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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】2024-12-09
(45)【発行日】2024-12-17
(54)【発明の名称】撮像装置および電子機器
(51)【国際特許分類】
H04N 25/771 20230101AFI20241210BHJP
H01L 21/8234 20060101ALI20241210BHJP
H01L 27/088 20060101ALI20241210BHJP
H01L 27/146 20060101ALI20241210BHJP
H01L 29/786 20060101ALI20241210BHJP
H04N 25/70 20230101ALI20241210BHJP
H04N 25/75 20230101ALI20241210BHJP
【ＦＩ】
H04N25/771
H01L27/088 E
H01L27/088 331E
H01L27/146 A
H01L29/78 618B
H04N25/70
H04N25/75
【請求項の数】
14
(21)【出願番号】P 2022504747
(86)(22)【出願日】2021-02-22
(86)【国際出願番号】 IB2021051462
(87)【国際公開番号】W WO2021176295
(87)【国際公開日】2021-09-10
【審査請求日】2024-02-15
(31)【優先権主張番号】P 2020038882
(32)【優先日】2020-03-06
(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】米田 誠一
(72)【発明者】
【氏名】池田 隆之
(72)【発明者】
【氏名】井上 広樹
(72)【発明者】
【氏名】根来 雄介
(72)【発明者】
【氏名】山崎 舜平
【審査官】川俣 郁子
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０１８／２０３１６９（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１８／２１５８８２（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１９／０１２３７０（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１８－２０７２７３（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０４Ｎ ５／３０－５／３３
Ｈ０４Ｎ ２５／００－２５／７９
Ｈ０１Ｌ ２９／７８６
Ｈ０１Ｌ ２１／８２３４
Ｈ０１Ｌ ２７／０８８
Ｈ０１Ｌ ２７／１４６
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
マトリクス状に複数のセルが配置されたセルアレイと、論理回路と、を有し、前記セルは、光電変換素子を有し、
前記セルは、前記光電変換素子を用いて撮像データを取得する機能を有し、
前記セルは、重みデータを保持する機能を有し、
前記論理回路は、前記セルが取得した前記撮像データと、前記撮像データを取得した前記セルとは異なる前記セルに保持された前記重みデータと、を用いて演算を行う機能を有する撮像装置。
【請求項2】
請求項１において、前記論理回路は、前記撮像データと、前記重みデータと、の積を算出する機能を有する撮像装置。
【請求項3】
マトリクス状に複数のセルが配置されたセルアレイと、論理回路と、を有し、前記セルは、光電変換素子を有し、
前記セルは、前記光電変換素子を用いて撮像データを取得する機能を有し、
前記セルは、重みデータを保持する機能を有し、
前記論理回路は、前記複数のセルのうち、第１のセルが第１の撮像データを取得し、第２のセルが第２の撮像データを取得し、第３のセルが第１の重みデータを保持し、第４のセルが第２の重みデータを保持している場合に、前記第１の撮像データと、前記第２の撮像データと、前記第１の重みデータと、前記第２の重みデータと、を用いて演算を行う機能を有する撮像装置。
【請求項4】
請求項３において、前記論理回路は、前記第１の撮像データと前記第１の重みデータの積と、前記第２の撮像データと前記第２の重みデータの積と、の和を算出する機能を有する撮像装置。
【請求項5】
請求項１乃至４のいずれか一項において、前記撮像装置は、読み出し回路を有し、
前記セルは、第１のトランジスタと、第２のトランジスタと、第３のトランジスタと、第４のトランジスタと、を有し、
前記光電変換素子の一方の電極は、前記第１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、
前記第１のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、前記第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、
前記第２のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、前記第３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またはドレインの一方は、前記第４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、
前記第３のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、前記論理回路と電気的に接続され、
前記第４のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、前記読み出し回路と電気的に接続され、
前記セルは、前記第２のトランジスタのソースおよびドレインを介して供給された前記重みデータを保持する機能を有し、
前記セルは、前記撮像データを、前記第３のトランジスタのソースもしくはドレインの他方、または前記第４のトランジスタのソースもしくはドレインの他方から出力する機能を有し、
前記セルは、前記重みデータを、前記第３のトランジスタのソースもしくはドレインの他方から出力する機能を有する撮像装置。
【請求項6】
請求項５において、前記セルは、前記第３のトランジスタのソースまたはドレインの他方から、前記撮像データを二値のデータとして出力する機能を有し、
前記セルは、前記第３のトランジスタのソースまたはドレインの他方から、前記重みデータを二値のデータとして出力する機能を有する撮像装置。
【請求項7】
請求項５または６において、前記第１のトランジスタ、および前記第２のトランジスタは、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、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、ＮｄまたはＨｆ）と、を有する撮像装置。
【請求項8】
請求項５乃至７のいずれか一項において、着色層を有し、
前記第１乃至第４のトランジスタの少なくとも一と、前記光電変換素子と、前記着色層と、は互いに重なる領域を有し、
前記着色層は、マイクロレンズの機能を有する撮像装置。
【請求項9】
請求項８において、前記論理回路は、第５のトランジスタを有し、
前記第５のトランジスタと、前記第１乃至第４のトランジスタの少なくとも一と、前記光電変換素子と、前記着色層と、は互いに重なる領域を有する撮像装置。
【請求項10】
請求項１乃至４のいずれか一項において、前記撮像装置は、読み出し回路と、Ａ／Ｄ変換回路と、を有し、
前記セルは、第１のトランジスタと、第２のトランジスタと、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、を有し、
前記光電変換素子の一方の電極は、前記第１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、
前記第１のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、前記第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、
前記第２のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、前記第３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またはドレインの一方は、前記第４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、
前記第４のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、前記第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、
前記第４のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、前記読み出し回路と電気的に接続され、
前記第５のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、前記Ａ／Ｄ変換回路と電気的に接続され、
前記Ａ／Ｄ変換回路は、前記論理回路と電気的に接続され、
前記第３のトランジスタのソースまたはドレインの他方には、第１の電位が供給され、
前記第５のトランジスタのソースまたはドレインの他方には、第２の電位が供給され、
前記セルは、前記第２のトランジスタのソースおよびドレインを介して供給された前記重みデータを保持する機能を有し、
前記セルは、前記撮像データを、前記第３のトランジスタのソースもしくはドレインの一方、または前記第４のトランジスタのソースもしくはドレインの他方から出力する機能を有し、
前記セルは、前記重みデータを、前記第３のトランジスタのソースもしくはドレインの一方から出力する機能を有する撮像装置。
【請求項11】
請求項１０において、前記第１のトランジスタ、および前記第２のトランジスタは、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、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、ＮｄまたはＨｆ）と、を有する撮像装置。
【請求項12】
請求項１０または１１において、着色層を有し、
前記第１乃至第５のトランジスタの少なくとも一と、前記光電変換素子と、前記着色層と、は互いに重なる領域を有し、
前記着色層は、マイクロレンズの機能を有する撮像装置。
【請求項13】
請求項１２において、前記論理回路は、第６のトランジスタを有し、
前記第６のトランジスタと、前記第１乃至第５のトランジスタの少なくとも一と、前記光電変換素子と、前記着色層と、は互いに重なる領域を有する撮像装置。
【請求項14】
請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の撮像装置と、表示部と、を有する電子機器。【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、および電子機器に関する。
【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、撮像装置に演算機能を付加する技術が特許文献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２０１６－１２３０８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
ＣＭＯＳイメージセンサなどの固体撮像素子を備える撮像装置では、技術発展により高画質な画像を容易に撮像できるようになっている。次世代においては、例えば撮像した画像に対して画像処理を行うことなどにより、画像認識機能などの様々な付加機能を撮像装置に搭載することが求められている。
【0008】
したがって、本発明の一態様では、画像処理を行うことができる撮像装置を提供することを課題の一つとする。または、低消費電力の撮像装置を提供することを課題の一つとする。または、高速に駆動させることができる撮像装置を提供することを課題の一つとする。または、小型の撮像装置を提供することを課題の一つとする。または、信頼性の高い撮像装置を提供することを課題の一つとする。または、光の検出感度が高い撮像装置を提供することを課題の一つとする。または、新規な撮像装置などを提供することを課題の一つとする。または、上記撮像装置などの駆動方法を提供することを課題の一つとする。または、新規な半導体装置などを提供することを課題の一つとする。
【0009】
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】
【0010】
本発明の一態様は、マトリクス状に複数のセルが配置されたセルアレイと、論理回路と、を有し、セルは、光電変換素子を有し、セルは、光電変換素子を用いて撮像データを取得する機能を有し、セルは、重みデータを保持する機能を有し、論理回路は、セルが取得した撮像データと、撮像データを取得したセルとは異なるセルに保持された重みデータと、を用いて演算を行う機能を有する撮像装置である。
【0011】
または、上記態様において、論理回路は、撮像データと、重みデータと、の積を算出する機能を有してもよい。
【0012】
または、本発明の一態様は、マトリクス状に複数のセルが配置されたセルアレイと、論理回路と、を有し、セルは、光電変換素子を有し、セルは、光電変換素子を用いて撮像データを取得する機能を有し、セルは、重みデータを保持する機能を有し、論理回路は、複数のセルのうち、第１のセルが第１の撮像データを取得し、第２のセルが第２の撮像データを取得し、第３のセルが第１の重みデータを保持し、第４のセルが第２の重みデータを保持している場合に、第１の撮像データと、第２の撮像データと、第１の重みデータと、第２の重みデータと、を用いて演算を行う機能を有する撮像装置である。
【0013】
または、上記態様において、論理回路は、第１の撮像データと第１の重みデータの積と、第２の撮像データと第２の重みデータの積と、の和を算出する機能を有してもよい。
【0014】
または、上記態様において、撮像装置は、読み出し回路を有し、セルは、第１のトランジスタと、第２のトランジスタと、第３のトランジスタと、第４のトランジスタと、を有し、光電変換素子の一方の電極は、第１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他方は、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２のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、第３のトランジスタのゲート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一方は、第４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、論理回路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他方は、読み出し回路と電気的に接続され、セルは、第２のトランジスタのソースおよびドレインを介して供給された重みデータを保持する機能を有し、セルは、撮像データを、第３のトランジスタのソースもしくはドレインの他方、または第４のトランジスタのソースもしくはドレインの他方から出力する機能を有し、セルは、重みデータを、第３のトランジスタのソースもしくはドレインの他方から出力する機能を有してもよい。
【0015】
または、上記態様において、セルは、第３のトランジスタのソースまたはドレインの他方から、撮像データを二値のデータとして出力する機能を有し、セルは、第３のトランジスタのソースまたはドレインの他方から、重みデータを二値のデータとして出力する機能を有してもよい。
【0016】
または、上記態様において、第１のトランジスタ、および第２のトランジスタは、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、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、ＮｄまたはＨｆ）と、を有してもよい。
【0017】
または、上記態様において、着色層を有し、第１乃至第４のトランジスタの少なくとも一と、光電変換素子と、着色層と、は互いに重なる領域を有し、着色層は、マイクロレンズの機能を有してもよい。
【0018】
または、上記態様において、論理回路は、第５のトランジスタを有し、第５のトランジスタと、第１乃至第４のトランジスタの少なくとも一と、光電変換素子と、着色層と、は互いに重なる領域を有してもよい。
【0019】
または、上記態様において、撮像装置は、読み出し回路と、Ａ／Ｄ変換回路と、を有し、セルは、第１のトランジスタと、第２のトランジスタと、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、を有し、光電変換素子の一方の電極は、第１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他方は、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２のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、第３のトランジスタのゲート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一方は、第４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、第４のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、読み出し回路と電気的に接続され、第５のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、Ａ／Ｄ変換回路と電気的に接続され、Ａ／Ｄ変換回路は、論理回路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には、第１の電位が供給され、第５のトランジスタのソースまたはドレインの他方には、第２の電位が供給され、セルは、第２のトランジスタのソースおよびドレインを介して供給された重みデータを保持する機能を有し、セルは、撮像データを、第３のトランジスタのソースもしくはドレインの一方、または第４のトランジスタのソースもしくはドレインの他方から出力する機能を有し、セルは、重みデータを、第３のトランジスタのソースもしくはドレインの一方から出力する機能を有してもよい。
【0020】
または、上記態様において、第１のトランジスタ、および第２のトランジスタは、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、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、ＮｄまたはＨｆ）と、を有してもよい。
【0021】
または、上記態様において、着色層を有し、第１乃至第５のトランジスタの少なくとも一と、光電変換素子と、着色層と、は互いに重なる領域を有し、着色層は、マイクロレンズの機能を有してもよい。
【0022】
または、上記態様において、論理回路は、第６のトランジスタを有し、第６のトランジスタと、第１乃至第５のトランジスタの少なくとも一と、光電変換素子と、着色層と、は互いに重なる領域を有してもよい。
【0023】
本発明一態様の撮像装置と、表示部と、を有する電子機器も、本発明の一態様である。
【発明の効果】
【0024】
本発明の一態様を用いることで、画像処理を行うことができる撮像装置を提供することができる。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、高速に駆動させ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、小型の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、光の検出感度が高い撮像装置を提供することができる。または、新規な撮像装置などを提供することができる。または、上記撮像装置などの駆動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。
【0025】
なお、本発明の一態様の効果は、上記列挙した効果に限定されない。上記列挙した効果は、他の効果の存在を妨げるものではない。なお、他の効果は、以下の記載で述べる、本項目で言及していない効果である。本項目で言及していない効果は、当業者であれば、明細書、図面などの記載から導き出せるものであり、これらの記載から適宜抽出することができる。なお、本発明の一態様は、上記列挙した効果、および／または他の効果のうち、少なくとも一つの効果を有するものである。したがって本発明の一態様は、場合によっては、上記列挙した効果を有さない場合もある。
【図面の簡単な説明】
【0026】
図１は、撮像装置の構成例を説明するブロック図である。
図２Ａおよび図２Ｂは、セルの構成例を説明する回路図である。
図３は、演算回路の構成例を説明する回路図である。
図４Ａおよび図４Ｂは、演算の一例を説明する図である。
図５Ａおよび図５Ｂは、演算の一例を説明する図である。
図６は、演算の一例を説明する図である。
図７は、撮像装置の構成例を説明する回路図である。
図８は、撮像装置の駆動方法の一例を説明するタイミングチャートである。
図９は、撮像装置の駆動方法の一例を説明する図である。
図１０は、撮像装置の駆動方法の一例を説明するタイミングチャートである。
図１１は、撮像装置の駆動方法の一例を説明する回路図である。
図１２Ａおよび図１２Ｂは、セルの構成例を説明する回路図である。
図１３は、演算回路の構成例を説明する回路図である。
図１４は、撮像装置の構成例を説明する回路図である。
図１５は、撮像装置の駆動方法の一例を説明するタイミングチャートである。
図１６は、撮像装置の駆動方法の一例を説明するタイミングチャートである。
図１７Ａおよび図１７Ｂは、撮像装置の駆動方法の一例を説明する回路図である。
図１８Ａ乃至図１８Ｅは、撮像装置の構成例を説明する斜視図である。
図１９Ａおよび図１９Ｂは、撮像装置の構成例を説明する断面図である。
図２０Ａ乃至図２０Ｃは、撮像装置の構成例を説明する断面図である。
図２１Ａおよび図２１Ｂは、撮像装置の構成例を説明する断面図である。
図２２Ａ乃至図２２Ｄは、撮像装置の構成例を説明する断面図である。
図２３Ａ乃至図２３Ｃは、撮像装置の構成例を説明する斜視図である。
図２４Ａおよび図２４Ｂは、撮像装置の構成例を説明する断面図である。
図２５Ａおよび図２５Ｂは、撮像装置の構成例を説明する断面図である。
図２６Ａおよび図２６Ｂは、撮像装置の構成例を説明する断面図である。
図２７Ａおよび図２７Ｂは、撮像装置の構成例を説明する断面図である。
図２８Ａおよび図２８Ｂは、撮像装置の構成例を説明する斜視図である。
図２９ＡはＩＧＺＯの結晶構造の分類を説明する図である。図２９ＢはＣＡＡＣ－ＩＧＺＯ膜のＸＲＤスペクトルを説明する図である。図２９ＣはＣＡＡＣ－ＩＧＺＯ膜の極微電子線回折パターンを説明する図である。
図３０Ａ１乃至図３０Ｂ３は、撮像装置を収めたパッケージ、及びモジュールの斜視図である。
図３１Ａ乃至図３１Ｆは、電子機器を説明する図である。
図３２Ａおよび図３２Ｂは、自動車を説明する図である。
図２Ａおよび図２Ｂは、セルの構成例を説明する回路図である。
図３は、演算回路の構成例を説明する回路図である。
図４Ａおよび図４Ｂは、演算の一例を説明する図である。
図５Ａおよび図５Ｂは、演算の一例を説明する図である。
図６は、演算の一例を説明する図である。
図７は、撮像装置の構成例を説明する回路図である。
図８は、撮像装置の駆動方法の一例を説明するタイミングチャートである。
図９は、撮像装置の駆動方法の一例を説明する図である。
図１０は、撮像装置の駆動方法の一例を説明するタイミングチャートである。
図１１は、撮像装置の駆動方法の一例を説明する回路図である。
図１２Ａおよび図１２Ｂは、セルの構成例を説明する回路図である。
図１３は、演算回路の構成例を説明する回路図である。
図１４は、撮像装置の構成例を説明する回路図である。
図１５は、撮像装置の駆動方法の一例を説明するタイミングチャートである。
図１６は、撮像装置の駆動方法の一例を説明するタイミングチャートである。
図１７Ａおよび図１７Ｂは、撮像装置の駆動方法の一例を説明する回路図である。
図１８Ａ乃至図１８Ｅは、撮像装置の構成例を説明する斜視図である。
図１９Ａおよび図１９Ｂは、撮像装置の構成例を説明する断面図である。
図２０Ａ乃至図２０Ｃは、撮像装置の構成例を説明する断面図である。
図２１Ａおよび図２１Ｂは、撮像装置の構成例を説明する断面図である。
図２２Ａ乃至図２２Ｄは、撮像装置の構成例を説明する断面図である。
図２３Ａ乃至図２３Ｃは、撮像装置の構成例を説明する斜視図である。
図２４Ａおよび図２４Ｂは、撮像装置の構成例を説明する断面図である。
図２５Ａおよび図２５Ｂは、撮像装置の構成例を説明する断面図である。
図２６Ａおよび図２６Ｂは、撮像装置の構成例を説明する断面図である。
図２７Ａおよび図２７Ｂは、撮像装置の構成例を説明する断面図である。
図２８Ａおよび図２８Ｂは、撮像装置の構成例を説明する斜視図である。
図２９ＡはＩＧＺＯの結晶構造の分類を説明する図である。図２９ＢはＣＡＡＣ－ＩＧＺＯ膜のＸＲＤスペクトルを説明する図である。図２９ＣはＣＡＡＣ－ＩＧＺＯ膜の極微電子線回折パターンを説明する図である。
図３０Ａ１乃至図３０Ｂ３は、撮像装置を収めたパッケージ、及びモジュールの斜視図である。
図３１Ａ乃至図３１Ｆは、電子機器を説明する図である。
図３２Ａおよび図３２Ｂは、自動車を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
（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説明する。
【0031】
本発明の一態様は、画像認識機能などの付加機能を備えた撮像装置である。当該撮像装置は、マトリクス状に配列された画素が、撮像データを取得する機能と、重みデータを保持する機能と、を有する。マトリクス状に配列された画素のうち、一部の画素が撮像データを取得し、残りの画素により重みデータを保持する。そして、撮像データと、重みデータと、を用いた演算を行う。例えば、撮像データと、重みデータと、の積を全ての撮像データに対して算出し、当該算出した積を合計する演算を行うことができる。つまり、積和演算を行うことができる。演算結果を、畳み込みニューラルネットワーク（ＣＮＮ）などのニューラルネットワークなどに取り込むことで、撮像データに対して画像処理を行うことができるため、付加機能を使用することができる。
【0032】
＜撮像装置の構成例＿１＞
図１は、本発明の一態様の撮像装置である撮像装置１０の構成例を説明するブロック図である。撮像装置１０には、セル１２がｍ行ｎ列（ｍ、ｎは１以上の整数）のマトリクス状に配列されてセルアレイ１１が構成されている。また、撮像装置１０は、ロードライバ回路１３と、データ生成回路１４と、読み出し回路１６と、演算回路１７と、トランジスタ２７と、を有する。なお、図１に示す各回路は、単一の回路構成に限らず、複数の回路で構成される場合がある。または、上記いずれか複数の回路が統合されていてもよい。
図１は、本発明の一態様の撮像装置である撮像装置１０の構成例を説明するブロック図である。撮像装置１０には、セル１２がｍ行ｎ列（ｍ、ｎは１以上の整数）のマトリクス状に配列されてセルアレイ１１が構成されている。また、撮像装置１０は、ロードライバ回路１３と、データ生成回路１４と、読み出し回路１６と、演算回路１７と、トランジスタ２７と、を有する。なお、図１に示す各回路は、単一の回路構成に限らず、複数の回路で構成される場合がある。または、上記いずれか複数の回路が統合されていてもよい。
【0033】
本明細書などにおいて、例えば１行１列目のセル１２をセル１２［１，１］と記載し、ｍ行ｎ列目のセル１２をセル１２［ｍ，ｎ］と記載する。
【0034】
ロードライバ回路１３は、配線３５を介してセル１２と電気的に接続される。ここで、例えば同一行のセル１２は、同一の配線３５を介してロードライバ回路１３と電気的に接続することができる。本明細書などにおいて、例えば１行目のセル１２と電気的に接続される配線３５を配線３５［１］と記載し、２行目のセル１２と電気的に接続される配線３５を配線３５［２］と記載し、ｍ行目のセル１２と電気的に接続される配線３５を配線３５［ｍ］と記載する。なお、他の配線などについても同様の記載をする場合がある。
【0035】
データ生成回路１４は、配線４３を介してセル１２と電気的に接続される。ここで、例えば同一列のセル１２は、同一の配線４３を介してデータ生成回路１４と電気的に接続することができる。本明細書などにおいて、例えば１列目のセル１２と電気的に接続される配線４３を配線４３［１］と記載し、２列目のセル１２と電気的に接続される配線４３を配線４３［２］と記載し、ｎ列目のセル１２と電気的に接続される配線４３を配線４３［ｎ］と記載する。なお、他の配線などについても同様の記載をする場合がある。
【0036】
読み出し回路１６は、配線４５を介してセル１２と電気的に接続される。ここで、例えば同一列のセル１２は、同一の配線４５を介して読み出し回路１６と電気的に接続することができる。
【0037】
演算回路１７は、配線４４を介してセル１２と電気的に接続される。ここで、例えばセル１２ごとに異なる配線４４と電気的に接続することができる。本明細書などにおいて、例えばセル１２［１，１］と電気的に接続される配線４４を配線４４［１，１］と記載し、セル１２［ｍ，ｎ］と電気的に接続される配線４４を配線４４［ｍ，ｎ］と記載する。なお、他の配線などについても同様の記載をする場合がある。
【0038】
トランジスタ２７のソースまたはドレインの一方は、配線４５と電気的に接続される。トランジスタ２７のソースまたはドレインの他方は、配線４７と電気的に接続される。トランジスタ２７のゲートは、配線３７と電気的に接続される。ここで、例えば配線４５［１］と電気的に接続されるトランジスタ２７をトランジスタ２７［１］と記載し、配線４５［２］と電気的に接続されるトランジスタ２７をトランジスタ２７［２］と記載し、配線４５［ｎ］と電気的に接続されるトランジスタ２７をトランジスタ２７［ｎ］と記載する。
【0039】
配線４７は、電源線としての機能を有する。例えば、配線４７には、低電位を供給することができる。また、配線３７は、トランジスタ２７の導通／非導通を制御する信号線としての機能を有する。
【0040】
セル１２は、光電変換素子を有し、当該光電変換素子を用いて撮像データを取得する機能を有する。つまり、セル１２は、画素としての機能を有する。また、詳細は後述するが、セル１２は、データ生成回路１４が生成した重みデータを保持する機能を有する。よって、セル１２は、メモリとしての機能を有する。
【0041】
本明細書等において、「素子」という用語は、「デバイス」という用語に言い換えることができる場合がある。例えば、「光電変換素子」は、「光電変換デバイス」と言い換えることができる。
【0042】
ロードライバ回路１３は、セル１２を選択する機能を有する。ロードライバ回路１３は、例えば、撮像データを読み出すセル１２を選択する機能を有する。ロードライバ回路１３は、例えば選択信号を生成し、生成した選択信号を配線３５を介してセル１２に供給することにより、セル１２を選択する機能を有する。よって、配線３５は、信号線としての機能を有する。
【0043】
データ生成回路１４は、重みデータを生成する機能を有する。生成された重みデータは、配線４３を介してセル１２に供給され、保持される。具体的には、撮像データを取得していないセル１２に重みデータが供給され、保持される。また、データ生成回路１４は、セル１２が撮像動作の前に行うリセット動作の際にセル１２に供給するデータである、リセットデータを生成し、配線４３を介してセル１２に供給する機能を有する。以上より、配線４３は、データ線としての機能を有する。
【0044】
読み出し回路１６は、カラムドライバ回路を有する。カラムドライバ回路は、撮像データを読み出すセル１２を選択する機能を有する。また、読み出し回路１６は、相関二重サンプリング回路（ＣＤＳ回路）、およびアナログデジタル変換回路（Ａ／Ｄ変換回路）などを有することができる。ここで、セル１２から配線４５に出力された撮像データが、読み出し回路１６に供給される。よって、配線４５は、出力線としての機能を有する。
【0045】
演算回路１７は、撮像データと、重みデータと、を用いた演算を行う機能を有する。前述のように、演算結果をＣＮＮなどのニューラルネットワークなどに取り込むことで、画像処理を行うことができる。演算回路１７が行う演算の詳細については後述する。ここで、セル１２から配線４４に出力された撮像データ、および重みデータが、演算回路１７に供給される。よって、配線４４は、出力線としての機能を有する。
【0046】
撮像装置１０は、第１のモード、または第２のモードにより駆動させることができる。第１のモードでは、例えばすべてのセル１２が撮像データを取得し、取得した撮像データを読み出し回路１６に出力する。一方、第２のモードでは、一部のセル１２が撮像データを取得し、残りのセル１２には重みデータを保持する。そして、撮像データと、重みデータと、を演算回路１７に出力する。
【0047】
以上より、第１のモードでは、データ生成回路１４が生成した重みデータを用いた演算を行わずに、撮像データを撮像装置１０の外部に出力する。よって、第１のモードは、付加機能を使用しないモードである。一方、第２のモードでは、撮像データと、重みデータと、を用いた演算を行うことにより、画像処理を行う。よって、第２のモードは、付加機能を使用するモードである。第１のモードは、例えばすべてのセル１２を撮像データの取得のために用いるため、付加機能を使用できない代わりに、撮像データが表す画像の解像度を、第２のモードにおける撮像データが表す画像の解像度より高くすることができる。なお、第１のモードでは、演算回路１７は駆動を停止させることができる。また、第２のモードでは、読み出し回路１６は駆動を停止させることができる。
【0048】
図２Ａは、セル１２の構成例を示す回路図である。セル１２は、光電変換素子２１と、トランジスタ２２と、トランジスタ２３と、トランジスタ２４と、トランジスタ２５と、トランジスタ２６と、を有する。
【0049】
光電変換素子２１の一方の電極は、トランジスタ２２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２２のソースまたはドレインの他方は、トランジスタ２３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２３のソースまたはドレインの一方は、トランジスタ２４のゲートと電気的に接続される。トランジスタ２４のソースまたはドレインの一方は、トランジスタ２５のソースまたはドレインの一方と電気的に接続される。
【0050】
光電変換素子２１の他方の電極は、配線４１と電気的に接続される。トランジスタ２２のゲートは、配線３２と電気的に接続される。トランジスタ２３のソースまたはドレインの他方は、配線４３と電気的に接続される。トランジスタ２３のゲートは、配線３３と電気的に接続される。トランジスタ２４のソースまたはドレインの他方、およびトランジスタ２６のソースまたはドレインの一方は、配線４４と電気的に接続される。トランジスタ２５のソースまたはドレインの他方は、配線４５と電気的に接続される。トランジスタ２５のゲートは、配線３５と電気的に接続される。トランジスタ２６のソースまたはドレインの他方は、配線４６と電気的に接続される。トランジスタ２６のゲートは、配線３６と電気的に接続される。
【0051】
図２Ａでは、光電変換素子２１の一方の電極をアノードとし、光電変換素子２１の他方の電極をカソードとしている。よって、図２Ａでは、光電変換素子２１のアノードは、トランジスタ２２のソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、光電変換素子２１のカソードは、配線４１と電気的に接続される。
【0052】
ここで、トランジスタ２２のソースまたはドレインの他方と、トランジスタ２３のソースまたはドレインの一方と、トランジスタ２４のゲートとの電気的な接続点をノードＦＤとする。
【0053】
配線４１、および配線４６は、電源線としての機能を有する。例えば、配線４１、および配線４６には高電位を供給することができる。また、配線３２、配線３３、および配線３６には、各トランジスタの導通／非導通を制御する信号が供給される。よって、配線３２、配線３３、および配線３６は、信号線としての機能を有する。
【0054】
光電変換素子２１は、撮像データを取得する機能を有する。光電変換素子２１としては、フォトダイオードを用いることができる。低照度時の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。
【0055】
トランジスタ２２は、光電変換素子２１に照射された光の照度に応じて光電変換素子２１に蓄積された電荷の、ノードＦＤへの転送を制御する機能を有する。よって、トランジスタ２２は、転送トランジスタとしての機能を有する。
【0056】
トランジスタ２３は、データ生成回路１４が生成したリセットデータ、および重みデータに対応する電位の、ノードＦＤへの供給を制御する機能を有する。よって、トランジスタ２３は、リセットトランジスタとしての機能を有する。
【0057】
トランジスタ２４は、配線４４の電位、または配線４５の電位が、ノードＦＤの電位と対応する電位となるようにする機能を有する。これにより、セル１２が取得した撮像データが、配線４４または配線４５を介して読み出され、セル１２に保持された重みデータが、配線４４を介して読み出される。ここで、セル１２に保持された撮像データ、または重みデータは、トランジスタ２４により増幅されて出力される。よって、トランジスタ２４は、増幅トランジスタとしての機能を有する。
【0058】
トランジスタ２５は、撮像データを読み出し回路１６へ出力するセル１２の選択を制御する機能を有する。よって、トランジスタ２５は、選択トランジスタとしての機能を有する。
【0059】
トランジスタ２６は、配線４４の電位を制御する機能を有する。トランジスタ２６を導通状態とすると、配線４４の電位が配線４６の電位に対応する電位となる。これにより、配線４４をプリチャージすることができる。よって、トランジスタ２６は、配線４４のプリチャージを制御する機能を有する。したがって、トランジスタ２６は、プリチャージトランジスタとしての機能を有する。
【0060】
本明細書などにおいて、トランジスタが導通状態である、またはトランジスタがオン状態であるとは、トランジスタのドレイン－ソース間に電流が流れる状態であることを示す。例えば、トランジスタのゲート電位と、ソース電位と、の差を、当該トランジスタのしきい値電圧以上とすることにより、トランジスタを導通状態とすることができる。また、トランジスタが非導通状態である、またはトランジスタがオフ状態であるとは、トランジスタのドレイン－ソース間に電流が流れない状態であることを示す。トランジスタのゲート電位と、ソース電位と、の差を、当該トランジスタのしきい値電圧未満とすることにより、トランジスタを非導通状態とすることができる。
【0061】
ここで、トランジスタ２２、およびトランジスタ２３には、オフ電流が極めて小さいトランジスタを用いることが好ましい。これにより、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。このため、セル１２が、撮像データ、および重みデータを長期間保持することができる。セル１２が重みデータを長期間保持することができることにより、リフレッシュ動作の頻度を少なくすることができる。よって、撮像装置１０の消費電力を低減することができる。また、セル１２が撮像データを長期間保持することができることにより、回路構成や駆動方法を複雑にすることなく、全てのセル１２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。また、ノードＦＤに撮像データを保持させつつ、当該撮像データを用いた複数回の演算を行うこともできる。オフ電流が極めて小さいトランジスタとして、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）などが挙げられる。
【0062】
また、ＯＳトランジスタは、耐圧が高いという特性を有する。ここで、光電変換素子２１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るため、光電変換素子２１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。よって、光電変換素子２１にアバランシェフォトダイオードを用いる場合は、トランジスタ２２としてＯＳトランジスタを用いることが好ましい。
【0063】
ここで、トランジスタ２２およびトランジスタ２３をＯＳトランジスタとする場合は、トランジスタ２４乃至トランジスタ２６もＯＳトランジスタとすることが好ましい。トランジスタ２２乃至トランジスタ２６をすべて同一の種類のトランジスタとすることにより、セル１２が有するトランジスタをすべて同一工程で形成することができる。これにより、簡易な方法で撮像装置１０を作製することができる。
【0064】
なお、トランジスタ２２乃至トランジスタ２６として、ＯＳトランジスタ以外のトランジスタを用いてもよい。例えば、トランジスタ２２乃至トランジスタ２６として、シリコンをチャネル形成領域に用いたトランジスタ（以下、Ｓｉトランジスタ）を用いることが好ましい。例えば、トランジスタ２２乃至トランジスタ２６として、単結晶シリコンをチャネル形成領域に用いたトランジスタを用いると、トランジスタ２２乃至トランジスタ２６のオン電流が大きくなる。よって、撮像装置１０を高速に駆動させることができる。
【0065】
図２Ｂは、セル１２の構成例を示す回路図であり、図２Ａに示す構成の変形例である。図２Ｂに示すセル１２は、光電変換素子２１のカソードがトランジスタ２２のソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、光電変換素子２１のアノードが配線４１と電気的に接続される点が、図２Ａに示すセル１２と異なる。図２Ｂに示すセル１２では、配線４１の電位は低電位とすることができる。
【0066】
図３は、演算回路１７の構成例を示す回路図である。演算回路１７は、論理回路５１と、トランジスタ５２［１，１］乃至トランジスタ５２［ｐ，ｑ］（ｐ、ｑは１以上の整数）と、を有する。なお、図３の演算回路１７では、トランジスタ５２がｐ×ｑのマトリクス状に配置されている構成となっている。
【0067】
論理回路５１の入力端子は、配線４４［１，１］乃至配線４４［ｍ，ｎ］と電気的に接続される。論理回路５１の出力端子は、トランジスタ５２［１，１］乃至トランジスタ５２［ｐ，ｑ］のソースまたはドレインの一方と電気的に接続される。ここで、論理回路５１は、例えばｍ×ｎ個の入力端子を有し、それぞれの入力端子が異なる配線４４と電気的に接続される構成とすることができる。また、論理回路５１は、例えばｐ×ｑ個の出力端子を有し、それぞれの出力端子が異なるトランジスタ５２と電気的に接続される構成とすることができる。
【0068】
また、例えば同一列のトランジスタ５２のソースまたはドレインの他方は、互いに電気的に接続することができる。例えば、１列目に位置するトランジスタ５２［１，１］乃至トランジスタ５２［ｐ，１］のソースまたはドレインの他方は互いに電気的に接続することができ、ｑ列目に位置するトランジスタ５２［１，ｑ］乃至トランジスタ５２［ｐ，ｑ］のソースまたはドレインの他方は互いに電気的に接続することができる。
【0069】
トランジスタ５２のゲートは、配線５３と電気的に接続される。ここで、例えば同一行のトランジスタ５２のゲートは、同一の配線５３を介して互いに電気的に接続することができる。配線５３には、トランジスタ５２の導通／非導通を制御する信号が供給される。よって、配線５３は、信号線としての機能を有する。
【0070】
論理回路５１は、セル１２から出力された撮像データ、および重みデータを用いて論理演算を行う機能を有する。論理回路５１は、デジタルデータを用いて論理演算を行う機能を有する。演算結果は、例えばｐ行ｑ列の行列によって表すことができ、行列の各成分を表すデータが、論理回路５１の出力端子から出力される。
【0071】
トランジスタ５２は、論理回路５１による演算結果の読み出しを制御する機能を有する。例えば、論理回路５１が、演算結果としてｐ行ｑ列の行列を出力するものとする。この場合、トランジスタ５２［１，１］を導通状態とすると、１行１列目の成分を読み出すことができ、トランジスタ５２［ｐ，ｑ］を導通状態とすると、ｐ行ｑ列目の成分を読み出すことができる。
【0072】
論理回路５１が有するトランジスタ、およびトランジスタ５２として、Ｓｉトランジスタを用いることが好ましい。例えば、論理回路５１が有するトランジスタ、およびトランジスタ５２として、単結晶シリコンをチャネル形成領域に用いたトランジスタを用いることが好ましい。前述のように、単結晶シリコンをチャネル形成領域に用いたトランジスタは、オン電流が大きい。よって、論理回路５１が有するトランジスタとして、単結晶シリコンをチャネル形成領域に用いたトランジスタを用いると、論理回路５１が高速に演算を行うことができる。また、トランジスタ５２として、単結晶シリコンをチャネル形成領域に用いたトランジスタを用いると、論理回路５１による演算結果の読み出しを高速に行うことができる。なお、Ｓｉトランジスタとして、非晶質シリコン、微結晶シリコン、または多結晶シリコンをチャネル形成領域に用いたトランジスタを用いてもよい。
【0073】
＜演算の一例＞
図４Ａ、図４Ｂ、図５Ａ、および図５Ｂは、セル１２に保持されているデータ、および論理回路５１が行う演算の一例を示す図である。ここで、撮像データを“ｘ”で示し、重みデータを“ｗ”で示す。また、異なる撮像データを区別するために、“ｘ”に数字を付し、異なる重みデータを区別するために、“ｗ”に英数字を付している。
図４Ａ、図４Ｂ、図５Ａ、および図５Ｂは、セル１２に保持されているデータ、および論理回路５１が行う演算の一例を示す図である。ここで、撮像データを“ｘ”で示し、重みデータを“ｗ”で示す。また、異なる撮像データを区別するために、“ｘ”に数字を付し、異なる重みデータを区別するために、“ｗ”に英数字を付している。
【0074】
図４Ａ、図４Ｂ、図５Ａ、および図５Ｂでは、セル１２［１，１］乃至セル１２［６，１２］を示し、撮像データが保持されているセル１２にハッチングを付している。図４Ａ、図４Ｂ、図５Ａ、および図５Ｂでは、４個のセル１２のうち、１個のセル１２に撮像データを保持し、３個のセル１２に重みデータを保持するとしている。具体的には、奇数行奇数列目のセル１２には撮像データを保持し、その他のセル１２には重みデータを保持するとしている。
【0075】
図４Ａでは、撮像データｘ１１乃至撮像データｘ３３と、重みデータｗａ１乃至重みデータｗａ９と、の間で積和演算を行うことにより、畳み込みデータＣａ１を取得する様子を示している。また、撮像データｘ１１乃至撮像データｘ３３と、重みデータｗｂ１乃至重みデータｗｂ９と、の間で積和演算を行うことにより、畳み込みデータＣｂ１を取得する様子を示している。さらに、撮像データｘ１１乃至撮像データｘ３３と、重みデータｗｃ１乃至重みデータｗｃ９と、の間で積和演算を行うことにより、畳み込みデータＣｃ１を取得する様子を示している。
【0076】
図４Ｂでは、撮像データｘ１２乃至撮像データｘ３４と、重みデータｗａ１乃至重みデータｗａ９と、の間で積和演算を行うことにより、畳み込みデータＣａ２を取得する様子を示している。また、撮像データｘ１２乃至撮像データｘ３４と、重みデータｗｂ１乃至重みデータｗｂ９と、の間で積和演算を行うことにより、畳み込みデータＣｂ２を取得する様子を示している。さらに、撮像データｘ１２乃至撮像データｘ３４と、重みデータｗｃ１乃至重みデータｗｃ９と、の間で積和演算を行うことにより、畳み込みデータＣｃ２を取得する様子を示している。
【0077】
図４Ｂに示すように、例えば畳み込みデータＣａ２を取得する際は、撮像データｘ１２と、重みデータｗａ１と、の積を算出する。ここで、重みデータｗａ１は、セル１２［１，２］の他に、セル１２［１，８］にも保持されている。しかしながら、セル１２［１，２］の方が、撮像データｘ１２が保持されているセル１２［１，３］と座標が近い。よって、セル１２［１，２］に保持されている重みデータｗａ１を畳み込みデータＣａ２の取得の際に用いると、セル１２［１，８］に保持されている重みデータｗａ１を用いる場合より、遅延時間を減少させることができるため好ましい。同様に、例えばセル１２［２，２］に保持されている重みデータｗｃ１を畳み込みデータＣｃ２の取得の際に用いると、セル１２［２，８］に保持されている重みデータｗｃ１を用いる場合より、遅延時間を減少させることができるため好ましい。畳み込みデータＣａ２、畳み込みデータＣｂ２、または畳み込みデータＣｃ２を取得する際に用いる他の重みデータについても、同様のことがいえる。
【0078】
図５Ａでは、撮像データｘ１３乃至撮像データｘ３５と、重みデータｗａ１乃至重みデータｗａ９と、の間で積和演算を行うことにより、畳み込みデータＣａ３を取得する様子を示している。また、撮像データｘ１３乃至撮像データｘ３５と、重みデータｗｂ１乃至重みデータｗｂ９と、の間で積和演算を行うことにより、畳み込みデータＣｂ３を取得する様子を示している。さらに、撮像データｘ１３乃至撮像データｘ３５と、重みデータｗｃ１乃至重みデータｗｃ９と、の間で積和演算を行うことにより、畳み込みデータＣｃ３を取得する様子を示している。
【0079】
図５Ｂでは、撮像データｘ１４乃至撮像データｘ３６と、重みデータｗａ１乃至重みデータｗａ９と、の間で積和演算を行うことにより、畳み込みデータＣａ４を取得する様子を示している。また、撮像データｘ１４乃至撮像データｘ３６と、重みデータｗｂ１乃至重みデータｗｂ９と、の間で積和演算を行うことにより、畳み込みデータＣｂ４を取得する様子を示している。さらに、撮像データｘ１４乃至撮像データｘ３６と、重みデータｗｃ１乃至重みデータｗｃ９と、の間で積和演算を行うことにより、畳み込みデータＣｃ４を取得する様子を示している。
【0080】
以上のようにして、積和演算を行い、畳み込みデータを取得することができる。図４Ａ、図４Ｂ、図５Ａ、および図５Ｂに示す例では、３×３のフィルタを３種類用いた、ストライドが１である畳み込み演算（積和演算）を行うことができる。なお、例えば図４Ａに示す動作を行った後に、図４Ｂに示す動作を行わずに、図５Ａに示す動作を行うことにより、ストライドを２とすることができる。
【0081】
ここで、複数のセル１２に同一の重みデータを保持させておくと、例えば図４Ｂで示したように、撮像データが保持されているセル１２の座標と、当該撮像データに乗ずる重み係数が保持されているセル１２の座標と、が遠ざかることを抑制することができる。これにより、遅延時間が長くなることを抑制することができるため、論理回路５１による演算を高速に行うことができる。一方、同一の重みデータを保持させるセル１２の個数を減少させることにより、例えば畳み込み演算の際に用いることができるフィルタの種類を増加させることができる。
【0082】
図６は、それぞれの重みデータが保持されているセル１２の個数を、図４Ａ、図４Ｂ、図５Ａ、および図５Ｂに示す例の半分とした場合の、セル１２に保持されているデータ、および論理回路５１が行う演算の一例を示す図である。図４Ａ、図４Ｂ、図５Ａ、および図５Ｂに示す例では、１種類の重みデータを、セル１２［１，１］乃至セル１２［６，１２］のうちの２つのセル１２が保持している。一方、図６に示す例では、１種類の重みデータを、セル１２［１，１］乃至セル１２［６，１２］のうちの１つのセル１２が保持している。よって、図６に示す例では、重みデータＷａ１乃至重みデータＷａ９、重みデータＷｂ１乃至重みデータＷｂ９、重みデータＷｃ１乃至重みデータＷｃ９、重みデータＷｄ１乃至重みデータＷｄ９、重みデータＷｅ１乃至重みデータＷｅ９、および重みデータＷｆ１乃至重みデータＷｆ９をセル１２が保持することができる。つまり、５４種類の重みデータをセル１２に保持することができる。以上により、例えば３×３のフィルタを６種類用いた畳み込み演算を行うことができる。これにより、例えば撮像データｘ１１乃至撮像データｘ３３を用いた畳み込み演算を行う場合は、図６に示すように、畳み込みデータＣａ１、畳み込みデータＣｂ１、および畳み込みデータＣｃ１の他、畳み込みデータＣｄ１、畳み込みデータＣｅ１、および畳み込みデータＣｆ１を取得することができる。以上より、例えば画像の特徴量を多く抽出することができるため、撮像装置１０は高精度な画像処理を行うことができる。よって、撮像装置１０の付加機能を高性能なものとすることができる。
【0083】
また、図４Ａ、図４Ｂ、図５Ａ、図５Ｂ、および図６に示す例では、４個のセル１２のうち、１個のセル１２に撮像データを保持し、３個のセル１２に重みデータを保持するとしている。つまり、セルアレイ１１を構成するセル１２のうち、１／４のセル１２には撮像データを保持し、３／４のセル１２には重みデータを保持するとしている。ここで、撮像データを保持するセル１２の割合を大きくすると、撮像データが表す画像の解像度を大きくすることができる。一方、重みデータを保持するセル１２の割合を大きくすると、より高精度な画像処理を行うことができ、撮像装置１０の付加機能を高性能なものとすることができる。
【0084】
なお、論理回路５１は、積和演算以外の演算を行う機能を有してもよい。例えば、プーリングを行う機能を有してもよい。論理回路５１がプーリングを行う機能を有することにより、撮像装置１０の外部へ出力するデータの容量を小さくすることができる。
【0085】
前述のように、撮像装置１０が第２のモードで駆動する場合に、論理回路５１を有する演算回路１７が演算を行う。よって、図４Ａ、図４Ｂ、図５Ａ、図５Ｂ、および図６に示す演算は、撮像装置１０が第２のモードで駆動する場合に行われる。なお、撮像装置１０が第１のモードで駆動する場合は、すべてのセル１２に撮像データｘを保持させることができる。
【0086】
＜撮像装置の駆動方法の一例＿１＞
以下では、撮像装置１０の駆動方法の一例を説明する。具体的には、セル１２［ｉ，ｊ］（ｉは１以上ｍ－１以下の整数、ｊは１以上ｎ－１以下の整数）、セル１２［ｉ，ｊ＋１］、セル１２［ｉ＋１，ｊ］、セル１２［ｉ＋１，ｊ＋１］、トランジスタ２７［ｊ］、トランジスタ２７［ｊ＋１］、トランジスタ５２［ｈ，ｋ］（ｈは１以上ｐ－１以下の整数、ｋは１以上ｑ－１以下の整数）、トランジスタ５２［ｈ，ｋ＋１］、トランジスタ５２［ｈ＋１，ｋ］、およびトランジスタ５２［ｈ＋１，ｋ＋１］の駆動方法の一例を説明する。図７は、撮像装置１０の構成要素のうち、駆動方法の一例を説明する構成要素を示す回路図である。図７に示すように、配線４７には、低電位として電位ＶＳＳが供給されているものとする。また、配線４１、および配線４６には高電位が供給されているものとする。
以下では、撮像装置１０の駆動方法の一例を説明する。具体的には、セル１２［ｉ，ｊ］（ｉは１以上ｍ－１以下の整数、ｊは１以上ｎ－１以下の整数）、セル１２［ｉ，ｊ＋１］、セル１２［ｉ＋１，ｊ］、セル１２［ｉ＋１，ｊ＋１］、トランジスタ２７［ｊ］、トランジスタ２７［ｊ＋１］、トランジスタ５２［ｈ，ｋ］（ｈは１以上ｐ－１以下の整数、ｋは１以上ｑ－１以下の整数）、トランジスタ５２［ｈ，ｋ＋１］、トランジスタ５２［ｈ＋１，ｋ］、およびトランジスタ５２［ｈ＋１，ｋ＋１］の駆動方法の一例を説明する。図７は、撮像装置１０の構成要素のうち、駆動方法の一例を説明する構成要素を示す回路図である。図７に示すように、配線４７には、低電位として電位ＶＳＳが供給されているものとする。また、配線４１、および配線４６には高電位が供給されているものとする。
【0087】
以下では、駆動方法の説明に係るトランジスタはすべてｎチャネル型トランジスタとするが、電位の大小関係を適宜入れ換えること等により、一部またはすべてのトランジスタをｐチャネル型としても、以下の駆動方法の説明を参照することができる。また、図７に示すように、セル１２が図２Ａに示す構成であるとして駆動方法の説明を行うが、電位の大小関係を適宜入れ換えること等により、セル１２を図２Ｂに示す構成としても以下の説明を参照することができる。
【0088】
図８は、撮像装置１０が第１のモードで駆動する場合の、撮像装置１０の駆動方法の一例を示すタイミングチャートである。前述のように、第１のモードでは、重みデータを用いた演算を行わない。
【0089】
図８に示すタイミングチャートでは、高電位を“Ｈ”で示し、低電位を“Ｌ”で示す。また、図８に示すタイミングチャートでは、回路内部の遅延などは考慮していない。以上は他のタイミングチャートなどにおいても同様である。
【0090】
期間Ｔ０１に、配線３２［ｉ，ｊ］、配線３２［ｉ＋１，ｊ］、配線３２［ｉ，ｊ＋１］、配線３２［ｉ＋１，ｊ＋１］、配線３３［ｉ，ｊ］、配線３３［ｉ＋１，ｊ］、配線３３［ｉ，ｊ＋１］、配線３３［ｉ＋１，ｊ＋１］、および配線３６に高電位を供給する。これにより、トランジスタ２２［ｉ，ｊ］、トランジスタ２２［ｉ，ｊ＋１］、トランジスタ２２［ｉ＋１，ｊ］、トランジスタ２２［ｉ＋１，ｊ＋１］、トランジスタ２３［ｉ，ｊ］、トランジスタ２３［ｉ，ｊ＋１］、トランジスタ２３［ｉ＋１，ｊ］、トランジスタ２３［ｉ＋１，ｊ＋１］、トランジスタ２６［ｉ，ｊ］、トランジスタ２６［ｉ，ｊ＋１］、トランジスタ２６［ｉ＋１，ｊ］、およびトランジスタ２６［ｉ＋１，ｊ＋１］が導通状態となる。また、配線３５［ｉ］、配線３５［ｉ＋１］、配線４３［ｊ］、配線４３［ｊ＋１］、配線５３［ｈ］、および配線５３［ｈ＋１］に低電位を供給する。これにより、トランジスタ２５［ｉ，ｊ］、トランジスタ２５［ｉ，ｊ＋１］、トランジスタ２５［ｉ＋１，ｊ］、トランジスタ２５［ｉ＋１，ｊ＋１］、トランジスタ５２［ｈ，ｋ］、トランジスタ５２［ｈ，ｋ＋１］、トランジスタ５２［ｈ＋１，ｋ］、およびトランジスタ５２［ｈ＋１，ｋ＋１］が非導通状態となる。さらに、配線３７にバイアス電位Ｖｂを供給する。ここで、バイアス電位とは、トランジスタのゲートに供給すると当該トランジスタが電流源として駆動する電位を示す。例えば、トランジスタのゲートに供給すると当該トランジスタが飽和領域で駆動する電位を示す。
【0091】
期間Ｔ０１では、ノードＦＤ［ｉ，ｊ］、ノードＦＤ［ｉ，ｊ＋１］、ノードＦＤ［ｉ＋１，ｊ］、およびノードＦＤ［ｉ＋１，ｊ＋１］の電位が、配線４３［ｊ］、および配線４３［ｊ＋１］の電位である低電位となる。これにより、ノードＦＤ［ｉ，ｊ］、ノードＦＤ［ｉ，ｊ＋１］、ノードＦＤ［ｉ＋１，ｊ］、およびノードＦＤ［ｉ＋１，ｊ＋１］の電位がリセットされる。よって、期間Ｔ０１は、リセット動作を行う期間である。期間Ｔ０１では、データ生成回路１４がリセットデータを生成し、リセットデータが配線４３を介してセル１２に供給される。
【0092】
期間Ｔ０２に、配線３２［ｉ，ｊ］、配線３２［ｉ＋１，ｊ］、配線３２［ｉ，ｊ＋１］、および配線３２［ｉ＋１，ｊ＋１］の電位を低電位とした後、配線３３［ｉ，ｊ］、配線３３［ｉ＋１，ｊ］、配線３３［ｉ，ｊ＋１］、および配線３３［ｉ＋１，ｊ＋１］の電位を低電位とする。これにより、トランジスタ２２［ｉ，ｊ］、トランジスタ２２［ｉ，ｊ＋１］、トランジスタ２２［ｉ＋１，ｊ］、およびトランジスタ２２［ｉ＋１，ｊ＋１］が非導通状態となった後、トランジスタ２３［ｉ，ｊ］、トランジスタ２３［ｉ，ｊ＋１］、トランジスタ２３［ｉ＋１，ｊ］、およびトランジスタ２３［ｉ＋１，ｊ＋１］が非導通状態となる。以上により、リセット動作が終了する。
【0093】
期間Ｔ０３に、配線３２［ｉ，ｊ］、配線３２［ｉ＋１，ｊ］、配線３２［ｉ，ｊ＋１］、および配線３２［ｉ＋１，ｊ＋１］の電位を高電位とする。これより、トランジスタ２２［ｉ，ｊ］、トランジスタ２２［ｉ，ｊ＋１］、トランジスタ２２［ｉ＋１，ｊ］、およびトランジスタ２２［ｉ＋１，ｊ＋１］が導通状態となり、ノードＦＤ［ｉ，ｊ］、ノードＦＤ［ｉ，ｊ＋１］、ノードＦＤ［ｉ＋１，ｊ］、およびノードＦＤ［ｉ＋１，ｊ＋１］の電位が、それぞれ光電変換素子２１［ｉ，ｊ］、光電変換素子２１［ｉ，ｊ＋１］、光電変換素子２１［ｉ＋１，ｊ］、および光電変換素子２１［ｉ＋１，ｊ＋１］に照射される光の照度に対応して上昇する。よって、期間Ｔ０３は、露光動作を行う期間である。
【0094】
期間Ｔ０４に、配線３２［ｉ，ｊ］、配線３２［ｉ＋１，ｊ］、配線３２［ｉ，ｊ＋１］、および配線３２［ｉ＋１，ｊ＋１］の電位を低電位とする。これより、トランジスタ２２［ｉ，ｊ］、トランジスタ２２［ｉ，ｊ＋１］、トランジスタ２２［ｉ＋１，ｊ］、およびトランジスタ２２［ｉ＋１，ｊ＋１］が非導通状態となり、露光動作が終了する。以上により、セル１２［ｉ，ｊ］、セル１２［ｉ，ｊ＋１］、セル１２［ｉ＋１，ｊ］、およびセル１２［ｉ＋１，ｊ＋１］が撮像データを取得することができる。
【0095】
期間Ｔ０５では、まず、配線３５［ｉ］の電位を高電位としてトランジスタ２５［ｉ，ｊ］、およびトランジスタ２５［ｉ，ｊ＋１］を導通状態とした後、配線３５［ｉ］の電位を低電位としてトランジスタ２５［ｉ，ｊ］、およびトランジスタ２５［ｉ，ｊ＋１］を非導通状態とする。トランジスタ２５［ｉ，ｊ］を導通状態とすることにより、セル１２［ｉ，ｊ］が取得した撮像データが、配線４５［ｊ］を介して読み出し回路１６に出力され、セル１２［ｉ，ｊ］が取得した撮像データが読み出される。また、トランジスタ２５［ｉ，ｊ＋１］を導通状態とすることにより、セル１２［ｉ，ｊ＋１］が取得した撮像データが、配線４５［ｊ＋１］を介して読み出し回路１６に出力され、セル１２［ｉ，ｊ＋１］が取得した撮像データが読み出される。
【0096】
次に、配線３５［ｉ＋１］の電位を高電位としてトランジスタ２５［ｉ＋１，ｊ］、およびトランジスタ２５［ｉ＋１，ｊ＋１］を導通状態とした後、配線３５［ｉ＋１］の電位を低電位としてトランジスタ２５［ｉ＋１，ｊ］、およびトランジスタ２５［ｉ＋１，ｊ＋１］を非導通状態とする。トランジスタ２５［ｉ＋１，ｊ］を導通状態とすることにより、セル１２［ｉ＋１，ｊ］が取得した撮像データが、配線４５［ｊ］を介して読み出し回路１６に出力され、セル１２［ｉ＋１，ｊ］が取得した撮像データが読み出される。また、トランジスタ２５［ｉ＋１，ｊ＋１］を導通状態とすることにより、セル１２［ｉ＋１，ｊ＋１］が取得した撮像データが、配線４５［ｊ＋１］を介して読み出し回路１６に出力され、セル１２［ｉ＋１，ｊ＋１］が取得した撮像データが読み出される。以上より、期間Ｔ０５は、読み出し動作を行う期間である。
【0097】
以上が第１のモードにおける、撮像装置１０の駆動方法の一例である。
【0098】
次に、第２のモードにおける、撮像装置１０の駆動方法の一例を説明する。具体的には、図９に示すように、セル１２［ｉ，ｊ］が撮像データｘを取得し、セル１２［ｉ，ｊ＋１］に重みデータｗ１を、セル１２［ｉ＋１，ｊ］に重みデータｗ２を、セル１２［ｉ＋１，ｊ＋１］に重みデータｗ３をそれぞれ書き込む場合の、撮像装置１０の駆動方法の一例を説明する。図１０は、撮像装置１０が第２のモードで駆動する場合の、撮像装置１０の駆動方法の一例を示すタイミングチャートである。
【0099】
期間Ｔ１１では、まず、配線３７に高電位を供給する。これにより、トランジスタ２７［ｊ］、およびトランジスタ２７［ｊ＋１］が導通状態となる。また、配線３２［ｉ，ｊ］、配線３２［ｉ，ｊ＋１］、配線３２［ｉ＋１，ｊ］、配線３２［ｉ＋１，ｊ＋１］、配線３３［ｉ，ｊ］、配線３３［ｉ，ｊ＋１］、配線３３［ｉ＋１，ｊ］、配線３３［ｉ＋１，ｊ＋１］、配線３５［ｉ］、配線３５［ｉ＋１］、配線３６、配線５３［ｈ］、および配線５３［ｈ＋１］に低電位を供給する。これにより、トランジスタ２２［ｉ，ｊ］、トランジスタ２２［ｉ，ｊ＋１］、トランジスタ２２［ｉ＋１，ｊ］、トランジスタ２２［ｉ＋１，ｊ＋１］、トランジスタ２３［ｉ，ｊ］、トランジスタ２３［ｉ，ｊ＋１］、トランジスタ２３［ｉ＋１，ｊ］、トランジスタ２３［ｉ＋１，ｊ＋１］、トランジスタ２５［ｉ，ｊ］、トランジスタ２５［ｉ，ｊ＋１］、トランジスタ２５［ｉ＋１，ｊ］、トランジスタ２５［ｉ＋１，ｊ＋１］、トランジスタ２６［ｉ，ｊ］、トランジスタ２６［ｉ，ｊ＋１］、トランジスタ２６［ｉ＋１，ｊ］、トランジスタ２６［ｉ＋１，ｊ＋１］、トランジスタ５２［ｈ，ｋ］、トランジスタ５２［ｈ，ｋ＋１］、トランジスタ５２［ｈ＋１，ｋ］、およびトランジスタ５２［ｈ＋１，ｋ＋１］が非導通状態となる。
【0100】
次に、データ生成回路１４が、配線４３［ｊ＋１］に重みデータｗ１を供給する。また、配線３３［ｉ，ｊ＋１］の電位を高電位としてトランジスタ２３［ｉ，ｊ＋１］を導通状態とする。これにより、ノードＦＤ［ｉ，ｊ＋１］の電位が、重みデータｗ１に対応する電位となり、セル１２［ｉ，ｊ＋１］に重みデータｗ１が書き込まれる。その後、配線３３［ｉ，ｊ＋１］の電位を低電位としてトランジスタ２３［ｉ，ｊ＋１］を非導通状態とする。これにより、ノードＦＤ［ｉ，ｊ＋１］の電位が保持されるため、セル１２［ｉ，ｊ＋１］に重みデータｗ１が保持される。
【0101】
次に、データ生成回路１４が、配線４３［ｊ］に重みデータｗ２を供給し、配線４３［ｊ＋１］に重みデータｗ３を供給する。また、配線３３［ｉ＋１，ｊ］の電位、および配線３３［ｉ＋１，ｊ＋１］の電位を高電位として、トランジスタ２３［ｉ＋１，ｊ］、およびトランジスタ２３［ｉ＋１，ｊ＋１］を導通状態とする。これにより、ノードＦＤ［ｉ＋１，ｊ］の電位が、重みデータｗ２に対応する電位となり、セル１２［ｉ＋１，ｊ］に重みデータｗ２が書き込まれる。また、ノードＦＤ［ｉ＋１，ｊ＋１］の電位が、重みデータｗ３に対応する電位となり、セル１２［ｉ＋１，ｊ＋１］に重みデータｗ３が書き込まれる。その後、配線３３［ｉ＋１，ｊ］の電位、および配線３３［ｉ＋１，ｊ＋１］の電位を低電位として、トランジスタ２３［ｉ＋１，ｊ］、およびトランジスタ２３［ｉ＋１，ｊ＋１］を非導通状態とする。これにより、ノードＦＤ［ｉ＋１，ｊ］の電位、およびノードＦＤ［ｉ＋１，ｊ＋１］の電位が保持されるため、セル１２［ｉ＋１，ｊ］に重みデータｗ２が保持され、セル１２［ｉ＋１，ｊ＋１］に重みデータｗ３が保持される。
【0102】
以上より、期間Ｔ１１は、セル１２への重みデータの書き込みを行う期間である。なお、期間Ｔ１１では、例えば配線３３［ｉ，１］乃至配線３３［ｉ，ｎ］のうち、重みデータを書き込むセル１２と電気的に接続されているすべての配線３３に、同時に高電位を供給することができる。その後、例えば配線３３［ｉ＋１，１］乃至配線３３［ｉ＋１，ｎ］のうち、重みデータを書き込むセル１２と電気的に接続されているすべての配線３３に、同時に高電位を供給することができる。
【0103】
期間Ｔ１２に、配線３２［ｉ，ｊ］、および配線３３［ｉ，ｊ］の電位を高電位とする。これにより、トランジスタ２２［ｉ，ｊ］、およびトランジスタ２３［ｉ，ｊ］が導通状態となる。また、配線４３［ｊ］の電位を低電位とする。以上により、ノードＦＤ［ｉ，ｊ］の電位が低電位となる。これにより、ノードＦＤ［ｉ，ｊ］の電位がリセットされる。よって、期間Ｔ１２は、撮像データを取得するセル１２がリセット動作を行う期間である。期間Ｔ１２では、データ生成回路１４がリセットデータを生成し、リセットデータが配線４３［ｊ］を介してセル１２［ｉ，ｊ］に供給される。
【0104】
期間Ｔ１３に、配線３２［ｉ，ｊ］の電位を低電位とした後、配線３３［ｉ，ｊ］の電位を低電位とする。これにより、トランジスタ２２［ｉ，ｊ］が非導通状態となった後、トランジスタ２３［ｉ，ｊ］が非導通状態となる。以上により、セル１２［ｉ，ｊ］のリセットが終了する。
【0105】
期間Ｔ１４に、配線３２［ｉ，ｊ］の電位を高電位とする。これにより、トランジスタ２２［ｉ，ｊ］が導通状態となり、ノードＦＤ［ｉ，ｊ］の電位が、光電変換素子２１［ｉ，ｊ］に照射される光の照度に対応して上昇する。よって、期間Ｔ１４は、撮像データを取得するセル１２に対して露光動作を行う期間である。
【0106】
期間Ｔ１５に、配線３２［ｉ，ｊ］の電位を低電位とする。これにより、トランジスタ２２［ｉ，ｊ］が非導通状態となり、露光動作が終了する。以上により、セル１２［ｉ，ｊ］が撮像データを取得することができる。
【0107】
図１０では、セル１２［ｉ，ｊ＋１］、セル１２［ｉ＋１，ｊ］、およびセル１２［ｉ＋１，ｊ＋１］に重みデータを書き込んだ後、セル１２［ｉ，ｊ］が撮像データを取得したが、本発明の一態様はこれに限らない。撮像データの取得後に、重みデータの書き込みを行ってもよい。つまり、期間Ｔ１２乃至期間Ｔ１５に示す動作を行った後に、期間Ｔ１１に示す動作を行ってもよい。例えば、セル［ｉ，ｊ］、セル１２［ｉ，ｊ＋１］、セル１２［ｉ＋１，ｊ］、およびセル１２［ｉ＋１，ｊ＋１］のそれぞれに対して撮像データを書き込んだ後、セル１２［ｉ，ｊ＋１］、セル１２［ｉ＋１，ｊ］、およびセル１２［ｉ＋１，ｊ＋１］に保持されている撮像データを重みデータに書き換えるように、重みデータの書き込みを行ってもよい。
【0108】
期間Ｔ１６に、配線３６の電位を高電位としてトランジスタ２６［ｉ，ｊ］、トランジスタ２６［ｉ，ｊ＋１］、トランジスタ２６［ｉ＋１，ｊ］、およびトランジスタ２６［ｉ＋１，ｊ＋１］を導通状態とする。前述のように、配線４６には高電位が供給されている。よって、配線４４［ｉ，ｊ］、配線４４［ｉ，ｊ＋１］、配線４４［ｉ＋１，ｊ］、および配線４４［ｉ＋１，ｊ＋１］が高電位となる。これにより、配線４４［ｉ，ｊ］、配線４４［ｉ，ｊ＋１］、配線４４［ｉ＋１，ｊ］、および配線４４［ｉ＋１，ｊ＋１］がプリチャージされる。プリチャージの終了後、配線３６の電位を低電位としてトランジスタ２６［ｉ，ｊ］、トランジスタ２６［ｉ，ｊ＋１］、トランジスタ２６［ｉ＋１，ｊ］、およびトランジスタ２６［ｉ＋１，ｊ＋１］を非導通状態とする。
【0109】
期間Ｔ１７に、配線３５［ｉ］、および配線３５［ｉ＋１］の電位を高電位として、トランジスタ２５［ｉ，ｊ］、トランジスタ２５［ｉ，ｊ＋１］、トランジスタ２５［ｉ＋１，ｊ］、およびトランジスタ２５［ｉ＋１，ｊ＋１］を導通状態とする。なお、期間Ｔ１７では、例えば配線３５［１］乃至配線３５［ｍ］に対して同時に高電位を供給することができる。
【0110】
ここで、期間Ｔ１７におけるノードＦＤ［ｉ，ｊ］の電位を電位ＶＦＤ［ｉ，ｊ］とし、ノードＦＤ［ｉ，ｊ＋１］の電位を電位ＶＦＤ［ｉ，ｊ＋１］とし、ノードＦＤ［ｉ＋１，ｊ］の電位を電位ＶＦＤ［ｉ＋１，ｊ］とし、ノードＦＤ［ｉ＋１，ｊ＋１］の電位を電位ＶＦＤ［ｉ＋１，ｊ＋１］とする。また、トランジスタ２４［ｉ，ｊ］のしきい値電圧を電位Ｖｔｈ［ｉ，ｊ］とし、トランジスタ２４［ｉ，ｊ＋１］のしきい値電圧を電位Ｖｔｈ［ｉ，ｊ＋１］とし、トランジスタ２４［ｉ＋１，ｊ］のしきい値電圧を電位Ｖｔｈ［ｉ＋１，ｊ］とし、トランジスタ２４［ｉ＋１，ｊ＋１］のしきい値電圧を電位Ｖｔｈ［ｉ＋１，ｊ＋１］とする。さらに、前述のように、配線４７の電位を電位ＶＳＳとする。そして、電位ＶＦＤ［ｉ，ｊ］は電位“Ｖｔｈ［ｉ，ｊ］＋ＶＳＳ”より大きく、電位ＶＦＤ［ｉ，ｊ＋１］は電位“Ｖｔｈ［ｉ，ｊ＋１］＋ＶＳＳ”より小さく、電位ＶＦＤ［ｉ＋１，ｊ］は電位“Ｖｔｈ［ｉ＋１，ｊ］＋ＶＳＳ”より小さく、電位ＶＦＤ［ｉ＋１，ｊ＋１］は電位“Ｖｔｈ［ｉ＋１，ｊ＋１］＋ＶＳＳ”より大きいものとする。
【0111】
【0112】
図１１に示すように、期間Ｔ１７では、トランジスタ２５［ｉ，ｊ］、トランジスタ２５［ｉ，ｊ＋１］、トランジスタ２５［ｉ＋１，ｊ］、トランジスタ２５［ｉ＋１，ｊ＋１］、トランジスタ２７［ｊ］、およびトランジスタ２７［ｊ＋１］が導通状態となっている。また、トランジスタ２６［ｉ，ｊ］、トランジスタ２６［ｉ，ｊ＋１］、トランジスタ２６［ｉ＋１，ｊ］、およびトランジスタ２６［ｉ＋１，ｊ＋１］が非導通状態となっている。
【0113】
期間Ｔ１６では、配線４４［ｉ，ｊ］、配線４４［ｉ，ｊ＋１］、配線４４［ｉ＋１，ｊ］、および配線４４［ｉ＋１，ｊ＋１］を高電位にプリチャージした。また、前述のように、配線４７には低電位が供給されている。以上より、配線４４は、トランジスタ２４のドレインと電気的に接続され、配線４５は、トランジスタ２５を介してトランジスタ２４のソースと電気的に接続される。
【0114】
前述のように、期間Ｔ１７において、トランジスタ２５、およびトランジスタ２７は導通状態となる。よって、トランジスタ２４のソース電位は、電位ＶＳＳとなる。よって、トランジスタ２４のゲート電位が、トランジスタ２４のしきい値電圧と、電位ＶＳＳと、の和以上となれば、トランジスタ２４が導通状態となる。一方、トランジスタ２４のゲート電位が、トランジスタ２４のしきい値電圧と、電位ＶＳＳと、の和未満である場合は、トランジスタ２４が非導通状態となる。前述のように、トランジスタ２４［ｉ，ｊ］のゲート電位である電位ＶＦＤ［ｉ，ｊ］は、しきい値電圧Ｖｔｈ［ｉ，ｊ］と、電位ＶＳＳと、の和より大きい。また、トランジスタ２４［ｉ＋１，ｊ＋１］のゲート電位である電位ＶＦＤ［ｉ＋１，ｊ＋１］は、しきい値電圧Ｖｔｈ［ｉ＋１，ｊ＋１］と、電位ＶＳＳと、の和より大きい。以上より、トランジスタ２４［ｉ，ｊ］、およびトランジスタ２４［ｉ＋１，ｊ＋１］は導通状態となる。これにより、配線４４［ｉ，ｊ］と配線４７が導通し、配線４４［ｉ，ｊ］の電位は低電位となる。また、配線４４［ｉ＋１，ｊ＋１］と配線４７が導通し、配線４４［ｉ＋１，ｊ＋１］の電位は低電位となる。
【0115】
一方、トランジスタ２４［ｉ，ｊ＋１］のゲート電位である電位ＶＦＤ［ｉ，ｊ＋１］は、しきい値電圧Ｖｔｈ［ｉ，ｊ＋１］と、電位ＶＳＳと、の和より小さい。また、トランジスタ２４［ｉ＋１，ｊ］のゲート電位である電位ＶＦＤ［ｉ＋１，ｊ］は、しきい値電圧Ｖｔｈ［ｉ＋１，ｊ］と、電位ＶＳＳと、の和より小さい。以上より、トランジスタ２４［ｉ，ｊ＋１］、およびトランジスタ２４［ｉ＋１，ｊ］は非導通状態となる。これにより、配線４４［ｉ，ｊ＋１］、および配線４４［ｉ＋１，ｊ］の電位は、プリチャージ電位である高電位のままとなる。
【0116】
以上より、期間Ｔ１７では、セル１２に保持された撮像データ、および重みデータを、配線４４から二値のデータとして出力することができる。これにより、セル１２に保持された撮像データ、および重みデータが読み出される。
【0117】
セル１２が配線４４に出力した撮像データ、および重みデータは、論理回路５１に供給される。論理回路５１により、当該撮像データ、および重みデータを用いた演算が行われる。例えば、図４Ａ、図４Ｂ、図５Ａ、および図５Ｂに示すような積和演算が行われる。なお、セル１２が配線４４に出力した撮像データ、および重みデータは二値のデータであるため、Ａ／Ｄ変換を行わずに論理回路５１に供給することができる。
【0118】
期間Ｔ１８に、配線３５［ｉ］、および配線３５［ｉ＋１］の電位を低電位として、トランジスタ２５［ｉ，ｊ］、トランジスタ２５［ｉ，ｊ＋１］、トランジスタ２５［ｉ＋１，ｊ］、およびトランジスタ２５［ｉ＋１，ｊ＋１］を非導通状態とする。これにより、撮像データｘ、重みデータｗ１、重みデータｗ２、および重みデータｗ３の読み出しが終了する。なお、期間Ｔ１７では、例えば配線３５［１］乃至配線３５［ｍ］に対して同時に低電位を供給することができる。
【0119】
期間Ｔ１９では、まず、配線５３［ｈ］の電位を高電位としてトランジスタ５２［ｈ，ｋ］、およびトランジスタ５２［ｈ，ｋ＋１］を導通状態とした後、配線５３［ｈ］の電位を低電位としてトランジスタ５２［ｈ，ｋ］、およびトランジスタ５２［ｈ，ｋ＋１］を非導通状態とする。その後、配線５３［ｈ＋１］の電位を高電位としてトランジスタ５２［ｈ＋１，ｋ］、およびトランジスタ５２［ｈ＋１，ｋ＋１］を導通状態とした後、配線５３［ｈ＋１］の電位を低電位としてトランジスタ５２［ｈ＋１，ｋ］、およびトランジスタ５２［ｈ＋１，ｋ＋１］を非導通状態とする。以上により、論理回路５１による演算結果を読み出すことができる。前述のように、読み出した演算結果をＣＮＮなどのニューラルネットワークなどに取り込むことで、画像処理を行うことができる。
【0120】
以上が第２のモードにおける、撮像装置１０の駆動方法の一例である。
【0121】
＜撮像装置の構成例＿２＞
図１２Ａは、セル１２の構成例を示す回路図であり、図２Ａに示す構成の変形例である。図１２Ａに示すセル１２は、トランジスタ２６を有さず、トランジスタ２８を有する点が、図２Ａに示すセル１２と異なる。以下では、図２Ａに示すセル１２と異なる構成について主に説明する。
図１２Ａは、セル１２の構成例を示す回路図であり、図２Ａに示す構成の変形例である。図１２Ａに示すセル１２は、トランジスタ２６を有さず、トランジスタ２８を有する点が、図２Ａに示すセル１２と異なる。以下では、図２Ａに示すセル１２と異なる構成について主に説明する。
【0122】
トランジスタ２４のソースまたはドレインの一方は、トランジスタ２５のソースまたはドレインの一方、トランジスタ２８のソースまたはドレインの一方、および配線４４と電気的に接続される。トランジスタ２４のソースまたはドレインの他方は、配線４６と電気的に接続される。トランジスタ２５のソースまたはドレインの他方は、配線４５と電気的に接続される。トランジスタ２８のソースまたはドレインの他方は、配線４８と電気的に接続される。トランジスタ２８のゲートは、配線３８と電気的に接続される。
【0123】
配線４８は、電源線としての機能を有する。例えば、配線４８には低電位を供給することができる。
【0124】
詳細は後述するが、配線３８にバイアス電位を供給することで、トランジスタ２４とトランジスタ２８によりソースフォロワ回路が構成される。この場合、当該ソースフォロワ回路の入力端子はノードＦＤと電気的に接続され、出力端子は配線４４と電気的に接続される。よって、セル１２に保持されている撮像データ、および重みデータを、アナログデータとして配線４４に出力することができる。
【0125】
トランジスタ２８として、トランジスタ２２乃至トランジスタ２５と同一の種類のトランジスタを用いることができる。例えば、トランジスタ２８として、ＯＳトランジスタ、またはＳｉトランジスタを用いることができる。
【0126】
図１２Ｂは、セル１２の構成例を示す回路図であり、図１２Ａに示す構成の変形例である。図１２Ｂに示すセル１２は、光電変換素子２１のカソードがトランジスタ２２のソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、光電変換素子２１のアノードが配線４１と電気的に接続される点が、図１２Ａに示すセル１２と異なる。
【0127】
図１３は、セル１２が図１２Ａ、または図１２Ｂに示す構成である場合の、演算回路１７の構成例を示す回路図である。図１３に示す演算回路１７は、Ａ／Ｄ変換回路５４を有する点が、図３に示す演算回路１７と異なる。
【0128】
Ａ／Ｄ変換回路５４の入力端子は、配線４４と電気的に接続され、Ａ／Ｄ変換回路５４の出力端子は、論理回路５１の入力端子と電気的に接続される。ここで、Ａ／Ｄ変換回路５４の入力端子の個数、およびＡ／Ｄ変換回路５４の出力端子の個数は、論理回路５１の入力端子の個数と同数とすることができる。例えば、それぞれｍ×ｎ個とすることができる。
【0129】
Ａ／Ｄ変換回路５４は、セル１２が配線４４に出力し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。前述のように、配線４４には、撮像装置１０が第２のモードで駆動する場合に、セル１２に保持された撮像データ、または重みデータが出力される。よって、配線４４と論理回路５１の間にＡ／Ｄ変換回路５４を設けることにより、セル１２が撮像データ、または重みデータを配線４４からアナログデータとして出力する場合であっても、論理回路５１は撮像データ、および重みデータを用いた演算を行うことができる。
【0130】
＜撮像装置の駆動方法の一例＿２＞
以下では、セル１２が図１２Ａに示す構成であり、演算回路１７が図１３に示す構成の撮像装置１０の駆動方法の一例を、図１５乃至図１７を用いて説明する。具体的には、図１２Ａに示す構成のセル１２［ｉ，ｊ］、セル１２［ｉ，ｊ＋１］、セル１２［ｉ＋１，ｊ］、セル１２［ｉ＋１，ｊ＋１］、トランジスタ２７［ｊ］、トランジスタ２７［ｊ＋１］、トランジスタ５２［ｈ，ｋ］、トランジスタ５２［ｈ，ｋ＋１］、トランジスタ５２［ｈ＋１，ｋ］、およびトランジスタ５２［ｈ＋１，ｋ＋１］の駆動方法の一例を説明する。図１４は、撮像装置１０の構成要素のうち、駆動方法の一例を説明する構成要素を示す回路図である。図１４に示すように、配線４７には、低電位として電位ＶＳＳが供給されているものとする。また、配線４１、および配線４６には高電位が供給されているものとする。さらに、配線４８には低電位が供給されているものとする。
以下では、セル１２が図１２Ａに示す構成であり、演算回路１７が図１３に示す構成の撮像装置１０の駆動方法の一例を、図１５乃至図１７を用いて説明する。具体的には、図１２Ａに示す構成のセル１２［ｉ，ｊ］、セル１２［ｉ，ｊ＋１］、セル１２［ｉ＋１，ｊ］、セル１２［ｉ＋１，ｊ＋１］、トランジスタ２７［ｊ］、トランジスタ２７［ｊ＋１］、トランジスタ５２［ｈ，ｋ］、トランジスタ５２［ｈ，ｋ＋１］、トランジスタ５２［ｈ＋１，ｋ］、およびトランジスタ５２［ｈ＋１，ｋ＋１］の駆動方法の一例を説明する。図１４は、撮像装置１０の構成要素のうち、駆動方法の一例を説明する構成要素を示す回路図である。図１４に示すように、配線４７には、低電位として電位ＶＳＳが供給されているものとする。また、配線４１、および配線４６には高電位が供給されているものとする。さらに、配線４８には低電位が供給されているものとする。
【0131】
以下では、駆動方法の説明に係るトランジスタはすべてｎチャネル型トランジスタとするが、電位の大小関係を適宜入れ換えること等により、一部またはすべてのトランジスタをｐチャネル型としても、以下の駆動方法の説明を参照することができる。また、図１４に示すように、セル１２が図１２Ａに示す構成であるとして駆動方法の説明を行うが、電位の大小関係を適宜入れ換えること等により、セル１２を図１２Ｂに示す構成としても以下の説明を参照することができる。
【0132】
図１５は、撮像装置１０が第１のモードで駆動する場合の、撮像装置１０の駆動方法の一例を示すタイミングチャートである。前述のように、第１のモードでは、重みデータを用いた演算を行わない。
【0133】
期間Ｔ２１乃至期間Ｔ２５において、配線３８に低電位を供給することにより、トランジスタ２８［ｉ，ｊ］、トランジスタ２８［ｉ，ｊ＋１］、トランジスタ２８［ｉ＋１，ｊ］、およびトランジスタ２８［ｉ＋１，ｊ＋１］を非導通状態とする。それ以外は、期間Ｔ２１乃至期間Ｔ２５における動作は、図８に示すタイミングチャートの期間Ｔ０１乃至期間Ｔ０５における動作と同様とすることができる。なお、期間Ｔ２１乃至期間Ｔ２５において配線３７に供給されるバイアス電位を、バイアス電位Ｖｂ１とする。
【0134】
図１７Ａは、図１２Ａに示す回路図から、期間Ｔ２１乃至期間Ｔ２５の全ての期間で非導通状態とすることができるトランジスタを省略した構成を示す回路図である。また、図１７Ａには、セル１２の構成の他、期間Ｔ２１乃至期間Ｔ２５においてゲートにバイアス電位Ｖｂ１が供給されるトランジスタ２７も示している。前述のように、期間Ｔ２１乃至期間Ｔ２５において、トランジスタ２８は非導通状態となる。よって、図１７Ａに示す回路図には、トランジスタ２８は示していない。
【0135】
次に、第２のモードにおける、撮像装置１０の駆動方法の一例を説明する。具体的には、図９に示すように、セル１２［ｉ，ｊ］が撮像データｘを取得し、セル１２［ｉ，ｊ＋１］に重みデータｗ１を、セル１２［ｉ＋１，ｊ］に重みデータｗ２を、セル１２［ｉ＋１，ｊ＋１］に重みデータｗ３をそれぞれ書き込む場合の、撮像装置１０の駆動方法の一例を説明する。図１６は、撮像装置１０が第２のモードで駆動する場合の、撮像装置１０の駆動方法の一例を示すタイミングチャートである。
【0136】
期間Ｔ３１乃至期間Ｔ３５における配線３２、配線３３、配線３５、配線３７、配線４３、配線５３、およびノードＦＤの電位は、図１０に示すタイミングチャートの期間Ｔ１１乃至期間Ｔ１５における配線３２、配線３３、配線３５、配線３７、配線４３、配線５３、およびノードＦＤの電位と同一とすることができる。また、期間Ｔ３６における配線３２、配線３３、配線３５、配線３７、配線４３、配線５３、およびノードＦＤの電位は、図１０に示すタイミングチャートの期間Ｔ１９における配線３２、配線３３、配線３５、配線３７、配線４３、配線５３、およびノードＦＤの電位と同一とすることができる。
【0137】
期間Ｔ３１乃至期間Ｔ３６において、配線３８にバイアス電位Ｖｂ２を供給する。図１７Ｂは、図１２Ａに示す回路図から、期間Ｔ３１乃至期間Ｔ３６の全ての期間で非導通状態とすることができるトランジスタを省略した構成を示す回路図である。図１６に示すように、期間Ｔ３１乃至期間Ｔ３６において、トランジスタ２５は非導通状態となる。よって、図１７Ｂに示す回路図には、トランジスタ２５は示していない。
【0138】
前述のように、期間Ｔ３１乃至期間Ｔ３６において、トランジスタ２８のゲートにはバイアス電位Ｖｂ２が供給される。また、配線４６には高電位が供給され、配線４８には低電位が供給される。以上より、トランジスタ２４とトランジスタ２８によりソースフォロワ回路２９が構成される。ここで、ソースフォロワ回路２９の入力端子はノードＦＤと電気的に接続され、ソースフォロワ回路２９の出力端子は配線４４と電気的に接続される。期間Ｔ３１乃至期間Ｔ３６では、ノードＦＤの電位に対応する電位のアナログデータを、配線４４から出力し続けることができる。これにより、配線４４［ｉ，ｊ］からは、ノードＦＤ［ｉ，ｊ］の電位であるＶＦＤ［ｉ，ｊ］に応じた撮像データｘを出力することができる。また、配線４４［ｉ，ｊ＋１］からは、ノードＦＤ［ｉ，ｊ＋１］の電位であるＶＦＤ［ｉ，ｊ＋１］に応じた重みデータｗ１を出力することができる。また、配線４４［ｉ＋１，ｊ］からは、ノードＦＤ［ｉ＋１，ｊ］の電位であるＶＦＤ［ｉ＋１，ｊ］に応じた重みデータｗ２を出力することができる。さらに、配線４４［ｉ＋１，ｊ＋１］からは、ノードＦＤ［ｉ＋１，ｊ＋１］の電位であるＶＦＤ［ｉ＋１，ｊ＋１］に応じた重みデータｗ３を出力することができる。
【0139】
【0140】
前述のように、セル１２を図１２Ａ、または図１２Ｂに示す構成とすることにより、第２のモードにおいてセル１２が配線４４から出力する撮像データ、および重みデータを、アナログデータとすることができる。そして、セル１２が配線４４から出力したアナログデータは、Ａ／Ｄ変換回路５４によりデジタルデータに変換された後、論理回路５１に供給される。以上より、論理回路５１に入力される撮像データ、および重みデータを、多値のデジタルデータとすることができる。
【0141】
【0142】
層５６１は、光電変換素子２１を有する。光電変換素子２１は、図１８Ｃ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。
【0143】
図１８Ｃに示す光電変換素子２１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。
【0144】
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。
【0145】
また、層５６１が有する光電変換素子２１は、図１８Ｄ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１８Ｄに示す光電変換素子２１はアバランシェフォトダイオードの一例であり、層５６６ａ、および層５６６ｄは電極に相当し、層５６６ｂ、および層５６６ｃは光電変換部に相当する。
【0146】
層５６６ａは、低抵抗の金属層などとすることが好ましい。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。
【0147】
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。
【0148】
光電変換部の層５６６ｂ、および層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。
【0149】
セレン系材料を用いた光電変換素子は、可視光に対する外部量子効率が高い特性を有する。当該光電変換素子では、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。
【0150】
セレン系材料としては、単結晶セレンおよび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。
【0151】
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。
【0152】
また、層５６１が有する光電変換素子２１は、図１８Ｅ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１８Ｅに示す光電変換素子２１は有機光導電膜の一例であり、層５６７ａ、および層５６７ｅは電極に相当し、層５６７ｂ、層５６７ｃ、および層５６７ｄは光電変換部に相当する。
【0153】
光電変換部の層５６７ｂ、または層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。
【0154】
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。
【0155】
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。
【0156】
図１８Ａ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。例えばセル１２が有するトランジスタ、および演算回路１７が有するトランジスタを層５６２に設けることができる。また、例えばロードライバ回路１３が有するトランジスタ、データ生成回路１４が有するトランジスタ、読み出し回路１６が有するトランジスタ、およびトランジスタ２７を層５６２に設けることができる。
【0157】
また、撮像装置１０は、図１８Ｂ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。
【0158】
層５６３は、ＯＳトランジスタを有することができる。このとき、層５６２は、Ｓｉトランジスタを有していてもよい。例えば、セル１２が有するトランジスタ、およびトランジスタ２７を層５６３に設け、演算回路１７が有するトランジスタを層５６２に設けることができる。また、例えばロードライバ回路１３が有するトランジスタ、データ生成回路１４が有するトランジスタ、および読み出し回路１６が有するトランジスタを層５６２に設けることができる。
【0159】
図１８Ｂに示す構成とすることで、例えば層５６３に設けられるセル１２と、層５６２に設けられる演算回路１７を、重なる領域を有するように設けることができる。これにより、撮像装置１０の占有面積を小さくし、撮像装置１０を小型化することができる。なお、図１８Ｂの構成において、層５６２を支持基板とし、層５６１および層５６３に、セル１２およびその他の回路を設けてもよい。
【0160】
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－ＯＳ（Ｃｌｏｕｄ－Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）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。
【0161】
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。
【0162】
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。
【0163】
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。
【0164】
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。
【0165】
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、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、または密度等を適切なものとすることが好ましい。
【0166】
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、または炭素が含まれると、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、または炭素の濃度（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。
【0167】
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。
【0168】
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。
【0169】
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。
【0170】
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。
【0171】
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。
【0172】
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、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。
【0173】
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膜は、例えば、完全な非晶質構造であり、結晶部を有さない。
【0174】
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。
【0175】
図１９Ａは、図１８Ａに示す撮像装置１０の断面の一例を説明する図である。層５６１は光電変換素子２１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１９Ａでは、セル１２が有するトランジスタのうち、トランジスタ２２、およびトランジスタ２３を例示する。
【0176】
光電変換素子２１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。
【0177】
図２０Ａは、図１９ＡにＡ１－Ａ２の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２２などのチャネル幅方向の断面を示す。図２０Ａに示すように、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とすることができる。また、Ｓｉトランジスタは、フィン型ではなく、図２０Ｂに示すようにプレーナー型であってもよい。
【0178】
または、図２０Ｃ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。
【0179】
図１９Ａ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。
【0180】
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。
【0181】
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５３１は、トランジスタ２２のソースまたはドレインと電気的に接続される。導電層５３２は、電源線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。
【0182】
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。また、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。さらに、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。
【0183】
例えば、導電層５３１、導電層５３２、導電層５３３、および導電層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、Ｃｕ、Ａｌ、Ｗ、またはＡｕを用いることが好ましい。また、絶縁層５４１、および絶縁層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。
【0184】
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。
【0185】
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の組み合わせと、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。
【0186】
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。
【0187】
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。
【0188】
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貼り合わせを行えばよい。
【0189】
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。
【0190】
図１９Ｂは、図１８Ａに示す光電変換素子２１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を有し、光電変換層として層５６６ｂおよび層５６６ｃを有し、他方の電極として層５６６ｄを有する。
【0191】
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２２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、光電変換素子２１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。
【0192】
図２１Ａは、図１８Ｂに示す撮像装置１０の断面の一例を説明する図である。層５６１は光電変換素子２１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２１Ａでは、演算回路１７が有するトランジスタのうち、トランジスタ５２、およびトランジスタ６１を例示する。ここで、トランジスタ６１は、論理回路５１が有するトランジスタとすることができる。また、層５６３はＯＳトランジスタを有し、セル１２に含まれるトランジスタ２２、およびトランジスタ２３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。
【0193】
図２２ＡにＯＳトランジスタの詳細な構成例を示す。図２２Ａ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７０５およびドレイン電極７０６を形成することができるセルフアライン型の構成である。
【0194】
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７０３およびドレイン領域７０４のほか、ゲート電極７０１、およびゲート絶縁膜７０２を有する構成とすることができる。上記溝には少なくともゲート絶縁膜７０２およびゲート電極７０１が設けられる。当該溝には、さらに酸化物半導体層７０７が設けられていてもよい。
【0195】
ＯＳトランジスタは、図２２Ｂに示すように、ゲート電極７０１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。
【0196】
または、図２２Ｃに示すように、ソース電極７０５またはドレイン電極７０６と、ゲート電極７０１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。
【0197】
トランジスタ２２、およびトランジスタ２３はバックゲート５３５を有している。図２２Ｄは、図２２ＡにＢ１－Ｂ２の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２２などのチャネル幅方向の断面を示す。バックゲート５３５は、図２２Ｄに示すように、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２２Ｄは図２２Ａ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。なお、トランジスタ２２、およびトランジスタ２３は、バックゲート５３５を有さない構造であってもよい。
【0198】
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５２、およびトランジスタ６１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２２、およびトランジスタ２３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。
【0199】
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５２、およびトランジスタ６１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２２、およびトランジスタ２３の信頼性も向上させることができる。
【0200】
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。
【0201】
図２１Ｂは、光電変換素子２１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、撮像装置１０の断面図である。光電変換素子２１が設けられる層５６１は、層５６３上に直接形成することができる。層５６１、層５６２、および層５６３の詳細は、前述の説明を参照できる。なお、光電変換素子２１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。
【0202】
図２３Ａは、撮像装置１０が有する着色層（カラーフィルタ）等の構成例を示す斜視図である。光電変換素子２１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。
【0203】
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、上部の着色層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。
【0204】
絶縁層５８０および遮光層５８１上には、平坦化膜として絶縁層５８２を設けることができる。また、着色層５８３（着色層５８３ａ、着色層５８３ｂ、および着色層５８３ｃ）が形成される。例えば、着色層５８３ａ、着色層５８３ｂ、および着色層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。
【0205】
着色層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。
【0206】
また、図２３Ｂに示すように、着色層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。
【0207】
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。
【0208】
また、光学変換層５８５にシンチレータを用いれば、撮像装置１０を、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、または紫外光線などの光（蛍光）に変換される。そして、当該光を光電変換素子２１で検知することにより撮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。
【0209】
シンチレータは、Ｘ線、または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、または紫外光を発する物質を含む。当該物質として、例えば、Ｇｄ２Ｏ２Ｓ：Ｔｂ、Ｇｄ２Ｏ２Ｓ：Ｐｒ、Ｇｄ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ、ＢａＦＣｌ：Ｅｕ、ＮａＩ、ＣｓＩ、ＣａＦ２、ＢａＦ２、ＣｅＦ３、ＬｉＦ、ＬｉＩ、ＺｎＯなどを樹脂またはセラミクスに分散させたものを用いることができる。
【0210】
なお、セレン系材料を用いた光電変換素子２１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。
【0211】
また、図２３Ｃに示すように、着色層５８３と重なる領域を有するように、絶縁層５８６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着色層５８３を通り、光電変換素子２１に照射されるようになる。また、図２３Ｂに示す光学変換層５８５と重なる領域を有するように、マイクロレンズアレイ５８４を設けてもよい。
【0212】
＜撮像装置の構成例＿４＞
図２４Ａは、撮像装置１０の一例を説明する図であり、図１９Ａに示す撮像装置１０に、層５６４を設けた構成例を示す。層５６４は、層５６１上に設けられる。層５６４は、絶縁層５８０と、遮光層５８１と、絶縁層５８２と、絶縁層５８６と、着色層５８７と、を有する。
図２４Ａは、撮像装置１０の一例を説明する図であり、図１９Ａに示す撮像装置１０に、層５６４を設けた構成例を示す。層５６４は、層５６１上に設けられる。層５６４は、絶縁層５８０と、遮光層５８１と、絶縁層５８２と、絶縁層５８６と、着色層５８７と、を有する。
【0213】
層５６１上には、絶縁層５８０が形成され、絶縁層５８０上には、遮光層５８１、および絶縁層５８２が形成される。絶縁層５８２上には絶縁層５８６が形成され、絶縁層５８６上には着色層５８７が形成される。
【0214】
着色層５８７は、マイクロレンズの機能を兼ねることができる。よって、着色層５８７の他にマイクロレンズを別個形成する必要が無く、簡易な方法で撮像装置１０を作製することができる。また、屈折率の異なる物質の界面に光が照射されると、照射された光の一部が反射する。例えばマイクロレンズと、当該マイクロレンズの底部と接するように設けられる絶縁層などの層と、の界面に光が照射されると、当該光の一部が反射する。よって、着色層の他にマイクロレンズを別個形成しないことで、撮像装置１０に照射された光が、光電変換素子２１により受光されるまでに減衰することを抑制することができる。これにより、撮像装置１０による光の検出感度を高めることができる。
【0215】
図２４Ｂ、図２５Ａ、および図２５Ｂは、撮像装置１０の一例を説明する図である。図２４Ｂは、図１９Ｂに示す撮像装置１０に層５６４を設けた構成例であり、図２５Ａは、図２１Ａに示す撮像装置１０に層５６４を設けた構成例であり、図２５Ｂは、図２１Ｂに示す撮像装置１０に層５６４を設けた構成例である。図２４Ｂ、図２５Ａ、および図２５Ｂに示す撮像装置１０が有する層５６４の構成は、図２４Ａに示す撮像装置１０が有する層５６４の構成と同一とすることができる。
【0216】
図２６Ａは、撮像装置１０の一例を説明する図であり、図２４Ａに示す撮像装置１０の変形例である。図２６Ａに示す撮像装置１０は、層５６４の構成が図２４Ａに示す撮像装置１０と異なる。図２６Ａに示す撮像装置１０に設けられる層５６４は、絶縁層５８０と、遮光層５８１と、着色層５８７と、絶縁層５８８と、を有する。
【0217】
層５６１上には、絶縁層５８０が形成され、絶縁層５８０上には、遮光層５８１、および着色層５８７が形成される。前述のように、着色層５８７はマイクロレンズとしての機能を兼ねることができる。そして、着色層５８７上に、絶縁層５８８が形成される。絶縁層５８８は、平坦化膜とすることができる。絶縁層５８８は、例えば可視光に対して透光性を有する膜とする。
【0218】
図２６Ｂ、図２７Ａ、および図２７Ｂは、撮像装置１０の一例を説明する図であり、それぞれ図２４Ｂ、図２５Ａ、および図２５Ｂに示す撮像装置１０の変形例である。図２６Ｂ、図２７Ａ、および図２７Ｂに示す撮像装置１０は、層５６４を、図２６Ａに示す層５６４と同様の構成としている。
【0219】
図２８Ａは、図２４Ａ、図２４Ｂ、図２５Ａ、および図２５Ｂに示す層５６４の構成例を示す斜視図である。図２８Ｂは、図２６Ａ、図２６Ｂ、図２７Ａ、および図２７Ｂに示す層５６４の構成例を示す斜視図である。図２８Ａ、および図２８Ｂに示すように、着色層５８７（着色層５８７ａ、着色層５８７ｂ、および着色層５８７ｃ）が形成される。例えば、着色層５８７ａ、着色層５８７ｂ、および着色層５８７ｃ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。
【0220】
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
【0221】
（実施の形態２）
本実施の形態では、上記の実施の形態で説明したＯＳトランジスタに用いることができる金属酸化物（以下、酸化物半導体ともいう。）について説明する。
本実施の形態では、上記の実施の形態で説明したＯＳトランジスタに用いることができる金属酸化物（以下、酸化物半導体ともいう。）について説明する。
【0222】
＜結晶構造の分類＞
まず、酸化物半導体における、結晶構造の分類について、図２９Ａを用いて説明を行う。図２９Ａは、酸化物半導体、代表的にはＩＧＺＯ（Ｉｎと、Ｇａと、Ｚｎと、を含む金属酸化物）の結晶構造の分類を説明する図である。
まず、酸化物半導体における、結晶構造の分類について、図２９Ａを用いて説明を行う。図２９Ａは、酸化物半導体、代表的にはＩＧＺＯ（Ｉｎと、Ｇａと、Ｚｎと、を含む金属酸化物）の結晶構造の分類を説明する図である。
【0223】
図２９Ａに示すように、酸化物半導体は、大きく分けて「Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ（無定形）」と、「Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ（結晶性）」と、「Ｃｒｙｓｔａｌ（結晶）」と、に分類される。また、「Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ」の中には、ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ ａｍｏｒｐｈｏｕｓが含まれる。また、「Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ」の中には、ＣＡＡＣ、ｎｃ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）、及びＣＡＣが含まれる。なお、「Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ」の分類には、ｓｉｎｇｌｅ ｃｒｙｓｔａｌ、ｐｏｌｙ ｃｒｙｓｔａｌ、及びｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ ａｍｏｒｐｈｏｕｓは除かれる。また、「Ｃｒｙｓｔａｌ」の中には、ｓｉｎｇｌｅ ｃｒｙｓｔａｌ、及びｐｏｌｙ ｃｒｙｓｔａｌが含まれる。
【0224】
なお、図２９Ａに示す太枠内の構造は、「Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ（無定形）」と、「Ｃｒｙｓｔａｌ（結晶）」との間の中間状態であり、新しい境界領域（Ｎｅｗ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｐｈａｓｅ）に属する構造である。すなわち、当該構造は、エネルギー的に不安定な「Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ（無定形）」、および「Ｃｒｙｓｔａｌ（結晶）」とは全く異なる構造と言い換えることができる。
【0225】
なお、膜または基板の結晶構造は、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ－Ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）スペクトルを用いて評価することができる。ここで、「Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ」に分類されるＣＡＡＣ－ＩＧＺＯ膜のＧＩＸＤ（Ｇｒａｚｉｎｇ－Ｉｎｃｉｄｅｎｃｅ ＸＲＤ）測定で得られるＸＲＤスペクトルを図２９Ｂに示す。なお、ＧＩＸＤ法は、薄膜法またはＳｅｅｍａｎｎ－Ｂｏｈｌｉｎ法ともいう。以降、図２９Ｂに示すＧＩＸＤ測定で得られるＸＲＤスペクトルを、単にＸＲＤスペクトルと記す。なお、図２９Ｂに示すＣＡＡＣ－ＩＧＺＯ膜の組成は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］近傍である。また、図２９Ｂに示すＣＡＡＣ－ＩＧＺＯ膜の厚さは、５００ｎｍである。
【0226】
図２９Ｂに示すように、ＣＡＡＣ－ＩＧＺＯ膜のＸＲＤスペクトルでは、明確な結晶性を示すピークが検出される。具体的には、ＣＡＡＣ－ＩＧＺＯ膜のＸＲＤスペクトルでは、２θ＝３１°近傍に、ｃ軸配向を示すピークが検出される。なお、図２９Ｂに示すように、２θ＝３１°近傍のピークは、ピーク強度（ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）が検出された角度を軸に左右非対称である。
【0227】
また、膜または基板の結晶構造は、極微電子線回折法（ＮＢＥＤ：Ｎａｎｏ Ｂｅａｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）によって観察される回折パターン（極微電子線回折パターンともいう。）にて評価することができる。ＣＡＡＣ－ＩＧＺＯ膜の回折パターンを、図２９Ｃに示す。図２９Ｃは、電子線を基板に対して平行に入射するＮＢＥＤによって観察される回折パターンである。なお、図２９Ｃに示すＣＡＡＣ－ＩＧＺＯ膜の組成は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］近傍である。また、極微電子線回折法では、プローブ径を１ｎｍとして電子線回折が行われる。
【0228】
図２９Ｃに示すように、ＣＡＡＣ－ＩＧＺＯ膜の回折パターンでは、ｃ軸配向を示す複数のスポットが観察される。
【0229】
＜＜酸化物半導体の構造＞＞
なお、酸化物半導体は、結晶構造に着目した場合、図２９Ａとは異なる分類となる場合がある。例えば、酸化物半導体は、単結晶酸化物半導体と、それ以外の非単結晶酸化物半導体と、に分けられる。非単結晶酸化物半導体としては、例えば、上述のＣＡＡＣ－ＯＳ、及びｎｃ－ＯＳがある。また、非単結晶酸化物半導体には、多結晶酸化物半導体、擬似非晶質酸化物半導体（ａ－ｌｉｋｅ ＯＳ：ａｍｏｒｐｈｏｕｓ－ｌｉｋｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、非晶質酸化物半導体、などが含まれる。
なお、酸化物半導体は、結晶構造に着目した場合、図２９Ａとは異なる分類となる場合がある。例えば、酸化物半導体は、単結晶酸化物半導体と、それ以外の非単結晶酸化物半導体と、に分けられる。非単結晶酸化物半導体としては、例えば、上述のＣＡＡＣ－ＯＳ、及びｎｃ－ＯＳがある。また、非単結晶酸化物半導体には、多結晶酸化物半導体、擬似非晶質酸化物半導体（ａ－ｌｉｋｅ ＯＳ：ａｍｏｒｐｈｏｕｓ－ｌｉｋｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、非晶質酸化物半導体、などが含まれる。
【0230】
ここで、上述のＣＡＡＣ－ＯＳ、ｎｃ－ＯＳ、及びａ－ｌｉｋｅ ＯＳの詳細について、説明を行う。
【0231】
［ＣＡＡＣ－ＯＳ］
ＣＡＡＣ－ＯＳは、複数の結晶領域を有し、当該複数の結晶領域はｃ軸が特定の方向に配向している酸化物半導体である。なお、特定の方向とは、ＣＡＡＣ－ＯＳ膜の厚さ方向、ＣＡＡＣ－ＯＳ膜の被形成面の法線方向、またはＣＡＡＣ－ＯＳ膜の表面の法線方向である。また、結晶領域とは、原子配列に周期性を有する領域である。なお、原子配列を格子配列とみなすと、結晶領域とは、格子配列の揃った領域でもある。さらに、ＣＡＡＣ－ＯＳは、ａ－ｂ面方向において複数の結晶領域が連結する領域を有し、当該領域は歪みを有する場合がある。なお、歪みとは、複数の結晶領域が連結する領域において、格子配列の揃った領域と、別の格子配列の揃った領域と、の間で格子配列の向きが変化している箇所を指す。つまり、ＣＡＡＣ－ＯＳは、ｃ軸配向し、ａ－ｂ面方向には明らかな配向をしていない酸化物半導体である。
ＣＡＡＣ－ＯＳは、複数の結晶領域を有し、当該複数の結晶領域はｃ軸が特定の方向に配向している酸化物半導体である。なお、特定の方向とは、ＣＡＡＣ－ＯＳ膜の厚さ方向、ＣＡＡＣ－ＯＳ膜の被形成面の法線方向、またはＣＡＡＣ－ＯＳ膜の表面の法線方向である。また、結晶領域とは、原子配列に周期性を有する領域である。なお、原子配列を格子配列とみなすと、結晶領域とは、格子配列の揃った領域でもある。さらに、ＣＡＡＣ－ＯＳは、ａ－ｂ面方向において複数の結晶領域が連結する領域を有し、当該領域は歪みを有する場合がある。なお、歪みとは、複数の結晶領域が連結する領域において、格子配列の揃った領域と、別の格子配列の揃った領域と、の間で格子配列の向きが変化している箇所を指す。つまり、ＣＡＡＣ－ＯＳは、ｃ軸配向し、ａ－ｂ面方向には明らかな配向をしていない酸化物半導体である。
【0232】
なお、上記複数の結晶領域のそれぞれは、１つまたは複数の微小な結晶（最大径が１０ｎｍ未満である結晶）で構成される。結晶領域が１つの微小な結晶で構成されている場合、当該結晶領域の最大径は１０ｎｍ未満となる。また、結晶領域が多数の微小な結晶で構成されている場合、当該結晶領域の大きさは、数十ｎｍ程度となる場合がある。
【0233】
また、Ｉｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物（元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、スズ、チタンなどから選ばれた一種、または複数種）において、ＣＡＡＣ－ＯＳは、インジウム（Ｉｎ）、及び酸素を有する層（以下、Ｉｎ層）と、元素Ｍ、亜鉛（Ｚｎ）、及び酸素を有する層（以下、（Ｍ，Ｚｎ）層）とが積層した、層状の結晶構造（層状構造ともいう）を有する傾向がある。なお、インジウムと元素Ｍは、互いに置換可能である。よって、（Ｍ，Ｚｎ）層にはインジウムが含まれる場合がある。また、Ｉｎ層には元素Ｍが含まれる場合がある。なお、Ｉｎ層にはＺｎが含まれる場合もある。当該層状構造は、例えば、高分解能ＴＥＭ像において、格子像として観察される。
【0234】
ＣＡＡＣ－ＯＳ膜に対し、例えば、ＸＲＤ装置を用いて構造解析を行うと、θ／２θスキャンを用いたＯｕｔ－ｏｆ－ｐｌａｎｅ ＸＲＤ測定では、ｃ軸配向を示すピークが２θ＝３１°またはその近傍に検出される。なお、ｃ軸配向を示すピークの位置（２θの値）は、ＣＡＡＣ－ＯＳを構成する金属元素の種類、組成などにより変動する場合がある。
【0235】
また、例えば、ＣＡＡＣ－ＯＳ膜の電子線回折パターンにおいて、複数の輝点（スポット）が観測される。なお、あるスポットと別のスポットとは、試料を透過した入射電子線のスポット（ダイレクトスポットともいう。）を対称中心として、点対称の位置に観測される。
【0236】
上記特定の方向から結晶領域を観察した場合、当該結晶領域内の格子配列は、六方格子を基本とするが、単位格子は正六角形とは限らず、非正六角形である場合がある。また、上記歪みにおいて、五角形、七角形などの格子配列を有する場合がある。なお、ＣＡＡＣ－ＯＳにおいて、歪み近傍においても、明確な結晶粒界（グレインバウンダリー）を確認することはできない。即ち、格子配列の歪みによって、結晶粒界の形成が抑制されていることがわかる。これは、ＣＡＡＣ－ＯＳが、ａ－ｂ面方向において酸素原子の配列が稠密でないこと、および金属原子が置換することで原子間の結合距離が変化することなどによって、歪みを許容することができるためと考えられる。
【0237】
なお、明確な結晶粒界が確認される結晶構造は、いわゆる多結晶（ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌ）と呼ばれる。結晶粒界は、再結合中心となり、キャリアが捕獲されトランジスタのオン電流の低下、電界効果移動度の低下などを引き起こす可能性が高い。よって、明確な結晶粒界が確認されないＣＡＡＣ－ＯＳは、トランジスタの半導体層に好適な結晶構造を有する結晶性の酸化物の一つである。なお、ＣＡＡＣ－ＯＳを構成するには、Ｚｎを有する構成が好ましい。例えば、Ｉｎ－Ｚｎ酸化物、及びＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物は、Ｉｎ酸化物よりも結晶粒界の発生を抑制できるため好適である。
【0238】
ＣＡＡＣ－ＯＳは、結晶性が高く、明確な結晶粒界が確認されない酸化物半導体である。よって、ＣＡＡＣ－ＯＳは、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。また、酸化物半導体の結晶性は不純物の混入、または欠陥の生成などによって低下する場合があるため、ＣＡＡＣ－ＯＳは不純物および欠陥（酸素欠損など）の少ない酸化物半導体ともいえる。従って、ＣＡＡＣ－ＯＳを有する酸化物半導体は、物理的性質が安定する。そのため、ＣＡＡＣ－ＯＳを有する酸化物半導体は熱に強く、信頼性が高い。また、ＣＡＡＣ－ＯＳは、製造工程における高い温度（所謂サーマルバジェット）に対しても安定である。したがって、ＯＳトランジスタにＣＡＡＣ－ＯＳを用いると、製造工程の自由度を広げることが可能となる。
【0239】
［ｎｃ－ＯＳ］
ｎｃ－ＯＳは、微小な領域（例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の領域、特に１ｎｍ以上３ｎｍ以下の領域）において原子配列に周期性を有する。別言すると、ｎｃ－ＯＳは、微小な結晶を有する。なお、当該微小な結晶の大きさは、例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下、特に１ｎｍ以上３ｎｍ以下であることから、当該微小な結晶をナノ結晶ともいう。また、ｎｃ－ＯＳは、異なるナノ結晶間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、膜全体で配向性が見られない。したがって、ｎｃ－ＯＳは、分析方法によっては、ａ－ｌｉｋｅ ＯＳまたは非晶質酸化物半導体と区別が付かない場合がある。例えば、ｎｃ－ＯＳ膜に対し、ＸＲＤ装置を用いて構造解析を行うと、θ／２θスキャンを用いたＯｕｔ－ｏｆ－ｐｌａｎｅ ＸＲＤ測定では、結晶性を示すピークが検出されない。また、ｎｃ－ＯＳ膜に対し、ナノ結晶よりも大きいプローブ径（例えば５０ｎｍ以上）の電子線を用いる電子線回折（制限視野電子線回折ともいう。）を行うと、ハローパターンのような回折パターンが観測される。一方、ｎｃ－ＯＳ膜に対し、ナノ結晶の大きさと近いかナノ結晶より小さいプローブ径（例えば１ｎｍ以上３０ｎｍ以下）の電子線を用いる電子線回折（ナノビーム電子線回折ともいう。）を行うと、ダイレクトスポットを中心とするリング状の領域内に複数のスポットが観測される電子線回折パターンが取得される場合がある。
ｎｃ－ＯＳは、微小な領域（例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の領域、特に１ｎｍ以上３ｎｍ以下の領域）において原子配列に周期性を有する。別言すると、ｎｃ－ＯＳは、微小な結晶を有する。なお、当該微小な結晶の大きさは、例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下、特に１ｎｍ以上３ｎｍ以下であることから、当該微小な結晶をナノ結晶ともいう。また、ｎｃ－ＯＳは、異なるナノ結晶間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、膜全体で配向性が見られない。したがって、ｎｃ－ＯＳは、分析方法によっては、ａ－ｌｉｋｅ ＯＳまたは非晶質酸化物半導体と区別が付かない場合がある。例えば、ｎｃ－ＯＳ膜に対し、ＸＲＤ装置を用いて構造解析を行うと、θ／２θスキャンを用いたＯｕｔ－ｏｆ－ｐｌａｎｅ ＸＲＤ測定では、結晶性を示すピークが検出されない。また、ｎｃ－ＯＳ膜に対し、ナノ結晶よりも大きいプローブ径（例えば５０ｎｍ以上）の電子線を用いる電子線回折（制限視野電子線回折ともいう。）を行うと、ハローパターンのような回折パターンが観測される。一方、ｎｃ－ＯＳ膜に対し、ナノ結晶の大きさと近いかナノ結晶より小さいプローブ径（例えば１ｎｍ以上３０ｎｍ以下）の電子線を用いる電子線回折（ナノビーム電子線回折ともいう。）を行うと、ダイレクトスポットを中心とするリング状の領域内に複数のスポットが観測される電子線回折パターンが取得される場合がある。
【0240】
［ａ－ｌｉｋｅ ＯＳ］
ａ－ｌｉｋｅ ＯＳは、ｎｃ－ＯＳと非晶質酸化物半導体との間の構造を有する酸化物半導体である。ａ－ｌｉｋｅ ＯＳは、鬆又は低密度領域を有する。即ち、ａ－ｌｉｋｅ ＯＳは、ｎｃ－ＯＳ及びＣＡＡＣ－ＯＳと比べて、結晶性が低い。また、ａ－ｌｉｋｅ ＯＳは、ｎｃ－ＯＳ及びＣＡＡＣ－ＯＳと比べて、膜中の水素濃度が高い。
ａ－ｌｉｋｅ ＯＳは、ｎｃ－ＯＳと非晶質酸化物半導体との間の構造を有する酸化物半導体である。ａ－ｌｉｋｅ ＯＳは、鬆又は低密度領域を有する。即ち、ａ－ｌｉｋｅ ＯＳは、ｎｃ－ＯＳ及びＣＡＡＣ－ＯＳと比べて、結晶性が低い。また、ａ－ｌｉｋｅ ＯＳは、ｎｃ－ＯＳ及びＣＡＡＣ－ＯＳと比べて、膜中の水素濃度が高い。
【0241】
＜＜酸化物半導体の構成＞＞
次に、上述のＣＡＣ－ＯＳの詳細について、説明を行う。なお、ＣＡＣ－ＯＳは材料構成に関する。
次に、上述のＣＡＣ－ＯＳの詳細について、説明を行う。なお、ＣＡＣ－ＯＳは材料構成に関する。
【0242】
［ＣＡＣ－ＯＳ］
ＣＡＣ－ＯＳとは、例えば、金属酸化物を構成する元素が、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下、好ましくは、１ｎｍ以上３ｎｍ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、金属酸化物において、一つまたは複数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３ｎｍ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。
ＣＡＣ－ＯＳとは、例えば、金属酸化物を構成する元素が、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下、好ましくは、１ｎｍ以上３ｎｍ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、金属酸化物において、一つまたは複数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３ｎｍ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。
【0243】
さらに、ＣＡＣ－ＯＳとは、第１の領域と、第２の領域と、に材料が分離することでモザイク状となり、当該第１の領域が、膜中に分布した構成（以下、クラウド状ともいう。）である。つまり、ＣＡＣ－ＯＳは、当該第１の領域と、当該第２の領域とが、混合している構成を有する複合金属酸化物である。
【0244】
ここで、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物におけるＣＡＣ－ＯＳを構成する金属元素に対するＩｎ、Ｇａ、およびＺｎの原子数比のそれぞれを、［Ｉｎ］、［Ｇａ］、および［Ｚｎ］と表記する。例えば、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物におけるＣＡＣ－ＯＳにおいて、第１の領域は、［Ｉｎ］が、ＣＡＣ－ＯＳ膜の組成における［Ｉｎ］よりも大きい領域である。また、第２の領域は、［Ｇａ］が、ＣＡＣ－ＯＳ膜の組成における［Ｇａ］よりも大きい領域である。または、例えば、第１の領域は、［Ｉｎ］が、第２の領域における［Ｉｎ］よりも大きく、且つ、［Ｇａ］が、第２の領域における［Ｇａ］よりも小さい領域である。また、第２の領域は、［Ｇａ］が、第１の領域における［Ｇａ］よりも大きく、且つ、［Ｉｎ］が、第１の領域における［Ｉｎ］よりも小さい領域である。
【0245】
具体的には、上記第１の領域は、インジウム酸化物、インジウム亜鉛酸化物などが主成分である領域である。また、上記第２の領域は、ガリウム酸化物、ガリウム亜鉛酸化物などが主成分である領域である。つまり、上記第１の領域を、Ｉｎを主成分とする領域と言い換えることができる。また、上記第２の領域を、Ｇａを主成分とする領域と言い換えることができる。
【0246】
なお、上記第１の領域と、上記第２の領域とは、明確な境界が観察できない場合がある。
【0247】
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、Ｉｎを主成分とする領域（第１の領域）と、Ｇａを主成分とする領域（第２の領域）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。
【0248】
ＣＡＣ－ＯＳをトランジスタに用いる場合、第１の領域に起因する導電性と、第２の領域に起因する絶縁性とが、相補的に作用することにより、スイッチングさせる機能（Ｏｎ／Ｏｆｆさせる機能）をＣＡＣ－ＯＳに付与することができる。つまり、ＣＡＣ－ＯＳとは、材料の一部では導電性の機能と、材料の一部では絶縁性の機能とを有し、材料の全体では半導体としての機能を有する。導電性の機能と絶縁性の機能とを分離させることで、双方の機能を最大限に高めることができる。よって、ＣＡＣ－ＯＳをトランジスタに用いることで、高いオン電流（Ｉｏｎ）、高い電界効果移動度（μ）、および良好なスイッチング動作を実現することができる。
【0249】
酸化物半導体は、多様な構造をとり、それぞれが異なる特性を有する。本発明の一態様の酸化物半導体は、非晶質酸化物半導体、多結晶酸化物半導体、ａ－ｌｉｋｅ ＯＳ、ＣＡＣ－ＯＳ、ｎｃ－ＯＳ、ＣＡＡＣ－ＯＳのうち、二種以上を有していてもよい。
【0250】
＜酸化物半導体を有するトランジスタ＞
続いて、上記酸化物半導体をトランジスタに用いる場合について説明する。
続いて、上記酸化物半導体をトランジスタに用いる場合について説明する。
【0251】
上記酸化物半導体をトランジスタに用いることで、高い電界効果移動度のトランジスタを実現することができる。また、信頼性の高いトランジスタを実現することができる。
【0252】
トランジスタには、キャリア濃度の低い酸化物半導体を用いることが好ましい。例えば、酸化物半導体のキャリア濃度は１×１０１７ｃｍ－３以下、好ましくは１×１０１５ｃｍ－３以下、さらに好ましくは１×１０１３ｃｍ－３以下、より好ましくは１×１０１１ｃｍ－３以下、さらに好ましくは１×１０１０ｃｍ－３未満であり、１×１０－９ｃｍ－３以上である。なお、酸化物半導体膜のキャリア濃度を低くする場合においては、酸化物半導体膜中の不純物濃度を低くし、欠陥準位密度を低くすればよい。本明細書等において、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低いことを高純度真性又は実質的に高純度真性と言う。なお、キャリア濃度の低い酸化物半導体を、高純度真性又は実質的に高純度真性な酸化物半導体と呼ぶ場合がある。
【0253】
また、高純度真性又は実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、欠陥準位密度が低いため、トラップ準位密度も低くなる場合がある。
【0254】
また、酸化物半導体のトラップ準位に捕獲された電荷は、消失するまでに要する時間が長く、あたかも固定電荷のように振る舞うことがある。そのため、トラップ準位密度の高い酸化物半導体にチャネル形成領域が形成されるトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。
【0255】
従って、トランジスタの電気特性を安定にするためには、酸化物半導体中の不純物濃度を低減することが有効である。また、酸化物半導体中の不純物濃度を低減するためには、近接する膜中の不純物濃度も低減することが好ましい。不純物としては、水素、窒素、アルカリ金属、アルカリ土類金属、鉄、ニッケル、シリコン等がある。
【0256】
＜不純物＞
ここで、酸化物半導体中における各不純物の影響について説明する。
ここで、酸化物半導体中における各不純物の影響について説明する。
【0257】
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または炭素が含まれると、酸化物半導体において欠陥準位が形成される。このため、酸化物半導体におけるシリコンまたは炭素の濃度と、酸化物半導体との界面近傍のシリコンまたは炭素の濃度（二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）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。
【0258】
また、酸化物半導体にアルカリ金属又はアルカリ土類金属が含まれると、欠陥準位を形成し、キャリアを生成する場合がある。従って、アルカリ金属又はアルカリ土類金属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、ＳＩＭＳにより得られる酸化物半導体中のアルカリ金属又はアルカリ土類金属の濃度を、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは２×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下にする。
【0259】
また、酸化物半導体において、窒素が含まれると、キャリアである電子が生じ、キャリア濃度が増加し、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半導体に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。または、酸化物半導体において、窒素が含まれると、トラップ準位が形成される場合がある。この結果、トランジスタの電気特性が不安定となる場合がある。このため、ＳＩＭＳにより得られる酸化物半導体中の窒素濃度を、５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下にする。
【0260】
また、酸化物半導体に含まれる水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になるため、酸素欠損を形成する場合がある。該酸素欠損に水素が入ることで、キャリアである電子が生成される場合がある。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ことがある。従って、水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、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、ＳＩＭＳ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未満にする。
【0261】
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。
【0262】
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。
【0263】
（実施の形態３）
本実施の形態では、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。
本実施の形態では、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。
【0264】
図３０Ａ１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。なお、イメージセンサチップ４５０は、後述する図３０Ａ３に示している。
【0265】
図３０Ａ２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）が設けられる。なお、ＢＧＡに限らず、ＬＧＡ（Ｌａｎｄ ｇｒｉｄ ａｒｒａｙ）、またはＰＧＡ（Ｐｉｎ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）などを有していてもよい。
【0266】
図３０Ａ３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。
【0267】
また、図３０Ｂ１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。なお、イメージセンサチップ４５１、およびＩＣチップ４９０は、後述する図３０Ｂ３に示している。
【0268】
図３０Ｂ２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）、または前述したＢＧＡが設けられていてもよい。
【0269】
図３０Ｂ３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。
【0270】
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。
【0271】
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
【0272】
（実施の形態４）
本実施の形態では、本発明の一態様の撮像装置を用いることができる電子機器の一例を説明する。
本実施の形態では、本発明の一態様の撮像装置を用いることができる電子機器の一例を説明する。
【0273】
本発明の一態様の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又は画像再生装置、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）、自動販売機等が挙げられる。これら電子機器の具体例を図３１Ａ乃至図３１Ｆに示す。
【0274】
図３１Ａは、携帯電話機９１０の一例であり、筐体９１１、表示部９１２、操作ボタン９１３、外部接続ポート９１４、スピーカ９１５、差込口９１６、カメラ９１７、イヤホン差込口９１８等を有する。携帯電話機９１０は、表示部９１２にタッチセンサを設けることができる。電話を掛ける、或いは文字を入力する等のあらゆる操作は、指又はスタイラス等で表示部９１２に触れることで行うことができる。また、差込口９１６には、ＳＤカード等のメモリーカードをはじめとして、ＵＳＢメモリ、ＳＳＤ（ソリッド・ステート・ドライブ）等の各種のリムーバブル記憶装置を差し込むことができる。
【0275】
携帯電話機９１０に、本発明の一態様の撮像装置を適用することができる。例えば、カメラ９１７等、携帯電話機９１０による撮像データ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。本発明の一態様の撮像装置は、ニューラルネットワークによる演算の一部を行うことができる。よって、携帯電話機９１０に画像認識機能などの付加機能を搭載することができる。また、ニューラルネットワークによる演算のすべてをソフトウェアにより行う場合より、携帯電話機９１０の消費電力を低減することができる。
【0276】
図３１Ｂは、携帯データ端末９２０の一例であり、筐体９２１、表示部９２２、スピーカ９２３、カメラ９２４等を有する。表示部９２２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９２４で取得した画像から文字等を認識し、スピーカ９２３で当該文字を音声出力することができる。
【0277】
携帯データ端末９２０に、本発明の一態様の撮像装置を適用することができる。例えば、カメラ９２４等、携帯データ端末９２０による撮像データ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。本発明の一態様の撮像装置は、ニューラルネットワークによる演算の一部を行うことができる。よって、携帯データ端末９２０に画像認識機能などの付加機能を搭載することができる。また、ニューラルネットワークによる演算のすべてをソフトウェアにより行う場合より、携帯データ端末９２０の消費電力を低減することができる。
【0278】
図３１Ｃは、監視カメラ９６０の一例であり、取付具９６１、筐体９６２、レンズ９６３等を有する。監視カメラ９６０は、取付具９６１により壁又は天井等に取り付けることができる。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、又はビデオカメラとも呼ばれる。
【0279】
監視カメラ９６０に、本発明の一態様の撮像装置を適用することができる。例えば、監視カメラ９６０による撮像データ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。本発明の一態様の撮像装置は、ニューラルネットワークによる演算の一部を行うことができる。よって、監視カメラ９６０に画像認識機能などの付加機能を搭載することができる。また、ニューラルネットワークによる演算のすべてをソフトウェアにより行う場合より、監視カメラ９６０の消費電力を低減することができる。
【0280】
図３１Ｄは、ビデオカメラ９４０の一例であり、第１の筐体９４１、第２の筐体９４２、表示部９４３、操作キー９４４、レンズ９４５、接続部９４６、スピーカ９４７、マイク９４８等を有する。操作キー９４４及びレンズ９４５は、第１の筐体９４１に設けることができ、表示部９４３は、第２の筐体９４２に設けることができる。
【0281】
ビデオカメラ９４０に、本発明の一態様の撮像装置を適用することができる。例えば、ビデオカメラ９４０による撮像データ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。本発明の一態様の撮像装置は、ニューラルネットワークによる演算の一部を行うことができる。よって、ビデオカメラ９４０に画像認識機能などの付加機能を搭載することができる。また、ニューラルネットワークによる演算のすべてをソフトウェアにより行う場合より、ビデオカメラ９４０の消費電力を低減することができる。
【0282】
図３１Ｅは、デジタルカメラ９５０の一例であり、筐体９５１、シャッターボタン９５２、発光部９５３、レンズ９５４等を有する。デジタルカメラ９５０に、本発明の一態様の撮像装置を適用することができる。例えば、デジタルカメラ９５０による撮像データ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。本発明の一態様の撮像装置は、ニューラルネットワークによる演算の一部を行うことができる。よって、デジタルカメラ９５０に画像認識機能などの付加機能を搭載することができる。また、ニューラルネットワークによる演算のすべてをソフトウェアにより行う場合より、デジタルカメラ９５０の消費電力を低減することができる。
【0283】
図３１Ｆは、腕時計型の情報端末９３０の一例であり、筐体兼リストバンド９３１、表示部９３２、操作ボタン９３３、外部接続ポート９３４、カメラ９３５等を有する。表示部９３２は、情報端末９３０の操作を行うためのタッチパネルが設けられる。筐体兼リストバンド９３１、及び表示部９３２は可撓性を有し、身体への装着性が優れている。
【0284】
情報端末９３０に、本発明の一態様の半導体装置を適用することができる。例えば、カメラ９３５等、情報端末９３０による撮像データ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。本発明の一態様の撮像装置は、ニューラルネットワークによる演算の一部を行うことができる。よって、情報端末９３０に画像認識機能などの付加機能を搭載することができる。また、ニューラルネットワークによる演算のすべてをソフトウェアにより行う場合より、情報端末９３０の消費電力を低減することができる。
【0285】
図３２Ａは、移動体の一例として自動車の外観図を図示している。図３２Ｂは、自動車内でのデータのやり取りを簡略化して示した図である。自動車８９０は、複数のカメラ８９１等を有する。また、自動車８９０は、赤外線レーダー、ミリ波レーダー、レーザーレーダーなど各種センサ（図示せず）などを備える。
【0286】
カメラ８９１に本発明の一態様の撮像装置を適用することができる。本発明の一態様の撮像装置は、ニューラルネットワークによる演算の一部を行うことができる。よって、カメラ８９１に画像認識機能などの付加機能を搭載することができる。また、ニューラルネットワークによる演算のすべてをソフトウェアにより行う場合より、自動車８９０の消費電力を低減することができる。
【0287】
自動車８９０において、カメラ８９１等に集積回路８９３を用いることができる。自動車８９０は、カメラ８９１が複数の撮像方向８９２で得られた複数の画像を集積回路８９３で処理し、バス８９４等を介してホストコントローラ８９５等により複数の画像をまとめて解析する。これにより、自動車８９０は、ガードレール、または歩行者の有無など、周囲の交通状況を判断し、自動運転を行うことができる。また、道路案内、危険予測などを行うシステムに用いることができる。
【0288】
集積回路８９３では、得られた画像データをニューラルネットワークなどの演算処理を行うことで、例えば、画像の高解像度化、画像ノイズの低減、顔認識（防犯目的など）、物体認識（自動運転の目的など）、画像圧縮、画像補正（広ダイナミックレンジ化）、レンズレスイメージセンサの画像復元、位置決め、文字認識、反射映り込み低減などの処理を行うことができる。
【0289】
なお、上述では、移動体の一例として自動車について説明しているが、自動車は、内燃機関を有する自動車、電気自動車、水素自動車など、いずれであってもよい。また、移動体は自動車に限定されない。例えば、移動体としては、電車、モノレール、船、飛行体（ヘリコプター、無人航空機（ドローン）、飛行機、ロケット）なども挙げることができ、これらの移動体に本発明の一態様のコンピュータを適用して、人工知能を利用したシステムを付与することができる。
【0290】
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
【符号の説明】
【0291】
１０：撮像装置、１１：セルアレイ、１２：セル、１３：ロードライバ回路、１４：データ生成回路、１６：回路、１７：演算回路、２１：光電変換素子、２２：トランジスタ、２３：トランジスタ、２４：トランジスタ、２５：トランジスタ、２６：トランジスタ、２７：トランジスタ、２８：トランジスタ、２９：ソースフォロワ回路、３２：配線、３３：配線、３５：配線、３６：配線、３７：配線、３８：配線、４１：配線、４３：配線、４４：配線、４５：配線、４６：配線、４７：配線、４８：配線、５１：論理回路、５２：トランジスタ、５３：配線、５４：Ａ／Ｄ変換回路、６１：トランジスタ、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、５６４：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：絶縁層、５８３：着色層、５８３ａ：着色層、５８３ｂ：着色層、５８３ｃ：着色層、５８４：マイクロレンズアレイ、５８５：光学変換層、５８６：絶縁層、５８７：着色層、５８７ａ：着色層、５８７ｂ：着色層、５８７ｃ：着色層、５８８：絶縁層、７０１：ゲート電極、７０２：ゲート絶縁膜、７０３：ソース領域、７０４：ドレイン領域、７０５：ソース電極、７０６：ドレイン電極、７０７：酸化物半導体層、８９０：自動車、８９１：カメラ、８９２：撮像方向、８９３：集積回路、８９４：バス、８９５：ホストコントローラ、９１０：携帯電話機、９１１：筐体、９１２：表示部、９１３：操作ボタン、９１４：外部接続ポート、９１５：スピーカ、９１６：差込口、９１７：カメラ、９１８：イヤホン差込口、９２０：携帯データ端末、９２１：筐体、９２２：表示部、９２３：スピーカ、９２４：カメラ、９３０：情報端末、９３１：筐体兼リストバンド、９３２：表示部、９３３：操作ボタン、９３４：外部接続ポート、９３５：カメラ、９４０：ビデオカメラ、９４１：筐体、９４２：筐体、９４３：表示部、９４４：操作キー、９４５：レンズ、９４６：接続部、９４７：スピーカ、９４８：マイク、９５０：デジタルカメラ、９５１：筐体、９５２：シャッターボタン、９５３：発光部、９５４：レンズ、９６０：監視カメラ、９６１：取付具、９６２：筐体、９６３：レンズ
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【図5A】
【図5B】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12A】
【図12B】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17A】
【図17B】
【図18A】
【図18B】
【図18C】
【図18D】
【図18E】
【図19A】
【図19B】
【図20A】
【図20B】
【図20C】
【図21A】
【図21B】
【図22A】
【図22B】
【図22C】
【図22D】
【図23A】
【図23B】
【図23C】
【図24A】
【図24B】
【図25A】
【図25B】
【図26A】
【図26B】
【図27A】
【図27B】
【図28A】
【図28B】
【図29A】
【図29B】
【図29C】
【図30A1】
【図30A2】
【図30A3】
【図30B1】
【図30B2】
【図30B3】
【図31A】
【図31B】
【図31C】
【図31D】
【図31E】
【図31F】
【図32A】
【図32B】