半导体装置的驱动方法
【专利摘要】一种能够在短时间内取得高精度的距离信息的半导体装置。此外，一种能够同时取得该距离信息和图像信息的半导体装置。通过进行红外光照射多于一次以取得检测信号，并使各次照射期间为相同且极短，来提高距离信息的精度。通过使用相邻的光电二极管检测出从对象物的大致相同点反射的光，即使对象物是移动体也可以维持距离信息的精度。通过重叠吸收可见光且使红外光透过的光电二极管与吸收红外光的光电二极管，能够同时取得距离信息和图像信息。
【专利说明】半导体装置的驱动方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种包括光电传感器的半导体装置的驱动方法。
[0002] 注意，在本说明书中，半导体装置总体上是指能够通过利用半导体特性而工作的 装置。电光装置、半导体电路及电子设备都是半导体装置。
【背景技术】
[0003] 近年来，在多种领域中已使用如下三维（3D)距离测量方法，该三维（3D)距离测量 方法不仅可以取得对象物的形状信息，而且可以取得对象物的距离信息。该方法主要分为 两种方法：主动测量和被动测量。在主动测量中，对象物被照射光、电波或声波等，并使用所 得到的信息。在被动测量中，对象物不被照射用作辅助测量的特定的光、特定的电波等。
[0004] 作为被动测量，可以使用立体匹配法等。作为主动测量，可以使用飞行时间（Time Of Flight :T0F)法、光切断法等。在立体匹配法中，通过多个光电传感器拍摄不同的图像， 并且根据三角测量的原理取得距离信息。在专利文献1中，通过对比在不同的图像中的共 同的区域小的区域进行立体匹配，缩短测量时间并提高测量精度。
[0005] 在T0F法中，对象物被照射红外光一定期间，并且由各像素中的光电传感器检测 反射光。利用光照射开始时刻与反射光的到达光电传感器的时刻之间的差，根据照射期间、 检测信号及光速算出距离信息。在非专利文献1中，通过两次的红外光照射，取得两个检测 信号。T0F法的优点之一是容易使半导体装置小型化这一点。
[0006] 在专利文献2中，通过在每隔一个帧期间地交替进行二维（2D)拍摄和三维拍摄， 使用一个像素取得二维信息（从对象物反射的光的强度、色彩等）及三维信息（从光源到 对象物的距离）。
[0007] [参考文献]
[0008] [专利文献]
[0009] 专利文献1 :日本专利申请公开2008-59148号公报
[0010] 专利文献2 :日本专利申请公开2010-35168号公报
[0011][非专利文献]
[0012] 非专利文献 1 :S. J. Kim et al，"A Three-Dimensional Time-〇f-Flight CMOS Image Sensor With Pinned-Photodiode Pixel Structure，'，IEEE Electron Device Letters, Nov. 2010, Vol. 31, No. 11,pp.1272-1274
【发明内容】
[0013] 在立体匹配法中，为了取得高精度的距离信息，需要提高匹配精度。匹配处理量的 增加导致测量时间的大幅度增加。再者，不容易使半导体装置小型化，因为多个光电传感器 处于彼此远离的位置。
[0014] T0F法有当通过一次的红外光照射取得用来算出距离信息的检测信号时检测信号 的精度降低的问题。
[0015] 在非专利文献1中，在第一个检测信号的取得之后且第二个检测信号的取得之前 有时间差。当对象物移动时，因该时间差而检测信号稍微地变化；因此，不容易维持距离信 息的精度。
[0016] 在专利文献2中，需要在二维拍摄和三维拍摄之间切换帧期间。因此，在通过二维 拍摄的信息取得之后且通过三维拍摄的信息取得之前有时间差。因此，不容易同时取得该 两个信息，这是有问题的。
[0017] 鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种可以在短时间内取得高精度的距离信息 的半导体装置。本发明的目的是提供一种即使对象物移动，也可以在短时间内取得高精度 的距离信息的半导体装置。本发明的目的是提供一种可以在短时间内同时取得高精度的距 离信息及图像信息的半导体装置。
[0018] 本发明的课题是进行半导体装置的小型化。
[0019] 在本发明的一个实施方式中，通过多于一次地进行红外光照射以取得一个检测信 号，并使各次照射期间为同一且极短，来提高距离信息的精度。
[0020] 本说明书所公开的本发明的一个实施方式是一种半导体装置的驱动方法，该半导 体装置包括：包括光电转换元件以及根据被提供到光电转换元件的光量将信号电荷积累于 FD节点的第一晶体管的像素；以及根据从输出线输出的检测信号进行运算处理的信号处 理电路。该方法包括如下步骤：对光电转换元件的一个电极供给使FD节点具有第一高电位 的电位；在期间T中从光源对对象物照射红外光；在从到达对象物而反射的光开始对光电 转换元件的入射的时刻至光源停止红外光的照射的时刻的第一期间中，至少使第一晶体管 的栅电极的电位为第二高电位η (η是2或更大的自然数）次；从输出线取得基于第η次的 第一期间之后的FD节点的电位和低电位之间的第一电位差的第一检测信号；在取得第一 检测信号之后，对光电转换元件的一个电极供给使FD节点具有第一高电位的电位；在期间 Τ中从光源对对象物提供红外光；在从光源停止红外光的照射的时刻至到达对象物而反射 的光结束对光电转换元件的入射的时刻的第二期间中，至少使第一晶体管的栅电极的电位 为第二高电位η次；从输出线取得基于第η次的第二期间之后的FD节点的电位和低电位之 间的第二电位差的第二检测信号；以及在取得第二检测信号之后，使用信号处理电路进行 算式（1)的运算处理来算出光电转换元件和对象物之间的距离，其中，光速、第一检测信号 及第二检测信号分别以c、Si及S 2表示。
[0021]
【权利要求】
1. 一种包括含有光电二极管的光电传感器的半导体装置的驱动方法，包括如下步骤： 从第一时刻到第二时刻通过对所述光电二极管的第一端子供应第一信号进行第一复 位工作； 从所述第二时刻到第四时刻使用来自光源的第一光进行对象物的第一照射； 从所述第二时刻到所述第四时刻通过检测被所述对象物反射的所述第一光进行第一 拍摄； 重复进行所述第一照射和所述第一拍摄n(n是2以上的自然数）次； 从第十二时刻到第十五时刻使用来自所述光源的第二光进行所述对象物的第二照 射； 从第十四时刻到所述第十五时刻通过对所述光电二极管的所述第一端子供应所述第 一信号进行第二复位工作； 从所述第十五时刻到第十六时刻通过检测被所述对象物反射的所述第二光进行第二 拍摄；以及 重复进行所述第二照射和所述第二拍摄η次， 其中，从所述第二时刻到所述第四时刻的时间长度和从所述第十二时刻到所述第十五 时刻的时间长度相同。
2. 根据权利要求1所述的半导体装置的驱动方法，还包括如下步骤： 通过所述第一拍摄得到第一检测信号； 通过所述第二拍摄得到第二检测信号；以及 使用所述第一检测信号和所述第二检测信号得到从所述光源到所述对象物的距离。
3. 根据权利要求2所述的半导体装置的驱动方法，还包括如下步骤： 通过使用下述算式得到从所述光源到所述对象物的所述距离X :
其中： S1表示所述第一检测信号； S2表示所述第二检测信号； Τ表示从所述第二时刻到所述第四时刻的所述时间长度；并且 c表不光速。
4. 根据权利要求1所述的半导体装置的驱动方法， 其中从第三时刻到第五时刻被所述对象物反射的所述第一光入射到所述光电二极管 中， 其中从第十三时刻到所述第十六时刻被所述对象物反射的所述第二光入射到所述光 电二极管中，并且 其中从所述第二时刻到所述第三时刻的时间长度、从所述第四时刻到所述第五时刻的 时间长度、从所述第十二时刻到所述第十三时刻的时间长度和从所述第十五时刻到所述第 十六时刻的时间长度相同。
5. 根据权利要求4所述的半导体装置的驱动方法， 其中所述光电传感器包括第一晶体管和第二晶体管， 其中所述第一晶体管的第一端子与所述光电二极管的第二端子电连接， 其中所述第一晶体管的第二端子与所述第二晶体管的栅极电连接，并且 其中所述方法包括如下步骤： 从所述第二时刻到所述第四时刻通过对所述第一晶体管的栅极供应第二信号进行所 述第一拍摄；以及 从所述第十五时刻到第十七时刻通过对所述第一晶体管的所述栅极供应所述第二信 号进行所述第二拍摄。
6. 根据权利要求5所述的半导体装置的驱动方法， 其中所述第一晶体管包括含有沟道形成区域的氧化物半导体层。
7. -种包括彼此相邻的第一光电传感器和第二光电传感器的半导体装置的驱动方法， 所述第一光电传感器包括第一光电二极管，所述第二光电传感器包括第二光电二极管，所 述半导体装置的驱动方法包括如下步骤： 从第一时刻到第二时刻通过对所述第一光电二极管的第一端子供应第一信号进行针 对所述第一光电传感器的第一复位工作； 从所述第二时刻到第五时刻使用来自光源的第一光进行对象物的第一照射； 从所述第二时刻到所述第五时刻通过检测被所述对象物反射的所述第一光进行针对 所述第一光电传感器的第一拍摄； 从第四时刻到所述第五时刻通过对所述第二光电二极管的第一端子供应所述第一信 号进行针对所述第二光电传感器的第二复位工作； 从所述第五时刻到第六时刻通过检测被所述对象物反射的所述第一光进行针对所述 第二光电传感器的第二拍摄；以及 重复进行所述第一照射、所述第一拍摄和所述第二拍摄n(n是2以上的自然数）次。
8. 根据权利要求7所述的半导体装置的驱动方法，还包括如下步骤： 通过所述第一拍摄得到第一检测信号； 通过所述第二拍摄得到第二检测信号；以及 使用所述第一检测信号和所述第二检测信号得到从所述光源到所述对象物的距离。
9. 根据权利要求8所述的半导体装置的驱动方法，还包括如下步骤： 通过使用下述算式得到从所述光源到所述对象物的所述距离X :
其中： S1表示所述第一检测信号； S2表示所述第二检测信号； T表示从第二时刻到所述第五时刻的时间长度；并且 c表不光速。
10. 根据权利要求7所述的半导体装置的驱动方法， 其中从第三时刻到所述第六时刻被所述对象物反射的所述第一光入射到所述第一光 电二极管和所述第二光电二极管中， 其中从所述第二时刻到所述第三时刻的时间长度和从所述第五时刻到所述第六时刻 的时间长度相同。
11. 根据权利要求10所述的半导体装置的驱动方法， 其中所述第一光电传感器包括第一晶体管和第二晶体管， 其中所述第二光电传感器包括第三晶体管和第四晶体管， 其中所述第一晶体管的第一端子与所述第一光电二极管的第二端子电连接， 其中所述第一晶体管的第二端子与所述第二晶体管的栅极电连接， 其中所述第三晶体管的第一端子与所述第二光电二极管的第二端子电连接， 其中所述第三晶体管的第二端子与所述第四晶体管的栅极电连接，并且 其中所述方法包括如下步骤： 从所述第二时刻到所述第五时刻通过对所述第一晶体管的栅极供应第二信号进行针 对所述第一光电传感器的所述第一拍摄；以及 从所述第五时刻到第七时刻通过对所述第三晶体管的栅极供应所述第二信号进行针 对所述第二光电传感器的所述第二拍摄。
12. 根据权利要求11所述的半导体装置的驱动方法， 其中所述第一晶体管包括含有沟道形成区域的氧化物半导体层，并且， 其中所述第三晶体管包括含有沟道形成区域的氧化物半导体层。
13. -种包括第一光电传感器和第二光电传感器的半导体装置的驱动方法，所述第一 光电传感器包括第一光电二极管，所述第二光电传感器包括第二光电二极管，所述半导体 装置的驱动方法包括如下步骤： 从第一时刻到第二时刻通过对所述第一光电二极管的第一端子供应第一信号进行针 对所述第一光电传感器的第一复位工作； 从所述第二时刻到第四时刻使用来自光源的第一光进行对象物的第一照射； 从所述第二时刻到所述第四时刻通过检测被所述对象物反射的所述第一光进行针对 所述第一光电传感器的第一拍摄； 重复进行所述第一照射和所述第一拍摄n(n是2以上的自然数）次； 从第十二时刻到第十五时刻使用来自所述光源的第二光进行所述对象物的第二照 射； 从第十四时刻到所述第十五时刻通过对所述第一光电二极管的所述第一端子供应所 述第一信号进行针对所述第一光电传感器的第二复位工作； 从所述第十五时刻到第十七时刻通过检测被所述对象物反射的所述第二光进行针对 所述第一光电传感器的第二拍摄； 重复进行所述第二照射和所述第二拍摄η次；以及 从所述第二时刻到所述第四时刻和从所述第十五时刻到所述第十七时刻通过检测第 三光进行针对所述第二光电传感器的第三拍摄， 其中，所述第二光电二极管形成在所述第一光电二极管上，并且 其中，从所述第二时刻到所述第四时刻的时间长度和从所述第十二时刻到所述第十五 时刻的时间长度相同。
14. 根据权利要求13所述的半导体装置的驱动方法，还包括如下步骤： 通过所述第一拍摄得到第一检测信号； 通过所述第二拍摄得到第二检测信号；以及 使用所述第一检测信号和所述第二检测信号得到从所述光源到所述对象物的距离。
15. 根据权利要求14所述的半导体装置的驱动方法，还包括如下步骤： 通过使用下述算式得到从所述光源到所述对象物的所述距离X :
其中： S1表示所述第一检测信号； S2表示所述第二检测信号； T表示从所述第二时刻到所述第四时刻的所述时间长度；并且 c表不光速。
16. 根据权利要求13所述的半导体装置的驱动方法， 其中从第三时刻到第五时刻被所述对象物反射的所述第一光入射到所述第一光电二 极管中， 其中从第十三时刻到第十六时刻被所述对象物反射的所述第二光入射到所述第一光 电二极管中，并且 其中从所述第二时刻到所述第三时刻的时间长度、从所述第四时刻到所述第五时刻的 时间长度、从所述第十二时刻到所述第十三时刻的时间长度和从所述第十五时刻到所述第 十六时刻的时间长度相同。
17. 根据权利要求16所述的半导体装置的驱动方法， 其中所述第一光电传感器包括第一晶体管和第二晶体管， 其中所述第一晶体管的第一端子与所述第一光电二极管的第二端子电连接， 其中所述第一晶体管的第二端子与所述第二晶体管的栅极电连接，并且 其中所述方法包括如下步骤： 从所述第二时刻到所述第四时刻通过对所述第一晶体管的栅极供应第三信号进行针 对所述第一光电传感器的所述第一拍摄；以及 从所述第十五时刻到所述第十七时刻通过对所述第一晶体管的所述栅极供应所述第 三信号进行针对所述第一光电传感器的所述第二拍摄。
18. 根据权利要求17所述的半导体装置的驱动方法， 其中所述第一晶体管包括含有沟道形成区域的氧化物半导体层。
19. 根据权利要求18所述的半导体装置的驱动方法， 其中所述第一光包括第一红外光， 其中所述第二光包括第二红外光，并且 其中所述方法包括如下步骤： 通过检测被所述对象物反射且透过所述第二光电二极管的所述第一红外光进行针对 所述第一光电传感器的所述第一拍摄；以及 通过检测被所述对象物反射且透过所述第二光电二极管的所述第二红外光进行针对 所述第一光电传感器的所述第二拍摄。
20.根据权利要求19所述的半导体装置的驱动方法， 其中所述第一光电二极管包括单晶硅，并且 其中所述第二光电二极管包括非晶硅。
【文档编号】G01S17/10GK104160295SQ201380013079
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2013年2月22日 优先权日:2012年3月9日
【发明者】黑川义元 申请人:株式会社半导体能源研究所