半導体装置

【課題】フォトセンサを有する半導体装置において、外光のノイズを軽減し、且つトランジスタのオフ電流によるリークが原因となるノイズも低減する。
【解決手段】マトリクス状に配置された複数のフォトセンサを有する。複数のフォトセンサはそれぞれ、光電変換素子と増幅回路とを有する。バックライトを点灯して被検出物に光を照射して第ｐ行目のフォトセンサでリセット動作及び蓄積動作を行った後、バックライトを非点灯として第（ｐ＋１）行目のフォトセンサでリセット動作及び蓄積動作を行い、その後全行のフォトセンサの選択動作を順次行う。隣接する行のフォトセンサで得られた出力信号の差分を取得し、差分を用いて被検出物の撮像画像の生成や被検出物の存在する領域の検出を行う。増幅回路は蓄積された電荷を保持するトランジスタを有し、当該トランジスタはチャネルが酸化物半導体層に形成される。

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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｍ（ｍは２以上の自然数）行ｎ（ｎは自然数）列のマトリクス状に配置された複数のフォトセンサを有し、
前記複数のフォトセンサはそれぞれ、光電変換素子と、増幅回路と、を有し、
前記増幅回路は、前記増幅回路に蓄積された電荷を放電させるリセット動作と、前記光電変換素子に流れる光電流の電流量に対応した電荷を蓄積する蓄積動作と、当該電荷の量を情報として含む出力信号を読み出す選択動作とを行い、
バックライトを点灯して被検出物に光を照射して第ｐ（ｐはｍ以下の自然数）行目のフォトセンサで前記リセット動作及び前記蓄積動作を行った後、前記バックライトを非点灯として第（ｐ＋１）行目のフォトセンサで前記リセット動作及び前記蓄積動作を行い、
全行のフォトセンサの前記選択動作を順次行い、
隣接する行のフォトセンサで得られた前記出力信号の差分を取得し、
前記差分を用いて前記被検出物の撮像画像の生成または前記被検出物の存在する領域の検出を行い、
前記増幅回路は、蓄積された前記電荷を保持するトランジスタを有し、当該トランジスタはチャネルが酸化物半導体層に形成されることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
ｍ（ｍは自然数）行ｎ（ｎは２以上の自然数）列のマトリクス状に配置された複数のフォトセンサを有し、
前記複数のフォトセンサはそれぞれ、光電変換素子と、増幅回路と、を有し、
前記増幅回路は、前記増幅回路に蓄積された電荷を放電させるリセット動作と、前記光電変換素子に流れる光電流の電流量に対応した電荷を蓄積する蓄積動作と、当該電荷の量を情報として含む出力信号を読み出す選択動作とを行い、
バックライトを点灯して被検出物に光を照射して第ｑ（ｑはｎ以下の自然数）列目のフォトセンサで前記リセット動作及び前記蓄積動作を行った後、前記バックライトを非点灯として第（ｑ＋１）列目のフォトセンサで前記リセット動作及び前記蓄積動作を行い、
全行のフォトセンサの前記選択動作を順次行い、
隣接する列のフォトセンサで得られた前記出力信号の差分を取得し、
前記差分を用いて前記被検出物の撮像画像の生成または前記被検出物の存在する領域の検出を行い、
前記増幅回路は、蓄積された前記電荷を保持するトランジスタを有し、当該トランジスタはチャネルが酸化物半導体層に形成されることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
ｍ（ｍは２以上の自然数）行ｎ（ｎは２以上の自然数）列のマトリクス状に配置された複数のフォトセンサと、第１の配線と、第２の配線と、第３の配線と、第４の配線と、第５の配線とを有し、
前記複数のフォトセンサはそれぞれ、光電変換素子と、増幅回路とを有し、
前記増幅回路は、第１のトランジスタと、第２のトランジスタと、第３のトランジスタとを有し、
前記第２のトランジスタと前記第３のトランジスタは前記第１の配線と前記第２の配線の間に直列に電気的に接続され、
前記第２のトランジスタのゲートは前記第１のトランジスタのソースとドレインの一方と電気的に接続され、
前記第１のトランジスタのソースとドレインの他方は前記光電変換素子の一対の電極のうちの一方と電気的に接続され、
前記光電変換素子の一対の電極のうちの他方は前記第４の配線と電気的に接続され、
前記第１のトランジスタのゲートは前記第３の配線と電気的に接続され、
前記第３のトランジスタのゲートは前記第５の配線と電気的に接続され、
前記増幅回路は、前記増幅回路に蓄積された電荷を放電させるリセット動作と、前記光電変換素子に流れる光電流の電流量に対応した電荷を蓄積する蓄積動作と、当該電荷の量を情報として含む出力信号を読み出す選択動作とを行い、
前記リセット動作は、前記第５の配線の電位によって前記第３のトランジスタをオフ状態とし、前記第３の配線の電位によって前記第１のトランジスタをオン状態とし、前記第４の配線の電位を変化させて前記光電変換素子に順バイアスの電圧を印加して前記第２のトランジスタのゲートに蓄積された電荷を放電させることによって行い、
前記蓄積動作は、前記リセット動作の後、前記第５の配線の電位によって前記第３のトランジスタをオフ状態としたまま、且つ前記第３の配線の電位によって前記第１のトランジスタをオン状態としたまま、前記第４の配線の電位を変化させ前記光電変換素子に逆バイアスの電圧を印加することによって開始し、前記第３の配線の電位によって前記第１のトランジスタをオフ状態とすることによって終了し、
前記選択動作は、前記第３の配線の電位によって前記第１のトランジスタをオフ状態としたまま、前記第５の配線の電位によって前記第３のトランジスタをオン状態とすることによって行い、前記第２のトランジスタ及び前記第３のトランジスタを流れる電流による前記第２の配線の電位の変化量がフォトセンサの出力信号となり、
バックライトを点灯して被検出物に光を照射して第ｐ（ｐはｍ以下の自然数）行目のフォトセンサで前記リセット動作及び前記蓄積動作を行った後、前記バックライトを非点灯として第（ｐ＋１）行目のフォトセンサで前記リセット動作及び前記蓄積動作を行い、
全行のフォトセンサの前記選択動作を順次行い、
隣接する行のフォトセンサで得られた前記出力信号の差分を取得し、
前記差分を用いて前記被検出物の撮像画像の生成または前記被検出物の存在する領域の検出を行い、
前記第１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ることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
ｍ（ｍは２以上の自然数）行ｎ（ｎは２以上の自然数）列のマトリクス状に配置された複数のフォトセンサと、第１の配線と、第２の配線と、第３の配線と、第４の配線と、第５の配線とを有し、
前記複数のフォトセンサはそれぞれ、光電変換素子と、増幅回路とを有し、
前記増幅回路は、第１のトランジスタと、第２のトランジスタと、第３のトランジスタとを有し、
前記第２のトランジスタと前記第３のトランジスタは前記第１の配線と前記第２の配線の間に直列に電気的に接続され、
前記第２のトランジスタのゲートは前記第１のトランジスタのソースとドレインの一方と電気的に接続され、
前記第１のトランジスタのソースとドレインの他方は前記光電変換素子の一対の電極のうちの一方と電気的に接続され、
前記光電変換素子の一対の電極のうちの他方は前記第４の配線と電気的に接続され、
前記第１のトランジスタのゲートは前記第３の配線と電気的に接続され、
前記第３のトランジスタのゲートは前記第５の配線と電気的に接続され、
前記増幅回路は、前記増幅回路に蓄積された電荷を放電させるリセット動作と、前記光電変換素子に流れる光電流の電流量に対応した電荷を蓄積する蓄積動作と、当該電荷の量を情報として含む出力信号を読み出す選択動作とを行い、
前記リセット動作は、前記第５の配線の電位によって前記第３のトランジスタをオフ状態とし、前記第３の配線の電位によって前記第１のトランジスタをオン状態とし、前記第４の配線の電位を変化させて前記光電変換素子に順バイアスの電圧を印加して前記第２のトランジスタのゲートに蓄積された電荷を放電させることによって行い、
前記蓄積動作は、前記リセット動作の後、前記第５の配線の電位によって前記第３のトランジスタをオフ状態としたまま、且つ前記第３の配線の電位によって前記第１のトランジスタをオン状態としたまま、前記第４の配線の電位を変化させ前記光電変換素子に逆バイアスの電圧を印加することによって開始し、前記第３の配線の電位によって前記第１のトランジスタをオフ状態とすることによって終了し、
前記選択動作は、前記第３の配線の電位によって前記第１のトランジスタをオフ状態としたまま、前記第５の配線の電位によって前記第３のトランジスタをオン状態とすることによって行い、前記第２のトランジスタ及び前記第３のトランジスタを流れる電流による前記第２の配線の電位の変化量がフォトセンサの出力信号となり、
バックライトを点灯して被検出物に光を照射して第ｑ（ｑはｎ以下の自然数）列目のフォトセンサで前記リセット動作及び前記蓄積動作を行った後、前記バックライトを非点灯として第（ｑ＋１）列目のフォトセンサで前記リセット動作及び前記蓄積動作を行い、
全行のフォトセンサの前記選択動作を順次行い、
隣接する列のフォトセンサで得られた前記出力信号の差分を取得し、
前記差分を用いて前記被検出物の撮像画像の生成または前記被検出物の存在する領域の検出を行い、
前記第１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ることを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項３において、
各行のフォトセンサにおいて前記第３の配線を共有することを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
請求項３または請求項５において、
各行のフォトセンサにおいて前記第４の配線を共有することを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
請求項４において、
各列のフォトセンサにおいて前記第３の配線を共有することを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
請求項４または請求項７において、
各列のフォトセンサにおいて前記第４の配線を共有することを特徴とする半導体装置。
【請求項９】
請求項３乃至請求項８のいずれか一において、
各行のフォトセンサにおいて前記第５の配線を共有することを特徴とする半導体装置。
【請求項１０】
請求項３乃至請求項９のいずれか一において、
各列のフォトセンサにおいて前記第１の配線を共有することを特徴とする半導体装置。
【請求項１１】
請求項３乃至請求項９のいずれか一において、
各行のフォトセンサにおいて前記第１の配線を共有することを特徴とする半導体装置。
【請求項１２】
請求項３乃至請求項１１のいずれか一において、
前記第２の配線と前記第５の配線は交差するように設けられることを特徴とする半導体装置。
【請求項１３】
請求項１乃至請求項１２のいずれか一において、
前記酸化物半導体層は、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物半導体、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物半導体、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物半導体、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物半導体、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物半導体、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物半導体、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物半導体、Ｉｎ−Ｚｎ系酸化物半導体、Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物半導体、Ａｌ−Ｚｎ系酸化物半導体、Ｚｎ−Ｍｇ系酸化物半導体、Ｓｎ−Ｍｇ系酸化物半導体、Ｉｎ−Ｍｇ系酸化物半導体、Ｉｎ−Ｇａ系酸化物半導体、Ｉｎ系酸化物半導体、Ｓｎ系酸化物半導体、及びＺｎ系酸化物半導体のいずれかからなることを特徴とする半導体装置。
【請求項１４】
請求項１乃至請求項１３のいずれか一において、
前記酸化物半導体層は、二次イオン質量分析法による水素濃度の測定値が、５×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下であることを特徴とする半導体装置。
【請求項１５】
請求項１乃至請求項１４のいずれか一において、
前記酸化物半導体層は、二次イオン質量分析法によるＮａの濃度の測定値が、５×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下であることを特徴とする半導体装置。
【請求項１６】
請求項１乃至請求項１５のいずれか一において、
前記光電変換素子はフォトダイオードまたはフォトトランジスタであることを特徴とする半導体装置。
【請求項１７】
請求項１乃至請求項１６のいずれか一において、
マトリクス状に配置された複数の表示素子を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項１８】
請求項１乃至請求項１６のいずれか一において、
マトリクス状に配置された複数の表示素子を有し、
前記複数のフォトセンサと前記複数の表示素子とは配置密度が同じであることを特徴とする半導体装置。
【請求項１９】
請求項１乃至請求項１６のいずれか一において、
マトリクス状に配置された複数の表示素子を有し、
前記複数のフォトセンサと前記複数の表示素子とは配置密度が異なることを特徴とする半導体装置。
【請求項２０】
請求項１７乃至請求項１９のいずれか一において、
前記表示素子は液晶素子を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項２１】
請求項１７乃至請求項１９のいずれか一において、
前記表示素子は発光素子を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項２２】
請求項１乃至請求項２１のいずれか一において、
前記バックライトは可視光を発する光源、及び赤外光を発する光源のいずれか一方、または両方を有することを特徴とする半導体装置。

【図１】