JP2017138331A - 半導体装置の駆動方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】短時間で、高精度な距離情報を取得できる半導体装置を提供する。また、該距離
情報と画像情報とを同時に取得できる半導体装置を提供する。
【解決手段】検出信号を取得するために赤外光の照射を複数回行い、更に各回の照射期間
を同一且つ極めて短期間とすることで、距離情報の精度向上を図る。また、隣接するフォ
トダイオードにより、ほぼ同一点からの被検出物の反射光を検出することで、被検出物が
移動体の場合であっても距離情報の精度を維持することが可能になる。また、可視光を吸
収し赤外光を透過するフォトダイオード、及び赤外光を吸収するフォトダイオードを重畳
させて設けることで、距離情報及び画像情報の同時取得が可能になる。
【選択図】図５

Description

光センサを有する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、半導体回路および電子機器は全て半導体装置である。
近年、被検出物の形状情報だけでなく距離情報を取得できる３次元距離計測手法が、多く
の分野で利用されている。該手法は、主に能動型計測手法と受動型計測手法の２手法に分
けられる。能動型計測手法は、光、電波、音波などを被検出物に対して照射し、得られた
情報を利用する。受動型計測手法は、計測の補助となる特定の光や電波等を、被検出物に
対して照射しない。
受動型計測手法として、ステレオマッチング法等、能動型計測手法として、光飛行時間（
Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ：ＴＯＦ）法、光切断法等が挙げられる。ステレオマッチ
ング法は、複数の光センサを用いて異なる画像を撮像し、三角測量の原理から、距離情報
を取得する。特許文献１では、異なる画像に共通に含まれる領域よりも狭い領域に対して
、ステレオマッチングを行う事で、計測時間を短縮し、計測精度を向上させている。
ＴＯＦ法は、被検出物に対して一定期間の赤外光を照射し、反射光を光センサの各画素で
とらえる。光の照射を開始した時刻と、反射光が光センサに到達した時刻との時間差を利
用して、照射期間、検出信号、光速から距離情報を算出する。非特許文献１では、２回の
赤外光照射により、２個の検出信号を取得している。ＴＯＦ法のメリットとして、半導体
装置を小型化し易い事が挙げられる。
特許文献２では、２次元撮像と３次元撮像とをフレーム期間毎に交互に行う事で、１個の
画素を用いて、２次元情報（被検出物からの反射光の強さ・色彩等）及び３次元情報（光
源から被検出物までの距離）を取得している。
特開２００８−５９１４８号公報 特開２０１０−３５１６８号公報
Ｓ．Ｊ．Ｋｉｍ ｅｔ ａｌ，"Ａ Ｔｈｒｅｅ−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ｔｉｍｅ−ｏｆ−Ｆｌｉｇｈｔ ＣＭＯＳ Ｉｍａｇｅ Ｓｅｎｓｏｒ Ｗｉｔｈ Ｐｉｎｎｅｄ−Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ Ｐｉｘｅｌ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ"，ＩＥＥＥ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｎｏｖ．２０１０，Ｖｏｌ．３１，Ｎｏ．１１，ｐｐ．１２７２−１２７４
ステレオマッチング法において、高精度な距離情報を取得するためには、マッチング精度
を上げなければならない。マッチング処理量の増加は、計測時間を膨大にする。更に、複
数の光センサを離れた位置に配置するため、半導体装置の小型化を行うことが難しい。
また、ＴＯＦ法において、距離情報を算出するための検出信号を、１回の赤外光照射で取
得する場合、検出信号の精度が低下するという問題がある。
また、非特許文献１では、１個目の検出信号の取得と、２個目の検出信号の取得との間に
時間差が生じる。被検出物が移動する場合、該時間差により検出信号が僅かにずれるため
距離情報の精度を維持する事が難しい。
また、特許文献２では、２次元撮像と３次元撮像との間で、フレーム期間を切り替えなけ
ればならない。従って、２次元撮像による情報の取得と、３次元撮像による情報の取得と
の間に時間差が生じ、両情報を一度に取得する事が、困難であるという問題が生じる。
そこで、短時間で、高精度な距離情報を取得できる半導体装置を提供することを課題の一
つとする。また、被検出物が移動しても、短時間で、高精度な距離情報を取得できる半導
体装置を提供することを課題の一つとする。また、短時間で、高精度な距離情報及び画像
情報を同時に取得できる半導体装置を提供することを課題の一つとする。
また、半導体装置の小型化を行うことを課題の一つとする。
本発明の一態様では、１個の検出信号を取得するために赤外光の照射を複数回行い、更に
各回の照射期間を同一且つ極めて短期間とすることで、距離情報の精度向上を図る。
本明細書で開示する本発明の一態様は、光電変換素子、及び光電変換素子に照射される光
量に基づき信号電荷をＦＤノードに蓄積させる第１のトランジスタを含む画素と、出力線
から出力された検出信号に基づき演算処理を行う信号処理回路と、を有する半導体装置の
駆動方法であって、光電変換素子の一方の電極に、ＦＤノードを第１の高電位とする電位
を供給し、光源から被検出物に対して、赤外光を期間Ｔで照射し、被検出物に到達して反
射された光が光電変換素子への入射を開始する時刻から、光源が赤外光の照射を停止する
時刻までの第１の期間は、少なくとも第１のトランジスタのゲート電極の電位を第２の高
電位とすることをｎ（ｎは２以上の自然数）回繰り返し、ｎ回目の第１の期間後のＦＤノ
ードの電位と低電位との第１の電位差に基づく第１の検出信号を、出力線から取得し、第
１の検出信号を取得した後、光電変換素子の一方の電極に、ＦＤノードを第１の高電位と
する電位を供給し、光源から被検出物に対して、赤外光を期間Ｔで照射し、光源が赤外光
の照射を停止する時刻から、被検出物に到達して反射された光が光電変換素子への入射を
終了する時刻までの第２の期間は、少なくとも第１のトランジスタのゲート電極の電位を
第２の高電位とすることをｎ回繰り返し、ｎ回目の第２の期間後のＦＤノードの電位と低
電位との第２の電位差に基づく第２の検出信号を、出力線から取得し、第２の検出信号を
取得した後、光速をｃ、第１の検出信号をＳ１、第２の検出信号をＳ２としたときに信号
処理回路で、次式

の演算処理を行って、光電変換素子と被検出物との距離を算出することを特徴とする半導
体装置の駆動方法である。
また本明細書で開示する本発明の一態様は、光電変換素子、光電変換素子に照射される光
量に基づき信号電荷をＦＤノードに蓄積させる第１のトランジスタ、信号電荷の蓄積量に
基づき変換された信号電位を増幅する第２のトランジスタ、及び増幅された信号電位に基
づき検出信号を出力線から出力する第３のトランジスタ、を含む画素と、出力線から出力
された検出信号に基づき演算処理を行う信号処理回路と、を有する半導体装置の駆動方法
であって、光電変換素子の一方の電極に、ＦＤノードを第１の高電位とする電位を供給し
、光源から被検出物に対して、赤外光を期間Ｔで照射し、被検出物に到達して反射された
光が光電変換素子への入射を開始する時刻から、光源が赤外光の照射を停止する時刻まで
の第１の期間は、少なくとも第１のトランジスタのゲート電極の電位を第２の高電位とす
ることをｎ（ｎは２以上の自然数）回繰り返し、ｎ回繰り返した後、ｎ回目の第１の期間
後のＦＤノードの電位を第２のトランジスタによって増幅し、第３のトランジスタのゲー
ト電極を第３の高電位とする電位を供給し、第２のトランジスタと第３のトランジスタと
を導通させることで出力線の電位を変化させた後、第３のトランジスタのゲート電極を低
電位とする電位を供給し、低電位供給後の出力線の電位と、低電位との第１の電位差を、
出力線から出力し、出力した後、第１の電位差に基づいて第１の検出信号を取得し、第１
の検出信号を取得した後、光電変換素子の一方の電極に、ＦＤノードを第１の高電位とす
る電位を供給し、光源から被検出物に対して、赤外光を期間Ｔで照射し、光源が赤外光の
照射を停止する時刻から、被検出物に到達して反射された光が光電変換素子への入射を終
了する時刻までの第２の期間は、少なくとも第１のトランジスタのゲート電極の電位を第
２の高電位とすることをｎ回繰り返し、ｎ回繰り返した後、ｎ回目の第２の期間後のＦＤ
ノードの電位を第２のトランジスタによって増幅し、第３のトランジスタのゲート電極を
第３の高電位とする電位を供給し、第２のトランジスタと第３のトランジスタとを導通さ
せることで出力線の電位を変化させた後、第３のトランジスタのゲート電極を低電位とす
る電位を供給し、低電位供給後の出力線の電位と、低電位との第２の電位差を、出力線か
ら出力し、出力した後、第２の電位差に基づいて第２の検出信号を取得し、第２の検出信
号を取得した後、光速をｃ、第１の検出信号をＳ１、第２の検出信号をＳ２としたときに
信号処理回路で、次式

の演算処理を行って、光電変換素子と被検出物との距離を算出することを特徴とする半導
体装置の駆動方法である。
また、本発明の一態様では、２個の検出信号を取得するために赤外光の照射を複数回行い
、各回の被検出物からの反射光を、隣接するフォトダイオードにより、時間差を置かずに
検出し、更に各回の照射期間を同一且つ極めて短期間とすることで、距離情報の精度向上
を図る。
本明細書で開示する本発明の一態様は、光電変換素子、及び光電変換素子に照射される光
量に基づき信号電荷をＦＤノードに蓄積させる蓄積トランジスタを含む複数の画素と、出
力線から出力された検出信号に基づき演算処理を行う信号処理回路と、を有する半導体装
置の駆動方法であって、光源から被検出物に対して、赤外光を期間Ｔで照射し、被検出物
に到達して反射された光が第１の光電変換素子及び第１の光電変換素子と隣接する第２の
光電変換素子への入射を開始する第１の時刻より前に、第１の光電変換素子の一方の電極
に、第１のＦＤノードを高電位とする電位を供給し、第１の時刻から、光源が赤外光の照
射を停止する第２の時刻までの期間は、少なくとも第１の蓄積トランジスタのゲート電極
の電位を高電位とし、第２の時刻より前に、第２の光電変換素子の一方の電極に、第２の
ＦＤノードを高電位とする電位を供給し、第２の時刻から、被検出物に到達して反射され
た光が第１の光電変換素子及び第２の光電変換素子への入射を終了する第３の時刻までの
期間は、少なくとも第２の蓄積トランジスタのゲート電極の電位を高電位とすることをｎ
（ｎは２以上の自然数）回繰り返し、ｎ回繰り返した後、ｎ回目の第３の時刻後の第１の
ＦＤノードの電位と低電位との第１の電位差に基づく第１の検出信号を、第１の出力線か
ら取得し、ｎ回目の第３の時刻後の第２のＦＤノードの電位と低電位との第２の電位差に
基づく第２の検出信号を、第２の出力線から取得し、第１の検出信号及び第２の検出信号
を取得した後、光速をｃ、第１の検出信号をＳ１、第２の検出信号をＳ２としたときに信
号処理回路で、次式

の演算処理を行って、光電変換素子と被検出物との距離を算出することを特徴とする半導
体装置の駆動方法である。
また本明細書で開示する本発明の一態様は、光電変換素子、光電変換素子に照射される光
量に基づき信号電荷をＦＤノードに蓄積させる蓄積トランジスタ、信号電荷の蓄積量に基
づき変換された信号電位を増幅する増幅トランジスタ、及び増幅された信号電位に基づき
検出信号を出力線から出力する出力トランジスタを含む複数の画素と、出力線から出力さ
れた検出信号に基づき演算処理を行う信号処理回路と、を有する半導体装置の駆動方法で
あって、光源から被検出物に対して、赤外光を期間Ｔで照射し、被検出物に到達して反射
された光が第１の光電変換素子及び第１の光電変換素子と隣接する第２の光電変換素子へ
の入射を開始する第１の時刻より前に、第１の光電変換素子の一方の電極に、第１のＦＤ
ノードを高電位とする電位を供給し、第１の時刻から、光源が赤外光の照射を停止する第
２の時刻までの期間は、少なくとも第１の蓄積トランジスタのゲート電極の電位を高電位
とし、第２の時刻より前に、第２の光電変換素子の一方の電極に、第２のＦＤノードを高
電位とする電位を供給し、第２の時刻から、被検出物に到達して反射された光が第１の光
電変換素子及び第２の光電変換素子への入射を終了する第３の時刻までの期間は、少なく
とも第２の蓄積トランジスタのゲート電極の電位を高電位とすることをｎ（ｎは２以上の
自然数）回繰り返し、ｎ回繰り返した後、ｎ回目の第３の時刻後の第１のＦＤノードの電
位を第１の増幅トランジスタによって増幅し、第１の出力トランジスタのゲート電極を高
電位とする電位を供給し、第１の増幅トランジスタと第１の出力トランジスタとを導通さ
せることで第１の出力線の電位を変化させた後、第１の出力トランジスタのゲート電極を
第１の低電位とする電位を供給し、第１の低電位供給後の、第１の出力線の電位と第１の
低電位との第１の電位差を、第１の出力線から出力し、ｎ回目の第３の時刻後の第２のＦ
Ｄノードの電位を第２の増幅トランジスタによって増幅し、第２の出力トランジスタのゲ
ート電極を高電位とする電位を供給し、第２の増幅トランジスタと第２の出力トランジス
タとを導通させることで第２の出力線の電位を変化させた後、第２の出力トランジスタの
ゲート電極を第２の低電位とする電位を供給し、第２の低電位供給後の、第２の出力線の
電位と第２の低電位との第２の電位差を、第２の出力線から出力し、第１の出力線から第
１の電位差を、第２の出力線から第２の電位差を出力した後、第１の電位差に基づいて第
１の検出信号を取得し、第２の電位差に基づいて第２の検出信号を取得し、第１の検出信
号及び第２の検出信号を取得した後、光速をｃ、第１の検出信号をＳ１、第２の検出信号
をＳ２としたときに信号処理回路で、次式

の演算処理を行って、光電変換素子と被検出物との距離を算出することを特徴とする半導
体装置の駆動方法である。
上記において、半導体装置に含まれる複数の画素は、それぞれ光電変換素子と被検出物と
の距離を算出することが好ましい。
また、本発明の一態様では、１個の検出信号を取得するために赤外光の照射を複数回行い
、更に各回の照射期間を同一且つ極めて短期間とすることで、距離情報の精度向上を図る
。また、可視光を吸収し、赤外光を透過する第１の光センサ、及び赤外光を吸収する第２
の光センサを重畳し、第１の光センサで、先に可視光を吸収し、第２の光センサで、主に
赤外光を吸収することで、半導体装置の画素の微細化を達成しつつ２次元撮像及び３次元
撮像の同時撮像を可能にする。
本明細書で開示する本発明の一態様は、第１の光電変換素子、第２の光電変換素子、第１
の光電変換素子に照射される可視光の光量に基づき信号電荷を第１のＦＤノードに蓄積さ
せる第１の蓄積トランジスタ、及び第２の光電変換素子に照射される赤外光の光量に基づ
き信号電荷を第２のＦＤノードに蓄積させる第２の蓄積トランジスタ、を含む複数の画素
と、第１の出力線及び第２の出力線から出力された検出信号に基づき演算処理を行う信号
処理回路と、を有する半導体装置の駆動方法であって、第１の光電変換素子と重畳する第
２の光電変換素子の一方の電極に、第２のＦＤノードを第１の高電位とする電位を供給し
、光源から被検出物に対して、赤外光を期間Ｔで照射し、被検出物に到達して反射された
赤外光が第２の光電変換素子への入射を開始する時刻から、光源が赤外光の照射を停止す
る時刻までの第１の期間は、少なくとも第２の蓄積トランジスタのゲート電極の電位を第
２の高電位とすることをｎ（ｎは２以上の自然数）回繰り返し、ｎ回目の第１の期間後の
第２のＦＤノードの電位と低電位との第１の電位差に基づく第１の検出信号を、第２の出
力線から取得し、第１の検出信号を取得した後、第２の光電変換素子の一方の電極に、第
２のＦＤノードを第１の高電位とする電位を供給し、光源から被検出物に対して、赤外光
を期間Ｔで照射し、光源が赤外光の照射を停止する時刻から、被検出物に到達して反射さ
れた赤外光が第２の光電変換素子への入射を終了する時刻までの第２の期間は、少なくと
も第２の蓄積トランジスタのゲート電極の電位を第２の高電位とすることをｎ回繰り返し
、ｎ回目の第２の期間後の第２のＦＤノードの電位と低電位との第２の電位差に基づく第
２の検出信号を、第２の出力線から取得し、第１の光電変換素子の一方の電極に、第１の
ＦＤノードを第３の高電位とする電位を供給し、最初の照射による赤外光が、被検出物に
到達して反射され、第１の光電変換素子及び第２の光電変換素子への入射を開始する時刻
から、最後の照射による赤外光が、被検出物に到達して反射され、第１の光電変換素子及
び第２の光電変換素子への入射を終了する時刻までの第３の期間は、少なくとも第１の蓄
積トランジスタのゲート電極の電位を第４の高電位とし、第３の期間後の第１のＦＤノー
ドの電位と低電位との第３の電位差に基づく第３の検出信号を、第１の出力線から取得し
、第２の検出信号を取得した後、光速をｃ、第１の検出信号をＳ１、第２の検出信号をＳ
２としたときに信号処理回路で、次式

の演算処理を行って、第２の光電変換素子と被検出物との距離を算出し、第３の検出信号
を取得した後、各画素における第３の検出信号に基づき被検出物の画像を得ることを特徴
とする半導体装置の駆動方法である。
また、本明細書で開示する本発明の一態様は、第１の光電変換素子、第２の光電変換素子
、第１の光電変換素子に照射される可視光の光量に基づき第１の信号電荷を第１のＦＤノ
ードに蓄積させる第１の蓄積トランジスタ、第１の信号電荷の蓄積量に基づき変換された
第１の信号電位を増幅する第１の増幅トランジスタ、増幅された第１の信号電位に基づき
検出信号を第１の出力線から出力する第１の出力トランジスタ、第２の光電変換素子に照
射される赤外光の光量に基づき第２の信号電荷を第２のＦＤノードに蓄積させる第２の蓄
積トランジスタ、第２の信号電荷の蓄積量に基づき変換された第２の信号電位を増幅する
第２の増幅トランジスタ、及び増幅された第２の信号電位に基づき検出信号を第２の出力
線から出力する第２の出力トランジスタを含む複数の画素と、第１の出力線及び第２の出
力線から出力された検出信号に基づき演算処理を行う信号処理回路と、を有する半導体装
置の駆動方法であって、第１の光電変換素子と重畳する第２の光電変換素子の一方の電極
に、第２のＦＤノードを第１の高電位とする電位を供給し、光源から被検出物に対して、
赤外光を期間Ｔで照射し、被検出物に到達して反射された赤外光が第２の光電変換素子へ
の入射を開始する時刻から、光源が赤外光の照射を停止する時刻までの第１の期間は、少
なくとも第２の蓄積トランジスタのゲート電極の電位を第２の高電位とすることをｎ（ｎ
は２以上の自然数）回繰り返し、ｎ回繰り返した後、ｎ回目の第１の期間後の第２のＦＤ
ノードの電位を第２の増幅トランジスタによって増幅し、第２の出力トランジスタのゲー
ト電極を第３の高電位とする電位を供給し、第２の増幅トランジスタと第２の出力トラン
ジスタとを導通させることで第２の出力線の電位を変化させた後、第２の出力トランジス
タのゲート電極を第１の低電位とする電位を供給し、第１の低電位供給後の第２の出力線
の電位と第１の低電位との第１の電位差を、第２の出力線から出力し、出力した後、第１
の電位差に基づいて第１の検出信号を取得し、第１の検出信号を取得した後、第２の光電
変換素子の一方の電極に、第２のＦＤノードを第１の高電位とする電位を供給し、光源か
ら被検出物に対して、赤外光を期間Ｔで照射し、光源が赤外光の照射を停止する時刻から
、被検出物に到達して反射された赤外光が第２の光電変換素子への入射を終了する時刻ま
での第２の期間は、少なくとも第２の蓄積トランジスタのゲート電極の電位を第２の高電
位とすることをｎ回繰り返し、ｎ回繰り返した後、ｎ回目の第２の期間後の第２のＦＤノ
ードの電位を第２の増幅トランジスタによって増幅し、第２の出力トランジスタのゲート
電極を第３の高電位とする電位を供給し、第２の増幅トランジスタと第２の出力トランジ
スタとを導通させることで第２の出力線の電位を変化させた後、第２の出力トランジスタ
のゲート電極を第１の低電位とする電位を供給し、第１の低電位供給後の第２の出力線の
電位と第１の低電位との第２の電位差を、第２の出力線から出力し、出力した後、第２の
電位差に基づいて第２の検出信号を取得し、第１の光電変換素子の一方の電極に、第１の
ＦＤノードを第４の高電位とする電位を供給し、最初の照射による赤外光が、被検出物に
到達して反射され、第１の光電変換素子及び第２の光電変換素子への入射を開始する時刻
から、最後の照射による赤外光が、被検出物に到達して反射され、第１の光電変換素子及
び第２の光電変換素子への入射を終了する時刻までの第３の期間は、少なくとも第１の蓄
積トランジスタのゲート電極の電位を第５の高電位とし、第３の期間後の第１のＦＤノー
ドの電位を第１の増幅トランジスタによって増幅し、第１の出力トランジスタのゲート電
極を第６の高電位とする電位を供給し、第１の増幅トランジスタと第１の出力トランジス
タとを導通させることで第１の出力線の電位を変化させた後、第１の出力トランジスタの
ゲート電極を第２の低電位とする電位を供給し、第２の低電位供給後の第１の出力線の電
位と第２の低電位との第３の電位差を、第１の出力線から出力し、出力した後、第３の電
位差に基づいて第３の検出信号を取得し、第２の検出信号を取得した後、光速をｃ、第１
の検出信号をＳ１、第２の検出信号をＳ２としたときに信号処理回路で、次式

の演算処理を行って、第２の光電変換素子と被検出物との距離を算出し、第３の検出信号
を取得した後、各画素における第３の検出信号に基づき被検出物の画像を得ることを特徴
とする半導体装置の駆動方法である。
上記において、半導体装置に含まれる複数の画素は、それぞれ第２の光電変換素子と被検
出物との距離を算出することが好ましい。
また上記において、光源は半導体装置の内部に搭載されていても良いし、外部に設置され
ていても良い。
また上記において、半導体装置の内部に照射制御装置が搭載されていても良い。照射制御
装置は、赤外光の照射の開始から停止までの期間や、赤外光照射の回数を設定し、設定値
に基づき、光源に同期したパルス状の信号を出力することが可能である。
なお、本明細書中において、「遅延期間」とは、光源から被検出物に対して、光の照射を
開始した時刻と、被検出物から反射された光の光センサへの入射が開始した時刻との時間
差を指すものとする。
赤外光照射の度に生じる遅延期間を利用して、検出信号を取得する事で、より高精度な距
離情報を取得することができる。また、隣接するフォトダイオードで同一点からの反射光
を連続的に検出することで、被検出物の高速移動に対しても距離情報の精度を維持できる
。また、距離情報を取得する期間の可視光を検出する事で、距離情報と同時に画像情報を
取得することができる。
半導体装置を説明する図。 光センサを説明する図。 光センサを説明する図。 光センサを説明する図。 光センサのタイミングチャートを説明する図。 読み出し回路を説明する図。 光センサのタイミングチャートを説明する図。 光センサのタイミングチャートを説明する図。 遅延期間の割合を説明する図。 マトリクス状に配置された複数の光センサの回路図。 光センサの上面図と断面図。 表示装置の断面図。 マトリクス状に配置された複数の光センサを説明する図。 光センサの上面図。 光センサの断面図。
実施の形態について、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。
（実施の形態１）
本明細書で開示する発明の一態様における半導体装置５００の構成について、図１を参照
して説明する。半導体装置５００は、後述する各光センサ１００から出力された検出信号
に基づき算出した、各光センサ１００と被検出物のある点との距離を用いて、被検出物全
体の距離情報を取得する装置である。
＜半導体装置５００の構成＞
図１（Ａ）に示すように半導体装置５００は、少なくともマトリクス状に配置された複数
の画素５０１を含む受光部５０２と信号処理回路５０３とを有する。各画素５０１は、１
個の光センサ１００を含む。
光源５０４及び照射制御装置５０５は、半導体装置５００内部に搭載されていても良いし
、外部に設置されていても良い。
図１（Ｂ）に示すように、光源５０４から被検出物５０６に対して、赤外光５０７（照射
光）が照射され、被検出物５０６に到達して反射された光（反射光５０８）が、半導体装
置５００に含まれる各光センサ１００へと入射する。
受光部５０２は、照射制御装置５０５からのパルス状の信号に基づき光量に応じた検出信
号を、信号処理回路５０３に出力する。
信号処理回路５０３は、反射光５０８の光量を判定し、赤外光が光源５０４から受光部５
０２まで到達する時間（遅延期間ΔＴ）を算出し、遅延期間ΔＴを利用して各光センサ１
００と被検出物のある点との距離ｘを演算する。信号処理回路５０３の演算結果は、例え
ば表示装置等に出力される（図示せず）。
光源５０４は、照射制御装置５０５からの指令に応じて赤外光を被検出物に対して照射す
る。なお、赤外光の照射は複数回行われ、更に各回の照射期間は同一且つ極めて短期間と
することが好ましい。
なお、受光部５０２には、可視光が入射していても良い。
＜光センサの構成例１＞
次に本明細書で開示する発明の一態様における半導体装置が有する光センサ１００の構成
の一例について、図２を参照して説明する。図２は光センサ１００の回路図である。なお
、光センサ１００は該構成に限定されず、少なくとも１個のフォトダイオードと１個のト
ランジスタとを含んでいれば良い。
図２に示すように、光センサ１００は、フォトダイオード１０２、トランジスタ１０３、
トランジスタ１０４、トランジスタ１０５を有する。
図２に示す光センサ１００は、３個のトランジスタと１個のフォトダイオードから構成さ
れる。光センサ１００の素子数を低減させることで、画素の微細化を図り、半導体装置を
小型化することが容易になる。
図２において、信号線１１はリセット信号線（ＰＲ）、信号線１２は電荷蓄積信号線（Ｔ
Ｘ）、信号線１３は選択信号線（ＳＥ）、ノード１４は、フローティングディフュージョ
ン（ＦＤ）ノード、信号線１５は、光センサ基準信号線、信号線１６は、光センサ出力信
号線である。
なお、本明細書中において、フォトダイオード１０２には、少なくとも赤外光が照射され
る。
フォトダイオード１０２は、該ダイオードに入射する光を検出し、電荷を発生させる光電
変換素子として機能する。入射する光量に基づき発生する電荷量が決まる。
トランジスタ１０３は、撮像を制御するトランジスタとして機能する。即ちフォトダイオ
ード１０２に照射される光量に基づき、ノード１４に蓄積させる電荷量を制御するトラン
ジスタとして機能する。
図２に示すように、光センサ１００において、フォトダイオード１０２の一方の電極は信
号線１１と電気的に接続され、フォトダイオード１０２の他方の電極は、トランジスタ１
０３のソース電極又はドレイン電極の一方と電気的に接続されている。トランジスタ１０
３のソース電極又はドレイン電極の他方と、トランジスタ１０４のゲート電極と、ノード
１４とは、電気的に接続されている。トランジスタ１０４のソース電極又はドレイン電極
の一方と信号線１５とは、電気的に接続されている。トランジスタ１０５のソース電極又
はドレイン電極の一方と信号線１６とは、電気的に接続されている。トランジスタ１０４
のソース電極又はドレイン電極の他方と、トランジスタ１０５のソース電極又はドレイン
電極の他方とは、電気的に接続されている。トランジスタ１０３のゲート電極と信号線１
２とは電気的に接続され、トランジスタ１０５のゲート電極と信号線１３とは電気的に接
続されている。
なお、図２では、フォトダイオード１０２の陽極が信号線１１と電気的に接続され、フォ
トダイオード１０２の陰極がトランジスタ１０３のソース電極又はドレイン電極の一方と
電気的に接続されている構成を示したがこれに限定されない。フォトダイオード１０２の
陰極が信号線１１と電気的に接続され、フォトダイオード１０２の陽極がトランジスタ１
０３のソース電極又はドレイン電極の一方と電気的に接続されていても良い。
＜光センサの構成例２＞
また、本明細書で開示する発明の一態様における半導体装置では、光センサ１００が縦ｍ
個（行）×横ｎ個（列）（ｍ、ｎは２以上の自然数）でマトリクス状に配置されていても
よい。図３では、一例として、列方向に隣接する光センサを光センサ１００（ｋ−１）（
ｋは２以上ｎ以下の自然数）及び光センサ１００（ｋ）のように示している。
光センサ１００（ｋ−１）は、フォトダイオード１０２（ｋ−１）、トランジスタ１０３
（ｋ−１）、トランジスタ１０４（ｋ−１）、トランジスタ１０５（ｋ−１）を有し、光
センサ１００（ｋ）は、フォトダイオード１０２（ｋ）、トランジスタ１０３（ｋ）、ト
ランジスタ１０４（ｋ）、トランジスタ１０５（ｋ）を有する。
＜光センサの構成例３＞
また、明細書で開示する発明の一態様における半導体装置では、光センサが、光センサ１
００Ａ及び光センサ１００Ｂをそれぞれ１個ずつ含む。このような光センサを各画素に備
えた半導体装置５００では、各光センサ１００Ａから出力された検出信号に基づき、被検
出物全体の画像情報を取得し、画像情報の取得と同時に、各光センサ１００Ｂから出力さ
れた検出信号に基づき算出した、各光センサ１００Ｂと被検出物のある点との距離を用い
て被検出物全体の距離情報を取得することができる。
図１（Ｃ）に示すように、光源５０４から被検出物５０６に対して、赤外光５０７及び可
視光５１７が照射され、被検出物５０６に到達して反射された光（反射光）が、半導体装
置５００に含まれる各光センサ１００Ａ及び各光センサ１００Ｂへと入射する。なお、光
センサ１００Ａは反射光のうち可視光５１８を吸収し、光センサ１００Ｂは赤外光である
反射光５０８（赤外反射光とも記す）を吸収する。
なお、本明細書では、フォトダイオード１０２Ａは、特定の波長領域の光、一例として可
視光を吸収し、特定の波長領域以外の光、一例として赤外光を透過するものとする。また
、フォトダイオード１０２Ｂは、特定の波長領域の光、一例として可視光を吸収し、特定
の波長領域以外の光、一例として赤外光も吸収するものとする。
信号処理回路５０３は、各光センサ１００Ｂが吸収した赤外反射光の光量を判定し、赤外
光が光源５０４から受光部５０２まで到達する時間（遅延期間ΔＴ）を算出し、遅延期間
ΔＴを利用して各光センサ１００Ｂと被検出物のある点との距離ｘを演算する。信号処理
回路５０３の演算結果は、例えば表示装置等に出力される（図示せず）。
なお、受光部５０２において光センサ１００Ａと光センサ１００Ｂとは重畳し、被検出物
５０６から反射された可視光５１８を、先に光センサ１００Ａでほぼ吸収する。
光センサ１００Ａ及び光センサ１００Ｂをそれぞれ１個ずつ含む光センサ群の構成の一例
について、図４を参照して説明する。図４は、光センサ群１１０の回路図である。光セン
サ１００Ａ及び光センサ１００Ｂをそれぞれ１個ずつ含む光センサ群１１０は、該構成に
限定されず、少なくとも赤外光を透過し可視光を吸収するフォトダイオードと、赤外光を
吸収するフォトダイオードと、可視光の光量に基づき信号電荷をＦＤノードに蓄積させる
トランジスタと、赤外光の光量に基づき信号電荷をＦＤノードに蓄積させるトランジスタ
と、を含んでいれば良い。
図４に示すように、光センサ群１１０は、フォトダイオード２個と、トランジスタ６個と
を有する。なお、本明細書において、特に可視光を吸収し、赤外光を透過する光センサを
指す場合は、光センサ１００Ａ、フォトダイオード１０２Ａ、トランジスタ１０３Ａ、ト
ランジスタ１０４Ａ、トランジスタ１０５Ａのように、特に赤外光を吸収する光センサを
指す場合は、光センサ１００Ｂ、フォトダイオード１０２Ｂ、トランジスタ１０３Ｂ、ト
ランジスタ１０４Ｂ、トランジスタ１０５Ｂのように表すものとする。
図４に示す光センサ１００Ａ及び光センサ１００Ｂは、それぞれ３個のトランジスタと１
個のフォトダイオードから構成される。光センサ１００Ａ、及び光センサ１００Ｂの素子
数を一般的な光センサが有する素子数と比べて低減させることで、画素の微細化を図り、
半導体装置を小型化することが容易になる。
図４において、信号線１１Ａ、１１Ｂはリセット信号線（ＰＲ）、信号線１２Ａ、１２Ｂ
は電荷蓄積信号線（ＴＸ）、信号線１３Ａ、１３Ｂは選択信号線（ＳＥ）、ノード１４Ａ
、１４Ｂは、フローティングディフュージョン（ＦＤ）ノード、信号線１５は、光センサ
基準信号線、信号線１６Ａ、１６Ｂは、光センサ出力信号線である。なお、図４では、２
次元撮像に用いられる信号線を、＿２で、３次元撮像に用いられる信号線を、＿３で表し
ている。
フォトダイオード１０２Ａ、１０２Ｂは、該ダイオードに入射する光を検出し、電荷を発
生させる光電変換素子として機能する。照射される光量に応じて発生する電荷量が決まる
。
トランジスタ１０３Ａ、１０３Ｂは、撮像を制御するトランジスタとして機能する。即ち
フォトダイオード１０２Ａ、１０２Ｂに照射される光量に基づき、ノード１４Ａ、ノード
１４Ｂに蓄積させる電荷量を制御するトランジスタとして機能する。
また、図４に示すように、光センサ群１１０において、フォトダイオード１０２Ａ、１０
２Ｂの陽極は信号線１１Ａ、１１Ｂのそれぞれと電気的に接続され、フォトダイオード１
０２Ａ、１０２Ｂの陰極は、トランジスタ１０３Ａ、１０３Ｂのソース電極又はドレイン
電極の一方のそれぞれと電気的に接続されている。トランジスタ１０３Ａ、１０３Ｂのソ
ース電極又はドレイン電極の他方と、トランジスタ１０４Ａ、１０４Ｂのゲート電極のそ
れぞれと、ノード１４Ａ、１４Ｂのそれぞれとは、電気的に接続されている。トランジス
タ１０４Ａ、１０４Ｂのソース電極又はドレイン電極の一方と信号線１５は、電気的に接
続されている。トランジスタ１０５Ａ、１０５Ｂのソース電極又はドレイン電極の一方と
信号線１６Ａ、１６Ｂのそれぞれとは、電気的に接続されている。トランジスタ１０４Ａ
、１０４Ｂのソース電極又はドレイン電極の他方のそれぞれと、トランジスタ１０５Ａ、
１０５Ｂのソース電極又はドレイン電極の他方のそれぞれとは、電気的に接続されている
。トランジスタ１０３Ａ、１０３Ｂのゲート電極と信号線１２Ａ、１２Ｂのそれぞれとは
電気的に接続され、トランジスタ１０５Ａ、１０５Ｂのゲート電極と信号線１３Ａ、１３
Ｂのそれぞれとは電気的に接続されている。
＜撮像の仕組み＞
ここで、撮像の仕組みについて説明する。以下では、光センサ１００を例に挙げて説明す
るが、光センサ１００Ａ及び光センサ１００Ｂについても同様の仕組みが適用される。フ
ォトダイオード１０２の陽極の電位を”Ｌ”から”Ｈ”とし、トランジスタ１０３のゲー
ト電極の電位を”Ｌ”から”Ｈ”とすると、ノード１４に正の電荷が蓄積されていく。こ
の状態で、信号線１１の電位を、”Ｈ”から”Ｌ”とすると、フォトダイオード１０２に
照射される光量に基づき、ノード１４に負の電荷が蓄積されていく（撮像開始）。次いで
、トランジスタ１０３のゲート電極の電位を”Ｈ”から”Ｌ”とするとノード１４での電
荷の蓄積は停止する（撮像終了）。トランジスタ１０３のゲート電極の電位を、切り換え
ることで、ノード１４に蓄積させる電荷量を制御することができる。
トランジスタ１０３に用いられる半導体層には、アモルファスシリコン、微結晶シリコン
、又は酸化物半導体を用いることが好ましい。半導体層として酸化物半導体を用いたトラ
ンジスタはオフ電流が極めて低いため、フォトダイオード１０２に光が照射されることに
より生成された電荷を、長時間保持することが可能になる。従って、撮像データを長時間
保持することが可能であるため正確な撮像データを取得し易い。
また、トランジスタ１０３の半導体層として酸化物半導体材料を用いることでノード１４
から、フォトダイオード１０２に漏れる電荷の流れを抑えることが可能になる。特に、ノ
ード１４に長時間、電荷が蓄積される場合には、漏れ電荷の影響が大きくなるため、酸化
物半導体を用いることが特に好ましい。半導体層に酸化物半導体を用いて、遅延期間をよ
り高精度に検出し、信頼性の高い検出信号を取得することで、光センサ１００全体の性能
を高めることも可能になる。
トランジスタ１０４は、ノード１４における電荷の蓄積量に基づき変換された電位を増幅
するトランジスタとして機能する。トランジスタ１０４の増幅度を高めれば、光センサ１
００の感度を高めることができる。
トランジスタ１０４に用いられる半導体層としては、多結晶シリコン、単結晶シリコンな
どの材料を用いることが好ましい。半導体層にこれらの材料を用いる事で、ノード１４の
電荷に対する増幅度を高めることができるため、より感度の良い増幅トランジスタを構成
することが可能になる。
トランジスタ１０５は、光センサ１００の出力を制御するトランジスタとして機能する。
即ち、トランジスタ１０４により増幅された電位を、ゲート電極の電位を切り換えること
で、信号線１６の電位として出力する事ができる。
トランジスタ１０５に用いられる半導体層としては、多結晶シリコン、単結晶シリコンな
どの材料を用いることが好ましい。これらの材料を用いることで、トランジスタ１０５の
オン電流を高くすることができる。従って、検出信号の出力期間を短縮し、光センサ１０
０の出力を高速で制御することができる。また、半導体層にこれらの材料を用いる事で、
信号線１６のスイッチングの速度をより広範囲で制御することが可能になる。電位変化の
速度の自由度を高めて速度差を明確に抽出することで、より正確な検出信号の取得が可能
になる。
上述のように、光センサ１００は、フォトダイオード１個とトランジスタ３個という４素
子で構成される。光センサを少ない素子数で構成することが可能であるため、光センサを
高密度で集積し、画素の微細化を達成することが容易になる。また、トランジスタ１０４
及びトランジスタ１０５の半導体層として、多結晶シリコン、単結晶シリコンなどの材料
を、トランジスタ１０３の半導体層として、アモルファスシリコン、微結晶シリコン、又
は酸化物半導体材料を用いて、積層構造を構成することで、より画素を微細化することも
できる。
なお、フォトダイオード１０２に光が照射されることにより生成された電荷をノード１４
に短時間で蓄積させることを重視する場合、即ち、被検出物が高速で移動する場合等であ
れば、トランジスタ１０３に用いられる半導体層としてアモルファスシリコンや多結晶シ
リコン、単結晶シリコンなどの材料を用いることもできる。これらの材料を用いても、ノ
ード１４に電荷が蓄積されている時間は僅かであるため、漏れ電荷によって生じる悪影響
を抑えることができる。
また、中小型で高速動作を特に重視する光センサ１００を得る場合には、画素を構成する
全てのトランジスタ（トランジスタ１０３、トランジスタ１０４、トランジスタ１０５）
を多結晶シリコン、単結晶シリコンなどの材料で構成することもできる。
また、低コスト化、大型化、且つ高性能化を重視する場合には、画素を構成する全てのト
ランジスタ（トランジスタ１０３、トランジスタ１０４、トランジスタ１０５）を酸化物
半導体材料で構成することもできる。
また、低コスト化、且つ大型化を重視する場合には、画素を構成する全てのトランジスタ
（トランジスタ１０３、トランジスタ１０４、トランジスタ１０５）をアモルファスシリ
コンや微結晶シリコンで構成することもできる。
＜半導体装置の駆動方法１＞
以下に、図２で示した光センサ１００を有する半導体装置の駆動方法の一例について説明
する。該駆動方法を用いることで、異なる２個の検出信号を取得し、半導体装置と被検出
物との距離を算出することができる。
距離の算出は、半導体装置が有する信号処理回路により行われる。該信号処理回路は、取
得した異なる検出信号に基づき適切な演算処理を行うことが可能である。従って、１個の
光センサと、被検出物のある一点との距離は、光源から被検出物に対して、赤外光の照射
と停止を複数回繰り返す事で算出することが可能である。
更に、赤外光の照射開始から停止までの期間を極めて短く、且つ複数回繰り返す事で、半
導体装置は、被検出物と光センサとの距離を精度良く取得することができる。
まずタイミングチャートについて説明する。
図５は、光源から被検出物に対して、赤外光照射が行われるタイミングを示すパルス３０
１、被検出物に到達して反射された光がフォトダイオードへ入射するタイミングを示すパ
ルス３０２、信号線１１のパルス（ＰＲ）、信号線１２のパルス（ＴＸ）、信号線１３の
パルス（ＳＥ）、ノード１４のパルス（ＦＤ）、信号線１６のパルス、を示している。
本明細書におけるパルス３０１では、赤外光照射が行われている期間を”Ｈ”で表し、赤
外光照射が行われていない期間を”Ｌ”で表している。
図５に示すように、期間Ｔの赤外光照射が複数回行われる。なお、第１回目の赤外光照射
は、時刻Ｔ２から時刻Ｔ４、第２回目の赤外光照射は、時刻Ｔ６から時刻Ｔ８、第３回目
の赤外光照射は、時刻Ｔ１２から時刻Ｔ１５、第４回目の赤外光照射は、時刻Ｔ１８から
時刻Ｔ２０であり、期間Ｔは極めて短い。
本明細書におけるパルス３０２では、光源から被検出物に対して照射された赤外光が、被
検出物で反射され、光センサ１００に入射している期間を、”Ｈ”で表し、入射していな
い期間を”Ｌ”で表している。
信号線１１のパルス（ＰＲ）では、フォトダイオード１０２の陽極に供給される電位が高
電位の期間を”Ｈ”で、低電位の期間を”Ｌ”で表している。なお、後述する図７におけ
る信号線１１＿（ｋ−１）（ＰＲ＿（ｋ−１））、信号線１１＿（ｋ）（ＰＲ＿（ｋ））
、図８における信号線１１Ａ（ＰＲ＿２）、信号線１１Ｂ（ＰＲ＿３）も同様である。
本明細書における信号線１２のパルス（ＴＸ）では、トランジスタ１０３のゲート電極に
供給される電位が高電位の期間を”Ｈ”で、低電位の期間を”Ｌ”で表している。なお、
後述する図７における信号線１２＿（ｋ−１）（ＴＸ＿（ｋ−１））、信号線１２＿（ｋ
）（ＴＸ＿（ｋ））、図８における信号線１２Ａ（ＴＸ＿２）、信号線１２Ｂ（ＴＸ＿３
）も同様である。
本明細書における信号線１３のパルス（ＳＥ）では、トランジスタ１０５のゲート電極に
供給される電位が高電位の期間を”Ｈ”で、低電位の期間を”Ｌ”で表している。なお、
後述する図７における信号線１３＿（ｋ−１）（ＳＥ＿（ｋ−１））、信号線１３＿（ｋ
）（ＳＥ＿（ｋ））、図８における信号線１３Ａ（ＳＥ＿２）、信号線１３Ｂ（ＳＥ＿３
）も同様である。
図５に示すノード１４のパルス（ＦＤ）では、高電位の期間を”Ｈ”で、低電位の期間を
”Ｌ”で、時刻Ｔ９での低電位”Ｌ”とノード１４との間の電位差を”Ｖ１”で、時刻Ｔ
２１での低電位”Ｌ”とノード１４との間の電位差を”Ｖ２”で、表している。
図５に示す信号線１６のパルスでは、高電位の期間を”Ｈ”で、低電位の期間を”Ｌ”で
、時刻Ｔ１１での、低電位”Ｌ”と信号線１６との間の電位差を”ＶＳ１”で、時刻Ｔ２
４での、低電位”Ｌ”と信号線１６との間の電位差を”ＶＳ２”で、表している。
なお、図５において、時刻Ｔ１１での、低電位”Ｌ”と信号線１６との間の電位差”ＶＳ
１”が第１の検出信号Ｓ１に相当し、時刻Ｔ２４での、低電位”Ｌ”と信号線１６との間
の電位差”ＶＳ２”が第２の検出信号Ｓ２に相当する。
また、図５において、遅延期間ΔＴは、時刻Ｔ２から時刻Ｔ３、時刻Ｔ６から時刻Ｔ７、
時刻Ｔ１２から時刻Ｔ１３、時刻Ｔ１８から時刻Ｔ１９に相当する。
なお、本明細書において、低電位”Ｌ”とは全て共通の電位を指すものとする。
なお、図５では、４回の赤外光照射において期間Ｔを固定する。
更に、上記撮像を行う期間において、半導体装置から被検出物までの距離は変わらないも
のとする。従って、遅延期間ΔＴは４回の赤外光照射で等しいと仮定できる。
なお、図５では、一例として第１の検出信号及び第２の検出信号を取得するための赤外光
照射をそれぞれ２回行っているが、３回以上行うことも有効であり、回数は特に限定され
ない。ただし、第１の検出信号を取得するための赤外光照射の回数と、第２の検出信号を
取得するための赤外光照射の回数とは、等しくする。
次に、半導体装置が有するある１個の光センサと被検出物のある一点との距離を算出する
方法について説明する。図５のタイミングチャートに合わせて赤外光照射を２回行った場
合を考える。半導体装置から被検出物までの距離をｘ、検出信号強度が正味の露光時間（
撮像期間における反射光の入射時間）に比例するとして、その比例定数をα（ただしαは
一定）、第１の検出信号をＳ１（２）、第２の検出信号をＳ２（２）、光速をｃ（３×１
０８ｍ／ｓ）とすると、第１の検出信号Ｓ１（２）、第２の検出信号Ｓ２（２）、遅延期
間ΔＴ、距離ｘは、それぞれ以下のように表せる。
赤外光照射を２回行った場合からの類推で、赤外光照射をｎ回行った場合についても、次
の様に容易に定式化できる。すなわち、半導体装置から被検出物までの距離をｘ、検出信
号強度が正味の露光時間（撮像期間における反射光の入射時間）に比例するとして、その
比例定数をα、第１の検出信号をＳ１（ｎ）、第２の検出信号をＳ２（ｎ）、光速をｃ（
３×１０８ｍ／ｓ）とすると、第１の検出信号Ｓ１（ｎ）、第２の検出信号Ｓ２（ｎ）、
遅延期間ΔＴ、距離ｘは、それぞれ以下のように表せる。
上記計算より、赤外光照射の回数が異なっても、距離ｘは、遅延期間ΔＴに依存せず、照
射期間、検出信号、光速から算出可能であることがわかる。
また、第１の検出信号Ｓ１（ｎ）及び第２の検出信号Ｓ２（ｎ）は、赤外光照射の回数ｎ
を大きくする程、精度が高くなる。赤外光照射の回数が多い程、ＦＤノードの電位の変化
、及び出力信号線における電位の変化が大きくなり、検出信号の強度変化が大きくなるの
で、Ｓ／Ｎ比を向上させることができるためである。従って、赤外光照射の回数を多くす
るほど、より高精度な距離ｘを算出できる。
また、赤外光を照射する期間Ｔは、遅延期間ΔＴ以下にならない程度に短く設定される事
が好ましい。期間Ｔが短い程、期間Ｔに占める遅延期間ΔＴの割合を大きくすることがで
きる。距離ｘに対する第１の検出信号Ｓ１及び第２の検出信号Ｓ２の変化を大きくするこ
とで、距離ｘに対する感度を上げ易く、精度を向上させることができる。
即ち、検出信号を取得する度に、極めて短い期間Ｔの赤外光照射を複数回繰り返し行うこ
とは、長期間で１回の赤外光照射を行うことと比較して、高精度に半導体装置と被検出物
との距離を算出でき、且つ計測時間全体を大幅に低減できることになる。
次に、具体的な半導体装置の駆動方法について、図５に示すタイミングチャートを利用し
て説明する。
時刻Ｔ１において、信号線１１の電位を”Ｌ”から”Ｈ”とする（第１のリセット動作）
。更に、信号線１２の電位を”Ｌ”から”Ｈ”とする。この時、フォトダイオード１０２
及びトランジスタ１０３が導通し、ノード１４の電位が”Ｈ”となる。
時刻Ｔ２において、光源から被検出物に対して第１回目の赤外光照射を開始する。パルス
３０１では、”Ｌ”から”Ｈ”で示している。また、信号線１１の電位を”Ｈ”から”Ｌ
”とする。信号線１２の電位は、”Ｈ”を維持する。
時刻Ｔ３において、第１回目の赤外光照射に対する撮像を開始する。時刻Ｔ３において、
第１回目の赤外光照射による被検出物からの反射光がフォトダイオード１０２に入射し始
める。なお、当該反射光は、赤外光である。パルス３０２では、”Ｌ”から”Ｈ”で示し
ている。ノード１４の電位は”Ｈ”から低下し始める。信号線１２は”Ｈ”を維持する。
時刻Ｔ４において、第１回目の赤外光照射を停止する。（時刻Ｔ２から時刻Ｔ４までの間
を期間Ｔとする。）
パルス３０１では、”Ｈ”から”Ｌ”で示している。また、信号線１２の電位を”Ｈ”か
ら”Ｌ”とする。第１回目の赤外光照射に対する撮像が終了する。また、時刻Ｔ４におい
て、ノード１４の電位の低下が止まり、一定となる。
時刻Ｔ４におけるノード１４の電位は、時刻Ｔ３から時刻Ｔ４までの間（第１回目の赤外
光照射中）にフォトダイオード１０２に照射される光量に基づいて決定される。光量が多
いほど、電位変化は大きくなる。即ち、同一照射期間であれば光強度が大きい程、同一強
度であれば、照射期間が長い程、電位変化は大きくなる。
なお、信号線１２を”Ｌ”とする際、信号線１２とノード１４との間における寄生容量に
より、ノード１４の電位変化が生じる。電位変化が大きい場合、フォトダイオード１０２
で生成した光電流を精密に取得できないことになる。従って、寄生容量の影響を低減する
ために、トランジスタ１０３のゲート電極−ソース電極間容量、又はトランジスタ１０３
のゲート電極−ドレイン電極間容量を低減する、ノード１４に保持容量を接続する、など
の対策が有効である。本実施の形態の光センサでは、これらの対策を施し、寄生容量に起
因するノードの電位変化は無視できるものとしている。
時刻Ｔ５において、被検出物からのフォトダイオード１０２に対する反射光の入射が終了
する。パルス３０２では、”Ｈ”から”Ｌ”で示している。
時刻Ｔ６において、光源から被検出物に対して第２回目の赤外光照射を開始する。パルス
３０１では、”Ｌ”から”Ｈ”で示している。また、信号線１２の電位を”Ｌ”から”Ｈ
”とする。ノード１４の電位は、時刻Ｔ４における電位を維持する。
時刻Ｔ７において、第２回目の赤外光照射に対する撮像を開始する。時刻Ｔ７において、
第２回目の赤外光照射による被検出物からの反射光がフォトダイオード１０２に入射し始
める。パルス３０２では、”Ｌ”から”Ｈ”で示している。ノード１４の電位は、時刻Ｔ
４における電位から低下し始める。信号線１２は”Ｈ”を維持する。
時刻Ｔ８において、第２回目の赤外光照射を停止する。（時刻Ｔ６から時刻Ｔ８までの間
を期間Ｔとする。）
パルス３０１では、”Ｈ”から”Ｌ”で示している。また、信号線１２の電位を”Ｈ”か
ら”Ｌ”とする。第２回目の赤外光照射に対する撮像が終了する。また、時刻Ｔ８におい
て、ノード１４の電位の低下が止まり、一定となる。時刻Ｔ８におけるノード１４の電位
を、”Ｖ１”とする。
時刻Ｔ８におけるノード１４の電位”Ｖ１”は、時刻Ｔ３から時刻Ｔ４までの間にフォト
ダイオード１０２に照射される光量と時刻Ｔ７から時刻Ｔ８までの間（第２回目の赤外光
照射中）にフォトダイオード１０２に照射される光量との合計に基づいて決定される。
時刻Ｔ９において、被検出物からのフォトダイオード１０２に対する反射光の入射が終了
する。パルス３０２では、”Ｈ”から”Ｌ”で示している。
時刻Ｔ１０において、信号線１３の電位を”Ｌ”から”Ｈ”とする（第１の読み出し開始
）。ゲート電極に電位”Ｈ”が供給され、トランジスタ１０５が導通する。また、信号線
１５及び信号線１６が、トランジスタ１０４、トランジスタ１０５を介して、導通する。
信号線１６の電位は”Ｈ”から低下し始める。
なお、時刻Ｔ１０以前に、信号線１６には、予めプリチャージ動作を施し、信号線１６の
電位を”Ｈ”としておく。
時刻Ｔ１１において、信号線１３の電位を”Ｈ”から”Ｌ”とする（第１の読み出し終了
）。トランジスタ１０５が遮断され、信号線１６の電位の低下が止まり、一定となる。時
刻Ｔ１１における信号線１６の電位を、”ＶＳ１”とする。
時刻Ｔ１１における信号線１６の電位”ＶＳ１”を取得することで、第１回目の赤外光照
射中にフォトダイオード１０２に照射される光量と、第２回目の赤外光照射中にフォトダ
イオード１０２に照射される光量との合計を検出することができる。
なお、フォトダイオード１０２に照射される光量が多いと、一定期間内でのノード１４の
電位変化は大きくなるため、ノード１４の電位は低くなる。また、トランジスタ１０４の
チャネル抵抗が高くなるので、信号線１６の電位の低下速度は遅くなる。従って、ノード
１４の電位変化と、信号線１６の電位変化は反転する。
なお、第１回目の赤外光照射及び第２回目の赤外光照射における光強度が一定の場合、信
号線１６の電位”ＶＳ１”は、照射期間に比例するものとする。
時刻Ｔ１２において、光源から被検出物に対して第３回目の赤外光照射を開始する。パル
ス３０１では、”Ｌ”から”Ｈ”で示している。
時刻Ｔ１３において、第３回目の赤外光照射による被検出物からの反射光がフォトダイオ
ード１０２に入射し始める。パルス３０２では、”Ｌ”から”Ｈ”で示している。
時刻Ｔ１４において、信号線１１の電位を”Ｌ”から”Ｈ”とする（第２のリセット動作
）。更に、信号線１２の電位を”Ｌ”から”Ｈ”とする。この時、フォトダイオード１０
２及びトランジスタ１０３が導通し、ノード１４の電位が”Ｈ”となる。
なお、第２のリセット動作は、第３回目の赤外光照射の前に行っても良い。
時刻Ｔ１５において、第３回目の赤外光照射に対する撮像を開始する。時刻Ｔ１５におい
て、第３回目の赤外光照射を停止する。（時刻Ｔ１２から時刻Ｔ１５までの間を期間Ｔと
する。）パルス３０１では、”Ｈ”から”Ｌ”で示している。また、信号線１１の電位を
”Ｈ”から”Ｌ”とする。ノード１４の電位は”Ｈ”から低下し始める。信号線１２は”
Ｈ”を維持する。
時刻Ｔ１６において、被検出物からのフォトダイオード１０２に対する反射光の入射が終
了する。パルス３０２では、”Ｈ”から”Ｌ”で示している。信号線１２は電位”Ｈ”を
維持する。
第３回目の赤外光照射に対する撮像が終了する。また、時刻Ｔ１６において、ノード１４
の電位の低下が止まり、一定となる。
時刻Ｔ１６におけるノード１４の電位は、時刻Ｔ１５から時刻Ｔ１６までの間（第３回目
の赤外光照射後）にフォトダイオード１０２に照射される光量に基づいて決定される。
時刻Ｔ１７において、信号線１２の電位を”Ｈ”から”Ｌ”とする。
なお、時刻Ｔ１６から時刻Ｔ１７までの間は、フォトダイオード１０２に反射光は照射さ
れない。
時刻Ｔ１８において、光源から被検出物に対して第４回目の赤外光照射を開始する。パル
ス３０１では、”Ｌ”から”Ｈ”で示している。
時刻Ｔ１９において、第４回目の赤外光照射による被検出物からの反射光がフォトダイオ
ード１０２に入射し始める。パルス３０２では、”Ｌ”から”Ｈ”で示している。
時刻Ｔ２０において、第４回目の赤外光照射に対する撮像を開始する。時刻Ｔ２０におい
て、第４回目の赤外光照射を停止する。（時刻Ｔ１８から時刻Ｔ２０までの間を期間Ｔと
する。）パルス３０１では、”Ｈ”から”Ｌ”で示している。また、信号線１２の電位を
”Ｌ”から”Ｈ”とする。時刻Ｔ２０において、ノード１４の電位は、時刻Ｔ１６におけ
る電位から低下し始める。
時刻Ｔ２１において、被検出物からのフォトダイオード１０２に対する反射光の入射が終
了する。パルス３０２では、”Ｈ”から”Ｌ”で示している。信号線１２は電位”Ｈ”を
維持する。
時刻Ｔ２１において、第４回目の赤外光照射に対する撮像が終了する。また、時刻Ｔ２１
において、ノード１４の電位の低下が止まり、一定となる。時刻Ｔ２１におけるノード１
４の電位を、”Ｖ２”とする。
時刻Ｔ２１におけるノード１４の電位”Ｖ２”は、時刻Ｔ１５から時刻Ｔ１６までの間に
フォトダイオード１０２に照射される光量と時刻Ｔ２０から時刻Ｔ２１までの間にフォト
ダイオード１０２に照射される光量との合計に基づいて決定される。
時刻Ｔ２２において、信号線１２の電位を”Ｈ”から”Ｌ”とする。
時刻Ｔ２３において、信号線１３の電位を”Ｌ”から”Ｈ”とする（第２の読み出し開始
）。ゲート電極に電位”Ｈ”が供給され、トランジスタ１０５が導通する。また、信号線
１５及び信号線１６が、トランジスタ１０４、トランジスタ１０５を介して、導通する。
信号線１６の電位は”Ｈ”から低下し始める。
なお、時刻Ｔ２３以前に、信号線１６には、予めプリチャージ動作を施し、信号線１６の
電位を”Ｈ”としておく。
信号線１６にプリチャージ動作を施す読み出し回路の構成は特に限定されない。図６に示
すように、読み出し回路１０１は、１個のＰｃｈトランジスタ１０６で構成することも可
能である。信号線１７は、プリチャージ信号線である。ノード１８は、高電位供給線であ
る。トランジスタ１０６のゲート電極は、信号線１７と電気的に接続され、トランジスタ
１０６のソース電極又はドレイン電極の一方は、信号線１６と電気的に接続され、トラン
ジスタ１０６のソース電極又はドレイン電極の他方は、ノード１８と電気的に接続されて
いる。
時刻Ｔ２４において、信号線１３の電位を”Ｈ”から”Ｌ”とする（第２の読み出し終了
）。トランジスタ１０５が遮断され、信号線１６の電位の低下が止まり、一定となる。時
刻Ｔ２４における信号線１６の電位を、”ＶＳ２”とする。
時刻Ｔ２４における信号線１６の電位”ＶＳ２”を取得することで、第３回目の赤外光照
射後にフォトダイオード１０２に照射される光量と、第４回目の赤外光照射後にフォトダ
イオード１０２に照射される光量との合計を検出することができる。
なお、第３回目の赤外光照射及び第４回目の赤外光照射における光強度が一定の場合、信
号線１６の電位”ＶＳ２”は、照射期間に比例するものとする。
なお、本実施の形態においては、第１回目及び第２回目の赤外光照射に対する撮像期間（
時刻Ｔ３から時刻Ｔ４及び時刻Ｔ７から時刻Ｔ８）に比べて、第３回目及び第４回目の赤
外光照射に対する撮像期間（時刻Ｔ１５から時刻Ｔ１６及び時刻Ｔ２０から時刻Ｔ２１）
は短い例を示している。そのため、時刻Ｔ２４における信号線１６の電位（ＶＳ２）は、
時刻Ｔ１１における信号線１６の電位（ＶＳ１）に比べて小さい。
時刻Ｔ２５において、光センサ１００は、第１の検出信号Ｓ１及び第２の検出信号Ｓ２を
取得できる。
上述のような駆動方法を、半導体装置が有する複数の画素に適用することで、それぞれの
光センサと被検出物との距離を、より正確に算出する事ができる。
＜半導体装置の駆動方法２＞
図３で示した光センサを有する半導体装置の駆動方法の一例について図７を用いて説明す
る。
図７に示すように、期間Ｔの赤外光照射が複数回行われる。なお、第１回目の赤外光照射
は、時刻Ｔ２から時刻Ｔ５、第２回目の赤外光照射は、時刻Ｔ８から時刻Ｔ１０であり、
期間Ｔは極めて短い。
図７におけるノード１４のパルス（ＦＤ）では、高電位の期間を”Ｈ”で、低電位の期間
を”Ｌ”で、時刻Ｔ１０での低電位”Ｌ”とノード１４＿（ｋ−１）との間の電位差を”
Ｖ１”で、時刻Ｔ１１での低電位”Ｌ”とノード１４＿（ｋ）との間の電位差を”Ｖ２”
で、表している。
図７における信号線１６のパルスでは、高電位の期間を”Ｈ”で、低電位の期間を”Ｌ”
で、時刻Ｔ１４での低電位”Ｌ”と信号線１６＿（ｋ−１）との間の電位差を”ＶＳ１”
で、時刻Ｔ１５での低電位”Ｌ”と信号線１６＿（ｋ）との間の電位差を”ＶＳ２”で、
表している。
なお、図７において、時刻Ｔ１４での低電位”Ｌ”と信号線１６＿（ｋ−１）との間の電
位差”ＶＳ１”が第１の検出信号Ｓ１に相当し、時刻Ｔ１５での低電位”Ｌ”と信号線１
６＿（ｋ）との間の電位差”ＶＳ２”が第２の検出信号Ｓ２に相当する。
また、図７において、遅延期間ΔＴは、時刻Ｔ２から時刻Ｔ３、時刻Ｔ８から時刻Ｔ９に
相当する。
なお、図７では、２回の赤外光照射において期間Ｔを固定する。
なお、上記撮像を行う期間において、光源から被検出物までの距離は変化する。遅延期間
ΔＴは２回の赤外光照射で概ね等しいと仮定できる。
なお、図７では、一例として第１の検出信号及び第２の検出信号を取得するための赤外光
照射を２回行っているが、３回以上行うことも有効であり、回数は特に限定されない。
次に、半導体装置が有するある１個の光センサと被検出物のある一点との距離を算出する
方法について説明する。図７のタイミングチャートに合わせて赤外光照射を２回行った場
合を考える。光源から被検出物までの距離をｘ、検出信号強度が正味の露光時間（撮像期
間における反射光の入射時間）に比例するとして、その比例定数をα（ただしαは一定）
、第１の検出信号をＳ１（２）、第２の検出信号をＳ２（２）、光速をｃ（３×１０８ｍ
／ｓ）とすると、第１の検出信号Ｓ１（２）、第２の検出信号Ｓ２（２）、遅延期間ΔＴ
、距離ｘは、それぞれ以下のように表せる。
赤外光照射を２回行った場合からの類推で、赤外光照射をｎ回行った場合についても、容
易に定式化できる。詳細は、半導体装置の駆動方法１にて前述した通りであるため、省略
する。
次に、具体的な半導体装置の駆動方法について、図７に示すタイミングチャートを利用し
て説明する。
時刻Ｔ１において、信号線１１＿（ｋ−１）の電位を”Ｌ”から”Ｈ”とする（リセット
動作）。更に、信号線１２＿（ｋ−１）の電位を”Ｌ”から”Ｈ”とする。この時、フォ
トダイオード１０２＿（ｋ−１）及びトランジスタ１０３＿（ｋ−１）が導通し、ノード
１４＿（ｋ−１）の電位が”Ｈ”となる。
時刻Ｔ２において、光源から被検出物に対して第１回目の赤外光照射を開始する。パルス
３０１では、”Ｌ”から”Ｈ”で示している。また、信号線１１＿（ｋ−１）の電位を”
Ｈ”から”Ｌ”とする。信号線１２＿（ｋ−１）の電位は、”Ｈ”を維持する。
時刻Ｔ３において、第１回目の赤外光照射に対する第１の撮像を開始する。時刻Ｔ３にお
いて、第１回目の赤外光照射による被検出物からの反射光がフォトダイオード１０２＿（
ｋ−１）に入射し始める。なお、当該反射光は、赤外光である。パルス３０２では、”Ｌ
”から”Ｈ”で示している。ノード１４＿（ｋ−１）の電位は”Ｈ”から低下し始める。
信号線１２＿（ｋ−１）は”Ｈ”を維持する。
時刻Ｔ４において、信号線１１＿（ｋ）の電位を”Ｌ”から”Ｈ”とする（リセット動作
）。更に、信号線１２＿（ｋ）の電位を”Ｌ”から”Ｈ”とする。この時、フォトダイオ
ード１０２＿（ｋ）及びトランジスタ１０３＿（ｋ）が導通し、ノード１４＿（ｋ）の電
位が”Ｈ”となる。
時刻Ｔ５において、第１回目の赤外光照射を停止する。（時刻Ｔ２から時刻Ｔ５までの間
を期間Ｔとする。）パルス３０１では、”Ｈ”から”Ｌ”で示している。また、信号線１
２＿（ｋ−１）の電位を”Ｈ”から”Ｌ”とする。第１回目の赤外光照射に対する第１の
撮像が終了する。また、時刻Ｔ５において、ノード１４＿（ｋ−１）の電位の低下が止ま
り、一定となる。
更に、時刻Ｔ５において、第１回目の赤外光照射に対する第２の撮像を開始する。時刻Ｔ
５において、第１回目の赤外光照射による被検出物からの反射光がフォトダイオード１０
２＿（ｋ）に入射し始める。信号線１１＿（ｋ）の電位を”Ｈ”から”Ｌ”とする。信号
線１２＿（ｋ）の電位は、”Ｈ”を維持する。ノード１４＿（ｋ）の電位は”Ｈ”から低
下し始める。
時刻Ｔ５におけるノード１４＿（ｋ−１）の電位は、時刻Ｔ３から時刻Ｔ５までの間（第
１回目の赤外光照射中）にフォトダイオード１０２＿（ｋ−１）に照射される光量に基づ
いて決定される。光量が多いほど、電位変化は大きくなる。即ち、同一照射期間であれば
光強度が大きい程、同一強度であれば、照射期間が長い程、電位変化は大きくなる。
時刻Ｔ６において、被検出物からのフォトダイオード１０２＿（ｋ−１）に対する反射光
の入射が終了する。第１回目の赤外光照射に対する第２の撮像が終了する。パルス３０２
では、”Ｈ”から”Ｌ”で示している。また、信号線１２＿（ｋ）の電位は、”Ｈ”を維
持する。また、ノード１４＿（ｋ）の電位の低下が止まり、一定となる。
時刻Ｔ７において、信号線１２＿（ｋ）の電位を”Ｈ”から”Ｌ”とする。
時刻Ｔ８において、光源から被検出物に対して第２回目の赤外光照射を開始する。パルス
３０１では、”Ｌ”から”Ｈ”で示している。また、信号線１２＿（ｋ−１）の電位を”
Ｌ”から”Ｈ”とする。ノード１４＿（ｋ−１）の電位は、時刻Ｔ５における電位を維持
する。
時刻Ｔ９において、第２回目の赤外光照射に対する第１の撮像を開始する。時刻Ｔ９にお
いて、第２回目の赤外光照射による被検出物からの反射光がフォトダイオード１０２＿（
ｋ−１）に入射し始める。パルス３０２では、”Ｌ”から”Ｈ”で示している。ノード１
４＿（ｋ−１）の電位は、時刻Ｔ５における電位から低下し始める。信号線１２＿（ｋ−
１）は”Ｈ”を維持する。
時刻Ｔ１０において、第２回目の赤外光照射を停止する。（時刻Ｔ８から時刻Ｔ１０まで
の間を期間Ｔとする。）
パルス３０１では、”Ｈ”から”Ｌ”で示している。また、信号線１２＿（ｋ−１）の電
位を”Ｈ”から”Ｌ”とする。第２回目の赤外光照射に対する第１の撮像が終了する。ま
た、時刻Ｔ１０において、ノード１４＿（ｋ−１）の電位の低下が止まり、一定となる。
時刻Ｔ１０におけるノード１４＿（ｋ−１）の電位を、”Ｖ１”とする。
時刻Ｔ１０におけるノード１４＿（ｋ−１）の電位”Ｖ１”は、時刻Ｔ３から時刻Ｔ５ま
での間にフォトダイオード１０２＿（ｋ−１）に照射される光量と時刻Ｔ９から時刻Ｔ１
０までの間にフォトダイオード１０２＿（ｋ−１）に照射される光量との合計に基づいて
決定される。
更に、時刻Ｔ１０において、第２回目の赤外光照射に対する第２の撮像を開始する。信号
線１２＿（ｋ）の電位を”Ｌ”から”Ｈ”とする。時刻Ｔ１０において、第２回目の赤外
光照射による被検出物からの反射光がフォトダイオード１０２＿（ｋ）に入射し始める。
ノード１４＿（ｋ）の電位は、時刻Ｔ６における電位から低下し始める。
時刻Ｔ１１において、被検出物からのフォトダイオード１０２＿（ｋ）に対する反射光の
入射が終了する。第２回目の赤外光照射に対する第２の撮像が終了する。パルス３０２で
は、”Ｈ”から”Ｌ”で示している。また、信号線１２＿（ｋ）の電位は、”Ｈ”を維持
する。また、ノード１４＿（ｋ）の電位の低下が止まり、一定となる。時刻Ｔ１１におけ
るノード１４＿（ｋ）の電位を、”Ｖ２”とする。
時刻Ｔ１１におけるノード１４＿（ｋ）の電位”Ｖ２”は、時刻Ｔ５から時刻Ｔ６までの
間にフォトダイオード１０２＿（ｋ）に照射される光量と時刻Ｔ１０から時刻Ｔ１１まで
の間にフォトダイオード１０２＿（ｋ）に照射される光量との合計に基づいて決定される
。
時刻Ｔ１２において、信号線１２＿（ｋ）の電位を”Ｈ”から”Ｌ”とする。
時刻Ｔ１３において、信号線１３＿（ｋ−１）の電位を”Ｌ”から”Ｈ”とする（第１の
読み出し開始）。ゲート電極に電位”Ｈ”が供給され、トランジスタ１０５＿（ｋ−１）
が導通する。また、信号線１５＿（ｋ−１）及び信号線１６＿（ｋ−１）が、トランジス
タ１０４＿（ｋ−１）、トランジスタ１０５＿（ｋ−１）を介して、導通する。
信号線１６＿（ｋ−１）の電位は”Ｈ”から低下し始める。
なお、時刻Ｔ１３以前に、信号線１６＿（ｋ−１）には、予めプリチャージ動作を施し、
信号線１６＿（ｋ−１）の電位を”Ｈ”としておく。
信号線１６＿（ｋ−１）にプリチャージ動作を施す読み出し回路の構成は特に限定されな
い。例えば図６に示す読み出し回路１０１が挙げられる。
時刻Ｔ１４において、信号線１３＿（ｋ−１）の電位を”Ｈ”から”Ｌ”とする（第１の
読み出し終了）。トランジスタ１０５＿（ｋ−１）が遮断され、信号線１６＿（ｋ−１）
の電位の低下が止まり、一定となる。時刻Ｔ１４における信号線１６＿（ｋ−１）の電位
を、”ＶＳ１”とする。
時刻Ｔ１４における信号線１６＿（ｋ−１）の電位”ＶＳ１”を取得することで、２回の
赤外光照射中にフォトダイオード１０２＿（ｋ−１）に照射される光量の合計を検出する
ことができる。
更に時刻Ｔ１４において、信号線１３＿（ｋ）の電位を”Ｌ”から”Ｈ”とする（第２の
読み出し開始）。ゲート電極に電位”Ｈ”が供給され、トランジスタ１０５＿（ｋ）が導
通する。また、信号線１５＿（ｋ）及び信号線１６＿（ｋ）が、トランジスタ１０４＿（
ｋ）、トランジスタ１０５＿（ｋ）を介して、導通する。
信号線１６＿（ｋ）の電位は”Ｈ”から低下し始める。
なお、時刻Ｔ１４以前に、信号線１６＿（ｋ）には、予めプリチャージ動作を施し、信号
線１６＿（ｋ）の電位を”Ｈ”としておく。
信号線１６＿（ｋ）にプリチャージ動作を施す読み出し回路の構成は特に限定されない。
時刻Ｔ１５において、信号線１３＿（ｋ）の電位を”Ｈ”から”Ｌ”とする（第２の読み
出し終了）。トランジスタ１０５＿（ｋ）が遮断され、信号線１６＿（ｋ）の電位の低下
が止まり、一定となる。時刻Ｔ１５における信号線１６＿（ｋ）の電位を、”ＶＳ２”と
する。
時刻Ｔ１５における信号線１６＿（ｋ）の電位”ＶＳ２”を取得することで、２回の赤外
光照射後にフォトダイオード１０２＿（ｋ）に照射される光量の合計を検出することがで
きる。
なお、第１回目の赤外光照射及び第２回目の赤外光照射における光強度が一定の場合、時
刻Ｔ１４での、低電位”Ｌ”と信号線１６＿（ｋ−１）との間の電位差”ＶＳ１”及び時
刻Ｔ１５での、低電位”Ｌ”と信号線１６＿（ｋ）との間の電位差”ＶＳ２”は、照射期
間に比例するものとする。
なお、本実施の形態においては、時刻Ｔ５から時刻Ｔ６まで（時刻Ｔ１０から時刻Ｔ１１
まで）の撮像期間は、時刻Ｔ３から時刻Ｔ５まで（時刻Ｔ９から時刻Ｔ１０まで）の撮像
期間に比べて短い例を示している。そのため、”ＶＳ２”は、”ＶＳ１”に比べて小さい
。
時刻Ｔ１５において、光センサは、第１の検出信号Ｓ１及び第２の検出信号Ｓ２を取得で
きる。上述の駆動方法では、第１の検出信号Ｓ１及び第２の検出信号Ｓ２を取得するため
に赤外光の照射を複数回行い、各回の被検出物からの反射光を、隣接するフォトダイオー
ドにより、時間差を置かずに検出することが可能である。
従って上述の駆動方法を、半導体装置が有する複数の画素に適用することで、被検出物が
移動体であっても、それぞれの光センサと被検出物との距離を、より正確に算出する事が
できる。
＜半導体装置の駆動方法３＞
図４で示した光センサ群１１０を有する半導体装置の駆動方法の一例について図８を用い
て説明する。該駆動方法を用いることで、異なる２個の検出信号を取得し、半導体装置と
被検出物との距離を算出することができる。また、フォトダイオード１０２Ａとフォトダ
イオード１０２Ｂとを重畳して形成する事で、距離情報と画像情報とを同時に取得するこ
とができる。
距離の算出は、半導体装置が有する信号処理回路により行われる。該信号処理回路は、取
得した異なる検出信号に基づき適切な演算処理を行うことが可能である。従って、１個の
赤外光を吸収する光センサと、被検出物のある一点との距離は、光源から被検出物に対し
て、赤外光の照射と停止を複数回繰り返す事で算出することが可能である。
更に、赤外光の照射開始から停止までの期間を極めて短く、且つ複数回繰り返す事で、半
導体装置は、被検出物と赤外光を吸収する光センサとの距離を精度良く取得することがで
きる。
図８に示すように、期間Ｔの赤外光照射が複数回行われる。なお、第１回目の赤外光照射
は、時刻Ｔ２から時刻Ｔ４、第２回目の赤外光照射は、時刻Ｔ６から時刻Ｔ８、第３回目
の赤外光照射は、時刻Ｔ１２から時刻Ｔ１５、第４回目の赤外光照射は、時刻Ｔ１８から
時刻Ｔ２０であり、期間Ｔは極めて短い。
ノード１４Ａのパルス（ＦＤ＿２）は、高電位の期間を”Ｈ”で、低電位の期間を”Ｌ”
で、時刻Ｔ２５での、低電位”Ｌ”とノード１４Ａとの間の電位差を”Ｖ３”で表してい
る。
ノード１４Ｂのパルス（ＦＤ＿３）は、高電位の期間を”Ｈ”で、低電位の期間を”Ｌ”
で、時刻Ｔ９での、低電位”Ｌ”とノード１４Ｂとの間の電位差を”Ｖ１”で、時刻Ｔ２
１での、低電位”Ｌ”とノード１４Ｂとの間の電位差を”Ｖ２”で、表している。
信号線１６Ａのパルスは、高電位の期間を”Ｈ”で、低電位の期間を”Ｌ”で、時刻Ｔ２
７での、低電位”Ｌ”と信号線１６Ａとの間の電位差を”ＶＳ３”で表している。
信号線１６Ｂのパルスは、高電位の期間を”Ｈ”で、低電位の期間を”Ｌ”で、時刻Ｔ１
１での、低電位”Ｌ”と信号線１６Ｂとの間の電位差を”ＶＳ１”で、時刻Ｔ２４での、
低電位”Ｌ”と信号線１６Ｂとの間の電位差を”ＶＳ２”で、表している。
なお、時刻Ｔ１１での、低電位”Ｌ”と信号線１６Ｂとの間の電位差”ＶＳ１”が第１の
検出信号Ｓ１に相当し、時刻Ｔ２４での、低電位”Ｌ”と信号線１６Ｂとの間の電位差”
ＶＳ２”が第２の検出信号Ｓ２に相当し、時刻Ｔ２７での、低電位”Ｌ”と信号線１６Ａ
との間の電位差”ＶＳ３”が第３の検出信号Ｓ３に相当する。
また、図８において、遅延期間ΔＴは、時刻Ｔ２から時刻Ｔ３、時刻Ｔ６から時刻Ｔ７、
時刻Ｔ１２から時刻Ｔ１３、時刻Ｔ１８から時刻Ｔ１９に相当する。
なお、図８では、４回の赤外光照射において期間Ｔを固定する。
更に、上記撮像を行う期間において、光源から被検出物までの距離は変わらないものとす
る。従って、遅延期間ΔＴは４回の赤外光照射で等しいと仮定できる。
なお、図８では、一例として第１の検出信号及び第２の検出信号を取得するための赤外光
照射をそれぞれ２回行っているが、３回以上行うことも有効であり、回数は特に限定され
ない。ただし、第１の検出信号を取得するための赤外光照射の回数と、第２の検出信号を
取得するための赤外光照射の回数とは、等しくする。
次に、半導体装置が有するある１個の赤外光を吸収する光センサと被検出物のある一点と
の距離を算出する方法については、半導体装置の駆動方法１と同様であるため、説明を省
略する。
次に、具体的な半導体装置の駆動方法について、図８に示すタイミングチャートを利用し
て説明する。
光センサ群１１０は、可視光を吸収し、且つ赤外光を透過するフォトダイオード１０２Ａ
と、赤外光を吸収するフォトダイオード１０２Ｂとを重畳して設けているため、３次元撮
像及び２次元撮像を同時に行う事ができる。
まず、３次元距離情報を取得するための３次元撮像について説明する。光センサ１００Ｂ
は、時刻Ｔ１〜Ｔ２７において、第１の検出信号Ｓ１及び第２の検出信号Ｓ２を取得する
。これは、半導体装置の駆動方法１にて説明した光センサ１００の駆動方法を参照できる
ため、詳細な説明は省略する。このような駆動方法を、半導体装置が有する複数の画素に
適用することで、それぞれの赤外光を吸収する光センサと被検出物との距離を、より正確
に算出する事ができる。
次に２次元画像情報を取得するための２次元撮像について説明する。
時刻Ｔ１において、信号線１１Ａの電位を”Ｌ”から”Ｈ”とする（リセット動作）。更
に、信号線１２Ａの電位を”Ｌ”から”Ｈ”とする。この時、フォトダイオード１０２Ａ
及びトランジスタ１０３Ａが導通し、ノード１４Ａの電位が”Ｈ”となる。
時刻Ｔ２において、信号線１１Ａの電位を”Ｈ”から”Ｌ”とする。信号線１２Ａの電位
は、”Ｈ”を維持する。ノード１４Ａの電位は”Ｈ”から低下し始める。
２次元画像情報を取得するための撮像を開始する。
時刻Ｔ３から時刻Ｔ２５において、信号線１２Ａの電位は、”Ｈ”を維持する。この間、
ノード１４Ａの電位は”Ｈ”から低下し続ける。
時刻Ｔ２５において、信号線１２Ａの電位を”Ｈ”から”Ｌ”とする。ノード１４Ａの電
位の低下が止まり、一定となる。
２次元画像情報を取得するための撮像が終了する。
時刻Ｔ２５におけるノード１４Ａの電位は、時刻Ｔ３から時刻Ｔ２５までの間にフォトダ
イオード１０２Ａに照射される光量に基づいて決定される。光量が多いほど、電位変化は
大きくなる。
時刻Ｔ２６において、信号線１３Ａの電位を”Ｌ”から”Ｈ”とする（読み出し開始）。
ゲート電極に電位”Ｈ”が供給され、トランジスタ１０５Ａが導通する。また、信号線１
５Ａ及び信号線１６Ａが、トランジスタ１０４Ａ、トランジスタ１０５Ａを介して、導通
する。
信号線１６Ａの電位は”Ｈ”から低下し始める。
なお、時刻Ｔ２６以前に、信号線１６Ａには、予めプリチャージ動作を施し、信号線１６
Ａの電位を”Ｈ”としておく。
時刻Ｔ２７において、信号線１３Ａの電位を”Ｈ”から”Ｌ”とする（読み出し終了）。
トランジスタ１０５Ａが遮断され、信号線１６Ａの電位の低下が止まり、一定となる。時
刻Ｔ２７における信号線１６Ａの電位を、”ＶＳ３”とする。
時刻Ｔ２７における信号線１６Ａの電位”ＶＳ３”を取得することで、フォトダイオード
１０２Ａに照射される光量を検出することができる。
なお、光強度が一定の場合、信号線１６Ａの電位”ＶＳ３”は、照射期間に概ね比例する
。
時刻Ｔ２７において、光センサ群１１０は、第１の検出信号Ｓ１、第２の検出信号Ｓ２、
及び第３の検出信号Ｓ３を取得できる。
上述のような駆動方法を、半導体装置が有する複数の画素に適用することで、それぞれの
赤外光を吸収する光センサと被検出物との距離を算出しながら、可視光を吸収する光セン
サによって被検出物の画像情報を得る事ができる。
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる
。
（実施の形態２）
本実施の形態では、赤外光照射の期間Ｔを最初から固定せず、半導体装置から被検出物ま
での距離を考慮しつつ、期間Ｔを調整し、検出信号の精度を向上させ、距離ｘを算出する
方法について図９を用いて説明する。
実施の形態１で説明したように、検出信号の精度は、赤外光照射の回数だけでなく赤外光
照射の期間Ｔに占める遅延期間ΔＴの割合にも依存する。
また、期間Ｔは、少なくとも遅延期間ΔＴよりも長い期間とする必要があり、極めて短い
期間で設定される事が好ましい。即ち図９に示すように、赤外光照射の期間は、期間Ｔｂ
で設定される場合に比べて、より短い期間Ｔａで設定される事が好ましい。期間Ｔが短い
程、期間Ｔに占める遅延期間ΔＴの割合を大きくすることができるため、遅延期間ΔＴの
検出精度を向上させることができる。距離ｘに対する検出信号の変化を大きくすることで
、結果的に距離ｘの精度を向上させることができる。
なお、実施の形態１では、検出信号が正味の露光時間に比例する、すなわち、比例係数α
が一定であることを仮定している。しかし、より一般的には、比例係数αが一定ではない
場合も有りうる。これは、比例係数αが、正味の露光時間以外にも、光センサの増幅率、
出力回路の増幅率などにも依存する場合があるためである。
そこで、本実施の形態のように、距離検出精度を更に向上するために、第１の検出信号Ｓ
１と第２の検出信号Ｓ２とが等しくなるように、期間Ｔを調整することが有効である。こ
こで、第１の検出信号Ｓ１と第２の検出信号Ｓ２とが等しいことは、第１の検出信号Ｓ１
を取得する際と、第２の検出信号Ｓ２を取得する際に、ノードＦＤに蓄積される電荷が等
しいことを意味し、すなわち、フォトダイオードに照射される光量が等しいことを意味す
る。ここで、反射光の強度が、被検出物に入射する期間は一定であるとすると、上記条件
は、ΔＴ＝Ｔ／２が成立している場合に限られる。
すなわち、期間Ｔを変化させ、第１の検出信号Ｓ１と第２の検出信号Ｓ２とが等しくなる
ように調整した場合には、数式（Ａ）に従って求めた被検出物までの距離は、光センサの
増幅率、出力回路の増幅率などに依存せずに特定することができる。
具体的に一例を示すと、期間Ｔを変化させながら第１の検出信号Ｓ１と第２の検出信号Ｓ
２とを順次取得し、期間Ｔを１ｎｓｅｃとした時に、第１の検出信号Ｓ１ｍと、第２の検
出信号Ｓ２ｍが等しくなったとする。数式（Ａ）にしたがって、期間Ｔ、及び光速ｃから
距離ｘを算出すると、約７．５ｃｍとなる。この距離は、光センサの増幅率、出力回路の
増幅率などに依存しない。
なお、被検出物の複数の点までの距離を各々高精度で算出するには、期間Ｔを変化させな
がら、各点における第１の検出信号Ｓ１と第２の検出信号Ｓ２とを順次取得し、第１の検
出信号Ｓ１と第２の検出信号Ｓ２とが等しくなった時の、第１の検出信号Ｓ１ｍ、第２の
検出信号Ｓ２ｍ、及び期間Ｔを用いて、数式（Ａ）にしたがって距離を決定する。すなわ
ち、各点において、検出精度が最も高くなるように期間Ｔを設定しながら距離を算出する
ことが可能である。
なお、本実施の形態においても赤外光照射の回数は多い事が好ましい。
これにより高精度な距離情報を算出でき、且つ計測時間全体を大幅に低減できる。
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる
。
（実施の形態３）
本実施の形態では、実施の形態１で示した光センサ１００の構成について、より詳細に説
明する。ｍ行ｎ列のマトリクス状に配置された光センサ１００を有する半導体装置の構成
の一例について図１０（Ａ）を用いて、図１０（Ａ）とは別の構成の一例について図１０
（Ｂ）を用いて説明する。
図１０（Ａ）では、複数の光センサ１００がｍ行ｎ列のマトリクス状に配置されている。
各行の光センサ１００は、複数の信号線１１（ＰＲ）（１１（ＰＲ）＿１〜１１（ＰＲ）
＿ｍと表記する）のいずれか１つと、複数の信号線１２（ＴＸ）（１２（ＴＸ）＿１〜１
２（ＴＸ）＿ｍと表記する）のいずれか１つと、複数の信号線１３（ＳＥ）（１３（ＳＥ
）＿１〜１３（ＳＥ）＿ｍと表記する）のいずれか１つと電気的に接続されている。各列
の光センサ１００は、複数の光センサ出力信号線（１６＿１〜１６＿ｎと表記する）のい
ずれか１つと、複数の光センサ基準信号線（１５＿１〜１５＿ｎと表記する）のいずれか
１つと電気的に接続されている。
図１０（Ａ）では、各行の光センサにおいて信号線１２（ＴＸ）を共有し、各行の光セン
サにおいて信号線１１（ＰＲ）を共有し、各行の光センサにおいて信号線１３（ＳＥ）を
共有し、各列の光センサにおいて光センサ出力信号線を共有し、各列の光センサにおいて
光センサ基準信号線を共有している。しかしながら、本発明はこれに限定されない。各行
に複数本の信号線１２（ＴＸ）を設けて互いに異なる光センサ１００と電気的に接続して
もよい。各行に複数本の信号線１１（ＰＲ）を設けて互いに異なる光センサ１００と電気
的に接続してもよい。各行に複数本の信号線１３（ＳＥ）を設けて互いに異なる光センサ
１００と電気的に接続してもよい。各列に複数本の光センサ出力信号線を設けて互いに異
なる光センサ１００と電気的に接続してもよい。各列に複数本の光センサ基準信号線を設
けて互いに異なる光センサ１００と電気的に接続してもよい。
また、図１０（Ａ）では、光センサ基準信号線を各列の光センサにおいて共有する構成を
示したがこれに限定されない。光センサ基準信号線は各行の光センサにおいて共有しても
良い。
また、ｍ行ｎ列のマトリクス状に配置された光センサ１００のうち、リセット動作、蓄積
動作を同時に行う光センサ１００において、信号線１２（ＴＸ）を共有することもできる
。ｍ行ｎ列のマトリクス状に配置された光センサ１００のうち、リセット動作、蓄積動作
を同時に行う光センサにおいて、信号線１１（ＰＲ）を共有することもできる。
上記のとおり配線を共有し、配線数を減らすことによって、ｍ行ｎ列のマトリクス状に配
置された光センサ１００を駆動する駆動回路を簡略化することができる。
次いで、ｍ行ｎ列のマトリクス状に配置された光センサ１００を有する３次元距離測定装
置の図１０（Ａ）とは別の構成の一例について図１０（Ｂ）を用いて説明する。
図１０（Ｂ）では、複数の光センサ１００がｍ行ｎ列のマトリクス状に配置されている。
各行の光センサ１００は、複数の信号線１３（ＳＥ）（１３（ＳＥ）＿１〜１３（ＳＥ）
＿ｍと表記する）のいずれか１つと電気的に接続されている。各列の光センサ１００は、
複数の信号線１１（ＰＲ）（１１（ＰＲ）＿１〜１１（ＰＲ）＿ｎと表記する）のいずれ
か１つと、複数の信号線１２（ＴＸ）（１２（ＴＸ）＿１〜１２（ＴＸ）＿ｎと表記する
）のいずれか１つと、複数の光センサ出力信号線（１６＿１〜１６＿ｎと表記する）のい
ずれか１つと、複数の光センサ基準信号線（１５＿１〜１５＿ｎと表記する）のいずれか
１つと電気的に接続されている。
図１０（Ｂ）では、各行の光センサにおいて信号線１３（ＳＥ）を共有し、各列の光セン
サにおいて信号線１１（ＰＲ）を共有し、各列の光センサにおいて信号線１２（ＴＸ）を
共有し、各列の光センサにおいて光センサ出力信号線を共有し、各列の光センサにおいて
光センサ基準信号線を共有している。しかしながら、本発明はこれに限定されない。
図１０（Ｂ）では、光センサ基準信号線を各列の光センサにおいて共有する構成を示した
がこれに限定されない。光センサ基準信号線は各行の光センサにおいて共有しても良い。
また、ｍ行ｎ列のマトリクス状に配置された光センサ１００のうち、リセット動作、蓄積
動作を同時に行う光センサにおいて、信号線１２（ＴＸ）を共有することもできる。ｍ行
ｎ列のマトリクス状に配置された光センサ１００のうち、リセット動作、蓄積動作を同時
に行う光センサにおいて、信号線１１（ＰＲ）を共有することもできる。
上記のとおり配線を共有し、配線数を減らすことによって、ｍ行ｎ列のマトリクス状に配
置された光センサ１００を駆動する駆動回路を簡略化することができる。
図１１（Ａ）は、光センサ１００の上面図を示し、図１１（Ｂ）は、図１１（Ａ）の破線
Ａ１―Ａ２における断面図を示す。
光センサ１００は、信号線１１（ＰＲ）として機能する導電膜２１０と、信号線１２（Ｔ
Ｘ）として機能する導電膜２１１と、信号線１３（ＳＥ）として機能する導電膜２１２と
、信号線１５（光センサ基準信号線）として機能する導電膜２１３と、信号線１６（光セ
ンサ出力信号線）として機能する導電膜２１４とを有している。
光センサ１００の有するフォトダイオード１０２は、順に積層されたｐ型の半導体膜２１
５と、ｉ型の半導体膜２１６と、ｎ型の半導体膜２１７とを有している。導電膜２１０は
、フォトダイオード１０２の陽極として機能するｐ型の半導体膜２１５に電気的に接続さ
れている。
光センサ１００の有する導電膜２１８は、トランジスタ１０３のゲート電極として機能し
ており、さらに、導電膜２１１に電気的に接続されている。光センサ１００の有する導電
膜２１９は、トランジスタ１０３のソース電極又はドレイン電極の一方として機能する。
光センサ１００の有する導電膜２２０は、トランジスタ１０３のソース電極又はドレイン
電極の他方として機能する。光センサ１００の有する導電膜２２１は、ｎ型の半導体膜２
１７と、導電膜２１９とに電気的に接続されている。光センサ１００の有する導電膜２２
２は、トランジスタ１０４のゲート電極として機能しており、さらに、導電膜２２０に電
気的に接続されている。
光センサ１００の有する導電膜２２３は、トランジスタ１０４のソース電極又はドレイン
電極の一方として機能する。光センサ１００の有する導電膜２２４は、トランジスタ１０
４のソース電極又はドレイン電極の他方、及びトランジスタ１０５のソース電極又はドレ
イン電極の一方として機能する。また、導電膜２１４は、トランジスタ１０５のソース電
極又はドレイン電極の他方として機能する。導電膜２１２は、トランジスタ１０５のゲー
ト電極としても機能する。光センサ１００の有する導電膜２２５は、導電膜２２３及び導
電膜２１３に電気的に接続されている。
なお、図１１では、光センサ１００の有する導電膜２２６は、信号線１１（ＰＲ）として
機能する導電膜２１０に電気的に接続されている。また、光センサ１００の有する導電膜
２２７は、信号線１２（ＴＸ）として機能する導電膜２１１に電気的に接続されている。
導電膜２１２、導電膜２１８、導電膜２２２、導電膜２２５、導電膜２２６、導電膜２２
７は、絶縁表面上に形成された一の導電膜を所望の形状に加工することで形成することが
できる。導電膜２１２、導電膜２１８、導電膜２２２、導電膜２２５、導電膜２２６、導
電膜２２７上にはゲート絶縁膜２２８が形成されている。さらに、導電膜２１０、導電膜
２１１、導電膜２１３、導電膜２１４、導電膜２１９、導電膜２２０、導電膜２２３、導
電膜２２４は、ゲート絶縁膜２２８上に形成された一の導電膜を所望の形状に加工するこ
とで形成することができる。
また、導電膜２１０、導電膜２１１、導電膜２１３、導電膜２１４、導電膜２１９、導電
膜２２０、導電膜２２３、導電膜２２４の上には、絶縁膜２８１及び絶縁膜２８２が形成
されている。絶縁膜２８１及び絶縁膜２８２の上に、導電膜２２１が形成される。
トランジスタ１０３の活性層２５０には、酸化物半導体を用いることが好ましい。基板２
５１側から光が照射されることにより生成された電荷を、長時間保持するためには、フォ
トダイオード１０２と電気的に接続されるトランジスタ１０３を、オフ電流が極めて低い
トランジスタで構成する必要がある。そのため、活性層２５０として酸化物半導体材料を
用いることで光センサ１００の性能を高めることができる。
なお、トランジスタ１０３がボトムゲート型である場合、図１１（Ｂ）に示すように、ゲ
ート電極として機能する導電膜２１８に活性層２５０が完全に重なる構成を用いることが
望ましい。上記構成を採用することで、基板２５１側から入射した光により活性層２５０
中の酸化物半導体が劣化するのを防ぎ、よって、トランジスタ１０３の閾値電圧がシフト
するなどの特性の劣化が引き起こされるのを防ぐことができる。なお、トランジスタ１０
４と、トランジスタ１０５についても、上記構成を採用することで、同様の効果が得られ
る。
トランジスタ１０４に用いられる半導体層としては、多結晶シリコン、単結晶シリコンな
どの材料を用いることが好ましい。
トランジスタ１０５に用いられる半導体層としては、多結晶シリコン、単結晶シリコンな
どの材料を用いることが好ましい。
ここで、図１０（Ａ）で示したような信号線１２（ＴＸ）が行方向に延びて配置される構
成の場合、同じく行方向に延びて配置され、信号線１２（ＴＸ）と平行な信号線１３（Ｓ
Ｅ）が存在する。信号線１３（ＳＥ）はトランジスタ１０５のゲート電極と電気的に接続
されるため、信号線１３（ＳＥ）の一部をトランジスタ１０５のゲート電極として用いる
と、信号線１３（ＳＥ）と平行な信号線１２（ＴＸ）もトランジスタ１０５のゲート電極
と同じ層に当該ゲート電極と同じ材料によって形成するのが一般的である。しかしながら
、トランジスタのゲート電極に用いられる材料はソース電極やドレイン電極に用いられる
材料と比べて、一般的に抵抗が高い材料である。そのため、信号線１２（ＴＸ）の抵抗は
高くなる傾向がある。
これに対して、図１０（Ｂ）に示した構成では、信号線１２（ＴＸ）が列方向に延びて配
置される構成である。そのため、行方向に延びて配置される信号線１３（ＳＥ）とは別の
層に形成された導電膜を用いて、信号線１２（ＴＸ）を形成することができる。例えば、
図１１に示したように、光センサ１００を構成するトランジスタ（トランジスタ１０３、
トランジスタ１０４、トランジスタ１０５等）のゲート電極を構成する導電膜（導電膜２
１２、導電膜２１８、導電膜２２２）とは異なる層に形成された導電膜２１１によって信
号線１２（ＴＸ）を形成することができる。導電膜２１１は、導電膜２１４、導電膜２１
９、導電膜２２０、導電膜２２４等、光センサ１００を構成するトランジスタ（トランジ
スタ１０３、トランジスタ１０４、トランジスタ１０５等）のソース電極やドレイン電極
と同じ層に当該ソース電極や当該ドレイン電極と同じ材料によって形成することができる
。そのため、図１０（Ａ）で示した構成に比べて信号線１２（ＴＸ）の抵抗を小さくする
ことができる。
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる
。
（実施の形態４）
本実施の形態では、上述した実施の形態１乃至実施の形態３で示した光センサを有する有
機ＥＬ表示装置の構成の一例について図１２を用いて説明する。有機ＥＬ表示装置は単結
晶半導体基板（例えば、単結晶シリコン基板）上に、３個のｎチャネル型トランジスタと
フォトダイオードとを積層させた構成を有する。
基板４１１は比較的高抵抗（例えば、ｎ型、１０Ωｃｍ程度）の単結晶シリコンから成り
、ｎウエル４１２、４１３、４１４、４１５が自己整合的に形成されている。隣接するト
ランジスタはフィールド酸化膜４１６で分離されている。フィールド酸化膜４１６の形成
に当たっては、ボロン（Ｂ）を選択的にイオン注入法により基板に導入し、チャネルスト
ッパーを形成しても良い。
ゲート絶縁膜４１７、４１８、４１９は熱酸化法により形成されている。
ゲート４２０、４２１、４２２は多結晶シリコン膜をＣＶＤ法により１００〜３００ｎｍ
の厚さで形成された多結晶シリコン層４２０ａ、４２１ａ、４２２ａと、その上に５０〜
３００ｎｍの厚さで積層させたシリサイド層４２０ｂ、４２１ｂ、４２２ｂにより形成さ
れている。多結晶シリコン層は低抵抗化するために予め１０２１／ｃｍ３程度の濃度でリ
ン（Ｐ）をドープしておいても良いし、多結晶シリコン膜を形成した後で濃いｎ型不純物
を拡散させても良い。シリサイド層の材料はモリブデンシリサイド（ＭｏＳｉｘ）、タン
グステンシリサイド（ＷＳｉｘ）、タンタルシリサイド（ＴａＳｉｘ）、チタンシリサイ
ド（ＴｉＳｉｘ）などを適用することが可能であり、公知の方法に従い形成すれば良い。
ｎチャネル型トランジスタの低濃度ドレイン（ＬＤＤ）領域４２３、４２４、４２５には
ｎ型の導電型を付与する不純物元素としてリン（Ｐ）または砒素（Ａｓ）がドーズ量１×
１０１３〜１×１０１４／ｃｍ２で添加されている。これらのＬＤＤ領域はゲートをマス
クとしてイオン注入法またはイオンドープ法で自己整合的に形成されている。
なお、本実施の形態では、一例として、トランジスタ４０３、トランジスタ４０４、トラ
ンジスタ４０５を、ｎチャネル型トランジスタとしているが、この構成に限定されない。
トランジスタ４０３、トランジスタ４０４、トランジスタ４０５は、ｐチャネル型トラン
ジスタでも良いし、ｎチャネル型とｐチャネル型が混在していても良い。
ｐチャネル型トランジスタで作製される場合、ｐチャネル型トランジスタの低濃度ドレイ
ン（ＬＤＤ）領域にはｐ型の導電型を付与する不純物元素としてボロン（Ｂ）をドーズ量
１×１０１３〜１×１０１４／ｃｍ２で添加すれば良い。
ＬＤＤ領域が形成された後、全面にＣＶＤ法で酸化シリコン膜や窒化シリコン膜等を用い
て絶縁膜が形成される。絶縁膜の全面にわたって、均一に異方性エッチングが行われ、ゲ
ートの側壁に絶縁膜を残存させることにより、サイドウオール４２６、４２７、４２８は
、形成されている。各トランジスタのソース領域およびドレイン領域はこのサイドウオー
ルをマスクに用いて形成されている。
ｎチャネル型トランジスタには、それぞれ砒素（Ａｓ）を５×１０１４〜１×１０１６／
ｃｍ２のドーズ量でイオン注入し、ソース領域４３０、４３１、４３２とドレイン領域４
３３、４３４、４３５が形成されている。
ｐチャネル型トランジスタで作製される場合、ボロン（Ｂ）を５×１０１４〜１×１０１
６／ｃｍ２のドーズ量でイオン注入したソース領域及びドレイン領域を形成すれば良い。
第１の層間絶縁膜４３６は、好適にはプラズマＣＶＤ法や減圧ＣＶＤ法で作製される酸化
シリコン膜や酸化窒化シリコン膜等を用いて１００〜２０００ｎｍの厚さで形成されてい
る。
更に、第１の層間絶縁膜４３６上にリンガラス（ＰＳＧ）、あるいはボロンガラス（ＢＳ
Ｇ）、もしくはリンボロンガラス（ＰＢＳＧ）等を用いて第２の層間絶縁膜４３７が形成
されている。第２の層間絶縁膜４３７はスピンコート法や常圧ＣＶＤ法で作製されるもの
で、形成後実施される７００〜９００℃の熱処理を兼ねた熱活性化の処理により第２の層
間絶縁膜４３７がリフローされ表面が平坦化される。
ソース配線４４０、４４１、４４２及びドレイン配線４４３、４４４、４４５は、第１の
層間絶縁膜４３６、及び平坦化された第２の層間絶縁膜４３７にコンタクトホールが形成
された後、それぞれのｎチャネル型トランジスタのソース領域及びドレイン領域に接する
ように形成されている。ソース配線及びドレイン配線には、低抵抗材料として通常よく用
いられるアルミニウムを用いる事が好ましい。また、高融点金属膜と低抵抗金属膜（アル
ミニウム合金または純アルミニウムなど）の積層構造としても良い。
また、ソース配線及びドレイン配線と同じ層に、電極４４６が形成されている。
パッシベーション膜４４７は、プラズマＣＶＤ法で窒化シリコン膜、または酸化シリコン
膜、あるいは窒化酸化シリコン膜等を用いて形成されている。
更に、パッシベーション膜４４７上に、第３の層間絶縁膜４４８が形成されている。第３
の層間絶縁膜４４８の表面はリフローされ平坦化される。
パッシベーション膜４４７及び平坦化された第３の層間絶縁膜４４８にコンタクトホール
が形成され、電極４４６と接する電極４４９、ソース配線４４０と接する電極４５０、及
びドレイン配線４４５と接する電極４５１が形成されている。
第３の層間絶縁膜４４８上に、電極４４９と接する電極４５２、電極４５０と接する電極
４５３、電極４５１と接する電極４５４が形成されている。電極４５２、電極４５３、及
び電極４５４は、低抵抗材料として通常よく用いられるアルミニウムを用いる事が好まし
い。また、チタン、アルミニウム、チタンの積層構造としても良い。
電極４５０、電極４５３によって、上部に形成されているフォトダイオード４０２と、下
部に形成されているトランジスタ４０３とを電気的に接続することができる。
図１２におけるフォトダイオード４０２は、第１の電極、第２の電極と、これら２つの電
極の間に挟まれた光電変換層と、を有する。光電変換層４６０は、ｐ型半導体層４６０ｐ
、ｎ型半導体層４６０ｎ、及びｐ型半導体層４６０ｐとｎ型半導体層４６０ｎとの間に挟
まれた真性（ｉ型）半導体層４６０ｉを有する。
なお、フォトダイオード４０２はこの構成に限定されず、少なくともｐ型半導体層とｎ型
半導体層の積層構造であれば良い。
ｐ型半導体層４６０ｐは、１３族の不純物元素、例えばホウ素（Ｂ）を含んだセミアモル
ファスシリコン膜がプラズマＣＶＤ法により形成されても良いし、セミアモルファスシリ
コン膜が形成された後、１３族の不純物元素が導入されてもよい。
ｐ型半導体層４６０ｐが形成された後、ｐ型半導体層４６０ｐ上に、積層させて、導電型
を付与する不純物を含まない半導体層（真性半導体層又はｉ型半導体層と呼ぶ）４６０ｉ
が形成されている。ｉ型半導体層４６０ｉとしては、例えばセミアモルファスシリコン膜
がプラズマＣＶＤ法で形成されても良い。
更に、真性（ｉ型）半導体層４６０ｉ上に、積層させて、ｎ型半導体層４６０ｎが形成さ
れている。ｎ型半導体層４６０ｎとしては、１５族の不純物元素、例えばリン（Ｐ）を含
むセミアモルファスシリコン膜が形成されてもよいし、セミアモルファスシリコン膜が形
成された後、１５族の不純物元素が導入されてもよい。
これにより、ｐ型半導体層４６０ｐ、ｉ型半導体層４６０ｉ及びｎ型半導体層４６０ｎを
有する光電変換層４６０が形成される。
なお本明細書においては、ｉ型半導体層とは、半導体層に含まれるｐ型もしくはｎ型を付
与する不純物濃度が１×１０２０ｃｍ−３以下であり、酸素及び窒素が５×１０１９ｃｍ
−３以下である半導体層を指す。なお、光伝導度は暗伝導度に対して１０００倍以上であ
ることが好ましい。またｉ型半導体層には、ホウ素（Ｂ）が１０〜１０００ｐｐｍ添加さ
れていてもよい。
また、真性（ｉ型）半導体層４６０ｉ、ｐ型半導体層４６０ｐ、及びｎ型半導体層４６０
ｎ、として、セミアモルファス半導体膜だけではなく、アモルファス半導体膜を用いても
よい。
電極４５２、電極４５４、光電変換層４６０上に、第４の層間絶縁膜４５５が有機樹脂材
料で１μｍ〜２μｍの厚さで形成されている。第４の層間絶縁膜４５５は、基板に塗布し
た後で熱重合するタイプのポリイミド等を用いて、クリーンオーブンで３００℃に加熱し
焼成して形成されても良い。
有機樹脂材料として、ポリイミド、ポリアミド、アクリル、ベンゾ・シクロ・ブテン（Ｂ
ＣＢ）などを用いることができる。有機樹脂材料を用いることの利点として、膜の形成方
法が簡単である点や、比誘電率が低いので寄生容量を低減できる点、平坦化するのに適し
ている点などが挙げられる。勿論、上述した以外の有機樹脂材料を用いても良い。
第４の層間絶縁膜４５５上に、画素電極４５６が形成されている。画素電極４５６は、電
極４５１、電極４５４を介してトランジスタ４０５のドレイン配線４４５と、電気的に接
続されている。電極４５１、電極４５４によって、画素電極４５６と、トランジスタ４０
５とを電気的に接続することができる。
画素電極４５６は、Ａｌに代表される低抵抗の材料で形成されることが好ましい。Ａｌ膜
の成膜としては公知の成膜法、例えば真空蒸着法やスパッタ法等を用いることができる。
またコントラストを良くするために、画素電極４５６の表面を凹凸化して拡散反射面とし
ても良い。
更に、画素電極４５６、第４の層間絶縁膜４５５上に、第１の透明導電膜が形成され、フ
ォトリソグラフィ法に従い、部分的にエッチング処理が行われ、透明導電膜４５７、４５
８が形成されている。
透明導電膜４５７は、画素電極４５６と接するように形成され、発光素子の陽極又は陰極
として機能する。発光素子は、第１の電極（陽極）、第２の電極（陰極）と、これら２つ
の電極の間に挟まれた有機ＥＬ層と、を有する。
また、透明導電膜４５８は、第４の層間絶縁膜４５５に形成されたコンタクトホールを介
して、ｎ型半導体層４６０ｎ、及び電極４５２と接するように形成されている。
透明導電膜４５７、４５８としては、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ、Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉ
ｎ Ｏｘｉｄｅ）などを用いることが可能である。
電極４４９、電極４５２を介して、上部に形成されている透明導電膜４５８と、下部に形
成されている電極４４６とを電気的に接続することができる。
透明導電膜４５７、４５８、第４の層間絶縁膜４５５上に、複数の逆テーパ状の隔壁４６
１が形成されている。隔壁４６１の断面は、逆テーパ形状を有し、上面は、額縁形状を有
する。なお、額縁形状とは、角部が頂点を有さない曲線形状でも良く、少なくとも２個の
閉ループが接することなく、中央部に空洞が存在していれば良い。逆テーパ状の隔壁４６
１はフォトリソグラフィ法に従い、未露光部分をパターンとするポジ型感光性樹脂を用い
、パターンの下部がより多くエッチングされるように露光量または現像時間を調節するこ
とによって形成される。
隔壁４６１、透明導電膜４５７上には、有機ＥＬ層（エレクトロルミネッセンス層）４５
９が形成されている。有機ＥＬ層４５９は公知の材料や構成を用いることができる。
有機ＥＬ層４５９の構成としては、再結合の場を提供する発光層だけで有機ＥＬ層として
も良いし、必要に応じて電子注入層、電子輸送層、正孔輸送層、電子阻止層、正孔阻止層
もしくは正孔注入層を積層しても良い。有機ＥＬ層４５９の材料としては、高分子系有機
ＥＬ材料を用いることができる。
一例として、有機ＥＬ層４５９は、ＰＶＫ（ポリビニルカルバゾール）、Ｂｕ−ＰＢＤ（
２−（４’−ｔｅｒｔ−ブチルフェニル）−５−（４’’−ビフェニル）−１，３，４−
オキサジアゾール）、クマリン６、ＤＣＭ１（４−ジシアノメチレン−２−メチル−６−
ｐ−ジメチルアミノスチリル−４Ｈ−ピラン）、ＴＰＢ（テトラフェニルブタジエン）、
ナイルレッドを１，２−ジクロロメタンまたはクロロホルムに溶解させ、スピンコート法
により塗布され、形成されても良い。
隔壁４６１、有機ＥＬ層４５９、及び透明導電膜４５８の上には、第２の透明導電膜が形
成され、フォトリソグラフィ法に従い、部分的にエッチング処理が行われ、透明導電膜４
６２、４６３が形成されている。透明導電膜４６２、４６３としてはＩＴＯなどを用いる
ことが可能である。
透明導電膜４６２は、有機ＥＬ層４５９と接するように形成され、発光素子の陽極又は陰
極として機能する。
なお、本実施の形態における透明導電膜４５７および透明導電膜４６２は、一方が陽極で
あり、他方が陰極であればどちらであっても良い。
また、隔壁４６１の高さは、第２の透明導電膜の膜厚より高くなるように形成されている
ため、複数の領域に分離された透明導電膜４６２、透明導電膜４６３が形成される。なお
、複数に分離された領域は、それぞれ電気的に独立している。なお、隔壁４６１上に形成
された透明導電膜の電位は、フローティングである。
なお、検出する光は透明導電膜４５８、透明導電膜４６３を通過するため、これらの材料
は全て透光性の高い材料を用いることが望ましい。
なお、必要であれば、基板４１１に封止缶やガラス基板などの封止材をシール材などの接
着剤で貼り合わせて封止し、発光素子が密閉された空間に配置されるようにしても良い。
これにより、発光素子の劣化を防止することができる。なお、密閉された空間には、充填
材や、乾燥した不活性ガスを充填しても良い。さらに、水分などによる発光素子の劣化を
防ぐために基板と封止材との間に乾燥剤などを封入してもよい。乾燥剤によって微量な水
分が除去され、十分乾燥される。乾燥剤としては、酸化カルシウムや酸化バリウムなどの
ようなアルカリ土類金属の酸化物のような化学吸着によって水分を吸着する物質を用いる
ことが可能である。その他の乾燥剤として、ゼオライトやシリカゲル等の物理吸着によっ
て水分を吸着する物質を用いてもよい。
なお、トランジスタ４０３、４０４、４０５は、絶縁表面上に形成されたシリコン膜等の
半導体膜や、ＳＯＩ基板のシリコン膜にチャネル形成領域が形成されるトランジスタであ
ってもよい。トランジスタの構成については、その他、公知の構成を用いることが可能で
ある。
また、図１２では、フォトダイオード４０２が形成された層と、トランジスタ４０３、４
０４、４０５が形成された層との間に、１つの配線層が設けられた構成を示したがこれに
限定されない。２つ以上の配線層が設けられた構成としても良い。
以上のように、フォトダイオード４０２と、トランジスタ４０３、４０４、４０５を、積
層させることで、光センサの面積を削減し、小型化を図ることができる。
本実施の形態は、上記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５）
本実施の形態では、実施の形態１で示した隣接する光センサ１００＿（ｋ−１）及び光セ
ンサ１００＿（ｋ）（以下では合わせて光センサ群１２０とも記す）の構成について、よ
り詳細に説明する。ｍ行ｎ列のマトリクス状に配置された光センサ群１２０を有する半導
体装置の構成の一例について図１３を用いて説明する。
図１３（Ａ）では、光センサ１００＿（ｓ）、及び光センサ１００＿（ｓ＋１）が隣接列
において、被写体の同一点からの反射光を検出する例を示している（ｓは１以上（２ｎ−
１）以下の奇数）。図１３（Ｂ）では、光センサ１００＿（ｉ）、及び光センサ１００＿
（ｉ＋１）が隣接行において、被写体の同一点からの反射光を検出する例を示している（
ｉは１以上（２ｍ−１）以下の奇数）。なお、どちらの構成においても、同様の効果を得
ることができるため、該構成は限定されない。
図１３（Ａ）では、複数の光センサ群１２０がｍ行ｎ列のマトリクス状に配置されている
。例えば、１行目の隣接する光センサ１００＿（ｓ）、及び光センサ１００＿（ｓ＋１）
において、被写体の同一点からの反射光を検出する。同様に、ｍ行目の隣接する光センサ
１００＿（ｓ）、及び光センサ１００＿（ｓ＋１）において、被写体の同一点からの反射
光を検出する。
各行の光センサ群１２０は、光センサ基準信号線１５を共有している。例えば、１行目の
光センサ基準信号線１５＿（１）は、１行１列目の光センサ群１２０＿（１）〜１行ｎ列
目の光センサ群１２０＿（ｎ）と電気的に接続され、ｍ行目の光センサ基準信号線１５＿
（ｍ）もまた、ｍ行１列目の光センサ群１２０＿（１）〜ｍ行ｎ列目の光センサ群１２０
＿（ｎ）と電気的に接続されている。
また、各行の光センサ群１２０は、光センサ出力信号線１６を共有している。例えば、１
行目の光センサ出力信号線１６＿（１）は、１行１列目の光センサ群１２０＿（１）〜１
行ｎ列目の光センサ群１２０＿（ｎ）と電気的に接続され、ｍ行目の光センサ出力信号線
１６＿（ｍ）もまた、ｍ行１列目の光センサ群１２０＿（１）〜ｍ行ｎ列目の光センサ群
１２０＿（ｎ）と電気的に接続されている。
図１３（Ａ）では、各行の光センサにおいて光センサ基準信号線１５を共有し、光センサ
出力信号線１６を共有している。
しかしながら、本発明はこれに限定されない。例えば、各列に複数本の光センサ基準信号
線１５を設けて互いに異なる光センサと電気的に接続してもよい。また、各列に複数本の
光センサ出力信号線１６を設けて互いに異なる光センサと電気的に接続してもよい。
なお、図１３（Ａ）では、光センサ基準信号線１５及び光センサ出力信号線１６を各行の
光センサにおいて共有する構成を示したがこれに限定されない。光センサ基準信号線１５
及び光センサ出力信号線１６は各列の光センサにおいて共有しても良い。
上記のとおり配線を共有し、配線数を減らすことによって、ｍ行ｎ列のマトリクス状に配
置された光センサ群を駆動する駆動回路を簡略化することができる。
次いで、ｍ行ｎ列のマトリクス状に配置された光センサ群１２０を有する半導体装置の図
１３（Ａ）とは別の構成の一例について図１３（Ｂ）を用いて説明する。図１３（Ｂ）で
は、複数の光センサ群１２０がｍ行ｎ列のマトリクス状に配置されている。例えば、１列
目の隣接する光センサ１００＿（ｉ）、及び光センサ１００＿（ｉ＋１）において、被写
体の同一点からの反射光を検出する。同様に、ｎ列目の隣接する光センサ１００＿（ｉ）
、及び光センサ１００＿（ｉ＋１）において、被写体の同一点からの反射光を検出する。
各行の光センサ群は、信号線１３を共有している。例えば、１行目の信号線１３＿（１）
は、１行１列目の光センサ群１２０＿（１）〜１行ｎ列目の光センサ群１２０＿（ｎ）と
電気的に接続され、ｍ行目の信号線１３もまた、ｍ行１列目の光センサ群１２０＿（１）
〜ｍ行ｎ列目の光センサ群１２０＿（ｎ）と電気的に接続されている。
また各列の光センサ群において光センサ基準信号線１５を共有している。例えば、図１３
（Ｂ）に示すように、ｎ列目の光センサ群において光センサ基準信号線１５を共有してい
る。
しかしながら、本発明はこれに限定されない。例えば、各列に複数本の光センサ基準信号
線１５を設けて互いに異なる光センサと電気的に接続してもよい。
なお、図１３（Ｂ）では、各列の光センサにおいて、光センサ基準信号線１５を共有し、
また、各行の光センサにおいて信号線１３を共有する構成を示したがこれに限定されない
。光センサ基準信号線１５を各行の光センサにおいて共有しても良いし、信号線１３を各
列の光センサにおいて共有しても良い。
上記のとおり配線を共有し、配線数を減らすことによって、ｍ行ｎ列のマトリクス状に配
置された光センサ群を駆動する駆動回路を簡略化することができる。
本実施の形態は、上記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６）
次に、図４で示した光センサ群１１０の上面図及び断面図の一例を示す。図１４に光セン
サ群１１０の上面図の一例を示す。図１４の一点鎖線Ａ１―Ａ２、Ａ３−Ａ４に対応する
断面図を、図１５（Ａ）に、図１４の一点鎖線Ｂ１−Ｂ２に対応する断面図を、図１５（
Ｂ）に示す。
図１５（Ａ）について説明する。図１５（Ａ）に示す断面図において透光性基板２００上
に、遮光層２３１と、下地膜２３２とが設けられる。
下地膜２３２上に接して、赤外光を吸収するフォトダイオード１０２Ｂの半導体層を構成
するｐ型半導体領域２０３及びｉ型半導体領域２０４が設けられ、トランジスタ１０４Ｂ
の半導体層を構成するｎ型半導体領域２０５及びｉ型半導体領域２０６が設けられ、トラ
ンジスタ１０５Ｂの半導体層を構成するｎ型半導体領域２０７及びｉ型半導体領域２０８
が設けられ、トランジスタ１０３Ａの半導体層を構成するｎ型半導体領域２０９が設けら
れる。
なお、ｐ型半導体領域２０３及びｉ型半導体領域２０４、ｎ型半導体領域２０５及びｉ型
半導体領域２０６、ｎ型半導体領域２０７及びｉ型半導体領域２０８、ｎ型半導体領域２
０９は、同層に形成される。
フォトダイオード１０２Ｂの半導体層、トランジスタ１０４Ｂの半導体層、トランジスタ
１０５Ｂの半導体層、及びトランジスタ１０３Ａの半導体層上には、絶縁層２４０が設け
られる。
絶縁層２４０上に接して、導電層１０８が設けられる。また、絶縁層２４０を介して、ｉ
型半導体領域２０６上には、トランジスタ１０４Ｂのゲート電極２４１が設けられる。ま
た、絶縁層２４０を介して、ｉ型半導体領域２０８上には、トランジスタ１０５Ｂのゲー
ト電極２４２が設けられる。導電層１０８、ゲート電極２４１、及びゲート電極２４２は
、同層に形成される。
なお、導電層１０８は、信号線１５（光センサ基準信号線）と電気的に接続されている。
絶縁層２４０、導電層１０８、ゲート電極２４１、及びゲート電極２４２上には、絶縁層
２４３が設けられる。
絶縁層２４０、絶縁層２４３を介して、トランジスタ１０５Ｂのｎ型半導体領域２０７の
一方の上に接して、導電層２５５が設けられ、トランジスタ１０４Ｂのｎ型半導体領域２
０５の一方の上に接して、導電層２４５が設けられ、トランジスタ１０５Ｂのｎ型半導体
領域２０７の他方、及びトランジスタ１０４Ｂのｎ型半導体領域２０５の他方の上に接し
て、導電層２４４が設けられる。導電層２５５、導電層２４５、及び導電層２４４は、同
層に形成される。
なお、導電層２５５は、信号線１６Ｂ（光センサ出力信号線）、及びトランジスタ１０５
Ｂのソース電極又はドレイン電極の一方と電気的に接続され、導電層２４５は、信号線１
５、及びトランジスタ１０４Ｂのソース電極又はドレイン電極の一方と電気的に接続され
、導電層２４４は、トランジスタ１０４Ｂのソース電極又はドレイン電極の他方、及びト
ランジスタ１０５Ｂのソース電極又はドレイン電極の他方と電気的に接続されている。
同様に、絶縁層２４０、絶縁層２４３を介して、トランジスタ１０３Ａのｎ型半導体領域
２０９上に接して、導電層２４７が設けられ、フォトダイオード１０２Ｂのｐ型半導体領
域２０３上に接して、導電層２４６が設けられる。導電層２４７及び導電層２４６は、同
層に形成される。
なお、導電層２４６は、信号線１１Ｂ（リセット信号線）と電気的に接続され、導電層２
４７は、トランジスタ１０３Ａのソース電極又はドレイン電極の一方と電気的に接続され
ている。
また、絶縁層２４３及び導電層２４６上に、フォトダイオード１０２Ａにおけるｐ型半導
体領域２４８、ｉ型半導体領域２４９及びｎ型半導体領域２３０が設けられる。なおフォ
トダイオード１０２Ａにおけるｐ型半導体領域２４８は、端部が、導電層２４６に乗り上
げられるようにして形成される。
フォトダイオード１０２Ａの半導体層、導電層２４４、導電層２４５、導電層２４６、導
電層２４７、導電層２５５及び絶縁層２４３上に、絶縁層２３３が設けられる。
ｎ型半導体領域２３０上及び導電層２４７上には、絶縁層２３３を介して、導電層２５２
が設けられる。
なお、導電層２５２は画素電極となる。
次いで図１５（Ｂ）について説明する。図１５（Ｂ）に示す断面図において透光性基板２
００上に、遮光層２３１と、下地膜２３２とが設けられる。
下地膜２３２を介して遮光層２３１上には、赤外光を吸収するフォトダイオード１０２Ｂ
の半導体層を構成するｐ型半導体領域２０３、ｉ型半導体領域２０４及びｎ型半導体領域
２５３が設けられる。
フォトダイオード１０２Ｂの半導体層、及び下地膜２３２上には、絶縁層２４０が設けら
れる。
絶縁層２４０上に接して、導電層１０８が設けられる。
絶縁層２４０、導電層１０８上には、絶縁層２４３が設けられる。
絶縁層２４０、絶縁層２４３を介して、フォトダイオード１０２Ｂのｐ型半導体領域２０
３上に接して、導電層２４６が設けられ、フォトダイオード１０２Ｂのｎ型半導体領域２
５３上に接して、導電層２５４が設けられる。導電層２４６及び導電層２５４は、同層に
形成される。
なお、導電層２４６は、フォトダイオード１０２Ｂの陽極と電気的に接続され、導電層２
５４は、トランジスタ１０３Ｂのソース電極又はドレイン電極の一方、及びフォトダイオ
ード１０２Ｂの陰極と電気的に接続されている。
フォトダイオード１０２Ａの半導体層、導電層２４６、導電層２５４及び絶縁層２４３上
に、絶縁層２３３が設けられる。
透光性基板２００としては、可視光及び赤外光に対する透光性を有する材質の基板である
ことが好ましい。例えば可視光及び赤外光に対して透光性を有するプラスチック基板、ガ
ラス基板等を用いることができる。
また、透光性基板２００は、透光性を有する可撓性シート等であっても良い。
光源（バックライト）としては、透光性基板２００側より赤外光と可視光を発光すること
ができれば特に限定されない。例えば、赤外光を発光する発光ダイオード及び可視光を発
光する発光ダイオードを並べて配置しても良い。
なお、光源は、可視光をフォトダイオード１０２Ａで検出し、赤外光をフォトダイオード
１０２Ｂで検出することができれば、透光性基板２００側に設けられても良いし、対向基
板側に設けられてもよい。
遮光層２３１としては、赤外光及び可視光の遮光が可能なアルミニウムまたはクロム等の
金属材料を用いることができる。
遮光層２３１を設けることで、透光性基板２００側に配置される光源からの赤外光及び可
視光がフォトダイオード１０２Ａ及びフォトダイオード１０２Ｂに入射するのを防止する
ことができる。
なお、遮光層２３１は、フォトダイオード１０２Ｂと積層する領域のみならず、トランジ
スタ１０３、トランジスタ１０４、トランジスタ１０５の各半導体層と重畳する領域にも
設けることが好ましい。遮光層を、各トランジスタの半導体層と重畳する領域に設けるこ
とで、光源からの赤外光及び可視光により、閾値電圧がシフトするなど、特性劣化が生じ
るのを防止することができる。
下地膜２３２としては、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリ
コン等の透光性及び絶縁性を有する材料を用いることが好ましい。下地膜２３２は、単層
構造でも良いし積層構造でも良い。
下地膜２３２を設けることで、透光性基板２００に含まれるＮａなどのアルカリ金属やア
ルカリ土類金属がフォトダイオード１０２Ｂに拡散し、トランジスタ、及びフォトダイオ
ードの電気特性に悪影響を及ぼすのを防ぐことができる。
なお、下地膜２３２の表面は、平坦性が高いことが好ましい。表面平坦性が高い下地膜２
３２を用いることで、フォトダイオード１０２Ｂの半導体層を形成する際の形成不良を防
止することができる。
フォトダイオード１０２Ａの半導体層としては、主に可視光を吸収し、大部分の赤外光を
透過する特性を有する材料を用いることが好ましい。例えば、非晶質シリコン等を用いる
ことができる。
フォトダイオード１０２Ｂの半導体層としては、赤外光を吸収する特性を有する材料を用
いることが好ましい。例えば、単結晶シリコン、多結晶シリコン等の結晶性シリコンを用
いることができる。
図１４において、信号線１１はリセット信号線（ＰＲ）、信号線１２は電荷蓄積信号線（
ＴＸ）、信号線１３Ａは選択信号線（ＳＥ）、ノード１４は、フローティングディフュー
ジョン（ＦＤ）ノード、信号線１５は、光センサ基準信号線、信号線１６は、光センサ出
力信号線である。
なお、トランジスタ１０３、トランジスタ１０４、及びトランジスタ１０５に用いる半導
体材料としては、半導体装置の使用目的、用途に合わせて適宜選択することが好ましい。
絶縁層２４０としては、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜または窒化酸化シリコン膜
や、有機樹脂膜等の透光性及び絶縁性を有する材料を用いることができる。絶縁層２４０
は単層構造でも良いし積層構造でも良い。
絶縁層２４０を設ける事で、外部よりＮａなどのアルカリ金属やアルカリ土類金属がフォ
トダイオード１０２Ｂ中に拡散し、特性に悪影響を及ぼすのを防ぐことが可能である。
ゲート電極２４１、ゲート電極２４２、及び導電層１０８としては、導電性を有する金属
材料を用いることができる。モリブデン、チタン、クロム、タンタル、タングステン、ア
ルミニウム、銅、ネオジム、スカンジウム等の金属材料、またはこれらを主成分とする合
金材料を用いることが好ましい。なお、ゲート電極２４１、ゲート電極２４２、及び導電
層１０８は単層構造でも良いし積層構造でも良い。
絶縁層２４３としては、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜または窒化酸化シリコン膜
や、有機樹脂膜等の透光性及び絶縁性を有する材料を用いることができる。なお、絶縁層
２４３は単層構造でも良いし積層構造でも良い。
導電層２４４、導電層２４５、導電層２４６、導電層２４７、導電層２５４、及び導電層
２５５としては、モリブデン、チタン、クロム、タンタル、タングステン、アルミニウム
、銅、イットリウムなどの金属、これらを主成分とする合金材料、または酸化インジウム
等の導電性を有する金属酸化物等の材料を用いることができる。なお、これらの導電層は
単層構造でも良いし積層構造でも良い。
絶縁層２３３としては、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜または窒化酸化シリコン膜
や、有機樹脂膜等の透光性及び絶縁性を有する材料を用いて、単層構造または積層構造で
形成することができる。なお絶縁層２３３は、表面平坦性を有することが好ましい。
導電層２５２（画素電極）としては、透光性を有する導電層であればよく、ＩＴＯ、酸化
シリコンを含むインジウム錫酸化物（ＩＴＳＯ）、インジウム亜鉛酸化物などの材料を用
いて形成することができる。
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる
。
１１ 信号線
１２ 信号線
１３ 信号線
１４ ノード
１５ 信号線
１６ 信号線
１７ 信号線
１８ ノード
１００ 光センサ
１０１ 回路
１０２ フォトダイオード
１０３ トランジスタ
１０４ トランジスタ
１０５ トランジスタ
１０６ トランジスタ
１０８ 導電層
１１０ 光センサ群
１２０ 光センサ群
２００ 透光性基板
２０３ ｐ型半導体領域
２０４ ｉ型半導体領域
２０５ ｎ型半導体領域
２０６ ｉ型半導体領域
２０７ ｎ型半導体領域
２０８ ｉ型半導体領域
２０９ ｎ型半導体領域
２１０ 導電膜
２１１ 導電膜
２１２ 導電膜
２１３ 導電膜
２１４ 導電膜
２１５ 半導体膜
２１６ 半導体膜
２１７ 半導体膜
２１８ 導電膜
２１９ 導電膜
２２０ 導電膜
２２１ 導電膜
２２２ 導電膜
２２３ 導電膜
２２４ 導電膜
２２５ 導電膜
２２６ 導電膜
２２７ 導電膜
２２８ ゲート絶縁膜
２３０ ｎ型半導体領域
２３１ 遮光層
２３２ 下地膜
２３３ 絶縁層
２４０ 絶縁層
２４１ ゲート電極
２４２ ゲート電極
２４３ 絶縁層
２４４ 導電層
２４５ 導電層
２４６ 導電層
２４７ 導電層
２４８ ｐ型半導体領域
２４９ ｉ型半導体領域
２５０ 活性層
２５１ 基板
２５２ 導電層
２５３ ｎ型半導体領域
２５４ 導電層
２５５ 導電層
２８１ 絶縁膜
２８２ 絶縁膜
３０１ パルス
３０２ パルス
４０２ フォトダイオード
４０３ トランジスタ
４０４ トランジスタ
４０５ トランジスタ
４１１ 基板
４１２ ｎウエル
４１３ ｎウエル
４１４ ｎウエル
４１５ ｎウエル
４１６ フィールド酸化膜
４１７ ゲート絶縁膜
４１８ ゲート絶縁膜
４１９ ゲート絶縁膜
４２０ ゲート
４２０ａ 多結晶シリコン層
４２０ｂ シリサイド層
４２３ 低濃度ドレイン領域
４２４ 低濃度ドレイン領域
４２５ 低濃度ドレイン領域
４２６ サイドウオール
４２７ サイドウオール
４２８ サイドウオール
４３０ ソース領域
４３１ ソース領域
４３２ ソース領域
４３３ ドレイン領域
４３４ ドレイン領域
４３５ ドレイン領域
４３６ 層間絶縁膜
４３７ 層間絶縁膜
４４０ ソース配線
４４１ ソース配線
４４２ ソース配線
４４３ ドレイン配線
４４４ ドレイン配線
４４５ ドレイン配線
４４６ 電極
４４７ パッシベーション膜
４４８ 層間絶縁膜
４４９ 電極
４５０ 電極
４５１ 電極
４５２ 電極
４５３ 電極
４５４ 電極
４５５ 層間絶縁膜
４５６ 画素電極
４５７ 透明導電膜
４５８ 透明導電膜
４５９ 有機ＥＬ層
４６０ 光電変換層
４６０ｉ ｉ型半導体層
４６０ｎ ｎ型半導体層
４６０ｐ ｐ型半導体層
４６１ 隔壁
４６２ 透明導電膜
４６３ 透明導電膜
５００ 半導体装置
５０１ 画素
５０２ 受光部
５０３ 信号処理回路
５０４ 光源
５０５ 照射制御装置
５０６ 被検出物
５０７ 赤外光
５０８ 反射光
５１７ 可視光
５１８ 可視光

Claims (4)

  1. 光電変換素子、及び前記光電変換素子に照射される光量に基づき信号電荷をＦＤノードに蓄積させる蓄積トランジスタを含む複数の画素と、出力線から出力された検出信号に基づき演算処理を行う信号処理回路と、を有する半導体装置の駆動方法であって、
    光源から被検出物に対して、赤外光を期間Ｔで照射し、
    前記被検出物に到達して反射された光が第１の光電変換素子及び前記第１の光電変換素子と隣接する第２の光電変換素子への入射を開始する第１の時刻より前に、前記第１の光電変換素子の一方の電極に、第１のＦＤノードを高電位とする電位を供給し、
    前記第１の時刻から、前記光源が前記赤外光の照射を停止する第２の時刻までの期間は、少なくとも第１の蓄積トランジスタのゲート電極の電位を高電位とし、
    前記第２の時刻より前に、前記第２の光電変換素子の一方の電極に、第２のＦＤノードを高電位とする電位を供給し、
    前記第２の時刻から、前記被検出物に到達して反射された光が第１の光電変換素子及び第２の光電変換素子への入射を終了する第３の時刻までの期間は、少なくとも第２の蓄積トランジスタのゲート電極の電位を高電位とすることをｎ（ｎは２以上の自然数）回繰り返し、
    前記ｎ回繰り返した後、前記ｎ回目の前記第３の時刻後の前記第１のＦＤノードの電位と低電位との第１の電位差に基づく第１の検出信号を、第１の出力線から取得し、
    前記ｎ回目の前記第３の時刻後の前記第２のＦＤノードの電位と低電位との第２の電位差に基づく第２の検出信号を、第２の出力線から取得し、
    前記第１の検出信号及び前記第２の検出信号を取得した後、光速をｃ、前記第１の検出信号をＳ１、前記第２の検出信号をＳ２としたときに前記信号処理回路で、
    次式

    の演算処理を行って、前記光電変換素子と前記被検出物との距離を算出することを特徴とする半導体装置の駆動方法。
  2. 光電変換素子、前記光電変換素子に照射される光量に基づき信号電荷をＦＤノードに蓄積させる蓄積トランジスタ、前記信号電荷の蓄積量に基づき変換された信号電位を増幅する増幅トランジスタ、及び増幅された前記信号電位に基づき検出信号を出力線から出力する出力トランジスタ、を含む複数の画素と、前記出力線から出力された前記検出信号に基づき演算処理を行う信号処理回路と、を有する半導体装置の駆動方法であって、
    光源から被検出物に対して、赤外光を期間Ｔで照射し、
    前記被検出物に到達して反射された光が第１の光電変換素子及び前記第１の光電変換素子と隣接する第２の光電変換素子への入射を開始する第１の時刻より前に、前記第１の光電変換素子の一方の電極に、第１のＦＤノードを高電位とする電位を供給し、
    前記第１の時刻から、前記光源が前記赤外光の照射を停止する第２の時刻までの期間は、少なくとも第１の蓄積トランジスタのゲート電極の電位を高電位とし、
    前記第２の時刻より前に、前記第２の光電変換素子の一方の電極に、第２のＦＤノードを高電位とする電位を供給し、
    前記第２の時刻から、前記被検出物に到達して反射された光が第１の光電変換素子及び第２の光電変換素子への入射を終了する第３の時刻までの期間は、少なくとも第２の蓄積トランジスタのゲート電極の電位を高電位とすることをｎ（ｎは２以上の自然数）回繰り返し、
    前記ｎ回繰り返した後、前記ｎ回目の前記第３の時刻後の前記第１のＦＤノードの電位を第１の増幅トランジスタによって増幅し、
    第１の出力トランジスタのゲート電極を高電位とする電位を供給し、前記第１の増幅トランジスタと前記第１の出力トランジスタとを導通させることで第１の出力線の電位を変化させた後、前記第１の出力トランジスタの前記ゲート電極を第１の低電位とする電位を供給し、
    前記第１の低電位供給後の、前記第１の出力線の電位と前記第１の低電位との第１の電位差を、前記第１の出力線から出力し、
    前記ｎ回目の前記第３の時刻後の前記第２のＦＤノードの電位を第２の増幅トランジスタによって増幅し、
    第２の出力トランジスタのゲート電極を高電位とする電位を供給し、前記第２の増幅トランジスタと前記第２の出力トランジスタとを導通させることで第２の出力線の電位を変化させた後、前記第２の出力トランジスタの前記ゲート電極を第２の低電位とする電位を供給し、
    前記第２の低電位供給後の、前記第２の出力線の電位と前記第２の低電位との第２の電位差を、前記第２の出力線から出力し、
    前記第１の出力線から前記第１の電位差を、前記第２の出力線から前記第２の電位差を出力した後、前記第１の電位差に基づいて第１の検出信号を取得し、前記第２の電位差に基づいて第２の検出信号を取得し、
    前記第１の検出信号及び前記第２の検出信号を取得した後、光速をｃ、前記第１の検出信号をＳ１、前記第２の検出信号をＳ２としたときに前記信号処理回路で、
    次式

    の演算処理を行って、前記光電変換素子と前記被検出物との距離を算出することを特徴とする半導体装置の駆動方法。
  3. 請求項１又は請求項２において、
    前記半導体装置に含まれる複数の前記画素は、それぞれ前記光電変換素子と前記被検出物との距離を算出することを特徴とする半導体装置の駆動方法。
  4. 請求項１乃至請求項３のいずれか一項において、
    設定された前記赤外光照射の期間Ｔ及び前記赤外光照射の回数ｎに基づき、前記光源に同期したパルス状の信号を出力可能な照射制御装置を前記半導体装置が備えていることを特徴とする半導体装置の駆動方法。
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