CN104160295B - 半导体装置的驱动方法 - Google Patents

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Abstract

一种能够在短时间内取得高精度的距离信息的半导体装置。此外，一种能够同时取得该距离信息和图像信息的半导体装置。通过进行红外光照射多于一次以取得检测信号，并使各次照射期间为相同且极短，来提高距离信息的精度。通过使用相邻的光电二极管检测出从对象物的大致相同点反射的光，即使对象物是移动体也可以维持距离信息的精度。通过重叠吸收可见光且使红外光透过的光电二极管与吸收红外光的光电二极管，能够同时取得距离信息和图像信息。

Description

半导体装置的驱动方法
技术领域
本发明涉及一种包括光电传感器的半导体装置的驱动方法。
注意，在本说明书中，半导体装置总体上是指能够通过利用半导体特性而工作的装置。电光装置、半导体电路及电子设备都是半导体装置。
背景技术
近年来，在多种领域中已使用如下三维(3D)距离测量方法，该三维(3D)距离测量方法不仅可以取得对象物的形状信息，而且可以取得对象物的距离信息。该方法主要分为两种方法：主动测量和被动测量。在主动测量中，对象物被照射光、电波或声波等，并使用所得到的信息。在被动测量中，对象物不被照射用作辅助测量的特定的光、特定的电波等。
作为被动测量，可以使用立体匹配法等。作为主动测量，可以使用飞行时间(TimeOf Flight：TOF)法、光切断法等。在立体匹配法中，通过多个光电传感器拍摄不同的图像，并且根据三角测量的原理取得距离信息。在专利文献1中，通过对比在不同的图像中的共同的区域小的区域进行立体匹配，缩短测量时间并提高测量精度。
在TOF法中，对象物被照射红外光一定期间，并且由各像素中的光电传感器检测反射光。利用光照射开始时刻与反射光的到达光电传感器的时刻之间的差，根据照射期间、检测信号及光速算出距离信息。在非专利文献1中，通过两次的红外光照射，取得两个检测信号。TOF法的优点之一是容易使半导体装置小型化这一点。
在专利文献2中，通过在每隔一个帧期间地交替进行二维(2D)拍摄和三维拍摄，使用一个像素取得二维信息(从对象物反射的光的强度、色彩等)及三维信息(从光源到对象物的距离)。
[参考文献]
[专利文献]
专利文献1：日本专利申请公开2008-59148号公报
专利文献2：日本专利申请公开2010-35168号公报
[非专利文献]
非专利文献1：S.J.Kim et al，“A Three-Dimensional Time-of-Flight CMOSImage Sensor With Pinned-Photodiode Pixel Structure”，IEEE Electron DeviceLetters，Nov.2010，Vol.31，No.11，pp.1272-1274
发明内容
在立体匹配法中，为了取得高精度的距离信息，需要提高匹配精度。匹配处理量的增加导致测量时间的大幅度增加。再者，不容易使半导体装置小型化，因为多个光电传感器处于彼此远离的位置。
TOF法有当通过一次的红外光照射取得用来算出距离信息的检测信号时检测信号的精度降低的问题。
在非专利文献1中，在第一个检测信号的取得之后且第二个检测信号的取得之前有时间差。当对象物移动时，因该时间差而检测信号稍微地变化；因此，不容易维持距离信息的精度。
在专利文献2中，需要在二维拍摄和三维拍摄之间切换帧期间。因此，在通过二维拍摄的信息取得之后且通过三维拍摄的信息取得之前有时间差。因此，不容易同时取得该两个信息，这是有问题的。
鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种可以在短时间内取得高精度的距离信息的半导体装置。本发明的目的是提供一种即使对象物移动，也可以在短时间内取得高精度的距离信息的半导体装置。本发明的目的是提供一种可以在短时间内同时取得高精度的距离信息及图像信息的半导体装置。
本发明的课题是进行半导体装置的小型化。
在本发明的一个实施方式中，通过多于一次地进行红外光照射以取得一个检测信号，并使各次照射期间为同一且极短，来提高距离信息的精度。
本说明书所公开的本发明的一个实施方式是一种半导体装置的驱动方法，该半导体装置包括：包括光电转换元件以及根据被提供到光电转换元件的光量将信号电荷积累于FD节点的第一晶体管的像素；以及根据从输出线输出的检测信号进行运算处理的信号处理电路。该方法包括如下步骤：对光电转换元件的一个电极供给使FD节点具有第一高电位的电位；在期间T中从光源对对象物照射红外光；在从到达对象物而反射的光开始对光电转换元件的入射的时刻至光源停止红外光的照射的时刻的第一期间中，至少使第一晶体管的栅电极的电位为第二高电位n(n是2或更大的自然数)次；从输出线取得基于第n次的第一期间之后的FD节点的电位和低电位之间的第一电位差的第一检测信号；在取得第一检测信号之后，对光电转换元件的一个电极供给使FD节点具有第一高电位的电位；在期间T中从光源对对象物提供红外光；在从光源停止红外光的照射的时刻至到达对象物而反射的光结束对光电转换元件的入射的时刻的第二期间中，至少使第一晶体管的栅电极的电位为第二高电位n次；从输出线取得基于第n次的第二期间之后的FD节点的电位和低电位之间的第二电位差的第二检测信号；以及在取得第二检测信号之后，使用信号处理电路进行算式(1)的运算处理来算出光电转换元件和对象物之间的距离，其中，光速、第一检测信号及第二检测信号分别以c、S1及S2表示。
本说明书所公开的本发明的一个实施方式是一种半导体装置的驱动方法，该半导体装置包括：像素，该像素包括光电转换元件、根据被提供到光电转换元件的光量将信号电荷积累于FD节点的第一晶体管、放大根据信号电荷的积累量被转换的信号电位的第二晶体管、以及根据被放大的信号电位从输出线输出检测信号的第三晶体管；以及根据从输出线输出的检测信号进行运算处理的信号处理电路。该方法包括如下步骤：对光电转换元件的一个电极供给使FD节点具有第一高电位的电位；在期间T中从光源对对象物提供红外光；在从到达对象物而反射的光开始对光电转换元件的入射的时刻至光源停止红外光的照射的时刻的第一期间中，至少使第一晶体管的栅电极的电位为第二高电位n(n是2或更大的自然数)次；在第一期间中至少使第一晶体管的栅电极的电位为第二高电位n次之后，使用第二晶体管放大第n次的第一期间之后的FD节点的电位；供给使第三晶体管的栅电极具有第三高电位的电位；使第二晶体管和第三晶体管开启来改变输出线的电位，然后供给使第三晶体管的栅电极具有低电位的电位；从输出线输出供给低电位之后的输出线的电位和低电位之间的第一电位差；在输出第一电位差之后，根据第一电位差取得第一检测信号；在取得第一检测信号之后，对光电转换元件的一个电极供给使FD节点具有第一高电位的电位；在期间T中从光源对对象物提供红外光；在从光源停止红外光的照射的时刻至到达对象物而反射的光结束对光电转换元件的入射的时刻的第二期间中，至少使第一晶体管的栅电极的电位为第二高电位n次；在第二期间中至少使第一晶体管的栅电极的电位为第二高电位n次之后，使用第二晶体管放大第n次的第二期间之后的FD节点的电位；供给使第三晶体管的栅电极设定为第三高电位的电位，使第二晶体管和第三晶体管开启来改变输出线的电位，然后供给使第三晶体管的栅电极具有低电位的电位；从输出线输出供给低电位之后的输出线的电位和低电位之间的第二电位差；在输出第二电位差之后，根据第二电位差取得第二检测信号；以及在取得第二检测信号之后，使用信号处理电路进行算式(1)的运算处理来算出光电转换元件和对象物之间的距离，其中，光速、第一检测信号及第二检测信号分别以c、S1及S2表示。
在本发明的一个实施方式中，多于一次地进行红外光照射以取得两个检测信号，使用相邻的光电二极管没有时间差地检测出各次红外光照射的从对象物反射的光，并使各次的照射期间为同一且极短。由此，距离信息的精度提高。
本说明书所公开的本发明的一个实施方式是一种半导体装置的驱动方法，该半导体装置包括：包括光电转换元件以及根据被提供到光电转换元件的光量将信号电荷积累于FD节点的积累晶体管的多个像素；以及根据从输出线输出的检测信号进行运算处理的信号处理电路。该方法包括如下步骤：在期间T中从光源对对象物提供红外光；在到达对象物而反射的光开始对第一光电转换元件及与第一光电转换元件相邻的第二光电转换元件的入射的第一时刻之前，对第一光电转换元件的一个电极供给使第一FD节点具有高电位的电位；在从第一时刻至光源停止红外光的照射的第二时刻的期间中至少使第一积累晶体管的栅电极的电位为高电位；在第二时刻之前对第二光电转换元件的一个电极供给使第二FD节点具有高电位的电位；在第二时刻至到达对象物而反射的光结束对第一光电转换元件及第二光电转换元件的入射的第三时刻的期间中，至少使第二积累晶体管的栅电极的电位为高电位n(n是2或更大的自然数)次；在该期间中至少使第二积累晶体管的栅电极的电位设定为高电位n次之后，从第一输出线取得基于第n次的第三时刻之后的第一FD节点的电位和低电位之间的第一电位差的第一检测信号；从第二输出线取得基于第n次的第三时刻之后的第二FD节点的电位和低电位之间的第二电位差的第二检测信号；以及在取得第一检测信号及第二检测信号之后，使用信号处理电路进行算式(1)的运算处理来算出光电转换元件和对象物之间的距离，其中，光速、第一检测信号及第二检测信号分别以c、S1及S2表示。
本说明书所公开的本发明的一个实施方式是一种半导体装置的驱动方法，该半导体装置包括：多个像素，该像素包括光电转换元件、根据被提供到光电转换元件的光量将信号电荷积累于FD节点的积累晶体管、放大根据信号电荷的积累量被转换的信号电位的放大晶体管、以及根据被放大的信号电位从输出线输出检测信号的输出晶体管；以及根据从输出线输出的检测信号进行运算处理的信号处理电路。该方法包括如下步骤：在期间T中从光源对对象物提供红外光；在到达对象物而反射的光开始对第一光电转换元件及与第一光电转换元件相邻的第二光电转换元件的入射的第一时刻之前，对第一光电转换元件的一个电极供给使第一FD节点具有高电位的电位；在从第一时刻至光源停止红外光的照射的第二时刻的期间中至少使第一积累晶体管的栅电极的电位为高电位；在第二时刻之前对第二光电转换元件的一个电极供给使第二FD节点具有高电位的电位；在第二时刻至到达对象物而反射的光结束对第一光电转换元件及第二光电转换元件的入射的第三时刻的期间中，至少使第二积累晶体管的栅电极的电位为高电位n(n是2或更大的自然数)次；在该期间中至少使第二积累晶体管的栅电极的电位设定为高电位n次之后，使用第一放大晶体管放大第n次的第三时刻之后的第一FD节点的电位；供给使第一输出晶体管的栅电极具有高电位的电位，使第一放大晶体管和第一输出晶体管开启来改变第一输出线的电位，然后供给使第一输出晶体管的栅电极具有第一低电位的电位；从第一输出线输出供给第一低电位之后的第一输出线的电位和第一低电位之间的第一电位差；使用第二放大晶体管放大第n次的第三时刻之后的第二FD节点的电位；供给使第二输出晶体管的栅电极具有高电位的电位，使第二放大晶体管和第二输出晶体管开启来改变第二输出线的电位，然后供给使第二输出晶体管的栅电极具有第二低电位的电位；从第二输出线输出供给第二低电位之后的第二输出线的电位和第二低电位之间的第二电位差；在从第一输出线及第二输出线输出第一电位差及第二电位差之后，根据第一电位差及第二电位差分别取得第一检测信号及第二检测信号；在取得第一检测信号及第二检测信号之后，使用信号处理电路进行算式(1)的运算处理来算出光电转换元件和对象物之间的距离，其中，光速、第一检测信号及第二检测信号分别以c、S1及S2表示。
在上述方法中，优选的是，包括在半导体装置中的多个像素的每一个算出光电转换元件和对象物之间的距离。
在本发明的一个实施方式中，多于一次地进行红外光照射以取得一个检测信号，并使各次的照射期间为同一且极短，由此距离信息的精度提高。将吸收可见光并使红外光透过的第一光电传感器和吸收红外光的第二光电传感器彼此重叠。第一光电传感器先吸收可见光，第二光电传感器主要吸收红外光。由此，可以减小半导体装置中的像素的尺寸，并可以同时进行二维拍摄和三维拍摄。
本说明书所公开的本发明的一个实施方式是一种半导体装置的驱动方法，该半导体装置包括：多个像素，该像素包括第一光电转换元件、第二光电转换元件、根据被提供到第一光电转换元件的可见光的光量将信号电荷积累于第一FD节点的第一积累晶体管、以及根据被提供到第二光电转换元件的可见光的光量将信号电荷积累于第二FD节点的第二积累晶体管；以及根据从第一输出线及第二输出线输出的检测信号进行运算处理的信号处理电路。该方法包括如下步骤：对与第一光电转换元件重叠的第二光电转换元件的一个电极供给使第二FD节点具有第一高电位的电位；在期间T中从光源对对象物照射红外光；在到达对象物而反射的红外光开始对第二光电转换元件的入射的时刻至光源停止红外光的照射的时刻的第一期间中，至少使第二积累晶体管的栅电极的电位为第二高电位n(n是2或更大的自然数)次；从第二输出线取得基于第n次的第一期间之后的第二FD节点的电位和低电位之间的第一电位差的第一检测信号；在取得第一检测信号之后，对第二光电转换元件的一个电极供给使第二FD节点具有第一高电位的电位；在期间T中从光源对对象物照射红外光；在光源停止红外光的照射的时刻至到达对象物而反射的红外光结束对第二光电转换元件的入射的时刻的第二期间中，至少使第二积累晶体管的栅电极的电位为第二高电位n次；从第二输出线取得基于第n次的第二期间之后的第二FD节点的电位和低电位之间的第二电位差的第二检测信号；对第一光电转换元件的一个电极供给使第一FD节点具有第三高电位的电位；在从最初照射的红外光到达对象物而反射并开始对第一光电转换元件及第二光电转换元件的入射的时刻至最后照射的红外光到达对象物而反射并结束对第一光电转换元件及第二光电转换元件的入射的时刻的第三期间中，至少使第一积累晶体管的栅电极的电位为第四高电位；从第一输出线取得基于第三期间之后的第一FD节点的电位和低电位之间的第三电位差的第三检测信号；在取得第二检测信号之后，使用信号处理电路进行算式(1)的运算处理来算出第二光电转换元件和对象物之间的距离，其中，光速、第一检测信号及第二检测信号分别以c、S1及S2表示；以及在取得第三检测信号之后，根据各像素中的第三检测信号取得对象物的图像。
本说明书所公开的本发明的一个实施方式是一种半导体装置的驱动方法，该半导体装置包括：多个像素，该像素包括第一光电转换元件、第二光电转换元件、根据被提供到第一光电转换元件的可见光的光量将第一信号电荷积累于第一FD节点的第一积累晶体管、放大根据第一信号电荷的积累量被转换的第一信号电位的第一放大晶体管、根据被放大的第一信号电位从第一输出线输出检测信号的第一输出晶体管、根据被提供到第二光电转换元件的红外光的光量将第二信号电荷积累于第二FD节点的第二积累晶体管、放大根据第二信号电荷的积累量被转换的第二信号电位的第二放大晶体管、以及根据被放大的第二信号电位从第二输出线输出检测信号的第二输出晶体管；以及根据从第一输出线及第二输出线输出的检测信号进行运算处理的信号处理电路。该方法包括如下步骤：对与第一光电转换元件重叠的第二光电转换元件的一个电极供给使第二FD节点具有第一高电位的电位；在期间T中从光源对对象物提供红外光；在从到达对象物而反射的红外光开始对第二光电转换元件的入射的时刻至光源停止红外光的照射的时刻的第一期间中，至少使第二积累晶体管的栅电极的电位为第二高电位n(n是2或更大的自然数)次；在至少使第二积累晶体管的栅电极的电位为第二高电位n次之后，使用第二放大晶体管放大第n次的第一期间之后的第二FD节点的电位；供给使第二输出晶体管的栅电极具有第三高电位的电位，使第二放大晶体管和第二输出晶体管开启来改变第二输出线的电位，然后供给使第二输出晶体管的栅电极具有第一低电位的电位；从第二输出线输出供给第一低电位之后的第二输出线的电位和第一低电位之间的第一电位差；在输出第一电位差之后，根据第一电位差取得第一检测信号；在取得第一检测信号之后，对第二光电转换元件的一个电极供给使第二FD节点具有第一高电位的电位；在期间T中从光源对对象物照射红外光；在从光源停止红外光的照射的时刻至到达对象物而反射的红外光结束对第二光电转换元件的入射的时刻的第二期间中，至少使第二积累晶体管的栅电极的电位为第二高电位n次；在至少使第二积累晶体管的栅电极的电位为第二高电位n次之后，使用第二放大晶体管放大第n次的第二期间之后的第二FD节点的电位；供给使第二输出晶体管的栅电极具有第三高电位的电位，使第二放大晶体管和第二输出晶体管开启来改变第二输出线的电位，然后供给使第二输出晶体管的栅电极具有第一低电位的电位；从第二输出线输出供给第一低电位之后的第二输出线的电位和第一低电位之间的第二电位差；在输出第二电位差之后，根据第二电位差取得第二检测信号；对第一光电转换元件的一个电极供给使第一FD节点具有第四高电位的电位；在从最初照射的红外光到达对象物而反射并开始对第一光电转换元件及第二光电转换元件的入射的时刻至最后照射的红外光到达对象物而反射并结束对第一光电转换元件及第二光电转换元件的入射的时刻的第三期间中，至少使第一积累晶体管的栅电极的电位为第五高电位；使用第一放大晶体管放大第三期间之后的第一FD节点的电位；供给使第一输出晶体管的栅电极具有第六高电位的电位，使第一放大晶体管和第一输出晶体管开启来改变第一输出线的电位，然后供给使第一输出晶体管的栅电极具有第二低电位的电位；从第一输出线输出供给第二低电位之后的第一输出线的电位和第二低电位之间的第三电位差；在输出第三电位差之后，根据第三电位差取得第三检测信号；在取得第二检测信号之后，使用信号处理电路进行算式(1)的运算处理来算出第二光电转换元件和对象物之间的距离，其中，光速、第一检测信号及第二检测信号分别以c、S1及S1表示；以及在取得第三检测信号之后，根据各像素中的第三检测信号取得对象物的图像。
在上述方法中，优选的是：包括在半导体装置中的多个像素的每一个算出第二光电转换元件和对象物之间的距离。
在上述方法中，光源也可以安装在半导体装置的内部或外部。
在上述方法中，照射控制器也可以安装在半导体装置的内部。照射控制器设定红外光照射的开始红外光照射的时刻至停止红外光照射的时刻的期间以及红外光照射的次数，并可以根据设定值输出与光源同步的脉冲信号。
此外，在本说明书中，延迟期间是指开始从光源对对象物进行光照射的时刻和从对象物反射的光开始入射到光电传感器的时刻之间的差。
通过使用每次红外光照射产生的延迟期间来取得检测信号，可以取得更高精度的距离信息。即使在对象物高速移动时，通过相邻的光电二极管连续地检测出从同一点反射的光，也可以维持距离信息的精度。通过检测出取得距离信息的期间的可见光，可以同时取得距离信息和图像信息。
附图说明
图1A至1C示出半导体装置；
图2示出光电传感器；
图3示出光电传感器；
图4示出光电传感器；
图5是光电传感器的时序图；
图6示出读出电路；
图7是光电传感器的时序图；
图8是光电传感器的时序图；
图9A和9B各示出延迟期间的比例；
图10A和10B是配置为矩阵状的多个光电传感器的电路图；
图11A和11B是光电传感器的俯视图及截面图；
图12是显示装置的截面图；
图13A和13B是配置为矩阵状的多个光电传感器的电路图；
图14是光电传感器的俯视图；
图15A和15B是光电传感器的截面图。
符号说明
11：信号线、12：信号线、13：信号线、14：节点、15：信号线、16：信号线、17：信号线、18：节点、100：光电传感器、101：电路、102：光电二极管、103：晶体管、104：晶体管、105：晶体管、106：晶体管、108：导电层、110：光电传感器群、120：光电传感器群、200：透光衬底、203：p型半导体区域、204：i型半导体区域、205：n型半导体区域、206：i型半导体区域、207：n型半导体区域、208：i型半导体区域、209：n型半导体区域、210：导电膜、211：导电膜、212：导电膜、213：导电膜、214：导电膜、215：半导体膜、216：半导体膜、217：半导体膜、218：导电膜、219：导电膜、220：导电膜、221：导电膜、222：导电膜、223：导电膜、224：导电膜、225：导电膜、226：导电膜、227：导电膜、228：栅极绝缘膜、230：n型半导体区域、231：遮光层、232：基底膜、233：绝缘层、240：绝缘层、241：栅电极、242：栅电极、243：绝缘层、244：导电层、245：导电层、246：导电层、247：导电层、248：p型半导体区域、249：i型半导体区域、250：活性层、251：衬底、252：导电层、253：n型半导体区域、254：导电层、255：导电层、281：绝缘膜、282：绝缘膜、301：脉冲、302：脉冲、402：光电二极管、403：晶体管、404：晶体管、405：晶体管、411：衬底、412：n阱、413：n阱、414：n阱、415：n阱、416：场氧化膜、417：栅极绝缘膜、418：栅极绝缘膜、419：栅极绝缘膜、420：栅极、420a：多晶硅层、420b：硅化物层、423：低浓度漏极区域、424：低浓度漏极区域、425：低浓度漏极区域、426：侧壁、427：侧壁、428：侧壁、430：源区域、431：源区域、432：源区域、433：漏区域、434：漏区域、435：漏区域、436：层间绝缘膜、437：层间绝缘膜、440：源极布线、441：源极布线、442：源极布线、443：漏极布线、444：漏极布线、445：漏极布线、446：电极、447：钝化膜、448：层间绝缘膜、449：电极、450：电极、451：电极、452：电极、453：电极、454：电极、455：层间绝缘膜、456：像素电极、457：透明导电膜、458：透明导电膜、459：有机EL层、460：光电转换层、460i：i型半导体层、460n：n型半导体层、460p：p型半导体层、461：分隔壁、462：透明导电膜、463：透明导电膜、500：半导体装置、501：像素、502：受光部、503：信号处理电路、504：光源、505：照射控制器、506：对象物、507：红外光、508：反射光、517：可见光、518：可见光
具体实施方式
参照附图对实施方式进行详细的说明。注意，本发明不局限于以下说明。所属技术领域的普通技术人员可以很容易地理解一个事实就是本发明的方式及详细内容可以不脱离本发明的宗旨及其范围地变换为各种各样的形式。因此，本发明不应该被解释为限定在以下实施方式所记载的内容中。注意，在以下说明的本发明的结构中，在不同的附图之间共同使用同一的附图标记来表示同一部分或具有同一功能的部分，并省略其重复说明。
实施方式1
参照图1A至1C说明本说明书所公开的发明的一个实施方式中的半导体装置500的结构。半导体装置500使用根据从下述各个光电传感器100输出的检测信号算出的各个光电传感器100和对象物的某一个点之间的距离来取得关于整个对象物的距离信息(rangeinformation)。
〈半导体装置500的结构〉
如图1A所示，半导体装置500至少具有受光部502以及信号处理电路503。该受光部502包括配置为矩阵状的多个像素501。各像素501包括一个光电传感器100。
光源504及照射控制器505可以安装在半导体装置500的内部或外部。
如图1B所示，对象物506被来自光源504的红外光507(照射光)照射，并且到达对象物506而反射的光(反射光508)入射到包括在半导体装置500的各光电传感器100中。
受光部502根据来自照射控制器505的脉冲状信号对信号处理电路503输出对应于光量的检测信号。
信号处理电路503判定反射光508的光量，算出红外光从光源504到达受光部502的时间(延迟期间ΔT)，并使用延迟期间ΔT计算各光电传感器100和对象物的某一个点之间的距离x。信号处理电路503的运算结果例如向显示装置(未图示)输出。
光源504根据来自照射控制器505的指令对对象物照射红外光。此外，优选的是，多于一次地进行红外光照射，而且红外光照射期间相同且极短。
另外，可见光也可以入射到受光部502。
〈光电传感器的结构例子1〉
接下来，参照图2说明本说明书所公开的发明的一个实施方式中的半导体装置所具有的光电传感器100的结构例子。图2是光电传感器100的电路图。注意，光电传感器100的结构不局限于该结构，而光电传感器100也可以至少包括一个光电二极管和一个晶体管。
如图2所示，光电传感器100包括光电二极管102、晶体管103、晶体管104以及晶体管105。
图2所示的光电传感器100包括三个晶体管和一个光电二极管。由于光电传感器100中的元件数量的减少，实现了像素尺寸的缩小且促进了半导体装置的小型化。
在图2中，信号线11、信号线12、信号线13、节点14、信号线15及信号线16分别是复位信号线(PR)、电荷积累信号线(TX)、选择信号线(SE)、浮动扩散(FD)节点、光电传感器参考信号线及光电传感器输出信号线。
另外，在本说明书中，光电二极管102至少被红外光照射。
光电二极管102用作检测入射到该二极管的光并产生电荷的光电转换元件。所产生的电荷量取决于所入射的光量。
晶体管103用作控制拍摄(imaging)的晶体管。换言之，晶体管103用作根据被提供到光电二极管102的光量控制将要积累于节点14的电荷量的晶体管。
如图2所示，在光电传感器100中，光电二极管102的阳极与信号线11电连接。光电二极管102的阴极与晶体管103的源电极和漏电极中的一个电连接。晶体管103的源电极和漏电极中的另一个与晶体管104的栅电极及节点14电连接。晶体管104的源电极和漏电极中的一个与信号线15电连接。晶体管105的源电极和漏电极中的一个与信号线16电连接。晶体管104的源电极和漏电极中的另一个与晶体管105的源电极和漏电极中的另一个电连接。晶体管103的栅电极与信号线12电连接。晶体管105的栅电极与信号线13电连接。
图2示出光电二极管102的阳极与信号线11电连接并且光电二极管102的阴极与晶体管103的源电极和漏电极中的一个电连接的结构；但是本发明不局限于此。光电二极管102的阴极也可以与信号线11电连接，并且光电二极管102的阳极也可以与晶体管103的源电极和漏电极中的一个电连接。
〈光电二极管的结构例子2〉
在本说明书所公开的发明的一个实施方式的半导体装置中，光电传感器100也可以配置为m(行)×n(列)(m和n都是2或更大的自然数)的矩阵状。在图3中，作为一个例子，在列方向上相互相邻的光电传感器被称为光电传感器100(k-1)(k是2或更大且n或更小的自然数)以及光电传感器100(k)。
光电传感器100(k-1)包括光电二极管102(k-1)、晶体管103(k-1)、晶体管104(k-1)以及晶体管105(k-1)。光电传感器100(k)包括光电二极管102(k)、晶体管103(k)、晶体管104(k)以及晶体管105(k)。
〈光电传感器的结构例子3〉
本说明书所公开的发明的一个实施方式的半导体装置包括一个光电传感器100A和一个光电传感器100B作为光电传感器。在各像素中包括这些光电传感器的半导体装置500中，根据从各光电传感器100A所输出的检测信号可以取得关于整个对象物的图像信息，并且，在取得图像信息的同时，使用根据从各光电传感器100B所输出的检测信号算出的各光电传感器100B和对象物的某一个点之间的距离可以取得关于整个对象物的距离信息。
如图1C所示，对象物506被来自光源504的红外光507及可见光517照射，并且到达对象物506而反射的光(反射光)入射到半导体装置500所包括的各光电传感器100A及各光电传感器100B。另外，光电传感器100A吸收反射光中的可见光518，光电传感器100B吸收作为红外光的反射光508(也被称为红外反射光)。
另外，在本说明书中，光电二极管102A吸收特定的波长区域的光(例如，可见光)，并使特定的波长区域之外的光(例如，红外光)透过。此外，光电二极管102B吸收特定的波长区域的光(例如，可见光)，并吸收特定的波长区域之外的光(例如，红外光)。
信号处理电路503判定各光电传感器100B所吸收的红外反射光的光量，算出红外光从光源504到达受光部502的时间(延迟期间ΔT)，使用延迟期间ΔT计算各光电传感器100B和对象物的某一个点之间的距离x。例如，信号处理电路503的运算结果输出到显示装置(未图示)。
此外，在受光部502中，光电传感器100A和光电传感器100B彼此重叠，并且对象物506所反射的可见光518的大部分首先被光电传感器100A吸收。
参照图4说明包括一个光电传感器100A及一个光电传感器100B的光电传感器群的结构例子。图4是光电传感器群110的电路图。包括一个光电传感器100A及一个光电传感器100B的光电传感器群110的结构不局限于该结构。光电传感器群110可以至少包括使红外光透过且吸收可见光的光电二极管、吸收红外光的光电二极管、根据可见光的光量将信号电荷积累于FD节点的晶体管、以及根据红外光的光量将信号电荷积累于FD节点的晶体管。
如图4所示，光电传感器群110包括两个光电二极管以及六个晶体管。另外，在本说明书中，特别是在吸收可见光且使红外光透过的光电传感器的情况下，例如将构成要素称为光电传感器100A、光电二极管102A、晶体管103A、晶体管104A及晶体管105A，而在吸收红外光的光电传感器的情况下，例如将构成要素称为光电传感器100B、光电二极管102B、晶体管103B、晶体管104B及晶体管105B。
图4中的光电传感器100A及光电传感器100B各自都具有三个晶体管和一个光电二极管。由于与一般的光电传感器中的元件数量相比，光电传感器100A及光电传感器100B中的元件数量少，实现了像素尺寸的缩小且促进了半导体装置的小型化。
在图4中，信号线11A和11B、信号线12A和12B、信号线13A和13B、节点14A和14B、信号线15、信号线16A和16B分别是复位信号线(PR)、电荷积累信号线(TX)、选择信号线(SE)、浮动扩散(FD)节点、光电传感器参考信号线、及光电传感器输出信号线。另外，在图4中，用于二维拍摄的信号线以“_2”表示，用于三维拍摄的信号线以“_3”表示。
光电二极管102A和102B各自都用作检测入射到该二极管的光并产生电荷的光电转换元件。根据照射的光量而决定要产生的电荷量。
晶体管103A和103B各自都用作控制拍摄的晶体管。换言之，晶体管103A和103B用作根据被提供到光电二极管102A和102B的光量控制将要积累于节点14A和节点14B的电荷量的晶体管。
如图4所示，在光电传感器群110中，光电二极管102A和102B的阳极分别与信号线11A和11B电连接。光电二极管102A和102B的阴极分别与晶体管103A的源电极和漏电极中的一个及晶体管103B的源电极和漏电极中的一个电连接。晶体管103A的源电极和漏电极中的另一个及晶体管103B的源电极和漏电极中的另一个分别与晶体管104A和104B的栅电极及节点14A和14B电连接。晶体管104A的源电极和漏电极中的一个及晶体管104B的源电极和漏电极中的一个与信号线15电连接。晶体管105A的源电极和漏电极中的一个及晶体管105B的源电极和漏电极中的一个分别与信号线16A和16B电连接。晶体管104A的源电极和漏电极中的另一个及晶体管104B的源电极和漏电极中的另一个分别与晶体管105A的源电极和漏电极中的另一个及晶体管105B的源电极和漏电极中的另一个电连接。晶体管103A和103B的栅电极分别与信号线12A和12B电连接。晶体管105A和105B的栅电极分别与信号线13A和13B电连接。
〈用于拍摄的机制〉
在此，说明拍摄的机理。在下面以光电传感器100为例子进行说明，类似机理应用于光电传感器100A及光电传感器100B。通过将光电二极管102的阳极的电位从“L”改变为“H”，并将晶体管103的栅电极的电位从“L”改变为“H”，正电荷积累于节点14。通过在这种状态下将信号线11的电位从“H”改变为“L”，根据提供到光电二极管102的光量，负电荷积累于节点14(拍摄开始)。接着，通过将晶体管103的栅电极的电位从“H”改变为“L”，节点14中的电荷积累停止(拍摄结束)。通过切换晶体管103的栅电极的电位，可以控制积累于节点14的电荷量。
非晶硅、微晶硅或氧化物半导体优选用于晶体管103的半导体层。在半导体层中包含氧化物半导体的晶体管具有极低的关态电流(off-state current)；因此，可以长期间地保持由于对光电二极管102的光照射而生成的电荷。由此，能够长期间地保持拍摄数据，因此容易取得准确的拍摄数据。
此外，通过使用氧化物半导体材料作为晶体管103的半导体层，可以抑制从节点14泄漏到光电二极管102的电荷的流动。尤其是，当电荷在长期间积累在节点14时，泄漏电荷的影响增大；因此，特别优选使用氧化物半导体。通过使用氧化物半导体作为半导体层，更高精度地检测出延迟期间，并取得可靠性高的检测信号，可以提高光电传感器100整体的性能。
晶体管104用作放大根据节点14中的电荷积累量而被转换的电位的晶体管。晶体管104的放大度提高，由此光电传感器100的灵敏度提高。
如多晶硅或单晶硅等的材料优选用于晶体管104的半导体层。通过使用这种材料作为半导体层，可以提高在节点14中的电荷的放大度。由此，可以构成灵敏度更高的放大晶体管。
晶体管105用作控制光电传感器100的输出的晶体管。换言之，通过切换栅电极的电位，可以将由晶体管104放大的电位作为信号线16的电位输出。
如多晶硅或单晶硅等的材料优选用于晶体管105的半导体层。通过使用这种材料，可以提高晶体管105的通态电流(on-state current)。因此，检测信号的输出期间缩短，由此可以高速地控制来自光电传感器100的输出。通过使用这种材料作为半导体层，可以在更广泛的范围控制信号线16的切换速度。当通过提高电位变化的速度的自由度而准确地抽出速度差，可以取得更准确的数据。
如上所述，光电传感器100包括四个元件：一个光电二极管和三个晶体管。因为光电传感器可以包含较少的元件，所以能够促进光电传感器的高集成化及像素尺寸的缩小。当使用如多晶硅或单晶硅等的材料作为晶体管104及晶体管105的半导体层且使用非晶硅、微晶硅或氧化物半导体材料作为晶体管103的半导体层来构成叠层结构时，可以实现像素尺寸的进一步缩小。
当重视缩短将由对光电二极管102的光照射而生成的电荷积累于节点14所需要的时间时，即，例如，当对象物高速地移动时，晶体管103的半导体层可以使用如非晶硅、多晶硅或单晶硅等的材料形成。即使使用这种材料，电荷也在短时间内积累于节点14，由此可以抑制因泄漏电荷而产生的不良影响。
当重视中小型的光电传感器100的工作速度时，包括在像素中的所有晶体管(晶体管103、104和105)可以使用如多晶硅或单晶硅等的材料形成。
当重视成本、尺寸及性能时，包括在像素中的所有晶体管(晶体管103、104和105)可以使用氧化物半导体材料形成。
当重视成本及尺寸时，包括在像素中的所有晶体管(晶体管103、104和105)可以使用非晶硅或微晶硅形成。
〈半导体装置的驱动方法1〉
下面说明包括图2的光电传感器100的半导体装置的驱动方法的例子。通过采用该驱动方法，可以取得两个不同的检测信号，从而可以算出半导体装置和对象物之间的距离。
该距离通过使用半导体装置所包括的信号处理电路而算出。该信号处理电路可以根据所取得的不同的检测信号进行适当的运算处理。因此，可以通过多于一次地进行和停止从光源对对象物的红外光的照射，来算出一个光电传感器和对象物的某一个点之间的距离。
再者，通过使从红外光的照射开始的时刻至红外光的照射停止的时刻的期间为极短且多于一次地进行和停止红外光的照射，半导体装置可以高精度地取得对象物和光电传感器之间的距离。
首先，说明时序图。
图5示出表示对象物被来自光源的红外光照射的时序的脉冲301、表示到达对象物而反射的光入射到光电二极管的时序的脉冲302、信号线11的脉冲(PR)、信号线12的脉冲(TX)、信号线13的脉冲(SE)、节点14的脉冲(FD)以及信号线16的脉冲。
在本说明书中的脉冲301中，以“H”表示进行红外光照射的期间，以“L”表示不进行红外光照射的期间。
如图5所示，多于一次地进行期间T内的红外光照射。另外，第一次红外光照射从时刻T2至时刻T4进行；第二次红外光照射从时刻T6至时刻T8进行；第三次红外光照射从时刻T12至时刻T15进行；第四次红外光照射从时刻T18至时刻T20进行；期间T极短。
在本说明书中的脉冲302中，以“H”表示从光源提供到对象物的红外光被对象物反射而入射到光电传感器100的期间，以“L”表示红外光没有入射到光电传感器100的期间。
在信号线11的脉冲(PR)中，以“H”表示供应给光电二极管102的阳极的电位是高电位的期间，以“L”表示供应给光电二极管102的阳极的电位是低电位的期间。另外，对于在下述图7中的信号线11_(k-1)(PR_(k-1))和信号线11_(k)(PR_(k))以及图8中的信号线11A(PR_2)和信号线11B(PR_3)也同样地适用。
在本说明书中的信号线12的脉冲(TX)中，以“H”表示供应给晶体管103的栅电极的电位是高电位的期间，以“L”表示供应给晶体管103的栅电极的电位是低电位的期间。另外，对于在下述图7中的信号线12_(k-1)(TX_(k-1))和信号线12_(k)(TX_(k))以及图8中的信号线12A(TX_2)和信号线12B(TX_3)也同样地适用。
在本说明书中的信号线13的脉冲(SE)中，以“H”表示供应给晶体管105的栅电极的电位是高电位的期间，以“L”表示供应给晶体管105的栅电极的电位是低电位的期间。另外，对于下述图7中的信号线13_(k-1)(SE_(k-1))和信号线13_(k)(SE_(k))以及图8中的信号线13A(SE_2)和信号线13B(SE_3)也同样地适用。
在图5的节点14的脉冲(FD)中，以“H”表示高电位的期间；以“L”表示低电位的期间；以“V1”表示时刻T9的低电位“L”和节点14之间的电位差；以“V2”表示时刻T21的低电位“L”和节点14之间的电位差。
在图5的信号线16的脉冲中，以“H”表示高电位的期间，以“L”表示低电位的期间；以“VS1”表示时刻T11的低电位“L”和信号线16之间的电位差；以“VS2”表示时刻T24的低电位“L”和信号线16之间的电位差。
另外，在图5中，时刻T11的低电位“L”和信号线16之间的电位差“VS1”相当于第一检测信号S1，时刻T24的低电位“L”和信号线16之间的电位差“VS2”相当于第二检测信号S2。
在图5中，延迟期间ΔT相当于从时刻T2至时刻T3的期间、从时刻T6至时刻T7的期间、从时刻T12至时刻T13的期间、从时刻T18至时刻T19的期间。
注意，在本说明书中，低电位“L”是指共同电位。
另外，在图5中，在进行四次红外光照射中期间T被固定。
在进行拍摄的期间中，半导体装置和对象物之间的距离不变。因此，可以假设在该四次红外光照射中延迟期间ΔT被固定。
在图5中，两次进行用来取得第一检测信号的红外光照射，并且两次进行用来取得第二检测信号的红外光照射；但是，三次或更多次地进行各红外光照射也是有效的，并对次数没有特别的限制。注意，用来取得第一检测信号的红外光照射的次数等于用来取得第二检测信号的红外光照射的次数。
接着，说明算出半导体装置中的一个光电传感器和对象物的某一个点之间的距离的方法。参照图5中的时序图说明两次进行红外光照射的情况。假设为以x表示半导体装置和对象物之间的距离，检测信号强度与净曝光时间(拍摄期间中的反射光的入射时间)成比例，以α表示比例常数(α是固定的)，以S1(2)表示第一检测信号，以S2(2)表示第二检测信号，以c表示光速(3×108m/s)，第一检测信号S1(2)、第二检测信号S2(2)、延迟期间ΔT、距离x可以表示为如下。
S1(2)＝α×((T4-T2)-(T3-T2))+α×((T8-T6)-(T7-T6))＝2α(T-ΔT)
S2(2)＝α×(T13-T12)+α×(T19-T18)＝2αΔT
根据对两次进行红外光照射的情况的类推，n次进行红外光照射的情况可以如下述那样容易被公式化。假设为以x表示半导体装置和对象物之间的距离，检测信号强度与净曝光时间(拍摄期间中的反射光的入射时间)成比例，以α表示比例常数(α是固定的)，以S1(n)表示第一检测信号，以S2(n)表示第二检测信号，以c表示光速(3×108m/s)，第一检测信号S1(n)、第二检测信号S2(n)、延迟期间ΔT、距离x可以表示为如下。
S1(n)＝n×α×(T-ΔT)
S2(n)＝n×α×(ΔT)
上述计算表示即使改变红外光照射的次数，距离x也不依赖于延迟期间ΔT，而可以根据照射期间、检测信号和光速而算出。
红外光照射的次数n越增大，第一检测信号S1(n)及第二检测信号S2(n)的精度越提高。随着红外光照射的次数的增大，FD节点的电位变化及输出信号线的电位的变化增大，并检测信号的强度变化增大；因此，可以提高S/N比。因此，红外光照射的次数越增大，可以算出越高精度的距离x。
红外光照射期间T短是优选的，但长于延迟期间ΔT。期间T越短，在期间T中延迟期间ΔT的比例可以越大。通过增大相对于距离x的第一检测信号S1及第二检测信号S2的变化，容易提高对距离x的灵敏度，从而精度可以改善。
换言之，与在长期间内进行红外光照射一次的情况相比，通过每次取得检测信号则多于一次地进行极短的期间T的红外光照射，可以高精度地算出半导体装置和对象物之间的距离，并大幅度地减少整体检测时间。
接着，参照图5中的时序图说明半导体装置的具体驱动方法。
在时刻T1，信号线11的电位从“L”改变为“H”(第一复位工作)。再者，信号线12的电位从“L”改变为“H”。此时，光电二极管102及晶体管103成为导通，并节点14的电位设定为“H”。
在时刻T2，从光源对对象物照射经外光的第一次红外光照射开始。脉冲301从“L”改变为“H”。此外，信号线11的电位从“H”改变为“L”。信号线12的电位保持为“H”。
在时刻T3，基于第一次红外光照射的拍摄开始。在时刻T3，在第一次红外光照射中被对象物反射的光开始入射到光电二极管102。注意，该反射光是红外光。脉冲302从“L”改变为“H”。节点14的电位开始从“H”降低。信号线12保持为“H”。
在时刻T4，停止第一次红外光照射(从时刻T2至时刻T4的期间为期间T)。
脉冲301从“H”改变为“L”。此外，信号线12的电位从“H”改变为“L”。基于第一次红外光照射的拍摄结束。此外，在时刻T4，节点14的电位的降低停止，并节点14的电位被固定。
时刻T4的节点14的电位取决于在从时刻T3至时刻T4的期间中(第一次红外光照射中)提供到光电二极管102的光量。光量越多，电位变化越大。换言之，在照射期间长度相同的情况下，随着光强度增高，电位变化增大，并在光强度相同的情况下，随着照射期间的增长，电位变化增大。
当信号线12设定为“L”时，信号线12和节点14之间的寄生电容导致节点14的电位变化。显著的电位变化阻碍对光电二极管102所生成的光电流的精确取得。因此，减少寄生电容的影响的有效方法是：例如，减少晶体管103的栅极-源极电容或晶体管103的栅极-漏极电容，并连接存储电容与节点14。在本实施方式中的光电传感器采用上述方法，由此可以忽视起因于寄生电容的节点电位的变化。
在时刻T5，从对象物反射的光的对光电二极管102的入射结束。脉冲302从“H”改变为“L”。
在时刻T6，从光源对对象物照射红外光的第二次红外光照射开始。脉冲301从“H”改变为“L”。此外，信号线12的电位从“L”改变为“H”。节点14的电位保持为时刻T4的电位。
在时刻T7，基于第二次红外光照射的拍摄开始。在时刻T7，在第二次红外光照射中从对象物反射的光开始入射到光电二极管102。脉冲302从“L”改变为“H”。节点14的电位开始从时刻T4的电位降低。信号线12保持为“H”。
在时刻T8，停止第二次红外光照射(从时刻T6至时刻T8的期间为期间T)。
脉冲301从“H”改变为“L”。此外，信号线12的电位从“H”改变为“L”。基于第二次红外光照射的拍摄结束。此外，在时刻T8，节点14的电位的降低停止，并且节点14的电位被固定。时刻T8的节点14的电位以“V1”表示。
时刻T8的节点14的电位“V1”取决于在从时刻T3至时刻T4的期间中提供到光电二极管102的光量与在从时刻T7至时刻T8的期间中(第二次红外光照射中)提供到光电二极管102的光量的总计。
在时刻T9，从对象物反射的光的对光电二极管102的入射结束。脉冲302从“H”改变为“L”。
在时刻T10，信号线13的电位从“L”改变为“H”(第一读出开始)。电位“H”被供应给栅电极，使得晶体管105开启。此外，信号线15及信号线16通过晶体管104及晶体管105而导通。
信号线16的电位开始从“H”降低。
另外，在时刻T10之前，信号线16被预充电，使得信号线16的电位设定为“H”。
在时刻T11，信号线13的电位从“H”改变为“L”(第一读出结束)。晶体管105关闭，信号线16的电位的降低停止，并信号线16的电位被固定。时刻T11的信号线16的电位以“VS1”表示。
通过取得时刻T11的信号线16的电位“VS1”，可以检测出在第一次红外光照射时提供到光电二极管102的光量与在第二次红外光照射时提供到光电二极管102的光量的总计。
在提供到光电二极管102的光量大时，在一定期间的节点14的电位变化量大；因此，节点14的电位降低。此外，晶体管104的沟道电阻增高，由此信号线16的电位的降低速度变慢。由此，节点14的电位变化量与信号线16的电位变化量反向(inverted)。
另外，当第一次红外光照射及第二次红外光照射期间的光强度固定时，信号线16的电位“VS1”与照射期间成比例。
在时刻T12，从光源对对象物照射红外光的第三次红外光照射开始。脉冲301从“L”改变为“H”。
在时刻T13，在第三次红外光照射中从对象物反射的光开始入射到光电二极管102。脉冲302从“L”改变为“H”。
在时刻T14，信号线11的电位从“L”改变为“H”(第二复位工作)。再者，信号线12的电位从“L”改变为“H”。此时。光电二极管102及晶体管103成为导通，并节点14的电位设定为“H”。
另外，第二复位工作也可以在第三红外光照射之前进行。
在时刻T15，基于第三次红外光照射的拍摄开始。在时刻T15，停止第三次红外光照射(从时刻T12至时刻T15的期间为期间T)。脉冲301从“H”改变为“L”。此外，信号线11的电位从“H”改变为“L”。节点14的电位开始从“H”降低。信号线12保持为“H”。
在时刻T16，从对象物反射的光的对光电二极管102的入射结束。脉冲302从“H”改变为“L”。信号线12保持为电位“H”。
基于第三次红外光照射的拍摄结束。此外，在时刻T16，节点14的电位的降低停止，并节点14的电位被固定。
时刻T16的节点14的电位取决于在从时刻T15至时刻T16的期间中(第三次红外光照射之后)提供到光电二极管102的光量。
在时刻T17，信号线12的电位从“H”改变为“L”。
另外，从时刻T16至时刻T17的期间中，光电二极管102不被照射反射光。
在时刻T18，从光源对对象物照射红外光的第四次红外光照射开始。脉冲301从“L”改变为“H”。
在时刻T19，在第四次红外光照射中从对象物反射的光开始入射到光电二极管102。脉冲302从“L”改变为“H”。
在时刻T20，基于第四次红外光照射的拍摄开始。在时刻T20，停止第四次红外光照射(从时刻T18至时刻T20的期间为期间T)。脉冲301从“H”改变为“L”。此外，信号线12的电位从“L”改变为“H”。在时刻T20，节点14的电位开始从时刻T16的电位降低。
在时刻T21，从对象物反射的光的对光电二极管102的入射结束。脉冲302从“H”改变为“L”。信号线12保持为电位“H”。
在时刻T21，基于第四次红外光照射的拍摄结束。此外，在时刻T21，节点14的电位的降低停止，并节点14的电位被固定。时刻T21的节点14的电位以“V2”表示。
时刻T21的节点14的电位“V2”取决于在从时刻T15至时刻T16的期间中提供到光电二极管102的光量与在从时刻T20至时刻T21的期间中提供到光电二极管102的光量的总计。
在时刻T22，信号线12的电位从“H”改变为“L”。
在时刻T23，信号线13的电位从“L”改变为“H”(第二读出开始)。电位“H”被供应给栅电极，使得晶体管105开启。此外，信号线15及信号线16通过晶体管104及晶体管105而导通。
信号线16的电位开始从“H”降低。
另外，在时刻T23之前，信号线16被预充电，使得信号线16的电位设定为“H”。
对信号线16进行预充电的读出电路的结构没有限制。如图6所示，读出电路101可以包括一个P沟道型晶体管106。信号线17是预充电信号线。节点18是高电位供给线。晶体管106的栅电极与信号线17电连接。晶体管106的源电极和漏电极中的一个与信号线16电连接。晶体管106的源电极和漏电极中的另一个与节点18电连接。
在时刻T24，信号线13的电位从“H”改变为“L”(第二读出的结束)。晶体管105关闭，信号线16的电位的降低停止，并信号线16的电位被固定。时刻T24的信号线16的电位以“VS2”表示。
通过取得时刻T24的信号线16的电位“VS2”，可以检测出在第三次红外光照射之后提供到光电二极管102的光量与在第四次红外光照射之后提供到光电二极管102的光量的总计。
另外，当第三次红外光照射及第四次红外光照射期间的光强度固定时，信号线16的电位“VS2”与照射期间成比例。
此外，在本实施方式中，基于第三次及第四次红外光照射的拍摄期间(从时刻T15至时刻T16的期间以及从时刻T20至时刻T21的期间)短于基于第一次及第二次红外光照射的拍摄期间(从时刻T3至时刻T4的期间以及从时刻T7至时刻T8的期间)。由此，时刻T24的信号线16的电位“VS2”小于时刻T11的信号线16的电位“VS1”。
在时刻T25，光电传感器100可以取得第一检测信号S1及第二检测信号S2。
通过将上述驱动方法应用于半导体装置所具有的多个像素，可以更准确地算出各光电传感器和对象物之间的距离。
〈半导体装置的驱动方法2〉
参照图7说明包括图3的光电传感器的半导体装置的驱动方法的例子。
如图7所示，多于一次地进行期间T内的红外光照射。另外，第一次红外光照射从时刻T2至时刻T5进行；第二次红外光照射从时刻T8至时刻T10进行；并且期间T极短。
在图7的节点14的脉冲(FD)中，以“H”表示高电位的期间；以“L”表示低电位的期间；以“V1”表示时刻T10的低电位“L”和节点14_(k-1)之间的电位差；以“V2”表示时刻T11的低电位“L”和节点14_(k)之间的电位差。
在图7的信号线16的脉冲中，以“H”表示高电位的期间；以“L”表示低电位的期间；以“VS1”表示时刻T14的低电位“L”和信号线16_(k-1)之间的电位差；以“VS2”表示时刻T15的低电位“L”和信号线16_(k)之间的电位差。
另外，在图7中，时刻T14的低电位“L”和信号线16_(k-1)之间的电位差“VS1”相当于第一检测信号S1，时刻T15的低电位“L”和信号线16_(k)之间的电位差“VS2”相当于第二检测信号S2。
在图7中，延迟期间ΔT相当于从时刻T2至时刻T3的期间和从时刻T8至时刻T9的期间。
另外，在图7中，在两次的红外光照射中期间T被固定。
此外，在进行拍摄的期间中，光源和对象物之间的距离变化。可以假定在该两次的红外光照射中延迟期间ΔT基本被固定。
在图7中，两次进行用来取得第一检测信号及第二检测信号的红外光照射；但是，三次或更多次地进行红外光照射也是有效的，并对次数没有特别的限制。
接着，说明算出半导体装置中的一个光电传感器和对象物中的某一个点之间的距离的方法。参照图7的时序图说明进行红外光照射两次的情况。假设为以x表示光源和对象物之间的距离，检测信号强度与净曝光时间(拍摄期间中的反射光的入射时间)成比例，以α表示比例常数(α是固定的)，以S1(2)表示第一检测信号，以S2(2)表示第二检测信号，以c表示光速(3×108m/s)，第一检测信号S1(2)、第二检测信号S2(2)、延迟期间ΔT、距离x可以表示为如下。
S1(2)＝α×((T5-T2)-(T3-T2))+α×((T10-T8)-(T9-T8))＝2α(T-ΔT)
S2(2)＝α×(T3-T2)+α×(T9-T8)＝2αΔT
根据对两次进行红外光照射的情况的类推，n次进行红外光照射的情况可以容易被公式化。由于其详细内容类似于半导体装置的驱动方法1，因此省略详细说明。
接着，利用图7中的时序图说明半导体装置的具体驱动方法。
在时刻T1，信号线11_(k-1)的电位从“L”改变为“H”(复位工作)。再者，信号线12_(k-1)的电位从“L”改变为“H”。此时，光电二极管102_(k-1)及晶体管103_(k-1)成为导通，并节点14_(k-1)的电位设定为“H”。
在时刻T2，从光源对对象物照射红外光的第一次红外光照射开始。脉冲301从“L”改变为“H”。此外，信号线11_(k-1)的电位从“H”改变为“L”。信号线12_(k-1)的电位保持为“H”。
在时刻T3，基于第一次红外光照射的第一拍摄开始。在时刻T3，在第一次红外光照射中被对象物反射的光开始入射到光电二极管102_(k-1)。注意，该反射光是红外光。脉冲302从“L”改变为“H”。节点14_(k-1)的电位开始从“H”降低。信号线12_(k-1)保持为“H”。
在时刻T4，信号线11_(k)的电位从“L”改变为“H”(复位工作)。再者，信号线12_(k)的电位从“L”改变为“H”。此时，光电二极管102_(k)及晶体管103_(k)成为导通，并节点14_(k)的电位设定为“H”。
在时刻T5，停止第一次红外光照射(从时刻T2至时刻T5的期间为期间T)。脉冲301从“H”改变为“L”。此外，信号线12_(k-1)的电位从“H”改变为“L”。基于第一次红外光照射的第一拍摄结束。此外，在时刻T5，节点14_(k-1)的电位的降低停止，并节点14_(k-1)的电位被固定。
在时刻T5，基于第一次红外光照射的第二拍摄开始。在时刻T5，在第一次红外光照射中被对象物反射的光开始入射到光电二极管102_(k)。信号线11_(k)的电位从“H”改变为“L”。信号线12_(k)的电位维持“H”。节点14_(k)的电位开始从“H”降低。
时刻T5的节点14_(k-1)的电位取决于在从时刻T3至时刻T5的期间中(第一红外光照射中)提供到光电二极管102_(k-1)的光量。光量越多，电位变化越大。换言之，在照射期间长度相同的情况下，随着光强度增高，电位变化增大，并在光强度相同的情况下，随着照射期间的增长，电位变化增大。
在时刻T6，被对象物反射的光的对光电二极管102_(k-1)的入射结束。基于第一次红外光照射的第二拍摄结束。脉冲302从“H”改变为“L”。信号线12_(k)的电位保持为“H”。此外，节点14_(k)的电位的降低停止，并节点14_(k)的电位被固定。
在时刻T7，信号线12_(k)的电位从“H”改变为“L”。
在时刻T8，从光源对对象物照射红外光的第二次红外光照射开始。脉冲301从“L”改变为“H”。此外，信号线12_(k-1)的电位从“L”改变为“H”。节点14_(k-1)的电位保持为时刻T5的电位。
在时刻T9，基于第二次红外光照射的第一拍摄开始。在时刻T9，第二次红外光照射中被对象物反射的光开始入射到光电二极管102_(k-1)。脉冲302从“L”改变为“H”。节点14_(k-1)的电位开始从时刻T5的电位降低。信号线12_(k-1)保持为“H”。
在时刻T10，停止第二次红外光照射(从时刻T8至时刻T10的期间为期间T)。
脉冲301从“H”改变为“L”。此外，信号线12_(k-1)的电位从“H”改变为“L”。基于第二次红外光照射的第一拍摄结束。此外，在时刻T10，节点14_(k-1)的电位的降低停止，并节点14_(k-1)的电位被固定。时刻T10的节点14_(k-1)的电位以“V1”表示。
在时刻T10的节点14_(k-1)的电位“V1”取决于在从时刻T3至时刻T5的期间中提供到光电二极管102_(k-1)的光量与在从时刻T9至时刻T10的期间中提供到光电二极管102_(k-1)的光量的总计。
在时刻T10，基于第二次红外光照射的第二拍摄开始。信号线12_(k)的电位从“L”改变为“H”。在时刻T10，在第二次红外光照射中从对象物反射的光开始入射到光电二极管102_(k)。节点14_(k)的电位开始从时刻T6的电位降低。
在时刻T11，从对象物反射的光的对光电二极管102_(k)的入射结束。基于第二次红外光照射的第二拍摄结束。脉冲302从“H”改变为“L”。信号线12_(k)的电位被保持为“H”。此外，节点14_(k)的电位的降低停止，并节点14_(k)的电位被固定。时刻T11的节点14_(k)的电位以“V2”表示。
时刻T11的节点14_(k)的电位“V2”取决于在从时刻T5至时刻T6的期间中提供到光电二极管102_(k)的光量与在从时刻T10至时刻T11的期间中提供到光电二极管102_(k)的光量的总计。
在时刻T12，信号线12_(k)的电位从“H”改变为“L”。
在时刻T13，信号线13_(k-1)的电位从“L”改变为“H”(第一读出开始)。电位“H”供应给栅电极，使得晶体管105_(k-1)开启。此外，信号线15_(k-1)及信号线16_(k-1)通过晶体管104_(k-1)及晶体管105(k-1)而导通。
信号线16_(k-1)的电位开始从“H”降低。
另外，在时刻T13之前，信号线16_(k-1)被预充电，使得信号线16_(k-1)的电位设定为“H”。
对信号线16_(k-1)进行预充电的读出电路的结构没有限制。例如，可以使用图6的读出电路101。
在时刻T14，信号线13_(k-1)的电位从“H”改变为“L”(第一读出结束)。晶体管105_(k-1)关闭，信号线16_(k-1)的电位的降低停止，并信号线16_(k-1)的电位被固定。时刻T14的信号线16_(k-1)的电位以“VS1”表示。
通过取得时刻T14的信号线16_(k-1)的电位“VS1”，可以检测出在两次红外光照射中提供到光电二极管102_(k-1)的光量的总计。
在时刻T14，信号线13_(k)的电位从“L”改变为“H”(第二读出开始)。电位“H”供应给栅电极，使得晶体管105_(k)开启。此外，信号线15_(k)及信号线16_(k)通过晶体管104_(k)及晶体管105(k)而导通。
信号线16_(k)的电位开始从“H”降低。
另外，在时刻T14之前，信号线16_(k)被预充电，使得信号线16_(k)的电位被设置为“H”。
对信号线16_(k)被预充电的读出电路的结构没有限制。
在时刻T15，信号线13_(k)的电位从“H”改变为“L”(第二读出结束)。晶体管105_(k)关闭，信号线16_(k)的电位的降低停止，并信号线16_(k)的电位被固定。时刻T15的信号线16_(k)的电位以“VS2”表示。
通过取得时刻T15的信号线16_(k)的电位“VS2”，可以检测出在两次红外光照射之后提供到光电二极管102_(k)的光量的总计。
另外，当第一次红外光照射及第二次红外光照射期间内的光强度固定时，时刻T14的低电位“L”和信号线16_(k-1)之间的电位差“VS1”以及时刻T15的低电位“L”和信号线16_(k)之间的电位差“VS2”与照射期间成比例。
注意，在本实施方式中，从时刻T5至时刻T6的期间(从时刻T10至时刻T11的期间)中的拍摄期间比从时刻T3至时刻T5的期间(从时刻T9至时刻T10的期间)中的拍摄期间短。因此，“VS2”小于“VS1”。
在时刻T15，光电传感器可以取得第一检测信号S1及第二检测信号S2。在上述驱动方法中，可以多于一次地进行红外光照射，以取得第一检测信号S1及第二检测信号S2，并通过相邻的光电二极管没有时间差地检测出各红外光照射中的从对象物反射的光。
因此，通过将上述驱动方法应用于半导体装置所具有的多个像素，即使对象物是移动体，也可以更准确地算出各光电传感器和对象物之间的距离。
〈半导体装置的驱动方法3〉
参照图8说明包括图4的光电传感器群110的半导体装置的驱动方法的例子。通过采用该驱动方法，可以取得两个不同的检测信号，以使得可以算出半导体装置和对象物之间的距离。此外，通过使光电二极管102A和光电二极管102B重叠，可以同时取得距离信息和图像信息。
使用半导体装置所具有的信号处理电路算出距离。该信号处理电路可以根据所取得的不同的检测信号进行适当的运算处理。因此，通过多于一次地执行和停止通过来自光源的红外光对对象物的照射，可以算出一个吸收红外光的光电传感器和对象物的某一个点之间的距离。
再者，通过使从红外光的照射开始的时刻至红外光的照射停止的的时刻的期间为极短，并多于一次地进行和停止红外光照射，半导体装置可以高精度地取得对象物和吸收红外光的光电传感器之间的距离。
如图8所示，多于一次地进行期间T中的红外光照射。另外，第一次红外光照射从时刻T2至时刻T4进行；第二次红外光照射从时刻T6至时刻T8进行；第三次红外光照射从时刻T12至时刻T15进行；第四次红外光照射从时刻T18至时刻T20进行；期间T极短。
在节点14A的脉冲(FD_2)中，以“H”表示高电位的期间；以“L”表示低电位的期间；并且以“V3”表示时刻T25的低电位“L”和节点14A之间的电位差。
在节点14B的脉冲(FD_3)中，以“H”表示高电位的期间；以“L”表示低电位的期间；以“V1”表示时刻T9的低电位“L”和节点14B之间的电位差；并且以“V2”表示时刻T21的低电位“L”和节点14B之间的电位差。
在信号线16A的脉冲中，以“H”表示高电位的期间；以“L”表示低电位的期间；并且以“VS3”表示时刻T27的低电位“L”和信号线16A之间的电位差。
在信号线16B的脉冲中，以“H”表示高电位的期间；以“L”表示低电位的期间；以“VS1”表示时刻T11的低电位“L”和信号线16B之间的电位差；并且以“VS2”表示时刻T24的低电位“L”和信号线16B之间的电位差。
另外，时刻T11的低电位“L”和信号线16B之间的电位差“VS1”相当于第一检测信号S1；时刻T24的低电位“L”和信号线16B之间的电位差“VS2”相当于第二检测信号S2；并且时刻T27的低电位“L”和信号线16A之间的电位差“VS3”相当于第三检测信号S3。
在图8中，延迟期间ΔT相当于从时刻T2至时刻T3的期间、从时刻T6至时刻T7的期间、从时刻T12至时刻T13的期间以及从时刻T18至时刻T19的期间。
另外，在图8中，在四次的红外光照射中期间T被固定。
在进行拍摄的期间中，光源与对象物之间的距离不变。因此，可以假设延迟期间ΔT在四次红外光照射中被固定。
另外，在图8中，两次进行用来取得第一检测信号的红外光照射，两次进行用来取得第二检测信号的红外光照射；但是，三次或更多次地进行各红外光照射也是有效的，并对其次数并没有特别的限制。注意，用来取得第一检测信号的红外光照射的次数等于用来取得第二检测信号的红外光照射的次数。
算出半导体装置中的吸收红外光的一个光电传感器和对象物的某一个点之间的距离的方法类似于半导体装置的驱动方法1；因此，省略其详细说明。
接着，参照图8的时序图说明半导体装置的具体驱动方法。
在光电传感器群110中，吸收可见光且使红外光透过的光电二极管102A与吸收红外光的光电二极管102B重叠；因此，可以同时进行三维拍摄和二维拍摄。
首先，说明用来取得三维距离信息的三维拍摄。在从时刻T1至T27的期间中，光电传感器100B取得第一检测信号S1及第二检测信号S2。在此可以参照在半导体装置的驱动方法1中的光电传感器100的驱动方法，省略其详细说明。通过将这种驱动方法应用于半导体装置所具有的多个像素，更准确地算出吸收红外光的各光电传感器和对象物之间的距离。
接着，说明用来取得二维图像信息的二维拍摄。
在时刻T1，信号线11A的电位从“L”改变为“H”(复位工作)。再者，信号线12A的电位从“L”改变为“H”。此时，光电二极管102A和晶体管103A成为导通，并且节点14A的电位设定为“H”。
在时刻T2，信号线11A的电位从“H”改变为“L”。信号线12A的电位保持为“H”。节点14A的电位开始从“H”降低。
开始用来取得二维图像信息的拍摄。
在从时刻T3至时刻T25的期间中，信号线12A的电位保持为“H”。在该期间中，节点14A的电位保持从“H”降低。
在时刻T25，信号线12A的电位从“H”改变为“L”。节点14A的电位的降低停止，并节点14A的电位被固定。
用来取得二维图像信息的拍摄结束。
时刻T25的节点14A的电位取决于从时刻T3至时刻T25的期间中提供到光电二极管102A的光量。光量越多，电位变化越大。
在时刻T26，信号线13A的电位从“L”改变为“H”(读出开始)。电位“H”供应给栅电极，使得晶体管105A开启。此外，信号线15A及信号线16A通过晶体管104A及晶体管105A而导通。
信号线16A的电位开始从“H”降低。
另外，在时刻T26之前，信号线16A被预充电，使得信号线16A的电位设定为“H”。
在时刻T27，信号线13A的电位从“H”改变为“L”(读出结束)。晶体管105A关闭，信号线16A的电位的降低停止，并信号线16A的电位被固定。时刻T27的信号线16A的电位以“VS3”表示。
通过取得时刻T27的信号线16A的电位“VS3”，可以检测出提供到光电二极管102A的光量。
另外，当光强度被固定时，信号线16A的电位“VS3”与照射期间大致成比例。
在时刻T27，光电传感器群110可以取得第一检测信号S1、第二检测信号S2以及第三检测信号S3。
通过将上述驱动方法应用于半导体装置所具有的多个像素，可以算出吸收红外光的各光电传感器和对象物之间的距离，与此同时，可以使用吸收可见光的光电传感器得到关于对象物的图像信息。
注意，本实施方式可以与本说明书所示的任何其他实施方式适当地组合。
实施方式2
在本实施方式中，参照图9A和9B说明如下方法：不预先固定红外光照射的期间T，并考虑半导体装置和对象物之间的距离，调整期间T，提高检测信号的精度来算出距离x的方法。
如实施方式1所说明，检测信号的精度不仅依赖于红外光照射的次数，而且还依赖于在红外光照射的期间T中的延迟期间ΔT的比例。
此外，期间T需要至少长于延迟期间ΔT，且优选为极短。换言之，如图9A和9B所示，作为红外光照射的期间，与期间Tb相比，更优选为期间Ta。期间Ta短于期间Tb。期间T越短，在期间T中的延迟期间ΔT的比例可越大；由此，可以提高延迟期间ΔT的检测精度。相对于距离x的检测信号较大变化使得距离x的精度提高。
另外，在实施方式1中，假设为检测信号与净曝光时间成比例，换言之，比例系数α被固定。但是，更一般地，有时比例系数α不是固定的。这是因为比例常数α不仅依赖于净曝光时间，还依赖于光电传感器的放大率及输出电路的放大率等。
于是，如本实施方式所示那样，为了进一步提高距离检测精度，调整期间T以使第一检测信号S1和第二检测信号S2相等是有效的。在此，第一检测信号S1和第二检测信号S2相等是指当取得第一检测信号S1时积累在节点FD的电荷和当取得第二检测信号S2时积累在节点FD的电荷相等，即，是指提供到光电二极管的光量相等。假设为在反射光入射到对象物的期间中反射光的强度被固定，只在ΔT＝T/2的情况下上述条件有效。
换言之，当改变且调整期间T以使第一检测信号S1和第二检测信号S2为相等时，可以不依赖于光电传感器的放大率或输出电路的放大率等而确定按照算式(A)算出的与对象物之间的距离。
尤其是，例如，假设为当改变期间T的同时依次取得第一检测信号S1及第二检测信号S2并且期间T为1ns时，第一检测信号S1m和第二检测信号S2m相等。按照算式(A)根据期间T及光速c算出距离x，从而距离x大约为7.5cm。该距离不依赖于光电传感器的放大率或输出电路的放大率等。
另外，为了高精度地算出与对象物的多个点之间的距离，使用改变期间T的同时在各点依次取得第一检测信号S1及第二检测信号S2并且第一检测信号S1和第二检测信号S2相等时的第一检测信号S1m、第二检测信号S2m及期间T，按照算式(A)来决定距离。换言之，可以以在各个点得到最高检测精度的方式设定期间T来算出距离。
另外，也在本实施方式中，红外光照射的次数优选多。
由此，可以算出高精度的距离信息，并且可以大幅度地减少整个测量时间。
注意，本实施方式可以与本说明书所示的任何其他实施方式适当地组合。
实施方式3
在本实施方式中，对实施方式1中的光电传感器100的结构进行更详细的说明。参照图10A说明具有配置为m行n列的矩阵状的光电传感器100的半导体装置的结构例子。参照图10B说明与图10A的结构例子不同的结构例子。
在图10A中，多个光电传感器100被配置为m行n列的矩阵状。各行的光电传感器100与多个信号线11(PR)(11(PR)_1至11(PR)_m)中的任一个、多个信号线12(TX)(12(TX)_1至12(TX)_m)中的任一个以及多个信号线13(SE)(13(SE)_1至13(SE)_m)中的任一个电连接。各列的光电传感器100与多个光电传感器输出信号线16_1至16_n中的任一个以及多个光电传感器参考信号线15_1至15_n中的任一个电连接。
在图10A中，各行的光电传感器共同使用信号线12(TX)、信号线11(PR)以及信号线13(SE)。各列的光电传感器共同使用光电传感器输出信号线以及光电传感器参考信号线。但是，本发明不局限于此。多个信号线12(TX)也可以设置在各行中并与不同的光电传感器100电连接。多个信号线11(PR)也可以设置在各行中并与不同的光电传感器100电连接。多个信号线13(SE)也可以设置在各行中并与不同的光电传感器100电连接。多个光电传感器输出信号线也可以设置在各列中并与不同的光电传感器100电连接。多个光电传感器参考信号线也可以设置在各列中并与不同的光电传感器100电连接。
在图10A中,各列的光电传感器共同使用光电传感器参考信号线；但是，本发明不局限于此。在各行中光电传感器也可以共同使用光电传感器参考信号线。
配置为m行n列的矩阵状的光电传感器100中的同时进行复位工作以及积累工作的光电传感器100也可以共同使用信号线12(TX)。配置为m行n列的矩阵状的光电传感器100中的同时进行复位工作以及积累工作的光电传感器也可以共同使用信号线11(PR)。
如上所述那样，在光电传感器之间共同使用布线来减少布线数量，使得可以简化用来驱动配置为m行n列的矩阵状的光电传感器100的驱动电路。
接着，参照图10B说明具有配置为m行n列的矩阵状的光电传感器100的三维距离测量装置的结构例子，该结构例子与图10A的结构例子不同。
在图10B中，多个光电传感器100配置为m行n列的矩阵状。各行的光电传感器100与多个信号线13(SE)(13(SE)_1至13(SE)_m)中的任一个电连接。各列的光电传感器100与多个信号线11(PR)(11(PR)_1至11(PR)_n)中的任一个、多个信号线12(TX)(12(TX)_1至12(TX)_n)中的任一个、多个光电传感器输出信号线16_1至16_n中的任一个以及多个光电传感器参考信号线15_1至15_n中的任一个电连接。
在图10B中，各行的光电传感器共同使用信号线13(SE)，各列的光电传感器共同使用信号线11(PR)、信号线12(TX)、光电传感器输出信号线以及光电传感器参考信号线。但是，本发明不局限于此。
在图10B中，各列的光电传感器共同使用光电传感器参考信号线的结构；但是，本发明不局限于此。在各行中光电传感器也可以共同使用光电传感器参考信号线。
配置为m行n列的矩阵状的光电传感器100中的同时进行复位工作以及积累工作的光电传感器也可以共同使用信号线12(TX)。配置为m行n列的矩阵状的光电传感器100中的同时进行复位工作以及积累工作的光电传感器也可以共同使用信号线11(PR)。
如上所述那样，在光电传感器之间共同使用布线来减少布线数量，使得可以简化用来驱动配置为m行n列的矩阵状的光电传感器100的驱动电路。
图11A是光电传感器100的俯视图。图11B是沿着图11A的线A1-A2的截面图。
光电传感器100包括用作信号线11(PR)的导电膜210、用作信号线12(TX)的导电膜211、用作信号线13(SE)的导电膜212、用作信号线15(光电传感器参考信号线)的导电膜213以及用作信号线16(光电传感器输出信号线)的导电膜214。
光电传感器100中的光电二极管102包括按顺序层叠的p型半导体膜215、i型半导体膜216和n型半导体膜217。导电膜210与用作光电二极管102的阳极的p型半导体膜215电连接。
光电传感器100的导电膜218用作晶体管103的栅电极且与导电膜211电连接。光电传感器100的导电膜219用作晶体管103的源电极和漏电极中的一个。光电传感器100的导电膜220用作晶体管103的源电极和漏电极中的另一个。光电传感器100的导电膜221与n型半导体膜217及导电膜219电连接。光电传感器100的导电膜222用作晶体管104的栅电极且与导电膜220电连接。
光电传感器100的导电膜223用作晶体管104的源电极和漏电极中的一个。光电传感器100的导电膜224用作晶体管104的源电极和漏电极中的另一个以及晶体管105的源电极和漏电极中的一个。导电膜214用作晶体管105的源电极和漏电极中的另一个。导电膜212还用作晶体管105的栅电极。光电传感器100的导电膜225与导电膜223及导电膜213电连接。
另外，在图11A和11B中，光电传感器100的导电膜226与用作信号线11(PR)的导电膜210电连接。光电传感器100的导电膜227与用作信号线12(TX)的导电膜211电连接。
导电膜212、导电膜218、导电膜222、导电膜225、导电膜226以及导电膜227可以通过将形成在绝缘表面上的一个导电膜加工为所希望的形状来形成。栅极绝缘膜228形成在导电膜212、导电膜218、导电膜222、导电膜225、导电膜226以及导电膜227上。导电膜210、导电膜211、导电膜213、导电膜214、导电膜219、导电膜220、导电膜223以及导电膜224可以通过将形成在栅极绝缘膜228上的一个导电膜加工为所希望的形状来形成。
绝缘膜281及绝缘膜282形成在导电膜210、导电膜211、导电膜213、导电膜214、导电膜219、导电膜220、导电膜223以及导电膜224上。导电膜221形成在绝缘膜281及绝缘膜282上。
氧化物半导体优选用于晶体管103的活性层250。为了在长时间内保持从衬底251一侧照射光而生成的电荷，与光电二极管102电连接的晶体管103需要是关态电流极低的晶体管。因此，通过使用氧化物半导体材料作为活性层250，可以提高光电传感器100的性能。
另外，当晶体管103是底栅型晶体管时，优选的是：如图11B所示那样，活性层250设置在用作栅电极的导电膜218上。该结构可以防止因从衬底251一侧入射的光导致的活性层250中的氧化物半导体的劣化，因此可以防止引起晶体管103的特性劣化诸如阈值电压的漂移。另外，通过作为晶体管104和晶体管105采用上述结构，可以得到类似的效果。
如多晶硅、单晶硅等的材料优选用于晶体管104的半导体层。
如多晶硅、单晶硅等的材料优选用于晶体管105的半导体层。
在此，在如图10A所示那样信号线12(TX)在行方向上延伸的结构中，存在有也在行方向上延伸且平行于信号线12(TX)的信号线13(SE)。当与晶体管105的栅电极电连接的信号线13(SE)的一部分用作晶体管105的栅电极时，平行于信号线13(SE)的信号线12(TX)一般在与晶体管105的栅电极相同的层中使用相同的材料形成。但是，一般而言，用于晶体管的栅电极的材料的电阻比用于晶体管的源电极或漏电极的材料高。因此，信号线12(TX)的电阻趋高。
另一方面，在图10B的结构中，信号线12(TX)在列方向上延伸。因此，信号线12(TX)可以使用形成在与在行方向上延伸的信号线13(SE)的层不同的层中的导电膜来形成。例如，如图11A和11B所示那样，信号线12(TX)可以使用形成在与用作光电传感器100中的晶体管(晶体管103、104及105)的栅电极的导电膜(导电膜212、218及222)的层不同的层中的导电膜211来形成。导电膜211可以在形成有光电传感器100中的晶体管(晶体管103、104及105)的源电极和漏电极的层中，即在形成有导电膜214、219、220及224的层中，使用与该源电极和该漏电极相同的材料来形成。因此，上述结构中的信号线12(TX)的电阻比图10A所示的结构中的信号线的电阻低。
另外，本实施方式可以与本说明书的任何其他实施方式适当地组合。
实施方式4
在本实施方式中，参照图12说明包括上述实施方式1至3的光电传感器的有机EL显示装置的结构例子。有机EL显示装置具有三个n沟道型晶体管和光电二极管层叠在单晶半导体衬底(例如，单晶硅衬底)上的结构。
衬底411使用具有较高电阻的单晶硅(例如，具有10Ω·cm左右的电阻的n型单晶硅)形成，并且n阱412、413、414及415以自对准的方式形成。相邻的晶体管由场氧化膜416分离。在形成场氧化膜416时，沟道停止部也可以通过离子注入法对衬底选择性地引入硼(B)而形成。
栅极绝缘膜417、418及419通过热氧化法形成。
栅极420、421及422使用如下叠层而形成，该叠层是通过CVD法形成多晶硅膜到100至300nm的厚度而得到的多晶硅层420a、421a和422a、以及各具有50至300nm的厚度的硅化物层420b、421b和422b的叠层。为了降低电阻，多晶硅层也可以预先以1021/cm3左右的浓度掺杂有磷(P)，或者也可以在形成多晶硅膜之后n型杂质以高浓度扩散到多晶硅层中。硅化物层可以使用诸如硅化钼(MoSix)、硅化钨(WSix)、硅化钽(TaSix)或硅化钛(TiSix)等的材料形成，并可以通过已知的方法形成。
以1×1013/cm2至1×1014/cm2的剂量对n沟道型晶体管的低浓度漏极(LDD)区域423、424及425添加磷(P)或砷(As)作为赋予n型导电型的杂质元素。这些LDD区域使用栅极作为掩模通过离子注入法或离子掺杂法以自对准的方式形成。
注意，在本实施方式中，晶体管403、晶体管404及晶体管405是n沟道型晶体管；但是，本实施方式不局限于该结构。晶体管403、晶体管404及晶体管405也可以是p沟道型晶体管，或者也可以是n沟道型晶体管和p沟道型晶体管的组合。
在晶体管403、晶体管404及晶体管405是p沟道型晶体管的情况下，也可以以1×1013/cm2至1×1014/cm2的剂量对p沟道型晶体管的低浓度漏极(LDD)区域添加硼(B)作为赋予p型导电型的杂质元素。
在形成LDD区域之后，在整个表面上通过CVD使用氧化硅膜或氮化硅膜等形成绝缘膜。对绝缘膜的整个表面上均匀地进行各向异性蚀刻以在栅极的侧壁上残留绝缘膜，来形成侧壁426、427及428。晶体管的源区域及漏区域使用该侧壁作为掩模来形成。
通过离子注入法以5×1014/cm2至1×1016/cm2的剂量对n沟道型晶体管引入砷(As)，来形成源区域430、431和432以及漏区域433、434和435。
当晶体管403、晶体管404及晶体管405是p沟道型晶体管时，也可以通过离子注入法以5×1014/cm2至1×1016/cm2的剂量添加硼(B)来形成源区域及漏区域。
第一层间绝缘膜436优选使用通过等离子体CVD法或减压CVD法形成的氧化硅膜或氧氮化硅膜等以100至2000nm的厚度形成。
再者，在第一层间绝缘膜436上使用磷硅玻璃(PSG)、硼硅玻璃(BSG)或磷硼硅玻璃(PBSG)等形成第二层间绝缘膜437。第二层间绝缘膜437通过旋涂法或常压CVD法形成。第二层间绝缘膜437通过形成后实施的700℃至900℃的热活化处理(热处理)被回流，并且第二层间绝缘膜437的表面被平坦化。
源极布线440、441和442以及漏极布线443、444和445在第一层间绝缘膜436及平坦化了的第二层间绝缘膜437中形成接触孔之后，以接触于n沟道型晶体管的源区域及漏区域的方式形成。作为源极布线及漏极布线，优选使用通常用作低电阻材料的铝。该源极布线及漏极布线也可以具有高熔点金属膜和低电阻金属膜(例如，铝合金或纯铝)的叠层结构。
电极446形成在与源极布线及漏极布线相同的层中。
钝化膜447通过等离子体CVD法使用氮化硅膜、氧化硅膜或氮氧化硅膜等形成。
在钝化膜447上形成第三层间绝缘膜448。第三层间绝缘膜448的表面被回流而平坦化。
在钝化膜447及平坦化了的第三层间绝缘膜448中形成接触孔，并且，形成接触于电极446的电极449、接触于源极布线440的电极450及接触于漏极布线445的电极451。
在第三层间绝缘膜448上形成接触于电极449的电极452、接触于电极450的电极453以及接触于电极451的电极454。作为电极452、电极453及电极454优选使用通常用作低电阻材料的铝。电极452、电极453及电极454也可以具有钛、铝及钛的叠层结构。
形成在上部的光电二极管402与形成在下部的晶体管403可以通过电极450及电极453互相电连接。
图12中的光电二极管402包括第一电极、第二电极以及处于这些两个电极之间的光电转换层。光电转换层460包括p型半导体层460p、n型半导体层460n及处于p型半导体层460p与n型半导体层460n之间的本征(i型)半导体层460i。
另外，光电二极管402不局限于上述结构，光电二极管402也可以至少具有p型半导体层和n型半导体层的叠层结构。
p型半导体层460p可以通过等离子体CVD法使用包含周期表中的第13族的杂质元素(如硼(B))的半非晶硅膜来形成。或者，在形成半非晶硅膜之后，也可以引入周期表中的第13族的杂质元素。
在形成p型半导体层460p之后，在p型半导体层460p上层叠不包含赋予导电性的杂质的半导体层(称为本征半导体层或i型半导体层)460i。作为i型半导体层460i，例如，可以通过等离子体CVD法形成半非晶硅膜。
再者，在i型半导体层460i上层叠n型半导体层460n。作为n型半导体层460n，可以形成包含周期表中的第15族的杂质元素(如磷(P))的半非晶硅膜。或者，在形成半非晶硅膜之后，也可以引入周期表中的第15族的杂质元素。
由此，形成包括p型半导体层460p、i型半导体层460i和n型半导体层460n的光电转换层460。
注意，在本说明书中，i型半导体层是指其中的赋予p型或n型导电性的杂质的浓度为1×1020cm-3或更低且氧和氮的浓度为5×1019cm-3或更低的半导体层。其光电导率优选与暗电导率之比为1000倍或更大。此外，可以对i型半导体层添加10至1000ppm的硼(B)。
此外，除了半非晶半导体膜之外，也可以使用非晶半导体膜作为i型半导体层460i、p型半导体层460p及n型半导体层460n中的每一个。
在电极452、电极454及光电转换层460上使用有机树脂材料以1至2μm的厚度形成第四层间绝缘膜455。对涂敷在衬底上之后被进行热聚合的聚酰亚胺等可以使用洁净烘箱在300℃下进行加热且焙烧来形成第四层间绝缘膜455。
作为有机树脂材料，可以使用聚酰亚胺、聚酰胺、丙烯酸或苯并环丁烯(BCB)等。使用有机树脂材料的优点在于：例如，形成膜的方法很简单；由于相对介电常数低，所以能够降低寄生电容；以及适于平坦化。当然，也可以使用上述有机树脂材料以外的有机树脂材料。
在第四层间绝缘膜455上形成像素电极456。像素电极456通过电极451及454与晶体管405的漏极布线445电连接。像素电极456可以通过电极451及454与晶体管405电连接。
像素电极456优选使用以Al为典型的低电阻材料形成。作为Al膜的成膜的方法，可以使用已知的成膜法，例如真空蒸镀法或溅射法。为了提高对比度，像素电极456的表面也可以被凹凸化而成为扩散反射面。
在像素电极456及第四层间绝缘膜455上形成第一透明导电膜，通过光刻法部分地进行蚀刻处理，来形成透明导电膜457及458。
透明导电膜457以接触于像素电极456的方式形成，并用作发光元件的阳极或阴极。发光元件包括第一电极(阳极)、第二电极(阴极)以及处于这些两个电极之间的有机EL层。
透明导电膜458以通过形成在第四层间绝缘膜455中的接触孔而接触于n型半导体层460n及电极452的方式形成。
可以使用铟锡氧化物(ITO：indium tin oxide)等作为透明导电膜457及458。
形成在上部的透明导电膜458可以通过电极449及452与形成在下部的电极446电连接。
在透明导电膜457和458以及第四层间绝缘膜455上形成多个倒锥形的分隔壁461。分隔壁461的截面为倒锥形，分隔壁461的上表面具有边框形。注意，边框形也可以是具有圆形的角部的曲线形，并且，只要两个闭环互相不接触且在中央部存在有空洞，就可以是任何形状。通过光刻法使用其未被曝光的部分被用作图案的正型光敏树脂，并调节曝光量或显影时间的长度，以使图案下方的部分更多地被蚀刻，来形成倒锥形的分隔壁461。
在分隔壁461及透明导电膜457上形成有机电致发光层(EL层)459。有机EL层459可以使用已知的材料或结构形成。
作为有机EL层459，可以使用只具有其中发生复合的发光层的有机EL层，或者根据需要，也可以使用电子注入层、电子传输层、空穴传输层、电子阻挡层、空穴阻挡层及空穴注入层的叠层。作为有机EL层459的材料，可以使用高分子有机EL材料。
例如，有机EL层459也可以将聚乙烯基咔唑(PVK)、Bu-PBD(2-(4'-叔丁基苯基)-5-(4”-联苯)-1,3,4-噁二唑)、香豆素6、DCM1(4-二氰基亚甲基-2-甲基-6-对二甲氨基苯乙烯基-4H-吡喃)、四苯基丁二烯(TPB)或尼罗红溶解于1,2-二氯甲烷或氯仿中并通过旋涂法涂敷而形成。
在分隔壁461、有机EL层459及透明导电膜458上形成第二透明导电膜，通过光刻法部分地进行蚀刻，来形成透明导电膜462及463。ITO等可以用于透明导电膜462及463。
透明导电膜462以接触于有机EL层459的方式形成，并用作发光元件的阳极或阴极。
本实施方式中的透明导电膜457和透明导电膜462只要其中的一个是阳极而其中的另一个是阴极，就没有限制。
分隔壁461的高度比第二透明导电膜的厚度高；因此，透明导电膜462及463被分离为多个区域。另外，该多个分离区域彼此电隔离。形成在分隔壁461上的透明导电膜的电位为浮置状态。
由于要检测的光穿过透明导电膜458及463，所以优选使用具有高透光性的材料作为其材料。
此外，如果需要，还可以使用如密封剂等粘合剂将如密封罐或玻璃衬底等的密封材料贴合于衬底411来进行密封，使得发光元件配置在密封空间中。由此，能够防止发光元件的劣化。密封空间也可以填充有填充剂或干燥惰性气体。再者，干燥剂等也可以设置在衬底和密封剂之间，以便防止因水分等所引起的发光元件的劣化。该干燥剂清除少量的水分，因此得到完全的干燥。干燥剂可以为通过化学吸附来吸附水分的物质，诸如以钙氧化物或钡氧化物为代表的碱土金属氧化物。此外，如沸石和硅胶等的由物理吸附作用吸附水分的物质也可以用作干燥剂。
另外，晶体管403、404及405中的每一个也可以是在形成在绝缘表面上的硅膜或SOI衬底的硅膜等的半导体膜中具有沟道形成区域的晶体管。可以使用已知的结构作为每个晶体管的结构。
另外，虽然图12示出在形成有光电二极管402的层与形成有晶体管403、404及405的层之间设置有一个布线层的结构，但是本实施方式不局限于此。两个或更多个布线层也可以设置在形成有光电二极管402的层与形成有晶体管403、404及405的层之间。
如上所述通过层叠光电二极管402与晶体管403、404及405，可以减少光电传感器的面积，因此可以实现小型化。
本实施方式可以与上述任何实施方式适当地组合。
实施方式5
在本实施方式中，对实施方式1中的相互相邻的光电传感器100_(K-1)及光电传感器100_(k)(以下将这些光电传感器也总称为光电传感器群120)的结构进行更详细的说明。参照图13A和13B说明具有配置为m行n列的矩阵状的光电传感器群120的半导体装置的结构例子。
图13A示出在相邻的列中的光电传感器100_(s)及光电传感器100_(s+1)(s是1或更大且(2n-1)或更小的奇数)检测出从对象物的相同的点反射的光的情况。图13B示出在相邻的行中的光电传感器100_(i)及光电传感器100_(i+1)(i是1或更大且(2m-1)或更小的奇数)检测出从对象物的相同的点反射的光的情况。注意，这些结构产生同样的效果；因此，可以使用这些结构中的任一种。
在图13A中，多个光电传感器群120配置为m行n列的矩阵状。例如，在第一行的彼此相邻的光电传感器100_(s)及光电传感器100_(s+1)检测出从对象物的相同的点反射的光。类似地，在第m行的彼此相邻的光电传感器100_(s)及光电传感器100_(s+1)检测出从对象物的相同的点反射的光。
各行的光电传感器群120共同使用光电传感器参考信号线。例如，第一行的光电传感器参考信号线15_(1)与第一行第一列的光电传感器群120_(1)至第一行第n列的光电传感器群120_(n)电连接。第m行的光电传感器参考信号线15_(m)与第m行第一列的光电传感器群120_(1)至第m行第n列的光电传感器群120_(n)电连接。
各行的光电传感器群120也共同使用光电传感器输出信号线。例如，第一行的光电传感器输出信号线16_(1)与第一行第一列的光电传感器群120_(1)至第一行第n列的光电传感器群120_(n)电连接。第m行的光电传感器输出信号线16_(m)与第m行第一列的光电传感器群120_(1)至第m行第n列的光电传感器群120_(n)电连接。
在图13A中，各行的光电传感器共同使用光电传感器参考信号线15及光电传感器输出信号线16。
但是，本发明不局限于此。例如，多个光电传感器参考信号线15也可以设置在各列中并与不同的光电传感器电连接。多个光电传感器输出信号线16也可以设置在各列中并与不同的光电传感器电连接。
另外，在图13A中，各行的光电传感器共同使用光电传感器参考信号线15及光电传感器输出信号线16；但是，本发明不局限于此。各列的光电传感器也可以共同使用光电传感器参考信号线15及光电传感器输出信号线16。
如上所述那样，在光电传感器之间共同使用布线减少布线数量，以使得可以简化用来驱动配置为m行n列的矩阵状的光电传感器群的驱动电路。
接着，参照图13B说明具有配置为m行n列的矩阵状的光电传感器群120的半导体装置的结构例子，该结构与图13A中的结构例子不同。在图13B中，多个光电传感器群120配置为m行n列的矩阵状。例如，在第一列的彼此相邻的光电传感器100_(i)及光电传感器100_(i+1)检测出从对象物的相同的点反射的光。类似地，在第n列的彼此相邻的光电传感器100_(i)及光电传感器100_(i+1)检测出从对象物的相同的点反射的光。
各行的光电传感器群共同使用信号线13。例如，第一行的信号线13与第一行第一列的光电传感器群120_(1)至第一行第n列的光电传感器群120_(n)电连接。第m行的信号线13_(m)与第m行第一列的光电传感器群120_(1)至第m行第n列的光电传感器群120_(n)电连接。
各列的光电传感器群共同使用光电传感器参考信号线15。例如，如图13B所示，第n列的光电传感器群共同使用光电传感器参考信号线15。
但是，本发明不局限于此。例如，多个光电传感器参考信号线15也可以设置在各列中并与不同的光电传感器电连接。
虽然在图13B中的各列光电传感器共同使用光电传感器参考信号线15，并且各行的光电传感器共同使用信号线13，但是本发明不局限于此。各行的光电传感器也可以共同使用光电传感器参考信号线15并且各列的光电传感器也可以共同使用信号线13。
如上所述那样，在光电传感器之间共同使用布线减少布线数量，以使得可以简化用来驱动配置为m行n列的矩阵状的光电传感器群的驱动电路。
本实施方式可以与任何上述实施方式适当地组合。
实施方式6
接着，说明图4的光电传感器群110的俯视图及截面图的例子。图14是光电传感器群110的俯视图的例子。图15A是沿着图14的点划线A1-A2及点划线A3-A4的截面图。图15B是沿着图14的点划线B1-B2的截面图。
将说明图15A。在图15A的截面图中，遮光层231、基底膜232设置在透光衬底200上。
以在基底膜232上并与其接触的方式，设置吸收红外光的光电二极管102B的半导体层中的p型半导体区域203及i型半导体区域204、晶体管104B的半导体层中的n型半导体区域205及i型半导体区域206、晶体管105B的半导体层中的n型半导体区域207及i型半导体区域208、以及晶体管103A的半导体层中的n型半导体区域209。
另外，p型半导体区域203、i型半导体区域204、n型半导体区域205、i型半导体区域206、n型半导体区域207、i型半导体区域208、以及n型半导体区域209形成在相同层中。
绝缘层240设置在光电二极管102B的半导体层、晶体管104B的半导体层、晶体管105B的半导体层及晶体管103A的半导体层上。
导电层108设置在绝缘层240上并与其接触。以在其间设置有绝缘层240的方式，晶体管104B的栅电极241设置在i型半导体区域206上。以在其间设置有绝缘层240的方式，晶体管105B的栅电极242设置在i型半导体区域208上。导电层108、栅电极241及栅电极242形成在相同层中。
另外，导电层108与信号线15(光电传感器参考信号线)电连接。
绝缘层243设置在绝缘层240、导电层108、栅电极241及栅电极242上。
以在其间设置有绝缘层240及243的方式，导电层255设置在晶体管105B的n型半导体区域207的一个上并与其接触。以在其间设置有绝缘层240及243的方式，导电层245设置在晶体管104B的n型半导体区域205的一个上并与其接触。以在其间设置有绝缘层240及243的方式，导电层244设置在晶体管105B的n型半导体区域207的另一个及晶体管104B的n型半导体区域205的另一个上并与其接触。导电层255、导电层245及导电层244形成在相同层中。
另外，导电层255与信号线16B(光电传感器输出信号线)及晶体管105B的源电极和漏电极中的一个电连接。导电层245与信号线15及晶体管104B的源电极和漏电极中的一个电连接。导电层244与晶体管104B的源电极的另一个及晶体管105B的源电极的另一个电连接。
同样地，以在其间设置有绝缘层240及243的方式，导电层247设置在晶体管103A的n型半导体区域209上并与其接触。以在其间设置有绝缘层240及243的方式，导电层246设置在光电二极管102B的p型半导体区域203上并与其接触。导电层247及导电层246形成在相同层中。
另外，导电层246与信号线11B(复位信号线)电连接，导电层247与晶体管103A的源电极和漏电极中的一个电连接。
光电二极管102A的p型半导体区域248、i型半导体区域249及n型半导体区域230设置在绝缘层243及导电层246上。另外，设置光电二极管102A的p型半导体区域248，使得其端部与导电层246层叠。
绝缘层233设置在光电二极管102A的半导体层、导电层244、导电层245、导电层246、导电层247、导电层255及绝缘层243上。
以在其间设置有绝缘层233的方式，导电层252设置在n型半导体区域230及导电层247上。
此外，导电层252被用作像素电极。
接着，将说明图15B。在图15B的截面图中，遮光层231及基底膜232设置在透光衬底200上。
以在其间设置有基底膜232的方式，吸收红外光的光电二极管102B的半导体层中的p型半导体区域203、i型半导体区域204及n型半导体区域253设置在遮光层231上。
绝缘层240设置在光电二极管102B的半导体层及基底膜232上。
导电层108设置在绝缘层240上并与其接触。
绝缘层243设置在绝缘层240及导电层108上。
以在其间设置有绝缘层240及243的方式，导电层246设置在光电二极管102B的p型半导体区域203上并与其接触。以在其间设置有绝缘层240及243的方式，导电层254设置在光电二极管102B的n型半导体区域253上并与其接触。导电层246及导电层254形成在相同层中。
另外，导电层246与光电二极管102B的阳极电连接，导电层254与晶体管103B的源电极和漏电极中的一个及光电二极管102B的阴极电连接。
绝缘层233设置在光电二极管102A的半导体层、导电层246、导电层254及绝缘层243上。
透光衬底200优选为使用使可见光及红外光透过的材料形成的衬底。例如，可以使用使可见光及红外光透过的塑料衬底或玻璃衬底等。
另外，透光衬底200也可以是透光性柔性片等。
注意，只要光源可以从透光衬底200一侧发射红外光及可见光，对光源(背光)就没有特别的限制。例如，也可以配置发射红外光的发光二极管及发射可见光的发光二极管。
另外，只要光电二极管102A可以检测出可见光且光电二极管102B可以检测出红外光，光源就可以设置在透光衬底200一侧或对置衬底一侧。
遮光层231可以使用能够阻挡红外光及可见光的如铝或铬等的金属材料形成。
遮光层231可以防止来自配置在透光衬底200一侧的光源的红外光及可见光入射到光电二极管102A及光电二极管102B。
优选的是：遮光层231不仅设置在与光电二极管102B重叠的区域中而且还设置在与晶体管103、104以及105的各半导体层重叠的区域中。通过在与晶体管的半导体层重叠的区域中设置遮光层，可以防止由来自光源的红外光及可见光导致的如晶体管的阈值电压漂移等的特性劣化。
基底膜232优选使用如氧化硅、氮化硅、氧氮化硅或氮氧化硅等透光性绝缘材料形成。基底膜232可以具有单层结构或叠层结构。
基底膜232可以防止透光衬底200中所含有的如Na等碱金属或碱土金属扩散到光电二极管102B中并给晶体管及光电二极管的特性带来负面影响。
另外，基底膜232的表面优选具有高度平坦性。具有高度平坦性的基底膜232可以防止形成光电二极管102B的半导体层时的不良。
作为光电二极管102A的半导体层，优选使用主要吸收可见光且使大部分的红外光透过的材料。例如，可以使用非晶硅等。
作为光电二极管102B的半导体层，优选使用吸收红外光的材料。例如，可以使用如单晶硅或多晶硅等结晶硅。
在图14中，信号线11、信号线12、信号线13、节点14、信号线15及信号线16分别是复位信号线(PR)、电荷积累信号线(TX)、选择信号线(SE)、浮动扩散(FD)节点、光电传感器参考信号线及光电传感器输出信号线。
另外，根据用途优选适当地选择用于晶体管103、104及105的半导体材料。
绝缘层240可以使用如氧化硅膜、氧氮化硅膜、氮氧化硅膜或有机树脂膜等透光绝缘材料形成。绝缘层240也可以具有单层结构或叠层结构。
绝缘层240可以防止来自外部的诸如Na等的碱金属或碱土金属扩散到光电二极管102B中并给其特性带来负面影响。
导电金属材料可以用于栅电极241、栅电极242及导电层108。优选使用如钼、钛、铬、钽、钨、铝、铜、钕、钪等金属材料或包含这些金属材料的任一种为主要成分的合金材料。另外，栅电极241、栅电极242及导电层108也可以具有单层结构或叠层结构。
绝缘层243可以使用如氧化硅膜、氧氮化硅膜、氮氧化硅膜或有机树脂膜等透光绝缘材料形成。绝缘层243也可以具有单层结构或叠层结构。
导电层244、245、246、247、254及255可以使用下述材料中的任一种：如钼、钛、铬、钽、钨、铝、铜、钇等的金属；包含这些金属的任一种为主要成分的合金材料；或如氧化铟等的导电金属氧化物等。这些导电层也可以具有单层结构或叠层结构。
绝缘层233可以使用如氧化硅膜、氧氮化硅膜、氮氧化硅膜或有机树脂膜等透光绝缘材料而形成为具有单层结构或叠层结构。优选的是，绝缘层233具有平坦的表面。
导电层252(像素电极)是透光导电层，且可以使用如铟锡氧化物(ITO)、含有氧化硅的铟锡氧化物(ITSO)或铟锌氧化物等的材料形成。
注意，本实施方式可以与本说明书的任何其他实施方式适当地组合。
本申请基于2012年3月9日向日本专利局提交的日本专利申请第2012-053041号、2012年3月12日向日本专利局提交的日本专利申请第2012-054947号以及2012年3月13日向日本专利局提交的日本专利申请第2012-056150号，其全部内容通过引用纳入本文。

Claims (14)

1.一种包括含有光电二极管、第一晶体管和第二晶体管的光电传感器的半导体装置的驱动方法，
其中所述第一晶体管的第一端子与所述光电二极管的第二端子电连接，并且
其中所述第一晶体管的第二端子与所述第二晶体管的栅极电连接，
其中所述方法包括如下步骤：
从第一时刻到第二时刻通过对所述光电二极管的第一端子供应第一信号进行第一复位工作；
从所述第二时刻到第四时刻使用来自光源的第一光进行对象物的第一照射；
从所述第二时刻到所述第四时刻通过对所述第一晶体管的栅极供应第二信号以检测被所述对象物反射的所述第一光来进行第一拍摄；
重复进行所述第一照射和所述第一拍摄n(n是2以上的自然数)次；
从第十二时刻到第十五时刻使用来自所述光源的第二光进行所述对象物的第二照射；
从第十四时刻到所述第十五时刻通过对所述光电二极管的所述第一端子供应所述第一信号进行第二复位工作；
从所述第十五时刻到第十七时刻通过对所述第一晶体管的所述栅极供应所述第二信号以检测被所述对象物反射的所述第二光来进行第二拍摄；以及
重复进行所述第二照射和所述第二拍摄n次，
其中从第三时刻到第五时刻被所述对象物反射的所述第一光入射到所述光电二极管中，
其中从第十三时刻到所述第十六时刻被所述对象物反射的所述第二光入射到所述光电二极管中，
其中，从所述第二时刻到所述第四时刻的时间长度和从所述第十二时刻到所述第十五时刻的时间长度相同，并且
其中从所述第二时刻到所述第三时刻的时间长度、从所述第四时刻到所述第五时刻的时间长度、从所述第十二时刻到所述第十三时刻的时间长度和从所述第十五时刻到所述第十六时刻的时间长度相同。
2.根据权利要求1所述的半导体装置的驱动方法，
其中所述第一晶体管包括含有沟道形成区域的氧化物半导体层。
3.一种包括彼此相邻的第一光电传感器和第二光电传感器的半导体装置的驱动方法，所述第一光电传感器包括第一光电二极管，所述第二光电传感器包括第二光电二极管，所述半导体装置的驱动方法包括如下步骤：
从第一时刻到第二时刻通过对所述第一光电二极管的第一端子供应第一信号进行针对所述第一光电传感器的第一复位工作；
从所述第二时刻到第五时刻使用来自光源的第一光进行对象物的第一照射；
从所述第二时刻到所述第五时刻通过检测被所述对象物反射的所述第一光进行针对所述第一光电传感器的第一拍摄；
从第四时刻到所述第五时刻通过对所述第二光电二极管的第一端子供应所述第一信号进行针对所述第二光电传感器的第二复位工作；
从所述第五时刻到第六时刻通过检测被所述对象物反射的所述第一光进行针对所述第二光电传感器的第二拍摄；以及
重复进行所述第一照射、所述第一拍摄和所述第二拍摄n(n是2以上的自然数)次。
4.根据权利要求3所述的半导体装置的驱动方法，
其中从第三时刻到所述第六时刻被所述对象物反射的所述第一光入射到所述第一光电二极管和所述第二光电二极管中，
其中从所述第二时刻到所述第三时刻的时间长度和从所述第五时刻到所述第六时刻的时间长度相同。
5.根据权利要求4所述的半导体装置的驱动方法，
其中所述第一光电传感器包括第一晶体管和第二晶体管，
其中所述第二光电传感器包括第三晶体管和第四晶体管，
其中所述第一晶体管的第一端子与所述第一光电二极管的第二端子电连接，
其中所述第一晶体管的第二端子与所述第二晶体管的栅极电连接，
其中所述第三晶体管的第一端子与所述第二光电二极管的第二端子电连接，
其中所述第三晶体管的第二端子与所述第四晶体管的栅极电连接，并且
其中所述方法包括如下步骤：
从所述第二时刻到所述第五时刻通过对所述第一晶体管的栅极供应第二信号进行针对所述第一光电传感器的所述第一拍摄；以及
从所述第五时刻到第七时刻通过对所述第三晶体管的栅极供应所述第二信号进行针对所述第二光电传感器的所述第二拍摄。
6.根据权利要求5所述的半导体装置的驱动方法，
其中所述第一晶体管包括含有沟道形成区域的氧化物半导体层，并且，
其中所述第三晶体管包括含有沟道形成区域的氧化物半导体层。
7.一种包括第一光电传感器和第二光电传感器的半导体装置的驱动方法，所述第一光电传感器包括第一光电二极管，所述第二光电传感器包括第二光电二极管，所述半导体装置的驱动方法包括如下步骤：
从第一时刻到第二时刻通过对所述第一光电二极管的第一端子供应第一信号进行针对所述第一光电传感器的第一复位工作；
从所述第二时刻到第四时刻使用来自光源的第一光进行对象物的第一照射；
从所述第二时刻到所述第四时刻通过检测被所述对象物反射的所述第一光进行针对所述第一光电传感器的第一拍摄；
重复进行所述第一照射和所述第一拍摄n(n是2以上的自然数)次；
从第十二时刻到第十五时刻使用来自所述光源的第二光进行所述对象物的第二照射；
从第十四时刻到所述第十五时刻通过对所述第一光电二极管的所述第一端子供应所述第一信号进行针对所述第一光电传感器的第二复位工作；
从所述第十五时刻到第十七时刻通过检测被所述对象物反射的所述第二光进行针对所述第一光电传感器的第二拍摄；
重复进行所述第二照射和所述第二拍摄n次；以及
从所述第二时刻到所述第四时刻和从所述第十五时刻到所述第十七时刻通过检测第三光进行针对所述第二光电传感器的第三拍摄，
其中，所述第二光电二极管形成在所述第一光电二极管上，并且
其中，从所述第二时刻到所述第四时刻的时间长度和从所述第十二时刻到所述第十五时刻的时间长度相同。
8.根据权利要求1、3或7的任一项所述的半导体装置的驱动方法，还包括如下步骤：
通过所述第一拍摄得到第一检测信号；
通过所述第二拍摄得到第二检测信号；以及
使用所述第一检测信号和所述第二检测信号得到从所述光源到所述对象物的距离。
9.根据权利要求8所述的半导体装置的驱动方法，还包括如下步骤：
通过使用下述算式得到从所述光源到所述对象物的所述距离x：
<mrow> <mi>x</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>c</mi> <mo>&amp;times;</mo> <mi>T</mi> <mo>&amp;times;</mo> <msub> <mi>S</mi> <mn>2</mn> </msub> </mrow> <mrow> <mn>2</mn> <mo>&amp;times;</mo> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>S</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>S</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>,</mo> </mrow>
其中：
S1表示所述第一检测信号；
S2表示所述第二检测信号；
T表示从所述第二时刻到所述第四时刻的所述时间长度；并且
c表示光速。
10.根据权利要求7所述的半导体装置的驱动方法，
其中从第三时刻到第五时刻被所述对象物反射的所述第一光入射到所述第一光电二极管中，
其中从第十三时刻到第十六时刻被所述对象物反射的所述第二光入射到所述第一光电二极管中，并且
其中从所述第二时刻到所述第三时刻的时间长度、从所述第四时刻到所述第五时刻的时间长度、从所述第十二时刻到所述第十三时刻的时间长度和从所述第十五时刻到所述第十六时刻的时间长度相同。
11.根据权利要求10所述的半导体装置的驱动方法，
其中所述第一光电传感器包括第一晶体管和第二晶体管，
其中所述第一晶体管的第一端子与所述第一光电二极管的第二端子电连接，
其中所述第一晶体管的第二端子与所述第二晶体管的栅极电连接，并且
其中所述方法包括如下步骤：
从所述第二时刻到所述第四时刻通过对所述第一晶体管的栅极供应第三信号进行针对所述第一光电传感器的所述第一拍摄；以及
从所述第十五时刻到所述第十七时刻通过对所述第一晶体管的所述栅极供应所述第三信号进行针对所述第一光电传感器的所述第二拍摄。
12.根据权利要求11所述的半导体装置的驱动方法，
其中所述第一晶体管包括含有沟道形成区域的氧化物半导体层。
13.根据权利要求12所述的半导体装置的驱动方法，
其中所述第一光包括第一红外光，
其中所述第二光包括第二红外光，并且
其中所述方法包括如下步骤：
通过检测被所述对象物反射且透过所述第二光电二极管的所述第一红外光进行针对所述第一光电传感器的所述第一拍摄；以及
通过检测被所述对象物反射且透过所述第二光电二极管的所述第二红外光进行针对所述第一光电传感器的所述第二拍摄。
14.根据权利要求13所述的半导体装置的驱动方法，
其中所述第一光电二极管包括单晶硅，并且
其中所述第二光电二极管包括非晶硅。
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