JP2014219968A - 半導体装置および半導体装置の駆動方法 - Google Patents

半導体装置および半導体装置の駆動方法 Download PDF

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Abstract

【課題】照度が少ない環境下や、半導体装置から離れた位置で情報を入力することが可能な半導体装置を提供する。【解決手段】フォトセンサ１０６を表示領域１０１に搭載した半導体装置１００に超音波センサ１３１，１３２を設ける。半導体装置１００の周囲の照度、もしくは半導体装置１００から被検出物までの距離に応じて、フォトセンサ１０６と超音波センサ１３１，１３２を切り替えて被検出物を検出する。フォトセンサ１０６と超音波センサ１３１，１３２は同時に用いることもできる。【選択図】図１

Description

本発明の一態様は、半導体装置、または半導体装置の駆動方法に関する。
なお、本明細書中において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指し、電気光学装置、発光表示装置、半導体回路および電子機器は全て半導体装置といえる。
近年、光を検出するセンサ素子（「フォトセンサ」ともいう）を搭載した半導体装置が注目されている。フォトセンサを有する半導体装置の例としては、ＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサなどが挙げられる。これらは、デジタルスチルカメラや携帯電話などの撮像機能を有する電子機器に用いられている。
また、表示部にフォトセンサを搭載した半導体装置は、検出対象（ペン、指など）が表示部に接触したことを検出することができるため、タッチパネル又はタッチスクリーンなどとも呼ばれている（以下、これを単に「タッチパネル」と呼ぶ）。フォトセンサを半導体装置の表示部に設けることにより、表示部が入力領域を兼ねることができ、その一例として、特許文献１に画像取り込み機能を備えた半導体装置が開示されている。
特開２００１−２９２２７６号公報
しかしながら、表示部にフォトセンサを搭載して表示部が入力領域を兼ねた半導体装置では、夜間または屋内などの照度が小さい環境下では情報の入力が難しいという問題がある。
また、カメラにより使用者の動作を撮影して、その動作に対応した情報を半導体装置に入力する方法も知られているが、夜間または屋内などの照度が小さい環境下では情報の入力が難しいという問題がある。
照度が小さい環境下においても、情報の入力が可能な半導体装置を提供することを課題の１つとする。
入力領域から離れた位置で情報の入力が可能な半導体装置を提供することを課題の１つとする。
本発明の一態様は、複数のフォトセンサと、超音波発信器と、超音波受信器と、を有し、複数のフォトセンサは表示部に設けられ、超音波受信器は、超音波発信器が出力する超音波の反射波を検出することを特徴とする半導体装置である。なお、フォトセンサ、超音波発信器、および超音波受信器は同時に用いることができる。
照度が小さい環境下や、入力領域よりも大きく離れた位置で半導体装置に情報を入力する場合は、超音波発信器および超音波受信器を用いて情報を入力する。
本発明の一態様は、複数の画素および複数のフォトセンサを有する表示部と、第１の超音波発信器と、第２の超音波発信器と、第１の超音波受信器と、第２の超音波受信器と、を有し、複数のフォトセンサは表示部に設けられ、第１の超音波受信器は、第１の超音波発信器が出力する第１の超音波の反射波を検出し、第２の超音波受信器は、第２の超音波発信器が出力した第２の超音波の反射波を検出することを特徴とする半導体装置である。
第１の超音波の周波数と、第２の超音波の周波数は、互いに異なる周波数であることが好ましい。
第１の超音波受信器は、第１の方向に沿って配置された複数の超音波センサを有し、第２の超音波受信器は、第２の方向に沿って配置された複数の超音波センサを有する。また、第１の方向と第２の方向は直交する。
本発明の一態様は、フォトセンサを有する表示部と、超音波センサと、を有する半導体装置の駆動方法であって、フォトセンサを用いて測定した照度に応じて、フォトセンサおよび超音波センサのどちらか一方を用いて検出対象の位置を特定することを特徴とする半導体装置の駆動方法である。
例えば、測定した照度が基準照度以上である時にフォトセンサを用いて検出対象の位置を特定し、基準照度未満である時に超音波センサを用いて検出対象の位置を特定する。
本発明の一態様は、フォトセンサを有する表示部と、超音波センサと、を有する半導体装置の駆動方法であって、超音波センサを用いて測定した表示部から検出対象までの距離に応じて、フォトセンサおよび超音波センサの一方を用いて検出対象の位置を特定することを特徴とする半導体装置の駆動方法である。
例えば、測定した距離が基準距離未満である時にフォトセンサを用いて検出対象の位置を特定し、基準距離以上である時に超音波センサを用いて検出対象の位置を特定する。
照度が小さい環境下においても、情報の入力が可能な半導体装置を提供することができる。
入力領域から離れた位置で情報の入力が可能な半導体装置を提供することができる。
半導体装置の構成例を説明する図。 画素回路の構成例を説明する図。 フォトセンサ駆動回路の構成例を説明する図。 読み出し動作の一例を説明するタイミングチャート。 半導体装置の構成例を説明する図。 半導体装置の動作例を説明するフローチャート。 電子機器の一例を説明する図。
以下にでは、発明を実施するための形態について、図面を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、以下に説明する発明の構成において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する。また、同様の機能を指す場合には、ハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合がある。
本明細書で説明する各図において、各構成の大きさ、層の厚さ、または領域は、発明を明瞭化するために誇張または省略されている場合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。
図面等において示す各構成の、位置、大きさ、範囲などは、発明の理解を容易とするため、実際の位置、大きさ、範囲などを表していない場合がある。このため、開示する発明は、必ずしも、図面等に開示された位置、大きさ、範囲などに限定されない。例えば、実際の製造工程において、エッチングなどの処理によりレジストマスクなどが意図せずに目減りすることがあるが、理解を容易とするために省略して示すことがある。
なお、特に上面図（「平面図」ともいう。）において、図面をわかりやすくするために、一部の構成要素の記載を省略する場合がある。
本明細書等における「第１」、「第２」等の序数詞は、構成要素の混同を避けるために付すものであり、工程順または積層順など、なんらかの順番や順位を示すものではない。
ソースおよびドレインの機能は、異なる極性のトランジスタを採用する場合や、回路動作において電流の方向が変化する場合など、動作条件などによって互いに入れ替わるため、いずれがソースまたはドレインであるかを限定することが困難である。このため、本明細書においては、ソースおよびドレインの用語は、入れ替えて用いることができるものとする。
本明細書等において、「電気的に接続」には、「何らかの電気的作用を有するもの」を介して接続されている場合が含まれる。ここで、「何らかの電気的作用を有するもの」は、接続対象間での電気信号の授受を可能とするものであれば、特に制限を受けない。よって、「電気的に接続する」と表現される場合であっても、現実の回路においては、物理的な接続部分がなく、配線が延在しているだけの場合もある。
本明細書等において「電極」や「配線」の用語は、これらの構成要素を機能的に限定するものではない。例えば、「電極」は「配線」の一部として用いられることがあり、その逆もまた同様である。さらに、「電極」や「配線」の用語は、複数の「電極」や「配線」が一体となって形成されている場合なども含む。
本明細書において、「平行」とは、二つの直線が−１０°以上１０°以下の角度で配置されている状態をいう。従って、−５°以上５°以下の場合も含まれる。また、「垂直」または「直交」とは、二つの直線が８０°以上１００°以下の角度で配置されている状態をいう。従って、８５°以上９５°以下の場合も含まれる。
なお、本明細書において、フォトセンサとはセンサ素子（フォトダイオード及びトランジスタを含む）を意味し、フォトセンサ部とは該センサ素子が設けられる領域を意味する。
（実施の形態１）
本発明の一態様の半導体装置について、図１を参照して説明する。
＜半導体装置の構成例＞
図１に示す半導体装置１００は、表示部１０１、第１の超音波発信器１１１、第２の超音波発信器１１２、第１の超音波受信器１２１、第２の超音波受信器１２２、表示素子制御部１４１、フォトセンサ制御部１４２、超音波センサ制御部１４３、および演算部１４４を有する。
表示部１０１は、行列方向にマトリクス状に配置された複数の画素１０４を有する。図１では、各々の画素１０４に、表示素子１０５とフォトセンサ１０６を有する例を示しているが、フォトセンサ１０６は全ての画素に設ける必要はない。フォトセンサ１０６を設ける間隔は、実施者の目的に応じて適宜決定すれば良い。
第１の超音波受信器１２１は複数の超音波センサ１３１を有する。複数の超音波センサ１３１は第１の方向（以下、「Ｘ軸方向」ともいう）に沿ってピッチＰ１の間隔で配置されている。また、第２の超音波受信器１２２は複数の超音波センサ１３２を有する。複数の超音波センサ１３２は、第１の方向と直交する第２の方向（以下、「Ｙ軸方向」ともいう）に沿ってピッチＰ２の間隔で配置されている。ピッチＰ１とピッチＰ２は、同じ長さでもよく、異なる長さでもよい。
表示素子制御部１４１は、表示素子１０５を制御するための回路であり、ソース信号線（映像信号線など）を介して表示素子１０５に信号を供給する信号線駆動回路と、ゲート信号線（走査線など）を介して表示素子１０５に信号を供給する走査線駆動回路を有する。
走査線駆動回路は、特定の行に配置された画素１０４が有する表示素子１０５を選択する機能を有する。また、信号線駆動回路は、選択された行の画素１０４が有する表示素子１０５に映像信号などの任意の電位を供給する機能を有する。例えば、ゲート信号線を介して走査線駆動回路からトランジスタをオン状態とする信号が表示素子１０５に供給されると、表示素子１０５内の当該ゲート信号線に接続されたトランジスタがオン状態となり、当該トランジスタを介して信号線駆動回路から供給された映像信号が表示素子１０５に書き込まれる。
フォトセンサ制御部１４２は、フォトセンサ１０６を制御するための回路であり、フォトセンサ駆動回路とフォトセンサ読み出し回路を有する。
フォトセンサ制御部１４２は、特定の行に配置された画素１０４が有するフォトセンサ１０６に対して、リセット動作、累積動作、及び選択動作を行う機能を有する。また、フォトセンサ読み出し回路は、選択された行の画素１０４が有するフォトセンサ１０６の出力信号を取り出す機能を有する。なお、フォトセンサ読み出し回路は、フォトセンサの出力を、ＯＰアンプを用いてアナログ信号として外部に取り出す構成や、Ａ／Ｄ変換回路などを用いてデジタル信号に変換して外部に取り出す構成を含むことができる。
超音波センサ制御部１４３は、第１の超音波発信器１１１および第２の超音波発信器１１２を制御するための回路であり、超音波発信器駆動回路と超音波センサ読み出し回路を有する。
超音波センサ制御部１４３は、第１の周波数を有する超音波を第１の超音波発信器１１１から放射させる機能を有し、第１の周波数を有する超音波を第１の超音波受信器１２１により受信する機能を有する。また、超音波センサ制御部１４３は、第２の周波数を有する超音波を第２の超音波発信器１１２から放射させる機能を有し、第２の周波数を有する超音波を第２の超音波受信器１２２により受信する機能を有する。なお、超音波センサ制御部１４３は、第１の超音波受信器１２１および第２の超音波受信器１２２の出力を、ＯＰアンプを用いてアナログ信号として外部に取り出す構成や、Ａ／Ｄ変換回路などを用いてデジタル信号に変換して外部に取り出す構成を含むことができる。
演算部１４４は、フォトセンサ制御部１４２の出力信号や、超音波センサ制御部１４３の出力信号を用いて、位相差の算出や論理演算などの演算処理を行う機能を有する。
＜画素の構成例＞
図２に、半導体装置１００に用いることが可能な画素１０４の回路構成の一例を示す。図２に示す画素１０４は、表示素子１０５とフォトセンサ１０６を有する。本実施の形態では、表示素子１０５として液晶表示素子を用いる場合の構成例を示す。
図２に示す表示素子１０５は、トランジスタ２０１、保持容量２０２及び液晶素子２０３を有する。また、フォトセンサ１０６は、フォトダイオード２０４、トランジスタ２０５およびトランジスタ２０６を有する。
トランジスタ２０１は、ゲートがゲート信号線２０７に、ソース又はドレインの一方がビデオデータ信号線２１０に、ソース又はドレインの他方が保持容量２０２の一方の電極と液晶素子２０３の一方の電極に電気的に接続されている。保持容量２０２の他方の電極と液晶素子２０３の他方の電極は一定の電位に保たれている。液晶素子２０３は、一対の電極と、該一対の電極の間に液晶層を含む素子である。
トランジスタ２０１は、ゲート信号線２０７にトランジスタ２０１をオン状態とする電位が供給されると、ビデオデータ信号線２１０の電位を保持容量２０２と液晶素子２０３の一方の電極に供給する。保持容量２０２は、トランジスタ２０１がオフ状態となった後も供給された電位を保持する。液晶素子２０３は、ビデオデータ信号線２１０から供給された電位により、光の透過率を変更する。
なお、トランジスタがオフ状態とは、ｎチャネル型のトランジスタの場合、ゲート電圧がしきい値電圧よりも十分小さい状態をいう。具体的には、ゲート電圧がしきい値電圧よりも１Ｖ以上、２Ｖ以上または３Ｖ以上小さければ、トランジスタはオフ状態となる。
フォトダイオード２０４は、非晶質半導体、または多結晶半導体、または微結晶半導体で形成され、一方の電極がフォトダイオードリセット信号線２０８に、他方の電極がゲート信号線２１３を介してトランジスタ２０５のゲートに電気的に接続されている。トランジスタ２０５は、ソース又はドレインの一方がフォトセンサ基準信号線２１２に、ソース又はドレインの他方がトランジスタ２０６のソース又はドレインの一方に電気的に接続されている。トランジスタ２０６は、ゲートがゲート信号線２０９に、ソース又はドレインの他方がフォトセンサ出力信号線２１１に電気的に接続されている。
なお、トランジスタ２０５とトランジスタ２０６の配置は、図２の構成に限定されない。トランジスタ２０６のソース又はドレインの一方がフォトセンサ基準信号線２１２に、他方がトランジスタ２０５のソース又はドレインの一方に電気的に接続され、トランジスタ２０５のゲートがゲート信号線２０９に、ソース又はドレインの他方がフォトセンサ出力信号線２１１に電気的に接続される構成としてもよい。
次に、フォトセンサ制御部１４２が有するフォトセンサ駆動回路の構成例について、図３を用いて説明する。図３に示すフォトセンサ駆動回路は、トランジスタ２３１と保持容量２３２を有する。また、トランジスタ２３１のソース又はドレインの一方と、保持容量２３２の電極の一方は、フォトセンサ出力信号線２１１に電気的に接続されている。また、トランジスタ２３１のソース又はドレインの他方と、保持容量２３２の電極の他方は、一定の電位に保たれている。トランジスタ２３１のゲートは、プリチャージ信号線２３３に電気的に接続されている。
フォトセンサ駆動回路は、画素内におけるフォトセンサ１０６の動作に先立ち、フォトセンサ出力信号線２１１の電位を基準電位に設定する。フォトセンサ出力信号線２１１に設定する基準電位は、高電源電位ＶＤＤでも、低電源電位ＶＳＳでもよい。また、接地電位ＧＮＤでもよく、その他の任意の電位でもよい。プリチャージ信号線２３３にトランジスタ２３１をオン状態とする電位を印加することで、フォトセンサ出力信号線２１１の電位を基準電位とすることができる。なお、保持容量２３２は、フォトセンサ出力信号線２１１の寄生容量が大きい場合には、特別に設けなくても良い。
＜フォトセンサ読み出し動作例＞
次に、半導体装置１００におけるフォトセンサ１０６の読み出し動作の一例について、図４のタイミングチャートを用いて説明する。図４の横軸は時間であり、縦軸はフォトダイオードリセット信号線２０８、ゲート信号線２０９、ゲート信号線２１３、フォトセンサ出力信号線２１１、およびプリチャージ信号線２３３の電位を示している。
なお、本実施の形態では、トランジスタ２０１、トランジスタ２０５、トランジスタ２０６、およびトランジスタ２３１をｎチャネル型トランジスタとして説明する。また、ｎチャネル型トランジスタがオン状態となる電位を「電位Ｈ」とし、オフ状態となる電位を「電位Ｌ」とする。
時刻Ａにおいて、フォトダイオードリセット信号線２０８の電位を電位Ｈとする（リセット動作）と、フォトダイオード２０４を介して、トランジスタ２０５のゲートが接続されたゲート信号線２１３の電位が電位Ｈとなる。また、プリチャージ信号線２３３の電位を電位Ｈとすると、フォトセンサ出力信号線２１１に電位Ｈが供給される（プリチャージ）。
時刻Ｂにおいて、フォトダイオードリセット信号線２０８の電位を電位Ｌにする（累積動作）と、フォトダイオード２０４の光電流により、トランジスタ２０５のゲートが接続されたゲート信号線２１３の電位が低下し始める。フォトダイオード２０４は、光が照射されると光電流が増大するので、照射される光の量に応じてトランジスタ２０５のゲートが接続されたゲート信号線２１３の電位の低下速度が変化する。また、ゲート信号線２１３の電位変化に応じて、トランジスタ２０５のソースとドレイン間の抵抗値も変化する。また、時刻Ｂにおいて、プリチャージ信号線２３３の電位を電位Ｌとし、フォトセンサ出力信号線２１１へのプリチャージを終了する。すると、フォトセンサ出力信号線２１１は電気的に浮遊した状態（フローティング状態）となる。なお、フォトセンサ出力信号線２１１へのプリチャージの終了は、時刻Ｃ以前であればよい。
時刻Ｃにおいて、ゲート信号線２０９の電位を電位Ｈにする（選択動作）と、トランジスタ２０６のソースとドレイン間が導通し、フォトセンサ基準信号線２１２とフォトセンサ出力信号線２１１が、トランジスタ２０５とトランジスタ２０６とを介して導通する。すると、電位Ｈにプリチャージされたフォトセンサ出力信号線２１１の電位が、低下していく。ここで、フォトセンサ出力信号線２１１の電位が低下する速さは、トランジスタ２０５のソースとドレイン間の抵抗値に依存する。すなわち、フォトダイオード２０４に照射されている光の量に応じて変化する。
時刻Ｄにおいて、ゲート信号線２０９の電位を電位Ｌにすると、トランジスタ２０６がオフ状態となり、フォトセンサ出力信号線２１１の電位は、時刻Ｄ以後、一定値となる。ここで、一定値となる値は、フォトダイオード２０４に照射されている光の量に応じて変化する。したがって、フォトセンサ出力信号線２１１の電位を取得することで、フォトダイオード２０４に照射されている光の量を知ることができる。
上記のように、個々のフォトセンサ１０６の動作は、リセット動作、累積動作、選択動作を繰り返すことで実現される。表示装置において高速撮像を実現するためには、全画素のリセット動作、累積動作、選択動作を高速に実行することが必要である。また、図２におけるトランジスタ２０６のオフ電流が大きいと、トランジスタ２０５を介して、フォトセンサ出力信号線２１１から、フォトセンサ基準信号線２１２へ電流が流れてしまう。すると、フォトダイオード２０４に照射されている光の量に応じたフォトセンサ出力信号線２１１の電位変化が得られにくくなる。
よって、特にトランジスタ２０６は、チャネルが形成される半導体層に酸化物半導体を用いたトランジスタで形成することが好ましい。酸化物半導体のバンドギャップは２ｅＶ以上あるため、半導体層に酸化物半導体を用いたトランジスタは、トランジスタがオフ状態のときのリーク電流（オフ電流ともいう。）を極めて小さくすることができる。具体的には、チャネル長が３μｍ、チャネル幅が１０μｍのトランジスタにおいて、オフ電流を１×１０−２０Ａ未満、好ましくは１×１０−２２Ａ未満、さらに好ましくは１×１０−２４Ａ未満とすることができる。即ち、オンオフ比を２０桁以上１５０桁以下とすることができる。
また、画素内のフォトセンサ１０６上にカラーフィルタを設けることで、表示装置周囲の照度をＲＧＢの各色成分に分光して検出することができる。表示装置周囲の照度をＲＧＢに分光して検出することで、表示装置周囲の色温度や色度分布をより正確に検出し、表示映像の緻密な色調補正を実現することができる。
また、半導体装置１００は、フォトセンサ１０６を用いて表示部１０１をタッチパネルとして機能させることができる。具体的には、半導体装置１００の使用者が表示部１０１に触れた領域と触れていない領域で生じる検出照度の差を演算部１４４で演算することで、表示部１０１のどの部分に触れているかを特定することができる。また、使用者が表示部１０１に接触しなくても、情報の入力が可能であるため、接触による表示部１０１の破損や、キズ、汚れの付着などを防ぐことができる。
しかしながら、表示部１０１内に配置されたフォトセンサ１０６を用いる方法では、半導体装置１００の使用環境によっては検出対象の位置が特定しにくいといった問題がある。特に、暗所での使用など、半導体装置１００を照度の小さい環境下で使用すると、検出対象の位置が特定しにくくなる。
また、フォトセンサを表示部に搭載した半導体装置では、画素内に表示を行う表示素子と、検出対象の位置を特定するフォトセンサとを併設する。よって、検出感度を高くするためにフォトセンサの専有面積を増加させると、表示素子の専有面積が減少してしまい、表示品位が低下する。
＜超音波受信器による位置の特定＞
そこで、超音波発信器および超音波受信器を用いることで、照度が小さい環境下で半導体装置１００を使用しても、検出対象が表示部１０１に対してどの位置にあるかを特定することができる。また、超音波発信器および超音波受信器を用いることで、表示部１０１から離れた位置で半導体装置１００に情報を入力することができる。超音波発信器および超音波受信器を用いた検出対象の位置検出の一例について説明する。
超音波センサ制御部１４３は、第１の超音波発信器１１１から第１の周波数を有するパルス状の第１の超音波を表示部１０１と対峙する空間に発信する。
当該空間に検出対象がある場合、第１の超音波受信器１２１が、第１の超音波の反射波を検出する。超音波センサ制御部１４３は、第１の超音波受信器１２１が有する複数の超音波センサ１３１のうち、最も強い反射波を検出した超音波センサ１３１を特定し、第１の超音波の発信から当該超音波センサ１３１が反射波を検出するまでの応答時間を検出する。また、超音波センサ制御部１４３は、当該超音波センサ１３１と他の超音波センサ１３１が検出した反射波の位相差を検出する。
演算部１４４は、応答時間、位相差、およびピッチＰ１を用いて、検出対象のＸ軸方向の位置と表示部１０１からの距離を算出する。
同様にして、第２の超音波発信器１１２と第２の超音波受信器１２２を用いて、検出対象のＹ軸方向の位置と表示部１０１からの距離を算出することができる。このようにして、検出対象が表示部１０１に対してどの位置に存在するかを特定することができる。
第１の周波数と第２の周波数を異なる周波数とすることで、検出対象のＸ軸方向とＹ軸方向の位置検出を迅速に行うことができる。なお、図５に示す半導体装置１１０のように、第２の超音波発信器１１２を設けず、第１の超音波発信器１１１のみを用いて、検出対象のＸ軸方向とＹ軸方向を特定することもできる。ただし、１つの超音波発信器で検出対象のＸ軸方向とＹ軸方向の位置を特定する場合は、２つの超音波発信器で位置検出を行う場合に比べて演算部１４４の処理時間が長くなる可能性がある。一方で、半導体装置を構成する部品点数を減らすことができるため、半導体装置の生産性を向上させることができる。
なお、半導体装置１００または半導体装置１１０において、Ｘ軸方向またはＹ軸方向のどちらか一方の位置が特定できればよい場合は、第１の超音波受信器１２１と第２の超音波受信器１２２のうち、どちらか一方のみを設ける構成としてもよい。
フォトセンサ、超音波発信器、および超音波受信器を組み合わせて用いることにより、照度が小さい環境下においても精度良く検出対象の位置を特定し、半導体装置１００または半導体装置１１０に情報を入力することができる。また、フォトセンサ、超音波発信器、および超音波受信器を組み合わせて用いることにより、半導体装置１００または半導体装置１１０に、半導体装置１００または半導体装置１１０から離れた位置で情報を入力することができる。
また、表示部１０１に接触することなく情報を入力することができるため、接触による表示部１０１の破損や、キズ、汚れの付着などを防ぐことができる。
また、画素内のフォトセンサの専有面積を増加させることなく、検出感度を高めることができるため、表示品位の良好な半導体装置を実現することができる。
半導体装置１００または半導体装置１１０に入力した情報により、表示部１０１の表示内容を変化させることができる。また、半導体装置１００または半導体装置１１０に入力した情報により、半導体装置１００または半導体装置１１０と接続する他の半導体装置を操作することができる。
＜フォトセンサまたは超音波センサの選択動作例＞
半導体装置１００および半導体装置１１０を使用する環境の照度、または半導体装置１００および半導体装置１１０から検出対象までの距離によって、フォトセンサまたは超音波センサのどちらを使用するか選択する方法について、図６のフローチャートを用いて説明する。
図６（Ａ）は、半導体装置１００または半導体装置１１０を使用する環境の照度に応じて、使用するセンサを切り替える動作例を説明するフローチャートである。
まず、半導体装置１００または半導体装置１１０の周囲の照度を測定する（ステップＳ５０１）。照度の測定は、表示部１０１内に設けられたフォトセンサ１０６を用いて行うことができる。なお、フォトセンサ１０６とは別にセンサを設けて照度測定を行ってもよい。
次に、測定した照度を基準照度と比較する（ステップＳ５０２）。測定した照度が、基準照度以上であった場合は、フォトセンサ１０６により検出対象が表示部１０１上のどの位置に対応して存在しているかを特定する（ステップＳ５０３）。測定した照度が、基準照度未満であった場合は、超音波センサ１３１および／または超音波センサ１３２を動作させて、検出対象が表示部１０１上のどの位置に対応して存在しているかを特定する（ステップＳ５０４）。なお、基準照度は使用者により決定することができる。
図６（Ｂ）は、半導体装置１００または半導体装置１１０と、検出対象までの距離によって、使用するセンサを切り替える動作例を説明するフローチャートである。
まず、半導体装置１００または半導体装置１１０から検出対象までの距離を測定する（ステップＳ５１１）。より具体的には、表示部１０１から検出対象までの距離を測定する。距離の測定は、超音波発信器１１１および超音波受信器１２１、または超音波発信器１１２および超音波受信器１２２を用いて行うことができる。
次に、得られた距離を基準距離と比較する（ステップＳ５１２）。測定した距離が、基準距離未満であった場合は、フォトセンサ１０６により検出対象が表示部１０１上のどの位置に対応して存在しているかを特定する（ステップＳ５１３）。測定した距離が、基準距離以上であった場合は、超音波センサ１３１および／または超音波センサ１３２により検出対象が表示部１０１上のどの位置に対応して存在しているかを特定する（ステップＳ５１４）。なお、基準距離は使用者により決定することができる。
このようにして、フォトセンサ１０６、並びに、超音波センサ１３１および／または超音波センサ１３２を選択して使用し、検出対象が表示部１０１上のどの位置に対応して存在しているかを特定することができる。フォトセンサ１０６、並びに、超音波センサ１３１および／または超音波センサ１３２を組み合わせて使用しても構わない。なお、フォトセンサ１０６の動作はフォトセンサ制御部１４２により制御され、超音波センサ１３１および超音波センサ１３２の動作は超音波センサ制御部１４３により制御される。
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
（実施の形態２）
上記半導体装置を適用した電子機器として、例えば、テレビジョン装置（テレビ、またはテレビジョン受信機ともいう）、コンピュータ用などのモニタ、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、デジタルフォトフレーム、携帯電話機（携帯電話、携帯電話装置ともいう）、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置、パチンコ機などの大型ゲーム機などが挙げられる。これらの電子機器の具体例を以下に示す。
図７（Ａ）は、テレビジョン装置の一例を示している。テレビジョン装置は、筐体４１１に表示部４１３が組み込まれている。また、ここでは、取り付け具４１５により筐体４１１を壁面に支持できる構成を示している。表示部４１３により、映像を表示することが可能であり、表示部４１３は、実施の形態１に開示したフォトセンサを有する。
また、図７（Ａ）に示すテレビジョン装置は、第１の超音波発信器４１４、第２の超音波発信器４１９、第１の超音波受信器４１７、および第２の超音波受信器４１８を有する。
テレビジョン装置の操作は、筐体４１１が備える操作スイッチや、別体のリモコン操作機４０１により行うことができる。リモコン操作機４０１が備える操作キー４０３により、チャンネルや音量の操作を行うことができ、表示部４１３に表示される映像を操作することができる。また、リモコン操作機４０１に、当該リモコン操作機４０１から出力する情報を表示する表示部４０２を設ける構成としてもよい。
また、表示部４１３が有するフォトセンサ、第１の超音波発信器４１４、第２の超音波発信器４１９、第１の超音波受信器４１７、および第２の超音波受信器４１８を用いて、身振りでテレビジョン装置を操作することができる。また、室内を暗くしている状態においても、リモコン操作機４０１を用いることなく身振りでテレビジョン装置を操作することができる。
図７（Ｂ１）はコンピュータであり、本体４２１、筐体４２２、表示部４２３、キーボード４２４、外部接続ポート４２５、ポインティングデバイス４２６等を含む。なお、このコンピュータは、表示部４２３に実施の形態１に開示したフォトセンサを有する。また、図７（Ｂ１）に示すコンピュータは、第１の超音波発信器４２７、第１の超音波受信器４２８、および第２の超音波受信器４２９を有する。
図７（Ｂ１）のコンピュータは、図７（Ｂ２）のような形態であっても良い。図７（Ｂ２）のコンピュータは、キーボード４２４、ポインティングデバイス４２６の代わりに表示部４３０が設けられている。
表示部４２３、および表示部４３０は、実施の形態１に開示したフォトセンサを有する。すなわち、表示部４２３、および表示部４３０は、タッチパネル式となっており、表示部４２３、および表示部４３０に表示された入力用の表示を指やペンで操作することによって入力を行うことができる。また、表示部４２３、および表示部４３０は入力用表示だけでなく、その他の画像を表示することも可能である。
図７（Ｂ２）に示すコンピュータは、第１の超音波発信器４２７、第１の超音波受信器４２８、および第２の超音波受信器４２９、第２の超音波発信器４４７、第３の超音波受信器４４８、および第４の超音波受信器４４９を有する。
なお、表示部４２３、または表示部４３０のどちらか一方がタッチパネルであっても良い。また、図７（Ｂ１）および図７（Ｂ２）に示すコンピュータは、タッチパネルやキーボードに触れることなく操作することができる。よって当該コンピュータの破損などのトラブルの発生を防ぎ、製品寿命を延ばすことができる。また、図７（Ｂ２）に示すように、二つの画面がヒンジで接続されていることによって、収納や運搬をする際に画面を傷つける、破損するなどのトラブルの発生も防止することができる。
図７（Ｃ）は携帯型遊技機であり、筐体４３１と筐体４３２の２つの筐体で構成されており、連結部４３３により、開閉可能に連結されている。筐体４３１には、表示部４３４が組み込まれ、筐体４３２には表示部４３５が組み込まれている。表示部４３４および表示部４３５は、実施の形態１に開示したフォトセンサを有する。また、筐体４３１には、第１の超音波発信器４４３、および第１の超音波受信器４４４が組み込まれ、筐体４３２には第２の超音波受信器４４５が組み込まれている。
また、図７（Ｃ）に示す携帯型遊技機は、スピーカ部４３６、記録媒体挿入部４３７、ＬＥＤランプ４３８、入力手段（操作キー４３９、接続端子４４０、センサ４４１（力、変位、位置、速度、加速度、角速度、回転数、距離、光、液、磁気、温度、化学物質、音声、時間、硬度、電場、電流、電圧、電力、放射線、流量、湿度、傾度、振動、におい又は赤外線を測定する機能を含むもの）、マイクロフォン４４２）等を備えている。図７（Ｃ）に示す携帯型遊技機は、記録媒体に記録されているプログラム又はデータを読み出して表示部に表示する機能や、他の携帯型遊技機と無線通信を行って情報を共有する機能を有する。なお、図７（Ｃ）に示す携帯型遊技機が有する機能はこれに限定されず、様々な機能を有することができる。
また、図７（Ｃ）に示す携帯型遊技機は、本体に触れずに操作することができる。よって、操作キー４３９などの機械的疲労を軽減し、製品寿命を延ばすことができる。
図７（Ｄ）は、携帯電話機の一例を示している。携帯電話機は、筐体４５１に組み込まれた表示部４５２の他、操作ボタン４５３、外部接続ポート４５４、スピーカ４５５、マイク４５６などを備えている。
図７（Ｄ）に示す携帯電話機は、表示部４５２に実施の形態１に開示したフォトセンサを有する。よって、表示部４５２を指などで触れることで、情報を入力することができる構成とすることもできる。この場合、電話を掛ける、或いはメールを作成するなどの操作は、表示部４５２を指などで触れることにより行うことができる。
また、図７（Ｄ）に示す携帯電話機は、第１の超音波発信器４５７、および第１の超音波受信器４５８が組み込まれ、周囲の照度が小さい環境下においても、表示部４５２に触れずに情報を入力することができる。
表示部４５２の画面は主として３つのモードがある。第１は、画像の表示を主とする表示モードであり、第２は、文字等の情報の入力を主とする入力モードである。第３は表示モードと入力モードの２つのモードが混合した表示＋入力モードである。
例えば、電話を掛ける、或いはメールを作成する場合は、表示部４５２を文字の入力を主とする文字入力モードとし、画面に表示させた文字の入力操作を行えばよい。この場合、表示部４５２の画面のほとんどにキーボードまたは番号ボタンを表示させることが好ましい。また、第１の超音波発信器４５７、および第１の超音波受信器４５８を用いて、画面に表示させた電話帳から特定の情報を表示部４５２に触れることなく選択することもできる。
また、携帯電話機内部に、ジャイロ、加速度センサ等の傾きを検出するセンサを有する検出装置を設けることで、携帯電話機の向き（縦か横か）を判断して、表示部４５２の画面表示を自動的に切り替えるようにすることができる。
また、画面モードの切り替えは、表示部４５２を触れること、又は筐体４５１の操作ボタン４５３の操作により行うことができる。また、表示部４５２、操作ボタン４５３に触れることなく、身振り等で画面モードを切り替えることができる。
また、表示部４５２に表示される画像の種類によって切り替えるようにすることもできる。例えば、表示部に表示する画像信号が動画のデータであれば表示モード、テキストデータであれば入力モードに切り替える。
また、入力モードにおいて、表示部４５２のフォトセンサで検出される信号を検知し、表示部４５２のタッチ操作による入力が一定期間ない場合には、画面のモードを入力モードから表示モードに切り替えるように制御してもよい。
表示部４５２は、イメージセンサとして機能させることもできる。例えば、表示部４５２に掌や指で触れ、掌紋、指紋等を撮像することで、本人認証を行うことができる。また、表示部に近赤外光を発光するバックライトまたは近赤外光を発光するセンシング用光源を用いれば、指静脈、掌静脈などを撮像することもできる。
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
１００ 半導体装置
１０１ 表示部
１０４ 画素
１０５ 表示素子
１０６ フォトセンサ
１１０ 半導体装置
１１１ 超音波発信器
１１２ 超音波発信器
１２１ 超音波受信器
１２２ 超音波受信器
１３１ 超音波センサ
１３２ 超音波センサ
１４１ 表示素子制御部
１４２ フォトセンサ制御部
１４３ 超音波センサ制御部
１４４ 演算部
２０１ トランジスタ
２０２ 保持容量
２０３ 液晶素子
２０４ フォトダイオード
２０５ トランジスタ
２０６ トランジスタ
２０７ ゲート信号線
２０８ フォトダイオードリセット信号線
２０９ ゲート信号線
２１０ ビデオデータ信号線
２１１ フォトセンサ出力信号線
２１２ フォトセンサ基準信号線
２１３ ゲート信号線
２３１ トランジスタ
２３２ 保持容量
２３３ プリチャージ信号線
４０１ リモコン操作機
４０２ 表示部
４０３ 操作キー
４１１ 筐体
４１３ 表示部
４１４ 超音波発信器
４１５ 具
４１７ 超音波受信器
４１８ 超音波受信器
４１９ 超音波発信器
４２１ 本体
４２２ 筐体
４２３ 表示部
４２４ キーボード
４２５ 外部接続ポート
４２６ ポインティングデバイス
４２７ 超音波発信器
４２８ 超音波受信器
４２９ 超音波受信器
４３０ 表示部
４３１ 筐体
４３２ 筐体
４３３ 連結部
４３４ 表示部
４３５ 表示部
４３６ スピーカ部
４３７ 記録媒体挿入部
４３８ ＬＥＤランプ
４３９ 操作キー
４４０ 接続端子
４４１ センサ
４４２ マイクロフォン
４４３ 超音波発信器
４４４ 超音波受信器
４４５ 超音波受信器
４４７ 超音波発信器
４４８ 超音波受信器
４４９ 超音波受信器
４５１ 筐体
４５２ 表示部
４５３ 操作ボタン
４５４ 外部接続ポート
４５５ スピーカ
４５６ マイク
４５７ 超音波発信器
４５８ 超音波受信器
Ｓ５０１ ステップ
Ｓ５０２ ステップ
Ｓ５０３ ステップ
Ｓ５０４ ステップ
Ｓ５１１ ステップ
Ｓ５１２ ステップ
Ｓ５１３ ステップ
Ｓ５１４ ステップ

Claims (11)

  1. 複数の画素および複数のフォトセンサを有する表示部と、第１の超音波発信器と、第２の超音波発信器と、第１の超音波受信器と、第２の超音波受信器と、を有し、
    前記第１の超音波受信器は、前記第１の超音波発信器が出力した第１の超音波の反射波を検出し、
    前記第２の超音波受信器は、前記第２の超音波発信器が出力した第２の超音波の反射波を検出することを特徴とする半導体装置。
  2. 請求項１において、
    前記複数の画素および前記複数のフォトセンサは、
    マトリクス状に配置されていることを特徴とする半導体装置。
  3. 請求項１または請求項２において、
    前記第１の超音波の周波数と、前記第２の超音波の周波数は、互いに異なる周波数であることを特徴とする半導体装置。
  4. 請求項１乃至請求項３のいずれか一項において、
    前記第１の超音波受信器は、第１の方向に沿って配置された複数の超音波センサを有し、
    前記第２の超音波受信器は、第２の方向に沿って配置された複数の超音波センサを有することを特徴とする半導体装置。
  5. 請求項１乃至請求項４のいずれか一項において、
    前記第１の方向と、前記第２の方向は直交することを特徴とする半導体装置。
  6. フォトセンサを有する表示部と、超音波センサと、を有する半導体装置の駆動方法であって、
    前記フォトセンサを用いて測定した照度に応じて、
    前記フォトセンサおよび前記超音波センサのどちらか一方を用いて検出対象の位置を特定することを特徴とする半導体装置の駆動方法。
  7. 請求項６において、
    前記照度が基準照度以上である時に、前記フォトセンサを用いて検出対象の位置を特定することを特徴とする半導体装置の駆動方法。
  8. 請求項６において、
    前記照度が基準照度未満である時に、前記超音波センサを用いて検出対象の位置を特定することを特徴とする半導体装置の駆動方法。
  9. フォトセンサを有する表示部と、超音波センサと、を有する半導体装置の駆動方法であって、
    前記超音波センサを用いて測定した表示部から検出対象までの距離に応じて、
    前記フォトセンサおよび前記超音波センサのどちらか一方を用いて検出対象の位置を特定することを特徴とする半導体装置の駆動方法。
  10. 請求項９において、
    前記距離が基準距離未満である時に、前記フォトセンサを用いて検出対象の位置を特定することを特徴とする半導体装置の駆動方法。
  11. 請求項９において、
    前記距離が基準距離以上である時に、前記超音波センサを用いて検出対象の位置を特定することを特徴とする半導体装置の駆動方法。
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