(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023156292
(43)【公開日】2023-10-24
(54)【発明の名称】半導体装置
(51)【国際特許分類】
H01M 10/48 20060101AFI20231017BHJP
H01L 29/786 20060101ALI20231017BHJP
【ＦＩ】
H01M10/48 P
H01L29/78 614
H01M10/48 301
【審査請求】有
【請求項の数】1
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023115651
(22)【出願日】2023-07-14
(62)【分割の表示】P 2019540727の分割
【原出願日】2018-08-28
(31)【優先権主張番号】P 2017171224
(32)【優先日】2017-09-06
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
【公序良俗違反の表示】
（特許庁注：以下のものは登録商標）
１．ＳＷＩＦＴ
２．ＴＥＮＳＯＲＦＬＯＷ
(71)【出願人】
【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】山崎 舜平
(72)【発明者】
【氏名】楠 紘慈
(72)【発明者】
【氏名】渡邉 一徳
(72)【発明者】
【氏名】田島 亮太
(72)【発明者】
【氏名】宍戸 英明
(72)【発明者】
【氏名】吉住 健輔
(57)【要約】
【課題】電池等の状態をモニタ可能な半導体装置を提供する。バッテリーモジュール内の複数の電池の個々の状態を簡便に取得する。
【解決手段】電池等の電極に取り付けることのできる半導体装置は、第１の基板と、素子層と、第１乃至第３の導電層を有する。素子層は、第１の回路及び第２の回路を含み、且つ、第１の基板の第１の面側に設けられる。第１の導電層と第２の導電層とは、それぞれ第１の基板の第１の面とは反対側に位置する第２の面側に設けられる。第１の導電層と第１の回路、及び第２の導電層と第１の回路とは、それぞれ第１の基板に設けられた開口を介して電気的に接続される。第３の導電層は、素子層の第１の基板とは反対側に積層して設けられ、且つ、第２の回路と電気的に接続される。第１の導電層と第２の導電層とは、それぞれ端子として機能し、第３の導電層は、アンテナとして機能する。
【選択図】図６
【解決手段】電池等の電極に取り付けることのできる半導体装置は、第１の基板と、素子層と、第１乃至第３の導電層を有する。素子層は、第１の回路及び第２の回路を含み、且つ、第１の基板の第１の面側に設けられる。第１の導電層と第２の導電層とは、それぞれ第１の基板の第１の面とは反対側に位置する第２の面側に設けられる。第１の導電層と第１の回路、及び第２の導電層と第１の回路とは、それぞれ第１の基板に設けられた開口を介して電気的に接続される。第３の導電層は、素子層の第１の基板とは反対側に積層して設けられ、且つ、第２の回路と電気的に接続される。第１の導電層と第２の導電層とは、それぞれ端子として機能し、第３の導電層は、アンテナとして機能する。
【選択図】図６
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１の基板と、素子層と、第１の導電層と、第２の導電層と、第３の導電層と、を有し、
前記素子層は、第１の回路及び第２の回路を含み、且つ、前記第１の基板の第１の面側に設けられ、
前記第１の導電層と前記第２の導電層とは、それぞれ前記第１の基板の前記第１の面とは反対側に位置する第２の面側に設けられ、
前記第１の導電層と前記第１の回路、及び前記第２の導電層と前記第１の回路とは、それぞれ前記第１の基板に設けられた開口を介して電気的に接続され、
前記第３の導電層は、前記素子層の前記第１の基板とは反対側に積層して設けられ、且つ、前記第２の回路と電気的に接続され、
前記第１の導電層と前記第２の導電層とは、それぞれ端子として機能し、
前記第３の導電層は、アンテナとして機能する、
半導体装置。
前記素子層は、第１の回路及び第２の回路を含み、且つ、前記第１の基板の第１の面側に設けられ、
前記第１の導電層と前記第２の導電層とは、それぞれ前記第１の基板の前記第１の面とは反対側に位置する第２の面側に設けられ、
前記第１の導電層と前記第１の回路、及び前記第２の導電層と前記第１の回路とは、それぞれ前記第１の基板に設けられた開口を介して電気的に接続され、
前記第３の導電層は、前記素子層の前記第１の基板とは反対側に積層して設けられ、且つ、前記第２の回路と電気的に接続され、
前記第１の導電層と前記第２の導電層とは、それぞれ端子として機能し、
前記第３の導電層は、アンテナとして機能する、
半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の一態様は、半導体装置に関する。本発明の一態様は、電池を有するバッテリーユニット、またはバッテリーモジュールに関する。本発明の一態様は、電池の制御方法に関する。
【0002】
なお、本発明の一態様は、上記の技術分野に限定されない。本明細書等で開示する本発明の一態様の技術分野としては、半導体装置、表示装置、発光装置、蓄電装置、記憶装置、電子機器、照明装置、入力装置、入出力装置、それらの駆動方法、又はそれらの製造方法、を一例として挙げることができる。
【0003】
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、演算装置、記憶装置等は半導体装置の一態様である。また、撮像装置、電気光学装置、発電装置（薄膜太陽電池、有機薄膜太陽電池等を含む）、及び電子機器は半導体装置を有している場合がある。
【背景技術】
【0004】
近年、リチウムイオン二次電池、リチウムイオンキャパシタ、空気電池等、種々の蓄電装置の開発が盛んに行われている。特に高出力、高エネルギー密度であるリチウムイオン二次電池は、半導体産業の発展と併せて急速にその需要が拡大し、充電可能なエネルギーの供給源として現代の情報化社会に不可欠なものとなっている。例えば、携帯電話、スマートフォン、タブレット、もしくはノート型コンピュータ等の携帯情報端末、携帯音楽プレーヤ、デジタルカメラ、医療機器、又は、ハイブリッド車（ＨＥＶ）、電気自動車（ＥＶ）、もしくはプラグインハイブリッド車（ＰＨＥＶ）等の次世代クリーンエネルギー自動車などに用いられている。
【0005】
携帯情報端末や電気自動車などにおいては、直列接続または並列接続された複数の二次電池と、保護回路とを有する、バッテリーモジュール（電池パック、組電池ともよぶ）が使用される場合が多い。バッテリーモジュールとは、二次電池の取り扱いを容易にするため、複数個の二次電池を、所定の回路と共に容器（金属缶やフィルム外装体など）の内部に収納したものを指す。バッテリーモジュールには、動作状態を管理するために、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）が設けられる。
【0006】
バッテリーモジュールを構成する複数の二次電池が、個々の特性にバラツキがあると、充電時に過充電になる二次電池や、満充電まで充電されない二次電池が生じ、全体として、みかけの容量が減少する。
【0007】
また一つのバッテリーモジュールでは、複数個の二次電池をまとめて充電、または放電を行っているため、個々の二次電池の劣化速度が異なる場合、特性のばらつきが増大する。したがって、このようなバッテリーモジュールは、充放電を繰り返すことで寿命が短くなるという悪循環が生じてしまう。
【0008】
特許文献１は、電池セルの容量に従って、トランジスタの導通状態を制御して、放電する電池セルから充電する電池セルへの充放電を制御することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0009】
【特許文献1】特開２０１７－２２９２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
多くの場合、バッテリーモジュールに設けられるＥＣＵなどの制御回路は、プリント基板に実装され、複数の二次電池と配線で接続される。二次電池と配線との接続には、ワイヤーボンディングや溶接、またはネジ留めなどの手法が用いられる場合が多い。そのため、１つのバッテリーモジュールあたりの二次電池の数が多いほど、接点の数が増大し、実装コストが高くなってしまう。また振動や使用温度などの外部環境によって、配線と二次電池の接続が切れてしまうことを防ぐために、接点の強度が求められる。
【0011】
本発明の一態様は、電池等の状態をモニタ可能な半導体装置を提供することを課題の一とする。または、電池等の状態の情報を信頼性高く出力可能な半導体装置を提供することを課題の一とする。または、バッテリーモジュールにおける実装コストの低減、または実装工程の削減を実現することを課題の一とする。または、バッテリーモジュール内の複数の電池の個々の状態を簡便に取得することを課題の一とする。または、軽量なバッテリーモジュールを提供することを課題の一とする。
【0012】
または、本発明の一態様は、新規な半導体装置、新規なバッテリーユニット、または新規なバッテリーモジュールを提供することを課題の一とする。または、信頼性の高い半導体装置、バッテリーユニット、またはバッテリーモジュールを提供することを課題の一とする。
【0013】
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、請求項などの記載から抽出することが可能である。
【課題を解決するための手段】
【0014】
本発明の一態様は、第１の基板と、素子層と、第１の導電層と、第２の導電層と、第３の導電層と、を有する半導体装置である。素子層は、第１の回路及び第２の回路を含み、且つ、第１の基板の第１の面側に設けられる。第１の導電層と第２の導電層とは、それぞれ第１の基板の第１の面とは反対側に位置する第２の面側に設けられる。第１の導電層と第１の回路、及び第２の導電層と第１の回路とは、それぞれ第１の基板に設けられた開口を介して電気的に接続される。第３の導電層は、素子層の第１の基板とは反対側に積層して設けられ、且つ、第２の回路と電気的に接続される。第１の導電層と第２の導電層とは、それぞれ端子として機能し、第３の導電層は、アンテナとして機能する。
【0015】
また、上記において、第２の回路は、第３の導電層を介して無線通信を行う機能を有することが好ましい。
【0016】
また、上記において、第１の回路は、第１の導電層と第２の導電層の間の電圧を検知する機能、第１の導電層と第２の導電層との間に流れる電流を検知する機能、及び温度を検知する機能のうち、少なくとも一を有することが好ましい。
【0017】
また、上記において、第１の基板は、可撓性を有することが好ましい。
【0018】
また、上記において、素子層及び第３の導電層を挟んで、第１の基板と対向する第２の基板を有することが好ましい。このとき、第２の基板は、可撓性を有することが好ましい。
【0019】
また、本発明の他の一態様は、上記いずれかの半導体装置と、電池と、を有するバッテリーユニットである。このとき、半導体装置の第１の導電層は、電池の正極端子と接し、第２の導電層は、電池の負極端子と接する。
【0020】
また、本発明の他の一態様は、上記いずれかの半導体装置と、複数の電池と、を有するバッテリーユニットである。また、複数の電池は、それぞれ直列に接続される。また半導体装置の第１の導電層は、一の電池の正極端子または負極端子と電気的に接続され、第２の導電層は、他の一の電池の正極端子または負極端子と電気的に接続される。
【0021】
また、上記において、複数の電池は、それぞれ円筒型の電池であることが好ましい。このとき、半導体装置の第１の導電層、及び第２の導電層は、それぞれ異なる電池における円筒の外装体の側面に接して設けられることが好ましい。
【0022】
また、本発明の他の一態様は、複数の上記いずれかのバッテリーユニットと、制御装置と、外装体と、を有するバッテリーモジュールである。外装体の内部に、複数のバッテリーユニットと、制御装置が設けられる。制御装置は、アンテナと、無線通信部と、制御部と、を有する。制御部は、無線通信部及びアンテナを介して、複数のバッテリーユニットと無線通信する機能を有する。また、制御部は、ニューラルネットワークを有することが好ましい。
【発明の効果】
【0023】
本発明の一態様によれば、電池の状態をモニタ可能な半導体装置を提供できる。または、電池の状態の情報を信頼性高く出力可能な半導体装置を提供できる。または、バッテリーモジュールにおける実装コストの低減、または実装工程の削減を実現することができる。または、バッテリーモジュール内の複数の電池の個々の状態を簡便に取得することができる。
【0024】
または、本発明の一態様は、新規な半導体装置、新規なバッテリーユニット、または新規なバッテリーモジュールを提供できる。または、信頼性の高い半導体装置、バッテリーユニット、またはバッテリーモジュールを提供できる。
【0025】
なお、これらの効果の記載は、他の効果の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、必ずしも、これらの効果の全てを有する必要はない。なお、これら以外の効果は、明細書、図面、請求項などの記載から抽出することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【0026】
【図1】半導体装置の構成例。
【図2】半導体装置の構成例。
【図3】バッテリーユニットの構成例。
【図4】バッテリーモジュールの構成例。
【図5】バッテリーモジュールの構成例。
【図6】バッテリーユニット及びバッテリーモジュールの構成例。
【図7】バッテリーユニット及びバッテリーモジュールの構成例。
【図8】半導体装置の構成例。
【図9】半導体装置の作製方法を説明する図。
【図10】半導体装置の作製方法を説明する図。
【図11】半導体装置の作製方法を説明する図。
【図12】半導体装置の作製方法を説明する図。
【図13】ニューラルネットワークの構成例。
【図14】半導体装置の構成例。
【図15】メモリセルの構成例。
【図16】オフセット回路の構成例。
【図17】タイミングチャート。
【図18】車両の一例。
【図19】車両の一例。
【図20】電子機器の一例。
【図21】バッテリーモジュールの適用例。
【図22】電子機器の一例。
【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。
【0028】
なお、以下に説明する発明の構成において、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。また、同様の機能を指す場合には、ハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合がある。
【0029】
なお、本明細書で説明する各図において、各構成の大きさ、層の厚さ、または領域は、明瞭化のために誇張されている場合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。
【0030】
なお、本明細書等における「第１」、「第２」等の序数詞は、構成要素の混同を避けるために付すものであり、数的に限定するものではない。
【0031】
トランジスタは半導体素子の一種であり、電流や電圧の増幅や、導通または非導通を制御するスイッチング動作などを実現することができる。本明細書におけるトランジスタは、ＩＧＦＥＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）や薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を含む。
【0032】
（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置、バッテリーユニット、またはバッテリーモジュール等について、図面を参照して説明する。
本実施の形態では、本発明の一態様の半導体装置、バッテリーユニット、またはバッテリーモジュール等について、図面を参照して説明する。
【0033】
以下で例示する半導体装置は、電池の電圧、電流、または温度などを検知し、無線通信によりその情報を出力する機能を有する半導体装置である。そのため以下で例示する半導体装置は、情報処理装置、または情報通信装置、あるいは無線タグなどとも呼ぶことができる。
【0034】
本発明の一態様の半導体装置は、電圧、電流、または温度などの検知回路として機能する第１の回路と、無線通信を行う第２の回路と、を含む素子層を有する。素子層には、少なくとも一以上のトランジスタが設けられている。また、素子層は基板（第１の基板ともいう）上に形成されている。
【0035】
さらに、半導体装置は、基板の裏面側（素子層とは反対側）に、それぞれ端子部として機能する一対の導電層（第１の導電層、第２の導電層ともいう）を有する。端子部は外部接続端子とも言うことができ、例えば電池等の電極に接続するための端子として用いることができる。それぞれの導電層は、基板に設けられた開口を介して素子層の第１の回路と電気的に接続されている。
【0036】
また、半導体装置は、素子層上に、アンテナとして機能する導電層（第３の導電層ともいう）が設けられている。この導電層は、第２の回路と電気的に接続されている。第２の回路は、アンテナを介して外部と無線通信を行うことができる。
【0037】
なお、アンテナを構成する導電層と、端子部を構成する導電層を入れ替えてもよい。すなわち、素子層上に設けられる導電層を端子部として用い、基板の裏面側に設けられる導電層をアンテナとして用いてもよい。この場合、端子部の導電層を第１の回路と接続し、アンテナの導電層を基板に設けられた開口を介して第２の回路と接続すればよい。
【0038】
このような構成の半導体装置は、例えば一対の端子部を電池の正極端子と負極端子にそれぞれ接続することで、電池の電圧や電流を検知し、その情報を無線通信により外部に設けられる制御回路に送信することができる。また、第１の回路が温度を検知するための機能を有する場合、半導体装置を電池に貼り付ける、または電池近傍に配置することで、電池またはその近傍の温度の情報を無線通信により外部の制御装置に送信することができる。半導体装置は、当該制御装置から送信される命令に応じて、電池の充放電を制御する機能を有していてもよい。
【0039】
ここで、素子層が形成される基板には、可撓性を有する基板を適用することが好ましい。これにより、曲げることのできる半導体装置とすることができる。そのため、半導体装置を接続する電池などの部材の形状の自由度が高まり、様々な形状の表面に、半導体装置を貼り付けることができる。さらに、可撓性の基板を用いることで、ガラス基板や半導体基板を用いる場合に比べて、半導体装置を極めて軽量にすることができるため、例えば電池に適用した場合に、半導体装置を取り付けることによる重量の増加を抑えることができる。
【0040】
ここで、一以上の電池に半導体装置を接続した単位構成を、バッテリーユニットと呼ぶことができる。本発明の一態様は、バッテリーユニットごとに、個々の電池の電圧、電流、または温度などの情報を取得し、外部の制御装置に無線出力することが可能となる。
【0041】
そして、外部の制御装置は、制御部として機能する回路や、無線通信部として機能する回路が設けられたプリント基板等と、アンテナと、を有する構成とすることができる。外装体内に、この制御装置と、複数のバッテリーユニットを設けた構成を、バッテリーモジュールと呼ぶことができる。バッテリーモジュールは、各種電子機器や、自動車、または住宅設備などに用いられる設置型の大型蓄電装置等に組み込むことができる。
【0042】
バッテリーモジュール内に、複数のバッテリーユニットを配置することで、あるバッテリーユニットに異常が検知された場合に、バッテリーユニット毎に交換することが可能となる。そのため、バッテリーモジュール単位で電圧や電流、温度などを管理する場合に比べて、電池の交換が容易となり、保守コストを大幅に低減することができる。
【0043】
また、制御装置が有する制御部にニューラルネットワークを適用し、電池の異常検知や、最適な制御方法の導出などを、ニューラルネットワークを用いた推論により実行してもよい。
【0044】
ここで、バッテリーモジュールとして、複数の電池と制御回路とを配線により接続する構成の場合、異常のある電池を交換する際に、配線の再接続が必要であるため、バッテリーモジュールごと交換する必要がある。しかしながら本発明の一態様では、バッテリーユニットと制御回路とは無線で通信するため、バッテリーユニット単位で容易に交換することができる。さらに、ユーザ側での交換も容易となり、保守コストをさらに低減することができる。
【0045】
以下では、より具体的な例について、図面を参照して説明する。
【0046】
［半導体装置の構成例］
図１（Ａ）、（Ｂ）に、以下で例示する半導体装置１０の外観図の例を示す。図１（Ａ）は、半導体装置１０の斜視図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の裏面側から見たときの斜視概略図である。また、図１（Ｃ）には、半導体装置１０の断面概略図を示している。
図１（Ａ）、（Ｂ）に、以下で例示する半導体装置１０の外観図の例を示す。図１（Ａ）は、半導体装置１０の斜視図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の裏面側から見たときの斜視概略図である。また、図１（Ｃ）には、半導体装置１０の断面概略図を示している。
【0047】
図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、半導体装置１０はシート状の形状を有し、一方の面側にアンテナ１４を有し、他方の面側に端子１３ａ及び端子１３ｂを有する。
【0048】
また、図１（Ｃ）に示すように、半導体装置１０は、基板１１と、素子層１２と、端子１３ａ及び端子１３ｂと、アンテナ１４と、を有する。素子層１２は基板１１上に設けられ、後述する第１の回路及び第２の回路を有する。アンテナ１４は、素子層１２上に設けられている。端子１３ａ及び端子１３ｂは、基板１１の素子層１２とは反対側の面上に設けられている。素子層１２と、端子１３ａまたは端子１３ｂとは、それぞれ基板１１に設けられた開口に位置する接続部１５によって電気的に接続されている。
【0049】
また、アンテナ１４及び素子層１２を覆って、保護層１６が設けられていてもよい。
【0050】
また、図２に示すように、アンテナ１４及び素子層１２を覆って、基板１７を設けてもよい。このとき、保護層１６は接着層として用いることができる。
【0051】
基板１１（及び基板１７）には、可撓性を有する材料を用いることが好ましい。例えば、有機樹脂を含むフィルム状の基板を用いることができる。または、可撓性を有する程度に薄いガラス基板や金属基板を用いてもよい。なお、半導体装置１０を被検知体に取り付ける際、半導体装置１０を取り付ける部分が平坦面を有する場合には、可撓性に乏しい基板材料を用いてもよい。
【0052】
半導体装置１０は、端子１３ａ及び端子１３ｂを被検知体の電極などに接続することで、被検知体の状態を電気的にモニタする、モニタ装置としての機能と、モニタした情報を、アンテナ１４を介して無線により外部の装置に送信する、情報通信装置としての機能の２つの機能を有する。さらに半導体装置１０は、外部の装置から無線で送信される命令に応じて、被検知体の動作を制御する、制御装置としての機能を有していてもよい。
【0053】
ここでは被検知体の一例として、電池に半導体装置１０を適用した場合の例について説明する。半導体装置１０は、電池の状態を検知し、その情報を外部に出力することができる。なお、被検知体としては電池に限られず、様々な電子デバイス、非電子デバイス、部品、部材、装置、建築物、乗り物など、あらゆるものに適用することができ、その状態管理や制御に用いることができる。また、人体に貼り付けることで、体温や脈拍、血流量、血中酸素濃度など、様々な生体情報を取得し、その情報を外部の機器に出力する装置としても用いることができる。
【0054】
［バッテリーユニットの構成例］
以下では、電池と上記半導体装置１０とを組み合わせることで構成されるバッテリーユニットの例について説明する。ここでは簡単のため、半導体装置１０が電池の電圧をモニタする機能を有する場合について説明する。
以下では、電池と上記半導体装置１０とを組み合わせることで構成されるバッテリーユニットの例について説明する。ここでは簡単のため、半導体装置１０が電池の電圧をモニタする機能を有する場合について説明する。
【0055】
図３（Ａ１）には、１つの電池３０と、１つの半導体装置１０とを有するバッテリーユニット２０ｐの例を示している。
【0056】
バッテリーユニット２０ｐが有する電池３０は、円筒型の電池であり、円筒状の負極端子３１ｎと、凸状の正極端子３１ｐとを有する。負極端子３１ｎは外装体として機能する。
【0057】
半導体装置１０は、一方の端子１３ａが正極端子３１ｐと接し、他方の端子１３ｂが、負極端子３１ｎである外装体の側面に接するように、固定されている。半導体装置１０の端子と、電池３０の端子とは、導電テープ、導電性接着剤、導電ペーストなどにより接合されている。半導体装置１０の電池３０への固定方法は特に限られず、粘着テープ、接着テープまたは両面テープなどで貼りあわされていてもよいし、半導体装置１０と電池３０の外側に、絶縁性の外装フィルムを巻きつけてもよい。
【0058】
図３（Ａ２）には、バッテリーユニット２０ｐの等価回路を示している。半導体装置１０は、電池３０に並列接続されており、電池３０の正極－負極間の電圧Ｖをモニタすることができる。
【0059】
図３（Ｂ１）には、２つの電池（電池３０ａ、電池３０ｂ）と、１つの半導体装置１０とを有するバッテリーユニット２０の例を示している。
【0060】
電池３０ａと電池３０ｂとは、直列に接続されている。半導体装置１０は、２つの電池の外装体を横断するように固定されている。さらに、半導体装置１０の一方の端子１３ａは電池３０ａの負極端子３１ｎと接続され、他方の端子１３ｂは電池３０ｂの負極端子３１ｎと接続されている。
【0061】
図３（Ｂ２）に、バッテリーユニット２０の等価回路を示している。半導体装置１０は、２つの電池のうちマイナス側に位置する電池３０ｂに並列接続されることとなり、電池３０ｂの電圧Ｖ２をモニタすることができる。ここで、電池３０ａの電圧（電圧Ｖ１ともいう）は、直列接続された２つの電池の電圧ＶＵから、電圧Ｖ２を差し引くことにより見積もることができる。これにより、１つの半導体装置１０で電池３０ａと電池３０ｂのそれぞれの電圧の状態をモニタすることが可能となる。
【0062】
図３（Ｃ１）には、３つの電池（電池３０ａ、電池３０ｂ、電池３０ｃ）と、２つの半導体装置（半導体装置１０ａ、半導体装置１０ｂ）とを有するバッテリーユニット２０ａの例を示している。
【0063】
電池３０ａ、電池３０ｂ、及び電池３０ｃは、この順に直列に接続されている。半導体装置１０ａは、電池３０ａと電池３０ｂのそれぞれの外装体を横断するように固定され、半導体装置１０ｂは、電池３０ｂと電池３０ｃのそれぞれの外装体を横断するように固定されている。
【0064】
さらに、半導体装置１０ａは、端子１３ａが電池３０ａの負極端子３１ｎと接続され、端子１３ｂが電池３０ｂの負極端子３１ｎと接続されている。半導体装置１０ｂは、端子１３ａが電池３０ｂの負極端子３１ｎと接続され、端子１３ｂが電池３０ｃの負極端子３１ｎと接続されている。
【0065】
図３（Ｃ２）に、バッテリーユニット２０ａの等価回路を示している。半導体装置１０ａは、電池３０ｂに並列に接続され、電池３０ｂの電圧Ｖ２をモニタすることができる。一方、半導体装置１０ｂは、電池３０ｃに並列に接続され、電池３０ｂの電圧Ｖ３をモニタすることができる。ここで、電池３０ａの電圧（電圧Ｖ１）は、直列接続された３つの電池の電圧ＶＵから、電圧Ｖ２及び電圧Ｖ３を差し引くことにより見積もることができる。
【0066】
図３（Ｄ１）には、バッテリーユニット２０ａとは接続方法を異ならせた３つの電池を有するバッテリーユニット２０ｂを示している。バッテリーユニット２０ｂは、半導体装置１０ｃと半導体装置１０ｄを有する。
【0067】
半導体装置１０ｃは、電池３０ａと電池３０ｂのそれぞれの外装体を横断するように固定されている。一方、半導体装置１０ｄは、電池３０ａ、電池３０ｂ、及び電池３０ｃのそれぞれの外装体を横断するように固定されている。
【0068】
半導体装置１０ｃは、端子１３ａが電池３０ａの負極端子３１ｎと接続され、端子１３ｂが電池３０ｂの負極端子３１ｎと接続されている。半導体装置１０ｄは、端子１３ａが電池３０ａの負極端子３１ｎと接続され、端子１３ｂが電池３０ｃの負極端子３１ｎと接続されている。
【0069】
図３（Ｄ２）に、バッテリーユニット２０ｂの等価回路を示している。半導体装置１０ｃは、電池３０ｂに並列に接続され、電池３０ｂの電圧Ｖ２をモニタすることができる。一方、半導体装置１０ｄは、直列接続された電池３０ｂ及び電池３０ｃに対して並列に接続されており、電池３０ｂの電圧Ｖ２と、電池３０ｃの電圧Ｖ３の和（Ｖ２＋Ｖ３）をモニタすることができる。電池３０ｃの電圧Ｖ３は、半導体装置１０ｄでモニタされた電圧（Ｖ２＋Ｖ３）から、半導体装置１０ｃでモニタされた電圧Ｖ２を差し引くことで見積もることができる。また、電池３０ａの電圧（電圧Ｖ１）は、直列接続された３つの電池の電圧ＶＵから、半導体装置１０ｄでモニタされた電圧（Ｖ２＋Ｖ３）を差し引くことで見積もることができる。
【0070】
ここで示したバッテリーユニットは、半導体装置を用いて各電池の電圧をモニタし、外部に無線通信で出力することができる。そのため、バッテリーユニットを複数有するバッテリーモジュールにおいても、個々の電池の状態を管理することができる。また、異常が生じている電池を特定することができるため、バッテリーユニット単位で交換することが可能で、バッテリーモジュールの保守のコストを削減することができる。
【0071】
［バッテリーモジュールの構成例１］
以下では、本発明の一態様の半導体装置と、電池と、これを制御する制御装置と、を有するバッテリーモジュールの構成例について説明する。
以下では、本発明の一態様の半導体装置と、電池と、これを制御する制御装置と、を有するバッテリーモジュールの構成例について説明する。
【0072】
図４（Ａ）は、バッテリーモジュール２０Ｍの構成を示すブロック図である。バッテリーモジュール２０Ｍは、複数のバッテリーユニット２０と、制御装置４０と、を有する。制御装置４０は、各バッテリーユニット２０と個別に無線通信することができる。
【0073】
図４（Ｂ）に、より具体的なバッテリーモジュール２０Ｍのブロック図を示している。ここでは簡単のため、半導体装置１０と電池３０をそれぞれ１つずつ有する、１つのバッテリーユニット２０と、１つの制御装置４０のブロック図を示している。
【0074】
半導体装置１０は、第１の回路５０と、第２の回路６０とを有する。第１の回路５０は、電圧検知回路５１と、Ａ－Ｄ変換回路５５ａとを有する。また、第２の回路６０は、制御部６１と、無線通信部６２と、アンテナ６３と、を有する。
【0075】
電圧検知回路５１は電池３０の電圧を検知する回路であり、検知信号をアナログ信号としてＡ－Ｄ変換回路５５ａに出力する。Ａ－Ｄ変換回路５５ａは、入力されたアナログ信号をデジタル信号に変換し、第２の回路６０の制御部６１に出力する。
【0076】
制御部６１は、入力された信号を解析し、処理を行うための回路を有する。制御部６１は、例えば演算回路、論理回路、記憶回路等を有する構成とすることができる。また制御部６１が有する記憶回路には、半導体装置１０の固有番号（ＩＤ）が格納されていてもよい。
【0077】
無線通信部６２は、アンテナ６３を介して制御装置４０から入力される信号を復調し、復調信号を生成する機能と、制御部６１から入力される信号を変調し、アンテナ６３に出力する信号を生成する機能を有する。無線通信部６２は、例えば整流回路、復調回路、変調回路、Ａ－Ｄ変換回路、Ｄ－Ａ変換回路等のアナログ回路を有する構成とすることができる。
【0078】
制御部６１は、制御装置４０からの命令に応じて、第１の回路５０を電池３０の電圧の情報を取得するように制御する。また、第１の回路５０から入力される電圧の情報を含む信号を生成し、無線通信部６２に出力することができる。
【0079】
制御装置４０は、制御部４１と、無線通信部４２と、アンテナ４３と、を有する。無線通信部４２は、上記無線通信部６２と同様の構成を有する。
【0080】
制御部４１は、バッテリーユニット２０から入力される情報に基づいて、過充電及び過放電の監視、過電流の監視、電池劣化状態の管理、ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ：残存容量率）の算出、故障検出の制御などを行うバッテリマネージメントユニット（ＢＭＵ）を実現する制御回路等を設けることができる。
【0081】
また制御部４１は、制御回路として、上記の他、ＣＰＵ、ＧＰＵなどの演算回路、記憶回路などを有していてもよい。特に、酸化物半導体が適用されたトランジスタを有する積和演算回路を備えることが好ましい。
【0082】
また、制御部４１は、ニューラルネットワークＮＮを有していてもよい。複数のバッテリーユニット２０から入力される情報に基づいてニューラルネットワークＮＮを用いた推論を実行することにより、例えばバッテリーユニット２０や、これが有する電池３０の異常検知の精度を高めることができる。
【0083】
制御部４１に入力される情報としてアナログデータを用いた場合、ニューラルネットワークＮＮは、アナログ演算を行う機能を有することが好ましい。例えば、ニューラルネットワークＮＮが積和演算回路を有し、該積和演算回路がアナログ演算を行う機能を有することが好ましい。ニューラルネットワークＮＮがアナログ演算を行う機能を有する場合において、ニューラルネットワークＮＮを構成する回路の面積を縮小できる場合がある。例えばアナログデジタル変換回路（Ａ－Ｄ変換回路）が不要となり、制御装置４０の回路面積を縮小できる場合がある。
【0084】
図示しないが、制御装置４０は各バッテリーユニット２０の正極端子及び負極端子に接続され、各バッテリーユニットへの充放電を制御する機能を有していることが好ましい。
【0085】
ここで、半導体装置１０を駆動するための電源電圧は、これが接続される電池３０から供給されていてもよい。または、制御装置４０から入力される無線信号の搬送波から電源電圧を生成する構成としてもよい。このとき、第２の回路６０は、整流回路や、レギュレータ回路（定電圧回路）、リセット回路などを有する構成とすることができる。
【0086】
図４（Ｃ）には、第１の回路５０が、さらに電流検知回路５２と、Ａ－Ｄ変換回路５５ｂを有する例を示している。電流検知回路５２は、電池３０に流れる電流を検知し、その情報をアナログ信号としてＡ－Ｄ変換回路５５ｂに出力する機能を有する。
【0087】
図５（Ａ）には、第１の回路５０が、さらに温度センサ５３と、Ａ－Ｄ変換回路５５ｃを有する例を示している。温度センサ５３を電池３０に接して、またはその近傍に配置することで、制御装置４０は、個々のバッテリーユニット２０の温度情報を取得することができる。
【0088】
図５（Ｂ）では、第１の回路５０が、さらにバランス回路５４を有する例を示している。バランス回路５４は、複数の電池３０の間で電荷のやり取りを行い、各電池３０の充電残量のバランスを制御する回路である。例えば電池特性のばらつきなどにより、１つのバッテリーユニット２０内の複数の電池３０間で充電残量に差が生じる場合に、バランス回路５４が当該複数の電池３０間で充放電を行い、充電残量の均一化を図ることができる。例えば、制御装置４０は、入力される各電池３０の電圧などの情報に基づいて、バランス回路５４を駆動させる命令をバッテリーユニット２０に送信することができる。
【0089】
ここで、上記では、第１の回路５０は、Ａ－Ｄ変換回路５５ａ等により、デジタル信号を制御部６１に出力する構成としたが、制御部６１がアナログ信号を処理する機能を有する場合、第１の回路５０は、各Ａ－Ｄ変換回路を設けない構成としてもよい。
【0090】
［バッテリーモジュールの構成例２］
以下では、バッテリーモジュールのより具体的な構成例について説明する。
以下では、バッテリーモジュールのより具体的な構成例について説明する。
【0091】
〔構成例１〕
図６（Ａ）には、円筒型の電池３０ａ及び電池３０ｂ、ならびに半導体装置１０を有するバッテリーユニット２０の外観図を示す。また、図６（Ｂ）には、６つのバッテリーユニット２０を有するバッテリーモジュール２０Ｍの外観図を示している。
図６（Ａ）には、円筒型の電池３０ａ及び電池３０ｂ、ならびに半導体装置１０を有するバッテリーユニット２０の外観図を示す。また、図６（Ｂ）には、６つのバッテリーユニット２０を有するバッテリーモジュール２０Ｍの外観図を示している。
【0092】
バッテリーユニット２０は、導電部材３４によって２つの電池が直列に接続されている。電池３０ａの正極端子、及び電池３０ｂの負極端子には、それぞれリード線３３が接合されている。また、半導体装置１０は、２つの電池の外装体に巻きつけるように固定されている。半導体装置１０のアンテナ１４は、電池３０ａの側面に沿って配置されている。また図示しないが、半導体装置１０の端子１３ａは電池３０ａの外装体に、端子１３ｂは電池３０ｂの外装体に、それぞれ電気的に接続されている。
【0093】
バッテリーモジュール２０Ｍは、外装体２１ａ、外装体２１ｂ、プリント基板２２、ＩＣ２３、アンテナ２４、コネクタ配線２５、一対の導電部材（導電部材２６ｐ、２６ｎ）、一対の配線（配線２７ｐ、２７ｎ）等を有する。なお、図６（Ｂ）において、外装体２１ａと外装体２１ｂは、輪郭のみ破線で示している。
【0094】
バッテリーモジュール２０Ｍは、２つの電池が直列に接続されたバッテリーユニット２０を、６つ並列に接続した構成となっている。片側６つの電池３０の正極端子３１ｐと、導電部材２６ｐとは、それぞれリード３３によって接合されている。また、他方の片側６つの電池３０の負極端子３１ｎと導電部材２６ｎとは、それぞれリード３３によって接合されている。導電部材２６ｐ、導電部材２６ｎは、それぞれ配線２７ｐ、配線２７ｎと電気的に接続されている。配線２７ｐ及び配線２７ｎは、それぞれ外装体２１ｂに設けられた孔から外部に取り出されている。
【0095】
プリント基板２２には、ＩＣ２３が実装されている。ＩＣ２３は、上記制御装置４０の制御部４１や、無線通信部４２等に相当する。なお、異なる機能の複数のＩＣを実装してもよい。プリント基板２２と、アンテナ２４が設けられる基板（破線で示す）とは、コネクタ配線２５により接続されている。
【0096】
アンテナ２４は、各バッテリーユニット２０のアンテナ１４と対向するように、外装体２１ａに固定して設けられている。
【0097】
〔構成例２〕
図７（Ａ）には、箱型の電池３０ｄと、半導体装置１０を有するバッテリーユニット２０の外観図を示す。また、図７（Ｂ）には、４つのバッテリーユニット２０を有するバッテリーモジュール２０Ｍの外観図を示している。図７（Ｂ）に示すバッテリーモジュール２０Ｍは、４つの電池３０ｄが直列に接続された構成を有する。
図７（Ａ）には、箱型の電池３０ｄと、半導体装置１０を有するバッテリーユニット２０の外観図を示す。また、図７（Ｂ）には、４つのバッテリーユニット２０を有するバッテリーモジュール２０Ｍの外観図を示している。図７（Ｂ）に示すバッテリーモジュール２０Ｍは、４つの電池３０ｄが直列に接続された構成を有する。
【0098】
バッテリーユニット２０は、外装体３５の上部に、正極端子３１ｐと負極端子３１ｎが設けられている。また、正極端子３１ｐと負極端子３１ｎには、それぞれねじ切り加工が施された接続端子３６ｐと接続端子３６ｎが設けられている。
【0099】
半導体装置１０は、正極端子３１ｐと負極端子３１ｎとを横断するように固定されている。半導体装置１０のアンテナ１４はバッテリーユニット２０の上方に位置している。また図示しないが、半導体装置１０の端子１３ａは正極端子３１ｐに、端子１３ｂは負極端子３１ｎに、それぞれ電気的に接続されている。
【0100】
図７（Ｂ）に示すバッテリーモジュール２０Ｍは、外装体２１ａ、外装体２１ｂ、プリント基板２２、ＩＣ２３、アンテナ２４、コネクタ配線２５、導電部材２６、配線２７ｐ、配線２７ｎ等を有する。導電部材２６は、２つの電池３０ｄの異なる極性の接続端子にネジ留めされ、これらを電気的に接続している。配線２７ｐ、配線２７ｎはそれぞれ電池３０ｄの接続端子にネジ留めされ、電気的に接続されている。
【0101】
アンテナ２４が設けられた基板は、４つのバッテリーユニット２０のアンテナ１４と対向するように、外装体２１ｂ側に設けられている。アンテナ２４が設けられた基板は、コネクタ配線２５を介してプリント基板２２と電気的に接続されている。
【0102】
図７（Ｂ）に示すバッテリーモジュール２０Ｍはバッテリーユニット２０あたりの容量を大きくできるため、家庭用の蓄電設備や無停電電源装置などの設置型の蓄電装置、または電気自動車、ハイブリッド自動車などの自動車に好適に用いることができる。
【0103】
［半導体装置の構成例２］
以下では、半導体装置１０のより具体的な構成例と、作製方法例について図面を参照して説明する。
以下では、半導体装置１０のより具体的な構成例と、作製方法例について図面を参照して説明する。
【0104】
〔構成例〕
図８（Ａ）に、図２で例示した半導体装置１０の断面概略図を示す。図８（Ａ）では、半導体装置１０の接続部１５を含む領域、第１の回路５０を含む領域、及び第２の回路６０を含む領域における断面概略図を示している。図８（Ａ）では、第１の回路５０、第２の回路６０として、それぞれトランジスタ８０ａ、トランジスタ８０ｂが設けられている例を示している。
図８（Ａ）に、図２で例示した半導体装置１０の断面概略図を示す。図８（Ａ）では、半導体装置１０の接続部１５を含む領域、第１の回路５０を含む領域、及び第２の回路６０を含む領域における断面概略図を示している。図８（Ａ）では、第１の回路５０、第２の回路６０として、それぞれトランジスタ８０ａ、トランジスタ８０ｂが設けられている例を示している。
【0105】
図８（Ａ）で例示した半導体装置１０は、基板１１、基板１７、トランジスタ８０ａ、トランジスタ８０ｂ、複数の導電層８８、導電層８９等を有する。さらに、絶縁層９１、絶縁層９２、絶縁層９３、保護層１６、接着層９０等を有する。なお、図８（Ａ）において、基板１７を除いた構成が、図１（Ｃ）に示す半導体装置１０に対応する。
【0106】
【0107】
基板１１は、接着層９０を介して絶縁層９１の一方の面に貼りあわされている。絶縁層９１の他方の面上には、トランジスタ８０ａ、トランジスタ８０ｂ等が設けられている。また、トランジスタ８０ａ、トランジスタ８０ｂ等を覆って、絶縁層９３が設けられている。
【0108】
トランジスタ８０ａ、トランジスタ８０ｂはそれぞれ、半導体層８１、ゲート絶縁層として機能する絶縁層８２、ゲート電極として機能する導電層８３、並びに、ソース電極及びドレイン電極として機能する、一対の導電層（導電層８４ａ、導電層８４ｂ）を有する。
【0109】
図８（Ａ）で示したトランジスタ８０ａ及びトランジスタ８０ｂはそれぞれ、半導体層８１上にゲート電極を有する、いわゆるトップゲート型のトランジスタである。半導体層８１の、導電層８３と重畳する部分はチャネル形成領域として機能する。また半導体層８１の、導電層８４ａまたは導電層８４ｂと接する部分は、低抵抗領域として機能する。
【0110】
アンテナとして機能する導電層８９は、絶縁層９３上に設けられている。導電層８９は、絶縁層９３に設けられた開口を介して、トランジスタ８０ｂの導電層８４ｂと電気的に接続されている。
【0111】
端子として機能する導電層８８は、基板１１の裏面側に設けられている。接続部１５において、導電層８４ｃと導電層８８とが電気的に接続されている。導電層８４ｃは、導電層８４ａ等と同一の導電膜を加工して得られた配線である。また、導電層８４ｃのうち、絶縁層９２及び絶縁層９１に設けられた開口を覆って設けられる部分が、導電層８８との接触面として機能する。また、導電層８４ｃの当該接触面と重なる領域において、接着層９０と基板１１は部分的に開口されており、導電層８８は当該開口を介して、導電層８４ｃと電気的に接続されている。
【0112】
図８（Ａ）において、絶縁層９１から絶縁層９３までの積層構造が、上記素子層１２に相当する。半導体装置１０は、素子層１２を挟んで一方にアンテナとして機能する導電層８９が、他方に端子として機能する導電層８８が、それぞれ設けられる構成となっている。端子とアンテナを背中合わせに有することで、これらを同じ面側に設けた場合に比べて、半導体装置１０の小型化が容易となる上に、無線通信の応答性を大幅に高めることができる。
【0113】
また、基板１１として可撓性を有する基板を用いることで、半導体装置１０を被検知体の曲面に沿って貼り付けることができる。これにより、被検知体の形状や、半導体装置１０を貼り付ける位置などの自由度が高まり、より利便性、汎用性を高めることができる。また半導体装置１０自体を軽量化することが容易であるため、モバイル用途や、生体情報端末機器などにも適している。
【0114】
【0115】
トランジスタ８０ａ及びトランジスタ８０ｂは、半導体層８１と絶縁層９１との間に、絶縁層８６を有する。また、絶縁層８６と絶縁層９１との間に、半導体層８１及び導電層８３と重なる導電層８５が設けられている。導電層８５は第２のゲート電極として機能し、絶縁層８６の一部は第２のゲート絶縁層として機能する。
【0116】
例えば、一方のゲート電極に所定の電位を与えることで、他方のゲート電極でトランジスタを駆動した場合のしきい値電圧を制御することができる。また、一対のゲート電極に同じ電位を与えてトランジスタを駆動することにより、トランジスタが流すことのできる電流（オン電流ともいう）を増大させることができる。
【0117】
また、接続部１５において、導電層８５と同一の導電膜を加工して得られた導電層８５ａと導電層８８とが電気的に接続されている。また導電層８５ａは、絶縁層８６及び絶縁層９２に設けられた開口を介して、導電層８４ｃと電気的に接続されている。
【0118】
図８（Ａ）、（Ｂ）で例示したトランジスタ８０ａ及びトランジスタ８０ｂには、チャネルが形成される半導体層８１に、シリコン、ゲルマニウムまたは酸化物半導体などの半導体材料を用いることができる。
【0119】
シリコンとしては、アモルファス（非晶質）シリコンを用いてもよいが、単結晶シリコン、多結晶シリコン等の結晶性シリコンを用いると、信頼性が高く、且つ大きな電流を流すことのできるトランジスタとすることができ、好ましい。
【0120】
特に、トランジスタ８０ａ及びトランジスタ８０ｂには、酸化物半導体（半導体特性を有する金属酸化物）が適用されたトランジスタを用いることが好ましい。特に、結晶性を有する酸化物半導体を用いると、信頼性が高く、且つ高い電界効果移動度が実現されたトランジスタとすることができる。また特に、キャリア濃度が十分に低減された酸化物半導体を用いることで、オフ状態におけるリーク電流（オフ電流）が極めて低いトランジスタを実現できるため、半導体装置１０の待機電力を低減でき好ましい。
【0121】
〔作製方法例〕
以下では、半導体装置の作製方法の例として、図８（Ｂ）に示す半導体装置１０を例に挙げて説明する。
以下では、半導体装置の作製方法の例として、図８（Ｂ）に示す半導体装置１０を例に挙げて説明する。
【0122】
図９～１２に示す各図は、以下で説明する作製方法に係る、工程の各段階における断面概略図である。
【0123】
なお、半導体装置を構成する薄膜（絶縁膜、半導体膜、導電膜等）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、パルスレーザー堆積（ＰＬＤ：Ｐｕｌｓｅ Ｌａｓｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、原子層堆積（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：Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ ＣＶＤ）法や、熱ＣＶＤ法などがある。また、熱ＣＶＤ法のひとつに、有機金属化学気相堆積（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ ＣＶＤ）法がある。
【0124】
また、半導体装置を構成する薄膜（絶縁膜、半導体膜、導電膜等）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、ドクターナイフ、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することができる。
【0125】
また、半導体装置を構成する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。それ以外に、ナノインプリント法、サンドブラスト法、リフトオフ法などにより薄膜を加工してもよい。また、遮蔽マスクを用いた成膜方法により、島状の薄膜を直接形成してもよい。
【0126】
フォトリソグラフィ法としては、代表的には以下の２つの方法がある。一つは、加工したい薄膜上にレジストマスクを形成して、エッチング等により当該薄膜を加工し、レジストマスクを除去する方法である。もう一つは、感光性を有する薄膜を成膜した後に、露光、現像を行って、当該薄膜を所望の形状に加工する方法である。
【0127】
フォトリソグラフィ法において、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、紫外線や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、電子ビームなど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。
【0128】
薄膜のエッチングには、ドライエッチング法、ウェットエッチング法、サンドブラスト法などを用いることができる。
【0129】
まず、支持基板７１を準備し、支持基板７１上に剥離層７２と、絶縁層９１とを積層して形成する（図９（Ａ））。
【0130】
支持基板７１としては、装置内または装置間における搬送が容易な程度に剛性を有する基板を用いることができる。また、作製工程にかかる熱に対して耐熱性を有する基板を用いる。例えば、半導体基板、金属基板、またはガラス基板などの絶縁性基板を用いることができる。例えば、厚さ０．３ｍｍ以上１ｍｍ以下のガラス基板を用いることができる。
【0131】
剥離層７２及び絶縁層９１に用いる材料としては、剥離層７２と絶縁層９１の界面、または剥離層７２中で剥離が生じるような材料を選択することができる。
【0132】
例えば、剥離層７２としてタングステンなどの高融点金属材料を含む層と、当該金属材料の酸化物を含む層を積層して用い、絶縁層９１として、窒化シリコン、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコンなどの無機絶縁材料の層を積層して用いることができる。剥離層７２に高融点金属材料を用いると、その後の工程において、高い温度での処理が可能となるため、材料や形成方法の選択の自由度が高まるため好ましい。
【0133】
剥離層７２として、タングステンと酸化タングステンの積層構造を用いた場合では、タングステンと酸化タングステンの界面、酸化タングステン中、または酸化タングステンと絶縁層９１の界面で剥離することができる。
【0134】
または剥離層７２として、有機樹脂を用い、支持基板７１と剥離層７２との界面、または剥離層７２中、または剥離層７２と絶縁層９１の界面で剥離する構成としてもよい。
【0135】
剥離層７２としては、代表的にはポリイミド樹脂を用いることができる。ポリイミド樹脂は、耐熱性に優れるため好ましい。なお、剥離層７２としては、このほかにアクリル樹脂、エポキシ樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミドアミド樹脂、シロキサン樹脂、ベンゾシクロブテン系樹脂、フェノール樹脂等を用いることができる。
【0136】
有機樹脂を含む剥離層７２は、まずスピンコート、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、ドクターナイフ、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、樹脂前駆体と溶媒の混合材料を支持基板７１上に形成する。その後、加熱処理を行うことにより、溶媒等を除去しつつ、材料を硬化させ、有機樹脂を含む剥離層７２を形成することができる。
【0137】
例えば、剥離層７２にポリイミドを用いる場合には、脱水によりイミド結合が生じる樹脂前駆体を用いることができる。または、可溶性のポリイミド樹脂を含む材料を用いてもよい。
【0138】
剥離層７２に有機樹脂を用いる場合、感光性、または非感光性のいずれの樹脂を用いてもよい。感光性のポリイミドは、平坦化膜等に好適に用いられる材料であるため、形成装置や材料を共有することができる。そのため本発明の一態様の構成を実現するために新たな装置や材料を必要としない。また、感光性の樹脂材料を用いることにより、露光及び現像処理を施すことで、剥離層７２を加工することが可能となる。例えば、開口を形成することや、不要な部分を除去することができる。さらに露光方法や露光条件を最適化することで、表面に凹凸形状を形成することも可能となる。例えば多重露光技術や、ハーフトーンマスクやグレートーンマスクを用いた露光技術などを用いればよい。
【0139】
剥離層７２に有機樹脂を用いた場合、剥離層７２を局所的に加熱することにより、剥離性を向上させることができる場合がある。例えば、加熱方法としてレーザ光を照射することが挙げられる。このとき、レーザ光に線状のレーザを用い、これを走査することにより、レーザ光を照射することが好ましい。これにより、支持基板の面積を大きくした際の工程時間を短縮することができる。レーザ光としては、波長３０８ｎｍのエキシマレーザを好適に用いることができる。
【0140】
レーザ光などの光を照射することにより剥離性を向上させる場合、剥離層７２と重ねて発熱層を設けてもよい。当該発熱層は、光を吸収して発熱する機能を有する層である。発熱層は、支持基板７１と剥離層７２との間に設けることが好ましいが、剥離層７２上に配置してもよい。発熱層としては、レーザ光等に用いる光の一部を吸収しうる材料を用いることができる。例えば、レーザ光として３０８ｎｍのエキシマレーザを用いる場合、発熱層としては、金属や酸化物等を用いることができる。例えば、チタンやタングステンなどの金属、酸化チタン、酸化タングステン、酸化インジウム、インジウムスズ酸化物などの酸化物導電体材料、または、インジウムを含む酸化物半導体材料などを用いることができる。
【0141】
また、剥離層７２に接して、酸素、水素、または水などを含む層を設け、加熱処理により剥離層７２中、または剥離層７２と当該層との界面に酸素、水素、または水などを供給することにより、剥離性を向上させてもよい。または、支持基板７１に酸素、水素または水などを供給してもよい。または、剥離層７２に酸素、水素、または水などを供給してもよい。酸素、水素または水などを含む雰囲気下で加熱処理やプラズマ処理を行うことで、これらを支持基板７１や剥離層７２に供給することができる。これにより、レーザ装置等を用いる必要が無いため、より低コストで半導体装置を作製することができる。
【0142】
また、剥離後に剥離層７２の一部が残存する場合がある。残存した剥離層７２が導電性を有する場合には、電気的なショートを引き起こす恐れがあるためこれをエッチングにより除去することが好ましい。なお、剥離層７２をそのまま残存させておいてもよい。
【0143】
続いて、絶縁層９１の一部をエッチングにより除去し、剥離層７２を露出させる（図９（Ｂ））。
【0144】
続いて、絶縁層９１上に導電膜８５ｆを成膜する（図９（Ｃ））。導電膜８５ｆの一部は、上記絶縁層９１に設けた開口を覆って設けられる。
【0145】
続いて、導電膜８５ｆを加工し、導電層８５及び導電層８５ａを形成する（図９（Ｄ））。導電層８５及び導電層８５ａは、導電膜８５ｆ上にレジストマスクを形成し、導電膜８５ｆの一部をエッチングした後にレジストマスクを除去することにより形成することができる。
【0146】
続いて、絶縁層９１、導電層８５、及び導電層８５ａを覆って、絶縁層８６を形成する（図９（Ｅ））。
【0147】
続いて、絶縁層８６上に半導体層８１を形成する（図９（Ｆ））。半導体層８１は、絶縁層８６上に半導体膜（図示しない）を成膜し、半導体膜上にレジストマスクを形成し、当該半導体膜の一部をエッチングにより除去した後に、レジストマスクを除去することにより形成できる。
【0148】
続いて、半導体層８１上に、絶縁層８２と導電層８３とを形成する（図１０（Ａ））。絶縁層８２及び導電層８３は、例えば半導体層８１を覆って絶縁膜と導電膜とを積層して成膜し、導電膜上にレジストマスクを形成し、当該レジストマスクを用いて導電膜と絶縁膜とをエッチングすることにより形成することができる。これにより、上面形状が概略一致した絶縁層８２と導電層８３を形成することができる。
【0149】
なお、本明細書等において「上面形状が概略一致」とは、積層した層と層との間で少なくとも輪郭の一部が重なることをいう。例えば、上層と下層とが、同一のマスクパターン、または一部が同一のマスクパターンにより加工された場合を含む。ただし、厳密には輪郭が重なり合わず、上層が下層の内側に位置することや、上層が下層の外側に位置することもあり、この場合も「上面形状が概略一致」という。
【0150】
なお、導電層８３となる導電膜のみをエッチングし、絶縁層８２となる絶縁膜をエッチングしない構成としてもよい。このとき、例えば絶縁層８２は基板全体に亘って設けられ、半導体層８１の端部や、絶縁層８６を覆って設けられる。
【0151】
続いて、絶縁層８６、半導体層８１、絶縁層８２、導電層８３等を覆って、絶縁層９２を形成する（図１０（Ｂ））。その後、絶縁層９２の一部をエッチングすることにより、半導体層８１に達する開口を形成する。このとき同時に、導電層８５ａ上に位置する絶縁層９２及び絶縁層８６の一部をエッチングし、導電層８５ａに達する開口を形成する。
【0152】
続いて、導電膜を成膜し、その一部をエッチングにより除去することにより、導電層８４ａ、導電層８４ｂ、及び導電層８４ｃ等を形成する（図１０（Ｃ））。
【0153】
この段階で、トランジスタ８０ａ及びトランジスタ８０ｂを形成することができる。
【0154】
続いて、トランジスタ８０ａ及びトランジスタ８０ｂ等を覆って、トランジスタ８０ｂの導電層８４ｂに達する開口を有する絶縁層９３を形成する（図１０（Ｄ））。絶縁層９３に感光性の材料を用いることで、フォトリソグラフィ法等により開口を形成することができる。特に絶縁層９３に有機絶縁膜を用いると、その表面の平坦性が高まるため好ましい。なお、開口を有さない絶縁層９３を形成した後に、レジストマスクを用いてエッチングにより絶縁層９３に開口を形成してもよい。
【0155】
続いて、絶縁層９３の開口を介して導電層８４ｂと接する導電層８９を形成する。導電層８９は、導電層８３等と同様の方法により形成できる。
【0156】
続いて、接着層として機能する保護層１６により、基板１７を貼り合せる（図１１（Ａ））。保護層１６としては、硬化性の有機樹脂を用いることが好ましい。また、基板１７としては、可撓性を有する材料を用いることが好ましい。
【0157】
なお、保護層１６のみを設け、基板１７を有さない構成としてもよい。
【0158】
続いて、絶縁層９１及び導電層８５ａと、剥離層７２との間で剥離することにより、支持基板７１及び剥離層７２を除去する（図１１（Ｂ））。
【0159】
剥離方法としては、機械的な力を加えることや、剥離層をエッチングすること、または液体を滴下する、または液体に含浸させるなどし、剥離界面に液体を浸透させることなどが、一例として挙げられる。または、剥離界面を形成する２層の熱膨張率の違いを利用し、加熱または冷却することにより剥離を行ってもよい。
【0160】
また、剥離性を向上させるための熱処理を行ってもよい。当該熱処理は、絶縁層９１を形成した後であればいつでも行うことができるが、剥離を行う直前に行うことが好ましい。加熱処理として、レーザアニールまたはランプアニールなど、瞬間的且つ局所的に加熱できる方法を用いると、トランジスタや配線等が熱により劣化してしまうことを抑制できる。
【0161】
また、剥離を行う前に、剥離界面の一部を露出させる処理を行ってもよい。例えばレーザや鋭利な部材などにより、剥離層７２上の絶縁層９１の一部を除去する。これにより、絶縁層９１が除去された部分を出発点（起点）として、剥離を進行させることができる。
【0162】
剥離を終えた後、剥離層７２の一部が残存している場合がある。その場合、残存した剥離層７２を洗浄、エッチング、プラズマ処理、または拭き取り処理などにより、除去することが好ましい。特に、剥離層７２が導電性を有する場合には、除去することが好ましい。また、導電層８５ａの表面が酸化等により絶縁化することを防ぐため、剥離層７２を除去した後に、還元処理を行うことが好ましい。
【0163】
図１１（Ｃ）に、支持基板７１及び剥離層７２を除去し、導電層８５ａの一部が露出した状態を示している。
【0164】
続いて、接着層９０により、絶縁層９１と基板１１とを貼り合せる（図１２（Ａ））。この時、基板１１として、導電層８５ａの露出した部分と重なる部分が切りかかれた、または開口を有する基板を用いることが好ましい。また、接着層９０は、導電層８５ａが露出した部分に付着しないように形成することが好ましい。
【0165】
その後、基板１１の裏面側に、導電層８５ａと接するように、導電層８８を形成する（図１２（Ｂ））。
【0166】
【0167】
以上が半導体装置１０の作製方法例の説明である。
【0168】
［付記］
本明細書等において、トランジスタとは、ゲートと、ドレインと、ソースとを含む少なくとも三つの端子を有する素子である。そして、ドレイン（ドレイン端子、ドレイン領域またはドレイン電極）とソース（ソース端子、ソース領域またはソース電極）の間にチャネル形成領域を有しており、チャネル形成領域を介してソースとドレインとの間に電流を流すことができるものである。なお、本明細書等において、チャネル形成領域とは、電流が主として流れる領域をいう。
本明細書等において、トランジスタとは、ゲートと、ドレインと、ソースとを含む少なくとも三つの端子を有する素子である。そして、ドレイン（ドレイン端子、ドレイン領域またはドレイン電極）とソース（ソース端子、ソース領域またはソース電極）の間にチャネル形成領域を有しており、チャネル形成領域を介してソースとドレインとの間に電流を流すことができるものである。なお、本明細書等において、チャネル形成領域とは、電流が主として流れる領域をいう。
【0169】
また、ソースやドレインの機能は、異なる極性のトランジスタを採用する場合や、回路動作において電流の方向が変化する場合などには入れ替わることがある。このため、本明細書等においては、ソースやドレインの用語は、入れ替えて用いることができるものとする。
【0170】
また、本明細書等において、「電気的に接続」には、「何らかの電気的作用を有するもの」を介して接続されている場合が含まれる。ここで、「何らかの電気的作用を有するもの」は、接続対象間での電気信号の授受を可能とするものであれば、特に制限を受けない。例えば、「何らかの電気的作用を有するもの」には、電極や配線をはじめ、トランジスタなどのスイッチング素子、抵抗素子、インダクタ、キャパシタ、その他の各種機能を有する素子などが含まれる。
【0171】
また、本明細書等において、「平行」とは、二つの直線が－１０°以上１０°以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、－５°以上５°以下の場合も含まれる。また、「垂直」とは、二つの直線が８０°以上１００°以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、８５°以上９５°以下の場合も含まれる。
【0172】
また、本明細書等において、「膜」という用語と、「層」という用語とは、互いに入れ替えることが可能である。例えば、「導電層」という用語を、「導電膜」という用語に変更することが可能な場合がある。または、例えば、「絶縁膜」という用語を、「絶縁層」という用語に変更することが可能な場合がある。
【0173】
本明細書等において、特に断りがない場合、オフ電流とは、トランジスタがオフ状態（非導通状態、遮断状態、ともいう）にあるときのドレイン電流をいう。オフ状態とは、特に断りがない場合、ｎチャネル型トランジスタでは、ゲートとソースの間の電圧Ｖｇｓがしきい値電圧Ｖｔｈよりも低い状態、ｐチャネル型トランジスタでは、ゲートとソースの間の電圧Ｖｇｓがしきい値電圧Ｖｔｈよりも高い状態をいう。
【0174】
トランジスタのオフ電流は、Ｖｇｓに依存する場合がある。従って、トランジスタのオフ電流がＩ以下である、とは、トランジスタのオフ電流がＩ以下となるＶｇｓの値が存在することを言う場合がある。トランジスタのオフ電流は、所定のＶｇｓにおけるオフ状態、所定の範囲内のＶｇｓにおけるオフ状態、または、十分に低減されたオフ電流が得られるＶｇｓにおけるオフ状態、等におけるオフ電流を指す場合がある。
【0175】
一例として、しきい値電圧Ｖｔｈが０．５Ｖであり、Ｖｇｓが０．５Ｖにおけるドレイン電流が１×１０－９Ａであり、Ｖｇｓが０．１Ｖにおけるドレイン電流が１×１０－１３Ａであり、Ｖｇｓが－０．５Ｖにおけるドレイン電流が１×１０－１９Ａであり、Ｖｇｓが－０．８Ｖにおけるドレイン電流が１×１０－２２Ａであるようなｎチャネル型トランジスタを想定する。当該トランジスタのドレイン電流は、Ｖｇｓが－０．５Ｖにおいて、または、Ｖｇｓが－０．５Ｖ乃至－０．８Ｖの範囲において、１×１０－１９Ａ以下であるから、当該トランジスタのオフ電流は１×１０－１９Ａ以下である、と言う場合がある。当該トランジスタのドレイン電流が１×１０－２２Ａ以下となるＶｇｓが存在するため、当該トランジスタのオフ電流は１×１０－２２Ａ以下である、と言う場合がある。
【0176】
また、本明細書等では、チャネル幅Ｗを有するトランジスタのオフ電流を、チャネル幅Ｗあたりを流れる電流値で表す場合がある。また、所定のチャネル幅（例えば１μｍ）あたりを流れる電流値で表す場合がある。後者の場合、オフ電流の単位は、電流／長さの次元を持つ単位（例えば、Ａ／μｍ）で表される場合がある。
【0177】
トランジスタのオフ電流は、温度に依存する場合がある。本明細書において、オフ電流は、特に記載がない場合、室温、６０℃、８５℃、９５℃、または１２５℃におけるオフ電流を表す場合がある。または、当該トランジスタが含まれる半導体装置等の信頼性が保証される温度、または、当該トランジスタが含まれる半導体装置等が使用される温度（例えば、５℃乃至３５℃のいずれか一の温度）におけるオフ電流、を表す場合がある。トランジスタのオフ電流がＩ以下である、とは、室温、６０℃、８５℃、９５℃、１２５℃、当該トランジスタが含まれる半導体装置の信頼性が保証される温度、または、当該トランジスタが含まれる半導体装置等が使用される温度（例えば、５℃乃至３５℃のいずれか一の温度）、におけるトランジスタのオフ電流がＩ以下となるＶｇｓの値が存在することを指す場合がある。
【0178】
トランジスタのオフ電流は、ドレインとソースの間の電圧Ｖｄｓに依存する場合がある。本明細書において、オフ電流は、特に記載がない場合、Ｖｄｓが０．１Ｖ、０．８Ｖ、１Ｖ、１．２Ｖ、１．８Ｖ、２．５Ｖ，３Ｖ、３．３Ｖ、１０Ｖ、１２Ｖ、１６Ｖ、または２０Ｖにおけるオフ電流を表す場合がある。または、当該トランジスタが含まれる半導体装置等の信頼性が保証されるＶｄｓ、または、当該トランジスタが含まれる半導体装置等において使用されるＶｄｓにおけるオフ電流、を表す場合がある。トランジスタのオフ電流がＩ以下である、とは、Ｖｄｓが０．１Ｖ、０．８Ｖ、１Ｖ、１．２Ｖ、１．８Ｖ、２．５Ｖ，３Ｖ、３．３Ｖ、１０Ｖ、１２Ｖ、１６Ｖ、２０Ｖ、当該トランジスタが含まれる半導体装置の信頼性が保証されるＶｄｓ、または、当該トランジスタが含まれる半導体装置等において使用されるＶｄｓ、におけるトランジスタのオフ電流がＩ以下となるＶｇｓの値が存在することを指す場合がある。
【0179】
上記オフ電流の説明において、ドレインをソースと読み替えてもよい。つまり、オフ電流は、トランジスタがオフ状態にあるときのソースを流れる電流を言う場合もある。
【0180】
また、本明細書等では、オフ電流と同じ意味で、リーク電流と記載する場合がある。また、本明細書等において、オフ電流とは、例えば、トランジスタがオフ状態にあるときに、ソースとドレインとの間に流れる電流を指す場合がある。
【0181】
また、本明細書等において、トランジスタのしきい値電圧とは、トランジスタにチャネルが形成されたときのゲート電圧（Ｖｇ）を指す。具体的には、トランジスタのしきい値電圧とは、ゲート電圧（Ｖｇ）を横軸に、ドレイン電流（Ｉｄ）の平方根を縦軸にプロットした曲線（Ｖｇ－√Ｉｄ特性）において、最大傾きである接線を外挿したときの直線と、ドレイン電流（Ｉｄ）の平方根が０（Ｉｄが０Ａ）との交点におけるゲート電圧（Ｖｇ）を指す場合がある。あるいは、トランジスタのしきい値電圧とは、チャネル長をＬ、チャネル幅をＷとし、Ｉｄ［Ａ］×Ｌ［μｍ］／Ｗ［μｍ］の値が１×１０－９［Ａ］となるゲート電圧（Ｖｇ）を指す場合がある。
【0182】
また、本明細書等において、「半導体」と表記した場合であっても、例えば、導電性が十分に低い場合は、「絶縁体」としての特性を有する場合がある。また、「半導体」と「絶縁体」とは境界が曖昧であり、厳密に区別できない場合がある。したがって、本明細書等に記載の「半導体」と、「絶縁体」とは、互いに言い換えることが可能な場合がある。
【0183】
また、本明細書等において、「半導体」と表記した場合であっても、例えば、導電性が十分に高い場合は、「導電体」としての特性を有する場合がある。また、「半導体」と「導電体」とは境界が曖昧であり、厳密に区別できない場合がある。したがって、本明細書等に記載の「半導体」と、「導電体」とは、互いに言い換えることが可能な場合がある。
【0184】
また、本明細書等において、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：３またはその近傍であるとは、Ｉｎ、Ｇａ及びＺｎの原子数の総和に対するＩｎの比を４としたときに、Ｇａの比が１以上３以下であり、Ｚｎの比が２以上４以下であるとする。また、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝５：１：６またはその近傍であるとは、Ｉｎ、Ｇａ及びＺｎの原子数の総和に対するＩｎの比を５としたときに、Ｇａの比が０．１より大きく２以下であり、Ｚｎの比が５以上７以下であるとする。また、原子数比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１またはその近傍であるとは、Ｉｎ、Ｇａ及びＺｎの原子数の総和に対するＩｎの比を１としたときに、Ｇａの比が０．１より大きく２以下であり、Ｚｎの比が０．１より大きく２以下であるとする。
【0185】
本明細書等において、金属酸化物（ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ）とは、広い意味での金属の酸化物である。金属酸化物は、酸化物絶縁体、酸化物導電体（透明酸化物導電体を含む）、酸化物半導体（Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒまたは単にＯＳともいう）などに分類される。例えば、トランジスタの活性層に金属酸化物を用いた場合、当該金属酸化物を酸化物半導体と呼称する場合がある。また、「ＯＳ ＦＥＴ」と記載する場合においては、金属酸化物または酸化物半導体を有するトランジスタと換言することができる。
【0186】
また、本明細書等において、窒素を有する金属酸化物も金属酸化物（ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ）と総称する場合がある。また、窒素を有する金属酸化物を、金属酸窒化物（ｍｅｔａｌ ｏｘｙｎｉｔｒｉｄｅ）と呼称してもよい。
【0187】
また、本明細書等において、ＣＡＡＣ（ｃ－ａｘｉｓ ａｌｉｇｎｅｄ ｃｒｙｓｔａｌ）、及びＣＡＣ（Ｃｌｏｕｄ－Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）と記載する場合がある。なお、ＣＡＡＣは結晶構造の一例を表し、ＣＡＣは機能、または材料の構成の一例を表す。
【0188】
また、本明細書等において、ＣＡＣ－ＯＳまたはＣＡＣ－ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅとは、材料の一部では導電性の機能と、材料の一部では絶縁性の機能とを有し、材料の全体では半導体としての機能を有する。なお、ＣＡＣ－ＯＳまたはＣＡＣ－ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅを、トランジスタの活性層に用いる場合、導電性の機能は、キャリアとなる電子（またはホール）を流す機能であり、絶縁性の機能は、キャリアとなる電子を流さない機能である。導電性の機能と、絶縁性の機能とを、それぞれ相補的に作用させることで、スイッチングさせる機能（Ｏｎ／Ｏｆｆさせる機能）をＣＡＣ－ＯＳまたはＣＡＣ－ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅに付与することができる。ＣＡＣ－ＯＳまたはＣＡＣ－ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅにおいて、それぞれの機能を分離させることで、双方の機能を最大限に高めることができる。
【0189】
また、本明細書等において、ＣＡＣ－ＯＳまたはＣＡＣ－ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅは、導電性領域、及び絶縁性領域を有する。導電性領域は、上述の導電性の機能を有し、絶縁性領域は、上述の絶縁性の機能を有する。また、材料中において、導電性領域と、絶縁性領域とは、ナノ粒子レベルで分離している場合がある。また、導電性領域と、絶縁性領域とは、それぞれ材料中に偏在する場合がある。また、導電性領域は、周辺がぼけてクラウド状に連結して観察される場合がある。
【0190】
また、ＣＡＣ－ＯＳまたはＣＡＣ－ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅにおいて、導電性領域と、絶縁性領域とは、それぞれ０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下、好ましくは０．５ｎｍ以上３ｎｍ以下のサイズで材料中に分散している場合がある。
【0191】
また、ＣＡＣ－ＯＳまたはＣＡＣ－ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅは、異なるバンドギャップを有する成分により構成される。例えば、ＣＡＣ－ＯＳまたはＣＡＣ－ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅは、絶縁性領域に起因するワイドギャップを有する成分と、導電性領域に起因するナローギャップを有する成分と、により構成される。当該構成の場合、キャリアを流す際に、ナローギャップを有する成分において、主にキャリアが流れる。また、ナローギャップを有する成分が、ワイドギャップを有する成分に相補的に作用し、ナローギャップを有する成分に連動してワイドギャップを有する成分にもキャリアが流れる。このため、上記ＣＡＣ－ＯＳまたはＣＡＣ－ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅをトランジスタのチャネル領域に用いる場合、トランジスタのオン状態において高い電流駆動力、つまり大きなオン電流、及び高い電界効果移動度を得ることができる。
【0192】
すなわち、ＣＡＣ－ＯＳまたはＣＡＣ－ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅは、マトリックス複合材（ｍａｔｒｉｘ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）、または金属マトリックス複合材（ｍｅｔａｌ ｍａｔｒｉｘ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）と呼称することもできる。
【0193】
金属酸化物の結晶構造の一例について説明する。なお、以下では、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物ターゲット（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝４：２：４．１［原子数比］）を用いて、スパッタリング法にて成膜された金属酸化物を一例として説明する。上記ターゲットを用いて、基板温度を１００℃以上１３０℃以下として、スパッタリング法により形成した金属酸化物をｓＩＧＺＯと呼称し、上記ターゲットを用いて、基板温度を室温（Ｒ．Ｔ．）として、スパッタリング法により形成した金属酸化物をｔＩＧＺＯと呼称する。例えば、ｓＩＧＺＯは、ｎｃ（ｎａｎｏ ｃｒｙｓｔａｌ）及びＣＡＡＣのいずれか一方または双方の結晶構造を有する。また、ｔＩＧＺＯは、ｎｃの結晶構造を有する。なお、ここでいう室温（Ｒ．Ｔ．）とは、基板を意図的に加熱しない場合の温度を含む。
【0194】
なお、ＣＡＡＣ構造とは、複数のナノ結晶（最大径が１０ｎｍ未満である結晶領域）を有する薄膜などの結晶構造の一つであり、各ナノ結晶はｃ軸が特定の方向に配向し、かつａ軸及びｂ軸は配向性を有さずに、ナノ結晶同士が粒界を形成することなく連続的に連結しているといった特徴を有する結晶構造である。特にＣＡＡＣ構造を有する薄膜は、各ナノ結晶のｃ軸が、薄膜の厚さ方向、被形成面の法線方向、または薄膜の表面の法線方向に配向しやすいといった特徴を有する。
【0195】
ここで、結晶学において、単位格子を構成するａ軸、ｂ軸、及びｃ軸の３つの軸（結晶軸）について、特異的な軸をｃ軸とした単位格子を取ることが一般的である。特に層状構造を有する結晶では、層の面方向に平行な２つの軸をａ軸及びｂ軸とし、層に交差する軸をｃ軸とすることが一般的である。このような層状構造を有する結晶の代表的な例として、六方晶系に分類されるグラファイトがあり、その単位格子のａ軸及びｂ軸は劈開面に平行であり、ｃ軸は劈開面に直交する。例えばＹｂＦｅ２Ｏ４型の結晶構造をとるＩｎＧａＺｎＯ４の結晶は六方晶系に分類することができ、その単位格子のａ軸及びｂ軸は層の面方向に平行となり、ｃ軸は層（すなわちａ軸及びｂ軸）に直交する。
【0196】
本実施の形態で例示した構成例、作製方法例、及びそれらに対応する図面等は、少なくともその一部を他の構成例、作製方法例、または図面等と適宜組み合わせて実施することができる。
【0197】
本実施の形態は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。
【0198】
（実施の形態２）
本実施の形態では、本発明の一態様のバッテリーモジュールにおける、ニューラルネットワークを用いた制御方法の例について説明する。
本実施の形態では、本発明の一態様のバッテリーモジュールにおける、ニューラルネットワークを用いた制御方法の例について説明する。
【0199】
なお、本明細書においてニューラルネットワークとは、生物の神経回路網を模し、学習によってニューロン同士の結合強度を決定し、問題解決能力を持たせるモデル全般を指す。ニューラルネットワークは入力層、中間層（隠れ層ともいう）、出力層を有する。
【0200】
また、本明細書において、ニューラルネットワークについて述べる際に、既にある情報からニューロンとニューロンの結合強度（重み係数とも言う）を決定することを「学習」と呼ぶ場合がある。
【0201】
また、本明細書において、学習によって得られた結合強度を用いてニューラルネットワークを構成し、そこから新たな結論を導くことを「推論」と呼ぶ場合がある。
【0202】
本発明の一態様のニューラルネットワークを用いたシステムは、たとえばチャネル形成領域に酸化物半導体または金属酸化物を用いたトランジスタを用いた回路で実現することができる。
【0203】
また、本発明の一態様のニューラルネットワークを用いたシステムは、ソフトウェアおよびハードウェアにより構成することもできる。このときハードウェアのうちメモリにはチャネル形成領域に酸化物半導体または金属酸化物を用いたトランジスタが搭載されているものを用いてもよいし、他の公知のものを用いてもよい。ソフトウェアのオペレーティングシステムには、Ｗｉｎｄｏｗｓ（登録商標）、ＵＮＩＸ（登録商標）、ｍａｃＯＳ（登録商標）等の各種オペレーティングシステムを用いることができる。ソフトウェアのアプリケーションは、Ｐｙｔｈｏｎ（登録商標）、Ｇｏ、Ｐｅｒｌ、Ｒｕｂｙ、Ｐｒｅｌｏｇ、Ｖｉｓｕａｌ Ｂａｓｉｃ（登録商標）、Ｃ、Ｃ＋＋、Ｓｗｉｆｔ、Ｊａｖａ（登録商標）、．ＮＥＴなどの各種プログラミング言語で記述できる。また、アプリケーションをＣｈａｉｎｅｒ（登録商標）（Ｐｙｔｈｏｎで利用できる）、Ｃａｆｆｅ（ＰｙｔｈｏｎおよびＣ＋＋で利用できる）、ＴｅｎｓｏｒＦｌｏｗ（Ｃ、Ｃ＋＋、およびＰｙｔｈｏｎで利用できる）等のフレームワークを使用して作成してもよい。
【0204】
上記実施の形態で例示したバッテリーモジュール２０Ｍは、電池３０のパラメータをニューラルネットワークへＮＮ入力し、電池３０の状態の解析を行うことができる。
【0205】
電池の内部において、充電及び放電の可逆な反応以外に例えば、電池の安全性を低下させる現象が生じる場合がある。例えば、電解液の分解などの副反応、電極表面への金属析出、等があげられる。これらの現象は、電池の容量を低下させるだけでなく、電池の安全性を低下させる場合がある。
【0206】
また、電池の充放電を行う際、温度上昇を伴う場合があるが、電池の充放電特性は、その温度に依存して変化する。そのため、電池の温度を精密に制御することが重要となる。
【0207】
本発明の一態様のバッテリーモジュールは、電池の充電、及び放電の過程において、例えば、電圧、電流、温度等のパラメータの測定を行うことにより、電池の状態を解析し、電池の状態に応じて電池の動作条件を決定することができる。例えば、充電カーブ、あるいは放電カーブを解析する。ここで充電カーブは、充電過程における電圧または容量の推移等を指す。また放電カーブは、放電過程における電圧または容量等の推移を指す。
【0208】
ニューラルネットワークへの入力パラメータとして、電池に関する測定データを用いることが好ましい。例えば、電池の電流と電圧の組を一定時間ごとに同時にサンプリングして読み込み、所定個数記憶し、入力パラメータとして用いることができる。あるいは入力パラメータとして例えば、時刻と、各時刻における電池の電流と電圧の組のデータと、を用いることができる。ここで電池の電圧は例えば、電池の両端の電位差である。
【0209】
また、入力パラメータとして、電池の容量と電圧の組、を用いることができる。電池の容量は例えば、電池の電流と時間の積で求められる。クーロンカウンタＣＣを用いて電池の容量を求めてもよい。
【0210】
また入力パラメータとして、電池のＳＯＣを用いてもよい。電池のＳＯＣは例えば、電池の充電容量の絶対値から、放電容量の絶対値を差し引いた値を求め、満充電容量に対する比率として表される。あるいは電池のＳＯＣを、電池の電圧から推測して求めてもよい。
【0211】
電池の充電及び放電では一般的に、電流値の大きさに依存して電圧が変化する。例えば、電池の抵抗による電圧降下が電流値の大きさにより変化する。よって、電流値の大きさと電圧との関係から、電池の抵抗を算出できる場合がある。このように算出される抵抗値を入力パラメータとして用いてもよい。
【0212】
また入力パラメータとして、電池の開路電圧（ＯＣＶ：ｏｐｅｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ｖｏｌｔａｇｅ、開放電圧と呼ぶ場合がある）を用いてもよい。電池の開路電圧とは例えば、電池に電流を流さない状態における電池の両端の電位差である。ここで電池に電流を流さない状態とは例えば、電池に負荷を与えない状態、及び電池に充電回路が電気的に接続されない状態を指す。開路電圧と、電池に顕著な電流が流れる状態における電圧と、を比較することにより例えば、電池の抵抗を算出できる場合がある。
【0213】
本発明の一態様のバッテリーモジュールは、あらかじめ学習されたニューラルネットワークを備える制御装置を有し、バッテリーユニット毎に電池の電圧、電流、温度、またはその他の測定値が無線通信により制御装置に入力される。バッテリーモジュールは、ニューラルネットワークにその情報を入力し、推論を実行することにより、特性異常とみなす電池を特定することができる。または、推論を実行することにより、バッテリーユニット毎に、最適な充放電の制御を実行することができる。
【0214】
以下では、本発明の一態様のバッテリーモジュールに用いることのできるニューラルネットワーク、及び積和演算回路の構成例について、図面を参照して説明する。
【0215】
図１３（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又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。
【0216】
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又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。
【0217】
図１３（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。
【0218】
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。積和演算回路にアナログ回路を用いる場合、積和演算回路の回路規模の縮小、又は、メモリへのアクセス回数の減少による処理速度の向上及び消費電力の低減を図ることができる。
【0219】
積和演算回路は、チャネル形成領域にシリコン（単結晶シリコンなど）を含むトランジスタ（以下、Ｓｉトランジスタともいう）によって構成してもよいし、チャネル形成領域に酸化物半導体を含むトランジスタ（以下、ＯＳトランジスタともいう）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。
【0220】
＜半導体装置の構成例＞
図１４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のデータ及び第２のデータはそれぞれ、アナログデータ又は多値のデジタルデータ（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。
図１４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のデータ及び第２のデータはそれぞれ、アナログデータ又は多値のデジタルデータ（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。
【0221】
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、及び活性化関数回路ＡＣＴＶを有する。
【0222】
セルアレイＣＡは、複数のメモリセルＭＣ及び複数のメモリセルＭＣｒｅｆを有する。図１４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又は多値のデジタルデータとすることができる。
【0223】
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］、及び配線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。
【0224】
メモリセルＭＣ及びメモリセルＭＣｒｅｆの具体的な構成例を、図１５に示す。図１５には代表例としてメモリセルＭＣ［１，１］、［２，１］及びメモリセルＭＣｒｅｆ［１］、［２］を示しているが、他のメモリセルＭＣ及びメモリセルＭＣｒｅｆにも同様の構成を用いることができる。メモリセルＭＣ及びメモリセル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及びトランジスタ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。
【0225】
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、ソース又はドレインの一方はトランジスタＴｒ１２のゲート、及び容量素子Ｃ１１の第１の電極と接続され、ソース又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のソース又はドレインの一方は配線ＢＬと接続され、ソース又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（接地電位など）が供給される場合について説明する。
【0226】
トランジスタＴｒ１１のソース又はドレインの一方、トランジスタＴｒ１２のゲート、及び容量素子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。
【0227】
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のソース又はドレインの一方、トランジスタＴｒ１２のゲート、及び容量素子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。
【0228】
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。
【0229】
トランジスタＴｒ１１は、ノードＮＭ又はノード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又はノード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又はノード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。
【0230】
トランジスタＴｒ１２は特に限定されず、例えばＳｉトランジスタ又はＯＳトランジスタなど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。
【0231】
電流源回路ＣＳは、配線ＢＬ［１］乃至［ｎ］及び配線ＢＬｒｅｆと接続されている。電流源回路ＣＳは、配線ＢＬ［１］乃至［ｎ］及び配線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。
【0232】
カレントミラー回路ＣＭは、配線ＩＬ［１］乃至［ｎ］及び配線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。
【0233】
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１４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。
【0234】
回路ＷＤＤは、配線ＷＤ［１］乃至［ｎ］及び配線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又はメモリセル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。
【0235】
オフセット回路ＯＦＳＴは、配線ＢＬ［１］乃至［ｎ］及び配線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、及び／又は、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。
【0236】
オフセット回路ＯＦＳＴの構成例を図１６に示す。図１６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、及び抵抗素子Ｒ１を有する。各素子の接続関係は図１６に示す通りである。なお、容量素子Ｃ２１の第１の電極及び抵抗素子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のソース又はドレインの一方、及びトランジスタＴｒ２２のゲートと接続されたノードを、ノードＮｂとする。
【0237】
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、及び配線ＶｂＬによって、ソースフォロワ回路が構成される。
【0238】
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。
【0239】
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。
【0240】
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、及び電位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。
【0241】
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、及び／又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。
【0242】
活性化関数回路ＡＣＴＶは、配線ＯＬ［１］乃至［ｎ］、及び、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、しきい値関数など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。
【0243】
＜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。
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。
【0244】
図１７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１７には、図１５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］、及び配線ＲＷ［２］の電位の推移と、電流ＩＢ［１］－Ｉα［１］、及び電流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。
【0245】
なお、ここでは代表例として図１５に示すメモリセルＭＣ［１，１］、［２，１］及びメモリセルＭＣｒｅｆ［１］、［２］に着目して動作を説明するが、他のメモリセルＭＣ及びメモリセルＭＣｒｅｆも同様に動作させることができる。
【0246】
［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］、及び配線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］及びメモリセル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。
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］、及び配線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］及びメモリセル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。
【0247】
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、及びゲート絶縁膜の容量など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。
【0248】
ＩＭＣ［１，１］，０＝ｋ（ＶＰＲ－ＶＷ［１，１］－Ｖｔｈ）２ （Ｅ１）
【0249】
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。
【0250】
ＩＭＣｒｅｆ［１］，０＝ｋ（ＶＰＲ－Ｖｔｈ）２ （Ｅ２）
【0251】
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］及びメモリセル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］及びノードＮＭｒｅｆ［１］の電位が保持される。
【0252】
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］及びノードＮＭｒｅｆ［１］の電位を正確に保持することができる。
【0253】
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］及びメモリセル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［２，１］の電位がＶＰＲ－ＶＷ［２，１］、ノードＮＭｒｅｆ［２］の電位がＶＰＲとなる。
【0254】
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。
【0255】
ＩＭＣ［２，１］，０＝ｋ（ＶＰＲ－ＶＷ［２，１］－Ｖｔｈ）２ （Ｅ３）
【0256】
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。
【0257】
ＩＭＣｒｅｆ［２］，０＝ｋ（ＶＰＲ－Ｖｔｈ）２ （Ｅ４）
【0258】
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］及びメモリセル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］及びノードＮＭｒｅｆ［２］の電位が保持される。
【0259】
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。
【0260】
ここで、時刻Ｔ０４－Ｔ０５において、配線ＢＬ［１］及び配線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。
【0261】
ＩＣｒｅｆ－ＩＣＭ，０＝ＩＭＣｒｅｆ［１］，０＋ＩＭＣｒｅｆ［２］，０ （Ｅ５）
【0262】
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。
【0263】
ＩＣ－ＩＣＭ，０＝ＩＭＣ［１，１］，０＋ＩＭＣ［２，１］，０＋Ｉα，０ （Ｅ６）
【0264】
［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］、及びメモリセル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］及びメモリセルＭＣｒｅｆ［１］に供給される第２のデータに対応する電位である。
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］、及びメモリセル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］及びメモリセルＭＣｒｅｆ［１］に供給される第２のデータに対応する電位である。
【0265】
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、及び寄生容量など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。
【0266】
メモリセルＭＣ［１，１］及びメモリセルＭＣｒｅｆ［１］の容量素子Ｃ１１に電位ＶＸ［１］が供給されると、ノードＮＭ［１，１］及びノードＮＭｒｅｆ［１］の電位がそれぞれＶＸ［１］上昇する。
【0267】
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。
【0268】
ＩＭＣ［１，１］，１＝ｋ（ＶＰＲ－ＶＷ［１，１］＋ＶＸ［１］－Ｖｔｈ）２ （Ｅ７）
【0269】
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。
【0270】
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。
【0271】
ＩＭＣｒｅｆ［１］，１＝ｋ（ＶＰＲ＋ＶＸ［１］－Ｖｔｈ）２ （Ｅ８）
【0272】
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。
【0273】
また、配線ＢＬ［１］及び配線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。
【0274】
ＩＣｒｅｆ－ＩＣＭ，１＝ＩＭＣｒｅｆ［１］，１＋ＩＭＣｒｅｆ［２］，１ （Ｅ９）
【0275】
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。
【0276】
ＩＣ－ＩＣＭ，１＝ＩＭＣ［１，１］，１＋ＩＭＣ［２，１］，１＋Ｉα，１ （Ｅ１０）
【0277】
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。
【0278】
ΔＩα＝Ｉα，１－Ｉα，０＝２ｋＶＷ［１，１］ＶＸ［１］ （Ｅ１１）
【0279】
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。
【0280】
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］及びノードＮＭｒｅｆ［１］の電位は時刻Ｔ０４－Ｔ０５と同様になる。
【0281】
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］大きい電位となる。これにより、メモリセルＭＣ［１，１］、及びメモリセル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］及びノード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］、及びメモリセル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］及びノードＮＭｒｅｆ［２］の電位がそれぞれＶＸ［２］上昇する。
【0282】
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。
【0283】
ＩＭＣ［２，１］，１＝ｋ（ＶＰＲ－ＶＷ［２，１］＋ＶＸ［２］－Ｖｔｈ）２ （Ｅ１２）
【0284】
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。
【0285】
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。
【0286】
ＩＭＣｒｅｆ［２］，１＝ｋ（ＶＰＲ＋ＶＸ［２］－Ｖｔｈ）２ （Ｅ１３）
【0287】
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。
【0288】
また、配線ＢＬ［１］及び配線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。
【0289】
ＩＣｒｅｆ－ＩＣＭ，２＝ＩＭＣｒｅｆ［１］，１＋ＩＭＣｒｅｆ［２］，１ （Ｅ１４）
【0290】
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。
【0291】
ＩＣ－ＩＣＭ，２＝ＩＭＣ［１，１］，１＋ＩＭＣ［２，１］，１＋Ｉα，２ （Ｅ１５）
【0292】
そして、式（Ｅ１）乃至式（Ｅ８）、及び、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。
【0293】
ΔＩα＝Ｉα，２－Ｉα，０＝２ｋ（ＶＷ［１，１］ＶＸ［１］＋ＶＷ［２，１］ＶＸ［２］） （Ｅ１６）
【0294】
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。
【0295】
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］及びノードＮＭｒｅｆ［１］、［２］の電位は時刻Ｔ０４－Ｔ０５と同様になる。
【0296】
式（Ｅ９）及び式（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。
【0297】
なお、上記では特にメモリセルＭＣ［１，１］、［２，１］及びメモリセルＭＣｒｅｆ［１］、［２］に着目したが、メモリセルＭＣ及びメモリセルＭＣｒｅｆの数は任意に設定することができる。メモリセルＭＣ及びメモリセル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。
【0298】
ΔＩα＝２ｋΣｉＶＷ［ｉ，１］ＶＸ［ｉ］ （Ｅ１７）
【0299】
また、メモリセルＭＣ及びメモリセル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。
【0300】
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及びメモリセルＭＣｒｅｆとして図１５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。
【0301】
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１３（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。
【0302】
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）などに用いることもできる。
【0303】
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１５に示すメモリセルＭＣ及びメモリセルＭＣｒｅｆを用いることにより、演算精度の向上、消費電力の削減、又は回路規模の縮小を図ることが可能な集積回路を提供することができる。
【0304】
本実施の形態は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。
【0305】
（実施の形態３）
本実施の形態では、車両に本発明の一態様であるバッテリーモジュールを搭載する例を示す。車両として例えば自動車、二輪車、自転車、等が挙げられる。
本実施の形態では、車両に本発明の一態様であるバッテリーモジュールを搭載する例を示す。車両として例えば自動車、二輪車、自転車、等が挙げられる。
【0306】
バッテリーモジュールを車両に搭載すると、ハイブリッド車（ＨＥＶ）、電気自動車（ＥＶ）、又はプラグインハイブリッド車（ＰＨＥＶ）等の次世代クリーンエネルギー自動車を実現できる。
【0307】
図１８において、本発明の一態様であるバッテリーモジュールを用いた車両を例示する。図１８（Ａ）に示す自動車８４００は、走行のための動力源として電気モーターを用いる電気自動車である。または、走行のための動力源として電気モーターとエンジンを適宜選択して用いることが可能なハイブリッド自動車である。本発明の一態様を用いることで、航続距離の長い車両を実現することができる。自動車８４００はバッテリーモジュールを有する。バッテリーモジュールは電気モーター８４０６を駆動するだけでなく、ヘッドライト８４０１やルームライト（図示せず）などの発光装置に電力を供給することができる。
【0308】
また、バッテリーモジュールは、自動車８４００が有するスピードメーター、タコメーターなどの表示装置に電力を供給することができる。また、バッテリーモジュールは、自動車８４００が有するナビゲーションシステムなどに電力を供給することができる。
【0309】
図１８（Ｂ）に示す自動車８５００は、自動車８５００が有するバッテリーモジュールにプラグイン方式や非接触給電方式等により外部の充電設備から電力供給を受けて、充電することができる。図１８（Ｂ）に、地上設置型の充電装置８０２１から自動車８５００に搭載されたバッテリーモジュール８０２４に、ケーブル８０２２を介して充電を行っている状態を示す。充電に際しては、充電方法やコネクターの規格等はＣＨＡｄｅＭＯ（登録商標）やコンボ等の所定の方式で適宜行えばよい。充電装置８０２１は、商用施設に設けられた充電ステーションでもよく、また家庭の電源であってもよい。例えば、プラグイン技術によって、外部からの電力供給により自動車８５００に搭載されたバッテリーモジュール８０２４を充電することができる。充電は、ＡＣＤＣコンバータ等の変換装置を介して、交流電力を直流電力に変換して行うことができる。
【0310】
また、図示しないが、受電装置を車両に搭載し、地上の送電装置から電力を非接触で供給して充電することもできる。この非接触給電方式の場合には、道路や外壁に送電装置を組み込むことで、停車中に限らず走行中に充電を行うこともできる。また、この非接触給電の方式を利用して、車両同士で電力の送受信を行ってもよい。さらに、車両の外装部に太陽電池を設け、停車時や走行時にバッテリーモジュールの充電を行ってもよい。このような非接触での電力の供給には、電磁誘導方式や磁界共鳴方式を用いることができる。
【0311】
また、図１８（Ｃ）は、本発明の一態様のバッテリーモジュールを用いた二輪車の一例である。図１８（Ｃ）に示すスクータ８６００は、バッテリーモジュール８６０２、サイドミラー８６０１、方向指示灯８６０３を備える。バッテリーモジュール８６０２は、方向指示灯８６０３に電気を供給することができる。
【0312】
また、図１８（Ｃ）に示すスクータ８６００は、座席下収納８６０４に、バッテリーモジュール８６０２を収納することができる。バッテリーモジュール８６０２は、座席下収納８６０４が小型であっても、座席下収納８６０４に収納することができる。
【0313】
【0314】
電動自転車８７００は、電池パック８７０２を備える。電池パック８７０２は、運転者をアシストするモーターに電気を供給することができる。また、電池パック８７０２は、持ち運びができ、図１９（Ｂ）に自転車から取り外した状態を示している。また、電池パック８７０２は、本発明の一態様のバッテリーモジュールが有する蓄電池８７０１が複数内蔵されており、そのバッテリー残量などを表示部８７０３で表示できるようにしている。また電池パック８７０２に、保護回路、ニューラルネットワーク、等が搭載されることが好ましい。
【0315】
【0316】
電動二輪車８７１０は、蓄電池８７１１、表示部８７１２、ハンドル８７１３を備える。蓄電池８７１１は、動力となるモーターに電気を供給することができる。表示部８７１２は、蓄電池８７１１の残量、電動二輪車８７１０の速度、水平状態等を表示することができる。蓄電池８７１１には、保護回路、ニューラルネットワーク、等が付属していることが好ましい。
【0317】
本実施の形態は、他の実施の形態の記載と適宜組み合わせることができる。
【0318】
（実施の形態４）
本実施の形態では、先の実施の形態で示したバッテリーモジュールを電子機器に実装する例を説明する。
本実施の形態では、先の実施の形態で示したバッテリーモジュールを電子機器に実装する例を説明する。
【0319】
図２０（Ａ）および図２０（Ｂ）に、２つ折り可能なタブレット型端末の一例を示す。図２０（Ａ）および図２０（Ｂ）に示すタブレット型端末９６００は、筐体９６３０ａ、筐体９６３０ｂ、筐体９６３０ａと筐体９６３０ｂを接続する可動部９６４０、表示部９６３１、表示モード切り替えスイッチ９６２６、電源スイッチ９６２７、省電力モード切り替えスイッチ９６２５、留め具９６２９、操作スイッチ９６２８、を有する。表示部９６３１には、可撓性を有するパネルを用いることで、より広い表示部を有するタブレット端末とすることができる。図２０（Ａ）は、タブレット型端末９６００を開いた状態を示し、図２０（Ｂ）は、タブレット型端末９６００を閉じた状態を示している。
【0320】
また、タブレット型端末９６００は、筐体９６３０ａおよび筐体９６３０ｂの内部に蓄電体９６３５を有する。蓄電体９６３５は、可動部９６４０を通り、筐体９６３０ａと筐体９６３０ｂに渡って設けられている。
【0321】
表示部９６３１は、一部をタッチパネルの領域とすることができ、表示された操作キーにふれることでデータ入力をすることができる。また、タッチパネルのキーボード表示切り替えボタンが表示されている位置に指やスタイラスなどでふれることで表示部９６３１にキーボードボタン表示することができる。
【0322】
また、表示モード切り替えスイッチ９６２６は、縦表示又は横表示などの表示の向きを切り替え、白黒表示やカラー表示の切り替えなどを選択できる。省電力モード切り替えスイッチ９６２５は、タブレット型端末９６００に内蔵している光センサで検出される使用時の外光の光量に応じて表示の輝度を最適なものとすることができる。タブレット型端末は光センサだけでなく、ジャイロ、加速度センサ等の傾きを検出するセンサなどの他の検出装置を内蔵させてもよい。
【0323】
図２０（Ｂ）は、閉じた状態であり、タブレット型端末は、筐体９６３０、太陽電池９６３３、ＤＣＤＣコンバータ９６３６を含む充放電制御回路９６３４を有する。また、蓄電体９６３５として、本発明の一態様に係るバッテリーモジュールを用いることができる。
【0324】
先の実施の形態に示す通り、本発明の一態様のバッテリーモジュールは蓄電池と、保護回路と、制御回路と、ニューラルネットワークと、を有することが好ましい。ここで、本発明の一態様のバッテリーモジュールが有する制御回路、ニューラルネットワーク、保護回路、等の集積回路は例えば、表示部９６３１を制御する回路、例えば駆動回路等、と共にＩＣチップ上に設けられてもよい。あるいは、充放電制御回路９６３４と共にＩＣチップ上に設けられてもよい。
【0325】
なお、タブレット型端末９６００は２つ折り可能なため、未使用時に筐体９６３０ａおよび筐体９６３０ｂを重ね合せるように折りたたむことができる。折りたたむことにより、表示部９６３１を保護できるため、タブレット型端末９６００の耐久性を高めることができる。
【0326】
また、この他にも図２０（Ａ）および図２０（Ｂ）に示したタブレット型端末は、様々な情報（静止画、動画、テキスト画像など）を表示する機能、カレンダー、日付又は時刻などを表示部に表示する機能、表示部に表示した情報をタッチ入力操作又は編集するタッチ入力機能、様々なソフトウェア（プログラム）によって処理を制御する機能、等を有することができる。
【0327】
タブレット型端末の表面に装着された太陽電池９６３３によって、電力をタッチパネル、表示部、又は映像信号処理部等に供給することができる。なお、太陽電池９６３３は、筐体９６３０の片面又は両面に設けることができ、蓄電体９６３５の充電を効率的に行う構成とすることができる。
【0328】
また、図２０（Ｂ）に示す充放電制御回路９６３４の構成、および動作について図２０（Ｃ）にブロック図を示し説明する。図２０（Ｃ）には、太陽電池９６３３、蓄電体９６３５、ＤＣＤＣコンバータ９６３６、コンバータ９６３７、スイッチＳＷ１乃至ＳＷ３、表示部９６３１について示しており、蓄電体９６３５、ＤＣＤＣコンバータ９６３６、コンバータ９６３７、スイッチＳＷ１乃至ＳＷ３が、図２０（Ｂ）に示す充放電制御回路９６３４に対応する箇所となる。
【0329】
まず外光により太陽電池９６３３により発電がされる場合の動作の例について説明する。太陽電池で発電した電力は、蓄電体９６３５を充電するための電圧となるようＤＣＤＣコンバータ９６３６で昇圧又は降圧がなされる。そして、表示部９６３１の動作に太陽電池９６３３からの電力が用いられる際にはスイッチＳＷ１をオンにし、コンバータ９６３７で表示部９６３１に必要な電圧に昇圧又は降圧をすることとなる。また、表示部９６３１での表示を行わない際には、ＳＷ１をオフにし、ＳＷ２をオンにして蓄電体９６３５の充電を行う構成とすればよい。
【0330】
なお太陽電池９６３３については、発電手段の一例として示したが、特に限定されず、圧電素子（ピエゾ素子）や熱電変換素子（ペルティエ素子）などの他の発電手段による蓄電体９６３５の充電を行う構成であってもよい。例えば、無線（非接触）で電力を送受信して充電する無接点電力伝送モジュールや、また他の充電手段を組み合わせて行う構成としてもよい。
【0331】
図２１（Ａ），（Ｂ）に、他のバッテリーモジュールおよび電子機器の例を示す。図２１（Ａ）に、本発明の一態様であるバッテリーモジュール８３００と、ソーラーパネル８２３０を有する住宅の例を示す。住宅には、地上設置型の充電装置８２４０が備えられているとより好ましい。またバッテリーモジュール８３００は、保護回路と、制御回路と、ニューラルネットワークと、を有していることが好ましい。
【0332】
バッテリーモジュール８３００と、ソーラーパネル８２３０と、充電装置８２４０は配線８２３１等を介して電気的に接続されている。ソーラーパネル８２３０で得た電力は、バッテリーモジュール８３００に充電することができる。バッテリーモジュール８３００に蓄えられた電力は、自動車８２５０が有する蓄電池８２５１に充電することができる。なお自動車８２５０は電気自動車またはプラグインハイブリッド自動車である。
【0333】
バッテリーモジュール８３００に蓄えられた電力は、他の電子機器にも電力を供給することができる。たとえば図２１（Ｂ）に示すように、バッテリーモジュール８３００と据え付け型の照明装置８１００を電気的に接続し、照明装置８１００に電力を供給することができる。照明装置８１００は、筐体８１０１、光源８１０２、制御回路８１０３等を有する。照明装置８１００は、商用電源から電力の供給を受けることもできるし、バッテリーモジュール８３００に蓄積された電力を用いることもできる。よって、停電などにより商用電源から電力の供給が受けられない時でも、本発明の一態様に係るバッテリーモジュール８３００と無停電電源として用いることで、照明装置８１００の利用が可能となる。
【0334】
なお、図２１（Ｂ）では天井８１０４に設けられた据え付け型の照明装置８１００を例示しているが、本発明の一態様に係るバッテリーモジュール８３００は、天井８１０４以外、例えば側壁、床、窓等に設けられた据え付け型の照明装置に電力を供給してもよいし、卓上型の照明装置などに電力を供給してもよい。
【0335】
また、光源８１０２には、電力を利用して人工的に光を得る人工光源を用いることができる。具体的には、白熱電球、蛍光灯などの放電ランプ、ＬＥＤや有機ＥＬ素子などの発光素子が、上記人工光源の一例として挙げられる。
【0336】
同様に、バッテリーモジュール８３００は表示装置８０００に電力を供給することができる。表示装置８０００は、筐体８００１、表示部８００２、スピーカ部８００３、制御回路８００４等を有する。表示装置８０００は、商用電源から電力の供給を受けることもできるし、バッテリーモジュール８３００に蓄積された電力を用いることもできる。表示部８００２には、液晶表示装置、有機ＥＬ素子などの発光素子を各画素に備えた発光装置、電気泳動表示装置、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）、ＰＤＰ（Ｐｌａｓｍａ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｐａｎｅｌ）、ＦＥＤ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙ）などの、表示装置を用いることができる。
【0337】
なお、表示装置には、ＴＶ放送受信用の他、パーソナルコンピュータ用、広告表示用など、全ての情報表示用表示装置が含まれる。
【0338】
同様に、バッテリーモジュール８３００は室内機８２００及び室外機８２０４を有するエアコンディショナーに電力を供給することができる。室内機８２００は、筐体８２０１、送風口８２０２、制御回路８２０３等を有する。エアコンディショナーは、商用電源から電力の供給を受けることもできるし、バッテリーモジュール８３００に蓄積された電力を用いることもできる。
【0339】
なお、図２１（Ｂ）では、室内機と室外機で構成されるセパレート型のエアコンディショナーを例示しているが、室内機の機能と室外機の機能とを１つの筐体に有する一体型のエアコンディショナーに、本発明の一態様に係るバッテリーモジュールから電力を供給してもよい。
【0340】
また、バッテリーモジュール８３００は充電装置８３０１を有していることが好ましい。充電装置８３０１を有すると、バッテリーモジュール８３００から各種電子機器に充電を行うことができる。充電装置８３０１は、有線充電用であってもよいし、無線充電（非接触充電、ワイヤレス電力伝送ともいう）用の充電装置であってもよい。バッテリーモジュール８３００が無線充電用の充電装置を有すると、無線充電システムを搭載したスマートフォン８３０２等を充電することができる。
【0341】
本発明の一態様のバッテリーモジュールを電子機器に実装する例を図２２（Ａ）乃至（Ｆ）に示す。本発明の一態様のバッテリーモジュールを適用した電子機器として、例えば、テレビジョン装置（テレビ、又はテレビジョン受信機ともいう）、コンピュータ用などのモニタ、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、デジタルフォトフレーム、携帯電話機（携帯電話、携帯電話装置ともいう）、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置、パチンコ機などの大型ゲーム機などが挙げられる。
【0342】
図２２（Ａ）は、携帯電話機の一例を示している。携帯電話機７４００は、筐体７４０１に組み込まれた表示部７４０２の他、操作ボタン７４０３、外部接続ポート７４０４、スピーカ７４０５、マイク７４０６などを備えている。なお、携帯電話機７４００は、本発明の一態様のバッテリーモジュールを有する。本発明の一態様のバッテリーモジュールは例えば、蓄電池７４０７と、保護回路と、制御回路と、ニューラルネットワークと、を有している。
【0343】
図２２（Ｂ）は、携帯電話機７４００を湾曲させた状態を示している。携帯電話機７４００を外部の力により変形させて全体を湾曲させると、その内部に設けられている蓄電池７４０７も湾曲される場合がある。このような場合には、蓄電池７４０７として、可撓性を有する蓄電池を用いることが好ましい。可撓性を有する蓄電池の曲げられた状態を図２２（Ｃ）に示す。
【0344】
また、フレキシブルな形状を備える蓄電池を、家屋やビルの内壁または外壁や、自動車の内装または外装の曲面に沿って組み込むことも可能である。
【0345】
図２２（Ｄ）は、バングル型の表示装置の一例を示している。携帯表示装置７１００は、筐体７１０１、表示部７１０２、操作ボタン７１０３、及び本発明の一態様のバッテリーモジュールを有する。本発明の一態様のバッテリーモジュールは例えば、蓄電池７１０４と、保護回路と、制御回路と、ニューラルネットワークと、を有する。
【0346】
図２２（Ｅ）は、腕時計型の携帯情報端末の一例を示している。携帯情報端末７２００は、筐体７２０１、表示部７２０２、バンド７２０３、バックル７２０４、操作ボタン７２０５、入出力端子７２０６などを備える。
【0347】
携帯情報端末７２００は、移動電話、電子メール、文章閲覧及び作成、音楽再生、インターネット通信、コンピュータゲームなどの種々のアプリケーションを実行することができる。
【0348】
表示部７２０２はその表示面が湾曲して設けられ、湾曲した表示面に沿って表示を行うことができる。また、表示部７２０２はタッチセンサを備え、指やスタイラスなどで画面に触れることで操作することができる。例えば、表示部７２０２に表示されたアイコン７２０７に触れることで、アプリケーションを起動することができる。
【0349】
操作ボタン７２０５は、時刻設定のほか、電源のオン、オフ動作、無線通信のオン、オフ動作、マナーモードの実行及び解除、省電力モードの実行及び解除など、様々な機能を持たせることができる。例えば、携帯情報端末７２００に組み込まれたオペレーティングシステムにより、操作ボタン７２０５の機能を自由に設定することもできる。
【0350】
また、携帯情報端末７２００は、通信規格された近距離無線通信を実行することが可能である。例えば無線通信可能なヘッドセットと相互通信することによって、ハンズフリーで通話することもできる。
【0351】
また、携帯情報端末７２００は入出力端子７２０６を備え、他の情報端末とコネクターを介して直接データのやりとりを行うことができる。また入出力端子７２０６を介して充電を行うこともできる。なお、充電動作は入出力端子７２０６を介さずに無線給電により行ってもよい。
【0352】
携帯情報端末７２００は、本発明の一態様のバッテリーモジュールを有する。
【0353】
携帯情報端末７２００はセンサを有することが好ましい。センサとして例えば、指紋センサ、脈拍センサ、体温センサ等の人体センサや、タッチセンサ、加圧センサ、加速度センサ、等が搭載されることが好ましい。
【0354】
図２２（Ｆ）は、複数のローター７３０２を有する無人航空機７３００である。無人航空機７３００は、本発明の一態様である蓄電池システム７３０１と、カメラ７３０３と、アンテナ（図示しない）を有する。無人航空機７３００はアンテナを介して遠隔操作することができる。
【0355】
本実施の形態は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。
【符号の説明】
【0356】
１０：半導体装置、１０ａ～ｄ：半導体装置、１１：基板、１２：素子層、１３ａ～ｂ：端子、１４：アンテナ、１５：接続部、１６：保護層、１７：基板、２０：バッテリーユニット、２０ａ～ｂ：バッテリーユニット、２０ｐ：バッテリーユニット、２０Ｍ：バッテリーモジュール、２１ａ～ｂ：外装体、２２：プリント基板、２３：ＩＣ、２４：アンテナ、２５：コネクタ配線、２６：導電部材、２６ｎ：導電部材、２６ｐ：導電部材、２７ｎ：配線、２７ｐ：配線、３０：電池、３０ａ～ｄ：電池、３１ｎ：負極端子、３１ｐ：正極端子、３３：リード、３４：導電部材、３５：外装体、３６ｎ：接続端子、３６ｐ：接続端子、４０：制御装置、４１：制御部、４２：無線通信部、４３：アンテナ、５０：回路、５１：電圧検知回路、５２：電流検知回路、５３：温度センサ、５４：バランス回路、５５ａ～ｃ：Ａ－Ｄ変換回路、６０：回路、６１：制御部、６２：無線通信部、６３：アンテナ、７１：支持基板、７２：剥離層、８０ａ～ｂ：トランジスタ、８１：半導体層、８２：絶縁層、８３：導電層、８４ａ～ｃ：導電層、８５：導電層、８５ａ：導電層、８５ｆ：導電膜、８６：絶縁層、８８：導電層、８９：導電層、９０～９３：絶縁層
【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】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】