特開 2023-181187 電池パック

(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】P2023181187

(43)【公開日】2023-12-21

(54)【発明の名称】電池パック

(51)【国際特許分類】

   H01L 29/786 20060101AFI20231214BHJP

   H10B 12/00 20230101ALI20231214BHJP

   H10B 41/70 20230101ALI20231214BHJP

   H02J 7/00 20060101ALI20231214BHJP

   G01R 19/165 20060101ALI20231214BHJP

【ＦＩ】

H01L29/78 614

H01L29/78 613B

H01L29/78 618B

H10B12/00 671Z

H10B12/00 801

H10B41/70

H02J7/00 N

G01R19/165 M

G01R19/165 L

【審査請求】有

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023171942

(22)【出願日】2023-10-03

(62)【分割の表示】P 2021508347の分割

【原出願日】2020-03-16

(31)【優先権主張番号】P 2019058624

(32)【優先日】2019-03-26

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(31)【優先権主張番号】P 2019070596

(32)【優先日】2019-04-02

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(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】池田 隆之

(72)【発明者】

【氏名】青木 健

(72)【発明者】

【氏名】上妻 宗広

(72)【発明者】

【氏名】高橋 圭

(72)【発明者】

【氏名】山崎 舜平

(57)【要約】

【課題】消費電力が低減された半導体装置を提供する。
【解決手段】３つのトランジスタで２つのノードの電位を切り替えて電圧を検知する。第１トランジスタのソースまたはドレインの一方は、第１端子と電気的に接続され、第１トランジスタのソースまたはドレインの他方は、第１ノードを介してコンパレータの非反転入力と電気的に接続され、第２トランジスタのソースまたはドレインの一方は、第２端子と電気的に接続され、第２トランジスタのソースまたはドレインの他方は、第２ノードを介して第３トランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、第３トランジスタのソースまたはドレインの他方は、第３端子と電気的に接続され、第１容量素子は、第１ノードと第２ノードの間に設けられ、コンパレータの反転入力は第４端子と電気的に接続され、コンパレータの出力は第５端子と電気的に接続される。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体装置と、二次電池と、を有し、
前記半導体装置は、第１トランジスタと、第２トランジスタと、第３トランジスタと、第１容量素子と、コンパレータと、を有し、
前記第１トランジスタのソースまたはドレインの一方は、第１端子と電気的に接続され、
前記第１トランジスタのソースまたはドレインの他方は、前記コンパレータの非反転入力と電気的に接続され、
前記第２トランジスタのソースまたはドレインの一方は、第２端子と電気的に接続され、
前記第２トランジスタのソースまたはドレインの他方は、前記第３トランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、
前記第３トランジスタのソースまたはドレインの他方は、第３端子と電気的に接続され、
前記第１容量素子は、前記第１トランジスタのソースまたはドレインの他方と、前記第３トランジスタのソースまたはドレインの一方の間に設けられ、
前記コンパレータの反転入力は、第４端子と電気的に接続され、
前記コンパレータの出力は、第５端子と電気的に接続され、
前記二次電池の負極は前記第１端子と電気的に接続され、
前記二次電池の正極は前記第３端子と電気的に接続され、
前記第１トランジスタ乃至前記第３トランジスタはそれぞれ、酸化物半導体にチャネルが形成される、電池パック。

【請求項2】

請求項１において、前記第１トランジスタと、前記第２トランジスタと、前記第３トランジスタと、前記第１容量素子と、前記コンパレータとは可撓性基板上に設けられた、電池パック。

【請求項3】

半導体装置と、二次電池と、を有し、
前記半導体装置は、第１トランジスタと、第２トランジスタと、第３トランジスタと、第４トランジスタと、第５トランジスタと、第６トランジスタと、第１容量素子と、第２容量素子と、コンパレータと、を有し、
前記第１トランジスタのソースまたはドレインの一方は、第１端子と電気的に接続され、
前記第１トランジスタのソースまたはドレインの他方は、前記第６トランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、
前記第２トランジスタのソースまたはドレインの一方は、第２端子と電気的に接続され、
前記第２トランジスタのソースまたはドレインの他方は、前記第３トランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、
前記第３トランジスタのソースまたはドレインの他方は、第３端子と電気的に接続され、
前記第４トランジスタのソースまたはドレインの一方は、前記第１端子と電気的に接続され、
前記第４トランジスタのソースまたはドレインの他方は、前記コンパレータの非反転入力と電気的に接続され、
前記第５トランジスタのソースまたはドレインの一方は、前記第２端子と電気的に接続され、
前記第５トランジスタのソースまたはドレインの他方は、前記第６トランジスタのソースまたはドレインの他方と電気的に接続され、
前記第１容量素子は、前記第１トランジスタのソースまたはドレインの他方と、前記第３トランジスタのソースまたはドレインの一方の間に設けられ、
前記第２容量素子は、前記第４トランジスタのソースまたはドレインの他方と、前記第５トランジスタのソースまたはドレインの他方の間に設けられ、
前記コンパレータの反転入力は、第４端子と電気的に接続され、
前記コンパレータの出力は、第５端子と電気的に接続され、
前記二次電池の負極は前記第１端子と電気的に接続され、
前記二次電池の正極は前記第３端子と電気的に接続され、
前記第１トランジスタ乃至前記第６トランジスタはそれぞれ、酸化物半導体にチャネルが形成される、電池パック。

【請求項4】

請求項３において、前記第１トランジスタと、前記第２トランジスタと、前記第３トランジスタと、前記第４トランジスタと、前記第５トランジスタと、前記第６トランジスタと、前記第１容量素子と、前記第２容量素子と、前記コンパレータとは可撓性基板上に設けられた、電池パック。

【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、電池パック、および電子機器に関する。

【0002】

なお本発明の一態様は、上記の技術分野に限定されない。本明細書等で開示する発明の技術分野は、物、方法、または、製造方法に関するものである。または、本発明の一態様は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、または、組成物（コンポジション・オブ・マター）に関するものである。

【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もの全般を指す。よって、トランジスタやダイオードなどの半導体素子や、半導体素子を含む回路は半導体装置である。また、表示装置、発光装置、照明装置、電気光学装置、および電子機器などは、半導体素子や半導体回路を含む場合がある。よって、表示装置、発光装置、照明装置、電気光学装置、撮像装置、および電子機器なども、半導体装置と呼ばれる場合がある。

【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、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、ゲーム装置、携帯音楽プレーヤ、デジタルカメラ、医療機器、または、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、電動バイクなど、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。

【0005】

蓄電装置は、過放電、過充電、過電流、または短絡といった充放電時の異常を把握するため、通常電池保護回路を備えている。

【0006】

電池保護回路は、充電時または放電時の異常を検知するため、電圧や電流等のデータを取得する。電池保護回路は、観測されるデータに基づいて充電経路または放電経路に設けられるスイッチの開閉を制御し、電池セルの過充電または過放電を保護する（例えば特許文献１を参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】米国特許出願公開第２０１６－１１８８２１号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

本発明の一態様は、消費電力が低減された半導体装置などを提供することを課題の一つとする。または、電圧検出精度の良好な半導体装置などを提供することを課題の一つとする。または、動作の安定した半導体装置などを提供することを課題の一つとする。または、信頼性の良好な半導体装置などを提供することを課題の一つとする。または、生産性が良好な半導体装置などを提供することを課題の一つとする。または、新規な半導体装置などを提供することを課題の一つとする。

【0009】

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。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、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明の一態様は、第１乃至第３スイッチと、第１容量素子と、コンパレータと、を有し、第１スイッチの一方の端子は、第１端子と電気的に接続され、第１スイッチの他方の端子は、コンパレータの非反転入力と電気的に接続され、第２スイッチの一方の端子は、第２端子と電気的に接続され、第２スイッチの他方の端子は、第３スイッチの一方の端子と電気的に接続され、第３スイッチの他方の端子は、第３端子と電気的に接続され、第１容量素子は、第１スイッチの他方の端子と、第３スイッチの一方の端子の間に設けられ、コンパレータの反転入力は、第４端子と電気的に接続され、コンパレータの出力は、第５端子と電気的に接続されている半導体装置である。

【0011】

また、本発明の別の一態様は、第１乃至第３トランジスタと、第１容量素子と、コンパレータと、を有し、第１トランジスタのソースまたはドレインの一方は、第１端子と電気的に接続され、第１トランジスタのソースまたはドレインの他方は、コンパレータの非反転入力と電気的に接続され、第２トランジスタのソースまたはドレインの一方は、第２端子と電気的に接続され、第２トランジスタのソースまたはドレインの他方は、第３トランジスタのソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、第３トランジスタのソースまたはドレインの他方は、第３端子と電気的に接続され、第１容量素子は、第１トランジスタのソースまたはドレインの他方と、第３トランジスタのソースまたはドレインの一方の間に設けられ、コンパレータの反転入力は、第４端子と電気的に接続され、コンパレータの出力は、第５端子と電気的に接続されている半導体装置である。

【0012】

また、第１トランジスタは、半導体層に酸化物半導体を含むことが好ましい。また、第２トランジスタおよび第３トランジスタの少なくとも一方は、半導体層に酸化物半導体を含むことが好ましい。

【0013】

また、本発明の別の一態様は、第１乃至第６スイッチと、第１容量素子と、第２容量素子と、コンパレータと、を有し、第１スイッチの一方の端子は、第１端子と電気的に接続され、第１スイッチの他方の端子は、第６スイッチの一方の端子と電気的に接続され、第２スイッチの一方の端子は、第２端子と電気的に接続され、第２スイッチの他方の端子は、第３スイッチの一方の端子と電気的に接続され、第３スイッチの他方の端子は、第３端子と電気的に接続され、第４スイッチの一方の端子は、第１端子と電気的に接続され、第４スイッチの他方の端子は、コンパレータの非反転入力と電気的に接続され、第５スイッチの一方の端子は、第２端子と電気的に接続され、第５スイッチの他方の端子は、第６スイッチの他方の端子と電気的に接続され、第１容量素子は、第１スイッチの他方の端子と、第３スイッチの一方の端子の間に設けられ、第２容量素子は、第４スイッチの他方の端子と、第５スイッチの他方の端子の間に設けられ、コンパレータの反転入力は、第４端子と電気的に接続され、コンパレータの出力は、第５端子と電気的に接続されている半導体装置である。

【0014】

また、本発明の別の一態様は、可撓性基板に設けられた上記いずれか一の半導体装置と、二次電池と、を有し、二次電池の負極は第１端子と電気的に接続され、二次電池の正極は第３端子と電気的に接続されている電池パックである。

【0015】

また、本発明の別の一態様は、上記電池パックと、受電装置と、を含む電子機器である。

【発明の効果】

【0016】

本発明の一態様によれば、消費電力が低減された半導体装置などを提供することができる。または、電圧検知精度の良好な半導体装置などを提供することができる。または、動作の安定した半導体装置などを提供することができる。または、信頼性の良好な半導体装置などを提供することができる。または、生産性が良好な半導体装置などを提供することができる。または、新規な半導体装置などを提供することができる。

【0017】

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、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、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の効果を抽出することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】図１Ａ、図１Ｂは、半導体装置の構成例を示す図である。

【図2】図２は、半導体装置の動作例を説明するタイミングチャートである。

【図3】図３Ａ、図３Ｂは、半導体装置の動作例を示す図である。

【図4】図４Ａ、図４Ｂは、半導体装置の動作例を示す図である。

【図5】図５Ａ、図５Ｂは、従来の半導体装置の構成例を示す図である。

【図6】図６Ａ乃至図６Ｄは、トランジスタの回路記号を示す図である。

【図7】図７は、半導体装置の構成例を示す図である。

【図8】図８は、半導体装置の構成例を示す図である。

【図9】図９は、半導体装置の構成例を示す図である。

【図10】図１０は半導体装置の動作例を説明するタイミングチャートである。

【図11】図１１は、半導体装置の動作例を示す図である。

【図12】図１２は、半導体装置の動作例を示す図である。

【図13】図１３は、半導体装置の動作例を示す図である。

【図14】図１４は、半導体装置の動作例を示す図である。

【図15】図１５Ａ、図１５Ｂは、半導体装置の構成例を示す図である。

【図16】図１６は、半導体装置の構成例を示す図である。

【図17】図１７は、半導体装置の構成例を示す図である。

【図18】図１８Ａ乃至図１８Ｃは、トランジスタの構成例を示す図である。

【図19】図１９Ａ乃至図１９Ｃは、トランジスタの構成例を示す図である。

【図20】図２０Ａ乃至図２０Ｃは、トランジスタの構成例を示す図である。

【図21】図２１Ａ乃至図２１Ｃは、二次電池の構成例を示す図である。

【図22】図２２Ａ、図２２Ｂは、捲回体および二次電池の構成例を示す図である。

【図23】図２３Ａ乃至図２３Ｃは、電池パックの構成例を示す図である。

【図24】図２４Ａ乃至図２４Ｄは、電池パックの構成例を示す図である。

【図25】図２５Ａ乃至図２５Ｄは、電池パックの構成例を示す図である。

【図26】図２６Ａ、図２６Ｂは、二次電池の構成例を示す図である。

【図27】図２７Ａ、図２７Ｂは、電子機器の一例を示す図である。

【図28】図２８Ａ、図２８Ｂは、電子機器の一例を示す図である。

【図29】図２９は、電子機器の一例を示す図である。

【図30】図３０Ａ乃至図３０Ｄは、回路動作の検証結果を示す図である。

【図31】図３１Ａ乃至図３１Ｄは、回路動作の検証結果を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨およびその範囲から逸脱することなくその形態および詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。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。なお、以下に説明する発明の構成において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する。

【0020】

また、図面等において示す各構成の、位置、大きさ、範囲などは、発明の理解を容易とするため、実際の位置、大きさ、範囲などを表していない場合がある。このため、開示する発明は、必ずしも、図面等に開示された位置、大きさ、範囲などに限定されない。例えば、実際の製造工程において、エッチングなどの処理によりレジストマスクなどが意図せずに目減りすることがあるが、理解を容易とするために図に反映しないことがある。

【0021】

また、上面図（「平面図」ともいう）や斜視図などにおいて、図面をわかりやすくするために、一部の構成要素の記載を省略する場合がある。

【0022】

また、本明細書等において「電極」や「配線」の用語は、これらの構成要素を機能的に限定するものではない。例えば、「電極」は「配線」の一部として用いられることがあり、その逆もまた同様である。さらに、「電極」や「配線」の用語は、複数の「電極」や「配線」が一体となって形成されている場合なども含む。

【0023】

また、本明細書等において、電気回路における「端子」とは、電流の入力または出力、電圧の入力または出力、もしくは、信号の受信または送信が行なわれる部位を言う。よって、配線または電極の一部が端子として機能する場合がある。

【0024】

なお、本明細書等において「上」や「下」の用語は、構成要素の位置関係が直上または直下で、かつ、直接接していることを限定するものではない。例えば、「絶縁層Ａ上の電極Ｂ」の表現であれば、絶縁層Ａの上に電極Ｂが直接接して形成されている必要はなく、絶縁層Ａと電極Ｂとの間に他の構成要素を含むものを除外しない。

【0025】

また、ソースおよびドレインの機能は、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、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。このため、本明細書においては、ソースおよびドレインの用語は、入れ替えて用いることができるものとする。

【0026】

また、本明細書等において、「電気的に接続」には、直接接続している場合と、「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。よって、「電気的に接続する」と表現される場合であっても、現実の回路においては、物理的な接続部分がなく、配線が延在しているだけの場合もある。

【0027】

また、本明細書などにおいて、「平行」とは、例えば、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。従って、－５°以上５°以下の場合も含まれる。また、「垂直」および「直交」とは、例えば、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。従って、８５°以上９５°以下の場合も含まれる。

【0028】

なお、本明細書などにおいて、計数値および計量値に関して「同一」、「同じ」、「等しい」または「均一」などと言う場合は、明示されている場合を除き、プラスマイナス２０％の誤差を含むものとする。

【0029】

また、電圧は、ある電位と、基準の電位（例えば接地電位またはソース電位）との電位差のことを示す場合が多い。よって、電圧と電位は互いに言い換えることが可能な場合が多い。本明細書などでは、特段の明示が無いかぎり、電圧と電位を言い換えることができるものとする。

【0030】

なお、「半導体」と表記した場合でも、例えば、導電性が十分低い場合は「絶縁体」としての特性を有する。よって、「半導体」を「絶縁体」に置き換えて用いることも可能である。この場合、「半導体」と「絶縁体」の境界は曖昧であり、両者の厳密な区別は難しい。したがって、本明細書に記載の「半導体」と「絶縁体」は、互いに読み換えることができる場合がある。

【0031】

また、「半導体」と表記した場合でも、例えば、導電性が十分高い場合は「導電体」としての特性を有する。よって、「半導体」を「導電体」に置き換えて用いることも可能である。この場合、「半導体」と「導電体」の境界は曖昧であり、両者の厳密な区別は難しい。したがって、本明細書に記載の「半導体」と「導電体」は、互いに読み換えることができる場合がある。

【0032】

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、工程順または積層順など、なんらかの順番や順位を示すものではない。また、本明細書等において序数詞が付されていない用語であっても、構成要素の混同を避けるため、特許請求の範囲において序数詞が付される場合がある。また、本明細書等において序数詞が付されている用語であっても、特許請求の範囲において異なる序数詞が付される場合がある。また、本明細書等において序数詞が付されている用語であっても、特許請求の範囲などにおいて序数詞を省略する場合がある。

【0033】

なお、本明細書等において、トランジスタの「オン状態」とは、トランジスタのソースとドレインが電気的に短絡しているとみなせる状態（「導通状態」ともいう。）をいう。また、トランジスタの「オフ状態」とは、トランジスタのソースとドレインが電気的に遮断しているとみなせる状態（「非導通状態」ともいう。）をいう。

【0034】

また、本明細書等において、「オン電流」とは、トランジスタがオン状態の時にソースとドレイン間に流れる電流をいう場合がある。また、「オフ電流」とは、トランジスタがオフ状態である時にソースとドレイン間に流れる電流をいう場合がある。

【0035】

また、本明細書等において、高電源電位ＶＤＤ（以下、単に「ＶＤＤ」、「Ｈ電位」、または「Ｈ」ともいう）とは、低電源電位ＶＳＳよりも高い電位の電源電位を示す。また、低電源電位ＶＳＳ（以下、単に「ＶＳＳ」、「Ｌ電位」、または「Ｌ」ともいう）とは、高電源電位ＶＤＤよりも低い電位の電源電位を示す。また、接地電位をＶＤＤまたはＶＳＳとして用いることもできる。例えばＶＤＤが接地電位の場合には、ＶＳＳは接地電位より低い電位であり、ＶＳＳが接地電位の場合には、ＶＤＤは接地電位より高い電位である。

【0036】

また、本明細書等において、ゲートとは、ゲート電極およ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。

【0037】

また、本明細書等において、ソースとは、ソース領域、ソース電極、およ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、抵抗率が一定値以下の領域のことをいう。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。

【0038】

また、本明細書等において、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、抵抗率が一定値以下の領域のことをいう。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。

【0039】

また、図面などにおいて、配線および電極などの電位をわかりやすくするため、配線および電極などに隣接してＨ電位を示す“Ｈ”、またはＬ電位を示す“Ｌ”を付記する場合がある。また、電位変化が生じた配線および電極などには、“Ｈ”または“Ｌ”を囲み文字で付記する場合がある。また、トランジスタがオフ状態である場合、当該トランジスタに重ねて“×”記号を付記する場合がある。

【0040】

（実施の形態１）
本発明の一態様に係る半導体装置について、図面を用いて説明する。

【0041】

＜電圧検知回路９９００＞
まず、半導体装置の従来例を説明する。半導体装置の従来例として、図５Ａに示す抵抗分圧を利用した電圧検知回路９９００の構成例につい説明する。

【0042】

電圧検知回路９９００は、抵抗Ｒ１、抵抗Ｒ２、およびコンパレータ９９０１（比較回路）を有する。抵抗Ｒ１は端子９９１１とノードＮＤ９の間に設けられ、抵抗Ｒ２は端子９９１２とノードＮＤ９の間に設けられている。また、ノードＮＤ９はコンパレータ９９０１の非反転入力と電気的に接続される。コンパレータ９９０１の反転入力は端子９９１５と電気的に接続され、コンパレータ９９０１の出力は端子９９１３と電気的に接続される。

【0043】

端子９９１２は、端子２０１および二次電池３００の正極と電気的に接続される。端子９９１１は、端子２０２および二次電池３００の負極と電気的に接続される。電圧検知回路９９００は、端子２０１および端子２０２を介して二次電池３００に供給される電圧が一定値以上になると、端子９９１３の電圧がＬからＨに変化する機能を有する。

【0044】

図５Ｂを用いて電圧検知回路９９００の動作について説明する。なお、本明細書などに示すコンパレータは、非反転入力に入力される電圧が反転入力に入力される電圧以下の場合にＬが出力され、非反転入力に入力される電圧が反転入力に入力される電圧を超えている場合にＨが出力されるものとする。

【0045】

例えば、抵抗Ｒ１の抵抗値を１ＭΩ、抵抗Ｒ２の抵抗値を３ＭΩ、端子９９１５の電圧を１．０Ｖとすると、端子９９１１の電圧を０Ｖとした時に、端子９９１２の電圧が４．０Ｖになると、抵抗分圧によって、ノードＮＤ９の電圧は１．０Ｖになる。すなわち、コンパレータ９９０１の非反転入力に１．０Ｖが供給される。また、コンパレータ９９０１の反転入力には端子９９１５を介して１．０Ｖが供給されているので、コンパレータ９９０１からＬが出力される。よって、端子９９１３の電圧はＬになる。

【0046】

端子９９１２の電圧が４．０Ｖを超えると、ノードＮＤ９の電圧も１．０Ｖを超えるため、コンパレータ９９０１からＨが出力される。よって、端子９９１３の電圧はＨになる。例えば、端子９９１２の電圧が４．０Ｖから０．４Ｖ増えて４．４Ｖになると、ノードＮＤ９の電圧は１．０Ｖから０．１Ｖ増えて１．１Ｖになる。

【0047】

抵抗分圧を利用した従来の電圧検知回路９９００では、端子９９１１と端子９９１２の間に常に電流Ｉｔが流れるため、消費電力の低減が難しい。また、原理的に、端子９９１２の電圧変化量よりもノードＮＤ９の電圧変化量が小さくなるため、検出感度が低いという問題があった。

【0048】

＜電圧検知回路１００＞
本発明の一態様に係る半導体装置の一例として、電圧検知回路１００の構成例について図１Ａを用いて説明する。

【0049】

〔構成例〕
電圧検知回路１００は、スイッチＳＷ１、スイッチＳＷ２、スイッチＳＷ３、容量Ｃ１、およびコンパレータ１０１（比較回路）を有する。スイッチＳＷ１の一方の端子は端子１１１と電気的に接続され、他方の端子はノードＮＤ１と電気的に接続される。スイッチＳＷ２の一方の端子は端子１１４と電気的に接続され、他方の端子はノードＮＤ２と電気的に接続される。スイッチＳＷ３の一方の端子はノードＮＤ２と電気的に接続され、他方の端子は端子１１２と電気的に接続される。

【0050】

容量Ｃ１はノードＮＤ１とノードＮＤ２の間に設けられる。コンパレータ１０１の非反転入力はノードＮＤ１と電気的に接続され、反転入力は端子１１５と電気的に接続される。コンパレータ１０１の出力は端子１１３と電気的に接続される。

【0051】

端子１１２は、端子２０１および二次電池３００の正極と電気的に接続される。端子１１１は、端子２０２および二次電池３００の負極と電気的に接続される。電圧検知回路１００は、端子２０１および端子２０２を介して二次電池３００に供給される電圧が一定値以上になると、端子１１３の電圧がＬからＨに変化する機能を有する。

【0052】

本明細書等において、スイッチとは、導通状態（オン状態）、又は、非導通状態（オフ状態）になり、電流を流すか流さないかを制御する機能を有するものをいう。または、スイッチとは、電流を流す経路を選択して切り替える機能を有するものをいう。一例としては、電気的なスイッチ、機械的なスイッチなどを用いることができる。つまり、スイッチは、電流を制御できるものであればよく、特定のものに限定されない。

【0053】

電気的なスイッチの一例としては、トランジスタ（例えば、バイポーラトランジスタ、ＭＯＳトランジスタなど）、ダイオード（例えば、ＰＮダイオード、ＰＩＮダイオード、ショットキーダイオード、ＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ Ｍｅｔａｌ）ダイオード、ＭＩＳ（Ｍｅｔａｌ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）ダイオード、ダイオード接続のトランジスタなど）、またはこれらを組み合わせた論理回路などがある。なお、トランジスタをスイッチとして動作させる場合には、トランジスタの極性（導電型）は特に限定されない。

【0054】

機械的なスイッチの一例としては、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）のように、ＭＥＭＳ（マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム）技術を用いたスイッチがある。そのスイッチは、機械的に動かすことが可能な電極を有し、その電極が動くことによって、導通と非導通とを制御して動作する。

【0055】

〔変形例〕
電圧検知回路１００を構成するスイッチＳＷ１、スイッチＳＷ２、およびスイッチＳＷ３をトランジスタで置き換えた電圧検知回路１００Ｔの構成例を図１Ｂに示す。

【0056】

電圧検知回路１００Ｔは、トランジスタＭ１、トランジスタＭ２、トランジスタＭ３、容量Ｃ１、およびコンパレータ１０１（比較回路）を有する。トランジスタＭ１のソースまたはドレインの一方は端子１１１と電気的に接続され、ソースまたはドレインの他方はノードＮＤ１と電気的に接続される。トランジスタＭ１のゲートは端子Ｇ１と電気的に接続される。トランジスタＭ２のソースまたはドレインの一方は端子１１４と電気的に接続され、ソースまたはドレインの他方はノードＮＤ２と電気的に接続される。トランジスタＭ２のゲートは端子Ｇ２と電気的に接続される。トランジスタＭ３のソースまたはドレインの一方はノードＮＤ２と電気的に接続され、ソースまたはドレインの他方は端子１１２と電気的に接続される。トランジスタＭ３のゲートは端子Ｇ３と電気的に接続される。

【0057】

容量Ｃ１はノードＮＤ１とノードＮＤ２の間に設けられる。コンパレータ１０１の非反転入力はノードＮＤ１と電気的に接続され、反転入力は端子１１５と電気的に接続される。コンパレータ１０１の出力は端子１１３と電気的に接続される。

【0058】

トランジスタＭ１、トランジスタＭ２、およびトランジスタＭ３は、チャネルが形成される半導体層に金属酸化物の一種である酸化物半導体を含むトランジスタ（「ＯＳトランジスタ」ともいう。）であることが好ましい。酸化物半導体はバンドギャップが２ｅＶ以上あるため、オフ電流が著しく少ない。よって、電圧検知回路１００Ｔの消費電力を低減できる。また、電圧検知回路１００Ｔを含む半導体装置の消費電力を低減できる。特に、トランジスタＭ１にＯＳトランジスタを用いると、ノードＮＤ１に供給された電荷を長期間保持することができるため好ましい。

【0059】

なお、トランジスタをスイッチとして機能させる場合は、トランジスタのソースまたはドレインの一方がスイッチの一端（一方の端子）に相当し、トランジスタのソースまたはドレインの他方がスイッチの他端（他方の端子）に相当する。

【0060】

また、トランジスタＭ１、トランジスタＭ２、およびトランジスタＭ３のそれぞれは、ダブルゲート型のトランジスタであってもよい。図６Ａに、ダブルゲート型のトランジスタ１５０Ａの回路記号例を示す。

【0061】

トランジスタ１５０Ａは、トランジスタＴｒ１とトランジスタＴｒ２を直列に接続した構成を有する。図６Ａでは、トランジスタＴｒ１のソースまたはドレインの一方が端子Ｓと電気的に接続され、トランジスタＴｒ１のソースまたはドレインの他方がトランジスタＴｒ２のソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、トランジスタＴｒ２のソースまたはドレインの他方が端子Ｄと電気的に接続されている状態を示している。また、図６Ａでは、トランジスタＴｒ１とトランジスタＴｒ２のゲートが電気的に接続され、かつ、端子Ｇと電気的に接続されている状態を示している。

【0062】

図６Ａに示すトランジスタ１５０Ａは、端子Ｇの電位を変化させることで端子Ｓと端子Ｄ間を導通状態または非導通状態に切り替える機能を有する。よって、ダブルゲート型のトランジスタであるトランジスタ１５０Ａは、トランジスタＴｒ１とトランジスタＴｒ２を内在するもの、１つのトランジスタとして機能する。すなわち、図６Ａにおいて、トランジスタ１５０Ａのソースまたはドレインの一方は端子Ｓと電気的に接続され、ソースまたはドレインの他方は端子Ｄと電気的に接続され、ゲートは端子Ｇと電気的に接続されていると言える。

【0063】

また、トランジスタＭ１、トランジスタＭ２、およびトランジスタＭ３のそれぞれは、トリプルゲート型のトランジスタであってもよい。図６Ｂに、トリプルゲート型のトランジスタ１５０Ｂの回路記号例を示す。

【0064】

トランジスタ１５０Ｂは、トランジスタＴｒ１、トランジスタＴｒ２、およびトランジスタＴｒ３を直列に接続した構成を有する。図６Ｂでは、トランジスタＴｒ１のソースまたはドレインの一方が端子Ｓと電気的に接続され、トランジスタＴｒ１のソースまたはドレインの他方がトランジスタＴｒ２のソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、トランジスタＴｒ２のソースまたはドレインの他方がトランジスタＴｒ３のソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、トランジスタＴｒ３のソースまたはドレインの他方が端子Ｄと電気的に接続されている状態を示している。また、図６Ｂでは、トランジスタＴｒ１、トランジスタＴｒ２、およびトランジスタＴｒ３のゲートが電気的に接続され、かつ、端子Ｇと電気的に接続されている状態を示している。

【0065】

図６Ｂに示すトランジスタ１５０Ｂは、端子Ｇの電位を変化させることで端子Ｓと端子Ｄ間を導通状態または非導通状態に切り替える機能を有する。よって、トリプルゲート型のトランジスタであるトランジスタ１５０Ｂは、トランジスタＴｒ１、トランジスタＴｒ２、およびトランジスタＴｒ３を内在するもの、１つのトランジスタとして機能する。すなわち、図６Ｂにおいて、トランジスタ１５０Ｂのソースまたはドレインの一方は端子Ｓと電気的に接続され、ソースまたはドレインの他方は端子Ｄと電気的に接続され、ゲートは端子Ｇと電気的に接続されていると言える。

【0066】

トランジスタ１５０Ａおよびトランジスタ１５０Ｂのように、複数のゲートを有し、かつ、複数のゲートが電気的に接続されているトランジスタを「マルチゲート型のトランジスタ」または「マルチゲートトランジスタ」と呼ぶ場合がある。

【0067】

また、トランジスタＭ１、トランジスタＭ２、およびトランジスタＭ３のそれぞれは、バックゲートを有するトランジスタであってもよい。図６Ｃに、バックゲートを有するトランジスタ１５０Ｃの回路記号例を示す。また、図６Ｄに、バックゲートを有するトランジスタ１５０Ｄの回路記号例を示す。

【0068】

トランジスタ１５０Ｃは、ゲートとバックゲートを電気的に接続する構成を有する。トランジスタ１５０Ｄは、バックゲートを端子ＢＧと電気的に接続する構成を有する。バックゲートは、ゲートとバックゲートで半導体層のチャネル形成領域を挟むように配置される。バックゲートはゲートと同様に機能させることができる。

【0069】

ゲートとバックゲートを電気的に接続することで、トランジスタのオン電流を増やすことができる。また、バックゲートの電位を独立して変化させることで、トランジスタのしきい値電圧を変化させることができる。

【0070】

〔動作例〕
図２乃至図４を用いて電圧検知回路１００の動作例について説明する。図２は電圧検知回路１００の動作を説明するタイミングチャートである。図３および図４は、電圧検知回路１００の動作状態を示す図である。

【0071】

本実施の形態では、二次電池３００の充電動作において、充電電圧が４Ｖ以下の場合は端子１１３の電位がＬ、充電電圧が４Ｖを超えた場合は端子１１３の電位がＨになる動作を説明する。また、端子１１４に３Ｖ、端子１１５に１Ｖが供給されているものとする。また、充電動作に端子２０１の電圧が３．５Ｖから４．４Ｖまで変化するものとする。

【0072】

［期間Ｔ１］
期間Ｔ１において、スイッチＳＷ１およびスイッチＳＷ２をオン状態にし、スイッチＳＷ３をオフ状態にする（図３Ａ参照。）。すると、ノードＮＤ１の電圧が０Ｖになり、ノードＮＤ２の電圧が３Ｖになる。コンパレータ１０１の反転入力には１Ｖが入力され、非反転入力には０Ｖが入力される。よって、コンパレータ１０１の出力はＬであり、端子１１３の電圧もＬになる。

【0073】

［期間Ｔ２］
期間Ｔ２において、スイッチＳＷ１およびスイッチＳＷ２をオフ状態にし、スイッチＳＷ３をオン状態にする（図３Ｂ参照。）。すると、ノードＮＤ２の電圧が３．５Ｖになり、ノードＮＤ１の電圧が０．５Ｖになる。コンパレータ１０１の反転入力は１Ｖが入力され、非反転入力に０．５Ｖが入力される。よって、コンパレータ１０１の出力はＬのままであり、端子１１３の電圧もＬのままである。

【0074】

また、端子２０１の電圧が上昇すると、端子１１２およびノードＮＤ２の電圧も上昇する。よって、ノードＮＤ１の電圧も上昇する。

【0075】

［期間Ｔ３］
期間Ｔ２に続いて、期間Ｔ３でも端子２０１の電圧が上昇する。よって、端子１１２、ノードＮＤ２およびノードＮＤ１の電位が上昇する。期間Ｔ３では端子２０１の電圧が４Ｖまで上昇するものとする。

【0076】

端子２０１の電圧が４Ｖになると、端子１１２およびノードＮＤ２の電圧も４Ｖになる。また、ノードＮＤ１の電圧が１Ｖになる（図４Ａ参照。）。コンパレータ１０１の反転入力に１Ｖが入力され、非反転入力にも１Ｖが入力される。よって、コンパレータ１０１の出力はＬのままであり、端子１１３の電圧もＬのままである。

【0077】

［期間Ｔ４］
期間Ｔ４においても、端子２０１の電圧が上昇する。期間Ｔ４では端子２０１の電圧が４．４Ｖまで上昇するものとする。

【0078】

端子２０１の電圧が４Ｖを超えると、端子１１２およびノードＮＤ２の電圧も４Ｖを超える。また、ノードＮＤ１の電圧も１Ｖを超える。コンパレータ１０１の反転入力に１Ｖが入力され、非反転入力には１Ｖを超える電圧が入力される。よって、コンパレータ１０１の出力がＨになり、端子１１３の電圧もＨになる。

【0079】

端子２０１の電圧が４．４Ｖになると、ノードＮＤ２の電圧も４．４Ｖになり、ノードＮＤ１の電圧が１．４Ｖになる（図４Ｂ参照。）。

【0080】

本発明の一態様に係る電圧検知回路１００では、従来の電圧検知回路９９００と異なり、動作中に電流Ｉｔが生じない。よって、消費電力を低減できる。また、端子１１２とノードＮＤ２の電圧変化量が等しくなるため、検出感度が良好である。

【0081】

本実施の形態は、他の実施の形態および実施例などに記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。

【0082】

（実施の形態２）
本実施の形態では、上記実施の形態に示した半導体装置の変形例について説明する。本実施の形態に説明がない事柄については、上記実施の形態を参酌すればよい。

【0083】

＜電圧検知回路１００Ａ＞
本発明の一態様に係る半導体装置の変形例として、電圧検知回路１００Ａについて説明する。なお、電圧検知回路１００Ａは、上記実施の形態に示した電圧検知回路１００の変形例である。

【0084】

〔構成例〕
図７に電圧検知回路１００Ａの構成例を示す。電圧検知回路１００Ａは、電圧検知回路１００の構成に、スイッチＳＷ４、スイッチＳＷ５、スイッチＳＷ６、および容量Ｃ２を加えた構成を有する。

【0085】

具体的には、スイッチＳＷ１の一方の端子は端子１１１と電気的に接続され、他方の端子はノードＮＤ１と電気的に接続される。スイッチＳＷ２の一方の端子は端子１１４と電気的に接続され、他方の端子はノードＮＤ２と電気的に接続される。スイッチＳＷ３の一方の端子はノードＮＤ２と電気的に接続され、他方の端子は端子１１２と電気的に接続される。スイッチＳＷ４の一方の端子は端子１１１と電気的に接続され、他方の端子はノードＮＤ３と電気的に接続される。スイッチＳＷ５の一方の端子は端子１１４と電気的に接続され、他方の端子はノードＮＤ４と電気的に接続される。スイッチＳＷ６の一方の端子はノードＮＤ１と電気的に接続され、他方の端子はノードＮＤ４と電気的に接続される。

【0086】

容量Ｃ１はノードＮＤ１とノードＮＤ２の間に設けられる。容量Ｃ２はノードＮＤ３とノードＮＤ４の間に設けられる。コンパレータ１０１の非反転入力はノードＮＤ３と電気的に接続され、反転入力は端子１１５と電気的に接続される。コンパレータ１０１の出力は端子１１３と電気的に接続される。

【0087】

端子１１２は、端子２０１および二次電池３００の正極と電気的に接続される。端子１１１は、端子２０２および二次電池３００の負極と電気的に接続される。電圧検知回路１００Ａは、端子２０１および端子２０２を介して二次電池３００に供給される電圧が一定値以上になると、端子１１３の電圧がＬからＨに変化する機能を有する。

【0088】

〔変形例１〕
電圧検知回路１００Ａの変形例である電圧検知回路１００Ｂを図８に示す。電圧検知回路１００Ｂは、端子１１１に替えて、端子１１１Ａおよび端子１１１Ｂを有し、端子１１４に替えて、端子１１４Ａおよび端子１１４Ｂを有する。

【0089】

電圧検知回路１００Ｂでは、スイッチＳＷ１の一方の端子は端子１１１Ａと電気的に接続され、スイッチＳＷ４の一方の端子は端子１１１Ｂと電気的に接続される。また、スイッチＳＷ２の一方の端子は端子１１４Ａと電気的に接続され、スイッチＳＷ５の一方の端子は端子１１４Ｂと電気的に接続される。

【0090】

電圧検知回路１００Ｂでは、スイッチＳＷ２の一方の端子と、スイッチＳＷ５の一方の端子に、それぞれ異なる電圧を供給することができる。また、図８では端子１１１Ａと端子１１１Ｂがどちらも端子２０２と電気的に接続しているが、端子１１１Ａと端子１１１Ｂは、それぞれが異なる端子または配線などと電気的に接続されてもよい。

【0091】

〔変形例２〕
電圧検知回路１００Ａを構成するスイッチＳＷ１乃至スイッチＳＷ６をトランジスタで置き換えた電圧検知回路１００ＴＡの構成例を図９に示す。電圧検知回路１００ＴＡは、電圧検知回路１００Ｔの変形例である。電圧検知回路１００ＴＡは、電圧検知回路１００Ｔの構成に、トランジスタＭ４、トランジスタＭ５、トランジスタＭ６、および容量Ｃ２を加えた構成を有する。

【0092】

具体的には、電圧検知回路１００ＴＡは、トランジスタＭ１、トランジスタＭ２、トランジスタＭ３、トランジスタＭ４、トランジスタＭ５、トランジスタＭ６、容量Ｃ１、容量Ｃ２、およびコンパレータ１０１を有する。トランジスタＭ１のソースまたはドレインの一方は端子１１１と電気的に接続され、ソースまたはドレインの他方はノードＮＤ１と電気的に接続される。トランジスタＭ１のゲートは端子Ｇ１と電気的に接続される。トランジスタＭ２のソースまたはドレインの一方は端子１１４と電気的に接続され、ソースまたはドレインの他方はノードＮＤ２と電気的に接続される。トランジスタＭ２のゲートは端子Ｇ２と電気的に接続される。トランジスタＭ３のソースまたはドレインの一方はノードＮＤ２と電気的に接続され、ソースまたはドレインの他方は端子１１２と電気的に接続される。トランジスタＭ３のゲートは端子Ｇ３と電気的に接続される。

【0093】

トランジスタＭ４のソースまたはドレインの一方は端子１１１と電気的に接続され、ソースまたはドレインの他方はノードＮＤ３と電気的に接続される。トランジスタＭ４のゲートは端子Ｇ４と電気的に接続される。トランジスタＭ５のソースまたはドレインの一方は端子１１４と電気的に接続され、ソースまたはドレインの他方はノードＮＤ４と電気的に接続される。トランジスタＭ５のゲートは端子Ｇ５と電気的に接続される。トランジスタＭ６のソースまたはドレインの一方はノードＮＤ１と電気的に接続され、ソースまたはドレインの他方はノードＮＤ４と電気的に接続される。トランジスタＭ６のゲートは端子Ｇ６と電気的に接続される。

【0094】

容量Ｃ１はノードＮＤ１とノードＮＤ２の間に設けられる。容量Ｃ２はノードＮＤ３とノードＮＤ４の間に設けられる。コンパレータ１０１の非反転入力はノードＮＤ３と電気的に接続され、反転入力は端子１１５と電気的に接続される。コンパレータ１０１の出力は端子１１３と電気的に接続される。

【0095】

トランジスタＭ１乃至Ｍ３と同様に、トランジスタＭ４乃至Ｍ６もＯＳトランジスタであることが好ましい。特に、トランジスタＭ４にＯＳトランジスタを用いると、ノードＮＤ３に供給された電荷を長期間保持することができるため好ましい。また、トランジスタＭ５にＯＳトランジスタを用いると、ノードＮＤ４に供給された電荷を長期間保持することができるため好ましい。

【0096】

〔動作例〕
図１０乃至図１４を用いて電圧検知回路１００Ａの動作例について説明する。図１０は電圧検知回路１００Ａの動作を説明するタイミングチャートである。図１１乃至図１４は、電圧検知回路１００Ａの動作状態を示す図である。

【0097】

本実施の形態では、二次電池３００の充電動作において、充電電圧が４Ｖ以下の場合は端子１１３の電位がＬ、充電電圧が４Ｖを超えた場合は端子１１３の電圧がＨになる動作を説明する。また、端子１１４に１．５Ｖ、端子１１５に１Ｖが供給されているものとする。また、充電動作に端子２０１の電圧が３．５Ｖから４．４Ｖまで変化するものとする。

【0098】

［期間Ｔ１］
期間Ｔ１において、スイッチＳＷ１、スイッチＳＷ２、スイッチＳＷ４およびスイッチＳＷ５をオン状態にし、スイッチＳＷ３およびスイッチＳＷ６をオフ状態にする（図１１参照。）。すると、ノードＮＤ１およびノードＮＤ３の電圧が０Ｖになり、ノードＮＤ２およびノードＮＤ４の電圧が１．５Ｖになる。コンパレータ１０１の反転入力には１Ｖが入力され、非反転入力には０Ｖが入力される。よって、コンパレータ１０１の出力はＬであり、端子１１３の電圧もＬになる。

【0099】

［期間Ｔ２］
期間Ｔ２において、スイッチＳＷ１、スイッチＳＷ２、スイッチＳＷ４およびスイッチＳＷ５をオフ状態にし、スイッチＳＷ３およびスイッチＳＷ６をオン状態にする（図１２参照。）。すると、ノードＮＤ２の電圧が１．５Ｖから２Ｖ上昇して３．５Ｖになり、ノードＮＤ１の電圧が０Ｖから２Ｖ上昇して２Ｖになる。また、スイッチＳＷ６がオン状態であるため、ノードＮＤ１とノードＮＤ４は電気的に接続される。よって、ノードＮＤ４も２Ｖになる。この時、ノードＮＤ４の電圧は１．５Ｖから０．５Ｖ上昇することになる。よって、ノードＮＤ３の電圧は０．５Ｖになり、コンパレータ１０１の非反転入力に０．５Ｖが入力される。コンパレータ１０１の反転入力には１Ｖが入力されているため、コンパレータ１０１の出力はＬのままであり、端子１１３の電圧もＬのままである。

【0100】

また、端子２０１の電圧が上昇すると、端子１１２およびノードＮＤ２の電圧も上昇する。よって、ノードＮＤ１、ノードＮＤ３、およびノードＮＤ４の電圧も上昇する。

【0101】

［期間Ｔ３］
期間Ｔ２に続いて、期間Ｔ３においても、端子２０１の電位上昇に伴い、端子１１２およびノードＮＤ１乃至ノードＮＤ４の電位が上昇する。期間Ｔ３では端子２０１の電圧が４Ｖまで上昇するものとする。

【0102】

端子２０１の電圧が４Ｖになると、端子１１２およびノードＮＤ２の電圧も４Ｖになる。また、ノードＮＤ１およびノードＮＤ４の電圧が２．５Ｖになり、ノードＮＤ３の電圧が１Ｖになる。（図１３参照。）。よって、コンパレータ１０１の反転入力に１Ｖが入力される。コンパレータ１０１の非反転入力には１Ｖが入力される。よって、コンパレータ１０１の出力はＬのままであり、端子１１３の電圧もＬのままである。

【0103】

［期間Ｔ４］
期間Ｔ４においても、端子２０１の電圧が上昇する。期間Ｔ４では端子２０１の電圧が４．４Ｖまで上昇するものとする。

【0104】

端子２０１の電圧が４Ｖを超えると、端子１１２およびノードＮＤ２の電圧も４Ｖを超える。また、ノードＮＤ３の電圧も１Ｖを超える。コンパレータ１０１の反転入力に１Ｖが入力され、非反転入力には１Ｖを超える電圧が入力される。よって、コンパレータ１０１の出力がＨになり、端子１１３の電圧もＨになる。

【0105】

端子２０１の電圧が４．４Ｖになると、ノードＮＤ２の電圧も４．４Ｖになる。また、ノードＮＤ１およびノードＮＤ４の電圧が２．９Ｖになり、ノードＮＤ３の電圧が１．４Ｖになる。（図１４参照。）。

【0106】

本実施の形態に示す電圧検知回路１００Ａは、電圧検知回路１００よりも端子１１４に印加する電圧を小さくすることができる。よって、電圧検知回路１００よりも消費電力を低減することができる。また、動作に必要な電圧を小さくすることができるため、電圧生成回路の負担が軽減される。よって、電圧検知回路１００Ａを用いた半導体装置は動作が安定し、信頼性を高めることができる。

【0107】

本実施の形態は、他の実施の形態および実施例などに記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。

【0108】

（実施の形態３）
本実施の形態では、本発明の一態様に係る半導体装置を用いた無線給電システム（「ワイヤレス給電」ともいう。）の構成例について説明する。

【0109】

無線給電を実現する方式として、電波方式、電界結合方式、磁界共鳴方式、電磁誘導方式などが知られている。特に電磁誘導方式は、回路設計が容易で電力の伝送効率も高い方式として知られており、携帯情報端末などのモバイル機器への採用が検討されている。電磁誘導方式を用いた無線給電の国際規格として、Ｑｉ規格、ＰＭＡ規格、ＡｉｒＦｕｅｌ Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ規格などがある。

【0110】

また、磁界共鳴方式は、電磁誘導方式よりも回路設計が複雑で電力の伝送効率も劣るが、電磁誘導方式よりも遠距離での送電が可能であり、ＥＶ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）などへの採用が検討されている。磁界共鳴方式を用いた無線給電の国際規格として、ＷＰＴ１規格、ＷＰＴ２規格、ＷＰＴ３規格、ＡｉｒＦｕｅｌ Ｒｅｓｏｎａｎｔ規格などがある。

【0111】

本発明の一態様に係る半導体装置は、様々な方式の無線給電システムに用いることができる。また、本発明の一態様に係る半導体装置は、様々な規格の無線給電システムに用いることができる。

【0112】

本実施の形態に例示する無線給電システムは、送電装置４００および受電装置４５０を含む。送電装置４００の構成例を図１５Ａに示す。受電装置４５０の構成例を図１５Ｂに示す。

【0113】

なお、図１５Ａで例示する送電装置４００および図１５Ｂで例示する受電装置４５０の構成は一例であり、全ての構成要素を含む必要はない。送電装置４００および受電装置４５０は、図１５Ａおよび図１５Ｂに示す構成要素のうち必要な構成要素を有していればよい。また図１５Ａおよび図１５Ｂに示す構成要素以外の構成要素を有していてもよい。

【0114】

＜送電装置４００＞
送電装置４００は、送電制御回路４１１、整合回路４１２、電力放射回路４１３を有している。送電装置４００には電源４０１が接続される。電源４０１は、送電装置４００に交流電力を供給する機能を有する。電源４０１が供給する交流電力の周波数ｆＧは、特定の周波数に限定されず、例えばサブミリ波である３００ＧＨｚ～３ＴＨｚ、ミリ波である３０ＧＨｚ～３００ＧＨｚ、マイクロ波である３ＧＨｚ～３０ＧＨｚ、極超短波である３００ＭＨｚ～３ＧＨｚ、超短波である３０ＭＨｚ～３００ＭＨｚ、短波である３ＭＨｚ～３０ＭＨｚ、中波である３００ｋＨｚ～３ＭＨｚ、長波である３０ｋＨｚ～３００ｋＨｚ、及び超長波である３ｋＨｚ～３０ｋＨｚのいずれかを用いることができる。

【0115】

送電制御回路４１１は、電源４０１から供給された電力を、整合回路４１２を介して電力放射回路４１３に供給する機能を有する。電力放射回路４１３は、送電アンテナ４０２に接続される。電力放射回路４１３は、電源４０１から供給された交流電力を、送電アンテナ４０２を介して外部の空間に放射する機能を有する。

【0116】

電源４０１のインピーダンスと電力放射回路４１３のインピーダンスが異なると、電源４０１から供給された交流電力の一部がインピーダンス差に応じて反射されるため、交流電力を効率よく電力放射回路４１３に供給することができない。整合回路４１２は、電源４０１のインピーダンスと電力放射回路４１３のインピーダンスをほぼ一致させ、電源４０１から供給される交流電力を、効率よく電力放射回路４１３に伝える機能を有する。

【0117】

＜受電装置４５０＞
図１５Ｂに示す受電装置４５０は、受電アンテナ４０３、受電回路４５１、充電制御回路４５２、充放電制御回路４５３を有する。また、受電装置４５０は、端子４６１、端子４６２、および端子４６３を有する。図１５Ｂでは、端子４６１に二次電池３００の正極が電気的に接続され、端子４６２に二次電池３００の負極が電気的に接続されている。

【0118】

受電回路４５１は、受電アンテナ４０３のインダクタンスを基に決定される共振周波数ｆＲを有する。送電アンテナ４０２から放射される交流電力の周波数ｆＧと、受電回路４５１が有する共振周波数ｆＲを一致させることで受電アンテナ４０３に誘導起電力を生じさせ、送電装置４００から受電装置４５０への電力供給を実現することができる。

【0119】

また、受電回路４５１は整流回路を有する。整流回路は、受電アンテナ４０３に誘起された交流電力を直流に変換する機能を有する。

【0120】

充電制御回路４５２は、受電回路４５１から供給される直流電力を適正な電圧に調整する機能を有する。例えば、充電制御回路４５２にスイッチングレギュレータなどの機能を付加すればよい。

【0121】

また、充電制御回路４５２に、Ｎｏｆｆ－ＣＰＵ（ノーマリーオフＣＰＵ）を用いてもよい。なお、ノーマリーオフＣＰＵとは、ゲート電圧が０Ｖであっても非導通状態（オフ状態ともいう）であるノーマリーオフ型のトランジスタを含む集積回路である。ノーマリーオフ型のトランジスタは、ＯＳトランジスタで実現できる。ノーマリーオフＣＰＵを用いることで、充電制御回路４５２の待機動作時の消費電力を低減することができる。

【0122】

受電アンテナ４０３に誘起された交流電力は、受電回路４５１および充電制御回路４５２を介して、二次電池３００に充電することができる。また、受電装置４５０は、外部機器の電源として機能できる。具体的には、端子４６１と端子４６３を介して外部機器と電気的に接続することで、当該外部機器に二次電池の電力を供給することができる。また、当該外部機器に、送電装置４００から受け取った電力を供給することができる。

【0123】

充放電制御回路４５３は、二次電池３００の充放電状況を監視する機能を有する。充放電制御回路４５３は、過電流検知回路および電圧検知回路などを有する。例えば、二次電池３００から外部機器に電力を供給する際に規定値以上の電流（「過電流」ともいう。）が流れた場合、充放電制御回路４５３はトランジスタ４７１をオフ状態にして、電力供給を停止することができる。また、二次電池３００の充電時に規定値以上の電流が流れた場合、充放電制御回路４５３はトランジスタ４７２をオフ状態にして、充電を停止することができる。また、二次電池３００の充電時に規定値以上の電圧（「過電圧」ともいう。）が二次電池３００に印加された場合、充放電制御回路４５３はトランジスタ４７２をオフ状態にして、充電を停止することができる。

【0124】

本実施の形態では、図１５Ａに示す送電アンテナ４０２、および図１５Ｂに示す受電アンテナ４０３を、コイルを示す回路記号で図示している。ただし、送電アンテナ４０２および受電アンテナ４０３は、コイル状のアンテナに限定されず、送電方式などによって適宜変更すればよい。例えば線状、板状であってもよい。また、平面アンテナ、開口面アンテナ、進行波アンテナ、ＥＨアンテナ、磁界アンテナ、誘電体アンテナ等のアンテナを用いてもよい。

【0125】

本発明の一態様に係る電圧検知回路１００は、充放電制御回路４５３に用いることができる。また、無線給電システムに含まれるトランジスタの一部または全部にＯＳトランジスタを用いることができる。

【0126】

例えば、受電装置４５０に含まれるトランジスタにＯＳトランジスタを用いることで、受電装置４５０を可撓性基板上に設けることができる。よって、受電装置４５０の体積削減および軽量化が実現できる。また、受電装置４５０を可撓性基板上に設けることによって、例えば、二次電池３００の側面に沿って受電装置４５０を設けることも可能である。

【0127】

なお、ＯＳトランジスタを用いた充放電制御回路、過電流検出回路、電圧検知回路、異常検知回路、または二次電池制御システムなどを、ＢＴＯＳ（Ｂａｔｔｅｒｙ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ、またはＢａｔｔｅｒｙ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）と呼称する場合がある。

【0128】

ＯＳトランジスタは、オフ電流が著しく少ない。よって、無線給電システムの消費電力を低減できる。また、ＯＳトランジスタは高温環境下でもオフ電流がほとんど増加しない。具体的には室温以上２００℃以下の環境温度下でもオフ電流がほとんど増加しない。また、ＯＳトランジスタは、ソースとドレイン間の絶縁耐圧が高い。無線給電システムを構成するトランジスタにＯＳトランジスタを用いることで、高温環境下においても動作が安定し、信頼性の良好な無線給電システムを実現できる。

【0129】

本実施の形態は、他の実施の形態および実施例などに記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。

【0130】

（実施の形態４）
本実施の形態では、上記実施の形態で説明した半導体装置に適用可能なトランジスタの構成ついて説明する。具体的には、異なる電気特性を有するトランジスタを積層して設ける構成について説明する。当該構成とすることで、半導体装置の設計自由度を高めることができる。また、異なる電気特性を有するトランジスタを積層して設けることで、半導体装置の集積度を高めることができる。

【0131】

図１６に示す半導体装置は、トランジスタ５５０と、トランジスタ５００と、容量６００と、を有している。図１８Ａはトランジスタ５００のチャネル長方向の断面図であり、図１８Ｂはトランジスタ５００のチャネル幅方向の断面図であり、図１８Ｃはトランジスタ５５０のチャネル幅方向の断面図である。

【0132】

トランジスタ５００は、ＯＳトランジスタである。よって、トランジスタ５００は、オフ電流が極めて少ないため、これを半導体装置が有するトランジスタに用いることにより、長期にわたり書き込んだデータ電圧あるいは電荷を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作の頻度が少ない、あるいは、リフレッシュ動作を必要としないため、半導体装置の消費電力を低減することができる。

【0133】

本実施の形態で説明する半導体装置は、図１６に示すようにトランジスタ５５０、トランジスタ５００、容量６００を有する。トランジスタ５００はトランジスタ５５０の上方に設けられ、容量６００はトランジスタ５５０、およびトランジスタ５００の上方に設けられている。

【0134】

トランジスタ５５０は、基板３１１上に設けられ、導電体３１６、絶縁体３１５、基板３１１の一部からなる半導体領域３１３、ソース領域またはドレイン領域として機能する低抵抗領域３１４ａ、および低抵抗領域３１４ｂを有する。なお、トランジスタ５５０は、例えば、上記実施の形態におけるコンパレータ１０１が有するトランジスタ等に適用することができる。

【0135】

トランジスタ５５０は、図１８Ｃに示すように、半導体領域３１３の上面およびチャネル幅方向の側面が絶縁体３１５を介して導電体３１６に覆われている。このように、トランジスタ５５０をＦｉｎ型とすることにより、実効上のチャネル幅が増大することによりトランジスタ５５０のオン特性を向上させることができる。また、ゲート電極の電界の寄与を高くすることができるため、トランジスタ５５０のオフ特性を向上させることができる。

【0136】

なお、トランジスタ５５０は、ｐチャネル型、あるいはｎチャネル型のいずれでもよい。

【0137】

半導体領域３１３のチャネルが形成される領域、その近傍の領域、ソース領域、またはドレイン領域となる低抵抗領域３１４ａ、および低抵抗領域３１４ｂなどにおいて、シリコン系半導体などの半導体を含むことが好ましく、単結晶シリコンを含むことが好ましい。または、Ｇｅ（ゲルマニウム）、ＳｉＧｅ（シリコンゲルマニウム）、ＧａＡｓ（ガリウムヒ素）、ＧａＡｌＡｓ（ガリウムアルミニウムヒ素）などを有する材料で形成してもよい。結晶格子に応力を与え、格子間隔を変化させることで有効質量を制御したシリコンを用いた構成としてもよい。またはＧａＡｓとＧａＡｌＡｓ等を用いることで、トランジスタ５５０をＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）としてもよい。

【0138】

低抵抗領域３１４ａ、および低抵抗領域３１４ｂは、半導体領域３１３に適用される半導体材料に加え、ヒ素、リンなどのｎ型の導電性を付与する元素、またはホウ素などのｐ型の導電性を付与する元素を含む。

【0139】

ゲート電極として機能する導電体３１６は、ヒ素、リンなどのｎ型の導電性を付与する元素、もしくはホウ素などのｐ型の導電性を付与する元素を含むシリコンなどの半導体材料、金属材料、合金材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を用いることができる。

【0140】

なお、導電体の材料によって仕事関数が決まるため、当該導電体の材料を選択することで、トランジスタのしきい値電圧を調整することができる。具体的には、導電体に窒化チタンや窒化タンタルなどの材料を用いることが好ましい。さらに導電性と埋め込み性を両立するために導電体にタングステンやアルミニウムなどの金属材料を積層として用いることが好ましく、特にタングステンを用いることが耐熱性の点で好ましい。

【0141】

なお、図１６に示すトランジスタ５５０は一例であり、その構成に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。例えば、半導体装置をＯＳトランジスタのみの単極性回路（ｎチャネル型トランジスタのみ、などと同極性のトランジスタを意味する）とする場合、図１７に示すように、トランジスタ５５０の構成を、酸化物半導体を用いているトランジスタ５００と同様の構成にすればよい。なお、トランジスタ５００の詳細については後述する。

【0142】

トランジスタ５５０を覆って、絶縁体３２０、絶縁体３２２、絶縁体３２４、および絶縁体３２６が順に積層して設けられている。

【0143】

絶縁体３２０、絶縁体３２２、絶縁体３２４、および絶縁体３２６として、例えば、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、窒化アルミニウムなどを用いればよい。

【0144】

なお、本明細書中において、酸化窒化シリコンとは、その組成として窒素よりも酸素の含有量が多い材料を指し、窒化酸化シリコンとは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多い材料を示す。また、本明細書中において、酸化窒化アルミニウムとは、その組成として窒素よりも酸素の含有量が多い材料を指し、窒化酸化アルミニウムとは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多い材料を示す。

【0145】

絶縁体３２２は、その下方に設けられるトランジスタ５５０などによって生じる段差を平坦化する平坦化膜としての機能を有していてもよい。例えば、絶縁体３２２の上面は、平坦性を高めるために化学機械研磨（ＣＭＰ）法等を用いた平坦化処理により平坦化されていてもよい。

【0146】

また、絶縁体３２４には、基板３１１、またはトランジスタ５５０などから、トランジスタ５００が設けられる領域に、水素や不純物が拡散しないようなバリア性を有する膜を用いることが好ましい。

【0147】

水素に対するバリア性を有する膜の一例として、例えば、ＣＶＤ法で形成した窒化シリコンを用いることができる。ここで、トランジスタ５００等の酸化物半導体を有する半導体素子に、水素が拡散することで、当該半導体素子の特性が低下する場合がある。したがって、トランジスタ５００と、トランジスタ５５０との間に、水素の拡散を抑制する膜を用いることが好ましい。水素の拡散を抑制する膜とは、具体的には、水素の脱離量が少ない膜とする。

【0148】

水素の脱離量は、例えば、昇温脱離ガス分析法（ＴＤＳ）などを用いて分析することができる。例えば、絶縁体３２４の水素の脱離量は、ＴＤＳ分析において、膜の表面温度が５０℃から５００℃の範囲において、水素原子に換算した脱離量が、絶縁体３２４の面積当たりに換算して、１０×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以下、好ましくは５×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以下であればよい。

【0149】

なお、絶縁体３２６は、絶縁体３２４よりも誘電率が低いことが好ましい。例えば、絶縁体３２６の比誘電率は４未満が好ましく、３未満がより好ましい。また例えば、絶縁体３２６の比誘電率は、絶縁体３２４の比誘電率の０．７倍以下が好ましく、０．６倍以下がより好ましい。誘電率が低い材料を層間膜とすることで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。

【0150】

また、絶縁体３２０、絶縁体３２２、絶縁体３２４、および絶縁体３２６には容量６００、またはトランジスタ５００と接続する導電体３２８、および導電体３３０等が埋め込まれている。なお、導電体３２８、および導電体３３０は、プラグまたは配線としての機能を有する。また、プラグまたは配線としての機能を有する導電体は、複数の構成をまとめて同一の符号を付与する場合がある。また、本明細書等において、配線と、配線と接続するプラグとが一体物であってもよい。すなわち、導電体の一部が配線として機能する場合、および導電体の一部がプラグとして機能する場合もある。

【0151】

各プラグ、および配線（導電体３２８、導電体３３０等）の材料としては、金属材料、合金材料、金属窒化物材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を、単層または積層して用いることができる。耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましく、タングステンを用いることが好ましい。または、アルミニウムや銅などの低抵抗導電性材料で形成することが好ましい。低抵抗導電性材料を用いることで配線抵抗を低くすることができる。

【0152】

絶縁体３２６、および導電体３３０上に、配線層を設けてもよい。例えば、図１６において、絶縁体３５０、絶縁体３５２、および絶縁体３５４が順に積層して設けられている。また、絶縁体３５０、絶縁体３５２、および絶縁体３５４には、導電体３５６が形成されている。導電体３５６は、トランジスタ５５０と接続するプラグ、または配線としての機能を有する。なお導電体３５６は、導電体３２８、および導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。

【0153】

なお、例えば、絶縁体３５０は、絶縁体３２４と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体３５６は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体３５０が有する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、トランジスタ５５０とトランジスタ５００とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ５５０からトランジスタ５００への水素の拡散を抑制することができる。

【0154】

なお、水素に対するバリア性を有する導電体としては、例えば、窒化タンタル等を用いるとよい。また、窒化タンタルと導電性が高いタングステンを積層することで、配線としての導電性を保持したまま、トランジスタ５５０からの水素の拡散を抑制することができる。この場合、水素に対するバリア性を有する窒化タンタル層が、水素に対するバリア性を有する絶縁体３５０と接する構成であることが好ましい。

【0155】

絶縁体３５４、および導電体３５６上に、配線層を設けてもよい。例えば、図１６において、絶縁体３６０、絶縁体３６２、および絶縁体３６４が順に積層して設けられている。また、絶縁体３６０、絶縁体３６２、および絶縁体３６４には、導電体３６６が形成されている。導電体３６６は、プラグまたは配線としての機能を有する。なお導電体３６６は、導電体３２８、および導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。

【0156】

なお、例えば、絶縁体３６０は、絶縁体３２４と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体３６６は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体３６０が有する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、トランジスタ５５０とトランジスタ５００とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ５５０からトランジスタ５００への水素の拡散を抑制することができる。

【0157】

絶縁体３６４、および導電体３６６上に、配線層を設けてもよい。例えば、図１６において、絶縁体３７０、絶縁体３７２、および絶縁体３７４が順に積層して設けられている。また、絶縁体３７０、絶縁体３７２、および絶縁体３７４には、導電体３７６が形成されている。導電体３７６は、プラグまたは配線としての機能を有する。なお導電体３７６は、導電体３２８、および導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。

【0158】

なお、例えば、絶縁体３７０は、絶縁体３２４と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体３７６は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体３７０が有する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、トランジスタ５５０とトランジスタ５００とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ５５０からトランジスタ５００への水素の拡散を抑制することができる。

【0159】

絶縁体３７４、および導電体３７６上に、配線層を設けてもよい。例えば、図１６において、絶縁体３８０、絶縁体３８２、および絶縁体３８４が順に積層して設けられている。また、絶縁体３８０、絶縁体３８２、および絶縁体３８４には、導電体３８６が形成されている。導電体３８６は、プラグまたは配線としての機能を有する。なお導電体３８６は、導電体３２８、および導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。

【0160】

なお、例えば、絶縁体３８０は、絶縁体３２４と同様に、水素に対するバリア性を有する絶縁体を用いることが好ましい。また、導電体３８６は、水素に対するバリア性を有する導電体を含むことが好ましい。特に、水素に対するバリア性を有する絶縁体３８０が有する開口部に、水素に対するバリア性を有する導電体が形成される。当該構成により、トランジスタ５５０とトランジスタ５００とは、バリア層により分離することができ、トランジスタ５５０からトランジスタ５００への水素の拡散を抑制することができる。

【0161】

上記において、導電体３５６を含む配線層、導電体３６６を含む配線層、導電体３７６を含む配線層、および導電体３８６を含む配線層、について説明したが、本実施の形態に係る半導体装置はこれに限られるものではない。導電体３５６を含む配線層と同様の配線層を３層以下にしてもよいし、導電体３５６を含む配線層と同様の配線層を５層以上にしてもよい。

【0162】

絶縁体３８４上には絶縁体５１０、絶縁体５１２、絶縁体５１４、および絶縁体５１６が、順に積層して設けられている。絶縁体５１０、絶縁体５１２、絶縁体５１４、および絶縁体５１６のいずれかは、酸素や水素に対してバリア性のある物質を用いることが好ましい。

【0163】

例えば、絶縁体５１０、および絶縁体５１４には、例えば、基板３１１、またはトランジスタ５５０を設ける領域などから、トランジスタ５００を設ける領域に、水素や不純物が拡散しないようなバリア性を有する膜を用いることが好ましい。したがって、絶縁体３２４と同様の材料を用いることができる。

【0164】

水素に対するバリア性を有する膜の一例として、ＣＶＤ法で形成した窒化シリコンを用いることができる。ここで、トランジスタ５００等の酸化物半導体を有する半導体素子に、水素が拡散することで、当該半導体素子の特性が低下する場合がある。したがって、トランジスタ５００と、トランジスタ５５０との間に、水素の拡散を抑制する膜を用いることが好ましい。水素の拡散を抑制する膜とは、具体的には、水素の脱離量が少ない膜とする。

【0165】

また、水素に対するバリア性を有する膜として、例えば、絶縁体５１０、および絶縁体５１４には、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどの金属酸化物を用いることが好ましい。

【0166】

特に、酸化アルミニウムは、酸素、およびトランジスタの電気特性の変動要因となる水素、水分などの不純物、の両方に対して膜を透過させない遮断効果が高い。したがって、酸化アルミニウムは、トランジスタの作製工程中および作製後において、水素、水分などの不純物のトランジスタ５００への混入を防止することができる。また、トランジスタ５００を構成する酸化物からの酸素の放出を抑制することができる。そのため、トランジスタ５００に対する保護膜として用いることに適している。

【0167】

また、例えば、絶縁体５１２、および絶縁体５１６には、絶縁体３２０と同様の材料を用いることができる。また、これらの絶縁体に、比較的誘電率が低い材料を適用することで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。例えば、絶縁体５１２、および絶縁体５１６として、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜などを用いることができる。

【0168】

また、絶縁体５１０、絶縁体５１２、絶縁体５１４、および絶縁体５１６には、導電体５１８、およびトランジスタ５００を構成する導電体（例えば、導電体５０３）等が埋め込まれている。なお、導電体５１８は、容量６００、またはトランジスタ５５０と接続するプラグ、または配線としての機能を有する。導電体５１８は、導電体３２８、および導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。

【0169】

特に、絶縁体５１０、および絶縁体５１４と接する領域の導電体５１８は、酸素、水素、および水に対するバリア性を有する導電体であることが好ましい。当該構成により、トランジスタ５５０とトランジスタ５００とは、酸素、水素、および水に対するバリア性を有する層で、分離することができ、トランジスタ５５０からトランジスタ５００への水素の拡散を抑制することができる。

【0170】

絶縁体５１６の上方には、トランジスタ５００が設けられている。

【0171】

図１８Ａおよび図１８Ｂに示すように、トランジスタ５００は、絶縁体５１４および絶縁体５１６に埋め込まれるように配置された導電体５０３と、絶縁体５１６および導電体５０３の上に配置された絶縁体５２０と、絶縁体５２０の上に配置された絶縁体５２２と、絶縁体５２２の上に配置された絶縁体５２４と、絶縁体５２４の上に配置された酸化物５３０ａと、酸化物５３０ａの上に配置された酸化物５３０ｂと、酸化物５３０ｂ上に互いに離れて配置された導電体５４２ａおよび導電体５４２ｂと、導電体５４２ａおよび導電体５４２ｂ上に配置され、導電体５４２ａと導電体５４２ｂの間に重畳して開口が形成された絶縁体５８０と、開口の底面および側面に配置された酸化物５３０ｃと、酸化物５３０ｃの形成面に配置された絶縁体５４５と、絶縁体５４５の形成面に配置された導電体５６０と、を有する。

【0172】

また、図１８Ａおよび図１８Ｂに示すように、酸化物５３０ａ、酸化物５３０ｂ、導電体５４２ａ、および導電体５４２ｂと、絶縁体５８０との間に絶縁体５４４が配置されることが好ましい。また、図１８Ａおよび図１８Ｂに示すように、導電体５６０は、絶縁体５４５の内側に設けられた導電体５６０ａと、導電体５６０ａの内側に埋め込まれるように設けられた導電体５６０ｂと、を有することが好ましい。また、図１８Ａおよび図１８Ｂに示すように、絶縁体５８０、導電体５６０、および絶縁体５４５の上に絶縁体５７４が配置されることが好ましい。

【0173】

なお、本明細書などにおいて、酸化物５３０ａ、酸化物５３０ｂ、および酸化物５３０ｃをまとめて酸化物５３０という場合がある。

【0174】

なお、トランジスタ５００では、チャネルが形成される領域と、その近傍において、酸化物５３０ａ、酸化物５３０ｂ、および酸化物５３０ｃの３層を積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、酸化物５３０ｂの単層、酸化物５３０ｂと酸化物５３０ａの２層構成、酸化物５３０ｂと酸化物５３０ｃの２層構成、または４層以上の積層構成を設ける構成にしてもよい。また、トランジスタ５００では、導電体５６０を２層の積層構成として示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体５６０が、単層構成であってもよいし、３層以上の積層構成であってもよい。また、図１６、図１８Ａに示すトランジスタ５００は一例であり、その構成に限定されず、回路構成や駆動方法に応じて適切なトランジスタを用いればよい。

【0175】

ここで、導電体５６０は、トランジスタのゲート電極として機能し、導電体５４２ａおよび導電体５４２ｂは、それぞれソース電極またはドレイン電極として機能する。上記のように、導電体５６０は、絶縁体５８０の開口、および導電体５４２ａと導電体５４２ｂに挟まれた領域に埋め込まれるように形成される。導電体５６０、導電体５４２ａおよび導電体５４２ｂの配置は、絶縁体５８０の開口に対して、自己整合的に選択される。つまり、トランジスタ５００において、ゲート電極を、ソース電極とドレイン電極の間に、自己整合的に配置させることができる。よって、導電体５６０を位置合わせのマージンを設けることなく形成することができるので、トランジスタ５００の占有面積の縮小を図ることができる。これにより、半導体装置の微細化、高集積化を図ることができる。

【0176】

さらに、導電体５６０が、導電体５４２ａと導電体５４２ｂの間の領域に自己整合的に形成されるので、導電体５６０は、導電体５４２ａまたは導電体５４２ｂと重畳する領域を有さない。これにより、導電体５６０と導電体５４２ａおよび導電体５４２ｂとの間に形成される寄生容量を低減することができる。よって、トランジスタ５００のスイッチング速度を向上させ、高い周波数特性を有せしめることができる。

【0177】

導電体５６０は、第１のゲート（トップゲートともいう）電極として機能する場合がある。また、導電体５０３は、第２のゲート（ボトムゲートともいう）電極として機能する場合がある。その場合、導電体５０３に印加する電位を、導電体５６０に印加する電位と、連動させず、独立して変化させることで、トランジスタ５００のしきい値電圧を制御することができる。特に、導電体５０３に負の電位を印加することにより、トランジスタ５００のしきい値電圧を０Ｖより大きくし、オフ電流を低減することが可能となる。したがって、導電体５０３に負の電位を印加したほうが、印加しない場合よりも、導電体５６０に印加する電位が０Ｖのときのドレイン電流を小さくすることができる。

【0178】

導電体５０３は、酸化物５３０、および導電体５６０と、重なるように配置する。これにより、導電体５６０、および導電体５０３に電位を印加した場合、導電体５６０から生じる電界と、導電体５０３から生じる電界と、がつながり、酸化物５３０に形成されるチャネル形成領域を覆うことができる。

【0179】

本明細書等において、一対のゲート電極（第１のゲート電極、および第２のゲート電極）の電界によって、チャネル形成領域を電気的に取り囲むトランジスタの構成を、ｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄ ｃｈａｎｎｅｌ（Ｓ－ｃｈａｎｎｅｌ）構成とよぶ。また、本明細書等において、ｓｕｒｒｏｕｎｄｅｄ ｃｈａｎｎｅｌ（Ｓ－ｃｈａｎｎｅｌ）構成は、ソース電極およびドレイン電極として機能する導電体５４２ａおよび導電体５４２ｂに接する酸化物５３０の側面および周辺が、チャネル形成領域と同じくＩ型であるといった特徴を有する。また、導電体５４２ａおよび導電体５４２ｂに接する酸化物５３０の側面および周辺は、絶縁体５４４と接しているため、チャネル形成領域と同様にＩ型となりうる。なお、本明細書等において、Ｉ型とは後述する、高純度真性と同様として扱うことができる。また、本明細書等で開示するＳ－ｃｈａｎｎｅｌ構成は、Ｆｉｎ型構成およびプレーナ型構成とは異なる。Ｓ－ｃｈａｎｎｅｌ構成を採用することで、短チャネル効果に対する耐性を高める、別言すると短チャネル効果が発生し難いトランジスタとすることができる。

【0180】

また、導電体５０３は、導電体５１８と同様の構成であり、絶縁体５１４および絶縁体５１６の開口の内壁に接して導電体５０３ａが形成され、さらに内側に導電体５０３ｂが形成されている。なお、トランジスタ５００では、導電体５０３ａおよび導電体５０３ｂを積層する構成について示しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、導電体５０３は、単層、または３層以上の積層構成として設ける構成にしてもよい。

【0181】

ここで、導電体５０３ａは、水素原子、水素分子、水分子、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する（上記不純物が透過しにくい。）導電性材料を用いることが好ましい。または、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一）の拡散を抑制する機能を有する（上記酸素が透過しにくい。）導電性材料を用いることが好ましい。なお、本明細書において、不純物、または酸素の拡散を抑制する機能とは、上記不純物、または上記酸素のいずれか一または、すべての拡散を抑制する機能とする。

【0182】

例えば、導電体５０３ａが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、導電体５０３ｂが酸化して導電率が低下することを抑制することができる。

【0183】

また、導電体５０３が配線の機能を兼ねる場合、導電体５０３ｂは、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする、導電性が高い導電性材料を用いることが好ましい。なお、本実施の形態では導電体５０３を導電体５０３ａと導電体５０３ｂの積層で図示したが、導電体５０３は単層構成であってもよい。

【0184】

絶縁体５２０、絶縁体５２２、および絶縁体５２４は、第２のゲート絶縁膜としての機能を有する。

【0185】

ここで、酸化物５３０と接する絶縁体５２４は、化学量論的組成を満たす酸素よりも多くの酸素を含む絶縁体を用いることが好ましい。つまり、絶縁体５２４には、過剰酸素領域が形成されていることが好ましい。このような過剰酸素を含む絶縁体を酸化物５３０に接して設けることにより、酸化物５３０中の酸素欠損（Ｖ_Ｏ：ｏｘｙｇｅｎ ｖａｃａｎｃｙともいう）を低減し、トランジスタ５００の信頼性を向上させることができる。なお、酸化物５３０中の酸素欠損に水素が入った場合、当該欠陥（以下、Ｖ_ＯＨと呼ぶ場合がある。）はドナーとして機能し、キャリアである電子が生成されることがある。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合して、キャリアである電子を生成する場合がある。従って、水素が多く含まれている酸化物半導体を用いたトランジスタは、ノーマリーオン特性となりやすい。また、酸化物半導体中の水素は、熱、電界などのストレスによって動きやすいため、酸化物半導体に多くの水素が含まれると、トランジスタの信頼性が悪化する恐れもある。本発明の一態様においては、酸化物５３０中のＶ_ＯＨをできる限り低減し、高純度真性または実質的に高純度真性にすることが好ましい。このように、Ｖ_ＯＨが十分低減された酸化物半導体を得るには、酸化物半導体中の水分、水素などの不純物を除去すること（脱水、脱水素化処理と記載する場合がある。）と、酸化物半導体に酸素を供給して酸素欠損を補填すること（加酸素化処理と記載する場合がある。）が重要である。Ｖ_ＯＨなどの不純物が十分に低減された酸化物半導体をトランジスタのチャネル形成領域に用いることで、安定した電気特性を付与することができる。

【0186】

過剰酸素領域を有する絶縁体として、具体的には、加熱により一部の酸素が脱離する酸化物材料を用いることが好ましい。加熱により酸素を脱離する酸化物とは、ＴＤＳ（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）分析にて、酸素原子に換算しての酸素の脱離量が１．０×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、好ましくは１．０×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、さらに好ましくは２．０×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、または３．０×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上である酸化物膜である。なお、上記ＴＤＳ分析時における膜の表面温度としては１００℃以上７００℃以下、または１００℃以上４００℃以下の範囲が好ましい。

【0187】

また、上記過剰酸素領域を有する絶縁体と、酸化物５３０と、を接して加熱処理、マイクロ波処理、またはＲＦ処理のいずれか一または複数の処理を行っても良い。当該処理を行うことで、酸化物５３０中の水、または水素を除去することができる。例えば、酸化物５３０において、ＶｏＨの結合が切断される反応が起きる、別言すると「Ｖ_ＯＨ→Ｖｏ＋Ｈ」という反応が起きて、脱水素化することができる。このとき発生した水素の一部は、酸素と結合してＨ_２Ｏとして、酸化物５３０、または酸化物５３０近傍の絶縁体から除去される場合がある。また、水素の一部は、導電体５４２にゲッタリングされる場合がある。

【0188】

また、上記マイクロ波処理は、例えば、高密度プラズマを発生させる電源を有する装置、または、基板側にＲＦを印加する電源を有する装置を用いると好適である。例えば、酸素を含むガスを用い、且つ高密度プラズマを用いることより、高密度の酸素ラジカルを生成することができ、基板側にＲＦを印加することで、高密度プラズマによって生成された酸素ラジカルを、効率よく酸化物５３０、または酸化物５３０近傍の絶縁体中に導入することができる。また、上記マイクロ波処理は、圧力を１３３Ｐａ以上、好ましくは２００Ｐａ以上、さらに好ましくは４００Ｐａ以上とすればよい。また、マイクロ波処理を行う装置内に導入するガスとしては、例えば、酸素と、アルゴンとを用い、酸素流量比（Ｏ_２／（Ｏ_２＋Ａｒ））が５０％以下、好ましくは１０％以上３０％以下で行うとよい。

【0189】

また、トランジスタ５００の作製工程中において、酸化物５３０の表面が露出した状態で、加熱処理を行うと好適である。当該加熱処理は、例えば、１００℃以上４５０℃以下、より好ましくは３５０℃以上４００℃以下で行えばよい。なお、加熱処理は、窒素ガスもしくは不活性ガスの雰囲気、または酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上、もしくは１０％以上含む雰囲気で行う。例えば、加熱処理は酸素雰囲気で行うことが好ましい。これにより、酸化物５３０に酸素を供給して、酸素欠損（Ｖ_Ｏ）の低減を図ることができる。また、加熱処理は減圧状態で行ってもよい。または、加熱処理は、窒素ガスもしくは不活性ガスの雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補うために、酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上、または１０％以上含む雰囲気で行ってもよい。または、酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上、または１０％以上含む雰囲気で加熱処理した後に、連続して窒素ガスもしくは不活性ガスの雰囲気で加熱処理を行っても良い。

【0190】

なお、酸化物５３０に加酸素化処理を行うことで、酸化物５３０中の酸素欠損を、供給された酸素により修復させる、別言すると「Ｖｏ＋Ｏ→ｎｕｌｌ」という反応を促進させることができる。さらに、酸化物５３０中に残存した水素に供給された酸素が反応することで、当該水素をＨ_２Ｏとして除去する（脱水化する）ことができる。これにより、酸化物５３０中に残存していた水素が酸素欠損に再結合してＶ_ＯＨが形成されるのを抑制することができる。

【0191】

また、絶縁体５２４が、過剰酸素領域を有する場合、絶縁体５２２は、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子など）の拡散を抑制する機能を有する（上記酸素が透過しにくい）ことが好ましい。

【0192】

絶縁体５２２が、酸素や不純物の拡散を抑制する機能を有することで、酸化物５３０が有する酸素は、絶縁体５２０側へ拡散することがなく、好ましい。また、導電体５０３が、絶縁体５２４や、酸化物５３０が有する酸素と反応することを抑制することができる。

【0193】

絶縁体５２２は、例えば、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ_３）、または（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ_３（ＢＳＴ）などのいわゆるｈｉｇｈ－ｋ材料を含む絶縁体を単層または積層で用いることが好ましい。トランジスタの微細化、および高集積化が進むと、ゲート絶縁膜の薄膜化により、リーク電流などの問題が生じる場合がある。ゲート絶縁膜として機能する絶縁体にｈｉｇｈ－ｋ材料を用いることで、物理膜厚を保ちながら、トランジスタ動作時のゲート電位の低減が可能となる。

【0194】

特に、不純物、および酸素などの拡散を抑制する機能を有する（上記酸素が透過しにくい）絶縁性材料であるアルミニウム、ハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体を用いるとよい。アルミニウム、ハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体として、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウムおよびハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）などを用いることが好ましい。このような材料を用いて絶縁体５２２を形成した場合、絶縁体５２２は、酸化物５３０からの酸素の放出や、トランジスタ５００の周辺部から酸化物５３０への水素等の不純物の混入を抑制する層として機能する。

【0195】

または、これらの絶縁体に、例えば、酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化ゲルマニウム、酸化ニオブ、酸化シリコン、酸化チタン、酸化タングステン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムを添加してもよい。またはこれらの絶縁体を窒化処理してもよい。上記の絶縁体に酸化シリコン、酸化窒化シリコンまたは窒化シリコンを積層して用いてもよい。

【0196】

また、絶縁体５２０は、熱的に安定していることが好ましい。例えば、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため、好適である。また、ｈｉｇｈ－ｋ材料の絶縁体を酸化シリコン、または酸化窒化シリコンと組み合わせることで、熱的に安定かつ比誘電率の高い積層構成の絶縁体５２０を得ることができる。

【0197】

なお、図１８Ａおよび図１８Ｂのトランジスタ５００では、３層の積層構成からなる第２のゲート絶縁膜として、絶縁体５２０、絶縁体５２２、および絶縁体５２４が図示されているが、第２のゲート絶縁膜は、単層、２層、または４層以上の積層構成を有していてもよい。その場合、同じ材料からなる積層構成に限定されず、異なる材料からなる積層構成でもよい。

【0198】

トランジスタ５００は、チャネル形成領域を含む酸化物５３０に、酸化物半導体として機能する金属酸化物を用いることが好ましい。例えば、酸化物５３０として、Ｉｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物（元素Ｍは、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、銅、バナジウム、ベリリウム、ホウ素、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種）等の金属酸化物を用いるとよい。特に、酸化物５３０として適用できるＩｎ－Ｍ－Ｚｎ酸化物は、ＣＡＡＣ－ＯＳ（ｃ－ａｘｉｓ ａｌｉｇｎｅｄ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）であることが好ましい。または、ＣＡＣ－ＯＳ（Ｃｌｏｕｄ－Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）であることが好ましい。なお、ＣＡＡＣは結晶構成の一例を表し、ＣＡＣは機能、または材料の構成の一例を表す。また、酸化物５３０として、Ｉｎ－Ｇａ酸化物、Ｉｎ－Ｚｎ酸化物を用いてもよい。

【0199】

ＣＡＣ－ＯＳは、ＣＡＣ－ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅと呼ばれる場合がある。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、トランジスタのチャネル形成領域に用いる場合、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。

【0200】

また、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。

【0201】

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。

【0202】

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形成領域に用いる場合、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。

【0203】

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。

【0204】

なお、酸化物半導体として機能する金属酸化物は、単結晶酸化物半導体と、それ以外の非単結晶酸化物半導体と、に分けられる。非単結晶酸化物半導体としては、例えば、ＣＡＡＣ－ＯＳ、多結晶酸化物半導体、ｎｃ－ＯＳ（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、擬似非晶質酸化物半導体（ａ－ｌｉｋｅ ＯＳ：ａｍｏｒｐｈｏｕｓ－ｌｉｋｅ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、および非晶質酸化物半導体などがある。

【0205】

ＣＡＡＣ－ＯＳは、ｃ軸配向性を有し、かつａ－ｂ面方向において複数のナノ結晶が連結し、歪みを有した結晶構成となっている。なお、歪みとは、複数のナノ結晶が連結する領域において、格子配列の揃った領域と、別の格子配列の揃った領域と、の間で格子配列の向きが変化している箇所を指す。

【0206】

ナノ結晶は、六角形を基本とするが、正六角形状とは限らず、非正六角形状である場合がある。また、歪みにおいて、五角形、および七角形などの格子配列を有する場合がある。なお、ＣＡＡＣ－ＯＳにおいて、歪み近傍においても、明確な結晶粒界（グレインバウンダリーともいう。）を確認することは難しい。すなわち、格子配列の歪みによって、結晶粒界の形成が抑制されていることがわかる。これは、ＣＡＡＣ－ＯＳが、ａ－ｂ面方向において酸素原子の配列が稠密でないことや、金属元素が置換することで原子間の結合距離が変化することなどによって、歪みを許容することができるためである。

【0207】

また、ＣＡＡＣ－ＯＳは、インジウム、および酸素を有する層（以下、Ｉｎ層）と、元素Ｍ、亜鉛、および酸素を有する層（以下、（Ｍ，Ｚｎ）層）とが積層した、層状の結晶構成（層状構成ともいう）を有する傾向がある。なお、インジウムと元素Ｍは、互いに置換可能であり、（Ｍ，Ｚｎ）層の元素Ｍがインジウムと置換した場合、（Ｉｎ，Ｍ，Ｚｎ）層と表すこともできる。また、Ｉｎ層のインジウムが元素Ｍと置換した場合、（Ｉｎ，Ｍ）層と表すこともできる。

【0208】

ＣＡＡＣ－ＯＳは結晶性の高い金属酸化物である。一方、ＣＡＡＣ－ＯＳは、明確な結晶粒界を確認することが難しいため、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。また、金属酸化物の結晶性は不純物の混入や欠陥の生成などによって低下する場合があるため、ＣＡＡＣ－ＯＳは不純物や欠陥（酸素欠損など）の少ない金属酸化物ともいえる。したがって、ＣＡＡＣ－ＯＳを有する金属酸化物は、物理的性質が安定する。そのため、ＣＡＡＣ－ＯＳを有する金属酸化物は熱に強く、信頼性が高い。

【0209】

ｎｃ－ＯＳは、微小な領域（例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の領域、特に１ｎｍ以上３ｎｍ以下の領域）において原子配列に周期性を有する。また、ｎｃ－ＯＳは、異なるナノ結晶間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、膜全体で配向性が見られない。したがって、ｎｃ－ＯＳは、分析方法によっては、ａ－ｌｉｋｅ ＯＳや非晶質酸化物半導体と区別が付かない場合がある。

【0210】

なお、インジウムと、ガリウムと、亜鉛と、を有する金属酸化物の一種である、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物（「ＩＧＺＯ」ともいう。）は、上述のナノ結晶とすることで安定な構成をとる場合がある。特に、ＩＧＺＯは、大気中では結晶成長がし難い傾向があるため、大きな結晶（ここでは、数ｍｍの結晶、または数ｃｍの結晶）よりも小さな結晶（例えば、上述のナノ結晶）とする方が、構成的に安定となる場合がある。

【0211】

ａ－ｌｉｋｅ ＯＳは、ｎｃ－ＯＳと非晶質酸化物半導体との間の構成を有する金属酸化物である。ａ－ｌｉｋｅ ＯＳは、鬆または低密度領域を有する。すなわち、ａ－ｌｉｋｅ ＯＳは、ｎｃ－ＯＳおよびＣＡＡＣ－ＯＳと比べて、結晶性が低い。

【0212】

酸化物半導体（金属酸化物）は、多様な構成をとり、それぞれが異なる特性を有する。本発明の一態様の酸化物半導体は、非晶質酸化物半導体、多結晶酸化物半導体、ａ－ｌｉｋｅ ＯＳ、ｎｃ－ＯＳ、ＣＡＡＣ－ＯＳのうち、二種以上を有していてもよい。

【0213】

また、トランジスタ５００には、キャリア濃度の低い金属酸化物を用いることが好ましい。金属酸化物のキャリア濃度を低くする場合においては、金属酸化物中の不純物濃度を低くし、欠陥準位密度を低くすればよい。本明細書等において、不純物濃度が低く、欠陥準位密度の低いことを高純度真性または実質的に高純度真性という。なお、金属酸化物中の不純物としては、例えば、水素、窒素、アルカリ金属、アルカリ土類金属、鉄、ニッケル、シリコン等がある。

【0214】

特に、金属酸化物に含まれる水素は、金属原子と結合する酸素と反応して水になるため、金属酸化物中に酸素欠損を形成する場合がある。金属酸化物中のチャネル形成領域に酸素欠損が含まれていると、トランジスタはノーマリーオン特性となる場合がある。さらに、酸素欠損に水素が入った欠陥はドナーとして機能し、キャリアである電子が生成されることがある。また、水素の一部が金属原子と結合する酸素と結合して、キャリアである電子を生成する場合がある。従って、水素が多く含まれている金属酸化物を用いたトランジスタは、ノーマリーオン特性となりやすい。

【0215】

酸素欠損に水素が入った欠陥は、金属酸化物のドナーとして機能しうる。しかしながら、当該欠陥を定量的に評価することは困難である。そこで、金属酸化物においては、ドナー濃度ではなく、キャリア濃度で評価される場合がある。よって、本明細書等では、金属酸化物のパラメータとして、ドナー濃度ではなく、電界が印加されない状態を想定したキャリア濃度を用いる場合がある。つまり、本明細書等に記載の「キャリア濃度」は、「ドナー濃度」と言い換えることができる場合がある。

【0216】

よって、金属酸化物を酸化物５３０に用いる場合、金属酸化物中の水素はできる限り低減されていることが好ましい。具体的には、金属酸化物において、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）により得られる水素濃度を、１×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、好ましくは１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、より好ましくは５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、さらに好ましくは１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満とする。水素などの不純物が十分に低減された金属酸化物をトランジスタのチャネル形成領域に用いることで、安定した電気特性を付与することができる。

【0217】

また、酸化物５３０に金属酸化物を用いる場合、チャネル形成領域の金属酸化物のキャリア濃度は、１×１０^１８ｃｍ^－３以下であることが好ましく、１×１０^１７ｃｍ^－３未満であることがより好ましく、１×１０^１６ｃｍ^－３未満であることがさらに好ましく、１×１０^１３ｃｍ^－３未満であることがさらに好ましく、１×１０^１２ｃｍ^－３未満であることがさらに好ましい。なお、チャネル形成領域の金属酸化物のキャリア濃度の下限値については、特に限定は無いが、例えば、１×１０^－９ｃｍ^－３とすることができる。

【0218】

また、酸化物５３０に金属酸化物を用いる場合、導電体５４２（導電体５４２ａ、および導電体５４２ｂ）と酸化物５３０とが接することで、酸化物５３０中の酸素が導電体５４２へ拡散し、導電体５４２が酸化する場合がある。導電体５４２が酸化することで、導電体５４２の導電率が低下する蓋然性が高い。なお、酸化物５３０中の酸素が導電体５４２へ拡散することを、導電体５４２が酸化物５３０中の酸素を吸収する、と言い換えることができる。

【0219】

また、酸化物５３０中の酸素が導電体５４２（導電体５４２ａ、および導電体５４２ｂ）へ拡散することで、導電体５４２ａと酸化物５３０ｂとの間、および、導電体５４２ｂと酸化物５３０ｂとの間に異層が形成される場合がある。当該異層は、導電体５４２よりも酸素を多く含むため、当該異層は絶縁性を有すると推定される。このとき、導電体５４２と、当該異層と、酸化物５３０ｂとの３層構成は、金属－絶縁体－半導体からなる３層構成とみなすことができ、ＭＩＳ（Ｍｅｔａｌ－Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ－Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）構成と呼ぶ、またはＭＩＳ構成を主としたダイオード接合構成と呼ぶ場合がある。

【0220】

なお、上記異層は、導電体５４２と酸化物５３０ｂとの間に形成されることに限られず、例えば、異層が、導電体５４２と酸化物５３０ｃとの間に形成される場合や、導電体５４２と酸化物５３０ｂとの間、および導電体５４２と酸化物５３０ｃとの間に形成される場合がある。

【0221】

また、酸化物５３０においてチャネル形成領域として機能する金属酸化物は、バンドギャップが２ｅＶ以上、好ましくは２．５ｅＶ以上のものを用いることが好ましい。このように、バンドギャップの大きい金属酸化物を用いることで、トランジスタのオフ電流を低減することができる。

【0222】

酸化物５３０は、酸化物５３０ｂ下に酸化物５３０ａを有することで、酸化物５３０ａよりも下方に形成された構成物から、酸化物５３０ｂへの不純物の拡散を抑制することができる。また、酸化物５３０ｂ上に酸化物５３０ｃを有することで、酸化物５３０ｃよりも上方に形成された構成物から、酸化物５３０ｂへの不純物の拡散を抑制することができる。

【0223】

なお、酸化物５３０は、各金属原子の原子数比が異なる複数の酸化物層の積層構成を有することが好ましい。具体的には、酸化物５３０ａに用いる金属酸化物において、構成元素中の元素Ｍの原子数比が、酸化物５３０ｂに用いる金属酸化物における、構成元素中の元素Ｍの原子数比より、大きいことが好ましい。また、酸化物５３０ａに用いる金属酸化物において、Ｉｎに対する元素Ｍの原子数比が、酸化物５３０ｂに用いる金属酸化物における、Ｉｎに対する元素Ｍの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物５３０ｂに用いる金属酸化物において、元素Ｍに対するＩｎの原子数比が、酸化物５３０ａに用いる金属酸化物における、元素Ｍに対するＩｎの原子数比より大きいことが好ましい。また、酸化物５３０ｃは、酸化物５３０ａまたは酸化物５３０ｂに用いることができる金属酸化物を、用いることができる。

【0224】

また、酸化物５３０ａおよび酸化物５３０ｃの伝導帯下端のエネルギーが、酸化物５３０ｂの伝導帯下端のエネルギーより高くなることが好ましい。また、言い換えると、酸化物５３０ａおよび酸化物５３０ｃの電子親和力が、酸化物５３０ｂの電子親和力より小さいことが好ましい。

【0225】

ここで、酸化物５３０ａ、酸化物５３０ｂ、および酸化物５３０ｃの接合部において、伝導帯下端のエネルギー準位はなだらかに変化する。換言すると、酸化物５３０ａ、酸化物５３０ｂ、および酸化物５３０ｃの接合部における伝導帯下端のエネルギー準位は、連続的に変化または連続接合するともいうことができる。このようにするためには、酸化物５３０ａと酸化物５３０ｂとの界面、および酸化物５３０ｂと酸化物５３０ｃとの界面において形成される混合層の欠陥準位密度を低くするとよい。

【0226】

具体的には、酸化物５３０ａと酸化物５３０ｂ、酸化物５３０ｂと酸化物５３０ｃが、酸素以外に共通の元素を有する（主成分とする）ことで、欠陥準位密度が低い混合層を形成することができる。例えば、酸化物５３０ｂがＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物の場合、酸化物５３０ａおよび酸化物５３０ｃとして、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ酸化物、Ｇａ－Ｚｎ酸化物、酸化ガリウムなどを用いるとよい。

【0227】

このとき、キャリアの主たる経路は酸化物５３０ｂとなる。酸化物５３０ａ、酸化物５３０ｃを上述の構成とすることで、酸化物５３０ａと酸化物５３０ｂとの界面、および酸化物５３０ｂと酸化物５３０ｃとの界面における欠陥準位密度を低くすることができる。そのため、界面散乱によるキャリア伝導への影響が小さくなり、トランジスタ５００は高いオン電流を得られる。

【0228】

酸化物５３０ｂ上には、ソース電極、およびドレイン電極として機能する導電体５４２ａ、および導電体５４２ｂが設けられる。導電体５４２ａ、および導電体５４２ｂとしては、アルミニウム、クロム、銅、銀、金、白金、タンタル、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウム、インジウム、ルテニウム、イリジウム、ストロンチウム、ランタンから選ばれた金属元素、または上述した金属元素を成分とする合金か、上述した金属元素を組み合わせた合金等を用いることが好ましい。例えば、窒化タンタル、窒化チタン、タングステン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物などを用いることが好ましい。また、窒化タンタル、窒化チタン、チタンとアルミニウムを含む窒化物、タンタルとアルミニウムを含む窒化物、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、ストロンチウムとルテニウムを含む酸化物、ランタンとニッケルを含む酸化物は、酸化しにくい導電性材料、または、酸素を吸収しても導電性を維持する材料であるため、好ましい。更に、窒化タンタルなどの金属窒化物膜は、水素または酸素に対するバリア性があるため好ましい。

【0229】

また、図１８では、導電体５４２ａ、および導電体５４２ｂを単層構成として示したが、２層以上の積層構成としてもよい。例えば、窒化タンタル膜とタングステン膜を積層するとよい。また、チタン膜とアルミニウム膜を積層してもよい。また、タングステン膜上にアルミニウム膜を積層する二層構成、銅－マグネシウム－アルミニウム合金膜上に銅膜を積層する二層構成、チタン膜上に銅膜を積層する二層構成、タングステン膜上に銅膜を積層する二層構成としてもよい。

【0230】

また、チタン膜または窒化チタン膜と、そのチタン膜または窒化チタン膜上に重ねてアルミニウム膜または銅膜を積層し、さらにその上にチタン膜または窒化チタン膜を形成する三層構成、モリブデン膜または窒化モリブデン膜と、そのモリブデン膜または窒化モリブデン膜上に重ねてアルミニウム膜または銅膜を積層し、さらにその上にモリブデン膜または窒化モリブデン膜を形成する三層構成等がある。なお、酸化インジウム、酸化錫または酸化亜鉛を含む透明導電材料を用いてもよい。

【0231】

また、図１８Ａに示すように、酸化物５３０の、導電体５４２ａ（導電体５４２ｂ）との界面とその近傍には、低抵抗領域として、領域５４３ａ、および領域５４３ｂが形成される場合がある。このとき、領域５４３ａはソース領域またはドレイン領域の一方として機能し、領域５４３ｂはソース領域またはドレイン領域の他方として機能する。また、領域５４３ａと領域５４３ｂに挟まれる領域にチャネル形成領域が形成される。

【0232】

酸化物５３０と接するように上記導電体５４２ａ（導電体５４２ｂ）を設けることで、領域５４３ａ（領域５４３ｂ）の酸素濃度が低減する場合がある。また、領域５４３ａ（領域５４３ｂ）に導電体５４２ａ（導電体５４２ｂ）に含まれる金属と、酸化物５３０の成分とを含む金属化合物層が形成される場合がある。このような場合、領域５４３ａ（領域５４３ｂ）のキャリア密度が増加し、領域５４３ａ（領域５４３ｂ）は、低抵抗領域となる。

【0233】

絶縁体５４４は、導電体５４２ａ、および導電体５４２ｂを覆うように設けられ、導電体５４２ａ、および導電体５４２ｂの酸化を抑制する。このとき、絶縁体５４４は、酸化物５３０の側面を覆い、絶縁体５２４と接するように設けられてもよい。

【0234】

絶縁体５４４として、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、ネオジム、ランタンまたは、マグネシウムなどから選ばれた一種、または二種以上が含まれた金属酸化物を用いることができる。また、絶縁体５４４として、窒化酸化シリコンまたは窒化シリコンなども用いることができる。

【0235】

特に、絶縁体５４４として、アルミニウム、またはハフニウムの一方または双方の酸化物を含む絶縁体である、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、アルミニウム、およびハフニウムを含む酸化物（ハフニウムアルミネート）などを用いることが好ましい。特に、ハフニウムアルミネートは、酸化ハフニウム膜よりも、耐熱性が高い。そのため、後の工程での熱処理において、結晶化しにくいため好ましい。なお、導電体５４２ａ、および導電体５４２ｂが耐酸化性を有する材料、または、酸素を吸収しても著しく導電性が低下しない場合、絶縁体５４４は、必須の構成ではない。求めるトランジスタ特性により、適宜設計すればよい。

【0236】

絶縁体５４４を有することで、絶縁体５８０に含まれる水、および水素などの不純物が酸化物５３０ｃ、絶縁体５４５を介して、酸化物５３０ｂに拡散することを抑制することができる。また、絶縁体５８０が有する過剰酸素により、導電体５６０が酸化するのを抑制することができる。

【0237】

絶縁体５４５は、第１のゲート絶縁膜として機能する。絶縁体５４５は、酸化物５３０ｃの内側（上面、および側面）に接して配置することが好ましい。絶縁体５４５は、上述した絶縁体５２４と同様に、過剰に酸素を含み、かつ加熱により酸素が放出される絶縁体を用いて形成することが好ましい。

【0238】

具体的には、過剰酸素を有する酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素、および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンを用いることができる。特に、酸化シリコン、および酸化窒化シリコンは熱に対し安定であるため好ましい。

【0239】

加熱により酸素が放出される絶縁体を、絶縁体５４５として、酸化物５３０ｃの上面に接して設けることにより、絶縁体５４５から、酸化物５３０ｃを通じて、酸化物５３０ｂのチャネル形成領域に効果的に酸素を供給することができる。また、絶縁体５２４と同様に、絶縁体５４５中の水または水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。絶縁体５４５の膜厚は、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下とするのが好ましい。

【0240】

また、絶縁体５４５が有する過剰酸素を、効率的に酸化物５３０へ供給するために、絶縁体５４５と導電体５６０との間に金属酸化物を設けてもよい。当該金属酸化物は、絶縁体５４５から導電体５６０への酸素拡散を抑制することが好ましい。酸素の拡散を抑制する金属酸化物を設けることで、絶縁体５４５から導電体５６０への過剰酸素の拡散が抑制される。つまり、酸化物５３０へ供給する過剰酸素量の減少を抑制することができる。また、過剰酸素による導電体５６０の酸化を抑制することができる。当該金属酸化物としては、絶縁体５４４に用いることができる材料を用いればよい。

【0241】

なお、絶縁体５４５は、第２のゲート絶縁膜と同様に、積層構成としてもよい。トランジスタの微細化、および高集積化が進むと、ゲート絶縁膜の薄膜化により、リーク電流などの問題が生じる場合があるため、ゲート絶縁膜として機能する絶縁体を、ｈｉｇｈ－ｋ材料と、熱的に安定している材料との積層構成とすることで、物理膜厚を保ちながら、トランジスタ動作時のゲート電位の低減が可能となる。また、熱的に安定かつ比誘電率の高い積層構成とすることができる。

【0242】

第１のゲート電極として機能する導電体５６０は、図１８Ａおよび図１８Ｂでは２層構成として示しているが、単層構成でもよいし、３層以上の積層構成であってもよい。

【0243】

導電体５６０ａは、水素原子、水素分子、水分子、窒素原子、窒素分子、酸化窒素分子（Ｎ_２Ｏ、ＮＯ、ＮＯ_２など）、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。または、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一）の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。導電体５６０ａが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、絶縁体５４５に含まれる酸素により、導電体５６０ｂが酸化して導電率が低下することを抑制することができる。酸素の拡散を抑制する機能を有する導電性材料としては、例えば、タンタル、窒化タンタル、ルテニウム、または酸化ルテニウムなどを用いることが好ましい。また、導電体５６０ａとして、酸化物５３０に適用できる酸化物半導体を用いることができる。その場合、導電体５６０ｂをスパッタリング法で成膜することで、導電体５６０ａの電気抵抗値を低下させて導電体にすることができる。これをＯＣ（Ｏｘｉｄｅ Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）電極と呼ぶことができる。

【0244】

また、導電体５６０ｂは、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることが好ましい。また、導電体５６０ｂは、配線としても機能するため、導電性が高い導電体を用いることが好ましい。例えば、タングステン、銅、またはアルミニウムを主成分とする導電性材料を用いることができる。また、導電体５６０ｂは積層構成としてもよく、例えば、チタンまたは窒化チタンと上記導電性材料との積層構成としてもよい。

【0245】

絶縁体５８０は、絶縁体５４４を介して、導電体５４２ａ、および導電体５４２ｂ上に設けられる。絶縁体５８０は、過剰酸素領域を有することが好ましい。例えば、絶縁体５８０として、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、フッ素を添加した酸化シリコン、炭素を添加した酸化シリコン、炭素、および窒素を添加した酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコン、または樹脂などを有することが好ましい。特に、酸化シリコン、および酸化窒化シリコンは、熱的に安定であるため好ましい。特に、酸化シリコン、空孔を有する酸化シリコンは、後の工程で、容易に過剰酸素領域を形成することができるため好ましい。

【0246】

絶縁体５８０は、過剰酸素領域を有することが好ましい。加熱により酸素が放出される絶縁体５８０を、酸化物５３０ｃと接して設けることで、絶縁体５８０中の酸素を、酸化物５３０ｃを通じて、酸化物５３０へと効率良く供給することができる。なお、絶縁体５８０中の水または水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。

【0247】

絶縁体５８０の開口は、導電体５４２ａと導電体５４２ｂの間の領域に重畳して形成される。これにより、導電体５６０は、絶縁体５８０の開口、および導電体５４２ａと導電体５４２ｂに挟まれた領域に、埋め込まれるように形成される。

【0248】

半導体装置を微細化するに当たり、ゲート長を短くすることが求められるが、導電体５６０の導電性が下がらないようにする必要がある。そのために導電体５６０の膜厚を大きくすると、導電体５６０はアスペクト比が高い形状となりうる。本実施の形態では、導電体５６０を絶縁体５８０の開口に埋め込むように設けるため、導電体５６０をアスペクト比の高い形状にしても、工程中に導電体５６０を倒壊させることなく、形成することができる。

【0249】

絶縁体５７４は、絶縁体５８０の上面、導電体５６０の上面、および絶縁体５４５の上面に接して設けられることが好ましい。絶縁体５７４をスパッタリング法で成膜することで、絶縁体５４５、および絶縁体５８０へ過剰酸素領域を設けることができる。これにより、当該過剰酸素領域から、酸化物５３０中に酸素を供給することができる。

【0250】

例えば、絶縁体５７４として、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、ジルコニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニッケル、ゲルマニウム、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または二種以上が含まれた金属酸化物を用いることができる。

【0251】

特に、酸化アルミニウムはバリア性が高く、０．５ｎｍ以上３．０ｎｍ以下の薄膜であっても、水素、および窒素の拡散を抑制することができる。したがって、スパッタリング法で成膜した酸化アルミニウムは、酸素供給源であるとともに、水素などの不純物のバリア膜としての機能も有することができる。

【0252】

また、絶縁体５７４の上に、層間膜として機能する絶縁体５８１を設けることが好ましい。絶縁体５８１は、絶縁体５２４などと同様に、膜中の水または水素などの不純物濃度が低減されていることが好ましい。

【0253】

また、絶縁体５８１、絶縁体５７４、絶縁体５８０、および絶縁体５４４に形成された開口に、導電体５４０ａ、および導電体５４０ｂを配置する。導電体５４０ａおよび導電体５４０ｂは、導電体５６０を挟んで対向して設ける。導電体５４０ａおよび導電体５４０ｂは、後述する導電体５４６、および導電体５４８と同様の構成である。

【0254】

絶縁体５８１上には、絶縁体５８２が設けられている。絶縁体５８２は、酸素や水素に対してバリア性のある物質を用いることが好ましい。したがって、絶縁体５８２には、絶縁体５１４と同様の材料を用いることができる。例えば、絶縁体５８２には、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどの金属酸化物を用いることが好ましい。

【0255】

特に、酸化アルミニウムは、酸素、およびトランジスタの電気特性の変動要因となる水素、水分などの不純物、の両方に対して膜を透過させない遮断効果が高い。したがって、酸化アルミニウムは、トランジスタの作製工程中および作製後において、水素、水分などの不純物のトランジスタ５００への混入を防止することができる。また、トランジスタ５００を構成する酸化物からの酸素の放出を抑制することができる。そのため、トランジスタ５００に対する保護膜として用いることに適している。

【0256】

また、絶縁体５８２上には、絶縁体５８６が設けられている。絶縁体５８６は、絶縁体３２０と同様の材料を用いることができる。また、これらの絶縁体に、比較的誘電率が低い材料を適用することで、配線間に生じる寄生容量を低減することができる。例えば、絶縁体５８６として、酸化シリコン膜や酸化窒化シリコン膜などを用いることができる。

【0257】

また、絶縁体５２０、絶縁体５２２、絶縁体５２４、絶縁体５４４、絶縁体５８０、絶縁体５７４、絶縁体５８１、絶縁体５８２、および絶縁体５８６には、導電体５４６、および導電体５４８等が埋め込まれている。

【0258】

導電体５４６、および導電体５４８は、容量６００、トランジスタ５００、またはトランジスタ５５０と接続するプラグ、または配線としての機能を有する。導電体５４６、および導電体５４８は、導電体３２８、および導電体３３０と同様の材料を用いて設けることができる。

【0259】

また、トランジスタ５００の形成後、トランジスタ５００を囲むように開口を形成し、当該開口を覆うように、水素、または水に対するバリア性が高い絶縁体を形成してもよい。上述のバリア性の高い絶縁体でトランジスタ５００を包み込むことで、外部から水分、および水素が侵入するのを防止することができる。または、複数のトランジスタ５００をまとめて、水素、または水に対するバリア性が高い絶縁体で包み込んでもよい。なお、トランジスタ５００を囲むように開口を形成する場合、例えば、絶縁体５２２または絶縁体５１４に達する開口を形成し、絶縁体５２２または絶縁体５１４に接するように上述のバリア性の高い絶縁体を形成すると、トランジスタ５００の作製工程の一部を兼ねられるため、好適である。なお、水素、または水に対するバリア性が高い絶縁体としては、例えば、絶縁体５２２または絶縁体５１４と同様の材料を用いればよい。

【0260】

続いて、トランジスタ５００の上方には、容量６００が設けられている。容量６００は、導電体６１０と、導電体６２０と、絶縁体６３０とを有する。

【0261】

また、導電体５４６、および導電体５４８上に、導電体６１２を設けてもよい。導電体６１２は、トランジスタ５００と接続するプラグ、または配線としての機能を有する。導電体６１０は、容量６００の電極としての機能を有する。なお、導電体６１２、および導電体６１０は、同時に形成することができる。

【0262】

導電体６１２、および導電体６１０には、モリブデン、チタン、タンタル、タングステン、アルミニウム、銅、クロム、ネオジム、スカンジウムから選ばれた元素を含む金属膜、または上述した元素を成分とする金属窒化物膜（窒化タンタル膜、窒化チタン膜、窒化モリブデン膜、窒化タングステン膜）等を用いることができる。または、インジウム錫酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物、酸化ケイ素を添加したインジウム錫酸化物などの導電性材料を適用することもできる。

【0263】

本実施の形態では、導電体６１２、および導電体６１０を単層構成で示したが、当該構成に限定されず、２層以上の積層構成でもよい。例えば、バリア性を有する導電体と導電性が高い導電体との間に、バリア性を有する導電体、および導電性が高い導電体に対して密着性が高い導電体を形成してもよい。

【0264】

絶縁体６３０を介して、導電体６１０と重畳するように、導電体６２０を設ける。なお、導電体６２０は、金属材料、合金材料、または金属酸化物材料などの導電性材料を用いることができる。耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましく、特にタングステンを用いることが好ましい。また、導電体などの他の構成と同時に形成する場合は、低抵抗金属材料であるＣｕ（銅）やＡｌ（アルミニウム）等を用いればよい。

【0265】

導電体６２０、および絶縁体６３０上には、絶縁体６４０が設けられている。絶縁体６４０は、絶縁体３２０と同様の材料を用いて設けることができる。また、絶縁体６４０は、その下方の凹凸形状を被覆する平坦化膜として機能してもよい。

【0266】

本構成を用いることで、酸化物半導体を有するトランジスタを用いた半導体装置において、微細化または高集積化を図ることができる。

【0267】

本発明の一態様の半導体装置に用いることができる基板としては、ガラス基板、石英基板、サファイア基板、セラミック基板、金属基板（例えば、ステンレス・スチル基板、ステンレス・スチル・ホイルを有する基板、タングステン基板、タングステン・ホイルを有する基板など）、半導体基板（例えば、単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、または化合物半導体基板など）ＳＯＩ（ＳＯＩ：Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板、などを用いることができる。また、本実施の形態の処理温度に耐えうる耐熱性を有するプラスチック基板を用いてもよい。ガラス基板の一例としては、バリウムホウケイ酸ガラス、アルミノシリケートガラス、またはアルミノホウケイ酸ガラス、またはソーダライムガラスなどがある。他にも、結晶化ガラスなどを用いることができる。

【0268】

または、基板として、可撓性基板、貼り合わせフィルム、繊維状の材料を含む紙、または基材フィルムなどを用いることができる。可撓性基板、貼り合わせフィルム、基材フィルムなどの一例としては、以下のものがあげられる。例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）に代表されるプラスチックがある。または、一例としては、アクリル等の合成樹脂などがある。または、一例としては、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリフッ化ビニル、またはポリ塩化ビニルなどがある。または、一例としては、ポリアミド、ポリイミド、アラミド、エポキシ、無機蒸着フィルム、または紙類などがある。特に、半導体基板、単結晶基板、またはＳＯＩ基板などを用いてトランジスタを製造することによって、特性、サイズ、または形状などのばらつきが少なく、電流能力が高く、サイズの小さいトランジスタを製造することができる。このようなトランジスタによって回路を構成すると、回路の低消費電力化、または回路の高集積化を図ることができる。

【0269】

また、基板として、可撓性基板を用い、可撓性基板上に直接、トランジスタ、抵抗、および／または容量などを形成してもよい。または、基板と、トランジスタ、抵抗、および／または容量などの間に剥離層を設けてもよい。剥離層は、その上に半導体装置を一部あるいは全部完成させた後、基板より分離し、他の基板に転載するために用いることができる。その際、トランジスタ、抵抗、および／または容量などは耐熱性の劣る基板や可撓性の基板にも転載できる。なお、上述の剥離層には、例えば、タングステン膜と酸化シリコン膜との無機膜の積層構成の構成や、基板上にポリイミド等の有機樹脂膜が形成された構成、水素を含むシリコン膜等を用いることができる。

【0270】

つまり、ある基板上に半導体装置を形成し、その後、別の基板に半導体装置を転置してもよい。半導体装置が転置される基板の一例としては、上述したトランジスタを形成することが可能な基板に加え、紙基板、セロファン基板、アラミドフィルム基板、ポリイミドフィルム基板、石材基板、木材基板、布基板（天然繊維（絹、綿、麻）、合成繊維（ナイロン、ポリウレタン、ポリエステル）若しくは再生繊維（アセテート、キュプラ、レーヨン、再生ポリエステル）などを含む）、皮革基板、またはゴム基板などがある。これらの基板を用いることにより、可撓性を有する半導体装置の製造、壊れにくい半導体装置の製造、耐熱性の付与、軽量化、または薄型化を図ることができる。

【0271】

可撓性を有する基板上に半導体装置を設けることで、例えば、二次電池３００が曲面形状または屈曲形状を有する場合であっても、半導体装置を二次電池の外形に沿って設けることができる。例えば、二次電池３００が円筒形状である場合に、当該二次電池の側面に半導体装置を巻きつけるように設けることができる。

【0272】

＜トランジスタの変形例１＞
図１９Ａ、図１９Ｂに示すトランジスタ５００Ａは、図１８Ａ、図１８Ｂに示す構成のトランジスタ５００の変形例である。図１９Ａはトランジスタ５００Ａのチャネル長方向の断面図であり、図１９Ｂはトランジスタ５００Ａのチャネル幅方向の断面図である。なお、図１９Ａ、図１９Ｂに示す構成は、トランジスタ５５０等、本発明の一態様の半導体装置が有する他のトランジスタにも適用することができる。

【0273】

図１９Ａ、図１９Ｂに示す構成のトランジスタ５００Ａは、絶縁体５５２、絶縁体５１３および絶縁体４０４を有し、酸化物５３０ｃが酸化物５３０ｃ１と酸化物５３０ｃ２の積層で構成されている点が、図１８Ａ、図１８Ｂに示す構成のトランジスタ５００と異なる。また、導電体５４０ａの側面に接して絶縁体５５２が設けられ、導電体５４０ｂの側面に接して絶縁体５５２が設けられる点が、図１８Ａ、図１８Ｂに示す構成のトランジスタ５００と異なる。さらに、絶縁体５２０を有さない点が、図１８Ａ、図１８Ｂに示す構成のトランジスタ５００と異なる。

【0274】

図１９Ａ、図１９Ｂに示す構成のトランジスタ５００は、絶縁体５１２上に絶縁体５１３が設けられる。また、絶縁体５７４上、および絶縁体５１３上に絶縁体４０４が設けられる。

【0275】

図１９Ａ、図１９Ｂに示す構成のトランジスタ５００では、絶縁体５１４、絶縁体５１６、絶縁体５２２、絶縁体５２４、絶縁体５４４、絶縁体５８０、および絶縁体５７４がパターニングされており、絶縁体４０４がこれらを覆う構成になっている。つまり、絶縁体４０４は、絶縁体５７４の上面、絶縁体５７４の側面、絶縁体５８０の側面、絶縁体５４４の側面、絶縁体５２４の側面、絶縁体５２２の側面、絶縁体５１６の側面、絶縁体５１４の側面、絶縁体５１３の上面とそれぞれ接する。これにより、酸化物５３０等は、絶縁体４０４と絶縁体５１３によって外部から隔離される。

【0276】

絶縁体５１３および絶縁体４０４は、水素（例えば、水素原子、水素分子などの少なくとも一）または水分子の拡散を抑制する機能が高いことが好ましい。例えば、絶縁体５１３および絶縁体４０４として、水素バリア性が高い材料である、窒化シリコンまたは窒化酸化シリコンを用いることが好ましい。これにより、酸化物５３０に水素等が拡散することを抑制することができるので、トランジスタ５００Ａの特性低下を抑制できる。よって、本発明の一態様の半導体装置の信頼性を高めることができる。

【0277】

絶縁体５５２は、絶縁体５８１、絶縁体４０４、絶縁体５７４、絶縁体５８０、および絶縁体５４４に接して設けられる。絶縁体５５２は、水素または水分子の拡散を抑制する機能を有することが好ましい。たとえば、絶縁体５５２として、水素バリア性が高い材料である、窒化シリコン、酸化アルミニウム、または窒化酸化シリコン等の絶縁体を用いることが好ましい。特に、窒化シリコンは水素バリア性が高い材料であるので、絶縁体５５２として用いると好適である。絶縁体５５２として水素バリア性が高い材料を用いることにより、水または水素等の不純物が、絶縁体５８０等から導電体５４０ａおよび導電体５４０ｂを通じて酸化物５３０に拡散することを抑制することができる。また、絶縁体５８０に含まれる酸素が導電体５４０ａおよび導電体５４０ｂに吸収されることを抑制することができる。以上により、本発明の一態様の半導体装置の信頼性を高めることができる。

【0278】

酸化物５３０ｃ１は、絶縁体５２４の上面、酸化物５３０ａの側面、酸化物５３０ｂの上面および側面、導電体５４２ａおよび導電体５４２ｂの側面、絶縁体５４４の側面、および絶縁体５８０の側面と接する（図１９Ｂ参照。）。酸化物５３０ｃ２は、絶縁体５４５と接する。

【0279】

酸化物５３０ｃ１としては、例えばＩｎ－Ｚｎ酸化物を用いることができる。また、酸化物５３０ｃ２としては、酸化物５３０ｃが単層構成である場合に酸化物５３０ｃに用いる材料と同様の材料を用いることができる。例えば、酸化物５３０ｃ２として、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］、Ｇａ：Ｚｎ＝２：１［原子数比］、またはＧａ：Ｚｎ＝２：５［原子数比］の金属酸化物を用いることができる。

【0280】

酸化物５３０ｃを酸化物５３０ｃ１および酸化物５３０ｃ２の２層構成とすることにより、酸化物５３０ｃを１層構成とする場合より、トランジスタのオン電流を高めることができる。よって、トランジスタを、例えばパワーＭＯＳトランジスタとすることもできる。

【0281】

＜トランジスタの変形例２＞
図２０Ａ、図２０Ｂおよび図２０Ｃを用いて、トランジスタ５００Ｂの構成例を説明する。図２０Ａはトランジスタ５００Ｂの上面図である。図２０Ｂは、図２０Ａに一点鎖線で示すＬ１－Ｌ２部位の断面図である。図２０Ｃは、図２０Ａに一点鎖線で示すＷ１－Ｗ２部位の断面図である。なお、図２０Ａの上面図では、図の明瞭化のために一部の要素の記載を省略している。

【0282】

トランジスタ５００Ｂはトランジスタ５００の変形例であり、トランジスタ５００に置き換え可能なトランジスタである。よって、説明の繰り返しを防ぐため、主にトランジスタ５００と異なる点について説明する。

【0283】

第１のゲート電極として機能する導電体５６０は、導電体５６０ａ、および導電体５６０ａ上の導電体５６０ｂを有する。導電体５６０ａは、水素原子、水素分子、水分子、銅原子などの不純物の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。または、酸素（例えば、酸素原子、酸素分子などの少なくとも一）の拡散を抑制する機能を有する導電性材料を用いることが好ましい。

【0284】

導電体５６０ａが酸素の拡散を抑制する機能を持つことにより、導電体５６０ｂの材料選択性を向上することができる。つまり、導電体５６０ａを有することで、導電体５６０ｂの酸化が抑制され、導電率が低下することを防止することができる。

【0285】

また、導電体５６０の上面および側面、絶縁体５４５の側面、および酸化物５３０ｃの側面を覆うように、絶縁体５４４を設けることが好ましい。なお、絶縁体５４４は、水または水素などの不純物、および酸素の拡散を抑制する機能を有する絶縁性材料を用いるとよい。例えば、酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウムなどを用いることが好ましい。また、他にも、例えば、酸化マグネシウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジムまたは酸化タンタルなどの金属酸化物、窒化酸化シリコンまたは窒化シリコンなどを用いることができる。

【0286】

絶縁体５４４を設けることで、導電体５６０の酸化を抑制することができる。また、絶縁体５４４を有することで、絶縁体５８０が有する水、および水素などの不純物がトランジスタ５００Ｂへ拡散することを抑制することができる。

【0287】

トランジスタ５００Ｂは、導電体５４２ａの一部と導電体５４２ｂの一部に導電体５６０が重なるため、トランジスタ５００よりも寄生容量が大きくなりやすい。よって、トランジスタ５００に比べて動作周波数が低くなる傾向がある。しかしながら、絶縁体５８０などに開口を設けて導電体５６０や絶縁体５４５などを埋めこむ工程が不要であるため、トランジスタ５００と比較して生産性が高い。

【0288】

本実施の形態は、他の実施の形態および実施例などに記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。

【0289】

（実施の形態５）
本実施の形態では、二次電池３００に用いることができる電池の構成例について図面を用いて説明する。本実施の形態では、リチウムイオン二次電池の例を示すが、二次電池３００に用いることができる電池はリチウムイオン二次電池に限定されない。

【0290】

〔円筒形状二次電池〕
図２１Ａは円筒形状の二次電池７１５の外観図である。図２１Ｂは、円筒形状の二次電池７１５の断面を模式的に示した図である。中空円柱状の電池缶７０２の内側には、帯状の正極７０４と負極７０６とがセパレータ７０５を間に挟んで捲回された電池素子が設けられている。図示しないが、電池素子はセンターピンを中心に捲回されている。電池缶７０２は、一端が閉じられ、他端が開いている。電池缶７０２には、電解液に対して耐腐食性のあるニッケル、アルミニウム、チタン等の金属、またはこれらの合金やこれらと他の金属との合金（例えば、ステンレス鋼等）を用いることができる。また、電解液による腐食を防ぐため、ニッケルやアルミニウム等を被覆することが好ましい。電池缶７０２の内側において、正極、負極およびセパレータが捲回された電池素子は、対向する一対の絶縁板７０８、絶縁板７０９により挟まれている。また、電池素子が設けられた電池缶７０２の内部は、非水電解液（図示せず）が注入されている。二次電池は、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ_２）やリン酸鉄リチウム（ＬｉＦｅＰＯ_４）などの活物質を含む正極と、リチウムイオンの吸蔵・放出が可能な黒鉛等の炭素材料からなる負極と、エチレンカーボネートやジエチルカーボネートなどの有機溶媒に、ＬｉＢＦ_４やＬｉＰＦ_６等のリチウム塩からなる電解質を溶解させた非水電解液などにより構成される。

【0291】

円筒形状の二次電池に用いる正極および負極は捲回するため、集電体の両面に活物質を形成することが好ましい。正極７０４には正極端子（正極集電リード）７０３が接続され、負極７０６には負極端子（負極集電リード）７０７が接続される。正極端子７０３および負極端子７０７は、ともにアルミニウムなどの金属材料を用いることができる。正極端子７０３は安全弁機構７１２に、負極端子７０７は電池缶７０２の底にそれぞれ抵抗溶接される。安全弁機構７１２は、ＰＴＣ素子（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）７１１を介して正極キャップ７０１と電気的に接続されている。安全弁機構７１２は電池の内圧の上昇が所定の閾値を超えた場合に、正極キャップ７０１と正極７０４との電気的な接続を切断するものである。また、ＰＴＣ素子７１１は温度が上昇した場合に抵抗が増大する熱感抵抗であり、抵抗の増大により電流量を制限して異常発熱を防止するものである。ＰＴＣ素子には、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）系半導体セラミックス等を用いることができる。

【0292】

電解液を用いるリチウムイオン二次電池は、正極と、負極と、セパレータと、電解液と、外装体とを有する。なお、リチウムイオン二次電池では、充電と放電でアノード（陽極）とカソード（陰極）が入れ替わり、酸化反応と還元反応とが入れ替わることになるため、反応電位が高い電極を正極と呼び、反応電位が低い電極を負極と呼ぶ。したがって、本明細書においては、充電中であっても、放電中であっても、逆バイアスを流す場合であっても、充電電流を流す場合であっても、正極は「正極」または「＋極（プラス極）」と呼び、負極は「負極」または「－極（マイナス極）」と呼ぶこととする。酸化反応や還元反応に関連したアノード（陽極）やカソード（陰極）という用語を用いると、充電時と放電時とでは、逆になってしまい、混乱を招く可能性がある。したがって、アノード（陽極）やカソード（陰極）という用語は、本明細書においては用いないこととする。仮にアノード（陽極）やカソード（陰極）という用語を用いる場合には、充電時か放電時かを明記し、正極（プラス極）と負極（マイナス極）のどちらに対応するものかも併記することとする。

【0293】

本実施の形態では、リチウムイオン二次電池の例を示すが、リチウムイオン二次電池に限定されず、二次電池の正極材料として例えば、元素Ａ、元素Ｘ、及び酸素を有する材料を用いることができる。元素Ａは第１族の元素および第２族の元素から選ばれる一以上であることが好ましい。第１族の元素として例えば、リチウム、ナトリウム、カリウム等のアルカリ金属を用いることができる。また、第２族の元素として例えば、カルシウム、ベリリウム、マグネシウム等を用いることができる。元素Ｘとして例えば金属元素、シリコン及びリンから選ばれる一以上を用いることができる。また、元素Ｘはコバルト、ニッケル、マンガン、鉄、及びバナジウムから選ばれる一以上であることが好ましい。代表的には、リチウムコバルト複合酸化物（ＬｉＣｏＯ_２）や、リン酸鉄リチウム（ＬｉＦｅＰＯ_４）が挙げられる。

【0294】

負極は、負極活物質層および負極集電体を有する。また、負極活物質層は、導電助剤およびバインダを有していてもよい。

【0295】

負極活物質として、リチウムとの合金化・脱合金化反応により充放電反応を行うことが可能な元素を用いることができる。例えば、シリコン、スズ、ガリウム、アルミニウム、ゲルマニウム、鉛、アンチモン、ビスマス、銀、亜鉛、カドミウム、インジウム等のうち少なくとも一つを含む材料を用いることができる。このような元素は炭素と比べて容量が大きく、特にシリコンは理論容量が４７００ｍＡｈ／ｇと高い。

【0296】

また、二次電池は、セパレータを有することが好ましい。セパレータとしては、例えば、紙をはじめとするセルロースを有する繊維、不織布、ガラス繊維、セラミックス、或いはナイロン（ポリアミド）、ビニロン（ポリビニルアルコール系繊維）、ポリエステル、アクリル、ポリオレフィン、ポリウレタンを用いた合成繊維等で形成されたものを用いることができる。

【0297】

図２１Ｃでは、可撓性基板７２１上に形成または固定された受電装置７２４が、二次電池７１５の側面に沿って設けられている様子を示している。受電装置７２４として上記実施の形態に示した受電装置４５０などを用いることができる。受電装置７２４を可撓性基板７２１上に設けることで、円筒形状の二次電池７１５の曲面に沿って受電装置７２４を設けることができる。よって、受電装置７２４の占有空間を小さくすることができる。よって、二次電池７１５および受電装置７２４を含む電子機器などの小型化が実現できる。

【0298】

〔扁平形状二次電池〕

【0299】

次に、扁平形状の二次電池９１３の内部構成例について説明する。

【0300】

二次電池９１３の内部に配置される捲回体９５０の構成を図２２Ａに示す。捲回体９５０は、負極９３１と、正極９３２と、セパレータ９３３と、を有する。捲回体９５０は、セパレータ９３３を挟んで負極９３１と、正極９３２が重なり合って積層され、該積層シートを捲回させた捲回体である。なお、負極９３１と、正極９３２と、セパレータ９３３と、の積層を、さらに複数重ねてもよい。

【0301】

負極９３１は、端子９５１または端子９５２の一方と電気的に接続され、正極９３２は、端子９５１または端子９５２の他方と電気的に接続される。

【0302】

図２２Ｂにおいて、二次電池９１３は、筐体９３０（「外装体」ともいう。）の内部に端子９５１と端子９５２が設けられた捲回体９５０を有する。捲回体９５０は、筐体９３０の内部で電解液に含浸される。端子９５２は、筐体９３０に接し、端子９５１は、絶縁材などを用いることにより筐体９３０に接していない。なお、図２２Ｂでは、筐体９３０を分離して図示しているが、実際は、捲回体９５０が筐体９３０に覆われ、端子９５１及び端子９５２が筐体９３０の外に延在している。筐体９３０としては、金属材料（例えばアルミニウムなど）または樹脂材料を用いることができる。

【0303】

筐体９３０としては、金属材料、有機樹脂などの絶縁材料を用いることができる。筐体９３０をフィルムで構成する場合もあり、その場合、そのフィルムに可撓性基板上に形成された充電制御回路を設ける場合もある。

【0304】

〔電池パック〕
続いて、扁平形状の二次電池９１３を含む電池パック９０１について説明する。図２３Ａは、二次電池９１３の外観図である。二次電池９１３は、端子９５１および端子９５２を有する。端子９５１は二次電池９１３内部の正極と電気的に接続され、端子９５２は二次電池９１３内部の負極と電気的に接続される。

【0305】

図２３Ｂは、受電装置９００および層９１６の外観図である。受電装置９００は、回路９１２およびアンテナ９１４を有し、可撓性基板に設けられている。アンテナ９１４は回路９１２に電気的に接続される。回路９１２には端子９７１および端子９７２が電気的に接続される。回路９１２は端子９１１に電気的に接続される。

【0306】

二次電池９１３は、受電装置９００、端子９５１、および端子９５２および端子９１１と併せて、電池パックとして機能する。

【0307】

受電装置９００は、例えば上記実施の形態に示した受電装置４５０に相当する。回路９１２には、受電回路４５１、充電制御回路４５２、充放電制御回路４５３などが含まれる。また、アンテナ９１４は、上記実施の形態に示した受電アンテナ４０３に相当する。

【0308】

アンテナは、コイル状に限定されず、例えば線状、板状であってもよい。また、平面アンテナ、開口面アンテナ、進行波アンテナ、ＥＨアンテナ、磁界アンテナ、誘電体アンテナ等のアンテナを用いてもよい。

【0309】

端子９１１は例えば、二次電池の電力が供給される機器に接続される。例えば、表示装置、センサ、等に接続される。

【0310】

図２３Ｂに示す層９１６は、例えば二次電池９１３による電磁界を遮蔽することができる機能を有する。層９１６としては、例えば磁性体を用いることができる。

【0311】

図２３Ｃに二次電池９１３上に受電装置９００を配置した電池パックを示す。端子９７１は端子９５１と電気的に接続され、端子９７２は端子９５２と電気的に接続される。層９１６は受電装置９００と二次電池９１３との間に配置される。

【0312】

受電装置９００は、可撓性基板上に設けることが好ましい。可撓性基板を用いることにより、薄型の受電装置９００を実現することができる。また後述する図２４Ｄに示すように受電装置９００を二次電池に巻き付けることができる。

【0313】

続いて、電池パック９０１の他の構成例として、図２４Ａ乃至図２４Ｄを用いて電池パック９０１Ａについて説明する。図２４Ａは二次電池９１３の外観図である。図２４Ｂに示す受電装置９００は、図２３Ｂに示した受電装置９００と同様に、回路９１２およびアンテナ９１４を有する。また、図２４Ｂには層９１６も示している。

【0314】

図２４Ｃに示すように、可撓性基板に設けられた受電装置９００を二次電池９１３の形状に合わせて曲げ、二次電池の周りに配置することにより、図２４Ｄに示すように、受電装置９００を二次電池に巻き付けることができる。

【0315】

続いて、電池パック９０１の他の構成例として、図２５Ａ乃至図２５Ｄを用いて電池パック９０１Ｂについて説明する。図２５Ａに示す二次電池９１３は、一方から見るとＬ字型の形状を有する。

【0316】

図２５Ｂは、受電装置９００が設けられた可撓性基板が切り欠き部を有する例を示す。切り欠き部をスリットと呼ぶ場合もある。図２５Ｂに示す層９１６は、図２５Ａに示す二次電池９１３と同様に、Ｌ字型の形状を有する。

【0317】

図２５Ｃおよび図２５Ｄに示すように、可撓性基板が切り欠き部を有することによって、受電装置９００の一部（切り欠き部の右側の領域）をＬ字型の二次電池９１３の背面側に巻き付けることができる。なお、図２５Ｃは受電装置９００の一部をＬ字型の二次電池９１３に巻き付けている途中の状態を示す図であり、図２５Ｄは巻き付けた後の状態を示す図である。

【0318】

受電装置９００を可撓性基板上に設けることで、二次電池９１３の形状に沿って受電装置９００を設けることができる。よって、受電装置９００の占有空間を小さくすることができる。よって、電池パックの小型化が実現できる。また、電池パックの軽量化が実現できる。本発明の一態様に係る電池パックを含む電子機器などの小型化が実現できる。本発明の一態様に係る電池パックを含む電子機器などの軽量化が実現できる。

【0319】

本実施の形態は、他の実施の形態および実施例などに記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。

【0320】

（実施の形態６）
本実施の形態では、本発明の一態様に係る正極活物質について説明する。

【0321】

本明細書等において、偏析とは、複数の元素（例えばＡ，Ｂ，Ｃ）からなる固体において、ある元素（例えばＢ）が空間的に不均一に分布する現象をいう。

【0322】

本明細書等において、活物質等の粒子の表層部とは、表面から１０ｎｍ程度までの領域をいう。ひびやクラックにより生じた面も表面といってよい。また表層部より深い領域を、内部という。

【0323】

本明細書等において、リチウムと遷移金属を含む複合酸化物が有する層状岩塩型の結晶構成とは、陽イオンと陰イオンが交互に配列する岩塩型のイオン配列を有し、遷移金属とリチウムが規則配列して二次元平面を形成するため、リチウムの二次元的拡散が可能である結晶構成をいう。なお陽イオンまたは陰イオンの欠損等の欠陥があってもよい。また、層状岩塩型結晶構成は、厳密に言えば、岩塩型結晶の格子が歪んだ構成となっている場合がある。

【0324】

また本明細書等において、岩塩型の結晶構成とは、陽イオンと陰イオンが交互に配列している構成をいう。なお陽イオンまたは陰イオンの欠損があってもよい。

【0325】

また本明細書等において、リチウムと遷移金属を含む複合酸化物が有する擬スピネル型の結晶構成とは、空間群Ｒ－３ｍであり、スピネル型結晶構成ではないものの、コバルト、マグネシウム等のイオンが酸素６配位位置を占め、陽イオンの配列がスピネル型と似た対称性を有する結晶構成をいう。なお、擬スピネル型の結晶構成は、リチウムなどの軽元素は酸素４配位位置を占める場合があり、この場合もイオンの配列がスピネル型と似た対称性を有する。

【0326】

また擬スピネル型の結晶構成は、層間にランダムにＬｉを有するもののＣｄＣｌ_２型の結晶構成に類似する結晶構成であるということもできる。このＣｄＣｌ_２型に類似した結晶構成は、ニッケル酸リチウムを充電深度０．９４まで充電したとき（Ｌｉ_０．０６ＮｉＯ_２）の結晶構成と近いが、純粋なコバルト酸リチウム、またはコバルトを多く含む層状岩塩型の正極活物質では通常この結晶構成を取らないことが知られている。

【0327】

層状岩塩型結晶、および岩塩型結晶の陰イオンは立方最密充填構成（面心立方格子構成）をとる。擬スピネル型結晶も、陰イオンは立方最密充填構成をとると推定される。これらが接するとき、陰イオンにより構成される立方最密充填構成の向きが揃う結晶面が存在する。ただし、層状岩塩型結晶および擬スピネル型結晶の空間群はＲ－３ｍであり、岩塩型結晶の空間群Ｆｍ－３ｍ（一般的な岩塩型結晶の空間群）およびＦｄ－３ｍ（最も単純な対称性を有する岩塩型結晶の空間群）とは異なるため、上記の条件を満たす結晶面のミラー指数は層状岩塩型結晶および擬スピネル型結晶と、岩塩型結晶では異なる。本明細書では、層状岩塩型結晶、擬スピネル型結晶、および岩塩型結晶において、陰イオンにより構成される立方最密充填構成の向きが揃うとき、結晶の配向が概略一致する、と言う場合がある。

【0328】

二次電池は例えば正極および負極を有する。正極を構成する材料として、正極活物質がある。正極活物質は例えば、充放電の容量に寄与する反応を行う物質である。なお、正極活物質は、その一部に、充放電の容量に寄与しない物質を含んでもよい。

【0329】

本明細書等において、本発明の一態様に係る正極活物質は、正極材料、あるいは二次電池用正極材、等と表現される場合がある。また本明細書等において、本発明の一態様に係る正極活物質は、化合物を有することが好ましい。また本明細書等において、本発明の一態様に係る正極活物質は、組成物を有することが好ましい。また本明細書等において、本発明の一態様に係る正極活物質は、複合体を有することが好ましい。

【0330】

＜正極活物質＞
本発明の一態様に係る正極活物質を用いることにより、二次電池の容量を高め、かつ、充放電サイクルに伴う放電容量の低下を抑制することができる。

【0331】

［正極活物質の構成］
正極活物質は、キャリアイオンとなる金属（以降、元素Ａ）を有することが好ましい。元素Ａとして例えばリチウム、ナトリウム、カリウム等のアルカリ金属、およびカルシウム、ベリリウム、マグネシウム等の第２族の元素を用いることができる。

【0332】

正極活物質において、充電に伴いキャリアイオンが正極活物質から脱離する。元素Ａの脱離が多ければ、二次電池の容量に寄与するイオンが多く、容量が増大する。一方、元素Ａの脱離が多いと、正極活物質が有する化合物の結晶構成が崩れやすくなる。正極活物質の結晶構成の崩れは、充放電サイクルに伴う放電容量の低下を招く場合がある。本発明の一態様に係る正極活物質が元素Ｘを有することにより、二次電池の充電時にキャリアイオンが脱離する際の結晶構成の崩れが抑制される場合がある。元素Ｘは例えば、その一部が元素Ａの位置に置換される。元素Ｘとしてマグネシウム、カルシウム、ジルコニウム、ランタン、バリウム等の元素を用いることができる。また例えば元素Ｘとして銅、カリウム、ナトリウム、亜鉛等の元素を用いることができる。また元素Ｘとして上記に示す元素のうち二以上を組み合わせて用いてもよい。

【0333】

また、本発明の一態様に係る正極活物質は、元素Ｘに加えてハロゲンを有することが好ましい。フッ素、塩素等のハロゲンを有することが好ましい。本発明の一態様に係る正極活物質が該ハロゲンを有することにより、元素Ｘの元素Ａの位置への置換が促進される場合がある。

【0334】

また、本発明の一態様に係る正極活物質は、二次電池の充電および放電により価数が変化する金属（以降、元素Ｍ）を有する。元素Ｍは例えば、遷移金属である。本発明の一態様に係る正極活物質は例えば元素Ｍとしてコバルト、ニッケル、マンガンのうち一以上を有し、特にコバルトを有する。また、元素Ｍの位置に、アルミニウムなど、価数変化がなく、かつ元素Ｍと同じ価数をとり得る元素、より具体的には例えば三価の典型元素を有してもよい。前述の元素Ｘは例えば、元素Ｍの位置に置換されてもよい。また本発明の一態様に係る正極活物質が酸化物である場合には、元素Ｘは酸素の位置に置換されてもよい。

【0335】

本発明の一態様に係る正極活物質として例えば、層状岩塩型結晶構成を有するリチウム複合酸化物を用いることが好ましい。より具体的には例えば層状岩塩型結晶構成を有するリチウム複合酸化物として、コバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム、ニッケル、マンガンおよびコバルトを有するリチウム複合酸化物、ニッケル、コバルトおよびアルミニウムを有するリチウム複合酸化物、等を用いることができる。また、これらの正極活物質は空間群Ｒ－３ｍで表されることが好ましい。

【0336】

層状岩塩型結晶構成を有する正極活物質において、充電深度を高めると結晶構成の崩れが生じる場合がある。ここで結晶構成の崩れとは例えば層のズレである。結晶構成の崩れが不可逆な場合には、充電と放電の繰り返しに伴い二次電池の容量の低下が生じる場合がある。

【0337】

本発明の一態様に係る正極活物質が元素Ｘを有することにより例えば、充電深度が深くなっても、上記の層のズレが抑制される。ズレを抑制することにより、充放電における体積の変化を小さくすることができる。よって、本発明の一態様に係る正極活物質は、優れたサイクル特性を実現することができる。また、本発明の一態様に係る正極活物質は、高電圧の充電状態において安定な結晶構成を取り得る。よって、本発明の一態様に係る正極活物質は、高電圧の充電状態を保持した場合において、ショートが生じづらい場合がある。そのような場合には安全性がより向上するため、好ましい。

【0338】

本発明の一態様に係る正極活物質では、十分に放電された状態と、高電圧で充電された状態における、結晶構成の変化および同数の遷移金属原子あたりで比較した場合の体積の差が小さい。

【0339】

本発明の一態様に係る正極活物質は化学式ＡＭ_ｙＯ_Ｚ（ｙ＞０、ｚ＞０）で表わされる場合がある。例えばコバルト酸リチウムはＬｉＣｏＯ_２で表される場合がある。また例えばニッケル酸リチウムはＬｉＮｉＯ_２で表される場合がある。

【0340】

元素Ｘを有する、本発明の一態様に係る正極活物質では、充電深度が０．８以上の場合において、空間群Ｒ－３ｍで表され、スピネル型結晶構成ではないものの、元素Ｍ（例えばコバルト）、元素Ｘ（例えばマグネシウム）、等のイオンが酸素６配位位置を占め、陽イオンの配列がスピネル型と似た対称性を有する場合がある。本構成を本明細書等では擬スピネル型の結晶構成と呼ぶ。なお、擬スピネル型の結晶構成は、リチウムなどの軽元素は酸素４配位位置を占める場合があり、この場合もイオンの配列がスピネル型と似た対称性を有する。

【0341】

充電に伴うキャリアイオンの脱離により、正極活物質の構成は不安定となる。擬スピネル型結晶構成は、キャリアイオンが脱離したにもかかわらず、高い安定性を保つことができる構成である、といえる。

【0342】

本発明の充電深度が高い場合において、擬スピネル型構成を有する正極活物質を二次電池に用いることにより、例えばリチウム金属の電位を基準として４．６Ｖ程度の電圧において、より好ましくは４．６５Ｖ乃至４．７Ｖ程度の電圧において、正極活物質の構成が安定であり、充放電による容量低下を抑制することができる。なお、二次電池において例えば負極活物質として黒鉛を用いる場合には、例えば二次電池の電圧が４．３Ｖ以上４．５Ｖ以下において、より好ましくは４．３５Ｖ以上４．５５Ｖ以下において、正極活物質の構成が安定であり、充放電による容量低下を抑制することができる。

【0343】

また擬スピネル型の結晶構成は、層間にランダムにＬｉを有するもののＣｄＣｌ_２型の結晶構成に類似する結晶構成であるということもできる。このＣｄＣｌ_２型に類似した結晶構成は、ニッケル酸リチウムを充電深度０．９４まで充電したとき（Ｌｉ_０．０６ＮｉＯ_２）の結晶構成と近いが、純粋なコバルト酸リチウム、またはコバルトを多く含む層状岩塩型の正極活物質では通常この結晶構成を取らないことが知られている。

【0344】

層状岩塩型結晶、および岩塩型結晶の陰イオンは立方最密充填構成（面心立方格子構成）をとる。擬スピネル型結晶も、陰イオンは立方最密充填構成をとると推定される。これらが接するとき、陰イオンにより構成される立方最密充填構成の向きが揃う結晶面が存在する。ただし、層状岩塩型結晶および擬スピネル型結晶の空間群はＲ－３ｍであり、岩塩型結晶の空間群Ｆｍ－３ｍ（一般的な岩塩型結晶の空間群）およびＦｄ－３ｍ（最も単純な対称性を有する岩塩型結晶の空間群）とは異なるため、上記の条件を満たす結晶面のミラー指数は層状岩塩型結晶および擬スピネル型結晶と、岩塩型結晶では異なる。本明細書では、層状岩塩型結晶、擬スピネル型結晶、および岩塩型結晶において、陰イオンにより構成される立方最密充填構成の向きが揃うとき、結晶の配向が概略一致する、と言う場合がある。

【0345】

擬スピネル型の結晶構成は、ユニットセルにおけるコバルトと酸素の座標を、Ｃｏ（０，０，０．５）、Ｏ（０，０，ｘ）、０．２０≦ｘ≦０．２５の範囲内で示すことができる。

【0346】

本発明の一態様に係る正極活物質において、充電深度０の体積におけるユニットセルの体積と、充電深度０．８２の擬スピネル型結晶構成のユニットセルあたりの体積の差は２．５％以下が好ましく、２．２％以下がさらに好ましい。

【0347】

擬スピネル型の結晶構成では、２θ＝１９．３０±０．２０°（１９．１０°以上１９．５０°以下）、および２θ＝４５．５５±０．１０°（４５．４５°以上４５．６５°以下）に回折ピークが出現する。より詳しく述べれば、２θ＝１９．３０±０．１０°（１９．２０°以上１９．４０°以下）、および２θ＝４５．５５±０．０５°（４５．５０°以上４５．６０以下）に鋭い回折ピークが出現する。

【0348】

なお、本発明の一態様に係る正極活物質は高電圧で充電したとき擬スピネル型の結晶構成を有するが、粒子のすべてが擬スピネル型の結晶構成でなくてもよい。他の結晶構成を含んでいてもよいし、一部が非晶質であってもよい。ただし、ＸＲＤパターンについてリートベルト解析を行ったとき、擬スピネル型の結晶構成が５０ｗｔ％以上であることが好ましく、６０ｗｔ％以上であることがより好ましく、６６ｗｔ％以上であることがさらに好ましい。擬スピネル型の結晶構成が５０ｗｔ％以上、より好ましくは６０ｗｔ％以上、さらに好ましくは６６ｗｔ％以上あれば、十分にサイクル特性に優れた正極活物質とすることができる。

【0349】

元素Ｘの原子数は、元素Ｍの原子数の０．００１倍以上０．１倍以下が好ましく、０．０１より大きく０．０４未満がより好ましく、０．０２程度がさらに好ましい。ここで示す元素Ｘの濃度は例えば、ＩＣＰ－ＭＳ等を用いて正極活物質の粒子全体の元素分析を行った値であってもよいし、正極活物質の作製の過程における原料の配合の値に基づいてもよい。

【0350】

元素Ｍとしてコバルトおよびニッケルを有する場合には、コバルトとニッケルの原子数の和（Ｃｏ＋Ｎｉ）に占める、ニッケルの原子数（Ｎｉ）の割合Ｎｉ／（Ｃｏ＋Ｎｉ）が、０．１未満であることが好ましく、０．０７５以下であることがより好ましい。

【0351】

本発明の一態様に係る正極活物質は、上記に挙げた材料に限られない。

【0352】

正極活物質として例えば、スピネル型結晶構成を有する複合酸化物等を用いることができる。また、正極活物質として例えば、ポリアニオン系の材料を用いることができる。ポリアニオン系の材料として例えば、オリビン型の結晶構成を有する材料、ナシコン型の材料、等が挙げられる。また、正極活物質として例えば、硫黄を有する材料を用いることができる。

【0353】

スピネル型の結晶構成を有する材料として例えば、ＬｉＭ_２Ｏ_４で表される複合酸化物を用いることができる。元素ＭとしてＭｎを有することが好ましい。例えば、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４を用いることができる。また元素Ｍとして、Ｍｎに加えてＮｉを有することにより、二次電池の放電電圧が向上し、エネルギー密度が向上する場合があり、好ましい。また、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４等のマンガンを含むスピネル型の結晶構成を有するリチウム含有材料に、少量のニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ_２やＬｉＮｉ_１－ｘＭ_ｘＯ_２（Ｍ＝Ｃｏ、Ａｌ等））を混合することにより、二次電池の特性を向上させることができ好ましい。

【0354】

ポリアニオン系の材料として例えば、酸素と、元素Ｘと、金属Ａと、金属Ｍと、を有する複合酸化物を用いることができる。金属ＭはＦｅ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂの一以上であり、金属ＡはＬｉ、Ｎａ、Ｍｇの一以上であり、元素ＸはＳ、Ｐ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｓ、Ｓｉの一以上である。

【0355】

オリビン型の結晶構成を有する材料として例えば、複合材料（一般式ＬｉＭＰＯ_４（Ｍは、Ｆｅ（ＩＩ）、Ｍｎ（ＩＩ）、Ｃｏ（ＩＩ）、Ｎｉ（ＩＩ）の一以上））を用いることができる。一般式ＬｉＭＰＯ_４の代表例としては、ＬｉＦｅＰＯ_４、ＬｉＮｉＰＯ_４、ＬｉＣｏＰＯ_４、ＬｉＭｎＰＯ_４、ＬｉＦｅ_ａＮｉ_ｂＰＯ_４、ＬｉＦｅ_ａＣｏ_ｂＰＯ_４、ＬｉＦｅ_ａＭｎ_ｂＰＯ_４、ＬｉＮｉ_ａＣｏ_ｂＰＯ_４、ＬｉＮｉ_ａＭｎ_ｂＰＯ_４（ａ＋ｂは１以下、０＜ａ＜１、０＜ｂ＜１）、ＬｉＦｅ_ｃＮｉ_ｄＣｏ_ｅＰＯ_４、ＬｉＦｅ_ｃＮｉ_ｄＭｎ_ｅＰＯ_４、ＬｉＮｉ_ｃＣｏ_ｄＭｎ_ｅＰＯ_４（ｃ＋ｄ＋ｅは１以下、０＜ｃ＜１、０＜ｄ＜１、０＜ｅ＜１）、ＬｉＦｅ_ｆＮｉ_ｇＣｏ_ｈＭｎ_ｉＰＯ_４（ｆ＋ｇ＋ｈ＋ｉは１以下、０＜ｆ＜１、０＜ｇ＜１、０＜ｈ＜１、０＜ｉ＜１）等のリチウム化合物を用いることができる。

【0356】

また、一般式Ｌｉ_{（２－ｊ）}ＭＳｉＯ_４（Ｍは、Ｆｅ（ＩＩ）、Ｍｎ（ＩＩ）、Ｃｏ（ＩＩ）、Ｎｉ（ＩＩ）の一以上、０≦ｊ≦２）等の複合材料を用いることができる。一般式Ｌｉ_{（２－ｊ）}ＭＳｉＯ_４の代表例としては、Ｌｉ_{（２－ｊ）}ＦｅＳｉＯ_４、Ｌｉ_{（２－ｊ）}ＮｉＳｉＯ_４、Ｌｉ_{（２－ｊ）}ＣｏＳｉＯ_４、Ｌｉ_{（２－ｊ）}ＭｎＳｉＯ_４、Ｌｉ_{（２－ｊ）}Ｆｅ_ｋＮｉ_ｌＳｉＯ_４、Ｌｉ_{（２－ｊ）}Ｆｅ_ｋＣｏ_ｌＳｉＯ_４、Ｌｉ_{（２－ｊ）}Ｆｅ_ｋＭｎ_ｌＳｉＯ_４、Ｌｉ_{（２－ｊ）}Ｎｉ_ｋＣｏ_ｌＳｉＯ_４、Ｌｉ_{（２－ｊ）}Ｎｉ_ｋＭｎ_ｌＳｉＯ_４（ｋ＋ｌは１以下、０＜ｋ＜１、０＜ｌ＜１）、Ｌｉ_{（２－ｊ）}Ｆｅ_ｍＮｉ_ｎＣｏ_ｑＳｉＯ_４、Ｌｉ_{（２－ｊ）}Ｆｅ_ｍＮｉ_ｎＭｎ_ｑＳｉＯ_４、Ｌｉ_{（２－ｊ）}Ｎｉ_ｍＣｏ_ｎＭｎ_ｑＳｉＯ_４（ｍ＋ｎ＋ｑは１以下、０＜ｍ＜１、０＜ｎ＜１、０＜ｑ＜１）、Ｌｉ_{（２－ｊ）}Ｆｅ_ｒＮｉ_ｓＣｏ_ｔＭｎ_ｕＳｉＯ_４（ｒ＋ｓ＋ｔ＋ｕは１以下、０＜ｒ＜１、０＜ｓ＜１、０＜ｔ＜１、０＜ｕ＜１）等のリチウム化合物を材料として用いることができる。

【0357】

また、Ａ_ｘＭ_２（ＸＯ_４）_３（Ａ＝Ｌｉ、Ｎａ、Ｍｇ、Ｍ＝Ｆｅ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｘ＝Ｓ、Ｐ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｓ、Ｓｉ）の一般式で表されるナシコン型化合物を用いることができる。ナシコン型化合物としては、Ｆｅ_２（ＭｎＯ_４）_３、Ｆｅ_２（ＳＯ_４）_３、Ｌｉ_３Ｆｅ_２（ＰＯ_４）_３等がある。また、正極活物質として、Ｌｉ_２ＭＰＯ_４Ｆ、Ｌｉ_２ＭＰ_２Ｏ_７、Ｌｉ_５ＭＯ_４（Ｍ＝Ｆｅ、Ｍｎ）の一般式で表される化合物を用いることができる。

【0358】

また、正極活物質として、ＮａＦｅＦ_３、ＦｅＦ_３等のペロブスカイト型フッ化物、ＴｉＳ_２、ＭｏＳ_２等の金属カルコゲナイド（硫化物、セレン化物、テルル化物）、ＬｉＭＶＯ_４等の逆スピネル型の結晶構成を有する酸化物、バナジウム酸化物系（Ｖ_２Ｏ_５、Ｖ_６Ｏ_１３、ＬｉＶ_３Ｏ_８等）、マンガン酸化物、有機硫黄化合物等の材料を用いることができる。

【0359】

また、正極活物質として、一般式ＬｉＭＢＯ_３（Ｍは、Ｆｅ（ＩＩ）、Ｍｎ（ＩＩ）、Ｃｏ（ＩＩ））で表されるホウ酸塩系材料を用いることができる。

【0360】

ナトリウムを有する材料として例えば、ＮａＦｅＯ_２や、Ｎａ_２／３［Ｆｅ_１／２Ｍｎ_１／２］Ｏ_２、Ｎａ_２／３［Ｎｉ_１／３Ｍｎ_２／３］Ｏ_２、Ｎａ_２Ｆｅ_２（ＳＯ_４）_３、Ｎａ_３Ｖ_２（ＰＯ_４）_３、Ｎａ_２ＦｅＰＯ_４Ｆ、ＮａＶＰＯ_４Ｆ、ＮａＭＰＯ_４（Ｍは、Ｆｅ（ＩＩ）、Ｍｎ（ＩＩ）、Ｃｏ（ＩＩ）、Ｎｉ（ＩＩ））、Ｎａ_２ＦｅＰＯ_４Ｆ、Ｎａ_４Ｃｏ_３（ＰＯ_４）_２Ｐ_２Ｏ_７、などのナトリウム含有酸化物を正極活物質として用いることができる。

【0361】

また、正極活物質として、リチウム含有金属硫化物を用いることができる。例えば、Ｌｉ_２ＴｉＳ_３、Ｌｉ_３ＮｂＳ_４などが挙げられる。

【0362】

本実施の形態は、他の実施の形態および実施例などに記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。

【0363】

（実施の形態７）
本実施の形態では、二次電池に用いることのできる材料および構成の一例について説明する。

【0364】

本発明の一態様に係る二次電池は、正極、負極および電解質を有する。本発明の一態様に係る二次電池は例えば、電解質を有する電解液と、正極と負極に挟まれるセパレータと、を有する。あるいは、本発明の一態様に係る二次電池は例えば、正極と負極に挟まれる固体電解質を有する。正極、負極および電解質は、外装体より包まれることが好ましい。

【0365】

［正極］
正極は、正極活物質層を有する。正極活物質層は少なくとも正極活物質を有し、正極活物質に加えて、活物質表面の被膜、導電助剤またはバインダなどの他の物質を含んでもよい。正極が集電体を有し、正極活物質層が該集電体上に形成されてもよい。

【0366】

導電助剤としては、炭素材料、金属材料、又は導電性セラミックス材料等を用いることができる。また、導電助剤として繊維状の材料を用いてもよい。活物質層の総量に対する導電助剤の含有量は、１ｗｔ％以上１０ｗｔ％以下が好ましく、１ｗｔ％以上５ｗｔ％以下がより好ましい。

【0367】

導電助剤としては、例えば天然黒鉛、メソカーボンマイクロビーズ等の人造黒鉛、炭素繊維などを用いることができる。炭素繊維としては、例えばメソフェーズピッチ系炭素繊維、等方性ピッチ系炭素繊維等の炭素繊維を用いることができる。また炭素繊維として、カーボンナノファイバーやカーボンナノチューブなどを用いることができる。また、導電助剤として、例えばカーボンブラック（アセチレンブラック（ＡＢ）など）、グラファイト（黒鉛）粒子、グラフェン、フラーレンなどの炭素材料を用いることができる。また、例えば、銅、ニッケル、アルミニウム、銀、金などの金属粉末や金属繊維、導電性セラミックス材料等を用いることができる。

【0368】

また、導電助剤としてグラフェン化合物を用いてもよい。グラフェン化合物として例えば、グラフェン、マルチグラフェン、又はＲＧＯを用いることが特に好ましい。ここで、ＲＧＯは例えば、酸化グラフェン（ｇｒａｐｈｅｎｅ ｏｘｉｄｅ：ＧＯ）を還元して得られる化合物を指す。

【0369】

バインダとしてポリスチレン、ポリアクリル酸メチル、ポリメタクリル酸メチル（ポリメチルメタクリレート、ＰＭＭＡ）、ポリアクリル酸ナトリウム、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）、ポリプロピレンオキシド、ポリイミド、ポリ塩化ビニル、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイソブチレン、ポリエチレンテレフタレート、ナイロン、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、エチレンプロピレンジエンポリマー、ポリ酢酸ビニル、ニトロセルロース等の材料を用いることが好ましい。

【0370】

またバインダとして、スチレン－ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、スチレン－イソプレン－スチレンゴム、アクリロニトリル－ブタジエンゴム、ブタジエンゴム、エチレン－プロピレン－ジエン共重合体などのゴム材料を用いることが好ましい。またバインダとしてフッ素ゴムを用いることができる。またバインダとして水溶性の高分子を用いることが好ましい。水溶性の高分子としては、例えば多糖類などを用いることができる。多糖類としては、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、メチルセルロース、エチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ジアセチルセルロース、再生セルロースなどのセルロース誘導体や、澱粉などを用いることができる。これらの水溶性の高分子を、前述のゴム材料と併用して用いると、さらに好ましい。

【0371】

バインダは上記のうち複数を組み合わせて使用してもよい。

【0372】

集電体としては、ステンレス、金、白金、アルミニウム、チタン等の金属、及びこれらの合金など、導電性が高い材料を用いることができる。またシリコン、チタン、ネオジム、スカンジウム、モリブデンなどの耐熱性を向上させる元素が添加されたアルミニウム合金を用いることができる。またシリコンと反応してシリサイドを形成する金属元素で形成してもよい。シリコンと反応してシリサイドを形成する金属元素としては、ジルコニウム、チタン、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン、タングステン、コバルト、ニッケル等がある。集電体は、箔状、板状（シート状）、網状、パンチングメタル状、エキスパンドメタル状等の形状を適宜用いることができる。集電体は、厚みが５μｍ以上３０μｍ以下のものを用いるとよい。

【0373】

［負極］
負極は、負極活物質層を有する。負極活物質層は導電助剤およびバインダを有していてもよい。負極が集電体を有し、負極活物質層が該集電体上に形成されてもよい。

【0374】

負極活物質層が有することのできる導電助剤およびバインダとして、正極活物質層が有することのできる導電助剤およびバインダと同様の材料を用いることができる。

【0375】

負極集電体として、銅、チタン、等の金属、およびこれらの合金などの材料を用いることができる。なお負極集電体は、リチウム等のキャリアイオンと合金化しない材料を用いることが好ましい。

【0376】

＜負極活物質＞
負極活物質としては、例えば合金系材料や炭素系材料等を用いることができる。

【0377】

負極活物質として、リチウムとの合金化・脱合金化反応により充放電反応を行うことが可能な元素を用いることができる。例えば、シリコン、スズ、ガリウム、アルミニウム、ゲルマニウム、鉛、アンチモン、ビスマス、銀、亜鉛、カドミウム、インジウム等のうち少なくとも一つを含む材料を用いることができる。これらの元素を有する化合物を用いてもよい。例えば、ＳｉＯ、Ｍｇ_２Ｓｉ、Ｍｇ_２Ｇｅ、ＳｎＯ、ＳｎＯ_２、Ｍｇ_２Ｓｎ、ＳｎＳ_２、Ｖ_２Ｓｎ_３、ＦｅＳｎ_２、ＣｏＳｎ_２、Ｎｉ_３Ｓｎ_２、Ｃｕ_６Ｓｎ_５、Ａｇ_３Ｓｎ、Ａｇ_３Ｓｂ、Ｎｉ_２ＭｎＳｂ、ＣｅＳｂ_３、ＬａＳｎ_３、Ｌａ_３Ｃｏ_２Ｓｎ_７、ＣｏＳｂ_３、ＩｎＳｂ、ＳｂＳｎ等がある。

【0378】

本明細書等において、ＳｉＯは例えば一酸化シリコンを指す。あるいはＳｉＯは、ＳｉＯ_ｘと表すこともできる。ここでｘは１近傍の値を有することが好ましい。例えばｘは、０．２以上１．５以下が好ましく、０．３以上１．２以下がより好ましい。

【0379】

炭素系材料としては、黒鉛、易黒鉛化性炭素（ソフトカーボン）、難黒鉛化性炭素（ハードカーボン）、カーボンナノチューブ、グラフェン、カーボンブラック等を用いればよい。

【0380】

黒鉛としては、人造黒鉛や、天然黒鉛等が挙げられる。人造黒鉛としては例えば、メソカーボンマイクロビーズ（ＭＣＭＢ）、コークス系人造黒鉛、ピッチ系人造黒鉛等が挙げられる。天然黒鉛としては例えば、鱗片状黒鉛、球状化天然黒鉛等が挙げられる。

【0381】

また、負極活物質として、二酸化チタン（ＴｉＯ_２）、リチウムチタン酸化物（Ｌｉ_４Ｔｉ_５Ｏ_１２）、リチウム－黒鉛層間化合物（Ｌｉ_ｘＣ_６）、五酸化ニオブ（Ｎｂ_２Ｏ_５）、酸化タングステン（ＷＯ_２）、酸化モリブデン（ＭｏＯ_２）等の酸化物を用いることができる。

【0382】

また、コンバージョン反応が生じる材料を負極活物質として用いることもできる。例えば、酸化コバルト（ＣｏＯ）、酸化ニッケル（ＮｉＯ）、酸化鉄（ＦｅＯ）等の、リチウムとの合金を作らない遷移金属酸化物を負極活物質に用いてもよい。コンバージョン反応が生じる材料としては、さらに、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＣｕＯ、Ｃｕ_２Ｏ、ＲｕＯ_２、Ｃｒ_２Ｏ_３等の酸化物、ＣｏＳ_０．８９、ＮｉＳ、ＣｕＳ等の硫化物、Ｚｎ_３Ｎ_２、Ｃｕ_３Ｎ、Ｇｅ_３Ｎ_４等の窒化物、ＮｉＰ_２、ＦｅＰ_２、ＣｏＰ_３等のリン化物、ＦｅＦ_３、ＢｉＦ_３等のフッ化物でも起こる。

【0383】

［電解液］
電解液は、溶媒と電解質を有する。電解液の溶媒としては、非プロトン性有機溶媒が好ましく、例えば、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、ブチレンカーボネート、クロロエチレンカーボネート、ビニレンカーボネート、γ－ブチロラクトン、γ－バレロラクトン、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、ギ酸メチル、酢酸メチル、酢酸エチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、プロピオン酸プロピル、酪酸メチル、１，３－ジオキサン、１，４－ジオキサン、ジメトキシエタン（ＤＭＥ）、ジメチルスルホキシド、ジエチルエーテル、メチルジグライム、アセトニトリル、ベンゾニトリル、テトラヒドロフラン、スルホラン、スルトン等の１種、又はこれらのうちの２種以上を任意の組み合わせおよび比率で用いることができる。

【0384】

また、電解液の溶媒として、難燃性および難揮発性であるイオン液体（常温溶融塩）を一つ又は複数用いることで、二次電池の内部短絡や、過充電等によって内部温度が上昇しても、二次電池の破裂や発火などを防ぐことができる。イオン液体は、カチオンとアニオンからなり、有機カチオンとアニオンとを含む。電解液に用いる有機カチオンとして、四級アンモニウムカチオン、三級スルホニウムカチオン、および四級ホスホニウムカチオン等の脂肪族オニウムカチオンや、イミダゾリウムカチオンおよびピリジニウムカチオン等の芳香族カチオンが挙げられる。また、電解液に用いるアニオンとして、１価のアミド系アニオン、１価のメチド系アニオン、フルオロスルホン酸アニオン、パーフルオロアルキルスルホン酸アニオン、テトラフルオロボレートアニオン、パーフルオロアルキルボレートアニオン、ヘキサフルオロホスフェートアニオン、またはパーフルオロアルキルホスフェートアニオン等が挙げられる。

【0385】

また、上記の溶媒に溶解させる電解質としては、例えばＬｉＰＦ_６、ＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＡｓＦ_６、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＡｌＣｌ_４、ＬｉＳＣＮ、ＬｉＢｒ、ＬｉＩ、Ｌｉ_２ＳＯ_４、Ｌｉ_２Ｂ_１０Ｃｌ_１０、Ｌｉ_２Ｂ_１２Ｃｌ_１２、ＬｉＣＦ_３ＳＯ_３、ＬｉＣ_４Ｆ_９ＳＯ_３、ＬｉＣ（ＣＦ_３ＳＯ_２）_３、ＬｉＣ（Ｃ_２Ｆ_５ＳＯ_２）_３、ＬｉＮ（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２、ＬｉＮ（Ｃ_４Ｆ_９ＳＯ_２）（ＣＦ_３ＳＯ_２）、ＬｉＮ（Ｃ_２Ｆ_５ＳＯ_２）_２等のリチウム塩を一種、又はこれらのうちの二種以上を任意の組み合わせおよび比率で用いることができる。

【0386】

また、電解液にビニレンカーボネート、プロパンスルトン（ＰＳ）、ｔｅｒｔ－ブチルベンゼン（ＴＢＢ）、フルオロエチレンカーボネート（ＦＥＣ）、リチウムビス（オキサレート）ボレート（ＬｉＢＯＢ）、またスクシノニトリル、アジポニトリル等のジニトリル化合物などの添加剤を添加してもよい。添加する材料の濃度は、例えば溶媒全体に対して０．１ｗｔ％以上５ｗｔ％以下とすればよい。

【0387】

また、ポリマーを電解液で膨潤させたポリマーゲル電解質を用いてもよい。ポリマーゲル電解質を用いることで、漏液性等に対する安全性が高まる。また、二次電池の薄型化および軽量化が可能である。ゲル化されるポリマーとして、シリコーンゲル、アクリルゲル、アクリロニトリルゲル、ポリエチレンオキサイド系ゲル、ポリプロピレンオキサイド系ゲル、フッ素系ポリマーのゲル等を用いることができる。またポリマーとして例えばポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）などのポリアルキレンオキシド構造を有するポリマーや、ＰＶＤＦ、およびポリアクリロニトリル等、およびそれらを含む共重合体等を用いることができる。例えばＰＶＤＦとヘキサフルオロプロピレン（ＨＦＰ）の共重合体であるＰＶＤＦ－ＨＦＰを用いることができる。また、形成されるポリマーは、多孔質形状を有してもよい。

【0388】

また、電解液の代わりに硫化物系固体電解質、酸化物系固体電解質、ハロゲン化物系固体電解質等を用いることができる。またはＰＥＯ（ポリエチレンオキシド）系等の高分子材料を有する固体電解質を用いることができる。固体電解質を用いる場合には、セパレータやスペーサの設置が不要となる。また、電池全体を固体化できるため、漏液のおそれがなくなり安全性が飛躍的に向上する。

【0389】

硫化物系固体電解質には、チオシリコン系（Ｌｉ_１０ＧｅＰ_２Ｓ_１２、Ｌｉ_３．２５Ｇｅ_０．２５Ｐ_０．７５Ｓ_４等）、硫化物ガラス（７０Ｌｉ_２Ｓ・３０Ｐ_２Ｓ_５、３０Ｌｉ_２Ｓ・２６Ｂ_２Ｓ_３・４４ＬｉＩ、６３Ｌｉ_２Ｓ・３８ＳｉＳ_２・１Ｌｉ_３ＰＯ_４、５７Ｌｉ_２Ｓ・３８ＳｉＳ_２・５Ｌｉ_４ＳｉＯ_４、５０Ｌｉ_２Ｓ・５０ＧｅＳ_２等）、硫化物結晶化ガラス（Ｌｉ_７Ｐ_３Ｓ_１１、Ｌｉ_３．２５Ｐ_０．９５Ｓ_４等）が含まれる。硫化物系固体電解質は、高い伝導度を有する材料がある、低い温度で合成可能、また比較的やわらかいため充放電を経ても導電経路が保たれやすい等の利点がある。

【0390】

酸化物系固体電解質には、ペロブスカイト型結晶構造を有する材料（Ｌａ_{２／３－ｘ}Ｌｉ_３ｘＴｉＯ_３等）、ＮＡＳＩＣＯＮ型結晶構造を有する材料（Ｌｉ_１－ＸＡｌ_ＸＴｉ_２－Ｘ（ＰＯ_４）_３等）、ガーネット型結晶構造を有する材料（Ｌｉ_７Ｌａ_３Ｚｒ_２Ｏ_１２等）、ＬＩＳＩＣＯＮ型結晶構造を有する材料（Ｌｉ_１４ＺｎＧｅ_４Ｏ_１６等）、ＬＬＺＯ（Ｌｉ_７Ｌａ_３Ｚｒ_２Ｏ_１２）、酸化物ガラス（Ｌｉ_３ＰＯ_４－Ｌｉ_４ＳｉＯ_４、５０Ｌｉ_４ＳｉＯ_４・５０Ｌｉ_３ＢＯ_３等）、酸化物結晶化ガラス（Ｌｉ_１．０７Ａｌ_０．６９Ｔｉ_１．４６（ＰＯ_４）_３、Ｌｉ_１．５Ａｌ_０．５Ｇｅ_１．５（ＰＯ_４）_３等）が含まれる。酸化物系固体電解質は、大気中で安定であるといった利点がある。

【0391】

ハロゲン化物系固体電解質には、ＬｉＡｌＣｌ_４、Ｌｉ_３ＩｎＢｒ_６、ＬｉＦ、ＬｉＣｌ、ＬｉＢｒ、ＬｉＩ等が含まれる。また、これらハロゲン化物系固体電解質を、ポーラスアルミナやポーラスシリカの細孔に充填したコンポジット材料も固体電解質として用いることができる。

【0392】

また、異なる固体電解質を混合して用いてもよい。

【0393】

中でも、ＮＡＳＩＣＯＮ型結晶構造を有するＬｉ_１＋ｘＡｌ_ｘＴｉ_２－ｘ（ＰＯ_４）_３（０＜ｘ＜１）（以下、ＬＡＴＰ）は、アルミニウムとチタンという、本発明の一態様に係る二次電池３００に用いる正極活物質が有してもよい元素を含むため、サイクル特性の向上について相乗効果が期待でき好ましい。また、工程の削減による生産性の向上も期待できる。なお本明細書等において、ＮＡＳＩＣＯＮ型結晶構造とは、Ｍ_２（ＸＯ_４）_３（Ｍ：遷移金属、Ｘ：Ｓ、Ｐ、Ａｓ、Ｍｏ、Ｗ等）で表される化合物であり、ＭＯ_６八面体とＸＯ_４四面体が頂点を共有して３次元的に配列した構造を有するものをいう。

【0394】

［セパレータ］
また二次電池は、セパレータを有することが好ましい。セパレータとしては、例えば、紙、不織布、ガラス繊維、セラミックス、或いはナイロン（ポリアミド）、ビニロン（ポリビニルアルコール系繊維）、ポリエステル、アクリル、ポリオレフィン、ポリウレタンを用いた合成繊維等で形成されたものを用いることができる。セパレータはエンベロープ状に加工し、正極または負極のいずれか一方を包むように配置することが好ましい。

【0395】

セパレータは多層構造であってもよい。例えばポリプロピレン、ポリエチレン等の有機材料フィルムに、セラミック系材料、フッ素系材料、ポリアミド系材料、またはこれらを混合したもの等をコートすることができる。セラミック系材料としては、例えば酸化アルミニウム粒子、酸化シリコン粒子等を用いることができる。フッ素系材料としては、例えばＰＶＤＦ、ポリテトラフルオロエチレン等を用いることができる。ポリアミド系材料としては、例えばナイロン、アラミド（メタ系アラミド、パラ系アラミド）等を用いることができる。

【0396】

［外装体］
二次電池が有する外装体としては、例えばアルミニウムなどの金属材料や樹脂材料を用いることができる。また、フィルム状の外装体を用いることもできる。フィルムとしては、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、アイオノマー、ポリアミド等の材料からなる膜上に、アルミニウム、ステンレス、銅、ニッケル等の可撓性に優れた金属薄膜を設け、さらに該金属薄膜上に外装体の外面としてポリアミド系樹脂、ポリエステル系樹脂等の絶縁性合成樹脂膜を設けた三層構造のフィルムを用いることができる。

【0397】

［二次電池の構成例］
以下に、二次電池の構成の一例として、固体電解質層を用いた二次電池の構成について説明する。

【0398】

図２６Ａに示す二次電池７００において、正極７１０、固体電解質層７２０および負極７３０の組み合わせが積層される。複数の正極７１０、固体電解質層７２０および負極７３０を積層することで、二次電池の電圧を高くすることができる。図２６Ａは、正極７１０、固体電解質層７２０および負極７３０の組み合わせを４層積層した場合の概略図である。

【0399】

また本発明の一態様に係る二次電池７００は、薄膜型全固体電池であってもよい。薄膜型全固体電池は気相法（真空蒸着法、パルスレーザー堆積法、エアロゾルデポジション法、スパッタ法）を用いて正極、固体電解質、負極、配線電極等を成膜して作製することができる。たとえば図２６Ｂのように、基板７４０上に配線電極７４１および配線電極７４２を形成した後、配線電極７４１上に正極７１０を形成し、正極７１０上に固体電解質層７２０を形成し、固体電解質層７２０および配線電極７４２上に負極７３０を形成して二次電池７００を作製することができる。基板７４０としては、セラミックス基板、ガラス基板、プラスチック基板、金属基板などを用いることができる。

【0400】

固体電解質層７２０が有する固体電解質としては、上述の固体電解質を用いることができる。

【0401】

本実施の形態は、他の実施の形態および実施例などに記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。

【0402】

（実施の形態８）
本実施の形態では、本発明の一態様に係る半導体装置を適用できる電子機器について説明する。

【0403】

本発明の一態様に係る半導体装置は、様々な電子機器に搭載することができる。電子機器の例としては、例えば、テレビジョン装置、デスクトップ型もしくはノート型のパーソナルコンピュータ、コンピュータ用などのモニタ、デジタルサイネージ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｇｅ：電子看板）、パチンコ機などの大型ゲーム機などの比較的大きな画面を備える電子機器の他、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、携帯型ゲーム機、携帯情報端末、音響再生装置、などが挙げられる。また、自動車、二輪車、船舶、および航空機などの移動体も電子機器と言える。本発明の一態様に係る半導体装置は、これらの電子機器に内蔵されるバッテリの充放電制御装置などに用いることができる。

【0404】

電子機器は、アンテナを有していてもよい。アンテナで信号を受信することで、表示部で映像や情報等の表示を行うことができる。また、電子機器がアンテナおよび二次電池を有する場合、アンテナを、非接触電力伝送に用いてもよい。

【0405】

電子機器は、センサ（力、変位、位置、速度、加速度、角速度、回転数、距離、光、液、磁気、温度、化学物質、音声、時間、硬度、電場、電流、電圧、電力、放射線、流量、湿度、傾度、振動、においまたは赤外線を測定する機能を含むもの）などを有していてもよい。

【0406】

電子機器は、様々な機能を有することができる。例えば、様々な情報（静止画、動画、テキスト画像など）を表示部に表示する機能、タッチパネル機能、カレンダー、日付または時刻などを表示する機能、様々なソフトウェア（プログラム）を実行する機能、無線通信機能、記録媒体に記録されているプログラムまたはデータを読み出す機能等を有することができる。

【0407】

本発明の一態様に係る半導体装置を備えた電子機器の例について、図面を用いて説明を行う。

【0408】

図２７Ａに、腕時計型の携帯情報端末の一例と、送電装置の一例を示す。携帯情報端末６１００は、筐体６１０１、表示部６１０２、バンド６１０３、操作ボタン６１０５などを備える。送電装置６２００は、筐体６２０１、電源ケーブル６２０２、送電アンテナ６２０３、駆動回路６２０４などを備える。駆動回路６２０４は、送電制御回路、整合回路、電力放射回路などを有してもよい。また、携帯情報端末６１００は、その内部に二次電池および受電装置を備える。受電装置は、送電装置６２００から放射された電力を受け取り、二次電池に充電する機能を有する。受電装置は、例えば上記実施の形態に例示した受電装置でもよい。

【0409】

また、図２７Ｂに示すように、携帯情報端末６１００と送電装置６２００を重ねておくことで、電力を効率よく携帯情報端末６１００に供給することができる。携帯情報端末６１００は内蔵されている二次電池が満充電になると、電力放射を停止する信号を送電装置６２００に送信する機能を有する。

【0410】

携帯情報端末６１００は、Ｗｉ－Ｆｉ（登録商標）、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）などの近距離通信手段の他に、ＬＴＥなどの第３世代移動通信システムに準拠した通信手段、第４世代移動通信システム（４Ｇ）に準拠した通信手段、または第５世代移動通信システム（５Ｇ）に準拠した通信手段などの様々な通信手段を備えることができる。

【0411】

図２８Ａは、携帯電話機の一例を示している。携帯電話機６３００は、筐体６３０１に組み込まれた表示部６３０２の他、操作ボタン６３０３、スピーカ６３０４、マイク６３０５などを備えている。

【0412】

また、携帯電話機６３００は、表示部６３０２と重なる領域に指紋センサ６３１０を備える。指紋センサ６３１０は有機光センサであってもよい。図２８Ａに、指紋ＦＰの一例を示す。指紋は個人によって異なるため、指紋センサ６３１０で指紋パターンを取得して、個人認証を行うことができる。指紋センサ６３１０で指紋パターンを取得するための光源として、表示部６３０２から発せられた光を用いることができる。

【0413】

また、携帯電話機６３００は、その内部に二次電池および上記実施の形態に示した受電装置を備える。受電装置は、送電装置６２００から放射された電力を受け取り、二次電池に充電する機能を有する。

【0414】

また、図２８Ｂに示すように、携帯電話機６３００と送電装置６２００を重ねておくことで、電力を効率よく携帯電話機６３００に供給することができる。携帯電話機６３００は内蔵されている二次電池が満充電になると、電力放射を停止する信号を送電装置６２００に送信する機能を有する。

【0415】

携帯電話機６３００は、Ｗｉ－Ｆｉ（登録商標）、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）などの近距離通信手段の他に、ＬＴＥなどの第３世代移動通信システムに準拠した通信手段、第４世代移動通信システム（４Ｇ）に準拠した通信手段、または第５世代移動通信システム（５Ｇ）に準拠した通信手段などの様々な通信手段を備えることができる。

【0416】

なお、図２７Ａに示す表示部６１０２、及び図２８Ａに示す表示部６３０２には、発光素子などを用いることができる。発光素子としては、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）、ＯＬＥＤ（Ｏｒｇａｎｉｃ ＬＥＤ）、ＱＬＥＤ（Ｑｕａｎｔｕｍ－ｄｏｔ ＬＥＤ）、半導体レーザなどの、自発光性の発光素子が挙げられる。また、表示部６１０２、及び表示部６３０２に用いる表示素子としては、透過型の液晶素子、反射型の液晶素子、半透過型の液晶素子などの液晶素子を用いることもできる。また、シャッター方式または光干渉方式のＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）素子や、マイクロカプセル方式、電気泳動方式、エレクトロウェッティング方式、または電子粉流体（登録商標）方式等を適用した表示素子などを用いることもできる。

【0417】

なお、本発明の一態様においては、特に有機ＥＬ素子を表示部６１０２、及び表示部６３０２に用いると好適である。有機ＥＬ素子を用いることで、可撓性基板上に表示部６１０２、及び表示部６３０２を設けることが可能となる。携帯情報端末６１００、及び携帯電話機６３００に可撓性を有する表示部を適用することで、重量を軽く、且つ表示部の破損が軽減された携帯情報端末、及び携帯電話機を提供することができる。

【0418】

図２９に示すロボット７１００は、照度センサ、マイクロフォン、カメラ、スピーカ、ディスプレイ、各種センサ（赤外線センサ、超音波センサ、加速度センサ、ピエゾセンサ、光センサ、ジャイロセンサなど）、および移動機構などを備える。

【0419】

マイクロフォンは、使用者の音声および環境音などの音響信号を検知する機能を有する。また、スピーカは、音声および警告音などのオーディオ信号を発する機能を有する。ロボット７１００は、マイクロフォンを介して入力されたオーディオ信号を解析し、必要なオーディオ信号をスピーカから発することができる。ロボット７１００は、マイクロフォン、およびスピーカを用いて、使用者とコミュニケーションをとることが可能である。

【0420】

カメラは、ロボット７１００の周囲を撮像する機能を有する。また、ロボット７１００は、移動機構を用いて移動する機能を有する。ロボット７１００は、カメラを用いて周囲の画像を撮像し、画像を解析して移動する際の障害物の有無などを察知することができる。ロボット７１００の二次電池（バッテリ）に本発明の一態様に係る半導体装置を用いることで、充電動作時の過電圧を検知することができる。また、ロボット７１００の信頼性および安全性を向上することができる。

【0421】

飛行体７１２０は、プロペラ、カメラ、およびバッテリなどを有し、自律して飛行する機能を有する。

【0422】

例えば、カメラで撮影した画像データは、電子部品７１２１に記憶される。電子部品７１２２は、画像データを解析し、移動する際の障害物の有無などを察知することができる。また、電子部品７１２２によってバッテリの蓄電容量の変化から、バッテリ残量を推定することができる。飛行体７１２０のバッテリに本発明の一態様に係る半導体装置を用いることで、充電動作時の過電圧を検知することができる。よって、飛行体７１２０の信頼性および安全性を向上することができる。

【0423】

掃除ロボット７１４０は、上面に配置されたディスプレイ、側面に配置された複数のカメラ、ブラシ、操作ボタン、各種センサなどを有する。図示されていないが、掃除ロボット７１４０には、タイヤ、吸い込み口等が備えられている。掃除ロボット７１４０は自走し、ゴミを検知し、下面に設けられた吸い込み口からゴミを吸引することができる。

【0424】

例えば、掃除ロボット７１４０は、カメラが撮影した画像を解析し、壁、家具または段差などの障害物の有無を判断することができる。また、画像解析により、配線などブラシに絡まりそうな物体を検知した場合は、ブラシの回転を止めることができる。掃除ロボット７１４０のバッテリに本発明の一態様に係る半導体装置を用いることで、充電動作時の過電圧を検知することができる。よって、掃除ロボット７１４０の信頼性および安全性を向上することができる。

【0425】

移動体の一例として電気自動車７１６０を示す。電気自動車７１６０は、エンジン、タイヤ、ブレーキ、操舵装置、カメラなどを有する。電気自動車７１６０のバッテリに本発明の一態様に係る半導体装置を用いることで、充電動作時の過電圧を検知することができる。よって、電気自動車７１６０の信頼性および安全性を向上することができる。

【0426】

なお、上述では、移動体の一例として電気自動車について説明しているが、移動体は電気自動車に限定されない。例えば、移動体としては、電車、モノレール、船、飛行体（ヘリコプター、無人航空機（ドローン）、飛行機、ロケット）なども挙げることができ、これらの移動体のバッテリに本発明の一態様に係る半導体装置を用いることで、充電動作時の過電圧を検知することができる。よって、これらの移動体の信頼性および安全性を向上することができる。

【0427】

本発明の一態様の半導体装置を備えたバッテリは、ＴＶ装置７２００（テレビジョン受像装置）、スマートフォン７２１０、ＰＣ７２２０（パーソナルコンピュータ）、ＰＣ７２３０、ゲーム機７２４０、ゲーム機７２６０等に組み込むことができる。

【0428】

スマートフォン７２１０は、携帯情報端末の一例である。スマートフォン７２１０は、マイクロフォン、カメラ、スピーカ、各種センサ、および表示部を有する。

【0429】

ＰＣ７２２０、ＰＣ７２３０はそれぞれノート型ＰＣ、据え置き型ＰＣの例である。ＰＣ７２３０には、キーボード７２３２、およびモニタ装置７２３３が無線または有線により接続可能である。ゲーム機７２４０は携帯型ゲーム機の例である。ゲーム機７２６０は据え置き型ゲーム機の例である。ゲーム機７２６０には、無線または有線でコントローラ７２６２が接続されている。

【0430】

本発明の一態様に係る半導体装置を電子機器に備えることで、消費電力を低減することができる。

【0431】

本実施の形態は、他の実施の形態および実施例などに記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。

【実施例0432】

図９に記載の電圧検知回路１００ＴＡの回路動作を、回路シミュレータで検証した。回路シミュレータは、ＳＩＬＶＡＣＯ社のＳｍａｒｔＳｐｉｃｅを用いた。

【0433】

検証条件として、トランジスタＭ１乃至Ｍ６のチャネル長を０．３６μｍ、チャネル幅を０．３６μｍ、しきい値電圧を０．８３Ｖとした。また、容量Ｃ１および容量Ｃ２の容量値をそれぞれ１ｐＦとした。また、ノードＮＤ１乃至ノードＮＤ４に生じる寄生容量の容量値を１ｆＦとした。また、端子１１１に０Ｖ、端子１１４に１．５Ｖ、端子１１５に１Ｖの電圧が供給されているものとした。

【0434】

また、コンパレータ１０１は、非反転入力の電圧が反転入力の電圧以下である場合に０Ｖを出力し、非反転入力の電圧が反転入力の電圧を超えている場合に１Ｖを出力するものとした。

【0435】

端子１１２の電圧が３．５Ｖから４．５Ｖまで変化した時の、端子Ｇ１乃至端子Ｇ６、ノードＮＤ１乃至ノードＮＤ４、端子１１２、および端子１１３の電圧変化を回路シミュレータで計算した。計算結果を図３０Ａ乃至図３０Ｄ、および図３１Ａ乃至図３１Ｃに示す。また、計算に用いた端子１１２の電位変化を図３１Ｄに示す。図３０Ａ乃至図３０Ｄ、および図３１Ａ乃至図３１Ｄの縦軸は電圧（Ｖｏｌｔａｇｅ）を示し、横軸は時刻（Ｔｉｍｅ）を示している。

【0436】

図３０Ａは、端子Ｇ１、端子Ｇ２、端子Ｇ４、および端子Ｇ５の計算結果である。図３０Ｂは、端子Ｇ３および端子Ｇ６の計算結果である。図３０Ｃは、ノードＮＤ１の計算結果である。図３０Ｄは、ノードＮＤ２の計算結果である。図３１Ａは、ノードＮＤ３の計算結果である。図３１Ｂは、ノードＮＤ４の計算結果である。図３１Ｃは、端子１１３の計算結果である。

【0437】

本実施例では、時刻が０秒から２０μ秒経過するまで、端子Ｇ１、端子Ｇ２、端子Ｇ４、および端子Ｇ５、に１０Ｖを供給し、端子Ｇ３および端子Ｇ６に０Ｖを供給した。この期間は、トランジスタＭ１、トランジスタＭ２、トランジスタＭ４、およびトランジスタＭ５がオン状態になり、トランジスタＭ３およびトランジスタＭ６がオフ状態になる。よって、ノードＮＤ１は０Ｖ、ノードＮＤ２は１．５Ｖ、ノードＮＤ３は０Ｖ、ノードＮＤ４が１．５Ｖになる。

【0438】

２０μ秒経過後は、端子Ｇ１、端子Ｇ２、端子Ｇ４、および端子Ｇ５、に０Ｖを供給し、端子Ｇ３および端子Ｇ６に１０Ｖを供給した。よって、２０μ秒経過後は、トランジスタＭ１、トランジスタＭ２、トランジスタＭ４、およびトランジスタＭ５がオフ状態になり、トランジスタＭ３およびトランジスタＭ６がオン状態になる。また、２０μ秒経過後のノードＮＤ１乃至ノードＮＤ４の電圧は、端子１１２の電位変化に応じて変化する。

【0439】

図３１Ｃおよび図３１Ｄより、端子１１３の電圧は、端子１１２の電圧が４Ｖ以下の時は０Ｖであり、端子１１２の電圧が４Ｖを超えると１Ｖに変化することがわかる。回路シミュレータを用いることにより、電圧検知回路１００ＴＡが正しく動作することが確認できた。

【符号の説明】

【0440】

１００：電圧検知回路、１０１：コンパレータ、１１１：端子、１１２：端子、１１３：端子、１１４：端子、１１５：端子、２０１：端子、２０２：端子、３００：二次電池

【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】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】

【図28】

【図29】

【図30】

【図31】