CN115336254A - 摄像装置及电子设备 - Google Patents

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CN115336254A CN202180024385.3A CN202180024385A CN115336254A CN 115336254 A CN115336254 A CN 115336254A CN 202180024385 A CN202180024385 A CN 202180024385A CN 115336254 A CN115336254 A CN 115336254A
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drain
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广濑丈也
米田诚一
井上广树
池田隆之
山崎舜平
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Abstract

提供一种具备图像处理功能的摄像装置。本发明的一个方式是一种具备图像处理等附加功能的摄像装置，该摄像装置可以将在摄像工作中获取的模拟数据保持在像素中而取出该模拟数据乘任意权重系数而得的数据。在像素中可以取得相邻的受光器件间的差分数据，可以得到亮度梯度的信息。通过将该信息输入到神经网络等中，可以进行距离信息等的推导。另外，由于可以将庞大的图像数据以模拟数据的状态保持在像素中，所以可以高效地进行处理。

Description

摄像装置及电子设备
技术领域
本发明的一个方式涉及一种摄像装置。
注意，本发明的一个方式不局限于上述技术领域。本说明书等所公开的发明的一个方式的技术领域涉及一种物体、方法或制造方法。另外，本发明的一个方式涉及一种工序(process)、机器(machine)、产品(manufacture)或者组合物(composition of matter)。由此，更具体而言，作为本说明书所公开的本发明的一个方式的技术领域的一个例子可以举出半导体装置、显示装置、液晶显示装置、发光装置、照明装置、蓄电装置、存储装置、摄像装置、这些装置的工作方法或者这些装置的制造方法。
注意，在本说明书等中，半导体装置是指能够通过利用半导体特性而工作的所有装置。晶体管、半导体电路为半导体装置的一个方式。另外，存储装置、显示装置、摄像装置、电子设备有时包含半导体装置。
背景技术
使用形成在衬底上的氧化物半导体薄膜构成晶体管的技术受到关注。例如，专利文献1公开了将包括氧化物半导体的关态电流非常低的晶体管用于像素电路的结构的摄像装置。
另外，专利文献2公开了对摄像装置赋予运算功能的技术。
[先行技术文献]
[专利文献]
[专利文献1]日本专利申请公开第2011-119711号公报
[专利文献2]日本专利申请公开第2016-123087号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
安装于移动设备等的摄像装置通常具有能够取得高分辨率的图像的功能。需要下一代摄像装置具有更高智能性的功能。
利用摄像装置取得的图像数据(模拟数据)被转换为数字数据且被提取到外部，然后根据需要被进行图像处理。当能够在摄像装置内进行该处理时，可以以更高速与外部设备联动，并且使用者的方便性提高。另外，也可以减少外围装置等的负载及功耗。另外，如果能够以模拟数据的状态进行复杂的数据处理，就可以缩短数据转换所需要的时间。
例如，通过从相邻的像素间的数据的差分信息算出亮度梯度而将该亮度梯度作为数据利用DNN(深度神经网络)等，可以推导距离信息。通过在摄像装置内进行像素间的差分数据的运算及DNN的一部分运算，可以实现低功耗及高速推导。
另外，在智能手机等便携式信息终端中，可以取得所拍摄的被摄体的距离信息且加工所拍摄的图像(虚化目的被摄体的前后等)。该距离信息利用多个摄像头的视差取得。在能够通过图像处理取得距离信息时可以使摄像头的数量为一个，由此可以减少制造成本。
因此，本发明的一个方式的目的之一是提供一种能够进行图像处理的摄像装置。另外，本发明的一个方式的目的之一是提供一种能够取得距离信息的摄像装置。另外，本发明的一个方式的目的之一是提供一种能够取得相邻的像素间的亮度梯度的信息的摄像装置。另外，本发明的一个方式的目的之一是提供一种被用作神经网络的一部分构成要素的摄像装置。另外，本发明的一个方式的目的之一是提供一种低功耗的摄像装置。另外，本发明的一个方式的目的之一是提供一种可靠性高的摄像装置。另外，本发明的一个方式的目的之一是提供一种新颖的摄像装置等。另外，本发明的一个方式的目的之一是提供一种上述摄像装置的驱动方法。另外，本发明的一个方式的目的之一是提供一种新颖的半导体装置等。
注意，这些目的的记载不妨碍其他目的的存在。注意，本发明的一个方式并不需要实现所有上述目的。除上述目的外的目的从说明书、附图、权利要求书等的描述中是显而易见的，并且可以从说明书、附图、权利要求书等的描述中抽出。
解决技术问题的手段
本发明的一个方式涉及一种具备图像处理功能的摄像装置。
本发明的一个方式是一种摄像装置，包括像素及读出电路，其中，像素包括第一受光电路、第二受光电路、放大电路及运算电路，放大电路可以将根据保持在第一受光电路中的第一数据与保持在第二受光电路中的第二数据之差分的电位输出到运算电路，运算电路包括第一节点及第二节点，第一节点被写入在将第一数据及第二数据设为相同的值时放大电路所输出的第一电位，第二节点被写入在通过光电转换生成第一数据及第二数据时放大电路所输出的第二电位，分别可以对第一节点及第二节点加上第三电位，并且，读出电路可以通过使用根据第一节点的电位流过的电流及根据第二节点的电位流过的电流的运算抽出第二电位与第三电位之积。
读出电路包括电流镜电路及相关双采样电路，电流镜电路包括第一晶体管及第二晶体管，第一晶体管的源极和漏极中的一个及栅极与第一节点电连接，并且第二晶体管的源极和漏极中的一个可以与第二节点及相关双采样电路电连接。
本发明的一个方式是一种摄像装置，包括像素及读出电路，其中，像素包括第一受光电路、第二受光电路、放大电路及运算电路，放大电路包括第一输入端子及第二输入端子，运算电路包括第一节点、第二节点、第一电容器、第二电容器、第一晶体管及第二晶体管，第一节点与第一电容器的一个电极及第一晶体管的栅极电连接，第二节点与第二电容器的一个电极及第二晶体管的栅极电连接，第一晶体管的源极和漏极中的一个及第二晶体管的源极和漏极中的一个与读出电路电连接，第一受光电路与第一输入端子电连接，第二受光电路与第二输入端子电连接，在第一输入端子及第二输入端子被输入相同电位时第一节点被写入放大电路所输出的第一电位，第二节点被写入放大电路根据第一受光电路所生成的数据与第二受光电路所生成的数据之差分而输出的第二电位，可以通过第一电容器或第二电容器分别对第一节点及第二节点加上第三电位，并且，读出电路可以通过使用流过第一晶体管的电流及流过第二晶体管的电流的运算抽出第二电位与第三电位之积。
读出电路包括电流镜电路及相关双采样电路，电流镜电路包括第三晶体管及第四晶体管，第三晶体管的源极和漏极中的一个及栅极与第一晶体管的源极和漏极中的一个电连接，并且第四晶体管的源极和漏极中的一个可以与第二晶体管的源极和漏极中的一个及相关双采样电路电连接。
第一受光电路及第二受光电路各自包括光电转换器件、第五晶体管、第六晶体管及第三电容器，光电转换器件的一个电极与第五晶体管的源极和漏极中的一个电连接，第五晶体管的源极和漏极中的另一个与第六晶体管的源极和漏极中的一个及第三电容器的一个电极电连接，第一受光电路所包括的第六晶体管的源极和漏极中的另一个与第一输入端子电连接，并且第二受光电路所包括的第六晶体管的源极和漏极中的另一个可以与第二输入端子电连接。
优选的是，第五晶体管及第六晶体管在沟道形成区域中包含金属氧化物，金属氧化物包含In、Zn及M(M为Al、Ti、Ga、Ge、Sn、Y、Zr、La、Ce、Nd和Hf中的一个或多个)。
优选的是，第一受光电路及第二受光电路各自还包括第七晶体管及第八晶体管，第七晶体管的栅极与第三电容器的一个电极电连接，并且第七晶体管的源极和漏极中的一个与第八晶体管的源极和漏极中的一个电连接。
放大电路包括第九晶体管、第十晶体管及第十一晶体管，第九晶体管的源极和漏极中的一个与第一受光电路所包括的第三电容器的一个电极电连接，第九晶体管的源极和漏极中的另一个与第一输入端子电连接，第十晶体管的源极和漏极中的一个与第二受光电路所包括的第三电容器的一个电极电连接，第十晶体管的源极和漏极中的另一个与第二输入端子电连接，第十一晶体管的源极和漏极中的一个与第一输入端子电连接，并且第十一晶体管的源极和漏极中的另一个可以与第二输入端子电连接。
优选的是，第九晶体管至第十一晶体管在沟道形成区域中包含金属氧化物，金属氧化物包含In、Zn及M(M为Al、Ti、Ga、Ge、Sn、Y、Zr、La、Ce、Nd和Hf中的一个或多个)。
另外，在上述中，一个读出电路可以与多个像素电连接。
另外，本发明的其他一个方式是一种电子设备，其中，该电子设备根据上述摄像装置所拍摄的图像及上述摄像装置所分析的图像中的被摄体的距离信息加工图像的一部分。
发明效果
通过使用本发明的一个方式可以提供一种能够进行图像处理的摄像装置。另外，通过使用本发明的一个方式可以提供一种能够取得距离信息的摄像装置。另外，通过使用本发明的一个方式可以提供一种能够取得相邻的像素间的亮度梯度的信息的摄像装置。另外，通过使用本发明的一个方式可以提供一种被用作神经网络的一部分构成要素的摄像装置。另外，通过使用本发明的一个方式可以提供一种低功耗的摄像装置。另外，通过使用本发明的一个方式可以提供一种可靠性高的摄像装置。另外，通过使用本发明的一个方式可以提供一种新颖的摄像装置等。另外，通过使用本发明的一个方式可以提供一种上述摄像装置的驱动方法。另外，通过使用本发明的一个方式可以提供一种新颖的半导体装置等。
附图说明
图1是说明摄像装置的方框图。
图2是说明像素区块200及电路240的图。
图3是说明像素100的图。
图4A是说明受光电路的图。图4B是说明差动放大电路的图。
图5A、图5B是说明电流源电路的图。
图6是说明像素区块200的工作的时序图。
图7A、图7B是说明电路301及电路302的图。
图8是说明存储单元的图。
图9A、图9B是示出神经网络的结构例子的图。
图10A至图10D是说明摄像装置的像素的结构的图。
图11A至图11C是说明光电转换器件的结构的图。
图12是说明像素的截面图。
图13A至图13C是说明Si晶体管的图。
图14是说明像素的截面图。
图15是说明像素的截面图。
图16是说明像素的截面图。
图17A至图17D是说明OS晶体管的图。
图18是说明像素的截面图。
图19A至图19C是说明像素的立体图(截面图)。
图20A1至图20A3、图20B1至图20B3是收纳摄像装置的封装及模块的立体图。
图21A至图21F是说明电子设备的图。
图22是说明汽车的图。
具体实施方式
参照附图对实施方式进行详细说明。注意，本发明不局限于下面说明，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其方式及详细内容在不脱离本发明的宗旨及其范围的情况下可以被变换为各种各样的形式。因此，本发明不应该被解释为仅限定在以下所示的实施方式所记载的内容中。另外，在下面所说明的发明的结构中，在不同的附图中共同使用相同的附图标记来表示相同的部分或具有相同功能的部分，而有时省略其重复说明。另外，有时在不同的附图中适当地省略或改变相同构成要素的阴影。
另外，即使在电路图上为一个构成要素，如果在功能上没有问题，该构成要素也可以使用多个构成要素构成。例如，有时被用作开关的多个晶体管可以串联或并联连接。此外，有时对电容器进行分割并将其配置在多个位置上。
此外，有时一个导电体具有布线、电极及端子等多个功能，在本说明书中，有时对同一构成要素使用多个名称。另外，即使在电路图上示出构成要素之间直接连接的情况，有时实际上该构成要素之间通过一个或多个导电体连接，本说明书中这种结构也包括在直接连接的范畴内。
(实施方式1)
在本实施方式中，参照附图说明本发明的一个方式的摄像装置。
本发明的一个方式是一种具备图像处理等附加功能的摄像装置。该摄像装置可以将在摄像工作中获取的模拟数据(图像数据)保持在像素中而取出该模拟数据乘任意权重系数而得的数据。
另外，在像素中可以取得相邻的受光器件间的差分数据，可以得到亮度梯度的信息。通过将该信息输入到神经网络等中，可以进行距离信息等的推导。另外，由于可以将庞大的图像数据以模拟数据的状态保持在像素中，所以可以高效地进行处理。
通过取得图像中的距离信息，可以辅助由机器人的拣货工作、移动体的自动驾驶、距离测量等。另外，在智能手机等中利用多个摄像头取得距离信息，但是可以利用一个摄像头取得距离信息，由此可以降低制造成本。
<摄像装置>
图1是说明本发明的一个方式的摄像装置的方框图。摄像装置包括像素阵列300、电路301、电路302、电路303、电路304及电路305。注意，电路301至电路305不局限于由单个电路构成，有时由多个电路的组合构成。或者，也可以统合上述任意多个电路。另外，也可以连接有上述以外的电路。
像素阵列300具有拍摄功能及运算功能。电路301具有运算功能。电路302具有运算功能或数据转换功能。电路303、304具有选择功能。电路305具有对像素提供积和运算用电位的功能。具有选择功能的电路可以使用移位寄存器或译码器等。另外，电路301、302也可以设置在外部。
像素阵列300包括多个像素区块200。如图2所示，像素区块200包括像素阵列210及电路220。
像素阵列210包括配置为矩阵状的多个像素100，各像素100与布线151及布线152电连接，布线151及布线152都与电路220电连接。
电路220是读出电路，包括电路230及电路240。电路230是电流源电路，具有控制流过像素阵列210及电路240的电流的功能。电路240是差分抽出电路，例如可以使用相关双采样电路(CDS电路)。
电路230、电路240和像素阵列210优选以具有其中任意两个以上彼此重叠的区域的方式形成。通过采用该结构，可以减小像素区块200的面积，从而可以提高分辨率。另外，电路240也可以设置在像素区块200的外侧。
注意，图2中作为一个例子示出像素阵列210所具有的像素数为3×3，但是不局限于此。例如，也可以为2×2、4×4等。或者，水平方向与垂直方向的像素数也可以不同。或者，也可以在像素100与布线151及布线152间分别设置开关等且使像素数可变。另外，也可以使相邻的像素区块200共有部分像素。另外，布线151也可以与放大电路或增益可调电路电连接。
在像素100中，可以进行图像数据的取得、使用该图像数据的运算数据的生成、加上该运算数据及权重系数的数据的生成等。另外，上述结构的像素区块200可以被用作积和运算电路。
<像素电路>
图3示出像素100的结构例子。像素100包括电路10a、10b、电路20、电路30。
电路10a、10b是受光电路，具有由光电转换器件生成摄像数据的功能。电路20是差动放大电路，具有输出根据从电路10a及电路10b输入的数据之差放大的数据电位的功能。电路30是运算电路，具有保持从电路20输出的数据电位的功能以及对该数据电位供应权重(相当于权重系数的电位)的功能。
<受光电路>
电路10a、10b可以具有同样结构，可以包括光电转换器件101(光电转换器件101a、101b)、晶体管102(晶体管102a、102b)、晶体管103(晶体管103a、103b)以及电容器106(电容器106a、106b)。
光电转换器件101的一个电极与晶体管102的源极和漏极中的一个电连接。晶体管102的源极和漏极中的另一个与晶体管103的源极和漏极中的一个及电容器106的一个电极电连接。
光电转换器件101的另一个电极与布线114电连接。晶体管103的源极和漏极中的另一个与布线115电连接。晶体管102的栅极与布线116电连接。晶体管103的栅极与布线117电连接。
在此，将晶体管102的源极和漏极中的另一个与晶体管103的源极和漏极中的一个及电容器106的一个电极电连接的点记作节点FD(节点FDa、节点FDb)。
布线114、115可以用作电源线。例如，布线114可以用作高电位电源线，布线115可以用作低电位电源线。布线116、117可以用作控制各晶体管的导通的信号线。
作为光电转换器件101可以使用光电二极管。对光电二极管的类型没有限制，可以使用光电转换层中含有硅的Si光电二极管及光电转换层含有有机光导电膜的有机光电二极管等。注意，当想要提高低照度时的光检测灵敏度时，优选使用雪崩光电二极管。
晶体管102能够具有控制节点FD的电位的功能。晶体管103能够具有使节点FD的电位初始化的功能。
在作为光电转换器件101使用雪崩光电二极管时有时施加高电压，作为与光电转换器件101连接的晶体管优选使用高耐压的晶体管。作为该高耐压的晶体管，例如可以使用在沟道形成区域中使用金属氧化物的晶体管(以下，OS晶体管)等。具体而言，作为晶体管102，优选使用OS晶体管。
另外，OS晶体管还具有关态电流极低的特性。通过作为晶体管102、103使用OS晶体管，可以使节点FD能够保持电荷的期间极长。因此，可以采用在所有像素中同时进行电荷的积累工作的全局快门方式而不使电路结构及工作方法复杂。另外，也可以在将图像数据保持在节点FD中的同时进行用该图像数据的多次运算。
另一方面，在被期待高速工作等的情况下，优选使用将硅用于沟道形成区域的迁移率高的晶体管(以下，Si晶体管)。因此，作为晶体管102、103也可以使用Si晶体管。
注意，不局限于上述结构，也可以任意组合OS晶体管和Si晶体管而使用。作为Si晶体管，可以举出含有非晶硅的晶体管、含有结晶硅(微晶硅、低温多晶硅、单晶硅)的晶体管等。
注意，以上是电路10a、10b的电路结构的一个例子，在采用其他电路结构的情况下也可以进行光电转换工作。
另外，如图4A所示，电路10a、10b也可以具有包括晶体管175(晶体管175a、175b)及晶体管176(晶体管176a、176b)的结构。
晶体管175的栅极与节点FD电连接。晶体管175的源极和漏极中的一个与布线118电连接，晶体管175的源极和漏极中的另一个与晶体管176的源极和漏极中的一个电连接。晶体管176的源极和漏极中的另一个与布线OUT电连接。布线118可以被用作电源线，也可以与布线115连接。
晶体管175是根据节点FD的电位输出数据的源极跟随的构成要素。另外，晶体管176被用作用来选择要读出的受光电路的选择晶体管。因此，通过使用图4A的结构的电路10a、10b，可以将图像数据从各受光电路读出到布线OUT。另外，在该结构中也可以在进行电路20的工作的同时读出图像数据。
<差动放大电路>
电路20可以具有包括晶体管104(晶体管104a、104b)、晶体管105(晶体管105a、105b)、晶体管107、晶体管108以及晶体管131(晶体管131a、131b)的结构。
晶体管104a的源极和漏极中的一个与晶体管105a的栅极及晶体管107的源极和漏极中的一个电连接。晶体管104b的源极和漏极中的一个与晶体管105b的栅极及晶体管107的源极和漏极中的另一个电连接。晶体管105a的源极和漏极中的一个与晶体管131a的源极和漏极中的一个及栅极电连接。晶体管105b的源极和漏极中的一个与晶体管131b的源极和漏极中的一个及栅极电连接。晶体管105a的源极和漏极中的另一个与晶体管105b的源极和漏极中的另一个及晶体管108的源极和漏极中的一个电连接。
晶体管131的源极和漏极中的另一个与布线124电连接。晶体管108的源极和漏极中的另一个与GND布线等基准电位线或低电位电源线电连接。晶体管104a的栅极与布线121电连接。晶体管104b的栅极与布线122电连接。晶体管107的栅极与布线123电连接。
布线124例如可以被用作供应高电位电源的电源线。布线121、布线122、布线123可以被用作控制各晶体管的导通的信号线。
晶体管104被用作开关。晶体管104a的源极和漏极中的另一个与电路10a的节点FDa电连接。另外，晶体管104b的源极和漏极中的另一个与电路10b的节点FDb电连接。因此，可以说晶体管104是电路10a、10b的构成要素。
晶体管105被用作差动放大电路的一对差动晶体管。晶体管105a的栅极被用作电路20的第一输入端子。另外，晶体管105b的栅极被用作电路20的第二输入端子。因此，可以对第一输入端子输入电路10a所生成的数据。另外，可以对第二输入端子输入电路10b所生成的数据。
晶体管107被用作开关，可以使第一输入端子与第二输入端子的电位相同。可以在取得参照数据时使用该开关。
晶体管108被用作电流源，栅极被供应适当的电位(Bias)。另外，也可以使用电阻器代替晶体管108。
晶体管131被用作电压转换电路。注意，图3例示出作为晶体管131使用二极管连接的p沟道型晶体管，也可以使用二极管连接的n沟道型晶体管。或者，也可以使用二极管元件、电阻器或共源共栅电路代替晶体管131。
另外，连接晶体管105b的源极和漏极中的一个与晶体管131b的源极和漏极中的一个的布线的一部分也被用作输出端子，在图3中表示为节点N。输出端子(节点N)可以被输出根据电路10a的输出数据和电路10b的输出数据之差放大的数据电位。
另外，如图4B所示，电路20也可以采用省略晶体管104及晶体管107的结构。晶体管104及晶体管107是为了使第一输入端子与第二输入端子的电位相同而设置的，但是在作为该电位使用晶体管103所供应的布线115的电位(复位电位)时可以省略晶体管104及晶体管107。
<运算电路>
电路30可以具有包括晶体管132、晶体管133、晶体管134、晶体管142、晶体管143、晶体管144、电容器135及电容器145的结构。
晶体管132的源极和漏极中的一个与电容器135的一个电极及晶体管133的栅极电连接。电容器135的另一个电极与晶体管134的源极和漏极中的一个电连接。晶体管142的源极和漏极中的一个与电容器145的一个电极及晶体管143的栅极电连接。电容器145的另一个电极与晶体管144的源极和漏极中的一个电连接。
晶体管132的栅极与布线125电连接。晶体管142的栅极与布线126电连接。晶体管134的栅极及晶体管144的栅极与布线127电连接。晶体管132的源极和漏极中的另一个及晶体管142的源极和漏极中的另一个与节点N电连接。晶体管134的源极和漏极中的另一个及晶体管144的源极和漏极中的另一个与布线128电连接。
晶体管133的源极和漏极中的一个与布线151电连接。晶体管143的源极和漏极中的一个与布线152电连接。晶体管133的源极和漏极中的另一个及晶体管143的源极和漏极中的另一个与GND布线等基准电位线或低电位电源线电连接。
布线125、布线126、布线127可以被用作控制各晶体管的导通的信号线。布线128例如为能够供应相当于权重系数(卷积处理中的滤波器等)的电位的布线，与电路305(参照图1)电连接。布线151是与电路230及电路240电连接的布线，布线152是与电路230电连接的布线(参照图2)。
在此，将晶体管132的源极及漏极中的一个、电容器135的一个电极及晶体管133的栅极连接的点(布线)称为节点P1。另外，将晶体管142的源极和漏极中的一个、电容器145的一个电极及晶体管143的栅极连接的点(布线)称为节点P2。
节点P1及节点P2可以储存电路20所输出的数据。另外，节点P1及节点P2可以处于浮动状态。因此，可以通过电容器135或电容器145的电容耦合对保持在节点P1及节点P2中的数据施加布线128所供应的电位(权重系数)。
<读出电路>
接着，说明读出电路220的结构。读出电路220包括被用作电流源电路的电路230以及被用作差分抽出电路的电路240。
<电流源电路>
电路230可以根据保持在像素100中的数据使电流流过，例如可以具有图5A所示的结构。电路230可以具有包括电流供应部225及电流镜部226的结构。
图5A示出使用n-ch型晶体管的结构。电流供应部225可以具有包括晶体管222、252、晶体管223、253的结构。
晶体管222的源极和漏极中的一个与信号线FG电连接。晶体管222的源极和漏极中的另一个与晶体管223的栅极电连接。晶体管252的源极和漏极中的一个与信号线FGREF电连接。晶体管252的源极和漏极中的另一个与晶体管253的栅极电连接。晶体管222的栅极及晶体管252的栅极与布线213电连接。
晶体管223的源极和漏极中的一个与布线151电连接。晶体管253的源极和漏极中的一个与布线152电连接。晶体管223的源极和漏极中的另一个及晶体管253的源极和漏极中的另一个与高电位电源线(VDD)电连接。
在电流供应部225中，信号线FG、FGREF被供应适当的信号电位，通过对布线213供应高电位(“H”)，晶体管222、252及晶体管223、253导通，由此可以对布线151及布线152供应电流。
电流镜部226可以具有包括晶体管254及晶体管224的结构。晶体管254的栅极及源极和漏极中的一个与布线152电连接。晶体管224的源极和漏极中的一个与布线151电连接。晶体管224的源极和漏极中的另一个及晶体管254的源极和漏极中的另一个与低电位电源线(VSS)电连接。晶体管224的栅极与晶体管254的栅极电连接，可以使相同电流(ICM)流过晶体管224及晶体管254。
另外，如图5B所示，电流供应部225也可以具有使用p-ch型晶体管的结构。在该结构中，晶体管262的输出一侧与布线152及晶体管261的栅极电连接。
<差分抽出电路>
电路240是差分抽出电路，可以使用流过像素100及电路230的电流抽出数据与权重系数之积(积和运算结果)。如图2所示，各像素100通过布线151彼此电连接。电路240可以利用流过各像素100的晶体管133的电流的总和进行运算。
电路240包括电容器202、晶体管203、晶体管204、晶体管205、晶体管206和作为电压转换电路的晶体管207。晶体管207的栅极被施加适当的模拟电位(Bias)。
电容器202的一个电极与晶体管203的源极和漏极中的一个及晶体管204的栅极电连接。晶体管204的源极和漏极中的一个与晶体管205的源极和漏极中的一个及晶体管206的源极和漏极中的一个电连接。电容器202的另一个电极与布线151及晶体管207的源极和漏极中的一个电连接。
在此，将电容器202的一个电极、晶体管203的源极和漏极中的一个及晶体管204的栅极连接的点称为节点C。
晶体管203的源极和漏极中的另一个与布线218电连接。晶体管204的源极和漏极中的另一个与布线219电连接。晶体管205的源极和漏极中的另一个与GND布线等基准电源线电连接。晶体管206的源极和漏极中的另一个与布线212电连接。晶体管207的源极和漏极中的另一个与GND布线等基准电源线电连接。晶体管203的栅极与布线216电连接。晶体管205的栅极与布线215电连接。晶体管206的栅极与布线214电连接。
布线218、219可以被用作电源线。例如，布线218可以被用作提供读出用复位电位(Vr)的布线。布线219可以被用作高电位电源线。布线214、215、216可以被用作控制各晶体管的导通的信号线。布线212为输出线，例如，可以与图1所示的电路301电连接。
晶体管203可以具有将节点C的电位复位到布线218的电位的功能。晶体管204、205可以被用作源极跟随电路。晶体管206可以具有控制读出的功能。此外，电路240也可以被用作相关双采样电路(CDS电路)，也可以换用具有该功能的其他结构的电路。
<工作>
接着，说明本发明的一个方式的摄像装置的工作。在本发明的一个方式中，首先在像素100中取得没有电路10a与电路10b的输出之差时的数据(参照数据)。接着，在电路10a、电路10b的每一个中通过光电转换取得图像数据且取得其差分数据。
接着，在电路240中抽出将根据参照数据及差分数据从电路230流过电路240的电流转换为电压的数据与将对参照数据及差分数据进行加权时从电路230流过电路240的电流转换为电压的数据之差分电位。
该差分电位相当于从电路220流过的电流去除各种偏置成分的数据，成为将以差分数据与权重系数之积项表示的电流转换为电压的数据。就是说，可以抽出差分数据与权重系数的积。
在此，为了说明差分数据与权重系数的积的抽出的整体流程，省略像素100的工作的说明，并且假设节点P1储存相当于电路10a与电路10b的差分数据(通过光电转换取得的数据之差)的数据电位X且节点P2储存没有电路10a与电路10b的输出之差时电路20所输出的数据电位(参照数据，理想的是0)的状态。关于像素100的详细工作，将在后面进行说明。
在像素区块200中，可以去除差分数据(电位X)与权重系数(电位W)之积以外的偏置成分而抽出目的的WX。以下示出作为电路230使用图5A所示的电路时的WX抽出的流程。
首先，在电路240中，使晶体管203导通状态而从布线218对节点C写入电位Vr。在此，电位Vr是用于读出工作的复位电位。
此时，假设像素100的电路30的节点P1被写入差分数据(电位X)。另外，假设节点P2被写入参照数据0。另外，假设从布线128写入的权重系数为0。
在此情况下，从电路230流过各像素100的晶体管133的电流的总和为kΣ(X-Vth)2。另外，从电路230流过各像素100的晶体管143的电流的总和为kΣ(0-Vth)2。在此，k为常数，Vth是各晶体管的阈值电压。
在电路230中，将流过晶体管223的电流的总和称为IC，将流过晶体管253的电流的总和称为ICFEF，将流过晶体管224及晶体管254的电流称为ICM(参照图5A)。
此时，ICREF0(权重为0时的ICREF)＝ICM0+kΣ(0-Vth)2，所以ICM0＝ICREF0-kΣ(0-Vth)2。
在此，流过电路240的晶体管207的电流IR0(权重为0时的IR)成为IR0＝IC-ICM0-kΣ(X-Vth)2。即，成为IR0＝IC-ICREF0+kΣ(0-Vth)2-kΣ(X-Vth)2。
并且，使电路240的晶体管203处于非导通状态而使节点C保持电位Vr。
接着，对布线128供应相当于权重系数(W)的电位且通过电容耦合对节点P1、节点P2供应权重系数(W)。
在此情况下，从电路230流过各像素100的晶体管133的电流的总和为kΣ(X+W-Vth)2。另外，从电路230流过各像素100的晶体管143的电流的总和为kΣ(W-Vth)2。
因此，流过电路240的晶体管207的电流IR成为IR＝IC-ICM-kΣ(X+W-Vth)2。即，成为IR＝IC-ICREF+kΣ(W-Vth)2-kΣ(X+W-Vth)2。
在此，在取得IR0与IR之间的差异时，成为IR0-IR＝kΣ(Vth2-(X-Vth)2-(W-Vth)2+(W+X-Vth)2)＝kΣ(2WX)。换言之，去除偏置成分而可以抽出由WX构成的项。
上述差分可以在电路240中抽出。IR0被初始化为节点C的电位Vr，在节点C处于浮动状态时布线151的电位从权重系数0的状态变化为权重系数W的状态，所以该电位的差分Y(相当于IR0与IR的差分)通过电容器202的电容耦合被供应到节点C。在此，节点C成为Vr+Y，在看作电位Vr＝0时，Y即是将IR0与IR的差分转换为电压的电位。换言之，可以抽出WX。
接着，按照图6所示的时序图说明像素100的工作及像素区块200的工作。注意，在此说明的像素100具有图3所示的结构。另外，假设电源线等被供应规定电位。
<像素100的工作>
在时刻T1，将布线116的电位设定为“H”，将布线117的电位设定为“H”，将布线121的电位设定为“H”，将布线122的电位设定为“H”，并且将布线123的电位设定为“L”，由此在电路10a及电路10b中晶体管102及晶体管103导通而节点FDa的电位及节点FDb的电位成为复位电位(布线115的电位)。
在时刻T2，将布线116的电位设定为“L”，将布线117的电位设定为“L”，将布线121的电位设定为“L”，将布线122的电位设定为“L”，并且将布线123的电位设定为“L”，由此晶体管102、晶体管103及晶体管104非导通而节点FDa及节点FDb保持复位电位。另外，在光电转换器件101中开始积累工作。
在时刻T3，将布线116的电位设定为“H”，将布线122的电位设定为“H”，并且将布线123的电位设定为“H”，由此晶体管102导通而积累在光电转换器件101中的电荷转移到节点FDa及节点FDb。然后，将布线116的电位设定为“L”而保持节点FDa及节点FDb的电位。
另外，晶体管104b及晶体管107导通，节点FDb的电位被输入到电路20的第一输入端子(晶体管105a的栅极)及第二输入端子(晶体管105b的栅极)。
此时，电路20的输出端子(节点N)被输出根据输入到第一输入端子的数据与输入到第二输入端子的数据之差放大的数据电位。在此，输出到电路20的输出端子(节点N)的数据电位可以被称为参照数据。参照数据是在输入到第一输入端子的数据与输入到第二输入端子的数据间没有差时输出的数据。
另外，在电路20采用图4B的结构时，在使节点FDa及节点FDb成为复位电位时输出参照数据即可。
在时刻T4，在将布线126的电位设定为“H”时，电路20的输出端子(节点N)的电位被写入到电路30的节点P2。然后，将布线126的电位设定为“L”而保持节点P2的电位。另外，在时刻T4之前将布线127的电位设定为“H”而将电容器135和145的另一个电极的电位设定为布线128的电位(例如，0)。
在时刻T5，将布线121的电位设定为“H”，将布线122的电位设定为“H”，并且将布线123的电位设定为“L”，由此晶体管104a导通且晶体管107非导通，电路20的第一输入端子被写入节点FDa的电位。另外，电路20的第二输入端子被写入节点FDb的电位。
因此，电路20的输出端子(节点N)被输出根据节点FDa与节点FDb之差分放大的数据电位。在此，输出到电路20的输出端子(节点N)的数据电位是根据电路10a所取得的图像数据与电路10b所取得的图像数据之差放大的电位，可以被称为差分数据。或者，也可以被称为图像数据、摄像数据。
在时刻T6，在将布线125的电位设定为“H”时，电路20的输出端子(节点N)的电位被写入到电路30的节点P1。然后，将布线125的电位设定为“L”而保持节点P1的电位。
在时刻T7，将布线121的电位设定为“L”，将布线122的电位设定为“L”，并且将布线127的电位设定为“L”，由此晶体管104、晶体管134、晶体管144非导通而电路10a、电路10b及电路20的一系列工作结束。
<电路220、电路230的工作>
另外，在时刻T7，将布线213的电位设定为“H”，由此在电路230中晶体管222、晶体管252的栅极被供应适当的偏压，并且电流IC流过晶体管223且电流ICREF流过晶体管253(参照图5A)。然后，将布线213的电位设定为“L”。
在此，ICREF成为流过晶体管254的电流(ICM)和流过电路30的晶体管143的电流的总和。另外，电流IC成为流过晶体管224的电流(ICM)、流过电路30的晶体管133的电流以及流过电路240的晶体管207的电流的总和。
另外，当在上述状态下布线151的电位确定时，将布线216的电位设定为“H”且对节点C写入布线218的电位“Vr”。然后，将布线216的电位设定为“L”且将节点C设定为浮动状态，来保持电位“Vr”。
在时刻T8，将布线127的电位设定为“H”，使晶体管134、144导通且对布线128供应相当于权重系数的电位W，由此电位W通过电容耦合被施加到保持在电路30的节点P1、节点P2中的电位。此时，从权重系数0的状态变化为权重系数W的状态，所以流过电路230的晶体管207的电流变化。
此时，相当于布线151的电位的变化的“Y”通过电容器202的电容耦合被供应到节点C。在此，节点C的电位成为“Vr+Y”，在看作电位“Vr”＝0时节点C的电位成为将流过晶体管207的电流的差分转换为电压的电位“Y”。就是说，可以根据上述电流算式抽出WX。
在时刻T9，将布线214的电位设定为“H”且对布线215供应适当的偏压，由此电路240可以通过源极跟随工作将对应于WX的信号电位输出到布线212。
在时刻T10，将布线127的电位设定为“L”，将布线213的电位设定为“L”,将布线214的电位设定为“L”且将布线215的电位设定为“L”，结束读出工作。
可以将通过上述工作从电路240输出的WX输入到电路301。
另外，以上示出对节点P1及节点P2写入具有同时性的数据且根据该数据抽出数据的例子，但是也可以在节点P1及节点P2的数据间有时间差。例如，通过将第一帧的数据写入到节点P1且将第二帧的数据写入到节点P2，可以抽出包括运动视差的信息。可以从运动视差取得纵深(距离)信息，由此可以构成立体影像。
<电路301、302>
图7A是说明与电路240连接的电路301及电路302的图。从电路240输出的积和运算结果的数据依次输入到电路301。电路301也可以具有各种运算功能。或者，软件处理也可以替代电路301的功能。
例如，电路301可以包括进行激活函数的运算的电路。该电路例如可以使用比较器电路。比较器电路将对被输入的数据与设定的阈值进行比较的结果以二值数据的形式输出。也就是说，像素区块200及电路301可以用作神经网络的部分要素。
另外，电路301也可以包括A/D转换器。当不进行积和运算等将图像数据输出到外部时，可以利用电路301将模拟数据转换为数字数据。例如，图4A所示的电路10a及电路10b可以通过布线OUT与电路301电连接。
另外，像素区块200所输出的数据相当于多个位的图像数据，但是在电路301被二值化时，可以说使图像数据压缩。
电路301输出的数据被依次输入到电路302。电路302例如可以具有包括锁存电路及移位寄存器等的结构。通过采用该结构，可以进行并串转换，并可以将并行被输入的数据作为串行数据输出到布线311。布线311的连接对象没有限制。例如，可以与神经网络、存储装置、通信装置等连接。
另外，如图7B所示，电路302也可以包括神经网络。该神经网络包括配置为矩阵状的存储单元，在各存储单元保持有权重系数。从电路301输出的数据被分别输入到存储单元320可以进行积和运算。注意，图7B所示的存储单元的数量是一个例子而没有限制。
图7B所示的神经网络包括配置为矩阵状的存储单元320及参照存储单元325、电路330、电路350、电路360及电路370。
图8示出存储单元320及参照存储单元325的一个例子。参照存储单元325设置在任意一个列上。存储单元320及参照存储单元325具有彼此相同结构，都包括晶体管161、晶体管162及电容器163。
晶体管161的源极和漏极中的一个与晶体管162的栅极电连接。晶体管162的栅极与电容器163的一个电极电连接。在此，将晶体管161的源极和漏极中的一个、晶体管162的栅极与电容器163的一个电极连接的点记为节点NM。
晶体管161的栅极与布线WL电连接。电容器163的另一个电极与布线RW电连接。晶体管162的源极和漏极中的一个与GND布线等基准电位布线电连接。
在存储单元320中，晶体管161的源极和漏极中的另一个与布线WD电连接。晶体管162的源极和漏极中的另一个与布线BL电连接。
在参照存储单元325中，晶体管161的源极和漏极中的另一个与布线WDref电连接。晶体管162的源极和漏极中的另一个与布线BLref电连接。
布线WL与电路330电连接。作为电路330可以使用译码器或移位寄存器等。
布线RW与电路301电连接。各存储单元被写入电路301输出的二值数据。此外，电路301与各存储单元间也可以具有移位寄存器等时序电路。
布线WD及布线WDref与电路350电连接。作为电路350可以使用译码器或移位寄存器等。另外，电路350也可以包括D/A转换器及SRAM。电路350可以输出写入到节点NM的权重系数。
布线BL及布线BLref与电路360电连接。电路360可以具有与电路240相同的结构。由电路360可以得到从积和运算结果去除偏置成分的信号。
电路360与电路370电连接。另外，也可以将电路370称为激活函数电路。激活函数电路具有进行运算以根据预定义的激活函数变换从电路360输入的信号的功能。作为激活函数，例如可以使用sigmoid函数、tanh函数、softmax函数、ReLU函数及阈值函数等。由激活函数电路转换的信号作为输出数据输出到外部。
如图9A所示，神经网络NN可以由输入层IL、输出层OL及中间层(隐藏层)HL构成。输入层IL、输出层OL及中间层HL都包括一个或多个神经元(单元)。注意，中间层HL可以为一层或两层以上。包括具有两层以上的中间层HL的神经网络可以称为DNN(深度神经网络)。另外，利用深度神经网络的学习可以称为深度学习。
对输入层IL的各神经元输入输入数据。对中间层HL的各神经元输入前一层或后一层的神经元的输出信号。对输出层OL的各神经元输入前一层的神经元的输出信号。注意，各神经元既可以与前一层和后一层的所有神经元连结(全连结)，又可以与部分神经元连结。
图9B示出利用神经元的运算的例子。在此，示出神经元N及向神经元N输出信号的前一层的两个神经元。神经元N被输入前一层的神经元的输出x1及前一层的神经元的输出x2。在神经元N中，算出输出x1与权重w1的乘法结果(x1w1)和输出x2与权重w2的乘法结果(x2w2)之总和x1w1+x2w2，然后根据需要对其加偏压b，从而得到值a＝x1w1+x2w2+b。值a被激活函数h变换，从神经元N输出信号y＝ah。
如此，利用神经元的运算包括对前一层的神经元的输出与权重之积进行加法的运算，即，积和运算(上述x1w1+x2w2)。该积和运算既可以使用程序以软件进行，又可以以硬件进行。
在本发明的一个方式中，作为硬件使用模拟电路进行积和运算。在作为积和运算电路使用模拟电路时，可以缩小积和运算电路的电路规模或因向存储器访问的次数的减少而实现处理速度的提高及功耗的降低。
积和运算电路优选采用包括OS晶体管的结构。因为OS晶体管具有极低的关态电流，所以优选用作构成积和运算电路的模拟存储器的晶体管。另外，也可以使用Si晶体管和OS晶体管的双方构成积和运算电路。
本实施方式可以与其他实施方式的记载适当地组合。
(实施方式2)
在本实施方式中对本发明的一个方式的摄像装置的结构例子等进行说明。
<结构例子>
图10A是示出摄像装置的像素结构的一个例子的图，可以采用层561及层563的叠层结构。
层561包括光电转换器件101。光电转换器件101如图11A所示可以包括层565a和层565b。注意，根据情况也可以将层换称为区域。
图11A所示的光电转换器件101是pn结型光电二极管，例如可以将p型半导体用于层565a，可以将n型半导体用于层565b。或者，可以将n型半导体用于层565a，可以将p型半导体用于层565b。
上述pn结型光电二极管典型地可以使用单晶硅形成。将单晶硅用于光电转换层的光电二极管具有紫外光至近红外光的较宽的分光灵敏度特性，通过与后述的光学转换层组合，可以检测出各种波长的光。
此外，作为pn结型光电二极管的光电转换层也可以使用化合物半导体。作为该化合物半导体，例如，可以使用镓-砷-磷化合物(GaAsP)、镓-磷化合物(GaP)、铟-镓-砷化合物(InGaAs)、铅-硫化合物(PbS)、铅-硒化合物(PbSe)、铟-砷化合物(InAs)、铟-锑化合物(InSb)、汞-镉-碲化合物(HgCdTe)等。
化合物半导体优选为包含第13族元素(铝、镓、铟等)及第15族元素(氮、磷、砷、锑等)的化合物半导体(也称为III-V族化合物半导体)或者包含第12族元素(镁、锌、镉、汞等)及第16族元素(氧、硫、硒、碲等)的化合物半导体(也称为II-VI族化合物半导体)。
在化合物半导体中，根据构成元素的组合及其原子数比可以改变带隙，因此可以形成在紫外光至近红外光的各种波长范围具有灵敏度的光电二极管。
注意，一般可以被定义为如下：紫外光的波长为0.01μm附近至0.38μm附近，可见光的波长为0.38μm附近至0.75μm附近，近红外光的波长为0.75μm附近至2.5μm附近)，中红外光的波长为2.5μm附近至4μm附近，远红外光的波长为4μm附近至1000μm附近。
例如，为了形成对紫外光至可见光具有光灵敏度的光电二极管，可以将GaP等用于光电转换层。另外，为了形成对紫外光至近红外光具有光灵敏度的光电二极管，可以将上述硅或GaAsP等用于光电转换层。另外，为了形成对可见光至中红外光具有光灵敏度的光电二极管，可以将InGaAs等用于光电转换层。另外，为了形成对近红外光至中红外光具有光灵敏度的光电二极管，可以将PbS或InAs等用于光电转换层。另外，为了形成对中红外光至远红外光具有光灵敏度的光电二极管，可以将PbSe、InSb或HgCdTe等用于光电转换层。
注意，使用上述化合物半导体的光电二极管可以不是pn结型光电二极管而是pin结型光电二极管。pn结及pin结不局限于同质结结构，也可以采用异质结结构。
例如，在是异质结的情况下，可以将第一化合物半导体用于pn结结构的一个层且将不同于第一化合物半导体的第二化合物半导体用于pn结结构的另一个层。另外，可以将第一化合物半导体用于pin结结构的任一个层或任两个层且将不同于第一化合物半导体的第二化合物半导体用于其他层。此外，第一化合物半导体和第二化合物半导体中的一个也可以是硅等的单体半导体。
此外，也可以根据像素使用不同材料来形成光电二极管的光电转换层。通过采用该结构，可以形成包括检测出紫外光的像素、检测出可见光的像素和检测出红外光的像素等中的任两种像素或三种像素的摄像装置。
另外，层561中的光电转换器件101可以如图11B所示地采用层566a、层566b、层566c和层566d的叠层。图11B所示的光电转换器件101是雪崩光电二极管的一个例子，层566a、层566d相当于电极，层566b、566c相当于光电转换部。
层566a优选为低电阻金属层等。例如，可以使用铝、钛、钨、钽、银或其叠层。
层566d优选使用对可见光具有高透光性的导电层。例如，可以使用铟氧化物、锡氧化物、锌氧化物、铟锡氧化物、镓锌氧化物、铟镓锌氧化物或石墨烯等。另外，可以省略层566d。
光电转换部的层566b、566c例如可以具有将硒类材料作为光电转换层的pn结型光电二极管的结构。优选的是，作为层566b使用p型半导体的硒类材料，作为层566c使用n型半导体的镓氧化物等。
使用硒类材料的光电转换器件具有对可见光具有高外部量子效率的特性。该光电转换器件可以利用雪崩倍增而增加相对于入射光的量的电子放大量。另外，硒类材料具有高光吸收系数，所以例如可以以薄膜制造光电转换层，因此使用硒类材料从制造的观点来看有利。硒类材料的薄膜可以通过真空蒸镀法或溅射法等形成。
作为硒类材料，可以使用结晶硒(单晶硒、多晶硒)、非晶硒。这些硒对紫外光至可见光具有光灵敏度。另外，可以使用铜、铟、硒的化合物(CIS)或者铜、铟、镓、硒的化合物(CIGS)等。这些化合物对紫外光至近红外光具有光灵敏度。
n型半导体优选由带隙宽且对可见光具有透光性的材料形成。例如，可以使用锌氧化物、镓氧化物、铟氧化物、锡氧化物或者上述物质混在一起的氧化物等。另外，这些材料也具有空穴注入阻挡层的功能，可以减少暗电流。
另外，层561中的光电转换器件101可以如图11C所示地采用层567a、层567b、层567c、层567d和层567e的叠层。图11C所示的光电转换器件101是有机光导电膜的一个例子，层567a为下部电极，层567e是具有透光性的上部电极，层567b、567c、567d相当于光电转换部。
光电转换部的层567b、567d中的任一个可以为空穴传输层，另一个可以为电子传输层。另外，层567c可以为光电转换层。
作为空穴传输层，例如可以使用氧化钼等。作为电子传输层，例如可以使用C60、C70等富勒烯或其衍生物等。
作为光电转换层，可以使用n型有机半导体和p型有机半导体的混合层(本体异质结结构)。有机半导体有各种各样的种类，作为光电转换层选择对目的波长具有光灵敏度的材料即可。
图10A所示的层563例如可以使用硅衬底。该硅衬底包括Si晶体管等。通过使用该Si晶体管除了可以形成像素电路之外还可以形成驱动该像素电路的电路、图像信号的读出电路、图像处理电路、神经网络、通信电路等。另外，也可以形成DRAM(Dynamic RandomAccess Memory：动态随机存取存储器)等存储电路、CPU(Central Processing Unit：中央处理器)、MCU(Micro Controller Unit：微控制单元)等。注意，在本实施方式中，将除了像素电路之外的上述电路称为功能电路。
例如，可以将在实施方式1中说明的像素电路(像素100)及功能电路(电路220、301、302、303、304、305等)所包括的部分晶体管或所有晶体管设置于层563中。
另外，层563也可以如图10B所示地为多个层的叠层。图10B示出层563a、563b、563c的三层的例子，也可以为两层。或者，层563也可以为四层以上的叠层。这些层例如可以利用贴合工序等进行层叠。通过采用该结构可以将像素电路和功能电路分散在多个层中而可以重叠地设置像素电路和功能电路，由此可以制造小型且高性能的摄像装置。
另外，像素也可以如图10C所示地采用层561、层562及层563的叠层结构。
层562可以包括OS晶体管。上述功能电路中的一个以上可以使用OS晶体管形成。或者，也可以使用层563所包括的Si晶体管和层562所包括的OS晶体管形成功能电路中的一个以上。此外，也可以作为层563使用玻璃衬底等支撑衬底且用层562所包括的OS晶体管形成功能电路。
例如，可以使用OS晶体管及Si晶体管实现常关闭CPU(也称为“Noff-CPU”)。Noff-CPU是指包括即使栅极电压为0V也处于非导通状态(也称为关闭状态)的常关闭型晶体管的集成电路。
在Noff-CPU中，可以停止向Noff-CPU中的不需要工作的电路的供电，使该电路处于待机状态。在供电停止而处于待机状态的电路中，没有电力消耗。因此，Noff-CPU可以将用电量抑制到最小限度。另外，即使供电停止，Noff-CPU也可以长时间保持设定条件等工作所需要的信息。当从待机状态恢复时，只要再次开始向该电路的供电即可，而不需要设定条件等的再次写入。就是说，可以高速从待机状态恢复。如此，Noff-CPU可以降低功耗，而无需大幅度降低工作速度。
另外，层562也可以如图10D所示为多个层的叠层。图10D中示出层562a、563b的两层结构，但是可以采用三层以上的叠层。这些层例如可以以层叠在层563上的方式形成。或者，也可以通过贴合形成在层563上的层与形成在层561上的层来形成。
作为用于OS晶体管的半导体材料，可以使用能隙为2eV以上，优选为2.5eV以上，更优选为3eV以上的金属氧化物。典型的有含有铟的氧化物半导体等，例如，可以使用后面提到的CAAC-OS或CAC-OS等。CAAC-OS中构成晶体的原子稳定，适用于重视可靠性的晶体管等。CAC-OS呈现高迁移率特性，适用于进行高速驱动的晶体管等。
由于OS晶体管的半导体层具有大能隙，所以呈现极低的关态电流特性，仅为几yA/μm(每沟道宽度1μm的电流值)。与Si晶体管不同，OS晶体管不会发生碰撞电离、雪崩击穿、短沟道效应等，因此能够形成具有高耐压性和高可靠性的电路。此外，Si晶体管中产生的起因于结晶性不均匀的电特性不均匀不容易产生在OS晶体管中。
作为OS晶体管中的半导体层，例如可以采用包含铟、锌及M(选自铝、钛、镓、锗、钇、锆、镧、铈、锡、钕和铪等金属中的一个或多个)的以“In-M-Zn类氧化物”表示的膜。典型的是，In-M-Zn类氧化物可以通过溅射法形成。或者，也可以通过ALD(Atomic layerdeposition：原子层沉积)法形成。
优选用来通过溅射法形成In-M-Zn类氧化物的溅射靶材的金属元素的原子数比满足In≥M及Zn≥M。这种溅射靶材的金属元素的原子数比优选为In:M:Zn＝1:1:1、In:M:Zn＝1:1:1.2、In:M:Zn＝3:1:2、In:M:Zn＝4:2:3、In:M:Zn＝4:2:4.1、In:M:Zn＝5:1:6、In:M:Zn＝5:1:7、In:M:Zn＝5:1:8等。注意，所沉积的半导体层的原子数比分别有可能在上述溅射靶材中的金属元素的原子数比的±40％的范围内变动。
作为半导体层，可以使用载流子密度低的氧化物半导体。例如，作为半导体层可以使用载流子密度为1×1017/cm3以下，优选为1×1015/cm3以下，更优选为1×1013/cm3以下，进一步优选为1×1011/cm3以下，更进一步优选为小于1×1010/cm3，1×10-9/cm3以上的氧化物半导体。将这样的氧化物半导体称为高纯度本征或实质上高纯度本征的氧化物半导体。该氧化物半导体的缺陷态密度低，因此可以说是具有稳定的特性的氧化物半导体。
注意，本发明不局限于上述记载，可以根据所需的晶体管的半导体特性及电特性(场效应迁移率、阈值电压等)来使用具有适当的组成的材料。另外，优选适当地设定半导体层的载流子密度、杂质浓度、缺陷密度、金属元素与氧的原子数比、原子间距离、密度等，以得到所需的晶体管的半导体特性。
当构成半导体层的氧化物半导体包含第14族元素之一的硅或碳时，氧空位增加，会使该半导体层变为n型。因此，将半导体层中的硅或碳的浓度(通过二次离子质谱分析法测得的浓度)设定为2×1018atoms/cm3以下，优选为2×1017atoms/cm3以下。
另外，有时当碱金属及碱土金属与氧化物半导体键合时生成载流子，而使晶体管的关态电流增大。因此，将半导体层的碱金属或碱土金属的浓度(通过二次离子质谱分析法测得的浓度)设定为1×1018atoms/cm3以下，优选为2×1016atoms/cm3以下。
另外，当构成半导体层的氧化物半导体含有氮时生成作为载流子的电子，载流子密度增加而容易n型化。其结果是，使用含有氮的氧化物半导体的晶体管容易具有常开启特性。因此，半导体层的氮浓度(通过二次离子质谱分析法测得的浓度)优选为5×1018atoms/cm3以下。
另外，当构成半导体层的氧化物半导体包含氢时，氢与键合于金属原子的氧起反应生成水，因此有时在氧化物半导体中形成氧空位。在氧化物半导体中的沟道形成区域包含氧空位的情况下，晶体管趋于具有常开启特性。再者，有时氢进入氧空位中而成的缺陷被用作供体而生成作为载流子的电子。此外，有时氢的一部分键合到与金属原子键合的氧而生成作为载流子的电子。因此，使用包含较多的氢的氧化物半导体的晶体管容易具有常开启特性。
氢进入氧空位中而成的缺陷会被用作氧化物半导体的供体。然而，定量地评价该缺陷是困难的。于是，在氧化物半导体中，有时不是根据供体浓度而是根据载流子浓度进行评价。由此，在本说明书等中，有时作为氧化物半导体的参数，不采用供体浓度而采用假定为不被施加电场的状态的载流子浓度。也就是说，本说明书等所记载的“载流子浓度”有时可以称为“供体浓度”。
由此，优选尽可能减少氧化物半导体中的氢。具体而言，在氧化物半导体中，利用二次离子质谱(SIMS：Secondary Ion Mass Spectrometry)测得的氢浓度低于1×1020atoms/cm3，优选低于1×1019atoms/cm3，更优选低于5×1018atoms/cm3，进一步优选低于1×1018atoms/cm3。通过将氢等杂质被充分减少的氧化物半导体用于晶体管的沟道形成区域，可以赋予稳定的电特性。
另外，半导体层例如也可以具有非单晶结构。非单晶结构例如包括具有c轴取向的结晶的CAAC-OS(C-Axis Aligned Crystalline Oxide Semiconductor)、多晶结构、微晶结构或非晶结构。在非单晶结构中，非晶结构的缺陷态密度最高，而CAAC-OS的缺陷态密度最低。
非晶结构的氧化物半导体膜例如具有无秩序的原子排列且不具有结晶成分。或者，非晶结构的氧化物膜例如是完全的非晶结构且不具有结晶部。
此外，半导体层也可以为具有非晶结构的区域、微晶结构的区域、多晶结构的区域、CAAC-OS的区域和单晶结构的区域中的两种以上的混合膜。混合膜有时例如具有包括上述区域中的任何两种以上的区域的单层结构或叠层结构。
下面，对非单晶半导体层的一个方式的CAC(Cloud-Aligned Composite)-OS的构成进行说明。
CAC-OS例如是指包含在氧化物半导体中的元素不均匀地分布的构成，其中包含不均匀地分布的元素的材料的尺寸为0.5nm以上且10nm以下，优选为1nm以上且2nm以下或近似的尺寸。注意，在下面也将在氧化物半导体中一个或多个金属元素不均匀地分布且包含该金属元素的区域以0.5nm以上且10nm以下，优选为1nm以上且2nm以下或近似的尺寸混合的状态称为马赛克(mosaic)状或补丁(patch)状。
氧化物半导体优选至少包含铟。尤其优选包含铟及锌。除此之外，也可以还包含选自铝、镓、钇、铜、钒、铍、硼、硅、钛、铁、镍、锗、锆、钼、镧、铈、钕、铪、钽、钨和镁等中的一种或多种。
例如，In-Ga-Zn氧化物中的CAC-OS(在CAC-OS中，尤其可以将In-Ga-Zn氧化物称为CAC-IGZO)是指材料分成铟氧化物(以下，称为InOX1(X1为大于0的实数))或铟锌氧化物(以下，称为InX2ZnY2OZ2(X2、Y2及Z2为大于0的实数))以及镓氧化物(以下，称为GaOX3(X3为大于0的实数))或镓锌氧化物(以下，称为GaX4ZnY4OZ4(X4、Y4及Z4为大于0的实数))等而成为马赛克状，且马赛克状的InOX1或InX2ZnY2OZ2均匀地分布在膜中的构成(以下，也称为云状)。
换言之，CAC-OS是具有以GaOX3为主要成分的区域和以InX2ZnY2OZ2或InOX1为主要成分的区域混在一起的构成的复合氧化物半导体。在本说明书中，例如，当第一区域的In与元素M的原子数比大于第二区域的In与元素M的原子数比时，第一区域的In浓度高于第二区域。
注意，IGZO是通称，有时是指包含In、Ga、Zn及O的化合物。作为典型例子，可以举出以InGaO3(ZnO)m1(m1为自然数)或In(1+x0)Ga(1-x0)O3(ZnO)m0(-1≤x0≤1，m0为任意数)表示的结晶性化合物。
上述结晶性化合物具有单晶结构、多晶结构或CAAC结构。CAAC结构是多个IGZO的纳米晶具有c轴取向且在a-b面上以不取向的方式连接的结晶结构。
另一方面，CAC-OS与氧化物半导体的材料构成有关。CAC-OS是指如下构成：在包含In、Ga、Zn及O的材料构成中，一部分中观察到以Ga为主要成分的纳米粒子状区域，一部分中观察到以In为主要成分的纳米粒子状区域，并且，这些区域以马赛克状无规律地分散。因此，在CAC-OS中，结晶结构是次要因素。
CAC-OS不包含组成不同的两种以上的膜的叠层结构。例如，不包含由以In为主要成分的膜与以Ga为主要成分的膜的两层构成的结构。
注意，有时观察不到以GaOX3为主要成分的区域与以InX2ZnY2OZ2或InOX1为主要成分的区域之间的明确的边界。
在CAC-OS中包含选自铝、钇、铜、钒、铍、硼、硅、钛、铁、镍、锗、锆、钼、镧、铈、钕、铪、钽、钨和镁等中的一种或多种以代替镓的情况下，CAC-OS是指如下构成：一部分中观察到以该金属元素为主要成分的纳米粒子状区域以及一部分中观察到以In为主要成分的纳米粒子状区域以马赛克状无规律地分散。
CAC-OS例如可以通过在对衬底不进行意图性的加热的条件下利用溅射法来形成。在利用溅射法形成CAC-OS的情况下，作为沉积气体，可以使用选自惰性气体(典型的是氩)、氧气体和氮气体中的一种或多种。另外，沉积时的沉积气体的总流量中的氧气体的流量比越低越好，例如，将氧气体的流量比设定为0％以上且低于30％，优选为0％以上且10％以下。
CAC-OS具有如下特征：通过根据X射线衍射(XRD：X-ray diffraction)测量法之一的Out-of-plane法利用θ/2θ扫描进行测量时，观察不到明确的峰。也就是说，根据X射线衍射，可知在测量区域中没有a-b面方向及c轴方向上的取向。
另外，在通过照射束径为1nm的电子束(也称为纳米束)而取得的CAC-OS的电子衍射图案中，观察到环状的亮度高的区域(环状区域)以及在该环状区域内的多个亮点。由此，根据电子衍射图案，可知CAC-OS的结晶结构具有在平面方向及截面方向上没有取向的nc(nano-crystal)结构。
另外，例如在In-Ga-Zn氧化物的CAC-OS中，根据通过能量分散型X线分析法(EDX：Energy Dispersive X-ray spectroscopy)取得的EDX面分析(EDX-mapping)图像，可确认到：具有以GaOX3为主要成分的区域及以InX2ZnY2OZ2或InOX1为主要成分的区域不均匀地分布而混合的构成。
CAC-OS的结构与金属元素均匀地分布的IGZO化合物不同，具有与IGZO化合物不同的性质。换言之，CAC-OS具有以GaOX3等为主要成分的区域及以InX2ZnY2OZ2或InOX1为主要成分的区域互相分离且以各元素为主要成分的区域为马赛克状的构成。
在此，以InX2ZnY2OZ2或InOX1为主要成分的区域的导电性高于以GaOX3等为主要成分的区域。换言之，当载流子流过以InX2ZnY2OZ2或InOX1为主要成分的区域时，呈现氧化物半导体的导电性。因此，当以InX2ZnY2OZ2或InOX1为主要成分的区域在氧化物半导体中以云状分布时，可以实现高场效应迁移率(μ)。
另一方面，以GaOX3等为主要成分的区域的绝缘性高于以InX2ZnY2OZ2或InOX1为主要成分的区域。换言之，当以GaOX3等为主要成分的区域在氧化物半导体中分布时，可以抑制泄漏电流而实现良好的开关工作。
因此，当将CAC-OS用于半导体元件时，通过起因于GaOX3等的绝缘性及起因于InX2ZnY2OZ2或InOX1的导电性的互补作用可以实现高通态电流(Ion)及高场效应迁移率(μ)。
另外，使用CAC-OS的半导体元件具有高可靠性。因此，CAC-OS适用于各种半导体装置的构成材料。
<叠层结构1>
接着，参照截面图对摄像装置的叠层结构进行说明。注意，以下所示的绝缘层及导电层等构成要素只是一个例子，也可以含有其他的构成要素。或者，也可以省略以下所示的构成要素的一部分。另外，以下所示的叠层结构可以根据需要利用贴合工序、抛光工序等形成。
图12是如下叠层体的截面图的一个例子，该叠层体包括层560、561及层563，并在构成层563的层563a与层563b间具有贴合面。
<层563b>
层563b可以包括设置在硅衬底611中的功能电路。在此，作为功能电路的一部分示出电路20中的晶体管105、晶体管108及晶体管131。
层563b设置有硅衬底611、绝缘层612、613、614、616、617、618。绝缘层612用作保护膜。绝缘层613、613、616、617用作层间绝缘膜及平坦化膜。绝缘层618及导电层619用作贴合层。导电层619与晶体管105的栅极电连接。
作为保护膜，例如可以使用氮化硅膜、氧化硅膜、氧化铝膜等。作为层间绝缘膜及平坦化膜，例如可以使用氧化硅膜等无机绝缘膜、丙烯酸树脂、聚酰亚胺树脂等有机绝缘膜。作为电容器的介电层，可以使用氮化硅膜、氧化硅膜、氧化铝膜等。贴合层将在后面进行详述。
作为可用作用于器件间的电连接的布线、电极及插头的导电体，适当地选择选自铝、铬、铜、银、金、铂、钽、镍、钛、钼、钨、铪、钒、铌、锰、镁、锆、铍、铟、钌、铱、锶和镧等中的金属元素、以上述金属元素为成分的合金或者组合上述金属元素的合金等而使用即可。该导电体既可以为单层又可以为由不同材料构成的多个层。
<层563a>
层563a包括像素100的构成要素。另外，也可以包括功能电路的构成要素。在此，作为像素100的构成要素的一部分示出晶体管102。另外，作为功能电路的构成要素，示出电路20中的晶体管104。
层563a中设置有硅衬底632、绝缘层631、633、634、635、637、638。另外，还设置有导电层636、639。
绝缘层631及导电层639可以用作贴合层。绝缘层634、635、637可以用作层间绝缘膜及平坦化膜。绝缘层633可以用作保护膜。绝缘层638可以使硅衬底632与导电层639绝缘。绝缘层638可以使用与其他绝缘层同样的材料形成。另外，绝缘层638可以使用与绝缘层631相同的材料形成。
导电层639与晶体管105的源极和漏极中的另一个及导电层619电连接。另外，导电层636与布线114(参照图3)电连接。
图12所示的Si晶体管是在硅衬底(硅衬底611、632)中具有沟道形成区域的鳍型晶体管。图13A示出沟道宽度方向的截面(图12的层563a的A1-A2截面)。另外，Si晶体管也可以是图13B所示的平面型晶体管。
或者，如图13C所示，也可以采用包括硅薄膜的半导体层545的晶体管。例如，半导体层545可以使用在硅衬底611上的绝缘层546上形成的单晶硅(SOI(Silicon onInsulator：绝缘体上硅))。
<层561>
层561包括光电转换器件101。光电转换器件101可以形成在层563a上。在图12中，示出作为光电转换器件101将图11C所示的有机光导电膜用作光电转换层的结构。这里，层567a为阴极，层567e为阳极。
层561中设置有绝缘层651、652、653、654及导电层655。
绝缘层651、653、654用作层间绝缘膜及平坦化膜。另外，绝缘层654以覆盖光电转换器件101的端部的方式设置而具有防止层567e和层567a之间发生短路的功能。绝缘层652用作元件分离层。元件分离层优选使用有机绝缘膜等。
相当于光电转换器件101的阴极的层567a与层563a中的晶体管102的源极和漏极中的一个电连接。相当于光电转换器件101的阳极的层567e通过导电层655与层563a中的导电层636电连接。
<层560>
层560形成在层561上。层560包括遮光层671、光学转换层672及微透镜阵列673。
遮光层671可以抑制光入射到相邻的像素。作为遮光层671可以使用铝、钨等的金属层。另外，也可以层叠该金属层与被用作反射防止膜的介电膜。
在光电转换器件101对可见光具有灵敏度时，作为光学转换层672可以使用彩色滤光片。通过按每个像素将(红色)、G(绿色)、B(蓝色)、Y(黄色)、C(青色)和M(品红色)等颜色分配给各彩色滤光片，可以获得彩色图像。例如，如图19A的立体图(包括截面)所示，也可以将彩色滤光片672R(红色)、彩色滤光片672G(绿色)、彩色滤光片672B(蓝色)分别分配给不同像素。
另外，在光电转换器件101和光学转换层672的适当的组合中，在作为光学转换层672使用波长截止滤波片时，可以实现能够获得各种波长区域的图像的摄像装置。
例如，当作为光学转换层672使用阻挡可见光线的波长以下的光的红外滤光片时，可以得到红外线摄像装置。另外，通过作为光学转换层672使用阻挡近红外线的波长以下的光的滤光片，可以得到远红外线摄像装置。另外，通过作为光学转换层672使用阻挡可见光线的波长以上的光的紫外滤光片，可以得到紫外线摄像装置。
此外，也可以在一个摄像装置内配置不同的多个光学转换层。例如，如图19B所示，可以将彩色滤光片672R(红色)、彩色滤光片672G(绿色)、彩色滤光片672B(蓝色)、红外滤光片672IR分别分配给不同像素。通过采用这种结构，可以同时获取可见光图像及红外光图像。
或者，如图19C所示，可以将彩色滤光片672R(红色)、彩色滤光片672G(绿色)、彩色滤光片672B(蓝色)、紫外滤光片672UV分别分配给不同像素。通过采用这种结构，可以同时获取可见光图像及紫外光图像。
另外，通过将闪烁体用于光学转换层672，可以得到用于X射线摄像装置等的获得使辐射强度可视化的图像的摄像装置。当透过被摄体的X射线等辐射入射到闪烁体时，由于光致发光现象而转换为可见光线或紫外光线等的光(荧光)。通过由光电转换器件101检测该光来获得图像数据。此外，也可以将该结构的摄像装置用于辐射探测器等。
闪烁体含有如下物质：当被照射X射线或伽马射线等辐射时吸收辐射的能量而发射可见光或紫外线的物质。例如，可以使用将Gd2O2S：Tb、Gd2O2S：Pr、Gd2O2S：Eu、BaFCl：Eu、NaI、CsI、CaF2、BaF2、CeF3、LiF、LiI、ZnO等分散到树脂或陶瓷中的材料。
通过进行利用红外光或紫外光的摄像，可以对摄像装置赋予检测功能、安全功能、传感功能等。例如，通过进行利用红外光的摄像，可以进行如下检测：产品的无损检测、农产品的挑选(糖量计的功能等)、静脉识别、医疗检测等。另外，通过进行利用紫外光的摄像，可以检测从光源或火焰放出的紫外光，而可以进行光源、热源、生产装置等的管理等。
在光学转换层672上设置微透镜阵列673。透过微透镜阵列673所包括的各透镜的光穿过正下方的光学转换层672而照射到光电转换器件101。通过设置微透镜阵列673，可以将所集聚的光入射到光电转换器件101，所以可以高效地进行光电转换。微透镜阵列673优选由对目的波长的光具有高透光性的树脂或玻璃等形成。
<贴合>
接着，说明层563b与层563a的贴合。
层563b中设置有绝缘层618及导电层619。导电层619具有嵌入绝缘层618中的区域。另外，绝缘层618及导电层619的表面以高度一致的方式被平坦化。
层563a中设置有绝缘层631及导电层639。导电层639具有嵌入绝缘层631中的区域。另外，绝缘层631及导电层639的表面以高度一致的方式被平坦化。
在此，导电层619及导电层639的主要成分优选为相同的金属元素。另外，绝缘层618及绝缘层631优选由相同的成分构成。
例如，作为导电层619、639可以使用Cu、Al、Sn、Zn、W、Ag、Pt或Au等。从接合的容易性的观点来看，优选使用Cu、Al、W或Au。另外，绝缘层618、631可以使用氧化硅、氧氮化硅、氮氧化硅、氮化硅、氮化钛等。
换言之，优选的是，作为导电层619和导电层639使用上述金属材料中的相同金属材料。另外，优选的是，作为绝缘层618及绝缘层631使用上述绝缘材料中的相同绝缘材料。通过采用上述结构，可以进行以层563b和层563a的边界为接合位置的贴合。
注意，导电层619及导电层639也可以具有多个层的多层结构，此时表面层(接合面)使用相同金属材料即可。另外，绝缘层618及绝缘层631也可以具有多个层的多层结构，此时表面层(接合面)使用相同绝缘材料即可。
通过进行该贴合，可以获得导电层619与导电层639的电连接。另外，可以以足够的机械强度使绝缘层618与绝缘层631连接。
当接合金属层时，可以利用表面活化接合法。在该方法中，通过溅射处理等去除表面的氧化膜及杂质吸附层等并使清洁化且活化了的表面接触而接合。或者，可以利用并用温度及压力使表面接合的扩散接合法等。上述方法都可以发生原子级的结合，因此可以获得电上和机械上都优异的接合。
另外，当接合绝缘层时，可以利用亲水性接合法等。在该方法中，在通过抛光等获得高平坦性之后，使利用氧等离子体等进行过亲水性处理的表面接触而暂时接合，利用热处理进行脱水，由此进行正式接合。亲水性接合法也发生原子级的结合，因此可以获得机械上优异的接合。
在贴合层563b与层563a的情况下，由于在各接合面绝缘层与金属层是混在一起的，所以，例如，组合表面活化接合法及亲水性接合法即可。
例如，可以采用在进行抛光之后使表面清洁化，对金属层的表面进行防氧处理，然后进行亲水性处理来进行接合的方法等。另外，也可以作为金属层的表面使用Au等难氧化性金属，进行亲水性处理。另外，也可以使用上述以外的接合方法。
通过上述贴合可以使层563b中的电路与层563a中的像素100的构成要素电连接。
<叠层结构1的变形例子>
图14是图12所示的叠层结构的变形例子，层561中的光电转换器件101的结构以及层563a的部分结构不同，层561与层563a间也有贴合面。
层561包括光电转换器件101、绝缘层661、662、664、665及导电层685、686。
光电转换器件101是pn结型光电二极管，包括相当于p型区域的层565b及相当于n型区域的层565a。注意，这里示出pn结型光电二极管形成在硅衬底中的例子。光电转换器件101是嵌入式光电二极管，通过设置在层565a的表面一侧(取出电流侧)的较薄的p型区域(层565b的一部分)抑制暗电流，从而减少噪声。
绝缘层661、导电层685、686用作贴合层。绝缘层662用作层间绝缘膜及平坦化膜。绝缘层664用作元件分离层。
硅衬底中设置有使像素分离的槽，绝缘层665设置在硅衬底顶面及该槽中。通过设置绝缘层665可以抑制光电转换器件101内产生的载流子流入到相邻的像素。另外，绝缘层665还具有抑制杂散光的侵入的功能。因此，利用绝缘层665可以抑制混色。另外，也可以在硅衬底的顶面与绝缘层665之间设置反射防止膜。
绝缘层664可以利用LOCOS(LOCal Oxidation of Silicon：硅局部氧化)法形成。或者，也可以利用STI(Shallow Trench Isolation：浅沟槽隔离)法等形成。绝缘层665例如可以使用氧化硅、氮化硅等无机绝缘膜、聚酰亚胺树脂、丙烯酸树脂等有机绝缘膜。另外，绝缘层665也可以采用多层结构。另外，也可以在绝缘层665的一部分设置空间。该空间也可以包含空气或惰性气体等气体。另外，该空间也可以处于减压状态。
光电转换器件101的层565a(n型区域，相当于阴极)与导电层685电连接。层565b(p型区域，相当于阳极)与导电层686电连接。导电层685、686具有嵌入绝缘层661中的区域。另外，绝缘层661及导电层685、686的表面以高度一致的方式被平坦化。
在层563a中绝缘层637上形成有绝缘层638。此外，形成有与晶体管102的源极和漏极中的一个电连接的导电层683及与导电层636电连接的导电层684。
绝缘层638、导电层683、684用作贴合层。导电层683、684具有嵌入绝缘层638中的区域。另外，绝缘层638及导电层683、684的表面以高度一致的方式被平坦化。
在此，导电层683、684、685、686是与上述导电层619、639相同的贴合层。另外，绝缘层638、661是与上述绝缘层618、631相同的贴合层。
因此，通过贴合导电层683和导电层685，可以使光电转换器件101的层565a(n型区域，相当于阴极)与晶体管102的源极和漏极中的一个电连接。另外，通过贴合导电层684与导电层686，可以使光电转换器件101的层565b(p型区域，相当于阳极)与布线114(参照图3)电连接。另外，通过贴合绝缘层638与绝缘层661，可以进行层561与层563a的电接合及机械接合。
另外，图15是与上述不同的变形例子，其中晶体管102设置在层561中。在该结构中，晶体管102的源极和漏极中的一个与光电转换器件101直接连接，晶体管102的源极和漏极中的另一个被用作节点FD。在该结构中，可以将储存在光电转换器件101中的电荷完全转移，可以实现一种噪声少的摄像装置。
在此，层561所包括的晶体管102的源极和漏极中的另一个与导电层692电连接。另外，层563所包括的晶体管104的源极和漏极中的一个与导电层691电连接。导电层691、692是与上述导电层619、639相同的贴合层。
<叠层结构2>
图16是包括层560、561、562、563而不具有贴合面的叠层体的截面图的一个例子。层563中设置有Si晶体管。层562中设置有OS晶体管。注意，层563、层561及层560的结构与图12所示的结构相同，所以在此省略其说明。
<层562>
层562形成在层563上。层562包括OS晶体管。在此，示出晶体管102及晶体管104。图16所示的截面图中没有示出两者的电连接。
层562中设置有绝缘层621、622、623、624、625、626、628。另外，还设置有导电层627。导电层627可以与布线114(参照图3)电连接。
绝缘层621用作阻挡层。绝缘层622、623、625、626、628用作层间绝缘膜及平坦化膜。绝缘层624用作保护膜。
阻挡层优选使用具有防止氢扩散的功能的膜。在Si器件中，为了使悬空键终结需要氢，但是OS晶体管附近的氢成为在氧化物半导体层中产生载流子的原因之一而降低可靠性。因此，在形成Si器件的层与形成OS晶体管的层间优选设置氢阻挡膜。
作为该阻挡膜，例如可以使用氧化铝、氧氮化铝、氧化镓、氧氮化镓、氧化钇、氧氮化钇、氧化铪、氧氮化铪、氧化钇稳定氧化锆(YSZ)等。
晶体管104的源极和漏极中的另一个通过插头与晶体管105的栅极电连接。导电层627与布线114(参照图3A)电连接。
晶体管102的源极和漏极中的一个与层561中的光电转换器件101的阴极电连接。导电层627与层561中的光电转换器件101的阳极电连接。
图17A示出详细的OS晶体管。图17A所示的OS晶体管具有通过在氧化物半导体层及导电层的叠层上设置绝缘层而设置到达该氧化物半导体层的开口部来形成源电极705及漏电极706的自对准型结构。
除了形成在氧化物半导体层的沟道形成区域708、源区域703及漏区域704以外，OS晶体管还可以包括栅电极701、栅极绝缘膜702。在该开口部中至少设置栅极绝缘膜702及栅电极701。在该开口部中也可以还设置氧化物半导体层707。
如图17B所示，OS晶体管也可以采用使用栅电极701作为掩模在半导体层中形成源区域703及漏区域704的自对准型结构。
或者，如图17C所示，可以采用具有源电极705或漏电极706与栅电极701重叠的区域的非自对准型的顶栅极型晶体管。
OS晶体管包括背栅极735，但也可以不包括背栅极。如图17D所示的晶体管的沟道宽度方向的截面图那样，背栅极735也可以与相对的晶体管的前栅极电连接。作为一个例子，图17D示出图17A所示的晶体管的B1-B2的截面，其他结构的晶体管也是同样的。另外，也可以采用能够对背栅极735供应与前栅极不同的固定电位的结构。
<叠层结构2的变形例子>
图18是图17所示的叠层结构的变形例子，层561中的光电转换器件101的结构以及层562的一部分结构不同，在层561与层562间具有贴合面。
层561中的光电转换器件101是pn结型光电二极管，与图14所示的结构相同。
在层562中，绝缘层628上形成有绝缘层648。此外，形成有与晶体管102的源极和漏极中的一个电连接的导电层688以及与导电层627电连接的导电层689。
绝缘层648、导电层688、689用作贴合层。导电层688、689具有嵌入绝缘层648的区域。另外，绝缘层648及导电层683、684的表面以高度一致的方式被平坦化。
在此，导电层688、689是与上述导电层619、639相同的贴合层。另外，绝缘层648是与上述绝缘层618、631相同的贴合层。
因此，通过贴合导电层688与导电层685，可以使光电转换器件的层565a(n型区域，相当于阴极)与晶体管102的源极和漏极中的一个电连接。另外，通过贴合导电层689与导电层686，可以使光电转换器件的层565b(p型区域，相当于阳极)与布线114(参照图3)电连接。另外，通过贴合绝缘层648与绝缘层661，可以进行层561与层562a的电接合及机械接合。
当层叠多个Si器件时，需要多次进行抛光工序及贴合工序。因此其存在工序数多、需要专用装置、成品率低等问题且制造成本高。由于OS晶体管可以以层叠在形成有器件的半导体衬底上的方式形成，所以可以减少贴合工序。
此外，也可以将图15所示的在层561中设置晶体管102的结构用于上述结构。
<封装及模块>
图20A1是收纳图像传感器芯片的封装的顶面一侧的外观立体图。该封装包括使图像传感器芯片450(参照图20A3)固定的封装衬底410、玻璃盖板420及贴合它们的粘合剂430等。
图20A2是该封装的底面一侧的外观立体图。在封装的底面包括以焊球为凸块440的BGA(Ball grid array：球栅阵列)。注意，不局限于BGA，也可以包括LGA(Land gridarray：地栅阵列)或PGA(Pin Grid Array：针栅阵列)等。
图20A3是省略玻璃盖板420及粘合剂430的一部分而图示的封装的立体图。在封装衬底410上形成电极焊盘460，电极焊盘460与凸块440通过通孔电连接。电极焊盘460通过引线470与图像传感器芯片450电连接。
另外，图20B1是将图像传感器芯片收纳在透镜一体型封装内的相机模块的顶面一侧的外观立体图。该相机模块包括使图像传感器芯片451(图20B3固定的封装衬底411、透镜盖421及透镜435等。另外，在封装衬底411及图像传感器芯片451之间设置有用作摄像装置的驱动电路及信号转换电路等的IC芯片490(图20B3，具有SiP(System in package：系统封装)的结构。
图20B2是该相机模块的底面一侧的外观立体图。封装衬底411的底面及侧面具有设置有安装用连接盘441的QFN(Quad flat no-lead package：四侧无引脚扁平封装)的结构。注意，该结构是一个例子，也可以设置QFP(Quad flat package：四侧引脚扁平封装)或上述BGA。
图20B3是省略透镜盖421及透镜435的一部分而图示的模块的立体图。连接盘441与电极焊盘461电连接，电极焊盘461通过引线471与图像传感器芯片451或IC芯片490电连接。
通过将图像传感器芯片收纳于上述方式的封装中，可以容易安装于印刷电路板等，将图像传感器芯片安装在各种半导体装置及电子设备中。
本实施方式可以与其他实施方式的记载适当地组合。
(实施方式3)
作为可以使用根据本发明的一个方式的摄像装置的电子设备，可以举出显示设备、个人计算机、具备记录媒体的图像存储装置或图像再现装置、移动电话机、包括便携式的游戏机、便携式数据终端、电子书阅读器、拍摄装置诸如视频摄像机或数码静态相机等、护目镜型显示器(头戴式显示器)、导航系统、音频再现装置(汽车音响系统、数字音频播放器等)、复印机、传真机、打印机、多功能打印机、自动柜员机(ATM)以及自动售货机等。图21A至图21F示出这些电子设备的具体例子。
图21A是便携式信息终端的一个例子，该便携式信息终端包括外壳981、显示部982、操作按钮983、外部连接接口984、扬声器985、麦克风986、摄像头987等。该便携式信息终端在显示部982具有触摸传感器。通过用手指或触屏笔等触摸显示部982可以进行打电话或输入文字等各种操作。此外，也可以将本发明的一个方式的摄像装置及其工作方法用于该便携式信息终端。
摄像头987包括本发明的一个方式的摄像装置，可以从由摄像头987获取的图像中取得被摄体的距离信息。可以根据该距离信息加工摄像头987所取得的图像的一部分。例如，可以进行虚化主要被摄体的前后的图像处理等。
图21B是信息终端，该信息终端包括外壳911、显示部912、扬声器913、摄像头919等。通过显示部912所具有的触摸面板功能可以输入且输出信息。此外，可以从由摄像头919获取的图像中识别出文字等，并可以使用扬声器913以语音输出该文字。可以将本发明的一个方式的摄像装置及其工作方法用于该便携式数据终端。
图21C是监控摄像机，该监控摄像机包括支架951、摄像单元952及保护罩953等。在摄像单元952中设置旋转机构等，通过设置在天花板可以拍摄周围。可以将本发明的一个方式的摄像装置及其工作方法用于在该照相单元中用来获取图像的构成要素。注意，“监控摄像机”是一般名称，不局限于其用途。例如，被用作监控摄像机的设备被称为摄影机或视频摄像机。
图21D是视频摄像机，该视频摄像机包括第一外壳971、第二外壳972、显示部973、操作键974、透镜975、连接部976、扬声器977、麦克风978等。操作键974及透镜975设置在第一外壳971中，显示部973设置在第二外壳972中。可以将本发明的一个方式的摄像装置及其工作方法用于该视频摄像机。
图21E是数码相机，该数码相机包括外壳961、快门按钮962、麦克风963、发光部967以及透镜965等。可以将本发明的一个方式的摄像装置及其工作方法用于该数码相机。
图21F是手表型信息终端，该手表型信息终端包括显示部932、外壳兼腕带933以及摄像头939等。显示部932也可以包括用来进行信息终端的操作的触摸面板。显示部932及外壳兼腕带933具有柔性，并且适合佩戴于身体。可以将本发明的一个方式的摄像装置及其工作方法用于该信息终端。
图22A是示出移动体的一个例子的汽车的外观图。汽车890包括多个摄像头891等，可以取得汽车890的前后左右及上方的信息。本发明的一个方式的摄像装置及其工作方法可以用于摄像头891。另外，汽车890包括红外线雷达、毫米波雷达、激光雷达等各种传感器(未图示)等。汽车890分析摄像头891所取得的多个摄像方向892的图像，判断护栏或行人的有无等周围的交通状况，而可以进行自动驾驶。另外，还可以用于进行导航、危险预测等的系统。
在本发明的一个方式的摄像装置中，通过对所得到的图像数据进行神经网络等的运算处理，例如可以进行图像的高分辨率化、图像噪声的减少、人脸识别(安全目的等)、物体识别(自动驾驶的目的等)、图像压缩、图像校正(宽动态范围化)、无透镜图像传感器的图像恢复、位置对准、文字识别、反射眩光的降低等处理。
注意，上面作为移动体的一个例子说明汽车，汽车可以为包括内燃机的汽车、电动汽车、氢能汽车等中的任意个。另外，移动体不局限于汽车。例如，作为移动体，也可以举出电车、单轨铁路、船舶、飞行物(直升机、无人驾驶飞机(无人机)、飞机、火箭)等，可以对这些移动体使用本发明的一个方式的计算机，以提供利用人工智能的系统。
本实施方式可以与其他实施方式的记载适当地组合。
[符号说明]
10a：电路、10b：电路、20：电路、30：电路、100：像素、101：光电转换器件、101a：光电转换器件、101b：光电转换器件、102：晶体管、102a：晶体管、102b：晶体管、103：晶体管、103a：晶体管、103b：晶体管、104：晶体管、104a：晶体管、104b：晶体管、105：晶体管、105a：晶体管、105b：晶体管、106：电容器、106a：电容器、106b：电容器、107：晶体管、108：晶体管、114：布线、115：布线、116：布线、117：布线、118：布线、121：布线、122：布线、123：布线、124：布线、125：布线、126：布线、127：布线、128：布线、131：晶体管、131a：晶体管、131b：晶体管、132：晶体管、133：晶体管、134：晶体管、135：电容器、142：晶体管、143：晶体管、144：晶体管、145：电容器、151：布线、152：布线、161：晶体管、162：晶体管、163：电容器、175：晶体管、175a：晶体管、175b：晶体管、176：晶体管、176a：晶体管、176b：晶体管、200：像素区块、202：电容器、203：晶体管、204：晶体管、205：晶体管、206：晶体管、207：晶体管、210：像素阵列、212：布线、213：布线、214：布线、215：布线、216：布线、218：布线、219：布线、220：电路、222：晶体管、223：晶体管、224：晶体管、225：电流供应部、226：电流镜部、230：电路、240：电路、252：晶体管、253：晶体管、254：晶体管、261：晶体管、262：晶体管、300：像素阵列、301：电路、302：电路、303：电路、304：电路、305：电路、311：布线、320：存储单元、325：参照存储单元、330：电路、350：电路、360：电路、370：电路、410：封装衬底、411：封装衬底、420：玻璃盖板、421：透镜盖、430：粘合剂、435：透镜、440：凸块、441：连接盘、450：图像传感器芯片、451：图像传感器芯片、460：电极焊盘、461：电极焊盘、470：引线、471：引线、490：IC芯片、545：半导体层、546：绝缘层、560：层、561：层、562：层、562a：层、563：层、563a：层、563b：层、563c：层、565a：层、565b：层、566a：层、566b：层、566c：层、566d：层、567a：层、567b：层、567c：层、567d：层、567e：层、611：硅衬底、612：绝缘层、613：绝缘层、614：绝缘层、616：绝缘层、617：绝缘层、618：绝缘层、619：导电层、621：绝缘层、622：绝缘层、623：绝缘层、624：绝缘层、625：绝缘层、626：绝缘层、627：导电层、628：绝缘层、631：绝缘层、632：硅衬底、633：绝缘层、634：绝缘层、635：绝缘层、636：导电层、637：绝缘层、638：绝缘层、639：导电层、648：绝缘层、651：绝缘层、652：绝缘层、653：绝缘层、654：绝缘层、655：导电层、661：绝缘层、662：绝缘层、664：绝缘层、665：绝缘层、671：遮光层、672：光学转换层、672B：彩色滤光片、672G：彩色滤光片、672IR：红外滤光片、672R：彩色滤光片、672UV：紫外滤光片、673：微透镜阵列、683：导电层、684：导电层、685：导电层、686：导电层、688：导电层、689：导电层、691：导电层、692：导电层、701：栅电极、702：栅极绝缘膜、703：源区域、704：漏区域、705：源电极、706：漏电极、707：氧化物半导体层、708：沟道形成区域、735：背栅极、890：汽车、891：摄像头、892：摄像方向、911：外壳、912：显示部、913：扬声器、919：摄像头、932：显示部、933：外壳兼腕带、939：摄像头、951：支架、952：摄像单元、953：保护罩、961：外壳、962：快门按钮、963：麦克风、965：透镜、967：发光部、971：外壳、972：外壳、973：显示部、974：操作键、975：透镜、976：连接部、977：扬声器、978：麦克风、981：外壳、982：显示部、983：操作按钮、984：外部连接端口、985：扬声器、986：麦克风、987：摄像头。

Claims (11)

1.一种摄像装置，包括像素及读出电路，
其中，所述像素包括第一受光电路、第二受光电路、放大电路及运算电路，
所述放大电路可以将根据保持在所述第一受光电路中的第一数据与保持在所述第二受光电路中的第二数据之差分放大的电位输出到所述运算电路，
所述运算电路包括第一节点及第二节点，
所述第一节点被写入在将所述第一数据及所述第二数据设为相同的值时所述放大电路所输出的第一电位，
所述第二节点被写入在通过光电转换生成所述第一数据及所述第二数据时所述放大电路所输出的第二电位，
分别可以对所述第一节点及所述第二节点加上第三电位，
并且，所述读出电路可以通过使用根据所述第一节点的电位流过的电流及根据所述第二节点的电位流过的电流的运算抽出所述第二电位与所述第三电位之积。
2.根据权利要求1所述的摄像装置，
其中所述读出电路包括电流镜电路及相关双采样电路，
所述电流镜电路包括第一晶体管及第二晶体管，
所述第一晶体管的源极和漏极中的一个及栅极与所述第一节点电连接，
并且所述第二晶体管的源极和漏极中的一个与所述第二节点及所述相关双采样电路电连接。
3.一种摄像装置，包括像素及读出电路，
其中，所述像素包括第一受光电路、第二受光电路、放大电路及运算电路，
所述放大电路包括第一输入端子及第二输入端子，
所述运算电路包括第一节点、第二节点、第一电容器、第二电容器、第一晶体管及第二晶体管，
所述第一节点与所述第一电容器的一个电极及所述第一晶体管的栅极电连接，
所述第二节点与所述第二电容器的一个电极及所述第二晶体管的栅极电连接，
所述第一晶体管的源极和漏极中的一个及所述第二晶体管的源极和漏极中的一个与所述读出电路电连接，
所述第一受光电路与所述第一输入端子电连接，
所述第二受光电路与所述第二输入端子电连接，
在所述第一输入端子及所述第二输入端子被输入相同电位时所述第一节点被写入所述放大电路所输出的第一电位，
所述第二节点被写入所述放大电路根据所述第一受光电路所生成的数据与所述第二受光电路所生成的数据之差分而输出的第二电位，
可以通过所述第一电容器或所述第二电容器分别对所述第一节点及所述第二节点加上第三电位，
并且，所述读出电路可以通过使用流过所述第一晶体管的电流及流过所述第二晶体管的电流的运算抽出所述第二电位与所述第三电位之积。
4.根据权利要求3所述的摄像装置，
其中所述读出电路包括电流镜电路及相关双采样电路，
所述电流镜电路包括第三晶体管及第四晶体管，
所述第三晶体管的源极和漏极中的一个及栅极与所述第一晶体管的源极和漏极中的一个电连接，
并且所述第四晶体管的源极和漏极中的一个与所述第二晶体管的源极和漏极中的一个及所述相关双采样电路电连接。
5.根据权利要求3或4所述的摄像装置，
其中所述第一受光电路及所述第二受光电路各自包括光电转换器件、第五晶体管、第六晶体管及第三电容器，
所述光电转换器件的一个电极与所述第五晶体管的源极和漏极中的一个电连接，所述第五晶体管的源极和漏极中的另一个与所述第六晶体管的源极和漏极中的一个及所述第三电容器的一个电极电连接，
所述第一受光电路所包括的所述第六晶体管的源极和漏极中的另一个与所述第一输入端子电连接，
并且所述第二受光电路所包括的所述第六晶体管的源极和漏极中的另一个与所述第二输入端子电连接。
6.根据权利要求5所述的摄像装置，
其中所述第五晶体管及所述第六晶体管在沟道形成区域中包含金属氧化物，
并且所述金属氧化物包含In、Zn及M(M为Al、Ti、Ga、Ge、Sn、Y、Zr、La、Ce、Nd和Hf中的一个或多个)。
7.根据权利要求5或6所述的摄像装置，
其中所述第一受光电路及所述第二受光电路各自还包括第七晶体管及第八晶体管，
所述第七晶体管的栅极与所述第三电容器的一个电极电连接，
并且所述第七晶体管的源极和漏极中的一个与所述第八晶体管的源极和漏极中的一个电连接。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的摄像装置，
其中所述放大电路包括第九晶体管、第十晶体管及第十一晶体管，
所述第九晶体管的源极和漏极中的一个与所述第一受光电路所包括的所述第三电容器的一个电极电连接，
所述第九晶体管的源极和漏极中的另一个与所述第一输入端子电连接，
所述第十晶体管的源极和漏极中的一个与所述第二受光电路所包括的所述第三电容器的一个电极电连接，
所述第十晶体管的源极和漏极中的另一个与所述第二输入端子电连接，
所述第十一晶体管的源极和漏极中的一个与所述第一输入端子电连接，
并且所述第十一晶体管的源极和漏极中的另一个与所述第二输入端子电连接。
9.根据权利要求8所述的摄像装置，
其中所述第九晶体管至第十一晶体管在沟道形成区域中包含金属氧化物，所述金属氧化物包含In、Zn及M(M为Al、Ti、Ga、Ge、Sn、Y、Zr、La、Ce、Nd和Hf中的一个或多个)。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的摄像装置，
其中一个所述读出电路与多个所述像素电连接。
11.一种电子设备，包括权利要求1至10中任一项所述的摄像装置，
其中，该电子设备根据所述摄像装置所拍摄的图像及所述摄像装置所分析的所述图像中的被摄体的距离信息加工所述图像的一部分。
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