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特許7624438撮像装置

書誌要約請求の範囲詳細な説明課題実施例実施するための形態図面の説明

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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】2025-01-22

(45)【発行日】2025-01-30

(54)【発明の名称】撮像装置

(51)【国際特許分類】

H04N 25/76 20230101AFI20250123BHJP

【ＦＩ】

H04N25/76

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2022516467

(86)(22)【出願日】2021-04-19

(86)【国際出願番号】 IB2021053188

(87)【国際公開番号】W WO2021214616

(87)【国際公開日】2021-10-28

【審査請求日】2024-03-29

(31)【優先権主張番号】P 2020077098

(32)【優先日】2020-04-24

(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】根来雄介

(72)【発明者】

【氏名】米田誠一

(72)【発明者】

【氏名】山崎舜平

【審査官】越河勉

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１６－２１９９７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１２３０８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－１１９７１１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０４Ｎ２５／７６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の画素と、複数の第１の回路と、を有し、
前記画素は、マトリクス状に配置され、
前記第１の回路は、列方向に配置される複数の前記画素と電気的に接続され、
前記画素は、第２の回路と、第３の回路と、を有し、
前記第２の回路または前記第３の回路の一方は、ｎフレーム目（ｎは２以上の整数）に取得された画像データに第１の重みを与えて、ｎフレーム目の第１のデータを生成する機能を有し、
前記第２の回路または前記第３の回路の他方は、ｎ－１フレーム目に取得された画像データに第２の重みを与えて、ｎ－１フレーム目の第１のデータを生成する機能を有し、
前記画素は、前記ｎ－１フレーム目の第１のデータと、前記ｎフレーム目の第１のデータを足し合わせて第２のデータを生成する機能を有し、
前記第１の回路は、前記画素がそれぞれ生成する前記第２のデータの和に相当する第３のデータを生成する機能を有する撮像装置。

【請求項2】

請求項１において、
前記画素は、光電変換デバイスと、第１のトランジスタと、を有し、
前記第２の回路及び前記第３の回路はそれぞれ、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、第１のキャパシタと、を有し、
前記光電変換デバイスの一方の電極は、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他方は、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のトランジスタのゲートと電気的に接続され、
前記第４のトランジスタのゲートは、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１のキャパシタの他方の電極は、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一方は、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１の回路と電気的に接続される撮像装置。

【請求項3】

請求項２において、
前記第５のトランジスタの他方は、第１の配線と電気的に接続され、
前記第１の配線は、前記第１の重みに相当する電位または前記第２の重みに相当する電位のいずれかが供給される撮像装置。

【請求項4】

請求項１において、
前記画素は、光電変換デバイスと、第１のトランジスタと、を有し、
前記第２の回路及び前記第３の回路はそれぞれ、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１のキャパシタと、を有し、
前記光電変換デバイスの一方の電極は、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他方は、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のトランジスタのゲートと電気的に接続され、
前記第４のトランジスタのゲートは、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１の回路と電気的に接続され、
前記第４のトランジスタは、バックゲートを有する撮像装置。

【請求項5】

請求項４において、
前記バックゲートは、第１の配線と電気的に接続され、
前記第１の配線は、前記第１の重みに相当する電位または前記第２の重みに相当する電位のいずれかが供給される撮像装置。

【請求項6】

請求項１乃至請求項５のいずれか一において、
前記第１の回路は、第６のトランジスタと、第７のトランジスタと、第８のトランジスタと、第９のトランジスタと、第１０のトランジスタと、第２のキャパシタと、を有し、
前記第２のキャパシタの一方の電極は、前記複数の画素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６のトランジスタと電気的に接続され、
前記第２のキャパシタの他方の電極は、前記第７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７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８のトランジスタのゲートと電気的に接続され、
前記第８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９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９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１０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る撮像装置。

【請求項7】

請求項１乃至請求項６のいずれか一において、
前記画素および前記第１の回路が有するトランジスタのいずれか一または複数は、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、元素Ｍ（ＭはＡｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、ＮｄまたはＨｆの一つまたは複数）と、を有する撮像装置。

【請求項8】

請求項１乃至請求項７のいずれか一において、
前記画素および前記第１の回路が有するトランジスタのいずれか一または複数は、チャネル形成領域にシリコンを有する撮像装置。

【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、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、それらの動作方法、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】

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】

携帯機器などに搭載される撮像装置では、高解像度の画像を取得できる機能が一般的に備えられている。次世代においては、撮像装置にさらに知的な機能を搭載することが求められている。

【0008】

画像データの圧縮、画像認識などは、現状では撮像装置で撮像された画像データが、撮像装置の外部に取り出されて処理が行われる。当該処理を撮像装置内で行うことができれば、外部の機器との連携がより高速となり、使用者の利便性が向上する。また、周辺装置などの負荷および消費電力も低減することができる。

【0009】

動画で滑らかな動きを表現するには、フレームレートを高めることが好ましい。一方で、画素数が多いほど水平期間が短くなるため、単純にフレームレートを高めることは困難である。そのため、実画像のフレーム間を補間する画像（補間画像）を生成する技術が用いられることがある。ただし、実画像を取得するフレームレートがある程度高い場合は、補間画像を生成する時間の確保が困難となりやすい。

【0010】

上記に鑑み、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目的の一つとする。または、フレーム間を補間する画像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、高品質な動画を撮像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、ニューラルネットワークの一部の要素として機能する撮像装置を提供することを目的の一つとする。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、新規な撮像装置などを提供することを目的の一つとする。または、上記撮像装置の駆動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、複数の画素を有する撮像装置である。それぞれの画素は、ｎフレーム目（ｎは２以上の整数）に取得された画像データに第１の重みを与えて、ｎフレーム目の第１のデータを生成する機能を有する。画素は、ｎ－１フレーム目に取得された画像データに第２の重みを与えて、ｎ－１フレーム目の第１のデータを生成する機能を有する。また、画素は、ｎ－１フレーム目の第１のデータと、ｎフレーム目の第１のデータを足し合わせて第２のデータを生成する機能を有する。

【0013】

本発明の一態様は、複数の画素と、複数の第１の回路と、を有する撮像装置である。画素は、マトリクス状に配置される。第１の回路は、列方向に配置される複数の画素と電気的に接続される。画素は、第２の回路と、第３の回路と、を有する。第２の回路または第３の回路の一方は、ｎフレーム目（ｎは２以上の整数）に取得された画像データに第１の重みを与えて、ｎフレーム目の第１のデータを生成する機能を有する。第２の回路または第３の回路の他方は、ｎ－１フレーム目に取得された画像データに第２の重みを与えて、ｎ－１フレーム目の第１のデータを生成する機能を有する。さらに、画素は、ｎ－１フレーム目の第１のデータと、ｎフレーム目の第１のデータを足し合わせて第２のデータを生成する機能を有する。第１の回路は、画素がそれぞれ生成する第２のデータの和に相当する第３のデータを生成する機能を有する。

【0014】

前述の撮像装置において、画素は、光電変換デバイスと、第１のトランジスタと、を有することが好ましい。第２の回路及び第３の回路はそれぞれ、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、第１のキャパシタと、を有する。光電変換デバイスの一方の電極は、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る。第２のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、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る。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のトランジスタのゲートと電気的に接続される。第４のトランジスタのゲートは、第１のキャパシタの一方の電極と電気的に接続される。第１のキャパシタの他方の電極は、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る。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る。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１の回路と電気的に接続される。

【0015】

前述の撮像装置において、第５のトランジスタの他方は、第１の配線と電気的に接続されることが好ましい。第１の配線は、第１の重みに相当する電位または第２の重みに相当する電位のいずれかが供給される。

【0016】

前述の撮像装置において、画素は、光電変換デバイスと、第１のトランジスタと、を有することが好ましい。第２の回路及び第３の回路はそれぞれ、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１のキャパシタと、を有する。光電変換デバイスの一方の電極は、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る。第２のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、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る。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のトランジスタのゲートと電気的に接続される。第４のトランジスタのゲートは、第１のキャパシタの一方の電極と電気的に接続される。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る。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１の回路と電気的に接続される。第４のトランジスタは、バックゲートを有する。

【0017】

前述の撮像装置において、バックゲートは、第１の配線と電気的に接続されることが好ましい。第１の配線は、第１の重みに相当する電位または第２の重みに相当する電位のいずれかが供給される。

【0018】

前述の撮像装置において、第１の回路は、第６のトランジスタと、第７のトランジスタと、第８のトランジスタと、第９のトランジスタと、第１０のトランジスタと、第２のキャパシタと、を有することが好ましい。第２のキャパシタの一方の電極は、複数の画素と電気的に接続される。第２のキャパシタの一方の電極は、第６のトランジスタと電気的に接続される。第２のキャパシタの他方の電極は、第７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る。第７のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、第８のトランジスタのゲートと電気的に接続される。第８のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、第９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る。第９のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、第１０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る。

【0019】

前述の撮像装置において、画素および第１の回路が有するトランジスタのいずれか一または複数は、チャネル形成領域に金属酸化物を有することが好ましい。金属酸化物は、Ｉｎと、Ｚｎと、元素Ｍ（ＭはＡｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、ＮｄまたはＨｆの一つまたは複数）と、を有する。

【0020】

前述の撮像装置において、画素および第１の回路が有するトランジスタのいずれか一または複数は、チャネル形成領域にシリコンを有することが好ましい。

【発明の効果】

【0021】

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、フレーム間を補間する画像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、高品質な動画を撮像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、ニューラルネットワークの一部の要素として機能す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、信頼性の高い撮像装置を提供することができる。または、新規な撮像装置などを提供することができる。または、上記撮像装置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。

【図面の簡単な説明】

【0022】

図１は、撮像装置を説明するブロック図である。
図２は、画素ブロックおよび回路を説明する図である。
図３は、画素ブロックを説明する図である。
図４は、画素を説明する図である。
図５は、撮像装置の動作を説明する概要図である。
図６は、撮像装置の動作を説明する概要図である。
図７は、画素ブロックおよび回路の動作を説明するタイミングチャートである。
図８は、画素ブロックおよび回路の動作を説明するタイミングチャートである。
図９は、画素ブロックおよび回路の動作を説明するタイミングチャートである。
図１０は、画素ブロックおよび回路の動作を説明するタイミングチャートである。
図１１は、画素ブロックおよび回路の動作を説明するタイミングチャートである。
図１２は、画素ブロックおよび回路の動作を説明するタイミングチャートである。
図１３は、画素を説明する図である。
図１４Ａ、図１４Ｂは、回路を説明する図である。
図１５は、メモリセルを説明する図である。
図１６Ａ、図１６Ｂは、ニューラルネットワークの構成例を示す図である。
図１７Ａ乃至図１７Ｄは、撮像装置の画素の構成を説明する図である。
図１８Ａ乃至図１８Ｃは、光電変換デバイスの構成を説明する図である。
図１９は、画素を説明する断面図である。
図２０Ａ乃至図２０Ｃは、Ｓｉトランジスタを説明する図である。
図２１は、画素を説明する断面図である。
図２１は、画素を説明する断面図である。
図２３は、画素を説明する断面図である。
図２４Ａ乃至図２４Ｄは、ＯＳトランジスタを説明する図である。
図２５は、画素を説明する断面図である。
図２６Ａ乃至図２６Ｃは、画素を説明する斜視図（断面図）である。
図２７Ａ１乃至図２７Ａ３、図２７Ｂ１乃至図２７Ｂ３は、撮像装置を収めたパッケージ、モジュールの斜視図である。
図２８Ａ乃至図２８Ｆは、電子機器を説明する図である。
図２９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】

【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】

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】

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一つまたは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、画像処理を行うことができ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、画像処理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、撮像動作で取得したアナログデータ（画像データ）を画素に保持し、当該アナログデータと任意の重み係数とを乗じたデータを取り出す機能を有する。また、複数の画素から出力される当該データを加算する機能（積和演算機能）を有する。

【0028】

さらに、画素から取り出した当該データを撮像装置の内部または外部に設けられたニューラルネットワークなどに取り込むことで、画像認識などの処理を行うことができる。本発明の一態様である撮像装置は、膨大な画像データをアナログデータの状態で画素に保持し、かつ画素内で演算することができるため、効率良く処理を行うことができる。

【0029】

本発明の一態様は、フレーム間を補間する画像（補間画像）を生成する機能を備えた撮像装置である。当該撮像装置において、画素は、ｎフレーム目において、ｎフレーム目に撮像することで取得された画像データに任意の重みを与えて、ｎフレーム目の第１のデータを生成する機能を有する。また、画素は、ｎ－１フレーム目に撮像することで取得された画像データを保持する機能を有し、ｎフレーム目において、ｎ－１フレーム目に取得された画像データに任意の重みを与えて、ｎ－１フレーム目の第１のデータを生成する機能を有する。さらに、画素は、ｎ－１フレーム目の第１のデータと、ｎフレーム目の第１のデータを足し合わせて第２のデータを生成する機能を有する。第２のデータは、例えば、フレーム間を補間する画像データとして好適に用いることができる。

【0030】

＜撮像装置＞
本発明の一態様である撮像装置のブロック図を、図１に示す。撮像装置は、画素アレイ３００と、回路２０１と、回路３０１と、回路３０２と、回路３０３と、回路３０４と、回路３０５と、を有する。なお、回路２０１、回路３０１、回路３０２、回路３０３、および回路３０４、および回路３０５の一以上は、画素アレイ３００と重なる領域を有していてもよい。当該構成とすることで、撮像装置の面積を小さくすることができる。

【0031】

なお、本発明の一態様の撮像装置では、回路２０１および回路３０１乃至回路３０５が有する機能のうち、２つ以上の機能を有する回路を代替して用いてもよい。また、回路２０１および回路３０１乃至回路３０５以外の回路を用いてもよい。また、回路２０１および回路３０１乃至回路３０５が有する機能のうち、一つ以上がソフトウェアによる動作で置き換えられてもよい。また、回路２０１および回路３０１乃至回路３０５のうち、一部の回路は、撮像装置の外部にあってもよい。

【0032】

画素アレイ３００は、撮像機能および演算機能を有することができる。回路２０１及び回路３０１はそれぞれ、演算機能を有することができる。回路３０２は、演算機能またはデータ変換機能を有することができ、データを配線３１１に出力することができる。回路３０３及び回路３０４はそれぞれ、選択機能を有することができる。回路３０５は、画素に電位（重みなど）を供給する機能を有することができる。なお、選択機能を有する回路には、シフトレジスタまたはデコーダなどを用いることができる。

【0033】

画素アレイ３００は、マトリクス状に配置された複数の画素ブロック２００を有する。回路２０１は、列方向に配置される複数の画素ブロック２００と電気的に接続される。それぞれの画素ブロック２００は配線１１３を介して回路２０１と電気的に接続される。

【0034】

画素ブロック２００のブロック図を、図２に示す。図２では、回路２０１の回路図も併せて示している。画素ブロック２００は、マトリクス状に配置された複数の画素１００を有し、それぞれの画素１００は、配線１１３を介して回路２０１と電気的に接続される。なお、回路２０１は画素ブロック２００内に設けることもできる。

【0035】

画素１００は、画像データの取得および画像データと重み係数とを加算したデータを生成する機能を有する。なお、図２では、画素ブロック２００が有する画素１００の数を３行３列としているが、本発明の一態様はこれに限らない。画素ブロック２００が有する画素数は、例えば、２行２列、４行４列などとすることができる。または、水平方向と垂直方向の画素数が異なっていてもよい。また、一部の画素を隣り合う画素ブロックで共有してもよい。

【0036】

例えば、図３に示す構成とすれば、画素ブロック２００が有する画素１００の数を可変させることができる。図３は、［ｑ－１］行乃至［ｑ＋１］行、［ｐ－１］列乃至［ｐ＋１］列（ｐ、ｑは２以上の整数）に配置された複数の画素１００を示している。各画素１００内には選択スイッチが設けられ、当該選択スイッチは、行配線ＲＬ［ｑ－１］乃至ＲＬ［ｑ＋１］に供給される選択信号によって“ＯＮ”、“ＯＦＦ”が制御される。当該選択スイッチは、列配線ＣＬ［ｐ－１］乃至ＣＬ［ｐ＋１］のいずれかと電気的に接続される。また、少なくとも列配線のいずれか一つ以上は、回路２０１と電気的に接続される。

【0037】

列配線ＣＬ［ｐ－１］とＣＬ［ｐ］との間には導通スイッチＳＷ［ｐ－１］が設けられ、列配線ＣＬ［ｐ］とＣＬ［ｐ＋１］との間には導通スイッチＳＷ［ｐ］が設けられる。当該導通スイッチは、信号線Ｇ１、信号線Ｇ２に供給される選択信号によって“ＯＮ”、“ＯＦＦ”が制御される。当該選択スイッチが“ＯＮ”することにより、隣り合う列配線を導通させることができる。

【0038】

例えば、行配線ＲＬ［ｑ－１］、ＲＬ［ｑ］に選択スイッチを“ＯＮ”する信号を供給し、信号線Ｇ１に導通スイッチＳＷ［ｐ－１］を“ＯＮ”する信号を供給すると、２行２列の画素１００（画素１００［ｑ－１，ｐ－１］、画素１００［ｑ－１，ｐ］、画素１００［ｑ，ｐ－１］、画素１００［ｑ，ｐ］）が選択される。また、列配線ＣＬ［ｐ－１］と、列配線ＣＬ［ｐ］が導通する。したがって、上記２行２列の画素１００と回路２０１が電気的に接続されることになる。

【0039】

さらに、行配線ＲＬ［ｑ＋１］に選択スイッチを“ＯＮ”する信号を供給し、信号線Ｇ２に導通スイッチＳＷ［ｐ］を“ＯＮ”する信号を供給すると、３行３列の画素１００が回路２０１に電気的に接続されることになる。

【0040】

画素ブロック２００および回路２０１は、積和演算回路として動作させることができる。

【0041】

＜画素回路の構成例１＞
画素１００の回路図を、図４に示す。画素１００は、光電変換デバイス１０１と、回路１３０ａ、回路１３０ｂ及びトランジスタ１０８を有する。光電変換デバイス１０１は、回路１３０ａを介して、トランジスタ１０８と電気的に接続される。また、光電変換デバイス１０１は、回路１３０ｂを介して、トランジスタ１０８と電気的に接続される。

【0042】

光電変換デバイス１０１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好適に用いることができる。

【0043】

回路１３０ａ及び回路１３０ｂはそれぞれ、光電変換デバイス１０１で取得された画像の画像データにフィルタを用いて重みを与えることで第１のデータを生成し、第１のデータを保持する機能を有する。ｎフレーム目において、回路１３０ａ及び回路１３０ｂの一方は、ｎフレーム目（ｎは２以上の整数）に取得された画像データにフィルタを用いて重みを与え、ｎフレーム目の第１のデータを生成する機能を有する。ｎフレーム目において、回路１３０ａ及び回路１３０ｂの他方は、保持しているｎ－１フレーム目の画像データにフィルタを用いて重みを与え、ｎ－１フレーム目の第１のデータを生成する機能を有する。

【0044】

本発明の一態様である撮像装置は、ｎフレーム目に取得された画像データから生成したｎフレーム目の第１のデータと、ｎ－１フレーム目に取得された画像データから生成したｎ－１フレーム目の第１のデータから、第２のデータを生成できる。第２のデータは、例えば、フレーム間を補間する画像データとして好適に用いることができる。

【0045】

本発明の一態様である撮像装置の動作の概念図を、図５に示す。図５では、一例としてｎフレーム目乃至ｎ＋２フレーム目の３フレーム分の動作を示している。

【0046】

ｎフレーム目において、光電変換デバイス１０１を動作させ、画像データＩＭ_ｎを取得する。ｎフレーム目において、回路１３０ｂは、画像データＩＭ_ｎに第２のフィルタＦＬ２１を用いて重みを与え、第１のデータＩＭ_ｎ＊ＦＬ２１を生成する。ｎフレーム目において、回路１３０ａは、保持しているｎ－１フレーム目に取得された画像データＩＭ_ｎ－１に第１のフィルタＦＬ１１を用いて重みを与え、第１のデータＩＭ_ｎ－１＊ＦＬ１１を生成する。そして、ｎ－１フレーム目の第１のデータＩＭ_ｎ－１＊ＦＬ１１に、ｎフレーム目の第１のデータＩＭ_ｎ＊ＦＬ２１が加算され、第２のデータ（ＩＭ_ｎ－１＊ＦＬ１１）＋（ＩＭ_ｎ＊ＦＬ２１）が生成される。生成された第２のデータ（ＩＭ_ｎ－１＊ＦＬ１１）＋（ＩＭ_ｎ＊ＦＬ２１）は、画素１００から出力される。

【0047】

ｎフレーム目において、ｎフレーム目に取得した画像データＩＭ_ｎには第２のフィルタＦＬ２１を用いて重みを与え、１つ前のフレームであるｎ－１フレーム目に取得した画像データＩＭ_ｎ－１には第１のフィルタＦＬ１１を用いて重みを与える。

【0048】

なお、本明細書等において、画像データにフィルタを用いて重みを与えることで生成される第１のデータを、“＊”を用いて記す場合がある。例えば、画像データＩＭ_ｎに第１のフィルタＦＬ１１を用いて重みを与えることにより生成した第１のデータを、第１のデータＩＭ_ｎ＊ＦＬ１１と記す場合がある。また、第１のデータから生成される第２のデータを、“＋”を用いて記す場合がある。例えば、第１のデータＩＭ_ｎ＊ＦＬ１１に、第１のデータＩＭ_ｎ＋１＊ＦＬ２１を加算することにより生成される第２のデータを、第２のデータ（ＩＭ_ｎ＊ＦＬ１１）＋（ＩＭ_ｎ＋１＊ＦＬ２１）と記す場合がある。

【0049】

ｎ＋１フレーム目において、光電変換デバイス１０１を動作させ、画像データＩＭ_ｎ＋１を取得する。ｎ＋１フレーム目において、回路１３０ａは、画像データＩＭ_ｎ＋１に第２のフィルタＦＬ２１を用いて重みを与え、第１のデータＩＭ_ｎ＋１＊ＦＬ２１を生成する。ｎ＋１フレーム目において、回路１３０ｂは、保持しているｎフレーム目に取得された画像データＩＭ_ｎに第１のフィルタＦＬ１１を用いて重みを与え、第１のデータＩＭ_ｎ＊ＦＬ１１を生成する。そして、ｎフレーム目の第１のデータＩＭ_ｎ＊ＦＬ１１に、ｎ＋１フレーム目の第１のデータＩＭ_ｎ＋１＊ＦＬ２１が加算され、第２のデータ（ＩＭ_ｎ＊ＦＬ１１）＋（ＩＭ_ｎ＋１＊ＦＬ２１）が生成される。生成された第２のデータ（ＩＭ_ｎ＊ＦＬ１１）＋（ＩＭ_ｎ＋１＊ＦＬ２１）は、画素１００から出力される。

【0050】

ｎ＋１フレーム目において、ｎ＋１フレーム目に取得した画像データＩＭ_ｎ＋１には第２のフィルタＦＬ２１を用いて重みを与え、１つ前のフレームであるｎフレーム目に取得した画像データＩＭ_ｎには第１のフィルタＦＬ１１を用いて重みを与える。

【0051】

ｎ＋２フレーム目において、光電変換デバイス１０１を動作させ、画像データＩＭ_ｎ＋２を取得する。ｎ＋２フレーム目において、回路１３０ｂは、画像データＩＭ_ｎ＋２に第２のフィルタＦＬ２１を用いて重みを与え、第１のデータＩＭ_ｎ＋２＊ＦＬ２１を生成する。ｎ＋２フレーム目において、回路１３０ａは、保持しているｎ＋１フレーム目に取得された画像データＩＭ_ｎ＋１に第１のフィルタＦＬ１１を用いて重みを与え、第１のデータＩＭ_ｎ＋１＊ＦＬ１１を生成する。そして、ｎ＋１フレーム目の第１のデータＩＭ_ｎ＋１＊ＦＬ１１に、ｎ＋２フレーム目の第１のデータＩＭ_ｎ＋２＊ＦＬ２１が加算され、第２のデータ（ＩＭ_ｎ＋１＊ＦＬ１１）＋（ＩＭ_ｎ＋２＊ＦＬ２１）が生成される。生成された第２のデータ（ＩＭ_ｎ＋１＊ＦＬ１１）＋（ＩＭ_ｎ＋２＊ＦＬ２１）は、画素１００から出力される。

【0052】

ｎ＋２フレーム目において、ｎ＋２フレーム目に取得した画像データＩＭ_ｎ＋２には第２のフィルタＦＬ２１を用いて重みを与え、１つ前のフレームであるｎ＋１フレーム目に取得した画像データＩＭ_ｎ＋１には第１のフィルタＦＬ１１を用いて重みを与える。

【0053】

いずれのフレームにおいても、当該フレームで取得した画像データには第２のフィルタＦＬ２１を用いて重みを与え、１つ前のフレームで取得した画像データには第１のフィルタＦＬ１１を用いて重みを与える。

【0054】

以降のフレームについても、前述と同様の動作を行うことができる。

【0055】

ここで、第１のフィルタＦＬ１１及び第２のフィルタＦＬ２１のサイズ（画素数）はそれぞれ、例えば、２行２列、３行３列また４行４列とすることができる。第１のフィルタＦＬ１１及び第２のフィルタＦＬ２１のサイズ（画素数）はそれぞれ、水平方向と垂直方向で異なっていてもよい。第１のフィルタＦＬ１１及び第２のフィルタＦＬ２１のサイズ（画素数）は、画素ブロック２００が有する画素数と同じとすることができる。例えば、画素ブロック２００が有する画素数を３行３列とする場合は、３行３列の第１のフィルタＦＬ１１及び第２のフィルタＦＬ２１を用いることができる。また、第１のフィルタＦＬ１１と第２のフィルタＦＬ２１は、それぞれが有する要素（重み）を同じ構成としてもよく、異なる構成としてもよい。

【0056】

図５では、回路１３０ａ及び回路１３０ｂでそれぞれ、１種類のフィルタを用いる例を示したが、本発明の一態様はこれに限られない。回路１３０ａ及び回路１３０ｂでそれぞれ、複数種類のフィルタを用いてもよい。複数種類のフィルタを用いる場合は、それぞれが有する要素（重み）を異なる構成とすることができる。要素（重み）が異なる複数種類のフィルタを用いることにより、取得した画像データに対して複数種類の特徴量を抽出でき、高精度な画像処理を行うことができる。例えば、第２のデータを、フレーム間を補間する画像データに用いることで、滑らかな動画とすることができ、高品質な動画を撮像できる撮像装置とすることができる。特にフレーム周波数が低い場合においても、滑らかな動画とすることができる。

【0057】

回路１３０ａ及び回路１３０ｂでそれぞれ３種類のフィルタを用いる例を、図６に示す。図６では、一例としてｎフレーム目乃至ｎ＋２フレーム目の３フレーム分の動作を示している。

【0058】

ｎフレーム目において、光電変換デバイス１０１を動作させ、画像データＩＭ_ｎを取得する。ｎフレーム目において、回路１３０ｂは、画像データＩＭ_ｎに第２のフィルタＦＬ２１、第４のフィルタＦＬ２２及び第６のフィルタＦＬ２３を用いて重みを与え、第１のデータＩＭ_ｎ＊ＦＬ２１、第１のデータＩＭ_ｎ＊ＦＬ２２、及び第１のデータＩＭ_ｎ＊ＦＬ２３を生成する。ｎフレーム目において、回路１３０ａは、保持しているｎ－１フレーム目に取得された画像データＩＭ_ｎ－１に第１のフィルタＦＬ１１、第３のフィルタＦＬ１２及び第５のフィルタＦＬ１３を用いて重みを与え、第１のデータＩＭ_ｎ－１＊ＦＬ１１、第１のデータＩＭ_ｎ－１＊ＦＬ１２、及び第１のデータＩＭ_ｎ－１＊ＦＬ１３を生成する。

【0059】

ｎ－１フレーム目の第１のデータＩＭ_ｎ－１＊ＦＬ１１に、ｎフレーム目の第１のデータＩＭ_ｎ＊ＦＬ２１が加算され、第２のデータ（ＩＭ_ｎ－１＊ＦＬ１１）＋（ＩＭ_ｎ＊ＦＬ２１）が生成される。ｎ－１フレーム目の第１のデータＩＭ_ｎ－１＊ＦＬ１２に、ｎフレーム目の第１のデータＩＭ_ｎ＊ＦＬ２２が加算され、第２のデータ（ＩＭ_ｎ－１＊ＦＬ１２）＋（ＩＭ_ｎ＊ＦＬ２２）が生成される。ｎ－１フレーム目の第１のデータＩＭ_ｎ－１＊ＦＬ１３に、ｎフレーム目の第１のデータＩＭ_ｎ＊ＦＬ２３が加算され、第２のデータ（ＩＭ_ｎ－１＊ＦＬ１３）＋（ＩＭ_ｎ＊ＦＬ２３）が生成される。生成された第２のデータ（ＩＭ_ｎ－１＊ＦＬ１１）＋（ＩＭ_ｎ＊ＦＬ２１）、第２のデータ（ＩＭ_ｎ－１＊ＦＬ１２）＋（ＩＭ_ｎ＊ＦＬ２２）、及び第２のデータ（ＩＭ_ｎ－１＊ＦＬ１３）＋（ＩＭ_ｎ＊ＦＬ２３）は、画素１００から出力される。

【0060】

ｎフレーム目において、ｎフレーム目に取得した画像データＩＭ_ｎには第２のフィルタＦＬ２１、第４のフィルタＦＬ２２、及び第６のフィルタＦＬ２３を用いて重みを与え、１つ前のフレームであるｎ－１フレーム目に取得した画像データＩＭ_ｎ－１には第１のフィルタＦＬ１１、第３のフィルタＦＬ１２、及び第５のフィルタＦＬ１３を用いて重みを与える。

【0061】

ｎ＋１フレーム目において、光電変換デバイス１０１を動作させ、画像データＩＭ_ｎ＋１を取得する。ｎ＋１フレーム目において、回路１３０ａは、画像データＩＭ_ｎ＋１に第２のフィルタＦＬ２１、第４のフィルタＦＬ２２及び第６のフィルタＦＬ２３を用いて重みを与え、第１のデータＩＭ_ｎ＋１＊ＦＬ２１、第１のデータＩＭ_ｎ＋１＊ＦＬ２２、及び第１のデータＩＭ_ｎ＋１＊ＦＬ２３を生成する。ｎ＋１フレーム目において、回路１３０ｂは、保持しているｎフレーム目に取得された画像データＩＭ_ｎに第１のフィルタＦＬ１１、第３のフィルタＦＬ１２及び第５のフィルタＦＬ１３を用いて重みを与え、第１のデータＩＭ_ｎ＊ＦＬ１１、第１のデータＩＭ_ｎ＊ＦＬ１２、及び第１のデータＩＭ_ｎ＊ＦＬ１３を生成する。

【0062】

ｎフレーム目の第１のデータＩＭ_ｎ＊ＦＬ１１に、ｎ＋１フレーム目の第１のデータＩＭ_ｎ＋１＊ＦＬ２１が加算され、第２のデータ（ＩＭ_ｎ＊ＦＬ１１）＋（ＩＭ_ｎ＋１＊ＦＬ２１）が生成される。ｎフレーム目の第１のデータＩＭ_ｎ＊ＦＬ１２に、ｎ＋１フレーム目の第１のデータＩＭ_ｎ＋１＊ＦＬ２２が加算され、第２のデータ（ＩＭ_ｎ＊ＦＬ１２）＋（ＩＭ_ｎ＋１＊ＦＬ２２）が生成される。ｎフレーム目の第１のデータＩＭ_ｎ＊ＦＬ１３に、ｎ＋１フレーム目の第１のデータＩＭ_ｎ＋１＊ＦＬ２３が加算され、第２のデータ（ＩＭ_ｎ＊ＦＬ１３）＋（ＩＭ_ｎ＋１＊ＦＬ２３）が生成される。生成された第２のデータ（ＩＭ_ｎ＊ＦＬ１１）＋（ＩＭ_ｎ＋１＊ＦＬ２１）、第２のデータ（ＩＭ_ｎ＊ＦＬ１２）＋（ＩＭ_ｎ＋１＊ＦＬ２２）、及び第２のデータ（ＩＭ_ｎ＊ＦＬ１３）＋（ＩＭ_ｎ＋１＊ＦＬ２３）は、画素１００から出力される。

【0063】

ｎ＋１フレーム目において、ｎ＋１フレーム目に取得した画像データＩＭ_ｎ＋１には第２のフィルタＦＬ２１、第４のフィルタＦＬ２２、及び第６のフィルタＦＬ２３を用いて重みを与え、１つ前のフレームであるｎフレーム目に取得した画像データＩＭ_ｎには第１のフィルタＦＬ１１、第３のフィルタＦＬ１２、及び第５のフィルタＦＬ１３を用いて重みを与える。

【0064】

ｎ＋２フレーム目において、光電変換デバイス１０１を動作させ、画像データＩＭ_ｎ＋２を取得する。ｎ＋２フレーム目において、回路１３０ｂは、画像データＩＭ_ｎ＋２に第２のフィルタＦＬ２１、第４のフィルタＦＬ２２及び第６のフィルタＦＬ２３を用いて重みを与え、第１のデータＩＭ_ｎ＋２＊ＦＬ２１、第１のデータＩＭ_ｎ＋２＊ＦＬ２２、及び第１のデータＩＭ_ｎ＋２＊ＦＬ２３を生成する。ｎ＋２フレーム目において、回路１３０ａは、保持しているｎ＋１フレーム目に取得された画像データＩＭ_ｎ＋１に第１のフィルタＦＬ１１、第３のフィルタＦＬ１２及び第５のフィルタＦＬ１３を用いて重みを与え、第１のデータＩＭ_ｎ＋１＊ＦＬ１１、第１のデータＩＭ_ｎ＋１＊ＦＬ１２、及び第１のデータＩＭ_ｎ＋１＊ＦＬ１３を生成する。

【0065】

ｎ＋１フレーム目の第１のデータＩＭ_ｎ＋１＊ＦＬ１１に、ｎ＋２フレーム目の第１のデータＩＭ_ｎ＋２＊ＦＬ２１が加算され、第２のデータ（ＩＭ_ｎ＋１＊ＦＬ１１）＋（ＩＭ_ｎ＋２＊ＦＬ１２）が生成される。ｎ＋１フレーム目の第１のデータＩＭ_ｎ＋１＊ＦＬ１２に、ｎ＋２フレーム目の第１のデータＩＭ_ｎ＋２＊ＦＬ２２が加算され、第２のデータ（ＩＭ_ｎ＋１＊ＦＬ１２）＋（ＩＭ_ｎ＋２＊ＦＬ１２）が生成される。ｎ＋１フレーム目の第１のデータＩＭ_ｎ＋１＊ＦＬ１３に、ｎ＋２フレーム目の第１のデータＩＭ_ｎ＋２＊ＦＬ２３が加算され、第２のデータ（ＩＭ_ｎ＋１＊ＦＬ１３）＋（ＩＭ_ｎ＋２＊ＦＬ２３）が生成される。生成された第２のデータ（ＩＭ_ｎ＋１＊ＦＬ１１）＋（ＩＭ_ｎ＋２＊ＦＬ２１）、第２のデータ（ＩＭ_ｎ＋１＊ＦＬ１２）＋（ＩＭ_ｎ＋２＊ＦＬ２２）、及び第２のデータ（ＩＭ_ｎ＋１＊ＦＬ１３）＋（ＩＭ_ｎ＋２＊ＦＬ２３）は、画素１００から出力される。

【0066】

ｎ＋２フレーム目において、ｎ＋２フレーム目に取得した画像データＩＭ_ｎ＋２には第２のフィルタＦＬ２１、第４のフィルタＦＬ２２、及び第６のフィルタＦＬ２３を用いて重みを与え、１つ前のフレームであるｎ＋１フレーム目に取得した画像データＩＭ_ｎ＋１には第１のフィルタＦＬ１１、第３のフィルタＦＬ１２、及び第５のフィルタＦＬ１３を用いて重みを与える。

【0067】

いずれのフレームにおいても、当該フレームで取得した画像データには第２のフィルタＦＬ２１、第４のフィルタＦＬ２２、及び第６のフィルタＦＬ２３を用いて重みを与え、１つ前のフレームで取得した画像データには第１のフィルタＦＬ１１、第３のフィルタＦＬ１２、及び第５のフィルタＦＬ１３を用いて重みを与える。

【0068】

以降のフレームについても、前述と同様の動作を行うことができる。

【0069】

回路１３０ａ及び回路１３０ｂの構成について、図４を用いて説明する。

【0070】

回路１３０ａは、トランジスタ１０２ａと、トランジスタ１０３ａと、キャパシタ１０４ａと、トランジスタ１０５ａと、トランジスタ１０６ａと、を有する。光電変換デバイス１０１の一方の電極は、トランジスタ１０２ａ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１０２ａのソースまたはドレインの他方は、トランジスタ１０３ａのソースまたはドレインの一方、キャパシタ１０４ａの一方の電極、およびトランジスタ１０５ａのゲートと電気的に接続される。トランジスタ１０５ａのソースまたはドレインの一方は、トランジスタ１０８のソースまたはドレインの一方と電気的に接続される。キャパシタ１０４ａの他方の電極は、トランジスタ１０６ｂのソースまたはドレインの一方と電気的に接続される。

【0071】

光電変換デバイス１０１の他方の電極は、配線１１４と電気的に接続される。トランジスタ１０８のソースまたはドレインの他方は、配線１１３と電気的に接続される。トランジスタ１０８のゲートは、配線１２２と電気的に接続される。

【0072】

トランジスタ１０２ａのゲートは、配線１１６ａと電気的に接続される。トランジスタ１０３ａのソースまたはドレインの他方は、配線１１５ａに電気的に接続される。トランジスタ１０３ａのゲートは、配線１１７ａと電気的に接続される。トランジスタ１０５ａのソースまたはドレインの他方は、配線１１９ａと電気的に接続される。トランジスタ１０６ａのソースまたはドレインの他方は、配線１１１ａと電気的に接続される。トランジスタ１０６ａのゲートは、配線１１２ａと電気的に接続される。

【0073】

ここで、トランジスタ１０２ａのソースまたはドレインの他方と、トランジスタ１０３ａのソースまたはドレインの一方と、キャパシタ１０４ａの一方の電極と、トランジスタ１０５ａのゲートとの電気的な接続点をノードＮＤａとする。

【0074】

配線１１４及び配線１１５ａはそれぞれ、電源線としての機能を有することができる。例えば、配線１１４は低電位電源線、配線１１５ａは高電位電源線として機能させることができる。配線１１２ａ、配線１１６ａ、配線１１７ａ、配線１２２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１１１ａは、画素１００に重み係数に相当する電位を供給する配線として機能させることができる。配線１１３は、画素１００と回路２０１とを電気的に接続する配線として機能させることができる。配線１１９ａは、低電位電源線（例えば、ＧＮＤ配線）として機能させることができる。

【0075】

なお、配線１１３には、増幅回路、またはゲイン調整回路が電気的に接続されていてもよい。

【0076】

トランジスタ１０２ａは、ノードＮＤａの電位を制御する機能を有することができる。トランジスタ１０３ａは、ノードＮＤａの電位を初期化する機能を有することができる。トランジスタ１０５ａは、ノードＮＤａの電位に応じて回路２０１が流す電流（配線２１７から配線１１９ａへ流れる電流）を制御する機能を有することができる。トランジスタ１０６ａは、ノードＮＤａに重み係数に相当する電位を供給する機能を有することができる。トランジスタ１０８は、画素を選択する機能を有することができる。

【0077】

図４において、光電変換デバイス１０１が有する一対の電極の接続の向きを逆にしてもよい。この場合、配線１１４は高電位電源線、配線１１５ａは低電位電源線として機能させればよい。

【0078】

トランジスタ１０２ａ、トランジスタ１０３ａには、チャネル形成領域に金属酸化物を用いたトランジスタ（ＯＳトランジスタ）を用いることが好ましい。ＯＳトランジスタは、オフ電流が極めて低い特性を有する。トランジスタ１０２ａ、トランジスタ１０３ａにＯＳトランジスタを用いることによって、ノードＮＤａ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。また、回路構成、及び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。また、ノードＮＤａに画像データを保持させつつ、当該画像データを用いた複数回の演算を行うこともできる。

【0079】

一方、トランジスタ１０５ａは、増幅特性が優れていることが望まれる場合がある。また、トランジスタ１０６ａ、トランジスタ１０８は、高速動作が可能な移動度が高いトランジスタを用いることが好ましい場合がある。したがって、トランジスタ１０５ａ、トランジスタ１０６ａ、トランジスタ１０８には、シリコンをチャネル形成領域に用いたトランジスタ（Ｓｉトランジスタ）を適用してもよい。

【0080】

なお、上記に限らず、ＯＳトランジスタおよび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トランジスタとしてもよい。または、全てのトランジスタをＳｉトランジスタとしてもよい。Ｓｉトランジスタとして、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（微結晶シリコン、低温ポリシリコン、単結晶シリコン）を有するトランジスタなどが挙げられる。

【0081】

画素１００におけるノードＮＤａの電位は、配線１１５ａから供給されるリセット電位から光電変換デバイス１０１による光電変換で生成される電位（画像データ）が減算された電位となる。また、ノードＮＤａの電位は、さらに配線１１１ａから供給される重み係数に相当する電位が容量結合されて確定される。したがって、トランジスタ１０５ａは、画像データに任意の重み係数が加わったデータに応じた電流を流すことができる。なお、光電変換デバイス１０１が有する一対の電極の接続の向きを図４と逆にする場合は、ノードＮＤａの電位は、配線１１５ａから供給されるリセット電位に光電変換デバイス１０１による光電変換で生成される電位（画像データ）が加算された電位で確定される。

【0082】

回路１３０ｂは、回路１３０ａと同じ構成を用いることができる。回路１３０ｂは、トランジスタ１０２ｂと、トランジスタ１０３ｂと、キャパシタ１０４ｂと、トランジスタ１０５ｂと、トランジスタ１０６ｂと、を有する。トランジスタ１０２ｂ、トランジスタ１０３ｂ、キャパシタ１０４ｂ、トランジスタ１０５ｂ、及びトランジスタ１０６ｂについてはそれぞれ、トランジスタ１０２ａ、トランジスタ１０３ａ、キャパシタ１０４ａ、トランジスタ１０５ａ、及びトランジスタ１０６ａの説明を参照できるため、詳細な説明は省略する。

【0083】

なお、本明細書等において、トランジスタ１０２ａとトランジスタ１０２ｂをまとめて、トランジスタ１０２と記す場合がある。トランジスタ１０３ａとトランジスタ１０３ｂをまとめて、トランジスタ１０３と記す場合がある。キャパシタ１０４ａとキャパシタ１０４ｂをまとめて、キャパシタ１０４と記す場合がある。トランジスタ１０５ａとトランジスタ１０５ｂをまとめて、トランジスタ１０５と記す場合がある。トランジスタ１０６ａとトランジスタ１０６ｂをまとめて、トランジスタ１０６と記す場合がある。回路１３０ａと回路１３０ｂをまとめて、回路１３０と記す場合がある。

【0084】

配線１１１ｂ、配線１１２ｂ、配線１１５ｂ、配線１１６ｂ、配線１１７ｂ及び配線１１９ｂについてはそれぞれ、配線１１１ａ、配線１１２ａ、配線１１５ａ、配線１１６ａ、配線１１７ａ及び配線１１９ａの説明を参照できるため、詳細な説明は省略する。同様に、ノードＮＤｂについても、ノードＮＤａの説明を参照できるため、詳細な説明は省略する。なお、配線１１５ａと配線１１５ｂを共通とすることができる。また、配線１１９ａと配線１１９ｂを共通とすることができる。配線を共通とすることにより配線の数が減り、画素に占める配線の面積を小さくできることから、高精細な撮像装置とすることができる。

【0085】

＜回路２０１＞
図２に示すように、各画素１００は、配線１１３で互いに電気的に接続される。回路２０１は、各画素１００のトランジスタ１０５に流れる電流の和を用いて演算を行うことができる。

【0086】

回路２０１は、キャパシタ２０２と、トランジスタ２０３と、トランジスタ２０４と、トランジスタ２０５と、トランジスタ２０６と、トランジスタ２０７を有する。トランジスタ２０７は、電圧変換回路として機能する。トランジスタ２０７のゲートには、適切なアナログ電位（Ｂｉａｓ）が印加される。

【0087】

キャパシタ２０２の一方の電極は、トランジスタ２０３のソースまたはドレインの一方、およびトランジスタ２０４のゲートと電気的に接続される。トランジスタ２０４のソースまたはドレインの一方は、トランジスタ２０５のソースまたはドレインの一方、およびトランジスタ２０６のソースまたはドレインの一方と電気的に接続される。キャパシタ２０２の他方の電極は、配線１１３およびトランジスタ２０７のソースまたはドレインの一方と電気的に接続される。

【0088】

ここで、キャパシタ２０２の一方の電極、トランジスタ２０３のソースまたはドレインの一方、およびトランジスタ２０４のゲートを接続する点をノードＣとする。

【0089】

トランジスタ２０３のソースまたはドレインの他方は、配線２１８と電気的に接続される。トランジスタ２０４のソースまたはドレインの他方は、配線２１９と電気的に接続される。トランジスタ２０５のソースまたはドレインの他方は、ＧＮＤ配線などの基準電源線と電気的に接続される。トランジスタ２０６のソースまたはドレインの他方は、配線２１２と電気的に接続される。トランジスタ２０７のソースまたはドレインの他方は、配線２１７と電気的に接続される。トランジスタ２０３のゲートは、配線２１６と電気的に接続される。トランジスタ２０５のゲートは、配線２１５と電気的に接続される。トランジスタ２０６のゲートは、配線２１３と電気的に接続される。

【0090】

配線２１７、配線２１８、及び配線２１９はそれぞれ、電源線としての機能を有することができる。例えば、配線２１８は、読み出し用のリセット電位（Ｖｒ）を供給する配線としての機能を有することができる。配線２１７、及び配線２１９はそれぞれ、高電位電源線として機能させることができる。配線２１３、配線２１５、及び配線２１６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２１２は出力線であり、例えば、図１に示す回路３０１と電気的に接続することができる。

【0091】

トランジスタ２０３は、ノードＣの電位を配線２１８の電位にリセットする機能を有することができる。トランジスタ２０４、トランジスタ２０５は、ソースフォロア回路としての機能を有することができる。トランジスタ２０６は、読み出しを制御する機能を有することができる。なお、回路２０１は、相関二重サンプリング回路（ＣＤＳ回路）としての機能を有し、当該機能を有する他の構成の回路に置き換えることもできる。

【0092】

本発明の一態様では、画像データ（Ｘ）と重み係数（Ｗ）との積以外のオフセット成分を除去し、画像データ（Ｘ）と重み係数（Ｗ）との積（ＷＸ）を抽出する。ＷＸは、同じ画素で取得される露光あり（撮像あり）、露光なし（撮像なし）のデータと、そのそれぞれに対して、重みを与えたときのデータを利用して算出することができる。

【0093】

露光ありのときに画素１００に流れる電流（Ｉ_ｐ）の合計はｋΣ（－Ｘ－Ｖ_ｔｈ）^２、重みを与えたときに画素１００に流れる電流（Ｉ_ｐ）の合計はｋΣ（Ｗ－Ｘ－Ｖ_ｔｈ）^２となる。また、露光なしのときに画素１００に流れる電流（Ｉ_ｒｅｆ）の合計はｋΣ（０－Ｖ_ｔｈ）^２、重みを与えたときに画素１００に流れる電流（Ｉ_ｒｅｆ）の合計はｋΣ（Ｗ－Ｖ_ｔｈ）^２となる。ここで、ｋは定数、Ｖ_ｔｈはトランジスタ１０５のしきい値電圧である。

【0094】

まず、露光ありのデータと、当該データに重みを与えたデータとの差分（データＡ）を算出する。ｋΣ（（－Ｘ－Ｖ_ｔｈ）^２－（Ｗ－Ｘ－Ｖ_ｔｈ）^２）＝ｋΣ（－Ｗ^２＋２Ｗ・Ｘ＋２Ｗ・Ｖ_ｔｈ）となる。

【0095】

次に、露光なしのデータと、当該データに重みを与えたデータとの差分（データＢ）を算出する。ｋΣ（（０－Ｖ_ｔｈ）^２－（Ｗ－Ｖ_ｔｈ）^２）＝ｋΣ（－Ｗ^２＋２Ｗ・Ｖ_ｔｈ）となる。

【0096】

そして、データＡとデータＢとの差分をとる。ｋΣ（－Ｗ^２＋２Ｗ・Ｘ＋２Ｗ・Ｖ_ｔｈ－（－Ｗ^２＋２Ｗ・Ｖ_ｔｈ））＝ｋΣ（２Ｗ・Ｘ）となる。すなわち、画像データ（Ｘ）と重み係数（Ｗ）との積以外のオフセット成分を除去することができる。

【0097】

回路２０１では、データＡおよびデータＢを読み出すことができる。なお、データＡとデータＢとの差分演算は、例えば回路３０１で行うことができる。

【0098】

光電変換デバイス１０１が有する一対の電極の接続の向きを図４と逆にする場合についいて、説明する。

【0099】

露光ありのときに画素１００に流れる電流（Ｉ_ｐ）の合計はｋΣ（Ｘ－Ｖ_ｔｈ）^２、重みを与えたときに画素１００に流れる電流（Ｉ_ｐ）の合計はｋΣ（Ｗ＋Ｘ－Ｖ_ｔｈ）^２となる。また、露光なしのときに画素１００に流れる電流（Ｉ_ｒｅｆ）の合計はｋΣ（０－Ｖ_ｔｈ）^２、重みを与えたときに画素１００に流れる電流（Ｉ_ｒｅｆ）の合計はｋΣ（Ｗ－Ｖ_ｔｈ）^２となる。

【0100】

まず、露光ありのデータと、当該データに重みを与えたデータとの差分（データＡ）を算出する。ｋΣ（（Ｘ－Ｖ_ｔｈ）^２－（Ｗ＋Ｘ－Ｖ_ｔｈ）^２）＝ｋΣ（－Ｗ^２－２Ｗ・Ｘ＋２Ｗ・Ｖ_ｔｈ）となる。

【0101】

【0102】

そして、データＡとデータＢとの差分をとる。ｋΣ（－Ｗ^２－２Ｗ・Ｘ＋２Ｗ・Ｖ_ｔｈ－（－Ｗ^２＋２Ｗ・Ｖ_ｔｈ））＝ｋΣ（－２Ｗ・Ｘ）となる。光電変換デバイス１０１が有する一対の電極の接続の向きを図４と逆にする場合においても、画像データ（Ｘ）と重み係数（Ｗ）との積以外のオフセット成分を除去することができる。

【0103】

トランジスタ２０３には、チャネル形成領域に金属酸化物を用いたトランジスタ（ＯＳトランジスタ）を用いることが好ましい。トランジスタ２０３にＯＳトランジスタを用いることによって、ノードＣ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。

【0104】

トランジスタ２０４、及びトランジスタ２０５は、高速動作が可能な移動度が高いトランジスタを用いることが好ましい場合がある。したがって、トランジスタ２０４、及びトランジスタ２０５には、Ｓｉトランジスタを適用してもよい。

【0105】

なお、上記に限らず、ＯＳトランジスタおよび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トランジスタとしてもよい。または、全てのトランジスタをＳｉトランジスタとしてもよい。

【0106】

＜撮像動作１＞
図７は、画素ブロック２００および回路２０１において、露光ありのデータと、当該データに重みを与えたデータとの差分（データＡ）を算出する動作を説明するタイミングチャートである。なお、便宜的に各信号が変換するタイミングをあわせて図示しているが、実際には回路内部の遅延を考慮してずらすことが好ましい。また、以下の説明においては、高電位を“Ｈ”、低電位を“Ｌ”で表している。

【0107】

ここでは、図５に示したｎ＋１フレーム目の動作を、図７を用いて説明する。

【0108】

まず、期間Ｔ１１に、配線１１６ａの電位を“Ｈ”、配線１１７ａの電位を“Ｈ”とし、画素１００のノードＮＤａをリセット電位とする。また、配線１１１ａ＿１乃至配線１１１ａ＿３（１行目乃至３行目の配線１１１ａ）の電位を“Ｌ”、配線１１２ａ＿１乃至配線１１２ａ＿３（１行目乃至３行目の配線１１２ａ）の電位を“Ｈ”とし、重み係数０を書き込む。同様に、配線１１１ｂ＿１乃至配線１１１ｂ＿３（１行目乃至３行目の配線１１１ｂ）の電位を“Ｌ”、配線１１２ｂ＿１乃至配線１１２ｂ＿３（１行目乃至３行目の配線１１２ｂ）の電位を“Ｈ”とし、重み係数０を書き込む。

【0109】

期間Ｔ１２に、配線１１６ａの電位を“Ｌ”、配線１１７ａの電位を“Ｌ”とし、光電変換デバイス１０１で露光動作を行う。

【0110】

期間Ｔ１３に、配線１１６ａの電位を“Ｈ”とし、光電変換デバイス１０１で生成した電位を転送し、ノードＮＤａにｎ＋１フレーム目の電位Ｘ_ｎ＋１（画像データ）を書き込む。期間Ｔ１１乃至期間Ｔ１３は、ｎ＋１フレーム目の露光ありのデータを取得する期間に相当する。なお、ノードＮＤｂには、１つ前のフレームであるｎフレーム目の電位Ｘ_ｎ（画像データ）が保持されている。

【0111】

期間Ｔ１４に、配線１２２＿１、配線１２２＿２、配線１２２＿３の電位を“Ｈ”として画素ブロック内の全ての画素１００を選択する。ここで、配線１２２＿１は１行目の画素１００の配線１２２を示し、配線１２２＿２は２行目の画素１００の配線１２２を示し、配線１２２＿３は３行目の画素１００の配線１２２を示している。このとき、各画素１００のトランジスタ１０５ａには、電位Ｘ_ｎ＋１に応じた電流が流れる。トランジスタ１０５ｂには、電位Ｘ_ｎに応じた電流が流れる。また、配線２１６の電位を“Ｈ”とすることで、ノードＣに配線２１８の電位Ｖｒを書き込み、ノードＣの電位が電位Ｖｒに初期化される。

【0112】

期間Ｔ１５に、配線１１１ａ＿１の電位を重み係数Ｗ１１（１行目の画素に加える重み）に相当する電位とし、配線１１２ａ＿１の電位を“Ｈ”とすることで、１行目の画素１００のノードＮＤａにキャパシタ１０４ａの容量結合で重み係数Ｗ１１を加算する。

【0113】

配線１１１ａ＿２の電位を重み係数Ｗ１２（２行目の画素に加える重み）に相当する電位とし、配線１１２ａ＿２の電位を“Ｈ”とすることで、２行目の画素１００のノードＮＤａにキャパシタ１０４ａの容量結合で重み係数Ｗ１２を加算する。

【0114】

配線１１１ａ＿３の電位を重み係数Ｗ１３（３行目の画素に加える重み）に相当する電位とし、配線１１２ａ＿３の電位を“Ｈ”とすることで、３行目の画素１００のノードＮＤａにキャパシタ１０４ａの容量結合で重み係数Ｗ１３を加算する。なお、重み係数Ｗ１１、重み係数Ｗ１２、及び重み係数Ｗ１３は、第１のフィルタＦＬ１１の要素である。

【0115】

配線１１１ｂ＿１の電位を重み係数Ｗ２１（１行目の画素に加える重み）に相当する電位とし、配線１１２ｂ＿１の電位を“Ｈ”とすることで、１行目の画素１００のノードＮＤｂにキャパシタ１０４ｂの容量結合で重み係数Ｗ２１を加算する。

【0116】

配線１１１ｂ＿２の電位を重み係数Ｗ２２（２行目の画素に加える重み）に相当する電位とし、配線１１２ｂ＿２の電位を“Ｈ”とすることで、２行目の画素１００のノードＮＤｂにキャパシタ１０４ｂの容量結合で重み係数Ｗ２２を加算する。

【0117】

配線１１１ｂ＿３の電位を重み係数Ｗ２３（３行目の画素に加える重み）に相当する電位とし、配線１１２ｂ＿３の電位を“Ｈ”とすることで、３行目の画素１００のノードＮＤｂにキャパシタ１０４ｂの容量結合で重み係数Ｗ２３を加算する。なお、重み係数Ｗ２１、重み係数Ｗ２２、及び重み係数Ｗ２３は、第２のフィルタＦＬ２１の要素である。

【0118】

期間Ｔ１４から引き続き、配線１２２＿１、配線１２２＿２、配線１２２＿３の電位を“Ｈ”として画素ブロック２００内の全ての画素１００を選択する。このとき、１行目の画素１００のトランジスタ１０５ａには、電位Ｗ１１＋Ｘ_ｎ＋１に応じた電流が流れ、トランジスタ１０５ｂには、電位Ｗ２１＋Ｘ_ｎに応じた電流が流れる。また、２行目の画素１００のトランジスタ１０５ａには、電位Ｗ１２＋Ｘ_ｎ＋１に応じた電流が流れ、トランジスタ１０５ｂには、電位Ｗ２２＋Ｘ_ｎに応じた電流が流れる。また、３行目の画素１００のトランジスタ１０５ａには、電位Ｗ１３＋Ｘ_ｎ＋１に応じた電流が流れ、トランジスタ１０５ｂには、電位Ｗ２３＋Ｘ_ｎに応じた電流が流れる。

【0119】

ここで、配線１１３に流れる電流に従ってキャパシタ２０２の他方の電極の電位が変化し、その変化分Ｙが容量結合によってノードＣの電位Ｖｒに加算される。したがって、ノードＣの電位は、“Ｖｒ＋Ｙ”になる。ここで、Ｖｒ＝０と考えると、Ｙは差分そのものであり、データＡが算出されたことになる。

【0120】

配線２１３の電位を“Ｈ”、配線２１５の電位を“Ｖ_ｂｉａｓ”などの適切なアナログ電位とすることで、回路２０１はソースフォロア動作により１行目の画素ブロック２００のデータＡに応じた信号電位を出力する（以下、読み出しを行うとも記す）ことができる。

【0121】

図７では、１列目の複数の画素ブロック２００と電気的に接続される回路２０１が有する配線２１３を配線２１３Ａ、２列目の複数の画素ブロック２００と電気的に接続される回路２０１が有する配線２１３を配線２１３Ｂと記している。３列目以降も同様であるため、図示していない。期間Ｔ１５において、配線２１３Ａ、配線２１３Ｂ等を順次“Ｈ”とし、それぞれの画素ブロック２００から読み出しを行う。図７では、配線２１３Ａ、配線２１３Ｂの順に“Ｈ”となる例を示しているが、本発明の一態様はこれに限られない。それぞれの配線２１３は、期間Ｔ１５の間に“Ｈ”となる期間を有する構成とすればよい。

【0122】

なお、本明細書等において、配線２１３Ａ、配線２１３Ｂ等をまとめて、配線２１３と記す場合がある。

【0123】

期間Ｔ１５の動作は、ｎ＋１フレーム目において、撮像ありのデータをもとにデータＡを生成し、データＡを回路３０１に出力する（読み出しを行う）期間に相当する。

【0124】

期間Ｔ１６に、配線１２２＿１、配線１２２＿２、配線１２２＿３、配線１１２ａ＿１、配線１１２ａ＿２、配線１１２ａ＿３、配線１１２ｂ＿１、配線１１２ｂ＿２、配線１１２ｂ＿３、配線２１３Ａ、配線２１３Ｂ、及び配線２１５の電位を“Ｌ”とする。

【0125】

ここまでが、ｎ＋１フレーム目の動作の説明である。

【0126】

次に、図５に示したｎ＋２フレーム目の動作を、図７を用いて説明する。なお、前述のｎ＋１フレーム目（期間Ｔ１１乃至期間Ｔ１６）と共通する部分については説明を省略し、相違する部分について主に説明する。

【0127】

まず、期間Ｔ２１に、配線１１６ｂの電位を“Ｈ”、配線１１７ｂの電位を“Ｈ”とし、画素１００のノードＮＤｂをリセット電位とする。また、配線１１１ａ＿１乃至配線１１１ａ＿３の電位を“Ｌ”、配線１１２ａ＿１乃至配線１１２ａ＿３の電位を“Ｈ”とし、重み係数０を書き込む。同様に、配線１１１ｂ＿１乃至配線１１１ｂ＿３の電位を“Ｌ”、配線１１２ｂ＿１乃至配線１１２ｂ＿３の電位を“Ｈ”とし、重み係数０を書き込む。

【0128】

期間Ｔ２２に、配線１１６ｂの電位を“Ｌ”、配線１１７ｂの電位を“Ｌ”とし、光電変換デバイス１０１で露光動作を行う。

【0129】

期間Ｔ２３に、配線１１６ｂの電位を“Ｈ”とし、光電変換デバイス１０１で生成した電位を転送し、ノードＮＤｂにｎ＋２フレーム目の電位Ｘ_ｎ＋２（画像データ）を書き込む。期間Ｔ２１乃至期間Ｔ２３は、ｎ＋２フレーム目の露光ありのデータを取得する期間に相当する。なお、ノードＮＤａには、１つ前のフレームであるｎ＋１フレーム目の電位Ｘ_ｎ＋１（画像データ）が保持されている。

【0130】

期間Ｔ２４に、配線１２２＿１、配線１２２＿２、配線１２２＿３の電位を“Ｈ”として画素ブロック内の全ての画素１００を選択する。このとき、各画素１００のトランジスタ１０５ａには、電位Ｘ_ｎ＋１に応じた電流が流れる。トランジスタ１０５ｂには、電位Ｘ_ｎ＋２に応じた電流が流れる。また、配線２１６の電位を“Ｈ”とすることで、ノードＣに配線２１８の電位Ｖｒを書き込み、ノードＣの電位が電位Ｖｒに初期化される。

【0131】

期間Ｔ２５に、配線１１１ａ＿１の電位を重み係数Ｗ２１（１行目の画素に加える重み）に相当する電位とし、配線１１２ａ＿１の電位を“Ｈ”とすることで、１行目の画素１００のノードＮＤａにキャパシタ１０４ａの容量結合で重み係数Ｗ２１を加算する。

【0132】

配線１１１ａ＿２の電位を重み係数Ｗ２２（２行目の画素に加える重み）に相当する電位とし、配線１１２ａ＿２の電位を“Ｈ”とすることで、２行目の画素１００のノードＮＤａにキャパシタ１０４ａの容量結合で重み係数Ｗ２２を加算する。

【0133】

配線１１１ａ＿３の電位を重み係数Ｗ２３（３行目の画素に加える重み）に相当する電位とし、配線１１２ａ＿３の電位を“Ｈ”とすることで、３行目の画素１００のノードＮＤａにキャパシタ１０４ａの容量結合で重み係数Ｗ２３を加算する。

【0134】

配線１１１ｂ＿１の電位を重み係数Ｗ１１（１行目の画素に加える重み）に相当する電位とし、配線１１２ｂ＿１の電位を“Ｈ”とすることで、１行目の画素１００のノードＮＤｂにキャパシタ１０４ｂの容量結合で重み係数Ｗ１１を加算する。

【0135】

配線１１１ｂ＿２の電位を重み係数Ｗ１２（２行目の画素に加える重み）に相当する電位とし、配線１１２ｂ＿２の電位を“Ｈ”とすることで、２行目の画素１００のノードＮＤｂにキャパシタ１０４ｂの容量結合で重み係数Ｗ１２を加算する。

【0136】

配線１１１ｂ＿３の電位を重み係数Ｗ１３（３行目の画素に加える重み）に相当する電位とし、配線１１２ｂ＿３の電位を“Ｈ”とすることで、３行目の画素１００のノードＮＤｂにキャパシタ１０４ｂの容量結合で重み係数Ｗ１３を加算する。

【0137】

期間Ｔ２４から引き続き、配線１２２＿１、配線１２２＿２、配線１２２＿３の電位を“Ｈ”として画素ブロック２００内の全ての画素１００を選択する。このとき、１行目の画素１００のトランジスタ１０５ａには、電位Ｗ２１＋Ｘ_ｎ＋１に応じた電流が流れ、トランジスタ１０５ｂには、電位Ｗ１１＋Ｘ_ｎ＋２に応じた電流が流れる。また、２行目の画素１００のトランジスタ１０５ａには、電位Ｗ２２＋Ｘ_ｎ＋１に応じた電流が流れ、トランジスタ１０５ｂには、電位Ｗ１２＋Ｘ_ｎ＋２に応じた電流が流れる。また、３行目の画素１００のトランジスタ１０５ａには、電位Ｗ２３＋Ｘ_ｎ＋１に応じた電流が流れ、トランジスタ１０５ｂには、電位Ｗ１３＋Ｘ_ｎ＋２に応じた電流が流れる。

【0138】

【0139】

配線２１３の電位を“Ｈ”、配線２１５の電位を“Ｖ_ｂｉａｓ”などの適切なアナログ電位とすることで、回路２０１はソースフォロア動作により１行目の画素ブロック２００のデータＡに応じた信号電位を出力することができる。

【0140】

期間Ｔ２５の動作は、ｎ＋２フレーム目において、撮像ありのデータをもとにデータＡを生成し、データＡを回路３０１に出力する（読み出しを行う）期間に相当する。

【0141】

期間Ｔ２６に、配線１２２＿１、配線１２２＿２、配線１２２＿３、配線１１２ａ＿１、配線１１２ａ＿２、配線１１２ａ＿３、配線１１２ｂ＿１、配線１１２ｂ＿２、配線１１２ｂ＿３、配線２１３Ａ、配線２１３Ｂ、及び配線２１５の電位を“Ｌ”とする。

【0142】

ここまでが、ｎ＋２フレーム目の動作の説明である。

【0143】

以降のフレームについても、前述と同様の動作を行うことができる。

【0144】

図８は、画素ブロック２００および回路２０１において、露光なしのデータと、当該データに重みを与えたデータとの差分（データＢ）を算出する動作を説明するタイミングチャートである。なお、データＢは、必要に応じて取得すればよい。例えば、入力する重みに変更がなければ、取得したデータＢをメモリに格納し、当該メモリからデータＢを読み出してもよい。なお、複数の重みに対応した複数のデータＢを当該メモリに格納させてもよい。また、データＡとデータＢは、どちらを先に取得してもよい。

【0145】

ここでは、ｎ＋１フレーム目の動作を、図８を用いて説明する。なお、前述の図７と共通する部分については説明を省略し、相違する部分について主に説明する。

【0146】

まず、期間Ｔ１１乃至Ｔ１３に、配線１１６ａの電位を“Ｈ”、配線１１７ａの電位を“Ｈ”とし、画素１００のノードＮＤａをリセット電位とする。同様に、配線１１６ｂの電位を“Ｈ”、配線１１７ｂの電位を“Ｈ”とし、画素１００のノードＮＤｂをリセット電位とする。すなわち、当該期間中において、ノードＮＤａ及びノードＮＤｂの電位はそれぞれ、光電変換デバイス１０１の動作にかかわらずリセット電位である。期間Ｔ１３の終わりには、配線１１６ａ、配線１１７ａ、配線１１６ｂ、及び配線１１７ｂの電位を“Ｌ”とする。

【0147】

期間Ｔ１１では、配線１１１ａ＿１、配線１１１ａ＿２、配線１１１ａ＿３の電位を“Ｌ”、配線１１２ａ＿１、配線１１２ａ＿２、配線１１２ａ＿３を“Ｈ”とし、重み係数０を書き込む。当該動作は、ノードＮＤａの電位がリセット電位である期間中に行えばよい。

【0148】

同様に、配線１１１ｂ＿１、配線１１１ｂ＿２、配線１１１ｂ＿３の電位を“Ｌ”、配線１１２ｂ＿１、配線１１２ｂ＿２、配線１１２ｂ＿３を“Ｈ”とし、重み係数０を書き込む。当該動作は、ノードＮＤｂの電位がリセット電位である期間中に行えばよい。

【0149】

期間Ｔ１４に、配線１２２＿１、配線１２２＿２、配線１２２＿３の電位を“Ｈ”として画素ブロック２００内の全ての画素１００を選択する。このとき、各画素１００のトランジスタ１０５ａには、リセット電位に応じた電流が流れる。また、配線２１６の電位を“Ｈ”とすることで、ノードＣに配線２１８の電位Ｖｒを書き込む。期間Ｔ１４の動作は露光なしのデータの取得に相当し、当該データは、ノードＣの電位Ｖｒに初期化される。

【0150】

【0151】

【0152】

配線１１１ａ＿３の電位を重み係数Ｗ１３（３行目の画素に加える重み）に相当する電位とし、配線１１２ａ＿３の電位を“Ｈ”とすることで、３行目の画素１００のノードＮＤａにキャパシタ１０４ａの容量結合で重み係数Ｗ１３を加算する。

【0153】

【0154】

【0155】

配線１１１ｂ＿３の電位を重み係数Ｗ２３（３行目の画素に加える重み）に相当する電位とし、配線１１２ｂ＿３の電位を“Ｈ”とすることで、３行目の画素１００のノードＮＤｂにキャパシタ１０４ｂの容量結合で重み係数Ｗ２３を加算する。

【0156】

期間Ｔ１４から引き続き、配線１２２＿１、配線１２２＿２、配線１２２＿３の電位を“Ｈ”として画素ブロック２００内の全ての画素１００を選択する。このとき、１行目の画素１００のトランジスタ１０５ａには、電位Ｗ１１＋０に応じた電流が流れ、トランジスタ１０５ｂには、電位Ｗ２１＋０に応じた電流が流れる。また、２行目の画素１００のトランジスタ１０５ａには、電位Ｗ１２＋０に応じた電流が流れ、トランジスタ１０５ｂには、電位Ｗ２２＋０に応じた電流が流れる。また、３行目の画素１００のトランジスタ１０５ａには、電位Ｗ１３＋０に応じた電流が流れ、トランジスタ１０５ｂには、電位Ｗ２３＋０に応じた電流が流れる。

【0157】

ここで、配線１１３に流れる電流に従ってキャパシタ２０２の他方の電極の電位が変化し、その変化分Ｚが容量結合によってノードＣの電位Ｖｒに加算される。したがって、ノードＣの電位は、“Ｖｒ＋Ｚ”になる。ここで、Ｖｒ＝０と考えると、Ｚは差分そのものであり、データＢが算出されたことになる。

【0158】

配線２１３Ａ、配線２１３Ｂ等の電位を順次“Ｈ”とし、配線２１５の電位を適切なアナログ電位（Ｖ_ｂｉａｓ）などとすることで、回路２０１はソースフォロア動作により１行目の画素ブロック２００のデータＢに応じた信号電位を出力することができる。

【0159】

期間Ｔ１５の動作は、撮像無しのデータをもとにデータＢを生成し、データＢを回路３０１に出力する（読み出しを行う）期間に相当する。

【0160】

【0161】

上記動作によって回路２０１から出力されるデータＡおよびデータＢは、回路３０１に入力される。回路３０１では、データＡとデータＢの差分をとる演算が行われ、画像データ（電位Ｘ）と重み係数（電位Ｗ）との積以外の不要なオフセット成分を除去することができる。回路３０１は、回路２０１のような演算回路を有する構成のほか、メモリ回路およびソフトウェア処理を利用して差分をとる構成としてもよい。

【0162】

なお、上記動作において、回路２０１のノードＣの電位は、データＡの取得動作およびデータＢの取得動作ともに同じ電位“Ｖｒ”に初期化している。そして、その後の差分演算で、“（Ｖｒ＋Ｙ）－（Ｖｒ＋Ｚ）”＝“Ｙ－Ｚ”となり、電位“Ｖｒ”の成分は除去される。また、前述したように、その他の不要なオフセット成分も除去されるため、画像データ（電位Ｘ）と重み係数（電位Ｗ）との積を抽出することができる。

【0163】

ここまでが、ｎ＋１フレーム目の動作の説明である。

【0164】

次に、ｎ＋２フレーム目の動作を、図８を用いて説明する。なお、前述のｎ＋１フレーム目（期間Ｔ１１乃至期間Ｔ１６）と共通する部分については説明を省略し、相違する部分について主に説明する。

【0165】

まず、期間Ｔ２１乃至Ｔ２３に、配線１１６ａの電位を“Ｈ”、配線１１７ａの電位を“Ｈ”とし、画素１００のノードＮＤａをリセット電位とする。同様に、配線１１６ｂの電位を“Ｈ”、配線１１７ｂの電位を“Ｈ”とし、画素１００のノードＮＤｂをリセット電位とする。期間Ｔ２３の終わりには、配線１１６ａ、配線１１７ａ、配線１１６ｂ、及び配線１１７ｂの電位を“Ｌ”とする。

【0166】

期間Ｔ２１では、配線１１１ａ＿１、配線１１１ａ＿２、配線１１１ａ＿３の電位を“Ｌ”、配線１１２ａ＿１、配線１１２ａ＿２、配線１１２ａ＿３を“Ｈ”とし、重み係数０を書き込む。同様に、配線１１１ｂ＿１、配線１１１ｂ＿２、配線１１１ｂ＿３の電位を“Ｌ”、配線１１２ｂ＿１、配線１１２ｂ＿２、配線１１２ｂ＿３を“Ｈ”とし、重み係数０を書き込む。

【0167】

期間Ｔ２４に、配線１２２＿１、配線１２２＿２、配線１２２＿３の電位を“Ｈ”として画素ブロック２００内の全ての画素１００を選択する。このとき、各画素１００のトランジスタ１０５ｂには、リセット電位に応じた電流が流れる。また、配線２１６の電位を“Ｈ”とすることで、ノードＣに配線２１８の電位Ｖｒを書き込む。期間Ｔ２４の動作は露光なしのデータの取得に相当し、当該データは、ノードＣの電位Ｖｒに初期化される。

【0168】

期間Ｔ２５に、配線１１１ａ＿１の電位を重み係数Ｗ２１に相当する電位とし、配線１１２ａ＿１の電位を“Ｈ”とすることで、１行目の画素１００のノードＮＤａにキャパシタ１０４ａの容量結合で重み係数Ｗ２１を加算する。

【0169】

配線１１１ａ＿２の電位を重み係数Ｗ２２に相当する電位とし、配線１１２ａ＿２の電位を“Ｈ”とすることで、２行目の画素１００のノードＮＤａにキャパシタ１０４ａの容量結合で重み係数Ｗ２２を加算する。

【0170】

配線１１１ａ＿３の電位を重み係数Ｗ２３に相当する電位とし、配線１１２ａ＿３の電位を“Ｈ”とすることで、３行目の画素１００のノードＮＤａにキャパシタ１０４ａの容量結合で重み係数Ｗ２３を加算する。

【0171】

配線１１１ｂ＿１の電位を重み係数Ｗ１１に相当する電位とし、配線１１２ｂ＿１の電位を“Ｈ”とすることで、１行目の画素１００のノードＮＤｂにキャパシタ１０４ｂの容量結合で重み係数Ｗ１１を加算する。

【0172】

配線１１１ｂ＿２の電位を重み係数Ｗ１２に相当する電位とし、配線１１２ｂ＿２の電位を“Ｈ”とすることで、２行目の画素１００のノードＮＤｂにキャパシタ１０４ｂの容量結合で重み係数Ｗ１２を加算する。

【0173】

配線１１１ｂ＿３の電位を重み係数Ｗ１３に相当する電位とし、配線１１２ｂ＿３の電位を“Ｈ”とすることで、３行目の画素１００のノードＮＤｂにキャパシタ１０４ｂの容量結合で重み係数Ｗ１３を加算する。

【0174】

期間Ｔ２４から引き続き、配線１２２＿１、配線１２２＿２、配線１２２＿３の電位を“Ｈ”として画素ブロック２００内の全ての画素１００を選択する。このとき、１行目の画素１００のトランジスタ１０５ａには、電位Ｗ２１＋０に応じた電流が流れ、トランジスタ１０５ｂには、電位Ｗ１１＋０に応じた電流が流れる。また、２行目の画素１００のトランジスタ１０５ａには、電位Ｗ２２＋０に応じた電流が流れ、トランジスタ１０５ｂには、電位Ｗ１２＋０に応じた電流が流れる。また、３行目の画素１００のトランジスタ１０５ａには、電位Ｗ２３＋０に応じた電流が流れ、トランジスタ１０５ｂには、電位Ｗ１３＋０に応じた電流が流れる。

【0175】

【0176】

【0177】

期間Ｔ２５の動作は、撮像無しのデータをもとにデータＢを生成し、データＢを回路３０１に出力する（読み出しを行う）期間に相当する。

【0178】

【0179】

上記動作によって回路２０１から出力されるデータＡおよびデータＢは、回路３０１に入力される。回路３０１では、データＡとデータＢの差分をとる演算が行われ、画像データ（電位Ｘ）と重み係数（電位Ｗ）との積以外の不要なオフセット成分を除去することができる。

【0180】

ここまでが、ｎ＋２フレーム目の動作の説明である。

【0181】

以降のフレームについても、前述と同様の動作を行うことができる。

【0182】

当該動作は、推論などを行うニューラルネットワークにおいて、始めの動作に相当する。したがって、膨大な画像データを外部に取り出す前に撮像装置内で少なくとも一つの演算を行うことができ、外部での演算、またはデータの入出力などの負荷の低減、処理の高速化、および消費電力を低減させることができる。

【0183】

上記とは異なる動作として、データＡの取得動作とデータＢの取得動作で、回路２０１のノードＣの電位を異なる電位に初期化してもよい。例えば、データＡの取得動作時に電位“Ｖｒ１”に初期化し、データＢに取得動作時に電位“Ｖｒ２”に初期化したとする。この場合、その後の差分演算では、“（Ｖｒ１＋Ｙ）－（Ｖｒ２＋Ｚ）”＝“（Ｖｒ１－Ｖｒ２）＋（Ｙ－Ｚ）”となる。“Ｙ－Ｚ”は前述の動作と同様に画像データ（電位Ｘ）と重み係数（電位Ｗ）との積として抽出され、さらに、“Ｖｒ１－Ｖｒ２”が加わる。ここで、“Ｖｒ１－Ｖｒ２”は、ニューラルネットワークの中間層の演算でしきい値調整として用いられるバイアスに相当する。

【0184】

上記とは異なる動作として、撮像ありと撮像無しで配線２１５の電位を異ならせてもよい。例えば、データＡの取得動作時に配線２１５の電位を“Ｖ_ｂｉａｓ１”とし、データＢの取得動作時に配線２１５の電位を“Ｖ_ｂｉａｓ２”とする。また、データＡの取得動作時、およびデータＢの取得動作時のそれぞれにおいて、ノードＣを同じ電位“Ｖｒ”に初期化したとする。この場合、その後の差分演算では、“（Ｖｒ＋Ｙ－Ｖ_ｂｉａｓ１）－（Ｖｒ＋Ｚ－Ｖ_ｂｉａｓ２）”＝“（Ｖ_ｂｉａｓ２－Ｖ_ｂｉａｓ１）＋（Ｙ－Ｚ）”となる。“Ｙ－Ｚ”は前述の動作と同様に画像データ（電位Ｘ）と重み係数（電位Ｗ）との積として抽出され、さらに、“Ｖ_ｂｉａｓ２－Ｖ_ｂｉａｓ１”が加わる。ここで、“Ｖ_ｂｉａｓ２－Ｖ_ｂｉａｓ１”は、ニューラルネットワークの中間層の演算でしきい値調整として用いられるバイアスに相当する。

【0185】

重みは、例えば、畳み込みニューラルネットワーク（ＣＮＮ：ＣｏｎｖｏｌｕｔｉｏｎａｌＮｅｕｒａｌＮｅｔｗｏｒｋ）のフィルタの役割を有するが、それ以外にデータの増幅または減衰を行う役割を有していてもよい。例えば、データＡの取得動作時の重み係数（Ｗ）をフィルタ処理分と増幅分の積とすれば、明るい画像に補正されたデータを抽出することができる。また、データＢは撮像無しのデータであり、黒レベルのデータであるということもできる。したがって、データＡとデータＢの差分をとる動作は、暗所で撮像した画像の可視化を助長するための動作といえる。すなわち、ニューラルネットワークを用いた輝度補正が可能となる。

【0186】

上述したように、本発明の一態様では、撮像装置の動作でバイアスの生成が可能である。また、撮像装置内で機能的な重みを付加することもできる。したがって、外部での演算などの負荷を低減できるとともに、様々な用途に用いることができる。例えば、被写体の推論のほか、画像データの解像度補正、輝度補正、モノクロ画像からのカラー画像の生成、２次元画像からの３次元画像の生成、欠損情報の復元、静止画から動画の生成、ピンボケ画像の修正などの処理において、その一部の処理を撮像装置内で行うことができる。

【0187】

＜撮像動作２＞
回路１３０ａ及び回路１３０ｂでそれぞれ３種類のフィルタを用いる例を、図９乃至図１２を用いて説明する。

【0188】

図９及び図１０は、画素ブロック２００および回路２０１において、露光ありのデータと、当該データに重みを与えたデータとの差分（データＡ）を算出する動作を説明するタイミングチャートである。なお、前述の図７と共通する部分については説明を省略し、相違する部分について主に説明する。

【0189】

ｎ＋１フレーム目の動作を、図９を用いて説明する。なお、図９は、図７に示したｎ＋１フレーム目の動作に相当する。

【0190】

期間Ｔ１１乃至期間Ｔ１３については、図７に係る記載を参照できるため、詳細な説明は省略する。

【0191】

期間Ｔ１４＿１乃至期間Ｔ１５＿１についてはそれぞれ、図７に係る期間Ｔ１４乃至期間Ｔ１５の記載を参照できるため、詳細な説明は省略する。期間Ｔ１４＿１乃至期間Ｔ１５＿１では、回路１３０ａにおいて、ｎ＋１フレーム目に取得された画像データＩＭ_ｎ＋１に第１のフィルタＦＬ１１を用いて重みを与え、回路１３０ｂにおいて、保持しているｎフレーム目に取得された画像データＩＭ_ｎに第２のフィルタＦＬ２１を用いて重みを与える。期間Ｔ１４＿１乃至期間Ｔ１５＿１では、ｎ＋１フレーム目において第１のフィルタＦＬ１１及び第２のフィルタＦＬ２１を用いた場合のデータＡが算出されたことになる。

【0192】

期間Ｔ１４＿２に、配線１１２ａ＿１、配線１１２ａ＿２、配線１１２ａ＿３、配線１１２ｂ＿１、配線１１２ｂ＿２、配線１１２ｂ＿３の電位を“Ｌ”とする。このとき、各画素１００のトランジスタ１０５ａには、電位Ｘ_ｎ＋１に応じた電流が流れる。トランジスタ１０５ｂには、電位Ｘ_ｎに応じた電流が流れる。また、配線２１６の電位を“Ｈ”とすることで、ノードＣに配線２１８の電位Ｖｒを書き込み、ノードＣの電位が電位Ｖｒに初期化される。

【0193】

期間Ｔ１５＿２に、配線１１１ａ＿１の電位を重み係数Ｗ３１（１行目の画素に加える重み）に相当する電位とし、配線１１２ａ＿１の電位を“Ｈ”とすることで、１行目の画素１００のノードＮＤａにキャパシタ１０４ａの容量結合で重み係数Ｗ３１を加算する。

【0194】

配線１１１ａ＿２の電位を重み係数Ｗ３２（２行目の画素に加える重み）に相当する電位とし、配線１１２ａ＿２の電位を“Ｈ”とすることで、２行目の画素１００のノードＮＤａにキャパシタ１０４ａの容量結合で重み係数Ｗ３２を加算する。

【0195】

配線１１１ａ＿３の電位を重み係数Ｗ３３（３行目の画素に加える重み）に相当する電位とし、配線１１２ａ＿３の電位を“Ｈ”とすることで、３行目の画素１００のノードＮＤａにキャパシタ１０４ａの容量結合で重み係数Ｗ３３を加算する。なお、重み係数Ｗ３１、重み係数Ｗ３２、及び重み係数Ｗ３３は、第３のフィルタＦＬ１２の要素である。

【0196】

配線１１１ｂ＿１の電位を重み係数Ｗ４１（１行目の画素に加える重み）に相当する電位とし、配線１１２ｂ＿１の電位を“Ｈ”とすることで、１行目の画素１００のノードＮＤｂにキャパシタ１０４ｂの容量結合で重み係数Ｗ４１を加算する。

【0197】

配線１１１ｂ＿２の電位を重み係数Ｗ４２（２行目の画素に加える重み）に相当する電位とし、配線１１２ｂ＿２の電位を“Ｈ”とすることで、２行目の画素１００のノードＮＤｂにキャパシタ１０４ｂの容量結合で重み係数Ｗ４２を加算する。

【0198】

配線１１１ｂ＿３の電位を重み係数Ｗ４３（３行目の画素に加える重み）に相当する電位とし、配線１１２ｂ＿３の電位を“Ｈ”とすることで、３行目の画素１００のノードＮＤｂにキャパシタ１０４ｂの容量結合で重み係数Ｗ４３を加算する。なお、重み係数Ｗ４１、重み係数Ｗ４２、及び重み係数Ｗ４３は、第４のフィルタＦＬ２２の要素である。

【0199】

１行目の画素１００のトランジスタ１０５ａには、電位Ｗ３１＋Ｘ_ｎ＋１に応じた電流が流れ、トランジスタ１０５ｂには、電位Ｗ４１＋Ｘ_ｎに応じた電流が流れる。また、２行目の画素１００のトランジスタ１０５ａには、電位Ｗ３２＋Ｘ_ｎ＋１に応じた電流が流れ、トランジスタ１０５ｂには、電位Ｗ４２＋Ｘ_ｎに応じた電流が流れる。また、３行目の画素１００のトランジスタ１０５ａには、電位Ｗ３３＋Ｘ_ｎ＋１に応じた電流が流れ、トランジスタ１０５ｂには、電位Ｗ４３＋Ｘ_ｎに応じた電流が流れる。

【0200】

期間Ｔ１４＿２乃至期間Ｔ１５＿２では、回路１３０ａにおいて、ｎ＋１フレーム目に取得された画像データＩＭ_ｎ＋１に第３のフィルタＦＬ１２を用いて重みを与え、回路１３０ｂにおいて、保持しているｎフレーム目に取得された画像データＩＭ_ｎに第４のフィルタＦＬ２２を用いて重みを与える。期間Ｔ１４＿２乃至期間Ｔ１５＿２では、第３のフィルタＦＬ１２及び第４のフィルタＦＬ２２を用いた場合のデータＡが算出されたことになる。

【0201】

同様に、期間Ｔ１４＿３乃至期間Ｔ１５＿３に、回路１３０ａにおいて、ｎ＋１フレーム目に取得された画像データＩＭ_ｎ＋１に第５のフィルタＦＬ１３を用いて重みを与え、回路１３０ｂにおいて、保持しているｎフレーム目に取得された画像データＩＭ_ｎに第６のフィルタＦＬ２３を用いて重みを与える。期間Ｔ１４＿３乃至期間Ｔ１５＿３では、第５のフィルタＦＬ１３及び第６のフィルタＦＬ２３を用いた場合のデータＡが算出されたことになる。

【0202】

期間Ｔ１６については、図７に係る記載を参照できるため、詳細な説明は省略する。

【0203】

ここまでが、ｎ＋１フレーム目の動作の説明である。

【0204】

ｎ＋２フレーム目の動作を、図１０を用いて説明する。なお、図１０は、図７に示したｎ＋２フレーム目の動作に相当する。なお、前述のｎ＋１フレーム目（期間Ｔ１１乃至期間Ｔ１６）と共通する部分については説明を省略し、相違する部分について主に説明する。

【0205】

期間Ｔ２１乃至期間Ｔ２３については、図７に係る記載を参照できるため、詳細な説明は省略する。

【0206】

期間Ｔ２４＿１乃至期間Ｔ２５＿１についてはそれぞれ、図７に係る期間Ｔ２４乃至期間Ｔ２５の記載を参照できるため、詳細な説明は省略する。期間Ｔ２４＿１乃至期間Ｔ２５＿１では、回路１３０ｂにおいて、ｎ＋２フレーム目に取得された画像データＩＭ_ｎ＋２に第１のフィルタＦＬ１１を用いて重みを与え、回路１３０ａにおいて、保持しているｎ＋１フレーム目に取得された画像データＩＭ_ｎ＋１に第２のフィルタＦＬ２１を用いて重みを与える。期間Ｔ２４＿１乃至期間Ｔ２５＿１では、ｎ＋２フレーム目において第１のフィルタＦＬ１１及び第２のフィルタＦＬ２１を用いた場合のデータＡが算出されたことになる。

【0207】

期間Ｔ２４＿２において、各画素１００のトランジスタ１０５ａには、電位Ｘ_ｎ＋１に応じた電流が流れる。トランジスタ１０５ｂには、電位Ｘ_ｎ＋２に応じた電流が流れる。また、配線２１６の電位を“Ｈ”とすることで、ノードＣに配線２１８の電位Ｖｒを書き込み、ノードＣの電位が電位Ｖｒに初期化される。

【0208】

期間Ｔ２５＿２に、配線１１１ａ＿１の電位を重み係数Ｗ４１に相当する電位とし、配線１１２ａ＿１の電位を“Ｈ”とすることで、１行目の画素１００のノードＮＤａにキャパシタ１０４ａの容量結合で重み係数Ｗ４１を加算する。

【0209】

配線１１１ａ＿２の電位を重み係数Ｗ４２に相当する電位とし、配線１１２ａ＿２の電位を“Ｈ”とすることで、２行目の画素１００のノードＮＤａにキャパシタ１０４ａの容量結合で重み係数Ｗ４２を加算する。

【0210】

配線１１１ａ＿３の電位を重み係数Ｗ４３に相当する電位とし、配線１１２ａ＿３の電位を“Ｈ”とすることで、３行目の画素１００のノードＮＤａにキャパシタ１０４ａの容量結合で重み係数Ｗ４３を加算する。

【0211】

配線１１１ｂ＿１の電位を重み係数Ｗ３１に相当する電位とし、配線１１２ｂ＿１の電位を“Ｈ”とすることで、１行目の画素１００のノードＮＤｂにキャパシタ１０４ｂの容量結合で重み係数Ｗ３１を加算する。

【0212】

配線１１１ｂ＿２の電位を重み係数Ｗ３２に相当する電位とし、配線１１２ｂ＿２の電位を“Ｈ”とすることで、２行目の画素１００のノードＮＤｂにキャパシタ１０４ｂの容量結合で重み係数Ｗ３２を加算する。

【0213】

配線１１１ｂ＿３の電位を重み係数Ｗ３３に相当する電位とし、配線１１２ｂ＿３の電位を“Ｈ”とすることで、３行目の画素１００のノードＮＤｂにキャパシタ１０４ｂの容量結合で重み係数Ｗ３３を加算する。

【0214】

１行目の画素１００のトランジスタ１０５ａには、電位Ｗ４１＋Ｘ_ｎ＋１に応じた電流が流れ、トランジスタ１０５ｂには、電位Ｗ３１＋Ｘ_ｎ＋２に応じた電流が流れる。また、２行目の画素１００のトランジスタ１０５ａには、電位Ｗ４２＋Ｘ_ｎ＋１に応じた電流が流れ、トランジスタ１０５ｂには、電位Ｗ３２＋Ｘ_ｎ＋２に応じた電流が流れる。また、３行目の画素１００のトランジスタ１０５ａには、電位Ｗ４３＋Ｘ_ｎ＋１に応じた電流が流れ、トランジスタ１０５ｂには、電位Ｗ３３＋Ｘ_ｎ＋２に応じた電流が流れる。

【0215】

期間Ｔ２４＿２乃至期間Ｔ２５＿２では、回路１３０ｂにおいて、ｎ＋２フレーム目に取得された画像データＩＭ_ｎ＋２に第３のフィルタＦＬ１２を用いて重みを与え、回路１３０ａにおいて、保持しているｎ＋１フレーム目に取得された画像データＩＭ_ｎ＋１に第４のフィルタＦＬ２２を用いて重みを与える。期間Ｔ２４＿２乃至期間Ｔ２５＿２では、第３のフィルタＦＬ１２及び第４のフィルタＦＬ２２を用いた場合のデータＡが算出されたことになる。

【0216】

同様に、期間Ｔ２４＿３乃至期間Ｔ２５＿３では、回路１３０ｂにおいて、ｎ＋２フレーム目に取得された画像データＩＭ_ｎ＋２に第５のフィルタＦＬ１３を用いて重みを与え、回路１３０ａにおいて、保持しているｎ＋１フレーム目に取得された画像データＩＭ_ｎ＋１に第６のフィルタＦＬ２３を用いて重みを与える。期間Ｔ２４＿３乃至期間Ｔ２５＿３では、第５のフィルタＦＬ１３及び第６のフィルタＦＬ２３を用いた場合のデータＡが算出されたことになる。

【0217】

期間Ｔ２６については、図７に係る記載を参照できるため、詳細な説明は省略する。

【0218】

ここまでが、ｎ＋２フレーム目の動作の説明である。

【0219】

以降のフレームについても、前述と同様の動作を行うことができる。

【0220】

図１１及び図１２は、画素ブロック２００および回路２０１において、露光なしのデータと、当該データに重みを与えたデータとの差分（データＢ）を算出する動作を説明するタイミングチャートである。なお、前述の図８と共通する部分については説明を省略し、相違する部分について主に説明する。

【0221】

ｎ＋１フレーム目の動作を、図１１を用いて説明する。なお、図１１は、図８に示したｎ＋１フレーム目の動作に相当する。

【0222】

期間Ｔ１１乃至期間Ｔ１３については、図８に係る記載を参照できるため、詳細な説明は省略する。

【0223】

期間Ｔ１４＿１乃至期間Ｔ１５＿１についてはそれぞれ、図８に係る期間Ｔ１４乃至期間Ｔ１５の記載を参照できるため、詳細な説明は省略する。期間Ｔ１４＿１乃至期間Ｔ１５＿１では、ｎ＋１フレーム目において第１のフィルタＦＬ１１及び第２のフィルタＦＬ２１を用いた場合のデータＢが算出されたことになる。

【0224】

期間Ｔ１４＿２に、配線１１２ａ＿１、配線１１２ａ＿２、配線１１２ａ＿３、配線１１２ｂ＿１、配線１１２ｂ＿２、配線１１２ｂ＿３の電位を“Ｌ”とする。このとき、各画素１００のトランジスタ１０５ａには、リセット電位に応じた電流が流れる。また、配線２１６の電位を“Ｈ”とすることで、ノードＣに配線２１８の電位Ｖｒを書き込む。期間Ｔ１４の動作は露光なしのデータの取得に相当し、当該データは、ノードＣの電位Ｖｒに初期化される。

【0225】

期間Ｔ１５＿２に、配線１１１ａ＿１の電位を重み係数Ｗ３１に相当する電位とし、配線１１２ａ＿１の電位を“Ｈ”とすることで、１行目の画素１００のノードＮＤａにキャパシタ１０４ａの容量結合で重み係数Ｗ３１を加算する。

【0226】

配線１１１ａ＿２の電位を重み係数Ｗ３２に相当する電位とし、配線１１２ａ＿２の電位を“Ｈ”とすることで、２行目の画素１００のノードＮＤａにキャパシタ１０４ａの容量結合で重み係数Ｗ３２を加算する。

【0227】

配線１１１ａ＿３の電位を重み係数Ｗ３３に相当する電位とし、配線１１２ａ＿３の電位を“Ｈ”とすることで、３行目の画素１００のノードＮＤａにキャパシタ１０４ａの容量結合で重み係数Ｗ３３を加算する。

【0228】

配線１１１ｂ＿１の電位を重み係数Ｗ４１に相当する電位とし、配線１１２ｂ＿１の電位を“Ｈ”とすることで、１行目の画素１００のノードＮＤｂにキャパシタ１０４ｂの容量結合で重み係数Ｗ４１を加算する。

【0229】

配線１１１ｂ＿２の電位を重み係数Ｗ４２に相当する電位とし、配線１１２ｂ＿２の電位を“Ｈ”とすることで、２行目の画素１００のノードＮＤｂにキャパシタ１０４ｂの容量結合で重み係数Ｗ４２を加算する。

【0230】

配線１１１ｂ＿３の電位を重み係数Ｗ４３に相当する電位とし、配線１１２ｂ＿３の電位を“Ｈ”とすることで、３行目の画素１００のノードＮＤｂにキャパシタ１０４ｂの容量結合で重み係数Ｗ４３を加算する。

【0231】

期間Ｔ１４＿２乃至期間Ｔ１５＿２では、第３のフィルタＦＬ１２及び第４のフィルタＦＬ２２を用いた場合のデータＢが算出されたことになる。

【0232】

同様に、期間Ｔ１４＿３乃至期間Ｔ１５＿３では、第５のフィルタＦＬ１３及び第６のフィルタＦＬ２３を用いた場合のデータＢが算出されたことになる。

【0233】

期間Ｔ１６については、図８に係る記載を参照できるため、詳細な説明は省略する。

【0234】

ここまでが、ｎ＋１フレーム目の動作の説明である。

【0235】

ｎ＋２フレーム目の動作を、図１２を用いて説明する。なお、図１２は、図８に示したｎ＋２フレーム目の動作に相当する。

【0236】

期間Ｔ２１乃至期間Ｔ２３については、図８に係る記載を参照できるため、詳細な説明は省略する。

【0237】

期間Ｔ２４＿１乃至期間Ｔ２５＿１についてはそれぞれ、図８に係る期間Ｔ２４乃至期間Ｔ２５の記載を参照できるため、詳細な説明は省略する。期間Ｔ２４＿１乃至期間Ｔ２５＿１では、ｎ＋２フレーム目において第１のフィルタＦＬ１１及び第２のフィルタＦＬ２１を用いた場合のデータＢが算出されたことになる。

【0238】

期間Ｔ２４＿２に、配線１１２ａ＿１、配線１１２ａ＿２、配線１１２ａ＿３、配線１１２ｂ＿１、配線１１２ｂ＿２、配線１１２ｂ＿３の電位を“Ｌ”とする。このとき、各画素１００のトランジスタ１０５ａには、リセット電位に応じた電流が流れる。また、配線２１６の電位を“Ｈ”とすることで、ノードＣに配線２１８の電位Ｖｒを書き込む。期間Ｔ１４の動作は露光なしのデータの取得に相当し、当該データは、ノードＣの電位Ｖｒに初期化される。

【0239】

【0240】

【0241】

【0242】

【0243】

【0244】

【0245】

期間Ｔ２４＿２乃至期間Ｔ２５＿２では、第３のフィルタＦＬ１２及び第４のフィルタＦＬ２２を用いた場合のデータＢが算出されたことになる。

【0246】

同様に、期間Ｔ２４＿３乃至期間Ｔ２５＿３では、第５のフィルタＦＬ１３及び第６のフィルタＦＬ２３を用いた場合のデータＢが算出されたことになる。

【0247】

期間Ｔ２６については、図８に係る記載を参照できるため、詳細な説明は省略する。

【0248】

ここまでが、ｎ＋２フレーム目の動作の説明である。

【0249】

以降のフレームについても、前述と同様の動作を行うことができる。なお、ここでは、回路１３０ａ及び回路１３０ｂにおいてそれぞれ、３種類のフィルタを用いる例を示したが、本発明の一態様はこれに限られない。回路１３０ａ及び回路１３０ｂで用いるフィルタはそれぞれ２種類でもよく、４種類以上でもよい。また、回路１３０ａ及び回路１３０ｂで用いるフィルタはそれぞれ１種類でもよい。

【0250】

＜画素回路の構成例２＞
図４に示した画素１００と異なる構成例を、図１３に示す。

【0251】

図１３に示す画素１００は、トランジスタ１０５ａ及びトランジスタ１０５ｂがそれぞれバックゲートを有する点、トランジスタ１０６ａ及びトランジスタ１０６ｂを有さない点で、図４に示した画素１００と主に異なる。

【0252】

図１３に示す画素１００において、トランジスタ１０５ａのバックゲートは、配線１１１ａと電気的に接続され、配線１１１ａから重み係数（Ｗ）に相当する電位が供給される。トランジスタ１０５ａのしきい値電圧（Ｖ_ｔｈ）は、重み係数（Ｗ）の分、マイナス側にシフトし、フロントゲートに重み係数（Ｗ）を与えた場合と同様にオン電流が増加する。トランジスタ１０５ｂのバックゲートは、配線１１１ｂと電気的に接続され、配線１１１ｂから重み係数（Ｗ）に相当する電位が供給される。トランジスタ１０５ｂのしきい値電圧（Ｖ_ｔｈ）は、重み係数（Ｗ）の分、マイナス側にシフトし、フロントゲートに重み係数（Ｗ）を与えた場合と同様にオン電流が増加する。図１３に示す画素１００においても、データＡとデータＢとの差分はｋΣ（２Ｗ・Ｘ）となり、画像データ（Ｘ）と重み係数（Ｗ）との積以外のオフセット成分を除去することができる。バックゲートを有するトランジスタ１０５ａ及びトランジスタ１０５ｂには、ＯＳトランジスタを好適に用いることができる。

【0253】

図１３に示す画素１００において、キャパシタ１０４ａの他方の電極は、配線１１８ａと電気的に接続される。キャパシタ１０４ｂの他方の電極は、配線１１８ｂと電気的に接続される。配線１１８ａ及び配線１１８ｂはそれぞれ、固定電位を供給する機能を有する。なお、配線１１８ａは、配線１１５ａまたは配線１１９ｂの一方と共通としてもよい。例えば、キャパシタ１０４ａの他方の電極が、配線１１５ａに電気的に接続される構成とすることができる。同様に、配線１１８ｂは、配線１１５ｂまたは配線１１９ｂの一方と共通としてもよい。例えば、キャパシタ１０４ｂの他方の電極が、配線１１５ｂに電気的に接続される構成とすることができる。配線を共通とすることにより配線の数が減り、画素に占める配線の面積を小さくできることから、高精細な撮像装置とすることができる。

【0254】

撮像動作については、前述の図７乃至図１２に係る記載を参照できるため、詳細な説明は省略する。

【0255】

＜回路３０１、回路３０２＞
図１４Ａは、回路２０１と接続する回路３０１および回路３０２を説明する図である。回路２０１から出力される積和演算結果のデータは、回路３０１に順次入力される。回路３０１には、前述したデータＡとデータＢとの差分を演算する機能のほかに、様々な演算機能を有していてもよい。例えば、回路３０１は、回路２０１と同等の構成とすることができる。または、回路３０１の機能をソフトウェアによる処理で置き換えてもよい。

【0256】

回路３０１は、活性化関数の演算を行う回路を有していてもよい。当該回路には、例えばコンパレータ回路を用いることができる。コンパレータ回路では、入力されたデータと、設定されたしきい値とを比較した結果を２値データとして出力する。すなわち、画素ブロック２００および回路３０１はニューラルネットワークの一部の要素として作用することができる。

【0257】

回路３０１は、Ａ／Ｄコンバータを有していてもよい。積和演算の有無を問わず、画素ブロック２００から画像データを外部に出力するときは、回路３０１でアナログデータをデジタルデータに変換することができる。

【0258】

例えば、３行３列の画素１００を有する画素ブロック２００において、全ての画素１００に供給する重みを同じ（例えば、０）とし、データを出力させたい画素が有するトランジスタ１０８を導通させれば、画素ブロック２００全体の画像データの和、行毎の画像データの和、または画素毎のデータなどを画素ブロック２００から出力させることができる。

【0259】

画素ブロック２００が出力するデータは複数ビットの画像データに相当するが、回路３０１で２値化できる場合は、画像データを圧縮しているともいえる。

【0260】

回路３０１から出力されたデータは、回路３０２に順次入力される。回路３０２は、例えばラッチ回路およびシフトレジスタなどを有する構成とすることができる。当該構成によって、パラレルシリアル変換を行うことができ、並行して入力されたデータを配線３１１にシリアルデータとして出力することができる。

【0261】

図１４Ｂに示すように、回路３０２はニューラルネットワークを有していてもよい。当該ニューラルネットワークは、マトリクス状に配置されたメモリセルを有し、各メモリセルには重み係数が保持されている。回路３０１から出力されたデータはメモリセル３２０にそれぞれ入力され、積和演算を行うことができる。なお、図１４Ｂに示すメモリセルの数は一例であり、これに限定されない。積和演算後のデータは、配線３１１に出力することができる。

【0262】

なお、図１４Ａ、および図１４Ｂにおいて、配線３１１の接続先は限定されない。例えば、ニューラルネットワーク、記憶装置、通信装置などと接続することができる。

【0263】

図１４Ｂに示すニューラルネットワークは、マトリクス状に設置されたメモリセル３２０および参照メモリセル３２５と、回路３３０と、回路３５０と、回路３６０と、回路３７０を有する。

【0264】

図１５にメモリセル３２０および参照メモリセル３２５の一例を示す。参照メモリセル３２５は、任意の一列に設けられる。メモリセル３２０および参照メモリセル３２５は同様の構成を有し、トランジスタ１６１と、トランジスタ１６２と、キャパシタ１６３と、を有する。

【0265】

トランジスタ１６１のソースまたはドレインの一方は、トランジスタ１６２のゲートと電気的に接続される。トランジスタ１６２のゲートは、キャパシタ１６３の一方の電極と電気的に接続される。ここで、トランジスタ１６１のソースまたはドレインの一方、トランジスタ１６２のゲート、キャパシタ１６３の一方の電極が接続される点をノードＮＭとする。

【0266】

トランジスタ１６１のゲートは、配線ＷＬと電気的に接続される。キャパシタ１６３の他方の電極は、配線ＲＷと電気的に接続される。トランジスタ１６２のソースまたはドレインの一方は、ＧＮＤ配線等の基準電位配線と電気的に接続される。

【0267】

メモリセル３２０において、トランジスタ１６１のソースまたはドレインの他方は、配線ＷＤと電気的に接続される。トランジスタ１６２のソースまたはドレインの他方は、配線ＢＬと電気的に接続される。

【0268】

参照メモリセル３２５において、トランジスタ１６１のソースまたはドレインの他方は、配線ＷＤｒｅｆと電気的に接続される。トランジスタ１６２のソースまたはドレインの他方は、配線ＢＬｒｅｆと電気的に接続される。

【0269】

配線ＷＬは、回路３３０と電気的に接続される。回路３３０にはデコーダまたはシフトレジスタなどを用いることができる。

【0270】

配線ＲＷは、回路３０１と電気的に接続される。各メモリセルには、回路３０１から出力された２値のデータが書き込まれる。なお、回路３０１と各メモリセルとの間にシフトレジスタなどの順序回路を有していてもよい。

【0271】

配線ＷＤおよび配線ＷＤｒｅｆは、回路３５０と電気的に接続される。回路３５０には、デコーダまたはシフトレジスタなどを用いることができる。また、回路３５０は、Ｄ／Ａコンバータ、及びＳＲＡＭを有していてもよい。回路３５０は、ノードＮＭに書き込まれる重み係数を出力することができる。

【0272】

配線ＢＬおよび配線ＢＬｒｅｆは、回路３６０と電気的に接続される。回路３６０は、回路２０１と同等の構成とすることができる。回路３６０により、積和演算結果からオフセット成分を除いた信号を得ることができる。

【0273】

回路３６０は、回路３７０と電気的に接続される。回路３７０は、活性化関数回路とも換言できる。活性化関数回路は、回路３６０から入力された信号を、あらかじめ定義された活性化関数に従って変換するための演算を行う機能を有する。活性化関数として、例えば、シグモイド関数、ｔａｎｈ関数、ｓｏｆｔｍａｘ関数、ＲｅＬＵ関数、しきい値関数などを用いることができる。活性化関数回路によって変換された信号は、出力データとして外部に出力される。

【0274】

図１６Ａに示すように、ニューラルネットワークＮＮは、入力層ＩＬ、出力層ＯＬ、中間層（隠れ層）ＨＬによって構成することができる。入力層ＩＬ、出力層ＯＬ、中間層ＨＬは、それぞれ１または複数のニューロン（ユニット）を有する。なお、中間層ＨＬは１層であってもよいし２層以上であってもよい。２層以上の中間層ＨＬを有するニューラルネットワークはＤＮＮ（ディープニューラルネットワーク）と呼ぶこともできる。また、ディープニューラルネットワークを用いた学習は、深層学習と呼ぶこともできる。

【0275】

入力層ＩＬの各ニューロンには、入力データが入力される。中間層ＨＬの各ニューロンには、前層または後層のニューロンの出力信号が入力される。出力層ＯＬの各ニューロンには、前層のニューロンの出力信号が入力される。なお、各ニューロンは、前後の層の全てのニューロンと結合されていてもよいし（全結合）、一部のニューロンと結合されていてもよい。

【0276】

畳み込みニューラルネットワーク（ＣＮＮ）の場合は、中間層ＨＬが、畳み込み処理を行う層（畳み込み層）、プーリング処理を行う層（プーリング層）、全結合処理を行う層（全結合層）を有する構成とすることができる。畳み込み層では、畳み込み処理を行うことで特徴抽出を行う。また、畳み込み処理には、一または複数の重みフィルタを用いることができる。なお、中間層ＨＬは、上記以外に正規化層等を含んでもよい。畳み込み処理の際に、パディング、またはストライドといった処理を組み合わせてもよい。

【0277】

図１６Ｂに、ニューロンによる演算の例を示す。ここでは、ニューロンＮと、ニューロンＮに信号を出力する前層の２つのニューロンを示している。ニューロンＮには、前層のニューロンの出力ｘ_１と、前層のニューロンの出力ｘ_２が入力される。そして、ニューロンＮにおいて、出力ｘ_１と重みｗ_１の乗算結果（ｘ_１ｗ_１）と出力ｘ_２と重みｗ_２の乗算結果（ｘ_２ｗ_２）の総和ｘ_１ｗ_１＋ｘ_２ｗ_２が計算された後、必要に応じてバイアスｂが加算され、値ａ＝ｘ_１ｗ_１＋ｘ_２ｗ_２＋ｂが得られる。そして、値ａは活性化関数ｈによって変換され、ニューロンＮから出力信号ｙ＝ａｈが出力される。

【0278】

このように、ニューロンによる演算には、前層のニューロンの出力と重みの積を足し合わせる演算、すなわち積和演算が含まれる（上記のｘ_１ｗ_１＋ｘ_２ｗ_２）。この積和演算は、プログラムを用いてソフトウェア上で行ってもよいし、ハードウェアによって行われてもよい。

【0279】

本発明の一態様では、ハードウェアとしてアナログ回路を用いて積和演算を行う。積和演算回路にアナログ回路を用いる場合、積和演算回路の回路規模の縮小、または、メモリへのアクセス回数の減少による処理速度の向上および消費電力の低減を図ることができる。

【0280】

積和演算回路は、ＯＳトランジスタを有する構成とすることが好ましい。ＯＳトランジスタはオフ電流が極めて小さいため、積和演算回路のアナログメモリを構成するトランジスタとして好適である。なお、ＳｉトランジスタとＯＳトランジスタの両方を用いて積和演算回路を構成してもよい。

【0281】

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。

【0282】

（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。

【0283】

＜構造例＞
図１７Ａは、撮像装置の画素の構造の一例を示す図であり、層５６１および層５６３の積層構造とすることができる。

【0284】

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１８Ａに示すように層５６５ａと、層５６５ｂを有することができる。なお、場合によって、層を領域と言い換えてもよい。

【0285】

図１８Ａ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型半導体用いてもよい。

【0286】

上記ｐｎ接合型フォトダイオードは、代表的には単結晶シリコンを用いて形成することができる。単結晶シリコンを光電変換層とするフォトダイオードは、紫外光から近赤外光まで比較的広い分光感度特性を有し、後述する光学変換層と組み合わせることで、様々な波長の光を検出することができる。

【0287】

そのほか、ｐｎ接合型フォトダイオードの光電変換層として、化合物半導体を用いてもよい。当該化合物半導体として、例えば、ガリウム－ヒ素－リン化合物（ＧａＡｓＰ）、ガリウム－リン化合物（ＧａＰ）、インジウム－ガリウム－ヒ素化合物（ＩｎＧａＡｓ）、鉛－硫黄化合物（ＰｂＳ）、鉛－セレン化合物（ＰｂＳｅ）、インジウム－ヒ素化合物（ＩｎＡｓ）、インジウム－アンチモン化合物（ＩｎＳｂ）、水銀－カドミウム－テルル化合物（ＨｇＣｄＴｅ）などを用いることができる。

【0288】

化合物半導体として、１３族元素（アルミニウム、ガリウム、インジウムなど）および１５族元素（窒素、リン、ヒ素、アンチモンなど）を有する化合物半導体（３－５族化合物半導体とも言う）、または、１２族元素（マグネシウム、亜鉛、カドミウム、水銀など）および１６族元素（酸素、硫黄、セレン、テルルなど）を有する化合物半導体（２－６族化合物半導体とも言う）であることが好ましい。

【0289】

化合物半導体は、構成元素の組み合わせ、及びその原子数比に応じてバンドギャップを変化させることができるため、紫外光から赤外光まで様々な波長範囲に感度を有するフォトダイオードを形成することができる。

【0290】

なお、紫外光の波長は、０．０１μｍ近傍乃至０．３８μｍ近傍、可視光の波長は、０．３８μｍ近傍乃至０．７５μｍ近傍、近赤外光の波長は、０．７５μｍ近傍乃至２．５μｍ近傍、中赤外光の波長は、２．５μｍ近傍乃至４μｍ近傍、遠赤外光の波長は、４μｍ近傍乃至１０００μｍ近傍、と一般的に定義することができる。

【0291】

例えば、紫外光から可視光にかけて光感度を有するフォトダイオードを形成するには、光電変換層にＧａＰなどを用いることができる。また、紫外光から近赤外光にかけて光感度を有するフォトダイオードを形成するには、光電変換層に前述したシリコンまたはＧａＡｓＰなどを用いることができる。また、可視光から中赤外光にかけて光感度を有するフォトダイオードを形成するには、光電変換層にＩｎＧａＡｓなどを用いることができる。また、近赤外光から中赤外光にかけて光感度を有するフォトダイオードを形成するには、光電変換層にＰｂＳまたはＩｎＡｓなどを用いることができる。また、中赤外光から遠赤外光にかけて光感度を有するフォトダイオードを形成するには、光電変換層にＰｂＳｅ、ＩｎＳｂまたはＨｇＣｄＴｅなどを用いることができる。

【0292】

なお、上記化合物半導体を用いたフォトダイオードは、ｐｎ接合だけでなく、ｐｉｎ接合であってもよい。また、ｐｎ接合およびｐｉｎ接合は、ホモ接合構造に限らず、ヘテロ接合構造であってもよい。

【0293】

例えば、ヘテロ接合では、ｐｎ接合構造の一方の層に第１の化合物半導体を用い、他方の層に第１の化合物半導体とは異なる第２の化合物半導体を用いることができる。また、ｐｉｎ接合構造のいずれか１層または２層に第１の化合物半導体を用い、その他の層に第１の化合物半導体とは異なる第２の化合物半導体を用いることができる。なお、第１の化合物半導体または第２の化合物半導体の一方は、シリコンなどの単体の半導体であってもよい。

【0294】

なお、画素毎に異なる材料を用いて、フォトダイオードの光電変換層を形成してもよい。当該構成を用いることで、紫外光を検出する画素、可視光を検出する画素、赤外光を検出する画素などのいずれか２種類の画素、または３種類の画素を有する撮像装置を形成することができる。

【0295】

層５６１が有する光電変換デバイス１０１は、図１８Ｂ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１８Ｂ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。

【0296】

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。

【0297】

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。

【0298】

光電変換部の層５６６ｂ、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ができる。層５６６ｂにｐ型半導体であるセレン系材料を用い、層５６６ｃに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。

【0299】

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。

【0300】

セレン系材料として、結晶性セレン（単結晶セレン、多結晶セレン）、非晶質セレンを用いることができる。これらは、紫外光から可視光にかけて光感度を有する。また、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。これらは、紫外光から近赤外光にかけて光感度を有する。

【0301】

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。

【0302】

層５６１が有する光電変換デバイス１０１は、図１８Ｃ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１８Ｃ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は下部電極、層５６７ｅは透光性を有する上部電極であり、層５６７ｂ、５６７ｃ、５６７ｄは光電変換部に相当する。

【0303】

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。

【0304】

ホール輸送層として、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、例えば、Ｃ_６０、Ｃ_７０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。

【0305】

光電変換層として、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。有機半導体には様々な種類があり、目的の波長に光感度を有する材料を光電変換層に選べばよい。

【0306】

図１７Ａに示す層５６３として、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、ニューラルネットワーク、通信回路等を形成することができる。また、ＤＲＡＭ（ＤｙｎａｍｉｃＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）などの記憶回路、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）、ＭＣＵ（ＭｉｃｒｏＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒＵｎｉｔ）などを形成してもよい。なお、画素回路を除く上記回路を本実施の形態では、機能回路と呼ぶ。

【0307】

例えば、実施の形態１で説明した画素回路（画素１００）および機能回路（回路２０１、回路３０１、回路３０２、回路３０３、回路３０４、回路３０５など）が有するトランジスタにおいて、その一部または全てを層５６３に設けることができる。

【0308】

層５６３は、図１７Ｂに示すように複数の層の積層であってもよい。図１７Ｂでは、層５６３ａ、層５６３ｂ、及び層５６３ｃの三層を例示しているが、二層であってもよい。または、層５６３は四層以上の積層であってもよい。これらの層は、例えば貼り合わせ工程などを用いて積層することができる。当該構成とすることで、画素回路と機能回路を複数の層に分散させ、画素回路と機能回路を重ねて設けることができるため、小型で高機能の撮像装置を作製することができる。

【0309】

画素は、図１７Ｃに示すように層５６１、層５６２および層５６３の積層構造を有していてもよい。

【0310】

層５６２は、ＯＳトランジスタを有することができる。前述した機能回路の一つ以上をＯＳトランジスタで形成してもよい。または、層５６３が有するＳｉトランジスタと層５６２が有するＯＳトランジスタを用いて、機能回路の一つ以上を形成してもよい。または、層５６３をガラス基板などの支持基板とし、層５６２が有するＯＳトランジスタで機能回路を形成してもよい。

【0311】

例えば、ＯＳトランジスタおよびＳｉトランジスタを用いて、ノーマリーオフＣＰＵ（「Ｎｏｆｆ－ＣＰＵ」ともいう）を実現することができる。なお、Ｎｏｆｆ－ＣＰＵとは、ゲート電圧が０Ｖであっても非導通状態（オフ状態ともいう）であるノーマリーオフ型のトランジスタを含む集積回路である。

【0312】

Ｎｏｆｆ－ＣＰＵは、Ｎｏｆｆ－ＣＰＵ内の動作不要な回路への電力供給を停止し、当該回路を待機状態にすることができる。電力供給が停止され、待機状態になった回路では電力が消費されない。よって、Ｎｏｆｆ－ＣＰＵは、電力使用量を最小限にすることができる。また、Ｎｏｆｆ－ＣＰＵは、電力供給が停止されても設定条件などの動作に必要な情報を長期間保持することができる。待機状態からの復帰は当該回路への電力供給を再開するだけでよく、設定条件などの再書き込みが不要である。すなわち、待機状態からの高速復帰が可能である。このように、Ｎｏｆｆ－ＣＰＵは、動作速度を大きく落とすことなく消費電力を低減できる。

【0313】

層５６２は、図１７Ｄに示すように複数の層の積層であってもよい。図１７Ｄでは、層５６２ａ、層５６２ｂの二層を例示しているが、三層以上の積層であってもよい。これらの層は、例えば層５６３上に積み上げるように形成することができる。または、層５６３上に形成した層と、層５６１上に形成した層とを貼り合わせて形成してもよい。

【0314】

ＯＳトランジスタに用いる半導体材料として、エネルギーギャップが２ｅＶ以上、好ましくは２．５ｅＶ以上、より好ましくは３ｅＶ以上である金属酸化物を用いることができる。代表的には、インジウムを含む酸化物半導体などであり、例えば、後述するＣＡＡＣ－ＯＳまたはＣＡＣ－ＯＳなどを用いることができる。ＣＡＡＣ－ＯＳは結晶を構成する原子が安定であり、信頼性を重視するトランジスタなどに適する。また、ＣＡＣ－ＯＳは、高移動度特性を示すため、高速駆動を行うトランジスタなどに適する。

【0315】

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。

【0316】

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から選ばれた一つ、または複数）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。Ｉｎ－Ｍ－Ｚｎ系酸化物は、代表的には、スパッタリング法で形成することができる。または、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃｌａｙｅｒｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて形成してもよい。

【0317】

Ｉｎ－Ｍ－Ｚｎ系酸化物をスパッタリング法で形成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。

【0318】

半導体層として、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１×１０^１７／ｃｍ^３以下、好ましくは１×１０^１５／ｃｍ^３以下、さらに好ましくは１×１０^１３／ｃｍ^３以下、より好ましくは１×１０^１１／ｃｍ^３以下、さらに好ましくは１×１０^１０／ｃｍ^３未満であり、１×１０^－９／ｃｍ^３以上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。

【0319】

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、密度等を適切なものとすることが好ましい。

【0320】

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、２×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、好ましくは２×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下とする。

【0321】

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、１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、好ましくは２×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下にする。

【0322】

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、５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下にすることが好ましい。

【0323】

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。

【0324】

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。

【0325】

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：ＳｅｃｏｎｄａｒｙＩｏｎＭａｓｓＳｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）により得られる水素濃度を、１×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、好ましくは１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、より好ましくは５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、さらに好ましくは１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３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。

【0326】

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－ＡｘｉｓＡｌｉｇｎｅｄＣｒｙｓｔａｌｌｉｎｅＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、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。

【0327】

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。

【0328】

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。

【0329】

以下では、非単結晶の半導体層の一態様であるＣＡＣ（Ｃｌｏｕｄ－ＡｌｉｇｎｅｄＣｏｍｐｏｓｉｔｅ）－ＯＳの構成について説明する。

【0330】

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。

【0331】

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。

【0332】

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、ＩｎＯ_Ｘ１（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、Ｉｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２（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、ＧａＯ_Ｘ３（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、Ｇａ_Ｘ４Ｚｎ_Ｙ４Ｏ_Ｚ４（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ＩｎＯ_Ｘ１、またはＩｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２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。

【0333】

つまり、ＣＡＣ－ＯＳは、ＧａＯ_Ｘ３が主成分である領域と、Ｉｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２、またはＩｎＯ_Ｘ１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。

【0334】

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、ＩｎＧａＯ_３（ＺｎＯ）_ｍ１（ｍ１は自然数）、またはＩｎ_{（１＋ｘ０）}Ｇａ_{（１－ｘ０）}Ｏ_３（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。

【0335】

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。

【0336】

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。

【0337】

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。

【0338】

なお、ＧａＯ_Ｘ３が主成分である領域と、Ｉｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２、またはＩｎＯ_Ｘ１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。

【0339】

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。

【0340】

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。

【0341】

ＣＡＣ－ＯＳは、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ－ｒａｙｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）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。

【0342】

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。

【0343】

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：ＥｎｅｒｇｙＤｉｓｐｅｒｓｉｖｅＸ－ｒａｙｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を用いて取得したＥＤＸマッピングにより、ＧａＯ_Ｘ３が主成分である領域と、Ｉｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２、またはＩｎＯ_Ｘ１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。

【0344】

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、ＧａＯ_Ｘ３などが主成分である領域と、Ｉｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２、またはＩｎＯ_Ｘ１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。

【0345】

ここで、Ｉｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２、またはＩｎＯ_Ｘ１が主成分である領域は、ＧａＯ_Ｘ３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、Ｉｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２、またはＩｎＯ_Ｘ１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、Ｉｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２、またはＩｎＯ_Ｘ１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。

【0346】

一方、ＧａＯ_Ｘ３などが主成分である領域は、Ｉｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２、またはＩｎＯ_Ｘ１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、ＧａＯ_Ｘ３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。

【0347】

したがって、ＣＡＣ－ＯＳを半導体素子に用いた場合、ＧａＯ_Ｘ３などに起因する絶縁性と、Ｉｎ_Ｘ２Ｚｎ_Ｙ２Ｏ_Ｚ２、またはＩｎＯ_Ｘ１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（Ｉ_ｏｎ）、および高い電界効果移動度（μ）を実現することができる。

【0348】

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。

【0349】

＜積層構造１＞
次に、撮像装置の積層構造について、断面図を用いて説明する。なお、以下に示す絶縁層および導電層などの要素は一例であり、さらに他の要素が含まれていてもよい。または、以下に示す要素の一部が省かれていてもよい。また、以下に示す積層構造は、必要に応じて、貼り合わせ工程、研磨工程などを用いて形成することができる。

【0350】

図１９は、層５６０、５６１、層５６３を有し、層５６３を構成する層５６３ａと層５６３ｂの間に貼り合わせ面を有する積層体の断面図の一例である。

【0351】

＜層５６３ｂ＞
層５６３ｂは、シリコン基板６１１に設けられた機能回路を有することができる。ここでは、機能回路の一部として、回路１３０が有するトランジスタ１０５およびトランジスタ１０８を示している。

【0352】

層５６３ｂには、シリコン基板６１１、絶縁層６１２、絶縁層６１３、絶縁層６１４、絶縁層６１６、絶縁層６１７、絶縁層６１８、導電層６１９が設けられる。絶縁層６１２は保護膜としての機能を有する。絶縁層６１３、絶縁層６１４、絶縁層６１６、絶縁層６１７は、層間絶縁膜および平坦化膜としての機能を有する。絶縁層６１８および導電層６１９は、貼り合わせ層としての機能を有する。導電層６１９は、トランジスタ１０５のゲートと電気的に接続される。

【0353】

保護膜として、例えば、窒化シリコン膜、酸化シリコン膜、酸化アルミニウム膜などを用いることができる。層間絶縁膜および平坦化膜として、例えば、酸化シリコン膜などの無機絶縁膜、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂などの有機絶縁膜を用いることができる。キャパシタの誘電体層として、窒化シリコン膜、酸化シリコン膜、酸化アルミニウム膜などを用いることができる。貼り合わせ層に関しては後述する。

【0354】

なお、デバイス間の電気的な接続に用いられる配線、電極およびプラグとして用いることのできる導電体には、アルミニウム、クロム、銅、銀、金、白金、タンタル、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、インジウム、ルテニウム、イリジウム、ストロンチウム、ランタンなどから選ばれた金属元素、または上述した金属元素を成分とする合金か、上述した金属元素を組み合わせた合金等を適宜選択して用いればよい。当該導電体は単層に限らず、異なる材料で構成された複数の層であってもよい。

【0355】

＜層５６３ａ＞
層５６３ａは、画素１００の要素を有する。また、機能回路の要素を有していてもよい。ここでは、機能回路の要素として、回路１３０が有するトランジスタ１０２およびトランジスタ１０３を示している。

【0356】

層５６３ａには、シリコン基板６３２、絶縁層６３１、絶縁層６３３、絶縁層６３４、絶縁層６３５、絶縁層６３７、絶縁層６３８が設けられる。また、導電層６３６、導電層６３９が設けられる。

【0357】

絶縁層６３１および導電層６３９は、貼り合わせ層としての機能を有する。絶縁層６３４、６３５、６３７は、層間絶縁膜および平坦化膜としての機能を有する。絶縁層６３３は、保護膜としての機能を有する。絶縁層６３８は、シリコン基板６３２と導電層６３９を絶縁する機能を有する。絶縁層６３８は、他の絶縁層と同様の材料で形成することができる。また、絶縁層６３８は、絶縁層６３１と同一の材料で形成されていてもよい。

【0358】

導電層６３９は、トランジスタ１０２のソースまたはドレインの他方、およびトランジスタ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。また、導電層６３９は、トランジスタ１０５のゲートおよび導電層６１９と電気的に接続される。また、導電層６３６は、配線１１４（図４参照）と電気的に接続される。

【0359】

図１９には、シリコン基板（シリコン基板６１１、シリコン基板６３２）にチャネル形成領域を有するフィン型のＳｉトランジスタを示している。チャネル幅方向の断面（図１９の層５６３ａに示すＡ１－Ａ２の断面）を図２０Ａに示す。なお、Ｓｉトランジスタは、図２０Ｂに示すようにプレーナー型であってもよい。

【0360】

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６３２上の絶縁層５４６上に形成された単結晶シリコン（ＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎｏｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ））とすることができる。

【0361】

＜層５６１＞
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、層５６３ａ上に形成することができる。図１９では、光電変換デバイス１０１として、図１８Ｃに示す有機光導電膜を光電変換層に用いた構成を示している。なお、ここでは、層５６７ａをカソード、層５６７ｅをアノードとする。

【0362】

層５６１には、絶縁層６５１、絶縁層６５２、絶縁層６５３、絶縁層６５４、および導電層６５５が設けられる。

【0363】

絶縁層６５１、絶縁層６５３、絶縁層６５４は、層間絶縁膜および平坦化膜としての機能を有する。また、絶縁層６５４は光電変換デバイス１０１の端部を覆って設けられ、層５６７ｅと層５６７ａとの短絡を防止する機能も有する。絶縁層６５２は、素子分離層としての機能を有する。素子分離層として、有機絶縁膜などを用いることが好ましい。

【0364】

光電変換デバイス１０１のカソードに相当する層５６７ａは、層５６３ａが有するトランジスタ１０２のソースまたはドレインの一方と電気的に接続される。光電変換デバイス１０１のアノードに相当する層５６７ｅは、導電層６５５を介して、層５６３ａが有する導電層６３６と電気的に接続される。

【0365】

＜層５６０＞
層５６０は、層５６１上に形成される。層５６０は、遮光層６７１、光学変換層６７２およびマイクロレンズアレイ６７３を有する。

【0366】

遮光層６７１は、隣接する画素への光の流入を抑えることができる。遮光層６７１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。

【0367】

光電変換デバイス１０１が可視光に感度を有するとき、光学変換層６７２にカラーフィルタを用いることができる。カラーフィルタに（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）、Ｙ（黄）、Ｃ（シアン）、Ｍ（マゼンタ）などの色を画素別に割り当てることにより、カラー画像を得ることができる。例えば、図２６Ａの斜視図（断面を含む）に示すように、カラーフィルタ６７２Ｒ（赤）、カラーフィルタ６７２Ｇ（緑）、カラーフィルタ６７２Ｂ（青）をそれぞれ異なる画素に割り当てることができる。

【0368】

光電変換デバイス１０１と光学変換層６７２との適切な組み合わせにおいて、光学変換層６７２に波長カットフィルタを用いれば、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。

【0369】

例えば、光学変換層６７２に可視光線の波長以下の光を遮る赤外線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６７２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６７２に可視光線の波長以上の光を遮る紫外線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。

【0370】

なお、一つの撮像装置内に異なる光学変換層を複数配置してもよい。例えば、図２６Ｂに示すように、カラーフィルタ６７２Ｒ（赤）、カラーフィルタ６７２Ｇ（緑）、カラーフィルタ６７２Ｂ（青）、赤外線フィルタ６７２ＩＲをそれぞれ異なる画素に割り当てることができる。当該構成では、可視光画像および赤外光画像を同時に取得することができる。

【0371】

または、図２６Ｃに示すように、カラーフィルタ６７２Ｒ（赤）、カラーフィルタ６７２Ｇ（緑）、カラーフィルタ６７２Ｂ（青）、紫外線フィルタ６７２ＵＶをそれぞれ異なる画素に割り当てることができる。当該構成では、可視光画像および紫外光画像を同時に取得することができる。

【0372】

光学変換層６７２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、または紫外光線などの光（蛍光）に変換される。そして、当該光を光電変換デバイス１０１で検出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。

【0373】

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。例えば、Ｇｄ_２Ｏ_２Ｓ：Ｔｂ、Ｇｄ_２Ｏ_２Ｓ：Ｐｒ、Ｇｄ_２Ｏ_２Ｓ：Ｅｕ、ＢａＦＣｌ：Ｅｕ、ＮａＩ、ＣｓＩ、ＣａＦ_２、ＢａＦ_２、ＣｅＦ_３、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。

【0374】

赤外光または紫外光による撮像を行うことで、検査機能、セキュリティ機能、センサ機能などを撮像装置に付与することができる。例えば、赤外光による撮像を行うことで、生産物の非破壊検査、農産物の選別（糖度の計測など）、静脈認証、医療検査などを行うことができる。また、紫外光による撮像を行うことで、光源、または火炎から放出される紫外光を検出することができ、光源、熱源、生産装置等の管理などを行うことができる。

【0375】

光学変換層６７２上にはマイクロレンズアレイ６７３が設けられる。マイクロレンズアレイ６７３が有する個々のレンズを通る光が直下の光学変換層６７２を通り、光電変換デバイス１０１に照射されるようになる。マイクロレンズアレイ６７３を設けることにより、集光した光を光電変換デバイス１０１に入射することができるため、効率よく光電変換を行うことができる。マイクロレンズアレイ６７３は、目的の波長の光に対して透光性の高い樹脂またはガラスなどで形成することが好ましい。

【0376】

＜貼り合わせ＞
次に、層５６３ｂと層５６３ａの貼り合わせについて説明する。

【0377】

層５６３ｂには、絶縁層６１８および導電層６１９が設けられる。導電層６１９は、絶縁層６１８に埋設された領域を有する。また、絶縁層６１８および導電層６１９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。

【0378】

層５６３ａには、絶縁層６３１および導電層６３９が設けられる。導電層６３９は、絶縁層６３１に埋設された領域を有する。また、絶縁層６３１および導電層６３９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。

【0379】

ここで、導電層６１９および導電層６３９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６１８および絶縁層６３１は、同一の成分で構成されていることが好ましい。

【0380】

例えば、導電層６１９、導電層６３９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６１８、絶縁層６３１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。

【0381】

つまり、導電層６１９および導電層６３９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６１８および絶縁層６３１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５６３ｂと層５６３ａの境を接合位置とする、貼り合わせを行うことができる。

【0382】

なお、導電層６１９および導電層６３９は複数の層の多層構造であってもよく、その場合は、表層（接合面）が同一の金属材料であればよい。また、絶縁層６１８および絶縁層６３１も複数の層の多層構造であってもよく、その場合は、表層（接合面）が同一の絶縁材料であればよい。

【0383】

当該貼り合わせによって、導電層６１９および導電層６３９の電気的な接続を得ることができる。また、絶縁層６１８および絶縁層６３１の機械的な強度を有する接続を得ることができる。

【0384】

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。

【0385】

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。

【0386】

層５６３ｂと層５６３ａ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。

【0387】

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。

【0388】

上記の貼り合わせにより、層５６３ｂが有する要素と、層５６３ａが有する画素１００の要素を電気的に接続することができる。

【0389】

＜積層構造１の変形例＞
図２１は、図１９に示す積層構造の変形例であり、層５６１が有する光電変換デバイス１０１の構成、および層５６３ａの一部構成が異なり、層５６１と層５６３ａとの間にも貼り合わせ面を有する構成である。

【0390】

層５６１は、光電変換デバイス１０１、絶縁層６６１、絶縁層６６２、絶縁層６６４、絶縁層６６５および導電層６８５、導電層６８６を有する。

【0391】

光電変換デバイス１０１はｐｎ接合型のフォトダイオードであり、ｐ型領域に相当する層５６５ｂおよびｎ型領域に相当する層５６５ａを有する。なお、ここでは、ｐｎ接合型のフォトダイオードがシリコン基板に形成された例を示す。光電変換デバイス１０１は埋め込み型フォトダイオードであり、層５６５ａの表面側（電流の取り出し側）に設けられた薄いｐ型の領域（層５６５ｂの一部）によって暗電流を抑えノイズを低減させることができる。

【0392】

絶縁層６６１、導電層６８５、導電層６８６は、貼り合わせ層としての機能を有する。絶縁層６６２は、層間絶縁膜および平坦化膜としての機能を有する。絶縁層６６４は、素子分離層としての機能を有する。

【0393】

シリコン基板には画素を分離する溝が設けられ、絶縁層６６５はシリコン基板上面および当該溝に設けられる。絶縁層６６５が設けられることにより、光電変換デバイス１０１内で発生したキャリアが隣接する画素に流出することを抑えることができる。また、絶縁層６６５は、迷光の侵入を抑制する機能も有する。したがって、絶縁層６６５により、混色を抑制することができる。なお、シリコン基板の上面と絶縁層６６５との間に反射防止膜が設けられていてもよい。

【0394】

絶縁層６６４は、ＬＯＣＯＳ（ＬＯＣａｌＯｘｉｄａｔｉｏｎｏｆＳｉｌｉｃｏｎ）法を用いて形成することができる。または、ＳＴＩ（ＳｈａｌｌｏｗＴｒｅｎｃｈＩｓｏｌａｔｉｏｎ）法等を用いて形成してもよい。絶縁層６６５として、例えば、酸化シリコン、窒化シリコンなどの無機絶縁膜、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂などの有機絶縁膜を用いることができる。なお、絶縁層６６５は多層構成であってもよい。また、絶縁層６６５の一部に空間を設けてもよい。当該空間は空気、または不活性ガスなどの気体を有していてもよい。また、当該空間は減圧状態であってもよい。

【0395】

光電変換デバイス１０１の層５６５ａ（ｎ型領域、カソードに相当）は、導電層６８５と電気的に接続される。層５６５ｂ（ｐ型領域、アノードに相当）は、導電層６８６と電気的に接続される。導電層６８５、導電層６８６は、絶縁層６６１に埋設された領域を有する。また、絶縁層６６１および導電層６８５、導電層６８６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。

【0396】

層５６３ａにおいて、絶縁層６３７上には、絶縁層６３８が形成される。また、トランジスタ１０２のソースまたはドレインの一方と電気的に接続される導電層６８３、および導電層６３６と電気的に接続される導電層６８４が形成される。

【0397】

絶縁層６３８、導電層６８３、導電層６８４は、貼り合わせ層としての機能を有する。導電層６８３、導電層６８４は、絶縁層６３８に埋設された領域を有する。また、絶縁層６３８および導電層６８３、導電層６８４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。

【0398】

ここで、導電層６８３、導電層６８４、導電層６８５、導電層６８６は、前述した導電層６１９、導電層６３９と同じ貼り合わせ層である。また、絶縁層６３８、絶縁層６６１は、前述した絶縁層６１８、絶縁層６３１と同じ貼り合わせ層である。

【0399】

したがって、導電層６８３と導電層６８５を貼り合わせることで、光電変換デバイス１０１の層５６５ａ（ｎ型領域、カソードに相当）とトランジスタ１０２のソースまたはドレインの一方を電気的に接続することができる。また、導電層６８４と導電層６８６を貼り合わせることで、光電変換デバイス１０１の層５６５ｂ（ｐ型領域、アノードに相当）と配線１１４（図４参照）を電気的に接続することができる。また、絶縁層６３８と絶縁層６６１を貼り合わせることで、層５６１と層５６３ａの電気的な接合および機械的な接合を行うことができる。

【0400】

図２２は上記とは異なる変形例であり、トランジスタ１０２が層５６１に設けられる構成である。当該構成では、トランジスタ１０２のソースまたはドレインの一方は、光電変換デバイス１０１と直結され、ソースまたはドレインの他方は、ノードＦＤとして作用する。当該構成では、光電変換デバイス１０１で蓄積した電荷の完全転送が可能であり、ノイズの少ない撮像装置とすることができる。絶縁層６６３は、トランジスタ１０２の保護膜として機能する。

【0401】

ここで、層５６１が有するトランジスタ１０２のソースまたはドレインの他方は、導電層６９２と電気的に接続される。また、層５６３ａが有するトランジスタ１０３のソースまたはドレインの一方は、導電層６９１と電気的に接続される。導電層６９１、導電層６９２は、前述した導電層６１９、導電層６３９と同じ貼り合わせ層である。

【0402】

＜積層構造２＞
図２３は、層５６０、層５６１、層５６２、層５６３を有し、貼り合わせ面を有さない積層体の断面図の一例である。層５６３には、Ｓｉトランジスタが設けられる。層５６２には、ＯＳトランジスタが設けられる。なお、層５６３、層５６１および層５６０の構成は、図１９に示す構成と同一であるため、ここでは説明を省略する。

【0403】

＜層５６２＞
層５６２は、層５６３上に形成される。層５６２は、ＯＳトランジスタを有する。ここでは、トランジスタ１０２およびトランジスタ１０３を示している。図２３に示す断面図では、両者の電気的な接続は図示されていない。

【0404】

層５６２には、絶縁層６２１、絶縁層６２２、絶縁層６２３、絶縁層６２４、絶縁層６２５、絶縁層６２６、絶縁層６２８が設けられる。また、導電層６２７が設けられる。導電層６２７は、配線１１４（図４参照）と電気的に接続することができる。

【0405】

絶縁層６２１は、ブロッキング層としての機能を有する。絶縁層６２２、絶縁層６２３、絶縁層６２５、絶縁層６２６、絶縁層６２８は、層間絶縁膜および平坦化膜としての機能を有する。絶縁層６２４は、保護膜としての機能を有する。

【0406】

ブロッキング層として、水素の拡散を防止する機能を有する膜を用いることが好ましい。Ｓｉデバイスにおいて、水素はダングリングボンドを終端するために必要とされるが、ＯＳトランジスタの近傍にある水素は、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り、信頼性を低下させる。したがって、Ｓｉデバイスが形成される層とＯＳトランジスタが形成される層との間には、水素のブロッキング膜が設けられることが好ましい。

【0407】

当該ブロッキング膜として、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。

【0408】

トランジスタ１０３のソースまたはドレインの他方は、プラグを介してトランジスタ１０５のゲートと電気的に接続される。また、導電層６２７は、配線１１４（図４参照）と電気的に接続される。

【0409】

トランジスタ１０２のソースまたはドレインの一方は、層５６１が有する光電変換デバイス１０１のカソードと電気的に接続される。導電層６２７は、層５６１が有する光電変換デバイス１０１のアノードと電気的に接続される。

【0410】

図２４ＡにＯＳトランジスタの詳細を示す。図２４Ａ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開口部を設けることでソース電極７０５およびドレイン電極７０６を形成するセルフアライン型の構成である。

【0411】

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７０８、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、ゲート絶縁膜７０２を有する構成とすることができる。当該開口部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。当該開口部には、さらに酸化物半導体層７０７が設けられていてもよい。

【0412】

ＯＳトランジスタは、図２４Ｂ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７０３およびドレイン領域７０４を形成するセルフアライン型の構成としてもよい。

【0413】

または、図２４Ｃ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。

【0414】

ＯＳトランジスタはバックゲート７３５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７３５は、図２４Ｄ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２４Ｄは図２４ＡのトランジスタのＢ１－Ｂ２の断面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７３５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。

【0415】

＜積層構造２の変形例＞
図２５は、図２３に示す積層構造の変形例であり、層５６１が有する光電変換デバイス１０１の構成、および層５６２の一部構成が異なり、層５６１と層５６２との間に貼り合わせ面を有する構成である。

【0416】

層５６１が有する光電変換デバイス１０１は、ｐｎ接合型のフォトダイオードであり、図２１に示す構成と同様である。

【0417】

層５６２において、絶縁層６２８上には、絶縁層６４８が形成される。また、トランジスタ１０２のソースまたはドレインの一方と電気的に接続される導電層６８８、および導電層６２７と電気的に接続される導電層６８９が形成される。

【0418】

絶縁層６４８、導電層６８８、導電層６８９は、貼り合わせ層としての機能を有する。導電層６８８、６８９は、絶縁層６４８に埋設された領域を有する。また、絶縁層６４８および導電層６８３、６８４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。

【0419】

ここで、導電層６８８、導電層６８９は、前述した導電層６１９、導電層６３９と同じ貼り合わせ層である。また、絶縁層６４８は、前述した絶縁層６１８、絶縁層６３１と同じ貼り合わせ層である。

【0420】

したがって、導電層６８８と導電層６８５を貼り合わせることで、光電変換デバイスの層５６５ａ（ｎ型領域、カソードに相当）とトランジスタ１０２のソースまたはドレインの一方を電気的に接続することができる。また、導電層６８９と導電層６８６を貼り合わせることで、光電変換デバイスの層５６５ｂ（ｐ型領域、アノードに相当）と配線１１４（図４参照）を電気的に接続することができる。また、絶縁層６４８と絶縁層６６１を貼り合わせることで、層５６１と層５６２ａの電気的な接合および機械的な接合を行うことができる。

【0421】

Ｓｉデバイスを複数積層する場合、研磨工程、及び貼り合わせ工程が複数回必要になる。そのため、工程数が多い、専用の装置が必要、低歩留まりなどの課題があり、製造コストも高い。ＯＳトランジスタは、デバイスが形成された半導体基板上に積層して形成することができるため、貼り合わせ工程を削減することができる。

【0422】

なお、当該構成において、図２２に示すように、層５６１にトランジスタ１０２を設けてもよい。

【0423】

＜パッケージ、モジュール＞
図２７Ａ１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２７Ａ３参照）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。

【0424】

図２７Ａ２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（Ｂａｌｌｇｒｉｄａｒｒａｙ）を有する。なお、ＢＧＡに限らず、ＬＧＡ（Ｌａｎｄｇｒｉｄａｒｒａｙ）、またはＰＧＡ（ＰｉｎＧｒｉｄＡｒｒａｙ）などを有していてもよい。

【0425】

図２７Ａ３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。

【0426】

図２７Ｂ１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（図２７Ｂ３参照）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（図２７Ｂ３参照）も設けられており、ＳｉＰ（Ｓｙｓｔｅｍｉｎｐａｃｋａｇｅ）としての構成を有している。

【0427】

図２７Ｂ２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（Ｑｕａｄｆｌａｔｎｏ－ｌｅａｄｐａｃｋａｇｅ）の構成を有する。なお、当該構成は一例であり、ＱＦＰ（Ｑｕａｄｆｌａｔｐａｃｋａｇｅ）、または前述したＢＧＡが設けられていてもよい。

【0428】

図２７Ｂ３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。

【0429】

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。

【0430】

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。

【0431】

（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２８Ａ乃至図２８Ｆに示す。

【0432】

図２８Ａは携帯型情報端末の一例であり、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。当該携帯型情報端末は、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、または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。当該携帯型情報端末に本発明の一態様の撮像装置およびその動作方法を適用することができる。

【0433】

カメラ９８７は本発明の一態様の撮像装置を有し、カメラ９８７で取得した画像から被写体の距離情報を取得することができる。当該距離情報に基づいて、カメラ９８７で取得した画像の一部を加工することができる。例えば、主の被写体の前後をぼかす画像処理などを行うことができる。

【0434】

図２８Ｂは情報端末であり、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本発明の一態様の撮像装置およびその動作方法を適用することができる。

【0435】

図２８Ｃは監視カメラであり、支持台９５１、カメラユニット９５２、保護カバー９５３等を有する。カメラユニット９５２には回転機構などが設けられ、天井に設置することで全周囲の撮像が可能となる。当該カメラユニットにおける画像取得のための要素に本発明の一態様の撮像装置およびその動作方法を適用することができる。なお、監視カメラとは慣用的な名称であり、用途を限定するものではない。例えば監視カメラとしての機能を有する機器はカメラ、またはビデオカメラとも呼ばれる。

【0436】

図２８Ｄ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本発明の一態様の撮像装置およびその動作方法を適用することができる。

【0437】

図２８Ｅ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本発明の一態様の撮像装置およびその動作方法を適用することができる。

【0438】

図２８Ｆ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。当該情報端末に本発明の一態様の撮像装置およびその動作方法を適用することができる。

【0439】

図２９Ａは、移動体の一例として自動車の外観図を図示している。自動車８９０は、複数のカメラ８９１等を有し、自動車８９０の前後左右および上方の情報を取得することができる。カメラ８９１には、本発明の一態様の撮像装置およびその動作方法を適用することができる。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。自動車８９０は、複数の撮像方向８９２に対してカメラ８９１が取得した画像の解析を行い、ガードレール、及び歩行者の有無など、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。

【0440】

本発明の一態様の撮像装置では、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。

【0441】

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、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。

【0442】

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】

【0443】

ＦＬ１１：第１のフィルタ、ＦＬ１２：第３のフィルタ、ＦＬ１３：第５のフィルタ、ＦＬ２１：第２のフィルタ、ＦＬ２２：第４のフィルタ、ＦＬ２３：第６のフィルタ、１００：画素、１０１：光電変換デバイス、１０２：トランジスタ、１０２ａ：トランジスタ、１０２ｂ：トランジスタ、１０３：トランジスタ、１０３ａ：トランジスタ、１０３ｂ：トランジスタ、１０４：キャパシタ、１０４ａ：キャパシタ、１０４ｂ：キャパシタ、１０５：トランジスタ、１０５ａ：トランジスタ、１０５ｂ：トランジスタ、１０６：トランジスタ、１０６ａ：トランジスタ、１０６ｂ：トランジスタ、１０８：トランジスタ、１１１ａ：配線、１１１ａ＿１：配線、１１１ａ＿２：配線、１１１ａ＿３：配線、１１１ｂ：配線、１１１ｂ＿１：配線、１１１ｂ＿２：配線、１１１ｂ＿３：配線、１１２ａ：配線、１１２ａ＿１：配線、１１２ａ＿２：配線、１１２ａ＿３：配線、１１２ｂ：配線、１１２ｂ＿１：配線、１１２ｂ＿２：配線、１１２ｂ＿３：配線、１１３：配線、１１４：配線、１１５ａ：配線、１１５ｂ：配線、１１６ａ：配線、１１６ｂ：配線、１１７ａ：配線、１１７ｂ：配線、１１８ａ：配線、１１８ｂ：配線、１１９ａ：配線、１１９ｂ：配線、１２２：配線、１２２＿１：配線、１２２＿２：配線、１２２＿３：配線、１３０ａ：回路、１３０ｂ：回路、１６１：トランジスタ、１６２：トランジスタ、１６３：キャパシタ、２００：画素ブロック、２０１：回路、２０２：キャパシタ、２０３：トランジスタ、２０４：トランジスタ、２０５：トランジスタ、２０６：トランジスタ、２０７：トランジスタ、２１２：配線、２１３：配線、２１３Ａ：配線、２１３Ｂ：配線、２１５：配線、２１６：配線、２１７：配線、２１８：配線、２１９：配線、３００：画素アレイ、３０１：回路、３０２：回路、３０３：回路、３０４：回路、３０５：回路、３１１：配線、３２０：メモリセル、３２５：参照メモリセル、３３０：回路、３５０：回路、３６０：回路、３７０：回路、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、５４５：半導体層、５４６：絶縁層、５６０：層、５６１：層、５６２：層、５６２ａ：層、５６２ｂ：層、５６３：層、５６３ａ：層、５６３ｂ：層、５６３ｃ：層、５６５ａ：層、５６５ｂ：層、５６６ａ：層、５６６ｂ：層、５６６ｃ：層、５６６ｄ：層、５６７ａ：層、５６７ｂ：層、５６７ｃ：層、５６７ｄ：層、５６７ｅ：層、６１１：シリコン基板、６１２：絶縁層、６１３：絶縁層、６１４：絶縁層、６１６：絶縁層、６１７：絶縁層、６１８：絶縁層、６１９：導電層、６２１：絶縁層、６２２：絶縁層、６２３：絶縁層、６２４：絶縁層、６２５：絶縁層、６２６：絶縁層、６２７：導電層、６２８：絶縁層、６３１：絶縁層、６３２：シリコン基板、６３３：絶縁層、６３４：絶縁層、６３５：絶縁層、６３６：導電層、６３７：絶縁層、６３８：絶縁層、６３９：導電層、６４８：絶縁層、６５１：絶縁層、６５２：絶縁層、６５３：絶縁層、６５４：絶縁層、６５５：導電層、６６１：絶縁層、６６２：絶縁層、６６３：絶縁層、６６４：絶縁層、６６５：絶縁層、６７１：遮光層、６７２：光学変換層、６７２Ｂ：カラーフィルタ、６７２Ｇ：カラーフィルタ、６７２ＩＲ：赤外線フィルタ、６７２Ｒ：カラーフィルタ、６７２ＵＶ：紫外線フィルタ、６７３：マイクロレンズアレイ、６８３：導電層、６８４：導電層、６８５：導電層、６８６：導電層、６８８：導電層、６８９：導電層、６９１：導電層、６９２：導電層、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、７０８：チャネル形成領域、７３５：バックゲート、８９０：自動車、８９１：カメラ、８９２：撮像方向、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】