JP6389590B2 - 遠隔操作システム - Google Patents

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Description

本発明は、電気機器の遠隔操作に関する。また、電気機器の低消費電力化に関する。
近年、携帯電話やスマートホン等に代表される携帯情報端末を用いて、電気機器を遠隔操作する要望が増している。また、電気機器は、商用電源やバッテリーに接続されたスイッチ素子を制御することにより、電気機器への電力供給を制御するよう構成されることが多い（例えば、特許文献１を参照）。
特開２０１０−２０６９１４号公報
遠隔操作による電気機器の動作制御の一例として、電気機器が有する負荷へ電力を供給するスイッチ素子のオン・オフ動作制御が挙げられる。電力供給源から電気機器が有する負荷への電力供給を制御するスイッチ素子（以下、単に「スイッチ」ともいう。）としては、大電力が必要な負荷へ電力供給を行う場合、パワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を用いることが一般的である。また、電子回路等の負荷への電力の供給の場合、薄膜トランジスタを用いることが一般的である。パワーＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ及び薄膜トランジスタは、いずれもシリコンを含む材料で構成される。
電力供給を制御するスイッチ素子に、シリコンを含む材料で構成されるスイッチ素子を用いると、電力不使用時の待機電力が多くなりやすいという問題がある。待機電力は、主に電力不使用時にスイッチ素子を流れるリーク電流によるものであり、待機電力の増加は消費電力の増加に繋がる。従って、消費電力を低減するためには、スイッチ素子に流れるリーク電流を低減する必要がある。
このように従来のスイッチ素子では、待機時においてもスイッチ素子にリーク電流が流れてしまうので、待機時の消費電力の低減が困難であった。
上述したような技術的背景のもと、本発明は、スイッチ素子に流れるリーク電流を低減し、消費電力を小さく抑えることができる遠隔操作システムの提供を、課題の一つとする。
本発明の一態様は、携帯情報端末と、サーバーと、電気機器を有し、サーバーは、携帯情報端末から送信された情報に基づいて、電気機器が有するスイッチのオン状態またはオフ状態を制御する情報を送信する遠隔操作システムであって、電気機器が有するスイッチは、チャネルが形成される半導体層にバンドギャップが単結晶シリコンよりも広い半導体を含むトランジスタを用いることを特徴とする。
本発明の一態様は、携帯情報端末と、携帯情報端末と情報の送受信を行うサーバーと、電気機器と、を有し、電気機器は、通信回路と、電力供給回路と、負荷と、を有し、電気機器は、通信回路によりサーバーと情報の送受信を行い、電力供給回路は、サーバーから送信された情報によりオン状態とオフ状態が制御されるスイッチを有し、電力供給回路は、スイッチを介して負荷に電力を供給し、スイッチは、チャネルが形成される半導体層にバンドギャップが単結晶シリコンより広い半導体を含むトランジスタであることを特徴とする。
携帯情報端末と、サーバーは、例えば、電話回線またはインターネット回線により接続し、情報の送受信を行うことができる。また、サーバーと電気機器は、通信回路を有し、例えば、ＬＡＮケーブルなどを用いた有線通信や、無線ＬＡＮなどを用いた無線通信により接続し、情報の送受信を行ことができる。また、可視光や赤外光などを用いた光通信により情報の送受信を行ってもよい。
また、サーバーに記憶された情報により、スイッチのオン状態またはオフ状態を決定することもできる。また、電気機器の動作状況を、サーバーを介して携帯情報端末に送信することもできる。
また、サーバーを介さず、携帯情報端末と電気機器が直接通信してもよい。
また、上記のバンドギャップが単結晶シリコンより広い半導体としては、酸化物半導体を用いることが好ましい。チャネルが形成される半導体層（活性層）に酸化物半導体を用いたトランジスタは、耐電圧性が高く、ソースとドレイン間の電圧を１００Ｖ以上、好ましくは２００Ｖ以上、より好ましくは５００Ｖ以上としても絶縁破壊に至らない耐電圧性の高いトランジスタを実現することが可能となる。また、活性層に酸化物半導体を用いたトランジスタは、オン状態の時のソースとドレインの間の抵抗が小さい。よって、電力供給用のスイッチとして、チャネルが形成される半導体層に酸化物半導体を用いたトランジスタを用いると、スイッチングに起因する電力損失を小さく抑えることができる。また、チャネルが形成される半導体層に酸化物半導体を用いたトランジスタは、オフ状態の時にソースとドレインの間に流れる電流（以下、「オフ電流」ともいう。）が著しく小さい。よって、電気機器の非動作時の消費電力を低減することが可能となる。
なお、チャネルが形成される半導体層に酸化物半導体を用いたトランジスタは、電力供給用のスイッチに限らず、他のスイッチとして用いることも可能である。
また、酸化物半導体を形成した後、真空雰囲気下、窒素雰囲気下、酸素雰囲気下、または窒素と酸素の混合雰囲気下で９００℃以上１５００℃以下の加熱処理を行うことで、酸化物半導体の単結晶とほぼ同じレベルの密度と、酸化物半導体の単結晶とほぼ同じレベルの結晶性を得ることができる。
また、本明細書に示す電気機器は、コンピュータ、検知器、テレビジョン等の電子機器や、コンピュータシステムを構成する機器（ＣＰＵ、メモリ、ＨＤＤ、プリンタ、モニターなど）や自動車に組み込まれる電気制御機器であってもよい。或いは、ＣＰＵや半導体メモリのようなＬＳＩの内部構成であってもよい。なおここで、コンピュータとは、タブレット型のコンピュータや、ノート型のコンピュータや、デスクトップ型のコンピュータの他、サーバシステムのような大型のコンピュータを含むものである。なお、本明細書に示す電気機器の概念は、電力供給システムが必要な、社会インフラストラクチャーにも適用可能である。
本発明の一態様により、スイッチ素子に流れるリーク電流を低減し、消費電力を小さく抑えることができる遠隔操作システムを提供することができる。
本発明の一態様に係る遠隔操作システムの構成例を示す図である。 電気機器の構成例を示す図である。 電気機器の構成例を示す図である。 本発明の一態様を説明するための等価回路図である。 本発明の一態様を説明するための等価回路図である。 本発明の一態様に係る遠隔操作システムの構成例を示す図である。 本発明の一態様に係る遠隔操作システムの構成例を示す図である。 電気機器の構成例を示す図である。 スイッチに適用可能なトランジスタの構成例を示す図である。 スイッチに適用可能なトランジスタの構成例を示す図である。 本発明の一態様を説明するための斜視図である。 半導体装置の構成例を説明するための図である。
実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、以下に説明する発明の構成において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する。
なお、本明細書等において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指し、例えば、電気光学装置、表示装置、発光装置、半導体回路及び電気機器は半導体装置を有している場合が多い。
また、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。
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、理解しやすくするため、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。
また、トランジスタの「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。
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、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。
なお、ＸとＹとが接続されている、と明示的に記載する場合は、ＸとＹとが電気的に接続されている場合と、ＸとＹとが機能的に接続されている場合と、ＸとＹとが直接接続されている場合とを含むものとする。ここで、Ｘ、Ｙは、対象物（例えば、装置、素子、回路、配線、電極、端子、導電層、絶縁層、など）であるとする。したがって、所定の接続関係、例えば、図または文章に示された接続関係に限定されず、図または文章に示された接続関係以外のものも含むものとする。
なお、図面中の回路記号において、チャネルが形成される半導体層に酸化物半導体を用いるトランジスタと明確に判明できるように、チャネルが形成される半導体層に酸化物半導体を用いるトランジスタの回路記号には「ＯＳ」と記載している。
（実施の形態１）
本発明の一態様を、図１を用いて説明する。図１（Ａ）に示す家屋１００は、サーバー１２０、電気機器２００を有する。電気機器２００は有線通信回路２１２を有し、サーバー１２０と有線ＬＡＮ１２５を介して接続される。サーバー１２０は、通信回路１２１とコントローラー１２２を有する。通信回路１２１は、電話回線やインターネット回線などの電気通信回線を介して、携帯情報端末１３０と情報を送受信する。情報の送受信は、情報を暗号化して行うことが好ましい。サーバー１２０は、コントローラー１２２によって電気機器２００の動作を制御し、電気機器２００の動作状況を把握することができる。携帯情報端末１３０は、電気通信回線を介してサーバー１２０を遠隔操作することができる。よって、携帯情報端末１３０は、サーバー１２０を介して、電気機器２００を遠隔操作することができる。
次に、遠隔操作による電気機器２００の動作制御の一例として、遠隔操作による電気機器２００への電源供給制御について、図２を用いて説明する。電気機器２０１は、少なくとも有線通信回路２１２、電力供給回路１４０を有する。また、電気機器２０１を構成する他の回路を負荷２１１として示す。図２では、負荷２１１の一例としてＣＰＵ２３１を例示している。また、電力供給回路１４０は、パワースイッチ１５１、パワースイッチ１５２、電圧調整回路１４１、及び電源スイッチ制御回路１４２を有する。
図２（Ａ）において、配線１６１に供給された第１電位がパワースイッチ１５１を介して電圧調整回路１４１に供給され、配線１６２に供給された第２電位がパワースイッチ１５２を介して電圧調整回路１４１に供給される。パワースイッチ１５１は電圧調整回路１４１に第１電位の入力を制御する機能を有し、パワースイッチ１５２は電圧調整回路１４１に第２電位の入力を制御する機能を有する。電源スイッチ制御回路１４２は、有線通信回路２１２を介してサーバー１２０に接続され、サーバー１２０の制御信号に基づきパワースイッチ１５１及びパワースイッチ１５２のオン状態オフ状態を制御する。
また、有線通信回路２１２は電源スイッチ制御回路１４２内に設けてもよいし、図２に示す電気機器２０１とは別の電気機器２０１として、別途設けてもよい。
また、パワースイッチ１５１は、配線１６１と電圧調整回路１４１の間、もしくは、電圧調整回路１４１と負荷２１１の間の一方または両方に設けることができる。また、パワースイッチ１５２は、配線１６２と電圧調整回路１４１の間、もしくは、電圧調整回路１４１と負荷２１１の間の一方または両方に設けることができる。
また、パワースイッチ１５１又はパワースイッチ１５２の一方を省略してもよい。また、第１電位又は第２電位の一方を接地電位としてもよい。
本発明の一態様では、パワースイッチ１５１及びパワースイッチ１５２として、耐電圧性が高いトランジスタを用いる。具体的には、上記トランジスタは、バンドギャップが単結晶シリコンより広い半導体を活性層に用いる。例えば、バンドギャップが、１．１ｅＶより大きく、好ましくは２．５ｅＶ以上４ｅＶ以下、より好ましくは３ｅＶ以上３．８ｅＶ以下の半導体を活性層に用いればよい。バンドギャップが単結晶シリコンより広い半導体の一例として、酸化物半導体、窒化ガリウム、炭化珪素などを挙げることができる。このような材料を活性層に用いることで、ソースとドレイン間の電圧を１００Ｖ以上、好ましくは２００Ｖ以上、より好ましくは５００Ｖ以上としても絶縁破壊に至らない耐電圧性の高いトランジスタを実現することが可能となる。
特に、酸化物半導体を活性層に用いた電界効果トランジスタは、酸化物半導体は耐電圧性が高いだけでなく、オン（導通状態）の時の抵抗（オン抵抗）が小さい。よって、トランジスタのオン抵抗に起因する電力損失を小さく抑えることができる。
また、炭化珪素や窒化ガリウムなどを用いる場合、耐電圧性の高さとオン抵抗の低さを兼ね備えた電界効果トランジスタを作製することが難しい。よって、例えば炭化珪素を用いて４ｋＶ以上の耐電圧性を有するスイッチを形成する場合は、バイポーラトランジスタが用いられる。しかし、バイポーラトランジスタは電界効果トランジスタよりも、オンとオフ（非導通状態）の切り換えであるスイッチングが遅いため、オンからオフ、或いはオフからオンへの過渡状態にある期間が長く、スイッチングに起因する電力損失を小さく抑えることが難しい。しかし、酸化物半導体を用いる場合、耐電圧性の高さとオン抵抗の低さを兼ね備えた電界効果トランジスタを比較的容易に作製することができる。よって、酸化物半導体を活性層に用いた電界効果トランジスタを、パワースイッチ１５１及びパワースイッチ１５２に用いることで、パワースイッチ１５１及びパワースイッチ１５２のスイッチングを高速にすることができ、それにより、スイッチングに起因する電力損失を小さく抑えることができる。
図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に示したパワースイッチ１５１及びパワースイッチ１５２を、酸化物半導体を活性層に用いる耐電圧性の高いトランジスタ１５１Ｔ及びトランジスタ１５２Ｔで形成した構成例を示している。また、トランジスタ１５１Ｔ及びトランジスタ１５２Ｔのゲートは、電源スイッチ制御回路１４２に接続される。
なお、単結晶シリコンのバンドギャップは１．１ｅＶ程度であり、ドナーやアクセプタによるキャリアが全く存在しない状態（真性半導体）であっても、熱励起キャリアの濃度は１×１０１１ｃｍ−３程度である。それに対して、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物半導体のバンドギャップは、３．２ｅＶ程度であり、熱励起キャリア濃度は１×１０−７ｃｍ−３程度となる。トランジスタのオフ抵抗（トランジスタがオフ状態の時における、ソースとドレイン間の抵抗をいう。）は、チャネル形成領域における熱励起キャリアの濃度に反比例するので、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物半導体のオフ時の抵抗率は、単結晶シリコンと比較して１８桁も大きいことになる。
このようなバンドギャップが広い半導体をトランジスタに用いることにより、例えば、室温（２５℃）でのオフ電流（ここでは、単位チャネル幅（１μｍ）あたりの値）は１００ｚＡ（１ｚＡ（ゼプトアンペア）は１×１０−２１Ａ）以下、より好ましくは１０ｚＡ以下となる。
よって、活性層に酸化物半導体を適用したトランジスタ１５１Ｔ及びトランジスタ１５２Ｔは、オフ電流により負荷２１１に電力が供給されることを防ぐことが可能となる。よって、電気機器の非動作時の消費電力を低減することが可能であり、家屋１００全体の消費電力を低減することができる。
また、トランジスタ１５１Ｔ及びトランジスタ１５２Ｔを流れるオフ電流を著しく小さくすることで、負荷２１１側に蓄積された電荷を、負荷２１１の寄生容量で保持し続けることができる。そのため、再度トランジスタ１５１Ｔ及びトランジスタ１５２Ｔをオンにして電力の供給を再開した際に、動作の復帰を高速に行うことができる。
なお、本実施の形態では、パワースイッチ１５１及びパワースイッチ１５２が、それぞれ一つのトランジスタで構成されている場合を例示しているが、本発明はこの構成に限定されない。パワースイッチ１５１もしくはパワースイッチ１５２の一方または両方を、複数のトランジスタにより構成しても良い。
電圧調整回路１４１は、入力された電圧の調整を行う機能を有する。電圧調整回路１４１における電圧の調整とは、交流電圧を直流電圧に変換すること、直流電圧を交流電圧に変換すること、電圧の大きさを変えること、電圧の大きさが一定となるように平滑化すること、のいずれか一つまたは複数を含む。
例えば、電圧調整回路１４１において、交流電圧を直流電圧へ変換する場合、電圧調整回路１４１に整流回路を設ければよい。電圧調整回路１４１において、直流電圧を交流電圧へ変換する場合、電圧調整回路１４１にＤＣＡＣインバーター回路を設ければよい。電圧調整回路１４１において、電圧の大きさを変える場合、電圧調整回路１４１に昇圧型コンバータまたは降圧型コンバータを設ければよい。電圧調整回路１４１において、電圧の大きさを平滑化する場合、平滑回路を電圧調整回路１４１に設ければよい。
例えば、電圧調整回路１４１に商用電源より交流電圧が供給される場合、電圧調整回路１４１は、整流回路により交流電圧を直流電圧に変換し、平滑回路により直流電圧の大きさが一定となるように平滑化し、降圧型コンバータにより、負荷２１１において必要とされる大きさにまで、平滑化された上記直流電圧を降圧すれば良い。電圧調整回路１４１において調整された電圧は、負荷２１１に供給される。
なお、電圧調整回路１４１は、電圧の調整を行う機能の他に、配線１６１及び配線１６２と、負荷２１１を絶縁分離する機能を有していても良い。例えば、トランスを用いることで、電圧調整回路１４１に配線１６１及び配線１６２と、負荷２１１を絶縁分離する機能を付与することができる。
サーバー１２０は、携帯情報端末１３０からの命令により、パワースイッチ１５１及びパワースイッチ１５２のオン状態とオフ状態を制御する。また、サーバー１２０にあらかじめ動作プログラムを記憶させておき、携帯情報端末１３０の命令により動作プログラムを起動させ、動作プログラムに従ってパワースイッチ１５１及びパワースイッチ１５２のオン状態とオフ状態を制御してもよい。また、サーバー１２０にあらかじめ動作プログラムを記憶させておくことで、携帯情報端末１３０からの命令がなくても電気機器２００を制御することができる。また、電源スイッチ制御回路１４２に動作プログラムを記憶させ、動作プログラムに従ってパワースイッチ１５１及びパワースイッチ１５２を動作させる構成としてもよい。また、サーバー１２０は電気機器２００の動作状況を携帯情報端末１３０に送信する機能も有する。
次に、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示した有線ＬＡＮ１２５を無線ＬＡＮとした点が異なる。図１（Ｂ）に示す電気機器２００は、無線通信回路２１３を有する。サーバー１２０と電気機器２００は、無線通信回路２１３を用いた無線通信により接続される。
無線ＬＡＮによりサーバー１２０と接続する電気機器２００の構成例を、図３に示す。図３（Ａ）及び図３（Ｂ）は、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）で示した構成のうち、有線通信回路２１２を無線通信回路２１３に置き換えた構成を有する。すなわち、図３（Ａ）及び図３（Ｂ）では、電源スイッチ制御回路１４２は無線通信回路２１３に接続される。電源スイッチ制御回路１４２は、無線通信回路２１３を介してサーバー１２０に接続され、サーバー１２０の制御信号に基づきパワースイッチ１５１及びパワースイッチ１５２のオン状態オフ状態を制御する。
また、無線通信回路２１３は電源スイッチ制御回路１４２内に設けてもよいし、図３に示す電気機器２０１とは別の電気機器２０１として、別途設けてもよい。電気機器２０１を無線ＬＡＮによりサーバー１２０と接続することで、ＬＡＮケーブルの敷設が必要なく家屋１００内のネットワーク構築や、電気機器の移動を容易とすることができる。
なお、サーバー１２０と電気機器２０１が無線ＬＡＮにより接続する構成の場合は、携帯情報端末１３０と電気機器２０１が、サーバー１２０を介さず直接通信する構成とすることもできる。
また、電気機器２０１は有線通信回路２１２や無線通信回路２１３以外の通信回路を有してもよい。例えば、可視光や赤外光などを用いた光通信を行うための通信回路を有していてもよい。また、複数個もしくは複数種類の通信回路を有していてもよい。
ここで、ＣＰＵ２３１の構成について図４及び図５を用いて説明しておく。ＣＰＵ２３１は、揮発性記憶部２３２と不揮発性記憶部２３３が含まれ、電力供給回路１４０からの電力供給が停止する前に、揮発性記憶部２３２のデータを不揮発性記憶部２３３に退避させ、電力供給が再開すると、不揮発性記憶部２３３のデータを揮発性記憶部２３２に復帰させる。
揮発性記憶部２３２は、複数の揮発性記憶素子を含んでおり、当該複数の揮発性記憶素子の制御関連の回路なども含む。なお、揮発性記憶部２３２に含まれる揮発性記憶素子は、少なくとも後述する不揮発性記憶部２３３に含まれる不揮発性記憶素子よりもアクセス速度が速いものとする。
上記揮発性記憶素子を構成するトランジスタに用いる半導体材料は特に限定されないが、後述する不揮発性記憶素子を構成するトランジスタに用いる半導体材料とは、異なる禁制帯幅を持つ材料とすることが好ましい。このような半導体材料としては、例えば、シリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、またはガリウムヒ素等を用いることができ、単結晶半導体を用いることが好ましい。データの処理速度を向上させるという観点からは、例えば、単結晶シリコンを用いたトランジスタなど、スイッチング速度の高いトランジスタを適用するのが好適である。
不揮発性記憶部２３３は、複数の不揮発性記憶素子を含んでおり、当該複数の不揮発性記憶素子の制御関連の回路なども含む。不揮発性記憶素子は、揮発性記憶素子のデータに対応する電荷が保持されたノードと電気的に接続されており、電源が遮断されている間に揮発性記憶素子のデータを退避させるために用いる。よって、不揮発性記憶部２３３に含まれる不揮発性記憶素子は、少なくとも電源が供給されていないときの上記揮発性記憶素子よりデータの保持時間が長いものとする。
ここで、不揮発性記憶部２３３に設けられる不揮発性記憶素子の構成例について、図４（Ａ）乃至図４（Ｃ）に示す回路図を用いて説明する。
図４（Ａ）に示す不揮発性記憶部２３３は、トランジスタ２４０と、容量素子２４１と、を有しており、トランジスタ２４０を介して揮発性記憶部２３２と電気的に接続されている。なお本実施の形態において、トランジスタ２４０は、ｎチャネル型トランジスタであるものとして説明するが、適宜ｐチャネル型トランジスタを用いてもよく、その場合は適宜ゲート電極に与える電位を入れ替えて用いればよい。
具体的には、トランジスタ２４０のソース電極（またはドレイン電極）と、揮発性記憶部２３２のデータに対応する電荷が保持されたノードとが電気的に接続されている。また、トランジスタ２４０のドレイン電極（またはソース電極）と、容量素子２４１の一方の電極と、が電気的に接続されている（以下、当該ノードをノードＭ１と呼ぶ場合がある）。また、トランジスタ２４０のゲート電極には、書き込み制御信号ＷＥが与えられており、トランジスタ２４０は書き込み制御信号ＷＥの電位に応じてオン状態またはオフ状態となる。また、容量素子２４１の他方の電極には、所定の電位が与えられている。ここで、所定の電位とは、例えば接地電位（ＧＮＤ）などである。このように、容量素子２４１を設けることにより、ノードＭ１に多くの電荷を保持することができ、データの保持特性を向上させることができる。
トランジスタ２４０としては、オフ電流が極めて小さいトランジスタを用いることが好ましい。本実施の形態では、トランジスタ２４０に用いるオフ電流の極めて低いトランジスタとして、チャネルが形成される半導体層に酸化物半導体を含むトランジスタを用いる。
揮発性記憶部２３２からデータの退避を行う際は、書き込み制御信号ＷＥとして高電位Ｈを与えてトランジスタ２４０をオン状態とすることにより、揮発性記憶部２３２のデータに対応する電荷が保持されたノードの電位が、ノードＭ１に与えられる。その後、書き込み制御信号ＷＥの電位として低電位Ｌを与えてトランジスタ２４０をオフ状態とすることにより、ノードＭ１に与えられた電荷が保持される。ここで、トランジスタ２４０のオフ電流は極めて低いので、ノードＭ１の電荷は長時間にわたって保持される。
また、揮発性記憶部２３２にデータの復帰を行う際は、書き込み制御信号ＷＥとして高電位Ｈを与えてトランジスタ２４０をオン状態とすることにより、ノードＭ１の電位が、揮発性記憶部２３２のデータに対応する電荷が保持されるノードに与えられる。
このように、バンドギャップが広い半導体をトランジスタ２４０に用いることにより、トランジスタ２４０におけるオフ電流を極めて小さくすることができる。よって、トランジスタ２４０をオフ状態とすることで、ノードＭ１の電位を極めて長時間にわたって保持することが可能である。このような構成とすることにより、不揮発性記憶部２３３を電源の供給なしでデータを保持することができる不揮発型の記憶素子として用いることができる。
また不揮発性記憶部２３３は図４（Ｂ）に示すように、図４（Ａ）に示す構成に加えて、さらにトランジスタ２４２を設けた構成としても良い。トランジスタ２４２は、ゲート電極とノードＭ１とが電気的に接続されており、ドレイン電極（またはソース電極）と揮発性記憶部２３２のデータに対応する電荷が保持されたノードとが電気的に接続されており、ソース電極（またはドレイン電極）に所定の電位が与えられている。
図４（Ｂ）に示す不揮発性記憶部２３３では、上記データの退避でノードＭ１に保持された電位に応じてトランジスタ２４２の状態が異なる。すなわち、上記データの退避で高電位Ｈが与えられた場合には、トランジスタ２４２が「オン状態」となり、低電位Ｌが与えられた場合には、トランジスタ２４２が「オフ状態」となる。
データの復帰においては、トランジスタ２４２のドレイン電極の電位が、揮発性記憶部２３２のデータに対応する電荷が保持されるノードに与えられる。すなわち、上記データの退避でノードＭ１に高電位Ｈが与えられた場合には、トランジスタ２４２が「オン状態」となっておりトランジスタ２４２のソース電極の電位が揮発性記憶部２３２に与えられる。また、上記データの退避でノードＭ１に低電位Ｌが与えられた場合には、トランジスタ２４２が「オフ状態」となっておりトランジスタ２４２のソース電極の電位は揮発性記憶部２３２に与えられない。
また、トランジスタ２４２は、情報の読み出し速度を向上させるという観点から、上述の揮発性記憶素子に用いたトランジスタと同様のトランジスタを用いることが好ましい。
なお、トランジスタ２４２のソース電極と容量素子２４１の他方の電極とは、同じ電位としても良いし、異なる電位としても良い。トランジスタ２４２のソース電極と容量素子２４１の他方の電極とが電気的に接続されている構成としても良い。また、容量素子２４１は必ずしも設ける必要はなく、例えば、トランジスタ２４２の寄生容量が大きい場合は、当該寄生容量で容量素子２４１の代替とすることができる。
ここで、トランジスタ２４０のドレイン電極およびトランジスタ２４２のゲート電極、すなわちノードＭ１は、不揮発性メモリ素子として用いられるフローティングゲート型トランジスタのフローティングゲートと同等の作用を奏する。しかしながら、トランジスタ２４０のオン・オフで直接的にデータの書き換えを行うことができるので、高電圧を用いてのフローティングゲート内への電荷の注入およびフローティングゲートからの電荷の引き抜きが不要である。つまり、不揮発性記憶部２３３では、従来のフローティングゲート型トランジスタにおいて書き込みや消去の際に必要であった高電圧が不要である。よって、本実施の形態に記載の不揮発性記憶部２３３を用いることにより、データの退避の際に必要な消費電力の低減を図ることができる。
また同様の理由により、データの書き込み動作や消去動作に起因する動作速度の低下を抑制することができるので、不揮発性記憶部２３３の動作の高速化が実現される。また同様の理由により、従来のフローティングゲート型トランジスタにおいて指摘されているゲート絶縁膜（トンネル絶縁膜）の劣化という問題が存在しない。つまり、本実施の形態に記載の不揮発性記憶部２３３は、従来のフローティングゲート型トランジスタと異なり、原理的な書き込み回数の制限が存在しないことを意味する。以上により、不揮発性記憶部２３３は、レジスタなどの多くの書き換え回数や高速動作を要求される記憶装置としても十分に用いることができる。
また不揮発性記憶部２３３は図４（Ｃ）に示すように、図４（Ｂ）に示す構成に加えて、さらにトランジスタ２４３を設けた構成としても良い。トランジスタ２４３は、ゲート電極に読み出し制御信号ＲＤが与えられており、ドレイン電極（またはソース電極）と揮発性記憶部２３２のデータに対応する電荷が保持されたノードとが電気的に接続されており、ソース電極（またはドレイン電極）とトランジスタ２４２のドレイン電極とが電気的に接続されている。
ここで読み出し制御信号ＲＤは、上記データの復帰を行う際にトランジスタ２４３のゲート電極に高電位Ｈを与える信号であり、このときにトランジスタ２４３をオン状態とすることができる。これにより、データの復帰を行う際にトランジスタ２４２のオン状態またはオフ状態に応じた電位を、揮発性記憶部２３２のデータに対応する電荷が保持されるノードに与えることができる。
なお、トランジスタ２４３は、情報の読み出し速度を向上させるという観点から、上述の揮発性記憶素子に用いたトランジスタと同様のトランジスタを用いることが好ましい。
図５に、図４（Ｃ）に示す不揮発性記憶部２３３の構成を用いた、１ビットのデータを保持可能な、不揮発性を有するレジスタの回路構成の一例を示す。なお、図５において、図４（Ｃ）に示す構成と対応するものについては、同符号を用いる。
図５に示すレジスタの回路構成は、フリップフロップ２４８と、不揮発性記憶部２３３と、セレクタ２４５と、を含む。なお、図５に示すレジスタは、図４（Ｃ）に示す揮発性記憶部２３２をフリップフロップ２４８としたものである。
フリップフロップ２４８には、リセット信号ＲＳＴ、クロック信号ＣＬＫ、及びデータ信号Ｄが与えられる。フリップフロップ２４８は、クロック信号ＣＬＫに従って入力されるデータ信号Ｄのデータを保持し、データ信号Ｑとして出力する機能を有する。
不揮発性記憶部２３３には、書き込み制御信号ＷＥ、読み出し制御信号ＲＤ、及びデータ信号Ｑが与えられる。
不揮発性記憶部２３３は、書き込み制御信号ＷＥに従って、入力されるデータ信号Ｑのデータを記憶し、読み出し制御信号ＲＤに従って、記憶されたデータを出力する機能を有する。
セレクタ２４５は、読み出し制御信号ＲＤに従って、データ信号Ｄまたは不揮発性記憶部２３３から出力されるデータ信号を選択して、フリップフロップ２４８に入力する。
また図５に示すように不揮発性記憶部２３３には、トランジスタ２４０及び容量素子２４１が設けられている。
トランジスタ２４０は、ｎチャネル型トランジスタである。トランジスタ２４０のソース電極及びドレイン電極の一方は、フリップフロップ２４８の出力端子に電気的に接続されている。トランジスタ２４０は、書き込み制御信号ＷＥに従ってフリップフロップ２４８から出力されるデータ信号の保持を制御する機能を有する。
トランジスタ２４０としては、図４（Ｃ）に示す構成と同様にオフ電流の低い、酸化物半導体を有するトランジスタを用いることができる。
容量素子２４１の一対の電極の一方はトランジスタ２４０のソース電極及びドレイン電極の他方に電気的に接続されている（以下、当該ノードをノードＭ１と呼ぶ場合がある）。また、容量素子２４１の一対の電極の他方には低電位Ｌが与えられる。容量素子２４１は、記憶するデータ信号Ｑのデータに基づく電荷をノードＭ１に保持する機能を有する。トランジスタ２４０のオフ電流が極めて小さいため、電源電圧の供給が停止してもノードＭ１の電荷は保持され、データが保持される。
トランジスタ２４４は、ｐチャネル型トランジスタである。トランジスタ２４４のソース電極及びドレイン電極の一方には高電位Ｈが与えられ、ゲート電極には、読み出し制御信号が入力される。ここで、高電位Ｈとは、低電位Ｌよりも高い電位を示す。また、低電位Ｌとは、高電位Ｈよりも低い電位を示す。また、接地電位を高電位Ｈまたは低電位Ｌとして用いることもできる。例えば高電位Ｈが接地電位の場合には、低電位Ｌは接地電位より低い電位であり、低電位Ｌが接地電位の場合には、高電位Ｈは接地電位より高い電位である。
トランジスタ２４３は、ｎチャネル型トランジスタである。トランジスタ２４３のソース電極及びドレイン電極の一方は、トランジスタ２４４のソース電極及びドレイン電極の他方に電気的に接続されている（以下、当該ノードをノードＭ１と呼ぶ場合がある）。また、トランジスタ２４３のゲート電極には、読み出し制御信号ＲＤが入力される。
トランジスタ２４２は、ｎチャネル型トランジスタである。トランジスタ２４２のソース電極及びドレイン電極の一方は、トランジスタ２４３のソース電極及びドレイン電極の他方に電気的に接続されており、ソース電極及びドレイン電極の他方には、低電位Ｌが与えられる。
インバータ２４６の入力端子は、トランジスタ２４４のソース電極及びドレイン電極の他方に電気的に接続されている。また、インバータ２４６の出力端子は、セレクタ２４５の入力端子に電気的に接続される。
容量素子２４７の一対の電極の一方はインバータ２４６の入力端子に電気的に接続され、他方には低電位Ｌが与えられる。容量素子２４７は、インバータ２４６に入力されるデータ信号のデータに基づく電荷を保持する機能を有する。
以上のような構成を有する図５に示すレジスタは、フリップフロップ２４８からデータの退避を行う際は、書き込み制御信号ＷＥとして高電位Ｈを与えてトランジスタ２４０をオン状態とすることにより、フリップフロップ２４８のデータ信号Ｑのデータに基づく電荷が、ノードＭ１に与えられる。その後、書き込み制御信号ＷＥの電位として低電位Ｌを与えてトランジスタ２４０をオフ状態とすることにより、ノードＭ１に与えられた電荷が保持される。また、読み出し制御信号ＲＤの電位として低電位Ｌが与えられている間は、トランジスタ２４３がオフ状態、トランジスタ２４４がオン状態となり、ノードＭ２の電位は高電位Ｈになる。
フリップフロップ２４８からデータの復帰を行う際は、読み出し制御信号ＲＤとして高電位Ｈを与えてトランジスタ２４４がオフ状態、トランジスタ２４３がオン状態となり、ノードＭ１に保持された電荷に応じた電位がノードＭ２に与えられる。ノードＭ１にデータ信号Ｑの高電位Ｈに対応する電荷が保持されている場合、トランジスタ２４２がオン状態であり、ノードＭ２に低電位Ｌが与えられ、インバータ２４６を介して高電位Ｈがフリップフロップ２４８に戻される。また、ノードＭ１にデータ信号Ｑの低電位Ｌに対応する電荷が保持されている場合、トランジスタ２４２がオフ状態であり、読み出し制御信号ＲＤの電位として低電位Ｌが与えられていたときのノードＭ２の高電位Ｈが保持されており、インバータ２４６を介して低電位Ｌがフリップフロップ２４８に戻される。
上述のように、ＣＰＵ２３１に揮発性記憶部２３２と不揮発性記憶部２３３を設けることにより、ＣＰＵ２３１への電源供給が遮断される前に、揮発性記憶部２３２から不揮発性記憶部２３３にデータを退避させることができ、ＣＰＵ２３１への電源供給が再開されたときに、不揮発性記憶部２３３から揮発性記憶部２３２にデータを素早く復帰させることができる。
このようにデータの退避および復帰を行うことによって、電源遮断が行われるたびに揮発性記憶部２３２が初期化された状態からＣＰＵ２３１を起動し直す必要がなくなるので、電源供給の再開後ＣＰＵ２３１は速やかに測定に係る演算処理を開始することができる。
なお、上記において不揮発性記憶部２３３は、図４および図５に示す構成に限られるものではない。例えば、相変化メモリ（ＰＣＭ：Ｐｈａｓｅ Ｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｏｒｙ）、抵抗変化型メモリ（ＲｅＲＡＭ：Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、磁気抵抗メモリ（ＭＲＡＭ：Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、強誘電体メモリ（ＦｅＲＡＭ：Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリなどを用いることができる。
また、揮発性記憶部２３２に含まれる複数の揮発性記憶素子は、例えばバッファレジスタや、汎用レジスタなどのレジスタを構成することができる。また、揮発性記憶部２３２にＳＲＡＭ（Ｓｔａｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）などからなるキャッシュメモリを設けることもできる。これらのレジスタやキャッシュメモリは上記の不揮発性記憶部２３３にデータを退避させることができる。
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
（実施の形態２）
本実施の形態では、電気機器２００の具体例について、図６及び図７を用いて説明する。図６に示す家屋１００は、複数の電気機器２００を有している。本実施の形態では、電気機器２００として照明装置１０１、空調装置１０２、電話機１０３、冷蔵庫１０４、オーブンレンジ１０５、食器洗浄機１０６、洗濯機１０７、コンピュータ１０８、オーディオ１０９、テレビジョン１１０、自走式掃除機１１１、充電ステーション１１２、浴室１１３、浴室制御装置１１４、撮像装置１１５、録画装置１１６を例示している。
複数の電気機器２００は、それぞれに固有のＩＰアドレスが付与され、有線ＬＡＮ１２５を介してサーバー１２０に接続する。サーバー１２０は有線ＬＡＮ１２５を介して他の電気機器２００と通信することにより、個々の電気機器２００の動作を制御し、また、個々の電気機器２００の動作状況を把握する機能を有する。また、サーバー１２０は、電話回線やインターネット回線などの電気通信回線を介して携帯情報端末１３０と接続し、携帯情報端末１３０と情報を送受信する機能を有する。また、携帯情報端末１３０は、電気通信回線を介してサーバー１２０を遠隔操作することができる。よって、携帯情報端末１３０は、サーバー１２０を介して、電気機器２００を遠隔操作することができる。
有線ＬＡＮ１２５には、１００ＢＡＳＥ−ＴＸや１０００ＢＡＳＥ−ＴＸなどの通信規格を適用することができる。また、ＰＬＣ（Ｐｏｗｅｒ Ｌｉｎｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）を用いてもよい。ＰＬＣを用いると、家屋１００内の電源線をＬＡＮケーブルとして用いるため、新たにＬＡＮケーブルを敷設する必要がなく、家屋１００内のネットワーク構築を容易とすることができる。
また、携帯情報端末１３０を用いて家屋１００が有する電気機器のうち、任意の電気機器を動作させることができる。例えば、外出先から携帯情報端末１３０を用いて、サーバー１２０を介して浴室制御装置１１４に接続し、浴室制御装置１１４を動作させることで帰宅後すぐに浴室１１３を入浴可能な状態とすることができる。
また、外出先で家屋１００内のオーブンレンジ１０５の停止忘れを思い出した場合、携帯情報端末１３０を用いて、サーバー１２０を介してオーブンレンジ１０５に接続し、オーブンレンジ１０５への電力供給を停止させることができる。よって、火災等の災害を未然に防ぐことができる。
また、携帯情報端末１３０を用いて、サーバー１２０を介して家屋１００内に設置した撮像装置１１５を動作させ、家屋１００内の様子を確認することができる。なお、撮像装置１１５を家屋１００外に設置し、屋外の様子を確認することも可能である。撮像装置１１５で得られた映像は、電気機器２００のうち、撮像装置１１５、サーバー１２０、録画装置１１６、またはコンピュータ１０８などの録画機能を有する電気機器２００に記録することができる。また、撮像装置１１５で得られた映像を携帯情報端末１３０に転送し、携帯情報端末１３０でその映像を確認することもできる。また、撮像装置１１５に集音機能を付与してもよい。集音された音声は、録音機能を有する電気機器２００に記録することができる。また、集音された音声を携帯情報端末１３０に転送し、携帯情報端末１３０でその音声を確認することもできる。
また、携帯情報端末１３０を用いて、サーバー１２０を介して自走式掃除機１１１を動作させることができる。自走式掃除機１１１は充電池や容量素子などの蓄電装置、モーター、吸引装置、センサーなどを有し、センサーから得られた情報をもとに設定された動作プログラムに従って、自動で清掃を行うことができる。携帯情報端末１３０から自走式掃除機１１１への動作命令は、充電ステーション１１２を介して自走式掃除機１１１に伝えられる。なお、充電ステーション１１２を介さずに自走式掃除機１１１へ伝える構成としてもよい。
また、自走式掃除機１１１はアクティブ型ＲＦＩＤ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）タグを有し、アクティブ型ＲＦＩＤタグにより充電ステーション１１２に位置情報を送受信することができる。清掃終了後、または、清掃中に蓄電装置の蓄電容量が一定値以下に低下した場合、自走式掃除機１１１は充電ステーション１１２に戻り、充電ステーション１１２から自走式掃除機１１１の蓄電装置へ電力供給が行われる。電力供給は、充電ステーション１１２が有する電力供給装置と自走式掃除機１１１が有する蓄電装置を直接接続して行っても良いし、電界結合方式、電磁誘導方式、共鳴方式などを用いた非接触のワイヤレス給電により行ってもよい。また共鳴方式のワイヤレス給電を用いると、自走式掃除機１１１と充電ステーション１１２が近接していなくても電力供給が可能となり、例えば、自走式掃除機１１１の清掃動作中に電力供給を行うことができる。
ここで、充電ステーション１１２から自走式掃除機１１１へ電磁誘導方式のワイヤレス給電によりの電力供給を行う場合の、自走式掃除機１１１の構成例について図８を用いて説明しておく。図８に示す自走式掃除機１１１は、電力供給回路１４０、蓄電装置２１４、通信回路２１５、電圧検出回路２１６を有する。また、自走式掃除機１１１を構成する他の回路を負荷２１１として示す。通信回路２１５は、前述したアクティブ型ＲＦＩＤタグによる通信以外にも、光通信や超音波通信などを用いた通信回路を用いることができる。
また、電力供給回路１４０の受電アンテナ１５３と電力放射回路２２１の送電アンテナ２２２を情報通信用のアンテナとして用いて、自走式掃除機１１１と充電ステーション１１２の通信を行うこともできる。
この場合、自走式掃除機１１１と充電ステーション１１２間の通信に用いる周波数として、電力供給のために電力放射回路２２１から放射される交流電力の周波数と異なる周波数を用いることで、電力供給中に受電アンテナ１５３と送電アンテナ２２２を介して通信を行うことができる。具体的には、電力供給に用いる周波数に、電力供給に比べて十分小さい電力の通信用信号を重畳させて、自走式掃除機１１１と充電ステーション１１２間の通信を行う。
また、電力供給中に、電力放射回路２２１と電力供給回路１４０のインピーダンスを変化させることで交流電力の振幅を変化させ、自走式掃除機１１１と充電ステーション１１２間の通信を行うこともできる。
また、図８に示す電力供給回路１４０は、電源スイッチ制御回路１４２、電圧調整回路１４１、パワースイッチ１５１、パワースイッチ１５２、受電アンテナ１５３、容量素子１５４を有する。
充電ステーション１１２が有する電力放射回路２２１から放射される交流電力の周波数と、受電アンテナ１５３のインダクタンスＬと、容量素子１５４のコンダクタンスＣの組み合わせにより決定される共振周波数を一致させることで、ファラデーの電磁誘導の法則により受電アンテナ１５３に誘導起電力を生じさせ、充電ステーション１１２から自走式掃除機１１１への電力供給を実現することができる。
電力放射回路２２１から放射される交流電力の周波数は、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。
電力放射回路２２１から供給された電力は、電圧調整回路１４１、パワースイッチ１５１、パワースイッチ１５２を介して蓄電装置２１４に充電される。蓄電装置２１４の充電状況は電圧検出回路２１６により検出される。電圧検出回路２１６と電源スイッチ制御回路１４２は接続されている。電圧検出回路２１６は、蓄電装置２１４が過充電とならないように、電源スイッチ制御回路１４２を介してパワースイッチ１５１及びパワースイッチ１５２のオン状態とオフ状態を制御する。電圧検出回路２１６と通信回路２１５は接続されている。蓄電装置２１４は、負荷２１１、電圧検出回路２１６、通信回路２１５などの、自走式掃除機１１１を構成する回路に電力を供給する。また、自走式掃除機１１１は、通信回路２１５を介して充電ステーション１１２と情報を送受信することができる。図８（Ｂ）は、図８（Ａ）に示したパワースイッチ１５１及びパワースイッチ１５２を、酸化物半導体を活性層に用いる耐電圧性の高いトランジスタ１５１Ｔ及びトランジスタ１５２Ｔで形成した構成例を示している。
次に、図６と異なる構成について図７を用いて説明する。図７は、図６に示した有線ＬＡＮ１２５を無線ＬＡＮとした点が異なる。図７に示す電気機器２００は、それぞれが無線通信回路２１３を有する。サーバー１２０と電気機器２００は、無線通信回路２１３を用いた無線通信により接続される。また、電気機器２００は、それぞれを識別するため固有のＩＰアドレスが付与される。また、電気機器２００ごとにＲＦＩＤタグを設けてもよい。
無線通信を行うための通信規格として、ＩＥＥＥ８０２．１１ａ、ＩＥＥＥ８０２．１１ｂ、ＩＥＥＥ８０２．１１ｇ、ＩＥＥＥ８０２．１１ｎ、ＩＥＥＥ８０２．１５．１などを用いることができる。
また、無線通信時の不正アクセスや、混信による動作不良を防ぐため、通信内容を暗号化してもよい。暗号化規格として、ＡＥＳ（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ Ｓｔａｎｄａｒｄ）方式、ＴＫＩＰ（Ｔｅｍｐｏｒａｌ Ｋｅｙ Ｉｎｔｅｇｒｉｔｙ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）方式、ＷＥＰ（Ｗｉｒｅｄ Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ Ｐｒｉｖａｃｙ）方式などを用いることができる。
なお、本明細書等ではサーバー１２０と電気機器２００を区別して説明しているが、サーバー１２０も電気機器２００の一種として考えることもできる。
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
（実施の形態３）
本実施の形態では、上記実施の形態に開示したパワースイッチ１５１及びパワースイッチ１５２に適用可能なトランジスタの構造及び作製方法について、図９を用いて説明する。
図９（Ａ）は、パワースイッチ１５１及びパワースイッチ１５２に適用可能なトランジスタ３００の上面図である。図９（Ｂ）は、図９（Ａ）中にＡ１−Ａ２の二点破線で示した部位の積層構成を示す断面図である。なお、図をわかりやすくするため、図９（Ａ）では一部の構成要素の記載を省略している。
図９に示すトランジスタ３００は、パワーＭＯＳＦＥＴであり、放熱板３０１上に形成された半導体基板３０３をバックゲート電極とし、半導体基板３０３上に絶縁層３０２が設けられ、絶縁層３０２上にバッファ層３０５が設けられ、バッファ層３０５上に結晶構造を有する酸化物半導体層３０７が設けられている。なお、バックゲート電極は、ゲート電極とバックゲート電極で半導体層のチャネル形成領域を挟むように配置され、ゲート電極と同様に機能させることができる。また、バックゲート電極の電位を変化させることで、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。
また、酸化物半導体層３０７上の一部を覆って、導電層でなる第１の端子３０９及び第２の端子３１１が設けられ、酸化物半導体層３０７、第１の端子３０９、及び第２の端子３１１を覆って絶縁層３１３が設けられている。また、絶縁層３１３上に、酸化物半導体層３０７、第１の端子３０９、及び第２の端子３１１それぞれの少なくとも一部に重畳して、導電層でなるゲート電極３１５が設けられている。
半導体基板３０３は、少なくとも、後の加熱処理（９００℃以上）に耐えうる程度の耐熱性を有していることが必要となる。半導体基板３０３としては、単結晶シリコン基板、ＳｉＣ基板、ＧａＮ基板、ＧａＡｓ基板などを用いる。また、半導体基板３０３としてシリコンゲルマニウムなどの化合物半導体基板、ＳＯＩ基板を用いてもよい。本実施の形態では、半導体基板３０３として単結晶シリコン基板を用いる。
絶縁層３０２は、塩化水素などを用いた熱酸化などで得られる酸化シリコン、プラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法やスパッタリング法などで得られる酸化シリコン、酸化窒化シリコンや酸化窒化アルミニウムなどの酸化窒化絶縁物、窒化酸化シリコンなどの窒化酸化絶縁物などを単層または積層して形成することができる。また、絶縁層３０２を上記材料の積層として形成する場合、同じの材料の積層としてもよいし、異なる材料の積層としてもよい。なお、「窒化酸化」とは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多いものをいい、「酸化窒化」とは、その組成として、窒素よりも酸素の含有量が多いものをいう。
また、絶縁層３０２は、プラズマＣＶＤ法などで得られる窒化シリコンを用いて形成してもよい。ただし、窒化シリコンを用いる場合には、形成後の熱処理によって水素又は水素化合物がほとんど放出されない窒化シリコン、例えば、供給ガスをシラン（ＳｉＨ４）、窒素（Ｎ２）及びアンモニア（ＮＨ３）の混合ガスとして形成された窒化シリコンを用いることが好ましい。本実施の形態では、絶縁層３０２として熱酸化により形成する酸化シリコンを用いる。
また、酸化物半導体層３０７にシリコンや塩素が混入しない構造とするため、半導体基板３０３と酸化物半導体層３０７との間にバッファ層３０５を設ける。また、半導体基板３０３表面に形成した絶縁層３０２と酸化物半導体層３０７との間にバッファ層３０５を設ける。
バッファ層３０５は、酸化ガリウム、酸化インジウムガリウム、酸化ハフニウム、酸化イットリウム、酸化アルミニウムなどを単層または積層して形成することができる。また、バッファ層３０５は、後にバッファ層３０５に接して形成される酸化物半導体層３０７と同種の成分を含む材料を用いると好ましい。このような材料は酸化物半導体との相性が良く、これを酸化物半導体と接する層に用いることで、半導体層と該層の界面状態を良好に保つことができる。ここで、「酸化物半導体と同種の成分」とは、酸化物半導体の構成元素から選択される一または複数の元素を含むことを意味する。例えば、酸化物半導体層３０７がＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系の酸化物半導体材料によって構成される場合、同種の成分を含む絶縁材料としては、例えば、酸化ガリウムや酸化ガリウム亜鉛、酸化インジウムガリウムなどがある。
また、バッファ層３０５を積層構造とする場合には、バッファ層３０５と接して形成される酸化物半導体層３０７と同種の成分でなる絶縁材料で形成された層ａと、層ａと異なる材料を含む層ｂとの積層構造としてもよい。また、バッファ層３０５の他の材料として、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２の原子数比のターゲットを用いて成膜されるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物膜を用いてもよい。
結晶構造を有する酸化物半導体層３０７は、少なくともＩｎを含み金属元素Ｍ（ＭはＧａ、Ｈｆ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｓｎなど）を含む酸化物、例えば二元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｉｎ−Ｇａ系酸化物、三元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物（ＩＧＺＯとも表記する。）、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、四元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物などを用いることができる。
また、酸化物半導体層３０７は、単層に限定されず、多層としてもよく、組成の異なる層の積層としてもよい。酸化物半導体層３０７として組成の異なる層の積層を用いても、一方の層が結晶の核となり、もう一方の層の結晶化を助長させる。例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：１：２の原子数比のターゲットを用いて形成されるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物上にＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１の原子数比のターゲットを用いて形成されるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物を積層する２層構造としてもよい。この２層構造に加熱処理を行うと２層ともに結晶性の高い膜となり、同一の結晶構造、即ちＣＡＡＣ−ＯＳ（Ｃ Ａｘｉｓ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）の積層となる。また、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１の原子数比のターゲットを用いて形成されるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物上にＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：１：２の原子数比のターゲットを用いて成膜されるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物を形成し、その上にＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１の原子数比のターゲットを用いて成膜されるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物を積層する３層構造としてもよい。
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膜に酸素が含まれる場合、酸素の一部は窒素で置換されてもよい。また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を構成する個々の結晶部分のｃ軸は一定の方向（例えば、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜が形成される基板面、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の表面などに垂直な方向）に揃っていてもよい。または、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を構成する個々の結晶部分のａｂ面の法線は一定の方向（例えば、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜が形成される基板面、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜の表面などに垂直な方向）を向いていてもよい。
なお、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜において、異なる結晶部間で、それぞれａ軸およびｂ軸の向きが異なっていてもよい。本明細書において、「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、「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。
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ＩｎＧａＺｎＯ４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、ＩｎＧａＺｎＯ４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、ＩｎＧａＺｎＯ４の結晶の（１１０）面に帰属される。ＩｎＧａＺｎＯ４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、ＩｎＧａＺｎＯ４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。
なお、酸化物半導体膜は、例えば、非晶質酸化物半導体膜、微結晶酸化物半導体膜、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜のうち、二種以上を有する積層膜であってもよい。
また、酸化物半導体層３０７の厚さは、ゲート電極３１５及びバックゲート電極として機能する半導体基板３０３に負の電圧が印加されたときに、空乏層がチャネル領域に広がり、トランジスタ３００をオフ状態とすることが可能な厚さとする。
第１の端子３０９及び第２の端子３１１は、アルミニウム、クロム、銅、タンタル、チタン、モリブデン、タングステンから選ばれた金属元素、上述した金属元素を成分とする合金、または上述した金属元素を組み合わせた合金などを用いて形成することができる。また、マンガン、マグネシウム、ジルコニウム、ベリリウムのいずれか一または複数から選択された金属元素を用いてもよい。また、第１の端子３０９及び第２の端子３１１は、単層構造でも、二層以上の積層構造としてもよい。例えば、シリコンを含むアルミニウム層の単層構造、アルミニウム層上にチタン層を積層する二層構造、窒化チタン層上にチタン層を積層する二層構造、窒化チタン層上にタングステン層を積層する二層構造、窒化タンタル層上にタングステン層を積層する二層構造、チタン層と、そのチタン層上にアルミニウム層を積層し、さらにその上にチタン層を形成する三層構造などがある。また、アルミニウムに、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の層、または複数組み合わせた合金層、もしくは窒化物層を用いてもよい。
また、第１の端子３０９及び第２の端子３１１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透光性を有する導電性材料を適用することもできる。また、上記透光性を有する導電性材料と、上記金属元素の積層構造とすることもできる。
絶縁層３１３は、プラズマＣＶＤ法やスパッタリング法などで得られる酸化シリコン、酸化アルミニウムなどの酸化絶縁物、酸化窒化シリコンや酸化窒化アルミニウムなどの酸化窒化絶縁物、窒化酸化シリコンなどの窒化酸化絶縁物などを単層または積層して形成することができる。また、絶縁層３１３を上記材料の積層として形成する場合、同じの材料の積層としてもよいし、異なる材料の積層としてもよい。なお、絶縁層３１３と酸化物半導体層３０７の間に第２のバッファ層を設けてもよい。第２のバッファ層は、バッファ層３０５に用いることのできる材料を適宜用いることができる。
ゲート電極３１５は、アルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、ネオジム（Ｎｄ）、スカンジウム（Ｓｃ）から選ばれた金属材料、上述した金属元素を成分とする合金材料、上述した金属元素の窒化物材料などを用いて形成することができる。また、マンガン（Ｍｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ベリリウム（Ｂｅ）のいずれか一または複数から選択された金属元素を含む材料用いてもよい。また、リン等の不純物元素を含有させた多結晶シリコンに代表される半導体、ニッケルシリサイドなどのシリサイドを用いてもよい。
また、ゲート電極３１５は、単層構造でも、二層以上の積層構造としてもよい。例えば、シリコンを含むアルミニウムを用いた単層構造、アルミニウム上にチタンを積層する二層構造、窒化チタン上にチタンを積層する二層構造、窒化チタン上にタングステンを積層する二層構造、窒化タンタル上にタングステンを積層する二層構造、Ｃｕ−Ｍｇ−Ａｌ合金上に銅を積層する二層構造、窒化チタン上に銅を積層し、さらにその上にタングステンを形成する三層構造、タングステン上に銅を積層し、さらにその上に窒化タンタルを形成する三層構造などがある。ゲート電極３１５に銅を用いることにより、ゲート電極３１５及びゲート電極３１５と同じ層で形成される配線の配線抵抗を低減することができる。また、銅を、タングステン、モリブデン、タンタルなどの高融点金属や、該金属の窒化物と積層することで、銅の他の層への拡散を防止できる。
また、ゲート電極３１５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酸素を含む導電性材料を適用することもできる。また、上記酸素を含む導電性材料と、上記金属元素を含む材料の積層構造とすることもできる。
図９に示すトランジスタ３００は、チャネル領域に結晶構造を有する酸化物半導体層３０７を用いるため、耐電圧性が高く、オン抵抗を低減することが可能であり、大電流を流すことが可能である。
以下に、図９（Ａ）に示すトランジスタ３００の作製方法について説明する。
バックゲート電極となる半導体基板３０３上に絶縁層３０２を形成する。本実施の形態では、塩化水素と酸素を用いた熱酸化により、半導体基板３０３表面を酸化させて形成する。または、μ波（例えば、周波数２．４５ＧＨｚ）を用いた高密度プラズマＣＶＤにより、緻密で絶縁破壊が生じにくく、高品質な絶縁層３０２を形成してもよい。
次いで、スパッタリング法、ＣＶＤ法、塗布法、パルスレーザー蒸着法等により、バッファ層３０５を形成する。バッファ層３０５は、半導体基板３０３または絶縁層３０２に含まれる不純物の拡散をブロックできる材料、代表的にはガリウムを含む材料を用いる。
上記構成において、半導体基板３０３は単結晶シリコン基板であり、絶縁層３０２は熱酸化により形成された酸化シリコンである。本実施の形態では、絶縁層３０２と酸化物半導体層３０７の間にバッファ層３０５を設けるため、熱酸化により絶縁層３０２を形成する際に塩化水素を用いても、絶縁層３０２に含まれた塩素の拡散をバッファ層３０５によって防ぐことができる。また、酸化シリコンで形成された絶縁層３０２上に直接酸化物半導体層をスパッタリング法によって形成すると、スパッタリング時に絶縁層３０２中のシリコンが酸化物半導体層中に混入する恐れがあるが、バッファ層３０５により、酸化物半導体層中にシリコンが混入することを防止できる。酸化物半導体層中にシリコンなどの不純物が混入すると、結晶化が阻害されるため、できるだけ混入することを回避することが好ましい。
次いで、バッファ層３０５上に結晶構造を有する酸化物半導体層３０７を形成する。
酸化物半導体層３０７は、スパッタリング法を用い、基板温度を加熱しながら形成して、形成直後に結晶構造を有する酸化物半導体層３０７とすることが好ましい。具体的には、基板温度を１００℃以上７４０℃以下、好ましくは２００℃以上５００℃以下として形成する。
なお、基板温度を２００℃以上とすると、スパッタリングターゲットから微小なスパッタリング粒子が飛翔して基板上にそのスパッタリング粒子がはりつくようにして形成され、且つ、基板が加熱されているため、再配列し高密度な酸化物半導体層となる。
また、酸化物半導体層の形成後に、２００℃以上の加熱処理を行い、さらに緻密な層としてもよい。ただし、酸化物半導体層中の不純物元素（水素や、水など）が低減される際に酸素欠損が生じる恐れがあるため、加熱処理を行う前に、酸化物半導体層上または酸化物半導体層下に酸素過剰の絶縁層を設けておくことが好ましく、加熱処理によって酸化物半導体膜中の酸素欠損を低減することができる。
また、基板温度を４００℃以上として酸化物半導体層を高密度化しておくと、後の９００℃以上の加熱を行ってもピーリングなどの発生を抑えることができる。なお、酸化物半導体層は形成直後に非晶質構造であっても、後に加熱処理を行って、結晶構造を有する酸化物半導体層としてもよい。
また、ＣＡＡＣ−ＯＳを形成するために、以下の条件を適用することが好ましい。
形成される酸化物半導体層中の不純物濃度を低減することで、不純物によって結晶状態が崩れることを抑制できる。例えば、成膜室内に存在する不純物（水素、水、二酸化炭素および窒素など）を低減すればよい。また、スパッタリングガス中の不純物を低減すればよい。具体的には、露点が−８０℃以下、好ましくは−１００℃以下であるスパッタリングガスを用いる。
また、スパッタリングガス中の酸素割合を高め、電力を最適化することでスパッタリング時の被形成面へのプラズマダメージを軽減することが好ましい。スパッタリングガス中の酸素割合は、３０体積％以上、好ましくは１００体積％とする。
ここで、スパッタリング用ターゲットの一例として、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物ターゲットについて説明しておく。Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物ターゲットは、ＩｎＯＸ粉末、ＧａＯＹ粉末およびＺｎＯＺ粉末を所定の比率で混合し、加圧処理後、１０００℃以上１５００℃以下の温度で加熱処理をすることで多結晶であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物ターゲットを作製することができる。なお、Ｘ、ＹおよびＺは任意の正数である。ここで、所定の比率は、例えば、ＩｎＯＸ粉末、ＧａＯＹ粉末およびＺｎＯＺ粉末が、２：２：１、８：４：３、３：１：１、１：１：１、４：２：３または３：１：２のｍｏｌ数比である。なお、粉末の種類、およびその混合する比率は、作製するスパッタリング用ターゲットによって適宜変更すればよい。
バッファ層３０５上に結晶構造を有する酸化物半導体層３０７を形成した後、真空雰囲気下、窒素雰囲気下、酸素雰囲気下、または窒素と酸素の混合雰囲気下で９００℃以上１５００℃以下の加熱処理を行う。また、９００℃以上１５００℃以下の加熱処理を行うことで酸化物半導体の単結晶とほぼ同じレベルの密度と、酸化物半導体の単結晶とほぼ同じレベルの結晶性を得ることができる。
本実施の形態では、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１の原子数比のターゲットを用いて形成されるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物を用い、基板温度を４００℃として、ＣＡＡＣ−ＯＳを形成した後、９５０℃の加熱処理を行う。熱処理後においても、酸化物半導体層３０７は、ｃ軸が酸化物半導体層の被形成面の法線ベクトルまたは表面の法線ベクトルに平行な方向に揃い、かつａｂ面に垂直な方向から見て三角形状または六角形状の原子配列を有し、ｃ軸に垂直な方向から見て金属原子が層状または金属原子と酸素原子とが層状に配列している。
なお、バッファ層３０５を形成した後、クリーンルームの大気に曝して、酸化物半導体層を形成すると、クリーンルーム雰囲気に含まれるボロンがバッファ層３０５と酸化物半導体層の界面に混入する恐れがある。従って、バッファ層３０５を形成した後、大気に触れることなく酸化物半導体層を成膜することが好ましい。どちらもスパッタリング法で形成することができ、ターゲットを変更するだけで連続的に成膜することができる。
次いで、酸化物半導体層上にフォトリソグラフィ工程により形成したレジストを形成し、レジストをマスクとして酸化物半導体層をエッチングして、島状の酸化物半導体層３０７を形成する。島状の酸化物半導体層３０７の側面はテーパー形状となるようにする。なお、結晶構造を有する酸化物半導体層３０７の側面と半導体基板平面がなすテーパー角は、１０°以上７０°以下とする。
なお、フォトリソグラフィ法を用いて導電層や絶縁層上に任意形状のレジストマスクを形成する工程をフォトリソグラフィ工程というが、一般にレジストマスク形成後には、エッチング工程とレジストマスクの剥離工程が行われることが多い。このため、本明細書等においては、特段の説明が無い限り、フォトリソグラフィ工程には、レジストマスクの形成工程と、導電層または絶縁層のエッチング工程と、レジストマスクの剥離工程が含まれているものとする。
次いで、酸化物半導体層３０７上に、スパッタリング法、ＣＶＤ法、蒸着法等により導電層を形成し、フォトリソグラフィ工程を用いて、ソース電極として機能する第１の端子３０９、ドレイン電極として機能する第２の端子３１１、及びこれらと同じ層で形成される配線または電極を形成する。また、第１の端子３０９、及び第２の端子３１１は、印刷法、インクジェット法等を用いて形成すれば、工程数を削減することができる。
次いで、酸化物半導体層３０７、第１の端子３０９、及び第２の端子３１１上に絶縁層３１３を形成する。本実施の形態では、絶縁層３１３として酸化シリコンを用いる。
次いで、絶縁層３１３上にゲート電極３１５を形成する。絶縁層３１３上に、スパッタリング法、ＣＶＤ法、蒸着法等により導電層を形成した後、フォトリソグラフィ工程により、ゲート電極３１５、及びこれと同じ層で形成される配線または電極を形成することができる。本実施の形態では、ゲート電極３１５を形成するための導電層として、窒化タンタルとタングステンの積層を用いる。
以上の工程により、結晶構造を有する島状の酸化物半導体層３０７をチャネル領域に有するトランジスタ３００を作製することができる。そして最後に、トランジスタ３００を放熱板３０１に固定する。
なお、放熱板３０１は、外部に延設しておくことで放熱機能をより高めることができる。例えば図１１に示す斜視図のように、複数のトランジスタ３００が設けられた放熱板３０１を筐体３３０に固定し、放熱板３０１を筐体３３０から外部に延設しておけばよい。
また、筐体３３０は、トランジスタ３００を外部の素子に接続するための、端子Ｓ、端子Ｄ、端子Ｇを有する構成にできる。例えば、端子Ｓはトランジスタ３００の第１の端子３０９に接続され、端子Ｄは第２の端子３１１に接続され、端子Ｇはゲート電極３１５に接続される。また、例えば、放熱板３０１と端子Ｓを接続し、放熱板３０１を端子Ｓとして用いることもできる。
次に、図１０に酸化物半導体層３０７上にｎ型領域３２１を設けたトランジスタ３２０の断面構成の一例を示す。
図１０に示すトランジスタ３２０において、ｎ型領域３２１は、リン、ボロン、または窒素を含み、結晶構造を有する酸化物半導体層である。第１の端子３０９と酸化物半導体層３０７の間、及び第２の端子３１１と酸化物半導体層３０７の間にｎ型領域３２１を形成することで、接触抵抗を低減している。
なお、バッファ層３０５を形成するまでの工程は同一であるため、ここではバッファ層３０５を形成した後の工程を説明する。結晶構造を有する酸化物半導体層を形成した後、プラズマ処理またはイオン注入法によりリン、ボロン、または窒素などの不純物元素を酸化物半導体層の表面近傍に添加する。上記不純物元素を添加した領域は非晶質領域となりやすい。なお、上記不純物元素を添加した領域の下方に結晶部を残存させておくことが好ましい。上記不純物元素を添加した後、真空雰囲気下、窒素雰囲気下、酸素雰囲気下、または窒素と酸素の混合雰囲気下で９００℃以上１５００℃以下の加熱処理を行う。この加熱処理によって上記不純物元素を添加した領域を結晶化させることができる。
次いで、上記不純物元素が添加された酸化物半導体層上に、フォトリソグラフィ法によりレジストを形成し、該レジストをマスクとして酸化物半導体層をエッチングして、島状の酸化物半導体層を形成する。
次いで、第１の端子３０９及び第２の端子３１１を形成するための導電層を形成し、フォトリソグラフィ工程により導電層を選択的にエッチングして第１の端子３０９及び第２の端子３１１を形成する。そして、第１の端子３０９及び第２の端子３１１をマスクとして上記不純物元素を添加した領域を選択的に除去する。こうして、第１の端子３０９及び第２の端子３１１の下方にｎ型領域３２１を形成することができる。
次いで、酸化物半導体層３０７、第１の端子３０９、及び第２の端子３１１上に絶縁層３１３を形成する。
次いで、絶縁層３１３上にゲート電極３１５を形成する。
以上の工程により、結晶構造を有する酸化物半導体層３０７をチャネル領域に有するトランジスタ３２０を作製することができる。そして最後に、トランジスタ３２０を放熱板３０１に固定する。
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
（実施の形態４）
本実施の形態では、不揮発性記憶部２３３に適用可能な半導体装置の構成例について説明する。
図１２に、不揮発性記憶部２３３に適用可能な半導体装置の構成例を示す。図１２（Ａ）に、半導体装置の断面図を、図１２（Ｂ）に半導体装置の平面図を、図１２（Ｃ）に半導体装置の回路図をそれぞれ示す。ここで、図１２（Ａ）は、図１２（Ｂ）のＣ１−Ｃ２、及びＤ１−Ｄ２の二点破線で示した部位の積層構成を示す断面図である。なお、図をわかりやすくするため、図１２（Ｂ）では、一部の構成要素の記載を省略している。
図１２（Ａ）及び図１２（Ｂ）に示す半導体装置は、下部に第１の半導体材料を用いたトランジスタ４６０を有し、上部に第２の半導体材料を用いたトランジスタ４６２と容量素子４６４を有する。本実施の形態では、第１の半導体材料として単結晶シリコンを用い、第２の半導体材料として酸化物半導体を用いる例について説明する。
なお、本実施の形態におけるトランジスタ４６０は上記実施の形態に示したトランジスタ２４２に相当し、トランジスタ４６２は、上記実施の形態に示したトランジスタ２４０に相当し、容量素子４６４は、上記実施の形態に示した容量素子２４１に相当する。また、トランジスタ４６２は、上記実施の形態に示したトランジスタ３００やトランジスタ３２０と同様の構造及び作製方法を適用することができる。
また、上記トランジスタは、いずれもｎチャネル型トランジスタであるものとして説明するが、ｐチャネル型トランジスタを用いることが可能なことはいうまでもない。また、トランジスタの具体的な構成は、ここで開示するものに限定する必要はない。
図１２（Ａ）におけるトランジスタ４６０は、半導体材料（本実施の形態では単結晶シリコン）を含む基板４８５に設けられたチャネル形成領域４１６と、チャネル形成領域４１６を挟むように設けられた不純物領域４２０と、不純物領域４２０に接する金属間化合物領域４２４と、チャネル形成領域４１６上に設けられたゲート絶縁層４０８と、ゲート絶縁層４０８上に設けられたゲート電極４１０と、を有する。なお、図において、明示的にはソース電極やドレイン電極を有しない場合があるが、便宜上、このような状態を含めてトランジスタと呼ぶ場合がある。また、この場合、トランジスタの接続関係を説明するために、ソース領域やドレイン領域を含めてソース電極やドレイン電極と表現することがある。つまり、本明細書において、ソース電極との記載には、ソース領域が含まれうる。
基板４８５において、トランジスタ４６０は素子分離領域４０６により他の半導体素子（図示せず）と分離されている。素子分離領域４０６は、ＬＯＣＯＳ（Ｌｏｃａｌ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｉｌｉｃｏｎ）法またはＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ Ｔｒｅｎｃｈ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）法等を用いて形成することができる。また、トランジスタ４６０を覆うように絶縁層４２８、及び絶縁層４３０が設けられている。なお、トランジスタ４６０において、ゲート電極４１０の側面に側壁絶縁層（サイドウォール絶縁層）を設け、不純物領域４２０に不純物濃度が異なる領域を設けてもよい。
単結晶半導体を用いたトランジスタ４６０は、高速動作が可能である。このため、当該トランジスタを読み出し用のトランジスタとして用いることで、情報の読み出しを高速に行うことができる。本実施の形態では、トランジスタ４６２および容量素子４６４の形成前の処理として、絶縁層４２８、絶縁層４３０にＣＭＰ処理を施し、平坦化された絶縁層４２８、絶縁層４３０としている。この時、同時にゲート電極４１０の上面を露出させる。
絶縁層４２８、絶縁層４３０は、代表的には酸化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、窒化シリコン、窒化アルミニウム、窒化酸化シリコン、窒化酸化アルミニウムなどの無機絶縁材料を用いることができる。絶縁層４２８、絶縁層４３０は、プラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法等を用いて形成することができる。
また、ポリイミド、アクリル樹脂、ベンゾシクロブテン系樹脂、等の有機材料を用いることもできる。また上記有機材料の他に、低誘電率材料（ｌｏｗ−ｋ材料）等を用いることもできる。有機材料を用いる場合、スピンコート法、印刷法などの湿式法によって絶縁層４２８、絶縁層４３０を形成してもよい。
本実施の形態では、絶縁層４２８として窒化シリコン、絶縁層４３０として酸化シリコンを用いる。
絶縁層４３０表面において、少なくとも酸化物半導体層４４４を形成する領域に、平坦化処理を行うことが好ましい。本実施の形態では、研磨処理（例えばＣＭＰ処理）により十分に平坦化した（好ましくは絶縁層４３０表面の平均面粗さは０．１５ｎｍ以下）絶縁層４３０上に酸化物半導体層４４４を形成する。
図１２（Ａ）に示すトランジスタ４６２は、チャネルが形成される半導体層に酸化物半導体を用いたトランジスタである。よって、トランジスタ４６２は、オフ電流が極めて小さく、これを用いることにより長期にわたりデータを保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作を必要としない、或いは、リフレッシュ動作の頻度が極めて少ない半導体記憶装置とすることが可能となるため、消費電力を十分に低減することができる。
トランジスタ４６２は、酸化物半導体層４４４、ソース電極層及びドレイン電極層として機能する電極４４２ａ及び電極４４２ｂ、ゲート絶縁層４４６、ゲート電極４４８を有する。また、電極４４２ａは、トランジスタ４６０のゲート電極４１０に接続する。
トランジスタ４６２上には、絶縁層４３５、絶縁層４５０が設けられている。絶縁層４５０は、プラズマＣＶＤ法やスパッタリング法などで得られる酸化シリコン、酸化アルミニウムなどの酸化絶縁物、窒化シリコン、窒化アルミニウムなどの窒化絶縁物、酸化窒化シリコンや酸化窒化アルミニウムなどの酸化窒化絶縁物、窒化酸化シリコンなどの窒化酸化絶縁物などを単層または積層して形成することができる。また、絶縁層４５０を上記材料の積層として形成する場合、同じの材料の積層としてもよいし、異なる材料の積層としてもよい。本実施の形態では、絶縁層４５０として酸化窒化シリコン上に窒化シリコンを積層した絶縁層を用いる。
絶縁層４３５は、絶縁層４２８、絶縁層４３０、または絶縁層４５０と同様の材料及び方法で形成することができる。本実施の形態では、絶縁層４３５として酸化窒化シリコンを形成し、絶縁層４３５の表面をＣＭＰ処理により平坦化する。
また、絶縁層４３５上の、トランジスタ４６２の電極４４２ａと重畳する領域に電極４５３が設けられており、電極４４２ａ、ゲート絶縁層４４６、絶縁層４５０、絶縁層４３５、電極４５３によって、容量素子４６４が構成される。すなわち、トランジスタ４６２の電極４４２ａは、容量素子４６４の一方の電極として機能し、電極４５３は、容量素子４６４の他方の電極として機能する。なお、容量が不要の場合には、容量素子４６４を設けない構成とすることもできる。また、容量素子４６４は、別途、トランジスタ４６２の上方に設けてもよい。
また、絶縁層４３５上に電極４５３と同じ導電層で形成された電極４５６が設けられている。電極４５６は、絶縁層４３５、絶縁層４５０及びゲート絶縁層４４６に形成された開口を介して電極４４２ｂと接続されている。また、電極４５３および電極４５６上に絶縁層４５２が設けられている。絶縁層４５２上にさらに配線や絶縁層を設けてもよい。
なお、電極４４２ｂ及び電極４５６の接続は、電極４４２ｂと電極４５６を直接接触させて行ってもよいし、電極４４２ｂと電極４５６の間に電極を設け、該電極を介して行ってもよい。また、間に介する電極は、複数であってもよい。
次に、図１２（Ａ）及び図１２（Ｂ）に対応する回路構成の一例を図１２（Ｃ）に示す。
図１２（Ｃ）において、第１の配線（１ｓｔ Ｌｉｎｅ）とトランジスタ４６０のソース電極とは、電気的に接続され、第２の配線（２ｎｄ Ｌｉｎｅ）とトランジスタ４６０のドレイン電極とは、電気的に接続されている。また、第３の配線（３ｒｄ Ｌｉｎｅ）とトランジスタ４６２のソース電極またはドレイン電極の一方とは、電気的に接続され、第４の配線（４ｔｈ Ｌｉｎｅ）と、トランジスタ４６２のゲート電極とは、電気的に接続されている。そして、トランジスタ４６０のゲート電極と、トランジスタ４６２のソース電極またはドレイン電極の他方と、容量素子４６４の一方の電極はノードＮＤと電気的に接続され、第５の配線（５ｔｈ Ｌｉｎｅ）と、容量素子４６４の電極の他方は電気的に接続されている。なお、本実施の形態におけるノードＮＤは、上記実施の形態におけるノードＭ１に相当する。
図１２（Ｃ）に示す半導体装置では、ノードＮＤにデータ（電荷）の書き込み、保持、読み出しが可能である。トランジスタ４６２のオフ電流は極めて小さいため、ノードＮＤの電荷は長時間にわたって保持される。
本実施の形態に示す半導体装置では、チャネル形成領域に酸化物半導体を用いたオフ電流の極めて小さいトランジスタを適用することで、極めて長期にわたりノードＮＤにデータ（電荷）を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作が不要となるか、または、リフレッシュ動作の頻度を極めて低くすることが可能となるため、消費電力を十分に低減することができる。また、電力の供給がない場合（ただし、電位は固定されていることが望ましい）であっても、長期にわたってノードＮＤの電荷を保持することが可能である。
また、本実施の形態に示す半導体装置では、情報の書き込みに高い電圧を必要とせず、素子の劣化の問題もない。例えば、従来の不揮発性メモリのように、フローティングゲートへの電子の注入や、フローティングゲートからの電子の引き抜きを行う必要がないため、ゲート絶縁層の劣化といった問題が全く生じない。すなわち、開示する発明に係る半導体装置では、従来の不揮発性メモリで問題となっている書き換え可能回数に制限はなく、信頼性が飛躍的に向上する。さらに、トランジスタのオン状態、オフ状態によって、情報の書き込みが行われるため、高速な動作も容易に実現しうる。
本実施の形態は、他の実施の形態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。
１００ 家屋
１０１ 照明装置
１０２ 空調装置
１０３ 電話機
１０４ 冷蔵庫
１０５ オーブンレンジ
１０６ 食器洗浄機
１０７ 洗濯機
１０８ コンピュータ
１０９ オーディオ
１１０ テレビジョン
１１１ 自走式掃除機
１１２ 充電ステーション
１１３ 浴室
１１４ 浴室制御装置
１１５ 撮像装置
１１６ 録画装置
１２０ サーバー
１２１ 通信回路
１２２ コントローラー
１２５ 有線ＬＡＮ
１３０ 携帯情報端末
１４０ 電力供給回路
１４１ 電圧調整回路
１４２ 電源スイッチ制御回路
１５１ パワースイッチ
１５２ パワースイッチ
１５３ 受電アンテナ
１５４ 容量素子
１６１ 配線
１６２ 配線
２００ 電気機器
２１１ 負荷
２１２ 有線通信回路
２１３ 無線通信回路
２１４ 蓄電装置
２１５ 通信回路
２１６ 電圧検出回路
２２１ 電力放射回路
２２２ 送電アンテナ
２３１ ＣＰＵ
２３２ 揮発性記憶部
２３３ 不揮発性記憶部
２４０ トランジスタ
２４１ 容量素子
２４２ トランジスタ
２４３ トランジスタ
２４４ トランジスタ
２４５ セレクタ
２４６ インバータ
２４７ 容量素子
２４８ フリップフロップ
３００ トランジスタ
３０１ 放熱板
３０２ 絶縁層
３０３ 半導体基板
３０５ バッファ層
３０７ 酸化物半導体層
３０９ 端子
３１１ 端子
３１３ 絶縁層
３１５ ゲート電極
３２０ トランジスタ
３２１ ｎ型領域
３３０ 筐体
１５１Ｔ トランジスタ
１５２Ｔ トランジスタ
Ｍ１ ノード
Ｍ２ ノード
ＮＤ ノード

Claims (3)

  1. 携帯情報端末と、サーバーと、電気機器と、を有し、
    前記電気機器は、通信回路と、電力供給回路と、負荷と、を有し、
    前記電力供給回路は、第１のトランジスタと、第２のトランジスタと、電圧調整回路と、電源スイッチ制御回路と、を有し、
    前記第１のトランジスタのゲートは、前記電源スイッチ制御回路に接続され、
    前記第２のトランジスタのゲートは、前記電源スイッチ制御回路に接続され、
    前記第１のトランジスタのソース又はドレインの一方は、前記電圧調整回路に接続され、
    前記第２のトランジスタのソース又はドレインの一方は、前記電圧調整回路に接続され
    前記負荷は、ＣＰＵを有し、
    前記ＣＰＵは、揮発性記憶素子と、不揮発性記憶素子と、を有し、
    前記不揮発性記憶素子は、第３のトランジスタと、第４のトランジスタと、容量素子と、を有し、
    前記第３のトランジスタのソース又はドレインの一方は、前記揮発性記憶素子と接続され、
    前記第３のトランジスタのソース又はドレインの他方は、前記容量素子及び前記第４のトランジスタのゲートと接続され、
    前記第３のトランジスタのゲートは、書き込み制御信号が入力され、
    前記第４のトランジスタのソース又はドレインの一方は、前記揮発性記憶素子と接続され、
    前記サーバーは、前記携帯情報端末と情報の送受信を行い、
    前記電気機器は、前記通信回路により前記サーバーと前記情報の送受信を行い、
    前記電源スイッチ制御回路は、前記サーバーから受信した前記情報により前記第１のトランジスタ及び前記第２のトランジスタのオン状態とオフ状態が制御し、
    前記電圧調整回路は、前記負荷に電力を供給し、
    前記第１のトランジスタ乃至前記第３のトランジスタの各々は、チャネル形成領域に酸化物半導体を有し、
    前記酸化物半導体は、結晶部を有し、
    前記結晶部は、ｃ軸配向していることを特徴とする遠隔操作システム。
  2. 請求項１において、
    前記携帯情報端末と前記サーバーは、電話回線またはインターネット回線により接続されることを特徴とする遠隔操作システム。
  3. 請求項１又は請求項２において、
    前記サーバーと前記電気機器は、無線通信により前記情報の送受信が行われることを特徴とする遠隔操作システム。
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