KR20210029254A - 촬상 장치의 동작 방법 - Google Patents

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KR20210029254A
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potential
imaging device
pixel
wiring
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KR1020217003993A
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카즈노리 와타나베
스스무 카와시마
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가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 켄큐쇼
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Abstract

미세화된 화소를 갖는 촬상 장치를 제공한다. 화소에는 광전 변환 소자와, 제 1 트랜지스터 및 제 2 트랜지스터와, 용량 소자가 제공된다. 광전 변환 소자의 한쪽 전극은 제 1 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 한쪽에 전기적으로 접속되고, 제 1 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 제 2 트랜지스터의 게이트에 전기적으로 접속되고, 제 2 트랜지스터의 게이트는 용량 소자의 한쪽 전극에 전기적으로 접속되어 있다. 제 1 기간에 용량 소자의 다른 쪽 전극에 제 1 전위를 공급하며 제 1 트랜지스터를 온 상태로 함으로써, 광전 변환 소자에 조사된 광의 조도에 대응하는 촬상 데이터를 화소에 기록한다. 또한 제 2 기간에 용량 소자의 다른 쪽 전극에 제 2 전위를 공급함으로써, 촬상 데이터를 화소로부터 판독한다.

Description

촬상 장치의 동작 방법
본 발명의 일 형태는 촬상 장치 및 그 동작 방법에 관한 것이다.
또한 본 발명의 일 형태는 상기 기술분야에 한정되지 않는다. 본 명세서 등에서 개시(開示)하는 발명의 일 형태의 기술분야는 물건, 방법, 또는 제조 방법에 관한 것이다. 또는 본 발명의 일 형태는 공정(process), 기계(machine), 제품(manufacture), 또는 조성물(composition of matter)에 관한 것이다. 따라서 더 구체적으로 본 명세서에서 개시하는 본 발명의 일 형태의 기술분야로서는 반도체 장치, 표시 장치, 액정 표시 장치, 발광 장치, 조명 장치, 축전 장치, 기억 장치, 촬상 장치, 이들의 구동 방법, 또는 이들의 제조 방법을 일례로서 들 수 있다.
또한 본 명세서 등에서 반도체 장치란, 반도체 특성을 이용함으로써 기능할 수 있는 장치 전반을 가리킨다. 트랜지스터, 반도체 회로는 반도체 장치의 일 형태이다. 또한 기억 장치, 표시 장치, 촬상 장치, 전자 기기는 반도체 장치를 갖는 경우가 있다.
기판 위에 형성된 산화물 반도체 박막을 사용하여 트랜지스터를 구성하는 기술이 주목받고 있다. 예를 들어 오프 전류가 매우 낮은 트랜지스터인, 산화물 반도체를 갖는 트랜지스터를 화소 회로에 사용하는 구성의 촬상 장치가 특허문헌 1에 개시되어 있다.
또한 화소가 미세화된 촬상 장치가 특허문헌 2에 개시되어 있다.
일본 공개특허공보 특개2011-119711호 국제공개공보 WO2016/158439호
촬상 장치가 갖는 화소가 미세화되면, 고해상도의 촬상 데이터를 취득할 수 있다. 한편, 특히 표면 조사형 촬상 장치에서는, 화소가 갖는 광전 변환 소자가 미세화되면, 광전 변환 소자의 수광 면적이 축소되어 화소의 광 검출 감도가 저하되는 경우가 있다. 또한 화소가 미세화되면, 촬상 데이터로서 화소에 유지할 수 있는 전하량이 작아지는 경우가 있다. 따라서 특히 저조도하에서의 촬상에서 촬상 데이터의 S/N비가 저하되는 경우가 있다.
따라서 본 발명의 일 형태에서는, 미세화된 화소를 갖는 촬상 장치의 동작 방법을 제공하는 것을 과제 중 하나로 한다. 또는 수광 면적이 큰 촬상 장치의 동작 방법을 제공하는 것을 과제 중 하나로 한다. 또는 광 검출 감도가 높은 촬상 장치의 동작 방법을 제공하는 것을 과제 중 하나로 한다. 또는 S/N비가 높은 촬상 장치의 동작 방법을 제공하는 것을 과제 중 하나로 한다. 또는 고품위의 촬상 데이터를 취득할 수 있는 촬상 장치의 동작 방법을 제공하는 것을 과제 중 하나로 한다. 또는 다이내믹 레인지가 높은 촬상 장치의 동작 방법을 제공하는 것을 과제 중 하나로 한다. 또는 오동작의 발생을 억제하는 촬상 장치의 동작 방법을 제공하는 것을 과제 중 하나로 한다. 또는 신뢰성이 높은 촬상 장치의 동작 방법을 제공하는 것을 과제 중 하나로 한다. 또는 신규 촬상 장치의 동작 방법을 제공하는 것을 과제 중 하나로 한다. 또는 신규 촬상 장치 등을 제공하는 것을 과제 중 하나로 한다. 또는 신규 반도체 장치 등을 제공하는 것을 과제 중 하나로 한다.
또한 이들 과제의 기재는 다른 과제의 존재를 방해하는 것이 아니다. 또한 본 발명의 일 형태는 이들 과제 모두를 해결할 필요는 없는 것으로 한다. 또한 이들 외의 과제는 명세서, 도면, 청구항 등의 기재에서 저절로 명백해지는 것이며 명세서, 도면, 청구항 등의 기재에서 이들 외의 과제를 추출할 수 있다.
본 발명의 일 형태는 화소를 갖고, 화소는 광전 변환 소자와, 제 1 트랜지스터와, 제 2 트랜지스터와, 용량 소자를 갖고, 광전 변환 소자의 한쪽 전극은 제 1 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 한쪽에 전기적으로 접속되고, 제 1 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 제 2 트랜지스터의 게이트에 전기적으로 접속되고, 제 2 트랜지스터의 게이트는 용량 소자의 한쪽 전극에 전기적으로 접속되는 촬상 장치의 동작 방법이고, 제 1 기간에 용량 소자의 다른 쪽 전극에 제 1 전위를 공급하며 제 1 트랜지스터를 온 상태로 함으로써, 광전 변환 소자에 조사된 광의 조도에 대응하는 촬상 데이터를 화소에 기록하고, 제 2 기간에 용량 소자의 다른 쪽 전극에 제 2 전위를 공급함으로써, 촬상 데이터를 화소로부터 판독하는 촬상 장치의 동작 방법이다.
또는 상기 형태에서, 제 1 기간에 제 2 트랜지스터는 오프 상태이고, 제 2 기간에 제 2 트랜지스터는 온 상태이어도 좋다.
또는 상기 형태에서, 제 2 트랜지스터는 n채널형 트랜지스터이고, 제 2 전위는 제 1 전위보다 높아도 좋다.
또는 상기 형태에서, 제 2 트랜지스터는 p채널형 트랜지스터이고, 제 2 전위는 제 1 전위보다 낮아도 좋다.
또는 본 발명의 일 형태는 화소를 갖고, 화소는 광전 변환 소자와, 제 1 트랜지스터와, 제 2 트랜지스터와, 제 3 트랜지스터와, 용량 소자를 갖고, 광전 변환 소자의 한쪽 전극은 제 1 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 한쪽에 전기적으로 접속되고, 제 1 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 제 2 트랜지스터의 게이트에 전기적으로 접속되고, 제 2 트랜지스터의 게이트는 제 3 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 한쪽에 전기적으로 접속되고, 제 3 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 한쪽은 용량 소자의 한쪽 전극에 전기적으로 접속되는 촬상 장치의 동작 방법이고, 제 1 기간에 제 3 트랜지스터를 온 상태로 함으로써, 제 2 트랜지스터의 게이트의 전위를 리셋하고, 제 2 기간에 용량 소자의 다른 쪽 전극에 제 1 전위를 공급하며 제 1 트랜지스터를 온 상태로, 제 3 트랜지스터를 오프 상태로 함으로써, 광전 변환 소자에 조사된 광의 조도에 대응하는 촬상 데이터를 화소에 기록하고, 제 3 기간에 용량 소자의 다른 쪽 전극에 제 2 전위를 공급함으로써, 촬상 데이터를 화소로부터 판독하는 촬상 장치의 동작 방법이다.
또는 상기 형태에서, 제 1 기간 및 제 2 기간에 제 2 트랜지스터는 오프 상태이고, 제 3 기간에 제 2 트랜지스터는 온 상태이어도 좋다.
또는 상기 형태에서, 제 2 트랜지스터는 n채널형 트랜지스터이고, 제 2 전위는 제 1 전위보다 높아도 좋다.
또는 상기 형태에서, 제 2 트랜지스터는 p채널형 트랜지스터이고, 제 2 전위는 제 1 전위보다 낮아도 좋다.
또는 상기 형태에서, 제 1 트랜지스터는 채널 형성 영역에 금속 산화물을 포함하고, 금속 산화물은 In과, Zn과, M(M은 Al, Ti, Ga, Sn, Y, Zr, La, Ce, Nd 또는 Hf)을 포함하여도 좋다.
본 발명의 일 형태를 사용함으로써, 미세화된 화소를 갖는 촬상 장치의 동작 방법을 제공할 수 있다. 또는 수광 면적이 큰 촬상 장치의 동작 방법을 제공할 수 있다. 또는 광 검출 감도가 높은 촬상 장치의 동작 방법을 제공할 수 있다. 또는 S/N비가 높은 촬상 장치의 동작 방법을 제공할 수 있다. 또는 고품위의 촬상 데이터를 취득할 수 있는 촬상 장치의 동작 방법을 제공할 수 있다. 또는 다이내믹 레인지가 높은 촬상 장치의 동작 방법을 제공할 수 있다. 또는 오동작의 발생을 억제하는 촬상 장치의 동작 방법을 제공할 수 있다. 또는 신뢰성이 높은 촬상 장치의 동작 방법을 제공할 수 있다. 또는 신규 촬상 장치의 동작 방법을 제공할 수 있다. 또는 신규 촬상 장치 등을 제공할 수 있다. 또는 신규 반도체 장치 등을 제공할 수 있다.
도 1의 (A)는 화소의 구성예를 설명하는 도면이다. 도 1의 (B)는 화소의 동작의 일례를 설명하는 도면이다.
도 2의 (A)는 화소의 구성예를 설명하는 도면이다. 도 2의 (B)는 화소의 동작의 일례를 설명하는 도면이다.
도 3은 촬상 장치의 구성예를 설명하는 도면이다.
도 4는 촬상 장치의 구성예를 설명하는 도면이다.
도 5는 촬상 장치의 구성예를 설명하는 도면이다.
도 6은 촬상 장치의 구성예를 설명하는 도면이다.
도 7은 촬상 장치의 구성예를 설명하는 도면이다.
도 8은 촬상 장치의 동작의 일례를 설명하는 도면이다.
도 9의 (A) 내지 (D)는 화소의 구성예를 설명하는 도면이다.
도 10의 (A) 내지 (C)는 촬상 장치의 구성예를 설명하는 도면이다.
도 11의 (A) 내지 (E)는 촬상 장치의 구성예를 설명하는 도면이다.
도 12의 (A) 및 (B)는 촬상 장치의 구성예를 설명하는 도면이다.
도 13의 (A) 및 (B)는 촬상 장치의 구성예를 설명하는 도면이다.
도 14의 (A) 내지 (C)는 촬상 장치의 구성예를 설명하는 도면이다.
도 15의 (A1) 내지 (A3) 및 (B1) 내지 (B3)은 촬상 장치가 제공된 패키지, 모듈의 구성예를 설명하는 사시도이다.
도 16의 (A) 내지 (F)는 전자 기기의 일례를 설명하는 도면이다.
이하에서 실시형태에 대하여 도면을 참조하면서 설명한다. 다만 실시형태는 많은 상이한 형태로 실시할 수 있고, 취지 및 그 범위에서 벗어남이 없이 그 형태 및 자세한 사항을 다양하게 변경할 수 있다는 것은 통상의 기술자라면 용이하게 이해할 수 있다. 따라서 본 발명은 이하의 실시형태의 기재 내용에 한정하여 해석되는 것은 아니다.
또한 이하에 기재되는 복수의 실시형태는 적절히 조합할 수 있다. 또한 하나의 실시형태에 복수의 구성예가 기재되는 경우에는, 구성예를 서로 적절히 조합할 수 있다.
또한 본 명세서에 첨부된 도면에서는 구성 요소를 기능마다 분류하여 서로 독립된 블록으로서 블록도를 도시하였지만, 실제의 구성 요소들을 기능마다 완전히 나누는 것은 어려우며 하나의 구성 요소가 복수의 기능에 관련될 수도 있다.
또한 도면 등에서 크기, 층의 두께, 영역 등은 명료화를 위하여 과장되어 있는 경우가 있다. 따라서 반드시 그 스케일에 한정되지는 않는다. 도면은 이상적인 예를 모식적으로 나타낸 것이고, 도면에 나타낸 형상 또는 값 등에 한정되지 않는다.
또한 도면 등에서 동일한 요소 또는 같은 기능을 갖는 요소, 동일한 재질의 요소, 혹은 동시에 형성되는 요소 등에는 동일한 부호를 붙이는 경우가 있고, 이의 반복적인 설명은 생략하는 경우가 있다.
또한 본 명세서 등에서 "막"이라는 용어와 "층"이라는 용어는 서로 바꿀 수 있다. 예를 들어 "도전층"이라는 용어를 "도전막"이라는 용어로 바꿀 수 있는 경우가 있다. 또는 예를 들어 "절연막"이라는 용어를 "절연층"이라는 용어로 바꿀 수 있는 경우가 있다.
또한 본 명세서 등에서 "위" 및 "아래" 등 배치를 나타내는 용어는, 구성 요소의 위치 관계가 "바로 위" 또는 "바로 아래"인 것을 한정하는 것이 아니다. 예를 들어 "게이트 절연층 위의 게이트 전극"이라는 표현은, 게이트 절연층과 게이트 전극 사이에 다른 구성 요소가 포함되는 것을 제외하지 않는다.
또한 본 명세서 등에서 "제 1", "제 2", "제 3" 등의 서수사는 구성 요소의 혼동을 피하기 위하여 붙인 것이고, 수적으로 한정하는 것이 아니다.
또한 본 명세서 등에서 "전기적으로 접속"에는 "어떠한 전기적 작용을 갖는 것"을 통하여 접속되는 경우가 포함된다. 여기서 "어떠한 전기적 작용을 갖는 것"은 접속 대상 간에서의 전기 신호의 주고받음을 가능하게 하는 것이면 특별한 제한을 받지 않는다. 예를 들어 "어떠한 전기적 작용을 갖는 것"에는 전극 및 배선을 비롯하여 트랜지스터 등의 스위칭 소자, 저항 소자, 인덕터, 용량 소자, 이들 외 각종 기능을 갖는 소자 등이 포함된다.
또한 본 명세서 등에서 "전압"이란, 어떤 전위와 기준의 전위(예를 들어 그라운드 전위)의 전위차를 말하는 경우가 많다. 따라서 전압과 전위차는 바꿔 말할 수 있다. 또한 단순히 "전위"라는 의미로 "전압"이라는 용어를 사용하는 경우가 있다. 또한 "어떤 전위(기준 전위, 접지 전위 등)와의 전위차"라는 의미로 "전위"라는 용어를 사용하는 경우가 있다. 따라서 "전위"라는 용어와 "전압"이라는 용어는 서로 바꿀 수 있는 경우가 있다.
또한 본 명세서 등에서 트랜지스터란 게이트와 드레인과 소스를 포함하는 적어도 3개의 단자를 갖는 소자이다. 그리고 드레인(드레인 단자, 드레인 영역, 또는 드레인 전극)과 소스(소스 단자, 소스 영역, 또는 소스 전극) 사이에 채널 형성 영역을 갖고, 채널 형성 영역을 통하여 소스와 드레인 사이에 전류를 흐르게 할 수 있는 것이다. 또한 본 명세서 등에서 채널 형성 영역이란 전류가 주로 흐르는 영역을 말한다.
또한 소스의 기능 및 드레인의 기능은 상이한 극성의 트랜지스터를 채용하는 경우, 그리고 회로 동작에서 전류의 방향이 변화하는 경우 등에는 서로 바뀌는 경우가 있다. 그러므로 본 명세서 등에서는 소스라는 용어와 드레인이라는 용어는 서로 바꿔 사용할 수 있는 것으로 한다.
또한 본 명세서 등에서는 특별히 언급이 없는 경우, 오프 전류란 트랜지스터가 오프 상태(비도통 상태, 차단 상태라고도 함)일 때의 드레인 전류를 말한다. 또한 상기 오프 전류의 설명에서 드레인을 소스로 바꿔 읽어도 좋다. 즉, 오프 전류란 트랜지스터가 오프 상태일 때의 소스 전류를 말하는 경우가 있다. 또한 오프 전류와 같은 의미로 누설 전류라고 하는 경우가 있다. 또한 본 명세서 등에서 오프 전류란 트랜지스터가 오프 상태일 때에 소스와 드레인 사이를 흐르는 전류를 말하는 경우가 있다.
또한 본 명세서 등에서 금속 산화물(metal oxide)이란, 넓은 의미로의 금속의 산화물이다. 금속 산화물은 산화물 절연체, 산화물 도전체(투명 산화물 도전체를 포함함), 산화물 반도체(Oxide Semiconductor라고도 함) 등으로 분류된다.
예를 들어 트랜지스터의 채널 형성 영역에 금속 산화물을 사용한 경우, 상기 금속 산화물을 산화물 반도체라고 부르는 경우가 있다. 즉, 금속 산화물이 증폭 작용, 정류 작용, 및 스위칭 작용 중 적어도 하나를 갖는 경우, 상기 금속 산화물을 금속 산화물 반도체(metal oxide semiconductor)라고 할 수 있다. 즉, 채널 형성 영역에 금속 산화물을 포함하는 트랜지스터를 "산화물 반도체 트랜지스터", "OS 트랜지스터"라고 할 수 있다.
또한 본 명세서 등에서 질소를 포함하는 금속 산화물도 금속 산화물(metal oxide)이라고 부르는 경우가 있다. 또한 질소를 포함하는 금속 산화물을 금속 산질화물(metal oxynitride)이라고 불러도 좋다. 금속 산화물의 자세한 사항에 대해서는 나중에 설명한다.
(실시형태 1)
본 실시형태에서는, 본 발명의 일 형태인 촬상 장치 및 그 동작 방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 일 형태는 선택 트랜지스터를 갖지 않는 화소가 제공된 촬상 장치의 동작 방법이다. 상기 화소는 기록된 촬상 데이터를 판독할 때 상기 촬상 데이터를 증폭하는 기능을 갖는 증폭 트랜지스터와, 기록된 촬상 데이터를 전하로서 유지하는 기능을 갖는 용량 소자를 갖는다. 증폭 트랜지스터의 게이트는 용량 소자의 한쪽 전극에 전기적으로 접속되어 있다.
본 발명의 일 형태의 촬상 장치의 동작 방법에서는, 화소에 촬상 데이터를 기록하는 기간과, 화소로부터 촬상 데이터를 판독하는 기간 사이에서, 용량 소자의 다른 쪽 전극에 공급하는 전위를 다르게 한다. 구체적으로는, 화소에 촬상 데이터를 기록하는 기간에는 증폭 트랜지스터가 오프 상태가 되고, 화소로부터 촬상 데이터를 판독하는 기간에는 증폭 트랜지스터가 온 상태가 되도록, 용량 소자의 다른 쪽 전극에 공급하는 전위를 조정한다. 이로써, 화소에 선택 트랜지스터를 제공하지 않아도 촬상 장치를 정상적으로 동작시킬 수 있다.
본 명세서 등에 있어서, n채널형 트랜지스터에서는, 예를 들어 소스에 대한 게이트의 전압(Vgs)이 문턱 전압 미만인 상태를 오프 상태라고 하고, 소스에 대한 게이트의 전압(Vgs)이 문턱 전압 이상인 상태를 온 상태라고 한다. 또한 p채널형 트랜지스터에서는, 예를 들어 소스에 대한 게이트의 전압(Vgs)이 문턱 전압보다 높은 상태를 오프 상태라고 하고, 소스에 대한 게이트의 전압(Vgs)이 문턱 전압 이하인 상태를 온 상태라고 한다.
화소에 선택 트랜지스터를 제공하지 않으면, 화소에 제공되는 트랜지스터의 개수를 줄일 수 있기 때문에, 화소를 미세화할 수 있다. 또한 특히 본 발명의 일 형태의 촬상 장치가 표면 조사형 촬상 장치인 경우에는, 화소에 제공되는 광전 변환 소자의 수광 면적을 확대할 수 있어, 화소의 광 검출 감도를 높일 수 있다. 또한 화소에 제공되는 용량 소자 및 증폭 트랜지스터 등의 점유 면적을 확대할 수 있기 때문에, 촬상 데이터로서 화소에 유지할 수 있는 전하량을 증가시킬 수 있다. 이로써, 화소를 미세화하면서 S/N비를 높일 수 있다. 따라서 본 발명의 일 형태의 촬상 장치는 고품위의 촬상 데이터를 취득할 수 있다.
<화소의 구성예 1>
도 1의 (A)는 본 발명의 일 형태의 촬상 장치에 사용할 수 있는 화소(10)의 구성예를 설명하는 도면이다. 화소(10)는 광전 변환 소자(11)와, 트랜지스터(12)와, 트랜지스터(13)와, 용량 소자(14)와, 트랜지스터(15)를 갖는다. 여기서, 트랜지스터(12), 트랜지스터(13), 및 트랜지스터(15)는 모두 n채널형 트랜지스터로 할 수 있다. 또한 설명의 편의상, 도 1의 (A)에는 화소(10)에 포함되지 않는 전류원(16)을 도시하였다. 또한 화소(10)의 구성예를 도시한 다른 도면에서도, 화소(10)에 포함되지 않는 전류원(16)을 도시하였다.
광전 변환 소자(11)의 한쪽 전극(도 1의 (A)에서는 애노드)은 트랜지스터(12)의 소스 및 드레인 중 한쪽에 전기적으로 접속되어 있다. 트랜지스터(12)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 트랜지스터(13)의 소스 및 드레인 중 한쪽에 전기적으로 접속되어 있다. 트랜지스터(13)의 소스 및 드레인 중 한쪽은 용량 소자(14)의 한쪽 전극에 전기적으로 접속되어 있다. 용량 소자(14)의 한쪽 전극은 트랜지스터(15)의 게이트에 전기적으로 접속되어 있다.
여기서, 트랜지스터(12)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽, 트랜지스터(13)의 소스 및 드레인 중 한쪽, 용량 소자(14)의 한쪽 전극, 및 트랜지스터(15)의 게이트가 전기적으로 접속되는 배선을 노드(FD)라고 한다.
트랜지스터(12)의 게이트는 배선(22)에 전기적으로 접속되어 있다. 트랜지스터(13)의 게이트는 배선(23)에 전기적으로 접속되어 있다. 용량 소자(14)의 다른 쪽 전극은 배선(24)에 전기적으로 접속되어 있다. 트랜지스터(15)의 소스 및 드레인 중 한쪽은 배선(25)에 전기적으로 접속되어 있다. 배선(25)은 전류원(16)의 한쪽 전극에 전기적으로 접속되어 있다.
광전 변환 소자(11)의 다른 쪽 전극(도 1의 (A)에서는 캐소드)은 배선(31)에 전기적으로 접속되어 있다. 트랜지스터(13)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 배선(33)에 전기적으로 접속되어 있다. 트랜지스터(15)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 배선(35)에 전기적으로 접속되어 있다. 전류원(16)의 다른 쪽 전극은 배선(36)에 전기적으로 접속되어 있다.
배선(22) 및 배선(23)은 게이트선으로서의 기능을 갖고, 트랜지스터(12)의 온/오프를 제어하는 신호가 배선(22)을 통하여 트랜지스터(12)에 공급되고, 트랜지스터(13)의 온/오프를 제어하는 신호가 배선(23)을 통하여 트랜지스터(13)에 공급된다. 배선(24)은 신호선으로서의 기능을 갖고, 배선(24)을 통하여 용량 소자(14)의 다른 쪽 전극에 신호가 공급된다. 배선(25)은 데이터선으로서의 기능을 갖고, 화소(10)에 기록된 촬상 데이터는 배선(25)을 통하여 신호(OUT)로서 화소(10)의 외부에 출력된다.
배선(31), 배선(35), 및 배선(36)은 전원선으로서의 기능을 갖고, 배선(31), 배선(35), 및 배선(36)에는 예를 들어 정전위를 공급할 수 있다. 여기서, 배선(31)에 공급되는 전위를 전위(VPD)라고 하고, 배선(35)에 공급되는 전위를 전위(VPI)라고 하고, 배선(36)에 공급되는 전위를 전위(VPO)라고 한다. 전위(VPD)는 예를 들어 고전위로 할 수 있다.
본 명세서 등에서 저전위는, 예를 들어 접지 전위 또는 음의 전위로 할 수 있다. 또한 고전위는 저전위보다 높은 전위, 예를 들어 양의 전위로 할 수 있다. 또한 저전위를 양의 전위로 하고, 고전위를 저전위보다 높은 양의 전위로 하여도 좋다.
배선(33)은 리셋 전원선으로서의 기능을 갖고, 배선(33)에는 리셋 전위인 전위(VRS)를 공급할 수 있다. 전위(VRS)는 전위(VPD)보다 낮은 전위로 할 수 있고, 예를 들어 음의 전위로 할 수 있다.
광전 변환 소자(11)로서 포토다이오드를 사용할 수 있다. 광전 변환 소자(11)에는, 광이 조사되면 상기 광의 조도에 따른 전하가 축적된다.
트랜지스터(12)는 광전 변환 소자(11)에 대한 노광에 의하여 광전 변환 소자(11)에 축적된 전하의, 노드(FD)로의 전송(轉送)을 제어하는 전송 트랜지스터로서의 기능을 갖는다. 트랜지스터(12)를 온 상태로 함으로써, 광전 변환 소자(11)에 축적된 전하가 노드(FD)로 전송된다. 이에 의하여, 노드(FD)의 전위가 광전 변환 소자(11)에 조사된 광의 조도에 따른 전위가 되고, 화소(10)에 촬상 데이터가 기록된다. 그 후, 트랜지스터(12)를 오프 상태로 함으로써, 노드(FD)에 전하가 유지된다. 따라서 화소(10)에 기록된 촬상 데이터가 유지된다.
트랜지스터(13)는 노드(FD)의 전위의 리셋을 제어하는 리셋 트랜지스터로서의 기능을 갖는다. 광전 변환 소자(11)에 대한 노광을 시작하기 전에 트랜지스터(12) 및 트랜지스터(13)를 온 상태로 함으로써, 광전 변환 소자(11) 및 노드(FD)에 축적된 전하를 리셋할 수 있다. 이에 의하여, 노드(FD)의 전위를 리셋할 수 있다. 구체적으로는, 노드(FD)의 전위를 예를 들어 전위(VRS)로 할 수 있다.
용량 소자(14)는 광전 변환 소자(11)로부터 노드(FD)로 전송된 전하 등을 유지하는 기능을 갖는다. 트랜지스터(15)는 화소(10)에 유지된 촬상 데이터를 증폭하고 화소(10)의 외부에 판독하는 증폭 트랜지스터로서의 기능을 갖는다.
전류원(16)은 배선(25)을 흐르는 전류를 일정한 값으로 하는 기능을 갖는다. 전류원(16)은 예를 들어 트랜지스터로 구성될 수 있다. 전류원(16)이 트랜지스터인 경우, 상기 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 한쪽을 배선(25)에 전기적으로 접속하고, 상기 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 다른 쪽을 배선(36)에 전기적으로 접속할 수 있다. 또한 상기 트랜지스터의 게이트에는 바이어스 전위를 공급할 수 있으므로, 상기 트랜지스터는 바이어스 트랜지스터로서의 기능을 갖는다고 할 수 있다.
상술한 바와 같이, 배선(35) 및 배선(36)에는 정전위가 공급된다. 따라서 트랜지스터(15)와 전류원(16)으로 소스 접지 증폭 회로 또는 소스 폴로어 회로가 구성된다고 할 수 있다. 여기서, 도 1의 (A)에 도시된 구성의 화소(10)에서는, 트랜지스터(15)는 n채널형 트랜지스터이다. 따라서 전위(VPI)가 전위(VPO)보다 낮은 경우, 소스 접지 증폭 회로가 구성되고, 전위(VPI)가 전위(VPO)보다 높은 경우, 소스 폴로어 회로가 구성된다고 할 수 있다. 예를 들어 전위(VPI)가 저전위이고, 전위(VPO)가 고전위인 경우, 트랜지스터(15)와 전류원(16)으로 소스 접지 증폭 회로가 구성된다고 할 수 있다. 또한 전위(VPI)가 고전위이고, 전위(VPO)가 저전위인 경우, 트랜지스터(15)와 전류원(16)으로 소스 폴로어 회로가 구성된다고 할 수 있다.
또한 도 1의 (A)에 도시된 전류원(16)에서는, 트랜지스터(15)와 전류원(16)으로 소스 접지 증폭 회로가 구성되는 경우에 전류원(16)을 흐르는 전류의 방향을 화살표로 나타내었다. 다른 도면에서도, 전류원에서는 상기 전류원과 증폭 트랜지스터로 소스 접지 증폭 회로가 구성되는 경우에 상기 전류원을 흐르는 전류의 방향을 화살표로 나타내었다.
도 1의 (A)에 도시된 바와 같이, 트랜지스터(15)가 n채널형 트랜지스터인 것으로 가정하면, 트랜지스터(15)와 전류원(16)으로 소스 접지 증폭 회로가 구성되는 경우에는, 트랜지스터(15)의 게이트 전압, 즉 노드(FD)의 전위(VFD)가 전위 "VPI+Vth" 이상이 되면, 트랜지스터(15)가 온 상태가 되고, 배선(25)의 전위는 전위 "VFD+Vth"가 된다. 또한 트랜지스터(15)와 전류원(16)으로 소스 폴로어 회로가 구성되는 경우에는, 트랜지스터(15)의 게이트 전압이 전위 "VPO+Vth+VCSN" 이상이 되면, 트랜지스터(15)가 온 상태가 되고, 배선(25)의 전위는 전위 "VFD-Vth"가 된다. 여기서, 전위(Vth)는 트랜지스터(15)의 문턱 전압을 나타낸다. 또한 트랜지스터(15)가 n채널형 트랜지스터인 것으로 가정하면, 트랜지스터(15)와 전류원(16)으로 소스 폴로어 회로가 구성되는 경우에는, 전류원(16)의 한쪽 전극의 전위와, 전류원(16)의 다른 쪽 전극의 전위의 차이가 전위(VCSN) 이상이 되면, 전류원(16)을 전류가 흐르는 것으로 한다.
트랜지스터(15)와 전류원(16)으로 소스 접지 증폭 회로가 구성되는 경우, 화소(10)를 고속으로 동작시킬 수 있다. 한편, 트랜지스터(15)와 전류원(16)으로 소스 폴로어 회로가 구성되는 경우에는, 신호(OUT)의 전위의 정확도를 높일 수 있다.
도 1의 (A)에 도시된 바와 같이, 화소(10)에서는, 촬상 데이터를 판독하는 화소(10)를 선택하는 기능을 갖고, 예를 들어 소스 및 드레인 중 한쪽이 트랜지스터(15)의 소스 및 드레인 중 한쪽의 전극에 전기적으로 접속되고, 소스 및 드레인 중 다른 쪽이 배선(25)에 전기적으로 접속되도록 제공될 수 있는 선택 트랜지스터가 제공되어 있지 않다. 따라서 증폭 트랜지스터로서의 기능을 갖는 트랜지스터(15)의 소스 및 드레인 중 한쪽은 데이터선으로서의 기능을 갖는 배선(25)에 전기적으로 접속되고, 트랜지스터(15)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 전원선으로서의 기능을 갖는 배선(35)에 전기적으로 접속되어 있다.
여기서, 트랜지스터(12) 및 트랜지스터(13)로서 오프 전류가 매우 작은 트랜지스터를 사용함으로써, 노드(FD)에 전하가 유지될 수 있는 기간을 매우 길게 할 수 있다. 따라서 화소(10)에 기록된 촬상 데이터를 매우 긴 기간 유지할 수 있다. 그러므로 자세한 사항은 나중에 설명하지만, 회로 구성 및/또는 동작 방법을 복잡하게 하지 않고, 모든 화소에서 동시에 전하의 축적 동작을 수행하는 글로벌 셔터 방식을 적용할 수 있다. 오프 전류가 매우 작은 트랜지스터로서, 예를 들어 OS 트랜지스터가 있다.
또한 트랜지스터(15)로서 OS 트랜지스터를 사용하여도 좋다. 본 발명의 일 형태의 촬상 장치가 갖는 트랜지스터를 모두 OS 트랜지스터로 함으로써, 간단한 방법으로 촬상 장치를 제작할 수 있다.
또한 OS 트랜지스터와, 채널 형성 영역에 실리콘을 사용한 트랜지스터(이하 Si 트랜지스터)를 임의로 조합하여 적용하여도 좋다. 또한 모든 트랜지스터를 Si 트랜지스터로 하여도 좋다. Si 트랜지스터로서는, 비정질 실리콘을 포함하는 트랜지스터, 결정성 실리콘(대표적으로는 저온 폴리실리콘)을 포함하는 트랜지스터, 단결정 실리콘을 포함하는 트랜지스터 등을 들 수 있다.
도 1의 (B)는, 도 1의 (A)에 도시된 구성의 화소(10)의 동작의 일례를 설명하는 타이밍 차트이다. 또한 도 1의 (B) 등에서, "H"는 고전위를 나타내고, "L"은 저전위를 나타낸다. 또한 상술한 바와 같이, 전위(Vth)는 트랜지스터(15)의 문턱 전압을 나타낸다.
여기서, 트랜지스터(15)와 전류원(16)으로 소스 접지 증폭 회로가 구성되어 있는 것으로 가정한다. 또한 노드(FD)의 용량 결합 계수는 k(k는 0보다 크며 1 이하의 실수)로 한다. 여기서, k는 용량 소자(14)의 용량, 트랜지스터(15)의 게이트 용량, 및 기생 용량 등으로부터 산출된다.
또한 전위의 분배, 결합, 또는 손실 등, 회로의 구성 또는 동작 타이밍 등에 기인하는 전위의 자세한 변화는 감안하지 않는다. 또한 상술한 점은 도 1의 (B) 이외의 타이밍 차트에서도 마찬가지이다.
시각 T1 내지 시각 T2에 배선(22) 및 배선(23)의 전위를 고전위로 하고, 배선(24)의 전위를 전위(Vwrite)로 하면, 트랜지스터(12) 및 트랜지스터(13)가 온 상태가 되고, 노드(FD)의 전위가 리셋 전위인 전위(VRS)가 된다. 이에 의하여, 광전 변환 소자(11) 및 노드(FD)에 축적된 전하가 리셋된다. 따라서 시각 T1 내지 시각 T2는 리셋 동작을 수행하는 기간이라고 할 수 있다. 또한 전위(Vwrite)에 대해서는 나중에 설명한다.
여기서, 전위(VRS)는 전위 "VPI+Vth" 이하의 전위로 할 수 있고, 또한 상술한 바와 같이 트랜지스터(15)는 n채널형 트랜지스터이다. 따라서 시각 T1 내지 시각 T2에 트랜지스터(15)는 오프 상태가 된다.
시각 T2 내지 시각 T3에 배선(22)의 전위를 고전위로 하고, 배선(23)의 전위를 저전위로 하면, 트랜지스터(12)가 온 상태가 되고, 트랜지스터(13)가 오프 상태가 된다. 이에 의하여, 광전 변환 소자(11)에 조사된 광의 조도에 따라 광전 변환 소자(11)에 축적된 전하가 노드(FD)로 전송된다. 여기서, 예를 들어 고전위로 할 수 있는 전위(VPD)는 전위(VRS)보다 높기 때문에, 광전 변환 소자(11)에 조사된 광의 조도에 따라 노드(FD)의 전위가 상승된다. 이로써, 화소(10)에 촬상 데이터가 기록된다. 따라서 시각 T2 내지 시각 T3은 기록 동작을 수행하는 기간이라고 할 수 있다. 또한 배선(24)의 전위는 전위(Vwrite)로 한다.
시각 T3 내지 시각 T4에 배선(22) 및 배선(23)의 전위를 저전위로 하면, 트랜지스터(12) 및 트랜지스터(13)가 오프 상태가 된다. 이에 의하여 기록 동작이 종료되고, 노드(FD)의 전위가 유지된다. 따라서 화소(10)에 촬상 데이터가 유지된다. 그러므로 시각 T3 내지 시각 T4는 유지 동작을 수행하는 기간이라고 할 수 있다. 또한 배선(24)의 전위는 전위(Vwrite)로 한다.
여기서, 전위(VRS)의 높이는, 시각 T2 내지 시각 T4에 광전 변환 소자(11)에 조사되는 광의 조도에 상관없이 트랜지스터(15)가 오프 상태가 되도록 설정되는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 광전 변환 소자(11)에 조사되는 광의 조도로서 상정되는 최대한의 조도의 광이 광전 변환 소자(11)에 조사된 경우에도, 트랜지스터(15)의 게이트의 전위가 전위 "VPI+Vth"보다 낮아지도록 전위(VRS)의 높이를 설정하는 것이 바람직하다. 예를 들어 전위(VPI)가 접지 전위인 경우, 전위(VRS)는 음의 전위로 하는 것이 바람직하다. 이에 의하여, 의도하지 않은 전류가 트랜지스터(15)를 통하여 배선(25)으로 흐르는 것을 억제할 수 있다. 따라서 본 발명의 일 형태의 촬상 장치의 오동작을 억제할 수 있다.
시각 T4 내지 시각 T5에 배선(22) 및 배선(23)의 전위를 저전위로 한다. 이에 의하여, 트랜지스터(12) 및 트랜지스터(13)가 오프 상태가 된다. 또한 배선(24)의 전위를 전위(Vread)로 한다. 여기서, 전위(Vread)는 전위(Vwrite)보다 높은 전위로 한다. 이에 의하여, 노드(FD)의 전위가 용량 결합에 의하여 전위 "k(Vread-Vwrite)"만큼 상승되고, 트랜지스터(15)가 온 상태가 된다. 트랜지스터(15)가 온 상태가 됨으로써, 데이터선으로서의 기능을 갖는 배선(25)의 전위가, 노드(FD)의 전위에 대응하는 전위가 된다. 즉, 화소(10)에 유지된 촬상 데이터가 판독된다. 따라서 시각 T4 내지 시각 T5는 판독 동작을 수행하는 기간이라고 할 수 있다.
여기서, 전위 "Vread-Vwrite"의 높이는, 전위 "{(VPI+Vth)-VRS}/k" 이상인 것이 바람직하다. 이에 의하여, 광전 변환 소자(11)에 조사되는 광의 조도에 상관없이 트랜지스터(15)를 온 상태로 할 수 있다. 구체적으로는, 시각 T3 내지 시각 T4에 노드(FD)의 전위가 전위(VRS)인 경우에도, 트랜지스터(15)의 게이트의 전위를 전위 "VPI+Vth" 이상으로 할 수 있기 때문에, 트랜지스터(15)를 온 상태로 할 수 있다. 이에 의하여, 광전 변환 소자(11)에 조사되는 광의 조도가 낮은 경우에도, 화소(10)로부터 촬상 데이터를 정확하게 판독할 수 있기 때문에, 본 발명의 일 형태의 촬상 장치의 다이내믹 레인지를 높일 수 있다.
시각 T5 내지 시각 T6에 배선(22) 및 배선(23)의 전위를 저전위로 하고, 배선(24)의 전위를 전위(Vwrite)로 한다. 이에 의하여, 트랜지스터(12), 트랜지스터(13), 및 트랜지스터(15)가 오프 상태가 되고, 판독 동작이 종료된다. 여기까지가 화소(10)의 동작의 일례이다. 또한 상술한 바와 같이, 배선(24)의 전위는 기록 동작을 수행하는 기간에는 전위(Vwrite)로 하고, 판독 동작을 수행하는 기간에는 전위(Vread)로 한다. 따라서 전위(Vwrite)를 기록 전위라고 할 수 있고, 전위(Vread)를 판독 전위라고 할 수 있다.
상술한 바와 같이, 화소(10)는 선택 트랜지스터를 갖지 않지만, 도 1의 (B)에 도시된 방법으로 화소(10)를 동작시킬 수 있다. 화소(10)가 선택 트랜지스터를 갖지 않는 구성으로 하면, 화소(10)에 제공되는 트랜지스터의 개수를 줄일 수 있기 때문에, 화소(10)를 미세화할 수 있다. 또한 특히 본 발명의 일 형태의 촬상 장치가 표면 조사형 촬상 장치인 경우에는, 광전 변환 소자(11)의 수광 면적을 확대할 수 있어, 화소(10)의 광 검출 감도를 높일 수 있다. 또한 용량 소자(14) 및 트랜지스터(15) 등의 점유 면적을 확대하고, 노드(FD)에 유지될 수 있는 전하량을 증가시킬 수 있다. 이로써, 화소(10)를 미세화하면서 S/N비를 높일 수 있다. 따라서 본 발명의 일 형태의 촬상 장치는 고품위의 촬상 데이터를 취득할 수 있다.
<화소의 구성예 2>
도 2의 (A)는 화소(10)의 구성예를 설명하는 도면이고, 도 1의 (A)에 도시된 구성의 변형예이다. 도 2의 (A)에 도시된 화소(10)의 구성은, 트랜지스터(15)가 p채널형 트랜지스터라는 점에서 도 1의 (A)에 도시된 화소(10)의 구성과 다르다.
도 2의 (A)에 도시된 구성의 화소(10)에서는, 광전 변환 소자(11)의 캐소드를 트랜지스터(12)의 소스 및 드레인 중 한쪽에 전기적으로 접속하고, 광전 변환 소자(11)의 애노드를 배선(31)에 전기적으로 접속할 수 있다. 또한 전위(VPD)를 예를 들어 저전위로 할 수 있다. 또한 전위(VRS)는 전위(VPD)보다 높은 전위로 할 수 있다.
화소(10)가 도 2의 (A)에 도시된 구성을 갖더라도, 도 1의 (A)에 도시된 구성의 화소(10)와 마찬가지로 트랜지스터(15)와 전류원(16)으로 소스 접지 증폭 회로 또는 소스 폴로어 회로가 구성된다고 할 수 있다. 여기서, 도 2의 (A)에 도시된 구성의 화소(10)에서는, 트랜지스터(15)는 p채널형 트랜지스터이다. 따라서 전위(VPI)가 전위(VPO)보다 높은 경우, 소스 접지 증폭 회로가 구성되고, 전위(VPI)가 전위(VPO)보다 낮은 경우, 소스 폴로어 회로가 구성된다고 할 수 있다. 예를 들어 전위(VPI)가 고전위이고, 전위(VPO)가 저전위인 경우, 트랜지스터(15)와 전류원(16)으로 소스 접지 증폭 회로가 구성된다고 할 수 있다. 또한 전위(VPI)가 저전위이고, 전위(VPO)가 고전위인 경우, 트랜지스터(15)와 전류원(16)으로 소스 폴로어 회로가 구성된다고 할 수 있다.
도 2의 (A)에 도시된 바와 같이, 트랜지스터(15)가 p채널형 트랜지스터인 것으로 가정하면, 트랜지스터(15)와 전류원(16)으로 소스 접지 증폭 회로가 구성되는 경우에는, 트랜지스터(15)의 게이트 전압, 즉 노드(FD)의 전위(VFD)가 전위 "VPI+Vth" 이하가 되면, 트랜지스터(15)가 온 상태가 되고, 배선(25)의 전위는 전위 "VFD-Vth"가 된다. 또한 트랜지스터(15)와 전류원(16)으로 소스 폴로어 회로가 구성되는 경우에는, 트랜지스터(15)의 게이트 전압이 전위 "VPO+Vth-VCSP" 이하가 되면, 트랜지스터(15)가 온 상태가 되고, 배선(25)의 전위는 전위 "VFD+Vth"가 된다. 여기서, 트랜지스터(15)가 p채널형 트랜지스터인 것으로 가정하면, 트랜지스터(15)와 전류원(16)으로 소스 폴로어 회로가 구성되는 경우에는, 전류원(16)의 한쪽 전극의 전위와, 전류원(16)의 다른 쪽 전극의 전위의 차이가 전위(VCSP) 이하(전류원(16)의 다른 쪽 전극의 전위와, 전류원(16)의 한쪽 전극의 전위의 차이가 전위(VCSP) 이상)가 되면, 전류원(16)을 전류가 흐르는 것으로 한다.
도 2의 (B)는, 도 2의 (A)에 도시된 구성의 화소(10)의 동작의 일례를 설명하는 타이밍 차트이다.
시각 T1 내지 시각 T2에 배선(22) 및 배선(23)의 전위를 고전위로 하면, 트랜지스터(12) 및 트랜지스터(13)가 온 상태가 되고, 노드(FD)의 전위가 리셋 전위인 전위(VRS)가 된다. 이에 의하여, 광전 변환 소자(11) 및 노드(FD)에 축적된 전하가 리셋된다. 여기서, 전위(VRS)는 전위 "VPI+Vth" 이상의 전위로 할 수 있고, 또한 상술한 바와 같이 트랜지스터(15)는 p채널형 트랜지스터이다. 따라서 시각 T1 내지 시각 T2에 트랜지스터(15)는 오프 상태가 된다. 또한 배선(24)의 전위는 전위(Vwrite)로 한다.
시각 T2 내지 시각 T3에 배선(22)의 전위를 고전위로 하고, 배선(23)의 전위를 저전위로 하면, 트랜지스터(12)가 온 상태가 되고, 트랜지스터(13)가 오프 상태가 된다. 이에 의하여, 광전 변환 소자(11)에 조사된 광의 조도에 따라 광전 변환 소자(11)에 축적된 전하가 노드(FD)로 전송된다. 여기서, 예를 들어 저전위로 할 수 있는 전위(VPD)는 전위(VRS)보다 낮기 때문에, 광전 변환 소자(11)에 조사된 광의 조도에 따라 노드(FD)의 전위가 저하된다. 이로써, 화소(10)에 촬상 데이터가 기록된다. 또한 배선(24)의 전위는 전위(Vwrite)로 한다.
시각 T3 내지 시각 T4에 배선(22) 및 배선(23)의 전위를 저전위로 하면, 트랜지스터(12) 및 트랜지스터(13)가 오프 상태가 된다. 이에 의하여 기록 동작이 종료되고, 노드(FD)의 전위가 유지된다. 따라서 화소(10)에 촬상 데이터가 유지된다. 또한 배선(24)의 전위는 전위(Vwrite)로 한다.
여기서, 전위(VRS)의 높이는, 시각 T2 내지 시각 T4에 광전 변환 소자(11)에 조사되는 광의 조도에 상관없이 트랜지스터(15)가 오프 상태가 되도록 설정되는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 광전 변환 소자(11)에 조사되는 광의 조도로서 상정되는 최대한의 조도의 광이 광전 변환 소자(11)에 조사된 경우에도, 트랜지스터(15)의 게이트의 전위가 전위 "VPI+Vth"보다 높아지도록 전위(VRS)의 높이를 설정하는 것이 바람직하다. 이에 의하여, 의도하지 않은 전류가 트랜지스터(15)를 통하여 배선(25)으로 흐르는 것을 억제할 수 있다. 따라서 본 발명의 일 형태의 촬상 장치의 오동작을 억제할 수 있다.
시각 T4 내지 시각 T5에 배선(22) 및 배선(23)의 전위를 저전위로 한다. 이에 의하여, 트랜지스터(12) 및 트랜지스터(13)가 오프 상태가 된다. 또한 배선(24)의 전위를 전위(Vread)로 한다. 여기서, 전위(Vread)는 전위(Vwrite)보다 낮은 전위로 한다. 이에 의하여, 노드(FD)의 전위가 용량 결합에 의하여 전위 "k(Vwrite-Vread)"만큼 저하되고, 트랜지스터(15)가 온 상태가 된다. 트랜지스터(15)가 온 상태가 됨으로써, 데이터선으로서의 기능을 갖는 배선(25)의 전위가, 노드(FD)의 전위에 대응하는 전위가 된다. 즉, 화소(10)에 유지된 촬상 데이터가 판독된다.
여기서, 전위 "Vwrite-Vread"의 높이는, 전위 "{VRS-(VPI+Vth)}/k" 이상인 것이 바람직하다. 이에 의하여, 광전 변환 소자(11)에 조사되는 광의 조도에 상관없이 트랜지스터(15)를 온 상태로 할 수 있다. 구체적으로는, 시각 T3 내지 시각 T4에 노드(FD)의 전위가 전위(VRS)인 경우에도, 트랜지스터(15)의 게이트의 전위를 전위 "VPI+Vth" 이하로 할 수 있기 때문에, 트랜지스터(15)를 온 상태로 할 수 있다. 이에 의하여, 광전 변환 소자(11)에 조사되는 광의 조도가 낮은 경우에도, 화소(10)로부터 촬상 데이터를 정확하게 판독할 수 있기 때문에, 본 발명의 일 형태의 촬상 장치의 다이내믹 레인지를 높일 수 있다.
시각 T5 내지 시각 T6에 배선(22) 및 배선(23)의 전위를 저전위로 하고, 배선(24)의 전위를 전위(Vwrite)로 한다. 이에 의하여, 트랜지스터(12), 트랜지스터(13), 및 트랜지스터(15)가 오프 상태가 되고, 판독 동작이 종료된다. 여기까지가 도 2의 (A)에 도시된 구성의 화소(10)의 동작의 일례이다.
또한 도 1의 (A)에 도시된 구성의 화소(10), 도 2의 (A)에 도시된 구성의 화소(10) 중 어느 것에서도, 트랜지스터(12) 및 트랜지스터(13) 중 한쪽 또는 양쪽을 p채널형 트랜지스터로 하여도 좋다. 또한 이후의 도면에 도시된 구성의 화소(10)에서도, 트랜지스터(12) 및 트랜지스터(13) 중 한쪽 또는 양쪽을 p채널형 트랜지스터로 하여도 좋다. 이 경우에도, 필요에 따라 전위의 대소 관계를 서로 바꾸는 것 등에 의하여, 도 1의 (B), 도 2의 (B) 등을 화소(10)의 동작에 참조할 수 있다.
<촬상 장치의 구성예 1>
도 3은 본 발명의 일 형태의 촬상 장치의 구성예를 설명하는 블록도이다. 상기 촬상 장치는 촬상부(41)와, 신호 생성 회로(44)와, 게이트 드라이버 회로(42)와, CDS 회로(45)와, 데이터 드라이버 회로(46)와, A/D 변환 회로(47)와, 전원 회로(48)를 갖는다. 또한 촬상부(41)에는 화소(10)가 매트릭스상으로 배열되어 있다.
상술한 바와 같이, 배선(25)은 전류원(16)의 한쪽 전극에 전기적으로 접속되어 있다. 예를 들어 하나의 배선(25)이 하나의 전류원(16)에 전기적으로 접속되는 구성으로 할 수 있다. 또한 화소(10)가 도 2의 (A)에 도시된 구성을 갖는 경우, 전류원(16)을 흐르는 전류의 방향은, 도 3에서 화살표로 나타낸 방향과는 반대가 된다.
신호 생성 회로(44)는 신호선으로서의 기능을 갖는 배선(24)을 통하여 화소(10)에 전기적으로 접속되어 있다. 예를 들어 1행의 화소(10)가 하나의 배선(24)을 통하여 신호 생성 회로(44)에 전기적으로 접속되는 구성으로 할 수 있다.
게이트 드라이버 회로(42)는 게이트선으로서의 기능을 갖는 배선(22) 및 배선(23)을 통하여 화소(10)에 전기적으로 접속되어 있다. 예를 들어 1행의 화소(10)가 하나의 배선(22) 및 하나의 배선(23)을 통하여 게이트 드라이버 회로(42)에 전기적으로 접속되는 구성으로 할 수 있다.
CDS 회로(45)는 데이터선으로서의 기능을 갖는 배선(25)을 통하여 화소(10)에 전기적으로 접속되어 있다. 예를 들어 1열의 화소(10)가 하나의 배선(25)을 통하여 CDS 회로(45)에 전기적으로 접속되는 구성으로 할 수 있다.
데이터 드라이버 회로(46)는 CDS 회로(45)에 전기적으로 접속되고, A/D 변환 회로(47)는 데이터 드라이버 회로(46)에 전기적으로 접속되어 있다.
전원 회로(48)는 전원선으로서의 기능을 갖는 배선(31) 및 배선(35), 그리고 리셋 전원선으로서의 기능을 갖는 배선(33)을 통하여 화소(10)에 전기적으로 접속되어 있다. 예를 들어 모든 화소(10)가 하나의 배선(31), 하나의 배선(33), 및 하나의 배선(35)을 통하여 전원 회로(48)에 전기적으로 접속되는 구성으로 할 수 있다.
신호 생성 회로(44)는 전위(Vwrite) 및 전위(Vread)를 생성하는 기능을 갖는다. 즉, 신호 생성 회로(44)는, 화소(10)가 기록 동작을 수행하는 경우에 화소(10)에 공급되는 신호인 기록 신호를 생성하고, 화소(10)가 판독 동작을 수행하는 경우에 화소(10)에 공급되는 신호인 판독 신호를 생성하는 기능을 갖는다.
게이트 드라이버 회로(42)는 트랜지스터(12)의 온/오프를 제어하는 신호 및 트랜지스터(13)의 온/오프를 제어하는 신호를 생성하는 기능을 갖는다. 예를 들어 트랜지스터(12)가 n채널형 트랜지스터인 것으로 가정하면, 트랜지스터(12)를 온 상태로 하는 경우에는, 게이트 드라이버 회로(42)가 고전위의 신호를 생성하고 상기 신호를 트랜지스터(12)에 공급할 수 있다.
도 3에 도시된 구성의 촬상 장치에서, 전위(Vwrite) 및 전위(Vread)를 생성하는 기능을 갖는 회로와, 트랜지스터(12) 및 트랜지스터(13)의 온/오프를 제어하는 신호를 생성하는 기능을 갖는 회로는 별개의 것이다. 이에 의하여, 전위(Vwrite) 및 전위(Vread)와, 트랜지스터(12) 및 트랜지스터(13)의 온/오프를 제어하는 신호의 전위를 다르게 할 수 있다. 예를 들어 게이트 드라이버 회로(42)가 음의 전위를 생성하는 기능을 갖지 않는 경우에도, 전위(Vwrite) 또는 전위(Vread)를 음의 전위로 할 수 있다. 이에 의하여, 전위(Vwrite) 및 전위(Vread)를 생성하는 기능을 갖는 회로와, 트랜지스터(12) 및 트랜지스터(13)의 온/오프를 제어하는 신호를 생성하는 기능을 갖는 회로가 동일한 것인 경우보다, 예를 들어 전위(Vwrite)와 전위(Vread)의 차이를 크게 할 수 있다. 따라서 본 발명의 일 형태의 촬상 장치의 다이내믹 레인지를 높일 수 있다.
CDS 회로(45)는, 화소(10)로부터 출력된 촬상 데이터인 신호(OUT)에 대하여 상관 이중 샘플링(correlated double sampling) 등을 수행함으로써 촬상 데이터의 노이즈를 저감하는 기능을 갖는다. 데이터 드라이버 회로(46)는 유지된 촬상 데이터를 판독하는 화소(10)의 열을 선택하는 기능을 갖는다. A/D 변환 회로(47)는 아날로그 데이터인 촬상 데이터를 디지털 데이터로 변환하는 기능을 갖는다. 전원 회로(48)는 전위(VPD), 전위(VRS), 및 전위(VPI)를 생성하는 기능을 갖는다.
<촬상 장치의 구성예 2>
도 4는 본 발명의 일 형태의 촬상 장치의 구성예를 설명하는 블록도이고, 도 3에 도시된 구성의 변형예이다. 도 4에 도시된 촬상 장치의 구성은, 광 센서(49)가 제공되어 있다는 점에서 도 3에 도시된 촬상 장치의 구성과 다르다.
광 센서(49)는 전원 회로(48)에 전기적으로 접속되어 있다. 광 센서(49)는 외광의 조도를 검출하는 기능을 갖는다. 광 센서(49)는 광전 변환 소자(11)와 같은 구성의 소자를 갖는 구성으로 할 수 있다.
촬상 장치를 도 4에 도시된 구성으로 함으로써, 리셋 전위인 전위(VRS)를 외광의 조도에 따라 변화시킬 수 있다. 예를 들어 화소(10)가 도 1의 (A)에 도시된 구성을 갖는 경우에는, 외광의 조도가 낮은, 즉 어두운 환경하에서는 전위(VRS)를 높이고, 외광의 조도가 높은, 즉 밝은 환경하에서는 전위(VRS)를 낮출 수 있다. 또한 예를 들어 화소(10)가 도 2의 (A)에 도시된 구성을 갖는 경우에는, 어두운 환경하에서는 전위(VRS)를 낮추고, 밝은 환경하에서는 전위(VRS)를 높일 수 있다. 이로써, 새까맣게 찍혀 나오는 현상 및 새하얗게 찍혀 나오는 현상이 억제되므로, 본 발명의 일 형태의 촬상 장치의 다이내믹 레인지를 높일 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 형태의 촬상 장치의 구성예를 설명하는 블록도이고, 도 4에 도시된 구성의 변형예이다. 도 5에 도시된 촬상 장치의 구성은, 광 센서(49)가 신호 생성 회로(44)에 전기적으로 접속되어 있다는 점에서 도 4에 도시된 촬상 장치의 구성과 다르다.
촬상 장치를 도 5에 도시된 구성으로 함으로써, 전위(Vwrite) 및/또는 전위(Vread)를 외광의 조도에 따라 변화시킬 수 있다. 예를 들어 어두운 환경하에서는 전위(Vread)와 전위(Vwrite)의 차이를 크게 하고, 밝은 환경하에서는 전위(Vread)와 전위(Vwrite)의 차이를 작게 할 수 있다. 이로써, 새까맣게 찍혀 나오는 현상 및 새하얗게 찍혀 나오는 현상이 억제되므로, 본 발명의 일 형태의 촬상 장치의 다이내믹 레인지를 높일 수 있다.
<촬상 장치의 구성예 3>
도 6은 본 발명의 일 형태의 촬상 장치의 구성예를 설명하는 블록도이고, 도 3에 도시된 구성의 변형예이다. 도 6에 도시된 촬상 장치의 구성은, 검출 회로(50)가 제공되어 있다는 점에서 도 3에 도시된 촬상 장치의 구성과 다르다.
검출 회로(50)는 배선(25)에 전기적으로 접속되어 있다. 검출 회로(50)는 배선(25)의 전위를 검출하고, 검출된 전위에 따라 게이트 드라이버 회로(42), 신호 생성 회로(44), 및 전원 회로(48)의 동작을 제어하는 기능을 갖는다. 검출 회로(50)를 갖는 촬상 장치에서는, 예를 들어 판독 동작 시의 배선(25)의 전위의 높이에 따라 전위(VRS), 전위(Vread), 또는 전위(Vwrite)의 높이를 조정할 수 있다. 예를 들어 화소(10)가 도 1의 (A)에 도시된 구성을 갖는 것으로 가정하면, 판독 동작 시의 배선(25)의 전위가 높은 경우에는, 전위(VRS)를 낮출 수 있다. 또는 전위(Vread)와 전위(Vwrite)의 차이를 작게 할 수 있다. 이로써, 노드(FD)의 전위를 낮출 수 있기 때문에, 새하얗게 찍혀 나오는 현상의 발생을 억제할 수 있다.
또한 예를 들어 화소(10)가 도 1의 (A)에 도시된 구성을 갖는 것으로 가정하면, 판독 동작 시의 배선(25)의 전위가 낮은 경우에는, 전위(VRS)를 높일 수 있다. 또는 전위(Vread)와 전위(Vwrite)의 차이를 크게 할 수 있다. 이로써, 노드(FD)의 전위를 높일 수 있기 때문에, 새까맣게 찍혀 나오는 현상의 발생을 억제할 수 있다.
또한 예를 들어 화소(10)가 도 2의 (A)에 도시된 구성을 갖는 것으로 가정하면, 판독 동작 시의 배선(25)의 전위가 낮은 경우에는, 전위(VRS)를 높일 수 있다. 또는 전위(Vwrite)와 전위(Vread)의 차이를 작게 할 수 있다. 이로써, 노드(FD)의 전위를 높일 수 있기 때문에, 새하얗게 찍혀 나오는 현상의 발생을 억제할 수 있다.
또한 예를 들어 화소(10)가 도 2의 (A)에 도시된 구성을 갖는 것으로 가정하면, 판독 동작 시의 배선(25)의 전위가 높은 경우에는, 전위(VRS)를 낮출 수 있다. 또는 전위(Vwrite)와 전위(Vread)의 차이를 크게 할 수 있다. 이로써, 노드(FD)의 전위를 낮출 수 있기 때문에, 새까맣게 찍혀 나오는 현상의 발생을 억제할 수 있다.
그리고 상술한 바와 같이 전위(VRS), 전위(Vread), 또는 전위(Vwrite)의 높이를 조정한 후, 리셋 동작, 기록 동작, 및 판독 동작을 다시 수행할 수 있다. 이로써, 본 발명의 일 형태의 촬상 장치에서, 새하얗게 찍혀 나오는 현상 및 새까맣게 찍혀 나오는 현상이 억제되므로, 다이내믹 레인지를 높일 수 있다.
또한 검출 회로(50)는 게이트 드라이버 회로(42), 신호 생성 회로(44), 및 전원 회로(48)의 모든 회로의 동작을 제어하는 기능을 갖지 않아도 된다. 예를 들어 전위(VRS)에 대하여 배선(25)의 전위에 따른 조정을 수행하지 않는 경우에는, 검출 회로(50)는 전원 회로(48)를 제어하는 기능을 갖지 않아도 된다.
<촬상 장치의 구성예 4>
도 7은 본 발명의 일 형태의 촬상 장치의 구성예를 설명하는 블록도이고, 도 3에 도시된 구성의 변형예이다. 도 7에 도시된 촬상 장치의 구성은, 모든 화소(10)가 하나의 배선(22) 및 하나의 배선(23)을 통하여 게이트 드라이버 회로(42)에 전기적으로 접속되어 있다는 점에서 도 3에 도시된 촬상 장치의 구성과 다르다. 도 7에 도시된 구성의 촬상 장치에서, 촬상부(41)에는 n행(n은 2 이상의 정수(整數))의 화소(10)가 제공되어 있는 것으로 한다.
본 명세서 등에서는, 예를 들어 제 1 행의 화소(10)를 화소(10[1])라고 표기하고, 제 2 행의 화소(10)를 화소(10[2])라고 표기하고, 제 n 행의 화소(10)를 화소(10[n])라고 표기한다. 또한 예를 들어 화소(10[1])에 전기적으로 접속되는 배선(24)을 배선(24[1])이라고 표기하고, 화소(10[2])에 전기적으로 접속되는 배선(24)을 배선(24[2])이라고 표기하고, 화소(10[n])에 전기적으로 접속되는 배선(24)을 배선(24[n])이라고 표기한다.
도 7에 도시된 구성의 촬상 장치에서는, 화소(10)에 대한 촬상 데이터의 기록을 글로벌 셔터 방식에 의하여 수행한다. 그러므로 촬상의 동시성을 확보할 수 있고, 피사체가 고속으로 이동하는 경우에도 왜곡이 작은 화상을 용이하게 얻을 수 있다. 따라서 도 7에 도시된 구성의 촬상 장치는 고품위의 촬상 데이터를 취득할 수 있다.
도 8은, 도 7에 도시된 구성의 촬상 장치가 갖는 n행의 화소(10)의 동작의 일례를 설명하는 타이밍 차트이다. 여기서, 화소(10)는 도 1의 (A)에 도시된 구성을 갖는 것으로 한다. 또한 전위(Vread)는 전위(Vwrite)보다 높은 것으로 한다.
본 명세서 등에서는, 예를 들어 화소(10[1])가 갖는 노드(FD)를 노드(FD[1])라고 표기하고, 화소(10[2])가 갖는 노드(FD)를 노드(FD[2])라고 표기하고, 화소(10[n])가 갖는 노드(FD)를 노드(FD[n])라고 표기한다. 또한 예를 들어 노드(FD[1])의 용량 결합 계수 k를 용량 결합 계수 k1이라고 표기하고, 노드(FD[2])의 용량 결합 계수 k를 용량 결합 계수 k2라고 표기하고, 노드(FD[n])의 용량 결합 계수 k를 용량 결합 계수 kn이라고 표기한다.
시각 T1 내지 시각 T2에 배선(22) 및 배선(23)의 전위를 고전위로 하면, 모든 트랜지스터(12) 및 모든 트랜지스터(13)가 온 상태가 되고, 노드(FD[1]) 내지 노드(FD[n])의 전위가 리셋 전위인 전위(VRS)가 된다. 이에 의하여, 모든 광전 변환 소자(11) 및 노드(FD[1]) 내지 노드(FD[n])에 축적된 전하가 리셋된다. 또한 배선(24[1]) 내지 배선(24[n])의 전위는 전위(Vwrite)로 한다.
여기서, 전위(VRS)는 전위 "VPI+Vth" 이하의 전위로 할 수 있고, 또한 상술한 바와 같이 트랜지스터(15)는 n채널형 트랜지스터이다. 따라서 시각 T1 내지 시각 T2에 모든 트랜지스터(15)는 오프 상태가 된다.
시각 T2 내지 시각 T3에 배선(22)의 전위를 고전위로 하고, 배선(23)의 전위를 저전위로 하면, 모든 트랜지스터(12)가 온 상태가 되고, 모든 트랜지스터(13)가 오프 상태가 된다. 이에 의하여, 광전 변환 소자(11)에 조사된 광의 조도에 따라 광전 변환 소자(11)에 축적된 전하가 노드(FD)로 전송된다. 여기서, 예를 들어 고전위로 할 수 있는 전위(VPD)는 전위(VRS)보다 높기 때문에, 광전 변환 소자(11)에 조사된 광의 조도에 따라 노드(FD[1]) 내지 노드(FD[n])의 전위가 상승된다. 이로써, 화소(10[1]) 내지 화소(10[n])에 글로벌 셔터 방식에 의하여 촬상 데이터가 기록된다. 또한 배선(24[1]) 내지 배선(24[n])의 전위는 전위(Vwrite)로 한다.
시각 T3 내지 시각 T4에 배선(22) 및 배선(23)의 전위를 저전위로 하면, 모든 트랜지스터(12) 및 모든 트랜지스터(13)가 오프 상태가 된다. 이에 의하여 기록 동작이 종료되고, 노드(FD[1]) 내지 노드(FD[n])의 전위가 유지된다. 따라서 화소(10[1]) 내지 화소(10[n])에 촬상 데이터가 유지된다. 여기서, 상술한 바와 같이 전위(VRS)의 높이는, 시각 T2 내지 시각 T4에 광전 변환 소자(11)에 조사되는 광의 조도에 상관없이 트랜지스터(15)가 오프 상태가 되도록 설정되는 것이 바람직하다. 또한 배선(24[1]) 내지 배선(24[n])의 전위는 전위(Vwrite)로 한다.
시각 T4 내지 시각 T5에 배선(22) 및 배선(23)의 전위를 저전위로 한다. 이에 의하여, 모든 트랜지스터(12) 및 모든 트랜지스터(13)가 오프 상태가 된다. 또한 배선(24[1])의 전위를 전위(Vread)로 하고, 배선(24[2]) 내지 배선(24[n])의 전위를 전위(Vwrite)로 한다. 이에 의하여, 노드(FD[1])의 전위가 용량 결합에 의하여 전위 "k1(Vread-Vwrite)"만큼 상승되고, 화소(10[1])에 제공된 트랜지스터(15)가 온 상태가 된다. 트랜지스터(15)가 온 상태가 됨으로써, 데이터선으로서의 기능을 갖는 배선(25)의 전위가, 노드(FD[1])의 전위에 대응하는 전위가 된다. 즉, 화소(10[1])에 유지된 촬상 데이터가 판독된다.
시각 T5 내지 시각 T6에 배선(22) 및 배선(23)의 전위를 저전위로 하고, 배선(24[1]) 내지 배선(24[n])의 전위를 전위(Vwrite)로 한다. 이에 의하여, 모든 트랜지스터(12), 모든 트랜지스터(13), 및 모든 트랜지스터(15)가 오프 상태가 되고, 화소(10[1])에 유지된 촬상 데이터의 판독이 종료된다.
시각 T6 내지 시각 T7에 배선(22) 및 배선(23)의 전위를 저전위로 한다. 이에 의하여, 모든 트랜지스터(12) 및 모든 트랜지스터(13)가 오프 상태가 된다. 또한 배선(24[2])의 전위를 전위(Vread)로 하고, 배선(24[1]) 및 배선(24[3]) 내지 배선(24[n])의 전위를 전위(Vwrite)로 한다. 이에 의하여, 노드(FD[2])의 전위가 용량 결합에 의하여 전위 "k2(Vread-Vwrite)"만큼 상승되고, 화소(10[2])에 제공된 트랜지스터(15)가 온 상태가 된다. 트랜지스터(15)가 온 상태가 됨으로써, 데이터선으로서의 기능을 갖는 배선(25)의 전위가, 노드(FD[2])의 전위에 대응하는 전위가 된다. 즉, 화소(10[2])에 유지된 촬상 데이터가 판독된다.
시각 T7 내지 시각 T8에 배선(22) 및 배선(23)의 전위를 저전위로 하고, 배선(24[1]) 내지 배선(24[n])의 전위를 전위(Vwrite)로 한다. 이에 의하여, 모든 트랜지스터(12), 모든 트랜지스터(13), 및 모든 트랜지스터(15)가 오프 상태가 되고, 화소(10[2])에 유지된 촬상 데이터의 판독이 종료된다.
또한 화소(10[2])에 유지된 촬상 데이터의 판독이 종료된 후, 배선(24[3]) 내지 배선(24[n-1])의 전위를 순차적으로 전위(Vread)로 함으로써, 화소(10[3]) 내지 화소(10[n-1])에 유지된 촬상 데이터가 순차적으로 판독된다.
시각 T8 내지 시각 T9에 배선(22) 및 배선(23)의 전위를 저전위로 한다. 이에 의하여, 모든 트랜지스터(12) 및 모든 트랜지스터(13)가 오프 상태가 된다. 또한 배선(24[n])의 전위를 전위(Vread)로 하고, 배선(24[1]) 내지 배선(24[n-1])의 전위를 전위(Vwrite)로 한다. 이에 의하여, 노드(FD[n])의 전위가 용량 결합에 의하여 전위 "kn(Vread-Vwrite)"만큼 상승되고, 화소(10[n])에 제공된 트랜지스터(15)가 온 상태가 된다. 트랜지스터(15)가 온 상태가 됨으로써, 데이터선으로서의 기능을 갖는 배선(25)의 전위가, 노드(FD[n])의 전위에 대응하는 전위가 된다. 즉, 화소(10[n])에 유지된 촬상 데이터가 판독된다.
시각 T9 내지 시각 T10에 배선(22) 및 배선(23)의 전위를 저전위로 하고, 배선(24[1]) 내지 배선(24[n])의 전위를 전위(Vwrite)로 한다. 이에 의하여, 모든 트랜지스터(12), 모든 트랜지스터(13), 및 모든 트랜지스터(15)가 오프 상태가 되고, 화소(10[n])에 유지된 촬상 데이터의 판독이 종료된다.
이러한 식으로, 모든 화소(10)에 유지된 촬상 데이터의 판독이 수행된다. 여기서, 도 8에 도시된 바와 같이, 기록 동작이 종료된 후, 예를 들어 노드(FD[n])에는 전하를 장기간 유지할 필요가 있다. 그러므로 상술한 바와 같이, 트랜지스터(12) 및 트랜지스터(13)로서는, OS 트랜지스터 등 오프 전류가 매우 작은 트랜지스터를 사용하는 것이 바람직하다.
<화소의 구성예 3>
도 9의 (A), (B), (C), (D)는 화소(10)의 구성예를 설명하는 도면이고, 도 1의 (A)에 도시된 구성의 변형예이다. 도 9의 (A)에 도시된 화소(10)의 구성은, 트랜지스터(13)의 소스 및 드레인 중 한쪽이 광전 변환 소자(11)의 한쪽 전극에 전기적으로 접속되어 있다는 점에서 도 1의 (A)에 도시된 화소(10)의 구성과 다르다.
또한 도 9의 (B)에 도시된 화소(10)의 구성은, 트랜지스터(13)가 제공되어 있지 않다는 점에서 도 1의 (A)에 도시된 화소(10)의 구성과 다르다. 도 9의 (B)에 도시된 구성의 화소(10)에서는, 트랜지스터(12)를 온 상태로 하고, 또한 전위(VPD)와 노드(FD)의 전위의 관계가 광전 변환 소자(11)에 대하여 순방향 바이어스가 되도록 함으로써, 노드(FD)의 전위를 리셋할 수 있다. 예를 들어 도 1의 (A)에 도시된 전위(VRS)와 마찬가지로 전위(VPD)를 음의 전위로 함으로써, 노드(FD)의 전위를 리셋할 수 있다.
또한 도 9의 (C), (D)에 도시된 화소(10)의 구성은, 트랜지스터(12), 트랜지스터(13), 및 트랜지스터(15)에 백 게이트가 제공되어 있다는 점에서 도 1의 (A)에 도시된 화소(10)의 구성과 다르다. 도 9의 (C)에 도시된 구성의 화소(10)에서는, 트랜지스터(12), 트랜지스터(13), 및 트랜지스터(15)의 백 게이트에 예를 들어 양의 전위를 공급함으로써 상기 트랜지스터의 온 전류를 높일 수 있고, 음의 전위를 공급함으로써 상기 트랜지스터의 오프 전류를 낮출 수 있다.
도 9의 (D)에 도시된 구성의 화소(10)에서는, 백 게이트가 프런트 게이트에 전기적으로 접속되어 있다. 이에 의하여, 백 게이트의 전위의 제어를 간단한 것으로 하면서, 트랜지스터의 온 전류를 높이고 오프 전류를 낮출 수 있다.
또한 도 9의 (C), (D)를 조합하는 등, 각 트랜지스터가 적절한 동작을 수행할 수 있는 구성으로 하여도 좋다. 또한 백 게이트가 제공되지 않는 트랜지스터를 화소(10)가 가져도 좋다.
본 실시형태는 다른 실시형태의 기재와 적절히 조합할 수 있다.
(실시형태 2)
본 실시형태에서는, 본 발명의 일 형태의 촬상 장치의 구성예 등에 대하여 설명한다.
도 10의 (A)는 본 발명의 일 형태의 촬상 장치의 구성예를 설명하는 단면도이다. 도 10의 (A)에서는, 기판(101)에 제공된 광전 변환 소자(11)와, 기판(101)에 채널 형성 영역이 제공된 트랜지스터(12) 및 트랜지스터(15)와, 트랜지스터(12) 및 트랜지스터(15) 위에 제공된 용량 소자(14)를 도시하였다.
기판(101)으로서는, 예를 들어 실리콘 기판을 사용할 수 있다. 예를 들어 단결정 실리콘, 비정질 실리콘, 미결정 실리콘, 다결정 실리콘 등을 사용할 수 있다. 기판(101)으로서 실리콘 기판을 사용하는 경우, 트랜지스터(12) 및 트랜지스터(15) 등은 Si 트랜지스터이다.
광전 변환 소자(11)에서 층(103a)은 p+형 영역으로, 층(103b)은 p형 영역으로, 층(103c)은 n+형 영역으로 할 수 있다. 또한 층(103b)에는 층(103c)과, 배선(31)을 구성하는 도전층(107)을 전기적으로 접속하기 위한 영역(105)이 제공된다. 예를 들어 영역(105)은 p+형 영역으로 할 수 있다. 또한 도 10의 (A)에 도시된 구성의 촬상 조치는 표면 조사형 촬상 장치로 할 수 있다.
도 10의 (B)는 일점쇄선 A1-A2에서의 절단면의 단면도이고, 트랜지스터(12)의 채널 폭 방향의 단면도이다. 또한 트랜지스터(15) 등, 기판(101)에 제공된 다른 트랜지스터의 채널 폭 방향의 단면도, 도 10의 (B)에 도시된 구성과 같은 구성으로 할 수 있다.
도 10의 (B)에 도시된 바와 같이, 트랜지스터(12)의 채널 형성 영역은 기판(101)의 볼록부에 제공되어 있고, 상기 볼록부를 덮도록 게이트 전극이 제공된다. 즉, 도 10의 (A), (B)에 도시된 구성의 트랜지스터(12)는 FIN형 트랜지스터라고 할 수 있다.
도 10의 (C)는 본 발명의 일 형태의 촬상 장치의 구성예를 설명하는 단면도이고, 트랜지스터(12) 및 트랜지스터(15)의 구성이 도 10의 (A)에 도시된 구성의 촬상 장치와 다르다. 도 10의 (C)에서는 평탄한 기판(101)에 트랜지스터(12) 및 트랜지스터(15)가 제공되어 있다. 따라서 도 10의 (C)에 도시된 구성의 트랜지스터(12) 및 트랜지스터(15) 등은 플레이너형 트랜지스터라고 할 수 있다.
도 11의 (A)는 본 발명의 일 형태의 촬상 장치의 구성예를 설명하는 단면도이고, 기판(101)에 제공된 트랜지스터(15) 위에 트랜지스터(12)가 제공되어 있다. 즉, 본 발명의 일 형태의 촬상 장치를 구성하는 트랜지스터가 적층하여 제공되어 있다. 이와 같은 구성으로 함으로써, 본 발명의 일 형태의 촬상 장치가 갖는 화소를 미세화할 수 있다. 이에 의하여, 광전 변환 소자(11)의 수광 면적을 확대할 수 있고, 본 발명의 일 형태의 촬상 장치가 갖는 화소의 광 검출 감도를 높일 수 있다. 또한 S/N비를 높일 수 있다. 따라서 본 발명의 일 형태의 촬상 장치는 고품위의 촬상 데이터를 취득할 수 있다. 또한 트랜지스터(13) 등도 트랜지스터(12)와 동일한 구성으로 할 수 있다.
여기서, 도 11의 (A)에 도시된 구성의 촬상 장치에서, 트랜지스터(12)를 OS 트랜지스터로 할 수 있다. 이에 의하여, 실시형태 1에서 설명한 바와 같이 용량 소자(14)에 전하를 장기간 유지할 수 있기 때문에, 본 발명의 일 형태의 촬상 장치가 갖는 화소에 대한 촬상 데이터의 기록을 글로벌 셔터 방식에 의하여 수행할 수 있다.
도 11의 (B)에 OS 트랜지스터를 자세히 도시하였다. 도 11의 (B)에 도시된 OS 트랜지스터는, 금속 산화물층 및 도전층의 적층 위에 절연층을 제공하고, 상기 금속 산화물층에 도달하는 홈을 상기 절연층에 제공함으로써 소스 전극(205) 및 드레인 전극(206)을 형성하는 셀프 얼라인형의 구성을 갖는다.
OS 트랜지스터는 금속 산화물층(207)에 형성되는 채널 형성 영역(113), 소스 영역(203), 및 드레인 영역(204) 외에, 게이트 전극(201) 및 게이트 절연막(202)을 갖는 구성으로 할 수 있다. 상기 홈에는 적어도 게이트 절연막(202) 및 게이트 전극(201)이 제공된다. 도 11의 (B)에 도시된 구성의 OS 트랜지스터에서는, 금속 산화물층(207a) 위에 금속 산화물층(207b)이 제공되고, 금속 산화물층(207b) 위에 금속 산화물층(207c), 그리고 소스 전극(205) 및 드레인 전극(206)이 제공되어 있다. 또한 도 11의 (B) 등에서는, 예를 들어 금속 산화물층(207a), 금속 산화물층(207b), 및 금속 산화물층(207c)을 통틀어 금속 산화물층(207)이라고 표기할 수 있다.
OS 트랜지스터는 도 11의 (C)에 도시된 바와 같이, 게이트 전극(201)을 마스크로서 사용하여 금속 산화물층(207)에 소스 영역(203) 및 드레인 영역(204)을 형성하는 셀프 얼라인형의 구성을 가져도 좋다.
또는 도 11의 (D)에 도시된 바와 같이, 소스 전극(205) 또는 드레인 전극(206)과 게이트 전극(201)이 중첩되는 영역을 갖는 비셀프 얼라인형 톱 게이트 트랜지스터이어도 좋다.
도 11의 (A), (B), (C), (D)에서는, 트랜지스터(12)가 백 게이트 전극(111)을 갖는 구성을 도시하였다. 백 게이트 전극(111)에 예를 들어 양의 전위를 공급함으로써 트랜지스터(12)의 온 전류를 높일 수 있고, 음의 전위를 공급함으로써 트랜지스터(12)의 오프 전류를 낮출 수 있다.
도 11의 (E)는 도 11의 (B)에 나타낸 일점쇄선 B1-B2에서의 절단면의 단면도이고, 트랜지스터(12)의 채널 폭 방향의 단면도이다. 도 11의 (E)에 도시된 바와 같이, 백 게이트 전극(111)은 게이트 절연막(202) 등을 사이에 두고 대향하여 제공되는 게이트 전극(201)에 전기적으로 접속되어도 좋다. 이에 의하여, 백 게이트 전극(111)의 전위의 제어를 간단한 것으로 하면서, 트랜지스터(12)의 온 전류를 높이고 오프 전류를 낮출 수 있다. 또한 트랜지스터(12)가 백 게이트 전극(111)을 갖지 않아도 된다.
OS 트랜지스터가 형성되는 영역과 Si 트랜지스터가 형성되는 영역 사이에는 수소의 확산을 방지하는 기능을 갖는 절연층(109)이 제공된다. 즉, 예를 들어 트랜지스터(15)와 트랜지스터(12) 사이에는 절연층(109)을 제공할 수 있다. Si 트랜지스터의 채널 형성 영역 근방에 제공되는 절연층 내의 수소는 실리콘의 댕글링 본드를 종단한다. 한편, OS 트랜지스터의 채널 형성 영역 근방에 제공되는 절연층 내의 수소는, 금속 산화물 내에 캐리어를 생성하는 요인 중 하나가 된다.
절연층(109)에 의하여 Si 트랜지스터가 제공된 층에 수소를 가둠으로써, Si 트랜지스터의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 또한 Si 트랜지스터가 제공된 층으로부터 OS 트랜지스터가 제공된 층으로의 수소의 확산이 억제됨으로써, OS 트랜지스터의 신뢰성도 향상시킬 수 있다.
절연층(109)으로서는, 예를 들어 산화 알루미늄, 산화질화 알루미늄, 산화 갈륨, 산화질화 갈륨, 산화 이트륨, 산화질화 이트륨, 산화 하프늄, 산화질화 하프늄, 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ) 등을 사용할 수 있다.
도 12의 (A)는 본 발명의 일 형태의 촬상 장치의 구성예를 설명하는 단면도이고, 도 10의 (A)에 도시된 구성의 변형예이다. 도 12의 (A)에 도시된 촬상 장치의 구성은, 트랜지스터(12), 용량 소자(14), 및 트랜지스터(15) 등과 중첩되는 영역을 갖도록 광전 변환 소자(11)가 제공되어 있다는 점에서 도 10의 (A)에 도시된 구성과 다르다. 여기서, 트랜지스터(12), 용량 소자(14), 및 트랜지스터(15) 등이 제공되는 층을 층(131)이라고 하고, 광전 변환 소자(11)가 제공되는 층을 층(133)이라고 한다.
도 12의 (A)에서는, 층(131)이 갖는 요소와 층(133)이 갖는 요소의 전기적인 접속을 접합 기술에 의하여 얻는 구성예를 도시하였다.
층(131)에는 절연층(123)이 제공되고, 또한 절연층(123)에 매설된 영역을 갖도록 도전층(115) 및 도전층(117)이 제공된다. 도전층(115)은 트랜지스터(12)의 소스 및 드레인 중 한쪽에 전기적으로 접속되어 있다. 도전층(117)은 도전층(107)에 전기적으로 접속되어 있다. 또한 절연층(123), 도전층(115), 및 도전층(117)은 각각 높이가 일치하도록 평탄화되어 있다.
층(133)에는 절연층(125)이 제공되고, 또한 절연층(125)에 매설된 영역을 갖도록 도전층(119) 및 도전층(121)이 제공된다. 절연층(125)은 절연층(123)과 접하는 영역을 갖고, 도전층(115)은 도전층(119)과 접하는 영역을 갖고, 도전층(117)은 도전층(121)과 접하는 영역을 갖는다. 이로써, 트랜지스터(12)의 소스 및 드레인 중 한쪽은 도전층(115) 및 도전층(119)을 통하여 층(103a)에 전기적으로 접속되고, 도전층(107)은 도전층(117), 도전층(121), 및 영역(105)을 통하여 층(103c)에 전기적으로 접속된다. 또한 절연층(125), 도전층(119), 및 도전층(121)은 각각 높이가 일치하도록 평탄화되어 있다.
여기서, 도전층(115) 및 도전층(119)은 주성분이 동일한 금속 원소인 것이 바람직하다. 또한 도전층(117) 및 도전층(121)은 주성분이 동일한 금속 원소인 것이 바람직하다. 또한 절연층(123) 및 절연층(125)은 동일한 성분으로 구성되는 것이 바람직하다.
예를 들어 도전층(115), 도전층(117), 도전층(119), 및 도전층(121)에는 Cu, Al, Sn, Zn, W, Ag, Pt, 또는 Au 등을 사용할 수 있다. 접합의 용이성을 고려하여, 바람직하게는 Cu, Al, W, 또는 Au을 사용한다. 또한 절연층(123) 및 절연층(125)에는 산화 실리콘, 산화질화 실리콘, 질화산화 실리콘, 질화 실리콘, 질화 타이타늄 등을 사용할 수 있다.
즉, 도전층(115) 및 도전층(119)의 조합과 도전층(117) 및 도전층(121)의 조합의 각각에, 앞에서 기재한 것과 동일한 금속 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 또한 절연층(123) 및 절연층(125)의 각각에, 앞에서 기재한 것과 동일한 절연 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 구성으로 함으로써, 층(131)과 층(133)의 경계를 접합 위치로 하는 접합을 수행할 수 있다.
상기 접합에 의하여, 도전층(115) 및 도전층(119)의 조합과 도전층(117) 및 도전층(121)의 조합 각각의 전기적인 접속을 얻을 수 있다. 또한 절연층(123) 및 절연층(125)의 기계적인 강도를 갖는 접속을 얻을 수 있다.
금속층들의 접합에는, 표면의 산화막 및 불순물의 흡착층 등을 스퍼터링 처리 등에 의하여 제거하고, 깨끗하게 하고 활성화시킨 표면들을 접촉시켜 접합하는 표면 활성화 접합법을 사용할 수 있다. 또는 온도와 압력을 병용하여 표면들을 접합하는 확산 접합법 등을 사용할 수 있다. 어느 방법에서도 원자 레벨로 결합되기 때문에, 전기적뿐만 아니라 기계적으로도 우수한 접합을 얻을 수 있다.
또한 절연층들의 접합에는, 연마 등에 의하여 높은 평탄성을 얻은 후, 산소 플라스마 등으로 친수성 처리를 실시한 표면들을 접촉시켜 일시적으로 접합하고, 열처리에 의한 탈수로 최종적인 접합을 하는 친수성 접합법 등을 사용할 수 있다. 친수성 접합법에서도 원자 레벨로 결합되기 때문에, 기계적으로 우수한 접합을 얻을 수 있다.
층(131)과 층(133)을 접합하는 경우, 각 접합면에는 절연층과 금속층이 혼재되기 때문에, 예를 들어 표면 활성화 접합법 및 친수성 접합법을 조합하여 수행하면 좋다.
예를 들어 연마 후에 표면을 깨끗하게 하고, 금속층의 표면에 산화 방지 처리를 실시한 다음, 친수성 처리를 실시하여 접합을 하는 방법 등을 사용할 수 있다. 또한 금속층의 표면에 Au 등의 난(難)산화성 금속을 사용하여 친수성 처리를 실시하여도 좋다. 또한 상술한 방법 이외의 접합 방법을 사용하여도 좋다.
도 12의 (A)에 도시된 구성의 촬상 장치에서는, 화살표의 방향으로부터 광을 조사할 수 있다. 즉, 도 12의 (A)에 도시된 구성의 촬상 장치는, 뒷면 조사형 촬상 장치로 할 수 있다. 이에 의하여, 촬상 장치에 입사한 광이 촬상 장치에 제공된 배선 등에 의하여 차단되는 것을 억제할 수 있다. 이에 의하여, 광전 변환 소자(11)의 수광 면적을 확대할 수 있고, 본 발명의 일 형태의 촬상 장치가 갖는 화소의 광 검출 감도를 높일 수 있다. 또한 S/N비를 높일 수 있다. 따라서 본 발명의 일 형태의 촬상 장치는 고품위의 촬상 데이터를 취득할 수 있다.
도 12의 (B)는 본 발명의 일 형태의 촬상 장치의 구성예를 설명하는 단면도이고, 도 12의 (A)에 도시된 구성의 변형예이다. 도 12의 (B)에 도시된 촬상 장치의 구성은, 광전 변환 소자(11)가 층(104a)과, 층(104b)과, 층(104c)과, 층(104d)의 적층 구성을 갖는다는 점에서 도 12의 (A)에 도시된 촬상 장치의 구성과 다르다. 층(104a) 및 층(104d)은 전극으로서의 기능을 갖고, 층(104b) 및 층(104c)은 광전 변환부로서의 기능을 갖는다.
도 12의 (B)에 도시된 구성의 촬상 장치에서, 층(133)은 층(131) 위에 직접 형성될 수 있다. 층(104a)은 트랜지스터(12)의 소스 및 드레인 중 한쪽에 전기적으로 접속되어 있다. 층(104d)은 도전층(127)을 통하여 도전층(107)에 전기적으로 접속되어 있다.
층(104a)은 저저항의 금속층 등으로 하는 것이 바람직하다. 예를 들어 알루미늄, 타이타늄, 텅스텐, 탄탈럼, 은, 또는 이들의 적층을 사용할 수 있다.
층(104d)으로서는 가시광에 대하여 높은 투광성을 갖는 도전층을 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어 인듐 산화물, 주석 산화물, 아연 산화물, 인듐-주석 산화물, 갈륨-아연 산화물, 인듐-갈륨-아연 산화물, 또는 그래핀 등을 사용할 수 있다. 또한 층(104d)을 생략하는 구성으로 할 수도 있다.
광전 변환부의 층(104b 및 104c)은, 예를 들어 셀레늄계 재료를 광전 변환층에 사용한 pn 접합형 포토다이오드의 구성으로 할 수 있다. 상기 구성으로 하는 경우, 층(104b)에는 p형 반도체인 셀레늄계 재료를 사용하고, 층(104c)에는 n형 반도체인 갈륨 산화물 등을 사용하는 것이 바람직하다.
셀레늄계 재료를 사용한 광전 변환 소자는 가시광에 대한 외부 양자 효율이 높다는 특성을 갖는다. 상기 광전 변환 소자에서는, 애벌란시 증배를 이용함으로써, 입사하는 광량에 대한 전자의 증폭을 크게 할 수 있다. 또한 셀레늄계 재료는 광 흡수 계수가 높기 때문에, 광전 변환층을 박막으로 제작할 수 있다는 등의 생산상의 이점을 갖는다. 셀레늄계 재료의 박막은 진공 증착법 또는 스퍼터링법 등을 사용하여 형성할 수 있다.
셀레늄계 재료로서는, 예를 들어 단결정 셀레늄 및 다결정 셀레늄 등의 결정성 셀레늄을 사용할 수 있다. 또는 비정질 셀레늄을 사용할 수 있다. 또는 구리, 인듐, 셀레늄의 화합물(CIS)을 사용할 수 있다. 또는 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄의 화합물(CIGS)을 사용할 수 있다.
n형 반도체는 밴드 갭이 넓고, 가시광에 대하여 투광성을 갖는 재료로 형성되는 것이 바람직하다. 예를 들어 아연 산화물, 갈륨 산화물, 인듐 산화물, 주석 산화물, 또는 이들이 혼재된 산화물 등을 사용할 수 있다. 또한 이들 재료는 정공 주입 저지층으로서의 기능도 갖고, 암전류를 낮출 수도 있다.
또한 광전 변환 소자(11)는 유기광 도전막을 갖는 구성으로 하여도 좋다. 이 경우, 층(104b)은 정공 수송층과, 광전 변환층과, 전자 수송층이 적층하여 제공된 구성으로 할 수 있다. 여기서, 정공 수송층으로서는, 예를 들어 산화 몰리브데넘 등을 사용할 수 있다. 또한 전자 수송층으로서는, 예를 들어 C60, C70 등의 풀러렌 또는 이들의 유도체 등을 사용할 수 있다. 또한 광전 변환층으로서는, n형 유기 반도체 및 p형 유기 반도체의 혼합층(벌크 헤테로 접합 구조)을 사용할 수 있다.
도 13의 (A)는 본 발명의 일 형태의 촬상 장치의 구성예를 설명하는 단면도이고, 도 11의 (A)에 도시된 구성의 변형예이다. 도 13의 (A)에 도시된 촬상 장치의 구성은, 트랜지스터(12), 용량 소자(14), 및 트랜지스터(15) 등과 중첩되는 영역을 갖도록 광전 변환 소자(11)가 제공되어 있다는 점에서 도 11의 (A)에 도시된 구성과 다르다. 즉, 용량 소자(14) 및 트랜지스터(15) 등과, 트랜지스터(12) 등과, 광전 변환 소자(11)가 각각 적층하여 제공되어 있다는 점에서 도 11의 (A)에 도시된 구성과 다르다. 여기서, 용량 소자(14) 및 트랜지스터(15) 등이 제공되는 층을 층(131)이라고 하고, 트랜지스터(12) 등이 제공되는 층을 층(132)이라고 하고, 광전 변환 소자(11)가 제공되는 층을 층(133)이라고 한다.
도 13의 (A)에서는, 층(132)이 갖는 요소와 층(133)이 갖는 요소의 전기적인 접속을 접합 기술에 의하여 얻는 구성예를 도시하였다. 또한 도 13의 (A)에 도시된 구성의 촬상 장치도, 도 12의 (A)에 도시된 구성의 촬상 장치와 마찬가지로, 화살표의 방향으로부터 광을 조사할 수 있다. 즉, 뒷면 조사형 촬상 장치로 할 수 있다.
도 13의 (B)는 본 발명의 일 형태의 촬상 장치의 구성예를 설명하는 단면도이고, 도 13의 (A)에 도시된 구성의 변형예이다. 도 13의 (B)에 도시된 촬상 장치의 구성은, 광전 변환 소자(11)가 도 12의 (B)와 마찬가지로 층(104a)과, 층(104b)과, 층(104c)과, 층(104d)의 적층 구성을 갖는다는 점에서 도 13의 (A)에 도시된 촬상 장치의 구성과 다르다.
도 13의 (B)에 도시된 구성의 촬상 장치에서, 층(133)은 층(132) 위에 직접 형성될 수 있다. 또한 도 12의 (B)에 도시된 구성의 촬상 장치와 마찬가지로, 층(104a)은 트랜지스터(12)의 소스 및 드레인 중 한쪽에 전기적으로 접속되고, 층(104d)은 도전층(127)을 통하여 도전층(107)에 전기적으로 접속되어 있다.
도 14의 (A)는 본 발명의 일 형태의 촬상 장치의 화소에 컬러 필터 등을 부가한 예를 도시한 사시도이다. 상기 사시도에서는 복수의 화소의 단면도 함께 도시하였다. 광전 변환 소자(11) 위에는 절연층(180)이 형성된다. 절연층(180)으로서는 가시광에 대하여 투광성이 높은 산화 실리콘막 등을 사용할 수 있다. 또한 패시베이션막으로서 질화 실리콘막을 적층하여도 좋다. 또한 반사 방지막으로서 산화 하프늄 등의 유전체막을 적층하여도 좋다.
절연층(180) 위에는 차광층(181)이 형성되어도 좋다. 차광층(181)은 상부의 컬러 필터를 통과하는 광의 혼색을 방지하는 기능을 갖는다. 차광층(181)에는 알루미늄, 텅스텐 등의 금속층을 사용할 수 있다. 또한 상기 금속층과, 반사 방지막으로서의 기능을 갖는 유전체막을 적층하여도 좋다.
절연층(180) 및 차광층(181) 위에는 평탄화막으로서 유기 수지층(182)을 제공할 수 있다. 또한 화소별로 컬러 필터(183)(컬러 필터(183a), 컬러 필터(183b), 컬러 필터(183c))가 형성된다. 예를 들어 컬러 필터(183a), 컬러 필터(183b), 및 컬러 필터(183c)에 R(적색), G(녹색), B(청색), Y(황색), C(시안), M(마젠타) 등의 색을 할당함으로써, 컬러 화상을 얻을 수 있다.
컬러 필터(183) 위에는 가시광에 대하여 투광성을 갖는 절연층(186) 등을 제공할 수 있다.
또한 도 14의 (B)에 도시된 바와 같이, 컬러 필터(183) 대신에 광학 변환층(185)을 사용하여도 좋다. 이와 같은 구성으로 함으로써, 다양한 파장 영역에서의 화상을 얻을 수 있는 촬상 장치로 할 수 있다.
예를 들어 광학 변환층(185)에 가시광선의 파장 이하의 광을 차단하는 필터를 사용하면, 적외선 촬상 장치로 할 수 있다. 또한 광학 변환층(185)에 근적외선의 파장 이하의 광을 차단하는 필터를 사용하면, 원적외선 촬상 장치로 할 수 있다. 또한 광학 변환층(185)에 가시광선의 파장 이상의 광을 차단하는 필터를 사용하면, 자외선 촬상 장치로 할 수 있다.
또한 광학 변환층(185)에 신틸레이터를 사용하면, X선 촬상 장치 등에 사용되는, 방사선의 강약을 가시화한 화상을 얻는 촬상 장치로 할 수 있다. 피사체를 투과한 X선 등의 방사선은 신틸레이터에 입사하면, 포토루미네선스 현상에 의하여 가시광선 또는 자외광선 등의 광(형광)으로 변환된다. 그리고 상기 광을 광전 변환 소자(11)에 의하여 검지함으로써 화상 데이터를 취득한다. 또한 방사선 검출기 등에 상기 구성을 갖는 촬상 장치를 사용하여도 좋다.
신틸레이터는, X선 또는 감마선 등의 방사선이 조사되면 그 에너지를 흡수하여 가시광 또는 자외광을 발하는 물질을 포함한다. 예를 들어 Gd2O2S:Tb, Gd2O2S:Pr, Gd2O2S:Eu, BaFCl:Eu, NaI, CsI, CaF2, BaF2, CeF3, LiF, LiI, ZnO 등을 수지 또는 세라믹에 분산시킨 것을 사용할 수 있다.
또한 셀레늄계 재료를 사용한 광전 변환 소자(11)에서는 X선 등의 방사선을 전하로 직접 변환할 수 있기 때문에, 신틸레이터가 불필요한 구성으로 할 수도 있다.
또한 도 14의 (C)에 도시된 바와 같이, 컬러 필터(183) 위에 마이크로렌즈 어레이(184)를 제공하여도 좋다. 마이크로렌즈 어레이(184)가 갖는 각각의 렌즈를 통과하는 광이 바로 아래의 컬러 필터(183)를 통과하여 광전 변환 소자(11)에 조사된다. 또한 도 14의 (B)에 도시된 광학 변환층(185) 위에 마이크로렌즈 어레이(184)를 제공하여도 좋다.
이하에서는 이미지 센서 칩이 제공된 패키지 및 카메라 모듈의 일례에 대하여 설명한다. 상기 이미지 센서 칩에는 상기 촬상 장치의 구성을 사용할 수 있다.
도 15의 (A1)은 이미지 센서 칩이 제공된 패키지의 상면 측의 외관 사시도이다. 상기 패키지는 이미지 센서 칩을 고정하는 패키지 기판(410) 및 커버 유리(420), 그리고 이들을 접착시키는 접착제(430) 등을 갖는다.
도 15의 (A2)는 상기 패키지의 하면 측의 외관 사시도이다. 패키지의 하면에는 땜납 볼을 범프(440)로 한 BGA(Ball grid array)를 갖는다. 또한 BGA에 한정되지 않고, LGA(Land grid array) 또는 PGA(Pin Grid Array) 등을 가져도 좋다.
도 15의 (A3)은 커버 유리(420)의 일부 및 접착제(430)의 일부를 생략하여 도시한 패키지의 사시도이다. 패키지 기판(410) 위에는 전극 패드(460)가 형성되고, 전극 패드(460) 및 범프(440)는 스루 홀(through hole)(442)을 통하여 전기적으로 접속되어 있다. 전극 패드(460)는 와이어(470)에 의하여 이미지 센서 칩(450)에 전기적으로 접속되어 있다.
또한 도 15의 (B1)은 이미지 센서 칩이 렌즈 일체형의 패키지에 제공된 카메라 모듈의 상면 측의 외관 사시도이다. 상기 카메라 모듈은 이미지 센서 칩을 고정하는 패키지 기판(411), 렌즈 커버(421), 및 렌즈(435) 등을 갖는다.
도 15의 (B2)는 상기 카메라 모듈의 하면 측의 외관 사시도이다. 패키지의 하면 및 측면에는 실장용 랜드(441)가 제공된 QFN(Quad flat no-lead package)의 구성을 갖는다. 또한 상기 구성은 일례에 불과하고 QFP(Quad flat package) 또는 상술한 BGA가 제공되어도 좋다.
도 15의 (B3)은 렌즈 커버(421) 및 렌즈(435)의 일부를 생략하여 도시한 모듈의 사시도이다. 패키지 기판(411)과 이미지 센서 칩(451) 사이에는 촬상 장치의 구동 회로 및 신호 변환 회로 등의 기능을 갖는 IC칩(490)도 제공되어 있고, SiP(System in package)로서의 구성을 갖는다. 도 15의 (B3)에는 도시하지 않았지만, 랜드(441)는 전극 패드(461)에 전기적으로 접속되어 있다. 또한 전극 패드(461)는 와이어(471)에 의하여 이미지 센서 칩(451) 또는 IC칩(490)에 전기적으로 접속되어 있다.
이미지 센서 칩은 상술한 형태를 갖는 패키지에 제공되면, 인쇄 기판 등에 실장되기 용이해지고, 다양한 반도체 장치 및 전자 기기에 실장될 수 있다.
본 실시형태는 다른 실시형태의 기재와 적절히 조합할 수 있다.
(실시형태 3)
본 실시형태에서는 본 발명의 일 형태에 개시되는 트랜지스터에 사용할 수 있는 CAC(Cloud-Aligned Composite)-OS의 구성에 대하여 설명한다.
CAC-OS란, 예를 들어 금속 산화물을 구성하는 원소가 0.5nm 이상 10nm 이하, 바람직하게는 1nm 이상 2nm 이하, 또는 그 근방의 크기로 편재된 재료의 한 구성이다. 또한 이하에서는 금속 산화물에서 하나 또는 그 이상의 금속 원소가 편재되고, 상기 금속 원소를 포함한 영역이 0.5nm 이상 10nm 이하, 바람직하게는 1nm 이상 2nm 이하, 또는 그 근방의 크기로 혼합된 상태를 모자이크 패턴 또는 패치 패턴이라고도 한다.
또한 금속 산화물은 적어도 인듐을 포함하는 것이 바람직하다. 특히, 인듐 및 아연을 포함하는 것이 바람직하다. 또한 이들에 더하여 알루미늄, 갈륨, 이트륨, 구리, 바나듐, 베릴륨, 붕소, 실리콘, 타이타늄, 철, 니켈, 저마늄, 지르코늄, 몰리브데넘, 란타넘, 세륨, 네오디뮴, 하프늄, 탄탈럼, 텅스텐, 및 마그네슘 등 중에서 선택된 1종류 또는 복수 종류가 포함되어도 좋다.
예를 들어 In-Ga-Zn 산화물에서의 CAC-OS(CAC-OS 중에서도 In-Ga-Zn 산화물을 특히 CAC-IGZO라고 하여도 좋음)란, 인듐 산화물(이하, InOX1(X1은 0보다 큰 실수(實數))로 함) 또는 인듐 아연 산화물(이하, InX2ZnY2OZ2(X2, Y2, 및 Z2는 0보다 큰 실수)로 함) 등과, 갈륨 산화물(이하, GaOX3(X3은 0보다 큰 실수)으로 함) 또는 갈륨 아연 산화물(이하, GaX4ZnY4OZ4(X4, Y4, 및 Z4는 0보다 큰 실수)로 함) 등으로 재료가 분리함으로써 모자이크 패턴이 되고, 모자이크 패턴의 InOX1 또는 InX2ZnY2OZ2가 막 내에 균일하게 분포된 구성(이하, 클라우드상(cloud-like)이라고도 함)을 말한다.
즉, CAC-OS는 GaOX3이 주성분인 영역과, InX2ZnY2OZ2 또는 InOX1이 주성분인 영역이 혼합된 구성을 갖는 복합 금속 산화물이다. 또한 본 명세서에서 예를 들어 제 1 영역의 원소 M에 대한 In의 원자수비가, 제 2 영역의 원소 M에 대한 In의 원자수비보다 큰 것을 "제 1 영역은 제 2 영역과 비교하여 In의 농도가 높다"라고 한다.
또한 IGZO는 통칭이며, In, Ga, Zn, 및 O로 이루어지는 하나의 화합물을 말하는 경우가 있다. 대표적인 예로서는, InGaO3(ZnO)m1(m1은 자연수) 또는 In(1+x0)Ga(1-x0)O3(ZnO)m0(-1≤x0≤1, m0은 임의의 수)으로 나타내어지는 결정성 화합물을 들 수 있다.
상기 결정성 화합물은 단결정 구조, 다결정 구조, 또는 CAAC(C-Axis Aligned Crystal) 구조를 갖는다. 또한 CAAC 구조는, 복수의 IGZO의 나노 결정이 c축 배향을 갖고, 또한 a-b면에서는 배향하지 않고 연결된 결정 구조이다.
한편, CAC-OS는 금속 산화물의 재료 구성에 관한 것이다. CAC-OS란, In, Ga, Zn, 및 O를 포함하는 재료 구성에서, Ga을 주성분으로 하는 나노 입자상의 영역이 일부에서 관찰되고, In을 주성분으로 하는 나노 입자상의 영역이 일부에서 관찰되고, 각각이 모자이크 패턴으로 무작위로 분산된 구성을 말한다. 따라서 CAC-OS에서 결정 구조는 부차적인 요소이다.
또한 CAC-OS는 조성이 다른 2종류 이상의 막의 적층 구조를 포함하지 않는 것으로 한다. 예를 들어 In을 주성분으로 하는 막과, Ga을 주성분으로 하는 막의 2층으로 이루어지는 구조는 포함하지 않는다.
또한 GaOX3이 주성분인 영역과, InX2ZnY2OZ2 또는 InOX1이 주성분인 영역 사이에서는 명확한 경계가 관찰되지 않는 경우가 있다.
또한 갈륨 대신에 알루미늄, 이트륨, 구리, 바나듐, 베릴륨, 붕소, 실리콘, 타이타늄, 철, 니켈, 저마늄, 지르코늄, 몰리브데넘, 란타넘, 세륨, 네오디뮴, 하프늄, 탄탈럼, 텅스텐, 및 마그네슘 등 중에서 선택된 1종류 또는 복수 종류가 포함되는 경우, CAC-OS란, 상기 금속 원소를 주성분으로 하는 나노 입자상의 영역이 일부에서 관찰되고, In을 주성분으로 하는 나노 입자상의 영역이 일부에서 관찰되고, 각각이 모자이크 패턴으로 무작위로 분산된 구성을 말한다.
CAC-OS는 예를 들어 기판을 의도적으로 가열하지 않는 조건에서 스퍼터링법에 의하여 형성할 수 있다. 또한 CAC-OS를 스퍼터링법에 의하여 형성하는 경우, 성막 가스로서 불활성 가스(대표적으로는 아르곤), 산소 가스, 및 질소 가스 중에서 선택된 어느 하나 또는 복수를 사용하면 좋다. 또한 성막 시의 성막 가스의 총유량에 대한 산소 가스의 유량비는 낮을수록 바람직하고, 예를 들어 산소 가스의 유량비를 0% 이상 30% 미만, 바람직하게는 0% 이상 10% 이하로 하는 것이 바람직하다.
CAC-OS는 X선 회절(XRD: X-ray diffraction) 측정법의 하나인 Out-of-plane법에 의한 θ/2θ 스캔을 사용하여 측정하였을 때, 명확한 피크가 관찰되지 않는다는 특징을 갖는다. 즉, X선 회절 측정에 의해서는 측정 영역의 a-b면 방향 및 c축 방향의 배향이 보이지 않는다는 것을 알 수 있다.
또한 CAC-OS는, 프로브 직경이 1nm인 전자선(나노 빔 전자선이라고도 함)을 조사함으로써 얻어지는 전자선 회절 패턴에서, 링 형상으로 휘도가 높은 영역(링 영역)과 상기 링 영역에서의 복수의 휘점이 관측된다. 따라서 전자선 회절 패턴으로부터 CAC-OS의 결정 구조가 평면 방향 및 단면 방향에서 배향성을 갖지 않는 nc(nano-crystal) 구조를 갖는다는 것을 알 수 있다.
또한 예를 들어 In-Ga-Zn 산화물에서의 CAC-OS는, 에너지 분산형 X선 분광법(EDX: Energy Dispersive X-ray spectroscopy)을 사용하여 취득한 EDX 매핑으로부터, GaOX3이 주성분인 영역과, InX2ZnY2OZ2 또는 InOX1이 주성분인 영역이 편재하고 혼합된 구조를 갖는다는 것을 확인할 수 있다.
CAC-OS는 금속 원소가 균일하게 분포된 IGZO 화합물과는 다른 구조이고, IGZO 화합물과는 다른 성질을 갖는다. 즉, CAC-OS는 GaOX3 등이 주성분인 영역과, InX2ZnY2OZ2 또는 InOX1이 주성분인 영역으로 서로 상분리(相分離)되어, 각 원소를 주성분으로 하는 영역이 모자이크 패턴인 구조를 갖는다.
여기서, InX2ZnY2OZ2 또는 InOX1이 주성분인 영역은 GaOX3 등이 주성분인 영역과 비교하여 도전성이 높다. 즉, InX2ZnY2OZ2 또는 InOX1이 주성분인 영역을 캐리어가 흐름으로써, 금속 산화물로서의 도전성이 나타난다. 따라서 InX2ZnY2OZ2 또는 InOX1이 주성분인 영역이 금속 산화물 내에 클라우드상으로 분포됨으로써, 높은 전계 효과 이동도(μ)를 실현할 수 있다.
한편, GaOX3 등이 주성분인 영역은 InX2ZnY2OZ2 또는 InOX1이 주성분인 영역과 비교하여 절연성이 높다. 즉, GaOX3 등이 주성분인 영역이 금속 산화물 내에 분포됨으로써, 누설 전류를 억제하고 양호한 스위칭 동작을 실현할 수 있다.
따라서 CAC-OS를 반도체 소자에 사용한 경우, GaOX3 등에 기인하는 절연성과, InX2ZnY2OZ2 또는 InOX1에 기인하는 도전성이 상보적으로 작용함으로써, 높은 온 전류(Ion) 및 높은 전계 효과 이동도(μ)를 실현할 수 있다.
또한 CAC-OS를 사용한 반도체 소자는 신뢰성이 높다. 따라서 CAC-OS는 디스플레이를 비롯한 다양한 반도체 장치에 최적이다.
본 실시형태는 다른 실시형태의 기재와 적절히 조합할 수 있다.
(실시형태 4)
본 실시형태에서는, 본 발명의 일 형태의 촬상 장치를 사용할 수 있는 전자 기기에 대하여 설명한다.
본 발명의 일 형태의 촬상 장치를 사용할 수 있는 전자 기기로서, 표시 기기, 퍼스널 컴퓨터, 기록 매체를 갖는 화상 기억 장치 또는 화상 재생 장치, 휴대 전화기, 휴대용을 포함한 게임기, 휴대용 정보 단말기, 전자책 단말기, 비디오 카메라, 디지털 스틸 카메라 등의 카메라, 고글형 디스플레이(헤드 마운트 디스플레이), 내비게이션 시스템, 음향 재생 장치(카 오디오, 디지털 오디오 플레이어 등), 복사기, 팩시밀리, 프린터, 프린터 복합기, 현금 자동 입출금기(ATM), 자동 판매기 등을 들 수 있다. 이들 전자 기기의 구체적인 예를 도 16의 (A) 내지 (F)에 도시하였다.
도 16의 (A)는 휴대 전화기(910)의 일례를 도시한 것이고, 하우징(911), 표시부(912), 조작 버튼(913), 외부 접속 포트(914), 스피커(915), 삽입구(916), 카메라(917), 이어폰 삽입구(918) 등을 갖는다. 휴대 전화기(910)는 표시부(912)에 터치 센서가 제공될 수 있다. 전화를 걸거나, 또는 문자를 입력하는 등의 모든 조작은 손가락 또는 스타일러스 등으로 표시부(912)를 터치함으로써 수행할 수 있다. 또한 삽입구(916)에는 SD 카드 등의 메모리 카드를 비롯하여 USB 메모리, SSD(Solid State Drive) 등의 각종 리무벌 기억 장치를 삽입할 수 있다.
휴대 전화기(910)에 의한 촬상 데이터 취득을 위한 요소에 본 발명의 일 형태의 촬상 장치 및 그 동작 방법을 적용할 수 있다. 이로써, 휴대 전화기(910)는 고품위의 촬상 데이터를 취득할 수 있다.
도 16의 (B)는 휴대용 정보 단말기(920)의 일례를 도시한 것이고, 하우징(921), 표시부(922), 스피커(923), 카메라(924) 등을 갖는다. 표시부(922)가 갖는 터치 패널 기능에 의하여 정보를 입출력할 수 있다. 또한 카메라(924)로 취득한 화상의 문자 등을 인식하고, 스피커(923)로부터 이 문자를 음성으로 출력할 수 있다.
휴대용 정보 단말기(920)에 의한 촬상 데이터 취득을 위한 요소에 본 발명의 일 형태의 촬상 장치 및 그 동작 방법을 적용할 수 있다. 이로써, 휴대용 정보 단말기(920)는 고품위의 촬상 데이터를 취득할 수 있다.
도 16의 (C)는 손목시계형 정보 단말기(930)의 일례를 도시한 것이고, 하우징 겸 손목 밴드(931), 표시부(932), 조작 버튼(933), 외부 접속 포트(934), 카메라(935) 등을 갖는다. 표시부(932)에는 정보 단말기(930)의 조작을 수행하기 위한 터치 패널이 제공된다. 하우징 겸 손목 밴드(931) 및 표시부(932)는 가요성을 갖기 때문에, 신체에 대한 장착성이 우수하다.
정보 단말기(930)에 의한 촬상 데이터 취득을 위한 요소에 본 발명의 일 형태의 촬상 장치 및 그 동작 방법을 적용할 수 있다. 이로써, 정보 단말기(930)는 고품위의 촬상 데이터를 취득할 수 있다.
도 16의 (D)는 비디오 카메라(940)의 일례를 도시한 것이고, 제 1 하우징(941), 제 2 하우징(942), 표시부(943), 조작 키(944), 렌즈(945), 접속부(946), 스피커(947), 마이크로폰(948) 등을 갖는다. 조작 키(944) 및 렌즈(945)는 제 1 하우징(941)에 제공될 수 있고, 표시부(943)는 제 2 하우징(942)에 제공될 수 있다.
비디오 카메라(940)에 의한 촬상 데이터 취득을 위한 요소에 본 발명의 일 형태의 촬상 장치 및 그 동작 방법을 적용할 수 있다. 이로써, 비디오 카메라(940)는 고품위의 촬상 데이터를 취득할 수 있다.
도 16의 (E)는 디지털 카메라(950)의 일례를 도시한 것이고, 하우징(951), 셔터 버튼(952), 발광부(953), 렌즈(954) 등을 갖는다. 디지털 카메라(950)에 의한 촬상 데이터 취득을 위한 요소에 본 발명의 일 형태의 촬상 장치 및 그 동작 방법을 적용할 수 있다. 이로써, 디지털 카메라(950)는 고품위의 촬상 데이터를 취득할 수 있다.
도 16의 (F)는 감시 카메라(960)의 일례를 도시한 것이고, 장착구(961), 하우징(962), 렌즈(963) 등을 갖는다. 감시 카메라(960)는 장착구(961)에 의하여 벽 또는 천장 등에 장착될 수 있다. 또한 감시 카메라란 관용적인 명칭이고, 용도를 한정하는 것이 아니다. 예를 들어 감시 카메라로서의 기능을 갖는 기기는 카메라 또는 비디오 카메라라고도 불린다.
감시 카메라(960)에 의한 촬상 데이터 취득을 위한 요소에 본 발명의 일 형태의 촬상 장치 및 그 동작 방법을 적용할 수 있다. 이로써, 감시 카메라(960)는 고품위의 촬상 데이터를 취득할 수 있다.
본 실시형태는 다른 실시형태의 기재와 적절히 조합할 수 있다.
10: 화소, 11: 광전 변환 소자, 12: 트랜지스터, 13: 트랜지스터, 14: 용량 소자, 15: 트랜지스터, 16: 전류원, 22: 배선, 23: 배선, 24: 배선, 25: 배선, 31: 배선, 33: 배선, 35: 배선, 36: 배선, 41: 촬상부, 42: 게이트 드라이버 회로, 44: 신호 생성 회로, 45: CDS 회로, 46: 데이터 드라이버 회로, 47: A/D 변환 회로, 48: 전원 회로, 49: 광 센서, 50: 검출 회로, 101: 기판, 103a: 층, 103b: 층, 103c: 층, 104a: 층, 104b: 층, 104c: 층, 104d: 층, 105: 영역, 107: 도전층, 109: 절연층, 111: 백 게이트 전극, 113: 채널 형성 영역, 115: 도전층, 117: 도전층, 119: 도전층, 121: 도전층, 123: 절연층, 125: 절연층, 127: 도전층, 131: 층, 132: 층, 133: 층, 180: 절연층, 181: 차광층, 182: 유기 수지층, 183: 컬러 필터, 183a: 컬러 필터, 183b: 컬러 필터, 183c: 컬러 필터, 184: 마이크로렌즈 어레이, 185: 광학 변환층, 186: 절연층, 201: 게이트 전극, 202: 게이트 절연막, 203: 소스 영역, 204: 드레인 영역, 205: 소스 전극, 206: 드레인 전극, 207: 금속 산화물층, 207a: 금속 산화물층, 207b: 금속 산화물층, 207c: 금속 산화물층, 410: 패키지 기판, 411: 패키지 기판, 420: 커버 유리, 421: 렌즈 커버, 430: 접착제, 435: 렌즈, 440: 범프, 441: 랜드, 442: 스루 홀(through hole), 450: 이미지 센서 칩, 451: 이미지 센서 칩, 460: 전극 패드, 461: 전극 패드, 470: 와이어, 471: 와이어, 490: IC칩, 910: 휴대 전화기, 911: 하우징, 912: 표시부, 913: 조작 버튼, 914: 외부 접속 포트, 915: 스피커, 916: 삽입구, 917: 카메라, 918: 이어폰 삽입구, 920: 휴대용 정보 단말기, 921: 하우징, 922: 표시부, 923: 스피커, 924: 카메라, 930: 정보 단말기, 931: 하우징 겸 손목 밴드, 932: 표시부, 933: 조작 버튼, 934: 외부 접속 포트, 935: 카메라, 940: 비디오 카메라, 941: 하우징, 942: 하우징, 943: 표시부, 944: 조작 키, 945: 렌즈, 946: 접속부, 947: 스피커, 948: 마이크로폰, 950: 디지털 카메라, 951: 하우징, 952: 셔터 버튼, 953: 발광부, 954: 렌즈, 960: 감시 카메라, 961: 장착구, 962: 하우징, 963: 렌즈

Claims (9)

  1. 촬상 장치의 동작 방법으로서,
    상기 촬상 장치는,
    화소를 갖고,
    상기 화소는 광전 변환 소자와, 제 1 트랜지스터와, 제 2 트랜지스터와, 용량 소자를 갖고,
    상기 광전 변환 소자의 한쪽 전극은 상기 제 1 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 한쪽에 전기적으로 접속되고,
    상기 제 1 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 상기 제 2 트랜지스터의 게이트에 전기적으로 접속되고,
    상기 제 2 트랜지스터의 게이트는 상기 용량 소자의 한쪽 전극에 전기적으로 접속되는 촬상 장치이고,
    제 1 기간에 상기 용량 소자의 다른 쪽 전극에 제 1 전위를 공급하며 상기 제 1 트랜지스터를 온 상태로 함으로써, 상기 광전 변환 소자에 조사된 광의 조도에 대응하는 촬상 데이터를 상기 화소에 기록하고,
    제 2 기간에 상기 용량 소자의 다른 쪽 전극에 제 2 전위를 공급함으로써, 상기 촬상 데이터를 상기 화소로부터 판독하는, 촬상 장치의 동작 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 기간에 상기 제 2 트랜지스터는 오프 상태이고,
    상기 제 2 기간에 상기 제 2 트랜지스터는 온 상태인, 촬상 장치의 동작 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 트랜지스터는 n채널형 트랜지스터이고,
    상기 제 2 전위는 상기 제 1 전위보다 높은, 촬상 장치의 동작 방법.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 트랜지스터는 p채널형 트랜지스터이고,
    상기 제 2 전위는 상기 제 1 전위보다 낮은, 촬상 장치의 동작 방법.
  5. 촬상 장치의 동작 방법으로서,
    상기 촬상 장치는,
    화소를 갖고,
    상기 화소는 광전 변환 소자와, 제 1 트랜지스터와, 제 2 트랜지스터와, 제 3 트랜지스터와, 용량 소자를 갖고,
    상기 광전 변환 소자의 한쪽 전극은 상기 제 1 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 한쪽에 전기적으로 접속되고,
    상기 제 1 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 상기 제 2 트랜지스터의 게이트에 전기적으로 접속되고,
    상기 제 2 트랜지스터의 게이트는 상기 제 3 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 한쪽에 전기적으로 접속되고,
    상기 제 3 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 한쪽은 상기 용량 소자의 한쪽 전극에 전기적으로 접속되는 촬상 장치이고,
    제 1 기간에 상기 제 3 트랜지스터를 온 상태로 함으로써, 상기 제 2 트랜지스터의 게이트의 전위를 리셋하고,
    제 2 기간에 상기 용량 소자의 다른 쪽 전극에 제 1 전위를 공급하며 상기 제 1 트랜지스터를 온 상태로, 상기 제 3 트랜지스터를 오프 상태로 함으로써, 상기 광전 변환 소자에 조사된 광의 조도에 대응하는 촬상 데이터를 상기 화소에 기록하고,
    제 3 기간에 상기 용량 소자의 다른 쪽 전극에 제 2 전위를 공급함으로써, 상기 촬상 데이터를 상기 화소로부터 판독하는, 촬상 장치의 동작 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 기간 및 상기 제 2 기간에 상기 제 2 트랜지스터는 오프 상태이고,
    상기 제 3 기간에 상기 제 2 트랜지스터는 온 상태인, 촬상 장치의 동작 방법.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 제 2 트랜지스터는 n채널형 트랜지스터이고,
    상기 제 2 전위는 상기 제 1 전위보다 높은, 촬상 장치의 동작 방법.
  8. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 제 2 트랜지스터는 p채널형 트랜지스터이고,
    상기 제 2 전위는 상기 제 1 전위보다 낮은, 촬상 장치의 동작 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 트랜지스터는 채널 형성 영역에 금속 산화물을 포함하고,
    상기 금속 산화물은 In과, Zn과, M(M은 Al, Ti, Ga, Sn, Y, Zr, La, Ce, Nd 또는 Hf)을 포함하는, 촬상 장치의 동작 방법.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011119711A (ja) 2009-11-06 2011-06-16 Semiconductor Energy Lab Co Ltd 半導体装置
WO2016158439A1 (ja) 2015-03-31 2016-10-06 ソニー株式会社 固体撮像素子、撮像装置、並びに電子機器

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI442368B (zh) * 2006-10-26 2014-06-21 Semiconductor Energy Lab 電子裝置，顯示裝置，和半導體裝置，以及其驅動方法
KR101775180B1 (ko) * 2010-02-12 2017-09-05 가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 켄큐쇼 반도체 장치 및 그 구동 방법
WO2012026503A1 (en) * 2010-08-27 2012-03-01 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Memory device and semiconductor device
JP2015186069A (ja) * 2014-03-25 2015-10-22 キヤノン株式会社 光電変換装置及びその駆動方法
US10389961B2 (en) 2015-04-09 2019-08-20 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Imaging device and electronic device
TWI738569B (zh) * 2015-07-07 2021-09-01 日商半導體能源研究所股份有限公司 成像裝置及其運作方法
US10896923B2 (en) * 2015-09-18 2021-01-19 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Method of operating an imaging device with global shutter system
JP6802653B2 (ja) * 2016-07-15 2020-12-16 株式会社ジャパンディスプレイ 表示装置
WO2019009023A1 (ja) * 2017-07-05 2019-01-10 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 撮像装置
CN108259790B (zh) * 2018-04-02 2020-10-30 锐芯微电子股份有限公司 图像传感器像素电路及其工作方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011119711A (ja) 2009-11-06 2011-06-16 Semiconductor Energy Lab Co Ltd 半導体装置
WO2016158439A1 (ja) 2015-03-31 2016-10-06 ソニー株式会社 固体撮像素子、撮像装置、並びに電子機器

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