(57)【要約】新規な半導体装置の提供。半導体装置が、人工知能を利用してデータを圧縮する機能を有する。具体的には、半導体装置は人工ニューラルネットワークを有し、画像データの分類と、当該分類の結果に応じた画像データの圧縮を、人工ニューラルネットワークによる推論（認知）によって行う機能を有する。これにより、画像データの属性に応じて効果的な圧縮を行うことができるため、劣化が少なく、かつ高い圧縮率で画像データを圧縮することが可能となり、半導体装置の正確性を向上させることができる。
2018189613.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
分類部と、分割部と、第１の圧縮部と、を有し、
前記分類部は、画像データを分類し、分類結果に対応する第１のデータを出力する機能を有し、
前記分割部は、前記画像データを複数の第２のデータに分割する機能を有し、
前記第１の圧縮部は、前記複数の第２のデータのいずれか一を圧縮し、第３のデータを出力する機能を有し、
前記分類部は、第１のニューラルネットワークを有し、
前記第１の圧縮部は、第２のニューラルネットワークを有し、
前記第１のニューラルネットワークの入力層には、前記画像データが入力され、
前記第１のニューラルネットワークの出力層から、前記第１のデータが出力され、
前記第２のニューラルネットワークの入力層には、前記複数の第２のデータのいずれか一が入力され、
前記第２のニューラルネットワークの出力層から、前記第３のデータが出力され、
前記第２のニューラルネットワークの重み係数は、前記第１のデータに基づいて決定される半導体装置。
【請求項２】
分類部と、分割部と、第１の圧縮部と、記憶部と、を有し、
前記分類部は、画像データを分類し、分類結果に対応する第１のデータを出力する機能を有し、
前記分割部は、前記画像データを複数の第２のデータに分割する機能を有し、
前記第１の圧縮部は、前記複数の第２のデータのいずれか一を圧縮し、第３のデータを出力する機能を有し、
前記記憶部は、複数の重み係数を記憶する機能を有し、
前記分類部は、第１のニューラルネットワークを有し、
前記第１の圧縮部は、第２のニューラルネットワークを有し、
前記第１のニューラルネットワークの入力層には、前記画像データが入力され、
前記第１のニューラルネットワークの出力層から、前記第１のデータが出力され、
前記第２のニューラルネットワークの入力層には、前記複数の第２のデータのいずれか一が入力され、
前記第２のニューラルネットワークの出力層から、前記第３のデータが出力され、
前記第１のデータに基づいて前記複数の重み係数のいずれか一が選択され、前記記憶部から前記第２のニューラルネットワークに出力される半導体装置。
【請求項３】
請求項１又は２において、
縮小部を有し、
前記縮小部は、前記画像データを縮小する機能を有し、
前記第１のニューラルネットワークの入力層には、前記縮小された画像データが入力される半導体装置。
【請求項４】
請求項１又は２において、
前記第２のニューラルネットワークは、オートエンコーダの入力層及び中間層によって構成されている半導体装置。
【請求項５】
受光部と、請求項１又は２に記載の半導体装置を有する第２の圧縮部と、を有し、
前記受光部は、撮像データを生成し、前記撮像データを前記第２の圧縮部に送信する機能を有し、
前記第２の圧縮部は、前記撮像データを圧縮する機能を有し、
前記受光部が有するトランジスタは、前記第２の圧縮部が有するトランジスタの上方に積層されている撮像装置。
【請求項６】
請求項１又は２に記載の半導体装置を有する信号生成部と、表示部と、を有し、
前記信号生成部は、画像処理部と、エンコーダと、を有し、
前記表示部は、デコーダを有し、
前記エンコーダは、前記半導体装置を有し、
前記エンコーダは、前記画像処理部によって生成された画像信号を圧縮する機能を有し、
前記デコーダは、前記圧縮された画像信号を伸長する機能を有する表示システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本発明の一態様は、半導体装置、撮像装置及び表示システムに関する。【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本発明の一態様の技術分野としては、半導体装置、撮像装置、表示装置、発光装置、蓄電装置、記憶装置、表示システム、電子機器、照明装置、入力装置、入出力装置、それらの駆動方法、又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】また、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、演算装置、記憶装置等は半導体装置の一態様である。また、表示装置、撮像装置、電気光学装置、発電装置（薄膜太陽電池、有機薄膜太陽電池等を含む）、及び電子機器は半導体装置を有している場合がある。
【背景技術】
【０００４】テレビジョン（ＴＶ）は、大画面化に伴って高精細度の画像を表示できることが望まれており、超高解像度テレビジョン放送が推進されている。２０１６年には８Ｋデジタルテレビ放送の試験放送が開始され、そのため、８Ｋ放送に対応するための各種の電子機器が開発されている。【０００５】また、画像の表示には、液晶表示装置や発光表示装置に代表されるフラットパネルディスプレイが広く用いられている。これらの表示装置を構成するトランジスタの半導体材料には主にシリコンなどが用いられているが、近年、金属酸化物を用いたトランジスタを表示装置の画素に用いる技術も開発されている（例えば、特許文献１、２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−９６０５５号公報
【特許文献２】特開２００７−１２３８６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】本発明の一態様は、新規な半導体装置の提供を課題とする。又は、本発明の一態様は、信頼性の高い半導体装置の提供を課題とする。又は、本発明の一態様は、劣化が少なく、かつ高圧縮率でデータの圧縮が可能な半導体装置の提供を課題とする。又は、本発明の一態様は、データ圧縮処理の簡易化が可能な半導体装置の提供を課題とする。又は、本発明の一態様は、消費電力が低い半導体装置の提供を課題とする。又は、本発明の一態様は、高速動作が可能な半導体装置の提供を課題とする。又は、本発明の一態様は、回路面積の小さい半導体装置の提供を課題とする。【０００８】なお、本発明の一態様は、必ずしも上記の課題の全てを解決する必要はなく、少なくとも一の課題を解決できるものであればよい。また、上記の課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。これら以外の課題は、明細書、特許請求の範囲、図面などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、特許請求の範囲、図面などの記載から、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】
【０００９】本発明の一態様に係る半導体装置は、分類部と、分割部と、圧縮部と、を有し、分類部は、画像データを分類し、分類結果に対応する第１のデータを出力する機能を有し、分割部は、画像データを複数の第２のデータに分割する機能を有し、圧縮部は、複数の第２のデータのいずれか一を圧縮し、第３のデータを出力する機能を有し、分類部は、第１のニューラルネットワークを有し、圧縮部は、第２のニューラルネットワークを有し、第１のニューラルネットワークの入力層には、画像データが入力され、第１のニューラルネットワークの出力層から、第１のデータが出力され、第２のニューラルネットワークの入力層には、複数の第２のデータのいずれか一が入力され、第２のニューラルネットワークの出力層から、第３のデータが出力され、第２のニューラルネットワークの重み係数は、第１のデータに基づいて決定される。【００１０】また、本発明の一態様に係る半導体装置は、分類部と、分割部と、圧縮部と、記憶部と、を有し、分類部は、画像データを分類し、分類結果に対応する第１のデータを出力する機能を有し、分割部は、画像データを複数の第２のデータに分割する機能を有し、圧縮部は、複数の第２のデータのいずれか一を圧縮し、第３のデータを出力する機能を有し、記憶部は、複数の重み係数を記憶する機能を有し、分類部は、第１のニューラルネットワークを有し、圧縮部は、第２のニューラルネットワークを有し、第１のニューラルネットワークの入力層には、画像データが入力され、第１のニューラルネットワークの出力層から、第１のデータが出力され、第２のニューラルネットワークの入力層には、複数の第２のデータのいずれか一が入力され、第２のニューラルネットワークの出力層から、第３のデータが出力され、第１のデータに基づいて複数の重み係数のいずれか一が選択され、記憶部から第２のニューラルネットワークに出力される。【００１１】また、本発明の一態様に係る半導体装置は、縮小部を有し、縮小部は、画像データを縮小する機能を有し、第１のニューラルネットワークの入力層には、縮小された画像データが入力されてもよい。【００１２】また、本発明の一態様に係る半導体装置において、第２のニューラルネットワークは、オートエンコーダの入力層及び中間層によって構成されていてもよい。【００１３】また、本発明の一態様に係る撮像装置は、受光部と、上記の半導体装置を有する圧縮部と、を有し、受光部は、撮像データを生成し、撮像データを圧縮部に送信する機能を有し、圧縮部は、撮像データを圧縮する機能を有し、受光部が有するトランジスタは、圧縮部が有するトランジスタの上方に積層されている。【００１４】また、本発明の一態様に係る表示システムは、上記の半導体装置を有する信号生成部と、表示部と、を有し、信号生成部は、画像処理部と、エンコーダと、を有し、表示部は、デコーダを有し、エンコーダは、半導体装置を有し、エンコーダは、画像処理部によって生成された画像信号を圧縮する機能を有し、デコーダは、圧縮された画像信号を伸長する機能を有する。
【発明の効果】
【００１５】本発明の一態様により、新規な半導体装置を提供することができる。又は、本発明の一態様により、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。又は、本発明の一態様により、劣化が少なく、かつ高圧縮率でデータの圧縮が可能な半導体装置を提供することができる。又は、本発明の一態様により、データ圧縮処理の簡易化が可能な半導体装置を提供することができる。又は、本発明の一態様により、消費電力が低い半導体装置を提供することができる。又は、本発明の一態様により、高速動作が可能な半導体装置を提供することができる。又は、本発明の一態様により、回路面積の小さい半導体装置を提供することができる。【００１６】なお、これらの効果の記載は、他の効果の存在を妨げるものではない。また、本発明の一態様は、必ずしも、これらの効果の全てを有する必要はない。これら以外の効果は、明細書、特許請求の範囲、図面などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、特許請求の範囲、図面などの記載から、これら以外の効果を抽出することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】半導体装置の構成例を示す図。
【図２】縮小部による処理の例を示す図。
【図３】分類部を説明する図及びクラスの例を示す図。
【図４】分割部による処理の例を示す図。
【図５】圧縮部の構成例を示す図。
【図６】オートエンコーダの構成例を示す図。
【図７】ニューラルネットワークによる処理の例を示す図。
【図８】演算装置の構成例を示す図。
【図９】事前学習の例を示す図。
【図１０】フローチャート。
【図１１】記憶部の構成例を示す図。
【図１２】記憶部の構成例を示す図。
【図１３】記憶部の構成例を示す図。
【図１４】撮像装置の構成例を示す図。
【図１５】撮像装置の構成例を示す図。
【図１６】画素の構成例を示す図。
【図１７】表示システムの構成例を示す図。
【図１８】表示部の構成例を示す図。
【図１９】表示部の構成例を示す図。
【図２０】表示部の構成例を示す図。
【図２１】表示パネルの構成例を示す図。
【図２２】表示装置の構成例を示す図。
【図２３】表示装置の構成例を示す図。
【図２４】表示装置の構成例を示す図。
【図２５】表示装置の構成例を示す図。
【図２６】トランジスタの構成例を示す図。
【図２７】トランジスタの構成例を示す図。
【図２８】トランジスタの構成例を示す図。
【図２９】エネルギーバンド構造を示す図。
【図３０】半導体装置の構成例を示す図。
【図３１】カメラモジュールの構成例を示す図。
【図３２】電子機器の構成例を示す図。
【図３３】電子機器の構成例を示す図。
【図３４】電子機器の構成例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の実施の形態における説明に限定されず、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。したがって、本発明は、以下の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。
【００１９】また、本明細書等において、金属酸化物（ｍｅｔａｌ  ｏｘｉｄｅ）とは、広い表現での金属の酸化物である。金属酸化物は、酸化物絶縁体、酸化物導電体（透明酸化物導電体を含む）、酸化物半導体（Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒまたは単にＯＳともいう）などに分類される。例えば、トランジスタのチャネル領域に金属酸化物を用いた場合、当該金属酸化物を酸化物半導体と呼称する場合がある。つまり、金属酸化物が増幅作用、整流作用、及びスイッチング作用の少なくとも１つを有する場合、当該金属酸化物を、金属酸化物半導体（ｍｅｔａｌ  ｏｘｉｄｅ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、略してＯＳと呼ぶことができる。以下、チャネル領域に金属酸化物を含むトランジスタを、ＯＳトランジスタとも表記する。
【００２０】また、本明細書等において、窒素を有する金属酸化物も金属酸化物（ｍｅｔａｌ  ｏｘｉｄｅ）と総称する場合がある。また、窒素を有する金属酸化物を、金属酸窒化物（ｍｅｔａｌ  ｏｘｙｎｉｔｒｉｄｅ）と呼称してもよい。金属酸化物の詳細については後述する。
【００２１】また、本明細書等において、ＸとＹとが接続されている、と明示的に記載されている場合は、ＸとＹとが電気的に接続されている場合と、ＸとＹとが機能的に接続されている場合と、ＸとＹとが直接接続されている場合とが、開示されているものとする。したがって、所定の接続関係、例えば、図又は文章に示された接続関係に限定されず、図又は文章に示された接続関係以外のものも、図又は文章に記載されているものとする。ここで、Ｘ、Ｙは、対象物（例えば、装置、素子、回路、配線、電極、端子、導電膜、層、など）であるとする。
【００２２】ＸとＹとが直接的に接続されている場合の一例としては、ＸとＹとの電気的な接続を可能とする素子（例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオード、表示素子、発光素子、負荷など）が、ＸとＹとの間に接続されていない場合であり、ＸとＹとの電気的な接続を可能とする素子を介さずに、ＸとＹとが、接続されている場合である。
【００２３】ＸとＹとが電気的に接続されている場合の一例としては、ＸとＹとの電気的な接続を可能とする素子（例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオード、表示素子、発光素子、負荷など）が、ＸとＹとの間に１個以上接続されることが可能である。なお、スイッチは、オンオフが制御される機能を有している。つまり、スイッチは、オン状態、又は、オフ状態になり、電流を流すか流さないかを制御する機能を有している。又は、スイッチは、電流を流す経路を選択して切り替える機能を有している。なお、ＸとＹとが電気的に接続されている場合は、ＸとＹとが直接的に接続されている場合を含むものとする。
【００２４】ＸとＹとが機能的に接続されている場合の一例としては、ＸとＹとの機能的な接続を可能とする回路（例えば、論理回路（インバータ、ＮＡＮＤ回路、ＮＯＲ回路など）、信号変換回路（ＤＡ変換回路、ＡＤ変換回路、ガンマ補正回路など）、電位レベル変換回路（電源回路（昇圧回路、降圧回路など）、信号の電位レベルを変えるレベルシフタ回路など）、電圧源、電流源、切り替え回路、増幅回路（信号振幅又は電流量などを大きく出来る回路、オペアンプ、差動増幅回路、ソースフォロワ回路、バッファ回路など）、信号生成回路、記憶回路、制御回路など）が、ＸとＹとの間に１個以上接続されることが可能である。なお、一例として、ＸとＹとの間に別の回路を挟んでいても、Ｘから出力された信号がＹへ伝達される場合は、ＸとＹとは機能的に接続されているものとする。なお、ＸとＹとが機能的に接続されている場合は、ＸとＹとが直接的に接続されている場合と、ＸとＹとが電気的に接続されている場合とを含むものとする。
【００２５】なお、ＸとＹとが電気的に接続されている、と明示的に記載されている場合は、ＸとＹとが電気的に接続されている場合（つまり、ＸとＹとの間に別の素子又は別の回路を挟んで接続されている場合）と、ＸとＹとが機能的に接続されている場合（つまり、ＸとＹとの間に別の回路を挟んで機能的に接続されている場合）と、ＸとＹとが直接接続されている場合（つまり、ＸとＹとの間に別の素子又は別の回路を挟まずに接続されている場合）とが、本明細書等に開示されているものとする。つまり、ＸとＹとが電気的に接続されている、と明示的に記載されている場合は、単に、ＸとＹとが接続されている、とのみ明示的に記載されている場合と同様な内容が、本明細書等に開示されているものとする。
【００２６】また、図面上は独立している構成要素同士が電気的に接続しているように図示されている場合であっても、１つの構成要素が、複数の構成要素の機能を併せ持っている場合もある。例えば配線の一部が電極としても機能する場合は、一の導電膜が、配線の機能、及び電極の機能の両方の構成要素の機能を併せ持っている。したがって、本明細書における電気的に接続とは、このような、一の導電膜が、複数の構成要素の機能を併せ持っている場合も、その範疇に含める。
【００２７】（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明の一態様に係る半導体装置について説明する。
【００２８】＜半導体装置の構成例＞
図１に、半導体装置１０の構成例を示す。半導体装置１０は、外部から入力されたデータを符号化（圧縮）する機能を有する。よって、半導体装置１０はエンコーダと呼ぶこともできる。
【００２９】半導体装置１０は、人工知能（ＡＩ：Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ  Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ）を利用してデータを圧縮する機能を有する。具体的には、半導体装置１０は人工ニューラルネットワーク（ＡＮＮ：Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ  Ｎｅｕｒａｌ  Ｎｅｔｗｏｒｋ）を有し、画像データの分類と、当該分類の結果に応じた画像データの圧縮を、人工ニューラルネットワークによる推論（認知）によって行う機能を有する。これにより、画像データの属性に応じて効果的な圧縮を行うことができるため、劣化が少なく、かつ高い圧縮率で画像データを圧縮することが可能となり、半導体装置１０の正確性を向上させることができる。
【００３０】なお、人工知能とは、人間の知能を模した計算機の総称である。本明細書等において、人工知能には人工ニューラルネットワークが含まれる。人工ニューラルネットワークは、ニューロンとシナプスで構成される神経網を模した回路である。本明細書等において「ニューラルネットワーク」と記載する場合、特に人工ニューラルネットワークを指す。また、本明細書等において、人工知能には機械学習を用いて演算を行う計算機も含まれる。以下、人工知能を備えた半導体装置１０について詳述する。
【００３１】半導体装置１０は、縮小部２０、分類部３０、分割部４０、分配部５０、複数の圧縮部６０、記憶部７０を有する。これらはいずれも、回路によって構成することができる。
【００３２】半導体装置１０には画像データ（データＤ）が入力される。データＤの内容は特に限定されず、例えば、撮像素子などによって取得した撮像データ、有線又は無線の放送信号などを用いることができる。そして、データＤは半導体装置１０によって圧縮され、データＤｃｏｍとして出力される。
【００３３】縮小部２０は、データＤを縮小する機能を有する。縮小部２０によって縮小されたデータＤは、データＤｒｅｄとして分類部３０に出力される。データＤの縮小により、分類部３０による画像データの分類に要する処理の負担を低減し、動作速度を向上させることができる。
【００３４】データＤの縮小の方法は特に限定されず、自由に選択することができる。図２に、縮小部２０による処理の一例を示す。図２に示すデータＤは、ｎ０行ｍ０列（ｎ０、ｍ０は１以上の整数）の画素ｐｉｘに表示される画像の階調に対応する、ｎ０×ｍ０個のデータＤｐによって構成されている。そして、縮小部２０は、特定の領域Ａに属する複数のデータＤｐに基づいてデータＤｐｐを生成する機能を有する。データＤｐｐとしては例えば、領域Ａに属する複数のデータＤｐの最大値、最小値、又は平均値などを用いることができる。そして、全ての領域Ａについて上記の処理が行われると、ｎ１行ｍ１列（ｎ１は１以上ｎ０未満の整数、ｍ１は１以上ｍ０未満の整数）の画素ｐｉｘｘに表示される画像の階調に対応する、ｎ１×ｍ１個のデータＤｐｐが生成される。これらのデータＤｐｐが、データＤｒｅｄとして分類部３０に出力される。
【００３５】なお、図２では領域Ａに２行２列の画素ｐｉｘが含まれる構成を示しているが、領域Ａは自由に設定することができる。例えば、領域Ａに含まれるデータＤｐの数は任意に設定することができる。
【００３６】分類部３０は、データＤｒｅｄに基づいて画像データを分類する機能を有する。具体的には、分類部３０はニューラルネットワークＮＮ１を有し、ニューラルネットワークＮＮ１による推論により画像データを分類する機能を有する。なお、ニューラルネットワークＮＮ１はハードウェアによって構成してもよいし、ソフトウェアによって構成してもよい。
【００３７】図３（Ａ）は、ニューラルネットワークＮＮ１を有する分類部３０を説明する図である。ニューラルネットワークＮＮ１は、入力層ＩＬ、出力層ＯＬ、及び隠れ層（中間層）ＨＬを有する。入力層ＩＬには、データＤｒｅｄを構成する複数のデータＤｐｐが入力される。
【００３８】なお、ニューラルネットワークＮＮ１は、隠れ層ＨＬを複数有するネットワーク（ＤＮＮ：ディープニューラルネットワーク）であってもよい。ディープニューラルネットワークによる学習を深層学習と呼ぶことがある。出力層ＯＬ、入力層ＩＬ、隠れ層ＨＬはそれぞれ複数のユニット（ニューロン回路）を有し、各ユニットの出力データは、重み（結合強度）が乗じられた後、異なる層に設けられたユニットに供給される。なお、各層に含まれるユニットの数は自由に設定することができる。
【００３９】ニューラルネットワークＮＮ１には、データＤｐｐ１乃至Ｄｐｐｉ（ｉは１以上の整数）に基づいてデータＤｒｅｄを分類する機能が学習によって付加されている。そして、ニューラルネットワークＮＮ１の入力層にデータＤｐｐ１乃至Ｄｐｐｉが入力されると、各層において演算処理が行われる。各層における演算処理は、前層のユニットの出力データと重み係数との積和演算などにより実行される。なお、層間の結合は全てのユニット同士が結合された全結合としてもよいし、一部のユニット同士が結合された部分結合としてもよい。演算の結果、出力層ＯＬからデータＤｃ１乃至Ｄｃｊ（ｊは１以上の整数）が出力される。データＤｃ１乃至Ｄｃｊは、データＤｒｅｄをｊ種類のクラスｃ１乃至ｃｊに分類した結果に相当する。
【００４０】図３（Ｂ）に、クラスの例を示す。図中の画像ＩＭＧは、データＤｒｅｄに対応する縮小画像を表す。そして、データＤｒｅｄは例えば、画像ＩＭＧに文字が表示される場合はクラスｃ１、画像ＩＭＧの上部に文字、その下に物体が表示される場合はクラスｃ２、画像ＩＭＧの下部に文字、その上に物体が表示される場合はクラスｃ３、画像ＩＭＧに物体が表示される場合はクラスｃ４、といったように、画像ＩＭＧの内容に応じてクラス分類をすることができる。
【００４１】データＤｃ１乃至Ｄｃｊはそれぞれ、データＤｒｅｄがクラスｃ１乃至ｃｊに属する確率に対応させることができる。よって、データＤｒｅｄは最も値が大きいデータＤｃに対応するクラスに属することが推定される。したがって、出力層ＯＬから出力されるデータＤｃ１乃至Ｄｃｊに基づいてデータＤｒｅｄを分類することができる。
【００４２】ニューラルネットワークＮＮ１としては、オートエンコーダを用いることが好ましい。オートエンコーダの詳細については後述する。又は、ニューラルネットワークＮＮ１として、教師あり学習を行うニューラルネットワークを用いることもできる。この場合、例えば、出力層ＯＬのユニット数をｊ個とし、出力層ＯＬの活性化関数としてソフトマックス関数などを用いることができる。又は、ニューラルネットワークＮＮ１として、畳み込み層、プーリング層、及び全結合層を有する畳み込みニューラルネットワーク（ＣＮＮ：Ｃｏｎｖｏｌｕｔｉｏｎａｌ  Ｎｅｕｒａｌ  Ｎｅｔｗｏｒｋ）を用いることもできる。この場合、全結合層の出力層のユニット数をｊ個とすればよい。なお、データＤｒｅｄの分類には各種の機械学習を用いてもよい。
【００４３】このように、ニューラルネットワークＮＮ１によってデータＤｒｅｄが分類される。そして、分類結果がデータＤｃｌｓとして記憶部７０に出力される。なお、図１には１つの記憶部７０を示しているが、複数の記憶部７０をそれぞれ圧縮部６０の周辺に配置することもできる。
【００４４】なお、上記のようにデータＤはデータＤｒｅｄに縮小された後、ニューラルネットワークＮＮ１に入力される。そのため、ニューラルネットワークＮＮ１による演算量を低減し、処理速度を向上させることができる。これにより、データＤのデータ量が大きい場合、例えば、データＤがフルハイビジョン以上の解像度の画像（２Ｋ１Ｋ、４Ｋ２Ｋ、８Ｋ４Ｋなど）を表示するための画像データである場合なども、画像データの分類を円滑に行うことができる。
【００４５】なお、ニューラルネットワークＮＮ１による分類に支障がない場合は、縮小部２０を省略し、データＤを分類部３０に入力することもできる。
【００４６】分割部４０は、データＤを複数のデータＤｄｉｖに分割する機能を有する。図４に、分割部４０による処理の例を示す。分割部４０は、データＤを領域Ｂごとに分割し、領域Ｂに含まれる複数のデータＤｐによって構成されるデータＤｄｉｖを生成する機能を有する。これにより、データＤがＮ×Ｍ個（Ｎは１以上ｎ０未満の整数、Ｍは１以上ｍ０未満の整数）のデータＤｄｉｖ（Ｄｄｉｖ［１，１］乃至Ｄｄｉｖ［Ｎ，Ｍ］）に分割され、分配部５０に出力される。
【００４７】なお、図４では領域Ｂに２行２列の画素ｐｉｘが含まれる構成を示しているが、領域Ｂは自由に設定することができる。例えば、領域Ｂに含まれるデータＤｐの数は任意に設定することができる。また、分割部４０はデータＤを空間的に分割してもよいし、画像構成に基づいて分割してもよい。
【００４８】分配部５０は、データＤｄｉｖを複数の圧縮部６０のいずれかに分配する機能を有する。これにより、データＤｄｉｖをそれぞれ異なる圧縮部６０に供給し、画像データの圧縮をデータＤｄｉｖごとに行うことができる。よって、データＤのデータ量が大きい場合であっても、データの圧縮を円滑に行うことができる。分配部５０は、例えばデマルチプレクサなどによって構成することができる。
【００４９】なお、以下では一例として、データＤｄｉｖの数と圧縮部６０の数が同一である場合について説明するが、圧縮部６０の数がデータＤｄｉｖの数よりも少なくてもよい。この場合、一の圧縮部６０によって複数のデータＤｄｉｖの圧縮が行われる。
【００５０】複数の圧縮部６０はそれぞれ、データＤｄｉｖを圧縮する機能を有する。具体的には、圧縮部６０はニューラルネットワークＮＮ２を有し、ニューラルネットワークＮＮ２による推論によりデータＤｄｉｖを圧縮してデータＤｄｉｖｃを生成する機能を有する。
【００５１】図５に、ニューラルネットワークＮＮ２を有する圧縮部６０の構成例を示す。ここでは、データＤｄｉｖ［１，１］乃至Ｄｄｉｖ［Ｎ，Ｍ］がそれぞれ、圧縮部６０［１，１］乃至６０［Ｎ，Ｍ］が有するニューラルネットワークＮＮ２［１，１］乃至ＮＮ２［Ｎ，Ｍ］に入力される場合を示す。ニューラルネットワークＮＮ２は、入力層ＩＬ、出力層ＯＬ、及び隠れ層ＨＬを有する。入力層ＩＬにはデータＤｄｉｖが入力される。なお、ニューラルネットワークＮＮ２はディープニューラルネットワークであってもよい。また、ニューラルネットワークＮＮ２はハードウェアによって構成してもよいし、ソフトウェアによって構成してもよい。
【００５２】ニューラルネットワークＮＮ２には、データＤｄｉｖの圧縮データＤｄｉｖｃを生成する機能が学習によって付加されている。具体的には、ニューラルネットワークＮＮ２は入力層ＩＬに入力されたデータＤｄｉｖから特徴を抽出し、当該特徴に応じたデータＤｄｉｖｃを出力層ＯＬから出力する機能を有する。
【００５３】ここで、ニューラルネットワークＮＮ２にはオートエンコーダを用いることができる。オートエンコーダＡＥの構成例を図６に示す。オートエンコーダＡＥは、入力層ＩＬ、出力層ＯＬ、及び中間層ＨＬ１乃至ＨＬ２Ｌ−１（Ｌは１以上の整数）を有する。ここで、第Ｌ層目の中間層ＨＬＬのユニット数は、入力層ＩＬ及び出力層ＯＬのユニット数よりも小さい。そして、オートエンコーダＡＥの重み係数は、入力層ＩＬに入力されるデータＤｄｉｖと出力層ＯＬから出力されるデータＤｄｉｖの誤差が一定以下になるように設定されている。
【００５４】ここで、中間層ＨＬＬから出力されるデータは、入力層ＩＬに入力されたデータＤｄｉｖの次元を削減して得られるデータとみなすことができる。そのため、入力層ＩＬから中間層ＨＬＬまでの領域はデータＤｄｉｖを符号化するエンコーダＥＮＣ、中間層ＨＬＬから出力層ＯＬまでの領域はデータＤｄｉｖを復号するデコーダＤＥＣとみなすことができる。そして、中間層ＨＬＬから出力されるデータＤｄｉｖｃは、入力層ＩＬに入力されたデータＤｄｉｖの圧縮データに相当する。
【００５５】オートエンコーダＡＥにおけるエンコーダＥＮＣの領域を、図５におけるニューラルネットワークＮＮ２として用いることができる。この場合、入力層ＩＬ及び中間層ＨＬ１乃至ＨＬＬによりニューラルネットワークＮＮ２が構成される。また、オートエンコーダＡＥの中間層ＨＬＬがニューラルネットワークＮＮ２の出力層ＯＬに相当する。
【００５６】また、エンコーダＥＮＣによって圧縮されたデータＤの復号は、中間層ＨＬＬ乃至ＨＬ２Ｌ−１と出力層ＯＬによって構成されるデコーダＤＥＣにデータＤｄｉｖｃを入力することにより行うことができる。
【００５７】オートエンコーダＡＥの中間層ＨＬの数、及び中間層ＨＬに含まれるユニット数は、自由に設定することができる。中間層ＨＬの数の増加、又は中間層ＨＬに含まれるユニット数の増加により、符号化及び復号の精度を向上させ、画像データの劣化を抑制することができる。なお、Ｌ＞１である場合、オートエンコーダＡＥをディープオートエンコーダと呼ぶことがある。
【００５８】上記のオートエンコーダＡＥを用いてニューラルネットワークＮＮ２［１，１］乃至ＮＮ２［Ｎ，Ｍ］を構成し、データＤｄｉｖ［１，１］乃至Ｄｄｉｖ［Ｎ，Ｍ］を圧縮することによって、データＤｄｉｖｃ［１，１］乃至Ｄｄｉｖｃ［Ｎ，Ｍ］が得られる。
【００５９】なお、図６に示すオートエンコーダＡＥは、ニューラルネットワークＮＮ１に用いることもできる。この場合、入力層ＩＬと中間層ＨＬ１乃至ＨＬＬ（エンコーダＥＮＣ）によりニューラルネットワークＮＮ１が構成される。また、オートエンコーダＡＥの中間層ＨＬＬから、データＤｒｅｄの符号化データが出力される。この符号化データがニューラルネットワークＮＮ１の出力層ＯＬから出力されるデータＤｃｌｓに相当し、クラス分類は符号化データに基づいて行われる。例えば、中間層ＨＬＬのユニット数をｊ個とすると、データＤｒｅｄがエンコードされることによって、２ｊ値の符号化データが得られる。ここで、ユニットから出力された値を、ある状態を示す確率が高い場合ではデータ“１”に対応させ、ある状態を示す確率が低い場合ではデータ“０”に対応させることで、ｊ桁の２進数を得ることができる。これにより、分類部３０は画像データを２ｊのクラスに分類することができ、圧縮部６０は２ｊ種類の重み係数Ｗを利用することができる。なお、オートエンコーダＡＥに確率モデルを用いる例については、後述の図９において説明する。
【００６０】ここで、ニューラルネットワークＮＮ２［１，１］乃至ＮＮ２［Ｎ，Ｍ］のネットワーク構成はそれぞれ独立に設定することができる。具体的には、ニューラルネットワークＮＮ２［１，１］乃至ＮＮ２［Ｎ，Ｍ］にはそれぞれ個別の重み係数Ｗｃｏｍ［１，１］乃至Ｗｃｏｍ［Ｎ，Ｍ］を用いることができる。これにより、データ圧縮の内容を圧縮部６０ごとに制御することができる。重み係数Ｗｃｏｍ［１，１］乃至Ｗｃｏｍ［Ｎ，Ｍ］は、図１に示す記憶部７０から供給される。
【００６１】このように、データの圧縮にニューラルネットワークを用いることにより、圧縮を比較的単純な処理によって行うことができる。そのため、データ圧縮処理の簡易化、又は消費電力の低減を図ることができる。
【００６２】記憶部７０は、複数の重み係数Ｗｃｏｍを記憶する機能を有する。そして、画像データの分類結果を示すデータＤｃｌｓに基づいて、記憶部７０に記憶された複数の重み係数Ｗｃｏｍからいずれか一が選択され、ニューラルネットワークＮＮ２に出力される。これにより、画像データの分類結果に応じてニューラルネットワークＮＮ２の重み係数Ｗｃｏｍを切り替えることができ、入力される画像データの属性に適した方法で圧縮を行うことができる。
【００６３】図７に、画像データのクラスに応じたニューラルネットワークＮＮ２による処理の例を示す。なお、図７には、データＤが図３（Ｂ）に示す４つのクラスｃ１乃至ｃ４に分類される場合の例を示している。
【００６４】データＤがクラスｃ１に分類された場合、データＤは主に文字が表示される画像のデータであることが推測される（図７（Ａ））。このとき、データＤｄｉｖの圧縮を行うニューラルネットワークＮＮ２には、文字のデータの圧縮に適した重み係数Ｗｃｈａｒａｃｔｅｒが用いられる。
【００６５】データＤがクラスｃ２又はｃ３に分類された場合、データＤは文字及び物体が表示される画像データであることが推測される（図７（Ｂ）、（Ｃ））。このとき、文字が表示される領域（クラスｃ２の画像の上部、及び、クラスｃ３の画像の下部）に対応するデータＤｄｉｖの圧縮を行うニューラルネットワークＮＮ２には、文字のデータの圧縮に適した重み係数Ｗｃｈａｒａｃｔｅｒが用いられる。一方、物体が表示される領域（クラスｃ２の画像の文字の下側、及び、クラスｃ３の画像の文字の上側）に対応するデータＤｄｉｖの圧縮を行うニューラルネットワークＮＮ２には、物体のデータの圧縮に適した重み係数Ｗｏｂｊｅｃｔが用いられる。
【００６６】データＤがクラスｃ４に分類された場合（図７（Ｄ））、データＤは主に物体が表示される画像のデータであることが推測される。このとき、データＤｄｉｖの圧縮を行うニューラルネットワークＮＮ２には、物体のデータの圧縮に適した重み係数Ｗｃｏｍ（Ｗｏｂｊｅｃｔ）が用いられる。
【００６７】このように、データＤに含まれる複数のデータＤｄｉｖの圧縮が、それぞれ画像の内容に応じて選択された重み係数Ｗｃｏｍを用いて個別に行われる。これにより、ニューラルネットワークＮＮ２の重み係数を固定値にする場合と比較して、圧縮率を向上させることができる。
【００６８】なお、重み係数Ｗｃｏｍの種類は上記に限られない。例えば、文字の種類ごと（アルファベット文字、数字など）に重み係数Ｗｃｏｍを設定してもよいし、物体の種類ごと（人間、建物、背景など）に重み係数Ｗｃｏｍを設定してもよい。
【００６９】圧縮部６０［１，１］乃至６０［Ｎ，Ｍ］によって生成されたデータＤｄｉｖｃ［１，１］乃至Ｄｄｉｖｃ［Ｎ，Ｍ］によって、データＤｃｏｍが構成される（図１）。そして、データＤｃｏｍはデータＤの圧縮データとして半導体装置１０の外部に出力される。
【００７０】以上の通り、半導体装置１０は、ニューラルネットワークＮＮ１を用いて画像データを分類すると共に、当該分類の結果に応じて、分割された複数の画像データの圧縮条件をそれぞれ独立して制御することができる。これにより、劣化が少なく、かつ高い圧縮率で画像データを圧縮することが可能となり、半導体装置１０の正確性を向上させることができる。
【００７１】なお、ここでは圧縮部６０の数がデータＤｄｉｖの数と同一である場合について説明したが、圧縮部６０の数をデータＤｄｉｖの分類クラス数とすることもできる。例えば、文字のデータを圧縮する圧縮部６０、物体のデータを圧縮する圧縮部６０など、データＤｄｉｖの内容に応じて圧縮部６０を設けることもできる。この場合、分配部５０はデータＤｃｌｓに基づいてデータＤｄｉｖを圧縮部６０に分配する。これにより、データＤｄｉｖは属性に応じて圧縮される。
【００７２】＜ニューラルネットワークによる学習例＞
ニューラルネットワークＮＮ１、ＮＮ２による学習は、半導体装置１０の外部に設けられた演算装置などを用いて行うことができる。図８に、演算装置８０の構成例を示す。
【００７３】演算装置８０としては、専用サーバやクラウドなどの演算処理能力の優れた計算機を用いることができる。演算装置８０にニューラルネットワークＮＮ１、ＮＮ２に対応するソフトウェアを搭載することにより、ニューラルネットワークＮＮ１、ＮＮ２による学習を、演算装置８０を用いてソフトウェア上で行うことができる。そして、得られた重み係数を半導体装置１０のニューラルネットワークＮＮ１、ＮＮ２に格納することにより、ニューラルネットワークＮＮ１、ＮＮ２に学習結果を反映させることができる。
【００７４】具体的には、演算装置８０は、縮小部２０ａ、ニューラルネットワークＮＮ１ａ、分割部４０ａ、複数のニューラルネットワークＮＮ２ａを有する。ここでは、演算装置８０がｋ個（ｋは２以上の整数）のニューラルネットワークＮＮ２ａ［１］乃至ＮＮ２ａ［ｋ］を有する構成を示している。
【００７５】縮小部２０ａ、分割部４０ａはそれぞれ、図１における縮小部２０、分割部４０と同様の機能を有する。また、記憶装置９０には学習用の画像データ（データＤａ）が記憶されている。記憶装置９０から演算装置８０にデータＤａが入力されると、縮小部２０ａはデータＤａの縮小データＤｒｅｄａを生成し、分割部４０ａはデータＤａを複数のデータＤｄｉｖａに分割する。
【００７６】ニューラルネットワークＮＮ１ａはニューラルネットワークＮＮ１に対応する構成を有し、ニューラルネットワークＮＮ２ａはニューラルネットワークＮＮ２に対応する構成を有する。例えば、ニューラルネットワークＮＮ１ａはニューラルネットワークＮＮ１と階層数、及び各階層が有するユニット数が等しいネットワークによって構成することができ、ニューラルネットワークＮＮ２ａはニューラルネットワークＮＮ２と階層数、及び各階層が有するユニット数が等しいネットワークによって構成することができる。
【００７７】ニューラルネットワークＮＮ１ａは、データＤｒｅｄａを学習サンプルとして用いて学習を行う。ニューラルネットワークＮＮ１ａの学習方法は特に限定されず、自由に選択することができる。学習は教師なし学習であっても教師あり学習であってもよい。
【００７８】教師あり学習を用いる場合、データＤａの正しい分類結果に対応する教師データが、記憶装置９０からニューラルネットワークＮＮ１ａに供給される。そして、学習データと教師データの誤差が一定以下になるように重み係数が更新される。重み係数の更新には、誤差関数を用いた勾配降下法などを用いることができる。
【００７９】また、ニューラルネットワークＮＮ１ａは図６に示すオートエンコーダＡＥによって構成することもできる。この場合、ニューラルネットワークＮＮ１ａの入力層ＩＬに入力されるデータＤｒｅｄａと出力層ＯＬから出力されるデータの誤差が一定以下になるように重み係数が更新される。
【００８０】学習が完了し、所定の精度でデータＤａの分類が可能となったニューラルネットワークＮＮ１ａの重み係数をＷｃｌｓとする。この重み係数Ｗｃｌｓが半導体装置１０の分類部３０に供給され、ニューラルネットワークＮＮ１に格納されることにより、ニューラルネットワークＮＮ１に学習結果が反映される。
【００８１】また、ニューラルネットワークＮＮ１によるデータＤａの分類結果は、分割部４０ａに出力される。そして、分割部４０ａはニューラルネットワークＮＮ１の分類結果に応じて、複数のデータＤｄｉｖａをそれぞれ所定のニューラルネットワークＮＮ２ａに出力する。
【００８２】複数のニューラルネットワークＮＮ２ａ［１］乃至ＮＮ２ａ［ｋ］は、それぞれデータＤｄｉｖａを学習サンプルとして用いて学習を行う。具体的には、ニューラルネットワークＮＮ２ａを図６に示すオートエンコーダＡＥによって構成し、入力層ＩＬに入力されるデータＤｄｉｖａと出力層ＯＬから出力されるデータの誤差が一定以下になるように重み係数が更新される。
【００８３】なお、ニューラルネットワークＮＮ２ａ［１］乃至ＮＮ２ａ［ｋ］は、それぞれ所定のクラスのデータＤｄｉｖａの圧縮を担当する。例えば、ニューラルネットワークＮＮ２ａ［１］は文字のデータの圧縮を行い、ニューラルネットワークＮＮ２ａ［２］は物体のデータの圧縮を行い、ニューラルネットワークＮＮ２ａ［３］は背景のデータの圧縮を行う等、それぞれ異なるクラスのデータを圧縮する機能を有する。そして、分割部４０ａによって生成された複数のデータＤｄｉｖａは、データＤｄｉｖａのクラスに応じて特定のニューラルネットワークＮＮ２ａに入力される。
【００８４】そして、ニューラルネットワークＮＮ２ａ［１］乃至ＮＮ２ａ［ｋ］はそれぞれ、データＤｄｉｖａを学習サンプルとして用いて学習を行う。学習が完了し、所定の精度で画像データ符号化及び復号が可能となったニューラルネットワークＮＮ２ａ［１］乃至ＮＮ２ａ［ｋ］の重み係数を、それぞれＷ１乃至Ｗｋとする。この重み係数Ｗ１乃至Ｗｋは半導体装置１０に供給され、記憶部７０に格納される。
【００８５】そして、半導体装置１０によって画像データの圧縮が行われる際は、分類部３０から入力される分類結果に応じた重み係数Ｗｃｏｍが複数のニューラルネットワークＮＮ２にそれぞれ供給される。この重み係数Ｗｃｏｍは、上記の学習によって得られた重み係数Ｗ１乃至Ｗｋから、データＤｃｌｓに基づいて選択されたいずれか一の重み係数である。これにより、ニューラルネットワークＮＮ２によって重み係数Ｗ１乃至Ｗｋのいずれか一を用いた圧縮が行われる。このようにして、ニューラルネットワークＮＮ２ａによる学習結果がニューラルネットワークＮＮ２に反映される。
【００８６】なお、ニューラルネットワークＮＮ１又はニューラルネットワークＮＮ２にオートエンコーダＡＥを用いる場合、オートエンコーダＡＥによる学習には事前学習を用いることができる。事前学習は、オートエンコーダＡＥによる学習時、まず層ごとに学習を行うことによって重み係数の初期値を得る方法である。これにより、オートエンコーダＡＥによる学習を効率的に行うことができる。特に、オートエンコーダＡＥの中間層ＨＬが複数存在する場合、事前学習は有効である。
【００８７】図９に、オートエンコーダＡＥによる事前学習の例を示す。ここでは、オートエンコーダＡＥによる学習を隣接層ごとに行う手法について説明する。図９に示すように、オートエンコーダＡＥの入力層ＩＬから中間層ＨＬＬまでの層のうち隣接する２層の学習が、入力層ＩＬ側から順次行われる（層ごとの貪欲学習）。ここでは、隣接する２層によって構成されるネットワークを、確率モデルである制限ボルツマンマシン（ＲＢＭ：Ｒｅｓｔｒｉｃｔｅｄ  Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ  Ｍａｃｈｉｎｅ）とみなし、入力層ＩＬと中間層ＨＬ１によって構成されるＲＢＭ［１］から中間層ＨＬＬ−１と中間層ＨＬＬによって構成されるＲＢＭ［Ｌ］まで、順次学習が行われている。
【００８８】具体的には、まずＲＢＭ［１］による学習が行われ、学習が完了すると入力層ＩＬと中間層ＨＬ１間の重み係数が固定される。そして、中間層ＨＬ１の出力データが上位のＲＢＭ（ＲＢＭ［２］）による学習の入力データとして用いられる。このように順次ＲＢＭによる学習が行われ、重み係数が決定される。ＲＢＭによる学習には、コントラスティブダイバージェンス法などを用いることができる。
【００８９】上記の事前学習によって、オートエンコーダＡＥの良好な重み係数の初期値が得られ、オートエンコーダＡＥによる学習を円滑に行うことができる。
【００９０】以上の通り、本発明の一態様においては、ニューラルネットワークＮＮ１、ＮＮ２による学習を演算装置８０によって行うことができる。これにより、半導体装置１０に設けられたニューラルネットワークＮＮ１、ＮＮ２の構成を簡略化することができる。
【００９１】＜半導体装置の動作例＞
次に、図１に示す半導体装置１０の動作例を説明する。図１０は、画像データの圧縮を行う際の半導体装置１０の動作例を表すフローチャートである。なお、画像データの圧縮を行う際は、前述の学習によって得られた重み係数が事前にニューラルネットワークＮＮ１及び記憶部７０に格納されている（図８参照）。
【００９２】まず、半導体装置１０にデータＤ（画像データ）が入力され、縮小部２０及び分割部４０に供給される（ステップＳ１）。そして、縮小部２０によってデータＤが縮小され（ステップＳ２）、データＤｒｅｄとして分類部３０に出力される。
【００９３】データＤｒｅｄは、分類部３０が有するニューラルネットワークＮＮ１の入力層ＩＬに入力される。そして、ニューラルネットワークＮＮ１はデータＤｒｅｄを入力データとして用いた推論によってデータＤを分類する（ステップＳ３）。そして、分類結果に対応するデータＤｃｌｓが記憶部７０に出力される。
【００９４】記憶部７０にデータＤｃｌｓが入力されると、記憶部７０は、分類部３０による分類の結果に応じた重み係数Ｗｃｏｍを、複数の圧縮部６０に供給する。一例として、図３（Ａ）に示すようにデータＤｃ２の値が最も大きい場合、すなわちデータＤがクラスｃ２に属すると推定された場合を考える。このとき、図７（Ｂ）に示す画像の上部の文字に対応するデータの圧縮を行う圧縮部６０には、文字のデータの圧縮に適した重み係数Ｗｃｏｍが供給される。また、図７（Ｂ）に示す文字の下側の物体に対応するデータの圧縮を行う圧縮部６０には、物体のデータの圧縮に適した重み係数Ｗｃｏｍが供給される。なお、複数の圧縮部６０に供給される重み係数Ｗｃｏｍはそれぞれ、記憶部７０に格納されている重み係数Ｗ１乃至Ｗｋ（図８参照）から選択することができる。
【００９５】一方、データＤが入力された分割部４０は、データＤを複数のデータＤｄｉｖに分割する（ステップＳ５）。そして、複数のデータＤｄｉｖは分配部５０に供給される。
【００９６】分配部５０に複数のデータＤｄｉｖが入力されると、分配部５０はデータＤｄｉｖをそれぞれ異なる圧縮部６０に分配する（ステップＳ６）。なお、圧縮部６０の数がデータＤｄｉｖの数よりも少ない場合は、一の圧縮部６０に複数のデータＤｄｉｖが入力される。
【００９７】そして、データＤｄｉｖはそれぞれ圧縮部６０が有するニューラルネットワークＮＮ２の入力層に入力される。そして、ニューラルネットワークＮＮ２は推論によってデータＤｄｉｖを圧縮する（ステップＳ７）。ここで、ニューラルネットワークＮＮ２による推論は、データＤの分類結果に基づいて記憶部７０から供給された重み係数Ｗｃｏｍを用いて行われる。よって、データＤｄｉｖの属性に適した方法で圧縮が行われる。
【００９８】そして、圧縮部６０が有するニューラルネットワークＮＮ２の出力層からそれぞれ出力されたデータＤｄｉｖｃが統合され、データＤｃｏｍが生成される。そして、データＤｃｏｍがデータＤの圧縮データとして半導体装置１０の外部に出力される（ステップＳ８）。このようにして、ニューラルネットワークＮＮ１、ＮＮ２を用いた画像データの圧縮を行うことができる。
【００９９】以上の通り、本発明の一態様に係る半導体装置は、画像の分類結果に応じた画像データの圧縮を、人工知能を用いて行うことができる。これにより、画像データの属性に適した方法で圧縮を行うことができる。よって、画像データを劣化の少ない圧縮が可能となり、半導体装置１０の正確性を向上させることができる。
【０１００】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。
【０１０１】（実施の形態２）
本実施の形態では、上記実施の形態で説明した記憶部の構成例について説明する。
【０１０２】記憶部７０は、データＤｃｌｓに応じてニューラルネットワークＮＮ２に所定の重み係数Ｗｃｏｍを供給する。重み係数Ｗｃｏｍは、ニューラルネットワークＮＮ２が有するユニット間の結合強度を決定するための複数のパラメータによって構成されている。この複数のパラメータは、重み係数Ｗｃｏｍの切り替えの際に一括でニューラルネットワークＮＮ２に出力される。重み係数Ｗｃｏｍの切り替えを高速に行うことが可能な記憶部７０の構成例を、図１１に示す。
【０１０３】記憶部７０は、記憶回路Ｍｅｍ及びスイッチ回路ＳＣを有する。記憶回路Ｍｅｍには、パラメータのセットがｋ個、個別に格納されている（重み係数Ｗｃｏｍ［１］乃至Ｗｃｏｍ［ｋ］）。また、スイッチ回路ＳＣはスイッチＳＷ［１］乃至ＳＷ［ｋ］を有する。重み係数Ｗｃｏｍ［１］乃至Ｗｃｏｍ［ｋ］は、スイッチＳＷ［１］乃至ＳＷ［ｋ］を介してニューラルネットワークＮＮ２に供給される。ニューラルネットワークＮＮ２への重み係数Ｗｃｏｍの供給は、スイッチ回路ＳＣによって制御される。
【０１０４】ニューラルネットワークＮＮ２に供給される重み係数Ｗｃｏｍは、コンテキスト信号ＳＣＴＸによって制御される。コンテキスト信号ＳＣＴＸによって一のスイッチＳＷをオン状態とすることにより、ニューラルネットワークＮＮ２に特定の重み係数Ｗｃｏｍが供給される。コンテキスト信号ＳＣＴＸには、データＤｃｌｓに基づく信号を用いることができる。
【０１０５】このように、記憶部７０にパラメータのセットを複数格納し、信号ＳＣＴＸによってパラメータのセットを選択することにより、ニューラルネットワークＮＮ２の結合強度の切り替えを高速に行うことができる。以下、図１１に示すように複数のパラメータを一括で切り替える方式を、コンテキスト方式という。
【０１０６】図１２に、コンテキスト方式を実現するための記憶部７０の構成例を示す。図１２に示す記憶部７０は、図１１における記憶回路Ｍｅｍ及びスイッチ回路ＳＣが一体化した構成を有する。なお、ここでは一例として、ニューラルネットワークＮＮ２のユニット間の結合強度がｋ値で表される場合について説明する。
【０１０７】記憶部７０は、ｋ行のメモリセルＭＣを有する。メモリセルＭＣの列数は、一の重み係数Ｗｃｏｍに含まれるパラメータの数と同数である。図１２には代表例として２列のメモリセルＭＣを示しているが、その他のメモリセルＭＣも同様の構成とすることができる。また、図１２にはニューラルネットワークＮＮ２が有するユニットの代表例として、ユニットＵＡ、ＵＢ、ＵＣを示している。
【０１０８】メモリセルＭＣはそれぞれ、トランジスタＴｒ１、Ｔｒ２、Ｔｒ３、容量素子Ｃ１を有する。ここではトランジスタＴｒ１、Ｔｒ２、Ｔｒ３をｎチャネル型としているが、これらのトランジスタはそれぞれｎチャネル型であってもｐチャネル型であってもよい。
【０１０９】トランジスタＴｒ１のゲートは配線ＷＬと接続され、ソース又はドレインの一方はトランジスタＴｒ２のゲートおよび容量素子Ｃ１の一方の電極と接続され、ソース又はドレインの他方は配線ＢＬと接続されている。トランジスタＴｒ２のソース又はドレインの一方は配線ＯＵＴと接続され、ソース又はドレインの他方はトランジスタＴｒ３のソース又はドレインの一方と接続されている。トランジスタＴｒ３のゲートは配線ＣＴＸと接続され、ソース又はドレインの他方は配線ＩＮと接続されている。容量素子Ｃ１の他方の電極は、所定の電位が供給される配線と接続されている。ここで、トランジスタＴｒ１のソース又はドレインの一方、トランジスタＴｒ２のゲート、および容量素子Ｃ１の一方の電極と接続されたノードを、ノードＮ１とする。
【０１１０】また、図１２において、配線ＯＵＴ［１］はユニットＵＡと接続され、配線ＩＮ［１］及び配線ＯＵＴ［２］はユニットＵＢと接続され、配線ＩＮ［２］はユニットＵＣと接続されている。そして、メモリセルＭＣ［１，１］乃至ＭＣ［ｋ，１］はそれぞれユニットＵＡとＵＢ間の導通状態を制御するスイッチとしての機能を有し、メモリセルＭＣ［１，２］乃至ＭＣ［ｋ，２］はそれぞれユニットＵＢとＵＣ間の導通状態を制御するスイッチとしての機能を有する。
【０１１１】具体的には、１列目のメモリセルＭＣ［１，１］乃至ＭＣ［ｋ，１］にはユニットＵＡとユニットＵＢ間の結合強度を決定するためのパラメータが格納され、２列目のメモリセルＭＣ［１，２］乃至ＭＣ［ｋ，２］にはユニットＵＢとユニットＵＣ間の結合強度を決定するためのパラメータが格納される。このように、１乃至ｋ行目のメモリセルＭＣにそれぞれ、重み係数Ｗｃｏｍ［１］乃至Ｗｃｏｍ［ｋ］を構成するパラメータが格納される。
【０１１２】そして、配線ＣＴＸ［１］乃至ＣＴＸ［ｋ］のいずれか一に信号ＳＣＴＸが供給されると、信号ＳＣＴＸが供給されたメモリセルＭＣの導通状態がメモリセルＭＣに格納されたパラメータによって決定し、ユニットＵＡとユニットＵＢ間の結合強度、及び、ユニットＵＢとユニットＵＣ間の結合強度が設定される。このようにして、ニューラルネットワークＮＮ２の重み係数を切り替えることができる。
【０１１３】次に、メモリセルＭＣの動作について説明する。まず、配線ＷＬの電位を制御してトランジスタＴｒ１をオン状態とする。これにより、配線ＢＬの電位がノードＮ１に与えられる（パラメータの書き込み）。このときの配線ＢＬの電位が、メモリセルＭＣに格納されるパラメータに対応する。その後、配線ＷＬの電位を制御してトランジスタＴｒ１をオフ状態とする。これにより、ノードＮ１が浮遊状態となり、ノードＮ１の電位が保持される（パラメータの保持）。
【０１１４】ここで、配線ＯＵＴと配線ＩＮ間に設けられたトランジスタＴｒ２の導通状態は、ノードＮ１の電位によって決定される。そのため、ノードＮ１の電位を制御することにより配線ＯＵＴと配線ＩＮ間の導通状態を制御することができる。
【０１１５】なお、メモリセルＭＣ［１，１］乃至ＭＣ［ｋ，１］は配線ＯＵＴ［１］及び配線ＩＮ［１］を共有し、メモリセルＭＣ［１，２］乃至ＭＣ［ｋ，２］は配線ＯＵＴ［２］及び配線ＩＮ［２］を共有している。そして、配線ＣＴＸ［１］乃至ＣＴＸ［ｋ］のいずれか一に信号ＳＣＴＸを供給することにより、所定の行のメモリセルＭＣを選択することができる。これにより、重み係数Ｗｃｏｍをコンテキスト方式によって切り替えることができる。
【０１１６】具体的には、重み係数Ｗｃｏｍ［１］を選択する場合、配線ＣＴＸ［１］の電位を制御して１行目のメモリセルＭＣのトランジスタＴｒ３をオン状態とする。また、配線ＣＴＸ［２］乃至ＣＴＸ［ｋ］の電位を制御して２行目乃至ｋ行目のメモリセルＭＣのトランジスタＴｒ３をオフ状態とする。これにより、配線ＯＵＴ［１］と配線ＩＮ［１］間の導通状態はメモリセルＭＣ［１，１］のノードＮ１の電位によって制御され、配線ＯＵＴ［２］と配線ＩＮ［２］間の導通状態はメモリセルＭＣ［１，２］のノードＮ１の電位によって制御される。重み係数Ｗｃｏｍ［２］乃至Ｗｃｏｍ［ｋ］を選択する場合も同様に、配線ＣＴＸ［２］乃至ＣＴＸ［ｋ］の電位を制御することにより重み係数Ｗｃｏｍを選択する。
【０１１７】ここで、トランジスタＴｒ１には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小さいため、トランジスタＴｒ１をオフ状態である期間において、ノードＮ１の電位を長時間にわたって維持することができる。これにより、パラメータのリフレッシュの頻度を大幅に減らすことができ、記憶部７０の消費電力を削減することができる。また、記憶部７０への電力の供給が停止された期間においても、パラメータを保持することができる。
【０１１８】また、ＯＳトランジスタを用いることにより、少ないトランジスタ数（メモリセルＭＣにおいては３個）でメモリセルＭＣを構成することができる。これにより、記憶部７０の面積を縮小することができる。また、ＯＳトランジスタは他のトランジスタ上に積層することができる。そのため、トランジスタＴｒ１をトランジスタＴｒ２又はトランジスタＴｒ３上に積層し、メモリセルＭＣの面積を縮小することができる。これにより、記憶部７０の面積をさらに縮小することができる。
【０１１９】なお、トランジスタＴｒ１にはＯＳトランジスタ以外のトランジスタを用いることもできる。例えば、チャネル形成領域が単結晶半導体を有する基板の一部に形成されるトランジスタ（以下、単結晶トランジスタともいう）を用いてもよい。単結晶半導体を有する基板の例としては、単結晶シリコン基板や単結晶ゲルマニウム基板などがあげられる。単結晶トランジスタは高速な動作が可能であるため、記憶回路に単結晶トランジスタを用いることにより、記憶回路の動作速度を向上させることができる。また、ＯＳトランジスタ以外のトランジスタには、酸化物半導体以外の半導体を含む膜にチャネル形成領域が形成されるトランジスタを用いることもできる。酸化物半導体以外の半導体の例としては、シリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、ガリウムヒ素、アルミニウムガリウムヒ素、インジウムリン、窒化ガリウム、有機半導体などがあげられる。これらの半導体は、単結晶半導体であってもよいし、非晶質半導体、微結晶半導体、多結晶半導体などの非単結晶半導体であってもよい。また、トランジスタＴｒ２、Ｔｒ３にも、トランジスタＴｒ１と同様のトランジスタを用いることができる。
【０１２０】なお、メモリセルＭＣの動作は、駆動回路により制御することができる。図１３に、駆動回路７１及び駆動回路７２を有する記憶部７０の構成例を示す。配線ＣＴＸ及び配線ＷＬは駆動回路７１と接続され、配線ＢＬは駆動回路７２と接続されている。駆動回路７１は、メモリセルＭＣを選択するための信号を配線ＷＬ及び配線ＣＴＸに供給する機能を有する。また、駆動回路７２は、重み係数Ｗｃｏｍに含まれるパラメータに対応する電位を配線ＢＬに供給する機能を有する。
【０１２１】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。
【０１２２】（実施の形態３）
本実施の形態では、上記実施の形態で説明した半導体装置を備えた撮像装置の構成例について説明する。
【０１２３】上記実施の形態で説明した半導体装置１０は、撮像装置によって取得された撮像データの圧縮に用いることができる。図１４に、撮像データを圧縮する機能を備えた撮像装置１００の構成例を示す。
【０１２４】撮像装置１００は、受光部１１０及び圧縮部１２０を有する。受光部１１０は、照射された光を電気信号に変換する機能を有する。この電気信号は、データＤとして圧縮部１２０に出力される。そして、圧縮部１２０はデータＤをデータＤｃｏｍに圧縮して外部に出力する機能を有する。圧縮部１２０として、上記実施の形態で説明した半導体装置１０を用いることができる。
【０１２５】＜受光部の構成例＞
図１５（Ａ）に、受光部１１０の構成例を示す。受光部１１０は複数の画素１１１を有し、画素１１１はそれぞれ照射された光の強度に応じた電気信号を出力する機能を有する。画素１１１は、光電変換素子ＰＤ、トランジスタＴｒ１１、Ｔｒ１２、Ｔｒ１３、Ｔｒ１４を有する。
【０１２６】光電変換素子ＰＤの一方の電極はトランジスタＴｒ１１のソース又はドレインの一方、及びトランジスタＴｒ１２のソース又はドレインの一方と接続され、他方の電極は所定の電位が供給される配線と接続されている。トランジスタＴｒ１１のゲートは配線ＲＳと接続され、ソース又はドレインの他方は所定の電位が供給される配線と接続されている。トランジスタＴｒ１２のゲートは配線ＴＸと接続され、ソース又はドレインの他方はトランジスタＴｒ１３のゲート、及びトランジスタＴｒ１４のゲートと接続されている。トランジスタＴｒ１３のソース又はドレインの一方は配線ＬＯ１と接続され、ソース又はドレインの他方は所定の電位が供給される配線と接続されている。トランジスタＴｒ１４のソース又はドレインの一方は配線ＬＯ２と接続され、ソース又はドレインの他方は所定の電位が供給される配線と接続されている。なお、配線ＬＯ２は複数の画素１１１によって共有され、複数のトランジスタＴｒ１４と接続されている。
【０１２７】光電変換素子ＰＤの一方の電極、トランジスタＴｒ１１のソース又はドレインの一方、及びトランジスタＴｒ１２のソース又はドレインの一方と接続されたノードを、ノードＮＲとする。また、トランジスタＴｒ１３のゲート、及びトランジスタＴｒ１４のゲートと接続されたノードを、ノードＮＤとする。
【０１２８】光電変換素子ＰＤは、照射された光を電気信号に変換する機能を有する。光電変換素子ＰＤには、照射された光に応じた光電流を得ることができる素子を用いることができる。これにより、ノードＮＲの電位は光電変換素子ＰＤに照射された光の強度に応じた値となる。
【０１２９】光電変換素子ＰＤの具体例としては、ＰＮ型のフォトダイオード、ＰＩＮ型のフォトダイオード、アバランシェ型ダイオード、ＮＰＮ埋め込み型ダイオード、ショットキー型ダイオード、フォトトランジスタ、Ｘ線用のフォトコンダクタ、赤外線用のセンサなどが挙げられる。また、光電変換素子ＰＤとして、光電変換層にセレンを有する素子を用いることもできる。ここでは、光電変換素子ＰＤとしてフォトダイオードを用いる。
【０１３０】トランジスタＴｒ１１は、ノードＮＲの電位を初期化するリセットトランジスタとしての機能を有する。配線ＲＳの電位を制御してトランジスタＴｒ１１をオン状態とすることにより、ノードＮＲの電位が初期化される。
【０１３１】トランジスタＴｒ１２は、ノードＮＲの電位をノードＮＤに転送する転送トランジスタとしての機能を有する。ノードＮＲの電位の初期化の後、トランジスタＴｒ１１、Ｔｒ１２がオフ状態である期間において光電変換素子ＰＤに光が照射されると、ノードＮＲの電位は照射された光の強度に応じた電位となる。そして、配線ＴＸの電位を制御してトランジスタＴｒ１２をオン状態とすることにより、ノードＮＲの電位がノードＮＤに供給される。
【０１３２】トランジスタＴｒ１３は、ノードＮＤの電位に応じた信号（電位又は電流）を出力する増幅トランジスタとしての機能を有する。トランジスタＴｒ１３から出力された信号は、撮像データとして配線ＬＯ１に供給される。そして、複数の画素１１１によって取得された複数の撮像データによって、データＤが構成される。
【０１３３】トランジスタＴｒ１４は、ノードＮＤの電位に応じた信号（電位又は電流）を出力する増幅トランジスタとしての機能を有する。トランジスタＴｒ１４から出力された信号は、配線ＬＯ２に供給される。ここで、配線ＬＯ２は複数のトランジスタＴｒ１４と接続されている。そのため、配線ＬＯ２には複数の画素１１１の撮像データを反映した信号が供給される。例えば、配線ＬＯ２に撮像データとして電位が出力される場合、配線ＬＯ２の電位は複数の画素１１１の撮像データの最大値に対応する信号とすることができる。
【０１３４】配線ＬＯ２に供給される信号、又はこれに適宜処理を施した信号は、複数の撮像データを統合した信号に相当する。そのため、この信号は図１におけるデータＤｒｅｄとして用いることができる。よって、画素１１１にトランジスタＴｒ１４を設けることにより、図１に示す縮小部２０を省略することができる。
【０１３５】なお、ノードＮＲ及びノードＮＤの電位は、トランジスタＴｒ１１、Ｔｒ１２がオフ状態になることにより保持される。そのため、トランジスタＴｒ１１、Ｔｒ１２にはオフ電流が小さいトランジスタを用いることが好ましい。また、光電変換素子ＰＤに高電位が印加される場合、光電変換素子ＰＤと接続されたトランジスタＴｒ１１、Ｔｒ１２には高耐圧性を有するトランジスタを用いることが好ましい。そのため、チャネル形成領域にシリコンを有するトランジスタ（以下、Ｓｉトランジスタともいう）よりもオフ電流が極めて小さく、且つ耐圧性が高いＯＳトランジスタをトランジスタＴｒ１１、Ｔｒ１２に用いることが好ましい。一方、トランジスタＴｒ１３、Ｔｒ１４は、増幅特性が優れていることが望まれるため、オン電流が高いトランジスタであることが好ましい。したがって、トランジスタＴｒ１３、Ｔｒ１４として単結晶トランジスタなどを用いることが好ましい。このような構成により、低照度における光の検出感度が高く、且つ、ノイズの少ない信号を出力することのできる撮像装置を実現することができる。また、光の検出感度が高いため、光の取り込み時間を短くすることができ、撮像を高速に行うことができる。また、画素１１１の電荷のリークが小さいため、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用いた駆動を容易に適用することができる。
【０１３６】なお、トランジスタの構成は上記構成に限られない。例えば、トランジスタＴｒ１３、Ｔｒ１４にＯＳトランジスタを用いてもよいし、トランジスタＴｒ１１、Ｔｒ１２に単結晶トランジスタを用いてもよい。
【０１３７】また、撮像装置１００の構成は図１５（Ａ）に限られず、他の素子（トランジスタ、容量素子、抵抗素子など）が適宜含まれていてもよい。例えば、図１５（Ｂ）に示すように、トランジスタＴｒ１３と配線ＬＯ１の間にトランジスタＴｒ１５を有していてもよい。この場合、トランジスタＴｒ１５の導通状態を制御することにより、配線ＬＯ１に撮像データが出力されるタイミングを制御することができる。トランジスタＴｒ１５の導通状態の制御は、トランジスタＴｒ１５のゲートと接続された配線ＳＥ１の電位を制御することにより行うことができる。
【０１３８】また、図１５（Ｃ）に示すように、複数のトランジスタＴｒ１４と配線ＬＯ２の間にトランジスタＴｒ１６を有していてもよい。この場合、トランジスタＴｒ１６の導通状態を制御することにより、配線ＬＯ２に撮像データが出力されるタイミングを制御することができる。トランジスタＴｒ１６の導通状態の制御は、トランジスタＴｒ１６のゲートと接続された配線ＳＥ２の電位を制御することにより行うことができる。
【０１３９】＜撮像装置の構成例＞
図１６に、撮像装置１００の具体的な構成例を示す。図１６（Ａ）はトランジスタＴｒＡ、ＴｒＢ、ＴｒＣ、ＴｒＤのチャネル長方向の構成例を示す断面図である。図１６（Ｂ）は図１６（Ａ）に示す一点鎖線Ｘ１−Ｘ２の断面図であり、トランジスタＴｒＡのチャネル幅方向の断面を示している。図１６（Ｃ）は図１６（Ａ）に示す一点鎖線Ｙ１−Ｙ２の断面図であり、トランジスタＴｒＣのチャネル幅方向の断面を示している。
【０１４０】層Ｌ１は、電極１４１、光電変換部１４２、及び電極１４３を有する光電変換素子ＰＤを有する。層Ｌ２は、トランジスタＴｒＡ、ＴｒＢ（ＯＳトランジスタ）を有する。層Ｌ３は、トランジスタＴｒＣ、ＴｒＤ（Ｓｉトランジスタ）を有する。ここでは、トランジスタＴｒＣ、ＴｒＤが単結晶半導体基板１３０にチャネル形成領域を有する構成を示しているが、トランジスタＴｒＣ、ＴｒＤは、ガラス基板などの絶縁表面上に設けられた結晶性を有する半導体層にチャネル形成領域を有していてもよい。
【０１４１】図１６（Ａ）に示すように、トランジスタＴｒＡ、ＴｒＢは、トランジスタＴｒＣ、ＴｒＤの上方に積層することができる。これにより、撮像装置１００の面積の縮小を図ることができる。例えば、トランジスタＴｒＡ、ＴｒＢとして図１５（Ａ）に示すトランジスタＴｒ１１、Ｔｒ１２を用い、トランジスタＴｒＣ、ＴｒＤとして図１５（Ａ）に示すトランジスタＴｒ１３、Ｔｒ１４を用いることにより、画素１１１の面積を縮小することができる。また、トランジスタＴｒＡ、ＴｒＢとして受光部１１０に含まれるトランジスタ（例えば、トランジスタＴｒ１１、Ｔｒ１２など）を用い、トランジスタＴｒＣ、ＴｒＤとして圧縮部１２０が有するトランジスタ（例えば、図１のニューラルネットワークＮＮ１、ＮＮ２、又は記憶部７０に含まれるトランジスタなど）を用いることにより、受光部１１０と圧縮部１２０を一体化させ、撮像装置１００の面積を縮小することができる。
【０１４２】また、層Ｌ１は、光電変換素子ＰＤの他、隔壁１４４を有する構成とすることができる。隔壁１４４は、隣接する画素の電極１４１間に設けられる。
【０１４３】トランジスタＴｒＡ、ＴｒＢはともにバックゲートＢＧを有する構成を示しているが、いずれかがバックゲートＢＧを有していてもよい。バックゲートＢＧは、図１６（Ｂ）に示すように対向して設けられるトランジスタのフロントゲートＦＧと接続されていてもよいし、バックゲートＢＧにはフロントゲートＦＧと異なる固定電位が供給されてもよい。
【０１４４】ＯＳトランジスタが形成される領域と、Ｓｉトランジスタが形成される領域との間には絶縁層１５１が設けられる。トランジスタＴｒＣ、ＴｒＤのチャネル形成領域近傍に設けられる絶縁層中の水素は、シリコンのダングリングボンドを終端する。したがって、当該水素はトランジスタＴｒＣ、ＴｒＤの信頼性を向上させる効果がある。一方、トランジスタＴｒＡ、ＴｒＢの活性層である金属酸化物層の近傍に設けられる絶縁層中の水素は、金属酸化物層中にキャリアを生成する要因の一つとなる。そのため、当該水素はトランジスタＴｒＡ、ＴｒＢの信頼性を低下させる要因となる場合がある。
【０１４５】したがって、Ｓｉトランジスタを有する一方の層と、ＯＳトランジスタを有する他方の層を積層する場合、これらの間に水素の拡散を防止する機能を有する絶縁層１５１を設けることが好ましい。絶縁層１５１により、一方の層に水素を閉じ込めることでトランジスタＴｒＣ、ＴｒＤの信頼性を向上させることができる。また、一方の層から他方の層への水素の拡散が抑制されることでトランジスタＴｒＡ、ＴｒＢの信頼性も向上させることができる。
【０１４６】絶縁層１５１としては、例えば、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化窒化ガリウム、酸化イットリウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等を用いることができる。
【０１４７】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。
【０１４８】（実施の形態４）
本実施の形態では、上記実施の形態で説明した半導体装置を備えた表示システムの構成例について説明する。
【０１４９】＜表示システムの構成例＞
図１７に、表示システム３００の構成例を示す。表示システム３００は、外部から受信したデータに基づいて画像を表示するための信号（以下、画像信号ともいう）を生成し、当該信号に基づいて画像を表示する機能を有する。表示システム３００は例えば、放送信号を受信して画像を表示する機能を有するテレビジョンシステムなどとして用いることができる。
【０１５０】表示システム３００は、表示部３１０、信号生成部３２０を有する。なお、表示部３１０及び信号生成部３２０は、いずれも半導体装置によって構成することができる。よって、表示部３１０及び信号生成部３２０は半導体装置と呼ぶこともできる。
【０１５１】表示部３１０は、信号生成部３２０から入力される画像信号に基づいて、画像を表示する機能を有する。表示部３１０は、画素部３１１、駆動回路３１２、駆動回路３１３を有する。
【０１５２】画素部３１１は、複数の画素によって構成され、画像を表示する機能を有する。画素はそれぞれ表示素子を有し、所定の階調の画像を表示する機能を有する。駆動回路３１２及び駆動回路３１３から出力される信号により、画素に表示される画像の階調が制御され、画素部３１１に所定の画像が表示される。
【０１５３】駆動回路３１２は、画素を選択するための信号（以下、選択信号ともいう）を画素部３１１に供給する機能を有する。駆動回路３１３は、画素に所定の階調の画像を表示させるための信号（以下、画像信号ともいう）を画素部３１１に供給する機能を有する。選択信号が供給された画素に画像信号が供給されることにより、画素部３１１に所定の画像が表示される。
【０１５４】信号生成部３２０は、外部から入力されたデータに基づいて画像信号を生成する機能を有する。信号生成部３２０は、フロントエンド部３２１、デコーダ３２２、画像処理部３３３、受信部３３４、インターフェース３３５、制御部３３６を有する。
【０１５５】フロントエンド部３２１は、外部から入力される信号を受信して信号処理を行う機能を有する。フロントエンド部３２１には、放送信号などの画像データが入力される。フロントエンド部３２１は、受信した信号の復調、デジタル−アナログ変換などを行う機能を備えることができる。また、フロントエンド部３２１は、エラー訂正を行う機能を有していてもよい。
【０１５６】デコーダ３２２は、符号化された信号を復号する機能を有する。フロントエンド部３２１に入力される信号が圧縮されている場合、デコーダ３２２によって信号が伸長される。例えば、デコーダ３２２は、エントロピー復号、逆量子化、逆離散コサイン変換（ＩＤＣＴ）や逆離散サイン変換（ＩＤＳＴ）などの逆直交変換、フレーム内予測、フレーム間予測などを行う機能を備えることができる。
【０１５７】なお、８Ｋ放送における符号化規格には、Ｈ．２６５／ＭＰＥＧ−Ｈ  Ｈｉｇｈ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  Ｖｉｄｅｏ  Ｃｏｄｉｎｇ（以下、ＨＥＶＣという）が採用されている。フロントエンド部３２１に入力される信号がＨＥＶＣに従って符号化されている場合には、デコーダ３２２によってＣＡＢＡＣ（Ｃｏｎｔｅｘｔ  Ａｄａｐｔｉｖｅ  Ｂｉｎａｒｙ  Ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ  Ｃｏｄｉｎｇ）復号が行われる。
【０１５８】画像処理部３３３は、デコーダ３２２から入力された信号に画像処理を行う機能を有する。具体的には、画像処理部３３３は、ガンマ補正、調光、調色などを行う機能を備えることができる。画像処理部３３３による画像処理により画像信号が生成される。
【０１５９】受信部３３４は、外部から入力される制御信号を受信する機能を有する。受信部３３４への制御信号の入力は、リモートコントローラ、携帯情報端末（スマートフォンやタブレットなど）、表示部３１０に設けられた操作ボタンなどを用いて行うことができる。
【０１６０】インターフェース３３５は、受信部３３４が受信した制御信号に適宜信号処理を施し、制御部３３６に出力する機能を有する。
【０１６１】制御部３３６は、信号生成部３２０が有する各回路に制御信号を供給する機能を有する。例えば、制御部３３６は、画像処理部３３３に制御信号を供給する機能を有する。制御部３３６による制御は、受信部３３４が受信した制御信号に基づいて行うことができる。
【０１６２】また、信号生成部３２０はエンコーダ３５１を有し、表示部３１０はデコーダ３５２を有する。エンコーダ３５１は、画像処理部３３３によって生成された画像信号の特徴抽出を行い、画像信号を圧縮する機能を有する。また、デコーダ３５２は、エンコーダ３５１によって圧縮された画像信号を伸長する機能を有する。
【０１６３】表示部３１０と信号生成部３２０との間は、ＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ  Ｐｒｉｎｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔｓ）などのケーブルを用いて接続されている場合が多い。そして、例えば２Ｋ１Ｋ、４Ｋ２Ｋ、８Ｋ４Ｋなどの高解像度の画像を表示する場合、信号生成部３２０から表示部３１０に大量の画像信号が送信されるが、ＦＰＣの信号伝送速度には限界がある。また、表示部３１０が大型化するにつれて、表示部３１０と信号生成部３２０を繋ぐケーブルの物理的な距離が長くなり、画像信号の伝送損失が大きくなる。
【０１６４】ここで、図１７に示す構成を用いることにより、画像信号は圧縮された状態で信号生成部３２０から表示部３１０に伝送される。そのため、画像信号の伝送を高速で行うことができる。また、画像信号の伝送に要する電力を低減することができる。
【０１６５】エンコーダ３５１として、上記実施の形態で説明した半導体装置１０を用いることができる。そして、画像処理部３３３によって生成された画像信号を、半導体装置１０によって圧縮することができる。データの圧縮には、オートエンコーダＡＥを用いることができる。この場合、エンコーダ３５１には図６に示すエンコーダＥＮＣを設け、デコーダ３５２には図６に示すデコーダＤＥＣを設けることができる。そして、エンコーダ３５１はニューラルネットワークＮＮ１を用いて画像信号の特徴抽出を行い、ニューラルネットワークＮＮ２を用いて画像信号を圧縮する。また、デコーダ３５２は、ニューラルネットワークを用いて圧縮された画像信号を伸長する。
【０１６６】なお、エンコーダ３５１に入力される画像信号とデコーダ３５２が出力する画像信号とは、必ずしも解像度が一致しなくもよい。例えば、子供向けのアニメーションやニュース番組など、多少画質が低くても視聴者が不満を感じない番組については、画像信号の解像度を意図的に低くしてもよい。その場合、デコーダ３５２が出力する画像データは、エンコーダ３５１に入力される画像データよりも解像度が低くなる。これにより、表示部３１０における消費電力を低減することができる。
【０１６７】＜表示部の構成例１＞
次に、表示部３１０の具体的な構成例について説明する。図１８（Ａ）に、表示部３１０の構成例を示す。表示部３１０は、画素部３１１、駆動回路３１２、及び駆動回路３１３を有する。
【０１６８】画素部３１１は、複数の画素ｐｉｘによって構成される。画素ｐｉｘはそれぞれ、配線ＳＬ及び配線ＧＬと接続されている。また、配線ＧＬはそれぞれ駆動回路３１２と接続され、配線ＳＬはそれぞれ駆動回路３１３と接続されている。
【０１６９】また、画素ｐｉｘはそれぞれ表示素子を有する。画素ｐｉｘに設けられる表示素子の例としては、液晶素子、発光素子などが挙げられる。液晶素子としては、透過型の液晶素子、反射型の液晶素子、半透過型の液晶素子などを用いることができる。また、表示素子として、シャッター方式のＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）素子、光干渉方式のＭＥＭＳ素子、マイクロカプセル方式、電気泳動方式、エレクトロウェッティング方式、電子粉流体（登録商標）方式等を適用した表示素子などを用いることもできる。また、発光素子の例としては、例えばＯＬＥＤ（Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）、ＱＬＥＤ（Ｑｕａｎｔｕｍ−ｄｏｔ  Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）、半導体レーザなどの、自発光性の発光素子が挙げられる。画素ｐｉｘの具体的な構成例については後述する。
【０１７０】画素ｐｉｘの数は自由に設定することができる。高精細度の画像を表示するためには、画素を多く配置することが好ましい。例えば、２Ｋ１Ｋの画像を表示する場合は、１９２０×１０８０個以上の画素を設けることが好ましい。また、４Ｋ２Ｋの画像を表示する場合は、３８４０×２１６０個以上、又は４０９６×２１６０個以上の画素を設けることが好ましい。また、８Ｋ４Ｋの画像を表示する場合は、７６８０×４３２０個以上の画素を設けることが好ましい。また、画素部３１１には８Ｋ４Ｋよりも高精細度の画像を表示することもできる。
【０１７１】駆動回路３１２は、選択信号を画素ｐｉｘに供給する機能を有する。具体的には、駆動回路３１２は、配線ＧＬに選択信号を供給する機能を有し、配線ＧＬは、駆動回路３１２から出力された選択信号を画素ｐｉｘに伝える機能を有する。なお、配線ＧＬは、選択信号線、ゲート線などと呼ぶこともできる。
【０１７２】駆動回路３１３は、画像信号を画素ｐｉｘに供給する機能を有する。具体的には、駆動回路３１３は、配線ＳＬに画像信号を供給する機能を有し、配線ＳＬは、駆動回路３１３から出力された画像信号を画素ｐｉｘに伝える機能を有する。なお、配線ＳＬは、画像信号線、ソース線などと呼ぶこともできる。
【０１７３】図１８（Ｂ）に、表示素子として発光素子を用いた画素ｐｉｘの構成例を示す。図１８（Ｂ）に示す画素ｐｉｘは、トランジスタＴｒ２１、Ｔｒ２２、容量素子Ｃ２１、発光素子ＬＥを有する。なお、ここではトランジスタＴｒ２１、Ｔｒ２２をｎチャネル型としているが、トランジスタの極性は適宜変更することができる。
【０１７４】トランジスタＴｒ２１のゲートは配線ＧＬと接続され、ソース又はドレインの一方はトランジスタＴｒ２２のゲート、及び容量素子Ｃ２１の一方の電極と接続され、ソース又はドレインの他方は配線ＳＬと接続されている。トランジスタＴｒ２２のソース又はドレインの一方は容量素子Ｃ２１の他方の電極、及び発光素子ＬＥの一方の電極と接続され、ソース又はドレインの他方は電位Ｖａが供給される配線と接続されている。発光素子ＬＥの他方の電極は、電位Ｖｃが供給される配線と接続されている。トランジスタＴｒ２１のソース又はドレインの一方、トランジスタＴｒ２２のゲート、及び容量素子Ｃ２１の一方の電極と接続されたノードを、ノードＮ２１とする。また、トランジスタＴｒ２２のソース又はドレインの一方、及び容量素子Ｃ２１の他方の電極と接続されたノードを、ノードＮ２２とする。
【０１７５】ここでは、電位Ｖａを高電源電位とし、電位Ｖｃを低電源電位とした場合について説明する。電位Ｖａ及び電位Ｖｃはそれぞれ、複数の画素ｐｉｘで共通の電位とすることができる。また、容量素子Ｃ２１は、ノードＮ２１の電位を保持するための保持容量としての機能を有する。
【０１７６】トランジスタＴｒ２１は、配線ＳＬの電位のノードＮ２１への供給を制御する機能を有する。具体的には、配線ＧＬの電位を制御してトランジスタＴｒ２１をオン状態とすることにより、画像信号に対応する配線ＳＬの電位がノードＮ２１に供給され、画素ｐｉｘへの書き込みが行われる。その後、配線ＧＬの電位を制御してトランジスタＴｒ２１をオフ状態とすることにより、ノードＮ２１の電位が保持される。
【０１７７】そして、ノードＮ２１、Ｎ２２の間の電圧に応じてトランジスタＴｒ２２のソースとドレインの間に流れる電流量が制御され、発光素子ＬＥが当該電流量に応じた輝度で発光する。これにより、画素ｐｉｘに表示される画像の階調を制御することができる。なお、トランジスタＴｒ２２は飽和領域で動作させることが好ましい。
【０１７８】また、図１８（Ｃ）に、表示素子として液晶素子を用いた画素ｐｉｘの構成例を示す。図１８（Ｃ）に示す画素ｐｉｘは、トランジスタＴｒ２３、容量素子Ｃ２２、液晶素子ＬＣを有する。なお、ここでは、トランジスタＴｒ２３をｎチャネル型としているが、トランジスタの極性は適宜変更することができる。
【０１７９】トランジスタＴｒ２３のゲートは配線ＧＬと接続され、ソース又はドレインの一方は液晶素子ＬＣの一方の電極、及び容量素子Ｃ２２の一方の電極と接続され、ソース又はドレインの他方は配線ＳＬと接続されている。液晶素子ＬＣの他方の電極は、電位Ｖｃｏｍが供給される配線と接続されている。容量素子Ｃ２２の他方の電極は、所定の電位が供給される配線と接続されている。トランジスタＴｒ２３のソース又はドレインの一方、液晶素子ＬＣの一方の電極、及び容量素子Ｃ２２の一方の電極と接続されたノードを、ノードＮ２３とする。
【０１８０】電位Ｖｃｏｍは、複数の画素ｐｉｘで共通の電位とすることができる。なお、電位Ｖｃｏｍは、容量素子Ｃ２２の他方の電極と接続された配線と同電位であってもよい。また、容量素子Ｃ２２は、ノードＮ２３の電位を保持するための保持容量としての機能を有する。
【０１８１】トランジスタＴｒ２３は、配線ＳＬの電位のノードＮ２３への供給を制御する機能を有する。具体的には、配線ＧＬの電位を制御してトランジスタＴｒ２３をオン状態とすることにより、画像信号に対応する配線ＳＬの電位がノードＮ２３に供給され、画素ｐｉｘへの書き込みが行われる。その後、配線ＧＬの電位を制御してトランジスタＴｒ２３をオフ状態とすることにより、ノードＮ２３の電位が保持される。
【０１８２】液晶素子ＬＣは、一対の電極と、一対の電極間の電圧が印加される液晶材料を含んだ液晶層と、を有する。液晶素子ＬＣに含まれる液晶分子の配向は、一対の電極間に印加される電圧の値に応じて変化し、これにより液晶層の透過率が変化する。そのため、配線ＳＬからノードＮ２３に供給する電位を制御することにより、画素ｐｉｘに表示される画像の階調を制御することができる。
【０１８３】上記の動作を全ての配線ＧＬに対して順次行うことにより、第１フレーム目の画像を表示することができる。
【０１８４】なお、配線ＧＬの選択には、プログレッシブ方式を用いてもよいし、インターレース方式を用いてもよい。また、配線ＳＬへの画像信号の供給は、配線ＳＬに順次画像信号を供給する点順次駆動を用いて行ってもよいし、全ての配線ＳＬに一斉に画像信号を供給する線順次駆動を用いて行ってもよい。また、複数の配線ＳＬごとに順に、画像信号を供給してもよい。
【０１８５】その後、第２フレーム目の画像を表示する場合は、第１フレーム目と同様の動作によって行われる。これにより、画素部３１１に表示される画像が書き換えられる。
【０１８６】画素ｐｉｘが有するトランジスタに用いられる半導体としては、シリコン、ゲルマニウムなどの第１４族の元素、ガリウムヒ素などの化合物半導体、有機半導体、金属酸化物などを用いることができる。また、半導体は、非単結晶半導体（非晶質半導体、微結晶半導体、多結晶半導体など）、であってもよいし、単結晶半導体であってもよい。
【０１８７】画素ｐｉｘが有するトランジスタは、チャネル形成領域に非晶質半導体、特に、水素化アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）を含むことが好ましい。非晶質半導体を用いたトランジスタは、基板の大面積化に対応することが容易であるため、例えば４Ｋ２Ｋ放送、又は８Ｋ４Ｋ放送などに対応可能な大画面の表示装置を作製する場合に、製造工程を簡略化することができる。
【０１８８】また、画素ｐｉｘが有するトランジスタには、チャネル形成領域に金属酸化物を含むトランジスタ（ＯＳトランジスタ）を用いることもできる。ＯＳトランジスタは、水素化アモルファスシリコンを用いたトランジスタと比較して電界効果移動度が高い。また、多結晶シリコンを用いたトランジスタなどで必要であった結晶化の工程が不要である。
【０１８９】また、ＯＳトランジスタはオフ電流が極めて小さいため、トランジスタＴｒ２１としてＯＳトランジスタを用いる場合、画素ｐｉｘに画像信号を極めて長期間にわたって保持することができる。これにより、画素部３１１に表示される画像に変化がない期間、又は変化が一定以下である期間において、画像信号の更新の頻度を極めて低く設定することができる。画像信号の更新の頻度は、例えば、０．１秒間に１回以下、又は、１秒間に１回以下、又は、１０秒間に１回以下などに設定することができる。特に、４Ｋ２Ｋ放送、又は８Ｋ４Ｋ放送などに対応して画素ｐｉｘが多数設けられる場合は、画像信号の更新を省略することによって消費電力を低減することは効果的である。
【０１９０】＜表示部の構成例２＞
次に、表示部３１０の他の構成例について説明する。図１９に、画素部３１１が複数の領域に分割された表示部３１０の構成例を示す。表示部３１０は、複数の画素ｐｉｘを有する画素部３１１、複数の駆動回路３１２、複数の駆動回路３１３を有する。
【０１９１】２Ｋ１Ｋ、４Ｋ２Ｋ、８Ｋ４Ｋなどの高解像度の画像を表示するために、画素部３１１に多数の画素ｐｉｘが設けられる場合、配線ＧＬ、配線ＳＬの長さが増加し、これに伴い配線ＧＬ、配線ＳＬの寄生抵抗が増大する。また、図１９に示すように、配線ＧＬと配線ＳＬは互いに交差するように設けられている。そのため、画素ｐｉｘの数が増加すると、交差部の数も増加し、配線ＧＬと配線ＳＬによって形成される寄生容量が増大する。そのため、図１９においては、画素部３１１を複数の領域３１５に分割し、領域３１５ごとに駆動回路３１２及び駆動回路３１３を設ける構成を用いている。
【０１９２】具体的には、図１９において、画素部３１１は４つの領域３１５（３１５（１，１）乃至３１５（２，２））に分割され、４つの領域３１５はそれぞれｘ行ｙ列（ｘ、ｙは１以上の整数）の画素ｐｉｘを有する。また、４つの駆動回路３１２（３１２（１，１）乃至３１２（２，２））及び４つの駆動回路３１３（３１３（１，１）乃至３１３（２，２））が設けられている。
【０１９３】なお、図１９において、駆動回路３１２（１，１）、３１２（１，２）と接続された配線ＧＬを配線ＧＬ１と表記し、駆動回路３１２（２，１）、３１２（２，２）と接続された配線ＧＬを配線ＧＬ２と表記する。また、駆動回路３１３（１，１）、３１３（１，２）、３１３（２，１）、３１３（２，２）と接続された配線ＳＬをそれぞれ、配線ＳＬ１１、配線ＳＬ１２、配線ＳＬ２１、配線ＳＬ２２と表記する。
【０１９４】領域３１５（１，１）乃至３１５（２，２）にはそれぞれ、駆動回路３１３（１，１）乃至３１３（２，２）から画像信号が供給される。そのため、画素部３１１の上側の領域３１５（３１５（１，１）、３１５（１，２））に属する画素ｐｉｘには、上側の駆動回路３１３（３１３（１，１）、３１３（１，２））から画像信号を供給し、画素部３１１の下側の領域３１５（３１５（２，１）、３１５（２，２））に属する画素ｐｉｘには、下側の駆動回路３１３（３１３（２，１）、３１３（２，２））から画像信号が供給することができる。これにより、一の駆動回路３１３と接続された配線ＳＬを短くすることができるため、寄生抵抗及び寄生容量を低減し、画像信号の供給を高速に行うことができる。よって、高解像度の画像を正確に表示することができる。
【０１９５】なお、図１９においては、画素部３１１の上側の領域がさらに２つの領域３１５（１，１）、３１５（１，２）に分割され、画素部３１１の下側の領域がさらに２つの領域３１５（２，１）、３１５（２，２）に分割された構成例を示している。この場合、駆動回路３１３（１，１）、３１３（１，２）から画像信号が出力されるタイミングが同期され、駆動回路３１３（２，１）、３１３（２，２）から画像信号が出力されるタイミングが同期される。なお、領域３１５（１，１）、３１５（１，２）に画像信号を供給する駆動回路は、駆動回路３１３（１，１）、３１３（１，２）が一体化した回路によって構成してもよい。また、領域３１５（２，１）、３１５（２，２）に画像信号を供給する駆動回路は、駆動回路３１３（２，１）、３１３（２，２）が一体化した回路によって構成してもよい。また、駆動回路３１３（１，１）、３１３（１，２）、３１３（２，１）、３１３（２，２）がそれぞれ複数の駆動回路から構成されていてもよい。
【０１９６】また、図１９においては、１本の配線ＧＬに、２つの駆動回路３１２が接続されている。具体的には、領域３１５（１，１）、３１５（１，２）に含まれる画素ｐｉｘは、配線ＧＬを介して駆動回路３１２（１，１）、３１２（１，２）と接続されている。また、領域３１５（２，１）、３１５（２，２）に含まれる画素ｐｉｘは、配線ＧＬを介して駆動回路３１２（２，１）、３１２（２，２）と接続されている。この場合、駆動回路３１２（１，１）、３１２（１，２）から選択信号が出力されるタイミングが同期され、駆動回路３１２（２，１）、３１２（２，２）から選択信号が出力されるタイミングが同期される。これにより、配線ＧＬの両端から選択信号を供給することが可能となり、選択信号を高速に供給することができる。なお、選択信号の伝達に支障がない場合は、駆動回路３１２（１，１）、３１２（１，２）の一方、及び、駆動回路３１２（２，１）、３１２（２，２）の一方を省略することができる。
【０１９７】なお、図１９においては画素部３１１を４つの領域３１５に分割した場合を示したが、分割数は特に限定されず、自由に設定することができる。また、図１９においては４つの領域３１５に含まれる画素ｐｉｘの列数及び行数が同じである例を示したが、これに限定されず、画素ｐｉｘの列数及び行数は各領域３１５においてそれぞれ自由に設定することができる。
【０１９８】表示部３１０に図１９に示す構成を用いる場合、領域３１５の数を図１におけるデータＤの分割数（Ｎ×Ｍ）とすることができる。これにより、領域３１５ごとに画像信号の圧縮及び伸長を行うことができる。
【０１９９】＜表示部の構成例３＞
次に、表示部３１０の他の構成例について説明する。表示部３１０には、複数の表示パネルによって構成された表示装置を用いることもできる。図２０に、複数の表示パネルＤＰを有する表示部３１０の構成例を示す。
【０２００】表示部３１０が有する複数の表示パネルＤＰはそれぞれ、信号生成部３２０（図１７参照）から入力される画像信号に基づいて、画像を表示する機能を有する。図２０には、Ｎ行Ｍ列の表示パネルＤＰを有する表示部３１０を示している。
【０２０１】複数の表示パネルＤＰはそれぞれ、図１８（Ａ）に示す画素部３１１、駆動回路３１２及び駆動回路３１３を有する。複数の表示パネルＤＰを用いて１つの画像を表示することにより、画像の表示領域を拡大することができる。例えば、画面サイズが対角３０インチ以上、４０インチ以上、５０インチ以上、または６０インチ以上の表示部３１０を実現することができる。また、解像度がフルハイビジョン以上、例えば、２Ｋ１Ｋ、４Ｋ２Ｋ、８Ｋ４Ｋ、又はそれ以上である、高解像度の表示部を実現することができる。
【０２０２】また、複数の表示パネルＤＰを用いて画像の表示が行われる場合、１つの表示パネルＤＰの大きさは大型である必要がない。したがって、表示パネルを作製するための製造装置の大型化が不要となる。また、中小型の表示パネルの製造装置を用いることができるため、大型の表示装置用の設備を別途準備する必要がなく、製造コストを抑えることができる。また、表示パネルの大型化に伴う歩留まりの低下を回避することができる。
【０２０３】表示部３１０に図２０に示す構成を用いる場合、表示パネルＤＰの数を図１におけるデータＤの分割数（Ｎ×Ｍ）とすることができる。これにより、表示パネルＤＰごとに画像信号の圧縮及び伸長を行うことができる。
【０２０４】表示部３１０に複数の表示パネルＤＰが設けられる場合、隣接する表示パネルＤＰ間において表示領域が連続するように、複数の表示パネルＤＰが配置されることが好ましい。表示パネルＤＰの構成例及び配置例を、図２１に示す。
【０２０５】図２１（Ａ）に示す表示パネルＤＰは、表示領域３７１と、表示領域３７１に隣接して、可視光を透過する領域３７２と、可視光を遮光する領域３７３と、を備える。また、図２１（Ａ）では、表示パネルＤＰにＦＰＣ３７４が設けられている例を示す。
【０２０６】表示領域３７１は画素部３１１に相当し、複数の画素ｐｉｘ（図示せず）を有する。また、領域３７２には、例えば表示パネルＤＰを構成する一対の基板、及び当該一対の基板に挟持された表示素子を封止するための封止材などが設けられていてもよい。このとき、領域３７２に設けられる部材には、可視光に対して透光性を有する材料を用いる。また、領域３７３には、例えば表示領域３７１に含まれる画素ｐｉｘと接続された配線などを設けることができる。また、領域３７３には駆動回路３１２又は駆動回路３１３が設けられていてもよい。また、領域３７３にはＦＰＣ３７４と接続された端子や、当該端子と接続された配線等が設けられていてもよい。
【０２０７】図２１（Ｂ）に、図２１（Ａ）に示す表示パネルＤＰの配置例を示す。ここでは一例として、隣接する４つの表示パネルＤＰａ、ＤＰｂ、ＤＰｃ、ＤＰｄを示している。また、図２１（Ｃ）は、４つの表示パネルを表示面側とは反対側から見たときの斜視概略図である。
【０２０８】表示パネルＤＰはそれぞれ、他の表示パネルＤＰと重なる領域を有するように配置されている。具体的には、一の表示パネルＤＰが有する可視光を透過する領域３７２が、他の表示パネルＤＰが有する表示領域３７１の上（表示面側）に重畳する領域を有するように、表示パネルＤＰａ、ＤＰｂ、ＤＰｃ、ＤＰｄが配置されている。また、一の表示パネルＤＰが有する可視光を遮光する領域３７３が、他の表示パネルＤＰの表示領域３７１の上に重畳しないように、表示パネルＤＰａ、ＤＰｂ、ＤＰｃ、ＤＰｄが配置されている。
【０２０９】より具体的には、表示パネルＤＰａの表示領域３７１ａの短辺に沿った領域と、表示パネルＤＰｂの領域３７２ｂの一部が重畳して設けられている。また、表示パネルＤＰａの表示領域３７１ａの長辺に沿った領域と、表示パネルＤＰｃの領域３７２ｃの一部が重畳して設けられている。また表示パネルＤＰｄの領域３７２ｄは、表示パネルＤＰｂの表示領域３７１ｂの長辺に沿った領域、及び表示パネルＤＰｃの表示領域３７１ｃの短辺に沿った領域に重畳して設けられている。
【０２１０】このように、表示領域３７１上に可視光を透過する領域３７２を重畳させることにより、表示領域３７１の全体を表示面側から視認することが可能となる。これにより、表示領域３７１ａ、３７１ｂ、３７１ｃ、３７１ｄが、継ぎ目なく連続的に配置された領域を、表示部３１０の表示領域３７５として用いることが可能となる。
【０２１１】なお、表示パネルＤＰに用いられる一対の基板が可撓性を有し、表示パネルＤＰが可撓性を有していることが好ましい。これにより、例えば図２１（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、ＦＰＣ３７４ａが設けられる側の表示パネルＤＰａの一部を湾曲させ、ＦＰＣ３７４ａを隣接する表示パネルＤＰｂの表示領域３７１ｂの下側に配置することができる。その結果、ＦＰＣ３７４ａを表示パネルＤＰｂの裏面と物理的に干渉することなく配置することができる。また、表示パネルＤＰａと表示パネルＤＰｂとを重ねて接着する際に、ＦＰＣ３７４ａの厚さを考慮する必要がないため、表示パネルＤＰｂの領域３７２ｂの上面と、表示パネルＤＰａの表示領域３７１ａの上面との高さの差を低減できる。その結果、表示領域３７１ａ上に位置する表示パネルＤＰｂの端部が視認されてしまうことを抑制できる。
【０２１２】さらに、各表示パネルＤＰに可撓性を持たせることで、表示パネルＤＰｂの表示領域３７１ｂにおける上面の高さを、表示パネルＤＰａの表示領域３７１ａにおける上面の高さと一致するように、表示パネルＤＰｂを緩やかに湾曲させることができる。そのため、表示パネルＤＰａと表示パネルＤＰｂとが重畳する領域近傍を除き、各表示領域の高さを揃えることが可能で、表示領域３７５に表示する画像の表示品位を高めることができる。
【０２１３】なお、隣接する２つの表示パネルＤＰ間の段差を軽減するため、表示パネルＤＰの厚さは薄いことが好ましい。例えば表示パネルＤＰの厚さを１ｍｍ以下、好ましくは３００μｍ以下、より好ましくは１００μｍ以下とすることが好ましい。
【０２１４】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。
【０２１５】（実施の形態５）
本実施の形態では、上記実施の形態で説明した表示部に用いることが可能な表示装置の構成例について説明する。ここでは特に、表示素子として液晶素子を用いた表示装置について説明する。
【０２１６】＜表示装置の構成例１＞
図２２に、表示装置４００の断面構造の一例を示す。ここでは、表示素子として透過型の液晶素子４２０を適用した場合の例を示している。図２２において、基板４１２側が表示面側となる。
【０２１７】表示装置４００は、基板４１１と基板４１２との間に液晶４２２が挟持された構成を有している。液晶素子４２０は、基板４１１側に設けられた導電層４２１と、基板４１２側に設けられた導電層４２３と、これらに挟持された液晶４２２と、を有する。また、液晶４２２と導電層４２１との間に配向膜４２４ａが設けられ、液晶４２２と導電層４２３との間に配向膜４２４ｂが設けられている。
【０２１８】導電層４２１は、画素電極として機能する。また導電層４２３は、共通電極などとして機能する。また導電層４２１と導電層４２３は、いずれも可視光を透過する機能を有する。したがって、液晶素子４２０は、透過型の液晶素子である。
【０２１９】基板４１２の基板４１１側の面には、着色層４４１と、遮光層４４２が設けられている。着色層４４１と遮光層４４２を覆って絶縁層４２６が設けられ、絶縁層４２６を覆って導電層４２３が設けられている。また着色層４４１は、導電層４２１と重なる領域に設けられている。遮光層４４２は、トランジスタ４３０や接続部４３８を覆って設けられている。
【０２２０】基板４１１よりも外側には偏光板４３９ａが配置され、基板４１２よりも外側には偏光板４３９ｂが配置されている。さらに、偏光板４３９ａよりも外側に、バックライトユニット４９０が設けられている。図２２に示す表示装置４００は、基板４１２側が表示面側となる。
【０２２１】基板４１１上に半導体層４３２、トランジスタ４３０、容量素子４６０等が設けられている。トランジスタ４３０は、画素の選択トランジスタとして機能する。トランジスタ４３０は、接続部４３８を介して液晶素子４２０と接続されている。
【０２２２】図２２に示すトランジスタ４３０は、いわゆるボトムゲート・チャネルエッチ構造のトランジスタである。トランジスタ４３０は、ゲート電極として機能する導電層４３１と、ゲート絶縁層として機能する絶縁層４３４と、半導体層４３２と、ソース電極及びドレイン電極として機能する一対の導電層４３３ａ及び導電層４３３ｂと、を有する。半導体層４３２の、導電層４３１と重畳する部分は、チャネル形成領域として機能する。半導体層４３２は、導電層４３３ａ及び導電層４３３ｂと接続されている。
【０２２３】容量素子４６０は、導電層４３１ａと、絶縁層４３４と、導電層４３３ｂにより構成されている。
【０２２４】トランジスタ４３０等を覆って、絶縁層４８２と絶縁層４８１が積層して設けられている。画素電極として機能する導電層４２１は絶縁層４８１上に設けられている。また接続部４３８において、絶縁層４８１及び絶縁層４８２に設けられた開口を介して、導電層４２１と導電層４３３ｂと電気的に接続されている。絶縁層４８１は、平坦化層として機能することが好ましい。また絶縁層４８２は、トランジスタ４３０等へ不純物等が拡散することを抑制する保護膜としての機能を有することが好ましい。例えば、絶縁層４８２に無機絶縁材料を用い、絶縁層４８１に有機絶縁材料を用いることができる。
【０２２５】＜表示装置の構成例２＞
図２３では、着色層４４１を基板４１１側に設けた場合の例を示している。これにより、基板４１２側の構成を簡略化することができる。
【０２２６】なお、着色層４４１を平坦化膜として用いる場合には、絶縁層４８１を設けない構成としてもよい。
【０２２７】＜表示装置の構成例３＞
上記では、液晶素子として、液晶を挟む一対の電極が上下に配置された、縦電界方式の液晶素子の例を示しているが、液晶素子の構成はこれに限られず、様々な方式の液晶素子を適用することができる。
【０２２８】図２４には、ＦＦＳ（Ｆｒｉｎｇｅ  Ｆｉｅｌｄ  Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）モードが適用された液晶素子を有する表示装置の断面概略図を示す。
【０２２９】液晶素子４２０は、画素電極として機能する導電層４２１と、導電層４２１と絶縁層４８３を介して重なる導電層４２３と、を有する。導電層４２３は、スリット状または櫛歯状の上面形状を有している。
【０２３０】また、この構成では、導電層４２１と導電層４２３とが重なる部分に容量が形成され、これを容量素子４６０として用いることができる。そのため、画素の占有面積を縮小できるため、高精細な表示装置を実現できる。また、開口率を向上させることができる。
【０２３１】図２４では、共通電極として機能する導電層４２３が液晶４２２側に位置する構成としたが、図２５に示すように、画素電極として機能する導電層４２１が、液晶４２２側に位置する構成としてもよい。このとき、導電層４２１がスリット状または櫛歯状の上面形状を有する。
【０２３２】ここで、表示装置を作製する際、作製工程におけるフォトリソグラフィ工程が少ないほど、すなわちフォトマスクの枚数が少ないほど、作製コストを低くすることができる。
【０２３３】例えば図２２に示す構成では、基板４１１側の工程のうち、導電層４３１等の形成工程、半導体層４３２の形成工程、導電層４３３ａ等の形成工程、接続部４３８となる開口部の形成工程、及び導電層４２１の形成工程の、計５つのフォトリソグラフィ工程を経ることで作製できる。すなわち、５枚のフォトマスクにより、バックプレーン基板を作製することができる。一方、基板４１２（対向基板）側においては、着色層４４１や遮光層４４２の形成方法として、インクジェット法またはスクリーン印刷法等を用いると、フォトマスクが不要となるため好ましい。例えば、３色の着色層４４１と、遮光層４４２を設けた場合には、これらをフォトリソグラフィ法で形成した場合に比べて、計４つのフォトマスクを削減することができる。
【０２３４】＜トランジスタの構成例１＞
次に、トランジスタ４３０の具体的な構成例について説明する。図２６（Ａ）乃至（Ｇ）に示す各トランジスタの半導体層４３２又は４３２ｐには、シリコンを含む半導体を用いることができる。シリコンを含む半導体としては、例えば、水素化アモルファスシリコン、微結晶シリコン、または多結晶シリコン等を用いることができる。特に、水素化アモルファスシリコンを用いると、大型の基板上に歩留り良く形成できるため好ましい。本発明の一態様の表示装置は、電界効果移動度が比較的低いアモルファスシリコンが適用されたトランジスタであっても、良好な画像表示が可能である。
【０２３５】図２６（Ａ）に示すトランジスタは、ソース領域及びドレイン領域として機能する一対の不純物半導体層４３５を有する。不純物半導体層４３５は、半導体層４３２と導電層４３３ａの間、及び、半導体層４３２と導電層４３３ｂの間に設けられている。半導体層４３２と不純物半導体層４３５とは接して設けられ、不純物半導体層４３５と導電層４３３ａまたは導電層４３３ｂとは接して設けられる。
【０２３６】不純物半導体層４３５を構成する不純物半導体膜は、一導電型を付与する不純物元素を添加した半導体により形成する。トランジスタがｎ型である場合には、一導電型を付与する不純物元素を添加した半導体として、例えば、Ｐ又はＡｓを添加したシリコンが挙げられる。または、トランジスタがｐ型である場合には、一導電型を付与する不純物元素として、例えばＢを添加することも可能であるが、トランジスタはｎ型とすることが好ましい。なお、不純物半導体層は、非晶質半導体により形成してもよいし、微結晶半導体などの結晶性半導体により形成してもよい。
【０２３７】図２６（Ｂ）に示すトランジスタは、半導体層４３２と不純物半導体層４３５の間に、半導体層４３７を有する。
【０２３８】半導体層４３７は、半導体層４３２と同様の半導体膜により形成されていてもよい。半導体層４３７は、不純物半導体層４３５のエッチングの際に、半導体層４３２がエッチングにより消失することを防ぐためのエッチングストッパーとして機能させることができる。なお、図２６（Ｂ）において、半導体層４３７が左右に分離している例を示しているが、半導体層４３７の一部が半導体層４３２のチャネル形成領域を覆っていてもよい。
【０２３９】また、半導体層４３７は、不純物半導体層４３５よりも低濃度の不純物が含まれていてもよい。これにより、半導体層４３７をＬＤＤ（Ｌｉｇｈｔｌｙ  Ｄｏｐｅｄ  Ｄｒａｉｎ）領域として機能させることができ、トランジスタを駆動させたときのホットキャリア劣化を抑制することができる。
【０２４０】図２６（Ｃ）に示すトランジスタは、半導体層４３２のチャネル形成領域上に、絶縁層４８４が設けられている。絶縁層４８４は、不純物半導体層４３５のエッチングの際のエッチングストッパーとして機能する。
【０２４１】図２６（Ｄ）に示すトランジスタは、半導体層４３２に代えて、半導体層４３２ｐを有する。半導体層４３２ｐは、結晶性の高い半導体膜を含む。例えば半導体層４３２ｐは、多結晶半導体または単結晶半導体を含む。これにより、電界効果移動度の高いトランジスタとすることができる。
【０２４２】図２６（Ｅ）に示すトランジスタは、半導体層４３２のチャネル形成領域に半導体層４３２ｐを有する。例えば図２６（Ｅ）に示すトランジスタは、半導体層４３２となる半導体膜に対してレーザ光などを照射することにより、局所的に結晶化することにより形成することができる。これにより、電界効果移動度の高いトランジスタを実現できる。
【０２４３】図２６（Ｆ）に示すトランジスタは、図２６（Ｂ）で示したトランジスタの半導体層４３２のチャネル形成領域に、結晶性の半導体層４３２ｐを有する。
【０２４４】図２６（Ｇ）に示すトランジスタは、図２６（Ｃ）で示したトランジスタの半導体層４３２のチャネル形成領域に、結晶性の半導体層４３２ｐを有する。
【０２４５】＜トランジスタの構成例２＞
次に、トランジスタ４３０の他の変形例を説明する。図２７（Ａ）乃至（Ｅ）に示すトランジスタの半導体層４３２に金属酸化物を用いることにより、ＯＳトランジスタを構成することができる。ＯＳトランジスタを用いる場合、画像に変化がない期間、又は変化が一定以下である期間において、画像信号の更新の頻度を極めて低く設定することができ、消費電力の削減を図ることができる。
【０２４６】図２７（Ａ）に示すトランジスタは、半導体層４３２のチャネル形成領域上に、絶縁層４８４が設けられている。絶縁層４８４は、導電層４３３ａ及び導電層４３３ｂのエッチングの際のエッチングストッパーとして機能する。
【０２４７】図２７（Ｂ）に示すトランジスタは、絶縁層４８４が、半導体層４３２を覆って絶縁層４３４上に延在している構成を有する。この場合、導電層４３３ａ及び導電層４３３ｂは、絶縁層４８４に設けられた開口を介して、半導体層４３２と接続されている。
【０２４８】図２７（Ｃ）に示すトランジスタは、絶縁層４８５、導電層４８６を有する。絶縁層４８５は、半導体層４３２、導電層４３３ａ、導電層４３３ｂを覆って設けられている。また、導電層４８６は絶縁層４８５上に設けられ、半導体層４３２と重なる領域を有する。
【０２４９】導電層４８６は、半導体層４３２を挟んで導電層４３１とは反対側に位置している。導電層４３１を第１のゲート電極とした場合、導電層４８６は、第２のゲート電極として機能することができる。導電層４３１と導電層４８６に同じ電位を与えることで、トランジスタのオン電流を高めることができる。また、導電層４３１と導電層４８６の一方にしきい値電圧を制御するための電位を与え、他方に駆動のための電位を与えることで、トランジスタのしきい値電圧を制御することができる。
【０２５０】図２７（Ｄ）に示すトランジスタは、トップゲート構造のトランジスタであり、ゲート電極として機能する導電層４３１が、半導体層４３２よりも上側（被形成面側とは反対側）に設けられている。また、半導体層４３２上には、絶縁層４３４及び導電層４３１が積層されている。また、絶縁層４８２は、半導体層４３２の上面及び側端部、導電層４３１を覆って設けられている。導電層４３３ａ及び導電層４３３ｂは、絶縁層４８２上に設けられている。導電層４３３ａ及び導電層４３３ｂは、絶縁層４８２に設けられた開口を介して、半導体層４３２と接続されている。
【０２５１】なお、ここでは絶縁層４３４が、導電層４３１と重ならない部分に存在しない場合の例を示しているが、絶縁層４３４が半導体層４３２の上面及び側端部を覆って設けられていてもよい。
【０２５２】図２７（Ｄ）に示すトランジスタは、導電層４３１と導電層４３３ａまたは導電層４３３ｂとの物理的な距離を離すことが容易なため、これらの間の寄生容量を低減することが可能である。
【０２５３】図２７（Ｅ）に示すトランジスタは、図２７（Ｄ）とは、導電層４８７及び絶縁層４８８を有している点で相違している。導電層４８７は半導体層４３２と重なる領域を有する。また、絶縁層４８８は、導電層４８７を覆って設けられている。
【０２５４】導電層４８７は、第２のゲート電極として機能する。そのため、オン電流を高めることや、しきい値電圧を制御することなどが可能である。
【０２５５】なお、図２７（Ｄ）及び（Ｅ）に示すように、半導体層４３２は領域４３２ｎを有していてもよい。領域４３２ｎは、窒素又は水素を有する絶縁層４８２と接する領域を有する。そして、絶縁層４８２中の窒素または水素が領域４３２ｎに添加されることにより、領域４３２ｎがｎ型化される。この場合、領域４３２ｎはソース領域又はドレイン領域として機能する。なお、領域４３２ｎに含まれる窒素又は水素の濃度は、チャネル形成領域よりも高い。また、領域４３２ｎのキャリア密度は、チャネル形成領域よりも高い。
【０２５６】また、半導体層４３２は領域４３２ｊを有していてもよい。領域４３２ｊは、チャネル形成領域と、ソース領域又はドレイン領域との間の接合領域としての機能を有する。領域４３２ｊに含まれる窒素又は水素の濃度は、領域４３２ｎよりも低く、チャネル形成領域よりも高い。また、領域４３２ｊのキャリア密度は、領域４３２ｎよりも低く、チャネル形成領域よりも高い。
【０２５７】＜構成要素＞
以下では、上記に示す各構成要素について説明する。
【０２５８】［基板］
表示装置が有する基板には、平坦面を有する材料を用いることができる。表示素子からの光を取り出す基板には、該光を透過する材料を用いる。例えば、ガラス、石英、セラミック、サファイヤ、有機樹脂などの材料を用いることができる。
【０２５９】厚さの薄い基板を用いることで、表示パネルの軽量化、薄型化を図ることができる。さらに、可撓性を有する程度に薄い基板を用いることで、可撓性を有する表示パネルを実現できる。または、可撓性を有する程度に薄いガラスなどを基板に用いることもできる。または、ガラスと樹脂材料とが接着層により貼り合わされた複合材料を用いてもよい。
【０２６０】［トランジスタ］
トランジスタは、ゲート電極として機能する導電層と、半導体層と、ソース電極として機能する導電層と、ドレイン電極として機能する導電層と、ゲート絶縁層として機能する絶縁層と、を有する。
【０２６１】なお、本発明の一態様の表示装置が有するトランジスタの構造は特に限定されない。例えば、プレーナ型のトランジスタとしてもよいし、スタガ型のトランジスタとしてもよいし、逆スタガ型のトランジスタとしてもよい。また、トップゲート型またはボトムゲート型のいずれのトランジスタ構造としてもよい。または、チャネルの上下にゲート電極が設けられていてもよい。
【０２６２】トランジスタに用いる半導体材料の結晶性についても特に限定されず、非晶質半導体、結晶性を有する半導体（微結晶半導体、多結晶半導体、単結晶半導体、または一部に結晶領域を有する半導体）のいずれを用いてもよい。結晶性を有する半導体を用いると、トランジスタ特性の劣化を抑制できるため好ましい。
【０２６３】また、トランジスタに用いる半導体材料としては、例えば、第１４族の元素（シリコン、ゲルマニウム等）、又は金属酸化物を半導体層に用いることができる。代表的には、シリコンを含む半導体、ガリウムヒ素を含む半導体又はインジウムを含む金属酸化物などを適用できる。シリコンを含む半導体としては、例えば水素化アモルファスシリコンを用いることができる。
【０２６４】また、シリコンよりもバンドギャップの大きな金属酸化物を用いたトランジスタは、その低いオフ電流により、トランジスタと直列に接続された容量に蓄積した電荷を長期間に亘って保持することが可能である。このようなトランジスタを画素に適用することで、各表示領域に表示した画像の階調を維持しつつ、駆動回路を停止することも可能となる。その結果、極めて消費電力の低減された表示装置を実現できる。
【０２６５】半導体層は、例えば少なくともインジウム、亜鉛及びＭ（アルミニウム、チタン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、セリウム、スズ、ネオジムまたはハフニウム等の金属）を含むＩｎ−Ｍ−Ｚｎ系酸化物で表記される膜を含むことが好ましい。また、該半導体層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、それらと共に、スタビライザーを含むことが好ましい。
【０２６６】スタビライザーとしては、上記Ｍで記載の金属を含め、例えば、ガリウム、スズ、ハフニウム、アルミニウム、またはジルコニウム等がある。また、他のスタビライザーとしては、ランタノイドである、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、サマリウム、ユウロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム、ルテチウム等がある。
【０２６７】半導体層を構成する金属酸化物として、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−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、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。
【０２６８】なお、ここで、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物とは、ＩｎとＧａとＺｎを主成分として有する酸化物という意味であり、ＩｎとＧａとＺｎの比率は問わない。また、ＩｎとＧａとＺｎ以外の金属元素が入っていてもよい。
【０２６９】また、半導体層と導電層は、上記酸化物のうち同一の金属元素を有していてもよい。半導体層と導電層を同一の金属元素とすることで、製造コストを低減させることができる。例えば、同一の金属組成の金属酸化物ターゲットを用いることで、製造コストを低減させることができる。また半導体層と導電層を加工する際のエッチングガスまたはエッチング液を共通して用いることができる。ただし、半導体層と導電層は、同一の金属元素を有していても、組成が異なる場合がある。例えば、トランジスタ及び容量素子の作製工程中に、膜中の金属元素が脱離し、異なる金属組成となる場合がある。
【０２７０】半導体層を構成する金属酸化物は、エネルギーギャップが２ｅＶ以上、好ましくは２．５ｅＶ以上、より好ましくは３ｅＶ以上であることが好ましい。このように、エネルギーギャップの広い金属酸化物を用いることで、トランジスタのオフ電流を低減することができる。
【０２７１】半導体層を構成する金属酸化物がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物の場合、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物を成膜するために用いるスパッタリングターゲットの金属元素の原子数比は、Ｉｎ≧Ｍ、Ｚｎ≧Ｍを満たすことが好ましい。このようなスパッタリングターゲットの金属元素の原子数比として、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１．２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝３：１：２、４：２：４．１等が好ましい。なお、成膜される半導体層の金属元素の原子数比は、誤差として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。
【０２７２】半導体層には、キャリア密度の低い金属酸化物を用いることが好ましい。例えば、半導体層は、キャリア密度が１×１０１７／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１５／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０１３／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１１／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０１０／ｃｍ３未満であり、１×１０−９／ｃｍ３以上のキャリア密度の金属酸化物を用いることができる。このような半導体層は、不純物濃度が低く、欠陥準位密度が低いため、安定な特性を有する。
【０２７３】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及び電気特性（電界効果移動度、しきい値電圧等）に応じて適切な組成の材料を用いればよい。また、必要とするトランジスタの半導体特性を得るために、半導体層のキャリア密度や不純物濃度、欠陥密度、金属元素と酸素の原子数比、原子間距離、密度等を適切な値とすることが好ましい。
【０２７４】半導体層を構成する金属酸化物において、第１４族元素の一つであるシリコンや炭素が含まれると、半導体層において酸素欠損が増加し、ｎ型化してしまう場合がある。このため、半導体層におけるシリコンや炭素の濃度（二次イオン質量分析法により得られる濃度）を、２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とすることが好ましい。
【０２７５】また、アルカリ金属及びアルカリ土類金属は、金属酸化物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二次イオン質量分析法により得られるアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは２×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下にすることが好ましい。
【０２７６】また、半導体層は、例えば非単結晶構造でもよい。非単結晶構造は、例えば、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い。
【０２７７】非晶質構造の金属酸化物は、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。
【０２７８】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、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。
【０２７９】［導電層］
トランジスタのゲート、ソースおよびドレインのほか、表示装置を構成する各種配線および電極などの導電層に用いることのできる材料の例としては、アルミニウム、チタン、クロム、ニッケル、銅、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、銀、タンタル、またはタングステンなどの金属、またはこれを主成分とする合金などが挙げられる。またこれらの材料を含む膜を単層で、または積層構造として用いることができる。例えば、シリコンを含むアルミニウム膜の単層構造、チタン膜上にアルミニウム膜を積層する二層構造、タングステン膜上にアルミニウム膜を積層する二層構造、銅−マグネシウム−アルミニウム合金膜上に銅膜を積層する二層構造、チタン膜上に銅膜を積層する二層構造、タングステン膜上に銅膜を積層する二層構造、チタン膜または窒化チタン膜と、その上に重ねてアルミニウム膜または銅膜を積層し、さらにその上にチタン膜または窒化チタン膜を形成する三層構造、モリブデン膜または窒化モリブデン膜と、その上に重ねてアルミニウム膜または銅膜を積層し、さらにその上にモリブデン膜または窒化モリブデン膜を形成する三層構造等がある。なお、酸化インジウム、酸化錫または酸化亜鉛等の酸化物を用いてもよい。また、マンガンを含む銅を用いると、エッチングによる形状の制御性が高まるため好ましい。
【０２８０】また、トランジスタのゲート、ソースおよびドレインのほか、表示装置を構成する各種配線及び電極などの導電層に用いることのできる、透光性を有する導電性材料としては、酸化インジウム、インジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化亜鉛、ガリウムを添加した酸化亜鉛などの導電性酸化物またはグラフェンを用いることができる。または、金、銀、白金、マグネシウム、ニッケル、タングステン、クロム、モリブデン、鉄、コバルト、銅、パラジウム、またはチタンなどの金属材料や、該金属材料を含む合金材料を用いることができる。または、該金属材料の窒化物（例えば、窒化チタン）などを用いてもよい。なお、金属材料、合金材料（またはそれらの窒化物）を用いる場合には、透光性を有する程度に薄くすればよい。また、上記材料の積層膜を導電層として用いることができる。例えば、銀とマグネシウムの合金とインジウムスズ酸化物の積層膜などを用いると、導電性を高めることができるため好ましい。これらは、表示装置を構成する各種配線および電極などの導電層や、表示素子が有する導電層（画素電極や共通電極として機能する導電層）にも用いることができる。
【０２８１】［絶縁層］
各絶縁層に用いることのできる絶縁材料としては、例えば、アクリル、エポキシなどの樹脂、シリコーンなどのシロキサン結合を有する樹脂の他、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、酸化アルミニウムなどの無機絶縁材料を用いることもできる。
【０２８２】透水性の低い絶縁膜の例としては、窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜等の窒素と珪素を含む膜や、窒化アルミニウム膜等の窒素とアルミニウムを含む膜等が挙げられる。また、酸化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜等を用いてもよい。
【０２８３】［液晶素子］
液晶素子としては、例えば垂直配向（ＶＡ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）モードが適用された液晶素子を用いることができる。垂直配向モードとしては、ＭＶＡ（Ｍｕｌｔｉ−Ｄｏｍａｉｎ  Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）モード、ＰＶＡ（Ｐａｔｔｅｒｎｅｄ  Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）モード、ＡＳＶ（Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｓｕｐｅｒ  Ｖｉｅｗ）モードなどを用いることができる。
【０２８４】また、液晶素子には、様々なモードが適用された液晶素子を用いることができる。例えばＶＡモードのほかに、ＴＮ（Ｔｗｉｓｔｅｄ  Ｎｅｍａｔｉｃ）モード、ＩＰＳ（Ｉｎ−Ｐｌａｎｅ−Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）モード、ＦＦＳ（Ｆｒｉｎｇｅ  Ｆｉｅｌｄ  Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）モード、ＡＳＭ（Ａｘｉａｌｌｙ  Ｓｙｍｍｅｔｒｉｃ  ａｌｉｇｎｅｄ  Ｍｉｃｒｏ−ｃｅｌｌ）モード、ＯＣＢ（Ｏｐｔｉｃａｌｌｙ  Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ  Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）モード、ＦＬＣ（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ）モード、ＡＦＬＣ（ＡｎｔｉＦｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ）モード、ＥＣＢ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）モード、ゲストホストモード等が適用された液晶素子を用いることができる。
【０２８５】なお、液晶素子は、液晶の光学的変調作用によって光の透過または非透過を制御する素子である。なお、液晶の光学的変調作用は、液晶にかかる電界（横方向の電界、縦方向の電界または斜め方向の電界を含む）によって制御される。なお、液晶素子に用いる液晶としては、サーモトロピック液晶、低分子液晶、高分子液晶、高分子分散型液晶（ＰＤＬＣ：Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｄｉｓｐｅｒｓｅｄ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ）、高分子ネットワーク型液晶（ＰＮＬＣ：Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｎｅｔｗｏｒｋ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ）、強誘電性液晶、反強誘電性液晶等を用いることができる。これらの液晶材料は、条件により、コレステリック相、スメクチック相、キュービック相、カイラルネマチック相、等方相等を示す。
【０２８６】また、液晶材料としては、ポジ型の液晶、またはネガ型の液晶のいずれを用いてもよく、適用するモードや設計に応じて最適な液晶材料を用いればよい。
【０２８７】また、液晶の配向を制御するため、配向膜を設けることができる。なお、横電界方式を採用する場合、配向膜を用いないブルー相を示す液晶を用いてもよい。ブルー相は液晶相の一つであり、コレステリック液晶を昇温していくと、コレステリック相から等方相へ転移する直前に発現する相である。ブルー相は狭い温度範囲でしか発現しないため、温度範囲を改善するために数重量％以上のカイラル剤を混合させた液晶組成物を液晶層に用いる。ブルー相を示す液晶とカイラル剤とを含む液晶組成物は、応答速度が短く、光学的等方性である。また、ブルー相を示す液晶とカイラル剤とを含む液晶組成物は、配向処理が不要であり、視野角依存性が小さい。また配向膜を設けなくてもよいのでラビング処理も不要となるため、ラビング処理によって引き起こされる静電破壊を防止することができ、作製工程中の液晶表示装置の不良や破損を軽減することができる。
【０２８８】また、液晶素子として、透過型の液晶素子、反射型の液晶素子、または半透過型の液晶素子などがある。
【０２８９】本発明の一態様では、特に透過型の液晶素子を好適に用いることができる。
【０２９０】透過型または半透過型の液晶素子を用いる場合、一対の基板を挟むように、２つの偏光板を設ける。また偏光板よりも外側に、バックライトを設ける。バックライトとしては、直下型のバックライトであってもよいし、エッジライト型のバックライトであってもよい。ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）を備える直下型のバックライトを用いると、ローカルディミングが容易となり、コントラストを高めることができるため好ましい。また、エッジライト型のバックライトを用いると、バックライトを含めたモジュールの厚さを低減できるため好ましい。
【０２９１】なお、エッジライト型のバックライトをオフ状態とすることで、シースルー表示を行うことができる。
【０２９２】［着色層］
着色層に用いることのできる材料の例としては、金属材料、樹脂材料、顔料または染料が含まれた樹脂材料などが挙げられる。
【０２９３】［遮光層］
遮光層として用いることのできる材料の例としては、カーボンブラック、チタンブラック、金属、金属酸化物、複数の金属酸化物の固溶体を含む複合酸化物等が挙げられる。遮光層は、樹脂材料を含む膜であってもよいし、金属などの無機材料の薄膜であってもよい。また、遮光層に、着色層の材料を含む膜の積層膜を用いることもできる。例えば、ある色の光を透過する着色層に用いる材料を含む膜と、他の色の光を透過する着色層に用いる材料を含む膜との積層構造を用いることができる。着色層と遮光層の材料を共通化することで、装置を共通化できるほか工程を簡略化できるため好ましい。
【０２９４】なお、本実施の形態では、表示素子として液晶素子を用いた表示装置について説明したが、表示素子として発光素子を用いることもできる。
【０２９５】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。
【０２９６】（実施の形態６）
本実施の形態では、上記実施の形態において用いることができるＯＳトランジスタの構成例について説明する。
【０２９７】＜トランジスタの構成例＞
図２８（Ａ）は、トランジスタの構成例を示す上面図である。図２８（Ｂ）は、図２８（Ａ）のＸ１−Ｘ２線断面図であり、図２８（Ｃ）はＹ１−Ｙ２線断面図である。ここでは、Ｘ１−Ｘ２線の方向をチャネル長方向と、Ｙ１−Ｙ２線方向をチャネル幅方向と呼称する場合がある。図２８（Ｂ）は、トランジスタのチャネル長方向の断面構造を示す図であり、図２８（Ｃ）は、トランジスタのチャネル幅方向の断面構造を示す図である。なお、デバイス構造を明確にするため、図２８（Ａ）では、一部の構成要素が省略されている。
【０２９８】本発明の一態様に係る半導体装置は、絶縁層８１２乃至８２０、金属酸化物膜８２１乃至８２４、導電層８５０乃至８５３を有する。トランジスタ８０１は絶縁表面に形成される。図２８では、トランジスタ８０１が絶縁層８１１上に形成される場合を例示している。トランジスタ８０１は絶縁層８１８及び絶縁層８１９で覆われている。
【０２９９】なお、トランジスタ８０１を構成している絶縁層、金属酸化物膜、導電層等はそれぞれ、単層であっても、複数の膜が積層されたものであってもよい。これらの作製には、スパッタリング法、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）、パルスレーザアブレーション法（ＰＬＡ法）、ＣＶＤ法、原子層堆積法（ＡＬＤ法）などの各種の成膜方法を用いることができる。なお、ＣＶＤ法は、プラズマＣＶＤ法、熱ＣＶＤ法、有機金属ＣＶＤ法などがある。
【０３００】導電層８５０は、トランジスタ８０１のゲート電極として機能する領域を有する。導電層８５１、導電層８５２は、ソース電極又はドレイン電極として機能する領域を有する。導電層８５３は、バックゲート電極として機能する領域を有する。絶縁層８１７は、ゲート電極（フロントゲート電極）側のゲート絶縁層として機能する領域を有し、絶縁層８１４乃至８１６の積層で構成される絶縁層は、バックゲート電極側のゲート絶縁層として機能する領域を有する。絶縁層８１８は層間絶縁層としての機能を有する。絶縁層８１９はバリア層としての機能を有する。
【０３０１】金属酸化物膜８２１乃至８２４をまとめて酸化物層８３０と呼ぶ。図２８（Ｂ）、図２８（Ｃ）に示すように、酸化物層８３０は、金属酸化物膜８２１、金属酸化物膜８２２、金属酸化物膜８２４が順に積層されている領域を有する。また、一対の金属酸化物膜８２３は、それぞれ導電層８５１、導電層８５２上に位置する。トランジスタ８０１がオン状態のとき、チャネル形成領域は酸化物層８３０のうち主に金属酸化物膜８２２に形成される。
【０３０２】金属酸化物膜８２４は、金属酸化物膜８２１乃至８２３、導電層８５１、導電層８５２を覆っている。絶縁層８１７は金属酸化物膜８２３と導電層８５０との間に位置する。導電層８５１、導電層８５２はそれぞれ、金属酸化物膜８２３、金属酸化物膜８２４、絶縁層８１７を介して、導電層８５０と重なる領域を有する。
【０３０３】導電層８５１及び導電層８５２は、金属酸化物膜８２１及び金属酸化物膜８２２を形成するためのハードマスクから作製されている。そのため、導電層８５１及び導電層８５２は、金属酸化物膜８２１および金属酸化物膜８２２の側面に接する領域を有していない。例えば、次のような工程を経て、金属酸化物膜８２１、８２２、導電層８５１、導電層８５２を作製することができる。まず、積層された２層の金属酸化物膜上に導電膜を形成する。この導電膜を所望の形状に加工（エッチング）して、ハードマスクを形成する。ハードマスクを用いて、２層の金属酸化物膜の形状を加工し、積層された金属酸化物膜８２１及び金属酸化物膜８２２を形成する。次に、ハードマスクを所望の形状に加工して、導電層８５１及び導電層８５２を形成する。
【０３０４】絶縁層８１１乃至８１８に用いられる絶縁材料には、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化マグネシウム、窒化シリコン、酸化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、アルミニウムシリケートなどがある。絶縁層８１１乃至８１８はこれらの絶縁材料でなる単層、又は積層して構成される。絶縁層８１１乃至８１８を構成する層は、複数の絶縁材料を含んでいてもよい。
【０３０５】なお、本明細書等において、酸化窒化物とは、酸素の含有量が窒素よりも多い化合物であり、窒化酸化物とは、窒素の含有量が酸素よりも多い化合物のことを意味する。
【０３０６】酸化物層８３０の酸素欠損の増加を抑制するため、絶縁層８１６乃至８１８は、酸素を含む絶縁層であることが好ましい。絶縁層８１６乃至８１８は、加熱により酸素が放出される絶縁膜（以下、「過剰酸素を含む絶縁膜」ともいう）で形成されることがより好ましい。過剰酸素を含む絶縁膜から酸化物層８３０に酸素を供給することで、酸化物層８３０の酸素欠損を補償することができる。トランジスタ８０１の信頼性および電気的特性を向上することができる。
【０３０７】過剰酸素を含む絶縁膜とは、ＴＤＳ（Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：昇温脱離ガス分光法）において、膜の表面温度が１００℃以上７００℃以下、又は１００℃以上５００℃以下の範囲における酸素分子の放出量が１．０×１０１８［分子／ｃｍ３］以上である膜とする。酸素分子の放出量は、３．０×１０２０分子／ｃｍ３以上であることがより好ましい。
【０３０８】過剰酸素を含む絶縁膜は、絶縁膜に酸素を添加する処理を行って形成することができる。酸素を添加する処理の例としては、酸素雰囲気下による熱処理、プラズマ処理、又はイオン注入法、イオンドーピング法、もしくはプラズマイマージョンイオン注入法を用いた処理などが挙げられる。酸素を添加するためのガスとしては、１６Ｏ２もしくは１８Ｏ２などの酸素ガス、亜酸化窒素ガス又はオゾンガスなどを用いることができる。
【０３０９】酸化物層８３０の水素濃度の増加を防ぐために、絶縁層８１２乃至８１９中の水素濃度を低減することが好ましい。特に絶縁層８１３乃至８１８の水素濃度を低減することが好ましい。具体的には、水素濃度は、２×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、好ましくは５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下が好ましく、１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下がより好ましく、５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下がさらに好ましい。
【０３１０】上掲の水素濃度は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）で測定された値である。
【０３１１】トランジスタ８０１において、酸素および水素に対してバリア性をもつ絶縁層（以下、バリア層ともいう）によって酸化物層８３０が包み込まれる構造であることが好ましい。このような構造であることで、酸化物層８３０から酸素が放出されること、酸化物層８３０に水素が侵入することを抑えることができる。トランジスタ８０１の信頼性、電気的特性を向上できる。
【０３１２】例えば、絶縁層８１９をバリア層として機能させ、かつ絶縁層８１１、８１２、８１４の少なくとも１つをバリア層として機能させればよい。バリア層は、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、窒化シリコンなどの材料で形成することができる。
【０３１３】絶縁層８１１乃至８１８の構成例を記す。この例では、絶縁層８１１、８１２、８１５、８１９は、それぞれ、バリア層として機能する。絶縁層８１６乃至８１８は過剰酸素を含む酸化物層である。絶縁層８１１は窒化シリコンであり、絶縁層８１２は酸化アルミニウムであり、絶縁層８１３は酸化窒化シリコンである。バックゲート電極側のゲート絶縁層としての機能を有する絶縁層８１４乃至８１６は、酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化シリコンの積層である。フロントゲート電極側のゲート絶縁層としての機能を有する絶縁層８１７は、酸化窒化シリコンである。層間絶縁層としての機能を有する絶縁層８１８は、酸化シリコンである。絶縁層８１９は酸化アルミニウムである。
【０３１４】導電層８５０乃至８５３に用いられる導電性材料には、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、スカンジウム等の金属、又は上述した金属を成分とする金属窒化物（窒化タンタル、窒化チタン、窒化モリブデン、窒化タングステン）等がある。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、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの導電性材料を用いることができる。
【０３１５】導電層８５０乃至８５３の構成例を記す。導電層８５０は窒化タンタル、又はタングステン単層、又は窒化タンタルとタングステンとの積層（導電層８５０ａ、８５０ｂ）である。あるいは、導電層８５０は窒化タンタル、タンタルおよび窒化タンタルでなる積層である。導電層８５１は、窒化タンタル単層、又は窒化タンタルとタングステンとの積層である。導電層８５２の構成は導電層８５１と同じである。導電層８５３は窒化タンタル単層、又は窒化タンタルとタングステンとの積層（導電層８５３ａ、８５３ｂ）である。
【０３１６】トランジスタ８０１のオフ電流の低減のために、金属酸化物膜８２２は、例えば、エネルギーギャップが大きいことが好ましい。金属酸化物膜８２２のエネルギーギャップは、２．５ｅＶ以上４．２ｅＶ以下であり、２．８ｅＶ以上３．８ｅＶ以下が好ましく、３ｅＶ以上３．５ｅＶ以下がさらに好ましい。
【０３１７】酸化物層８３０は、結晶性を有することが好ましい。少なくとも、金属酸化物膜８２２は結晶性を有することが好ましい。上記構成により、信頼性、および電気的特性の良いトランジスタ８０１を実現できる。
【０３１８】金属酸化物膜８２２に適用できる酸化物は、例えば、Ｉｎ−Ｇａ酸化物、Ｉｎ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｙ、又はＳｎ）である。金属酸化物膜８２２は、インジウムを含む酸化物層に限定されない。金属酸化物膜８２２は、例えば、Ｚｎ−Ｓｎ酸化物、Ｇａ−Ｓｎ酸化物、Ｚｎ−Ｍｇ酸化物等で形成することができる。金属酸化物膜８２１、８２３、８２４も、金属酸化物膜８２２と同様の酸化物で形成することができる。特に、金属酸化物膜８２１、８２３、８２４は、それぞれ、Ｇａ酸化物で形成することができる。
【０３１９】金属酸化物膜８２２と金属酸化物膜８２１の界面に界面準位が形成されると、界面近傍の領域にもチャネル形成領域が形成されるために、トランジスタ８０１の閾値電圧が変動してしまう。そのため、金属酸化物膜８２１は、構成要素として、金属酸化物膜８２２を構成する金属元素の少なくとも１つを含むことが好ましい。これにより、金属酸化物膜８２２と金属酸化物膜８２１の界面には、界面準位が形成されにくくなり、トランジスタ８０１の閾値電圧等の電気的特性のばらつきを低減することができる。
【０３２０】金属酸化物膜８２４は、構成要素として、金属酸化物膜８２２を構成する金属元素の少なくとも１つを含むことが好ましい。これにより、金属酸化物膜８２２と金属酸化物膜８２４との界面では、界面散乱が起こりにくくなり、キャリアの動きが阻害されにくくなるので、トランジスタ８０１の電界効果移動度を高くすることができる。
【０３２１】金属酸化物膜８２１乃至８２４のうち、金属酸化物膜８２２のキャリア移動度が最も高いことが好ましい。これにより、絶縁層８１６、８１７から離れている金属酸化物膜８２２にチャネルを形成することができる。
【０３２２】例えば、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物等のＩｎ含有金属酸化物は、Ｉｎの含有率を高めることで、キャリア移動度を高めることができる。Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物では主として重金属のｓ軌道がキャリア伝導に寄与しており、インジウムの含有率を多くすることにより、より多くのｓ軌道が重なるため、インジウムの含有率が多い酸化物はインジウムの含有率が少ない酸化物と比較して移動度が高くなる。そのため、金属酸化物膜にインジウムの含有量が多い酸化物を用いることで、キャリア移動度を高めることができる。
【０３２３】そのため、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物で金属酸化物膜８２２を形成し、Ｇａ酸化物で金属酸化物膜８２１、８２３を形成する。例えば、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物で、金属酸化物膜８２１乃至８２３を形成する場合、金属酸化物膜８２２のＩｎの含有率を金属酸化物膜８２１、８２３のＩｎの含有率よりも高くする。Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物をスパッタリング法で形成する場合、ターゲットの金属元素の原子数比を変えることで、Ｉｎ含有率を変化させることができる。
【０３２４】例えば、金属酸化物膜８２２の成膜に用いるターゲットの金属元素の原子数比Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎは、１：１：１、３：１：２、又は４：２：４．１が好ましい。例えば、金属酸化物膜８２１、８２３の成膜に用いるターゲットの金属元素の原子数比Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎは、１：３：２、又は１：３：４が好ましい。Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝４：２：４．１のターゲットで成膜したＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物の原子数比は、およそＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝４：２：３である。
【０３２５】トランジスタ８０１に安定した電気的特性を付与するには、酸化物層８３０の不純物濃度を低減することが好ましい。金属酸化物において、水素、窒素、炭素、シリコン、および主成分以外の金属元素は不純物となる。例えば、水素および窒素はドナー準位の形成に寄与し、キャリア密度を増大させてしまう。また、シリコンおよび炭素は金属酸化物中で不純物準位の形成に寄与する。不純物準位はトラップとなり、トランジスタの電気的特性を劣化させることがある。
【０３２６】例えば、酸化物層８３０は、シリコン濃度が２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは、２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の領域を有する。酸化物層８３０の炭素濃度も同様である。
【０３２７】酸化物層８３０は、アルカリ金属濃度が１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の、好ましくは２×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の領域を有する。酸化物層８３０のアルカリ土類金属の濃度についても同様である。
【０３２８】酸化物層８３０は、水素濃度が１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満の、好ましくは１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満の、より好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満の、さらに好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満の領域を有する。
【０３２９】上掲した酸化物層８３０の不純物濃度は、ＳＩＭＳにより得られる値である。
【０３３０】金属酸化物膜８２２が酸素欠損を有する場合、酸素欠損のサイトに水素が入り込むことでドナー準位を形成することがある。その結果、トランジスタ８０１のオン電流を低下させる要因となる。なお、酸素欠損のサイトは、水素が入るよりも酸素が入る方が安定する。したがって、金属酸化物膜８２２中の酸素欠損を低減することで、トランジスタ８０１のオン電流を大きくすることができる場合がある。よって、金属酸化物膜８２２の水素を低減することで、酸素欠損のサイトに水素が入りこまないようにすることが、オン電流特性に有効である。
【０３３１】金属酸化物に含まれる水素は、金属原子に結合している酸素と反応して水になるため、酸素欠損を形成することがある。酸素欠損に水素が入ることで、キャリアである電子が生成されることがある。また、水素の一部が金属原子に結合している酸素と結合して、キャリアである電子を生成することがある。金属酸化物膜８２２にチャネル形成領域が設けられるので、金属酸化物膜８２２に水素が含まれていると、トランジスタ８０１はノーマリーオン特性となりやすい。このため、金属酸化物膜８２２中の水素はできる限り低減されていることが好ましい。
【０３３２】なお、金属酸化物膜８２２は、導電層８５１又は導電層８５２と接する領域においては、ｎ型化された領域８２２ｎを有していてもよい。領域８２２ｎは、金属酸化物膜８２２中の酸素が導電層８５１又は導電層８５２に引き抜かれる、又は、導電層８５１又は導電層８５２に含まれる導電性材料が金属酸化物膜８２２中の元素と結合する、などの現象によって形成される。領域８２２ｎが形成されることにより、導電層８５１又は導電層８５２と金属酸化物膜８２２との接触抵抗を低減することができる。
【０３３３】図２８は、酸化物層８３０が４層構造の例であるが、これに限定されない。例えば、酸化物層８３０を金属酸化物膜８２１又は金属酸化物膜８２３のない３層構造とすることができる。又は、酸化物層８３０の任意の層の間、酸化物層８３０の上、酸化物層８３０の下のいずれか二箇所以上に、金属酸化物膜８２１乃至８２４と同様の金属酸化物膜を１層又は複数を設けることができる。
【０３３４】図２９を参照して、金属酸化物膜８２１、８２２、８２４の積層によって得られる効果を説明する。図２９は、トランジスタ８０１のチャネル形成領域のエネルギーバンド構造の模式図である。
【０３３５】図２９中、Ｅｃ８１６ｅ、Ｅｃ８２１ｅ、Ｅｃ８２２ｅ、Ｅｃ８２４ｅ、Ｅｃ８１７ｅは、それぞれ、絶縁層８１６、金属酸化物膜８２１、金属酸化物膜８２２、金属酸化物膜８２４、絶縁層８１７の伝導帯下端のエネルギーを示している。
【０３３６】ここで、真空準位と伝導帯下端のエネルギーとの差（電子親和力ともいう）は、真空準位と価電子帯上端のエネルギーとの差（イオン化ポテンシャルともいう）からエネルギーギャップを引いて得られる値となる。なお、エネルギーギャップは、分光エリプソメータ（ＨＯＲＩＢＡ  ＪＯＢＩＮ  ＹＶＯＮ社  ＵＴ−３００）を用いて測定できる。また、真空準位と価電子帯上端のエネルギー差は、紫外線光電子分光分析（ＵＰＳ：Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ  Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）装置（ＰＨＩ社  ＶｅｒｓａＰｒｏｂｅ）を用いて測定できる。
【０３３７】絶縁層８１６、８１７は絶縁体であるため、Ｅｃ８１６ｅとＥｃ８１７ｅは、Ｅｃ８２１ｅ、Ｅｃ８２２ｅ、およびＥｃ８２４ｅよりも真空準位に近い（電子親和力が小さい）。
【０３３８】金属酸化物膜８２２は、金属酸化物膜８２１、８２４よりも電子親和力が大きい。例えば、金属酸化物膜８２２と金属酸化物膜８２１との電子親和力の差、および金属酸化物膜８２２と金属酸化物膜８２４との電子親和力の差は、それぞれ、０．０７ｅＶ以上１．３ｅＶ以下である。電子親和力の差は、０．１ｅＶ以上０．７ｅＶ以下が好ましく、０．１５ｅＶ以上０．４ｅＶ以下がさらに好ましい。なお、電子親和力は、真空準位と伝導帯下端のエネルギーとの差である。
【０３３９】トランジスタ８０１のゲート電極（導電層８５０）に電圧を印加すると、金属酸化物膜８２１、金属酸化物膜８２２、金属酸化物膜８２４のうち、電子親和力が大きい金属酸化物膜８２２に主にチャネルが形成される。
【０３４０】インジウムガリウム酸化物は、小さい電子親和力と、高い酸素ブロック性を有する。そのため、金属酸化物膜８２４がインジウムガリウム酸化物を含むと好ましい。ガリウム原子割合［Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ）］は、例えば、７０％以上、好ましくは８０％以上、さらに好ましくは９０％以上とする。
【０３４１】また、金属酸化物膜８２１と金属酸化物膜８２２との間には金属酸化物膜８２１と金属酸化物膜８２２の混合領域が存在する場合がある。また、金属酸化物膜８２４と金属酸化物膜８２２との間には金属酸化物膜８２４と金属酸化物膜８２２の混合領域が存在する場合がある。混合領域は、界面準位密度が低くなるため、金属酸化物膜８２１、８２２、８２４の積層されている領域は、それぞれの界面近傍においてエネルギーが連続的に変化する（連続接合ともいう）バンド構造となる。
【０３４２】このようなエネルギーバンド構造を有する酸化物層８３０において、電子は主に金属酸化物膜８２２を移動することになる。そのため、金属酸化物膜８２１と絶縁層８１６との界面に、又は、金属酸化物膜８２４と絶縁層８１７との界面に準位が存在したとしても、これらの界面準位により、酸化物層８３０中を移動する電子の移動が阻害されにくくなるため、トランジスタ８０１のオン電流を高くすることができる。
【０３４３】また、図２９に示すように、金属酸化物膜８２１と絶縁層８１６の界面近傍、および金属酸化物膜８２４と絶縁層８１７の界面近傍には、それぞれ、不純物や欠陥に起因したトラップ準位Ｅｔ８２６ｅ、Ｅｔ８２７ｅが形成され得るものの、金属酸化物膜８２１、８２４があることにより、金属酸化物膜８２２とトラップ準位Ｅｔ８２６ｅ、Ｅｔ８２７ｅとを遠ざけることができる。
【０３４４】なお、Ｅｃ８２１ｅとＥｃ８２２ｅとの差が小さい場合、金属酸化物膜８２２の電子が該エネルギー差を越えてトラップ準位Ｅｔ８２６ｅに達することがある。トラップ準位Ｅｔ８２６ｅに電子が捕獲されることで、絶縁膜の界面にマイナスの固定電荷が生じ、トランジスタの閾値電圧はプラス方向にシフトしてしまう。Ｅｃ８２２ｅとＥｃ８２４ｅとのエネルギー差が小さい場合も同様である。
【０３４５】トランジスタ８０１の閾値電圧の変動が低減され、トランジスタ８０１の電気的特性を良好なものとするため、Ｅｃ８２１ｅとＥｃ８２２ｅとの差、Ｅｃ８２４ｅとＥｃ８２２ｅと差を、それぞれ０．１ｅＶ以上とすることが好ましく、０．１５ｅＶ以上とすることがより好ましい。
【０３４６】なお、トランジスタ８０１はバックゲート電極を有さない構造とすることもできる。
【０３４７】＜積層構造の例＞
次に、ＯＳトランジスタと他のトランジスタの積層によって構成される半導体装置の構造について説明する。
【０３４８】図３０に、ＳｉトランジスタであるトランジスタＴｒ１００と、ＯＳトランジスタであるＴｒ２００と、容量素子Ｃ１００と、が積層された半導体装置８６０の積層構造の例を示す。
【０３４９】半導体装置８６０は、ＣＭＯＳ層８７１、配線層Ｗ１乃至Ｗ５、トランジスタ層８７２、配線層Ｗ６、Ｗ７の積層で構成されている。
【０３５０】ＣＭＯＳ層８７１には、トランジスタＴｒ１００が設けられている。トランジスタＴｒ１００のチャネル形成領域は、単結晶シリコンウエハ８７０に設けられている。トランジスタＴｒ１００のゲート電極８７３は、配線層Ｗ１乃至Ｗ５を介して、容量素子Ｃ１００の一方の電極８７５と接続されている。
【０３５１】トランジスタ層８７２には、トランジスタＴｒ２００が設けられている。図３０では、トランジスタＴｒ２００がトランジスタ８０１（図２８）と同様の構造を有する。トランジスタＴｒ２００のソース又はドレインの一方に相当する電極８７４は、容量素子Ｃ１００の一方の電極８７５と接続されている。なお、図３０には、トランジスタＴｒ２００がバックゲート電極を配線層Ｗ５に有する場合を例示している。また、配線層Ｗ６には、容量素子Ｃ１００が設けられている。
【０３５２】以上のように、ＯＳトランジスタとその他の素子を積層することにより、回路の面積を縮小することができる。
【０３５３】上記の構造は、上記の実施の形態で説明した半導体装置に用いることができる。具体的には、図１２におけるトランジスタＴｒ２、Ｔｒ３としてトランジスタＴｒ１００を用い、トランジスタＴｒ１としてトランジスタＴｒ２００を用い、容量素子Ｃ１として容量素子Ｃ１００を用いることができる。
【０３５４】また、トランジスタＴｒ１００は図１６（Ａ）におけるトランジスタＴｒＣ、ＴｒＤと同じ層に設けることができ、トランジスタＴｒ２００は図１６（Ａ）におけるトランジスタＴｒＡ、ＴｒＢと同じ層に設けることができる。
【０３５５】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。
【０３５６】（実施の形態７）
本実施の形態では、上記実施の形態で説明したＯＳトランジスタに用いることができる、金属酸化物について説明する。以下では特に、金属酸化物とＣＡＣ（Ｃｌｏｕｄ−Ａｌｉｇｎｅｄ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）−ＯＳの詳細について説明する。
【０３５７】ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ  ｏｘｉｄｅは、材料の一部では導電性の機能と、材料の一部では絶縁性の機能とを有し、材料の全体では半導体としての機能を有する。なお、ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ  ｏｘｉｄｅを、トランジスタのチャネル形成領域に用いる場合、導電性の機能は、キャリアとなる電子（またはホール）を流す機能であり、絶縁性の機能は、キャリアとなる電子を流さない機能である。導電性の機能と、絶縁性の機能とを、それぞれ相補的に作用させることで、スイッチングさせる機能（Ｏｎ／Ｏｆｆさせる機能）をＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ  ｏｘｉｄｅに付与することができる。ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ  ｏｘｉｄｅにおいて、それぞれの機能を分離させることで、双方の機能を最大限に高めることができる。
【０３５８】また、ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ  ｏｘｉｄｅは、導電性領域、及び絶縁性領域を有する。導電性領域は、上述の導電性の機能を有し、絶縁性領域は、上述の絶縁性の機能を有する。また、材料中において、導電性領域と、絶縁性領域とは、ナノ粒子レベルで分離している場合がある。また、導電性領域と、絶縁性領域とは、それぞれ材料中に偏在する場合がある。また、導電性領域は、周辺がぼけてクラウド状に連結して観察される場合がある。
【０３５９】また、ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ  ｏｘｉｄｅにおいて、導電性領域と、絶縁性領域とは、それぞれ０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下、好ましくは０．５ｎｍ以上３ｎｍ以下のサイズで材料中に分散している場合がある。
【０３６０】また、ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ  ｏｘｉｄｅは、異なるバンドギャップを有する成分により構成される。例えば、ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ  ｏｘｉｄｅは、絶縁性領域に起因するワイドギャップを有する成分と、導電性領域に起因するナローギャップを有する成分と、により構成される。当該構成の場合、キャリアを流す際に、ナローギャップを有する成分において、主にキャリアが流れる。また、ナローギャップを有する成分が、ワイドギャップを有する成分に相補的に作用し、ナローギャップを有する成分に連動してワイドギャップを有する成分にもキャリアが流れる。このため、上記ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ  ｏｘｉｄｅをトランジスタのチャネル形成領域に用いる場合、トランジスタのオン状態において高い電流駆動力、つまり大きなオン電流、及び高い電界効果移動度を得ることができる。
【０３６１】すなわち、ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ  ｏｘｉｄｅは、マトリックス複合材（ｍａｔｒｉｘ  ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）、または金属マトリックス複合材（ｍｅｔａｌ  ｍａｔｒｉｘ  ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）と呼称することもできる。
【０３６２】ＣＡＣ−ＯＳは、例えば、金属酸化物を構成する元素が、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下、好ましくは、１ｎｍ以上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、金属酸化物において、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。
【０３６３】なお、金属酸化物は、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。
【０３６４】例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物におけるＣＡＣ−ＯＳ（ＣＡＣ−ＯＳの中でもＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を、特にＣＡＣ−ＩＧＺＯと呼称してもよい。）とは、インジウム酸化物（以下、ＩｎＯＸ１（Ｘ１は０よりも大きい実数）とする。）、またはインジウム亜鉛酸化物（以下、ＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２（Ｘ２、Ｙ２、およびＺ２は０よりも大きい実数）とする。）と、ガリウム酸化物（以下、ＧａＯＸ３（Ｘ３は０よりも大きい実数）とする。）、またはガリウム亜鉛酸化物（以下、ＧａＸ４ＺｎＹ４ＯＺ４（Ｘ４、Ｙ４、およびＺ４は０よりも大きい実数）とする。）などと、に材料が分離することでモザイク状となり、モザイク状のＩｎＯＸ１、またはＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２が、膜中に均一に分布した構成（以下、クラウド状ともいう。）である。
【０３６５】つまり、ＣＡＣ−ＯＳは、ＧａＯＸ３が主成分である領域と、ＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２、またはＩｎＯＸ１が主成分である領域とが、混合している構成を有する複合金属酸化物である。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。
【０３６６】なお、ＩＧＺＯは通称であり、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎ、およびＯによる１つの化合物をいう場合がある。代表例として、ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍ１（ｍ１は自然数）、またはＩｎ（１＋ｘ０）Ｇａ（１−ｘ０）Ｏ３（ＺｎＯ）ｍ０（−１≦ｘ０≦１、ｍ０は任意数）で表される結晶性の化合物が挙げられる。
【０３６７】上記結晶性の化合物は、単結晶構造、多結晶構造、またはＣＡＡＣ（ｃ−ａｘｉｓ  ａｌｉｇｎｅｄ  ｃｒｙｓｔａｌ）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。
【０３６８】一方、ＣＡＣ−ＯＳは、金属酸化物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。従って、ＣＡＣ−ＯＳにおいて、結晶構造は副次的な要素である。
【０３６９】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。
【０３７０】なお、ＧａＯＸ３が主成分である領域と、ＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２、またはＩｎＯＸ１が主成分である領域とは、明確な境界が観察できない場合がある。
【０３７１】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。
【０３７２】ＣＡＣ−ＯＳは、例えば基板を加熱しない条件で、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、及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。
【０３７３】ＣＡＣ−ＯＳは、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−ｒａｙ  ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）測定法のひとつであるＯｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法によるθ／２θスキャンを用いて測定したときに、明確なピークが観察されないという特徴を有する。すなわち、Ｘ線回折から、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。
【０３７４】またＣＡＣ−ＯＳは、プローブ径が１ｎｍの電子線（ナノビーム電子線ともいう。）を照射することで得られる電子線回折パターンにおいて、リング状に輝度の高い領域と、該リング領域に複数の輝点が観測される。従って、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。
【０３７５】また例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物におけるＣＡＣ−ＯＳでは、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＸ：Ｅｎｅｒｇｙ  Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ  Ｘ−ｒａｙ  ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を用いて取得したＥＤＸマッピングにより、ＧａＯＸ３が主成分である領域と、ＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２、またはＩｎＯＸ１が主成分である領域とが、偏在し、混合している構造を有することが確認できる。
【０３７６】ＣＡＣ−ＯＳは、金属元素が均一に分布したＩＧＺＯ化合物とは異なる構造であり、ＩＧＺＯ化合物と異なる性質を有する。つまり、ＣＡＣ−ＯＳは、ＧａＯＸ３などが主成分である領域と、ＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２、またはＩｎＯＸ１が主成分である領域と、に互いに相分離し、各元素を主成分とする領域がモザイク状である構造を有する。
【０３７７】ここで、ＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２、またはＩｎＯＸ１が主成分である領域は、ＧａＯＸ３などが主成分である領域と比較して、導電性が高い領域である。つまり、ＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２、またはＩｎＯＸ１が主成分である領域を、キャリアが流れることにより、酸化物半導体としての導電性が発現する。従って、ＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２、またはＩｎＯＸ１が主成分である領域が、酸化物半導体中にクラウド状に分布することで、高い電界効果移動度（μ）が実現できる。
【０３７８】一方、ＧａＯＸ３などが主成分である領域は、ＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２、またはＩｎＯＸ１が主成分である領域と比較して、絶縁性が高い領域である。つまり、ＧａＯＸ３などが主成分である領域が、酸化物半導体中に分布することで、リーク電流を抑制し、良好なスイッチング動作を実現できる。
【０３７９】従って、ＣＡＣ−ＯＳを半導体素子に用いた場合、ＧａＯＸ３などに起因する絶縁性と、ＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２、またはＩｎＯＸ１に起因する導電性とが、相補的に作用することにより、高いオン電流（Ｉｏｎ）、および高い電界効果移動度（μ）を実現することができる。
【０３８０】また、ＣＡＣ−ＯＳを用いた半導体素子は、信頼性が高い。従って、ＣＡＣ−ＯＳは、さまざまな半導体装置に最適である。
【０３８１】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。
【０３８２】（実施の形態８）
本実施の形態では、上記実施の形態で説明した半導体装置を搭載した電子機器の例について説明する。
【０３８３】本発明の一態様に係る半導体装置は、カメラモジュールなどに用いることができる。この場合、カメラモジュールに人工知能を用いて撮像データを圧縮する機能を付加することができる。
【０３８４】図３１に、カメラモジュール２０００の構成例を示す。カメラモジュール２０００は、レンズユニット２００１、オートフォーカスユニット２００２、リッドガラス２００３、センサカバー２００４、半導体装置２００５、基板２００６、ＦＰＣ２００７を有する。半導体装置２００５には、半導体装置１０（図１参照）を搭載することができる。
【０３８５】カメラモジュール２０００は、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再生装置（代表的にはＤＶＤ：Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ  Ｄｉｓｃ等の記録媒体を再生し、その画像を表示しうるディスプレイを有する装置）など、各種の電子機器に用いることができる。その他に、本発明の一態様に係る半導体装置を用いることができる電子機器の例として、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３２に示す。
【０３８６】図３２（Ａ）は携帯型ゲーム機であり、筐体３００１、筐体３００２、表示部３００３、表示部３００４、マイク３００５、スピーカ３００６、操作キー３００７、スタイラス３００８、カメラ３００９等を有する。なお、図３２（Ａ）に示した携帯型ゲーム機は、２つの表示部３００３と表示部３００４とを有しているが、携帯型ゲーム機が有する表示部の数は、これに限定されない。カメラ３００９には本発明の一態様に係る半導体装置１０を用いることができる。
【０３８７】図３２（Ｂ）は携帯データ端末であり、筐体３０１１、表示部３０１２、カメラ３０１９等を有する。表示部３０１２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。カメラ３０１９には本発明の一態様に係る半導体装置１０を用いることができる。
【０３８８】図３２（Ｃ）は腕時計型の情報端末であり、筐体３０３１、表示部３０３２、リストバンド３０３３、カメラ３０３９等を有する。表示部３０３２はタッチパネルとなっていてもよい。カメラ３０３９には本発明の一態様に係る半導体装置１０を用いることができる。
【０３８９】図３２（Ｄ）は監視カメラであり、筐体３０５１、レンズ３０５２、支持部３０５３等を有する。この監視カメラには本発明の一態様の半導体装置を備えることができる。
【０３９０】図３２（Ｅ）はデジタルカメラであり、筐体３０６１、シャッターボタン３０６２、マイク３０６３、発光部３０６７、レンズ３０６５等を有する。このデジタルカメラには本発明の一態様の半導体装置を備えることができる。
【０３９１】図３２（Ｆ）はビデオカメラであり、第１筐体３０７１、第２筐体３０７２、表示部３０７３、操作キー３０７４、レンズ３０７５、接続部３０７６等を有する。操作キー３０７４およびレンズ３０７５は第１筐体３０７１に設けられており、表示部３０７３は第２筐体３０７２に設けられている。そして、第１筐体３０７１と第２筐体３０７２とは、接続部３０７６により接続されており、第１筐体３０７１と第２筐体３０７２の間の角度は、接続部３０７６により変更が可能である。表示部３０７３における画像を、接続部３０７６における第１筐体３０７１と第２筐体３０７２との間の角度に従って切り替える構成としても良い。レンズ３０７５の焦点となる位置には本発明の一態様の半導体装置を備えることができる。
【０３９２】また、上記実施の形態で説明した半導体装置を有する表示システムを、電子機器に搭載することができる。図３３、図３４に、上記実施の形態で説明した表示システムを搭載することができる電子機器の例を示す。
【０３９３】図３３（Ａ）にテレビジョン装置の一例を示す。テレビジョン装置７１００は、筐体７１０１に表示部７０００が組み込まれている。ここでは、スタンド７１０３により筐体７１０１を支持した構成を示している。
【０３９４】図３３（Ａ）に示すテレビジョン装置７１００の操作は、筐体７１０１が備える操作スイッチや、別体のリモコン操作機７１１１により行うことができる。または、表示部７０００にタッチセンサを備えていてもよく、指等で表示部７０００に触れることでテレビジョン装置７１００を操作してもよい。リモコン操作機７１１１は、当該リモコン操作機７１１１から出力する情報を表示する表示部を有していてもよい。リモコン操作機７１１１が備える操作キーまたはタッチパネルにより、チャンネル及び音量の操作を行うことができ、表示部７０００に表示される画像を操作することができる。
【０３９５】なお、テレビジョン装置７１００は、受信機及びモデムなどを備えた構成とする。受信機により一般のテレビ放送の受信を行うことができる。また、モデムを介して有線または無線による通信ネットワークに接続することにより、一方向（送信者から受信者）または双方向（送信者と受信者間、あるいは受信者間同士など）の情報通信を行うことも可能である。
【０３９６】図３３（Ｂ）に、ノート型パーソナルコンピュータ７２００を示す。ノート型パーソナルコンピュータ７２００は、筐体７２１１、キーボード７２１２、ポインティングデバイス７２１３、外部接続ポート７２１４等を有する。筐体７２１１に、表示部７０００が組み込まれている。
【０３９７】図３４（Ａ）、（Ｂ）に、デジタルサイネージ（電子看板）の一例を示す。
【０３９８】図３４（Ａ）に示すデジタルサイネージ７３００は、筐体７３０１、表示部７０００、及びスピーカ７３０３等を有する。さらに、ＬＥＤランプ、操作キー（電源スイッチ、または操作スイッチを含む）、接続端子、各種センサ、マイクロフォン等を有することができる。
【０３９９】また、図３４（Ｂ）は円柱状の柱７４０１に取り付けられたデジタルサイネージ７４００である。デジタルサイネージ７４００は、柱７４０１の曲面に沿って設けられた表示部７０００を有する。
【０４００】表示部７０００が広いほど、一度に提供できる情報量を増やすことができる。また、表示部７０００が広いほど、人の目につきやすく、例えば、広告の宣伝効果を高めることができる。
【０４０１】表示部７０００にタッチパネルを適用することで、表示部７０００に画像を表示するだけでなく、使用者が直感的に操作することができ、好ましい。また、路線情報もしくは交通情報などの情報を提供するための用途に用いる場合には、直感的な操作によりユーザビリティを高めることができる。
【０４０２】また、図３４（Ａ）、（Ｂ）に示すように、デジタルサイネージ７３００またはデジタルサイネージ７４００は、ユーザーが所持するスマートフォン等の情報端末機７３１１または情報端末機７４１１と無線通信により連携可能であることが好ましい。例えば、表示部７０００に表示される広告の情報を、情報端末機７３１１または情報端末機７４１１の画面に表示させることができる。また、情報端末機７３１１または情報端末機７４１１を操作することで、表示部７０００の表示を切り替えることができる。
【０４０３】また、デジタルサイネージ７３００またはデジタルサイネージ７４００に、情報端末機７３１１または情報端末機７４１１の画面を操作手段（コントローラ）としたゲームを実行させることもできる。これにより、不特定多数のユーザーが同時にゲームに参加し、楽しむことができる。
【０４０４】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】
【０４０５】１０    半導体装置、  ２０    縮小部、  ２０ａ    縮小部、  ３０    分類部、  ４０    分割部、  ４０ａ    分割部、  ５０    分配部、  ６０    圧縮部、  ７０    記憶部、  ７１    駆動回路、  ７２    駆動回路、  ８０    演算装置、  ９０    記憶装置、  １００    撮像装置、  １１０    受光部、  １１１    画素、  １２０    圧縮部、  １３０    単結晶半導体基板、  １４１    電極、  １４２    光電変換部、  １４３    電極、  １４４    隔壁、  １５１    絶縁層、  ３００    表示システム、  ３１０    表示部、  ３１１    画素部、  ３１２    駆動回路、  ３１３    駆動回路、  ３１５    領域、  ３２０    信号生成部、  ３２１    フロントエンド部、  ３２２    デコーダ、  ３３３    画像処理部、  ３３４    受信部、  ３３５    インターフェース、  ３３６    制御部、  ３５１    エンコーダ、  ３５２    デコーダ、  ３７１    表示領域、  ３７１ａ    表示領域、  ３７１ｂ    表示領域、  ３７１ｃ    表示領域、  ３７１ｄ    表示領域、  ３７２    領域、  ３７２ｂ    領域、  ３７２ｃ    領域、  ３７２ｄ    領域、  ３７３    領域、  ３７４    ＦＰＣ、  ３７４ａ    ＦＰＣ、  ３７５    表示領域、  ４００    表示装置、  ４１１    基板、  ４１２    基板、  ４２０    液晶素子、  ４２１    導電層、  ４２２    液晶、  ４２３    導電層、  ４２４ａ    配向膜、  ４２４ｂ    配向膜、  ４２６    絶縁層、  ４３０    トランジスタ、  ４３１    導電層、  ４３１ａ    導電層、  ４３２    半導体層、  ４３２ｊ    領域、  ４３２ｎ    領域、  ４３２ｐ    半導体層、  ４３３ａ    導電層、  ４３３ｂ    導電層、  ４３４    絶縁層、  ４３５    不純物半導体層、  ４３７    半導体層、  ４３８    接続部、  ４３９ａ    偏光板、  ４３９ｂ    偏光板、  ４４１    着色層、  ４４２    遮光層、  ４６０    容量素子、  ４８１    絶縁層、  ４８２    絶縁層、  ４８３    絶縁層、  ４８４    絶縁層、  ４８５    絶縁層、  ４８６    導電層、  ４８７    導電層、  ４８８    絶縁層、  ４９０    バックライトユニット、  ８０１    トランジスタ、  ８１１    絶縁層、  ８１２    絶縁層、  ８１３    絶縁層、  ８１４    絶縁層、  ８１５    絶縁層、  ８１６    絶縁層、  ８１７    絶縁層、  ８１８    絶縁層、  ８１９    絶縁層、  ８２０    絶縁層、  ８２１    金属酸化物膜、  ８２２    金属酸化物膜、  ８２２ｎ    領域、  ８２３    金属酸化物膜、  ８２４    金属酸化物膜、  ８３０    酸化物層、  ８５０    導電層、  ８５１    導電層、  ８５２    導電層、  ８５３    導電層、  ８６０    半導体装置、  ８７０    単結晶シリコンウエハ、  ８７１    ＣＭＯＳ層、  ８７２    トランジスタ層、  ８７３    ゲート電極、  ８７４    電極、  ８７５    電極、  ２０００    カメラモジュール、  ２００１    レンズユニット、  ２００２    オートフォーカスユニット、  ２００３    リッドガラス、  ２００４    センサカバー、  ２００５    半導体装置、  ２００６    基板、  ２００７    ＦＰＣ、  ３００１    筐体、  ３００２    筐体、  ３００３    表示部、  ３００４    表示部、  ３００５    マイク、  ３００６    スピーカ、  ３００７    操作キー、  ３００８    スタイラス、  ３００９    カメラ、  ３０１１    筐体、  ３０１２    表示部、  ３０１９    カメラ、  ３０３１    筐体、  ３０３２    表示部、  ３０３３    リストバンド、  ３０３９    カメラ、  ３０５１    筐体、  ３０５２    レンズ、  ３０５３    支持部、  ３０６１    筐体、  ３０６２    シャッターボタン、  ３０６３    マイク、  ３０６５    レンズ、  ３０６７    発光部、  ３０７１    筐体、  ３０７２    筐体、  ３０７３    表示部、  ３０７４    操作キー、  ３０７５    レンズ、  ３０７６    接続部、  ７０００    表示部、  ７１００    テレビジョン装置、  ７１０１    筐体、  ７１０３    スタンド、  ７１１１    リモコン操作機、  ７２００    ノート型パーソナルコンピュータ、  ７２１１    筐体、  ７２１２    キーボード、  ７２１３    ポインティングデバイス、  ７２１４    外部接続ポート、  ７３００    デジタルサイネージ、  ７３０１    筐体、  ７３０３    スピーカ、  ７３１１    情報端末機、  ７４００    デジタルサイネージ、  ７４０１    柱、７４１１    情報端末機
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【国際調査報告】
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