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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-07-19
(45)【発行日】2024-07-29
(54)【発明の名称】撮像装置
(51)【国際特許分類】
H04N 25/70 20230101AFI20240722BHJP
【ＦＩ】
H04N25/70
【請求項の数】
2
(21)【出願番号】P 2023133796
(22)【出願日】2023-08-21
(62)【分割の表示】P 2020531831の分割
【原出願日】2019-07-18
(65)【公開番号】P2023144118
(43)【公開日】2023-10-06
【審査請求日】2023-08-25
(31)【優先権主張番号】P 2018141605
(32)【優先日】2018-07-27
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】000153878
【氏名又は名称】株式会社半導体エネルギー研究所
(72)【発明者】
【氏名】高橋 圭
(72)【発明者】
【氏名】楠本 直人
【審査官】櫃本 研太郎
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１７－２２７０６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１１－１１９７１１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１１－１１９６７４（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１１／１３５９０８（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１１／１２５３５３（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１５－５６８７８（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０４Ｎ ２５／００－２５／７９
Ｈ０１Ｌ ２７／１４－２７／１４８
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１のトランジスタ乃至第５のトランジスタと、光電変換デバイスと、第１のキャパシタと、第２のキャパシタと、を有し、前記第１のトランジスタのソース又はドレインの一方は、前記第１のキャパシタの一方の電極と電気的に接続され、
前記第２のトランジスタのソース又はドレインの一方は、前記第１のキャパシタの他方の電極と電気的に接続され、かつ、前記光電変換デバイスの一方の電極と電気的に接続され、
前記第３のトランジスタのソース又はドレインの一方は、前記第１のキャパシタの他方の電極と電気的に接続され、かつ、前記光電変換デバイスの一方の電極と電気的に接続され、
前記第３のトランジスタのソース又はドレインの他方は、前記第２のキャパシタの一方の電極と電気的に接続され、かつ、前記第４のトランジスタのゲートと電気的に接続され、
前記第４のトランジスタのソース又はドレインの一方は、前記第５のトランジスタのソース又はドレインの一方と電気的に接続される撮像装置。
【請求項2】
第１のトランジスタ乃至第５のトランジスタと、光電変換デバイスと、第１のキャパシタと、第２のキャパシタと、を有し、前記第１のトランジスタのソース又はドレインの一方は、前記第１のキャパシタの一方の電極と電気的に接続され、
前記第２のトランジスタのソース又はドレインの一方は、前記第１のキャパシタの他方の電極と電気的に接続され、前記光電変換デバイスの一方の電極と電気的に接続され、かつ、前記第４のトランジスタのゲートと電気的に接続され、
前記第３のトランジスタのソース又はドレインの一方は、前記光電変換デバイスの他方の電極と電気的に接続され、
前記第２のキャパシタの一方の電極は、前記第４のトランジスタのゲートと電気的に接続され、
前記第４のトランジスタのソース又はドレインの一方は、前記第５のトランジスタのソース又はドレインの一方と電気的に接続される撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の一態様は、撮像装置に関する。
【0002】
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。
【0003】
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。
【背景技術】
【0004】
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。
【0005】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【文献】特開２０１１－１１９７１１号公報
【文献】特開２０１１－１１９６７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
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、解像度と光感度はトレードオフの関係にあるという課題がある。
【0008】
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。
【0009】
したがって、本発明の一態様では、画素に供給する電圧よりも高い電圧を生成することができる撮像装置を提供することを目的の一つとする。または、画素に供給する二つの電位を加算することができる撮像装置を提供することを目的の一つとする。または、画素内でリセット電位を生成することができる撮像装置を提供することを目的の一つとする。
【0010】
または、低消費電力の撮像装置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、新規な撮像装置を提供することを目的の一つとする。または、上記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、新規な半導体装置などを提供することを目的の一つとする。
【0011】
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。
【課題を解決するための手段】
【0012】
本発明の一態様は、画素に供給する電位よりも高い電位を画素内で生成する撮像装置に関する。
【0013】
本発明の一態様は、第１の回路と、第２の回路と、を備えた画素を有する撮像装置であって、第２の回路は、光電変換デバイスを有し、第１の回路と第２の回路は電気的に接続され、第１の回路は、第１の電位と第２の電位を加算して第３の電位を生成する機能を有し、第２の回路は、第３の電位が印加された光電変換デバイスでデータを生成する機能、ならびにデータを出力する機能を有する撮像装置である。
【0014】
第１の回路は、第１のトランジスタと、第２のトランジスタと、第１のキャパシタと、を有し、第１のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、第１のキャパシタの一方の電極と電気的に接続され、第１のキャパシタの他方の電極は、第２のトランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、第１のトランジスタのソースまたはドレインの一方は第２の回路と接続することができる。
【0015】
第２の回路は、さらに、第３のトランジスタと、第４のトランジスタと、第５のトランジスタと、第２のキャパシタと、を有し、光電変換デバイスの一方の電極は、第３のトランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、第３のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、第２のキャパシタの一方の電極と電気的に接続され、第２のキャパシタの一方の電極は、第４のトランジスタのゲートと電気的に接続され、第４のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、第５のトランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続することができる。
【0016】
第２の回路の第３のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、第１の回路と接続することができる。または、第２の回路の第３のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、第１の回路と接続することができる。
【0017】
上記と異なる構成として、第２の回路は、さらに、第３のトランジスタと、第４のトランジスタと、第５のトランジスタと、第２のキャパシタと、を有し、光電変換デバイスの一方の電極は、第２のキャパシタの一方の電極と電気的に接続され、第２のキャパシタの他方の電極は、第４のトランジスタのゲートと電気的に接続され、第４のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、第５のトランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、光電変換デバイスの他方の電極は、第３のトランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、光電変換デバイスの一方の電極は第１の回路と接続されていてもよい。
【0018】
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。
【0019】
光電変換デバイスには、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。
【発明の効果】
【0020】
本発明の一態様を用いることで、画素に供給する電圧よりも高い電圧を生成することができる撮像装置を提供することができる。または、画素に供給する二つの電位を加算することができる撮像装置を提供することができる。または、画素内でリセット電位を生成することができる撮像装置を提供することができる。
【0021】
または、低消費電力の撮像装置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を提供することができる。または、信頼性の高い撮像装置を提供することができる。または、新規な撮像装置を提供することができる。または、上記撮像装置の動作方法を提供することができる。または、新規な半導体装置などを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0022】
【発明を実施するための形態】
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
（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について、図面を参照して説明する。
本実施の形態では、本発明の一態様である撮像装置について、図面を参照して説明する。
【0027】
本発明の一態様は、画素内で昇圧動作を行うことができる撮像装置である。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。
【0028】
＜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、回路１１および回路１２を有する構成とすることができる。
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、回路１１および回路１２を有する構成とすることができる。
【0029】
回路１１はリセット電位を生成する回路であり、供給される２つの電位を加算することにより、高い電圧を生成することができる。
【0030】
回路１２は光電変換デバイスを有し、回路１１で生成したリセット電位を用いて光電変換デバイスを動作させ、画像データを生成、保持することができる。
【0031】
光電変換デバイスとしては、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。回路１１で高い電圧（リセット電位）が生成できるため、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。
【0032】
回路１１は、トランジスタ１０２と、トランジスタ１０３と、キャパシタ１０７を有することができる。トランジスタ１０２のソースまたはドレインの一方は、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の他方の電極は、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。トランジスタ１０２のソースまたはドレインの一方は、回路１２と接続することができる。
【0033】
回路１２は、光電変換デバイス１０１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１０８を有することができる。なお、キャパシタ１０８を設けない構成としてもよい。
【0034】
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他方は、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。トランジスタ１０４のソースまたはドレインの一方は、回路１１と電気的に接続することができる。
【0035】
ここで、トランジスタ１０４のソースまたはドレインの他方、キャパシタ１０８の一方の電極、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ＦＤは電荷蓄積部として機能させることができる。
【0036】
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１０２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１０３のソースまたはドレインの他方は、配線１２４と電気的に接続される。トランジスタ１０４のゲートは、配線１２７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１２８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。
【0037】
配線１２１、１２２は、電源線としての機能を有することができる。配線１２３、１２４はリセット電位を生成するための電位を供給する機能を有することができる。配線１２３、１２４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ＦＤ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１２３、１２４は高電位（配線１２２よりも高い電位）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１２３、１２４は低電位（配線１２２よりも低い電位）とすればよい。
【0038】
配線１２５、１２６、１２７、１２８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。
【0039】
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。本発明の一態様では、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。
【0040】
トランジスタ１０２、１０３は、リセット電位を生成する機能を有する。トランジスタ１０４は、ノードＦＤの電位を制御する機能を有する。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。
【0041】
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、比較的高い電圧を印加するため、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、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１０３、１０５、１０６にＯＳトランジスタを適用してもよい。
【0042】
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、１０４にＯＳトランジスタを用いることによって、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。
【0043】
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、単結晶シリコンなど）を有するトランジスタなどが挙げられる。
【0044】
＜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、回路１１と回路１２の接続の位置が画素１０ａと異なり、ノードＦＤに回路１１が接続される。当該構成では、トランジスタ１０４のソースまたはドレインの他方、キャパシタ１０８の一方の電極、トランジスタ１０５のゲート、トランジスタ１０２のソースまたはドレインの一方およびキャパシタ１０７の一方の電極を接続する配線がノードＦＤとなる。回路１１、回路１２およびそれらと接続する配線の構成は、画素１０ａと同じである。
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、回路１１と回路１２の接続の位置が画素１０ａと異なり、ノードＦＤに回路１１が接続される。当該構成では、トランジスタ１０４のソースまたはドレインの他方、キャパシタ１０８の一方の電極、トランジスタ１０５のゲート、トランジスタ１０２のソースまたはドレインの一方およびキャパシタ１０７の一方の電極を接続する配線がノードＦＤとなる。回路１１、回路１２およびそれらと接続する配線の構成は、画素１０ａと同じである。
【0045】
＜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、回路１２におけるトランジスタ１０４の接続の位置が図１に示す画素１０ａと異なる。トランジスタ１０４のソースまたはドレインの一方は光電変換デバイス１０１の他方の電極（アノード）と電気的に接続され、トランジスタ１０４のソースまたはドレインの他方は配線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。
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、回路１２におけるトランジスタ１０４の接続の位置が図１に示す画素１０ａと異なる。トランジスタ１０４のソースまたはドレインの一方は光電変換デバイス１０１の他方の電極（アノード）と電気的に接続され、トランジスタ１０４のソースまたはドレインの他方は配線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。
【0046】
当該構成では、ノードＦＤは、トランジスタ１０２のソースまたはドレインの一方、キャパシタ１０７の一方の電極、キャパシタ１０８の一方の電極、トランジスタ１０５のゲート、および光電変換デバイス１０１の一方の電極（カソード）を接続する配線となる。なお、ノードＦＤの電位は、光電変換デバイス１０１の他方の電極（アノード）に分配される電位を含めて確定される。
【0047】
トランジスタ１０４は、ノードＦＤの電位を制御する機能を有する。具体的には、ノードＦＤの電位の初期化および保持の動作に用いられる。画素１０ａでは、トランジスタ１０４を非導通とすることで、光電変換デバイス１０１とノードＦＤとの導通を遮断し、ノードＦＤの電位を確定する動作を行う。
【0048】
画素１０ｃでは、トランジスタ１０４を非導通とすることで、光電変換デバイス１０１の他方の電極（アノード）と配線１２２との導通を遮断する。トランジスタ１０４を非導通とすると光電変換デバイス１０１のアノードの電位が上昇してカソードとアノードの電位差が順方向電圧（Ｖｆ）に近づき、光電変換デバイス１０１の動作は停止する。したがって、ノードＦＤの電位を確定することができる。
【0049】
＜回路１２の変形例＞
上述した画素１０ａ、１０ｂ、１０ｃは、ノードＦＤのリセット電位を光電変換デバイス１０１のアノードよりも高い電圧とし、逆バイアスがかかる向きに光電変換デバイス１０１を接続する構成である。
上述した画素１０ａ、１０ｂ、１０ｃは、ノードＦＤのリセット電位を光電変換デバイス１０１のアノードよりも高い電圧とし、逆バイアスがかかる向きに光電変換デバイス１０１を接続する構成である。
【0050】
その他の構成として、図４（Ａ）、（Ｂ）に示す回路１２の変形例のように、ノードＦＤのリセット電位を光電変換デバイス１０１のカソードよりも低い電圧とし、逆バイアスがかかる向きに光電変換デバイス１０１を接続する構成であってもよい。図４（Ａ）に示す回路１２は、画素１０ａ、１０ｂの変形例として適用することができ、図４（Ｂ）に示す回路１２は、画素１０ｃの変形例として適用することができる。
【0051】
なお、図４（Ａ）、（Ｂ）に示す構成では、ノードＦＤが負電位となるように動作させることが好ましい。したがって、少なくともトランジスタ１０５にはｐ－ｃｈ型トランジスタを用いることが好ましい。
【0052】
＜回路１１の動作＞
図２に示す回路１１と回路１２との接続構成を例として、回路１１における電圧の加算動作を説明する。まず、トランジスタ１０２を導通させ、ノードＦＤに配線１２３の電位“ＶＲＳ１”（リセット電位１）を書き込む。また、トランジスタ１０３を導通させ、キャパシタ１０７の他方の電極に配線１２４の電位“ＶＲＥＦ”（参照電位）を供給する。このとき、キャパシタ１０７には電位“ＶＲＳ１－ＶＲＥＦ”が保持される。次に、ノードＦＤをフローティングとし、キャパシタ１０７の他方の電極に配線１２４の電位“ＶＲＳ２”（リセット電位２）を供給する。
図２に示す回路１１と回路１２との接続構成を例として、回路１１における電圧の加算動作を説明する。まず、トランジスタ１０２を導通させ、ノードＦＤに配線１２３の電位“ＶＲＳ１”（リセット電位１）を書き込む。また、トランジスタ１０３を導通させ、キャパシタ１０７の他方の電極に配線１２４の電位“ＶＲＥＦ”（参照電位）を供給する。このとき、キャパシタ１０７には電位“ＶＲＳ１－ＶＲＥＦ”が保持される。次に、ノードＦＤをフローティングとし、キャパシタ１０７の他方の電極に配線１２４の電位“ＶＲＳ２”（リセット電位２）を供給する。
【0053】
このとき、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、“ＶＲＳ１＋（Ｃ１０７／（Ｃ１０７＋ＣＦＤ））×（ＶＲＳ２－ＶＲＥＦ）”となる。ここで、Ｃ１０７の値がＣＦＤよりも十分大きく、ＣＦＤの値を無視できるようになれば、ノードＦＤの電位は“ＶＲＳ１＋ＶＲＳ２－ＶＲＥＦ”となる。
【0054】
したがって、“ＶＲＳ１”＝“ＶＲＳ２”、“ＶＲＥＦ”＝０Ｖであって、Ｃ１０７がＣＦＤに比べて十分に大きければノードＦＤの電位は“２ＶＲＳ１”に近づく。つまり、画素に供給できる電圧の約２倍となる電圧をリセット電位としてノードＦＤに供給できることになる。
【0055】
ノードＦＤに供給された高電圧のリセット電位は、光電変換デバイス１０１に供給することができる。“ＶＲＳ１”、“ＶＲＳ２”として適切な電圧を供給することで、専用の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。
【0056】
＜構成例１の動作＞
次に、画素１０ａの動作の一例を図５（Ａ）の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“ＶＲＳ１”または“ＶＲＳ２”、参照電位を“ＶＲＥＦ”で表す。配線１２１には常時“Ｈ”が供給され、配線１２２には常時“Ｌ”が供給されている状態とする。
次に、画素１０ａの動作の一例を図５（Ａ）の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“ＶＲＳ１”または“ＶＲＳ２”、参照電位を“ＶＲＥＦ”で表す。配線１２１には常時“Ｈ”が供給され、配線１２２には常時“Ｌ”が供給されている状態とする。
【0057】
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。
【0058】
期間Ｔ１において、配線１２３の電位を“ＶＲＳ１”、配線１２４の電位を“ＶＲＥＦ”、配線１２５の電位を“Ｈ”、配線１２６の電位を“Ｈ”、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１０２、１０４が導通し、ノードＦＤには配線１２３の電位“ＶＲＳ１”が供給される。また、トランジスタ１０３が導通し、キャパシタ１０７の他方の電極に配線１２４の電位“ＶＲＥＦ”が供給される。上記動作において、キャパシタ１０７には“ＶＲＳ１－ＶＲＥＦ”が保持される。
【0059】
期間Ｔ２において、配線１２３の電位を“ＶＲＳ１”、配線１２４の電位を“ＶＲＳ２”、配線１２５の電位を“Ｌ”、配線１２６の電位を“Ｈ”、配線１２７の電位を“Ｈ”、配線１２８の電位を“Ｌ”とすると、キャパシタ１０７の他方の電極には、配線１２４の電位“ＶＲＳ２”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“ＶＲＳ１＋ＶＲＳ２’”となる（リセット動作）。
【0060】
回路１１の動作で説明したように、Ｃ１０７の値がＣＦＤの値よりも十分大きく、ＣＦＤの値を無視できるようになれば、ノードＦＤの電位は“ＶＲＳ１＋ＶＲＳ２－ＶＲＥＦ”となる。ここで、“ＶＲＥＦ”が０Ｖであって、ＣＦＤが実際には無視できない値を有することを仮定すると、ノードＦＤの電位は“ＶＲＳ１＋ＶＲＳ２’”として表すことができる。
【0061】
“ＶＲＳ１”および“ＶＲＳ２”は、“ＶＲＳ１＋ＶＲＳ２’”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、“ＶＲＳ１”および“ＶＲＳ２”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。
【0062】
また、期間Ｔ２では、光電変換デバイス１０１の動作に応じてノードＦＤの電位が低下する（蓄積動作）。
【0063】
期間Ｔ３において、配線１２３の電位を“ＶＲＳ１”、配線１２４の電位を“ＶＲＳ２”、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ＦＤの電位は確定し、保持される（保持動作）。
【0064】
期間Ｔ４において、配線１２３の電位を“ＶＲＳ１”、配線１２４の電位を“ＶＲＳ２”、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“Ｈ”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（読み出し動作）。
【0065】
【0066】
＜構成例２、３の動作＞
次に、画素１０ｂ、１０ｃの動作の一例を図５（Ｂ）のタイミングチャートを用いて説明する。なお、画素１０ｂ、１０ｃは回路要素の接続形態が異なるが、同一のタイミングチャートで動作することができる。
次に、画素１０ｂ、１０ｃの動作の一例を図５（Ｂ）のタイミングチャートを用いて説明する。なお、画素１０ｂ、１０ｃは回路要素の接続形態が異なるが、同一のタイミングチャートで動作することができる。
【0067】
期間Ｔ１において、配線１２３の電位を“ＶＲＳ１”、配線１２４の電位を“ＶＲＥＦ”、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、トランジスタ１０２が導通し、ノードＦＤには配線１２３の電位“ＶＲＳ１”が供給される。また、トランジスタ１０３が導通し、キャパシタ１０７の他方の電極に配線１２４の電位“ＶＲＥＦ”が供給される。上記動作において、キャパシタ１０７には“ＶＲＳ１－ＶＲＥＦ”が保持される。
【0068】
期間Ｔ２において、配線１２３の電位を“ＶＲＳ１”、配線１２４の電位を“ＶＲＳ２”、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、キャパシタ１０７の他方の電極には、配線１２４の電位“ＶＲＳ２”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“ＶＲＳ１＋ＶＲＳ２’”となる（リセット動作）。
【0069】
回路１１の動作で説明したように、Ｃ１０７の値がＣＦＤの値よりも十分大きく、ＣＦＤの値を無視できるようになれば、ノードＦＤの電位は“ＶＲＳ１＋ＶＲＳ２－ＶＲＥＦ”となる。ここで、“ＶＲＥＦ”が０Ｖであって、ＣＦＤが実際には無視できない値を有することを仮定すると、ノードＦＤの電位は“ＶＲＳ１＋ＶＲＳ２’”として表すことができる。
【0070】
期間Ｔ３において、配線１２３の電位を“ＶＲＳ１”、配線１２４の電位を“ＶＲＳ２”、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、光電変換デバイス１０１の動作に応じてノードＦＤの電位が低下する（蓄積動作）。
【0071】
期間Ｔ４において、配線１２３の電位を“ＶＲＳ１”、配線１２４の電位を“ＶＲＳ２”、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ＦＤの電位は確定し、保持される（保持動作）。
【0072】
期間Ｔ５において、配線１２３の電位を“ＶＲＳ１”、配線１２４の電位を“ＶＲＳ２”、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“Ｈ”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（読み出し動作）。
【0073】
以上が図２に示す画素１０ｂ、および図３に示す画素１０ｃの動作の一例である。なお、画素１０ｂに図４（Ａ）に示す回路１２を適用する場合、および画素１０ｃに図４（Ｂ）に示す回路１２を適用する場合は、“ＶＲＳ１”および“ＶＲＳ２”に負電位を用いればよい。
【0074】
＜構成例１、２、３の変形例＞
本発明の一態様においては、図６（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６（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６（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。
本発明の一態様においては、図６（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６（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６（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。
【0075】
また、図６（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１０ｃのすべてに適用することができる。
【0076】
また、画素１０ａ、１０ｂの変形例として、回路１１は、図７（Ａ）、（Ｂ）に示すように、トランジスタ１０２のソースまたはドレインの一方と、キャパシタ１０７の一方の電極とがトランジスタ１０４を介して電気的に接続される構成であってもよい。
【0077】
また、画素１０ａ、１０ｂ、１０ｃは、変形を伴うことで複数の画素でソースフォロア回路を共有することができる。例えば、図８に示す構成とする。図８は画素１０ａを基本構成として、さらに適切な要素を加えた構成であり、グローバルシャッタ方式にも対応することができる。複数の画素でソースフォロア回路を共有することで、画素一つあたりのトランジスタ数を減らすことができる。
【0078】
図８は、垂直方向の４画素でリセット回路（トランジスタ１１１）およびソースフォロア回路（トランジスタ１０５）を共有する共有型画素回路の構成を示している。画素１０ａ’（画素１０ａ’［１］乃至［４］）は、画素１０ａが有する要素の他、キャパシタ１０９、トランジスタ１１０を有する。
【0079】
キャパシタ１０９の一方の電極は、トランジスタ１０４のソースまたはドレインの他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他方は、トランジスタ１１０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１１０のソースまたはドレインの他方は、トランジスタ１１１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１１１のソースまたはドレインの一方は、トランジスタ１０５のゲートと電気的に接続される。
【0080】
キャパシタ１０９の他方の電極、およびトランジスタ１１１のソースまたはドレインの他方は、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１１０のゲートは、配線１３０と電気的に接続される。トランジスタ１１１のゲートは、配線１３１と電気的に接続される。配線１３０（配線１３０［１］乃至［４］）および配線１３１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。
【0081】
画素１０ａ’［１］乃至［４］のそれぞれにおけるトランジスタ１１０のソースまたはドレインの他方、トランジスタ１１１のソースまたはドレインの一方、およびトランジスタ１０５のゲートが接続される配線がノードＦＤとなる。また、トランジスタ１０４のソースまたはドレインの他方、キャパシタ１０９の一方の電極、およびトランジスタ１１０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。ノードＡＤは、各画素で撮像したデータを保持する機能を有する。
【0082】
【0083】
期間Ｔ１乃至期間Ｔ３の動作は、画素１０ａの動作の説明を参照することができる。なお、蓄積動作で取得したデータは、ノードＡＤ［１］乃至［４］に保持される。
【0084】
期間Ｔ４で配線１３１の電位を“Ｈ”とすると、トランジスタ１１１が導通し、ノードＦＤの電位がリセットされる。リセット電位としては、例えば、ＧＮＤまたは０Ｖなどとすることができる。
【0085】
期間Ｔ５で、配線１３１の電位を“Ｌ”、配線１３０［１］の電位を“Ｈ”、配線１２８の電位を“Ｈ”とすると、トランジスタ１１０が導通し、ノードＡＤ［１］の電位がノードＦＤに分配される。また、トランジスタ１０５のソースフォロア動作およびトランジスタ１０６の導通により、ノードＦＤの電位に従った電位が配線１２９に読み出される。
【0086】
ノードＡＤ［２］乃至［４］にはデータが保持されているため、期間Ｔ６乃至Ｔ１２まで上記動作を繰り返すことで、画素１０ａ’［１］乃至［４］からデータを読み出すことができる。
【0087】
上記説明と同様に、画素１０ｂおよび画素１０ｃも共有型画素回路の構成とすることができる。図１０は、垂直方向４画素の共有型画素回路に画素１０ｂを適用した構成（画素１０ｂ’［１］乃至［４］）を示している。図１１は、垂直方向４画素の共有型画素回路に画素１０ｃを適用した構成（画素１０ｃ’［１］乃至［４］）を示している。いずれの共有型画素回路も図１２に示すタイミングチャートで動作させることができる。
【0088】
図１３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、電源電位を供給する回路２８を有する。画素１０には、画素１０ａ、１０ｂ、１０ｃおよびその変形例のいずれかを用いることができる。
【0089】
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。
【0090】
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。
【0091】
【0092】
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２００ｆＦ、キャパシタ１０８の容量値は１００ｆＦ（画素１０ａは未設定）、光電変換デバイス１０１の容量値は２０ｆＦ、リセット電位１（ＶＲＳ１）は２０Ｖ、リセット電位２（ＶＲＳ２）は２６Ｖ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または＋４６Ｖ、“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。
【0093】
図１４（Ａ）は、図５（Ａ）のタイミングチャートに従って画素１０ａを動作させたときのシミュレーション結果である。横軸は時間、縦軸（左）はゲート配線（ＧＬ１、ＧＬ２）に供給する電圧、縦軸（右）はノードＦＤの電圧を示している。なお、ＧＬ１は配線１２５、ＧＬ２は配線１２６に相当する。
【0094】
ノードＦＤにＶＲＳ１が書き込まれた後、容量比に従ってＶＲＳ２が付加され、高電圧（ＶＲＳ１＋ＶＲＳ２’）が生成できることが確かめられた。
【0095】
図１４（Ｂ）は、図５（Ｂ）のタイミングチャートに従って画素１０ｂを動作させたときのシミュレーション結果である。画素１０ａと同様に、ノードＦＤにＶＲＳ１が書き込まれた後、容量比に従ってＶＲＳ２が付加され、高電圧（ＶＲＳ１＋ＶＲＳ２’）が生成できることが確かめられた。
【0096】
以上のシミュレーション結果により、本発明の一態様を用いることで、高電圧電源回路を用いることなく画素内で高電圧を生成でき、アバランシェフォトダイオードの動作が可能となることが確認できた。
【0097】
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。
【0098】
（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。
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。
【0099】
【0100】
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１５（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。
【0101】
図１５（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。
【0102】
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。
【0103】
また、層５６１が有する光電変換デバイス１０１は、図１５（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１５（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。
【0104】
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。
【0105】
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。
【0106】
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。
【0107】
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。
【0108】
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。
【0109】
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。
【0110】
また、層５６１が有する光電変換デバイス１０１は、図１５（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１５（Ｅ）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。
【0111】
光電変換部の層５６７ｂ、５６７ｄのいずれか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。
【0112】
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。
【0113】
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。
【0114】
図１５（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、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。
【0115】
また、画素は、図１５（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。
【0116】
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。
【0117】
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１５（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。
【0118】
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（Ｃ－Ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）またはＣＡＣ（Ｃｌｏｕｄ－Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）－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。
【0119】
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。
【0120】
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。
【0121】
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。
【0122】
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。
【0123】
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。
【0124】
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。
【0125】
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。
【0126】
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。
【0127】
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。
【0128】
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。
【0129】
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。
【0130】
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。
【0131】
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。
【0132】
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。
【0133】
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。
【0134】
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。
【0135】
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。
【0136】
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。
【0137】
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。
【0138】
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。
【0139】
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。
【0140】
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。
【0141】
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。
【0142】
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。
【0143】
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。
【0144】
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。
【0145】
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。
【0146】
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。
【0147】
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。
【0148】
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。
【0149】
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、ＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２、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。
【0150】
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。
【0151】
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。
【0152】
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。
【0153】
図１６（Ａ）は、図１５（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１６（Ａ）では画素１０ｂを例として、画素回路を構成するトランジスタ１０２、１０４を例示する。
【0154】
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。
【0155】
図１６（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１７（Ａ）に示す。Ｓｉトランジスタは、図１７（Ｂ）に示すようにプレーナー型であってもよい。
【0156】
または、図１７（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。
【0157】
図１６（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。
【0158】
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。
【0159】
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１０４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。
【0160】
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。
【0161】
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。
【0162】
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。
【0163】
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。
【0164】
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。
【0165】
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。
【0166】
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。
【0167】
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。
【0168】
図１６（Ｂ）は、図１５（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。
【0169】
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１０４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。
【0170】
図１８（Ａ）は、図１５（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１８（Ａ）では画素１０ｂを例として、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、画素回路を構成するトランジスタ１０２、１０４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。
【0171】
図１９（Ａ）にＯＳトランジスタの詳細を示す。図１９（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、当該酸化物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。
【0172】
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。
【0173】
ＯＳトランジスタは、図１９（Ｂ）に示すように、ゲート電極２０１をマスクとして酸化物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。
【0174】
または、図１９（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。
【0175】
トランジスタ１０２、１０４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１９（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１９（Ｄ）は図１８（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。
【0176】
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、１０４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。
【0177】
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、１０４の信頼性も向上させることができる。
【0178】
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。
【0179】
図１８（Ｂ）は、図１５（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。
【0180】
図２０（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。
【0181】
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。
【0182】
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。
【0183】
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。
【0184】
また、図２０（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。
【0185】
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。
【0186】
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。
【0187】
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。
【0188】
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。
【0189】
また、図２０（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２０（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。
【0190】
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。
【0191】
図２１（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（図２１（Ａ３）参照）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。
【0192】
図２１（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。
【0193】
図２１（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。
【0194】
また、図２１（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（図２１（Ｂ３）参照）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（図２１（Ｂ３）参照）も設けられており、ＳｉＰ（Ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｐａｃｋａｇｅ）としての構成を有している。
【0195】
図２１（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。
【0196】
図２１（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。
【0197】
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。
【0198】
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。
【0199】
（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２２（Ａ）乃至（Ｆ）に示す。
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２２（Ａ）乃至（Ｆ）に示す。
【0200】
図２２（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のための要素に本発明の一態様の撮像装置を適用することができる。
【0201】
図２２（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のための要素に本発明の一態様の撮像装置を適用することができる。
【0202】
図２２（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。
【0203】
図２２（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のための要素に本発明の一態様の撮像装置を適用することができる。
【0204】
図２２（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のための要素に本発明の一態様の撮像装置を適用することができる。
【0205】
図２２（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のための要素に本発明の一態様の撮像装置を適用することができる。
【0206】
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。
【符号の説明】
【0207】
１０：画素、１０ａ：画素、１０ｂ：画素、１０ｃ：画素、１１：回路、１２：回路、２１：画素アレイ、２２：回路、２３：回路、２４：回路、２５：回路、２６：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、１０９：キャパシタ、１１０：トランジスタ、１１１：トランジスタ、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、１３０：配線、１３１：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、５３７：導電層、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
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】