JP6131069B2

JP6131069B2 - 半導体装置の駆動方法

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Publication number: JP6131069B2
Application number: JP2013042875A
Authority: JP
Inventors: 黒川　義元; 義元黒川
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Filing date: 2013-03-05
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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（ＴｉｍｅＯｆＦｌｉｇｈｔ：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．Ｋｉｍｅｔａｌ，"ＡＴｈｒｅｅ−ＤｉｍｅｎｓｉｏｎａｌＴｉｍｅ−ｏｆ−ＦｌｉｇｈｔＣＭＯＳＩｍａｇｅＳｅｎｓｏｒＷｉｔｈＰｉｎｎｅｄ−ＰｈｏｔｏｄｉｏｄｅＰｉｘｅｌＳｔｒｕｃｔｕｒｅ"，ＩＥＥＥＥｌｅｃｔｒｏｎＤｅｖｉｃｅＬｅｔｔｅｒｓ，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Ｓ_１、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、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Ｓ_１、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、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Ｓ_１、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、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、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Ｓ_１、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、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Ｓ_１、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Ｓ_１、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。

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１００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（ＴＸ）、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。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、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１２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１００Ａ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、１０２Ｂ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１０２Ａ、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、１３Ｂ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１００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１００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３０１、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”Ｖ_１”で、時刻Ｔ２１での低電位”Ｌ”とノード１４との間の電位差を”Ｖ_２”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”Ｖ_Ｓ１”で、時刻Ｔ２４での、低電位”Ｌ”と信号線１６との間の電位差を”Ｖ_Ｓ２”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”Ｖ_Ｓ１”が第１の検出信号Ｓ_１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”Ｖ_Ｓ２”が第２の検出信号Ｓ_２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Ｓ_１（２）、第２の検出信号をＳ_２（２）、光速をｃ（３×１０^８ｍ／ｓ）とすると、第１の検出信号Ｓ_１（２）、第２の検出信号Ｓ_２（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Ｓ_１（ｎ）、第２の検出信号をＳ_２（ｎ）、光速をｃ（３×１０^８ｍ／ｓ）とすると、第１の検出信号Ｓ_１（ｎ）、第２の検出信号Ｓ_２（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Ｓ_１（ｎ）及び第２の検出信号Ｓ_２（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Ｓ_１及び第２の検出信号Ｓ_２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Ｔ４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、”Ｖ_１”とする。

時刻Ｔ８におけるノード１４の電位”Ｖ_１”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、”Ｖ_Ｓ１”とする。

時刻Ｔ１１における信号線１６の電位”Ｖ_Ｓ１”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”Ｖ_Ｓ１”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。

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１４の電位を、”Ｖ_２”とする。

時刻Ｔ２１におけるノード１４の電位”Ｖ_２”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、”Ｖ_Ｓ２”とする。

時刻Ｔ２４における信号線１６の電位”Ｖ_Ｓ２”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”Ｖ_Ｓ２”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（Ｖ_Ｓ２）は、時刻Ｔ１１における信号線１６の電位（Ｖ_Ｓ１）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Ｓ_１及び第２の検出信号Ｓ_２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”Ｖ_１”で、時刻Ｔ１１での低電位”Ｌ”とノード１４＿（ｋ）との間の電位差を”Ｖ_２”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”Ｖ_Ｓ１”で、時刻Ｔ１５での低電位”Ｌ”と信号線１６＿（ｋ）との間の電位差を”Ｖ_Ｓ２”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”Ｖ_Ｓ１”が第１の検出信号Ｓ_１に相当し、時刻Ｔ１５での低電位”Ｌ”と信号線１６＿（ｋ）との間の電位差”Ｖ_Ｓ２”が第２の検出信号Ｓ_２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Ｓ_１（２）、第２の検出信号をＳ_２（２）、光速をｃ（３×１０^８ｍ／ｓ）とすると、第１の検出信号Ｓ_１（２）、第２の検出信号Ｓ_２（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１２＿（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Ｔ５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）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１４＿（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、”Ｖ_１”とする。

時刻Ｔ１０におけるノード１４＿（ｋ−１）の電位”Ｖ_１”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Ｔ１０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、”Ｖ_２”とする。

時刻Ｔ１１におけるノード１４＿（ｋ）の電位”Ｖ_２”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、”Ｖ_Ｓ１”とする。

時刻Ｔ１４における信号線１６＿（ｋ−１）の電位”Ｖ_Ｓ１”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、”Ｖ_Ｓ２”とする。

時刻Ｔ１５における信号線１６＿（ｋ）の電位”Ｖ_Ｓ２”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”Ｖ_Ｓ１”及び時刻Ｔ１５での、低電位”Ｌ”と信号線１６＿（ｋ）との間の電位差”Ｖ_Ｓ２”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、”Ｖ_Ｓ２”は、”Ｖ_Ｓ１”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Ｓ_１及び第２の検出信号Ｓ_２を取得できる。上述の駆動方法では、第１の検出信号Ｓ_１及び第２の検出信号Ｓ_２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”Ｖ_３”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”Ｖ_１”で、時刻Ｔ２１での、低電位”Ｌ”とノード１４Ｂとの間の電位差を”Ｖ_２”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Ｔ２７での、低電位”Ｌ”と信号線１６Ａとの間の電位差を”Ｖ_Ｓ３”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Ｔ１１での、低電位”Ｌ”と信号線１６Ｂとの間の電位差を”Ｖ_Ｓ１”で、時刻Ｔ２４での、低電位”Ｌ”と信号線１６Ｂとの間の電位差を”Ｖ_Ｓ２”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”Ｖ_Ｓ１”が第１の検出信号Ｓ_１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”Ｖ_Ｓ２”が第２の検出信号Ｓ_２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”Ｖ_Ｓ３”が第３の検出信号Ｓ_３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Ｓ_１及び第２の検出信号Ｓ_２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１５Ａ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１６Ａ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、”Ｖ_Ｓ３”とする。

時刻Ｔ２７における信号線１６Ａの電位”Ｖ_Ｓ３”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”Ｖ_Ｓ３”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Ｓ_１、第２の検出信号Ｓ_２、及び第３の検出信号Ｓ_３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Ｓ_２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Ｓ_１と第２の検出信号Ｓ_２とが等しいことは、第１の検出信号Ｓ_１を取得する際と、第２の検出信号Ｓ_２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Ｓ_１と第２の検出信号Ｓ_２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Ｓ_１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Ｓ_１ｍと、第２の検出信号Ｓ_２ｍ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Ｓ_１と第２の検出信号Ｓ_２とを順次取得し、第１の検出信号Ｓ_１と第２の検出信号Ｓ_２とが等しくなった時の、第１の検出信号Ｓ_１ｍ、第２の検出信号Ｓ_２ｍ、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。

（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）＿１〜１２（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。

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（ＴＸ）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２１５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２１７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２２２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１０４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２２７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２５１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１０４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（ＳＥ）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２１２、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２１９、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。

（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１０^２１／ｃｍ^３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（ＭｏＳｉ_ｘ）、タングステンシリサイド（ＷＳｉ_ｘ）、タンタルシリサイド（ＴａＳｉ_ｘ）、チタンシリサイド（ＴｉＳｉ_ｘ）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１×１０^１３〜１×１０^１４／ｃｍ^２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１×１０^１３〜１×１０^１４／ｃｍ^２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５×１０^１４〜１×１０^１６／ｃｍ^２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４３３、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５×１０^１４〜１×１０^１６／ｃｍ^２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（ＢＳＧ）、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１×１０^２０ｃｍ^−３以下であり、酸素及び窒素が５×１０^１９ｃｍ^−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４６０ｎ、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（ＢＣＢ）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４０５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、４５８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、ＩｎｄｉｕｍＴｉｎＯｘｉｄｅ）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４６１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４６１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）４５９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４６２、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、４０４、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。

（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２０９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２０５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１０５Ｂ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１５、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２４７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２００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２０３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２５３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２５４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２３２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。

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
２０３ｐ型半導体領域
２０４ｉ型半導体領域
２０５ｎ型半導体領域
２０６ｉ型半導体領域
２０７ｎ型半導体領域
２０８ｉ型半導体領域
２０９ｎ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
２３０ｎ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
２４８ｐ型半導体領域
２４９ｉ型半導体領域
２５０活性層
２５１基板
２５２導電層
２５３ｎ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
４１２ｎウエル
４１３ｎウエル
４１４ｎウエル
４１５ｎ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
４６０ｉｉ型半導体層
４６０ｎｎ型半導体層
４６０ｐｐ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

第１の光電変換素子、第２の光電変換素子、前記第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、及び前記第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、
前記第１の光電変換素子と重畳する前記第２の光電変換素子の一方の電極に、前記第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、
前記被検出物に到達して反射された前記赤外光が前記第２の光電変換素子への入射を開始する時刻から、前記光源が前記赤外光の照射を停止する時刻までの第１の期間は、少なくとも前記第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、
前記ｎ回目の前記第１の期間後の前記第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、前記第２の出力線から取得し、
前記第１の検出信号を取得した後、前記第２の光電変換素子の一方の電極に、前記第２のＦＤノードを前記第１の高電位とする電位を供給し、
前記光源から前記被検出物に対して、前記赤外光を前記期間Ｔで照射し、
前記光源が前記赤外光の照射を停止する時刻から、前記被検出物に到達して反射された前記赤外光が前記第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、少なくとも前記第２の蓄積トランジスタのゲート電極の電位を前記第２の高電位とすることを前記ｎ回繰り返し、
前記ｎ回目の前記第２の期間後の前記第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、前記第２の出力線から取得し、
前記第１の光電変換素子の一方の電極に、前記第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、前記被検出物に到達して反射され、前記第１の光電変換素子及び前記第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、前記被検出物に到達して反射され、前記第１の光電変換素子及び前記第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、少なくとも前記第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、
前記第３の期間後の前記第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、前記第１の出力線から取得し、
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Ｓ_１、前記第２の検出信号をＳ_２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、前記第２の光電変換素子と前記被検出物との距離ｘを算出し、
前記第３の検出信号を取得した後、各前記画素における前記第３の検出信号に基づき前記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。
第１の光電変換素子、第２の光電変換素子、前記第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、前記第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、増幅された前記第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、前記第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、前記第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、及び増幅された前記第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、前記第１の出力線及び前記第２の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、
前記第１の光電変換素子と重畳する前記第２の光電変換素子の一方の電極に、前記第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、
前記被検出物に到達して反射された前記赤外光が前記第２の光電変換素子への入射を開始する時刻から、前記光源が前記赤外光の照射を停止する時刻までの第１の期間は、少なくとも前記第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、
前記ｎ回繰り返した後、前記ｎ回目の前記第１の期間後の前記第２のＦＤノードの電位を前記第２の増幅トランジスタによって増幅し、
前記第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、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前記第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２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２の出力線から出力し、
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１の検出信号を取得した後、前記第２の光電変換素子の一方の電極に、前記第２のＦＤノードを前記第１の高電位とする電位を供給し、
前記光源から前記被検出物に対して、前記赤外光を前記期間Ｔで照射し、
前記光源が前記赤外光の照射を停止する時刻から、前記被検出物に到達して反射された前記赤外光が前記第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、少なくとも前記第２の蓄積トランジスタのゲート電極の電位を前記第２の高電位とすることを前記ｎ回繰り返し、
前記ｎ回繰り返した後、前記ｎ回目の前記第２の期間後の前記第２のＦＤノードの電位を前記第２の増幅トランジスタによって増幅し、
前記第２の出力トランジスタのゲート電極を前記第３の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前記第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前記第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２の出力線の電位と前記第１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、
出力した後、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の光電変換素子の一方の電極に、前記第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、前記被検出物に到達して反射され、前記第１の光電変換素子及び前記第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、前記被検出物に到達して反射され、前記第１の光電変換素子及び前記第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、少なくとも前記第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、
前記第３の期間後の前記第１のＦＤノードの電位を前記第１の増幅トランジスタによって増幅し、
前記第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、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前記第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前記第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１の出力線の電位と前記第２の低電位との第３の電位差を、前記第１の出力線から出力し、
出力した後、前記第３の電位差に基づいて第３の検出信号を取得し、
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Ｓ_１、前記第２の検出信号をＳ_２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、前記第２の光電変換素子と前記被検出物との距離ｘを算出し、
前記第３の検出信号を取得した後、各前記画素における前記第３の検出信号に基づき前記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。
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、それぞれ前記第２の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。
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。