特許 6054451 半導体装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6054451

(24)【登録日】2016年12月9日

(45)【発行日】2016年12月27日

(54)【発明の名称】半導体装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 29/786 20060101AFI20161219BHJP

   H02S 40/30 20140101ALI20161219BHJP

   H01L 31/075 20120101ALI20161219BHJP

   H02M 3/155 20060101ALI20161219BHJP

【ＦＩ】

   H01L29/78 614

   H02S40/30

   H01L31/06 500

   H02M3/155 T

   H01L29/78 618B

【請求項の数】2

【全頁数】37

(21)【出願番号】特願2015-64426(P2015-64426)

(22)【出願日】2015年3月26日

(62)【分割の表示】特願2011-116796(P2011-116796)の分割

【原出願日】2011年5月25日

(65)【公開番号】特開2015-164193(P2015-164193A)

(43)【公開日】2015年9月10日

【審査請求日】2015年3月30日

(31)【優先権主張番号】特願2010-129033(P2010-129033)

(32)【優先日】2010年6月4日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000153878

【氏名又は名称】株式会社半導体エネルギー研究所

(72)【発明者】

【氏名】木村 肇

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 良明

(72)【発明者】

【氏名】王丸 拓郎

(72)【発明者】

【氏名】山崎 舜平

【審査官】 竹口 泰裕

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００９−００４７３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−０９９９４４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ２１／３３６、２９／７８６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１のトランジスタと、第２のトランジスタと、を有し、
前記第１のトランジスタは、
第１の酸化物半導体層と、
前記第１の酸化物半導体層と重なる領域を有する第１のゲート電極と、
前記第１の酸化物半導体層と電気的に接続された第１の導電層及び第２の導電層と、を有し、
前記第２のトランジスタは、
第２の酸化物半導体層と、
前記第２の酸化物半導体層と重なる領域を有する第２のゲート電極と、
前記第２の酸化物半導体層と電気的に接続された前記第１の導電層及び第３の導電層と、を有し、
前記第１の導電層は、前記第１のトランジスタのソース電極又はドレイン電極の一方として機能する領域と、前記第２のトランジスタのソース電極又はドレイン電極の一方として機能する領域と、を有し、
前記第２の導電層は、前記第１のトランジスタのソース電極又はドレイン電極の他方として機能する領域を有し、
前記第３の導電層は、前記第２のトランジスタのソース電極又はドレイン電極の他方として機能する領域を有し、
前記第１の導電層は、前記第１のゲート電極と電気的に接続され、
前記第１の酸化物半導体層は、第１の領域と、第２の領域と、第３の領域と、第４の領域と、第５の領域と、第６の領域と、を有し、
前記第３の領域は、前記第１の導電層と接する領域を有し、
前記第４の領域は、前記第２の導電層と接する領域を有し、
前記第５の領域は、前記第３の領域の下方に設けられ、
前記第６の領域は、前記第４の領域の下方に設けられ、
前記第３の領域の導電率及び前記第４の領域の導電率は、前記第５の領域の導電率及び前記第６の領域の導電率よりも高く、
前記第１の領域は、前記第３の領域と前記第４の領域の間に設けられ、
前記第１の領域は、酸化物絶縁層と接し、
前記第２の領域は、前記第１の領域の下方に設けられ、
前記第２の領域は、ゲート絶縁層と接し、
前記第１の領域の抵抗率は、前記第２の領域の抵抗率よりも高く、
前記第２の酸化物半導体層は、第７の領域と、第８の領域と、第９の領域と、第１０の領域と、第１１の領域と、を有し、
前記第８の領域は、前記第１の導電層と接する領域を有し、
前記第９の領域は、前記第３の導電層と接する領域を有し、
前記第１０の領域は、前記第８の領域の下方に設けられ、
前記第１１の領域は、前記第９の領域の下方に設けられ、
前記第８の領域の導電率及び前記第９の領域の導電率は、前記第１０の領域の導電率及び前記第１１の領域の導電率よりも高く、
前記第７の領域は、前記第８の領域と前記第９の領域との間に設けられ、
前記第７の領域は、前記酸化物絶縁層と接し、
前記第７の領域は、前記ゲート絶縁層と接し、
前記第７の領域の抵抗率は、前記第２の領域の抵抗率よりも高く、
前記第１の酸化物半導体層の膜厚は、前記第２の酸化物半導体層の膜厚よりも厚いことを特徴とする半導体装置。

【請求項2】

請求項１において、
前記第１のトランジスタは、整流素子としての機能を有し、
前記第２のトランジスタは、スイッチング素子としての機能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】

開示される発明の一様態は、光電変換装置及びその作製方法に関する。

【背景技術】

【0002】

光起電力効果により、受けた光を直接電力に変換して出力する光電変換素子の一つとして
、太陽電池が挙げられる（特許文献１参照）。太陽電池は、従来の発電方式のように、途
中で熱エネルギーや運動エネルギーへのエネルギー変換の必要がない。

【0003】

さらに太陽電池と、該太陽電池で発電した直流電力を変換するコンバータ回路とを、太陽
電池の非受光面などに取り付けた光電変換装置が、小規模又は中規模の太陽光発電システ
ムや非常用電源として注目されている（特許文献２又は特許文献３参照）。

【0004】

このようなコンバータ回路として、例えばＤＣ−ＤＣコンバータ（直流−直流変換器）や
ＤＣ−ＡＣコンバータ（直流−交流変換器）等が挙げられる（特許文献４又は特許文献５
参照）。

【0005】

特許文献４あるいは特許文献５のコンバータ回路には、スイッチング素子及び整流素子が
含まれている。該スイッチング素子としてトランジスタ、該整流素子としてダイオードが
用いられる。このようなダイオードには、例えばｐｎ接合を用いたダイオードが挙げられ
る（特許文献６参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１０−１０６６７号公報

【特許文献2】特開平９−６９６４７号公報

【特許文献3】特開２００２−１４１５３９号公報

【特許文献4】特開２００５−３１２１５８号公報

【特許文献5】特開２００９−２００３７２号公報

【特許文献6】特開２００４−２２６３９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

特許文献６に示されるように、ｐｎ接合を用いたダイオードは、電圧降下が大きい。

【0008】

上記問題を鑑み、開示される発明の一様態は、電圧降下が小さい整流素子を得ることを課
題の一とする。

【0009】

特許文献４又は特許文献５に示されるコンバータ回路は、例えば、ダイオードやトランジ
スタを有する。該ダイオードやトランジスタはそれぞれ、別の工程で作製されるため、コ
ンバータ回路の作製コストは大きい。

【0010】

上記問題を鑑み、開示される発明の一様態は、コンバータ回路の作製コストを抑制するこ
とを課題の一とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

開示される発明の一様態において、コンバータ回路に含まれる整流素子として、ダイオー
ド接続されたノーマリオンのトランジスタを用いる。

【0012】

ノーマリオンのトランジスタは、チャネル形成領域の膜厚を制御することによって得るこ
とができる。

【0013】

ノーマリオンのトランジスタをダイオード接続したものを整流素子として用いると、ｐｎ
接合を用いたダイオードよりも電圧降下が小さい。

【0014】

ダイオード接続したノーマリオンのトランジスタは、ｐｎ接合を用いたダイオードよりも
電圧降下が小さいので、電圧降下した分を補うために印加する電圧が小さくてよい。ダイ
オード接続したノーマリオンのトランジスタは、電圧降下した分を補うために印加する電
圧が小さくてよいので、コンバータ回路の消費電力が小さくなる。コンバータ回路の消費
電力が小さくなると、光電変換装置の消費電力も小さくなる。

【0015】

以上から、ダイオード接続したノーマリオンのトランジスタをダイオードとして用いるこ
とは、電圧降下を抑制する点、電圧降下した分を補うために印加する電圧が小さくてよい
という点、コンバータ回路の消費電力を抑制するという点、及び光電変換装置の消費電力
を抑制するという点で好適である。

【0016】

また開示される発明の一様態では、コンバータ回路に含まれるスイッチング素子としてト
ランジスタ、整流素子としてトランジスタをダイオード接続したものを用いる。すなわち
、コンバータ回路の整流素子とスイッチング素子を同じ材料及び同じ工程で作製すること
ができる。

【0017】

整流素子とスイッチング素子を同じ材料及び同じ工程で作製できるので、作製コストを抑
制することが可能である。

【0018】

開示される発明の一様態は、光電変換素子と、当該光電変換素子の出力を昇圧又は降圧し
、スイッチング素子及び整流素子を有するコンバータ回路と、を有する光電変換装置に関
する。当該光電変換装置は、当該スイッチング素子として、ノーマリオフの第１の酸化物
半導体トランジスタ、及び、当該整流素子として、ダイオード接続されたノーマリオンの
第２の酸化物半導体トランジスタとを有することを特徴とする。

【0019】

開示される発明の一様態は、光電変換素子と、当該光電変換素子の出力を昇圧又は降圧し
、スイッチング素子及び整流素子を有するコンバータ回路とを有する光電変換装置に関す
る。当該光電変換装置は、当該スイッチング素子として、ノーマリオフの第１の酸化物半
導体トランジスタ、及び、当該整流素子として、ダイオード接続されたノーマリオンの第
２の酸化物半導体トランジスタを有することを特徴とする。当該光電変換装置において、
当該第１の酸化物半導体トランジスタのチャネル形成領域の膜厚と、当該第２の酸化物半
導体トランジスタのチャネル形成領域の膜厚が異なることを特徴とする。

【0020】

開示される発明の一様態は、光電変換素子と、当該光電変換素子の出力を昇圧又は降圧し
、スイッチング素子及び整流素子を有するコンバータ回路とを有する光電変換装置に関す
る。当該光電変換装置は、当該スイッチング素子として、ノーマリオフの第１の酸化物半
導体トランジスタ、及び、当該整流素子として、ダイオード接続されたノーマリオンの第
２の酸化物半導体トランジスタを有することを特徴とする。当該光電変換装置において、
当該第１の酸化物半導体トランジスタのチャネル形成領域の膜厚は、当該第２の酸化物半
導体トランジスタのチャネル形成領域の膜厚よりも薄いことを特徴とする。

【0021】

開示される発明の一様態は、太陽電池と、当該太陽電池の出力を昇圧又は降圧し、スイッ
チング素子及び整流素子を有するコンバータ回路とを有する光電変換装置に関する。当該
光電変換装置は、当該スイッチング素子として、ノーマリオフの第１の酸化物半導体トラ
ンジスタ、及び、当該整流素子として、ダイオード接続されたノーマリオンの第２の酸化
物半導体トランジスタ有することを特徴とする。

【0022】

開示される発明の一様態は、太陽電池と、当該太陽電池の出力を昇圧又は降圧し、スイッ
チング素子及び整流素子を有するコンバータ回路とを有する光電変換装置に関する。当該
光電変換装置は、当該スイッチング素子として、ノーマリオフの第１の酸化物半導体トラ
ンジスタ、及び、当該整流素子として、ダイオード接続されたノーマリオンの第２の酸化
物半導体トランジスタを有することを特徴とする。当該光電変換装置において、当該第１
の酸化物半導体トランジスタのチャネル形成領域の膜厚と、当該第２の酸化物半導体トラ
ンジスタのチャネル形成領域の膜厚が異なることを特徴とする。

【0023】

開示される発明の一様態は、太陽電池と、当該太陽電池の出力を昇圧又は降圧し、スイッ
チング素子及び整流素子を有するコンバータ回路とを有する光電変換装置に関する。当該
光電変換装置は、当該スイッチング素子として、ノーマリオフの第１の酸化物半導体トラ
ンジスタ、及び、当該整流素子として、ダイオード接続されたノーマリオンの第２の酸化
物半導体トランジスタとを有することを特徴とする。当該第１の酸化物半導体トランジス
タのチャネル形成領域の膜厚は、当該第２の酸化物半導体トランジスタのチャネル形成領
域の膜厚よりも薄いことを特徴とする。

【0024】

開示される発明の一様態において、当該第１の酸化物半導体トランジスタ及び第２の酸化
物半導体トランジスタのそれぞれは、チャネル形成領域を含む島状酸化物半導体層と、当
該島状酸化物半導体層に接するソース電極及びドレイン電極とを有することを特徴とする
。当該島状酸化物半導体層中のソース電極及びドレイン電極と重畳しない領域は、当該島
状酸化物半導体層中のソース電極及びドレイン電極と重畳する領域よりも、膜厚が薄いこ
とを特徴とする。

【0025】

開示される発明の一様態において、当該第１の酸化物半導体トランジスタ及び第２の酸化
物半導体トランジスタのそれぞれは、チャネル形成領域を含む島状酸化物半導体層と、当
該島状酸化物半導体層上にソース電極及びドレイン電極と、当該島状酸化物半導体層と当
該ソース電極及びドレイン電極との間に、当該島状酸化物半導体層よりも高い導電率を有
する酸化物半導体層を有することを特徴とする。

【0026】

開示される発明の一様態において、当該コンバータ回路は、ＤＣ−ＤＣコンバータである
ことを特徴とする。

【0027】

開示される発明の一様態において、当該コンバータ回路は、コイル、及びコンデンサを有
するＤＣ−ＤＣコンバータであることを特徴とする。

【0028】

なお本明細書において、ゲート電極に印加されるゲート電圧が０Ｖ、及び、ソース−ドレ
イン間に印加される電圧が少なくとも１Ｖの場合、ドレイン電流が流れていないとみなす
ことができるトランジスタをノーマリオフのトランジスタと定義する。また、ゲート電極
に印加されるゲート電圧が０Ｖ、及び、ソース−ドレイン間に印加される電圧が少なくと
も１Ｖの場合、ドレイン電流が流れているとみなすことができるトランジスタをノーマリ
オンのトランジスタと定義する。

【0029】

或いは、本明細書では、ｎチャネル型トランジスタにおいて、しきい値電圧の値が正であ
るトランジスタをノーマリオフのトランジスタと定義する。ｐチャネル型トランジスタの
において、しきい値電圧の値が負であるトランジスタをノーマリオフのトランジスタと定
義する。また、ｎチャネル型トランジスタにおいて、しきい値電圧の値が負であるトラン
ジスタをノーマリオンのトランジスタと定義する。ｐチャネル型トランジスタにおいて、
しきい値電圧の値が正であるトランジスタをノーマリオンのトランジスタと定義する。

【0030】

より具体的には、本明細書では、ｎチャネル型トランジスタにおいて、ドレイン電流−ゲ
ート電圧特性を測定し、ドレイン電流が１×１０^−１２Ａのときのゲート電圧が正である
トランジスタを、ノーマリオフのトランジスタと定義する。またｎチャネル型トランジス
タにおいて、ドレイン電流−ゲート電圧特性を測定し、ドレイン電流が１×１０^−１２Ａ
のときのゲート電圧が負であるトランジスタを、ノーマリオンのトランジスタと定義する
。

【発明の効果】

【0031】

開示される発明の一様態の整流素子は、ｐｎ接合を用いたダイオードよりも電圧降下が小
さい。ｐｎ接合を用いたダイオードよりも電圧降下が小さいので、当該整流素子は、電圧
降下した分を補うために印加する電圧が小さくてよい。当該整流素子は、電圧降下した分
を補うために印加する電圧が小さくてよいので、コンバータ回路の消費電力が小さくなる
。コンバータ回路の消費電力が小さくなると、光電変換装置の消費電力も小さくなる。

【0032】

よって、ダイオード接続したノーマリオンのトランジスタを整流素子として用いることは
、電圧降下を抑制する点、電圧降下した分を補うために印加する電圧が小さくてよいとい
う点、コンバータ回路の消費電力を抑制するという点、及び光電変換装置の消費電力を抑
制するという点で好適である。

【0033】

また開示される発明の一様態では、コンバータ回路の整流素子とスイッチング素子を同じ
材料及び同じ工程で作製することができる。

【0034】

コンバータ回路に含まれる整流素子とスイッチング素子を同じ材料及び同じ工程で作製で
きるので、コンバータ回路の作製コストを抑制することが可能である。コンバータ回路の
作製コストを抑制できるので、光電変換装置の作製コストを抑制することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【0035】

【図1】酸化物半導体トランジスタの上面図及び断面図。

【図2】酸化物半導体トランジスタの上面図及び断面図。

【図3】コンバータ回路の回路図。

【図4】ノーマリオンとノーマリオフの違いを示す図。

【図5】酸化物半導体トランジスタの断面図。

【図6】酸化物半導体トランジスタの作製方法を示す断面図。

【図7】酸化物半導体トランジスタの作製方法を示す断面図。

【図8】酸化物半導体トランジスタの上面図及び断面図。

【図9】酸化物半導体トランジスタの作製方法を示す断面図。

【図10】酸化物半導体トランジスタの作製方法を示す断面図。

【図11】太陽電池の断面図。

【図12】コンバータ回路の回路図。

【図13】太陽光発電モジュールを示す上面図。

【図14】太陽光発電モジュールを用いた太陽光発電システムの例を示す図。

【図15】太陽光発電モジュールを搭載した電動推進車両を示す図。

【発明を実施するための形態】

【0036】

以下、本明細書に開示された発明の実施の態様について、図面を参照して説明する。但し
、本明細書に開示された発明は多くの異なる態様で実施することが可能であり、本明細書
に開示された発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変
更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本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、以下に示す図面において、同一部分又は同様な機
能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

【0037】

［実施の形態１］
本実施の形態の光電変換装置を、図１（Ａ）〜図１（Ｂ）、図２（Ａ）〜図２（Ｃ）、図
３（Ａ）〜図３（Ｂ）、図４、図５（Ａ）〜図５（Ｂ）、図６（Ａ）〜図６（Ｆ）、図７
（Ａ）〜図７（Ｄ）、図８（Ａ）〜図８（Ｃ）、図９（Ａ）〜図９（Ｆ）、図１０（Ａ）
〜図１０（Ｆ）、図１１を用いて説明する。

【0038】

本実施の形態のコンバータ回路の一例を、図３（Ａ）〜図３（Ｂ）を用いて説明する。本
実施の形態で説明されるコンバータ回路は、直流電圧を直流電圧に変換するＤＣ−ＤＣコ
ンバータである。

【0039】

図３（Ａ）に示すコンバータ回路３０１は、スイッチング素子であるトランジスタ３０２
、コイル３０３、整流素子であるダイオード３０９、コンデンサ３０５を有する昇圧回路
である。

【0040】

コイル３０３の一方の端子は、光電変換素子３０７のｐ型半導体層側及びｎ型半導体層側
の一方の電極に電気的に接続されている。コイル３０３の他方の端子はトランジスタ３０
２のソースあるいはドレインの一方と電気的に接続されている。トランジスタ３０２のソ
ースあるいはドレインの一方は、コイル３０３の他方の端子及びダイオード３０９の入力
端子と電気的に接続されている。トランジスタ３０２のソースあるいはドレインの他方は
、光電変換素子３０７のｐ型半導体層側及びｎ型半導体層側の他方の電極及びコンデンサ
３０５の一方の端子と電気的に接続されている。コンデンサ３０５の他方の端子は、ダイ
オード３０９の出力端子及び出力端子ＯＵＴに電気的に接続されている。なお、光電変換
素子３０７のｐ型半導体層側及びｎ型半導体層側の他方の電極、トランジスタ３０２のソ
ースあるいはドレインの他方、及びコンデンサ３０５の一方の端子は接地されている。

【0041】

なお、上記トランジスタのゲートとは、ゲート電極及びゲート配線の一部または全部のこ
とをいう。ゲート配線とは、少なくとも一つのトランジスタのゲート電極と、別の電極や
別の配線とを電気的に接続させるための配線のことをいう。

【0042】

上記トランジスタのソースとは、ソース領域、ソース電極、及びソース配線の一部または
全部のことをいう。ソース領域とは、半導体層のうち、抵抗値がチャネル形成領域より低
い領域のことをいう。ソース電極とは、ソース領域に接続される部分の導電層のことをい
う。ソース配線とは、少なくとも一つのトランジスタのソース電極と、別の電極や別の配
線とを電気的に接続させるための配線のことをいう。

【0043】

上記トランジスタのドレインとは、ドレイン領域、ドレイン電極、及びドレイン配線の一
部または全部のことをいう。ドレイン領域とは、半導体層のうち、抵抗値がチャネル形成
領域より低い領域のことをいう。ドレイン電極とは、ドレイン領域に接続される部分の導
電層のことをいう。ドレイン配線とは、少なくとも一つのトランジスタのドレイン電極と
、別の電極や別の配線とを電気的に接続させるための配線のことをいう。

【0044】

また、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や動作条件などによって
互いに入れ替わるため、いずれがソースまたはドレインであるかを限定することが困難で
ある。そこで、本書類（明細書、特許請求の範囲または図面など）においては、ソース及
びドレインのいずれか一方をソース及びドレインの一方と表記し、他方をソース及びドレ
インの他方と表記する。

【0045】

トランジスタ３０２はスイッチング素子として機能する。またトランジスタ３０２のゲー
トは、コンバータ回路３０１の制御回路に接続されている。コンバータ回路３０１の制御
回路からの信号ＰＷＭにより、トランジスタ３０２はオン状態あるいはオフ状態となる。

【0046】

スイッチング素子であるトランジスタ３０２がオン状態のとき、コイル３０３に流れ込む
電流により、コイル３０３には励磁エネルギーが蓄えられる。

【0047】

トランジスタ３０２がオフ状態になると、コイル３０３に蓄えられた励磁エネルギーが放
出される。コイル３０３から放出される励磁エネルギーに起因する電圧が、電圧Ｖ１に上
積みされて電圧Ｖ２となる。これによりコンバータ回路３０１は昇圧回路として機能する
。

【0048】

スイッチング素子であるトランジスタ３０２がオン状態の時間をＴｏｎ、トランジスタ３
０２がオフ状態の時間をＴｏｆｆとする。出力電圧Ｖ２の値は、以下の（式１）で表され
る。

【0049】

Ｖ２＝Ｖ１×（Ｔｏｎ＋Ｔｏｆｆ）／Ｔｏｆｆ （式１）

【0050】

トランジスタ３０２がオン状態の時間Ｔｏｎが長く、コイル３０３に蓄えたエネルギーが
大きいほど、大電力を取り出すことができる。

【0051】

本実施の形態において、トランジスタ３０２として、ノーマリオフであり、かつ酸化物半
導体膜をチャネル形成領域に用いたトランジスタ（本明細書では、以下「酸化物半導体ト
ランジスタ」と呼ぶ）を用いる。なお酸化物半導体トランジスタの詳細な構造及び作製方
法については後述する。

【0052】

本実施の形態で示す酸化物半導体膜は、バンドギャップが広いため、アバランシェ降伏が
生じにくく、ホットキャリア劣化が生じにくい。ホットキャリア劣化が生じにくいので、
ドレイン耐圧が高いと言える。酸化物半導体膜のドレイン耐圧が高いので、酸化物半導体
トランジスタは、高耐圧及び大電流に適したトランジスタであると言える。このため、コ
ンバータ回路３０１のスイッチング素子であるトランジスタ３０２に好適である。

【0053】

本実施の形態において、ダイオード３０９は整流素子として機能する。本実施の形態では
、該ダイオード３０９として、ダイオード接続された酸化物半導体トランジスタを用いる
。該ダイオード接続された酸化物半導体トランジスタとして、トランジスタ３０２と同様
の構造を有する酸化物半導体トランジスタを作製し、そのゲート電極とドレイン領域を電
気的に接続すればよい。ダイオード３０９は、ノーマリオンの酸化物半導体トランジスタ
をダイオード接続したものを用いる。ノーマリオンの酸化物半導体トランジスタは、ゲー
ト電極にゲート電圧を印加したときに、コレクタ電流がすぐ立ち上がる。よってノーマリ
オンの酸化物半導体トランジスタをダイオード接続したものをダイオードとして用いると
、ｐｎ接合を用いたダイオードよりも電圧降下が小さいという点で好適である。

【0054】

またトランジスタ３０２であるノーマリオフの酸化物半導体トランジスタと、ダイオード
３０９として機能するノーマリオンの酸化物半導体トランジスタは、それぞれのチャネル
形成領域の膜厚が異なるだけである。よって、トランジスタ３０２とダイオード３０９を
同じ工程で作製することができる。そのためコンバータ回路３０１の作製工程を低減させ
ることが可能である。コンバータ回路３０１の作製工程を低減することが可能なため、コ
ンバータ回路３０１の作製コストを抑制することが可能である。

【0055】

また上述のように、酸化物半導体トランジスタは、高耐圧及び大電流に適したトランジス
タである。このため、ダイオード接続された酸化物半導体トランジスタを、コンバータ回
路３０１のダイオード３０９として用いることは好適である。

【0056】

また本実施の形態において、コイル３０３として、基板上にコイル状に形成した配線を用
いることができる。

【0057】

また、本実施の形態において、コンデンサ３０５として、例えば第１の電極と、第２の電
極と、誘電体とを有する構成のコンデンサを用いることができる。

【0058】

本実施の形態の酸化物半導体トランジスタの一例を、図１（Ａ）〜図１（Ｂ）、図２（Ａ
）〜図２（Ｃ）、図５（Ａ）〜図５（Ｂ）、図６（Ａ）〜図６（Ｆ）、図７（Ａ）〜図７
（Ｄ）、図８（Ａ）〜図８（Ｃ）、図９（Ａ）〜図９（Ｆ）、図１０（Ａ）〜図１０（Ｆ
）を用いて説明する。

【0059】

図１（Ａ）〜図１（Ｂ）に、トランジスタ３０２及びダイオード３０９として用いること
が可能な酸化物半導体トランジスタの構造の一例を示す。図１（Ａ）は上面図であり、図
１（Ｂ）は図１（Ａ）におけるＡ−Ａ’の断面図である。

【0060】

酸化物半導体トランジスタ２５２は、図３（Ａ）におけるトランジスタ３０２に相当する
。酸化物半導体トランジスタ２５２は、基板２００上にゲート電極２１１ｂ、ゲート電極
２１１ｂ上にゲート絶縁層２０２、ゲート絶縁層２０２上に島状酸化物半導体層２２３ｂ
を有し、島状酸化物半導体層２２３ｂに接して一対の電極である配線層２１５ｂ及び配線
層２１５ｃが設けられている。配線層２１５ｂは、酸化物半導体トランジスタ２５２のソ
ース電極及びドレイン電極の一方として機能し、配線層２１５ｃは、酸化物半導体トラン
ジスタ２５２のソース電極及びドレイン電極の他方として機能する。さらに島状酸化物半
導体層２２３ｂ上に酸化物絶縁膜２０７が設けられている。酸化物絶縁膜２０７上には、
保護絶縁層２０８が設けられる。

【0061】

酸化物半導体トランジスタ２５２において、島状酸化物半導体層２２３ｂ中の、ゲート絶
縁層２０２を介してゲート電極２１１ｂに重畳し、配線層２１５ｂ及び配線層２１５ｃに
挟まれる領域が、チャネル形成領域となる。

【0062】

島状酸化物半導体層２２３ｂ中において、配線層２１５ｂ及び配線層２１５ｃと重畳しな
い領域２４４は、配線層２１５ｂ及び配線層２１５ｃと重畳する領域よりも、膜厚が薄い
。当該膜厚が薄い領域２４４は、後述する配線層２１５ｂ及び配線層２１５ｃの形成工程
の際に、エッチングされることにより膜厚が薄くなる。

【0063】

酸化物半導体トランジスタ２５１は、図３（Ａ）におけるダイオード３０９に相当する。
酸化物半導体トランジスタ２５１は、基板２００上にゲート電極２１１ａ、ゲート電極２
１１ａ上にゲート絶縁層２０２、ゲート絶縁層２０２上に島状酸化物半導体層２２３ａを
有し、島状酸化物半導体層２２３ａに接して一対の電極である配線層２１５ａ及び配線層
２１５ｂが設けられている。さらに島状酸化物半導体層２２３ａ上に酸化物絶縁膜２０７
が設けられている。酸化物絶縁膜２０７上には、保護絶縁層２０８が設けられる。

【0064】

酸化物半導体トランジスタ２５１において、島状酸化物半導体層２２３ａ中の、ゲート絶
縁層２０２を介してゲート電極２１１ａに重畳し、配線層２１５ａ及び配線層２１５ｂに
挟まれる領域が、チャネル形成領域となる。

【0065】

島状酸化物半導体層２２３ａ中において、配線層２１５ａ及び配線層２１５ｂと重畳しな
い領域２４２は、配線層２１５ａ及び配線層２１５ｂと重畳する領域よりも、膜厚が薄い
。当該膜厚が薄い領域２４２は、後述する配線層２１５ａ及び配線層２１５ｂの形成工程
の際に、エッチングされることにより膜厚が薄くなる。

【0066】

ゲート電極２１１ａは、ゲート絶縁層２０２に設けられたコンタクトホール２０３を介し
て配線層２１５ｂに直接接している。すなわち酸化物半導体トランジスタ２５１は、ソー
ス及びドレインの一方がゲートに電気的に接続されている。すなわち酸化物半導体トラン
ジスタ２５１は、ダイオード接続されており、ダイオードとして機能する。

【0067】

酸化物半導体トランジスタ２５２の島状酸化物半導体層２２３ｂの膜厚及び酸化物半導体
トランジスタ２５１の島状酸化物半導体層２２３ａの膜厚は異ならせており、それぞれの
膜厚がノーマリオフとなるかノーマリオンとなるかを決定する。島状酸化物半導体層２２
３ｂの膜厚は、島状酸化物半導体層２２３ａの膜厚よりも薄い。膜厚の薄い島状酸化物半
導体層２２３ｂを有する酸化物半導体トランジスタ２５２はノーマリオフとなる。一方、
膜厚の厚い島状酸化物半導体層２２３ａを有する酸化物半導体トランジスタ２５１はノー
マリオンとなる。

【0068】

よって、ノーマリオフの酸化物半導体トランジスタとノーマリオンの酸化物半導体トラン
ジスタを、チャネル形成領域が含まれる島状酸化物半導体層２２３ｂ及び島状酸化物半導
体層２２３ａの膜厚を変えるだけで、作り分けることが可能である。

【0069】

図１（Ａ）〜図１（Ｂ）に示す酸化物半導体トランジスタ２５１及び酸化物半導体トラン
ジスタ２５２の作製方法を、図６（Ａ）〜図６（Ｆ）及び図７（Ａ）〜図７（Ｄ）を用い
て説明する。

【0070】

まず、絶縁表面を有する基板２００上に導電膜を形成した後、当該導電膜を用いて、ゲー
ト電極２１１ａ及びゲート電極２１１ｂを形成する（図６（Ａ）参照）。なお、形成され
たゲート電極の端部はテーパ形状であることが好ましい。

【0071】

ゲート電極２１１ａ及びゲート電極２１１ｂを形成する導電膜としては、Ａｌ、Ｃｒ、Ｔ
ａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗから選ばれた元素、または上述した元素を成分とする合金か、上述し
た元素を組み合わせた合金膜等が挙げられる。また、上述した金属に加え、銅、ネオジム
、またはスカンジウムなどの金属材料またはこれらを主成分とする合金材料を用いて、単
層でまたは積層して形成することもできる。なお、透光性を有する導電膜を用いて、ゲー
ト電極２１１ａ及びゲート電極２１１ｂを形成することもできる。透光性を有する導電膜
としては、透光性導電性酸化物等をその例に挙げることができる。

【0072】

基板２００に用いるガラス基板としては、後の加熱処理の温度が高い場合には、歪み点が
７３０℃以上のものを用いると良い。また、ガラス基板には、例えば、アルミノシリケー
トガラス、アルミノホウケイ酸ガラス、バリウムホウケイ酸ガラスなどのガラス材料が挙
げられる。

【0073】

なお上記のガラス基板に代えて、基板２００として、セラミック基板、石英基板、サファ
イア基板などの絶縁体でなる基板を用いても良い。他にも、結晶化ガラスなどを用いるこ
とができる。

【0074】

また下地膜となる絶縁膜を、基板２００、並びに、ゲート電極２１１ａ及びゲート電極２
１１ｂの間に設けてもよい。下地膜は、基板２００からの不純物元素の拡散を防止する機
能があり、窒化珪素膜、酸化珪素膜、窒化酸化珪素膜、又は酸化窒化珪素膜から選ばれた
一又は複数の膜による積層構造により形成することができる。

【0075】

次いで、ゲート電極２１１ａ及びゲート電極２１１ｂ上に、ゲート絶縁層２０２を形成す
る（図６（Ｂ）参照）。

【0076】

ゲート絶縁層２０２は、酸化珪素層、窒化珪素層、酸化窒化珪素層又は窒化酸化珪素層を
、単層で又は積層して用いることができる。なお、膜中にリン（Ｐ）や硼素（Ｂ）がドー
プされていても良い。

【0077】

酸化珪素層、窒化珪素層、酸化窒化珪素層又は窒化酸化珪素層は、プラズマＣＶＤ法又は
スパッタリング法等を用いて形成できる。例えば、成膜ガスとして、ＳｉＨ_４、酸素及び
窒素を用いてプラズマＣＶＤ法により酸化窒化珪素層を形成すればよい。

【0078】

本実施の形態では、プラズマＣＶＤ法により、膜厚１００ｎｍの酸化窒化珪素（ＳｉＯＮ
（組成比Ｎ＜Ｏ））であるゲート絶縁層２０２を形成する。

【0079】

次いで、ゲート絶縁層２０２を選択的にエッチングし、ゲート絶縁層２０２にコンタクト
ホール２０３を形成する（図６（Ｃ）参照）。なおコンタクトホール２０３は、ゲート電
極２１１ａに達するように形成される。

【0080】

なお、コンタクトホール２０３を形成後、不活性ガス雰囲気（窒素、またはヘリウム、ネ
オン、アルゴン等）下において、ゲート絶縁層２０２を加熱処理（４００℃以上であって
基板の歪み点未満）することが好ましい。当該加熱処理により、酸化物半導体膜の成膜前
に、ゲート絶縁層２０２内に含まれる水素及び水などの不純物を除去することができる。

【0081】

次いで、酸化物半導体トランジスタ２５１及び酸化物半導体トランジスタ２５２それぞれ
のチャネル形成領域を含み、互いに厚みが異なる酸化物半導体膜を作製する方法について
述べる。

【0082】

本実施の形態では、ゲート電極２１１ａ上に、ゲート絶縁層２０２を介して、膜厚の厚い
島状酸化物半導体層２２３ａを形成する。一方、ゲート電極２１１ｂ上に、ゲート絶縁層
２０２を介して、膜厚の薄い島状酸化物半導体層２２３ｂを形成する。なお、本実施の形
態では、ゲート電極２１１ａ上に厚い島状酸化物半導体層２２３ａを形成する方法の一例
として、島状の酸化物半導体層上に別の酸化物半導体層を重ねて成膜する方法について説
明する。

【0083】

まず、ゲート電極２１１ａ上に、ゲート絶縁層２０２を介して酸化物半導体層２６１を成
膜する（図６（Ｄ）参照）。

【0084】

酸化物半導体層２６１としては、少なくともＩｎ、Ｇａ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｈｆ
及びランタノイドから選ばれた一種以上の元素を含有する。例えば、四元系金属の酸化物
であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体や、三元系金属の酸化物であるＩｎ−
Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚ
ｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系
酸化物半導体、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半
導体、Ｉｎ−Ｌａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｉｎ−Ｃｅ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｉ
ｎ−Ｐｒ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｉｎ−Ｎｄ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｉｎ−Ｐｍ
−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｉｎ−Ｓｍ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｉｎ−Ｅｕ−Ｚｎ−
Ｏ系酸化物半導体、Ｉｎ−Ｇｄ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｉｎ−Ｔｂ−Ｚｎ−Ｏ系酸化
物半導体、Ｉｎ−Ｄｙ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｉｎ−Ｈｏ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体
、Ｉｎ−Ｅｒ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｉｎ−Ｔｍ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｉｎ−
Ｙｂ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｉｎ−Ｌｕ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体や、二元系金属の
酸化物であるＩｎ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ａｌ−Ｚ
ｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｚｎ−Ｍｇ−Ｏ系酸化物半導体、Ｓｎ−Ｍｇ−Ｏ系酸化物半導体
、Ｉｎ−Ｍｇ−Ｏ系酸化物半導体や、Ｉｎ−Ｇａ−Ｏ系の材料、一元系金属の酸化物であ
るＩｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｓｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体などを用
いることができる。また、上記酸化物半導体にＩｎとＧａとＳｎとＺｎとＡｌとＭｇとＨ
ｆ及びランタノイド以外の元素、例えばＳｉＯ２を含ませてもよい。

【0085】

例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体とは、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇ
ａ）、亜鉛（Ｚｎ）を有する酸化物半導体、という意味であり、その組成比は問わない。

【0086】

また、酸化物半導体層は、化学式ＩｎＭＯ_３（ＺｎＯ）_ｍ（ｍ＞０）で表記される薄膜を
用いることができる。ここで、Ｍは、Ｚｎ、Ｇａ、Ａｌ、Ｍｎ及びＣｏから選ばれた一ま
たは複数の金属元素を示す。例えばＭとして、Ｇａ、Ｇａ及びＡｌ、Ｇａ及びＭｎ、また
はＧａ及びＣｏなどがある。

【0087】

また、酸化物半導体としてＩｎ−Ｚｎ−Ｏ系の材料を用いる場合、用いるターゲットの組
成比は、原子数比で、Ｉｎ：Ｚｎ＝５０：１〜１：２（モル数比に換算するとＩｎ_２Ｏ_３
：ＺｎＯ＝２５：１〜１：４）、好ましくはＩｎ：Ｚｎ＝２０：１〜１：１（モル数比に
換算するとＩｎ_２Ｏ_３：ＺｎＯ＝１０：１〜１：２）、さらに好ましくはＩｎ：Ｚｎ＝１
５：１〜１．５：１（モル数比に換算するとＩｎ_２Ｏ_３：ＺｎＯ＝１５：２〜３：４）と
する。例えば、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体の形成に用いるターゲットは、原子数比が
Ｉｎ：Ｚｎ：Ｏ＝Ｘ：Ｙ：Ｚのとき、Ｚ＞１．５Ｘ＋Ｙとする。

【0088】

また酸化物半導体層２６１は、希ガス（代表的にはアルゴン）雰囲気下、酸素雰囲気下、
又は希ガス（代表的にはアルゴン）及び酸素雰囲気下においてスパッタ法により形成する
ことができる。また、酸化物半導体層２６１をスパッタ法を用いて形成する場合、ＳｉＯ
_２を２重量％以上１０重量％以下含むターゲットを用いて、酸化物半導体層２６１の成膜
を行う。ＳｉＯ_２を含むターゲットを用いて酸化物半導体層２６１の成膜を行うと、酸化
物半導体層２６１に結晶化を阻害するＳｉＯｘ（Ｘ＞０）を含ませることができる。酸化
物半導体層２６１にＳｉＯｘを含ませると、後の工程で行う脱水化または脱水素化のため
の加熱処理の際に、酸化物半導体層２６１が結晶化してしまうのを抑制することができる
ので好適である。

【0089】

ここでは、Ｉｎ、Ｇａ、及びＺｎを含む酸化物半導体ターゲット（Ｉｎ_２Ｏ_３：Ｇａ_２Ｏ
_３：ＺｎＯ＝１：１：１）を用いて、基板とターゲットの間の距離を１００ｍｍ、圧力０
．６Ｐａ、直流（ＤＣ）電源０．５ｋＷ、酸素（酸素流量比率１００％）雰囲気下で成膜
する。なお、パルス直流（ＤＣ）電源を用いると、ごみが軽減でき、膜厚分布も均一とな
るために好ましい。本実施の形態では、酸化物半導体層２６１として、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ
−Ｏ系酸化物半導体ターゲットを用いてスパッタ法によりＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系非単結
晶膜を成膜する。

【0090】

本実施の形態では、酸化物半導体層２６１と後述する酸化物半導体層２６２を積層した合
計の膜厚が好ましくは５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下となるように成膜する。なお、適用す
る酸化物半導体材料により適切な厚みは異なり、材料に応じて適宜厚みを選択すればよい
。

【0091】

次いで、酸化物半導体層２６１を島状に加工し、島状酸化物半導体層２１３ａを形成する
（図６（Ｅ）参照）。なお、島状酸化物半導体層２１３ａを形成後、不活性ガス雰囲気（
窒素、またはヘリウム、ネオン、アルゴン等）下において島状酸化物半導体層２１３ａを
加熱（４００℃以上７５０℃未満）してもよい。島状酸化物半導体層２１３ａを不活性ガ
ス雰囲気下で加熱すると、島状酸化物半導体層２１３ａ内に含まれる水素及び水などの不
純物を除去することができる。島状酸化物半導体層２１３ａ内に含まれる水素及び水など
の不純物を除去した後、後述する酸化物半導体層２６２を成膜することが好ましい。

【0092】

次に、島状酸化物半導体層２１３ａ、ゲート絶縁層２０２、及びゲート電極２１１ａを覆
って、酸化物半導体層２６２を成膜する（図６（Ｆ）参照）。本実施の形態では、酸化物
半導体層２６２として、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系非単結晶膜を成膜する。酸化物半導体層
２６２の膜厚は、好ましくは５ｎｍ以上３０ｎｍ以下とする。なお、適用する酸化物半導
体材料により適切な厚みは異なり、材料に応じて適宜厚みを選択すればよい。

【0093】

ゲート電極２１１ａ上において、酸化物半導体層２６２は島状酸化物半導体層２１３ａ上
に積層され、厚い酸化物半導体層が形成される。一方、ゲート電極２１１ｂ上において、
酸化物半導体層２６２はゲート絶縁層２０２に接して成膜されるため、膜厚が薄い酸化物
半導体層が形成される。

【0094】

次いで、島状酸化物半導体層２１３ａ及び酸化物半導体層２６２の積層体を島状に加工す
る。これにより、ゲート電極２１１ａ上には、膜厚が厚い島状酸化物半導体層２２３ａが
形成される。また、ゲート電極２１１ｂ上には、膜厚の薄い島状酸化物半導体層２２３ｂ
が形成される（図７（Ａ）参照）。

【0095】

島状酸化物半導体層２２３ａは、島状酸化物半導体層２１３ａと島状酸化物半導体層２１
３ｂの積層体である。島状酸化物半導体層２１３ｂは酸化物半導体層２６２を島状に加工
することで得ることができる。また島状酸化物半導体層２２３ｂは、酸化物半導体層２６
２を島状に加工することで得ることができる。

【0096】

以上のようにして、膜厚が厚い島状酸化物半導体層２２３ａ及び膜厚の薄い島状酸化物半
導体層２２３ｂを得ることが可能である。コンバータ回路のスイッチング素子となる酸化
物半導体トランジスタ２５２がノーマリオフとなるように、島状酸化物半導体層２２３ｂ
の膜厚、すなわち酸化物半導体層２６２の膜厚を制御する。またコンバータ回路の整流素
子となる酸化物半導体トランジスタ２５１がノーマリオンとなるように、島状酸化物半導
体層２２３ａの膜厚を制御する。島状酸化物半導体層２２３ａのうち島状酸化物半導体層
２１３ｂの膜厚は、上述のように酸化物半導体層２６２の膜厚と同じである。そのため、
島状酸化物半導体層２２３ａの膜厚を制御するには、島状酸化物半導体層２１３ａ、すな
わち酸化物半導体層２６１の膜厚を制御すればよい。

【0097】

なお、酸化物半導体トランジスタ２５２の特性が島状酸化物半導体層２２３ｂの膜厚のみ
で制御できず、島状酸化物半導体層２２３ｂを有する酸化物半導体トランジスタ２５２が
ノーマリオンになってしまう場合もある。その場合は、後の工程で形成する酸化物絶縁膜
２０７を成膜後、加熱処理を行って島状酸化物半導体層２２３ｂ中に形成されるチャネル
形成領域の一部の領域を高抵抗化すればよい。当該チャネル形成領域の一部の領域を高抵
抗化する方法については、後述する。

【0098】

なお本実施の形態では、ゲート絶縁層２０２中のコンタクトホール２０３を形成した後に
、酸化物半導体層２６２を形成するが、コンタクトホール２０３及び酸化物半導体層２６
２を形成する順番は、これに限定されない。

【0099】

例えば、酸化物半導体層２６２をエッチングした後、酸化物半導体層２６２上にレジスト
マスクを形成し、ゲート絶縁層２０２をエッチングして、ゲート電極２１１ａに達するコ
ンタクトホール２０３を形成してもよい。なお、その場合には逆スパッタを行い、酸化物
半導体層２６２及びゲート絶縁層２０２の表面に付着しているレジスト残渣などを除去す
ることが好ましい。

【0100】

また、酸化物半導体層２６２を成膜した後、酸化物半導体層２６２上にレジストマスクを
形成し、酸化物半導体層２６２及びゲート絶縁層２０２をエッチングして、ゲート電極２
１１ａに達するコンタクトホール２０３を形成してもよい。コンタクトホール２０３を形
成した後、レジストマスクを除去し、別のフォトマスクを用いて酸化物半導体層２６２上
にレジストマスクを形成し、酸化物半導体層２６２を選択的にエッチングして島状酸化物
半導体層２１３ｂに加工してもよい。

【0101】

次いで島状酸化物半導体層２２３ａ及び島状酸化物半導体層２２３ｂの脱水化または脱水
素化を行う。脱水化または脱水素化を行う第１の加熱処理の温度は、４００℃以上７５０
℃未満、好ましくは４２５℃以上７５０℃未満である。なお、４２５℃以上であれば熱処
理時間は１時間以下でよいが、４２５℃以下であれば加熱処理時間は、１時間よりも長時
間行うこととする。ここでは、加熱処理装置に基板を導入し、酸化物半導体層に対して窒
素雰囲気下において加熱処理を行った後、大気に触れることなく、酸化物半導体層への水
や水素の再混入を防ぎ、酸化物半導体層を得る。本実施の形態では、酸化物半導体層の脱
水化または脱水素化を行う加熱温度Ｔから、再び水が入らないような十分な温度まで同じ
炉を用い、具体的には加熱温度Ｔよりも１００℃以上下がるまで窒素雰囲気下で徐冷する
。また、窒素雰囲気に限定されず、希ガス（ヘリウム、ネオン、アルゴン等）下において
脱水化または脱水素化を行う。

【0102】

また、第１の加熱処理においては、窒素、またはヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガス
に、水、水素などが含まれないことが好ましい。または、加熱処理装置に導入する窒素、
またはヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガスの純度を、６Ｎ（９９．９９９９％）以上
、好ましくは７Ｎ（９９．９９９９９％）以上、（即ち不純物濃度を１ｐｐｍ以下、好ま
しくは０．１ｐｐｍ以下）とすることが好ましい。

【0103】

なお、第１の加熱処理の条件、または酸化物半導体層の材料によっては、結晶化し、微結
晶膜または多結晶膜となる場合もある。例えば、結晶化率が９０％以上、または８０％以
上の微結晶の酸化物半導体膜となる場合もある。また、第１の加熱処理の条件、または酸
化物半導体層の材料によっては、結晶成分を含まない非晶質の酸化物半導体膜となる場合
もある。

【0104】

酸化物半導体層は、第１の加熱処理後に酸素欠乏型となり、低抵抗化する。第１の加熱処
理後の酸化物半導体膜は、成膜直後の酸化物半導体膜よりもキャリア濃度が高まり、好ま
しくは１×１０^１８／ｃｍ^３以上のキャリア濃度を有する酸化物半導体層となる。

【0105】

次いで、ゲート絶縁層２０２、島状酸化物半導体層２２３ａ、島状酸化物半導体層２２３
ｂ、及びコンタクトホール２０３を覆って、導電膜２６３を形成する（図７（Ｂ）参照）
。

【0106】

導電膜２６３としては、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、ア
ルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）、タンタル（Ｔａ）から選ばれた元素
、または上述した元素を成分とする合金、或いは上述した元素を組み合わせた合金等を用
いる。導電膜２６３は、上述した元素を含む単層に限定されず、二層以上の積層を用いる
ことができる。本実施の形態では、導電膜２６３として、チタン膜（膜厚１００ｎｍ）と
アルミニウム膜（膜厚２００ｎｍ）とチタン膜（膜厚１００ｎｍ）の３層構造の導電膜を
形成する。また、チタン膜に変えて窒化チタン膜を用いてもよい。

【0107】

次いで、導電膜２６３を選択的にエッチング除去し、ソース電極層又はドレイン電極層と
して機能する配線層２１５ａ、配線層２１５ｂ、及び配線層２１５ｃを形成する（図７（
Ｃ）参照）。また図７（Ｃ）に示されるように、コンタクトホール２０３を介して、ゲー
ト電極２１１ａと配線層２１５ｂは直接接する。

【0108】

また、導電膜２６３を選択的にエッチング除去する工程において、島状酸化物半導体層２
２３ａ及び島状酸化物半導体層２２３ｂそれぞれの露出領域（配線層２１５ａ又は配線層
２１５ｂと島状酸化物半導体層２２３ａが重畳していない領域、及び配線層２１５ｂ又は
及び配線層２１５ｃと島状酸化物半導体層２２３ｂが重畳していない領域）がエッチング
される場合がある。

【0109】

上述の場合、島状酸化物半導体層２２３ａ中の配線層２１５ａ及び配線層２１５ｂと重畳
しない領域２４２は、島状酸化物半導体層２２３ａ中の配線層２１５ａ及び配線層２１５
ｂと重畳する領域よりも、膜厚が薄くなる。

【0110】

また、島状酸化物半導体層２２３ｂ中の配線層２１５ｂ及び配線層２１５ｃと重畳しない
領域２４４は、島状酸化物半導体層２２３ｂ中の配線層２１５ｂ及び配線層２１５ｃと重
畳する領域よりも、膜厚が薄くなる（図７（Ｃ）参照）。

【0111】

なお酸化物半導体トランジスタ２５１において、島状酸化物半導体層２２３ａ中の、ゲー
ト絶縁層２０２を介してゲート電極２１１ａに重畳し、配線層２１５ａ及び配線層２１５
ｂに挟まれる領域が、チャネル形成領域となる。また酸化物半導体トランジスタ２５２に
おいて、島状酸化物半導体層２２３ｂ中の、ゲート絶縁層２０２を介してゲート電極２１
１ｂに重畳し、配線層２１５ｂ及び配線層２１５ｃに挟まれる領域が、チャネル形成領域
となる。

【0112】

次いで、ゲート絶縁層２０２、島状酸化物半導体層２２３ａ、及び島状酸化物半導体層２
２３ｂを覆って、酸化物絶縁膜２０７を成膜する（図７（Ｄ）参照）。これにより、島状
酸化物半導体層２２３ａ及び島状酸化物半導体層２２３ｂのそれぞれにおいて、酸化物絶
縁膜２０７と接する領域が形成される。

【0113】

酸化物絶縁膜２０７は、少なくとも１ｎｍ以上の膜厚で形成する。酸化物絶縁膜２０７は
、スパッタリング法など、水、水素等の不純物が酸化物絶縁膜２０７に混入しない方法を
適宜用いて形成することができる。本実施の形態では、スパッタリング法を用い、酸化物
絶縁膜２０７として酸化珪素膜を成膜する。

【0114】

酸化物絶縁膜２０７を成膜する時の基板温度は、室温以上３００℃以下とすればよい。本
実施の形態では、酸化物絶縁膜２０７を成膜する時の基板温度を１００℃とする。酸化物
絶縁膜２０７のスパッタリング法による成膜は、希ガス（代表的にはアルゴン）雰囲気下
、酸素雰囲気下、または希ガス（代表的にはアルゴン）及び酸素雰囲気下において行うこ
とができる。また、ターゲットとして酸化珪素ターゲットまたは珪素ターゲットを用いる
ことができる。例えば、珪素ターゲットを用いて、酸素、及び希ガス雰囲気下でスパッタ
リング法により酸化珪素を形成することができる。低抵抗化した酸化物半導体層に接して
形成する酸化物絶縁膜は、水分や、水素イオンや、水酸化物イオン（ＯＨ⁻）などの不純
物を含まず、これらが外部から侵入することをブロックする無機絶縁膜を用いる。このよ
うな無機絶縁膜としては、代表的には酸化珪素膜、窒化酸化珪素膜、酸化アルミニウム膜
、または酸化窒化アルミニウム膜などが挙げられる。なお、スパッタ法で形成した酸化物
絶縁膜は特に緻密であり、単層で用いられたとしても、不純物が拡散するのを抑制する保
護膜として利用することができる。また、リン（Ｐ）やホウ素（Ｂ）をドープしたターゲ
ットを用い、酸化物絶縁膜にリン（Ｐ）や硼素（Ｂ）を添加することもできる。

【0115】

なお、酸化物絶縁膜２０７は酸化物半導体層のチャネル形成領域となる領域上に接して設
けられ、チャネル保護層として機能する。

【0116】

上述のように、酸化物半導体トランジスタ２５２の特性が島状酸化物半導体層２２３ｂ中
に形成されるチャネル形成領域の膜厚のみで制御できず、島状酸化物半導体層２２３ｂを
有する酸化物半導体トランジスタ２５２がノーマリオンになってしまう場合がある。その
ような場合、当該チャネル形成領域の一部の領域を高抵抗化すればよいと述べた。以下に
、島状酸化物半導体層２２３ｂ中に形成されるチャネル形成領域の一部の領域を高抵抗化
する方法について説明する。

【0117】

酸化物絶縁膜２０７を成膜後、第２の加熱処理（好ましくは２００℃以上４００℃以下、
例えば２５０℃以上３５０℃以下）を不活性ガス雰囲気下、または窒素ガス雰囲気下で行
う。例えば、窒素雰囲気下で２５０℃、１時間の第２の加熱処理を行う。第２の加熱処理
を行うと、島状酸化物半導体層２２３ａ及び島状酸化物半導体層２２３ｂそれぞれの一部
が、酸化物絶縁膜２０７と接した状態で加熱される。また、島状酸化物半導体層２２３ａ
及び島状酸化物半導体層２２３ｂそれぞれの他の一部が、配線層２１５ａ、配線層２１５
ｂ、及び配線層２１５ｃと接した状態で加熱される。

【0118】

第１の加熱処理で、島状酸化物半導体層２２３ａ及び島状酸化物半導体層２２３ｂは、そ
れぞれ低抵抗化される。低抵抗化された島状酸化物半導体層２２３ａ及び島状酸化物半導
体層２２３ｂは、それぞれ酸化物絶縁膜２０７と接した状態で第２の加熱処理が施される
。

【0119】

第２の加熱処理より、島状酸化物半導体層２２３ａ及び島状酸化物半導体層２２３ｂのそ
れぞれと、酸化物絶縁膜２０７が接した領域は、酸素過剰な状態となる。その結果、島状
酸化物半導体層２２３ａ及び島状酸化物半導体層２２３ｂそれぞれにおいて、酸化物絶縁
膜２０７が接する領域から、島状酸化物半導体層２２３ａ及び島状酸化物半導体層２２３
ｂそれぞれの深さ方向に向けて、高抵抗化（ｉ型化）が進行する。

【0120】

具体的には、膜厚が薄い島状酸化物半導体層２２３ｂにおいて、酸化物絶縁膜２０７と接
する界面からゲート絶縁層２０２までの領域が高抵抗化（ｉ型化）される。

【0121】

一方、島状酸化物半導体層２１３ａと島状酸化物半導体層２１３ｂが積層された、膜厚が
厚い島状酸化物半導体層２２３ａにおいても、酸化物絶縁膜２０７と接する界面からゲー
ト絶縁層２０２までの領域が高抵抗化（ｉ型化）される。

【0122】

しかし、島状酸化物半導体層２２３ａは膜厚が厚いため、ゲート絶縁層２０２と接する界
面付近まで高抵抗化（ｉ型化）が進まず、島状酸化物半導体層２２３ａ中に低抵抗化され
た領域が残存する。

【0123】

以上のように、酸化物半導体トランジスタ２５２の特性が島状酸化物半導体層２２３ｂ中
に形成されるチャネル形成領域の膜厚のみで制御できず、酸化物半導体トランジスタ２５
２がノーマリオンになってしまう場合でも、第２の加熱処理を行うことで、島状酸化物半
導体層２２３ｂ中に形成されるチャネル形成領域の膜厚を薄くすることが可能である。こ
れにより、酸化物半導体トランジスタ２５２をノーマリオフとすることができる。

【0124】

なお、配線層２１５ａ、配線層２１５ｂ、及び配線層２１５ｃとして、金属導電膜を用い
た場合、配線層２１５ａ及び配線層２１５ｂと島状酸化物半導体層２２３ａが接する領域
、並びに、配線層２１５ｂ及び配線層２１５ｃと島状酸化物半導体層２２３ｂが接する領
域に第２の加熱処理を行うと、当該金属導電膜側に酸素が移動しやすくなる。当該金属導
電膜側に酸素が移動すると、島状酸化物半導体層２２３ａ及び島状酸化物半導体層２２３
ｂがｎ型化する。島状酸化物半導体層２２３ａ及び島状酸化物半導体層２２３ｂの膜厚が
３０ｎｍ以上の場合は、当該金属導電膜と当該島状酸化物半導体層の界面近傍が、ｎ型化
する。当該島状酸化物半導体層中のｎ型化した領域の下側は、ｉ型若しくはｎ⁻型化した
状態となる。

【0125】

次いで、保護絶縁層２０８を酸化物絶縁膜２０７上に形成する（図１（Ｂ）参照）。保護
絶縁層２０８としては、窒化珪素膜、窒化酸化珪素膜、または窒化アルミニウムなどを用
いる。本実施の形態では、ＲＦスパッタ法を用いて窒化珪素膜の保護絶縁層２０８を形成
する。

【0126】

以上の工程により、同一基板上にチャネル形成領域の膜厚が異なる２種類の酸化物半導体
トランジスタ２５１及び酸化物半導体トランジスタ２５２を作製する。チャネル形成領域
の膜厚が薄い酸化物半導体トランジスタ２５２は、ノーマリオフの挙動を示す。一方、チ
ャネル形成領域の膜厚が厚い酸化物半導体トランジスタ２５１は、ノーマリオンの挙動を
示す。

【0127】

上述のように、酸化物半導体トランジスタ２５１において、ゲート電極２１１ａは、ゲー
ト絶縁層２０２に設けられたコンタクトホール２０３を介して配線層２１５ｂに直接接し
ている。すなわち酸化物半導体トランジスタ２５１は、ソース及びドレインの一方がゲー
トに電気的に接続されている。すなわち酸化物半導体トランジスタ２５１は、ダイオード
接続されており、ダイオードとして機能する。

【0128】

ノーマリオフの酸化物半導体トランジスタをスイッチイング素子のトランジスタ、ダイオ
ード接続したノーマリオンの酸化物半導体トランジスタをダイオードとして用いた場合の
利点を以下に述べる。

【0129】

「発明が解決しようとする課題」で述べたように、ｐｎ接合を用いたダイオードに印加す
ると、電圧降下が起こる。ｐｎ接合を用いたダイオードの場合、その順方向電圧降下は０
．６ｅＶ〜０．８ｅＶである。

【0130】

しかしながら、ノーマリオンの酸化物半導体トランジスタは、ゲート電極にゲート電圧Ｖ
ｇを印加したときに、コレクタ電流Ｉｃがすぐ立ち上がる。よってノーマリオンの酸化物
半導体トランジスタをダイオード接続したものをダイオードとして用いると、ｐｎ接合を
用いたダイオードよりも、電圧降下が小さいので好適である。

【0131】

ダイオード接続したノーマリオンの酸化物半導体トランジスタは、ｐｎ接合を用いたダイ
オードよりも電圧降下が小さいので、電圧降下した分を補うために印加する電圧が小さく
てよい。ダイオード接続したノーマリオンの酸化物半導体トランジスタを用いると、電圧
降下した分を補うために印加する電圧が小さくてよいので、光電変換装置の消費電力が小
さくなる。

【0132】

以上から、ダイオード接続したノーマリオンの酸化物半導体トランジスタをダイオードと
して用いることは、電圧降下を抑制する点、電圧降下する分を補うために印加する電圧が
小さくてよいという点、光電変換装置の消費電力を抑制するという点で好適である。

【0133】

図４にノーマリオフの酸化物半導体トランジスタのＶ−Ｉ曲線Ｃ１及びノーマリオンの酸
化物半導体トランジスタのＶ−Ｉ曲線Ｃ２を示す。ノーマリオフの酸化物半導体トランジ
スタのしきい値Ｖｔｈ１は０より大きく（Ｖｔｈ１＞０）、ノーマリオンの酸化物半導体
トランジスタのしきい値Ｖｔｈ２は０以下である（Ｖｔｈ２≦０）。ただしノーマリオン
の酸化物半導体トランジスタのしきい値Ｖｔｈ２が、マイナスであればあるほど、ノーマ
リオンの酸化物半導体トランジスタのリーク電流が大きくなってしまう。そこで、ノーマ
リオンの酸化物半導体トランジスタのしきい値Ｖｔｈ２がほぼ０である（Ｖｔｈ２≒０）
と、より好適である。

【0134】

また、ノーマリオフとノーマリオンの酸化物半導体トランジスタは、酸化物半導体トラン
ジスタの構造を変えずに、チャネル形成領域が含まれる島状酸化物半導体層の膜厚を変え
ることで作り分けることができる。

【0135】

よって、コンバータ回路のスイッチング素子であるトランジスタ、及び整流素子であるダ
イオードを、同じ材料及び同じ工程で作製することができる。

【0136】

なお、厚みの異なる酸化物半導体層を形成する方法として、上記の方法の他に種々の方法
を挙げることができる。

【0137】

図９（Ａ）〜図９（Ｆ）を用いて、エッチングにより膜厚の薄い酸化物半導体層及び膜厚
の厚い酸化物半導体層を作り分ける方法について説明する。

【0138】

まず上述の記載を基にして、図６（Ｃ）に示すコンタクトホール２０３形成までの作製工
程を行う（図９（Ａ）参照）。なお図９（Ａ）と図６（Ｃ）は同じ図面である。

【0139】

次いで、ゲート絶縁層２０２及びコンタクトホール２０３を覆って、膜厚の厚い酸化物半
導体層２９１を成膜する（図９（Ｂ）参照）。なお酸化物半導体層２９１の膜厚が、膜厚
の厚い島状酸化物半導体層２２３ａの膜厚となる。

【0140】

酸化物半導体層２９１を形成後、酸化物半導体層２９１上にレジストマスク２９２を形成
する（図９（Ｃ）参照）。レジストマスク２９２は、ゲート電極２１１ａを覆い、ゲート
電極２１１ｂの上の酸化物半導体層２９１を露出させるように形成される。すなわち、レ
ジストマスク２９２は、後に島状酸化物半導体層２２３ｂが形成される領域以外の領域を
覆い、かつ、後に島状酸化物半導体層２２３ｂが形成される領域を露出するように形成さ
れる。

【0141】

次いで、酸化物半導体層２９１の当該露出領域を、所定の膜厚になるように注意深くエッ
チングして薄膜化する。これにより、ゲート電極２１１ａ上の膜厚は厚いままであり、か
つゲート電極２１１ｂ上の膜厚は薄い酸化物半導体層２９１を得ることができる（図９（
Ｄ）参照）。なお酸化物半導体層２９１の薄膜化された領域の膜厚が、膜厚の薄い島状酸
化物半導体層２２３ｂの膜厚となる。

【0142】

次いでレジストマスク２９２を除去し、酸化物半導体層２９１上に新たなレジストマスク
２９３を形成する（図９（Ｅ）参照）。レジストマスク２９３は、ゲート電極２１１ａ上
の一部の領域、及び、ゲート電極２１１ｂ上の上述の薄膜化された領域を覆って形成され
る。すなわち、レジストマスク２９３は、後に島状酸化物半導体層２２３ａが形成される
領域、及び、島状酸化物半導体層２２３ｂが形成される領域を覆って形成される。

【0143】

次いでレジストマスク２９３を用いて、酸化物半導体層２９１をエッチングし、膜厚の厚
い島状酸化物半導体層２２３ａ、及び、膜厚の薄い島状酸化物半導体層２２３ｂを形成す
る（図９（Ｆ）参照）。島状酸化物半導体層２２３ａ及び島状酸化物半導体層２２３ｂが
得られたら、上述の作製工程に基づき、酸化物半導体トランジスタ２５１及び酸化物半導
体トランジスタ２５２を作製すればよい。

【0144】

また上述の方法において、多階調マスクを用いて形成したレジストマスクを用いることも
できる。多階調マスクとは、露光部分、中間露光部分、及び未露光部分に３つの露光レベ
ルを行うことが可能なマスクであり、一度の露光及び現像工程により、複数（代表的には
二種類）の厚さの領域を有するレジストマスクを形成することが可能である。このため、
多階調マスクを用いることで、フォトマスクの枚数を削減することが可能である。多階調
マスクの代表例としては、グレートーンマスク、ハーフトーンマスクが挙げられる。

【0145】

グレートーンマスクは、透光性を有する基板及びその上に形成される遮光部並びに回折格
子で構成される。遮光部においては、光の透過率が０％である。一方、回折格子はスリッ
ト、ドット、メッシュ等の光透過部の間隔を、露光に用いる光の解像度限界以下の間隔と
することにより、光の透過率を制御することができる。なお、回折格子は、周期的なスリ
ット、ドット、メッシュ、または非周期的なスリット、ドット、メッシュどちらも用いる
ことができる。

【0146】

透光性を有する基板は、石英等の透光性を有する基板を用いることができる。遮光部及び
回折格子は、クロムや酸化クロム等の光を吸収する遮光材料を用いて形成することができ
る。

【0147】

グレートーンマスクに露光光を照射した場合、遮光部においては、光の透過率は０％であ
り、遮光部及び回折格子が設けられていない領域では光の透過率は１００％である。また
、回折格子においては、１０〜７０％の範囲で調整可能である。回折格子における光の透
過率の調整は、回折格子のスリット、ドット、またはメッシュの間隔及びピッチの調整に
より可能である。

【0148】

ハーフトーンマスクは、透光性を有する基板及びその上に形成される半透過部並びに遮光
部で構成される。半透過部は、ＭｏＳｉＮ、ＭｏＳｉ、ＭｏＳｉＯ、ＭｏＳｉＯＮ、Ｃｒ
Ｓｉなどを用いることができる。遮光部は、クロムや酸化クロム等の光を吸収する遮光材
料を用いて形成することができる。

【0149】

ハーフトーンマスクに露光光を照射した場合、遮光部においては、光の透過率は０％であ
り、遮光部及び半透過部が設けられていない領域では光の透過率は１００％である。また
、半透過部においては、１０〜７０％の範囲で調整可能である。半透過部に於ける光の透
過率の調整は、半透過部の材料により調整により可能である。

【0150】

多階調マスクを用いて露光した後、現像することで、膜厚の異なる領域を有するレジスト
マスクを形成することができる。

【0151】

図１０（Ａ）〜図１０（Ｆ）に、膜厚の異なるレジストマスクを用いて、膜厚の異なる島
状酸化物半導体層を形成する方法について述べる。

【0152】

まず上述の記載に基づいて、図９（Ｂ）に示す膜厚の厚い酸化物半導体層２９１を成膜す
る作製工程までを行う（図１０（Ａ）参照）。なお図１０（Ａ）と図９（Ｂ）は同じ図面
である。

【0153】

酸化物半導体層２９１上に、膜厚の厚いレジストマスク２９５及び膜厚の薄いレジストマ
スク２９６を形成する（図１０（Ｂ）参照）。酸化物半導体層２９１において、膜厚の厚
いレジストマスク２９５は、ゲート電極２１１ａ上の一部の領域を覆い、膜厚の薄いレジ
ストマスク２９６は、ゲート電極２１１ｂ上の一部の領域を覆って形成される。すなわち
、膜厚の厚いレジストマスク２９５は、後述する島状酸化物半導体層２２３ａが形成され
る領域を覆い、膜厚の薄いレジストマスク２９６は、後述する島状酸化物半導体層２２３
ｂが形成される領域を覆って形成される。

【0154】

次いで、膜厚の厚いレジストマスク２９５及び膜厚の薄いレジストマスク２９６を用いて
、酸化物半導体層２９１をエッチングする。これにより、ゲート電極２１１ａ上に島状酸
化物半導体層２２３ａ、及び、ゲート電極２１１ｂ上に島状酸化物半導体層２２１が形成
される（図１０（Ｃ）参照）

【0155】

次いで、ゲート電極２１１ｂ上に設けられた、膜厚が薄いレジストマスク２９６をＯ_２ア
ッシング等により除去して、島状酸化物半導体層２２１を露出させる（図１０（Ｄ）参照
）。なおこの際に膜厚が厚いレジストマスク２９５もアッシングにより膜厚が薄くなる。

【0156】

露出した島状酸化物半導体層２２１を注意深くエッチングして薄膜化する。これにより薄
膜化された島状酸化物半導体層２２３ｂが形成される（図１０（Ｅ）参照）。

【0157】

島状酸化物半導体層２２３ａ上のレジストマスク２９５を除去する。これにより、ゲート
絶縁層２０２を介して、ゲート電極２１１ａ上に膜厚の厚い島状酸化物半導体層２２３ａ
、及び、ゲート電極２１１ｂ上に膜厚の薄い島状酸化物半導体層２２３ｂが形成される（
図１０（Ｆ）参照）。島状酸化物半導体層２２３ａ及び島状酸化物半導体層２２３ｂが得
られたら、上述の作製工程に基づき、酸化物半導体トランジスタ２５１及び酸化物半導体
トランジスタ２５２を作製すればよい。

【0158】

以上述べたように、本実施の形態により、酸化物半導体トランジスタの積層構造を変えず
に、チャネル形成領域の膜厚を変えることで、ノーマリオンとノーマリオフを作り分ける
ことができる。

【0159】

図２（Ａ）〜図２（Ｃ）に、図１（Ａ）〜図１（Ｂ）とは異なるトランジスタ３０２及び
ダイオード３０９の構造の別の一例を示す。

【0160】

図２（Ａ）は上面図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のＢ−Ｂ’の断面図である。図２
（Ｃ）は、図２（Ａ）のＣ−Ｃ’の断面図である。

【0161】

酸化物半導体トランジスタ２７２は、図３（Ａ）におけるトランジスタ３０２に相当する
。酸化物半導体トランジスタ２７２は、基板２００上にゲート電極２１１ｂ、ゲート電極
２１１ｂ上にゲート絶縁層２０２、ゲート絶縁層２０２上に絶縁層２７６、絶縁層２７６
上に島状酸化物半導体層２２３ｂを有し、島状酸化物半導体層２２３ｂに接して一対の電
極である配線層２１５ｂ及び配線層２１５ｃが設けられている。配線層２１５ｂは、酸化
物半導体トランジスタ２５２のソース電極及びドレイン電極の一方として機能し、配線層
２１５ｃは、酸化物半導体トランジスタ２５２のソース電極及びドレイン電極の他方とし
て機能する。さらに島状酸化物半導体層２２３ｂ上に酸化物絶縁膜２０７が設けられてい
る。酸化物絶縁膜２０７上には、保護絶縁層２０８が設けられる。

【0162】

酸化物半導体トランジスタ２７２において、島状酸化物半導体層２２３ｂ中の、ゲート絶
縁層２０２を介してゲート電極２１１ｂに重畳し、配線層２１５ｂ及び配線層２１５ｃに
挟まれる領域が、チャネル形成領域となる。

【0163】

島状酸化物半導体層２２３ｂ中において、配線層２１５ｂ及び配線層２１５ｃと重畳しな
い領域２４４は、配線層２１５ｂ及び配線層２１５ｃと重畳する領域よりも、膜厚が薄い
。当該膜厚が薄い領域２４４は、後述する配線層２１５ｂ及び配線層２１５ｃの形成工程
の際に、エッチングされることにより膜厚が薄くなる。

【0164】

酸化物半導体トランジスタ２７１は、図３（Ａ）におけるダイオード３０９に相当する。
酸化物半導体トランジスタ２７１は、基板２００上にゲート電極２１１ａ、ゲート電極２
１１ａ上にゲート絶縁層２０２、ゲート絶縁層２０２上に絶縁層２７６、絶縁層２７６上
に島状酸化物半導体層２２３ａを有し、島状酸化物半導体層２２３ａに接して一対の電極
である配線層２１５ａ及び配線層２１５ｂが設けられている。さらに島状酸化物半導体層
２２３ａ上に酸化物絶縁膜２０７が設けられている。酸化物絶縁膜２０７上には、保護絶
縁層２０８が設けられる。

【0165】

酸化物半導体トランジスタ２７１において、島状酸化物半導体層２２３ａ中の、ゲート絶
縁層２０２を介してゲート電極２１１ａに重畳し、配線層２１５ａ及び配線層２１５ｂに
挟まれる領域が、チャネル形成領域となる。

【0166】

島状酸化物半導体層２２３ａ中において、配線層２１５ａ及び配線層２１５ｂと重畳しな
い領域２４２は、配線層２１５ａ及び配線層２１５ｂと重畳する領域よりも、膜厚が薄い
領域である。当該膜厚が薄い領域２４２は、後述する配線層２１５ａ及び配線層２１５ｂ
の形成工程の際に、エッチングされることにより膜厚が薄くなる。

【0167】

酸化物半導体トランジスタ２７１のゲート電極２１１ａは、ゲート絶縁層２０２に設けら
れたコンタクトホール２７４を介して、配線層２７３に直接接する。配線層２７３は、絶
縁層２７６に設けられたコンタクトホール２７５を介して、配線層２１５ｂに直接接する
。よってゲート電極２１１ａと配線層２１５ｂは、配線層２７３を介して電気的に接続さ
れる。

【0168】

すなわち酸化物半導体トランジスタ２７１は、ソース及びドレインの一方がゲートに電気
的に接続されている。すなわち酸化物半導体トランジスタ２５１は、ダイオード接続され
ており、ダイオードとして機能する。

【0169】

図２（Ａ）〜図２（Ｃ）において、ゲート電極２１１ａ及び配線層２１５ｂを電気的に接
続する配線層２７３は、ゲート電極２１１ａ及び配線層２１５ｂの間の層に設けられてい
る。

【0170】

図８（Ａ）〜図８（Ｃ）に、図２（Ａ）〜図２（Ｃ）とは異なるトランジスタ３０２及び
ダイオード３０９の構造の一例を示す。図８（Ａ）〜図８（Ｃ）において、ゲート電極２
１１ａ及び配線層２１５ｂを電気的に接続する配線層２８３は、ゲート電極２１１ａ及び
配線層２１５ｂの上方の層に設けられている。

【0171】

なお図８（Ａ）は上面図であり、図８（Ｂ）は、図８（Ａ）のＢ−Ｂ’の断面図である。
図８（Ｃ）は、図８（Ａ）のＣ−Ｃ’の断面図である。

【0172】

酸化物半導体トランジスタ２７１のゲート電極２１１ａは、ゲート絶縁層２０２及び酸化
物絶縁膜２０７に設けられたコンタクトホール２８４を介して、配線層２８３に直接接す
る。配線層２８３は、酸化物絶縁膜２０７に設けられたコンタクトホール２８５を介して
、配線層２１５ｂに直接接する。よってゲート電極２１１ａと配線層２１５ｂは、配線層
２８３を介して電気的に接続される。

【0173】

よって酸化物半導体トランジスタ２７１は、ソース及びドレインの一方がゲートに電気的
に接続されている。すなわち酸化物半導体トランジスタ２７１は、ダイオード接続されて
おり、ダイオードとして機能する。

【0174】

図５（Ａ）〜図５（Ｂ）に、図１（Ｂ）に示す酸化物半導体トランジスタ２５１及び酸化
物半導体トランジスタ２５２、図２（Ｂ）及び図８（Ｂ）に示す酸化物半導体トランジス
タ２７１及び酸化物半導体トランジスタ２７２とは、異なる構造の酸化物半導体トランジ
スタの例を示す。

【0175】

図５（Ａ）に示す酸化物半導体トランジスタ２２５は、図１（Ｂ）に示す酸化物半導体ト
ランジスタ２５１の島状酸化物半導体層２２３ａ上に、酸化物半導体層２１４ａ及び酸化
物半導体層２１４ｂを設けた酸化物半導体トランジスタである。酸化物半導体層２１４ａ
及び酸化物半導体層２１４ｂは、一対のバッファ層として機能する。また酸化物半導体層
２１４ａ及び酸化物半導体層２１４ｂに接して、配線層２１５ａ及び配線層２１５ｂが設
けられている。すなわち、酸化物半導体層２１４ａは島状酸化物半導体層２２３ａ及び配
線層２１５ａとの間に設けられ、酸化物半導体層２１４ｂは島状酸化物半導体層２２３ａ
及び配線層２１５ｂとの間に設けられている。

【0176】

図５（Ａ）に示す酸化物半導体トランジスタ２２６は、図１（Ｂ）に示す酸化物半導体ト
ランジスタ２５２の島状酸化物半導体層２２３ｂ上に、酸化物半導体層２１４ｃ及び酸化
物半導体層２１４ｄを設けた酸化物半導体トランジスタである。酸化物半導体層２１４ｃ
及び酸化物半導体層２１４ｄは、一対のバッファ層として機能する。また酸化物半導体層
２１４ｃ及び酸化物半導体層２１４ｄに接して、配線層２１５ｂ及び配線層２１５ｃが設
けられている。すなわち、酸化物半導体層２１４ｃは島状酸化物半導体層２２３ｂ及び配
線層２１５ｂとの間に設けられ、酸化物半導体層２１４ｄは島状酸化物半導体層２２３ｂ
及び配線層２１５ｃとの間に設けられている。

【0177】

図５（Ｂ）に示す酸化物半導体トランジスタ２３５は、図２（Ｂ）及び図８（Ｂ）に示す
酸化物半導体トランジスタ２７１の島状酸化物半導体層２２３ａ上に、酸化物半導体層２
１４ａ及び酸化物半導体層２１４ｂを設けた酸化物半導体トランジスタである。酸化物半
導体層２１４ａ及び酸化物半導体層２１４ｂは、一対のバッファ層として機能する。また
酸化物半導体層２１４ａ及び酸化物半導体層２１４ｂに接して、配線層２１５ａ及び配線
層２１５ｂが設けられている。すなわち、酸化物半導体層２１４ａは島状酸化物半導体層
２２３ａ及び配線層２１５ａとの間に設けられ、酸化物半導体層２１４ｂは島状酸化物半
導体層２２３ａ及び配線層２１５ｂとの間に設けられている。

【0178】

図５（Ｂ）に示す酸化物半導体トランジスタ２３６は、図２（Ｂ）及び図８（Ｂ）に示す
酸化物半導体トランジスタ２７２の島状酸化物半導体層２２３ｂ上に、酸化物半導体層２
１４ｃ及び酸化物半導体層２１４ｄを設けた酸化物半導体トランジスタである。酸化物半
導体層２１４ｃ及び酸化物半導体層２１４ｄは、一対のバッファ層として機能する。また
酸化物半導体層２１４ｃ及び酸化物半導体層２１４ｄに接して、配線層２１５ｂ及び配線
層２１５ｃが設けられている。すなわち、酸化物半導体層２１４ｃは島状酸化物半導体層
２２３ｂ及び配線層２１５ｂとの間に設けられ、酸化物半導体層２１４ｄは島状酸化物半
導体層２２３ｂ及び配線層２１５ｃとの間に設けられている。

【0179】

酸化物半導体層２１４ａ及び酸化物半導体層２１４ｂ、並びに酸化物半導体層２１４ｃ及
び酸化物半導体層２１４ｄは、島状酸化物半導体層２２３ａ及び島状酸化物半導体層２２
３ｂより高い導電率を有している。

【0180】

そのため、酸化物半導体層２１４ａ及び酸化物半導体層２１４ｂ、並びに酸化物半導体層
２１４ｃ及び酸化物半導体層２１４ｄは、酸化物半導体トランジスタ２２５及び酸化物半
導体トランジスタ２２６のそれぞれにおいて、ソース領域及びドレイン領域として機能す
る。

【0181】

同様に、酸化物半導体層２１４ａ及び酸化物半導体層２１４ｂ、並びに酸化物半導体層２
１４ｃ及び酸化物半導体層２１４ｄは、酸化物半導体トランジスタ２３５及び酸化物半導
体トランジスタ２３６のそれぞれにおいて、ソース領域及びドレイン領域として機能する
。

【0182】

酸化物半導体層２１４ａ及び酸化物半導体層２１４ｂ、並びに酸化物半導体層２１４ｃ及
び酸化物半導体層２１４ｄに用いることができる酸化物半導体層としては、以下に説明す
る酸化物半導体層をその例に挙げることができる。

【0183】

例えば、酸化物半導体層として可視光に対して透光性を有する導電材料、例えば、少なく
ともＩｎ、Ｇａ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｈｆ及びランタノイド及びＺｎから選ばれた
一種以上の元素を含有する。例えば、四元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ
−Ｏ系酸化物半導体や、三元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体
、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｓｎ−
Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚ
ｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｉｎ−Ｌａ−Ｚｎ−Ｏ系
酸化物半導体、Ｉｎ−Ｃｅ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｉｎ−Ｐｒ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半
導体、Ｉｎ−Ｎｄ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｉｎ−Ｐｍ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｉ
ｎ−Ｓｍ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｉｎ−Ｅｕ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｉｎ−Ｇｄ
−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｉｎ−Ｔｂ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｉｎ−Ｄｙ−Ｚｎ−
Ｏ系酸化物半導体、Ｉｎ−Ｈｏ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｉｎ−Ｅｒ−Ｚｎ−Ｏ系酸化
物半導体、Ｉｎ−Ｔｍ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｉｎ−Ｙｂ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体
、Ｉｎ−Ｌｕ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体やや、二元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｚｎ−Ｏ
系酸化物半導体、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ａｌ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｚｎ
−Ｍｇ−Ｏ系酸化物半導体、Ｓｎ−Ｍｇ−Ｏ系酸化物半導体、Ｉｎ−Ｍｇ−Ｏ系酸化物半
導体や、Ｉｎ−Ｇａ−Ｏ系の材料酸化物半導体、一元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｏ系酸
化物半導体、Ｓｎ−Ｏ系酸化物半導体、Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体などを用いることができ
る。また、上記酸化物半導体にＩｎとＧａとＳｎとＺｎとＡｌとＭｇとＨｆ及びランタノ
イド以外の元素、例えばＳｉＯ２を含ませてもよい。

【0184】

例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体とは、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇ
ａ）、亜鉛（Ｚｎ）を有する酸化物半導体、という意味であり、その組成比は問わない。

【0185】

また、酸化物半導体層は、化学式ＩｎＭＯ_３（ＺｎＯ）_ｍ（ｍ＞０）で表記される薄膜を
用いることができる。ここで、Ｍは、Ｚｎ、Ｇａ、Ａｌ、Ｍｎ及びＣｏから選ばれた一ま
たは複数の金属元素を示す。例えばＭとして、Ｇａ、Ｇａ及びＡｌ、Ｇａ及びＭｎ、また
はＧａ及びＣｏなどがある。

【0186】

また、酸化物半導体としてＩｎ−Ｚｎ−Ｏ系の材料を用いる場合、用いるターゲットの組
成比は、原子数比で、Ｉｎ：Ｚｎ＝５０：１〜１：２（モル数比に換算するとＩｎ_２Ｏ_３
：ＺｎＯ＝２５：１〜１：４）、好ましくはＩｎ：Ｚｎ＝２０：１〜１：１（モル数比に
換算するとＩｎ_２Ｏ_３：ＺｎＯ＝１０：１〜１：２）、さらに好ましくはＩｎ：Ｚｎ＝１
５：１〜１．５：１（モル数比に換算するとＩｎ_２Ｏ_３：ＺｎＯ＝１５：２〜３：４）と
する。例えば、Ｉｎ−Ｚｎ−Ｏ系酸化物半導体の形成に用いるターゲットは、原子数比が
Ｉｎ：Ｚｎ：Ｏ＝Ｘ：Ｙ：Ｚのとき、Ｚ＞１．５Ｘ＋Ｙとする。

【0187】

当該酸化物半導体層の膜厚は１ｎｍ以上３００ｎｍ以下の範囲内で適宜選択する。また、
当該酸化物半導体層の成膜方法としてスパッタ法を用いる場合、ＳｉＯ_２を２重量％以上
１０重量％以下含むターゲットを用いて成膜を行う。このようなＳｉＯ_２を含むターゲッ
トを用いて当該酸化物半導体層を成膜すると、当該酸化物半導体層に結晶化を阻害するＳ
ｉＯｘ（Ｘ＞０）を含ませることができる。当該酸化物半導体層にＳｉＯｘを含ませると
、後の工程で行う脱水化または脱水素化のための加熱処理の際に、当該酸化物半導体層が
結晶化するのを抑制するので好適である。

【0188】

また、例えばＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系非単結晶膜を酸化物半導体層に用いる場合、チャネ
ル形成領域が含まれる酸化物半導体層（島状酸化物半導体層２２３ａ及び島状酸化物半導
体層２２３ｂ）と、ソース領域及びドレイン領域として機能する酸化物半導体層（酸化物
半導体層２１４ａ及び酸化物半導体層２１４ｂ、並びに酸化物半導体層２１４ｃ及び酸化
物半導体層２１４ｄ）を異なる成膜条件によって、作り分けることができる。

【0189】

例えば当該酸化物半導体層をスパッタ法で成膜する場合、アルゴンガス中で成膜した酸化
物半導体層は、ｎ型の導電型を有し、活性化エネルギー（ΔＥ）が０．０１ｅＶ以上０．
１ｅＶ以下である。このようなｎ型の導電型を有する酸化物半導体層を、酸化物半導体層
２１４ａ及び２１４ｂ、並びに酸化物半導体層２１４ｃ及び酸化物半導体層２１４ｄに用
いると、ソース領域及びドレイン領域として好適である。

【0190】

なお、本実施の形態では、酸化物半導体層２１４ａ及び酸化物半導体層２１４ｂ、並びに
酸化物半導体層２１４ｃ及び酸化物半導体層２１４ｄは、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系非単結
晶膜であり、少なくともアモルファス成分を含んでいるものとする。

【0191】

また、酸化物半導体層２１４ａ及び酸化物半導体層２１４ｂ、並びに酸化物半導体層２１
４ｃ及び酸化物半導体層２１４ｄの中に、結晶粒（ナノクリスタル）が含まれる場合があ
る。このような結晶粒（ナノクリスタル）の直径は、１ｎｍ〜１０ｎｍ、代表的には２ｎ
ｍ〜４ｎｍ程度である。

【0192】

このような、ソース領域及びドレイン領域として機能する酸化物半導体層（酸化物半導体
層２１４ａ及び酸化物半導体層２１４ｂ、並びに酸化物半導体層２１４ｃ及び酸化物半導
体層２１４ｄ）を、チャネル形成領域が含まれる酸化物半導体層（島状酸化物半導体層２
２３ａ及び島状酸化物半導体層２２３ｂ）、並びに、ソース電極及びドレイン電極として
機能する配線層（配線層２１５ａ、配線層２１５ｂ、及び配線層２１５ｃ）の間に設ける
ことにより、良好な電気的な接合が得られる。チャネル形成領域、ソース領域及びドレイ
ン領域、並びにソース電極及びドレイン電極に良好な電気的な接合が得られると、酸化物
半導体トランジスタ２５１及び酸化物半導体トランジスタ２５２、並びに、酸化物半導体
トランジスタ２７１及び酸化物半導体トランジスタ２７２は安定な動作を示すので好適で
ある。またこのような酸化物半導体トランジスタは、高いドレイン電圧でも良好な移動度
を保持することができるので好適である。

【0193】

以上のように、本実施の形態のコンバータ回路では、整流素子であるダイオードとして、
ダイオード接続したノーマリオンの酸化物半導体トランジスタを用いる。ダイオード接続
したノーマリオンの酸化物半導体トランジスタは、ｐｎ接合を用いたダイオードよりも電
圧降下が小さいので、電圧降下する分を補うために印加する電圧が小さくてよい。ダイオ
ード接続したノーマリオンの酸化物半導体トランジスタを用いると、電圧降下した分を補
うために印加する電圧が小さくてよいので、コンバータ回路の消費電力が小さくなる。コ
ンバータ回路の消費電力が小さくなると、光電変換装置の消費電力も小さくなる。

【0194】

また上述のように、酸化物半導体トランジスタの積層構造を変えずに、チャネル形成領域
の膜厚を変えることで、ノーマリオンとノーマリオフを作り分けることができる。

【0195】

図３（Ｂ）に示すコンバータ回路３１１は、トランジスタ３１２、コイル３１３、ダイオ
ード３１９、コンデンサ３１５を有する降圧回路である。

【0196】

トランジスタ３１２のソースあるいはドレインの一方は、光電変換素子３１７のｐ型半導
体層側及びｎ型半導体層側の一方の電極に電気的に接続されている。トランジスタ３１２
のソースあるいはドレインの他方は、ダイオード３１９の出力端子及びコイル３１３の一
方の端子と電気的に接続されている。ダイオード３１９の入力端子は、光電変換素子３１
７のｐ型半導体層側及びｎ型半導体層側の他方の電極及びコンデンサ３１５の一方の端子
に電気的に接続されている。ダイオード３１９の出力端子は、トランジスタ３１２のソー
スあるいはドレインの他方及びコイル３１３の一方の端子と電気的に接続されている。コ
イル３１３の一方の端子は、トランジスタ３１２のソースあるいはドレインの他方及びダ
イオード３１９の出力端子に電気的に接続されている。コイル３１３の他方の端子は、コ
ンデンサ３１５の他方の端子及び出力端子ＯＵＴに電気的に接続されている。なお、光電
変換素子３１７のｐ型半導体層側及びｎ型半導体層側の他方の電極、ダイオード３１９の
入力端子、及びコンデンサ３１５の一方の端子は接地されている。

【0197】

トランジスタ３１２はスイッチング素子として機能する。またトランジスタ３１２のゲー
トは、コンバータ回路３１１の制御回路に接続されている。コンバータ回路３１１の制御
回路からの信号ＰＷＭにより、トランジスタ３１２はオン状態あるいはオフ状態となる。

【0198】

スイッチング素子であるトランジスタ３１２がオン状態のとき、入力から出力に流れる降
圧回路の電流により、コイル３１３には励磁エネルギーが蓄えられる。

【0199】

トランジスタ３１２がオフ状態になると、コイル３１３は電流を保とうとして起電力を発
生させ、ダイオード３１９をオン状態にする。ダイオード３１９を通じて電流が流れるこ
とによって、電圧が低下して電圧Ｖ２となる。電圧Ｖ１から電圧Ｖ２に低下するため、コ
ンバータ回路３１１は降圧回路として機能する。

【0200】

なお本実施の形態において、トランジスタ３１２として酸化物半導体トランジスタを用い
る。

【0201】

上述のように、酸化物半導体トランジスタは、高耐圧及び大電流に適したトランジスタで
ある。このため、コンバータ回路３１１のスイッチング素子であるトランジスタ３１２に
好適である。

【0202】

本実施の形態において、ダイオード３１９は整流素子として機能する。本実施の形態では
、該ダイオード３１９として、ダイオード接続された酸化物半導体トランジスタを用いる
。該ダイオード接続された酸化物半導体トランジスタとして、トランジスタ３１２と同様
の構造を有する酸化物半導体トランジスタを作製し、そのゲート電極とドレイン領域を電
気的に接続すればよい。これにより、トランジスタ３１２とダイオード３１９が同時に作
製することができるため、作製工程を低減させることが可能である。コンバータ回路３１
１の作製工程を低減することが可能なため、コンバータ回路３１１の作製コストを抑制す
ることが可能である。

【0203】

また上述のように、酸化物半導体トランジスタは、高耐圧及び大電流に適したトランジス
タである。このため、ダイオード接続された酸化物半導体トランジスタを、コンバータ回
路３１１のダイオード３１９として用いることは好適である。

【0204】

上述したように、スイッチング素子であるトランジスタ３１２は、ノーマリオフの酸化物
半導体トランジスタを用いる。また整流素子であるダイオード３１９は、ダイオード接続
されたノーマリオンの酸化物半導体トランジスタを用いる。ノーマリオンの酸化物半導体
トランジスタをダイオード接続したものをダイオード３１９として用いるので、ｐｎ接合
を用いたダイオードよりも電圧降下が小さい。

【0205】

また上述のように、本実施の形態により、酸化物半導体トランジスタの積層構造を変えず
に、チャネル形成領域が含まれる酸化物半導体層の膜厚を変えることで、ノーマリオンと
ノーマリオフを作り分けることができる。

【0206】

また本実施の形態において、コイル３１３として、基板上にコイル状に形成した配線を用
いることができる。

【0207】

また、本実施の形態において、コンデンサ３１５として、例えば第１の電極と、第２の電
極と、誘電体とを有する構成のコンデンサを用いることができる。

【0208】

以上のように、本実施の形態のコンバータ回路では、整流素子であるダイオードとして、
ダイオード接続したノーマリオンの酸化物半導体トランジスタを用いる。ダイオード接続
したノーマリオンの酸化物半導体トランジスタは、ｐｎ接合を用いたダイオードよりも電
圧降下が小さいので、電圧降下した分を補うために印加する電圧が小さくてよい。ダイオ
ード接続したノーマリオンの酸化物半導体トランジスタは、電圧降下した分を補うために
印加する電圧が小さいので、コンバータ回路の消費電力が小さくなる。コンバータ回路の
消費電力が小さくなると、光電変換装置の消費電力も小さくなる。

【0209】

また本実施の形態により、コンバータ回路のスイッチング素子であるトランジスタ、及び
整流素子であるダイオードを、同じ材料及び同じ工程で作製することができる。

【0210】

本実施の形態の光電変換素子３０７或いは光電変換素子３１７を図１１を用いて説明する
。本実施の形態では、光電変換素子３０７の一例として、非晶質半導体層を光電変換層に
有する太陽電池について述べる。

【0211】

図１１に示す太陽電池は、基板４０１上に、ｐ型非晶質半導体層４１３、真性非晶質半導
体層４１４、及びｎ型非晶質半導体層４１５を有する、非晶質半導体層の光電変換層４１
１を備えている。光電変換層４１１の一方の面には、導電膜４１０が設けられている。光
電変換層４１１の他方の面には、導電膜４１２が設けられている。

【0212】

具体的には、導電膜４１０上に、ｐ型非晶質半導体層４１３、真性非晶質半導体層４１４
、ｎ型非晶質半導体層４１５が積層される。ｎ型非晶質半導体層４１５上には、導電膜４
１２が設けられる。

【0213】

導電膜４１０、光電変換層４１１、及び導電膜４１２はそれぞれ、所定の形状に加工され
ている。当該所定の形状に加工された導電膜４１０、光電変換層４１１、及び導電膜４１
２は、１つのセル４０２を構成する。各セル４０２は、異なるセルと直列に接続されてい
る。各セル４０２が異なるセル４０２と直列に接続されていると、出力電圧を上昇させる
ことが可能である。

【0214】

基板４０１は、基板４０１側から光が入射することを想定して、太陽光に対して透光性を
有する材料を用いる。

【0215】

透光性を有する基板４０１として、例えば、青板ガラス、白板ガラス、鉛ガラス、強化ガ
ラス、セラミックガラスなどのガラス板を用いることができる。また、アルミノシリケー
ト酸ガラス、バリウムホウケイ酸ガラス、アルミノホウケイ酸ガラスなどの無アルカリガ
ラス基板、石英基板、セラミック基板を用いることができる。

【0216】

透光性を有する基板４０１として、プラスチック等の可撓性を有する合成樹脂からなる基
板（プラスチック基板）を用いる場合は、上記基板と比較して耐熱温度が一般的に低い傾
向にあるが、作製工程における処理温度に耐え得るのであれば用いることが可能である。

【0217】

プラスチック基板として、ポリエステル、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリエチレ
ンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリアミド系合成繊維、ポリエ
ーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリスルホン（ＰＳＦ）、ポリエーテルイミド（Ｐ
ＥＩ）、ポリアリレート（ＰＡＲ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリイミ
ド、アクリロニトリルブタジエンスチレン樹脂、ポリ塩化ビニル、ポリプロピレン、ポリ
酢酸ビニル、アクリル樹脂などが挙げられる。ポリエステルとして、例えば、ポリエチレ
ンテレフタレート（ＰＥＴ）が挙げられる。

【0218】

導電膜４１０は、基板４０１側から光が入射するので、太陽光に対して透光性を有する導
電材料を用いて形成する。

【0219】

透光性を有する導電材料として、例えば、インジウム錫酸化物（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ
Ｏｘｉｄｅ：ＩＴＯ）、酸化珪素を含むインジウム錫酸化物（ＩＴＳＯ）、有機インジウ
ム、有機スズ、酸化亜鉛、酸化亜鉛（ＺｎＯ）を含むインジウム亜鉛酸化物（ＩＺＯ（Ｉ
ｎｄｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ））、ガリウム（Ｇａ）をドープしたＺｎＯ、酸化ス
ズ（ＳｎＯ_２）、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
錫酸化物などが好適である。

【0220】

なお、導電膜４１０にインジウム錫酸化物を用いる場合、導電膜４１０上に、後の工程で
形成するｐ型非晶質半導体層４１３を形成すると、ｐ型非晶質半導体層４１３中に存在す
る水素が、導電膜４１０中のインジウム錫酸化物を還元してしまう。そのため、導電膜４
１０の膜質が劣化する恐れがある。

【0221】

インジウム錫酸化物を導電膜４１０に用いる場合、インジウム錫酸化物が還元されるのを
防ぐために、インジウム錫酸化物を用いた導電膜とｐ型非晶質半導体層４１３との間に、
酸化スズを用いた導電膜、または、酸化亜鉛と窒化アルミニウムとの混合材料を含む導電
性材料を用いた導電膜を、数十ｎｍの膜厚で積層したものを、導電膜４１０として用いる
ことが好ましい。

【0222】

また、導電膜４１０の、光電変換層４１１側の面に凹凸を形成しておくと、導電膜４１０
において光が屈折または乱反射する。このため、光電変換層４１１内における光の吸収率
を高め、変換効率を高めることができるので好適である。

【0223】

導電膜４１０上には、ｐ型非晶質半導体層４１３、真性非晶質半導体層４１４、ｎ型非晶
質半導体層４１５が順に積層された光電変換層４１１が設けられている。

【0224】

本実施の形態では、ｐ型非晶質半導体層４１３として、ｐ型非晶質珪素層を用いる。ｐ型
非晶質珪素層は、ｐ型を付与する元素、例えばホウ素を含む珪素層である。

【0225】

また本実施の形態では、真性非晶質半導体層４１４として、真性非晶質珪素層を用いる。

【0226】

本実施の形態では、ｎ型非晶質半導体層４１５として、ｎ型非晶質珪素層を用いる。ｎ型
非晶質珪素層は、ｎ型を付与する元素、例えばリンを含む珪素層である。

【0227】

なお、本実施の形態では、光電変換層４１１として、ｐ型非晶質半導体層４１３、真性非
晶質半導体層４１４、ｎ型非晶質半導体層４１５が順に積層された例を示すが、積層の順
番はｎ型非晶質半導体層、真性非晶質半導体層、ｐ型非晶質半導体層の順でもよい。

【0228】

ただし、非晶質半導体層あるいは単結晶半導体層に限らず、ｐ型半導体層はｎ型半導体層
よりも、光が入射される側に近くなるよう配置することが望ましい。ホールのキャリアと
しての寿命は、電子のキャリアとしての寿命の約半分と短い。ｐｉｎ接合を有する光電変
換層に光が照射されると、真性半導体層内において多量の電子とホールが形成され、電子
はｎ型半導体層側へ、ホールはｐ型半導体層側へ移動し、起電力を得ることができる。

【0229】

光の照射をｐ型半導体層側から行うと、電子とホールの形成が、真性半導体層内のｎ型半
導体層よりもｐ型半導体層に近い側において多く行われる。そのため、寿命が短いホール
がｐ型半導体層へ移動する距離を、短くすることができ、その結果、高い起電力を得るこ
とができる。

【0230】

本実施の形態では、光はｐ型半導体層側及びｎ型半導体層側の両方から入射する。そのた
め、光電変換層の積層の順番は、ｎ型半導体層、真性半導体層、ｐ型半導体層、あるいは
、ｐ型半導体層、真性半導体層、ｎ型半導体層、のどちらでもよい。しかし、入射する光
の強度がより強い側にｐ型半導体層を設けると、より高い起電力を得ることができる。

【0231】

以上説明したように、本実施の形態の光電変換装置は、消費電力を抑制することが可能で
ある。また本実施の形態の光電変換装置は、作製コストを抑制することが可能である。

【0232】

［実施の形態２］
本実施の形態では、実施の形態１で述べたコンバータ回路の回路構成の一例について、図
１２を用いて説明する。

【0233】

図１２は電源回路６０１の構成例である。電源回路６０１は、コンバータ回路である電圧
変換回路６０２、及び電圧変換回路６０２の制御回路６０３を有している。電圧変換回路
６０２は、実施の形態１でも述べたＤＣ−ＤＣコンバータである。

【0234】

電圧変換回路６０２は、トランジスタ６１１、コイル６１２、ダイオード６１３、及びコ
ンデンサ６１４を有している。制御回路６０３は、三角波発生回路６２１、デジタル制御
方式の回路６５０、パルス幅変調出力ドライバ６２３、抵抗６２４、及び抵抗６２５を有
している。また点線の矢印６２７は帰還回路のループを表している。抵抗６２４の出力電
圧である帰還電圧Ｖｆｂは、デジタル制御方式の回路６５０に入力される。

【0235】

電圧変換回路６０２のダイオード６１３に、実施の形態１で述べた、ダイオード接続した
ノーマリオンの酸化物半導体トランジスタを用いると、電圧降下を抑制できるという点で
好適である。

【0236】

電圧変換回路６０２のトランジスタ６１１に、実施の形態１で述べた、ノーマリオフの酸
化物半導体トランジスタを用いると、酸化物半導体トランジスタの積層構造を変えずに、
チャネル形成領域の膜厚を変えることで、ノーマリオンとノーマリオフを作り分けること
ができるという点で好適である。

【0237】

デジタル制御方式の回路６５０は、コンパレータ６５１、デジタル演算処理回路６５２、
パルス幅変調出力ドライバ６５３、及びローパスフィルタ６５４（ローパスフィルタ：Ｌ
ｏｗ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ（ＬＰＦ））を有している。

【0238】

デジタル制御方式の回路６５０の内、デジタル演算処理回路６５２及びパルス幅変調出力
ドライバ６５３はデジタル回路である。デジタル回路は、回路を流れる信号の基準に対す
る高低によって、１か０（ゼロ）かを判断する。デジタル回路は、１か０（ゼロ）かを判
断するため、デジタル回路を構成する素子の特性がばらついても、正しく処理する事が可
能である。

【0239】

またデジタル制御方式の回路６５０は、占有面積の大きい受動素子（例えば、容量や抵抗
）の使用を抑制してるので、回路の占有面積を小さくすることが可能であるという点で好
適である。

【0240】

コンパレータ６５１は、反転入力端子ＲＥＦから入力される参照電圧Ｖｒｅｆと、非反転
入力端子から入力される帰還電圧Ｖｆｂとを比較して、Ｈ（ハイレベル）かＬ（ローレベ
ル）、すなわち１か０（ゼロ）であるデジタル信号を出力する。

【0241】

デジタル演算処理回路６５２は、デジタル平均化・積分器６５２ａ及びデジタルパルス幅
変調器６５２ｂを有している。またデジタル演算処理回路６５２には、外部からクロック
分割器６５５が接続され、クロック分割器６５５からのクロック信号が入力される。

【0242】

デジタル演算処理回路６５２は、コンパレータ６５１から出力されたデジタル信号を、平
均化処理、積分化処理、及び、デジタルパルス幅変調処理を行う。デジタル演算処理回路
６５２中のデジタル平均化・積分器６５２ａが平均化処理及び積分化処理を行い、デジタ
ルパルス幅変調器６５２ｂがデジタルパルス幅変調処理を行う。

【0243】

デジタル演算処理回路６５２では、まず、コンパレータ６５１から出力されたデジタル信
号（Ｈ（ハイレベル）またはＬ（ローレベル））をＮビット保持し、ＨとＬの回数を比較
し、多い方の信号を出力する。これによりデジタル信号の平均化が行われる。

【0244】

平均化されたデジタル信号に応じて、Ｈであれば「−１」、Ｌであれば「＋１」を加えて
積算する。これにより、平均化されたデジタル信号が積分される。

【0245】

積分されたデジタル信号に応じて、パルス幅変調の位相位置の設定を行う。これによりデ
ジタルパルス幅変調処理化が行われる。デジタルパルス幅変調処理化されたパルス幅変調
出力信号は、パルス幅変調出力ドライバ６５３に入力される。

【0246】

三角波発生回路６２１は、パルス幅変調生成信号に必要な三角波Ｖｏｓｃを発生させる回
路である。

【0247】

パルス幅変調出力ドライバ６２３の反転入力端子にはデジタル制御方式の回路６５０の出
力信号Ｖｅｒｒが入力され、非反転入力端子には三角波発生回路６２１が生成した三角波
Ｖｏｓｃが入力される。

【0248】

パルス幅変調出力ドライバ６２３は、デジタル制御方式の回路６５０の出力信号Ｖｅｒｒ
と三角波Ｖｏｓｃを比較し、三角波Ｖｏｓｃの信号レベルがデジタル制御方式の回路６５
０の出力信号Ｖｅｒｒより大きい場合は、Ｈ（ハイレベル）をパルス幅変調信号ＰＷＭと
してトランジスタ６１１に出力する。一方、三角波Ｖｏｓｃの信号レベルがデジタル制御
方式の回路６５０の出力信号Ｖｅｒｒより小さい場合は、Ｌ（ローレベル）をパルス幅変
調信号ＰＷＭとしてトランジスタ６１１に出力する。

【0249】

以上説明したように、本実施の形態の光電変換装置は、消費電力を抑制することが可能で
ある。また本実施の形態の光電変換装置は、作製コストを抑制することが可能である。

【0250】

［実施の形態３］
本実施の形態では、実施の形態１又は実施の形態２などにより得られる光電変換装置を用
いて、太陽光発電モジュールを得る。得られた太陽光発電モジュールを電動推進車両に搭
載する例について説明する。

【0251】

本実施の形態の太陽光発電モジュールの例を、図１３、図１４（Ａ）〜図１４（Ｂ）、図
１５（Ａ）〜図１５（Ｂ）を用いて説明する。本実施の形態の太陽光発電モジュールは、
実施の形態１又は実施の形態２に示す光電変換装置を用いて作製される。

【0252】

図１３に、太陽光発電モジュール８００を用いた太陽光発電システムの例を示す。

【0253】

太陽光発電モジュール８００には、ＤＣ−ＤＣコンバータ等を具備する電圧変換回路８５
１が接続されている。該電圧変換回路８５１により、太陽光発電モジュール８００の出力
電圧が昇圧或いは降圧される。

【0254】

電圧変換回路８５１には、制御回路８５３が接続されている。制御回路８５３は、太陽光
発電モジュール８００の最大電力を取り出すように、電圧変換回路８５１を最大電力点追
従（ＭＰＰＴ）制御する。

【0255】

また、制御回路８５３は、電圧変換回路８５１からの出力電圧を制御し、蓄電池８４０を
充電する。また制御回路８５３は、蓄電池８４０が十分に充電されている場合、太陽光発
電モジュール８００から供給される電力を外部回路８４１に直接出力するよう制御する。

【0256】

当該太陽光発電モジュール８００は、実施の形態１又は実施の形態２に示す光電変換装置
を用いて作製する。本実施の形態では、太陽光発電モジュール８００の例として、実施の
形態１で述べた非晶質半導体層を光電変換層４１１に有する太陽電池を用いる。なお、太
陽光発電モジュール８００は、上記太陽電池に限定されるものではなく、実施の形態１で
述べた他の太陽電池であってもよい。

【0257】

蓄電池８４０として電気二重層キャパシタを用いると、充電に化学反応を必要としないた
め、急速な充電が可能である。また、化学反応を利用する鉛蓄電池などに比べ、寿命を８
倍程度、充放電効率を１．５倍程度に高めることができる。本実施の形態において示す太
陽光発電システムは、照明、電子機器など、電力を使用する様々な外部回路８４１に対し
て用いることができる。

【0258】

図１４（Ａ）及び図１４（Ｂ）に、太陽光発電モジュール８００の構造の一例を示す。

【0259】

太陽光発電モジュール８００は、実施の形態１で述べた、非晶質半導体層を有する光電変
換層４１１を用いた太陽電池である。図１４（Ａ）及び図１４（Ｂ）において、図１１と
同じものは同じ符号で示している。図１４（Ｂ）は、図１４（Ａ）のＤ−Ｄ’に対する断
面図である。

【0260】

光電変換層４１１上に設けられた導電膜４１２に接して、補助電極８０７及び補助電極８
０８が設けられる。補助電極８０７及び補助電極８０８はそれぞれ、最も端部のセルの導
電膜４１２に電気的に接続されている。

【0261】

図１５（Ａ）および図１５（Ｂ）に、図１３に示した太陽光発電モジュール８００をルー
フ部分に用いた電動推進車両８６０（乗用自動車）の例を示す。太陽光発電モジュール８
００は、コンバータ８６２を介してバッテリーまたはキャパシタ８６４に接続されている
。すなわち、バッテリーまたはキャパシタ８６４は、太陽光発電モジュール８００から供
給される電力を用いて充電される。また、エンジン８６６の動作状況をモニタ８６８で監
視して、その状況に応じて充電及び放電を選択させる構成としても良い。

【0262】

太陽光発電モジュール８００は、熱によって光電変換効率が低下する傾向にある。このよ
うな光電変換効率の低下を抑制するために、太陽光発電モジュール８００内に冷却用の液
体などを循環させる構成としても良い。例えば、ラジエータ８７０の冷却水を循環ポンプ
８７２によって循環させる構成とすることができる。もちろん、冷却用の液体をラジエー
タ８７０と共用することには限定されない。また、光電変換効率の低下が深刻でない場合
には、液体を循環させる構成は不要である。

【0263】

本実施の形態の光電変換装置は、ダイオードの電圧降下を抑制する点、電圧降下した分を
補うために印加する電圧が小さくてよいという点、コンバータ回路の消費電力を抑制する
という点、及び光電変換装置の消費電力を抑制するという点で好適である。

【0264】

また本実施の形態の光電変換装置は、コンバータ回路の作製コストを抑制するという点、
光電変換装置の作製コストを抑制するという点で好適である。

【符号の説明】

【0265】

２００ 基板
２０２ ゲート絶縁層
２０３ コンタクトホール
２０７ 酸化物絶縁膜
２０８ 保護絶縁層
２１１ａ ゲート電極
２１１ｂ ゲート電極
２１３ａ 島状酸化物半導体層
２１３ｂ 島状酸化物半導体層
２１４ａ 酸化物半導体層
２１４ｂ 酸化物半導体層
２１４ｃ 酸化物半導体層
２１４ｄ 酸化物半導体層
２１５ａ 配線層
２１５ｂ 配線層
２１５ｃ 配線層
２２１ 島状酸化物半導体層
２２３ 島状酸化物半導体層
２２３ａ 島状酸化物半導体層
２２３ｂ 島状酸化物半導体層
２２５ 酸化物半導体トランジスタ
２２６ 酸化物半導体トランジスタ
２３５ 酸化物半導体トランジスタ
２３６ 酸化物半導体トランジスタ
２４２ 領域
２４４ 領域
２５１ 酸化物半導体トランジスタ
２５２ 酸化物半導体トランジスタ
２６１ 酸化物半導体層
２６２ 酸化物半導体層
２６３ 導電膜
２７１ 酸化物半導体トランジスタ
２７２ 酸化物半導体トランジスタ
２７３ 配線層
２７４ コンタクトホール
２７５ コンタクトホール
２７６ 絶縁層
２８３ 配線層
２８４ コンタクトホール
２８５ コンタクトホール
２９１ 酸化物半導体層
２９２ レジストマスク
２９３ レジストマスク
２９５ レジストマスク
２９６ レジストマスク
３０１ コンバータ回路
３０２ トランジスタ
３０３ コイル
３０５ コンデンサ
３０７ 光電変換素子
３０９ ダイオード
３１１ コンバータ回路
３１２ トランジスタ
３１３ コイル
３１５ コンデンサ
３１７ 光電変換素子
３１９ ダイオード
４０１ 基板
４０２ セル
４１０ 導電膜
４１１ 光電変換層
４１２ 導電膜
４１３ ｐ型非晶質半導体層
４１４ 真性非晶質半導体層
４１５ ｎ型非晶質半導体層
６０１ 電源回路
６０２ 電圧変換回路
６０３ 制御回路
６１１ トランジスタ
６１２ コイル
６１３ ダイオード
６１４ コンデンサ
６２１ 三角波発生回路
６２３ パルス幅変調出力ドライバ
６２４ 抵抗
６２５ 抵抗
６２７ 矢印
６５０ 回路
６５１ コンパレータ
６５２ デジタル演算処理回路
６５２ａ デジタル平均化・積分器
６５２ｂ デジタルパルス幅変調器
６５３ パルス幅変調出力ドライバ
６５４ ローパスフィルタ
６５５ クロック分割器
８００ 太陽光発電モジュール
８０７ 補助電極
８０８ 補助電極
８４０ 蓄電池
８４１ 外部回路
８５１ 電圧変換回路
８５３ 制御回路
８６０ 電動推進車両
８６２ コンバータ
８６４ キャパシタ
８６６ エンジン
８６８ モニタ
８７０ ラジエータ
８７２ 循環ポンプ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】