WO2019243949A1 - Method for operating imaging device - Google Patents
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- H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
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- H10F39/10—Integrated devices
- H10F39/12—Image sensors
Definitions
- One embodiment of the present invention relates to an operation method of an imaging device.
- one embodiment of the present invention is not limited to the above technical field.
- the technical field of one embodiment of the present invention disclosed in this specification and the like relates to an object, a method, or a manufacturing method.
- one embodiment of the present invention relates to a process, a machine, a manufacture, or a composition (composition of matter). Therefore, more specifically, the technical field of one embodiment of the present invention disclosed in this specification includes a semiconductor device, a display device, a liquid crystal display device, a light-emitting device, a lighting device, a power storage device, a storage device, an imaging device, A driving method or a manufacturing method thereof can be given as an example.
- a semiconductor device in this specification and the like refers to all devices that can function by utilizing semiconductor characteristics.
- a transistor and a semiconductor circuit are one embodiment of a semiconductor device.
- the storage device, the display device, the imaging device, and the electronic device sometimes include a semiconductor device.
- Patent Document 1 discloses an imaging device in which a transistor including an oxide semiconductor and having extremely low off-state current is used for a pixel circuit.
- Patent Document 2 discloses a memory device having a structure in which a transistor with extremely low off-state current is used for a memory cell.
- CMOS image sensor In a solid-state imaging device such as a CMOS image sensor, a method of holding a data potential obtained by photoelectric conversion in a charge storage portion of a pixel is often used. This method has problems such as outflow of charges from the charge storage unit and mixing of noise accompanying reading.
- a source follower circuit is used for reading out the potential of the charge storage portion, but there is a problem of non-uniformity of the threshold voltage of the transistors constituting the circuit. This problem becomes apparent by displaying the acquired image, and causes unnecessary distribution of light and darkness in the image.
- the correction means includes internal correction for generating correction data in a pixel and external correction for supplying correction data to a pixel from the outside.
- the image sensor To increase the resolution of the image sensor, it is necessary to reduce the area per pixel and increase the pixel density. Since the reduction of the pixel area is accompanied by the reduction of the light receiving area of the photoelectric conversion device, the light sensitivity is reduced. In particular, in imaging under low illuminance, the S / N ratio of imaging data may be significantly reduced. That is, the image sensor having the conventional configuration has a problem that the resolution and the sensitivity have a trade-off relationship.
- One solution to the above problem is to use a photoelectric conversion device utilizing the avalanche multiplication effect with high photosensitivity.
- a relatively high voltage needs to be applied to the photoelectric conversion device, and a dedicated power supply circuit or the like must be used.
- an object of one embodiment of the present invention is to provide an operation method of an imaging device for performing output correction of image data. Another object is to provide an operation method of an imaging device in which output correction of image data can be performed in a small number of steps. Alternatively, it is another object to provide an operation method of an imaging device which holds correction data in a pixel. Another object is to provide an operation method of an imaging device that adds correction data held in a pixel and acquired image data. Another object is to provide an operation method of an imaging device capable of generating a high voltage in a pixel. Another object is to provide an operation method of an imaging device in which a high voltage can be applied to a photoelectric conversion device without using a dedicated power supply circuit.
- Another object is to provide a method for operating an imaging device with low power consumption. Another object is to provide an operation method of an imaging device which can perform imaging at high speed. Another object is to provide a highly reliable operation method of an imaging device. Another object is to provide a novel operation method of an imaging device and the like. Alternatively, it is another object to provide a novel imaging device or the like. Another object is to provide a novel semiconductor device or the like.
- One embodiment of the present invention relates to an operation method of an imaging device that stores correction data in pixels.
- the present invention relates to an operation method of an imaging device that adds image data to correction data in a pixel and outputs the result.
- One embodiment of the present invention provides a first node in which one electrode of a capacitor and one of a source and a drain of the first transistor are electrically connected; a second electrode of the capacitor and a gate of the second transistor; And a second node electrically connected to the first transistor, and the other of the source and the drain of the first transistor is electrically connected to one electrode of the photodiode.
- a step of, which is the operation method of the imaging apparatus performs the above order.
- the first potential is lower than the second potential, and the difference can be equal to or higher than the threshold voltage of the second transistor.
- Another embodiment of the present invention is a first node in which one electrode of a capacitor is electrically connected to one of a source and a drain of a first transistor; A second node electrically connected to a gate of the transistor; and a source or drain of the first transistor, the other of which is electrically connected to one electrode of the photodiode.
- the third method of changing the potential and the fourth step of fixing the potential of the second node and reading the potential of the second node by operating the second transistor in the above order are the operation methods of the imaging apparatus. is there.
- the first potential can be higher than the second potential.
- the imaging device includes a third transistor, and supply of potential to the first node can be performed through the third transistor.
- the supply of the potential to the first node may be performed through a photodiode.
- the imaging device includes a fourth transistor, and writing of the potential to the second node may be performed through the fourth transistor.
- At least one of the transistors included in the imaging device includes a metal oxide in a channel formation region, and the metal oxide includes In, Zn, and M (M is Al, Ti, Ga, Sn, Y, Zr, La, Ce, Nd or Hf).
- an operation method of an imaging device for correcting output of image data can be provided.
- an operation method of an imaging device in which output correction of image data can be performed in a few steps it is possible to provide an operation method of an imaging device that holds correction data in a pixel.
- an operation method of an imaging device that adds correction data held in a pixel and acquired image data it is possible to provide an operation method of an imaging device capable of generating a high voltage in a pixel can be provided.
- an operation method of an imaging device which can apply a high voltage to a photoelectric conversion device without using a dedicated power supply circuit can be provided.
- an operation method of an imaging device with low power consumption can be provided.
- an operation method of an imaging device which can perform imaging at high speed can be provided.
- a highly reliable operation method of an imaging device can be provided.
- a new operation method of the imaging device can be provided.
- a novel imaging device or the like can be provided.
- a novel semiconductor device or the like can be provided.
- FIG. 1 is a diagram illustrating a pixel circuit.
- FIG. 2 is a diagram illustrating a pixel circuit.
- FIG. 3 is a diagram illustrating a pixel circuit.
- FIG. 4 is a diagram illustrating a pixel circuit.
- FIG. 5 illustrates the operation of the pixel circuit.
- FIG. 6 is a diagram illustrating the operation of the pixel circuit.
- FIG. 7 illustrates the operation of the pixel circuit.
- FIG. 8 illustrates the operation of the pixel circuit.
- FIG. 9 illustrates the operation of the pixel circuit.
- FIG. 10 illustrates the operation of the pixel circuit.
- FIG. 11 illustrates the operation of the pixel circuit.
- FIGS. 12A and 12B are diagrams illustrating a pixel circuit.
- FIGS. 12A and 12B are diagrams illustrating a pixel circuit.
- FIGS. 12A and 12B are diagrams illustrating a pixel circuit.
- FIGS. 12A and 12B are diagrams illustrating
- FIGS. 13A and 13B are diagrams illustrating a pixel circuit.
- FIG. 14 is a block diagram illustrating an imaging device.
- FIG. 15 is a diagram illustrating a simulation result.
- FIG. 16 is a diagram illustrating the simulation result.
- FIGS. 17A to 17E are diagrams illustrating a configuration of a pixel of an imaging device.
- FIGS. 18A and 18B are diagrams illustrating a configuration of a pixel of an imaging device.
- FIGS. 19A to 19C are diagrams illustrating a transistor.
- FIGS. 20A and 20B are diagrams illustrating a configuration of a pixel of an imaging device.
- FIGS. 21A to 21D are diagrams illustrating a transistor.
- 22A to 22C are diagrams illustrating a configuration of a pixel of an imaging device.
- 23 (A1) to (A3) and (B1) to (B3) are perspective views of a package and a module containing the imaging device.
- FIGS. 24A to 24F are diagrams illustrating electronic devices.
- the element may be configured by a plurality of elements unless there is a functional inconvenience.
- a plurality of transistors operating as switches may be connected in series or in parallel.
- the capacitor may be divided and arranged at a plurality of positions.
- one conductor may have a plurality of functions such as a wiring, an electrode, and a terminal in some cases, and in this specification, a plurality of names may be used for the same element.
- a plurality of names may be used for the same element.
- the elements may actually be connected via a plurality of conductors in some cases. In this document, such a configuration is also included in the category of direct connection.
- One embodiment of the present invention is an operation method for correcting output of a source follower circuit included in a pixel circuit of an imaging device.
- the charge detector By causing the charge detector to hold a threshold voltage unique to a transistor included in the source follower circuit, the threshold voltage of the transistor can be corrected. Therefore, image quality can be improved.
- a boost operation can be performed using the same pixel circuit.
- an avalanche photodiode can be operated without using a high-voltage power supply. Therefore, an imaging device with low power consumption and high sensitivity can be provided.
- FIG. 1 illustrates a pixel 10a that can be used for an imaging device of one embodiment of the present invention.
- the pixel 10a includes a photoelectric conversion device 101, a transistor 102, a transistor 103, a transistor 104, a transistor 105, a transistor 106, a capacitor 107, and a capacitor 108. Note that a structure without the capacitor 108 may be employed.
- One electrode (cathode) of the photoelectric conversion device 101 is electrically connected to one of a source and a drain of the transistor 102.
- the other of the source and the drain of the transistor 102 is electrically connected to one electrode of the capacitor 107.
- One electrode of the capacitor 107 is electrically connected to one of a source and a drain of the transistor 103.
- the other electrode of the capacitor 107 is electrically connected to one of the source and the drain of the transistor 104.
- One of a source and a drain of the transistor 104 is electrically connected to one electrode of the capacitor 108.
- One electrode of the capacitor 108 is electrically connected to the gate of the transistor 105.
- One of a source and a drain of the transistor 105 is electrically connected to one of a source and a drain of the transistor 106.
- a wiring connecting the other of the source or the drain of the transistor 102, one electrode of the capacitor 107, and one of the source or the drain of the transistor 103 is referred to as a node AD.
- a wiring connecting one of the source and the drain of the transistor 104, the other electrode of the capacitor 107, the one electrode of the capacitor 108, and the gate of the transistor 105 is referred to as a node FD.
- the node AD can function as a charge storage unit
- the node FD can function as a charge detection unit.
- the other electrode (anode) of the photoelectric conversion device 101 is electrically connected to the wiring 122.
- the gate of the transistor 102 is electrically connected to the wiring 125.
- the other of the source and the drain of the transistor 103 is electrically connected to the wiring 123.
- the gate of the transistor 103 is electrically connected to the wiring 126.
- the other of the source and the drain of the transistor 104 is electrically connected to the wiring 128.
- the gate of the transistor 104 is electrically connected to the wiring 124.
- the other electrode of the capacitor 108 is electrically connected to a reference potential line such as a GND wiring, for example.
- the other of the source and the drain of the transistor 105 is electrically connected to the wiring 121.
- the gate of the transistor 106 is electrically connected to the wiring 127.
- the other of the source and the drain of the transistor 106 is electrically connected to the wiring 129.
- the wirings 121 and 122 can function as power supply lines. Further, the wiring 123 can have a function of supplying a reset potential.
- the potentials of the wirings 122 and 123 differ depending on the connection direction of the photoelectric conversion device 101. In the structure illustrated in FIG. 1, the cathode side of the photoelectric conversion device 101 is electrically connected to the transistor 102, and the node AD is reset to a high potential to operate. Therefore, the wiring 122 has a low potential and the wiring 123 has a low potential. High potential. When the connection direction of the photoelectric conversion device 101 is opposite to that in FIG. 1, the wiring 122 may have a high potential and the wiring 123 may have a low potential.
- the wiring 128 can have a function of supplying correction data.
- the wirings 124, 125, 126, and 127 can function as signal lines for controlling conduction of each transistor.
- the wiring 129 can function as an output line.
- a photodiode can be used.
- an avalanche photodiode it is preferable to use an avalanche photodiode.
- the transistor 102 has a function of supplying a specific potential to the node AD.
- the transistor 103 has a function of controlling the potential of the node AD.
- the transistor 104 has a function of supplying a specific potential to the node FD.
- the transistor 105 functions as a source follower circuit and can output the potential of the node FD to the wiring 129 as image data.
- the transistor 106 has a function of selecting a pixel to output image data.
- a high voltage may be applied, and a transistor with a high withstand voltage is preferably used as a transistor connected to the photoelectric conversion device 101.
- a transistor with a high withstand voltage is preferably used as a transistor connected to the photoelectric conversion device 101.
- the high breakdown voltage transistor for example, a transistor including a metal oxide in a channel formation region (hereinafter, an OS transistor) can be used.
- an OS transistor it is preferable to apply an OS transistor to the transistors 102, 103, 104, and the like.
- an OS transistor may be used as the transistors 105 and 106.
- the OS transistor has a characteristic of extremely low off-state current.
- the period in which charge can be held at the node AD and the node FD can be extremely long. Therefore, it is possible to apply a global shutter method in which charge accumulation operation is simultaneously performed in all pixels without complicating a circuit configuration and an operation method.
- an OS transistor and a transistor including Si in a channel formation region may be arbitrarily combined and applied. Further, all the transistors may be OS transistors or Si transistors. Examples of the Si transistor include a transistor including amorphous silicon, a transistor including crystalline silicon (typically, low-temperature polysilicon, single crystal silicon), and the like.
- the structure of the pixel 10b illustrated in FIG. 2 may be used for the imaging device of one embodiment of the present invention.
- This configuration is different from the pixel 10a illustrated in FIG. 1 in that the connection direction of the photoelectric conversion device 101 is reversed.
- the other electrode (anode) of the photoelectric conversion device 101 is electrically connected to one of a source and a drain of the transistor 102, and one electrode (cathode) of the photoelectric conversion device 101 is electrically connected to a wiring 122.
- Other configurations are the same as those of the pixel 10a.
- the structure of the pixel 10c illustrated in FIG. 3 may be used for the imaging device of one embodiment of the present invention. This structure is different from the pixel 10a illustrated in FIG. 1 in that the transistor 103 is not provided. Other configurations are the same as those of the pixel 10a.
- the transistor 103 included in the pixel 10a has a function of supplying a specific potential to the node AD
- the pixel 10c can perform an operation of supplying a specific potential to the node AD through the photoelectric conversion device 101.
- the structure of the pixel 10d illustrated in FIG. 4 may be used in the imaging device of one embodiment of the present invention. This configuration differs from the pixel 10c illustrated in FIG. 3 in that the connection direction of the photoelectric conversion device 101 is reversed.
- the other electrode (anode) of the photoelectric conversion device 101 is electrically connected to one of a source and a drain of the transistor 102, and one electrode (cathode) of the photoelectric conversion device 101 is electrically connected to a wiring 122.
- Other configurations are the same as those of the pixel 10c.
- the node AD and the node FD have a function as a storage node.
- the capacitor 107 can hold the potential of the difference between the node AD and the node FD. Further, by the capacitive coupling of the capacitor 107, a potential corresponding to a change in the node AD can be added to the node FD in accordance with the capacitance ratio between the node FD and the capacitor 107. Alternatively, a potential corresponding to a change in the node FD can be added to the node AD.
- the correction data can be held in the node FD, and the output of the source follower circuit can be corrected. Specifically, by holding the threshold voltage of the transistor 105 at the node FD, output characteristics of the transistor 105 between pixels can be uniform, and image quality can be improved.
- the potential of the node AD can be increased by capacitive coupling, and the avalanche photodiode can be operated.
- the operation of the avalanche photodiode requires the application of a high voltage.However, since the high voltage can be generated in the pixel by the above-described boosting operation, the avalanche photodiode can be operated without using a high voltage generation circuit. it can.
- ⁇ Operation 1 of Configuration Example 1> An example of the operation of the pixel 10a illustrated in FIG. 1 will be described with reference to a timing chart illustrated in FIG.
- the high potential is “HH” or “H” (“HH”> “H”)
- the low potential is “L”
- the reset potential is “VRS (H)” or Expressed as “VRS (L)”.
- the reset potential used differs depending on the configuration of the pixel.
- the threshold voltage of a specific transistor is represented by “Vth”
- the forward voltage of a photoelectric conversion device (photodiode) is represented by “Vf”. It is assumed that “H” is constantly supplied to the wiring 121.
- This operation is an operation in which the node FD holds the threshold voltage “Vth” of the transistor 105 as correction data, and corrects image data output from the transistor 105.
- the potential of the wiring 123 is “L”
- the potential of the wiring 124 is “H”
- the potential of the wiring 125 is “L”
- the potential of the wiring 126 is “H”
- the potential of the wiring 127 is “L”.
- the correction data “Vth” is a threshold voltage of the transistor 105, and outputs an electrical characteristic of the transistor 105 to the wiring 129 before an imaging operation, and outputs the threshold voltage to an external circuit connected to the wiring 129. Is generated in advance. That is, the pixel circuit has a function of performing external correction, and the external circuit is electrically connected to the wiring 128.
- the potential of the wiring 123 is “VRS (H)”, the potential of the wiring 124 is “L”, the potential of the wiring 125 is “H”, the potential of the wiring 126 is “H”, and the potential of the wiring 127 is “L”.
- the potential of the wiring 128 is “L”
- the potential “VRS (H)” of the wiring 123 is supplied to the node AD.
- the potential of the node FD becomes “Vth + VRS (H) ⁇ L ′” due to the capacitive coupling of the capacitor 107 (reset operation).
- the potential of the node FD is (“Vth”) + (C 107 / (C 107 + C FD )) ⁇ (“VRS (H) -L "). Therefore, if it possible to ignore the value of increasing the value of C 107 C FD, the potential of the node FD becomes "Vth + VRS (H) -L " at maximum.
- the potential of the node FD can be expressed as “Vth + VRS (H) ′”.
- the potential of the wiring 123 is “VRS (H)”
- the potential of the wiring 124 is “L”
- the potential of the wiring 125 is “H”
- the potential of the wiring 126 is “L”
- the potential of the wiring 127 is “L”.
- the potential of the wiring 128 is set to “L”
- the potential of the node AD decreases in accordance with the operation of the photoelectric conversion device 101, and the potential of the node FD also decreases due to capacitive coupling of the capacitor 107 (accumulation operation).
- the potential of the wiring 123 is “VRS (H)”
- the potential of the wiring 124 is “L”
- the potential of the wiring 125 is “L”
- the potential of the wiring 126 is “L”
- the potential of the wiring 127 is “L”.
- the potentials of the node AD and the node FD are determined and held.
- the decrease in the potential of the node AD is "X”
- the potential of the node AD is "VRS (H) -X”
- the potential of the node FD is "Vth + VRS (H) '-X" in consideration of the capacitance ratio. Can be represented as' ”.
- the potential of the wiring 123 is “VRS (H)”
- the potential of the wiring 124 is “L”
- the potential of the wiring 125 is “L”
- the potential of the wiring 126 is “L”
- the potential of the wiring 127 is “H”.
- the transistor 106 is turned on and the potential of the node FD is read out to the wiring 129 by the source follower operation of the transistor 105.
- the potential of the node FD is “Vth + VRS (H) ′ ⁇ X ′”
- “VRS (H) ′ ⁇ X ′” which does not include “Vth” of the transistor 105 is read to the wiring 129. That is, even when the threshold voltage of the transistor 105 is not uniform in each pixel, data can be read without relating the threshold voltage.
- the periods T11 to T14 show the operation of the second frame assuming a moving image.
- “Vth ⁇ L” held in the capacitor 107 does not change ideally, so that it is not necessary to perform the “Vth” write operation again.
- imaging can be performed by repeating the operation in the periods T2 to T5 of the first frame.
- the write operation of “Vth” may be performed at regular intervals. When a still image or the like is captured, the writing operation of “Vth” may be performed every time.
- the correction data held at the node FD is “Vth”, but a fixed potential Y such as “Vth + Y” may be added. Alternatively, correction data for performing correction such as luminance may be used.
- This operation is an operation in which the node FD holds the threshold voltage “Vth” of the transistor 105 + the reset potential “VRS (H)” as correction data, and corrects image data output from the transistor 105.
- VRS (H) is also written at the time of writing “Vth”, so that the imaging operation can be shortened.
- the potential of the wiring 123 is “VRS (H)”
- the potential of the wiring 124 is “H”
- the potential of the wiring 125 is “H”
- the potential of the wiring 126 is “H”
- the potential of the wiring 127 is “L”.
- the transistor 103 is turned on and the potential “VRS (H)” of the wiring 123 is supplied to the node AD.
- the transistor 104 is turned on, and the correction data “Vth + VRS (H)” is written to the node FD (reset operation). In the above operation, “Vth” is held in the capacitor 107.
- the potential of the wiring 123 is “VRS (H)”
- the potential of the wiring 124 is “L”
- the potential of the wiring 125 is “H”
- the potential of the wiring 126 is “L”
- the potential of the wiring 127 is “L”.
- the potential of the wiring 128 is set to “L”
- the potential of the node AD decreases in accordance with the operation of the photoelectric conversion device 101, and the potential of the node FD also decreases due to capacitive coupling of the capacitor 107 (accumulation operation).
- the potential of the wiring 123 is “VRS (H)”
- the potential of the wiring 124 is “L”
- the potential of the wiring 125 is “L”
- the potential of the wiring 126 is “L”
- the potential of the wiring 127 is “L”.
- the potentials of the node AD and the node FD are determined and held.
- the drop in the potential of the node AD is “X”
- the potential of the node AD is “VRS (H) ⁇ X”
- the potential of the node FD is “Vth + VRS (H) ⁇ X ′ in consideration of the capacitance ratio.
- the potential of the wiring 123 is “VRS (H)”
- the potential of the wiring 124 is “L”
- the potential of the wiring 125 is “L”
- the potential of the wiring 126 is “L”
- the potential of the wiring 127 is “H”.
- the transistor 106 is turned on and the potential of the node FD is read out to the wiring 129 by the source follower operation of the transistor 105.
- the potential of the node FD is “Vth + VRS (H) ⁇ X ′”
- “VRS (H) ⁇ X ′” which does not include “Vth” of the transistor 105 is read out to the wiring 129. That is, data to which the threshold voltage of the transistor 105 is not related in each pixel can be read.
- the periods T11 to T14 show the operation of the second frame assuming a moving image. Since “Vth” held in the capacitor 107 does not change ideally, the reset operation of the node FD can be performed by supplying “VRS (H)” to the node AD in the second and subsequent frames, so that imaging can be performed. It can be carried out.
- operation 3 in the pixel 10a will be described with reference to the timing chart of FIG.
- This operation is an operation in which the potential of the node AD is boosted and applied to the photoelectric conversion device 101.
- the avalanche photodiode can be operated without using a high-voltage power supply.
- the potential of the wiring 123 is “VRS (H)”, the potential of the wiring 124 is “H”, the potential of the wiring 125 is “L”, the potential of the wiring 126 is “H”, and the potential of the wiring 127 is “L”.
- the transistor 104 is turned on and the potential “L” of the wiring 128 is supplied to the node FD. Further, the transistor 103 is turned on, so that the potential “VRS (H)” of the wiring 123 is written to the node AD. In the above operation, “VRS (H) ⁇ L” is held in the capacitor 107.
- the potential of the wiring 123 is “VRS (H)”
- the potential of the wiring 124 is “H”
- the potential of the wiring 125 is “L”
- the potential of the wiring 126 is “L”
- the potential of the wiring 127 is “L”.
- the potential of the wiring 128 is “VRS (H)”
- the potential “VRS (H)” of the wiring 128 is supplied to the node FD.
- VRS (H) is preferably set so that the photoelectric conversion device 101 reaches a voltage that exhibits avalanche multiplication characteristics at “VRS (H) + VRS (H) ′”.
- VRS (H) is a voltage higher than ⁇ ⁇ of the voltage at which the photoelectric conversion device 101 exhibits avalanche multiplication characteristics.
- the potential of the wiring 123 is “VRS (H)”
- the potential of the wiring 124 is “L”
- the potential of the wiring 125 is “H”
- the potential of the wiring 126 is “L”
- the potential of the wiring 127 is “L”.
- the potential of the wiring 128 is set to “L”
- the potential of the node AD decreases in accordance with the operation of the photoelectric conversion device 101, and the potential of the node FD also decreases due to capacitive coupling of the capacitor 107 (accumulation operation).
- the potential of the wiring 123 is “VRS (H)”
- the potential of the wiring 124 is “L”
- the potential of the wiring 125 is “L”
- the potential of the wiring 126 is “L”
- the potential of the wiring 127 is “L”.
- the potentials of the node AD and the node FD are determined and held.
- the decrease in the potential of the node AD is “X”
- the potential of the node AD is “VRS (H) + VRS (H) ′ ⁇ X”
- the potential of the node FD is “VRS (H) ⁇ X ′”.
- the potential of the wiring 123 is “VRS (H)”
- the potential of the wiring 124 is “L”
- the potential of the wiring 125 is “L”
- the potential of the wiring 126 is “L”
- the potential of the wiring 127 is “H”.
- the transistor 106 is turned on and the potential of the node FD is read out to the wiring 129 by the source follower operation of the transistor 105.
- the potential of the node FD is “VRS (H) ⁇ X ′”, and “VRS (H) ⁇ X′ ⁇ Vth” is read to the wiring 129. Since the high voltage “HH” is not applied to the node FD including the reset operation period, the reliability of the transistor connected to the node FD can be improved.
- the periods T11 to T14 show the operation of the second frame assuming a moving image.
- “VRS (H) ⁇ L” held in the capacitor 107 does not change ideally, so that it is not necessary to write “VRS (H)” to the node AD again.
- imaging can be performed by repeating the operation in the periods T2 to T5 of the first frame.
- This operation is an operation in which the node FD holds the threshold voltage “Vth” of the transistor 105 as correction data, and corrects image data output from the transistor 105.
- the potential of the wiring 123 is “VRS (L)”, the potential of the wiring 124 is “H”, the potential of the wiring 125 is “H”, the potential of the wiring 126 is “H”, and the potential of the wiring 127 is “L”.
- the transistor 103 is turned on and the potential “VRS (L)” of the wiring 123 is supplied to the node AD. Further, the transistor 104 is turned on, and the correction data “Vth” is written to the node FD (reset operation). In the above operation, “Vth ⁇ VRS (L)” is held in the capacitor 107.
- the potential of the wiring 123 is “VRS (L)”
- the potential of the wiring 124 is “L”
- the potential of the wiring 125 is “H”
- the potential of the wiring 126 is “L”
- the potential of the wiring 127 is “L”.
- the potential of the wiring 128 is set to “L”
- the potential of the node AD increases in accordance with the operation of the photoelectric conversion device 101, and the potential of the node FD also increases due to capacitive coupling of the capacitor 107 (accumulation operation).
- the potential of the wiring 123 is “VRS (L)”
- the potential of the wiring 124 is “L”
- the potential of the wiring 125 is “L”
- the potential of the wiring 126 is “L”
- the potential of the wiring 127 is “L”.
- the potentials of the node AD and the node FD are determined and held.
- the increase in the potential of the node AD is “X”
- the potential of the node AD can be represented as “VRS (L) + X”
- the potential of the node FD can be represented as “Vth + X ′” in consideration of the capacitance ratio. .
- the potential of the wiring 123 is “VRS (L)”
- the potential of the wiring 124 is “L”
- the potential of the wiring 125 is “L”
- the potential of the wiring 126 is “L”
- the potential of the wiring 127 is “H”.
- the transistor 106 is turned on and the potential of the node FD is read out to the wiring 129 by the source follower operation of the transistor 105.
- the potential of the node FD is “Vth + X ′”
- “X ′” which does not include “Vth” of the transistor 105 is read to the wiring 129. That is, data to which the threshold voltage of the transistor 105 is not related in each pixel can be read.
- the periods T11 to T14 show the operation of the second frame assuming a moving image. Since “Vth ⁇ VRS (L)” held in the capacitor 107 does not change ideally, the reset operation of the node FD is performed by supplying “VRS (L)” to the node AD in the second and subsequent frames. And imaging can be performed.
- This operation is an operation in which the node FD holds the threshold voltage “Vth” of the transistor 105 + the reset potential “VRS (H)” as correction data, and corrects image data output from the transistor 105.
- the reset potential “VRS (H)” is set to a value sufficiently larger than the forward voltage “Vf” of the photoelectric conversion device 101.
- the potential of the wiring 122 is “VRS (H)”, the potential of the wiring 124 is “H”, the potential of the wiring 125 is “H”, the potential of the wiring 127 is “L”, and the potential of the wiring 128 is “Vth + VRS”. (H), a forward current flows through the photoelectric conversion device 101, and the potential “VRS (H)” ⁇ “Vf” of the wiring 122 is supplied to the node AD. Further, the transistor 104 is turned on, and the correction data “Vth + VRS (H)” is written to the node FD (reset operation). In the above operation, “Vth ⁇ Vf” is held in the capacitor 107.
- the potential of the wiring 122 is “L”
- the potential of the wiring 124 is “L”
- the potential of the wiring 125 is “H”
- the potential of the wiring 127 is “L”
- the potential of the wiring 128 is “L”.
- the potential of the node AD decreases in accordance with the operation of the photoelectric conversion device 101, and the potential of the node FD also decreases due to capacitive coupling of the capacitor 107 (accumulation operation).
- the potential of the wiring 122 is “VRS (H)”, the potential of the wiring 124 is “L”, the potential of the wiring 125 is “L”, the potential of the wiring 127 is “H”, and the potential of the wiring 128 is “L”.
- the transistor 106 is turned on, and the potential of the node FD is read out to the wiring 129 by the source follower operation of the transistor 105.
- the potential of the node FD is “Vth + VRS (H) ⁇ X ′”
- “VRS (H) ⁇ X ′” which does not include “Vth” of the transistor 105 is read out to the wiring 129. That is, data to which the threshold voltage of the transistor 105 is not related in each pixel can be read.
- the periods T11 to T14 show the operation of the second frame assuming a moving image. Since “Vth ⁇ Vf” held in the capacitor 107 does not change ideally, the reset operation of the node FD can be performed by supplying “VRS (H)” to the node AD after the second frame. Imaging can be performed.
- This operation is an operation in which the potential of the node AD is boosted and applied to the photoelectric conversion device 101, similarly to the operation 2 of the pixel 10a.
- the potential of the wiring 122 is “VRS (H)”, the potential of the wiring 124 is “H”, the potential of the wiring 125 is “L”, the potential of the wiring 127 is “L”, and the potential of the wiring 128 is “L”.
- the transistor 104 is turned on, and the potential” L “of the wiring 128 is supplied to the node FD.
- a forward current flows through the photoelectric conversion device 101, and the potential “VRS (H)” ⁇ “Vf” of the wiring 122 is supplied to the node AD. In the above operation, “VRS (H) ⁇ Vf ⁇ L” is held in the capacitor 107.
- the potential of the wiring 122 is “VRS (H)”
- the potential of the wiring 124 is “H”
- the potential of the wiring 125 is “L”
- the potential of the wiring 127 is “L”
- the potential of the wiring 128 is “VRS”.
- the potential “VRS (H)” of the wiring 128 is supplied to the node FD.
- VRS (H) is preferably set such that “VRS (H) ⁇ Vf + VRS (H) ′” reaches a voltage at which the photoelectric conversion device 101 exhibits avalanche multiplication characteristics.
- “VRS (H) ⁇ Vf” is a voltage higher than ⁇ ⁇ of the voltage at which the photoelectric conversion device 101 exhibits the avalanche multiplication characteristic.
- the potential of the node AD decreases in accordance with the operation of the photoelectric conversion device 101, and the potential of the node FD also decreases due to capacitive coupling of the capacitor 107 (accumulation operation).
- the potential of the wiring 122 is “H”
- the potential of the wiring 124 is “L”
- the potential of the wiring 125 is “L”
- the potential of the wiring 127 is “H”
- the potential of the wiring 128 is “L”.
- the transistor 106 is turned on, and the potential of the node FD is read out to the wiring 129 by the source follower operation of the transistor 105.
- the potential of the node FD is “VRS (H) ⁇ X ′”, and “VRS (H) ⁇ X′ ⁇ Vth” is read to the wiring 129. Since the high voltage “HH” is not applied to the node FD including the reset operation period, the reliability of the transistor connected to the node FD can be improved.
- the periods T11 to T14 show the operation of the second frame assuming a moving image.
- the period T1 of the first frame since “VRS (H) ⁇ Vf ⁇ L” held in the capacitor 107 does not change ideally, it is necessary to write “VRS (H) ⁇ Vf” to the node AD again. There is no.
- imaging can be performed by repeating the operation in the periods T2 to T5 of the first frame.
- This operation is an operation in which the node FD holds the threshold voltage “Vth” of the transistor 105 as correction data, and corrects image data output from the transistor 105.
- the reset potential “VRS (L)” is set to a value smaller than the forward voltage “Vf” of the photoelectric conversion device 101.
- the potential of the wiring 122 is “VRS (L)”
- the potential of the wiring 124 is “H”
- the potential of the wiring 125 is “H”
- the potential of the wiring 127 is “L”
- the potential of the wiring 128 is “Vth”.
- a forward current flows through the photoelectric conversion device 101, and the potential of the node AD becomes" VRS (L) "+” Vf ".
- the transistor 104 is turned on, and the correction data “Vth” is written to the node FD (reset operation). In the above operation, “Vth ⁇ VRS (L) + Vf” is held in the capacitor 107.
- the potential of the wiring 122 is “H”
- the potential of the wiring 124 is “L”
- the potential of the wiring 125 is “H”
- the potential of the wiring 127 is “L”
- the potential of the wiring 128 is “L”.
- the potential of the node AD rises in response to the operation of the photoelectric conversion device 101, and the potential of the node FD also rises due to the capacitive coupling of the capacitor 107 (accumulation operation).
- the potential of the wiring 122 is “VRS (L)”, the potential of the wiring 124 is “L”, the potential of the wiring 125 is “L”, the potential of the wiring 127 is “H”, and the potential of the wiring 128 is “L”.
- the transistor 106 is turned on, and the potential of the node FD is read out to the wiring 129 by the source follower operation of the transistor 105.
- the potential of the node FD is “Vth + X ′”
- “X ′” which does not include “Vth” of the transistor 105 is read to the wiring 129. That is, data to which the threshold voltage of the transistor 105 is not related in each pixel can be read.
- the periods T11 to T14 show the operation of the second frame assuming a moving image. Since “Vth ⁇ VRS (L) + Vf” held in the capacitor 107 does not change ideally, the reset operation of the node FD is performed by supplying “VRS (L)” to the node AD after the second frame. And imaging can be performed.
- FIGS. 12A and 12B a structure in which a back gate is provided for a transistor may be employed.
- FIG. 12A illustrates a structure in which the back gate is electrically connected to the front gate, which has an effect of increasing on-state current.
- FIG. 12B illustrates a structure in which the back gate is electrically connected to a wiring which can supply a constant potential, so that the threshold voltage of the transistor can be controlled.
- each transistor can perform appropriate operation, such as a combination of FIGS. 12A and 12B, may be employed.
- the pixel circuit may include a transistor without a back gate. Note that a structure in which a back gate is provided for a transistor can be applied to all of the pixels 10a to 10d.
- one of a source and a drain of the transistor 103 and one electrode of the photoelectric conversion device 101 may be electrically connected to each other as illustrated in FIG.
- a potential is supplied from the wiring 123 to the node AD, an operation of turning on the transistor 102 and the transistor 103 may be performed.
- a transistor 106 may be electrically connected between the transistor 105 and the wiring 121 as illustrated in FIG.
- FIG. 14 is an example of a block diagram illustrating a circuit configuration of an imaging device of one embodiment of the present invention.
- the imaging device includes a pixel array 21 having pixels 10 arranged in a matrix, a circuit 22 (row driver) having a function of selecting a row of the pixel array 21, and a circuit 23 having a function of reading data from the pixels 10. And a circuit 27 having a function of generating correction data, and a circuit 28 (column driver) having a function of supplying the correction data to the pixels 10. Any of the pixels 10a, 10b, 10c, and 10d can be used as the pixel 10.
- the circuit 23 includes a circuit 24 (column driver) having a function of selecting a column of the pixel array 21, a circuit 25 (CDS circuit) for performing correlated double sampling processing on output data of the pixel 10, and a circuit 25.
- Circuit 26 (such as an A / D conversion circuit) that has a function of converting analog data output from the device into digital data.
- the circuit 23 is electrically connected to the wiring 129 and can output data output from the pixel 10 to the circuit 27.
- data output from the pixel 10 can be converted into digital data and then output to the outside.
- the output destination may be a neural network, a storage device, a display device, a communication device, or the like.
- the circuit 27 can generate correction data from the input data.
- the generated correction data is supplied to the pixel 10 via the circuit 28 and the wiring 128.
- the parameters used in the simulation are as follows.
- FIG. 15 shows a simulation result until reading of the second frame when 1 V corresponding to “Vth” is used as the correction data.
- the horizontal axis is the common time, the vertical axis VRS is the potential of the wiring 123, SE2 is the potential of the wiring 124, TX is the potential of the wiring 125, RS is the potential of the wiring 126, SE1 is the potential of the wiring 127, and CAL is the potential of the wiring 128.
- the potential, AD indicates the potential of the node AD, FD indicates the potential of the node FD, and OUT indicates the potential of the wiring 129.
- FIG. 16 is a diagram illustrating a potential change of the node FD when the correction data is set to 0 V, 1 V, and 2 V. Since there is no change in the difference between the correction data at the time of reset and at the time of reading, it was confirmed that the correction data was held without change.
- FIGS. 17A and 17B illustrate a structure of a pixel included in an imaging device.
- the pixel illustrated in FIG. 17A is an example in which a layered structure of a layer 561 and a layer 562 is provided.
- the layer 561 includes the photoelectric conversion device 101.
- the photoelectric conversion device 101 can be a stack of a layer 565a, a layer 565b, and a layer 565c as illustrated in FIG.
- the photoelectric conversion device 101 illustrated in FIG. 17C is a pn junction photodiode.
- a p + -type semiconductor can be used for the layer 565a
- an n-type semiconductor can be used for the layer 565b
- an n + -type semiconductor can be used for the layer 565c.
- an n + -type semiconductor may be used for the layer 565a, a p-type semiconductor for the layer 565b, and a p + -type semiconductor for the layer 565c.
- a pin junction photodiode in which the layer 565b is an i-type semiconductor may be used.
- the pn junction photodiode or the pin junction photodiode can be formed using single crystal silicon. Further, the pin junction photodiode can be formed using a thin film of amorphous silicon, microcrystalline silicon, polycrystalline silicon, or the like.
- the photoelectric conversion device 101 included in the layer 561 may be a stack of a layer 566a, a layer 566b, a layer 566c, and a layer 566d as illustrated in FIG.
- the photoelectric conversion device 101 illustrated in FIG. 17D is an example of an avalanche photodiode.
- the layers 566a and 566d correspond to electrodes, and the layers 566b and 566c correspond to photoelectric conversion portions.
- a low-resistance metal layer or the like for the layer 566a.
- a low-resistance metal layer or the like for example, aluminum, titanium, tungsten, tantalum, silver, or a stacked layer thereof can be used.
- a conductive layer having high light-transmitting property with respect to visible light is preferably used.
- indium oxide, tin oxide, zinc oxide, indium-tin oxide, gallium-zinc oxide, indium-gallium-zinc oxide, graphene, or the like can be used. Note that a structure in which the layer 566d is omitted can be employed.
- the layers 566b and 566c of the photoelectric conversion portion can have a configuration of a pn junction photodiode using a selenium-based material as a photoelectric conversion layer, for example. It is preferable that a selenium-based material which is a p-type semiconductor be used for the layer 566b and gallium oxide which is an n-type semiconductor be used for the layer 566c.
- a photoelectric conversion device using a selenium-based material has characteristics of high external quantum efficiency with respect to visible light.
- amplification of electrons with respect to the amount of incident light (Light) can be increased by using avalanche multiplication.
- the selenium-based material has a high light absorption coefficient, it has an advantage in production such that a photoelectric conversion layer can be formed using a thin film.
- the selenium-based material thin film can be formed by a vacuum evaporation method, a sputtering method, or the like.
- selenium-based material examples include crystalline selenium such as single-crystal selenium and polycrystalline selenium, amorphous selenium, copper, indium, and a compound of selenium (CIS) or a compound of copper, indium, gallium, and selenium (CIGS). Can be used.
- crystalline selenium such as single-crystal selenium and polycrystalline selenium, amorphous selenium, copper, indium, and a compound of selenium (CIS) or a compound of copper, indium, gallium, and selenium (CIGS).
- the n-type semiconductor is preferably formed using a material having a wide band gap and a property of transmitting visible light.
- a material having a wide band gap and a property of transmitting visible light For example, zinc oxide, gallium oxide, indium oxide, tin oxide, an oxide in which they are mixed, or the like can be used.
- these materials also have a function as a hole injection blocking layer and can reduce dark current.
- the photoelectric conversion device 101 included in the layer 561 may be a stack of a layer 567a, a layer 567b, a layer 567c, a layer 567d, and a layer 567e as illustrated in FIG.
- the photoelectric conversion device 101 illustrated in FIG. 17D is an example of an organic photoconductive film, in which the layers 567a and 567e correspond to electrodes, and the layers 567b, 567c, and 567d correspond to photoelectric conversion portions.
- One of the layers 567b and 567d of the photoelectric conversion portion can be a hole transport layer and the other can be an electron transport layer. Further, the layer 567c can be a photoelectric conversion layer.
- the hole transport layer for example, molybdenum oxide or the like can be used.
- the electron transporting layer for example, fullerenes such as C60 and C70 or derivatives thereof can be used.
- a mixed layer (bulk heterojunction structure) of an n-type organic semiconductor and a p-type organic semiconductor can be used.
- a silicon substrate can be used, for example.
- the silicon substrate has a Si transistor and the like.
- a circuit for driving the pixel circuit, a circuit for reading an image signal, an image processing circuit, and the like can be provided in addition to the pixel circuit.
- part or all of the transistors included in the pixel circuit and the peripheral circuit (the pixel 10, the circuits 22, 23, 27, and 28) described in Embodiment 1 can be provided in the layer 562.
- the pixel may have a stacked structure of a layer 561, a layer 563, and a layer 562 as illustrated in FIG.
- the layer 563 can include an OS transistor (eg, the transistors 102, 103, and 104 of the pixel 10a).
- the layer 562 may include a Si transistor (eg, the transistors 105 and 106 of the pixel 10a). Further, some of the transistors included in the peripheral circuit described in Embodiment 1 may be provided in the layer 563.
- the elements and the peripheral circuits included in the pixel circuit can be dispersed in a plurality of layers and the elements or the element and the peripheral circuit can be provided in an overlapping manner; thus, the area of the imaging device can be reduced. be able to.
- the layer 562 may be used as a supporting substrate, and the layer 561 and the layer 563 may be provided with the pixel 10 and a peripheral circuit.
- a metal oxide having an energy gap of 2 eV or more, preferably 2.5 eV or more, more preferably 3 eV or more can be used.
- an oxide semiconductor containing indium or the like is used; for example, a CAAC-OS or a CAC-OS described later can be used.
- the CAAC-OS has stable atoms in its crystal and is suitable for a transistor or the like in which reliability is emphasized.
- the CAC-OS has high mobility characteristics, it is suitable for a transistor that drives at high speed or the like.
- the OS transistor has an extremely low off-current characteristic of several yA / ⁇ m (current value per 1 ⁇ m of channel width) because the energy gap of the semiconductor layer is large. Further, the OS transistor has characteristics different from those of the Si transistor, such as generation of impact ionization, avalanche breakdown, and a short-channel effect, and can form a highly reliable circuit with high withstand voltage. In addition, variation in electrical characteristics due to non-uniformity of crystallinity, which is a problem in the Si transistor, hardly occurs in the OS transistor.
- the semiconductor layer included in the OS transistor is formed using an In-M-Zn-based oxide including, for example, indium, zinc, and M (a metal such as aluminum, titanium, gallium, germanium, yttrium, zirconium, lanthanum, cerium, tin, neodymium, or hafnium). Can be obtained.
- M a metal such as aluminum, titanium, gallium, germanium, yttrium, zirconium, lanthanum, cerium, tin, neodymium, or hafnium.
- the oxide semiconductor included in the semiconductor layer is an In-M-Zn-based oxide
- the atomic ratio of metal elements in a sputtering target used for forming the In-M-Zn oxide is In ⁇ M
- Zn It is preferable to satisfy ⁇ M.
- each of the atomic ratios of the semiconductor layers to be formed includes a variation of ⁇ 40% of the atomic ratio of the metal element contained in the sputtering target.
- the semiconductor layer an oxide semiconductor with low carrier density is used.
- the semiconductor layer has a carrier density of 1 ⁇ 10 17 / cm 3 or less, preferably 1 ⁇ 10 15 / cm 3 or less, further preferably 1 ⁇ 10 13 / cm 3 or less, more preferably 1 ⁇ 10 11 / cm 3. 3 or less, more preferably less than 1 ⁇ 10 10 / cm 3 , and an oxide semiconductor with a carrier density of 1 ⁇ 10 ⁇ 9 / cm 3 or more can be used.
- Such an oxide semiconductor is referred to as a highly purified intrinsic or substantially highly purified intrinsic oxide semiconductor. It can be said that the oxide semiconductor has a low density of defect states and has stable characteristics.
- the composition is not limited thereto, and a transistor having an appropriate composition may be used depending on required semiconductor characteristics and electric characteristics (eg, field-effect mobility and threshold voltage) of the transistor.
- the carrier density, the impurity concentration, the defect density, the atomic ratio between a metal element and oxygen, the interatomic distance, the density, and the like be appropriate.
- the concentration of silicon or carbon (concentration obtained by secondary ion mass spectrometry) in the semiconductor layer is set to 2 ⁇ 10 18 atoms / cm 3 or less, preferably 2 ⁇ 10 17 atoms / cm 3 or less.
- an alkali metal and an alkaline earth metal may generate carriers when combined with an oxide semiconductor, which may increase off-state current of a transistor.
- the concentration of the alkali metal or alkaline earth metal (concentration obtained by secondary ion mass spectrometry) in the semiconductor layer is 1 ⁇ 10 18 atoms / cm 3 or less, preferably 2 ⁇ 10 16 atoms / cm 3 or less.
- the nitrogen concentration (concentration obtained by secondary ion mass spectrometry) in the semiconductor layer is preferably 5 ⁇ 10 18 atoms / cm 3 or less.
- oxygen when hydrogen is contained in the oxide semiconductor included in the semiconductor layer, oxygen reacts with oxygen bonded to a metal atom to become water, so that oxygen vacancies may be formed in the oxide semiconductor in some cases.
- oxygen vacancies are contained in a channel formation region in an oxide semiconductor, the transistor might have normally-on characteristics.
- a defect in which hydrogen is contained in an oxygen vacancy functions as a donor, and an electron serving as a carrier may be generated.
- part of hydrogen is bonded to oxygen which is bonded to a metal atom to generate an electron serving as a carrier. Therefore, a transistor including an oxide semiconductor containing a large amount of hydrogen is likely to have normally-on characteristics.
- a defect in which hydrogen is contained in an oxygen vacancy can function as a donor of an oxide semiconductor.
- an oxide semiconductor is evaluated not by a donor concentration but by a carrier concentration. Therefore, in this specification and the like, a carrier concentration which assumes a state where an electric field is not applied may be used instead of a donor concentration as a parameter of an oxide semiconductor in some cases. That is, the “carrier concentration” described in this specification and the like may be referred to as a “donor concentration” in some cases.
- the hydrogen concentration obtained by secondary ion mass spectrometry is lower than 1 ⁇ 10 20 atoms / cm 3 , preferably 1 ⁇ 10 19 atoms / cm 3. It is less than 3 , more preferably less than 5 ⁇ 10 18 atoms / cm 3 , further preferably less than 1 ⁇ 10 18 atoms / cm 3 .
- an oxide semiconductor in which impurities such as hydrogen are sufficiently reduced is used for a channel formation region of a transistor, stable electric characteristics can be provided.
- the semiconductor layer may have a non-single-crystal structure, for example.
- the non-single-crystal structure includes, for example, a CAAC-OS (C-Axis Aligned Crystalline Oxide Semiconductor) having a crystal oriented in the c-axis, a polycrystalline structure, a microcrystalline structure, or an amorphous structure.
- CAAC-OS C-Axis Aligned Crystalline Oxide Semiconductor
- the amorphous structure has the highest density of defect states
- the CAAC-OS has the lowest density of defect states.
- An oxide semiconductor film having an amorphous structure has, for example, disordered atomic arrangement and no crystalline component.
- an oxide semiconductor film having an amorphous structure has, for example, a completely amorphous structure and no crystal part.
- the semiconductor layer is a mixed film including two or more of an amorphous structure region, a microcrystalline structure region, a polycrystalline structure region, a CAAC-OS region, and a single crystal structure region.
- the mixed film may have a single-layer structure or a stacked structure including any two or more of the above-described regions, for example.
- CAC cloud-aligned composite
- the CAC-OS is one structure of a material in which an element included in an oxide semiconductor is unevenly distributed in a size of, for example, 0.5 nm or more and 10 nm or less, preferably, 1 nm or more and 2 nm or less.
- one or more metal elements are unevenly distributed in an oxide semiconductor, and a region including the metal element has a size of 0.5 nm to 10 nm, preferably 1 nm to 2 nm, or a size in the vicinity thereof.
- the state mixed by is also referred to as a mosaic shape or a patch shape.
- the oxide semiconductor preferably contains at least indium. In particular, it preferably contains indium and zinc.
- a CAC-OS in an In-Ga-Zn oxide is an indium oxide (hereinafter referred to as InO).
- X1 (X1 is greater real than 0) and.), or indium zinc oxide (hereinafter, in X2 Zn Y2 O Z2 ( X2, Y2, and Z2 is larger real than 0) and a.), gallium Oxide (hereinafter, referred to as GaO X3 (X3 is a real number larger than 0)) or gallium zinc oxide (hereinafter, Ga X4 Zn Y4 O Z4 (X4, Y4, and Z4 are real numbers larger than 0)) to.) and the like, the material becomes mosaic by separate into, mosaic InO X1 or in X2 Zn Y2 O Z2, is a configuration in which uniformly distributed in the film (hereinafter Also referred to as a cloud-like.) A.
- the CAC-OS is a composite oxide semiconductor having a structure in which a region containing GaO X3 as a main component and a region containing In X2 Zn Y2 O Z2 or InO X1 as a main component are mixed.
- the atomic ratio of In to the element M in the first region is larger than the atomic ratio of In to the element M in the second region.
- the concentration of In is higher than that of the region No. 2.
- IGZO is a common name and may refer to one compound of In, Ga, Zn, and O. Representative examples are represented by InGaO 3 (ZnO) m1 (m1 is a natural number), or In (1 + x0) Ga ( 1-x0) O 3 (ZnO) m0 (-1 ⁇ x0 ⁇ 1, m0 is an arbitrary number) Crystalline compounds are mentioned.
- the above crystalline compound has a single crystal structure, a polycrystal structure, or a CAAC structure.
- the CAAC structure is a crystal structure in which a plurality of IGZO nanocrystals have a c-axis orientation and are connected without being oriented in the ab plane.
- CAC-OS relates to a material structure of an oxide semiconductor.
- CAC-OS is a material composition containing In, Ga, Zn, and O, a region which is observed in the form of a nanoparticle mainly containing Ga as a part and a nanoparticle mainly containing In as a part.
- a region observed in a shape refers to a configuration in which each region is randomly dispersed in a mosaic shape. Therefore, in the CAC-OS, the crystal structure is a secondary element.
- the CAC-OS does not include a stacked structure of two or more kinds of films having different compositions.
- a structure including two layers of a film mainly containing In and a film mainly containing Ga is not included.
- the CAC-OS is divided into a region which is observed in the form of a nanoparticle mainly including the metal element and a nanoparticle mainly including In.
- the region observed in the form of particles refers to a configuration in which each of the regions is randomly dispersed in a mosaic shape.
- the CAC-OS can be formed by, for example, a sputtering method under conditions in which the substrate is not heated intentionally.
- a sputtering method any one or more selected from an inert gas (typically, argon), an oxygen gas, and a nitrogen gas is used as a deposition gas. Good.
- an inert gas typically, argon
- oxygen gas typically, oxygen gas
- a nitrogen gas is used as a deposition gas.
- the CAC-OS is characterized in that a clear peak is not observed when measured using a ⁇ / 2 ⁇ scan by an Out-of-plane method, which is one of X-ray diffraction (X-ray diffraction) measurement methods. Have. That is, from the X-ray diffraction measurement, it is understood that the orientation in the a-b plane direction and the c-axis direction of the measurement region is not observed.
- the CAC-OS includes, in an electron beam diffraction pattern obtained by irradiating an electron beam (also referred to as a nanobeam electron beam) having a probe diameter of 1 nm, a region (ring region) having a high luminance in a ring shape and the ring region. Multiple bright spots are observed in the area. Accordingly, the electron diffraction pattern shows that the crystal structure of the CAC-OS has an nc (nano-crystal) structure having no orientation in a planar direction and a cross-sectional direction.
- an electron beam also referred to as a nanobeam electron beam
- GaO X3 or the like is a main component by EDX mapping obtained using energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX: Energy Dispersive X-ray spectroscopy). It can be confirmed that a certain region and a region containing In X2 Zn Y2 O Z2 or InO X1 as a main component are unevenly distributed and mixed.
- the CAC-OS has a different structure from an IGZO compound in which metal elements are uniformly distributed, and has different properties from the IGZO compound. That is, the CAC-OS is phase-separated into a region containing GaO X3 or the like as a main component and a region containing In X2 Zn Y2 O Z2 or InO X1 as a main component. Has a mosaic structure.
- a region in which In X2 Zn Y2 O Z2 or InO X1 is a main component is a region having higher conductivity than a region in which GaO X3 or the like is a main component. That is, the conductivity of the oxide semiconductor is exhibited by the flow of carriers in a region containing In X2 Zn Y3 O Z2 or InO X1 as a main component. Therefore, high field-effect mobility ( ⁇ ) can be realized by distributing a region containing In X2 Zn Y2 O Z2 or InO X1 as a main component in a cloud shape in the oxide semiconductor.
- a region containing GaO X3 or the like as a main component is a region having higher insulating properties than a region containing In X2 Zn Y2 O Z2 or InO X1 as a main component. That is, a region in which GaO X3 or the like is a main component is distributed in the oxide semiconductor, so that a leak current can be suppressed and a favorable switching operation can be realized.
- the insulating property caused by GaO X3 and the like and the conductivity caused by In X2 Zn Y2 O Z2 or InO X1 act complementarily, so that high performance is obtained.
- On-state current (I on ) and high field-effect mobility ( ⁇ ) can be realized.
- CAC-OS is suitable as a constituent material of various semiconductor devices.
- FIG. 18A illustrates an example of a cross section of the pixel illustrated in FIG.
- the layer 561 includes, as the photoelectric conversion device 101, a pn junction photodiode including silicon as a photoelectric conversion layer.
- the layer 562 includes a Si transistor, and FIG. 18A illustrates the transistors 102 and 103 included in a pixel circuit.
- the layer 565a can be a p + -type region
- the layer 565b can be an n-type region
- the layer 565c can be an n + -type region.
- a region 536 for connecting a power supply line to the layer 565c is provided in the layer 565b.
- region 536 can be ap + type region.
- the Si transistor illustrated in FIG. 18A is a fin type having a channel formation region in a silicon substrate 540, and a cross section in the channel width direction is illustrated in FIG.
- the Si transistor may be of a planar type as shown in FIG.
- a transistor including a silicon thin film semiconductor layer 545 may be used.
- the semiconductor layer 545 can be, for example, single crystal silicon (SOI (Silicon on Insulator)) formed over the insulating layer 546 over the silicon substrate 540.
- SOI Silicon on Insulator
- FIG. 18A illustrates an example of a structure in which an element included in the layer 561 and an element included in the layer 562 are electrically connected to each other by a bonding technique.
- the layer 561 is provided with an insulating layer 542, a conductive layer 533, and a conductive layer 534.
- Each of the conductive layers 533 and 534 has a region embedded in the insulating layer 542.
- the conductive layer 533 is electrically connected to the layer 565a.
- the conductive layer 534 is electrically connected to the region 536.
- the surfaces of the insulating layer 542, the conductive layer 533, and the conductive layer 534 are flattened so that their heights are the same.
- the insulating layer 541, the conductive layer 531, and the conductive layer 532 are provided for the layer 562.
- Each of the conductive layers 531 and 532 has a region embedded in the insulating layer 541.
- the conductive layer 532 is electrically connected to a power supply line.
- the conductive layer 531 is electrically connected to a source or a drain of the transistor 102.
- the surfaces of the insulating layer 541, the conductive layer 531 and the conductive layer 532 are flattened so that their heights are the same.
- the main components of the conductive layer 531 and the conductive layer 533 be the same metal element. It is preferable that the main components of the conductive layer 532 and the conductive layer 534 be the same metal element. Further, the insulating layer 541 and the insulating layer 542 are preferably formed using the same component.
- the conductive layers 531, 532, 533, and 534 Cu, Al, Sn, Zn, W, Ag, Pt, Au, or the like can be used. Cu, Al, W, or Au is preferably used from the viewpoint of easy joining.
- silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, titanium nitride, or the like can be used.
- a surface activated bonding method in which an oxide film on the surface, an adsorption layer of impurities, and the like are removed by a sputtering process or the like and the cleaned and activated surfaces are brought into contact with each other and bonded together can be used.
- a diffusion bonding method in which surfaces are bonded to each other by using both temperature and pressure can be used. In both cases, bonding at the atomic level occurs, so that a bonding excellent not only electrically but also mechanically can be obtained.
- the surfaces subjected to hydrophilic treatment with oxygen plasma or the like are brought into contact with each other to temporarily join them, and then to perform the final joining by dehydration by heat treatment.
- a joining method or the like can be used. Since bonding at the atomic level also occurs in the hydrophilic bonding method, mechanically excellent bonding can be obtained.
- an insulating layer and a metal layer are mixed on each bonding surface. Therefore, for example, a surface activated bonding method and a hydrophilic bonding method may be combined.
- a method may be used in which the surface is cleaned after polishing, the surface of the metal layer is subjected to an antioxidant treatment, and then a hydrophilic treatment is performed to join the surfaces.
- the surface of the metal layer may be made of a hardly oxidizable metal such as Au and subjected to a hydrophilic treatment. Note that a joining method other than the method described above may be used.
- FIG. 18B is a cross-sectional view in the case where a pn junction photodiode including a selenium-based material as a photoelectric conversion layer is used for the pixel layer 561 illustrated in FIG. It has a layer 566a as one electrode, layers 566b and 566c as a photoelectric conversion layer, and a layer 566d as the other electrode.
- the layer 561 can be formed directly on the layer 562.
- the layer 566a is electrically connected to a source or a drain of the transistor 102.
- the layer 566d is electrically connected to a power supply line through a conductive layer 537. Note that when an organic photoconductive film is used for the layer 561, the connection with the transistor is similar.
- FIG. 20A illustrates an example of a cross section of the pixel illustrated in FIG.
- the layer 561 includes, as the photoelectric conversion device 101, a pn junction photodiode including silicon as a photoelectric conversion layer.
- the layer 562 includes a Si transistor.
- FIG. 20A illustrates the transistors 105 and 106 included in a pixel circuit.
- the layer 563 includes an OS transistor.
- FIG. 20A illustrates the transistors 102 and 103 included in a pixel circuit. The structure example in which the layer 561 and the layer 563 obtain electrical connection by bonding is illustrated.
- FIG. 21A illustrates details of the OS transistor.
- the OS transistor illustrated in FIG. 21A has a self-aligned structure in which an insulating layer is provided over a stack of an oxide semiconductor layer and a conductive layer, and a groove which reaches the semiconductor layer is provided to form a source electrode 205 and a drain electrode 206. It is a structure of.
- the OS transistor can have a structure including a gate electrode 201 and a gate insulating film 202 in addition to a channel formation region, a source region 203, and a drain region 204 formed in the oxide semiconductor layer. At least the gate insulating film 202 and the gate electrode 201 are provided in the groove. An oxide semiconductor layer 207 may be further provided in the groove.
- the OS transistor may have a self-aligned structure in which a source region and a drain region are formed in a semiconductor layer using the gate electrode 201 as a mask, as illustrated in FIG.
- a non-self-aligned top-gate transistor including a region where the source electrode 205 or the drain electrode 206 and the gate electrode 201 overlap with each other may be used.
- the transistors 102 and 103 have a structure including the back gate 535, a structure without a back gate may be employed.
- the back gate 535 may be electrically connected to a front gate of a transistor provided to be opposed to the transistor as illustrated in a cross-sectional view in the channel width direction of the transistor illustrated in FIG.
- FIG. 21D illustrates the transistor in FIG. 20A as an example, but the same applies to transistors having other structures.
- a configuration in which a fixed potential different from that of the front gate may be supplied to the back gate 535 may be employed.
- An insulating layer 543 having a function of preventing diffusion of hydrogen is provided between a region where the OS transistor is formed and a region where the Si transistor is formed. Hydrogen in an insulating layer provided near the channel formation region of the transistors 105 and 106 terminates dangling bonds of silicon. On the other hand, hydrogen in the insulating layer provided in the vicinity of the channel formation region of the transistors 102 and 103 is one of the factors that generate carriers in the oxide semiconductor layer.
- the reliability of the transistors 105 and 106 can be improved by confining hydrogen in one layer with the insulating layer 543. In addition, by suppressing diffusion of hydrogen from one layer to the other layer, the reliability of the transistors 102 and 103 can be improved.
- the insulating layer 543 for example, aluminum oxide, aluminum oxynitride, gallium oxide, gallium oxynitride, yttrium oxide, yttrium oxynitride, hafnium oxide, hafnium oxynitride, yttria-stabilized zirconia (YSZ), or the like can be used.
- aluminum oxide, aluminum oxynitride, gallium oxide, gallium oxynitride, yttrium oxide, yttrium oxynitride, hafnium oxide, hafnium oxynitride, yttria-stabilized zirconia (YSZ), or the like can be used.
- FIG. 20B is a cross-sectional view in the case where a pn junction photodiode including a selenium-based material as a photoelectric conversion layer is used for the pixel layer 561 illustrated in FIG. 17B.
- the layer 561 can be formed directly on the layer 563.
- the layers 561, 562, and 563 the above description can be referred to. Note that when an organic photoconductive film is used for the layer 561, the connection with the transistor is similar.
- FIG. 22A is a perspective view illustrating an example in which a color filter and the like are added to pixels of the imaging device of one embodiment of the present invention. In the perspective view, cross sections of a plurality of pixels are also shown.
- An insulating layer 580 is formed over the layer 561 where the photoelectric conversion device 101 is formed.
- a silicon oxide film with high light-transmitting property with respect to visible light can be used.
- a silicon nitride film may be stacked as a passivation film.
- a dielectric film such as hafnium oxide may be laminated as an antireflection film.
- a light-blocking layer 581 may be formed over the insulating layer 580.
- the light-blocking layer 581 has a function of preventing color mixture of light passing through the upper color filter.
- a metal layer such as aluminum or tungsten can be used. Further, the metal layer and a dielectric film having a function as an antireflection film may be stacked.
- An organic resin layer 582 can be provided as a planarization film over the insulating layer 580 and the light-blocking layer 581.
- a color filter 583 (color filters 583a, 583b, 583c) is formed for each pixel. For example, by assigning colors such as R (red), G (green), B (blue), Y (yellow), C (cyan), and M (magenta) to the color filters 583a, 583b, 583c, Can be obtained.
- An insulating layer 586 having a property of transmitting visible light can be provided over the color filter 583.
- an optical conversion layer 585 may be used instead of the color filter 583.
- an infrared imaging device when a filter that blocks light having a wavelength equal to or less than the wavelength of visible light is used for the optical conversion layer 585, an infrared imaging device can be obtained. Further, when a filter that blocks light having a wavelength of near-infrared rays or less is used for the optical conversion layer 585, a far-infrared imaging device can be obtained. When a filter that blocks light having a wavelength equal to or longer than the wavelength of visible light is used for the optical conversion layer 585, an ultraviolet imaging device can be obtained.
- an imaging device that obtains an image in which the intensity of radiation used in an X-ray imaging device or the like is visualized can be obtained.
- radiation such as X-rays transmitted through a subject enters a scintillator, it is converted into light (fluorescence) such as visible light or ultraviolet light by a photoluminescence phenomenon. Then, the photoelectric conversion device 101 detects the light to acquire image data.
- the imaging device having the above configuration may be used for a radiation detector or the like.
- the scintillator includes a substance that, when irradiated with radiation such as X-rays or gamma rays, absorbs the energy and emits visible light or ultraviolet light.
- radiation such as X-rays or gamma rays
- Gd 2 O 2 S Tb
- Gd 2 O 2 S Pr
- Gd 2 O 2 S Eu
- BaFCl Eu
- NaI, CsI, CaF 2 , BaF 2 , CeF 3 LiF, LiI, ZnO, etc.
- Those dispersed in resin or ceramics can be used.
- a microlens array 584 may be provided over the color filter 583. Light that passes through the individual lenses of the microlens array 584 passes through the color filter 583 directly below and irradiates the photoelectric conversion device 101. Further, a microlens array 584 may be provided over the optical conversion layer 585 illustrated in FIG.
- the structure of the imaging device can be used for the image sensor chip.
- FIG. 23A1 is an external perspective view of the upper surface side of a package containing an image sensor chip.
- the package includes a package substrate 410 for fixing the image sensor chip 450, a cover glass 420, an adhesive 430 for bonding the two, and the like.
- FIG. 23A2 is an external perspective view of the lower surface side of the package.
- a BGA Bit grid array
- BGA All grid array
- LGA Land Grid Array
- PGA Peripheral Component Interconnect
- FIG. 23 (A3) is a perspective view of the package illustrated with the cover glass 420 and a part of the adhesive 430 omitted.
- An electrode pad 460 is formed on the package substrate 410, and the electrode pad 460 and the bump 440 are electrically connected via a through hole.
- the electrode pad 460 is electrically connected to the image sensor chip 450 by a wire 470.
- FIG. 23B1 is an external perspective view of the upper side of the camera module in which the image sensor chip is housed in a lens-integrated package.
- the camera module includes a package substrate 411 for fixing the image sensor chip 451, a lens cover 421, a lens 435, and the like. Further, an IC chip 490 having functions such as a driving circuit and a signal conversion circuit of the imaging device is provided between the package substrate 411 and the image sensor chip 451, and has a configuration as a SiP (System @ in @ package). I have.
- FIG. 23 (B2) is an external perspective view of the lower surface side of the camera module.
- the lower surface and the side surface of the package substrate 411 have a QFN (Quad flat no-lead package) configuration in which mounting lands 441 are provided. Note that this configuration is an example, and a QFP (Quad @ flat @ package) or the aforementioned BGA may be provided.
- FIG. 23 (B3) is a perspective view of the module illustrated with the lens cover 421 and a part of the lens 435 omitted.
- the land 441 is electrically connected to the electrode pad 461, and the electrode pad 461 is electrically connected to the image sensor chip 451 or the IC chip 490 by a wire 471.
- the image sensor chip By mounting the image sensor chip in the above-described package, mounting on a printed circuit board or the like is facilitated, and the image sensor chip can be incorporated in various semiconductor devices and electronic devices.
- a display device As electronic devices that can use the imaging device of one embodiment of the present invention, a display device, a personal computer, an image storage device or an image reproducing device provided with a recording medium, a mobile phone, a game machine including a portable device, and a mobile data terminal , E-book terminals, video cameras, cameras such as digital still cameras, goggle-type displays (head-mounted displays), navigation systems, sound reproducers (car audio, digital audio players, etc.), copiers, facsimile machines, printers, multifunction printers , An automatic teller machine (ATM), a vending machine, and the like. Specific examples of these electronic devices are illustrated in FIGS.
- FIG. 24A illustrates an example of a mobile phone, which includes a housing 981, a display portion 982, operation buttons 983, an external connection port 984, a speaker 985, a microphone 986, a camera 987, and the like.
- the mobile phone includes a touch sensor in the display portion 982. All operations such as making a call and inputting characters can be performed by touching the display portion 982 with a finger, a stylus, or the like.
- the operation method of the imaging device of one embodiment of the present invention can be applied to the image acquisition operation of the mobile phone.
- FIG. 24B illustrates a portable data terminal, which includes a housing 911, a display portion 912, a speaker 913, a camera 919, and the like.
- Information can be input and output using the touch panel function of the display portion 912.
- a character or the like can be recognized from an image acquired by the camera 919, and the character can be output as sound using the speaker 913.
- the operation method of the imaging device of one embodiment of the present invention can be applied to the image acquisition operation of the portable data terminal.
- FIG. 24C illustrates a monitoring camera, which includes a support base 951, a camera unit 952, a protective cover 953, and the like.
- the camera unit 952 is provided with a rotating mechanism and the like, and can be installed on a ceiling to capture an image of the entire periphery.
- the imaging device of one embodiment of the present invention and an operation method thereof can be applied to an element for acquiring an image in the camera unit.
- the surveillance camera is a conventional name and does not limit the use.
- a device having a function as a surveillance camera is also called a camera or a video camera.
- FIG. 24D illustrates a video camera, which includes a first housing 971, a second housing 972, a display portion 973, operation keys 974, a lens 975, a connection portion 976, a speaker 977, a microphone 978, and the like.
- the operation keys 974 and the lens 975 are provided on the first housing 971, and the display portion 973 is provided on the second housing 972.
- the operation method of the imaging device of one embodiment of the present invention can be applied to the image acquisition operation of the video camera.
- FIG. 24E illustrates a digital camera, which includes a housing 961, a shutter button 962, a microphone 963, a light-emitting portion 967, a lens 965, and the like.
- the operation method of the imaging device of one embodiment of the present invention can be applied to an image acquisition operation of the digital camera.
- FIG. 24F illustrates a wristwatch-type information terminal including a display portion 932, a housing / wristband 933, a camera 939, and the like.
- the display unit 932 includes a touch panel for operating an information terminal.
- the display portion 932 and the housing / wristband 933 have flexibility and are excellent in attachment to the body.
- the operation method of the imaging device of one embodiment of the present invention can be applied to the image acquisition operation of the information terminal.
Landscapes
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Abstract
Description
本発明の一態様は、撮像装置の動作方法に関する。 One embodiment of the present invention relates to an operation method of an imaging device.
なお、本発明の一態様は、上記の技術分野に限定されない。本明細書等で開示する発明の一態様の技術分野は、物、方法、または、製造方法に関するものである。または、本発明の一態様は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、または、組成物(コンポジション・オブ・マター)に関するものである。そのため、より具体的に本明細書で開示する本発明の一態様の技術分野としては、半導体装置、表示装置、液晶表示装置、発光装置、照明装置、蓄電装置、記憶装置、撮像装置、それらの駆動方法、または、それらの製造方法、を一例として挙げることができる。 Note that one embodiment of the present invention is not limited to the above technical field. The technical field of one embodiment of the present invention disclosed in this specification and the like relates to an object, a method, or a manufacturing method. Alternatively, one embodiment of the present invention relates to a process, a machine, a manufacture, or a composition (composition of matter). Therefore, more specifically, the technical field of one embodiment of the present invention disclosed in this specification includes a semiconductor device, a display device, a liquid crystal display device, a light-emitting device, a lighting device, a power storage device, a storage device, an imaging device, A driving method or a manufacturing method thereof can be given as an example.
なお、本明細書等において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指す。トランジスタ、半導体回路は半導体装置の一態様である。また、記憶装置、表示装置、撮像装置、電子機器は、半導体装置を有する場合がある。 Note that a semiconductor device in this specification and the like refers to all devices that can function by utilizing semiconductor characteristics. A transistor and a semiconductor circuit are one embodiment of a semiconductor device. Further, the storage device, the display device, the imaging device, and the electronic device sometimes include a semiconductor device.
基板上に形成された酸化物半導体薄膜を用いてトランジスタを構成する技術が注目されている。例えば、酸化物半導体を有するオフ電流が極めて低いトランジスタを画素回路に用いる構成の撮像装置が特許文献1に開示されている。 Attention has been focused on a technique for forming a transistor using an oxide semiconductor thin film formed over a substrate. For example, Patent Document 1 discloses an imaging device in which a transistor including an oxide semiconductor and having extremely low off-state current is used for a pixel circuit.
また、オフ電流が極めて低いトランジスタをメモリセルに用いる構成の記憶装置が特許文献2に開示されている。 Patent Document 2 discloses a memory device having a structure in which a transistor with extremely low off-state current is used for a memory cell.
CMOSイメージセンサなどの固体撮像素子では、光電変換によって得られたデータ電位を画素の電荷蓄積部に保持する方式が多く用いられている。当該方式は、電荷蓄積部からの電荷流出、読み出しに伴うノイズの混入などの問題を有している。 2. Description of the Related Art In a solid-state imaging device such as a CMOS image sensor, a method of holding a data potential obtained by photoelectric conversion in a charge storage portion of a pixel is often used. This method has problems such as outflow of charges from the charge storage unit and mixing of noise accompanying reading.
例えば、電荷蓄積部の電位読み出しにはソースフォロア回路が用いられるが、当該回路を構成するトランジスタのしきい値電圧の不均一性が問題となっている。当該問題は、取得した画像を表示することで顕在化し、画像内に不要な明暗の分布などを生じさせてしまう。 For example, a source follower circuit is used for reading out the potential of the charge storage portion, but there is a problem of non-uniformity of the threshold voltage of the transistors constituting the circuit. This problem becomes apparent by displaying the acquired image, and causes unnecessary distribution of light and darkness in the image.
しきい値電圧の不均一性をトランジスタの製造プロセスの改良のみで解決することは困難であり、一般的にはトランジスタのゲートに補正データを付加する方法が行われる。補正手段としては、画素内で補正データを生成する内部補正と、外部から補正データを画素に供給する外部補正がある。 It is difficult to solve the non-uniformity of the threshold voltage only by improving the manufacturing process of the transistor, and a method of adding correction data to the gate of the transistor is generally used. The correction means includes internal correction for generating correction data in a pixel and external correction for supplying correction data to a pixel from the outside.
いずれも補正効果は認められるが、通常の撮像動作に複数のステップを有する補正動作が加わるため、高速動作の妨げとなる。したがって、より簡易でステップ数の少ない補正動作が望まれている。 Although a correction effect is recognized in each case, a correction operation having a plurality of steps is added to the normal imaging operation, which hinders high-speed operation. Therefore, a simpler correction operation with a smaller number of steps is desired.
また、イメージセンサを高解像度化するには、一画素あたりの面積を縮小し、画素密度を高める必要がある。画素面積の縮小は光電変換デバイスの受光部面積の縮小を伴うため、光感度が低下してしまう。特に低照度下での撮像においては、撮像データのS/N比が大幅に低下する場合がある。すなわち、従来の構成のイメージセンサでは、解像度と感度はトレードオフの関係にあるという課題がある。 To increase the resolution of the image sensor, it is necessary to reduce the area per pixel and increase the pixel density. Since the reduction of the pixel area is accompanied by the reduction of the light receiving area of the photoelectric conversion device, the light sensitivity is reduced. In particular, in imaging under low illuminance, the S / N ratio of imaging data may be significantly reduced. That is, the image sensor having the conventional configuration has a problem that the resolution and the sensitivity have a trade-off relationship.
上記課題に対しては、光感度の高いアバランシェ増倍効果を利用した光電変換デバイスを用いることが解決策の一つとなる。ただし、アバランシェ増倍効果を利用するには、比較的高い電圧を光電変換デバイスに印加する必要があり、専用の電源回路などを用いなければならない。 One solution to the above problem is to use a photoelectric conversion device utilizing the avalanche multiplication effect with high photosensitivity. However, in order to utilize the avalanche multiplication effect, a relatively high voltage needs to be applied to the photoelectric conversion device, and a dedicated power supply circuit or the like must be used.
したがって、本発明の一態様では、画像データの出力補正を行うための撮像装置の動作方法を提供することを目的の一つとする。または、画像データの出力補正を少ないステップで行える撮像装置の動作方法を提供することを目的の一つとする。または、補正データを画素内に保持する撮像装置の動作方法を提供することを目的の一つとする。または、画素内に保持した補正データと取得した画像データとを加算する撮像装置の動作方法を提供することを目的の一つとする。または、画素内で高電圧を生成することができる撮像装置の動作方法を提供することを目的の一つとする。または、専用の電源回路を用いず、高電圧を光電変換デバイスに印加することができる撮像装置の動作方法を提供することを目的の一つとする。 Therefore, an object of one embodiment of the present invention is to provide an operation method of an imaging device for performing output correction of image data. Another object is to provide an operation method of an imaging device in which output correction of image data can be performed in a small number of steps. Alternatively, it is another object to provide an operation method of an imaging device which holds correction data in a pixel. Another object is to provide an operation method of an imaging device that adds correction data held in a pixel and acquired image data. Another object is to provide an operation method of an imaging device capable of generating a high voltage in a pixel. Another object is to provide an operation method of an imaging device in which a high voltage can be applied to a photoelectric conversion device without using a dedicated power supply circuit.
または、低消費電力の撮像装置の動作方法を提供することを目的の一つとする。または、高速に撮像が行える撮像装置の動作方法を提供することを目的の一つとする。または、信頼性の高い撮像装置の動作方法を提供することを目的の一つとする。または、新規な撮像装置の動作方法などを提供することを目的の一つとする。または、新規な撮像装置などを提供することを目的の一つとする。または、新規な半導体装置などを提供することを目的の一つとする。 Another object is to provide a method for operating an imaging device with low power consumption. Another object is to provide an operation method of an imaging device which can perform imaging at high speed. Another object is to provide a highly reliable operation method of an imaging device. Another object is to provide a novel operation method of an imaging device and the like. Alternatively, it is another object to provide a novel imaging device or the like. Another object is to provide a novel semiconductor device or the like.
なお、これらの課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの課題の全てを解決する必要はないものとする。なお、これら以外の課題は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。 Note that the description of these objects does not disturb the existence of other objects. Note that one embodiment of the present invention does not need to solve all of these problems. It should be noted that issues other than these are obvious from the description of the specification, drawings, claims, etc., and that other issues can be extracted from the description of the description, drawings, claims, etc. It is.
本発明の一態様は、画素に補正データを保持する撮像装置の動作方法に関する。または、画素内で補正データに画像データを加算して出力する撮像装置の動作方法に関する。 One embodiment of the present invention relates to an operation method of an imaging device that stores correction data in pixels. Alternatively, the present invention relates to an operation method of an imaging device that adds image data to correction data in a pixel and outputs the result.
本発明の一態様は、キャパシタの一方の電極と第1のトランジスタのソースまたはドレインの一方とが電気的に接続された第1のノードと、キャパシタの他方の電極と第2のトランジスタのゲートとが電気的に接続された第2のノードと、有し、第1のトランジスタのソースまたはドレインの他方がフォトダイオードの一方の電極と電気的に接続された撮像装置の動作方法であって、第1のノードに第1の電位を供給しつつ、第2のノードに第2の電位を供給して保持する第1のステップと、フォトダイオードの動作により第1のノードの電位を変化させ、かつキャパシタの容量結合により第2のノードの電位を変化させる第2のステップと、第2のノードの電位を固定し、第2のトランジスタの動作により第2のノードの電位を読み出す第3のステップと、を上記順序で行う撮像装置の動作方法である。 One embodiment of the present invention provides a first node in which one electrode of a capacitor and one of a source and a drain of the first transistor are electrically connected; a second electrode of the capacitor and a gate of the second transistor; And a second node electrically connected to the first transistor, and the other of the source and the drain of the first transistor is electrically connected to one electrode of the photodiode. A first step of supplying and holding a second potential to a second node while supplying a first potential to one node, and changing a potential of the first node by an operation of a photodiode; and A second step of changing the potential of the second node by capacitive coupling of the capacitor; and fixing the potential of the second node and reading the potential of the second node by operating the second transistor. A step of, which is the operation method of the imaging apparatus performs the above order.
上記動作において、第1の電位は第2の電位よりも小さく、その差分は第2のトランジスタのしきい値電圧以上とすることができる。 In the above operation, the first potential is lower than the second potential, and the difference can be equal to or higher than the threshold voltage of the second transistor.
また、本発明の他の一態様は、キャパシタの一方の電極と第1のトランジスタのソースまたはドレインの一方とが電気的に接続された第1のノードと、キャパシタの他方の電極と第2のトランジスタのゲートとが電気的に接続された第2のノードと、有し、第1のトランジスタのソースまたはドレインの他方がフォトダイオードの一方の電極と電気的に接続された撮像装置の動作方法であって、第2のノードに第2の電位を供給しつつ、第1のノードに第1の電位を供給して保持する第1のステップと、第2のノードに第3の電位を供給し、キャパシタの容量結合により第1のノードの電位を変化させる第2のステップと、フォトダイオードの動作により第1のノードの電位を変化させ、かつキャパシタの容量結合により第2のノードの電位を変化させる第3のステップと、第2のノードの電位を固定し、第2のトランジスタの動作により第2のノードの電位を読み出す第4のステップと、を上記順序で行う撮像装置の動作方法である。 Another embodiment of the present invention is a first node in which one electrode of a capacitor is electrically connected to one of a source and a drain of a first transistor; A second node electrically connected to a gate of the transistor; and a source or drain of the first transistor, the other of which is electrically connected to one electrode of the photodiode. A first step of supplying and holding a first potential to a first node while supplying a second potential to a second node; and supplying a third potential to the second node. A second step of changing the potential of the first node by capacitive coupling of the capacitor; a step of changing the potential of the first node by the operation of the photodiode; and a potential of the second node by capacitive coupling of the capacitor. The third method of changing the potential and the fourth step of fixing the potential of the second node and reading the potential of the second node by operating the second transistor in the above order are the operation methods of the imaging apparatus. is there.
上記動作において、第1の電位は第2の電位よりも大きい電位とすることができる。 In the above operation, the first potential can be higher than the second potential.
撮像装置は第3のトランジスタを有し、第1のノードへの電位の供給は、第3のトランジスタを介して行うことができる。または、第1のノードへの電位の供給はフォトダイオードを介して行ってもよい。 The imaging device includes a third transistor, and supply of potential to the first node can be performed through the third transistor. Alternatively, the supply of the potential to the first node may be performed through a photodiode.
撮像装置は第4のトランジスタを有し、第2のノードへの電位の書き込みは、第4のトランジスタを介して行ってもよい。 The imaging device includes a fourth transistor, and writing of the potential to the second node may be performed through the fourth transistor.
撮像装置が有するトランジスタの少なくとも一つ以上は、チャネル形成領域に金属酸化物を有し、金属酸化物は、Inと、Znと、M(MはAl、Ti、Ga、Sn、Y、Zr、La、Ce、NdまたはHf)と、を有することが好ましい。 At least one of the transistors included in the imaging device includes a metal oxide in a channel formation region, and the metal oxide includes In, Zn, and M (M is Al, Ti, Ga, Sn, Y, Zr, La, Ce, Nd or Hf).
本発明の一態様を用いることで、画像データの出力補正を行うための撮像装置の動作方法を提供することができる。または、画像データの出力補正を少ないステップで行える撮像装置の動作方法を提供することができる。または、補正データを画素内に保持する撮像装置の動作方法を提供することができる。または、画素内に保持した補正データと取得した画像データとを加算する撮像装置の動作方法を提供することができる。または、画素内で高電圧を生成することができる撮像装置の動作方法を提供することができる。または、専用の電源回路を用いず、高電圧を光電変換デバイスに印加することができる撮像装置の動作方法を提供することができる。 By using one embodiment of the present invention, an operation method of an imaging device for correcting output of image data can be provided. Alternatively, it is possible to provide an operation method of an imaging device in which output correction of image data can be performed in a few steps. Alternatively, it is possible to provide an operation method of an imaging device that holds correction data in a pixel. Alternatively, it is possible to provide an operation method of an imaging device that adds correction data held in a pixel and acquired image data. Alternatively, an operation method of an imaging device capable of generating a high voltage in a pixel can be provided. Alternatively, an operation method of an imaging device which can apply a high voltage to a photoelectric conversion device without using a dedicated power supply circuit can be provided.
または、低消費電力の撮像装置の動作方法を提供することができる。または、高速に撮像が行える撮像装置の動作方法を提供することができる。または、信頼性の高い撮像装置の動作方法を提供することができる。または、新規な撮像装置の動作方法などを提供することができる。または、新規な撮像装置などを提供することができる。または、新規な半導体装置などを提供することができる。 Alternatively, an operation method of an imaging device with low power consumption can be provided. Alternatively, an operation method of an imaging device which can perform imaging at high speed can be provided. Alternatively, a highly reliable operation method of an imaging device can be provided. Alternatively, a new operation method of the imaging device can be provided. Alternatively, a novel imaging device or the like can be provided. Alternatively, a novel semiconductor device or the like can be provided.
実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨およびその範囲から逸脱することなくその形態および詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。したがって、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、以下に説明する発明の構成において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略することがある。なお、図を構成する同じ要素のハッチングを異なる図面間で適宜省略または変更する場合もある。 Embodiments will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following description, and it is easily understood by those skilled in the art that the form and details can be variously changed without departing from the spirit and scope of the present invention. Therefore, the present invention is not construed as being limited to the description of the embodiments below. Note that in the structures of the invention described below, the same portions or portions having similar functions are denoted by the same reference numerals in different drawings, and description of such portions is not repeated in some cases. In addition, the hatching of the same element which comprises a figure may be suitably omitted or changed between different drawings.
また、回路図上では単一の要素として図示されている場合であっても、機能的に不都合がなければ、当該要素が複数で構成されてもよい。例えば、スイッチとして動作するトランジスタは、複数が直列または並列に接続されてもよい場合がある。また、キャパシタを分割して複数の位置に配置する場合もある。 In addition, even if the element is illustrated as a single element on the circuit diagram, the element may be configured by a plurality of elements unless there is a functional inconvenience. For example, in some cases, a plurality of transistors operating as switches may be connected in series or in parallel. Further, the capacitor may be divided and arranged at a plurality of positions.
また、一つの導電体が、配線、電極および端子のような複数の機能を併せ持っている場合があり、本明細書においては、同一の要素に対して複数の呼称を用いる場合がある。また、回路図上で要素間が直接接続されているように図示されている場合であっても、実際には当該要素間が複数の導電体を介して接続されている場合があり、本明細書ではこのような構成でも直接接続の範疇に含める。 In addition, one conductor may have a plurality of functions such as a wiring, an electrode, and a terminal in some cases, and in this specification, a plurality of names may be used for the same element. In addition, even when the elements are illustrated as being directly connected on the circuit diagram, the elements may actually be connected via a plurality of conductors in some cases. In this document, such a configuration is also included in the category of direct connection.
(実施の形態1)
本実施の形態では、本発明の一態様である撮像装置およびその動作方法について、図面を参照して説明する。
(Embodiment 1)
In this embodiment, an imaging device which is one embodiment of the present invention and an operation method thereof will be described with reference to drawings.
本発明の一態様は、撮影装置の画素回路が有するソースフォロア回路の出力補正を行うための動作方法である。ソースフォロア回路を構成するトランジスタ固有のしきい値電圧を電荷検出部に保持させることで、当該トランジスタのしきい値電圧補正を行うことができる。したがって、画像品質を向上させることができる。 One embodiment of the present invention is an operation method for correcting output of a source follower circuit included in a pixel circuit of an imaging device. By causing the charge detector to hold a threshold voltage unique to a transistor included in the source follower circuit, the threshold voltage of the transistor can be corrected. Therefore, image quality can be improved.
また、同一の画素回路を用いて、昇圧動作を行うことができる。画素内で高い電圧を生成することで、高電圧電源を用いることなくアバランシェフォトダイオードを動作させることができる。したがって、低消費電力で高感度の撮像装置を提供することができる。 Further, a boost operation can be performed using the same pixel circuit. By generating a high voltage in a pixel, an avalanche photodiode can be operated without using a high-voltage power supply. Therefore, an imaging device with low power consumption and high sensitivity can be provided.
<構成例1>
図1は、本発明の一態様の撮像装置に用いることができる画素10aを説明する図である。画素10aは、光電変換デバイス101と、トランジスタ102と、トランジスタ103と、トランジスタ104と、トランジスタ105と、トランジスタ106と、キャパシタ107と、キャパシタ108を有する。なお、キャパシタ108を設けない構成としてもよい。
<Configuration Example 1>
FIG. 1 illustrates a
光電変換デバイス101の一方の電極(カソード)は、トランジスタ102のソースまたはドレインの一方と電気的に接続される。トランジスタ102のソースまたはドレインの他方は、キャパシタ107の一方の電極と電気的に接続される。キャパシタ107の一方の電極は、トランジスタ103のソースまたはドレインの一方と電気的に接続される。キャパシタ107の他方の電極は、トランジスタ104のソースまたはドレインの一方と電気的に接続される。トランジスタ104のソースまたはドレインの一方は、キャパシタ108の一方の電極と電気的に接続される。キャパシタ108の一方の電極は、トランジスタ105のゲートと電気的に接続される。トランジスタ105のソースまたはドレインの一方は、トランジスタ106のソースまたはドレインの一方と電気的に接続される。
One electrode (cathode) of the
ここで、トランジスタ102のソースまたはドレインの他方と、キャパシタ107の一方の電極と、トランジスタ103のソースまたはドレインの一方を接続する配線をノードADとする。また、トランジスタ104のソースまたはドレインの一方と、キャパシタ107の他方の電極と、キャパシタ108の一方の電極と、トランジスタ105のゲートを接続する配線をノードFDとする。ノードADは電荷蓄積部、ノードFDは電荷検出部として機能させることができる。
Here, a wiring connecting the other of the source or the drain of the
光電変換デバイス101の他方の電極(アノード)は、配線122と電気的に接続される。トランジスタ102のゲートは、配線125と電気的に接続される。トランジスタ103のソースまたはドレインの他方は、配線123に電気的に接続される。トランジスタ103のゲートは、配線126と電気的に接続される。トランジスタ104のソースまたはドレインの他方は、配線128と電気的に接続される。トランジスタ104のゲートは、配線124と電気的に接続される。キャパシタ108の他方の電極は、例えばGND配線などの基準電位線と電気的に接続される。トランジスタ105のソースまたはドレインの他方は、配線121と電気的に接続される。トランジスタ106のゲートは、配線127と電気的に接続される。トランジスタ106のソースまたはドレインの他方は、配線129と電気的に接続される。
The other electrode (anode) of the
配線121、122は、電源線としての機能を有することができる。また、配線123はリセット電位を供給する機能を有することができる。配線122、123の電位は、光電変換デバイス101の接続の向きによって異なる。図1に示す構成では光電変換デバイス101のカソード側がトランジスタ102と電気的に接続する構成であり、ノードADを高電位にリセットして動作させる構成であるため、配線122は低電位、配線123は高電位とする。光電変換デバイス101の接続の向きが図1と逆の場合には、配線122は高電位、配線123は低電位とすればよい。配線128は、補正データを供給する機能を有することができる。
The
配線124、125、126、127は、各トランジスタの導通を制御する信号線として機能させることができる。配線129は出力線として機能させることができる。
The
光電変換デバイス101としては、フォトダイオードを用いることができる。光検出感度を高めたい場合は、アバランシェフォトダイオードを用いることが好ましい。
As the
トランジスタ102は、ノードADに特定の電位を供給する機能を有する。トランジスタ103は、ノードADの電位を制御する機能を有する。トランジスタ104は、ノードFDに特定の電位を供給する機能を有する。トランジスタ105はソースフォロア回路として機能し、ノードFDの電位を画像データとして配線129に出力することができる。トランジスタ106は、画像データを出力する画素を選択する機能を有する。
The
光電変換デバイス101にアバランシェフォトダイオードを用いる場合は、高電圧を印加することがあり、光電変換デバイス101と接続されるトランジスタには高耐圧のトランジスタを用いることが好ましい。高耐圧のトランジスタには、例えば、チャネル形成領域に金属酸化物を用いたトランジスタ(以下、OSトランジスタ)などを用いることができる。具体的には、トランジスタ102、103、104などにOSトランジスタを適用することが好ましい。また、トランジスタ105、106にOSトランジスタを適用してもよい。
When an avalanche photodiode is used for the
また、OSトランジスタは、オフ電流が極めて低い特性も有する。トランジスタ102、103、104にOSトランジスタを用いることによって、ノードADおよびノードFDで電荷を保持できる期間を極めて長くすることができる。そのため、回路構成や動作方法を複雑にすることなく、全画素で同時に電荷の蓄積動作を行うグローバルシャッタ方式を適用することができる。
Further, the OS transistor has a characteristic of extremely low off-state current. When an OS transistor is used for the
なお、上記に限らず、OSトランジスタおよびチャネル形成領域にSiを用いたトランジスタ(以下、Siトランジスタ)を任意に組み合わせて適用してもよい。また、全てのトランジスタをOSトランジスタまたはSiトランジスタとしてもよい。Siトランジスタとしては、アモルファスシリコンを有するトランジスタ、結晶性のシリコン(代表的には、低温ポリシリコン、単結晶シリコン)を有するトランジスタなどが挙げられる。 Note that the present invention is not limited to the above, and an OS transistor and a transistor including Si in a channel formation region (hereinafter, a Si transistor) may be arbitrarily combined and applied. Further, all the transistors may be OS transistors or Si transistors. Examples of the Si transistor include a transistor including amorphous silicon, a transistor including crystalline silicon (typically, low-temperature polysilicon, single crystal silicon), and the like.
<構成例2>
本発明の一態様の撮像装置には、図2に示す画素10bの構成を用いてもよい。当該構成では、光電変換デバイス101の接続の向きが逆になっている点が図1に示す画素10aと異なる。光電変換デバイス101の他方の電極(アノード)がトランジスタ102のソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、光電変換デバイス101の一方の電極(カソード)が配線122と電気的に接続される。その他の構成は、画素10aと同じである。
<Configuration Example 2>
The structure of the
<構成例3>
本発明の一態様の撮像装置には、図3に示す画素10cの構成を用いてもよい。当該構成では、トランジスタ103を設けていない点が図1に示す画素10aと異なる。その他の構成は、画素10aと同じである。
<Configuration Example 3>
The structure of the
画素10aが有するトランジスタ103はノードADに特定の電位を供給する機能を有するが、画素10cでは、光電変換デバイス101を介してノードADに特定の電位を供給する動作を行うことができる。
Although the
<構成例4>
本発明の一態様の撮像装置には、図4に示す画素10dの構成を用いてもよい。当該構成では、光電変換デバイス101の接続の向きが逆となっている点が図3に示す画素10cと異なる。光電変換デバイス101の他方の電極(アノード)がトランジスタ102のソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、光電変換デバイス101の一方の電極(カソード)が配線122と電気的に接続される。その他の構成は、画素10cと同じである。
<Configuration Example 4>
The structure of the
画素10a乃至10dにおいて、ノードADおよびノードFDは記憶ノードとしての機能を有する。また、キャパシタ107は、ノードADとノードFDの差分の電位を保持することができる。また、キャパシタ107の容量結合により、ノードFDとキャパシタ107の容量比に応じて、ノードFDにノードADの変化分の電位を付加することができる。またはノードADにノードFDの変化分の電位を付加することができる。
In the
これらの機能を利用することによって、ノードFDに補正データを保持させ、ソースフォロア回路の出力を補正することができる。具体的には、ノードFDにトランジスタ105のしきい値電圧を保持させることにより、画素間におけるトランジスタ105の出力特性を均一化し、画像品質を向上させることができる。
By using these functions, the correction data can be held in the node FD, and the output of the source follower circuit can be corrected. Specifically, by holding the threshold voltage of the
また、画素10a、10cでは、容量結合によってノードADの電位を高め、アバランシェフォトダイオードを動作させることができる。アバランシェフォトダイオードの動作には高電圧印加が必要であるが、上述した昇圧動作により画素内で高電圧を生成することができるため、高電圧生成回路を用いることなくアバランシェフォトダイオードを動作させることができる。
In the
<構成例1の動作1>
図1に示す画素10aの動作の一例について、図5に示すタイミングチャートを用いて説明する。なお、本明細書におけるタイミングチャートの説明においては、高電位を“HH”または“H”(“HH”>“H”)、低電位を“L”、リセット電位を“VRS(H)”または“VRS(L)”で表す。画素の構成によって用いるリセット電位が異なる。また、特定のトランジスタのしきい値電圧を“Vth”、光電変換デバイス(フォトダイオード)の順方向電圧を“Vf”で表す。配線121には、常時“H”が供給されている状態とする。
<Operation 1 of Configuration Example 1>
An example of the operation of the
なお、ここでは電位の分配、結合または損失において、回路の構成や動作タイミングなどに起因する詳細な変化は勘案しない。また、キャパシタを用いた容量結合による電位の変化は、当該キャパシタと、接続される要素との容量比に依存するが、説明を明瞭にするため、当該要素の容量値は十分に小さい値に仮定する。 Note that detailed changes in potential distribution, coupling, or loss due to a circuit configuration, operation timing, or the like are not considered here. The change in potential due to capacitive coupling using a capacitor depends on the capacitance ratio between the capacitor and the connected element, but for clarity of explanation, the capacitance value of the element is assumed to be sufficiently small. I do.
まず、画素10aにおける動作1を説明する。当該動作は、ノードFDに補正データとしてトランジスタ105のしきい値電圧“Vth”を保持させ、トランジスタ105が出力する画像データを補正する動作である。
First, the operation 1 in the
期間T1において、配線123の電位を“L”、配線124の電位を“H”、配線125の電位を“L”、配線126の電位を“H”、配線127の電位を“L”、配線128の電位を“Vth”とすると、トランジスタ103が導通し、ノードADには配線123の電位“L”が供給される。また、トランジスタ104が導通し、ノードFDに補正データ“Vth”が書き込まれる。上記動作において、キャパシタ107には“Vth−L”が保持される。
In the period T1, the potential of the
ここで、補正データ“Vth”はトランジスタ105のしきい値電圧であり、撮像動作の前にトランジスタ105の電気特性を配線129に出力し、配線129に接続される外部回路にてしきい値電圧に相当する補正データを生成しておく。すなわち、当該画素回路は外部補正を行う機能を有し、当該外部回路は配線128と電気的に接続される。
Here, the correction data “Vth” is a threshold voltage of the
期間T2において、配線123の電位を“VRS(H)”、配線124の電位を“L”、配線125の電位を“H”、配線126の電位を“H”、配線127の電位を“L”、配線128の電位を“L”とすると、ノードADには配線123の電位“VRS(H)”が供給される。このとき、キャパシタ107の容量結合により、ノードFDの電位は“Vth+VRS(H)−L’”となる(リセット動作)。
In the period T2, the potential of the
キャパシタ107の容量値をC107、ノードFDの容量値をCFDとすると、ノードFDの電位は、(“Vth”)+(C107/(C107+CFD))×(“VRS(H)−L”)となる。したがって、C107の値を大きくしCFDの値を無視できるようになれば、ノードFDの電位は最大で“Vth+VRS(H)−L”となる。ここで、“L”が0Vであって、CFDが適当な値を有することを仮定すると、ノードFDの電位は“Vth+VRS(H)’”として表すことができる。
Assuming that the capacitance value of the
期間T3において、配線123の電位を“VRS(H)”、配線124の電位を“L”、配線125の電位を“H”、配線126の電位を“L”、配線127の電位を“L”、配線128の電位を“L”とすると、光電変換デバイス101の動作に応じてノードADの電位が低下し、キャパシタ107の容量結合によって、ノードFDの電位も低下する(蓄積動作)。
In the period T3, the potential of the
期間T4において、配線123の電位を“VRS(H)”、配線124の電位を“L”、配線125の電位を“L”、配線126の電位を“L”、配線127の電位を“L”、配線128の電位を“L”とすると、ノードADおよびノードFDの電位は確定し、保持される。ここで、ノードADの電位の低下分を“X”とすると、ノードADの電位は“VRS(H)−X”、ノードFDの電位は、容量比を考慮した“Vth+VRS(H)’−X’”として表すことができる。
In the period T4, the potential of the
期間T5において、配線123の電位を“VRS(H)”、配線124の電位を“L”、配線125の電位を“L”、配線126の電位を“L”、配線127の電位を“H”、配線128の電位を“L”とすると、トランジスタ106が導通し、トランジスタ105のソースフォロア動作によりノードFDの電位が配線129に読み出される。このとき、ノードFDの電位は、“Vth+VRS(H)’−X’”であるため、トランジスタ105の“Vth”を含まない“VRS(H)’−X’”が配線129に読み出される。つまり、各画素においてトランジスタ105のしきい値電圧が不均一であっても、しきい値電圧を関連させずにデータを読み出すことができる。
In the period T5, the potential of the
期間T11乃至T14は、動画を想定した2フレーム目の動作を示している。1フレーム目の期間T1において、キャパシタ107に保持した“Vth−L”は理想的には変化しないため、再度“Vth”の書き込み動作を行う必要はない。2フレーム目以降は、1フレーム目の期間T2乃至T5の動作を繰り返すことで、撮像を行うことができる。
The periods T11 to T14 show the operation of the second frame assuming a moving image. In the period T1 of the first frame, “Vth−L” held in the
なお、キャパシタ107に保持した“Vth−L”を変化させないためには、前述したようにトランジスタ102、103、104にオフ電流の低いOSトランジスタを用いることが好ましい。なお、精度よく補正を行うには、一定期間毎に“Vth”の書き込み動作を行ってもよい。また、静止画などを撮像する場合は、毎回“Vth”の書き込み動作を行ってもよい。
Note that in order to prevent “Vth−L” held in the
なお、上記動作の説明では、ノードFDに保持する補正データを“Vth”としたが、“Vth+Y”など、一定の電位Yを付加してもよい。または、輝度などの補正を行うための補正データを用いてもよい。 In the above description of the operation, the correction data held at the node FD is “Vth”, but a fixed potential Y such as “Vth + Y” may be added. Alternatively, correction data for performing correction such as luminance may be used.
<構成例1の動作2>
次に、画素10aにおける動作2を図6のタイミングチャートを用いて説明する。当該動作は、ノードFDに補正データとしてトランジスタ105のしきい値電圧“Vth”+リセット電位“VRS(H)”を保持させ、トランジスタ105が出力する画像データを補正する動作である。
<Operation 2 of Configuration Example 1>
Next, the operation 2 in the
当該動作では、“Vth”の書き込み時に“VRS(H)”も同時に書き込むため、撮像動作を短縮することができる。 In this operation, “VRS (H)” is also written at the time of writing “Vth”, so that the imaging operation can be shortened.
期間T1において、配線123の電位を“VRS(H)”、配線124の電位を“H”、配線125の電位を“H”、配線126の電位を“H”、配線127の電位を“L”、配線128の電位を“Vth+VRS(H)”とすると、トランジスタ103が導通し、ノードADには配線123の電位“VRS(H)”が供給される。また、トランジスタ104が導通し、ノードFDに補正データ“Vth+VRS(H)”が書き込まれる(リセット動作)。上記動作において、キャパシタ107には“Vth”が保持される。
In the period T1, the potential of the
期間T2において、配線123の電位を“VRS(H)”、配線124の電位を“L”、配線125の電位を“H”、配線126の電位を“L”、配線127の電位を“L”、配線128の電位を“L”とすると、光電変換デバイス101の動作に応じてノードADの電位が低下し、キャパシタ107の容量結合によって、ノードFDの電位も低下する(蓄積動作)。
In the period T2, the potential of the
期間T3において、配線123の電位を“VRS(H)”、配線124の電位を“L”、配線125の電位を“L”、配線126の電位を“L”、配線127の電位を“L”、配線128の電位を“L”とすると、ノードADおよびノードFDの電位は確定し、保持される。ここで、ノードADの電位の低下分を“X”とすると、ノードADの電位は“VRS(H)−X”、ノードFDの電位は、容量比を考慮した“Vth+VRS(H)−X’”として表すことができる。
In the period T3, the potential of the
期間T4において、配線123の電位を“VRS(H)”、配線124の電位を“L”、配線125の電位を“L”、配線126の電位を“L”、配線127の電位を“H”、配線128の電位を“L”とすると、トランジスタ106が導通し、トランジスタ105のソースフォロア動作によりノードFDの電位が配線129に読み出される。このとき、ノードFDの電位は、“Vth+VRS(H)−X’”であるため、トランジスタ105の“Vth”を含まない“VRS(H)−X’”が配線129に読み出される。つまり、各画素においてトランジスタ105のしきい値電圧が関連しないデータを読み出すことができる。
In the period T4, the potential of the
期間T11乃至T14は、動画を想定した2フレーム目の動作を示している。キャパシタ107に保持した“Vth”は理想的には変化しないため、2フレーム目以降は、ノードADに“VRS(H)”を供給することでノードFDのリセット動作を行うことができ、撮像を行うことができる。
The periods T11 to T14 show the operation of the second frame assuming a moving image. Since “Vth” held in the
<構成例1の動作3>
次に、画素10aにおける動作3を図7のタイミングチャートを用いて説明する。当該動作は、ノードADの電位を昇圧させて光電変換デバイス101に印加する動作である。当該動作を行うことで、高電圧電源を用いずにアバランシェフォトダイオードを動作させることができる。当該動作を行う場合、光電変換デバイス101には、アバランシェフォトダイオードを用いることが好ましい。
<Operation 3 of Configuration Example 1>
Next, operation 3 in the
期間T1において、配線123の電位を“VRS(H)”、配線124の電位を“H”、配線125の電位を“L”、配線126の電位を“H”、配線127の電位を“L”、配線128の電位を“L”とすると、トランジスタ104が導通し、ノードFDには配線128の電位“L”が供給される。また、トランジスタ103が導通し、ノードADに配線123の電位“VRS(H)”が書き込まれる。上記動作において、キャパシタ107には“VRS(H)−L”が保持される。
In the period T1, the potential of the
期間T2において、配線123の電位を“VRS(H)”、配線124の電位を“H”、配線125の電位を“L”、配線126の電位を“L”、配線127の電位を“L”、配線128の電位を“VRS(H)”とすると、ノードFDには配線128の電位“VRS(H)”が供給される。このとき、キャパシタ107の容量結合により、ノードADの電位は“VRS(H)+VRS(H)’”=“HH”となる(リセット動作)。
In the period T2, the potential of the
キャパシタ107の容量値をC107、ノードADの容量値をCADとすると、ノードADの電位は、(“VRS(H)”)+(C107/(C107+CAD))×(“VRS(H)−L”)となる。ここで、C107の値を大きくし、CADの値を無視できるようになれば、ノードADの電位は最大で“VRS(H)+VRS(H)−L”となる。ここで、“L”が0Vであって、CADが適当な値を有することを仮定すると、ノードADの電位は“VRS(H)+VRS(H)’”=“HH”として表すことができる。
C 107 the value of the capacitance of the
“VRS(H)”は、“VRS(H)+VRS(H)’”で光電変換デバイス101がアバランシェ増倍特性を示す電圧に達するように設定することが好ましい。例えば、“VRS(H)”は、光電変換デバイス101がアバランシェ増倍特性を示す電圧の1/2よりも高い電圧とする。
“VRS (H)” is preferably set so that the
期間T3において、配線123の電位を“VRS(H)”、配線124の電位を“L”、配線125の電位を“H”、配線126の電位を“L”、配線127の電位を“L”、配線128の電位を“L”とすると、光電変換デバイス101の動作に応じてノードADの電位が低下し、キャパシタ107の容量結合によって、ノードFDの電位も低下する(蓄積動作)。
In the period T3, the potential of the
期間T4において、配線123の電位を“VRS(H)”、配線124の電位を“L”、配線125の電位を“L”、配線126の電位を“L”、配線127の電位を“L”、配線128の電位を“L”とすると、ノードADおよびノードFDの電位は確定し、保持される。ここで、ノードADの電位の低下分を“X”とすると、ノードADの電位は“VRS(H)+VRS(H)’−X”、ノードFDの電位は“VRS(H)−X’”として表すことができる。
In the period T4, the potential of the
期間T5において、配線123の電位を“VRS(H)”、配線124の電位を“L”、配線125の電位を“L”、配線126の電位を“L”、配線127の電位を“H”、配線128の電位を“L”とすると、トランジスタ106が導通し、トランジスタ105のソースフォロア動作によりノードFDの電位が配線129に読み出される。このとき、ノードFDの電位は、“VRS(H)−X’”であり、“VRS(H)−X’−Vth”が配線129に読み出される。ノードFDにはリセット動作期間を含めて高電圧“HH”が印加されないため、ノードFDに接続されるトランジスタの信頼性を高めることができる。
In the period T5, the potential of the
期間T11乃至T14は、動画を想定した2フレーム目の動作を示している。1フレーム目の期間T1において、キャパシタ107に保持した“VRS(H)−L”は理想的には変化しないため、再度ノードADに“VRS(H)”の書き込み動作を行う必要はない。2フレーム目以降は、1フレーム目の期間T2乃至T5の動作を繰り返すことで、撮像を行うことができる。
The periods T11 to T14 show the operation of the second frame assuming a moving image. In the period T1 of the first frame, “VRS (H) −L” held in the
<構成例2の動作>
次に、画素10bにおける動作を図8のタイミングチャートを用いて説明する。当該動作は、ノードFDに補正データとしてトランジスタ105のしきい値電圧“Vth”を保持させ、トランジスタ105が出力する画像データを補正する動作である。
<Operation of Configuration Example 2>
Next, the operation of the
当該動作では、“Vth”の書き込み時に“VRS(L)”も同時に書き込むため、撮像動作を短縮することができる。 In this operation, since “VRS (L)” is also written at the time of writing “Vth”, the imaging operation can be shortened.
期間T1において、配線123の電位を“VRS(L)”、配線124の電位を“H”、配線125の電位を“H”、配線126の電位を“H”、配線127の電位を“L”、配線128の電位を“Vth”とすると、トランジスタ103が導通し、ノードADには配線123の電位“VRS(L)”が供給される。また、トランジスタ104が導通し、ノードFDに補正データ“Vth”が書き込まれる(リセット動作)。上記動作において、キャパシタ107には“Vth−VRS(L)”が保持される。
In the period T1, the potential of the
期間T2において、配線123の電位を“VRS(L)”、配線124の電位を“L”、配線125の電位を“H”、配線126の電位を“L”、配線127の電位を“L”、配線128の電位を“L”とすると、光電変換デバイス101の動作に応じてノードADの電位が上昇し、キャパシタ107の容量結合によって、ノードFDの電位も上昇する(蓄積動作)。
In the period T2, the potential of the
期間T3において、配線123の電位を“VRS(L)”、配線124の電位を“L”、配線125の電位を“L”、配線126の電位を“L”、配線127の電位を“L”、配線128の電位を“L”とすると、ノードADおよびノードFDの電位は確定し、保持される。ここで、ノードADの電位の上昇分を“X”とすると、ノードADの電位は“VRS(L)+X”、ノードFDの電位は、容量比を考慮した“Vth+X’”として表すことができる。
In the period T3, the potential of the
期間T4において、配線123の電位を“VRS(L)”、配線124の電位を“L”、配線125の電位を“L”、配線126の電位を“L”、配線127の電位を“H”、配線128の電位を“L”とすると、トランジスタ106が導通し、トランジスタ105のソースフォロア動作によりノードFDの電位が配線129に読み出される。このとき、ノードFDの電位は、“Vth+X’”であるため、トランジスタ105の“Vth”を含まない“X’”が配線129に読み出される。つまり、各画素においてトランジスタ105のしきい値電圧が関連しないデータを読み出すことができる。
In the period T4, the potential of the
期間T11乃至T14は、動画を想定した2フレーム目の動作を示している。キャパシタ107に保持した“Vth−VRS(L)”は理想的には変化しないため、2フレーム目以降は、ノードADに“VRS(L)”を供給することでノードFDのリセット動作を行うことができ、撮像を行うことができる。
The periods T11 to T14 show the operation of the second frame assuming a moving image. Since “Vth−VRS (L)” held in the
<構成例3の動作1>
次に、画素10cにおける動作1を図9のタイミングチャートを用いて説明する。当該動作は、ノードFDに補正データとしてトランジスタ105のしきい値電圧“Vth”+リセット電位“VRS(H)”を保持させ、トランジスタ105が出力する画像データを補正する動作である。なお、当該動作において、リセット電位“VRS(H)”は、光電変換デバイス101の順方向電圧“Vf”よりも十分に大きい値とする。
<Operation 1 of Configuration Example 3>
Next, the operation 1 in the
期間T1において、配線122の電位を“VRS(H)”、配線124の電位を“H”、配線125の電位を“H”、配線127の電位を“L”、配線128の電位を“Vth+VRS(H)”とすると、光電変換デバイス101に順方向電流が流れ、ノードADに配線122の電位“VRS(H)”−“Vf”が供給される。また、トランジスタ104が導通し、ノードFDに補正データ“Vth+VRS(H)”が書き込まれる(リセット動作)。上記動作において、キャパシタ107には“Vth−Vf”が保持される。
In the period T1, the potential of the
期間T2において、配線122の電位を“L”、配線124の電位を“L”、配線125の電位を“H”、配線127の電位を“L”、配線128の電位を“L”とすると、光電変換デバイス101の動作に応じてノードADの電位が低下し、キャパシタ107の容量結合によって、ノードFDの電位も低下する(蓄積動作)。
In the period T2, the potential of the
期間T3において、配線122の電位を“L”、配線124の電位を“L”、配線125の電位を“L”、配線127の電位を“L”、配線128の電位を“L”とすると、ノードADおよびノードFDの電位は確定し、保持される。ここで、ノードADの電位の低下分を“X”とすると、ノードADの電位は“VRS(H)−Vf−X”、ノードFDの電位は、容量比を考慮した“Vth+VRS(H)−X’”として表すことができる。
In the period T3, when the potential of the
期間T4において、配線122の電位を“VRS(H)”、配線124の電位を“L”、配線125の電位を“L”、配線127の電位を“H”、配線128の電位を“L”とすると、トランジスタ106が導通し、トランジスタ105のソースフォロア動作によりノードFDの電位が配線129に読み出される。このとき、ノードFDの電位は、“Vth+VRS(H)−X’”であるため、トランジスタ105の“Vth”を含まない“VRS(H)−X’”が配線129に読み出される。つまり、各画素においてトランジスタ105のしきい値電圧が関連しないデータを読み出すことができる。
In the period T4, the potential of the
期間T11乃至T14は、動画を想定した2フレーム目の動作を示している。キャパシタ107に保持した“Vth−Vf”は理想的には変化しないため、2フレーム目以降は、ノードADに“VRS(H)”を供給することでノードFDのリセット動作を行うことができ、撮像を行うことができる。
The periods T11 to T14 show the operation of the second frame assuming a moving image. Since “Vth−Vf” held in the
<構成例3の動作2>
次に、画素10cにおける動作2を図10のタイミングチャートを用いて説明する。当該動作は、画素10aの動作2と同様にノードADの電位を昇圧させて光電変換デバイス101に印加する動作である。
<Operation 2 of Configuration Example 3>
Next, the operation 2 in the
期間T1において、配線122の電位を“VRS(H)”、配線124の電位を“H”、配線125の電位を“L”、配線127の電位を“L”、配線128の電位を“L”とすると、トランジスタ104が導通し、ノードFDには配線128の電位“L”が供給される。また、光電変換デバイス101に順方向電流が流れ、ノードADに配線122の電位“VRS(H)”−“Vf”が供給される。上記動作において、キャパシタ107には“VRS(H)−Vf−L”が保持される。
In the period T1, the potential of the
期間T2において、配線122の電位を“VRS(H)”、配線124の電位を“H”、配線125の電位を“L”、配線127の電位を“L”、配線128の電位を“VRS(H)”とすると、ノードFDには配線128の電位“VRS(H)”が供給される。このとき、キャパシタ107の容量結合により、ノードADの電位は“VRS(H)−Vf+VRS(H)’”=“HH”となる(リセット動作)。
In the period T2, the potential of the
キャパシタ107の容量値をC107、ノードADの容量値をCADとすると、ノードADの電位は、(“VRS(H)”)+(C107/(C107+CAD))×(“VRS(H)−Vf”)となる。ここで、C107の値を大きくし、CADの値を無視できるようになれば、ノードADの電位は最大で“VRS(H)−Vf+VRS(H)”となる。ここで、CADが適当な値を有することを仮定すると、ノードFDの電位は“VRS(H)−Vf+VRS(H)’”=“HH”として表すことができる。
C 107 the value of the capacitance of the
“VRS(H)”は、“VRS(H)−Vf+VRS(H)’”で光電変換デバイス101がアバランシェ増倍特性を示す電圧に達するように設定することが好ましい。例えば、“VRS(H)−Vf”は、光電変換デバイス101がアバランシェ増倍特性を示す電圧の1/2よりも高い電圧とする。
“VRS (H)” is preferably set such that “VRS (H) −Vf + VRS (H) ′” reaches a voltage at which the
期間T3において、配線122の電位を“L”、配線124の電位を“L”、配線125の電位を“H”、配線127の電位を“L”、配線128の電位を“L”とすると、光電変換デバイス101の動作に応じてノードADの電位が低下し、キャパシタ107の容量結合によって、ノードFDの電位も低下する(蓄積動作)。
In the period T3, when the potential of the
期間T4において、配線122の電位を“L”、配線124の電位を“L”、配線125の電位を“L”、配線127の電位を“L”、配線128の電位を“L”とすると、ノードADおよびノードFDの電位は確定し、保持される。ここで、ノードADの電位の低下分を“X”とすると、ノードADの電位は“VRS(H)−Vf+VRS(H)’−X”、ノードFDの電位は“VRS(H)−X’”として表すことができる。
In the period T4, when the potential of the
期間T5において、配線122の電位を“H”、配線124の電位を“L”、配線125の電位を“L”、配線127の電位を“H”、配線128の電位を“L”とすると、トランジスタ106が導通し、トランジスタ105のソースフォロア動作によりノードFDの電位が配線129に読み出される。このとき、ノードFDの電位は、“VRS(H)−X’”であり、“VRS(H)−X’−Vth”が配線129に読み出される。ノードFDにはリセット動作期間を含めて高電圧“HH”が印加されないため、ノードFDに接続されるトランジスタの信頼性を高めることができる。
In the period T5, the potential of the
期間T11乃至T14は、動画を想定した2フレーム目の動作を示している。1フレーム目の期間T1において、キャパシタ107に保持した“VRS(H)−Vf−L”は理想的には変化しないため、再度ノードADに“VRS(H)−Vf”の書き込み動作を行う必要はない。2フレーム目以降は、1フレーム目の期間T2乃至T5の動作を繰り返すことで、撮像を行うことができる。
The periods T11 to T14 show the operation of the second frame assuming a moving image. In the period T1 of the first frame, since “VRS (H) −Vf−L” held in the
<構成例4の動作>
次に、画素10dにおける動作を図11のタイミングチャートを用いて説明する。当該動作は、ノードFDに補正データとしてトランジスタ105のしきい値電圧“Vth”を保持させ、トランジスタ105が出力する画像データを補正する動作である。なお、当該動作において、リセット電位“VRS(L)”は、光電変換デバイス101の順方向電圧“Vf”よりも小さい値とする。
<Operation of Configuration Example 4>
Next, the operation of the
期間T1において、配線122の電位を“VRS(L)”、配線124の電位を“H”、配線125の電位を“H”、配線127の電位を“L”、配線128の電位を“Vth”とすると、光電変換デバイス101に順方向電流が流れ、ノードADの電位は“VRS(L)”+“Vf”となる。また、トランジスタ104が導通し、ノードFDに補正データ“Vth”が書き込まれる(リセット動作)。上記動作において、キャパシタ107には“Vth−VRS(L)+Vf”が保持される。
In the period T1, the potential of the
期間T2において、配線122の電位を“H”、配線124の電位を“L”、配線125の電位を“H”、配線127の電位を“L”、配線128の電位を“L”とすると、光電変換デバイス101の動作に応じてノードADの電位が上昇し、キャパシタ107の容量結合によって、ノードFDの電位も上昇する(蓄積動作)。
In the period T2, the potential of the
期間T3において、配線122の電位を“H”、配線124の電位を“L”、配線125の電位を“L”、配線127の電位を“L”、配線128の電位を“L”とすると、ノードADおよびノードFDの電位は確定し、保持される。ここで、ノードADの電位の上昇分を“X”とすると、ノードADの電位は“VRS(L)+VF+X”、ノードFDの電位は、容量比を考慮した“Vth+X’”として表すことができる。
In the period T3, when the potential of the
期間T4において、配線122の電位を“VRS(L)”、配線124の電位を“L”、配線125の電位を“L”、配線127の電位を“H”、配線128の電位を“L”とすると、トランジスタ106が導通し、トランジスタ105のソースフォロア動作によりノードFDの電位が配線129に読み出される。このとき、ノードFDの電位は、“Vth+X’”であるため、トランジスタ105の“Vth”を含まない“X’”が配線129に読み出される。つまり、各画素においてトランジスタ105のしきい値電圧が関連しないデータを読み出すことができる。
In the period T4, the potential of the
期間T11乃至T14は、動画を想定した2フレーム目の動作を示している。キャパシタ107に保持した“Vth−VRS(L)+Vf”は理想的には変化しないため、2フレーム目以降は、ノードADに“VRS(L)”を供給することでノードFDのリセット動作を行うことができ、撮像を行うことができる。
The periods T11 to T14 show the operation of the second frame assuming a moving image. Since “Vth−VRS (L) + Vf” held in the
また、本発明の一態様においては、図12(A)、(B)に例示するように、トランジスタにバックゲートを設けた構成としてもよい。図12(A)は、バックゲートがフロントゲートと電気的に接続された構成を示しており、オン電流を高める効果を有する。図12(B)は、バックゲートが定電位を供給できる配線と電気的に接続された構成を示しており、トランジスタのしきい値電圧を制御することができる。 Further, in one embodiment of the present invention, as illustrated in FIGS. 12A and 12B, a structure in which a back gate is provided for a transistor may be employed. FIG. 12A illustrates a structure in which the back gate is electrically connected to the front gate, which has an effect of increasing on-state current. FIG. 12B illustrates a structure in which the back gate is electrically connected to a wiring which can supply a constant potential, so that the threshold voltage of the transistor can be controlled.
また、図12(A)、(B)を組み合わせるなど、それぞれのトランジスタが適切な動作が行えるような構成としてもよい。また、バックゲートが設けられないトランジスタを画素回路が有していてもよい。なお、トランジスタにバックゲートを設ける構成は、画素10a乃至10dのすべてに適用することができる。
Alternatively, a structure in which each transistor can perform appropriate operation, such as a combination of FIGS. 12A and 12B, may be employed. Further, the pixel circuit may include a transistor without a back gate. Note that a structure in which a back gate is provided for a transistor can be applied to all of the
また、トランジスタ103を有する画素では、図13(A)に示すように、トランジスタ103のソースまたはドレインの一方と光電変換デバイス101の一方の電極が電気的に接続される構成であってもよい。当該構成において、配線123からノードADに電位を供給するときは、トランジスタ102およびトランジスタ103を導通させる動作を行えばよい。
In a pixel including the
また、画素10a乃至10dのすべてにおいて、図13(B)に示すように、トランジスタ105と配線121との間にトランジスタ106を電気的に接続してもよい。
Further, in all of the
図14は、本発明の一態様の撮像装置の回路構成を説明するブロック図の一例である。当該撮像装置は、マトリクス状に配列された画素10を有する画素アレイ21と、画素アレイ21の行を選択する機能を有する回路22(ロードライバ)と、画素10からデータを読み出す機能を有する回路23と、補正データを生成する機能を有する回路27と、補正データを画素10に供給する機能を有する回路28(カラムドライバ)を有する。画素10には、画素10a、10b、10c、10dのいずれかを用いることができる。
FIG. 14 is an example of a block diagram illustrating a circuit configuration of an imaging device of one embodiment of the present invention. The imaging device includes a
回路23は、画素アレイ21の列を選択する機能を有する回路24(カラムドライバ)と、画素10の出力データに対して相関二重サンプリング処理を行うための回路25(CDS回路)と、回路25から出力されたアナログデータをデジタルデータに変換する機能を有する回路26(A/D変換回路等)を有する。
The
回路23は、配線129と電気的に接続され、画素10が出力するデータを回路27に出力することができる。または、画素10が出力するデータをデジタルデータに変換した後に外部に出力することができる。例えば、ニューラルネットワーク、記憶装置、表示装置、通信装置などを出力先とすることができる。
The
回路27では、入力されたデータから補正データを生成することができる。生成した補正データは、回路28および配線128を介して画素10に供給される。
The
図14のブロック図の撮像装置には、本実施の形態で説明した画素10a乃至10dの全ての動作を適用することができる。なお、画素10aの動作3および画素10cの動作2を行う場合は、回路27および回路28が省かれた構成であってもよい。
All the operations of the
次に、画素回路の動作に関するシミュレーション結果を説明する。シミュレーションは、図1に示す画素10aの回路および動作1を想定し、ノードADおよびノードFDの電位変化、出力値の算出を行った。なお、補正データとしては、0V、1V、または2Vを用いた。
Next, a simulation result regarding the operation of the pixel circuit will be described. In the simulation, assuming the circuit and operation 1 of the
シミュレーションに用いたパラメータは以下の通りであり、トランジスタサイズはL/W=3μm/10μm(トランジスタ102、103、104)、L/W=3μm/50μm(トランジスタ105、106)、キャパシタ107の容量値は2pF、キャパシタ108の容量値は0.2pF、リセット電位(VRS)は20Vとした。また、トランジスタのゲートに印加する電圧は、“H”として+26V、“L”として0Vとした。なお、回路シミュレーションソフトウェアにはSPICEを用いた。
The parameters used in the simulation are as follows. The transistor size is L / W = 3 μm / 10 μm (
図15は、補正データとして“Vth”に相当する1Vを用いたときの2フレーム目の読み出しを行うまでのシミュレーション結果である。横軸は共通の時間、縦軸のVRSは配線123の電位、SE2は配線124の電位、TXは配線125の電位、RSは配線126の電位、SE1は配線127の電位、CALは配線128の電位、ADはノードADの電位、FDはノードFDの電位、OUTは配線129の電位を示している。
FIG. 15 shows a simulation result until reading of the second frame when 1 V corresponding to “Vth” is used as the correction data. The horizontal axis is the common time, the vertical axis VRS is the potential of the
図5に示したタイミングチャートと同様に、Vthの書き込み、ノードADのリセット動作、容量結合によるノードFDの電位変化、読み出しが行えることが確認できた。 As in the timing chart shown in FIG. 5, it was confirmed that writing of Vth, resetting of the node AD, potential change of the node FD due to capacitive coupling, and reading can be performed.
図16は、補正データを0V、1V、2Vとしたときの、ノードFDの電位変化を示す図である。補正データの差がリセット時および読み出し時にも変化がないことから、補正データが変動せずに保持されることが確認できた。 FIG. 16 is a diagram illustrating a potential change of the node FD when the correction data is set to 0 V, 1 V, and 2 V. Since there is no change in the difference between the correction data at the time of reset and at the time of reading, it was confirmed that the correction data was held without change.
本実施の形態は、他の実施の形態の記載と適宜組み合わせることができる。 This embodiment can be combined with any of the other embodiments as appropriate.
(実施の形態2)
本実施の形態では、本発明の一態様の撮像装置の構造例などについて説明する。
(Embodiment 2)
In this embodiment, an example of a structure of an imaging device of one embodiment of the present invention will be described.
図17(A)、(B)に、撮像装置が有する画素の構造を例示する。図17(A)に示す画素は、層561および層562の積層構造である例である。
FIGS. 17A and 17B illustrate a structure of a pixel included in an imaging device. The pixel illustrated in FIG. 17A is an example in which a layered structure of a
層561は、光電変換デバイス101を有する。光電変換デバイス101は、図17(C)に示すように層565aと、層565bと、層565cとの積層とすることができる。
The
図17(C)に示す光電変換デバイス101はpn接合型フォトダイオードであり、例えば、層565aにp+型半導体、層565bにn型半導体、層565cにn+型半導体を用いることができる。または、層565aにn+型半導体、層565bにp型半導体、層565cにp+型半導体を用いてもよい。または、層565bをi型半導体としたpin接合型フォトダイオードであってもよい。
The
上記pn接合型フォトダイオードまたはpin接合型フォトダイオードは、単結晶シリコンを用いて形成することができる。また、pin接合型フォトダイオードとしては、非晶質シリコン、微結晶シリコン、多結晶シリコンなどの薄膜を用いて形成することもできる。 The pn junction photodiode or the pin junction photodiode can be formed using single crystal silicon. Further, the pin junction photodiode can be formed using a thin film of amorphous silicon, microcrystalline silicon, polycrystalline silicon, or the like.
また、層561が有する光電変換デバイス101は、図17(D)に示すように、層566aと、層566bと、層566cと、層566dとの積層としてもよい。図17(D)に示す光電変換デバイス101はアバランシェフォトダイオードの一例であり、層566a、層566dは電極に相当し、層566b、566cは光電変換部に相当する。
The
層566aには、低抵抗の金属層などを用いることが好ましい。例えば、アルミニウム、チタン、タングステン、タンタル、銀またはそれらの積層を用いることができる。
It is preferable to use a low-resistance metal layer or the like for the
層566dは、可視光に対して高い透光性を有する導電層を用いることが好ましい。例えば、インジウム酸化物、錫酸化物、亜鉛酸化物、インジウム−錫酸化物、ガリウム−亜鉛酸化物、インジウム−ガリウム−亜鉛酸化物、またはグラフェンなどを用いることができる。なお、層566dを省く構成とすることもできる。
For the
光電変換部の層566b、566cは、例えばセレン系材料を光電変換層としたpn接合型フォトダイオードの構成とすることができる。層566bとしてはp型半導体であるセレン系材料を用い、層566cとしてはn型半導体であるガリウム酸化物などを用いることが好ましい。
The
セレン系材料を用いた光電変換デバイスは、可視光に対する外部量子効率が高い特性を有する。当該光電変換デバイスでは、アバランシェ増倍を利用することにより、入射される光(Light)の量に対する電子の増幅を大きくすることができる。また、セレン系材料は光吸収係数が高いため、光電変換層を薄膜で作製できるなどの生産上の利点を有する。セレン系材料の薄膜は、真空蒸着法またはスパッタ法などを用いて形成することができる。 A photoelectric conversion device using a selenium-based material has characteristics of high external quantum efficiency with respect to visible light. In the photoelectric conversion device, amplification of electrons with respect to the amount of incident light (Light) can be increased by using avalanche multiplication. In addition, since the selenium-based material has a high light absorption coefficient, it has an advantage in production such that a photoelectric conversion layer can be formed using a thin film. The selenium-based material thin film can be formed by a vacuum evaporation method, a sputtering method, or the like.
セレン系材料としては、単結晶セレンや多結晶セレンなどの結晶性セレン、非晶質セレン、銅、インジウム、セレンの化合物(CIS)、または、銅、インジウム、ガリウム、セレンの化合物(CIGS)などを用いることができる。 Examples of the selenium-based material include crystalline selenium such as single-crystal selenium and polycrystalline selenium, amorphous selenium, copper, indium, and a compound of selenium (CIS) or a compound of copper, indium, gallium, and selenium (CIGS). Can be used.
n型半導体は、バンドギャップが広く、可視光に対して透光性を有する材料で形成することが好ましい。例えば、亜鉛酸化物、ガリウム酸化物、インジウム酸化物、錫酸化物、またはそれらが混在した酸化物などを用いることができる。また、これらの材料は正孔注入阻止層としての機能も有し、暗電流を小さくすることもできる。 The n-type semiconductor is preferably formed using a material having a wide band gap and a property of transmitting visible light. For example, zinc oxide, gallium oxide, indium oxide, tin oxide, an oxide in which they are mixed, or the like can be used. In addition, these materials also have a function as a hole injection blocking layer and can reduce dark current.
また、層561が有する光電変換デバイス101は、図17(E)に示すように、層567aと、層567bと、層567cと、層567dと、層567eとの積層としてもよい。図17(D)に示す光電変換デバイス101は有機光導電膜の一例であり、層567a、層567eは電極に相当し、層567b、567c、567dは光電変換部に相当する。
The
光電変換部の層567b、567dの一方はホール輸送層、他方は電子輸送層とすることができる。また、層567cは光電変換層とすることができる。
One of the
ホール輸送層としては、例えば酸化モリブデンなどを用いることができる。電子輸送層としては、例えば、C60、C70などのフラーレン、またはそれらの誘導体などを用いることができる。 As the hole transport layer, for example, molybdenum oxide or the like can be used. As the electron transporting layer, for example, fullerenes such as C60 and C70 or derivatives thereof can be used.
光電変換層としては、n型有機半導体およびp型有機半導体の混合層(バルクヘテロ接合構造)を用いることができる。 As the photoelectric conversion layer, a mixed layer (bulk heterojunction structure) of an n-type organic semiconductor and a p-type organic semiconductor can be used.
図17(A)に示す層562としては、例えばシリコン基板を用いることができる。当該シリコン基板は、Siトランジスタ等を有する。当該Siトランジスタを用いて、画素回路の他、当該画素回路を駆動する回路、画像信号の読み出し回路、画像処理回路等を設けることができる。具体的には、実施の形態1で説明した画素回路および周辺回路(画素10、回路22、23、27、28など)が有する一部または全てのトランジスタを層562に設けることができる。
As the
また、画素は、図17(B)に示すように層561、層563および層562の積層構造を有していてもよい。
Further, the pixel may have a stacked structure of a
層563は、OSトランジスタ(例えば、画素10aのトランジスタ102、103,104など)を有することができる。このとき、層562は、Siトランジスタ(例えば、画素10aのトランジスタ105、106など)を有していてもよい。また、実施の形態1で説明した周辺回路が有する一部のトランジスタを層563に設けてもよい。
The
当該構成とすることで、画素回路を構成する要素および周辺回路を複数の層に分散させ、当該要素同士または当該要素と当該周辺回路を重ねて設けることができるため、撮像装置の面積を小さくすることができる。なお、図17(B)の構成において、層562を支持基板とし、層561および層563に画素10および周辺回路を設けてもよい。
With such a structure, the elements and the peripheral circuits included in the pixel circuit can be dispersed in a plurality of layers and the elements or the element and the peripheral circuit can be provided in an overlapping manner; thus, the area of the imaging device can be reduced. be able to. Note that in the structure in FIG. 17B, the
OSトランジスタに用いる半導体材料としては、エネルギーギャップが2eV以上、好ましくは2.5eV以上、より好ましくは3eV以上である金属酸化物を用いることができる。代表的には、インジウムを含む酸化物半導体などであり、例えば、後述するCAAC−OSまたはCAC−OSなどを用いることができる。CAAC−OSは結晶を構成する原子が安定であり、信頼性を重視するトランジスタなどに適する。また、CAC−OSは、高移動度特性を示すため、高速駆動を行うトランジスタなどに適する。 As a semiconductor material used for the OS transistor, a metal oxide having an energy gap of 2 eV or more, preferably 2.5 eV or more, more preferably 3 eV or more can be used. Typically, an oxide semiconductor containing indium or the like is used; for example, a CAAC-OS or a CAC-OS described later can be used. The CAAC-OS has stable atoms in its crystal and is suitable for a transistor or the like in which reliability is emphasized. In addition, since the CAC-OS has high mobility characteristics, it is suitable for a transistor that drives at high speed or the like.
OSトランジスタは半導体層のエネルギーギャップが大きいため、数yA/μm(チャネル幅1μmあたりの電流値)という極めて低いオフ電流特性を示す。また、OSトランジスタは、インパクトイオン化、アバランシェ降伏、および短チャネル効果などが生じないなどSiトランジスタとは異なる特徴を有し、高耐圧で信頼性の高い回路を形成することができる。また、Siトランジスタでは問題となる結晶性の不均一性に起因する電気特性のばらつきもOSトランジスタでは生じにくい。 The OS transistor has an extremely low off-current characteristic of several yA / μm (current value per 1 μm of channel width) because the energy gap of the semiconductor layer is large. Further, the OS transistor has characteristics different from those of the Si transistor, such as generation of impact ionization, avalanche breakdown, and a short-channel effect, and can form a highly reliable circuit with high withstand voltage. In addition, variation in electrical characteristics due to non-uniformity of crystallinity, which is a problem in the Si transistor, hardly occurs in the OS transistor.
OSトランジスタが有する半導体層は、例えばインジウム、亜鉛およびM(アルミニウム、チタン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、セリウム、スズ、ネオジムまたはハフニウム等の金属)を含むIn−M−Zn系酸化物で表記される膜とすることができる。 The semiconductor layer included in the OS transistor is formed using an In-M-Zn-based oxide including, for example, indium, zinc, and M (a metal such as aluminum, titanium, gallium, germanium, yttrium, zirconium, lanthanum, cerium, tin, neodymium, or hafnium). Can be obtained.
半導体層を構成する酸化物半導体がIn−M−Zn系酸化物の場合、In−M−Zn酸化物を成膜するために用いるスパッタリングターゲットの金属元素の原子数比は、In≧M、Zn≧Mを満たすことが好ましい。このようなスパッタリングターゲットの金属元素の原子数比として、In:M:Zn=1:1:1、In:M:Zn=1:1:1.2、In:M:Zn=3:1:2、In:M:Zn=4:2:3、In:M:Zn=4:2:4.1、In:M:Zn=5:1:6、In:M:Zn=5:1:7、In:M:Zn=5:1:8等が好ましい。なお、成膜される半導体層の原子数比はそれぞれ、上記のスパッタリングターゲットに含まれる金属元素の原子数比のプラスマイナス40%の変動を含む。 In the case where the oxide semiconductor included in the semiconductor layer is an In-M-Zn-based oxide, the atomic ratio of metal elements in a sputtering target used for forming the In-M-Zn oxide is In ≧ M, Zn It is preferable to satisfy ≧ M. As atomic ratios of metal elements of such a sputtering target, In: M: Zn = 1: 1: 1, In: M: Zn = 1: 1: 1.2, In: M: Zn = 3: 1: 2, In: M: Zn = 4: 2: 3, In: M: Zn = 4: 2: 4.1, In: M: Zn = 5: 1: 6, In: M: Zn = 5: 1: 7, In: M: Zn = 5: 1: 8 and the like are preferable. Note that each of the atomic ratios of the semiconductor layers to be formed includes a variation of ± 40% of the atomic ratio of the metal element contained in the sputtering target.
半導体層としては、キャリア密度の低い酸化物半導体を用いる。例えば、半導体層は、キャリア密度が1×1017/cm3以下、好ましくは1×1015/cm3以下、さらに好ましくは1×1013/cm3以下、より好ましくは1×1011/cm3以下、さらに好ましくは1×1010/cm3未満であり、1×10−9/cm3以上のキャリア密度の酸化物半導体を用いることができる。そのような酸化物半導体を、高純度真性または実質的に高純度真性な酸化物半導体と呼ぶ。当該酸化物半導体は欠陥準位密度が低く、安定な特性を有する酸化物半導体であるといえる。 As the semiconductor layer, an oxide semiconductor with low carrier density is used. For example, the semiconductor layer has a carrier density of 1 × 10 17 / cm 3 or less, preferably 1 × 10 15 / cm 3 or less, further preferably 1 × 10 13 / cm 3 or less, more preferably 1 × 10 11 / cm 3. 3 or less, more preferably less than 1 × 10 10 / cm 3 , and an oxide semiconductor with a carrier density of 1 × 10 −9 / cm 3 or more can be used. Such an oxide semiconductor is referred to as a highly purified intrinsic or substantially highly purified intrinsic oxide semiconductor. It can be said that the oxide semiconductor has a low density of defect states and has stable characteristics.
なお、これらに限られず、必要とするトランジスタの半導体特性および電気特性(電界効果移動度、しきい値電圧等)に応じて適切な組成のものを用いればよい。また、必要とするトランジスタの半導体特性を得るために、半導体層のキャリア密度や不純物濃度、欠陥密度、金属元素と酸素の原子数比、原子間距離、密度等を適切なものとすることが好ましい。 Note that the composition is not limited thereto, and a transistor having an appropriate composition may be used depending on required semiconductor characteristics and electric characteristics (eg, field-effect mobility and threshold voltage) of the transistor. In addition, in order to obtain necessary semiconductor characteristics of a transistor, it is preferable that the carrier density, the impurity concentration, the defect density, the atomic ratio between a metal element and oxygen, the interatomic distance, the density, and the like be appropriate. .
半導体層を構成する酸化物半導体において、第14族元素の一つであるシリコンや炭素が含まれると、酸素欠損が増加し、n型化してしまう。このため、半導体層におけるシリコンや炭素の濃度(二次イオン質量分析法により得られる濃度)を、2×1018atoms/cm3以下、好ましくは2×1017atoms/cm3以下とする。 When the oxide semiconductor included in the semiconductor layer contains silicon or carbon, which is one of Group 14 elements, oxygen vacancies increase and the semiconductor becomes n-type. For this reason, the concentration of silicon or carbon (concentration obtained by secondary ion mass spectrometry) in the semiconductor layer is set to 2 × 10 18 atoms / cm 3 or less, preferably 2 × 10 17 atoms / cm 3 or less.
また、アルカリ金属およびアルカリ土類金属は、酸化物半導体と結合するとキャリアを生成する場合があり、トランジスタのオフ電流が増大してしまうことがある。このため、半導体層におけるアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度(二次イオン質量分析法により得られる濃度)を、1×1018atoms/cm3以下、好ましくは2×1016atoms/cm3以下にする。 In addition, an alkali metal and an alkaline earth metal may generate carriers when combined with an oxide semiconductor, which may increase off-state current of a transistor. For this reason, the concentration of the alkali metal or alkaline earth metal (concentration obtained by secondary ion mass spectrometry) in the semiconductor layer is 1 × 10 18 atoms / cm 3 or less, preferably 2 × 10 16 atoms / cm 3 or less. To
また、半導体層を構成する酸化物半導体に窒素が含まれていると、キャリアである電子が生じてキャリア密度が増加し、n型化しやすい。この結果、窒素が含まれている酸化物半導体を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため半導体層における窒素濃度(二次イオン質量分析法により得られる濃度)は、5×1018atoms/cm3以下にすることが好ましい。 In addition, when nitrogen is contained in the oxide semiconductor included in the semiconductor layer, electrons serving as carriers are generated, the carrier density is increased, and the semiconductor is likely to be n-type. As a result, a transistor including an oxide semiconductor containing nitrogen is likely to have normally-on characteristics. For this reason, the nitrogen concentration (concentration obtained by secondary ion mass spectrometry) in the semiconductor layer is preferably 5 × 10 18 atoms / cm 3 or less.
また、半導体層を構成する酸化物半導体に水素が含まれていると、金属原子と結合する酸素と反応して水になるため、酸化物半導体中に酸素欠損を形成する場合がある。酸化物半導体中のチャネル形成領域に酸素欠損が含まれていると、トランジスタはノーマリーオン特性となる場合がある。さらに、酸素欠損に水素が入った欠陥はドナーとして機能し、キャリアである電子が生成されることがある。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合して、キャリアである電子を生成する場合がある。したがって、水素が多く含まれている酸化物半導体を用いたトランジスタは、ノーマリーオン特性となりやすい。 Further, when hydrogen is contained in the oxide semiconductor included in the semiconductor layer, oxygen reacts with oxygen bonded to a metal atom to become water, so that oxygen vacancies may be formed in the oxide semiconductor in some cases. When oxygen vacancies are contained in a channel formation region in an oxide semiconductor, the transistor might have normally-on characteristics. Further, a defect in which hydrogen is contained in an oxygen vacancy functions as a donor, and an electron serving as a carrier may be generated. Further, in some cases, part of hydrogen is bonded to oxygen which is bonded to a metal atom to generate an electron serving as a carrier. Therefore, a transistor including an oxide semiconductor containing a large amount of hydrogen is likely to have normally-on characteristics.
酸素欠損に水素が入った欠陥は、酸化物半導体のドナーとして機能しうる。しかしながら、当該欠陥を定量的に評価することは困難である。そこで、酸化物半導体においては、ドナー濃度ではなく、キャリア濃度で評価される場合がある。よって、本明細書等では、酸化物半導体のパラメータとして、ドナー濃度ではなく、電界が印加されない状態を想定したキャリア濃度を用いる場合がある。つまり、本明細書等に記載の「キャリア濃度」は、「ドナー濃度」と言い換えることができる場合がある。 A defect in which hydrogen is contained in an oxygen vacancy can function as a donor of an oxide semiconductor. However, it is difficult to quantitatively evaluate the defect. Therefore, in some cases, an oxide semiconductor is evaluated not by a donor concentration but by a carrier concentration. Therefore, in this specification and the like, a carrier concentration which assumes a state where an electric field is not applied may be used instead of a donor concentration as a parameter of an oxide semiconductor in some cases. That is, the “carrier concentration” described in this specification and the like may be referred to as a “donor concentration” in some cases.
よって、酸化物半導体中の水素はできる限り低減されていることが好ましい。具体的には、酸化物半導体において、二次イオン質量分析法(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometry)により得られる水素濃度を、1×1020atoms/cm3未満、好ましくは1×1019atoms/cm3未満、より好ましくは5×1018atoms/cm3未満、さらに好ましくは1×1018atoms/cm3未満とする。水素などの不純物が十分に低減された酸化物半導体をトランジスタのチャネル形成領域に用いることで、安定した電気特性を付与することができる。 Therefore, it is preferable that hydrogen in the oxide semiconductor be reduced as much as possible. Specifically, in an oxide semiconductor, the hydrogen concentration obtained by secondary ion mass spectrometry (SIMS) is lower than 1 × 10 20 atoms / cm 3 , preferably 1 × 10 19 atoms / cm 3. It is less than 3 , more preferably less than 5 × 10 18 atoms / cm 3 , further preferably less than 1 × 10 18 atoms / cm 3 . When an oxide semiconductor in which impurities such as hydrogen are sufficiently reduced is used for a channel formation region of a transistor, stable electric characteristics can be provided.
また、半導体層は、例えば非単結晶構造でもよい。非単結晶構造は、例えば、c軸に配向した結晶を有するCAAC−OS(C−Axis Aligned Crystalline Oxide Semiconductor)、多結晶構造、微結晶構造、または非晶質構造を含む。非単結晶構造において、非晶質構造は最も欠陥準位密度が高く、CAAC−OSは最も欠陥準位密度が低い。 Further, the semiconductor layer may have a non-single-crystal structure, for example. The non-single-crystal structure includes, for example, a CAAC-OS (C-Axis Aligned Crystalline Oxide Semiconductor) having a crystal oriented in the c-axis, a polycrystalline structure, a microcrystalline structure, or an amorphous structure. Among the non-single-crystal structures, the amorphous structure has the highest density of defect states, and the CAAC-OS has the lowest density of defect states.
非晶質構造の酸化物半導体膜は、例えば、原子配列が無秩序であり、結晶成分を有さない。または、非晶質構造の酸化物半導体膜は、例えば、完全な非晶質構造であり、結晶部を有さない。 An oxide semiconductor film having an amorphous structure has, for example, disordered atomic arrangement and no crystalline component. Alternatively, an oxide semiconductor film having an amorphous structure has, for example, a completely amorphous structure and no crystal part.
なお、半導体層が、非晶質構造の領域、微結晶構造の領域、多結晶構造の領域、CAAC−OSの領域、単結晶構造の領域のうち、二種以上を有する混合膜であってもよい。混合膜は、例えば上述した領域のうち、いずれか二種以上の領域を含む単層構造、または積層構造を有する場合がある。 Note that even when the semiconductor layer is a mixed film including two or more of an amorphous structure region, a microcrystalline structure region, a polycrystalline structure region, a CAAC-OS region, and a single crystal structure region. Good. The mixed film may have a single-layer structure or a stacked structure including any two or more of the above-described regions, for example.
以下では、非単結晶の半導体層の一態様であるCAC(Cloud−Aligned Composite)−OSの構成について説明する。 The structure of a cloud-aligned composite (CAC) -OS, which is one embodiment of a non-single-crystal semiconductor layer, is described below.
CAC−OSとは、例えば、酸化物半導体を構成する元素が、0.5nm以上10nm以下、好ましくは、1nm以上2nm以下、またはその近傍のサイズで偏在した材料の一構成である。なお、以下では、酸化物半導体において、一つあるいはそれ以上の金属元素が偏在し、該金属元素を有する領域が、0.5nm以上10nm以下、好ましくは、1nm以上2nm以下、またはその近傍のサイズで混合した状態をモザイク状、またはパッチ状ともいう。 The CAC-OS is one structure of a material in which an element included in an oxide semiconductor is unevenly distributed in a size of, for example, 0.5 nm or more and 10 nm or less, preferably, 1 nm or more and 2 nm or less. Note that in the following, one or more metal elements are unevenly distributed in an oxide semiconductor, and a region including the metal element has a size of 0.5 nm to 10 nm, preferably 1 nm to 2 nm, or a size in the vicinity thereof. The state mixed by is also referred to as a mosaic shape or a patch shape.
なお、酸化物半導体は、少なくともインジウムを含むことが好ましい。特にインジウムおよび亜鉛を含むことが好ましい。また、それらに加えて、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、銅、バナジウム、ベリリウム、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種が含まれていてもよい。 Note that the oxide semiconductor preferably contains at least indium. In particular, it preferably contains indium and zinc. In addition, in addition to them, aluminum, gallium, yttrium, copper, vanadium, beryllium, boron, silicon, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium, neodymium, hafnium, tantalum, tungsten, magnesium, etc. Or one or more selected from the above.
例えば、In−Ga−Zn酸化物におけるCAC−OS(CAC−OSの中でもIn−Ga−Zn酸化物を、特にCAC−IGZOと呼称してもよい。)とは、インジウム酸化物(以下、InOX1(X1は0よりも大きい実数)とする。)、またはインジウム亜鉛酸化物(以下、InX2ZnY2OZ2(X2、Y2、およびZ2は0よりも大きい実数)とする。)と、ガリウム酸化物(以下、GaOX3(X3は0よりも大きい実数)とする。)、またはガリウム亜鉛酸化物(以下、GaX4ZnY4OZ4(X4、Y4、およびZ4は0よりも大きい実数)とする。)などと、に材料が分離することでモザイク状となり、モザイク状のInOX1、またはInX2ZnY2OZ2が、膜中に均一に分布した構成(以下、クラウド状ともいう。)である。 For example, a CAC-OS in an In-Ga-Zn oxide (an In-Ga-Zn oxide may be referred to as a CAC-IGZO among CAC-OSs) is an indium oxide (hereinafter referred to as InO). X1 (X1 is greater real than 0) and.), or indium zinc oxide (hereinafter, in X2 Zn Y2 O Z2 ( X2, Y2, and Z2 is larger real than 0) and a.), gallium Oxide (hereinafter, referred to as GaO X3 (X3 is a real number larger than 0)) or gallium zinc oxide (hereinafter, Ga X4 Zn Y4 O Z4 (X4, Y4, and Z4 are real numbers larger than 0)) to.) and the like, the material becomes mosaic by separate into, mosaic InO X1 or in X2 Zn Y2 O Z2, is a configuration in which uniformly distributed in the film (hereinafter Also referred to as a cloud-like.) A.
つまり、CAC−OSは、GaOX3が主成分である領域と、InX2ZnY2OZ2、またはInOX1が主成分である領域とが、混合している構成を有する複合酸化物半導体である。なお、本明細書において、例えば、第1の領域の元素Mに対するInの原子数比が、第2の領域の元素Mに対するInの原子数比よりも大きいことを、第1の領域は、第2の領域と比較して、Inの濃度が高いとする。 That is, the CAC-OS is a composite oxide semiconductor having a structure in which a region containing GaO X3 as a main component and a region containing In X2 Zn Y2 O Z2 or InO X1 as a main component are mixed. Note that in this specification, for example, it is assumed that the atomic ratio of In to the element M in the first region is larger than the atomic ratio of In to the element M in the second region. It is assumed that the concentration of In is higher than that of the region No. 2.
なお、IGZOは通称であり、In、Ga、Zn、およびOによる1つの化合物をいう場合がある。代表例として、InGaO3(ZnO)m1(m1は自然数)、またはIn(1+x0)Ga(1−x0)O3(ZnO)m0(−1≦x0≦1、m0は任意数)で表される結晶性の化合物が挙げられる。 Note that IGZO is a common name and may refer to one compound of In, Ga, Zn, and O. Representative examples are represented by InGaO 3 (ZnO) m1 (m1 is a natural number), or In (1 + x0) Ga ( 1-x0) O 3 (ZnO) m0 (-1 ≦ x0 ≦ 1, m0 is an arbitrary number) Crystalline compounds are mentioned.
上記結晶性の化合物は、単結晶構造、多結晶構造、またはCAAC構造を有する。なお、CAAC構造とは、複数のIGZOのナノ結晶がc軸配向を有し、かつa−b面においては配向せずに連結した結晶構造である。 The above crystalline compound has a single crystal structure, a polycrystal structure, or a CAAC structure. Note that the CAAC structure is a crystal structure in which a plurality of IGZO nanocrystals have a c-axis orientation and are connected without being oriented in the ab plane.
一方、CAC−OSは、酸化物半導体の材料構成に関する。CAC−OSとは、In、Ga、Zn、およびOを含む材料構成において、一部にGaを主成分とするナノ粒子状に観察される領域と、一部にInを主成分とするナノ粒子状に観察される領域とが、それぞれモザイク状にランダムに分散している構成をいう。したがって、CAC−OSにおいて、結晶構造は副次的な要素である。 On the other hand, the CAC-OS relates to a material structure of an oxide semiconductor. CAC-OS is a material composition containing In, Ga, Zn, and O, a region which is observed in the form of a nanoparticle mainly containing Ga as a part and a nanoparticle mainly containing In as a part. A region observed in a shape refers to a configuration in which each region is randomly dispersed in a mosaic shape. Therefore, in the CAC-OS, the crystal structure is a secondary element.
なお、CAC−OSは、組成の異なる二種類以上の膜の積層構造は含まないものとする。例えば、Inを主成分とする膜と、Gaを主成分とする膜との2層からなる構造は、含まない。 Note that the CAC-OS does not include a stacked structure of two or more kinds of films having different compositions. For example, a structure including two layers of a film mainly containing In and a film mainly containing Ga is not included.
なお、GaOX3が主成分である領域と、InX2ZnY2OZ2、またはInOX1が主成分である領域とは、明確な境界が観察できない場合がある。 Note that in some cases, a clear boundary cannot be observed between a region where GaO X3 is a main component and a region where In X2 Zn Y2 O Z2 or InO X1 is a main component.
なお、ガリウムの代わりに、アルミニウム、イットリウム、銅、バナジウム、ベリリウム、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種が含まれている場合、CAC−OSは、一部に該金属元素を主成分とするナノ粒子状に観察される領域と、一部にInを主成分とするナノ粒子状に観察される領域とが、それぞれモザイク状にランダムに分散している構成をいう。 Instead of gallium, selected from aluminum, yttrium, copper, vanadium, beryllium, boron, silicon, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium, neodymium, hafnium, tantalum, tungsten, magnesium, or the like In the case where one or a plurality of kinds are included, the CAC-OS is divided into a region which is observed in the form of a nanoparticle mainly including the metal element and a nanoparticle mainly including In. The region observed in the form of particles refers to a configuration in which each of the regions is randomly dispersed in a mosaic shape.
CAC−OSは、例えば基板を意図的に加熱しない条件で、スパッタリング法により形成することができる。また、CAC−OSをスパッタリング法で形成する場合、成膜ガスとして、不活性ガス(代表的にはアルゴン)、酸素ガス、および窒素ガスの中から選ばれたいずれか一つまたは複数を用いればよい。また、成膜時の成膜ガスの総流量に対する酸素ガスの流量比は低いほど好ましく、例えば酸素ガスの流量比を0%以上30%未満、好ましくは0%以上10%以下とすることが好ましい。 The CAC-OS can be formed by, for example, a sputtering method under conditions in which the substrate is not heated intentionally. In the case where the CAC-OS is formed by a sputtering method, any one or more selected from an inert gas (typically, argon), an oxygen gas, and a nitrogen gas is used as a deposition gas. Good. Further, it is preferable that the flow ratio of the oxygen gas to the total flow rate of the film formation gas at the time of film formation be as low as possible. .
CAC−OSは、X線回折(XRD:X−ray diffraction)測定法のひとつであるOut−of−plane法によるθ/2θスキャンを用いて測定したときに、明確なピークが観察されないという特徴を有する。すなわち、X線回折測定から、測定領域のa−b面方向、およびc軸方向の配向は見られないことが分かる。 The CAC-OS is characterized in that a clear peak is not observed when measured using a θ / 2θ scan by an Out-of-plane method, which is one of X-ray diffraction (X-ray diffraction) measurement methods. Have. That is, from the X-ray diffraction measurement, it is understood that the orientation in the a-b plane direction and the c-axis direction of the measurement region is not observed.
また、CAC−OSは、プローブ径が1nmの電子線(ナノビーム電子線ともいう。)を照射することで得られる電子線回折パターンにおいて、リング状に輝度の高い領域(リング領域)と、該リング領域に複数の輝点が観測される。したがって、電子線回折パターンから、CAC−OSの結晶構造が、平面方向、および断面方向において、配向性を有さないnc(nano−crystal)構造を有することがわかる。 In addition, the CAC-OS includes, in an electron beam diffraction pattern obtained by irradiating an electron beam (also referred to as a nanobeam electron beam) having a probe diameter of 1 nm, a region (ring region) having a high luminance in a ring shape and the ring region. Multiple bright spots are observed in the area. Accordingly, the electron diffraction pattern shows that the crystal structure of the CAC-OS has an nc (nano-crystal) structure having no orientation in a planar direction and a cross-sectional direction.
また、例えば、In−Ga−Zn酸化物におけるCAC−OSでは、エネルギー分散型X線分光法(EDX:Energy Dispersive X−ray spectroscopy)を用いて取得したEDXマッピングにより、GaOX3などが主成分である領域と、InX2ZnY2OZ2、またはInOX1が主成分である領域とが、偏在し、混合している構造を有することが確認できる。 In addition, for example, in a CAC-OS in an In-Ga-Zn oxide, GaO X3 or the like is a main component by EDX mapping obtained using energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX: Energy Dispersive X-ray spectroscopy). It can be confirmed that a certain region and a region containing In X2 Zn Y2 O Z2 or InO X1 as a main component are unevenly distributed and mixed.
CAC−OSは、金属元素が均一に分布したIGZO化合物とは異なる構造であり、IGZO化合物と異なる性質を有する。つまり、CAC−OSは、GaOX3などが主成分である領域と、InX2ZnY2OZ2、またはInOX1が主成分である領域と、に互いに相分離し、各元素を主成分とする領域がモザイク状である構造を有する。 The CAC-OS has a different structure from an IGZO compound in which metal elements are uniformly distributed, and has different properties from the IGZO compound. That is, the CAC-OS is phase-separated into a region containing GaO X3 or the like as a main component and a region containing In X2 Zn Y2 O Z2 or InO X1 as a main component. Has a mosaic structure.
ここで、InX2ZnY2OZ2、またはInOX1が主成分である領域は、GaOX3などが主成分である領域と比較して、導電性が高い領域である。つまり、InX2ZnY3OZ2、またはInOX1が主成分である領域を、キャリアが流れることにより、酸化物半導体としての導電性が発現する。したがって、InX2ZnY2OZ2、またはInOX1が主成分である領域が、酸化物半導体中にクラウド状に分布することで、高い電界効果移動度(μ)が実現できる。 Here, a region in which In X2 Zn Y2 O Z2 or InO X1 is a main component is a region having higher conductivity than a region in which GaO X3 or the like is a main component. That is, the conductivity of the oxide semiconductor is exhibited by the flow of carriers in a region containing In X2 Zn Y3 O Z2 or InO X1 as a main component. Therefore, high field-effect mobility (μ) can be realized by distributing a region containing In X2 Zn Y2 O Z2 or InO X1 as a main component in a cloud shape in the oxide semiconductor.
一方、GaOX3などが主成分である領域は、InX2ZnY2OZ2、またはInOX1が主成分である領域と比較して、絶縁性が高い領域である。つまり、GaOX3などが主成分である領域が、酸化物半導体中に分布することで、リーク電流を抑制し、良好なスイッチング動作を実現できる。 On the other hand, a region containing GaO X3 or the like as a main component is a region having higher insulating properties than a region containing In X2 Zn Y2 O Z2 or InO X1 as a main component. That is, a region in which GaO X3 or the like is a main component is distributed in the oxide semiconductor, so that a leak current can be suppressed and a favorable switching operation can be realized.
したがって、CAC−OSを半導体素子に用いた場合、GaOX3などに起因する絶縁性と、InX2ZnY2OZ2、またはInOX1に起因する導電性とが、相補的に作用することにより、高いオン電流(Ion)、および高い電界効果移動度(μ)を実現することができる。 Therefore, in the case where a CAC-OS is used for a semiconductor element, the insulating property caused by GaO X3 and the like and the conductivity caused by In X2 Zn Y2 O Z2 or InO X1 act complementarily, so that high performance is obtained. On-state current (I on ) and high field-effect mobility (μ) can be realized.
また、CAC−OSを用いた半導体素子は、信頼性が高い。したがって、CAC−OSは、様々な半導体装置の構成材料として適している。 A semiconductor element using the CAC-OS has high reliability. Therefore, CAC-OS is suitable as a constituent material of various semiconductor devices.
図18(A)は、図17(A)に示す画素の断面の一例を説明する図である。層561は光電変換デバイス101として、シリコンを光電変換層とするpn接合型フォトダイオードを有する。層562はSiトランジスタを有し、図18(A)では画素回路を構成するトランジスタ102、103を例示する。
FIG. 18A illustrates an example of a cross section of the pixel illustrated in FIG. The
光電変換デバイス101において、層565aはp+型領域、層565bはn型領域、層565cはn+型領域とすることができる。また、層565bには、電源線と層565cとを接続するための領域536が設けられる。例えば、領域536はp+型領域とすることができる。
In the
図18(A)に示すSiトランジスタはシリコン基板540にチャネル形成領域を有するフィン型であり、チャネル幅方向の断面を図19(A)に示す。Siトランジスタは、図19(B)に示すようにプレーナー型であってもよい。
The Si transistor illustrated in FIG. 18A is a fin type having a channel formation region in a
または、図19(C)に示すように、シリコン薄膜の半導体層545を有するトランジスタであってもよい。半導体層545は、例えば、シリコン基板540上の絶縁層546上に形成された単結晶シリコン(SOI(Silicon on Insulator))とすることができる。
Alternatively, as illustrated in FIG. 19C, a transistor including a silicon thin
図18(A)では、層561が有する要素と層562が有する要素との電気的な接続を貼り合わせ技術で得る構成例を示している。
FIG. 18A illustrates an example of a structure in which an element included in the
層561には、絶縁層542、導電層533および導電層534が設けられる。導電層533および導電層534は、絶縁層542に埋設された領域を有する。導電層533は、層565aと電気的に接続される。導電層534は、領域536と電気的に接続される。また、絶縁層542、導電層533および導電層534の表面は、それぞれ高さが一致するように平坦化されている。
The
層562には、絶縁層541、導電層531および導電層532が設けられる。導電層531および導電層532は、絶縁層541に埋設された領域を有する。導電層532は、電源線と電気的に接続される。導電層531は、トランジスタ102のソースまたはドレインと電気的に接続される。また、絶縁層541、導電層531および導電層532の表面は、それぞれ高さが一致するように平坦化されている。
The insulating
ここで、導電層531および導電層533は、主成分が同一の金属元素であることが好ましい。導電層532および導電層534は、主成分が同一の金属元素であることが好ましい。また、絶縁層541および絶縁層542は、同一の成分で構成されていることが好ましい。
Here, it is preferable that the main components of the
例えば、導電層531、532、533、534には、Cu、Al、Sn、Zn、W、Ag、PtまたはAuなどを用いることができる。接合のしやすさから、好ましくはCu、Al、W、またはAuを用いる。また、絶縁層541、542には、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、窒化チタンなどを用いることができる。
For example, for the
つまり、導電層531および導電層533の組み合わせと、導電層532および導電層534の組み合わせのそれぞれに、上記に示す同一の金属材料を用いることが好ましい。また、絶縁層541および絶縁層542のそれぞれに、上記に示す同一の絶縁材料を用いることが好ましい。当該構成とすることで、層561と層562の境を接合位置とする、貼り合わせを行うことができる。
That is, it is preferable to use the same metal material described above for each of the combination of the
当該貼り合わせによって、導電層531および導電層533の組み合わせと、導電層532および導電層534の組み合わせのそれぞれの電気的な接続を得ることができる。また、絶縁層541および絶縁層542の機械的な強度を有する接続を得ることができる。
Through the bonding, electrical connection of each of the combination of the
金属層同士の接合には、表面の酸化膜および不純物の吸着層などをスパッタリング処理などで除去し、清浄化および活性化した表面同士を接触させて接合する表面活性化接合法を用いることができる。または、温度と圧力を併用して表面同士を接合する拡散接合法などを用いることができる。どちらも原子レベルでの結合が起こるため、電気的だけでなく機械的にも優れた接合を得ることができる。 For the bonding of the metal layers, a surface activated bonding method in which an oxide film on the surface, an adsorption layer of impurities, and the like are removed by a sputtering process or the like and the cleaned and activated surfaces are brought into contact with each other and bonded together can be used. . Alternatively, a diffusion bonding method in which surfaces are bonded to each other by using both temperature and pressure can be used. In both cases, bonding at the atomic level occurs, so that a bonding excellent not only electrically but also mechanically can be obtained.
また、絶縁層同士の接合には、研磨などによって高い平坦性を得たのち、酸素プラズマ等で親水性処理をした表面同士を接触させて仮接合し、熱処理による脱水で本接合を行う親水性接合法などを用いることができる。親水性接合法も原子レベルでの結合が起こるため、機械的に優れた接合を得ることができる。 In addition, in order to bond insulating layers to each other, after obtaining high flatness by polishing or the like, the surfaces subjected to hydrophilic treatment with oxygen plasma or the like are brought into contact with each other to temporarily join them, and then to perform the final joining by dehydration by heat treatment. A joining method or the like can be used. Since bonding at the atomic level also occurs in the hydrophilic bonding method, mechanically excellent bonding can be obtained.
層561と、層562を貼り合わせる場合、それぞれの接合面には絶縁層と金属層が混在するため、例えば、表面活性化接合法および親水性接合法を組み合わせて行えばよい。
In the case where the
例えば、研磨後に表面を清浄化し、金属層の表面に酸化防止処理を行ったのちに親水性処理を行って接合する方法などを用いることができる。また、金属層の表面をAuなどの難酸化性金属とし、親水性処理を行ってもよい。なお、上述した方法以外の接合方法を用いてもよい。 For example, a method may be used in which the surface is cleaned after polishing, the surface of the metal layer is subjected to an antioxidant treatment, and then a hydrophilic treatment is performed to join the surfaces. Moreover, the surface of the metal layer may be made of a hardly oxidizable metal such as Au and subjected to a hydrophilic treatment. Note that a joining method other than the method described above may be used.
図18(B)は、図17(A)に示す画素の層561にセレン系材料を光電変換層とするpn接合型フォトダイオードを用いた場合の断面図である。一方の電極として層566aと、光電変換層として層566b、566cと、他方の電極として層566dを有する。
FIG. 18B is a cross-sectional view in the case where a pn junction photodiode including a selenium-based material as a photoelectric conversion layer is used for the
この場合、層561は、層562上に直接形成することができる。層566aは、トランジスタ102のソースまたはドレインと電気的に接続される。層566dは、導電層537を介して電源線と電気的に接続される。なお、層561に有機光導電膜を用いた場合もトランジスタとの接続形態は同様となる。
In this case, the
図20(A)は、図17(B)に示す画素の断面の一例を説明する図である。層561は光電変換デバイス101として、シリコンを光電変換層とするpn接合型フォトダイオードを有する。層562はSiトランジスタを有し、図20(A)では画素回路を構成するトランジスタ105、106を例示する。層563はOSトランジスタを有し、図20(A)では画素回路を構成するトランジスタ102、103を例示する。層561と層563とは、貼り合わせで電気的な接続を得る構成例を示している。
FIG. 20A illustrates an example of a cross section of the pixel illustrated in FIG. The
図21(A)にOSトランジスタの詳細を示す。図21(A)に示すOSトランジスタは、酸化物半導体層および導電層の積層上に絶縁層を設け、当該半導体層に達する溝を設けることでソース電極205およびドレイン電極206を形成するセルフアライン型の構成である。
FIG. 21A illustrates details of the OS transistor. The OS transistor illustrated in FIG. 21A has a self-aligned structure in which an insulating layer is provided over a stack of an oxide semiconductor layer and a conductive layer, and a groove which reaches the semiconductor layer is provided to form a
OSトランジスタは、酸化物半導体層に形成されるチャネル形成領域、ソース領域203およびドレイン領域204のほか、ゲート電極201、ゲート絶縁膜202を有する構成とすることができる。当該溝には少なくともゲート絶縁膜202およびゲート電極201が設けられる。当該溝には、さらに酸化物半導体層207が設けられていてもよい。
The OS transistor can have a structure including a
OSトランジスタは、図21(B)に示すように、ゲート電極201をマスクとして半導体層にソース領域およびドレイン領域を形成するセルフアライン型の構成としてもよい。
The OS transistor may have a self-aligned structure in which a source region and a drain region are formed in a semiconductor layer using the
または、図21(C)に示すように、ソース電極205またはドレイン電極206とゲート電極201とが重なる領域を有するノンセルフアライン型のトップゲート型トランジスタであってもよい。
Alternatively, as illustrated in FIG. 21C, a non-self-aligned top-gate transistor including a region where the
トランジスタ102,103はバックゲート535を有する構造を示しているが、バックゲートを有さない構造であってもよい。バックゲート535は、図21(D)に示すトランジスタのチャネル幅方向の断面図のように、対向して設けられるトランジスタのフロントゲートと電気的に接続してもよい。なお、図21(D)は図20(A)のトランジスタを例として示しているが、その他の構造のトランジスタも同様である。また、バックゲート535にフロントゲートとは異なる固定電位を供給することができる構成であってもよい。
Although the
OSトランジスタが形成される領域とSiトランジスタが形成される領域との間には、水素の拡散を防止する機能を有する絶縁層543が設けられる。トランジスタ105、106のチャネル形成領域近傍に設けられる絶縁層中の水素は、シリコンのダングリングボンドを終端する。一方、トランジスタ102、103のチャネル形成領域の近傍に設けられる絶縁層中の水素は、酸化物半導体層中にキャリアを生成する要因の一つとなる。
An insulating
絶縁層543により、一方の層に水素を閉じ込めることでトランジスタ105、106の信頼性を向上させることができる。また、一方の層から他方の層への水素の拡散が抑制されることでトランジスタ102、103の信頼性も向上させることができる。
The reliability of the
絶縁層543としては、例えば、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化窒化ガリウム、酸化イットリウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)等を用いることができる。
As the insulating
図20(B)は、図17(B)に示す画素の層561にセレン系材料を光電変換層とするpn接合型フォトダイオードを用いた場合の断面図である。層561は、層563上に直接形成することができる。層561、562、563の詳細は、前述の説明を参照できる。なお、層561に有機光導電膜を用いた場合もトランジスタとの接続形態は同様となる。
FIG. 20B is a cross-sectional view in the case where a pn junction photodiode including a selenium-based material as a photoelectric conversion layer is used for the
図22(A)は、本発明の一態様の撮像装置の画素にカラーフィルタ等を付加した例を示す斜視図である。当該斜視図では、複数の画素の断面もあわせて図示している。光電変換デバイス101が形成される層561上には、絶縁層580が形成される。絶縁層580は可視光に対して透光性の高い酸化シリコン膜などを用いることができる。また、パッシベーション膜として窒化シリコン膜を積層してもよい。また、反射防止膜として、酸化ハフニウムなどの誘電体膜を積層してもよい。
FIG. 22A is a perspective view illustrating an example in which a color filter and the like are added to pixels of the imaging device of one embodiment of the present invention. In the perspective view, cross sections of a plurality of pixels are also shown. An insulating
絶縁層580上には、遮光層581が形成されてもよい。遮光層581は、上部のカラーフィルタを通る光の混色を防止する機能を有する。遮光層581には、アルミニウム、タングステンなどの金属層を用いることができる。また、当該金属層と反射防止膜としての機能を有する誘電体膜を積層してもよい。
A light-
絶縁層580および遮光層581上には、平坦化膜として有機樹脂層582を設けることができる。また、画素別にカラーフィルタ583(カラーフィルタ583a、583b、583c)が形成される。例えば、カラーフィルタ583a、583b、583cに、R(赤)、G(緑)、B(青)、Y(黄)、C(シアン)、M(マゼンタ)などの色を割り当てることにより、カラー画像を得ることができる。
An
カラーフィルタ583上には、可視光に対して透光性を有する絶縁層586などを設けることができる。
An insulating
また、図22(B)に示すように、カラーフィルタ583の代わりに光学変換層585を用いてもよい。このような構成とすることで、様々な波長領域における画像が得られる撮像装置とすることができる。
Further, as shown in FIG. 22B, an
例えば、光学変換層585に可視光線の波長以下の光を遮るフィルタを用いれば、赤外線撮像装置とすることができる。また、光学変換層585に近赤外線の波長以下の光を遮るフィルタを用いれば、遠赤外線撮像装置とすることができる。また、光学変換層585に可視光線の波長以上の光を遮るフィルタを用いれば、紫外線撮像装置とすることができる。
For example, when a filter that blocks light having a wavelength equal to or less than the wavelength of visible light is used for the
また、光学変換層585にシンチレータを用いれば、X線撮像装置などに用いる放射線の強弱を可視化した画像を得る撮像装置とすることができる。被写体を透過したX線等の放射線がシンチレータに入射されると、フォトルミネッセンス現象により可視光線や紫外光線などの光(蛍光)に変換される。そして、当該光を光電変換デバイス101で検知することにより画像データを取得する。また、放射線検出器などに当該構成の撮像装置を用いてもよい。
In addition, when a scintillator is used for the
シンチレータは、X線やガンマ線などの放射線が照射されると、そのエネルギーを吸収して可視光や紫外光を発する物質を含む。例えば、Gd2O2S:Tb、Gd2O2S:Pr、Gd2O2S:Eu、BaFCl:Eu、NaI、CsI、CaF2、BaF2、CeF3、LiF、LiI、ZnOなどを樹脂やセラミクスに分散させたものを用いることができる。 The scintillator includes a substance that, when irradiated with radiation such as X-rays or gamma rays, absorbs the energy and emits visible light or ultraviolet light. For example, Gd 2 O 2 S: Tb, Gd 2 O 2 S: Pr, Gd 2 O 2 S: Eu, BaFCl: Eu, NaI, CsI, CaF 2 , BaF 2 , CeF 3 , LiF, LiI, ZnO, etc. Those dispersed in resin or ceramics can be used.
なお、セレン系材料を用いた光電変換デバイス101においては、X線等の放射線を電荷に直接変換することができるため、シンチレータを不要とする構成とすることもできる。
Note that in the
また、図22(C)に示すように、カラーフィルタ583上にマイクロレンズアレイ584を設けてもよい。マイクロレンズアレイ584が有する個々のレンズを通る光が直下のカラーフィルタ583を通り、光電変換デバイス101に照射されるようになる。また、図22(B)に示す光学変換層585上にマイクロレンズアレイ584を設けてもよい。
Further, as shown in FIG. 22C, a
以下では、イメージセンサチップを収めたパッケージおよびカメラモジュールの一例について説明する。当該イメージセンサチップには、上記撮像装置の構成を用いることができる。 Hereinafter, an example of a package containing an image sensor chip and a camera module will be described. The structure of the imaging device can be used for the image sensor chip.
図23(A1)は、イメージセンサチップを収めたパッケージの上面側の外観斜視図である。当該パッケージは、イメージセンサチップ450を固定するパッケージ基板410、カバーガラス420および両者を接着する接着剤430等を有する。
FIG. 23A1 is an external perspective view of the upper surface side of a package containing an image sensor chip. The package includes a
図23(A2)は、当該パッケージの下面側の外観斜視図である。パッケージの下面には、半田ボールをバンプ440としたBGA(Ball grid array)を有する。なお、BGAに限らず、LGA(Land grid array)やPGA(Pin Grid Array)などを有していてもよい。
FIG. 23A2 is an external perspective view of the lower surface side of the package. A BGA (Ball grid array) having solder balls as
図23(A3)は、カバーガラス420および接着剤430の一部を省いて図示したパッケージの斜視図である。パッケージ基板410上には電極パッド460が形成され、電極パッド460およびバンプ440はスルーホールを介して電気的に接続されている。電極パッド460は、イメージセンサチップ450とワイヤ470によって電気的に接続されている。
FIG. 23 (A3) is a perspective view of the package illustrated with the
また、図23(B1)は、イメージセンサチップをレンズ一体型のパッケージに収めたカメラモジュールの上面側の外観斜視図である。当該カメラモジュールは、イメージセンサチップ451を固定するパッケージ基板411、レンズカバー421、およびレンズ435等を有する。また、パッケージ基板411およびイメージセンサチップ451の間には撮像装置の駆動回路および信号変換回路などの機能を有するICチップ490も設けられており、SiP(System in package)としての構成を有している。
FIG. 23B1 is an external perspective view of the upper side of the camera module in which the image sensor chip is housed in a lens-integrated package. The camera module includes a
図23(B2)は、当該カメラモジュールの下面側の外観斜視図である。パッケージ基板411の下面および側面には、実装用のランド441が設けられたQFN(Quad flat no−lead package)の構成を有する。なお、当該構成は一例であり、QFP(Quad flat package)や前述したBGAが設けられていてもよい。
FIG. 23 (B2) is an external perspective view of the lower surface side of the camera module. The lower surface and the side surface of the
図23(B3)は、レンズカバー421およびレンズ435の一部を省いて図示したモジュールの斜視図である。ランド441は電極パッド461と電気的に接続され、電極パッド461はイメージセンサチップ451またはICチップ490とワイヤ471によって電気的に接続されている。
FIG. 23 (B3) is a perspective view of the module illustrated with the
イメージセンサチップを上述したような形態のパッケージに収めることでプリント基板等への実装が容易になり、イメージセンサチップを様々な半導体装置、電子機器に組み込むことができる。 By mounting the image sensor chip in the above-described package, mounting on a printed circuit board or the like is facilitated, and the image sensor chip can be incorporated in various semiconductor devices and electronic devices.
本実施の形態は、他の実施の形態の記載と適宜組み合わせることができる。 This embodiment can be combined with any of the other embodiments as appropriate.
(実施の形態3)
本発明の一態様に係る撮像装置を用いることができる電子機器として、表示機器、パーソナルコンピュータ、記録媒体を備えた画像記憶装置または画像再生装置、携帯電話、携帯型を含むゲーム機、携帯データ端末、電子書籍端末、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ等のカメラ、ゴーグル型ディスプレイ(ヘッドマウントディスプレイ)、ナビゲーションシステム、音響再生装置(カーオーディオ、デジタルオーディオプレイヤー等)、複写機、ファクシミリ、プリンタ、プリンタ複合機、現金自動預け入れ払い機(ATM)、自動販売機などが挙げられる。これら電子機器の具体例を図24(A)乃至(F)に示す。
(Embodiment 3)
As electronic devices that can use the imaging device of one embodiment of the present invention, a display device, a personal computer, an image storage device or an image reproducing device provided with a recording medium, a mobile phone, a game machine including a portable device, and a mobile data terminal , E-book terminals, video cameras, cameras such as digital still cameras, goggle-type displays (head-mounted displays), navigation systems, sound reproducers (car audio, digital audio players, etc.), copiers, facsimile machines, printers, multifunction printers , An automatic teller machine (ATM), a vending machine, and the like. Specific examples of these electronic devices are illustrated in FIGS.
図24(A)は携帯電話機の一例であり、筐体981、表示部982、操作ボタン983、外部接続ポート984、スピーカ985、マイク986、カメラ987等を有する。当該携帯電話機は、表示部982にタッチセンサを備える。電話を掛ける、或いは文字を入力するなどのあらゆる操作は、指やスタイラスなどで表示部982に触れることで行うことができる。当該携帯電話機における画像取得動作に本発明の一態様の撮像装置の動作方法を適用することができる。
FIG. 24A illustrates an example of a mobile phone, which includes a
図24(B)は携帯データ端末であり、筐体911、表示部912、スピーカ913、カメラ919等を有する。表示部912が有するタッチパネル機能により情報の入出力を行うことができる。また、カメラ919で取得した画像から文字等を認識し、スピーカ913で当該文字を音声出力することができる。当該携帯データ端末における画像取得動作に本発明の一態様の撮像装置の動作方法を適用することができる。
FIG. 24B illustrates a portable data terminal, which includes a
図24(C)は監視カメラであり、支持台951、カメラユニット952、保護カバー953等を有する。カメラユニット952には回転機構などが設けられ、天井に設置することで全周囲の撮像が可能となる。当該カメラユニットにおける画像取得のための要素に本発明の一態様の撮像装置およびその動作方法を適用することができる。なお、監視カメラとは慣用的な名称であり、用途を限定するものではない。例えば監視カメラとしての機能を有する機器はカメラ、またはビデオカメラとも呼ばれる。
FIG. 24C illustrates a monitoring camera, which includes a
図24(D)はビデオカメラであり、第1筐体971、第2筐体972、表示部973、操作キー974、レンズ975、接続部976、スピーカ977、マイク978等を有する。操作キー974およびレンズ975は第1筐体971に設けられており、表示部973は第2筐体972に設けられている。当該ビデオカメラにおける画像取得動作に本発明の一態様の撮像装置の動作方法を適用することができる。
FIG. 24D illustrates a video camera, which includes a
図24(E)はデジタルカメラであり、筐体961、シャッターボタン962、マイク963、発光部967、レンズ965等を有する。当該デジタルカメラにおける画像取得動作に本発明の一態様の撮像装置の動作方法を適用することができる。
FIG. 24E illustrates a digital camera, which includes a
図24(F)は腕時計型の情報端末であり、表示部932、筐体兼リストバンド933、カメラ939等を有する。表示部932は、情報端末の操作を行うためのタッチパネルを備える。表示部932および筐体兼リストバンド933は可撓性を有し、身体への装着性が優れている。当該情報端末における画像取得動作に本発明の一態様の撮像装置の動作方法を適用することができる。
FIG. 24F illustrates a wristwatch-type information terminal including a
本実施の形態は、他の実施の形態の記載と適宜組み合わせることができる。 This embodiment can be combined with any of the other embodiments as appropriate.
10:画素、10a:画素、10b:画素、10c:画素、10d:画素、21:画素アレイ、22:回路、23:回路、24:回路、25:回路、26:回路、27:回路、28:回路、101:光電変換デバイス、102:トランジスタ、103:トランジスタ、104:トランジスタ、105:トランジスタ、106:トランジスタ、107:キャパシタ、108:キャパシタ、121:配線、122:配線、123:配線、124:配線、125:配線、126:配線、127:配線、128:配線、129:配線、201:ゲート電極、202:ゲート絶縁膜、203:ソース領域、204:ドレイン領域、205:ソース電極、206:ドレイン電極、207:酸化物半導体層、410:パッケージ基板、411:パッケージ基板、420:カバーガラス、421:レンズカバー、430:接着剤、435:レンズ、440:バンプ、441:ランド、450:イメージセンサチップ、451:イメージセンサチップ、460:電極パッド、461:電極パッド、470:ワイヤ、471:ワイヤ、490:ICチップ、531:導電層、532:導電層、533:導電層、534:導電層、535:バックゲート、536:領域、540:シリコン基板、541:絶縁層、542:絶縁層、543:絶縁層、545:半導体層、546:絶縁層、561:層、562:層、563:層、565a:層、565b:層、565c:層、566a:層、566b:層、566c:層、566d:層、567a:層、567b:層、567c:層、567d:層、567e:層、580:絶縁層、581:遮光層、582:有機樹脂層、583:カラーフィルタ、583a:カラーフィルタ、583b:カラーフィルタ、583c:カラーフィルタ、584:マイクロレンズアレイ、585:光学変換層、586:絶縁層、911:筐体、912:表示部、913:スピーカ、919:カメラ、932:表示部、933:筐体兼リストバンド、939:カメラ、951:支持台、952:カメラユニット、953:保護カバー、961:筐体、962:シャッターボタン、963:マイク、965:レンズ、967:発光部、971:筐体、972:筐体、973:表示部、974:操作キー、975:レンズ、976:接続部、977:スピーカ、978:マイク、981:筐体、982:表示部、983:操作ボタン、984:外部接続ポート、985:スピーカ、986:マイク、987:カメラ 10: pixel, 10a: pixel, 10b: pixel, 10c: pixel, 10d: pixel, 21: pixel array, 22: circuit, 23: circuit, 24: circuit, 25: circuit, 26: circuit, 27: circuit, 28 : Circuit, 101: photoelectric conversion device, 102: transistor, 103: transistor, 104: transistor, 105: transistor, 106: transistor, 107: capacitor, 108: capacitor, 121: wiring, 122: wiring, 123: wiring, 124 : Wiring, 125: wiring, 126: wiring, 127: wiring, 128: wiring, 129: wiring, 201: gate electrode, 202: gate insulating film, 203: source region, 204: drain region, 205: source electrode, 206 : Drain electrode, 207: oxide semiconductor layer, 410: package substrate, 411: package base , 420: cover glass, 421: lens cover, 430: adhesive, 435: lens, 440: bump, 441: land, 450: image sensor chip, 451: image sensor chip, 460: electrode pad, 461: electrode pad, 470: wire, 471: wire, 490: IC chip, 531: conductive layer, 532: conductive layer, 533: conductive layer, 534: conductive layer, 535: back gate, 536: region, 540: silicon substrate, 541: insulating Layer, 542: insulating layer, 543: insulating layer, 545: semiconductor layer, 546: insulating layer, 561: layer, 562: layer, 563: layer, 565a: layer, 565b: layer, 565c: layer, 566a: layer, 566b: layer, 566c: layer, 566d: layer, 567a: layer, 567b: layer, 567c: layer, 567d: layer, 567e Layer, 580: insulating layer, 581: light-shielding layer, 582: organic resin layer, 583: color filter, 583a: color filter, 583b: color filter, 583c: color filter, 584: microlens array, 585: optical conversion layer, 586: insulating layer, 911: housing, 912: display unit, 913: speaker, 919: camera, 932: display unit, 933: housing / wristband, 939: camera, 951: support base, 952: camera unit, 953: protective cover, 961: housing, 962: shutter button, 963: microphone, 965: lens, 967: light emitting unit, 971: housing, 972: housing, 973: display unit, 974: operation key, 975: Lens, 976: Connection, 977: Speaker, 978: Microphone, 981: Housing, 982: Display, 983: Operation Button, 984: External connection port, 985: Speaker, 986: Microphone, 987: Camera
Claims (8)
前記第1のノードに第1の電位を供給しつつ、前記第2のノードに第2の電位を供給して保持する第1のステップと、
前記フォトダイオードの動作により前記第1のノードの電位を変化させ、かつ前記キャパシタの容量結合により前記第2のノードの電位を変化させる第2のステップと、
前記第2のノードの電位を固定し、前記第2のトランジスタの動作により前記第2のノードの電位を読み出す第3のステップと、
を上記順序で行う撮像装置の動作方法。 A first node in which one electrode of the capacitor is electrically connected to one of a source and a drain of the first transistor, and an other electrode of the capacitor electrically connected to a gate of the second transistor; A second node, and an operation method of the imaging device, wherein the other of the source or the drain of the first transistor is electrically connected to one electrode of the photodiode.
A first step of supplying and holding a second potential to the second node while supplying a first potential to the first node;
A second step of changing the potential of the first node by operating the photodiode and changing the potential of the second node by capacitive coupling of the capacitor;
A third step of fixing the potential of the second node and reading out the potential of the second node by operating the second transistor;
Are performed in the order described above.
前記第1の電位は前記第2の電位よりも小さく、その差分は前記第2のトランジスタのしきい値電圧以上である撮像装置の動作方法。 In claim 1,
The method according to claim 1, wherein the first potential is lower than the second potential, and a difference between the first potential and the second potential is equal to or higher than a threshold voltage of the second transistor.
前記第2のノードに第2の電位を供給しつつ、前記第1のノードに第1の電位を供給して保持する第1のステップと、
前記第2のノードに第3の電位を供給し、前記キャパシタの容量結合により前記第1のノードの電位を変化させる第2のステップと、
前記フォトダイオードの動作により前記第1のノードの電位を変化させ、かつ前記キャパシタの容量結合により前記第2のノードの電位を変化させる第3のステップと、
前記第2のノードの電位を固定し、前記第2のトランジスタの動作により前記第2のノードの電位を読み出す第4のステップと、
を上記順序で行う撮像装置の動作方法。 A first node in which one electrode of the capacitor is electrically connected to one of a source and a drain of the first transistor, and an other electrode of the capacitor electrically connected to a gate of the second transistor; A second node, and an operation method of the imaging device, wherein the other of the source or the drain of the first transistor is electrically connected to one electrode of the photodiode.
A first step of supplying and holding a first potential to the first node while supplying a second potential to the second node;
A second step of supplying a third potential to the second node and changing the potential of the first node by capacitive coupling of the capacitor;
A third step of changing the potential of the first node by operating the photodiode and changing the potential of the second node by capacitive coupling of the capacitor;
A fourth step of fixing the potential of the second node and reading out the potential of the second node by operating the second transistor;
Are performed in the order described above.
前記第1の電位は前記第2の電位よりも大きい撮像装置の動作方法。 In claim 3,
The operation method of the imaging device, wherein the first potential is higher than the second potential.
前記撮像装置は第3のトランジスタを有し、
前記第1のノードへの電位の供給は、第3のトランジスタを介して行う撮像装置の動作方法。 In any one of claims 1 to 4,
The imaging device has a third transistor;
The operation method of the imaging device, in which the supply of the potential to the first node is performed through a third transistor.
前記第1のノードへの電位の供給は、前記フォトダイオードを介して行う撮像装置の動作方法。 In any one of claims 1 to 5,
The operation method of the imaging device, wherein the supply of the potential to the first node is performed through the photodiode.
前記撮像装置は第4のトランジスタを有し、
前記第2のノードへの電位の供給は、第4のトランジスタを介して行う撮像装置の動作方法。 In any one of claims 1 to 6,
The imaging device has a fourth transistor,
The method for operating the imaging device, wherein the supply of the potential to the second node is performed through a fourth transistor.
前記撮像装置が有するトランジスタの少なくとも一つ以上は、チャネル形成領域に金属酸化物を有し、前記金属酸化物は、Inと、Znと、M(MはAl、Ti、Ga、Sn、Y、Zr、La、Ce、NdまたはHf)と、を有する撮像装置の動作方法。 In any one of claims 1 to 7,
At least one of the transistors included in the imaging device has a metal oxide in a channel formation region, and the metal oxide includes In, Zn, and M (M is Al, Ti, Ga, Sn, Y, Zr, La, Ce, Nd or Hf).
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US11521996B2 (en) | 2018-07-20 | 2022-12-06 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Imaging panel comprising a photoelectric conversion element and a first pixel circuit, and imaging device |
Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
| JP2016027699A (en) * | 2014-06-25 | 2016-02-18 | 株式会社半導体エネルギー研究所 | Imaging apparatus, monitoring apparatus, and electronic apparatus |
| US20170317138A1 (en) * | 2013-08-09 | 2017-11-02 | Stmicroelectronics (Grenoble 2) Sas | Pixel circuit |
-
2019
- 2019-06-11 WO PCT/IB2019/054836 patent/WO2019243949A1/en not_active Ceased
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