JP7208889B2 - broadcasting system - Google Patents
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Description
本発明の一態様は、半導体装置および放送システムに関する。 One embodiment of the present invention relates to a semiconductor device and a broadcasting system.
なお本発明の一態様は、上記の技術分野に限定されない。本明細書等で開示する発明の技術分野は、物、方法、または、製造方法に関するものである。または、本発明の一態様は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、または、組成物(コンポジション・オブ・マター)に関するものである。そのため、より具体的に本明細書で開示する本発明の一態様の技術分野としては、半導体装置、表示装置、液晶表示装置、発光装置、蓄電装置、撮像装置、記憶装置、プロセッサ、電子機器、それらの駆動方法、それらの製造方法、それらの検査方法、またはそれらのシステムを一例として挙げることができる。 Note that one embodiment of the present invention is not limited to the above technical field. The technical field of the invention disclosed in this specification and the like relates to products, methods, or manufacturing methods. Alternatively, one aspect of the invention relates to a process, machine, manufacture, or composition of matter. Therefore, the technical fields of one embodiment of the present invention disclosed in this specification more specifically include semiconductor devices, display devices, liquid crystal display devices, light-emitting devices, power storage devices, imaging devices, storage devices, processors, electronic devices, Examples include driving methods thereof, manufacturing methods thereof, inspection methods thereof, or systems thereof.
なお、本明細書等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す。トランジスタ、半導体回路は半導体装置の一態様である。また、記憶装置、表示装置、撮像装置、電子機器は、半導体装置を有する場合がある。 Note that a semiconductor device in this specification and the like refers to all devices that can function by utilizing semiconductor characteristics. A transistor and a semiconductor circuit are modes of a semiconductor device. Storage devices, display devices, imaging devices, and electronic devices may include semiconductor devices.
テレビジョン(TV)は、大画面化に伴い、高精細度の映像を視聴できることが望まれている。そのため、超高精細TV(UHDTV)放送の実用化が推し進められている。UHDTV放送が推進されている日本国では、2015年に通信(CS)衛星および光回線による4K放送サービスが開始されている。今後、放送(BS)衛星によるUHDTV(4K、8K)の試験放送の開始が予定されている。そのため、8K放送に対応するための各種の電子機器が開発されている(非特許文献1)。8Kの実用放送では、4K放送、2K放送(フルハイビジョン放送)も併用される予定である。 2. Description of the Related Art Television (TV) is expected to be able to view high-definition video as the screen becomes larger. Therefore, ultra-high-definition TV (UHDTV) broadcasting is being put into practical use. In Japan, where UHDTV broadcasting is being promoted, 4K broadcasting service started in 2015 using communication (CS) satellites and optical circuits. In the future, test broadcasting of UHDTV (4K, 8K) by broadcasting (BS) satellites is scheduled to start. Therefore, various electronic devices have been developed to support 8K broadcasting (Non-Patent Document 1). In 8K practical broadcasting, 4K broadcasting and 2K broadcasting (full high-definition broadcasting) are scheduled to be used together.
また、テレビジョンに限らず様々な電子機器に対して人工ニューラルネットワーク等を利用した人工知能(Artificial Intelligence:AI)を付する開発が進められている。人工ニューラルネットワークを利用することで、従来のノイマン型コンピュータよりも高性能なコンピュータが実現できると期待されており、近年、電子回路上で人工ニューラルネットワークを構築する種々の研究が進められている。非特許文献2には、人工ニューラルネットワークによる自己学習機能を備えたチップに関する技術が記載されている。 Further, development is underway to add artificial intelligence (AI) using an artificial neural network or the like to various electronic devices, not limited to televisions. By using artificial neural networks, it is expected that computers with higher performance than conventional von Neumann computers can be realized, and in recent years, various researches have been conducted to construct artificial neural networks on electronic circuits. Non-Patent
さらに、特許文献1には、チャネル形成領域に酸化物半導体を有するトランジスタを用いた記憶装置によって、人工ニューラルネットワークを用いた計算に必要な重みデータを保持する発明が開示されている。 Further,
8K放送における映像符号化方式には、新たな規格H.265 | MPEG-H HEVC(High Efficiency Video Coding)が採択されている。8K放送の映像の解像度(水平・垂直の画素数)は7680×4320であり、4K(3840×2160)の4倍、2K(1920×1080)の16倍である。そのため、8K放送では大容量の画像データを取り扱う必要がある。したがって、人工衛星または電波塔等に設けられた送信装置では、圧縮して画像データを送信することが好ましい。この場合、TV等に設けられた受信装置では、受信した画像データを伸張する必要がある。 A new standard, H.264, is used as a video coding method for 8K broadcasting. 265 | MPEG-H HEVC (High Efficiency Video Coding) has been adopted. The video resolution (horizontal and vertical pixel count) of 8K broadcasting is 7680×4320, which is four times that of 4K (3840×2160) and 16 times that of 2K (1920×1080). Therefore, 8K broadcasting needs to handle large amounts of image data. Therefore, it is preferable that a transmission device provided on an artificial satellite, a radio tower, or the like compresses the image data before transmitting it. In this case, it is necessary to decompress the received image data in the receiving device provided in the TV or the like.
画像データの圧縮は、エンコーダを用いて行うことができる。また、圧縮された画像データの伸張は、デコーダを用いて行うことができる。エンコーダは、例えば送信装置に設けられ、デコーダは、例えば受信装置に設けられる。 Compression of image data can be performed using an encoder. Further, decompression of compressed image data can be performed using a decoder. The encoder is provided, for example, in the transmitting device, and the decoder is provided, for example, in the receiving device.
人工ニューラルネットワークは、脳機能を模した計算を行うことができるネットワークであり、多数の学習データを用いて学習(パラメータの最適化)を行うことで、所望の問題に対して最適な解答を得ることができる。 An artificial neural network is a network that can perform calculations that imitate brain function, and by learning (optimizing parameters) using a large amount of learning data, it obtains the optimal answer to the desired problem. be able to.
人工ニューラルネットワークの応用例の一つに、自己符号化器(オートエンコーダ)がある。当該オートエンコーダは、入力の画像データを教師データ(あるいはラベル)として用いる。すなわち、教師無し学習に該当する。オートエンコーダの特徴の一つとして、入力画像を人工ニューラルネットワーク内部で圧縮し、出力する際に伸張することができるという点が挙げられる。従って、オートエンコーダとは、エンコーダおよびデコーダを有した人工ニューラルネットワークと見なすことができる。 One of the applications of artificial neural networks is an autoencoder. The autoencoder uses input image data as teacher data (or labels). That is, it corresponds to unsupervised learning. One of the features of autoencoders is that the input image can be compressed inside the artificial neural network and decompressed at the output. An autoencoder can therefore be viewed as an artificial neural network with an encoder and a decoder.
オートエンコーダを精度良く機能させる、例えばオートエンコーダによる画像データの圧縮、伸張を行った際の画質の劣化を抑制する方法として、オートエンコーダに含まれる各中間層の次元数(ニューロンの数)を増加する、あるいはオートエンコーダに含まれる中間層の深さ(層数)を増加することが挙げられる。これにより、オートエンコーダがより複雑な学習をすることができるため、オートエンコーダを精度良く機能させることができる。しかしながら、オートエンコーダの各中間層の次元数を増加する、あるいはオートエンコーダに含まれる中間層の深さ(層数)を増加する等によって、オートエンコーダの回路構成を複雑にすると、例えばオートエンコーダが学習に要する時間が長くなり、また、画像データの圧縮、伸張に必要なパラメータ数が増加するといった課題がある。 Increase the number of dimensions (number of neurons) of each intermediate layer included in the autoencoder as a method of suppressing image quality deterioration when compressing and decompressing image data by the autoencoder so that the autoencoder functions with high accuracy. or increase the depth (number of layers) of the intermediate layers included in the autoencoder. As a result, the autoencoder can perform more complicated learning, so that the autoencoder can function with high accuracy. However, if the circuit configuration of the autoencoder is complicated by increasing the number of dimensions of each intermediate layer of the autoencoder, or by increasing the depth (number of layers) of the intermediate layers included in the autoencoder, for example, the autoencoder There are problems that the time required for learning becomes longer and the number of parameters required for compressing and decompressing image data increases.
上記課題に鑑み、本発明の一態様は、各中間層の次元数、および中間層の層数が少ないオートエンコーダが設けられた放送システムおよびその動作方法を提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様は、回路構成が単純なオートエンコーダが設けられた放送システムおよびその動作方法を提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様は、動作の際に必要となるパラメータの数が少ないオートエンコーダが設けられた放送システムおよびその動作方法を提供することを課題の一とする。または、本発明の一態様は、高速に動作するオートエンコーダが設けられた放送システムおよびその動作方法を提供することを課題の一とする。または、本発明の一態様は、高精度な圧縮、伸張を行うことができるオートエンコーダが設けられた放送システムおよびその動作方法を提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様は、低消費電力のオートエンコーダが設けられた放送システムおよびその動作方法を提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様は、計算精度の高い演算処理装置が設けられた放送システムおよびその動作方法を提供することを課題の一つとする。 In view of the above problems, an object of one embodiment of the present invention is to provide a broadcasting system provided with an autoencoder having a small number of dimensions of each hidden layer and a small number of hidden layers, and an operation method thereof. Another object of one embodiment of the present invention is to provide a broadcasting system including an autoencoder with a simple circuit configuration and an operation method thereof. Another object of one embodiment of the present invention is to provide a broadcasting system provided with an autoencoder that requires a small number of parameters for operation and a method of operating the same. Another object of one embodiment of the present invention is to provide a broadcasting system provided with an autoencoder that operates at high speed, and an operation method thereof. Another object of one embodiment of the present invention is to provide a broadcasting system provided with an autoencoder capable of highly accurate compression and decompression, and an operation method thereof. Another object of one embodiment of the present invention is to provide a broadcasting system provided with an autoencoder with low power consumption and an operation method thereof. Another object of one embodiment of the present invention is to provide a broadcasting system including an arithmetic processing device with high calculation accuracy and an operation method thereof.
または、本発明の一態様は、回路構成が単純な半導体装置およびその動作方法を提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様は、動作の際に必要となるパラメータの数が少ない半導体装置およびその動作方法を提供することを課題の一とする。または、本発明の一態様は、高速に動作する半導体装置およびその動作方法を提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様は、高精度な処理を行うことができる半導体装置およびその動作方法を提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様は、低消費電力の半導体装置およびその動作方法を提供することを課題の一つとする。または、本発明の一態様は、計算精度の高い半導体装置およびその動作方法を提供することを課題の一つとする。 Another object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device with a simple circuit configuration and an operation method thereof. Another object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device requiring a small number of parameters for operation and an operation method thereof. Another object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device that operates at high speed and an operation method thereof. Another object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device capable of performing highly accurate processing and an operation method thereof. Another object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device with low power consumption and an operation method thereof. Another object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device with high calculation accuracy and an operation method thereof.
または、本発明の一態様は、新規な放送システムおよび半導体装置、ならびにこれらの動作方法を提供することを課題の一つとする。 Another object of one embodiment of the present invention is to provide a novel broadcasting system, a novel semiconductor device, and an operation method thereof.
なお本発明の一態様の課題は、上記列挙した課題に限定されない。上記列挙した課題は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお他の課題は、以下の記載で述べる、本項目で言及していない課題である。本項目で言及していない課題は、当業者であれば明細書または図面等の記載から導き出せるものであり、これらの記載から適宜抽出することができる。なお、本発明の一態様は、上記列挙した記載、および他の課題のうち、少なくとも一つの課題を解決するものである。なお、本発明の一態様は、上記列挙した記載、および他の課題の全てを解決する必要はない。 Note that the problem of one embodiment of the present invention is not limited to the problems listed above. The issues listed above do not preclude the existence of other issues. Still other issues are issues not mentioned in this section, which will be described in the following description. Problems not mentioned in this section can be derived from descriptions in the specification, drawings, or the like by a person skilled in the art, and can be appropriately extracted from these descriptions. Note that one embodiment of the present invention is to solve at least one of the above-described problems and other problems. Note that one embodiment of the present invention does not necessarily solve all of the above-listed descriptions and other problems.
本発明の一態様は、第1の回路と、エンコーダと、を有し、第1の回路およびエンコーダは、第1の画像データを受信する機能を有し、第1の回路は、第1の画像データを特徴抽出する機能を有し、第1の回路は、第1の画像データを特徴抽出することにより、第1の画像データの属性を表す属性情報を生成する機能を有し、エンコーダは、第2の回路と、二以上のメモリ素子を有する一群のメモリと、を有し、第2の回路は、属性情報を基に、一群のメモリの中から、一のメモリ素子を選択する機能を有し、メモリ素子は、属性情報に対応する第1のデータを保持する機能を有し、メモリ素子は、第2の回路により選択された場合に、第1の画像データに対応する第2のデータと、保持された第1のデータと、を基に第3のデータを生成する半導体装置である。 One aspect of the present invention includes a first circuit and an encoder, the first circuit and the encoder having functions of receiving first image data, the first circuit receiving the first The first circuit has a function of extracting features from image data, the first circuit has a function of extracting features from the first image data to generate attribute information representing the attributes of the first image data, and the encoder has a function of: , a second circuit, and a group of memories having two or more memory elements, the second circuit having a function of selecting one memory element from the group of memories based on attribute information. , the memory element has a function of holding first data corresponding to the attribute information, and the memory element stores a second image data corresponding to the first image data when selected by the second circuit. and the held first data to generate third data.
また、上記態様において、第3のデータは、第1のデータと、第2のデータとの積であってもよい。 In the above aspect, the third data may be the product of the first data and the second data.
また、上記態様において、エンコーダは、属性情報を基に、第1の画像データを特徴抽出することにより、第1の画像を圧縮した第2の画像データを出力する機能を有し、エンコーダは、第1の回路から受信した属性情報を出力する機能を有してもよい。 Further, in the above aspect, the encoder has a function of extracting features of the first image data based on the attribute information and outputting second image data obtained by compressing the first image, It may have a function of outputting the attribute information received from the first circuit.
また、上記態様において、メモリ素子は、第1のトランジスタを有し、第1のトランジスタは、チャネル形成領域に金属酸化物を有してもよい。 Further, in the above aspect, the memory element may have a first transistor, and the first transistor may have a metal oxide in a channel formation region.
また、上記態様において、メモリ素子は、第2のトランジスタと、第1の容量素子と、を有し、第1のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、第2のトランジスタのゲート、および第1の容量素子の一対の電極の一方と電気的に接続され、第1のトランジスタのソースまたはドレインの他方には、第1のデータが入力され、第1の容量素子は、第1のデータに対応する電荷を保持する機能を有してもよい。 Further, in the above aspect, the memory element includes a second transistor and a first capacitor, and one of the source and the drain of the first transistor corresponds to the gate of the second transistor and the first capacitor. It is electrically connected to one of the pair of electrodes of the capacitive element, the first data is input to the other of the source or the drain of the first transistor, and the first capacitive element corresponds to the first data It may have a function of retaining electric charge.
また、本発明の一態様は、送信装置と、受信装置と、を有し、送信装置は、第1の回路と、エンコーダと、を有し、受信装置は、デコーダを有し、エンコーダと、デコーダと、によりオートエンコーダを構成し、第1の回路およびエンコーダは、第1の画像データを受信する機能を有し、第1の回路は、第1の画像データを特徴抽出する機能を有し、第1の回路は、第1の画像データを特徴抽出することにより、第1の画像データの属性を表す属性情報を生成する機能を有し、エンコーダは、属性情報を基に、第1の画像データを特徴抽出することにより、第1の画像データを圧縮した第2の画像データを生成する機能を有し、デコーダは、属性情報を基に、第2の画像データを伸張して第1の画像データに復元する機能を有する放送システムである。 Further, one aspect of the present invention includes a transmitting device and a receiving device, the transmitting device including a first circuit and an encoder, the receiving device including a decoder, an encoder, and and a decoder, forming an autoencoder, wherein the first circuit and the encoder have a function of receiving the first image data, and the first circuit has a function of extracting features from the first image data. , the first circuit has a function of generating attribute information representing attributes of the first image data by extracting features from the first image data, and the encoder generates the first image data based on the attribute information. The decoder has a function of generating second image data by compressing the first image data by extracting features from the image data. This is a broadcasting system that has a function to restore the original image data.
また、上記態様において、エンコーダおよびデコーダは、それぞれ、第2の回路と、二以上のメモリ素子を有する一群のメモリと、を有し、第2の回路は、属性情報を基に、一群のメモリから、一のメモリ素子を選択する機能を有し、メモリ素子は、属性情報に対応する第1のデータを保持する機能を有し、メモリ素子は、第2の回路により選択された場合に、第1の画像データに対応する第2のデータと、保持された第1のデータと、を基に第3のデータを生成する機能を有してもよい。 Further, in the above aspect, each of the encoder and the decoder has a second circuit and a group of memories having two or more memory elements, and the second circuit is based on the attribute information. , the memory element has a function of holding first data corresponding to the attribute information, and the memory element, when selected by the second circuit, It may have a function of generating third data based on second data corresponding to the first image data and the retained first data.
また、上記態様において、第3のデータは、第1のデータと、第2のデータとの積であってもよい。 In the above aspect, the third data may be the product of the first data and the second data.
また、上記態様において、メモリ素子は、第1のトランジスタを有し、第1のトランジスタは、チャネル形成領域に金属酸化物を有してもよい。 Further, in the above aspect, the memory element may have a first transistor, and the first transistor may have a metal oxide in a channel formation region.
また、上記態様において、メモリ素子は、第2のトランジスタと、第1の容量素子と、を有し、第1のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、第2のトランジスタのゲート、および第1の容量素子の一対の電極の一方と電気的に接続され、第1のトランジスタのソースまたはドレインの他方には、第1のデータが入力され、第1の容量素子は、第1のデータに対応する電荷を保持する機能を有してもよい。 Further, in the above aspect, the memory element includes a second transistor and a first capacitor, and one of the source and the drain of the first transistor corresponds to the gate of the second transistor and the first capacitor. It is electrically connected to one of the pair of electrodes of the capacitive element, the first data is input to the other of the source or the drain of the first transistor, and the first capacitive element corresponds to the first data It may have a function of retaining electric charge.
本発明の一態様により、各中間層の次元数、および中間層の層数が少ないオートエンコーダが設けられた放送システムおよびその動作方法を提供することができる。または、本発明の一態様により、回路構成が単純なオートエンコーダが設けられた放送システムおよびその動作方法を提供することができる。または、本発明の一態様により、動作の際に必要となるパラメータの数が少ないオートエンコーダが設けられた放送システムおよびその動作方法を提供することを課題の一とする。または、本発明の一態様により、高速に動作するオートエンコーダが設けられた放送システムおよびその動作方法を提供することを課題の一とする。または、本発明の一態様により、高精度な圧縮、伸張を行うことができるオートエンコーダが設けられた放送システムおよびその動作方法を提供することができる。または、本発明の一態様により、低消費電力のオートエンコーダが設けられた放送システムおよびその動作方法を提供することができる。または、本発明の一態様により、計算精度の高い演算処理装置が設けられた放送システムおよびその動作方法を提供することができる。 According to one aspect of the present invention, it is possible to provide a broadcasting system provided with an autoencoder having a small number of dimensionality of each hidden layer and a small number of hidden layers, and a method of operating the same. Alternatively, according to one aspect of the present invention, it is possible to provide a broadcasting system provided with an autoencoder with a simple circuit configuration and an operating method thereof. Another object of one aspect of the present invention is to provide a broadcasting system provided with an autoencoder requiring a small number of parameters for operation and an operation method thereof. Another object of one embodiment of the present invention is to provide a broadcasting system provided with an autoencoder that operates at high speed and an operation method thereof. Alternatively, according to one aspect of the present invention, it is possible to provide a broadcasting system provided with an autoencoder capable of highly accurate compression and decompression, and an operating method thereof. Alternatively, according to one aspect of the present invention, it is possible to provide a broadcasting system provided with an autoencoder with low power consumption and an operating method thereof. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, it is possible to provide a broadcasting system provided with an arithmetic processing device with high calculation accuracy and an operating method thereof.
または、本発明の一態様により、回路構成が単純な半導体装置およびその動作方法を提供することができる。または、本発明の一態様により、動作の際に必要となるパラメータの数が少ない半導体装置およびその動作方法を提供することができる。または、本発明の一態様により、高速に動作する半導体装置およびその動作方法を提供することができる。または、本発明の一態様により、高精度な処理を行うことができる半導体装置およびその動作方法を提供することができる。または、本発明の一態様により、低消費電力の半導体装置およびその動作方法を提供することができる。または、本発明の一態様により、計算精度の高い半導体装置およびその動作方法を提供することができる。 Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device with a simple circuit configuration and an operation method thereof can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device requiring a small number of parameters for operation and an operation method thereof can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device that operates at high speed and an operating method thereof can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device capable of performing highly accurate processing and an operation method thereof can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device with low power consumption and an operation method thereof can be provided. Alternatively, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device with high calculation accuracy and an operation method thereof can be provided.
または、本発明の一態様により、新規な放送システムおよび半導体装置、ならびにこれらの動作方法を提供することができる。 Alternatively, one embodiment of the present invention can provide a novel broadcasting system, a novel semiconductor device, and an operating method thereof.
なお本発明の一態様の効果は、上記列挙した効果に限定されない。上記列挙した効果は、他の効果の存在を妨げるものではない。なお他の効果は、以下の記載で述べる、本項目で言及していない効果である。本項目で言及していない効果は、当業者であれば明細書または図面等の記載から導き出せるものであり、これらの記載から適宜抽出することができる。なお、本発明の一態様は、上記列挙した効果、および他の効果のうち、少なくとも一つの効果を有するものである。従って本発明の一態様は、場合によっては、上記列挙した効果を有さない場合もある。 Note that the effects of one embodiment of the present invention are not limited to the effects listed above. The effects listed above do not preclude the existence of other effects. Still other effects are effects not mentioned in this section that will be described in the following description. Effects not mentioned in this item can be derived from the descriptions in the specification, drawings, etc. by those skilled in the art, and can be appropriately extracted from these descriptions. Note that one embodiment of the present invention has at least one of the effects listed above and other effects. Accordingly, one aspect of the present invention may not have the effects listed above depending on the case.
本明細書等において、人工ニューラルネットワーク(ANN、以後、ニューラルネットワークと呼称する。)とは、生物の神経回路網を模したモデル全般を指す。一般的には、ニューラルネットワークは、ニューロンを模したユニットが、シナプスを模したユニットを介して、互いに結合された構成となっている。 In this specification and the like, an artificial neural network (ANN, hereinafter referred to as a neural network) refers to all models imitating the neural network of living organisms. In general, a neural network has a configuration in which units that simulate neurons are connected to each other via units that simulate synapses.
シナプスの結合(ニューロン同士の結合)の強度(重み係数ともいう。)は、ニューラルネットワークに既存の情報を与えることによって、変化することができる。このように、ニューラルネットワークに既存の情報を与えて、結合強度を決める処理を「学習」と呼ぶ場合がある。 The strength (also called weighting factor) of synaptic connections (connections between neurons) can be varied by providing existing information to the neural network. In this way, the process of giving existing information to the neural network and determining the coupling strength is sometimes called "learning".
また、「学習」を行った(結合強度を定めた)ニューラルネットワークに対して、何らかの情報を与えることにより、その結合強度に基づいて新たな情報を出力することができる。このように、ニューラルネットワークにおいて、与えられた情報と結合強度に基づいて新たな情報を出力する処理を「推論」または「認知」と呼ぶ場合がある。 Also, by giving some information to the neural network that has "learned" (determined the coupling strength), it is possible to output new information based on the coupling strength. In this way, in a neural network, the process of outputting new information based on given information and coupling strength is sometimes called "inference" or "cognition".
ニューラルネットワークのモデルとしては、例えば、ホップフィールド型、階層型等が挙げられる。特に、多層構造としたニューラルネットワークを「ディープニューラルネットワーク」(DNN)と呼称し、ディープニューラルネットワークによる機械学習を「ディープラーニング」と呼称する。 Examples of neural network models include the Hopfield model and the hierarchical model. In particular, a multilayer neural network is called a "deep neural network" (DNN), and machine learning using a deep neural network is called "deep learning."
本明細書等において、金属酸化物(metal oxide)とは、広い表現での金属の酸化物である。金属酸化物は、酸化物絶縁体、酸化物導電体(透明酸化物導電体を含む)、酸化物半導体(Oxide Semiconductorまたは単にOSともいう)等に分類される。例えば、トランジスタの活性層に金属酸化物を用いた場合、当該金属酸化物を酸化物半導体と呼称する場合がある。つまり、金属酸化物が増幅作用、整流作用、およびスイッチング作用の少なくとも1つを有するトランジスタのチャネル形成領域を構成し得る場合、当該金属酸化物を、金属酸化物半導体(metal oxide semiconductor)、略してOSと呼ぶことができる。また、OS FET(またはOSトランジスタ)と記載する場合においては、金属酸化物または酸化物半導体を有するトランジスタと換言することができる。 In this specification and the like, a metal oxide is a metal oxide in broad terms. Metal oxides are classified into oxide insulators, oxide conductors (including transparent oxide conductors), oxide semiconductors (also referred to as oxide semiconductors or simply OSs), and the like. For example, when a metal oxide is used for an active layer of a transistor, the metal oxide is sometimes called an oxide semiconductor. That is, when a metal oxide can constitute a channel-forming region of a transistor having at least one of an amplifying action, a rectifying action, and a switching action, the metal oxide is called a metal oxide semiconductor, abbreviated It can be called an OS. In addition, the description of an OS FET (or an OS transistor) can also be referred to as a transistor including a metal oxide or an oxide semiconductor.
半導体の不純物とは、例えば、半導体層を構成する主成分以外をいう。例えば、濃度が0.1原子%未満の元素は不純物である。不純物が含まれることにより、例えば、半導体にDOS(Density of States)が形成されることや、キャリア移動度が低下することや、結晶性が低下すること等が起こる場合がある。半導体が酸化物半導体である場合、半導体の特性を変化させる不純物としては、例えば、第1族元素、第2族元素、第13族元素、第14族元素、第15族元素、主成分以外の遷移金属等があり、特に、例えば、水素(水にも含まれる)、リチウム、ナトリウム、シリコン、ホウ素、リン、炭素、窒素等がある。酸化物半導体の場合、例えば水素等の不純物の混入によって酸素欠損を形成する場合がある。また、半導体がシリコン層である場合、半導体の特性を変化させる不純物としては、例えば、酸素、水素を除く第1族元素、第2族元素、第13族元素、第15族元素等がある。 An impurity of a semiconductor means, for example, a substance other than the main component that constitutes a semiconductor layer. For example, elements with a concentration of less than 0.1 atomic percent are impurities. When impurities are contained, for example, DOS (Density of States) is formed in the semiconductor, carrier mobility is lowered, crystallinity is lowered, and the like may occur. When the semiconductor is an oxide semiconductor, impurities that change the characteristics of the semiconductor include, for example,
本明細書等において、「第1」、「第2」、「第3」という序数詞は、構成要素の混同を避けるために付したものである。従って、構成要素の数を限定するものではない。また、構成要素の順序を限定するものではない。また例えば、本明細書等の実施の形態の一において「第1」に言及された構成要素が、他の実施の形態、あるいは特許請求の範囲において「第2」に言及された構成要素とすることもありうる。また例えば、本明細書等の実施の形態の一において「第1」に言及された構成要素を、他の実施の形態、あるいは特許請求の範囲において省略することもありうる。 In this specification and the like, the ordinal numbers "first", "second", and "third" are added to avoid confusion of constituent elements. Therefore, the number of components is not limited. Also, the order of the components is not limited. Also, for example, the component referred to as "first" in one of the embodiments of this specification etc. is the component referred to as "second" in another embodiment or the scope of claims It is possible. Further, for example, the component referred to as "first" in one of the embodiments of this specification etc. may be omitted in other embodiments or the scope of claims.
実施の形態について図面を参照しながら説明している。但し、実施の形態は多くの異なる態様で実施することが可能であり、趣旨およびその範囲から逸脱することなく、その形態およ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、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、実施の形態の発明の構成において、同一部分また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。 Embodiments are described with reference to the drawings. Those skilled in the art will readily appreciate, however, that the embodiments can be embodied in many different forms and that various changes in form and detail can be made without departing from the spirit and scope thereof. be. Therefore, the present invention should not be construed as being limited to the description of the embodiments. In addition, in the configuration of the invention of the embodiment, the same reference numerals are used in common for the same parts or parts having similar functions in different drawings, and repeated description thereof will be omitted.
また、本明細書等において、「上に」、「下に」等の配置を示す語句は、構成同士の位置関係を、図面を参照して説明するために、便宜上用いている。構成同士の位置関係は、各構成を描写する方向に応じて適宜変化する。そのため、配置を示す語句は、明細書で説明した記載に限定されず、状況に応じて適切に言い換えることができる。 In this specification and the like, terms such as “above” and “below” are used for convenience in order to describe the positional relationship between configurations with reference to the drawings. The positional relationship between the configurations changes appropriately according to the direction in which each configuration is drawn. Therefore, the words and phrases indicating the arrangement are not limited to the descriptions described in the specification, and can be appropriately rephrased according to the situation.
また、「上」や「下」の用語は、構成要素の位置関係が直上または直下で、かつ、直接接していることを限定するものではない。例えば、「絶縁層A上の電極B」の表現であれば、絶縁層Aの上に電極Bが直接接して形成されている必要はなく、絶縁層Aと電極Bとの間に他の構成要素を含むものを除外しない。 In addition, the terms "upper" and "lower" do not limit the positional relationship of the components to being directly above or directly below and in direct contact with each other. For example, the expression “electrode B on insulating layer A” does not require that electrode B be formed on insulating layer A in direct contact with another configuration between insulating layer A and electrode B. Do not exclude those containing elements.
また、図面において、大きさ、層の厚さ、または領域は、説明の便宜上任意の大きさに示したものである。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。なお図面は明確性を期すために模式的に示したものであり、図面に示す形状または値等に限定されない。例えば、ノイズによる信号、電圧、若しくは電流のばらつき、または、タイミングのずれによる信号、電圧、若しくは電流のばらつき等を含むことが可能である。 Also, in the drawings, sizes, layer thicknesses, and regions are shown as arbitrary sizes for convenience of explanation. Therefore, it is not necessarily limited to that scale. Note that the drawings are shown schematically for clarity, and the shapes, values, and the like shown in the drawings are not limited. For example, variations in signal, voltage, or current due to noise or variations in signal, voltage, or current due to timing shift can be included.
また、斜視図等の図面において、図面の明確性を期すために、一部の構成要素の記載を省略している場合がある。 Also, in drawings such as perspective views, description of some components may be omitted in order to ensure clarity of the drawings.
また、図面において、同一の要素または同様な機能を有する要素、同一の材質の要素、あるいは同時に形成される要素等には同一の符号を付す場合があり、その繰り返しの説明は省略する場合がある。 In addition, in the drawings, the same reference numerals may be given to the same elements, elements having similar functions, elements made of the same material, or elements formed at the same time, and repeated description thereof may be omitted. .
本明細書等において、トランジスタの接続関係を説明する際、ソースとドレインとの一方を、「ソースまたはドレインの一方」(または第1電極、または第1の端子)と表記し、ソースとドレインとの他方を「ソースまたはドレインの他方」(または第2電極、または第2の端子)と表記している。これは、トランジスタのソースとドレインは、トランジスタの構造または動作条件等によって変わるためである。なおトランジスタのソースとドレインの呼称については、ソース(ドレイン)端子や、ソース(ドレイン)電極等、状況に応じて適切に言い換えることができる。また、本明細書等では、ゲート以外の2つの端子を第1の端子、第2の端子と呼ぶ場合や、第3端子、第4端子と呼ぶ場合がある。また、本明細書等に記載するトランジスタが2つ以上のゲートを有するとき(この構成をデュアルゲート構造という場合がある)、それらのゲートを第1ゲート、第2ゲートと呼ぶ場合や、フロントゲート、バックゲートと呼ぶ場合がある。特に、「フロントゲート」という語句は、単に「ゲート」という語句に互いに言い換えることができる。また、「バックゲート」という語句は、単に「ゲート」という語句に互いに言い換えることができる。なお、ボトムゲートとは、トランジスタの作製時において、チャネル形成領域よりも先に形成される端子のことをいい、「トップゲート」とは、トランジスタの作製時において、チャネル形成領域よりも後に形成される端子のことをいう。 In this specification and the like, when describing the connection relationship of transistors, one of a source and a drain is referred to as “one of the source or the drain” (or the first electrode or the first terminal). is referred to as "the other of the source or the drain" (or the second electrode or the second terminal). This is because the source and drain of a transistor change depending on the structure or operating conditions of the transistor. Note that the names of the source and the drain of a transistor can be appropriately changed to a source (drain) terminal, a source (drain) electrode, or the like, depending on the situation. In addition, in this specification and the like, the two terminals other than the gate are sometimes called a first terminal and a second terminal, or sometimes called a third terminal and a fourth terminal. Further, when a transistor described in this specification and the like has two or more gates (this structure is sometimes referred to as a dual gate structure), these gates are sometimes referred to as a first gate and a second gate, or a front gate , is sometimes called a back gate. In particular, the term "front gate" is interchangeable with simply the term "gate." Also, the term "backgate" can be interchanged with the term simply "gate." Note that a bottom gate is a terminal formed before a channel formation region is formed when a transistor is manufactured, and a “top gate” is a terminal formed after a channel formation region is formed when a transistor is manufactured. It refers to a terminal that
トランジスタは、ゲート、ソース、およびドレインと呼ばれる3つの端子を有する。ゲートは、トランジスタの導通状態を制御する制御端子として機能する端子である。ソースまたはドレインとして機能する2つの入出力端子は、トランジスタの型および各端子に与えられる電位の高低によって、一方がソースとなり他方がドレインとなる。このため、本明細書等においては、ソースやドレインの用語は、入れ替えて用いることができるものとする。また、本明細書等では、ゲート以外の2つの端子を第1の端子、第2の端子と呼ぶ場合や、第3端子、第4端子と呼ぶ場合がある。 A transistor has three terminals called gate, source, and drain. A gate is a terminal that functions as a control terminal that controls the conduction state of a transistor. One of the two input/output terminals functioning as a source or a drain functions as a source and the other as a drain depending on the type of transistor and the level of the potential applied to each terminal. Therefore, the terms "source" and "drain" can be used interchangeably in this specification and the like. In addition, in this specification and the like, the two terminals other than the gate are sometimes called a first terminal and a second terminal, or sometimes called a third terminal and a fourth terminal.
また、本明細書等において「電極」や「配線」の用語は、これらの構成要素を機能的に限定するものではない。例えば、「電極」は「配線」の一部として用いられることがあり、その逆もまた同様である。さらに、「電極」や「配線」の用語は、複数の「電極」や「配線」が一体となって形成されている場合等も含む。 In addition, the terms “electrode” and “wiring” in this specification and the like do not functionally limit these constituent elements. For example, an "electrode" may be used as part of a "wiring" and vice versa. Furthermore, the terms "electrode" and "wiring" include the case where a plurality of "electrodes" and "wiring" are integrally formed.
また、本明細書等において、電圧と電位は、適宜言い換えることができる。電圧は、基準となる電位からの電位差のことであり、例えば基準となる電位をグラウンド電位(接地電位)とすると、電圧を電位に言い換えることができる。グラウンド電位は必ずしも0Vを意味するとは限らない。なお電位は相対的なものであり、基準となる電位によっては、配線等に与える電位を変化させる場合がある。 In this specification and the like, voltage and potential can be interchanged as appropriate. A voltage is a potential difference from a reference potential. For example, if the reference potential is a ground potential, the voltage can be translated into a potential. Ground potential does not necessarily mean 0V. Note that the potential is relative, and the potential applied to the wiring or the like may be changed depending on the reference potential.
なお本明細書等において、「膜」、「層」等の語句は、場合によっては、または、状況に応じて、互いに入れ替えることが可能である。例えば、「導電層」という用語を、「導電膜」という用語に変更することが可能な場合がある。または、例えば、「絶縁膜」という用語を、「絶縁層」という用語に変更することが可能な場合がある。または、場合によっては、または、状況に応じて、「膜」、「層」等の語句を使わずに、別の用語に入れ替えることが可能である。例えば、「導電層」または「導電膜」という用語を、「導電体」という用語に変更することが可能な場合がある。または、例えば、「絶縁層」「絶縁膜」という用語を、「絶縁体」という用語に変更することが可能な場合がある。 Note that in this specification and the like, terms such as “film” and “layer” can be interchanged depending on the case or situation. For example, it may be possible to change the term "conductive layer" to the term "conductive film." Or, for example, it may be possible to change the term "insulating film" to the term "insulating layer". Alternatively, depending on the case or situation, the terms "film", "layer", etc. can be omitted and replaced with other terms. For example, it may be possible to change the term "conductive layer" or "conductive film" to the term "conductor." Alternatively, for example, the terms “insulating layer” and “insulating film” may be changed to the term “insulator”.
なお本明細書等において、「配線」、「信号線」、「電源線」等の用語は、場合によっては、または、状況に応じて、互いに入れ替えることが可能である。例えば、「配線」という用語を、「信号線」という用語に変更することが可能な場合がある。また、例えば、「配線」という用語を、「電源線」等の用語に変更することが可能な場合がある。また、その逆も同様で、「信号線」「電源線」等の用語を、「配線」という用語に変更することが可能な場合がある。「電源線」等の用語は、「信号線」等の用語に変更することが可能な場合がある。また、その逆も同様で「信号線」等の用語は、「電源線」等の用語に変更することが可能な場合がある。また、配線に印加されている「電位」という用語を、場合によっては、または、状況に応じて、「信号」等という用語に変更することが可能な場合がある。また、その逆も同様で、「信号」等の用語は、「電位」という用語に変更することが可能な場合がある。 Note that in this specification and the like, terms such as “wiring”, “signal line”, and “power line” can be interchanged depending on the case or situation. For example, it may be possible to change the term "wiring" to the term "signal line". Also, for example, it may be possible to change the term "wiring" to a term such as "power supply line". Also, vice versa, terms such as "signal line" and "power line" may be changed to the term "wiring". A term such as “power line” may be changed to a term such as “signal line”. Also, vice versa, terms such as “signal line” may be changed to terms such as “power line”. In addition, the term "potential" applied to the wiring may be changed to the term "signal" or the like depending on the case or depending on the situation. Also, vice versa, terms such as "signal" may be changed to the term "potential".
各実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜組み合わせて、本発明の一態様とすることができる。また、1つの実施の形態の中に、複数の構成例が示される場合は、互いに構成例を適宜組み合わせることが可能である。 The structure described in each embodiment can be combined with any structure described in another embodiment as appropriate to be one embodiment of the present invention. Moreover, when a plurality of configuration examples are shown in one embodiment, the configuration examples can be combined as appropriate.
なお、ある一つの実施の形態の中で述べる内容(一部の内容でもよい)は、その実施の形態で述べる別の内容(一部の内容でもよい)と、一つ若しくは複数の別の実施の形態で述べる内容(一部の内容でもよい)との少なくとも一つの内容に対して、適用、組み合わせ、または置き換え等を行うことができる。 It should be noted that the content (or part of the content) described in one embodiment may be combined with another content (or part of the content) described in that embodiment, or one or a plurality of other implementations. can be applied, combined, or replaced with at least one of the contents described in the form of (may be part of the contents).
なお、実施の形態の中で述べる内容とは、各々の実施の形態において、様々な図を用いて述べる内容、または明細書に記載される文章を用いて述べる内容のことである。 The content described in the embodiments means the content described using various drawings or the content described using the sentences described in the specification in each embodiment.
なお、ある一つの実施の形態において述べる図(一部でもよい)は、その図の別の部分、その実施の形態において述べる別の図(一部でもよい)と、一つ若しくは複数の別の実施の形態において述べる図(一部でもよい)との少なくとも一つの図に対して、組み合わせることにより、さらに多くの図を構成させることができる。 It should be noted that the figure (may be part of) described in one embodiment refers to another part of that figure, another figure (may be part) described in that embodiment, and one or more other More drawings can be formed by combining at least one of the drawings (or part of them) described in the embodiments.
(実施の形態1)
本実施の形態では、本発明の一態様の放送システム、および当該放送システムを構成する半導体装置等について説明する。(Embodiment 1)
In this embodiment, a broadcasting system of one embodiment of the present invention and a semiconductor device or the like included in the broadcasting system will be described.
本発明の一態様は、撮像装置、送信装置、受信装置、および表示装置を有する放送システム、および当該放送システムを構成する半導体装置に関する。なお、撮像装置、送信装置、受信装置、および表示装置等は、半導体装置と呼ぶことができる。また、撮像装置、送信装置、受信装置、および表示装置等に設けられる回路等も、半導体装置と呼ぶことができる。 One embodiment of the present invention relates to a broadcasting system including an imaging device, a transmitting device, a receiving device, and a display device, and a semiconductor device included in the broadcasting system. Note that imaging devices, transmitting devices, receiving devices, display devices, and the like can be called semiconductor devices. In addition, a circuit or the like provided in an imaging device, a transmitting device, a receiving device, a display device, or the like can also be called a semiconductor device.
撮像装置は、画像データを生成し、送信装置に供給する機能を有する。送信装置は、画像データを受信装置に送信する機能を有する。受信装置は、画像データを送信装置から受信する機能を有する。表示装置は、受信装置が受信した画像データを基にして、画像を表示する機能を有する。 The imaging device has a function of generating image data and supplying it to the transmission device. The transmitting device has a function of transmitting image data to the receiving device. The receiving device has a function of receiving image data from the transmitting device. The display device has a function of displaying an image based on the image data received by the receiving device.
送信装置には、画像認識回路およびエンコーダが設けられ、受信装置には、デコーダが設けられる。画像認識回路、エンコーダ、およびデコーダにはニューラルネットワークが用いられており、エンコーダおよびデコーダによりオートエンコーダが構成される。エンコーダおよびデコーダには、重み係数を保持する機能を有するメモリが設けられる。 The transmitting device is provided with an image recognition circuit and an encoder, and the receiving device is provided with a decoder. A neural network is used for the image recognition circuit, encoder, and decoder, and the encoder and decoder constitute an autoencoder. Encoders and decoders are provided with memories that have the ability to hold weighting factors.
画像認識回路は、画像データの特徴を抽出して画像認識を行い、画像データを属性別に仕分ける機能を有する。画像認識回路は、画像データを例えば動物、植物、および人工物等、画像データに含まれる物に応じて仕分けることができる。この場合、動物、植物、および人工物を属性という事ができる。なお、画像データがどの属性に属しているかを示す情報を、属性情報と呼ぶことができる。画像認識回路は、画像データの属性情報を生成する機能を有する。 The image recognition circuit has a function of extracting features of image data, recognizing the image, and sorting the image data according to attributes. The image recognition circuitry can sort the image data according to objects contained in the image data, such as animals, plants, and man-made objects. In this case, animals, plants, and artifacts can be called attributes. Information indicating which attribute image data belongs to can be referred to as attribute information. The image recognition circuit has a function of generating attribute information of image data.
エンコーダは、画像認識回路から属性情報を受信し、当該属性情報を基にして画像データを圧縮する機能を有する。具体的には、例えば学習によりあらかじめ各属性に対応する重み係数を取得しておく。属性情報を受信したら、当該属性情報に対応する重み係数と、画像データに対応するデータとにより演算処理を行う。これにより、エンコーダを、画像データの属性に対応する回路構成とし、画像データを圧縮することができる。圧縮した画像データ、および画像認識回路から受信した属性情報は、デコーダに送信することができる。 The encoder has a function of receiving attribute information from the image recognition circuit and compressing image data based on the attribute information. Specifically, for example, a weighting factor corresponding to each attribute is acquired in advance by learning. When the attribute information is received, arithmetic processing is performed using the weighting factor corresponding to the attribute information and the data corresponding to the image data. This allows the encoder to have a circuit configuration corresponding to the attribute of the image data and compress the image data. The compressed image data and the attribute information received from the image recognition circuit can be sent to the decoder.
デコーダは、エンコーダにより圧縮された画像データを、属性情報を基にして伸張する機能を有する。具体的には、例えば学習によりあらかじめ各属性に対応する重み係数を取得しておく。属性情報を受信したら、当該属性情報に対応する重み係数と、圧縮した画像データに対応するデータとにより演算処理を行う。これにより、デコーダを、画像データの属性に対応する回路構成とし、エンコーダにより圧縮された画像データを伸張することができる。 The decoder has a function of decompressing the image data compressed by the encoder based on the attribute information. Specifically, for example, a weighting factor corresponding to each attribute is acquired in advance by learning. When the attribute information is received, arithmetic processing is performed using the weighting factor corresponding to the attribute information and the data corresponding to the compressed image data. Thus, the decoder can have a circuit configuration corresponding to the attributes of the image data, and the image data compressed by the encoder can be decompressed.
本発明の一態様により、オートエンコーダの回路構成を単純化させつつ、例えばオートエンコーダの各中間層の次元数を減少させつつ、あるいはオートエンコーダに含まれる中間層の層数を減少させつつ、高精度な圧縮、伸張を行うことができる。これにより、オートエンコーダが画像データを圧縮、伸張する際に必要なパラメータ数を減少させつつ、高精度な圧縮、伸張を行うことができる。また、オートエンコーダを高速に動作させつつ、高精度な圧縮、伸張を行うことができる。本発明の一態様は、表示装置が2K、4K、または8K等極めて高解像度な表示を行う機能を有する場合に特に有効である。 According to one aspect of the present invention, while simplifying the circuit configuration of the autoencoder, for example, while reducing the number of dimensions of each intermediate layer of the autoencoder, or reducing the number of intermediate layers included in the autoencoder, Accurate compression and decompression can be performed. As a result, the number of parameters required for the autoencoder to compress and decompress image data can be reduced, and high-precision compression and decompression can be performed. In addition, high-precision compression and decompression can be performed while operating the autoencoder at high speed. One aspect of the present invention is particularly effective when the display device has a function of displaying extremely high resolution such as 2K, 4K, or 8K.
また、本発明の一態様により、単純な回路構成で画像データの高精度な圧縮を行うことができるエンコーダ、および当該エンコーダを有する送信装置を提供することができる。これにより、少ないパラメータ数で高精度に圧縮することができるエンコーダ、および当該エンコーダを有する送信装置を提供することができる。また、少ない学習時間で高精度に圧縮することができるエンコーダ、および当該エンコーダを有する送信装置を提供することができる。また、本発明の一態様により、単純な回路構成で画像データの高精度な伸張を行うことができるデコーダ、および当該デコーダを有する受信装置を提供することができる。これにより、少ないパラメータ数で高精度に伸張することができるデコーダ、および当該デコーダを有する受信装置を提供することができる。また、少ない学習時間で高精度に伸張することができるデコーダ、および当該デコーダを有する受信装置を提供することができる。 Further, according to one embodiment of the present invention, it is possible to provide an encoder capable of highly accurate compression of image data with a simple circuit configuration, and a transmission device having the encoder. Accordingly, it is possible to provide an encoder capable of highly accurate compression with a small number of parameters, and a transmission device having the encoder. Also, it is possible to provide an encoder capable of highly accurate compression in a short learning time, and a transmission device having the encoder. Further, according to one embodiment of the present invention, it is possible to provide a decoder capable of decompressing image data with high accuracy with a simple circuit configuration, and a receiving device having the decoder. Accordingly, it is possible to provide a decoder capable of highly accurate decompression with a small number of parameters, and a receiver having the decoder. Also, it is possible to provide a decoder capable of highly accurate decompression in a short learning time, and a receiver having the decoder.
<放送システム>
図1は、本発明の一態様の放送システムである、放送システム10の構成例を模式的に示すブロック図である。放送システム10は、撮像装置11、送信装置12、受信装置13および表示装置14を有する。<Broadcast system>
FIG. 1 is a block diagram schematically showing a configuration example of a
撮像装置11は、イメージセンサISおよび画像処理回路PP1を有する。送信装置12は、画像認識回路PRおよびエンコーダAIEを有する。受信装置13は、デコーダAIDを有する。表示装置14は、画像処理回路PP2および表示部PAを有する。画像認識回路PR、エンコーダAIE、およびデコーダAIDにはニューラルネットワークが用いられており、エンコーダAIEおよびデコーダAIDによりオートエンコーダ20が構成される。詳細は後述するが、エンコーダAIEおよびデコーダAIDには、重み係数を保持する機能を有するメモリが設けられる。 The
撮像装置11が8K映像を撮影することが可能である場合、イメージセンサISは、8Kのカラー画像を撮像可能な画素数を有する。例えば、1画素が1の赤用(R)副画素、1の緑用(G)副画素、および1の青用(B)副画素でなる場合、イメージセンサISには、少なくとも7680×4320×3[R、G、B]の副画素が必要となり、また、4K用の撮像装置であれば、イメージセンサISの副画素数は、少なくとも3840×2160×3であり、2K用の撮像装置であれば、副画素数は、少なくとも1920×1080×3である。 When the
イメージセンサISは撮像データを取得する機能を有する。画像処理回路PP1は、当該撮像データに画像処理(ノイズ除去、補間処理、ガンマ補正、調光、調色等)を施し、画像データ31を生成する機能を有する。画像データ31は送信装置12が有する画像認識回路PRおよびエンコーダAIEに出力することができる。 The image sensor IS has a function of acquiring imaging data. The image processing circuit PP1 has a function of performing image processing (noise removal, interpolation processing, gamma correction, dimming, toning, etc.) on the captured image data to generate
画像認識回路PRは、画像データ31の特徴を抽出して画像認識を行い、画像データ31を属性別に仕分ける機能を有する。画像認識回路PRは、画像データ31を例えば動物、植物、および人工物等、画像データ31に含まれる物に応じて仕分けることができる。また、画像認識回路PRは、例えば動物の中でも、犬、猫、馬等と仕分けてもよい。また、画像認識回路PRは、例えば犬の中でもさらに犬種に応じた仕分けを行ってもよい。なお、画像データ31がどの属性に属しているかを示す情報を、属性情報32と呼ぶことができる。画像認識回路PRは、属性情報32を生成する機能を有する。詳細は後述するが、画像認識回路PRは、例えば教師付き学習により画像データ31を仕分ける機能を有することができる。 The image recognition circuit PR has a function of extracting features of the
エンコーダAIEは、画像認識回路PRから属性情報32を受信し、属性情報32を基にして画像データ31を圧縮する機能を有する。具体的には、例えば学習によりあらかじめ各属性に対応する重み係数を取得して、当該重み係数をエンコーダAIEに設けられたメモリに保持する。属性情報32を受信したら、当該属性情報32に対応する重み係数をメモリから読み出し、メモリから読み出した重み係数と、画像データ31に対応するデータとにより演算処理を行う。これにより、エンコーダAIEを、画像データ31の属性に対応する回路構成とし、画像データ31を圧縮して圧縮画像データ33を生成することができる。圧縮画像データ33および属性情報32は、受信装置13が有するデコーダAIDに送信することができる。 The encoder AIE has a function of receiving the
なお、送信装置12は、例えば画像データ31に放送制御用データ(例えば認証用のデータ)を付加する処理、暗号化処理、スクランブル処理(スペクトラム拡散のためのデータ並び替え処理)等を行う機能を有してもよい。当該機能は、例えば送信装置12が有するエンコーダAIEが有することができる。また、送信装置12は、例えば圧縮画像データ33をIQ変調(直交位相振幅変調)して、受信装置13に出力する機能を有してもよい。例えば、送信装置12に変調器を設け、当該変調器により圧縮画像データ33をIQ変調してもよい。 The transmitting
デコーダAIDは、圧縮画像データ33を、属性情報32を基にして伸張し、画像データ31に復元する機能を有する。具体的には、例えば学習によりあらかじめ各属性に対応する重み係数を取得して、当該重み係数をデコーダAIDに設けられたメモリに保持する。属性情報32を受信したら、当該属性情報32に対応する重み係数をメモリから読み出し、メモリから読み出した重み係数と、圧縮画像データ33に対応するデータとにより演算処理を行う。これにより、デコーダAIDを、画像データ31の属性に対応する回路構成とし、圧縮画像データ33を伸張して画像データ31に復元することができる。 The decoder AID has a function of decompressing the
なお、デコーダAIDは、属性情報32を画像認識回路PRから受信してもよい。この場合、画像認識回路PRを受信装置13に設けてもよい。また、送信装置12および受信装置13の両方に画像認識回路を設けてもよい。この場合、例えば受信装置13が有する画像認識回路は、送信装置12が有する画像認識回路から属性情報を受信し、当該属性情報をデコーダAIDに送信してもよい。 Note that the decoder AID may receive the
また、受信装置13は、例えば圧縮画像データ33に各種の処理を実行する機能を有してもよい。この処理には、フレーム分離、LDPC(Low Density Parity Check)符号の復号、放送制御用データの分離、デスクランブル処理等がある。このような処理を行う機能は、例えば受信装置13に設けられたデコーダAIDが有することができる。また、送信装置12が有する変調器等により、圧縮画像データ33をIQ変調した場合、受信装置13は、IQ変調した圧縮画像データ33を復調する機能を有する。例えば、受信装置13に復調器を設け、当該復調器により復調を行うことができる。 Further, the receiving
デコーダAIDは、復元された画像データ31を、表示装置14が有する画像処理回路PP2に送信することができる。画像処理回路PP2は、画像データ31に画像処理(ノイズ除去、補間処理、ガンマ補正、調光、調色等)を施し、表示部PAに送信する機能を有する。表示部PAには画素がマトリクス状に配列され、当該画素が画像データ31を受信することで、表示部PAは画像を表示することができる。 The decoder AID can send the restored
なお、表示部PAに設けられた画素は、表示素子を有する。表示素子としては、例えば、透過型液晶素子、反射型液晶素子、有機EL素子等を用いることができる。 Note that a pixel provided in the display portion PA includes a display element. As the display element, for example, a transmissive liquid crystal element, a reflective liquid crystal element, an organic EL element, or the like can be used.
本発明の一態様では、画像認識回路PRにより、画像データ31を属性別に仕分け、仕分けを行った結果である属性情報32を用いてオートエンコーダ20が画像データ31の圧縮および伸張を行う。これにより、オートエンコーダ20の回路構成を、属性情報32を用いずに画像データ31の圧縮および伸張を行う場合より単純化させつつ、高精度な圧縮、伸張を行うことができる。これにより、オートエンコーダ20が画像データ31を圧縮、伸張する際に必要なパラメータ数を減少させつつ、高精度な圧縮、伸張を行うことができる。また、オートエンコーダ20を高速に動作させつつ、高精度な圧縮、伸張を行うことができる。本発明の一態様は、表示装置14が2K、4K、または8K等極めて高解像度な表示を行う機能を有する場合に特に有効である。 In one aspect of the present invention, the image recognition circuit PR sorts the
図2は、図1に示す放送システム10の変形例であり、オートエンコーダ20が、外部メモリEM1および外部メモリEM2を有する点が、図1に示す構成と異なる。外部メモリEM1は送信装置12に設けられ、外部メモリEM2は受信装置13に設けられる。この場合、外部メモリEM1および外部メモリEM2には重み係数が保持される。外部メモリEM1は、画像認識回路PRから属性情報32を受信し、当該属性情報32に対応する重み係数をエンコーダAIEに送信する機能を有する。外部メモリEM2は、エンコーダAIEから属性情報32を受信し、当該属性情報32に対応する重み係数をデコーダAIDに送信する機能を有する。オートエンコーダ20を図2に示す構成とすることにより、エンコーダAIEが有するメモリの容量、およびデコーダAIDが有するメモリの容量を少なくすることができる。これにより、エンコーダAIEおよびデコーダAIDを小型化することができる。なお、外部メモリEM1および外部メモリEM2として、DRAM(Dynamic Random Access Memory)およびSRAM(Static RAM)等の揮発性の記憶素子を用いた記憶装置、フラッシュメモリ、MRAM(Magnetoresistive RAM)、PRAM(Phase change RAM)、ReRAM(Resistative RAM)、およびFeRAM(Ferroelectric RAM)等の不揮発性の記憶素子を用いた記憶装置、または、ハードディスクドライブ(Hard Disc Drive:HDD)やソリッドステートドライブ(Solid State Drive:SSD)等の記憶装置等を用いることができる。 FIG. 2 is a modification of the
図3に、放送システムにおけるデータ伝送を模式的に示す。図3には、放送局61から送信された、画像データ等を含む電波(放送信号)が、各家庭のテレビジョン受信装置60(TV60)に届けられるまでの経路を示している。TV60は、受信装置13および表示装置14を備えている。人工衛星62として、例えば、CS(通信衛星)、BS(放送衛星)等が挙げられる。アンテナ64として、例えば、BS・110°CSアンテナ、CSアンテナ等が挙げられる。アンテナ65として、例えば、UHF(Ultra High Frequency)アンテナ等が挙げられる。 FIG. 3 schematically shows data transmission in a broadcasting system. FIG. 3 shows a route for radio waves (broadcast signals) including image data and the like transmitted from the
電波66Aおよび電波66Bは、衛星放送用の放送信号である。人工衛星62は電波66Aを受信すると、地上に向けて電波66Bを伝送する。各家庭において、電波66Bはアンテナ64で受信され、TV60において衛星TV放送を視聴することができる。あるいは、電波66Bは他の放送局のアンテナで受信され、放送局内の受信装置によって光ケーブルに伝送できる信号に加工される。放送局は光ケーブル網を利用して放送信号を各家庭のTV60に送信する。電波67Aおよび電波67Bは、地上波放送用の放送信号である。電波塔63は、受信した電波67Aを増幅して、電波67Bを送信する。各家庭では、アンテナ65で電波67Bを受信することで、TV60で地上波TV放送を視聴することができる。
送信装置12は、例えば放送局61、人工衛星62、または電波塔63に設けることができる。受信装置13は、前述のように、例えばTV60に設けることができる。また、受信装置13を、TV60の外部に設けてもよい。 The transmitting
また、本実施の形態の放送システムは、TV放送用のシステムに限定されるものではない。また配信する画像データは、動画像データでもよいし、静止画像データでもよい。 Also, the broadcasting system of the present embodiment is not limited to a system for TV broadcasting. Image data to be distributed may be moving image data or still image data.
<学習方法の一例>
次に、画像認識回路PRおよびオートエンコーダ20における学習方法の一例について、図4を用いて説明する。図4は、画像認識回路PRおよびオートエンコーダ20における学習方法の一例を示すフローチャートである。<Example of learning method>
Next, an example of a learning method in the image recognition circuit PR and the
まず、画像データを画像認識回路PRに入力し、画像認識回路PRが学習を行う。これにより、画像認識回路PRが、画像データの属性に対応した属性情報32を出力できるようにする(ステップS01)。例えば、画像認識回路PRは、教師付き学習により学習を行うことができる。具体的には、例えば画像データを動物、植物、および人工物に仕分ける場合、動物と認識させたい画像データを画像認識回路PRに入力し、教師データとして動物という答えを用意する。続いて、当該画像データを動物と認識するように、画像認識回路PRにおける重み係数を設定する。また、植物と認識させたい画像データを画像認識回路PRに入力し、教師データとして植物という答えを用意する。続いて、当該画像データを植物と認識するように、画像認識回路PRにおける重み係数を更新する。さらに、次に、人工物と認識させたい画像データを画像認識回路PRに入力し、教師データとして人工物という答えを用意する。続いて、当該画像データを人工物と認識するように、画像認識回路PRにおける重み係数を更新する。以上により、画像データを適切に仕分け、適切な属性情報32を出力できるように、画像認識回路PRにおける重み係数を設定することができる。なお、詳細は後述するが、教師付き学習を行う場合、例えば誤差逆伝播方式による学習を行うことができる。また、偏ったデータに対して学習することを抑制するために、同一の種類の属性の画像データを連続して画像認識回路PRに入力するのではなく、属性の種類はランダムとして画像データを画像認識回路PRに入力することが好ましい。例えば、画像データを動物、植物、および人工物に仕分ける場合、動物の画像データと、植物の画像データと、人工物の画像データと、をランダムに画像認識回路PRに入力することが好ましい。 First, image data is input to the image recognition circuit PR, and the image recognition circuit PR performs learning. This enables the image recognition circuit PR to output the
本明細書等において、画像認識回路PRは、画像データをn種類(nは2以上の整数)の属性(属性[1]乃至属性[n])に仕分ける機能を有するものとする。例えば、画像認識回路PRが、画像データを動物、植物、および人工物に仕分ける場合、n=3である。この場合、例えば動物を属性[1]とし、植物を属性[2]とし、人工物を属性[3]とすることができる。 In this specification and the like, the image recognition circuit PR is assumed to have a function of sorting image data into n types of attributes (attribute [1] to attribute [n]) (where n is an integer equal to or greater than 2). For example, n=3 when the image recognition circuit PR sorts image data into animals, plants, and artifacts. In this case, for example, animals can be attribute [1], plants can be attribute [2], and artificial objects can be attribute [3].
次に、変数iを用意してiを1とし、画像認識回路PRおよびエンコーダAIEが、属性[i]の画像データを受信する(ステップS02、ステップS03)。その後、画像認識回路PRが、属性[i]の属性情報32をエンコーダAIEおよびデコーダAIDに送信する(ステップS04)。なお、本明細書等において、属性[i]の属性情報32を、属性情報32[i]と表す。 Next, a variable i is prepared and set to 1, and the image recognition circuit PR and the encoder AIE receive the image data of the attribute [i] (steps S02 and S03). After that, the image recognition circuit PR transmits the
次に、属性[i]の画像データ、および属性情報32[i]を基にして、オートエンコーダ20、つまりエンコーダAIEおよびデコーダAIDが学習を行い、学習データを取得する(ステップS05)。なお、学習データとして、例えば重み係数が挙げられる。また、学習は、例えば教師なし学習とすることができる。その後、変数iを1増加させる(ステップS06)。 Next, based on the attribute [i] image data and the attribute information 32[i], the
次に、変数iがnより大きいか否かを判定する(ステップS07)。変数iがn以下である場合、ステップS03乃至ステップS07を再度実行する。変数iがnより大きい場合、オートエンコーダ20が学習を完了した、つまり属性[1]乃至属性[n]のいずれの画像データにおいても、適切に圧縮、伸張できるようになったものとして、学習動作を終了する。以上がオートエンコーダ20における学習動作の一例である。 Next, it is determined whether or not the variable i is greater than n (step S07). If the variable i is less than or equal to n, steps S03 to S07 are executed again. When the variable i is greater than n, it is assumed that the
図4に示した学習動作は、実際には放送システム10の外部に設けられたサーバ等により行うことができる。具体的には、当該サーバ等において画像処理回路PR、エンコーダAIE、およびデコーダAIDをモデル化し、当該モデルにより学習を行う。学習の終了後、学習結果、つまり重み係数等の学習データをサーバ等から画像認識回路PR、エンコーダAIE、およびデコーダAIDに送信する。以上により、画像処理回路PR、エンコーダAIE、およびデコーダAIDが学習を行うことができる。 The learning operation shown in FIG. 4 can actually be performed by a server or the like provided outside the
<放送システムが有する各装置の動作方法の一例>
次に、画像認識回路PRおよびオートエンコーダ20が学習を行った後の、放送システム10を構成する各装置の動作方法の一例について、図5を用いて説明する。図5は、放送システム10を構成する各装置の動作方法の一例を示すフローチャートである。<Example of operation method of each device in the broadcasting system>
Next, an example of an operation method of each device constituting the
まず、撮像装置11が画像データ31を生成し、送信装置12が有する画像認識回路PRおよびエンコーダAIEに送信する。具体的には、撮像装置11が有するイメージセンサISにより撮像データを取得し、当該撮像データに対して、画像処理回路PP1により画像処理等を行うことにより、画像データ31を生成する(ステップS11)。 First, the
次に、画像認識回路PRが、画像データ31の特徴を抽出して画像認識を行い、画像データ31の属性に対応した属性情報32を生成する。つまり、画像データ31が属性[i]の画像データである場合、属性情報32[i]を生成する。生成された属性情報32は、エンコーダAIEに送信される(ステップS12)。 Next, the image recognition circuit PR extracts features of the
次に、エンコーダAIEが、属性情報32を基にして画像データ31を圧縮し、圧縮画像データ33を生成する(ステップS13)。例えば、エンコーダAIEが、属性情報32に対応する重み係数と、画像データ31に対応するデータとを用いて演算処理を行うことにより、圧縮画像データ33を生成する。その後、デコーダAIDが、エンコーダAIEから圧縮画像データ33および属性情報32を受信する(ステップS14)。 Next, the encoder AIE compresses the
その後、デコーダAIDが、属性情報32を基にして圧縮画像データ33を伸張し、画像データ31に復元する。例えば、デコーダAIが、属性情報32に対応する重み係数と、圧縮画像データ33に対応するデータとを用いて演算処理を行うことにより、画像データ31に復元する。復元された画像データ31は、表示装置14に送信する(ステップS15)。具体的には、復元された画像データ31を、表示装置14が有する画像処理回路PP2に送信して、画像処理等を行う。その後、画像データ31に対応する画像を、表示部PAに表示する。 After that, the decoder AID decompresses the
次に、ステップS11に戻る。つまり、撮像装置11が画像データ31を生成し、送信装置12が有する画像認識回路PRおよびエンコーダAIEに送信する。以上が放送システム10を構成する各装置の動作方法の一例である。 Then, the process returns to step S11. That is, the
なお、画像認識回路PRおよびオートエンコーダ20が図4に示す手順等で学習を行い、図5に示す手順等で動作させた後であっても、再度学習を行ってもよい。例えば、画像認識回路PRが出力できる属性情報32の種類の数を増加させるために、画像認識回路PRが学習を行い、これに合わせてオートエンコーダ20が学習を行ってもよい。これにより、オートエンコーダ20がより高精度な圧縮、伸張を行うことができるようになる。 Even after the image recognition circuit PR and the
<ニューラルネットワークが用いられた回路の構成例>
次に、ニューラルネットワークを用いた回路である、画像認識回路PRおよびオートエンコーダ20の構成例について、図面を用いて説明する。図6は、画像認識回路PRの構成例である。なお、図6では、画像認識回路PRの他に、画像処理回路PP1およびエンコーダAIEも図示している。<Configuration Example of Circuit Using Neural Network>
Next, configuration examples of the image recognition circuit PR and the
画像認識回路PRは、入力層IL1と、中間層ML1[1]と、中間層ML1[2]と、出力層OL1と、を有する。つまり、画像認識回路PRでは、入力層IL1と、中間層ML1[1]と、中間層ML1[2]と、出力層OL1と、によって階層型のニューラルネットワークが構成されている。 The image recognition circuit PR has an input layer IL1, an intermediate layer ML1[1], an intermediate layer ML1[2], and an output layer OL1. That is, in the image recognition circuit PR, a hierarchical neural network is configured by the input layer IL1, the intermediate layer ML1[1], the intermediate layer ML1[2], and the output layer OL1.
画像処理回路PP1から送られる画像データ31は、画像認識回路PRの入力層IL1に入力される。つまり、画像データ31は、階層型のニューラルネットワークの入力データとして扱われる。階層型のニューラルネットワークについては後述する。
画像認識回路PRにおける階層型のニューラルネットワークは、階層が進む毎に、ニューロンの数が減少する構成とする。つまり、中間層ML1[1]が有するニューロンの数は、入力層IL1が有するニューロンの数よりも少なく、かつ中間層ML1[2]が有するニューロンの数は、中間層ML1[1]が有するニューロンの数よりも少なくなっている。さらに、出力層OL1が有するニューロンの数は、中間層ML1[2]が有するニューロンの数よりも少なくなっている。なお、図6は、上記ニューロンの数を、それぞれの階層をつなぐ矢印の数で示している。画像認識回路PRを、階層が進む毎にニューロンの数が減少する構成とすることにより、画像データ31の特徴抽出を行い、画像データ31の属性に対応した属性情報32を生成することができる。また、ここでは、ニューロン数が徐々に少なくなる構成を示したが、ニューラルネットワークの構成はこれに限定されない。中間層においてニューロン数が増加してもよいし、ニューロン数が変化しなくてもよい。 The hierarchical neural network in the image recognition circuit PR is configured such that the number of neurons decreases as the hierarchy progresses. In other words, the number of neurons in the intermediate layer ML1[1] is smaller than the number of neurons in the input layer IL1, and the number of neurons in the intermediate layer ML1[2] is less than the number of neurons in the intermediate layer ML1[1]. less than the number of Furthermore, the number of neurons that the output layer OL1 has is smaller than the number of neurons that the intermediate layer ML1[2] has. In FIG. 6, the number of neurons is indicated by the number of arrows connecting layers. By configuring the image recognition circuit PR so that the number of neurons decreases as the hierarchy progresses, it is possible to perform feature extraction of the
図7は、オートエンコーダ20の構成例である。なお、図7では、オートエンコーダ20の他に、画像処理回路PP1および画像処理回路PP2も図示している。また、図7においても、図6と同様に、各層が有するニューロンの数を、それぞれの階層をつなぐ矢印の数で示している。 FIG. 7 is a configuration example of the
オートエンコーダ20が有するエンコーダAIEは、入力層IL2と、中間層ML2[1]と、中間層ML2[2]と、を有し、オートエンコーダ20が有するデコーダAIDは、中間層ML2[3]と、中間層ML2[4]と、出力層OL2と、を有する。つまり、オートエンコーダ20では、入力層IL2と、中間層ML2[1]乃至中間層ML2[4]と、出力層OL2と、によって階層型のニューラルネットワークが構成されている。 The encoder AIE that the
画像処理回路PP1から送られる画像データ31は、オートエンコーダ20が有するエンコーダAIEの入力層IL2に入力される。つまり、画像データ31は、階層型のニューラルネットワークの入力データとして扱われる。階層型のニューラルネットワークについては後述する。 The
エンコーダAIEにおける階層型のニューラルネットワークは、階層が進む毎に、ニューロンの数が減少する構成とする。つまり、中間層ML2[1]が有するニューロンの数は、入力層IL2が有するニューロンの数よりも少なく、かつ中間層ML2[2]が有するニューロンの数は、中間層ML2[1]が有するニューロンの数よりも少なくなっている。エンコーダAIEの構成を上述するような構成とすることで、入力のデータ量に対して、中間層ML2[2]が出力するデータのデータ量を削減でき、すなわち、圧縮することができる。 The hierarchical neural network in the encoder AIE is configured such that the number of neurons decreases as the hierarchy progresses. That is, the number of neurons in the intermediate layer ML2[1] is less than the number of neurons in the input layer IL2, and the number of neurons in the intermediate layer ML2[2] is equal to the number of neurons in the intermediate layer ML2[1]. less than the number of By configuring the encoder AIE as described above, the amount of data output from the intermediate layer ML2[2] can be reduced, ie, compressed, relative to the amount of input data.
デコーダAIDにおける階層型のニューラルネットワークは、階層が進む毎に、ニューロンの数が増加する構成とする。つまり、中間層ML2[4]が有するニューロンの数は、中間層ML2[3]が有するニューロンの数よりも多く、かつ出力層OL2が有するニューロンの数は、中間層ML2[4]が有するニューロンの数よりも多くなっている。 The hierarchical neural network in the decoder AID is configured such that the number of neurons increases as the hierarchy progresses. That is, the number of neurons possessed by the intermediate layer ML2[4] is greater than the number of neurons possessed by the intermediate layer ML2[3], and the number of neurons possessed by the output layer OL2 is greater than the number of neurons possessed by the intermediate layer ML2[4]. more than the number of
エンコーダAIEは、属性情報32に対応する回路構成として、画像データ31の特徴抽出を行うことにより、属性情報32に基づいて画像データ31を圧縮して圧縮画像データ33を生成する。デコーダAIDは、特徴抽出された画像データである圧縮画像データ33を画像データ31に復元して、出力層OL2から出力する。 The encoder AIE, as a circuit configuration corresponding to the
なお、画像認識回路PRによって構成される階層型のニューラルネットワーク、およびオートエンコーダ20によって構成される階層型のニューラルネットワークでは、各層間で全結合とすることもでき、または各層間に畳み込み層やプーリング層を用いた構成、すなわちCNNとすることができる。 Note that in the hierarchical neural network configured by the image recognition circuit PR and the hierarchical neural network configured by the
また、画像認識回路PRにおける中間層の数、およびオートエンコーダ20における中間層の数に制限はなく、必要に応じた数を設けることができる。さらに、画像認識回路PRにおける入力層、中間層、出力層が有するニューロンの数は、図6に示した数に限定されず、必要に応じた数を設けることができる。また、オートエンコーダ20における入力層、中間層、出力層が有するニューロンの数は、図7に示した数に限定されず、必要に応じた数を設けることができる。 Also, the number of intermediate layers in the image recognition circuit PR and the number of intermediate layers in the
前述のように、本発明の一態様では、オートエンコーダ20の回路構成を単純化させつつ、高精度な圧縮、伸張を行うことができる。ここで、オートエンコーダ20の回路構成を単純化させるとは、例えばオートエンコーダ20が有する中間層の層数を減少させることを意味する。または、例えばオートエンコーダ20が有する各層におけるニューロンの数を減少させることを意味する。 As described above, according to one aspect of the present invention, the circuit configuration of the
<階層型のニューラルネットワーク>
次に、画像認識回路PRおよびオートエンコーダ20に利用できるニューラルネットワークの種類の一として、階層型のニューラルネットワークについて説明する。<Hierarchical neural network>
Next, a hierarchical neural network will be described as one type of neural network that can be used for the image recognition circuit PR and the
図8は、階層型のニューラルネットワークの一例を示した図である。第(k-1)層(ここでのkは2以上の整数である。)は、ニューロンをP個(ここでのPは1以上の整数である。)有し、第k層は、ニューロンをQ個(ここでのQは1以上の整数である。)有し、第(k+1)層は、ニューロンをR個(ここでのRは1以上の整数である。)有する。 FIG. 8 is a diagram showing an example of a hierarchical neural network. The (k-1)-th layer (where k is an integer of 2 or more) has P neurons (where P is an integer of 1 or more), and the k-th layer has neurons (where Q is an integer of 1 or more), and the (k+1)-th layer has R neurons (here, R is an integer of 1 or more).
第(k-1)層の第pニューロン(ここでのpは1以上P以下の整数である。)の出力信号zp (k-1)と重み係数wqp (k)と、の積が第k層の第qニューロン(ここでのqは1以上Q以下の整数である。)に入力されるものとし、第k層の第qニューロンの出力信号zq (k)と重み係数wrq (k+1)と、の積が第(k+1)層の第rニューロン(ここでのrは1以上R以下の整数である。)に入力されるものとし、第(k+1)層の第rニューロンの出力信号をzr (k+1)とする。The product of the output signal z p (k-1) of the p-th neuron in the (k-1) layer (where p is an integer of 1 or more and P or less) and the weighting factor w qp (k) is Input to the q-th neuron of the k-th layer (where q is an integer of 1 or more and Q or less), and the output signal z q (k) of the q-th neuron of the k-th layer and the weight coefficient w rq The product of (k+1 ) and is input to the r-th neuron of the (k+1)-th layer (where r is an integer of 1 or more and R or less), and the r-th neuron of the (k+1)-th layer Let the output signal be z r (k+1) .
このとき、第k層の第qニューロンへ入力される信号の総和uq (k)は、次の式で表される。At this time, the total sum u q (k) of signals input to the q-th neuron in the k-th layer is expressed by the following equation.
また、第k層の第qニューロンからの出力信号zq (k)を次の式で定義する。Also, the output signal z q (k) from the q-th neuron in the k-th layer is defined by the following equation.
関数f(uq
(k))は、活性化関数であり、ステップ関数、線形ランプ関数、またはシグモイド関数等を用いることができる。なお、式(1)の積和演算は、後述する積和演算回路によって実現できる。なお、式(2)の演算は、例えば、図11(A)に示す回路161によって実現できる。The function f(u q (k) ) is an activation function, and can be a step function, linear ramp function, sigmoid function, or the like. Note that the sum-of-products operation of equation (1) can be realized by a sum-of-products operation circuit, which will be described later. Note that the calculation of expression (2) can be realized, for example, by a
なお、活性化関数は、全てのニューロンにおいて同一でもよいし、または異なっていてもよい。加えて、活性化関数は、層毎において、同一でもよいし、異なっていてもよい。 Note that the activation function may be the same or different in all neurons. Additionally, the activation function may be the same or different from layer to layer.
ここで、図9に示す、全L層(ここでのLは3以上の整数とする。)からなる階層型のニューラルネットワークを考える。つまり、ここでのkは2以上(L-1)以下の整数とする。第1層は、階層型のニューラルネットワークの入力層となり、第L層は、階層型のニューラルネットワークの出力層となり、第2層乃至第(L-1)層は、中間層となる。 Here, consider a hierarchical neural network composed of all L layers (where L is an integer of 3 or more) shown in FIG. That is, k here is an integer of 2 or more and (L-1) or less. The first layer is the input layer of the hierarchical neural network, the Lth layer is the output layer of the hierarchical neural network, and the second to (L-1)th layers are intermediate layers.
第1層(入力層)は、ニューロンをP個有し、第k層(中間層)は、ニューロンをQ[k]個(Q[k]は1以上の整数である。)有し、第L層(出力層)は、ニューロンをR個有する。 The first layer (input layer) has P neurons, the k-th layer (intermediate layer) has Q[k] neurons (Q[k] is an integer equal to or greater than 1), and the The L layer (output layer) has R neurons.
第1層の第s[1]ニューロン(s[1]は1以上P以下の整数である。)の出力信号をzs[1] (1)とし、第k層の第s[k]ニューロン(s[k]は1以上Q[k]以下の整数である。)の出力信号をzs[k] (k)とし、第L層の第s[L]ニューロン(s[L]は1以上R以下の整数である。)の出力信号をzs[L] (L)とする。Let z s [1] (1) be the output signal of the s[1]-th neuron in the first layer (s[1] is an integer greater than or equal to P and less than or equal to P), and the s[k]-th neuron in the k-th layer (s[k] is an integer from 1 to Q[k]) is defined as z s[k] (k) , and the s[L]-th neuron in the L-th layer (s[L] is 1 is an integer equal to or greater than R and equal to or less than R) is assumed to be z s[L] (L) .
また、第(k-1)層の第s[k-1]ニューロン(s[k-1]は1以上Q[k-1]以下の整数である。)の出力信号zs[k-1] (k-1)と重み係数ws[k]s[k-1] (k)と、の積us[k] (k)が第k層の第s[k]ニューロンに入力されるものとし、第(L-1)層の第s[L-1]ニューロン(s[L-1]は1以上Q[L-1]以下の整数である。)の出力信号zs[L-1] (L-1)と重み係数ws[L]s[L-1] (L)と、の積us[L] (L)が第L層の第s[L]ニューロンに入力されるものとする。Also, the output signal z s[k-1 ] (k−1) and the weighting factor w s[k]s[k−1] (k) , u s[k] (k) is input to the s[k]-th neuron of the k-th layer. Assume that the output signal z s[L- 1] (L−1) and the weighting coefficient w s[L]s[L−1] (L) , u s[L] (L) is input to the s[L]-th neuron in the L-th layer. shall be
次に、教師付き学習について説明する。教師付き学習とは、上述の階層型のニューラルネットワークの機能において、出力した結果と、所望の結果(教師データ、または教師信号という場合がある。)と異なったときに、階層型のニューラルネットワークの全ての重み係数を、出力した結果と所望の結果とに基づいて、更新する動作をいう。 Next, supervised learning will be explained. Supervised learning is when the output result differs from the desired result (sometimes referred to as teacher data or teacher signal) in the function of the hierarchical neural network described above, the hierarchical neural network This refers to the operation of updating all weighting factors based on output results and desired results.
教師付き学習の具体例として、誤差逆伝播方式による学習方法について説明する。図10は、誤差逆伝播方式による学習方法を説明する図である。誤差逆伝播方式は、階層型のニューラルネットワークの出力と教師データとの誤差が小さくなるように、重み係数を変更する方式である。 As a specific example of supervised learning, a learning method using backpropagation will be described. FIG. 10 is a diagram for explaining a learning method based on the error backpropagation method. The error backpropagation method is a method of changing weighting coefficients so as to reduce the error between the output of a hierarchical neural network and teacher data.
例えば、第1層の第s[1]ニューロンに入力データを入力し、第L層の第s[L]ニューロンから出力データzs[L] (L)を出力されたとする。ここで、出力データzs[L] (L)に対する教師信号をts[L] (L)としたとき、誤差エネルギーEは、出力データzs[L] (L)および教師信号ts[L] (L)によって表すことができる。For example, assume that input data is input to the s[1]-th neuron in the first layer and output data z s[L] (L) is output from the s[L]-th neuron in the L-th layer. Here, when the teacher signal for the output data zs [L] (L) is ts[L] (L) , the error energy E is the output data zs [L] (L) and the teacher signal ts [ L] can be represented by (L) .
誤差エネルギーEに対して、第k層の第s[k]ニューロンの重み係数ws[k]s[k-1] (k)の更新量を∂E/∂ws[k]s[k-1] (k)とすることで、新たに重み係数を変更することができる。ここで、第k層の第s[k]ニューロンの出力値zs[k] (k)の誤差δs[k] (k)を∂E/∂us[k] (k)と定義すると、δs[k] (k)および∂E/∂ws[k]s[k-1] (k)は、それぞれ次の式で表すことができる。For the error energy E, the update amount of the weight coefficient w s[k]s[k−1] (k) of the s[k]-th neuron in the k-th layer is ∂E/∂w s[k]s[k −1] (k) , the weighting factor can be newly changed. Here, if the error δ s[k] (k) of the output value z s[k] (k) of the s[k]-th neuron in the k-th layer is defined as ∂E/∂u s[k] (k) , δ s[k] (k) and ∂E/∂w s[k]s[k−1] (k) can be expressed by the following equations, respectively.
f’(us[k]
(k))は、活性化関数の導関数である。なお、式(3)の演算は、例えば、図11(B)に示す回路163によって実現できる。また、式(4)の演算は、例えば、図11(C)に示す回路164によって実現できる。活性化関数の導関数は、例えば、オペアンプの出力端子に所望の導関数に対応した演算回路を接続することによって実現できる。f'(u s[k] (k) ) is the derivative of the activation function. Note that the calculation of expression (3) can be realized, for example, by a circuit 163 shown in FIG. 11(B). Also, the calculation of equation (4) can be realized by, for example, a
また、例えば、式(3)のΣδs[k+1] (k+1)・ws[k+1]・s[k] (k+1)の部分の演算は、後述する積和演算回路よって実現できる。Further, for example, the calculation of the portion Σδ s[k+1] (k+1) ·w s[k+1]·s[k] (k+1) in Equation (3) can be realized by a sum-of-products operation circuit to be described later.
ここで、第(k+1)層が出力層のとき、すなわち、第(k+1)層が第L層であるとき、δs[L] (L)および∂E/∂ws[L]s[L-1] (L)は、それぞれ次の式で表すことができる。where δ s[L] (L) and ∂E/∂w s[L]s[L −1] (L) can be represented by the following equations.
式(5)の演算は、図11(D)に示す回路165によって実現できる。また、式(6)の演算は、図11(C)に示す回路164によって実現できる。 The calculation of equation (5) can be implemented by
つまり、式(1)乃至式(6)により、全てのニューロン回路の誤差δs[k] (k)およびδs[L] (L)を求めることができる。なお、重み係数の更新量は、誤差δs[k] (k)、δs[L] (L)および所望のパラメータ等に基づいて、設定される。In other words, the errors δ s[k] (k) and δ s[L] (L) of all neuron circuits can be obtained from equations (1) to (6). The update amount of the weighting coefficient is set based on the errors δ s[k] (k) , δ s[L] (L) , desired parameters, and the like.
以上のように、図11(A)乃至図11(D)に示す回路、および後述する積和演算回路用いることによって、教師付き学習を適用した階層型のニューラルネットワークの計算を行うことができる。 As described above, by using the circuits shown in FIGS. 11A to 11D and a sum-of-products operation circuit to be described later, hierarchical neural network calculations to which supervised learning is applied can be performed.
<階層型のニューラルネットワークの回路構成例>
図12は、階層型のニューラルネットワークの回路の構成例を示したブロック図である。<Example of circuit configuration of hierarchical neural network>
FIG. 12 is a block diagram showing a circuit configuration example of a hierarchical neural network.
NN(ニューラルネットワーク)回路100は、入力端子PDL[1]乃至入力端子PDL[l](ここでのlは1以上の整数である。)、出力端子PDR[1]乃至出力端子PDR[v](ここでのvは1以上の整数である。)、プログラマブルロジックエレメントPLE[1]乃至プログラマブルロジックエレメントPLE[m](ここでのmは1以上の整数である。)、配線L[1]乃至配線L[l]、配線P[1]乃至配線P[m]、配線R[1]乃至配線R[v]、配線Q[1]乃至配線Q[m]、複数のプログラマブルスイッチPSW1、複数のプログラマブルスイッチPSW2、および複数のプログラマブルスイッチPSW3を有する。 An NN (neural network)
なお、図12に示すNN回路100では、入力端子PDL[1]、入力端子PDL[2]、入力端子PDL[l]、出力端子PDR[1]、出力端子PDR[2]、出力端子PDR[v]、プログラマブルロジックエレメントPLE[1]、プログラマブルロジックエレメントPLE[2]、プログラマブルロジックエレメントPLE[m]、配線L[1]、配線L[2]、配線L[l]、配線P[1]、配線P[2]、配線P[m]、配線R[1]、配線R[2]、配線R[v]、配線Q[1]、配線Q[2]、配線Q[m]、プログラマブルスイッチPSW1、プログラマブルスイッチPSW2、プログラマブルスイッチPSW3、後述するスイッチ回路SWCのみを図示しており、それら以外の回路、素子、配線、符号を省略している。 Note that in the
つまり、本発明の一態様は、プログラマブルロジックエレメントPLE[1]乃至プログラマブルロジックエレメントPLE[m]、およびプログラマブルスイッチPSW1乃至プログラマブルスイッチPSW3を用いた、マルチコンテキスト方式のプログラマブルな演算処理装置である。具体的には後述するが、当該演算処理装置は、階層型のニューラルネットワークにおいて、各層間のネットワークの接続状態を各コンテキストに対応させており、コンテキストを順次切り替えることによって、ニューラルネットワークの演算処理を行う。 That is, one embodiment of the present invention is a multi-context programmable processing device using programmable logic elements PLE[1] to PLE[m] and programmable switches PSW1 to PSW3. As will be described in detail later, in the hierarchical neural network, the arithmetic processing unit associates the connection state of the network between the layers with each context, and by sequentially switching the context, the arithmetic processing of the neural network is performed. conduct.
入力端子PDL[i](ここでのiは1以上l以下の整数である。)は、配線L[i]と電気的に接続されている。出力端子PDR[k](ここでのkは1以上v以下の整数である。)は、配線R[1]乃至配線R[v]のそれぞれと、プログラマブルスイッチPSW3を介して、電気的に接続されている。プログラマブルロジックエレメントPLE[j](ここでのjは1以上m以下の整数である。)の第1の端子は、配線Q[j]と電気的に接続され、配線Q[j]は、配線L[1]乃至配線L[l]のそれぞれと、プログラマブルスイッチPSW1を介して、電気的に接続されている。また、配線Q[j]は、配線P[1]乃至配線P[m]のそれぞれと、プログラマブルスイッチPSW2を介して、電気的に接続されている。プログラマブルロジックエレメントPLE[j]の第2の端子は、配線R[j]と電気的に接続されている。配線P[1]乃至配線P[m]のそれぞれは、配線R[1]乃至R[v]のそれぞれと電気的に接続されている。 The input terminal PDL[i] (where i is an integer greater than or equal to 1 and less than or equal to l) is electrically connected to the wiring L[i]. The output terminal PDR[k] (where k is an integer of 1 or more and v or less) is electrically connected to each of the wirings R[1] to R[v] via the programmable switch PSW3. It is A first terminal of the programmable logic element PLE[j] (here, j is an integer of 1 or more and m or less) is electrically connected to the wiring Q[j], and the wiring Q[j] is connected to the wiring. It is electrically connected to each of L[1] to wiring L[l] via a programmable switch PSW1. Further, the wiring Q[j] is electrically connected to each of the wirings P[1] to P[m] through the programmable switch PSW2. A second terminal of the programmable logic element PLE[j] is electrically connected to the wiring R[j]. The wirings P[1] to P[m] are electrically connected to the wirings R[1] to R[v], respectively.
NN回路100が有するプログラマブルスイッチPSW1乃至プログラマブルスイッチPSW3は、後述するメモリMSに格納されたデータによって、導通状態、非導通状態を切り替えることができるスイッチである。なお、プログラマブルスイッチPSW1乃至プログラマブルスイッチPSW3のそれぞれは、スイッチ回路SWCを有する。また、プログラマブルスイッチPSW1乃至プログラマブルスイッチPSW3の詳細については、後述する。 The programmable switches PSW1 to PSW3 included in the
プログラマブルロジックエレメントPLEは、演算処理回路を有する。図13(A)は、オートエンコーダ20に設けられたNN回路100が有する演算処理回路150の構成例を示す回路図である。演算処理回路150は、コントローラCNTと、積演算回路MAC[1]乃至積演算回路MAC[s](sは2以上の整数)と、加算回路ADと、活性化関数回路AFCと、メモリMFと、保持回路KCと、を有する。積演算回路MAC[h](hは1以上s以下の整数)は、乗算回路MLT[h]と、メモリMW[h](1)乃至メモリMW[h](t)と、マルチプレクサMUX1[h]と、を有する。なお、tはn以上の整数とすることができる。つまり、積演算回路MAC[h]は、前述の画像認識回路PRが出力できる属性情報32の種類の数以上のメモリMW[h]を有する。ここで、メモリMW[h](1)乃至メモリMW[h](t)をまとめてメモリMW[h]と呼ぶ場合がある。 The programmable logic element PLE has an arithmetic processing circuit. FIG. 13A is a circuit diagram showing a configuration example of the
なお、オートエンコーダ20を図2に示す構成とした場合、tをnより小さい整数とすることができる。つまり、積演算回路MAC[h]が有するメモリMW[h]の数を、前述の画像認識回路PRが出力できる属性情報32の種類の数より少なくすることができる。 Note that when the
本明細書等において、メモリMW[h](1)乃至メモリMW[h](t)をまとめて、一群のメモリと呼ぶ場合がある。また、本明細書等において、メモリMW[h](1)乃至メモリMW[h](t)をそれぞれ、メモリ素子と呼ぶ場合がある。つまり、積演算回路MAC[h]は、メモリ素子であるメモリMW[h](1)乃至メモリMW[h](t)から構成される一群のメモリを有するということができる。 In this specification and the like, the memories MW[h](1) to MW[h](t) may be collectively referred to as a group of memories. In this specification and the like, the memories MW[h](1) to MW[h](t) are sometimes referred to as memory elements. That is, it can be said that the product operation circuit MAC[h] has a group of memories composed of memories MW[h](1) to MW[h](t), which are memory elements.
なお、図13(A)は、あくまで演算処理回路150の機能を示したものであり、図13(A)に示した各回路を、必ずしも全て別の回路として設けなくてもよい。例えば、詳細は後述するが、積演算回路MAC[h]が有するメモリMW[h](1)乃至メモリMW[h](t)は、乗算回路MLT[h]の機能を有することができる。つまり、乗算回路MLT[h]として、メモリMW[h](1)乃至メモリMW[h](t)と別の回路を設けなくてもよい。または、例えばマルチプレクサMUX1[1]乃至マルチプレクサMUX1[s]は、積演算回路MAC[1]乃至積演算回路MAC[s]に設けなくてもよい。この場合は例えばコントローラCNTがマルチプレクサMUX1[1]乃至マルチプレクサMUX1[s]としての機能を有することができる。なお、以降の回路図においても、図示した各回路を、必ずしも全て別の回路として設けなくてもよい場合がある。 Note that FIG. 13A only shows the function of the
コントローラCNTには、属性情報32が入力される。また、コントローラCNTは、マルチプレクサMUX1[1]乃至マルチプレクサMUX1[s]の選択信号入力端子と電気的に接続されている。メモリMW[h](1)乃至メモリMW[h](t)は、マルチプレクサMUX1[h]の入力端子と電気的に接続されている。マルチプレクサMUX1[h]の出力端子は、乗算回路MLT[h]の第1の入力端子と電気的に接続されている。
入力端子In[h]は、乗算回路MLT[h]の第2の入力端子と電気的に接続され、乗算回路MLT[h]の出力端子は、加算回路ADの入力端子と電気的に接続されている。加算回路ADの出力端子は、活性化関数回路AFCの入力端子と電気的に接続されている。活性化関数回路AFCの出力端子は、保持回路KCの端子TA1と電気的に接続されている。保持回路KCの端子TA2は、出力端子OUTと電気的に接続されている。 The input terminal In[h] is electrically connected to the second input terminal of the multiplier circuit MLT[h], and the output terminal of the multiplier circuit MLT[h] is electrically connected to the input terminal of the adder circuit AD. ing. An output terminal of the addition circuit AD is electrically connected to an input terminal of the activation function circuit AFC. The output terminal of activation function circuit AFC is electrically connected to terminal TA1 of holding circuit KC. A terminal TA2 of the holding circuit KC is electrically connected to the output terminal OUT.
乗算回路MLT[h]は、メモリMW[h](1)乃至メモリMW[h](t)に保持されているデータ(以後、重み係数と呼ぶ場合がある)のうちの1つを乗数とし、入力端子In[h]に入力されたデータを被乗数とする乗算を行う回路である。なお、当該データは、例えば画像データに対応するデータとすることができる。乗算回路MLT[h]における乗数、つまりマルチプレクサMUX[h]から出力されるデータが保持されているメモリMW[h]は、属性情報32を基に、コントローラCNTにより選択される。例えば、画像認識回路PRが画像データを属性[1]乃至属性[t]に仕分けるとすると、属性情報32[i](ここでのiは1以上t以下の整数である。)がコントローラCNTに入力された場合、コントローラCNTは、メモリMW[h](i)を選択することができる。 Multiplication circuit MLT[h] uses one of the data (hereinafter sometimes referred to as weighting coefficients) held in memory MW[h](1) to memory MW[h](t) as a multiplier. , is a circuit that performs multiplication using the data input to the input terminal In[h] as the multiplicand. The data can be data corresponding to image data, for example. The multiplier in the multiplication circuit MLT[h], that is, the memory MW[h] holding the data output from the multiplexer MUX[h] is selected by the controller CNT based on the
加算回路ADは、乗算回路MLT[1]乃至乗算回路MLT[s]から出力されるそれぞれの乗算結果の和を計算する回路である。つまり、乗算回路MLT[1]乃至乗算回路MLT[s]、および加算回路ADによって、積和演算回路が構成されている。 The addition circuit AD is a circuit that calculates the sum of the multiplication results output from the multiplication circuits MLT[1] to MLT[s]. In other words, the sum-of-products operation circuit is composed of the multiplication circuits MLT[1] to MLT[s] and the addition circuit AD.
活性化関数回路AFCは、入力端子に入力された信号、つまり積和演算結果に対して、メモリMFに保持されているデータにより定義された関数系に従った演算を行う回路である。当該関数系としては、例えば、シグモイド関数、tanh関数、softmax関数、ReLU関数、しきい値関数等を用いることができる。 The activation function circuit AFC is a circuit that performs an operation according to a function system defined by the data held in the memory MF on the signal input to the input terminal, that is, the sum-of-products operation result. As the function system, for example, a sigmoid function, a tanh function, a softmax function, a ReLU function, a threshold function, and the like can be used.
保持回路KCは、活性化関数回路AFCから出力された演算結果を端子TA1から取得し、当該演算結果を一時的に保持する機能と、一時的に保持した演算結果を端子TA2に出力する機能とを有する。加えて、保持回路KCは、端子CKTに入力されるクロック信号CLKに応じて、上述した2つの機能を切り替えることができる。 The holding circuit KC has a function of acquiring the calculation result output from the activation function circuit AFC from the terminal TA1, temporarily holding the calculation result, and a function of outputting the temporarily held calculation result to the terminal TA2. have In addition, the holding circuit KC can switch between the above two functions according to the clock signal CLK input to the terminal CKT.
例えば、クロック信号CLKのパルスが高レベル電位であるとき、保持回路KCは、端子TA1から入力された電位を保持することができ、クロック信号CLKのパルスが低レベル電位であるとき、保持回路KCは、端子TA2から出力端子OUTに、該電位を出力することができる。 For example, when the pulse of the clock signal CLK is high level potential, the holding circuit KC can hold the potential input from the terminal TA1, and when the pulse of the clock signal CLK is low level potential, the holding circuit KC can hold the potential input from the terminal TA1. can output the potential from the terminal TA2 to the output terminal OUT.
演算処理回路150はデジタルデータを扱う回路である場合、保持回路KCは、例えば、フリップフロップ回路を適用することができる。 If the
また、演算処理回路150はアナログデータを扱う回路である場合、一例として、図13(B)に示す保持回路KCを適用することができる。図13(B)に示す保持回路KCは、サンプルホールド回路であり、トランジスタTrAと、トランジスタTrBと、容量素子CAと、アンプAMPと、NOT回路NLと、を有する。 Further, when the
トランジスタTrAのソースまたはドレインの一方は、端子TA1と電気的に接続され、トランジスタTrAのソースまたはドレインの他方は、容量素子CAの一対の電極の一方と電気的に接続され、トランジスタTrAのゲートは、端子CKTと電気的に接続されている。アンプAMPの入力端子は、トランジスタTrAのソースまたはドレインの他方と電気的に接続され、アンプAMPの出力端子は、トランジスタTrBのソースまたはドレインの一方と電気的に接続されている。トランジスタTrBのソースまたはドレインの他方は、端子TA2と電気的に接続されている。NOT回路NLの入力端子は、端子CKTと電気的に接続され、NOT回路NLの出力端子は、トランジスタTrBのゲートと電気的に接続されている。容量素子CAの一対の電極の他方は、配線GNDLと電気的に接続されている。なお、トランジスタTrAのソースまたはドレインの他方と、アンプAMPの入力端子と、容量素子の一対の電極の一方とが接続されたノードを、ノードNとする。 One of the source and the drain of the transistor TrA is electrically connected to the terminal TA1, the other of the source and the drain of the transistor TrA is electrically connected to one of the pair of electrodes of the capacitor CA, and the gate of the transistor TrA is , and the terminal CKT. The input terminal of the amplifier AMP is electrically connected to the other of the source and drain of the transistor TrA, and the output terminal of the amplifier AMP is electrically connected to one of the source and drain of the transistor TrB. The other of the source and drain of the transistor TrB is electrically connected to the terminal TA2. The input terminal of the NOT circuit NL is electrically connected to the terminal CKT, and the output terminal of the NOT circuit NL is electrically connected to the gate of the transistor TrB. The other of the pair of electrodes of the capacitor CA is electrically connected to the wiring GNDL. Note that a node N is a node to which the other of the source or drain of the transistor TrA, the input terminal of the amplifier AMP, and one of the pair of electrodes of the capacitor are connected.
アンプAMPは、入力端子に入力された信号を1倍に増幅して、出力端子に増幅した信号を出力する機能を有する。 The amplifier AMP has a function of amplifying a signal input to an input terminal by 1 and outputting the amplified signal to an output terminal.
配線GNDLは、基準電位を与える配線である。 A wiring GNDL is a wiring for applying a reference potential.
端子CKTに入力されるクロック信号CLKのパルスが高レベル電位であるとき、トランジスタTrAは導通状態となり、トランジスタTrBは非導通状態となる。このとき、端子TA1から入力された信号は、トランジスタTrAを介して、アンプAMPに入力される。このため、アンプAMPは該信号を増幅して、アンプAMPの出力端子から増幅した信号を出力する。なお、トランジスタTrBは非導通状態であるため、増幅した信号は、端子TA2から出力されない。 When the pulse of the clock signal CLK input to the terminal CKT is at a high level potential, the transistor TrA becomes conductive and the transistor TrB becomes non-conductive. At this time, the signal input from the terminal TA1 is input to the amplifier AMP via the transistor TrA. Therefore, the amplifier AMP amplifies the signal and outputs the amplified signal from the output terminal of the amplifier AMP. Since the transistor TrB is in a non-conducting state, the amplified signal is not output from the terminal TA2.
また、ノードNの電位は、容量素子CAによって、保持される。このとき、ノードNの電位は、端子TA1から入力された信号の電位となる。 Further, the potential of the node N is held by the capacitor CA. At this time, the potential of the node N becomes the potential of the signal input from the terminal TA1.
端子CKTに入力されるクロック信号CLKのパルスが低レベル電位であるとき、トランジスタTrAは非導通状態となり、トランジスタTrBは導通状態となる。ノードNの電位は、トランジスタTrAが非導通状態となっているので、該電位の変化はない。アンプAMPは、ノードNの電位をトランジスタTrBのソースまたはドレインの一方に出力をする。トランジスタTrBは導通状態となっているため、ノードNの電位、つまりクロック信号CLKのパルスが高レベル電位のときに端子TA1から入力された信号の電位が、端子TA2から出力される。 When the pulse of the clock signal CLK input to the terminal CKT is at the low level potential, the transistor TrA becomes non-conductive and the transistor TrB becomes conductive. The potential of the node N does not change because the transistor TrA is in a non-conducting state. The amplifier AMP outputs the potential of the node N to one of the source and drain of the transistor TrB. Since the transistor TrB is in a conducting state, the potential of the node N, ie, the potential of the signal input from the terminal TA1 when the pulse of the clock signal CLK is at a high level potential, is output from the terminal TA2.
トランジスタTrA、および/またはトランジスタTrBは、OSトランジスタであることが好ましい。特に、当該OSトランジスタは、チャネル形成領域にインジウム、元素M(元素Mは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、またはスズ)、亜鉛の少なくとも一を有する金属酸化物を用いることが好ましい。このようなOSトランジスタをトランジスタTrA、および/またはトランジスタTrBに適用することで、トランジスタのオフ電流を非常に低くすることができる。このため、トランジスタのオフ電流による電荷のリークの影響を低くすることができる。 The transistor TrA and/or the transistor TrB are preferably OS transistors. In particular, the OS transistor preferably uses a metal oxide containing at least one of indium, element M (element M is aluminum, gallium, yttrium, or tin), and zinc for the channel formation region. By applying such an OS transistor to the transistor TrA and/or the transistor TrB, the off-state current of the transistor can be significantly reduced. Therefore, the influence of charge leakage due to the off-state current of the transistor can be reduced.
なお、本発明の一態様の半導体装置が有する積和演算回路150の保持回路KCは、上述の構成に限定されない。場合によって、または、状況に応じて、保持回路KCの構成を適宜変更することができる。 Note that the holding circuit KC of the product-
なお、演算処理回路150が有するメモリMW[1]乃至メモリMW[s]およびメモリMFと、後述するプログラマブルスイッチPSW1乃至プログラマブルスイッチPSW3の状態を設定するメモリMSと、はそれぞれ異なる駆動回路によって、データの書き込みを行う構成としてもよい。つまり、メモリMSのデータを更新せずに、積和演算回路150のメモリMW[1]乃至メモリMW[s]およびメモリMFのデータの更新を繰り返し行うことができる。これにより、ニューラルネットワークにおいて、効率的な学習が可能となる。 The memory MW[1] to memory MW[s] and the memory MF included in the
なお、上述では、1つのプログラマブルロジックエレメントが単独の演算処理回路150を有する構成として説明をしたが、複数のプログラマブルロジックエレメントおよび当該プログラマブルロジックエレメント間を接続するプログラマブルスイッチによって、1つの積和演算回路を構成することも可能である。 In the above description, one programmable logic element has a single
なお、図13(A)に示す構成の演算処理回路150において、コントローラCNTおよびマルチプレクサMUX1[1]乃至マルチプレクサMUX1[s]を省略し、積演算回路MACがそれぞれ一のメモリMWを有する構成とすることで、画像認識回路PRが有する演算処理回路とすることができる。この場合、一のメモリMWは、一の乗算回路MLTの第1の入力端子と電気的に接続される。 13A, the controller CNT and the multiplexers MUX1[1] to MUX1[s] are omitted, and each product operation circuit MAC has one memory MW. Thus, it can be an arithmetic processing circuit included in the image recognition circuit PR. In this case, one memory MW is electrically connected to the first input terminal of one multiplier circuit MLT.
次に、プログラマブルスイッチPSW1乃至プログラマブルスイッチPSW3の構成について説明する。図14(A)は、NN回路100において、配線Q[j]と、プログラマブルスイッチPSW1と、プログラマブルスイッチPSW2と、プログラマブルロジックエレメントPLE[j]と、の接続例について示し、図14(B)は、スイッチ回路SWCの構成例を示している。 Next, configurations of the programmable switches PSW1 to PSW3 will be described. FIG. 14A shows a connection example of the wiring Q[j], the programmable switch PSW1, the programmable switch PSW2, and the programmable logic element PLE[j] in the
なお、図14(A)において、配線Q[j]は、配線q[1]乃至配線q[s]から構成されている。さらに、図14(A)において、プログラマブルロジックエレメントPLE[j]の第1の端子は、図13(A)で説明した演算処理回路150の入力端子In[1]乃至入力端子In[s]としている。つまり、図14(A)において、配線q[h]は、入力端子In[h]と電気的に接続されている。 Note that in FIG. 14A, the wiring Q[j] is composed of wirings q[1] to q[s]. Furthermore, in FIG. 14A, the first terminal of the programmable logic element PLE[j] serves as the input terminal In[1] to the input terminal In[s] of the
また、図14(A)では、配線q[1]乃至配線q[s]は、プログラマブルスイッチPSW1を介して、配線”0”と電気的に接続されている。配線”0”は、0の値の信号(信号の電位が基準電位)を供給する配線である。 Further, in FIG. 14A, the wiring q[1] to the wiring q[s] are electrically connected to the wiring "0" through the programmable switch PSW1. A wiring "0" is a wiring for supplying a signal with a value of 0 (the potential of the signal is the reference potential).
図14(A)に示す構成例において、プログラマブルスイッチPSW1およびプログラマブルスイッチPSW2はスイッチ回路SWCを有する。オートエンコーダ20が有するスイッチ回路SWCの構成例を図14(B)に示す。スイッチ回路SWCは、スイッチSWと、コントローラCNTと、メモリMS(1)乃至メモリMS(t)と、マルチプレクサMUX2と、を有する。前述のように、tはn以上の整数とすることができる。つまり、スイッチ回路SWは、前述の画像認識回路PRが出力できる属性情報32の種類の数以上のメモリMSを有する。 In the configuration example shown in FIG. 14A, the programmable switch PSW1 and the programmable switch PSW2 have switch circuits SWC. FIG. 14B shows a configuration example of the switch circuit SWC that the
なお、前述のようにオートエンコーダ20を図2に示す構成とした場合、tをより小さい整数とすることができる。つまり、一のスイッチ回路SWCが有するメモリMSの数を、前述の画像認識回路PRが出力できる属性情報32の種類の数より少なくすることができる。 Note that when the
スイッチSWの第1の端子は、配線q[h]と電気的に接続され、スイッチSWの第2の端子は、配線Xと電気的に接続されている。なお、配線Xは、配線”0”、配線L[1]乃至配線L[l]、配線P[1]乃至配線P[m]のいずれか一の配線である。 A first terminal of the switch SW is electrically connected to the wiring q[h], and a second terminal of the switch SW is electrically connected to the wiring X. Note that the wiring X is any one of the wiring “0”, the wirings L[1] to L[l], and the wirings P[1] to P[m].
前述のように、コントローラCNTには、属性情報32が入力される。また、コントローラCNTは、マルチプレクサMUX2の選択信号入力端子と電気的に接続されている。メモリMS(1)乃至メモリMS(t)は、マルチプレクサMUX2の入力端子と電気的に接続されている。スイッチSWは、メモリMS(1)乃至メモリMS(t)の一に保持されているデータによって、導通状態、非導通状態を決定する。スイッチSWに出力するデータは、属性情報32を基に、コントローラCNTにより選択される。つまり、メモリMS(1)乃至メモリMS(t)の一が、属性情報32を基に、コントローラCNTにより選択される。例えば、画像認識回路PRが画像データを属性[1]乃至属性[t]に仕分けるとすると、属性情報32[i](ここでのiは1以上t以下の整数である。)がコントローラCNTに入力された場合、コントローラCNTは、メモリMS(i)を選択することができる。 As described above, the
図14(A)に記載するプログラマブルスイッチPSW1、およびプログラマブルスイッチPSW2のそれぞれは、メモリMS(1)乃至メモリMS(t)の一に保持されているデータによって、導通状態、非導通状態となる。つまり、メモリMS(1)乃至メモリMS(t)の一に保持されているデータによって、配線”0”、配線L[1]乃至配線L[l]、配線P[1]乃至配線P[m]のそれぞれと、入力端子In[1]乃至入力端子In[s]のそれぞれと、の接続の有無を制御することができる。 Each of the programmable switch PSW1 and the programmable switch PSW2 shown in FIG. 14A becomes conductive or non-conductive depending on the data held in one of the memories MS(1) to MS(t). In other words, the data held in one of the memories MS(1) to MS(t) is used to select the wiring "0", the wiring L[1] to wiring L[l], the wiring P[1] to wiring P[m]. ] and each of the input terminals In[1] to In[s].
特に、入力端子In[1]乃至入力端子In[s]の一部に信号の入力を行わない場合、その一部の端子と、配線”0”とを接続するスイッチ回路SWCを導通状態とする。このとき、該一部の端子に対応する乗算回路は、パワーゲーティングにより消費電力を低減することができる。 In particular, when signals are not input to some of the input terminals In[1] to In[s], the switch circuit SWC that connects some of the terminals and the wiring "0" is brought into conduction. . At this time, the power consumption of the multiplier circuits corresponding to the partial terminals can be reduced by power gating.
図14(B)に示すスイッチSWとしては、例えば、トランジスタ、ダイオード、デジタルマイクロミラーデバイス(DMD)のように、MEMS(マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム)技術を用いたスイッチ等を適用することができる。また、スイッチSWはトランジスタを組み合わせた論理回路でもよい。また、スイッチSWを1個のトランジスタとする場合、オフ電流が非常に低い特性を有するOSトランジスタを用いるのが好ましい。 As the switch SW shown in FIG. 14B, for example, a switch using MEMS (micro-electro-mechanical system) technology such as a transistor, a diode, or a digital micromirror device (DMD) can be applied. can. Also, the switch SW may be a logic circuit in which transistors are combined. In the case where one transistor is used as the switch SW, it is preferable to use an OS transistor with extremely low off-state current.
なお、図14(B)に示す構成のスイッチ回路SWCにおいて、コントローラCNTおよびマルチプレクサMUX2を省略し、一のスイッチ回路SWCが一のメモリMSを有する構成とすることで、画像認識回路PRが有するスイッチ回路とすることができる。 In the switch circuit SWC having the configuration shown in FIG. 14B, the controller CNT and the multiplexer MUX2 are omitted, and one switch circuit SWC has one memory MS. can be a circuit.
図14(C)は、NN回路100において、配線R[k]と、プログラマブルスイッチPSW3と、プログラマブルロジックエレメントPLE[j]と、出力端子PDR[1]乃至出力端子PDR[v]の接続例について示している。 FIG. 14C shows a connection example of the wiring R[k], the programmable switch PSW3, the programmable logic element PLE[j], and the output terminals PDR[1] to PDR[v] in the
なお、図14(C)において、配線R[k]は、配線r[1]乃至配線r[c]から構成されている。さらに、図14(C)において、プログラマブルロジックエレメントPLE[j]の第2の端子を、端子O[1]乃至端子O[e](ここでのeは1以上の整数である。)と図示している。つまり、図14(C)において、配線r[k]は、端子O[k]と電気的に接続されている。なお、図14(C)では、第2の端子を複数図示しているが、1つの端子としてもよい。 Note that in FIG. 14C, the wiring R[k] is composed of the wirings r[1] to r[c]. Further, in FIG. 14C, the second terminals of the programmable logic element PLE[j] are designated as terminals O[1] to O[e] (where e is an integer of 1 or more). showing. That is, in FIG. 14C, the wiring r[k] is electrically connected to the terminal O[k]. Note that although a plurality of second terminals are shown in FIG. 14C, one terminal may be provided.
図14(C)に示す構成例において、プログラマブルスイッチPSW3はスイッチ回路SWCを有する。つまり、プログラマブルスイッチPSW1およびプログラマブルスイッチPSW2と同様に、メモリMS(1)乃至メモリMS(t)の一に保持されているデータによって、スイッチ回路SWCの有するスイッチSWの導通状態、非導通状態を決定することができる。このため、メモリMSのデータによって、端子O[1]乃至端子O[e]のそれぞれと、出力端子PDR[1]乃至出力端子PDR[v]のそれぞれと、の接続の有無を制御することができる。 In the configuration example shown in FIG. 14C, the programmable switch PSW3 has a switch circuit SWC. That is, similarly to the programmable switches PSW1 and PSW2, the data held in one of the memories MS(1) to MS(t) determines the conductive state or non-conductive state of the switch SW included in the switch circuit SWC. can do. Therefore, it is possible to control whether or not each of the terminals O[1] to O[e] is connected to each of the output terminals PDR[1] to PDR[v] according to the data in the memory MS. can.
ところで、上述したメモリMS、メモリMW、およびメモリMFは、例えば、SRAM、MRAM等を適用することができる。また、例えば、OSトランジスタを用いた記憶装置(本明細書等では、OSメモリと呼称する。)を適用することができる。特に、上述したメモリとして、OSメモリを適用することによって、少ない素子数で低消費電力のニューラルネットワークを構成することができる。 By the way, SRAM, MRAM, etc. can be applied to the memory MS, the memory MW, and the memory MF described above, for example. Alternatively, for example, a memory device using an OS transistor (referred to as an OS memory in this specification and the like) can be applied. In particular, by applying an OS memory as the memory described above, a neural network with a small number of elements and low power consumption can be configured.
ここで、NN回路100を、オートエンコーダ20のエンコーダAIEおよびデコーダAIDのそれぞれに適用する場合を考える。図15に示すオートエンコーダ20は、エンコーダAIEにNN回路100としてNN回路100Aを適用し、デコーダAIDにNN回路100としてNN回路100Bを適用した構成例を示している。図15において、NN回路100AとNN回路100Bは電気的に接続されている。なお、図15では、オートエンコーダ20の他に、画像処理回路PP1および画像処理回路PP2も図示している。 Here, consider a case where the
ところで、エンコーダAIEは、図7に示す中間層ML2[2]および中間層ML2[3]が有するニューロンの数が、入力層IL2、中間層ML2[1]、中間層ML2[4]、および出力層OL2が有するニューロンの数より少なくなるように構成されている。 By the way, the encoder AIE is such that the number of neurons possessed by the hidden layers ML2[2] and ML2[3] shown in FIG. It is configured to have fewer neurons than the layer OL2 has.
そこで、NN回路100Aは、入力端子PDL[1]乃至入力端子PDL[L](ここでのLは1以上の整数である。)と、出力端子PDR[1]乃至出力端子PDR[V](ここでのVは1以上L未満の整数である。)と、を有し、NN回路100Bは、入力端子PDL[1]乃至入力端子PDL[V]と、出力端子PDR[1]乃至出力端子PDR[L]と、を有する構成とする。また、図15において、NN回路100AおよびNN回路100Bのそれぞれが有する複数のプログラマブルロジックエレメントPLEは、プログラマブルロジックエレメント部PLES1、プログラマブルロジックエレメント部PLES2と記載している。 Therefore, the
図15に図示した通り、エンコーダAIEと、デコーダAIDと、のそれぞれにNN回路100を適用することにより、オートエンコーダ20を構成することができる。これにより、画像処理回路PP1から送られてきた画像データ31を、NN回路100Aによって、特徴抽出された画像データである圧縮画像データ33に変換することができる。加えて、圧縮画像データ33を、NN回路100Bによって、元の画像データ31に復元することができ、復元した画像データ31を、表示装置14が有する画像処理回路PP2に送信することができる。 As shown in FIG. 15, the
なお、図15において、NN回路100Aの入力端子PDLと、NN回路100Bの出力端子PDRと、のそれぞれの個数を同じとして記載しているが、場合によって、状況に応じて、または必要に応じて、NN回路100Aの入力端子PDLと、NN回路100Bの出力端子PDRと、をそれぞれ異なる個数としてもよい。 In FIG. 15, the number of input terminals PDL of
<積演算回路>
次に、図13で示した積演算回路の具体的な構成例を、図面を用いて説明する。図16は、積演算回路MAC[i]およびコントローラCNT、ならびに積演算回路MAC[i]およびコントローラCNTと電気的に接続されている配線を示している。<Multiplication circuit>
Next, a specific configuration example of the product operation circuit shown in FIG. 13 will be described with reference to the drawings. FIG. 16 shows product operation circuit MAC[i] and controller CNT, and wiring electrically connected to product operation circuit MAC[i] and controller CNT.
積演算回路MAC[i]は、メモリMW[i](1)乃至メモリMW[i](t)を有する。以下では、メモリMW[i](g)(gは1以上t以下の整数)の構成例について説明する。 The product operation circuit MAC[i] has memories MW[i](1) to MW[i](t). A configuration example of the memory MW[i](g) (g is an integer greater than or equal to 1 and less than or equal to t) will be described below.
メモリMW[i](g)は、トランジスタTr1(g)と、トランジスタTr2(g)と、トランジスタTr3(g)と、容量素子C1(g)と、を有する。トランジスタTr1(g)のソースまたはドレインの一方は、トランジスタTr2(g)のゲート、および容量素子C1(g)の一対の電極の一方と電気的に接続されている。トランジスタTr1(g)のソースまたはドレインの他方は、配線WDと電気的に接続されている。トランジスタTr1(g)のゲートは、配線WW(g)と電気的に接続されている。トランジスタTr2(g)のソースまたはドレインの一方は、トランジスタTr3(g)のソースまたはドレインの一方と電気的に接続されている。トランジスタTr2(g)のソースまたはドレインの他方は、配線VSSLと電気的に接続されている。トランジスタTr3(g)のソースまたはドレインの他方は、配線RDと電気的に接続されている。トランジスタTr3(g)のゲートは、配線SE(t)と電気的に接続されている。容量素子C1(g)の一対の電極の他方は、配線RWと電気的に接続されている。以上より、トランジスタTr1(1)乃至トランジスタTr1(t)のソースまたはドレインの他方は、1本の配線WDにより電気的に接続することができる。また、トランジスタTr3(1)乃至トランジスタTr3(t)のソースまたはドレインの他方は、1本の配線RDにより電気的に接続することができる。 The memory MW[i](g) has a transistor Tr1(g), a transistor Tr2(g), a transistor Tr3(g), and a capacitive element C1(g). One of the source and drain of the transistor Tr1(g) is electrically connected to the gate of the transistor Tr2(g) and one of the pair of electrodes of the capacitor C1(g). The other of the source and drain of the transistor Tr1(g) is electrically connected to the wiring WD. A gate of the transistor Tr1(g) is electrically connected to the wiring WW(g). One of the source and drain of the transistor Tr2(g) is electrically connected to one of the source and drain of the transistor Tr3(g). The other of the source and drain of the transistor Tr2(g) is electrically connected to the wiring VSSL. The other of the source and drain of the transistor Tr3(g) is electrically connected to the wiring RD. A gate of the transistor Tr3(g) is electrically connected to the wiring SE(t). The other of the pair of electrodes of the capacitor C1(g) is electrically connected to the wiring RW. As described above, the other of the sources and drains of the transistors Tr1(1) to Tr1(t) can be electrically connected by one wiring WD. In addition, the other of the sources and drains of the transistors Tr3(1) to Tr3(t) can be electrically connected by one wiring RD.
なお、トランジスタTr1(g)のソースまたはドレインの他方、トランジスタTr2(g)のゲート、および容量素子C1(g)の一対の電極の一方が接続されたノードを、ノードN1(g)とする。また、配線VSSLには、例えば低電位を印加することができる。低電位として、例えば接地電位とすることができる。 A node to which the other of the source or drain of the transistor Tr1(g), the gate of the transistor Tr2(g), and one of the pair of electrodes of the capacitive element C1(g) is connected is referred to as a node N1(g). Further, for example, a low potential can be applied to the wiring VSSL. The low potential can be ground potential, for example.
配線WDを介して、重み係数となるデータがメモリMW[i](1)乃至メモリMW[i](t)に供給される。また、配線WW(g)の電位により、トランジスタTr1(g)の導通状態が制御される。配線WDから出力された、重み係数となるデータをメモリMW[i](g)に書き込む場合、トランジスタTr1(g)を導通状態とする。一方、配線WDから出力された、重み係数となるデータをメモリMW[i](g)に書き込まない場合、トランジスタTr1(g)を非導通状態とする。トランジスタTr1(g)を非導通状態とすると、メモリMW[i](g)には、属性情報32[g]に対応する重み係数となるデータを保持することができる。具体的には、メモリMW[i](g)に書き込まれたデータが、ノードN1(g)に電荷として保持される。以上により、MAC[i]が学習を行い、学習の結果得られる重み係数を、メモリMW[i](1)乃至メモリ[i](t)に保持することができる。 Data to be a weighting factor is supplied to the memory MW[i](1) to the memory MW[i](t) through the wiring WD. Further, the conduction state of the transistor Tr1(g) is controlled by the potential of the wiring WW(g). When data to be a weighting factor output from the wiring WD is written to the memory MW[i](g), the transistor Tr1(g) is turned on. On the other hand, when the data output from the wiring WD and serving as the weighting factor is not written to the memory MW[i](g), the transistor Tr1(g) is turned off. When the transistor Tr1(g) is rendered non-conductive, the memory MW[i](g) can hold data that becomes a weighting factor corresponding to the attribute information 32[g]. Specifically, data written to the memory MW[i](g) is held as charge in the node N1(g). As described above, MAC[i] performs learning, and the weighting coefficients obtained as a result of learning can be held in memory MW[i](1) to memory [i](t).
トランジスタTr1(1)乃至トランジスタTr1(t)、およびトランジスタTr2(1)乃至トランジスタTr2(t)は、それぞれOSトランジスタであることが好ましい。さらに、トランジスタTr1(1)乃至トランジスタTr1(t)、およびトランジスタTr2(1)乃至トランジスタTr2(t)のそれぞれのチャネル形成領域は、インジウム、元素M、亜鉛の少なくとも一を含む金属酸化物であることがより好ましい。 The transistors Tr1(1) to Tr1(t) and the transistors Tr2(1) to Tr2(t) are preferably OS transistors. Further, a channel formation region of each of the transistors Tr1(1) to Tr1(t) and the transistors Tr2(1) to Tr2(t) is a metal oxide containing at least one of indium, element M, and zinc. is more preferable.
トランジスタTr1(1)乃至トランジスタTr1(t)、およびトランジスタTr2(1)乃至トランジスタTr2(t)として、OSトランジスタを用いることにより、トランジスタTr1(1)乃至トランジスタTr1(t)、およびトランジスタTr2(1)乃至トランジスタTr2(t)のそれぞれのリーク電流を抑えることができる。これにより、トランジスタTr1(1)乃至トランジスタTr1(t)が非導通状態の場合における、ノードN1(1)乃至ノードN1(t)に保持された電荷の配線WDへのリークを非常に小さくすることができるため、計算精度の高い積和演算回路を提供することができる。また、ノードN1(1)乃至ノードN1(t)へのリフレッシュ動作の頻度を少なくすることができるため、半導体装置の消費電力を低減することができる。 By using OS transistors as the transistors Tr1(1) to Tr1(t) and the transistors Tr2(1) to Tr2(t), the transistors Tr1(1) to Tr1(t) and the transistors Tr2(1) are used. ) to transistor Tr2(t). Thus, leakage of charges held in the nodes N1(1) to N1(t) to the wiring WD when the transistors Tr1(1) to Tr1(t) are off can be greatly reduced. Therefore, it is possible to provide a sum-of-products arithmetic circuit with high calculation accuracy. In addition, since the frequency of refresh operations on the nodes N1(1) to N1(t) can be reduced, power consumption of the semiconductor device can be reduced.
なお、トランジスタTr2(1)乃至トランジスタTr2(t)として、半導体層にシリコンを含むトランジスタ(以下、Siトランジスタと呼ぶ)を用いてもよい。当該シリコンとして、例えば水素化アモルファスシリコンを用いると、大型の基板上に歩留まりよく形成できるため好ましい。 Note that transistors containing silicon in a semiconductor layer (hereinafter referred to as Si transistors) may be used as the transistors Tr2(1) to Tr2(t). For example, hydrogenated amorphous silicon is preferably used as the silicon because it can be formed over a large substrate with high yield.
また、トランジスタTr3(1)乃至トランジスタTr3(t)として、OSトランジスタを用いてもよい。これにより、積演算回路MAC[i]に設けられた全てのトランジスタをOSトランジスタとすることができ、半導体装置の作製工程を短縮することができる。つまり、半導体装置の生産時間を少なくすることができるため、一定時間当たりの生産数を増加することができる。なお、トランジスタTr1(1)乃至トランジスタTr1(t)、トランジスタTr2(1)乃至トランジスタTr2(t)、およびトランジスタTr3(1)乃至トランジスタTr3(t)を全てSiトランジスタとしてもよい。 Alternatively, OS transistors may be used as the transistors Tr3(1) to Tr3(t). Accordingly, all the transistors provided in the product circuit MAC[i] can be OS transistors, and the manufacturing process of the semiconductor device can be shortened. That is, since the production time of semiconductor devices can be reduced, the number of products produced per fixed period of time can be increased. Note that the transistors Tr1(1) to Tr1(t), the transistors Tr2(1) to Tr2(t), and the transistors Tr3(1) to Tr3(t) may all be Si transistors.
配線RWを介して、画像データ等のデータがメモリMW[i](1)乃至メモリMW[i](t)に供給される。配線RWからデータがメモリMW[i](1)乃至メモリMW[i](t)に供給されると、容量素子C1(1)乃至容量素子C1(t)の一対の電極の他方の電位が、供給されたデータに応じて変化する。したがって、容量素子C1(1)乃至容量素子C1(t)の静電容量等に起因する容量結合により、ノードN1(1)乃至ノードN1(t)の電位が変化する。以上より、ノードN1(1)乃至ノードN1(t)の電位は、画像データ等のデータと、重み係数となるデータと、に対応した電位となる。つまり、メモリセルMW[i](1)乃至メモリセルMW[i](t)には、画像データ等のデータと、重み係数となるデータと、に対応したデータが保持される。 Data such as image data is supplied to the memory MW[i](1) to the memory MW[i](t) through the wiring RW. When data is supplied from the wiring RW to the memories MW[i](1) to MW[i](t), the potential of the other of the pair of electrodes of the capacitors C1(1) to C1(t) changes. , depending on the supplied data. Therefore, the potentials of the nodes N1(1) to N1(t) change due to capacitive coupling caused by the capacitance of the capacitors C1(1) to C1(t) or the like. As described above, the potentials of the nodes N1(1) to N1(t) correspond to the data such as the image data and the data serving as the weighting coefficient. That is, the memory cells MW[i](1) to MW[i](t) hold data corresponding to data such as image data and data serving as weighting coefficients.
本明細書等において、配線WDからメモリMW[i](1)乃至メモリMW[i](t)に供給されるデータを第1のデータと呼ぶ。つまり、例えば重み係数となるデータを、第1のデータと呼ぶことができる。また、本明細書等において、配線RWからメモリMW[i](1)乃至メモリMW[i](t)に供給されるデータを第2のデータと呼ぶ。つまり、例えば画像データ等のデータを第2のデータと呼ぶことができる。また、本明細書等において、第1のデータと、第2のデータと、に対応するデータを、第3のデータと呼ぶ。第3のデータは、例えば第1のデータと、第2のデータと、の積に対応するデータとすることができる。この場合、メモリMW[i](1)乃至メモリMW[i](t)が、乗算回路MLT[i]の機能を有しているということができる。 In this specification and the like, data supplied from the wiring WD to the memory MW[i](1) to the memory MW[i](t) is referred to as first data. That is, for example, data that becomes a weighting factor can be called first data. In this specification and the like, data supplied from the wiring RW to the memory MW[i](1) to the memory MW[i](t) is referred to as second data. That is, for example, data such as image data can be called second data. Further, in this specification and the like, data corresponding to the first data and the second data is referred to as third data. The third data can be, for example, data corresponding to the product of the first data and the second data. In this case, it can be said that the memory MW[i](1) to the memory MW[i](t) have the function of the multiplication circuit MLT[i].
配線RDを介して、第3のデータが積演算回路MAC[i]の外部に出力される。コントローラCNTは、属性情報32を基にして、配線SE(g)の電位を制御することによりトランジスタTr3(g)の導通状態を制御する機能を有する。例えば、属性情報32[g]がコントローラCNTに入力された場合、トランジスタTr3(1)乃至トランジスタTr3(t)がnチャネル型トランジスタとすると、配線SE(g)には高電位が印加され、それ以外の配線SEには低電位が印加される。これにより、属性情報32[g]に対応する重み係数が保持されているメモリMW[i](g)から、第3のデータを読み出すことができる。 The third data is output to the outside of the product operation circuit MAC[i] via the wiring RD. The controller CNT has a function of controlling the conduction state of the transistor Tr3(g) by controlling the potential of the wiring SE(g) based on the
図17は、積演算回路MAC[i]およびコントローラCNT、ならびに積演算回路MAC[i]およびコントローラCNTと電気的に接続されている配線を示しており、図16とは異なる構成を示している。なお、図17は、積演算回路MAC[i]がメモリMW[i](1)およびメモリMW[i](2)を有する場合を示しているが、積演算回路MAC[i]はメモリMW[i]を3つ以上有してもよい。 FIG. 17 shows the product operation circuit MAC[i] and the controller CNT, and wiring electrically connected to the product operation circuit MAC[i] and the controller CNT, and shows a configuration different from that of FIG. . Note that FIG. 17 shows a case where product operation circuit MAC[i] has memory MW[i](1) and memory MW[i](2), but product operation circuit MAC[i] has memory MW You may have three or more [i].
図17に示す積演算回路MAC[i]は、メモリMW[i](1)と、メモリMW[i](2)と、トランジスタTr4と、容量素子C2と、を有する。トランジスタTr4および容量素子C2は、メモリMW[i](1)とメモリMW[i](2)とで共有しているということができる。なお、積演算回路MAC[i]は、メモリMW[i]を3つ以上有してもよい。この場合、トランジスタTr4および容量素子C2を、当該3つ以上のメモリMW[i]で共有することができる。 The product operation circuit MAC[i] illustrated in FIG. 17 has a memory MW[i](1), a memory MW[i](2), a transistor Tr4, and a capacitive element C2. It can be said that the transistor Tr4 and the capacitive element C2 are shared by the memory MW[i](1) and the memory MW[i](2). Note that the product operation circuit MAC[i] may have three or more memories MW[i]. In this case, the transistor Tr4 and the capacitive element C2 can be shared by the three or more memories MW[i].
メモリMW[i](1)は、トランジスタTr1(1)と、トランジスタTr2(1)と、容量素子C1(1)と、を有する。メモリMW[i](2)は、トランジスタTr1(2)と、トランジスタTr2(2)と、容量素子C1(2)と、を有する。 The memory MW[i](1) has a transistor Tr1(1), a transistor Tr2(1), and a capacitive element C1(1). The memory MW[i](2) has a transistor Tr1(2), a transistor Tr2(2), and a capacitive element C1(2).
トランジスタTr1(1)のソースまたはドレインの一方は、トランジスタTr2(1)のゲート、および容量素子C1(1)の一対の電極の一方と電気的に接続されている。トランジスタTr1(2)のソースまたはドレインの一方は、トランジスタTr2(2)のゲート、および容量素子C1(2)の一対の電極の一方と電気的に接続されている。トランジスタTr1(1)のソースまたはドレインの他方、およびトランジスタTr1(2)のソースまたはドレインの他方は、配線WDと電気的に接続されている。 One of the source and the drain of the transistor Tr1(1) is electrically connected to the gate of the transistor Tr2(1) and one of the pair of electrodes of the capacitor C1(1). One of the source and drain of the transistor Tr1(2) is electrically connected to the gate of the transistor Tr2(2) and one of the pair of electrodes of the capacitor C1(2). The other of the source and the drain of the transistor Tr1(1) and the other of the source and the drain of the transistor Tr1(2) are electrically connected to the wiring WD.
トランジスタTr1(1)のゲートは、配線WW(1)と電気的に接続されている。トランジスタTr1(2)のゲートは、配線WW(2)と電気的に接続されている。 A gate of the transistor Tr1(1) is electrically connected to the wiring WW(1). A gate of the transistor Tr1(2) is electrically connected to the wiring WW(2).
トランジスタTr2(1)のソースまたはドレインの一方は、トランジスタTr2(2)のソースまたはドレインの一方、トランジスタTr4のゲート、および容量素子C2の一対の電極の一方と電気的に接続されている。トランジスタTr2(1)のソースまたはドレインの他方、およびトランジスタTr2(2)のソースまたはドレインの他方は、配線VRSLと電気的に接続されている。配線VRSLには、高電位または低電位を印加することができる。 One of the source and drain of the transistor Tr2(1) is electrically connected to one of the source and drain of the transistor Tr2(2), the gate of the transistor Tr4, and one of the pair of electrodes of the capacitor C2. The other of the source or the drain of the transistor Tr2(1) and the other of the source or the drain of the transistor Tr2(2) are electrically connected to the wiring VRSL. A high potential or a low potential can be applied to the wiring VRSL.
トランジスタTr4のソースまたはドレインの一方は、配線RDと電気的に接続されている。トランジスタTr4のソースまたはドレインの他方は、配線VSSLと電気的に接続されている。 One of the source and drain of the transistor Tr4 is electrically connected to the wiring RD. The other of the source and drain of the transistor Tr4 is electrically connected to the wiring VSSL.
容量素子C1(1)の一対の電極の他方は、配線SE(1)と電気的に接続されている。容量素子C1(2)の一対の電極の他方は、配線SE(2)と電気的に接続されている。容量素子C2の一対の電極の他方は、配線RWと電気的に接続されている。 The other of the pair of electrodes of the capacitor C1(1) is electrically connected to the wiring SE(1). The other of the pair of electrodes of the capacitor C1(2) is electrically connected to the wiring SE(2). The other of the pair of electrodes of the capacitor C2 is electrically connected to the wiring RW.
なお、トランジスタTr1(1)のソースまたはドレインの一方、トランジスタTr2(1)のゲート、および容量素子C1(1)の一対の電極の一方が接続されたノードを、ノードN1(1)とする。また、トランジスタTr1(2)のソースまたはドレインの一方、トランジスタTr2(2)のゲート、および容量素子C1(2)の一対の電極の一方が接続されたノードを、ノードN1(2)とする。さらに、トランジスタTr2(1)のソースまたはドレインの一方、トランジスタTr2(2)のソースまたはドレインの一方、トランジスタTr4のゲート、および容量素子C2の一対の電極の一方が接続されたノードを、ノードN2とする。 A node to which one of the source or drain of the transistor Tr1(1), the gate of the transistor Tr2(1), and one of the pair of electrodes of the capacitor C1(1) is connected is referred to as a node N1(1). A node to which one of the source or drain of the transistor Tr1(2), the gate of the transistor Tr2(2), and one of the pair of electrodes of the capacitor C1(2) is connected is referred to as a node N1(2). Further, a node to which one of the source and drain of the transistor Tr2(1), one of the source and drain of the transistor Tr2(2), the gate of the transistor Tr4, and one of the pair of electrodes of the capacitive element C2 are connected is referred to as a node N2. and
トランジスタTr4は、トランジスタTr1(1)、トランジスタTr1(2)、トランジスタTr2(1)、およびトランジスタTr2(2)と同様に、OSトランジスタであることが好ましい。これにより、トランジスタTr4が非導通状態の場合において、ノードN2に保持された電荷がトランジスタTr4のゲートからリークすることを抑制することができるので、計算精度の高い積和演算回路を提供することができる。また、ノードN2へのリフレッシュ動作の頻度を少なくすることができるため、半導体装置の消費電力を低減することができる。 The transistor Tr4 is preferably an OS transistor, like the transistors Tr1(1), Tr1(2), Tr2(1), and Tr2(2). As a result, when the transistor Tr4 is in a non-conducting state, it is possible to suppress leakage of the charge held at the node N2 from the gate of the transistor Tr4, so that a product-sum operation circuit with high calculation accuracy can be provided. can. In addition, since the frequency of the refresh operation to the node N2 can be reduced, the power consumption of the semiconductor device can be reduced.
図17に示す積演算回路MAC[i]と電気的に接続された各種配線の機能等の説明は、図16に示した場合と同様であるので、省略する。 The description of the functions of various wirings electrically connected to the product operation circuit MAC[i] shown in FIG. 17 is the same as in the case shown in FIG. 16, and therefore omitted.
<積演算回路の動作方法の一例>
次に、図17に示す構成の積演算回路MAC[i]の動作方法の一例について、図面を用いて説明する。なお、トランジスタTr1(1)、トランジスタTr1(2)、トランジスタTr2(1)、トランジスタTr2(2)、およびトランジスタTr4は、すべてnチャネル型トランジスタとして説明するが、電位の大小関係を適宜逆にすること等により、一部または全部のトランジスタをpチャネル型とした場合にも以降の説明を適用できる。<Example of Operation Method of Product Operation Circuit>
Next, an example of the operation method of the product operation circuit MAC[i] having the configuration shown in FIG. 17 will be described with reference to the drawings. Although the transistor Tr1(1), the transistor Tr1(2), the transistor Tr2(1), the transistor Tr2(2), and the transistor Tr4 are all n-channel transistors in the description, the magnitude relationship of the potentials is reversed as appropriate. For this reason, the following description can be applied even when some or all of the transistors are p-channel type.
図18は、図17に示す構成の積演算回路MAC[i]を有する半導体装置が、学習を行う場合における動作方法の一例を示すタイミングチャートである。具体的には、重み係数として、積演算回路MAC[i]が有するメモリMW[i](1)に電位V11のデータを書き込み、メモリMW[i](2)に電位V12のデータを書き込む場合を示す。FIG. 18 is a timing chart showing an example of an operation method when the semiconductor device having the product operation circuit MAC[i] configured as shown in FIG. 17 performs learning. Specifically, as a weighting factor, data of potential V11 is written to memory MW[i]( 1 ) of product operation circuit MAC[i], and data of potential V12 is written to memory MW[i]( 2 ). Indicates when to write.
図18は、配線WD、配線WW(1)、配線WW(2)、配線RW、配線SE(1)、配線SE(2)、配線VRSL、ノードN1(1)、ノードN1(2)、およびノードN2の電位を示す。 FIG. 18 illustrates a wiring WD, a wiring WW(1), a wiring WW(2), a wiring RW, a wiring SE(1), a wiring SE(2), a wiring VRSL, a node N1(1), a node N1(2), and It shows the potential of node N2.
本明細書等において、電位VSSは低電位とし、電位VDDは高電位とする。また、電位VHは、電位VDDより高い電位とする。 In this specification and the like, the potential VSS is a low potential and the potential VDD is a high potential. Further, the potential VH is set higher than the potential VDD.
時刻T00以前において、配線WD、配線WW(1)、配線WW(2)、配線RW、配線VRSL、ノードN1(1)、ノードN1(2)、およびノードN2の電位を低電位とする。また、配線SE(1)および配線SE(2)の電位を高電位とする。 Before time T00, the potentials of the wiring WD, the wiring WW(1), the wiring WW(2), the wiring RW, the wiring VRSL, the node N1(1), the node N1(2), and the node N2 are set low. Further, the potentials of the wiring SE(1) and the wiring SE(2) are set to a high potential.
時刻T00から時刻T01までの間において、配線WDの電位を、メモリMW[i](1)に保持するデータに対応する電位である電位V11とする。また、配線WDの電位を電位V11とした後、配線WW(1)の電位を高電位とする。以上により、トランジスタTr1(1)が導通状態となり、ノードN1(1)の電位が電位V11、または電位V11に対応する電位となる。これにより、メモリMW[i](1)に重み係数となるデータが書き込まれる。なお、電位V11は、例えば電位VSS以上、かつ電位VDD以下とすることができる。また、図18では、ノードN1(1)の電位がV11になる場合を示している。Between time T00 and time T01, the potential of the wiring WD is set to the potential V11, which is the potential corresponding to the data held in the memory MW[i]( 1 ). After the potential of the wiring WD is set to the potential V11, the potential of the wiring WW( 1 ) is set to a high potential. As a result, the transistor Tr1(1) is turned on, and the potential of the node N1(1) becomes the potential V 11 or a potential corresponding to the potential V 11 . As a result, data to be a weighting factor is written in the memory MW[i](1). Note that the potential V11 can be, for example, higher than or equal to the potential VSS and lower than or equal to the potential VDD. Also, FIG. 18 shows the case where the potential of the node N1( 1 ) becomes V11.
時刻T01から時刻T02までの間において、配線WW(1)の電位を低電位とする。これにより、ノードN1(1)の電位が保持され、メモリMW[i](1)に書き込まれたデータが保持される。また、配線WW(1)の電位を低電位とした後、配線WDの電位を低電位とする。 The potential of the wiring WW(1) is set to a low potential from time T01 to time T02. As a result, the potential of the node N1(1) is held, and the data written to the memory MW[i](1) is held. After the potential of the wiring WW(1) is set to a low potential, the potential of the wiring WD is set to a low potential.
時刻T02から時刻T03までの間において、配線WDの電位を、メモリMW[i](2)に保持するデータに対応する電位である電位V12とする。また、配線WDの電位を電位V12とした後、配線WW(2)の電位を高電位とする。以上により、トランジスタTr1(2)が導通状態となり、ノードN1(2)の電位が電位V12、または電位V12に対応する電位となる。これにより、メモリMW[i](2)に重み係数となるデータが書き込まれる。なお、電位V12は、例えば電位VSS以上、かつ電位VDD以下とすることができる。また、図18では、ノードN1(2)の電位がV12になる場合を示している。From time T02 to time T03, the potential of the wiring WD is set to the potential V12, which is the potential corresponding to the data held in the memory MW[i]( 2 ). After the potential of the wiring WD is set to the potential V12, the potential of the wiring WW( 2 ) is set to a high potential. As a result, the transistor Tr1(2) is turned on, and the potential of the node N1(2) becomes the potential V 12 or a potential corresponding to the potential V 12 . As a result, data to be a weighting factor is written in the memory MW[i](2). Note that the potential V12 can be, for example, higher than or equal to the potential VSS and lower than or equal to the potential VDD. FIG. 18 shows the case where the potential of the node N1( 2 ) is V12.
時刻T03から時刻T04までの間において、配線WW(2)の電位を低電位とする。これにより、ノードN1(2)の電位が保持され、メモリMW[i](2)に書き込まれたデータが保持される。また、配線WW(2)の電位を低電位とした後、配線WDの電位を低電位とする。 The potential of the wiring WW(2) is set to a low potential from time T03 to time T04. As a result, the potential of the node N1(2) is held, and the data written to the memory MW[i](2) is held. After the potential of the wiring WW(2) is set to a low potential, the potential of the wiring WD is set to a low potential.
時刻T04以降において、配線SE(1)の電位、および配線SE(2)の電位を低電位とする。容量素子C1(1)の一対の電極の他方の電位が低下するので、ノードN1(1)の電位が低下する。また、容量素子C1(2)の一対の電極の他方の電位が低下するので、ノードN1(2)の電位が低下する。 After time T04, the potential of the wiring SE(1) and the potential of the wiring SE(2) are set low. Since the potential of the other of the pair of electrodes of the capacitor C1(1) is lowered, the potential of the node N1(1) is lowered. Further, since the potential of the other of the pair of electrodes of the capacitor C1(2) is lowered, the potential of the node N1(2) is lowered.
なお、ノードN1(1)の電位の低下分は、容量素子C1(1)の静電容量、トランジスタTr2(1)のゲート容量、および寄生容量等に起因する容量結合によって算出される。また、ノードN1(2)の電位の低下分は、容量素子C1(2)の静電容量、トランジスタTr2(2)のゲート容量、および寄生容量等に起因する容量結合によって算出される。図18に示す動作方法の一例では、説明の煩雑さを避けるため、配線SE(1)の電位の低下分と、ノードN1(1)の電位の低下分が等しいとして説明する。これは、ノードN1(1)における容量結合係数が1であることに対応する。また、配線SE(2)の電位の低下分と、ノードN1(2)の電位の低下分が等しいとして説明する。これは、ノードN1(2)における容量結合係数が1であることに対応する。 The amount of decrease in the potential of the node N1(1) is calculated by capacitive coupling caused by the capacitance of the capacitive element C1(1), the gate capacitance of the transistor Tr2(1), the parasitic capacitance, and the like. Also, the decrease in the potential of the node N1(2) is calculated by capacitive coupling caused by the capacitance of the capacitive element C1(2), the gate capacitance of the transistor Tr2(2), the parasitic capacitance, and the like. In the example of the operation method shown in FIG. 18, in order to avoid complication of the description, it is assumed that the amount of decrease in the potential of the wiring SE(1) is equal to the amount of decrease in the potential of the node N1(1). This corresponds to a capacitive coupling coefficient of 1 at node N1(1). Further, description will be made on the assumption that the amount of decrease in the potential of the wiring SE(2) and the amount of decrease in the potential of the node N1(2) are the same. This corresponds to a capacitive coupling coefficient of 1 at node N1(2).
ノードN1(1)の電位およびノードN1(2)の電位は、例えば電位VSS以下となる。具体的には、配線SE(1)の電位が高電位であるときにノードN1(1)の電位が電位V11である場合、配線SE(1)電位を低電位とするとノードN1(1)の電位はV11+VSS-VDDとなる。また、配線SE(2)の電位が高電位であるときにノードN1(2)の電位が電位V12である場合、配線SE(2)の電位を低電位とするとノードN1(2)の電位はV12+VSS-VDDとなる。以上により、トランジスタTr2(1)およびトランジスタTr2(2)が非導通状態となる。The potential of the node N1(1) and the potential of the node N1(2) are lower than the potential VSS, for example. Specifically, when the potential of the wiring SE(1) is high and the potential of the node N1( 1 ) is the potential V11, when the potential of the wiring SE(1) is low, the potential of the node N1(1) is low. becomes V 11 +VSS−VDD. Further, when the potential of the node N1( 2 ) is V12 when the potential of the wiring SE(2) is high, the potential of the node N1(2) is low when the potential of the wiring SE(2) is low. becomes V 12 +VSS-VDD. As a result, the transistors Tr2(1) and Tr2(2) are rendered non-conductive.
以上が、図17に示す構成の積演算回路MAC[i]が学習を行う場合における動作方法の一例である。 The above is an example of the operation method when the product operation circuit MAC[i] having the configuration shown in FIG. 17 performs learning.
図19は、図17に示す構成の積演算回路MAC[i]が図18に示す方法で学習を行って第1のデータを取得した後の、積演算回路MAC[i]の動作方法の一例を示すタイミングチャートである。具体的には、積演算回路MAC[i]に画像データ等の第2のデータを入力し、第3のデータを出力する動作の一例を示すタイミングチャートである。 FIG. 19 shows an example of the operation method of the product operation circuit MAC[i] after the product operation circuit MAC[i] having the configuration shown in FIG. 17 performs learning by the method shown in FIG. 18 and acquires the first data. is a timing chart showing Specifically, it is a timing chart showing an example of an operation of inputting second data such as image data to the product operation circuit MAC[i] and outputting third data.
図19は、図18と同様に、配線WD、配線WW(1)、配線WW(2)、配線RW、配線SE(1)、配線SE(2)、配線VRSL、ノードN1(1)、ノードN1(2)、およびノードN2の電位を示す。 19, similarly to FIG. 18, a wiring WD, a wiring WW(1), a wiring WW(2), a wiring RW, a wiring SE(1), a wiring SE(2), a wiring VRSL, a node N1(1), a node N1(2) and the potential of node N2 are shown.
時刻T10以前において、配線WD、配線WW(1)、配線WW(2)、配線RW、配線SE(1)、配線SE(2)、およびノードN2の電位を低電位とする。また、配線VRSLの電位を高電位とする。なお、ノードN1(1)の電位、およびノードN1(2)の電位は、図18に示す時刻T04以降の電位と同電位、例えば電位VSS以下とする。 Before time T10, the potentials of the wiring WD, the wiring WW(1), the wiring WW(2), the wiring RW, the wiring SE(1), the wiring SE(2), and the node N2 are set low. Further, the potential of the wiring VRSL is set to a high potential. Note that the potential of the node N1(1) and the potential of the node N1(2) are set to the same potential as the potential after time T04 shown in FIG. 18, for example, the potential VSS or less.
時刻T10乃至時刻T13は、第1のデータとしてメモリMW[i](1)に保持されたデータを用いる場合、例えばコントローラCNTに属性情報32[1]が入力される場合を示している。なお、第2のデータとして、電位V21のデータを積演算回路MAC[i]に入力する。電位V21は、例えば電位VSS以上、かつ電位VDD以下とする。Time T10 to time T13 show the case where the data held in the memory MW[i](1) is used as the first data, for example, the case where the attribute information 32[1] is input to the controller CNT. As second data, data of the potential V21 is input to the product operation circuit MAC[i]. The potential V21 is, for example, higher than the potential VSS and lower than the potential VDD.
時刻T10から時刻T11までの間において、配線RWの電位を、第2のデータに対応する電位である電位V21とする。容量素子C2の一対の電極の他方の電位が変化するので、容量素子C2の静電容量等に起因する容量結合により、ノードN2の電位が変化する。ノードN2の電位は、電位V21、または電位V21に対応する電位となる。なお、図19では、ノードN2の電位がV21になる場合、つまりノードN2の容量結合係数が1である場合を示している。Between time T10 and time T11, the potential of the wiring RW is set to the potential V21 , which is the potential corresponding to the second data. Since the potential of the other of the pair of electrodes of the capacitive element C2 changes, the potential of the node N2 changes due to capacitive coupling caused by the electrostatic capacitance of the capacitive element C2 or the like. The potential of the node N2 is the potential V21 or a potential corresponding to the potential V21 . Note that FIG. 19 shows the case where the potential of the node N2 is V21, that is, the case where the capacitive coupling coefficient of the node N2 is one.
時刻T11から時刻T12までの間において、配線SE(1)の電位を高電位とする。容量素子C1(1)の一対の電極の他方の電位が上昇するので、容量素子C1(1)の静電容量等に起因する容量結合により、ノードN1(1)の電位が上昇する。具体的には、図18に示す時刻T04以降の電位と同電位、つまり電位V11、または電位V11に対応する電位となる。なお、図19では、ノードN1(1)の電位がV11になる場合を示している。The potential of the wiring SE(1) is set to a high potential from time T11 to time T12. Since the potential of the other of the pair of electrodes of the capacitor C1(1) rises, the potential of the node N1(1) rises due to capacitive coupling caused by the electrostatic capacitance of the capacitor C1(1). Specifically, the potential is the same as the potential after time T04 shown in FIG. 18, that is, the potential V 11 or the potential corresponding to the potential V 11 . Note that FIG. 19 shows the case where the potential of the node N1(1) is V11.
ノードN1(1)の電位の上昇に伴い、ノードN2の電位が変化し、電位V31となる。電位V31は、電位V11と電位V21に対応する電位となる。これにより、第3のデータが配線RDから読み出される。第3のデータが読み出される際に配線RDを流れる電流Iは、トランジスタTr4が飽和領域で動作する場合、次の式で表すことができる。なお、式(7)において、kはトランジスタTr4のチャネル長、チャネル幅、移動度、およびゲート絶縁膜の容量等により決まる定数である。また、トランジスタTr4のしきい値電圧は0Vとする。As the potential of the node N1(1) increases, the potential of the node N2 changes to the potential V31 . The potential V31 becomes a potential corresponding to the potential V11 and the potential V21 . Accordingly, the third data is read from the wiring RD. A current I flowing through the wiring RD when the third data is read can be expressed by the following equation when the transistor Tr4 operates in the saturation region. Note that in equation (7), k is a constant determined by the channel length, channel width, mobility of the transistor Tr4, the capacitance of the gate insulating film, and the like. Also, the threshold voltage of the transistor Tr4 is assumed to be 0V.
したがって、配線RDを流れる電流に対してオフセット補正を行い、電位V11と電位V21との積に対応しない成分(V11 2およびV21 2)を打ち消すことにより、電流Iは2kV11V21となる。以上により、第3のデータを、第1のデータと第2のデータとの積に対応するデータとすることができる。なお、オフセット補正は、図17に示していない回路により行うことができる。また、しきい値電圧が0Vでない場合は、しきい値電圧に依存した電流値も、当該オフセット補正によって打ち消すことができる。Therefore, by performing offset correction on the current flowing through the wiring RD and canceling the components (V 112 and V 212 ) that do not correspond to the product of the potential V 11 and the potential V 21 , the current I becomes 2 kV 11 V 21 becomes. As described above, the third data can be data corresponding to the product of the first data and the second data. Note that offset correction can be performed by a circuit not shown in FIG. Also, if the threshold voltage is not 0 V, the current value dependent on the threshold voltage can also be canceled by the offset correction.
時刻T12から時刻T13までの間において、配線SE(1)の電位を電位VH、つまり電位VDDより高い電位とする。これにより、ノードN1(1)の電位が上昇し、例えば電位VDD以上の電位となる。したがって、電位V11の大きさに関わらず、トランジスタTr2(1)が導通する。また、配線RWの電位および配線VRSLの電位を低電位とする。以上により、ノードN2の電位はリセットされ、低電位となる。From time T12 to time T13, the potential of the wiring SE(1) is set to the potential VH, that is, a potential higher than the potential VDD. As a result, the potential of the node N1(1) rises to, for example, the potential VDD or higher. Therefore, the transistor Tr2( 1 ) becomes conductive regardless of the magnitude of the potential V11. Further, the potential of the wiring RW and the potential of the wiring VRSL are set low. As a result, the potential of the node N2 is reset to a low potential.
時刻T13以降、具体的には後述する時刻T20までの間において、配線SE(1)の電位を低電位とする。これにより、ノードN1(1)の電位は、例えば時刻T10乃至時刻T11における電位、例えば電位VSS以下となる。これにより、トランジスタTr2(1)は非導通状態となる。その後、配線VRSLの電位を高電位とする。 After time T13, specifically, the potential of the wiring SE(1) is set to a low potential until time T20, which will be described later. As a result, the potential of the node N1(1) becomes, for example, the potential from time T10 to time T11, for example, the potential VSS or lower. As a result, the transistor Tr2(1) becomes non-conductive. After that, the potential of the wiring VRSL is set to a high potential.
時刻T20乃至時刻T23は、第1のデータとしてメモリMW[i](2)に保持されたデータを用いる場合、例えばコントローラCNTに属性情報32[2]が入力される場合を示している。なお、第2のデータとして、電位V22のデータを積演算回路MAC[i]に入力する。電位V22は、例えば電位VSS以上、かつ電位VDD以下とする。Time T20 to time T23 show the case where the data held in the memory MW[i](2) is used as the first data, for example, the case where the attribute information 32[2] is input to the controller CNT. As the second data, the data of the potential V22 is input to the product operation circuit MAC[i]. The potential V22 is, for example, higher than the potential VSS and lower than the potential VDD.
時刻T20から時刻T21までの間において、配線RWの電位を、第2のデータに対応する電位である電位V22とする。容量素子C2の一対の電極の他方の電位が変化するので、容量素子C2の静電容量等に起因する容量結合により、ノードN2の電位が変化する。ノードN2の電位は、電位V22、または電位V22に対応する電位となる。なお、図19では、ノードN2の電位がV22になる場合、つまり前述のようにノードN2の容量結合係数が1である場合を示している。Between time T20 and time T21, the potential of the wiring RW is set to the potential V22 , which is the potential corresponding to the second data. Since the potential of the other of the pair of electrodes of the capacitive element C2 changes, the potential of the node N2 changes due to capacitive coupling caused by the electrostatic capacitance of the capacitive element C2 or the like. The potential of the node N2 is the potential V22 or a potential corresponding to the potential V22 . Note that FIG. 19 shows the case where the potential of the node N2 is V22 , that is, the case where the capacitive coupling coefficient of the node N2 is 1 as described above.
時刻T21から時刻T22までの間において、配線SE(2)の電位を高電位とする。容量素子C1(2)の一対の電極の他方の電位が上昇するので、容量素子C1(2)の静電容量等に起因する容量結合により、ノードN1(2)の電位が上昇する。具体的には、図18に示す時刻T04以降の電位と同電位、つまり電位V12、または電位V12に対応する電位となる。なお、図19では、ノードN1(2)の電位がV12になる場合を示している。The potential of the wiring SE(2) is set to a high potential from time T21 to time T22. Since the potential of the other of the pair of electrodes of the capacitive element C1(2) rises, the potential of the node N1(2) rises due to capacitive coupling caused by the electrostatic capacitance of the capacitive element C1(2). Specifically, the potential is the same as the potential after time T04 shown in FIG. 18, that is, the potential V 12 or the potential corresponding to the potential V 12 . Note that FIG. 19 shows the case where the potential of the node N1( 2 ) is V12.
ノードN1(2)の電位の上昇に伴い、ノードN2の電位が変化し、電位V32となる。電位V32は、電位V12と電位V22に対応する電位となる。これにより、第3のデータが配線RDから読み出される。前述のように、配線RDを流れる電流に対してオフセット補正を行うことにより、第3のデータを、第1のデータと第2のデータとの積に対応するデータとすることができる。As the potential of the node N1(2) increases, the potential of the node N2 changes to the potential V32 . The potential V32 becomes a potential corresponding to the potential V12 and the potential V22 . Accordingly, the third data is read from the wiring RD. As described above, by performing offset correction on the current flowing through the wiring RD, the third data can be data corresponding to the product of the first data and the second data.
時刻T22から時刻T23までの間において、配線SE(2)の電位を電位VH、つまり電位VDDより高い電位とする。これにより、ノードN1(2)の電位が上昇し、例えば電位VDD以上の電位となる。したがって、電位V12の大きさに関わらず、トランジスタTr2(2)が導通する。また、配線RWの電位および配線VRSLの電位を低電位とする。以上により、ノードN2の電位はリセットされ、低電位となる。Between time T22 and time T23, the potential of the wiring SE(2) is set to the potential VH, which is higher than the potential VDD. As a result, the potential of the node N1(2) rises to, for example, the potential VDD or higher. Therefore, the transistor Tr2( 2 ) becomes conductive regardless of the magnitude of the potential V12. Further, the potential of the wiring RW and the potential of the wiring VRSL are set low. As a result, the potential of the node N2 is reset to a low potential.
時刻T23以降において、配線SE(2)の電位を低電位とする。これにより、ノードN1(2)の電位は、例えば時刻T10乃至時刻T11における電位、例えば電位VSS以下となる。これにより、トランジスタTr2(2)は非導通状態となる。その後、配線VRSLの電位を高電位とする。 After time T23, the potential of the wiring SE(2) is set to a low potential. As a result, the potential of the node N1(2) becomes, for example, the potential from time T10 to time T11, for example, the potential VSS or lower. As a result, the transistor Tr2(2) becomes non-conductive. After that, the potential of the wiring VRSL is set to a high potential.
以上が図17に示す構成の積演算回路MAC[i]が図18に示す方法で学習を行って第1のデータを取得した後の、積演算回路MAC[i]の動作方法の一例である。 The above is an example of the operation method of the product operation circuit MAC[i] having the configuration shown in FIG. 17 after the product operation circuit MAC[i] acquires the first data by performing learning by the method shown in FIG. .
本実施の形態は、他の実施の形態の記載と適宜組み合わせることができる。 This embodiment can be appropriately combined with the description of other embodiments.
(実施の形態2)
本実施の形態では、上記実施の形態で説明した半導体装置を用いた表示装置の具体的な構成例について説明する。ここでは特に、表示素子として液晶素子を用いた表示装置について説明する。(Embodiment 2)
In this embodiment, a specific structural example of a display device using the semiconductor device described in the above embodiment will be described. Here, in particular, a display device using a liquid crystal element as a display element will be described.
<表示装置の構成例1>
図20に、表示装置1400の断面構造の一例を示す。ここでは、表示素子として透過型の液晶素子1420を適用した場合の例を示している。図20において、基板1412側が表示面側となる。<Configuration Example 1 of Display Device>
FIG. 20 shows an example of a cross-sectional structure of the
表示装置1400は、基板1411と基板1412との間に液晶1422が挟持された構成を有している。液晶素子1420は、基板1411側に設けられた導電層1421と、基板1412側に設けられた導電層1423と、これらに挟持された液晶1422と、を有する。また、液晶1422と導電層1421との間に配向膜1424aが設けられ、液晶1422と導電層1423との間に配向膜1424bが設けられている。 The
導電層1421は、画素電極として機能する。また導電層1423は、共通電極等として機能する。また導電層1421と導電層1423は、いずれも可視光を透過する機能を有する。したがって、液晶素子1420は、透過型の液晶素子である。 The
基板1412の基板1411側の面には、着色層1441と、遮光層1442が設けられている。着色層1441と遮光層1442を覆って絶縁層1426が設けられ、絶縁層1426を覆って導電層1423が設けられている。また着色層1441は、導電層1421と重なる領域に設けられている。遮光層1442は、トランジスタ1430や接続部1438を覆って設けられている。 A
基板1411よりも外側には偏光板1439aが配置され、基板1412よりも外側には偏光板1439bが配置されている。さらに、偏光板1439aよりも外側に、バックライトユニット1490が設けられている。図20に示す表示装置1400は、基板1412側が表示面側となる。 A
基板1411上にトランジスタ1430、容量素子1460等が設けられている。トランジスタ1430は、画素の選択トランジスタとして機能する。トランジスタ1430は、接続部1438を介して液晶素子1420と接続されている。 A
図20に示すトランジスタ1430は、いわゆるボトムゲート・チャネルエッチ構造のトランジスタである。トランジスタ1430は、ゲート電極として機能する導電層1431と、ゲート絶縁層として機能する絶縁層1434と、半導体層1432と、ソース電極およびドレイン電極として機能する一対の導電層1433aおよび導電層1433bと、を有する。半導体層1432の、導電層1431と重畳する部分は、チャネル形成領域として機能する。半導体層1432は、導電層1433aおよび導電層1433bと接続されている。 A
容量素子1460は、導電層1431aと、絶縁層1434と、導電層1433bにより構成されている。 The
トランジスタ1430等を覆って、絶縁層1482と絶縁層1481が積層して設けられている。画素電極として機能する導電層1421は絶縁層1481上に設けられている。また接続部1438において、絶縁層1481および絶縁層1482に設けられた開口を介して、導電層1421と導電層1433bが電気的に接続されている。絶縁層1481は、平坦化層としての機能を有することが好ましい。また絶縁層1482は、トランジスタ1430等へ不純物等が拡散することを抑制する保護膜としての機能を有することが好ましい。例えば、絶縁層1482に無機絶縁材料を用い、絶縁層1481に有機絶縁材料を用いることができる。 An insulating
<表示装置の構成例2>
図21では、着色層1441を基板1411側に設けた場合の例を示している。これにより、基板1412側の構成を簡略化することができる。<Configuration Example 2 of Display Device>
FIG. 21 shows an example in which the
なお、着色層1441を平坦化膜として用いる場合には、絶縁層1481を設けない構成としてもよい。 Note that in the case where the
<表示装置の構成例3>
上記では、液晶素子として、液晶を挟む一対の電極が上下に配置された、縦電界方式の液晶素子の例を示しているが、液晶素子の構成はこれに限られず、様々な方式の液晶素子を適用することができる。<Configuration Example 3 of Display Device>
In the above description, as a liquid crystal element, an example of a vertical electric field type liquid crystal element in which a pair of electrodes sandwiching a liquid crystal is arranged vertically is shown; can be applied.
図22には、FFS(Fringe Field Switching)モードが適用された液晶素子を有する表示装置の断面概略図を示す。 FIG. 22 shows a schematic cross-sectional view of a display device having a liquid crystal element to which FFS (Fringe Field Switching) mode is applied.
液晶素子1420は、画素電極として機能する導電層1421と、導電層1421と絶縁層1483を介して重なる導電層1423と、を有する。導電層1423は、スリット状または櫛歯状の上面形状を有している。 A
また、この構成では、導電層1421と導電層1423とが重なる部分に容量が形成され、これを容量素子1460として用いることができる。そのため、画素の占有面積を縮小できるため、高精細な表示装置を実現できる。また、開口率を向上させることができる。 Further, in this structure, a capacitor is formed in a portion where the
図22では、共通電極として機能する導電層1423が液晶1422側に位置する構成としたが、図23に示すように、画素電極として機能する導電層1421が、液晶1422側に位置する構成としてもよい。このとき、導電層1421がスリット状または櫛歯状の上面形状を有する。 In FIG. 22, the
ここで、表示装置を作製する際、作製工程におけるフォトリソグラフィ工程が少ないほど、すなわちフォトマスクのマスク枚数が少ないほど、作製コストを低くすることができる。 Here, when manufacturing a display device, manufacturing costs can be reduced as the number of photolithography steps in the manufacturing process is reduced, that is, as the number of photomasks is reduced.
例えば図20に示す構成では、基板1411側の工程のうち、導電層1431等の形成工程、半導体層1432の形成工程、導電層1433a等の形成工程、接続部1438となる開口部の形成工程、および導電層1421の形成工程の、計5つのフォトリソグラフィ工程を経ることで作製できる。すなわち、5枚のフォトマスクにより、バックプレーン基板を作製することができる。一方、基板1412(対向基板)側においては、着色層1441や遮光層1442の形成方法として、インクジェット法またはスクリーン印刷法等を用いると、フォトマスクが不要となるため好ましい。例えば、3色の着色層1441と、遮光層1442を設けた場合には、これらをフォトリソグラフィ法で形成した場合に比べて、計4つのフォトマスクを削減することができる。 For example, in the configuration shown in FIG. 20, among the processes on the
<トランジスタの構成例>
次に、トランジスタ1430の具体的な構成例について説明する。以下に説明するトランジスタの半導体層1432には、シリコンを含む半導体を用いることができる。シリコンを含む半導体としては、例えば、水素化アモルファスシリコン、微結晶シリコン、または多結晶シリコン等を用いることができる。特に、水素化アモルファスシリコンを用いると、大型の基板上に歩留り良く形成できるため好ましい。本発明の一態様の表示装置は、電界効果移動度が比較的低いアモルファスシリコンが適用されたトランジスタであっても、良好な表示が可能である。<Structure example of transistor>
Next, a specific structural example of the
図24(A)に示すトランジスタは、ソース領域およびドレイン領域として機能する一対の不純物半導体層1435を有する。不純物半導体層1435は、半導体層1432と導電層1433aの間、および、半導体層1432と導電層1433bの間に設けられている。半導体層1432と不純物半導体層1435とは接して設けられ、不純物半導体層1435と導電層1433aまたは導電層1433bとは接して設けられる。 A transistor illustrated in FIG. 24A has a pair of
不純物半導体層1435を構成する不純物半導体膜は、一導電型を付与する不純物元素を添加した半導体により形成する。トランジスタがn型である場合には、一導電型を付与する不純物元素を添加した半導体として、例えば、PまたはAsを添加したシリコンが挙げられる。または、トランジスタがp型である場合には、一導電型を付与する不純物元素として、例えばBを添加することも可能であるが、トランジスタはn型とすることが好ましい。なお、不純物半導体層は、非晶質半導体により形成してもよいし、微結晶半導体等の結晶性半導体により形成してもよい。 An impurity semiconductor film forming the
図24(B)に示すトランジスタは、半導体層1432と不純物半導体層1435の間に、半導体層1437を有する。 The transistor illustrated in FIG. 24B has a
半導体層1437は、半導体層1432と同様の半導体膜により形成されていてもよい。半導体層1437は、不純物半導体層1435のエッチングの際に、半導体層1432がエッチングにより消失することを防ぐためのエッチングストッパーとして機能させることができる。なお、図24(B)において、半導体層1437が左右に分離している例を示しているが、半導体層1437の一部が半導体層1432のチャネル形成領域を覆っていてもよい。 The
また、半導体層1437は、不純物半導体層1435よりも低濃度の不純物が含まれていてもよい。これにより、半導体層1437をLDD(Lightly Doped Drain)領域として機能させることができ、トランジスタを駆動させたときのホットキャリア劣化を抑制することができる。 Further, the
図24(C)に示すトランジスタは、半導体層1432のチャネル形成領域上に、絶縁層1484が設けられている。絶縁層1484は、不純物半導体層1435のエッチングの際のエッチングストッパーとして機能する。 In the transistor illustrated in FIG. 24C, an insulating
図24(D)に示すトランジスタは、半導体層1432に代えて、半導体層1432pを有する。半導体層1432pは、結晶性の高い半導体膜を含む。例えば半導体層1432pは、多結晶半導体または単結晶半導体を含む。これにより、電界効果移動度の高いトランジスタとすることができる。 The transistor illustrated in FIG. 24D includes a
図24(E)に示すトランジスタは、半導体層1432のチャネル形成領域に半導体層1432pを有する。例えば図24(E)に示すトランジスタは、半導体層1432となる半導体膜に対してレーザ光等を照射することにより、局所的に結晶化することにより形成することができる。これにより、電界効果移動度の高いトランジスタを実現できる。 The transistor illustrated in FIG. 24E has a
図24(F)に示すトランジスタは、図24(B)で示したトランジスタの半導体層1432のチャネル形成領域に、結晶性の半導体層1432pを有する。 The transistor illustrated in FIG. 24F includes a
図24(G)に示すトランジスタは、図24(C)で示したトランジスタの半導体層1432のチャネル形成領域に、結晶性の半導体層1432pを有する。 The transistor illustrated in FIG. 24G includes a
<構成要素>
以下では、上記に示す各構成要素について説明する。<Constituent element>
Below, each component shown above is demonstrated.
[基板]
表示装置が有する基板には、平坦面を有する材料を用いることができる。表示素子からの光を取り出す基板には、該光を透過する材料を用いる。例えば、ガラス、石英、セラミック、サファイア、有機樹脂等の材料を用いることができる。[substrate]
A material having a flat surface can be used for a substrate included in the display device. A material that transmits the light is used for the substrate for extracting the light from the display element. For example, materials such as glass, quartz, ceramics, sapphire, and organic resins can be used.
厚さの薄い基板を用いることで、表示パネルの軽量化、薄型化を図ることができる。さらに、可撓性を有する程度の厚さの基板を用いることで、可撓性を有する表示パネルを実現できる。または、可撓性を有する程度に薄いガラス等を基板に用いることもできる。または、ガラスと樹脂材料とが接着層により貼り合わされた複合材料を用いてもよい。 By using a thin substrate, the weight and thickness of the display panel can be reduced. Furthermore, a flexible display panel can be realized by using a substrate that is thick enough to be flexible. Alternatively, a thin glass or the like having flexibility can be used for the substrate. Alternatively, a composite material in which glass and a resin material are bonded together by an adhesive layer may be used.
[トランジスタ]
トランジスタ、ゲート電極として機能する導電層と、半導体層と、ソース電極として機能する導電層と、ドレイン電極として機能する導電層と、ゲート絶縁層として機能する絶縁層と、を有する。[Transistor]
A transistor includes a conductive layer functioning as a gate electrode, a semiconductor layer, a conductive layer functioning as a source electrode, a conductive layer functioning as a drain electrode, and an insulating layer functioning as a gate insulating layer.
なお、本発明の一態様の表示装置が有するトランジスタの構造は特に限定されない。例えば、プレーナ型のトランジスタとしてもよいし、スタガ型のトランジスタとしてもよいし、逆スタガ型のトランジスタとしてもよい。また、トップゲート型またはボトムゲート型のいずれのトランジスタ構造としてもよい。または、チャネルの上下にゲート電極が設けられていてもよい。 Note that there is no particular limitation on the structure of the transistor included in the display device of one embodiment of the present invention. For example, a planar transistor, a staggered transistor, or an inverted staggered transistor may be used. Further, the transistor structure may be either a top-gate type or a bottom-gate type. Alternatively, gate electrodes may be provided above and below the channel.
トランジスタに用いる半導体材料の結晶性についても特に限定されず、非晶質半導体、結晶性を有する半導体(微結晶半導体、多結晶半導体、単結晶半導体、または一部に結晶領域を有する半導体)のいずれを用いてもよい。結晶性を有する半導体を用いると、トランジスタ特性の劣化を抑制できるため好ましい。 Crystallinity of a semiconductor material used for a transistor is not particularly limited, either an amorphous semiconductor or a semiconductor having crystallinity (a microcrystalline semiconductor, a polycrystalline semiconductor, a single crystal semiconductor, or a semiconductor partially including a crystal region). may be used. It is preferable to use a crystalline semiconductor because deterioration of transistor characteristics can be suppressed.
トランジスタのチャネルが形成される半導体には、例えばシリコンを用いることができる。シリコンとして、特にアモルファスシリコンを用いることが好ましい。アモルファスシリコンを用いることで、大型の基板上に歩留り良くトランジスタを形成でき、量産性に優れる。 Silicon, for example, can be used as a semiconductor in which a channel of a transistor is formed. As silicon, it is particularly preferable to use amorphous silicon. By using amorphous silicon, a transistor can be formed on a large substrate with high yield, and mass productivity is excellent.
また、微結晶シリコン、多結晶シリコン、単結晶シリコン等の結晶性を有するシリコンを用いることもできる。特に、多結晶シリコンは、単結晶シリコンに比べて低温で形成でき、且つアモルファスシリコンに比べて高い電界効果移動度と高い信頼性を備える。 Alternatively, crystalline silicon such as microcrystalline silicon, polycrystalline silicon, or single crystal silicon can be used. In particular, polycrystalline silicon can be formed at a lower temperature than monocrystalline silicon, and has higher field effect mobility and higher reliability than amorphous silicon.
本実施の形態で例示したボトムゲート構造のトランジスタは、作製工程を削減できるため好ましい。またこのときアモルファスシリコンを用いることで、多結晶シリコンよりも低温で形成できるため、半導体層よりも下層の配線や電極の材料、基板の材料として、耐熱性の低い材料を用いることが可能なため、材料の選択の幅を広げることができる。例えば、極めて大面積のガラス基板等を好適に用いることができる。一方、トップゲート型のトランジスタは、自己整合的に不純物領域を形成しやすいため、特性のばらつき等を低減することができるため好ましい。このとき特に、多結晶シリコンや単結晶シリコン等を用いる場合に適している場合がある。 The bottom-gate transistor described as an example in this embodiment is preferable because the number of manufacturing steps can be reduced. In addition, by using amorphous silicon at this time, since it can be formed at a lower temperature than polycrystalline silicon, it is possible to use a material with low heat resistance as a material for wiring and electrodes in a layer below the semiconductor layer and a material for the substrate. , the range of material selection can be expanded. For example, an extremely large-area glass substrate or the like can be suitably used. On the other hand, a top-gate transistor is preferable because an impurity region can be easily formed in a self-aligned manner and variations in characteristics can be reduced. At this time, it may be particularly suitable when polycrystalline silicon, single crystal silicon, or the like is used.
[導電層]
トランジスタのゲート、ソースおよびドレインのほか、表示装置を構成する各種配線および電極等の導電層に用いることのできる材料としては、アルミニウム、チタン、クロム、ニッケル、銅、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、銀、タンタル、またはタングステン等の金属、またはこれを主成分とする合金等が挙げられる。またこれらの材料を含む膜を単層で、または積層構造として用いることができる。例えば、シリコンを含むアルミニウム膜の単層構造、チタン膜上にアルミニウム膜を積層する二層構造、タングステン膜上にアルミニウム膜を積層する二層構造、銅-マグネシウム-アルミニウム合金膜上に銅膜を積層する二層構造、チタン膜上に銅膜を積層する二層構造、タングステン膜上に銅膜を積層する二層構造、チタン膜または窒化チタン膜と、その上に重ねてアルミニウム膜または銅膜を積層し、さらにその上にチタン膜または窒化チタン膜を形成する三層構造、モリブデン膜または窒化モリブデン膜と、その上に重ねてアルミニウム膜または銅膜を積層し、さらにその上にモリブデン膜または窒化モリブデン膜を形成する三層構造等がある。なお、酸化インジウム、酸化錫または酸化亜鉛等の酸化物を用いてもよい。また、マンガンを含む銅を用いると、エッチングによる形状の制御性が高まるため好ましい。[Conductive layer]
In addition to the gate, source and drain of transistors, materials that can be used for conductive layers such as various wirings and electrodes constituting display devices include aluminum, titanium, chromium, nickel, copper, yttrium, zirconium, molybdenum, silver, A metal such as tantalum or tungsten, or an alloy containing this as a main component can be used. Also, a film containing these materials can be used as a single layer or as a laminated structure. For example, a single-layer structure of an aluminum film containing silicon, a two-layer structure in which an aluminum film is stacked over a titanium film, a two-layer structure in which an aluminum film is stacked over a tungsten film, and a copper film over a copper-magnesium-aluminum alloy film. A two-layer structure, a two-layer structure in which a copper film is laminated on a titanium film, a two-layer structure in which a copper film is laminated on a tungsten film, a titanium film or a titanium nitride film, and an aluminum film or a copper film overlaid thereon and further a titanium film or a titanium nitride film is formed thereon, a molybdenum film or a molybdenum nitride film is laminated thereon, an aluminum film or a copper film is laminated thereon, and a molybdenum film or a There is a three-layer structure that forms a molybdenum nitride film, and the like. Note that an oxide such as indium oxide, tin oxide, or zinc oxide may be used. Further, it is preferable to use copper containing manganese because the controllability of the shape by etching is increased.
また、トランジスタのゲート、ソースおよびドレインのほか、表示装置を構成する各種配線および電極等の導電層に用いることのできる、透光性を有する導電性材料としては、酸化インジウム、インジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化亜鉛、ガリウムを添加した酸化亜鉛等の導電性酸化物またはグラフェンを用いることができる。または、金、銀、白金、マグネシウム、ニッケル、タングステン、クロム、モリブデン、鉄、コバルト、銅、パラジウム、またはチタン等の金属材料や、該金属材料を含む合金材料を用いることができる。または、該金属材料の窒化物(例えば、窒化チタン)等を用いてもよい。なお、金属材料、合金材料(またはそれらの窒化物)を用いる場合には、透光性を有する程度に薄くすればよい。また、上記材料の積層膜を導電層として用いることができる。例えば、銀とマグネシウムの合金とインジウムスズ酸化物の積層膜等を用いると、導電性を高めることができるため好ましい。これらは、表示装置を構成する各種配線および電極等の導電層や、表示素子が有する導電層(画素電極や共通電極として機能する導電層)にも用いることができる。 In addition, indium oxide, indium tin oxide, indium tin oxide, indium tin oxide, indium tin oxide, indium tin oxide, indium tin oxide, indium tin oxide, indium tin oxide, etc. Conductive oxides such as indium zinc oxide, zinc oxide, gallium-doped zinc oxide, or graphene can be used. Alternatively, metal materials such as gold, silver, platinum, magnesium, nickel, tungsten, chromium, molybdenum, iron, cobalt, copper, palladium, or titanium, or alloy materials containing such metal materials can be used. Alternatively, a nitride of the metal material (for example, titanium nitride) or the like may be used. Note that when a metal material or an alloy material (or a nitride thereof) is used, it may be thin enough to have translucency. Alternatively, a stacked film of any of the above materials can be used as the conductive layer. For example, it is preferable to use a laminated film of an alloy of silver and magnesium and indium tin oxide, or the like, because the conductivity can be increased. These can also be used for conductive layers such as various wirings and electrodes that constitute a display device, and conductive layers that display elements have (conductive layers functioning as pixel electrodes and common electrodes).
[絶縁層]
各絶縁層に用いることのできる絶縁材料としては、例えば、アクリル、エポキシ等の樹脂、シリコーン等のシロキサン結合を有する樹脂の他、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム等の無機絶縁材料を用いることもできる。[Insulating layer]
Examples of insulating materials that can be used for each insulating layer include resins such as acrylic and epoxy, resins having a siloxane bond such as silicone, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, and aluminum oxide. inorganic insulating materials can also be used.
透水性の低い絶縁膜としては、窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜等の窒素と珪素を含む膜や、窒化アルミニウム膜等の窒素とアルミニウムを含む膜等が挙げられる。また、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜等を用いてもよい。 Examples of the insulating film with low water permeability include a film containing nitrogen and silicon such as a silicon nitride film and a silicon nitride oxide film, a film containing nitrogen and aluminum such as an aluminum nitride film, and the like. Alternatively, a silicon oxide film, a silicon oxynitride film, an aluminum oxide film, or the like may be used.
[液晶素子]
液晶素子としては、例えば垂直配向(VA:Vertical Alignment)モードが適用された液晶素子を用いることができる。垂直配向モードとしては、MVA(Multi-Domain Vertical Alignment)モード、PVA(Patterned Vertical Alignment)モード、ASV(Advanced Super View)モード等を用いることができる。[Liquid crystal element]
As the liquid crystal element, for example, a liquid crystal element to which a vertical alignment (VA) mode is applied can be used. As the vertical alignment mode, an MVA (Multi-Domain Vertical Alignment) mode, a PVA (Patterned Vertical Alignment) mode, an ASV (Advanced Super View) mode, or the like can be used.
また、液晶素子には、様々なモードが適用された液晶素子を用いることができる。例えばVAモードのほかに、TN(Twisted Nematic)モード、IPS(In-Plane-Switching)モード、FFS(Fringe Field Switching)モード、ASM(Axially Symmetric aligned Micro-cell)モード、OCB(Optically Compensated Birefringence)モード、FLC(Ferroelectric Liquid Crystal)モード、AFLC(AntiFerroelectric Liquid Crystal)モード、ECB(Electrically Controlled Birefringence)モード、ゲストホストモード等が適用された液晶素子を用いることができる。 Liquid crystal elements to which various modes are applied can be used as the liquid crystal element. For example, in addition to VA mode, TN (Twisted Nematic) mode, IPS (In-Plane-Switching) mode, FFS (Fringe Field Switching) mode, ASM (Axially Symmetrically aligned Micro-cell) mode, OCB (Optically Compensated Birefringence) mode , FLC (Ferroelectric Liquid Crystal) mode, AFLC (AntiFerroelectric Liquid Crystal) mode, ECB (Electrically Controlled Birefringence) mode, guest-host mode, or the like can be used.
なお、液晶素子は、液晶の光学的変調作用によって光の透過または非透過を制御する素子である。なお、液晶の光学的変調作用は、液晶にかかる電界(横方向の電界、縦方向の電界または斜め方向の電界を含む)によって制御される。なお、液晶素子に用いる液晶としては、サーモトロピック液晶、低分子液晶、高分子液晶、高分子分散型液晶(PDLC:Polymer Dispersed Liquid Crystal)、高分子ネットワーク型液晶(PNLC:Polymer Network Liquid Crystal)、強誘電性液晶、反強誘電性液晶等を用いることができる。これらの液晶材料は、条件により、コレステリック相、スメクチック相、キュービック相、カイラルネマチック相、等方相等を示す。 Note that the liquid crystal element is an element that controls transmission or non-transmission of light by the optical modulation action of liquid crystal. Note that the optical modulation action of the liquid crystal is controlled by an electric field applied to the liquid crystal (including a horizontal electric field, a vertical electric field, or an oblique electric field). The liquid crystal used in the liquid crystal element includes thermotropic liquid crystal, low-molecular liquid crystal, polymer liquid crystal, polymer dispersed liquid crystal (PDLC), polymer network liquid crystal (PNLC), Ferroelectric liquid crystal, antiferroelectric liquid crystal, or the like can be used. These liquid crystal materials exhibit a cholesteric phase, a smectic phase, a cubic phase, a chiral nematic phase, an isotropic phase, etc., depending on conditions.
また、液晶材料としては、ポジ型の液晶、またはネガ型の液晶のいずれを用いてもよく、適用するモードや設計に応じて最適な液晶材料を用いればよい。 As the liquid crystal material, either positive liquid crystal or negative liquid crystal may be used, and an optimum liquid crystal material may be used according to the mode and design to be applied.
また、液晶の配向を制御するため、配向膜を設けることができる。なお、横電界方式を採用する場合、配向膜を用いないブルー相を示す液晶を用いてもよい。ブルー相は液晶相の一つであり、コレステリック液晶を昇温していくと、コレステリック相から等方相へ転移する直前に発現する相である。ブルー相は狭い温度範囲でしか発現しないため、温度範囲を改善するために数重量%以上のカイラル剤を混合させた液晶組成物を液晶層に用いる。ブルー相を示す液晶とカイラル剤とを含む液晶組成物は、応答速度が短く、光学的等方性を有する。また、ブルー相を示す液晶とカイラル剤とを含む液晶組成物は、配向処理が不要であり、視野角依存性が小さい。また配向膜を設けなくてもよいのでラビング処理も不要となるため、ラビング処理によって引き起こされる静電破壊を防止することができ、作製工程中の液晶表示装置の不良や破損を軽減することができる。 In addition, an alignment film can be provided to control the alignment of liquid crystals. Note that when the horizontal electric field method is employed, liquid crystal exhibiting a blue phase without using an alignment film may be used. The blue phase is one of the liquid crystal phases, and is a phase that appears immediately before the cholesteric phase transitions to the isotropic phase when the temperature of the cholesteric liquid crystal is increased. Since the blue phase is expressed only in a narrow temperature range, a liquid crystal composition mixed with a chiral agent of several weight % or more is used for the liquid crystal layer in order to improve the temperature range. A liquid crystal composition containing a liquid crystal exhibiting a blue phase and a chiral agent has a short response speed and optical isotropy. Further, a liquid crystal composition containing a liquid crystal exhibiting a blue phase and a chiral agent does not require alignment treatment and has a small viewing angle dependency. In addition, rubbing treatment is not required because an alignment film is not required, so that electrostatic damage caused by rubbing treatment can be prevented, and defects and breakage of the liquid crystal display device during the manufacturing process can be reduced. .
また、液晶素子として、透過型の液晶素子、反射型の液晶素子、または半透過型の液晶素子等がある。 Liquid crystal elements include a transmissive liquid crystal element, a reflective liquid crystal element, a transflective liquid crystal element, and the like.
本発明の一態様では、特に透過型の液晶素子を好適に用いることができる。 In one embodiment of the present invention, a transmissive liquid crystal element can be particularly preferably used.
透過型または半透過型の液晶素子を用いる場合、一対の基板を挟むように、2つの偏光板を設ける。また偏光板よりも外側に、バックライトを設ける。バックライトとしては、直下型のバックライトであってもよいし、エッジライト型のバックライトであってもよい。LED(Light Emitting Diode)を備える直下型のバックライトを用いると、ローカルディミングが容易となり、コントラストを高めることができるため好ましい。また、エッジライト型のバックライトを用いると、バックライトを含めたモジュールの厚さを低減できるため好ましい。 In the case of using a transmissive or transflective liquid crystal element, two polarizing plates are provided so as to sandwich a pair of substrates. A backlight is provided outside the polarizing plate. The backlight may be a direct type backlight or an edge light type backlight. It is preferable to use a direct type backlight equipped with LEDs (Light Emitting Diodes) because local dimming can be facilitated and contrast can be increased. Further, it is preferable to use an edge-light type backlight because the thickness of the module including the backlight can be reduced.
なお、エッジライト型のバックライトをオフ状態とすることで、シースルー表示を行うことができる。 Note that see-through display can be performed by turning off the edge-light type backlight.
[着色層]
着色層に用いることのできる材料としては、金属材料、樹脂材料、顔料または染料が含まれた樹脂材料等が挙げられる。[Colored layer]
Materials that can be used for the colored layer include metal materials, resin materials, resin materials containing pigments or dyes, and the like.
[遮光層]
遮光層として用いることのできる材料としては、カーボンブラック、チタンブラック、金属、金属酸化物、複数の金属酸化物の固溶体を含む複合酸化物等が挙げられる。遮光層は、樹脂材料を含む膜であってもよいし、金属等の無機材料の薄膜であってもよい。また、遮光層に、着色層の材料を含む膜の積層膜を用いることもできる。例えば、ある色の光を透過する着色層に用いる材料を含む膜と、他の色の光を透過する着色層に用いる材料を含む膜との積層構造を用いることができる。着色層と遮光層の材料を共通化することで、装置を共通化できるほか工程を簡略化できるため好ましい。[Light shielding layer]
Examples of materials that can be used as the light shielding layer include carbon black, titanium black, metals, metal oxides, composite oxides containing a solid solution of multiple metal oxides, and the like. The light shielding layer may be a film containing a resin material, or may be a thin film of an inorganic material such as metal. Alternatively, a laminated film of films containing a material for the colored layer can be used as the light shielding layer. For example, a layered structure of a film containing a material used for a colored layer transmitting light of a certain color and a film containing a material used for a colored layer transmitting light of another color can be used. By using a common material for the colored layer and the light shielding layer, it is possible to use a common apparatus and to simplify the process, which is preferable.
なお、本実施の形態では、表示素子として液晶素子を用いた表示装置について説明したが、表示素子として発光素子を用いることもできる。 Note that although a display device using a liquid crystal element as a display element is described in this embodiment mode, a light-emitting element can also be used as a display element.
本実施の形態は、他の実施の形態の記載と適宜組み合わせることができる。 This embodiment can be appropriately combined with the description of other embodiments.
(実施の形態3)
本実施の形態では、トランジスタの半導体層に用いることのできる多結晶シリコンの結晶化方法およびレーザ結晶化装置の一例について説明する。(Embodiment 3)
In this embodiment mode, an example of a method for crystallizing polycrystalline silicon and a laser crystallization apparatus that can be used for a semiconductor layer of a transistor will be described.
結晶性の良好な多結晶シリコン層を形成するには、基板上に非晶質シリコン層を設け、当該非晶質シリコン層にレーザ光を照射して結晶化することが好ましい。例えば、レーザ光を線状ビームとし、当該線状ビームを非晶質シリコン層に照射しながら基板を移動させることで、基板上の所望の領域に多結晶シリコン層を形成することができる。 In order to form a polycrystalline silicon layer with good crystallinity, it is preferable to provide an amorphous silicon layer over a substrate and crystallize the amorphous silicon layer by irradiating it with laser light. For example, by using a laser beam as a linear beam and moving the substrate while irradiating the amorphous silicon layer with the linear beam, the polycrystalline silicon layer can be formed in a desired region over the substrate.
線状ビームを用いた方法は、スループットが比較的良好である。一方で、ある領域に対してレーザ光が相対的に移動しながら複数回照射される方法であるため、レーザ光の出力変動およびそれに起因するビームプロファイルの変化による結晶性のばらつきが生じやすい。例えば、当該方法で結晶化させた半導体層を表示装置の画素が有するトランジスタに用いると、画像を表示した場合に、結晶性のばらつきに起因したランダムな縞模様が見えることがある。 A method using a linear beam has a relatively good throughput. On the other hand, since it is a method in which a laser beam is irradiated a plurality of times while moving relatively to a certain region, variations in crystallinity are likely to occur due to variations in the output of the laser beam and the resulting changes in the beam profile. For example, when a semiconductor layer crystallized by this method is used for a transistor included in a pixel of a display device, a random striped pattern due to variations in crystallinity may be seen when an image is displayed.
また、線状ビームの長さは基板の一辺の長さ以上であることが理想的であるが、線状ビームの長さは、レーザ発振器の出力と光学系の構成によって制限される。したがって、大型基板の処理では基板面内を折り返してレーザ照射することが現実的である。そのため、レーザ光をオーバーラップして照射する領域が生じる。当該領域の結晶性は、他の領域の結晶性と異なりやすいため、当該領域では表示ムラが生じることがある。 Also, the length of the linear beam is ideally equal to or longer than the length of one side of the substrate, but the length of the linear beam is limited by the output of the laser oscillator and the configuration of the optical system. Therefore, in the processing of a large substrate, it is realistic to irradiate the laser while folding back within the substrate surface. As a result, there are areas where the laser beams overlap and are irradiated. Since the crystallinity of the region is likely to be different from the crystallinity of other regions, display unevenness may occur in the region.
上記のような問題を抑えるために、基板上に形成した非晶質シリコン層に局所的にレーザ照射を行って結晶化させてもよい。局所的なレーザ照射では、結晶性のばらつきの少ない多結晶シリコン層を形成しやすい。 In order to suppress the above problems, an amorphous silicon layer formed over a substrate may be locally irradiated with a laser to be crystallized. Local laser irradiation facilitates formation of a polycrystalline silicon layer with little variation in crystallinity.
図25(A)は、基板上に形成した非晶質シリコン層に局所的にレーザ照射を行う方法を説明する図である。 FIG. 25A is a diagram illustrating a method of locally irradiating an amorphous silicon layer formed over a substrate with laser light.
光学系ユニット621から射出されるレーザ光626は、ミラー622で反射されてマイクロレンズアレイ623に入射する。マイクロレンズアレイ623は、レーザ光626を集光して複数のレーザビーム627を形成する。 A
ステージ615には、非晶質シリコン層640を形成した基板630が固定される。非晶質シリコン層640に複数のレーザビーム627を照射することで、複数の多結晶シリコン層641を同時に形成することができる。 A
マイクロレンズアレイ623が有する個々のマイクロレンズは、表示装置の画素ピッチに合わせて設けることが好ましい。または、画素ピッチの整数倍の間隔で設けてもよい。いずれの場合においても、レーザ照射とステージ615のX方向またはY方向の移動を繰り返すことで、全ての画素に対応した領域に多結晶シリコン層を形成することができる。 The individual microlenses included in the
例えば、マイクロレンズアレイ623が画素ピッチでI行J列(I、Jは自然数)のマイクロレンズを有するとき、まず所定の開始位置でレーザ光を照射し、I行J列の多結晶シリコン層を形成することができる。そして、行方向にJ列分の距離だけ移動させてレーザ光を照射し、さらにM行N列の多結晶シリコン層641を形成することで、I行2J列の多結晶シリコン層641を形成することができる。当該工程を繰り返し行うことで所望の領域に複数の多結晶シリコン層641を形成することができる。また、折り返してレーザ照射工程を行う場合は、行方向にJ列分の距離だけ移動させてレーザ照射を行い、さらに列方向にI行分の距離の移動とレーザ光の照射を繰り返せばよい。 For example, when the
なお、レーザ光の発振周波数とステージ615の移動速度を適切に調整すれば、ステージ615を一方向に移動させながらレーザ照射を行う方法でも、画素ピッチで多結晶シリコン層を形成することができる。 By appropriately adjusting the oscillation frequency of the laser light and the movement speed of the
レーザビーム627のサイズは、例えば、一つのトランジスタの半導体層全体が含まれる程度の面積とすることができる。または、一つのトランジスタのチャネル領域全体が含まれる程度の面積とすることができる。または、一つのトランジスタのチャネル領域の一部が含まれる程度の面積とすることができる。これらは、必要とするトランジスタの電気特性に応じて使い分ければよい。 The size of the
なお、一つの画素に複数のトランジスタを有する表示装置を対象とした場合、レーザビーム627は、一つの画素内の各トランジスタの半導体層全体が含まれる程度の面積とすることができる。また、レーザビーム627は、複数の画素が有するトランジスタの半導体層全体が含まれる程度の面積としてもよい。 Note that in the case of a display device including a plurality of transistors in one pixel, the area of the
また、図26(A)に示すように、ミラー622とマイクロレンズアレイ623との間にマスク624を設けてもよい。マスク624には、各マイクロレンズに対応した複数の開口部が設けられる。当該開口部の形状はレーザビーム627の形状に反映させることができ、図26(A)のようにマスク624が円形の開口部を有する場合は、円形のレーザビーム627を得ることができる。また、マスク624が矩形の開口部を有する場合は、矩形のレーザビーム627を得ることができる。マスク624は、例えば、トランジスタのチャネル領域のみを結晶化させたい場合等に有効である。なお、マスク624は、図26(B)に示すように光学系ユニット621とミラー622との間に設けてもよい。 Also, as shown in FIG. 26A, a
図25(B)は、上記に示した局所的なレーザ照射の工程に用いることのできるレーザ結晶化装置の主要な構成を説明する斜視図である。レーザ結晶化装置は、X-Yステージの構成要素である移動機構612、移動機構613およびステージ615を有する。また、レーザビーム627を成形するためのレーザ発振器620、光学系ユニット621、ミラー622、マイクロレンズアレイ623を有する。 FIG. 25B is a perspective view illustrating the main configuration of a laser crystallization apparatus that can be used in the local laser irradiation process described above. The laser crystallization apparatus has a moving
移動機構612および移動機構613は、水平方向に往復直線運動をする機能を備える。移動機構612および移動機構613に動力を与える機構としては、例えば、モータで駆動するボールネジ機構616等を用いることができる。移動機構612および移動機構613のそれぞれの移動方向は垂直に交わるため、移動機構613に固定されるステージ615はX方向およびY方向に自在に移動させることができる。 The moving
ステージ615は真空吸着機構等の固定機構を有し、基板630等を固定することができる。また、ステージ615は、必要に応じて加熱機構を有していてもよい。なお、図示はしていないが、ステージ615はプッシャーピンおよびその上下機構を有し、基板630等を搬出入する際は、基板630等を上下に移動させることができる。 The
レーザ発振器620は、処理の目的に適した波長および強度の光が出力できればよく、パルスレーザが好ましいがCWレーザであってもよい。代表的には、波長351-353nm(XeF)、308nm(XeCl)等の紫外光を照射できるエキシマレーザを用いることができる。または、固体レーザ(YAGレーザ、ファイバーレーザ等)の二倍波(515nm、532nm等)または三倍波(343nm、355nm等)を用いてもよい。また、レーザ発振器620は複数であってもよい。 The
光学系ユニット621は、例えば、ミラー、ビームエクスパンダ、ビームホモジナイザ等を有し、レーザ発振器620から出力されるレーザ光625のエネルギーの面内分布を均一化させつつ伸張させることができる。 The
ミラー622には、例えば、誘電体多層膜ミラーを用いることができ、レーザ光の入射角が略45°となるように設置する。マイクロレンズアレイ623には、例えば、石英板の上面または上下面に複数の凸レンズが設けられたような形状とすることができる。 For example, a dielectric multilayer mirror can be used as the
以上のレーザ結晶化装置を用いることにより、結晶性のばらつきの少ない多結晶シリコン層を形成することができる。 By using the laser crystallization apparatus described above, a polycrystalline silicon layer with little variation in crystallinity can be formed.
本実施の形態は、他の実施の形態の記載と適宜組み合わせることができる。 This embodiment can be appropriately combined with the description of other embodiments.
(実施の形態4)
本実施の形態では、本明細書等で扱うトランジスタに適用することができるトランジスタ200およびトランジスタ201の詳細について、図27乃至図31を用いて説明を行う。(Embodiment 4)
In this embodiment, details of the
<トランジスタ200>
初めに、トランジスタ200の詳細について説明を行う。<
First, details of the
図27(A)は、トランジスタ200を有する半導体装置の上面図である。また、図27(B)は、図27(A)にA1-A2の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ200のチャネル長方向の断面図でもある。また、図27(C)は、図27(A)にA3-A4の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ200のチャネル幅方向の断面図でもある。図27(A)の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。 FIG. 27A is a top view of a semiconductor device including the
図27(A)から(C)に示すように、トランジスタ200は、基板(図示せず)の上に配置された絶縁体224と、絶縁体224の上に配置された金属酸化物406aと、金属酸化物406aの上面の少なくとも一部に接して配置された金属酸化物406bと、金属酸化物406bの上に配置された絶縁体412と、絶縁体412の上に配置された導電体404aと、導電体404aの上に配置された導電体404bと、導電体404bの上に配置された絶縁体419と、絶縁体412、導電体404a、および導電体404b、および絶縁体419の側面に接して配置された絶縁体418と、金属酸化物406bの上面に接し、かつ絶縁体418の側面に接して配置された絶縁体225と、を有する。ここで、図27(B)に示すように、絶縁体418の上面は、絶縁体419の上面と略一致することが好ましい。また、絶縁体225は、絶縁体419、導電体404、絶縁体418、および金属酸化物406を覆って設けられることが好ましい。 As shown in FIGS. 27A-27C,
以下において、金属酸化物406aと金属酸化物406bをまとめて金属酸化物406という場合がある。なお、トランジスタ200では、金属酸化物406aおよび金属酸化物406bを積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、金属酸化物406bのみを設ける構成にしてもよい。また、導電体404aと導電体404bをまとめて導電体404という場合がある。なお、トランジスタ200では、導電体404aおよび導電体404bを積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体404bのみを設ける構成にしてもよい。 Hereinafter, the
導電体440は、絶縁体384の開口の内壁に接して導電体440aが形成され、さらに内側に導電体440bが形成されている。ここで、導電体440aおよび導電体440bの上面の高さと、絶縁体384の上面の高さは同程度にできる。なお、トランジスタ200では、導電体440aおよび導電体440bを積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体440bのみを設ける構成にしてもよい。 A
導電体310は、絶縁体214および絶縁体216の開口の内壁に接して導電体310aが形成され、さらに内側に導電体310bが形成されている。よって、導電体310aは導電体440bに接する構成が好ましい。ここで、導電体310aおよび導電体310bの上面の高さと、絶縁体216の上面の高さは同程度にできる。なお、トランジスタ200では、導電体310aおよび導電体310bを積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体310bのみを設ける構成にしてもよい。 The
導電体404は、トップゲートとして機能でき、導電体310は、バックゲートとして機能できる。バックゲートの電位は、トップゲートと同電位としてもよいし、接地電位や、任意の電位としてもよい。また、バックゲートの電位をトップゲートと連動させず独立して変化させることで、トランジスタのしきい値電圧を変化させることができる。
導電体440は、導電体404と同様にチャネル幅方向に延伸されており、導電体310、すなわちバックゲートに電位を印加する配線として機能する。ここで、バックゲートの配線として機能する導電体440の上に積層して、絶縁体214および絶縁体216に埋め込まれた導電体310を設けることにより、導電体440と導電体404の間に絶縁体214および絶縁体216等が設けられ、導電体440と導電体404の間の寄生容量を低減し、絶縁耐圧を高めることができる。導電体440と導電体404の間の寄生容量を低減することで、トランジスタのスイッチング速度を向上させ、高い周波数特性を有するトランジスタにすることができる。また、導電体440と導電体404の間の絶縁耐圧を高めることで、トランジスタ200の信頼性を向上させることができる。よって、絶縁体214および絶縁体216の膜厚を大きくすることが好ましい。なお、導電体440の延伸方向はこれに限られず、例えば、トランジスタ200のチャネル長方向に延伸されてもよい。 The
ここで、導電体310aおよび導電体440aは、水または水素等の不純物の透過を抑制する機能を有する(透過しにくい)導電性材料を用いることが好ましい。例えば、タンタル、窒化タンタル、ルテニウムまたは酸化ルテニウム等を用いることが好ましく、単層または積層とすればよい。これにより、下層から水素、水等の不純物が導電体440および導電体310を通じて上層に拡散するのを抑制することができる。なお、導電体310aおよび導電体440aは、水素原子、水素分子、水分子、酸素原子、酸素分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子(N2O、NO、NO2等)、銅原子等の不純物または、酸素(例えば、酸素原子、酸素分子等)の少なくとも一の透過を抑制する機能を有することが好ましい。また、以下において、不純物の透過を抑制する機能を有する導電性材料について記載する場合も同様である。導電体310aおよび導電体440aが酸素の透過を抑制する機能を持つことにより、導電体310bおよび導電体440bが酸化して導電率が低下することを防ぐことができる。Here, for the
また、導電体310bは、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。また、図示しないが、導電体310bは積層構造としても良く、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。 A conductive material containing tungsten, copper, or aluminum as its main component is preferably used for the
また、導電体440bは、配線として機能するため、導電体310bより導電性が高い導電体を用いることが好ましく、例えば、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることができる。また、図示しないが、導電体440bは積層構造としても良く、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。 In addition, since the
絶縁体214は、下層から水または水素等の不純物がトランジスタに混入するのを防ぐバリア絶縁膜として機能できる。絶縁体214は、水または水素等の不純物の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いることが好ましい。例えば、絶縁体214として窒化シリコン等を用いることが好ましい。これにより、水素、水等の不純物が絶縁体214より上層に拡散するのを抑制することができる。なお、絶縁体214は、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子(N2O、NO、NO2等)、銅原子等の不純物の少なくとも一の透過を抑制する機能を有することが好ましい。また、以下において、不純物の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料について記載する場合も同様である。The
また、絶縁体214は、酸素(例えば、酸素原子または酸素分子等)の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いることが好ましい。これにより、絶縁体224等に含まれる酸素が下方拡散するのを抑制することができる。 For the
また、導電体440の上に導電体310を積層して設ける構成にすることにより、導電体440と導電体310の間に絶縁体214を設けることができる。ここで、導電体440bに銅等拡散しやすい金属を用いても、絶縁体214として窒化シリコン等を設けることにより、当該金属が絶縁体214より上の層に拡散するのを防ぐことができる。 In addition, the
また、絶縁体222は、水または水素等の不純物、および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いることが好ましく、例えば、酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウム等を用いることが好ましい。これにより、絶縁体222より下層から水素、水等の不純物が絶縁体222より上層に拡散するのを抑制することができる。さらに、絶縁体224等に含まれる酸素が下方拡散するのを抑制することができる。 For the
また、絶縁体224中の水、水素または窒素酸化物等の不純物濃度が低減されていることが好ましい。例えば、絶縁体224の水素の脱離量は、昇温脱離ガス分析法(TDS(Thermal Desorption Spectroscopy))において、50℃から500℃の範囲において、水素分子に換算した脱離量が、絶縁体224の面積当たりに換算して、2×1015molecules/cm2以下、好ましくは1×1015molecules/cm2以下、より好ましくは5×1014molecules/cm2以下であればよい。また、絶縁体224は、加熱により酸素が放出される絶縁体を用いて形成することが好ましい。Further, it is preferable that the concentration of impurities such as water, hydrogen, or nitrogen oxides in the
絶縁体412は、第1のゲート絶縁膜として機能でき、絶縁体220、絶縁体222、および絶縁体224は、第2のゲート絶縁膜として機能できる。なお、トランジスタ200では、絶縁体220、絶縁体222、および絶縁体224を積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、絶縁体220、絶縁体222、および絶縁体224のうちいずれか2層を積層した構造にしてもよいし、いずれか1層を用いる構造にしてもよい。
金属酸化物406は、酸化物半導体として機能する金属酸化物を用いることが好ましい。金属酸化物としては、エネルギーギャップが2eV以上、好ましくは2.5eV以上のものを用いることが好ましい。このように、エネルギーギャップの広い金属酸化物を用いることで、トランジスタのオフ電流を低減することができる。 A metal oxide that functions as an oxide semiconductor is preferably used as the
金属酸化物を用いたトランジスタは、非導通状態において極めてリーク電流が小さいため、低消費電力の半導体装置が提供できる。また、金属酸化物は、スパッタリング法等を用いて成膜できるため、高集積型の半導体装置を構成するトランジスタに用いることができる。 Since a transistor using a metal oxide has extremely low leakage current in a non-conducting state, a semiconductor device with low power consumption can be provided. Further, since a metal oxide can be deposited by a sputtering method or the like, it can be used for a transistor included in a highly integrated semiconductor device.
金属酸化物406は、少なくともインジウムまたは亜鉛を含むことが好ましい。特にインジウムおよび亜鉛を含むことが好ましい。また、それらに加えて、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズ等が含まれていることが好ましい。また、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウム等から選ばれた一種、または複数種が含まれていてもよい。
ここでは、金属酸化物406が、インジウム、元素Mおよび亜鉛を有するIn-M-Zn酸化物である場合を考える。なお、元素Mは、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズ等とする。そのほかの元素Mに適用可能な元素としては、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、マグネシウム等がある。ただし、元素Mとして、前述の元素を複数組み合わせても構わない場合がある。 Consider now that the
なお、本明細書等において、窒素を有する金属酸化物も金属酸化物(metal oxide)と総称する場合がある。また、窒素を有する金属酸化物を、金属酸窒化物(metal oxynitride)と呼称してもよい。 In this specification and the like, metal oxides containing nitrogen may also be collectively referred to as metal oxides. Metal oxides containing nitrogen may also be referred to as metal oxynitrides.
ここで、金属酸化物406aに用いる金属酸化物において、構成元素中の元素Mの原子数比が、金属酸化物406bに用いる金属酸化物における、構成元素中の元素Mの原子数比より大きいことが好ましい。また、金属酸化物406aに用いる金属酸化物において、Inに対する元素Mの原子数比が、金属酸化物406bに用いる金属酸化物における、Inに対する元素Mの原子数比より大きいことが好ましい。また、金属酸化物406bに用いる金属酸化物において、元素Mに対するInの原子数比が、金属酸化物406aに用いる金属酸化物における、元素Mに対するInの原子数比より大きいことが好ましい。 Here, in the metal oxide used for the
以上のような金属酸化物を金属酸化物406aとして用いて、金属酸化物406aの伝導帯下端のエネルギーが、金属酸化物406bの伝導帯下端のエネルギーが低い領域における、伝導帯下端のエネルギーより高くなることが好ましい。また、言い換えると、金属酸化物406aの電子親和力が、金属酸化物406bの伝導帯下端のエネルギーが低い領域における電子親和力より小さいことが好ましい。 When the above metal oxide is used as the
ここで、金属酸化物406aおよび金属酸化物406bにおいて、伝導帯下端のエネルギー準位はなだらかに変化する。換言すると、連続的に変化または連続接合するともいうことができる。このようにするためには、金属酸化物406aと金属酸化物406bとの界面において形成される混合層の欠陥準位密度を低くするとよい。 Here, in the
具体的には、金属酸化物406aと金属酸化物406bが、酸素以外に共通の元素を有する(主成分とする)ことで、欠陥準位密度が低い混合層を形成することができる。例えば、金属酸化物406bがIn-Ga-Zn酸化物の場合、金属酸化物406aとして、In-Ga-Zn酸化物、Ga-Zn酸化物、酸化ガリウム等を用いるとよい。 Specifically, when the
このとき、キャリアの主たる経路は金属酸化物406bに形成されるナローギャップ部分となる。金属酸化物406aと金属酸化物406bとの界面における欠陥準位密度を低くすることができるため、界面散乱によるキャリア伝導への影響が小さく、高いオン電流が得られる。 At this time, the main path of carriers becomes the narrow gap portion formed in the
また、金属酸化物406は、領域426a、領域426b、および領域426cを有する。領域426aは、図27(B)に示すように、領域426bと領域426cに挟まれる。領域426bおよび領域426cは、絶縁体225の成膜により低抵抗化された領域であり、領域426aより導電性が高い領域となる。領域426bおよび領域426cは、絶縁体225の成膜雰囲気に含まれる、水素または窒素等の不純物元素が添加される。これにより、金属酸化物406bの絶縁体225と重なる領域を中心に、添加された不純物元素により酸素欠損が形成され、さらに当該不純物元素が酸素欠損に入り込むことで、キャリア密度が高くなり、低抵抗化される。
よって、領域426bおよび領域426cは、領域426aより、水素および窒素の少なくとも一方の濃度が大きくなることが好ましい。水素または窒素の濃度は、二次イオン質量分析法(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometry)等を用いて測定すればよい。ここで、領域426aの水素または窒素の濃度としては、金属酸化物406bの絶縁体412と重なる領域の中央近傍(例えば、金属酸化物406bの絶縁体412のチャネル長方向の両側面からの距離が概略等しい部分)の水素または窒素の濃度を測定すればよい。 Therefore, the
なお、領域426bおよび領域426cは、酸素欠損を形成する元素、または酸素欠損と結合する元素を添加されることで低抵抗化される。このような元素としては、代表的には水素、ホウ素、炭素、窒素、フッ素、リン、硫黄、塩素、チタン、希ガス等が挙げられる。また、希ガス元素の代表例としては、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、およびキセノン等がある。よって、領域426bおよび領域426cは、上記元素の一つまたは複数を含む構成にすればよい。 Note that the resistance of the
また、金属酸化物406aは、領域426bおよび領域426cにおいて、元素Mに対するInの原子数比が、金属酸化物406bの元素Mに対するInの原子数比と同程度になることが好ましい。言い換えると、金属酸化物406aは、領域426bおよび領域426cにおける元素Mに対するInの原子数比が、領域426aにおける元素Mに対するInの原子数比より大きいことが好ましい。ここで、金属酸化物406は、インジウムの含有率を高くすることで、キャリア密度を高くし、低抵抗化を図ることができる。このような構成にすることにより、トランジスタ200の作製工程において、金属酸化物406bの膜厚が薄くなり、金属酸化物406bの電気抵抗が大きくなった場合でも、領域426bおよび領域426cにおいて、金属酸化物406aが十分低抵抗化されており、金属酸化物406の領域426bおよび領域426cはソース領域およびドレイン領域として機能させることができる。 In the
図27(B)に示す領域426a近傍の拡大図を、図28(A)に示す。図28(A)に示すように、領域426bおよび領域426cは、金属酸化物406の少なくとも絶縁体225と重なる領域に形成される。ここで、金属酸化物406bの領域426bおよび領域426cの一方は、ソース領域として機能でき、他方はドレイン領域として機能できる。また、金属酸化物406bの領域426aはチャネル形成領域として機能できる。 An enlarged view of the vicinity of the
なお、図27(B)および図28(A)では、領域426a、領域426b、および領域426cが、金属酸化物406bおよび金属酸化物406aに形成されているが、これらの領域は少なくとも金属酸化物406bに形成されていればよい。また、図27(B)等では、領域426aと領域426bの境界、および領域426aと領域426cの境界を金属酸化物406の上面に対して略垂直に表示しているが、本実施の形態はこれに限られるものではない。例えば、領域426bおよび領域426cが金属酸化物406bの表面近傍では導電体404側に張り出し、金属酸化物406aの下面近傍では、絶縁体225側に後退する形状になる場合がある。 Note that although the
トランジスタ200では、図28(A)に示すように、領域426bおよび領域426cが、金属酸化物406の絶縁体225と接する領域と、絶縁体418、および絶縁体412の両端部近傍と重なる領域に形成される。このとき、領域426bおよび領域426cの導電体404と重なる部分は、所謂オーバーラップ領域(Lov領域ともいう)として機能する。Lov領域を有する構造とすることで、金属酸化物406のチャネル形成領域と、ソース領域およびドレイン領域との間に高抵抗領域が形成されないため、トランジスタのオン電流および移動度を大きくすることができる。 In the
ただし、本実施の形態に示す半導体装置はこれに限られるものではない。例えば、図28(B)に示すように、領域426bおよび領域426cが、金属酸化物406の絶縁体225および絶縁体418と重なる領域に形成される構成にしてもよい。なお、図28(B)に示す構成を別言すると、導電体404のチャネル長方向の幅と、領域426aとの幅と、が概略一致している構成である。図28(B)に示す構成とすることで、ソース領域およびドレイン領域との間に高抵抗領域が形成されないため、トランジスタのオン電流を大きくすることができる。また、図28(B)に示す構成とすることで、チャネル長方向において、ソース領域およびドレイン領域と、ゲートとが重ならないため、不要な容量が形成されるのを抑制することができる。 However, the semiconductor device described in this embodiment is not limited to this. For example, as shown in FIG. 28B, a structure in which the
このように、領域426bおよび領域426cの範囲を適宜選択することにより、回路設計に合わせて、要求に見合う電気特性を有するトランジスタを容易に提供することができる。 Thus, by appropriately selecting the ranges of the
絶縁体412は、金属酸化物406bの上面に接して配置されることが好ましい。絶縁体412は、加熱により酸素が放出される絶縁体を用いて形成することが好ましい。このような絶縁体412を金属酸化物406bの上面に接して設けることにより、金属酸化物406bに効果的に酸素を供給することができる。また、絶縁体224と同様に、絶縁体412中の水または水素等の不純物濃度が低減されていることが好ましい。絶縁体412の膜厚は、1nm以上20nm以下とするのが好ましく、例えば、1nm程度の膜厚にすればよい。
絶縁体412は酸素を含むことが好ましい。例えば、昇温脱離ガス分光法分析(TDS分析)にて、100℃以上700℃以下または100℃以上500℃以下の表面温度の範囲で、酸素分子の脱離量を絶縁体412の面積当たりに換算して、1×1014molecules/cm2以上、好ましくは2×1014molecules/cm2以上、より好ましくは4×1014molecules/cm2以上であればよい。The
絶縁体412、導電体404、および絶縁体419は、金属酸化物406bと重なる領域を有する。また、絶縁体412、導電体404a、導電体404b、および絶縁体419の側面は略一致することが好ましい。
導電体404aとして、導電性酸化物を用いることが好ましい。例えば、金属酸化物406aまたは金属酸化物406bとして用いることができる金属酸化物を用いることができる。特に、In-Ga-Zn系酸化物のうち、導電性が高い、金属の原子数比が[In]:[Ga]:[Zn]=4:2:3から4.1、およびその近傍値のものを用いることが好ましい。このような導電体404aを設けることで、導電体404bへの酸素の透過を抑制し、酸化によって導電体404bの電気抵抗値が増加することを防ぐことができる。 A conductive oxide is preferably used as the
また、このような導電性酸化物を、スパッタリング法を用いて成膜することで、絶縁体412に酸素を添加し、金属酸化物406bに酸素を供給することが可能となる。これにより、金属酸化物406の領域426aの酸素欠損を低減することができる。 By forming such a conductive oxide by a sputtering method, oxygen can be added to the
導電体404bは、例えばタングステン等の金属を用いることができる。また、導電体404bとして、導電体404aに窒素等の不純物を添加して導電体404aの導電性を向上できる導電体を用いてもよい。例えば導電体404bは、窒化チタン等を用いることが好ましい。また、導電体404bを、窒化チタン等の金属窒化物と、その上にタングステン等の金属を積層した構造にしてもよい。 A metal such as tungsten can be used for the
ここで、ゲート電極の機能を有する導電体404が、絶縁体412を介して、金属酸化物406bの領域426a近傍の上面およびチャネル幅方向の側面を覆うように設けられる。従って、ゲート電極としての機能を有する導電体404の電界によって、金属酸化物406bの領域426a近傍の上面およびチャネル幅方向の側面を電気的に取り囲むことができる。導電体404の電界によって、チャネル形成領域を電気的に取り囲むトランジスタの構造を、surrounded channel(s-channel)構造とよぶ。そのため、金属酸化物406bの領域426a近傍の上面およびチャネル幅方向の側面にチャネルを形成することができるので、ソース-ドレイン間に大電流を流すことができ、導通時の電流(オン電流)を大きくすることができる。また、金属酸化物406bの領域426a近傍の上面およびチャネル幅方向の側面が、導電体404の電界によって取り囲まれていることから、非導通時のリーク電流(オフ電流)を小さくすることができる。 Here, a
導電体404bの上に絶縁体419が配置されることが好ましい。また、絶縁体419、導電体404a、導電体404b、および絶縁体412の側面は略一致することが好ましい。絶縁体419は、原子層堆積(ALD:Atomic Layer Deposition)法を用いて成膜することが好ましい。これにより、絶縁体419の膜厚を1nm以上20nm以下程度、好ましくは5nm以上10nm以下程度で成膜することができる。ここで、絶縁体419は、絶縁体418と同様に、水または水素等の不純物、および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いることが好ましく、例えば、酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウム等を用いることが好ましい。 An
このような絶縁体419を設けることにより、水または水素等の不純物、および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体419と絶縁体418で導電体404の上面と側面を覆うことができる。これにより、導電体404を介して、水または水素等の不純物が金属酸化物406に混入することを防ぐことができる。このように、絶縁体418と絶縁体419はゲートを保護するゲートキャップとしての機能を有する。 By providing such an
絶縁体418は、絶縁体412、導電体404、および絶縁体419の側面に接して設けられる。また、絶縁体418の上面は、絶縁体419の上面に略一致することが好ましい。絶縁体418は、ALD法を用いて成膜することが好ましい。これにより、絶縁体418の膜厚を1nm以上20nm以下程度、好ましくは1nm以上3nm以下程度、例えば1nmで成膜することができる。 The
上記の通り、金属酸化物406の領域426bおよび領域426cは、絶縁体225の成膜で添加された不純物元素によって形成される。トランジスタが微細化され、チャネル長が10nm乃至30nm程度に形成されている場合、ソース領域またはドレイン領域に含まれる不純物元素が拡散し、ソース領域とドレイン領域が電気的に導通する恐れがある。これに対して、本実施の形態に示すように、絶縁体418を形成することにより、金属酸化物406の絶縁体225と接する領域どうしの間の距離を大きくすることができるので、ソース領域とドレイン領域が電気的に導通することを防ぐことができる。さらに、ALD法を用いて、絶縁体418を形成することで、微細化されたチャネル長と同程度以下の膜厚にし、必要以上にソース領域とドレイン領域の距離が広がって、抵抗が増大することをふせぐことができる。 As described above, the
ここで、絶縁体418は、水または水素等の不純物、および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いることが好ましく、例えば、酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウム等を用いることが好ましい。これにより、絶縁体412中の酸素が外部に拡散することを防ぐことができる。また、絶縁体412の端部等から金属酸化物406に水素、水等の不純物が浸入するのを抑制することができる。 Here, for the
絶縁体418は、ALD法を用いて絶縁膜を成膜してから、異方性エッチングを行って、当該絶縁膜のうち、絶縁体412、導電体404、および絶縁体419の側面に接する部分を残存させて形成することが好ましい。これにより、上記のように膜厚の薄い絶縁体を容易に形成することができる。また、このとき、導電体404の上に、絶縁体419を設けておくことで、当該異方性エッチングで絶縁体419が一部除去されても、絶縁体418の絶縁体412および導電体404に接する部分を十分残存させることができる。 The
絶縁体225は、絶縁体419、絶縁体418、金属酸化物406および絶縁体224を覆って設けられる。ここで、絶縁体225は、絶縁体419および絶縁体418の上面に接し、かつ絶縁体418の側面に接して設けられる。絶縁体225は、上述の通り、水素または窒素等の不純物を金属酸化物406に添加して、領域426bおよび領域426cを形成する。このため、絶縁体225は、水素および窒素の少なくとも一方を有することが好ましい。
また、絶縁体225は、金属酸化物406bの上面に加えて、金属酸化物406bの側面および金属酸化物406aの側面に接して設けられることが好ましい。これにより、領域426bおよび領域426cにおいて、金属酸化物406bの側面および金属酸化物406aの側面まで低抵抗化することができる。 Further, the
また、絶縁体225は、水または水素等の不純物、および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いることが好ましい。例えば、絶縁体225として、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム等を用いることが好ましい。このような絶縁体225を形成することで、絶縁体225を透過して酸素が浸入し、領域426bおよび領域426cの酸素欠損に酸素を供給して、キャリア密度が低下するのを防ぐことができる。また、絶縁体225を透過して水または水素等の不純物が浸入し、領域426bおよび領域426cが過剰に領域426a側に拡張するのを防ぐことができる。 For the
絶縁体225の上に絶縁体280を設けることが好ましい。絶縁体280は、絶縁体224等と同様に、膜中の水または水素等の不純物濃度が低減されていることが好ましい。 An
絶縁体280および絶縁体225に形成された開口に導電体450aおよび導電体451aと、導電体450bおよび導電体451bと、が配置される。導電体450aおよび導電体451aと、導電体450bおよび導電体451bと、は、導電体404を挟んで対向して設けられることが好ましい。 The
ここで、絶縁体280および絶縁体225の開口の内壁に接して導電体450aが形成され、さらに内側に導電体451aが形成されている。当該開口の底部の少なくとも一部には金属酸化物406の領域426bが位置しており、導電体450aは領域426bと接する。同様に、絶縁体280および絶縁体225の開口の内壁に接して導電体450bが形成され、さらに内側に導電体451bが形成されている。当該開口の底部の少なくとも一部には金属酸化物406の領域426cが位置しており、導電体450bは領域426cと接する。 A
ここで、図27(A)にA5-A6の一点鎖線で示す部位の断面図を図29(A)に示す。なお、図29(A)では、導電体450bおよび導電体451bの断面図を示すが、導電体450aおよび導電体451aの構造も同様である。 Here, FIG. 29A shows a cross-sectional view of the portion indicated by the dashed-dotted line A5-A6 in FIG. 27A. Note that although FIG. 29A shows a cross-sectional view of the
図27(B)および図29(A)に示すように、導電体450bは、少なくとも金属酸化物406の上面と接し、さらに金属酸化物406の側面と接することが好ましい。特に、図29(A)に示すように、導電体450bは、金属酸化物406のチャネル幅方向のA5側の側面およびA6側の側面双方、または一方と接することが好ましい。また、図27(B)に示すように、導電体450bが、金属酸化物406のチャネル長方向のA2側の側面と接する構成にしてもよい。このように、導電体450bが金属酸化物406の上面に加えて、金属酸化物406の側面と接する構成にすることにより、導電体450bと金属酸化物406のコンタクト部の上面積を増やすことなく、コンタクト部の接触面積を増加させ、導電体450bと金属酸化物406の接触抵抗を低減することができる。これにより、トランジスタのソース電極およびドレイン電極の微細化を図りつつ、オン電流を大きくすることができる。なお、導電体450aおよび導電体451aについても上記と同様のことが言える。 As shown in FIGS. 27B and 29A, the
ここで、導電体450aはトランジスタ200のソース領域およびドレイン領域の一方として機能する領域426bと接しており、導電体450bはトランジスタ200のソース領域およびドレイン領域の他方として機能する領域426cと接している。よって、導電体450aおよび導電体451aはソース電極およびドレイン電極の一方として機能でき、導電体450bおよび導電体451bはソース電極およびドレイン電極の他方として機能できる。領域426bおよび領域426cは低抵抗化されているので、導電体450aと領域426bの接触抵抗、および導電体450bと領域426cの接触抵抗を低減し、トランジスタ200のオン電流を大きくすることができる。 Here,
ここで、導電体450aおよび導電体450bは、導電体310a等と同様に、水または水素等の不純物の透過を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。例えば、タンタル、窒化タンタル、チタン、窒化チタン、ルテニウムまたは酸化ルテニウム等を用いることが好ましく、単層または積層とすればよい。これにより、絶縁体280より上層から水素、水等の不純物が導電体451aおよび導電体451bを通じて金属酸化物406に混入するのを抑制することができる。 Here, for the
また、導電体451aおよび導電体451bは、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。また、図示しないが、導電体451aおよび導電体451bは積層構造としても良く、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。 A conductive material containing tungsten, copper, or aluminum as its main component is preferably used for the
なお、図27(B)および図29(A)では、導電体450aおよび導電体450bが、金属酸化物406aおよび金属酸化物406bの両方と接しているが、これに限られず、例えば、金属酸化物406bのみと接する構成にしてもよい。また、導電体450a、導電体451a、導電体450b、および導電体451bの上面の高さは同程度にできる。また、トランジスタ200では、導電体450aと導電体451aを積層にし、導電体450bと導電体451bを積層にする構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体451aと導電体451bのみを設ける構成にしてもよい。 27B and 29A, the
また、図27(B)および図29(A)では、絶縁体224が、導電体450b(導電体450a)が設けられる開口の底部になっているが、本実施の形態はこれに限られるものではない。図29(B)に示すように、絶縁体222が、導電体450aおよび導電体450bが設けられる開口の底部になる場合もある。図29(A)に示す場合は、導電体450b(導電体450a)が、絶縁体224、金属酸化物406a、金属酸化物406b、絶縁体225、および絶縁体280と接する。図29(B)に示す場合では、導電体450b(導電体450a)が、絶縁体222、絶縁体224、金属酸化物406a、金属酸化物406b、絶縁体225、および絶縁体280と接する。 27B and 29A, the
次に、トランジスタ200の構成材料について説明する。 Next, constituent materials of the
<<基板>>
トランジスタ200を形成する基板としては、例えば、絶縁体基板、半導体基板または導電体基板を用いればよい。絶縁体基板としては、例えば、ガラス基板、石英基板、サファイア基板、安定化ジルコニア基板(イットリア安定化ジルコニア基板等)、樹脂基板等がある。また、半導体基板としては、例えば、シリコン、ゲルマニウム等の半導体基板、または炭化シリコン、シリコンゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、酸化亜鉛、酸化ガリウムからなる化合物半導体基板等がある。さらには、前述の半導体基板内部に絶縁体領域を有する半導体基板、例えばSOI(Silicon On Insulator)基板等がある。導電体基板としては、黒鉛基板、金属基板、合金基板、導電性樹脂基板等がある。または、金属の窒化物を有する基板、金属の酸化物を有する基板等がある。さらには、絶縁体基板に導電体または半導体が設けられた基板、半導体基板に導電体または絶縁体が設けられた基板、導電体基板に半導体または絶縁体が設けられた基板等がある。または、これらの基板に素子が設けられたものを用いてもよい。基板に設けられる素子としては、容量素子、抵抗素子、スイッチ素子、発光素子、記憶素子等がある。<<Substrate>>
As a substrate for forming the
また、基板として、可とう性基板を用いてもよい。なお、可とう性基板上にトランジスタを設ける方法としては、非可とう性の基板上にトランジスタを作製した後、トランジスタを剥離し、可とう性基板である基板に転置する方法もある。その場合には、非可とう性基板とトランジスタとの間に剥離層を設けるとよい。なお、基板として、繊維を編みこんだシート、フィルムまたは箔等を用いてもよい。また、基板が伸縮性を有してもよい。また、基板は、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に戻る性質を有してもよい。または、元の形状に戻らない性質を有してもよい。基板は、例えば、5μm以上700μm以下、好ましくは10μm以上500μm以下、さらに好ましくは15μm以上300μm以下の厚さとなる領域を有する。基板を薄くすると、トランジスタを有する半導体装置を軽量化することができる。また、基板を薄くすることで、ガラス等を用いた場合にも伸縮性を有する場合や、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に戻る性質を有する場合がある。そのため、落下等によって基板上の半導体装置に加わる衝撃等を緩和することができる。即ち、丈夫な半導体装置を提供することができる。 Also, a flexible substrate may be used as the substrate. Note that as a method for providing a transistor over a flexible substrate, there is also a method in which after manufacturing a transistor over a non-flexible substrate, the transistor is peeled off and transferred to a substrate that is a flexible substrate. In that case, a peeling layer may be provided between the non-flexible substrate and the transistor. As the substrate, a sheet, film, foil, or the like in which fibers are woven may be used. Also, the substrate may have stretchability. The substrate may also have the property of returning to its original shape when bending or pulling is ceased. Alternatively, it may have the property of not returning to its original shape. The substrate has a region with a thickness of, for example, 5 μm or more and 700 μm or less, preferably 10 μm or more and 500 μm or less, more preferably 15 μm or more and 300 μm or less. By thinning the substrate, the weight of a semiconductor device having a transistor can be reduced. Further, by making the substrate thin, even when glass or the like is used, it may have elasticity, or may have the property of returning to its original shape when bending or pulling is stopped. As a result, it is possible to mitigate the impact or the like applied to the semiconductor device on the substrate due to dropping or the like. That is, a durable semiconductor device can be provided.
可とう性基板である基板としては、例えば、金属、合金、樹脂もしくはガラス、またはそれらの繊維等を用いることができる。可とう性基板である基板は、線膨張率が低いほど環境による変形が抑制されて好ましい。可とう性基板である基板としては、例えば、線膨張率が1×10-3/K以下、5×10-5/K以下、または1×10-5/K以下である材質を用いればよい。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド(ナイロン、アラミド等)、ポリイミド、ポリカーボネート、アクリル等がある。特に、アラミドは、線膨張率が低いため、可とう性基板である基板として好適である。As the flexible substrate, for example, metal, alloy, resin, glass, or fiber thereof can be used. The substrate, which is a flexible substrate, preferably has a lower coefficient of linear expansion because deformation due to the environment is suppressed. As the flexible substrate, for example, a material having a coefficient of linear expansion of 1×10 −3 /K or less, 5×10 −5 /K or less, or 1×10 −5 /K or less may be used. . Examples of resins include polyester, polyolefin, polyamide (nylon, aramid, etc.), polyimide, polycarbonate, acrylic, and the like. In particular, aramid has a low coefficient of linear expansion, so it is suitable as a flexible substrate.
<<絶縁体>>
絶縁体としては、絶縁性を有する酸化物、窒化物、酸化窒化物、窒化酸化物、金属酸化物、金属酸化窒化物、金属窒化酸化物等がある。<<insulator>>
As insulators, oxides, nitrides, oxynitrides, oxynitrides, metal oxides, metal oxynitrides, metal oxynitrides, and the like having insulating properties are given.
トランジスタを、水素等の不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体で囲うことによって、トランジスタの電気特性を安定にすることができる。例えば、絶縁体222、絶縁体214として、水素等の不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体を用いればよい。 By surrounding a transistor with an insulator having a function of suppressing permeation of impurities such as hydrogen and oxygen, electrical characteristics of the transistor can be stabilized. For example, an insulator having a function of suppressing permeation of impurities such as hydrogen and oxygen may be used as the
水素等の不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。 Examples of insulators having a function of suppressing permeation of impurities such as hydrogen and oxygen include boron, carbon, nitrogen, oxygen, fluorine, magnesium, aluminum, silicon, phosphorus, chlorine, argon, gallium, germanium, yttrium, and zirconium. Insulators including lanthanum, neodymium, hafnium, or tantalum may be used in single layers or stacks.
また、例えば、絶縁体222および絶縁体214としては、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムまたは酸化タンタル等の金属酸化物、窒化酸化シリコンまたは窒化シリコン等を用いればよい。なお、絶縁体222および絶縁体214は、酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウム等を有することが好ましい。 Further, for example, the
絶縁体384、絶縁体216、絶縁体220、絶縁体224および絶縁体412としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。例えば、絶縁体384、絶縁体216、絶縁体220、絶縁体224および絶縁体412としては、酸化シリコン、酸化窒化シリコンまたは、窒化シリコンを有することが好ましい。
絶縁体220、絶縁体222、絶縁体224、および/または絶縁体412は、比誘電率の高い絶縁体を有することが好ましい。例えば、絶縁体220、絶縁体222、絶縁体224、および/または絶縁体412は、酸化ガリウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、アルミニウムおよびハフニウムを有する酸化物、アルミニウムおよびハフニウムを有する酸化窒化物、シリコンおよびハフニウムを有する酸化物、シリコンおよびハフニウムを有する酸化窒化物またはシリコンおよびハフニウムを有する窒化物等を有することが好ましい。または、絶縁体220、絶縁体222、絶縁体224、および/または絶縁体412は、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンと、比誘電率の高い絶縁体と、の積層構造を有することが好ましい。酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため、比誘電率の高い絶縁体と組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の高い積層構造とすることができる。例えば、絶縁体224および絶縁体412において、酸化アルミニウム、酸化ガリウムまたは酸化ハフニウムを金属酸化物406と接する構造とすることで、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンに含まれるシリコンが、金属酸化物406に混入することを抑制することができる。また、例えば、絶縁体224および絶縁体412において、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを金属酸化物406と接する構造とすることで、酸化アルミニウム、酸化ガリウムまたは酸化ハフニウムと、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンと、の界面にトラップセンターが形成される場合がある。該トラップセンターは、電子を捕獲することでトランジスタのしきい値電圧をプラス方向に変動させることができる場合がある。
絶縁体384、絶縁体216、および絶縁体280は、比誘電率の低い絶縁体を有することが好ましい。例えば、絶縁体384、絶縁体216、および絶縁体280は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンまたは樹脂等を有することが好ましい。または、絶縁体384、絶縁体216、および絶縁体280は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコンまたは空孔を有する酸化シリコンと、樹脂と、の積層構造を有することが好ましい。酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため、樹脂と組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の低い積層構造とすることができる。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド(ナイロン、アラミド等)、ポリイミド、ポリカーボネートまたはアクリル等がある。
絶縁体418および絶縁体419としては、水素等の不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体を用いればよい。絶縁体418および絶縁体419としては、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジムまたは酸化タンタル等の金属酸化物、窒化酸化シリコンまたは窒化シリコン等を用いればよい。 As the
<<導電体>>
導電体404a、導電体404b、導電体310a、導電体310b、導電体450a、導電体450b、導電体451aおよび導電体451bとしては、アルミニウム、クロム、銅、銀、金、白金、タンタル、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、インジウム、ルテニウム等から選ばれた金属元素を1種以上含む材料を用いることができる。また、リン等の不純物元素を含有させた多結晶シリコンに代表される、電気伝導度が高い半導体、ニッケルシリサイド等のシリサイドを用いてもよい。<<Conductor>>
また、上記導電体、特に導電体404a、導電体310a、導電体450a、および導電体450bとして、金属酸化物406に適用可能な金属酸化物に含まれる金属元素および酸素を含む導電性材料を用いてもよい。また、前述した金属元素および窒素を含む導電性材料を用いてもよい。例えば、窒化チタン、窒化タンタル等の窒素を含む導電性材料を用いてもよい。また、インジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、シリコンを添加したインジウム錫酸化物を用いてもよい。また、窒素を含むインジウムガリウム亜鉛酸化物を用いてもよい。このような材料を用いることで、金属酸化物406に含まれる水素を捕獲することができる場合がある。または、外方の絶縁体等から混入する水素を捕獲することができる場合がある。 A conductive material containing oxygen and a metal element contained in a metal oxide that can be applied to the
また、上記の材料で形成される導電層を複数積層して用いてもよい。例えば、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。また、前述した金属元素を含む材料と、窒素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。また、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、窒素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。 Alternatively, a plurality of conductive layers formed using any of the above materials may be stacked and used. For example, a laminated structure in which the material containing the metal element described above and the conductive material containing oxygen are combined may be used. Alternatively, a laminated structure may be employed in which the material containing the metal element described above and the conductive material containing nitrogen are combined. Alternatively, a laminated structure may be employed in which the material containing the metal element described above, the conductive material containing oxygen, and the conductive material containing nitrogen are combined.
なお、トランジスタのチャネル形成領域に酸化物を用いる場合は、ゲート電極として前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造を用いることが好ましい。この場合は、酸素を含む導電性材料をチャネル形成領域側に設けるとよい。酸素を含む導電性材料をチャネル形成領域側に設けることで、当該導電性材料から離脱した酸素がチャネル形成領域に供給されやすくなる。 Note that in the case where oxide is used for a channel formation region of a transistor, it is preferable to use a layered structure in which a material containing the metal element described above and a conductive material containing oxygen are combined for the gate electrode. In this case, a conductive material containing oxygen is preferably provided on the channel formation region side. By providing the conductive material containing oxygen on the channel formation region side, oxygen released from the conductive material is easily supplied to the channel formation region.
<<金属酸化物406に適用可能な金属酸化物>>
以下に、本発明に係る金属酸化物406について説明する。金属酸化物406として、酸化物半導体として機能する金属酸化物を用いることが好ましい。<<Metal Oxide Applicable to
The
金属酸化物406は、少なくともインジウムまたは亜鉛を含むことが好ましい。特にインジウムおよび亜鉛を含むことが好ましい。また、それらに加えて、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズ等が含まれていることが好ましい。また、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウム等から選ばれた一種、または複数種が含まれていてもよい。
ここで、金属酸化物406が、インジウム、元素Mおよび亜鉛を有する場合を考える。なお、金属酸化物406が有するインジウム、元素M、および亜鉛の原子数比のそれぞれの項を[In]、[M]、および[Zn]とする。 Now consider the case where
以下に、図30(A)、図30(B)、および図30(C)を用いて、金属酸化物406が有するインジウム、元素Mおよび亜鉛の原子数比の好ましい範囲について説明する。なお、図30(A)、図30(B)、および図30(C)には、酸素の原子数比については記載しない。また、金属酸化物406が有するインジウム、元素M、および亜鉛の原子数比のそれぞれの項を[In]、[M]、および[Zn]とする。 A preferable range of the atomic number ratio of indium, element M, and zinc in the
図30(A)、図30(B)、および図30(C)において、破線は、[In]:[M]:[Zn]=(1+α):(1-α):1の原子数比(-1≦α≦1)となるライン、[In]:[M]:[Zn]=(1+α):(1-α):2の原子数比となるライン、[In]:[M]:[Zn]=(1+α):(1-α):3の原子数比となるライン、[In]:[M]:[Zn]=(1+α):(1-α):4の原子数比となるライン、および[In]:[M]:[Zn]=(1+α):(1-α):5の原子数比となるラインを表す。 In FIGS. 30(A), 30(B), and 30(C), the dashed lines indicate the atomic ratio of [In]:[M]:[Zn]=(1+α):(1−α):1. (-1 ≤ α ≤ 1), a line [In]: [M]: [Zn] = (1 + α): (1-α): a line with an atomic ratio of 2, [In]: [M] : [Zn] = (1 + α): (1-α): A line with an atomic number ratio of 3, [In]: [M]: [Zn] = (1 + α): (1-α): 4 atomic number A line that gives a ratio and a line that gives an atomic number ratio of [In]:[M]:[Zn]=(1+α):(1−α):5.
また、一点鎖線は、[In]:[M]:[Zn]=5:1:βの原子数比(β≧0)となるライン、[In]:[M]:[Zn]=2:1:βの原子数比となるライン、[In]:[M]:[Zn]=1:1:βの原子数比となるライン、[In]:[M]:[Zn]=1:2:βの原子数比となるライン、[In]:[M]:[Zn]=1:3:βの原子数比となるライン、および[In]:[M]:[Zn]=1:4:βの原子数比となるラインを表す。 In addition, the dashed-dotted line is a line with an atomic ratio of [In]:[M]:[Zn]=5:1:β (β≧0), [In]:[M]:[Zn]=2: A line with an atomic ratio of 1:β, [In]:[M]:[Zn]=1:1: A line with an atomic ratio of β, [In]:[M]:[Zn]=1: A line with an atomic ratio of 2:β, a line with an atomic ratio of [In]:[M]:[Zn]=1:3:β, and [In]:[M]:[Zn]=1 : represents a line with an atomic number ratio of 4:β.
また、図30(A)、図30(B)、および図30(C)に示す、[In]:[M]:[Zn]=0:2:1の原子数比、およびその近傍値の金属酸化物は、スピネル型の結晶構造をとりやすい。 30(A), 30(B), and 30(C), the atomic number ratio of [In]:[M]:[Zn]=0:2:1 and its neighboring values Metal oxides tend to have a spinel crystal structure.
また、金属酸化物中に複数の相が共存する場合がある(二相共存、三相共存等)。例えば、原子数比が[In]:[M]:[Zn]=0:2:1の近傍値である場合、スピネル型の結晶構造と層状の結晶構造との二相が共存しやすい。また、原子数比が[In]:[M]:[Zn]=1:0:0の近傍値である場合、ビックスバイト型の結晶構造と層状の結晶構造との二相が共存しやすい。金属酸化物中に複数の相が共存する場合、異なる結晶構造の間において、結晶粒界が形成される場合がある。 Moreover, a plurality of phases may coexist in the metal oxide (two-phase coexistence, three-phase coexistence, etc.). For example, when the atomic number ratio is close to [In]:[M]:[Zn]=0:2:1, two phases, a spinel crystal structure and a layered crystal structure, tend to coexist. Moreover, when the atomic number ratio is close to [In]:[M]:[Zn]=1:0:0, two phases of a bixbyite crystal structure and a layered crystal structure tend to coexist. When multiple phases coexist in a metal oxide, grain boundaries may be formed between different crystal structures.
図30(A)に示す領域Aは、金属酸化物406が有する、インジウム、元素M、および亜鉛の原子数比の好ましい範囲の一例について示している。 Region A shown in FIG. 30A shows an example of a preferred range of the atomic number ratio of indium, element M, and zinc in
金属酸化物は、インジウムの含有率を高くすることで、金属酸化物のキャリア移動度(電子移動度)を高くすることができる。従って、インジウムの含有率が高い金属酸化物はインジウムの含有率が低い金属酸化物と比較してキャリア移動度が高くなる。 By increasing the indium content of the metal oxide, the carrier mobility (electron mobility) of the metal oxide can be increased. Therefore, a metal oxide with a high indium content has higher carrier mobility than a metal oxide with a low indium content.
一方、金属酸化物中のインジウムおよび亜鉛の含有率が低くなると、キャリア移動度が低くなる。従って、原子数比が[In]:[M]:[Zn]=0:1:0、およびその近傍値である場合(例えば図30(C)に示す領域C)は、絶縁性が高くなる。 On the other hand, lower contents of indium and zinc in the metal oxide result in lower carrier mobility. Therefore, when the atomic number ratio is [In]:[M]:[Zn]=0:1:0 and its neighboring values (for example, region C shown in FIG. 30(C)), the insulating property is high. .
例えば、金属酸化物406bに用いる金属酸化物は、キャリア移動度が高い、図30(A)の領域Aで示される原子数比を有することが好ましい。金属酸化物406bに用いる金属酸化物は、例えばIn:Ga:Zn=4:2:3から4.1、およびその近傍値程度になるようにすればよい。一方、金属酸化物406aに用いる金属酸化物は、絶縁性が比較的高い、図30(C)の領域Cで示される原子数比を有することが好ましい。金属酸化物406aに用いる金属酸化物は、例えばIn:Ga:Zn=1:3:4程度になるようにすればよい。 For example, the metal oxide used for the
特に、図30(B)に示す領域Bでは、領域Aの中でも、キャリア移動度が高く、信頼性が高い優れた金属酸化物が得られる。 In particular, in the region B shown in FIG. 30B, even in the region A, an excellent metal oxide with high carrier mobility and high reliability can be obtained.
なお、領域Bは、[In]:[M]:[Zn]=4:2:3から4.1、およびその近傍値を含む。近傍値には、例えば、[In]:[M]:[Zn]=5:3:4が含まれる。また、領域Bは、[In]:[M]:[Zn]=5:1:6、およびその近傍値、および[In]:[M]:[Zn]=5:1:7、およびその近傍値を含む。 Note that region B includes [In]:[M]:[Zn]=4:2:3 to 4.1 and their neighboring values. Neighborhood values include, for example, [In]:[M]:[Zn]=5:3:4. Also, region B has [In]:[M]:[Zn]=5:1:6 and its neighboring values, and [In]:[M]:[Zn]=5:1:7 and its Contains neighborhood values.
また、金属酸化物406として、In-M-Zn酸化物を用いる場合、スパッタリングターゲットとしては、多結晶のIn-M-Zn酸化物を含むターゲットを用いると好ましい。なお、成膜される金属酸化物の原子数比は、上記のスパッタリングターゲットに含まれる金属元素の原子数比のプラスマイナス40%の変動を含む。例えば、金属酸化物406に用いるスパッタリングターゲットの組成がIn:Ga:Zn=4:2:4.1[原子数比]の場合、成膜される金属酸化物の組成は、In:Ga:Zn=4:2:3[原子数比]の近傍となる場合がある。また、金属酸化物406に用いるスパッタリングターゲットの組成がIn:Ga:Zn=5:1:7[原子数比]の場合、成膜される金属酸化物の組成は、In:Ga:Zn=5:1:6[原子数比]の近傍となる場合がある。 Further, when In--M--Zn oxide is used as the
なお、金属酸化物が有する性質は、原子数比によって一義的に定まらない。同じ原子数比であっても、形成条件により、金属酸化物の性質が異なる場合がある。例えば、金属酸化物406をスパッタリング装置にて成膜する場合、ターゲットの原子数比からずれた原子数比の膜が形成される。また、成膜時の基板温度によっては、ターゲットの[Zn]よりも、膜の[Zn]が小さくなる場合がある。従って、図示する領域は、金属酸化物が特定の特性を有する傾向がある原子数比を示す領域であり、領域A乃至領域Cの境界は厳密ではない。 The properties of metal oxides are not uniquely determined by the atomic number ratio. Even if the atomic ratio is the same, the properties of the metal oxide may differ depending on the formation conditions. For example, when the
<<金属酸化物の構成>>
以下では、OSトランジスタに用いることができるCAC(Cloud-Aligned Composite)-OSの構成について説明する。<<Structure of Metal Oxide>>
A configuration of a CAC (Cloud-Aligned Composite)-OS that can be used for an OS transistor is described below.
なお、本明細書等において、CAAC(c-axis aligned crystal)、およびCAC(Cloud-Aligned Composite)と記載する場合がある。なお、CAACは結晶構造の一例を表し、CACは機能、または材料の構成の一例を表す。 In this specification and the like, it may be referred to as CAAC (c-axis aligned crystal) and CAC (cloud-aligned composite). Note that CAAC represents an example of a crystal structure, and CAC represents an example of a function or material configuration.
CAC-OSまたはCAC-metal oxideとは、材料の一部では導電性の機能と、材料の一部では絶縁性の機能とを有し、材料の全体では半導体としての機能を有する。なお、CAC-OSまたはCAC-metal oxideを、トランジスタの活性層に用いる場合、導電性の機能は、キャリアとなる電子(またはホール)を流す機能であり、絶縁性の機能は、キャリアとなる電子を流さない機能である。導電性の機能と、絶縁性の機能とを、それぞれ相補的に作用させることで、スイッチングさせる機能(On/Offさせる機能)をCAC-OSまたはCAC-metal oxideに付与することができる。CAC-OSまたはCAC-metal oxideにおいて、それぞれの機能を分離させることで、双方の機能を最大限に高めることができる。 CAC-OS or CAC-metal oxide has a conductive function in a part of the material, an insulating function in a part of the material, and a semiconductor function in the whole material. Note that when CAC-OS or CAC-metal oxide is used for an active layer of a transistor, the function of conductivity is to flow electrons (or holes) that serve as carriers, and the function of insulation is to flow electrons that serve as carriers. It is a function that does not flow A switching function (on/off function) can be imparted to the CAC-OS or CAC-metal oxide by causing the conductive function and the insulating function to act complementarily. By separating each function in CAC-OS or CAC-metal oxide, both functions can be maximized.
また、CAC-OSまたはCAC-metal oxideは、導電性領域、および絶縁性領域を有する。導電性領域は、上述の導電性の機能を有し、絶縁性領域は、上述の絶縁性の機能を有する。また、材料中において、導電性領域と、絶縁性領域とは、ナノ粒子レベルで分離している場合がある。また、導電性領域と、絶縁性領域とは、それぞれ材料中に偏在する場合がある。また、導電性領域は、周辺がぼけてクラウド状に連結して観察される場合がある。 CAC-OS or CAC-metal oxide also has a conductive region and an insulating region. The conductive regions have the above-described conductive function, and the insulating regions have the above-described insulating function. In some materials, the conductive region and the insulating region are separated at the nanoparticle level. Also, the conductive region and the insulating region may be unevenly distributed in the material. In addition, the conductive region may be observed to be connected like a cloud with its periphery blurred.
また、CAC-OSまたはCAC-metal oxideにおいて、導電性領域と、絶縁性領域とは、それぞれ0.5nm以上10nm以下、好ましくは0.5nm以上3nm以下のサイズで材料中に分散している場合がある。 In CAC-OS or CAC-metal oxide, the conductive region and the insulating region are each dispersed in the material with a size of 0.5 nm or more and 10 nm or less, preferably 0.5 nm or more and 3 nm or less. There is
また、CAC-OSまたはCAC-metal oxideは、異なるバンドギャップを有する成分により構成される。例えば、CAC-OSまたはCAC-metal oxideは、絶縁性領域に起因するワイドギャップを有する成分と、導電性領域に起因するナローギャップを有する成分と、により構成される。当該構成の場合、キャリアを流す際に、ナローギャップを有する成分において、主にキャリアが流れる。また、ナローギャップを有する成分が、ワイドギャップを有する成分に相補的に作用し、ナローギャップを有する成分に連動してワイドギャップを有する成分にもキャリアが流れる。このため、上記CAC-OSまたはCAC-metal oxideをトランジスタのチャネル領域に用いる場合、トランジスタのオン状態において高い電流駆動力、つまり大きなオン電流、および高い電界効果移動度を得ることができる。 Also, CAC-OS or CAC-metal oxide is composed of components having different bandgaps. For example, CAC-OS or CAC-metal oxide is composed of a component having a wide gap resulting from an insulating region and a component having a narrow gap resulting from a conductive region. In the case of this configuration, when the carriers flow, the carriers mainly flow in the component having the narrow gap. In addition, the component having a narrow gap acts complementarily on the component having a wide gap, and carriers also flow into the component having a wide gap in conjunction with the component having a narrow gap. Therefore, when the above CAC-OS or CAC-metal oxide is used for the channel region of a transistor, high current drivability, that is, large on-current and high field-effect mobility can be obtained in the on-state of the transistor.
すなわち、CAC-OSまたはCAC-metal oxideは、マトリックス複合材(matrix composite)、または金属マトリックス複合材(metal matrix composite)と呼称することもできる。 That is, CAC-OS or CAC-metal oxide can also be called a matrix composite or a metal matrix composite.
<<金属酸化物の構造>>
酸化物半導体は、単結晶酸化物半導体と、それ以外の非単結晶酸化物半導体と、に分けられる。非単結晶酸化物半導体としては、例えば、CAAC-OS(c-axis aligned crystalline oxide semiconductor)、多結晶酸化物半導体、nc-OS(nanocrystalline oxide semiconductor)、擬似非晶質酸化物半導体(a-like OS:amorphous-like oxide semiconductor)および非晶質酸化物半導体等がある。<<Structure of Metal Oxide>>
Oxide semiconductors are classified into single-crystal oxide semiconductors and non-single-crystal oxide semiconductors. Non-single-crystal oxide semiconductors include, for example, CAAC-OS (c-axis aligned crystalline oxide semiconductor), polycrystalline oxide semiconductors, nc-OS (nanocrystalline oxide semiconductors), pseudo-amorphous oxide semiconductors (a-like OS: amorphous-like oxide semiconductor), amorphous oxide semiconductor, and the like.
CAAC-OSは、c軸配向性を有し、かつa-b面方向において複数のナノ結晶が連結し、歪みを有した結晶構造となっている。なお、歪みとは、複数のナノ結晶が連結する領域において、格子配列の揃った領域と、別の格子配列の揃った領域と、の間で格子配列の向きが変化している箇所を指す。 CAAC-OS has a c-axis orientation and a distorted crystal structure in which a plurality of nanocrystals are connected in the ab plane direction. The strain refers to a portion where the orientation of the lattice arrangement changes between a region with a uniform lattice arrangement and another region with a uniform lattice arrangement in a region where a plurality of nanocrystals are connected.
ナノ結晶は、六角形を基本とするが、正六角形状とは限らず、非正六角形状である場合がある。また、歪みにおいて、五角形、および七角形等の格子配列を有する場合がある。なお、CAAC-OSにおいて、歪み近傍においても、明確な結晶粒界(グレインバウンダリーともいう)を確認することはできない。即ち、格子配列の歪みによって、結晶粒界の形成が抑制されていることがわかる。これは、CAAC-OSが、a-b面方向において酸素原子の配列が稠密でないことや、金属元素が置換することで原子間の結合距離が変化すること等によって、歪みを許容することができるためと考えられる。 Although nanocrystals are basically hexagonal, they are not limited to regular hexagons and may have non-regular hexagons. Also, the distortion may have a lattice arrangement of pentagons, heptagons, or the like. In CAAC-OS, a clear crystal grain boundary (also referred to as a grain boundary) cannot be confirmed even in the vicinity of strain. That is, it can be seen that the distortion of the lattice arrangement suppresses the formation of grain boundaries. This is because the CAAC-OS can tolerate distortion due to the fact that the arrangement of oxygen atoms is not dense in the ab plane direction and the bond distance between atoms changes due to the substitution of metal elements. It is considered to be for
また、CAAC-OSは、インジウム、および酸素を有する層(以下、In層)と、元素M、亜鉛、および酸素を有する層(以下、(M,Zn)層)とが積層した、層状の結晶構造(層状構造ともいう)を有する傾向がある。なお、インジウムと元素Mは、互いに置換可能であり、(M,Zn)層の元素Mがインジウムと置換した場合、(In,M,Zn)層と表すこともできる。また、In層のインジウムが元素Mと置換した場合、(In,M)層と表すこともできる。 CAAC-OS is a layered crystal in which a layer containing indium and oxygen (hereinafter referred to as an In layer) and a layer containing the element M, zinc, and oxygen (hereinafter referred to as a (M, Zn) layer) are stacked. It tends to have a structure (also called a layered structure). Note that indium and the element M can be substituted with each other, and when the element M in the (M, Zn) layer is substituted with indium, the layer can also be expressed as an (In, M, Zn) layer. In addition, when indium in the In layer is replaced with the element M, it can also be expressed as an (In, M) layer.
CAAC-OSは結晶性の高い酸化物半導体である。一方、CAAC-OSは、明確な結晶粒界を確認することはできないため、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。また、酸化物半導体の結晶性は不純物の混入や欠陥の生成等によって低下する場合があるため、CAAC-OSは不純物や欠陥(酸素欠損等)の少ない酸化物半導体ともいえる。従って、CAAC-OSを有する酸化物半導体は、物理的性質が安定する。そのため、CAAC-OSを有する酸化物半導体は熱に強く、信頼性が高い。 CAAC-OS is an oxide semiconductor with high crystallinity. On the other hand, since a clear grain boundary cannot be confirmed in CAAC-OS, it can be said that the decrease in electron mobility caused by the grain boundary is unlikely to occur. In addition, since the crystallinity of an oxide semiconductor may deteriorate due to contamination with impurities, generation of defects, or the like, CAAC-OS can be said to be an oxide semiconductor with few impurities and defects (such as oxygen vacancies). Therefore, an oxide semiconductor including CAAC-OS has stable physical properties. Therefore, an oxide semiconductor including CAAC-OS is resistant to heat and has high reliability.
nc-OSは、微小な領域(例えば、1nm以上10nm以下の領域、特に1nm以上3nm以下の領域)において原子配列に周期性を有する。また、nc-OSは、異なるナノ結晶間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、膜全体で配向性が見られない。したがって、nc-OSは、分析方法によっては、a-like OSや非晶質酸化物半導体と区別が付かない場合がある。 The nc-OS has periodic atomic arrangement in a minute region (eg, a region of 1 nm to 10 nm, particularly a region of 1 nm to 3 nm). Also, nc-OS shows no regularity in crystal orientation between different nanocrystals. Therefore, no orientation is observed in the entire film. Therefore, an nc-OS may be indistinguishable from an a-like OS or an amorphous oxide semiconductor depending on the analysis method.
a-like OSは、nc-OSと非晶質酸化物半導体との間の構造を有する酸化物半導体である。a-like OSは、鬆または低密度領域を有する。即ち、a-like OSは、nc-OSおよびCAAC-OSと比べて、結晶性が低い。 An a-like OS is an oxide semiconductor having a structure between an nc-OS and an amorphous oxide semiconductor. An a-like OS has void or low density regions. That is, a-like OS has lower crystallinity than nc-OS and CAAC-OS.
酸化物半導体は、多様な構造をとり、それぞれが異なる特性を有する。本発明の一態様の酸化物半導体は、非晶質酸化物半導体、多結晶酸化物半導体、a-like OS、nc-OS、CAAC-OSのうち、二種以上を有していてもよい。 Oxide semiconductors have various structures and each has different characteristics. An oxide semiconductor of one embodiment of the present invention may include two or more of an amorphous oxide semiconductor, a polycrystalline oxide semiconductor, an a-like OS, an nc-OS, and a CAAC-OS.
<<金属酸化物を有するトランジスタ>>
続いて、上記金属酸化物をトランジスタに用いる場合について説明する。<<Transistor Including Metal Oxide>>
Next, the case where the above metal oxide is used for a transistor is described.
なお、上記金属酸化物をトランジスタに用いることで、高い電界効果移動度のトランジスタを実現することができる。また、信頼性の高いトランジスタを実現することができる。 Note that by using the above metal oxide for a transistor, a transistor with high field-effect mobility can be realized. Further, a highly reliable transistor can be realized.
また、トランジスタには、金属酸化物406bの領域426aにおけるキャリア密度の低いことが好ましい。金属酸化物のキャリア密度を低くする場合においては、金属酸化物中の不純物濃度を低くし、欠陥準位密度を低くすればよい。本明細書等において、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低いことを高純度真性または実質的に高純度真性と言う。例えば、金属酸化物406bの領域426aにおけるキャリア密度が8×1011/cm3未満、好ましくは1×1011/cm3未満、さらに好ましくは1×1010/cm3未満であり、1×10-9/cm3以上とすればよい。Also, for transistors, it is preferable that the carrier density in
また、高純度真性または実質的に高純度真性である金属酸化物は、欠陥準位密度が低いため、トラップ準位密度も低くなる場合がある。 In addition, since a highly pure intrinsic or substantially highly pure intrinsic metal oxide has a low defect level density, the trap level density may also be low.
また、金属酸化物のトラップ準位に捕獲された電荷は、消失するまでに要する時間が長く、あたかも固定電荷のように振る舞うことがある。そのため、トラップ準位密度の高い酸化物半導体にチャネル領域が形成されるトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。 In addition, the charge trapped in the trap level of the metal oxide takes a long time to disappear, and may behave like a fixed charge. Therefore, a transistor whose channel region is formed in an oxide semiconductor with a high trap level density might have unstable electrical characteristics.
従って、トランジスタの電気特性を安定にするためには、金属酸化物406bの領域426a中の不純物濃度を低減することが有効である。また、金属酸化物406bの領域426a中の不純物濃度を低減するためには、近接する膜中の不純物濃度も低減することが好ましい。不純物としては、水素、窒素、アルカリ金属、アルカリ土類金属、鉄、ニッケル、シリコン等がある。 Therefore, in order to stabilize the electrical characteristics of the transistor, it is effective to reduce the impurity concentration in the
<<不純物>>
ここで、金属酸化物中における各不純物の影響について説明する。<<Impurities>>
Here, the effect of each impurity in the metal oxide will be described.
金属酸化物において、第14族元素の一つであるシリコンや炭素が含まれると、金属酸化物において欠陥準位が形成される。このため、金属酸化物406bの領域426aにおけるシリコンや炭素の濃度(SIMSにより得られる濃度)を、2×1018atoms/cm3以下、好ましくは2×1017atoms/cm3以下とする。If the metal oxide contains silicon or carbon, which is one of the
また、金属酸化物にアルカリ金属またはアルカリ土類金属が含まれると、欠陥準位を形成し、キャリアを生成する場合がある。従って、アルカリ金属またはアルカリ土類金属が含まれている金属酸化物を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、金属酸化物406bの領域426aにおいて、アルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を低減することが好ましい。具体的には、SIMSにより得られる金属酸化物406bの領域426a中のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を、1×1018atoms/cm3以下、好ましくは2×1016atoms/cm3以下にする。Further, if the metal oxide contains an alkali metal or an alkaline earth metal, it may form a defect level and generate carriers. Therefore, transistors using metal oxides containing alkali metals or alkaline earth metals tend to have normally-on characteristics. Therefore, it is preferable to reduce the concentration of alkali metal or alkaline earth metal in
また、金属酸化物において、窒素が含まれると、キャリアである電子が生じ、キャリア密度が増加し、n型化しやすい。この結果、金属酸化物406bの領域426aに窒素が含まれているトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。従って、金属酸化物406bの領域426aにおいて、窒素はできる限り低減されていることが好ましい、例えば、金属酸化物406bの領域426a中の窒素濃度は、SIMSにおいて、5×1019atoms/cm3未満、好ましくは5×1018atoms/cm3以下、より好ましくは1×1018atoms/cm3以下、さらに好ましくは5×1017atoms/cm3以下とする。In addition, when nitrogen is contained in the metal oxide, electrons as carriers are generated, the carrier density increases, and the metal oxide tends to be n-type. As a result, a transistor in which nitrogen is contained in the
また、金属酸化物に含まれる水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になるため、酸素欠損を形成する場合がある。該酸素欠損に水素が入ることで、キャリアである電子が生成される場合がある。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合して、キャリアである電子を生成することがある。従って、金属酸化物406bの領域426aに水素が多く含まれているトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、金属酸化物406bの領域426a中の水素はできる限り低減されていることが好ましい。具体的には、金属酸化物において、SIMSにより得られる水素濃度を、1×1020atoms/cm3未満、好ましくは1×1019atoms/cm3未満、より好ましくは5×1018atoms/cm3未満、さらに好ましくは1×1018atoms/cm3未満とする。In addition, since hydrogen contained in the metal oxide reacts with oxygen bonded to the metal atom to become water, oxygen vacancies may be formed. When hydrogen enters the oxygen vacancies, electrons, which are carriers, may be generated. In addition, part of hydrogen may bond with oxygen that bonds with a metal atom to generate an electron, which is a carrier. Therefore, a transistor in which a large amount of hydrogen is contained in the
金属酸化物406bの領域426a中の不純物を十分に低減することで、トランジスタに安定した電気特性を付与することができる。 By sufficiently reducing impurities in the
<トランジスタ201>
次に、トランジスタ200とは異なる構成例として、トランジスタ201の詳細について説明を行う。<
Next, as a structural example different from that of the
図31(A)は、トランジスタ201を有する半導体装置の上面図である。また、図31(B)は、図31(A)にA1-A2の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ201のチャネル長方向の断面図でもある。また、図31(C)は、図31(A)にA3-A4の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ201のチャネル幅方向の断面図でもある。図31(A)の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。また、トランジスタ201の構成要素のうち、トランジスタ200と共通のものについては、符号を同じくする。 FIG. 31A is a top view of a semiconductor device having a
図31(A)から(C)に示すように、トランジスタ201は、基板(図示せず)の上に配置された絶縁体224と、絶縁体224の上に配置された金属酸化物406aと、金属酸化物406aの上面の少なくとも一部に接して配置された金属酸化物406bと、金属酸化物406bの上面の少なくとも一部に接して配置された導電体452aおよび導電体452bと、金属酸化物406bの上面の少なくとも一部に接し且つ導電体452aおよび導電体452bの上に配置された金属酸化物406cと、金属酸化物406cの上に配置された絶縁体413と、絶縁体413の上に配置された導電体405aと、導電体405aの上に配置された導電体405bと、導電体405bの上に配置された絶縁体420と、を有する。 As shown in FIGS. 31A-31C,
導電体405(導電体405aおよび導電体405b)は、トップゲートとして機能でき、導電体310は、バックゲートとして機能できる。バックゲートの電位は、トップゲートと同電位としてもよいし、接地電位や、任意の電位としてもよい。また、バックゲートの電位をトップゲートと連動させず独立して変化させることで、トランジスタのしきい値電圧を変化させることができる。 Conductor 405 (
導電体405aは、図27の導電体404aと同様の材料を用いて設けることができる。導電体405bは、図27の導電体404bと同様の材料を用いて設けることができる。 The
導電体452aはソース電極またはドレイン電極の一方としての機能を有し、導電体452bはソース電極またはドレイン電極の他方としての機能を有する。 The
導電体452a、452bは、アルミニウム、チタン、クロム、ニッケル、銅、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、銀、タンタル、またはタングステン等の金属、またはこれを主成分とする合金を用いることができる。また、図では単層構造を示したが、2層以上の積層構造としてもよい。また、酸化インジウム、酸化錫または酸化亜鉛を含む透明導電材料を用いてもよい。 For the
トランジスタ201において、チャネルは金属酸化物406bに形成されることが好ましい。そのため、金属酸化物406cは金属酸化物406bよりも絶縁性が比較的高い材料を用いることが好ましい。金属酸化物406cは、金属酸化物406aと同様の材料を用いればよい。 In
トランジスタ201は、金属酸化物406cを設けることで、トランジスタ201を埋め込みチャネル型のトランジスタとすることができる。また、導電体452aおよび導電体452bの端部の酸化を防ぐことができる。また、導電体405と導電体452a(または導電体405と導電体452b)との間のリーク電流を防ぐことができる。なお、金属酸化物406cは、場合によっては省略してもよい。 By providing the
絶縁体420は、水または水素等の不純物、および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いることが好ましい。例えば、絶縁体420として、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムまたは酸化タンタル等の金属酸化物、窒化酸化シリコンまたは窒化シリコン等を用いればよい。 For the
トランジスタ201は、絶縁体420を設けることで、導電体405が酸化することを防ぐことができる。また、水または水素等の不純物が、金属酸化物406へ侵入することを防ぐことができる。 By providing the
トランジスタ201は、トランジスタ200と比べて、金属酸化物406bと電極(ソース電極またはドレイン電極)との接触面積を大きくすることができる。また、図27に示す領域426bおよび領域426cを作製する工程が不要になる。そのため、トランジスタ201は、トランジスタ200よりもオン電流を大きくすることができる。また製造工程を簡略化することができる。 Compared to the
トランジスタ201のその他の構成要素の詳細は、トランジスタ200の記載を参照すればよい。 For details of other components of the
本実施の形態は、他の実施の形態の記載と適宜組み合わせることができる。 This embodiment can be appropriately combined with the description of other embodiments.
(実施の形態5)
本実施の形態では、実施の形態1で説明した表示部PAが有する表示素子について、説明する。(Embodiment 5)
In this embodiment, the display element included in the display portion PA described in
図32(A)は、表示素子として液晶素子を適用した画素回路を図示している。画素回路306は、表示素子301と、トランジスタM1と、容量素子CsLCと、を有する。なお、表示素子301の第1端子は、画素電極に相当し、表示素子301の第2端子は、共通電極に相当する。また、図32(A)には、画素回路306と電気的に接続する信号線SLと、ゲート線GLと、を図示している。FIG. 32A illustrates a pixel circuit using a liquid crystal element as a display element. The
トランジスタM1のソースまたはドレインの一方は、表示素子301の第1端子と電気的に接続され、トランジスタM1のソースまたはドレインの他方は、信号線SLと電気的に接続され、トランジスタM1のゲートはゲート線GLと電気的に接続されている。加えて、容量素子CsLCの第1端子は、トランジスタM1の第1端子と電気的に接続されている。One of the source and the drain of the transistor M1 is electrically connected to the first terminal of the
表示素子301の第2端子は、表示素子301を駆動するための、共通電位を与える配線と電気的に接続されている。加えて、容量素子CsLCの第2端子は、基準電位を与える配線と電気的に接続されている。A second terminal of the
トランジスタM1としては、OSトランジスタを用いることが好ましい。以下、トランジスタの代表例として、金属酸化物の分類の1つである酸化物半導体を有するトランジスタ(OSトランジスタ)を用いて説明する。OSトランジスタは、非導通状態時のリーク電流(オフ電流)が極めて低いため、OSトランジスタを非導通状態とすることで液晶素子の画素電極に電荷の保持をすることができる。 An OS transistor is preferably used as the transistor M1. Hereinafter, as a representative example of a transistor, a transistor including an oxide semiconductor (OS transistor), which is one of metal oxides, will be described. Since the OS transistor has extremely low leakage current (off current) when it is in a non-conducting state, electric charge can be held in the pixel electrode of the liquid crystal element when the OS transistor is in a non-conducting state.
なお、OSトランジスタが有する、非導通状態時のオフ電流が非常に低い特性を利用することにより、画素回路306を有する表示装置を、通常のフレーム周波数(代表的には60Hz以上240Hz以下)よりも低いフレーム周波数で駆動することができる。以下では、通常のフレーム周波数で動作する通常動作モード(Normal mode)と、低速のフレーム周波数で動作するアイドリング・ストップ(IDS)駆動モードと、を例示して説明する。 Note that by utilizing the characteristics of the OS transistor that the off current in the non-conducting state is extremely low, the display device having the
なお、アイドリング・ストップ(IDS)駆動モードとは、画像データの書き込み処理を実行した後、画像データの書き換えを停止する駆動方法のことをいう。一旦画像データの書き込みをして、その後、次の画像データの書き込みまでの間隔を延ばすことで、その間の画像データの書き込みに要する分の消費電力を削減することができる。アイドリング・ストップ(IDS)駆動モードは、例えば、通常動作モードの1/100乃至1/10程度のフレーム周波数とすることができる。 Note that the idling stop (IDS) driving mode is a driving method in which rewriting of image data is stopped after execution of image data writing processing. By extending the interval between writing the image data once and then writing the next image data, the power consumption required for writing the image data during that period can be reduced. The idling stop (IDS) driving mode can be, for example, about 1/100 to 1/10 the frame frequency of the normal operation mode.
図32(B)、(C)は、それぞれ通常駆動モードとアイドリング・ストップ(IDS)駆動モードを説明するタイミングチャートである。 FIGS. 32B and 32C are timing charts for explaining the normal drive mode and the idling stop (IDS) drive mode, respectively.
図32(B)は、通常駆動モードでの信号線SLおよびゲート線GLにそれぞれ与える信号の波形を示すタイミングチャートである。通常駆動モードでは通常のフレーム周波数(例えば60Hz)で動作する。図32(B)に期間T1からT3までを表す。各フレーム期間でゲート線GLに走査信号を与え、信号線SLからデータD1を書き込む動作を行う。この動作は、期間T1乃至期間T3に同じデータD1を書き込む場合、または異なるデータを書き込む場合でも同じである。FIG. 32B is a timing chart showing waveforms of signals respectively applied to signal line SL and gate line GL in the normal drive mode. The normal drive mode operates at a normal frame frequency (eg, 60 Hz). FIG. 32B shows periods T1 to T3. In each frame period, a scanning signal is applied to the gate line GL, and data D1 is written from the signal line SL. This operation is the same when writing the same data D1 or writing different data in periods T1 to T3 .
一方、図32(C)は、アイドリング・ストップ(IDS)駆動モードでの信号線SLおよびゲート線GLに、それぞれ与える信号の波形を示すタイミングチャートである。アイドリング・ストップ(IDS)駆動では低速のフレーム周波数(例えば1Hz)で動作する。1フレーム期間を期間T1で表し、その中でデータの書き込み期間を期間TW、データの保持期間を期間TRETで表す。アイドリング・ストップ(IDS)駆動モードは、期間TWでゲート線GLに走査信号を与え、信号線SLのデータD1を書き込み、期間TRETでゲート線GLをローレベルの電圧に固定し、トランジスタM1を非導通状態として一旦書き込んだデータD1を保持させる動作を行う。On the other hand, FIG. 32C is a timing chart showing waveforms of signals respectively applied to signal line SL and gate line GL in the idling stop (IDS) drive mode. The idle stop (IDS) drive operates at a low frame frequency (eg 1 Hz). One frame period is represented by a period T1, a data write period is represented by a period T W , and a data retention period is represented by a period T RET . In the idling stop (IDS) drive mode, a scanning signal is applied to the gate line GL during the period TW, data D1 is written in the signal line SL, the gate line GL is fixed at a low level voltage during the period TRET , and the transistor An operation of holding data D1 once written by making M1 non-conductive is performed.
アイドリング・ストップ(IDS)駆動モードは、通常駆動モードと比較して、画素回路306への画像データの書き込み回数を少なくすることができるため、低消費電力化を図ることができる。 Compared to the normal drive mode, the idling stop (IDS) drive mode can reduce the number of times image data is written to the
図32(D)は、表示素子として有機EL素子を適用した画素回路を図示している。画素回路307は、表示素子302と、トランジスタM2と、トランジスタM3と、容量素子CsELと、を有する。また、図32(D)には、画素回路307と電気的に接続する信号線DLと、ゲート線GL2と、電流供給線ALと、を図示している。FIG. 32D illustrates a pixel circuit using an organic EL element as a display element. A
トランジスタM2としては、トランジスタM1と同様に、OSトランジスタを用いることが好ましい。OSトランジスタは、非導通状態時のリーク電流(オフ電流)が極めて低いため、OSトランジスタを非導通状態とすることで容量素子CsELに充電した電荷の保持をすることができる。つまり、トランジスタM3のゲート-ドレイン間電圧を一定に保つことでき、表示素子302の発光強度を一定にすることができる。An OS transistor is preferably used as the transistor M2, similarly to the transistor M1. Since the OS transistor has extremely low leakage current (off current) when it is in a non-conducting state, the charge stored in the capacitor Cs EL can be held by making the OS transistor non-conducting. In other words, the gate-drain voltage of the transistor M3 can be kept constant, and the emission intensity of the
したがって、表示素子301がアイドリング・ストップ(IDS)駆動する場合と同様に、表示素子302のアイドリング・ストップ(IDS)駆動は、ゲート線GL2に走査信号を与えて、信号線DLからデータを書き込んだ後に、ゲート線GL2をローレベルの電圧に固定することで、トランジスタM2を非導通状態として一旦書き込んだ該データを保持することで行われる。 Therefore, similarly to the case where the
トランジスタM2にOSトランジスタを適用することによって、画素回路306と同様に、画素回路307でもアイドリング・ストップ(IDS)駆動モードが可能となる。そのため、通常駆動モードと比較して、画素回路307への画像データの書き込み回数を少なくすることができるため、低消費電力化を図ることができる。 By applying an OS transistor to the transistor M2, the
なお、トランジスタM3は、トランジスタM2と同様の材料で構成するのが好ましい。トランジスタM3とトランジスタM2の材料の構成を同じすることで、画素回路307の作製工程を短縮することができる。 Note that the transistor M3 is preferably made of the same material as the transistor M2. By using the same material for the transistor M3 and the transistor M2, the manufacturing process of the
トランジスタM1、トランジスタM2、トランジスタM3の半導体層に適用できる材料は、金属酸化物以外としては、非晶質半導体、特に、水素化アモルファスシリコン(a-Si:H)を含むことが好ましい。非晶質半導体を用いたトランジスタは、基板の大面積化に対応することが容易であるため、例えば2K、4K、8K放送等に対応可能な大画面の表示装置を作製する場合に、製造工程を簡略化することができる。 Materials that can be applied to the semiconductor layers of the transistor M1, the transistor M2, and the transistor M3 preferably include amorphous semiconductors, particularly hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H), other than metal oxides. Since a transistor using an amorphous semiconductor can be easily applied to a large-sized substrate, for example, when manufacturing a large-screen display device compatible with 2K, 4K, 8K broadcasting, etc., the manufacturing process can be simplified.
本実施の形態は、他の実施の形態の記載と適宜組み合わせることができる。 This embodiment can be appropriately combined with the description of other embodiments.
(実施の形態6)
本実施の形態では、上述の実施の形態で説明した電子機器を適用した製品例について説明する。(Embodiment 6)
In this embodiment, product examples to which the electronic devices described in the above embodiments are applied will be described.
図33(A)は、テレビジョン装置を示す斜視図である。テレビジョン装置は、筐体9000、表示部9001、スピーカ9003、操作キー9005(電源スイッチ、または操作スイッチを含む)、接続端子9006、センサ9007(力、変位、位置、速度、加速度、角速度、回転数、距離、光、液、磁気、温度、化学物質、音声、時間、硬度、電場、電流、電圧、電力、放射線、流量、湿度、傾度、振動、においまたは赤外線を測定する機能を含むもの)等を有する。テレビジョン装置は、大画面、例えば、50インチ以上、または100インチ以上の表示部9001を組み込むことが可能である。図33(A)に示すテレビジョン装置に本発明の一態様の半導体装置を適用することにより、当該テレビジョン装置の回路構成を単純化することができる。 FIG. 33A is a perspective view showing a television device. The television apparatus includes a
図33(B)は、壁に取り付けが可能な電子看板(デジタルサイネージ)の例を示している。図33(B)は、電子看板6200が壁6201に取り付けられている様子を示している。図33(B)に示す電子看板に本発明の一態様の半導体装置を適用することにより、当該電子看板の回路構成を単純化することができる。 FIG. 33B shows an example of an electronic signboard (digital signage) that can be attached to a wall. FIG. 33B shows how the
図33(C)は、タブレット型の情報端末であり、筐体5221、表示部5222、操作ボタン5223、スピーカ5224を有する。また、表示部5222に、位置入力装置としての機能が付加された表示装置を用いるようにしてもよい。また、位置入力装置としての機能は、表示装置にタッチパネルを設けることで付加することができる。あるいは、位置入力装置としての機能は、フォトセンサとも呼ばれる光電変換素子を表示装置の画素部に設けることでも、付加することができる。また、操作ボタン5223に情報端末を起動する電源スイッチ、情報端末のアプリケーションを操作するボタン、音量調整ボタン、または表示部5222を点灯、あるいは消灯するスイッチ等のいずれかを備えることができる。また、図33(C)に示した情報端末では、操作ボタン5223の数を4個示しているが、情報端末の有する操作ボタンの数および配置は、これに限定されない。また、図示していないが、図33(C)に示した情報端末は、カメラを有する構成であってもよい。また、図示していないが、図33(C)に示した情報端末は、フラッシュライト、または照明の用途として発光装置を有する構成であってもよい。また、図示していないが、図33(C)に示した情報端末は、筐体5221の内部にセンサ(力、変位、位置、速度、加速度、角速度、回転数、距離、光、液、磁気、温度、化学物質、音声、時間、硬度、電場、電流、電圧、電力、放射線、流量、湿度、傾度、振動、においまたは赤外線等を測定する機能を含むもの)を有する構成であってもよい。特に、ジャイロ、加速度センサ等の傾きを検出するセンサを有する検出装置を設けることで、図33(C)に示す情報端末の向き(鉛直方向に対して情報端末がどの向きに向いているか)を判断して、表示部5222の画面表示を、情報端末の向きに応じて自動的に切り替えるようにすることができる。図33(C)に示す情報端末に本発明の一態様の半導体装置を適用することにより、当該情報端末の回路構成を単純化することができる。 FIG. 33C illustrates a tablet information terminal including a
例えば、本明細書等において、表示素子、表示素子を有する装置である表示装置、発光素子、および発光素子を有する装置である発光装置は、様々な形態を用いること、または様々な素子を有することが出来る。表示素子、表示装置、発光素子または発光装置は、例えば、EL(エレクトロルミネッセンス)素子(有機物および無機物を含むEL素子、有機EL素子、無機EL素子)、LEDチップ(白色LEDチップ、赤色LEDチップ、緑色LEDチップ、青色LEDチップ等)、トランジスタ(電流に応じて発光するトランジスタ)、プラズマディスプレイパネル(PDP)、電子放出素子、カーボンナノチューブを用いた表示素子、液晶素子、電子インク、エレクトロウェッティング素子、電気泳動素子、MEMS(マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム)を用いた表示素子(例えば、グレーティングライトバルブ(GLV)、デジタルマイクロミラーデバイス(DMD)、DMS(デジタル・マイクロ・シャッター)、MIRASOL(登録商標)、IMOD(インターフェロメトリック・モジュレーション)素子、シャッター方式のMEMS表示素子、光干渉方式のMEMS表示素子、圧電セラミックディスプレイ等)、または、量子ドット等の少なくとも一つを有している。これらの他にも、表示素子、表示装置、発光素子または発光装置は、電気的または磁気的作用により、コントラスト、輝度、反射率、透過率等が変化する表示媒体を有していてもよい。EL素子を用いた表示装置の一例としては、ELディスプレイ等がある。電子放出素子を用いた表示装置の一例としては、フィールドエミッションディスプレイ(FED)またはSED方式平面型ディスプレイ(SED:Surface-conduction Electron-emitter Display)等がある。液晶素子を用いた表示装置の一例としては、液晶ディスプレイ(透過型液晶ディスプレイ、半透過型液晶ディスプレイ、反射型液晶ディスプレイ、直視型液晶ディスプレイ、投射型液晶ディスプレイ)等がある。電子インク、電子粉流体(登録商標)、または電気泳動素子を用いた表示装置の一例としては、電子ペーパー等がある。量子ドットを各画素に用いた表示装置の一例としては、量子ドットディスプレイ等がある。なお、量子ドットは、表示素子としてではなく、バックライトの一部に設けてもよい。量子ドットを用いることにより、色純度の高い表示を行うことができる。なお、半透過型液晶ディスプレイや反射型液晶ディスプレイを実現する場合には、画素電極の一部、または全部が、反射電極としての機能を有するようにすればよい。例えば、画素電極の一部、または全部が、アルミニウム、銀、等を有するようにすればよい。さらに、その場合、反射電極の下に、SRAM等の記憶回路を設けることも可能である。これにより、さらに、消費電力を低減することができる。なお、LEDチップを用いる場合、LEDチップの電極や窒化物半導体の下に、グラフェンやグラファイトを配置してもよい。グラフェンやグラファイトは、複数の層を重ねて、多層膜としてもよい。このように、グラフェンやグラファイトを設けることにより、その上に、窒化物半導体、例えば結晶を有するn型GaN半導体層等を容易に成膜することができる。さらに、その上に、結晶を有するp型GaN半導体層等を設けて、LEDチップを構成することができる。なお、グラフェンやグラファイトと、結晶を有するn型GaN半導体層との間に、AlN層を設けてもよい。なお、LEDチップが有するGaN半導体層は、MOCVDで成膜してもよい。ただし、グラフェンを設けることにより、LEDチップが有するGaN半導体層は、スパッタ法で成膜することも可能である。また、MEMS(マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム)を用いた表示素子においては、表示素子が封止されている空間(例えば、表示素子が配置されている素子基板と、素子基板に対向して配置されている対向基板との間)に、乾燥剤を配置してもよい。乾燥剤を配置することにより、MEMS等が水分によって動きにくくなることや、劣化しやすくなることを防止することができる。 For example, in this specification and the like, a display device, a display device that is a device having a display device, a light-emitting device, and a light-emitting device that is a device that has a light-emitting device may use various forms or include various elements. can be done. Display elements, display devices, light-emitting elements or light-emitting devices are, for example, EL (electroluminescence) elements (EL elements containing organic and inorganic substances, organic EL elements, inorganic EL elements), LED chips (white LED chips, red LED chips, green LED chip, blue LED chip, etc.), transistor (transistor that emits light according to current), plasma display panel (PDP), electron emission device, display device using carbon nanotube, liquid crystal device, electronic ink, electrowetting device , electrophoresis element, display element using MEMS (micro-electro-mechanical system) (e.g., grating light valve (GLV), digital micromirror device (DMD), DMS (digital micro-shutter), MIRASOL (registered trademark), an IMOD (interferometric modulation) element, a shutter-type MEMS display element, an optical interference-type MEMS display element, a piezoelectric ceramic display, etc.), or a quantum dot. In addition to these, the display element, the display device, the light-emitting element, or the light-emitting device may have a display medium whose contrast, luminance, reflectance, transmittance, and the like are changed by electrical or magnetic action. An example of a display device using an EL element is an EL display. Examples of display devices using electron-emitting devices include a field emission display (FED) or an SED flat panel display (SED: Surface-conduction Electron-emitter Display). Examples of display devices using liquid crystal elements include liquid crystal displays (transmissive liquid crystal displays, semi-transmissive liquid crystal displays, reflective liquid crystal displays, direct-view liquid crystal displays, and projection liquid crystal displays). An example of a display device using electronic ink, electronic liquid powder (registered trademark), or an electrophoretic element is electronic paper. An example of a display device using quantum dots for each pixel is a quantum dot display. Note that the quantum dots may be provided not as display elements but as part of the backlight. By using quantum dots, display with high color purity can be performed. In order to realize a semi-transmissive liquid crystal display or a reflective liquid crystal display, part or all of the pixel electrodes may function as reflective electrodes. For example, some or all of the pixel electrodes may contain aluminum, silver, or the like. Furthermore, in that case, it is also possible to provide a memory circuit such as an SRAM under the reflective electrode. Thereby, power consumption can be further reduced. When an LED chip is used, graphene or graphite may be placed under the electrode of the LED chip or the nitride semiconductor. A plurality of layers of graphene or graphite may be stacked to form a multilayer film. By providing graphene or graphite in this way, a nitride semiconductor, for example, an n-type GaN semiconductor layer having crystals can be easily formed thereon. Further, a p-type GaN semiconductor layer having crystals or the like can be provided thereon to form an LED chip. An AlN layer may be provided between the graphene or graphite and the n-type GaN semiconductor layer having crystals. Note that the GaN semiconductor layer of the LED chip may be formed by MOCVD. However, by providing graphene, the GaN semiconductor layer of the LED chip can also be formed by a sputtering method. Further, in a display element using MEMS (micro-electro-mechanical system), a space in which the display element is sealed (for example, an element substrate in which the display element is arranged and a A desiccant may be placed between the substrate and the opposing substrate. By arranging the desiccant, it is possible to prevent the MEMS and the like from becoming difficult to move due to moisture and from being easily deteriorated.
本実施の形態は、他の実施の形態の記載と適宜組み合わせることができる。 This embodiment can be appropriately combined with the description of other embodiments.
10 放送システム
11 撮像装置
12 送信装置
13 受信装置
14 表示装置
20 オートエンコーダ
31 画像データ
32 属性情報
33 圧縮画像データ
60 TV
61 放送局
62 人工衛星
63 電波塔
64 アンテナ
65 アンテナ
66A 電波
66B 電波
67A 電波
67B 電波
100 NN回路
100A NN回路
100B NN回路
150 演算処理回路
161 回路
163 回路
164 回路
165 回路
200 トランジスタ
201 トランジスタ
214 絶縁体
216 絶縁体
220 絶縁体
222 絶縁体
224 絶縁体
225 絶縁体
280 絶縁体
301 表示素子
302 表示素子
306 画素回路
307 画素回路
310 導電体
310a 導電体
310b 導電体
384 絶縁体
404 導電体
404a 導電体
404b 導電体
405 導電体
405a 導電体
405b 導電体
406 金属酸化物
406a 金属酸化物
406b 金属酸化物
406c 金属酸化物
412 絶縁体
413 絶縁体
418 絶縁体
419 絶縁体
420 絶縁体
426a 領域
426b 領域
426c 領域
440 導電体
440a 導電体
440b 導電体
450a 導電体
450b 導電体
451a 導電体
451b 導電体
452a 導電体
452b 導電体
612 移動機構
613 移動機構
615 ステージ
616 ボールネジ機構
620 レーザ発振器
621 光学系ユニット
622 ミラー
623 マイクロレンズアレイ
624 マスク
625 レーザ光
626 レーザ光
627 レーザビーム
630 基板
640 非晶質シリコン層
641 多結晶シリコン層
1400 表示装置
1411 基板
1412 基板
1420 液晶素子
1421 導電層
1422 液晶
1423 導電層
1424a 配向膜
1424b 配向膜
1426 絶縁層
1430 トランジスタ
1431 導電層
1431a 導電層
1432 半導体層
1432p 半導体層
1433a 導電層
1433b 導電層
1434 絶縁層
1435 不純物半導体層
1437 半導体層
1438 接続部
1439a 偏光板
1439b 偏光板
1441 着色層
1442 遮光層
1460 容量素子
1481 絶縁層
1482 絶縁層
1483 絶縁層
1484 絶縁層
1490 バックライトユニット
5221 筐体
5222 表示部
5223 操作ボタン
5224 スピーカ
6200 電子看板
6201 壁
9000 筐体
9001 表示部
9003 スピーカ
9005 操作キー
9006 接続端子
9007 センサ10
61 broadcasting station 62 artificial satellite 63 radio tower 64 antenna 65 antenna 66A radio wave 66B radio wave 67A radio wave 67B radio wave 100 NN circuit 100A NN circuit 100B NN circuit 150 arithmetic processing circuit 161 circuit 163 circuit 164 circuit 165 circuit 200 transistor 201 transistor 214 insulator 216 Insulator 220 Insulator 222 Insulator 224 Insulator 225 Insulator 280 Insulator 301 Display element 302 Display element 306 Pixel circuit 307 Pixel circuit 310 Conductor 310a Conductor 310b Conductor 384 Insulator 404 Conductor 404a Conductor 404b Conductor 405 Conductor 405a Conductor 405b Conductor 406 Metal oxide 406a Metal oxide 406b Metal oxide 406c Metal oxide 412 Insulator 413 Insulator 418 Insulator 419 Insulator 420 Insulator 426a Region 426b Region 426c Region 440 Conductor 440a Conductor 440b Conductor 450a Conductor 450b Conductor 451a Conductor 451b Conductor 452a Conductor 452b Conductor 612 Moving mechanism 613 Moving mechanism 615 Stage 616 Ball screw mechanism 620 Laser oscillator 621 Optical system unit 622 Mirror 623 Microlens array 624 Mask 625 Laser beam 626 Laser beam 627 Laser beam 630 Substrate 640 Amorphous silicon layer 641 Polycrystalline silicon layer 1400 Display device 1411 Substrate 1412 Substrate 1420 Liquid crystal element 1421 Conductive layer 1422 Liquid crystal 1423 Conductive layer 1424a Alignment film 1424b Alignment film 1426 Insulating layer 1430 Transistor 1431 conductive layer 1431a conductive layer 1432 semiconductor layer 1432p semiconductor layer 1433a conductive layer 1433b conductive layer 1434 insulating layer 1435 impurity semiconductor layer 1437 semiconductor layer 1438 connection portion 1439a polarizing plate 1439b polarizing plate 1441 colored layer 1442 light shielding layer 1460 capacitive element 1481 insulating layer 1482 Insulating layer 1483 Insulating layer 1484 Insulating layer 1490 Backlight unit 5221 Housing 5222 Display unit 5223 Operation button 5224 Speaker 6200 Electronic signboard 6201 Wall 9000 Housing 9001 Display unit 9003 Speaker 9005 Operation key 9006 Connection terminal 9007 Sensor
Claims (1)
前記送信装置は、第1の回路と、エンコーダと、を有し、
前記受信装置は、デコーダを有し、
前記エンコーダと、前記デコーダと、によりオートエンコーダを構成し、
前記第1の回路および前記エンコーダは、第1の画像データを受信する機能を有し、
前記第1の回路は、前記第1の画像データの特徴抽出をし、前記第1の画像データの属性を表す属性情報を生成する機能を有し、
前記エンコーダは、前記属性情報を基に、前記第1の画像データの特徴抽出をすることにより、前記第1の画像データを圧縮した第2の画像データを生成する機能を有し、
前記デコーダは、前記属性情報を基に、前記第2の画像データを伸張して前記第1の画像データに復元する機能を有する放送システムであって、
前記第1の回路は、積和演算回路を有し、
前記積和演算回路は、第1のトランジスタ、第2のトランジスタ、第3のトランジスタ、第4のトランジスタ、第5のトランジスタ、第1の容量素子、第2の容量素子、及び第3の容量素子を有し、
前記第1のトランジスタは、ソースまたはドレインの一方が第1の配線と電気的に接続され、ソースまたはドレインの他方が前記第2のトランジスタのゲートと電気的に接続され、
前記第2のトランジスタは、ソースまたはドレインの一方が前記第5のトランジスタのゲートと電気的に接続され、ソースまたはドレインの他方が第2の配線と電気的に接続され、
前記第1の容量素子は、一方の電極が前記第2のトランジスタのゲートと電気的に接続され、他方の電極が第3の配線と電気的に接続され、
前記第3のトランジスタは、ソースまたはドレインの一方が前記第1の配線と電気的に接続され、ソースまたはドレインの他方が前記第4のトランジスタのゲートと電気的に接続され、
前記第4のトランジスタは、ソースまたはドレインの一方が前記第5のトランジスタのゲートと電気的に接続され、ソースまたはドレインの他方が前記第2の配線と電気的に接続され、
前記第2の容量素子は、一方の電極が前記第4のトランジスタのゲートと電気的に接続され、他方の電極が第5の配線と電気的に接続され、
前記第5のトランジスタは、ソースまたはドレインの一方が第6の配線と電気的に接続され、ソースまたはドレインの他方が第7の配線と電気的に接続され、
前記第3の容量素子は、一方の電極が前記第5のトランジスタのゲートと電気的に接続され、他方の電極が第8の配線と電気的に接続され、
前記第1の配線から入力される重み係数となるデータは、前記第2のトランジスタのゲートまたは前記第4のトランジスタのゲートにおいて保持される、
放送システム。 having a transmitting device and a receiving device,
The transmitting device has a first circuit and an encoder,
The receiving device has a decoder,
An autoencoder is configured by the encoder and the decoder,
the first circuit and the encoder are operable to receive first image data;
the first circuit has a function of extracting features of the first image data and generating attribute information representing attributes of the first image data;
The encoder has a function of generating second image data by compressing the first image data by extracting features of the first image data based on the attribute information,
The decoder is a broadcasting system having a function of decompressing the second image data and restoring the first image data based on the attribute information,
The first circuit has a sum-of-products operation circuit,
The sum-of-products operation circuit includes a first transistor , a second transistor, a third transistor, a fourth transistor, a fifth transistor , a first capacitive element , a second capacitive element, and a third capacitive element. has
one of the source and the drain of the first transistor is electrically connected to the first wiring, and the other of the source and the drain is electrically connected to the gate of the second transistor;
the second transistor has one of its source and drain electrically connected to the gate of the fifth transistor and the other of its source and drain electrically connected to a second wiring;
the first capacitive element has one electrode electrically connected to the gate of the second transistor and the other electrode electrically connected to a third wiring;
the third transistor has one of its source and drain electrically connected to the first wiring and the other of its source and drain electrically connected to the gate of the fourth transistor;
one of the source and the drain of the fourth transistor is electrically connected to the gate of the fifth transistor and the other of the source and the drain is electrically connected to the second wiring;
the second capacitive element has one electrode electrically connected to the gate of the fourth transistor and the other electrode electrically connected to a fifth wiring;
the fifth transistor has one of its source and drain electrically connected to a sixth wiring and the other of its source and drain electrically connected to a seventh wiring;
the third capacitive element has one electrode electrically connected to the gate of the fifth transistor and the other electrode electrically connected to an eighth wiring ;
data that is a weighting factor input from the first wiring is held at the gate of the second transistor or the gate of the fourth transistor;
broadcasting system.
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