JP6211836B2 - 充電装置 - Google Patents

Description

本発明は、物、方法、または、製造方法に関する。または、本発明は、プロセス、マシン、または、マニュファクチャに関する。特に、本発明は、例えば、半導体装置、表示装置、発光装置、蓄電装置、それらの駆動方法、または、それらの製造方法に関する。特に、本発明は、蓄電池の充電装置に関する。

近年、携帯電話やスマートフォンに代表される携帯端末の電源として、或いは、電気自動車などのモータ駆動の電源として、リチウム二次電池のような蓄電池が広く利用されている（特許文献１参照）。

このような蓄電池の充電装置として、蓄電池の端子電圧を計測して充電完了を判定する充電装置や、充電電流（蓄電池を充電するために必要な電流）を積算して充電電流積算値を算出し、充電完了を判定する充電装置が開発されている（特許文献２参照）。

特開２００６−２６９４２６号公報 特開２００４−３６４４１９号公報

特許文献２では、充電回路１のプラス側入力端子ＴＭ１及びマイナス側入力端子ＴＭ２があり、マイコン５内にはアナログ入力をデジタル信号に変換するアナログ／デジタルコンバータ（Ａ／Ｄコンバータ、ＡＤＣともいう）が内蔵されている。これは、蓄電池２等がアナログで動作するのに対して、マイコンや、充電回路１の外部の回路はデジタル信号に基づいて動作するためである。

しかしながら、充電装置内にアナログ／デジタルコンバータが存在すると、アナログ／デジタルコンバータの消費電力が大きいので、充電装置の消費電力が増大してしまうという問題点があった。

以上を鑑みて、開示される発明の一態様では、消費電力の小さい充電装置を得ることを課題の一とする。

なお、上記課題の記載は、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、上記の課題を解決する必要はないものとする。なお、上記以外の課題は、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、課題を抽出することが可能である。

開示される発明の一態様は、蓄電池を充電する充電装置であって、蓄電池の充電電流に応じた電流を発生させる回路と、当該充電電流に応じた電流を流すことにより、電荷を蓄積する回路と、当該電荷が蓄積される回路の電位が、基準電位以上になったときに、当該蓄電池の充電終了を指示する信号を出力する回路と、を有することを特徴とする充電装置に関する。

蓄電池の充電電流（Ｉｃとする）は、アナログ的に変化するアナログ信号である。また蓄電池の充電電流は、既知の抵抗値を有する抵抗素子を流れる。当該抵抗素子の両方の端子に電気的に接続されている電圧電流変換回路により、当該抵抗素子の両端の端子の電位差が検知される。

当該電圧電流変換回路は、当該抵抗素子の両方の端子の電位差に応じた電流（Ｉｓとする）を出力する。よって、電流Ｉｓは、充電電流Ｉｃに応じた電流であり、または充電電流Ｉｃの一部である。当該電圧電流変換回路は、充電電流Ｉｃに応じた電流Ｉｓを発生させる回路である、または充電電流Ｉｃからその一部の電流である電流Ｉｓを発生させる回路であるといえる。

当該電圧電流変換回路の出力は、スイッチング素子である、チャネル形成領域に酸化物半導体を用いたトランジスタ（以下「酸化物半導体トランジスタ」という）のソース又はドレインの一方に電気的に接続されている。また当該酸化物半導体トランジスタのゲートには、パルス信号が入力され、当該パルス信号に応じてオン状態又はオフ状態が切り替わる。

当該トランジスタのソース又はドレインの他方は、容量素子に電気的に接続されている。当該トランジスタがオン状態の時に、電流Ｉｓがトランジスタのソース及びドレイン間を流れ、容量素子に電荷が蓄積される。

容量素子の一方の端子及び当該トランジスタのソース又はドレインの他方は、比較器の第１の端子に電気的に接続されている。当該比較器の出力電位は、電荷が蓄積された容量素子の一方の端子の電位が、当該比較器の第２の端子に入力される基準電位以上になったときに、低レベル電位ＶＬから高レベル電位ＶＨに変化する。

上記基準電位として、蓄電池の充電終了に対応する電位を設定することで、容量素子の一方の端子の電位が基準電位以上になった時点で、充電を終了することができる。すなわち、当該比較器の出力電位は、蓄電池の充電終了を指示する信号であり、当該比較器は、蓄電池の充電終了を指示する信号を出力する回路であるといえる。

酸化物半導体トランジスタは、オフ状態でのリーク電流が、例えば、チャネル幅１μｍあたり１０ａＡ（１×１０^−１７Ａ）以下、好ましくはチャネル幅１μｍあたり１ａＡ（１×１０^−１８Ａ）以下、より好ましくはチャネル幅１μｍあたり１０ｚＡ（１×１０^−２０Ａ）以下、さらに好ましくはチャネル幅１μｍあたり１ｚＡ（１×１０^−２１Ａ）以下、さらに好ましくはチャネル幅１μｍあたり１００ｙＡ（１×１０^−２２Ａ）以下という、極めて低いという利点を有する。そのため、容量素子に電気的に接続されたトランジスタとして、酸化物半導体トランジスタを用いることにより、当該トランジスタがオフ状態の際に、容量素子に蓄積された電荷が、当該トランジスタのソース及びドレイン間を通ってリークしてしまうのを防ぐことができる。このため、容量素子に蓄積された電荷量を維持することが可能となり、当該容量素子の電荷量を周期的に積算させていくことで、充電の終了を示す基準電位との比較を行うことができる。

以上により、アナログ／デジタルコンバータを用いないので、消費電力の小さい充電装置を得ることが可能である。

開示される発明の一態様は、蓄電池を充電する充電装置であって、電源制御回路から供給される充電電流に応じた電流を発生させる回路と、充電電流に応じた電流を流すことにより、充電電流に応じた電荷をアナログ信号として容量素子に蓄積する回路と、電荷が蓄積される容量素子の電位が、基準電位以上になったときに、蓄電池の充電終了を指示する信号を電源制御回路の制御回路に出力する回路とを有し、蓄電池の充電終了を指示する信号が、電源制御回路の制御回路に出力されることにより、当該充電電流の供給が終了されることを特徴とする充電装置に関する。

開示される発明の一態様は、蓄電池を充電する充電装置であって、電源制御回路から供給される充電電流に応じた電流を発生させる回路と、入力されるパルス信号に応じて、オン状態又はオフ状態となるスイッチング素子と、スイッチング素子に電気的に接続され、オン状態のスイッチング素子を介して充電電流に応じた電流が流れることにより、充電電流に応じた電荷が蓄積される容量素子と、電荷が蓄積される容量素子の電位が、基準電位以上になったときに、蓄電池の充電終了を指示する信号を電源制御回路の制御回路に出力する回路とを有し、蓄電池の充電終了を指示する信号が、電源制御回路の制御回路に出力されることにより、充電電流の供給が終了されることを特徴とする充電装置に関する。

開示される発明の一態様は、蓄電池を充電する充電装置であって、電源制御回路から供給される充電電流に応じた電流を発生させる回路と、ゲートに入力されるパルス信号に応じて、オン状態又はオフ状態となり、チャネル形成領域に酸化物半導体を用いたトランジスタと、トランジスタに電気的に接続され、オン状態のトランジスタを介して充電電流に応じた電流が流れることにより、充電電流に応じた電荷が蓄積される容量素子と、電荷が蓄積される容量素子の電位が、基準電位以上になったときに、蓄電池の充電終了を指示する信号を電源制御回路の制御回路に出力する回路とを有し、蓄電池の充電終了を指示する信号が、電源制御回路の制御回路に出力されることにより、充電電流の供給を終了することを特徴とする充電装置に関する。

開示される発明の一態様は、蓄電池を充電する充電装置であって、蓄電池の充電電流が流れる抵抗素子と、抵抗素子に印加される電圧に基づいて、充電電流に応じた電流を発生させるオペアンプと、ゲートに入力されるパルス信号に応じて、オン状態又はオフ状態となり、チャネル形成領域に酸化物半導体を用いたトランジスタと、トランジスタに電気的に接続され、オン状態のトランジスタを介して充電電流の一部が流れることにより、電荷が蓄積される容量素子と、電荷が蓄積される容量素子の電位が入力される第１の入力端子と、基準電位が入力される第２の入力端子とを有する比較器と、を有し、容量素子の電位と基準電位を比較することにより、比較器の出力電位が切り替えられ、出力電位が切り替えられることにより、充電電流の供給が終了されることを特徴とする充電装置に関する。

開示される発明の一態様において、比較器は、ヒステリシスコンパレータでもよい。

開示される発明の一態様において、当該酸化物半導体は、酸化インジウム、Ｉｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｉｎ−Ｇａ系酸化物、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｃｅ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｐｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｎｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｕ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｇｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｄｙ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｏ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｙｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌｕ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物のいずれかでもよい。

開示される発明の一態様により、消費電力の小さい充電装置を得ることができる。

充電回路の回路図。 充電回路の動作を説明するタイミングチャート。 充電回路の回路図。 充電装置の回路図。 充電装置の回路図。 充電装置の回路図。 充電装置の回路図。 蓄電池を説明する図。 酸化物半導体トランジスタの断面図。 半導体装置の構造例を示す図。

以下、本明細書に開示された発明の実施の態様について、図面を参照して説明する。但し、本明細書に開示された発明は多くの異なる態様で実施することが可能であり、本明細書に開示された発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、以下に示す図面において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、同様のものを指す際には同じハッチパターンを使用し、特に符号を付さない場合がある。

なお本明細書に開示された発明において、半導体装置とは、半導体を利用することで機能する素子及び装置全般を指し、電子回路、表示装置、発光装置、記憶装置等を含む電気装置およびその電気装置を搭載した電気機器をその範疇とする。

なお、図面等において示す各構成の、位置、大きさ、範囲などは、説明を分かりやすくするために、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。

なお、本明細書等における「第１」、「第２」、「第３」などの序数は、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ことを付記する。

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。

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。

なお、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。

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」であることを限定するものではない。例えば、「ゲート絶縁膜上のゲート電極」の表現であれば、ゲート絶縁膜とゲート電極との間に他の構成要素を含むものを除外しない。

本明細書において、「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。従って、−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。従って、８５°以上９５°以下の場合も含まれる。

また、本明細書において、結晶が三方晶または菱面体晶である場合、六方晶系として表す。

（実施の形態１）
＜充電回路の回路構成＞
本実施の形態の充電回路の回路図を図１に示す。図１に示す充電回路１００は、トランジスタ１０２、容量素子１０３、抵抗素子１０４、電圧電流変換回路１０５、ヒステリシスコンパレータ１０７（シュミットトリガともいう）を有している。充電回路１００は、端子１０８、端子１０９、端子ＣＯＮ、及び、端子ＯＵＴによって外部回路と電気的に接続される。また図１に示す充電回路１００には、当該充電回路１００により充電される蓄電池１０１が電気的に接続される。

なお、トランジスタ１０２及び容量素子１０３により、累積加算回路１１２を構成する。詳細は後述するが、トランジスタ１０２はゲートに入力されるパルス信号により、オン状態又はオフ状態となる。トランジスタ１０２がオン状態の時に、トランジスタ１０２のソース及びドレイン間を介して電流が流れ、電荷が容量素子１０３に蓄積される。

また、抵抗素子１０４及び電圧電流変換回路１０５により、電流検出回路１１１を構成する。図１に示す充電回路１００では、電流検出回路１１１は正電位側に設けられる。

端子１０８は、充電の際に正電位が印加される端子であり、抵抗素子１０４の一方の端子、及び、電圧電流変換回路１０５の非反転入力端子に電気的に接続されている。

抵抗素子１０４は、充電電流Ｉｃの電流値を検知するための抵抗であり、既知の抵抗値Ｒを有する。抵抗素子１０４の一方の端子は、端子１０８、及び、電圧電流変換回路１０５の非反転入力端子に電気的に接続されている。抵抗素子１０４の他方の端子は、電圧電流変換回路１０５の反転入力端子、及び、蓄電池１０１の正極に電気的に接続されている。

電圧電流変換回路１０５は、例えばオペアンプであり、抵抗素子１０４の一方及び他方の端子の間の電位差（抵抗素子１０４に印加される電圧）に応じて、電流Ｉｓを出力する回路である。より具体的には、電圧電流変換回路１０５は、抵抗素子１０４の一方及び他方の端子の間の電位差（電圧電流変換回路１０５の非反転入力端子及び反転入力端子に入力される電位の電位差）に比例する電流Ｉｓを出力する。抵抗素子１０４の抵抗値Ｒは既知であるので、抵抗素子１０４の一方及び他方の端子の間の電位差は、充電電流Ｉｃに比例する。よって、電流Ｉｓは、充電電流Ｉｃに応じて変化する電流であり、充電電流Ｉｃの一部であるといえる。また、電圧電流変換回路１０５は、充電電流Ｉｃから、その一部の電流Ｉｓを発生させる回路であるといえる。

電圧電流変換回路１０５の非反転入力端子は、抵抗素子１０４の一方の端子、及び、端子１０８に電気的に接続されている。電圧電流変換回路１０５の反転入力端子は、抵抗素子１０４の他方の端子、及び、蓄電池１０１の正極に電気的に接続されている。電圧電流変換回路１０５の出力端子は、トランジスタ１０２のソース又はドレインの一方に電気的に接続されている。

蓄電池１０１は、例えばリチウム二次電池を用いればよいが、これに限定されず、その他の蓄電池を用いてもよい。

蓄電池１０１として、充電曲線（充電電圧に対して容量をプロットした曲線、又は、充電電圧に対して時間をプロットした曲線）にプラトーを有するリチウム二次電池を用いた場合、リチウム二次電池の充電電圧を検知して充電を制御する充電装置では、プラトーの領域では充電容量が増加しても充電電圧は変化しない。そのため、充電電圧を検知して充電を制御する充電装置では、正しい充電容量を検知するのが難しい。

しかしながら、本実施の形態の充電回路１００は、充電電流Ｉｃ（実際は、充電電流Ｉｃの一部の電流である電流Ｉｓ）と、充電時間との積によって、蓄電池１０１の充電電荷量を検知する。そのため、蓄電池１０１として、プラトーを有するリチウム二次電池を用いた場合でも、正しい充電電荷量（充電容量）を検知することができる。

蓄電池１０１の正極は、抵抗素子１０４の他方の端子、及び、電圧電流変換回路１０５の反転入力端子に電気的に接続されている。蓄電池１０１の負極は、容量素子１０３の他方の端子、及び、端子１０９に電気的に接続されている。

トランジスタ１０２は、端子ＣＯＮから印加される電位ＣＯＮに応じて、オン状態又はオフ状態となるスイッチング素子である。なお、詳細は後述するが、電位ＣＯＮ（信号ＣＯＮとも呼ぶ）はパルス信号であり、高レベル電位ＶＨ及び低レベル電位ＶＬのいずれかの電位となる。トランジスタ１０２がオン状態の時（電位ＣＯＮが高レベル電位ＶＨの時）に、電流Ｉｓがソース及びドレイン間を流れ、それに応じて電荷が容量素子１０３に蓄積される。

なお本実施の形態では、高レベル電位ＶＨは、低レベル電位ＶＬよりも高く、低レベル電源電位ＶＳＳより高く、高レベル電源電位ＶＤＤ以下であるとする。また低レベル電位ＶＬは、高レベル電位ＶＨより低く、低レベル電源電位ＶＳＳ以上であり、高レベル電源電位ＶＤＤより低い。さらに、低レベル電源電位ＶＳＳは、接地電位ＧＮＤであってもよいが、これに限定されず、高レベル電源電位ＶＤＤより低い電位であれば、低レベル電源電位ＶＳＳとして用いることができる。以上を式で表すと、高レベル電源電位ＶＤＤ≧高レベル電位ＶＨ＞低レベル電位ＶＬ≧低レベル電源電位ＶＳＳ（ただし、低レベル電源電位ＶＳＳは接地電位ＧＮＤであってもよい）、となる。

トランジスタ１０２において、チャネル形成領域に酸化物半導体を用いると、オフ状態でのリーク電流（オフ電流ともいう）が極めて低いという利点を有するので好適である。なお、本明細書では、チャネル形成領域に酸化物半導体を用いたトランジスタを、酸化物半導体トランジスタと呼ぶこととする。トランジスタ１０２として酸化物半導体トランジスタを用いると、トランジスタ１０２がオフ状態の際に、容量素子１０３に蓄積された電荷が、トランジスタ１０２のソース及びドレイン間を通ってリークしてしまうのを防ぐことができる。

本実施の形態では、上述のように、端子ＣＯＮから印加される電位ＣＯＮに応じて、オン状態又はオフ状態となるスイッチング素子として機能するトランジスタ１０２として、さらにオフ電流が極めて低い酸化物半導体トランジスタを用いる。しかしながら、容量素子１０３に蓄積された電荷がリークしないのであれば、他のスイッチング素子を用いてもよい。

トランジスタ１０２のゲートは端子ＣＯＮに電気的に接続されている。トランジスタ１０２のソース又はドレインの一方は、電圧電流変換回路１０５の出力端子に電気的に接続されている。トランジスタ１０２のソース又はドレインの他方は、容量素子１０３の一方の端子、及び、ヒステリシスコンパレータ１０７の非反転入力端子に電気的に接続されている。

容量素子１０３は、トランジスタ１０２のソース及びドレイン間を流れる電流Ｉｓの電荷を蓄積する素子である。容量素子１０３に電荷が蓄積されると、それに伴って容量素子１０３の一方の端子の電位Ｖｃが増大する。

容量素子１０３の一方の端子は、トランジスタ１０２のソース又はドレインの他方、及び、ヒステリシスコンパレータ１０７の非反転入力端子に電気的に接続されている。容量素子１０３の他方の端子は、蓄電池１０１の負極、及び、端子１０９に電気的に接続されている。

ヒステリシスコンパレータ１０７は、入出力にヒステリシスを持たせたコンパレータである。すなわち、非反転入力端子及び反転入力端子に入力される電位の差が増大したときに出力が切り替わる電位と、非反転入力端子及び反転入力端子に入力される電位の差が減少したときに出力が切り替わる電位が異なる。ヒステリシスコンパレータを用いることにより、ノイズの影響により出力電位の切り替えが頻繁に起こることを抑制することができる。

ただし、本実施の形態では、ノイズの影響により出力電位の切り替えが頻繁に起こることを抑制するためにヒステリシスコンパレータを用いたが、これに限定されない。非反転入力端子及び反転入力端子に入力される電位差によって出力電位が切り替え可能であれば、ヒステリシスコンパレータに代えて、他の比較器（コンパレータ）を用いてもよい。

ヒステリシスコンパレータ１０７の反転入力端子には、基準電位Ｖｒｅｆが入力される。ヒステリシスコンパレータ１０７の非反転入力端子は、トランジスタ１０２のソース又はドレインの他方、及び、容量素子１０３の一方の端子に電気的に接続されている。ヒステリシスコンパレータ１０７の非反転入力端子及び容量素子１０３の一方の端子が電気的に接続されているので、ヒステリシスコンパレータ１０７の非反転入力端子には、電位Ｖｃが入力される。ヒステリシスコンパレータ１０７の出力端子は、端子ＯＵＴに電気的に接続されている。

ヒステリシスコンパレータ１０７の反転入力端子に入力される基準電位Ｖｒｅｆが、非反転入力端子に入力される電位Ｖｃよりも高い場合、ヒステリシスコンパレータ１０７は、出力端子から端子ＯＵＴに低レベル電位ＶＬを出力する。ヒステリシスコンパレータ１０７の非反転入力端子に入力される電位Ｖｃが、ヒステリシスコンパレータ１０７の反転入力端子に入力される基準電位Ｖｒｅｆ以上になると、ヒステリシスコンパレータ１０７は、出力端子から端子ＯＵＴに高レベル電位ＶＨを出力する。端子ＯＵＴの電位を電位ＯＵＴとすると、電位Ｖｃが基準電位Ｖｒｅｆ以上になると、電位ＯＵＴが低レベル電位ＶＬから高レベル電位ＶＨに変化する。

基準電位Ｖｒｅｆとして、蓄電池１０１の充電終了に対応する電位を設定することで、電位Ｖｃが基準電位Ｖｒｅｆ以上になった時点で、充電を終了することができる。すなわち、ヒステリシスコンパレータ１０７の出力電位（電位ＯＵＴに等しい）は、蓄電池１０１の充電終了を指示する信号であり、ヒステリシスコンパレータ１０７は、蓄電池１０１の充電終了を指示する信号を出力する回路であるといえる。

端子１０９は、充電の際に負電位が印加される端子であり、蓄電池１０１の負極、及び、容量素子１０３の他方の端子に電気的に接続されている。

以上述べたように、本実施の形態の充電回路１００は、アナログ信号である充電電流Ｉｃを用いて蓄電池１０１の充電電荷量を検知する。これにより、アナログ／デジタルコンバータを用いずとも蓄電池の充電電荷量（充電容量）を検出することができる。

＜充電回路の別の構成＞
なお図１に示す充電回路１００では、電流検出回路１１１は正電位側に設けられているが、電流検出回路は負電位側に設けてもよい。電流検出回路は負電位側に設けた例を図３に示す。なお図３において、図１と同じものは同じ符号で示している。図３に示す充電回路１２０において、電流検出回路１１３は、負電位側に設けられている。

＜充電回路の動作＞
以下に図１及び図２を用いて、充電回路１００の動作の詳細について説明する。

なお、前段階として容量素子１０３の両方の端子を接地電位ＧＮＤとし、容量素子１０３を放電し、電位Ｖｃを接地電位ＧＮＤとする。

端子ＣＯＮからトランジスタ１０２のゲートへ、パルス信号である電位ＣＯＮが入力される。電位ＣＯＮは、期間Ｐ_２ｎ−１（ただしｎは自然数）では高レベル電位ＶＨ、期間Ｐ_２ｎでは低レベル電位ＶＬとなり、一定の周期（期間Ｐ_２ｎ−１＋期間Ｐ_２ｎ）で、高レベル電位ＶＨ及び低レベル電位ＶＬが交互に繰り返される。よって、トランジスタ１０２は、期間Ｐ_２ｎ−１の時にオン状態、期間Ｐ_２ｎの時オフ状態となり、一定の周期（期間Ｐ_２ｎ−１＋期間Ｐ_２ｎ）で、オン状態とオフ状態が交互に繰り返される。

期間Ｐ_１でトランジスタ１０２がオン状態となると、充電電流Ｉｃの一部の電流である電流Ｉｓがトランジスタ１０２のソース及びドレイン間を流れ、容量素子１０３に電荷が蓄積される。容量素子１０３に電荷が蓄積されると、容量素子１０３の一方の端子の電位である電位Ｖｃが、接地電位ＧＮＤから電位Ｖ_１に増大する。

期間Ｐ_２でトランジスタ１０２がオフ状態となると、容量素子１０３に蓄積された電荷が維持され、容量素子１０３の一方の端子の電位である電位Ｖｃも電位Ｖ_１が維持される。トランジスタ１０２として、上述のように酸化物半導体トランジスタを用いると、酸化物半導体トランジスタはオフ電流が極めて低いので、容量素子１０３に蓄積された電荷が、トランジスタ１０２のソース及びドレイン間を通ってリークしてしまうのを防ぐことができる。

次いで、期間Ｐ_３では、期間Ｐ_１と同様に電位ＣＯＮは高レベル電位ＶＨとなる。これによりトランジスタ１０２もオン状態となり、電流Ｉｓがトランジスタ１０２のソース及びドレイン間を流れ、容量素子１０３に電荷が蓄積される。容量素子１０３に電荷が蓄積されると、容量素子１０３の一方の端子の電位である電位Ｖｃが、電位Ｖ_１から電位Ｖ_２に増大する。

次いで、期間Ｐ_４では、期間Ｐ_２と同様に電位ＣＯＮは低レベル電位ＶＬとなる。これによりトランジスタ１０２もオフ状態となり、容量素子１０３に蓄積された電荷が維持され、容量素子１０３の一方の端子の電位である電位Ｖｃも電位Ｖ_２が維持される。

以上のように、期間Ｐ_２ｎ−１及び期間Ｐ_２ｎを繰り返すことにより、電位Ｖｃが上昇する。電位Ｖｃが基準電位Ｖｒｅｆより低い状態では、ヒステリシスコンパレータ１０７の出力電位である電位ＯＵＴは、低レベル電位ＶＬである。電位Ｖｃが上昇し、基準電位Ｖｒｅｆ以上になると、ヒステリシスコンパレータ１０７の出力電位である電位ＯＵＴは、低レベル電位ＶＬから高レベル電位ＶＨに変化する。

上述のように、基準電位Ｖｒｅｆを、蓄電池１０１の充電終了に対応する電位に設定しておく。これにより、ヒステリシスコンパレータ１０７の出力電位ＯＵＴが低レベル電位ＶＬから高レベル電位ＶＨに変化した時間Ｔが、充電終了の時間となる。

＜充電装置の構成＞
次いで、上述した充電回路を用いた充電装置の構成について以下に説明する。

図４に示す充電装置は、充電回路１００、電源制御回路１５０、分圧回路１６４、直流電源１６１、制御回路１７０、カウンタ回路１８１、発振回路１８２を有している。なお図４に示す充電装置では、図１に示す充電回路１００を用いた例を示すが、充電回路１００に代えて、図３に示す充電回路１２０を用いてもよい。

電源制御回路１５０は、容量素子１５１、抵抗素子１５２、コイル１５３、ダイオード１５４、トランジスタ１５５を有しており、降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータを利用した電流制御回路である。

容量素子１５１の一方の端子は、抵抗素子１５２の一方の端子、抵抗素子１６２の一方の端子、制御回路１７０の端子ＳＥＮＳＥ２、及び、充電回路１００の端子１０８に電気的に接続されている。容量素子１５１の他方の端子は接地されている。

抵抗素子１５２の一方の端子は、容量素子１５１の一方の端子、抵抗素子１６２の一方の端子、制御回路１７０の端子ＳＥＮＳＥ２、及び、充電回路１００の端子１０８に電気的に接続されている。抵抗素子１５２の他方の端子は、コイル１５３の一方の端子、及び、制御回路１７０の端子ＳＥＮＳＥ１に電気的に接続されている。既知の抵抗値を有する抵抗素子１５２の両方の端子にかかる電位差は、制御回路１７０の端子ＳＥＮＳＥ１及び端子ＳＥＮＳＥ２にかかる電位差と同じである。これにより、抵抗素子１５２を流れる電流の電流値を測定することができる。

コイル１５３の一方の端子は、抵抗素子１５２の他方の端子、制御回路１７０の端子ＳＥＮＳＥ１に電気的に接続されている。コイル１５３の他方の端子は、ダイオード１５４のカソード、トランジスタ１５５のソース又はドレインの一方に電気的に接続されている。

ダイオード１５４のアノードは接地されている。ダイオード１５４のカソードは、コイル１５３の他方の端子、及び、トランジスタ１５５のソース又はドレインの一方に電気的に接続されている。

トランジスタ１５５はｎチャネル型トランジスタであり、ゲートは制御回路１７０の端子ＧＳに電気的に接続されている。制御回路１７０からトランジスタ１５５のゲートへ、パルス幅変調（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ：ＰＷＭ）信号が入力されることにより、抵抗素子１５２に流れる電流の電流値を制御することができる。抵抗素子１５２に流れる電流の電流値を制御するということは、蓄電池１０１への充電電流Ｉｃの電流値を制御することに等しい。

トランジスタ１５５のソース又はドレインの一方は、ダイオード１５４のカソード、コイル１５３の他方の端子に電気的に接続されている。トランジスタ１５５のソース又はドレインの他方は、直流電源１６１に電気的に接続されている。

直流電源１６１は、蓄電池１０１を充電するための電力を供給する。図４では、蓄電池１０１を充電するための電力供給源として直流電源１６１を用いているが、これに限定されない。直流電源１６１に代えて、交流電源（例えば、商用電源）、及び、交流電源の交流電力を直流電力に変換する交流−直流変換器（ＡＣ−ＤＣコンバータ、又は、ＡＣ−ＤＣインバータともいう）を用いてもよい。

分圧回路１６４の抵抗素子１６２の一方の端子は、容量素子１５１の一方の端子、抵抗素子１５２の一方の端子、制御回路１７０の端子ＳＥＮＳＥ２、及び、充電回路１００の端子１０８に電気的に接続されている。抵抗素子１６２の他方の端子は、抵抗素子１６３の一方の端子、及び、制御回路１７０の端子ＦＢに電気的に接続されている。

抵抗素子１６３の一方の端子は、抵抗素子１６２の他方の端子、及び、制御回路１７０の端子ＦＢに電気的に接続されている。抵抗素子１６３の他方の端子は、接地されている。

分圧回路１６４は、既知の抵抗値を有する抵抗素子１６２及び抵抗素子１６３により、抵抗素子１６２の一方の端子にかかる電位の値、すなわち、充電回路１００の端子１０８に入力される電位の値を検知することができる。より具体的には、抵抗素子１６２の一方の端子にかかる電位の分圧である、抵抗素子１６２の他方の端子及び抵抗素子１６３の一方の端子にかかる電位が、端子ＦＢを介して制御回路１７０に入力される。上述のように抵抗素子１６２及び抵抗素子１６３の抵抗値は既知であるので、端子ＦＢに入力される電位により、抵抗素子１６２の一方の端子にかかる電位の値（充電回路１００の端子１０８に入力される電位の値）を検知することができる。

カウンタ回路１８１は、充電回路１００のトランジスタ１０２のゲートに入力されるパルス信号である電位ＣＯＮを生成する回路である。カウンタ回路１８１の一方の端子は、端子ＣＯＮを介して、トランジスタ１０２のゲートに電気的に接続されている。カウンタ回路１８１の他方の端子は、発振回路１８２に電気的に接続されている。

発振回路１８２は、カウンタ回路１８１がパルス信号である電位ＣＯＮを生成するための、基準パルス信号を発振する回路である。発振回路１８２は、カウンタ回路１８１の他方の端子に電気的に接続されている。

制御回路１７０は、端子ＳＥＮＳＥ１及び端子ＳＥＮＳＥ２の電位を検知することで、端子ＳＥＮＳＥ１及び端子ＳＥＮＳＥ２間を流れる電流、すなわち、抵抗素子１５２に流れる電流の電流値を測定する。制御回路１７０は、パルス幅変調信号を生成し、端子ＧＳからトランジスタ１５５のゲートへ、パルス幅変調信号を入力することにより、抵抗素子１５２に流れる電流の電流値、すなわち、蓄電池１０１への充電電流Ｉｃの電流値を制御する。

制御回路１７０は、端子ＦＢに入力される電位に基づいて、トランジスタ１５５のゲートに入力されるパルス幅変調信号を制御する。上述のように、パルス幅変調信号を制御するということは、抵抗素子１５２に流れる電流の電流値を制御するということであり、さらには、蓄電池１０１への充電電流Ｉｃの電流値を制御するということである。

また制御回路１７０の端子ＥＮには、充電回路１００の端子ＯＵＴを介して、ヒステリシスコンパレータ１０７の出力電位が入力される。上述のようにして、ヒステリシスコンパレータ１０７の出力電位である電位ＯＵＴが低レベル電位ＶＬから高レベル電位ＶＨに変化した場合、端子ＧＳからトランジスタ１５５のゲートに入力されるパルス幅変調信号の入力を停止する。これにより、蓄電池１０１への充電電流の供給を終了し、蓄電池１０１への充電を終了することができる。

＜充電装置の別の構成１＞
図５に、図４とは異なる構成を有する充電装置の例を示す。図５に示す充電装置では、制御回路１８０がカウンタ回路１８１及び発振回路１８２を内包している。制御回路１８０の端子ＣＯＮ＿Ｏは、充電回路１００の端子ＣＯＮを介してトランジスタ１０２のゲートに電気的に接続されており、制御回路１８０の端子ＣＯＮ＿Ｏからトランジスタ１０２のゲートに、パルス信号である電位ＣＯＮが入力される。

＜充電装置の別の構成２＞
図６に、図４及び図５とは異なる構成を有する充電装置の例を示す。図６に示す充電装置では、マイクロコンピュータ１８５がカウンタ回路１８１及び発振回路１８２を内包している。マイクロコンピュータ１８５の端子ＣＯＮ＿Ｏは、充電回路１００の端子ＣＯＮを介してトランジスタ１０２のゲートに電気的に接続されており、マイクロコンピュータ１８５の端子ＣＯＮ＿Ｏからトランジスタ１０２のゲートに、パルス信号である電位ＣＯＮが入力される。

なお、マイクロコンピュータ１８５を構成するトランジスタとして、実施の形態３で説明する酸化物半導体トランジスタを用いてもよい。

＜充電装置の別の構成３＞
図７に、図４乃至図６とは異なる構成を有する充電装置の例を示す。図７に示す充電装置では、マイクロコンピュータ１９０が、制御回路１７０、カウンタ回路１８１、及び、発振回路１８２を内包している。制御回路１７０の端子ＧＳ、端子ＳＥＮＳＥ１、端子ＳＥＮＳＥ２、端子ＦＢ、及び、端子ＥＮ、並びに、カウンタ回路１８１の端子ＣＯＮ＿Ｏは、マイクロコンピュータ１９０に設けられている。

なお、マイクロコンピュータ１９０を構成するトランジスタとして、実施の形態３で説明する酸化物半導体トランジスタを用いてもよい。

以上本実施の形態により、アナログ／デジタルコンバータを用いない充電装置を得ることができる。

また本実施の形態では、アナログ／デジタルコンバータを用いないので、消費電力の小さい充電装置を得ることができる。

（実施の形態２）
本実施の形態では、実施の形態１で述べた蓄電池１０１の一例として、リチウム二次電池について説明する。

図８（Ａ）は蓄電池の断面図である。図８（Ａ）に示す蓄電池３００は、正極集電体３０１及び正極活物質層３０２を有する正極３１１、負極集電体３０５及び負極活物質層３０４を有する負極３１２、並びに、正極３１１及び負極３１２との間に挟持され、液体の電解質である電解液３０８を有している。

正極３１１は、正極集電体３０１上に、ＣＶＤ法、スパッタリング法、または塗布法により、正極活物質層３０２を形成することで形成される。

正極集電体３０１は、ステンレス、金、白金、亜鉛、鉄、銅、アルミニウム、チタン等の金属、及びこれらの合金など、導電性の高く、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。正極集電体３０１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。

正極活物質層３０２に含まれる正極活物質は、リチウムイオン等のキャリアイオンの挿入及び脱離が可能な材料であればよく、例えば、ＬｉＦｅＯ_２、ＬｉＣｏＯ_２、ＬｉＮｉＯ_２、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４、Ｖ_２Ｏ_５、Ｃｒ_２Ｏ_５、ＭｎＯ_２等の様々な化合物を用いることができる。塗布法を用いて正極活物質層３０２を形成する場合は、正極活物質に、導電助剤や結着剤を添加して、正極ペーストを作製し、正極集電体３０１上に塗布して乾燥させればよい。

正極活物質に用いる層状岩塩型の結晶構造を有するリチウム酸化物としては、例えば、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ_２）、ＬｉＮｉＯ_２、ＬｉＭｎＯ_２、Ｌｉ_２ＭｎＯ_３、ＬｉＮｉ_０．８Ｃｏ_０．２Ｏ_２等のＮｉＣｏ系（一般式は、ＬｉＮｉ_ｘＣｏ_１−ｘＯ_２（０＜ｘ＜１））、ＬｉＮｉ_０．５Ｍｎ_０．５Ｏ_２等のＮｉＭｎ系（一般式は、ＬｉＮｉ_ｘＭｎ_１−ｘＯ_２（０＜ｘ＜１））、ＬｉＮｉ_１／３Ｍｎ_１／３Ｃｏ_１／３Ｏ_２等のＮｉＭｎＣｏ系（ＮＭＣともいう。一般式は、ＬｉＮｉ_ｘＭｎ_ｙＣｏ_{１−ｘ−ｙ}Ｏ_２（ｘ＞０、ｙ＞０、ｘ＋ｙ＜１））が挙げられる。さらに、Ｌｉ（Ｎｉ_０．８Ｃｏ_０．１５Ａｌ_０．０５）Ｏ_２、Ｌｉ_２ＭｎＯ_３−ＬｉＭＯ_２（Ｍ＝Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ）等も挙げられる。

特に、ＬｉＣｏＯ_２は、容量が大きい、ＬｉＮｉＯ_２に比べて大気中で安定である、ＬｉＮｉＯ_２に比べて熱的に安定である等の利点があるため、好ましい。

スピネル型の結晶構造を有するリチウム酸化物としては、例えば、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４、Ｌｉ_１＋ｘＭｎ_２−ｘＯ_４、Ｌｉ（ＭｎＡｌ）_２Ｏ_４、ＬｉＭｎ_１．５Ｎｉ_０．５Ｏ_４等が挙げられる。

ＬｉＭｎ_２Ｏ_４等のマンガンを含むスピネル型の結晶構造を有するリチウム酸化物に、少量のニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ_２やＬｉＮｉ_１−ｘＭＯ_２（Ｍ＝Ｃｏ、Ａｌ等））を混合すると、マンガンの溶出を抑制する等の利点があり好ましい。

または、正極活物質として、オリビン型構造のリチウム酸化物（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材料として用いることができる。

正極活物質として、例えば、リン酸鉄リチウム（ＬｉＦｅＰＯ_４）を用いたリチウム二次電池は、充電曲線にプラトーを有するリチウム二次電池である。実施の形態１の蓄電池１０１として、リン酸鉄リチウム（ＬｉＦｅＰＯ_４）を正極活物質として用いたリチウム二次電池を用いた場合においても、本発明の充電装置は、充電電流Ｉｃと充電時間との積によって蓄電池１０１の充電電荷量を検知するため、正しい充電電荷量（充電容量）を検知することができる。

その他、ＬｉＦｅＰＯ_４は、安全性、安定性、高容量密度、高電位、初期酸化（充電）時に引き抜けるリチウムイオンの存在等、正極活物質に求められる事項をバランスよく満たしているため、好ましい。

または、正極活物質として、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）等のリチウム酸化物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。

また、正極活物質として、Ａ_ｘＭ_２（ＸＯ_４）_３（Ａ＝Ｌｉ、Ｎａ、Ｍｇ、Ｍ＝Ｆｅ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ａｌ、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等が挙げられる。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、ＮａＦ_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造を有するリチウム酸化物、バナジウム酸化物系（Ｖ_２Ｏ_５、Ｖ_６Ｏ_１３、ＬｉＶ_３Ｏ_８等）、マンガン酸化物系、有機硫黄系等の材料を用いることができる。

なお、キャリアイオンが、リチウムイオン以外のアルカリ金属イオン、アルカリ土類金属イオン、ベリリウムイオン、またはマグネシウムイオンの場合、正極活物質として、上記リチウム化合物及びリチウム酸化物において、リチウムの代わりに、アルカリ金属（例えば、ナトリウムやカリウム等）、アルカリ土類金属（例えば、カルシウム、ストロンチウム、バリウム等）、ベリリウム、またはマグネシウムを用いてもよい。

なお、活物質とは、キャリアであるイオンの挿入及び脱離に関わる物質を指す。電極（正極又は負極、あるいはその両方）を作製する時には、活物質と共に、導電助剤、結着剤、溶媒等の他の材料を混合したものを活物質層として集電体上に形成する。よって、活物質と活物質層は区別される。よって正極活物質及び正極活物質層３０２、並びに、後述する負極活物質及び負極活物質層３０４は区別される。

さらに正極活物質層３０２には、公知の導電助剤や結着剤（バインダともいう）が含まれていてもよい。導電助剤として、特にグラフェンを用いると、電子伝導性の高い電子伝導のネットワークを構築するため、特に効果的である。

グラフェンは、炭素が形成する六角形の骨格を平面状に延ばした結晶構造をもつ炭素材料である。グラフェンはグラファイト結晶の一原子面を取り出したものである。

本明細書において、グラフェンは単層のグラフェン、又は２層以上１００層以下の多層グラフェンを含むものである。単層グラフェンとは、π結合を有する１原子層の炭素分子のシートのことをいう。また、酸化グラフェンとは、上記グラフェンが酸化された化合物のことをいう。なお、酸化グラフェンを還元してグラフェンを形成する場合、酸化グラフェンに含まれる酸素は全て脱離されずに、一部の酸素はグラフェンに残存する。グラフェンに酸素が含まれる場合、酸素の割合は、全体の２ａｔｏｍｉｃ％以上２０ａｔｏｍｉｃ％以下、好ましくは３ａｔｏｍｉｃ％以上１５ａｔｏｍｉｃ％以下である。

ここで、グラフェンが多層グラフェンである場合、酸化グラフェンを還元したグラフェンを有することで、グラフェンの層間距離は０．３４ｎｍ以上０．５ｎｍ以下、好ましくは０．３８ｎｍ以上０．４２ｎｍ以下、さらに好ましくは０．３９ｎｍ以上０．４１ｎｍ以下である。通常のグラファイトは、単層グラフェンの層間距離が０．３４ｎｍであり、本発明の一態様に係る蓄電装置に用いるグラフェンの方が、その層間距離が長いため、多層グラフェンの層間におけるキャリアイオンの移動が容易となる。

本実施の形態の正極３１１は、グラフェンを、正極活物質層３０２中で重なり合い、複数の正極活物質粒子と接するよう分散させる。別言すると、正極活物質層３０２中に、グラフェンによる電子伝導のためのネットワークを形成するともいえる。これにより、複数の正極活物質粒子同士の結合が維持された状態となり、結果として電子伝導性の高い正極活物質層３０２を形成することができる。

また、正極活物質層３０２に含まれる結着剤（バインダ）には、代表的なポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）の他、ポリイミド、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニルクロライド、エチレンプロピレンジエンポリマー、スチレン−ブタジエンゴム、アクリロニトリル−ブタジエンゴム、フッ素ゴム、ポリ酢酸ビニル、ポリメチルメタクリレート、ポリエチレン、ニトロセルロース等を用いることができる。

負極３１２は、負極集電体３０５上に、ＣＶＤ法、スパッタリング法、または塗布法により、負極活物質層３０４を形成することで、形成される。

負極集電体３０５には、アルミニウム、銅、ニッケル、チタン等の金属、及びアルミニウム−ニッケル合金、アルミニウム−銅合金など、導電性の高い材料を用いることができる。負極集電体３０５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。

負極活物質層３０４に含まれる負極活物質として、金属の溶解・析出、または金属イオンの挿入・脱離が可能な材料であれば、特に限定されない。負極活物質としては、例えば、リチウム金属、炭素系材料、シリコン、シリコン合金、スズなどを用いることができる。

塗布法を用いて負極活物質層３０４を形成する場合は、負極活物質に、導電助剤や結着剤を添加して、負極ペーストを作製し、負極集電体３０５上に塗布して乾燥させればよい。導電助剤として、特にグラフェンを用いると、上述のように電子伝導性の高い電子伝導のネットワークを構築するため、特に効果的である。

負極活物質として、シリコンを用いて負極活物質層３０４を形成する場合、負極活物質層３０４の表面に、グラフェンを形成することが好ましい。シリコンは、充放電サイクルにおけるキャリアイオンの吸蔵・放出に伴う体積の変化が大きいため、負極集電体３０５と負極活物質層３０４との密着性が低下し、充放電により電池特性が劣化してしまう。そこで、シリコンを含む負極活物質層３０４の表面にグラフェンを形成すると、充放電サイクルにおいてシリコンの体積が変化したとしても、負極活物質層３０４の表面に形成されたグラフェンが、負極集電体３０５と負極活物質層３０４との密着性の低下を抑制する。これにより、電池特性の劣化が低減されるため好適である。

負極活物質をシリコンとする場合には、非晶質（アモルファス）シリコン、微結晶シリコン、多結晶シリコン又はこれらの組み合わせを用いることができる。一般に結晶性が高い程シリコンの電気伝導度が高いため、導電率の高い電極として、蓄電装置に利用することができる。一方、シリコンが非晶質の場合には、結晶質に比べてリチウム等のキャリアイオンを吸蔵することができるため、放電容量を高めることができる。

負極活物質には、キャリアイオンとの合金化、脱合金化反応により充放電反応を行うことが可能な金属を用いてもよい。該金属として、例えば、Ｍｇ、Ｃａ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ａｇ、Ａｕ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｈｇ等を用いることができる。このような金属は黒鉛に対して容量が大きく、特にＳｉ（シリコン）は理論容量が４２００ｍＡｈ／ｇと飛躍的に高い。このため、負極活物質にシリコンを用いることが好ましい。このような元素を用いた合金系材料としては、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等が挙げられる。

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。

また、負極活物質として、リチウムと遷移金属の窒化物である、Ｌｉ_３Ｎ型構造を持つＬｉ_３−ｘＭ_ｘＮ（Ｍ＝Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ）を用いることができる。例えば、Ｌｉ_２．６Ｃｏ_０．４Ｎ_３は大きな充放電容量（９００ｍＡｈ／ｇ）を示し好ましい。

リチウムと遷移金属の窒化物を用いると、負極活物質中にリチウムイオンを含むため、正極活物質としてリチウムイオンを含まないＶ_２Ｏ_５、Ｃｒ_３Ｏ_８等の材料と組み合わせることができ好ましい。なお、正極活物質にリチウムイオンを含む材料を用いる場合でも、あらかじめ正極活物質に含まれるリチウムイオンを脱離させておくことで、負極活物質としてリチウムと遷移金属の窒化物を用いることができる。

炭素系材料を用いる場合は、粉末状もしくは繊維状の黒鉛、またはグラファイトなどの黒鉛を用いることができる。

なお、負極活物質層３０４にリチウムをプレドープしてもよい。リチウムのプレドープ方法としては、スパッタリング法により負極活物質層３０４表面にリチウム層を形成してもよい。または、負極活物質層３０４の表面にリチウム箔を設けることで、負極活物質層３０４にリチウムをプレドープすることができる。

正極３１１及び負極３１２との間に挟持された電解液３０８は、溶質と溶媒を有している。溶質として、キャリアイオンであるリチウムイオンを有するリチウム塩を用いる。溶質の代表例としては、ＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＡｓＦ_６、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＰＦ_６、Ｌｉ（Ｃ_２Ｆ_５ＳＯ_２）_２Ｎ等のリチウム塩がある。

なお、キャリアイオンが、リチウムイオン以外のアルカリ金属イオン、アルカリ土類金属イオン、ベリリウムイオン、またはマグネシウムイオンの場合、溶質として、上記リチウム塩において、リチウムの代わりに、アルカリ金属（例えば、ナトリウムやカリウム等）、アルカリ土類金属（例えば、カルシウム、ストロンチウム、バリウム等）、ベリリウム、またはマグネシウムを用いてもよい。

また、電解液の溶媒としては、キャリアイオンの移送が可能な材料を用いる。電解液の溶媒としては、非プロトン性有機溶媒が好ましい。非プロトン性有機溶媒の代表例としては、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、γーブチロラクトン、アセトニトリル、ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン等があり、これらの一つまたは複数を用いることができる。また、電解液の溶媒としてゲル化される高分子材料を用いることで、漏液性等に対する安全性が高まる。また、リチウム二次電池の薄型化及び軽量化が可能である。ゲル化される高分子材料の代表例としては、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、ポリプロピレンオキサイド、フッ素系ポリマー等がある。また、電解液の溶媒として、難燃性及び難揮発性であるイオン液体（常温溶融塩）を一つまた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。

また、電解液３０８の代わりに、硫化物系や酸化物系等の無機物材料を有する固体電解質や、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、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。

ラミネート型の蓄電池の一例について、図８（Ｂ）を参照して説明する。

図８（Ｂ）に示すラミネート型の蓄電池３１０は、正極集電体３０１および正極活物質層３０２を有する正極３１１と、負極集電体３０５および負極活物質層３０４を有する負極３１２と、セパレータ３０７と、電解液３０８と、外装体３０９と、を有する。外装体３０９内に設けられた正極３１１と負極３１２との間にセパレータ３０７が設置されている。また、外装体３０９内は、電解液３０８で満たされている。

セパレータ３０７は、セルロース（紙）、または空孔が設けられたポリプロピレン、ポリエチレン等の絶縁体を用いることができる。セパレータ３０７の内部にも電解液３０８が含浸している。

図８（Ｂ）に示すラミネート型の蓄電池３１０において、正極集電体３０１および負極集電体３０５は、外部との電気的接触を得る端子の役割も兼ねている。そのため、正極集電体３０１および負極集電体３０５の一部は、外装体３０９から外側に露出するように配置される。

ラミネート型の蓄電池３１０において、外装体３０９には、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ラミネートフィルムを用いることができる。このような三層構造とすることで、電解液や気体の透過を遮断するとともに、絶縁性を確保し、併せて耐電解液性を有する。

なお本実施の形態の蓄電池の一例として、リチウム二次電池について説明したが、これに限定されない。本実施の形態の蓄電池の別の例として、電気二重層キャパシタを用いてもよい。

本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。

（実施の形態３）
本実施の形態では、実施の形態１で述べた、チャネル形成領域に酸化物半導体を用いたトランジスタ（酸化物半導体トランジスタ）について説明する。

図９は、チャネル形成領域に酸化物半導体を用いたトランジスタの構造例を示す図である。図９に示すトランジスタ２２０は、絶縁表面を有する層２３０上に設けられている酸化物半導体層２３１と、酸化物半導体層２３１の一端と接する導電層２３２と、酸化物半導体層２３１の他端と接する導電層２３３と、酸化物半導体層２３１、導電層２３２、及び、導電層２３３上に設けられている絶縁層２３４と、絶縁層２３４上に設けられている導電層２３５とを有する。なお、図９に示すトランジスタ２２０においては、導電層２３２及び導電層２３３がそれぞれソース及びドレインとして機能し、絶縁層２３４がゲート絶縁膜として機能し、導電層２３５がゲートとして機能する。

＜酸化物半導体層２３１の具体例＞
＜＜酸化物半導体材料について＞＞
酸化物半導体層２３１として、少なくともインジウムを含む膜を適用することができる。特に、インジウムと亜鉛を含む膜を適用することが好ましい。また、トランジスタの電気特性のばらつきを減らすためのスタビライザーとして、それらに加えてガリウムを有する膜を適用することが好ましい。なお以下では酸化物半導体層のことを酸化物半導体膜ということもある。

また、酸化物半導体層２３１として、スズ、ハフニウム、アルミニウム、若しくはジルコニウム、又はランタノイドである、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、サマリウム、ユウロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム、若しくはルテチウムのいずれか一種又は複数種をスタビライザーとして含む膜を適用することもできる。

例えば、酸化物半導体層２３１として、酸化インジウム膜、二元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｚｎ系酸化物膜、Ｉｎ−Ｍｇ系酸化物膜、Ｉｎ−Ｇａ系酸化物膜、三元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物膜、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物膜、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物膜、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物膜、Ｉｎ−Ｌａ−Ｚｎ系酸化物膜、Ｉｎ−Ｃｅ−Ｚｎ系酸化物膜、Ｉｎ−Ｐｒ−Ｚｎ系酸化物膜、Ｉｎ−Ｎｄ−Ｚｎ系酸化物膜、Ｉｎ−Ｓｍ−Ｚｎ系酸化物膜、Ｉｎ−Ｅｕ−Ｚｎ系酸化物膜、Ｉｎ−Ｇｄ−Ｚｎ系酸化物膜、Ｉｎ−Ｔｂ−Ｚｎ系酸化物膜、Ｉｎ−Ｄｙ−Ｚｎ系酸化物膜、Ｉｎ−Ｈｏ−Ｚｎ系酸化物膜、Ｉｎ−Ｅｒ−Ｚｎ系酸化物膜、Ｉｎ−Ｔｍ−Ｚｎ系酸化物膜、Ｉｎ−Ｙｂ−Ｚｎ系酸化物膜、Ｉｎ−Ｌｕ−Ｚｎ系酸化物膜、四元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物膜、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物膜、Ｉｎ−Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物膜、Ｉｎ−Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物膜、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物膜、Ｉｎ−Ｈｆ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物膜のいずれかを適用することができる。

ここで、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物とは、ＩｎとＧａとＺｎを主成分として有する酸化物という意味であり、ＩｎとＧａとＺｎの比率は問わない。また、ＩｎとＧａとＺｎ以外の金属元素が入っていてもよい。

なお、酸化物半導体層２３１を構成する酸素の一部は窒素で置換されてもよい。

＜＜酸化物半導体の結晶構造について＞＞
酸化物半導体層２３１として、単結晶、多結晶（ポリクリスタルともいう）又は非晶質などの結晶構造を有する膜を適用することができる。また、酸化物半導体層２３１として、ＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ Ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）膜を適用することができる。

以下では、酸化物半導体膜の構造について説明する。

酸化物半導体膜は、単結晶酸化物半導体膜と非単結晶酸化物半導体膜とに大別される。非単結晶酸化物半導体膜とは、非晶質酸化物半導体膜、微結晶酸化物半導体膜、多結晶酸化物半導体膜、ＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ Ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）膜などをいう。

非晶質酸化物半導体膜は、膜中における原子配列が不規則であり、結晶成分を有さない酸化物半導体膜である。微小領域においても結晶部を有さず、膜全体が完全な非晶質構造の酸化物半導体膜が典型である。

微結晶酸化物半導体膜は、例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ未満の大きさの微結晶（ナノ結晶ともいう。）を含む。従って、微結晶酸化物半導体膜は、非晶質酸化物半導体膜よりも原子配列の規則性が高い。そのため、微結晶酸化物半導体膜は、非晶質酸化物半導体膜よりも欠陥準位密度が低いという特徴がある。

ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、複数の結晶部を有する酸化物半導体膜の一つであり、ほとんどの結晶部は、一辺が１００ｎｍ未満の立方体内に収まる大きさである。従って、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に含まれる結晶部は、一辺が１０ｎｍ未満、５ｎｍ未満または３ｎｍ未満の立方体内に収まる大きさの場合も含まれる。ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、微結晶酸化物半導体膜よりも欠陥準位密度が低いという特徴がある。以下、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜について詳細な説明を行う。

ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）によって観察すると、結晶部同士の明確な境界、即ち結晶粒界（グレインバウンダリーともいう。）を確認することができない。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、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。

ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を、試料面と概略平行な方向からＴＥＭによって観察（断面ＴＥＭ観察）すると、結晶部において、金属原子が層状に配列していることを確認できる。金属原子の各層は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の膜を形成する面（被形成面ともいう。）または上面の凹凸を反映した形状であり、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成面または上面と平行に配列する。

一方、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を、試料面と概略垂直な方向からＴＥＭによって観察（平面ＴＥＭ観察）すると、結晶部において、金属原子が三角形状または六角形状に配列していることを確認できる。しかしながら、異なる結晶部間で、金属原子の配列に規則性は見られない。

断面ＴＥＭ観察および平面ＴＥＭ観察より、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の結晶部は配向性を有していることがわかる。

ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に対し、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−Ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）装置を用いて構造解析を行うと、例えばＩｎＧａＺｎＯ_４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳ膜のｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析では、回折角（２θ）が３１°近傍にピークが現れる場合がある。このピークは、ＩｎＧａＺｎＯ_４の結晶の（００９）面に帰属されることから、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の結晶がｃ軸配向性を有し、ｃ軸が被形成面または上面に概略垂直な方向を向いていることが確認できる。

一方、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に対し、ｃ軸に概略垂直な方向からＸ線を入射させるｉｎ−ｐｌａｎｅ法による解析では、２θが５６°近傍にピークが現れる場合がある。このピークは、ＩｎＧａＺｎＯ_４の結晶の（１１０）面に帰属される。ＩｎＧａＺｎＯ_４の単結晶酸化物半導体膜であれば、２θを５６°近傍に固定し、試料面の法線ベクトルを軸（φ軸）として試料を回転させながら分析（φスキャン）を行うと、（１１０）面と等価な結晶面に帰属されるピークが６本観察される。これに対し、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の場合は、２θを５６°近傍に固定してφスキャンした場合でも、明瞭なピークが現れない。

以上のことから、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜では、異なる結晶部間ではａ軸およびｂ軸の配向は不規則であるが、ｃ軸配向性を有し、かつｃ軸が被形成面または上面の法線ベクトルに平行な方向を向いていることがわかる。従って、前述の断面ＴＥＭ観察で確認された層状に配列した金属原子の各層は、結晶のａｂ面に平行な面である。

なお、結晶部は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を成膜した際、または加熱処理などの結晶化処理を行った際に形成される。上述したように、結晶のｃ軸は、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成面または上面の法線ベクトルに平行な方向に配向する。従って、例えば、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の形状をエッチングなどによって変化させた場合、結晶のｃ軸がＣＡＡＣ−ＯＳ膜の被形成面または上面の法線ベクトルと平行にならないこともある。

また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜中の結晶化度が均一でなくてもよい。例えば、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の結晶部が、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の上面近傍からの結晶成長によって形成される場合、上面近傍の領域は、被形成面近傍の領域よりも結晶化度が高くなることがある。また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜に不純物を添加する場合、不純物が添加された領域の結晶化度が変化し、部分的に結晶化度の異なる領域が形成されることもある。

なお、ＩｎＧａＺｎＯ_４の結晶を有するＣＡＡＣ−ＯＳ膜のｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ法による解析では、２θが３１°近傍のピークの他に、２θが３６°近傍にもピークが現れる場合がある。２θが３６°近傍のピークは、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜中の一部に、ｃ軸配向性を有さない結晶が含まれることを示している。ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、２θが３１°近傍にピークを示し、２θが３６°近傍にピークを示さないことが好ましい。

ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を用いたトランジスタは、可視光や紫外光の照射による電気特性の変動が小さい。よって、当該トランジスタは、信頼性が高い。

＜＜酸化物半導体の層構造について＞＞
酸化物半導体層２３１として、単一層からなる酸化物半導体膜のみならず複数種の酸化物半導体膜の積層を適用することができる。例えば、非晶質酸化物半導体膜、多結晶酸化物半導体膜、及びＣＡＡＣ−ＯＳ膜の少なくとも２種を含む層を酸化物半導体層２３１として適用することができる。

また、組成の異なる酸化物半導体膜の積層からなる層を酸化物半導体層２３１として適用することもできる。具体的には、絶縁層２３４側に設けられる第１の酸化物半導体膜（以下、上層ともいう）と、絶縁表面を有する層２３０側に設けられ、且つ第１の酸化物半導体膜と組成が異なる第２の酸化物半導体膜（以下、下層ともいう）とを含む層を酸化物半導体層２３１として適用することもできる。

＜導電層２３２及び導電層２３３の具体例＞
導電層２３２及び導電層２３３のそれぞれとして、アルミニウム、銅、チタン、タンタル、タングステン、モリブデン、クロム、ネオジム、スカンジウムから選ばれた元素、これらの元素を成分とする合金、又はこれらの元素を含む窒化物からなる膜を適用することができる。また、これらの膜の積層を適用することもできる。

＜絶縁層２３４の具体例＞
絶縁層２３４として、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、酸化窒化アルミニウム膜、又は酸化ガリウム膜などの無機絶縁材料膜を適用することができる。また、これらの材料の積層を適用することもできる。なお、絶縁層２３４として酸化アルミニウム膜を適用することが好ましい。酸化アルミニウム膜は、水素などの不純物、及び酸素の両方に対して膜を透過させない遮断（ブロッキング）効果が高い。よって、絶縁層２３４として酸化アルミニウム膜を含む層を適用することで、酸化物半導体層２３１からの酸素の脱離を防止するとともに、酸化物半導体層２３１への水素などの不純物の混入を防止することができる。

また、絶縁層２３４として、酸化ハフニウム膜、酸化イットリウム膜、ハフニウムシリケート（ＨｆＳｉ_ｘＯ_ｙ（ｘ＞０、ｙ＞０））膜、窒素が添加されたハフニウムシリケート膜、ハフニウムアルミネート（ＨｆＡｌ_ｘＯ_ｙ（ｘ＞０、ｙ＞０））膜、又は酸化ランタン膜など（いわゆるｈｉｇｈ−ｋ材料からなる膜）を含む膜を適用することもできる。このような膜を用いることでゲートリーク電流の低減が可能である。

＜導電層２３５の具体例＞
導電層２３５として、アルミニウム、銅、チタン、タンタル、タングステン、モリブデン、クロム、ネオジム、スカンジウムから選ばれた元素又はこれらの元素を成分とする合金からなる膜を適用することができる。また、導電層２３５として、窒素を含む金属酸化物、具体的には、窒素を含むＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物膜、窒素を含むＩｎ−Ｓｎ系酸化物膜、窒素を含むＩｎ−Ｇａ系酸化物膜、窒素を含むＩｎ−Ｚｎ系酸化物膜、窒素を含むＳｎ系酸化物膜、窒素を含むＩｎ系酸化物膜、又は金属窒化膜（ＩｎＮ、ＳｎＮなど）を適用することもできる。これらの窒化膜は５ｅＶ（電子ボルト）以上、好ましくは５．５ｅＶ（電子ボルト）以上の仕事関数を有し、ゲートとして用いた場合、トランジスタのしきい値電圧をプラスにすることができ、所謂ノーマリーオフのスイッチング素子を実現できる。また、これらの膜の積層を適用することもできる。

図９に示すトランジスタ２２０においては、酸化物半導体層２３１への不純物の混入又は酸化物半導体層２３１を構成する元素の脱離を抑制することが好ましい。このような現象が生じると、トランジスタ２２０の電気的特性が変動するからである。当該現象を抑制する手段としては、トランジスタの上下（絶縁表面を有する層２３０及びトランジスタ２２０の間と、絶縁層２３４及び導電層２３５上）にブロッキング効果が高い絶縁層が設ける手段が挙げられる。例えば、当該絶縁層として、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、酸化窒化アルミニウム膜、又は酸化ガリウム膜などの無機絶縁材料膜を適用することができる。また、これらの材料の積層を適用することもできる。

図９に示すチャネル形成領域に酸化物半導体層２３１を用いたトランジスタ２２０は、実施の形態１で説明したトランジスタ１０２に用いることができる。チャネル形成領域に酸化物半導体層２３１を用いたトランジスタ２２０はオフ電流が低い。そのため、トランジスタ２２０（トランジスタ１０２）がオフ状態の際に、容量素子１０３に蓄積された電荷がトランジスタ２２０（トランジスタ１０２）のソース及びドレイン間を通ってリークしてしまうのを防ぐことができる。

＜シリコントランジスタ及び酸化物半導体トランジスタの積層構造＞
以下に、チャネル形成領域に酸化物半導体を用いたトランジスタ９０２と、チャネル形成領域に単結晶シリコンウェハを用いたトランジスタ９０１とを積層して構成される半導体装置の構造例について、図１０を参照して説明する。なお、トランジスタ９０２は、実施の形態１に示すトランジスタ１０２等として適用することが可能であり、トランジスタ９０１は、実施の形態１に示す電圧電流変換回路１０５に含まれるトランジスタ、ヒステリシスコンパレータ１０７に含まれるトランジスタ、電源制御回路１５０のトランジスタ１５５、制御回路１７０に含まれるトランジスタ、制御回路１８０に含まれるトランジスタ、カウンタ回路１８１に含まれるトランジスタ、発振回路１８２に含まれるトランジスタ、マイクロコンピュータ１８５に含まれるトランジスタ、マイクロコンピュータ１９０に含まれるトランジスタ等として適用することが可能である。

ただし、トランジスタ９０１は、シリコンの他、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、単結晶炭化シリコンなどの半導体材料を用いていても良い。また、例えば、シリコンを用いたトランジスタは、ＳＯＩ法により作製されたシリコン薄膜、気相成長法により作製されたシリコン薄膜などを用いて形成することができる。この場合、基板にはフュージョン法やフロート法で作製されるガラス基板、石英基板、半導体基板、セラミック基板等を用いることができる。ガラス基板としては、後の加熱処理の温度が高い場合には、歪み点が７３０℃以上のものを用いると良い。

図１０に示す半導体装置においては、単結晶シリコンウェハを用いて形成されたトランジスタ９０１と、その上階層に酸化物半導体を用いて形成されたトランジスタ９０２とが形成されている。すなわち、本実施の形態で示す半導体装置は、シリコンウェハを基板として、その上層にトランジスタ層が設けられた三次元の積層構造を有する半導体装置であり、また、シリコンをチャネル形成領域に用いたトランジスタと酸化物半導体をチャネル形成領域に用いたトランジスタとを有するハイブリッド型の半導体装置である。

半導体材料を含む基板９００を用いて作製されたトランジスタ９０１は、ｎチャネル型トランジスタ（ＮＭＯＳＦＥＴ）、ｐチャネル型トランジスタ（ＰＭＯＳＦＥＴ）のいずれも用いることができる。図１０に示す例においては、トランジスタ９０１は、例えば、Ｓｈａｌｌｏｗ Ｔｒｅｎｃｈ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ（ＳＴＩ）法によって形成された素子分離領域９０５によって他の素子と絶縁分離されている。素子分離領域９０５を用いることにより、素子分離部の縮小等が可能となる。一方で、構造の微細化小型化が要求されない半導体装置においてはＳＴＩ法による素子分離領域９０５の形成は必ずしも必要ではなく、ＬＯＣＯＳ等の素子分離手段を用いることもできる。トランジスタ９０１が形成される基板９００には、ボロンやリン、ヒ素等の導電性を付与する不純物が添加されたウェル９０４が形成されている。

図１０におけるトランジスタ９０１は、基板９００中に設けられたチャネル形成領域と、チャネル形成領域を挟むように設けられた不純物領域９０６（ソース領域及びドレイン領域ともいう）と、チャネル形成領域上に設けられたゲート絶縁膜９０７と、ゲート絶縁膜９０７上にチャネル形成領域と重畳するように設けられたゲート電極層９０８とを有する。ゲート電極層９０８は、加工精度を高めるための第１の材料からなるゲート電極層と、配線として低抵抗化を目的とした第２の材料からなるゲート電極層を積層した構造とすることができる。例えば、導電性を付与するリン等の不純物を添加した結晶性シリコンとニッケルシリサイドとの積層構造などが挙げられる。しかし、この構造に限らず、適宜要求される仕様に応じて材料、積層数、形状等を調整することができる。

なお、図１０に示すトランジスタ９０１を、フィン型構造のトランジスタとしてもよい。フィン型構造とは、半導体基板の一部を板状の突起形状に加工し、突起形状の長尺方向を交差するようにゲート電極層を設けた構造である。ゲート電極層は、ゲート絶縁膜を介して突起構造の上面及び側面を覆う。トランジスタ９０１をフィン型構造のトランジスタとすることで、チャネル幅を縮小してトランジスタの集積化を図ることができる。また、電流を多く流すことができ、加えて制御効率を向上させることができるため、トランジスタのオフ時の電流及び閾値電圧を低減することができる。

また、基板９００中に設けられた不純物領域９０６には、コンタクトプラグ９１３及びコンタクトプラグ９１５が接続されている。ここでコンタクトプラグ９１３及びコンタクトプラグ９１５は、接続するトランジスタ９０１のソース電極やドレイン電極としても機能する。また、不純物領域９０６とチャネル形成領域の間には、不純物領域９０６と異なる不純物領域が設けられている。該不純物領域は、導入された不純物の濃度によって、ＬＤＤ領域やエクステンション領域としてチャネル形成領域近傍の電界分布を制御する機能を果たす。ゲート電極層９０８の側壁には絶縁膜を介してサイドウォール絶縁膜９０９を有する。この絶縁膜やサイドウォール絶縁膜９０９を用いることで、ＬＤＤ領域やエクステンション領域を形成することができる。

また、トランジスタ９０１は、絶縁膜９１０により被覆されている。絶縁膜９１０には保護膜としての機能を持たせることができ、外部からチャネル形成領域への不純物の侵入を防止することができる。また、絶縁膜９１０をＣＶＤ法による窒化シリコン等の材料とすることで、チャネル形成領域に単結晶シリコンを用いた場合には加熱処理によって水素化を行うことができる。また、絶縁膜９１０に引張応力又は圧縮応力を有する絶縁膜を用いることで、チャネル形成領域を構成する半導体材料に歪みを与えることができる。ｎチャネル型のトランジスタの場合にはチャネル形成領域となるシリコン材料に引張応力を、ｐチャネル型のトランジスタの場合にはチャネル形成領域となるシリコン材料に圧縮応力を付加することで、各トランジスタの電界効果移動度を向上させることができる。

さらに、絶縁膜９１０上に絶縁膜９１１が設けられ、その表面はＣＭＰによる平坦化処理が施されている。これにより、トランジスタ９０１を含む階層よりも上の階層に高い精度で素子層を積層していくことができる。

トランジスタ９０１を含む階層よりも上層に、チャネル形成領域に酸化物半導体を用いるトランジスタ９０２を含む階層を形成する。トランジスタ９０２はトップゲート構造のトランジスタであり、酸化物半導体膜９２６の側面及び上面に接してソース電極層９２７及びドレイン電極層９２８を有し、これらの上のゲート絶縁膜９２９上にゲート電極層９３０を有している。また、トランジスタ９０２を覆うように絶縁膜９３２及び絶縁膜９３３が形成されている。酸化物半導体膜９２６は、絶縁膜９２４上に形成されている。絶縁膜９２４として、酸化珪素、窒化珪素、窒化酸化珪素、酸化窒化珪素、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化酸化アルミニウムなどの無機の絶縁膜を用いることができる。

また、酸化物半導体膜９２６と、ソース電極層９２７及びドレイン電極層９２８との間に、ソース領域及びドレイン領域として機能する酸化物導電膜を設けるようにしても良い。酸化物導電膜の材料としては、酸化亜鉛を成分として含むものが好ましく、酸化インジウムを含まないものであることが好ましい。そのような酸化物導電膜として、酸化亜鉛、酸化亜鉛アルミニウム、酸窒化亜鉛アルミニウム、酸化亜鉛ガリウムなどを適用することができる。
ゲート絶縁膜９２９は、ソース電極層９２７及びドレイン電極層９２８と、酸化物半導体膜９２６とを覆うように形成されている。そして、ゲート絶縁膜９２９上において、酸化物半導体膜９２６と重なる位置にゲート電極層９３０が形成されている。

なお、トランジスタ９０２はシングルゲート構造のトランジスタを用いて説明したが、必要に応じて、電気的に接続された複数のゲート電極を有することで、チャネル形成領域を複数有する、マルチゲート構造のトランジスタも形成することができる。

なお、本実の形態においては、トランジスタ９０２はトップゲート構造としている。また、トランジスタ９０２にはバックゲート電極層９２３が設けられている。バックゲート電極層を設けた場合、さらにトランジスタ９０２のノーマリーオフ化を実現することができる。例えば、バックゲート電極層９２３の電位をＧＮＤや固定電位とすることでトランジスタ９０２の閾値電圧をよりプラスとし、さらにノーマリーオフのトランジスタとすることができる。

このような、トランジスタ９０１及びトランジスタ９０２を電気的に接続して電気回路を形成するために、各階層間及び上層に接続のための配線層を単層又は多層積層する。

図１０においては、トランジスタ９０１のソース及びドレインの一方は、コンタクトプラグ９１３を介して配線層９１４と電気的に接続している。一方、トランジスタ９０１のソース及びドレインの他方は、コンタクトプラグ９１５を介して配線層９１６と電気的に接続している。また、トランジスタ９０１のゲートは、コンタクトプラグ９１７、配線層９１８、コンタクトプラグ９２１、配線層９２２、及びコンタクトプラグ９２５を介してトランジスタ９０２のドレイン電極層９２８と電気的に接続している。

配線層９１４、配線層９１８、配線層９１６、配線層９２２、及び、バックゲート電極層９２３それぞれは、絶縁膜中に埋め込まれている。これらの配線層等は、例えば銅、アルミニウム等の低抵抗な導電性材料を用いることが好ましい。また、ＣＶＤ法により形成したグラフェンを導電性材料として用いて配線層を形成することもできる。グラフェンとは、ｓｐ^２結合を有する１原子層の炭素分子のシートのこと、または２乃至１００層の炭素分子のシートが積み重なっているものをいう。

絶縁膜９１１、絶縁膜９１２、絶縁膜９１９、絶縁膜９２０、及び、絶縁膜９３３それぞれには、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、ＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏｎ Ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ Ｓｉｌｉｃａｔｅ Ｇｌａｓｓ）、ＰＳＧ（Ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ Ｓｉｌｉｃａｔｅ Ｇｌａｓｓ）、炭素を添加した酸化シリコン（ＳｉＯＣ）、フッ素を添加した酸化シリコン（ＳｉＯＦ）、Ｓｉ（ＯＣ_２Ｈ_５）_４を原料とした酸化シリコンであるＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａｅｔｈｙｌ Ｏｒｔｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ）、ＨＳＱ（Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｓｉｌｓｅｓｑｕｉｏｘａｎｅ）、ＭＳＱ（Ｍｅｔｈｙｌ Ｓｉｌｓｅｓｑｕｉｏｘａｎｅ）、ＯＳＧ（Ｏｒｇａｎｏ Ｓｉｌｉｃａｔｅ Ｇｌａｓｓ）、有機ポリマー系の材料等の絶縁体を用いることができる。特に半導体装置の微細化を進める場合には、配線間の寄生容量が顕著になり信号遅延が増大するため酸化シリコンの比誘電率（ｋ＝４．０〜４．５）では高く、ｋが３．０以下の材料を用いることが好ましい。また該絶縁膜に配線を埋め込んだ後にＣＭＰ処理を行うため、絶縁膜には機械的強度が要求される。この機械的強度が確保できる限りにおいて、これらを多孔質（ポーラス）化させて低誘電率化することができる。

以上説明したように、チャネル形成領域に酸化物半導体膜９２６を用いたトランジスタ９０２は、実施の形態１で説明したトランジスタ１０２に用いることができる。チャネル形成領域に酸化物半導体膜９２６を用いたトランジスタ９０２はオフ電流が低い。そのため、トランジスタ９０２（トランジスタ１０２）がオフ状態の際に、容量素子１０３に蓄積された電荷がトランジスタ９０２（トランジスタ１０２）のソース及びドレイン間を通ってリークしてしまうのを防ぐことができる。

また、チャネル形成領域に単結晶シリコンウェハを用いたトランジスタ９０１は、実施の形態１に示す電圧電流変換回路１０５に含まれるトランジスタ、ヒステリシスコンパレータ１０７に含まれるトランジスタ、電源制御回路１５０のトランジスタ１５５、制御回路１７０に含まれるトランジスタ、制御回路１８０に含まれるトランジスタ、カウンタ回路１８１に含まれるトランジスタ、発振回路１８２に含まれるトランジスタ、マイクロコンピュータ１８５に含まれるトランジスタ、マイクロコンピュータ１９０に含まれるトランジスタ等に用いることができる。トランジスタ９０１とトランジスタ９０２を積層することにより、充電装置の占有面積を減少させることができる。

なお図示しないが、容量素子１０３もトランジスタ９０１及びトランジスタ９０２に積層して形成することができる。例えば、容量素子１０３を、ソース電極層９２７及びドレイン電極層９２８と同層の導電膜、ゲート絶縁膜９２９と同層の絶縁膜、ゲート電極層９３０と同層の導電膜の積層によって作製してもよい。トランジスタ９０１、トランジスタ９０２、及び、容量素子１０３を積層構造にすることで、充電装置の占有面積を減少させることができる。

本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。

１００ 充電回路
１０１ 蓄電池
１０２ トランジスタ
１０３ 容量素子
１０４ 抵抗素子
１０５ 電圧電流変換回路
１０７ ヒステリシスコンパレータ
１０８ 端子
１０９ 端子
１１１ 電流検出回路
１１２ 累積加算回路
１１３ 電流検出回路
１２０ 充電回路
１５０ 電源制御回路
１５１ 容量素子
１５２ 抵抗素子
１５３ コイル
１５４ ダイオード
１５５ トランジスタ
１６１ 直流電源
１６２ 抵抗素子
１６３ 抵抗素子
１６４ 分圧回路
１７０ 制御回路
１８０ 制御回路
１８１ カウンタ回路
１８２ 発振回路
１８５ マイクロコンピュータ
１９０ マイクロコンピュータ
２２０ トランジスタ
２３０ 層
２３１ 酸化物半導体層
２３２ 導電層
２３３ 導電層
２３４ 絶縁層
２３５ 導電層
３００ 蓄電池
３０１ 正極集電体
３０２ 正極活物質層
３０４ 負極活物質層
３０５ 負極集電体
３０７ セパレータ
３０８ 電解液
３０９ 外装体
３１０ 蓄電池
３１１ 正極
３１２ 負極
９００ 基板
９０１ トランジスタ
９０２ トランジスタ
９０４ ウェル
９０６ 不純物領域
９０７ ゲート絶縁膜
９０８ ゲート電極層
９０９ サイドウォール絶縁膜
９１０ 絶縁膜
９１１ 絶縁膜
９１２ 絶縁膜
９１３ コンタクトプラグ
９１４ 配線層
９１５ コンタクトプラグ
９１６ 配線層
９１７ コンタクトプラグ
９１８ 配線層
９１９ 絶縁膜
９２０ 絶縁膜
９２１ コンタクトプラグ
９２２ 配線層
９２３ バックゲート電極層
９２４ 絶縁膜
９２５ コンタクトプラグ
９２６ 酸化物半導体膜
９２７ ソース電極層
９２８ ドレイン電極層
９２９ ゲート絶縁膜
９３０ ゲート電極層
９３２ 絶縁膜
９３３ 絶縁膜

Claims (3)

1. 蓄電池を充電する充電装置であって、
   電源制御回路から供給される充電電流に応じた電流を発生させる回路と、
   ゲートに入力されるパルス信号に応じて、オン状態又はオフ状態となり、チャネル形成領域に非単結晶の結晶構造を有する酸化物半導体を用いたトランジスタと、
   前記トランジスタに直接接続され、前記オン状態のトランジスタを介して前記充電電流に応じた電流が流れることにより、前記充電電流に応じた電荷が蓄積される容量素子と、
   前記電荷が蓄積される容量素子の電位が、基準電位以上になったときに、前記蓄電池の充電終了を指示する信号を前記電源制御回路の制御回路に出力する回路と、を有し、
   前記酸化物半導体は、透過型電子顕微鏡を用いた観察によって結晶粒界が確認されない領域を有し、
   前記蓄電池の充電終了を指示する信号が、前記電源制御回路の制御回路に出力されることにより、前記充電電流の供給が終了されることを特徴とする充電装置。
2. 蓄電池を充電する充電装置であって、
   蓄電池の充電電流が流れる抵抗素子と、
   前記抵抗素子に印加される電圧に基づいて、前記充電電流に応じた電流を発生させるオペアンプと、
   ゲートに入力されるパルス信号に応じて、オン状態又はオフ状態となり、チャネル形成領域に非単結晶の結晶構造を有する酸化物半導体を用いたトランジスタと、
   前記トランジスタに直接接続され、前記オン状態のトランジスタを介して前記充電電流の一部が流れることにより、電荷が蓄積される容量素子と、
   前記電荷が蓄積される容量素子の電位が入力される第１の入力端子、及び基準電位が入力される第２の入力端子を有する比較器と、を有し、
   前記酸化物半導体は、透過型電子顕微鏡を用いた観察によって結晶粒界が確認されない領域を有し、
   前記容量素子の前記電位と、前記基準電位とを比較することにより前記比較器の出力電位が切り替えられ、
   前記出力電位が切り替えられることにより、前記充電電流の供給が終了されることを特徴とする充電装置。
3. 請求項２において、
   前記比較器は、ヒステリシスコンパレータであることを特徴とする充電装置。

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