(57)【要約】【課題】高解像度の画像に対応する画像データを生成する機能を有する半導体装置を提供する。【解決手段】表示部と、解像度拡張部と、を有する半導体装置であって、表示部は、マトリクス状に配置された画素を有する。解像度拡張部は、ニューラルネットワークを有し、第１の画像データを受信することで、対応する画像の解像度を第１の画像データより高めた第２の画像データを生成する機能を有する。また、半導体装置は、エンコーダと、デコーダと、を有する。エンコーダおよびデコーダは、ニューラルネットワークを有する。エンコーダは、第２の画像データに対して特徴抽出をした第３の画像データを生成する機能を有する。デコーダは、第３の画像データを第２の画像データに復元し、復元された第２の画像データのビット数を増加させることにより、階調数を第２の画像データより増加させた第４の画像データを生成する機能と、を有する。【選択図】図１
2018151443.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表示部と、第１の回路と、を有し、
前記表示部は、マトリクス状に配置された画素を有し、
前記第１の回路は、ニューラルネットワークを有し、
前記第１の回路は、第１の画像データから、対応する画像の解像度を前記第１の画像データより高めた第２の画像データを生成する機能を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
表示部と、第１の回路と、エンコーダと、デコーダと、を有し、
前記表示部は、マトリクス状に配置された画素を有し、
前記第１の回路、前記エンコーダ、及び前記デコーダは、それぞれニューラルネットワークを有し、
前記第１の回路は、第１の画像データから、対応する画像の解像度を前記第１の画像データより高めた第２の画像データを生成する機能を有し、
前記エンコーダは、前記第２の画像データに対して特徴抽出をした第３の画像データを生成する機能を有し、
前記デコーダは、前記第３の画像データを前記第２の画像データに復元し、前記第２の画像データのビット数を増加させることにより、階調数を前記第２の画像データより増加させた第４の画像データを生成する機能を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項２において、
前記第２の画像データにおける、階調を表現するための一の前記画素あたりのビット数は、前記第４の画像データにおける、階調を表現するための一の前記画素あたりのビット数の１／２より多いことを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一項において、
第２の回路を有し、
前記第２の回路は、ニューラルネットワークを有し、
前記第２の回路は、前記第２の画像データに対して画像処理を行う機能を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一項において、
前記画素は、トランジスタを有し、
前記トランジスタは、チャネル形成領域に金属酸化物を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
請求項１乃至４のいずれか一項において、
前記画素は、トランジスタを有し、
前記トランジスタは、チャネル形成領域に水素化アモルファスシリコンを有することを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の一態様は、半導体装置に関する。
【０００２】
なお本発明の一態様は、上記の技術分野に限定されない。本明細書等で開示する発明の技術分野は、物、方法、または、製造方法に関するものである。または、本発明の一態様は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、または、組成物（コンポジション・オブ・マター）に関するものである。そのため、より具体的に本明細書で開示する本発明の一態様の技術分野としては、半導体装置、表示装置、液晶表示装置、発光装置、蓄電装置、撮像装置、記憶装置、プロセッサ、電子機器、それらの駆動方法、それらの製造方法、それらの検査方法、またはそれらのシステムを一例として挙げることができる。
【背景技術】
【０００３】
テレビジョン（ＴＶ）は、大画面化に伴い、高精細度の映像を視聴できることが望まれている。日本国では、２０１５年に通信衛星（ＣＳ）およびケーブルテレビ等による４Ｋ実用放送が開始され、２０１６年に放送衛星（ＢＳ）による４Ｋ・８Ｋ試験放送が開始されている。今後、８Ｋ実用放送の開始が予定されている。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（非特許文献１）。８Ｋの実用放送では、４Ｋ放送、２Ｋ放送（フルハイビジョン放送）も併用される予定である。
【０００４】
また、テレビジョンに限らず様々な電子機器に対して人工ニューラルネットワーク等を利用した人工知能を付する開発が進められている。人工ニューラルネットワークを利用することで、従来のノイマン型コンピュータよりも高性能なコンピュータが実現できると期待されており、近年、電子回路上で人工ニューラルネットワークを構築する種々の研究が進められている。非特許文献２には、人工ニューラルネットワークによる自己学習機能を備えたチップに関する技術が記載されている。
【０００５】
さらに、特許文献１には、チャネル形成領域に酸化物半導体を有するトランジスタを用いた記憶装置によって、人工ニューラルネットワークを用いた計算に必要な重みデータを保持する発明が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許公開第２０１６／０３４３４５２号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｓ．Ｋａｗａｓｈｉｍａ，  ｅｔ  ａｌ．，  ”１３．３−Ｉｎ．  ８Ｋ  Ｘ  ４Ｋ  ６６４−ｐｐｉ  ＯＬＥＤ  Ｄｉｓｐｌａｙ  Ｕｓｉｎｇ  ＣＡＡＣ−ＯＳ  ＦＥＴｓ，”  ＳＩＤ  ２０１４  ＤＩＧＥＳＴ，ｐｐ．６２７―６３０．
【非特許文献２】Ｙｕｔａｋａ  Ａｒｉｍａ  ｅｔ  ａｌ，”Ａ  Ｓｅｌｆ−Ｌｅａｒｎｉｎｇ  Ｎｅｕｒａｌ  Ｎｅｔｗｏｒｋ  Ｃｈｉｐ  ｗｉｔｈ  １２５  Ｎｅｕｒｏｎｓ  ａｎｄ  １０Ｋ  Ｓｅｌｆ−Ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ  Ｓｙｎａｐｓｅｓ”，  ＩＥＥＥ  ＪＯＵＲＮＡＬ  ＯＦ  ＳＯＬＩＤ−ＳＴＡＴＥ  ＣＩＲＣＵＩＴＳ，  ＶＯＬ．２６，ＮＯ．４，  ＡＰＲＩＬ  １９９１，  ｐｐ．６０７−６１１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
８Ｋ放送の映像の解像度（水平・垂直の画素数）は７６８０×４３２０であり、４Ｋ（３８４０×２１６０）の４倍、２Ｋ（１９２０×１０８０）の１６倍である。したがって、８Ｋ放送の映像を見る者は、２Ｋ放送の映像、または４Ｋ放送の映像等を見る者より高い臨場感を感じることができると期待される。
【０００９】
本発明の一態様は、高解像度の画像に対応する画像データを生成する機能を有する半導体装置、およびその動作方法を提供することを課題の１つとする。または、本発明の一態様は、階調数の多い画像に対応する画像データを生成する機能を有する半導体装置、およびその動作方法を提供することを課題の１つとする。または、本発明の一態様は、様々な種類の放送に対応する半導体装置、およびその動作方法を提供することを課題の１つとする。または、本発明の一態様は、新規な半導体装置、およびその動作方法を提供することを課題の１つとする。
【００１０】
なお本発明の一態様の課題は、上記列挙した課題に限定されない。上記列挙した課題は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお他の課題は、以下の記載で述べる、本項目で言及していない課題である。本項目で言及していない課題は、当業者であれば明細書または図面等の記載から導き出せるものであり、これらの記載から適宜抽出することができる。なお、本発明の一態様は、上記列挙した記載、および他の課題のうち、少なくとも一つの課題を解決するものである。なお、本発明の一態様は、上記列挙した記載、および他の課題の全てを解決する必要はない。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一態様は、表示部と、第１の回路と、を有し、表示部は、マトリクス状に配置された画素を有し、第１の回路は、ニューラルネットワークを有し、第１の回路は、第１の画像データから、対応する画像の解像度を第１の画像データより高めた第２の画像データを生成する機能を有することを特徴とする半導体装置である。
【００１２】
また、本発明の一態様は、表示部と、第１の回路と、エンコーダと、デコーダと、を有し、表示部は、マトリクス状に配置された画素を有し、第１の回路、エンコーダ、及びデコーダは、それぞれニューラルネットワークを有し、第１の回路は、第１の画像データから、対応する画像の解像度を第１の画像データより高めた第２の画像データを生成する機能を有し、エンコーダは、第２の画像データに対して特徴抽出をした第３の画像データを生成する機能を有し、デコーダは、第３の画像データを、第２の画像データのビット数を増加させることにより、階調数を第２の画像データより増加させた第４の画像データを生成する機能を有する半導体装置である。
【００１３】
また、上記態様において、第２の画像データにおける、階調を表現するための一の画素あたりのビット数は、第４の画像データにおける、階調を表現するための一の画素あたりのビット数の１／２より多くてもよい。
【００１４】
また、上記態様において、第２の回路を有し、第２の回路は、ニューラルネットワークを有し、第２の回路は、第２の画像データに対して画像処理を行う機能を有してもよい。
【００１５】
また、上記態様において、画素は、トランジスタを有し、トランジスタは、チャネル形成領域に金属酸化物を有してもよい。
【００１６】
また、上記態様において、画素は、トランジスタを有し、トランジスタは、チャネル形成領域に水素化アモルファスシリコンを有してもよい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の一態様により、高解像度の画像に対応する画像データを生成する機能を有する半導体装置、およびその動作方法を提供することができる。または、本発明の一態様により、階調数の多い画像に対応する画像データを生成する機能を有する半導体装置、およびその動作方法を提供することができる。または、本発明の一態様により、様々な種類の放送に対応する半導体装置、およびその動作方法を提供することができる。または、本発明の一態様は、新規な半導体装置、およびその動作方法を提供することができる。
【００１８】
なお本発明の一態様の効果は、上記列挙した効果に限定されない。上記列挙した効果は、他の効果の存在を妨げるものではない。なお他の効果は、以下の記載で述べる、本項目で言及していない効果である。本項目で言及していない効果は、当業者であれば明細書または図面等の記載から導き出せるものであり、これらの記載から適宜抽出することができる。なお、本発明の一態様は、上記列挙した効果、および他の効果のうち、少なくとも一つの効果を有するものである。従って本発明の一態様は、場合によっては、上記列挙した効果を有さない場合もある。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】半導体装置の構成例を示すブロック図。
【図２】半導体装置の構成例を示すブロック図。
【図３】画像処理部の構成例を示すブロック図。
【図４】解像度拡張部の構成例を示すブロック図。
【図５】画像データを説明する図。
【図６】画像データを説明する図。
【図７】オートエンコーダの構成例を示すブロック図。
【図８】階層型の人工ニューラルネットワークの一例を示す図。
【図９】階層型の人工ニューラルネットワークの一例を示す図。
【図１０】階層型の人工ニューラルネットワークの一例を示す図。
【図１１】回路の構成例を説明する図。
【図１２】回路の構成例を示すブロック図。
【図１３】積和演算回路の構成例を示すブロック図。
【図１４】プログラマブルスイッチについて説明するブロック図と回路図。
【図１５】回路の構成例を示すブロック図。
【図１６】回路の構成例を示すブロック図。
【図１７】回路の構成例を示すブロック図。
【図１８】積和演算回路の一例を示すブロック図。
【図１９】図１３の積和演算回路のオフセット回路の一例を示す回路図。
【図２０】図１３の積和演算回路のオフセット回路の一例を示す回路図。
【図２１】図１３の積和演算回路のオフセット回路の一例を示す回路図。
【図２２】図１３の積和演算回路のオフセット回路の一例を示す回路図。
【図２３】図１３の積和演算回路のメモリセルアレイの一例を示す回路図。
【図２４】図１３の積和演算回路のオフセット回路の一例を示す回路図。
【図２５】図１３の積和演算回路のメモリセルアレイの一例を示す回路図。
【図２６】積和演算回路の動作例を示すタイミングチャート。
【図２７】積和演算回路の動作例を示すタイミングチャート。
【図２８】積和演算回路の動作例を示すタイミングチャート。
【図２９】表示装置の構成例を示す図。
【図３０】表示装置の構成例を示す図。
【図３１】表示装置の構成例を示す図。
【図３２】表示装置の構成例を示す図。
【図３３】トランジスタの構成例を示す図。
【図３４】レーザ照射方法およびレーザ結晶化装置を説明する図。
【図３５】レーザ照射方法を説明する図。
【図３６】トランジスタの構成例を示す上面図および断面図。
【図３７】トランジスタの構成例を示す断面図。
【図３８】トランジスタの構成例を示す断面図。
【図３９】金属酸化物の原子数比の範囲を説明する図。
【図４０】トランジスタの構成例を示す上面図および断面図。
【図４１】画素回路の構成例を説明する、回路図およびタイミングチャート。
【図４２】電子機器の一例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本明細書等において、人工ニューラルネットワーク（ＡＮＮ、以後、ニューラルネットワークと呼称する。）とは、生物の神経回路網を模したモデル全般を指す。一般的には、ニューラルネットワークは、ニューロンを模したユニットが、シナプスを模したユニットを介して、互いに結合された構成となっている。
【００２１】
シナプスの結合（ニューロン同士の結合）の強度（重み係数ともいう。）は、ニューラルネットワークに既存の情報を与えることによって、変化させることができる。このように、ニューラルネットワークに既存の情報を与えて、結合強度を決める処理を「学習」と呼ぶ場合がある。
【００２２】
また、「学習」を行った（結合強度を定めた）ニューラルネットワークに対して、何らかの情報を与えることにより、その結合強度に基づいて新たな情報を出力することができる。このように、ニューラルネットワークにおいて、与えられた情報と結合強度に基づいて新たな情報を出力する処理を「推論」または「認知」と呼ぶ場合がある。
【００２３】
ニューラルネットワークのモデルとしては、例えば、ホップフィールド型、階層型等が挙げられる。特に、多層構造としたニューラルネットワークを「ディープニューラルネットワーク」（ＤＮＮ）と呼称し、ディープニューラルネットワークによる機械学習を「ディープラーニング」と呼称する。なお、ＤＮＮには、全結合ニューラルネットワーク（ＦＣ−ＮＮ：Ｆｕｌｌ  Ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ  −  Ｎｅｕｒａｌ  Ｎｅｔｗｏｒｋ）、畳み込みニューラルネットワーク（ＣＮＮ：Ｃｏｎｖｏｌｕｔｉｏｎａｌ  Ｎｅｕｒａｌ  Ｎｅｔｗｏｒｋ）、再帰ニューラルネットワーク（ＲＮＮ：Ｒｅｃｕｒｒｅｎｔ  Ｎｅｕｒａｌ  Ｎｅｔｗｏｒｋ）等が含まれる。
【００２４】
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）等に分類される。例えば、トランジスタの活性層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、およびスイッチング作用の少なくとも１つを有するトランジスタのチャネル形成領域を構成し得る場合、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。また、ＯＳ  ＦＥＴ（またはＯＳトランジスタ）と記載する場合においては、金属酸化物または酸化物半導体を有するトランジスタと換言することができる。
【００２５】
半導体の不純物とは、例えば、半導体層を構成する主成分以外をいう。例えば、濃度が０．１原子％未満の元素は不純物である。不純物が含まれることにより、例えば、半導体にＤＯＳ（Ｄｅｎｓｉｔｙ  ｏｆ  Ｓｔａｔｅｓ）が形成されることや、キャリア移動度が低下することや、結晶性が低下すること等が起こる場合がある。半導体が酸化物半導体である場合、半導体の特性を変化させる不純物としては、例えば、第１族元素、第２族元素、第１３族元素、第１４族元素、第１５族元素、主成分以外の遷移金属等があり、特に、例えば、水素（水にも含まれる）、リチウム、ナトリウム、シリコン、ホウ素、リン、炭素、窒素等がある。酸化物半導体の場合、例えば水素等の不純物の混入によって酸素欠損を形成する場合がある。また、半導体がシリコン層である場合、半導体の特性を変化させる不純物としては、例えば、酸素、水素を除く第１族元素、第２族元素、第１３族元素、第１５族元素等がある。
【００２６】
本明細書等において、「第１」、「第２」、「第３」という序数詞は、構成要素の混同を避けるために付したものである。従って、構成要素の数を限定するものではない。また、構成要素の順序を限定するものではない。また例えば、本明細書等の実施の形態の一において「第１」に言及された構成要素が、他の実施の形態、あるいは特許請求の範囲において「第２」に言及された構成要素とすることもありうる。また例えば、本明細書等の実施の形態の一において「第１」に言及された構成要素を、他の実施の形態、あるいは特許請求の範囲において省略することもありうる。
【００２７】
実施の形態について図面を参照しながら説明している。但し、実施の形態は多くの異なる態様で実施することが可能であり、趣旨およびその範囲から逸脱することなく、その形態および詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は、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、実施の形態の発明の構成において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する。
【００２８】
また、本明細書等において、「上に」、「下に」等の配置を示す語句は、構成同士の位置関係を、図面を参照して説明するために、便宜上用いている。構成同士の位置関係は、各構成を描写する方向に応じて適宜変化する。そのため、配置を示す語句は、明細書で説明した記載に限定されず、状況に応じて適切に言い換えることができる。
【００２９】
また、「上」や「下」の用語は、構成要素の位置関係が直上または直下で、かつ、直接接していることを限定するものではない。例えば、「絶縁層Ａ上の電極Ｂ」の表現であれば、絶縁層Ａの上に電極Ｂが直接接して形成されている必要はなく、絶縁層Ａと電極Ｂとの間に他の構成要素を含むものを除外しない。
【００３０】
また、図面において、大きさ、層の厚さ、または領域は、説明の便宜上任意の大きさに示したものである。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。なお図面は明確性を期すために模式的に示したものであり、図面に示す形状または値等に限定されない。例えば、ノイズによる信号、電圧、若しくは電流のばらつき、または、タイミングのずれによる信号、電圧、若しくは電流のばらつき等を含むことが可能である。
【００３１】
また、図面において、斜視図等において、図面の明確性を期すために、一部の構成要素の記載を省略している場合がある。
【００３２】
また、図面において、同一の要素または同様な機能を有する要素、同一の材質の要素、あるいは同時に形成される要素等には同一の符号を付す場合があり、その繰り返しの説明は省略する場合がある。
【００３３】
本明細書等において、トランジスタの接続関係を説明する際、ソースとドレインとの一方を、「ソースまたはドレインの一方」（または第１電極、または第１の端子）と表記し、ソースとドレインとの他方を「ソースまたはドレインの他方」（または第２電極、または第２の端子）と表記している。これは、トランジスタのソースとドレインは、トランジスタの構造または動作条件等によって変わるためである。なおトランジスタのソースとドレインの呼称については、ソース（ドレイン）端子や、ソース（ドレイン）電極等、状況に応じて適切に言い換えることができる。また、本明細書等では、ゲート以外の２つの端子を第１の端子、第２の端子と呼ぶ場合や、第３端子、第４端子と呼ぶ場合がある。また、本明細書等に記載するトランジスタが２つ以上のゲートを有するとき（この構成をデュアルゲート構造という場合がある）、それらのゲートを第１ゲート、第２ゲートと呼ぶ場合や、フロントゲート、バックゲートと呼ぶ場合がある。特に、「フロントゲート」という語句は、単に「ゲート」という語句に互いに言い換えることができる。また、「バックゲート」という語句は、単に「ゲート」という語句に互いに言い換えることができる。なお、ボトムゲートとは、トランジスタの作製時において、チャネル形成領域よりも先に形成される端子のことをいい、「トップゲート」とは、トランジスタの作製時において、チャネル形成領域よりも後に形成される端子のことをいう。
【００３４】
トランジスタは、ゲート、ソース、およびドレインと呼ばれる３つの端子を有する。ゲートは、トランジスタの導通状態を制御する制御端子として機能する端子である。ソースまたはドレインとして機能する２つの入出力端子は、トランジスタの型および各端子に与えられる電位の高低によって、一方がソースとなり他方がドレインとなる。このため、本明細書等においては、ソースやドレインの用語は、入れ替えて用いることができるものとする。また、本明細書等では、ゲート以外の２つの端子を第１の端子、第２の端子と呼ぶ場合や、第３端子、第４端子と呼ぶ場合がある。
【００３５】
また、本明細書等において「電極」や「配線」の用語は、これらの構成要素を機能的に限定するものではない。例えば、「電極」は「配線」の一部として用いられることがあり、その逆もまた同様である。さらに、「電極」や「配線」の用語は、複数の「電極」や「配線」が一体となって形成されている場合等も含む。
【００３６】
また、本明細書等において、電圧と電位は、適宜言い換えることができる。電圧は、基準となる電位からの電位差のことであり、例えば基準となる電位をグラウンド電位（接地電位）とすると、電圧を電位に言い換えることができる。グラウンド電位は必ずしも０Ｖを意味するとは限らない。なお電位は相対的なものであり、基準となる電位によっては、配線等に与える電位を変化させる場合がある。
【００３７】
なお本明細書等において、「膜」、「層」等の語句は、場合によっては、または、状況に応じて、互いに入れ替えることが可能である。例えば、「導電層」という用語を、「導電膜」という用語に変更することが可能な場合がある。または、例えば、「絶縁膜」という用語を、「絶縁層」という用語に変更することが可能な場合がある。または、場合によっては、または、状況に応じて、「膜」、「層」等の語句を使わずに、別の用語に入れ替えることが可能である。例えば、「導電層」または「導電膜」という用語を、「導電体」という用語に変更することが可能な場合がある。または、例えば、「絶縁層」「絶縁膜」という用語を、「絶縁体」という用語に変更することが可能な場合がある。
【００３８】
なお本明細書等において、「配線」、「信号線」、「電源線」等の用語は、場合によっては、または、状況に応じて、互いに入れ替えることが可能である。例えば、「配線」という用語を、「信号線」という用語に変更することが可能な場合がある。また、例えば、「配線」という用語を、「電源線」等の用語に変更することが可能な場合がある。また、その逆も同様で、「信号線」「電源線」等の用語を、「配線」という用語に変更することが可能な場合がある。「電源線」等の用語は、「信号線」等の用語に変更することが可能な場合がある。また、その逆も同様で「信号線」等の用語は、「電源線」等の用語に変更することが可能な場合がある。また、配線に印加されている「電位」という用語を、場合によっては、または、状況に応じて、「信号」等という用語に変更することが可能な場合がある。また、その逆も同様で、「信号」等の用語は、「電位」という用語に変更することが可能な場合がある。
【００３９】
各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、本発明の一態様とすることができる。また、１つの実施の形態の中に、複数の構成例が示される場合は、互いに構成例を適宜組み合わせることが可能である。
【００４０】
なお、ある一つの実施の形態の中で述べる内容（一部の内容でもよい）は、その実施の形態で述べる別の内容（一部の内容でもよい）と、一つ若しくは複数の別の実施の形態で述べる内容（一部の内容でもよい）との少なくとも一つの内容に対して、適用、組み合わせ、または置き換え等を行うことができる。
【００４１】
なお、実施の形態の中で述べる内容とは、各々の実施の形態において、様々な図を用いて述べる内容、または明細書に記載される文章を用いて述べる内容のことである。
【００４２】
なお、ある一つの実施の形態において述べる図（一部でもよい）は、その図の別の部分、その実施の形態において述べる別の図（一部でもよい）と、一つ若しくは複数の別の実施の形態において述べる図（一部でもよい）との少なくとも一つの図に対して、組み合わせることにより、さらに多くの図を構成させることができる。
【００４３】
（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置の構成について説明する。
【００４４】
本発明の一態様は、解像度拡張部と、表示装置と、を有する半導体装置に関する。なお、本明細書等において、「部」という言葉は、必要に応じて、または適宜「回路」、「装置」という言葉に入れ替えることができる。例えば、「解像度拡張部」は、「解像度拡張回路」または「解像度拡張装置」と言い換えることができる。
【００４５】
解像度拡張部は、第１の画像データから、対応する画像の解像度を第１の画像データより高めた第２の画像データを生成する機能を有する。例えば、第１の画像データに対応する画像の解像度を、２Ｋまたは４Ｋとし、第２の画像データに対応する画像の解像度を、８Ｋとすることができる。なお、第１の画像データは、半導体装置に設けられるアンテナ等が受信した、放送衛星または電波塔からの放送電波により送信される画像データに対応する。表示装置は、解像度拡張部で生成された画像データを入力することで、当該画像データに対応する画像を表示する機能を有する。表示装置は、例えば第２の画像データを入力することで、第２の画像データに対応する画像を表示することができる。これにより、表示装置は、アンテナ等が受信した放送電波により送信される画像データより高解像度の画像データに対応する画像を表示することができる。なお、表示装置には、画素がマトリクス状に配置された表示部が設けられ、当該表示部に画像を表示することができる。表示部においてカラー表示を行う場合、画素は２個以上の副画素を有する。
【００４６】
解像度拡張部は、ニューラルネットワークを有する。当該ニューラルネットワークは、学習、例えば教師あり学習を行うことができる。当該教師あり学習において、例えば、第２の画像データに対応する画像の解像度と同じ解像度の画像を表す画像データを、教師データとすることができる。また、例えば教師データである画像データを間引くことにより、第１の画像データに対応する画像の解像度と同じ解像度の画像を表す画像データを生成し、当該画像データを入力データとすることができる。入力データから推論した画像データが教師データに一致するように学習を行うことにより、解像度拡張部は、第１の画像データを基にして、より高解像度の画像に対応する第２の画像データを生成する機能を有することができる。
【００４７】
また、本発明の一態様の半導体装置は、エンコーダおよびデコーダを有する。エンコーダおよびデコーダはニューラルネットワークを有し、当該エンコーダおよび当該デコーダによりオートエンコーダが構成されている。
【００４８】
本明細書等において、ニューラルネットワークを有するエンコーダをＡＩ（Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ  Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ）エンコーダと呼び、ニューラルネットワークを有するデコーダをＡＩデコーダと呼ぶ。
【００４９】
ＡＩエンコーダは、画像データに対して特徴抽出を行うことにより圧縮する機能を有する。例えば解像度拡張部が生成した第２の画像データに対して特徴抽出を行うことにより、圧縮された画像データである第３の画像データを生成する機能を有する。また、ＡＩデコーダは、ＡＩエンコーダにより圧縮された画像データを伸張する機能を有する。例えば、第３の画像データを伸張する機能を有する。
【００５０】
また、ＡＩデコーダは、復元に伴い、第２の画像データの階調数（ビット数）より高い階調数の第４の画像データを生成する。なお、より高い階調数の画像データを生成することをビットアップと呼ぶことがある。これにより、解像度拡張部の内部もしくは解像度拡張部と表示部との間の画像データ伝送に要するデータ量を低減しながら、表示部で表現できる階調数を増加させることができる。
【００５１】
以上より、オートエンコーダは、例えば第２の画像データを圧縮、伸張し、さらにビットアップを行うことにより、階調数が第２の画像データより多い第４の画像データを生成する機能を有するということができる。
【００５２】
なお、解像度拡張部が、受信した画像データの階調数を高める機能を有してもよい。この場合、解像度拡張部が生成する第２の画像データの階調数は、解像度拡張部が受信した第１の画像データの階調数より高くなる。
【００５３】
本明細書等において、画像データの階調数とは、当該画像データに対応する画像を表示装置により表示した場合に、１つの画素で表現できる１色あたり（副画素１つあたり）の階調の数を示す。例えば、画像データの階調数を２５６とする場合、当該画像データは、１つの画素が表現する階調を１色あたり８ビットで表せばよい。また、本明細書等において、画像データに含まれる、各画素が表現する階調を表すデータを画素データという。例えば、画像データの階調数を２５６とする場合、画素データ１つあたりのビット数は、１色あたり８ビットとすることができる。
【００５４】
オートエンコーダは、学習、例えば教師あり学習を行うことにより、復元された画像データに含まれる画素データのビット数を圧縮前の画像データに含まれる画素データのビット数より増加させる機能を有することができる。学習では、例えば、第４の画像データに含まれる画素データと同じビット数の画素データを含む画像データを、教師データとすることができる。また、例えば当該教師データに含まれる画素データのビット数を減らすことにより、第２の画像データに含まれる画素データと同じビット数の画素データを含む画像データを生成し、当該画像データを入力データとすることができる。入力データから推論した画像データが教師データに一致するように学習を行うことにより、オートエンコーダは、第２の画像データを基にして、より階調数が多い第４の画像データを生成する機能を有することができる。
【００５５】
図１は、本発明の一態様の半導体装置である半導体装置１０の構成例を示すブロック図である。半導体装置１０は、表示装置１１と、受信装置１２と、を有する。また、図１には、放送信号を受信するアンテナＡＮＴと、半導体装置１０の操作を行うリモコンＲＣと、を図示している。
【００５６】
表示装置１１は、表示部ＰＡと、ゲートドライバ回路ＧＤと、ソースドライバ回路ＳＤと、タイミングコントローラＴＣと、ＡＩデコーダＡＩＤと、を有する。また、表示部ＰＡには画素ｐｉｘがｘ行ｙ列（ｘ、ｙは２以上の整数）のマトリクス状に配置されている。画素ｐｉｘは、表示素子を有し、表示部ＰＡが受信した画像データに対応する画像を当該表示素子により表示することができる。なお、表示部ＰＡがカラー表示を行う場合、画素ｐｉｘは、副画素を有する構成とすることができる。例えば、表示部ＰＡが８Ｋの画像を３色（例えば、赤色、緑色、および青色）で表示する機能を有するとすると、表示部ＰＡは画素ｐｉｘを７６８０×４３２０個、副画素を７６８０×４３２０×３個有する。
【００５７】
本明細書等において、解像度という言葉は、表示部ＰＡに設けられた画素ｐｉｘの個数を示す。
【００５８】
受信装置１２は、インターフェースＩ／Ｆ１と、デコーダＤＣＤと、解像度拡張部ＤＥと、画像処理部ＰＰと、ＡＩエンコーダＡＩＥと、受信部ＲＣＶと、インターフェースＩ／Ｆ２と、制御部ＣＰと、を有する。
【００５９】
なお、半導体装置１０において、表示装置１１が有するＡＩデコーダＡＩＤと、受信装置１２が有するＡＩエンコーダＡＩＥと、によって、オートエンコーダ１３が構成されている。
【００６０】
アンテナＡＮＴは、受信装置１２のインターフェースＩ／Ｆ１と電気的に接続され、インターフェースＩ／Ｆ１は、デコーダＤＣＤと電気的に接続されている。デコーダＤＣＤは、解像度拡張部ＤＥと電気的に接続され、解像度拡張部ＤＥは、画像処理部ＰＰと電気的に接続されている。画像処理部ＰＰは、制御部ＣＰ、ＡＩエンコーダＡＩＥ、およびタイミングコントローラＴＣと電気的に接続されている。受信部ＲＣＶは、インターフェースＩ／Ｆ２と電気的に接続され、インターフェースＩ／Ｆ２は、制御部ＣＰと電気的に接続されている。制御部ＣＰは、インターフェースＩ／Ｆ１、解像度拡張部ＤＥ、画像処理部ＰＰおよびＡＩエンコーダＡＩＥと電気的に接続され、ＡＩエンコーダＡＩＥは、ＡＩデコーダＡＩＤと電気的に接続されている。
【００６１】
ＡＩデコーダＡＩＤは、ソースドライバ回路ＳＤと電気的に接続されている。タイミングコントローラＴＣは、ソースドライバ回路ＳＤおよびゲートドライバ回路ＧＤと電気的に接続されている。表示部ＰＡは、ソースドライバ回路ＳＤおよびゲートドライバ回路ＧＤと電気的に接続されている。
【００６２】
アンテナＡＮＴは、放送衛星、または電波塔等からの放送電波を受信して、電気信号に変換する機能を有する。また、アンテナＡＮＴは、該電気信号をインターフェースＩ／Ｆ１に送信する機能を有する。
【００６３】
インターフェースＩ／Ｆ１は、該電気信号に含まれるチャンネルの信号を抽出して、放送信号として復調する機能を有する。なお、インターフェースＩ／Ｆ１は、アナログフロントエンドと呼ばれることがある。また、インターフェースＩ／Ｆ１は、当該放送信号を、デコーダＤＣＤに送信する機能を有する。なお、放送信号をセットトップボックス（ＳＴＢ：Ｓｅｔ  Ｔｏｐ  Ｂｏｘ）を介して入力する構成、録画再生機に録画したテレビ放送に対応したデータを入力する構成、ブルーレイ等の記録媒体に格納されたデータを入力する構成、等の各種構成とすることが可能である。これらの各種構成において、インターフェースＩ／Ｆ１として、ＨＤＭＩ（Ｈｉｇｈ−Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）（登録商標）、ＳＤＩ（Ｓｅｒｉａｌ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）等のデジタル信号インターフェースを用いることができる。なお、上記構成に各々対応したインターフェースを併設して、切り替えて利用する構成も可能である。以下、上記構成を都度説明することなく、アンテナで受信した放送信号を直接入力する構成を代表例として説明するが、各構成についても適宜読み替えることが可能である。
【００６４】
デコーダＤＣＤは、放送信号に含まれる、画像データ、および音声データを復号伸長する機能を有する。特に、当該画像データは、画像データ２１として、デコーダＤＣＤから解像度拡張部ＤＥに送信される。また、音声データは、半導体装置１０が有する音声制御部、音声出力器等に送信される。なお、図１では、音声制御部、音声出力器は図示していない。
【００６５】
解像度拡張部ＤＥは、画像データ２１を基にして、画像データ２２を生成する機能を有する。画像データ２２は、対応する画像の解像度を画像データ２１より高めた画像データである。例えば、画像データ２１に対応する画像の解像度を、２Ｋまたは４Ｋとし、画像データ２２に対応する画像の解像度を、８Ｋとすることができる。また、画像データ２２は、画素データの階調数を画像データ２１に含まれる画素データより高めた画像データとすることができる。例えば、画像データ２１に含まれる、画素データ１つあたりのビット数を１色あたり５ビットまたは６ビットとし、画像データ２２に含まれる、画素データ１つあたりのビット数を１色あたり８ビットとすることができる。さらに、画像データ２２は、画像の解像度を画像データ２１より高め、かつ、画素データのビット数を画像データ２１に含まれる画素データより高めた画像データとすることができる。例えば、画像データ２１に対応する画像の解像度を２Ｋまたは４Ｋ、画素データ１つあたりのビット数を１色あたり５ビットまたは６ビットとし、画像データ２２に対応する画像の解像度を８Ｋ、画素に含まれる画素データ１つあたりのビット数を１色あたり８ビットとすることができる。詳細は後述するが、解像度拡張部ＤＥはニューラルネットワークを有し、当該ニューラルネットワークが学習を行うことにより、画像データ２１から画像データ２２を推論する機能を有することができる。画像データ２２は、解像度拡張部ＤＥから画像処理部ＰＰに送信される。なお、画像データ２２に対応する画像の解像度は、画像データ２１に対応する画像の解像度のｒ倍（ｒは１より大きい実数）とすることができる。ｒは、２以上の整数とすることが好ましく、４のべき乗（４、１６等）とすることがより好ましい。また、画像データ２２に含まれる画素データ１つあたりの１色あたりのビット数は、画像データ２１の画素データの１色あたりのビット数よりｐビット高い（ｐは１以上の整数）とすることができる。なお、ｐは画像データ２２に含まれる画素データの１色あたりのビット数の１／２より小さいことが好ましい。
【００６６】
画像処理部ＰＰは、画像データ２２に対して、各種画像処理を行う機能を有する。例えば、画像処理部ＰＰは、ノイズ除去、ガンマ補正、調光、調色等を行うことができる。また、表示部ＰＡに有機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）素子が含まれ、かつソースドライバ回路ＳＤが当該有機ＥＬ素子に流れる電流を検出する電流検出回路を有する場合、画像処理部ＰＰはＥＬ補正を行うことができる。補正の施された画像データ２２は、ＡＩエンコーダＡＩＥに送信される。
【００６７】
ＡＩエンコーダＡＩＥは、受信した画像データ２２を圧縮することにより、圧縮画像データ２３を生成する機能を有する。ＡＩデコーダＡＩＤは、圧縮画像データ２３を伸張することにより、画像データ２２に復元する機能を有する。
【００６８】
また、ＡＩデコーダＡＩＤは、復元した画像データ２２に含まれる画素データのビット数を増加させる、つまりビットアップを行う機能を有する。これにより、階調数を画像データ２２より増加させた画像データである画像データ２４を生成することができる。例えば、１つの画像データ２２が、１色あたり６ビットの画素データを含む場合、画像データ２４が含む画素データのビット数は、１色あたり８ビットとすることができる。この場合、ＡＩデコーダＡＩＤは、画像データの階調数を、６４から２５６に増加させることができる。
【００６９】
なお、画像データ２２に含まれる画素データ１つあたりのビット数は、画像データ２４に含まれる画素データ１つあたりのビット数の１／２より多いことが好ましい。例えば、画像データ２４に含まれる画素データ１つあたりのビット数が８ビットである場合、画像データ２２に含まれる画素データ１つあたりのビット数は５ビット、６ビット、または７ビットであることが好ましい。また、画像データ２２に含まれる画素データのビット数を増加させる場合、例えば画素データの下位ビットを増加させることができる。
【００７０】
以上より、オートエンコーダ１３は、例えば画像データ２２を圧縮、伸張し、さらにビットアップを行うことにより、階調数が画像データ２２より多い画像データ２４を生成する機能を有するということができる。
【００７１】
なお、詳細は後述するが、オートエンコーダ１３が有するニューラルネットワークが学習を行うことにより、画像データ２２から画像データ２４を推論する機能を有することができる。画像データ２４は、ＡＩデコーダＡＩＤからソースドライバＳＤに送信することができる。
【００７２】
ユーザが半導体装置１０を操作する手段として、リモコンＲＣを用いた方法がある。リモコンＲＣは、ユーザの操作によって、半導体装置１０に対して制御信号を送ることができる。該制御信号とは、例えば、アンテナＡＮＴから受信した放送信号に含まれる各局の番組を選択する信号が挙げられる。また、該制御信号とは、例えば、表示装置１１に表示される画像の色調、明るさ等を調節する信号も挙げられる。また、該制御信号とは、例えば、半導体装置１０が画像データを録画および再生する機能を有する場合、当該画像データの再生、巻き戻し、早送り、停止等を行う信号等も挙げられる。また、該制御信号とは、例えば、インターフェースＩ／Ｆ１が複数のインターフェースを有する場合において、使用するインターフェースの選択を行う信号等も挙げられる。リモコンＲＣから送信する制御信号は、例えば、赤外線、または電波等がある。
【００７３】
また、ユーザが半導体装置１０を操作する手段は、図１の構成に限定せず、例えば、半導体装置１０に備わる入力キー等によって、ユーザが直接半導体装置１０を操作する方法とする構成としてもよい。
【００７４】
受信部ＲＣＶは、リモコンＲＣからの制御信号を受信する機能を有する。受信部ＲＣＶは、該制御信号を受信することで、該制御信号をインターフェースＩ／Ｆ２に送信する機能を有する。
【００７５】
インターフェースＩ／Ｆ２は、該制御信号を電気信号に変換して、制御部ＣＰに送信する機能を有する。
【００７６】
制御部ＣＰは、インターフェースＩ／Ｆ２より送られた電気信号を解読する機能を有する。また、制御部ＣＰは、当該電気信号に基づいて、解像度拡張部ＤＥ、画像処理部ＰＰ、およびオートエンコーダ１３の重み係数の更新を行う機能を有する。また、制御部ＣＰは、解像度拡張部ＤＥ、画像処理部ＰＰ、およびオートエンコーダ１３における各種処理に必要なパラメータを変更する機能を有する。例えば、解像度拡張部ＤＥ、画像処理部ＰＰ、およびオートエンコーダ１３がニューラルネットワークを有する構成の場合、各ニューラルネットワークの構成の変更を実行するために必要なデータを生成し、当該データを制御信号として解像度拡張部ＤＥ、画像処理部ＰＰ、およびオートエンコーダ１３に送信する機能を有する。また、インターフェースＩ／Ｆ１が複数のインターフェースを有する場合、制御部ＣＰは、インターフェースＩ／Ｆ２より送られた電気信号に基づいて、使用するインターフェースを選択する機能を有する。
【００７７】
タイミングコントローラＴＣは、ソースドライバ回路ＳＤ、ゲートドライバ回路ＧＤで使用するタイミング信号を生成する機能を有する。タイミング信号は、画像処理部ＰＰから送信された画像データ２２に含まれるフレームレート等を基に生成される。なお、当該タイミング信号は、画像処理部ＰＰから送信された画像データ２２のフレームレートに限定して生成されなくてもよい。
【００７８】
ソースドライバ回路ＳＤは、オートエンコーダ１３が有するＡＩデコーダＡＩＤから送信された画像データ２４を受信する機能、および表示部ＰＡに対して、画像データ２４を送信する機能を有する。なお、当該画像データの表示部ＰＡへの送信は、タイミングコントローラＴＣから送られるタイミング信号に基づいて行われる。
【００７９】
ゲートドライバ回路ＧＤは、表示部ＰＡが有する画素に対して、選択信号を送信する機能を有する。なお、選択信号の当該画素への送信は、タイミングコントローラＴＣから送られるタイミング信号に基づいて行われる。
【００８０】
表示装置１１が有するＡＩデコーダＡＩＤ、タイミングコントローラＴＣ、ソースドライバ回路ＳＤ、およびゲートドライバ回路ＧＤの少なくとも１つは、表示部ＰＡが形成されている基板に、形成することができる。または、表示装置１１が有するＡＩデコーダＡＩＤ、タイミングコントローラＴＣ、ソースドライバ回路ＳＤ、およびゲートドライバ回路ＧＤの少なくとも１つは、ＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）として、表示部ＰＡが形成されている基板に、ＣＯＧ（Ｃｈｉｐ  Ｏｎ  Ｇｌａｓｓ）方式で実装することができる。または、表示装置１１が有するＡＩデコーダＡＩＤ、タイミングコントローラＴＣ、ソースドライバ回路ＳＤ、およびゲートドライバ回路ＧＤの少なくとも１つは、ＩＣとして、表示部ＰＡが形成されている基板に接続されているＦＰＣ（Ｆｒｅｘｉｂｌｅ  Ｐｒｉｎｔ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）に、ＣＯＦ（Ｃｈｉｐ  Ｏｎ  Ｆｉｌｍ）方式で実装することができる。
【００８１】
図２は、図１に示す半導体装置１０の変形例であり、受信装置１２が解像度拡張部ＤＥをｎ個（ｎは２以上の整数）有する点、およびデコーダＤＣＤが画像処理部ＰＰと電気的に接続されている点が図１に示す構成の半導体装置１０と異なる。図２等において、ｎ個の解像度拡張部ＤＥを、解像度拡張部ＤＥ［１］乃至解像度拡張部ＤＥ［ｎ］と表記して区別する。
【００８２】
デコーダＤＣＤおよび制御部ＣＰは、解像度拡張部ＤＥ［１］乃至解像度拡張部ＤＥ［ｎ］のそれぞれと電気的に接続されている。解像度拡張部ＤＥ［１］乃至解像度拡張部ＤＥ［ｎ］は、順に直列に電気的に接続されており、解像度拡張部ＤＥ［ｎ］は画像処理部ＰＰと電気的に接続されている。
【００８３】
インターフェースＩ／Ｆ１は、複数のインターフェースを有することができる。アンテナＡＮＴが受信した放送電波の種類に応じて、異なるインターフェースを使用することができる。例えば、インターフェースＩ／Ｆ１がＳＤＩおよびＨＤＭＩ（登録商標）を有する場合、アンテナＡＮＴが、８Ｋ放送に対応する放送電波を受信した場合はＳＤＩを使用し、２Ｋ放送、４Ｋ放送等、その他８Ｋ放送以外の放送に対応する放送電波を受信した場合はＨＤＭＩ（登録商標）を使用することができる。
【００８４】
デコーダＤＣＤは、アンテナＡＮＴが受信した放送電波の種類に応じて、異なる解像度拡張部ＤＥに画像データ２１を送信することができる。具体的には、アンテナＡＮＴが受信した放送電波が対応する解像度に応じて、解像度拡張部ＤＥ［１］乃至解像度拡張部ＤＥ［ｎ］のいずれかに画像データ２１を送信することができる。
【００８５】
解像度拡張部ＤＥ［２］乃至解像度拡張部ＤＥ［ｎ］は、デコーダＤＣＤから受信した画像データ２１の他、前の解像度拡張部ＤＥが生成した画像データを基にして、対応する画像の解像度を高めた画像データを生成し、生成した画像データを次の解像度拡張部ＤＥに送信する機能を有する。例えば、解像度拡張部ＤＥ［２］は、解像度拡張部［１］が生成した画像データを受信して、当該画像データより対応する画像の解像度が高い画像データを生成し、生成した画像データを解像度拡張部［３］に送信する機能を有する。また、例えば解像度拡張部ＤＥ［ｋ］（ｋは１以上ｎ以下の整数）は、解像度拡張部［ｋ−１］が生成した画像データを受信して、当該画像データより対応する画像の解像度が高い画像データを生成し、生成した画像データを解像度拡張部［ｋ＋１］に送信する機能を有する。なお、解像度拡張部ＤＥ［１］乃至解像度拡張部ＤＥ［ｎ］は、受信した画像データに対してビットアップを行ってもよい。
【００８６】
解像度拡張部ＤＥ［ｋ］は、ｋの数が大きいほど、高解像度の画像に対応する画像データを受信し、より高解像度の画像に対応する画像データを生成することができる。例えば、ｎ＝２とする場合、解像度拡張部ＤＥ［１］は２Ｋに対応する画像の画像データを受信し、４Ｋの画像に対応する画像データを生成することができる。また、解像度拡張部ＤＥ［２］は４Ｋに対応する画像の画像データを受信し、８Ｋの画像に対応する画像データを生成することができる。以上により、低解像度の画像に対応する画像データ２１を、解像度拡張部ＤＥ［１］乃至解像度拡張部ＤＥ［ｎ］を用いて順次高解像度化することができる。例えば、２Ｋの画像に対応する画像データを、解像度拡張部ＤＥ［１］を用いて４Ｋの画像に対応する画像データとし、さらに解像度拡張部ＤＥ［２］を用いて８Ｋの画像に対応する画像データとすることができる。また、解像度拡張部ＤＥ［ｋ］は、ｋの数が大きいほど、高階調数の画像に対応する画像データを受信し、より高階調数の画像に対応する画像データを生成することができる。
【００８７】
デコーダＤＣＤは、アンテナＡＮＴが受信した放送電波が対応する解像度が、表示装置１１が有する表示部ＰＡに表示できる画像の解像度と等しい場合は、画像データ２１を解像度拡張部ＤＥに送信せず、画像データ２１を画像データ２２として直接画像処理部ＰＰに送信することができる。例えば、表示装置１１が有する表示部ＰＡが８Ｋの画像を表示でき、アンテナＡＮＴが８Ｋ放送の放送電波を受信した場合は、画像データ２１を画像データ２２として直接画像処理部ＰＰに送信することができる。
【００８８】
半導体装置１０を図２に示す構成とすることにより、例えば２Ｋ放送、４Ｋ放送、８Ｋ放送等、様々な種類の放送に対応する半導体装置１０を提供することができる。
【００８９】
＜画像処理部＞
次に、画像処理部ＰＰについて説明する。図３は、画像処理部ＰＰの具体的な構成例を示すブロック図である。なお、図３には、画像処理部ＰＰの他、解像度拡張部ＤＥおよびＡＩエンコーダＡＩＥも示している。
【００９０】
画像処理部ＰＰは、画像処理回路ＰＰＣ１と、画像認識回路ＰＲＣと、画像処理回路ＰＰＣ２と、を有する。画像処理回路ＰＰＣ１は、解像度拡張部ＤＥ、画像認識回路ＰＲＣ、および画像処理回路ＰＰＣ２と電気的に接続されている。画像認識回路ＰＲＣは、画像処理回路ＰＰＣ２と電気的に接続されている。画像処理回路ＰＰＣ２は、ＡＩエンコーダＡＩＥと電気的に接続されている。
【００９１】
画像処理回路ＰＰＣ１は、例えば画像処理フィルタとしての機能を有し、画像データ２２に対しノイズ除去等の画像処理を行う機能を有する。画像処理回路ＰＰＣ１は、ニューラルネットワークを有し、当該ニューラルネットワークの学習結果に応じて画像処理を行うことができる。
【００９２】
画像認識回路ＰＲＣは、画像データ２２に対して特徴抽出を行い、画像データ２２の属性を検出する機能を有する。画像認識回路ＰＲＣは、ニューラルネットワークを有し、当該ニューラルネットワークの学習結果に応じて画像データ２２の属性を検出することができる。画像認識回路ＰＲＣにより検出された画像データ２２の属性に関する情報（属性情報）は、画像処理回路ＰＰＣ２に送信することができる。
【００９３】
画像処理回路ＰＰＣ２は、画像認識回路ＰＲＣから受信した属性情報を基にして、画像データ２２に対して画像処理を行う機能を有する。当該画像処理は、ガンマ補正等の補正処理等とすることができる。
【００９４】
＜解像度拡張部＞
次に、解像度拡張部ＤＥについて説明する。図４は、解像度拡張部ＤＥの構成例を示すブロック図である。前述のように、解像度拡張部ＤＥは、ニューラルネットワークを有する。なお、図４では、解像度拡張部ＤＥの他に、デコーダＤＣＤおよび画像処理部ＰＰも図示している。
【００９５】
解像度拡張部ＤＥは、入力層ＩＬ１と、中間層ＭＬ１［１］と、中間層ＭＬ１［２］と、出力層ＯＬ１と、を有する。つまり、解像度拡張部ＤＥでは、入力層ＩＬ１と、中間層ＭＬ１［１］と、中間層ＭＬ１［２］と、出力層ＯＬ１と、によって階層型のニューラルネットワークが構成されている。なお、階層型のニューラルネットワークの構成は、図４に示す解像度拡張部ＤＥの有する中間層の数を増減した構成としてもよい。
【００９６】
デコーダＤＣＤから送信される画像データ２１は、解像度拡張部ＤＥの入力層ＩＬ１に入力される。つまり、画像データ２１は、階層型のニューラルネットワークの入力データとして扱われる。また、解像度拡張部ＤＥの出力層ＯＬ１からは、画像データ２２が出力され、画像処理部ＰＰに送信される。つまり、画像データ２２は、階層型のニューラルネットワークの出力データとして扱われる。
【００９７】
解像度拡張部ＤＥにおける階層型のニューラルネットワークは、階層が進む毎に、ニューロンの数が増加する構成とする。つまり、中間層ＭＬ１［１］が有するニューロンの数は、入力層ＩＬ１が有するニューロンの数より多く、かつ中間層ＭＬ１［２］が有するニューロンの数は、中間層ＭＬ１［１］が有するニューロンの数より多くなっている。また、出力層ＯＬ１が有するニューロンの数は、中間層ＭＬ１［２］が有するニューロンの数より多くなっている。なお、図４は、上記ニューロンの数を、それぞれの階層をつなぐ矢印の数で示している。解像度拡張部ＤＥを、階調が進む毎にニューロンの数が増加する構成とすることにより、画像データ２１を基にして、対応する画像の解像度を画像データ２１より高めた画像データ２２を生成することができる。また、画像データ２１を基にして、階調数を画像データ２１より高めた画像データ２２を生成することができる。また、画像データ２１を基にして、対応する画像の解像度、および階調数を画像データ２１より高めた画像データ２２を生成することができる。
【００９８】
解像度拡張部ＤＥによって構成される階層型のニューラルネットワークでは、各層間で全結合とすることもでき、または、各層間で部分結合とすることができる。また、各層間に畳み込み層やプーリング層を用いた構成、すなわちＣＮＮとすることができる。
【００９９】
［解像度拡張部の学習方法の一例］
次に、解像度拡張部ＤＥの学習方法の一例について説明する。解像度拡張部ＤＥは、教師あり学習により学習を行うことができる。図５（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、解像度拡張部ＤＥの学習方法の一例について説明するための図である。
【０１００】
まず、画像データ４１を用意する。画像データ４１は、例えば画像データ２２に対応する画像の解像度と同じ解像度の画像を表し、かつ同じ階調数の画像データとすることができる。つまり、画像データ４１は、表示部ＰＡが表示する画像と同じ解像度の画像に対応し、かつ同じ階調数の画像データとすることができる。
【０１０１】
画像データ４１は、図５（Ａ）に示すように、ｘ行ｙ列の画素データ５１に分割することができる。つまり、画素データ５１は、表示部ＰＡが有する画素ｐｉｘに対応する。画素データ５１［ｂ，ａ］（ａは１以上ｘ以下の整数、ｂは１以上ｙ以下の整数）は、例えば画素ｐｉｘ［ｂ，ａ］により表現される階調を表す画素データとすることができる。
【０１０２】
次に、ｓ行ｔ列分（ｓ、ｔは２以上の整数。好ましくは、ｓはｘの約数、ｔはｙの約数）の画素データ５１、例えば画素データ５１［１，１］乃至画素データ５１［ｔ，ｓ］を基にして、１つの画素データ５２を生成する。１つの画素データ５２は、１つの画素により表現される階調を表すデータとすることができる。画素データ５２は、画素データ５１［１，１］乃至画素データ５１［ｔ，ｓ］の例えば平均値、最高値、または最低値等とすることができる。その後、画素データ５１［１，１］乃至画素データ５１［ｔ，ｓ］以外の画素データ５１を基にして、同様の手順で画素データ５２（ｓ行ｔ列分の画素データ５１を基にしたデータ）を生成する。なお、画素データ５２のビット数を、画素データ５１のビット数より減少させてもよい。画素データのビット数を減少させる方法については後述する。
【０１０３】
以上により、ｘ／ｓ行ｙ／ｔ列分の画素データ５２を生成することができる。図５（Ｂ）に示すように、ｘ／ｓ行ｙ／ｔ列分の画素データ５２をまとめて、画像データ４２とする。
【０１０４】
次に、画像データ４１を教師データ、画像データ４２を入力データとして、解像度変換部ＤＥが学習を行う。具体的には、図５（Ｃ）に示すように、画像データ４２から推論した画像データが画像データ４１と一致するように、解像度拡張部ＤＥの重み係数の更新等を行う。以上が解像度拡張部ＤＥの学習方法の一例である。
【０１０５】
例えば、ｓ＝２、ｔ＝２とした場合、画像データ４１に対応する画像の解像度を８Ｋとすると、画像データ４２に対応する画像の解像度は４Ｋとなる。つまり、解像度拡張部ＤＥは、４Ｋの画像に対応する画像データを基にして８Ｋの画像に対応する画像データを生成できるように、学習を行うことができる。また、例えば、ｓ＝４、ｔ＝４とした場合、画像データ４１に対応する画像の解像度を８Ｋとすると、画像データ４２に対応する画像の解像度は２Ｋとなる。つまり、解像度拡張部ＤＥは、２Ｋの画像に対応する画像データを基にして８Ｋの画像に対応する画像データを生成できるように、学習を行うことができる。また、例えば画素データ５１の１つあたりのビット数を１色あたり８ビット、画素データ５２の１つあたりのビット数を１色あたり５ビットとすると、１色あたり５ビットの画素データを含む画像データを基にして、１色あたり８ビットの画素データを含む画像データを生成することができる。
【０１０６】
なお、教師データである画像データ４１を構成する画素データ５１［１，１］乃至画素データ５１［ｙ，ｘ］を全て一度に解像度変換部ＤＥに入力すると、一度に入力されるデータ量が膨大となる。したがって、画素データ５１［１，１］乃至画素データ５１［ｙ，ｘ］の一部を入力して並列処理を行ってもよい。例えば、画素データ５１［１，１］乃至画素データ５１［ｙ／２，ｘ／２］と、画素データ５１［１，ｘ／２＋１］乃至画素データ５１［ｙ／２，ｘ］と、画素データ５１［ｙ／２＋１，１］乃至画素データ５１［ｙ，ｘ／２］と、画素データ５１［ｙ／２＋１，ｘ／２＋１］乃至画素データ５１［ｙ，ｘ］と、を別々に解像度変換部ＤＥに入力し、並列に学習を行ってもよい。
【０１０７】
また、一部の画素データ５１をオーバーラップさせて解像度変換部ＤＥに入力してもよい。例えば、画素データ５１［１，１］乃至画素データ５１［ｙ／２，ｘ／２］と、画素データ５１［１，ｘ／２］乃至画素データ５１［ｙ／２，ｘ］と、画素データ５１［ｙ／２，１］乃至画素データ５１［ｙ，ｘ／２］と、画素データ５１［ｙ／２，ｘ／２］乃至画素データ５１［ｙ，ｘ］と、を別々に解像度変換部ＤＥに入力する場合、画素データ５１［１，ｘ／２］乃至画素データ５１［ｙ，ｘ／２］、および画素データ５１［ｙ／２，１］乃至画素データ５１［ｙ／２，ｘ］を２回以上解像度変換部ＤＥに入力することになる。これにより、解像度変換部ＤＥが画像データ２１を基にして画像データ２２を生成する際の、画像データ２２の精度を高めることができる。
【０１０８】
［解像度拡張部の動作方法の一例］
次に、解像度拡張部ＤＥが学習を行った後に、解像度拡張部ＤＥが動作を行う、つまり画像データ２１を基に画像データ２２を生成する場合における、解像度拡張部ＤＥが動作方法の一例について説明する。図６は、解像度拡張部ＤＥの動作方法の一例について説明するための図である。
【０１０９】
画像データ２１は、図６に示すように、ｘ／ｓ行ｙ／ｔ列分の画素データ３１を含む。１つの画素データ３１は、１つの画素により表現される階調を表すデータとすることができる。解像度拡張部ＤＥは、学習結果を基にして、１つの画素データ３１からｓ行ｔ列分の画素データ３２を生成する。つまり、解像度拡張部ＤＥは、図６に示すように、ｘ／ｓ行ｙ／ｔ列分の画素データ３１から、ｘ行ｙ列分の画素データ３２を生成することができる。ｘ行ｙ列分の画素データ３２をまとめて、画像データ２２とすることができる。この場合、画素データ３２［ｂ，ａ］は、例えば画素ｐｉｘ［ｂ，ａ］により表現される階調を表すデータとすることができる。
【０１１０】
以上により、解像度拡張部ＤＥは、画像データ２１を基にして、対応する画像の解像度が画像データ２１のｓ×ｔ倍である画像データ２２を生成することができる。
【０１１１】
＜オートエンコーダ＞
次に、オートエンコーダ１３について説明する。図７は、オートエンコーダ１３の構成例を示すブロック図である。前述のように、オートエンコーダ１３は、ニューラルネットワークを有する。なお、図７では、オートエンコーダ１３の他に、画像処理部ＰＰおよびソースドライバＳＤも図示している。
【０１１２】
オートエンコーダ１３が有するＡＩエンコーダＡＩＥは、入力層ＩＬ２と、中間層ＭＬ２［１］と、中間層ＭＬ２［２］と、を有し、オートエンコーダ１３が有するＡＩデコーダＡＩＤは、中間層ＭＬ２［３］と、中間層ＭＬ２［４］と、中間層ＭＬ２［５］と、出力層ＯＬと、を有する。つまり、オートエンコーダ１３では、入力層ＩＬ２と、中間層ＭＬ２［１］乃至中間層ＭＬ２［５］と、出力層ＯＬ２と、によって階層型のニューラルネットワークが構成されている。なお、階層型のニューラルネットワークの構成は、図７に示すオートエンコーダ１３の有する中間層の数を増減した構成としてもよい。
【０１１３】
画像処理部ＰＰから送信される画像データ２２は、オートエンコーダ１３が有するＡＩエンコーダＡＩＥの入力層ＩＬ２に入力される。つまり、画像データ２２は、階層型のニューラルネットワークの入力データとして扱われる。また、ＡＩデコーダＡＩＤの出力層ＯＬ２からは、画像データ２４が出力され、ソースドライバ回路ＳＤに送信される。つまり、画像データ２２は、階層型のニューラルネットワークの出力データとして扱われる。
【０１１４】
ＡＩエンコーダＡＩＥにおける階層型のニューラルネットワークは、階層が進む毎に、ニューロンの数が減少する構成とする。つまり、中間層ＭＬ２［１］が有するニューロンの数は、入力層ＩＬ２が有するニューロンの数よりも少なく、かつ中間層ＭＬ２［２］が有するニューロンの数は、中間層ＭＬ２［１］が有するニューロンの数よりも少なくなっている。なお、図７は、上記ニューロンの数を、それぞれの階層をつなぐ矢印の数で示している。
【０１１５】
ＡＩデコーダＡＩＤにおける階層型のニューラルネットワークは、階層が進む毎に、ニューロンの数が増加する構成とする。つまり、中間層ＭＬ２［４］が有するニューロンの数は、中間層ＭＬ２［３］が有するニューロンの数よりも多く、かつ中間層ＭＬ２［５］が有するニューロンの数は、中間層ＭＬ２［４］が有するニューロンの数よりも多くなっている。また、出力層ＯＬ２が有するニューロンの数は、中間層ＭＬ２［５］が有するニューロンの数よりも多くなっている。
【０１１６】
ＡＩデコーダＡＩＤが有する中間層の数は、ＡＩエンコーダＡＩＥが有する中間層の数より多くすることが好ましい。これにより、オートエンコーダ１３は、画像データ２２の階調数を増加させる機能を有することができる。なお、ＡＩデコーダＡＩＤが有するニューロン数、重み係数のビット数、重み係数の数等をＡＩエンコーダＡＩＥより多くするのであれば、ＡＩデコーダＡＩＤが有する中間層の数が、ＡＩエンコーダＡＩＥが有する中間層の数以下であってもよい。
【０１１７】
なお、オートエンコーダ１３によって構成される階層型のニューラルネットワークでは、各層間で全結合とすることもでき、または、各層間で部分結合とすることができる。また、各層間に畳み込み層やプーリング層を用いた構成、すなわちＣＮＮとすることができる。
【０１１８】
［オートエンコーダの学習方法および動作方法の一例］
次に、オートエンコーダ１３の学習方法、および学習後の動作方法の一例について説明する。オートエンコーダ１３は、教師あり学習により学習を行うことができる。
【０１１９】
上記教師あり学習において、教師データは、画像データ２４に含まれる画素データのビット数と同じビット数の画素データを含む画像データとする。つまり、表示部ＰＡに送信される画像データに含まれる画素データのビット数と同じビット数の画素データを含む画像データを教師データとする。
【０１２０】
入力データは、教師データに含まれる画素データのビット数を減らすことにより生成することができる。例えば、教師データに含まれる各画素データの下位ビットを削ることにより、入力データを生成することができる。なお、削るビット数は、教師データに含まれるビット数の１／２より少ないことが好ましい。例えば、教師データに含まれる画素データ１つあたりのビット数が、１色あたり８ビットである場合、各画素データの下位ビットを１色ごとに１ビットずつ、２ビットずつ、または３ビットずつ削ることにより、入力データを生成することが好ましい。なお、解像度拡張部ＤＥが学習を行う場合においても、同様の手順で、入力データである画像データ４２に含まれる画素データ５２のビット数を、教師データである画像データ４１に含まれる画素データ５１のビット数より減少させることができる。
【０１２１】
オートエンコーダ１３は、入力データから推論した画像データが教師データに一致するように学習、例えばオートエンコーダ１３の重み係数の更新等を行う。以上がオートエンコーダ１３の学習方法の一例である。
【０１２２】
オートエンコーダ１３が学習を行った後に、オートエンコーダ１３に画像データ２２が送信されると、オートエンコーダ１３は学習結果を基にして、階調数を画像データ２２より増加させた画像データ２４を生成することができる。以上がオートエンコーダ１３の動作方法の一例である。
【０１２３】
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。
【０１２４】
（実施の形態２）
本実施の形態では、階層型のニューラルネットワークと、当該ニューラルネットワークに適用できる積和演算回路の構成例について説明する。
【０１２５】
＜階層型のニューラルネットワーク＞
本発明の一態様の半導体装置に利用できるニューラルネットワークの種類の一として、階層型のニューラルネットワークについて説明する。
【０１２６】
図８は、階層型のニューラルネットワークの一例を示した図である。第（ｋ−１）層（ここでのｋは２以上の整数である。）は、ニューロンをＰ個（ここでのＰは１以上の整数である。）有し、第ｋ層は、ニューロンをＱ個（ここでのＱは１以上の整数である。）有し、第（ｋ＋１）層は、ニューロンをＲ個（ここでのＲは１以上の整数である。）有する。
【０１２７】
第（ｋ−１）層の第ｐニューロン（ここでのｐは１以上Ｐ以下の整数である。）の出力信号ｚｐ（ｋ−１）と重み係数ｗｑｐ（ｋ）と、の積が第ｋ層の第ｑニューロン（ここでのｑは１以上Ｑ以下の整数である。）に入力されるものとし、第ｋ層の第ｑニューロンの出力信号ｚｑ（ｋ）と重み係数ｗｒｑ（ｋ＋１）と、の積が第（ｋ＋１）層の第ｒニューロン（ここでのｒは１以上Ｒ以下の整数である。）に入力されるものとし、第（ｋ＋１）層の第ｒニューロンの出力信号をｚｒ（ｋ＋１）とする。
【０１２８】
このとき、第ｋ層の第ｑニューロンへ入力される信号の総和は、次の式で表される。
【０１２９】
【数１】
2018151443.tif 000003
【０１３０】
また、第ｋ層の第ｑニューロンからの出力信号ｚｑ（ｋ）を次の式で定義する。
【０１３１】
【数２】
2018151443.tif 000004
【０１３２】
関数ｆ（ｕｑ（ｋ））は、活性化関数であり、ステップ関数、線形ランプ関数、またはシグモイド関数等を用いることができる。なお、式（Ｄ１）の積和演算は、後述する積和演算回路７００によって実現できる。なお、式（Ｄ２）の演算は、例えば、図１１（Ａ）に示す回路１６１によって実現できる。
【０１３３】
なお、活性化関数は、全てのニューロンにおいて同一でもよいし、または異なっていてもよい。加えて、活性化関数は、層毎において、同一でもよいし、異なっていてもよい。
【０１３４】
ここで、図９に示す、全Ｌ層からなる階層型のニューラルネットワークを考える（つまり、ここでのｋは２以上（Ｌ−１）以下の整数とする。）。第１層は、階層型のニューラルネットワークの入力層となり、第Ｌ層は、階層型のニューラルネットワークの出力層となり、第２層乃至第（Ｌ−１）層は、隠れ層となる。
【０１３５】
第１層（入力層）は、ニューロンをＰ個有し、第ｋ層（隠れ層）は、ニューロンをＱ［ｋ］個（Ｑ［ｋ］は１以上の整数である。）有し、第Ｌ層（出力層）は、ニューロンをＲ個有する。
【０１３６】
第１層の第ｓ［１］ニューロン（ｓ［１］は１以上Ｐ以下の整数である。）の出力信号をｚｓ［１］（１）とし、第ｋ層の第ｓ［ｋ］ニューロン（ｓ［ｋ］は１以上Ｑ［ｋ］以下の整数である。）の出力信号をｚｓ［ｋ］（ｋ）とし、第Ｌ層の第ｓ［Ｌ］ニューロン（ｓ［Ｌ］は１以上Ｒ以下の整数である。）の出力信号をｚｓ［Ｌ］（Ｌ）とする。
【０１３７】
また、第（ｋ−１）層の第ｓ［ｋ−１］ニューロン（ｓ［ｋ−１］は１以上Ｑ［ｋ−１］以下の整数である。）の出力信号ｚｓ［ｋ−１］（ｋ−１）と重み係数ｗｓ［ｋ］ｓ［ｋ−１］（ｋ）と、の積ｕｓ［ｋ］（ｋ）が第ｋ層の第ｓ［ｋ］ニューロンに入力されるものとし、第（Ｌ−１）層の第ｓ［Ｌ−１］ニューロン（ｓ［Ｌ−１］は１以上Ｑ［Ｌ−１］以下の整数である。）の出力信号ｚｓ［Ｌ−１］（Ｌ−１）と重み係数ｗｓ［Ｌ］ｓ［Ｌ−１］（Ｌ）と、の積ｕｓ［Ｌ］（Ｌ）が第Ｌ層の第ｓ［Ｌ］ニューロンに入力されるものとする。
【０１３８】
次に、教師あり学習について説明する。教師あり学習とは、上述の階層型のニューラルネットワークの機能において、出力した結果と、所望の結果（教師データ、または教師信号という場合がある。）と異なったときに、階層型のニューラルネットワークの全ての重み係数を、出力した結果と所望の結果とに基づいて、更新する動作をいう。
【０１３９】
教師あり学習の具体例として、逆伝播誤差方式による学習方法について説明する。図１０は、逆伝播誤差方式による学習方法を説明する図である。逆伝播誤差方式は、階層型のニューラルネットワークの出力と教師データとの誤差が小さくなるに、重み係数を変更する方式である。
【０１４０】
例えば、第１層の第ｓ［１］ニューロンに入力データを入力し、第Ｌ層の第ｓ［Ｌ］ニューロンから出力データｚｓ［Ｌ］（Ｌ）を出力されたとする。ここで、出力データｚｓ［Ｌ］（Ｌ）に対する教師信号をｔｓ［Ｌ］としたとき、誤差エネルギーＥは、出力データｚｓ［Ｌ］（Ｌ）および教師信号ｔｓ［Ｌ］によって表すことができる。
【０１４１】
誤差エネルギーＥに対して、第ｋ層の第ｓ［ｋ］ニューロンの重み係数ｗｓ［ｋ］ｓ［ｋ−１］（ｋ）の更新量を∂Ｅ／∂ｗｓ［ｋ］ｓ［ｋ−１］（ｋ）とすることで、新たに重み係数を変更することができる。ここで、第ｋ層の第ｓ［ｋ］ニューロンの出力値ｚｓ［ｋ］（ｋ）の誤差δｓ［ｋ］（ｋ）を∂Ｅ／∂ｕｓ［ｋ］（ｋ）と定義すると、δｓ［ｋ］（ｋ）および∂Ｅ／∂ｗｓ［ｋ］ｓ［ｋ−１］（ｋ）は、それぞれ次の式で表すことができる。
【０１４２】
【数３】
2018151443.tif 000005
【０１４３】
【数４】
2018151443.tif 000006
【０１４４】
ｆ’（ｕｓ［ｋ］（ｋ））は、ニューロン回路の出力関数の導関数である。なお、式（Ｄ３）の演算は、例えば、図１１（Ｂ）に示す回路１６３によって実現できる。また、式（Ｄ４）の演算は、例えば、図１１（Ｃ）に示す回路１６４によって実現できる。出力関数の導関数は、例えば、オペアンプの出力端子に所望の導関数に対応した演算回路を接続することによって実現できる。
【０１４５】
また、例えば、式（Ｄ３）のΣｗｓ［ｋ＋１］・ｓ［ｋ］（ｋ＋１）・δｓ［ｋ＋１］（ｋ＋１）の部分の演算は、後述する積和演算回路７００によって実現できる。
【０１４６】
ここで、第（ｋ＋１）層が出力層のとき、すなわち、第（ｋ＋１）層が第Ｌ層であるとき、δｓ［Ｌ］（Ｌ）および∂Ｅ／∂ｗｓ［Ｌ］ｓ［Ｌ−１］（Ｌ）は、それぞれ次の式で表すことができる。
【０１４７】
【数５】
2018151443.tif 000007
【０１４８】
【数６】
2018151443.tif 000008
【０１４９】
式（Ｄ５）の演算は、図１１（Ｄ）に示す回路１６５によって実現できる。また、式（Ｄ６）の演算は、図１１（Ｃ）に示す回路１６４によって実現できる。
【０１５０】
つまり、式（Ｄ１）乃至式（Ｄ６）により、全てのニューロン回路の誤差δｓ［ｋ］（ｋ）およびδｓ［Ｌ］（Ｌ）を求めることができる。なお、重み係数の更新は、誤差δｓ［ｋ］（ｋ）、δｓ［Ｌ］（Ｌ）および所望のパラメータ等に基づいて、設定される。
【０１５１】
以上のように、図１１（Ａ）乃至図１１（Ｄ）に示す回路、および後述する積和演算回路７００を用いることによって、教師あり学習を適用した階層型のニューラルネットワークの計算を行うことができる。
【０１５２】
＜階層型ニューラルネットワークの回路構成例＞
図１２は、階層型ニューラルネットワークの回路の構成例を示したブロック図である。
【０１５３】
ＮＮ（ニューラルネットワーク）回路１００は、入力端子ＰＤＬ［１］乃至入力端子ＰＤＬ［ｌ］（ここでのｌは１以上の整数である。）、出力端子ＰＤＲ［１］乃至出力端子ＰＤＲ［ｎ］（ここでのｎは１以上の整数である。）、プログラマブルロジックエレメントＰＬＥ［１］乃至プログラマブルロジックエレメントＰＬＥ［ｍ］、配線Ｌ［１］乃至配線Ｌ［ｌ］、配線Ｐ［１］乃至配線Ｐ［ｍ］、配線Ｒ［１］乃至配線Ｒ［ｎ］、配線Ｑ［１］乃至配線Ｑ［ｍ］、複数のプログラマブルスイッチＰＳＷ１、複数のプログラマブルスイッチＰＳＷ２、および複数のプログラマブルスイッチＰＳＷ３を有する。
【０１５４】
なお、図１２に示すＮＮ回路１００では、入力端子ＰＤＬ［１］、入力端子ＰＤＬ［２］、入力端子ＰＤＬ［ｌ］、出力端子ＰＤＲ［１］、出力端子ＰＤＲ［２］、出力端子ＰＤＲ［ｎ］、プログラマブルロジックエレメントＰＬＥ［１］、プログラマブルロジックエレメントＰＬＥ［２］、プログラマブルロジックエレメントＰＬＥ［ｍ］、配線Ｌ［１］、配線Ｌ［２］、配線Ｌ［ｌ］、配線Ｐ［１］、配線Ｐ［２］、配線Ｐ［ｍ］、配線Ｒ［１］、配線Ｒ［２］、配線Ｒ［ｎ］、配線Ｑ［１］、配線Ｑ［２］、配線Ｑ［ｍ］、プログラマブルスイッチＰＳＷ１、プログラマブルスイッチＰＳＷ２、プログラマブルスイッチＰＳＷ３、後述するスイッチ回路ＳＷＣのみを図示しており、それら以外の回路、素子、配線、符号を省略している。
【０１５５】
つまり、本発明の一態様は、プログラマブルロジックエレメントＰＬＥ［１］乃至プログラマブルロジックエレメントＰＬＥ［ｍ］、およびプログラマブルスイッチＰＳＷ１乃至プログラマブルスイッチＰＳＷ３を用いた、マルチコンテキスト方式のプログラマブルな演算処理装置である。具体的には後述するが、当該演算処理装置は、階層型のニューラルネットワークにおいて、各階層間のネットワークの接続状態を各コンテキストに対応させており、コンテキストを順次切り替えることによって、ニューラルネットワークの演算処理を行う。
【０１５６】
入力端子ＰＤＬ［ｉ］（ここでのｉは１以上ｌ以下の整数である。）は、配線Ｌ［ｉ］と電気的に接続されている。出力端子ＰＤＲ［ｋ］（ここでのｋは１以上ｎ以下の整数である。）は、配線Ｒ［１］乃至配線Ｒ［ｎ］のそれぞれと、プログラマブルスイッチＰＳＷ３を介して、電気的に接続されている。プログラマブルロジックエレメントＰＬＥ［ｊ］（ここでのｊは１以上ｍ以下の整数である。）の第１端子は、配線Ｑ［ｊ］と電気的に接続され、配線Ｑ［ｊ］は、配線Ｌ［１］乃至配線Ｌ［ｌ］のそれぞれと、プログラマブルスイッチＰＳＷ２を介して、電気的に接続されている。また、配線Ｑ［ｊ］は、配線Ｐ［１］乃至配線Ｐ［ｍ］のそれぞれと、プログラマブルスイッチＰＳＷ１を介して、電気的に接続されている。プログラマブルロジックエレメントＰＬＥ［ｊ］の第２端子は、配線Ｒ［ｊ］と電気的に接続されている。配線Ｐ［１］乃至Ｐ［ｍ］のそれぞれは、配線Ｒ［１］乃至Ｒ［ｎ］のそれぞれと電気的に接続されている。
【０１５７】
ＮＮ回路１００が有するプログラマブルスイッチＰＳＷ１乃至プログラマブルスイッチＰＳＷ３は、後述するコンフィギュレーションメモリＣＭＳに格納されたコンフィギュレーションデータによって、導通状態、非導通状態を切り替えることができるスイッチである。なお、プログラマブルスイッチＰＳＷ１乃至プログラマブルスイッチＰＳＷ３のそれぞれは、スイッチ回路ＳＷＣを有する。また、プログラマブルスイッチＰＳＷ１乃至プログラマブルスイッチＰＳＷ３の詳細については、後述する。
【０１５８】
プログラマブルロジックエレメントＰＬＥは、図１３（Ａ）に示す演算処理回路を有する。演算処理回路１５０は、入力端子Ｉｎ［１］乃至入力端子Ｉｎ［ｓ］（ここでのｓは１以上の整数である。）と、出力端子ＯＵＴと、乗算回路ＭＬＴ［１］乃至乗算回路ＭＬＴ［ｓ］と、加算回路ＡＤと、活性化関数回路ＡＦＣ  と、保持回路ＫＣと、コンフィギュレーションメモリＣＭＷ［１］乃至コンフィギュレーションメモリＣＭＷ［ｓ］と、コンフィギュレーションメモリＣＭＦと、を有する。なお、コンフィギュレーションメモリＣＭＷ［１］乃至コンフィギュレーションメモリＣＭＷ［ｓ］は一つのコンフィギュレーションメモリとしてもよい。また、コンフィギュレーションメモリＣＭＷ［１］乃至コンフィギュレーションメモリＣＭＷ［ｓ］と、コンフィギュレーションメモリＣＭＦと、は一つのコンフィギュレーションメモリとしてもよい。
【０１５９】
入力端子Ｉｎ［ｈ］（ここでのｈは１以上ｓ以下の整数である。）は、乗算回路ＭＬＴ［ｈ］の入力端子と電気的に接続され、乗算回路ＭＬＴ［ｈ］の出力端子は、加算回路ＡＤの入力端子と電気的に接続されている。加算回路ＡＤの出力端子は、活性化関数回路ＡＦＣ  の入力と電気的に接続されている。活性化関数回路ＡＦＣ  の出力端子は、保持回路ＫＣの端子ＴＡ１と電気的に接続されている。保持回路ＫＣの端子ＴＡ２は、出力端子ＯＵＴと電気的に接続されている。
【０１６０】
乗算回路ＭＬＴ［ｈ］は、コンフィギュレーションメモリＣＭＷ［ｈ］に保持されているデータ（以後、重み係数と呼称する。）を乗数とし、入力端子Ｉｎ［ｈ］に入力された入力信号を被乗数とする乗算を行う回路である。加算回路ＡＤは、乗算回路ＭＬＴ［１］乃至乗算回路ＭＬＴ［ｓ］から出力されるそれぞれの乗算結果の和を計算する回路である。つまり、乗算回路ＭＬＴ［１］乃至乗算回路ＭＬＴ［ｓ］、および加算回路ＡＤによって、積和演算回路が構成されている。
【０１６１】
活性化関数回路ＡＦＣ  は、入力端子に入力された信号、つまり積和演算結果に対して、コンフィギュレーションメモリＣＭＦに保持されているデータにより定義された関数系に従った演算を行う回路である。当該関数系としては、例えば、シグモイド関数、ｔａｎｈ関数、ｓｏｆｔｍａｘ関数、ＲｅＬＵ関数、しきい値関数等を用いることができる。
【０１６２】
保持回路ＫＣは、活性化関数回路ＡＦＣ  から出力された演算結果を端子ＴＡ１から取得し、当該演算結果を一時的に保持する機能と、一時的に保持した演算結果を端子ＴＡ２に出力する機能とを有する。加えて、保持回路ＫＣは、端子ＣＫＴに入力されるクロック信号ＣＬＫに応じて、上述した２つの機能を切り替えることができる。
【０１６３】
例えば、クロック信号ＣＬＫが高レベル電位であるとき、保持回路ＫＣは、端子ＴＡ１から入力された電位を保持することができ、クロック信号ＣＬＫが低レベル電位であるとき、保持回路ＫＣは、端子ＴＡ２から出力端子ＯＵＴに、該電位を出力することができる。
【０１６４】
演算処理回路１５０はデジタルデータを扱う回路である場合、保持回路ＫＣは、例えば、フリップフロップ回路を適用することができる。
【０１６５】
また、演算処理回路１５０はアナログデータを扱う回路である場合、一例として、図１３（Ｂ）に示す保持回路ＫＣを適用することができる。図１３（Ｂ）に示す保持回路ＫＣは、サンプルホールド回路であり、トランジスタＴｒＡと、トランジスタＴｒＢと、容量素子ＣＡと、アンプＡＭＰと、ＮＯＴ回路ＮＬと、を有する。
【０１６６】
トランジスタＴｒＡの第１端子は、端子ＴＡ１と電気的に接続され、トランジスタＴｒＡの第２端子は、容量素子ＣＡの第１端子と電気的に接続され、トランジスタＴｒＡのゲートは、端子ＣＫＴと電気的に接続されている。アンプＡＭＰの入力端子は、トランジスタＴｒの第２端子と電気的に接続され、アンプＡＭＰの出力端子は、トランジスタＴｒＢの第１端子と電気的に接続されている。トランジスタＴｒＢの第２端子は、端子ＴＡ２と電気的に接続されている。ＮＯＴ回路ＮＬの入力端子は、端子ＣＫＴと電気的に接続され、ＮＯＴ回路ＮＬの出力端子は、トランジスタＴｒＢのゲートと電気的に接続されている。容量素子ＣＡの第２端子は、配線ＧＮＤと電気的に接続されている。なお、トランジスタＴｒＡの第２端子と、アンプＡＭＰの入力端子と、容量素子の第１端子の接続点を、ノードＮとする。
【０１６７】
アンプＡＭＰは、入力端子に入力された信号を１倍に増幅して、出力端子に増幅した信号を出力する機能を有する。
【０１６８】
配線ＧＮＤは、基準電位を与える配線である。
【０１６９】
端子ＣＫＴに入力されるクロック信号ＣＬＫが高レベル電位であるとき、トランジスタＴｒＡは導通状態となり、トランジスタＴｒＢは非導通状態となる。このとき、端子ＴＡ１から入力された信号は、トランジスタＴｒＡを介して、アンプＡＭＰに入力される。このため、アンプＡＭＰは該信号を増幅して、アンプＡＭＰの出力端子から増幅した信号を出力する。なお、トランジスタＴｒＢは非導通状態であるため、増幅した信号は、端子ＴＡ２から出力されない。
【０１７０】
また、ノードＮの電位は、容量素子ＣＡによって、保持される。このとき、ノードＮの電位は、端子ＴＡ１から入力された信号の電位となる。
【０１７１】
端子ＣＫＴに入力されるクロック信号ＣＬＫが低レベル電位であるとき、トランジスタＴｒＡは非導通状態となり、トランジスタＴｒＢは導通状態となる。ノードＮの電位は、トランジスタＴｒＡが非導通状態となっているので、該電位の変化はない。アンプＡＭＰは、ノードＮの電位をトランジスタＴｒＢの第１端子に出力をする。トランジスタＴｒＢは導通状態となっているため、ノードＮの電位、つまりクロック信号ＣＬＫが高レベル電位のときに端子ＴＡ１から入力された信号の電位が、端子ＴＡ２から出力される。
【０１７２】
トランジスタＴｒＡ、および／またはトランジスタＴｒＢは、実施の形態４で説明するＯＳトランジスタであることが好ましい。特に、該ＯＳトランジスタは、チャネル形成領域にインジウム、元素Ｍ（元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、またはスズ）、亜鉛の少なくとも一を有する酸化物であることが好ましい。このようなＯＳトランジスタをトランジスタＴｒＡ、および／またはトランジスタＴｒＢに適用することで、トランジスタのオフ電流を非常に低くすることができる。このため、トランジスタのオフ電流による電荷のリークの影響を低くすることができる。
【０１７３】
なお、図１３（Ａ）では、入力端子Ｉｎ［１］、入力端子Ｉｎ［２］、入力端子Ｉｎ［ｓ］、乗算回路ＭＬＴ［１］、乗算回路ＭＬＴ［２］、乗算回路ＭＬＴ［ｓ］、コンフィギュレーションメモリＣＭＷ［１］、コンフィギュレーションメモリＣＭＷ［２］、コンフィギュレーションメモリＣＭＷ［ｓ］、コンフィギュレーションメモリＣＭＦ、加算回路ＡＤ、活性化関数回路ＡＦＣ  、保持回路ＫＣ、端子ＴＡ１、端子ＴＡ２、端子ＣＫＴ、出力端子ＯＵＴ、およびクロック信号ＣＬＫのみを図示しており、それら以外の回路、素子、配線、符号を省略している。
【０１７４】
なお、積和演算回路の保持回路ＫＣは、上述の構成に限定されない。場合によって、または、状況に応じて、保持回路ＫＣの構成を適宜変更することができる。
【０１７５】
なお、演算処理回路１５０が有するコンフィギュレーションメモリＣＭＷ［１］乃至ＣＭ［ｓ］およびコンフィギュレーションメモリＣＭＦと、後述するプログラマブルスイッチＰＳＷ１乃至プログラマブルスイッチＰＳＷ３の状態を設定するコンフィギュレーションメモリＣＭＳと、はそれぞれ異なる駆動回路によって、データの書き込みを行う構成としてもよい。つまり、プログラマブルスイッチＰＳＷ１乃至プログラマブルスイッチＰＳＷ３のコンフィギュレーションＣＭＳのデータを更新せずに、積和演算回路のコンフィギュレーションメモリＣＭＷ［１］乃至ＣＭ［ｓ］およびコンフィギュレーションメモリＣＭＦのデータの更新を繰り返し行うことができる。これにより、ニューラルネットワークにおいて、効率的な学習が可能となる。
【０１７６】
更に、コンフィギュレーションメモリを複数セット有するマルチコンテキスト方式として、各コンテキストにおけるコンフィギュレーションデータにニューラルネットワークの各層の積和演算の重み係数を対応する場合、コンテキストの切り替えを行うことによって、少ない回路資源で各層の積和演算を順次実行することができる。
【０１７７】
なお、上述では、１つのプログラマブルロジックエレメントが単独の演算処理回路１５０を有する構成として説明をしたが、複数のプログラマブルロジックエレメントおよび当該プログラマブルロジックエレメント間を接続するプログラマブルスイッチによって、１つの積和演算回路を構成することも可能である。
【０１７８】
次に、プログラマブルスイッチＰＳＷ１乃至プログラマブルスイッチＰＳＷ３の構成について説明する。図１４（Ａ）は、ＮＮ回路１００において、配線Ｑ［ｊ］と、プログラマブルスイッチＰＳＷ１と、プログラマブルスイッチＰＳＷ２と、プログラマブルロジックエレメントＰＬＥ［ｊ］と、の接続例について示し、図１４（Ｂ）は、スイッチ回路ＳＷＣの構成例を示している。
【０１７９】
なお、図１４（Ａ）において、配線Ｑ［ｊ］は、配線ｑ［１］乃至配線ｑ［ｓ］から構成されている。さらに、図１４（Ａ）において、プログラマブルロジックエレメントＰＬＥ［ｊ］の第１端子は、図１３（Ａ）で説明した演算処理回路１５０の端子Ｉｎ［１］乃至端子Ｉｎ［ｓ］としている。つまり、図１４（Ａ）において、配線ｑ［ｈ］は、端子Ｉｎ［ｈ］と電気的に接続されている。
【０１８０】
また、図１４（Ａ）では、配線ｑ［１］乃至配線ｑ［ｓ］は、プログラマブルスイッチＰＳＷ１を介して、配線”０”と電気的に接続されている。配線”０”は、０の値の信号（信号の電位が基準電位）を供給する配線である。
【０１８１】
図１４（Ａ）に示す構成例において、プログラマブルスイッチＰＳＷ１およびプログラマブルスイッチＰＳＷ２はスイッチ回路ＳＷＣを有する。スイッチ回路ＳＷＣの構成例を図１４（Ｂ）に示す。スイッチＳＷの第１端子は、配線ｑ［ｈ］と電気的に接続され、スイッチＳＷの第２端子は、配線Ｘと電気的に接続されている。なお、配線Ｘは、配線”０”、配線Ｌ［１］乃至配線Ｌ［ｌ］、配線Ｐ［１］乃至配線Ｐ［ｍ］のいずれか一の配線である。スイッチＳＷは、コンフィギュレーションメモリＣＭＳが保持するデータによって、導通状態、非導通状態を決定する。
【０１８２】
つまり、図１４（Ａ）に記載するプログラマブルスイッチＰＳＷ１、およびプログラマブルスイッチＰＳＷ２のそれぞれは、コンフィギュレーションメモリＣＭＳのデータによって、導通状態、非導通状態となる。つまり、コンフィギュレーションメモリＣＭＳのデータによって、配線”０”、配線Ｌ［１］乃至配線Ｌ［ｌ］、配線Ｐ［１］乃至配線Ｐ［ｍ］のそれぞれと、端子Ｉｎ［１］乃至端子Ｉｎ［ｓ］のそれぞれと、の接続の有無を制御することができる。
【０１８３】
特に、端子Ｉｎ［１］乃至端子Ｉｎ［ｓ］の一部に信号の入力を行わない場合、その一部の端子と、配線”０”とを接続するスイッチ回路ＳＷＣを導通状態とする。このとき、該一部の端子に対応する乗算回路は、パワーゲーティングにより消費電力を低減することができる。
【０１８４】
図１４（Ｂ）に示すスイッチＳＷとしては、例えば、トランジスタ、ダイオード、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）のように、ＭＥＭＳ（マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム）技術を用いたスイッチ等を適用することができる。また、スイッチＳＷはトランジスタを組み合わせた論理回路でもよい。また、スイッチＳＷを１個のトランジスタとする場合、オフ電流が非常に低い特性を有するＯＳトランジスタを用いるのが好ましい。
【０１８５】
図１４（Ｃ）は、ＮＮ回路１００において、配線Ｒ［ｋ］と、プログラマブルスイッチＰＳＷ３と、プログラマブルロジックエレメントＰＬＥ［ｊ］と、出力端子ＰＤＲ［１］乃至出力端子ＰＤＲ［ｎ］の接続例について示している。
【０１８６】
なお、図１４（Ｃ）において、配線Ｒ［ｋ］は、配線ｒ［１］乃至配線ｒ［ｔ］から構成されている。さらに、図１４（Ｃ）において、プログラマブルロジックエレメントＰＬＥ［ｊ］の第２端子を、端子Ｏ［１］乃至端子Ｏ［ｔ］（ここでのｔは１以上の整数である。）と図示している。つまり、図１４（Ｃ）において、配線ｒ［ｋ］は、端子Ｏ［ｋ］と電気的に接続されている。なお、図１４（Ｃ）では、第２端子を複数図示しているが、１つの端子としてもよい。
【０１８７】
図１４（Ｃ）に示す構成例において、プログラマブルスイッチＰＳＷ３はスイッチ回路ＳＷＣを有する。つまり、プログラマブルスイッチＰＳＷ１およびプログラマブルスイッチＰＳＷ２と同様に、コンフィギュレーションメモリＣＭＳが保持するデータによって、スイッチ回路ＳＷＣの有するスイッチＳＷの導通状態、非導通状態を決定することができる。このため、コンフィギュレーションメモリＣＭＳのデータによって、端子Ｏ［１］乃至端子Ｏ［ｔ］のそれぞれと、出力端子ＰＤＲ［１］乃至出力端子ＰＤＲ［ｎ］のそれぞれと、の接続の有無を制御することができる。
【０１８８】
ところで、上述したコンフィギュレーションメモリＣＭＳ、コンフィギュレーションメモリＣＭＷ［１］乃至コンフィギュレーションメモリＣＭＷ［ｓ］、コンフィギュレーションメモリＣＭＦは、例えば、ＳＲＡＭ、ＭＲＡＭ等を適用することができる。また、例えば、ＯＳトランジスタを用いた記憶装置（本明細書では、ＯＳメモリと呼称する。）を適用することができる。特に、上述したコンフィギュレーションメモリとして、ＯＳメモリを適用することによって、少ない素子数で低消費電力のニューラルネットワークを構成することができる。
【０１８９】
上述した乗算回路ＭＬＴ［１］乃至乗算回路ＭＬＴ［ｓ］、および加算回路ＡＤをアナログ積和演算回路とすることで、積和演算回路を構成するトランジスタ数を低減することができる。なお、アナログ積和演算回路については、本実施の形態で後述する。
【０１９０】
＜動作方法例＞
次に、ＮＮ回路１００の動作方法の一例について、図１５乃至図１７を用いて説明する。
【０１９１】
なお、本動作方法例において、ＮＮ回路１００は、コンテキスト数をＮとする。つまり、ＮＮ回路１００が有する複数のコンフィギュレーションメモリＣＭＳ、コンフィギュレーションメモリＣＭＷ［１］乃至コンフィギュレーションメモリＣＭＷ［ｓ］、およびコンフィギュレーションメモリＣＭＦは、それぞれＮセットのコンフィギュレーションデータを有するものとする。
【０１９２】
また、本動作方法例で扱うニューラルネットワークは、入力層、第１中間層乃至第Ｎ−１中間層からなる階層型のニューラルネットワークとする。特に、第Ｎ−１中間層は、階層型のニューラルネットワークにおける出力層とする。
【０１９３】
また、図１５乃至図１７において、導通状態となっているスイッチ回路ＳＷＣは、黒丸で図示し、非導通状態となっているスイッチ回路ＳＷＣは、白丸で図示している。
【０１９４】
また、配線Ｑ［１］乃至配線Ｑ［ｌ］、配線Ｒ［１］乃至配線Ｒ［ｎ］、およびプログラマブルスイッチＰＳＷ１乃至プログラマブルスイッチＰＳＷ３の構成は、図１４（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）、およびそれらの説明を参酌する。
【０１９５】
初めに、コンテキスト１が選択される。コンテキスト１とは、入力層と第１中間層との間のネットワークに対応するコンフィギュレーションである。コンテキスト１における、ＮＮ回路１００を図１５に示す。
【０１９６】
このとき、プログラマブルロジックエレメントＰＬＥ［１］乃至プログラマブルロジックエレメントＰＬＥ［ｍ］と、配線Ｌ［１］乃至配線Ｌ［ｌ］と、の間が電気的に接続されるように、プログラマブルスイッチＰＳＷ１乃至プログラマブルスイッチＰＳＷ３にコンフィギュレーションデータが設定される。また、プログラマブルロジックエレメントＰＬＥ［１］乃至プログラマブルロジックエレメントＰＬＥ［ｌ］のそれぞれにおいて、入力層のニューロンの出力信号に対する第１中間層の各ニューロンの重み係数が設定されるように、プログラマブルロジックエレメントＰＬＥ［１］乃至プログラマブルロジックエレメントＰＬＥ［ｌ］にコンフィギュレーションデータが設定される。
【０１９７】
入力層から第１中間層へ入力される信号は、入力端子ＰＤＬ［１］乃至入力端子ＰＤＬ［ｌ］から入力される信号に相当する。入力端子ＰＤＬ［ｉ］から入力された信号は、配線Ｌ［ｉ］を介して、配線Ｑ［１］乃至配線Ｑ［ｍ］のそれぞれに送信される。そして、配線Ｑ［ｊ］に送られた該信号は、プログラマブルロジックエレメントＰＬＥ［ｊ］の第１端子に入力される。
【０１９８】
プログラマブルロジックエレメントＰＬＥ［１］乃至プログラマブルロジックエレメントＰＬＥ［ｍ］の第１端子に入力された複数の信号は、各プログラマブルロジックエレメントが有する積和演算回路によって、演算処理が行われる。具体的には、複数の信号と、それぞれの信号に対応する重み係数との積和演算と、当該積和演算結果を入力情報とする活性化関数演算と、が行われる。なお、重み係数、および活性化関数は、上述したとおり、コンテキスト１のコンフィギュレーションに基づく。
【０１９９】
当該活性化関数演算の出力結果は、図１３に示す保持回路ＫＣによって保持される。なお、保持回路ＫＣへのデータ保持は、クロック信号ＣＬＫの電位が低レベル電位から高レベル電位になったときに行われるものとする。また、保持回路ＫＣに保持しているデータの出力は、クロック信号ＣＬＫの電位が高レベル電位から低レベル電位になったときに行われるものとする。
【０２００】
次に、コンテキスト２が選択される。コンテキスト２とは、第１中間層と第２中間層との間のネットワークに対応するコンフィギュレーションである。コンテキスト２における、ＮＮ回路１００を図１６に示す。
【０２０１】
このとき、プログラマブルロジックエレメントＰＬＥ［１］乃至プログラマブルロジックエレメントＰＬＥ［ｍ］と、配線Ｐ［１］乃至配線Ｐ［ｌ］と、の間が電気的に接続されるように、プログラマブルスイッチＰＳＷ１乃至プログラマブルスイッチＰＳＷ３にコンフィギュレーションデータが設定される。また、プログラマブルロジックエレメントＰＬＥ［１］乃至プログラマブルロジックエレメントＰＬＥ［ｌ］のそれぞれにおいて、第１中間層のニューロンの出力信号に対する第２中間層の各ニューロンの重み係数が設定されるように、プログラマブルロジックエレメントＰＬＥ［１］乃至プログラマブルロジックエレメントＰＬＥ［ｌ］にコンフィギュレーションデータが設定される。
【０２０２】
当該コンフィギュレーションにおいて、プログラマブルエレメントＰＬＥ［１］乃至プログラマブルロジックエレメントＰＬＥ［ｍ］の第２端子から出力されるデータは、先に説明した保持回路ＫＣに格納されているデータ、すなわち、コンテキスト１における、積和演算回路および活性化関数演算の結果となる。該結果は、保持回路ＫＣにおいて、クロック信号ＣＬＫが高レベル電位から低レベル電位になったときに、プログラマブルエレメントＰＬＥ［１］乃至プログラマブルロジックエレメントＰＬＥ［ｍ］の第２端子から出力される。プログラマブルロジックエレメントＰＬＥ［ｊ］の第２端子から出力された該結果は、配線Ｐ［ｊ］を介して、配線Ｑ［１］乃至配線Ｑ［ｍ］のそれぞれに送信される。そして、配線Ｑ［ｊ］に送られた該信号は、プログラマブルロジックエレメントＰＬＥ［ｊ］の第１端子に入力される。
【０２０３】
つまり、第１中間層から第２中間層へ入力される信号は、プログラマブルエレメントＰＬＥ［１］乃至プログラマブルロジックエレメントＰＬＥ［ｍ］の第２端子から出力される信号に相当する。
【０２０４】
プログラマブルロジックエレメントＰＬＥ［１］乃至プログラマブルロジックエレメントＰＬＥ［ｍ］の第１端子に入力された複数の信号は、各プログラマブルロジックエレメントが有する積和演算回路によって、演算処理が行われる。具体的には、複数の信号と、それぞれの信号に対応する重み係数との積和演算と、当該積和演算結果を入力情報とする活性化関数演算と、が行われる。なお、重み係数、および活性化関数は、上述したとおり、コンテキスト２のコンフィギュレーションに基づく。
【０２０５】
当該活性化関数演算の出力結果は、コンテキスト１の動作と同様に、図１３に示す保持回路ＫＣによって保持される。
【０２０６】
以降のＮＮ回路１００の動作は、コンテキスト２と同様に行われる。例えば、コンテキストｇ（ここでのｇは３以上Ｎ−１以下の整数）が選択された場合を考える。コンテキストｇは、第ｇ−１中間層と第ｇ中間層との間のネットワーク対応するコンフィギュレーションとする。なお、コンテキストｇにおけるＮＮ回路１００の接続の状態は、図１６の内容を参酌する。
【０２０７】
このとき、プログラマブルロジックエレメントＰＬＥ［１］乃至プログラマブルロジックエレメントＰＬＥ［ｍ］と、配線Ｐ［１］乃至配線Ｐ［ｌ］と、の間が電気的に接続されるように、プログラマブルスイッチＰＳＷ１乃至プログラマブルスイッチＰＳＷ３にコンフィギュレーションデータが設定される。また、プログラマブルロジックエレメントＰＬＥ［１］乃至プログラマブルロジックエレメントＰＬＥ［ｌ］のそれぞれにおいて、第ｇ−１中間層のニューロンの出力信号に対する第ｇ中間層の各ニューロンの重み係数が設定されるように、プログラマブルロジックエレメントＰＬＥ［１］乃至プログラマブルロジックエレメントＰＬＥ［ｌ］にコンフィギュレーションデータが設定される。
【０２０８】
当該コンフィギュレーションにおいて、プログラマブルエレメントＰＬＥ［１］乃至プログラマブルロジックエレメントＰＬＥ［ｍ］の第２端子から出力されるデータは、先に説明した保持回路ＫＣに格納されているデータ、すなわち、コンテキストｇ−１における、積和演算回路および活性化関数演算の結果となる。該結果は、保持回路ＫＣにおいて、クロック信号ＣＬＫが高レベル電位から低レベル電位になったときに、プログラマブルエレメントＰＬＥ［１］乃至プログラマブルロジックエレメントＰＬＥ［ｍ］の第２端子から出力される。プログラマブルロジックエレメントＰＬＥ［ｊ］の第２端子から出力された該結果は、配線Ｐ［ｊ］を介して、配線Ｑ［１］乃至配線Ｑ［ｍ］のそれぞれに送信される。そして、配線Ｑ［ｊ］に送られた該信号は、プログラマブルロジックエレメントＰＬＥ［ｊ］の第１端子に入力される。
【０２０９】
つまり、第ｇ−１中間層から第ｇ中間層へ入力される信号は、プログラマブルエレメントＰＬＥ［１］乃至プログラマブルロジックエレメントＰＬＥ［ｍ］の第２端子から出力される信号に相当する。
【０２１０】
プログラマブルロジックエレメントＰＬＥ［１］乃至プログラマブルロジックエレメントＰＬＥ［ｍ］の第１端子に入力された複数の信号は、各プログラマブルロジックエレメントが有する積和演算回路によって、演算処理が行われる。具体的には、複数の信号と、それぞれの信号に対応する重み係数との積和演算と、当該積和演算結果を入力情報とする活性化関数演算と、が行われる。なお、重み係数、および活性化関数は、上述したとおり、コンテキストｇのコンフィギュレーションに基づく。
【０２１１】
当該活性化関数演算の出力結果は、コンテキスト１、コンテキスト２の動作と同様に、図１３に示す保持回路ＫＣによって保持される。
【０２１２】
最後に、コンテキストＮが選択される。コンテキストＮとは、第Ｎ−１中間層（出力層）と、出力端子ＰＤＲ［１］乃至出力端子ＰＤＲ［ｎ］との間の接続に対応するコンフィギュレーションである。コンテキストＮにおけるＮＮ回路１００を図１７に示す。
【０２１３】
このとき、プログラマブルロジックエレメントＰＬＥ［１］乃至プログラマブルロジックエレメントＰＬＥ［ｍ］と、配線Ｒ［１］乃至配線Ｒ［ｎ］と、の間が電気的に接続されるように、プログラマブルスイッチＰＳＷ１乃至プログラマブルスイッチＰＳＷ３にコンフィギュレーションデータが設定される。
【０２１４】
当該コンフィギュレーションにおいて、プログラマブルエレメントＰＬＥ［１］乃至プログラマブルロジックエレメントＰＬＥ［ｍ］の第２端子から出力されるデータは、先に説明した保持回路ＫＣに格納されているデータ、すなわち、コンテキストＮ−１における、積和演算回路および活性化関数演算の結果となる。該結果は、保持回路ＫＣにおいて、クロック信号ＣＬＫが高レベル電位から低レベル電位になったときに、プログラマブルエレメントＰＬＥ［１］乃至プログラマブルロジックエレメントＰＬＥ［ｍ］の第２端子から出力される。プログラマブルロジックエレメントＰＬＥ［１］乃至プログラマブルロジックエレメントＰＬＥ［ｍ］のそれぞれの第２端子から出力された該結果は、配線Ｒ［１］乃至配線Ｒ［ｎ］のそれぞれを介して、出力端子ＰＤＲ［１］乃至出力端子ＰＤＲ［ｎ］のそれぞれに送信される。
【０２１５】
つまり、第Ｎ−１中間層（出力層）から出力される階層型のニューラルネットワークの出力結果は、プログラマブルエレメントＰＬＥ［１］乃至プログラマブルロジックエレメントＰＬＥ［ｍ］の第２端子から出力される信号に相当する。
【０２１６】
なお、入力層、第１中間層乃至第Ｎ−１中間層、のそれぞれの層において、各層のニューロンとして利用されないプログラマブルロジックエレメントは、上述したパワーゲーティングを行うことによって、消費電力を低減することができる。
【０２１７】
また、図１３の演算処理回路１５０では、学習によって重み係数を更新することが可能である。この場合、所望のニューラルネットワーク構成となる各コンテキストに対応したコンフィギュレーションデータを生成し、対応するコンテキストの重み係数のコンフィギュレーションデータのみを繰り返し変更する構成が有効である。なお、重み係数の更新は、対応する演算処理を実行する専用の回路を実装することが可能である。
【０２１８】
また、図１３の演算処理回路１５０において、サーバで対応する演算処理を実行する構成が可能である。例えば、ニューラルネットワークの階層構成の検討および学習は、サーバで行い、学習によって得られた、最適化された階層構造および重み係数に対応する各コンテキストのコンフィギュレーションデータを生成し、図１３の演算処理回路１５０を各コンテキストに切り替えながら、推論（認知）を実行するニューラルネットワークとする構成が可能である。
【０２１９】
上述したＮＮ回路１００を構成することによって、学習および推論に利用することができるニューラルネットワークの演算処理回路を実現することができる。また、素子数の削減、配線数の削減によって回路面積が低減されたマルチコンテキスト方式のプログラマブルなニューラルネットワークを提供することができる。
【０２２０】
＜積和演算回路の構成例＞
次に、上述した階層型のニューラルネットワークを実現するための積和演算回路の構成例について、説明する。
【０２２１】
図１８に本発明の一態様に係る積和演算回路の一例を示す。図１８は、積和演算回路のブロック図を示しており、積和演算回路７００は、オフセット回路７１０と、メモリセルアレイ７２０と、を有する。
【０２２２】
オフセット回路７１０は、列出力回路ＯＵＴ［１］乃至列出力回路ＯＵＴ［ｎ］（ここでのｎは１以上の整数である。）と、参照列出力回路Ｃｒｅｆと、を有する。
【０２２３】
メモリセルアレイ７２０は、列方向にｍ個（ここでのｍは１以上の整数である。）、行方向にｎ個、合計ｍ×ｎ個のメモリセルＡＭと、列方向にｍ個のメモリセルＡＭｒｅｆと、を有する。メモリセルＡＭと、メモリセルＡＭｒｅｆと、は、メモリセルアレイ７２０において、ｍ×（ｎ＋１）のマトリクス状に設けられている。特に、図１８のメモリセルアレイ７２０では、ｉ行目ｊ列目に位置するメモリセルＡＭを、メモリセルＡＭ［ｉ，ｊ］（ここでのｉは１以上ｍ以下の整数であり、ｊは１以上ｎ以下の整数である。）と表記し、ｉ行目に位置するメモリセルＡＭｒｅｆを、メモリセルＡＭｒｅｆ［ｉ］と表記する。
【０２２４】
なお、メモリセルＡＭは、第１アナログデータに応じた電位を保持し、メモリセルＡＭｒｅｆは、所定の電位を保持する。なお、この所定の電位は、積和演算処理に必要な電位であり、本明細書では、この電位に対応するデータを参照アナログデータという場合がある。
【０２２５】
メモリセルアレイ７２０は、出力端子ＳＰＴ［１］乃至出力端子ＳＰＴ［ｎ］を有する。
【０２２６】
列出力回路ＯＵＴ［ｊ］は、出力端子ＯＴ［ｊ］を有し、参照列出力回路Ｃｒｅｆは、出力端子ＯＴｒｅｆを有する。
【０２２７】
配線ＯＲＰは、列出力回路ＯＵＴ［１］乃至列出力回路ＯＵＴ［ｎ］に電気的に接続され、配線ＯＳＰは、列出力回路ＯＵＴ［１］乃至列出力回路ＯＵＴ［ｎ］に電気的に接続されている。配線ＯＲＰおよび配線ＯＳＰは、オフセット回路７１０に制御信号を供給するための配線である。
【０２２８】
メモリセルアレイ７２０の出力端子ＳＰＴ［ｊ］は、配線Ｂ［ｊ］と電気的に接続されている。
【０２２９】
列出力回路ＯＵＴ［ｊ］の出力端子ＯＴ［ｊ］は、配線Ｂ［ｊ］と電気的に接続されている。
【０２３０】
参照列出力回路Ｃｒｅｆの出力端子ＯＴｒｅｆは、配線Ｂｒｅｆと電気的に接続されている。
【０２３１】
メモリセルＡＭ［ｉ，ｊ］は、配線ＲＷ［ｉ］と、配線ＷＷ［ｉ］と、配線ＷＤ［ｊ］と、配線Ｂ［ｊ］と、配線ＶＲと、に電気的に接続されている。
【０２３２】
メモリセルＡＭｒｅｆ［ｉ］は、配線ＲＷ［ｉ］と、配線ＷＷ［ｉ］と、配線ＷＤｒｅｆと、配線Ｂｒｅｆと、配線ＶＲと、に電気的に接続されている。
【０２３３】
配線ＷＷ［ｉ］は、メモリセルＡＭ［ｉ，１］乃至メモリセルＡＭ［ｉ，ｎ］、およびメモリセルＡＭｒｅｆ［ｉ］に選択信号を供給するための配線として機能し、配線ＲＷ［ｉ］は、メモリセルＡＭ［ｉ，１］乃至メモリセルＡＭ［ｉ，ｎ］、およびメモリセルＡＭｒｅｆ［ｉ］に基準電位、または第２アナログデータに応じた電位のどちらかを与える配線として機能する。配線ＷＤ［ｊ］は、ｊ列目のメモリセルＡＭに書き込むデータを供給する配線として機能し、配線ＶＲは、メモリセルＡＭまたはメモリセルＡＭｒｅｆからデータを読み出す際に、メモリセルＡＭまたはメモリセルＡＭｒｅｆに所定の電位を与えるための配線として機能する。
【０２３４】
配線Ｂ［ｊ］は、列出力回路ＯＵＴ［ｊ］からメモリセルアレイ７２０のｊ列目に有するメモリセルＡＭに信号を供給する配線として機能する。
【０２３５】
配線Ｂｒｅｆは、参照列出力回路ＣｒｅｆからメモリセルＡＭｒｅｆ［１］乃至メモリセルＡＭｒｅｆ［ｍ］のそれぞれに信号を供給する配線として機能する。
【０２３６】
なお、図１８に示す積和演算回路７００は、オフセット回路７１０、メモリセルアレイ７２０、列出力回路ＯＵＴ［１］、列出力回路ＯＵＴ［ｊ］、列出力回路ＯＵＴ［ｎ］、参照列出力回路Ｃｒｅｆ、出力端子ＯＴ［１］、出力端子ＯＴ［ｊ］、出力端子ＯＴ［ｎ］、出力端子ＯＴｒｅｆ、出力端子ＳＰＴ［１］、出力端子ＳＰＴ［ｊ］、出力端子ＳＰＴ［ｎ］、メモリセルＡＭ［１，１］、メモリセルＡＭ［ｉ，１］、メモリセルＡＭ［ｍ，１］、メモリセルＡＭ［１，ｊ］、メモリセルＡＭ［ｉ，ｊ］、メモリセルＡＭ［ｍ，ｊ］、メモリセルＡＭ［１，ｎ］、メモリセルＡＭ［ｉ，ｎ］、メモリセルＡＭ［ｍ，ｎ］、メモリセルＡＭｒｅｆ［１］、メモリセルＡＭｒｅｆ［ｉ］、メモリセルＡＭｒｅｆ［ｍ］、配線ＯＳＰ、配線ＯＲＰ、配線Ｂ［１］、配線Ｂ［ｊ］、配線Ｂ［ｎ］、配線Ｂｒｅｆ、配線ＷＤ［１］、配線ＷＤ［ｊ］、配線ＷＤ［ｎ］、配線ＷＤｒｅｆ、配線ＶＲ、配線ＲＷ［１］、配線ＲＷ［ｉ］、配線ＲＷ［ｍ］、配線ＷＷ［１］、配線ＷＷ［ｉ］、配線ＷＷ［ｍ］のみ図示しており、それ以外の回路、配線、素子、およびそれらの符号については省略している。
【０２３７】
積和演算回路７００の構成は、図１８に示す構成に限定されない。状況に応じて、場合によって、または、必要に応じて、積和演算回路７００の構成を変更することができる。例えば、積和演算回路７００の回路構成によっては、配線ＷＤ［ｊ］と配線ＶＲと、をまとめて１本の配線として共有する構成であってもよい。また、積和演算回路７００の回路構成によっては、配線ＯＲＰと配線ＯＳＰと、をまとめて１本の配線として共有する構成であってもよい。
【０２３８】
＜＜オフセット回路７１０＞＞
次に、オフセット回路７１０に適用できる回路構成の例について説明する。図１９に、オフセット回路７１０の一例として、オフセット回路７１１を示す。
【０２３９】
オフセット回路７１１は、電源電圧の供給のため、配線ＶＤＤＬ、および配線ＶＳＳＬと電気的に接続されている。具体的には、列出力回路ＯＵＴ［１］乃至列出力回路ＯＵＴ［ｎ］は、それぞれ配線ＶＤＤＬ、および配線ＶＳＳＬと電気的に接続され、参照列出力回路Ｃｒｅｆは、配線ＶＤＤＬと電気的に接続されている。なお、後述するカレントミラー回路ＣＭも、配線ＶＳＳＬと電気的に接続されている場合がある。配線ＶＤＤＬは、高レベル電位を与える配線であり、配線ＶＳＳＬは、低レベル電位を与える配線である。
【０２４０】
以下、列出力回路ＯＵＴ［ｊ］の内部の回路構成について説明する。列出力回路ＯＵＴ［ｊ］は、定電流回路ＣＩと、トランジスタＴｒ１乃至トランジスタＴｒ３と、容量素子Ｃ１と、配線ＯＬ［ｊ］と、を有する。また、列出力回路ＯＵＴ［１］乃至列出力回路ＯＵＴ［ｎ］、および参照列出力回路Ｃｒｅｆは、カレントミラー回路ＣＭを共有している。
【０２４１】
定電流回路ＣＩは、端子ＣＴ１と、端子ＣＴ２と、を有する。端子ＣＴ１は、定電流回路ＣＩの入力端子として機能し、端子ＣＴ２は、定電流回路ＣＩの出力端子として機能する。また、列出力回路ＯＵＴ［１］乃至列出力回路ＯＵＴ［ｎ］、および参照列出力回路Ｃｒｅｆで共有しているカレントミラー回路ＣＭは、端子ＣＴ５［１］乃至端子ＣＴ５［ｎ］と、端子ＣＴ６［１］乃至端子ＣＴ６［ｎ］と、端子ＣＴ７と、端子ＣＴ８と、を有する。
【０２４２】
定電流回路ＣＩは、端子ＣＴ１から端子ＣＴ２に流れる電流を一定に保つ機能を有する。
【０２４３】
列出力回路ＯＵＴ［ｊ］において、トランジスタＴｒ１の第１端子は、配線ＯＬ［ｊ］と電気的に接続され、トランジスタＴｒ１の第２端子は、配線ＶＳＳＬと電気的に接続され、トランジスタＴｒ１のゲートは、容量素子Ｃ１の第１端子と電気的に接続されている。トランジスタＴｒ２の第１端子は、配線ＯＬ［ｊ］と電気的に接続され、トランジスタＴｒ２の第２端子は、容量素子Ｃ１の第１端子と電気的に接続され、トランジスタＴｒ２のゲートは、配線ＯＳＰと電気的に接続されている。トランジスタＴｒ３の第１端子は、容量素子Ｃ１の第１端子と電気的に接続され、トランジスタＴｒ３の第２端子は、配線ＶＳＳＬと電気的に接続され、トランジスタＴｒ３のゲートは、配線ＯＲＰと電気的に接続されている。容量素子Ｃ１の第２端子は、配線ＶＳＳＬと電気的に接続されている。
【０２４４】
なお、トランジスタＴｒ１乃至トランジスタＴｒ３は、それぞれＯＳトランジスタであることが好ましい。加えて、トランジスタＴｒ１乃至トランジスタＴｒ３のそれぞれのチャネル形成領域は、インジウム、元素Ｍ（元素Ｍはアルミニウム、ガリウム、イットリウム、またはスズ）、亜鉛の少なくとも一を含む酸化物であることがより好ましい。
【０２４５】
ＯＳトランジスタは、オフ電流が極めて小さいという特性を有する。そのため、ＯＳトランジスタが非導通状態であるときにソース−ドレイン間に流れるリーク電流を非常に小さくすることができる。特に、トランジスタＴｒ２として、ＯＳトランジスタを用いることにより、容量素子Ｃ１に保持した電荷が、オフ状態のトランジスタＴｒ２のソース−ドレイン間に流れるのを抑えることができる。加えて、トランジスタＴｒ３として、ＯＳトランジスタを用いることにより、容量素子Ｃ１に保持した電荷が、オフ状態のトランジスタＴｒ３のソース−ドレイン間に流れるのを抑えることができる。そのため、トランジスタＴｒ１のゲートの電位を長時間保持することができるため、トランジスタＴｒ１のソース−ドレイン間には、安定した定電流を流すことができる。その結果、計算精度の高い積和演算回路を実現することができる場合がある。
【０２４６】
列出力回路ＯＵＴ［ｊ］において、定電流回路ＣＩの端子ＣＴ１は、配線ＶＤＤＬと電気的に接続され、定電流回路ＣＩの端子ＣＴ２は、カレントミラー回路の端子ＣＴ５［ｊ］と電気的に接続されている。カレントミラー回路ＣＭの端子ＣＴ６［ｊ］は、出力端子ＯＴ［ｊ］と電気的に接続されている。
【０２４７】
なお、配線ＯＬ［ｊ］は、カレントミラー回路の端子ＣＴ５［ｊ］および端子ＣＴ６［ｊ］を介して、定電流回路ＣＩの端子ＣＴ２と、出力端子ＯＴ［ｊ］と、を電気的に接続する配線である。
【０２４８】
次に、参照列出力回路Ｃｒｅｆについて説明する。参照列出力回路Ｃｒｅｆは、定電流回路ＣＩｒｅｆと、配線ＯＬｒｅｆと、を有する。また、上述したとおり、参照列出力回路Ｃｒｅｆは、列出力回路ＯＵＴ［１］乃至列出力回路ＯＵＴ［ｎ］と、カレントミラー回路ＣＭを共有している。
【０２４９】
定電流回路ＣＩｒｅｆは、端子ＣＴ３と、端子ＣＴ４と、を有する。端子ＣＴ３は、定電流回路ＣＩｒｅｆの入力端子として機能し、端子ＣＴ４は、定電流回路ＣＩｒｅｆの出力端子として機能する。
【０２５０】
定電流回路ＣＩｒｅｆは、端子ＣＴ３から端子ＣＴ４に流れる電流を一定に保つ機能を有する。
【０２５１】
参照列出力回路Ｃｒｅｆにおいて、定電流回路ＣＩｒｅｆの端子ＣＴ３は、配線ＶＤＤＬと電気的に接続され、定電流回路ＣＩｒｅｆの端子ＣＴ４は、カレントミラー回路ＣＭの端子ＣＴ７と電気的に接続されている。カレントミラー回路ＣＭの端子ＣＴ８は、出力端子ＯＴｒｅｆと電気的に接続されている。
【０２５２】
なお、配線ＯＬｒｅｆは、カレントミラー回路の端子ＣＴ７および端子ＣＴ８を介して、定電流回路ＣＩｒｅｆの端子ＣＴ４と、出力端子ＯＴｒｅｆと、を電気的に接続する配線である。
【０２５３】
カレントミラー回路ＣＭにおいて、端子ＣＴ５［ｊ］は、端子ＣＴ６［ｊ］と電気的に接続され、端子ＣＴ７は、端子ＣＴ８と電気的に接続されている。加えて、端子ＣＴ５［ｊ］と端子ＣＴ６［ｊ］の間に、配線ＩＬ［ｊ］が電気的に接続され、端子ＣＴ７と端子ＣＴ８の間に、配線ＩＬｒｅｆが電気的に接続されている。また、端子ＣＴ７と端子ＣＴ８の間と配線ＩＬｒｅｆとの接続箇所をノードＮＣＭｒｅｆとする。カレントミラー回路ＣＭは、ノードＮＣＭｒｅｆの電位を参照して、配線ＩＬｒｅｆに流れる電流の量と、配線ＩＬ［１］乃至配線ＩＬ［ｎ］のそれぞれに流れる電流の量を等しくする機能を有する。
【０２５４】
なお、図１９に示すオフセット回路７１１は、列出力回路ＯＵＴ［１］、列出力回路ＯＵＴ［ｊ］、列出力回路ＯＵＴ［ｎ］、参照列出力回路Ｃｒｅｆ、定電流回路ＣＩ、定電流回路ＣＩｒｅｆ、カレントミラー回路ＣＭ、出力端子ＯＴ［１］、出力端子ＯＴ［ｊ］、出力端子ＯＴ［ｎ］、出力端子ＯＴｒｅｆ、端子ＣＴ１、端子ＣＴ２、端子ＣＴ３、端子ＣＴ４、端子ＣＴ５［１］、端子ＣＴ５［ｊ］、端子ＣＴ５［ｎ］、端子ＣＴ６［１］、端子ＣＴ６［ｊ］、端子ＣＴ６［ｎ］、端子ＣＴ７、端子ＣＴ８、トランジスタＴｒ１、トランジスタＴｒ２、トランジスタＴｒ３、容量素子Ｃ１、配線ＯＬ［１］、配線ＯＬ［ｊ］、配線ＯＬ［ｎ］、配線ＯＬｒｅｆ、配線ＯＲＰ、配線ＯＳＰ、配線Ｂ［１］、配線Ｂ［ｊ］、配線Ｂ［ｎ］、配線Ｂｒｅｆ、配線ＩＬ［１］、配線ＩＬ［ｊ］、配線ＩＬ［ｎ］、配線ＩＬｒｅｆ、ノードＮＣＭｒｅｆ、配線ＶＤＤＬ、配線ＶＳＳＬのみ図示しており、それ以外の回路、配線、素子、およびそれらの符号については省略している。
【０２５５】
なお、オフセット回路７１１の構成は、図１９に示す構成に限定されない。状況に応じて、場合によって、または、必要に応じて、オフセット回路７１１の構成を変更することができる。
【０２５６】
〔定電流回路ＣＩ、ＣＩｒｅｆ〕
次に、定電流回路ＣＩ、および定電流回路ＣＩｒｅｆの内部の構成例について説明する。
【０２５７】
図２０に示すオフセット回路７１５は、図１９のオフセット回路７１１の定電流回路ＣＩ、および定電流回路ＣＩｒｅｆの内部の構成の例を示した回路図である。
【０２５８】
列出力回路ＯＵＴ［ｊ］において、定電流回路ＣＩは、トランジスタＴｒ２１、トランジスタＴｒ２２、トランジスタＴｒ２３、容量素子Ｃ３を有する。また、オフセット回路７１２の定電流回路ＣＩの端子ＣＴ１として、オフセット回路７１５の定電流回路ＣＩは、端子ＣＴ１−１、端子ＣＴ１−２、および端子ＣＴ１−３を有する。更に、オフセット回路７１５は、配線ＯＳＭと、配線ＯＲＭと、に電気的に接続されている。
【０２５９】
なお、トランジスタＴｒ２１は、ｐチャネル型のトランジスタであり、トランジスタＴｒ２２、およびトランジスタＴｒ２３は、ｎチャネル型のトランジスタである。特に、トランジスタＴｒ２２、およびトランジスタＴｒ２３は、それぞれＯＳトランジスタであることが好ましい。加えて、トランジスタＴｒ２２、およびトランジスタＴｒ２３のそれぞれのチャネル形成領域は、インジウム、元素Ｍ、亜鉛の少なくとも一を含む酸化物であることがより好ましい。
【０２６０】
前述したとおり、ＯＳトランジスタは、オフ電流が極めて小さいという特性を有する。特に、トランジスタＴｒ２２として、ＯＳトランジスタを用いることにより、容量素子Ｃ３に保持した電荷が、オフ状態のトランジスタＴｒ２２のソース−ドレイン間に流れるのを抑えることができる。加えて、トランジスタＴｒ２３として、ＯＳトランジスタを用いることにより、容量素子Ｃ３に保持した電荷が、オフ状態のトランジスタＴｒ２３のソース−ドレイン間に流れるのを抑えることができる。そのため、トランジスタＴｒ２１のゲートの電位を長時間保持することができるため、トランジスタＴｒ２１のソース−ドレイン間には、安定した定電流を流すことができる。その結果、計算精度の高い積和演算回路を実現することができる場合がある。
【０２６１】
トランジスタＴｒ２１の第１端子は、端子ＣＴ１−１と電気的に接続され、トランジスタＴｒ２１の第２端子は、端子ＣＴ２と電気的に接続され、トランジスタＴｒ２１のゲートは、容量素子Ｃ３の第１端子と電気的に接続されている。トランジスタＴｒ２２の第１端子は、端子ＣＴ２と電気的に接続され、トランジスタＴｒ２２の第２端子は、容量素子Ｃ３の第１端子と電気的に接続され、トランジスタＴｒ２２のゲートは、配線ＯＳＭと電気的に接続されている。トランジスタＴｒ２３の第１端子は、容量素子Ｃ３の第１端子と電気的に接続され、トランジスタＴｒ２３の第２端子は、端子ＣＴ１−３と電気的に接続され、トランジスタＴｒ２３のゲートは、配線ＯＲＭと電気的に接続されている。容量素子Ｃ３の第２端子は、端子ＣＴ１−２と電気的に接続されている。
【０２６２】
端子ＣＴ１−１乃至端子ＣＴ１−３は、それぞれ配線ＶＤＤＬと電気的に接続されている。
【０２６３】
図２０に示すオフセット回路７１５において、参照列出力回路Ｃｒｅｆは定電流回路ＣＩｒｅｆを有さない構成となっている。つまり、オフセット回路７１５は、オフセット回路７１２が有する定電流回路ＣＩの構成を変更し、かつ図１９に示すオフセット回路７１１の参照列出力回路Ｃｒｅｆから定電流回路ＣＩｒｅｆを除去した構成となっている。
【０２６４】
なお、図２０に示すオフセット回路７１５は、列出力回路ＯＵＴ［１］、列出力回路ＯＵＴ［ｊ］、列出力回路ＯＵＴ［ｎ］、参照列出力回路Ｃｒｅｆ、定電流回路ＣＩ、カレントミラー回路ＣＭ、出力端子ＯＴ［１］、出力端子ＯＴ［ｊ］、出力端子ＯＴ［ｎ］、出力端子ＯＴｒｅｆ、端子ＣＴ１−１、端子ＣＴ１−２、端子ＣＴ１−３、端子ＣＴ２、端子ＣＴ５［１］、端子ＣＴ５［ｊ］、端子ＣＴ５［ｎ］、端子ＣＴ６［１］、端子ＣＴ６［ｊ］、端子ＣＴ６［ｎ］、端子ＣＴ８、トランジスタＴｒ１、トランジスタＴｒ２、トランジスタＴｒ３、トランジスタＴｒ２１、トランジスタＴｒ２２、トランジスタＴｒ２３、容量素子Ｃ１、容量素子Ｃ３、配線ＯＬ［１］、配線ＯＬ［ｊ］、配線ＯＬ［ｎ］、配線ＯＬｒｅｆ、配線ＯＲＰ、配線ＯＳＰ、配線ＯＳＭ、配線ＯＲＭ、配線Ｂ［１］、配線Ｂ［ｊ］、配線Ｂ［ｎ］、配線Ｂｒｅｆ、配線ＢＧ［１］、配線ＢＧ［ｊ］、配線ＢＧ［ｎ］、配線ＢＧｒｅｆ、配線ＩＬ［１］、配線ＩＬ［ｊ］、配線ＩＬ［ｎ］、配線ＩＬｒｅｆ、ノードＮＣＭｒｅｆ、配線ＶＤＤＬ、配線ＶＳＳＬのみ図示しており、それ以外の回路、配線、素子、およびそれらの符号については省略している。
【０２６５】
以下に、オフセット回路７１５の定電流回路ＣＩの動作について、説明する。
【０２６６】
配線ＯＲＭに高レベル電位が入力され、配線ＯＳＭに低レベル電位が入力されたとき、トランジスタＴｒ２３は導通状態となり、トランジスタＴｒ２２は非導通状態となる。このとき、容量素子Ｃ３の第１端子は、トランジスタＴｒ２３を介して、配線ＶＤＤＬから高レベル電位が与えられる。容量素子Ｃ３の第２端子は、配線ＶＤＤＬから高レベル電位が与えられているため、容量素子Ｃ３の保持電位は０となる。つまり、配線ＯＲＭに高レベル電位が入力され、配線ＯＳＭに低レベル電位が入力されることで、容量素子Ｃ３に保持された電荷を放電して、定電流回路ＣＩの初期化を行うことができる。
【０２６７】
配線ＯＲＭに低レベル電位が入力され、配線ＯＳＭに高レベル電位が入力されたとき、トランジスタＴｒ２３は非導通状態となり、トランジスタＴｒ２２は導通状態となる。このとき、トランジスタＴｒ２１の第２端子は、トランジスタＴｒ２２を介して、トランジスタＴｒ２１のゲートと電気的に接続される。つまり、トランジスタＴｒ２１は、ダイオード接続の構成となる。また、経時によって、容量素子Ｃ３の第１端子の電位は、トランジスタＴｒ２１の第２端子の電位と等しくなる。
【０２６８】
この状態で、配線ＯＳＭに低レベル電位を入力して、トランジスタＴｒ２２を非導通状態にすることによって、容量素子Ｃ３に、トランジスタＴｒ２１の第２端子と等しい電位が保持される。これにより、トランジスタＴｒ２１のゲートには、該電位が保持され続けるので、トランジスタＴｒ２１には該電位に基づいた定電流が流れる。
【０２６９】
なお、本発明の一態様に係るオフセット回路の定電流回路ＣＩおよび定電流回路ＣＩｒｅｆの構成は、図２０に示すオフセット回路７１５に限定されない。状況に応じて、場合によって、または、必要に応じて、オフセット回路７１５が有する回路、素子、配線等の構成要素を除去する、オフセット回路７１５に新たに回路、素子、配線等の構成要素を追加する、またはオフセット回路７１２の内部の接続構成を変更する、等を行うことができる。
【０２７０】
〔カレントミラー回路ＣＭ〕
次に、カレントミラー回路ＣＭの内部の構成例について説明する。
【０２７１】
図２１に示すオフセット回路７１３は、図１９のオフセット回路７１１のカレントミラー回路ＣＭの内部の構成の例を示した回路図である。
【０２７２】
カレントミラー回路ＣＭは、列出力回路ＯＵＴ［１］乃至列出力回路ＯＵＴ［ｎ］のそれぞれにトランジスタＴｒ５を有し、参照列出力回路ＣｒｅｆにトランジスタＴｒ７を有する。なお、トランジスタＴｒ５、およびトランジスタＴｒ７は、それぞれｎチャネル型トランジスタとする。
【０２７３】
列出力回路ＯＵＴ［ｊ］が有するトランジスタＴｒ５の第１端子は、カレントミラー回路の端子ＣＴ５［ｊ］と、端子ＣＴ６［ｊ］と、に電気的に接続されている。列出力回路ＯＵＴ［ｊ］が有するトランジスタＴｒ５の第２端子は、配線ＶＳＳＬと電気的に接続されている。列出力回路ＯＵＴ［ｊ］が有するトランジスタＴｒ５のゲートは、カレントミラー回路ＣＭの端子ＣＴ７と、端子ＣＴ８と、に電気的に接続されている。
【０２７４】
参照列出力回路Ｃｒｅｆが有するトランジスタＴｒ７の第１端子は、カレントミラー回路の端子ＣＴ７と、端子ＣＴ８と、に電気的に接続されている。参照列出力回路Ｃｒｅｆが有するトランジスタＴｒ７の第２端子は、配線ＶＳＳＬと電気的に接続されている。参照列出力回路Ｃｒｅｆが有するトランジスタＴｒ７のゲートは、カレントミラー回路ＣＭの端子ＣＴ７と、端子ＣＴ８と、に電気的に接続されている。
【０２７５】
この接続構成を適用することで、列出力回路ＯＵＴ［１］乃至列出力回路ＯＵＴ［ｎ］のそれぞれのトランジスタＴｒ５のゲートに、ノードＮＣＭｒｅｆの電位を印加することができ、トランジスタＴｒ７のソース−ドレイン間に流れる電流の量と、列出力回路ＯＵＴ［１］乃至列出力回路ＯＵＴ［ｎ］のそれぞれのトランジスタＴｒ５のソース−ドレイン間に流れる電流の量と、を等しくすることができる。なお、オフセット回路７１３のカレントミラー回路ＣＭのトランジスタＴｒ５、トランジスタＴｒ７は、ｎチャネル型トランジスタであり、かつ、それらのトランジスタは、低レベル電位が印加されている配線ＶＳＳＬと接続されているので、電流シンクのカレントミラー回路として動作する。
【０２７６】
なお、トランジスタＴｒ５、およびトランジスタＴｒ７は、それぞれＯＳトランジスタであることが好ましい。加えて、トランジスタＴｒ５、およびトランジスタＴｒ７のそれぞれのチャネル形成領域は、インジウム、元素Ｍ、亜鉛の少なくとも一を含む酸化物であることがより好ましい。
【０２７７】
なお、図２１に示すオフセット回路７１３は、列出力回路ＯＵＴ［１］、列出力回路ＯＵＴ［ｊ］、列出力回路ＯＵＴ［ｎ］、参照列出力回路Ｃｒｅｆ、定電流回路ＣＩ、定電流回路ＣＩｒｅｆ、カレントミラー回路ＣＭ、出力端子ＯＴ［１］、出力端子ＯＴ［ｊ］、出力端子ＯＴ［ｎ］、出力端子ＯＴｒｅｆ、端子ＣＴ１、端子ＣＴ２、端子ＣＴ３、端子ＣＴ４、端子ＣＴ５［１］、端子ＣＴ５［ｊ］、端子ＣＴ５［ｎ］、端子ＣＴ６［１］、端子ＣＴ６［ｊ］、端子ＣＴ６［ｎ］、端子ＣＴ７、端子ＣＴ８、トランジスタＴｒ１、トランジスタＴｒ２、トランジスタＴｒ３、トランジスタＴｒ５、トランジスタＴｒ７、容量素子Ｃ１、配線ＯＬ［１］、配線ＯＬ［ｊ］、配線ＯＬ［ｎ］、配線ＯＬｒｅｆ、配線ＯＲＰ、配線ＯＳＰ、配線Ｂ［１］、配線Ｂ［ｊ］、配線Ｂ［ｎ］、配線Ｂｒｅｆ、配線ＩＬ［１］、配線ＩＬ［ｊ］、配線ＩＬ［ｎ］、配線ＩＬｒｅｆ、ノードＮＣＭｒｅｆ、配線ＶＤＤＬ、配線ＶＳＳＬのみ図示しており、それ以外の回路、配線、素子、およびそれらの符号については省略している。
【０２７８】
なお、本発明の一態様に係るオフセット回路のカレントミラー回路ＣＭの構成は、図２１に示すオフセット回路７１３に限定されない。状況に応じて、場合によって、または、必要に応じて、オフセット回路７１３が有する回路、素子、配線等の構成要素を除去する、オフセット回路７１３に新たに回路、素子、配線等の構成要素を追加する、またはオフセット回路７１２の内部の接続構成を変更する、等を行うことができる。例えば、図２２に示すオフセット回路７１６のように、カレントミラー回路ＣＭの構成を変更してもよい。
【０２７９】
図２２に示すオフセット回路７１６のカレントミラー回路は、列出力回路ＯＵＴ［１］乃至列出力回路ＯＵＴ［ｎ］のそれぞれにトランジスタＴｒ８と、参照列出力回路ＣｒｅｆにトランジスタＴｒ９と、を有する。なお、トランジスタＴｒ８、およびトランジスタＴｒ９は、それぞれｐチャネル型トランジスタとする。
【０２８０】
列出力回路ＯＵＴ［ｊ］が有するトランジスタＴｒ８の第１端子は、カレントミラー回路の端子ＣＴ５［ｊ］と、端子ＣＴ６［ｊ］と、に電気的に接続されている。列出力回路ＯＵＴ［ｊ］が有するトランジスタＴｒ８の第２端子は、配線ＶＤＤＬと電気的に接続されている。列出力回路ＯＵＴ［ｊ］が有するトランジスタＴｒ８のゲートは、カレントミラー回路ＣＭの端子ＣＴ７と、端子ＣＴ８と、に電気的に接続されている。
【０２８１】
参照列出力回路Ｃｒｅｆが有するトランジスタＴｒ９の第１端子は、カレントミラー回路の端子ＣＴ７と、端子ＣＴ８と、に電気的に接続されている。参照列出力回路Ｃｒｅｆが有するトランジスタＴｒ９の第２端子は、配線ＶＤＤＬと電気的に接続されている。参照列出力回路Ｃｒｅｆが有するトランジスタＴｒ９のゲートは、カレントミラー回路ＣＭの端子ＣＴ７と、端子ＣＴ８と、に電気的に接続されている。
【０２８２】
この接続構成を適用することで、列出力回路ＯＵＴ［１］乃至列出力回路ＯＵＴ［ｎ］のそれぞれのトランジスタＴｒ８のゲートに、ノードＮＣＭｒｅｆの電位を印加することができ、トランジスタＴｒ８のソース−ドレイン間に流れる電流の量と、列出力回路ＯＵＴ［１］乃至列出力回路ＯＵＴ［ｎ］のそれぞれのトランジスタＴｒ８のソース−ドレイン間に流れる電流の量と、を等しくすることができる。なお、オフセット回路７１３のカレントミラー回路ＣＭのトランジスタＴｒ８、トランジスタＴｒ９は、ｐチャネル型トランジスタであり、かつ、それらのトランジスタは、高レベル電位が印加されている配線ＶＤＤＬと接続されているので、電流ソースのカレントミラー回路として動作する。
【０２８３】
なお、図２２に示すオフセット回路７１６は、列出力回路ＯＵＴ［１］、列出力回路ＯＵＴ［ｊ］、列出力回路ＯＵＴ［ｎ］、参照列出力回路Ｃｒｅｆ、定電流回路ＣＩ、定電流回路ＣＩｒｅｆ、カレントミラー回路ＣＭ、出力端子ＯＴ［１］、出力端子ＯＴ［ｊ］、出力端子ＯＴ［ｎ］、出力端子ＯＴｒｅｆ、端子ＣＴ１、端子ＣＴ２、端子ＣＴ３、端子ＣＴ４、端子ＣＴ５［１］、端子ＣＴ５［ｊ］、端子ＣＴ５［ｎ］、端子ＣＴ６［１］、端子ＣＴ６［ｊ］、端子ＣＴ６［ｎ］、端子ＣＴ７、端子ＣＴ８、トランジスタＴｒ１、トランジスタＴｒ２、トランジスタＴｒ３、トランジスタＴｒ８、トランジスタＴｒ９、容量素子Ｃ１、配線ＯＬ［１］、配線ＯＬ［ｊ］、配線ＯＬ［ｎ］、配線ＯＬｒｅｆ、配線ＯＲＰ、配線ＯＳＰ、配線Ｂ［１］、配線Ｂ［ｊ］、配線Ｂ［ｎ］、配線Ｂｒｅｆ、配線ＩＬ［１］、配線ＩＬ［ｊ］、配線ＩＬ［ｎ］、配線ＩＬｒｅｆ、ノードＮＣＭｒｅｆ、配線ＶＤＤＬ、配線ＶＳＳＬのみ図示しており、それ以外の回路、配線、素子、およびそれらの符号については省略している。
【０２８４】
＜＜メモリセルアレイ７２０＞＞
次に、メモリセルアレイ７２０に適用できる回路構成の例について説明する。図２３に、メモリセルアレイ７２０の一例として、メモリセルアレイ７２１を示す。
【０２８５】
メモリセルアレイ７２１は、メモリセルＡＭと、メモリセルＡＭｒｅｆと、を有する。メモリセルアレイ７２１が有する全てのメモリセルＡＭのそれぞれは、トランジスタＴｒ１１と、トランジスタＴｒ１２と、容量素子Ｃ２と、を有する。メモリセルＡＭｒｅｆ［１］乃至メモリセルＡＭｒｅｆ［ｍ］のそれぞれは、トランジスタＴｒ１１と、トランジスタＴｒ１２と、容量素子Ｃ２と、を有する。
【０２８６】
メモリセルアレイ７２１の接続構成について、メモリセルＡＭ［ｉ，ｊ］に着目して説明する。トランジスタＴｒ１１の第１端子は、トランジスタＴｒ１２のゲートと、容量素子Ｃ２の第１端子と、に電気的に接続され、トランジスタＴｒ１１の第２端子は、配線ＷＤ［ｊ］と電気的に接続され、トランジスタＴｒ１１のゲートは、配線ＷＷ［ｉ］と電気的に接続されている。トランジスタＴｒ１２の第１端子は、配線Ｂ［ｊ］と電気的に接続され、トランジスタＴｒ１２の第２端子は、配線ＶＲと電気的に接続される。容量素子Ｃ２の第２端子は、配線ＲＷ［ｉ］と電気的に接続されている。
【０２８７】
メモリセルＡＭ［ｉ，ｊ］において、トランジスタＴｒ１１の第１端子と、トランジスタＴｒ１２のゲートと、容量素子Ｃ２の第１端子と、の接続箇所をノードＮ［ｉ，ｊ］とする。本実施の形態において、ノードＮ［ｉ，ｊ］には、第１アナログデータに応じた電位を保持する。
【０２８８】
次に、メモリセルＡＭｒｅｆ［ｉ］に着目して説明する。トランジスタＴｒ１１の第１端子は、トランジスタＴｒ１２のゲートと、容量素子Ｃ２の第１端子と、に電気的に接続され、トランジスタＴｒ１１の第２端子は、配線ＷＤｒｅｆと電気的に接続され、トランジスタＴｒ１１のゲートは、配線ＷＷ［ｉ］と電気的に接続されている。トランジスタＴｒ１２の第１端子は、配線Ｂｒｅｆと電気的に接続され、トランジスタＴｒ１２の第２端子は、配線ＶＲと電気的に接続される。容量素子Ｃ２の第２端子は、配線ＲＷ［ｉ］と電気的に接続されている。
【０２８９】
メモリセルＡＭｒｅｆ［ｉ］において、トランジスタＴｒ１１の第１端子と、トランジスタＴｒ１２のゲートと、容量素子Ｃ２の第１端子と、の接続箇所をノードＮｒｅｆ［ｉ］とする。
【０２９０】
なお、トランジスタＴｒ１１、およびトランジスタＴｒ１２は、それぞれＯＳトランジスタであることが好ましい。加えて、トランジスタＴｒ１１、およびトランジスタＴｒ１２のそれぞれのチャネル形成領域は、インジウム、元素Ｍ、亜鉛の少なくとも一を含む酸化物であることがより好ましい。
【０２９１】
トランジスタＴｒ１１、およびトランジスタＴｒ１２として、ＯＳトランジスタを用いることにより、トランジスタＴｒ１１、およびトランジスタＴｒ１２のそれぞれのリーク電流を抑えることができるため、計算精度の高い積和演算回路を実現できる場合がある。また、トランジスタＴｒ１１として、ＯＳトランジスタを用いることにより、トランジスタＴｒ１１が非導通状態における、保持ノードから書き込みワード線へのリーク電流を非常に小さくすることができる。つまり、保持ノードの電位のリフレッシュ動作を少なくすることができるため、積和演算回路の消費電力を低減することができる。
【０２９２】
更に、上述したトランジスタＴｒ１乃至トランジスタＴｒ７、トランジスタＴｒ１１、トランジスタＴｒ１２、トランジスタＴｒ２２、およびトランジスタＴｒ２３の全てにＯＳトランジスタを適用することによって、積和演算回路の作製工程を短縮することができる。つまり、積和演算回路の生産時間を少なくすることができるため、一定時間当たりの生産数を増加することができる。
【０２９３】
なお、トランジスタＴｒ１、トランジスタＴｒ５乃至トランジスタＴｒ９、トランジスタＴｒ１２、およびトランジスタＴｒ２１は、特に断りのない場合は、飽和領域で動作するものとする。すなわち、トランジスタＴｒ１、トランジスタＴｒ５乃至トランジスタＴｒ９、トランジスタＴｒ１２、およびトランジスタＴｒ２１のゲート電圧、ソース電圧、およびドレイン電圧は、飽和領域で動作する範囲での電圧に適切にバイアスされているものとする。なお、トランジスタＴｒ１、トランジスタＴｒ５乃至トランジスタＴｒ９、トランジスタＴｒ１２、およびトランジスタＴｒ２１の動作が、理想的な飽和領域での動作からずれていても、出力データの精度が所望の範囲内で得られる場合であれば、トランジスタＴｒ１、トランジスタＴｒ５乃至トランジスタＴｒ９、トランジスタＴｒ１２、およびトランジスタＴｒ２１のゲート電圧、ソース電圧、およびドレイン電圧は、適切にバイアスされているものとみなす。
【０２９４】
なお、図２３に示すメモリセルアレイ７２１は、メモリセルＡＭ［１，１］、メモリセルＡＭ［ｉ，１］、メモリセルＡＭ［ｍ，１］、メモリセルＡＭ［１，ｊ］、メモリセルＡＭ［ｉ，ｊ］、メモリセルＡＭ［ｍ，ｊ］、メモリセルＡＭ［１，ｎ］、メモリセルＡＭ［ｉ，ｎ］、メモリセルＡＭ［ｍ，ｎ］、メモリセルＡＭｒｅｆ［１］、メモリセルＡＭｒｅｆ［ｉ］、メモリセルＡＭｒｅｆ［ｍ］、配線ＲＷ［１］、配線ＲＷ［ｉ］、配線ＲＷ［ｍ］、配線ＷＷ［１］、配線ＷＷ［ｉ］、配線ＷＷ［ｍ］、配線ＷＤ［１］、配線ＷＤ［ｊ］、配線ＷＤ［ｎ］、配線ＷＤｒｅｆ、配線Ｂ［１］、配線Ｂ［ｊ］、配線Ｂ［ｎ］、配線Ｂｒｅｆ、配線ＶＲ、出力端子ＳＰＴ［１］、出力端子ＳＰＴ［ｊ］、出力端子ＳＰＴ［ｎ］、ノードＮ［１，１］、ノードＮ［ｉ，１］、ノードＮ［ｍ，１］、ノードＮ［１，ｊ］、ノードＮ［ｉ，ｊ］、ノードＮ［ｍ，ｊ］、ノードＮ［１，ｎ］、ノードＮ［ｉ，ｎ］、ノードＮ［ｍ，ｎ］、ノードＮｒｅｆ［１］、ノードＮｒｅｆ［ｉ］、ノードＮｒｅｆ［ｍ］、トランジスタＴｒ１１、トランジスタＴｒ１２、容量素子Ｃ２のみ図示しており、それ以外の回路、配線、素子、およびそれらの符号については省略している。
【０２９５】
また、本実施の形態の積和演算回路は、場合によって、状況に応じて、または、必要に応じて、上述した構成例を互いに組み合わせた構成としてもよい。
【０２９６】
＜動作例＞
ここでは、積和演算回路７００の動作の一例について説明する。なお、本動作例で説明する積和演算回路７００は、オフセット回路７１０として、図２４に示すオフセット回路７５１を適用し、かつ積和演算回路７００のメモリセルアレイ７２０として、図２３に示すメモリセルアレイ７６０を適用した構成とする。
【０２９７】
図２４に示すオフセット回路７５１は、図２０のオフセット回路７１５の定電流回路ＣＩおよび定電流回路ＣＩｒｅｆと、図２２のオフセット回路７１６が有するカレントミラー回路ＣＭと、を適用させた回路構成となっている。なお、本動作例の説明として、図２４は、列出力回路ＯＵＴ［ｊ］、列出力回路ＯＵＴ［ｊ＋１］、および参照列出力回路Ｃｒｅｆを図示している。
【０２９８】
なお、図２４には、列出力回路ＯＵＴ［ｊ］の定電流回路ＣＩの端子ＣＴ２［ｊ］からカレントミラー回路ＣＭの端子ＣＴ５［ｊ］に流れる電流をＩＣ［ｊ］と記載し、列出力回路ＯＵＴ［ｊ＋１］の定電流回路ＣＩの端子ＣＴ２［ｊ＋１］からカレントミラー回路ＣＭの端子ＣＴ５［ｊ＋１］に流れる電流をＩＣ［ｊ＋１］と記載する。また、カレントミラー回路ＣＭにおいて、列出力回路ＯＵＴ［ｊ］のトランジスタＴｒ８の第１端子から配線ＩＬ［ｊ］に流れる電流と、列出力回路ＯＵＴ［ｊ＋１］のトランジスタＴｒ８の第１端子から配線ＩＬ［ｊ＋１］に流れる電流と、参照列出力回路ＣｒｅｆのトランジスタＴｒ９から配線ＩＬｒｅｆに流れる電流と、をＩＣＭｒｅｆと記載する。つまり、端子ＣＴ６［ｊ］には、ＩＣ［ｊ］＋ＩＣＭｒｅｆの電流が出力され、端子ＣＴ６［ｊ＋１］には、ＩＣ［ｊ＋１］＋ＩＣＭｒｅｆの電流が出力される。更に、列出力回路ＯＵＴ［ｊ］の配線ＯＬ［ｊ］からトランジスタＴｒ１の第１端子またはトランジスタＴｒ２の第１端子に流れる電流をＩＣＰ［ｊ］と記載し、列出力回路ＯＵＴ［ｊ＋１］の配線ＯＬ［ｊ＋１］からトランジスタＴｒ１の第１端子またはトランジスタＴｒ２の第１端子に流れる電流をＩＣＰ［ｊ＋１］と記載する。そして、列出力回路ＯＵＴ［ｊ］の出力端子ＯＴ［ｊ］から配線Ｂ［ｊ］に出力する電流をＩＢ［ｊ］と記載し、列出力回路ＯＵＴ［ｊ＋１］の出力端子ＯＴ［ｊ＋１］から配線Ｂ［ｊ＋１］に出力する電流をＩＢ［ｊ＋１］と記載し、参照列出力回路Ｃｒｅｆの出力端子ＯＴｒｅｆから配線Ｂｒｅｆに出力する電流をＩＢｒｅｆと記載する。
【０２９９】
図２５に示すメモリセルアレイ７６０は、図２３に示すメモリセルアレイ７２１と同様の構成であり、本動作例の説明として、図２５は、メモリセルＡＭ［ｉ，ｊ］、メモリセルＡＭ［ｉ＋１，ｊ］、メモリセルＡＭ［ｉ，ｊ＋１］、メモリセルＡＭ［ｉ＋１，ｊ＋１］、メモリセルＡＭｒｅｆ［ｉ］、およびメモリセルＡＭｒｅｆ［ｉ＋１］を図示している。
【０３００】
なお、図２５には、配線Ｂ［ｊ］から入力される電流をＩＢ［ｊ］と記載し、配線Ｂ［ｊ＋１］から入力される電流をＩＢ［ｊ＋１］と記載し、配線Ｂｒｅｆから入力される電流をＩＢｒｅｆと記載する。また、配線Ｂ［ｊ］に電気的に接続されている出力端子ＳＰＴ［ｊ］から出力される電流をΔＩＢ［ｊ］と記載し、配線Ｂ［ｊ＋１］に電気的に接続されている出力端子ＳＰＴ［ｊ＋１］から出力される電流をΔＩＢ［ｊ＋１］と記載する。
【０３０１】
図２６乃至図２８に、積和演算回路７００の動作例のタイミングチャートを示す。図２６のタイミングチャートは、時刻Ｔ０１乃至時刻Ｔ０５における、配線ＷＷ［ｉ］、配線ＷＷ［ｉ＋１］、配線ＷＤ［ｊ］、配線ＷＤ［ｊ＋１］、配線ＷＤｒｅｆ、ノードＮ［ｉ，ｊ］、ノードＮ［ｉ，ｊ＋１］、ノードＮ［ｉ＋１，ｊ］、ノードＮ［ｉ＋１，ｊ＋１］、ノードＮｒｅｆ［ｉ］、ノードＮｒｅｆ［ｉ＋１］、配線ＲＷ［ｉ］、および配線ＲＷ［ｉ＋１］の電位の変動を示し、電流ΣＩ［ｉ，ｊ］、電流ΣＩ［ｉ，ｊ＋１］、および電流ＩＢｒｅｆの大きさの変動を示している。なお、電流ΣＩ［ｉ，ｊ］は、メモリセルＡＭ［ｉ，ｊ］のトランジスタＴｒ１２に流れる電流をｉについて和をとった値であり、電流ΣＩ［ｉ，ｊ＋１］は、メモリセルＡＭ［ｉ，ｊ＋１］のトランジスタＴｒ１２に流れる電流をｉについて和をとった値である。また、図２６のタイミングチャートにおいて、配線ＯＲＰ、配線ＯＳＰ、配線ＯＲＭ、および配線ＯＳＭの電位は、常に低レベル電位である（図示しない。）。
【０３０２】
図２７のタイミングチャートは、図２６のタイミングチャートの時刻Ｔ０５より先の時刻の動作を示しており、時刻Ｔ１１まで記載している。図２７のタイミングチャートは、時刻Ｔ０６乃至時刻Ｔ１１における配線ＯＲＰ、配線ＯＳＰ、配線ＯＲＭ、および配線ＯＳＭの電位の変動を示している。なお、時刻Ｔ０６乃至時刻Ｔ１１において、配線ＷＷ［ｉ］、配線ＷＷ［ｉ＋１］、配線ＷＤ［ｊ］、配線ＷＤ［ｊ＋１］、配線ＷＤｒｅｆ、ノードＮ［ｉ，ｊ］、ノードＮ［ｉ，ｊ＋１］、ノードＮ［ｉ＋１，ｊ］、ノードＮ［ｉ＋１，ｊ＋１］、ノードＮｒｅｆ［ｉ］、ノードＮｒｅｆ［ｉ＋１］、配線ＲＷ［ｉ］、および配線ＲＷ［ｉ＋１］の電位の変動はなく、また、電流ΣＩ［ｉ，ｊ］、電流ΣＩ［ｉ，ｊ＋１］、および電流ＩＢｒｅｆの大きさの変動はないので、図２７では省略している。
【０３０３】
図２８のタイミングチャートは、図２７のタイミングチャートの時刻Ｔ１２より先の時刻の動作を示しており、時刻Ｔ１７まで記載している。図２６のタイミングチャートは、時刻Ｔ１２乃至時刻Ｔ１７におけるノードＮ［ｉ，ｊ］、ノードＮ［ｉ，ｊ＋１］、ノードＮ［ｉ＋１，ｊ］、ノードＮ［ｉ＋１，ｊ＋１］、ノードＮｒｅｆ［ｉ］、ノードＮｒｅｆ［ｉ＋１］、配線ＲＷ［ｉ］、および配線ＲＷ［ｉ＋１］の電位の変動を示し、電流ΣＩ［ｉ，ｊ］、電流ΣＩ［ｉ，ｊ＋１］、および電流ＩＢｒｅｆの大きさの変動を示している。なお、配線ＷＷ［ｉ］、配線ＷＷ［ｉ＋１］、配線ＯＲＰ、配線ＯＳＰ、配線ＯＲＭ、および配線ＯＳＭのそれぞれの電位は、低レベル電位のまま変動せず、配線ＷＤ［ｊ］、配線ＷＤ［ｊ＋１］、配線ＷＤｒｅｆのそれぞれの電位は、接地電位のまま変動しないため、図２８のタイミングチャートでは、配線ＷＷ［ｉ］、配線ＷＷ［ｉ＋１］、配線ＷＤ［ｊ］、配線ＷＤ［ｊ＋１］、配線ＷＤｒｅｆ、配線ＯＲＰ、配線ＯＳＰ、配線ＯＲＭ、および配線ＯＳＭの電位の変動の記載を省略している。また、図２８のタイミングチャートは、後述するΔＩＢ［ｊ］、ΔＩＢ［ｊ＋１］の電流の大きさの変動も記載している。
【０３０４】
＜＜時刻Ｔ０１から時刻Ｔ０２まで＞＞
時刻Ｔ０１から時刻Ｔ０２までの間において、配線ＷＷ［ｉ］に高レベル電位（図２６ではＨｉｇｈと表記している。）が印加され、配線ＷＷ［ｉ＋１］に低レベル電位（図２６ではＬｏｗと表記している。）が印加されている。加えて、配線ＷＤ［ｊ］には接地電位（図２６ではＧＮＤと表記している。）よりもＶＰＲ−ＶＸ［ｉ，ｊ］大きい電位が印加され、配線ＷＤ［ｊ＋１］には接地電位よりもＶＰＲ−ＶＸ［ｉ，ｊ＋１］大きい電位が印加され、配線ＷＤｒｅｆには接地電位よりもＶＰＲ大きいが印加されている。更に、配線ＲＷ［ｉ］、および配線ＲＷ［ｉ＋１］にはそれぞれ基準電位（図２６ではＲＥＦＰと表記している。）が印加されている。
【０３０５】
なお、電位ＶＸ［ｉ，ｊ］、および電位ＶＸ［ｉ，ｊ＋１］は、第１アナログデータに対応する電位である。また、電位ＶＰＲは、参照アナログデータに対応する電位である。
【０３０６】
このとき、メモリセルＡＭ［ｉ，ｊ］、メモリセルＡＭ［ｉ，ｊ＋１］、およびメモリセルＡＭｒｅｆ［ｉ］のそれぞれのトランジスタＴｒ１１のゲートに高レベル電位が印加されるため、メモリセルＡＭ［ｉ，ｊ］、メモリセルＡＭ［ｉ，ｊ＋１］、およびメモリセルＡＭｒｅｆ［ｉ］のそれぞれのトランジスタＴｒ１１は、導通状態となる。そのため、メモリセルＡＭ［ｉ，ｊ］において、配線ＷＤ［ｊ］とノードＮ［ｉ，ｊ］とが電気的に接続されるため、ノードＮ［ｉ，ｊ］の電位は、ＶＰＲ−ＶＸ［ｉ，ｊ］となる。同様に、メモリセルＡＭ［ｉ，ｊ＋１］において、配線ＷＤ［ｊ＋１］とノードＮ［ｉ，ｊ＋１］とが電気的に接続されるため、ノードＮ［ｉ，ｊ＋１］の電位は、ＶＰＲ−ＶＸ［ｉ，ｊ＋１］となり、メモリセルＡＭｒｅｆ［ｉ］において、配線ＷＤｒｅｆとノードＮｒｅｆ［ｉ］とが電気的に接続されるため、ノードＮｒｅｆ［ｉ］の電位は、ＶＰＲとなる。
【０３０７】
ここで、メモリセルＡＭ［ｉ，ｊ］、メモリセルＡＭ［ｉ，ｊ＋１］、およびメモリセルＡＭｒｅｆ［ｉ］のそれぞれのトランジスタＴｒ１２の第１端子から第２端子に流れる電流を考える。配線Ｂ［ｊ］からメモリセルＡＭ［ｉ，ｊ］のトランジスタＴｒ１２の第１端子を介して第２端子に流れる電流Ｉ０［ｉ，ｊ］は、次の式で表すことができる。
【０３０８】
【数７】
2018151443.tif 000009
【０３０９】
ｋは、トランジスタＴｒ１２のチャネル長、チャネル幅、移動度、およびゲート絶縁膜の容量等で決まる定数である。また、Ｖｔｈは、トランジスタＴｒ１２のしきい値電圧である。
【０３１０】
このとき、配線Ｂ［ｊ］から、メモリセルＡＭ［ｉ，ｊ］のトランジスタＴｒ１２の第１端子を介して第２端子に流れる電流は、Ｉ０［ｉ，ｊ］となる。
【０３１１】
同様に、配線Ｂ［ｊ＋１］からメモリセルＡＭ［ｉ，ｊ＋１］のトランジスタＴｒ１２の第１端子を介して第２端子に流れる電流Ｉ０［ｉ，ｊ＋１］は、次の式で表すことができる。
【０３１２】
【数８】
2018151443.tif 000010
【０３１３】
このとき、配線Ｂ［ｊ＋１］から、メモリセルＡＭ［ｉ，ｊ＋１］のトランジスタＴｒ１２の第１端子を介して第２端子に流れる電流は、Ｉ０［ｉ，ｊ＋１］となる。
【０３１４】
更に、配線ＢｒｅｆからメモリセルＡＭｒｅｆ［ｉ］のトランジスタＴｒ１２の第１端子を介して第２端子に流れる電流Ｉｒｅｆ０［ｉ］は、次の式で表すことができる。
【０３１５】
【数９】
2018151443.tif 000011
【０３１６】
このとき、配線Ｂｒｅｆ、メモリセルＡＭｒｅｆ［ｉ］のトランジスタＴｒ１２の第１端子を介して第２端子にから流れる電流は、Ｉｒｅｆ０［ｉ］となる。
【０３１７】
なお、メモリセルＡＭ［ｉ＋１，ｊ］、メモリセルＡＭ［ｉ＋１，ｊ＋１］、およびメモリセルＡＭｒｅｆ［ｉ＋１］のそれぞれのトランジスタＴｒ１１のゲートに高レベル電位が印加されるため、メモリセルＡＭ［ｉ＋１，ｊ］、メモリセルＡＭ［ｉ＋１，ｊ＋１］、およびメモリセルＡＭｒｅｆ［ｉ＋１］のそれぞれのトランジスタＴｒ１１は、非導通状態となる。このため、ノードＮ［ｉ＋１，ｊ］、ノードＮ［ｉ＋１，ｊ＋１］、およびノードＮｒｅｆ［ｉ＋１］への電位の保持は行われない。
【０３１８】
＜＜時刻Ｔ０２から時刻Ｔ０３まで＞＞
時刻Ｔ０２から時刻Ｔ０３までの間において、配線ＷＷ［ｉ］に低レベル電位が印加される。このとき、メモリセルＡＭ［ｉ，ｊ］、メモリセルＡＭ［ｉ，ｊ＋１］、およびメモリセルＡＭｒｅｆ［ｉ］のそれぞれのトランジスタＴｒ１１のゲートに低レベル電位が印加されるため、メモリセルＡＭ［ｉ，ｊ］、メモリセルＡＭ［ｉ，ｊ＋１］、およびメモリセルＡＭｒｅｆ［ｉ］のそれぞれのトランジスタＴｒ１１は非導通状態となる。
【０３１９】
また、配線ＷＷ［ｉ＋１］には、時刻Ｔ０２以前から引き続き、低レベル電位が印加されている。このため、メモリセルＡＭ［ｉ＋１，ｊ］、メモリセルＡＭ［ｉ＋１，ｊ＋１］、およびメモリセルＡＭｒｅｆ［ｉ＋１］のそれぞれのトランジスタＴｒ１１は、時刻Ｔ０２以前から非導通状態となっている。
【０３２０】
上述のとおり、メモリセルＡＭ［ｉ，ｊ］、メモリセルＡＭ［ｉ，ｊ＋１］、メモリセルＡＭ［ｉ＋１，ｊ］、メモリセルＡＭ［ｉ＋１，ｊ＋１］、メモリセルＡＭｒｅｆ［ｉ］、およびメモリセルＡＭｒｅｆ［ｉ＋１］のそれぞれのトランジスタＴｒ１１は非導通状態となっているため、時刻Ｔ０２から時刻Ｔ０３までの間では、ノードＮ［ｉ，ｊ］、ノードＮ［ｉ，ｊ＋１］、ノードＮ［ｉ＋１，ｊ］、ノードＮ［ｉ＋１，ｊ＋１］、ノードＮｒｅｆ［ｉ］、およびノードＮｒｅｆ［ｉ＋１］のそれぞれの電位が保持される。
【０３２１】
特に、積和演算回路７００の回路構成の説明で述べたのとおり、メモリセルＡＭ［ｉ，ｊ］、メモリセルＡＭ［ｉ，ｊ＋１］、メモリセルＡＭ［ｉ＋１，ｊ］、メモリセルＡＭ［ｉ＋１，ｊ＋１］、メモリセルＡＭｒｅｆ［ｉ］、およびメモリセルＡＭｒｅｆ［ｉ＋１］のそれぞれのトランジスタＴｒ１１にＯＳトランジスタを適用することによって、トランジスタＴｒ１１のソース−ドレイン間に流れるリーク電流を小さくすることができるため、それぞれのノードの電位を長時間保持することができる。
【０３２２】
時刻Ｔ０２から時刻Ｔ０３までの間において、配線ＷＤ［ｊ］、配線ＷＤ［ｊ＋１］、および配線ＷＤｒｅｆには接地電位が印加されている。メモリセルＡＭ［ｉ，ｊ］、メモリセルＡＭ［ｉ，ｊ＋１］、メモリセルＡＭ［ｉ＋１，ｊ］、メモリセルＡＭ［ｉ＋１，ｊ＋１］、メモリセルＡＭｒｅｆ［ｉ］、およびメモリセルＡＭｒｅｆ［ｉ＋１］のそれぞれのトランジスタＴｒ１１は、非導通状態となっているため、配線ＷＤ［ｊ］、配線ＷＤ［ｊ＋１］、および配線ＷＤｒｅｆからの電位の印加によって、メモリセルＡＭ［ｉ，ｊ］、メモリセルＡＭ［ｉ，ｊ＋１］、メモリセルＡＭ［ｉ＋１，ｊ］、メモリセルＡＭ［ｉ＋１，ｊ＋１］、メモリセルＡＭｒｅｆ［ｉ］、およびメモリセルＡＭｒｅｆ［ｉ＋１］のそれぞれのノードに保持されている電位が書き換えられることは無い。
【０３２３】
＜＜時刻Ｔ０３から時刻Ｔ０４まで＞＞
時刻Ｔ０３から時刻Ｔ０４までの間において、配線ＷＷ［ｉ］に低レベル電位が印加され、配線ＷＷ［ｉ＋１］に高レベル電位が印加されている。加えて、配線ＷＤ［ｊ］には接地電位よりもＶＰＲ−ＶＸ［ｉ＋１，ｊ］大きい電位が印加され、配線ＷＤ［ｊ＋１］には接地電位よりもＶＰＲ−ＶＸ［ｉ＋１，ｊ＋１］大きい電位が印加され、配線ＷＤｒｅｆには接地電位よりもＶＰＲ大きい電位が印加されている。更に、時刻Ｔ０２から引き続き、配線ＲＷ［ｉ］、および配線ＲＷ［ｉ＋１］には、それぞれ基準電位が印加されている。
【０３２４】
なお、電位ＶＸ［ｉ＋１，ｊ］、および電位ＶＸ［ｉ＋１，ｊ＋１］は、第１アナログデータに対応する電位である。
【０３２５】
このとき、メモリセルＡＭ［ｉ＋１，ｊ］、メモリセルＡＭ［ｉ＋１，ｊ＋１］、およびメモリセルＡＭｒｅｆ［ｉ＋１］のそれぞれのトランジスタＴｒ１１のゲートに高レベル電位が印加されるため、メモリセルＡＭ［ｉ＋１，ｊ］、メモリセルＡＭ［ｉ＋１，ｊ＋１］、およびメモリセルＡＭｒｅｆ［ｉ＋１］のそれぞれのトランジスタＴｒ１１は、導通状態となる。そのため、メモリセルＡＭ［ｉ＋１，ｊ］において、配線ＷＤ［ｊ］とノードＮ［ｉ＋１，ｊ］とが電気的に接続されるため、ノードＮ［ｉ＋１，ｊ］の電位は、ＶＰＲ−ＶＸ［ｉ＋１，ｊ］となる。同様に、メモリセルＡＭ［ｉ＋１，ｊ＋１］において、配線ＷＤ［ｊ＋１］とノードＮ［ｉ＋１，ｊ＋１］とが電気的に接続されるため、ノードＮ［ｉ＋１，ｊ＋１］の電位は、ＶＰＲ−ＶＸ［ｉ＋１，ｊ＋１］となり、メモリセルＡＭｒｅｆ［ｉ＋１］において、配線ＷＤｒｅｆとノードＮｒｅｆ［ｉ＋１］とが電気的に接続されるため、ノードＮｒｅｆ［ｉ＋１］の電位は、ＶＰＲとなる。
【０３２６】
ここで、メモリセルＡＭ［ｉ＋１，ｊ］、メモリセルＡＭ［ｉ＋１，ｊ＋１］、およびメモリセルＡＭｒｅｆ［ｉ＋１］のそれぞれのトランジスタＴｒ１２の第１端子から第２端子に流れる電流を考える。配線Ｂ［ｊ］からメモリセルＡＭ［ｉ＋１，ｊ］のトランジスタＴｒ１２の第１端子を介して第２端子に流れる電流Ｉ０［ｉ＋１，ｊ］は、次の式で表すことができる。
【０３２７】
【数１０】
2018151443.tif 000012
【０３２８】
このとき、配線Ｂ［ｊ］から、メモリセルＡＭ［ｉ＋１，ｊ］のトランジスタＴｒ１２の第１端子を介して第２端子に流れる電流は、Ｉ０［ｉ，ｊ］＋Ｉ０［ｉ＋１，ｊ］となる。
【０３２９】
同様に、配線Ｂ［ｊ＋１］からメモリセルＡＭ［ｉ＋１，ｊ＋１］のトランジスタＴｒ１２の第１端子を介して第２端子に流れる電流Ｉ０［ｉ＋１，ｊ＋１］は、次の式で表すことができる。
【０３３０】
【数１１】
2018151443.tif 000013
【０３３１】
このとき、配線Ｂ［ｊ＋１］、メモリセルＡＭ［ｉ＋１，ｊ＋１］のトランジスタＴｒ１２の第１端子を介して第２端子にから流れる電流は、Ｉ０［ｉ，ｊ＋１］＋Ｉ０［ｉ＋１，ｊ＋１］となる。
【０３３２】
更に、配線ＢｒｅｆからメモリセルＡＭｒｅｆ［ｉ＋１］のトランジスタＴｒ１２の第１端子を介して第２端子に流れる電流Ｉｒｅｆ０［ｉ＋１］は、次の式で表すことができる。
【０３３３】
【数１２】
2018151443.tif 000014
【０３３４】
このとき、参照列出力回路Ｃｒｅｆの端子ＯＴｒｅｆから配線Ｂｒｅｆに流れる電流は、Ｉｒｅｆ０［ｉ］＋Ｉｒｅｆ０［ｉ＋１］となる。
【０３３５】
＜＜時刻Ｔ０４から時刻Ｔ０５まで＞＞
時刻Ｔ０４から時刻Ｔ０５までの間において、時刻Ｔ０１から時刻Ｔ０２までの動作、または時刻Ｔ０３から時刻Ｔ０４までの動作と同様に、残りのメモリセルＡＭに第１アナログデータに対応する電位が書き込まれ、残りのメモリセルＡＭｒｅｆに電位ＶＰＲが書き込まれるものとする。したがって、全てのメモリセルＡＭのそれぞれのトランジスタＴｒ１２に流れる電流の総和は、列出力回路ＯＵＴ［ｊ］の出力端子ＯＴ［ｊ］から配線Ｂ［ｊ］に流れる電流となり、ΣＩ０［ｉ，ｊ］（このΣはｉについて和をとっている。）となる。
【０３３６】
ここで、参照列出力回路Ｃｒｅｆについて着目する。参照列出力回路Ｃｒｅｆの配線ＯＬｒｅｆは、出力端子ＯＴｒｅｆを介して、配線Ｂｒｅｆと電気的に接続されているため、配線Ｂｒｅｆに流れる電流は、配線ＯＬｒｅｆに流れる電流となる。配線Ｂｒｅｆには、メモリセルＡＭｒｅｆ［１］乃至メモリセルＡＭｒｅｆ［ｍ］のそれぞれのトランジスタＴｒ１２に流れる電流を足し合わせた電流が流れる。つまり、配線Ｂｒｅｆには、ＩＢｒｅｆ＝ΣＩｒｅｆ０［ｉ］（このΣはｉについて和をとっている。）の電流が流れるため、該電流は、配線ＯＬｒｅｆにも流れる。該電流は、カレントミラー回路ＣＭにおいて、ノードＮＣＭｒｅｆの電位に応じて、トランジスタＴｒ９の第１端子からノードＮＣＭｒｅｆの方向に出力される。
【０３３７】
ところで、図２４において、配線ＩＬｒｅｆに流れる電流をＩＣＭｒｅｆと記載しているが、本明細書では、時刻Ｔ０９より前の時刻において、配線ＩＬｒｅｆに流れる電流をＩＣＭｒｅｆ０と記載する。
【０３３８】
したがって、配線ＩＬｒｅｆに流れる電流ＩＣＭｒｅｆ０は、次の式のように示すことができる。
【０３３９】
【数１３】
2018151443.tif 000015
【０３４０】
なお、カレントミラー回路ＣＭは、トランジスタＴｒ９のゲートの電位（ノードＮＣＭｒｅｆの電位）を参照しているため、列出力回路ＯＵＴ［１］乃至列出力回路ＯＵＴ［ｎ］のそれぞれの配線ＩＬ［１］乃至配線ＩＬ［ｎ］に、同じ電流ＩＣＭｒｅｆ０が流れる。
【０３４１】
＜＜時刻Ｔ０６から時刻Ｔ０７まで＞＞
時刻Ｔ０６以降かつ時刻Ｔ１１以前については、図２７を用いて説明する。時刻Ｔ０６から時刻Ｔ０７までの間において、配線ＯＲＰを高レベル電位とし、配線ＯＲＭを高レベル電位とする。このとき、列出力回路ＯＵＴ［１］乃至列出力回路ＯＵＴ［ｎ］のそれぞれのトランジスタＴｒ３のゲートに高レベル電位が印加されるため、トランジスタＴｒ３は導通状態となる。そのため、列出力回路ＯＵＴ［１］乃至列出力回路ＯＵＴ［ｎ］のそれぞれの容量素子Ｃ１の第１端子に低レベル電位が印加され、容量素子Ｃ１の電位が初期化される。また、列出力回路ＯＵＴ［１］乃至列出力回路ＯＵＴ［ｎ］のそれぞれのトランジスタＴｒ２３のゲートに高レベル電位が印加されるため、このとき、列出力回路ＯＵＴ［１］乃至列出力回路ＯＵＴ［ｎ］のそれぞれのトランジスタＴｒ２３のゲートに高レベル電位が印加されるため、トランジスタＴｒ２３は導通状態となる。そのため、列出力回路ＯＵＴ［１］乃至列出力回路ＯＵＴ［ｎ］のそれぞれの容量素子Ｃ３の第１端子に低レベル電位が印加され、容量素子Ｃ３の電位が初期化される。なお、時刻Ｔ０６の時点において、配線ＯＲＰには低レベル電位を印加して、列出力回路ＯＵＴ［１］乃至列出力回路ＯＵＴ［ｎ］のそれぞれのトランジスタＴｒ３を非導通状態とし、配線ＯＲＭには低レベル電位を印加して、列出力回路ＯＵＴ［１］乃至列出力回路ＯＵＴ［ｎ］のそれぞれのトランジスタＴｒ２３を非導通状態としている。
【０３４２】
＜＜時刻Ｔ０７から時刻Ｔ０８まで＞＞
時刻Ｔ０７から時刻Ｔ０８までの間において、配線ＯＲＰおよび配線ＯＲＭを低レベル電位としている。上述のとおり、列出力回路ＯＵＴ［１］乃至列出力回路ＯＵＴ［ｎ］のそれぞれのトランジスタＴｒ３のゲートに低レベル電位が印加されるため、トランジスタＴｒ３は非導通状態となる。また、列出力回路ＯＵＴ［１］乃至列出力回路ＯＵＴ［ｎ］のそれぞれのトランジスタＴｒ２３のゲートに低レベル電位が印加されるため、トランジスタＴｒ２３は非導通状態となる。
【０３４３】
＜＜時刻Ｔ０８から時刻Ｔ０９まで＞＞
時刻Ｔ０８から時刻Ｔ０９までの間において、配線ＯＳＰを高レベル電位としている。上述の通り、列出力回路ＯＵＴ［１］乃至列出力回路ＯＵＴ［ｎ］のそれぞれのトランジスタＴｒ２のゲートに高レベル電位が印加されるため、トランジスタＴｒ２は導通状態となる。このとき、トランジスタＴｒ２の第１端子から、トランジスタＴｒ２の第２端子を経由して、容量素子Ｃ１の第１端子に電流が流れ、容量素子Ｃ１によって電位が保持される。これにより、トランジスタＴｒ１のゲートの電位が保持されるため、トランジスタＴｒ１のソース−ドレイン間に、トランジスタＴｒ１のゲートの電位に応じた電流が流れる。
【０３４４】
なお、時刻Ｔ０９の時点において、配線ＯＳＰには低レベル電位を印加して、列出力回路ＯＵＴ［１］乃至列出力回路ＯＵＴ［ｎ］のそれぞれのトランジスタＴｒ２を非導通状態としている。このとき、トランジスタＴｒ１のゲートの電位は、容量素子Ｃ１に保持されているため、時刻Ｔ０９以降もトランジスタＴｒ１のソース−ドレイン間に同じ大きさの電流が流れ続ける。
【０３４５】
＜＜時刻Ｔ１０から時刻Ｔ１１まで＞＞
時刻Ｔ１０から時刻Ｔ１１までの間において、配線ＯＳＭを高レベル電位としている。上述の通り、列出力回路ＯＵＴ［１］乃至列出力回路ＯＵＴ［ｎ］のそれぞれのトランジスタＴｒ２２のゲートに高レベル電位が印加されるため、トランジスタＴｒ２２は導通状態となる。このとき、トランジスタＴｒ２２の第１端子から、トランジスタＴｒ２２の第２端子を経由して、容量素子Ｃ３の第１端子に電流が流れ、容量素子Ｃ３によって電位が保持される。これにより、トランジスタＴｒ２１のゲートの電位が保持されるため、トランジスタＴｒ２１のソース−ドレイン間に、トランジスタＴｒ２１のゲートの電位に応じた電流が流れる。
【０３４６】
なお、時刻Ｔ１１の時点において、配線ＯＳＭには低レベル電位を印加して、列出力回路ＯＵＴ［１］乃至列出力回路ＯＵＴ［ｎ］のそれぞれのトランジスタＴｒ２２を非導通状態としている。このとき、トランジスタＴｒ２１のゲートの電位は、容量素子Ｃ３に保持されているため、時刻Ｔ１１以降もトランジスタＴｒ１のソース−ドレイン間に同じ大きさの電流が流れ続ける。
【０３４７】
なお、図２７のタイミングチャートでは、トランジスタＴｒ２の導通状態、または非導通状態の切り替え動作（時刻Ｔ０８から時刻Ｔ０９までの間の動作）は、トランジスタＴｒ２２を導通状態、または非導通状態の切り替え動作（時刻Ｔ１０から時刻Ｔ１１までの間の動作）の前に行っていたが、オフセット回路７５１の動作の順序はこれに限定されない。例えば、トランジスタＴｒ２２を導通状態、または非導通状態の切り替え動作（時刻Ｔ１０から時刻Ｔ１１までの間の動作）を先に行い、後に、トランジスタＴｒ２の導通状態、または非導通状態の切り替え動作（時刻Ｔ０８から時刻Ｔ０９までの間の動作）を行ってもよい。
【０３４８】
ここで、時刻Ｔ１１以降から時刻Ｔ１２（図２８に記載）までにおける、列出力回路ＯＵＴ［ｊ］に着目する。列出力回路ＯＵＴ［ｊ］において、トランジスタＴｒ１のソース−ドレイン間に流れる電流をＩＣＰ［ｊ］とし、定電流回路ＣＩのトランジスタＴｒ２１のソース−ドレイン間に流れる電流をＩＣ［ｊ］とする（端子ＣＴ２［ｊ］から端子ＣＴ５［ｊ］に流れる電流）。また、トランジスタＴｒ８のソース−ドレイン間に流れる電流は、カレントミラー回路ＣＭによってＩＣＭｒｅｆ０となる。時刻Ｔ１から時刻Ｔ１２までの間では出力端子ＳＰＴ［ｊ］から電流を出力しないものとした場合、列出力回路ＯＵＴ［ｊ］の配線Ｂ［ｊ］には、メモリセルＡＭ［１］乃至メモリセルＡＭ［ｎ］のそれぞれのトランジスタＴｒ１２に流れる電流を足し合わせた電流が流れる。つまり、配線Ｂ［ｊ］には、ΣＩ０［ｉ，ｊ］（このΣはｉについて和をとっている。）の電流が流れる。したがって、上記より次の式が成り立つ。
【０３４９】
【数１４】
2018151443.tif 000016
【０３５０】
＜＜時刻Ｔ１２から時刻Ｔ１３まで＞＞
時刻Ｔ１２以降は、図２７を用いて説明する。時刻Ｔ１２から時刻Ｔ１３までの間において、配線ＲＷ［ｉ］に基準電位（図２７ではＲＥＦＰと表記している。）よりもＶＷ［ｉ］高い電位が印加される。このとき、メモリセルＡＭ［ｉ，１］乃至メモリセルＡＭ［ｉ，ｎ］、およびメモリセルＡＭｒｅｆ［ｉ］のそれぞれの容量素子Ｃ２の第２端子に、電位ＶＷ［ｉ］が印加されるため、トランジスタＴｒ１２のゲートの電位が上昇する。
【０３５１】
なお、電位ＶＷ［ｉ］は、第２アナログデータに対応する電位である。
【０３５２】
なお、トランジスタＴｒ１２のゲートの電位の増加分は、配線ＲＷ［ｉ］の電位変化に、メモリセルの構成によって決まる容量結合係数を乗じた電位となる。該容量結合係数は、容量素子Ｃ２の容量、トランジスタＴｒ２のゲート容量、および寄生容量によって算出される。本動作例では、説明の煩雑さを避けるため、配線ＲＷ［ｉ］の電位の増加分もトランジスタＴｒ１２のゲートの電位の増加分も同じ値として説明する。これは、メモリセルＡＭ、およびメモリセルＡＭｒｅｆにおけるそれぞれの容量結合係数を１としていることに相当する。
【０３５３】
容量結合係数を１としているため、メモリセルＡＭ［ｉ，ｊ］、メモリセルＡＭ［ｉ，ｊ＋１］、およびメモリセルＡＭｒｅｆ［ｉ］のそれぞれの容量素子Ｃ２の第２端子に、電位ＶＷ［ｉ］が印加されることによって、ノードＮ［ｉ，ｊ］、ノードＮ［ｉ，ｊ＋１］、およびノードＮｒｅｆ［ｉ］の電位は、それぞれＶＷ［ｉ］上昇する。
【０３５４】
ここで、メモリセルＡＭ［ｉ，ｊ］、メモリセルＡＭ［ｉ，ｊ＋１］、およびメモリセルＡＭｒｅｆ［ｉ］のそれぞれのトランジスタＴｒ１２の第１端子から第２端子に流れる電流を考える。配線Ｂ［ｊ］からメモリセルＡＭ［ｉ，ｊ］のトランジスタＴｒ１２の第１端子を介して第２端子に流れる電流Ｉ［ｉ，ｊ］は、次の式で表すことができる。
【０３５５】
【数１５】
2018151443.tif 000017
【０３５６】
つまり、配線ＲＷ［ｉ］に電位ＶＷ［ｉ］を印加することによって、配線Ｂ［ｊ］からメモリセルＡＭ［ｉ，ｊ］のトランジスタＴｒ１２の第１端子を介して第２端子に流れる電流は、Ｉ［ｉ，ｊ］−Ｉ０［ｉ，ｊ］（図２８では、ΔＩ［ｉ，ｊ］と表記する。）増加する。
【０３５７】
同様に、配線Ｂ［ｊ＋１］からメモリセルＡＭ［ｉ，ｊ＋１］のトランジスタＴｒ１２の第１端子を介して第２端子に流れる電流Ｉ［ｉ，ｊ＋１］は、次の式で表すことができる。
【０３５８】
【数１６】
2018151443.tif 000018
【０３５９】
つまり、配線ＲＷ［ｉ］に電位ＶＷ［ｉ］を印加することによって、配線Ｂ［ｊ＋１］からメモリセルＡＭ［ｉ，ｊ＋１］のトランジスタＴｒ１２の第１端子を介して第２端子に流れる電流は、Ｉ［ｉ，ｊ＋１］−Ｉ０［ｉ，ｊ＋１］（図２８では、ΔＩ［ｉ，ｊ＋１］と表記する。）増加する。
【０３６０】
更に、配線ＢｒｅｆからメモリセルＡＭｒｅｆ［ｉ］のトランジスタＴｒ１２の第１端子を介して第２端子に流れる電流Ｉｒｅｆ［ｉ］は、次の式で表すことができる。
【０３６１】
【数１７】
2018151443.tif 000019
【０３６２】
つまり、配線ＲＷ［ｉ］に電位ＶＷ［ｉ］を印加することによって、配線ＢｒｅｆからメモリセルＡＭｒｅｆ［ｉ］のトランジスタＴｒ１２の第１端子を介して第２端子に流れる電流は、Ｉｒｅｆ［ｉ］−Ｉｒｅｆ０［ｉ］（図２８では、ΔＩｒｅｆ［ｉ］と表記する。）増加する。
【０３６３】
ここで、参照列出力回路Ｃｒｅｆについて着目する。配線Ｂｒｅｆには、メモリセルＡＭｒｅｆ［１］乃至メモリセルＡＭｒｅｆ［ｍ］のそれぞれのトランジスタＴｒ１２に流れる電流を足し合わせた電流が流れる。配線ＯＬｒｅｆは、出力端子ＯＴｒｅｆを介して、配線Ｂｒｅｆと電気的に繋がっているため、配線ＯＬｒｅｆにはＩＢｒｅｆ＝ΣＩｒｅｆ［ｉ］の電流が流れる。該電流は、カレントミラー回路ＣＭにおいて、ノードＮＣＭｒｅｆの電位に応じて、トランジスタＴｒ９の第１端子からノードＮＣＭｒｅｆの方向に出力される。
【０３６４】
したがって、カラントミラー回路ＣＭの端子ＣＴ８から配線ＩＬｒｅｆに流れる電流ＩＣＭｒｅｆは、次の式のように示すことができる。
【０３６５】
【数１８】
2018151443.tif 000020
【０３６６】
ここで、配線Ｂ［ｊ］から出力される電流ΔＩＢ［ｊ］について考える。時刻Ｔ１１から時刻Ｔ１２までの間では、数式（Ｅ４）を満たすため、配線Ｂ［ｊ］から電流ΔＩＢ［ｊ］は出力されない。
【０３６７】
時刻Ｔ１２から時刻Ｔ１３までの間においては、配線ＲＷ［ｉ］に基準電位よりもＶＷ［ｉ］高い電位が印加されて、メモリセルＡＭ［ｉ，ｊ］のトランジスタＴｒ１２に流れるソース−ドレイン間電流が変化するため、配線Ｂ［ｊ］に電気的に接続されている出力端子ＳＰＴ［ｊ］から電流ΔＩＢ［ｊ］が出力される。具体的には、列出力回路ＯＵＴ［ｊ］では、定電流回路ＣＩの端子ＣＴ２から電流ＩＣ［ｊ］が出力され、トランジスタＴｒ５のソース−ドレイン間に電流ＩＣＭが流れ、トランジスタＴｒ１のソース−ドレイン間に電流ＩＣＰ［ｊ］が流れるため、電流ΔＩＢ［ｊ］は、メモリセルＡＭ［ｉ，ｊ］のトランジスタＴｒ１２に流れるソース−ドレイン電流をｉについて足し合わせたΣＩ［ｉ，ｊ］を用いて、次の式で表すことができる。
【０３６８】
【数１９】
2018151443.tif 000021
【０３６９】
数式（Ｅ８）に、数式（Ｅ１）乃至数式（Ｅ７）を用いることで、次の式が得られる。
【０３７０】
【数２０】
2018151443.tif 000022
【０３７１】
つまり、数式（Ｅ９）より、電流ΔＩＢ［ｊ］は、第１アナログデータである電位ＶＸ［ｉ，ｊ］と、第２アナログデータである電位ＶＷ［ｉ］と、の積の和に応じた値となる。これにより、電流ΔＩＢ［ｊ］を計測することによって、第１アナログデータと第２アナログデータとの積和値を求めることができる。
【０３７２】
時刻Ｔ１２から時刻Ｔ１３までの間において、配線ＲＷ［ｉ］を除く配線ＲＷ［１］乃至配線ＲＷ［ｍ］のそれぞれの電位を基準電位にしたとき、ＶＷ［ｇ］＝０（ここでのｇは１以上ｍ以下であり、かつｉではない整数である。）となるので、数式（Ｅ９）より、ΔＩＢ［ｊ］＝２ｋＶＸ［ｉ，ｊ］ＶＷ［ｉ］が出力される。つまり、メモリセルＡＭ［ｉ，ｊ］に格納された第１アナログデータと、配線ＲＷ［ｉ］に印加された選択信号に相当する第２アナログデータと、の積に対応したデータが、配線Ｂ［ｊ］に電気的に接続されている出力端子ＳＰＴ［ｊ］から出力される。
【０３７３】
また、同様に、配線Ｂ［ｊ＋１］に電気的に接続されている出力端子ＳＰＴ［ｊ＋１］から出力される差分電流は、ΔＩＢ［ｊ＋１］＝２ｋＶＸ［ｉ，ｊ＋１］ＶＷ［ｉ］となり、メモリセルＡＭ［ｉ，ｊ＋１］に格納された第１アナログデータと、配線ＲＷ［ｉ］に印加された選択信号に相当する第２アナログデータと、の積に対応したデータが、配線Ｂ［ｊ＋１］に電気的に接続されている出力端子ＳＰＴ［ｊ＋１］から出力される。
【０３７４】
＜＜時刻Ｔ１３から時刻Ｔ１４まで＞＞
時刻Ｔ１３から時刻Ｔ１４までの間において、配線ＲＷ［ｉ］には接地電位を印加している。このとき、メモリセルＡＭ［ｉ，１］乃至メモリセルＡＭ［ｉ，ｎ］、およびメモリセルＡＭｒｅｆ［ｉ］のそれぞれの容量素子Ｃ２の第２端子に、接地電位が印加されるため、ノードＮ［ｉ，１］乃至ノードＮ［ｉ，ｎ］、およびノードＮｒｅｆ［ｉ］の電位は、それぞれ時刻Ｔ１１から時刻Ｔ１２までの間の電位に戻る。
【０３７５】
＜＜時刻Ｔ１４から時刻Ｔ１５まで＞＞
時刻Ｔ１４から時刻Ｔ１５までの間において、配線ＲＷ［ｉ＋１］を除く配線ＲＷ［１］乃至配線ＲＷ［ｍ］のそれぞれの電位を基準電位とし、配線ＲＷ［ｉ＋１］に基準電位よりもＶＷ［ｉ＋１］高い電位を印加するものとする。このとき、時刻Ｔ１２から時刻Ｔ１３までの動作と同様に、メモリセルＡＭ［ｉ＋１，１］乃至メモリセルＡＭ［ｉ＋１，ｎ］、およびメモリセルＡＭｒｅｆ［ｉ＋１］のそれぞれの容量素子Ｃ２の第２端子に、電位ＶＷ［ｉ＋１］が印加されるため、トランジスタＴｒ１２のゲートの電位が上昇する。
【０３７６】
なお、電位ＶＷ［ｉ＋１］は、第２アナログデータに対応する電位である。
【０３７７】
なお、先述のとおり、メモリセルＡＭ、およびメモリセルＡＭｒｅｆにおけるそれぞれの容量結合係数を１としているため、メモリセルＡＭ［ｉ＋１，ｊ］、メモリセルＡＭ［ｉ＋１，ｊ＋１］、およびメモリセルＡＭｒｅｆ［ｉ＋１］のそれぞれの容量素子Ｃ２の第２端子に、電位ＶＷ［ｉ＋１］が印加されることによって、ノードＮ［ｉ＋１，ｊ］、ノードＮ［ｉ＋１，ｊ＋１］、およびノードＮｒｅｆ［ｉ＋１］の電位は、それぞれＶＷ［ｉ＋１］上昇する。
【０３７８】
ノードＮ［ｉ＋１，ｊ］、ノードＮ［ｉ＋１，ｊ＋１］、およびノードＮｒｅｆ［ｉ＋１］の電位がそれぞれＶＷ［ｉ＋１］上昇することにより、メモリセルＡＭ［ｉ＋１，ｊ］、メモリセルＡＭ［ｉ＋１，ｊ＋１］、およびメモリセルＡＭｒｅｆ［ｉ＋１］のそれぞれのトランジスタＴｒ１２に流れる電流の量が増加する。メモリセルＡＭ［ｉ＋１，ｊ］のトランジスタＴｒ１２に流れる電流をＩ［ｉ＋１，ｊ］としたとき、列出力回路ＯＵＴ［ｊ］の出力端子ＯＴ［ｊ］から配線Ｂ［ｊ］に流れる電流は、Ｉ［ｉ＋１，ｊ］−Ｉ０［ｉ＋１，ｊ］（図２８では、ΔＩ［ｉ＋１，ｊ］と表記する。）増加することになる。同様に、メモリセルＡＭ［ｉ＋１，ｊ＋１］のトランジスタＴｒ１２に流れる電流をＩ［ｉ＋１，ｊ＋１］としたとき、列出力回路ＯＵＴ［ｊ＋１］の出力端子ＯＴ［ｊ＋１］から配線Ｂ［ｊ＋１］に流れる電流は、Ｉ［ｉ＋１，ｊ＋１］−Ｉ０［ｉ＋１，ｊ＋１］（図２８では、ΔＩ［ｉ＋１，ｊ＋１］と表記する。）増加することになる。更に、メモリセルＡＭｒｅｆ［ｉ＋１］のトランジスタＴｒ１２に流れる電流をＩｒｅｆ［ｉ＋１］としたとき、参照列出力回路Ｃｒｅｆの出力端子ＯＴｒｅｆから配線Ｂ［ｊ＋１］に流れる電流は、Ｉｒｅｆ［ｉ＋１］−Ｉｒｅｆ０［ｉ＋１］（図２８では、ΔＩｒｅｆ［ｉ＋１］と表記する。）増加することになる。
【０３７９】
時刻Ｔ１４から時刻Ｔ１５までの動作は、時刻Ｔ１２から時刻Ｔ１３までの動作と同様に考えることができるので、時刻Ｔ１４から時刻Ｔ１５までの動作に対して、数式（Ｅ９）を用いると、配線Ｂ［ｊ］から出力される差分電流は、ΔＩＢ［ｊ］＝２ｋＶＸ［ｉ＋１，ｊ］ＶＷ［ｉ＋１］となる。つまり、メモリセルＡＭ［ｉ＋１，ｊ］に格納された第１アナログデータと、配線ＲＷ［ｉ＋１］に印加された選択信号に相当する第２アナログデータと、の積に対応したデータが、配線Ｂ［ｊ］に電気的に接続されている出力端子ＳＰＴ［ｊ］から出力される。
【０３８０】
また、同様に、配線Ｂ［ｊ＋１］から出力される差分電流は、ΔＩＢ［ｊ＋１］＝２ｋＶＸ［ｉ＋１，ｊ＋１］ＶＷ［ｉ＋１］となり、メモリセルＡＭ［ｉ＋１，ｊ＋１］に格納された第１アナログデータと、配線ＲＷ［ｉ＋１］に印加された選択信号に相当する第２アナログデータと、の積に対応したデータが、配線Ｂ［ｊ＋１］に電気的に接続されている出力端子ＳＰＴ［ｊ＋１］から出力される。
【０３８１】
＜＜時刻Ｔ１５から時刻Ｔ１６まで＞＞
時刻Ｔ１５から時刻Ｔ１６までの間において、配線ＲＷ［ｉ＋１］には接地電位が印加されている。このとき、メモリセルＡＭ［ｉ＋１，１］乃至メモリセルＡＭ［ｉ＋１，ｎ］、およびメモリセルＡＭｒｅｆ［ｉ＋１］のそれぞれの容量素子Ｃ２の第２端子に、接地電位が印加されるため、ノードＮ［ｉ＋１，１］乃至ノードＮ［ｉ＋１，ｎ］、およびノードＮｒｅｆ［ｉ＋１］の電位は、それぞれ時刻Ｔ１３から時刻Ｔ１４までの間の電位に戻る。
【０３８２】
＜＜時刻Ｔ１６から時刻Ｔ１７まで＞＞
時刻Ｔ１６から時刻Ｔ１７までの間において、配線ＲＷ［ｉ］、および配線ＲＷ［ｉ＋１］を除く配線ＲＷ［１］乃至配線ＲＷ［ｍ］のそれぞれの電位を基準電位とし、配線ＲＷ［ｉ］に基準電位よりもＶＷ２［ｉ］高い電位を印加し、配線ＲＷ［ｉ＋１］に基準電位よりもＶＷ２［ｉ＋１］低い電位を印加するものとする。このとき、時刻Ｔ１２から時刻Ｔ１３までの動作と同様に、メモリセルＡＭ［ｉ，１］乃至メモリセルＡＭ［ｉ，ｎ］、およびメモリセルＡＭｒｅｆ［ｉ］のそれぞれの容量素子Ｃ２の第２端子に、電位ＶＷ２［ｉ］が印加されるため、メモリセルＡＭ［ｉ，１］乃至メモリセルＡＭ［ｉ，ｎ］、およびメモリセルＡＭｒｅｆ［ｉ］のそれぞれのトランジスタＴｒ１２のゲートの電位が上昇する。同時に、メモリセルＡＭ［ｉ＋１，１］乃至メモリセルＡＭ［ｉ＋１，ｎ］、およびメモリセルＡＭｒｅｆ［ｉ＋１］のそれぞれの容量素子Ｃ２の第２端子に、電位−ＶＷ２［ｉ＋１］が印加されるため、メモリセルＡＭ［ｉ＋１，１］乃至メモリセルＡＭ［ｉ＋１，ｎ］、およびメモリセルＡＭｒｅｆ［ｉ＋１］のそれぞれのトランジスタＴｒ１２のゲートの電位が下降する。
【０３８３】
なお、電位ＶＷ２［ｉ］、および電位ＶＷ２［ｉ＋１］は、第２アナログデータに対応する電位である。
【０３８４】
なお、メモリセルＡＭ、およびメモリセルＡＭｒｅｆにおけるそれぞれの容量結合係数を１としているため、メモリセルＡＭ［ｉ，ｊ］、メモリセルＡＭ［ｉ，ｊ＋１］、およびメモリセルＡＭｒｅｆ［ｉ］のそれぞれの容量素子Ｃ２の第２端子に、電位ＶＷ２［ｉ］が印加されることによって、ノードＮ［ｉ，ｊ］、ノードＮ［ｉ，ｊ＋１］、およびノードＮｒｅｆ［ｉ］の電位は、それぞれＶＷ２［ｉ］上昇する。また、メモリセルＡＭ［ｉ＋１，ｊ］、メモリセルＡＭ［ｉ＋１，ｊ＋１］、およびメモリセルＡＭｒｅｆ［ｉ＋１］のそれぞれの容量素子Ｃ２の第２端子に、電位−ＶＷ２［ｉ＋１］が印加されることによって、ノードＮ［ｉ＋１，ｊ］、ノードＮ［ｉ＋１，ｊ＋１］、およびノードＮｒｅｆ［ｉ＋１］の電位は、それぞれＶＷ２［ｉ＋１］下降する。
【０３８５】
ノードＮ［ｉ，ｊ］、ノードＮ［ｉ，ｊ＋１］、およびノードＮｒｅｆ［ｉ］の電位がそれぞれＶＷ２［ｉ］上昇することにより、メモリセルＡＭ［ｉ，ｊ］、メモリセルＡＭ［ｉ，ｊ＋１］、およびメモリセルＡＭｒｅｆ［ｉ］のそれぞれのトランジスタＴｒ１２に流れる電流の量が増加する。ここで、メモリセルＡＭ［ｉ，ｊ］のトランジスタＴｒ１２に流れる電流をＩ［ｉ，ｊ］とし、メモリセルＡＭ［ｉ，ｊ＋１］のトランジスタＴｒ１２に流れる電流をＩ［ｉ，ｊ＋１］とし、メモリセルＡＭｒｅｆ［ｉ］のトランジスタＴｒ１２に流れる電流をＩｒｅｆ［ｉ］とする。
【０３８６】
また、ノードＮ［ｉ＋１，ｊ］、ノードＮ［ｉ＋１，ｊ＋１］、およびノードＮｒｅｆ［ｉ＋１］の電位がそれぞれＶＷ２［ｉ＋１］下降することにより、メモリセルＡＭ［ｉ＋１，ｊ］、メモリセルＡＭ［ｉ＋１，ｊ＋１］、およびメモリセルＡＭｒｅｆ［ｉ＋１］のそれぞれのトランジスタＴｒ１２に流れる電流の量が減少する。ここで、メモリセルＡＭ［ｉ＋１，ｊ］のトランジスタＴｒ１２に流れる電流をＩ２［ｉ，ｊ］とし、メモリセルＡＭ［ｉ＋１，ｊ＋１］のトランジスタＴｒ１２に流れる電流をＩ２［ｉ，ｊ＋１］とし、メモリセルＡＭｒｅｆ［ｉ＋１］のトランジスタＴｒ１２に流れる電流をＩ２ｒｅｆ［ｉ＋１］とする。
【０３８７】
このとき、列出力回路ＯＵＴ［ｊ］の出力端子ＯＴ［ｊ］から配線Ｂ［ｊ］に流れる電流は、Ｉ２［ｉ，ｊ］−Ｉ０［ｉ，ｊ］＋Ｉ２［ｉ＋１，ｊ］−Ｉ０［ｉ＋１，ｊ］（図２８では、ΔＩ［ｊ］と表記する。）増加することになる。また、列出力回路ＯＵＴ［ｊ＋１］の出力端子ＯＴ［ｊ＋１］から配線Ｂ［ｊ＋１］に流れる電流は、Ｉ２［ｉ，ｊ＋１］−Ｉ０［ｉ，ｊ＋１］＋Ｉ２［ｉ＋１，ｊ＋１］−Ｉ０［ｉ＋１，ｊ＋１］（図２８では、ΔＩ［ｊ＋１］と表記し、ΔＩ［ｊ＋１］は負の電流であるとする。）増加することになる。そして、参照列出力回路Ｃｒｅｆの出力端子ＯＴｒｅｆから配線Ｂｒｅｆに流れる電流は、Ｉ２ｒｅｆ［ｉ，ｊ］−Ｉｒｅｆ０［ｉ，ｊ］＋Ｉ２ｒｅｆ［ｉ＋１，ｊ］−Ｉｒｅｆ０［ｉ＋１，ｊ］（図２８では、ΔＩＢｒｅｆと表記する。）増加することになる。
【０３８８】
時刻Ｔ１６から時刻Ｔ１７までの動作は、時刻Ｔ１２から時刻Ｔ１３までの動作と同様に考えることができるので、時刻Ｔ１６から時刻Ｔ１７までの動作に対して、数式（Ｅ９）を用いると、配線Ｂ［ｊ］から出力される差分電流は、ΔＩＢ［ｊ］＝２ｋ｛ＶＸ［ｉ，ｊ］ＶＷ２［ｉ］−ＶＸ［ｉ＋１，ｊ］ＶＷ２［ｉ＋１］｝となる。つまり、メモリセルＡＭ［ｉ，ｊ］およびメモリセルＡＭ［ｉ＋１，ｊ］に格納されたそれぞれの第１アナログデータと、配線ＲＷ［ｉ］および配線ＲＷ［ｉ＋１］に印加された選択信号に相当するそれぞれの第２アナログデータと、の各々の積の足し合わせに対応したデータが、配線Ｂ［ｊ］に電気的に接続されている出力端子ＳＰＴ［ｊ］から出力される。
【０３８９】
また、同様に、配線Ｂ［ｊ＋１］から出力される差分電流は、ΔＩＢ［ｊ＋１］＝２ｋ｛ＶＸ［ｉ，ｊ＋１］ＶＷ２［ｉ］−ＶＸ［ｉ＋１，ｊ＋１］ＶＷ２［ｉ＋１］｝となり、メモリセルＡＭ［ｉ，ｊ＋１］およびメモリセルＡＭ［ｉ＋１，ｊ＋１］に格納されたそれぞれの第１アナログデータと、配線ＲＷ［ｉ］および配線ＲＷ［ｉ＋１］に印加された選択信号に相当するそれぞれの第２アナログデータと、の積に対応したデータが、配線Ｂ［ｊ＋１］に電気的に接続されている出力端子ＳＰＴ［ｊ＋１］から出力される。
【０３９０】
＜＜時刻Ｔ１７以降＞＞
時刻Ｔ１７以降において、配線ＲＷ［ｉ］、配線ＲＷ［ｉ＋１］には接地電位を印加している。このとき、メモリセルＡＭ［ｉ，１］乃至メモリセルＡＭ［ｉ，ｎ］、メモリセルＡＭ［ｉ＋１，１］乃至メモリセルＡＭ［ｉ＋１，ｎ］、メモリセルＡＭｒｅｆ［ｉ］、およびメモリセルＡＭｒｅｆ［ｉ＋１］のそれぞれの容量素子Ｃ２の第２端子に、接地電位が印加されるため、ノードＮ［ｉ，１］乃至ノードＮ［ｉ，ｎ］、ノードＮ［ｉ＋１，１］乃至ノードＮ［ｉ＋１，ｎ］、ノードＮｒｅｆ［ｉ］、およびノードＮｒｅｆ［ｉ＋１］の電位は、それぞれ時刻Ｔ１５から時刻Ｔ１６までの間の電位に戻る。
【０３９１】
以上のように、ＮＮ回路１００のプログラマブルロジックエレメントＰＬＥ［１］乃至プログラマブルロジックエレメントＰＬＥ［ｍ］が有する積和演算回路として、図１８に示す回路を適用することによって、高速な積和演算処理を実現することができる。
【０３９２】
ここで、第１アナログデータを重み係数として、複数の第２アナログデータをニューロン出力に対応することで、各ニューロン出力の重み付け和演算を並列して行うことができ、当該出力信号として重み付け演算の結果に対応したデータ、すなわちシナプス入力を取得することができる。具体的には、メモリセルＡＭ［１，ｊ］乃至メモリセルＡＭ［ｍ，ｊ］に、第ｋ層の第ｓ［ｋ］ニューロンの重み係数ｗｓ［ｋ］・１（ｋ）乃至ｗｓ［ｋ］・Ｑ［ｋ−１］（ｋ）を第１アナログデータとして格納し、配線ＲＷ［１］乃至配線ＲＷ［ｍ］にそれぞれ第（ｋ−１）層の各ニューロンの出力信号ｚ１・ｓ［ｋ］（ｋ−１）乃至ｚＱ［ｋ−１］・ｓ［ｋ］（ｋ−１）を第２アナログデータとして供給することで、第ｋ層の第ｓ［ｋ］ニューロンに入力される信号の総和ｕｓ［ｋ］（ｋ）を計算することができる。つまり、式（Ｄ１）に示した積和演算を積和演算回路７００によって実現することができる。
【０３９３】
また、教師あり学習で重み係数の更新を行うとき、メモリセルＡＭ［１，ｊ］乃至メモリセルＡＭ［ｍ，ｊ］に、第ｋ層の第ｓ［ｋ］ニューロンから第（ｋ＋１）層の各ニューロンに信号が送られるときに掛かる重み係数ｗ１・ｓ［ｋ］（ｋ＋１）乃至ｗＱ［ｋ＋１］ｓ［ｋ］（ｋ＋１）を第１アナログデータとして格納し、配線ＲＷ［１］乃至配線ＲＷ［ｍ］に第（ｋ＋１）層の各ニューロンの誤差δ１（ｋ＋１）乃至δＱ［ｋ＋１］（ｋ＋１）を第２アナログデータとして供給すると、式（Ｄ３）におけるΣｗｓ［ｋ＋１］・ｓ［ｋ］（ｋ＋１）・δｓ［ｋ＋１］（ｋ＋１）の値を、配線Ｂ［ｊ］に流れる差分電流ΔＩＢ［ｊ］から得ることができる。つまり、式（Ｄ３）に示した演算の一部を積和演算回路７００によって実現することができる。
【０３９４】
上述した積和演算回路を、階層型のニューラルネットワークの隠れ層として適用する場合、重み係数ｗｓ［ｋ］ｓ［ｋ−１］（ｋ）をメモリセルＡＭ［ｉ，ｊ］に格納する第１アナログデータとし、第（ｋ−１）層の第ｓ［ｋ−１］ニューロンからの出力信号ｚｓ［ｋ−１］（ｋ−１）を配線ＲＷ［ｉ］から印加する電位（第２アナログデータ）とし、積和演算回路の配線Ｂ［ｊ］に出力される電流に応じて出力関数に相当する変調を加えた信号を第ｋ層の第ｓ［ｋ］ニューロンの出力信号ｚｓ［ｋ］（ｋ）とすればよい。
【０３９５】
また、上述した積和演算回路を、階層型のニューラルネットワークの出力層として適用する場合、重み係数ｗｓ［Ｌ］ｓ［Ｌ−１］（Ｌ）をメモリセルＡＭ［ｉ，ｊ］に格納する第１アナログデータとし、第（Ｌ−１）層の第ｓ［Ｌ−１］ニューロンからの出力信号ｚｓ［Ｌ−１］（Ｌー１）を配線ＲＷ［ｉ］から印加する電位（第２アナログデータ）とし、積和演算回路の配線Ｂ［ｊ］に出力される電流に応じて出力関数に相当する変調を加えた信号を第Ｌ層の第ｓ［Ｌ］ニューロンの出力信号ｚｓ［Ｌ］（Ｌ）とすればよい。
【０３９６】
なお、階層型のニューラルネットワークの入力層は、入力信号を第２層に出力するバッファ回路として機能してもよい。
【０３９７】
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。
【０３９８】
（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用いた表示装置の具体的な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。
【０３９９】
＜表示装置の構成例１＞
図２９に、表示装置１４００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１４２０を適用した場合の例を示している。図２９において、基板１４１２側が表示面側となる。
【０４００】
表示装置１４００は、基板１４１１と基板１４１２との間に液晶１４２２が挟持された構成を有している。液晶素子１４２０は、基板１４１１側に設けられた導電層１４２１と、基板１４１２側に設けられた導電層１４２３と、これらに挟持された液晶１４２２と、を有する。また、液晶１４２２と導電層１４２１との間に配向膜１４２４ａが設けられ、液晶１４２２と導電層１４２３との間に配向膜１４２４ｂが設けられている。
【０４０１】
導電層１４２１は、画素電極として機能する。また導電層１４２３は、共通電極等として機能する。また導電層１４２１と導電層１４２３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１４２０は、透過型の液晶素子である。
【０４０２】
基板１４１２の基板１４１１側の面には、着色層１４４１と、遮光層１４４２が設けられている。着色層１４４１と遮光層１４４２を覆って絶縁層１４２６が設けられ、絶縁層１４２６を覆って導電層１４２３が設けられている。また着色層１４４１は、導電層１４２１と重なる領域に設けられている。遮光層１４４２は、トランジスタ１４３０や接続部１４３８を覆って設けられている。
【０４０３】
基板１４１１よりも外側には偏光板１４３９ａが配置され、基板１４１２よりも外側には偏光板１４３９ｂが配置されている。さらに、偏光板１４３９ａよりも外側に、バックライトユニット１４９０が設けられている。図２９に示す表示装置１４００は、基板１４１２側が表示面側となる。
【０４０４】
基板１４１１上に半導体層、トランジスタ１４３０、容量素子１４６０等が設けられている。トランジスタ１４３０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１４３０は、接続部１４３８を介して液晶素子１４２０と接続されている。
【０４０５】
図２９に示すトランジスタ１４３０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１４３０は、ゲート電極として機能する導電層１４３１と、ゲート絶縁層として機能する絶縁層１４３４と、半導体層１４３２と、ソース電極およびドレイン電極として機能する一対の導電層１４３３ａおよび導電層１４３３ｂと、を有する。半導体層１４３２の、導電層１４３１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１４３２は、導電層１４３３ａおよび導電層１４３３ｂと接続されている。
【０４０６】
容量素子１４６０は、導電層１４３１ａと、絶縁層１４３４と、導電層１４３３ｂにより構成されている。
【０４０７】
トランジスタ１４３０等を覆って、絶縁層１４８２と絶縁層１４８１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１４２１は絶縁層１４８１上に設けられている。また接続部１４３８において、絶縁層１４８１および絶縁層１４８２に設けられた開口を介して、導電層１４２１と導電層１４３３ｂと電気的に接続されている。絶縁層１４８１は、平坦化層として機能することが好ましい。また絶縁層１４８２は、トランジスタ１４３０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１４８２に無機絶縁材料を用い、絶縁層１４８１に有機絶縁材料を用いることができる。
【０４０８】
＜表示装置の構成例２＞
図３０では、着色層１４４１を基板１４１１側に設けた場合の例を示している。これにより、基板１４１２側の構成を簡略化することができる。
【０４０９】
なお、着色層１４４１を平坦化膜として用いる場合には、絶縁層１４８１を設けない構成としてもよい。
【０４１０】
＜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。
【０４１１】
図３１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。
【０４１２】
液晶素子１４２０は、画素電極として機能する導電層１４２１と、導電層１４２１と絶縁層１４８３を介して重なる導電層１４２３と、を有する。導電層１４２３は、スリット状または櫛歯状の上面形状を有している。
【０４１３】
また、この構成では、導電層１４２１と導電層１４２３とが重なる部分に容量が形成され、これを容量素子１４６０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。
【０４１４】
図３１では、共通電極として機能する導電層１４２３が液晶１４２２側に位置する構成としたが、図３２に示すように、画素電極として機能する導電層１４２１が、液晶１４２２側に位置する構成としてもよい。このとき、導電層１４２１がスリット状または櫛歯状の上面形状を有する。
【０４１５】
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マスク枚数が少ないほど、作製コストを低くすることができる。
【０４１６】
例えば図２９に示す構成では、基板１４１１側の工程のうち、導電層１４３１等の形成工程、半導体層１４３２の形成工程、導電層１４３３ａ等の形成工程、接続部１４３８となる開口部の形成工程、および導電層１４２１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１４１２（対向基板）側においては、着色層１４４１や遮光層１４４２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１４４１と、遮光層１４４２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。
【０４１７】
＜トランジスタの構成例＞
次に、トランジスタ１４３０の具体的な構成例について説明する。以下に説明するトランジスタの半導体層１４３２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、良好な表示が可能である。
【０４１８】
図３３（Ａ）に示すトランジスタは、ソース領域およびドレイン領域として機能する一対の不純物半導体層１４３５を有する。不純物半導体層１４３５は、半導体層１４３２と導電層１４３３ａの間、および、半導体層１４３２と導電層１４３３ｂの間に設けられている。半導体層１４３２と不純物半導体層１４３５とは接して設けられ、不純物半導体層１４３５と導電層１４３３ａまたは導電層１４３３ｂとは接して設けられる。
【０４１９】
不純物半導体層１４３５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または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、微結晶半導体等の結晶性半導体により形成してもよい。
【０４２０】
図３３（Ｂ）に示すトランジスタは、半導体層１４３２と不純物半導体層１４３５の間に、半導体層１４３７を有する。
【０４２１】
半導体層１４３７は、半導体層１４３２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１４３７は、不純物半導体層１４３５のエッチングの際に、半導体層１４３２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３３（Ａ）において、半導体層１４３７が左右に分離している例を示しているが、半導体層１４３７の一部が半導体層１４３２のチャネル形成領域を覆っていてもよい。
【０４２２】
また、半導体層１４３７は、不純物半導体層１４３５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１４３７をＬＤＤ（Ｌｉｇｈｔ  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チャネル効果を抑制することができる。
【０４２３】
図３３（Ｃ）に示すトランジスタは、半導体層１４３２のチャネル形成領域上に、絶縁層１４８４が設けられている。絶縁層１４８４は、不純物半導体層１４３５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。
【０４２４】
図３３（Ｄ）に示すトランジスタは、半導体層１４３２に代えて、半導体層１４３２ｐを有する。半導体層１４３２ｐは、結晶性の高い半導体膜を含む。例えば半導体層１４３２ｐ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。
【０４２５】
図３３（Ｅ）に示すトランジスタは、半導体層１４３２のチャネル形成領域に半導体層１４３２ｐを有する。例えば図３３（Ｅ）に示すトランジスタは、半導体層１４３２となる半導体膜に対してレーザ光等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。
【０４２６】
図３３（Ｆ）に示すトランジスタは、図３３（Ｂ）で示したトランジスタの半導体層１４３２のチャネル形成領域に、結晶性の半導体層１４３２ｐを有する。
【０４２７】
図３３（Ｇ）に示すトランジスタは、図３３（Ｃ）で示したトランジスタの半導体層１４３２のチャネル形成領域に、結晶性の半導体層１４３２ｐを有する。
【０４２８】
＜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。
【０４２９】
［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、サファイア、有機樹脂等の材料を用いることができる。
【０４３０】
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の厚さの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等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。
【０４３１】
［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。
【０４３２】
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。
【０４３３】
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。
【０４３４】
トランジスタのチャネルが形成される半導体には、例えばシリコンを用いることができる。シリコンとして、特にアモルファスシリコンを用いることが好ましい。アモルファスシリコンを用いることで、大型の基板上に歩留り良くトランジスタを形成でき、量産性に優れる。
【０４３５】
また、微結晶シリコン、多結晶シリコン、単結晶シリコン等の結晶性を有するシリコンを用いることもできる。特に、多結晶シリコンは、単結晶シリコンに比べて低温で形成でき、かつアモルファスシリコンに比べて高い電界効果移動度と高い信頼性を備える。
【０４３６】
本実施の形態で例示したボトムゲート構造のトランジスタは、作製工程を削減できるため好ましい。またこのときアモルファスシリコンを用いることで、多結晶シリコンよりも低温で形成できるため、半導体層よりも下層の配線や電極の材料、基板の材料として、耐熱性の低い材料を用いることが可能なため、材料の選択の幅を広げることができる。例えば、極めて大面積のガラス基板等を好適に用いることができる。一方、トップゲート型のトランジスタは、自己整合的に不純物領域を形成しやすいため、特性のばらつき等を低減することができるため好ましい。このとき特に、多結晶シリコンや単結晶シリコン等を用いる場合に適している場合がある。
【０４３７】
［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等の導電層に用いることのできる材料としては、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等の金属、またはこれを主成分とする合金等が挙げられる。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。
【０４３８】
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および電極等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等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、またはチタン等の金属材料や、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）等を用いてもよい。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等を用いると、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等の導電層や、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。
【０４３９】
［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、エポキシ等の樹脂、シリコーン等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、酸化アルミニウム等の無機絶縁材料を用いることもできる。
【０４４０】
透水性の低い絶縁膜としては、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。
【０４４１】
［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）モード等を用いることができる。
【０４４２】
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。
【０４４３】
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。
【０４４４】
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。
【０４４５】
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。
【０４４６】
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等がある。
【０４４７】
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。
【０４４８】
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。
【０４４９】
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。
【０４５０】
［着色層］
着色層に用いることのできる材料としては、金属材料、樹脂材料、顔料または染料が含まれた樹脂材料等が挙げられる。
【０４５１】
［遮光層］
遮光層として用いることのできる材料としては、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、金属等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。
【０４５２】
なお、本実地の形態では、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。
【０４５３】
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。
【０４５４】
（実施の形態４）
本実施の形態では、トランジスタの半導体層に用いることのできる多結晶シリコンの結晶化方法およびレーザ結晶化装置の一例について説明する。
【０４５５】
結晶性の良好な多結晶シリコン層を形成するには、基板上に非晶質シリコン層を設け、当該非晶質シリコン層にレーザ光を照射して結晶化することが好ましい。例えば、レーザ光を線状ビームとし、当該線状ビームを非晶質シリコン層に照射しながら基板を移動させることで、基板上の所望の領域に多結晶シリコン層を形成することができる。
【０４５６】
線状ビームを用いた方法は、スループットが比較的良好である。一方で、ある領域に対してレーザ光が相対的に移動しながら複数回照射される方法であるため、レーザ光の出力変動およびそれに起因するビームプロファイルの変化による結晶性のばらつきが生じやすい。例えば、当該方法で結晶化させた半導体層を表示装置の画素が有するトランジスタに用いると、結晶性のばらつきに起因したランダムな縞模様が表示に見えることがある。
【０４５７】
また、線状ビームの長さは基板の一辺の長さ以上であることが理想的であるが、線状ビームの長さは、レーザ発振器の出力と光学系の構成によって制限される。したがって、大型基板の処理では基板面内を折り返してレーザ照射することが現実的である。そのため、レーザ光をオーバーラップして照射する領域が生じる。当該領域の結晶性は、他の領域の結晶性と異なりやすいため、当該領域では表示ムラが生じることがある。
【０４５８】
上記のような問題を抑えるために、基板上に形成した非晶質シリコン層に局所的にレーザ照射を行って結晶化させてもよい。局所的なレーザ照射では、結晶性のばらつきの少ない多結晶シリコン層を形成しやすい。
【０４５９】
図３４（Ａ）は、基板上に形成した非晶質シリコン層に局所的にレーザ照射を行う方法を説明する図である。
【０４６０】
光学系ユニット６２１から射出されるレーザ光６２６は、ミラー６２２で反射されてマイクロレンズアレイ６２３に入射する。マイクロレンズアレイ６２３は、レーザ光６２６を集光して複数のレーザビーム６２７を形成する。
【０４６１】
ステージ６１５には、非晶質シリコン層６４０を形成した基板６３０が固定される。非晶質シリコン層６４０に複数のレーザビーム６２７を照射することで、複数の多結晶シリコン層６４１を同時に形成することができる。
【０４６２】
マイクロレンズアレイ６２３が有する個々のマイクロレンズは、表示装置の画素ピッチに合わせて設けることが好ましい。または、画素ピッチの整数倍の間隔で設けてもよい。いずれの場合においても、レーザ照射とステージ６１５のＸ方向またはＹ方向の移動を繰り返すことで、全ての画素に対応した領域に多結晶シリコン層を形成することができる。
【０４６３】
例えば、マイクロレンズアレイ６２３が画素ピッチでＸ方向にＩ行、Ｙ方向にＪ列（Ｉ、Ｊは自然数）のマイクロレンズを有するとき、まず所定の開始位置でレーザ光を照射し、Ｉ行Ｊ列の多結晶シリコン層を形成する。そして、Ｙ方向にＩ行分の距離だけ移動させてレーザ光を照射し、Ｉ行２Ｊ列の多結晶シリコン層６４１を形成する。当該工程を繰り返し行うことで所望の領域に複数の多結晶シリコン層６４１を形成することができる。また、折り返してレーザ照射工程を行う場合は、Ｘ方向にＪ列分の距離だけ移動させてレーザ照射を行い、さらにＹ方向にＩ行分の距離の移動とレーザ光の照射を繰り返せばよい。
【０４６４】
なお、レーザ光の発振周波数とステージ６１５の移動速度を適切に調整すれば、ステージ６１５を一方向に移動させながらレーザ照射を行う方法でも、画素ピッチで多結晶シリコン層を形成することができる。
【０４６５】
レーザビーム６２７のサイズは、例えば、一つのトランジスタの半導体層全体が含まれる程度の面積とすることができる。または、一つのトランジスタのチャネル領域全体が含まれる程度の面積とすることができる。または、一つのトランジスタのチャネル領域の一部が含まれる程度の面積とすることができる。これらは、必要とするトランジスタの電気特性に応じて使い分ければよい。
【０４６６】
なお、一つの画素に複数のトランジスタを有する表示装置を対象とした場合、レーザビーム６２７は、一つの画素内の各トランジスタの半導体層全体が含まれる程度の面積とすることができる。また、レーザビーム６２７は、複数の画素が有するトランジスタの半導体層全体が含まれる程度の面積としてもよい。
【０４６７】
また、図３５（Ａ）に示すように、ミラー６２２とマイクロレンズアレイ６２３との間にマスク６２４を設けてもよい。マスク６２４には、各マイクロレンズに対応した複数の開口部が設けられる。当該開口部の形状はレーザビーム６２７の形状に反映させることができ、図３５（Ａ）のようにマスク６２４が円形の開口部を有する場合は、円形のレーザビーム６２７を得ることができる。また、マスク６２４が矩形の開口部を有する場合は、矩形のレーザビーム６２７を得ることができる。マスク６２４は、例えば、トランジスタのチャネル領域のみを結晶化させたい場合等に有効である。なお、マスク６２４は、図３５（Ｂ）に示すように光学系ユニット６２１とミラー６２２との間に設けてもよい。
【０４６８】
図３４（Ｂ）は、上記に示した局所的なレーザ照射の工程に用いることのできるレーザ結晶化装置の主要な構成を説明する斜視図である。レーザ結晶化装置は、Ｘ−Ｙステージの構成要素である移動機構６１２、移動機構６１３およびステージ６１５を有する。また、レーザビーム６２７を成形するためのレーザ発振器６２０、光学系ユニット６２１、ミラー６２２、マイクロレンズアレイ６２３を有する。
【０４６９】
移動機構６１２および移動機構６１３は、水平方向に往復直線運動をする機能を備える。移動機構６１２および移動機構６１３に動力を与える機構としては、例えば、モータで駆動するボールネジ機構６１６等を用いることができる。移動機構６１２および移動機構６１３のそれぞれの移動方向は垂直に交わるため、移動機構６１３に固定されるステージ６１５はＸ方向およびＹ方向に自在に移動させることができる。
【０４７０】
ステージ６１５は真空吸着機構等の固定機構を有し、基板６３０等を固定することができる。また、ステージ６１５は、必要に応じて加熱機構を有していてもよい。なお、図示はしていないが、ステージ６１５はプッシャーピンおよびその上下機構を有し、基板６３０等を搬出入する際は、基板６３０等を上下に移動させることができる。
【０４７１】
レーザ発振器６２０は、処理の目的に適した波長および強度の光が出力できればよく、パルスレーザが好ましいがＣＷレーザであってもよい。代表的には、波長３５１−３５３ｎｍ（ＸｅＦ）、３０８ｎｍ（ＸｅＣｌ）等の紫外光を照射できるエキシマレーザを用いることができる。または、固体レーザ（ＹＡＧレーザ、ファイバーレーザ等）の二倍波（５１５ｎｍ、５３２ｎｍ等）または三倍波（３４３ｎｍ、３５５ｎｍ等）を用いてもよい。また、レーザ発振器６２０は複数であってもよい。
【０４７２】
光学系ユニット６２１は、例えば、ミラー、ビームエクスパンダ、ビームホモジナイザ等を有し、レーザ発振器６２０から出力されるレーザ光６２５のエネルギーの面内分布を均一化させつつ伸張させることができる。
【０４７３】
ミラー６２２には、例えば、誘電体多層膜ミラーを用いることができ、レーザ光の入射角が略４５°となるように設置する。マイクロレンズアレイ６２３には、例えば、石英板の上面または上下面に複数の凸レンズが設けられたような形状とすることができる。
【０４７４】
以上のレーザ結晶化装置を用いることにより、結晶性のばらつきの少ない多結晶シリコン層を形成することができる。
【０４７５】
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。
【０４７６】
（実施の形態５）
本実施の形態では、本明細書等で扱うトランジスタに適用することができるトランジスタ２００およびトランジスタ２０１の詳細について、図３６乃至図４０を用いて説明を行う。
【０４７７】
＜トランジスタ２００＞
初めに、トランジスタ２００の詳細について説明を行う。
【０４７８】
図３６（Ａ）は、トランジスタ２００を有する半導体装置の上面図である。また、図３６（Ｂ）は、図３６（Ａ）にＡ１−Ａ２の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００のチャネル長方向の断面図でもある。また、図３６（Ｃ）は、図３６（Ａ）にＡ３−Ａ４の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２００のチャネル幅方向の断面図でもある。図３６（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。
【０４７９】
図３６（Ａ）から（Ｃ）に示すように、トランジスタ２００は、基板（図示せず）の上に配置された絶縁体２２４と、絶縁体２２４の上に配置された金属酸化物４０６ａと、金属酸化物４０６ａの上面の少なくとも一部に接して配置された金属酸化物４０６ｂと、金属酸化物４０６ｂの上に配置された絶縁体４１２と、絶縁体４１２の上に配置された導電体４０４ａと、導電体４０４ａの上に配置された導電体４０４ｂと、導電体４０４ｂの上に配置された絶縁体４１９と、絶縁体４１２、導電体４０４ａ、および導電体４０４ｂ、および絶縁体４１９の側面に接して配置された絶縁体４１８と、金属酸化物４０６ｂの上面に接し、かつ絶縁体４１８の側面に接して配置された絶縁体２２５と、を有する。ここで、図３６（Ｂ）に示すように、絶縁体４１８の上面は、絶縁体４１９の上面と略一致することが好ましい。また、絶縁体２２５は、絶縁体４１９、導電体４０４、絶縁体４１８、および金属酸化物４０６を覆って設けられることが好ましい。
【０４８０】
以下において、金属酸化物４０６ａと金属酸化物４０６ｂをまとめて金属酸化物４０６という場合がある。なお、トランジスタ２００では、金属酸化物４０６ａおよび金属酸化物４０６ｂを積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、金属酸化物４０６ｂのみを設ける構成にしてもよい。また、導電体４０４ａと導電体４０４ｂをまとめて導電体４０４という場合がある。なお、トランジスタ２００では、導電体４０４ａおよび導電体４０４ｂを積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体４０４ｂのみを設ける構成にしてもよい。
【０４８１】
導電体４４０は、絶縁体３８４の開口の内壁に接して導電体４４０ａが形成され、さらに内側に導電体４４０ｂが形成されている。ここで、導電体４４０ａおよび導電体４４０ｂの上面の高さと、絶縁体３８４の上面の高さは同程度にできる。なお、トランジスタ２００では、導電体４４０ａおよび導電体４４０ｂを積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体４４０ｂのみを設ける構成にしてもよい。
【０４８２】
導電体３１０は、絶縁体２１４および絶縁体２１６の開口の内壁に接して導電体３１０ａが形成され、さらに内側に導電体３１０ｂが形成されている。よって、導電体３１０ａは導電体４４０ｂに接する構成が好ましい。ここで、導電体３１０ａおよび導電体３１０ｂの上面の高さと、絶縁体２１６の上面の高さは同程度にできる。なお、トランジスタ２００では、導電体３１０ａおよび導電体３１０ｂを積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体３１０ｂのみを設ける構成にしてもよい。
【０４８３】
導電体４０４は、トップゲートとして機能でき、導電体３１０は、バックゲートとして機能できる。バックゲートの電位は、トップゲートと同電位としてもよいし、接地電位や、任意の電位としてもよい。また、バックゲートの電位をトップゲートと連動させず独立して変化させることで、トランジスタのしきい値電圧を変化させることができる。
【０４８４】
導電体４４０は、導電体４０４と同様にチャネル幅方向に延伸されており、導電体３１０、すなわちバックゲートに電位を印加する配線として機能する。ここで、バックゲートの配線として機能する導電体４４０の上に積層して、絶縁体２１４および絶縁体２１６に埋め込まれた導電体３１０を設けることにより、導電体４４０と導電体４０４の間に絶縁体２１４および絶縁体２１６等が設けられ、導電体４４０と導電体４０４の間の寄生容量を低減し、絶縁耐圧を高めることができる。導電体４４０と導電体４０４の間の寄生容量を低減することで、トランジスタのスイッチング速度を向上させ、高い周波数特性を有するトランジスタにすることができる。また、導電体４４０と導電体４０４の間の絶縁耐圧を高めることで、トランジスタ２００の信頼性を向上させることができる。よって、絶縁体２１４および絶縁体２１６の膜厚を大きくすることが好ましい。なお、導電体４４０の延伸方向はこれに限られず、例えば、トランジスタ２００のチャネル長方向に延伸されてもよい。
【０４８５】
ここで、導電体３１０ａおよび導電体４４０ａは、水または水素等の不純物の透過を抑制する機能を有する（透過しにくい）導電性材料を用いることが好ましい。例えば、タンタル、窒化タンタル、ルテニウムまたは酸化ルテニウム等を用いることが好ましく、単層または積層とすればよい。これにより、下層から水素、水等の不純物が導電体４４０および導電体３１０を通じて上層に拡散するのを抑制することができる。なお、導電体３１０ａおよび導電体４４０ａは、水素原子、水素分子、水分子、酸素原子、酸素分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子（Ｎ２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ２等）、銅原子等の不純物または、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子等）の少なくとも一の透過を抑制する機能を有することが好ましい。また、以下において、不純物の透過を抑制する機能を有する導電性材料について記載する場合も同様である。導電体３１０ａおよび導電体４４０ａが酸素の透過を抑制する機能を持つことにより、導電体３１０ｂおよび導電体４４０ｂが酸化して導電率が低下することを防ぐことができる。
【０４８６】
また、導電体３１０ｂは、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。また、図示しないが、導電体３１０ｂは積層構造としても良く、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。
【０４８７】
また、導電体４４０ｂは、配線として機能するため、導電体３１０ｂより導電性が高い導電体を用いることが好ましく、例えば、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることができる。また、図示しないが、導電体４４０ｂは積層構造としても良く、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。
【０４８８】
絶縁体２１４は、下層から水または水素等の不純物がトランジスタに混入するのを防ぐバリア絶縁膜として機能できる。絶縁体２１４は、水または水素等の不純物の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いることが好ましい。例えば、絶縁体２１４として窒化シリコン等を用いることが好ましい。これにより、水素、水等の不純物が絶縁体２１４より上層に拡散するのを抑制することができる。なお、絶縁体２１４は、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子（Ｎ２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ２等）、銅原子等の不純物の少なくとも一の透過を抑制する機能を有することが好ましい。また、以下において、不純物の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料について記載する場合も同様である。
【０４８９】
また、絶縁体２１４は、酸素（例えば、酸素原子または酸素分子等）の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いることが好ましい。これにより、絶縁体２２４等に含まれる酸素が下方拡散するのを抑制することができる。
【０４９０】
また、導電体４４０の上に導電体３１０を積層して設ける構成にすることにより、導電体４４０と導電体３１０の間に絶縁体２１４を設けることができる。ここで、導電体４４０ｂに銅等拡散しやすい金属を用いても、絶縁体２１４として窒化シリコン等を設けることにより、当該金属が絶縁体２１４より上の層に拡散するのを防ぐことができる。
【０４９１】
また、絶縁体２２２は、水または水素等の不純物、および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いることが好ましく、例えば、酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウム等を用いることが好ましい。これにより、絶縁体２２２より下層から水素、水等の不純物が絶縁体２２２より上層に拡散するのを抑制することができる。さらに、絶縁体２２４等に含まれる酸素が下方拡散するのを抑制することができる。
【０４９２】
また、絶縁体２２４中の水、水素または窒素酸化物等の不純物濃度が低減されていることが好ましい。例えば、絶縁体２２４の水素の脱離量は、昇温脱離ガス分析法（ＴＤＳ（Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ））において、５０℃から５００℃の範囲において、水素分子に換算した脱離量が、絶縁体２２４の面積当たりに換算して、２×１０１５ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ２以下、好ましくは１×１０１５ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ２以下、より好ましくは５×１０１４ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ２以下であればよい。また、絶縁体２２４は、加熱により酸素が放出される絶縁体を用いて形成することが好ましい。
【０４９３】
絶縁体４１２は、第１のゲート絶縁膜として機能でき、絶縁体２２０、絶縁体２２２、および絶縁体２２４は、第２のゲート絶縁膜として機能できる。なお、トランジスタ２００では、絶縁体２２０、絶縁体２２２、および絶縁体２２４を積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、絶縁体２２０、絶縁体２２２、および絶縁体２２４のうちいずれか２層を積層した構造にしてもよいし、いずれか１層を用いる構造にしてもよい。
【０４９４】
金属酸化物４０６は、酸化物半導体として機能する金属酸化物を用いることが好ましい。金属酸化物としては、エネルギーギャップが２ｅＶ以上、好ましくは２．５ｅＶ以上のものを用いることが好ましい。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。
【０４９５】
金属酸化物を用いたトランジスタは、非導通状態において極めてリーク電流が小さいため、低消費電力の半導体装置が提供できる。また、金属酸化物は、スパッタリング法等を用いて成膜できるため、高集積型の半導体装置を構成するトランジスタに用いることができる。
【０４９６】
金属酸化物４０６は、少なくともインジウムまたは亜鉛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、イットリウムまたはスズ等が含まれていることが好ましい。また、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等から選ばれた一種、または複数種が含まれていてもよい。
【０４９７】
ここでは、金属酸化物４０６が、インジウム、元素Ｍおよび亜鉛を有するＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物である場合を考える。なお、元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズ等とする。そのほかの元素Ｍに適用可能な元素としては、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、マグネシウム等がある。ただし、元素Ｍとして、前述の元素を複数組み合わせても構わない場合がある。
【０４９８】
なお、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。
【０４９９】
ここで、金属酸化物４０６ａに用いる金属酸化物において、構成元素中の元素Ｍの原子数比が、金属酸化物４０６ｂに用いる金属酸化物における、構成元素中の元素Ｍの原子数比より大きいことが好ましい。また、金属酸化物４０６ａに用いる金属酸化物において、Ｉｎに対する元素Ｍの原子数比が、金属酸化物４０６ｂに用いる金属酸化物における、Ｉｎに対する元素Ｍの原子数比より大きいことが好ましい。また、金属酸化物４０６ｂに用いる金属酸化物において、元素Ｍに対するＩｎの原子数比が、金属酸化物４０６ａに用いる金属酸化物における、元素Ｍに対するＩｎの原子数比より大きいことが好ましい。
【０５００】
以上のような金属酸化物を金属酸化物４０６ａとして用いて、金属酸化物４０６ａの伝導帯下端のエネルギーが、金属酸化物４０６ｂの伝導帯下端のエネルギーが低い領域における、伝導帯下端のエネルギーより高くなることが好ましい。また、言い換えると、金属酸化物４０６ａの電子親和力が、金属酸化物４０６ｂの伝導帯下端のエネルギーが低い領域における電子親和力より小さいことが好ましい。
【０５０１】
ここで、金属酸化物４０６ａおよび金属酸化物４０６ｂにおいて、伝導帯下端のエネルギー準位はなだらかに変化する。換言すると、連続的に変化または連続接合するともいうことができる。このようにするためには、金属酸化物４０６ａと金属酸化物４０６ｂとの界面において形成される混合層の欠陥準位密度を低くするとよい。
【０５０２】
具体的には、金属酸化物４０６ａと金属酸化物４０６ｂが、酸素以外に共通の元素を有する（主成分とする）ことで、欠陥準位密度が低い混合層を形成することができる。例えば、金属酸化物４０６ｂがＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物の場合、金属酸化物４０６ａとして、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ｇａ−Ｚｎ酸化物、酸化ガリウム等を用いるとよい。
【０５０３】
このとき、キャリアの主たる経路は金属酸化物４０６ｂに形成されるナローギャップ部分となる。金属酸化物４０６ａと金属酸化物４０６ｂとの界面における欠陥準位密度を低くすることができるため、界面散乱によるキャリア伝導への影響が小さく、高いオン電流が得られる。
【０５０４】
また、金属酸化物４０６は、領域４２６ａ、領域４２６ｂ、および領域４２６ｃを有する。領域４２６ａは、図３６（Ｂ）に示すように、領域４２６ｂと領域４２６ｃに挟まれる。領域４２６ｂおよび領域４２６ｃは、絶縁体２２５の成膜により低抵抗化された領域であり、領域４２６ａより導電性が高い領域となる。領域４２６ｂおよび領域４２６ｃは、絶縁体２２５の成膜雰囲気に含まれる、水素または窒素等の不純物元素が添加される。これにより、金属酸化物４０６ｂの絶縁体２２５と重なる領域を中心に、添加された不純物元素により酸素欠損が形成され、さらに当該不純物元素が酸素欠損に入り込むことで、キャリア密度が高くなり、低抵抗化される。
【０５０５】
よって、領域４２６ｂおよび領域４２６ｃは、領域４２６ａより、水素および窒素の少なくとも一方の濃度が大きくなることが好ましい。水素または窒素の濃度は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）等を用いて測定すればよい。ここで、領域４２６ａの水素または窒素の濃度としては、金属酸化物４０６ｂの絶縁体４１２と重なる領域の中央近傍（例えば、金属酸化物４０６ｂの絶縁体４１２のチャネル長方向の両側面からの距離が概略等しい部分）の水素または窒素の濃度を測定すればよい。
【０５０６】
なお、領域４２６ｂおよび領域４２６ｃは、酸素欠損を形成する元素、または酸素欠損と結合する元素を添加されることで低抵抗化される。このような元素としては、代表的には水素、ホウ素、炭素、窒素、フッ素、リン、硫黄、塩素、チタン、希ガス等が挙げられる。また、希ガス元素の代表例としては、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、およびキセノン等がある。よって、領域４２６ｂおよび領域４２６ｃは、上記元素の一つまたは複数を含む構成にすればよい。
【０５０７】
また、金属酸化物４０６ａは、領域４２６ｂおよび領域４２６ｃにおいて、元素Ｍに対するＩｎの原子数比が、金属酸化物４０６ｂの元素Ｍに対するＩｎの原子数比と同程度になることが好ましい。言い換えると、金属酸化物４０６ａは、領域４２６ｂおよび領域４２６ｃにおける元素Ｍに対するＩｎの原子数比が、領域４２６ａにおける元素Ｍに対するＩｎの原子数比より大きいことが好ましい。ここで、金属酸化物４０６は、インジウムの含有率を高くすることで、キャリア密度を高くし、低抵抗化を図ることができる。このような構成にすることにより、トランジスタ２００の作製工程において、金属酸化物４０６ｂの膜厚が薄くなり、金属酸化物４０６ｂの電気抵抗が大きくなった場合でも、領域４２６ｂおよび領域４２６ｃにおいて、金属酸化物４０６ａが十分低抵抗化されており、金属酸化物４０６の領域４２６ｂおよび領域４２６ｃはソース領域およびドレイン領域として機能させることができる。
【０５０８】
図３６（Ｂ）に示す領域４２６ａ近傍の拡大図を、図３７（Ａ）に示す。図３７（Ａ）に示すように、領域４２６ｂおよび領域４２６ｃは、金属酸化物４０６の少なくとも絶縁体２２５と重なる領域に形成される。ここで、金属酸化物４０６ｂの領域４２６ｂおよび領域４２６ｃの一方は、ソース領域として機能でき、他方はドレイン領域として機能できる。また、金属酸化物４０６ｂの領域４２６ａはチャネル形成領域として機能できる。
【０５０９】
なお、図３６（Ｂ）および図３７（Ａ）では、領域４２６ａ、領域４２６ｂ、および領域４２６ｃが、金属酸化物４０６ｂおよび金属酸化物４０６ａに形成されているが、これらの領域は少なくとも金属酸化物４０６ｂに形成されていればよい。また、図３６（Ｂ）等では、領域４２６ａと領域４２６ｂの境界、および領域４２６ａと領域４２６ｃの境界を金属酸化物４０６の上面に対して略垂直に表示しているが、本実施の形態はこれに限られるものではない。例えば、領域４２６ｂおよび領域４２６ｃが金属酸化物４０６ｂの表面近傍では導電体４０４側に張り出し、金属酸化物４０６ａの下面近傍では、絶縁体２２５側に後退する形状になる場合がある。
【０５１０】
トランジスタ２００では、図３７（Ａ）に示すように、領域４２６ｂおよび領域４２６ｃが、金属酸化物４０６の絶縁体２２５と接する領域と、絶縁体４１８、および絶縁体４１２の両端部近傍と重なる領域に形成される。このとき、領域４２６ｂおよび領域４２６ｃの導電体４０４と重なる部分は、所謂オーバーラップ領域（Ｌｏｖ領域ともいう）として機能する。Ｌｏｖ領域を有する構造とすることで、金属酸化物４０６のチャネル形成領域と、ソース領域およびドレイン領域との間に高抵抗領域が形成されないため、トランジスタのオン電流および移動度を大きくすることができる。
【０５１１】
ただし、本実施の形態に示す半導体装置はこれに限られるものではない。例えば、図３７（Ｂ）に示すように、領域４２６ｂおよび領域４２６ｃが、金属酸化物４０６の絶縁体２２５および絶縁体４１８と重なる領域に形成される構成にしてもよい。なお、図３７（Ｂ）に示す構成を別言すると、導電体４０４のチャネル長方向の幅と、領域４２６ａとの幅と、が概略一致している構成である。図３７（Ｂ）に示す構成とすることで、ソース領域およびドレイン領域との間に高抵抗領域が形成されないため、トランジスタのオン電流を大きくすることができる。また、図３７（Ｂ）に示す構成とすることで、チャネル長方向において、ソース領域およびドレイン領域と、ゲートとが重ならないため、不要な容量が形成されるのを抑制することができる。
【０５１２】
このように、領域４２６ｂおよび領域４２６ｃの範囲を適宜選択することにより、回路設計に合わせて、要求に見合う電気特性を有するトランジスタを容易に提供することができる。
【０５１３】
絶縁体４１２は、金属酸化物４０６ｂの上面に接して配置されることが好ましい。絶縁体４１２は、加熱により酸素が放出される絶縁体を用いて形成することが好ましい。このような絶縁体４１２を金属酸化物４０６ｂの上面に接して設けることにより、金属酸化物４０６ｂに効果的に酸素を供給することができる。また、絶縁体２２４と同様に、絶縁体４１２中の水または水素等の不純物濃度が低減されていることが好ましい。絶縁体４１２の膜厚は、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下とするのが好ましく、例えば、１ｎｍ程度の膜厚にすればよい。
【０５１４】
絶縁体４１２は酸素を含むことが好ましい。例えば、昇温脱離ガス分光法分析（ＴＤＳ分析）にて、１００℃以上７００℃以下または１００℃以上５００℃以下の表面温度の範囲で、酸素分子の脱離量を絶縁体４１２の面積当たりに換算して、１×１０１４ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ２以上、好ましくは２×１０１４ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ２以上、より好ましくは４×１０１４ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ２以上であればよい。
【０５１５】
絶縁体４１２、導電体４０４、および絶縁体４１９は、金属酸化物４０６ｂと重なる領域を有する。また、絶縁体４１２、導電体４０４ａ、導電体４０４ｂ、および絶縁体４１９の側面は略一致することが好ましい。
【０５１６】
導電体４０４ａとして、導電性酸化物を用いることが好ましい。例えば、金属酸化物４０６ａまたは金属酸化物４０６ｂとして用いることができる金属酸化物を用いることができる。特に、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物のうち、導電性が高い、金属の原子数比が［Ｉｎ］：［Ｇａ］：［Ｚｎ］＝４：２：３から４．１、およびその近傍値のものを用いることが好ましい。このような導電体４０４ａを設けることで、導電体４０４ｂへの酸素の透過を抑制し、酸化によって導電体４０４ｂの電気抵抗値が増加することを防ぐことができる。
【０５１７】
また、このような導電性酸化物を、スパッタリング法を用いて成膜することで、絶縁体４１２に酸素を添加し、金属酸化物４０６ｂに酸素を供給することが可能となる。これにより、金属酸化物４０６の領域４２６ａの酸素欠損を低減することができる。
【０５１８】
導電体４０４ｂは、例えばタングステン等の金属を用いることができる。また、導電体４０４ｂとして、導電体４０４ａに窒素等の不純物を添加して導電体４０４ａの導電性を向上できる導電体を用いてもよい。例えば導電体４０４ｂは、窒化チタン等を用いることが好ましい。また、導電体４０４ｂを、窒化チタン等の金属窒化物と、その上にタングステン等の金属を積層した構造にしてもよい。
【０５１９】
ここで、ゲート電極の機能を有する導電体４０４が、絶縁体４１２を介して、金属酸化物４０６ｂの領域４２６ａ近傍の上面およびチャネル幅方向の側面を覆うように設けられる。したがって、ゲート電極としての機能を有する導電体４０４の電界によって、金属酸化物４０６ｂの領域４２６ａ近傍の上面およびチャネル幅方向の側面を電気的に取り囲むことができる。導電体４０４の電界によって、チャネル形成領域を電気的に取り囲むトランジスタの構造を、ｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄ  ｃｈａｎｎｅｌ（ｓ−ｃｈａｎｎｅｌ）構造とよぶ。そのため、金属酸化物４０６ｂの領域４２６ａ近傍の上面およびチャネル幅方向の側面にチャネルを形成することができるので、ソース−ドレイン間に大電流を流すことができ、導通時の電流（オン電流）を大きくすることができる。また、金属酸化物４０６ｂの領域４２６ａ近傍の上面およびチャネル幅方向の側面が、導電体４０４の電界によって取り囲まれていることから、非導通時のリーク電流（オフ電流）を小さくすることができる。
【０５２０】
導電体４０４ｂの上に絶縁体４１９が配置されることが好ましい。また、絶縁体４１９、導電体４０４ａ、導電体４０４ｂ、および絶縁体４１２の側面は略一致することが好ましい。絶縁体４１９は、原子層堆積（ＡＬＤ：Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて成膜することが好ましい。これにより、絶縁体４１９の膜厚を１ｎｍ以上２０ｎｍ以下程度、好ましくは５ｎｍ以上５１０ｎｍ以下程度で成膜することができる。ここで、絶縁体４１９は、絶縁体４１８と同様に、水または水素等の不純物、および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いることが好ましく、例えば、酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウム等を用いることが好ましい。
【０５２１】
このような絶縁体４１９を設けることにより、水または水素等の不純物、および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体４１９と絶縁体４１８で導電体４０４の上面と側面を覆うことができる。これにより、導電体４０４を介して、水または水素等の不純物が金属酸化物４０６に混入することを防ぐことができる。このように、絶縁体４１８と絶縁体４１９はゲートを保護するゲートキャップとしての機能を有する。
【０５２２】
絶縁体４１８は、絶縁体４１２、導電体４０４、および絶縁体４１９の側面に接して設けられる。また、絶縁体４１８の上面は、絶縁体４１９の上面に略一致することが好ましい。絶縁体４１８は、ＡＬＤ法を用いて成膜することが好ましい。これにより、絶縁体４１８の膜厚を１ｎｍ以上２０ｎｍ以下程度、好ましくは１ｎｍ以上３ｎｍ以下程度、例えば１ｎｍで成膜することができる。
【０５２３】
上記の通り、金属酸化物４０６の領域４２６ｂおよび領域４２６ｃは、絶縁体２２５の成膜で添加された不純物元素によって形成される。トランジスタが微細化され、チャネル長が１０ｎｍ乃至３０ｎｍ程度に形成されている場合、ソース領域またはドレイン領域に含まれる不純物元素が拡散し、ソース領域とドレイン領域が電気的に導通する恐れがある。これに対して、本実施の形態に示すように、絶縁体４１８を形成することにより、金属酸化物４０６の絶縁体２２５と接する領域同士の間の距離を大きくすることができるので、ソース領域とドレイン領域が電気的に導通することを防ぐことができる。さらに、ＡＬＤ法を用いて、絶縁体４１８を形成することで、微細化されたチャネル長と同程度以下の膜厚にし、必要以上にソース領域とドレイン領域の距離が広がって、抵抗が増大することをふせぐことができる。
【０５２４】
ここで、絶縁体４１８は、水または水素等の不純物、および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いることが好ましく、例えば、酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウム等を用いることが好ましい。これにより、絶縁体４１２中の酸素が外部に拡散することを防ぐことができる。また、絶縁体４１２の端部等から金属酸化物４０６に水素、水等の不純物が浸入するのを抑制することができる。
【０５２５】
絶縁体４１８は、ＡＬＤ法を用いて絶縁膜を成膜してから、異方性エッチングを行って、当該絶縁膜のうち、絶縁体４１２、導電体４０４、および絶縁体４１９の側面に接する部分を残存させて形成することが好ましい。これにより、上記のように膜厚の薄い絶縁体を容易に形成することができる。また、このとき、導電体４０４の上に、絶縁体４１９を設けておくことで、当該異方性エッチングで絶縁体４１９が一部除去されても、絶縁体４１８の絶縁体４１２および導電体４０４に接する部分を十分残存させることができる。
【０５２６】
絶縁体２２５は、絶縁体４１９、絶縁体４１８、金属酸化物４０６および絶縁体２２４を覆って設けられる。ここで、絶縁体２２５は、絶縁体４１９および絶縁体４１８の上面に接し、かつ絶縁体４１８の側面に接して設けられる。絶縁体２２５は、上述の通り、水素または窒素等の不純物を金属酸化物４０６に添加して、領域４２６ｂおよび領域４２６ｃを形成する。このため、絶縁体２２５は、水素および窒素の少なくとも一方を有することが好ましい。
【０５２７】
また、絶縁体２２５は、金属酸化物４０６ｂの上面に加えて、金属酸化物４０６ｂの側面および金属酸化物４０６ａの側面に接して設けられることが好ましい。これにより、領域４２６ｂおよび領域４２６ｃにおいて、金属酸化物４０６ｂの側面および金属酸化物４０６ａの側面まで低抵抗化することができる。
【０５２８】
また、絶縁体２２５は、水または水素等の不純物、および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いることが好ましい。例えば、絶縁体２２５として、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、窒化酸化アルミニウム等を用いることが好ましい。このような絶縁体２２５を形成することで、絶縁体２２５を透過して酸素が浸入し、領域４２６ｂおよび領域４２６ｃの酸素欠損に酸素を供給して、キャリア密度が低下するのを防ぐことができる。また、絶縁体２２５を透過して水または水素等の不純物が浸入し、領域４２６ｂおよび領域４２６ｃが過剰に領域４２６ａ側に拡張するのを防ぐことができる。
【０５２９】
絶縁体２２５の上に絶縁体２８０を設けることが好ましい。絶縁体２８０は、絶縁体２２４等と同様に、膜中の水または水素等の不純物濃度が低減されていることが好ましい。
【０５３０】
絶縁体２８０および絶縁体２２５に形成された開口に導電体４５０ａおよび導電体４５１ａと、導電体４５０ｂおよび導電体４５１ｂと、が配置される。導電体４５０ａおよび導電体４５１ａと、導電体４５０ｂおよび導電体４５１ｂと、は、導電体４０４を挟んで対向して設けられることが好ましい。
【０５３１】
ここで、絶縁体２８０および絶縁体２２５の開口の内壁に接して導電体４５０ａが形成され、さらに内側に導電体４５１ａが形成されている。当該開口の底部の少なくとも一部には金属酸化物４０６の領域４２６ｂが位置しており、導電体４５０ａは領域４２６ｂと接する。同様に、絶縁体２８０および絶縁体２２５の開口の内壁に接して導電体４５０ｂが形成され、さらに内側に導電体４５１ｂが形成されている。当該開口の底部の少なくとも一部には金属酸化物４０６の領域４２６ｃが位置しており、導電体４５０ｂは領域４２６ｃと接する。
【０５３２】
ここで、図３６（Ｃ）は、図３６（Ａ）にＡ５−Ａ６の一点鎖線で示す部位の断面図を図３８（Ａ）に示す。なお、図３６（Ｃ）では、導電体４５０ｂおよび導電体４５１ｂの断面図を示すが、導電体４５０ａおよび導電体４５１ａの構造も同様である。
【０５３３】
図３６（Ｂ）および図３８（Ａ）に示すように、導電体４５０ｂは、少なくとも金属酸化物４０６の上面と接し、さらに金属酸化物４０６の側面と接することが好ましい。特に、図３８（Ａ）に示すように、導電体４５０ｂは、金属酸化物４０６のチャネル幅方向のＡ５側の側面およびＡ６側の側面双方、または一方と接することが好ましい。また、図３６（Ｂ）に示すように、導電体４５０ｂが、金属酸化物４０６のチャネル長方向のＡ２側の側面と接する構成にしてもよい。このように、導電体４５０ｂが金属酸化物４０６の上面に加えて、金属酸化物４０６の側面と接する構成にすることにより、導電体４５０ｂと金属酸化物４０６のコンタクト部の上面積を増やすことなく、コンタクト部の接触面積を増加させ、導電体４５０ｂと金属酸化物４０６の接触抵抗を低減することができる。これにより、トランジスタのソース電極およびドレイン電極の微細化を図りつつ、オン電流を大きくすることができる。なお、導電体４５０ａおよび導電体４５１ａについても上記と同様のことが言える。
【０５３４】
ここで、導電体４５０ａはトランジスタ２００のソース領域およびドレイン領域の一方として機能する領域４２６ｂと接しており、導電体４５０ｂはトランジスタ２００のソース領域およびドレイン領域の他方として機能する領域４２６ｃと接している。よって、導電体４５０ａおよび導電体４５１ａはソース電極およびドレイン電極の一方として機能でき、導電体４５０ｂおよび導電体４５１ｂはソース電極およびドレイン電極の他方として機能できる。領域４２６ｂおよび領域４２６ｃは低抵抗化されているので、導電体４５０ａと領域４２６ｂの接触抵抗、および導電体４５０ｂと領域４２６ｃの接触抵抗を低減し、トランジスタ２００のオン電流を大きくすることができる。
【０５３５】
ここで、導電体４５０ａおよび導電体４５０ｂは、導電体３１０ａ等と同様に、水または水素等の不純物の透過を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。例えば、タンタル、窒化タンタル、チタン、窒化チタン、ルテニウムまたは酸化ルテニウム等を用いることが好ましく、単層または積層とすればよい。これにより、絶縁体２８０より上層から水素、水等の不純物が導電体４５１ａおよび導電体４５１ｂを通じて金属酸化物４０６に混入するのを抑制することができる。
【０５３６】
また、導電体４５１ａおよび導電体４５１ｂは、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。また、図示しないが、導電体４５１ａおよび導電体４５１ｂは積層構造としても良く、例えば、チタン、窒化チタンと上記導電性材料との積層としてもよい。
【０５３７】
なお、図３６（Ｃ）および図３８（Ａ）では、導電体４５０ａおよび導電体４５０ｂが、金属酸化物４０６ａおよび金属酸化物４０６ｂの両方と接しているが、これに限られず、例えば、金属酸化物４０６ｂのみと接する構成にしてもよい。また、導電体４５０ａ、導電体４５１ａ、導電体４５０ｂ、および導電体４５１ｂの上面の高さは同程度にできる。また、トランジスタ２００では、導電体４５０ａと導電体４５１ａを積層にし、導電体４５０ｂと導電体４５１ｂを積層にする構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体４５１ａと導電体４５１ｂのみを設ける構成にしてもよい。
【０５３８】
また、図３８（Ａ）では、絶縁体２２４が、導電体４５０ａおよび導電体４５０ｂが設けられる開口の底部になっているが、本実施の形態はこれに限られるものではない。図３８（Ｂ）に示すように、絶縁体２２２が、導電体４５０ａおよび導電体４５０ｂが設けられる開口の底部になる場合もある。図３８（Ａ）に示す場合は、導電体４５０ｂ（導電体４５０ａ）が、絶縁体２２４、金属酸化物４０６ａ、金属酸化物４０６ｂ、絶縁体２２５、および絶縁体２８０と接する。図３８（Ｂ）に示す場合では、導電体４５０ｂ（導電体４５０ａ）が、絶縁体２２２、絶縁体２２４、金属酸化物４０６ａ、金属酸化物４０６ｂ、絶縁体２２５、および絶縁体２８０と接する。
【０５３９】
次に、トランジスタ２００の構成材料について説明する。
【０５４０】
＜＜基板＞＞
トランジスタ２００を形成する基板としては、例えば、絶縁体基板、半導体基板または導電体基板を用いればよい。絶縁体基板としては、例えば、ガラス基板、石英基板、サファイア基板、安定化ジルコニア基板（イットリア安定化ジルコニア基板等）、樹脂基板等がある。また、半導体基板としては、例えば、シリコン、ゲルマニウム等の単体半導体基板、または炭化シリコン、シリコンゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、酸化亜鉛、酸化ガリウムからなる化合物半導体基板等がある。さらには、前述の半導体基板内部に絶縁体領域を有する半導体基板、例えばＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板等がある。導電体基板としては、黒鉛基板、金属基板、合金基板、導電性樹脂基板等がある。または、金属の窒化物を有する基板、金属の酸化物を有する基板等がある。さらには、絶縁体基板に導電体または半導体が設けられた基板、半導体基板に導電体または絶縁体が設けられた基板、導電体基板に半導体または絶縁体が設けられた基板等がある。または、これらの基板に素子が設けられたものを用いてもよい。基板に設けられる素子としては、容量素子、抵抗素子、スイッチ素子、発光素子、記憶素子等がある。
【０５４１】
また、基板として、可とう性基板を用いてもよい。なお、可とう性基板上にトランジスタを設ける方法としては、非可とう性の基板上にトランジスタを作製した後、トランジスタを剥離し、可とう性基板である基板に転置する方法もある。その場合には、非可とう性基板とトランジスタとの間に剥離層を設けるとよい。なお、基板として、繊維を編みこんだシート、フィルムまたは箔等を用いてもよい。また、基板が伸縮性を有してもよい。また、基板は、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に戻る性質を有してもよい。または、元の形状に戻らない性質を有してもよい。基板は、例えば、５μｍ以上７００μｍ以下、好ましくは１０μｍ以上５００μｍ以下、さらに好ましくは１５μｍ以上３００μｍ以下の厚さとなる領域を有する。基板を薄くすると、トランジスタを有する半導体装置を軽量化することができる。また、基板を薄くすることで、ガラス等を用いた場合にも伸縮性を有する場合や、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に戻る性質を有する場合がある。そのため、落下等によって基板上の半導体装置に加わる衝撃等を緩和することができる。即ち、丈夫な半導体装置を提供することができる。
【０５４２】
可とう性基板である基板としては、例えば、金属、合金、樹脂もしくはガラス、またはそれらの繊維等を用いることができる。可とう性基板である基板は、線膨張率が低いほど環境による変形が抑制されて好ましい。可とう性基板である基板としては、例えば、線膨張率が１×１０−３／Ｋ以下、５×１０−５／Ｋ以下、または１×１０−５／Ｋ以下である材質を用いればよい。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド（ナイロン、アラミド等）、ポリイミド、ポリカーボネート、アクリル等がある。特に、アラミドは、線膨張率が低いため、可とう性基板である基板として好適である。
【０５４３】
＜＜絶縁体＞＞
絶縁体としては、絶縁性を有する酸化物、窒化物、酸化窒化物、窒化酸化物、金属酸化物、金属酸化窒化物、金属窒化酸化物等がある。
【０５４４】
トランジスタを、水素等の不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体で囲うことによって、トランジスタの電気特性を安定にすることができる。例えば、絶縁体２２２、絶縁体２１４として、水素等の不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体を用いればよい。
【０５４５】
水素等の不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、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、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。
【０５４６】
また、例えば、絶縁体２２２および絶縁体２１４としては、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、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、酸化ハフニウムまたは酸化タンタル等の金属酸化物、窒化酸化シリコンまたは窒化シリコン等を用いればよい。なお、絶縁体２２２および絶縁体２１４は、酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウム等を有することが好ましい。
【０５４７】
絶縁体３８４、絶縁体２１６、絶縁体２２０、絶縁体２２４および絶縁体４１２としては、例えば、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、アルゴン、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、ネオジム、ハフニウムまたはタンタルを含む絶縁体を、単層で、または積層で用いればよい。例えば、絶縁体３８４、絶縁体２１６、絶縁体２２０、絶縁体２２４および絶縁体４１２としては、酸化シリコン、酸化窒化シリコンまたは、窒化シリコンを有することが好ましい。
【０５４８】
絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁体２２４、および／または絶縁体４１２は、比誘電率の高い絶縁体を有することが好ましい。例えば、絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁体２２４、および／または絶縁体４１２は、酸化ガリウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、アルミニウムおよびハフニウムを有する酸化物、アルミニウムおよびハフニウムを有する酸化窒化物、シリコンおよびハフニウムを有する酸化物、シリコンおよびハフニウムを有する酸化窒化物またはシリコンおよびハフニウムを有する窒化物等を有することが好ましい。または、絶縁体２２０、絶縁体２２２、絶縁体２２４、および／または絶縁体４１２は、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンと、比誘電率の高い絶縁体と、の積層構造を有することが好ましい。酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため、比誘電率の高い絶縁体と組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の高い積層構造とすることができる。例えば、絶縁体２２４および絶縁体４１２において、酸化アルミニウム、酸化ガリウムまたは酸化ハフニウムを金属酸化物４０６と接する構造とすることで、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンに含まれるシリコンが、金属酸化物４０６に混入することを抑制することができる。また、例えば、絶縁体２２４および絶縁体４１２において、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンを金属酸化物４０６と接する構造とすることで、酸化アルミニウム、酸化ガリウムまたは酸化ハフニウムと、酸化シリコンまたは酸化窒化シリコンと、の界面にトラップセンターが形成される場合がある。該トラップセンターは、電子を捕獲することでトランジスタのしきい値電圧をプラス方向に変動させることができる場合がある。
【０５４９】
絶縁体３８４、絶縁体２１６、および絶縁体２８０は、比誘電率の低い絶縁体を有することが好ましい。例えば、絶縁体３８４、絶縁体２１６、および絶縁体２８０は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンまたは樹脂等を有することが好ましい。または、絶縁体３８４、絶縁体２１６、および絶縁体２８０は、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素および窒素を添加した酸化シリコンまたは空孔を有する酸化シリコンと、樹脂と、の積層構造を有することが好ましい。酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため、樹脂と組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の低い積層構造とすることができる。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド（ナイロン、アラミド等）、ポリイミド、ポリカーボネートまたはアクリル等がある。
【０５５０】
絶縁体４１８および絶縁体４１９としては、水素等の不純物および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁体を用いればよい。絶縁体４１８および絶縁体４１９としては、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化マグネシウム、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、酸化ネオジムまたは酸化タンタル等の金属酸化物、窒化酸化シリコンまたは窒化シリコン等を用いればよい。
【０５５１】
＜＜導電体＞＞
導電体４０４ａ、導電体４０４ｂ、導電体３１０ａ、導電体３１０ｂ、導電体４５０ａ、導電体４５０ｂ、導電体４５１ａおよび導電体４５１ｂとしては、アルミニウム、クロム、銅、銀、金、白金、タンタル、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、インジウム、ルテニウム等から選ばれた金属元素を１種以上含む材料を用いることができる。また、リン等の不純物元素を含有させた多結晶シリコンに代表される、電気伝導度が高い半導体、ニッケルシリサイド等のシリサイドを用いてもよい。
【０５５２】
また、上記導電体、特に導電体４０４ａ、導電体３１０ａ、導電体４５０ａ、および導電体４５０ｂとして、金属酸化物４０６に適用可能な金属酸化物に含まれる金属元素および酸素を含む導電性材料を用いてもよい。また、前述した金属元素および窒素を含む導電性材料を用いてもよい。例えば、窒化チタン、窒化タンタル等の窒素を含む導電性材料を用いてもよい。また、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、シリコンを添加したインジウム錫酸化物を用いてもよい。また、窒素を含むインジウムガリウム亜鉛酸化物を用いてもよい。このような材料を用いることで、金属酸化物４０６に含まれる水素を捕獲することができる場合がある。または、外方の絶縁体等から混入する水素を捕獲することができる場合がある。
【０５５３】
また、上記の材料で形成される導電層を複数積層して用いてもよい。例えば、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。また、前述した金属元素を含む材料と、窒素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。また、前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、窒素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造としてもよい。
【０５５４】
なお、トランジスタのチャネル形成領域に酸化物を用いる場合は、ゲート電極として前述した金属元素を含む材料と、酸素を含む導電性材料と、を組み合わせた積層構造を用いることが好ましい。この場合は、酸素を含む導電性材料をチャネル形成領域側に設けるとよい。酸素を含む導電性材料をチャネル形成領域側に設けることで、当該導電性材料から離脱した酸素がチャネル形成領域に供給されやすくなる。
【０５５５】
＜＜金属酸化物４０６に適用可能な金属酸化物＞＞
以下に、本発明に係る金属酸化物４０６について説明する。金属酸化物４０６として、酸化物半導体として機能する金属酸化物を用いることが好ましい。
【０５５６】
金属酸化物４０６は、少なくともインジウムまたは亜鉛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、イットリウムまたはスズ等が含まれていることが好ましい。また、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等から選ばれた一種、または複数種が含まれていてもよい。
【０５５７】
ここで、金属酸化物４０６が、インジウム、元素Ｍおよび亜鉛を有する場合を考える。なお、金属酸化物４０６が有するインジウム、元素Ｍ、および亜鉛の原子数比のそれぞれの項を［Ｉｎ］、［Ｍ］、および［Ｚｎ］とする。
【０５５８】
以下に、図３９（Ａ）、図３９（Ｂ）、および図３９（Ｃ）を用いて、金属酸化物４０６が有するインジウム、元素Ｍおよび亜鉛の原子数比の好ましい範囲について説明する。なお、図３９（Ａ）、図３９（Ｂ）、および図３９（Ｃ）には、酸素の原子数比については記載しない。また、金属酸化物４０６が有するインジウム、元素Ｍ、および亜鉛の原子数比のそれぞれの項を［Ｉｎ］、［Ｍ］、および［Ｚｎ］とする。
【０５５９】
図３９（Ａ）、図３９（Ｂ）、および図３９（Ｃ）において、破線は、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝（１＋α）：（１−α）：１の原子数比（−１≦α≦１）となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝（１＋α）：（１−α）：２の原子数比となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝（１＋α）：（１−α）：３の原子数比となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝（１＋α）：（１−α）：４の原子数比となるライン、および［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝（１＋α）：（１−α）：５の原子数比となるラインを表す。
【０５６０】
また、一点鎖線は、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝５：１：βの原子数比（β≧０）となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝２：１：βの原子数比となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：１：βの原子数比となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：２：βの原子数比となるライン、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：３：βの原子数比となるライン、および［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：４：βの原子数比となるラインを表す。
【０５６１】
また、図３９（Ａ）、図３９（Ｂ）、および図３９（Ｃ）に示す、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝０：２：１の原子数比、およびその近傍値の金属酸化物は、スピネル型の結晶構造をとりやすい。
【０５６２】
また、金属酸化物中に複数の相が共存する場合がある（二相共存、三相共存等）。例えば、原子数比が［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝０：２：１の近傍値である場合、スピネル型の結晶構造と層状の結晶構造との二相が共存しやすい。また、原子数比が［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝１：０：０の近傍値である場合、ビックスバイト型の結晶構造と層状の結晶構造との二相が共存しやすい。金属酸化物中に複数の相が共存する場合、異なる結晶構造の間において、結晶粒界が形成される場合がある。
【０５６３】
図３９（Ａ）に示す領域Ａは、金属酸化物４０６が有する、インジウム、元素Ｍ、および亜鉛の原子数比の好ましい範囲の一例について示している。
【０５６４】
金属酸化物は、インジウムの含有率を高くすることで、金属酸化物のキャリア移動度（電子移動度）を高くすることができる。したがって、インジウムの含有率が高い金属酸化物はインジウムの含有率が低い金属酸化物と比較してキャリア移動度が高くなる。
【０５６５】
一方、金属酸化物中のインジウムおよび亜鉛の含有率が低くなると、キャリア移動度が低くなる。したがって、原子数比が［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝０：１：０、およびその近傍値である場合（例えば図３９（Ｃ）に示す領域Ｃ）は、絶縁性が高くなる。
【０５６６】
例えば、金属酸化物４０６ｂに用いる金属酸化物は、キャリア移動度が高い、図３９（Ａ）の領域Ａで示される原子数比を有することが好ましい。金属酸化物４０６ｂに用いる金属酸化物は、例えばＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３から４．１、およびその近傍値程度になるようにすればよい。一方、金属酸化物４０６ａに用いる金属酸化物は、絶縁性が比較的高い、図３９（Ｃ）の領域Ｃで示される原子数比を有することが好ましい。金属酸化物４０６ａに用いる金属酸化物は、例えばＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４程度になるようにすればよい。
【０５６７】
特に、図３９（Ｂ）に示す領域Ｂでは、領域Ａの中でも、キャリア移動度が高く、信頼性が高い優れた金属酸化物が得られる。
【０５６８】
なお、領域Ｂは、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝４：２：３から４．１、およびその近傍値を含む。近傍値には、例えば、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝５：３：４が含まれる。また、領域Ｂは、［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝５：１：６、およびその近傍値、および［Ｉｎ］：［Ｍ］：［Ｚｎ］＝５：１：７、およびその近傍値を含む。
【０５６９】
また、金属酸化物４０６として、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物を用いる場合、スパッタリングターゲットとしては、多結晶のＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物を含むターゲットを用いると好ましい。なお、成膜される金属酸化物の原子数比は、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。例えば、金属酸化物４０６に用いるスパッタリングターゲットの組成がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］の場合、成膜される金属酸化物の組成は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３［原子数比］の近傍となる場合がある。また、金属酸化物４０６に用いるスパッタリングターゲットの組成がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝５：１：７［原子数比］の場合、成膜される金属酸化物の組成は、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝５：１：６［原子数比］の近傍となる場合がある。
【０５７０】
なお、金属酸化物が有する性質は、原子数比によって一義的に定まらない。同じ原子数比であっても、形成条件により、金属酸化物の性質が異なる場合がある。例えば、金属酸化物４０６をスパッタリング装置にて成膜する場合、ターゲットの原子数比からずれた原子数比の膜が形成される。また、成膜時の基板温度によっては、ターゲットの［Ｚｎ］よりも、膜の［Ｚｎ］が小さくなる場合がある。したがって、図示する領域は、金属酸化物が特定の特性を有する傾向がある原子数比を示す領域であり、領域Ａ乃至領域Ｃの境界は厳密ではない。
【０５７１】
＜＜金属酸化物の構成＞＞
以下では、ＯＳトランジスタに用いることができるＣＡＣ（Ｃｌｏｕｄ−Ａｌｉｇｎｅｄ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）−ＯＳの構成について説明する。
【０５７２】
なお、本明細書等において、ＣＡＡＣ（ｃ−ａｘｉｓ  ａｌｉｇｎｅｄ  ｃｒｙｓｔａｌ）、およびＣＡＣ（Ｃｌｏｕｄ−Ａｌｉｇｎｅｄ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）と記載する場合がある。なお、ＣＡＡＣは結晶構造の一例を表し、ＣＡＣは機能、または材料の構成の一例を表す。
【０５７３】
ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ  ｏｘｉｄｅとは、材料の一部では導電性の機能と、材料の一部では絶縁性の機能とを有し、材料の全体では半導体としての機能を有する。なお、ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ  ｏｘｉｄｅを、トランジスタの活性層に用いる場合、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。
【０５７４】
また、ＣＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ｍｅｔａｌ  ｏｘｉｄｅは、導電性領域、およ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。
【０５７５】
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。
【０５７６】
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、および高い電界効果移動度を得ることができる。
【０５７７】
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。
【０５７８】
＜＜金属酸化物の構造＞＞
酸化物半導体は、単結晶酸化物半導体と、それ以外の非単結晶酸化物半導体と、に分けられる。非単結晶酸化物半導体としては、例えば、ＣＡＡＣ−ＯＳ（ｃ−ａｘｉｓ  ａｌｉｇｎｅｄ  ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  ｏｘｉｄｅ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、多結晶酸化物半導体、ｎｃ−ＯＳ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  ｏｘｉｄｅ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、擬似非晶質酸化物半導体（ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ：ａｍｏｒｐｈｏｕｓ−ｌｉｋｅ  ｏｘｉｄｅ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）および非晶質酸化物半導体等がある。
【０５７９】
ＣＡＡＣ−ＯＳは、ｃ軸配向性を有し、かつａ−ｂ面方向において複数のナノ結晶が連結し、歪みを有した結晶構造となっている。なお、歪みとは、複数のナノ結晶が連結する領域において、格子配列の揃った領域と、別の格子配列の揃った領域と、の間で格子配列の向きが変化している箇所を指す。
【０５８０】
ナノ結晶は、六角形を基本とするが、正六角形状とは限らず、非正六角形状である場合がある。また、歪みにおいて、五角形、および七角形等の格子配列を有する場合がある。なお、ＣＡＡＣ−ＯＳにおいて、歪み近傍においても、明確な結晶粒界（グレインバウンダリーともいう）を確認することはできない。即ち、格子配列の歪みによって、結晶粒界の形成が抑制されていることがわかる。これは、ＣＡＡＣ−ＯＳが、ａ−ｂ面方向において酸素原子の配列が稠密でないことや、金属元素が置換することで原子間の結合距離が変化すること等によって、歪みを許容することができるためと考えられる。
【０５８１】
また、ＣＡＡＣ−ＯＳは、インジウム、および酸素を有する層（以下、Ｉｎ層）と、元素Ｍ、亜鉛、および酸素を有する層（以下、（Ｍ，Ｚｎ）層）とが積層した、層状の結晶構造（層状構造ともいう）を有する傾向がある。なお、インジウムと元素Ｍは、互いに置換可能であり、（Ｍ，Ｚｎ）層の元素Ｍがインジウムと置換した場合、（Ｉｎ，Ｍ，Ｚｎ）層と表すこともできる。また、Ｉｎ層のインジウムが元素Ｍと置換した場合、（Ｉｎ，Ｍ）層と表すこともできる。
【０５８２】
ＣＡＡＣ−ＯＳは結晶性の高い酸化物半導体である。一方、ＣＡＡＣ−ＯＳは、明確な結晶粒界を確認することはできないため、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。また、酸化物半導体の結晶性は不純物の混入や欠陥の生成等によって低下する場合があるため、ＣＡＡＣ−ＯＳは不純物や欠陥（酸素欠損等）の少ない酸化物半導体ともいえる。したがって、ＣＡＡＣ−ＯＳを有する酸化物半導体は、物理的性質が安定する。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳを有する酸化物半導体は熱に強く、信頼性が高い。
【０５８３】
ｎｃ−ＯＳは、微小な領域（例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の領域、特に１ｎｍ以上３ｎｍ以下の領域）において原子配列に周期性を有する。また、ｎｃ−ＯＳは、異なるナノ結晶間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、膜全体で配向性が見られない。したがって、ｎｃ−ＯＳは、分析方法によっては、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳや非晶質酸化物半導体と区別が付かない場合がある。
【０５８４】
ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは、ｎｃ−ＯＳと非晶質酸化物半導体との間の構造を有する酸化物半導体である。ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは、鬆または低密度領域を有する。即ち、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳは、ｎｃ−ＯＳおよびＣＡＡＣ−ＯＳと比べて、結晶性が低い。
【０５８５】
酸化物半導体は、多様な構造をとり、それぞれが異なる特性を有する。本発明の一態様の酸化物半導体は、非晶質酸化物半導体、多結晶酸化物半導体、ａ−ｌｉｋｅ  ＯＳ、ｎｃ−ＯＳ、ＣＡＡＣ−ＯＳのうち、二種以上を有していてもよい。
【０５８６】
＜＜金属酸化物を有するトランジスタ＞＞
続いて、上記金属酸化物をトランジスタに用いる場合について説明する。
【０５８７】
なお、上記金属酸化物をトランジスタに用いることで、高い電界効果移動度のトランジスタを実現することができる。また、信頼性の高いトランジスタを実現することができる。
【０５８８】
また、トランジスタには、金属酸化物４０６ｂの領域４２６ａにおけるキャリア密度の低いことが好ましい。金属酸化物のキャリア密度を低くする場合においては、金属酸化物中の不純物濃度を低くし、欠陥準位密度を低くすればよい。本明細書等において、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低いことを高純度真性または実質的に高純度真性と言う。例えば、金属酸化物４０６ｂの領域４２６ａにおけるキャリア密度が８×１０１１／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１１／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１０／ｃｍ３未満であり、１×１０−９／ｃｍ３以上とすればよい。
【０５８９】
また、高純度真性または実質的に高純度真性である金属酸化物は、欠陥準位密度が低いため、トラップ準位密度も低くなる場合がある。
【０５９０】
また、金属酸化物のトラップ準位に捕獲された電荷は、消失するまでに要する時間が長く、あたかも固定電荷のように振る舞うことがある。そのため、トラップ準位密度の高い酸化物半導体にチャネル領域が形成されるトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。
【０５９１】
したがって、トランジスタの電気特性を安定にするためには、金属酸化物４０６ｂの領域４２６ａ中の不純物濃度を低減することが有効である。また、金属酸化物４０６ｂの領域４２６ａ中の不純物濃度を低減するためには、近接する膜中の不純物濃度も低減することが好ましい。不純物としては、水素、窒素、アルカリ金属、アルカリ土類金属、鉄、ニッケル、シリコン等がある。
【０５９２】
＜＜不純物＞＞
ここで、金属酸化物中における各不純物の影響について説明する。
【０５９３】
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、金属酸化物において欠陥準位が形成される。このため、金属酸化物４０６ｂの領域４２６ａにおけるシリコンや炭素の濃度（ＳＩＭＳ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。
【０５９４】
また、金属酸化物にアルカリ金属またはアルカリ土類金属が含まれると、欠陥準位を形成し、キャリアを生成する場合がある。したがって、アルカリ金属またはアルカリ土類金属が含まれている金属酸化物を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、金属酸化物４０６ｂの領域４２６ａにおいて、アルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度を低減することが好ましい。具体的には、ＳＩＭＳにより得られる金属酸化物４０６ｂの領域４２６ａ中の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。
【０５９５】
また、金属酸化物において、窒素が含まれると、キャリアである電子が生じ、キャリア密度が増加し、ｎ型化しやすい。この結果、金属酸化物４０６ｂの領域４２６ａに窒素が含まれているトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。したがって、金属酸化物４０６ｂの領域４２６ａにおいて、窒素はできる限り低減されていることが好ましい、例えば、金属酸化物４０６ｂの領域４２６ａ中の窒素濃度は、ＳＩＭＳにおいて、５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
【０５９６】
また、金属酸化物に含まれる水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になるため、酸素欠損を形成する場合がある。該酸素欠損に水素が入ることで、キャリアである電子が生成される場合がある。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合して、キャリアである電子を生成することがある。したがって、金属酸化物４０６ｂの領域４２６ａに水素が多く含まれているトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため、金属酸化物４０６ｂの領域４２６ａ中の水素はできる限り低減されていることが好ましい。具体的には、金属酸化物において、ＳＩＭＳにより得られる水素濃度を、１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、好ましくは１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、より好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、さらに好ましくは１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満とする。
【０５９７】
金属酸化物４０６ｂの領域４２６ａ中の不純物を十分に低減することで、トランジスタに安定した電気特性を付与することができる。
【０５９８】
＜トランジスタ２０１＞
次に、トランジスタ２００とは異なる構成例として、トランジスタ２０１の詳細について説明を行う。
【０５９９】
図４０（Ａ）は、トランジスタ２０１を有する半導体装置の上面図である。また、図４０（Ｂ）は、図４０（Ａ）にＡ１−Ａ２の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２０１のチャネル長方向の断面図でもある。また、図４０（Ｃ）は、図４０（Ａ）にＡ３−Ａ４の一点鎖線で示す部位の断面図であり、トランジスタ２０１のチャネル幅方向の断面図でもある。図４０（Ａ）の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。また、トランジスタ２０１の構成要素のうち、トランジスタ２００と共通のものについては、符号を同じくする。
【０６００】
図４０（Ａ）から（Ｃ）に示すように、トランジスタ２０１は、基板（図示せず）の上に配置された絶縁体２２４と、絶縁体２２４の上に配置された金属酸化物４０６ａと、金属酸化物４０６ａの上面の少なくとも一部に接して配置された金属酸化物４０６ｂと、金属酸化物４０６ｂの上面の少なくとも一部に接して配置された導電体４５２ａおよび導電体４５２ｂと、金属酸化物４０６ｂの上面の少なくとも一部に接し、かつ導電体４５２ａおよび導電体４５２ｂの上に配置された金属酸化物４０６ｃと、金属酸化物４０６ｃの上に配置された絶縁体４１３と、絶縁体４１３の上に配置された導電体４０５ａと、導電体４０５ａの上に配置された導電体４０５ｂと、導電体４０５ｂの上に配置された絶縁体４２０と、を有する。
【０６０１】
導電体４０５（導電体４０５ａおよび導電体４０５ｂ）は、トップゲートとして機能でき、導電体３１０は、バックゲートとして機能できる。バックゲートの電位は、トップゲートと同電位としてもよいし、接地電位や、任意の電位としてもよい。また、バックゲートの電位をトップゲートと連動させず独立して変化させることで、トランジスタのしきい値電圧を変化させることができる。
【０６０２】
導電体４０５ａは、図３６の導電体４０４ａと同様の材料を用いて設けることができる。導電体４０５ｂは、図３６の導電体４０４ｂと同様の材料を用いて設けることができる。
【０６０３】
導電体４５２ａはソース電極またはドレイン電極の一方としての機能を有し、導電体４５２ｂはソース電極またはドレイン電極の他方としての機能を有する。
【０６０４】
導電体４５２ａ、４５２ｂ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等の金属、またはこれを主成分とする合金を用いることができる。また、図では単層構造を示したが、２層以上の積層構造としてもよい。また、酸化インジウム、酸化錫または酸化亜鉛を含む透明導電材料を用いてもよい。
【０６０５】
トランジスタ２０１において、チャネルは金属酸化物４０６ｂに形成されることが好ましい。そのため、金属酸化物４０６ｃは金属酸化物４０６ｂよりも絶縁性が比較的高い材料を用いることが好ましい。金属酸化物４０６ｃは、金属酸化物４０６ａと同様の材料を用いればよい。
【０６０６】
トランジスタ２０１は、金属酸化物４０６ｃを設けることで、トランジスタ２０１を埋め込みチャネル型のトランジスタとすることができる。また、導電体４５２ａおよび導電体４５２ｂの端部の酸化を防ぐことができる。また、導電体４０５と導電体４５２ａ（または導電体４０５と導電体４５２ｂ）との間のリーク電流を防ぐことができる。なお、金属酸化物４０６ｃは、場合によっては省略してもよい。
【０６０７】
また、金属酸化物４０６ｂは、領域４２６ｄを有する。領域４２６ｄは、図３５（Ｂ）に示すように、金属酸化物４０６ｂが、導電体４５２ａ、および導電体４５２ｂと接する領域に位置する。領域４２６ｄは、導電体４５２ａ、および導電体４５２ｂの成膜時によるダメージと、当該成膜雰囲気に含まれる窒素等の不純物が添加されることと、によって形成される場合がある。これによって、金属酸化物４０６ｂの領域４２６ｄにおいて、添加された不純物元素により酸素欠損が形成され、更に当該不純物元素が酸素欠損に入り込むことで、キャリア密度が高くなり、低抵抗化される。なお、導電体４５２ａ、および導電体４５２ｂの成膜条件次第は、領域４２６ｄは、金属酸化物４０６ｂの界面にのみ形成される場合がある。
【０６０８】
絶縁体４２０は、水または水素等の不純物、および酸素の透過を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いることが好ましい。例えば、絶縁体４２０として、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、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、酸化ハフニウムまたは酸化タンタル等の金属酸化物、窒化酸化シリコンまたは窒化シリコン等を用いればよい。
【０６０９】
トランジスタ２０１は、絶縁体４２０を設けることで、導電体４０５が酸化することを防ぐことができる。また、水または水素等の不純物が、金属酸化物４０６へ侵入することを防ぐことができる。
【０６１０】
トランジスタ２０１は、トランジスタ２００と比べて、金属酸化物４０６ｂと電極（ソース電極またはドレイン電極）との接触面積を大きくすることができる。また、図３６に示す領域４２６ｂおよび領域４２６ｃを作製する工程が不要になる。そのため、トランジスタ２０１は、トランジスタ２００よりもオン電流を大きくすることができる。また製造工程を簡略化することができる。
【０６１１】
トランジスタ２０１のその他の構成要素の詳細は、トランジスタ２００の記載を参照すればよい。
【０６１２】
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。
【０６１３】
（実施の形態６）
本実施の形態では、実施の形態１で説明した表示部ＰＡが有する表示素子について、説明する。
【０６１４】
図４１（Ａ）は、表示素子として液晶素子を適用した画素回路を図示している。画素回路３０６は、表示素子３０１と、トランジスタＭ１と、容量素子ＣｓＬＣと、を有する。なお、表示素子３０１の第１端子は、画素電極に相当し、表示素子３０１の第２端子は、共通電極に相当する。また、図４１（Ａ）には、画素回路３０６と電気的に接続する信号線ＳＬと、ゲート線ＧＬと、を図示している。
【０６１５】
トランジスタＭ１の第１端子は、表示素子３０１の第１端子と電気的に接続され、トランジスタＭ１の第２端子は、配線ＳＬと電気的に接続され、トランジスタＭ１のゲートは配線ＧＬと電気的に接続されている。加えて、容量素子ＣｓＬＣの第１端子は、トランジスタＭ１の第１端子と電気的に接続されている。
【０６１６】
表示素子３０１の第２端子は、表示素子３０１を駆動するための、共通電位を与える配線と電気的に接続されている。加えて、容量素子ＣｓＬＣの第２端子は、基準電位を与える配線と電気的に接続されている。
【０６１７】
トランジスタＭ１としては、ＯＳトランジスタを用いることが好ましい。以下、トランジスタの代表例として、金属酸化物の分類の１つである酸化物半導体を有するトランジスタ（ＯＳトランジスタ）を用いて説明する。ＯＳトランジスタは、非導通状態時のリーク電流（オフ電流）が極めて低いため、ＯＳトランジスタを非導通状態とすることで液晶素子の画素電極に電荷の保持をすることができる。
【０６１８】
なお、ＯＳトランジスタが有する、非導通状態時のオフ電流が非常に低い特性を利用することにより、画素回路３０６を有する表示装置を、通常のフレーム周波数（代表的には６０Ｈｚ以上２４０Ｈｚ以下）よりも低いフレーム周波数で駆動することができる。以下では、通常のフレーム周波数で動作する通常動作モード（Ｎｏｒｍａｌ  ｍｏｄｅ）と、低速のフレーム周波数で動作するアイドリング・ストップ（ＩＤＳ）駆動モードと、を例示して説明する。
【０６１９】
なお、アイドリング・ストップ（ＩＤＳ）駆動モードとは、画像データの書き込み処理を実行した後、画像データの書き換えを停止する駆動方法のことをいう。一旦画像データの書き込みをして、その後、次の画像データの書き込みまでの間隔を延ばすことで、その間の画像データの書き込みに要する分の消費電力を削減することができる。アイドリング・ストップ（ＩＤＳ）駆動モードは、例えば、通常動作モードの１／１００乃至１／１０程度のフレーム周波数とすることができる。
【０６２０】
図４１（Ｂ）（Ｃ）は、それぞれ通常駆動モードとアイドリング・ストップ（ＩＤＳ）駆動モードを説明するタイミングチャートである。
【０６２１】
図４１（Ｂ）は、通常駆動モードでの信号線ＳＬおよびゲート線ＧＬにそれぞれ与える信号の波形を示すタイミングチャートである。通常駆動モードでは通常のフレーム周波数（例えば６０Ｈｚ）で動作する。１フレーム期間を期間Ｔ１からＴ３までで表すと、各フレーム期間でゲート線ＧＬに走査信号を与え、信号線ＳＬからデータＤ１を書き込む動作を行う。この動作は、期間Ｔ１乃至期間Ｔ３に同じデータＤ１を書き込む場合、または異なるデータを書き込む場合でも同じである。
【０６２２】
一方、図４１（Ｃ）は、アイドリング・ストップ（ＩＤＳ）駆動モードでの信号線ＳＬおよびゲート線ＧＬに、それぞれ与える信号の波形を示すタイミングチャートである。アイドリング・ストップ（ＩＤＳ）駆動では低速のフレーム周波数（例えば１Ｈｚ）で動作する。１フレーム期間を期間Ｔ１で表し、その中でデータの書き込み期間を期間ＴＷ、データの保持期間を期間ＴＲＥＴで表す。アイドリング・ストップ（ＩＤＳ）駆動モードは、期間ＴＷでゲート線ＧＬに走査信号を与え、信号線ＳＬのデータＤ１を書き込み、期間ＴＲＥＴでゲート線ＧＬをローレベルの電圧に固定し、トランジスタＭ１を非導通状態として一旦書き込んだデータＤ１を保持させる動作を行う。
【０６２３】
アイドリング・ストップ（ＩＤＳ）駆動モードは、通常駆動モードと比較して、画素回路３０６への画像データの書き込み回数を少なくすることができるため、低消費電力化を図ることができる。
【０６２４】
図４１（Ｄ）は、表示素子として有機ＥＬ素子を適用した画素回路を図示している。画素回路３０７は、表示素子３０２と、トランジスタＭ２と、トランジスタＭ３と、容量素子ＣｓＥＬと、を有する。また、図４１（Ｄ）には、画素回路３０７と電気的に接続する信号線ＤＬと、ゲート線ＧＬ２と、電流供給線ＡＬと、を図示している。
【０６２５】
トランジスタＭ２としては、トランジスタＭ１と同様に、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、非導通状態時のリーク電流（オフ電流）が極めて低いため、ＯＳトランジスタを非導通状態とすることで容量素子ＣｓＥＬに充電した電荷の保持をすることができる。つまり、トランジスタＭ３のゲート−ドレイン間電圧を一定に保つことでき、表示素子３０２の発光強度を一定にすることができる。
【０６２６】
したがって、表示素子３０１がアイドリング・ストップ（ＩＤＳ）駆動する場合と同様に、表示素子３０２のアイドリング・ストップ（ＩＤＳ）駆動は、ゲート線ＧＬ２に走査信号を与えて、信号線ＤＬからデータを書き込んだ後に、ゲート線ＧＬ２にローレベルの電圧に固定することで、トランジスタＭ２を非導通状態として一旦書き込んだ該データを保持することで行われる。
【０６２７】
トランジスタＭ２にＯＳトランジスタを適用することによって、画素回路３０６と同様に、画素回路３０７でもアイドリング・ストップ（ＩＤＳ）駆動モードが可能となる。そのため、通常駆動モードと比較して、画素回路３０７への画像データの書き込み回数を少なくすることができるため、低消費電力化を図ることができる。
【０６２８】
なお、トランジスタＭ３は、トランジスタＭ２と同様の材料で構成するのが好ましい。トランジスタＭ３とトランジスタＭ２の材料の構成を同じすることで、画素回路３０７の作製工程を短縮することができる。
【０６２９】
トランジスタＭ１、トランジスタＭ２、トランジスタＭ３の半導体層に適用できる材料は、金属酸化物以外としては、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２Ｋ、４Ｋ、８Ｋ放送等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。
【０６３０】
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。
【０６３１】
（実施の形態７）
本実施の形態では、上述の実施の形態で説明した電子機器を適用した製品例について説明する。
【０６３２】
図４２（Ａ）は、テレビジョン装置を示す斜視図である。テレビジョン装置は、筐体９０００、表示部９００１、スピーカ９００３、操作キー９００５（電源スイッチ、または操作スイッチを含む）、接続端子９００６、センサ９００７（力、変位、位置、速度、加速度、角速度、回転数、距離、光、液、磁気、温度、化学物質、音声、時間、硬度、電場、電流、電圧、電力、放射線、流量、湿度、傾度、振動、においまたは赤外線を測定する機能を含むもの）等を有する。テレビジョン装置は、表示部９００１を大画面、例えば、５０インチ以上、または１００インチ以上の表示部９００１を組み込むことが可能である。図４２（Ａ）に示すテレビジョン装置に本発明の一態様の半導体装置を適用することにより、表示部９００１が高解像度の画像を表示することができるようになる。
【０６３３】
図４２（Ｂ）は、壁に取り付けが可能な電子看板（デジタルサイネージ）の例を示している。図４２（Ｂ）は、電子看板６２００が壁６２０１に取り付けられている様子を示している。図４２（Ｂ）に示す電子看板に本発明の一態様の半導体装置を適用することにより、電子看板６２００が高解像度の画像を表示することができるようになる。
【０６３４】
図４２（Ｃ）は、タブレット型の情報端末であり、筐体５２２１、表示部５２２２、操作ボタン５２２３、スピーカ５２２４を有する。また、表示部５２２２に、位置入力装置としての機能が付加された表示装置を用いるようにしてもよい。また、位置入力装置としての機能は、表示装置にタッチパネルを設けることで付加することができる。あるいは、位置入力装置としての機能は、フォトセンサとも呼ばれる光電変換素子を表示装置の画素部に設けることでも、付加することができる。また、操作ボタン５２２３に情報端末を起動する電源スイッチ、情報端末のアプリケーションを操作するボタン、音量調整ボタン、または表示部５２２２を点灯、あるいは消灯するスイッチ等のいずれかを備えることができる。また、図４２（Ｃ）に示した情報端末では、操作ボタン５２２３の数を４個示しているが、情報端末の有する操作ボタンの数および配置は、これに限定されない。また、図示していないが、図４２（Ｃ）に示した情報端末は、カメラを有する構成であってもよい。また、図示していないが、図４２（Ｃ）に示した情報端末は、フラッシュライト、または照明の用途として発光装置を有する構成であってもよい。また、図示していないが、図４２（Ｃ）に示した情報端末は、筐体５２２１の内部にセンサ（力、変位、位置、速度、加速度、角速度、回転数、距離、光、液、磁気、温度、化学物質、音声、時間、硬度、電場、電流、電圧、電力、放射線、流量、湿度、傾度、振動、においまたは赤外線等を測定する機能を含むもの）を有する構成であってもよい。特に、ジャイロ、加速度センサ等の傾きを検出するセンサを有する検出装置を設けることで、図４２（Ｃ）に示す情報端末の向き（鉛直方向に対して情報端末がどの向きに向いているか）を判断して、表示部５２２２の画面表示を、情報端末の向きに応じて自動的に切り替えるようにすることができる。図４２（Ｃ）に示す情報端末に本発明の一態様の半導体装置を適用することにより、表示部５２２２が高解像度の画像を表示することができるようになる。
【０６３５】
例えば、本明細書等において、表示素子、表示素子を有する装置である表示装置、発光素子、および発光素子を有する装置である発光装置は、様々な形態を用いること、または様々な素子を有することが出来る。表示素子、表示装置、発光素子または発光装置は、例えば、ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）素子（有機物および無機物を含むＥＬ素子、有機ＥＬ素子、無機ＥＬ素子）、ＬＥＤチップ（白色ＬＥＤチップ、赤色ＬＥＤチップ、緑色ＬＥＤチップ、青色ＬＥＤチップ等）、トランジスタ（電流に応じて発光するトランジスタ）、プラズマディスプレイパネル（ＰＤＰ）、電子放出素子、カーボンナノチューブを用いた表示素子、液晶素子、電子インク、エレクトロウェッティング素子、電気泳動素子、ＭＥＭＳ（マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム）を用いた表示素子（例えば、グレーティングライトバルブ（ＧＬＶ）、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）、ＤＭＳ（デジタル・マイクロ・シャッター）、ＭＩＲＡＳＯＬ（登録商標）、ＩＭＯＤ（インターフェロメトリック・モジュレーション）素子、シャッター方式のＭＥＭＳ表示素子、光干渉方式のＭＥＭＳ表示素子、圧電セラミックディスプレイ等）、または、量子ドット等の少なくとも一つを有している。これらの他にも、表示素子、表示装置、発光素子または発光装置は、電気的または磁気的作用により、コントラスト、輝度、反射率、透過率等が変化する表示媒体を有していてもよい。ＥＬ素子を用いた表示装置の一例としては、ＥＬディスプレイ等がある。電子放出素子を用いた表示装置の一例としては、フィールドエミッションディスプレイ（ＦＥＤ）またはＳＥＤ方式平面型ディスプレイ（ＳＥＤ：Ｓｕｒｆａｃｅ−ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ−ｅｍｉｔｔｅｒ  Ｄｉｓｐｌａｙ）等がある。液晶素子を用いた表示装置の一例としては、液晶ディスプレイ（透過型液晶ディスプレイ、半透過型液晶ディスプレイ、反射型液晶ディスプレイ、直視型液晶ディスプレイ、投射型液晶ディスプレイ）等がある。電子インク、電子粉流体（登録商標）、または電気泳動素子を用いた表示装置の一例としては、電子ペーパー等がある。量子ドットを各画素に用いた表示装置の一例としては、量子ドットディスプレイ等がある。なお、量子ドットは、表示素子としてではなく、バックライトの一部に設けてもよい。量子ドットを用いることにより、色純度の高い表示を行うことができる。なお、半透過型液晶ディスプレイや反射型液晶ディスプレイを実現する場合には、画素電極の一部、または、全部が、反射電極としての機能を有するようにすればよい。例えば、画素電極の一部、または、全部が、アルミニウム、銀、等を有するようにすればよい。さらに、その場合、反射電極の下に、ＳＲＡＭ等の記憶回路を設けることも可能である。これにより、さらに、消費電力を低減することができる。なお、ＬＥＤチップを用いる場合、ＬＥＤチップの電極や窒化物半導体の下に、グラフェンやグラファイトを配置してもよい。グラフェンやグラファイトは、複数の層を重ねて、多層膜としてもよい。このように、グラフェンやグラファイトを設けることにより、その上に、窒化物半導体、例えば、結晶を有するｎ型ＧａＮ半導体��等を容易に成膜することができる。さらに、その上に、結晶を有するｐ型ＧａＮ半導体層等を設けて、ＬＥＤチップを構成することができる。なお、グラフェンやグラファイトと、結晶を有するｎ型ＧａＮ半導体層との間に、ＡｌＮ層を設けてもよい。なお、ＬＥＤチップが有するＧａＮ半導体層は、ＭＯＣＶＤで成膜してもよい。ただし、グラフェンを設けることにより、ＬＥＤチップが有するＧａＮ半導体層は、スパッタ法で成膜することも可能である。また、ＭＥＭＳ（マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム）を用いた表示素子においては、表示素子が封止されている空間（例えば、表示素子が配置されている素子基板と、素子基板に対向して配置されている対向基板との間）に、乾燥剤を配置してもよい。乾燥剤を配置することにより、ＭＥＭＳ等が水分によって動きにくくなることや、劣化しやすくなることを防止することができる。
【０６３６】
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。
【符号の説明】
【０６３７】
１０    半導体装置
１１    表示装置
１２    受信装置
１３    オートエンコーダ
２１    画像データ
２２    画像データ
２３    圧縮画像データ
２４    画像データ
３１    画素データ
３２    画素データ
４１    画像データ
４２    画像データ
４５    略
５１    画素データ
５２    画素データ
１００    ＮＮ回路
１５０    演算処理回路
１６１    回路
１６３    回路
１６４    回路
１６５    回路
２００    トランジスタ
２０１    トランジスタ
２１４    絶縁体
２１６    絶縁体
２２０    絶縁体
２２２    絶縁体
２２４    絶縁体
２２５    絶縁体
２８０    絶縁体
３０１    表示素子
３０２    表示素子
３０６    画素回路
３０７    画素回路
３１０    導電体
３１０ａ    導電体
３１０ｂ    導電体
３８４    絶縁体
４０４    導電体
４０４ａ    導電体
４０４ｂ    導電体
４０５    導電体
４０５ａ    導電体
４０５ｂ    導電体
４０６    金属酸化物
４０６ａ    金属酸化物
４０６ｂ    金属酸化物
４０６ｃ    金属酸化物
４１２    絶縁体
４１３    絶縁体
４１８    絶縁体
４１９    絶縁体
４２０    絶縁体
４２６ａ    領域
４２６ｂ    領域
４２６ｃ    領域
４２６ｄ    領域
４４０    導電体
４４０ａ    導電体
４４０ｂ    導電体
４５０ａ    導電体
４５０ｂ    導電体
４５１ａ    導電体
４５１ｂ    導電体
４５２ａ    導電体
４５２ｂ    導電体
６１２    移動機構
６１３    移動機構
６１５    ステージ
６１６    ボールネジ機構
６２０    レーザ発振器
６２１    光学系ユニット
６２２    ミラー
６２３    マイクロレンズアレイ
６２４    マスク
６２５    レーザ光
６２６    レーザ光
６２７    レーザビーム
６３０    基板
６４０    非晶質シリコン層
６４１    多結晶シリコン層
７００    積和演算回路
７１０    オフセット回路
７１１    オフセット回路
７１２    オフセット回路
７１３    オフセット回路
７１５    オフセット回路
７１６    オフセット回路
７２０    メモリセルアレイ
７２１    メモリセルアレイ
７５１    オフセット回路
７６０    メモリセルアレイ
１４００    表示装置
１４１１    基板
１４１２    基板
１４２０    液晶素子
１４２１    導電層
１４２２    液晶
１４２３    導電層
１４２４ａ    配向膜
１４２４ｂ    配向膜
１４２６    絶縁層
１４３０    トランジスタ
１４３１    導電層
１４３１ａ    導電層
１４３２    半導体層
１４３２ｐ    半導体層
１４３３ａ    導電層
１４３３ｂ    導電層
１４３４    絶縁層
１４３５    不純物半導体層
１４３７    半導体層
１４３８    接続部
１４３９ａ    偏光板
１４３９ｂ    偏光板
１４４１    着色層
１４４２    遮光層
１４６０    容量素子
１４８１    絶縁層
１４８２    絶縁層
１４８３    絶縁層
１４８４    絶縁層
１４９０    バックライトユニット
５２２１    筐体
５２２２    表示部
５２２３    操作ボタン
５２２４    スピーカ
６２００    電子看板
６２０１    壁
９０００    筐体
９００１    表示部
９００３    スピーカ
９００５    操作キー
９００６    接続端子
９００７    センサ
【図１】
2018151443.tif 000023
【図２】
2018151443.tif 000024
【図３】
2018151443.tif 000025
【図４】
2018151443.tif 000026
【図５】
2018151443.tif 000027
【図６】
2018151443.tif 000028
【図７】
2018151443.tif 000029
【図８】
2018151443.tif 000030
【図９】
2018151443.tif 000031
【図１０】
2018151443.tif 000032
【図１１】
2018151443.tif 000033
【図１２】
2018151443.tif 000034
【図１３】
2018151443.tif 000035
【図１４】
2018151443.tif 000036
【図１５】
2018151443.tif 000037
【図１６】
2018151443.tif 000038
【図１７】
2018151443.tif 000039
【図１８】
2018151443.tif 000040
【図１９】
2018151443.tif 000041
【図２０】
2018151443.tif 000042
【図２１】
2018151443.tif 000043
【図２２】
2018151443.tif 000044
【図２３】
2018151443.tif 000045
【図２４】
2018151443.tif 000046
【図２５】
2018151443.tif 000047
【図２６】
2018151443.tif 000048
【図２７】
2018151443.tif 000049
【図２８】
2018151443.tif 000050
【図２９】
2018151443.tif 000051
【図３０】
2018151443.tif 000052
【図３１】
2018151443.tif 000053
【図３２】
2018151443.tif 000054
【図３３】
2018151443.tif 000055
【図３４】
2018151443.tif 000056
【図３５】
2018151443.tif 000057
【図３６】
2018151443.tif 000058
【図３７】
2018151443.tif 000059
【図３８】
2018151443.tif 000060
【図３９】
2018151443.tif 000061
【図４０】
2018151443.tif 000062
【図４１】
2018151443.tif 000063
【図４２】
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