(57)【要約】【課題】画像処理を行うことができる撮像装置を提供する。【解決手段】各画素にはメモリ回路が設けられ、当該メモリ回路に所望の補正信号が保持される。当該補正信号は外部機器にて算出され、各画素に書き込まれる。当該補正信号は容量結合によって画像信号に付加され、表示素子に供給される。したがって、表示素子では補正された画像を表示することができる。当該補正によって、画像のアップコンバートや、画素が有するトランジスタの特性バラツキに起因する画像品位の補正を行うことができる。【選択図】図１
2019045614.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画素と、タッチパネルと、を有し、
前記画素は、第１のトランジスタと、第２のトランジスタと、第３のトランジスタと、第４のトランジスタと、第１の容量素子と、第２の容量素子と、表示素子と、を有し、
前記第１のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、前記第１の容量素子の一方の電極と電気的に接続され、
前記第１の容量素子の一方の電極は、前記表示素子と電気的に接続され、
前記第２のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、前記第１の容量素子の他方の電極と電気的に接続され、
前記第１の容量素子の他方の電極は、前記第３のトランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、
前記第３のトランジスタのゲートは、前記第４のトランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、
前記第４のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、前記第２の容量素子の一方の電極と電気的に接続されている表示装置。
【請求項２】
請求項１において、
少なくとも第４のトランジスタは、チャネル形成領域に金属酸化物を有し、前記金属酸化物は、Ｉｎと、Ｚｎと、Ｍ（ＭはＡｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｓｎ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、ＮｄまたはＨｆ）と、を有する表示装置。
【請求項３】
請求項１または２において、
前記第２のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、低電位電源線と電気的に接続され、
前記第３のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、高電位電源線と電気的に接続されている表示装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一項において、
さらに、第５のトランジスタと、第６のトランジスタと、を有し、
前記第５のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、前記第１のトランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、
前記第５のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、前記表示素子と電気的に接続され、
前記第６のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、前記第５のトランジスタのソースまたはドレインの他方と電気的に接続され、
前記第６のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、低電位電源線と電気的に接続されている表示装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一項において、
前記表示素子は液晶素子であり、
さらに、第３の容量素子を有し、
前記液晶素子の一方の電極は、前記第３の容量素子の一方の電極と電気的に接続され、
前記第３の容量素子の一方の電極は、前記第１のトランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続されている表示装置。
【請求項６】
請求項４において、
前記表示素子は有機ＥＬ素子であり、
さらに、第４の容量素子と、第７のトランジスタと、を有し、
前記有機ＥＬ素子の一方の電極は、前記第４の容量素子の一方の電極と電気的に接続され、
前記第４の容量素子の一方の電極は、前記第７のトランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、
前記第７のトランジスタのゲートは、前記第５のトランジスタのソースまたはドレインの他方と電気的に接続され、
前記第５のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、前記第４の容量素子の他方の電極と電気的に接続されている表示装置。
【請求項７】
請求項６において、
さらに、第８のトランジスタと、第１の回路と、を有し、
前記第１の回路は、電流値を読み取る機能を有し、
前記第１の回路は、前記タッチパネルから出力された信号を基にした補正信号を生成する機能を有し、
前記第８のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、前記第７のトランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、
前記第８のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、前記第１の回路と電気的に接続されている表示装置。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか一項に記載の表示装置と、カメラと、を有する電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の一態様は、表示装置に関する。
【０００２】
なお、本発明の一態様は、上記の技術分野に限定されない。本明細書等で開示する発明の一態様の技術分野は、物、方法、または、製造方法に関するものである。または、本発明の一態様は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、または、組成物（コンポジション・オブ・マター）に関するものである。そのため、より具体的に本明細書で開示する本発明の一態様の技術分野としては、半導体装置、表示装置、液晶表示装置、発光装置、照明装置、蓄電装置、記憶装置、撮像装置、それらの駆動方法、または、それらの製造方法、を一例として挙げることができる。
【０００３】
なお、本明細書等において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指す。トランジスタ、半導体回路は半導体装置の一態様である。また、記憶装置、表示装置、撮像装置、電子機器は、半導体装置を有する場合がある。
【背景技術】
【０００４】
基板上に形成された金属酸化物を用いてトランジスタを構成する技術が注目されている。例えば、酸化亜鉛またはＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物を用いたトランジスタを表示装置の画素のスイッチング素子等に用いる技術が特許文献１および特許文献２に開示されている。
【０００５】
また、オフ電流が極めて低いトランジスタをメモリセルに用いる構成の記憶装置が特許文献３に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−１２３８６１号公報
【特許文献２】特開２００７−９６０５５号公報
【特許文献３】特開２０１１−１１９６７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
表示装置では高解像度化が進み、８Ｋ４Ｋ（画素数：７６８０×４３２０）解像度またはそれ以上の解像度で表示を行うことができるハードウェアが開発されている。一方で、高解像度の画像ソースは膨大となるため、一般に普及させるためには、撮像装置、記憶装置、通信装置等の周辺技術を整える必要もある。
【０００８】
高解像度の画像ソースを生成する別の技術として、アップコンバートがある。アップコンバートを行うことで、低解像度の画像を疑似的に高解像度の画像に変換することができる。アップコンバートは表示装置の周辺機器で行われるため、アップコンバート前の画像ソースを取り扱う機器には、従来の技術を利用することができる。
【０００９】
ただし、アップコンバートを行う機器では、膨大な画像信号を解析して新たな画像信号を生成するため、回路規模や消費電力が大きくなる問題がある。また、リアルタイムでの処理が追いつかず、表示の遅延が生じることもある。
【００１０】
アップコンバートは、このような問題を有するが、例えば、アップコンバートに関わる機能を複数の機器に分散させることで、消費電力や遅延等の問題を緩和できる可能性がある。
【００１１】
また、ＥＬ素子等を有する表示装置では、画素が有するトランジスタの特性のばらつきが表示品位低下の一要因となっている。トランジスタの特性ばらつきを補正する手段としては、画像信号を画素に内蔵した回路で補正する内部補正と、画素ごとの補正値を取得し、補正済みの画像信号を画素に供給する外部補正がある。
【００１２】
内部補正は、補正をフレームごとに行うことができるが、高解像度の表示装置では水平選択期間が短くなるため、補正期間を確保することが困難となる。また、外部補正は高解像度の表示装置に有効であるが、全ての画像信号を対象として補正する必要があるため、外部機器への負担が大きくなる。理想的には補正なしで動作させることが好ましいが、トランジスタの特性ばらつきの抑制は極めて難度が高いため、新たな補正手段が望まれる。
【００１３】
したがって、本発明の一態様では、画像処理を行うことができる表示装置を提供することを目的の一つとする。または、アップコンバート動作が行える表示装置を提供することを目的の一つとする。または、画像信号を補正することができる表示装置を提供することを目的の一つとする。
【００１４】
または、低消費電力の表示装置を提供することを目的の一つとする。または、信頼性の高い表示装置を提供することを目的の一つとする。または、新規な表示装置等を提供することを目的の一つとする。または、上記表示装置の駆動方法を提供することを目的の一つとする。または、新規な半導体装置等を提供することを目的の一つとする。
【００１５】
なお、これらの課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの課題の全てを解決する必要はないものとする。なお、これら以外の課題は、明細書、図面、請求項等の記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項等の記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の一態様は、画素と、タッチパネルと、を有し、画素は、第１のトランジスタと、第２のトランジスタと、第３のトランジスタと、第４のトランジスタと、第１の容量素子と、第２の容量素子と、表示素子と、を有し、第１のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、第１の容量素子の一方の電極と電気的に接続され、第１の容量素子の一方の電極は、表示素子と電気的に接続され、第２のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、第１の容量素子の他方の電極と電気的に接続され、第１の容量素子の他方の電極は、第３のトランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、第３のトランジスタのゲートは、第４のトランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、第４のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、第２の容量素子の一方の電極と電気的に接続されている表示装置である。
【００１７】
または、上記態様において、少なくとも第４のトランジスタは、チャネル形成領域に金属酸化物を有し、金属酸化物は、Ｉｎと、Ｚｎと、Ｍ（ＭはＡｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｓｎ、Ｙ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、ＮｄまたはＨｆ）と、を有していてもよい。
【００１８】
または、上記態様において、第２のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、低電位電源線と電気的に接続され、第３のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、高電位電源線と電気的に接続されていてもよい。
【００１９】
または、上記態様において、さらに、第５のトランジスタと、第６のトランジスタと、を有し、第５のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、第１のトランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、第５のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、表示素子と電気的に接続され、第６のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、第５のトランジスタのソースまたはドレインの他方と電気的に接続され、第６のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、低電位電源線と電気的に接続されていてもよい。
【００２０】
または、上記態様において、表示素子は液晶素子であり、さらに、第３の容量素子を有し、液晶素子の一方の電極は、第３の容量素子の一方の電極と電気的に接続され、第３の容量素子の一方の電極は、第１のトランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続されていてもよい。
【００２１】
または、上記態様において、表示素子は有機ＥＬ素子であり、さらに、第４の容量素子と、第７のトランジスタと、を有し、有機ＥＬ素子の一方の電極は、第４の容量素子の一方の電極と電気的に接続され、第４の容量素子の一方の電極は、第７のトランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、第７のトランジスタのゲートは、第５のトランジスタのソースまたはドレインの他方と電気的に接続され、第５のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、第４の容量素子の他方の電極と電気的に接続されていてもよい。
【００２２】
または、上記態様において、さらに、第８のトランジスタと、第１の回路と、を有し、第１の回路は、電流値を読み取る機能を有し、第１の回路は、タッチパネルから出力された信号を基にした補正信号を生成する機能を有し、第８のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、第７のトランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、第８のトランジスタのソースまたはドレインの他方は、第１の回路と電気的に接続されていてもよい。
【００２３】
本発明の一態様の表示装置と、カメラと、を有する電子機器も本発明の一態様である。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の一態様を用いることで、画像処理を行うことができる表示装置を提供することができる。または、アップコンバート動作が行える表示装置を提供することができる。または、画像信号を補正することができる表示装置を提供することができる。
【００２５】
または、低消費電力の表示装置を提供することができる。または、信頼性の高い表示装置を提供することができる。または、新規な表示装置等を提供することができる。または、上記表示装置の駆動方法を提供することができる。または、新規な半導体装置等を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】画素回路を説明する図。
【図２】画素回路の動作を説明するタイミングチャート。
【図３】アップコンバートを説明する図。
【図４】画素回路を説明する図。
【図５】画素回路の動作を説明するタイミングチャート。
【図６】表示装置を説明するブロック図。
【図７】表示装置を説明するブロック図。
【図８】表示装置を説明するブロック図。
【図９】画素回路を説明する図。
【図１０】表示装置を説明するブロック図。
【図１１】表示装置を説明するブロック図。
【図１２】表示装置を説明する図。
【図１３】表示装置を説明する図。
【図１４】表示装置を説明する図。
【図１５】表示装置を説明する図。
【図１６】表示装置を説明する図。
【図１７】表示装置を説明する図。
【図１８】表示パネルを説明する図。
【図１９】タッチパネルを説明する回路図。
【図２０】表示装置の動作モードの一例を説明する図。
【図２１】トランジスタを説明する図。
【図２２】トランジスタを説明する図。
【図２３】トランジスタを説明する図。
【図２４】ニューラルネットワークの構成例を説明する図。
【図２５】半導体装置の構成例を説明する図。
【図２６】メモリセルの構成例を説明する図。
【図２７】オフセット回路の構成例を説明する図。
【図２８】半導体装置の動作を説明するタイミングチャート。
【図２９】電子機器を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨およびその範囲から逸脱することなくその形態および詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。したがって、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、以下に説明する発明の構成において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略することがある。なお、図を構成する同じ要素のハッチングを異なる図面間で適宜省略または変更する場合もある。
【００２８】
（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明の一態様である撮像装置について、図面を参照して説明する。
【００２９】
本発明の一態様は、画像信号に補正信号を付加するための機能を有する表示装置である。各画素にはメモリ回路が設けられ、当該メモリ回路に所望の補正信号が保持される。当該補正信号は外部機器にて生成され、各画素に書き込まれる。
【００３０】
当該補正信号は容量結合によって画像信号に付加され、表示素子に供給される。したがって、表示素子では補正された画像を表示することができる。当該補正によって、画像のアップコンバート、または画素が有するトランジスタの特性ばらつきに起因して低下する画像品位の補正を行うことができる。
【００３１】
図１は、本発明の一態様の表示装置に用いることができる画素１１ａを説明する図である。画素１１ａは、トランジスタ１０１と、トランジスタ１０２と、トランジスタ１１５と、トランジスタ１１６と、容量素子１０３と、容量素子１０４と、容量素子１１７と、液晶素子１０５を有する。
【００３２】
トランジスタ１０１のソースまたはドレインの一方は、容量素子１０３の一方の電極と電気的に接続される。容量素子１０３の一方の電極は、容量素子１０４の一方の電極と電気的に接続される。容量素子１０４の一方の電極は、液晶素子１０５と電気的に接続される。トランジスタ１０２のソースまたはドレインの一方は、容量素子１０３の他方の電極と電気的に接続される。容量素子１０３の他方の電極は、トランジスタ１１６のソースまたはドレインの一方と電気的に接続される。トランジスタ１１６のゲートは、トランジスタ１１５のソースまたはドレインの一方と電気的に接続される。トランジスタ１１５のソースまたはドレインの一方は、容量素子１１７の一方の電極と電気的に接続される。
【００３３】
ここで、トランジスタ１０１のソースまたはドレインの一方、容量素子１０３の一方の電極、容量素子１０４の一方の電極および液晶素子１０５の一方の電極が接続される配線をノードＮＡとする。また、容量素子１０３の他方の電極、トランジスタ１０２のソースまたはドレインの一方およびトランジスタ１１６のソースまたはドレインの一方が接続される配線をノードＮＲとする。また、トランジスタ１１６のゲート、トランジスタ１１５のソースまたはドレインの一方および容量素子１１７の一方の電極が接続される配線をノードＮＭとする。
【００３４】
トランジスタ１０１のゲートは、配線１２３と電気的に接続される。トランジスタ１０２のゲートは配線１２３と電気的に接続される。容量素子１１７の他方の電極は、配線１２１に電気的に接続される。トランジスタ１１５のゲートは配線１２２に電気的に接続される。トランジスタ１１５のソースまたはドレインの他方は配線１２４と電気的に接続される。
【００３５】
トランジスタ１１６のソースまたはドレインの他方は、電源線（高電位）と電気的に接続される。トランジスタ１０２のソースまたはドレインの他方は、電源線（低電位）と電気的に接続される。容量素子１０４の他方の電極は、共通配線１２７と電気的に接続される。液晶素子１０５の他方の電極は、共通配線１２８と電気的に接続される。なお、共通配線１２７、１２８には、任意の電位を供給することができ、両者は電気的に接続されていてもよい。
【００３６】
配線１２２、１２３は、トランジスタの動作を制御するための信号線としての機能を有することができる。配線１２５は、画像信号を供給する信号線としての機能を有することができる。また、配線１２１および配線１２４は、次に説明するメモリ回路ＭＥＭを動作させるための信号線としての機能を有することができる。
【００３７】
トランジスタ１１５、トランジスタ１１６および容量素子１１７は、メモリ回路ＭＥＭを構成する。ノードＮＭは記憶ノードであり、トランジスタ１１５を導通させることで、配線１２４に供給された信号をノードＮＭに書き込むことができる。トランジスタ１１５に極めてオフ電流の低いトランジスタを用いることで、ノードＮＭの電位を長時間保持することができる。当該トランジスタには、例えば、金属酸化物をチャネル形成領域に用いたトランジスタ（以下、ＯＳトランジスタ）を用いることができる。
【００３８】
なお、トランジスタ１１５だけでなく、画素を構成するその他のトランジスタにＯＳトランジスタを適用してもよい。また、トランジスタ１１５にＳｉをチャネル形成領域に有するトランジスタ（以下、Ｓｉトランジスタ）を適用してもよい。または、ＯＳトランジスタと、Ｓｉトランジスタとの両方を用いてもよい。なお、上記Ｓｉトランジスタとしては、アモルファスシリコンを有するトランジスタ、結晶性のシリコン（代表的には、低温ポリシリコン）を有するトランジスタ、単結晶シリコンを有するトランジスタ等が挙げられる。
【００３９】
表示素子に反射型の液晶素子やＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）素子を用いる場合は、シリコン基板を用いることができ、ＳｉトランジスタとＯＳトランジスタとが重なる領域を有するように形成することができる。したがって、トランジスタ数が比較的多くても画素密度を向上させることができる。
【００４０】
ＯＳトランジスタに用いる半導体材料としては、エネルギーギャップが２ｅＶ以上、好ましくは２．５ｅＶ以上、より好ましくは３ｅＶ以上である金属酸化物を用いることができる。代表的には、インジウムを含む酸化物半導体等であり、例えば、後述するＣＡＡＣ−ＯＳまたはＣＡＣ−ＯＳ等を用いることができる。ＣＡＡＣ−ＯＳは結晶を構成する原子が安定であり、信頼性を重視するトランジスタ等に適する。また、ＣＡＣ−ＯＳは、高移動度特性を示すため、高速駆動を行うトランジスタ等に適する。
【００４１】
ＯＳトランジスタはエネルギーギャップが大きいため、極めて低いオフ電流特性を示す。また、ＯＳトランジスタは、インパクトイオン化、アバランシェ降伏、および短チャネル効果等が生じない等Ｓｉトランジスタとは異なる特徴を有し、信頼性の高い回路を形成することができる。
【００４２】
ＯＳトランジスタが有する半導体層は、例えばインジウム、亜鉛およびＭ（アルミニウム、チタン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、セリウム、スズ、ネオジムまたはハフニウム等の金属）を含むＩｎ−Ｍ−Ｚｎ系酸化物で表記される膜とすることができる。
【００４３】
半導体層を構成する酸化物半導体がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ系酸化物の場合、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物を成膜するために用いるスパッタリングターゲットの金属元素の原子数比は、Ｉｎ≧Ｍ、Ｚｎ≧Ｍを満たすことが好ましい。このようなスパッタリングターゲットの金属元素の原子数比として、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝１：１：１．２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝３：１：２、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝４：２：３、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝４：２：４．１、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝５：１：６、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝５：１：７、Ｉｎ：Ｍ：Ｚｎ＝５：１：８等が好ましい。なお、成膜される半導体層の原子数比はそれぞれ、上記のスパッタリングターゲットに含まれる金属元素の原子数比のプラスマイナス４０％の変動を含む。
【００４４】
半導体層としては、キャリア密度の低い酸化物半導体を用いる。例えば、半導体層は、キャリア密度が１×１０１７／ｃｍ３以下、好ましくは１×１０１５／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０１３／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１１／ｃｍ３以下、さらに好ましくは１×１０１０／ｃｍ３未満であり、１×１０−９／ｃｍ３以上のキャリア密度の酸化物半導体を用いることができる。そのような酸化物半導体を、高純度真性または実質的に高純度真性な酸化物半導体と呼ぶ。これにより不純物濃度が低く、欠陥準位密度が低いため、安定な特性を有する酸化物半導体であるといえる。
【００４５】
なお、これらに限られず、必要とするトランジスタの半導体特性および電気特性（電界効果移動度、しきい値電圧等）に応じて適切な組成のものを用いればよい。また、必要とするトランジスタの半導体特性を得るために、半導体層のキャリア密度や不純物濃度、欠陥密度、金属元素と酸素の原子数比、原子間距離、密度等を適切なものとすることが好ましい。
【００４６】
半導体層を構成する酸化物半導体において、第１４族元素の一つであるシリコンや炭素が含まれると、酸素欠損が増加し、ｎ型化してしまう。このため、半導体層におけるシリコンや炭素の濃度（二次イオン質量分析法により得られる濃度）を、２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
【００４７】
また、アルカリ金属およびアルカリ土類金属は、酸化物半導体と結合するとキャリアを生成する場合があり、トランジスタのオフ電流が増大してしまうことがある。このため、半導体層におけるアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度（二次イオン質量分析法により得られる濃度）を、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、好ましくは２×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下にする。
【００４８】
また、半導体層を構成する酸化物半導体に窒素が含まれていると、キャリアである電子が生じてキャリア密度が増加し、ｎ型化しやすい。この結果、窒素が含まれている酸化物半導体を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため半導体層における窒素濃度（二次イオン質量分析法により得られる濃度）は、５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下にすることが好ましい。
【００４９】
また、半導体層は、例えば非単結晶構造でもよい。非単結晶構造は、例えば、ｃ軸に配向した結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ−Ａｘｉｓ  Ａｌｉｇｎｅｄ  Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ、または、Ｃ−Ａｘｉｓ  Ａｌｉｇｎｅｄ  ａｎｄ  Ａ−Ｂ−ｐｌａｎｅ  Ａｎｃｈｏｒｅｄ  Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、多結晶構造、微結晶構造、または非晶質構造を含む。非単結晶構造において、非晶質構造は最も欠陥準位密度が高く、ＣＡＡＣ−ＯＳは最も欠陥準位密度が低い。
【００５０】
非晶質構造の酸化物半導体膜は、例えば、原子配列が無秩序であり、結晶成分を有さない。または、非晶質構造の酸化物膜は、例えば、完全な非晶質構造であり、結晶部を有さない。
【００５１】
なお、半導体層が、非晶質構造の領域、微結晶構造の領域、多結晶構造の領域、ＣＡＡＣ−ＯＳの領域、単結晶構造の領域のうち、二種以上を有する混合膜であってもよい。混合膜は、例えば上述した領域のうち、いずれか二種以上の領域を含む単層構造、または積層構造を有する場合がある。
【００５２】
以下では、非単結晶の半導体層の一態様であるＣＡＣ（Ｃｌｏｕｄ−Ａｌｉｇｎｅｄ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）−ＯＳの構成について説明する。
【００５３】
ＣＡＣ−ＯＳとは、例えば、酸化物半導体を構成する元素が、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下、好ましくは、１ｎｍ以上２ｎｍ以下、またはその近傍のサイズで偏在した材料の一構成である。なお、以下では、酸化物半導体において、一つあるいはそれ以上の金属元素が偏在し、該金属元素を有する領域が、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下、好ましくは、１ｎｍ以上２ｎｍ以下、またはその近傍のサイズで混合した状態をモザイク状、またはパッチ状ともいう。
【００５４】
なお、酸化物半導体は、少なくともインジウムを含むことが好ましい。特にインジウムおよび亜鉛を含むことが好ましい。また、それらに加えて、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、銅、バナジウム、ベリリウム、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウム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。
【００５５】
例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物におけるＣＡＣ−ＯＳ（ＣＡＣ−ＯＳの中でもＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物を、特にＣＡＣ−ＩＧＺＯと呼称してもよい。）とは、インジウム酸化物（以下、ＩｎＯＸ１（Ｘ１は０よりも大きい実数）とする。）、またはインジウム亜鉛酸化物（以下、ＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２（Ｘ２、Ｙ２、およびＺ２は０よりも大きい実数）とする。）と、ガリウム酸化物（以下、ＧａＯＸ３（Ｘ３は０よりも大きい実数）とする。）、またはガリウム亜鉛酸化物（以下、ＧａＸ４ＺｎＹ４ＯＺ４（Ｘ４、Ｙ４、およびＺ４は０よりも大きい実数）とする。）等と、に材料が分離することでモザイク状となり、モザイク状のＩｎＯＸ１、またはＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２が、膜中に均一に分布した構成（以下、クラウド状ともいう。）である。
【００５６】
つまり、ＣＡＣ−ＯＳは、ＧａＯＸ３が主成分である領域と、ＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２、またはＩｎＯＸ１が主成分である領域とが、混合している構成を有する複合酸化物半導体である。なお、本明細書において、例えば、第１の領域の元素Ｍに対するＩｎの原子数比が、第２の領域の元素Ｍに対するＩｎの原子数比よりも大きいことを、第１の領域は、第２の領域と比較して、Ｉｎの濃度が高いとする。
【００５７】
なお、ＩＧＺＯは通称であり、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎ、およびＯによる１つの化合物をいう場合がある。代表例として、ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍ１（ｍ１は自然数）、またはＩｎ（１＋ｘ０）Ｇａ（１−ｘ０）Ｏ３（ＺｎＯ）ｍ０（−１≦ｘ０≦１、ｍ０は任意数）で表される結晶性の化合物が挙げられる。
【００５８】
上記結晶性の化合物は、単結晶構造、多結晶構造、またはＣＡＡＣ構造を有する。なお、ＣＡＡＣ構造とは、複数のＩＧＺＯのナノ結晶がｃ軸配向を有し、かつａ−ｂ面においては配向せずに連結した結晶構造である。
【００５９】
一方、ＣＡＣ−ＯＳは、酸化物半導体の材料構成に関する。ＣＡＣ−ＯＳとは、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎ、およびＯを含む材料構成において、一部にＧａを主成分とするナノ粒子状に観察される領域と、一部にＩｎを主成分とするナノ粒子状に観察される領域とが、それぞれモザイク状にランダムに分散している構成をいう。したがって、ＣＡＣ−ＯＳにおいて、結晶構造は副次的な要素である。
【００６０】
なお、ＣＡＣ−ＯＳは、組成の異なる二種類以上の膜の積層構造は含まないものとする。例えば、Ｉｎを主成分とする膜と、Ｇａを主成分とする膜との２層からなる構造は、含まない。
【００６１】
なお、ＧａＯＸ３が主成分である領域と、ＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２、またはＩｎＯＸ１が主成分である領域とは、明確な境界が観察できない場合がある。
【００６２】
なお、ガリウムの代わりに、アルミニウム、イットリウム、銅、バナジウム、ベリリウム、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウム等から選ばれた一種、または複数種が含まれている場合、ＣＡＣ−ＯＳは、一部に該金属元素を主成分とするナノ粒子状に観察される領域と、一部にＩｎを主成分とするナノ粒子状に観察される領域とが、それぞれモザイク状にランダムに分散している構成をいう。
【００６３】
ＣＡＣ−ＯＳは、例えば基板を意図的に加熱しない条件で、スパッタリング法により形成することができる。また、ＣＡＣ−ＯＳをスパッタリング法で形成する場合、成膜ガスとして、不活性ガス（代表的にはアルゴン）、酸素ガス、および窒素ガスの中から選ばれたいずれか一つまたは複数を用いればよい。また、成膜時の成膜ガスの総流量に対する酸素ガスの流量比は低いほど好ましく、例えば酸素ガスの流量比を０％以上３０％未満、好ましくは０％以上１０％以下とすることが好ましい。
【００６４】
ＣＡＣ−ＯＳは、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−ｒａｙ  ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）測定法のひとつであるＯｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法によるθ／２θスキャンを用いて測定したときに、明確なピークが観察されないという特徴を有する。すなわち、Ｘ線回折から、測定領域のａ−ｂ面方向、およびｃ軸方向の配向は見られないことが分かる。
【００６５】
また、ＣＡＣ−ＯＳは、プローブ径が１ｎｍの電子線（ナノビーム電子線ともいう。）を照射することで得られる電子線回折パターンにおいて、リング状に輝度の高い領域と、該リング領域に複数の輝点が観測される。したがって、電子線回折パターンから、ＣＡＣ−ＯＳの結晶構造が、平面方向、および断面方向において、配向性を有さないｎｃ（ｎａｎｏ−ｃｒｙｓｔａｌ）構造を有することがわかる。
【００６６】
また、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物におけるＣＡＣ−ＯＳでは、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＸ：Ｅｎｅｒｇｙ  Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ  Ｘ−ｒａｙ  ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を用いて取得したＥＤＸマッピングにより、ＧａＯＸ３が主成分である領域と、ＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２、またはＩｎＯＸ１が主成分である領域とが、偏在し、混合している構造を有することが確認できる。
【００６７】
ＣＡＣ−ＯＳは、金属元素が均一に分布したＩＧＺＯ化合物とは異なる構造であり、ＩＧＺＯ化合物と異なる性質を有する。つまり、ＣＡＣ−ＯＳは、ＧａＯＸ３等が主成分である領域と、ＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２、またはＩｎＯＸ１が主成分である領域と、に互いに相分離し、各元素を主成分とする領域がモザイク状である構造を有する。
【００６８】
ここで、ＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２、またはＩｎＯＸ１が主成分である領域は、ＧａＯＸ３等が主成分である領域と比較して、導電性が高い領域である。つまり、ＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２、またはＩｎＯＸ１が主成分である領域を、キャリアが流れることにより、酸化物半導体としての導電性が発現する。したがって、ＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２、またはＩｎＯＸ１が主成分である領域が、酸化物半導体中にクラウド状に分布することで、高い電界効果移動度（μ）が実現できる。
【００６９】
一方、ＧａＯＸ３等が主成分である領域は、ＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２、またはＩｎＯＸ１が主成分である領域と比較して、絶縁性が高い領域である。つまり、ＧａＯＸ３等が主成分である領域が、酸化物半導体中に分布することで、リーク電流を抑制し、良好なスイッチング動作を実現できる。
【００７０】
したがって、ＣＡＣ−ＯＳを半導体素子に用いた場合、ＧａＯＸ３等に起因する絶縁性と、ＩｎＸ２ＺｎＹ２ＯＺ２、またはＩｎＯＸ１に起因する導電性とが、相補的に作用することにより、高いオン電流（Ｉｏｎ）、および高い電界効果移動度（μ）を実現することができる。
【００７１】
また、ＣＡＣ−ＯＳを用いた半導体素子は、信頼性が高い。したがって、ＣＡＣ−ＯＳは、様々な半導体装置の構成材料として適している。
【００７２】
画素１１ａにおいて、ノードＮＭに書き込まれた信号は、配線１２１に適切な電位を供給することで、ノードＮＲに読み出すことができる。当該電位は、例えば、トランジスタ１１６のしきい値電圧相当の電位とすることができる。この動作以前にノードＮＡに画像信号が書き込まれていれば、容量素子１０３の容量結合により、画像信号にノードＮＲの電位を付加した信号電位が液晶素子１０５に印加される。
【００７３】
すなわち、ノードＮＭに所望の補正信号を格納しておけば、供給した画像信号に当該補正信号を付加することができる。なお、補正信号は伝送経路上の要素によって減衰することがあるため、当該減衰を考慮して生成することが好ましい。
【００７４】
図２に示すタイミングチャートを用いて、画素１１ａの動作の詳細を説明する。なお、所望のタイミングにおいて、配線１２４には補正信号（Ｖｐ）が供給され、配線１２５には画像信号（Ｖｓ）が供給される。また、以下の説明においては、高電位を“Ｈ”、低電位を“Ｌ”で表す。
【００７５】
期間Ｔ１に配線１２１の電位を“Ｌ”、配線１２２の電位を“Ｈ”、配線１２３の電位を“Ｌ”とすると、トランジスタ１１５が導通し、ノードＮＭに補正信号（Ｖｐ）が書き込まれる。
【００７６】
期間Ｔ２に配線１２１の電位を“Ｌ”、配線１２２の電位を“Ｌ”、配線１２３の電位を“Ｈ”とすると、トランジスタ１０２が導通し、ノードＮＲが“Ｌ”にリセットされる。また、トランジスタ１０１が導通し、ノードＮＡに画像信号（Ｖｓ）が書き込まれる。
【００７７】
期間Ｔ３に配線１２１の電位を“Ｈ”、配線１２２の電位を“Ｌ”、配線１２３の電位を“Ｌ”とすると、容量素子１１７の容量結合によりノードＮＭの電位に配線１２１の電位が付加される。このとき、配線１２１の電位をトランジスタ１１６のしきい値電圧（Ｖｔｈ）とすると、ノードＮＭの電位はＶｐ＋Ｖｔｈとなる。そして、トランジスタ１１６は導通し、ノードＮＲは、トランジスタ１１６のゲート電位よりしきい値電圧（Ｖｔｈ）分だけ低い電位、すなわち補正信号（Ｖｐ）に相当する電位となる。
【００７８】
そして、容量素子１０３の容量結合により、ノードＮＲとノードＮＡの容量比に応じた電位（Ｖｐ’）が画像信号（Ｖｓ）に付加される。すなわち、ノードＮＡの電位は、Ｖｓ＋Ｖｐ’となる。
【００７９】
以上により、補正信号に由来する電位を画像信号に付加することができ、表示の補正を行うことができる。
【００８０】
上記画素１１ａの構成および動作は、画像のアップコンバートに有用である。画素１１ａを用いたアップコンバートについて、図３（Ａ）、（Ｂ）を用いて説明する。
【００８１】
例えば、８Ｋ４Ｋの表示装置の画素数は、４Ｋ２Ｋの表示装置の画素数（３８４０×２１６０）の４倍である。つまり、４Ｋ２Ｋの表示装置の１画素で表示する画像信号を単純に８Ｋ４Ｋの表示装置で表示しようとすると、４画素で同じ画像信号を表示することになる。
【００８２】
図３（Ａ）は、上記を想定した水平垂直方向の４画素に表示される画像を説明する図である。図３（Ａ）に示すように、アップコンバート前では４画素全て画像信号Ｓ１で表示されることになるが、アップコンバート後ではそれぞれの画素に画像信号Ｓ０乃至Ｓ２が適用され、解像度を向上することができる。
【００８３】
図３（Ｂ）は、画素１１ａにおけるアップコンバート動作を説明する図である。画素１１ａでは前述した方法で画像信号を補正するため、画像信号の補正は電位を上げる方向に行う。したがって、元の画像信号Ｓ１を信号電位の小さい画像信号Ｓ０に外部機器で加工し、画素１１ａに供給する。なお、画像信号Ｓ０の生成動作は単純であるため、外部機器の負荷は小さい。
【００８４】
また、各画素には、補正信号としてＷ１乃至Ｗ３を供給する。ここで、Ｗ１乃至Ｗ３を生成する方法は限定されない。補正信号の生成は、外部機器を用いてリアルタイムで行ってもよいし、記録媒体に保存されている補正信号を読み出して画像信号Ｓ０と同期させてもよい。
【００８５】
そして、前述した画素１１ａの動作を行うことにより各画像信号に各補正信号が付加され、新しい画像信号Ｓ０乃至Ｓ２が生成される。したがって、アップコンバートした表示を行うことができる。
【００８６】
従来の外部補正によるアップコンバートでは、新しい画像信号そのものを生成するため、外部機器の負荷が大きかった。一方で、上述した本発明の一態様では、供給する画像信号は大きく変化させず、補正信号を供給した画素で新たな画像信号を生成するため、外部機器の負担を小さくすることができる。また、新たな画像信号を画素で生成するための動作は少ないステップで行うことができ、画素数が多く水平期間の短い表示装置でも対応することができる。
【００８７】
また、本発明の一態様の画素は、図４（Ａ）に示す画素１１ｂの構成とすることもできる。画素１１ｂは、画素１１ａにトランジスタ１０６と、トランジスタ１０７と、配線１２６を付加した構成である。
【００８８】
トランジスタ１０６のソースまたはドレインの一方は、トランジスタ１０１のソースまたはドレインの一方と電気的に接続される。トランジスタ１０６のソースまたはドレインの他方は、液晶素子１０５の一方の電極と電気的に接続される。トランジスタ１０７のソースまたはドレインの一方は、トランジスタ１０６のソースまたはドレインの他方と電気的に接続され、トランジスタ１０７のソースまたはドレインの他方は、電源線（低電位）と電気的に接続される。
【００８９】
上記構成において、トランジスタ１０１のソースまたはドレインの一方、容量素子１０３の一方の電極およびトランジスタ１０６のソースまたはドレインの一方が接続される配線をノードＮＡとする。また、トランジスタ１０６のソースまたはドレインの一方、容量素子１０４の一方の電極および液晶素子１０５の一方の電極が接続される配線をノードＮＢとする。
【００９０】
また、トランジスタ１０６のゲートは、配線１２６と電気的に接続される。トランジスタ１０７のゲートは、配線１２１と電気的に接続される。配線１２６は、トランジスタの動作を制御するための信号線としての機能を有することができる。
【００９１】
画素１１ａの構成では、画像信号を入力した後に補正信号を付加する動作を行うため、液晶素子１０５の動作が段階的となることがある。そのため、液晶素子１０５の応答特性によってはその動作が視認され、表示品位を低下させる場合がある。
【００９２】
画素１１ｂでは、トランジスタ１０６を非導通とした状態において、ノードＮＡに画像信号を供給し、補正信号を付加させる。その後、トランジスタ１０６を導通してノードＮＢに補正した画像信号を供給する。したがって、液晶素子１０５の動作は段階的にならず、表示品位の低下を防ぐことができる。
【００９３】
図５に示すタイミングチャートを用いて、画素１１ｂの動作の詳細を説明する。なお、適切なタイミングにおいて、配線１２４には補正信号（Ｖｐ）が供給され、配線１２５には画像信号（Ｖｓ）が供給される。また、以下の説明においては、高電位を“Ｈ”、低電位を“Ｌ”で表す。
【００９４】
期間Ｔ１に配線１２１の電位を“Ｌ”、配線１２２の電位を“Ｈ”、配線１２３の電位を“Ｌ”とすると、トランジスタ１１５が導通し、ノードＮＭに補正信号（Ｖｐ）が書き込まれる。なお、配線１２６の電位は、前フレームの動作から引き継がれて期間Ｔ１では“Ｈ”となっている。
【００９５】
期間Ｔ２に配線１２１の電位を“Ｌ”、配線１２２の電位を“Ｌ”、配線１２３の電位を“Ｈ”、配線１２６の電位を“Ｌ”とすると、トランジスタ１０２が導通し、ノードＮＲが“Ｌ”にリセットされる。また、トランジスタ１０１が導通し、ノードＮＡに画像信号（Ｖｓ）が書き込まれる。また、トランジスタ１０６が非導通になることからノードＮＢの電位は引き続き保持され、表示は継続される。
【００９６】
期間Ｔ３に配線１２１の電位を“Ｈ”、配線１２２の電位を“Ｌ”、配線１２３の電位を“Ｌ”  、配線１２６の電位を“Ｌ”とすると、容量素子１１７の容量結合によりノードＮＭの電位に配線１２１の電位が付加される。このとき、配線１２１の電位をトランジスタ１１６のしきい値電圧（Ｖｔｈ）とすると、ノードＮＭの電位はＶｐ＋Ｖｔｈとなる。そして、トランジスタ１１６は導通し、ノードＮＲは、トランジスタ１１６のゲート電位よりしきい値電圧（Ｖｔｈ）分だけ低い電位、すなわち補正信号（Ｖｐ）に相当する電位となる。
【００９７】
そして、容量素子１０３の容量結合により、ノードＮＲとノードＮＡの容量比に応じた電位（Ｖｐ’）が画像信号（Ｖｓ）に付加される。すなわち、ノードＮＡの電位は、Ｖｓ＋Ｖｐ’となる。また、トランジスタ１０７が導通することにより、ノードＮＢの電位は“Ｌ”にリセットされる。
【００９８】
期間Ｔ４に配線１２１の電位を“Ｌ”、配線１２２の電位を“Ｌ”、配線１２３の電位を“Ｌ”  、配線１２６の電位を“Ｈ”とすると、ノードＮＡの電位がノードＮＢに分配され、ノードＮＢの電位は、（Ｖｓ＋Ｖｐ’）’となる。
【００９９】
以上により、補正信号に由来する電位を画像信号に付加することができ、表示の補正を行うことができる。
【０１００】
なお、画素１１ｂの基本構成を用いて他の表示素子を動作させてもよい。図４（Ｂ）は、画素１１ｂの液晶素子１０５および容量素子１０４をＥＬ素子１１０、トランジスタ１０８および容量素子１０９に置き換えた画素１１ｃの構成を示す図である。
【０１０１】
ＥＬ素子１１０の一方の電極は、容量素子１０９の一方の電極と電気的に接続される。容量素子１０９の一方の電極は、トランジスタ１０８のソースまたはドレインの一方と電気的に接続される。トランジスタ１０８のゲートは、トランジスタ１０６のソースまたはドレインの他方と電気的に接続される。トランジスタ１０６のソースまたはドレインの他方は、容量素子１０９の他方の電極と電気的に接続される。
【０１０２】
上記構成において、トランジスタ１０６のソースまたはドレインの他方、容量素子１０９の他方の電極およびトランジスタ１０８のゲートが接続される配線をノードＮＢとする。
【０１０３】
トランジスタ１０８のソースまたはドレインの他方は、電源線（高電位）と電気的に接続される。ＥＬ素子１１０の他方の電極は共通配線１２９と電気的に接続される。共通配線１２９には任意の電位を供給することができる。
【０１０４】
画素１１ｃの動作については、前述した画素１１ｂの動作の説明を参照することができる。
【０１０５】
図６は、本発明の一態様の表示装置のブロック図の一例である。当該表示装置は、画素１１がマトリクス状の設けられた表示部２１５と、ロードライバ１２と、カラムドライバ１３と、回路１４を有する。なお、画素１１としては、前述した画素１１ａ乃至１１ｃを適用することができる。
【０１０６】
ロードライバ１２およびカラムドライバ１３には、例えばシフトレジスタ回路を用いることができる。回路１４は、画像信号および補正信号を生成する機能を有する。なお、回路１４は、前述した補正信号を生成するための外部機器ということもできる。
【０１０７】
回路１４には、図３（Ａ）、（Ｂ）の説明における画像信号Ｓ１が入力され、画像信号Ｓ０および補正信号Ｗが生成されてカラムドライバ１３に出力される。なお、画像信号Ｓ０を生成する機能および補正信号Ｗを生成する機能は、それぞれ異なる回路が有していてもよい。
【０１０８】
また、回路１４は、ニューラルネットワークを有していてもよい。例えば、膨大な画像を教師データとして学習したディープニューラルネットワークを用いることで、精度の高い補正信号Ｗを生成することができる。
【０１０９】
図７は、図６に示す構成の表示装置の変形例である。図７に示す構成の表示装置は、タッチパネル３６を追加した点が、図６に示す構成の表示装置と異なる。タッチパネル３６は、信号Ｓ３を生成する機能を有する。信号Ｓ３は、タッチされた位置等を表す信号である。信号Ｓ３は回路１４に入力され、回路１４は画像信号Ｓ１の他、信号Ｓ３を基にして補正信号Ｗを生成することができる。これにより、表示部２１５により表示される画像を、信号Ｓ３に依存した画像とすることができる。例えば、表示部２１５により表示される画像において、タッチした部分をタッチしていない部分より低輝度、または高輝度とすることができる。これにより、例えば表示部２１５に文字、マーカー等を書き込むことができる。
【０１１０】
図８は、図７に示す構成の表示装置の変形例である。図８に示す構成の表示装置は、回路１４の代わりに、回路１４ａおよび回路１４ｂを有する点が、図７に示す構成の表示装置と異なる。回路１４ａは、補正信号Ｗを生成する機能を有する。回路１４ｂは、画像信号Ｓ０を生成する機能を有する。つまり、回路１４が有していた画像信号Ｓ０を生成する機能および補正信号Ｗを生成する機能を、それぞれ異なる回路が有する構成である。
【０１１１】
図８に示す構成の表示装置において、画像信号Ｓ１は、例えば回路１４ａと回路１４ｂの両方に入力することができる。一方、タッチパネル３６が生成する信号Ｓ３は、例えば回路１４ａにのみ入力することができる。以上により、画像信号Ｓ０は、信号Ｓ３に依存しない信号とすることができ、補正信号Ｗは、信号Ｓ３に依存した信号とすることができる。
【０１１２】
なお、回路１４ａおよび回路１４ｂは、ニューラルネットワークを有していてもよい。例えば、回路１４ａと回路１４ｂの両方がニューラルネットワークを有していてもよいし、回路１４ａのみニューラルネットワークを有していてもよい。回路１４ａがニューラルネットワークを有する場合、当該ニューラルネットワークとして膨大な画像を教師データとして学習したディープニューラルネットワークを用いることで、精度の高い補正信号Ｗを生成することができる。
【０１１３】
これまで、メモリ回路ＭＥＭを有する画素におけるアップコンバート動作を主として説明したが、当該画素では、トランジスタの特性ばらつきを補正する動作を行うこともできる。ＥＬ素子を用いた画素では、ＥＬ素子に電流を供給する駆動トランジスタのしきい値電圧のばらつきが表示品位に与える影響が大きい。メモリ回路ＭＥＭに駆動トランジスタのしきい値電圧を補正する信号を保持させ、画像信号に付加することで表示品位を向上させることができる。
【０１１４】
図９は、上記駆動トランジスタに相当するトランジスタ１０８のしきい値電圧（Ｖｔｈ）を補正する動作を行うことができる画素１１ｄの構成を示す図である。画素１１ｄでは、画素１１ｃにトランジスタ１１１および配線１３０を付加した構成を有する。
【０１１５】
トランジスタ１１１のソースまたはドレインの一方は、トランジスタ１０８のソースまたはドレインの一方と電気的に接続される。トランジスタ１１１のソースまたはドレインの他方は、配線１３０と電気的に接続される。トランジスタ１１１のゲートは、配線１２３と電気的に接続される。
【０１１６】
配線１３０は、トランジスタ１０８の電気特性を取得するためのモニタ線としての機能を有する。また、配線１３０からトランジスタ１１１を介して容量素子１０９の一方の電極に特定の電位を供給することにより、画像信号の書き込みを安定化させることもできる。
【０１１７】
画素１１ｄでは、初期動作として外部補正の動作を行うが、生成された補正信号はメモリ回路ＭＥＭに格納される。したがって、メモリ回路ＭＥＭに補正信号が保持された後は、内部補正のように動作する。
【０１１８】
補正信号の生成およびメモリ回路ＭＥＭへの格納を図９の回路図および図１０に示す表示装置のブロック図を用いて説明する。当該表示装置は、画素１１ｄがマトリクス状の設けられた表示部２１５と、ロードライバ１２と、カラムドライバ１３と、カラムドライバ１５と、回路１６を有する。
【０１１９】
カラムドライバ１５には、例えばシフトレジスタ回路を用いることができる。回路１６は、補正信号を生成する機能を有する。カラムドライバ１５によって配線１３０を順次選択し、その出力値を回路１６に入力することができる。
【０１２０】
まず、トランジスタ１０１、１０６、１１１を導通し、ノードＮＢにトランジスタ１０８が導通する標準電位を書き込む。トランジスタ１０８が出力する電流は、トランジスタ１１１を介して回路１６に取り込まれる。当該動作を全ての画素に対して行い、ゲートに標準電位を印加したときのトランジスタ１０８が出力する電流値を取得する。
【０１２１】
回路１６では電流値を読み取って解析し、最も電流値の高いトランジスタを基準として各画素に格納する補正信号Ｗを生成する。当該補正信号Ｗは、カラムドライバ１３に入力され、各画素のメモリ回路ＭＥＭに格納される。なお、回路１６は電流値を読み取る機能を有し、補正信号Ｗを生成する機能は他の回路が有していてもよい。
【０１２２】
以降は、前述したように画像信号に補正信号を付加した表示動作を行う。なお、トランジスタのしきい値電圧は、長期に亘って大きく変動することはあるが、短期間における変動は極めて少ない。したがって、補正信号の生成およびメモリ回路ＭＥＭへの格納動作は、フレームごと等に行う必要はなく、電源投入時や終了時等に行えばよい。または、表示装置の動作時間を記録し、日、週、月、年等を単位とした一定期間ごとに行ってもよい。
【０１２３】
なお、上記ではトランジスタ１０８が出力する電流値を実測して補正信号Ｗを生成する方法を説明したが、その他の方法で補正信号Ｗを生成してもよい。例えば、グレースケールの表示を行い、当該表示の輝度を輝度計で読み取ったデータや当該表示の写真を読み取ったデータを元に補正信号Ｗを生成してもよい。当該補正信号Ｗの生成には、ニューラルネットワークを用いた推論を用いることが好ましい。
【０１２４】
図１１は、図１０に示す構成の表示装置の変形例である。図１１に示す構成の表示装置は、タッチパネル３６を追加した点が、図１０に示す構成の表示装置と異なる。前述のとおり、タッチパネル３６は、タッチされた位置等を表す信号である信号Ｓ３を生成する機能を有する。信号Ｓ３は回路１６に入力され、回路１６はカラムドライバ１５からの出力電流の他、信号Ｓ３を基にして補正信号Ｗを生成することができる。これにより、トランジスタのしきい値電圧の補正を行いつつ、表示部２１５に表示される画像を、信号Ｓ３に依存した画像とすることができる。
【０１２５】
本実施の形態は、他の実施の形態等に記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【０１２６】
（実施の形態２）
本実施の形態では、液晶素子を用いた表示装置の構成例と、ＥＬ素子を用いた表示装置の構成例について説明する。なお、本実施の形態においては、実施の形態１で説明した補正に関する動作および機能の説明は省略する。
【０１２７】
図１２（Ａ）において、第１の基板４００１上に設けられた表示部２１５を囲むようにして、シール材４００５が設けられ、表示部２１５がシール材４００５および第２の基板４００６によって封止されている。
【０１２８】
表示部２１５は、実施の形態１に示した画素を有する表示部が設けられる。
【０１２９】
図１２（Ａ）では、走査線駆動回路２２１ａ、信号線駆動回路２３１ａ、信号線駆動回路２３２ａ、および共通線駆動回路２４１ａは、それぞれがプリント基板４０４１上に設けられた集積回路４０４２を複数有する。集積回路４０４２は、単結晶半導体または多結晶半導体で形成されている。信号線駆動回路２３１ａおよび信号線駆動回路２３２ａは、実施の形態１に示したカラムドライバの機能を有する。走査線駆動回路２２１ａは、実施の形態に示したロードライバの機能を有する。共通線駆動回路２４１ａは、実施の形態１に示した共通配線に規定の電位を供給する機能を有する。
【０１３０】
走査線駆動回路２２１ａ、共通線駆動回路２４１ａ、信号線駆動回路２３１ａ、および信号線駆動回路２３２ａに与えられる各種信号および電位は、ＦＰＣ（ＦＰＣ：Ｆｌｅｘｉｂｌｅ  ｐｒｉｎｔｅｄ  ｃｉｒｃｕｉｔ）４０１８を介して供給される。
【０１３１】
走査線駆動回路２２１ａおよび共通線駆動回路２４１ａが有する集積回路４０４２は、表示部２１５に選択信号を供給する機能を有する。信号線駆動回路２３１ａおよび信号線駆動回路２３２ａが有する集積回路４０４２は、表示部２１５に画像信号を供給する機能を有する。集積回路４０４２は、第１の基板４００１上のシール材４００５によって囲まれている領域とは異なる領域に実装されている。
【０１３２】
なお、集積回路４０４２の接続方法は、特に限定されるものではなく、ワイヤボンディング法、ＣＯＧ（Ｃｈｉｐ  Ｏｎ  Ｇｌａｓｓ）法、ＴＣＰ（Ｔａｐｅ  Ｃａｒｒｉｅｒ  Ｐａｃｋａｇｅ）法、ＣＯＦ（Ｃｈｉｐ  Ｏｎ  Ｆｉｌｍ）法等を用いることができる。
【０１３３】
図１２（Ｂ）は、信号線駆動回路２３１ａおよび信号線駆動回路２３２ａに含まれる集積回路４０４２をＣＯＧ法により実装する例を示している。また、駆動回路の一部または全体を表示部２１５と同じ基板上に一体形成して、システムオンパネルを形成することができる。
【０１３４】
図１２（Ｂ）では、走査線駆動回路２２１ａおよび共通線駆動回路２４１ａを、表示部２１５と同じ基板上に形成する例を示している。駆動回路を表示部２１５内の画素回路と同時に形成することで、部品点数を削減することができる。よって、生産性を高めることができる。
【０１３５】
また、図１２（Ｂ）では、第１の基板４００１上に設けられた表示部２１５と、走査線駆動回路２２１ａおよび共通線駆動回路２４１ａと、を囲むようにして、シール材４００５が設けられている。また表示部２１５、走査線駆動回路２２１ａ、および共通線駆動回路２４１ａの上に第２の基板４００６が設けられている。よって、表示部２１５、走査線駆動回路２２１ａ、および共通線駆動回路２４１ａは、第１の基板４００１とシール材４００５と第２の基板４００６とによって、表示素子と共に封止されている。
【０１３６】
また、図１２（Ｂ）では、信号線駆動回路２３１ａおよび信号線駆動回路２３２ａを別途形成し、第１の基板４００１に実装している例を示しているが、この構成に限定されない。走査線駆動回路を別途形成して実装しても良いし、信号線駆動回路の一部または走査線駆動回路の一部を別途形成して実装しても良い。
【０１３７】
また、表示装置は、表示素子が封止された状態にあるパネルと、該パネルにコントローラを含むＩＣ等を実装した状態にあるモジュールとを含む場合がある。
【０１３８】
また第１の基板上に設けられた表示部および走査線駆動回路は、トランジスタを複数有している。当該トランジスタとして、上記実施の形態で示したトランジスタを適用することができる。
【０１３９】
周辺駆動回路が有するトランジスタと、表示部の画素回路が有するトランジスタの構造は同じであってもよく、異なっていてもよい。周辺駆動回路が有するトランジスタは、全て同じ構造であってもよく、２種類以上の構造が組み合わせて用いられていてもよい。同様に、画素回路が有するトランジスタは、全て同じ構造であってもよく、２種類以上の構造が組み合わせて用いられていてもよい。
【０１４０】
図１３（Ａ）および図１３（Ｂ）は、図１２（Ｂ）中でＮ１−Ｎ２の鎖線で示した部位の断面図である。図１３（Ａ）および図１３（Ｂ）に示す表示装置は電極４０１５を有しており、電極４０１５はＦＰＣ４０１８が有する端子と異方性導電層４０１９を介して、電気的に接続されている。また、図１３（Ａ）および図１３（Ｂ）では、電極４０１５は、絶縁層４１１２、絶縁層４１１１、および絶縁層４１１０に形成された開口において配線４０１４と電気的に接続されている。
【０１４１】
電極４０１５は、第１の電極４０３０と同じ導電層から形成され、配線４０１４は、トランジスタ４０１０、およびトランジスタ４０１１のソース電極およびドレイン電極と同じ導電層で形成されている。
【０１４２】
また、第１の基板４００１上に設けられた表示部２１５と走査線駆動回路２２１ａは、トランジスタを複数有しており、図１３（Ａ）、および図１３（Ｂ）では、表示部２１５に含まれるトランジスタ４０１０、および走査線駆動回路２２１ａに含まれるトランジスタ４０１１を例示している。なお、図１３（Ａ）および図１３（Ｂ）では、トランジスタ４０１０およびトランジスタ４０１１としてボトムゲート型のトランジスタを例示しているが、トップゲート型のトランジスタであってもよい。
【０１４３】
図１３（Ａ）および図１３（Ｂ）では、トランジスタ４０１０およびトランジスタ４０１１上に絶縁層４１１２が設けられている。また、図１３（Ｂ）では、絶縁層４１１２上に隔壁４５１０が形成されている。
【０１４４】
また、トランジスタ４０１０およびトランジスタ４０１１は、絶縁層４１０２上に設けられている。また、トランジスタ４０１０およびトランジスタ４０１１は、絶縁層４１１１上に形成された電極４０１７を有する。電極４０１７はバックゲート電極として機能することができる。
【０１４５】
また、図１３（Ａ）および図１３（Ｂ）に示す表示装置は、容量素子４０２０を有する。容量素子４０２０は、トランジスタ４０１０のゲート電極と同じ工程で形成された電極４０２１と、ソース電極およびドレイン電極と同じ工程で形成された電極と、を有する。それぞれの電極は、絶縁層４１０３を介して重なっている。
【０１４６】
一般に、表示装置の画素部に設けられる容量素子の容量は、画素部に配置されるトランジスタのリーク電流等を考慮して、所定の期間の間電荷を保持できるように設定される。容量素子の容量は、トランジスタのオフ電流等を考慮して設定すればよい。
【０１４７】
表示部２１５に設けられたトランジスタ４０１０は表示素子と電気的に接続する。図１３（Ａ）は、表示素子として液晶素子を用いた液晶表示装置の一例である。図１３（Ａ）において、表示素子である液晶素子４０１３は、第１の電極４０３０、第２の電極４０３１、および液晶層４００８を含む。なお、液晶層４００８を挟持するように配向膜として機能する絶縁層４０３２、絶縁層４０３３が設けられている。第２の電極４０３１は第２の基板４００６側に設けられ、第１の電極４０３０と第２の電極４０３１は液晶層４００８を介して重畳する。
【０１４８】
またスペーサ４０３５は絶縁層を選択的にエッチングすることで得られる柱状のスペーサであり、第１の電極４０３０と第２の電極４０３１との間隔（セルギャップ）を制御するために設けられている。なお球状のスペーサを用いていても良い。
【０１４９】
また、必要に応じて、ブラックマトリクス（遮光層）、着色層（カラーフィルタ）、偏光部材、位相差部材、反射防止部材等の光学部材（光学基板）等を適宜設けてもよい。例えば、偏光基板および位相差基板による円偏光を用いてもよい。また、光源としてバックライト、サイドライト等を用いてもよい。また、上記バックライト、およびサイドライトとして、マイクロＬＥＤ等を用いても良い。
【０１５０】
図１３（Ａ）に示す表示装置では、基板４００６と第２の電極４０３１の間に、遮光層４１３２、着色層４１３１、絶縁層４１３３が設けられている。
【０１５１】
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。
【０１５２】
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。遮光層および着色層の形成方法は、前述した各層の形成方法と同様に行なえばよい。例えば、インクジェット法等で行なってもよい。
【０１５３】
また、図１３（Ａ）および図１３（Ｂ）に示す表示装置は、絶縁層４１１１と絶縁層４１０４を有する。絶縁層４１１１と絶縁層４１０４として、不純物元素を透過しにくい絶縁層を用いる。絶縁層４１１１と絶縁層４１０４でトランジスタの半導体層を挟むことで、外部からの不純物の浸入を防ぐことができる。
【０１５４】
また、表示装置に含まれる表示素子として、エレクトロルミネッセンスを利用する発光素子（ＥＬ素子）を適用することができる。ＥＬ素子は、一対の電極の間に発光性の化合物を含む層（「ＥＬ層」ともいう。）を有する。一対の電極間に、ＥＬ素子の閾値電圧よりも大きい電位差を生じさせると、ＥＬ層に陽極側から正孔が注入され、陰極側から電子が注入される。注入された電子と正孔はＥＬ層において再結合し、ＥＬ層に含まれる発光物質が発光する。
【０１５５】
また、ＥＬ素子は、発光材料が有機化合物であるか、無機化合物であるかによって区別され、一般的に、前者は有機ＥＬ素子、後者は無機ＥＬ素子と呼ばれている。
【０１５６】
有機ＥＬ素子は、電圧を印加することにより、一方の電極から電子、他方の電極から正孔がそれぞれＥＬ層に注入される。そして、それらキャリア（電子および正孔）が再結合することにより、発光性の有機化合物が励起状態を形成し、その励起状態が基底状態に戻る際に発光する。このようなメカニズムから、このような発光素子は、電流励起型の発光素子と呼ばれる。
【０１５７】
なお、ＥＬ層は、発光性の化合物以外に、正孔注入性の高い物質、正孔輸送性の高い物質、正孔ブロック材料、電子輸送性の高い物質、電子注入性の高い物質、またはバイポーラ性の物質（電子輸送性および正孔輸送性が高い物質）等を有していてもよい。
【０１５８】
ＥＬ層は、蒸着法（真空蒸着法を含む）、転写法、印刷法、インクジェット法、塗布法等の方法で形成することができる。
【０１５９】
無機ＥＬ素子は、その素子構成により、分散型無機ＥＬ素子と薄膜型無機ＥＬ素子とに分類される。分散型無機ＥＬ素子は、発光材料の粒子をバインダ中に分散させた発光層を有するものであり、発光メカニズムはドナー準位とアクセプター準位を利用するドナー−アクセプター再結合型発光である。薄膜型無機ＥＬ素子は、発光層を誘電体層で挟み込み、さらにそれを電極で挟んだ構造であり、発光メカニズムは金属イオンの内殻電子遷移を利用する局在型発光である。なお、ここでは、発光素子として有機ＥＬ素子を用いて説明する。
【０１６０】
発光素子は発光を取り出すために少なくとも一対の電極の一方が透明であればよい。そして、基板上にトランジスタおよび発光素子を形成し、当該基板とは逆側の面から発光を取り出す上面射出（トップエミッション）構造や、基板側の面から発光を取り出す下面射出（ボトムエミッション）構造や、両面から発光を取り出す両面射出（デュアルエミッション）構造の発光素子があり、どの射出構造の発光素子も適用することができる。
【０１６１】
図１３（Ｂ）は、表示素子として発光素子を用いた発光表示装置（「ＥＬ表示装置」ともいう。）の一例である。表示素子である発光素子４５１３は、表示部２１５に設けられたトランジスタ４０１０と電気的に接続している。なお発光素子４５１３の構成は、第１の電極４０３０、発光層４５１１、第２の電極４０３１の積層構造であるが、この構成に限定されない。発光素子４５１３から取り出す光の方向等に合わせて、発光素子４５１３の構成は適宜変えることができる。
【０１６２】
隔壁４５１０は、有機絶縁材料、または無機絶縁材料を用いて形成する。特に感光性の樹脂材料を用い、第１の電極４０３０上に開口部を形成し、その開口部の側面が連続した曲率を持って形成される傾斜面となるように形成することが好ましい。
【０１６３】
発光層４５１１は、単数の層で構成されていても、複数の層が積層されるように構成されていてもどちらでも良い。
【０１６４】
発光素子４５１３の発光色は、発光層４５１１を構成する材料によって、白、赤、緑、青、シアン、マゼンタ、または黄等に変化させることができる。
【０１６５】
カラー表示を実現する方法としては、発光色が白色の発光素子４５１３と着色層を組み合わせて行う方法と、画素毎に発光色の異なる発光素子４５１３を設ける方法がある。前者の方法は後者の方法よりも生産性が高い。一方、後者の方法では画素毎に発光層４５１１を作り分ける必要があるため、前者の方法よりも生産性が劣る。ただし、後者の方法では、前者の方法よりも色純度の高い発光色を得ることができる。後者の方法に加えて、発光素子４５１３にマイクロキャビティ構造を付与することにより色純度をさらに高めることができる。
【０１６６】
なお、発光層４５１１は、量子ドット等の無機化合物を有していてもよい。例えば、量子ドットを発光層に用いることで、発光材料として機能させることもできる。
【０１６７】
発光素子４５１３に酸素、水素、水分、二酸化炭素等が侵入しないように、第２の電極４０３１および隔壁４５１０上に保護層を形成してもよい。保護層としては、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、ＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ  Ｌｉｋｅ  Ｃａｒｂｏｎ）等を形成することができる。また、第１の基板４００１、第２の基板４００６、およびシール材４００５によって封止された空間には充填材４５１４が設けられ密封されている。このように、外気に曝されないように気密性が高く、脱ガスの少ない保護フィルム（貼り合わせフィルム、紫外線硬化樹脂フィルム等）やカバー材でパッケージング（封入）することが好ましい。
【０１６８】
充填材４５１４としては窒素やアルゴン等の不活性な気体の他に、紫外線硬化樹脂または熱硬化樹脂を用いることができ、ＰＶＣ（ポリビニルクロライド）、アクリル系樹脂、ポリイミド、エポキシ系樹脂、シリコーン系樹脂、ＰＶＢ（ポリビニルブチラル）またはＥＶＡ（エチレンビニルアセテート）等を用いることができる。また、充填材４５１４に乾燥剤が含まれていてもよい。
【０１６９】
シール材４００５には、ガラスフリット等のガラス材料や、二液混合型の樹脂等の常温で硬化する硬化樹脂、光硬化性の樹脂、熱硬化性の樹脂等の樹脂材料を用いることができる。また、シール材４００５に乾燥剤が含まれていてもよい。
【０１７０】
また、必要であれば、発光素子の射出面に偏光板、または円偏光板（楕円偏光板を含む）、位相差板（λ／４板、λ／２板）、カラーフィルタ等の光学フィルムを適宜設けてもよい。また、偏光板または円偏光板に反射防止膜を設けてもよい。例えば、表面の凹凸により反射光を拡散し、映り込みを低減できるアンチグレア処理を施すことができる。
【０１７１】
また、発光素子をマイクロキャビティ構造とすることで、色純度の高い光を取り出すことができる。また、マイクロキャビティ構造とカラーフィルタを組み合わせることで、映り込みが低減し、表示画像の視認性を高めることができる。
【０１７２】
表示素子に電圧を印加する第１の電極および第２の電極（画素電極、共通電極、対向電極等ともいう）においては、取り出す光の方向、電極が設けられる場所、および電極のパターン構造によって透光性、反射性を選択すればよい。
【０１７３】
第１の電極４０３０、第２の電極４０３１は、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、インジウム錫酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物等の透光性を有する導電性材料を用いることができる。
【０１７４】
また、第１の電極４０３０、第２の電極４０３１はタングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、クロム（Ｃｒ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）等の金属、またはその合金、もしくはその金属窒化物から一種以上を用いて形成することができる。
【０１７５】
また、第１の電極４０３０、第２の電極４０３１として、導電性高分子（導電性ポリマーともいう）を含む導電性組成物を用いて形成することができる。導電性高分子としては、いわゆるπ電子共役系導電性高分子を用いることができる。例えば、ポリアニリン若しくはその誘導体、ポリピロール若しくはその誘導体、ポリチオフェン若しくはその誘導体、または、アニリン、ピロールおよびチオフェンの２種以上からなる共重合体若しくはその誘導体等があげられる。
【０１７６】
また、トランジスタは静電気等により破壊されやすいため、駆動回路保護用の保護回路を設けることが好ましい。保護回路は、非線形素子を用いて構成することが好ましい。
【０１７７】
図１４乃至図１７は、図１３（Ａ）、（Ｂ）に示す構成の表示装置に、タッチパネルを設けた場合の断面図である。図１４は、図１３（Ａ）に示す構成の表示装置にタッチパネル３６を設けた場合を、図１５は、図１３（Ｂ）に示す構成の表示装置にタッチパネル３６を設けた場合をそれぞれ示している。具体的には、第２の基板４００６上、かつ液晶層４００８とは反対側にタッチパネル３６を設けた場合を示している。なお、当該構成をアウトセル型と呼ぶことができる。本発明の一態様の表示装置にタッチパネル３６を設けることで、本発明の一態様の表示装置に位置入力装置としての機能を付加することができる。
【０１７８】
なお、タッチパネル３６は、タッチセンサおよび導光板を有する構成とすることができる。当該導光板には、可視光を透過する材料を用いることができる。また、可とう性を有する材料を用いることができる。
【０１７９】
図１６は、図１３（Ａ）に示す構成の表示装置に、タッチパネルの構成要素であるタッチセンサ３９０を設けた場合を、図１７は、図１３（Ｂ）に示す構成の表示装置にタッチセンサ３９０を設けた場合をそれぞれ示している。具体的には、表示装置の内部、つまり第１の基板４００１と第２の基板４００６の間に、タッチセンサ３９０を設ける構成を示している。当該構成を、インセル型と呼ぶことができる。
【０１８０】
タッチセンサ３９０は、図１６に示すように、例えば第２の基板４００６と液晶層４００８の間に設けることができる。また、タッチセンサ３９０は、図１７に示すように、例えば第２の基板４００６と第２の電極４０３１の間に設けることができる。
【０１８１】
タッチセンサ３９０は、遮光層３９１と、絶縁層３９２、電極３９３、電極３９４および電極３９５を有する。例えば、指やタッチ入力ペン等の被検知体が近接することで、電極３９３と、電極３９４との相互容量の変化を検知することができる。電極３９５は、絶縁層３９２に設けられた開口部を介して、電極３９４を挟む２つの電極３９３と電気的に接続されている。
【０１８２】
図１６に示すように、電極３９３および電極３９４は、遮光層３９１と重なる領域に設けられる。また、図１６に示すように、電極３９３および電極３９４は、液晶素子４０１３と重ならないように設けられると好ましい。また、図１７に示すように、電極３９３および電極３９４は、発光素子４５１３と重ならないように設けられると好ましい。これにより、電極３９３および電極３９４は、液晶素子４０１３および発光素子４５１３が射出する光を遮らない構成とすることができる。したがって、タッチセンサ３９０を配置することによる輝度の低下が極めて少ないため、表示装置の視認性を高め、かつ消費電力を低減することができる。
【０１８３】
また、電極３９３および電極３９４が発光素子４５１３と重ならないため、電極３９３および電極３９４には、可視光の透過率が低い金属材料を用いることができる。このため、可視光の透過率が高い酸化物材料を用いた電極より、電極３９３および電極３９４の抵抗を低くすることができ、したがってタッチセンサ３９０のセンサ感度を向上させることができる。
【０１８４】
例えば、電極３９３、電極３９４、および電極３９５には、導電性のナノワイヤを用いてもよい。当該ナノワイヤは、直径の平均値が１ｎｍ以上１００ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以上５０ｎｍ以下、より好ましくは５ｎｍ以上２５ｎｍ以下の大きさとすればよい。また、上記ナノワイヤとしては、Ａｇナノワイヤ、Ｃｕナノワイヤ、またはＡｌナノワイヤ等の金属ナノワイヤ、あるいは、カーボンナノチューブ等を用いればよい。例えば、電極３９３、電極３９４、および電極３９５のいずれか一つあるいは全部にＡｇナノワイヤを用いる場合、可視光における光透過率を８９％以上、シート抵抗値を４０Ω／ｓｑｕａｒｅ（Ω／ｓｑ．）以上１００Ω／ｓｑ．以下とすることができる。
【０１８５】
図１８は、本発明の一態様の表示装置と、タッチパネルと、を有する表示パネル６００の斜視概略図である。表示パネル６００は、第１の基板４００１と第２の基板４００６とが貼り合わされた構成を有する。図１８では、第２の基板４００６を破線で明示している。
【０１８６】
表示パネル６００は、表示部２１５、回路６５９、配線４０１４等を有する。第１の基板４００１には、例えば回路６５９および配線４０１４が設けられている。また図１８では第１の基板４００１上にＩＣ６７３とＦＰＣ４０１８が実装されている例を示している。そのため、図１８に示す構成は、表示パネル６００とＦＰＣ４０１８およびＩＣ６７３を有する表示モジュールと言うこともできる。
【０１８７】
また、表示部２１５上にタッチパネル３６が設けられている。
【０１８８】
回路６５９は、例えば走査線駆動回路として機能する回路を用いることができる。
【０１８９】
配線４０１４は、表示部２１５や回路６５９に信号や電力を供給する機能を有する。当該信号や電力は、ＦＰＣ４０１８を介して外部、またはＩＣ６７３から配線４０１４に入力される。
【０１９０】
また、図１８では、ＣＯＧ（Ｃｈｉｐ  Ｏｎ  Ｇｌａｓｓ）方式等により、第１の基板４００１にＩＣ６７３が設けられている例を示している。ＩＣ６７３は、例えば走査線駆動回路、または信号線駆動回路等としての機能を有するＩＣを適用できる。なお表示パネル６００が走査線駆動回路および信号線駆動回路として機能する回路を備える場合や、走査線駆動回路や信号線駆動回路として機能する回路を外部に設け、ＦＰＣ４０１８を介して表示パネル６００を駆動するための信号を入力する場合等では、ＩＣ６７３を設けない構成としてもよい。また、ＩＣ６７３を、ＣＯＦ（Ｃｈｉｐ  Ｏｎ  Ｆｉｌｍ）方式等により、ＦＰＣ４０１８に実装してもよい。
【０１９１】
タッチパネルにおけるタッチ動作の検知方法として、例えば相互容量方式が挙げられる。図１９（Ａ）は、相互容量方式のタッチセンサ部の構成を示すブロック図である。図１９（Ａ）では、パルス電圧出力回路５０１、電流検出回路５０２を示している。なお図１９（Ａ）では、パルス電圧が与えられる電極２１３、電流の変化を検出する電極２１７をそれぞれ、Ｘ１乃至Ｘ５の５本、Ｙ１乃至Ｙ８の８本の配線として示している。また図１９（Ａ）は、隣り合う第１の電極および第２の電極が形成される容量５０３を図示している。
【０１９２】
パルス電圧出力回路５０１は、Ｘ１乃至Ｘ５の配線に順にパルス電圧を印加するための回路である。Ｘ１乃至Ｘ５の配線にパルス電圧が印加されることで、容量５０３を形成する電極２１３および電極２１７の間は、電界が生じる。この配線間に生じる電界が遮蔽等により容量５０３での相互容量に変化を生じさせることを利用して、指やタッチ入力ペン等、被検知体の近接、または接触を検知することができる。
【０１９３】
電流検出回路５０２は、容量５０３での相互容量に変化による、Ｙ１乃至Ｙ８の配線での電流の変化を検出するための回路である。Ｙ１乃至Ｙ８の配線では、被検知体の近接、または接触がないと検出される電流値に変化はないが、検出する被検知体の近接、または接触により相互容量が減少する場合に電流値が減少する変化を検出する。なお電流の検出は、積分回路等を用いて行えばよい。
【０１９４】
次いで図１９（Ｂ）に、図１９（Ａ）で示す相互容量方式のタッチセンサ部における入出力波形のタイミングチャート図を示す。図１９（Ｂ）では、１フレーム期間で各行列での被検知体の検出を行うものとする。また図１９（Ｂ）では、被検知体を検出する場合と、被検知体を検出しない場合と、に分けて示している。なおＹ１乃至Ｙ８の配線については、検出される電流値を電圧値として波形を示している。
【０１９５】
Ｘ１乃至Ｘ５の配線には、順にパルス電圧が与えられ、該パルス電圧に従ってＹ１乃至Ｙ８の配線での波形が変化する。被検知体の近接、または接触がない場合には、Ｘ１乃至Ｘ５の配線の電圧の変化に応じてＹ１乃至Ｙ８の波形が変化する。一方、被検知体の近接、または接触がある場合には、被検知体の近接、または接触する箇所では、電流値が減少するため、電圧値の波形も変化する。
【０１９６】
このように、相互容量の変化を検出することにより、被検知体の近接、または接触を検知することができる。
【０１９７】
なお、タッチパネルにおけるタッチ動作の検知方法は、相互容量方式に限らない。例えば、自己容量方式によってタッチ動作を検出してもよい。
【０１９８】
本実施の形態は、他の実施の形態等に記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【０１９９】
（実施の形態３）
本実施の形態では、本発明の一態様の表示装置で行うことができる動作モードについて図２０を用いて説明する。
【０２００】
なお、以下では、通常のフレーム周波数（代表的には６０Ｈｚ以上２４０Ｈｚ以下）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。
【０２０１】
なお、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。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。静止画は、連続するフレーム間でビデオ信号が同じである。よって、ＩＤＳ駆動モードは、静止画を表示する場合に特に有効である。ＩＤＳ駆動を用いて画像を表示させることで、消費電力が低減されるとともに、画面のちらつき（フリッカー）が抑制され、眼精疲労も低減できる。
【０２０２】
図２０（Ａ）乃至図２０（Ｃ）は、画素回路、および通常駆動モードとＩＤＳ駆動モードを説明するタイミングチャートである。図２０（Ａ）に示す画素回路６０２は、一般的な液晶表示装置の画素であり、信号線ＳＬと、ゲート線ＧＬと、信号線ＳＬおよびゲート線ＧＬに接続されたトランジスタＭ１と、トランジスタＭ１に接続される容量素子ＣｓＬＣおよび液晶素子６０１を有する。なお、ＩＤＳ駆動モードは、液晶表示装置だけでなく、ＥＬ表示装置にも適用することができる。
【０２０３】
ここで、トランジスタＭ１は、実施の形態１で説明した画素１１ａのトランジスタ１０１、または画素１１ｂ乃至１１ｃのトランジスタ１０６に相当する。
【０２０４】
トランジスタＭ１は、データＤ１のリークパスと成り得る。よって、トランジスタＭ１のオフ電流は小さいほど好ましい。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。ＯＳトランジスタは、多結晶シリコン等を用いたトランジスタよりも非導通状態時のリーク電流（オフ電流）が極めて低い特徴を有する。トランジスタＭ１にＯＳトランジスタを用いることでノードＮＤ１に供給された電荷を長期間保持することができる。
【０２０５】
また、図２０（Ａ）に示す回路図において、液晶素子６０１もデータＤ１のリークパスとなる。したがって、適切にＩＤＳ駆動を行うには、液晶素子６０１の抵抗率を１．０×１０１４Ω・ｃｍ以上とすることが好ましい。
【０２０６】
なお、上記ＯＳトランジスタのチャネル領域には、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ−Ｚｎ酸化物等を好適に用いることができる。また、上記Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物としては、代表的には、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］近傍の組成を用いることができる。
【０２０７】
図２０（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をノードＮＤ１に書き込む動作を行う。この動作は、期間Ｔ１からＴ３までで同じデータ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。
【０２０８】
一方、図２０（Ｃ）は、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。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。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。なお、低速のフレーム周波数としては、例えば、０．１Ｈｚ以上６０Ｈｚ未満とすればよい。
【０２０９】
したがって、ＩＤＳ駆動モード用いることで、表示装置の低消費電力化を図ることができる。
【０２１０】
本実施の形態は、他の実施の形態等に記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【０２１１】
（実施の形態４）
本実施の形態では、本発明の一態様の表示装置等に用いることができるトランジスタの一例について、図面を用いて説明する。
【０２１２】
本発明の一態様の表示装置等は、ボトムゲート型のトランジスタや、トップゲート型トランジスタ等の様々な形態のトランジスタを用いて作製することができる。例えば、プレーナ型のトランジスタを用いてもよいし、スタガ型のトランジスタを用いてもよい。よって、既存の製造ラインに合わせて、使用する半導体層の材料やトランジスタ構造を容易に置き換えることができる。
【０２１３】
〔ボトムゲート型トランジスタ〕
図２１（Ａ１）は、ボトムゲート型のトランジスタの一種であるチャネル保護型のトランジスタ１３１０の断面図である。図２１（Ａ１）において、トランジスタ１３１０は基板１３７１上に形成されている。また、トランジスタ１３１０は、基板１３７１上に絶縁層１３７２を介して電極１３２２を有する。また、電極１３２２上に絶縁層１３２６を介して半導体層１３２４を有する。電極１３２２はゲート電極として機能できる。絶縁層１３２６はゲート絶縁層として機能できる。
【０２１４】
また、半導体層１３２４のチャネル形成領域上に絶縁層１３２７を有する。また、半導体層１３２４の一部と接して、絶縁層１３２６上に電極１３４４ａおよび電極１３４４ｂを有する。電極１３４４ａは、ソース電極またはドレイン電極の一方として機能できる。電極１３４４ｂは、ソース電極またはドレイン電極の他方として機能できる。電極１３４４ａの一部、および電極１３４４ｂの一部は、絶縁層１３２７上に形成される。
【０２１５】
絶縁層１３２７は、チャネル保護層として機能できる。チャネル形成領域上に絶縁層１３２７を設けることで、電極１３４４ａおよび電極１３４４ｂの形成時に生じる半導体層１３２４の露出を防ぐことができる。よって、電極１３４４ａおよび電極１３４４ｂの形成時に、半導体層１３２４のチャネル形成領域がエッチングされることを防ぐことができる。本発明の一態様によれば、電気特性の良好なトランジスタを実現することができる。
【０２１６】
また、トランジスタ１３１０は、電極１３４４ａ、電極１３４４ｂおよび絶縁層１３２７上に絶縁層１３２８を有し、絶縁層１３２８の上に絶縁層１３２９を有する。
【０２１７】
半導体層１３２４にシリコン等の半導体を用いる場合は、半導体層１３２４と電極１３４４ａの間、および半導体層１３２４と電極１３４４ｂの間に、ｎ型半導体またはｐ型半導体として機能する層を設けることが好ましい。ｎ型半導体またはｐ型半導体として機能する層は、トランジスタのソース領域またはドレイン領域として機能することができる。
【０２１８】
絶縁層１３２９は、外部からのトランジスタへの不純物の拡散を防ぐ、または低減する機能を有する材料を用いて形成することが好ましい。なお、必要に応じて絶縁層１３２９を省略することもできる。
【０２１９】
図２１（Ａ２）に示すトランジスタ１３１１は、絶縁層１３２９上にバックゲート電極として機能できる電極１３２３を有する点が、トランジスタ１３１０と異なる。電極１３２３は、電極１３２２と同様の材料および方法で形成することができる。
【０２２０】
一般に、バックゲート電極は導電層で形成され、ゲート電極とバックゲート電極で半導体層のチャネル形成領域を挟むように配置される。よって、バックゲート電極は、ゲート電極と同様に機能させることができる。バックゲート電極の電位は、ゲート電極と同電位としてもよいし、接地電位（ＧＮＤ電位）や、任意の電位としてもよい。また、バックゲート電極の電位をゲート電極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。
【０２２１】
電極１３２２および電極１３２３は、どちらもゲート電極として機能することができる。よって、絶縁層１３２６、絶縁層１３２９、絶縁層１３２８、および絶縁層１３２９は、それぞれがゲート絶縁層として機能することができる。なお、電極１３２３は、絶縁層１３２８と絶縁層１３２９の間に設けてもよい。
【０２２２】
なお、電極１３２２または電極１３２３の一方を、「ゲート電極」という場合、他方を「バックゲート電極」という。例えば、トランジスタ１３１１において、電極１３２３を「ゲート電極」と言う場合、電極１３２２を「バックゲート電極」と言う。また、電極１３２３を「ゲート電極」として用いる場合は、トランジスタ１３１１をトップゲート型のトランジスタの一種と考えることができる。また、電極１３２２および電極１３２３のどちらか一方を、「第１のゲート電極」といい、他方を「第２のゲート電極」という場合がある。
【０２２３】
半導体層１３２４を挟んで電極１３２２および電極１３２３を設けることで、更には、電極１３２２および電極１３２３を同電位とすることで、半導体層１３２４においてキャリアの流れる領域が膜厚方向においてより大きくなるため、キャリアの移動量が増加する。この結果、トランジスタ１３１１のオン電流が大きくなると共に、電界効果移動度が高くなる。
【０２２４】
したがって、トランジスタ１３１１は、占有面積に対して大きいオン電流を有するトランジスタである。すなわち、求められるオン電流に対して、トランジスタ１３１１の占有面積を小さくすることができる。本発明の一態様によれば、トランジスタの占有面積を小さくすることができる。よって、本発明の一態様によれば、集積度の高い半導体装置を実現することができる。
【０２２５】
また、ゲート電極とバックゲート電極は導電層で形成されるため、トランジスタの外部で生じる電界が、チャネルが形成される半導体層に作用しないようにする機能（特に静電気等に対する電界遮蔽機能）を有する。なお、バックゲート電極を半導体層よりも大きく形成し、バックゲート電極で半導体層を覆うことで、電界遮蔽機能を高めることができる。
【０２２６】
ゲート電極とバックゲート電極は、それぞれが外部からの電界を遮蔽する機能を有するため、トランジスタの上方および下方に生じる荷電粒子等の電荷が半導体層のチャネル形成領域に影響しない。この結果、ストレス試験（例えば、ゲートに負の電圧を印加するＮＧＢＴ（Ｎｅｇａｔｉｖｅ  Ｇａｔｅ  Ｂｉａｓ−Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）ストレス試験（「ＮＢＴ」または「ＮＢＴＳ」ともいう。）の劣化が抑制される。また、ゲート電極とバックゲート電極は、ドレイン電極から生じる電界が半導体層に作用しないように遮断することができる。よって、ドレイン電圧の変動に起因する、オン電流の立ち上がり電圧の変動を抑制することができる。なお、この効果は、ゲート電極およびバックゲート電極に電位が供給されている場合において顕著に生じる。
【０２２７】
また、バックゲート電極を有するトランジスタは、ゲートに正の電圧を印加するＰＧＢＴ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ  Ｇａｔｅ  Ｂｉａｓ−Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）ストレス試験（「ＰＢＴ」または「ＰＢＴＳ」ともいう。）前後におけるしきい値電圧の変動も、バックゲート電極を有さないトランジスタより小さい。
【０２２８】
なお、ＮＧＢＴおよびＰＧＢＴ等のＢＴストレス試験は加速試験の一種であり、長期間の使用によって起こるトランジスタの特性変化（経年変化）を短時間で評価することができる。特に、ＢＴストレス試験前後におけるトランジスタのしきい値電圧の変動量は、信頼性を調べるための重要な指標となる。ＢＴストレス試験前後において、しきい値電圧の変動量が少ないほど、信頼性が高いトランジスタであるといえる。
【０２２９】
また、ゲート電極およびバックゲート電極を有し、且つ両者を同電位とすることで、しきい値電圧の変動量が低減される。このため、複数のトランジスタ間における電気特性のばらつきも同時に低減される。
【０２３０】
また、バックゲート電極側から光が入射する場合に、バックゲート電極を、遮光性を有する導電膜で形成することで、バックゲート電極側から半導体層に光が入射することを防ぐことができる。よって、半導体層の光劣化を防ぎ、トランジスタのしきい値電圧がシフトする等の電気特性の劣化を防ぐことができる。
【０２３１】
本発明の一態様によれば、信頼性の良好なトランジスタを実現することができる。また、信頼性の良好な半導体装置を実現することができる。
【０２３２】
図２１（Ｂ１）に、ボトムゲート型のトランジスタの１つであるチャネル保護型のトランジスタ１３２０の断面図を示す。トランジスタ１３２０は、トランジスタ１３１０とほぼ同様の構造を有しているが、絶縁層１３２７が半導体層１３２４を覆っている点が異なる。また、半導体層１３２４と重なる絶縁層１３２７の一部を選択的に除去して形成した開口部において、半導体層１３２４と電極１３４４ａが電気的に接続している。また、半導体層１３２４と重なる絶縁層１３２７の一部を選択的に除去して形成した他の開口部において、半導体層１３２４と電極１３４４ｂが電気的に接続している。絶縁層１３２７の、チャネル形成領域と重なる領域は、チャネル保護層として機能できる。
【０２３３】
図２１（Ｂ２）に示すトランジスタ１３２１は、絶縁層１３２９上にバックゲート電極として機能できる電極１３２３を有する点が、トランジスタ１３２０と異なる。
【０２３４】
絶縁層１３２７を設けることで、電極１３４４ａおよび電極１３４４ｂの形成時に生じる半導体層１３２４の露出を防ぐことができる。よって、電極１３４４ａおよび電極１３４４ｂの形成時に半導体層１３２４の薄膜化を防ぐことができる。
【０２３５】
また、トランジスタ１３２０およびトランジスタ１３２１は、トランジスタ１３１０およびトランジスタ１３１１よりも、電極１３４４ａと電極１３２２の間の距離と、電極１３４４ｂと電極１３２２の間の距離が長くなる。よって、電極１３４４ａと電極１３２２の間に生じる寄生容量を小さくすることができる。また、電極１３４４ｂと電極１３２２の間に生じる寄生容量を小さくすることができる。本発明の一態様によれば、電気特性の良好なトランジスタを実現できる。
【０２３６】
図２１（Ｃ１）に示すトランジスタ１３２５は、ボトムゲート型のトランジスタの１つであるチャネルエッチング型のトランジスタである。トランジスタ１３２５は、絶縁層１３２７を用いずに電極１３４４ａおよび電極１３４４ｂを形成する。このため、電極１３４４ａおよび電極１３４４ｂの形成時に露出する半導体層１３２４の一部がエッチングされる場合がある。一方、絶縁層１３２７を設けないため、トランジスタの生産性を高めることができる。
【０２３７】
図２１（Ｃ２）に示すトランジスタ１３２５は、絶縁層１３２９上にバックゲート電極として機能できる電極１３２３を有する点が、トランジスタ１３２０と異なる。
【０２３８】
〔トップゲート型トランジスタ〕
図２２（Ａ１）に、トップゲート型のトランジスタの一種であるトランジスタ１３３０の断面図を示す。トランジスタ１３３０は、絶縁層１３７２の上に半導体層１３２４を有し、半導体層１３２４および絶縁層１３７２上に、半導体層１３２４の一部に接する電極１３４４ａ、および半導体層１３２４の一部に接する電極１３４４ｂを有し、半導体層１３２４、電極１３４４ａ、および電極１３４４ｂ上に絶縁層１３２６を有し、絶縁層１３２６上に電極１３２２を有する。
【０２３９】
トランジスタ１３３０は、電極１３２２および電極１３４４ａ、並びに、電極１３２２および電極１３４４ｂが重ならないため、電極１３２２および電極１３４４ａの間に生じる寄生容量、並びに、電極１３２２および電極１３４４ｂの間に生じる寄生容量を小さくすることができる。また、電極１３２２を形成した後に、電極１３２２をマスクとして用いて不純物１２５５を半導体層１３２４に導入することで、半導体層１３２４中に自己整合（セルフアライメント）的に不純物領域を形成することができる（図２２（Ａ３）参照）。本発明の一態様によれば、電気特性の良好なトランジスタを実現することができる。
【０２４０】
なお、不純物１２５５の導入は、イオン注入装置、イオンドーピング装置またはプラズマ処理装置を用いて行うことができる。
【０２４１】
不純物１２５５としては、例えば、第１３族元素または第１５族元素のうち、少なくとも一種類の元素を用いることができる。また、半導体層１３２４に酸化物半導体を用いる場合は、不純物１２５５として、希ガス、水素、および窒素のうち、少なくとも一種類の元素を用いることも可能である。
【０２４２】
図２２（Ａ２）に示すトランジスタ１３３１は、電極１３２３および絶縁層１２２７を有する点がトランジスタ１３３０と異なる。トランジスタ１３３１は、絶縁層１３７２の上に形成された電極１３２３を有し、電極１３２３上に形成された絶縁層１２２７を有する。電極１３２３は、バックゲート電極として機能することができる。よって、絶縁層１２２７は、ゲート絶縁層として機能することができる。絶縁層１２２７は、絶縁層１３２６と同様の材料および方法により形成することができる。
【０２４３】
トランジスタ１３１１と同様に、トランジスタ１３３１は、占有面積に対して大きいオン電流を有するトランジスタである。すなわち、求められるオン電流に対して、トランジスタ１３３１の占有面積を小さくすることができる。本発明の一態様によれば、トランジスタの占有面積を小さくすることができる。よって、本発明の一態様によれば、集積度の高い半導体装置を実現することができる。
【０２４４】
図２２（Ｂ１）に例示するトランジスタ１３４０は、トップゲート型のトランジスタの１つである。トランジスタ１３４０は、電極１３４４ａおよび電極１３４４ｂを形成した後に半導体層１３２４を形成する点が、トランジスタ１３３０と異なる。また、図２２（Ｂ２）に例示するトランジスタ１３４１は、電極１３２３および絶縁層１２２７を有する点が、トランジスタ１３４０と異なる。トランジスタ１３４０およびトランジスタ１３４１において、半導体層１３２４の一部は電極１３４４ａ上に形成され、半導体層１３２４の他の一部は電極１３４４ｂ上に形成される。
【０２４５】
トランジスタ１３１１と同様に、トランジスタ１３４１は、占有面積に対して大きいオン電流を有するトランジスタである。すなわち、求められるオン電流に対して、トランジスタ１３４１の占有面積を小さくすることができる。本発明の一態様によれば、トランジスタの占有面積を小さくすることができる。よって、本発明の一態様によれば、集積度の高い半導体装置を実現することができる。
【０２４６】
図２３（Ａ１）に例示するトランジスタ１３４２は、トップゲート型のトランジスタの１つである。トランジスタ１３４２は、絶縁層１３２９を形成した後に電極１３４４ａおよび電極１３４４ｂを形成する点がトランジスタ１３３０やトランジスタ１３４０と異なる。電極１３４４ａおよび電極１３４４ｂは、絶縁層１３２８および絶縁層１３２９に形成した開口部において半導体層１３２４と電気的に接続する。
【０２４７】
また、電極１３２２と重ならない絶縁層１３２６の一部を除去し、電極１３２２と残りの絶縁層１３２６をマスクとして用いて不純物１２５５を半導体層１３２４に導入することで、半導体層１３２４中に自己整合（セルフアライメント）的に不純物領域を形成することができる（図２３（Ａ３）参照）。トランジスタ１３４２は、絶縁層１３２６が電極１３２２の端部を越えて延伸する領域を有する。不純物１２５５を半導体層１３２４に導入する際に、半導体層１３２４の絶縁層１３２６を介して不純物１２５５が導入された領域の不純物濃度は、絶縁層１３２６を介さずに不純物１２５５が導入された領域よりも小さくなる。よって半導体層１３２４は、電極１３２２と重ならない領域にＬＤＤ（Ｌｉｇｈｔｌｙ  Ｄｏｐｅｄ  Ｄｒａｉｎ）領域が形成される。
【０２４８】
図２３（Ａ２）に示すトランジスタ１３４３は、電極１３２３を有する点がトランジスタ１３４２と異なる。トランジスタ１３４３は、基板１３７１の上に形成された電極１３２３を有し、絶縁層１３７２を介して半導体層１３２４と重なる。電極１３２３は、バックゲート電極として機能することができる。
【０２４９】
また、図２３（Ｂ１）に示すトランジスタ１３４４および図２３（Ｂ２）に示すトランジスタ１３４５のように、電極１３２２と重ならない領域の絶縁層１３２６を全て除去してもよい。また、図２３（Ｃ１）に示すトランジスタ１３４６および図２３（Ｃ２）に示すトランジスタ１３４７のように、絶縁層１３２６を残してもよい。
【０２５０】
トランジスタ１３４２乃至トランジスタ１３４７も、電極１３２２を形成した後に、電極１３２２をマスクとして用いて不純物１２５５を半導体層１３２４に導入することで、半導体層１３２４中に自己整合的に不純物領域を形成することができる。本発明の一態様によれば、電気特性の良好なトランジスタを実現することができる。また、本発明の一態様によれば、集積度の高い半導体装置を実現することができる。
【０２５１】
［基板］
基板に用いる材料に大きな制限はない。目的に応じて、透光性の有無や加熱処理に耐えうる程度の耐熱性等を勘案して決定すればよい。例えばバリウムホウケイ酸ガラスやアルミノホウケイ酸ガラス等のガラス基板、セラミック基板、石英基板、サファイア基板等を用いることができる。また、半導体基板、可撓性基板（フレキシブル基板）、貼り合わせフィルム、基材フィルム等を用いてもよい。
【０２５２】
半導体基板としては、例えば、シリコン、もしくはゲルマニウム等を材料とした半導体基板、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、もしくは酸化ガリウムを材料とした化合物半導体基板等がある。また、半導体基板は、単結晶半導体であってもよいし、多結晶半導体であってもよい。
【０２５３】
また、基板として、例えば、第６世代（１５００ｍｍ×１８５０ｍｍ）、第７世代（１８７０ｍｍ×２２００ｍｍ）、第８世代（２２００ｍｍ×２４００ｍｍ）、第９世代（２４００ｍｍ×２８００ｍｍ）、第１０世代（２９５０ｍｍ×３４００ｍｍ）等の面積が大きなガラス基板を用いることができる。これにより、大型の表示装置を作製することができる。また、基板が大型化されることで、１枚の基板からより多くの表示装置を生産でき、生産コストを削減することができる。
【０２５４】
なお、表示部１６０の可撓性を高めるため、基板として可撓性基板（フレキシブル基板）、貼り合わせフィルム、基材フィルム等を用いてもよい。
【０２５５】
可撓性基板、貼り合わせフィルム、基材フィルム等の材料としては、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）等のポリエステル樹脂、ポリアクリロニトリル樹脂、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、ポリメチルメタクリレート樹脂、ポリカーボネート（ＰＣ）樹脂、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）樹脂、ポリアミド樹脂（ナイロン、アラミド等）、ポリシロキサン樹脂、シクロオレフィン樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリ塩化ビニリデン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）樹脂、ＡＢＳ樹脂、セルロースナノファイバー等を用いることができる。
【０２５６】
基板として上記材料を用いることにより、軽量な表示装置を提供することができる。また、基板として上記材料を用いることにより、衝撃に強い表示装置を提供することができる。また、基板として上記材料を用いることにより、破損しにくい表示装置を提供することができる。
【０２５７】
基板に用いる可撓性基板は、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。基板に用いる可撓性基板は、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。特に、アラミドは、線膨張率が低いため、可撓性基板として好適である。
【０２５８】
［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導電性材料としては、アルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、タンタル（Ｔａ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、ハフニウム（Ｈｆ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、マンガン（Ｍｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ベリリウム（Ｂｅ）等から選ばれた金属元素、上述した金属元素を成分とする合金、または上述した金属元素を組み合わせた合金等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。導電性材料の形成方法は特に限定されず、蒸着法、ＣＶＤ法、スパッタリング法、スピンコート法等の各種形成方法を用いることができる。
【０２５９】
また、導電性材料として、Ｃｕ−Ｘ合金（Ｘは、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｔａ、またはＴｉ）を適用してもよい。Ｃｕ−Ｘ合金で形成した層は、ウエットエッチングプロセスで加工できるため、製造コストを抑制することが可能となる。また、導電性材料として、チタン、タンタル、タングステン、モリブデン、クロム、ネオジム、スカンジウムから選ばれた一または複数の元素を含むアルミニウム合金を用いてもよい。
【０２６０】
また、導電層に用いることのできる導電性材料として、インジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物等の、酸素を有する導電性材料を用いることもできる。また、窒化チタン、窒化タンタル、窒化タングステン等の、窒素を含む導電性材料を用いることもできる。また、導電層を、酸素を有する導電性材料、窒素を含む導電性材料、前述した金属元素を含む材料を適宜組み合わせた積層構造とすることもできる。
【０２６１】
例えば、導電層を、シリコンを含むアルミニウム層の単層構造、アルミニウム層上にチタン層を積層する二層構造、窒化チタン層上にチタン層を積層する二層構造、窒化チタン層上にタングステン層を積層する二層構造、窒化タンタル層上にタングステン層を積層する二層構造、チタン層と、そのチタン層上にアルミニウム層を積層し、さらにその上にチタン層を積層する三層構造としてもよい。
【０２６２】
また、上記の導電性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、導電層を前述した金属元素を含む材料と酸素を含む導電性材料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、酸素を含む導電性材料、および窒素を含む導電性材料を組み合わせた積層構造としてもよい。
【０２６３】
例えば、導電層を、インジウムまたは亜鉛の少なくとも一方と酸素とを含む導電層上に、銅を含む導電層を積層し、さらにその上にインジウムまたは亜鉛の少なくとも一方と酸素とを含む導電層を積層する三層構造としてもよい。この場合、銅を含む導電層の側面もインジウムまたは亜鉛の少なくとも一方と酸素とを含む導電層で覆うことが好ましい。また、例えば、導電層としてインジウムまたは亜鉛の少なくとも一方と酸素とを含む導電層を複数積層して用いてもよい。
【０２６４】
［絶縁層］
各絶縁層は、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化マグネシウム、窒化シリコン、酸化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、アルミニウムシリケート等から選ばれた材料を、単層でまたは積層して用いる。また、酸化物材料、窒化物材料、酸化窒化物材料、窒化酸化物材料のうち、複数の材料を混合した材料を用いてもよい。
【０２６５】
なお、本明細書中において、窒化酸化物とは、酸素よりも窒素の含有量が多い化合物をいう。また、酸化窒化物とは、窒素よりも酸素の含有量が多い化合物をいう。なお、各元素の含有量は、例えば、ラザフォード後方散乱法（ＲＢＳ：Ｒｕｔｈｅｒｆｏｒｄ  Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）等を用いて測定することができる。
【０２６６】
特に絶縁層１３７２および絶縁層１３２９は、不純物が透過しにくい絶縁性材料を用いて形成することが好ましい。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材料を、単層で、または積層で用いればよい。不純物が透過しにくい絶縁性材料の一例として、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、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、酸化タンタル、窒化シリコン等を挙げることができる。
【０２６７】
絶縁層１３７２に不純物が透過しにくい絶縁性材料を用いることで、基板１３７１側からの不純物の拡散を抑制し、トランジスタの信頼性を高めることができる。絶縁層１３２９に不純物が透過しにくい絶縁性材料を用いることで、絶縁層１３２９よりも上側からの不純物の拡散を抑制し、トランジスタの信頼性を高めることができる。
【０２６８】
また、絶縁層として平坦化層として機能できる絶縁層を用いてもよい。平坦化層として機能できる絶縁層としては、ポリイミド、アクリル樹脂、ベンゾシクロブテン樹脂、ポリアミド、エポキシ樹脂等の、耐熱性を有する有機材料を用いることができる。また上記有機材料の他に、低誘電率材料（ｌｏｗ−ｋ材料）、シロキサン系樹脂、ＰＳＧ（リンガラス）、ＢＰＳＧ（リンボロンガラス）等を用いることができる。なお、これらの材料で形成される絶縁層を複数積層してもよい。
【０２６９】
なお、シロキサン系樹脂とは、シロキサン系材料を出発材料として形成されたＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む樹脂に相当する。シロキサン系樹脂は置換基としては有機基（例えばアルキル基やアリール基）やフルオロ基を用いても良い。また、有機基はフルオロ基を有していても良い。
【０２７０】
また、絶縁層等の表面にＣＭＰ処理を行なってもよい。ＣＭＰ処理を行うことにより、試料表面の凹凸を低減し、この後形成される絶縁層や導電層の被覆性を高めることができる。
【０２７１】
［半導体層］
トランジスタの半導体層に用いる半導体材料としては、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。
【０２７２】
また、例えば、トランジスタの半導体層に用いる半導体材料として、シリコンや、ゲルマニウム等を用いることができる。また、炭化シリコン、ガリウム砒素、金属酸化物、窒化物半導体等の化合物半導体や、有機半導体等を用いることができる。
【０２７３】
例えば、トランジスタに用いる半導体材料として、非晶質シリコン（アモルファスシリコン）を用いることができる。特に、非晶質シリコンは、量産性に優れ、大きな面積の基板に設けることも容易である。なお、一般に、トランジスタに用いる非晶質シリコンは水素を多く含む。このため、水素を多く含む非晶質シリコンを「水素化アモルファスシリコン」または「ａ−Ｓｉ：Ｈ」と言う場合がある。また、アモルファスシリコンは、多結晶シリコンよりも低温で形成できるため、作製工程中の最高温度を下げることができる。よって、基板、導電層、および絶縁層等に、耐熱性の低い材料を用いることができる。
【０２７４】
また、トランジスタに用いる半導体材料として、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、且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。
【０２７５】
また、トランジスタに用いる半導体材料として、金属酸化物の一種である酸化物半導体を用いることができる。代表的には、インジウムを含む酸化物半導体等を用いることができる。酸化物半導体は、アモルファスシリコンよりも高い電界効果移動度と高い信頼性が実現できる。また、酸化物半導体は量産性に優れ、大きな面積の基板に設けることも容易である。
【０２７６】
また、金属酸化物の一種である酸化物半導体はシリコンよりもバンドギャップが広く、キャリア密度が低いため、トランジスタの半導体層に用いることが好ましい。トランジスタの半導体層に酸化物半導体を用いると、トランジスタのオフ状態におけるソースとドレインの間に流れる電流を低減できるため好ましい。
【０２７７】
金属酸化物の一種である酸化物半導体は、エネルギーギャップが２ｅＶ以上であることが好ましく、２．５ｅＶ以上であることがより好ましく。３ｅＶ以上であることがさらに好ましい。このように、エネルギーギャップの広い酸化物半導体を用いることで、トランジスタのオフ電流を低減することができる。
【０２７８】
金属酸化物の一種である酸化物半導体は、例えば少なくともインジウム、亜鉛およびＭ（アルミニウム、チタン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、セリウム、スズ、ネオジムまたはハフニウム等の金属）を含むＩｎ−Ｍ−Ｚｎ系酸化物で表記される材料を含むことが好ましい。また、該酸化物半導体を用いたトランジスタの電気特性のばらつきを減らすため、それらと共に、スタビライザーを含むことが好ましい。
【０２７９】
スタビライザーとしては、上記Ｍで記載の金属を含め、例えば、ガリウム、スズ、ハフニウム、アルミニウム、またはジルコニウム等がある。また、他のスタビライザーとしては、ランタノイドである、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、サマリウム、ユウロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム、ルテチウム等がある。
【０２８０】
半導体層を構成する金属酸化物として、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｃｅ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｐｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｎｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｕ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｇｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｄｙ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｏ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｙｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌｕ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物を用いることができる。
【０２８１】
なお、ここで、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物とは、ＩｎとＧａとＺｎを主成分として有する酸化物という意味であり、ＩｎとＧａとＺｎの比率は問わない。また、ＩｎとＧａとＺｎ以外の金属元素が入っていてもよい。
【０２８２】
［各層の形成方法］
絶縁層、半導体層、電極や配線を形成するための導電層等は、スパッタリング法、化学気相堆積（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、真空蒸着法、パルスレーザ堆積（ＰＬＤ：Ｐｕｌｓｅ  Ｌａｓｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、原子層成膜（ＡＬＤ：Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等を用いて形成することができる。ＣＶＤ法としては、プラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）法や、熱ＣＶＤ法でもよい。熱ＣＶＤ法の例として、有機金属化学気相堆積（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  ＣＶＤ）法を用いてもよい。
【０２８３】
また、表示装置を構成する絶縁層、半導体層、電極や配線を形成するための導電層等は、スピンコート、ディップ、スプレー塗布、インクジェット、ディスペンス、スクリーン印刷、オフセット印刷、スリットコート、ロールコート、カーテンコート、ナイフコート等の方法により形成してもよい。
【０２８４】
ＰＥＣＶＤ法は、比較的低温で高品質の膜が得られる。ＭＯＣＶＤ法、ＡＬＤ法、または熱ＣＶＤ法等の、成膜時にプラズマを用いない成膜方法を用いると、被形成面にダメージが生じにくい。例えば、半導体装置に含まれる配線、電極、素子（トランジスタ、容量素子等）等は、プラズマから電荷を受け取ることでチャージアップする場合がある。このとき、蓄積した電荷によって、半導体装置に含まれる配線、電極、素子等が破壊される場合がある。一方、プラズマを用いない成膜方法の場合、こういったプラズマダメージが生じないため、半導体装置の歩留まりを高くすることができる。また、成膜中のプラズマダメージが生じないため、欠陥の少ない膜が得られる。
【０２８５】
ＣＶＤ法およびＡＬＤ法は、ターゲット等から放出される粒子が堆積する成膜方法とは異なり、被処理物の表面における反応により膜が形成される成膜方法である。したがって、被処理物の形状の影響を受けにくく、良好な段差被覆性を有する成膜方法である。特に、ＡＬＤ法は、優れた段差被覆性と、優れた厚さの均一性を有するため、アスペクト比の高い開口部の表面を被覆する場合等に好適である。ただし、ＡＬＤ法は、比較的成膜速度が遅いため、成膜速度の速いＣＶＤ法等の他の成膜方法と組み合わせて用いることが好ましい場合もある。
【０２８６】
ＣＶＤ法およびＡＬＤ法は、原料ガスの流量比によって、得られる膜の組成を制御することができる。例えば、ＣＶＤ法およびＡＬＤ法では、原料ガスの流量比によって、任意の組成の膜を成膜することができる。また、例えば、ＣＶＤ法およびＡＬＤ法では、成膜しながら原料ガスの流量比を変化させることによって、組成が連続的に変化した膜を成膜することができる。原料ガスの流量比を変化させながら成膜する場合、複数の成膜室を用いて成膜する場合と比べて、搬送や圧力調整に掛かる時間の分、成膜に掛かる時間を短くすることができる。したがって、半導体装置の生産性を高めることができる場合がある。
【０２８７】
表示装置を構成する層（薄膜）を加工する際には、フォトリソグラフィ法等を用いて加工することができる。または、遮蔽マスクを用いた成膜方法により、島状の層を形成してもよい。または、ナノインプリント法、サンドブラスト法、リフトオフ法等により層を加工してもよい。フォトリソグラフィ法としては、加工したい層（薄膜）上にレジストマスクを形成して、レジストマスクをマスクとして用いて、当該層（薄膜）の一部を選択的に除去し、その後レジストマスクを除去する方法と、感光性を有する層を成膜した後に、露光、現像を行って、当該層を所望の形状に加工する方法と、がある。
【０２８８】
フォトリソグラフィ法において光を用いる場合、露光に用いる光は、例えばｉ線（波長３６５ｎｍ）、ｇ線（波長４３６ｎｍ）、ｈ線（波長４０５ｎｍ）、またはこれらを混合させた光を用いることができる。そのほか、紫外光やＫｒＦレーザ光、またはＡｒＦレーザ光等を用いることもできる。また、液浸露光技術により露光を行ってもよい。また、露光に用いる光として、極端紫外光（ＥＵＶ：Ｅｘｔｒｅｍｅ  Ｕｌｔｒａ−ｖｉｏｌｅｔ）やＸ線を用いてもよい。また、露光に用いる光に換えて、電子ビームを用いることもできる。極端紫外光、Ｘ線または電子ビームを用いると、極めて微細な加工が可能となるため好ましい。なお、電子ビーム等のビームを走査することにより露光を行う場合には、フォトマスクは不要である。
【０２８９】
層（薄膜）の除去（エッチング）には、ドライエッチング法、ウエットエッチング法、サンドブラスト法等を用いることができる。また、これらのエッチング方法を組み合わせて用いてもよい。
【０２９０】
本実施の形態は、他の実施の形態等に記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【０２９１】
（実施の形態５）
本実施の形態では、実施の形態１で説明した回路１４等に用いることのできるニューラルネットワークとして機能する半導体装置の構成例について説明する。
【０２９２】
図２４（Ａ）に示すように、ニューラルネットワークＮＮは入力層ＩＬ、出力層ＯＬ、中間層（隠れ層）ＨＬによって構成することができる。入力層ＩＬ、出力層ＯＬ、中間層ＨＬはそれぞれ、１または複数のニューロン（ユニット）を有する。なお、中間層ＨＬは１層であってもよいし２層以上であってもよい。２層以上の中間層ＨＬを有するニューラルネットワークはＤＮＮ（ディープニューラルネットワーク）と呼ぶこともでき、ディープニューラルネットワークを用いた学習は深層学習と呼ぶこともできる。
【０２９３】
入力層ＩＬの各ニューロンには入力データが入力され、中間層ＨＬの各ニューロンには前層または後層のニューロンの出力信号が入力され、出力層ＯＬの各ニューロンには前層のニューロンの出力信号が入力される。なお、各ニューロンは、前後の層の全てのニューロンと結合されていてもよいし（全結合）、一部のニューロンと結合されていてもよい。
【０２９４】
図２４（Ｂ）に、ニューロンによる演算の例を示す。ここでは、ニューロンＮと、ニューロンＮに信号を出力する前層の２つのニューロンを示している。ニューロンＮには、前層のニューロンの出力ｘ１と、前層のニューロンの出力ｘ２が入力される。そして、ニューロンＮにおいて、出力ｘ１と重みｗ１の乗算結果（ｘ１ｗ１）と出力ｘ２と重みｗ２の乗算結果（ｘ２ｗ２）の総和ｘ１ｗ１＋ｘ２ｗ２が計算された後、必要に応じてバイアスｂが加算され、値ａ＝ｘ１ｗ１＋ｘ２ｗ２＋ｂが得られる。そして、値ａは活性化関数ｈによって変換され、ニューロンＮから出力信号ｙ＝ｈ（ａ）が出力される。
【０２９５】
このように、ニューロンによる演算には、前層のニューロンの出力と重みの積を足し合わせる演算、すなわち積和演算が含まれる（上記のｘ１ｗ１＋ｘ２ｗ２）。この積和演算は、プログラムを用いてソフトウェア上で行ってもよいし、ハードウェアによって行われてもよい。積和演算をハードウェアによって行う場合は、積和演算回路を用いることができる。この積和演算回路としては、デジタル回路を用いてもよいし、アナログ回路を用いてもよい。
【０２９６】
本発明の一態様では、積和演算回路にアナログ回路を用いる。したがって、積和演算回路の回路規模の縮小、または、メモリへのアクセス回数の減少による処理速度の向上および消費電力の低減を図ることができる。
【０２９７】
積和演算回路は、Ｓｉトランジスタによって構成してもよいし、ＯＳトランジスタによって構成してもよい。特に、ＯＳトランジスタはオフ電流が極めて小さいため、積和演算回路のアナログメモリを構成するトランジスタとして好適である。なお、ＳｉトランジスタとＯＳトランジスタの両方を用いて積和演算回路を構成してもよい。以下、積和演算回路の機能を備えた半導体装置の構成例について説明する。
【０２９８】
＜半導体装置の構成例＞
図２５に、ニューラルネットワークの演算を行う機能を有する半導体装置ＭＡＣの構成例を示す。半導体装置ＭＡＣは、ニューロン間の結合強度（重み）に対応する第１のデータと、入力データに対応する第２のデータの積和演算を行う機能を有する。なお、第１のデータおよび第２のデータはそれぞれ、アナログデータまたは多値のデータ（離散的なデータ）とすることができる。また、半導体装置ＭＡＣは、積和演算によって得られたデータを活性化関数によって変換する機能を有する。
【０２９９】
半導体装置ＭＡＣは、セルアレイＣＡ、電流源回路ＣＳ、カレントミラー回路ＣＭ、回路ＷＤＤ、回路ＷＬＤ、回路ＣＬＤ、オフセット回路ＯＦＳＴ、および活性化関数回路ＡＣＴＶを有する。
【０３００】
セルアレイＣＡは、複数のメモリセルＭＣおよび複数のメモリセルＭＣｒｅｆを有する。図２５には、セルアレイＣＡがｍ行ｎ列（ｍ，ｎは１以上の整数）のメモリセルＭＣ（ＭＣ［１，１］乃至［ｍ，ｎ］）と、ｍ個のメモリセルＭＣｒｅｆ（ＭＣｒｅｆ［１］乃至［ｍ］）を有する構成例を示している。メモリセルＭＣは、第１のデータを格納する機能を有する。また、メモリセルＭＣｒｅｆは、積和演算に用いられる参照データを格納する機能を有する。なお、参照データはアナログデータまたは多値のデータとすることができる。
【０３０１】
メモリセルＭＣ［ｉ，ｊ］（ｉは１以上ｍ以下の整数、ｊは１以上ｎ以下の整数）は、配線ＷＬ［ｉ］、配線ＲＷ［ｉ］、配線ＷＤ［ｊ］、および配線ＢＬ［ｊ］と接続されている。また、メモリセルＭＣｒｅｆ［ｉ］は、配線ＷＬ［ｉ］、配線ＲＷ［ｉ］、配線ＷＤｒｅｆ、配線ＢＬｒｅｆと接続されている。ここで、メモリセルＭＣ［ｉ，ｊ］と配線ＢＬ［ｊ］間を流れる電流をＩＭＣ［ｉ，ｊ］と表記し、メモリセルＭＣｒｅｆ［ｉ］と配線ＢＬｒｅｆ間を流れる電流をＩＭＣｒｅｆ［ｉ］と表記する。
【０３０２】
メモリセルＭＣおよびメモリセルＭＣｒｅｆの具体的な構成例を、図２６に示す。図２６には代表例としてメモリセルＭＣ［１，１］、［２，１］およびメモリセルＭＣｒｅｆ［１］、［２］を示しているが、他のメモリセルＭＣおよびメモリセルＭＣｒｅｆにも同様の構成を用いることができる。メモリセルＭＣおよびメモリセルＭＣｒｅｆはそれぞれ、トランジスタＴｒ１１、Ｔｒ１２、容量素子Ｃ１１を有する。ここでは、トランジスタＴｒ１１およびトランジスタＴｒ１２がｎチャネル型のトランジスタである場合について説明する。
【０３０３】
メモリセルＭＣにおいて、トランジスタＴｒ１１のゲートは配線ＷＬと接続され、ソースまたはドレインの一方はトランジスタＴｒ１２のゲート、および容量素子Ｃ１１の第１の電極と接続され、ソースまたはドレインの他方は配線ＷＤと接続されている。トランジスタＴｒ１２のソースまたはドレインの一方は配線ＢＬと接続され、ソースまたはドレインの他方は配線ＶＲと接続されている。容量素子Ｃ１１の第２の電極は、配線ＲＷと接続されている。配線ＶＲは、所定の電位を供給する機能を有する配線である。ここでは一例として、配線ＶＲから低電源電位（接地電位等）が供給される場合について説明する。
【０３０４】
トランジスタＴｒ１１のソースまたはドレインの一方、トランジスタＴｒ１２のゲート、および容量素子Ｃ１１の第１の電極と接続されたノードを、ノードＮＭとする。また、メモリセルＭＣ［１，１］、［２，１］のノードＮＭを、それぞれノードＮＭ［１，１］、［２，１］と表記する。
【０３０５】
メモリセルＭＣｒｅｆも、メモリセルＭＣと同様の構成を有する。ただし、メモリセルＭＣｒｅｆは配線ＷＤの代わりに配線ＷＤｒｅｆと接続され、配線ＢＬの代わりに配線ＢＬｒｅｆと接続されている。また、メモリセルＭＣｒｅｆ［１］、［２］において、トランジスタＴｒ１１のソースまたはドレインの一方、トランジスタＴｒ１２のゲート、および容量素子Ｃ１１の第１の電極と接続されたノードを、それぞれノードＮＭｒｅｆ［１］、［２］と表記する。
【０３０６】
ノードＮＭとノードＮＭｒｅｆはそれぞれ、メモリセルＭＣとメモリセルＭＣｒｅｆの保持ノードとして機能する。ノードＮＭには第１のデータが保持され、ノードＮＭｒｅｆには参照データが保持される。また、配線ＢＬ［１］からメモリセルＭＣ［１，１］、［２，１］のトランジスタＴｒ１２には、それぞれ電流ＩＭＣ［１，１］、ＩＭＣ［２，１］が流れる。また、配線ＢＬｒｅｆからメモリセルＭＣｒｅｆ［１］、［２］のトランジスタＴｒ１２には、それぞれ電流ＩＭＣｒｅｆ［１］、ＩＭＣｒｅｆ［２］が流れる。
【０３０７】
トランジスタＴｒ１１は、ノードＮＭまたはノードＮＭｒｅｆの電位を保持する機能を有するため、トランジスタＴｒ１１のオフ電流は小さいことが好ましい。そのため、トランジスタＴｒ１１としてオフ電流が極めて小さいＯＳトランジスタを用いることが好ましい。これにより、ノードＮＭまたはノードＮＭｒｅｆの電位の変動を抑えることができ、演算精度の向上を図ることができる。また、ノードＮＭまたはノードＮＭｒｅｆの電位をリフレッシュする動作の頻度を低く抑えることが可能となり、消費電力を削減することができる。
【０３０８】
トランジスタＴｒ１２は特に限定されず、例えばＳｉトランジスタまたはＯＳトランジスタ等を用いることができる。トランジスタＴｒ１２にＯＳトランジスタを用いる場合、トランジスタＴｒ１１と同じ製造装置を用いて、トランジスタＴｒ１２を作製することが可能となり、製造コストを抑制することができる。なお、トランジスタＴｒ１２はｎチャネル型であってもｐチャネル型であってもよい。
【０３０９】
電流源回路ＣＳは、配線ＢＬ［１］乃至［ｎ］および配線ＢＬｒｅｆと接続されている。電流源回路ＣＳは、配線ＢＬ［１］乃至［ｎ］および配線ＢＬｒｅｆに電流を供給する機能を有する。なお、配線ＢＬ［１］乃至［ｎ］に供給される電流値と配線ＢＬｒｅｆに供給される電流値は異なっていてもよい。ここでは、電流源回路ＣＳから配線ＢＬ［１］乃至［ｎ］に供給される電流をＩＣ、電流源回路ＣＳから配線ＢＬｒｅｆに供給される電流をＩＣｒｅｆと表記する。
【０３１０】
カレントミラー回路ＣＭは、配線ＩＬ［１］乃至［ｎ］および配線ＩＬｒｅｆを有する。配線ＩＬ［１］乃至［ｎ］はそれぞれ配線ＢＬ［１］乃至［ｎ］と接続され、配線ＩＬｒｅｆは、配線ＢＬｒｅｆと接続されている。ここでは、配線ＩＬ［１］乃至［ｎ］と配線ＢＬ［１］乃至［ｎ］の接続箇所をノードＮＰ［１］乃至［ｎ］と表記する。また、配線ＩＬｒｅｆと配線ＢＬｒｅｆの接続箇所をノードＮＰｒｅｆと表記する。
【０３１１】
カレントミラー回路ＣＭは、ノードＮＰｒｅｆの電位に応じた電流ＩＣＭを配線ＩＬｒｅｆに流す機能と、この電流ＩＣＭを配線ＩＬ［１］乃至［ｎ］にも流す機能を有する。図２５には、配線ＢＬｒｅｆから配線ＩＬｒｅｆに電流ＩＣＭが排出され、配線ＢＬ［１］乃至［ｎ］から配線ＩＬ［１］乃至［ｎ］に電流ＩＣＭが排出される例を示している。また、カレントミラー回路ＣＭから配線ＢＬ［１］乃至［ｎ］を介してセルアレイＣＡに流れる電流を、ＩＢ［１］乃至［ｎ］と表記する。また、カレントミラー回路ＣＭから配線ＢＬｒｅｆを介してセルアレイＣＡに流れる電流を、ＩＢｒｅｆと表記する。
【０３１２】
回路ＷＤＤは、配線ＷＤ［１］乃至［ｎ］および配線ＷＤｒｅｆと接続されている。回路ＷＤＤは、メモリセルＭＣに格納される第１のデータに対応する電位を、配線ＷＤ［１］乃至［ｎ］に供給する機能を有する。また、回路ＷＤＤは、メモリセルＭＣｒｅｆに格納される参照データに対応する電位を、配線ＷＤｒｅｆに供給する機能を有する。回路ＷＬＤは、配線ＷＬ［１］乃至［ｍ］と接続されている。回路ＷＬＤは、データの書き込みを行うメモリセルＭＣまたはメモリセルＭＣｒｅｆを選択するための信号を、配線ＷＬ［１］乃至［ｍ］に供給する機能を有する。回路ＣＬＤは、配線ＲＷ［１］乃至［ｍ］と接続されている。回路ＣＬＤは、第２のデータに対応する電位を、配線ＲＷ［１］乃至［ｍ］に供給する機能を有する。
【０３１３】
オフセット回路ＯＦＳＴは、配線ＢＬ［１］乃至［ｎ］および配線ＯＬ［１］乃至［ｎ］と接続されている。オフセット回路ＯＦＳＴは、配線ＢＬ［１］乃至［ｎ］からオフセット回路ＯＦＳＴに流れる電流量、および／または、配線ＢＬ［１］乃至［ｎ］からオフセット回路ＯＦＳＴに流れる電流の変化量を検出する機能を有する。また、オフセット回路ＯＦＳＴは、検出結果を配線ＯＬ［１］乃至［ｎ］に出力する機能を有する。なお、オフセット回路ＯＦＳＴは、検出結果に対応する電流を配線ＯＬに出力してもよいし、検出結果に対応する電流を電圧に変換して配線ＯＬに出力してもよい。セルアレイＣＡとオフセット回路ＯＦＳＴの間を流れる電流を、Ｉα［１］乃至［ｎ］と表記する。
【０３１４】
オフセット回路ＯＦＳＴの構成例を図２７に示す。図２７に示すオフセット回路ＯＦＳＴは、回路ＯＣ［１］乃至［ｎ］を有する。また、回路ＯＣ［１］乃至［ｎ］はそれぞれ、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Ｃ２１、および抵抗素子Ｒ１を有する。各素子の接続関係は図２７に示す通りである。なお、容量素子Ｃ２１の第１の電極および抵抗素子Ｒ１の第１の端子と接続されたノードを、ノードＮａとする。また、容量素子Ｃ２１の第２の電極、トランジスタＴｒ２１のソースまたはドレインの一方、およびトランジスタＴｒ２２のゲートと接続されたノードを、ノードＮｂとする。
【０３１５】
配線ＶｒｅｆＬは電位Ｖｒｅｆを供給する機能を有し、配線ＶａＬは電位Ｖａを供給する機能を有し、配線ＶｂＬは電位Ｖｂを供給する機能を有する。また、配線ＶＤＤＬは電位ＶＤＤを供給する機能を有し、配線ＶＳＳＬは電位ＶＳＳを供給する機能を有する。ここでは、電位ＶＤＤが高電源電位であり、電位ＶＳＳが低電源電位である場合について説明する。また、配線ＲＳＴは、トランジスタＴｒ２１の導通状態を制御するための電位を供給する機能を有する。トランジスタＴｒ２２、トランジスタＴｒ２３、配線ＶＤＤＬ、配線ＶＳＳＬ、および配線ＶｂＬによって、ソースフォロワ回路が構成される。
【０３１６】
次に、回路ＯＣ［１］乃至［ｎ］の動作例を説明する。なお、ここでは代表例として回路ＯＣ［１］の動作例を説明するが、回路ＯＣ［２］乃至［ｎ］も同様に動作させることができる。まず、配線ＢＬ［１］に第１の電流が流れると、ノードＮａの電位は、第１の電流と抵抗素子Ｒ１の抵抗値に応じた電位となる。また、このときトランジスタＴｒ２１はオン状態であり、ノードＮｂに電位Ｖａが供給される。その後、トランジスタＴｒ２１はオフ状態となる。
【０３１７】
次に、配線ＢＬ［１］に第２の電流が流れると、ノードＮａの電位は、第２の電流と抵抗素子Ｒ１の抵抗値に応じた電位に変化する。このときトランジスタＴｒ２１はオフ状態であり、ノードＮｂはフローティング状態となっているため、ノードＮａの電位の変化に伴い、ノードＮｂの電位は容量結合により変化する。ここで、ノードＮａの電位の変化をΔＶＮａとし、容量結合係数を１とすると、ノードＮｂの電位はＶａ＋ΔＶＮａとなる。そして、トランジスタＴｒ２２のしきい値電圧をＶｔｈとすると、配線ＯＬ［１］から電位Ｖａ＋ΔＶＮａ−Ｖｔｈが出力される。ここで、Ｖａ＝Ｖｔｈとすることにより、配線ＯＬ［１］から電位ΔＶＮａを出力することができる。
【０３１８】
電位ΔＶＮａは、第１の電流から第２の電流への変化量、抵抗素子Ｒ１、および電位Ｖｒｅｆに応じて定まる。ここで、抵抗素子Ｒ１と電位Ｖｒｅｆは既知であるため、電位ΔＶＮａから配線ＢＬに流れる電流の変化量を求めることができる。
【０３１９】
上記のようにオフセット回路ＯＦＳＴによって検出された電流量、および／または電流の変化量に対応する信号は、配線ＯＬ［１］乃至［ｎ］を介して活性化関数回路ＡＣＴＶに入力される。
【０３２０】
活性化関数回路ＡＣＴＶは、配線ＯＬ［１］乃至［ｎ］、および、配線ＮＩＬ［１］乃至［ｎ］と接続されている。活性化関数回路ＡＣＴＶは、オフセット回路ＯＦＳＴから入力された信号を、あらかじめ定義された活性化関数に従って変換するための演算を行う機能を有する。活性化関数としては、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。活性化関数回路ＡＣＴＶによって変換された信号は、出力データとして配線ＮＩＬ［１］乃至［ｎ］に出力される。
【０３２１】
＜半導体装置の動作例＞
上記の半導体装置ＭＡＣを用いて、第１のデータと第２のデータの積和演算を行うことができる。以下、積和演算を行う際の半導体装置ＭＡＣの動作例を説明する。
【０３２２】
図２８に半導体装置ＭＡＣの動作例のタイミングチャートを示す。図２８には、図２６における配線ＷＬ［１］、配線ＷＬ［２］、配線ＷＤ［１］、配線ＷＤｒｅｆ、ノードＮＭ［１，１］、ノードＮＭ［２，１］、ノードＮＭｒｅｆ［１］、ノードＮＭｒｅｆ［２］、配線ＲＷ［１］、および配線ＲＷ［２］の電位の推移と、電流ＩＢ［１］−Ｉα［１］、および電流ＩＢｒｅｆの値の推移を示している。電流ＩＢ［１］−Ｉα［１］は、配線ＢＬ［１］からメモリセルＭＣ［１，１］、［２，１］に流れる電流の総和に相当する。
【０３２３】
なお、ここでは代表例として図２６に示すメモリセルＭＣ［１，１］、［２，１］およびメモリセルＭＣｒｅｆ［１］、［２］に着目して動作を説明するが、他のメモリセルＭＣおよびメモリセルＭＣｒｅｆも同様に動作させることができる。
【０３２４】
［第１のデータの格納］
まず、時刻Ｔ０１−Ｔ０２において、配線ＷＬ［１］の電位がハイレベルとなり、配線ＷＤ［１］の電位が接地電位（ＧＮＤ）よりもＶＰＲ−ＶＷ［１，１］大きい電位となり、配線ＷＤｒｅｆの電位が接地電位よりもＶＰＲ大きい電位となる。また、配線ＲＷ［１］、および配線ＲＷ［２］の電位が基準電位（ＲＥＦＰ）となる。なお、電位ＶＷ［１，１］はメモリセルＭＣ［１，１］に格納される第１のデータに対応する電位である。また、電位ＶＰＲは参照データに対応する電位である。これにより、メモリセルＭＣ［１，１］およびメモリセルＭＣｒｅｆ［１］が有するトランジスタＴｒ１１がオン状態となり、ノードＮＭ［１，１］の電位がＶＰＲ−ＶＷ［１，１］、ノードＮＭｒｅｆ［１］の電位がＶＰＲとなる。
【０３２５】
このとき、配線ＢＬ［１］からメモリセルＭＣ［１，１］のトランジスタＴｒ１２に流れる電流ＩＭＣ［１，１］，０は、次の式で表すことができる。ここで、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。
【０３２６】
ＩＭＣ［１，１］，０＝ｋ（ＶＰＲ−ＶＷ［１，１］−Ｖｔｈ）２          （Ｅ１）
【０３２７】
また、配線ＢＬｒｅｆからメモリセルＭＣｒｅｆ［１］のトランジスタＴｒ１２に流れる電流ＩＭＣｒｅｆ［１］，０は、次の式で表すことができる。
【０３２８】
ＩＭＣｒｅｆ［１］，０＝ｋ（ＶＰＲ−Ｖｔｈ）２          （Ｅ２）
【０３２９】
次に、時刻Ｔ０２−Ｔ０３において、配線ＷＬ［１］の電位がローレベルとなる。これにより、メモリセルＭＣ［１，１］およびメモリセルＭＣｒｅｆ［１］が有するトランジスタＴｒ１１がオフ状態となり、ノードＮＭ［１，１］およびノードＮＭｒｅｆ［１］の電位が保持される。
【０３３０】
なお、前述の通り、トランジスタＴｒ１１としてＯＳトランジスタを用いることが好ましい。これにより、トランジスタＴｒ１１のリーク電流を抑えることができ、ノードＮＭ［１，１］およびノードＮＭｒｅｆ［１］の電位を正確に保持することができる。
【０３３１】
次に、時刻Ｔ０３−Ｔ０４において、配線ＷＬ［２］の電位がハイレベルとなり、配線ＷＤ［１］の電位が接地電位よりもＶＰＲ−ＶＷ［２，１］大きい電位となり、配線ＷＤｒｅｆの電位が接地電位よりもＶＰＲ大きい電位となる。なお、電位ＶＷ［２，１］はメモリセルＭＣ［２，１］に格納される第１のデータに対応する電位である。これにより、メモリセルＭＣ［２，１］およびメモリセルＭＣｒｅｆ［２］が有するトランジスタＴｒ１１がオン状態となり、ノードＮＭ［１，１］の電位がＶＰＲ−ＶＷ［２，１］、ノードＮＭｒｅｆ［１］の電位がＶＰＲとなる。
【０３３２】
このとき、配線ＢＬ［１］からメモリセルＭＣ［２，１］のトランジスタＴｒ１２に流れる電流ＩＭＣ［２，１］，０は、次の式で表すことができる。
【０３３３】
ＩＭＣ［２，１］，０＝ｋ（ＶＰＲ−ＶＷ［２，１］−Ｖｔｈ）２          （Ｅ３）
【０３３４】
また、配線ＢＬｒｅｆからメモリセルＭＣｒｅｆ［２］のトランジスタＴｒ１２に流れる電流ＩＭＣｒｅｆ［２］，０は、次の式で表すことができる。
【０３３５】
ＩＭＣｒｅｆ［２］，０＝ｋ（ＶＰＲ−Ｖｔｈ）２          （Ｅ４）
【０３３６】
次に、時刻Ｔ０４−Ｔ０５において、配線ＷＬ［２］の電位がローレベルとなる。これにより、メモリセルＭＣ［２，１］およびメモリセルＭＣｒｅｆ［２］が有するトランジスタＴｒ１１がオフ状態となり、ノードＮＭ［２，１］およびノードＮＭｒｅｆ［２］の電位が保持される。
【０３３７】
以上の動作により、メモリセルＭＣ［１，１］、［２，１］に第１のデータが格納され、メモリセルＭＣｒｅｆ［１］、［２］に参照データが格納される。
【０３３８】
ここで、時刻Ｔ０４−Ｔ０５において、配線ＢＬ［１］および配線ＢＬｒｅｆに流れる電流を考える。配線ＢＬｒｅｆには、電流源回路ＣＳから電流が供給される。また、配線ＢＬｒｅｆを流れる電流は、カレントミラー回路ＣＭ、メモリセルＭＣｒｅｆ［１］、［２］へ排出される。電流源回路ＣＳから配線ＢＬｒｅｆに供給される電流をＩＣｒｅｆ、配線ＢＬｒｅｆからカレントミラー回路ＣＭへ排出される電流をＩＣＭ，０とすると、次の式が成り立つ。
【０３３９】
ＩＣｒｅｆ−ＩＣＭ，０＝ＩＭＣｒｅｆ［１］，０＋ＩＭＣｒｅｆ［２］，０          （Ｅ５）
【０３４０】
配線ＢＬ［１］には、電流源回路ＣＳからの電流が供給される。また、配線ＢＬ［１］を流れる電流は、カレントミラー回路ＣＭ、メモリセルＭＣ［１，１］、［２，１］へ排出される。また、配線ＢＬ［１］からオフセット回路ＯＦＳＴに電流が流れる。電流源回路ＣＳから配線ＢＬ［１］に供給される電流をＩＣ，０、配線ＢＬ［１］からオフセット回路ＯＦＳＴに流れる電流をＩα，０とすると、次の式が成り立つ。
【０３４１】
ＩＣ−ＩＣＭ，０＝ＩＭＣ［１，１］，０＋ＩＭＣ［２，１］，０＋Ｉα，０          （Ｅ６）
【０３４２】
［第１のデータと第２のデータの積和演算］
次に、時刻Ｔ０５−Ｔ０６において、配線ＲＷ［１］の電位が基準電位よりもＶＸ［１］大きい電位となる。このとき、メモリセルＭＣ［１，１］、およびメモリセルＭＣｒｅｆ［１］のそれぞれの容量素子Ｃ１１には電位ＶＸ［１］が供給され、容量結合によりトランジスタＴｒ１２のゲートの電位が上昇する。なお、電位Ｖｘ［１］はメモリセルＭＣ［１，１］およびメモリセルＭＣｒｅｆ［１］に供給される第２のデータに対応する電位である。
【０３４３】
トランジスタＴｒ１２のゲートの電位の変化量は、配線ＲＷの電位の変化量に、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値となる。容量結合係数は、容量素子Ｃ１１の容量、トランジスタＴｒ１２のゲート容量、および寄生容量等によって算出される。以下では便宜上、配線ＲＷの電位の変化量とトランジスタＴｒ１２のゲートの電位の変化量が同じ、すなわち容量結合係数が１であるとして説明する。実際には、容量結合係数を考慮して電位Ｖｘを決定すればよい。
【０３４４】
メモリセルＭＣ［１］およびメモリセルＭＣｒｅｆ［１］の容量素子Ｃ１１に電位ＶＸ［１］が供給されると、ノードＮＮ［１］およびノードＮＭｒｅｆ［１］の電位がそれぞれＶＸ［１］上昇する。
【０３４５】
ここで、時刻Ｔ０５−Ｔ０６において、配線ＢＬ［１］からメモリセルＭＣ［１，１］のトランジスタＴｒ１２に流れる電流ＩＭＣ［１，１］，１は、次の式で表すことができる。
【０３４６】
ＩＭＣ［１，１］，１＝ｋ（ＶＰＲ−ＶＷ［１，１］＋ＶＸ［１］−Ｖｔｈ）２          （Ｅ７）
【０３４７】
すなわち、配線ＲＷ［１］に電位ＶＸ［１］を供給することにより、配線ＢＬ［１］からメモリセルＭＣ［１，１］のトランジスタＴｒ１２に流れる電流は、ΔＩＭＣ［１，１］＝ＩＭＣ［１，１］，１−ＩＭＣ［１，１］，０増加する。
【０３４８】
また、時刻Ｔ０５−Ｔ０６において、配線ＢＬｒｅｆからメモリセルＭＣｒｅｆ［１］のトランジスタＴｒ１２に流れる電流ＩＭＣｒｅｆ［１］，１は、次の式で表すことができる。
【０３４９】
ＩＭＣｒｅｆ［１］，１＝ｋ（ＶＰＲ＋ＶＸ［１］−Ｖｔｈ）２          （Ｅ８）
【０３５０】
すなわち、配線ＲＷ［１］に電位ＶＸ［１］を供給することにより、配線ＢＬｒｅｆからメモリセルＭＣｒｅｆ［１］のトランジスタＴｒ１２に流れる電流は、ΔＩＭＣｒｅｆ［１］＝ＩＭＣｒｅｆ［１］，１−ＩＭＣｒｅｆ［１］，０増加する。
【０３５１】
また、配線ＢＬ［１］および配線ＢＬｒｅｆに流れる電流について考える。配線ＢＬｒｅｆには、電流源回路ＣＳから電流ＩＣｒｅｆが供給される。また、配線ＢＬｒｅｆを流れる電流は、カレントミラー回路ＣＭ、メモリセルＭＣｒｅｆ［１］、［２］へ排出される。配線ＢＬｒｅｆからカレントミラー回路ＣＭへ排出される電流をＩＣＭ，１とすると、次の式が成り立つ。
【０３５２】
ＩＣｒｅｆ−ＩＣＭ，１＝ＩＭＣｒｅｆ［１］，１＋ＩＭＣｒｅｆ［２］，１          （Ｅ９）
【０３５３】
配線ＢＬ［１］には、電流源回路ＣＳから電流ＩＣが供給される。また、配線ＢＬ［１］を流れる電流は、カレントミラー回路ＣＭ、メモリセルＭＣ［１，１］、［２，１］へ排出される。さらに、配線ＢＬ［１］からオフセット回路ＯＦＳＴにも電流が流れる。配線ＢＬ［１］からオフセット回路ＯＦＳＴに流れる電流をＩα，１とすると、次の式が成り立つ。
【０３５４】
ＩＣ−ＩＣＭ，１＝ＩＭＣ［１，１］，１＋ＩＭＣ［２，１］，１＋Ｉα，１          （Ｅ１０）
【０３５５】
そして、式（Ｅ１）乃至式（Ｅ１０）から、電流Ｉα，０と電流Ｉα，１の差（差分電流ΔＩα）は次の式で表すことができる。
【０３５６】
ΔＩα＝Ｉα，１−Ｉα，０＝２ｋＶＷ［１，１］ＶＸ［１］          （Ｅ１１）
【０３５７】
このように、差分電流ΔＩαは、電位ＶＷ［１，１］とＶＸ［１］の積に応じた値となる。
【０３５８】
その後、時刻Ｔ０６−Ｔ０７において、配線ＲＷ［１］の電位は接地電位となり、ノードＮＭ［１，１］およびノードＮＭｒｅｆ［１］の電位は時刻Ｔ０４−Ｔ０５と同様になる。
【０３５９】
次に、時刻Ｔ０７−Ｔ０８において、配線ＲＷ［１］の電位が基準電位よりもＶＸ［１］大きい電位となり、配線ＲＷ［２］の電位が基準電位よりもＶＸ［２］大きい電位が供給される。これにより、メモリセルＭＣ［１，１］、およびメモリセルＭＣｒｅｆ［１］のそれぞれの容量素子Ｃ１１に電位ＶＸ［１］が供給され、容量結合によりノードＮＭ［１，１］およびノードＮＭｒｅｆ［１］の電位がそれぞれＶＸ［１］上昇する。また、メモリセルＭＣ［２，１］、およびメモリセルＭＣｒｅｆ［２］のそれぞれの容量素子Ｃ１１に電位ＶＸ［２］が供給され、容量結合によりノードＮＭ［２，１］およびノードＮＭｒｅｆ［２］の電位がそれぞれＶＸ［２］上昇する。
【０３６０】
ここで、時刻Ｔ０７−Ｔ０８において、配線ＢＬ［１］からメモリセルＭＣ［２，１］のトランジスタＴｒ１２に流れる電流ＩＭＣ［２，１］，１は、次の式で表すことができる。
【０３６１】
ＩＭＣ［２，１］，１＝ｋ（ＶＰＲ−ＶＷ［２，１］＋ＶＸ［２］−Ｖｔｈ）２          （Ｅ１２）
【０３６２】
すなわち、配線ＲＷ［２］に電位ＶＸ［２］を供給することにより、配線ＢＬ［１］からメモリセルＭＣ［２，１］のトランジスタＴｒ１２に流れる電流は、ΔＩＭＣ［２，１］＝ＩＭＣ［２，１］，１−ＩＭＣ［２，１］，０増加する。
【０３６３】
また、時刻Ｔ０５−Ｔ０６において、配線ＢＬｒｅｆからメモリセルＭＣｒｅｆ［２］のトランジスタＴｒ１２に流れる電流ＩＭＣｒｅｆ［２］，１は、次の式で表すことができる。
【０３６４】
ＩＭＣｒｅｆ［２］，１＝ｋ（ＶＰＲ＋ＶＸ［２］−Ｖｔｈ）２          （Ｅ１３）
【０３６５】
すなわち、配線ＲＷ［２］に電位ＶＸ［２］を供給することにより、配線ＢＬｒｅｆからメモリセルＭＣｒｅｆ［２］のトランジスタＴｒ１２に流れる電流は、ΔＩＭＣｒｅｆ［２］＝ＩＭＣｒｅｆ［２］，１−ＩＭＣｒｅｆ［２］，０増加する。
【０３６６】
また、配線ＢＬ［１］および配線ＢＬｒｅｆに流れる電流について考える。配線ＢＬｒｅｆには、電流源回路ＣＳから電流ＩＣｒｅｆが供給される。また、配線ＢＬｒｅｆを流れる電流は、カレントミラー回路ＣＭ、メモリセルＭＣｒｅｆ［１］、［２］へ排出される。配線ＢＬｒｅｆからカレントミラー回路ＣＭへ排出される電流をＩＣＭ，２とすると、次の式が成り立つ。
【０３６７】
ＩＣｒｅｆ−ＩＣＭ，２＝ＩＭＣｒｅｆ［１］，１＋ＩＭＣｒｅｆ［２］，１          （Ｅ１４）
【０３６８】
配線ＢＬ［１］には、電流源回路ＣＳから電流ＩＣが供給される。また、配線ＢＬ［１］を流れる電流は、カレントミラー回路ＣＭ、メモリセルＭＣ［１，１］、［２，１］へ排出される。さらに、配線ＢＬ［１］からオフセット回路ＯＦＳＴにも電流が流れる。配線ＢＬ［１］からオフセット回路ＯＦＳＴに流れる電流をＩα，２とすると、次の式が成り立つ。
【０３６９】
ＩＣ−ＩＣＭ，２＝ＩＭＣ［１，１］，１＋ＩＭＣ［２，１］，１＋Ｉα，２          （Ｅ１５）
【０３７０】
そして、式（Ｅ１）乃至式（Ｅ８）、および、式（Ｅ１２）乃至式（Ｅ１５）から、電流Ｉα，０と電流Ｉα，２の差（差分電流ΔＩα）は次の式で表すことができる。
【０３７１】
ΔＩα＝Ｉα，２−Ｉα，０＝２ｋ（ＶＷ［１，１］ＶＸ［１］＋ＶＷ［２，１］ＶＸ［２］）          （Ｅ１６）
【０３７２】
このように、差分電流ΔＩαは、電位ＶＷ［１，１］と電位ＶＸ［１］の積と、電位ＶＷ［２，１］と電位ＶＸ［２］の積と、を足し合わせた結果に応じた値となる。
【０３７３】
その後、時刻Ｔ０８−Ｔ０９において、配線ＲＷ［１］、［２］の電位は接地電位となり、ノードＮＭ［１，１］、［２，１］およびノードＮＭｒｅｆ［１］、［２］の電位は時刻Ｔ０４−Ｔ０５と同様になる。
【０３７４】
式（Ｅ９）および式（Ｅ１６）に示されるように、オフセット回路ＯＦＳＴに入力される差分電流ΔＩαは、第１のデータ（重み）に対応する電位ＶＸと、第２のデータ（入力データ）に対応する電位ＶＷの積を足し合わせた結果に応じた値となる。すなわち、差分電流ΔＩαをオフセット回路ＯＦＳＴで計測することにより、第１のデータと第２のデータの積和演算の結果を得ることができる。
【０３７５】
なお、上記では特にメモリセルＭＣ［１，１］、［２，１］およびメモリセルＭＣｒｅｆ［１］、［２］に着目したが、メモリセルＭＣおよびメモリセルＭＣｒｅｆの数は任意に設定することができる。メモリセルＭＣおよびメモリセルＭＣｒｅｆの行数ｍを任意の数とした場合の差分電流ΔＩαは、次の式で表すことができる。
【０３７６】
ΔＩα＝２ｋΣｉＶＷ［ｉ，１］ＶＸ［ｉ］          （Ｅ１７）
【０３７７】
また、メモリセルＭＣおよびメモリセルＭＣｒｅｆの列数ｎを増やすことにより、並列して実行される積和演算の数を増やすことができる。
【０３７８】
以上のように、半導体装置ＭＡＣを用いることにより、第１のデータと第２のデータの積和演算を行うことができる。なお、メモリセルＭＣおよびメモリセルＭＣｒｅｆとして図２６に示す構成を用いることにより、少ないトランジスタ数で積和演算回路を構成することができる。そのため、半導体装置ＭＡＣの回路規模の縮小を図ることができる。
【０３７９】
半導体装置ＭＡＣをニューラルネットワークにおける演算に用いる場合、メモリセルＭＣの行数ｍは一つのニューロンに供給される入力データの数に対応させ、メモリセルＭＣの列数ｎはニューロンの数に対応させることができる。例えば、図２４（Ａ）に示す中間層ＨＬにおいて半導体装置ＭＡＣを用いた積和演算を行う場合を考える。このとき、メモリセルＭＣの行数ｍは、入力層ＩＬから供給される入力データの数（入力層ＩＬのニューロンの数）に設定し、メモリセルＭＣの列数ｎは、中間層ＨＬのニューロンの数に設定することができる。
【０３８０】
なお、半導体装置ＭＡＣを適用するニューラルネットワークの構造は特に限定されない。例えば半導体装置ＭＡＣは、畳み込みニューラルネットワーク（ＣＮＮ）、再帰型ニューラルネットワーク（ＲＮＮ）、オートエンコーダ、ボルツマンマシン（制限ボルツマンマシンを含む）等に用いることもできる。
【０３８１】
以上のように、半導体装置ＭＡＣを用いることにより、ニューラルネットワークの積和演算を行うことができる。さらに、セルアレイＣＡに図２６に示すメモリセルＭＣおよびメモリセルＭＣｒｅｆを用いることにより、演算精度の向上、消費電力の削減、または回路規模の縮小を図ることが可能な集積回路ＩＣを提供することができる。
【０３８２】
本実施の形態は、他の実施の形態等に記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【０３８３】
（実施の形態６）
本発明の一態様に係る表示装置を用いることができる電子機器として、表示機器、パーソナルコンピュータ、記録媒体を備えた画像記憶装置または画像再生装置、携帯電話、携帯型を含むゲーム機、携帯データ端末、電子書籍端末、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ等のカメラ、ゴーグル型ディスプレイ（ヘッドマウントディスプレイ）、ナビゲーションシステム、音響再生装置（カーオーディオ、デジタルオーディオプレイヤー等）、複写機、ファクシミリ、プリンタ、プリンタ複合機、現金自動預け入れ払い機（ＡＴＭ）、自動販売機等が挙げられる。これら電子機器の具体例を図２９に示す。
【０３８４】
図２９（Ａ）はテレビであり、筐体９７１、表示部９７３、操作キー９７４、スピーカ９７５、通信用接続端子９７６、光センサ９７７等を有する。表示部９７３にはタッチセンサが設けられ、入力操作を行うこともできる。表示部９７３に本発明の一態様の表示装置を用いることで、表示品位の高い表示を行うことができる。
【０３８５】
図２９（Ｂ）は情報処理端末であり、筐体９０１、表示部９０２、表示部９０３、センサ９０４等を有する。表示部９０２および表示部９０３は一つの表示パネルから成り、可撓性を有する。また、筐体９０１も可撓性を有し、図示するように折り曲げて使用することができるほか、タブレット端末のように平板状にして使用することもできる。センサ９０４は筐体９０１の形状を感知することができ、例えば、筐体が曲げられたときに表示部９０２および表示部９０３の表示を切り替えることができる。表示部９０２および表示部９０３に本発明の一態様の表示装置を用いることで、表示品位の高い表示を行うことができる。
【０３８６】
図２９（Ｃ）はデジタルカメラであり、筐体９６１、シャッターボタン９６２、マイク９６３、スピーカ９６７、表示部９６５、操作キー９６６、ズームレバー９６８、レンズ９６９等を有する。表示部９６５に本発明の一態様の表示装置を用いることで、表示品位の高い表示を行うことができる。
【０３８７】
図２９（Ｄ）は、デジタルサイネージであり、柱９２１の側面に大型の表示部９２２が取り付けられた構成を有する。表示部９２２に本発明の一態様の表示装置を用いることで、表示品位の高い表示を行うことができる。
【０３８８】
図２９（Ｅ）携帯電話機の一例であり、筐体９５１、表示部９５２、操作ボタン９５３、外部接続ポート９５４、スピーカ９５５、マイク９５６、カメラ９５７等を有する。当該携帯電話機は、表示部９５２にタッチセンサを備える。電話を掛ける、或いは文字を入力する等のあらゆる操作は、指やスタイラス等で表示部９５２に触れることで行うことができる。また、筐体９０１および表示部９５２は可撓性を有し、図示するように折り曲げて使用することができる。表示部９５２に本発明の一態様の表示装置を用いることで、表示品位の高い表示を行うことができる。
【０３８９】
図２９（Ｆ）は携帯データ端末であり、筐体９１１、表示部９１２、カメラ９１９等を有する。表示部９１２が有するタッチパネル機能により情報の入出力を行うことができる。表示部９１２に本発明の一態様の表示装置を用いることで、表示品位の高い表示を行うことができる。
【０３９０】
本実施の形態は、他の実施の形態等に記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【符号の説明】
【０３９１】
１１    画素
１１ａ    画素
１１ｂ    画素
１１ｃ    画素
１１ｄ    画素
１２    ロードライバ
１３    カラムドライバ
１４    回路
１４ａ    回路
１４ｂ    回路
１５    カラムドライバ
１６    回路
３６    タッチパネル
１０１    トランジスタ
１０２    トランジスタ
１０３    容量素子
１０４    容量素子
１０５    液晶素子
１０６    トランジスタ
１０７    トランジスタ
１０８    トランジスタ
１０９    容量素子
１１０    ＥＬ素子
１１１    トランジスタ
１１５    トランジスタ
１１６    トランジスタ
１１７    容量素子
１２１    配線
１２２    配線
１２３    配線
１２４    配線
１２５    配線
１２６    配線
１２７    共通配線
１２８    共通配線
１２９    共通配線
１３０    配線
１６０    表示部
２１３    電極
２１５    表示部
２１７    電極
２２１ａ    走査線駆動回路
２３１ａ    信号線駆動回路
２３２ａ    信号線駆動回路
２４１ａ    共通線駆動回路
３９０    タッチセンサ
３９１    遮光層
３９２    絶縁層
３９３    電極
３９４    電極
３９５    電極
５０１    パルス電圧出力回路
５０２    電流検出回路
５０３    容量
６００    表示パネル
６０１    液晶素子
６０２    画素回路
６５９    回路
６７３    ＩＣ
９０１    筐体
９０２    表示部
９０３    表示部
９０４    センサ
９１１    筐体
９１２    表示部
９１９    カメラ
９２１    柱
９２２    表示部
９５１    筐体
９５２    表示部
９５３    操作ボタン
９５４    外部接続ポート
９５５    スピーカ
９５６    マイク
９５７    カメラ
９６１    筐体
９６２    シャッターボタン
９６３    マイク
９６５    表示部
９６６    操作キー
９６７    スピーカ
９６８    ズームレバー
９６９    レンズ
９７１    筐体
９７３    表示部
９７４    操作キー
９７５    スピーカ
９７６    通信用接続端子
９７７    光センサ
１２２７    絶縁層
１２５５    不純物
１３１０    トランジスタ
１３１１    トランジスタ
１３２０    トランジスタ
１３２１    トランジスタ
１３２２    電極
１３２３    電極
１３２４    半導体層
１３２５    トランジスタ
１３２６    絶縁層
１３２７    絶縁層
１３２８    絶縁層
１３２９    絶縁層
１３３０    トランジスタ
１３３１    トランジスタ
１３４０    トランジスタ
１３４１    トランジスタ
１３４２    トランジスタ
１３４３    トランジスタ
１３４４    トランジスタ
１３４４ａ    電極
１３４４ｂ    電極
１３４５    トランジスタ
１３４６    トランジスタ
１３４７    トランジスタ
１３７１    基板
１３７２    絶縁層
４００１    基板
４００５    シール材
４００６    基板
４００８    液晶層
４０１０    トランジスタ
４０１１    トランジスタ
４０１３    液晶素子
４０１４    配線
４０１５    電極
４０１７    電極
４０１８    ＦＰＣ
４０１９    異方性導電層
４０２０    容量素子
４０２１    電極
４０３０    電極
４０３１    電極
４０３２    絶縁層
４０３３    絶縁層
４０３５    スペーサ
４０４１    プリント基板
４０４２    集積回路
４１０２    絶縁層
４１０３    絶縁層
４１０４    絶縁層
４１１０    絶縁層
４１１１    絶縁層
４１１２    絶縁層
４１３１    着色層
４１３２    遮光層
４１３３    絶縁層
４５１０    隔壁
４５１１    発光層
４５１３    発光素子
４５１４    充填材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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