(57)【要約】【課題】検出精度が高い距離測定装置を提供する。【解決手段】受光素子、第１のトランジスタ、及び第２のトランジスタを有するフォトセンサと、配線と、信号線と、電源線とを備え、配線は、受光素子の一方の電極と電気的に接続し、信号線は、第１のトランジスタのゲート電極と電気的に接続し、電源線は、第２のトランジスタのソース電極又はドレイン電極の一方と電気的に接続し、第１のトランジスタでは、ソース電極又はドレイン電極の一方が第２のトランジスタのゲート電極と電気的に接続し、ソース電極又はドレイン電極の他方が受光素子の他方の電極、及び第２のトランジスタのソース電極又はドレイン電極の他方と電気的に接続する距離測定装置を提供する。【選択図】図１
2020109416.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、フォトダイオード、スイッチング素子である第１のトランジスタ及び増幅素子である第２のトランジスタ、を有するフォトセンサと、を有し、
前記第２のトランジスタのゲート電極は、前記第１のトランジスタのソース電極及びドレイン電極を介して前記フォトダイオードと接続されるとともに、保持容量と電気的に接続される距離測定装置において、
前記光源は、被検出物に対して一定時間の光照射を行い、
前記フォトダイオードは、前記光源から照射された光が前記被検出物で反射されることで生じる反射光を検出し、
前記フォトセンサが、前記光源と前記被検出物との間の距離に応じた信号を出力し、
前記第１のトランジスタは、前記一定時間において導通状態となる期間を有する前記距離測定装置の距離測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
フォトセンサを有する距離測定装置、距離測定システムに関する。特に、Ｔｉｍｅ−Ｏｆ
−Ｆｌｉｇｈｔ（ＴＯＦ）方式を適用した距離測定装置、距離測定システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
光飛行時間の遅延に依存した検出信号により、光源から被検出物までの距離を把握できる
３次元距離測定システムが注目されている。３次元距離測定システムは、バーチャルキー
ボード、ジェスチャ認識等の機能を有する情報入力デバイス、各種ロボットの視覚センサ
、セキュリティシステム、スマートエアバッグ用センサ、車載用センサ等、広範囲な用途
への応用が期待されている。
【０００３】
距離を測定する方法の一つとして、ＴＯＦ方式が知られている。ＴＯＦ方式を用いた距離
測定システムは、光源から被検出物に対して光を照射し、被検出物で反射された光がセン
サに届く際、照射光と反射光との間に生じる光飛行時間の遅延を検出して、光源（距離測
定システム）と被検出物との間の距離を計算によって取得することができる。具体的には
、光源から被検出物までの距離ｘを、光速ｃ及び遅延時間Δｔを用いた以下の式で表すこ
とができる。
【０００４】
【数１】
2020109416.tif 000003
【０００５】
非特許文献１には、３次元空間での距離測定を行うために、反射赤外光の検出期間を２回
に分けて異なる検出信号を取得し、ＴＯＦ方式を用いて３次元撮像を行う３次元イメージ
センサが開示されている。
【０００６】
また、非特許文献２では、非特許文献１におけるセンサの構成を応用して、２次元撮像と
、３次元撮像とを、フレーム期間毎に交互に行っている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｓ．Ｊ．Ｋｉｍ  ｅｔ  ａｌ，”Ａ  Ｔｈｒｅｅ−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  Ｔｉｍｅ−ｏｆ−Ｆｌｉｇｈｔ  ＣＭＯＳ  Ｉｍａｇｅ  Ｓｅｎｓｏｒ  Ｗｉｔｈ  Ｐｉｎｎｅｄ−Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ  Ｐｉｘｅｌ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ”，ＩＥＥＥ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｄｅｖｉｃｅ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｎｏｖ．２０１０，Ｖｏｌ．３１，Ｎｏ．１１，ｐｐ．１２７２−１２７４
【非特許文献２】Ｓ．Ｊ．Ｋｉｍ  ｅｔ  ａｌ，”Ａ  ６４０×４８０  Ｉｍａｇｅ  Ｓｅｎｓｏｒ  ｗｉｔｈ  Ｕｎｉｆｉｅｄ  Ｐｉｘｅｌ  Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ  ｆｏｒ  ２Ｄ／３Ｄ  Ｉｍａｇｉｎｇ  ｉｎ  ０．１１ｕｍ  ＣＭＯＳ”，  ２０１１  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ  ｏｎ  ＶＬＳＩ  Ｃｉｒｃｕｉｔｓ  Ｄｉｇｅｓｔ  ｏｆ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｐａｐｅｒｓ，ｐｐ．９２−９３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の一態様は、検出精度が高い距離測定装置を提供することを課題の一とする。本発
明の一態様は、検出精度が高い距離測定システムを提供することを課題の一とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様の距離測定装置は、フォトセンサを有し、該フォトセンサは、光源により
被検出物に対する複数回の光照射が行われる期間、又は該光照射終了後の期間における反
射光（具体的には、該光源から照射された光が該被検出物で反射されることで生じる光）
の検出を、複数回行う。該期間の反射光の検出を複数回行うことで、検出精度が高い距離
測定を行うことができる。
【００１０】
本発明の一態様の距離測定装置が備えるフォトセンサは、受光素子において反射光を検出
する。受光素子には、該光照射が行われる期間及び該光照射終了後の期間の双方において
、該反射光が照射される。検出を行わない期間に照射された反射光によって受光素子の電
極の電位に変化が生じると、反射光の検出精度が低下する場合がある。そこで、本発明の
一態様では、反射光の検出を行わない期間における受光素子の電極の電位変化を抑制する
トランジスタを、フォトセンサが備える。これにより、距離測定装置や、該距離測定装置
を用いた距離測定システムにおける、光の検出精度の低下を抑制することができる。
【００１１】
本発明の一態様は、受光素子、第１のトランジスタ、及び第２のトランジスタを有するフ
ォトセンサと、配線と、信号線と、電源線とを備え、配線は、受光素子の一方の電極と電
気的に接続し、信号線は、第１のトランジスタのゲート電極と電気的に接続し、電源線は
、第２のトランジスタのソース電極又はドレイン電極の一方と電気的に接続し、第１のト
ランジスタでは、ソース電極又はドレイン電極の一方が第２のトランジスタのゲート電極
と電気的に接続し、ソース電極又はドレイン電極の他方が受光素子の他方の電極、及び第
２のトランジスタのソース電極又はドレイン電極の他方と電気的に接続する距離測定装置
である。
【００１２】
また、本発明の一態様は、受光素子、第１のトランジスタ、及び第２のトランジスタを有
するフォトセンサと、配線と、信号線と、電源線と、光源とを備え、配線は、受光素子の
一方の電極と電気的に接続し、信号線は、第１のトランジスタのゲート電極と電気的に接
続し、電源線は、第２のトランジスタのソース電極又はドレイン電極の一方と電気的に接
続し、第１のトランジスタでは、ソース電極又はドレイン電極の一方が第２のトランジス
タのゲート電極と電気的に接続し、ソース電極又はドレイン電極の他方が受光素子の他方
の電極、及び第２のトランジスタのソース電極又はドレイン電極の他方と電気的に接続し
、光源は、被検出物に対して一定時間Ｔの光照射をｎ回（本明細書中において、ｎ回と記
載した場合、ｎは２以上の自然数とする）行い、受光素子は、光源から照射された光が被
検出物で反射されることで生じる反射光を検出し、第１のトランジスタは、光照射１回に
つき、一定時間Ｔ以上、導通状態となり、かつ、光照射の終了と同時に導通状態が終了し
、フォトセンサが、光源と被検出物との間の距離ｘに応じた信号を出力する距離測定装置
である。
【００１３】
また、該距離測定装置と、該距離ｘを、数式（１）を用いて算出する処理部と、を有する
距離測定システムも本発明の一態様である。
【００１４】
【数２】
2020109416.tif 000004
【００１５】
ただし、数式（１）において、Ｓ１は、一定時間Ｔの光照射がｎ回行われた後の第１のト
ランジスタのソース電極又はドレイン電極の一方の電位の変化量に応じた検出信号の電圧
を表し、ｎは、２以上の自然数を表し、ｃは、光速を表し、ｋは、定数を表す。
【００１６】
また、本発明の一態様は、受光素子、第１のトランジスタ、及び第２のトランジスタを有
するフォトセンサと、配線と、信号線と、電源線と、光源とを備え、配線は、受光素子の
一方の電極と電気的に接続し、信号線は、第１のトランジスタのゲート電極と電気的に接
続し、電源線は、第２のトランジスタのソース電極又はドレイン電極の一方と電気的に接
続し、第１のトランジスタでは、ソース電極又はドレイン電極の一方が第２のトランジス
タのゲート電極と電気的に接続し、ソース電極又はドレイン電極の他方が受光素子の他方
の電極、及び第２のトランジスタのソース電極又はドレイン電極の他方と電気的に接続し
、光源は、被検出物に対して一定時間の光照射をｎ回行い、受光素子は、光源から照射さ
れた光が被検出物で反射されることで生じる反射光を検出し、第１のトランジスタは、光
照射１回につき１回、導通状態となり、導通状態は、光照射の終了と同時に開始し、受光
素子における反射光の検出の終了より後に終了し、フォトセンサが、光源と被検出物との
間の距離ｘに応じた信号を出力する距離測定装置である。
【００１７】
また、該距離測定装置と、該距離ｘを、数式（２）を用いて算出する処理部と、を有する
距離測定システムも本発明の一態様である。
【００１８】
【数３】
2020109416.tif 000005
【００１９】
ただし、数式（２）において、Ｓ２は、一定時間の光照射がｎ回行われた後の第１のトラ
ンジスタのソース電極又はドレイン電極の一方の電位の変化量に応じた検出信号の電圧を
表し、ｎは、２以上の自然数を表し、ｃは、光速を表し、ｋは、定数を表す。
【００２０】
また、本発明の一態様は、第１の受光素子、第１のトランジスタ、及び第２のトランジス
タを有する第１のフォトセンサと、配線と、信号線と、電源線と、光源とを備え、配線は
、第１の受光素子の一方の電極と電気的に接続し、信号線は、第１のトランジスタのゲー
ト電極と電気的に接続し、電源線は、第２のトランジスタのソース電極又はドレイン電極
の一方と電気的に接続し、第１のトランジスタでは、ソース電極又はドレイン電極の一方
が第２のトランジスタのゲート電極と電気的に接続し、ソース電極又はドレイン電極の他
方が第１の受光素子の他方の電極、及び第２のトランジスタのソース電極又はドレイン電
極の他方と電気的に接続し、光源は、被検出物に対して一定時間Ｔの第１の光照射を連続
してｎ回行い、かつ、一定時間Ｔの第２の光照射を連続してｎ回行い、第１の受光素子は
、光源から照射された光が被検出物で反射されることで生じる反射光を検出し、第１のト
ランジスタは、第１の光照射１回につき、一定時間Ｔ以上、第１の導通状態となり、かつ
、第１の光照射の終了と同時に第１の導通状態が終了し、第２の光照射１回につき１回、
第２の導通状態となり、第２の導通状態は、第２の光照射の終了と同時に開始し、第１の
受光素子における反射光の検出の終了より後に終了し、フォトセンサが、光源と被検出物
との間の距離ｘに応じた信号を出力する距離測定装置である。
【００２１】
また、該距離測定装置と、該距離ｘを、数式（３）を用いて算出する処理部と、を有する
距離測定システムも本発明の一態様である。
【００２２】
【数４】
2020109416.tif 000006
【００２３】
ただし、数式（３）において、Ｓ１は、一定時間Ｔの第１の光照射がｎ回行われた後の、
第１のトランジスタのソース電極又はドレイン電極の一方の電位の変化量に応じた検出信
号の電圧を表し、Ｓ２は、一定時間Ｔの第２の光照射がｎ回行われた後の、第１のトラン
ジスタのソース電極又はドレイン電極の一方の電位の変化量に応じた検出信号の電圧を表
し、ｎは、２以上の自然数を表し、ｃは光速を表す。
【００２４】
また、数式（３）を用いて光源と被検出物との間の距離を算出する上記の距離測定装置（
又は距離測定システム）において、第２の受光素子を有する第２のフォトセンサを、第１
のフォトセンサと重畳して備えることが好ましい。複数のフォトセンサを重畳して備える
ことで、フォトセンサが占める面積の縮小を図ることができる。
【００２５】
特に、第１の受光素子と第２の受光素子とが重畳し、第１の受光素子が、第１の波長域の
光を吸収し、第２の受光素子が、第２の波長域の光を吸収し、第１の受光素子及び第２の
受光素子のうち被検出物からの距離が短い一方は、他方が吸収する波長域の光の少なくと
も一部を透過することが好ましい。
【００２６】
例えば、第１の受光素子より第２の受光素子が被検出物に近く、第１の受光素子が、反射
光に含まれる赤外光を検出（吸収）し、第２の受光素子が、該反射光に含まれる可視光を
検出（吸収）し、赤外光を透過する態様が挙げられる。この態様では、例えば、第１のフ
ォトセンサで距離測定を行うと同時に、第２のフォトセンサが２次元情報の取得を行うこ
とができる。また、第２の受光素子が可視光を吸収することで、第１の受光素子に照射さ
れる赤外光以外の光（ノイズとなる光）が低減するため、第１のフォトセンサの検出精度
を高めることができる。
【００２７】
上記に挙げた距離測定装置（又は距離測定システム）において、該配線が、リセット信号
線であることが好ましい。
【００２８】
または、上記に挙げた距離測定装置（もしくは距離測定システム）において、ゲート電極
が、リセット信号線と電気的に接続し、ソース電極又はドレイン電極の一方が、第１のト
ランジスタのソース電極又はドレイン電極の一方、及び第２のトランジスタのゲート電極
と電気的に接続し、ソース電極又はドレイン電極の他方が、リセット電源線と電気的に接
続する第３のトランジスタを有し、かつ、配線が固定電源線であることが好ましい。
【００２９】
上記に挙げた距離測定装置（又は距離測定システム）において、第１のトランジスタの半
導体層は、酸化物半導体を含むことが好ましい。また、第２のトランジスタの半導体層は
、酸化物半導体を含むことが好ましい。また、第３のトランジスタの半導体層は、酸化物
半導体を含むことが好ましい。
【００３０】
また、本発明の一態様は、第１の受光素子、第１のトランジスタ、及び第２のトランジス
タを有する第１のフォトセンサと、第２の受光素子、第３のトランジスタ、及び第４のト
ランジスタを有し、第１のフォトセンサと隣接する第２のフォトセンサと、第１の配線及
び第２の配線と、第１の信号線及び第２の信号線と、第１の電源線及び第２の電源線と、
光源とを備え、第１の配線は、第１の受光素子の一方の電極と電気的に接続し、第１の信
号線は、第１のトランジスタのゲート電極と電気的に接続し、第１の電源線は、第２のト
ランジスタのソース電極又はドレイン電極の一方と電気的に接続し、第１のトランジスタ
では、ソース電極又はドレイン電極の一方が第２のトランジスタのゲート電極と電気的に
接続し、ソース電極又はドレイン電極の他方が第１の受光素子の他方の電極、及び第２の
トランジスタのソース電極又はドレイン電極の他方と電気的に接続し、第２の配線は、第
２の受光素子の一方の電極と電気的に接続し、第２の信号線は、第３のトランジスタのゲ
ート電極と電気的に接続し、第２の電源線は、第４のトランジスタのソース電極又はドレ
イン電極の一方と電気的に接続し、第３のトランジスタでは、ソース電極又はドレイン電
極の一方が第４のトランジスタのゲート電極と電気的に接続し、ソース電極又はドレイン
電極の他方が第２の受光素子の他方の電極、及び第４のトランジスタのソース電極又はド
レイン電極の他方と電気的に接続し、光源は、被検出物に対して一定時間Ｔの光照射をｎ
回行い、第１の受光素子及び第２の受光素子は、光源から照射された光が被検出物で反射
されることで生じる反射光を検出し、第１のトランジスタは、光照射１回につき、一定時
間Ｔ以上、導通状態となり、かつ、光照射の終了と同時に導通状態が終了し、第３のトラ
ンジスタは、光照射１回につき１回、導通状態となり、導通状態は、光照射の終了と同時
に開始し、第２の受光素子における反射光の検出の終了より後に終了し、フォトセンサが
、光源と被検出物との間の距離ｘに応じた信号を出力する距離測定装置である。
【００３１】
また、該距離測定装置と、該距離ｘを、数式（３）を用いて算出する処理部と、を有する
距離測定システムも本発明の一態様である。
【００３２】
【数５】
2020109416.tif 000007
【００３３】
ただし、数式（３）において、Ｓ１は、一定時間Ｔの光照射がｎ回行われた後の、第１の
トランジスタのソース電極又はドレイン電極の一方の電位の変化量に応じた検出信号の電
圧を表し、Ｓ２は、一定時間Ｔの光照射がｎ回行われた後の、第３のトランジスタのソー
ス電極又はドレイン電極の一方の電位の変化量に応じた検出信号の電圧を表し、ｎは、２
以上の自然数を表し、ｃは光速を表す。
【００３４】
上記の距離測定装置（又は距離測定システム）において、第１の配線が、第１のリセット
信号線であり、第２の配線が、第２のリセット信号線であることが好ましい。
【００３５】
または、上記の距離測定装置（もしくは距離測定システム）において、第５のトランジス
タ及び第６のトランジスタを有し、第５のトランジスタでは、ゲート電極が、第１のリセ
ット信号線と電気的に接続し、ソース電極又はドレイン電極の一方が、第１のトランジス
タのソース電極又はドレイン電極の一方、及び第２のトランジスタのゲート電極と電気的
に接続し、ソース電極又はドレイン電極の他方が、第１のリセット電源線と電気的に接続
し、第６のトランジスタでは、ゲート電極が、第２のリセット信号線と電気的に接続し、
ソース電極又はドレイン電極の一方が、第３のトランジスタのソース電極又はドレイン電
極の一方、及び第４のトランジスタのゲート電極と電気的に接続し、ソース電極又はドレ
イン電極の他方が、第２のリセット電源線と電気的に接続し、第１の配線が、第１の固定
電源線であり、第２の配線が、第２の固定電源線であることが好ましい。
【００３６】
上記に挙げた距離測定装置（又は距離測定システム）において、第１のトランジスタの半
導体層は、酸化物半導体を含むことが好ましい。また、第２のトランジスタの半導体層は
、酸化物半導体を含むことが好ましい。また、第３のトランジスタの半導体層は、酸化物
半導体を含むことが好ましい。また、第４のトランジスタの半導体層は、酸化物半導体を
含むことが好ましい。
【発明の効果】
【００３７】
本発明の一態様では、検出精度が高い距離測定装置を提供することができる。また、本発
明の一態様では、検出精度が高い距離測定システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】距離測定システム及びフォトセンサの一例を示す図。
【図２】フォトセンサ及び読み出し回路の一例を示す図。
【図３】フォトセンサのタイミングチャートの一例を示す図。
【図４】フォトセンサのタイミングチャートの一例を示す図。
【図５】フォトセンサのタイミングチャートの一例を示す図。
【図６】フォトセンサの一例を示す図。
【図７】フォトセンサのタイミングチャートの一例を示す図。
【図８】フォトセンサの一例を示す図。
【図９】フォトセンサのタイミングチャートの一例を示す図。
【図１０】フォトセンサの一例を示す図。
【図１１】フォトセンサの上面図及び断面図。
【図１２】フォトセンサの一例を示す図。
【図１３】フォトセンサの上面図。
【図１４】フォトセンサの断面図。
【図１５】フォトセンサの作製方法の一例を示す図。
【図１６】フォトセンサの断面図。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
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、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及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。従って、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
、同一部分又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。
【００４０】
（実施の形態１）
まず、本発明の一態様の距離測定システムを図１（Ａ）に示す。図１（Ａ）に示す距離測
定システム１０は、１以上のフォトセンサ３０及び１以上の読み出し回路４０を有する距
離測定装置２０と、処理部５０とを有する。距離測定システム１０では、フォトセンサ３
０から出力された信号が、読み出し回路４０を介して処理部５０に入力される。処理部５
０では、該フォトセンサ３０と被検出物との間の距離を、該信号に基づき算出する。
【００４１】
処理部５０には、演算処理を行うＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎ
ｉｔ）やＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）等のプロセッサ
ー、及び演算プログラムを保存するメモリ等が含まれる。
【００４２】
本実施の形態では、本発明の一態様の距離測定装置（又は距離測定システム）と、該距離
測定装置（又は距離測定システム）を用いた距離測定方法について、図１（Ｂ）、図２乃
至図４を用いて説明する。本発明の一態様の距離測定装置（又は距離測定システム）はＴ
ＯＦ方式を用いて距離を測定することができる。
【００４３】
本発明の一態様の距離測定装置は、受光素子、第１のトランジスタ、及び第２のトランジ
スタを有するフォトセンサと、配線と、信号線と、電源線とを備える。該距離測定装置に
おいて、配線は、受光素子の一方の電極と電気的に接続し、信号線は、第１のトランジス
タのゲート電極と電気的に接続し、電源線は、第２のトランジスタのソース電極又はドレ
イン電極の一方と電気的に接続し、第１のトランジスタでは、ソース電極又はドレイン電
極の一方が第２のトランジスタのゲート電極と電気的に接続し、他方が受光素子の他方の
電極、及び第２のトランジスタのソース電極又はドレイン電極の他方と電気的に接続する
。
【００４４】
本発明の一態様では、光源が、被検出物に対して一定時間の光照射を複数回（ｎ回、ｎは
２以上の自然数）行い、フォトセンサが、該光照射が行われる期間又は該光照射終了後の
期間における反射光（具体的には、該光源から照射された光が該被検出物で反射されるこ
とで生じる光）の検出を同じ回数行う。光照射及び反射光の検出を複数回行うことで、距
離に応じた検出信号を高精度で得られるため、より正確な距離を算出することができる。
なお、光源は、本発明の一態様の距離測定装置に含まれていてもよいし、別途設けられて
いてもよい。
【００４５】
また、本発明の一態様の距離測定装置が備えるフォトセンサは、受光素子において反射光
を検出する。受光素子には、光源により光照射が行われる期間及び該光照射終了後の期間
の双方において、該反射光が照射される。検出を行わない期間に照射された反射光によっ
て受光素子の他方の電極の電位に変化が生じると、反射光の検出の精度が低下する場合が
ある。しかし、該フォトセンサは、反射光の検出を行わない期間における受光素子の他方
の電極の電位変化を抑制する第２のトランジスタを備える。これにより、高精度の距離測
定が可能な距離測定装置（さらには高精度の距離測定が可能な距離測定システム）を提供
することができる。
【００４６】
＜フォトセンサの構成＞
図１（Ｂ）に、本発明の一態様の距離測定装置が備えるフォトセンサ１００の回路図を示
す。
【００４７】
図１（Ｂ）に示すフォトセンサ１００は、フォトダイオード１０２、トランジスタ１０３
、トランジスタ１０４、トランジスタ１０５、及びトランジスタ１０９を有する。
【００４８】
フォトダイオード１０２では、一方の電極がリセット信号線ＰＲと電気的に接続し、他方
の電極がトランジスタ１０３のソース電極又はドレイン電極の他方、及びトランジスタ１
０９のソース電極又はドレイン電極の他方と電気的に接続している。本明細書等では、フ
ォトダイオード１０２の他方の電極、トランジスタ１０３のソース電極又はドレイン電極
の他方、及びトランジスタ１０９のソース電極又はドレイン電極の他方が構成するノード
をノード１０７と記す。
【００４９】
トランジスタ１０３では、ゲート電極が蓄積信号線ＴＸと電気的に接続し、ソース電極又
はドレイン電極の一方がトランジスタ１０４のゲート電極、及びトランジスタ１０９のゲ
ート電極と電気的に接続している。本明細書等では、トランジスタ１０３のソース電極又
はドレイン電極の一方、トランジスタ１０４のゲート電極、及びトランジスタ１０９のゲ
ート電極が構成するノードを、電荷保持ノードＦＤと記す。
【００５０】
トランジスタ１０４では、ソース電極又はドレイン電極の一方がフォトセンサ基準信号線
ＶＳと電気的に接続し、ソース電極又はドレイン電極の他方がトランジスタ１０５のソー
ス電極又はドレイン電極の一方と電気的に接続している。
【００５１】
トランジスタ１０５では、ゲート電極が選択信号線ＳＥと電気的に接続し、ソース電極又
はドレイン電極の他方がフォトセンサ出力信号線ＲＯと電気的に接続している。
【００５２】
トランジスタ１０９では、ソース電極又はドレイン電極の一方が電源線ＶＨと電気的に接
続している。
【００５３】
なお、図１（Ｂ）に示すフォトダイオード１０２では、陽極がリセット信号線ＰＲと電気
的に接続し、陰極がトランジスタ１０３のソース電極又はドレイン電極と電気的に接続し
ているが、これに限定されない。フォトダイオード１０２において、陰極がリセット信号
線ＰＲと電気的に接続し、陽極がトランジスタ１０３のソース電極又はドレイン電極と電
気的に接続していてもよい。
【００５４】
受光素子であるフォトダイオード１０２は、逆方向バイアスが印加される、すなわち陽極
の電位より高い電位が陰極に印加されると、受けた光の量に応じた電流を生成する。した
がって、反射光を検出することで、フォトダイオード１０２には、光電流が流れる。フォ
トセンサ１００に用いるフォトダイオードに限定は無く、ｐｉｎ接合フォトダイオード、
ｐｎ接合フォトダイオードなどを適用することができる。
【００５５】
電荷保持ノードＦＤは、フォトダイオード１０２が受ける光の量に応じて生成した電流に
より変化する電荷を保持する。また、電荷保持ノードＦＤにおいて電荷をより確実に保持
するために、電荷保持ノードＦＤが保持容量と電気的に接続していてもよい。
【００５６】
スイッチング素子であるトランジスタ１０３は、フォトダイオード１０２による電荷保持
ノードＦＤへの電荷蓄積と、電荷保持ノードＦＤの電荷の保持との切り替えを制御する。
【００５７】
電荷保持ノードＦＤが、フォトダイオード１０２に光が照射されることにより生成された
電荷を長時間保持するためには、トランジスタ１０３のオフ電流が小さいことが好ましい
。例えば、半導体層にアモルファスシリコン、微結晶シリコン、酸化物半導体等を用いる
ことで、トランジスタ１０３のオフ電流を小さくすることができる。特に、半導体層に酸
化物半導体を用いることで、トランジスタ１０３のオフ電流を極めて小さくすることがで
きる。
【００５８】
また、電荷保持ノードＦＤが、フォトダイオード１０２に光が照射されることにより生成
された電荷を短時間で蓄積するためには、トランジスタ１０３の移動度が高いことが好ま
しい。例えば、半導体層に、酸化物半導体、多結晶シリコン、単結晶シリコン等を用いる
ことで、トランジスタ１０３の移動度を高くすることができる。
【００５９】
上記より、トランジスタ１０３の半導体層に酸化物半導体を用いると、トランジスタ１０
３のオフ電流を極めて小さくすることができ、かつ、移動度を高くすることができるため
、特に好ましい。
【００６０】
増幅素子であるトランジスタ１０４は、電荷保持ノードＦＤの電位に応じて、電荷保持ノ
ードＦＤの電圧をフォトセンサ基準信号線ＶＳとフォトセンサ出力信号線ＲＯ間の電流値
に変換する動作を行う。トランジスタ１０４は、オン電流が大きいことや移動度が高いこ
とが好ましく、半導体層に酸化物半導体やシリコン材料等を用いることができ、特に、多
結晶シリコンや単結晶シリコン等のシリコン材料を用いることが好ましい。トランジスタ
１０４のオン電流が大きい又は移動度が高いと、増幅率を高くできるので、電荷保持ノー
ドＦＤの微小な電位差、すなわち、フォトダイオード１０２に照射された光の微小な差も
検出することが可能となる。
【００６１】
トランジスタ１０５は、フォトセンサ１００の出力を制御する。トランジスタ１０５は、
オン電流が大きいことや移動度が高いことが好ましく、半導体層に酸化物半導体やシリコ
ン材料等を用いることができ、特に、多結晶シリコンや単結晶シリコン等のシリコン材料
を用いることが好ましい。トランジスタ１０５のオン電流が大きい又は移動度が高いと、
フォトセンサ出力信号線ＲＯの駆動能力が高いので、フォトセンサ出力の読み出し速度を
向上することができる。
【００６２】
トランジスタ１０９は、トランジスタ１０３が非導通状態のときに、ゲート電極と、ソー
ス電極又はドレイン電極の他方との電位差を閾値電圧より小さい値に保つ。トランジスタ
１０９のゲート電極の電位は電荷保持ノードＦＤの電位と等しく、ソース電極又はドレイ
ン電極の他方の電位は、ノード１０７の電位と等しい。トランジスタ１０３が非導通状態
のときに該電位差が閾値電圧より小さい値に保たれることで、電荷保持ノードＦＤの電位
とノード１０７の電位とが概ね等しく保持される。したがって、後に説明する反射光検出
を複数回繰り返す際に、反射光検出期間以外における光の影響を抑制することができるた
め、位置検出精度を低下させることなく、光源（距離測定装置、距離測定システム）から
被検出物までの距離を測定することができる。トランジスタ１０９は、電源線ＶＨとノー
ド１０７の間の不要な電流注入を防ぐため、オフ電流が小さいことが好ましい。したがっ
て、トランジスタ１０９の半導体層にアモルファスシリコン、微結晶シリコン、酸化物半
導体等を用いることが好ましい。
【００６３】
なお、オフ電流が小さいことが好ましいトランジスタ１０３及びトランジスタ１０９は、
同一の材料で形成されることが好ましい。例えば、トランジスタ１０３及びトランジスタ
１０９の半導体層を酸化物半導体とし、同一の工程、材料で作製することで、作製工程の
簡略化を実現できる。また、同様の理由から、オン電流が大きいことや移動度が高いこと
が好ましいトランジスタ１０４及びトランジスタ１０５を、同一の材料、同一の構成で形
成することが好ましい。
【００６４】
リセット信号線ＰＲは、電荷保持ノードＦＤの電位の初期化を制御する信号線である。蓄
積信号線ＴＸは、トランジスタ１０３を制御する信号線である。フォトセンサ基準信号線
ＶＳは、電源供給配線である。選択信号線ＳＥは、トランジスタ１０５を制御する信号線
である。電源線ＶＨは、電源供給配線である。フォトセンサ出力信号線ＲＯは、フォトダ
イオード１０２の電荷蓄積に応じた信号を出力する出力配線である。
【００６５】
また、本発明の一態様に適用することができるフォトセンサ１３０の回路図を図２（Ａ）
に示す。
【００６６】
図２（Ａ）に示すフォトセンサ１３０は、フォトダイオード１０２、トランジスタ１０３
、トランジスタ１０４、トランジスタ１０５、トランジスタ１０６及びトランジスタ１０
９を有する。
【００６７】
フォトダイオード１０２では、一方の電極が固定電源線ＲＤと電気的に接続し、他方の電
極がトランジスタ１０３のソース電極又はドレイン電極の他方、及びトランジスタ１０９
のソース電極又はドレイン電極の他方と電気的に接続している。
【００６８】
トランジスタ１０６では、ゲート電極がリセット信号線ＰＲと電気的に接続し、ソース電
極又はドレイン電極の一方が、トランジスタ１０３のソース電極又はドレイン電極の一方
、トランジスタ１０４のゲート電極、及びトランジスタ１０９のゲート電極と電気的に接
続し、ソース電極又はドレイン電極の他方が、リセット電源線ＶＲと電気的に接続してい
る。トランジスタ１０６では、電荷保持ノードＦＤの電位の初期化を制御する。トランジ
スタ１０６は、リセット電源線ＶＲから電荷保持ノードＦＤへの不要な電流注入を防ぐた
め、オフ電流が小さいことが好ましい。したがって、トランジスタ１０６は、半導体層に
アモルファスシリコン、微結晶シリコン、酸化物半導体等を用いることが好ましい。
【００６９】
なお、図２（Ａ）に示すフォトダイオード１０２では、陽極が固定電源線ＲＤと電気的に
接続し、陰極がトランジスタ１０３のソース電極又はドレイン電極と電気的に接続してい
るが、これに限定されない。フォトダイオード１０２において、陰極が固定電源線ＲＤと
電気的に接続し、陽極がトランジスタ１０３のソース電極又はドレイン電極と電気的に接
続していてもよい。
【００７０】
＜読み出し回路の構成＞
図２（Ｂ）に、本発明の一態様の距離測定装置が備える読み出し回路１２０の回路図を示
す。本発明の一態様の距離測定装置が備える読み出し回路の構成は特に限定されない。図
２では、読み出し回路を１個のｐチャネル型トランジスタで構成する例を示す。
【００７１】
具体的には、読み出し回路１２０は、トランジスタ１２２を有する。トランジスタ１２２
では、ゲート電極がプリチャージ信号線ＰＣと電気的に接続し、ソース電極又はドレイン
電極の一方が電源供給配線１２４と電気的に接続し、他方がフォトセンサ出力信号線ＲＯ
と電気的に接続している。
【００７２】
なお、１つのフォトセンサ１００につき、１つの読み出し回路１２０を設ける構成や、１
つのフォトセンサ出力信号線ＲＯにつき、１つの読み出し回路１２０を設ける構成（フォ
トセンサ出力信号線ＲＯを共有する複数のフォトセンサに対して、１つの読み出し回路を
設ける構成）等を適用することができる。
【００７３】
＜距離測定方法＞
本発明の一態様の距離測定装置（又は距離測定システム）を用いた距離測定方法について
説明する。以下では、光源及びフォトセンサ１００（図１（Ｂ）参照）を有する距離測定
装置（又は距離測定システム）を用いた距離測定方法について説明する。
【００７４】
なお、タイミングチャートでは、フォトセンサ１００の動作をわかりやすく説明するため
、リセット信号線ＰＲ、蓄積信号線ＴＸ、選択信号線ＳＥ、及びフォトセンサ出力信号線
ＲＯには、ハイレベルかローレベルの電位が与えられるものとする。具体的に、リセット
信号線ＰＲには、ハイレベルの電位ＨＰＲと、ローレベルの電位ＬＰＲが与えられるもの
とし、蓄積信号線ＴＸには、ハイレベルの電位ＨＴＸと、ローレベルの電位ＬＴＸが与え
られるものとし、選択信号線ＳＥには、ハイレベルの電位ＨＳＥと、ローレベルの電位Ｌ
ＳＥが与えられるものとし、フォトセンサ出力信号線ＲＯには、ハイレベルの電位ＨＲＯ
と、ローレベルの電位ＬＲＯが与えられるものとする。
【００７５】
なお、照射光１５１のパルスでは、光源から光が照射される期間をハイレベルで表し、照
射されない期間をローレベルで表す。また、反射光１５２のパルスでは、反射光がフォト
ダイオード１０２に照射される期間をハイレベルで表し、反射光が照射されない期間をロ
ーレベルで表す。なお、光源から照射される光の強度は一定とする。
【００７６】
［距離測定方法１］
図３に、光源から照射された光である照射光１５１、照射光１５１が被検出物で反射され
ることで生じた反射光１５２、及びフォトセンサ１００のタイミングチャートの一例を示
す。
【００７７】
距離測定方法１において、本発明の一態様の距離測定装置は、光源から被検出物に対して
一定時間Ｔの光照射を２回（ｎ＝２）行い、光照射が行われている期間の反射光を検出し
、光の遅延時間に依存する検出信号の電圧Ｓ１を取得する。具体的には、時刻Ｔ２〜時刻
Ｔ４（一定時間Ｔ）の間に、１回目の光照射（Ａ）及び１回目の反射光検出（Ａ）を行い
、時刻Ｔ６〜時刻Ｔ８（一定時間Ｔ）の間に、２回目の光照射（Ａ）及び２回目の反射光
検出（Ａ）を行い、時刻Ｔ１０〜時刻Ｔ１１の間に、検出信号の電圧Ｓ１を取得する。た
だし、光照射（Ａ）及び反射光検出（Ａ）の回数は２回に限られず、３回以上行ってもよ
い。
【００７８】
複数回の光照射（Ａ）において、照射期間の長さは等しい（一定時間Ｔである）。また、
該１回の照射光の照射期間と１回の反射光の照射期間の長さは等しい（一定時間Ｔである
）。
【００７９】
複数回の光照射（Ａ）において、光源と被検出物との距離は変わらないものとする。つま
り、照射光が光源から発せられた時刻から、該照射光が被検出物で反射された後、フォト
センサに反射光が入射する時刻までの期間である、時刻Ｔ２から時刻Ｔ３までの期間と、
時刻Ｔ６から時刻Ｔ７までの期間は、長さが等しい（遅延時間Δｔとする）。
【００８０】
なお、反射光検出（Ａ）は、フォトセンサに反射光が入射する前に開始する。また、反射
光検出（Ａ）は、光照射（Ａ）の終了と同時に終了する。このように反射光検出（Ａ）の
タイミングが決定されるように、リセット信号線ＰＲ及び蓄積信号線ＴＸの電位を制御す
る。
【００８１】
（時刻Ｔ１〜時刻Ｔ２：リセット動作）
時刻Ｔ１において、リセット信号線ＰＲの電位を、電位ＬＰＲから電位ＨＰＲに変化させ
、かつ蓄積信号線ＴＸの電位を、電位ＬＴＸから電位ＨＴＸに変化させることで、フォト
ダイオード１０２及びトランジスタ１０３が導通する。電荷保持ノードＦＤには、リセッ
ト信号線ＰＲの電位ＨＰＲが与えられるため、電荷保持ノードＦＤに保持されている電荷
はリセットされ、初期状態となる電荷量が保持される。なお、時刻Ｔ１において、選択信
号線ＳＥには電位ＬＳＥが与えられている。
【００８２】
（時刻Ｔ２〜時刻Ｔ４：１回目の光照射（Ａ）及び１回目の反射光検出（Ａ））
時刻Ｔ２において、光源から被検出物に対して光の照射を開始し、かつリセット信号線Ｐ
Ｒの電位を、電位ＨＰＲから電位ＬＰＲに変化させる。ここで、蓄積信号線ＴＸの電位は
、電位ＨＴＸのまま維持するため、リセット信号線ＰＲの電位が電位ＬＰＲになると、フ
ォトダイオード１０２に逆方向バイアスの電圧が印加される。
【００８３】
時刻Ｔ３において、光源からの照射光が被検出物で反射され、反射光が本発明の一態様の
距離測定装置に入射し始める。逆方向バイアスの電圧が印加された状態のフォトダイオー
ド１０２に反射光が照射されることで、フォトダイオード１０２の陰極から陽極に向かっ
て電流が流れ、電荷保持ノードＦＤの電位が低下する。一定時間において、反射光の強度
が大きいほど電荷保持ノードＦＤからの電荷の流出も大きくなる（電荷保持ノードＦＤの
電位の低下が大きくなる）。また、一定強度において、反射光の照射時間が長いほど電荷
保持ノードＦＤからの電荷の流出も大きくなる（電荷保持ノードＦＤの電位の低下が大き
くなる）。
【００８４】
時刻Ｔ４において、光の照射を終了し、かつ、蓄積信号線ＴＸの電位を、電位ＨＴＸから
電位ＬＴＸに変化させる。蓄積信号線ＴＸの電位が電位ＬＴＸになることで、トランジス
タ１０３は非導通状態になる。よって、電荷保持ノードＦＤからフォトダイオード１０２
への電荷の移動が止まるため、電荷保持ノードＦＤの電位が定まる。
【００８５】
なお、蓄積信号線ＴＸの電位を、電位ＨＴＸから電位ＬＴＸに変化させる際、蓄積信号線
ＴＸと電荷保持ノードＦＤとの間における寄生容量により、電荷保持ノードＦＤの電位変
化が生じる場合がある。電位変化が大きいと、フォトダイオード１０２で生成した光電流
に対応した電位を電荷保持ノードＦＤが正確に保持できないことになる。したがって、寄
生容量の影響を低減するための対策（例えば、トランジスタ１０３のゲート電極と、ソー
ス電極もしくはドレイン電極との間の容量を小さくする、又は、電荷保持ノードＦＤに保
持容量を接続する等）を施すことが好ましい。本発明の一態様に係るフォトセンサ１００
では、該対策を施し、寄生容量に起因する電荷保持ノードＦＤの電位変化は無視できるも
のとする。
【００８６】
時刻Ｔ５において、フォトダイオード１０２への反射光の入射が終了する。
【００８７】
ここで、時刻Ｔ４〜時刻Ｔ５の間、トランジスタ１０３が非導通状態であるため、電荷保
持ノードＦＤの電位は一定であるが、フォトダイオード１０２には反射光が照射されてい
るため、ノード１０７の電位は低下してしまう（図３に示すノード１０７のパルスの点線
参照）。ノード１０７と電荷保持ノードＦＤに電位差が生じると、次にトランジスタ１０
３が導通状態になる時刻Ｔ６において、ノード１０７と電荷保持ノードＦＤの電位が等し
くなるよう、電荷保持ノードＦＤの電位が低下し、ノード１０７の電位が上昇する（図３
に示すノード１０７及び電荷保持ノードＦＤのパルスの点線参照）。電位変化が大きいと
、１回目の反射光検出（Ａ）の間にフォトダイオード１０２で生成した光電流に対応した
電位を、電荷保持ノードＦＤが正確に保持できないことになる。これにより、距離測定装
置、又は該距離測定装置を用いた距離測定システムにおいて正確な距離測定が困難となる
（位置検出精度が低下してしまう）。
【００８８】
しかし、本発明の一態様の距離測定装置は、トランジスタ１０９を備える。トランジスタ
１０９は、トランジスタ１０３が非導通状態のときに、ゲート電極と、ソース電極又はド
レイン電極の他方との電位差を閾値電圧より小さい値に保つ。トランジスタ１０９のゲー
ト電極の電位は、電荷保持ノードＦＤの電位と等しく、トランジスタ１０９のソース電極
又はドレイン電極の他方の電位は、ノード１０７の電位と等しい。したがって、ノード１
０７の電位が低下し、ノード１０７と電荷保持ノードＦＤとの電位差が大きくなることを
抑制することができる。これにより、本発明の一態様の距離測定装置（又は距離測定シス
テム）は、位置検出精度が低下することを抑制でき、高精度の距離測定が可能となる。
【００８９】
なお、時刻Ｔ４〜時刻Ｔ５の間におけるノード１０７の電位変化は、トランジスタ１０９
の閾値電圧より小さくなるため、トランジスタ１０９の閾値電圧は０に近いほど好ましく
、０が最も好ましい。また、トランジスタ１０９のサブスレッショルド特性が良好なほど
、時刻Ｔ４〜時刻Ｔ５の間におけるノード１０７の電位変化を抑制することができる。た
だし、トランジスタ１０９の閾値電圧及びサブスレッショルド特性の許容値は、電荷保持
ノードＦＤの容量、反射光の強度、フォトダイオード１０２の検出精度等によって決まる
ため、実施者が適宜決定すればよい。
【００９０】
本明細書等において、フォトダイオード１０２に照射される光とは、実質的に、光源から
の照射光が被検出物で反射されることで生じる反射光を指すものとする。例えば、反射光
は外光等に比べて極めて強度が高いものとする。ただし、時刻Ｔ４〜時刻Ｔ６において、
反射光と同程度かそれ以上に強度が高い外光が一時的にフォトダイオード１０２に照射さ
れたとしても、本発明の一態様の距離測定装置はトランジスタ１０９を備えるため、該外
光の影響でノード１０７の電位が変化すること、さらには電荷保持ノードＦＤの電位が変
化することを抑制することができる。
【００９１】
（時刻Ｔ６〜時刻Ｔ８：２回目の光照射（Ａ）及び２回目の反射光検出（Ａ））
時刻Ｔ６において、光源から被検出物に対して光の照射を開始し、かつ蓄積信号線ＴＸの
電位を、電位ＬＴＸから電位ＨＴＸに変化させる。
【００９２】
時刻Ｔ７において、光源からの照射光が被検出物で反射され、反射光が本発明の一態様の
距離測定装置に入射し始める。フォトダイオード１０２に反射光が照射されることで、フ
ォトダイオード１０２の陰極から陽極に向かって電流が流れ、電荷保持ノードＦＤの電位
が低下する。
【００９３】
時刻Ｔ８において、光の照射を終了し、かつ、蓄積信号線ＴＸの電位を、電位ＨＴＸから
電位ＬＴＸに変化させる。蓄積信号線ＴＸの電位が電位ＬＴＸになることで、トランジス
タ１０３は非導通状態になる。よって、電荷保持ノードＦＤからフォトダイオード１０２
への電荷の移動が止まるため、電荷保持ノードＦＤの電位が定まる。
【００９４】
なお、電荷保持ノードＦＤの電位は、時刻Ｔ８以降は一定となる。時刻Ｔ８での電荷保持
ノードＦＤの電位は、１回目及び２回目の反射光検出（Ａ）（時刻Ｔ２〜時刻Ｔ４及び時
刻Ｔ６〜時刻Ｔ８を指し、以下ではまとめて、反射光検出期間（Ａ）と記す）で、フォト
ダイオード１０２が生成した光電流に依存する。また、時刻Ｔ８での電荷保持ノードＦＤ
の電位に応じて、フォトセンサ１００の出力信号が決定する。
【００９５】
時刻Ｔ９において、フォトダイオード１０２への反射光の入射が終了する。
【００９６】
（時刻Ｔ１０〜時刻Ｔ１１：読み出し動作）
時刻Ｔ１０において、選択信号線ＳＥの電位を電位ＬＳＥから電位ＨＳＥに変化させ、ト
ランジスタ１０５を導通させる。これにより、フォトセンサ基準信号線ＶＳとフォトセン
サ出力信号線ＲＯが、トランジスタ１０４及びトランジスタ１０５を介して導通する。す
ると、電荷保持ノードＦＤの電位に応じた速度で、フォトセンサ出力信号線ＲＯの電位が
フォトセンサ基準信号線ＶＳの電位に近づく。なお、予め、時刻Ｔ１０以前に、フォトセ
ンサ出力信号線ＲＯの電位をハイレベルの電位ＨＲＯとしておく。
【００９７】
時刻Ｔ１１において、選択信号線ＳＥの電位を電位ＨＳＥから電位ＬＳＥに変化させると
、トランジスタ１０５が非導通状態となり、フォトセンサ出力信号線ＲＯの電位が決定す
る。
【００９８】
時刻Ｔ１１におけるフォトセンサ出力信号線ＲＯの電位は、時刻Ｔ１０〜時刻Ｔ１１にお
けるフォトセンサ出力信号線ＲＯの電位変化の速度に依存する。フォトセンサ出力信号線
ＲＯの電位変化の速度は、トランジスタ１０４のソース電極及びドレイン電極の間の電流
に依存する。即ち、反射光検出期間（Ａ）にフォトダイオード１０２に照射される反射光
の強度及び照射時間に依存する。一定時間において反射光の強度が大きいほど、フォトセ
ンサ出力信号線ＲＯの電位変化の速度は遅くなる。また、一定強度において反射光の照射
時間が長いほど、フォトセンサ出力信号線ＲＯの電位変化の速度は遅くなる。フォトセン
サ出力信号線ＲＯの電位変化の速度が遅いほど、時刻Ｔ１１におけるフォトセンサ出力信
号線ＲＯの電位は高くなる。
【００９９】
ここで、電荷保持ノードＦＤの電位変化とフォトセンサ出力信号線ＲＯの電位変化の関係
について説明する。反射光検出期間（Ａ）において、フォトダイオード１０２に照射され
る反射光の強度が高いと、電荷保持ノードＦＤの電位変化は大きくなる（時刻Ｔ８におけ
る電荷保持ノードＦＤの電位の値は低くなる）。このとき、トランジスタ１０４のチャネ
ル抵抗が高くなるため、フォトセンサ出力信号線ＲＯの電位変化の速度は遅くなる。した
がって、フォトセンサ出力信号線ＲＯの電位変化は小さくなる（時刻Ｔ１１におけるフォ
トセンサ出力信号線ＲＯの電位の値は高くなる）。
【０１００】
時刻Ｔ１１におけるフォトセンサ出力信号線ＲＯの電位を取得することで、反射光検出期
間（Ａ）にフォトダイオード１０２に照射された反射光の量（反射光の強度の時間積）を
検出信号の電圧Ｓ１として得ることができる。ここで、前述の通り、光源から照射される
光の強度は一定であり、反射光検出時にフォトダイオード１０２に照射される光は、全て
光源からの照射光が被検出物で反射されることで生じる反射光を指すから、時刻Ｔ１１に
おけるフォトセンサ出力信号線ＲＯの電位は、反射光検出期間（Ａ）の長さに概ね比例す
る。
【０１０１】
次に、本発明の一態様の距離測定システムにおける、ＴＯＦ方式を適用した距離測定方法
について説明する。反射光検出期間（Ａ）から取得した光の遅延時間に依存する検出信号
の電圧Ｓ１を用いて、本発明の一態様の距離測定装置（又は距離測定システム）から被検
出物までの距離を測定する方法について示す。
【０１０２】
検出信号の電圧Ｓ１は、光照射及び反射光検出を行った回数ｎ、定数ｋ、一定時間Ｔ、及
び遅延時間Δｔを用いて、数式（１−１）で表すことができる。また、光源（距離測定装
置、距離測定システム）から被検出物までの距離ｘは、光速ｃ及び遅延時間Δｔを用いて
、数式（１−２）で表すことができる。この２式より、該距離ｘは、検出信号の電圧Ｓ１
を用いた数式（１−３）で表すことができる。
【０１０３】
【数６】
2020109416.tif 000008
【０１０４】
なお、光照射及び反射光検出を行った回数ｎは、２以上の自然数であり、本実施の形態で
は一例としてｎ＝２とした。また、定数ｋには、光源が照射する光の強度や波長、フォト
ダイオード１０２の感度（光電流特性や分光感度）、フォトセンサ１００の透過率（セン
サ内でフォトダイオード１０２に光が達するまでの減衰率）や増幅率、被検出物の反射率
、空気中での光の減衰率等の情報が含まれ、本実施の形態では、被検出物の距離測定前に
予め求められているものとする。
【０１０５】
例えば、被検出物と距離測定装置（又は距離測定システム）との距離がわかっている状態
で、被検出物の距離測定を行い、検出信号の電圧Ｓ１を取得することで、数式（１−３）
を用いて定数ｋを求めることができる。
【０１０６】
また、時刻Ｔ１より前、又は時刻Ｔ１１より後の、光照射が行われず、かつ反射光が照射
されていない期間に、フォトセンサ１００によって光の検出を行い、検出信号の電圧Ｓ０
を得てもよい。数式（１−３）において、検出信号の電圧Ｓ１から検出信号の電圧Ｓ０を
差し引いた値である検出信号の電圧Ｓ１’を検出信号の電圧Ｓ１の代わりに用いることで
、外光の影響を取り除き、高い精度の距離測定を行うことができる。
【０１０７】
以上のように、本発明の一態様の距離測定装置を用いることで、高精度の距離測定を行う
ことができる。また、高精度の距離測定を行う距離測定システムを実現することができる
。
【０１０８】
［距離測定方法２］
図４に、照射光１５１、反射光１５２、フォトセンサ１００のタイミングチャートの別の
例を示す。
【０１０９】
距離測定方法２において、本発明の一態様の距離測定装置は、光源から被検出物に対して
一定時間Ｔの光照射（Ｂ）を２回行い、光照射（Ｂ）終了後の期間の反射光を検出し、光
の遅延時間に依存する検出信号の電圧Ｓ２を取得する。具体的には、時刻Ｔ１〜時刻Ｔ４
（一定時間Ｔ）の間に１回目の光照射（Ｂ）を行い、時刻Ｔ４〜時刻Ｔ６の間に１回目の
反射光検出（Ｂ）を行い、時刻Ｔ７〜時刻Ｔ９（一定時間Ｔ）の間に２回目の光照射（Ｂ
）を行い、時刻Ｔ９〜時刻Ｔ１１の間に２回目の反射光検出（Ｂ）を行い、時刻Ｔ１２〜
時刻Ｔ１３の間に検出信号の電圧Ｓ２を取得する。ただし、光照射（Ｂ）及び反射光検出
（Ｂ）の回数は２回に限られず、３回以上行ってもよい。
【０１１０】
複数回の光照射（Ｂ）において、照射期間の長さは等しい（一定時間Ｔである）。また、
１回の照射光の照射期間と１回の反射光の照射期間の長さは等しい（一定時間Ｔである）
。
【０１１１】
複数回の光照射（Ｂ）において、光源と被検出物との距離は変わらないものとする。つま
り、照射光が光源から発せられた時刻から、該照射光が被検出物で反射された後に、フォ
トセンサに反射光が入射する時刻までの期間である、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの期間と
、時刻Ｔ７から時刻Ｔ８までの期間は、長さが等しい（遅延時間Δｔとする）。
【０１１２】
なお、反射光検出（Ｂ）は、光照射（Ｂ）の終了と同時に開始する。また、反射光検出（
Ｂ）は、フォトセンサへの反射光の照射の終了より後に終了する。このように反射光検出
（Ｂ）のタイミングが決定されるように、リセット信号線ＰＲ及び蓄積信号線ＴＸの電位
を制御する。
【０１１３】
（時刻Ｔ１〜時刻Ｔ４：１回目の光照射（Ｂ））
時刻Ｔ１において、光源から被検出物に対して光の照射を開始する。ここで、リセット信
号線ＰＲには電位ＬＰＲが与えられており、蓄積信号線ＴＸには、電位ＬＴＸが与えられ
ており、選択信号線ＳＥには電位ＬＳＥが与えられている。
【０１１４】
時刻Ｔ２において、光源からの照射光が被検出物で反射され、反射光が本発明の一態様の
距離測定装置に入射し始める。
【０１１５】
（時刻Ｔ３〜時刻Ｔ４：リセット動作）
時刻Ｔ３において、リセット信号線ＰＲの電位を、電位ＬＰＲから電位ＨＰＲに変化させ
、かつ蓄積信号線ＴＸの電位を、電位ＬＴＸから電位ＨＴＸに変化させることで、フォト
ダイオード１０２及びトランジスタ１０３が導通する。電荷保持ノードＦＤには、リセッ
ト信号線ＰＲの電位ＨＰＲが与えられるため、電荷保持ノードＦＤに保持されている電荷
はリセットされ、初期状態となる電荷量が保持される。
【０１１６】
（時刻Ｔ４〜時刻Ｔ６：１回目の反射光検出（Ｂ））
時刻Ｔ４において、光の照射を終了し、かつ、リセット信号線ＰＲの電位を、電位ＨＰＲ
から電位ＬＰＲに変化させる。ここで、蓄積信号線ＴＸの電位は、電位ＨＴＸのまま維持
するため、リセット信号線ＰＲの電位が電位ＬＰＲになると、フォトダイオード１０２に
逆方向バイアスの電圧が印加される。逆方向バイアスの電圧が印加された状態のフォトダ
イオード１０２に反射光が照射されることで、フォトダイオード１０２の陰極から陽極に
向かって電流が流れ、電荷保持ノードＦＤの電位が低下する。
【０１１７】
時刻Ｔ５において、フォトダイオード１０２への反射光の入射が終了し、電荷保持ノード
ＦＤからフォトダイオード１０２への電荷の移動が止まり、電荷保持ノードＦＤの電位が
定まる。
【０１１８】
時刻Ｔ６において、蓄積信号線ＴＸの電位を、電位ＨＴＸから電位ＬＴＸに変化させる。
蓄積信号線ＴＸの電位が電位ＬＴＸになることで、トランジスタ１０３は非導通状態にな
る。
【０１１９】
（時刻Ｔ７〜時刻Ｔ９：２回目の光照射（Ｂ））
時刻Ｔ７において、光源から被検出物に対して光の照射を開始する。
【０１２０】
時刻Ｔ８において、光源からの照射光が被検出物で反射され、反射光が本発明の一態様の
距離測定装置に入射し始める。
【０１２１】
ここで、時刻Ｔ８〜時刻Ｔ９の間、トランジスタ１０３が非導通状態であるため、電荷保
持ノードＦＤの電位は一定であるが、フォトダイオード１０２には反射光が照射されてい
るため、ノード１０７の電位は低下してしまう（図４に示すノード１０７のパルスの点線
参照）。ノード１０７と電荷保持ノードＦＤに電位差が生じると、次にトランジスタ１０
３が導通状態になる時刻Ｔ９において、ノード１０７と電荷保持ノードＦＤの電位が等し
くなるよう、電荷保持ノードＦＤの電位が低下し、ノード１０７の電位が上昇する（図４
に示すノード１０７及び電荷保持ノードＦＤのパルスの点線参照）。電位変化が大きいと
、１回目の反射光検出（Ｂ）の間にフォトダイオード１０２で生成した光電流に対応した
電位を、電荷保持ノードＦＤが正確に保持できないことになる。これにより、距離測定装
置や、該距離測定装置を用いた距離測定システムにおいて正確な距離測定が困難となる（
位置検出精度が低下してしまう）。
【０１２２】
しかし、本発明の一態様の距離測定装置は、トランジスタ１０９を備える。トランジスタ
１０９は、トランジスタ１０３が非導通状態のときに、ゲート電極と、ソース電極又はド
レイン電極の他方との電位差を閾値電圧より小さい値に保つ。トランジスタ１０９のゲー
ト電極の電位は、電荷保持ノードＦＤの電位と等しく、トランジスタ１０９のソース電極
又はドレイン電極の他方の電位は、ノード１０７の電位と等しい。したがって、ノード１
０７の電位が低下し、ノード１０７と電荷保持ノードＦＤとの電位差が大きくなることを
抑制することができる。これにより、本発明の一態様の距離測定装置は、反射光検出期間
以外における光の影響を除去することができるので、位置検出精度が低下することを抑制
でき、高精度の距離測定が可能となる。
【０１２３】
なお、時刻Ｔ８〜時刻Ｔ９の間におけるノード１０７の電位変化は、トランジスタ１０９
の閾値電圧より小さくなるため、トランジスタ１０９の閾値電圧は０に近いほど好ましく
、０が最も好ましい。また、トランジスタ１０９のサブスレッショルド特性が良好な程、
時刻Ｔ８〜時刻Ｔ９の間におけるノード１０７の電位変化を抑制することができる。ただ
し、トランジスタ１０９の閾値電圧及びサブスレッショルド特性の許容値は、電荷保持ノ
ードＦＤの容量、反射光の強度、フォトダイオード１０２の検出精度等によって決まるた
め、実施者が適宜決定すればよい。
【０１２４】
前述の通り、本明細書等において、フォトダイオード１０２に照射される光とは、実質的
に、光源からの照射光が被検出物で反射されることで生じる反射光を指すものとする。た
だし、時刻Ｔ６〜時刻Ｔ９において、反射光と同程度かそれ以上に強度が高い外光が一時
的にフォトダイオード１０２に照射されたとしても、本発明の一態様の距離測定装置はト
ランジスタ１０９を備えるため、該外光の影響でノード１０７の電位が変化すること、さ
らには電荷保持ノードＦＤの電位が変化することを抑制することができる。
【０１２５】
（時刻Ｔ９〜時刻Ｔ１１：２回目の反射光検出（Ｂ））
時刻Ｔ９において、光の照射を終了し、かつ、蓄積信号線ＴＸの電位を、電位ＬＴＸから
電位ＨＴＸに変化させる。逆方向バイアスの電圧が印加された状態のフォトダイオード１
０２に反射光が照射されることで、フォトダイオード１０２の陰極から陽極に向かって電
流が流れ、電荷保持ノードＦＤの電位が低下する。
【０１２６】
時刻Ｔ１０において、フォトダイオード１０２への反射光の入射が終了し、電荷保持ノー
ドＦＤからフォトダイオード１０２への電荷の移動が止まり、電荷保持ノードＦＤの電位
が定まる。
【０１２７】
時刻Ｔ１１において、蓄積信号線ＴＸの電位を、電位ＨＴＸから電位ＬＴＸに変化させる
。蓄積信号線ＴＸの電位が電位ＬＴＸになることで、トランジスタ１０３は非導通状態に
なる。
【０１２８】
なお、電荷保持ノードＦＤの電位は、時刻Ｔ１１以降は一定となる。時刻Ｔ１１での電荷
保持ノードＦＤの電位は、１回目及び２回目の反射光検出（Ｂ）（時刻Ｔ４〜時刻Ｔ６及
び時刻Ｔ９〜時刻Ｔ１１を指し、以下ではまとめて、反射光検出期間（Ｂ）と記す）で、
フォトダイオード１０２が生成した光電流に依存する。また、時刻Ｔ１１での電荷保持ノ
ードＦＤの電位に応じて、フォトセンサ１００の出力信号が決定する。ただし、本実施の
形態では、フォトダイオード１０２への反射光の入射が時刻Ｔ１０で終了しているため、
「電荷保持ノードＦＤの電位は、時刻Ｔ１０以降は一定となる。」ともいえる。
【０１２９】
（時刻Ｔ１２〜時刻Ｔ１３：読み出し動作）
時刻Ｔ１２において、選択信号線ＳＥの電位を電位ＬＳＥから電位ＨＳＥに変化させ、ト
ランジスタ１０５を導通させる。これにより、フォトセンサ基準信号線ＶＳとフォトセン
サ出力信号線ＲＯが、トランジスタ１０４及びトランジスタ１０５を介して導通する。す
ると、電荷保持ノードＦＤの電位に応じて、フォトセンサ基準信号線ＶＳからフォトセン
サ出力信号線ＲＯに信号が出力される。なお、予め、時刻Ｔ１２以前に、フォトセンサ出
力信号線ＲＯの電位をハイレベルの電位ＨＲＯとしておく。
【０１３０】
時刻Ｔ１３において、選択信号線ＳＥの電位を電位ＨＳＥから電位ＬＳＥに変化させると
、トランジスタ１０５が非導通状態となり、フォトセンサ基準信号線ＶＳからフォトセン
サ出力信号線ＲＯへの電荷の移動が停止し、フォトセンサ出力信号線ＲＯの電位が決定す
る。
【０１３１】
時刻Ｔ１３におけるフォトセンサ出力信号線ＲＯの電位は、時刻Ｔ１２〜時刻Ｔ１３にお
けるフォトセンサ出力信号線ＲＯの電位変化の速度に依存する。フォトセンサ出力信号線
ＲＯの電位変化の速度は、トランジスタ１０４のソース電極及びドレイン電極の間の電流
に依存する。即ち、反射光検出期間（Ｂ）にフォトダイオード１０２に照射される反射光
の強度及び照射時間に依存する。
【０１３２】
したがって、時刻Ｔ１３におけるフォトセンサ出力信号線ＲＯの電位を取得することで、
反射光検出期間（Ｂ）にフォトダイオード１０２に照射された反射光の量（反射光の強度
の時間積）を検出信号の電圧Ｓ２として得ることができる。ここで、前述の通り、光源か
ら照射される光の強度は一定であり、反射光検出時にフォトダイオード１０２に照射され
る光は、全て光源からの照射光が被検出物で反射されることで生じる反射光を指すから、
時刻Ｔ１３におけるフォトセンサ出力信号線ＲＯの電位は、反射光検出期間（Ｂ）の長さ
に概ね比例する。
【０１３３】
次に、本発明の一態様の距離測定システムにおける、ＴＯＦ方式を適用した距離測定方法
について説明する。反射光検出期間（Ｂ）から取得した光の遅延時間に依存する検出信号
の電圧Ｓ２を用いて、本発明の一態様の距離測定装置（又は距離測定システム）から被検
出物までの距離を測定する方法について示す。
【０１３４】
検出信号の電圧Ｓ２は、光照射及び反射光検出を行った回数ｎ、定数ｋ、及び遅延時間Δ
ｔを用いて、数式（２−１）で表すことができる。また、光源（距離測定装置、距離測定
システム）から被検出物までの距離ｘは、光速ｃ及び遅延時間Δｔを用いて数式（２−２
）で表すことができる。この２式より、該距離ｘは、検出信号の電圧Ｓ２を用いた数式（
２−３）で表すことができる。
【０１３５】
【数７】
2020109416.tif 000009
【０１３６】
なお、光照射及び反射光検出を行った回数ｎは、２以上の自然数であり、本実施の形態で
は一例としてｎ＝２とした。また、定数ｋは、数式（１−１）の説明の際に挙げた情報と
同様の情報が含まれ、本実施の形態では、被検出物の距離測定前に予め求められているも
のとする。
【０１３７】
また、時刻Ｔ１より前、又は時刻Ｔ１３より後の、光照射が行われず、かつ反射光が照射
されていない期間に、フォトセンサ１００によって光の検出を行い、検出信号の電圧Ｓ０
を得てもよい。数式（２−３）において、検出信号の電圧Ｓ２から検出信号の電圧Ｓ０を
差し引いた値である検出信号の電圧Ｓ２’を検出信号の電圧Ｓ２の代わりに用いることで
、外光の影響を取り除き、高い精度の距離測定を行うことができる。
【０１３８】
以上のように、本発明の一態様の距離測定装置を用いることで、高精度の距離測定を行う
ことができる。また、高精度の距離測定を行う距離測定システムを実現することができる
。
【０１３９】
本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜組み合わせて用いることが
できる。
【０１４０】
（実施の形態２）
本実施の形態では、本発明の一態様の距離測定システムを用いた距離測定方法について図
５を用いて説明する。以下では、光源及びフォトセンサ１００（図１（Ｂ）参照）を有す
る距離測定装置を用いた距離測定方法について説明する。
【０１４１】
実施の形態１で説明した距離測定方法を用いて、光源（距離測定装置、距離測定システム
）から被検出物までの距離を知るためには、予め定数ｋを求めておく必要があった。一方
、本実施の形態で示す距離測定方法によれば、定数ｋがわからない場合でも、距離を求め
ることができる。
【０１４２】
［距離測定方法３］
図５に、照射光１５１、反射光１５２、及びフォトセンサ１００のタイミングチャートの
一例を示す。
【０１４３】
距離測定方法３において、本発明の一態様の距離測定装置は、光源から被検出物に対して
一定時間Ｔの光照射（Ａ）を２回行い、光照射（Ａ）が行われている期間の反射光を検出
し、光の遅延時間に依存する検出信号の電圧Ｓ１を取得した後、光源から被検出物に対し
て一定時間Ｔの光照射（Ｂ）を２回行い、光照射（Ｂ）終了後の期間の反射光を検出し、
光の遅延時間に依存する検出信号の電圧Ｓ２を取得する。
【０１４４】
具体的には、時刻Ｔ２〜時刻Ｔ４（一定時間Ｔ）の間に、１回目の光照射（Ａ）及び１回
目の反射光検出（Ａ）を行い、時刻Ｔ６〜時刻Ｔ８（一定時間Ｔ）の間に、２回目の光照
射（Ａ）及び２回目の反射光検出（Ａ）を行い、時刻Ｔ１０〜時刻Ｔ１１の間に、検出信
号の電圧Ｓ１を取得し、時刻Ｔ１２〜時刻Ｔ１５（一定時間Ｔ）の間に１回目の光照射（
Ｂ）を行い、時刻Ｔ１５〜時刻Ｔ１７の間に１回目の反射光検出（Ｂ）を行い、時刻Ｔ１
８〜時刻Ｔ２０（一定時間Ｔ）の間に２回目の光照射（Ｂ）を行い、時刻Ｔ２０〜時刻Ｔ
２２の間に２回目の反射光検出（Ｂ）を行い、時刻Ｔ２３〜時刻Ｔ２４の間に、検出信号
の電圧Ｓ２を取得する。ただし、光照射（Ａ）（Ｂ）及び反射光検出（Ａ）（Ｂ）の回数
は２回に限られず、３回以上行ってもよい。
【０１４５】
複数回の光照射（Ａ）（Ｂ）において、照射期間の長さは等しい（一定時間Ｔである）。
また、１回の照射光の照射期間と１回の反射光の照射期間の長さは等しい（一定時間Ｔで
ある）。
【０１４６】
複数回の光照射（Ａ）（Ｂ）において、光源と被検出物との距離は変わらないものとする
。つまり、照射光が光源から発せられた時刻から、該照射光が被検出物で反射された後に
、フォトセンサに反射光が入射する時刻までの期間である、時刻Ｔ２から時刻Ｔ３までの
期間、時刻Ｔ６から時刻Ｔ７までの期間、時刻Ｔ１２から時刻Ｔ１３までの期間、及び時
刻Ｔ１８から時刻Ｔ１９までの期間は、長さが等しい（遅延時間Δｔとする）。
【０１４７】
なお、反射光検出（Ａ）は、フォトセンサに反射光が入射する前に開始する。また、反射
光検出（Ａ）は、光照射（Ａ）の終了と同時に終了する。そして、反射光検出（Ｂ）は、
光照射（Ｂ）の終了と同時に開始する。また、反射光検出（Ｂ）は、フォトダイオード１
０２への反射光の照射の終了より後に終了する。このように、反射光検出（Ａ）及び反射
光検出（Ｂ）のタイミングが決定されるように、リセット信号線ＰＲ及び蓄積信号線ＴＸ
の電位を制御する。
【０１４８】
（時刻Ｔ１〜時刻Ｔ１１：検出信号の電圧Ｓ１の取得）
時刻Ｔ１〜時刻Ｔ１１において、実施の形態１における距離測定方法１（時刻Ｔ１〜時刻
Ｔ１１）と同様の方法で検出信号の電圧Ｓ１を取得する。詳細は、実施の形態１を参酌で
きる。
【０１４９】
（時刻Ｔ１２〜時刻Ｔ２４：検出信号の電圧Ｓ２の取得）
時刻Ｔ１２〜時刻Ｔ２４において、実施の形態１における距離測定方法２（時刻Ｔ１〜時
刻Ｔ１３）と同様の方法で検出信号の電圧Ｓ２を取得する。詳細は、実施の形態１を参酌
できる。
【０１５０】
ここで、距離測定方法３において、検出信号の電圧Ｓ１及び検出信号の電圧Ｓ２を取得す
る順に限定は無く、時刻Ｔ１〜時刻Ｔ１３において、距離測定方法２と同様の方法で検出
信号の電圧Ｓ２を取得した後、時刻Ｔ１４〜時刻Ｔ２４において、距離測定方法１と同様
の方法で検出信号の電圧Ｓ１を取得してもよい。
【０１５１】
なお、本実施の形態においては、一例として、光照射（Ａ）が行われ、かつ、フォトダイ
オード１０２に反射光が照射されている期間（時刻Ｔ３〜時刻Ｔ４や、時刻Ｔ７〜時刻Ｔ
８、言い換えると、時間（Ｔ−Δｔ））に比べて、光照射（Ｂ）の終了以後、かつ、フォ
トダイオード１０２に反射光が照射されている期間（時刻Ｔ１５〜時刻Ｔ１６や、時刻Ｔ
２０〜時刻Ｔ２１、言い換えると、時間Δｔ）が短い場合を示している。そのため、時間
（Ｔ−Δｔ）の間の電荷保持ノードＦＤの電位変化に比べて、時間Δｔの間の電荷保持ノ
ードＦＤの電位変化は小さい。また、時刻Ｔ２４におけるフォトセンサ出力信号線ＲＯの
電位は、時刻Ｔ１１におけるフォトセンサ出力信号線ＲＯの電位に比べて低い。
【０１５２】
次に、本発明の一態様の距離測定システムにおける、ＴＯＦ方式を適用した距離測定方法
について説明する。反射光検出期間（Ａ）（Ｂ）から取得した光の遅延時間に依存する検
出信号の電圧Ｓ１及び検出信号の電圧Ｓ２を用いて、本発明の一態様の距離測定装置（又
は距離測定システム）から被検出物までの距離を測定する方法について示す。
【０１５３】
実施の形態１に示した通り、検出信号の電圧Ｓ１は、光照射及び反射光検出を行った回数
ｎ、定数ｋ、一定時間Ｔ、及び遅延時間Δｔを用いて、数式（３−１）で表すことができ
、検出信号の電圧Ｓ２は、光照射及び反射光検出を行った回数ｎ、定数ｋ、及び遅延時間
Δｔを用いて、数式（３−２）で表すことができる。また、光源（距離測定装置、距離測
定システム）から被検出物までの距離ｘは、光速ｃ及び遅延時間Δｔを用いて、数式（３
−３）で表すことができる。この３式より、該距離ｘは、検出信号の電圧Ｓ１及び検出信
号の電圧Ｓ２を用いた数式（３−４）で表すことができる。
【０１５４】
【数８】
2020109416.tif 000010
【０１５５】
なお、光照射及び反射光検出を行った回数ｎは、２以上の自然数であり、本実施の形態で
は一例としてｎ＝２とした。また、定数ｋには、数式（１−１）の説明の際に挙げた情報
と同様の情報が含まれる。本実施の形態の距離測定方法では、数式（３−４）に示す通り
、定数ｋの値がわからなくても、距離ｘを求めることができる。
【０１５６】
また、時刻Ｔ１より前、又は時刻Ｔ２４より後の、光照射が行われず、かつ反射光が照射
されていない期間に、フォトセンサ１００によって光の検出を行い、検出信号の電圧Ｓ０
を得てもよい。検出信号の電圧Ｓ１及び検出信号の電圧Ｓ２のそれぞれから検出信号の電
圧Ｓ０を差し引いた値である検出信号の電圧Ｓ１’及び検出信号の電圧Ｓ２’を、数式（
３−４）において検出信号の電圧Ｓ１及び検出信号の電圧Ｓ２の代わりに用いることで、
外光の影響を取り除き、高い精度の距離測定を行うことができる。
【０１５７】
以上のように、本発明の一態様の距離測定装置を用いることで、高精度の距離測定を行う
ことができる。また、高精度の距離測定を行う距離測定システムを実現することができる
。
【０１５８】
（実施の形態３）
本実施の形態では、本発明の一態様の距離測定装置（又は距離測定システム）と、該距離
測定装置（又は距離測定システム）を用いた距離測定方法について、図６及び図７を用い
て説明する。本発明の一態様の距離測定装置（又は距離測定システム）はＴＯＦ方式を用
いて距離を測定することができる。
【０１５９】
本発明の一態様の距離測定装置は、第１の受光素子、第１のトランジスタ、及び第２のト
ランジスタを有する第１のフォトセンサと、第２の受光素子、第３のトランジスタ、及び
第４のトランジスタを有し、第１のフォトセンサと隣接する第２のフォトセンサと、第１
の配線及び第２の配線と、第１の信号線及び第２の信号線と、第１の電源線及び第２の電
源線とを備える。特に、第１の受光素子と第２の受光素子とが隣接することが好ましい。
【０１６０】
第１の配線は、第１の受光素子の一方の電極と電気的に接続し、第１の信号線は、第１の
トランジスタのゲート電極と電気的に接続し、第１の電源線は、第２のトランジスタのソ
ース電極又はドレイン電極の一方と電気的に接続し、第１のトランジスタでは、ソース電
極又はドレイン電極の一方が第２のトランジスタのゲート電極と電気的に接続し、他方が
第１の受光素子の他方の電極、及び第２のトランジスタのソース電極又はドレイン電極の
他方と電気的に接続し、第２の配線は、第２の受光素子の一方の電極と電気的に接続し、
第２の信号線は、第３のトランジスタのゲート電極と電気的に接続し、第２の電源線は、
第４のトランジスタのソース電極又はドレイン電極の一方と電気的に接続し、第３のトラ
ンジスタでは、ソース電極又はドレイン電極の一方が第４のトランジスタのゲート電極と
電気的に接続し、他方が第２の受光素子の他方の電極、及び第４のトランジスタのソース
電極又はドレイン電極の他方と電気的に接続する。
【０１６１】
本発明の一態様では、光源が、被検出物に対して一定時間の光照射を複数回（ｎ回、ｎは
２以上の自然数）行い、第１のフォトセンサが、該光照射が行われる期間における反射光
（具体的には、該光源から照射された光が該被検出物で反射されることで生じる光）の検
出を同じ回数行い、第１のフォトセンサと隣接する第２のフォトセンサが、該光照射終了
後の期間における反射光の検出を同じ回数行う。このとき、第１のフォトセンサと第２の
フォトセンサは、実質的に被検出物の同一点における反射光を検出する。光照射及び反射
光の検出を複数回行うことで、距離に応じた検出信号を高精度で得られるため、より正確
な距離を算出することができる。
【０１６２】
実施の形態１で説明した距離測定方法を用いて、光源（距離測定装置、距離測定システム
）から被検出物までの距離を知るためには、予め定数ｋを求めておく必要があった。一方
、本実施の形態で示す距離測定方法によれば、定数ｋがわからない場合でも、距離を求め
ることができる。
【０１６３】
実施の形態２で説明した距離測定方法では、１回の光照射を利用して、該光照射が行われ
る期間又は該光照射終了後の期間のどちらか一方における反射光の検出を行った。また、
光照射（Ａ）（Ｂ）において、光源と被検出物との距離は変わらないものとする必要があ
った。一方、本実施の形態で示す距離測定方法は、隣接する２つのフォトセンサを用いる
ことで、１回の光照射を利用して、該光照射が行われる期間及び該光照射終了後の期間の
双方における反射光の検出を行うことができる。したがって、実施の形態２で説明した距
離測定方法に比べて短時間で被検出物の距離を測定することができる。したがって、例え
ば、被検出物が移動体の場合であっても、位置検出精度の低下を抑制することができる。
【０１６４】
また、本発明の一態様の距離測定装置が備えるフォトセンサは、受光素子において反射光
を検出する。受光素子には、光源により光照射が行われる期間及び該光照射終了後の期間
の双方において、該反射光が照射されている。検出を行わない期間に照射された反射光に
よって受光素子の他方の電極の電位に変化が生じると、反射光の検出の精度が低下する場
合がある。しかし、該フォトセンサは、反射光の検出を行わない期間における受光素子の
他方の電極の電位変化を抑制するトランジスタを備える。これにより、高精度の距離測定
が可能な距離測定装置（又は距離測定システム）を提供することができる。
【０１６５】
＜フォトセンサの構成＞
図６に本発明の一態様の距離測定装置が備える第１のフォトセンサ１００＿１及び第２の
フォトセンサ１００＿２の回路図を示す。
【０１６６】
図６に示す第１のフォトセンサ１００＿１は、フォトダイオード１０２＿１、トランジス
タ１０３＿１、トランジスタ１０４＿１、トランジスタ１０５＿１、及びトランジスタ１
０９＿１を有する。
【０１６７】
フォトダイオード１０２＿１では、一方の電極がリセット信号線ＰＲ＿１と電気的に接続
し、他方の電極がトランジスタ１０３＿１のソース電極又はドレイン電極の他方、及びト
ランジスタ１０９＿１のソース電極又はドレイン電極の他方と電気的に接続している。本
明細書等では、フォトダイオード１０２＿１の他方の電極、トランジスタ１０３＿１のソ
ース電極又はドレイン電極の他方、及びトランジスタ１０９＿１のソース電極又はドレイ
ン電極の他方が構成するノードをノード１０７＿１と記す。
【０１６８】
トランジスタ１０３＿１では、ゲート電極が蓄積信号線ＴＸ＿１と電気的に接続し、ソー
ス電極又はドレイン電極の一方がトランジスタ１０４＿１のゲート電極、及びトランジス
タ１０９＿１のゲート電極と電気的に接続している。本明細書等では、トランジスタ１０
３＿１のソース電極又はドレイン電極の一方、トランジスタ１０４＿１のゲート電極、及
びトランジスタ１０９＿１のゲート電極が構成するノードを、電荷保持ノードＦＤ＿１と
記す。
【０１６９】
トランジスタ１０４＿１では、ソース電極又はドレイン電極の一方がフォトセンサ基準信
号線ＶＳと電気的に接続し、他方がトランジスタ１０５＿１のソース電極又はドレイン電
極の一方と電気的に接続している。
【０１７０】
トランジスタ１０５＿１では、ゲート電極が選択信号線ＳＥ＿１と電気的に接続し、ソー
ス電極又はドレイン電極の他方がフォトセンサ出力信号線ＲＯ＿１と電気的に接続してい
る。
【０１７１】
トランジスタ１０９＿１では、ソース電極又はドレイン電極の一方が電源線ＶＨと電気的
に接続している。
【０１７２】
図６に示す第２のフォトセンサ１００＿２は、フォトダイオード１０２＿２、トランジス
タ１０３＿２、トランジスタ１０４＿２、トランジスタ１０５＿２、及びトランジスタ１
０９＿２を有する。
【０１７３】
フォトダイオード１０２＿２では、一方の電極がリセット信号線ＰＲ＿２と電気的に接続
し、他方の電極がトランジスタ１０３＿２のソース電極又はドレイン電極の他方、及びト
ランジスタ１０９＿２のソース電極又はドレイン電極の他方と電気的に接続している。本
明細書等では、フォトダイオード１０２＿２の他方の電極、トランジスタ１０３＿２のソ
ース電極又はドレイン電極の他方、及びトランジスタ１０９＿２のソース電極又はドレイ
ン電極の他方が構成するノードをノード１０７＿２と記す。
【０１７４】
トランジスタ１０３＿２では、ゲート電極が蓄積信号線ＴＸ＿２と電気的に接続し、ソー
ス電極又はドレイン電極の一方がトランジスタ１０４＿２のゲート電極、及びトランジス
タ１０９＿２のゲート電極と電気的に接続している。本明細書等では、トランジスタ１０
３＿２のソース電極又はドレイン電極の一方、トランジスタ１０４＿２のゲート電極、及
びトランジスタ１０９＿２のゲート電極が構成するノードを、電荷保持ノードＦＤ＿２と
記す。
【０１７５】
トランジスタ１０４＿２では、ソース電極又はドレイン電極の一方がフォトセンサ基準信
号線ＶＳと電気的に接続し、他方がトランジスタ１０５＿２のソース電極又はドレイン電
極の一方と電気的に接続している。
【０１７６】
トランジスタ１０５＿２では、ゲート電極が選択信号線ＳＥ＿２と電気的に接続し、ソー
ス電極又はドレイン電極の他方がフォトセンサ出力信号線ＲＯ＿２と電気的に接続してい
る。
【０１７７】
トランジスタ１０９＿２では、ソース電極又はドレイン電極の一方が電源線ＶＨと電気的
に接続している。
【０１７８】
なお、図６に示す第１のフォトセンサ１００＿１、及び第２のフォトセンサ１００＿２は
、図１（Ｂ）に示すフォトセンサ１００と同様の構成としたが、この構成に限られず、例
えば、図２（Ａ）に示すフォトセンサ１３０と同様の構成とすることができる。
【０１７９】
＜距離測定方法＞
本発明の一態様の距離測定システムを用いた距離測定方法について説明する。以下では、
隣接する第１のフォトセンサ１００＿１及び第２のフォトセンサ１００＿２（図６参照）
と、光源とを有する距離測定装置を用いた距離測定方法について説明する。
【０１８０】
［距離測定方法４］
図７に、照射光１５１、反射光１５２、第１のフォトセンサ１００＿１、及び第２のフォ
トセンサ１００＿２のタイミングチャートの一例を示す。
【０１８１】
距離測定方法４において、本発明の一態様の距離測定装置では、光源から被検出物に対し
て一定時間Ｔの光照射を２回行い、第１のフォトセンサ１００＿１が、該光照射が行われ
ている期間の反射光を検出し、光の遅延時間に依存する検出信号の電圧Ｓ１を取得し、か
つ、第２のフォトセンサ１００＿２が、該光照射終了後の期間の反射光を検出し、光の遅
延時間に依存する検出信号の電圧Ｓ２を取得する。
【０１８２】
具体的には、時刻Ｔ２〜時刻Ｔ５（一定時間Ｔ）の間に、１回目の光照射及び第１のフォ
トセンサ１００＿１による１回目の反射光検出（Ａ）を行い、時刻Ｔ５〜時刻Ｔ７の間に
、第２のフォトセンサ１００＿２による１回目の反射光検出（Ｂ）を行い、時刻Ｔ８〜時
刻Ｔ１０（一定時間Ｔ）の間に、２回目の光照射及び第１のフォトセンサ１００＿１によ
る２回目の反射光検出（Ａ）を行い、時刻Ｔ１０〜時刻Ｔ１２の間に第２のフォトセンサ
１００＿２による２回目の反射光検出（Ｂ）を行い、時刻Ｔ１３〜時刻Ｔ１４の間に、検
出信号の電圧Ｓ１を取得し、時刻Ｔ１４〜時刻Ｔ１５の間に、検出信号の電圧Ｓ２を取得
する。ただし、光照射及び反射光検出（Ａ）（Ｂ）の回数は２回に限られず、３回以上行
ってもよい。
【０１８３】
複数回の光照射において、照射期間の長さは等しい（一定時間Ｔである）。また、１回の
照射光の照射期間と１回の反射光の照射期間の長さは等しい（一定時間Ｔである）。
【０１８４】
本実施の形態では、複数回の光照射において、光源と被検出物との距離は変わらないもの
とする。つまり、照射光が光源から発せられた時刻から、該照射光が被検出物で反射され
た後、フォトセンサに反射光が入射する時刻までの期間である、時刻Ｔ２から時刻Ｔ３ま
での期間、及び時刻Ｔ８から時刻Ｔ９までの期間は、長さが等しい（遅延時間Δｔとする
）。ただし、本実施の形態で説明する距離測定方法４を適用することで、本発明の一態様
の距離測定装置は、短時間で被検出物の距離を測定することができるため、複数回の光照
射において、光源と被検出物との距離が変化する場合（例えば、被検出物が移動体である
場合）でも、位置検出精度の低下が抑制できる。
【０１８５】
なお、反射光検出（Ａ）は、少なくとも、フォトセンサに反射光が入射する前に開始する
。また、反射光検出（Ａ）は、光照射の終了と同時に終了する。そして、反射光検出（Ｂ
）は、光照射の終了と同時に開始する。また、反射光検出（Ｂ）は、フォトセンサへの反
射光の照射の終了より後に終了する。このように、反射光検出（Ａ）及び反射光検出（Ｂ
）のタイミングが決定されるように、リセット信号線ＰＲ＿１、リセット信号線ＰＲ＿２
、蓄積信号線ＴＸ＿１、及び蓄積信号線ＴＸ＿２の電位を制御する。
【０１８６】
（時刻Ｔ１〜時刻Ｔ２：第１のフォトセンサ１００＿１のリセット動作）
時刻Ｔ１において、リセット信号線ＰＲ＿１の電位を、電位ＬＰＲから電位ＨＰＲに変化
させ、かつ蓄積信号線ＴＸ＿１の電位を、電位ＬＴＸから電位ＨＴＸに変化させることで
、フォトダイオード１０２＿１及びトランジスタ１０３＿１が導通する。電荷保持ノード
ＦＤ＿１には、リセット信号線ＰＲ＿１の電位ＨＰＲが与えられるため、電荷保持ノード
ＦＤ＿１に保持されている電荷はリセットされ、初期状態となる電荷量が保持される。な
お、時刻Ｔ１において、選択信号線ＳＥ＿１には電位ＬＳＥが与えられており、リセット
信号線ＰＲ＿２には電位ＬＰＲが与えられており、蓄積信号線ＴＸ＿２には、電位ＬＴＸ
が与えられており、選択信号線ＳＥ＿２には電位ＬＳＥが与えられている。
【０１８７】
（時刻Ｔ２〜時刻Ｔ５：１回目の光照射及び１回目の反射光検出（Ａ））
時刻Ｔ２において、光源から被検出物に対して光の照射を開始し、かつリセット信号線Ｐ
Ｒ＿１の電位を、電位ＨＰＲから電位ＬＰＲに変化させる。ここで、蓄積信号線ＴＸ＿１
の電位は、電位ＨＴＸのまま維持するため、リセット信号線ＰＲ＿１の電位が電位ＬＰＲ
になると、フォトダイオード１０２＿１に逆方向バイアスの電圧が印加される。
【０１８８】
時刻Ｔ３において、光源からの照射光が被検出物で反射され、反射光が本発明の一態様の
距離測定装置に入射し始める。逆方向バイアスの電圧が印加された状態のフォトダイオー
ド１０２＿１に反射光が照射されることで、フォトダイオード１０２＿１の陰極から陽極
に向かって電流が流れ、電荷保持ノードＦＤ＿１の電位が低下する。
【０１８９】
（時刻Ｔ４〜時刻Ｔ５：第２のフォトセンサ１００＿２のリセット動作）
時刻Ｔ４において、リセット信号線ＰＲ＿２の電位を、電位ＬＰＲから電位ＨＰＲに変化
させ、かつ蓄積信号線ＴＸ＿２の電位を、電位ＬＴＸから電位ＨＴＸに変化させることで
、フォトダイオード１０２＿２及びトランジスタ１０３＿２が導通する。電荷保持ノード
ＦＤ＿２には、リセット信号線ＰＲ＿２の電位ＨＰＲが与えられるため、電荷保持ノード
ＦＤ＿２に保持されている電荷はリセットされ、初期状態となる電荷量が保持される。
【０１９０】
（時刻Ｔ５〜時刻Ｔ７：１回目の反射光検出（Ｂ））
時刻Ｔ５において、光の照射を終了する。第１のフォトセンサ１００＿１においては、蓄
積信号線ＴＸ＿１の電位を、電位ＨＴＸから電位ＬＴＸに変化させる。蓄積信号線ＴＸ＿
１の電位が電位ＬＴＸになることで、トランジスタ１０３＿１は非導通状態になる。よっ
て、電荷保持ノードＦＤ＿１からフォトダイオード１０２＿１への電荷の移動が止まるた
め、電荷保持ノードＦＤ＿１の電位が定まる。また、第２のフォトセンサ１００＿２にお
いては、リセット信号線ＰＲ＿２の電位を、電位ＨＰＲから電位ＬＰＲに変化させる。こ
こで、蓄積信号線ＴＸ＿２の電位は、電位ＨＴＸのまま維持するため、リセット信号線Ｐ
Ｒ＿２の電位が電位ＬＰＲになると、フォトダイオード１０２＿２に逆方向バイアスの電
圧が印加される。逆方向バイアスの電圧が印加された状態のフォトダイオード１０２＿２
に反射光が照射されることで、フォトダイオード１０２＿２の陰極から陽極に向かって電
流が流れ、電荷保持ノードＦＤの電位が低下する。
【０１９１】
時刻Ｔ６において、フォトダイオード１０２＿２への反射光の入射が終了し、電荷保持ノ
ードＦＤ＿２からフォトダイオード１０２＿２への電荷の移動が止まり、電荷保持ノード
ＦＤ＿２の電位が定まる。
【０１９２】
ここで、時刻Ｔ５〜時刻Ｔ６の間、トランジスタ１０３＿１が非導通状態であるため、電
荷保持ノードＦＤ＿１の電位は一定であるが、フォトダイオード１０２＿１には反射光が
照射されているため、ノード１０７＿１の電位は低下してしまう（図７に示すノード１０
７＿１のパルスの点線参照）。ノード１０７＿１と電荷保持ノードＦＤ＿１に電位差が生
じると、次にトランジスタ１０３＿１が導通状態になる時刻Ｔ８において、ノード１０７
＿１と電荷保持ノードＦＤ＿１の電位が等しくなるよう、電荷保持ノードＦＤ＿１の電位
が低下し、ノード１０７＿１の電位が上昇する（図７に示すノード１０７＿１及び電荷保
持ノードＦＤ＿１のパルスの点線参照）。電位変化が大きいと、１回目の反射光検出（Ａ
）の間にフォトダイオード１０２＿１で生成した光電流に対応した電位を、電荷保持ノー
ドＦＤ＿１が正確に保持できないことになる。これにより、距離測定装置や、該距離測定
装置を用いた距離測定システムにおいて正確な距離測定が困難となる（位置検出精度が低
下してしまう）。
【０１９３】
しかし、本発明の一態様の距離測定装置は、トランジスタ１０９＿１を備える。トランジ
スタ１０９＿１は、トランジスタ１０３＿１が非導通状態のときに、ゲート電極と、ソー
ス電極又はドレイン電極の他方との電位差を閾値電圧より小さい値に保つ。トランジスタ
１０９＿１のゲート電極の電位は、電荷保持ノードＦＤ＿１の電位と等しく、トランジス
タ１０９＿１のソース電極又はドレイン電極の他方の電位は、ノード１０７＿１の電位と
等しい。したがって、ノード１０７＿１の電位が低下し、ノード１０７＿１と電荷保持ノ
ードＦＤ＿１との電位差が大きくなることを抑制することができる。これにより、本発明
の一態様の距離測定装置は、位置検出精度が低下することを抑制でき、高精度の距離測定
が可能となる。
【０１９４】
時刻Ｔ７において、蓄積信号線ＴＸ＿２の電位を、電位ＨＴＸから電位ＬＴＸに変化させ
る。蓄積信号線ＴＸ＿２の電位が電位ＬＴＸになることで、トランジスタ１０３＿２は非
導通状態になる。
【０１９５】
（時刻Ｔ８〜時刻Ｔ１０：２回目の光照射及び２回目の反射光検出（Ａ））
時刻Ｔ８において、光源から被検出物に対して光の照射を開始し、かつ蓄積信号線ＴＸ＿
１の電位を、電位ＬＴＸから電位ＨＴＸに変化させる。
【０１９６】
時刻Ｔ９において、光源からの照射光が被検出物で反射され、反射光が本発明の一態様の
距離測定装置に入射し始める。フォトダイオード１０２＿１に反射光が照射されることで
、フォトダイオード１０２＿１の陰極から陽極に向かって電流が流れ、電荷保持ノードＦ
Ｄ＿１の電位が低下する。
【０１９７】
ここで、時刻Ｔ９〜時刻Ｔ１０の間、トランジスタ１０３＿２が非導通状態であるため、
電荷保持ノードＦＤ＿２の電位は一定であるが、フォトダイオード１０２＿２には反射光
が照射されているため、ノード１０７＿２の電位は低下してしまう（図７に示すノード１
０７＿２のパルスの点線参照）。ノード１０７＿２と電荷保持ノードＦＤ＿２に電位差が
生じると、次にトランジスタ１０３＿２が導通状態になる時刻Ｔ１０において、ノード１
０７＿２と電荷保持ノードＦＤ＿２の電位が等しくなるよう、電荷保持ノードＦＤ＿２の
電位が低下し、ノード１０７＿２の電位が上昇する（図７に示すノード１０７＿２及び電
荷保持ノードＦＤ＿２のパルスの点線参照）。電位変化が大きいと、１回目の反射光検出
（Ｂ）の間にフォトダイオード１０２＿２で生成した光電流に対応した電位を、電荷保持
ノードＦＤ＿２が正確に保持できないことになる。これにより、距離測定装置や、該距離
測定装置を用いた距離測定システムにおいて正確な距離測定が困難となる（位置検出精度
が低下してしまう）。
【０１９８】
しかし、本発明の一態様の距離測定装置は、トランジスタ１０９＿２を備える。トランジ
スタ１０９＿２は、トランジスタ１０３＿２が非導通状態のときに、ゲート電極と、ソー
ス電極又はドレイン電極の他方との電位差を閾値電圧より小さい値に保つ。トランジスタ
１０９＿２のゲート電極の電位は、電荷保持ノードＦＤ＿２の電位と等しく、トランジス
タ１０９＿２のソース電極又はドレイン電極の他方の電位は、ノード１０７＿２の電位と
等しい。したがって、ノード１０７＿２の電位が低下し、ノード１０７＿２と電荷保持ノ
ードＦＤ＿２との電位差が大きくなることを抑制することができる。これにより、本発明
の一態様の距離測定装置は、反射光検出期間以外における光の影響を除去することができ
るので、位置検出精度が低下することを抑制でき、高精度の距離測定が可能となる。
【０１９９】
（時刻Ｔ１０〜時刻Ｔ１２：２回目の反射光検出（Ｂ））
時刻Ｔ１０において、光の照射を終了する。第１のフォトセンサ１００＿１においては、
蓄積信号線ＴＸ＿１の電位を、電位ＨＴＸから電位ＬＴＸに変化させる。蓄積信号線ＴＸ
＿１の電位が電位ＬＴＸになることで、トランジスタ１０３＿１は非導通状態になる。よ
って、電荷保持ノードＦＤ＿１からフォトダイオード１０２＿１への電荷の移動が止まる
ため、電荷保持ノードＦＤ＿１の電位が定まる。第２のフォトセンサ１００＿２において
は、蓄積信号線ＴＸ＿２の電位を、電位ＬＴＸから電位ＨＴＸに変化させる。逆方向バイ
アスの電圧が印加された状態のフォトダイオード１０２＿２に反射光が照射されることで
、フォトダイオード１０２＿２の陰極から陽極に向かって電流が流れ、電荷保持ノードＦ
Ｄ＿２の電位が低下する。
【０２００】
なお、電荷保持ノードＦＤ＿１の電位は、時刻Ｔ１０以降は一定となる。時刻Ｔ１０での
電荷保持ノードＦＤ＿１の電位は、１回目及び２回目の反射光検出（Ａ）（時刻Ｔ２〜時
刻Ｔ５及び時刻Ｔ８〜時刻Ｔ１０を指し、以下、反射光検出期間（Ａ）と記す）で、フォ
トダイオード１０２＿１が生成した光電流に依存する。また、時刻Ｔ１０での電荷保持ノ
ードＦＤ＿１の電位に応じて、第１のフォトセンサ１００＿１の出力信号が決定する。
【０２０１】
時刻Ｔ１１において、フォトダイオード１０２＿２への反射光の入射が終了し、電荷保持
ノードＦＤ＿２からフォトダイオード１０２＿２への電荷の移動が止まり、電荷保持ノー
ドＦＤ＿２の電位が定まる。
【０２０２】
時刻Ｔ１２において、蓄積信号線ＴＸ＿２の電位を、電位ＨＴＸから電位ＬＴＸに変化さ
せる。蓄積信号線ＴＸ＿２の電位が電位ＬＴＸになることで、トランジスタ１０３＿２は
非導通状態になる。
【０２０３】
なお、電荷保持ノードＦＤ＿２の電位は、時刻Ｔ１２以降は一定となる。時刻Ｔ１２での
電荷保持ノードＦＤ＿２の電位は、１回目及び２回目の反射光検出（Ｂ）（時刻Ｔ５〜時
刻Ｔ７及び時刻Ｔ１０〜時刻Ｔ１２を指し、以下、反射光検出期間（Ｂ）と記す）に、フ
ォトダイオード１０２＿２が生成した光電流に依存する。また、時刻Ｔ１２での電荷保持
ノードＦＤ＿２の電位に応じて、第２のフォトセンサ１００＿２の出力信号が決定する。
【０２０４】
（時刻Ｔ１３〜時刻Ｔ１４：第１のフォトセンサ１００＿１における読み出し動作）
時刻Ｔ１３において、選択信号線ＳＥ＿１の電位を電位ＬＳＥから電位ＨＳＥに変化させ
、トランジスタ１０５＿１を導通させる。これにより、フォトセンサ基準信号線ＶＳとフ
ォトセンサ出力信号線ＲＯ＿１が、トランジスタ１０４＿１及びトランジスタ１０５＿１
を介して導通する。すると、電荷保持ノードＦＤ＿１の電位に応じた速度で、フォトセン
サ出力信号線ＲＯ＿１の電位がフォトセンサ基準信号線ＶＳの電位に近づく。なお、予め
、時刻Ｔ１３以前に、フォトセンサ出力信号線ＲＯ＿１の電位をハイレベルの電位ＨＲＯ
としておく。
【０２０５】
時刻Ｔ１４において、選択信号線ＳＥ＿１の電位を電位ＨＳＥから電位ＬＳＥに変化させ
ると、トランジスタ１０５＿１が非導通状態となり、フォトセンサ出力信号線ＲＯ＿１の
電位が決定する。
【０２０６】
時刻Ｔ１４におけるフォトセンサ出力信号線ＲＯ＿１の電位は、時刻Ｔ１３〜時刻Ｔ１４
におけるフォトセンサ出力信号線ＲＯ＿１の電位変化の速度に依存する。フォトセンサ出
力信号線ＲＯ＿１の電位変化の速度は、トランジスタ１０４＿１のソース電極及びドレイ
ン電極の間の電流に依存する。即ち、反射光検出期間（Ａ）にフォトダイオード１０２＿
１に照射される反射光の強度及び照射時間に依存する。
【０２０７】
したがって、時刻Ｔ１４におけるフォトセンサ出力信号線ＲＯ＿１の電位を取得すること
で、反射光検出期間（Ａ）にフォトダイオード１０２＿１に照射された反射光の量（反射
光の強度の時間積）を検出信号の電圧Ｓ１として得ることができる。
【０２０８】
（時刻Ｔ１４〜時刻Ｔ１５：第２のフォトセンサ１００＿２における読み出し動作）
時刻Ｔ１４において、選択信号線ＳＥ＿２の電位を電位ＬＳＥから電位ＨＳＥに変化させ
、トランジスタ１０５＿２を導通させる。これにより、フォトセンサ基準信号線ＶＳとフ
ォトセンサ出力信号線ＲＯ＿２が、トランジスタ１０４＿２及びトランジスタ１０５＿２
を介して導通する。すると、電荷保持ノードＦＤ＿２の電位に応じて、フォトセンサ基準
信号線ＶＳからフォトセンサ出力信号線ＲＯ＿２に信号が出力される。なお、予め、時刻
Ｔ１４以前に、フォトセンサ出力信号線ＲＯ＿２の電位をハイレベルの電位ＨＲＯとして
おく。
【０２０９】
時刻Ｔ１５において、選択信号線ＳＥ＿２の電位を電位ＨＳＥから電位ＬＳＥに変化させ
ると、トランジスタ１０５＿２が非導通状態となり、フォトセンサ基準信号線ＶＳからフ
ォトセンサ出力信号線ＲＯ＿２への電荷の移動が停止し、フォトセンサ出力信号線ＲＯ＿
２の電位が決定する。
【０２１０】
時刻Ｔ１５におけるフォトセンサ出力信号線ＲＯ＿２の電位は、時刻Ｔ１４〜時刻Ｔ１５
におけるフォトセンサ出力信号線ＲＯ＿２の電位変化の速度に依存する。フォトセンサ出
力信号線ＲＯ＿２の電位変化の速度は、トランジスタ１０４＿２のソース電極及びドレイ
ン電極の間の電流に依存する。即ち、反射光検出期間（Ｂ）にフォトダイオード１０２＿
２に照射される反射光の強度及び照射時間に依存する。
【０２１１】
したがって、時刻Ｔ１５におけるフォトセンサ出力信号線ＲＯ＿２の電位を取得すること
で、反射光検出期間（Ｂ）にフォトダイオード１０２＿２に照射された反射光の量（反射
光の強度の時間積）を検出信号の電圧Ｓ２として得ることができる。
【０２１２】
なお、本実施の形態においては、一例として、光照射が行われ、かつ、フォトダイオード
１０２＿１に反射光が照射されている期間（時刻Ｔ３〜時刻Ｔ５や、時刻Ｔ９〜時刻Ｔ１
０、言い換えると、時間（Ｔ−Δｔ））に比べて、光照射の終了以後、かつ、フォトダイ
オード１０２＿２に反射光が照射されている期間（時刻Ｔ５〜時刻Ｔ６や、時刻Ｔ１０〜
時刻Ｔ１１、言い換えると、時間Δｔ）が短い場合を示している。そのため、時間（Ｔ−
Δｔ）の間の電荷保持ノードＦＤ＿１の電位変化に比べて、時間Δｔの間の電荷保持ノー
ドＦＤ＿２の電位変化は小さい。また、時刻Ｔ１５におけるフォトセンサ出力信号線ＲＯ
＿２の電位は、時刻Ｔ１４におけるフォトセンサ出力信号線ＲＯ＿１の電位に比べて低い
。
【０２１３】
次に、反射光検出期間（Ａ）（Ｂ）から取得した光の遅延時間に依存する検出信号の電圧
Ｓ１及び検出信号の電圧Ｓ２を用いて、本発明の一態様の距離測定装置（又は距離測定シ
ステム）から被検出物までの距離を求める。距離を求める方法としては、実施の形態２と
同様の方法を用いることができる。
【０２１４】
以上のように、本発明の一態様の距離測定装置を用いることで、高精度の距離測定を行う
ことができる。また、高精度の距離測定を行う距離測定システムを実現することができる
。
【０２１５】
（実施の形態４）
本実施の形態では、本発明の一態様の距離測定装置（又は距離測定システム）と、該距離
測定装置（又は距離測定システム）を用いた距離測定方法について、図８及び図９を用い
て説明する。本発明の一態様の距離測定装置（又は距離測定システム）は、ＴＯＦ方式を
用いて距離を測定することができる。
【０２１６】
本発明の一態様は、実施の形態１に示したフォトセンサ（第１の受光素子を有する第１の
フォトセンサとも記す）と重畳する、受光素子を有するフォトセンサ（第２の受光素子を
有する第２のフォトセンサとも記す）を備える距離測定装置である。２以上のフォトセン
サを重畳して備えることで、フォトセンサが占める面積の縮小を図ることができる。
【０２１７】
特に、第１の受光素子と第２の受光素子とが重畳し、第１の受光素子が、第１の波長域の
光を吸収し、第２の受光素子が、第２の波長域の光を吸収し、第１の受光素子及び第２の
受光素子のうち被検出物からの距離が短い一方の受光素子は、他方の受光素子が吸収する
波長域の光の少なくとも一部を透過することが好ましい。
【０２１８】
例えば、第１の受光素子より第２の受光素子が被検出物に近く、第１の受光素子が、反射
光に含まれる赤外光を検出（吸収）し、第２の受光素子が、該反射光に含まれる可視光を
検出（吸収）し、赤外光を透過する態様が挙げられる。第２の受光素子が可視光を吸収す
ることで、第１の受光素子に照射される赤外光以外の光（ノイズとなる光）が低減するた
め、第１のフォトセンサの検出精度を高めることができる。
【０２１９】
本実施の形態では、第１の波長域の光を吸収する半導体層を含む第１の受光素子、第１の
トランジスタ、及び第２のトランジスタを有する第１のフォトセンサと、第２の波長域の
光を吸収する半導体層を含む第２の受光素子、及び第３のトランジスタを有する第２のフ
ォトセンサと、第１の配線及び第２の配線と、第１の信号線及び第２の信号線と、電源線
とを備える距離測定装置を例に挙げて説明する。
【０２２０】
本実施の形態の距離測定装置において、少なくとも、第１のフォトセンサと第２のフォト
センサは重畳して設けられる。本実施の形態では、第１の受光素子と第２の受光素子は、
重畳して設けられる。例えば、可視光を透過し、特定の波長域の光を吸収する半導体層を
含む第１の受光素子が、可視光を吸収する半導体層を含む第２の受光素子と被検出物との
間に設けられる構成や、特定の波長域の光を透過し、可視光を吸収する半導体層を含む第
２の受光素子が、該特定の波長域の光を吸収する第１の受光素子と被検出物との間に設け
られる構成とすればよい。このような構成とすることで、反射光（光源から照射された光
が被検出物で反射されることで生じる光）に含まれる特定の波長域の光を第１の受光素子
が検出すると同時に、該反射光に含まれる該特定の波長域以外の光を第２の受光素子が検
出する。第１のフォトセンサを、距離測定と２次元情報取得の一方に用い、第２のフォト
センサを、距離測定と２次元情報取得の他方に用いることで、本発明の一態様の距離測定
装置は、被検出物の距離測定と２次元情報の取得とを同時に行うことができる。
【０２２１】
また、第１の配線は、第１の受光素子の一方の電極と電気的に接続し、第２の配線は、第
２の受光素子の一方の電極と電気的に接続し、第１の信号線は、第１のトランジスタのゲ
ート電極と電気的に接続し、第２の信号線は、第３のトランジスタのゲート電極と電気的
に接続し、電源線は、第２のトランジスタのソース電極又はドレイン電極の一方と電気的
に接続し、第１のトランジスタでは、ソース電極又はドレイン電極の一方が第２のトラン
ジスタのゲート電極と電気的に接続し、他方が第１の受光素子の他方の電極、及び第２の
トランジスタのソース電極又はドレイン電極の他方と電気的に接続し、第３のトランジス
タでは、ソース電極又はドレイン電極の一方が第２の受光素子の他方の電極と電気的に接
続する。
【０２２２】
本発明の一態様では、光源が、被検出物に対して一定時間Ｔの光照射（Ａ）を複数回（ｎ
回、ｎは２以上の自然数）行い、かつ、一定時間Ｔの光照射（Ｂ）を同じ回数行う。第１
のフォトセンサは、光照射（Ａ）が行われている期間の反射光を検出することで、光の遅
延時間に依存する検出信号の電圧Ｓ１を取得し、かつ、光照射（Ｂ）終了後の期間の反射
光を検出することで、光の遅延時間に依存する検出信号の電圧Ｓ２を取得する。光照射及
び反射光の検出を複数回行うことで、距離に応じた検出信号を高精度で得られるため、よ
り正確な距離を算出することができる。
【０２２３】
本発明の一態様の距離測定装置において、第２のフォトセンサは、光照射（Ａ）開始以後
及び光照射（Ｂ）開始以後の期間における反射光の少なくとも一部、好ましくは全部を検
出することで、被検出物の明るさ、色彩等、２次元の情報に応じた検出信号の電圧Ｓ３を
取得する。
【０２２４】
また、本発明の一態様の距離測定装置が備える第１のフォトセンサは、第１の受光素子に
おいて反射光を検出する。第１の受光素子には、光源により光照射が行われる期間及び該
光照射終了後の期間の双方において、該反射光が照射されている。検出を行わない期間に
照射された反射光によって第１の受光素子の他方の電極の電位に変化が生じると、反射光
の検出の精度が低下する場合がある。しかし、第１のフォトセンサは、反射光の検出を行
わない期間における第１の受光素子の他方の電極の電位変化を抑制する第２のトランジス
タを備える。これにより、高精度の距離測定が可能な距離測定装置を提供することができ
る。
【０２２５】
＜フォトセンサの構成＞
図８（Ａ）に本発明の一態様の距離測定装置が備える第１のフォトセンサ１００Ａ及び第
２のフォトセンサ１００Ｂの回路図を示す。第１のフォトセンサ１００Ａ及び第２のフォ
トセンサ１００Ｂは少なくとも一部を重ねて設けられる。
【０２２６】
また、図８（Ｂ）に示すように、フォトダイオード１０２Ａ及びフォトダイオード１０２
Ｂは、重ねて設けられる。具体的には、反射光が、フォトダイオード１０２Ｂに先に入射
するように、被検出物とフォトダイオード１０２Ａとの間に、フォトダイオード１０２Ｂ
が設けられている。２つのフォトダイオードを重ねて設けることで、装置におけるフォト
センサが占める面積を縮小することができる。したがって、装置の小型化や、画素の微細
化等を図ることができる。
【０２２７】
本実施の形態で示すフォトダイオード１０２Ａは、赤外光を吸収する特性を有する。例え
ば、フォトダイオード１０２Ａの半導体層は、多結晶シリコンや単結晶シリコン等を用い
て形成することができる。つまり、第１のフォトセンサ１００Ａは、反射光に含まれる赤
外光を利用して、被検出物の距離に応じた検出信号を取得する。
【０２２８】
また、フォトダイオード１０２Ｂは、赤外光を透過し、可視光を吸収する特性を有する。
例えば、フォトダイオード１０２Ｂの半導体層は、アモルファスシリコンや微結晶シリコ
ン等を用いて形成することができる。つまり、第２のフォトセンサ１００Ｂは、反射光に
含まれる可視光を利用して、被検出物の２次元情報に応じた検出信号を取得する。
【０２２９】
なお、２つのフォトダイオードの特性はこの組み合わせに限られない。双方を重ねて設け
たときに、一方のフォトダイオードが反射光に含まれる第１の波長域の光を吸収し、他方
のフォトダイオードが反射光に含まれる第１の波長域以外の特定の波長域の光を吸収する
組み合わせであればよい。
【０２３０】
図８（Ａ）に示す第１のフォトセンサ１００Ａは、フォトダイオード１０２Ａ、トランジ
スタ１０３Ａ、トランジスタ１０４Ａ、トランジスタ１０５Ａ、及びトランジスタ１０９
Ａを有する。
【０２３１】
フォトダイオード１０２Ａでは、一方の電極がリセット信号線ＰＲ＿Ａと電気的に接続し
、他方の電極がトランジスタ１０３Ａのソース電極又はドレイン電極の他方、及びトラン
ジスタ１０９Ａのソース電極又はドレイン電極の他方と電気的に接続している。本明細書
等では、フォトダイオード１０２Ａの他方の電極、トランジスタ１０３Ａのソース電極又
はドレイン電極の他方、及びトランジスタ１０９Ａのソース電極又はドレイン電極の他方
が構成するノードをノード１０７Ａと記す。
【０２３２】
トランジスタ１０３Ａでは、ゲート電極が蓄積信号線ＴＸ＿Ａと電気的に接続し、ソース
電極又はドレイン電極の一方がトランジスタ１０４Ａのゲート電極、及びトランジスタ１
０９Ａのゲート電極と電気的に接続している。本明細書等では、トランジスタ１０３Ａの
ソース電極又はドレイン電極の一方、トランジスタ１０４Ａのゲート電極、及びトランジ
スタ１０９Ａのゲート電極が構成するノードを、電荷保持ノードＦＤ＿Ａと記す。
【０２３３】
トランジスタ１０４Ａでは、ソース電極又はドレイン電極の一方がフォトセンサ基準信号
線ＶＳと電気的に接続し、他方がトランジスタ１０５Ａのソース電極又はドレイン電極の
一方と電気的に接続している。
【０２３４】
トランジスタ１０５Ａでは、ゲート電極が選択信号線ＳＥ＿Ａと電気的に接続し、ソース
電極又はドレイン電極の他方がフォトセンサ出力信号線ＲＯ＿Ａと電気的に接続している
。
【０２３５】
トランジスタ１０９Ａでは、ソース電極又はドレイン電極の一方が電源線ＶＨと電気的に
接続している。
【０２３６】
図８（Ａ）に示す第２のフォトセンサ１００Ｂは、フォトダイオード１０２Ｂ、トランジ
スタ１０３Ｂ、トランジスタ１０４Ｂ、及びトランジスタ１０５Ｂを有する。
【０２３７】
フォトダイオード１０２Ｂでは、一方の電極がリセット信号線ＰＲ＿Ｂと電気的に接続し
、他方の電極がトランジスタ１０３Ｂのソース電極又はドレイン電極の他方と電気的に接
続している。
【０２３８】
トランジスタ１０３Ｂでは、ゲート電極が蓄積信号線ＴＸ＿Ｂと電気的に接続し、ソース
電極又はドレイン電極の一方がトランジスタ１０４Ｂのゲート電極と電気的に接続してい
る。
【０２３９】
トランジスタ１０４Ｂでは、ソース電極又はドレイン電極の一方がフォトセンサ基準信号
線ＶＳと電気的に接続し、他方がトランジスタ１０５Ｂのソース電極又はドレイン電極の
一方と電気的に接続している。
【０２４０】
トランジスタ１０５Ｂでは、ゲート電極が選択信号線ＳＥ＿Ｂと電気的に接続し、ソース
電極又はドレイン電極の他方がフォトセンサ出力信号線ＲＯ＿Ｂと電気的に接続している
。
【０２４１】
なお、図８に示す第１のフォトセンサ１００Ａは、図１（Ｂ）に示すフォトセンサ１００
と同様の構成としたが、この構成に限られず、例えば、図２（Ａ）に示すフォトセンサ１
３０と同様の構成とすることができる。また、第２のフォトセンサ１００Ｂも、図８（Ａ
）に示す構成に限られず、２次元情報の取得が可能な公知のフォトセンサの構成を適用す
ることができる。
【０２４２】
＜距離測定方法＞
本発明の一態様の距離測定システムを用いた距離測定方法について説明する。以下では、
第１のフォトセンサ１００Ａ及び第２のフォトセンサ１００Ｂ（図８参照）と、光源とを
有する距離測定装置を用いた、２次元情報の取得を同時に行う距離測定方法について説明
する。
【０２４３】
［距離測定方法５：２次元情報の取得と同時に距離測定を行う方法］
図９に、照射光１５１、反射光１５２、第１のフォトセンサ１００Ａ、及び第２のフォト
センサ１００Ｂのタイミングチャートの一例を示す。
【０２４４】
照射光１５１、反射光１５２、及び第１のフォトセンサ１００Ａのタイミングチャートは
、距離測定方法３にて説明したタイミングチャートと等しい（図５参照）。具体的には、
照射光１５１、反射光１５２、リセット信号線ＰＲ＿Ａ、蓄積信号線ＴＸ＿Ａ、選択信号
線ＳＥ＿Ａ、電荷保持ノードＦＤ＿Ａ、ノード１０７Ａ、フォトセンサ出力信号線ＲＯ＿
Ａのパルスは、それぞれ、図５における照射光１５１、反射光１５２、リセット信号線Ｐ
Ｒ、蓄積信号線ＴＸ、選択信号線ＳＥ、電荷保持ノードＦＤ、ノード１０７、フォトセン
サ出力信号線ＲＯのパルスと等しい。つまり、本実施の形態で示す第１のフォトセンサ１
００Ａにおける距離測定方法は、実施の形態２にて説明した距離測定方法３を参照するこ
とができる。
【０２４５】
以下では、第２のフォトセンサ１００Ｂによる２次元情報の取得方法について主に説明し
、同時に行われる第１のフォトセンサ１００Ａによる距離測定方法について、実施の形態
２を参酌できる部分は説明を省略する。
【０２４６】
（時刻Ｔ１〜時刻Ｔ２：第２のフォトセンサ１００Ｂのリセット動作）
時刻Ｔ１において、リセット信号線ＰＲ＿Ｂの電位を、電位ＬＰＲから電位ＨＰＲに変化
させ、かつ蓄積信号線ＴＸ＿Ｂの電位を、電位ＬＴＸから電位ＨＴＸに変化させることで
、フォトダイオード１０２Ｂ及びトランジスタ１０３Ｂが導通する。電荷保持ノードＦＤ
＿Ｂには、リセット信号線ＰＲ＿Ｂの電位ＨＰＲが与えられるため、電荷保持ノードＦＤ
＿Ｂに保持されている電荷はリセットされ、初期状態となる電荷量が保持される。なお、
時刻Ｔ１において、選択信号線ＳＥ＿Ｂには電位ＬＳＥが与えられている。
【０２４７】
（時刻Ｔ２〜時刻Ｔ２５：反射光検出（Ｃ））
時刻Ｔ２において、リセット信号線ＰＲ＿Ｂの電位を、電位ＨＰＲから電位ＬＰＲに変化
させる。ここで、蓄積信号線ＴＸ＿Ｂの電位は、電位ＨＴＸのまま維持するため、リセッ
ト信号線ＰＲ＿Ｂの電位が電位ＬＰＲになると、第２のフォトダイオード１０２Ｂに逆方
向バイアスの電圧が印加される。
【０２４８】
また、時刻Ｔ２において、光源から被検出物に対して光照射（Ａ）が開始され、時刻Ｔ３
において、光源からの照射光が被検出物で反射され、反射光が本発明の一態様の距離測定
装置に入射し始める。逆方向バイアスの電圧が印加された状態の第２のフォトダイオード
１０２Ｂに反射光が照射されることで、第２のフォトダイオード１０２Ｂの陰極から陽極
に向かって電流が流れ、電荷保持ノードＦＤ＿Ｂの電位が低下する。
【０２４９】
１回目の光照射（Ａ）は時刻Ｔ４まで行われ、その後、時刻Ｔ６〜時刻Ｔ８の間に２回目
の光照射（Ａ）が、時刻Ｔ１２〜時刻Ｔ１４の間に１回目の光照射（Ｂ）が、時刻Ｔ１８
〜時刻Ｔ２０の間に２回目の光照射（Ｂ）が行われる。それにより、時刻Ｔ３〜時刻Ｔ５
の間、時刻Ｔ７〜時刻Ｔ９の間、時刻Ｔ１３〜時刻Ｔ１６の間、及び時刻Ｔ１９〜時刻Ｔ
２１の間（以下ではまとめて、反射光検出期間（Ｃ）と記す）には、第２のフォトダイオ
ード１０２Ｂに反射光が入射する。
【０２５０】
時刻Ｔ２５において、蓄積信号線ＴＸ＿Ｂの電位を、電位ＨＴＸから電位ＬＴＸに変化さ
せる。蓄積信号線ＴＸ＿Ｂの電位が電位ＬＴＸになることで、トランジスタ１０３Ｂは非
導通状態になる。よって、電荷保持ノードＦＤ＿Ｂから第２のフォトダイオード１０２Ｂ
への電荷の移動が止まるため、電荷保持ノードＦＤ＿Ｂの電位が定まる。
【０２５１】
なお、電荷保持ノードＦＤ＿Ｂの電位は、時刻Ｔ２５以降は一定となる。時刻Ｔ２５での
電荷保持ノードＦＤ＿Ｂの電位は、反射光検出期間（Ｃ）に、第２のフォトダイオード１
０２Ｂが生成した光電流に依存する。また、時刻Ｔ２５での電荷保持ノードＦＤ＿Ｂの電
位に応じて、第２のフォトセンサ１００Ｂの出力信号が決定する。ただし、本実施の形態
では、第２のフォトダイオード１０２Ｂへの反射光の入射が時刻Ｔ２１で終了しているた
め、「電荷保持ノードＦＤ＿Ｂの電位は、時刻Ｔ２１以降は一定となる。」ともいえる。
【０２５２】
（時刻Ｔ２６〜時刻Ｔ２７：読み出し動作）
時刻Ｔ２６において、選択信号線ＳＥ＿Ｂの電位を電位ＬＳＥから電位ＨＳＥに変化させ
、トランジスタ１０５Ｂを導通させる。これにより、フォトセンサ基準信号線ＶＳとフォ
トセンサ出力信号線ＲＯ＿Ｂが、トランジスタ１０４Ｂ及びトランジスタ１０５Ｂを介し
て導通する。すると、電荷保持ノードＦＤ＿Ｂの電位に応じて、フォトセンサ基準信号線
ＶＳからフォトセンサ出力信号線ＲＯ＿Ｂに信号が出力される。なお、予め、時刻Ｔ２６
以前に、フォトセンサ出力信号線ＲＯ＿Ｂの電位をハイレベルの電位ＨＲＯとしておく。
【０２５３】
時刻Ｔ２７において、選択信号線ＳＥ＿Ｂの電位を電位ＨＳＥから電位ＬＳＥに変化させ
ると、トランジスタ１０５Ｂが非導通状態となり、フォトセンサ基準信号線ＶＳからフォ
トセンサ出力信号線ＲＯ＿Ｂへの電荷の移動が停止し、フォトセンサ出力信号線ＲＯ＿Ｂ
の電位が決定する。
【０２５４】
時刻Ｔ２７におけるフォトセンサ出力信号線ＲＯ＿Ｂの電位を取得することで、反射光検
出期間（Ｃ）に第２のフォトダイオード１０２Ｂに照射された反射光の量（反射光の強度
の時間積）を検出信号の電圧Ｓ３として得ることができる。
【０２５５】
なお、本実施の形態では、時刻Ｔ２〜時刻Ｔ２５において、反射光検出（Ｃ）を行い、２
回の光照射（Ａ）及び２回の光照射（Ｂ）による反射光全てを検出する場合を示したが、
これに限られない。反射光検出（Ｃ）では、第１のフォトセンサ１００Ａが距離測定を行
う間の反射光の一部を検出すれば良く、例えば、時刻Ｔ３〜時刻Ｔ５のみとしてもよい。
ただし、反射光検出（Ｃ）において、２回の光照射（Ａ）及び２回の光照射（Ｂ）による
反射光全てを検出することで、第２のフォトセンサで、反射光から可視光を吸収した残り
、すなわち赤外光を第１のフォトセンサで検出することができるため、距離測定の精度を
高めることができる（ノイズとなる可視光等が第１のフォトセンサに照射されることを防
止することで、赤外光の検出精度の低下を抑制することができる）。
【０２５６】
以上に示したように、本発明の一態様の距離測定装置を用いて、被検出物の２次元情報の
取得と距離測定とを同時に行うことができる。また、２つのフォトダイオードを重ねて設
けることで、装置におけるフォトセンサが占める面積を縮小することができる。したがっ
て、装置の小型化や、画素の微細化等を図ることができる。
【０２５７】
なお、本実施の形態では、距離測定方法３を用いて距離測定を行ったが、距離測定方法は
これに限られない。例えば、本実施の形態に示す距離測定装置が、第１のフォトセンサと
隣接するフォトセンサを有する場合は、実施の形態３にて説明した距離測定方法４を用い
て距離測定を行うこともできる。
【０２５８】
本実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜組み合わせて用いることが
できる。
【０２５９】
（実施の形態５）
本実施の形態では、本発明の一態様の距離測定装置について、図１０及び図１１を用いて
説明する。具体的には、実施の形態１で示したフォトセンサ１００をａ行ｂ列のマトリク
ス状に配置した距離測定装置について説明する（ａ、ｂはそれぞれ独立に２以上の自然数
）。なお、フォトセンサの構成や駆動方法は、実施の形態１及び実施の形態２を参照でき
る。
【０２６０】
＜構成例１＞
図１０（Ａ）に示す距離測定装置では、複数のフォトセンサ１００がａ行ｂ列のマトリク
ス状に配置されている。ｉ行のフォトセンサ１００は、リセット信号線ＰＲ＿ｉ、蓄積信
号線ＴＸ＿ｉ、及び選択信号線ＳＥ＿ｉと電気的に接続している（ｉは１以上ａ以下の自
然数）。ｊ列のフォトセンサ１００は、フォトセンサ出力信号線ＲＯ＿ｊ、電源線ＶＨ＿
ｊ、及びフォトセンサ基準信号線ＶＳ＿ｊと電気的に接続している（ｊは１以上ｂ以下の
自然数）。
【０２６１】
図１０（Ａ）に示す距離測定装置では、ｉ行のフォトセンサ１００が、リセット信号線Ｐ
Ｒ＿ｉ、蓄積信号線ＴＸ＿ｉ、及び選択信号線ＳＥ＿ｉを共有し、ｊ列のフォトセンサ１
００が、フォトセンサ出力信号線ＲＯ＿ｊ、電源線ＶＨ＿ｊ、及びフォトセンサ基準信号
線ＶＳ＿ｊを共有している。本発明はこの構成に限定されず、リセット信号線、蓄積信号
線、及び選択信号線は、ｉ行にそれぞれ複数本設けても良く、フォトセンサ出力信号線、
電源線、及びフォトセンサ基準信号線は、ｊ列にそれぞれ複数本設けてもよい。
【０２６２】
＜構成例２＞
図１０（Ｂ）に示す距離測定装置では、複数のフォトセンサ１００がａ行ｂ列のマトリク
ス状に配置されている。ｉ行のフォトセンサ１００は、選択信号線ＳＥ＿ｉと電気的に接
続している。ｊ列のフォトセンサ１００は、リセット信号線ＰＲ＿ｊ、蓄積信号線ＴＸ＿
ｊ、フォトセンサ出力信号線ＲＯ＿ｊ、電源線ＶＨ＿ｊ、及びフォトセンサ基準信号線Ｖ
Ｓ＿ｊと、電気的に接続している。
【０２６３】
図１０（Ｂ）に示す距離測定装置では、ｉ行のフォトセンサ１００が、選択信号線ＳＥ＿
ｉを共有し、ｊ列のフォトセンサ１００が、リセット信号線ＰＲ＿ｊ、蓄積信号線ＴＸ＿
ｊ、フォトセンサ出力信号線ＲＯ＿ｊ、電源線ＶＨ＿ｊ、及びフォトセンサ基準信号線Ｖ
Ｓ＿ｊを共有しているが、本発明はこの構成に限定されない。
【０２６４】
構成例１や構成例２では、ａ行ｂ列のマトリクス状に配置されたフォトセンサのうち、リ
セット動作及び反射光検出を行うタイミングが同じである複数のフォトセンサは、蓄積信
号線やリセット信号線を共有することができる。複数のフォトセンサが配線を共有するこ
とで、配線数が減り、駆動回路を簡略化することができる。
【０２６５】
ここで、図１１（Ａ）にフォトセンサ１００の上面図の一例を示し、図１１（Ｂ）に、図
１１（Ａ）の破線Ａ１−Ａ２における断面図を示す。
【０２６６】
フォトセンサ１００は、リセット信号線ＰＲとして機能する導電膜２１０と、蓄積信号線
ＴＸとして機能する導電膜２１１と、選択信号線ＳＥとして機能する導電膜２１２と、フ
ォトセンサ基準信号線ＶＳとして機能する導電膜２１３と、フォトセンサ出力信号線ＲＯ
として機能する導電膜２１４と、電源線ＶＨとして機能する導電膜２２９とを有する。
【０２６７】
フォトダイオード１０２は、順に積層されたｐ型の半導体膜２１５と、ｉ型の半導体膜２
１６と、ｎ型の半導体膜２１７とを有する。導電膜２１０は、フォトダイオード１０２の
陽極として機能するｐ型の半導体膜２１５と電気的に接続している。
【０２６８】
導電膜２１８は、トランジスタ１０３のゲート電極として機能し、導電膜２１１と電気的
に接続している。導電膜２１９は、トランジスタ１０３のソース電極又はドレイン電極の
一方として機能する。導電膜２２０は、トランジスタ１０３のソース電極又はドレイン電
極の他方として機能する。導電膜２２１は、ｎ型の半導体膜２１７及び導電膜２１９と電
気的に接続している。
【０２６９】
導電膜２２２は、トランジスタ１０４及びトランジスタ１０９のゲート電極として機能し
、導電膜２２０と電気的に接続している。導電膜２２３は、トランジスタ１０４のソース
電極又はドレイン電極の一方として機能する。導電膜２２４は、トランジスタ１０４のソ
ース電極又はドレイン電極の他方、及びトランジスタ１０５のソース電極又はドレイン電
極の一方として機能する。また、導電膜２１４は、トランジスタ１０５のソース電極又は
ドレイン電極の他方として機能する。導電膜２１２は、トランジスタ１０５のゲート電極
として機能する。導電膜２２５は、導電膜２２３及び導電膜２１３に電気的に接続してい
る。導電膜２３７は、トランジスタ１０９のソース電極又はドレイン電極の一方として機
能する。導電膜２３８は、トランジスタ１０９のソース電極又はドレイン電極の他方とし
て機能する。導電膜２３９は、導電膜２２９及び導電膜２３８に電気的に接続している。
導電膜２２６は、導電膜２１０に電気的に接続している。導電膜２２７は、導電膜２１１
に電気的に接続している。
【０２７０】
導電膜２１２、導電膜２１８、導電膜２２２、導電膜２２５、導電膜２２６、導電膜２２
７、導電膜２３９は、絶縁表面上に形成された一の導電膜を所望の形状に加工することで
形成することができる。導電膜２１２、導電膜２１８、導電膜２２２、導電膜２２５、導
電膜２２６、導電膜２２７、導電膜２３９上にはゲート絶縁膜２２８が形成されている。
【０２７１】
また、導電膜２１０、導電膜２１１、導電膜２１３、導電膜２１４、導電膜２１９、導電
膜２２０、導電膜２２３、導電膜２２４、導電膜２２９、導電膜２３７、導電膜２３８は
、ゲート絶縁膜２２８上に形成された一の導電膜を所望の形状に加工することで形成する
ことができる。導電膜２１０、導電膜２１１、導電膜２１３、導電膜２１４、導電膜２１
９、導電膜２２０、導電膜２２３、導電膜２２４、導電膜２２９、導電膜２３７、導電膜
２３８の上には、絶縁膜２８１及び絶縁膜２８２が形成されている。絶縁膜２８１及び絶
縁膜２８２の上には、導電膜２２１が形成されている。
【０２７２】
トランジスタ１０３の活性層２５０には、酸化物半導体を用いることが好ましい。基板２
５１側から光が照射されることにより生成された電荷を、長時間保持するためには、フォ
トダイオード１０２と電気的に接続するトランジスタ１０３を、オフ電流が極めて小さい
トランジスタで構成する必要がある。そのため、活性層２５０に酸化物半導体を用いるこ
とでフォトセンサ１００の性能を高めることができる。
【０２７３】
なお、トランジスタ１０３がボトムゲート型である場合、図１１（Ａ）（Ｂ）に示すよう
に、ゲート電極として機能する導電膜２１８に活性層２５０が完全に重なる構成とするこ
とが望ましい。上記構成を採用することで、基板２５１側から入射した光により活性層２
５０中の酸化物半導体が劣化することを抑制できる。したがって、トランジスタ１０３の
閾値電圧がシフトするなどの特性の劣化が引き起こされることを抑制できる。なお、トラ
ンジスタ１０４、トランジスタ１０５、及びトランジスタ１０９についても、上記構成を
採用することで、同様の効果が得られる。
【０２７４】
ここで、図１０（Ａ）に示した、蓄積信号線ＴＸが行方向に延びて配置される構成の場合
、同じく行方向に延びて配置された、蓄積信号線ＴＸと平行な選択信号線ＳＥが存在する
。選択信号線ＳＥはトランジスタ１０５のゲート電極と電気的に接続するため、選択信号
線ＳＥの一部をトランジスタ１０５のゲート電極として用いることができる。このとき、
選択信号線ＳＥと平行な蓄積信号線ＴＸも、トランジスタ１０５のゲート電極と同一材料
、及び同一工程で形成することができる。しかし、トランジスタのゲート電極に用いる材
料は、ソース電極やドレイン電極に用いる材料と比べて抵抗が高い材料であることが多い
ため、蓄積信号線ＴＸの抵抗は高くなる場合がある。
【０２７５】
これに対して、図１０（Ｂ）に示した構成では、蓄積信号線ＴＸが列方向に延びて配置さ
れる構成である。そのため、行方向に延びて配置される、選択信号線ＳＥとは別の層に形
成された導電膜を用いて、蓄積信号線ＴＸを形成することができる。例えば、図１１（Ａ
）に示したように、フォトセンサ１００を構成するトランジスタ（トランジスタ１０３、
トランジスタ１０４、トランジスタ１０５、トランジスタ１０９等）のゲート電極を構成
する導電膜（導電膜２１２、導電膜２１８、導電膜２２２）とは異なる層に形成された導
電膜２１１によって蓄積信号線ＴＸを形成することができる。導電膜２１１は、導電膜２
１４、導電膜２１９、導電膜２２０、導電膜２２４、導電膜２３７、導電膜２３８等、フ
ォトセンサ１００を構成するトランジスタのソース電極やドレイン電極と、同一材料、及
び同一工程で形成することができる。そのため、図１０（Ａ）で示した構成に比べて蓄積
信号線ＴＸの抵抗が高くなることを抑制することができる。
【０２７６】
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる
。
【０２７７】
（実施の形態６）
本実施の形態では、本発明の一態様の距離測定装置について、図１２を用いて説明する。
具体的には、実施の形態４で示した第１のフォトセンサ１００Ａ及び第２のフォトセンサ
１００Ｂ（まとめてフォトセンサ１００１と記す）をａ行ｂ列のマトリクス状に配置した
距離測定装置について説明する（ａ、ｂはそれぞれ独立に２以上の自然数）。なお、フォ
トセンサの構成や駆動方法は、実施の形態４を参照できる。
【０２７８】
図１２に示す距離測定装置では、複数のフォトセンサ１００１がａ行ｂ列のマトリクス状
に配置されている。ｉ行のフォトセンサ１００１は、リセット信号線ＰＲ＿Ａ（ｉ）、リ
セット信号線ＰＲ＿Ｂ（ｉ）、蓄積信号線ＴＸ＿Ａ（ｉ）、蓄積信号線ＴＸ＿Ｂ（ｉ）、
選択信号線ＳＥ＿Ａ（ｉ）、選択信号線ＳＥ＿Ｂ（ｉ）、電源線ＶＨ（ｉ）、及びフォト
センサ基準信号線ＶＳ（ｉ）と電気的に接続している（ｉは１以上ａ以下の自然数）。ｊ
列のフォトセンサ１００１は、フォトセンサ出力信号線ＲＯ＿Ａ（ｊ）及びフォトセンサ
出力信号線ＲＯ＿Ｂ（ｊ）と電気的に接続している（ｊは１以上ｂ以下の自然数）。
【０２７９】
図１２に示す距離測定装置では、ｉ行のフォトセンサ１００１が、リセット信号線ＰＲ＿
Ａ（ｉ）、リセット信号線ＰＲ＿Ｂ（ｉ）、蓄積信号線ＴＸ＿Ａ（ｉ）、蓄積信号線ＴＸ
＿Ｂ（ｉ）、選択信号線ＳＥ＿Ａ（ｉ）、選択信号線ＳＥ＿Ｂ（ｉ）、電源線ＶＨ（ｉ）
、及びフォトセンサ基準信号線ＶＳ（ｉ）を共有している。また、ｊ列のフォトセンサ１
００１が、フォトセンサ出力信号線ＲＯ＿Ａ（ｊ）及びフォトセンサ出力信号線ＲＯ＿Ｂ
（ｊ）を共有している。本発明はこの構成に限定されず、２種類のリセット信号線、２種
類の蓄積信号線、及び２種類の選択信号線は、ｉ行にそれぞれ複数本設けても良く、２種
類のフォトセンサ出力信号線、電源線、及びフォトセンサ基準信号線は、ｊ列にそれぞれ
複数本設けてもよい。
【０２８０】
また、図１２に示す距離測定装置では、フォトセンサ基準信号線を各行のフォトセンサ１
００１において共有する構成を示したがフォトセンサ基準信号線を各列のフォトセンサ１
００１において共有する構成としてもよい。
【０２８１】
また、図１２に示す距離測定装置が有する各行各列のフォトセンサ１００１において、フ
ォトダイオード１０２Ａ及びフォトダイオード１０２Ｂは重畳して設けられている。反射
光（光源から照射された光が被検出物で反射されることで生じる光）は、まずフォトダイ
オード１０２Ｂに入射し、その後、フォトダイオード１０２Ａに入射する（図８（Ｂ）参
照）。
【０２８２】
本実施の形態では、フォトダイオード１０２Ａが、赤外光を吸収し、フォトダイオード１
０２Ｂが、可視光を吸収し、かつ、赤外光を透過する構成とする。したがって、フォトセ
ンサ１００１に照射された反射光に含まれる可視光が、フォトダイオード１０２Ｂに吸収
され、赤外光が、フォトダイオード１０２Ａに吸収される。これにより、第２のフォトセ
ンサ１００Ｂを可視光による２次元の撮像に用い、第１のフォトセンサ１００Ａを赤外光
による距離測定に用いることができる。
【０２８３】
以上に説明したように本実施の形態の構成では、赤外光センサである第１のフォトセンサ
１００Ａ及び可視光センサである第２のフォトセンサ１００Ｂを重畳して設けているため
、距離測定装置において、フォトセンサ１００１が占める面積を縮小することができる。
その結果、画素の微細化を達成しつつ、２次元の撮像と、ＴＯＦ方式を適用した距離測定
とを同時に行うことができる。
【０２８４】
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる
。
【０２８５】
（実施の形態７）
本実施の形態では、本発明の一態様の距離測定装置について、図１３及び図１４を用いて
説明する。図１３は、図１２に示すフォトセンサ１００１の回路図と同様の構成のフォト
センサの上面図を示す。また、図１３の一点鎖線Ｂ１−Ｂ２、Ｂ３−Ｂ４に対応する断面
図を、図１４（Ａ）に、図１３の一点鎖線Ｃ１−Ｃ２に対応する断面図を、図１４（Ｂ）
に示す。
【０２８６】
図１４（Ａ）（Ｂ）では、透光性基板３００上に、遮光層３３１と、下地膜３３２とが設
けられる。
【０２８７】
透光性基板３００は、可視光及び赤外光に対する透光性を有することが好ましい。例えば
、可視光及び赤外光に対する透光性を有するプラスチック基板や、可視光及び赤外光に対
する透光性を有するガラス基板を用いることができる。
【０２８８】
遮光層３３１は、バックライトからの赤外光及び可視光がフォトダイオード１０２Ａ及び
フォトダイオード１０２Ｂに入射することを防止するためのものである。遮光層３３１は
赤外光及び可視光が遮光可能なアルミニウム又はクロム等の金属材料を用いて、スパッタ
リング法、ＣＶＤ法又は塗布法等により成膜し、次いでフォトリソグラフィ法、又はエッ
チング法等を用いて加工して形成することができる。なお、遮光層３３１は、フォトダイ
オードと重なる領域のみならず、各トランジスタの半導体層と積層する領域にも設けるこ
とが望ましい。遮光層により各トランジスタの半導体層が遮光されることで、バックライ
トからの赤外光及び可視光の入射による、トランジスタの閾値電圧がシフトする等の特性
の劣化を抑制できる。
【０２８９】
また、バックライトは、透光性基板３００側から、赤外光と可視光を発光することができ
る光源を用いる構成であればよい。具体的には、例えば、赤外光を発光する発光ダイオー
ド及び可視光を発光する発光ダイオードを並べて配置する構成等とすればよい。なお、赤
外光を発光する光源は、別途対向基板側に設けられる構成としてもよい。
【０２９０】
下地膜３３２は、透光性基板３００に含まれるＮａなどのアルカリ金属やアルカリ土類金
属がフォトダイオード１０２Ａに拡散し、特性に悪影響を及ぼすことを抑制できる。下地
膜３３２は、ＣＶＤ法やスパッタリング法等を用いて、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜
、酸化窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜等の透光性及び絶縁性を有する膜を、単層で
又は積層して形成することができる。フォトダイオード１０２Ａの半導体層を形成する際
の形成不良を抑制するため、下地膜３３２の表面は平坦性が高いことが好ましい。
【０２９１】
また、図１４（Ａ）（Ｂ）では、下地膜３３２を介した遮光層３３１上に、フォトダイオ
ード１０２Ａにおけるｐ型半導体領域３０３、ｉ型半導体領域３０４及びｎ型半導体領域
３２３が設けられている。図１４（Ａ）において、ｐ型半導体領域３０３、ｉ型半導体領
域３０４及びｎ型半導体領域３２３を構成する半導体層と同じ層には、トランジスタ１０
４Ａの半導体層を構成するｎ型半導体領域３０５及びｉ型半導体領域３０６と、トランジ
スタ１０５Ａの半導体層を構成するｎ型半導体領域３０７及びｉ型半導体領域３０８と、
トランジスタ１０３Ｂの半導体層を構成するｎ型半導体領域３０９と、が設けられている
。
【０２９２】
フォトダイオード１０２Ａの半導体層（と同じ層で作製される上記各トランジスタの半導
体領域）は、多結晶シリコン等の結晶性シリコンを用いることができる。結晶性シリコン
を有する半導体層で構成されるフォトダイオード１０２Ａは、ｐ型半導体領域３０３、ｉ
型半導体領域３０４及びｎ型半導体領域３２３が透光性基板３００に水平方向に設けられ
る。例えば、成膜された結晶性シリコンを、フォトリソグラフィ法、又はエッチング法等
を用いて加工し、次いで、フォトリソグラフィ法によるマスクを形成した上でイオン注入
法又はイオンドーピング法によりｐ型又はｎ型の不純物領域を形成すればよい。
【０２９３】
また、フォトダイオード１０２Ａの半導体層（と同じ層で作製される上記各トランジスタ
の半導体領域）は接合、剥離方法により単結晶シリコン等の結晶性シリコンを用いること
ができる。まずシリコンウエハなどの半導体ウエハ中に、水素イオン（Ｈ＋、Ｈ２＋、Ｈ
３＋など）、又は水素イオン及びヘリウムイオンを添加して、該半導体ウエハ中に脆化層
を形成する。該半導体ウエハを下地膜３３２上に接合させ、加熱処理により脆化層で剥離
して、下地膜３３２上に半導体層を形成する。半導体ウエハの表面から脆化層までの深さ
が半導体層の厚さに相当するので、水素イオン等の添加条件を制御して、半導体層の厚さ
を調整できる。
【０２９４】
また、図１４（Ａ）（Ｂ）では、フォトダイオード１０２Ａの半導体層、トランジスタ１
０４Ａ、トランジスタ１０５Ａ、及びトランジスタ１０３Ｂの各半導体層上に、絶縁層３
１０が設けられている。絶縁層３１０上には、フォトセンサ基準信号線ＶＳが設けられて
いる。図１４（Ａ）において、フォトセンサ基準信号線ＶＳと同じ層には、ｉ型半導体領
域３０６上に形成されたゲート電極３１１と、ｉ型半導体領域３０８上に形成されたゲー
ト電極３１２とが、それぞれ絶縁層３１０を介して設けられている。
【０２９５】
さらに、図１４（Ａ）（Ｂ）では、絶縁層３１０、ゲート電極３１１、ゲート電極３１２
及びフォトセンサ基準信号線ＶＳ上に、絶縁層３１３が設けられている。絶縁層３１０及
び絶縁層３１３を介したｐ型半導体領域３０３上には、導電層３１６が設けられている。
導電層３１６と同じ層には、ｎ型半導体領域３０５及びｎ型半導体領域３０７との間に形
成された導電層３１４と、ｎ型半導体領域３０７上に形成されたフォトセンサ出力信号線
ＲＯ＿Ａと、ｎ型半導体領域３０５及びフォトセンサ基準信号線ＶＳとの間に形成された
導電層３１５と、ｎ型半導体領域３０９上に形成された導電層３１７と、ｎ型半導体領域
３２３上に形成された導電層３２４とが、絶縁層３１０及び絶縁層３１３を介して設けら
れている。
【０２９６】
絶縁層３１０は、外部よりＮａなどのアルカリ金属やアルカリ土類金属がフォトダイオー
ド１０２Ａ中に拡散し、特性に悪影響を及ぼすことを抑制できる。絶縁層３１０は、プラ
ズマＣＶＤ法やスパッタリング法等を用いて、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、窒
化酸化シリコン膜、又は有機樹脂膜等の透光性及び絶縁性を有する膜を、単層で又は積層
して形成することができる。
【０２９７】
ゲート電極３１１及びゲート電極３１２と同層に形成される各種配線は、スパッタリング
法又は真空蒸着法等を用いて、導電性を有する金属材料膜を、単層で又は積層して形成す
ればよい。導電性を有する金属材料膜としては、モリブデン、チタン、クロム、タンタル
、タングステン、アルミニウム、銅、ネオジム、スカンジウム等の金属膜、又はこれらを
主成分とする合金材料膜等が挙げられる。
【０２９８】
絶縁層３１３は、プラズマＣＶＤ法やスパッタリング法等を用いて、酸化シリコン膜、酸
化窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、又は有機樹脂膜等の透光性及び絶縁性を有する
膜を、単層で又は積層して形成する。
【０２９９】
導電層３１４、導電層３１５、導電層３１６、及び導電層３１７は、スパッタリング法又
は真空蒸着法等を用いて、モリブデン、チタン、クロム、タンタル、タングステン、アル
ミニウム、銅、イットリウムなどの金属膜、これらを主成分とする合金材料膜、又は酸化
インジウム等の導電性を有する金属酸化物膜等を、単層で又は積層して形成する。
【０３００】
さらに、図１４（Ａ）（Ｂ）では、絶縁層３１３及び導電層３１６上に、フォトダイオー
ド１０２Ｂにおけるｐ型半導体領域３１８、ｉ型半導体領域３１９及びｎ型半導体領域３
２０が設けられている。ｐ型半導体領域３１８は、端部が、導電層３１６と重なるように
設けられる。
【０３０１】
フォトダイオード１０２Ｂの半導体層には、非晶質シリコンを用いることができる。非晶
質シリコンを有する半導体層で構成されるフォトダイオード１０２Ｂは、ｐ型半導体領域
３１８、ｉ型半導体領域３１９及びｎ型半導体領域３２０が透光性基板３００に垂直方向
に積層して設けられる。
【０３０２】
ｐ型半導体領域３１８は、ｐ型を付与する不純物元素を含む非晶質シリコンにより形成さ
れる。ｐ型半導体領域３１８は、１３族の不純物元素（例えばボロン（Ｂ））を含む半導
体材料ガスを用いて、プラズマＣＶＤ法により形成する。半導体材料ガスとしては、シラ
ン（ＳｉＨ４）、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＳｉＦ４等
を用いることができる。ｐ型半導体領域３１８の膜厚は１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下が好ま
しい。
【０３０３】
ｉ型半導体領域３１９は、非晶質シリコンにより形成される。ｉ型半導体領域３１９は、
半導体材料ガスを用いて、非晶質シリコンをプラズマＣＶＤ法により形成する。半導体材
料ガスとしては、シラン、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、Ｓ
ｉＦ４等を用いることができる。ｉ型半導体領域３１９の膜厚は３００ｎｍ以上１０００
ｎｍ以下が好ましい。
【０３０４】
ｎ型半導体領域３２０は、ｎ型を付与する不純物元素を含む非晶質シリコンにより形成す
る。ｎ型半導体領域３２０は、１５族の不純物元素（例えばリン（Ｐ））を含む半導体材
料ガスを用いて、プラズマＣＶＤ法により形成する。半導体材料ガスとしては、シラン、
Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＳｉＦ４等を用いることがで
きる。ｎ型半導体領域３２０の膜厚は２０ｎｍ以上３００ｎｍ以下が好ましい。
【０３０５】
そして、図１４（Ａ）（Ｂ）では、フォトダイオード１０２Ｂ、フォトセンサ出力信号線
ＲＯ＿Ａ、導電層３１４、導電層３１５、導電層３１６及び導電層３１７上に、絶縁層３
２１が設けられている。絶縁層３２１を介したｎ型半導体領域３２０及び導電層３１７と
の間には、導電層３２２が設けられている。
【０３０６】
絶縁層３２１は、プラズマＣＶＤ法やスパッタリング法等を用いて、酸化シリコン膜、酸
化窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、有機樹脂膜等の透光性及び絶縁性を有する膜を
、単層で又は積層して形成する。絶縁層３２１は、表面に平坦性を有する絶縁層とするこ
とが好ましい。
【０３０７】
導電層３２２は、透光性を有する導電層であればよく、例えば、インジウム錫酸化物（Ｉ
ＴＯ、Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）、酸化シリコンを含むインジウム錫酸化物（
ＩＴＳＯ）、酸化インジウム酸化亜鉛（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｚｉｎｃ  Ｏｘｉｄｅ）等を用い
て形成することができる。
【０３０８】
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる
。
【０３０９】
（実施の形態８）
本実施の形態では、単結晶シリコン等の半導体膜にチャネルが形成されるトランジスタと
、酸化物半導体層にチャネルが形成されるトランジスタとを有するフォトセンサの作製方
法について図１５を用いて説明する。
【０３１０】
本実施の形態で説明するフォトダイオード７０４は、図１（Ｂ）等で示したフォトダイオ
ード１０２として用いることができ、ｎチャネル型トランジスタ７０５は、図１（Ｂ）等
で示したトランジスタ１０４、又はトランジスタ１０５として用いることができ、トラン
ジスタ７２４は、図１（Ｂ）等で示したトランジスタ１０３、トランジスタ１０６、又は
トランジスタ１０９として用いることができる。また、トランジスタ７２４は、図１（Ｂ
）等で示したトランジスタ１０４、トランジスタ１０５として用いてもよい。
【０３１１】
まず、公知のＣＭＯＳの作製方法を用いて、基板７００の絶縁表面上に、フォトダイオー
ド７０４及びｎチャネル型トランジスタ７０５を作製する（図１５（Ａ））。本実施の形
態では、一例として、単結晶の半導体基板から分離された単結晶半導体膜を用いて、フォ
トダイオード７０４及びｎチャネル型トランジスタ７０５を作製する。単結晶の半導体基
板としては、例えば、シリコン基板を用いることができる。
【０３１２】
具体的な単結晶半導体膜の作製方法の一例について、簡単に説明する。まず、単結晶の半
導体基板に、電界で加速されたイオンでなるイオンビームを注入し、半導体基板の表面か
ら一定の深さの領域に、結晶構造が乱されることで局所的に脆弱化された脆化層を形成す
る。脆化層が形成される領域の深さは、イオンビームの加速エネルギーとイオンビームの
入射角によって調節することができる。そして、半導体基板と、絶縁膜７０１が形成され
た基板７００とを、間に当該絶縁膜７０１が挟まるように貼り合わせる。貼り合わせでは
、半導体基板と基板７００とを重ね合わせた後、半導体基板と基板７００の一部に、１Ｎ
／ｃｍ２以上５００Ｎ／ｃｍ２以下、好ましくは１１Ｎ／ｃｍ２以上２０Ｎ／ｃｍ２以下
程度の圧力を加える。圧力を加えると、その部分から半導体基板と絶縁膜７０１とが接合
を開始し、最終的には密着した面全体に接合が及ぶ。次いで、加熱処理を行うことで、脆
化層に存在する微小ボイドどうしが結合して、微小ボイドの体積が増大する。その結果、
脆化層において半導体基板の一部である単結晶半導体膜が、半導体基板から分離する。上
記加熱処理の温度は、基板７００の歪み点を越えない温度とする。そして、上記単結晶半
導体膜をエッチング等により所望の形状に加工することで、島状の半導体膜７０２、島状
の半導体膜７０３を形成することができる。
【０３１３】
フォトダイオード７０４は、絶縁膜７０１上の島状の半導体膜７０２を用いて形成されて
おり、ｎチャネル型トランジスタ７０５は、絶縁膜７０１上の島状の半導体膜７０３を用
いて形成されている。また、フォトダイオード７０４は、島状の半導体膜７０２内にｐ型
の導電性を有する領域７２７と、ｉ型の導電性を有する領域７２８と、ｎ型の導電性を有
する領域７２９とが形成された横型接合タイプである。また、ｎチャネル型トランジスタ
７０５は、ゲート電極７０７を有している。ｎチャネル型トランジスタ７０５は、島状の
半導体膜７０３内に、ゲート電極７０７と重なる領域を挟むように設けられた一対のｎ型
の導電性を有する領域を含む。そして、ｎチャネル型トランジスタ７０５は、島状の半導
体膜７０３とゲート電極７０７の間に、絶縁膜７０８を有する。ｎチャネル型トランジス
タ７０５において、絶縁膜７０８はゲート絶縁膜として機能する。
【０３１４】
なお、ｉ型の導電性を有する領域７２８は、半導体膜のうち、含まれるｐ型若しくはｎ型
を付与する不純物が１×１０２０ｃｍ−３以下の濃度であり、暗伝導度に対して光伝導度
が１００倍以上である領域を指す。ｉ型の導電性を有する領域７２８には、周期表第１３
族若しくは第１５族の不純物元素を有するものもその範疇に含む。すなわち、ｉ型の半導
体は、価電子制御を目的とした不純物元素を意図的に添加しないときに弱いｎ型の電気伝
導性を示すので、ｉ型の導電性を有する領域７２８は、ｐ型を付与する不純物元素を、成
膜時或いは成膜後に、意図的若しくは非意図的に添加されたものをその範疇に含む。
【０３１５】
基板７００として使用することができる素材に大きな制限はないが、少なくとも、後の加
熱処理に耐えうる程度の耐熱性を有していることが必要となる。例えば、基板７００には
、フュージョン法やフロート法で作製されるガラス基板、石英基板、セラミック基板等を
用いることができる。ガラス基板としては、後の加熱処理の温度が高い場合には、歪み点
が７３０℃以上のものを用いるとよい。プラスチック等の可撓性を有する合成樹脂からな
る基板は、一般的に上記基板と比較して耐熱温度が低い傾向にあるが、作製工程における
処理温度に耐え得るのであれば用いることが可能である。
【０３１６】
なお、本実施の形態では、単結晶の半導体膜を用いてフォトダイオード７０４とｎチャネ
ル型トランジスタ７０５を作製する例について説明しているが、本発明はこの構成に限定
されない。例えば、絶縁膜７０１上に気相成長法を用いて形成された多結晶、微結晶の半
導体膜を用いてもよいし、上記半導体膜を公知の技術により結晶化してもよい。公知の結
晶化方法としては、レーザ光を用いたレーザ結晶化法、触媒元素を用いる結晶化法がある
。或いは、触媒元素を用いる結晶化法とレーザ結晶化法とを組み合わせて用いることもで
きる。また、石英のような耐熱性に優れている基板を用いる場合、電熱炉を使用した熱結
晶化法、赤外光を用いたランプアニール結晶化法、触媒元素を用いる結晶化法、９５０℃
程度の高温アニール法を組み合わせた結晶化法を用いてもよい。
【０３１７】
また、図１５（Ａ）では、絶縁膜７０８上に導電膜を形成した後、上記導電膜をエッチン
グ等により所望の形状に加工することで、ゲート電極７０７と共に、配線７１１を形成す
る。
【０３１８】
次いで、フォトダイオード７０４、ｎチャネル型トランジスタ７０５、配線７１１を覆う
ように、絶縁膜７１２を形成する。
【０３１９】
絶縁膜７１２は、単層構造でもよいし、積層構造でもよい。絶縁膜７１２は、その表面を
ＣＭＰ法などにより平坦化させてもよい。絶縁膜７１２は、後の作製工程における加熱処
理の温度に耐えうる材料を用いる。例えば、絶縁膜７１２の材料としては、酸化シリコン
、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化アルミニウム、酸化アルミ
ニウムなどを用いることが望ましい。
【０３２０】
なお、本明細書において酸化窒化物とは、その組成として、窒素よりも酸素の含有量が多
い物質を指し、また、窒化酸化物とは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多い
物質を指す。
【０３２１】
次いで、絶縁膜７１２上に、ゲート電極７１３を形成する。ゲート電極７１３は、単層構
造としてもよいし、積層構造としてもよい。
【０３２２】
ゲート電極７１３は、モリブデン、チタン、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅
、クロム、ネオジム、スカンジウムから選ばれた元素を含む金属材料、又は上述した元素
を成分とする金属窒化物（窒化チタン、窒化モリブデン、窒化タングステン）等を用いて
形成することができる。
【０３２３】
また、ゲート電極７１３は、インジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸
化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化
物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化シリコンを添加
したインジウム錫酸化物などの導電性材料を適用することもできる。また、上記導電性材
料と、上記金属材料の積層構造とすることもできる。
【０３２４】
また、ゲート絶縁膜７１４と接するゲート電極７１３の一層として、窒素を含む金属酸化
物膜、具体的には、窒素を含むＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜や、窒素を含むＩｎ−Ｓｎ−Ｏ膜
や、窒素を含むＩｎ−Ｇａ−Ｏ膜や、窒素を含むＩｎ−Ｚｎ−Ｏ膜や、窒素を含むＳｎ−
Ｏ膜や、窒素を含むＩｎ−Ｏ膜や、金属窒化膜（ＩｎＮ、ＳｎＮなど）を用いることがで
きる。これらの膜は５ｅＶ（電子ボルト）以上、好ましくは５．５ｅＶ（電子ボルト）以
上の仕事関数を有し、ゲート電極として用いた場合、トランジスタのしきい値電圧をプラ
スにすることができ、所謂ノーマリーオフのスイッチング素子を実現できる。
【０３２５】
次いで、ゲート電極７１３上に、ゲート絶縁膜７１４を形成した後、ゲート絶縁膜７１４
上においてゲート電極７１３と重なる位置に、酸化物半導体層７１５を形成する（図１５
（Ｂ））。
【０３２６】
ゲート絶縁膜７１４の膜厚は、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下とし、スパッタリング法、ＭＢＥ
法、ＣＶＤ法、パルスレーザ堆積法、ＡＬＤ法等を適宜用いることができる。また、ゲー
ト絶縁膜７１４は、スパッタリングターゲット表面に対し、概略垂直に複数の基板表面が
セットされた状態で成膜を行うスパッタ装置を用いて成膜してもよい。
【０３２７】
ゲート絶縁膜７１４の材料としては、酸化シリコン、酸化ガリウム、酸化アルミニウム、
窒化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化シリコン等を用いる
ことができる。ゲート絶縁膜７１４は、酸化物半導体層７１５と接する部分において酸素
を含むことが好ましい。特に、ゲート絶縁膜７１４は、膜中（バルク中）に少なくとも化
学量論的組成を超える量の酸素が存在することが好ましく、例えば、ゲート絶縁膜７１４
として、酸化シリコン膜を用いる場合には、ＳｉＯ２＋α（ただし、α＞０）とするのが
好ましい。本実施の形態では、ゲート絶縁膜７１４として、ＳｉＯ２＋α（ただし、α＞
０）である酸化シリコン膜を用いる。この酸化シリコン膜をゲート絶縁膜７１４として用
いることで、酸化物半導体層７１５に酸素を供給することができ、特性を良好にすること
ができる。さらに、ゲート絶縁膜７１４は、作製するトランジスタのサイズやゲート絶縁
膜７１４の段差被覆性を考慮して形成することが好ましい。
【０３２８】
また、ゲート絶縁膜７１４の材料として酸化ハフニウム、酸化イットリウム、ハフニウム
シリケート（ＨｆＳｉｘＯｙｘ＞０、ｙ＞０））、窒素が添加されたハフニウムシリケー
ト（ＨｆＳｉＯｘＮｙ（ｘ＞０、ｙ＞０））、ハフニウムアルミネート（ＨｆＡｌｘＯｙ
（ｘ＞０、ｙ＞０））、酸化ランタンなどのｈｉｇｈ−ｋ材料を用いることでゲートリー
ク電流を低減できる。さらに、ゲート絶縁膜７１４は、単層構造としてもよいし、積層構
造としてもよい。
【０３２９】
酸化物半導体層７１５は、単層構造としてもよいし、積層構造としてもよい。また、非晶
質構造としてもよいし、結晶性酸化物半導体としてもよい。酸化物半導体層７１５を非晶
質構造とする場合には、後の作製工程において、酸化物半導体層に熱処理を行うことによ
って、結晶性酸化物半導体層としてもよい。非晶質酸化物半導体層を結晶化させる熱処理
の温度は、２５０℃以上７００℃以下、好ましくは、４００℃以上、より好ましくは５０
０℃以上、さらに好ましくは５５０℃以上とする。なお、当該熱処理は、作製工程におけ
る他の熱処理を兼ねることも可能である。
【０３３０】
酸化物半導体は、単結晶、多結晶（ポリクリスタル）、又は非晶質（アモルファス）等の
状態をとる。
【０３３１】
アモルファス状態の酸化物半導体は、平坦な表面を得ることが比較的容易であるため、該
アモルファス状態の酸化物半導体を用いたトランジスタは、動作させた際のキャリア（電
子）の界面散乱を低減でき、高い電界効果移動度を得ることが比較的容易である。
【０３３２】
また、結晶性を有する酸化物半導体は、バルク内欠陥をより低減することができる。該結
晶性を有する酸化物半導体は、表面の平坦性を高めれば、アモルファス状態の酸化物半導
体を用いたトランジスタに比べて高い電界効果移動度を得ることができる。表面の平坦性
を高めるためには、平坦な表面上に酸化物半導体を形成することが好ましい。
【０３３３】
酸化物半導体膜は、例えば非単結晶を有してもよい。非単結晶は、例えば、ＣＡＡＣ（Ｃ
Ａｘｉｓ  Ａｌｉｇｎｅｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ）、多結晶、微結晶、非晶質部を有する。
非晶質部は、微結晶、ＣＡＡＣよりも欠陥準位密度が高い。また、微結晶は、ＣＡＡＣよ
りも欠陥準位密度が高い。なお、ＣＡＡＣを有する酸化物半導体を、ＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ
Ａｘｉｓ  Ａｌｉｇｎｅｄ  Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄ
ｕｃｔｏｒ）と呼ぶ。
【０３３４】
酸化物半導体膜は、例えばＣＡＡＣ−ＯＳを有してもよい。ＣＡＡＣ−ＯＳは、例えば、
ｃ軸配向し、ａ軸または／およびｂ軸はマクロに揃っていない。
【０３３５】
酸化物半導体膜は、例えば微結晶を有してもよい。なお、微結晶を有する酸化物半導体を
、微結晶酸化物半導体と呼ぶ。微結晶酸化物半導体膜は、例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ未
満のサイズの微結晶（ナノ結晶ともいう。）を膜中に含む。
【０３３６】
酸化物半導体膜は、例えば非晶質部を有してもよい。なお、非晶質部を有する酸化物半導
体を、非晶質酸化物半導体と呼ぶ。非晶質酸化物半導体膜は、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、非晶質酸化物半導体膜は、例えば、完全な非晶質
であり、結晶部を有さない。
【０３３７】
なお、酸化物半導体膜が、ＣＡＡＣ−ＯＳ、微結晶酸化物半導体、非晶質酸化物半導体の
混合膜であってもよい。混合膜は、例えば、非晶質酸化物半導体の領域と、微結晶酸化物
半導体の領域と、ＣＡＡＣ−ＯＳの領域と、を有する。また、混合膜は、例えば、非晶質
酸化物半導体の領域と、微結晶酸化物半導体の領域と、ＣＡＡＣ−ＯＳの領域と、の積層
構造を有してもよい。
【０３３８】
なお、酸化物半導体膜は、例えば、単結晶を有してもよい。
【０３３９】
酸化物半導体膜は、複数の結晶部を有し、当該結晶部のｃ軸が被形成面の法線ベクトルま
たは表面の法線ベクトルに平行な方向に揃っていることが好ましい。なお、異なる結晶部
間で、それぞれａ軸およびｂ軸の向きが異なっていてもよい。そのような酸化物半導体膜
の一例としては、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜がある。
【０３４０】
酸化物半導体層７１５は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜であるのが好ましい。
【０３４１】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる結晶部は、一辺が１００ｎｍ未満の立方体内に収まる大きさ
であることが多い。また、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌ
ｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）による観察像では、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる
結晶部と結晶部との境界は明確ではない。また、ＴＥＭによってＣＡＡＣ−ＯＳ膜には明
確な粒界（グレインバウンダリーともいう。）は確認できない。そのため、ＣＡＡＣ−Ｏ
Ｓ膜は、粒界に起因する電子移動度の低下が抑制される。
【０３４２】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる結晶部は、例えば、ｃ軸がＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成面の法
線ベクトル又は表面の法線ベクトルに平行な方向になるように揃い、かつａｂ面に垂直な
方向から見て金属原子が三角形状又は六角形状に配列し、ｃ軸に垂直な方向から見て金属
原子が層状又は金属原子と酸素原子とが層状に配列している。なお、異なる結晶部間で、
それぞれａ軸及びｂ軸の向きが異なっていてもよい。本明細書において、単に垂直と記載
する場合、８０°以上１００°以下、好ましくは８５°以上９５°以下の範囲も含まれる
こととする。また、単に平行と記載する場合、−１０°以上１０°以下、好ましくは−５
°以上５°以下の範囲も含まれることとする。
【０３４３】
なお、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜中の、結晶部の分布が一様でなくてもよい。例えば、ＣＡＡＣ−
ＯＳ膜の形成過程において、酸化物半導体膜の表面側から結晶成長させる場合、被形成面
の近傍に対し表面の近傍では結晶部の占める割合が高くなることがある。また、ＣＡＡＣ
−ＯＳ膜へ不純物を添加することにより、当該不純物添加領域において結晶部の結晶性が
低下することもある。
【０３４４】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる結晶部のｃ軸は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成面の法線ベクト
ル又は表面の法線ベクトルに平行な方向になるように揃うため、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の形状
（被形成面の断面形状又は表面の断面形状）によっては、互いに異なる方向を向くことが
ある。また、結晶部は、成膜したとき、又は成膜後に加熱処理などの結晶化処理を行った
ときに形成される。従って、結晶部のｃ軸は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜が形成されたときの被形
成面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向になるように揃う。
【０３４５】
ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を用いることで、可視光や紫外光の照射によるトランジスタの電気特性
の変動が低減されるため、信頼性の高いトランジスタを得ることができる。
【０３４６】
酸化物半導体層７１５の成膜方法は、スパッタリング法、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  
Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法、ＣＶＤ法、パルスレーザ堆積法、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ
Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等を適宜用いることができる。また、酸化物半
導体層７１５は、スパッタリングターゲット表面に対し、概略垂直に複数の基板表面がセ
ットされた状態で成膜を行うスパッタリング装置を用いて成膜してもよい。
【０３４７】
酸化物半導体層７１５を形成する際、できる限り酸化物半導体層７１５に含まれる水素濃
度を低減させることが好ましい。水素濃度を低減させるには、例えば、スパッタリング法
を用いて成膜を行う場合には、スパッタリング装置の成膜室内に供給する雰囲気ガスとし
て、水素、水、水酸基又は水素化物などの不純物が除去された高純度の希ガス（代表的に
はアルゴン）、酸素、及び希ガスと酸素との混合ガスを適宜用いる。
【０３４８】
また、成膜室内の残留水分を除去しつつ水素及び水分が除去されたスパッタガスを導入し
て成膜を行うことで、成膜された酸化物半導体層７１５の水素濃度を低減させることがで
きる。成膜室内の残留水分を除去するためには、吸着型の真空ポンプ、例えば、クライオ
ポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプを用いることが好ましい。また、
ターボ分子ポンプにコールドトラップを加えたものであってもよい。クライオポンプは、
例えば、水素分子、水（Ｈ２Ｏ）など水素原子を含む化合物（より好ましくは炭素原子を
含む化合物も）等の排気能力が高いため、クライオポンプを用いて排気した成膜室で成膜
した酸化物半導体層７１５に含まれる不純物の濃度を低減できる。
【０３４９】
また、酸化物半導体層７１５をスパッタリング法で成膜する場合、成膜に用いる金属酸化
物ターゲットの相対密度（充填率）は９０％以上１００％以下、好ましくは９５％以上９
９．９％以下とする。相対密度の高い金属酸化物ターゲットを用いることにより、成膜し
た酸化物半導体層を緻密な膜とすることができる。
【０３５０】
また、基板７００を高温に保持した状態で酸化物半導体層７１５を形成することも、酸化
物半導体層７１５中に含まれうる不純物濃度を低減するのに有効である。基板７００を加
熱する温度としては、１５０℃以上４５０℃以下とすればよく、好ましくは基板温度が２
００℃以上３５０℃以下とすればよい。また、成膜時に基板を高温で加熱することで、結
晶性酸化物半導体層を形成することができる。
【０３５１】
酸化物半導体層７１５に用いる酸化物半導体としては、少なくともインジウム（Ｉｎ）あ
るいは亜鉛（Ｚｎ）を含むことが好ましい。特にＩｎとＺｎを含むことが好ましい。また
、該酸化物半導体を用いたトランジスタの電気特性のばらつきを減らすためのスタビライ
ザーとして、それらに加えてガリウム（Ｇａ）を有することが好ましい。また、スタビラ
イザーとしてスズ（Ｓｎ）を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてハフニ
ウム（Ｈｆ）を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてアルミニウム（Ａｌ
）を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてジルコニウム（Ｚｒ）を有する
ことが好ましい。
【０３５２】
また、他のスタビライザーとして、ランタノイドである、ランタン（Ｌａ）、セリウム（
Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム
（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホル
ミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ル
テチウム（Ｌｕ）のいずれか一種あるいは複数種を有してもよい。
【０３５３】
例えば、酸化物半導体として、酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛、二元系金属の酸化
物であるＩｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｚｎ−Ｍｇ系
酸化物、Ｓｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｉｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｉｎ−Ｇａ系酸化物、三元系金属の
酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ
系酸化物、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系
酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｃｅ−Ｚｎ系酸
化物、Ｉｎ−Ｐｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｎｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｍ−Ｚｎ系酸化
物、Ｉｎ−Ｅｕ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｇｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｂ−Ｚｎ系酸化物
、Ｉｎ−Ｄｙ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｏ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｒ−Ｚｎ系酸化物、
Ｉｎ−Ｔｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｙｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌｕ−Ｚｎ系酸化物、四
元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｇａ−Ｚｎ系酸
化物、Ｉｎ−Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ
−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物を用いることができる。
【０３５４】
なお、酸化物半導体層７１５は、成膜時に酸素が多く含まれるような条件（例えば、酸素
１００％の雰囲気下でスパッタリング法により成膜を行うなど）で成膜して、酸素を多く
含む（好ましくは酸化物半導体が結晶状態における化学量論的組成に対し、酸素の含有量
が過剰な領域が含まれている）膜とすることが好ましい。
【０３５５】
また酸化物半導体層７１５を、成膜する際に用いるスパッタリングガスは水素、水、水酸
基又は水素化物などの不純物が除去された高純度ガスを用いることが好ましい。
【０３５６】
酸化物半導体層７１５としてＣＡＡＣ−ＯＳ膜を適用する場合、該ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を得
る方法としては、三つ挙げられる。一つ目は、成膜温度を２００℃以上４５０℃以下とし
て酸化物半導体層の成膜を行い、表面に概略垂直にｃ軸配向させる方法である。二つ目は
、酸化物半導体層を薄い膜厚で成膜した後、２００℃以上７００℃以下の熱処理を行い、
表面に概略垂直にｃ軸配向させる方法である。三つ目は、一層目の膜厚を薄く成膜した後
、２００℃以上７００℃以下の熱処理を行い、二層目の成膜を行い、表面に概略垂直にｃ
軸配向させる方法である。
【０３５７】
成膜後の酸化物半導体膜をフォトリソグラフィ工程により加工して、島状の酸化物半導体
層７１５が形成される。島状の酸化物半導体層７１５へ加工するためのレジストマスクを
インクジェットで形成してもよい。レジストマスクをインクジェットで形成するとフォト
マスクを使用しないため、製造コストを低減することができる。
【０３５８】
また、酸化物半導体層７１５に、当該酸化物半導体層７１５に含まれる過剰な水素（水や
水酸基を含む）を除去（脱水化又は脱水素化）するための熱処理を行うのが好ましい。熱
処理の温度は、３００℃以上７００℃以下、又は基板の歪み点未満とする。熱処理は減圧
下又は窒素雰囲気下などで行うことができる。
【０３５９】
この熱処理によって、ｎ型不純物である水素を酸化物半導体から除去することができる。
例えば、脱水化又は脱水素化処理後の酸化物半導体層７１５に含まれる水素濃度を、５×
１０１９／ｃｍ３以下、好ましくは５×１０１８／ｃｍ３以下とすることができる。
【０３６０】
なお、脱水化又は脱水素化のための熱処理は、酸化物半導体層の成膜後であればトランジ
スタ７２４の作製工程においてどのタイミングで行ってもよい。また、脱水化又は脱水素
化のための熱処理は、複数回行ってもよく、他の加熱処理と兼ねてもよい。
【０３６１】
なお、脱水化又は脱水素化のための熱処理を酸化物半導体層７１５の島状への加工前に行
うと、ゲート絶縁膜７１４に含まれる酸素が熱処理によって放出されるのを防止すること
ができるため好ましい。
【０３６２】
熱処理においては、窒素、又はヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスに、水、水素など
が含まれないことが好ましい。又は、熱処理装置に導入する窒素、又はヘリウム、ネオン
、アルゴン等の希ガスの純度を、６Ｎ（９９．９９９９％）以上好ましくは７Ｎ（９９．
９９９９９％）以上（即ち不純物濃度を１ｐｐｍ以下、好ましくは０．１ｐｐｍ以下）と
することが好ましい。
【０３６３】
また、熱処理で酸化物半導体層７１５を加熱した後、加熱温度を維持、又はその加熱温度
から徐冷しながら同じ炉に高純度の酸素ガス、高純度の亜酸化窒素ガス、又は超乾燥エア
（ＣＲＤＳ（キャビティリングダウンレーザー分光法）方式の露点計を用いて測定した場
合の水分量が２０ｐｐｍ（露点換算で−５５℃）以下、好ましくは１ｐｐｍ以下、より好
ましくは１０ｐｐｂ以下の空気）を導入してもよい。酸素ガスもしくは亜酸化窒素ガスに
、水、水素などが含まれないことが好ましい。又は、熱処理装置に導入する酸素ガスもし
くは亜酸化窒素ガスの純度を、６Ｎ以上好ましくは７Ｎ以上（即ち、酸素ガス又は亜酸化
窒素ガス中の不純物濃度を１ｐｐｍ以下、好ましくは０．１ｐｐｍ以下）とすることが好
ましい。酸素ガス又は亜酸化窒素ガスの作用により、脱水化又は脱水素化処理による不純
物の排除工程によって同時に減少してしまった酸化物半導体を構成する主成分材料である
酸素を供給することによって、酸化物半導体層７１５を高純度化及びｉ型（真性）化する
ことができる。
【０３６４】
また、脱水化又は脱水素化処理を行った酸化物半導体層７１５に、酸素（少なくとも、酸
素ラジカル、酸素原子、酸素イオン、のいずれかを含む）を導入して膜中に酸素を供給し
てもよい。この工程によって、酸化物半導体層７１５を高純度化、及びｉ型（真性）化す
ることができる。高純度化し、ｉ型（真性）化した酸化物半導体層７１５を有するトラン
ジスタは、電気特性変動が抑制されており、電気的に安定である。
【０３６５】
酸素は、酸化物半導体層７１５に直接導入してもよいし、後に形成される絶縁膜７２２な
どの他の膜を通過して酸化物半導体層７１５へ導入してもよい。酸素を他の膜を通過して
導入する場合は、イオン注入法、イオンドーピング法、プラズマイマージョンイオンイン
プランテーション法などを用いればよいが、露出された酸化物半導体層７１５へ直接酸素
を導入する場合は、上記の方法に加えてプラズマ処理なども用いることができる。
【０３６６】
酸化物半導体層７１５への酸素の導入は、脱水化又は脱水素化処理を行った後であればよ
く、特に限定されない。また、上記脱水化又は脱水素化処理を行った酸化物半導体層７１
５への酸素の導入は複数回行ってもよい。
【０３６７】
次に、絶縁膜７０８、絶縁膜７１２、ゲート絶縁膜７１４を部分的にエッチングすること
で、島状の半導体膜７０２、島状の半導体膜７０３、配線７１１に達するコンタクトホー
ルを形成する。そして、酸化物半導体層７１５を覆うように、スパッタ法や真空蒸着法で
導電膜を形成したあと、エッチング等により該導電膜をパターニングすることで、ソース
電極、ドレイン電極、又は配線として機能する導電膜７１６、導電膜７１７、導電膜７１
８、導電膜７１９、導電膜７２０、導電膜７２１を形成する（図１５（Ｃ））。
【０３６８】
なお、導電膜７１６及び導電膜７１７は、島状の半導体膜７０２に接している。導電膜７
１８及び導電膜７１９は、島状の半導体膜７０３に接している。導電膜７２０は、配線７
１１及び酸化物半導体層７１５に接している。導電膜７２１は、酸化物半導体層７１５に
接している。
【０３６９】
導電膜７１６、導電膜７１７、導電膜７１８、導電膜７１９、導電膜７２０、導電膜７２
１となる導電膜の材料としては、アルミニウム、クロム、銅、タンタル、チタン、モリブ
デン、タングステンから選ばれた元素、上述した元素を成分とする合金、又は上述した元
素を組み合わせた合金等が挙げられる。また、アルミニウム、銅などの金属膜の下側もし
くは上側にクロム、タンタル、チタン、モリブデン、タングステンなどの高融点金属膜を
積層させた構成としてもよい。また、アルミニウム又は銅は、耐熱性や腐食性の問題を回
避するために、高融点金属材料と組み合わせて用いるとよい。高融点金属材料としては、
モリブデン、チタン、クロム、タンタル、タングステン、ネオジム、スカンジウム、イッ
トリウム等を用いることができる。
【０３７０】
また、導電膜７１６、導電膜７１７、導電膜７１８、導電膜７１９、導電膜７２０、導電
膜７２１は、単層構造でも、２層以上の積層構造としてもよい。例えば、シリコンを含む
アルミニウム膜の単層構造、アルミニウム膜上にチタン膜を積層する２層構造、チタン膜
と、そのチタン膜上に重ねてアルミニウム膜を積層し、さらにその上にチタン膜を成膜す
る３層構造などが挙げられる。
【０３７１】
また、導電膜７１６、導電膜７１７、導電膜７１８、導電膜７１９、導電膜７２０、導電
膜７２１となる導電膜としては、導電性の金属酸化物で形成してもよい。導電性の金属酸
化物としては酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛、インジウムスズ酸化物、インジウム
亜鉛酸化物又は該金属酸化物材料にシリコン若しくは酸化シリコンを含ませたものを用い
ることができる。
【０３７２】
導電膜形成後に加熱処理を行う場合には、該加熱処理に耐える耐熱性を導電膜に持たせる
ことが好ましい。
【０３７３】
なお、導電膜のエッチングの際に、酸化物半導体層７１５がなるべく除去されないように
それぞれの材料及びエッチング条件を適宜調節する。エッチング条件によっては、島状の
酸化物半導体層７１５の露出した部分が一部エッチングされることで、溝部（凹部）が形
成されることもある。
【０３７４】
なお、フォトリソグラフィ工程で用いるフォトマスク数及び工程数を削減するため、透過
した光に多段階の強度をもたせる多階調マスクによって形成されたレジストマスクを用い
てエッチング工程を行ってもよい。多階調マスクを用いて形成したレジストマスクは複数
の膜厚を有する形状となり、エッチングを行うことでさらに形状を変形することができる
ため、異なるパターンに加工する複数のエッチング工程に用いることができる。よって、
一枚の多階調マスクによって、少なくとも二種類以上の異なるパターンに対応するレジス
トマスクを形成することができる。よって露光マスク数を削減することができ、対応する
フォトリソグラフィ工程も削減できるため、工程の簡略化が可能となる。
【０３７５】
その後、Ｎ２Ｏ、Ｎ２、又はＡｒなどのガスを用いたプラズマ処理を行うことが好ましい
。このプラズマ処理によって露出している酸化物半導体層７１５の表面に付着した水など
を除去する。また、酸素とアルゴンの混合ガスを用いてプラズマ処理を行ってもよい。
【０３７６】
次に、図１５（Ｃ）に示すように、導電膜７１６、導電膜７１７、導電膜７１８、導電膜
７１９、導電膜７２０、及び導電膜７２１と、酸化物半導体層７１５とを覆うように、絶
縁膜７２２を形成する。絶縁膜７２２は、水分や、水素などの不純物を極力含まないこと
が望ましい。絶縁膜７２２に水素が含まれると、その水素が酸化物半導体層へ侵入し、又
は水素が酸化物半導体層中の酸素を引き抜き、酸化物半導体層のバックチャネル部が低抵
抗化（ｎ型化）してしまい、寄生チャネルが形成されるおそれがある。よって、絶縁膜７
２２はできるだけ水素を含まない膜になるように、成膜方法に水素を用いないことが重要
である。
【０３７７】
絶縁膜７２２は、プラズマＣＶＤ法、スパッタリング法、又は蒸着法等により成膜するこ
とができる。特に、スパッタリング法など、絶縁膜７２２に水、水素等の不純物を混入さ
せない方法を適宜用いて形成することが好ましい。
【０３７８】
絶縁膜７２２の材料としては、酸化シリコン、酸化ガリウム、酸化アルミニウム、窒化シ
リコン、酸化窒化シリコン、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化シリコン、酸化ハフニウム
、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化バリウム等を用いることが
できる。
【０３７９】
絶縁膜７２２は、単層でも積層でもよく、例えば酸化シリコン膜及び酸化アルミニウム膜
の積層を用いることができる。酸化アルミニウム膜は、水素、水分などの不純物、及び酸
素の両方に対して膜を通過させない遮断効果（ブロック効果）が高く、作製工程中及び作
製後において、変動要因となる水素、水分などの不純物の酸化物半導体層７１５への混入
、及び酸化物半導体を構成する主成分材料である酸素の酸化物半導体層７１５からの放出
を防止する保護膜として機能するため好ましく適用することができる。
【０３８０】
絶縁膜７２２は、酸化物半導体層７１５と接する部分において酸素を含むことが好ましい
。特に、絶縁膜７２２は、膜中（バルク中）に少なくとも化学量論的組成を超える量の酸
素が存在することが好ましく、例えば、絶縁膜７２２として、酸化シリコン膜を用いる場
合には、ＳｉＯ２＋α（ただし、α＞０）とするのが好ましい。この酸化シリコン膜を絶
縁膜７２２として用いることで、酸化物半導体層７１５に酸素を供給することができ、特
性を良好にすることができる。
【０３８１】
また、絶縁膜７２２を積層構造とする場合、酸化物半導体層７１５と接する酸化物絶縁膜
と、酸化物絶縁膜と接するバリア性の高い絶縁膜と、の積層構造が好ましい。例えば、バ
リア性の高い絶縁膜として、窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、窒化アルミニウム膜
、又は窒化酸化アルミニウム膜などを用いることができる。バリア性の高い絶縁膜を用い
ることで、酸化物半導体層７１５内、ゲート絶縁膜７１４内、或いは、酸化物半導体層７
１５と他の絶縁膜の界面とその近傍に、水分又は水素などの不純物が入り込むのを防ぐこ
とができる。
【０３８２】
なお、絶縁膜７２２を形成した後に、加熱処理を施してもよい。加熱処理は、窒素、超乾
燥空気、又は希ガス（アルゴン、ヘリウムなど）の雰囲気下において、好ましくは２００
℃以上４００℃以下、例えば２５０℃以上３５０℃以下で行う。上記ガスは、水の含有量
が２０ｐｐｍ以下、好ましくは１ｐｐｍ以下、より好ましくは１０ｐｐｂ以下であること
が望ましい。本実施の形態では、例えば、窒素雰囲気下で２５０℃、１時間の加熱処理を
行う。或いは、水分又は水素を低減させるために酸化物半導体層に対して行った先の加熱
処理と同様に、高温短時間のＲＴＡ処理を行ってもよい。酸素を含む絶縁膜７２２が設け
られた後に、加熱処理が施されることによって、酸化物半導体層に対して行った先の加熱
処理により、酸化物半導体層７１５に酸素欠損が発生していたとしても、絶縁膜７２２か
ら酸化物半導体層７１５に酸素が供与される。そして、酸化物半導体層７１５に酸素が供
与されることで、酸化物半導体層７１５において、ドナーとなる酸素欠損を低減すること
が可能である。その結果、酸化物半導体層７１５をｉ型に近づけることができ、酸素欠損
によるトランジスタの電気特性のばらつきを軽減し、電気特性の向上を実現することがで
きる。この加熱処理を行うタイミングは、絶縁膜７２２の形成後であれば特に限定されず
、他の工程、例えば樹脂膜形成時の加熱処理や、透明導電膜を低抵抗化させるための加熱
処理と兼ねることで、工程数を増やすことなく、酸化物半導体層７１５をｉ型に近づける
ことができる。
【０３８３】
また、酸素雰囲気下で酸化物半導体層７１５に加熱処理を施すことで、酸化物半導体に酸
素を添加し、酸化物半導体層７１５中においてドナーとなる酸素欠損を低減させてもよい
。加熱処理の温度は、例えば１００℃以上３５０℃未満、好ましくは１５０℃以上２５０
℃未満で行う。上記酸素雰囲気下の加熱処理に用いられる酸素ガスには、水、水素などが
含まれないことが好ましい。又は、加熱処理装置に導入する酸素ガスの純度を、６Ｎ（９
９．９９９９％）以上、好ましくは７Ｎ（９９．９９９９９％）以上、（即ち酸素中の不
純物濃度を１ｐｐｍ以下、好ましくは０．１ｐｐｍ以下）とすることが好ましい。
【０３８４】
或いは、イオン注入法又はイオンドーピング法などを用いて、酸化物半導体層７１５に酸
素を添加することで、ドナーとなる酸素欠損を低減させてもよい。例えば、２．４５ＧＨ
ｚのマイクロ波でプラズマ化した酸素を酸化物半導体層７１５に添加すればよい。
【０３８５】
なお、絶縁膜７２２上に導電膜を形成した後、該導電膜をパターニングすることで、酸化
物半導体層７１５と重なる位置にバックゲート電極を形成してもよい。バックゲート電極
を形成した場合は、バックゲート電極を覆うように絶縁膜を形成するのが望ましい。バッ
クゲート電極は、ゲート電極７１３、或いは導電膜７１６、導電膜７１７、導電膜７１８
、導電膜７１９、導電膜７２０、導電膜７２１と同様の材料、構造を用いて形成すること
が可能である。
【０３８６】
バックゲート電極の膜厚は、１０ｎｍ〜４００ｎｍ、好ましくは１００ｎｍ〜２００ｎｍ
とする。例えば、チタン膜、アルミニウム膜、チタン膜が積層された構造を有する導電膜
を形成した後、フォトリソグラフィ法などによりレジストマスクを形成し、エッチングに
より不要な部分を除去して、該導電膜を所望の形状に加工（パターニング）することで、
バックゲート電極を形成するとよい。
【０３８７】
以上の工程により、トランジスタ７２４が形成される。
【０３８８】
トランジスタ７２４は、ゲート電極７１３と、ゲート電極７１３上のゲート絶縁膜７１４
と、ゲート絶縁膜７１４上でゲート電極７１３と重なる酸化物半導体層７１５と、酸化物
半導体層７１５上に形成された一対の導電膜７２０及び導電膜７２１とを有する。さらに
、トランジスタ７２４は、絶縁膜７２２を、その構成要素に含めてもよい。図１５（Ｃ）
に示すトランジスタ７２４は、導電膜７２０と導電膜７２１の間において、酸化物半導体
層７１５の一部がエッチングされたチャネルエッチ構造である。
【０３８９】
なお、トランジスタ７２４はシングルゲート構造のトランジスタを用いて説明したが、必
要に応じて、電気的に接続する複数のゲート電極７１３を有することで、チャネル形成領
域を複数有する、マルチゲート構造のトランジスタも形成することができる。
【０３９０】
本実施の形態は、上記実施の形態と組み合わせて実施することが可能である。
【０３９１】
（実施の形態９）
本実施の形態では、実施の形態８とは異なる構造を有する、酸化物半導体層にチャネルが
形成されるトランジスタについて図１６を用いて説明する。
【０３９２】
なお、図１６（Ａ）乃至（Ｄ）に示すフォトセンサが備えるフォトダイオード７０４及び
ｎチャネル型トランジスタ７０５は、実施の形態８と同様の構成のため、説明を省略する
。
【０３９３】
図１６（Ａ）に示すトランジスタ７２４ａは、チャネル保護膜を有するボトムゲート型の
トランジスタである。
【０３９４】
トランジスタ７２４ａは、絶縁膜７１２上に形成されたゲート電極７３０と、ゲート電極
７３０上のゲート絶縁膜７３１と、ゲート絶縁膜７３１上においてゲート電極７３０と重
なる酸化物半導体層７３２と、ゲート電極７３０と重なる位置において酸化物半導体層７
３２上に形成されたチャネル保護膜７３３と、酸化物半導体層７３２上に形成された導電
膜７３４及び導電膜７３５とを有する。トランジスタ７２４ａは、導電膜７３４、導電膜
７３５、及びチャネル保護膜７３３上に形成された絶縁膜７３６を、構成要素に含めても
よい。
【０３９５】
チャネル保護膜７３３を設けることによって、酸化物半導体層７３２のチャネル形成領域
となる部分に対する、後の工程における、エッチング時のプラズマやエッチング剤による
膜減りなどのダメージを防ぐことができる。従ってトランジスタ７２４ａの信頼性を向上
させることができる。
【０３９６】
チャネル保護膜７３３には、酸素を含む無機材料（酸化シリコン、窒化酸化シリコン、酸
化窒化シリコン、酸化アルミニウム、又は酸化窒化アルミニウムなど）を用いることがで
きる。チャネル保護膜７３３は、プラズマＣＶＤ法や熱ＣＶＤ法などの気相成長法やスパ
ッタリング法を用いて形成することができる。チャネル保護膜７３３は成膜後にエッチン
グにより形状を加工する。ここでは、スパッタ法により酸化シリコン膜を形成し、フォト
リソグラフィによるマスクを用いてエッチング加工することでチャネル保護膜７３３を形
成する。
【０３９７】
酸素を含む無機材料をチャネル保護膜７３３に用いることで、水分又は水素を低減させる
ための加熱処理により酸化物半導体層７３２中に酸素欠損が発生していたとしても、酸化
物半導体層７３２にチャネル保護膜７３３から酸素を供給し、ドナーとなる酸素欠損を低
減することが可能である。よって、チャネル形成領域をｉ型に近づけることができ、酸素
欠損によるトランジスタ７２４ａの電気特性のばらつきを軽減し、電気特性の向上を実現
することができる。
【０３９８】
図１６（Ｂ）に示すトランジスタ７２４ｂは、ボトムコンタクト型のトランジスタである
。
【０３９９】
トランジスタ７２４ｂは、絶縁膜７１２上に形成されたゲート電極７４１と、ゲート電極
７４１上のゲート絶縁膜７４２と、ゲート絶縁膜７４２上の導電膜７４３及び導電膜７４
４と、ゲート絶縁膜７４２を間に挟んでゲート電極７４１と重なる酸化物半導体層７４５
とを有する。トランジスタ７２４ｂは、酸化物半導体層７４５上に形成された絶縁膜７４
６を、構成要素に含めてもよい。
【０４００】
なお、トランジスタ７２４ａやトランジスタ７２４ｂは、バックゲート電極を有していて
もよい。
【０４０１】
図１６（Ｃ）に示すトランジスタ７２４ｃは、トップコンタクト型のトランジスタである
。
【０４０２】
トランジスタ７２４ｃは、絶縁膜７１２上に形成された酸化物半導体層７５５と、酸化物
半導体層７５５上の導電膜７５３及び導電膜７５４と、酸化物半導体層７５５、導電膜７
５３及び導電膜７５４上のゲート絶縁膜７５２と、ゲート絶縁膜７５２を間に挟んで酸化
物半導体層７５５と重なるゲート電極７５１とを有する。トランジスタ７２４ｃは、ゲー
ト電極７５１上に形成された絶縁膜７５６を、構成要素に含めてもよい。
【０４０３】
図１６（Ｄ）に示すトランジスタ７２４ｄは、トップコンタクト型のトランジスタである
。
【０４０４】
トランジスタ７２４ｄは、絶縁膜７１２上に形成された導電膜７６３及び導電膜７６４と
、導電膜７６３及び導電膜７６４上の酸化物半導体層７６５と、酸化物半導体層７６５、
導電膜７６３及び導電膜７６４上のゲート絶縁膜７６２と、ゲート絶縁膜７６２を間に挟
んで酸化物半導体層７６５と重なるゲート電極７６１とを有する。トランジスタ７２４ｄ
は、ゲート電極７６１上に形成された絶縁膜７６６を、構成要素に含めてもよい。
【０４０５】
本実施の形態は、上記実施の形態と組み合わせて実施することが可能である。
【符号の説明】
【０４０６】
ＦＤ    電荷保持ノード
ＦＤ＿１    電荷保持ノード
ＦＤ＿２    電荷保持ノード
ＦＤ＿Ａ    電荷保持ノード
ＦＤ＿Ｂ    電荷保持ノード
ＰＲ    リセット信号線
ＰＲ＿１    リセット信号線
ＰＲ＿２    リセット信号線
ＰＲ＿Ａ    リセット信号線
ＰＲ＿Ｂ    リセット信号線
ＲＤ    固定電源線
ＲＯ    フォトセンサ出力信号線
ＲＯ＿１    フォトセンサ出力信号線
ＲＯ＿２    フォトセンサ出力信号線
ＲＯ＿Ａ    フォトセンサ出力信号線
ＲＯ＿Ｂ    フォトセンサ出力信号線
Ｓ０〜Ｓ３    検出信号の電圧
ＳＥ    選択信号線
ＳＥ＿１    選択信号線
ＳＥ＿２    選択信号線
ＳＥ＿Ａ    選択信号線
ＳＥ＿Ｂ    選択信号線
Ｔ１〜Ｔ２７    時刻
ＴＸ    蓄積信号線
ＴＸ＿１    蓄積信号線
ＴＸ＿２    蓄積信号線
ＴＸ＿Ａ    蓄積信号線
ＴＸ＿Ｂ    蓄積信号線
ＶＨ    電源線
ＶＲ    リセット電源線
ＶＳ    フォトセンサ基準信号線
１０    距離測定システム
２０    距離測定装置
３０    フォトセンサ
４０    読み出し回路
５０    処理部
１００    フォトセンサ
１００＿１    第１のフォトセンサ
１００＿２    第２のフォトセンサ
１００Ａ    第１のフォトセンサ
１００Ｂ    第２のフォトセンサ
１０２    フォトダイオード
１０２＿１    フォトダイオード
１０２＿２    フォトダイオード
１０２Ａ    フォトダイオード
１０２Ｂ    フォトダイオード
１０３    トランジスタ
１０３＿１    トランジスタ
１０３＿２    トランジスタ
１０３Ａ    トランジスタ
１０３Ｂ    トランジスタ
１０４    トランジスタ
１０４＿１    トランジスタ
１０４＿２    トランジスタ
１０４Ａ    トランジスタ
１０４Ｂ    トランジスタ
１０５    トランジスタ
１０５＿１    トランジスタ
１０５＿２    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
１０７    ノード
１０７＿１    ノード
１０７＿２    ノード
１０７Ａ    ノード
１０９    トランジスタ
１０９＿１    トランジスタ
１０９＿２    トランジスタ
１０９Ａ    トランジスタ
１２０    読み出し回路
１２２    トランジスタ
１２４    電源供給配線
１３０    フォトセンサ
１５１    照射光
１５２    反射光
２１０    導電膜
２１１    導電膜
２１２    導電膜
２１３    導電膜
２１４    導電膜
２１５    半導体膜
２１６    半導体膜
２１７    半導体膜
２１８    導電膜
２１９    導電膜
２２０    導電膜
２２１    導電膜
２２２    導電膜
２２３    導電膜
２２４    導電膜
２２５    導電膜
２２６    導電膜
２２７    導電膜
２２８    ゲート絶縁膜
２２９    導電膜
２３７    導電膜
２３８    導電膜
２３９    導電膜
２５０    活性層
２５１    基板
２８１    絶縁膜
２８２    絶縁膜
３００    透光性基板
３０３    ｐ型半導体領域
３０４    ｉ型半導体領域
３０５    ｎ型半導体領域
３０６    ｉ型半導体領域
３０７    ｎ型半導体領域
３０８    ｉ型半導体領域
３０９    ｎ型半導体領域
３１０    絶縁層
３１１    ゲート電極
３１２    ゲート電極
３１３    絶縁層
３１４    導電層
３１５    導電層
３１６    導電層
３１７    導電層
３１８    ｐ型半導体領域
３１９    ｉ型半導体領域
３２０    ｎ型半導体領域
３２１    絶縁層
３２２    導電層
３２３    ｎ型半導体領域
３２４    導電層
３３１    遮光層
３３２    下地膜
７００    基板
７０１    絶縁膜
７０２    半導体膜
７０３    半導体膜
７０４    フォトダイオード
７０５    ｎチャネル型トランジスタ
７０７    ゲート電極
７０８    絶縁膜
７１１    配線
７１２    絶縁膜
７１３    ゲート電極
７１４    ゲート絶縁膜
７１５    酸化物半導体層
７１６    導電膜
７１７    導電膜
７１８    導電膜
７１９    導電膜
７２０    導電膜
７２１    導電膜
７２２    絶縁膜
７２４    トランジスタ
７２４ａ    トランジスタ
７２４ｂ    トランジスタ
７２４ｃ    トランジスタ
７２４ｄ    トランジスタ
７２７    領域
７２８    領域
７２９    領域
７３０    ゲート電極
７３１    ゲート絶縁膜
７３２    酸化物半導体層
７３３    チャネル保護膜
７３４    導電膜
７３５    導電膜
７３６    絶縁膜
７４１    ゲート電極
７４２    ゲート絶縁膜
７４３    導電膜
７４４    導電膜
７４５    酸化物半導体層
７４６    絶縁膜
７５１    ゲート電極
７５２    ゲート絶縁膜
７５３    導電膜
７５４    導電膜
７５５    酸化物半導体層
７５６    絶縁膜
７６１    ゲート電極
７６２    ゲート絶縁膜
７６３    導電膜
７６４    導電膜
７６５    酸化物半導体層
７６６    絶縁膜
１００１    フォトセンサ
【図１】
2020109416.tif 000011
【図２】
2020109416.tif 000012
【図３】
2020109416.tif 000013
【図４】
2020109416.tif 000014
【図５】
2020109416.tif 000015
【図６】
2020109416.tif 000016
【図７】
2020109416.tif 000017
【図８】
2020109416.tif 000018
【図９】
2020109416.tif 000019
【図１０】
2020109416.tif 000020
【図１１】
2020109416.tif 000021
【図１２】
2020109416.tif 000022
【図１３】
2020109416.tif 000023
【図１４】
2020109416.tif 000024
【図１５】
2020109416.tif 000025
【図１６】
2020109416.tif 000026