KR102169471B1 - 거리 측정 장치, 거리 측정 시스템 - Google Patents
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Abstract
검출 정밀도가 높은 거리 측정 장치를 제공한다. 수광 소자, 제1 트랜지스터 및 제2 트랜지스터를 갖는 포토 센서와, 배선과, 신호선과, 전원선을 구비하고, 배선은, 수광 소자의 한쪽 전극과 전기적으로 접속되고, 신호선은, 제1 트랜지스터의 게이트 전극과 전기적으로 접속되고, 전원선은, 제2 트랜지스터의 소스 전극 또는 드레인 전극의 한쪽과 전기적으로 접속되고, 제1 트랜지스터에서는, 소스 전극 또는 드레인 전극의 한쪽이 제2 트랜지스터의 게이트 전극과 전기적으로 접속되고, 소스 전극 또는 드레인 전극의 다른 쪽이 수광 소자의 다른 쪽 전극 및 제2 트랜지스터의 소스 전극 또는 드레인 전극의 다른 쪽과 전기적으로 접속되는 거리 측정 장치를 제공한다.
Description
포토 센서를 갖는 거리 측정 장치, 거리 측정 시스템에 관한 것이다. 특히, Time-Of-Flight(TOF) 방식을 적용한 거리 측정 장치, 거리 측정 시스템에 관한 것이다.
광비행 시간의 지연에 의존한 검출 신호에 의해, 광원부터 피검출물까지의 거리를 파악할 수 있는 3차원 거리 측정 시스템이 주목받고 있다. 3차원 거리 측정 시스템은, 버추얼 키보드, 제스처 인식 기능 등을 갖는 정보 입력 디바이스, 각종 로봇의 시각 센서, 시큐러티 시스템, 스마트 에어백용 센서, 차량 탑재용 센서 등, 광범위한 용도에의 응용이 기대되고 있다.
거리를 측정하는 방법의 하나로서, TOF 방식이 알려져 있다. TOF 방식을 사용한 거리 측정 시스템은, 광원으로부터 피검출물에 대하여 광을 조사하여, 피검출물에 의해 반사된 광이 센서에 도달할 때, 조사광과 반사광 사이에 발생하는 광비행 시간의 지연을 검출하여, 광원(거리 측정 시스템)과 피검출물 사이의 거리를 계산에 의해 취득할 수 있다. 구체적으로는, 광원부터 피검출물까지의 거리 x를, 광속 c 및 지연 시간 Δt를 사용한 이하의 식으로 나타낼 수 있다.
비특허문헌 1에는, 3차원 공간에서의 거리 측정을 행하기 위해, 반사 적외광의 검출 기간을 2회로 나누어 상이한 검출 신호를 취득하여, TOF 방식을 사용하여 3차원 촬상을 행하는 3차원 이미지 센서가 개시되어 있다.
또한, 비특허문헌 2에서는, 비특허문헌 1에 있어서의 센서의 구성을 응용하여, 2차원 촬상과, 3차원 촬상을, 프레임 기간마다 교대로 행하고 있다.
S.J.Kim et al, "A Three-Dimensional Time-of-Flight CMOS Image Sensor With Pinned-Photodiode Pixel Structure", IEEE Electron Device Letters, Nov. 2010, Vol.31, No.11, p.1272-1274
S.J.Kim et al, "A 640×480 Image Sensor with Unified Pixel Architecture for 2D/3D Imaging in 0.11um CMOS", 2011 Symposium on VLSI Circuits Digest of Technical Papers, p.92-93
본 발명의 일 형태는, 검출 정밀도가 높은 거리 측정 장치를 제공하는 것을 과제의 하나로 한다. 본 발명의 일 형태는, 검출 정밀도가 높은 거리 측정 시스템을 제공하는 것을 과제의 하나로 한다.
본 발명의 일 형태의 거리 측정 장치는, 포토 센서를 갖고, 상기 포토 센서는, 광원에 의해 피검출물에 대한 복수회의 광조사가 행해지는 기간, 또는 상기 광조사 종료 후의 기간에 있어서의 반사광(구체적으로는, 상기 광원으로부터 조사된 광이 상기 피검출물에 의해 반사됨으로써 발생하는 광)의 검출을, 복수회 행한다. 상기 기간의 반사광의 검출을 복수회 행함으로써, 검출 정밀도가 높은 거리 측정을 행할 수 있다.
본 발명의 일 형태의 거리 측정 장치가 구비하는 포토 센서는, 수광 소자에 있어서 반사광을 검출한다. 수광 소자에는, 상기 광조사가 행해지는 기간 및 상기 광조사 종료 후의 기간의 양쪽에 있어서, 상기 반사광이 조사된다. 검출을 행하지 않는 기간에 조사된 반사광에 의해 수광 소자의 전극의 전위에 변화가 발생하면, 반사광의 검출 정밀도가 저하되는 경우가 있다. 따라서, 본 발명의 일 형태에서는, 반사광의 검출을 행하지 않는 기간에 있어서의 수광 소자의 전극의 전위 변화를 억제하는 트랜지스터를, 포토 센서가 구비한다. 이에 의해, 거리 측정 장치나, 상기 거리 측정 장치를 사용한 거리 측정 시스템에 있어서의, 광의 검출 정밀도의 저하를 억제할 수 있다.
본 발명의 일 형태는, 수광 소자, 제1 트랜지스터 및 제2 트랜지스터를 갖는 포토 센서와, 배선과, 신호선과, 전원선을 구비하고, 배선은, 수광 소자의 한쪽 전극과 전기적으로 접속되고, 신호선은, 제1 트랜지스터의 게이트 전극과 전기적으로 접속되고, 전원선은, 제2 트랜지스터의 소스 전극 또는 드레인 전극의 한쪽과 전기적으로 접속되고, 제1 트랜지스터에서는, 소스 전극 또는 드레인 전극의 한쪽이 제2 트랜지스터의 게이트 전극과 전기적으로 접속되고, 소스 전극 또는 드레인 전극의 다른 쪽이 수광 소자의 다른 쪽 전극 및 제2 트랜지스터의 소스 전극 또는 드레인 전극의 다른 쪽과 전기적으로 접속되는 거리 측정 장치이다.
또한, 본 발명의 일 형태는, 수광 소자, 제1 트랜지스터 및 제2 트랜지스터를 갖는 포토 센서와, 배선과, 신호선과, 전원선과, 광원을 구비하고, 배선은, 수광 소자의 한쪽 전극과 전기적으로 접속되고, 신호선은, 제1 트랜지스터의 게이트 전극과 전기적으로 접속되고, 전원선은, 제2 트랜지스터의 소스 전극 또는 드레인 전극의 한쪽과 전기적으로 접속되고, 제1 트랜지스터에서는, 소스 전극 또는 드레인 전극의 한쪽이 제2 트랜지스터의 게이트 전극과 전기적으로 접속되고, 소스 전극 또는 드레인 전극의 다른 쪽이 수광 소자의 다른 쪽 전극 및 제2 트랜지스터의 소스 전극 또는 드레인 전극의 다른 쪽과 전기적으로 접속되고, 광원은, 피검출물에 대하여 일정 시간 T의 광조사를 n회(본 명세서 중에 있어서, n회로 기재한 경우, n은 2 이상의 자연수로 한다) 행하고, 수광 소자는, 광원으로부터 조사된 광이 피검출물에 의해 반사됨으로써 발생하는 반사광을 검출하고, 제1 트랜지스터는, 광조사 1회당 일정 시간 T 이상, 도통 상태로 되면서, 또한, 광조사의 종료와 동시에 도통 상태가 종료되고, 포토 센서가, 광원과 피검출물 사이의 거리 x에 따른 신호를 출력하는 거리 측정 장치이다.
또한, 상기 거리 측정 장치와, 상기 거리 x를, 수학식 (1)을 사용하여 산출하는 처리부를 갖는 거리 측정 시스템도 본 발명의 일 형태이다.
단, 수학식 (1)에 있어서, S1은, 일정 시간 T의 광조사가 n회 행해진 후의 제1 트랜지스터의 소스 전극 또는 드레인 전극의 한쪽 전위의 변화량에 따른 검출 신호의 전압을 나타내고, n은 2 이상의 자연수를 나타내고, c는 광속을 나타내고, k는 상수를 나타낸다.
또한, 본 발명의 일 형태는, 수광 소자, 제1 트랜지스터 및 제2 트랜지스터를 갖는 포토 센서와, 배선과, 신호선과, 전원선과, 광원을 구비하고, 배선은, 수광 소자의 한쪽 전극과 전기적으로 접속되고, 신호선은, 제1 트랜지스터의 게이트 전극과 전기적으로 접속되고, 전원선은, 제2 트랜지스터의 소스 전극 또는 드레인 전극의 한쪽과 전기적으로 접속되고, 제1 트랜지스터에서는, 소스 전극 또는 드레인 전극의 한쪽이 제2 트랜지스터의 게이트 전극과 전기적으로 접속되고, 소스 전극 또는 드레인 전극의 다른 쪽이 수광 소자의 다른 쪽 전극 및 제2 트랜지스터의 소스 전극 또는 드레인 전극의 다른 쪽과 전기적으로 접속되고, 광원은, 피검출물에 대하여 일정 시간의 광조사를 n회 행하고, 수광 소자는, 광원으로부터 조사된 광이 피검출물에 의해 반사됨으로써 발생하는 반사광을 검출하고, 제1 트랜지스터는, 광조사 1회당 1회, 도통 상태로 되고, 도통 상태는, 광조사의 종료와 동시에 개시하고, 수광 소자에 있어서의 반사광의 검출의 종료보다 후에 종료하고, 포토 센서가, 광원과 피검출물 사이의 거리 x에 따른 신호를 출력하는 거리 측정 장치이다.
또한, 상기 거리 측정 장치와, 상기 거리 x를, 수학식 (2)를 사용하여 산출하는 처리부를 갖는 거리 측정 시스템도 본 발명의 일 형태이다.
단, 수학식 (2)에 있어서, S2는, 일정 시간의 광조사가 n회 행해진 후의 제1 트랜지스터의 소스 전극 또는 드레인 전극의 한쪽 전위의 변화량에 따른 검출 신호의 전압을 나타내고, n은 2 이상의 자연수를 나타내고, c는 광속을 나타내고, k는 상수를 나타낸다.
또한, 본 발명의 일 형태는, 제1 수광 소자, 제1 트랜지스터 및 제2 트랜지스터를 갖는 제1 포토 센서와, 배선과, 신호선과, 전원선과, 광원을 구비하고, 배선은, 제1 수광 소자의 한쪽 전극과 전기적으로 접속되고, 신호선은, 제1 트랜지스터의 게이트 전극과 전기적으로 접속되고, 전원선은, 제2 트랜지스터의 소스 전극 또는 드레인 전극의 한쪽과 전기적으로 접속되고, 제1 트랜지스터에서는, 소스 전극 또는 드레인 전극의 한쪽이 제2 트랜지스터의 게이트 전극과 전기적으로 접속되고, 소스 전극 또는 드레인 전극의 다른 쪽이 제1 수광 소자의 다른 쪽 전극 및 제2 트랜지스터의 소스 전극 또는 드레인 전극의 다른 쪽과 전기적으로 접속되고, 광원은, 피검출물에 대하여 일정 시간 T의 제1 광조사를 연속하여 n회 행하고, 또한, 일정 시간 T의 제2 광조사를 연속하여 n회 행하고, 제1 수광 소자는, 광원으로부터 조사된 광이 피검출물에 의해 반사됨으로써 발생하는 반사광을 검출하고, 제1 트랜지스터는, 제1 광조사 1회당 일정 시간 T 이상, 제1 도통 상태로 되면서, 또한, 제1 광조사의 종료와 동시에 제1 도통 상태가 종료되고, 제2 광조사 1회당 1회, 제2 도통 상태로 되고, 제2 도통 상태는, 제2 광조사의 종료와 동시에 개시하고, 제1 수광 소자에 있어서의 반사광의 검출의 종료보다 후에 종료하고, 포토 센서가, 광원과 피검출물 사이의 거리 x에 따른 신호를 출력하는 거리 측정 장치이다.
또한, 상기 거리 측정 장치와, 상기 거리 x를, 수학식 (3)을 사용하여 산출하는 처리부를 갖는 거리 측정 시스템도 본 발명의 일 형태이다.
단, 수학식 (3)에 있어서, S1은, 일정 시간 T의 제1 광조사가 n회 행해진 후의, 제1 트랜지스터의 소스 전극 또는 드레인 전극의 한쪽 전위의 변화량에 따른 검출 신호의 전압을 나타내고, S2는, 일정 시간 T의 제2 광조사가 n회 행해진 후의, 제1 트랜지스터의 소스 전극 또는 드레인 전극의 한쪽 전위의 변화량에 따른 검출 신호의 전압을 나타내고, n은 2 이상의 자연수를 나타내고, c는 광속을 나타낸다.
또한, 수학식 (3)을 사용하여 광원과 피검출물 사이의 거리를 산출하는 상기한 거리 측정 장치(또는 거리 측정 시스템)에 있어서, 제2 수광 소자를 갖는 제2 포토 센서를, 제1 포토 센서와 중첩하여 구비하는 것이 바람직하다. 복수의 포토 센서를 중첩하여 구비함으로써, 포토 센서가 차지하는 면적의 축소를 도모할 수 있다.
특히, 제1 수광 소자와 제2 수광 소자가 중첩하고, 제1 수광 소자가, 제1 파장 영역의 광을 흡수하고, 제2 수광 소자가, 제2 파장 영역의 광을 흡수하고, 제1 수광 소자 및 제2 수광 소자 중 피검출물로부터의 거리가 짧은 한쪽은, 다른 쪽이 흡수하는 파장 영역의 광의 적어도 일부를 투과하는 것이 바람직하다.
예를 들어, 제1 수광 소자보다 제2 수광 소자가 피검출물에 가까워, 제1 수광 소자가, 반사광에 포함되는 적외광을 검출(흡수)하고, 제2 수광 소자가, 상기 반사광에 포함되는 가시광을 검출(흡수)하고, 적외광을 투과하는 형태를 들 수 있다. 이 형태에서는, 예를 들어 제1 포토 센서에 의해 거리 측정을 행하는 동시에, 제2 포토 센서가 2차원 정보의 취득을 행할 수 있다. 또한, 제2 수광 소자가 가시광을 흡수함으로써, 제1 수광 소자에 조사되는 적외광 이외의 광(노이즈가 되는 광)이 저감하기 때문에, 제1 포토 센서의 검출 정밀도를 높일 수 있다.
상기에 예시한 거리 측정 장치(또는 거리 측정 시스템)에 있어서, 상기 배선이, 리셋 신호선인 것이 바람직하다.
또는, 상기에 예시한 거리 측정 장치(혹은 거리 측정 시스템)에 있어서, 게이트 전극이, 리셋 신호선과 전기적으로 접속되고, 소스 전극 또는 드레인 전극의 한쪽이, 제1 트랜지스터의 소스 전극 또는 드레인 전극의 한쪽, 및 제2 트랜지스터의 게이트 전극과 전기적으로 접속되고, 소스 전극 또는 드레인 전극의 다른 쪽이, 리셋 전원선과 전기적으로 접속되는 제3 트랜지스터를 가지면서, 또한, 배선이 고정 전원선인 것이 바람직하다.
상기에 예시한 거리 측정 장치(또는 거리 측정 시스템)에 있어서, 제1 트랜지스터의 반도체층은, 산화물 반도체를 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 제2 트랜지스터의 반도체층은, 산화물 반도체를 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 제3 트랜지스터의 반도체층은, 산화물 반도체를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 일 형태는, 제1 수광 소자, 제1 트랜지스터 및 제2 트랜지스터를 갖는 제1 포토 센서와, 제2 수광 소자, 제3 트랜지스터 및 제4 트랜지스터를 갖고, 제1 포토 센서와 인접하는 제2 포토 센서와, 제1 배선 및 제2 배선과, 제1 신호선 및 제2 신호선과, 제1 전원선 및 제2 전원선과, 광원을 구비하고, 제1 배선은, 제1 수광 소자의 한쪽 전극과 전기적으로 접속되고, 제1 신호선은, 제1 트랜지스터의 게이트 전극과 전기적으로 접속되고, 제1 전원선은, 제2 트랜지스터의 소스 전극 또는 드레인 전극의 한쪽과 전기적으로 접속되고, 제1 트랜지스터에서는, 소스 전극 또는 드레인 전극의 한쪽이 제2 트랜지스터의 게이트 전극과 전기적으로 접속되고, 소스 전극 또는 드레인 전극의 다른 쪽이 제1 수광 소자의 다른 쪽 전극 및 제2 트랜지스터의 소스 전극 또는 드레인 전극의 다른 쪽과 전기적으로 접속되고, 제2 배선은, 제2 수광 소자의 한쪽 전극과 전기적으로 접속되고, 제2 신호선은, 제3 트랜지스터의 게이트 전극과 전기적으로 접속되고, 제2 전원선은, 제4 트랜지스터의 소스 전극 또는 드레인 전극의 한쪽과 전기적으로 접속되고, 제3 트랜지스터에서는, 소스 전극 또는 드레인 전극의 한쪽이 제4 트랜지스터의 게이트 전극과 전기적으로 접속되고, 소스 전극 또는 드레인 전극의 다른 쪽이 제2 수광 소자의 다른 쪽 전극 및 제4 트랜지스터의 소스 전극 또는 드레인 전극의 다른 쪽과 전기적으로 접속되고, 광원은, 피검출물에 대하여 일정 시간 T의 광조사를 n회 행하고, 제1 수광 소자 및 제2 수광 소자는, 광원으로부터 조사된 광이 피검출물에 의해 반사됨으로써 발생하는 반사광을 검출하고, 제1 트랜지스터는, 광조사 1회당 일정 시간 T 이상, 도통 상태로 되면서, 또한, 광조사의 종료와 동시에 도통 상태가 종료되고, 제3 트랜지스터는, 광조사 1회당 1회, 도통 상태로 되고, 도통 상태는, 광조사의 종료와 동시에 개시하고, 제2 수광 소자에 있어서의 반사광의 검출의 종료보다 후에 종료하고, 포토 센서가, 광원과 피검출물 사이의 거리 x에 따른 신호를 출력하는 거리 측정 장치이다.
또한, 상기 거리 측정 장치와, 상기 거리 x를, 수학식 (3)을 사용하여 산출하는 처리부를 갖는 거리 측정 시스템도 본 발명의 일 형태이다.
단, 수학식 (3)에 있어서, S1은, 일정 시간 T의 광조사가 n회 행해진 후의, 제1 트랜지스터의 소스 전극 또는 드레인 전극의 한쪽 전위의 변화량에 따른 검출 신호의 전압을 나타내고, S2는, 일정 시간 T의 광조사가 n회 행해진 후의, 제3 트랜지스터의 소스 전극 또는 드레인 전극의 한쪽 전위의 변화량에 따른 검출 신호의 전압을 나타내고, n은 2 이상의 자연수를 나타내고, c는 광속을 나타낸다.
상기한 거리 측정 장치(또는 거리 측정 시스템)에 있어서, 제1 배선이, 제1 리셋 신호선이며, 제2 배선이, 제2 리셋 신호선인 것이 바람직하다.
또는, 상기한 거리 측정 장치(혹은 거리 측정 시스템)에 있어서, 제5 트랜지스터 및 제6 트랜지스터를 갖고, 제5 트랜지스터에서는, 게이트 전극이, 제1 리셋 신호선과 전기적으로 접속되고, 소스 전극 또는 드레인 전극의 한쪽이, 제1 트랜지스터의 소스 전극 또는 드레인 전극의 한쪽, 및 제2 트랜지스터의 게이트 전극과 전기적으로 접속되고, 소스 전극 또는 드레인 전극의 다른 쪽이, 제1 리셋 전원선과 전기적으로 접속되고, 제6 트랜지스터에서는, 게이트 전극이, 제2 리셋 신호선과 전기적으로 접속되고, 소스 전극 또는 드레인 전극의 한쪽이, 제3 트랜지스터의 소스 전극 또는 드레인 전극의 한쪽, 및 제4 트랜지스터의 게이트 전극과 전기적으로 접속되고, 소스 전극 또는 드레인 전극의 다른 쪽이, 제2 리셋 전원선과 전기적으로 접속되고, 제1 배선이, 제1 고정 전원선이며, 제2 배선이, 제2 고정 전원선인 것이 바람직하다.
상기에 예시한 거리 측정 장치(또는 거리 측정 시스템)에 있어서, 제1 트랜지스터의 반도체층은, 산화물 반도체를 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 제2 트랜지스터의 반도체층은, 산화물 반도체를 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 제3 트랜지스터의 반도체층은, 산화물 반도체를 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 제4 트랜지스터의 반도체층은, 산화물 반도체를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 형태에서는, 검출 정밀도가 높은 거리 측정 장치를 제공할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 형태에서는, 검출 정밀도가 높은 거리 측정 시스템을 제공할 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 거리 측정 시스템 및 포토 센서의 일례를 나타내는 도면.
도 2a 및 도 2b는 포토 센서 및 판독 회로의 일례를 나타내는 도면.
도 3은 포토 센서의 타이밍 차트의 일례를 나타내는 도면.
도 4는 포토 센서의 타이밍 차트의 일례를 나타내는 도면.
도 5는 포토 센서의 타이밍 차트의 일례를 나타내는 도면.
도 6은 포토 센서의 일례를 나타내는 도면.
도 7은 포토 센서의 타이밍 차트의 일례를 나타내는 도면.
도 8a 및 도 8b는 포토 센서의 일례를 나타내는 도면.
도 9는 포토 센서의 타이밍 차트의 일례를 나타내는 도면.
도 10a 및 도 10b는 포토 센서의 일례를 나타내는 도면.
도 11a 및 도 11b는 포토 센서의 상면도 및 단면도.
도 12는 포토 센서의 일례를 나타내는 도면.
도 13은 포토 센서의 상면도.
도 14a 및 도 14b는 포토 센서의 단면도.
도 15a 내지 도 15c는 포토 센서의 제작 방법의 일례를 나타내는 도면.
도 16a 내지 도 16d는 포토 센서의 단면도.
도 2a 및 도 2b는 포토 센서 및 판독 회로의 일례를 나타내는 도면.
도 3은 포토 센서의 타이밍 차트의 일례를 나타내는 도면.
도 4는 포토 센서의 타이밍 차트의 일례를 나타내는 도면.
도 5는 포토 센서의 타이밍 차트의 일례를 나타내는 도면.
도 6은 포토 센서의 일례를 나타내는 도면.
도 7은 포토 센서의 타이밍 차트의 일례를 나타내는 도면.
도 8a 및 도 8b는 포토 센서의 일례를 나타내는 도면.
도 9는 포토 센서의 타이밍 차트의 일례를 나타내는 도면.
도 10a 및 도 10b는 포토 센서의 일례를 나타내는 도면.
도 11a 및 도 11b는 포토 센서의 상면도 및 단면도.
도 12는 포토 센서의 일례를 나타내는 도면.
도 13은 포토 센서의 상면도.
도 14a 및 도 14b는 포토 센서의 단면도.
도 15a 내지 도 15c는 포토 센서의 제작 방법의 일례를 나타내는 도면.
도 16a 내지 도 16d는 포토 센서의 단면도.
실시 형태에 대해서, 도면을 사용하여 상세하게 설명한다. 단, 본 발명은 이하의 설명에 한정되지 않고, 본 발명의 취지 및 그 범위로부터 일탈하지 않고 그 형태 및 상세를 다양하게 변경할 수 있는 것은 당업자라면 용이하게 이해된다. 따라서, 본 발명은 이하에 기재하는 실시 형태의 기재 내용에 한정하여 해석되는 것이 아니다. 또한, 이하에 설명하는 발명의 구성에 있어서, 동일 부분 또는 마찬가지의 기능을 갖는 부분에는 동일한 부호를 다른 도면간에서 공통적으로 사용하고, 그 반복의 설명은 생략한다.
(실시 형태 1)
우선, 본 발명의 일 형태의 거리 측정 시스템을 도 1a에 도시한다. 도 1a에 도시하는 거리 측정 시스템(10)은, 1 이상의 포토 센서(30) 및 1 이상의 판독 회로(40)를 갖는 거리 측정 장치(20)와, 처리부(50)를 갖는다. 거리 측정 시스템(10)에서는, 포토 센서(30)로부터 출력된 신호가, 판독 회로(40)를 통하여 처리부(50)에 입력된다. 처리부(50)에서는, 상기 포토 센서(30)와 피검출물 사이의 거리를, 상기 신호에 기초하여 산출한다.
처리부(50)에는, 연산 처리를 행하는 CPU(Central Processing Unit)나 DSP(Digital Signal Processor) 등의 프로세서 및 연산 프로그램을 보존하는 메모리 등이 포함된다.
본 실시 형태에서는, 본 발명의 일 형태의 거리 측정 장치(또는 거리 측정 시스템)와, 상기 거리 측정 장치(또는 거리 측정 시스템)를 사용한 거리 측정 방법에 대해, 도 1b, 도 2a 내지 도 4를 사용하여 설명한다. 본 발명의 일 형태의 거리 측정 장치(또는 거리 측정 시스템)는 TOF 방식을 사용하여 거리를 측정할 수 있다.
본 발명의 일 형태의 거리 측정 장치는, 수광 소자, 제1 트랜지스터 및 제2 트랜지스터를 갖는 포토 센서와, 배선과, 신호선과, 전원선을 구비한다. 상기 거리 측정 장치에 있어서, 배선은, 수광 소자의 한쪽 전극과 전기적으로 접속되고, 신호선은, 제1 트랜지스터의 게이트 전극과 전기적으로 접속되고, 전원선은, 제2 트랜지스터의 소스 전극 또는 드레인 전극의 한쪽과 전기적으로 접속되고, 제1 트랜지스터에서는, 소스 전극 또는 드레인 전극의 한쪽이 제2 트랜지스터의 게이트 전극과 전기적으로 접속되고, 다른 쪽이 수광 소자의 다른 쪽 전극 및 제2 트랜지스터의 소스 전극 또는 드레인 전극의 다른 쪽과 전기적으로 접속한다.
본 발명의 일 형태에서는, 광원이, 피검출물에 대하여 일정 시간의 광조사를 복수회(n회, n은 2 이상의 자연수) 행하고, 포토 센서가, 상기 광조사가 행해지는 기간 또는 상기 광조사 종료 후의 기간에 있어서의 반사광(구체적으로는, 상기 광원으로부터 조사된 광이 상기 피검출물에 의해 반사됨으로써 발생하는 광)의 검출을 동일한 횟수 행한다. 광조사 및 반사광의 검출을 복수회 행함으로써, 거리에 따른 검출 신호를 고정밀도로 얻을 수 있기 때문에, 보다 정확한 거리를 산출할 수 있다. 또한, 광원은, 본 발명의 일 형태의 거리 측정 장치에 포함되어 있어도 되고, 별도 설치되어 있어도 된다.
또한, 본 발명의 일 형태의 거리 측정 장치가 구비하는 포토 센서는, 수광 소자에 있어서 반사광을 검출한다. 수광 소자에는, 광원에 의해 광조사가 행해지는 기간 및 상기 광조사 종료 후의 기간의 양쪽에 있어서, 상기 반사광이 조사된다. 검출을 행하지 않는 기간에 조사된 반사광에 의해 수광 소자의 다른 쪽 전극의 전위에 변화가 발생하면, 반사광의 검출의 정밀도가 저하되는 경우가 있다. 그러나, 상기 포토 센서는, 반사광의 검출을 행하지 않는 기간에 있어서의 수광 소자의 다른 쪽 전극의 전위 변화를 억제하는 제2 트랜지스터를 구비한다. 이에 의해, 고정밀도의 거리 측정이 가능한 거리 측정 장치(또한 고정밀도의 거리 측정이 가능한 거리 측정 시스템)를 제공할 수 있다.
<포토 센서의 구성>
도 1b에 본 발명의 일 형태의 거리 측정 장치가 구비하는 포토 센서(100)의 회로도를 도시한다.
도 1b에 도시한 포토 센서(100)는, 포토다이오드(102), 트랜지스터(103), 트랜지스터(104), 트랜지스터(105) 및 트랜지스터(109)를 갖는다.
포토다이오드(102)에서는, 한쪽 전극이 리셋 신호선 PR과 전기적으로 접속되고, 다른 쪽 전극이 트랜지스터(103)의 소스 전극 또는 드레인 전극의 한쪽, 및 트랜지스터(109)의 소스 전극 또는 드레인 전극의 다른 쪽과 전기적으로 접속되어 있다. 본 명세서 등에서는, 포토다이오드(102)의 다른 쪽 전극, 트랜지스터(103)의 소스 전극 또는 드레인 전극의 한쪽, 및 트랜지스터(109)의 소스 전극 또는 드레인 전극의 다른 쪽이 구성하는 노드를 노드(107)로 기재한다.
트랜지스터(103)에서는, 게이트 전극이 축적 신호선 TX와 전기적으로 접속되고, 소스 전극 또는 드레인 전극의 한쪽이 트랜지스터(104)의 게이트 전극 및 트랜지스터(109)의 게이트 전극과 전기적으로 접속되어 있다. 본 명세서 등에서는, 트랜지스터(103)의 소스 전극 또는 드레인 전극의 한쪽, 트랜지스터(104)의 게이트 전극 및 트랜지스터(109)의 게이트 전극이 구성하는 노드를, 전하 유지 노드 FD로 기재한다.
트랜지스터(104)에서는, 소스 전극 또는 드레인 전극의 한쪽이 포토 센서 기준 신호선 VS와 전기적으로 접속되고, 소스 전극 또는 드레인 전극의 다른 쪽이 트랜지스터(105)의 소스 전극 또는 드레인 전극의 한쪽과 전기적으로 접속되어 있다.
트랜지스터(105)에서는, 게이트 전극이 선택 신호선 SE와 전기적으로 접속되고, 소스 전극 또는 드레인 전극의 다른 쪽이 포토 센서 출력 신호선 RO와 전기적으로 접속되어 있다.
트랜지스터(109)에서는, 소스 전극 또는 드레인 전극의 한쪽이 전원선 VH와 전기적으로 접속되어 있다.
또한, 도 1b에 도시하는 포토다이오드(102)에서는, 양극이 리셋 신호선 PR과 전기적으로 접속되고, 음극이 트랜지스터(103)의 소스 전극 또는 드레인 전극의 다른 쪽과 전기적으로 접속되어 있지만, 이것에 한정되지 않는다. 포토다이오드(102)에 있어서, 음극이 리셋 신호선 PR과 전기적으로 접속되고, 양극이 트랜지스터(103)의 소스 전극 또는 드레인 전극의 다른 쪽과 전기적으로 접속되어 있어도 된다.
수광 소자인 포토다이오드(102)는, 역방향 바이어스가 인가되는, 즉 양극의 전위보다 높은 전위가 음극에 인가되면, 받은 광의 양에 따른 전류를 생성한다. 따라서, 반사광을 검출함으로써, 포토다이오드(102)에는 광 전류가 흐른다. 포토 센서(100)에 사용하는 포토다이오드에 한정은 없고, pin 접합 포토다이오드, pn 접합 포토다이오드 등을 적용할 수 있다.
전하 유지 노드 FD는, 포토다이오드(102)가 받는 광의 양에 따라 생성한 전류에 의해 변화하는 전하를 유지한다. 또한, 전하 유지 노드 FD에 있어서 전하를 보다 확실하게 유지하기 위해서, 전하 유지 노드 FD가 유지 용량과 전기적으로 접속되어 있어도 된다.
스위칭 소자인 트랜지스터(103)는, 포토다이오드(102)에 의한 전하 유지 노드 FD에의 전하 축적과, 전하 유지 노드 FD의 전하 유지의 전환을 제어한다.
전하 유지 노드 FD가, 포토다이오드(102)에 광이 조사됨으로써 생성된 전하를 장시간 유지하기 위해서는, 트랜지스터(103)의 오프 전류가 작은 것이 바람직하다. 예를 들어, 반도체층에 아몰퍼스 실리콘, 미결정 실리콘, 산화물 반도체 등을 사용함으로써 트랜지스터(103)의 오프 전류를 작게 할 수 있다. 특히, 반도체층에 산화물 반도체를 사용함으로써 트랜지스터(103)의 오프 전류를 매우 작게 할 수 있다.
또한, 전하 유지 노드 FD가, 포토다이오드(102)에 광이 조사됨으로써 생성된 전하를 단시간에 축적하기 위해서는, 트랜지스터(103)의 이동도가 높은 것이 바람직하다. 예를 들어, 반도체층에, 산화물 반도체, 다결정 실리콘, 단결정 실리콘 등을 사용함으로써 트랜지스터(103)의 이동도를 높게 할 수 있다.
상기로부터, 트랜지스터(103)의 반도체층에 산화물 반도체를 사용하면, 트랜지스터(103)의 오프 전류를 매우 작게 할 수 있으며, 또한, 이동도를 높게 할 수 있기 때문에, 특히 바람직하다.
증폭 소자인 트랜지스터(104)는, 전하 유지 노드 FD의 전위에 따라, 전하 유지 노드 FD의 전압을 포토 센서 기준 신호선 VS와 포토 센서 출력 신호선 RO간의 전류값으로 변환하는 동작을 행한다. 트랜지스터(104)는, 온 전류가 큰 것이나 이동도가 높은 것이 바람직하고, 반도체층에 산화물 반도체나 실리콘 재료 등을 사용할 수 있고, 특히, 다결정 실리콘이나 단결정 실리콘 등의 실리콘 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 트랜지스터(104)의 온 전류가 크거나 또는 이동도가 높으면, 증폭률을 높게 할 수 있으므로, 전하 유지 노드 FD의 미소한 전위차, 즉, 포토다이오드(102)에 조사된 광의 미소한 차도 검출하는 것이 가능하게 된다.
트랜지스터(105)는, 포토 센서(100)의 출력을 제어한다. 트랜지스터(105)는, 온 전류가 큰 것이나 이동도가 높은 것이 바람직하고, 반도체층에 산화물 반도체나 실리콘 재료 등을 사용할 수 있고, 특히, 다결정 실리콘이나 단결정 실리콘 등의 실리콘 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 트랜지스터(105)의 온 전류가 크거나 또는 이동도가 높으면, 포토 센서 출력 신호선 RO의 구동 능력이 높으므로, 포토 센서 출력의 판독 속도를 향상시킬 수 있다.
트랜지스터(109)는, 트랜지스터(103)가 비도통 상태일 때에, 게이트 전극과, 소스 전극 또는 드레인 전극의 다른 쪽의 전위차를 임계값 전압보다 작은 값으로 유지한다. 트랜지스터(109)의 게이트 전극의 전위는 전하 유지 노드 FD의 전위와 동등하고, 소스 전극 또는 드레인 전극의 다른 쪽 전위는, 노드(107)의 전위와 동등하다. 트랜지스터(103)가 비도통 상태일 때에 상기 전위차가 임계값 전압보다 작은 값으로 유지됨으로써, 전하 유지 노드 FD의 전위와 노드(107)의 전위가 대략 동등하게 유지된다. 따라서, 후술하는 반사광 검출을 복수회 반복할 때에, 반사광 검출 기간 이외에 있어서의 광의 영향을 억제할 수 있기 때문에, 위치 검출 정밀도를 저하시키지 않고, 광원(거리 측정 장치, 거리 측정 시스템)부터 피검출물까지의 거리를 측정할 수 있다. 트랜지스터(109)는, 전원선 VH와 노드(107) 사이의 불필요한 전류 주입을 방지하기 위해, 오프 전류가 작은 것이 바람직하다. 따라서, 트랜지스터(109)의 반도체층에 아몰퍼스 실리콘, 미결정 실리콘, 산화물 반도체 등을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 오프 전류가 작은 것이 바람직한 트랜지스터(103) 및 트랜지스터(109)는, 동일한 재료로 형성되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 트랜지스터(103) 및 트랜지스터(109)의 반도체층을 산화물 반도체로 하고, 동일한 공정, 재료로 제작함으로써, 제작 공정의 간략화를 실현할 수 있다. 또한, 마찬가지의 이유로, 온 전류가 큰 것이나 이동도가 높은 것이 바람직한 트랜지스터(104) 및 트랜지스터(105)를, 동일한 재료, 동일한 구성으로 형성하는 것이 바람직하다.
리셋 신호선 PR은, 전하 유지 노드 FD의 전위의 초기화를 제어하는 신호선이다. 축적 신호선 TX는, 트랜지스터(103)를 제어하는 신호선이다. 포토 센서 기준 신호선 VS는, 전원 공급 배선이다. 선택 신호선 SE는, 트랜지스터(105)를 제어하는 신호선이다. 전원선 VH는, 전원 공급 배선이다. 포토 센서 출력 신호선 RO는, 포토다이오드(102)의 전하 축적에 따른 신호를 출력하는 출력 배선이다.
또한, 본 발명의 일 형태에 적용할 수 있는 포토 센서(130)의 회로도를 도 2a에 도시한다.
도 2a에 도시한 포토 센서(130)는, 포토다이오드(102), 트랜지스터(103), 트랜지스터(104), 트랜지스터(105), 트랜지스터(106) 및 트랜지스터(109)를 갖는다.
포토다이오드(102)에서는, 한쪽 전극이 고정 전원선 RD와 전기적으로 접속되고, 다른 쪽 전극이 트랜지스터(103)의 소스 전극 또는 드레인 전극의 한쪽, 및 트랜지스터(109)의 소스 전극 또는 드레인 전극의 다른 쪽과 전기적으로 접속되어 있다.
트랜지스터(106)에서는, 게이트 전극이 리셋 신호선 PR과 전기적으로 접속되고, 소스 전극 또는 드레인 전극의 한쪽이, 트랜지스터(103)의 소스 전극 또는 드레인 전극의 한쪽, 트랜지스터(104)의 게이트 전극 및 트랜지스터(109)의 게이트 전극과 전기적으로 접속되고, 소스 전극 또는 드레인 전극의 다른 쪽이, 리셋 전원선 VR과 전기적으로 접속되어 있다. 트랜지스터(106)에서는, 전하 유지 노드 FD의 전위의 초기화를 제어한다. 트랜지스터(106)는, 리셋 전원선 VR로부터 전하 유지 노드 FD로의 불필요한 전류 주입을 방지하기 위해, 오프 전류가 작은 것이 바람직하다. 따라서, 트랜지스터(106)는, 반도체층에 아몰퍼스 실리콘, 미결정 실리콘, 산화물 반도체 등을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 도 2a에 도시하는 포토다이오드(102)에서는, 양극이 고정 전원선 RD와 전기적으로 접속되고, 음극이 트랜지스터(103)의 소스 전극 또는 드레인 전극의 다른 쪽과 전기적으로 접속되어 있지만, 이것에 한정되지 않는다. 포토다이오드(102)에 있어서, 음극이 고정 전원선 RD와 전기적으로 접속되고, 양극이 트랜지스터(103)의 소스 전극 또는 드레인 전극의 다른 쪽과 전기적으로 접속되어 있어도 된다.
<판독 회로의 구성>
도 2b에 본 발명의 일 형태의 거리 측정 장치가 구비하는 판독 회로(120)의 회로도를 도시한다. 본 발명의 일 형태의 거리 측정 장치가 구비하는 판독 회로의 구성은 특별히 한정되지 않는다. 도 2b에서는, 판독 회로를 1개의 p 채널형 트랜지스터로 구성하는 예를 나타낸다.
구체적으로는, 판독 회로(120)는 트랜지스터(122)를 갖는다. 트랜지스터(122)에서는, 게이트 전극이 프리차지 신호선 PC와 전기적으로 접속되고, 소스 전극 또는 드레인 전극의 한쪽이 전원 공급 배선(124)과 전기적으로 접속되고, 다른 쪽이 포토 센서 출력 신호선 RO와 전기적으로 접속되어 있다.
또한, 1개의 포토 센서(100)당, 1개의 판독 회로(120)를 설치하는 구성이나, 1개의 포토 센서 출력 신호선 RO당, 1개의 판독 회로(120)를 설치하는 구성(포토 센서 출력 신호선 RO를 공유하는 복수의 포토 센서에 대하여, 1개의 판독 회로를 설치하는 구성) 등을 적용할 수 있다.
<거리 측정 방법>
본 발명의 일 형태의 거리 측정 장치(또는 거리 측정 시스템)를 사용한 거리 측정 방법에 대하여 설명한다. 이하에서는, 광원 및 포토 센서(100)(도 1b 참조)를 갖는 거리 측정 장치(또는 거리 측정 시스템)를 사용한 거리 측정 방법에 대하여 설명한다.
또한, 타이밍 차트에서는, 포토 센서(100)의 동작을 이해하기 쉽게 설명하기 위해, 리셋 신호선 PR, 축적 신호선 TX, 선택 신호선 SE 및 포토 센서 출력 신호선 RO에는, 하이 레벨이나 로우 레벨의 전위가 부여되는 것으로 한다. 구체적으로, 리셋 신호선 PR에는, 하이 레벨의 전위 HPR과, 로우 레벨의 전위 LPR이 부여되는 것으로 하고, 축적 신호선 TX에는, 하이 레벨의 전위 HTX와, 로우 레벨의 전위 LTX가 부여되는 것으로 하고, 선택 신호선 SE에는, 하이 레벨의 전위 HSE와, 로우 레벨의 전위 LSE가 부여되는 것으로 하고, 포토 센서 출력 신호선 RO에는, 하이 레벨의 전위 HRO와, 로우 레벨의 전위 LRO가 부여되는 것으로 한다.
또한, 조사광(151)의 펄스에서는, 광원으로부터 광이 조사되는 기간을 하이 레벨로 나타내고, 조사되지 않는 기간을 로우 레벨로 나타낸다. 또한, 반사광(152)의 펄스에서는, 반사광이 포토다이오드(102)에 조사되는 기간을 하이 레벨로 나타내고, 반사광이 조사되지 않는 기간을 로우 레벨로 나타낸다. 또한, 광원으로부터 조사되는 광의 강도는 일정하게 한다.
[거리 측정 방법 1]
도 3에 광원으로부터 조사된 광인 조사광(151), 조사광(151)이 피검출물에 의해 반사됨으로써 발생한 반사광(152) 및 포토 센서(100)의 타이밍 차트의 일례를 나타낸다.
거리 측정 방법 1에 있어서, 본 발명의 일 형태의 거리 측정 장치는, 광원으로부터 피검출물에 대하여 일정 시간 T의 광조사를 2회(n=2) 행하여, 광조사가 행해지고 있는 기간의 반사광을 검출하여, 광의 지연 시간에 의존하는 검출 신호의 전압 S1을 취득한다. 구체적으로는, 시각 T2 내지 시각 T4(일정 시간 T) 사이에, 1회째의 광조사 (A) 및 1회째의 반사광 검출 (A)를 행하고, 시각 T6 내지 시각 T8(일정 시간 T) 사이에, 2회째의 광조사 (A) 및 2회째의 반사광 검출 (A)를 행하고, 시각 T10 내지 시각 T11 사이에, 검출 신호의 전압 S1을 취득한다. 단, 광조사 (A) 및 반사광 검출 (A)의 횟수는 2회에 한정되지 않고, 3회 이상 행해도 된다.
복수회의 광조사 (A)에 있어서, 조사 기간의 길이는 동등하다(일정 시간 T). 또한, 상기 1회의 조사광의 조사 기간과 1회의 반사광의 조사 기간의 길이는 동등하다(일정 시간 T).
복수회의 광조사 (A)에 있어서, 광원과 피검출물의 거리는 변함없는 것으로 한다. 즉, 조사광이 광원으로부터 발해진 시각부터, 상기 조사광이 피검출물에 의해 반사된 후, 포토 센서에 반사광이 입사하는 시각까지의 기간인, 시각 T2부터 시각 T3까지의 기간과, 시각 T6부터 시각 T7까지의 기간은, 길이가 동등하다(지연 시간 Δt로 한다).
또한, 반사광 검출 (A)는, 포토 센서에 반사광이 입사하기 전에 개시된다. 또한, 반사광 검출 (A)는, 광조사 (A)의 종료와 동시에 종료된다. 이렇게 반사광 검출 (A)의 타이밍이 결정되도록, 리셋 신호선 PR 및 축적 신호선 TX의 전위를 제어한다.
(시각 T1 내지 시각 T2: 리셋 동작)
시각 T1에 있어서, 리셋 신호선 PR의 전위를, 전위 LPR로부터 전위 HPR로 변화시키고, 또한 축적 신호선 TX의 전위를, 전위 LTX로부터 전위 HTX로 변화시킴으로써, 포토다이오드(102) 및 트랜지스터(103)가 도통한다. 전하 유지 노드 FD에는, 리셋 신호선 PR의 전위 HPR이 부여되기 때문에, 전하 유지 노드 FD에 보유 지지되어 있는 전하는 리셋되어, 초기 상태로 되는 전하량이 유지된다. 또한, 시각 T1에 있어서, 선택 신호선 SE에는 전위 LSE가 부여되어 있다.
(시각 T2 내지 시각 T4: 1회째의 광조사 (A) 및 1회째의 반사광 검출 (A))
시각 T2에 있어서, 광원으로부터 피검출물에 대하여 광의 조사를 개시하고, 또한 리셋 신호선 PR의 전위를, 전위 HPR로부터 전위 LPR로 변화시킨다. 여기서, 축적 신호선 TX의 전위는, 전위 HTX인 상태로 유지하기 위해, 리셋 신호선 PR의 전위가 전위 LPR로 되면, 포토다이오드(102)에 역방향 바이어스의 전압이 인가된다.
시각 T3에 있어서, 광원으로부터의 조사광이 피검출물에 의해 반사되어, 반사광이 본 발명의 일 형태의 거리 측정 장치에 입사하기 시작한다. 역방향 바이어스의 전압이 인가된 상태의 포토다이오드(102)에 반사광이 조사됨으로써, 포토다이오드(102)의 음극으로부터 양극을 향하여 전류가 흘러, 전하 유지 노드 FD의 전위가 저하된다. 일정 시간에 있어서, 반사광의 강도가 클수록 전하 유지 노드 FD로부터의 전하의 유출도 커진다(전하 유지 노드 FD의 전위의 저하가 커진다). 또한, 일정 강도에 있어서, 반사광의 조사 시간이 길수록 전하 유지 노드 FD로부터의 전하의 유출도 커진다(전하 유지 노드 FD의 전위의 저하가 커진다).
시각 T4에 있어서, 광의 조사를 종료하고, 또한, 축적 신호선 TX의 전위를, 전위 HTX로부터 전위 LTX로 변화시킨다. 축적 신호선 TX의 전위가 전위 LTX로 됨으로써, 트랜지스터(103)는 비도통 상태로 된다. 따라서, 전하 유지 노드 FD로부터 포토다이오드(102)로의 전하의 이동이 멈추기 때문에, 전하 유지 노드 FD의 전위가 정해진다.
또한, 축적 신호선 TX의 전위를, 전위 HTX로부터 전위 LTX로 변화시킬 때, 축적 신호선 TX와 전하 유지 노드 FD 사이에 있어서의 기생 용량에 의해, 전하 유지 노드 FD의 전위 변화가 발생하는 경우가 있다. 전위 변화가 크면, 포토다이오드(102)에 의해 생성한 광 전류에 대응한 전위를 전하 유지 노드 FD가 정확하게 유지할 수 없게 된다. 따라서, 기생 용량의 영향을 저감시키기 위한 대책(예를 들어, 트랜지스터(103)의 게이트 전극과, 소스 전극 혹은 드레인 전극 사이의 용량을 작게 하거나, 또는, 전하 유지 노드 FD에 유지 용량을 접속하는 등)을 실시하는 것이 바람직하다. 본 발명의 일 형태에 관한 포토 센서(100)에서는, 상기 대책을 실시하여, 기생 용량에 기인하는 전하 유지 노드 FD의 전위 변화는 무시할 수 있는 것으로 한다.
시각 T5에 있어서, 포토다이오드(102)에의 반사광의 입사가 종료된다.
여기서, 시각 T4 내지 시각 T5 사이, 트랜지스터(103)가 비도통 상태이기 때문에, 전하 유지 노드 FD의 전위는 일정하지만, 포토다이오드(102)에는 반사광이 조사되고 있기 때문에, 노드(107)의 전위는 저하되어 버린다(도 3에 도시하는 노드(107)의 펄스의 점선 참조). 노드(107)와 전하 유지 노드 FD에 전위차가 발생하면, 다음에 트랜지스터(103)가 도통 상태로 되는 시각 T6에 있어서, 노드(107)와 전하 유지 노드 FD의 전위가 동등해지도록, 전하 유지 노드 FD의 전위가 저하되고, 노드(107)의 전위가 상승된다(도 3에 도시하는 노드(107) 및 전하 유지 노드 FD의 펄스의 점선 참조). 전위 변화가 크면, 1회째의 반사광 검출 (A) 사이에 포토다이오드(102)에 의해 생성한 광 전류에 대응한 전위를, 전하 유지 노드 FD가 정확하게 유지할 수 없게 된다. 이에 의해, 거리 측정 장치, 또는 상기 거리 측정 장치를 사용한 거리 측정 시스템에 있어서 정확한 거리 측정이 곤란해진다(위치 검출 정밀도가 저하되어 버린다).
그러나, 본 발명의 일 형태의 거리 측정 장치는, 트랜지스터(109)를 구비한다. 트랜지스터(109)는, 트랜지스터(103)가 비도통 상태일 때에, 게이트 전극과, 소스 전극 또는 드레인 전극의 다른 쪽의 전위차를 임계값 전압보다 작은 값으로 유지한다. 트랜지스터(109)의 게이트 전극의 전위는, 전하 유지 노드 FD의 전위와 동등하고, 트랜지스터(109)의 소스 전극 또는 드레인 전극의 다른 쪽 전위는, 노드(107)의 전위와 동등하다. 따라서, 노드(107)의 전위가 저하되어, 노드(107)와 전하 유지 노드 FD의 전위차가 커지는 것을 억제할 수 있다. 이에 의해, 본 발명의 일 형태의 거리 측정 장치(또는 거리 측정 시스템)는, 위치 검출 정밀도가 저하되는 것을 억제할 수 있어, 고정밀도의 거리 측정이 가능하게 된다.
또한, 시각 T4 내지 시각 T5 사이에 있어서의 노드(107)의 전위 변화는, 트랜지스터(109)의 임계값 전압보다 작아지기 때문에, 트랜지스터(109)의 임계값 전압은 0에 가까울수록 바람직하고, 0이 가장 바람직하다. 또한, 트랜지스터(109)의 서브 임계값 특성이 양호할수록, 시각 T4 내지 시각 T5 사이에 있어서의 노드(107)의 전위 변화를 억제할 수 있다. 단, 트랜지스터(109)의 임계값 전압 및 서브 임계값 특성의 허용값은, 전하 유지 노드 FD의 용량, 반사광의 강도, 포토다이오드(102)의 검출 정밀도 등에 의해 정해지기 때문에, 실시자가 적절히 결정하면 된다.
본 명세서 등에 있어서, 포토다이오드(102)에 조사되는 광이란, 실질적으로 광원으로부터의 조사광이 피검출물에 의해 반사됨으로써 발생하는 반사광을 가리키는 것으로 한다. 예를 들어, 반사광은 외광 등에 비하여 매우 강도가 높은 것으로 한다. 단, 시각 T4 내지 시각 T6에 있어서, 반사광과 동일 정도나 그 이상으로 강도가 높은 외광이 일시적으로 포토다이오드(102)에 조사되었다고 해도, 본 발명의 일 형태의 거리 측정 장치는 트랜지스터(109)를 구비하기 때문에, 상기 외광의 영향으로 노드(107)의 전위가 변화하는 것, 나아가 전하 유지 노드 FD의 전위가 변화하는 것을 억제할 수 있다.
(시각 T6 내지 시각 T8: 2회째의 광조사 (A) 및 2회째의 반사광 검출 (A))
시각 T6에 있어서, 광원으로부터 피검출물에 대하여 광의 조사를 개시하고, 또한 축적 신호선 TX의 전위를, 전위 LTX로부터 전위 HTX로 변화시킨다.
시각 T7에 있어서, 광원으로부터의 조사광이 피검출물에 의해 반사되어, 반사광이 본 발명의 일 형태의 거리 측정 장치에 입사하기 시작한다. 포토다이오드(102)에 반사광이 조사됨으로써, 포토다이오드(102)의 음극으로부터 양극을 향하여 전류가 흘러, 전하 유지 노드 FD의 전위가 저하된다.
시각 T8에 있어서, 광의 조사를 종료하고, 또한, 축적 신호선 TX의 전위를, 전위 HTX로부터 전위 LTX로 변화시킨다. 축적 신호선 TX의 전위가 전위 LTX로 됨으로써, 트랜지스터(103)는 비도통 상태로 된다. 따라서, 전하 유지 노드 FD로부터 포토다이오드(102)로의 전하의 이동이 멈추기 때문에, 전하 유지 노드 FD의 전위가 정해진다.
또한, 전하 유지 노드 FD의 전위는, 시각 T8 이후는 일정해진다. 시각 T8에서의 전하 유지 노드 FD의 전위는, 1회째 및 2회째의 반사광 검출 (A)(시각 T2 내지 시각 T4 및 시각 T6 내지 시각 T8을 가리키고, 이하에서는 통합하여, 반사광 검출 기간 (A)로 기재한다)에서, 포토다이오드(102)가 생성한 광 전류에 의존한다. 또한, 시각 T8에서의 전하 유지 노드 FD의 전위에 따라, 포토 센서(100)의 출력 신호가 결정된다.
시각 T9에 있어서, 포토다이오드(102)에의 반사광의 입사가 종료된다.
(시각 T10 내지 시각 T11: 판독 동작)
시각 T10에 있어서, 선택 신호선 SE의 전위를 전위 LSE로부터 전위 HSE로 변화시키고, 트랜지스터(105)를 도통시킨다. 이에 의해, 포토 센서 기준 신호선 VS와 포토 센서 출력 신호선 RO가, 트랜지스터(104) 및 트랜지스터(105)를 통하여 도통한다. 그러면, 전하 유지 노드 FD의 전위에 따른 속도로, 포토 센서 출력 신호선 RO의 전위가 포토 센서 기준 신호선 VS의 전위에 근접한다. 또한, 미리, 시각 T10 이전에, 포토 센서 출력 신호선 RO의 전위를 하이 레벨의 전위 HRO로 해 둔다.
시각 T11에 있어서, 선택 신호선 SE의 전위를 전위 HSE로부터 전위 LSE로 변화시키면, 트랜지스터(105)가 비도통 상태로 되어, 포토 센서 출력 신호선 RO의 전위가 결정된다.
시각 T11에 있어서의 포토 센서 출력 신호선 RO의 전위는, 시각 T10 내지 시각 T11에 있어서의 포토 센서 출력 신호선 RO의 전위 변화의 속도에 의존한다. 포토 센서 출력 신호선 RO의 전위 변화의 속도는, 트랜지스터(104)의 소스 전극 및 드레인 전극 사이의 전류에 의존한다. 즉, 반사광 검출 기간 (A)에 포토다이오드(102)에 조사되는 반사광의 강도 및 조사 시간에 의존한다. 일정 시간에 있어서 반사광의 강도가 클수록, 포토 센서 출력 신호선 RO의 전위 변화의 속도는 느려진다. 또한, 일정 강도에 있어서 반사광의 조사 시간이 길수록, 포토 센서 출력 신호선 RO의 전위 변화의 속도는 느려진다. 포토 센서 출력 신호선 RO의 전위 변화의 속도가 느릴수록, 시각 T11에 있어서의 포토 센서 출력 신호선 RO의 전위는 높아진다.
여기서, 전하 유지 노드 FD의 전위 변화와 포토 센서 출력 신호선 RO의 전위 변화의 관계에 대하여 설명한다. 반사광 검출 기간 (A)에 있어서, 포토다이오드(102)에 조사되는 반사광의 강도가 높으면, 전하 유지 노드 FD의 전위 변화는 커진다(시각 T8에 있어서의 전하 유지 노드 FD의 전위의 값은 낮아진다). 이때, 트랜지스터(104)의 채널 저항이 높아지기 때문에, 포토 센서 출력 신호선 RO의 전위 변화의 속도는 느려진다. 따라서, 포토 센서 출력 신호선 RO의 전위 변화는 작아진다(시각 T11에 있어서의 포토 센서 출력 신호선 RO의 전위의 값은 높아진다).
시각 T11에 있어서의 포토 센서 출력 신호선 RO의 전위를 취득함으로써, 반사광 검출 기간 (A)에 포토다이오드(102)에 조사된 반사광의 양(반사광의 강도의 시간적)을 검출 신호의 전압 S1로서 얻을 수 있다. 여기서, 전술한 바와 같이, 광원으로부터 조사되는 광의 강도는 일정하고, 반사광 검출 시에 포토다이오드(102)에 조사되는 광은, 모두 광원으로부터의 조사광이 피검출물에 의해 반사됨으로써 발생하는 반사광을 가리키기 때문에, 시각 T11에 있어서의 포토 센서 출력 신호선 RO의 전위는, 반사광 검출 기간 (A)의 길이에 대략 비례한다.
이어서, 본 발명의 일 형태의 거리 측정 시스템에 있어서의, TOF 방식을 적용한 거리 측정 방법에 대하여 설명한다. 반사광 검출 기간 (A)로부터 취득한 광의 지연 시간에 의존하는 검출 신호의 전압 S1을 사용하여, 본 발명의 일 형태의 거리 측정 장치(또는 거리 측정 시스템)부터 피검출물까지의 거리를 측정하는 방법에 대하여 나타낸다.
검출 신호의 전압 S1은, 광조사 및 반사광 검출을 행한 횟수 n, 상수 k, 일정 시간 T 및 지연 시간 Δt를 사용하여, 수학식 (1-1)로 나타낼 수 있다. 또한, 광원(거리 측정 장치, 거리 측정 시스템)부터 피검출물까지의 거리 x는, 광속 c 및 지연 시간 Δt를 사용하여, 수학식 (1-2)로 나타낼 수 있다. 이 두 식으로부터, 상기 거리 x는, 검출 신호의 전압 S1을 사용한 수학식 (1-3)으로 나타낼 수 있다.
또한, 광조사 및 반사광 검출을 행한 횟수 n은, 2 이상의 자연수이며, 본 실시 형태에서는 일례로서 n=2로 했다. 또한, 상수 k에는, 광원이 조사하는 광의 강도나 파장, 포토다이오드(102)의 감도(광 전류 특성이나 분광 감도), 포토 센서(100)의 투과율(센서 내에서 포토다이오드(102)에 광이 도달할 때까지의 감쇠율)이나 증폭률, 피검출물의 반사율, 공기 중에서의 광의 감쇠율 등의 정보가 포함되고, 본 실시 형태에서는, 피검출물의 거리 측정 전에 미리 구해져 있는 것으로 한다.
예를 들어, 피검출물과 거리 측정 장치(또는 거리 측정 시스템)의 거리를 알고 있는 상태에서, 피검출물의 거리 측정을 행하여, 검출 신호의 전압 S1을 취득함으로써, 수학식 (1-3)을 사용하여 상수 k를 구할 수 있다.
또한, 시각 T1보다 전, 또는 시각 T11보다 후의, 광조사가 행해지지 않고, 또한 반사광이 조사되지 않는 기간에, 포토 센서(100)에 의해 광의 검출을 행하여, 검출 신호의 전압 S0을 얻어도 된다. 수학식 (1-3)에 있어서, 검출 신호의 전압 S1로부터 검출 신호의 전압 S0을 차감한 값인 검출 신호의 전압 S1'를 검출 신호의 전압 S1 대신 사용함으로써 외광의 영향을 제거하여, 높은 정밀도의 거리 측정을 행할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명의 일 형태의 거리 측정 장치를 사용함으로써 고정밀도의 거리 측정을 행할 수 있다. 또한, 고정밀도의 거리 측정을 행하는 거리 측정 시스템을 실현할 수 있다.
[거리 측정 방법 2]
도 4에 조사광(151), 반사광(152), 포토 센서(100)의 타이밍 차트의 다른 예를 나타낸다.
거리 측정 방법 2에 있어서, 본 발명의 일 형태의 거리 측정 장치는, 광원으로부터 피검출물에 대하여 일정 시간 T의 광조사 (B)를 2회 행하여, 광조사 (B) 종료 후의 기간의 반사광을 검출하여, 광의 지연 시간에 의존하는 검출 신호의 전압 S2를 취득한다. 구체적으로는, 시각 T1 내지 시각 T4(일정 시간 T) 사이에 1회째의 광조사 (B)를 행하고, 시각 T4 내지 시각 T6 사이에 1회째의 반사광 검출 (B)를 행하고, 시각 T7 내지 시각 T9(일정 시간 T) 사이에 2회째의 광조사 (B)를 행하고, 시각 T9 내지 시각 T11 사이에 2회째의 반사광 검출 (B)를 행하고, 시각 T12 내지 시각 T13 사이에 검출 신호의 전압 S2를 취득한다. 단, 광조사 (B) 및 반사광 검출 (B)의 횟수는 2회에 한정되지 않고, 3회 이상 행해도 된다.
복수회의 광조사 (B)에 있어서, 조사 기간의 길이는 동등하다(일정 시간 T). 또한, 1회의 조사광의 조사 기간과 1회의 반사광의 조사 기간의 길이는 동등하다(일정 시간 T).
복수회의 광조사 (B)에 있어서, 광원과 피검출물의 거리는 변함없는 것으로 한다. 즉, 조사광이 광원으로부터 발해진 시각부터, 상기 조사광이 피검출물에 의해 반사된 후에, 포토 센서에 반사광이 입사하는 시각까지의 기간인, 시각 T1부터 시각 T2까지의 기간과, 시각 T7부터 시각 T8까지의 기간은, 길이가 동등하다(지연 시간 Δt로 한다).
또한, 반사광 검출 (B)는, 광조사 (B)의 종료와 동시에 개시된다. 또한, 반사광 검출 (B)는, 포토 센서에의 반사광의 조사의 종료보다 후에 종료된다. 이렇게 반사광 검출 (B)의 타이밍이 결정되도록, 리셋 신호선 PR 및 축적 신호선 TX의 전위를 제어한다.
(시각 T1 내지 시각 T4: 1회째의 광조사 (B))
시각 T1에 있어서, 광원으로부터 피검출물에 대하여 광의 조사를 개시한다. 여기서, 리셋 신호선 PR에는 전위 LPR이 부여되어 있고, 축적 신호선 TX에는, 전위 LTX가 부여되어 있고, 선택 신호선 SE에는 전위 LSE가 부여되어 있다.
시각 T2에 있어서, 광원으로부터의 조사광이 피검출물에 의해 반사되어, 반사광이 본 발명의 일 형태의 거리 측정 장치에 입사하기 시작한다.
(시각 T3 내지 시각 T4: 리셋 동작)
시각 T3에 있어서, 리셋 신호선 PR의 전위를, 전위 LPR로부터 전위 HPR로 변화시키고, 또한 축적 신호선 TX의 전위를, 전위 LTX로부터 전위 HTX로 변화시킴으로써, 포토다이오드(102) 및 트랜지스터(103)가 도통한다. 전하 유지 노드 FD에는, 리셋 신호선 PR의 전위 HPR이 부여되기 때문에, 전하 유지 노드 FD에 보유 지지되어 있는 전하는 리셋되어, 초기 상태로 되는 전하량이 유지된다.
(시각 T4 내지 시각 T6: 1회째의 반사광 검출 (B))
시각 T4에 있어서, 광의 조사를 종료하고, 또한, 리셋 신호선 PR의 전위를, 전위 HPR로부터 전위 LPR로 변화시킨다. 여기서, 축적 신호선 TX의 전위는, 전위 HTX인 상태로 유지하기 위해, 리셋 신호선 PR의 전위가 전위 LPR로 되면, 포토다이오드(102)에 역방향 바이어스의 전압이 인가된다. 역방향 바이어스의 전압이 인가된 상태의 포토다이오드(102)에 반사광이 조사됨으로써, 포토다이오드(102)의 음극으로부터 양극을 향하여 전류가 흘러, 전하 유지 노드 FD의 전위가 저하된다.
시각 T5에 있어서, 포토다이오드(102)에의 반사광의 입사가 종료되고, 전하 유지 노드 FD로부터 포토다이오드(102)로의 전하의 이동이 멈추어, 전하 유지 노드 FD의 전위가 정해진다.
시각 T6에 있어서, 축적 신호선 TX의 전위를, 전위 HTX로부터 전위 LTX로 변화시킨다. 축적 신호선 TX의 전위가 전위 LTX로 됨으로써, 트랜지스터(103)는 비도통 상태로 된다.
(시각 T7 내지 시각 T9: 2회째의 광조사 (B))
시각 T7에 있어서, 광원으로부터 피검출물에 대하여 광의 조사를 개시한다.
시각 T8에 있어서, 광원으로부터의 조사광이 피검출물에 의해 반사되어, 반사광이 본 발명의 일 형태의 거리 측정 장치에 입사하기 시작한다.
여기서, 시각 T8 내지 시각 T9 사이, 트랜지스터(103)가 비도통 상태이기 때문에, 전하 유지 노드 FD의 전위는 일정하지만, 포토다이오드(102)에는 반사광이 조사되고 있기 때문에, 노드(107)의 전위는 저하되어 버린다(도 4에 도시하는 노드(107)의 펄스의 점선 참조). 노드(107)와 전하 유지 노드 FD에 전위차가 발생하면, 다음에 트랜지스터(103)가 도통 상태로 되는 시각 T9에 있어서, 노드(107)와 전하 유지 노드 FD의 전위가 동등해지도록, 전하 유지 노드 FD의 전위가 저하되고, 노드(107)의 전위가 상승된다(도 4에 도시하는 노드(107) 및 전하 유지 노드 FD의 펄스의 점선 참조). 전위 변화가 크면, 1회째의 반사광 검출 (B) 사이에 포토다이오드(102)에 의해 생성한 광 전류에 대응한 전위를, 전하 유지 노드 FD가 정확하게 유지할 수 없게 된다. 이에 의해, 거리 측정 장치나, 상기 거리 측정 장치를 사용한 거리 측정 시스템에 있어서 정확한 거리 측정이 곤란해진다(위치 검출 정밀도가 저하되어 버린다).
그러나, 본 발명의 일 형태의 거리 측정 장치는, 트랜지스터(109)를 구비한다. 트랜지스터(109)는, 트랜지스터(103)가 비도통 상태일 때에, 게이트 전극과, 소스 전극 또는 드레인 전극의 다른 쪽의 전위차를 임계값 전압보다 작은 값으로 유지한다. 트랜지스터(109)의 게이트 전극의 전위는, 전하 유지 노드 FD의 전위와 동등하고, 트랜지스터(109)의 소스 전극 또는 드레인 전극의 다른 쪽 전위는, 노드(107)의 전위와 동등하다. 따라서, 노드(107)의 전위가 저하되어, 노드(107)와 전하 유지 노드 FD의 전위차가 커지는 것을 억제할 수 있다. 이에 의해, 본 발명의 일 형태의 거리 측정 장치는, 반사광 검출 기간 이외에 있어서의 광의 영향을 제거할 수 있으므로, 위치 검출 정밀도가 저하되는 것을 억제할 수 있어, 고정밀도의 거리 측정이 가능하게 된다.
또한, 시각 T8 내지 시각 T9 사이에 있어서의 노드(107)의 전위 변화는, 트랜지스터(109)의 임계값 전압보다 작아지기 때문에, 트랜지스터(109)의 임계값 전압은 0에 가까울수록 바람직하고, 0이 가장 바람직하다. 또한, 트랜지스터(109)의 서브 임계값 특성이 양호할수록, 시각 T8 내지 시각 T9 사이에 있어서의 노드(107)의 전위 변화를 억제할 수 있다. 단, 트랜지스터(109)의 임계값 전압 및 서브 임계값 특성의 허용값은, 전하 유지 노드 FD의 용량, 반사광의 강도, 포토다이오드(102)의 검출 정밀도 등에 의해 정해지기 때문에, 실시자가 적절히 결정하면 된다.
전술한 바와 같이, 본 명세서 등에 있어서, 포토다이오드(102)에 조사되는 광이란, 실질적으로 광원으로부터의 조사광이 피검출물에 의해 반사됨으로써 발생하는 반사광을 가리키는 것으로 한다. 단, 시각 T6 내지 시각 T9에 있어서, 반사광과 동일 정도나 그 이상으로 강도가 높은 외광이 일시적으로 포토다이오드(102)에 조사되었다고 해도, 본 발명의 일 형태의 거리 측정 장치는 트랜지스터(109)를 구비하기 때문에, 상기 외광의 영향으로 노드(107)의 전위가 변화하는 것, 나아가 전하 유지 노드 FD의 전위가 변화하는 것을 억제할 수 있다.
(시각 T9 내지 시각 T11: 2회째의 반사광 검출 (B))
시각 T9에 있어서, 광의 조사를 종료하고, 또한, 축적 신호선 TX의 전위를, 전위 LTX로부터 전위 HTX로 변화시킨다. 역방향 바이어스의 전압이 인가된 상태의 포토다이오드(102)에 반사광이 조사됨으로써, 포토다이오드(102)의 음극으로부터 양극을 향하여 전류가 흘러, 전하 유지 노드 FD의 전위가 저하된다.
시각 T10에 있어서, 포토다이오드(102)에의 반사광의 입사가 종료되고, 전하 유지 노드 FD에서 포토다이오드(102)로의 전하의 이동이 멈추어, 전하 유지 노드 FD의 전위가 정해진다.
시각 T11에 있어서, 축적 신호선 TX의 전위를, 전위 HTX로부터 전위 LTX로 변화시킨다. 축적 신호선 TX의 전위가 전위 LTX로 됨으로써, 트랜지스터(103)는 비도통 상태로 된다.
또한, 전하 유지 노드 FD의 전위는, 시각 T11 이후는 일정해진다. 시각 T11에서의 전하 유지 노드 FD의 전위는, 1회째 및 2회째의 반사광 검출 (B)(시각 T4 내지 시각 T6 및 시각 T9 내지 시각 T11을 가리키고, 이하에서는 통합하여, 반사광 검출 기간 (B)로 기재한다)에서, 포토다이오드(102)가 생성한 광 전류에 의존한다. 또한, 시각 T11에서의 전하 유지 노드 FD의 전위에 따라, 포토 센서(100)의 출력 신호가 결정된다. 단, 본 실시 형태에서는, 포토다이오드(102)에의 반사광의 입사가 시각 T10에서 종료하고 있기 때문에, 「전하 유지 노드 FD의 전위는, 시각 T10 이후는 일정해진다」라고도 할 수 있다.
(시각 T12 내지 시각 T13: 판독 동작)
시각 T12에 있어서, 선택 신호선 SE의 전위를 전위 LSE로부터 전위 HSE로 변화시켜, 트랜지스터(105)를 도통시킨다. 이에 의해, 포토 센서 기준 신호선 VS와 포토 센서 출력 신호선 RO가, 트랜지스터(104) 및 트랜지스터(105)를 통하여 도통한다. 그러면, 전하 유지 노드 FD의 전위에 따라, 포토 센서 기준 신호선 VS로부터 포토 센서 출력 신호선 RO로 신호가 출력된다. 또한, 미리, 시각 T12 이전에, 포토 센서 출력 신호선 RO의 전위를 하이 레벨의 전위 HRO로 해 둔다.
시각 T13에 있어서, 선택 신호선 SE의 전위를 전위 HSE로부터 전위 LSE로 변화시키면, 트랜지스터(105)가 비도통 상태로 되어, 포토 센서 기준 신호선 VS로부터 포토 센서 출력 신호선 RO로의 전하의 이동이 정지되어, 포토 센서 출력 신호선 RO의 전위가 결정된다.
시각 T13에 있어서의 포토 센서 출력 신호선 RO의 전위는, 시각 T12 내지 시각 T13에 있어서의 포토 센서 출력 신호선 RO의 전위 변화의 속도에 의존한다. 포토 센서 출력 신호선 RO의 전위 변화의 속도는, 트랜지스터(104)의 소스 전극 및 드레인 전극 사이의 전류에 의존한다. 즉, 반사광 검출 기간 (B)에 포토다이오드(102)에 조사되는 반사광의 강도 및 조사 시간에 의존한다.
따라서, 시각 T13에 있어서의 포토 센서 출력 신호선 RO의 전위를 취득함으로써, 반사광 검출 기간 (B)에 포토다이오드(102)에 조사된 반사광의 양(반사광의 강도의 시간적)을 검출 신호의 전압 S2로서 얻을 수 있다. 여기서, 전술한 바와 같이, 광원으로부터 조사되는 광의 강도는 일정하고, 반사광 검출 시에 포토다이오드(102)에 조사되는 광은, 모두 광원으로부터의 조사광이 피검출물에 의해 반사됨으로써 발생하는 반사광을 가리키기 때문에, 시각 T13에 있어서의 포토 센서 출력 신호선 RO의 전위는, 반사광 검출 기간 (B)의 길이에 대략 비례한다.
이어서, 본 발명의 일 형태의 거리 측정 시스템에 있어서의, TOF 방식을 적용한 거리 측정 방법에 대하여 설명한다. 반사광 검출 기간 (B)로부터 취득한 광의 지연 시간에 의존하는 검출 신호의 전압 S2를 사용하여, 본 발명의 일 형태의 거리 측정 장치(또는 거리 측정 시스템)부터 피검출물까지의 거리를 측정하는 방법에 대하여 나타낸다.
검출 신호의 전압 S2는, 광조사 및 반사광 검출을 행한 횟수 n, 상수 k 및 지연 시간 Δt를 사용하여, 수학식 (2-1)로 나타낼 수 있다. 또한, 광원(거리 측정 장치, 거리 측정 시스템)부터 피검출물까지의 거리 x는, 광속 c 및 지연 시간 Δt를 사용하여 수학식 (2-2)로 나타낼 수 있다. 이 두 식으로부터, 상기 거리 x는, 검출 신호의 전압 S2를 사용한 수학식 (2-3)으로 나타낼 수 있다.
또한, 광조사 및 반사광 검출을 행한 횟수 n은, 2 이상의 자연수이며, 본 실시 형태에서는 일례로서 n=2로 했다. 또한, 상수 k는, 수학식 (1-1)의 설명 시에 예시한 정보와 마찬가지의 정보가 포함되고, 본 실시 형태에서는, 피검출물의 거리 측정 전에 미리 구해져 있는 것으로 한다.
또한, 시각 T1보다 전, 또는 시각 T13보다 후의, 광조사가 행해지지 않고, 또한 반사광이 조사되지 않는 기간에, 포토 센서(100)에 의해 광의 검출을 행하여, 검출 신호의 전압 S0을 얻어도 된다. 수학식 (2-3)에 있어서, 검출 신호의 전압 S2로부터 검출 신호의 전압 S0을 차감한 값인 검출 신호의 전압 S2'를 검출 신호의 전압 S2 대신 사용함으로써 외광의 영향을 제거하여, 높은 정밀도의 거리 측정을 행할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명의 일 형태의 거리 측정 장치를 사용함으로써 고정밀도의 거리 측정을 행할 수 있다. 또한, 고정밀도의 거리 측정을 행하는 거리 측정 시스템을 실현할 수 있다.
본 실시 형태에 나타내는 구성은, 다른 실시 형태에 기재하는 구성과 적절히 조합하여 사용할 수 있다.
(실시 형태 2)
본 실시 형태에서는, 본 발명의 일 형태의 거리 측정 시스템을 사용한 거리 측정 방법에 대하여 도 5를 사용하여 설명한다. 이하에서는, 광원 및 포토 센서(100)(도 1b 참조)를 갖는 거리 측정 장치를 사용한 거리 측정 방법에 대하여 설명한다.
실시 형태 1에서 설명한 거리 측정 방법을 사용하여, 광원(거리 측정 장치, 거리 측정 시스템)부터 피검출물까지의 거리를 알기 위해서는, 미리 상수 k를 구해 둘 필요가 있었다. 한편, 본 실시 형태에서 기재하는 거리 측정 방법에 의하면, 상수 k를 모르는 경우에도, 거리를 구할 수 있다.
[거리 측정 방법 3]
도 5에 조사광(151), 반사광(152) 및 포토 센서(100)의 타이밍 차트의 일례를 나타낸다.
거리 측정 방법 3에 있어서, 본 발명의 일 형태의 거리 측정 장치는, 광원으로부터 피검출물에 대하여 일정 시간 T의 광조사 (A)를 2회 행하여, 광조사 (A)가 행해지고 있는 기간의 반사광을 검출하여, 광의 지연 시간에 의존하는 검출 신호의 전압 S1을 취득한 후, 광원으로부터 피검출물에 대하여 일정 시간 T의 광조사 (B)를 2회 행하여, 광조사 (B) 종료 후의 기간의 반사광을 검출하여, 광의 지연 시간에 의존하는 검출 신호의 전압 S2를 취득한다.
구체적으로는, 시각 T2 내지 시각 T4(일정 시간 T) 사이에, 1회째의 광조사 (A) 및 1회째의 반사광 검출 (A)를 행하고, 시각 T6 내지 시각 T8(일정 시간 T) 사이에, 2회째의 광조사 (A) 및 2회째의 반사광 검출 (A)를 행하고, 시각 T10 내지 시각 T11 사이에, 검출 신호의 전압 S1을 취득하고, 시각 T12 내지 시각 T15(일정 시간 T) 사이에 1회째의 광조사 (B)를 행하고, 시각 T15 내지 시각 T17 사이에 1회째의 반사광 검출 (B)를 행하고, 시각 T18 내지 시각 T20(일정 시간 T) 사이에 2회째의 광조사 (B)를 행하고, 시각 T20 내지 시각 T22 사이에 2회째의 반사광 검출 (B)를 행하고, 시각 T23 내지 시각 T24 사이에, 검출 신호의 전압 S2를 취득한다. 단, 광조사 (A)(B) 및 반사광 검출 (A)(B)의 횟수는 2회에 한정되지 않고, 3회 이상 행해도 된다.
복수회의 광조사 (A)(B)에 있어서, 조사 기간의 길이는 동등하다(일정 시간 T이다). 또한, 1회의 조사광의 조사 기간과 1회의 반사광의 조사 기간의 길이는 동등하다(일정 시간 T이다).
복수회의 광조사 (A)(B)에 있어서, 광원과 피검출물과의 거리는 변함없는 것으로 한다. 즉, 조사광이 광원으로부터 발해진 시각으로부터, 상기 조사광이 피검출물에서 반사된 후에, 포토 센서에 반사광이 입사하는 시각까지의 기간인, 시각 T2부터 시각 T3까지의 기간, 시각 T6부터 시각 T7까지의 기간, 시각 T12부터 시각 T13까지의 기간 및 시각 T18부터 시각 T19까지의 기간은 길이가 동등하다(지연 시간 Δt라 함).
또한, 반사광 검출 (A)는 포토 센서에 반사광이 입사하기 전에 개시된다. 또한, 반사광 검출 (A)는 광조사 (A)의 종료와 동시에 종료된다. 그리고, 반사광 검출 (B)는 광조사 (B)의 종료와 동시에 개시된다. 또한, 반사광 검출 (B)는 포토다이오드(102)에의 반사광의 조사의 종료보다 후에 종료된다. 이와 같이, 반사광 검출 (A) 및 반사광 검출 (B)의 타이밍이 결정되도록, 리셋 신호선 PR 및 축적 신호선 TX의 전위를 제어한다.
(시각 T1 내지 시각 T11: 검출 신호의 전압 S1의 취득)
시각 T1 내지 시각 T11에 있어서, 실시 형태 1에 있어서의 거리 측정 방법1(시각 T1 내지 시각 T11)과 동일한 방법으로 검출 신호의 전압 S1을 취득한다. 상세한 것은 실시 형태 1을 참작할 수 있다.
(시각 T12 내지 시각 T24: 검출 신호의 전압 S2의 취득)
시각 T12 내지 시각 T24에 있어서, 실시 형태 1에 있어서의 거리 측정 방법2(시각 T1 내지 시각 T13)와 동일한 방법으로 검출 신호의 전압 S2를 취득한다. 상세한 것은 실시 형태 1을 참작할 수 있다.
여기서, 거리 측정 방법 3에 있어서, 검출 신호의 전압 S1 및 검출 신호의 전압 S2를 취득하는 순서에 한정은 없고, 시각 T1 내지 시각 T13에 있어서, 거리 측정 방법 2과 동일한 방법으로 검출 신호의 전압 S2를 취득한 후, 시각 T14 내지 시각 T24에 있어서, 거리 측정 방법 1과 동일한 방법으로 검출 신호의 전압 S1을 취득해도 된다.
또한, 본 실시 형태에 있어서는, 일례로서, 광조사 (A)가 행해지고, 또한, 포토다이오드(102)에 반사광이 조사되고 있는 기간(시각 T3 내지 시각 T4나, 시각 T7 내지 시각 T8, 바꾸어 말하면, 시간(T-Δt))에 비하여 광조사 (B)의 종료 이후, 또한, 포토다이오드(102)에 반사광이 조사되고 있는 기간(시각 T15 내지 시각 T16이나, 시각 T20 내지 시각 T21, 바꾸어 말하면, 시간 Δt)이 짧은 경우를 나타내고 있다. 그로 인해, 시간(T-Δt)의 사이의 전하 유지 노드 FD의 전위 변화에 비하여 시간 Δt의 사이의 전하 유지 노드 FD의 전위 변화는 작다. 또한, 시각 T24에 있어서의 포토 센서 출력 신호선 RO의 전위는 시각 T11에 있어서의 포토 센서 출력 신호선 RO의 전위에 비하여 낮다.
이어서, 본 발명의 일 형태의 거리 측정 시스템에 있어서의, TOF 방식을 적용한 거리 측정 방법에 대하여 설명한다. 반사광 검출 기간 (A)(B)로부터 취득한 광의 지연 시간에 의존하는 검출 신호의 전압 S1 및 검출 신호의 전압 S2를 사용하여, 본 발명의 일 형태의 거리 측정 장치(또는 거리 측정 시스템)로부터 피검출물까지의 거리를 측정하는 방법에 대하여 나타낸다.
실시 형태 1에 나타낸 바와 같이, 검출 신호의 전압 S1은 광조사 및 반사광 검출을 행한 횟수 n, 상수 k, 일정 시간 T 및 지연 시간 Δt를 사용하여, 수학식 (3-1)로 표현할 수 있고, 검출 신호의 전압 S2는 광조사 및 반사광 검출을 행한 횟수 n, 상수 k 및 지연 시간 Δt를 사용하여, 수학식 (3-2)로 표현할 수 있다. 또한, 광원(거리 측정 장치, 거리 측정 시스템)으로부터 피검출물까지의 거리 x는 광속 c 및 지연 시간 Δt를 사용하여, 수학식 (3-3)으로 표현할 수 있다. 이 3개의 식으로부터, 상기 거리 x는 검출 신호의 전압 S1 및 검출 신호의 전압 S2를 사용한 수학식 (3-4)로 표현할 수 있다.
또한, 광조사 및 반사광 검출을 행한 횟수 n은 2 이상의 자연수이며, 본 실시 형태에서는 일례로서 n=2로 하였다. 또한, 상수 k에는 수학식 (1-1)의 설명 시에 예를 든 정보와 동일한 정보가 포함된다. 본 실시 형태의 거리 측정 방법에서는 수학식 (3-4)에 나타내는 대로, 상수 k의 값을 몰라도 거리 x를 구할 수 있다.
또한, 시각 T1보다 앞, 또는 시각 T24보다 후의, 광조사가 행해지지 않고, 또한 반사광이 조사되고 있지 않은 기간에 포토 센서(100)에 의해 광의 검출을 행하고, 검출 신호의 전압 S0을 얻어도 된다. 검출 신호의 전압 S1 및 검출 신호의 전압 S2 각각으로부터 검출 신호의 전압 S0을 차감한 값인 검출 신호의 전압 S1' 및 검출 신호의 전압 S2'을, 수학식 (3-4)에 있어서 검출 신호의 전압 S1 및 검출 신호의 전압 S2 대신 사용함으로써 외광의 영향을 제거하여, 높은 정밀도의 거리 측정을 행할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명의 일 형태의 거리 측정 장치를 사용함으로써 고정밀도의 거리 측정을 행할 수 있다. 또한, 고정밀도의 거리 측정을 행하는 거리 측정 시스템을 실현할 수 있다.
(실시 형태 3)
본 실시 형태에서는, 본 발명의 일 형태의 거리 측정 장치(또는 거리 측정 시스템)와, 상기 거리 측정 장치(또는 거리 측정 시스템)를 사용한 거리 측정 방법에 대해서 도 6 및 도 7을 사용하여 설명한다. 본 발명의 일 형태의 거리 측정 장치(또는 거리 측정 시스템)는 TOF 방식을 사용하여 거리를 측정할 수 있다.
본 발명의 일 형태의 거리 측정 장치는 제1 수광 소자, 제1 트랜지스터 및 제2 트랜지스터를 갖는 제1 포토 센서와, 제2 수광 소자, 제3 트랜지스터 및 제4 트랜지스터를 갖고, 제1 포토 센서와 인접하는 제2 포토 센서와, 제1 배선 및 제2 배선과, 제1 신호선 및 제2 신호선과, 제1 전원선 및 제2 전원선을 구비한다. 특히, 제1 수광 소자와 제2 수광 소자가 인접하는 것이 바람직하다.
제1 배선은 제1 수광 소자의 한쪽 전극과 전기적으로 접속되고, 제1 신호선은 제1 트랜지스터의 게이트 전극과 전기적으로 접속되고, 제1 전원선은 제2 트랜지스터의 소스 전극 또는 드레인 전극의 한쪽과 전기적으로 접속되고, 제1 트랜지스터에서는 소스 전극 또는 드레인 전극의 한쪽이 제2 트랜지스터의 게이트 전극과 전기적으로 접속되고, 다른 쪽이 제1 수광 소자의 다른 쪽 전극 및 제2 트랜지스터의 소스 전극 또는 드레인 전극의 다른 쪽과 전기적으로 접속되고, 제2 배선은 제2 수광 소자의 한쪽 전극과 전기적으로 접속되고, 제2 신호선은 제3 트랜지스터의 게이트 전극과 전기적으로 접속되고, 제2 전원선은 제4 트랜지스터의 소스 전극 또는 드레인 전극의 한쪽과 전기적으로 접속되고, 제3 트랜지스터에서는 소스 전극 또는 드레인 전극의 한쪽이 제4 트랜지스터의 게이트 전극과 전기적으로 접속되고, 다른 쪽이 제2 수광 소자의 다른 쪽 전극 및 제4 트랜지스터의 소스 전극 또는 드레인 전극의 다른 쪽과 전기적으로 접속한다.
본 발명의 일 형태에서는 광원이, 피검출물에 대하여 일정 시간의 광조사를 복수회(n회, n은 2 이상의 자연수) 행하고, 제1 포토 센서가 상기 광조사가 행해지는 기간에 있어서의 반사광(구체적으로는, 상기 광원으로부터 조사된 광이 상기 피검출물에서 반사됨으로써 발생하는 광)의 검출을 동일 횟수 행하고, 제1 포토 센서와 인접하는 제2 포토 센서가 상기 광조사 종료 후의 기간에 있어서의 반사광의 검출을 동일 횟수 행한다. 이때, 제1 포토 센서와 제2 포토 센서는 실질적으로 피검출물의 동일점에 있어서의 반사광을 검출한다. 광조사 및 반사광의 검출을 복수회 행함으로써, 거리에 따른 검출 신호가 고정밀도로 얻어지기 때문에, 보다 정확한 거리를 산출할 수 있다.
실시 형태 1에서 설명한 거리 측정 방법을 사용하여, 광원(거리 측정 장치, 거리 측정 시스템)으로부터 피검출물까지의 거리를 알기 위해서는 미리 상수 k를 구하여 둘 필요가 있었다. 한편, 본 실시 형태에서 나타내는 거리 측정 방법에 의하면, 상수 k를 모르는 경우에도 거리를 구할 수 있다.
실시 형태 2에서 설명한 거리 측정 방법에서는, 1회의 광조사를 이용하여, 상기 광조사가 행해지는 기간 또는 상기 광조사 종료 후의 기간의 어느 한쪽에 있어서의 반사광의 검출을 행하였다. 또한, 광조사 (A)(B)에 있어서, 광원과 피검출물과의 거리는 변함없는 것으로 할 필요가 있었다. 한편, 본 실시 형태에서 나타내는 거리 측정 방법은 인접하는 2개의 포토 센서를 사용함으로써 1회의 광조사를 이용하여, 상기 광조사가 행해지는 기간 및 상기 광조사 종료 후의 기간의 양쪽에 있어서의 반사광의 검출을 행할 수 있다. 따라서, 실시 형태 2에서 설명한 거리 측정 방법에 비하여 단시간에 피검출물의 거리를 측정할 수 있다. 따라서, 예를 들어 피검출물이 이동체의 경우에도, 위치 검출 정밀도의 저하를 억제할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 형태의 거리 측정 장치가 구비하는 포토 센서는 수광 소자에 있어서 반사광을 검출한다. 수광 소자에는 광원에 의해 광조사가 행해지는 기간 및 상기 광조사 종료 후의 기간의 양쪽에 있어서, 상기 반사광이 조사되고 있다. 검출을 행하지 않는 기간에 조사된 반사광에 의해 수광 소자의 다른 쪽 전극의 전위에 변화가 발생하면, 반사광의 검출의 정밀도가 저하하는 경우가 있다. 그러나, 상기 포토 센서는 반사광의 검출을 행하지 않는 기간에 있어서의 수광 소자의 다른 쪽 전극의 전위 변화를 억제하는 트랜지스터를 구비한다. 이에 의해, 고정밀도의 거리 측정이 가능한 거리 측정 장치(또는 거리 측정 시스템)를 제공할 수 있다.
<포토 센서의 구성>
도 6에 본 발명의 일 형태의 거리 측정 장치가 구비하는 제1 포토 센서(100_1) 및 제2 포토 센서(100_2)의 회로도를 도시한다.
도 6에 도시하는 제1 포토 센서(100_1)는 포토다이오드(102_1), 트랜지스터(103_1), 트랜지스터(104_1), 트랜지스터(105_1) 및 트랜지스터(109_1)를 갖는다.
포토다이오드(102_1)에서는 한쪽 전극이 리셋 신호선 PR_1과 전기적으로 접속되고, 다른 쪽 전극이 트랜지스터(103_1)의 소스 전극 또는 드레인 전극의 한쪽, 및 트랜지스터(109_1)의 소스 전극 또는 드레인 전극의 다른 쪽과 전기적으로 접속되어 있다. 본 명세서 등에서는 포토다이오드(102_1)의 다른 쪽 전극, 트랜지스터(103_1)의 소스 전극 또는 드레인 전극의 한쪽, 및 트랜지스터(109_1)의 소스 전극 또는 드레인 전극의 다른 쪽이 구성하는 노드를 노드(107_1)라고 기재한다.
트랜지스터(103_1)에서는 게이트 전극이 축적 신호선 TX_1과 전기적으로 접속되고, 소스 전극 또는 드레인 전극의 한쪽이 트랜지스터(104_1)의 게이트 전극 및 트랜지스터(109_1)의 게이트 전극과 전기적으로 접속되어 있다. 본 명세서 등에서는 트랜지스터(103_1)의 소스 전극 또는 드레인 전극의 한쪽, 트랜지스터(104_1)의 게이트 전극 및 트랜지스터(109_1)의 게이트 전극이 구성하는 노드를, 전하 유지 노드 FD_1이라고 기재한다.
트랜지스터(104_1)에서는 소스 전극 또는 드레인 전극의 한쪽이 포토 센서 기준 신호선 VS와 전기적으로 접속되고, 다른 쪽이 트랜지스터(105_1)의 소스 전극 또는 드레인 전극의 한쪽과 전기적으로 접속되어 있다.
트랜지스터(105_1)에서는 게이트 전극이 선택 신호선 SE_1과 전기적으로 접속되고, 소스 전극 또는 드레인 전극의 다른 쪽이 포토 센서 출력 신호선 RO_1과 전기적으로 접속되어 있다.
트랜지스터(109_1)에서는 소스 전극 또는 드레인 전극의 한쪽이 전원선 VH와 전기적으로 접속되어 있다.
도 6에 도시하는 제2 포토 센서(100_2)는 포토다이오드(102_2), 트랜지스터(103_2), 트랜지스터(104_2), 트랜지스터(105_2) 및 트랜지스터(109_2)를 갖는다.
포토다이오드(102_2)에서는 한쪽 전극이 리셋 신호선 PR_2와 전기적으로 접속되고, 다른 쪽 전극이 트랜지스터(103_2)의 소스 전극 또는 드레인 전극의 한쪽, 및 트랜지스터(109_2)의 소스 전극 또는 드레인 전극의 다른 쪽과 전기적으로 접속되어 있다. 본 명세서 등에서는 포토다이오드(102_2)의 다른 쪽 전극, 트랜지스터(103_2)의 소스 전극 또는 드레인 전극의 한쪽, 및 트랜지스터(109_2)의 소스 전극 또는 드레인 전극의 다른 쪽이 구성하는 노드를 노드(107_2)라고 기재한다.
트랜지스터(103_2)에서는 게이트 전극이 축적 신호선 TX_2와 전기적으로 접속되고, 소스 전극 또는 드레인 전극의 한쪽이 트랜지스터(104_2)의 게이트 전극 및 트랜지스터(109_2)의 게이트 전극과 전기적으로 접속되어 있다. 본 명세서 등에서는 트랜지스터(103_2)의 소스 전극 또는 드레인 전극의 한쪽, 트랜지스터(104_2)의 게이트 전극 및 트랜지스터(109_2)의 게이트 전극이 구성하는 노드를, 전하 유지 노드 FD_2라고 기재한다.
트랜지스터(104_2)에서는 소스 전극 또는 드레인 전극의 한쪽이 포토 센서 기준 신호선 VS와 전기적으로 접속되고, 다른 쪽이 트랜지스터(105_2)의 소스 전극 또는 드레인 전극의 한쪽과 전기적으로 접속되어 있다.
트랜지스터(105_2)에서는 게이트 전극이 선택 신호선 SE_2와 전기적으로 접속되고, 소스 전극 또는 드레인 전극의 다른 쪽이 포토 센서 출력 신호선 RO_2와 전기적으로 접속되어 있다.
트랜지스터(109_2)에서는 소스 전극 또는 드레인 전극의 한쪽이 전원선 VH와 전기적으로 접속되어 있다.
또한, 도 6에 도시하는 제1 포토 센서(100_1) 및 제2 포토 센서(100_2)는 도 1b에 도시하는 포토 센서(100)와 동일한 구성으로 했지만, 이 구성에 한정되지 않고, 예를 들어 도 2a에 도시하는 포토 센서(130)와 동일한 구성으로 할 수 있다.
<거리 측정 방법>
본 발명의 일 형태의 거리 측정 시스템을 사용한 거리 측정 방법에 대하여 설명한다. 이하에서는, 인접하는 제1 포토 센서(100_1) 및 제2 포토 센서(100_2)(도 6 참조)와, 광원을 갖는 거리 측정 장치를 사용한 거리 측정 방법에 대하여 설명한다.
[거리 측정 방법 4]
도 7에, 조사광(151), 반사광(152), 제1 포토 센서(100_1) 및 제2 포토 센서(100_2)의 타이밍 차트의 일례를 도시한다.
거리 측정 방법 4에 있어서, 본 발명의 일 형태의 거리 측정 장치에서는 광원으로부터 피검출물에 대하여 일정 시간 T의 광조사를 2회 행하고, 제1 포토 센서(100_1)가, 상기 광조사가 행해지고 있는 기간의 반사광을 검출하고, 광의 지연 시간에 의존하는 검출 신호의 전압 S1을 취득하고, 또한, 제2 포토 센서(100_2)가, 상기 광조사 종료 후의 기간의 반사광을 검출하고, 광의 지연 시간에 의존하는 검출 신호의 전압 S2를 취득한다.
구체적으로는, 시각 T2 내지 시각 T5(일정 시간 T)의 사이에 1회째의 광조사 및 제1 포토 센서(100_1)에 의한 1회째의 반사광 검출 (A)를 행하고, 시각 T5 내지 시각 T7의 사이에 제2 포토 센서(100_2)에 의한 1회째의 반사광 검출 (B)를 행하고, 시각 T8 내지 시각 T10(일정 시간 T)의 사이에 2회째의 광조사 및 제1 포토 센서(100_1)에 의한 2회째의 반사광 검출 (A)를 행하고, 시각 T10 내지 시각 T12의 사이에 제2 포토 센서(100_2)에 의한 2회째의 반사광 검출 (B)를 행하고, 시각 T13 내지 시각 T14의 사이에 검출 신호의 전압 S1을 취득하고, 시각 T14 내지 시각 T15의 사이에 검출 신호의 전압 S2를 취득한다. 단, 광조사 및 반사광 검출 (A)(B)의 횟수는 2회에 한정되지 않고, 3회 이상 행해도 된다.
복수회의 광조사에 있어서, 조사 기간의 길이는 동등하다(일정 시간 T이다). 또한, 1회의 조사광의 조사 기간과 1회의 반사광의 조사 기간의 길이는 동등하다(일정 시간 T이다).
본 실시 형태에서는, 복수회의 광조사에 있어서, 광원과 피검출물과의 거리는 변함없는 것으로 한다. 즉, 조사광이 광원으로부터 발해진 시각으로부터, 상기 조사광이 피검출물에서 반사된 후, 포토 센서에 반사광이 입사하는 시각까지의 기간인, 시각 T2부터 시각 T3까지의 기간 및 시각 T8부터 시각 T9까지의 기간은 길이가 동등하다(지연 시간 Δt라 함). 단, 본 실시 형태에서 설명하는 거리 측정 방법 4을 적용함으로써, 본 발명의 일 형태의 거리 측정 장치는 단시간에 피검출물의 거리를 측정할 수 있기 때문에, 복수회의 광조사에 있어서, 광원과 피검출물과의 거리가 변화하는 경우(예를 들어, 피검출물이 이동체인 경우)에도, 위치 검출 정밀도의 저하를 억제할 수 있다.
또한, 반사광 검출 (A)는 적어도, 포토 센서에 반사광이 입사하기 전에 개시된다. 또한, 반사광 검출 (A)는 광조사의 종료와 동시에 종료된다. 그리고, 반사광 검출 (B)는 광조사의 종료와 동시에 개시된다. 또한, 반사광 검출 (B)는 포토 센서에의 반사광의 조사의 종료보다 후에 종료된다. 이와 같이, 반사광 검출 (A) 및 반사광 검출 (B)의 타이밍이 결정되도록, 리셋 신호선 PR_1, 리셋 신호선 PR_2, 축적 신호선 TX_1 및 축적 신호선 TX_2의 전위를 제어한다.
(시각 T1 내지 시각 T2: 제1 포토 센서(100_1)의 리셋 동작)
시각 T1에 있어서, 리셋 신호선 PR_1의 전위를 전위 LPR로부터 전위 HPR로 변화시키고, 또한 축적 신호선 TX_1의 전위를 전위 LTX로부터 전위 HTX로 변화시킴으로써 포토다이오드(102_1) 및 트랜지스터(103_1)가 도통한다. 전하 유지 노드 FD_1에는 리셋 신호선 PR_1의 전위 HPR이 부여되기 때문에, 전하 유지 노드 FD_1에 유지되어 있는 전하는 리셋되어, 초기 상태가 되는 전하량이 유지된다. 또한, 시각 T1에 있어서, 선택 신호선 SE_1에는 전위 LSE가 부여되어 있고, 리셋 신호선 PR_2에는 전위 LPR이 부여되어 있고, 축적 신호선 TX_2에는 전위 LTX가 부여되어 있고, 선택 신호선 SE_2에는 전위 LSE가 부여되어 있다.
(시각 T2 내지 시각 T5: 1회째의 광조사 및 1회째의 반사광 검출 (A))
시각 T2에 있어서, 광원으로부터 피검출물에 대하여 광의 조사를 개시하고, 또한 리셋 신호선 PR_1의 전위를 전위 HPR로부터 전위 LPR로 변화시킨다. 여기서, 축적 신호선 TX_1의 전위는 전위 HTX인채로 유지하기 위해서, 리셋 신호선 PR_1의 전위가 전위 LPR이 되면, 포토다이오드(102_1)에 역방향 바이어스의 전압이 인가된다.
시각 T3에 있어서, 광원으로부터의 조사광이 피검출물에서 반사되어, 반사광이 본 발명의 일 형태의 거리 측정 장치에 입사하기 시작한다. 역방향 바이어스의 전압이 인가된 상태의 포토다이오드(102_1)에 반사광이 조사됨으로써 포토다이오드(102_1)의 음극으로부터 양극을 향하여 전류가 흘러, 전하 유지 노드 FD_1의 전위가 저하된다.
(시각 T4 내지 시각 T5: 제2 포토 센서(100_2)의 리셋 동작)
시각 T4에 있어서, 리셋 신호선 PR_2의 전위를 전위 LPR로부터 전위 HPR로 변화시키고, 또한 축적 신호선 TX_2의 전위를 전위 LTX로부터 전위 HTX로 변화시킴으로써 포토다이오드(102_2) 및 트랜지스터(103_2)가 도통한다. 전하 유지 노드 FD_2에는 리셋 신호선 PR_2의 전위 HPR이 부여되기 때문에, 전하 유지 노드 FD_2에 유지되어 있는 전하는 리셋되어, 초기 상태가 되는 전하량이 유지된다.
(시각 T5 내지 시각 T7: 1회째의 반사광 검출 (B))
시각 T5에 있어서, 광의 조사를 종료한다. 제1 포토 센서(100_1)에 있어서는 축적 신호선 TX_1의 전위를 전위 HTX로부터 전위 LTX로 변화시킨다. 축적 신호선 TX_1의 전위가 전위 LTX가 됨으로써 트랜지스터(103_1)는 비도통 상태가 된다. 따라서, 전하 유지 노드 FD_1로부터 포토다이오드(102_1)로의 전하의 이동이 멈추기 때문에, 전하 유지 노드 FD_1의 전위가 정해진다. 또한, 제2 포토 센서(100_2)에 있어서는, 리셋 신호선 PR_2의 전위를 전위 HPR로부터 전위 LPR로 변화시킨다. 여기서, 축적 신호선 TX_2의 전위는 전위 HTX인채로 유지하기 위해서, 리셋 신호선 PR_2의 전위가 전위 LPR이 되면, 포토다이오드(102_2)에 역방향 바이어스의 전압이 인가된다. 역방향 바이어스의 전압이 인가된 상태의 포토다이오드(102_2)에 반사광이 조사됨으로써 포토다이오드(102_2)의 음극으로부터 양극을 향하여 전류가 흘러, 전하 유지 노드 FD_2의 전위가 저하된다.
시각 T6에 있어서, 포토다이오드(102_2)에의 반사광의 입사가 종료되고, 전하 유지 노드 FD_2로부터 포토다이오드(102_2)로의 전하의 이동이 멈추고, 전하 유지 노드 FD_2의 전위가 정해진다.
여기서, 시각 T5 내지 시각 T6의 사이, 트랜지스터(103_1)가 비도통 상태이기 때문에, 전하 유지 노드 FD_1의 전위는 일정하지만, 포토다이오드(102_1)에는 반사광이 조사되고 있기 때문에, 노드(107_1)의 전위는 저하되어 버린다(도 7에 도시하는 노드(107_1)의 펄스의 점선 참조). 노드(107_1)와 전하 유지 노드 FD_1에 전위차가 발생하면, 다음으로 트랜지스터(103_1)가 도통 상태가 되는 시각 T8에 있어서, 노드(107_1)와 전하 유지 노드 FD_1의 전위가 동등해지도록, 전하 유지 노드 FD_1의 전위가 저하하고, 노드(107_1)의 전위가 상승된다(도 7에 도시하는 노드(107_1) 및 전하 유지 노드 FD_1의 펄스의 점선 참조). 전위 변화가 크면, 1회째의 반사광 검출 (A)의 사이에 포토다이오드(102_1)로 생성한 광 전류에 대응한 전위를 전하 유지 노드 FD_1이 정확하게 유지할 수 없게 된다. 이에 의해, 거리 측정 장치나, 상기 거리 측정 장치를 사용한 거리 측정 시스템에 있어서 정확한 거리 측정이 곤란해진다(위치 검출 정밀도가 저하해버린다).
그러나, 본 발명의 일 형태의 거리 측정 장치는 트랜지스터(109_1)를 구비한다. 트랜지스터(109_1)는 트랜지스터(103_1)가 비도통 상태일 때에, 게이트 전극과, 소스 전극 또는 드레인 전극의 다른 쪽과의 전위차를 임계값 전압보다 작은 값으로 유지한다. 트랜지스터(109_1)의 게이트 전극의 전위는 전하 유지 노드 FD_1의 전위와 동등하고, 트랜지스터(109_1)의 소스 전극 또는 드레인 전극의 다른 쪽 전위는 노드(107_1)의 전위와 동등하다. 따라서, 노드(107_1)의 전위가 저하하고, 노드(107_1)와 전하 유지 노드 FD_1과의 전위차가 커지는 것을 억제할 수 있다. 이에 의해, 본 발명의 일 형태의 거리 측정 장치는 위치 검출 정밀도가 저하하는 것을 억제할 수 있어, 고정밀도의 거리 측정이 가능하게 된다.
시각 T7에 있어서, 축적 신호선 TX_2의 전위를 전위 HTX로부터 전위 LTX로 변화시킨다. 축적 신호선 TX_2의 전위가 전위 LTX가 됨으로써 트랜지스터(103_2)는 비도통 상태가 된다.
(시각 T8 내지 시각 T10: 2회째의 광조사 및 2회째의 반사광 검출 (A))
시각 T8에 있어서, 광원으로부터 피검출물에 대하여 광의 조사를 개시하고, 또한 축적 신호선 TX_1의 전위를 전위 LTX로부터 전위 HTX로 변화시킨다.
시각 T9에 있어서, 광원으로부터의 조사광이 피검출물에서 반사되어, 반사광이 본 발명의 일 형태의 거리 측정 장치에 입사하기 시작한다. 포토다이오드(102_1)에 반사광이 조사됨으로써 포토다이오드(102_1)의 음극으로부터 양극을 향하여 전류가 흘러, 전하 유지 노드 FD_1의 전위가 저하된다.
여기서, 시각 T9 내지 시각 T10의 사이, 트랜지스터(103_2)가 비도통 상태이기 때문에, 전하 유지 노드 FD_2의 전위는 일정하지만, 포토다이오드(102_2)에는 반사광이 조사되고 있기 때문에, 노드(107_2)의 전위는 저하해버린다(도 7에 도시하는 노드(107_2)의 펄스의 점선 참조). 노드(107_2)와 전하 유지 노드 FD_2에 전위차가 발생하면, 다음으로 트랜지스터(103_2)가 도통 상태가 되는 시각 T10에 있어서, 노드(107_2)와 전하 유지 노드 FD_2의 전위가 동등해지도록, 전하 유지 노드 FD_2의 전위가 저하하고, 노드(107_2)의 전위가 상승된다(도 7에 도시하는 노드(107_2) 및 전하 유지 노드 FD_2의 펄스의 점선 참조). 전위 변화가 크면, 1회째의 반사광 검출 (B)의 사이에 포토다이오드(102_2)로 생성한 광 전류에 대응한 전위를 전하 유지 노드 FD_2가 정확하게 유지할 수 없게 된다. 이에 의해, 거리 측정 장치나, 상기 거리 측정 장치를 사용한 거리 측정 시스템에 있어서 정확한 거리 측정이 곤란해진다(위치 검출 정밀도가 저하해버린다).
그러나, 본 발명의 일 형태의 거리 측정 장치는 트랜지스터(109_2)를 구비한다. 트랜지스터(109_2)는 트랜지스터(103_2)가 비도통 상태일 때에, 게이트 전극과, 소스 전극 또는 드레인 전극의 다른 쪽과의 전위차를 임계값 전압보다 작은 값으로 유지한다. 트랜지스터(109_2)의 게이트 전극의 전위는 전하 유지 노드 FD_2의 전위와 동등하고, 트랜지스터(109_2)의 소스 전극 또는 드레인 전극의 다른 쪽 전위는 노드(107_2)의 전위와 동등하다. 따라서, 노드(107_2)의 전위가 저하하고, 노드(107_2)와 전하 유지 노드 FD_2와의 전위차가 커지는 것을 억제할 수 있다. 이에 의해, 본 발명의 일 형태의 거리 측정 장치는 반사광 검출 기간 이외에 있어서의 광의 영향을 제거할 수 있으므로, 위치 검출 정밀도가 저하하는 것을 억제할 수 있어, 고정밀도의 거리 측정이 가능하게 된다.
(시각 T10 내지 시각 T12: 2회째의 반사광 검출 (B))
시각 T10에 있어서, 광의 조사를 종료한다. 제1 포토 센서(100_1)에 있어서는 축적 신호선 TX_1의 전위를 전위 HTX로부터 전위 LTX로 변화시킨다. 축적 신호선 TX_1의 전위가 전위 LTX가 됨으로써 트랜지스터(103_1)는 비도통 상태가 된다. 따라서, 전하 유지 노드 FD_1로부터 포토다이오드(102_1)로의 전하의 이동이 멈추기 때문에, 전하 유지 노드 FD_1의 전위가 정해진다. 제2 포토 센서(100_2)에 있어서는, 축적 신호선 TX_2의 전위를 전위 LTX로부터 전위 HTX로 변화시킨다. 역방향 바이어스의 전압이 인가된 상태의 포토다이오드(102_2)에 반사광이 조사됨으로써 포토다이오드(102_2)의 음극으로부터 양극을 향하여 전류가 흘러, 전하 유지 노드 FD_2의 전위가 저하된다.
또한, 전하 유지 노드 FD_1의 전위는 시각 T10 이후에는 일정해진다. 시각 T10에서의 전하 유지 노드 FD_1의 전위는 1회째 및 2회째의 반사광 검출 (A)(시각 T2 내지 시각 T5 및 시각 T8 내지 시각 T10을 가리키고, 이하, 반사광 검출 기간 (A)라고 기재함)에서, 포토다이오드(102_1)가 생성한 광 전류에 의존한다. 또한, 시각 T10에서의 전하 유지 노드 FD_1의 전위에 따라, 제1 포토 센서(100_1)의 출력 신호가 결정된다.
시각 T11에 있어서, 포토다이오드(102_2)에의 반사광의 입사가 종료되고, 전하 유지 노드 FD_2로부터 포토다이오드(102_2)로의 전하의 이동이 멈추고, 전하 유지 노드 FD_2의 전위가 정해진다.
시각 T12에 있어서, 축적 신호선 TX_2의 전위를 전위 HTX로부터 전위 LTX로 변화시킨다. 축적 신호선 TX_2의 전위가 전위 LTX가 됨으로써 트랜지스터(103_2)는 비도통 상태가 된다.
또한, 전하 유지 노드 FD_2의 전위는 시각 T12 이후에는 일정해진다. 시각 T12에서의 전하 유지 노드 FD_2의 전위는 1회째 및 2회째의 반사광 검출 (B)(시각 T5 내지 시각 T7 및 시각 T10 내지 시각 T12를 가리키고, 이하, 반사광 검출 기간 (B)라고 기재함)에 포토다이오드(102_2)가 생성한 광 전류에 의존한다. 또한, 시각 T12에서의 전하 유지 노드 FD_2의 전위에 따라, 제2 포토 센서(100_2)의 출력 신호가 결정된다.
(시각 T13 내지 시각 T14: 제1 포토 센서(100_1)에 있어서의 판독 동작)
시각 T13에 있어서, 선택 신호선 SE_1의 전위를 전위 LSE로부터 전위 HSE로 변화시켜서, 트랜지스터(105_1)를 도통시킨다. 이에 의해, 포토 센서 기준 신호선 VS와 포토 센서 출력 신호선 RO_1이 트랜지스터(104_1) 및 트랜지스터(105_1)를 통하여 도통한다. 그렇게 하면, 전하 유지 노드 FD_1의 전위에 따른 속도로 포토 센서 출력 신호선 RO_1의 전위가 포토 센서 기준 신호선 VS의 전위에 근접한다. 또한, 미리, 시각 T13 이전에, 포토 센서 출력 신호선 RO_1의 전위를 하이 레벨의 전위 HRO로 해둔다.
시각 T14에 있어서, 선택 신호선 SE_1의 전위를 전위 HSE로부터 전위 LSE로 변화시키면, 트랜지스터(105_1)가 비도통 상태로 되고, 포토 센서 출력 신호선 RO_1의 전위가 결정된다.
시각 T14에 있어서의 포토 센서 출력 신호선 RO_1의 전위는 시각 T13 내지 시각 T14에 있어서의 포토 센서 출력 신호선 RO_1의 전위 변화의 속도에 의존한다. 포토 센서 출력 신호선 RO_1의 전위 변화의 속도는 트랜지스터(104_1)의 소스 전극 및 드레인 전극의 사이의 전류에 의존한다. 즉, 반사광 검출 기간 (A)에 포토다이오드(102_1)에 조사되는 반사광의 강도 및 조사 시간에 의존한다.
따라서, 시각 T14에 있어서의 포토 센서 출력 신호선 RO_1의 전위를 취득함으로써, 반사광 검출 기간 (A)에 포토다이오드(102_1)에 조사된 반사광의 양(반사광의 강도의 시간곱)을 검출 신호의 전압 S1로서 얻을 수 있다.
(시각 T14 내지 시각 T15: 제2 포토 센서(100_2)에 있어서의 판독 동작)
시각 T14에 있어서, 선택 신호선 SE_2의 전위를 전위 LSE로부터 전위 HSE로 변화시켜서, 트랜지스터(105_2)를 도통시킨다. 이에 의해, 포토 센서 기준 신호선 VS와 포토 센서 출력 신호선 RO_2가, 트랜지스터(104_2) 및 트랜지스터(105_2)를 통하여 도통한다. 그렇게 하면, 전하 유지 노드 FD_2의 전위에 따라, 포토 센서 기준 신호선 VS로부터 포토 센서 출력 신호선 RO_2에 신호가 출력된다. 또한, 미리, 시각 T14 이전에, 포토 센서 출력 신호선 RO_2의 전위를 하이 레벨의 전위 HRO로 해둔다.
시각 T15에 있어서, 선택 신호선 SE_2의 전위를 전위 HSE로부터 전위 LSE로 변화시키면, 트랜지스터(105_2)가 비도통 상태로 되고, 포토 센서 기준 신호선 VS로부터 포토 센서 출력 신호선 RO_2에의 전하의 이동이 정지되고, 포토 센서 출력 신호선 RO_2의 전위가 결정된다.
시각 T15에 있어서의 포토 센서 출력 신호선 RO_2의 전위는 시각 T14 내지 시각 T15에 있어서의 포토 센서 출력 신호선 RO_2의 전위 변화의 속도에 의존한다. 포토 센서 출력 신호선 RO_2의 전위 변화의 속도는 트랜지스터(104_2)의 소스 전극 및 드레인 전극의 사이의 전류에 의존한다. 즉, 반사광 검출 기간 (B)에 포토다이오드(102_2)에 조사되는 반사광의 강도 및 조사 시간에 의존한다.
따라서, 시각 T15에 있어서의 포토 센서 출력 신호선 RO_2의 전위를 취득함으로써, 반사광 검출 기간 (B)에 포토다이오드(102_2)에 조사된 반사광의 양(반사광의 강도의 시간곱)을 검출 신호의 전압 S2로서 얻을 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 있어서는, 일례로서, 광조사가 행해지고, 또한, 포토다이오드(102_1)에 반사광이 조사되고 있는 기간(시각 T3 내지 시각 T5나, 시각 T9 내지 시각 T10, 바꾸어 말하면, 시간(T-Δt))에 비하여 광조사의 종료 이후, 또한, 포토다이오드(102_2)에 반사광이 조사되고 있는 기간(시각 T5 내지 시각 T6이나, 시각 T10 내지 시각 T11, 바꾸어 말하면, 시간 Δt)이 짧은 경우를 나타내고 있다. 그로 인해, 시간(T-Δt)의 사이의 전하 유지 노드 FD_1의 전위 변화에 비하여 시간 Δt의 사이의 전하 유지 노드 FD_2의 전위 변화는 작다. 또한, 시각 T15에 있어서의 포토 센서 출력 신호선 RO_2의 전위는 시각 T14에 있어서의 포토 센서 출력 신호선 RO_1의 전위에 비하여 낮다.
이어서, 반사광 검출 기간 (A)(B)에서 취득한 광의 지연 시간에 의존하는 검출 신호의 전압 S1 및 검출 신호의 전압 S2를 사용하여, 본 발명의 일 형태의 거리 측정 장치(또는 거리 측정 시스템)로부터 피검출물까지의 거리를 구한다. 거리를 구하는 방법으로서는, 실시 형태 2와 동일한 방법을 사용할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명의 일 형태의 거리 측정 장치를 사용함으로써 고정밀도의 거리 측정을 행할 수 있다. 또한, 고정밀도의 거리 측정을 행하는 거리 측정 시스템을 실현할 수 있다.
(실시 형태 4)
본 실시 형태에서는, 본 발명의 일 형태의 거리 측정 장치(또는 거리 측정 시스템)와, 상기 거리 측정 장치(또는 거리 측정 시스템)를 사용한 거리 측정 방법에 대해서 도 8a, 도 8b 및 도 9를 사용하여 설명한다. 본 발명의 일 형태의 거리 측정 장치(또는 거리 측정 시스템)는 TOF 방식을 사용하여 거리를 측정할 수 있다.
본 발명의 일 형태는, 실시 형태 1에 나타낸 포토 센서(제1 수광 소자를 갖는 제1 포토 센서라고도 기재함)와 중첩하는 수광 소자를 갖는 포토 센서(제2 수광 소자를 갖는 제2 포토 센서라고도 기재함)를 구비하는 거리 측정 장치이다. 2 이상의 포토 센서를 중첩하여 구비함으로써, 포토 센서가 차지하는 면적의 축소를 도모할 수 있다.
특히, 제1 수광 소자와 제2 수광 소자가 중첩하고, 제1 수광 소자가 제1 파장 영역의 광을 흡수하고, 제2 수광 소자가 제2 파장 영역의 광을 흡수하고, 제1 수광 소자 및 제2 수광 소자 중 피검출물로부터의 거리가 짧은 한쪽 수광 소자는 다른 쪽 수광 소자가 흡수하는 파장 영역의 광의 적어도 일부를 투과하는 것이 바람직하다.
예를 들어, 제1 수광 소자보다 제2 수광 소자가 피검출물에 가깝고, 제1 수광 소자가, 반사광에 포함되는 적외광을 검출(흡수)하고, 제2 수광 소자가, 상기 반사광에 포함되는 가시광을 검출(흡수)하고, 적외광을 투과하는 형태를 들 수 있다. 제2 수광 소자가 가시광을 흡수함으로써, 제1 수광 소자에 조사되는 적외광 이외의 광(노이즈가 되는 광)이 저감되기 때문에, 제1 포토 센서의 검출 정밀도를 높일 수 있다.
본 실시 형태에서는, 제1 파장 영역의 광을 흡수하는 반도체층을 포함하는 제1 수광 소자, 제1 트랜지스터 및 제2 트랜지스터를 갖는 제1 포토 센서와, 제2 파장 영역의 광을 흡수하는 반도체층을 포함하는 제2 수광 소자 및 제3 트랜지스터를 갖는 제2 포토 센서와, 제1 배선 및 제2 배선과, 제1 신호선 및 제2 신호선과, 전원선을 구비하는 거리 측정 장치를 예로 들어 설명한다.
본 실시 형태의 거리 측정 장치에 있어서, 적어도, 제1 포토 센서와 제2 포토 센서는 중첩하여 설치된다. 본 실시 형태에서는, 제1 수광 소자와 제2 수광 소자는 중첩하여 설치된다. 예를 들어, 가시광을 투과하고, 특정한 파장 영역의 광을 흡수하는 반도체층을 포함하는 제1 수광 소자가, 가시광을 흡수하는 반도체층을 포함하는 제2 수광 소자와 피검출물과의 사이에 설치되는 구성이나, 특정한 파장 영역의 광을 투과하고, 가시광을 흡수하는 반도체층을 포함하는 제2 수광 소자가, 상기 특정한 파장 영역의 광을 흡수하는 제1 수광 소자와 피검출물과의 사이에 설치되는 구성으로 하면 된다. 이러한 구성으로 함으로써, 반사광(광원으로부터 조사된 광이 피검출물에서 반사됨으로써 발생하는 광)에 포함되는 특정한 파장 영역의 광을 제1 수광 소자가 검출함과 동시에, 상기 반사광에 포함되는 상기 특정한 파장 영역 이외의 광을 제2 수광 소자가 검출한다. 제1 포토 센서를 거리 측정과 2차원 정보 취득 중 한쪽에 사용하고, 제2 포토 센서를 거리 측정과 2차원 정보 취득 중 다른 쪽에 사용함으로써 본 발명의 일 형태의 거리 측정 장치는 피검출물의 거리 측정과 2차원 정보의 취득을 동시에 행할 수 있다.
또한, 제1 배선은 제1 수광 소자의 한쪽 전극과 전기적으로 접속되고, 제2 배선은 제2 수광 소자의 한쪽 전극과 전기적으로 접속되고, 제1 신호선은 제1 트랜지스터의 게이트 전극과 전기적으로 접속되고, 제2 신호선은 제3 트랜지스터의 게이트 전극과 전기적으로 접속되고, 전원선은 제2 트랜지스터의 소스 전극 또는 드레인 전극의 한쪽과 전기적으로 접속되고, 제1 트랜지스터에서는 소스 전극 또는 드레인 전극의 한쪽이 제2 트랜지스터의 게이트 전극과 전기적으로 접속되고, 다른 쪽이 제1 수광 소자의 다른 쪽 전극 및 제2 트랜지스터의 소스 전극 또는 드레인 전극의 다른 쪽과 전기적으로 접속되고, 제3 트랜지스터에서는 소스 전극 또는 드레인 전극의 한쪽이 제2 수광 소자의 다른 쪽 전극과 전기적으로 접속한다.
본 발명의 일 형태에서는, 광원이, 피검출물에 대하여 일정 시간 T의 광조사 (A)를 복수회(n회, n은 2 이상의 자연수) 행하고, 또한, 일정 시간 T의 광조사 (B)를 동일 횟수 행한다. 제1 포토 센서는 광조사 (A)가 행해지고 있는 기간의 반사광을 검출함으로써, 광의 지연 시간에 의존하는 검출 신호의 전압 S1을 취득하고, 또한, 광조사 (B) 종료 후의 기간의 반사광을 검출함으로써, 광의 지연 시간에 의존하는 검출 신호의 전압 S2를 취득한다. 광조사 및 반사광의 검출을 복수회 행함으로써, 거리에 따른 검출 신호가 고정밀도로 얻어지기 때문에, 보다 정확한 거리를 산출할 수 있다.
본 발명의 일 형태의 거리 측정 장치에 있어서, 제2 포토 센서는 광조사 (A) 개시 이후 및 광조사 (B) 개시 이후의 기간에 있어서의 반사광의 적어도 일부, 바람직하게는 전부를 검출함으로써, 피검출물의 밝기, 색채 등, 2차원의 정보에 따른 검출 신호의 전압 S3을 취득한다.
또한, 본 발명의 일 형태의 거리 측정 장치가 구비하는 제1 포토 센서는 제1 수광 소자에 있어서 반사광을 검출한다. 제1 수광 소자에는 광원에 의해 광조사가 행해지는 기간 및 상기 광조사 종료 후의 기간의 양쪽에 있어서, 상기 반사광이 조사되고 있다. 검출을 행하지 않는 기간에 조사된 반사광에 의해 제1 수광 소자의 다른 쪽 전극의 전위에 변화가 발생하면, 반사광의 검출의 정밀도가 저하하는 경우가 있다. 그러나, 제1 포토 센서는 반사광의 검출을 행하지 않는 기간에 있어서의 제1 수광 소자의 다른 쪽 전극의 전위 변화를 억제하는 제2 트랜지스터를 구비한다. 이에 의해, 고정밀도의 거리 측정이 가능한 거리 측정 장치를 제공할 수 있다.
<포토 센서의 구성>
도 8a에 본 발명의 일 형태의 거리 측정 장치가 구비하는 제1 포토 센서(100A) 및 제2 포토 센서(100B)의 회로도를 도시한다. 제1 포토 센서(100A) 및 제2 포토 센서(100B)는 적어도 일부를 겹쳐서 설치된다.
또한, 도 8b에 도시한 바와 같이, 포토다이오드(102A) 및 포토다이오드(102B)는 겹쳐서 설치된다. 구체적으로는, 반사광이, 포토다이오드(102B)에 먼저 입사하도록, 피검출물과 포토다이오드(102A) 사이에 포토다이오드(102B)가 설치되어 있다. 2개의 포토다이오드를 겹쳐서 설치함으로써, 장치에 있어서의 포토 센서가 차지하는 면적을 축소할 수 있다. 따라서, 장치의 소형화나, 화소의 미세화 등을 도모할 수 있다.
본 실시 형태에서 나타내는 포토다이오드(102A)는 적외광을 흡수하는 특성을 갖는다. 예를 들어, 포토다이오드(102A)의 반도체층은 다결정 실리콘이나 단결정 실리콘 등을 사용하여 형성할 수 있다. 즉, 제1 포토 센서(100A)는 반사광에 포함되는 적외광을 이용하여, 피검출물의 거리에 따른 검출 신호를 취득한다.
또한, 포토다이오드(102B)는 적외광을 투과하고, 가시광을 흡수하는 특성을 갖는다. 예를 들어, 포토다이오드(102B)의 반도체층은 아몰퍼스 실리콘이나 미결정 실리콘 등을 사용하여 형성할 수 있다. 즉, 제2 포토 센서(100B)는 반사광에 포함되는 가시광을 이용하여, 피검출물의 2차원 정보에 따른 검출 신호를 취득한다.
또한, 2개의 포토다이오드의 특성은 이 조합에 한정되지 않는다. 양쪽을 겹쳐서 설치했을 때에, 한쪽의 포토다이오드가 반사광에 포함되는 제1 파장 영역의 광을 흡수하고, 다른 쪽 포토다이오드가 반사광에 포함되는 제1 파장 영역 이외의 특정한 파장 영역의 광을 흡수하는 조합이면 된다.
도 8a에 도시하는 제1 포토 센서(100A)는 포토다이오드(102A), 트랜지스터(103A), 트랜지스터(104A), 트랜지스터(105A) 및 트랜지스터(109A)를 갖는다.
포토다이오드(102A)에서는 한쪽 전극이 리셋 신호선 PR_A와 전기적으로 접속되고, 다른 쪽 전극이 트랜지스터(103A)의 소스 전극 또는 드레인 전극의 다른 쪽, 및 트랜지스터(109A)의 소스 전극 또는 드레인 전극의 다른 쪽과 전기적으로 접속되어 있다. 본 명세서 등에서는, 포토다이오드(102A)의 다른 쪽 전극, 트랜지스터(103A)의 소스 전극 또는 드레인 전극의 다른 쪽, 및 트랜지스터(109A)의 소스 전극 또는 드레인 전극의 다른 쪽이 구성하는 노드를 노드(107A)라고 기재한다.
트랜지스터(103A)에서는 게이트 전극이 축적 신호선 TX_A와 전기적으로 접속되고, 소스 전극 또는 드레인 전극의 한쪽이 트랜지스터(104A)의 게이트 전극 및 트랜지스터(109A)의 게이트 전극과 전기적으로 접속되어 있다. 본 명세서 등에서는, 트랜지스터(103A)의 소스 전극 또는 드레인 전극의 한쪽, 트랜지스터(104A)의 게이트 전극 및 트랜지스터(109A)의 게이트 전극이 구성하는 노드를, 전하 유지 노드 FD_A라고 기재한다.
트랜지스터(104A)에서는, 소스 전극 또는 드레인 전극의 한쪽이 포토 센서 기준 신호선 VS와 전기적으로 접속되고, 다른 쪽이 트랜지스터(105A)의 소스 전극 또는 드레인 전극의 한쪽과 전기적으로 접속되어 있다.
트랜지스터(105A)에서는 게이트 전극이 선택 신호선 SE_A와 전기적으로 접속되고, 소스 전극 또는 드레인 전극의 다른 쪽이 포토 센서 출력 신호선 RO_A와 전기적으로 접속되어 있다.
트랜지스터(109A)에서는 소스 전극 또는 드레인 전극의 한쪽이 전원선 VH와 전기적으로 접속되어 있다.
도 8a에 도시하는 제2 포토 센서(100B)는 포토다이오드(102B), 트랜지스터(103B), 트랜지스터(104B) 및 트랜지스터(105B)를 갖는다.
포토다이오드(102B)에서는 한쪽 전극이 리셋 신호선 PR_B과 전기적으로 접속되고, 다른 쪽 전극이 트랜지스터(103B)의 소스 전극 또는 드레인 전극의 다른 쪽과 전기적으로 접속되어 있다.
트랜지스터(103B)에서는 게이트 전극이 축적 신호선 TX_B과 전기적으로 접속되고, 소스 전극 또는 드레인 전극의 한쪽이 트랜지스터(104B)의 게이트 전극과 전기적으로 접속되어 있다.
트랜지스터(104B)에서는 소스 전극 또는 드레인 전극의 한쪽이 포토 센서 기준 신호선 VS와 전기적으로 접속되고, 다른 쪽이 트랜지스터(105B)의 소스 전극 또는 드레인 전극의 한쪽과 전기적으로 접속되어 있다.
트랜지스터(105B)에서는 게이트 전극이 선택 신호선 SE_B과 전기적으로 접속되고, 소스 전극 또는 드레인 전극의 다른 쪽이 포토 센서 출력 신호선 RO_B과 전기적으로 접속되어 있다.
또한, 도 8a에 도시하는 제1 포토 센서(100A)는 도 1b에 도시하는 포토 센서(100)와 동일한 구성으로 했지만, 이 구성에 한정되지 않고, 예를 들어 도 2a에 도시하는 포토 센서(130)와 동일한 구성으로 할 수 있다. 또한, 제2 포토 센서(100B)도, 도 8a에 도시하는 구성에 한정되지 않고, 2차원 정보의 취득이 가능한 공지된 포토 센서의 구성을 적용할 수 있다.
<거리 측정 방법>
본 발명의 일 형태의 거리 측정 시스템을 사용한 거리 측정 방법에 대하여 설명한다. 이하에서는, 제1 포토 센서(100A) 및 제2 포토 센서(100B)(도 8a 및 도 8b 참조)와, 광원을 갖는 거리 측정 장치를 사용한, 2차원 정보의 취득을 동시에 행하는 거리 측정 방법에 대하여 설명한다.
[거리 측정 방법 5: 2차원 정보의 취득과 동시에 거리 측정을 행하는 방법]
도 9에 조사광(151), 반사광(152), 제1 포토 센서(100A) 및 제2 포토 센서(100B)의 타이밍 차트의 일례를 도시한다.
조사광(151), 반사광(152) 및 제1 포토 센서(100A)의 타이밍 차트는 거리 측정 방법 3에서 설명한 타이밍 차트와 동등하다(도 5 참조). 구체적으로는, 조사광(151), 반사광(152), 리셋 신호선 PR_A, 축적 신호선 TX_A, 선택 신호선 SE_A, 전하 유지 노드 FD_A, 노드(107A), 포토 센서 출력 신호선 RO_A의 펄스는, 각각, 도 5에 있어서의 조사광(151), 반사광(152), 리셋 신호선 PR, 축적 신호선 TX, 선택 신호선 SE, 전하 유지 노드 FD, 노드(107), 포토 센서 출력 신호선 RO의 펄스와 동등하다. 즉, 본 실시 형태에서 나타내는 제1 포토 센서(100A)에 있어서의 거리 측정 방법은 실시 형태 2에서 설명한 거리 측정 방법 3을 참조할 수 있다.
이하에서는, 제2 포토 센서(100B)에 의한 2차원 정보의 취득 방법에 대하여 주로 설명하고, 동시에 행해지는 제1 포토 센서(100A)에 의한 거리 측정 방법에 대해서, 실시 형태 2를 참작할 수 있는 부분은 설명을 생략한다.
(시각 T1 내지 시각 T2: 제2 포토 센서(100B)의 리셋 동작)
시각 T1에 있어서, 리셋 신호선 PR_B의 전위를 전위 LPR로부터 전위 HPR로 변화시키고, 또한 축적 신호선 TX_B의 전위를 전위 LTX로부터 전위 HTX로 변화시킴으로써 포토다이오드(102B) 및 트랜지스터(103B)가 도통한다. 전하 유지 노드 FD_B에는 리셋 신호선 PR_B의 전위 HPR이 부여되기 때문에, 전하 유지 노드 FD_B에 유지되어 있는 전하는 리셋되어, 초기 상태가 되는 전하량이 유지된다. 또한, 시각 T1에 있어서, 선택 신호선 SE_B에는 전위 LSE가 부여되어 있다.
(시각 T2 내지 시각 T25: 반사광 검출 (C))
시각 T2에 있어서, 리셋 신호선 PR_B의 전위를 전위 HPR로부터 전위 LPR로 변화시킨다. 여기서, 축적 신호선 TX_B의 전위는 전위 HTX인채로 유지하기 위해서, 리셋 신호선 PR_B의 전위가 전위 LPR이 되면, 제2 포토다이오드(102B)에 역방향 바이어스의 전압이 인가된다.
또한, 시각 T2에 있어서, 광원으로부터 피검출물에 대하여 광조사 (A)가 개시되어, 시각 T3에 있어서, 광원으로부터의 조사광이 피검출물에서 반사되어, 반사광이 본 발명의 일 형태의 거리 측정 장치에 입사하기 시작한다. 역방향 바이어스의 전압이 인가된 상태의 제2 포토다이오드(102B)에 반사광이 조사됨으로써, 제2 포토다이오드(102B)의 음극으로부터 양극을 향하여 전류가 흘러, 전하 유지 노드 FD_B의 전위가 저하된다.
1회째의 광조사 (A)는 시각 T4까지 행해지고, 그 후, 시각 T6 내지 시각 T8의 사이에 2회째의 광조사 (A)가 시각 T12 내지 시각 T14의 사이에 1회째의 광조사 (B)가 시각 T18 내지 시각 T20의 사이에 2회째의 광조사 (B)가 행해진다. 그것에 의하여, 시각 T3 내지 시각 T5의 사이, 시각 T7 내지 시각 T9의 사이, 시각 T13 내지 시각 T16의 사이 및 시각 T19 내지 시각 T21의 사이(이하에서는 통합하여, 반사광 검출 기간 (C)라고 기재함)에는 제2 포토다이오드(102B)에 반사광이 입사한다.
시각 T25에 있어서, 축적 신호선 TX_B의 전위를 전위 HTX로부터 전위 LTX로 변화시킨다. 축적 신호선 TX_B의 전위가 전위 LTX가 됨으로써 트랜지스터(103B)는 비도통 상태가 된다. 따라서, 전하 유지 노드 FD_B로부터 제2 포토다이오드(102B)에의 전하의 이동이 멈추기 때문에, 전하 유지 노드 FD_B의 전위가 정해진다.
또한, 전하 유지 노드 FD_B의 전위는 시각 T25 이후에는 일정해진다. 시각 T25에서의 전하 유지 노드 FD_B의 전위는 반사광 검출 기간 (C)에 제2 포토다이오드(102B)가 생성한 광 전류에 의존한다. 또한, 시각 T25에서의 전하 유지 노드 FD_B의 전위에 따라, 제2 포토 센서(100B)의 출력 신호가 결정된다. 단, 본 실시 형태에서는, 제2 포토다이오드(102B)에의 반사광의 입사가 시각 T21에서 종료하고 있기 때문에, 「전하 유지 노드 FD_B의 전위는 시각 T21 이후에는 일정해진다.」라고도 할 수 있다.
(시각 T26 내지 시각 T27: 판독 동작)
시각 T26에 있어서, 선택 신호선 SE_B의 전위를 전위 LSE로부터 전위 HSE로 변화시켜서, 트랜지스터(105B)를 도통시킨다. 이에 의해, 포토 센서 기준 신호선 VS와 포토 센서 출력 신호선 RO_B가, 트랜지스터(104B) 및 트랜지스터(105B)를 통하여 도통한다. 그렇게 하면, 전하 유지 노드 FD_B의 전위에 따라, 포토 센서 기준 신호선 VS로부터 포토 센서 출력 신호선 RO_B에 신호가 출력된다. 또한, 미리, 시각 T26 이전에, 포토 센서 출력 신호선 RO_B의 전위를 하이 레벨의 전위 HRO로 해둔다.
시각 T27에 있어서, 선택 신호선 SE_B의 전위를 전위 HSE로부터 전위 LSE로 변화시키면, 트랜지스터(105B)가 비도통 상태로 되고, 포토 센서 기준 신호선 VS로부터 포토 센서 출력 신호선 RO_B에의 전하의 이동이 정지되고, 포토 센서 출력 신호선 RO_B의 전위가 결정된다.
시각 T27에 있어서의 포토 센서 출력 신호선 RO_B의 전위를 취득함으로써, 반사광 검출 기간 (C)에 제2 포토다이오드(102B)에 조사된 반사광의 양(반사광의 강도의 시간곱)을 검출 신호의 전압 S3으로서 얻을 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는, 시각 T2 내지 시각 T25에 있어서, 반사광 검출 (C)를 행하고, 2회의 광조사 (A) 및 2회의 광조사 (B)에 의한 반사광 모두를 검출하는 경우를 나타냈지만, 이것에 한정되지 않는다. 반사광 검출 (C)에서는, 제1 포토 센서(100A)가 거리 측정을 행하는 사이의 반사광의 일부를 검출하면 되고, 예를 들어 시각 T3 내지 시각 T5만으로 해도 된다. 단, 반사광 검출 (C)에 있어서, 2회의 광조사 (A) 및 2회의 광조사 (B)에 의한 반사광 모두를 검출함으로써, 제2 포토 센서에서, 반사광으로부터 가시광을 흡수한 나머지, 즉 적외광을 제1 포토 센서로 검출할 수 있기 때문에, 거리 측정의 정밀도를 높일 수 있다(노이즈가 되는 가시광 등이 제1 포토 센서에 조사되는 것을 방지함으로써 적외광의 검출 정밀도의 저하를 억제할 수 있음).
이상에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 형태의 거리 측정 장치를 사용하여, 피검출물의 2차원 정보의 취득과 거리 측정을 동시에 행할 수 있다. 또한, 2개의 포토다이오드를 겹쳐서 설치함으로써, 장치에 있어서의 포토 센서가 차지하는 면적을 축소할 수 있다. 따라서, 장치의 소형화나, 화소의 미세화 등을 도모할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는, 거리 측정 방법 3을 사용하여 거리 측정을 행했지만, 거리 측정 방법은 이것에 한정되지 않는다. 예를 들어, 본 실시 형태에 나타내는 거리 측정 장치가 제1 포토 센서와 인접하는 포토 센서를 갖는 경우에는, 실시 형태 3에서 설명한 거리 측정 방법 4을 사용하여 거리 측정을 행할 수도 있다.
본 실시 형태에 나타내는 구성은 다른 실시 형태에 나타내는 구성과 적절히 조합하여 사용할 수 있다.
(실시 형태 5)
본 실시 형태에서는, 본 발명의 일 형태의 거리 측정 장치에 대해서 도 10a, 도 10b, 도 11a 및 도 11b를 사용하여 설명한다. 구체적으로는, 실시 형태 1에서 나타낸 포토 센서(100)를 a행 b열의 매트릭스 형상으로 배치한 거리 측정 장치에 대하여 설명한다(a, b는 각각 독립적으로 2 이상의 자연수).
또한, 포토 센서의 구성이나 구동 방법은 실시 형태 1 및 실시 형태 2를 참조할 수 있다.
<구성예 1>
도 10a에 도시하는 거리 측정 장치에서는, 복수의 포토 센서(100)가 a행 b열의 매트릭스 형상으로 배치되어 있다. i행의 포토 센서(100)는 리셋 신호선 PR_i, 축적 신호선 TX_i 및 선택 신호선 SE_i와 전기적으로 접속되어 있다(i는 1 이상 a 이하의 자연수). j열의 포토 센서(100)는 포토 센서 출력 신호선 RO_j, 전원선 VH_j, 및 포토 센서 기준 신호선 VS_j와 전기적으로 접속되어 있다(j는 1 이상 b 이하의 자연수).
도 10a에 도시하는 거리 측정 장치에서는, i행의 포토 센서(100)가 리셋 신호선 PR_i, 축적 신호선 TX_i 및 선택 신호선 SE_i를 공유하고, j열의 포토 센서(100)가 포토 센서 출력 신호선 RO_j, 전원선 VH_j 및 포토 센서 기준 신호선 VS_j를 공유하고 있다. 본 발명은 이 구성에 한정되지 않고, 리셋 신호선, 축적 신호선 및 선택 신호선은 i행에 각각 복수개 형성해도 되고, 포토 센서 출력 신호선, 전원선 및 포토 센서 기준 신호선은 j열에 각각 복수개 설치해도 된다.
<구성예 2>
도 10b에 도시하는 거리 측정 장치에서는, 복수의 포토 센서(100)가 a행 b열의 매트릭스 형상으로 배치되어 있다. i행의 포토 센서(100)는 선택 신호선 SE_i와 전기적으로 접속되어 있다. j열의 포토 센서(100)는 리셋 신호선 PR_j, 축적 신호선 TX_j, 포토 센서 출력 신호선 RO_j, 전원선 VH_j 및 포토 센서 기준 신호선 VS_j와, 전기적으로 접속되어 있다.
도 10b에 도시하는 거리 측정 장치에서는, i행의 포토 센서(100)가 선택 신호선 SE_i를 공유하고, j열의 포토 센서(100)가 리셋 신호선 PR_j, 축적 신호선 TX_j, 포토 센서 출력 신호선 RO_j, 전원선 VH_j 및 포토 센서 기준 신호선 VS_j를 공유하고 있지만, 본 발명은 이 구성에 한정되지 않는다.
구성예 1이나 구성예 2에서는, a행 b열의 매트릭스 형상으로 배치된 포토 센서 중, 리셋 동작 및 반사광 검출을 행하는 타이밍이 동일한 복수의 포토 센서는 축적 신호선이나 리셋 신호선을 공유할 수 있다. 복수의 포토 센서가 배선을 공유함으로써 배선수가 줄어들어, 구동 회로를 간략화할 수 있다.
여기서, 도 11a에 포토 센서(100)의 상면도의 일례를 도시하고, 도 11b에 도 11a의 파선 A1-A2에 있어서의 단면도를 도시한다.
포토 센서(100)는 리셋 신호선 PR로서 기능하는 도전막(210)과, 축적 신호선 TX로서 기능하는 도전막(211)과, 선택 신호선 SE로서 기능하는 도전막(212)과, 포토 센서 기준 신호선 VS로서 기능하는 도전막(213)과, 포토 센서 출력 신호선 RO로서 기능하는 도전막(214)과, 전원선 VH로서 기능하는 도전막(229)을 갖는다.
포토다이오드(102)는 순서대로 적층된 p형의 반도체막(215)과, i형의 반도체막(216)과, n형의 반도체막(217)을 갖는다. 도전막(210)은 포토다이오드(102)가 양극으로서 기능하는 p형의 반도체막(215)과 전기적으로 접속되어 있다.
도전막(218)은 트랜지스터(103)의 게이트 전극으로서 기능하고, 도전막(211)과 전기적으로 접속되어 있다. 도전막(219)은 트랜지스터(103)의 소스 전극 또는 드레인 전극의 한쪽으로서 기능한다. 도전막(220)은 트랜지스터(103)의 소스 전극 또는 드레인 전극의 다른 쪽으로서 기능한다. 도전막(221)은 n형의 반도체막(217) 및 도전막(219)과 전기적으로 접속되어 있다.
도전막(222)은 트랜지스터(104) 및 트랜지스터(109)의 게이트 전극으로서 기능하고, 도전막(220)과 전기적으로 접속되어 있다. 도전막(223)은 트랜지스터(104)의 소스 전극 또는 드레인 전극의 한쪽으로서 기능한다. 도전막(224)은 트랜지스터(104)의 소스 전극 또는 드레인 전극의 한쪽, 및 트랜지스터(105)의 소스 전극 또는 드레인 전극의 한쪽으로서 기능한다. 또한, 도전막(214)은 트랜지스터(105)의 소스 전극 또는 드레인 전극의 다른 쪽으로서 기능한다. 도전막(212)은 트랜지스터(105)의 게이트 전극으로서 기능한다. 도전막(225)은 도전막(223) 및 도전막(213)에 전기적으로 접속되어 있다. 도전막(237)은 트랜지스터(109)의 소스 전극 또는 드레인 전극의 한쪽으로서 기능한다. 도전막(238)은 트랜지스터(109)의 소스 전극 또는 드레인 전극의 다른 쪽으로서 기능한다. 도전막(239)은 도전막(229) 및 도전막(238)에 전기적으로 접속되어 있다. 도전막(226)은 도전막(210)에 전기적으로 접속되어 있다. 도전막(227)은 도전막(211)에 전기적으로 접속되어 있다.
도전막(212), 도전막(218), 도전막(222), 도전막(225), 도전막(226), 도전막(227), 도전막(239)은 절연 표면 위에 형성된 하나의 도전막을 원하는 형상으로 가공함으로써 형성할 수 있다. 도전막(212), 도전막(218), 도전막(222), 도전막(225), 도전막(226), 도전막(227), 도전막(239) 위에는 게이트 절연막(228)이 형성되어 있다.
또한, 도전막(210), 도전막(211), 도전막(213), 도전막(214), 도전막(219), 도전막(220), 도전막(223), 도전막(224), 도전막(229), 도전막(237), 도전막(238)은 게이트 절연막(228) 위에 형성된 하나의 도전막을 원하는 형상으로 가공함으로써 형성할 수 있다. 도전막(210), 도전막(211), 도전막(213), 도전막(214), 도전막(219), 도전막(220), 도전막(223), 도전막(224), 도전막(229), 도전막(237), 도전막(238) 위에는 절연막(281) 및 절연막(282)이 형성되어 있다. 절연막(281) 및 절연막(282) 위에는 도전막(221)이 형성되어 있다.
트랜지스터(103)의 활성층(250)에는 산화물 반도체를 사용하는 것이 바람직하다. 기판(251)측으로부터 광이 조사됨으로써 생성된 전하를 장시간 유지하기 위해서는 포토다이오드(102)와 전기적으로 접속되는 트랜지스터(103)를 오프 전류가 지극히 작은 트랜지스터로 구성할 필요가 있다. 그로 인해, 활성층(250)에 산화물 반도체를 사용함으로써 포토 센서(100)의 성능을 높일 수 있다.
또한, 트랜지스터(103)가 보텀 게이트형일 경우, 도 11a, 도 11b에 도시한 바와 같이, 게이트 전극으로서 기능하는 도전막(218)에 활성층(250)이 완전히 겹치는 구성으로 하는 것이 바람직하다. 상기 구성을 채용함으로써, 기판(251)측으로부터 입사한 광에 의해 활성층(250) 중의 산화물 반도체가 열화되는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 트랜지스터(103)의 임계값 전압이 시프트하는 등의 특성의 열화가 일으켜지는 것을 억제할 수 있다. 또한, 트랜지스터(104), 트랜지스터(105) 및 트랜지스터(109)에 대해서도, 상기 구성을 채용함으로써 동일한 효과가 얻어진다.
여기서, 도 10a에 도시한, 축적 신호선 TX가 행방향으로 연장하여 배치되는 구성의 경우, 동일하게 행방향으로 연장하여 배치된, 축적 신호선 TX와 평행한 선택 신호선 SE가 존재한다. 선택 신호선 SE는 트랜지스터(105)의 게이트 전극과 전기적으로 접속되기 때문에, 선택 신호선 SE의 일부를 트랜지스터(105)의 게이트 전극으로서 사용할 수 있다. 이때, 선택 신호선 SE와 평행한 축적 신호선 TX도, 트랜지스터(105)의 게이트 전극과 동일 재료 및 동일 공정으로 형성할 수 있다. 그러나, 트랜지스터의 게이트 전극에 사용하는 재료는 소스 전극이나 드레인 전극에 사용하는 재료와 비교하여 저항이 높은 재료인 경우가 많기 때문에, 축적 신호선 TX의 저항은 높아지는 경우가 있다.
이에 비해, 도 10b에 도시한 구성에서는, 축적 신호선 TX가 열방향으로 연장하여 배치되는 구성이다. 그로 인해, 행 방향으로 연장되어서 배치되는, 선택 신호선 SE와는 다른층에 형성된 도전막을 사용하여, 축적 신호선 TX를 형성할 수 있다. 예를 들어, 도 11a에 도시한 바와 같이, 포토 센서(100)를 구성하는 트랜지스터(트랜지스터(103), 트랜지스터(104), 트랜지스터(105), 트랜지스터(109) 등)의 게이트 전극을 구성하는 도전막(도전막(212), 도전막(218), 도전막(222))과는 다른 층에 형성된 도전막(211)에 의해 축적 신호선 TX를 형성할 수 있다. 도전막(211)은 도전막(214), 도전막(219), 도전막(220), 도전막(224), 도전막(237), 도전막(238) 등, 포토 센서(100)를 구성하는 트랜지스터의 소스 전극이나 드레인 전극과 동일 재료 및 동일 공정으로 형성할 수 있다. 그로 인해, 도 10a에서 도시한 구성에 비하여 축적 신호선 TX의 저항이 높아지는 것을 억제할 수 있다.
또한, 본 실시 형태는, 본 명세서에서 나타내는 다른 실시 형태와 적절히 조합할 수 있다.
(실시 형태 6)
본 실시 형태에서는, 본 발명의 일 형태의 거리 측정 장치에 대해서 도 12를 사용하여 설명한다. 구체적으로는, 실시 형태 4에서 나타낸 제1 포토 센서(100A) 및 제2 포토 센서(100B)(통합하여 포토 센서(1001)라고 기재함)를 a행 b열의 매트릭스 형상으로 배치한 거리 측정 장치에 대하여 설명한다(a, b는 각각 독립적으로 2 이상의 자연수). 또한, 포토 센서의 구성이나 구동 방법은 실시 형태 4를 참조할 수 있다.
도 12에 도시하는 거리 측정 장치에서는, 복수의 포토 센서(1001)가 a행 b열의 매트릭스 형상으로 배치되어 있다. i행의 포토 센서(1001)는 리셋 신호선 PR_A(i), 리셋 신호선 PR_B(i), 축적 신호선 TX_A(i), 축적 신호선 TX_B(i), 선택 신호선 SE_A(i), 선택 신호선 SE_B(i), 전원선 VH(i) 및 포토 센서 기준 신호선 VS(i)와 전기적으로 접속되어 있다(i는 1 이상 a 이하의 자연수). j열의 포토 센서(1001)는 포토 센서 출력 신호선 RO_A(j) 및 포토 센서 출력 신호선 RO_B(j)와 전기적으로 접속되어 있다(j는 1 이상 b 이하의 자연수).
도 12에 도시하는 거리 측정 장치에서는, i행의 포토 센서(1001)가 리셋 신호선 PR_A(i), 리셋 신호선 PR_B(i), 축적 신호선 TX_A(i), 축적 신호선 TX_B(i), 선택 신호선 SE_A(i), 선택 신호선 SE_B(i), 전원선 VH(i) 및 포토 센서 기준 신호선 VS(i)를 공유하고 있다. 또한, j열의 포토 센서(1001)가 포토 센서 출력 신호선 RO_A(j) 및 포토 센서 출력 신호선 RO_B(j)를 공유하고 있다. 본 발명은 이 구성에 한정되지 않고, 2종류의 리셋 신호선, 2종류의 축적 신호선 및 2종류의 선택 신호선은 i행에 각각 복수개 형성해도 되고, 2종류의 포토 센서 출력 신호선, 전원선 및 포토 센서 기준 신호선은 j열에 각각 복수개 설치해도 된다.
또한, 도 12에 도시하는 거리 측정 장치에서는, 포토 센서 기준 신호선을 각 행의 포토 센서(1001)에 있어서 공유하는 구성을 나타냈지만 포토 센서 기준 신호선을 각 열의 포토 센서(1001)에 있어서 공유하는 구성으로 해도 된다.
또한, 도 12에 도시하는 거리 측정 장치가 갖는 각행 각열의 포토 센서(1001)에 있어서, 포토다이오드(102A) 및 포토다이오드(102B)는 중첩하여 설치되어 있다. 반사광(광원으로부터 조사된 광이 피검출물에서 반사됨으로써 발생하는 광)은 우선 포토다이오드(102B)에 입사하고, 그 후, 포토다이오드(102A)에 입사한다(도 8b 참조).
본 실시 형태에서는, 포토다이오드(102A)가 적외광을 흡수하고, 포토다이오드(102B)가 가시광을 흡수하고, 또한, 적외광을 투과하는 구성으로 한다. 따라서, 포토 센서(1001)에 조사된 반사광에 포함되는 가시광이 포토다이오드(102B)에 흡수되고, 적외광이 포토다이오드(102A)에 흡수된다. 이에 의해, 제2 포토 센서(100B)를 가시광에 의한 2차원의 촬상에 사용하고, 제1 포토 센서(100A)를 적외광에 의한 거리 측정에 사용할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 실시 형태의 구성에서는, 적외광 센서인 제1 포토 센서(100A) 및 가시광 센서인 제2 포토 센서(100B)를 중첩하여 설치하고 있기 때문에, 거리 측정 장치에 있어서, 포토 센서(1001)가 차지하는 면적을 축소할 수 있다. 그 결과, 화소의 미세화를 달성하면서, 2차원의 촬상과, TOF 방식을 적용한 거리 측정을 동시에 행할 수 있다.
또한, 본 실시 형태는 본 명세서에서 나타내는 다른 실시 형태와 적절히 조합할 수 있다.
(실시 형태 7)
본 실시 형태에서는, 본 발명의 일 형태의 거리 측정 장치에 대하여, 도 13 및 도 14a 및 도 14b를 사용하여 설명한다. 도 13은 도 12에 도시하는 포토 센서(1001)의 회로도와 마찬가지의 구성의 포토 센서의 상면도를 도시한다. 또한, 도 13의 일점쇄선 B1-B2, B3-B4에 대응하는 단면도를 도 14a에, 도 13의 일점쇄선 C1-C2에 대응하는 단면도를 도 14b에 도시한다.
도 14a, 도 14b에서는, 투광성 기판(300) 위에 차광층(331)과, 바탕막(332)이 형성된다.
투광성 기판(300)은, 가시광 및 적외광에 대한 투광성을 갖는 것이 바람직하다. 예를 들어, 가시광 및 적외광에 대한 투광성을 갖는 플라스틱 기판이나, 가시광 및 적외광에 대한 투광성을 갖는 유리 기판을 사용할 수 있다.
차광층(331)은, 백라이트로부터의 적외광 및 가시광이 포토다이오드(102A) 및 포토다이오드(102B)에 입사하는 것을 방지하기 위한 것이다. 차광층(331)은 적외광 및 가시광을 차광 가능한 알루미늄 또는 크롬 등의 금속 재료를 사용하여, 스퍼터링법, CVD법 또는 도포법 등에 의해 성막하고, 계속해서 포토리소그래피법, 또는 에칭법 등을 사용하여 가공하여 형성할 수 있다. 또한, 차광층(331)은 포토다이오드와 겹치는 영역뿐만 아니라, 각 트랜지스터의 반도체층과 적층하는 영역에도 형성하는 것이 바람직하다. 차광층에 의해 각 트랜지스터의 반도체층이 차광됨으로써, 백라이트로부터의 적외광 및 가시광의 입사에 의한, 트랜지스터의 임계값 전압이 시프트하는 등의 특성의 열화를 억제할 수 있다.
또한, 백라이트는, 투광성 기판(300)측으로부터, 적외광과 가시광을 발광할 수 있는 광원을 사용하는 구성이면 된다. 구체적으로는, 예를 들어 적외광을 발광하는 발광 다이오드 및 가시광을 발광하는 발광 다이오드를 배열하여 배치하는 구성 등으로 하면 된다. 또한, 적외광을 발광하는 광원은, 별도로 대향 기판측에 형성되는 구성으로 해도 된다.
바탕막(332)은, 투광성 기판(300)에 포함되는 Na 등의 알칼리 금속이나 알칼리 토금속이 포토다이오드(102A)로 확산되어, 특성에 악영향을 미치는 것을 억제할 수 있다. 바탕막(332)은, CVD법이나 스퍼터링법 등을 사용하여, 산화실리콘막, 질화실리콘막, 산화질화실리콘막, 질화산화실리콘막 등의 투광성 및 절연성을 갖는 막을, 단층으로 또는 적층하여 형성할 수 있다. 포토다이오드(102A)의 반도체층을 형성할 때의 형성 불량을 억제하기 위해서, 바탕막(332)의 표면은 평탄성이 높은 것이 바람직하다.
또한, 도 14a, 도 14b에서는, 바탕막(332)을 개재한 차광층(331) 위에 포토다이오드(102A)에 있어서의 p형 반도체 영역(303), i형 반도체 영역(304) 및 n형 반도체 영역(323)이 형성되어 있다. 도 14a에 있어서, p형 반도체 영역(303), i형 반도체 영역(304) 및 n형 반도체 영역(323)을 구성하는 반도체층과 동일한 층에는, 트랜지스터(104A)의 반도체층을 구성하는 n형 반도체 영역(305) 및 i형 반도체 영역(306)과, 트랜지스터(105A)의 반도체층을 구성하는 n형 반도체 영역(307) 및 i형 반도체 영역(308)과, 트랜지스터(103B)의 반도체층을 구성하는 n형 반도체 영역(309)이 형성되어 있다.
포토다이오드(102A)의 반도체층(과 동일한 층에서 제작되는 상기 각 트랜지스터의 반도체 영역)은, 다결정 실리콘 등의 결정성 실리콘을 사용할 수 있다. 결정성 실리콘을 갖는 반도체층으로 구성되는 포토다이오드(102A)는, p형 반도체 영역(303), i형 반도체 영역(304) 및 n형 반도체 영역(323)이 투광성 기판(300)에 수평 방향으로 형성된다. 예를 들어, 성막된 결정성 실리콘을, 포토리소그래피법, 또는 에칭법 등을 사용하여 가공하고, 계속해서, 포토리소그래피법에 의한 마스크를 형성한 후에 이온 주입법 또는 이온 도핑법에 의해 p형 또는 n형의 불순물 영역을 형성하면 된다.
또한, 포토다이오드(102A)의 반도체층(과 동일한 층에서 제작되는 상기 각 트랜지스터의 반도체 영역)은 접합, 박리 방법에 의해 단결정 실리콘 등의 결정성 실리콘을 사용할 수 있다. 우선 실리콘 웨이퍼 등의 반도체 웨이퍼 중에, 수소 이온(H+, H2 +, H3 + 등), 또는 수소 이온 및 헬륨 이온을 첨가하여, 상기 반도체 웨이퍼 중에 취화층을 형성한다. 상기 반도체 웨이퍼를 바탕막(332) 위에 접합시키고, 가열 처리에 의해 취화층에서 박리하여, 바탕막(332) 위에 반도체층을 형성한다. 반도체 웨이퍼의 표면으로부터 취화층까지의 깊이가 반도체층의 두께에 상당하므로, 수소 이온 등의 첨가 조건을 제어하여, 반도체층의 두께를 조정할 수 있다.
또한, 도 14a, 도 14b에서는, 포토다이오드(102A)의 반도체층, 트랜지스터(104A), 트랜지스터(105A) 및 트랜지스터(103B)의 각 반도체층 위에, 절연층(310)이 형성되어 있다. 절연층(310) 위에는, 포토 센서 기준 신호선 VS가 형성되어 있다. 도 14a에 있어서, 포토 센서 기준 신호선 VS와 동일한 층에는, i형 반도체 영역(306) 위에 형성된 게이트 전극(311)과, i형 반도체 영역(308) 위에 형성된 게이트 전극(312)이, 각각 절연층(310)을 개재하여 형성되어 있다.
또한, 도 14a, 도 14b에서는, 절연층(310), 게이트 전극(311), 게이트 전극(312) 및 포토 센서 기준 신호선 VS 위에 절연층(313)이 형성되어 있다. 절연층(310) 및 절연층(313)을 개재한 p형 반도체 영역(303) 위에는, 도전층(316)이 형성되어 있다. 도전층(316)과 동일한 층에는, n형 반도체 영역(305) 및 n형 반도체 영역(307) 사이에 형성된 도전층(314)과, n형 반도체 영역(307) 위에 형성된 포토 센서 출력 신호선 RO_A와, n형 반도체 영역(305) 및 포토 센서 기준 신호선 VS 사이에 형성된 도전층(315)과, n형 반도체 영역(309) 위에 형성된 도전층(317)과, n형 반도체 영역(323) 위에 형성된 도전층(324)이, 절연층(310) 및 절연층(313)을 개재하여 형성되어 있다.
절연층(310)은, 외부로부터 Na 등의 알칼리 금속이나 알칼리 토금속이 포토다이오드(102A) 중으로 확산되어, 특성에 악영향을 미치는 것을 억제할 수 있다. 절연층(310)은, 플라즈마 CVD법이나 스퍼터링법 등을 사용하여, 산화실리콘막, 산화질화실리콘막, 질화산화실리콘막, 또는 유기 수지막 등의 투광성 및 절연성을 갖는 막을 단층으로 또는 적층하여 형성할 수 있다.
게이트 전극(311) 및 게이트 전극(312)과 상기 층에 형성되는 각종 배선은, 스퍼터링법 또는 진공 증착법 등을 사용하여, 도전성을 갖는 금속 재료막을, 단층으로 또는 적층하여 형성하면 된다. 도전성을 갖는 금속 재료막으로서는, 몰리브덴, 티타늄, 크롬, 탄탈, 텅스텐, 알루미늄, 구리, 네오디뮴, 스칸듐 등의 금속막, 또는 이들을 주성분으로 하는 합금 재료막 등을 들 수 있다.
절연층(313)은, 플라즈마 CVD법이나 스퍼터링법 등을 사용하여, 산화실리콘막, 산화질화실리콘막, 질화산화실리콘막, 또는 유기 수지막 등의 투광성 및 절연성을 갖는 막을 단층으로 또는 적층하여 형성한다.
도전층(314), 도전층(315), 도전층(316) 및 도전층(317)은, 스퍼터링법 또는 진공 증착법 등을 사용하여, 몰리브덴, 티타늄, 크롬, 탄탈, 텅스텐, 알루미늄, 구리, 이트륨 등의 금속막, 이들을 주성분으로 하는 합금 재료막, 또는 산화인듐 등의 도전성을 갖는 금속 산화물막 등을 단층으로 또는 적층하여 형성한다.
또한, 도 14a, 도 14b에서는, 절연층(313) 및 도전층(316) 위에 포토다이오드(102B)에 있어서의 p형 반도체 영역(318), i형 반도체 영역(319) 및 n형 반도체 영역(320)이 형성되어 있다. p형 반도체 영역(318)은, 단부가, 도전층(316)과 겹치도록 형성된다.
포토다이오드(102B)의 반도체층에는, 비정질 실리콘을 사용할 수 있다. 비정질 실리콘을 갖는 반도체층으로 구성되는 포토다이오드(102B)는, p형 반도체 영역(318), i형 반도체 영역(319) 및 n형 반도체 영역(320)이 투광성 기판(300)에 수직 방향으로 적층되어 형성된다.
p형 반도체 영역(318)은, p형을 부여하는 불순물 원소를 포함하는 비정질 실리콘에 의해 형성된다. p형 반도체 영역(318)은, 13족의 불순물 원소(예를 들어 붕소(B))를 포함하는 반도체 재료 가스를 사용하여, 플라즈마 CVD법에 의해 형성한다. 반도체 재료 가스로서는, 실란(SiH4), Si2H6, SiH2Cl2, SiHCl3, SiCl4, SiF4 등을 사용할 수 있다. p형 반도체 영역(318)의 막 두께는 10㎚ 이상 50㎚ 이하가 바람직하다.
i형 반도체 영역(319)은 비정질 실리콘에 의해 형성된다. i형 반도체 영역(319)은, 반도체 재료 가스를 사용하여, 비정질 실리콘을 플라즈마 CVD법에 의해 형성한다. 반도체 재료 가스로서는, 실란, Si2H6, SiH2Cl2, SiHCl3, SiCl4, SiF4 등을 사용할 수 있다. i형 반도체 영역(319)의 막 두께는 300㎚ 이상 1000㎚ 이하가 바람직하다.
n형 반도체 영역(320)은, n형을 부여하는 불순물 원소를 포함하는 비정질 실리콘에 의해 형성한다. n형 반도체 영역(320)은, 15족의 불순물 원소(예를 들어 인(P))를 포함하는 반도체 재료 가스를 사용하여, 플라즈마 CVD법에 의해 형성한다. 반도체 재료 가스로서는, 실란, Si2H6, SiH2Cl2, SiHCl3, SiCl4, SiF4 등을 사용할 수 있다. n형 반도체 영역(320)의 막 두께는 20㎚ 이상 300㎚ 이하가 바람직하다.
그리고, 도 14a, 도 14b에서는, 포토다이오드(102B), 포토 센서 출력 신호선 RO_A, 도전층(314), 도전층(315), 도전층(316) 및 도전층(317) 위에 절연층(321)이 형성되어 있다. 절연층(321)을 개재한 n형 반도체 영역(320) 및 도전층(317) 사이에는 도전층(322)이 형성되어 있다.
절연층(321)은, 플라즈마 CVD법이나 스퍼터링법 등을 사용하여, 산화실리콘막, 산화질화실리콘막, 질화산화실리콘막, 유기 수지막 등의 투광성 및 절연성을 갖는 막을 단층으로 또는 적층하여 형성한다. 절연층(321)은, 표면에 평탄성을 갖는 절연층으로 하는 것이 바람직하다.
도전층(322)은, 투광성을 갖는 도전층이면 되고, 예를 들어 인듐 주석 산화물(ITO, Indium Tin Oxide), 산화실리콘을 포함하는 인듐 주석 산화물(ITSO), 산화인듐 산화아연(Indium Zinc Oxide) 등을 사용하여 형성할 수 있다.
또한, 본 실시 형태는, 본 명세서에서 나타내는 다른 실시 형태와 적절히 조합할 수 있다.
(실시 형태 8)
본 실시 형태에서는, 단결정 실리콘 등의 반도체막에 채널이 형성되는 트랜지스터와, 산화물 반도체층에 채널이 형성되는 트랜지스터를 갖는 포토 센서의 제작 방법에 대하여 도 15a 내지 도 15c를 사용하여 설명한다.
본 실시 형태에서 설명하는 포토다이오드(704)는, 도 1b 등에서 도시한 포토다이오드(102)로서 사용할 수 있고, n채널형 트랜지스터(705)는, 도 1b 등에서 도시한 트랜지스터(104), 또는 트랜지스터(105)로서 사용할 수 있고, 트랜지스터(724)는, 도 1b 등에서 도시한 트랜지스터(103), 트랜지스터(106), 또는 트랜지스터(109)로서 사용할 수 있다. 또한, 트랜지스터(724)는, 도 1b 등에서 도시한 트랜지스터(104), 트랜지스터(105)로서 사용해도 된다.
우선, 공지의 CMOS의 제작 방법을 사용하여, 기판(700)의 절연 표면 위에, 포토다이오드(704) 및 n채널형 트랜지스터(705)를 제작한다(도 15a). 본 실시 형태에서는, 일례로서, 단결정 반도체 기판으로부터 분리된 단결정 반도체막을 사용하여, 포토다이오드(704) 및 n채널형 트랜지스터(705)를 제작한다. 단결정 반도체 기판으로서는, 예를 들어 실리콘 기판을 사용할 수 있다.
구체적인 단결정 반도체막의 제작 방법의 일례에 대하여 간단하게 설명한다. 우선, 단결정 반도체 기판에, 전계에서 가속된 이온으로 이루어지는 이온 빔을 주입하여, 반도체 기판의 표면으로부터 일정한 깊이의 영역에, 결정 구조가 흐트러짐으로써 국소적으로 취약화된 취화층을 형성한다. 취화층이 형성되는 영역의 깊이는, 이온 빔의 가속 에너지와 이온 빔의 입사각에 의해 조절할 수 있다. 그리고, 반도체 기판과, 절연막(701)이 형성된 기판(700)을, 사이에 당해 절연막(701)이 끼워지도록 접합한다. 접합에서는, 반도체 기판과 기판(700)을 중첩한 후, 반도체 기판과 기판(700)의 일부에, 1N/㎠ 이상 500N/㎠ 이하, 바람직하게는 11N/㎠ 이상 20N/㎠ 이하 정도의 압력을 가한다. 압력을 가하면, 그 부분으로부터 반도체 기판과 절연막(701)이 접합을 개시하고, 최종적으로는 밀착된 면 전체에 접합이 미친다. 계속해서, 가열 처리를 행함으로써, 취화층에 존재하는 미소 보이드끼리가 결합하여, 미소 보이드의 체적이 증대된다. 그 결과, 취화층에 있어서 반도체 기판의 일부인 단결정 반도체막이, 반도체 기판으로부터 분리된다. 상기 가열 처리 온도는, 기판(700)의 왜곡점을 초과하지 않는 온도로 한다. 그리고, 상기 단결정 반도체막을 에칭 등에 의해 원하는 형상으로 가공함으로써, 섬 형상의 반도체막(702), 섬 형상의 반도체막(703)을 형성할 수 있다.
포토다이오드(704)는, 절연막(701) 위의 섬 형상의 반도체막(702)을 사용하여 형성되어 있고, n채널형 트랜지스터(705)는, 절연막(701) 위의 섬 형상의 반도체막(703)을 사용하여 형성되어 있다. 또한, 포토다이오드(704)는, 섬 형상의 반도체막(702) 내에 p형의 도전성을 갖는 영역(727)과, i형의 도전성을 갖는 영역(728)과, n형의 도전성을 갖는 영역(729)이 형성된 횡형 접합 타입이다. 또한, n채널형 트랜지스터(705)는, 게이트 전극(707)을 갖고 있다. n채널형 트랜지스터(705)는, 섬 형상의 반도체막(703) 내에, 게이트 전극(707)과 겹치는 영역을 사이에 끼우도록 형성된 한 쌍의 n형의 도전성을 갖는 영역을 포함한다. 그리고, n채널형 트랜지스터(705)는, 섬 형상의 반도체막(703)과 게이트 전극(707) 사이에, 절연막(708)을 갖는다. n채널형 트랜지스터(705)에 있어서, 절연막(708)은 게이트 절연막으로서 기능한다.
또한, i형의 도전성을 갖는 영역(728)은, 반도체막 중, 포함되는 p형 혹은 n형을 부여하는 불순물이 1×1020㎝-3 이하의 농도이며, 암전도도에 대하여 광전도도가 100배 이상인 영역을 가리킨다. i형의 도전성을 갖는 영역(728)에는, 주기율표 제13족 혹은 제15족의 불순물 원소를 갖는 것도 그 범주에 포함한다. 즉, i형의 반도체는, 원자가 전자 제어를 목적으로 한 불순물 원소를 의도적으로 첨가하지 않을 때에 약한 n형의 전기 전도성을 나타내므로, i형의 도전성을 갖는 영역(728)은, p형을 부여하는 불순물 원소를, 성막 시 혹은 성막 후에, 의도적 혹은 비의도적으로 첨가된 것을 그 범주에 포함한다.
기판(700)으로서 사용할 수 있는 소재에 큰 제한은 없지만, 적어도, 후의 가열 처리에 견딜 수 있을 정도의 내열성을 갖고 있는 것이 필요로 된다. 예를 들어, 기판(700)에는, 퓨전법이나 플로트법에 의해 제작되는 유리 기판, 석영 기판, 세라믹 기판 등을 사용할 수 있다. 유리 기판으로서는, 후의 가열 처리 온도가 높은 경우에는, 왜곡점이 730℃ 이상인 것을 사용하면 된다. 플라스틱 등의 가요성을 갖는 합성 수지를 포함하여 이루어지는 기판은, 일반적으로 상기 기판과 비교하여 내열 온도가 낮은 경향이 있지만, 제작 공정에서의 처리 온도에 견딜 수 있는 것이면 사용하는 것이 가능하다.
또한, 본 실시 형태에서는, 단결정 반도체막을 사용하여 포토다이오드(704)와 n채널형 트랜지스터(705)를 제작하는 예에 대하여 설명하고 있지만, 본 발명은 이 구성에 한정되지 않는다. 예를 들어, 절연막(701) 위에 기상 성장법을 사용하여 형성된 다결정, 미결정의 반도체막을 사용해도 되고, 상기 반도체막을 공지의 기술에 의해 결정화해도 된다. 공지의 결정화 방법으로서는, 레이저광을 사용한 레이저 결정화법, 촉매 원소를 사용하는 결정화법이 있다. 혹은, 촉매 원소를 사용하는 결정화법과 레이저 결정화법을 조합하여 사용할 수도 있다. 또한, 석영과 같은 내열성이 우수한 기판을 사용하는 경우, 전열로를 사용한 열 결정화법, 적외광을 사용한 램프 어닐 결정화법, 촉매 원소를 사용하는 결정화법, 950℃ 정도의 고온 어닐법을 조합한 결정화법을 사용해도 된다.
또한, 도 15a에서는, 절연막(708) 위에 도전막을 형성한 후, 상기 도전막을 에칭 등에 의해 원하는 형상으로 가공함으로써, 게이트 전극(707)과 함께, 배선(711)을 형성한다.
계속해서, 포토다이오드(704), n채널형 트랜지스터(705), 배선(711)을 덮도록, 절연막(712)을 형성한다.
절연막(712)은, 단층 구조이어도 되고, 적층 구조이어도 된다. 절연막(712)은, 그 표면을 CMP법 등에 의해 평탄화시켜도 된다. 절연막(712)은, 후의 제작 공정에서의 가열 처리 온도에 견딜 수 있는 재료를 사용한다. 예를 들어, 절연막(712)의 재료로서는, 산화실리콘, 질화실리콘, 질화산화실리콘, 산화질화실리콘, 질화알루미늄, 산화알루미늄 등을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 본 명세서에 있어서 산화질화물이란, 그 조성으로서, 질소보다도 산소의 함유량이 많은 물질을 가리키고, 또한, 질화산화물이란, 그 조성으로서, 산소보다도 질소의 함유량이 많은 물질을 가리킨다.
계속해서, 절연막(712) 위에 게이트 전극(713)을 형성한다. 게이트 전극(713)은, 단층 구조로 해도 되고, 적층 구조로 해도 된다.
게이트 전극(713)은, 몰리브덴, 티타늄, 탄탈, 텅스텐, 알루미늄, 구리, 크롬, 네오디뮴, 스칸듐으로부터 선택된 원소를 포함하는 금속 재료, 또는 상술한 원소를 성분으로 하는 금속 질화물(질화티타늄, 질화몰리브덴, 질화텅스텐) 등을 사용하여 형성할 수 있다.
또한, 게이트 전극(713)은, 인듐 주석 산화물, 산화텅스텐을 포함하는 인듐 산화물, 산화텅스텐을 포함하는 인듐 아연 산화물, 산화티타늄을 포함하는 인듐 산화물, 산화티타늄을 포함하는 인듐 주석 산화물, 인듐 아연 산화물, 산화실리콘을 첨가한 인듐 주석 산화물 등의 도전성 재료를 적용할 수도 있다. 또한, 상기 도전성 재료와, 상기 금속 재료의 적층 구조로 할 수도 있다.
또한, 게이트 절연막(714)과 접하는 게이트 전극(713)의 1층으로서, 질소를 포함하는 금속 산화물막, 구체적으로는, 질소를 포함하는 In-Ga-Zn-O막이나, 질소를 포함하는 In-Sn-O막이나, 질소를 포함하는 In-Ga-O막이나, 질소를 포함하는 In-Zn-O막이나, 질소를 포함하는 Sn-O막이나, 질소를 포함하는 In-O막이나, 금속 질화막(InN, SnN 등)을 사용할 수 있다. 이들 막은 5eV(전자 볼트) 이상, 바람직하게는 5.5eV(전자 볼트) 이상의 일함수를 갖고, 게이트 전극으로서 사용한 경우, 트랜지스터의 임계값 전압을 플러스로 할 수 있어, 소위 노멀리 오프의 스위칭 소자를 실현할 수 있다.
계속해서, 게이트 전극(713) 위에 게이트 절연막(714)을 형성한 후, 게이트 절연막(714) 위에 있어서 게이트 전극(713)과 겹치는 위치에, 산화물 반도체층(715)을 형성한다(도 15b).
게이트 절연막(714)의 막 두께는, 1㎚ 이상 20㎚ 이하로 하고, 스퍼터링법, MBE법, CVD법, 펄스 레이저 퇴적법, ALD법 등을 적절히 사용할 수 있다. 또한, 게이트 절연막(714)은, 스퍼터링 타깃 표면에 대하여, 개략 수직으로 복수의 기판 표면이 세트된 상태에서 성막을 행하는 스퍼터 장치를 사용하여 성막해도 된다.
게이트 절연막(714)의 재료로서는, 산화실리콘, 산화갈륨, 산화알루미늄, 질화실리콘, 산화질화실리콘, 산화질화알루미늄, 질화산화실리콘 등을 사용할 수 있다. 게이트 절연막(714)은, 산화물 반도체층(715)과 접하는 부분에 있어서 산소를 포함하는 것이 바람직하다. 특히, 게이트 절연막(714)은, 막 중(벌크 중)에 적어도 화학 양론적 조성을 초과하는 양의 산소가 존재하는 것이 바람직하고, 예를 들어 게이트 절연막(714)으로서, 산화실리콘막을 사용하는 경우에는, SiO2+α(단,α>0)로 하는 것이 바람직하다. 본 실시 형태에서는, 게이트 절연막(714)으로서, SiO2+α(단,α>0)인 산화실리콘막을 사용한다. 이 산화실리콘막을 게이트 절연막(714)으로서 사용함으로써, 산화물 반도체층(715)에 산소를 공급할 수 있어, 특성을 양호하게 할 수 있다. 또한, 게이트 절연막(714)은, 제작하는 트랜지스터의 크기나 게이트 절연막(714)의 단차 피복성을 고려하여 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 게이트 절연막(714)의 재료로서 산화하프늄, 산화이트륨, 하프늄 실리케이트(HfSixOyx>0, y>0)), 질소가 첨가된 하프늄 실리케이트(HfSiOxNy(x>0, y>0)), 하프늄 알루미네이트(HfAlxOy(x>0, y>0)), 산화란탄 등의 high-k 재료를 사용함으로써 게이트 누설 전류를 저감할 수 있다. 또한, 게이트 절연막(714)은, 단층 구조로 해도 되고, 적층 구조로 해도 된다.
산화물 반도체층(715)은, 단층 구조로 해도 되고, 적층 구조로 해도 된다. 또한, 비정질 구조로 해도 되고, 결정성 산화물 반도체로 해도 된다. 산화물 반도체층(715)을 비정질 구조로 하는 경우에는, 후의 제작 공정에 있어서, 산화물 반도체층에 열처리를 행함으로써, 결정성 산화물 반도체층으로 해도 된다. 비정질 산화물 반도체층을 결정화시키는 열처리 온도는, 250℃ 이상 700℃ 이하, 바람직하게는 400℃ 이상, 보다 바람직하게는 500℃ 이상, 더욱 바람직하게는 550℃ 이상으로 한다. 또한, 당해 열처리는, 제작 공정에 있어서의 다른 열처리를 겸하는 것도 가능하다.
산화물 반도체는, 단결정, 다결정(폴리크리스탈), 또는 비정질(아몰퍼스) 등의 상태를 취한다.
아몰퍼스 상태의 산화물 반도체는, 평탄한 표면을 얻는 것이 비교적 용이하기 때문에, 상기 아몰퍼스 상태의 산화물 반도체를 사용한 트랜지스터는, 동작시켰을 때의 캐리어(전자)의 계면 산란을 저감할 수 있어, 높은 전계 효과 이동도를 얻는 것이 비교적 용이하다.
또한, 결정성을 갖는 산화물 반도체는, 벌크 내 결함을 보다 저감할 수 있다. 상기 결정성을 갖는 산화물 반도체는, 표면의 평탄성을 높이면, 아몰퍼스 상태의 산화물 반도체를 사용한 트랜지스터에 비해 높은 전계 효과 이동도를 얻을 수 있다. 표면의 평탄성을 높이기 위해서는, 평탄한 표면 위에 산화물 반도체를 형성하는 것이 바람직하다.
산화물 반도체막은, 예를 들어 비단결정을 가져도 된다. 비단결정은, 예를 들어 CAAC(C Axis Aligned Crystal), 다결정, 미결정, 비정질부를 갖는다. 비정질부는, 미결정, CAAC보다도 결함 준위 밀도가 높다. 또한, 미결정은 CAAC보다도 결함 준위 밀도가 높다. 또한, CAAC를 갖는 산화물 반도체를, CAAC-OS(C Axis Aligned Crystalline Oxide Semiconductor)라 칭한다.
산화물 반도체막은, 예를 들어 CAAC-OS를 가져도 된다. CAAC-OS는, 예를 들어 c축 배향하고, a축 또는/및 b축은 거시적으로 정렬되어 있지 않다.
산화물 반도체막은, 예를 들어 미결정을 가져도 된다. 또한, 미결정을 갖는 산화물 반도체를, 미결정 산화물 반도체라 칭한다. 미결정 산화물 반도체막은, 예를 들어 1㎚ 이상 10㎚ 미만의 크기의 미결정(나노 결정이라고도 함)을 막 중에 포함한다.
산화물 반도체막은, 예를 들어 비정질부를 가져도 된다. 또한, 비정질부를 갖는 산화물 반도체를, 비정질 산화물 반도체라 칭한다. 비정질 산화물 반도체막은, 예를 들어 원자 배열이 무질서하여, 결정 성분을 갖지 않다. 또는, 비정질 산화물 반도체막은, 예를 들어 완전한 비정질이며, 결정부를 갖지 않다.
또한, 산화물 반도체막이, CAAC-OS, 미결정 산화물 반도체, 비정질 산화물 반도체의 혼합막이어도 된다. 혼합막은, 예를 들어 비정질 산화물 반도체의 영역과, 미결정 산화물 반도체의 영역과, CAAC-OS의 영역을 갖는다. 또한, 혼합막은, 예를 들어 비정질 산화물 반도체의 영역과, 미결정 산화물 반도체의 영역과, CAAC-OS의 영역의 적층 구조를 가져도 된다.
또한, 산화물 반도체막은, 예를 들어 단결정을 가져도 된다.
산화물 반도체막은, 복수의 결정부를 갖고, 당해 결정부의 c축이 피형성면의 법선 벡터 또는 표면의 법선 벡터에 평행한 방향으로 정렬되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 상이한 결정부간에서, 각각 a축 및 b축의 방향이 상이해도 된다. 그와 같은 산화물 반도체막의 일례로서는 CAAC-OS막이 있다.
산화물 반도체층(715)은, CAAC-OS막인 것이 바람직하다.
CAAC-OS막에 포함되는 결정부는, 1변이 100㎚ 미만인 입방체 내에 수용되는 크기인 경우가 많다. 또한, 투과형 전자 현미경(TEM : Transmission Electron Microscope)에 의한 관찰상에서는, CAAC-OS막에 포함되는 결정부와 결정부의 경계는 명확하지 않다. 또한, TEM에 의해 CAAC-OS막에는 명확한 입계(그레인 바운더리라고도 함)는 확인할 수 없다. 그 때문에, CAAC-OS막은 입계에 기인하는 전자 이동도의 저하가 억제된다.
CAAC-OS막에 포함되는 결정부는, 예를 들어 c축이 CAAC-OS막의 피형성면의 법선 벡터 또는 표면의 법선 벡터에 평행한 방향으로 되도록 정렬되고, 또한 ab면에 수직인 방향으로부터 보아 금속 원자가 삼각 형상 또는 육각형 형상으로 배열되고, c축에 수직인 방향으로부터 보아 금속 원자가 층상 또는 금속 원자와 산소 원자가 층상으로 배열되어 있다. 또한, 상이한 결정부간에서, 각각 a축 및 b축의 방향이 상이해도 된다. 본 명세서에 있어서, 단순히 수직이라 기재하는 경우, 80° 이상 100° 이하, 바람직하게는 85° 이상 95° 이하의 범위도 포함되는 것으로 한다. 또한, 단순히 평행이라 기재하는 경우, -10° 이상 10° 이하, 바람직하게는 -5° 이상 5° 이하의 범위도 포함되는 것으로 한다.
또한, CAAC-OS막 중의 결정부의 분포가 균일하지 않아도 된다. 예를 들어, CAACOS막의 형성 과정에 있어서, 산화물 반도체막의 표면측으로부터 결정 성장시키는 경우, 피형성면의 근방에 대하여 표면의 근방에서는 결정부가 차지하는 비율이 높아지는 경우가 있다. 또한, CAAC-OS막에 불순물을 첨가함으로써, 당해 불순물 첨가 영역에서 결정부의 결정성이 저하되는 경우도 있다.
CAAC-OS막에 포함되는 결정부의 c축은, CAAC-OS막의 피형성면의 법선 벡터 또는 표면의 법선 벡터에 평행한 방향으로 되도록 정렬되기 때문에, CAAC-OS막의 형상(피형성면의 단면 형상 또는 표면의 단면 형상)에 따라서는, 서로 다른 방향을 향하는 경우가 있다. 또한, 결정부는, 성막하였을 때, 또는 성막 후에 가열 처리 등의 결정화 처리를 행하였을 때에 형성된다. 따라서, 결정부의 c축은, CAAC-OS막이 형성되었을 때의 피형성면의 법선 벡터 또는 표면의 법선 벡터에 평행한 방향으로 되도록 정렬된다.
CAAC-OS막을 사용함으로써 가시광이나 자외광의 조사에 의한 트랜지스터의 전기 특성의 변동이 저감되기 때문에, 신뢰성이 높은 트랜지스터를 얻을 수 있다.
산화물 반도체층(715)의 성막 방법은, 스퍼터링법, MBE(Molecular Beam Epitaxy)법, CVD법, 펄스 레이저 퇴적법, ALD(Atomic Layer Deposition)법 등을 적절히 사용할 수 있다. 또한, 산화물 반도체층(715)은, 스퍼터링 타깃 표면에 대하여, 개략 수직으로 복수의 기판 표면이 세트된 상태에서 성막을 행하는 스퍼터링 장치를 사용하여 성막해도 된다.
산화물 반도체층(715)을 형성할 때, 가능한 한 산화물 반도체층(715)에 포함되는 수소 농도를 저감시키는 것이 바람직하다. 수소 농도를 저감시키기 위해서는, 예를 들어 스퍼터링법을 사용하여 성막을 행하는 경우에는, 스퍼터링 장치의 성막실 내에 공급하는 분위기 가스로서, 수소, 물, 수산기 또는 수소화물 등의 불순물이 제거된 고순도의 희가스(대표적으로는 아르곤), 산소 및 희가스와 산소의 혼합 가스를 적절히 사용한다.
또한, 성막실 내의 잔류 수분을 제거하면서 수소 및 수분이 제거된 스퍼터 가스를 도입하여 성막을 행함으로써, 성막된 산화물 반도체층(715)의 수소 농도를 저감시킬 수 있다. 성막실 내의 잔류 수분을 제거하기 위해서는, 흡착형의 진공 펌프, 예를 들어 크라이오 펌프, 이온 펌프, 티타늄 서블리메이션 펌프를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 터보 분자 펌프에 콜드 트랩을 가한 것이어도 된다. 크라이오 펌프는, 예를 들어 수소 분자, 물(H2O) 등 수소 원자를 포함하는 화합물(보다 바람직하게는 탄소 원자를 포함하는 화합물도) 등의 배기 능력이 높기 때문에, 크라이오 펌프를 사용하여 배기한 성막실에서 성막한 산화물 반도체층(715)에 포함되는 불순물의 농도를 저감할 수 있다.
또한, 산화물 반도체층(715)을 스퍼터링법에 의해 성막하는 경우, 성막에 사용하는 금속 산화물 타깃의 상대 밀도(충전율)는 90％ 이상 100％ 이하, 바람직하게는 95％ 이상 99.9％ 이하로 한다. 상대 밀도가 높은 금속 산화물 타깃을 사용함으로써, 성막한 산화물 반도체층을 치밀한 막으로 할 수 있다.
또한, 기판(700)을 고온으로 유지한 상태에서 산화물 반도체층(715)을 형성하는 것도, 산화물 반도체층(715) 중에 포함될 수 있는 불순물 농도를 저감하는 데 유효하다. 기판(700)을 가열하는 온도로서는, 150℃ 이상 450℃ 이하로 하면 되고, 바람직하게는 기판 온도를 200℃ 이상 350℃ 이하로 하면 된다. 또한, 성막 시에 기판을 고온에서 가열함으로써, 결정성 산화물 반도체층을 형성할 수 있다.
산화물 반도체층(715)에 사용하는 산화물 반도체로서는, 적어도 인듐(In) 혹은 아연(Zn)을 포함하는 것이 바람직하다. 특히 In과 Zn을 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 산화물 반도체를 사용한 트랜지스터의 전기 특성의 변동을 저감시키기 위한 스테빌라이저로서, 그들 외에 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, 스테빌라이저로서 지르코늄(Zr)을 갖는 것이 바람직하다.
또한, 다른 스테빌라이저로서, 란타노이드인, 란탄(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 1종 혹은 복수종을 가져도 된다.
예를 들어, 산화물 반도체로서, 산화인듐, 산화주석, 산화아연, 2원계 금속의 산화물인 In-Zn계 산화물, Sn-Zn계 산화물, Al-Zn계 산화물, Zn-Mg계 산화물, Sn-Mg계 산화물, In-Mg계 산화물, In-Ga계 산화물, 3원계 금속의 산화물인 In-Ga-Zn계 산화물, In-Al-Zn계 산화물, In-Sn-Zn계 산화물, Sn-Ga-Zn계 산화물, Al-Ga-Zn계 산화물, Sn-Al-Zn계 산화물, In-Hf-Zn계 산화물, In-La-Zn계 산화물, In-Ce-Zn계 산화물, In-Pr-Zn계 산화물, In-Nd-Zn계 산화물, In-Sm-Zn계 산화물, In-Eu-Zn계 산화물, In-Gd-Zn계 산화물, In-Tb-Zn계 산화물, In-Dy-Zn계 산화물, In-Ho-Zn계 산화물, In-Er-Zn계 산화물, In-Tm-Zn계 산화물, In-Yb-Zn계 산화물, In-Lu-Zn계 산화물, 4원계 금속의 산화물인 In-Sn-Ga-Zn계 산화물, In-Hf-Ga-Zn계 산화물, In-Al-Ga-Zn계 산화물, In-Sn-Al-Zn계 산화물, In-Sn-Hf-Zn계 산화물, In-Hf-Al-Zn계 산화물을 사용할 수 있다.
또한, 산화물 반도체층(715)은, 성막 시에 산소가 많이 포함되는 조건(예를 들어, 산소 100％의 분위기 하에서 스퍼터링법에 의해 성막을 행하는 등)에서 성막하여, 산소를 많이 포함하는(바람직하게는 산화물 반도체가 결정 상태에 있어서의 화학 양론적 조성에 대하여, 산소의 함유량이 과잉인 영역이 포함되어 있는) 막으로 하는 것이 바람직하다.
또한 산화물 반도체층(715)을, 성막할 때에 사용하는 스퍼터링 가스는 수소, 물, 수산기 또는 수소화물 등의 불순물이 제거된 고순도 가스를 사용하는 것이 바람직하다.
산화물 반도체층(715)으로서 CAAC-OS막을 적용하는 경우, 상기 CAAC-OS막을 얻는 방법으로서는, 3가지를 들 수 있다. 첫번째는, 성막 온도를 200℃ 이상 450℃ 이하로 하여 산화물 반도체층의 성막을 행하여, 표면에 개략 수직으로 c축 배향시키는 방법이다. 두번째는, 산화물 반도체층을 얇은 막 두께로 성막한 후, 200℃ 이상 700℃ 이하의 열처리를 행하여, 표면에 개략 수직으로 c축 배향시키는 방법이다. 세번째는, 1층째의 막 두께를 얇게 성막한 후, 200℃ 이상 700℃ 이하의 열처리를 행하고, 2층째의 성막을 행하여, 표면에 개략 수직으로 c축 배향시키는 방법이다.
성막 후의 산화물 반도체막을 포토리소그래피 공정에 의해 가공하여, 섬 형상의 산화물 반도체층(715)이 형성된다. 섬 형상의 산화물 반도체층(715)으로 가공하기 위한 레지스트 마스크를 잉크젯으로 형성해도 된다. 레지스트 마스크를 잉크젯으로 형성하면 포토마스크를 사용하지 않기 때문에, 제조 비용을 저감할 수 있다.
또한, 산화물 반도체층(715)에, 당해 산화물 반도체층(715)에 포함되는 과잉 수소(물이나 수산기를 포함함)를 제거(탈수화 또는 탈수소화)하기 위한 열처리를 행하는 것이 바람직하다. 열처리 온도는, 300℃ 이상 700℃ 이하, 또는 기판의 왜곡점 미만으로 한다. 열처리는 감압 또는 질소 분위기 하 등에서 행할 수 있다.
이 열처리에 의해, n형 불순물인 수소를 산화물 반도체로부터 제거할 수 있다. 예를 들어, 탈수화 또는 탈수소화 처리 후의 산화물 반도체층(715)에 포함되는 수소 농도를, 5×1019/㎤ 이하, 바람직하게는 5×1018/㎤ 이하로 할 수 있다.
또한, 탈수화 또는 탈수소화를 위한 열처리는, 산화물 반도체층의 성막 후이면 트랜지스터(724)의 제작 공정에 있어서 어느 타이밍에서 행해도 된다. 또한, 탈수화 또는 탈수소화를 위한 열처리는, 복수회 행해도 되고, 다른 가열 처리와 겸해도 된다.
또한, 탈수화 또는 탈수소화를 위한 열처리를 산화물 반도체층(715)의 섬 형상으로의 가공 전에 행하면, 게이트 절연막(714)에 포함되는 산소가 열처리에 의해 방출되는 것을 방지할 수 있기 때문에 바람직하다.
열처리에 있어서는, 질소, 또는 헬륨, 네온, 아르곤 등의 희가스에, 물, 수소 등이 포함되지 않는 것이 바람직하다. 또는, 열처리 장치에 도입하는 질소, 또는 헬륨, 네온, 아르곤 등의 희가스의 순도를, 6N(99.9999％) 이상 바람직하게는 7N(99.99999％) 이상(즉 불순물 농도를 1ppm 이하, 바람직하게는 0.1ppm 이하)으로 하는 것이 바람직하다.
또한, 열처리에 의해 산화물 반도체층(715)을 가열한 후, 가열 온도를 유지, 또는 그 가열 온도로부터 서냉하면서 동일한 노에 고순도의 산소 가스, 고순도의 아산화질소 가스, 또는 초건조 에어(CRDS(캐비티 링 다운 레이저 분광법) 방식의 노점계를 사용하여 측정한 경우의 수분량이 20ppm(노점 환산으로 -55℃) 이하, 바람직하게는 1ppm 이하, 보다 바람직하게는 10ppb 이하의 공기)를 도입해도 된다. 산소 가스 혹은 아산화질소 가스에, 물, 수소 등이 포함되지 않는 것이 바람직하다. 또는, 열처리 장치에 도입하는 산소 가스 혹은 아산화질소 가스의 순도를, 6N 이상 바람직하게는 7N 이상(즉, 산소 가스 또는 아산화질소 가스 중의 불순물 농도를 1ppm 이하, 바람직하게는 0.1ppm 이하)으로 하는 것이 바람직하다. 산소 가스 또는 아산화질소 가스의 작용에 의해, 탈수화 또는 탈수소화 처리에 의한 불순물의 배제 공정에 의해 동시에 감소해 버린 산화물 반도체를 구성하는 주성분 재료인 산소를 공급함으로써, 산화물 반도체층(715)을 고순도화 및 i형(진성)화할 수 있다.
또한, 탈수화 또는 탈수소화 처리를 행한 산화물 반도체층(715)에, 산소(적어도, 산소 라디칼, 산소 원자, 산소 이온 중 어느 것을 포함함)를 도입하여 막 중에 산소를 공급해도 된다. 이 공정에 의해, 산화물 반도체층(715)을 고순도화 및 i형(진성)화할 수 있다. 고순도화하고, i형(진성)화한 산화물 반도체층(715)을 갖는 트랜지스터는, 전기 특성 변동이 억제되어 있어, 전기적으로 안정적이다.
산소는, 산화물 반도체층(715)에 직접 도입해도 되고, 후에 형성되는 절연막(722) 등의 다른 막을 통과하여 산화물 반도체층(715)에 도입해도 된다. 산소를 다른 막을 통과하여 도입하는 경우에는, 이온 주입법, 이온 도핑법, 플라즈마 이머젼 이온 임플란테이션법 등을 사용하면 되지만, 노출된 산화물 반도체층(715)에 직접 산소를 도입하는 경우에는, 상기의 방법 외에 플라즈마 처리 등도 사용할 수 있다.
산화물 반도체층(715)에의 산소의 도입은, 탈수화 또는 탈수소화 처리를 행한 후이면 되고, 특별히 한정되지 않는다. 또한, 상기 탈수화 또는 탈수소화 처리를 행한 산화물 반도체층(715)에의 산소의 도입은 복수회 행해도 된다.
이어서, 절연막(708), 절연막(712), 게이트 절연막(714)을 부분적으로 에칭함으로써, 섬 형상의 반도체막(702), 섬 형상의 반도체막(703), 배선(711)에 도달하는 콘택트 홀을 형성한다. 그리고, 산화물 반도체층(715)을 덮도록, 스퍼터법이나 진공 증착법에 의해 도전막을 형성한 후, 에칭 등에 의해 상기 도전막을 패터닝함으로써, 소스 전극, 드레인 전극, 또는 배선으로서 기능하는 도전막(716), 도전막(717), 도전막(718), 도전막(719), 도전막(720), 도전막(721)을 형성한다(도 15c).
또한, 도전막(716) 및 도전막(717)은, 섬 형상의 반도체막(702)에 접하고 있다. 도전막(718) 및 도전막(719)은, 섬 형상의 반도체막(703)에 접하고 있다. 도전막(720)은, 배선(711) 및 산화물 반도체층(715)에 접하고 있다. 도전막(721)은, 산화물 반도체층(715)에 접하고 있다.
도전막(716), 도전막(717), 도전막(718), 도전막(719), 도전막(720), 도전막(721)으로 되는 도전막의 재료로서는, 알루미늄, 크롬, 구리, 탄탈, 티타늄, 몰리브덴, 텅스텐으로부터 선택된 원소, 상술한 원소를 성분으로 하는 합금, 또는 상술한 원소를 조합한 합금 등을 들 수 있다. 또한, 알루미늄, 구리 등의 금속막의 하측 혹은 상측에 크롬, 탄탈, 티타늄, 몰리브덴, 텅스텐 등의 고융점 금속막을 적층시킨 구성으로 해도 된다. 또한, 알루미늄 또는 구리는, 내열성이나 부식성의 문제를 피하기 위해서, 고융점 금속 재료와 조합하여 사용하면 된다. 고융점 금속 재료로서는, 몰리브덴, 티타늄, 크롬, 탄탈, 텅스텐, 네오디뮴, 스칸듐, 이트륨 등을 사용할 수 있다.
또한, 도전막(716), 도전막(717), 도전막(718), 도전막(719), 도전막(720), 도전막(721)은, 단층 구조이어도, 2층 이상의 적층 구조로 해도 된다. 예를 들어, 실리콘을 포함하는 알루미늄막의 단층 구조, 알루미늄막 위에 티타늄막을 적층하는 2층 구조, 티타늄막과, 그 티타늄막 위에 겹쳐서 알루미늄막을 적층하고, 또한 그 위에 티타늄막을 성막하는 3층 구조 등을 들 수 있다.
또한, 도전막(716), 도전막(717), 도전막(718), 도전막(719), 도전막(720), 도전막(721)으로 되는 도전막으로서는, 도전성의 금속 산화물로 형성해도 된다. 도전성의 금속 산화물로서는 산화인듐, 산화주석, 산화아연, 인듐 주석 산화물, 인듐 아연 산화물 또는 상기 금속 산화물 재료에 실리콘 혹은 산화실리콘을 포함시킨 것을 사용할 수 있다.
도전막 형성 후에 가열 처리를 행하는 경우에는, 상기 가열 처리에 견디는 내열성을 도전막에 갖게 하는 것이 바람직하다.
또한, 도전막의 에칭 시에, 산화물 반도체층(715)이 가능한 한 제거되지 않도록 각각의 재료 및 에칭 조건을 적절히 조절한다. 에칭 조건에 따라서는, 섬 형상의 산화물 반도체층(715)이 노출된 부분이 일부 에칭됨으로써, 홈부(오목부)가 형성되는 경우도 있다.
또한, 포토리소그래피 공정에서 사용하는 포토마스크수 및 공정수를 삭감하기 위해서, 투과한 광에 다단계의 강도를 갖게 하는 다계조 마스크에 의해 형성된 레지스트 마스크를 사용하여 에칭 공정을 행해도 된다. 다계조 마스크를 사용하여 형성한 레지스트 마스크는 복수의 막 두께를 갖는 형상으로 되고, 에칭을 행함으로써 형상을 더 변형할 수 있기 때문에, 상이한 패턴으로 가공하는 복수의 에칭 공정에 사용할 수 있다. 따라서, 1매의 다계조 마스크에 의해, 적어도 2종류 이상의 상이한 패턴에 대응하는 레지스트 마스크를 형성할 수 있다. 따라서 노광 마스크수를 삭감할 수 있고, 대응하는 포토리소그래피 공정도 삭감할 수 있기 때문에, 공정의 간략화가 가능하게 된다.
그 후, N2O, N2, 또는 Ar 등의 가스를 사용한 플라즈마 처리를 행하는 것이 바람직하다. 이 플라즈마 처리에 의해 노출되어 있는 산화물 반도체층(715)의 표면에 부착된 물 등을 제거한다. 또한, 산소와 아르곤의 혼합 가스를 사용하여 플라즈마 처리를 행해도 된다.
이어서, 도 15c에 도시한 바와 같이, 도전막(716), 도전막(717), 도전막(718), 도전막(719), 도전막(720) 및 도전막(721)과, 산화물 반도체층(715)을 덮도록, 절연막(722)을 형성한다. 절연막(722)은, 수분이나, 수소 등의 불순물을 최대한 포함하지 않는 것이 바람직하다. 절연막(722)에 수소가 포함되면, 그 수소가 산화물 반도체층에 침입하거나, 또는 수소가 산화물 반도체층 중의 산소를 추출하여, 산화물 반도체층의 백 채널부가 저저항화(n형화)되어 버려, 기생 채널이 형성될 우려가 있다. 따라서, 절연막(722)은 가능한 한 수소를 포함하지 않는 막으로 되도록, 성막 방법에 수소를 사용하지 않는 것이 중요하다.
절연막(722)은, 플라즈마 CVD법, 스퍼터링법, 또는 증착법 등에 의해 성막할 수 있다. 특히, 스퍼터링법 등, 절연막(722)에 물, 수소 등의 불순물을 혼입시키지 않는 방법을 적절히 사용하여 형성하는 것이 바람직하다.
절연막(722)의 재료로서는, 산화실리콘, 산화갈륨, 산화알루미늄, 질화실리콘, 산화질화실리콘, 산화질화알루미늄, 질화산화실리콘, 산화하프늄, 산화마그네슘, 산화지르코늄, 산화란탄, 산화바륨 등을 사용할 수 있다.
절연막(722)은, 단층이어도 적층이어도 되고, 예를 들어 산화실리콘막 및 산화알루미늄막의 적층을 사용할 수 있다. 산화알루미늄막은, 수소, 수분 등의 불순물 및 산소의 양쪽에 대하여 막을 통과시키지 않는 차단 효과(블록 효과)가 높아, 제작 공정 중 및 제작 후에 있어서, 변동 요인으로 되는 수소, 수분 등의 불순물의 산화물 반도체층(715)에의 혼입, 및 산화물 반도체를 구성하는 주성분 재료인 산소의 산화물 반도체층(715)으로부터의 방출을 방지하는 보호막으로서 기능하기 때문에 바람직하게 적용할 수 있다.
절연막(722)은, 산화물 반도체층(715)과 접하는 부분에 있어서 산소를 포함하는 것이 바람직하다. 특히, 절연막(722)은, 막 중(벌크 중)에 적어도 화학 양론적 조성을 초과하는 양의 산소가 존재하는 것이 바람직하고, 예를 들어 절연막(722)으로서, 산화실리콘막을 사용하는 경우에는, SiO2+α(단,α>0)로 하는 것이 바람직하다. 이 산화실리콘막을 절연막(722)으로서 사용함으로써, 산화물 반도체층(715)에 산소를 공급할 수 있어, 특성을 양호하게 할 수 있다.
또한, 절연막(722)을 적층 구조로 하는 경우, 산화물 반도체층(715)과 접하는 산화물 절연막과, 산화물 절연막과 접하는 배리어성이 높은 절연막의 적층 구조가 바람직하다. 예를 들어, 배리어성이 높은 절연막으로서, 질화실리콘막, 질화산화실리콘막, 질화알루미늄막, 또는 질화산화알루미늄막 등을 사용할 수 있다. 배리어성이 높은 절연막을 사용함으로써, 산화물 반도체층(715) 내, 게이트 절연막(714) 내, 혹은, 산화물 반도체층(715)과 다른 절연막의 계면과 그 근방에, 수분 또는 수소 등의 불순물이 인입되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 절연막(722)을 형성한 후에, 가열 처리를 실시해도 된다. 가열 처리는, 질소, 초건조 공기, 또는 희가스(아르곤, 헬륨 등)의 분위기 하에서, 바람직하게는 200℃ 이상 400℃ 이하, 예를 들어 250℃ 이상 350℃ 이하에서 행한다. 상기 가스는, 물의 함유량이 20ppm 이하, 바람직하게는 1ppm 이하, 보다 바람직하게는 10ppb 이하인 것이 바람직하다. 본 실시 형태에서는, 예를 들어 질소 분위기 하에서 250℃, 1시간의 가열 처리를 행한다. 혹은, 수분 또는 수소를 저감시키기 위해서 산화물 반도체층에 대하여 행한 앞의 가열 처리와 마찬가지로, 고온 단시간의 RTA 처리를 행해도 된다. 산소를 포함하는 절연막(722)이 형성된 후에, 가열 처리가 실시됨으로써, 산화물 반도체층에 대하여 행한 앞의 가열 처리에 의해, 산화물 반도체층(715)에 산소 결손이 발생하였다고 해도, 절연막(722)으로부터 산화물 반도체층(715)에 산소가 제공된다. 그리고, 산화물 반도체층(715)에 산소가 제공됨으로써, 산화물 반도체층(715)에 있어서, 도너로 되는 산소 결손을 저감하는 것이 가능하다. 그 결과, 산화물 반도체층(715)을 i형에 가깝게 할 수 있어, 산소 결손에 의한 트랜지스터의 전기 특성의 변동을 경감하여, 전기 특성의 향상을 실현할 수 있다. 이 가열 처리를 행하는 타이밍은, 절연막(722)의 형성 후이면 특별히 한정되지 않고, 다른 공정, 예를 들어 수지막 형성 시의 가열 처리나, 투명 도전막을 저저항화시키기 위한 가열 처리와 겸함으로써, 공정수를 증가시키지 않고, 산화물 반도체층(715)을 i형에 가깝게 할 수 있다.
또한, 산소 분위기 하에서 산화물 반도체층(715)에 가열 처리를 실시함으로써, 산화물 반도체에 산소를 첨가하여, 산화물 반도체층(715) 중에 있어서 도너로 되는 산소 결손을 저감시켜도 된다. 가열 처리 온도는, 예를 들어 100℃ 이상 350℃ 미만, 바람직하게는 150℃ 이상 250℃ 미만에서 행한다. 상기 산소 분위기 하의 가열 처리에 사용되는 산소 가스에는, 물, 수소 등이 포함되지 않는 것이 바람직하다. 또는, 가열 처리 장치에 도입하는 산소 가스의 순도를, 6N(99.9999％) 이상, 바람직하게는 7N(99.99999％) 이상(즉 산소 중의 불순물 농도를 1ppm 이하, 바람직하게는 0.1ppm 이하)으로 하는 것이 바람직하다.
혹은, 이온 주입법 또는 이온 도핑법 등을 사용하여, 산화물 반도체층(715)에 산소를 첨가함으로써, 도너로 되는 산소 결손을 저감시켜도 된다. 예를 들어, 2.45㎓의 마이크로파로 플라즈마화한 산소를 산화물 반도체층(715)에 첨가하면 된다.
또한, 절연막(722) 위에 도전막을 형성한 후, 상기 도전막을 패터닝함으로써, 산화물 반도체층(715)과 겹치는 위치에 백 게이트 전극을 형성해도 된다. 백 게이트 전극을 형성한 경우는, 백 게이트 전극을 덮도록 절연막을 형성하는 것이 바람직하다. 백 게이트 전극은, 게이트 전극(713), 혹은 도전막(716), 도전막(717), 도전막(718), 도전막(719), 도전막(720), 도전막(721)과 마찬가지의 재료, 구조를 사용하여 형성하는 것이 가능하다.
백 게이트 전극의 막 두께는, 10㎚ 내지 400㎚, 바람직하게는 100㎚ 내지 200㎚로 한다. 예를 들어, 티타늄막, 알루미늄막, 티타늄막이 적층된 구조를 갖는 도전막을 형성한 후, 포토리소그래피법 등에 의해 레지스트 마스크를 형성하고, 에칭에 의해 불필요한 부분을 제거하여, 상기 도전막을 원하는 형상으로 가공(패터닝)함으로써, 백 게이트 전극을 형성하면 된다.
이상의 공정에 의해, 트랜지스터(724)가 형성된다.
트랜지스터(724)는, 게이트 전극(713)과, 게이트 전극(713) 위의 게이트 절연막(714)과, 게이트 절연막(714) 위에서 게이트 전극(713)과 겹치는 산화물 반도체층(715)과, 산화물 반도체층(715) 위에 형성된 한 쌍의 도전막(720) 및 도전막(721)을 갖는다. 또한, 트랜지스터(724)는, 절연막(722)을, 그 구성 요소에 포함시켜도 된다. 도 15c에 도시하는 트랜지스터(724)는, 도전막(720)과 도전막(721) 사이에 있어서, 산화물 반도체층(715)의 일부가 에칭된 채널 에치 구조이다.
또한, 트랜지스터(724)는 싱글 게이트 구조의 트랜지스터를 사용하여 설명하였지만, 필요에 따라서, 전기적으로 접속되는 복수의 게이트 전극(713)을 가짐으로써, 채널 형성 영역을 복수 갖는 멀티 게이트 구조의 트랜지스터도 형성할 수 있다.
본 실시 형태는, 상기 실시 형태와 조합하여 실시하는 것이 가능하다.
(실시 형태 9)
본 실시 형태에서는, 실시 형태 8과는 상이한 구조를 갖는 산화물 반도체층에 채널이 형성되는 트랜지스터에 대하여 도 16a 내지 도 16d를 사용하여 설명한다.
또한, 도 16a 내지 도 16d에 도시하는 포토 센서가 구비하는 포토다이오드(704) 및 n채널형 트랜지스터(705)는, 실시 형태 8과 마찬가지의 구성이기 때문에, 설명을 생략한다.
도 16a에 도시하는 트랜지스터(724a)는, 채널 보호막을 갖는 보텀 게이트형의 트랜지스터이다.
트랜지스터(724a)는, 절연막(712) 위에 형성된 게이트 전극(730)과, 게이트 전극(730) 위의 게이트 절연막(731)과, 게이트 절연막(731) 위에 있어서 게이트 전극(730)과 겹치는 산화물 반도체층(732)과, 게이트 전극(730)과 겹치는 위치에 있어서 산화물 반도체층(732) 위에 형성된 채널 보호막(733)과, 산화물 반도체층(732) 위에 형성된 도전막(734) 및 도전막(735)을 갖는다. 트랜지스터(724a)는, 도전막(734), 도전막(735) 및 채널 보호막(733) 위에 형성된 절연막(736)을, 구성 요소에 포함시켜도 된다.
채널 보호막(733)을 형성함으로써, 산화물 반도체층(732)의 채널 형성 영역으로 되는 부분에 대한, 후속 공정에 있어서의, 에칭 시의 플라즈마나 에칭제에 의한 막 감소 등의 데미지를 방지할 수 있다. 따라서 트랜지스터(724a)의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
채널 보호막(733)에는, 산소를 포함하는 무기 재료(산화실리콘, 질화산화실리콘, 산화질화실리콘, 산화알루미늄, 또는 산화질화알루미늄 등)를 사용할 수 있다. 채널 보호막(733)은, 플라즈마 CVD법이나 열 CVD법 등의 기상 성장법이나 스퍼터링법을 사용하여 형성할 수 있다. 채널 보호막(733)은 성막 후에 에칭에 의해 형상을 가공한다. 여기서는, 스퍼터법에 의해 산화실리콘막을 형성하고, 포토리소그래피에 의한 마스크를 사용하여 에칭 가공함으로써 채널 보호막(733)을 형성한다.
산소를 포함하는 무기 재료를 채널 보호막(733)에 사용함으로써, 수분 또는 수소를 저감시키기 위한 가열 처리에 의해 산화물 반도체층(732) 중에 산소 결손이 발생하였다고 해도, 산화물 반도체층(732)에 채널 보호막(733)으로부터 산소를 공급하여, 도너로 되는 산소 결손을 저감하는 것이 가능하다. 따라서, 채널 형성 영역을 i형에 가깝게 할 수 있어, 산소 결손에 의한 트랜지스터(724a)의 전기 특성의 변동을 경감하여, 전기 특성의 향상을 실현할 수 있다.
도 16b에 도시하는 트랜지스터(724b)는 보텀 콘택트형의 트랜지스터이다.
트랜지스터(724b)는, 절연막(712) 위에 형성된 게이트 전극(741)과, 게이트 전극(741) 위의 게이트 절연막(742)과, 게이트 절연막(742) 위의 도전막(743) 및 도전막(744)과, 게이트 절연막(742)을 사이에 두고 게이트 전극(741)과 겹치는 산화물 반도체층(745)을 갖는다. 트랜지스터(724b)는, 산화물 반도체층(745) 위에 형성된 절연막(746)을, 구성 요소에 포함해도 된다.
또한, 트랜지스터(724a)나 트랜지스터(724b)는 백 게이트 전극을 갖고 있어도 된다.
도 16c에 도시하는 트랜지스터(724c)는 톱 콘택트형의 트랜지스터이다.
트랜지스터(724c)는, 절연막(712) 위에 형성된 산화물 반도체층(755)과, 산화물 반도체층(755) 위의 도전막(753) 및 도전막(754)과, 산화물 반도체층(755), 도전막(753) 및 도전막(754) 위의 게이트 절연막(752)과, 게이트 절연막(752)을 사이에 두고 산화물 반도체층(755)과 겹치는 게이트 전극(751)을 갖는다. 트랜지스터(724c)는, 게이트 전극(751) 위에 형성된 절연막(756)을, 구성 요소에 포함해도 된다.
도 16d에 도시하는 트랜지스터(724d)는 톱 콘택트형의 트랜지스터이다.
트랜지스터(724d)는, 절연막(712) 위에 형성된 도전막(763) 및 도전막(764)과, 도전막(763) 및 도전막(764) 위의 산화물 반도체층(765)과, 산화물 반도체층(765), 도전막(763) 및 도전막(764) 위의 게이트 절연막(762)과, 게이트 절연막(762)을 사이에 두고 산화물 반도체층(765)과 겹치는 게이트 전극(761)을 갖는다. 트랜지스터(724d)는, 게이트 전극(761) 위에 형성된 절연막(766)을, 구성 요소에 포함시켜도 된다.
본 실시 형태는 상기 실시 형태와 조합하여 실시하는 것이 가능하다.
FD : 전하 유지 노드
FD_1 : 전하 유지 노드
FD_2 : 전하 유지 노드
FD_A : 전하 유지 노드
FD_B : 전하 유지 노드
PR : 리셋 신호선
PR_1 : 리셋 신호선
PR_2 : 리셋 신호선
PR_A : 리셋 신호선
PR_B : 리셋 신호선
RD : 고정 전원선
RO : 포토 센서 출력 신호선
RO_1 : 포토 센서 출력 신호선
RO_2 : 포토 센서 출력 신호선
RO_A : 포토 센서 출력 신호선
RO_B : 포토 센서 출력 신호선
S0 내지 S3 : 검출 신호의 전압
SE : 선택 신호선
SE_1 : 선택 신호선
SE_2 : 선택 신호선
SE_A : 선택 신호선
SE_B : 선택 신호선
T1 내지 T27 : 시각
TX : 축적 신호선
TX_1 : 축적 신호선
TX_2 : 축적 신호선
TX_A : 축적 신호선
TX_B : 축적 신호선
VH : 전원선
VR : 리셋 전원선
VS : 포토 센서 기준 신호선
10 : 거리 측정 시스템
20 : 거리 측정 장치
30 : 포토 센서
40 : 판독 회로
50 : 처리부
100 : 포토 센서
100_1 : 제1 포토 센서
100_2 : 제2 포토 센서
100A : 제1 포토 센서
100B : 제2 포토 센서
102 : 포토다이오드
102_1 : 포토다이오드
102_2 : 포토다이오드
102A : 포토다이오드
102B : 포토다이오드
103 : 트랜지스터
103_1 : 트랜지스터
103_2 : 트랜지스터
103A : 트랜지스터
103B : 트랜지스터
104 : 트랜지스터
104_1 : 트랜지스터
104_2 : 트랜지스터
104A : 트랜지스터
104B : 트랜지스터
105 : 트랜지스터
105_1 : 트랜지스터
105_2 : 트랜지스터
105A : 트랜지스터
105B : 트랜지스터
106 : 트랜지스터
107 : 노드
107_1 : 노드
107_2 : 노드
107A : 노드
109 : 트랜지스터
109_1 : 트랜지스터
109_2 : 트랜지스터
109A : 트랜지스터
120 : 판독 회로
122 : 트랜지스터
124 : 전원 공급 배선
130 : 포토 센서
151 : 조사광
152 : 반사광
210 : 도전막
211 : 도전막
212 : 도전막
213 : 도전막
214 : 도전막
215 : 반도체막
216 : 반도체막
217 : 반도체막
218 : 도전막
219 : 도전막
220 : 도전막
221 : 도전막
222 : 도전막
223 : 도전막
224 : 도전막
225 : 도전막
226 : 도전막
227 : 도전막
228 : 게이트 절연막
229 : 도전막
237 : 도전막
238 : 도전막
239 : 도전막
250 : 활성층
251 : 기판
281 : 절연막
282 : 절연막
300 : 투광성 기판
303 : p형 반도체 영역
304 : i형 반도체 영역
305 : n형 반도체 영역
306 : i형 반도체 영역
307 : n형 반도체 영역
308 : i형 반도체 영역
309 : n형 반도체 영역
310 : 절연층
311 : 게이트 전극
312 : 게이트 전극
313 : 절연층
314 : 도전층
315 : 도전층
316 : 도전층
317 : 도전층
318 : p형 반도체 영역
319 : i형 반도체 영역
320 : n형 반도체 영역
321 : 절연층
322 : 도전층
323 : n형 반도체 영역
324 : 도전층
331 : 차광층
332 : 바탕막
700 : 기판
701 : 절연막
702 : 반도체막
703 : 반도체막
704 : 포토다이오드
705 : n채널형 트랜지스터
707 : 게이트 전극
708 : 절연막
711 : 배선
712 : 절연막
713 : 게이트 전극
714 : 게이트 절연막
715 : 산화물 반도체층
716 : 도전막
717 : 도전막
718 : 도전막
719 : 도전막
720 : 도전막
721 : 도전막
722 : 절연막
724 : 트랜지스터
724a : 트랜지스터
724b : 트랜지스터
724c : 트랜지스터
724d : 트랜지스터
727 : 영역
728 : 영역
729 : 영역
730 : 게이트 전극
731 : 게이트 절연막
732 : 산화물 반도체층
733 : 채널 보호막
734 : 도전막
735 : 도전막
736 : 절연막
741 : 게이트 전극
742 : 게이트 절연막
743 : 도전막
744 : 도전막
745 : 산화물 반도체층
746 : 절연막
751 : 게이트 전극
752 : 게이트 절연막
753 : 도전막
754 : 도전막
755 : 산화물 반도체층
756 : 절연막
761 : 게이트 전극
762 : 게이트 절연막
763 : 도전막
764 : 도전막
765 : 산화물 반도체층
766 : 절연막
1001 : 포토 센서
FD_1 : 전하 유지 노드
FD_2 : 전하 유지 노드
FD_A : 전하 유지 노드
FD_B : 전하 유지 노드
PR : 리셋 신호선
PR_1 : 리셋 신호선
PR_2 : 리셋 신호선
PR_A : 리셋 신호선
PR_B : 리셋 신호선
RD : 고정 전원선
RO : 포토 센서 출력 신호선
RO_1 : 포토 센서 출력 신호선
RO_2 : 포토 센서 출력 신호선
RO_A : 포토 센서 출력 신호선
RO_B : 포토 센서 출력 신호선
S0 내지 S3 : 검출 신호의 전압
SE : 선택 신호선
SE_1 : 선택 신호선
SE_2 : 선택 신호선
SE_A : 선택 신호선
SE_B : 선택 신호선
T1 내지 T27 : 시각
TX : 축적 신호선
TX_1 : 축적 신호선
TX_2 : 축적 신호선
TX_A : 축적 신호선
TX_B : 축적 신호선
VH : 전원선
VR : 리셋 전원선
VS : 포토 센서 기준 신호선
10 : 거리 측정 시스템
20 : 거리 측정 장치
30 : 포토 센서
40 : 판독 회로
50 : 처리부
100 : 포토 센서
100_1 : 제1 포토 센서
100_2 : 제2 포토 센서
100A : 제1 포토 센서
100B : 제2 포토 센서
102 : 포토다이오드
102_1 : 포토다이오드
102_2 : 포토다이오드
102A : 포토다이오드
102B : 포토다이오드
103 : 트랜지스터
103_1 : 트랜지스터
103_2 : 트랜지스터
103A : 트랜지스터
103B : 트랜지스터
104 : 트랜지스터
104_1 : 트랜지스터
104_2 : 트랜지스터
104A : 트랜지스터
104B : 트랜지스터
105 : 트랜지스터
105_1 : 트랜지스터
105_2 : 트랜지스터
105A : 트랜지스터
105B : 트랜지스터
106 : 트랜지스터
107 : 노드
107_1 : 노드
107_2 : 노드
107A : 노드
109 : 트랜지스터
109_1 : 트랜지스터
109_2 : 트랜지스터
109A : 트랜지스터
120 : 판독 회로
122 : 트랜지스터
124 : 전원 공급 배선
130 : 포토 센서
151 : 조사광
152 : 반사광
210 : 도전막
211 : 도전막
212 : 도전막
213 : 도전막
214 : 도전막
215 : 반도체막
216 : 반도체막
217 : 반도체막
218 : 도전막
219 : 도전막
220 : 도전막
221 : 도전막
222 : 도전막
223 : 도전막
224 : 도전막
225 : 도전막
226 : 도전막
227 : 도전막
228 : 게이트 절연막
229 : 도전막
237 : 도전막
238 : 도전막
239 : 도전막
250 : 활성층
251 : 기판
281 : 절연막
282 : 절연막
300 : 투광성 기판
303 : p형 반도체 영역
304 : i형 반도체 영역
305 : n형 반도체 영역
306 : i형 반도체 영역
307 : n형 반도체 영역
308 : i형 반도체 영역
309 : n형 반도체 영역
310 : 절연층
311 : 게이트 전극
312 : 게이트 전극
313 : 절연층
314 : 도전층
315 : 도전층
316 : 도전층
317 : 도전층
318 : p형 반도체 영역
319 : i형 반도체 영역
320 : n형 반도체 영역
321 : 절연층
322 : 도전층
323 : n형 반도체 영역
324 : 도전층
331 : 차광층
332 : 바탕막
700 : 기판
701 : 절연막
702 : 반도체막
703 : 반도체막
704 : 포토다이오드
705 : n채널형 트랜지스터
707 : 게이트 전극
708 : 절연막
711 : 배선
712 : 절연막
713 : 게이트 전극
714 : 게이트 절연막
715 : 산화물 반도체층
716 : 도전막
717 : 도전막
718 : 도전막
719 : 도전막
720 : 도전막
721 : 도전막
722 : 절연막
724 : 트랜지스터
724a : 트랜지스터
724b : 트랜지스터
724c : 트랜지스터
724d : 트랜지스터
727 : 영역
728 : 영역
729 : 영역
730 : 게이트 전극
731 : 게이트 절연막
732 : 산화물 반도체층
733 : 채널 보호막
734 : 도전막
735 : 도전막
736 : 절연막
741 : 게이트 전극
742 : 게이트 절연막
743 : 도전막
744 : 도전막
745 : 산화물 반도체층
746 : 절연막
751 : 게이트 전극
752 : 게이트 절연막
753 : 도전막
754 : 도전막
755 : 산화물 반도체층
756 : 절연막
761 : 게이트 전극
762 : 게이트 절연막
763 : 도전막
764 : 도전막
765 : 산화물 반도체층
766 : 절연막
1001 : 포토 센서
Claims (5)
- 거리 측정 장치로서,
광원과,
포토다이오드, 스위칭 소자인 제1 트랜지스터 및 증폭 소자인 제2 트랜지스터를 포함하는 포토 센서를 포함하고,
상기 제2 트랜지스터의 게이트 전극은, 상기 제1 트랜지스터의 소스 전극 및 드레인 전극을 통하여 상기 포토다이오드와 접속됨과 함께, 유지 용량과 전기적으로 접속되고,
상기 광원은 피검출물에 대하여 일정 시간 T의 광조사를 행하고,
상기 포토다이오드는 상기 광원으로부터 조사된 광이 상기 피검출물에 의해 반사됨으로써 발생하는 반사광을 검출하고,
상기 포토 센서가 상기 광원과 상기 피검출물 사이의 거리 x에 따른 신호를 출력하는, 거리 측정 장치. - 거리 측정 장치로서,
광원과,
포토다이오드, 스위칭 소자인 제1 트랜지스터 및 증폭 소자인 제2 트랜지스터를 포함하는 포토 센서를 포함하고,
상기 제2 트랜지스터의 게이트 전극은, 상기 제1 트랜지스터의 소스 전극 및 드레인 전극을 통하여 상기 포토다이오드와 접속됨과 함께, 유지 용량과 전기적으로 접속되고,
상기 광원은 피검출물에 대하여 일정 시간 T의 광조사를 n(n은 2 이상의 자연수)회 행하고,
상기 포토다이오드는 상기 광원으로부터 조사된 광이 상기 피검출물에 의해 반사됨으로써 발생하는 반사광을 검출하고,
상기 포토 센서가 상기 광원과 상기 피검출물 사이의 거리 x에 따른 신호를 출력하는, 거리 측정 장치. - 거리 측정 장치로서,
광원과,
포토다이오드, 스위칭 소자인 제1 트랜지스터, 증폭 소자인 제2 트랜지스터, 제3 트랜지스터, 및 제4 트랜지스터를 포함하는 포토 센서를 포함하고,
상기 제2 트랜지스터의 게이트 전극은, 상기 제1 트랜지스터의 소스 전극 및 드레인 전극을 통하여 상기 포토다이오드와 접속됨과 함께, 유지 용량과 전기적으로 접속되고,
상기 제3 트랜지스터의 소스 전극 또는 드레인 전극의 한쪽은 상기 제1 트랜지스터의 소스 전극 또는 드레인 전극의 한쪽과 전기적으로 접속되고,
상기 제4 트랜지스터의 소스 전극 또는 드레인 전극의 한쪽은 상기 제1 트랜지스터의 소스 전극 또는 드레인 전극의 다른 쪽과 전기적으로 접속되고,
상기 광원은 피검출물에 대하여 일정 시간 T의 광조사를 행하고,
상기 포토다이오드는 상기 광원으로부터 조사된 광이 상기 피검출물에 의해 반사됨으로써 발생하는 반사광을 검출하고,
상기 포토 센서가 상기 광원과 상기 피검출물 사이의 거리 x에 따른 신호를 출력하는, 거리 측정 장치. - 거리 측정 장치로서,
광원과,
포토다이오드, 스위칭 소자인 제1 트랜지스터, 증폭 소자인 제2 트랜지스터, 제3 트랜지스터, 및 제4 트랜지스터를 포함하는 포토 센서를 포함하고,
상기 제2 트랜지스터의 게이트 전극은, 상기 제1 트랜지스터의 소스 전극 및 드레인 전극을 통하여 상기 포토다이오드와 접속됨과 함께, 유지 용량과 전기적으로 접속되고,
상기 제3 트랜지스터의 소스 전극 또는 드레인 전극의 한쪽은 상기 제1 트랜지스터의 소스 전극 또는 드레인 전극의 한쪽과 전기적으로 접속되고,
상기 제4 트랜지스터의 소스 전극 또는 드레인 전극의 한쪽은 상기 제1 트랜지스터의 소스 전극 또는 드레인 전극의 다른 쪽과 전기적으로 접속되고,
상기 광원은 피검출물에 대하여 일정 시간 T의 광조사를 n(n은 2 이상의 자연수)회 행하고,
상기 포토다이오드는 상기 광원으로부터 조사된 광이 상기 피검출물에 의해 반사됨으로써 발생하는 반사광을 검출하고,
상기 포토 센서가 상기 광원과 상기 피검출물 사이의 거리 x에 따른 신호를 출력하는, 거리 측정 장치. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 트랜지스터의 반도체층이 산화물 반도체를 포함하는, 거리 측정 장치.
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