KR102133602B1 - 광 검출 회로 및 반도체 장치 - Google Patents

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다쿠야 츠루메
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가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 켄큐쇼
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Abstract

본 발명은 광전 변환 소자의 특성으로 인한 영향을 받지 않고 상이한 기간에서의 신호를 취득할 수 있는 광 검출 회로를 제공한다.
광 검출 회로의 구조를 광전 변환 소자에 n개(n은 2 이상의 자연수)의 신호 출력 회로가 접속된 구조로 한다. 그리고 n개의 신호 출력 회로를 (1) 광전 변환 소자로 입사되는 광량에 따라 게이트 전위가 변동하고 상기 게이트 전위에 따른 신호를 출력하는 트랜지스터, (2) 트랜지스터의 게이트 전위를 유지하는 제 1 스위칭 소자, (3) 트랜지스터로부터의 출력 신호를 제어하는 제 2 스위칭 소자를 구비한 구조로 한다. 이로써 광전 변환 소자로 입사되는 광량에 따른 정보를 각 신호 출력 회로의 트랜지스터의 게이트 전위로서 유지한 후, 제 2 스위칭 소자를 온 상태로 하여 광전 변환 소자의 특성으로 인한 영향을 받지 않고 상이한 기간에서의 신호를 취득할 수 있다.

Description

광 검출 회로 및 반도체 장치{PHOTODETECTOR CIRCUIT AND SEMICONDUCTOR DEVICE}
본 발명은 광 검출 회로 및 광 검출 회로를 구비하는 반도체 장치에 관한 것이다.
다양한 분야에서 외부로부터 광을 수광(受光)하고 상기 입사광량에 따른 신호를 출력하는 회로(이하, "광 검출 회로"라고도 기재함)를 구비한 반도체 장치가 사용되고 있다.
광 검출 회로로서는 예를 들어, CMOS 회로를 구비한 광 검출 회로(이하, CMOS 센서라고도 기재함) 등이 있고, CMOS 센서는 입사광량에 따른 전류를 흘릴 수 있는 광전 변환 소자(예를 들어, 포토 다이오드 등)와, 광전 변환 소자로 입사되는 광량에 따른 전위를 유지하고 상기 전위에 따른 신호를 출력하는 신호 출력 회로를 갖는다.
또한, CMOS 센서는 신호 출력 회로에 유지된 전위(전하라고도 할 수 있음)를 초기 상태로 하는 동작(리셋 동작이라고도 함)과, 광전 변환 소자에 흐르는 광 전류의 양에 따른 전위를 생성하는 동작(전위 생성 동작이라고도 함)과, 상기 전위에 따른 신호를 출력하는 동작(출력 동작이라고도 함)을 MOS 트랜지스터를 포함한 신호 출력 회로에서 수행함으로써 광전 변환 소자로 입사되는 광량을 검출한다.
광 검출 회로를 구비한 반도체 장치로서 예를 들어, 일례로서 매트릭스 형상으로 배치된 복수의 화소 각각에 광 검출 회로가 제공된 화상 표시 장치 등을 들 수 있다(예를 들어, 특허 문헌 1 참조).
상기 화상 표시 장치에서는 표시 화면 위에 피검출물(예를 들어, 펜이나 손가락 등)이 존재한 경우에는, 상기 화상 표시 장치로부터 방출된 광의 일부가 피검출물에 의하여 반사되고 이 반사광의 양을 광 검출 회로에 의하여 검출함으로써 피검출물의 표시 화면 위에서의 존재 영역의 검출을 수행할 수 있다.
또한, 광 검출 회로를 구비한 반도체 장치로서는, 일례로서 신틸레이터, 및 복수의 광 검출 회로를 구비한 플랫 패널 검출기가 제공된 의료용 화상 진단 장치 등을 들 수 있다(예를 들어, 특허 문헌 2 참조).
상기 의료용 화상 진단 장치에서는 방사선원으로부터 조사된 방사선(예를 들어, X선 등)을 인체에 조사하여 인체를 투과한 방사선을 신틸레이터에 의하여 광(예를 들어, 가시광 등)으로 변환하고 상기 광을 플랫 패널 검출기가 구비하는 광 검출 회로에 의하여 검출하여 촬상 데이터를 구성함으로써 인체 내부의 화상을 전자 데이터로서 취득할 수 있다.
하지만 상술한 바와 같이, 반도체 장치 내에 제공된 광 검출 회로에 의하여 각종 정보를 취득하는 반도체 장치에서 광 검출 회로로부터 출력되는 신호(검출 신호라고도 함)는 정보를 취득하기 위하여 필요한 신호(필수 신호라고도 함)뿐만 아니라 불필요한 신호(노이즈 신호라고도 함)를 포함한 복합 신호인 경우가 있다.
예를 들어, 상술한 화상 표시 장치에서는 "피검출물에 의하여 반사되어 광 검출 회로에 입사하는 광"에 따라 광 검출 회로로부터 출력되는 신호는 필수 신호인 것에 대하여 "태양광이나 형광등 등 장치 외부로부터 입사하는 광(외광)"에 따라 광 검출 회로로부터 출력되는 신호는 노이즈 신호가 된다.
또한, 상술한 의료용 화상 진단 장치에서 신틸레이터로부터 방출되는 광에는 방사선의 조사를 정지한 후에도 계속 발광하는 현상(소위 잔광(afterglow)이라고 불리는 현상)이 있기 때문에 플랫 패널 검출기가 받는 광은 "방사선의 조사에 의하여 방출되는 광"과 "잔광에 의하여 방출되는 광"의 양쪽 모두를 포함한 광이 되는 경우가 있다.
이와 같은 경우, "방사선의 조사에 의하여 방출되는 광"에 따라 광 검출 회로로부터 출력되는 신호는 필수 신호인 것에 대하여 "잔광에 의하여 방출되는 광"에 따라 광 검출 회로로부터 출력되는 신호는 노이즈 신호가 된다.
상술한 바와 같이, 광 검출 회로로부터 출력되는 검출 신호에 필수 신호뿐만 아니라 노이즈 신호도 포함되는 문제를 해결하기 위해서는 복합 신호로부터 노이즈 신호만을 선택적으로 제거하는 것이 유효하다. 이를 수행하기 위하여 예를 들어, 화상 표시 장치에서는 비특허 문헌 1과 같이, 매트릭스 형상으로 배치된 광 검출 회로(CMOS 센서)를 갖는 장치가 제안되고 있다.
비특허 문헌 1에 기재된 화상 표시 장치(비특허 문헌 1의 도 3 참조)에서는 매트릭스 형상으로 배치된 광 검출 회로(비특허 문헌 1에서는 포토 센서라고 기재됨)는 트랜지스터(M1), 트랜지스터(M2), 및 용량(CINT)이 신호 출력 회로로서 기능하고 소자(D1)가 광전 변환 소자로서 기능한다.
그리고 백 라이트를 점등하여 피검출물에 광을 조사하는 기간에서 홀수행째의 광 검출 회로에서 리셋 동작 및 전위 생성 동작을 수행한 후, 백 라이트를 점등하지 않게 하여 피검출물에 광을 조사하지 않는 기간에서 짝수행째의 광 검출 회로에서 리셋 동작 및 전위 생성 동작을 수행한다.
또한, 백 라이트를 점멸시키는 간격은 짧고 백 라이트를 점등할 때와 점등하지 않을 때에서 피검출물은 거의 이동하지 않는다고 간주한다.
그 후, 인접하는 2행의 광 검출 회로에서 동시에 출력 동작을 수행하고 이들의 검출 신호의 차분을 취한다. 그리고 상기 동작을 순차적으로 반복하고 모든 행의 광 검출 회로에서 출력 동작을 수행한다.
상술한 바와 같이 하여 얻어진 인접하는 2행의 광 검출 회로에서의 검출 신호의 차분은, 백 라이트를 점등할 때에서의 광 검출 회로로 입사되는 광량에 따른 신호(복합 신호)로부터, 백 라이트를 점등하지 않을 때에서의 광 검출 회로로 입사되는 광량에 따른 신호(노이즈 신호)를 뺀 것이기 때문에 필수 신호만이 포함된 정확한 신호라고 할 수 있다.
즉 광 검출 회로를 사용하여 복수의 검출 신호(적어도 2개 이상의 검출 신호)를 취득하고 상기 복수의 검출 신호를 사용하여 정확한 검출 신호를 얻는다.
일본국 특개2006-079589호 공보 일본국 특개2003-250785호 공보
하지만 비특허 문헌 1에 기재된 구조에서는 상이한 기간(백 라이트를 점등할 때 및 백 라이트를 점등하지 않을 때)에서의 검출 신호를 취득하기 위해서는 적어도 인접하는 2개의 광 검출 회로를 필요로 한다.
따라서 2개의 광 검출 회로의 광전 변환 소자의 특성(예를 들어, 수광 감도 등)에 차이가 있는 경우, 2개의 광 검출 회로로부터 출력되는 검출 신호에는 광전 변환 소자의 특성차가 포함된다.
상술한 과제를 감안하여 기재하는 발명의 일 형태는 광전 변환 소자의 특성으로 인한 영향을 받지 않고 상이한 기간에서의 검출 신호를 취득할 수 있는 광 검출 회로를 제공하는 것을 목적 중 하나로 한다.
또한, 기재되는 발명의 일 형태는 상술한 광 검출 회로를 구비하는 반도체 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 과제를 해결하기 위하여 기재되는 발명의 일 형태에서는 광 검출 회로의 구조를 한 광전 변환 소자에 n개(n은 2 이상의 자연수)의 신호 출력 회로가 접속되고, n개의 신호 출력 회로를 (1) 광전 변환 소자로 입사되는 광량에 따라 게이트 전위가 변동하고 상기 게이트 전위에 따른 신호를 출력하는 트랜지스터, (2) 광전 변환 소자와 트랜지스터 사이에 접속되고 트랜지스터의 게이트 전위를 유지하는 제 1 스위칭 소자, (3) 트랜지스터로부터 출력되는 신호의 제어를 수행하는 제 2 스위칭 소자를 구비한 구조로 한다.
신호 출력 회로를 상술한 구조로 한 경우, 제 1 스위칭 소자를 오프 상태로 함으로써 트랜지스터의 게이트 전위를 유지할 수 있기 때문에 광전 변환 소자로 입사되는 광량에 따른 정보를 상이한 기간마다 다른 신호 출력 회로에 유지할 수 있다. 그리고 n개의 신호 출력 회로에서 각각 상이한 기간에서의 정보(광전 변환 소자로 입사되는 광량에 따른 정보)를 유지하고 나서 제 2 스위칭 소자를 온 상태로 함으로써 광전 변환 소자의 특성으로 인한 영향을 받지 않고 상이한 기간에서의 신호를 취득할 수 있다.
즉, 본 발명의 일 형태는 광전 변환 소자와, 광전 변환 소자와 접속된 n개(n은 2 이상의 자연수)의 신호 출력 회로를 구비하고, n개의 상기 신호 출력 회로는 광전 변환 소자로 입사되는 광량에 따라 게이트 전위가 변동하고 게이트 전위에 따른 신호를 출력하는 트랜지스터와, 광전 변환 소자와 트랜지스터 사이에 접속되고 게이트 전위를 유지하는 제 1 스위칭 소자와, 신호의 출력 제어를 수행하는 제 2 스위칭 소자를 갖고, n개의 신호 출력 회로에 유지되는 게이트 전위는 각각 상이한 기간에서의 광전 변환 소자로 입사되는 광량에 따른 전위이고, n개의 신호 출력 회로에 게이트 전위를 유지한 후에 n개의 신호 출력 회로의 각각으로부터 게이트 전위에 따른 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 광 검출 회로다.
광 검출 회로를 상술한 구조로 함으로써 광전 변환 소자의 특성으로 인한 영향을 받지 않고 상이한 기간에서의 신호를 취득할 수 있는 광 검출 회로로 할 수 있다.
또한, 상술한 광 검출 회로에서 n개의 신호 출력 회로의 제 2 스위칭 소자에 접속되고, 제 2 스위칭 소자의 동작 상태를 제어하는 신호를 전송하는 배선을 갖는 구조로 함으로써 각각 신호 출력 회로에서의 제 2 스위칭 소자의 온/오프 동작에 필요한 배선수를 적게 할 수 있다. 또한, n개의 신호 출력 회로로부터의 신호의 출력을 동시에 수행할 수도 있기 때문에 신호의 취득을 짧은 시간 안에 수행할 수 있다.
그리고 상술한 광 검출 회로에서 제 1 스위칭 소자를 채널 형성 영역에 산화물 반도체 재료를 사용한 트랜지스터로 한 경우, 제 1 스위칭 소자는 오프 전류가 매우 낮고, 트랜지스터의 게이트 전위를 오랫동안 유지할 수 있다. 이로써 신호 출력 회로로부터 출력되는 신호는 광전 변환 소자로 입사되는 광량에 따른 정보를 굉장히 정확하게 포함하는 신호가 된다.
또한, 제 1 스위칭 소자에 더하여 제 2 스위칭 소자 및 트랜지스터도 채널 형성 영역에 산화물 반도체 재료를 사용한 트랜지스터로 한 경우, 신호 출력 회로가 구비하는 소자를 동일한 공정으로 제작할 수 있기 때문에 광 검출 회로의 제작에 따른 시간이나 비용을 저감할 수 있다.
또한, 상술한 광 검출 회로를 반도체 장치에 사용하는 경우에는 광 검출 회로를 매트릭스 형상으로 구비하고, 매트릭스 형상의 광 검출 회로 모두에서 광 검출 회로가 구비하는 n개의 신호 출력 회로에 게이트 전위를 유지한 후, 각각 광 검출 회로로부터 게이트 전위에 따른 n개의 신호를 출력하는 구조로 함으로써 모든 광 검출 회로로부터 짧은 시간 안에 상이한 기간에서의 신호를 취득할 수 있다.
반도체 장치의 구체적인 일례로서는 예를 들어, 방사선 촬상 장치가 있다. 방사선 촬상 장치에 상술한 광 검출 회로를 사용하는 경우에는 방사선원과, 방사선원으로부터 출력되는 방사선을 받고 광을 출력하는 신틸레이터와, 매트릭스 형상으로 배치된 광 검출 회로 및 광 검출 회로의 동작을 제어하는 광 검출 회로 제어부를 구비한 광 검출 기구와, 광 검출 회로 제어부로부터 출력되는 신호의 비교 처리를 수행하는 검출 신호 비교부를 갖고, 광 검출 기구는 매트릭스 형상으로 배치된 광 검출 회로 모두에서 광 검출 회로가 구비하는 n개의 신호 출력 회로에 게이트 전위를 유지한 후, 각각 광 검출 회로로부터 게이트 전위에 따른 n개의 상기 신호를 출력하고 검출 신호 비교부는 각각 광 검출 회로로부터 출력되는 n개의 신호에 대하여 광 검출 회로마다 비교 처리를 수행하는 구조로 하면 좋다.
방사선 촬상 장치와 상이한 반도체 장치의 구체적인 일례로서는 예를 들어, 화상 표시 장치가 있다. 화상 표시 장치에 상술한 광 검출 회로를 사용하는 경우에는 표시 소자 및 광 검출 회로를 갖는 화소를 매트릭스 형상으로 구비하는 표시부와, 표시 소자의 동작을 제어하는 표시 소자 제어부와, 광 검출 회로의 동작을 제어하는 광 검출 회로 제어부와, 광 검출 회로 제어부로부터 출력되는 신호를 사용하여 화상 신호를 생성하는 화상 신호 생성부를 갖고, 매트릭스 형상으로 배치된 화소가 구비하는 광 검출 회로 모두에서 광 검출 회로가 구비하는 n개의 신호 출력 회로에 게이트 전위를 유지한 후, 각각 광 검출 회로로부터 게이트 전위에 따른 n개의 상기 신호를 출력하고, 화상 신호 생성부는 각각 광 검출 회로로부터 출력되는 n개의 신호에 대하여 광 검출 회로마다 화상 신호 생성 처리를 수행하는 구조로 하면 좋다.
또한, 본 발명의 일 형태는 광전 변환 소자와, 광전 변환 소자와 접속된 n개(n은 2 이상의 자연수)의 신호 출력 회로를 구비하고, n개의 신호 출력 회로는 광전 변환 소자로 입사되는 광량에 따라 게이트 전위가 변동하고 게이트 전위에 따른 신호를 출력하는 트랜지스터와, 광전 변환 소자와 트랜지스터 사이에 접속되고 게이트 전위를 유지하는 제 1 스위칭 소자와, 트랜지스터로부터 출력되는 신호의 제어를 수행하는 제 2 스위칭 소자를 갖고, n개의 신호 출력 회로에서 광전 변환 소자로 입사되는 광량에 따른 전위를 제 1 스위칭 소자를 오프 상태로 함으로써 게이트 전위로서 유지하는 공정을, 신호 출력 회로마다 상이한 기간에 수행한 후, 제 2 스위칭 소자를 온 상태로 함으로써 게이트 전위에 따른 신호를 출력하는 공정을 수행하는 것을 특징으로 하는 광 검출 회로의 동작 방법이다.
광 검출 회로를 상술한 동작 방법으로 구동시킴으로써 광 검출 회로에서 광전 변환 소자의 특성으로 인한 영향을 받지 않고 상이한 기간에 광전 변환 소자로 입사되는 광량에 따른 신호를 짧은 시간 안에 취득할 수 있다.
또한, 상술한 광 검출 회로의 동작 방법에서 게이트 전위를 초기 상태로 하는 동작을 n개의 신호 출력 회로에서 동시에 수행함으로써 n개의 신호 출력 회로에서의 게이트 전위의 리셋을 동시에 수행할 수 있기 때문에 신호의 취득을 짧은 시간 안에 수행할 수 있다.
또한, 상술한 광 검출 회로의 동작 방법에서 제 2 스위칭 소자를 온 상태로 하는 동작 및 오프 상태로 하는 동작을 n개의 신호 출력 회로에서 동시에 수행함으로써 n개의 신호 출력 회로로부터의 신호의 출력을 동시에 수행할 수도 있기 때문에 신호의 취득을 짧은 시간 안에 수행할 수 있다.
본 발명의 일 형태와 같이, 광 검출 회로의 구조를 광전 변환 소자에 n개(n은 2 이상의 자연수)의 출력 회로가 접속된 구조로 하고 상기 출력 회로에서는 생성된 전위의 크기에 따라 출력되는 신호가 변화하는 트랜지스터와, 출력 회로로부터의 전위 누설을 방지하는 제 1 스위칭 소자와, 트랜지스터로부터의 출력 신호의 제어를 수행하는 제 2 스위칭 소자를 갖는 구조로 한다. 그리고 n개의 출력 회로에서 출력 회로마다 상이한 기간에(상이한 타이밍으로) 신호를 유지한 후, n개의 출력 회로로부터 신호를 출력한다.
따라서 광전 변환 소자의 특성으로 인한 영향을 받지 않고, 또한 상이한 기간에서의 신호의 취득이 가능한 광 검출 회로로 할 수 있다.
도 1은 광 검출 회로의 구조 및 동작 플로를 설명하기 위한 도면.
도 2는 광 검출 회로의 동작 플로를 설명하기 위한 도면.
도 3은 광 검출 회로의 구조 및 동작 플로를 설명하기 위한 도면.
도 4는 광 검출 회로의 동작 플로를 설명하기 위한 도면.
도 5는 광 검출 회로의 구조를 설명하기 위한 도면.
도 6은 광 검출 회로의 구조를 설명하기 위한 도면.
도 7은 연산 증폭 회로를 설명하기 위한 도면.
도 8은 광 검출 회로의 레이아웃을 설명하기 위한 도면.
도 9는 광 검출 회로의 레이아웃을 설명하기 위한 도면.
도 10은 방사선 촬상 장치의 구조를 설명하기 위한 도면.
도 11은 방사선 촬상 장치의 동작을 설명하기 위한 도면.
도 12는 화상 표시 장치의 구조를 설명하기 위한 도면.
도 13은 화상 표시 장치의 구조를 설명하기 위한 도면.
도 14는 화상 표시 장치의 동작을 설명하기 위한 도면.
도 15는 광 검출 회로의 구조를 설명하기 위한 도면.
이하에 발명을 실시하기 위한 형태에 대하여 도면을 사용하여 자세히 설명한다. 다만, 이하에 기재된 실시형태는 많은 상이한 형태로 실시될 수 있고 본 발명의 취지 및 그 범위에서 벗어남이 없이 그 형태 및 자세한 사항을 다양하게 변경할 수 있는 것은 당업자라면 쉽게 이해할 수 있다. 따라서, 이하에 기재된 실시형태의 내용에 한정하여 해석되는 것이 아니다. 또한 실시형태를 설명하기 위한 전 도면에서 동일한 부분, 또는 같은 기능을 갖는 부분에는 동일한 부호를 부여하고 그 반복 설명은 생략하였다.
또한, 이하에 설명하는 실시형태에서 트랜지스터의 "한쪽 단자"란 "소스 전극 및 드레인 전극 중 한쪽"을 가리키고, 트랜지스터의 "다른 한쪽 단자"란 "소스 전극 및 드레인 전극 중 다른 한쪽"을 가리킨다. 즉, 트랜지스터의 "한쪽 단자"가 "소스 전극"이라면 트랜지스터의 "다른 한쪽 단자"는 "드레인 전극"을 가리킨다.
또한, 본 명세서 중에서, 전기적인 접속이란, 전류, 전압 또는 전위가, 공급 가능한 상태 또는 전송 가능한 상태에 상당한다. 따라서, 전기적으로 접속하고 있는 상태란, 직접 접속하고 있는 상태를 반드시 가리키는 것이 아니며, 전류, 전압 또는 전위를 공급할 수 있도록 또는 전송할 수 있도록, 배선, 저항, 다이오드, 트랜지스터 등의 회로 소자를 개재(介在)하여 간접적으로 접속하고 있는 상태도, 그 범주에 포함된다.
또한, 특별히 언급이 없는 한, 본 명세서에서 오프 전류란 n채널형 트랜지스터에서는, 드레인 전극을 소스 전극과 게이트 전극보다 높은 전위로 한 상태에서 소스 전극의 전위를 기준으로 하였을 때 게이트 전극의 전위가 0 이하인 경우에 소스 전극과 드레인 전극 사이에 흐르는 전류를 가리킨다. 또한, p채널형 트랜지스터에서는, 드레인 전극을 소스 전극과 게이트 전극보다 낮은 전위로 한 상태에서 소스 전극의 전위를 기준으로 하였을 때 게이트 전극의 전위가 0 이상인 경우에 소스 전극과 드레인 전극 사이에 흐르는 전류를 가리킨다.
(실시형태 1)
본 실시형태에서는 광 검출 회로의 구조 및 동작 방법에 대하여 도 1 및 도 2를 사용하여 설명한다.
<광 검출 회로의 구조>
도 1의 (A)는 광 검출 회로의 구성을 도시한 회로도의 일례다. 광 검출 회로는 광전 변환 소자(100)와, 광전 변환 소자(100)와 접속된 2개의 신호 출력 회로(제 1 신호 출력 회로(101) 및 제 2 신호 출력 회로(102))를 구비한다.
<광전 변환 소자의 설명>
광전 변환 소자(100)로서 도 1에서는 포토 다이오드를 도시하였다. 상기 포토 다이오드는 외부로부터의 광의 입사에 의하여 전류가 발생하는 성질을 갖고, 입사한 광의 강도에 따라 흐르는 광전류 값이 변화된다. 또한, 광전 변환 소자(100)가 포토 다이오드에 한정되는 것이 없다. 예를 들어, 광전 변환 소자(100)를 가변(可變) 저항 소자로 한 구성이라도 좋다. 가변 저항 소자에는 한 쌍의 전극과, 이 한 쌍의 전극 사이에 제공된 i형 도전형을 갖는 비정질 실리콘층을 갖는 구성을 사용할 수 있다. 상기 i형 비정질 실리콘층은 광이 조사됨으로써 저항이 변화되기 때문에 포토 다이오드와 마찬가지로 사용할 수 있다.
광전 변환 소자(100)의 전극 중 한쪽이 배선(111)(배선 PR이라고도 기재함)과 접속되고, 다른 한쪽이 제 1 신호 출력 회로(101) 및 제 2 신호 출력 회로(102)와 접속된다.
물론, 광전 변환 소자(100)의 전극 중 한쪽을 제 1 신호 출력 회로(101) 및 제 2 신호 출력 회로(102)와 접속시키고, 다른 한쪽을 배선(111)과 접속시킨 구조로 하여도 좋다.
신호 출력 회로(제 1 신호 출력 회로(101) 및 제 2 신호 출력 회로(102))는 광전 변환 소자(100)로 입사되는 광량을 정보로서 포함하는 전위를 각각 회로 내에 유지하는 역할 및 상기 전위에 따른 검출 신호를 외부에 출력하는 역할을 갖는다.
본 실시형태의 설명에서, 2개의 신호 출력 회로(제 1 신호 출력 회로(101) 및 제 2 신호 출력 회로(102))는 동일한 구조를 갖기 때문에 신호 출력 회로가 구비하는 구성 요소에 대해서는 동일한 부호를 사용한다. 예를 들어, 제 1 신호 출력 회로(101)가 구비하는 트랜지스터와 제 2 신호 출력 회로(102)가 구비하는 트랜지스터는 둘 다 "트랜지스터(120)"라고 기재한다.
<검출 회로의 설명>
제 1 신호 출력 회로(101)는 광전 변환 소자(100)로 입사되는 광량에 따라 게이트 전위가 변동하고, 상기 게이트 전위에 따른 신호를 출력하는 트랜지스터(120)와, 광전 변환 소자(100)와 트랜지스터(120) 사이에 접속되고 양자의 접속 상태를 제어하고 트랜지스터(120)의 게이트에 가하는 전위를 유지하는 역할을 갖는 제 1 스위칭 소자(121)와, 트랜지스터(120)로부터 출력되는 신호의 제어를 수행하는 제 2 스위칭 소자(122)를 갖는다.
제 1 신호 출력 회로(101)가 구비하는 트랜지스터(120)는 게이트가 배선(112)(배선 FD1이라고도 기재함)과 접속되고, 소스 및 드레인 중 한쪽이 배선(113)(배선 VR이라고도 기재함)과 접속되고, 소스 및 드레인 중 다른 한쪽이 제 2 스위칭 소자(122)의 소스 및 드레인 중 한쪽과 접속된다.
제 1 신호 출력 회로(101)가 구비하는 제 1 스위칭 소자(121)는 트랜지스터(120)의 게이트에 가하는 전위를 유지하는 역할을 갖기 때문에 오프 상태시의 누설 전류가 가능한 한 작은 것이 바람직하다.
오프 상태시의 누설 전류가 작은 스위칭 소자로서는 예를 들어, 채널 형성 영역에 산화물 반도체 재료를 사용한 트랜지스터를 사용할 수 있다.
상술한 산화물 반도체 재료로서는, 적어도 인듐(In) 또는 아연(Zn)을 포함하는 것이 바람직하다. 특히 In과 Zn을 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 산화물 반도체 재료를 사용한 트랜지스터의 전기적 특성의 편차를 줄이기 위한 스테빌라이저로서 이들에 더하여 갈륨(Ga)을 갖는 것이 바람직하다. 또한 스테빌라이저로서 주석(Sn)을 갖는 것이 바람직하다. 또한 스테빌라이저로서 하프늄(Hf)을 갖는 것이 바람직하다. 또한 스테빌라이저로서 알루미늄(Al)을 갖는 것이 바람직하다.
또한, 다른 스테빌라이저로서 란타노이드인, 란타넘(La), 세륨(Ce), 프라세오디뮴(Pr), 네오디뮴(Nd), 사마륨(Sm), 유로퓸(Eu), 가돌리늄(Gd), 테르븀(Tb), 디스프로슘(Dy), 홀뮴(Ho), 에르븀(Er), 툴륨(Tm), 이테르븀(Yb), 루테튬(Lu) 중 어느 한 종류 또는 복수 종류를 포함하여도 좋다.
산화물 반도체 재료를 사용한 막은 밴드갭이 3.0eV 이상이며 실리콘의 밴드갭(1.1eV)에 비하여 굉장히 크다.
트랜지스터의 오프 저항(트랜지스터가 오프 상태일 때의 소스와 드레인 사이의 저항을 말함)은 채널 형성 영역에서의 열적으로 여기하는 캐리어 농도에 반비례한다. 도너나 억셉터에 의한 캐리어가 전혀 존재하지 않는 상태(진성 반도체)라도 실리콘의 경우에는 밴드갭이 1.1eV이기 때문에 실온(300K)에서의 열 여기 캐리어 농도는 1×1011cm-3 정도다.
한편, 산화물 반도체 재료를 사용한 막의 밴드갭은 상술한 바와 같이, 일반적으로 3.0eV 이상으로 크고, 예를 들어, 밴드갭이 3.2eV인 경우에는 열 여기 캐리어 농도는 1×10-7cm-3 정도가 된다. 같은 전자 이동도인 경우, 저항률은 캐리어 농도에 반비례하기 때문에 밴드갭 3.2eV의 반도체의 저항률은 실리콘보다 18자릿수나 크다.
이와 같은 밴드갭이 넓은 산화물 반도체 재료를 채널 형성 영역에 적용한 트랜지스터는 매우 낮은 오프 전류를 구현할 수 있다.
그리고 상기 트랜지스터를 제 1 스위칭 소자(121)로서 사용하고, 광전 변환 소자(100)로 입사되는 광량에 따라 트랜지스터(120)의 게이트 전위가 변동한 후에 제 1 스위칭 소자(121)를 오프 상태로 함으로써 트랜지스터(120)의 게이트 전위를 배선(112)에 오랫동안 유지할 수 있다.
또한, 상술에서는 제 1 스위칭 소자(121)의 일례로서 채널 형성 영역에 산화물 반도체 재료를 사용한 트랜지스터에 대한 설명을 하였지만, 오프 전류가 낮은 다른 스위칭 소자를 사용하여도 좋다. 예를 들어, 자기 저항 효과를 사용한 트랜지스터(스핀 트랜지스터 등이라고도 말함)나 게이트 절연막으로서 강유전체 재료를 사용한 트랜지스터(강유전체 트랜지스터 등이라고도 말함) 등을 사용할 수 있다.
트랜지스터(120)의 드레인(또는 소스)으로부터는 트랜지스터(120)의 게이트 전위에 따른 신호가 출력된다. 따라서 상기 신호는 "광전 변환 소자(100)로 입사되는 광량을 정보로서 포함하는 신호"라고도 해석할 수 있다.
제 1 스위칭 소자(121)인 채널 형성 영역에 산화물 반도체 재료를 사용한 트랜지스터는 소스 및 드레인 중 한쪽이 광전 변환 소자(100)의 전극 중 다른 한쪽과 접속되고, 소스 및 드레인 중 다른 한쪽이 트랜지스터(120)의 게이트와 접속되고, 게이트가 배선(114)(배선 TX1이라고도 기재함)과 접속된다.
또한, 본 실시형태 등에서는 채널 형성 영역에 산화물 반도체 재료를 사용한 트랜지스터를 제 1 스위칭 소자(121)로서 기재하였지만, 접속 상태(도통 상태)의 온/오프를 전환할 수 있는 소자라면 트랜지스터에 한정되지 않고 다양한 공지 기술을 사용할 수 있다.
제 1 신호 출력 회로(101)가 구비하는 제 2 스위칭 소자(122)는 소스 및 드레인 중 한쪽이 트랜지스터(120)의 소스 및 드레인 중 다른 한쪽과 접속되고, 소스 및 드레인 중 다른 한쪽이 배선(115)(배선 OUT라고도 기재함)과 접속되고, 게이트가 배선(116)(배선 SE1이라고도 기재함)과 접속된다.
도 1의 (A)와 같이, 제 2 스위칭 소자(122)를 트랜지스터로 한 경우, 상기 트랜지스터의 Vgs(소스를 기준으로 한 경우의 게이트와 소스 사이의 전압차)를 문턱 전압보다 충분히 큰 전압으로 함으로써 트랜지스터(120)로부터 출력되는 신호가 배선(115)(OUT)에 출력된다.
또한, 배선(115)(OUT)에는 적분 회로가 접속되어도 좋다. 배선(115)(OUT)에 적분 회로가 접속됨으로써 신호의 S/N 비율을 높일 수 있어 더 미약한 광을 검출할 수 있다. 적분 회로의 구체적인 구성예에 대해서는 실시형태 2에서 기재한다.
제 2 신호 출력 회로(102)는 광전 변환 소자(100)로 입사되는 광량에 따라 게이트 전위가 변동하고, 상기 게이트 전위에 따른 신호를 출력하는 트랜지스터(120)와, 광전 변환 소자(100)와 트랜지스터(120) 사이에 접속되고 양자의 접속 상태를 제어하고 트랜지스터(120)의 게이트에 가하는 전위를 유지하는 역할을 갖는 제 1 스위칭 소자(121)와, 트랜지스터(120)로부터 출력되는 신호의 제어를 수행하는 제 2 스위칭 소자(122)를 갖는다.
제 2 신호 출력 회로(102)가 구비하는 트랜지스터(120)는 게이트가 배선(132)(배선 FD2라고도 기재함)과 전기적으로 접속되고, 소스 및 드레인 중 한쪽이 배선(113)(배선 VR이라고도 기재함)과 전기적으로 접속되고, 소스 및 드레인 중 다른 한쪽이 제 2 스위칭 소자(122)의 전극 중 한쪽과 전기적으로 접속된다.
트랜지스터(120)의 소스 및 드레인 중 한쪽과 접속된 배선은 제 1 신호 출력 회로(101)에서의 배선(113)과 공통의 배선을 사용한다.
제 2 신호 출력 회로(102)가 구비하는 제 1 스위칭 소자(121)는 트랜지스터(120)의 게이트에 가하는 전위를 유지하기 위한 역할을 갖기 때문에 오프 전류가 가능한 한 작은 것이 바람직하다. 예를 들어, 채널 형성 영역에 산화물 반도체 재료를 사용한 트랜지스터를 사용할 수 있다. 채널 형성 영역에 산화물 반도체 재료를 사용한 트랜지스터에 대한 설명은 상술한 "제 1 신호 출력 회로(101)의 설명"에 기재된 내용을 참작할 수 있다.
채널 형성 영역에 산화물 반도체 재료를 사용한 트랜지스터는 오프 전류가 매우 작기 때문에 제 1 스위칭 소자(121)로서 사용되고 광전 변환 소자(100)로 입사되는 광량에 따라 트랜지스터(120)의 게이트 전위가 변동한 후에 제 1 스위칭 소자(121)를 오프 상태로 함으로써 트랜지스터(120)의 게이트 전위를 배선(132)에 오랫동안 유지할 수 있다.
또한, 트랜지스터(120)의 드레인(또는 소스)으로부터는 트랜지스터(120)의 게이트 전위에 따른 신호(이하, 제 2 신호 출력 회로(102)로부터 출력되는 신호를 제 2 신호라고도 기재함)가 출력된다.
제 1 스위칭 소자(121)인, 채널 형성 영역에 산화물 반도체 재료를 사용한 트랜지스터는 소스 및 드레인 중 한쪽이 광전 변환 소자(100)의 전극 중 다른 한쪽과 접속되고, 소스 및 드레인 중 다른 한쪽이 트랜지스터(120)의 게이트와 접속되고, 게이트가 배선(134)(배선 TX2라고도 기재함)과 접속된다.
또한, 본 실시형태 등에서는 채널 형성 영역에 산화물 반도체 재료를 사용한 트랜지스터를 제 1 스위칭 소자(121)로서 기재하였지만, 접속 상태(도통 상태)의 온/오프를 전환할 수 있는 소자라면 트랜지스터에 한정되지 않는다.
제 2 신호 출력 회로(102)가 구비하는 제 2 스위칭 소자(122)는 소스 및 드레인 중 한쪽이 트랜지스터(120)의 소스 및 드레인 중 다른 한쪽과 접속되고, 소스 및 드레인 중 다른 한쪽이 배선(115)(배선 OUT라고도 기재함)과 접속되고, 게이트가 배선(136)(배선 SE2라고도 기재함)과 접속된다.
제 2 스위칭 소자(122)의 소스 및 드레인 중 다른 한쪽과 접속된 배선은 제 1 신호 출력 회로(101)에서의 배선(115)과 공통의 배선을 사용한다.
광 검출 회로를 상술한 구조로 함으로써 각각 신호 출력 회로가 구비하는 제 1 스위칭 소자(121)를 상이한 타이밍으로 온 상태로 함으로써 상이한 타이밍으로의 광전 변환 소자(100)로 입사되는 광량을 검출할 수 있다. 제 1 스위칭 소자(121)를 오프 상태로 함으로써 상기 정보를 게이트 전위로서 유지시킬 수 있기 때문에 예를 들어, 제 1 기간에서 광전 변환 소자(100)로 입사되는 광이 "복합 신호"를 생성하는 광이라도 상기 광을 정보로서 포함하는 전위를 제 1 신호 출력 회로(101) 내에 유지하고, 또한, 제 2 기간에서 "노이즈 신호"를 생성하는 광을 검출하고 상기 광을 정보로서 포함하는 전위를 제 2 신호 출력 회로(102) 내에 유지함으로써 광 검출 회로로부터 "필수 신호"의 생성에 필요한 신호를 얻을 수 있다.
또한, 본 실시형태에서, 트랜지스터(120)는 광전 변환 소자(100)가 생성하는 전기 신호를 증폭시키는 기능을 갖기 때문에 높은 이동도를 갖는 것이 바람직하다.
높은 이동도를 구비하는 트랜지스터(120)로서는 예를 들어, 비정질 실리콘이나 미결정 실리콘, 다결정 실리콘, 단결정 실리콘 등을 채널 형성 영역에 사용한 박막 트랜지스터를 적용할 수 있다.
한편, 배선(113)(VR)에 필요 없는 전위를 출력하는 것을 방지하기 위하여 낮은 오프 전류 특성이 필요하다. 그러므로 높은 이동도와 낮은 오프 전류를 양립할 수 있는 산화물 반도체 재료를 채널 형성 영역에 사용한 트랜지스터를 사용하여 트랜지스터(120)를 구성하는 것도 유효하다.
또한, 본 실시형태에서, 제 2 스위칭 소자(122)는 신호 출력 회로로부터의 신호의 출력을 제어하는 기능을 갖기 때문에 높은 이동도를 갖는 것이 바람직하다.
높은 이동도를 구비하는 제 2 스위칭 소자(122)로서는 예를 들어, 비정질 실리콘이나 미결정 실리콘, 다결정 실리콘, 단결정 실리콘 등을 채널 형성 영역에 사용한 박막 트랜지스터를 적용할 수 있다.
한편, 배선(115)(OUT)에 필요 없는 전위를 출력하는 것을 방지하기 위하여 낮은 오프 전류 특성이 필요하다. 그러므로 높은 이동도와 낮은 오프 전류를 양립할 수 있는 산화물 반도체 재료를 채널 형성 영역에 사용한 트랜지스터를 사용하여 제 2 스위칭 소자(122)를 구성하는 것도 유효하다.
또한, 각각 신호 출력 회로가 구비하는 모든 구성 요소(트랜지스터(120), 제 1 스위칭 소자(121) 및 제 2 스위칭 소자(122))에 대하여 채널 형성 영역에 산화물 반도체 재료를 사용한 트랜지스터를 사용함으로써 신호 출력 회로의 제작 과정을 간략화할 수 있다.
또한, 트랜지스터(120) 및 제 2 스위칭 소자(122)의 채널 형성 영역에 예를 들어, 다결정 실리콘 또는 단결정 실리콘 등과 같이, 산화물 반도체 재료보다 높은 이동도가 얻어지는 반도체 재료를 사용한 경우에는 신호 출력 회로로부터의 정보의 판독을 고속으로 수행할 수 있다.
또한, 배선(115)(OUT)의 전위를 안정시키기 위하여 배선(115)(OUT)에 용량 소자를 형성하는 것도 유효하다.
또한, 도 1의 (A)에서는 배선(113)(VR)과 배선(115)(OUT) 사이에 트랜지스터(120), 제 2 스위칭 소자(122)가 이 차례로 직렬에 접속된 구성이지만, 트랜지스터(120)와 제 2 스위칭 소자(122)의 접속 순서가 반대라도 좋다.
또한, 도 1의 (A)에서는 반도체층의 한쪽에만 게이트를 구비한 구조를 갖는 트랜지스터(120)를 도시하였지만, 반도체층을 끼워 존재하는 한 쌍의 게이트를 구비한 구조라도 좋다. 트랜지스터(120)가 반도체층을 끼워 존재하는 한 쌍의 게이트를 갖는 경우, 한쪽 게이트는 배선(112)(또는 배선(132))의 전위가 인가되는 프론트 게이트로서 기능하고, 다른 한쪽 게이트는 트랜지스터(120)의 문턱 값 등을 제어하는 백 게이트로서 기능할 수 있다. 이와 같은 경우, 다른 한쪽 게이트에 인가되는 전위는 소스 전위에 대하여 -20V 이상 내지 +2V 이하의 범위로 하면 좋다. 또한, 다른 한쪽 게이트에 인가되는 전위를 상술한 범위 안에서 변동시켜도 트랜지스터(120)의 문턱 전압의 변동이 신호 출력 회로의 동작에 영향을 미치지 않는다면 다른 한쪽 게이트는 전기적으로 절연된 부유 상태라도 좋다.
이상이 광 검출 회로의 회로 구성에 대한 설명이다. 상기 실시형태에서 기재한 도 1의 (A)에 도시된 회로 구성의 레이아웃예에 대하여 실시형태 4에서 기재한다.
또한, 본 실시형태에 기재된 광 검출 회로는 한 광전 변환 소자 및 상기 광전 변환 소자에 접속된 2개의 신호 출력 회로를 구비한 구조이지만 n개(n은 2 이상의 자연수)의 신호 출력 회로를 구비한 구조로 하여도 좋다. 예를 들어, 도 15에 도시된 바와 같이, 한 광전 변환 소자에 대하여 4개의 신호 출력 회로(제 1 신호 출력 회로(101), 제 2 신호 출력 회로(102), 제 3 신호 출력 회로(103), 및 제 4 신호 출력 회로(104))를 구비한 구조라도 좋다. 한 광전 변환 소자를 4개의 신호 출력 회로에서 공통화할 수 있기 때문에 배선의 공용화, 광전 변환 소자의 대면적화가 가능하게 된다. 또한, 광전 변환 소자의 면적을 크게 할 필요가 없는 경우에는 광 검출 회로의 면적을 작게 할 수 있다.
또한, 본 실시형태에 기재된 광 검출 회로의 구성은 도 5에 도시된 바와 같이, 제 1 신호 출력 회로(101) 및 제 2 신호 출력 회로(102)에 트랜지스터(501)를 더한 구성이라도 좋다. 상기 트랜지스터의 게이트는 배선(111)(PR)과 전기적으로 접속되고, 소스 및 드레인 중 한쪽은 배선(112)(FD1)(또는 배선(132)(FD2))과 전기적으로 접속되고, 소스 및 드레인 중 다른 한쪽은 배선(502a)(또는 배선(502b))과 전기적으로 접속되고, 광전 변환 소자(100)의 전극 중 한쪽이 배선(503)과 전기적으로 접속된다. 여기서 배선(503)은 광전 변환 소자(100)에 역 바이어스를 인가하기 위한 신호선(저전위선)이다. 또한, 배선(502a) 및 배선(502b)은 배선(112)(FD1)(또는 배선(132)(FD2))을 고전위로 리셋하기 위한 신호선(고전위선)이다.
트랜지스터(501)는 배선(112)(FD1)(또는 배선(132)(FD2))을 리셋하기 위한 리셋 트랜지스터로서 기능한다. 따라서 도 1의 (A)에 도시된 검출 회로와 상이하고 광전 변환 소자(100)를 개재한 리셋 동작은 수행되지 않고 상기 광전 변환 소자에는 항상 역 바이어스가 인가된다. 배선(112)(FD1) 및 배선(132)(FD2)의 리셋은 배선(111)(PR)의 전위를 "High"로 제어함으로써 수행할 수 있다.
트랜지스터(501)는 비정질 실리콘, 미결정 실리콘, 다결정 실리콘, 단결정 실리콘 등의 실리콘 반도체를 사용하여 형성할 수도 있지만, 누설 전류가 크면 전하 축적부에서 전하를 유지할 수 있는 시간이 충분하지 않게 된다. 따라서, 트랜지스터(120)와 마찬가지로 산화물 반도체 재료로 반도체층(적어도 채널 형성 영역)을 형성한 오프 전류가 매우 작은 특성을 갖는 트랜지스터를 사용하는 것이 바람직하다.
<광 검출 회로의 동작 플로>
다음에 도 1의 (A)에 도시된 광 검출 회로의 동작 플로에 대하여 도 1의 (B)를 사용하여 설명한다.
도 1의 (B)에서, 114S, 112S, 116S는 각각 제 1 신호 출력 회로(101)에서의 배선(114)(TX1), 배선(112)(FD1), 배선(116)(SE1)의 전위에 상당하고, 134S, 132S, 136S는 각각 제 2 신호 출력 회로(102)에서의 배선(134)(TX2), 배선(132)(FD2), 배선(136)(SE2)의 전위에 상당한다. 또한 111S 및 115S는 각각 제 1 신호 출력 회로(101) 및 제 2 신호 출력 회로(102)에 공통하여 사용되는 배선(111)(PR), 배선(115)(OUT)의 전위에 상당한다. 또한, 배선(113)(VR)의 전위는 "Low"로 일정 값으로 한다.
먼저, 시각(T1)에서, 배선(111)의 전위(신호(111S))를 "High"로 하고, 제 1 신호 출력 회로(101)에서의 배선(114)(TX1)의 전위(신호(114S))를 "High"로 한다(리셋 동작 시작).
이로써 광전 변환 소자(100)에 순 방향 바이어스가 인가되고 제 1 신호 출력 회로(101)에서의 배선(112)(FD1)의 전위(신호(112S))가 "High"가 된다. 또한, 배선(115)(OUT)의 전위(신호(115S))는 "High"에 프리차지해 둔다.
다음에 시각(T2)에서, 배선(111)(PR)의 전위(신호(111S))를 "Low"로 하고, 제 1 신호 출력 회로(101)에서의 배선(114)(TX1)의 전위(신호(114S))를 "High"로 한다(리셋 동작 종료, 전위 생성 동작 시작).
이로써 광전 변환 소자(100)로 입사되는 광량에 따라 광전 변환 소자(100)로 역 방향 전류가 흐르고 제 1 신호 출력 회로(101)에서의 배선(112)(FD1)의 전위(신호(112S))가 저하되기 시작한다.
광전 변환 소자(100)는 광이 조사되면 역 방향 전류가 증대되기 때문에 조사된 광의 양에 따라 제 1 신호 출력 회로(101)에서의 배선(112)(FD)의 전위(신호(112S))의 저하 속도는 변화한다. 즉, 광전 변환 소자(100)로 입사되는 광량에 따라 제 1 신호 출력 회로(101)에서의 트랜지스터(120)의 소스와 드레인 사이의 채널 저항이 변화된다.
다음에 시각(T3)에서, 제 1 신호 출력 회로(101)에서의 배선(114)(TX1)의 전위(신호(114S))를 "Low"로 한다(전위 생성 동작 종료).
본 실시형태 등에서의 제 1 스위칭 소자(121)는 상술한 바와 같이, 채널 형성 영역에 산화물 반도체 재료를 사용한 트랜지스터이고, 오프 전류가 매우 작기 때문에 나중의 출력 동작을 수행할 때까지 제 1 신호 출력 회로(101)에서의 트랜지스터(120)의 게이트에 인가되는 전위를 배선(112)(FD1)에 유지할 수 있다.
또한, 제 1 신호 출력 회로(101)에서의 배선(114)(TX1)의 전위(신호(114S))를 "Low"로 할 때에 제 1 신호 출력 회로(101)에서의 배선(114)(TX1)과 배선(112)(FD1) 사이의 기생 용량에 의하여 배선(112)(FD)의 전위 변화가 생길 경우가 있다. 전위 변화의 변화량이 크게 되면 전위 생성 동작 중에 광전 변환 소자(100)가 생성한 전하량을 정확히 취득 못하게 된다.
전위 변화의 변화량을 저감시키기 위해서는 제 1 스위칭 소자(121)로서 사용하는 트랜지스터의 게이트와 소스(또는 게이트와 드레인) 사이의 용량을 저감시키거나, 트랜지스터(120)의 게이트 용량을 증대시키거나, 제 1 신호 출력 회로(101)에서의 배선(112)(FD1)에 유지 용량을 형성하는 등의 대책이 유효하다. 또한, 도 1의 (B)는 이들 대책을 수행하고 상술한 전위 변화를 무시할 수 있는 것으로 한다.
다음에 제 2 신호 출력 회로(102)에서도 광전 변환 소자(100)로 입사되는 광량을 정보로서 포함하는 전위를 제 2 신호 출력 회로(102) 내에 유지하기 때문에 제 1 신호 출력 회로(101)에서 수행된 상술한 동작들과 마찬가지로 "리셋 동작", "전위 생성 동작"을 수행한다. 이로써 나중의 출력 동작을 수행하기 전까지 광전 변환 소자(100)로 입사되는 광량을 정보로서 포함하는 전위를 배선(132)에 유지할 수 있다(시각(T4)으로부터 시각(T6)까지의 동작이 상기 내용에 상당한다).
다음에 시각(T7)에서 제 1 신호 출력 회로(101)에서의 배선(116)(SE1)의 전위(신호(116S))를 "High"(출력 동작 시작)로 하면 제 2 스위칭 소자(122)의 소스와 드레인 사이에 트랜지스터(120)의 게이트 전위에 따른 전류가 흐르고, 배선(115)(OUT)의 전위(신호(115S))가 저하된다. 또한, 시각(T7)보다 앞에 배선(115)(OUT)의 프리차지를 종료해 둔다.
여기서 배선(115)(OUT)의 전위(신호(115S))가 저하되는 속도는 제 1 신호 출력 회로(101)에서의 트랜지스터(120)의 소스와 드레인 사이의 채널 저항에 의존한다. 즉 제 1 신호 출력 회로(101)의 전위 생성 동작 중에서의 광전 변환 소자(100)로 입사되는 광량에 따라 배선(115)(OUT)의 전위(신호(115S))가 저하되는 속도가 변화된다.
그리고 시각(T8)에서 제 1 신호 출력 회로(101)에서의 배선(116)(SE1)의 전위(신호(116S))를 "Low"(출력 동작 종료)로 하면 제 2 스위칭 소자(122)의 소스와 드레인 사이에 흐르는 전류가 차단되고 배선(115)(OUT)의 전위(신호(115S))는 일정 값이 된다.
여기서 일정 값이 되는 값은 제 1 신호 출력 회로(101)의 전위 생성 동작 중에서의 광전 변환 소자(100)로 입사되는 광량에 따라 변화한다. 따라서 배선(115)(OUT)의 전위(신호(115S))를 취득함으로써 제 1 신호 출력 회로(101)의 전위 생성 동작 중에서의 광전 변환 소자(100)로 입사되는 광량을 알 수 있다. 즉 출력 동작 후에 제 1 신호 출력 회로(101)로부터 출력되는 신호가 제 1 신호 출력 회로(101)에서의 검출 신호가 된다.
더 구체적으로는 광전 변환 소자(100)로 입사되는 광량이 많은 경우에는 제 1 신호 출력 회로(101)에서 배선(112)(FD1)의 전위(신호(112S))는 낮게 되고 트랜지스터(120)의 게이트 전위는 낮게 되기 때문에 배선(115)(OUT)의 전위(신호(115S))가 저하되는 속도는 늦게 된다. 따라서 배선(115)(OUT)의 전위는 높게 된다.
또한, 광전 변환 소자(100)로 입사되는 광량이 적은 경우에는 제 1 신호 출력 회로(101)에서 배선(112)(FD1)의 전위(신호(112S))는 높게 되고, 트랜지스터(120)의 게이트 전위는 높게 되기 때문에 배선(115)(OUT)의 전위(신호(115S))가 저하되는 속도는 빠르게 된다. 따라서 배선(115)(OUT)의 전위는 낮게 된다.
다음에 배선(115)(OUT)을 프리차지한다.
그리고 제 2 신호 출력 회로(102)에서도 제 1 신호 출력 회로(101)에서 수행된 상술한 동작과 마찬가지로 "출력 동작"을 수행한다. 이로써 제 2 신호 출력 회로(102)에서의 검출 신호가 얻어진다(시각(T9)으로부터 시각(T10)까지의 동작이 상기 내용에 상당한다).
상술한 바와 같이, 상이한 기간(제 1 신호 출력 회로(101)에서의 전위 생성 동작 기간과 제 2 신호 출력 회로(102)에서의 전위 생성 동작 기간)에서의 광전 변환 소자(100)로 입사되는 광량에 따른 전위(데이터)를 트랜지스터(120) 및 제 1 스위칭 소자(121)를 사용하여 각각 신호 출력 회로 내에 유지할 수 있다. 그리고 모든 신호 출력 회로에서 상기 전위가 유지된 후에 신호 출력 회로가 구비하는 제 2 스위칭 소자를 사용하여 각각 신호 출력 회로로부터 검출 신호를 얻는 것에 의하여 광전 변환 소자의 특성으로 인한 영향을 받지 않고 상이한 기간에서의 검출 신호를 취득할 수 있다.
이상이 본 실시형태에 따른 광 검출 회로에서의 동작 플로의 설명이다.
<광 검출 회로의 상이한 동작 플로>
또한, 도 1의 (A)에 도시된 광 검출 회로의 동작 플로는 도 1의 (B)를 사용하여 설명한 상술한 기재 외의 동작 플로라도 좋다. 이하에 상술한 기재와 상이한 동작 플로에 대하여 도 2를 사용하여 설명한다.
먼저, 시각(T1)에서, 배선(111)의 전위(신호(111S))를 "High"로 함과 함께 제 1 신호 출력 회로(101)에서의 배선(114)(TX1)의 전위(신호(114S)) 및 제 2 신호 출력 회로(102)에서의 배선(134)(TX2)의 전위(신호(134S))를 "High"로 한다(리셋 동작 시작).
도 1의 (B)에 기재된 동작 플로에서는 제 1 신호 출력 회로(101)와 제 2 신호 출력 회로(102)의 리셋 동작을 따로따로 수행하였지만 도 2와 같이 제 1 신호 출력 회로(101) 및 제 2 신호 출력 회로(102)에서 동시에 리셋 동작을 수행함으로써 리셋 동작 시작으로부터 출력 동작 종료까지의 시간(시각(T1)으로부터 시각(T10)까지의 시간)을 단축할 수 있기 때문에 상이한 기간에서의 검출 신호를 짧은 시간 안에 취득할 수 있다.
또한, 이후의 동작 플로에 대해서는 도 1의 (B)를 사용하여 설명한 상술한 동작 플로 중 시각(T4)과 시각(T5) 사이의 동작 플로를 뺀 것이기 때문에 도 1의 (B)를 사용하여 설명한 동작 플로를 참작할 수 있다.
이상이 광 검출 회로의 상이한 동작 플로에 대한 설명이다.
상술한 동작을 채용하는 경우, 배선(112)(FD1) 및 배선(132)(FD2)에서의 용량이, 광전 변환 소자(100)와 제 1 신호 출력 회로(101)에서의 제 1 스위칭 소자(121) 사이의 배선 용량, 및 광전 변환 소자(100)와 제 2 신호 출력 회로(102)에서의 제 1 스위칭 소자(121) 사이의 배선 용량보다 큰 것이 바람직하다.
(실시형태 2)
본 실시형태에서는 구조 및 동작 방법이 실시형태 1과는 상이한 광 검출 회로에 대하여 도 3 및 도 4를 사용하여 설명한다.
<광 검출 회로의 구조>
도 3의 (A)는 광 검출 회로의 구성을 나타내는 회로도의 일례다. 광 검출 회로는 실시형태 1과 마찬가지로 광전 변환 소자(100)와, 광전 변환 소자(100)와 접속된 2개의 신호 출력 회로(제 1 신호 출력 회로(301) 및 제 2 신호 출력 회로(302))를 구비한다.
<광전 변환 소자의 설명>
광전 변환 소자(100)로서는 실시형태 1과 마찬가지로 포토 다이오드를 기재하였지만 광전 변환 소자(100)는 포토 다이오드에 한정되지 않는다.
광전 변환 소자(100)는 전극 중 한쪽이 배선(111)(PR)과 접속되고, 전극 중 다른 한쪽이 제 1 신호 출력 회로(301) 및 제 2 신호 출력 회로(302)와 접속된다.
신호 출력 회로(제 1 신호 출력 회로(301) 및 제 2 신호 출력 회로(302))는 광전 변환 소자(100)로 입사되는 광량을 정보로서 포함하는 전위를 각각 회로 내에 유지하는 역할 및 상기 전위(데이터)에 따른 검출 신호를 외부에 출력하는 역할을 갖는다.
<검출 회로의 설명>
도 3의 (A)에 도시된 제 1 신호 출력 회로(301) 및 제 2 신호 출력 회로(302)는 구성 요소로서 트랜지스터(120), 제 1 스위칭 소자(121), 및 제 2 스위칭 소자(122)를 갖는다는 점에서는 실시형태 1과 같지만, 제 2 스위칭 소자(122)의 동작 상태를 제어하는 배선을 제 1 신호 출력 회로(301) 및 제 2 신호 출력 회로(302)에서 공용하는 점과, 신호 출력 회로로부터 검출 신호를 출력하기 위한 배선을 제 1 신호 출력 회로(301) 및 제 2 신호 출력 회로(302)로 상이한 배선을 사용하는 점에서 실시형태 1과 상이하다.
구체적으로는 도 1의 (A)에 도시된 광 검출 회로에서는, 제 1 신호 출력 회로(101)가 구비하는 제 2 스위칭 소자(122)는 배선(116)(SE1)에 접속되고, 제 2 신호 출력 회로(102)가 구비하는 제 2 스위칭 소자(122)는 배선(136)(SE2)에 접속된다.
한편으로, 도 3의 (A)에 도시된 광 검출 회로에서는, 제 1 신호 출력 회로(301)가 구비하는 제 2 스위칭 소자(122) 및 제 2 신호 출력 회로(302)가 구비하는 제 2 스위칭 소자(122)는 둘 다 배선(316)(SE)과 접속된다.
또한, 도 1의 (A)에 도시된 광 검출 회로에서는, 제 1 신호 출력 회로(101)가 구비하는 제 2 스위칭 소자(122) 및 제 2 신호 출력 회로(102)가 구비하는 제 2 스위칭 소자(122)는 둘 다 배선(115)(OUT)과 접속된다.
한편으로, 도 3의 (A)에 도시된 광 검출 회로에서는, 제 1 신호 출력 회로(301)가 구비하는 제 2 스위칭 소자(122)는 배선(315)(OUT1)과 접속되고, 제 2 신호 출력 회로(302)가 구비하는 제 2 스위칭 소자(122)는 배선(335)(OUT2)과 접속된다.
광 검출 회로를 상술한 구조로 함으로써 제 1 신호 출력 회로(301)와 제 2 신호 출력 회로(302)로부터 동시에 검출 신호를 출력할 수 있기 때문에 검출 신호의 취득을 짧은 시간 안에 수행할 수 있다.
또한, 본 실시형태에 기재된 광 검출 회로의 구성은 도 6에 도시된 바와 같이, 제 1 신호 출력 회로(301) 및 제 2 신호 출력 회로(302)에 트랜지스터(601)를 더한 구성이라도 좋다. 상기 트랜지스터의 게이트는 배선(111)(PR)과 전기적으로 접속되고, 소스 및 드레인 중 한쪽이 배선(112)(FD1)(또는 배선(132)(FD2))과 전기적으로 접속되고, 소스 및 드레인 중 다른 한쪽은 배선(602a)(또는 배선(602b))과 전기적으로 접속되고, 광전 변환 소자(100)의 전극 중 한쪽이 배선(603)과 전기적으로 접속된다. 여기서 배선(603)은 광전 변환 소자(100)에 항상 역 바이어스를 인가하기 위한 신호선(저전위선)이다. 또한, 배선(602a) 및 배선(602b)은 배선(112)(FD1)(또는 배선(132)(FD2))을 고전위로 리셋하기 위한 신호선(고전위선)이다.
트랜지스터(601)는 배선(112)(FD1)(또는 배선(132)(FD2))을 리셋하기 위한 리셋 트랜지스터로서 기능한다. 따라서 도 3의 (A)에 도시된 검출 회로와 상이하고 광전 변환 소자(100)를 개재한 리셋 동작은 수행되지 않고 상기 광전 변환 소자는 항상 역 바이어스가 인가된다. 배선(112)(FD1) 및 배선(132)(FD2)의 리셋은 배선(111)(PR)의 전위를 "High"로 제어함으로써 수행할 수 있다.
트랜지스터(601)는 비정질 실리콘, 미결정 실리콘, 다결정 실리콘, 단결정 실리콘 등의 실리콘 반도체를 사용하여 형성할 수도 있지만, 누설 전류가 크면 전하 축적부에서 전하를 유지할 수 있는 시간이 충분하지 않게 된다. 따라서, 트랜지스터(120)와 마찬가지로 산화물 반도체 재료로 반도체층(적어도 채널 형성 영역)을 형성한 오프 전류가 매우 작은 특성을 갖는 트랜지스터를 사용하는 것이 바람직하다.
<광 검출 회로의 동작 플로>
다음에 도 3의 (A)에 도시된 광 검출 회로의 동작 플로에 대하여 도 3의 (B)를 사용하여 설명한다.
먼저, 실시형태 1에서 설명한 광 검출 회로의 동작 플로와 마찬가지로 시각(T1)으로부터 시각(T6)까지 제 1 신호 출력 회로(301) 및 제 2 신호 출력 회로(302)의 리셋 동작 및 전위 생성 동작을 수행한다.
다음에 시각(T7)에서 제 1 신호 출력 회로(301) 및 제 2 신호 출력 회로(302)의 출력 동작을 수행한다. 실시형태 1에서는 제 1 신호 출력 회로(101)의 출력 동작 및 제 2 신호 출력 회로(102)의 출력 동작을 순차적으로 수행하였지만, 본 실시형태에서의 광 검출 회로의 동작 플로는 도 3의 (B)에 도시된 바와 같이, 제 1 신호 출력 회로(301)와 제 2 신호 출력 회로(302)의 출력 동작을 한꺼번에 수행한다(배선(316)(SE)의 전위(신호(316S)를 "High"로 함).
이로써 제 1 신호 출력 회로(301) 및 제 2 신호 출력 회로(302)가 구비하는 제 2 스위칭 소자(122)의 소스와 드레인 사이에 트랜지스터(120)의 게이트 전위에 따른 전류가 흐르고, 배선(315)(OUT1)의 전위(신호(315S)) 및 배선(335)(OUT2)의 전위(신호(335S))가 저하해 간다.
그리고 시각(T8)에서 제 1 신호 출력 회로(301)에서의 배선(316)(SE)의 전위(신호(316S))를 "Low"(출력 동작 종료)로 하면 제 1 신호 출력 회로(301) 및 제 2 신호 출력 회로(302)가 구비하는 제 2 스위칭 소자(122)의 소스와 드레인 사이에 흐르는 전류가 차단되고 제 1 신호 출력 회로(301)로부터 출력되는 검출 신호의 전반로(傳搬路)인 배선(315)(OUT1)의 전위(신호(315S)) 및 제 2 신호 출력 회로로부터 출력되는 검출 신호의 전반로인 배선(335)(OUT2)의 전위(신호(335S))는 일정 값이 된다.
도 3의 (A)에 도시된 바와 같이, 제 2 스위칭 소자(122)의 동작 상태를 제어하는 배선(배선(316)(SE))을 제 1 신호 출력 회로(301) 및 제 2 신호 출력 회로(302)에서 공용하고 또한, 신호 출력 회로로부터 검출 신호를 출력하기 위한 배선을 제 1 신호 출력 회로(301) 및 제 2 신호 출력 회로(302)에서 상이한 배선(배선(315)(OUT1) 및 배선(335)(OUT2))을 사용함으로써 제 1 신호 출력 회로(301)로부터의 검출 신호의 출력과 제 2 신호 출력 회로(302)로부터의 검출 신호의 출력을 동시에 수행할 수 있기 때문에 상이한 기간에서의 검출 신호의 취득을 짧은 기간 안에 수행할 수 있다.
이상이 본 실시형태에 따른 광 검출 회로에서의 동작 플로의 설명이다.
<광 검출 회로의 상이한 동작 플로>
또한, 도 3의 (A)에 도시된 광 검출 회로의 동작 플로는 도 3의 (B)를 사용하여 설명한 상술한 기재 외의 동작 플로라도 좋다. 이하에 상술한 기재와 상이한 동작 플로에 대하여 도 4를 사용하여 설명한다.
먼저, 시각(T1)에서, 배선(111)의 전위(신호(111S))를 "High"로 함과 함께, 제 1 신호 출력 회로(301)에서의 배선(114)(TX1)의 전위(신호(114S)) 및 제 2 신호 출력 회로(302)에서의 배선(134)(TX2)의 전위(신호(134S))를 "High"로 한다(리셋 동작 시작).
도 3의 (B)에 도시된 동작 플로에서는 제 1 신호 출력 회로(301)와 제 2 신호 출력 회로(302)의 리셋 동작을 따로따로 수행하였지만, 도 4와 같이, 제 1 신호 출력 회로(301) 및 제 2 신호 출력 회로(302)에서 동시에 리셋 동작을 수행함으로써 리셋 동작 시작으로부터 출력 동작 종료까지의 시간(시각(T1)으로부터 시각(T8)까지의 시간)을 단축할 수 있기 때문에 상이한 기간에서의 검출 신호를 짧은 시간 안에 취득할 수 있다.
또한, 이후의 동작 플로에 대해서는 도 3의 (B)를 사용하여 설명한 상술한 동작 플로 중 시각(T4)과 시각(T5) 사이의 동작 플로를 뺀 것이기 때문에 도 3의 (B)를 사용하여 설명한 동작 플로를 참작할 수 있다.
이상이 광 검출 회로의 상이한 동작 플로에 대한 설명이다.
(실시형태 3)
본 실시형태에서는 실시형태 1의 배선(115)(OUT), 실시형태 2의 배선(315)(OUT1), 배선(335)(OUT2)에 접속하여 사용할 수 있는 적분 회로의 구성의 일례에 대하여 설명한다.
도 7의 (A)는 연산 증폭 회로(오피 앰프라고도 함)를 사용한 적분 회로다. 연산 증폭 회로의 반전 입력 단자는 저항 소자(R)를 개재하여 배선(115)(OUT), 배선(315)(OUT1), 배선(335)(OUT2)에 접속된다. 연산 증폭 회로의 비반전 입력 단자는 접지 전위에 접속된다. 연산 증폭 회로의 출력 단자는 용량 소자(C)를 개재하여 연산 증폭 회로의 반전 입력 단자에 접속된다.
여기서 연산 증폭 회로는 이상적이라고 가정한다. 즉 입력 임피던스가 무한대(입력 단자에 전류가 흘러 들어가지 않음)라고 가정한다. 또한, 정상(定常) 상태에서 비반전 입력 단자의 전위와 반전 입력 단자의 전위는 같기 때문에 반전 입력 단자의 전위를 접지 전위라고 생각할 수 있다.
배선(115)(OUT), 배선(315)(OUT1), 배선(335)(OUT2)의 전위를 Vi, 연산 증폭 회로의 출력 단자의 전위를 Vo, 저항 소자(R)를 흐르는 전류를 (i1), 용량 소자(C)를 흐르는 전류를 (i2)로 하면 식(1), 식(2), 식(3)의 관계가 이루어진다.
[수학식 1]
Figure 112013080844192-pat00001
여기서 시각(t=0)에서 용량 소자(C)의 전하를 방전한다고 하면 시각(t=t)에서의 연산 증폭 회로의 출력 단자의 전위(Vo)는 식(4)으로 나타내어진다.
[수학식 2]
Figure 112013080844192-pat00002
즉 시간(t)(적분 시간)을 길게 설정함으로써 판독 전위(Vi)를 높여 검출 신호(Vo)로서 출력할 수 있다. 또한, 열 노이즈 등을 평균화하는 것에도 상당하고 검출 신호(Vo)의 S/N 비율을 향상시킬 수 있다.
또한, 실제의 연산 증폭 회로에서는 입력 단자에 신호가 입력되지 않을 때에서도 바이어스 전류가 흐르기 때문에 출력 단자에 출력 전압이 생겨, 용량 소자(C)에 전하가 축적된다. 그러므로, 용량 소자(C)에 병렬로 저항 소자를 접속시켜 방전시키는 구성으로 하는 것이 유효하다.
도 7의 (B)는 도 7의 (A)와 상이한 구성을 갖는 연산 증폭 회로를 사용한 적분 회로다. 연산 증폭 회로의 반전 입력 단자는 저항 소자(R)와 용량 소자(C1)를 개재하여 배선(115)(OUT), 배선(315)(OUT1), 배선(335)(OUT2)에 접속된다. 연산 증폭 회로의 비반전 입력 단자는 접지 전위에 접속된다. 연산 증폭 회로의 출력 단자는 용량 소자(C2)를 개재하여 연산 증폭 회로의 반전 입력 단자에 접속된다.
여기서 연산 증폭 회로는 이상적이라고 가정한다. 즉 입력 임피던스가 무한대(입력 단자에 전류가 흘러 들어가지 않음)라고 가정한다. 또한, 정상 상태에서 비반전 입력 단자의 전위와 반전 입력 단자의 전위는 같기 때문에 반전 입력 단자의 전위를 접지 전위라고 생각할 수 있다.
배선(115)(OUT), 배선(315)(OUT1), 배선(335)(OUT2)의 전위를 Vi, 연산 증폭 회로의 출력 단자의 전위를 Vo, 저항 소자(R) 및 용량 소자(C1)를 흐르는 전류를 (i1), 용량 소자(C2)를 흐르는 전류를 (i2)로 하면 식(5), 식(6), 식(7)의 관계가 이루어진다.
[수학식 3]
Figure 112013080844192-pat00003
여기서 시각(t=0)에서 용량 소자(C2)의 전하를 방전한다고 하면 시각(t=t)에서의 연산 증폭 회로의 출력 단자의 전위(Vo)에 대하여 고주파 성분은 식(8)일 때, 식(9)으로 나타내어지고, 저주파 성분은 식(10)일 때, 식(11)으로 나타내어진다.
[수학식 4]
Figure 112013080844192-pat00004
즉 용량 소자(C1) 및 용량 소자(C2)의 용량 비율을 적당하게 설정함으로써 판독 전위(Vi)를 높여 검출 신호(Vo)로서 출력할 수 있다. 또한, 입력 신호의 고주파 노이즈 성분은 시간 적분에 의하여 평균화할 수 있고 검출 신호(Vo)의 S/N 비율을 향상시킬 수 있다.
또한, 실제의 연산 증폭 회로에서는 입력 단자에 신호가 입력되지 않을 때에서도 바이어스 전류가 흐르기 때문에 출력 단자에 출력 전압이 생겨, 용량 소자(C2)에 전하가 축적된다. 그러므로, 용량 소자(C2)에 병렬로 저항 소자를 접속시켜 방전시키는 구성으로 하는 것이 유효하다.
도 7의 (C)는 도 7의 (A) 및 도 7의 (B)와 상이한 구성을 갖는 연산 증폭 회로를 사용한 적분 회로다. 연산 증폭 회로의 비반전 입력 단자는 저항 소자(R)를 개재하고 배선(115)(OUT), 배선(315)(OUT1), 배선(335)(OUT2)에 접속되고，또한, 용량 소자(C)를 개재하고 접지 전위에 접속된다. 연산 증폭 회로의 출력 단자는 연산 증폭 회로의 반전 입력 단자에 접속된다. 또한, 저항 소자(R)와 용량 소자(C)는 CR적분 회로를 구성한다. 또한, 연산 증폭 회로는 유니티 게인 버퍼(unity gain buffer)를 구성한다.
배선(115)(OUT), 배선(315)(OUT1), 배선(335)(OUT2)의 전위를 Vi, 연산 증폭 회로의 출력 단자의 전위를 Vo로 하면, Vo는 식(12)으로 나타낼 수 있다. 또한, Vo는 Vi의 값으로 포화하지만, CR적분 회로에 의하여 입력 신호(Vi)에 포함되는 노이즈 성분을 평균화시킬 수 있어 검출 신호(Vo)의 S/N 비율을 향상시킬 수 있다.
[수학식 5]
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이상이 배선(115)(OUT), 배선(315)(OUT1), 배선(335)(OUT2)에 접속하여 사용할 수 있는 적분 회로의 구성의 일례다. 배선(115)(OUT), 배선(315)(OUT1), 배선(335)(OUT2)에 상술한 적분 회로를 접속함으로써 검출 신호의 S/N 비율을 향상시킬 수 있고 더 미약한 광을 검출할 수 있기 때문에 반도체 장치에서 더 정확한 화상 신호를 생성할 수 있다.
(실시형태 4)
본 실시형태에서는 실시형태 1에 기재된 도 1의 (A) 및 도 3의 (A)에 도시된 광 검출 회로의 레이아웃의 일례에 대하여 도 8 및 도 9를 사용하여 설명한다.
<도 1의 (A)에 도시된 광 검출 회로의 레이아웃의 일례>
도 8의 (A)는 도 1의 (A)에 도시된 광 검출 회로의 상면도이고 도 8의 (B)는 도 8의 (A)를 일점 쇄선 A1-A2를 따라 자른 단면도다.
광 검출 회로는 절연막(861)이 형성된 기판(860) 위에 배선(111)(PR)으로서 기능하는 도전막(811)과, 제 1 신호 출력 회로(101)에서 배선(112)(FD1)으로서 기능하는 도전막(812)과, 제 2 신호 출력 회로(102)에서 배선(132)(FD2)으로서 기능하는 도전막(832)과, 배선(113)(VR)으로서 기능하는 도전막(813)과, 제 1 신호 출력 회로(101)에서 배선(114)(TX1)으로서 기능하는 도전막(814)과, 제 2 신호 출력 회로(102)에서 배선(134)(TX2)으로서 기능하는 도전막(834)과, 배선(115)(OUT)으로서 기능하는 도전막(815)과, 제 1 신호 출력 회로(101)에서 배선(116)(SE1)으로서 기능하는 도전막(816)과, 제 2 신호 출력 회로(102)에서 배선(136)(SE2)으로서 기능하는 도전막(836)을 갖는다.
광전 변환 소자(100)는 순차적으로 적층된 p형 반도체막(801), i형 반도체막(802), 및 n형 반도체막(803)을 갖는다.
배선(111)(PR)으로서 기능하는 도전막(811)은 광전 변환 소자(100)의 한 쌍의 전극 중 한쪽(애노드)으로서 기능하는 p형 반도체막(801)에 전기적으로 접속된다.
도전막(841)은 트랜지스터(120)의 소스 및 드레인 중 한쪽과 도전막(813)을 접속시키는 배선으로서 기능한다.
도전막(842)은 제 1 스위칭 소자(121)의 소스 및 드레인 중 한쪽으로서 기능한다.
도전막(843)은 제 1 신호 출력 회로(101) 및 제 2 신호 출력 회로(102)에 구비된 제 1 스위칭 소자(121)의 소스 및 드레인 중 한쪽끼리를 접속시키는 배선으로서 기능한다.
도전막(844)은 트랜지스터(120)의 소스 및 드레인 중 한쪽으로서 기능한다.
도전막(845)은 제 1 스위칭 소자(121)의 소스 및 드레인 중 다른 한쪽으로서 기능한다.
도전막(846)은 트랜지스터(120)의 소스 및 드레인 중 다른 한쪽과 제 2 스위칭 소자(122)의 소스 및 드레인 중 한쪽을 접속시키는 배선으로서 기능한다.
도전막(847)은 제 1 신호 출력 회로(101)에서의 제 2 스위칭 소자(122)의 게이트로서 기능한다.
도전막(848)은 제 2 신호 출력 회로(102)에서의 제 2 스위칭 소자(122)의 게이트로서 기능한다.
도전막(849)은 제 1 신호 출력 회로(101)에서의 제 2 스위칭 소자(122)의 게이트와 도전막(816)을 접속시키는 배선으로서 기능한다.
도전막(850)은 제 2 신호 출력 회로에서의 제 2 스위칭 소자(122)의 게이트와 도전막(836)을 접속시키는 배선으로서 기능한다.
도전막(812), 도전막(814), 도전막(816), 도전막(832), 도전막(834), 도전막(836), 도전막(841), 도전막(843), 도전막(847), 및 도전막(848)은 절연 표면 위에 형성된 한 도전막을 원하는 형상으로 가공함으로써 형성할 수 있다. 그리고 이들 도전막 위에는 게이트 절연막(862)이 형성된다. 또한, 도전막(811), 도전막(813), 도전막(815), 도전막(842), 도전막(844), 도전막(845), 도전막(846), 도전막(849), 및 도전막(850)은 게이트 절연막(862) 위에 형성된 한 도전막을 원하는 형상으로 가공함으로써 형성할 수 있다.
또한, 도전막(811), 도전막(813), 도전막(815), 도전막(842), 도전막(844), 도전막(845), 도전막(846), 도전막(849), 및 도전막(850) 위에는 절연막(863) 및 절연막(864)이 형성되고, 절연막(863) 및 절연막(864) 위에 도전막(870)이 형성된다.
제 1 스위칭 소자(121)의 반도체층(880)에는 산화물 반도체를 사용하는 것이 바람직하다. 광전 변환 소자(100)에 광이 입사됨으로써 생성된 전하를 도전막(812)(FD1)(또는 도전막(832)(FD2))에서 오랫동안 유지하기 위해서는 상기 도전막과 전기적으로 접속되는 제 1 스위칭 소자(121)로서 오프 전류가 매우 낮은 트랜지스터로 구성하는 것이 바람직하다. 그러므로 반도체층(880)으로서 산화물 반도체 재료를 사용함으로써 광 검출 회로의 성능을 높일 수 있다.
또한, 도 8에 도시된 광 검출 회로는 트랜지스터 등의 소자와 광전 변환 소자(100)가 중첩되는 구성으로 하여도 좋다. 이와 같은 구성으로 함으로써 화소 밀도를 높일 수 있고 촬상 장치의 해상도를 높일 수 있다. 또한, 광전 변환 소자(100)의 면적을 증대시킬 수 있기 때문에 촬상 장치의 감도를 높일 수 있다.
<도 3의 (A)에 도시된 광 검출 회로의 레이아웃의 일례>
도 9의 (A)는 도 3의 (A)에 도시된 광 검출 회로의 상면도이고 도 9의 (B)는 도 9의 (A)를 일점 쇄선 B1-B2를 따라 자른 단면도다.
광 검출 회로는 절연막(961)이 형성된 기판(960) 위에 배선(111)(PR)으로서 기능하는 도전막(911)과, 제 1 신호 출력 회로(301)에서 배선(112)(FD1)으로서 기능하는 도전막(912)과, 제 2 신호 출력 회로(302)에서 배선(132)(FD2)으로서 기능하는 도전막(932)과, 배선(113)(VR)으로서 기능하는 도전막(913)과, 제 1 신호 출력 회로(301)에서 배선(114)(TX1)으로서 기능하는 도전막(914)과, 제 2 신호 출력 회로(302)에서 배선(134)(TX2)으로서 기능하는 도전막(934)과, 제 1 신호 출력 회로(301)에서 배선(315)(OUT1)으로서 기능하는 도전막(915)과, 제 2 신호 출력 회로(302)에서 배선(335)(OUT2)으로서 기능하는 도전막(935)과, 배선(316)(SE)으로서 기능하는 도전막(916)을 갖는다.
광전 변환 소자(100)는 순차적으로 적층된 p형 반도체막(901), i형 반도체막(902), 및 n형 반도체막(903)을 갖는다.
배선(111)(PR)으로서 기능하는 도전막(911)은 광전 변환 소자(100)의 한 쌍의 전극 중 한쪽(애노드)으로서 기능하는 p형 반도체막(901)에 전기적으로 접속된다.
도전막(941)은 배선(113)(VR)으로서 기능하는 도전막(913)과 접속되고, 배선(113)(VR)의 일부로서 기능한다.
도전막(942)은 배선(114)(TX1)으로서 기능하는 도전막(914) 또는 배선(134)(TX2)으로서 기능하는 도전막(934)과 접속되고, 제 1 스위칭 소자(121)의 게이트로서 기능한다.
도전막(943)은 제 1 스위칭 소자(121)의 소스 및 드레인 중 한쪽으로서 기능한다.
도전막(944)은 제 1 스위칭 소자(121)의 소스 및 드레인 중 다른 한쪽으로서 기능한다.
도전막(945)은 트랜지스터(120)의 소스 및 드레인 중 다른 한쪽, 및 제 2 스위칭 소자(122)의 소스 및 드레인 중 한쪽으로서 기능한다.
도전막(946)은 도전막(911)과 p형 반도체막(901)을 접속시키는 배선으로서 기능한다.
도전막(911), 도전막(912), 도전막(916), 도전막(932), 도전막(941), 도전막(942)은 절연 표면 위에 형성된 한 도전막을 원하는 형상으로 가공함으로써 형성할 수 있다. 그리고 이들 도전막 위에는 게이트 절연막(962)이 형성된다. 또한, 도전막(913), 도전막(914), 도전막(915), 도전막(934), 도전막(935), 도전막(943), 도전막(944), 도전막(945), 및 도전막(946)은 게이트 절연막(962) 위에 형성된 한 도전막을 원하는 형상으로 가공함으로써 형성할 수 있다.
또한, 도전막(911), 도전막(912), 도전막(916), 도전막(932), 도전막(941), 및 도전막(942) 위에는 절연막(963) 및 절연막(964)이 형성되고, 절연막(963) 및 절연막(964) 위에 도전막(970)이 형성된다.
제 1 스위칭 소자(121)의 반도체층(980)에는 산화물 반도체를 사용하는 것이 바람직하다. 광전 변환 소자(100)에 광이 입사됨으로써 생성된 전하를 도전막(912)(FD1)(또는 도전막(932)(FD2))에서 오랫동안 유지하기 위해서는 상기 도전막과 전기적으로 접속되는 제 1 스위칭 소자(121)로서 오프 전류가 매우 낮은 트랜지스터로 구성하는 것이 바람직하다. 그러므로 반도체층(980)으로서 산화물 반도체 재료를 사용함으로써 광 검출 회로의 성능을 높일 수 있다.
또한, 도 8에 도시된 광 검출 회로는 트랜지스터 등의 소자와 광전 변환 소자(100)가 중첩되는 구성으로 하여도 좋다. 이와 같은 구성으로 함으로써 화소 밀도를 높일 수 있고 촬상 장치의 해상도를 높일 수 있다. 또한, 광전 변환 소자(100)의 면적을 증대시킬 수 있기 때문에 촬상 장치의 감도를 높일 수도 있다.
본 실시형태는 본 명세서에서 나타내는 다른 실시형태와 적절히 조합할 수 있다.
(실시형태 5)
상술한 실시형태에서 설명한 광 검출 회로는 다양한 반도체 장치에 설치하여 사용할 수 있다. 본 실시형태에서는 광 검출 회로를 구비하는 반도체 장치의 일례로서 상술한 실시형태에서 설명한 광 검출 회로를 구비함으로써 잔광의 영향을 저감한 방사선 촬상 장치에 대하여 도 10 및 도 11을 사용하여 설명한다.
또한, 상술한 실시형태에서 설명한 광 검출 회로를 구비함으로써 터치 패널 기능을 부가한 화상 표시 장치에 대하여 도 12 내지 도 14를 사용하여 설명한다.
<방사선 촬상 장치의 구성예>
상술한 실시형태에서 설명한 광 검출 회로를 구비하는 방사선 촬상 장치의 구성에 대하여 도 10 및 도 11을 사용하여 설명한다.
방사선 촬상 장치(1000)는 도 10의 (A)에 도시된 바와 같이, 방사선 조사부(1001), 방사선 조사부(1001)로부터 출력되는 방사선(1002)을 받아 광(1003)을 출력하는 신틸레이터(1004), 광(1003)의 입사량에 따라 검출 신호를 출력하는 광 검출 기구(1005), 광 검출 기구(1005)로부터 출력되는 검출 신호를 사용하여 화상 신호를 생성하는 화상 신호 생성부(1006)를 구비한다. 또한, 방사선 촬상 장치(1000)는 화상 표시 장치(1007)와 접속되고 화상 신호 생성부(1006)로부터 출력되는 화상 신호를 받아 화상 표시 장치(1007)에는 피사체(1008)의 내부 정보 등이 표시된다.
또한, 광 검출 기구(1005)의 구성의 일례를 도 10의 (B)를 사용하여 이하에 설명한다.
<광 검출 기구의 구성예>
본 실시형태에 기재된 광 검출 기구(1005)는 광 검출 회로(1012)가 m행 n열의 매트릭스 형상으로 배치된 광 검출부(1010)와, 광 검출 회로(1012)를 제어하기 위한 제 1 광 검출 회로 구동 회로(1021) 및 제 2 광 검출 회로 구동 회로(1022)를 갖는 광 검출 회로 제어부(1020)를 구비한다.
또한, 광 검출 회로(1012)에는 도 1의 (A)에 도시된 광 검출 회로가 사용되는 것으로 한다(물론, 이것에 한정되지 않는다).
제 1 광 검출 회로 구동 회로(1021)는 배선(113)(VR), 배선(111)(PR)에 출력하는 신호를 생성하는 기능 및 선택된 행에서 제 1 신호 출력 회로(101) 및 제 2 신호 출력 회로(102)로부터의 검출 신호를 배선(115)(OUT)으로부터 추출하는 기능을 갖는다. 또한, 제 1 광 검출 회로 구동 회로(1021)는 잔광의 영향이 저감된 화상 신호의 생성을 수행하는 화상 신호 생성부(1006)와 접속된다.
또한, 제 1 광 검출 회로 구동 회로(1021)는 프리차지 회로를 갖고, 배선(115)(OUT)의 전위를 소정의 전위로 하는 기능을 갖는다. 또한, 제 1 광 검출 회로 구동 회로(1021)는 아날로그 신호인 광 검출 회로로부터의 출력을 오피 앰프 등을 사용하여 아날로그 신호인 채 방사선 촬상 장치(1000)의 외부에 추출하는 구성이나, A/D 변환 회로를 사용하여 디지털 신호로 변환하고 나서 방사선 촬상 장치(1000)의 외부에 추출하는 구성으로 할 수 있다.
제 2 광 검출 회로 구동 회로(1022)는 배선(114)(TX1), 배선(134)(TX2), 배선(116)(SE1), 배선(136)(SE2)에 출력하는 신호를 생성하는 기능을 갖는다.
이상이 광 검출 기구(1005)의 구성예에 대한 설명이다.
<방사선 촬상 장치의 동작예>
다음에 상술한 구조를 구비하는 방사선 촬상 장치(1000)의 동작의 일례에 대하여 도 11을 사용하여 설명한다.
방사선 촬상 장치를 사용하여 혈관 중의 혈류를 모니터하는 등의 동영상, 또는 시간적으로 연속된 정지 화상을 촬상하는 경우, 방사선 촬상 장치의 시간분해능을 높여 고정제한 화상을 얻을 필요가 있기 때문에 방사선 조사 정지시로부터 다음의 방사선 조사 시작시까지의 기간을 가능한 한 짧게 하는 것이 바람직하다.
하지만, 방사선 조사 정지시로부터 다음의 방사선 조사 시작시까지의 기간을 짧게 한 경우, 다음의 방사선 조사 시작시에서 잔광으로 인한 광이 신틸레이터로부터 출력되는 경우가 있다.
이와 같은 상태에서 방사선 조사를 시작하면 신틸레이터로부터 출력되는 광이 방사선 조사에 의한 광에 전회, 및 이 이전의 방사선 조사의 잔광으로 인한 광이 더해진 광이 되기 때문에 신틸레이터(1004)가 수광하는 피사체(1008)를 투과한 방사선량과 광 검출 기구(1005)로부터 출력되는 광 검출 기구(1005)가 수광한 방사선량에 따른 데이터에 차이가 생길 경우가 있다.
그래서, 먼저 도 11의 (A) 및 도 11의 (B)에 도시된 바와 같이, 다음의 방사선 조사를 시작하기 직전의 기간(1111)에서 신틸레이터(1004)로부터 출력되는 광(1101)을 각각 광 검출 회로(1012)가 구비하는 광전 변환 소자(100)에서 수광하고 상기 입사광량에 따른 전위(데이터)(이하 전위 A라고도 기재함)를 제 1 신호 출력 회로(101)에 유지한다.
기간(1111)에서 신틸레이터(1004)로부터 출력되는 광(1101)은 전회 및 이 이전의 방사선 조사의 잔광으로 인한 광이로고 할 수 있다.
다음에 도 11의 (C) 및 도 11의 (D)에 도시된 바와 같이, 다음의 방사선 조사가 수행되는 기간(1112)에서 신틸레이터(1004)로부터 출력되는 광(1102)을 각각 광 검출 회로(1012)가 구비하는 광전 변환 소자(100)에서 수광하고 상기 입사광량에 따른 전위(데이터)(이하 전위 B라고도 기재함)를 제 2 신호 출력 회로(102)에 유지한다.
기간(1112)에서 신틸레이터(1004)로부터 출력되는 광(1102)은 방사선 조사에 의한 광에 전회 및 이 이전의 방사선 조사의 잔광으로 인한 광이 더해진 광이라고 할 수 있다.
그리고 모든 광 검출 회로(1012)에서 전위 A 및 전위 B가 유지된 후, 각각 광 검출 회로(1012)로부터 전위 A를 정보로서 포함하는 검출 신호 및 전위 B를 정보로서 포함하는 검출 신호가 화상 신호 생성부(1006)에 출력된다.
그리고 화상 신호 생성부(1006)에서 각각 광 검출 회로(1012)로부터 입력된 2개의 검출 신호의 차분을 사용하여 화상 신호(1 화소분)가 생성되고 상기 화상 신호를 사용하여 화상 표시 장치(1007)에 촬상 데이터가 표시된다.
여기서 광 검출 회로(1012)가 광전 변환 소자 및 신호 출력 회로를 하나씩 구비한 구조인 것으로 한다.
상기 구조에서는 기간(1111)에서 신호 출력 회로 내에 유지된 데이터가 남아 있는 상태에서는 정확히 기간(1112)의 전위(데이터)를 취득할 수 없다. 즉, 기간(1111)의 전위(데이터)에 기간(1112)의 전위(데이터)가 더해지기 때문에 기간(1112)이 시작되기 전에 전위(데이터)에 따른 검출 신호를 출력(출력 동작)하고, 신호 출력 회로 내에 유지된 전위(데이터)를 리셋(리셋 동작)하는 처리를 수행할 필요가 있다.
잔광으로 인한 광의 발광량은 시간이 지나갈수록 감소되기 때문에 기간(1111) 종료 후로부터 기간(1112) 시작까지의 간격이 길게 될수록 상술한 바와 같이, 2개의 검출 신호의 차분을 사용하여 화상 신호를 생성할 때에 정확한 화상 신호를 얻기 어렵게 된다. 특히, 잔광의 시간적 변동량이 큰 경우에는 상기 문제가 현저하게 된다.
이에 비하여 광 검출 회로(1012)가 도 1의 (A)에 도시된 바와 같이, 광전 변환 소자(100)에 2개의 신호 출력 회로(제 1 신호 출력 회로(101) 및 제 2 신호 출력 회로(102))가 접속되는 경우, 제 1 신호 출력 회로(101)가 구비하는 제 1 스위칭 소자(121)를 오프 상태로 함으로써 기간(1111)에서의 전위(데이터)를 제 1 신호 출력 회로(101)에 유지할 수 있고, 또한 기간(1111) 후에 제 2 신호 출력 회로(102)에 대하여 리셋 동작만 수행하면 광전 변환 소자(100)와 제 2 신호 출력 회로(102)를 사용하여 기간(1112)에서의 전위(데이터)를 취득하기 시작할 수 있다. 또한, 도 3의 (A)에 도시된 광 검출 회로를 사용한 경우, 기간(1111) 후에 수행하는 리셋 동작도 필요 없게 되는 경우가 있다.
이로써 각각 광 검출 회로(1012)로부터 입력된 2개의 검출 신호의 차분을 사용하여 생성된 화상 신호는 잔광의 영향이 저감된 정확한 화상 신호가 된다.
이상이 상술한 실시형태에서 설명한 광 검출 회로를 구비하는 방사선 촬상 장치의 설명이다.
또한, 도 10에서는 화상 신호 생성부(1006)는 광 검출 기구(1005)와 접속된 상태에서 방사선 촬상 장치(1000) 내에 제공되어 있지만, 광 검출 기구(1005) 내에 화상 신호 생성부(1006)가 제공되어도 좋다. 또한, 방사선 촬상 장치(1000)의 외부에 화상 신호 생성부(1006)가 제공되어도 좋다.
또한, 도 10에서는 화상 표시 장치(1007)가 방사선 촬상 장치(1000)의 외부에 장착되어 있지만 방사선 촬상 장치(1000) 내에 화상 표시 장치(1007)가 제공된 구조라도 좋다.
<화상 표시 장치의 구성예>
도 12에 복수의 화소와 복수의 화소를 구동시키는 구동 회로를 갖는 화상 표시 장치의 구성의 일례를 도시하였다.
화상 표시 장치(1200)는 표시부(1240), 표시 소자 제어부(1220), 및 광 검출 회로 제어부(1230)를 구비한다. 표시부(1240)는 매트릭스 형상으로 배치된 복수의 화소(1210)를 갖는다.
도 12에서는 화소(1210)가 적색의 광을 발하는 표시 소자(1201R), 녹색의 광을 발하는 표시 소자(1201G), 청색의 광을 발하는 표시 소자(1201B), 및 광 검출 회로(1202)를 각각 하나씩 구비하는 구성을 예로서 도시하였다. 광 검출 회로(1202)의 구성은 상술한 실시형태에서 설명한 구성과 마찬가지의 구성을 사용할 수 있다.
이하에 화소(1210)의 구성의 일례를 도 13을 사용하여 설명한다.
<화소의 구성예>
본 실시형태에 기재된 화소(1210)는 3개의 표시 소자(표시 소자(1201R), 표시 소자(1201G), 및 표시 소자(1201B))와 광 검출 회로(1202)를 하나 갖는다. 화소(1210)를 기본 구성으로 하고, 화소(1210)가 m행 n열의 매트릭스 형상으로 복수로 배치되고, 정보 입력 영역을 겸하는 표시 화면을 구성한다. 도 13에서는 화소(1210)의 광 검출 회로(1202)로서 도 1의 (A)에 도시된 구성의 광 검출 회로를 사용하는 경우를 예로서 도시하였다.
또한, 각 화소가 갖는 표시 소자의 개수와 광 검출 회로의 개수는 도 13에 도시된 형태에 한정되지 않는다. 복수의 광 검출 회로와 복수의 표시 소자는 배치 밀도가 같아도 좋고, 상이하여도 좋다. 즉, 한 표시 소자에 대하여 광 검출 회로가 하나 배치되어도 좋고, 2개 이상의 표시 소자에 대하여 광 검출 회로가 하나 배치되어도 좋고, 2개 이상의 광 검출 회로에 대하여 표시 소자가 하나 배치되어도 좋다.
도 13에 도시된 구성에서는 표시 소자(1201R), 표시 소자(1201G), 및 표시 소자(1201B)는 액정 소자(1250)를 갖는 구성을 예로서 도시하였다. 표시 소자(1201R), 표시 소자(1201G), 및 표시 소자(1201B)는 액정 소자(1250)와, 액정 소자(1250)의 동작을 제어하는 스위칭 소자로서 기능하는 트랜지스터(1252)와, 용량 소자(1254)를 갖는다. 액정 소자(1250)는 화소 전극, 대향 전극, 및 상기 화소 전극과 상기 대향 전극에 의하여 전압이 인가되는 액정층을 갖는다.
또한, 도시되지 않았지만, 표시 소자(1201R)가 구비하는 액정 소자(1250)의 광을 추출하는 측에는 적색 컬러 필터가 제공되고, 표시 소자(1201G)가 구비하는 액정 소자(1250)의 광을 추출하는 측에는 녹색 컬러 필터가 제공되고, 표시 소자(1201B)가 구비하는 액정 소자(1250)의 광을 추출하는 측에는 청색 컬러 필터가 제공된다.
트랜지스터(1252)의 게이트는, 주사선(GL)(GL1, GL2)에 접속된다. 트랜지스터(1252)는 소스 및 드레인 중 한쪽이 신호선(SL)(SL1, SL2)에 접속되고, 소스 및 드레인 중 다른 한쪽이 액정 소자(1250)의 화소 전극에 접속된다. 용량 소자(1254)가 갖는 한 쌍의 전극은, 한쪽이 액정 소자(1250)의 화소 전극에 접속되고, 다른 한쪽은 고정 전위가 인가되는 배선 COM에 접속된다. 신호선(SL)에는 표시하는 화상에 대응한 전위가 입력된다. 트랜지스터(1252)는 주사선(GL)의 신호에 의하여 온 상태가 되면, 신호선(SL)의 전위는, 용량 소자(1254)가 갖는 한 쌍의 전극 중 한쪽, 및 액정 소자(1250)의 화소 전극에 인가된다. 용량 소자(1254)는 액정층에 인가하는 전압에 대응하는 전하를 유지한다. 전압을 인가함으로써 액정층의 편광 방향이 변화되는 것을 이용하여 액정층을 투과하는 광의 명암(계조)을 만들고, 화상 표시를 수행한다. 액정층을 투과하는 광에는 백 라이트로부터 조사되는 광을 사용한다.
도 13에 도시된 구성에서, 매트릭스 형상으로 배치된 표시 소자의 동작에 관해서는, 공지의 표시 장치와 마찬가지로 할 수 있다.
또한, 트랜지스터(1252)로서 상술한 실시형태에서 설명한 채널 형성 영역에 산화물 반도체 재료를 사용하여 형성한 트랜지스터를 사용할 수도 있다. 상기 트랜지스터를 사용할 경우, 그 오프 전류는 굉장히 작기 때문에 용량 소자(1254)를 없앨 수도 있다.
또한, 표시 소자(1201R), 표시 소자(1201G), 및 표시 소자(1201B)는 필요에 따라, 트랜지스터, 다이오드, 저항 소자, 용량 소자, 인덕터 등의 그 외의 회로 소자를, 추가적으로 가져도 좋다.
또한, 도 13에서는 표시 소자(1201R), 표시 소자(1201G), 및 표시 소자(1201B)가 액정 소자(1250)를 갖는 경우에 대하여 설명하였지만, 발광 소자 등의 다른 소자를 가져도 좋다. 발광 소자는 전류 또는 전압에 의하여 휘도가 제어되는 소자이고, 구체적으로는 발광 다이오드, OLED(Organic Light Emitting Diode) 등을 들 수 있다.
이상이 화소(1210)의 구성예에 대한 설명이다.
표시 소자 제어부(1220)는 표시 소자(1201)를 제어하는 기능을 구비하고 화상 신호가 전송되는 신호선("소스 신호선"이라고도 함)을 개재하여 상술한 표시 소자(1201)에 신호를 입력하는 제 1 표시 소자 구동 회로(1221)와 주사선("게이트 신호선"이라고도 함)을 개재하여 표시 소자(1201)에 신호를 입력하는 제 2 표시 소자 구동 회로(1222)를 갖는다. 예를 들어, 제 1 표시 소자 구동 회로(1221)는 선택된 행의 화소(1210)가 갖는 표시 소자(1201)에 임의의 전위를 인가하는 기능을 갖는다. 또한, 제 2 표시 소자 구동 회로(1222)는 특정한 행에 배치된 화소가 갖는 표시 소자(1201)를 선택하는 기능을 갖는다.
광 검출 회로 제어부(1230)는 광 검출 회로(1202)를 제어하기 위한 구동 회로를 갖고, 표시부(1240)를 끼워 제 1 표시 소자 구동 회로(1221)와 대향하는 제 1 광 검출 회로 구동 회로(1231)와, 표시부(1240)를 끼워 제 2 표시 소자 구동 회로(1222)와 대향하는 제 2 광 검출 회로 구동 회로(1232)를 구비한다.
제 1 광 검출 회로 구동 회로(1231)는 배선(111)(PR), 배선(113)(VR)에 출력하는 신호를 생성하는 기능 및 선택된 행의 화소(1210)가 갖는 광 검출 회로의 출력 신호를 배선(115)(OUT)으로부터 추출하는 기능을 갖는다. 또한, 제 1 광 검출 회로 구동 회로(1231)는 각각 화소(1210)로부터 출력되는 복수의 검출 신호를 사용하여 각각 화소(1210) 위에 피검출물이 존재하는지 여부를 판단하는 검출 신호 비교부(1260)와 접속된다.
또한, 제 1 광 검출 회로 구동 회로(1231)는 프리차지 회로를 갖고, 배선(115)(OUT)의 전위를 소정의 전위로 하는 기능을 갖는다. 또한, 제 1 광 검출 회로 구동 회로(1231)는 아날로그 신호인 광 검출 회로로부터의 출력을 오피 앰프 등을 사용하여 아날로그 신호인 채 화상 표시 장치(1200)의 외부에 추출하는 구성이나, A/D 변환 회로를 사용하여 디지털 신호로 변환하고 나서 화상 표시 장치(1200)의 외부에 추출하는 구성으로 할 수 있다.
제 2 광 검출 회로 구동 회로(1232)는 배선(114)(TX1), 배선(134)(TX2), 배선(116)(SE1), 배선(136)(SE2)에 출력하는 신호를 생성하는 기능을 갖는다.
이상이 화상 표시 장치(1200)의 구성예에 대한 설명이다.
<화상 표시 장치의 동자예>
다음에 상술한 구조를 구비하는 화상 표시 장치의 동작의 일례에 대하여 도 14를 사용하여 설명한다.
화상 표시 장치(1200) 내에 구비된 광 검출 회로(1202)는 상술한 실시형태에서 설명한 바와 같이, 어느 기간에서의 광전 변환 소자(100)로 입사되는 광량을 정보로서 포함하는 전위(데이터)를 광 검출 회로(1202)가 구비하는 신호 출력 회로의 개수분만 유지할 수 있다.
예를 들어, 도 13에 도시된 광 검출 회로에서는 제 1 신호 출력 회로(101) 및 제 2 신호 출력 회로(102)를 사용하여 2개의 기간의 전위(데이터)를 유지할 수 있다. 또한, 본 실시형태에서는 상기 2개의 기간을 "기간 A" 및 "기간 B"라고 기재하고 "기간 B"는 "기간 A"보다 시간적으로 나중이 되는 것으로 한다.
기간 A는 도 14의 (A)에 도시된 바와 같이, 표시 소자(1201) 위에 손가락 등의 피검출물이 존재하지 않는 기간이고 제 1 표시 소자 구동 회로(1221) 및 제 2 표시 소자 구동 회로(1222)를 사용하여 표시 소자(1201)로부터 출력되는 광(화상)은 액정층(1401), 액정층(1401)을 끼운 한 쌍의 배향막(1402), 한 쌍의 배향막(1402)을 끼운 한 쌍의 전극(1403), 컬러 필터(1404), 기판(1405) 등을 투과하여 외부로 출력된다.
이로써 기판(1405) 등으로 반사된 희미한 반사광이나 외광 등이 광 검출 회로(1202)에 입력되고 기간 A에서의 입사광량을 정보로서 포함하는 전위(데이터)(이하, 전위 Ｃ라고도 기재함)가 제 1 신호 출력 회로(101) 내에 유지된다.
기간 B는 도 14의 (B)에 도시된 바와 같이 표시 소자(1201) 위에 피검출물(1410)이 존재하는 기간이고 제 1 표시 소자 구동 회로(1221) 및 제 2 표시 소자 구동 회로(1222)를 사용하여 표시 소자(1201)로부터 출력되는 광(화상)은 일부가 피검출물(1410)에 의하여 흡수되고 남은 광이 광 검출 회로(1202)에 입사되고, 기간 B에서의 입사광량을 정보로서 포함하는 전위(데이터)(이하 전위 D라고도 기재함)가 제 2 신호 출력 회로(102) 내에 유지된다.
또한, 기간 B에서의 광 검출 회로(1202)로 입사되는 광량은 기간 A에서의 입사광량과 비교하여 굉장히 많다.
그 후, 표시부(1240)가 구비하는 모든 화소(1210)에서 전위 C 및 전위 D가 유지된 후, 각각 화소(1210)로부터 전위 C를 정보로서 포함하는 검출 신호 및 전위 D를 정보로서 포함하는 검출 신호가 검출 신호 비교부(1260)에 출력된다.
그리고 검출 신호 비교부(1260)에서 각각 화소(1210)로부터 입력된 2개의 검출 신호가 비교되고 정해진 값(실시자가 적절히 결정하면 좋음) 이상의 차이가 확인된 경우, 상기 화소(1210) 위에는 피검출물이 존재한다고 판단된다.
여기서 임시로 광 검출 회로(1202)가 광전 변환 소자 및 신호 출력 회로를 하나씩 구비한 구조인 경우를 생각한다.
상기 구조에서는 기간 A에서 신호 출력 회로 내에 유지된 데이터가 남아 있는 상태에서는 기간 B의 전위(데이터)를 정확히 취득할 수 없다. 즉, 기간 A의 전위(데이터)에 기간 B의 전위(데이터)가 더해지기 때문에 기간 B가 시작되기 전에 전위(데이터)에 따른 검출 신호를 출력(출력 동작)하고, 신호 출력 회로 내에 유지된 전위(데이터)를 리셋(리셋 동작)하는 처리를 수행할 필요가 있다.
이로써 기간 A 종료 후이고 기간 B 시작 전에, 예를 들어, 기간 A에 얻어진 정보에 대하여 출력 동작을 수행하고 또한 기간 A에 얻어진 정보에 대한 리셋 동작을 수행하는 기간에 피검출물(1410)이 표시 소자(1201) 위를 통과한 경우 등에서는 기간 A에 얻어진 정보와 기간 B에 얻어진 정보를 사용하여도 각각 화소(1210) 위의 피검출물(1410)의 존재의 판단을 검출 신호 비교부(1260)에서 정확히 수행할 수 없는 경우가 있다.
이에 비하여 본 실시형태에 기재된 화상 표시 장치(1200)는 도 13과 같이, 광전 변환 소자(100)에 2개의 신호 출력 회로(제 1 신호 출력 회로(101) 및 제 2 신호 출력 회로(102))가 접속되기 때문에 제 1 신호 출력 회로(101)가 구비하는 제 1 스위칭 소자(121)를 오프 상태로 함으로써 기간 A에서의 전위(데이터)를 제 1 신호 출력 회로(101)에 유지할 수 있다. 또한, 기간 A 후에 제 2 신호 출력 회로(102)에 대하여 리셋 동작만 수행하면 광전 변환 소자(100)와 제 2 신호 출력 회로(102)를 사용하여 기간 B에서의 전위(데이터)를 취득하기 시작할 수 있다.
이로써 피검출물(1410)이 굉장히 빠르게 움직이는 경우에서도 각각 화소(1210) 위의 피검출물(1410)의 존재 판단을 정확히 수행할 수 있다.
이상이 상술한 실시형태에서 설명한 광 검출 회로를 구비하는 화상 표시 장치의 설명이다.
또한, 도 12에서는 검출 신호 비교부(1260)는 제 1 광 검출 회로 구동 회로(1231)와 접속된 상태로 화상 표시 장치(1200) 내에 제공되지만, 제 1 광 검출 회로 구동 회로(1231) 내에 검출 신호 비교부(1260)가 제공되어도 좋다. 또한, 화상 표시 장치(1200) 외부에 검출 신호 비교부(1260)가 제공되어도 좋다.
100: 광전 변환 소자
101: 제 1 신호 출력 회로
102: 제 2 신호 출력 회로
103: 제 3 신호 출력 회로
104: 제 4 신호 출력 회로
111: 배선
112: 배선
113: 배선
114: 배선
115: 배선
116: 배선
120: 트랜지스터
121: 제 1 스위칭 소자
122: 제 2 스위칭 소자
132: 배선
134: 배선
136: 배선
301: 제 1 신호 출력 회로
302: 제 2 신호 출력 회로
315: 배선
316: 배선
335: 배선
501: 트랜지스터
502a: 배선
502b: 배선
503: 배선
601: 트랜지스터
602a: 배선
602b: 배선
603: 배선
801: p형 반도체막
802: i형 반도체막
803: n형 반도체막
811: 도전막
812: 도전막
813: 도전막
814: 도전막
815: 도전막
816: 도전막
832: 도전막
834: 도전막
836: 도전막
841: 도전막
842: 도전막
843: 도전막
844: 도전막
845: 도전막
846: 도전막
847: 도전막
848: 도전막
849: 도전막
850: 도전막
860: 기판
861: 절연막
862: 게이트 절연막
863: 절연막
864: 절연막
870: 도전막
880: 반도체층
901: p형 반도체막
902: i형 반도체막
903: n형 반도체막
911: 도전막
912: 도전막
913: 도전막
914: 도전막
915: 도전막
916: 도전막
932: 도전막
934: 도전막
935: 도전막
941: 도전막
942: 도전막
943: 도전막
944: 도전막
945: 도전막
946: 도전막
960: 기판
961: 절연막
962: 게이트 절연막
963: 절연막
964: 절연막
970: 도전막
980: 반도체층
1000: 방사선 촬상 장치
1001: 방사선 조사부
1002: 방사선
1003: 광
1004: 신틸레이터
1005: 광 검출 기구
1006: 화상 신호 생성부
1007: 화상 표시 장치
1008: 피사체
1010: 광 검출부
1012: 광 검출 회로
1020: 광 검출 회로 제어부
1021: 제 1 광 검출 회로 구동 회로
1022: 제 2 광 검출 회로 구동 회로
1101: 광
1102: 광
1111: 기간
1112: 기간
1200: 화상 표시 장치
1201: 표시 소자
1201R: 표시 소자
1201G: 표시 소자
1201B: 표시 소자
1202: 광 검출 회로
1210: 화소
1220: 표시 소자 제어부
1221: 제 1 표시 소자 구동 회로
1222: 제 2 표시 소자 구동 회로
1230: 광 검출 회로 제어부
1231: 제 1 광 검출 회로 구동 회로
1232: 제 2 광 검출 회로 구동 회로
1240: 표시부
1250: 액정 소자
1252: 트랜지스터
1254: 용량 소자
1401: 액정층
1402: 배향막
1403: 전극
1404: 컬러 필터
1405: 기판
1410: 피검출물

Claims (21)

  1. 반도체 장치에 있어서,
    한 화소 내에 광 검출 회로를 갖고,
    상기 광 검출 회로는
    광전 변환 소자와,
    상기 광전 변환 소자와 전기적으로 접속된 제 1 신호 출력 회로와,
    상기 광전 변환 소자와 전기적으로 접속된 제 2 신호 출력 회로와,
    제 1 배선을 갖고,
    상기 제 1 신호 출력 회로 및 상기 제 2 신호 출력 회로는
    상기 광전 변환 소자로의 광의 입사량에 따라 게이트 전위가 변동하고, 상기 게이트 전위에 따른 신호를 출력하는 트랜지스터와,
    상기 광전 변환 소자와 상기 트랜지스터 사이에 전기적으로 접속되고, 상기 게이트 전위를 유지하는 제 1 스위칭 소자와,
    상기 신호의 출력 제어를 행하는 제 2 스위칭 소자를 각각 갖고,
    상기 제 1 신호 출력 회로의 상기 제 2 스위칭 소자의 게이트와 상기 제 2 신호 출력 회로의 상기 제 2 스위칭 소자의 게이트는 각각 다른 배선에 전기적으로 접속되고,
    상기 제 1 신호 출력 회로의 상기 제 2 스위칭 소자의 소스 및 드레인 중 한쪽 단자와 상기 제 2 신호 출력 회로의 상기 제 2 스위칭 소자의 소스 및 드레인 중 한쪽 단자는 상기 제 1 배선에 전기적으로 접속되고,
    상기 제 1 신호 출력 회로에 유지되는 상기 게이트 전위 및 상기 제 2 신호 출력 회로에 유지되는 상기 게이트 전위는 각각 다른 기간에 있어서 상기 광전 변환 소자로의 광의 입사량에 기초한 전위이며,
    상기 제 1 신호 출력 회로 및 상기 제 2 신호 출력 회로 각각에 상기 게이트 전위를 유지한 후, 상기 제 1 신호 출력 회로 및 상기 제 2 신호 출력 회로의 각각으로부터 상기 게이트 전위에 따라 상기 신호를 다른 타이밍으로 상기 제 1 배선에 출력하는 것을 특징으로 하는, 반도체 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 스위칭 소자는 채널 형성 영역에 산화물 반도체 재료를 이용한 트랜지스터인 것을 특징으로 하는, 반도체 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 트랜지스터, 상기 제 1 스위칭 소자, 및 상기 제 2 스위칭 소자는 채널 형성 영역에 산화물 반도체 재료를 이용한 트랜지스터인 것을 특징으로 하는, 반도체 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 광전 변환 소자에 입사하는 광은 방사선을 받은 신틸레이터로부터 출력된 광인 것을 특징으로 하는, 반도체 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 한 화소 내에 표시 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는, 반도체 장치.
  6. 삭제
  7. 삭제
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