４と、定電圧回路１２１と、制御回路１２２と、ラッチ回路１２３と、カウンター回路１２４と、クロック信号生成回路１２５と、インターフェース回路１２６と、を有する。
【０１４７】
さらに充放電回路１０１は、第１の容量素子１４１と、第２の容量素子１４２と、第３のスイッチング素子１１３と、を有する。
【０１４８】
なお、図１０に示す光電変換装置において、図３に示す光電変換装置を構成する素子及び回路と同等の符号が付されたものについては、便宜のため図３に示す光電変換装置を構成する素子及び回路における説明を適宜援用し、図１０に示す光電変換装置においては説明を省略する。
【０１４９】
光電変換回路１００は、光電変換素子６００と、増幅回路６０１と、を有する。
【０１５０】
光電変換素子６００は、光が入射することにより、入射した光の照度に応じた光電流を生成する機能を有する。
【０１５１】
増幅回路６０１は、光電変換素子６００により生成された光電流の値を増幅する機能を有する。
【０１５２】
さらに増幅回路６０１は、参照用トランジスタとなる第１のトランジスタ６１１及び出力用トランジスタとなる第２のトランジスタ６１２からなるカレントミラー回路により構成される。なお図１０に示すカレントミラー回路において第１のトランジスタ６１１及び第２のトランジスタ６１２により構成する例について示しているが、これに限定されず、第１のトランジスタ６１１及び第２のトランジスタ６１２をそれぞれ複数設けて構成することもできる。
【０１５３】
さらに光電変換素子６００は、第１端子（陽極側の端子）が第１のトランジスタ６１１のソース端子及びドレイン端子の一方に電気的に接続され、第２端子（陰極側の端子）が第１の電位供給端子６２１に電気的に接続される。
【０１５４】
また、増幅回路６０１において、第１のトランジスタ６１１は、ゲート端子が第１のトランジスタ６１１のソース端子及びドレイン端子の一方に電気的に接続され、ソース端子及びドレイン端子の他方が第２の電位供給端子６２２に電気的に接続される。第２のトランジスタ６１２は、ゲート端子が第１のトランジスタ６１１のゲート端子に電気的に接続され、ソース端子及びドレイン端子の一方が第１のスイッチング素子１１１を介して充放電回路１０１に電気的に接続され、ソース端子及びドレイン端子の他方が第３の電位供給端子６２３に電気的に接続される。このとき第１のトランジスタ６１１及び第２のトランジスタ６１２はｎチャネル型トランジスタである。
【０１５５】
光電変換回路１００は、第１の電位供給端子６２１を介して電源電位が与えられ、第２の電位供給端子６２２及び第３の電位供給端子６２３を介して接地電位が与えられる。
【０１５６】
次に図１０に示す光電変換装置における光電変換回路１００の動作について説明する。
【０１５７】
光電変換素子６００に光が入射すると、光電変換素子６００において入射した光の照度に応じた光電流が生成され、光電流に応じて第１のトランジスタ６１１がオン状態になり、第１のトランジスタ６１１のソース端子及びドレイン端子の間に電流が流れる。また、光電流に応じて第２のトランジスタがオン状態になり、第２のトランジスタ６１２のソース端子及びドレイン端子の間に第１の電流が流れる。以上が図１０に示す光電変換装置における光電変換回路１００の動作である。
【０１５８】
電流回路１０２は、一定の値である第２の電流を生成する機能を有し、第２のスイッチング素子１１２がオン状態になることにより、電流回路１０２において第２の電流が流れ、第２の電流に応じて充放電回路１０１に電荷が蓄積される。より具体的には、電流回路１０２は、電流源７５０と、電位供給端子７５１と、を有し、電流源７５０は、第１端子が第２のスイッチング素子１１２を介して充放電回路１０１における第１の容量素子１４１の第１端子に電気的に接続され、第２端子が電位供給端子７５１に電気的に接続される。電位供給端子７５１には、電源電位が与えられる。このとき第２の電流は、第２端子から第１端子に流れる。
【０１５９】
次に図１０に示す光電変換装置の動作について図１１及び図１２を用いて説明する。図１１及び図１２は、図１０に示す光電変換装置の動作を示すタイミングチャート図である。ここでは、光電変換回路１００によって生成されるＩＬの値がＩｒｅｆの値より低い場合と高い場合についてそれぞれ説明する。なお、Ｉｒｅｆの値は、充放電回路１０１の電気容量を考慮して設定された任意の値である。
【０１６０】
図１１及び図１２に示すように、図１０に示す光電変換装置の動作は、第１の期間２５１、第２の期間２５２、及び第３の期間２５３に分けられる。
【０１６１】
まずＩＬ＜Ｉｒｅｆの場合について説明する。
【０１６２】
図１１に示すように、まず第１の期間２５１では、第１のスイッチング素子１１１、第２のスイッチング素子１１２がオフ状態になり、及び第３のスイッチング素子１１３及び第４のスイッチング素子１１４がオン状態になる。
【０１６３】
このときコンパレータ１０３の第２の入力端子と出力端子とが導通状態になり、ノード１０６の電位（Ｖ１０６ともいう）がＶｒｅｆとなり、また第１の容量素子１４１の第１端子及び第２の容量素子１４２の第１端子の電位もＶｒｅｆになる。このとき第１の容量素子１４１の第１端子には、Ｖｒｅｆ分の電荷が蓄積される。
【０１６４】
さらに、このときラッチ回路１２３に入力される信号の電位（Ｖ１２３ともいう）はＶｒｅｆである。以上が第１の期間２５１における動作である。なお、実際にＶ１２３は、Ｖｒｅｆからコンパレータ１０３のオフセット電位分を引いた値となる。このため、第３のスイッチング素子１１３を設けることにより、コンパレータ１０３のオフセット電位が経時変化した場合においてもコンパレータ１０３の入出力信号を補正することができる。本実施の形態では、便宜のためＶ１２３はＶｒｅｆになるものとして説明する。
【０１６５】
次に第２の期間２５２では、第１のスイッチング素子１１１がオン状態になり、第４のスイッチング素子１１４がオフ状態になる。また、第２のスイッチング素子１１２及び第３のスイッチング素子１１３はオフ状態のままである。
【０１６６】
このとき光電変換回路１００において生成される第１の電流の値に応じて充放電回路１０１から電荷が放出される。このときＶ１０６はＶｘまで下降する。Ｖｘは、Ｖｓｓより高く、充放電回路１０１に可能な限り電荷が蓄積されたときの電位Ｖｍａｘより低い任意の値である。
【０１６７】
さらにこのときＶ１２３は、Ｖ１０６の値がＶｒｅｆの値より低く、コンパレータ１０３の出力信号の電位がＶｄｄであるため、Ｖｄｄである。以上が第２の期間２５２における動作である。
【０１６８】
次に第３の期間２５３では、第１のスイッチング素子１１１がオフ状態になり、第２のスイッチング素子１１２がオン状態になる。また、第３のスイッチング素子１１３及び第４のスイッチング素子１１４はオフ状態のままである。
【０１６９】
このとき電流回路１０２において、第２端子から第１端子に第２の電流が流れるため、第２の電流に応じて充放電回路１０１には一定量ずつ電荷が蓄積される。このときＶ１０６は上昇し、時間ｔ１でＶｒｅｆになり、その後Ｖｍａｘになる。Ｖ１０６がＶｘからＶｒｅｆまで上昇する時間（充電時間ともいう）は充放電回路１０１に蓄積している電荷の値によって異なり、さらに充放電回路１０１に蓄積している電荷の値は、充放電回路１０１の電気容量、または光電変換回路１００により生成される第１の電流の値によって異なる。
【０１７０】
また、カウンター回路１２４では、第２のスイッチング素子１１２がオン状態になると同時にクロック信号のエッジのカウント（カウントアップともいう）が開始される。このときの時間を時間ｔ０とする。その後Ｖ１０６の電位が上昇し、時間ｔ１においてＶｒｅｆになると、コンパレータ１０３の出力信号の電位がＶｓｓになり、ラッチ回路１２３に電位がＶｓｓである信号が入力されることにより、ラッチ回路１２３には、時間ｔ０から時間ｔ１までの第１のカウント値８００に基づく電位の信号が保持され、保持された値に従ってインターフェース回路１２６によりデジタル信号が生成される。以上が第３の期間２５３における動作である。
【０１７１】
なお、第３の期間２５３における電流回路１０２の第２の電流の値は、第２の電流の値をｉ０とすると、ｉ０＝（ｔ０×１つのカウント値に対応する第１の電流の値）／クロック信号生成回路１２５におけるクロック信号の０．５周期の時間により設定されることが好ましい。これにより、コンパレータ１０３における電位の比較をより正確に行うことができる。
【０１７２】
次にＩＬ＞Ｉｒｅｆの場合について説明する。
【０１７３】
図１２に示すように、まず第１の期間２５１については、ＩＬ＜Ｉｒｅｆの場合における動作と同じであるため、ＩＬ＜Ｉｒｅｆの場合における動作の説明を援用する。
【０１７４】
次に第２の期間２５２では、第１のスイッチング素子１１１がオン状態になり、第４のスイッチング素子１１４がオフ状態になる。また第２のスイッチング素子１１２がオフ状態のままである。また、第３のスイッチング素子１１３は第２の期間２５２内の一定期間においてオフ状態のままである。
【０１７５】
このとき光電変換回路１００にて生成される第１の電流の値に応じて充放電回路１０１に電荷が蓄積される。このときＶ１０６がＶｚまで下降すると、第３のスイッチング素子１１３がオン状態になる。なおＶｚは、Ｖｓｓより高く、充放電回路１０１に可能な限り電荷が蓄積されたときの電位Ｖｍａｘより低い任意の値であり、例えば図５に示す比較回路により設定することができる。
【０１７６】
さらに、第３のスイッチング素子１１３がオン状態になると、容量結合が起こり、容量結合されると、Ｖ１０６は、Ｖｚから上昇し、Ｖｗになる。このときＶｗの値は、第１の容量素子１４１の電気容量をＣ１、第２の容量素子の電気容量をＣ２とすると、Ｖｗ＝Ｃ１Ｖｚ／（Ｃ１＋Ｃ２）となる。すなわちＶｗは、第１の容量素子１４１及び第２の容量素子１４２の電気容量の値を設定することにより設定される任意の値である。
【０１７７】
さらにＶ１０６の値は、Ｖｗから再び下降し、Ｖｙになる。Ｖｙは、Ｖｓｓより高く、Ｖｍａｘより低い任意の値である。
【０１７８】
さらにこのときＶ１２３は、Ｖ１０６の値がＶｒｅｆの値より低く、コンパレータ１０３の出力信号の電位がＶｄｄであるため、Ｖｄｄである。以上が第２の期間２５２における動作である。
【０１７９】
次に第３の期間２５３では、第１のスイッチング素子１１１がオフ状態になり、第２のスイッチング素子１１２がオン状態になる。また、第３のスイッチング素子１１３はオン状態のままであり、第４のスイッチング素子１１４はオフ状態のままである。
【０１８０】
このとき電流回路１０２において第２端子から第１端子に第２の電流が流れるため、第２の電流に応じて充放電回路１０１には一定量ずつ電荷が蓄積される。このときＶ１０６は上昇し、時間ｔ２でＶｒｅｆになり、その後Ｖｍａｘになる。Ｖ１０６がＶｙからＶｒｅｆまで上昇する時間（充電時間ともいう）は充放電回路１０１に予め蓄積されている電荷の値によって異なり、さらに充放電回路１０１に蓄積されている電荷の値は、充放電回路１０１の電気容量、または光電変換回路１００により生成される第１の電流の値によって異なる。
【０１８１】
また、カウンター回路１２４では、第２のスイッチング素子１１２がオン状態になると同時にクロック信号のエッジのカウントアップを開始する。このときの時間を時間ｔ０とする。その後Ｖ１０６の電位が上昇し、時間ｔ２においてＶｒｅｆになると、コンパレータ１０３の出力信号がＶｓｓになり、ラッチ回路１２３に電位がＶｓｓである信号が入力されることにより、ラッチ回路１２３には、時間ｔ０から時間ｔ２までの第２のカウント値８０１に基づく電位である信号が保持され、保持された値に従ってインターフェース回路１２６によりデジタル信号が生成される。以上が第３の期間２５３における動作である。
【０１８２】
以上のように、本実施の形態の光電変換装置は、増幅回路６０１にｎチャネル型トランジスタを用いた場合においても、光電変換回路１００において生成される第１の電流の値に応じ、すなわち入射した光の照度に応じて充放電回路１０１の電気容量を変化させることにより、第１の電流に応じた電荷の値が充放電回路１０１に蓄積可能な電荷の値を超えることなく、第１の電流に応じて充放電回路１０１に予め蓄積された電荷を放電させることができるため、光電変換において光の照度に対する分解能を向上させることができる。
【０１８３】
なお、本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
【０１８４】
（実施の形態３）
本実施の形態では、本発明の一態様である光電変換装置の作製方法について説明する。ここでは、一例として薄膜トランジスタを用いた上記実施の形態１に示す光電変換装置の作製方法について説明する。
【０１８５】
本実施の形態における光電変換装置の作製方法について図１３及び図１４を用いて説明する。図１３及び図１４は、本実施の形態における光電変換装置の作製方法の一例を示す断面模式図である。なお、図１３及び図１４は便宜のため光電変換装置の断面を模式的に示したものであり、一部または全部において実際とは異なる寸法を用いて図示している。
【０１８６】
図１３及び図１４では、基板上に光電変換素子、トランジスタ、及び容量素子を形成する例について説明する。基板上に形成するトランジスタを薄膜トランジスタとすることにより、基板上に光電変換素子及びトランジスタを同一工程で作製することができるため、光電変換回路を有する光電変換装置の量産化がし易いといった利点がある。また、トランジスタのゲート電極とドレイン電極を電気的に接続させることでダイオードとして用いることもできる。
【０１８７】
まず、図１３（Ａ）に示すように、基板（第１の基板９００）上に下地絶縁膜９０１を形成し、さらに下地絶縁膜９０１の一部の上に島状である第１の半導体層９０２及び第２の半導体層９０３を形成する。
【０１８８】
基板９００としては例えばガラス基板などを用いることができる。また下地絶縁膜９０１は、例えば酸化珪素膜、窒化珪素膜、または窒素を含む酸化珪素膜を用いて形成することができ、また、酸化珪素膜、窒化珪素膜、及び窒素を含む酸化珪素膜積層のいずれかの単層または積層構造にすることができる。また上記に示した膜は、例えばプラズマＣＶＤ法などにより形成することができる。窒素を含む酸化珪素膜や窒化珪素膜は、ガラス基板からのアルカリ金属などの不純物拡散を防止するブロッキング層として機能する。ここでは、例として膜厚が１００ｎｍの窒素を含む酸化珪素膜を下地絶縁膜９０１として形成する。さらに第１の半導体層９０２及び第２の半導体層９０３としては、例えば非晶質シリコン、多結晶シリコン、または微結晶（マイクロクリスタル、またはナノクリスタルともいう）シリコンなどに代表される非単結晶半導体膜を用いることができる。
【０１８９】
また、例えば第１の半導体層９０２及び第２の半導体層９０３として、非晶質半導体膜を公知の技術（固相成長法、レーザ結晶化方法、触媒金属を用いた結晶化方法など）により結晶化させて形成された結晶構造を有する半導体膜（結晶性半導体膜）、例えば多結晶珪素膜を用いることもできる。ここでは、触媒元素を用いた結晶化方法を用いて多結晶珪素膜を得る。重量換算で１０ｐｐｍのニッケルを含む酢酸ニッケル溶液をスピナーで添加する。なお、溶液を添加する方法に代えてスパッタ法でニッケル元素を全面に散布する方法を用いてもよい。次いで、加熱処理を行い結晶化させて結晶構造を有する半導体膜（ここでは多結晶珪素膜）を形成する。第１の半導体層９０２及び第２の半導体層９０３の作製例について以下に説明する。
【０１９０】
ここでは、まず例として膜厚が５４ｎｍである水素を含む非晶質珪素膜を大気に触れることなく形成し、さらに熱処理（５００℃、１時間）の後、結晶化のための熱処理（５５０℃、４時間）を行って多結晶珪素膜を形成する。
【０１９１】
次に形成した多結晶珪素膜表面の酸化膜を希フッ酸等で除去する。その後、結晶化率を高め、結晶粒内に残される欠陥を補修するためのレーザ光（ＸｅＣｌ：波長３０８ｎｍ）の照射を大気中、または酸素雰囲気中で行う。
【０１９２】
レーザ光には波長４００ｎｍ以下のエキシマレーザ光や、ＹＡＧレーザの第２高調波又は第３高調波を用いる。ここでは、繰り返し周波数１０〜１０００Ｈｚ程度のパルスレーザ光を用い、当該レーザ光を光学系にて１００〜５００ｍＪ／ｃｍ２に集光し、９０〜９５％のオーバーラップ率をもって照射し、シリコン膜表面を走査させればよい。本実施例では、繰り返し周波数３０Ｈｚ、エネルギー密度４７０ｍＪ／ｃｍ２でレーザ光の照射を大気中で行う。
【０１９３】
なお、大気中、または酸素雰囲気中で行うため、レーザ光の照射により表面に酸化膜が形成される。なお、ここではパルスレーザを用いた例を示したが、連続発振のレーザを用いてもよく、半導体膜の結晶化に際し、大粒径に結晶を得るためには、連続発振が可能な固体レーザを用い、基本波の第２高調波〜第４高調波を適用するのが好ましい。代表的には、Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザ（基本波１０６４ｎｍ）の第２高調波（５３２ｎｍ）や第３高調波（３５５ｎｍ）を適用すればよい。
【０１９４】
連続発振のレーザを用いる場合には、出力１０Ｗの連続発振のＹＶＯ４レーザから射出されたレーザ光を非線形光学素子により高調波に変換する。また、共振器の中にＹＶＯ４結晶と非線形光学素子を入れて、高調波を射出する方法もある。そして、好ましくは光学系により照射面にて矩形状または楕円形状のレーザ光に成形して、被処理体に照射する。このときのエネルギー密度は０．０１〜１００ＭＷ／ｃｍ２程度（好ましくは０．１〜１０ＭＷ／ｃｍ２）が必要である。そして、１０〜２０００ｃｍ／ｓ程度の速度でレーザ光に対して相対的に半導体膜を移動させて照射すればよい。
【０１９５】
次に上記レーザ光の照射により形成された酸化膜に加え、オゾン水で表面を１２０秒処理して合計１〜５ｎｍの酸化膜からなるバリア層を形成する。このバリア層は、結晶化させるために添加した触媒元素、例えばニッケル（Ｎｉ）を膜中から除去するために形成する。ここではオゾン水を用いてバリア層を形成したが、酸素雰囲気下の紫外線の照射で結晶構造を有する半導体膜の表面を酸化する方法や酸素プラズマ処理により結晶構造を有する半導体膜の表面を酸化する方法やプラズマＣＶＤ法やスパッタ法や蒸着法などで１〜１０ｎｍ程度の酸化膜を堆積してバリア層を形成してもよい。また、バリア層を形成する前にレーザ光の照射により形成された酸化膜を除去してもよい。
【０１９６】
次にバリア層上にスパッタ法にてゲッタリングサイトとなるアルゴン元素を含む非晶質珪素膜を１０ｎｍ〜４００ｎｍ、ここでは膜厚１００ｎｍで成膜する。ここでは、アルゴン元素を含む非晶質珪素膜は、シリコンターゲットを用いてアルゴンを含む雰囲気下で形成する。プラズマＣＶＤ法を用いてアルゴン元素を含む非晶質珪素膜を形成する場合、成膜条件は、モノシランとアルゴンの流量比（ＳｉＨ４：Ａｒ）を１：９９とし、成膜圧力を６．６６５Ｐａとし、ＲＦパワー密度を０．０８７Ｗ／ｃｍ２とし、成膜温度を３５０℃とする。
【０１９７】
その後、６５０℃に加熱された炉に入れて３分の熱処理を行い、触媒元素を除去（ゲッタリング）する。これにより結晶構造を有する半導体膜中の触媒元素濃度が低減される。炉に代えてランプアニール装置を用いてもよい。
【０１９８】
次にバリア層をエッチングストッパとして、ゲッタリングサイトであるアルゴン元素を含む非晶質珪素膜を選択的に除去した後、バリア層を希フッ酸で選択的に除去する。なお、ゲッタリングの際、ニッケルは酸素濃度の高い領域に移動しやすい傾向があるため、酸化膜からなるバリア層をゲッタリング後に除去することが望ましい。
【０１９９】
なお、触媒元素を用いて半導体膜の結晶化を行わない場合には、上述したバリア層の形成、ゲッタリングサイトの形成、ゲッタリングのための熱処理、ゲッタリングサイトの除去、バリア層の除去などの工程は不要である。
【０２００】
また、第１の半導体層９０２及び第２の半導体層９０３の作製方法としては、上記作製方法に限らず、本実施の形態の光電変換装置の作製方法では、他の作製方法を用いて形成することもできる。一例としては、ＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレータ）基板を用いて第１の半導体層９０２及び第２の半導体層９０３を形成してもよい。ＳＯＩ基板としては、公知のＳＯＩ基板を用いればよく、その作製方法や構造は特に限定されない。ＳＯＩ基板としては、代表的にはＳＩＭＯＸ基板や貼り合わせ基板が挙げられる。また、貼り合わせ基板の例として、ＥＬＴＲＡＮ（登録商標）、ＵＮＩＢＯＮＤ（登録商標）、スマートカット（登録商標）等が挙げられる。
【０２０１】
ＳＩＭＯＸ基板は、単結晶シリコン基板に酸素イオンを注入し、１３００℃以上で熱処理して埋め込み酸化膜層（ＢＯＸ；Ｂｕｒｉｅｄ Ｏｘｉｄｅ）を形成することにより、表面に薄膜シリコン層を形成し、ＳＯＩ構造を得ることができる。薄膜シリコン層は、埋め込み酸化膜層により、単結晶シリコン基板と絶縁分離されている。また、埋め込み酸化膜層形成後に、さらに熱酸化するＩＴＯＸ（Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ−ＳＩＭＯＸ）と呼ばれる技術を用いることもできる。
【０２０２】
貼り合わせ基板は、酸化膜層を介して２枚の単結晶シリコン基板（第１単結晶シリコン基板、第２単結晶シリコン基板）を貼り合わせ、一方の単結晶シリコン基板を貼り合わせた面ではない方の面から薄膜化することにより、表面に薄膜シリコン層を形成したＳＯＩ基板のことをいう。酸化膜層は、一方の基板（ここでは第１単結晶シリコン基板）を熱酸化して形成することができる。また、２枚の単結晶シリコン基板は、接着剤なしで直接貼り合わせることができる。
【０２０３】
なお、貼り合わせ基板としては、２枚の単結晶基板を貼り合わせることに限らず、ガラス基板等の絶縁表面を有する基板と、単結晶基板とを貼り合わせてＳＯＩ基板を作製してもよい。
【０２０４】
さらにここでは、得られた結晶構造を有する半導体膜（例えば結晶性珪素膜）の表面にオゾン水で薄い酸化膜を形成した後、第１のフォトマスクを用いてレジストからなるマスクを形成し、所望の形状にエッチング処理して島状に分離された第１の半導体層９０２及び第２の半導体層９０３が形成される。第１の半導体層９０２及び第２の半導体層９０３を形成した後、レジストからなるマスクを除去する。
【０２０５】
さらに本実施の形態の光電変換装置の作製方法では、必要があれば第１の半導体層９０２及び第２の半導体層９０３に不純物元素（ホウ素またはリン）の添加することもできる。不純物元素の添加としては、例えばジボラン（Ｂ２Ｈ６）を質量分離しないでプラズマ励起したイオンドープ法を用いて行うことができる。
【０２０６】
さらに本実施の形態の光電変換装置の作製方法では、フッ酸を含むエッチャントで酸化膜を除去すると同時に第１の半導体層９０２及び第２の半導体層９０３の表面を洗浄した後、ゲート絶縁膜９０４となる珪素を主成分とする絶縁膜を形成する。ここでは、プラズマＣＶＤ法により１１５ｎｍの厚さで窒素を含む酸化珪素膜（組成比Ｓｉ＝３２％、Ｏ＝５９％、Ｎ＝７％、Ｈ＝２％）で形成する。
【０２０７】
次に、図１３（Ｂ）に示すように第１の半導体層９０２及び第２の半導体層９０３を介して下地絶縁膜９０１上にゲート絶縁膜９０４を形成し、ゲート絶縁膜９０４を介して電極９０５、電極９０６、電極９０８、及び電極９０９を形成し、ゲート絶縁膜９０４を介して第１の半導体層９０２の一部の上にゲート電極９０７を形成する。ゲート絶縁膜９０４としては、例えば窒化絶縁膜、酸化絶縁膜、窒素を含む酸化絶縁膜などを適用することができる。また、電極９０５、電極９０６、ゲート電極９０７、電極９０８、及び電極９０９としては、例えばチタン、タングステン、タンタル、モリブデン、ネオジム、コバルト、ジルコニウム、亜鉛、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、白金、アルミニウム、金、銀、銅から選ばれた元素、または元素を主成分とする合金材料若しくは化合物材料からなる単層膜、或いは、これらの窒化物、例えば、窒化チタン、窒化タングステン、窒化タンタル、窒化モリブデンからなる単層膜を用いることができる。
【０２０８】
次に図１３（Ｃ）に示すように、第１の半導体層９０２への一導電型を付与する不純物の導入を行って、第１の半導体層９０２のソース領域及びドレイン領域となる不純物領域９１０を形成する。ここでは一例として、ｎ型の不純物、例えばリン、砒素に導入するが、これに限定されず、本実施の形態の光電変換装置の作製方法では、ｐ型の不純物を第１の半導体層９０２に導入することもできる。
【０２０９】
次に図１３（Ｄ）に示すように、第１の層間絶縁膜９１１を形成する。第１の層間絶縁膜９１１としては、例えばＣＶＤ法などを用いて酸化絶縁膜、窒化絶縁膜、酸素を含む窒化絶縁膜、及び水素及び酸素を含む窒化絶縁膜など単層または積層することにより形成することができる。ここでは、例としてＣＶＤ法により酸化珪素膜を含む第１の層間絶縁膜（図示しない）を５０ｎｍ形成した後、それぞれの島状半導体領域に添加された不純物元素を活性化処理する工程を行う。この活性化工程は、ランプ光源を用いたラピッドサーマルアニール法（ＲＴＡ法）、或いはＹＡＧレーザまたはエキシマレーザを裏面から照射する方法、或いは炉を用いた熱処理、或いはこれらの方法のうち、いずれかと組み合わせた方法によって行う。
【０２１０】
さらに第１の層間絶縁膜９１１上に第２の層間絶縁膜９１２を形成する。第２の層間絶縁膜９１２としては、例えば絶縁材料を形成することができる。また第２の層間絶縁膜９１２はＣＶＤ法で得られる絶縁膜を用いることができる。本実施の形態においては密着性を向上させるため、第２の層間絶縁膜９１２として、９００ｎｍの膜厚で形成した窒素を含む酸化珪素膜を形成する。
【０２１１】
さらにここでは、熱処理（３００〜５５０℃で１〜１２時間の熱処理、例えば窒素雰囲気中４１０℃で１時間）を行い、第１の半導体層９０２及び第２の半導体層９０３を水素化する。この工程は第１の層間絶縁膜９１１に含まれる水素により半導体層のダングリングボンドを終端させるために行うものである。ゲート絶縁膜９０４の存在に関係なく半導体層を水素化することができる。
【０２１２】
また第２の層間絶縁膜９１２として、シロキサンを用いた絶縁膜、及びそれらの積層構造を用いることもできる。シロキサンは、シリコン（Ｓｉ）と酸素（Ｏ）との結合で骨格構造が構成される。置換基として、少なくとも水素を含む化合物（例えばアルキル基、芳香族炭化水素）が用いられる。置換基として、フッ素を用いてもよい。または置換基として、少なくとも水素を含む化合物と、フッ素とを用いてもよい。第２の層間絶縁膜９１２としてシロキサンを用いた絶縁膜、及びそれらの積層構造を用いた場合は、第１の層間絶縁膜９１１を形成後、島状半導体膜を水素化するための熱処理を行い、次に第２の層間絶縁膜９１２を形成することもできる。
【０２１３】
次に、第３のフォトマスクを用いてレジストからなるマスクを形成し、第１の層間絶縁膜９１１、第２の層間絶縁膜９１２、またはゲート絶縁膜９０４を選択的にエッチングしてコンタクトホールを形成する。そして、レジストからなるマスクを除去する。
【０２１４】
なお、第２の層間絶縁膜９１２は必要に応じて形成すればよく、第２の層間絶縁膜９１２を形成しない場合は、第１の層間絶縁膜９１１を形成後に第１の層間絶縁膜９１１及びゲート絶縁膜９０４を選択的にエッチングしてコンタクトホールを形成する。
【０２１５】
次に図１４（Ａ）に示すように、スパッタ法で金属積層膜を成膜した後、第４のフォトマスクを用いてレジストからなるマスクを形成し、選択的に金属膜をエッチングして、電極９１３乃至電極９１９を形成する。そして、レジストからなるマスクを除去する。なお、本実施の形態では例として膜厚１００ｎｍのＴｉ膜と、膜厚３５０ｎｍのＳｉを含むＡｌ膜と、膜厚１００ｎｍのＴｉ膜との３層を積層することにより電極９１３乃至電極９１９を形成する。
【０２１６】
また電極９１３乃至電極９１９としては、耐熱性及び導電率等の点からチタンを用いることが好ましい。またチタンに変えて、タングステン、タンタル、モリブデン、ネオジム、コバルト、ジルコニウム、亜鉛、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、白金から選ばれた元素、または元素を主成分とする合金材料若しくは化合物材料からなる単層膜、或いは、これらの窒化物、例えば、窒化チタン、窒化タングステン、窒化タンタル、窒化モリブデンからなる単層膜を用いることができる。電極９１３乃至電極９１９を単層膜にすることにより、作製工程において成膜回数を減少させることが可能となる。
【０２１７】
以上により、多結晶珪素膜を用いたトランジスタ９２７、容量素子９２８、及び端子部９２９を作製することができる。
【０２１８】
次に、後に形成される光電変換素子と反応して合金になりにくい導電性の金属膜（チタンまたはモリブデンなど）を成膜した後、第５のフォトマスクを用いてレジストからなるマスクを形成し、選択的に導電性の金属膜をエッチングして保護電極９２０乃至保護電極９２６を形成する。本実施の形態では、保護電極９２０乃至保護電極９２６としてスパッタ法で得られる膜厚２００ｎｍのＴｉ膜を用いる。従って、導電性の金属膜は、これらの電極における２層目のＡｌ膜が露呈されている側面も覆い、導電性の金属膜は光電変換素子へのアルミニウム原子の拡散も防止することができる。
【０２１９】
ただし、電極９１３乃至電極９１９を、単層の導電膜で形成する場合、保護電極９２０乃至９２６は形成しなくてもよい。
【０２２０】
次に図１４（Ｂ）に示すように第２の層間絶縁膜９１２上に、ｐ型半導体層９３０ａ、ｉ型半導体層９３０ｂ、及びｎ型半導体層９３０ｃを含む光電変換素子９３０を形成する。
【０２２１】
ｐ型半導体層９３０ａは、周期表第１３属の不純物元素、例えばホウ素（Ｂ）を含んだセミアモルファスシリコン膜をプラズマＣＶＤ法にて成膜して形成すればよい。
【０２２２】
また保護電極９２１は、光電変換素子９３０の最下層、本実施の形態においてはｐ型半導体層９３０ａと接している。
【０２２３】
ｐ型半導体層９３０ａを形成したら、さらにｉ型半導体層９３０ｂ及びｎ型半導体層９３０ｃを順に形成する。これによりｐ型半導体層９３０ａ、ｉ型半導体層９３０ｂ、及びｎ型半導体層９３０ｃを有する光電変換素子９３０が形成される。
【０２２４】
ｉ型半導体層９３０ｂとしては、例えばプラズマＣＶＤ法で微結晶シリコン膜を形成すればよい。またｎ型半導体層９３０ｃとしては、周期表第１５属の不純物元素、例えばリン（Ｐ）を含む微結晶シリコン膜を形成してもよいし、微結晶シリコン膜を形成後、周期表第１５属の不純物元素を導入してもよい。
【０２２５】
またｐ型半導体層９３０ａ、ｉ型半導体層９３０ｂ、ｎ型半導体層９３０ｃとして、セミアモルファス半導体膜だけではなく、アモルファス半導体膜を用いてもよい。
【０２２６】
次に全面に絶縁物材料（例えば珪素を含む無機絶縁膜）からなる封止層９３１を厚さ１μｍ〜３０μｍで形成する。ここでは絶縁物材料膜としてＣＶＤ法により、膜厚１μｍの窒素を含む酸化珪素膜を形成する。ＣＶＤ法による絶縁膜を用いることによって密着性の向上を図っている。
【０２２７】
次いで、封止層９３１をエッチングして開口部を設けた後、スパッタ法により電極９３２及び電極９３３を形成する。電極９３２及び電極９３３としては、チタン、タングステン、タンタル、モリブデン、ネオジム、コバルト、ジルコニウム、亜鉛、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、白金、及び金から選ばれた元素、または元素を主成分とする合金材料若しくは化合物材料からなる単層膜、或いは、これらの窒化物、例えば、窒化チタン、窒化タングステン、窒化タンタル、窒化モリブデンからなる単層膜を用いることができる。こうして得られる電極９３２及び電極９３３の固着強度は５Ｎを超え、電極として十分な固着強度を有している。
【０２２８】
以上により、光電変換部９３４が形成される。
【０２２９】
以上により本発明の一態様である光電変換装置を作製することができる。また本実施の形態の光電変換装置の作製方法では、同一基板上にダイオード、抵抗素子、トランジスタ、及び光電変換部を形成することができるため、量産が容易である。
【０２３０】
なお本実施の形態の光電変換装置の作製方法では、同一基板上に複数の光電変換装置を作製することができ、基板より個々に切断して複数の光電変換装置を切り出すことで大量生産が可能である。１枚の大面積基板（例えば６００ｃｍ×７２０ｃｍ）からは大量の光電変換装置（例えば２ｍｍ×１．５ｍｍ）を製造することができる。
【０２３１】
なお本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
【０２３２】
（実施の形態４）
本実施の形態では、本発明の一態様である光電変換装置を搭載した様々な電子機器について説明する。
【０２３３】
本発明の一態様である光電変換装置の搭載が可能な電子機器として、コンピュータ、ディスプレイ、携帯電話、テレビなどが挙げられる。それらの電子機器の具体例を図１５、図１６、図１７、図１８、及び図１９を用いて説明する。図１５乃至図１９は本実施の形態の電子機器の構成の一例を示す図である。
【０２３４】
図１５は携帯電話であり、本体（Ａ）１０００、本体（Ｂ）１００１、筐体１００２、操作キー１００３、音声出力部１００４、音声入力部１００５、回路基板１００６、表示パネル（Ａ）１００７、表示パネル（Ｂ）１００８、蝶番１００９、透光性材料部１０１０、光電変換装置１０１１を有している。本発明の一態様である光電変換装置は、光電変換装置１０１１に適用することができる。
【０２３５】
光電変換装置１０１１では、透光性材料部１０１０を透過した光を検知し、検知した外部光の照度に合わせて表示パネル（Ａ）１００７及び表示パネル（Ｂ）１００８の輝度がコントロールされる、また光電変換装置１０１１で得られる光の照度に合わせて操作キー１００３の照明制御を行う。これにより携帯電話の消費電流を抑えることができる。
【０２３６】
図１６（Ａ）及び図１６（Ｂ）に携帯電話の別の例を示す。図１６（Ａ）及び図１６（Ｂ）において、本体１１００、筐体１１０１、表示パネル１１０２、操作キー１１０３、音声出力部１１０４、音声入力部１１０５、光電変換装置１１０６、光電変換装置１１０７を示している。
【０２３７】
図１６（Ａ）に示す携帯電話では、本体１１００に設けられた光電変換装置１１０６により外部の光を検知することにより表示パネル１１０２及び操作キー１１０３の輝度を制御することが可能である。
【０２３８】
また図１６（Ｂ）に示す携帯電話では、図１６（Ａ）の構成に加えて、本体１１００の内部に光電変換装置１１０７を設けている。光電変換装置１１０７により、表示パネル１１０２に設けられているバックライトの輝度を検出することも可能となる。
【０２３９】
図１７（Ａ）はコンピュータであり、本体１２００、筐体１２０１、表示部１２０２、キーボード１２０３、外部接続ポート１２０４、ポインティングデバイス１２０５などを含む。
【０２４０】
また図１７（Ｂ）は表示装置でありテレビ受像器などがこれに当たる。図１７（Ｂ）における表示装置は、筐体１２０６、支持台１２０７、表示部１２０８などによって構成されている。
【０２４１】
図１７（Ａ）のコンピュータに設けられる表示部１２０２、及び図１７（Ｂ）に示す表示装置の表示部１２０８として、液晶パネルを用いた場合の詳しい構成を図１８に示す。
【０２４２】
図１８に示す液晶パネル１３００は、筐体１３０１に内蔵されており、基板１３０２ａ及び基板１３０２ｂ、基板１３０２ａ及び基板１３０２ｂに挟まれた液晶層１３０３、偏光フィルタ１３０４ａ及び偏光フィルタ１３０４ｂ、及びバックライト１３０５等を有している。また筐体１３０１には光電変換装置１３０６が形成されている。
【０２４３】
本発明の一態様である光電変換装置は、光電変換装置１３０６に適用することができ、光電変換装置１３０６はバックライト１３０５からの光量を感知し、その情報がフィードバックされて液晶パネル１３００の輝度が調整される。
【０２４４】
図１９（Ａ）及び図１９（Ｂ）は、本発明の一態様である光電変換装置をカメラ、例えばデジタルカメラに組み込んだ例を示す図である。図１９（Ａ）は、デジタルカメラの前面方向から見た斜視図、図１９（Ｂ）は、後面方向から見た斜視図である。図１９（Ａ）において、デジタルカメラには、リリースボタン１４００、メインスイッチ１４０１、ファインダ窓１４０２、フラッシュ部１４０３、レンズ１４０４、鏡胴１４０５、筺体１４０６が備えられている。
【０２４５】
また、図１９（Ｂ）において、ファインダ接眼窓１４０７、モニタ１４０８、操作ボタン１４０９が備えられている。
【０２４６】
リリースボタン１４００は、半分の位置まで押下されると、焦点調整機構および露出調整機構が作動し、最下部まで押下されるとシャッターが開く。
【０２４７】
メインスイッチ１４０１は、押下又は回転によりデジタルカメラの電源のＯＮ／ＯＦＦを切り替える。
【０２４８】
ファインダ窓１４０２は、デジタルカメラの前面のレンズ１４０４の上部に配置されており、図１９（Ｂ）に示すファインダ接眼窓１４０７から撮影する範囲やピントの位置を確認するための装置である。
【０２４９】
フラッシュ部１４０３は、デジタルカメラの前面上部に配置され、被写体輝度が低いときに、リリースボタンが押下されてシャッターが開くと同時に補助光を照射する。
【０２５０】
レンズ１４０４は、デジタルカメラの正面に配置されている。レンズは、フォーカシングレンズ、ズームレンズ等により構成され、図示しないシャッター及び絞りと共に撮影光学系を構成する。また、レンズの後方には、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）等の撮像素子が設けられている。
【０２５１】
鏡胴１４０５は、フォーカシングレンズ、ズームレンズ等のピントを合わせるためにレンズの位置を移動するものであり、撮影時には、鏡胴を繰り出すことにより、レンズ１４０４を手前に移動させる。また、携帯時は、レンズ１４０４を沈銅させてコンパクトにする。なお、本実施の形態においては、鏡胴を繰り出すことにより被写体をズーム撮影することができる構造としているが、この構造に限定されるものではなく、本実施の形態の電子機器では、筺体１４０６内での撮影光学系の構成により鏡胴を繰り出さずともズーム撮影が可能なデジタルカメラでもよい。
【０２５２】
ファインダ接眼窓１４０７は、デジタルカメラの後面上部に設けられており、撮影する範囲やピントの位置を確認する際に接眼するために設けられた窓である。
【０２５３】
操作ボタン１４０９は、デジタルカメラの後面に設けられた各種機能ボタンであり、セットアップボタン、メニューボタン、ディスプレイボタン、機能ボタン、選択ボタン等により構成されている。
【０２５４】
本発明の一態様である光電変換装置を図１９（Ａ）及び図１９（Ｂ）に示すカメラに組み込むと、光電変換装置が光の有無及び強さを感知することができ、これによりカメラの露出調整等を行うことができる。
【０２５５】
以上のように本発明の一態様である光電変換装置は、光電変換において、光の照度に対する分解能を向上させることができるため、本発明の一態様である光電変換装置を上記電子機器に搭載することにより精度の高い輝度調整を行うことができる。
【０２５６】
また本発明の一態様である光電変換装置は、その他の電子機器、例えばプロジェクションテレビ、ナビゲーションシステム等に応用することが可能である。すなわち光を検出する必要のあるものであればいかなるものにも用いることが可能である。
【符号の説明】
【０２５７】
１００ 光電変換回路
１０１ 充放電回路
１０２ 電流回路
１０３ コンパレータ
１０４ 電位供給端子
１０５ 出力端子
１０６ ノード
１１１ 第１のスイッチング素子
１１２ 第２のスイッチング素子
１１３ 第３のスイッチング素子
１１４ 第４のスイッチング素子
１２１ 定電圧回路
１２２ 制御回路
１２３ ラッチ回路
１２４ カウンター回路
１２５ クロック信号生成回路
１２６ インターフェース回路
１４１ 容量素子
１４２ 容量素子
１４３ 容量素子
１５０ 電流源
２００ 光電変換素子
２０１ 増幅回路
２１１ トランジスタ
２１２ トランジスタ
２２０ 光電変換素子
２２１ 電位供給端子
２２２ 電位供給端子
２２３ 電位供給端子
２３１ 第１の期間
２３２ 第２の期間
２３３ 第３の期間
２５１ 第１の期間
２５２ 第２の期間
２５３ 第３の期間
３０１ 電位供給端子
３０２ 電位供給端子
３０３ 電位供給端子
３０４ 電位供給端子
３０５ 分圧回路
３０６ コンパレータ
３０７ ラッチ回路
３０８ ＯＲ回路
３０９ 電位供給端子
３１０ 出力端子
５００ カウント値
５０１ カウント値
６００ 光電変換素子
６０１ 増幅回路
６１１ 第１のトランジスタ
６１２ 第２のトランジスタ
６２１ 電位供給端子
６２２ 電位供給端子
６２３ 電位供給端子
７０２ 表示パネル
７５０ 電流源
７５１ 電位供給端子
８００ カウント値
８０１ カウント値
９００ 基板
９０１ 下地絶縁膜
９０２ 半導体層
９０３ 半導体層
９０４ ゲート絶縁膜
９０５ 電極
９０６ 電極
９０７ ゲート電極
９０８ 電極
９０９ 電極
９１０ 不純物領域
９１１ 第１の層間絶縁膜
９１２ 第２の層間絶縁膜
９１３ 電極
９１４ 電極
９１５ 電極
９１７ 電極
９１８ 電極
９１９ 電極
９２０ 保護電極
９２１ 保護電極
９２２ 保護電極
９２３ 保護電極
９２４ 保護電極
９２５ 保護電極
９２６ 保護電極
９２７ トランジスタ
９２８ 容量素子
９２９ 端子部
９３０ 光電変換素子
９３０ａ ｐ型半導体層
９３０ｂ ｉ型半導体層
９３０ｃ ｎ型半導体層
９３１ 封止層
９３２ 電極
９３３ 電極
９３４ 光電変換部
１０００ 本体（Ａ）
１００１ 本体（Ｂ）
１００２ 筐体
１００３ 操作キー
１００４ 音声出力部
１００５ 音声入力部
１００６ 回路基板
１００７ 表示パネル（Ａ）
１００８ 表示パネル（Ｂ）
１００９ 蝶番
１０１０ 透光性材料部
１０１１ 光電変換装置
１１００ 本体
１１０１ 筐体
１１０２ 表示パネル
１１０３ 操作キー
１１０４ 音声出力部
１１０５ 音声入力部
１１０６ 光電変換装置
１１０７ 光電変換装置
１１１３ ゲート絶縁膜
１２００ 本体
１２０１ 筐体
１２０２ 表示部
１２０３ キーボード
１２０４ 外部接続ポート
１２０５ ポインティングデバイス
１２０６ 筐体
１２０７ 支持台
１２０８ 表示部
１３００ 液晶パネル
１３０１ 筐体
１３０２ａ 基板
１３０２ｂ 基板
１３０３ 液晶層
１３０４ａ 偏光フィルタ
１３０４ｂ 偏光フィルタ
１３０５ バックライト
１３０６ 光電変換装置
１４００ リリースボタン
１４０１ メインスイッチ
１４０２ ファインダ窓
１４０３ フラッシュ部
１４０４ レンズ
１４０５ 鏡胴
１４０６ 筺体
１４０７ ファインダ接眼窓
１４０８ モニタ
１４０９ 操作ボタン
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射した光の照度に応じて第１の電流を生成する光電変換回路と、
前記第１の電流に応じて電気容量が変化する充放電手段を有する充放電回路と、
オン状態またはオフ状態になることにより前記光電変換回路と前記充放電回路との導通を制御する第１のスイッチング素子と、
一定の値である第２の電流を生成する電流回路と、
オン状態またはオフ状態になることにより前記充放電回路と前記電流回路との導通を制御する第２のスイッチング素子と、
第１の入力端子及び第２の入力端子を有し、前記第１の入力端子に基準電位である信号が入力され、前記第２の入力端子が前記充放電回路に電気的に接続されたコンパレータと、を有する光電変換装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記第１のスイッチング素子は、前記第２のスイッチング素子がオン状態のときにオフ状態になり、
前記第２のスイッチング素子は、前記第１のスイッチング素子がオン状態のときにオフ状態になる光電変換装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、
前記充放電回路は、
第１端子及び第２端子を有し、前記第１端子が前記コンパレータの前記第２の入力端子に電気的に接続された第１の容量素子と、
第１端子及び第２端子を有する第２の容量素子と、
前記第１の電流に応じてオン状態またはオフ状態が制御され、オン状態またはオフ状態になることにより、前記第１の容量素子の前記第１端子と前記第２の容量素子の前記第１端子との導通を制御する第３のスイッチング素子と、を有する光電変換装置。
【請求項４】
請求項３において、
オン状態またはオフ状態になることにより前記コンパレータの第２の入力端子と前記コンパレータの前記出力端子との導通を制御する第４のスイッチング素子を有する光電変換装置。
【請求項５】
請求項２乃至請求項４のいずれか一項において、
第２の基準電位と、前記コンパレータの第２の入力端子と充放電回路との接続部の電位とを比較し、比較結果により前記第３のスイッチング素子のオン状態またはオフ状態を制御する制御信号を出力する比較回路を有する光電変換装置。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれか一項において、
前記光電変換回路は、光電変換素子と、
前記光電変換素子に流れる電流を増幅する増幅回路と、を有する光電変換装置。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれか一項において、
クロック信号を生成するクロック信号生成回路と、
前記クロック信号のエッジをカウントするカウンター回路と、
前記コンパレータの出力信号に応じて前記カウンター回路のカウント値を保持するラッチ回路と、を有する光電変換装置。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の光電変換装置を搭載した電子機器。
【請求項１】
入射した光の照度に応じて第１の電流を生成する光電変換回路と、
前記第１の電流に応じて電気容量が変化する充放電手段を有する充放電回路と、
オン状態またはオフ状態になることにより前記光電変換回路と前記充放電回路との導通を制御する第１のスイッチング素子と、
一定の値である第２の電流を生成する電流回路と、
オン状態またはオフ状態になることにより前記充放電回路と前記電流回路との導通を制御する第２のスイッチング素子と、
第１の入力端子及び第２の入力端子を有し、前記第１の入力端子に基準電位である信号が入力され、前記第２の入力端子が前記充放電回路に電気的に接続されたコンパレータと、を有する光電変換装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記第１のスイッチング素子は、前記第２のスイッチング素子がオン状態のときにオフ状態になり、
前記第２のスイッチング素子は、前記第１のスイッチング素子がオン状態のときにオフ状態になる光電変換装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、
前記充放電回路は、
第１端子及び第２端子を有し、前記第１端子が前記コンパレータの前記第２の入力端子に電気的に接続された第１の容量素子と、
第１端子及び第２端子を有する第２の容量素子と、
前記第１の電流に応じてオン状態またはオフ状態が制御され、オン状態またはオフ状態になることにより、前記第１の容量素子の前記第１端子と前記第２の容量素子の前記第１端子との導通を制御する第３のスイッチング素子と、を有する光電変換装置。
【請求項４】
請求項３において、
オン状態またはオフ状態になることにより前記コンパレータの第２の入力端子と前記コンパレータの前記出力端子との導通を制御する第４のスイッチング素子を有する光電変換装置。
【請求項５】
請求項２乃至請求項４のいずれか一項において、
第２の基準電位と、前記コンパレータの第２の入力端子と充放電回路との接続部の電位とを比較し、比較結果により前記第３のスイッチング素子のオン状態またはオフ状態を制御する制御信号を出力する比較回路を有する光電変換装置。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれか一項において、
前記光電変換回路は、光電変換素子と、
前記光電変換素子に流れる電流を増幅する増幅回路と、を有する光電変換装置。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれか一項において、
クロック信号を生成するクロック信号生成回路と、
前記クロック信号のエッジをカウントするカウンター回路と、
前記コンパレータの出力信号に応じて前記カウンター回路のカウント値を保持するラッチ回路と、を有する光電変換装置。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の光電変換装置を搭載した電子機器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【公開番号】特開２０１０−３４５３３（Ｐ２０１０−３４５３３Ａ）
【公開日】平成２２年２月１２日（２０１０．２．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１４８１６１（Ｐ２００９−１４８１６１）
【出願日】平成２１年６月２３日（２００９．６．２３）
【出願人】（０００１５３８７８）株式会社半導体エネルギー研究所 (5,264)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年２月１２日（２０１０．２．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月２３日（２００９．６．２３）
【出願人】（０００１５３８７８）株式会社半導体エネルギー研究所 (5,264)
【Ｆターム（参考）】
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