JP6608988B2 - 蓄電システム - Google Patents

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Description

本発明の一形態は、物（プロダクト、機械（マシン）、製品（マニュファクチャ）、組成
物（コンポジション・オブ・マター）を含む。）、及び方法（プロセス。単純方法及び生
産方法を含む。）に関する。特に、本発明の一形態は、蓄電システム、蓄電装置、半導体
装置、若しくはその他の電気機器、それらの駆動方法、又はそれらの製造方法に関する。
なお、蓄電装置とは、蓄電機能を有する素子及び装置全般を指すものである。また、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、トランジスタ、半
導体回路、記憶装置、撮像装置、表示装置、電気光学装置および電子機器などは、全て半
導体装置になりうる。また、蓄電装置も半導体装置になりうる。
近年、リチウムイオン二次電池及びリチウムイオンキャパシタなど、蓄電装置の開発が行
われている。
それに伴い、リチウムイオン二次電池の正極活物質として、リチウムを安定して供給でき
る材料の開発が続けられている。
例えば、リチウム供給源として、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）等リチウム（Ｌｉ
）及びコバルト（Ｃｏ）を含む化合物などが知られている（特許文献１参照）。
特開２００９−２９５５１４号公報
蓄電装置には大容量化、長寿命化、高信頼性化などの電池性能の向上が求められている。
電池性能の向上を実現するためには、蓄電装置の使用環境や、動作状況の解析が必要とな
る。
例えば、モバイルコンピュータや携帯情報端末などの電子機器に付属して電力を供給する
する蓄電装置では、電子機器が有する記憶手段に蓄電装置の動作状況が記憶される場合が
ある。このような場合、電子機器の破損や、電子機器と蓄電装置の分離が生じると、蓄電
装置のみではそれまで記憶された蓄電装置の使用環境や動作状態の情報が取得できないと
いう問題がある。
本発明の一態様は、動作状況の解析が容易な蓄電装置などの提供を課題の一つとする。
本発明の一態様では、新規な蓄電装置などを提供することを課題の一つとする。
本発明の一態様では、破裂しにくい蓄電装置などを提供することを課題の一つとする。
本発明の一態様では、発火しにくい蓄電装置などを提供することを課題の一つとする。
本発明の一態様では、劣化しにくい蓄電装置などを提供することを課題の一つとする。
本発明の一態様は、動作状況の解析が容易な蓄電システムなどの提供を課題の一つとする
。
本発明の一態様では、新規な蓄電システムなどを提供することを課題の一つとする。
特に、本発明の一態様は、上記に掲げる課題のうち少なくとも一つを解決することができ
る場合がある。なお、本発明の一態様は、これらの課題の全てを解決する必要はないもの
とする。なお、上記に掲げる課題に含まれていない課題であっても、明細書、図面又は特
許請求の範囲等の記載から自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面又は特許請求の
範囲等などの記載から、課題として抽出することができる。
二次電池に、測定手段であるセンサと、判定手段であるマイクロコントローラユニット（
以下、「ＭＣＵ」ともいう。ＭＣＵ：Ｍｉｃｒｏ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）と、記憶
手段であるメモリを付加する。センサにより二次電池の電池残量、電圧、電流、温度など
の状態を測定する。ＭＣＵは、測定結果を演算処理して二次電池の動作状態（以下、「動
作モード」ともいう）を判定する。また、ＭＣＵは、二次電池の動作状態に応じて、測定
結果をメモリに記憶する。センサの一例としては、二次電池の温度を測定する温度センサ
、二次電池の電圧を測定する電圧センサ、二次電池の電荷蓄積量を測定するクーロンカウ
ンタなどを挙げることができる。
また、ＭＣＵは一定時間ごとにセンサから得られた情報（データ）を演算処理し、二次電
池がどのような動作モードで動作しているかを判定する。メモリは、動作モードに応じた
複数の記憶領域を有し、センサから得られたデータを、ＭＣＵが判定した動作モードに対
応した記憶領域に記憶する。なお、動作モードによっては、データを記憶しない場合もあ
りうる。
メモリは、電力が供給されていない状態でもデータを保持できるメモリ（以下、「不揮発
性メモリ」ともいう）を用いることが好ましい。不揮発性メモリを用いることで、二次電
池が正常に機能できない状態になっても、記憶された情報を読み出すことができる。また
、不揮発性メモリは、酸化物半導体を用いた記憶素子を用いて構成することが好ましい。
酸化物半導体を用いた記憶素子は、１００℃乃至２００℃の環境下においても記憶された
情報を保持することができる。
また、ＭＣＵは、揮発性記憶部と不揮発性記憶部を有する。揮発性記憶部は一つまたは複
数の揮発性記憶素子を有し、不揮発性記憶部は一つまたは複数の不揮発性記憶素子を有す
る。不揮発性記憶素子は、少なくとも電力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。不揮発性記憶部を有するＭＣＵを用いることで
、一定時間毎に動作と停止を繰り返す間欠動作を容易に実現することが可能となる。また
、不揮発性記憶部は、酸化物半導体を用いた記憶素子を用いて構成することが好ましい。
不揮発性記憶部に酸化物半導体を用いた記憶素子を用いることで、ＭＣＵの消費電力を低
減することができる。なお、ＭＣＵの不揮発性記憶部の少なくとも一部を、上記メモリと
して用いることも可能である。
本発明の一態様は、二次電池と、センサと、ＭＣＵと、酸化物半導体を有するメモリを有
し、ＭＣＵは、センサを介して二次電池と接続され、メモリは、ＭＣＵと接続されている
ことを特徴とする。
本発明の一態様は、二次電池と、センサと、ＭＣＵを有し、ＭＣＵは、センサを介して前
記二次電池と接続され、ＭＣＵは、酸化物半導体を有するメモリを有することを特徴とす
る。
本発明の一態様は、複数の動作状態を有する二次電池と、二次電池の電池残量、電圧、お
よび電流の情報を測定する測定手段と、二次電池の動作状態を判定する判定手段と、二次
電池の動作状態に応じた記憶領域を有する記憶手段と、を有し、情報を動作状態に応じた
記憶領域に記憶することを特徴とする。
本発明の一態様は、複数の動作状態を有する二次電池と、二次電池の状態を測定する測定
手段と、二次電池の動作状態を判定する判定手段と、動作状態に応じた記憶領域を有する
記憶手段を有し、判定手段は、測定手段の情報をもとに動作状態を判定し、動作状態の開
始時と終了時の情報を、動作状態に応じた前記記憶領域に記憶することを特徴とする。
本発明の一態様により、動作状況の解析が容易な蓄電装置を提供することができる。
本発明の一態様により、新規な蓄電装置を提供することができる。
蓄電装置の構成例を説明するブロック図。 二次電池の各動作モードを説明する図。 蓄電装置の動作例を説明するフローチャート。 蓄電装置の動作例を説明するフローチャート。 蓄電装置の動作例を説明するフローチャート。 ＭＣＵの構成例を説明するブロック図。 不揮発性記憶部を有するレジスタの一例を説明する回路図。 記憶装置の一例を説明する図。 記憶装置の一例を説明する図。 記憶装置の回路図およびメモリセルの電気特性を示す図。 トランジスタの構成例を示す図。 トランジスタの構成例を示す図。 酸化物積層膜の構成例を示す図。 バンド構造の模式図。 酸化物積層膜の断面構成例の一部を示す図。 半導体装置の断面構造の一例を示す図。 二次電池の正極を説明する図。 二次電池の負極を説明する図。 二次電池の構成例を説明する図。 二次電池の構成例を説明する図。 蓄電装置の構成例を説明する図。 ＨＥＭＳの構成例を説明する図。 電気機器の一例を説明する図。 電気機器の一例を説明する図。
以下では、本発明の一態様を実施するための形態について図面を用いて詳細に説明する。
ただし、本発明は以下の説明に限定されず、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。また、本発明の一態様は、以下に示す発明を実施
するための形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
以下に説明する本発明の構成において、同一部分又は同様の機能を有する部分には同一の
符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する。また、同様の機能
を有する部分を指す場合には、ハッチパターンを同じくし、特に符号を付さない場合があ
る。
本明細書で説明する各図において、各構成の大きさ、膜の厚さ、又は領域は、明瞭化のた
めに誇張されている場合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。
本明細書等において、第１、第２等として付される序数詞は便宜上用いるものであり、工
程順又は積層順を示すものではない。また、本明細書等において発明を特定するための事
項として固有の名称を示すものではない。
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、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。
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。
また、本明細書等において接続とは、電気的に接続される場合、機能的に接続される場合
、及び直接接続される場合を含む。さらに、本発明の一態様を実施するための形態に示す
各構成要素の接続関係は、図又は文章に示す接続関係のみに限定されない。
また、本明細書等においては、能動素子（トランジスタ、ダイオードなど）、受動素子（
容量素子、抵抗素子など）などが有するすべての端子について、その接続先を特定しなく
ても、当業者であれば、発明の一態様を構成することは可能な場合がある。つまり、接続
先を特定しなくても、発明の一態様が明確であり、本明細書等に記載されていると判断す
ることが可能な場合がある。特に、端子の接続先が複数考えられる場合には、その端子の
接続先を特定の箇所に限定する必要はない。従って、能動素子（トランジスタ、ダイオー
ドなど）、受動素子（容量素子、抵抗素子など）などが有する一部の端子についてのみ、
その接続先を特定することによって、発明の一態様を構成することが可能な場合がある。
また、本明細書等においては、ある回路について、少なくとも接続先を特定すれば、当業
者であれば、発明を特定することが可能な場合がある。又は、ある回路について、少なく
とも機能を特定すれば、当業者であれば、発明を特定することが可能な場合がある。つま
り、機能を特定すれば、発明の一態様が明確であり、本明細書等に記載されていると判断
することが可能な場合がある。または、ある回路について、機能を特定しなくても、接続
先を特定すれば、発明の一態様として開示されているものであり、発明の一態様を構成す
ることが可能である。又は、ある回路について、接続先を特定しなくても、機能を特定す
れば、発明の一態様として開示されているものであり、発明の一態様を構成することが可
能である。
また、本明細書等において、二次電池用の正極及び負極の双方を併せて電極とよぶことが
あるが、この場合、電極は正極及び負極のうち少なくともいずれか一方を示すものとする
。
なお、本明細書における回路記号において、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「ＯＳ」と記載する場合がある。
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」お
よび「直交」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。
なお、明細書の中の図面や文章において規定されていない内容について、その内容を除く
ことを規定した発明を構成できる。又は、ある値について、上限値と下限値などで示され
る数値範囲が記載されている場合、該数値範囲を任意に狭める、又は該数値範囲の中の一
点を除くことで、該数値範囲を一部除いて発明を規定できる。これらにより、例えば、従
来技術が本発明の技術的範囲内に入らないことを規定できる。
また、この発明を実施するための形態に記載の内容は、適宜組み合わせて用いることがで
きる。
《１．蓄電装置》
［１−１．蓄電装置１００の構成例］
図１（Ａ）は、蓄電装置１００の構成例を示すブロック図である。図１（Ａ）に示す蓄電
装置１００は、端子１０２および端子１０３に接続された二次電池１０１と、センサ１０
４と、ＭＣＵ１０５と、メモリ１０６を有する。
二次電池１０１への充電や、二次電池１０１から図示しない負荷への電力供給（放電）は
、端子１０２および端子１０３を介して行われる。二次電池１０１には、二次電池１０１
の状態を検出するためのセンサ１０４が接続される。センサ１０４にはＭＣＵ１０５が接
続される。ＭＣＵ１０５は、センサ１０４から得られた情報を演算処理し、二次電池１０
１がどのような動作モードにあるかを判断する。
メモリ１０６は一または複数の記憶領域を有する。図１（Ａ）では、複数の記憶領域とし
て、記憶領域１０６ａ、記憶領域１０６ｂ、記憶領域１０６ｃを例示している。ＭＣＵ１
０５は、センサ１０４から得られた情報をメモリ１０６が有する記憶領域に記憶する。メ
モリ１０６に複数の記憶領域を設けることで、動作モードと記憶領域を対応させて情報を
記憶することができる。
メモリ１０６は、不揮発性メモリを用いることが好ましい。不揮発性メモリを用いること
で、電力の供給が無くても記憶された情報を保持することができる。よって、二次電池が
正常に機能できない状態になっても、記憶された情報を読み出すことができる。また、不
揮発性メモリは、酸化物半導体を用いた記憶素子を用いて構成することが好ましい。
ＭＣＵ１０５は、揮発性記憶部と不揮発性記憶部を有する。不揮発性記憶部を有するＭＣ
Ｕを用いることで、一定時間毎に動作と停止を繰り返す間欠動作を容易に実現することが
可能となる。また、不揮発性記憶部は、酸化物半導体を用いた記憶素子を用いて構成する
ことが好ましい。不揮発性記憶部に酸化物半導体を用いた記憶素子を用いることで、ＭＣ
Ｕの消費電力を低減することができる。なお、ＭＣＵ１０５の不揮発性記憶部の少なくと
も一部を、メモリ１０６として用いることも可能である。
［１−２．蓄電装置１００の変形例］
図１（Ｂ）に蓄電装置１００の変形例を示す。図１（Ｂ）に示す蓄電装置１００は、セン
サ１０４として、温度センサ１０４ａ、クーロンカウンタ１０４ｂ、電圧計１０４ｃ、電
流計１０４ｄを用いる構成例を示している。
また、図１（Ｂ）に示す蓄電装置１００は、メモリ１０６を、ＭＣＵ１０５の内部に設け
る構成を例示している。また、図１（Ｂ）に示す蓄電装置１００は、ＭＣＵ１０５に接続
された通信手段１０７を設け、通信手段１０７を介して外部機器（図示せず）と情報の送
受信を行うことが可能な構成としている。
通信手段１０７を用いた外部機器（図示せず）との情報の送受信は、１００ＢＡＳＥ−Ｔ
Ｘや１０００ＢＡＳＥ−ＴＸ、ＰＬＣ（Ｐｏｗｅｒ Ｌｉｎｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉ
ｏｎ）などの通信規格を用いた有線通信により行ってもよいし、ＩＥＥＥ８０２．１１ａ
、ＩＥＥＥ８０２．１１ｂ、ＩＥＥＥ８０２．１１ｇ、ＩＥＥＥ８０２．１１ｎ、ＩＥＥ
Ｅ８０２．１５．１などの通信規格を用いた無線通信により行ってもよい。
また、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、通信内容は暗号化する
ことが好ましい。通信内容を暗号化するための規格として、ＡＥＳ（Ａｄｖａｎｃｅｄ
Ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ Ｓｔａｎｄａｒｄ）方式、ＴＫＩＰ（Ｔｅｍｐｏｒａｌ Ｋｅｙ
Ｉｎｔｅｇｒｉｔｙ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）方式、ＷＥＰ（Ｗｉｒｅｄ Ｅｑｕｉｖａｌ
ｅｎｔ Ｐｒｉｖａｃｙ）方式などを用いることができる。
なお、センサ１０４、ＭＣＵ１０５、メモリ１０６、通信手段１０７には、端子１０２お
よび端子１０３を介して電力が供給される。すなわち、端子１０２および端子１０３に外
部電源から電力が供給されている場合は、外部電源から電力が供給され、そうでない場合
は、二次電池１０１から電力が供給される。
なお、図１において、メモリ１０６やＭＣＵ１０５を有する場合について述べたが、本発
明の実施形態の一態様は、これに限定されない。場合によっては、または、状況に応じて
、メモリ１０６やＭＣＵ１０５を設けないことも可能である。
［１−３．蓄電装置１００の動作モード］
蓄電装置１００の動作は、二次電池１０１に電荷を蓄積する充電動作（充電モード２１１
）と、二次電池１０１に接続された負荷に電力を供給する放電動作（放電モード２２１）
と、充電動作も放電動作も行わない待機動作（待機モード２３１）に大別される。
図２に、二次電池１０１の各動作モードにおける電流および電圧の時間変化を例示する。
図２（Ａ）は、充電モード２１１における二次電池１０１の電流と電圧の時間変化を示す
図である。図２（Ｂ）は、放電モード２２１、および待機モード２３１における二次電池
１０１の電流と電圧の時間変化を示す図である。
図２（Ａ）、図２（Ｂ）とも、横軸は時間を示し、縦軸は電流または電圧の大きさ（絶対
値）を示している。また、電流曲線２０１は時間の経過とともに変化する電流の大きさを
示している。また、電圧曲線２０２は、時間の経過とともに変化する電圧の大きさを示し
ている。
二次電池１０１の充電は、外部電源から供給される電力を、端子１０２および端子１０３
を介して二次電池１０１へ供給することで行われる。また、二次電池１０１の充電方法は
、充電時に二次電池１０１へ供給する電流（充電電流）を一定値として行う定電流充電モ
ード２１２と、充電時に二次電池１０１へ供給する電圧（充電電圧）を一定値として行う
定電圧充電モード２１３がある。特に充電される二次電池１０１の出力電圧が小さい場合
に、定電圧充電モード２１３で充電を行うと、二次電池１０１に急激に大電流が供給され
て、二次電池１０１に破裂や発火を起させる恐れがある。このため、二次電池１０１の充
電は定電流充電モード２１２で行うことが好ましい。
また、充電モード２１１は、定電流充電モード２１２、定電圧充電モード２１３、および
注ぎ足し充電モード２１４に分けて考えることができる。
ここで、定電流充電モード２１２による充電動作について説明しておく。定電流充電モー
ド２１２は、充電電流が一定になるように、二次電池１０１に電力を供給する。充電が開
始されると二次電池１０１の内部抵抗が上昇する。すると、充電電流の値を一定とするた
め、充電電圧が上昇する。定電流充電モード２１２による充電は、充電電圧が事前に設定
された電圧Ｖｃｎｓに上昇するまで行われる。
続いて、定電圧充電モード２１３による充電動作について説明しておく。二次電池は、充
電電圧が大きくなりすぎると、劣化または破損する恐れがある。よって、定電流充電モー
ド２１２による充電の終了後、充電電圧を定電圧Ｖｃｎｓとして二次電池１０１に電力を
供給する。定電圧充電モード２１３により充電することで、充電電圧の上昇を防ぎながら
二次電池１０１に充電することができる。
また、充電電圧を一定として充電すると、二次電池１０１の内部抵抗の上昇にともない、
充電電流が低下する。定電圧充電モード２１３による充電は、充電電流が事前に設定され
た電流Ｉｃｕｔｏｆｆに低下するまで行われる。
なお、注ぎ足し充電モード２１４は、充電電圧が電圧Ｖｃｎｓの５０％以上の時に行われ
る充電動作であり、定電流充電モード２１２と同様に、充電電流が一定となるように行わ
れる。
放電モード２２１は、端子１０２および端子１０３を介して二次電池１０１に接続された
負荷に、二次電池１０１が電力を供給する動作である。二次電池１０１が負荷に供給する
電流（出力電流）の大きさは、負荷の大きさにより変動する。また、電力の供給にともな
い、二次電池１０１が出力する電圧が低下する。
また、負荷の破損や、端子１０２および端子１０３の短絡などの理由により、出力電流が
急激に大きくなる場合がある。急激な放電は、二次電池１０１を痛めやすく、二次電池１
０１の充電容量の低下や、電池寿命の低下の一因となりうる。このように、出力電流が大
きい放電モードを急速放電モード２２２という。
なお、自然放電などによる電圧の低下以外に二次電池１０１に電力の入出力が行われない
状態を待機モードという。
［１−４．蓄電装置１００の動作例］
センサ１０４およびＭＣＵ１０５により、二次電池１０１の動作状況を常に監視すること
ができる。例えば、温度センサ１０４ａにより二次電池１０１の温度を測定することがで
きる。また、電圧計１０４ｃにより、二次電池１０１の充放電電圧を測定することができ
る。また、電流計１０４ｄにより、二次電池１０１の充放電電流を測定することができる
。
クーロンカウンタ１０４ｂは、端子１０２または端子１０３と二次電池１０１の間を流れ
る電流を検出抵抗により電圧に変換し、該電圧をもとに検出抵抗を流れた電荷量を算出す
る。クーロンカウンタ１０４ｂの測定結果をもとに、二次電池１０１の電荷蓄積量（電池
残量）を見積もることができる。また、一定時間あたりの電池残量の変化をもとに、電流
値を算出することができる。よって、電流計１０４ｄを設けずに、クーロンカウンタ１０
４ｂを電流計として用いることもできる。
なお、急速放電モードに対応するため、センサ１０４およびＭＣＵ１０５による測定周期
は、１ｍｓ以下、好ましくは１００μｓ以下とする。
充電モード２１１において、二次電池１０１の電池残量、電圧変化、温度変化を計測する
ことで二次電池１０１の状態を推測することができる。また、放電モード２２１において
、定格電流を超えた電力供給動作が発生すると、電池特性や電池寿命の劣化が生じやすい
。
また、センサ１０４およびＭＣＵ１０５により二次電池１０１の温度を監視し、例えば、
二次電池１０１が一定温度以上になった時の温度データを、メモリ１０６の記憶領域１０
６ｃに記憶する。
特に、待機モード２３１や、通常の放電モード（急速放電モード２２２以外の放電モード
２２１）における二次電池１０１の温度を記憶することで、二次電池１０１の保管温度や
、使用温度を後に推測することができる。また、二次電池１０１の温度を監視することで
、発火等の事故を防ぐことが可能になる。
また、少なくとも、定電流充電モード２１２、定電圧充電モード２１３、および急速放電
モード２２２において、少なくとも、各モードの開始時点と終了時点における電池残量、
電圧、電流、および温度などの二次電池１０１の状態を示す電池情報と、各モードの開始
から終了までの時間と、急速放電モード２２２期間中に流れた最大電流値をメモリ１０６
に記憶することで、二次電池１０１の不良解析を効率よく行うことができる。
本発明の一態様の蓄電装置１００の動作例として、センサ１０４で得られた情報をもとに
ＭＣＵ１０５が動作モードを判定し、メモリ１０６内に設けられた記憶領域にセンサ１０
４で得られた情報を記憶する動作について説明する。
以下、図３乃至図５のフローチャートを用いて、充電モード２１１時の動作記録を記憶領
域１０６ａに記憶し、放電モード２２１の動作記録を記憶領域１０６ｂに記憶する動作例
について説明する。具体的には、定電流充電モード２１２および定電圧充電モード２１３
の、開始時点と終了時点における電池情報と開始から終了までの時間をメモリ１０６の記
憶領域１０６ａに記憶する動作と、急速放電モード２２２の開始時点と終了時点における
電池情報と、開始から終了までの時間と、急速放電モード２２２期間中の最大電流値をメ
モリ１０６の記憶領域１０６ｂに記憶する動作例について説明する。
ここでは定電流充電モードと判定された時にモードフラグの値を１とし、定電圧充電モー
ドと判定された時にモードフラグの値を２とし、急速放電モードと判定された時にモード
フラグの値を３とし、これら以外の動作モードの場合はモードフラグの値を０としている
。
［１−４−１．定電流充電モードの判定と電池情報の記憶動作］
まず、ＭＣＵ１０５による定電流充電モード２１２の判定と、電池情報の記憶動作につい
て説明する。はじめに、ＭＣＵ１０５内に設定された、動作モードを判定するためのモー
ドフラグの値を０にする（ステップＳ３０１、図３（Ａ）参照）。
次に、ＭＣＵ１０５は、クーロンカウンタ１０４ｂの測定結果をもとに、前回測定時より
も二次電池１０１の電池残量が増加しているか否かを判断する（ステップＳ３０２）。
前回測定時よりも電池残量が増加している場合は、次に、前回測定時よりも電圧が大きく
なっているか否かを判断する（ステップＳ３０３）。
前回測定時よりも電圧が大きくなっている場合は、モードフラグが２か否かを確認する（
ステップＳ３０４、図４参照）。モードフラグが２でない場合は、次に、モードフラグが
１でないことを確認する（ステップＳ３０６）。ここで、モードフラグが１でない場合は
、動作モードが定電流充電モード２１２に切り替わったと判断し、メモリ１０６の記憶領
域１０６ａに電池残量、電圧、電流、温度などの電池情報を記憶する。また、モードフラ
グを１にする（ステップＳ３０７）。
次に、時間の計測を開始する（ステップＳ３０８）。次に、一定時間、測定動作を停止す
る。この時の停止時間はメモリ１０６の記憶容量などにより決定すればよい。ここでは、
停止時間を１分とする（ステップＳ３０９）。
一定時間停止した後、再度ステップＳ３０２にもどり、前回測定時よりも二次電池１０１
の電池残量が増加しているか否かを判断する（図３（Ａ）参照）。
前回測定時よりも電池残量が増加している場合は、次に、前回測定時よりも電圧が大きく
なっているか否かを判断する（ステップＳ３０３）。前回測定時よりも電圧が大きくなっ
ている場合、モードフラグが２か否かを確認する（ステップＳ３０４、図４参照）。モー
ドフラグが２でない場合は、次に、モードフラグが１でないこと確認する（ステップＳ３
０６）。
モードフラグが１の場合、ステップＳ３０７、ステップＳ３０８は行わずに、一定時間測
定動作を停止する（ステップＳ３０９）。
一定時間測定動作を停止した後、再度ステップＳ３０２にもどり、前回測定時よりも二次
電池１０１の電池残量が増加しているか否かを判断する（図３（Ａ）参照）。
充電が終了すると、二次電池１０１の電池残量は増加しない。電池残量が増加していなか
った場合、次に電池残量が減少しているか否かを判断する（ステップＳ３１９、図５参照
）。電池残量が減少していない場合は、モードフラグが０か否かを確認する（ステップＳ
３１６、図３（Ｂ）参照）。モードフラグが０でない場合は、時間の計測を終了し（ステ
ップＳ３１７）、メモリ１０６の記憶領域１０６ａに電池残量、電圧、電流、および温度
などの電池情報と、経過時間を記憶する（ステップＳ３１８）。その後、一定時間測定動
作を停止し（ステップＳ３２７）、再度ステップＳ３０２にもどる。
以上のようにして、定電流充電モード２１２であることの判定と、定電流充電モード２１
２の開始時点と終了時点における電池残量、電圧、電流、および温度の情報と、定電流充
電モード２１２の開始から終了までの時間をメモリ１０６に記憶することができる。
［１−４−２．定電圧充電モードの判定と電池情報の記憶動作］
次に、ＭＣＵ１０５による定電圧充電モード２１３の判定と、電池情報の記憶動作につい
て説明する。はじめに、モードフラグの値を０にする（ステップＳ３０１、図３（Ａ）参
照）。
次に、ＭＣＵ１０５は、クーロンカウンタ１０４ｂの測定結果をもとに、前回測定時より
も二次電池１０１の電池残量が増加しているか否かを判断する（ステップＳ３０２）。
前回測定時よりも電池残量が増加している場合は、次に、前回測定時よりも電圧が大きく
なっているか否かを判断する（ステップＳ３０３）。
前回測定時よりも電圧が大きくなっていない場合は、モードフラグが１か否かを確認する
（ステップＳ３１０、図４参照）。モードフラグが１でない場合は、次に、モードフラグ
が２でないこと確認する（ステップＳ３１２）。ここで、モードフラグが２でない場合は
、動作モードが定電圧充電モード２１３に切り替わったと判断し、メモリ１０６の記憶領
域１０６ａに電池残量、電圧、電流、温度などの電池情報を記憶する。また、モードフラ
グを２にする（ステップＳ３１３）。
次に、時間の計測を開始する（ステップＳ３１４）。次に、一定時間、測定動作を停止す
る（ステップＳ３１５）。
一定時間停止した後、再度ステップＳ３０２にもどり、前回測定時よりも二次電池１０１
の電池残量が増加しているか否かを判断する（図３（Ａ）参照）。
前回測定時よりも電池残量が増加している場合は、次に、前回測定時よりも電圧が大きく
なっているか否かを判断する（ステップＳ３０３）。前回測定時よりも電圧が大きくなっ
ていない場合は、モードフラグが１か否かを確認する（ステップＳ３１０、図４参照）。
モードフラグが１でない場合は、次に、モードフラグが２でないこと確認する（ステップ
Ｓ３１２）。
モードフラグが２の場合、ステップＳ３１３、ステップＳ３１４は行わずに、再度、一定
時間測定動作を停止する（ステップＳ３１５）。
一定時間測定動作を停止した後、再度ステップＳ３０２にもどり、前回測定時よりも二次
電池１０１の電池残量が増加しているか否かを判断する（図３（Ａ）参照）。
充電が終了すると、二次電池１０１の電池残量は増加しない。電池残量が増加していなか
った場合、次に電池残量が減少しているか否かを判断する（ステップＳ３１９、図５参照
）。電池残量が減少していない場合は、モードフラグが０か否かを確認する（ステップＳ
３１６、図３（Ｂ）参照）。モードフラグが０でない場合は、時間の計測を終了し（ステ
ップＳ３１７、図３（Ｂ）参照）、メモリ１０６の記憶領域１０６ａに電池残量、電圧、
電流、および温度などの電池情報と、経過時間を記憶する（ステップＳ３１８）。その後
、一定時間測定動作を停止し（ステップＳ３２７）、再度ステップＳ３０２にもどる。
以上のようにして、定電圧充電モード２１３であることの判定と、定電圧充電モード２１
３の開始時点と終了時点における電池残量、電圧、電流、および温度などの電池情報と、
定電圧充電モード２１３の開始から終了までの時間をメモリ１０６に記憶することができ
る。
［１−４−３．定電流充電モードから定電圧充電モードへ切り替わった時の記憶動作］
次に、ＭＣＵ１０５による、定電流充電モード２１２から定電圧充電モード２１３へ切り
替わった時の判定と、電池情報の記憶動作について説明する。
ここでは、すでにＭＣＵ１０５により二次電池１０１が定電流充電モード２１２で動作し
ていると判定されているものとする。すなわち、定電流充電モード２１２の開始時点の電
池情報が記憶されており、時間の計測が開始されており、モードフラグが１となっている
ものとする。
ステップＳ３０９の終了後、再度ステップＳ３０２にもどり、前回測定時よりも二次電池
１０１の電池残量が増加しているか否かを判断する（図３（Ａ）参照）。
前回測定時よりも電池残量が増加している場合は、次に、前回測定時よりも電圧が大きく
なっているか否かを判断する（ステップＳ３０３）。
この時、二次電池１０１の動作モードが定電圧充電モード２１３に切り替わっている場合
は、前回測定時よりも電圧が大きくなっていない。よって、次に、ステップＳ３１０に進
み、モードフラグの値が１か否かを確認する（図４参照）。
モードフラグの値は１であるため、時間の計測を終了し（ステップＳ３２６）、電池残量
、電圧、電流、および温度などの電池情報と、定電流充電モード２１２の開始から終了ま
での時間をメモリ１０６の記憶領域１０６ａに記憶する（ステップＳ３１１）。また、モ
ードフラグを２にする。ステップＳ３１１で記憶された電池情報は、定電流充電モード２
１２の終了時点での電池情報であり、定電圧充電モード２１３の開始時点での電池情報で
もある。
次に、時間の計測を再開する（ステップＳ３１４）。この後の動作は、前述したＭＣＵ１
０５による定電圧充電モード２１３の判定と電池情報の記憶動作と同であるため、その説
明は省略する。
なお、図２では、定電流充電モード２１２の経過時間を確定させるため、定電流充電モー
ド２１２から定電圧充電モード２１３への切り替え時点で一旦時間計測を終了させている
が、時間計測を終了させずに各動作モードの経過時間を算出してもよい。
［１−４−４．定電圧充電モードから定電流充電モードへ切り替わった時の記憶動作］
次に、ＭＣＵ１０５による、定電圧充電モード２１３から定電流充電モード２１２へ切り
替わった時の判定と、電池情報の記憶動作について説明する。
ここでは、すでにＭＣＵ１０５により二次電池１０１が、定電圧充電モード２１３で動作
していると判定されているものとする。すなわち、定電圧充電モード２１３の開始時点の
電池情報が記憶されており、時間の計測が開始されており、モードフラグが２となってい
るものとする。
ステップＳ３１５の終了後、再度ステップＳ３０２にもどり、前回測定時よりも二次電池
１０１の電池残量が増加しているか否かを判断する（図３（Ａ）参照）。
前回測定時よりも電池残量が増加している場合は、次に、前回測定時よりも電圧が大きく
なっているか否かを判断する（ステップＳ３０３）。
この時、二次電池１０１の動作モードが定電流充電モード２１２に切り替わっている場合
は、前回測定時よりも電圧が大きくなっている。よって、次に、ステップＳ３０４に進み
、モードフラグの値が２か否かを確認する（図４参照）。
モードフラグの値は２であるため、時間の計測を終了し（ステップＳ３２５）、電池残量
、電圧、電流、および温度などの電池情報と、定電圧充電モード２１３の開始から終了ま
での時間をメモリ１０６の記憶領域１０６ａに記憶する（ステップＳ３０５）。また、モ
ードフラグを１にする。ステップＳ３０５で記憶された電池情報は、定電圧充電モード２
１３の終了時点での電池情報であり、定電流充電モード２１２の開始時点での電池情報で
もある。
次に、時間の計測を再開する（ステップＳ３０８）。この後の動作は、前述したＭＣＵ１
０５による定電流充電モード２１２の判定と電池情報の記憶動作と同であるため、その説
明は省略する。
［１−４−５．急速放電モードの判定と電池情報の記憶動作］
次に、ＭＣＵ１０５による急速放電モード２２２の判定と、電池情報の記憶動作について
説明する。はじめに、モードフラグの値を０にする（ステップＳ３０１、図３（Ａ）参照
）。
次に、ＭＣＵ１０５は、クーロンカウンタ１０４ｂの測定結果をもとに、前回測定時より
も二次電池１０１の電池残量が増加しているか否かを判断する（ステップＳ３０２）。
前回測定時よりも電池残量が増加していない場合に電池残量が減少しているか否かを判断
する（ステップＳ３１９、図５参照）。
二次電池１０１が放電モードである場合は、二次電池１０１の電池残量は減少する。二次
電池１０１の電池残量が減少している場合、次に電流値が定格電流よりも大きいか否かを
判断する（ステップＳ３２０）。
電流値が定格電流よりも大きい場合は、次に、モードフラグが３でないことを確認する（
ステップＳ３２１）。
ここで、モードフラグが３でない場合は、動作モードが急速放電モード２２２に切り替わ
ったと判断し、メモリ１０６の記憶領域１０６ｂに電池残量、電圧、電流、温度などの電
池情報を記憶する。また、モードフラグを３にする（ステップＳ３２２）。
次に、時間の計測を開始する（ステップＳ３２３）。次に、一定時間、測定動作を停止す
る（ステップＳ３２４）。この時の停止時間は、想定される急速放電の時間の二分の一か
ら十分の一程度とすればよい。一般に、急速放電が行われる時間は１ｍｓ乃至数ｍｓであ
ることが多いため、ここでは停止時間を１００μｓとする。
一定時間停止した後、再度ステップＳ３１９にもどり、前回測定時よりも二次電池１０１
の電池残量が減少しているか否かを判断する。なお、ステップＳ３１９ではなく、ステッ
プＳ３０２にもどっても構わない。
ステップＳ３１９において、前回測定時よりも電池残量が減少している場合は、ステップ
Ｓ３２０において、電流値が定格電流よりも大きいか否かを判断する。
電流値が定格電流よりも大きい場合は、次に、モードフラグが３か否かを確認する（ステ
ップＳ３２１）。ここで、モードフラグが３である場合は、ステップＳ３２２、ステップ
Ｓ３２３は行わずに、再度、一定時間測定動作を停止する（ステップＳ３２４）。
一定時間測定動作を停止した後、再度ステップＳ３１９にもどり、前回測定時よりも二次
電池１０１の電池残量が減少しているか否かを判断する。なお、ステップＳ３１９ではな
く、ステップＳ３０２にもどっても構わない。
放電動作が終了すると、二次電池１０１の電池残量は減少しない。電池残量が減少してい
なかった場合、モードフラグが０か否かを確認する（ステップＳ３１６、図３（Ｂ）参照
）。また、二次電池１０１の電池残量が減少していても、電流値が定格電流よりも大きく
ない場合も、ステップＳ３１６に移動してモードフラグが０か否かを確認する。
ここでは、モードフラグが３であるため、時間の計測を終了し（ステップＳ３１７）、メ
モリ１０６の記憶領域１０６ｂに電池残量、電圧、電流、温度、急速放電モード２２２期
間中の最大電流値などの電池情報と、経過時間を記憶する（ステップＳ３２７）。また、
モードフラグを０にする。その後、ステップＳ３０２へもどる。
以上のようにして、急速放電モード２２２であることの判定と、急速放電モード２２２の
開始時点と終了時点における電池残量、電圧、電流、温度および急速放電モード２２２期
間中に流れた最大電流値などの電池情報と、急速放電モード２２２の開始から終了までの
時間をメモリ１０６に記憶することができる。
［１−４−６．注ぎ足し充電モードの判定と、電池情報の記憶動作］
なお、注ぎ足し充電モード２１４は、充電電圧が電圧Ｖｃｎｓの５０％以上の時に行われ
る定電流充電モード２１２であるため、上記動作例では、定電流充電モード２１２と見な
されて電池情報などが記憶される。
［１−４−７．通常の放電モードおよび待機モードの判定と、電池情報の記憶動作］
通常の放電モード（急速放電モード２２２以外の放電モード２２１）の場合、モードフラ
グの値は０である。よって、電池残量は減少しているが、ステップＳ３１６においてモー
ドフラグが０と等しいと判断され、電池情報の記憶動作は行わずにステップＳ３０２へも
どる。
また、待機モード２３１の場合、自然放電などの原因により電池容量の減少があったとし
ても、定格電流よりも大きい電流は流れないため、電池情報の記憶動作は行われない。
なお、上記動作例では、通常の放電モードと待機モード２３１における電池情報などの記
憶は行わないが、必要に応じて通常の放電モードと待機モード２３１における電池情報な
どを記憶してもよい。
また、上記動作例では、動作モードに応じてメモリ１０６の異なる記憶領域に電池情報な
どを記憶する構成を例示しているが、本発明の一態様はこれに限定されず、異なる動作モ
ードの電池情報などを同じ記憶領域に記憶してもよい。
《２．ＭＣＵ》
［２−１．ＭＣＵ１０５の構成例］
次に、ＭＣＵ１０５に適用可能な回路７０５の構成例について、図６を用いて説明する。
図６は、回路７０５のブロック図である。
回路７０５は、ＣＰＵ７１０、バスブリッジ７１１、メモリ７１２、メモリインターフェ
イス７１３、コントローラ７２０、割り込みコントローラ７２１、Ｉ／Ｏインターフェイ
ス（入出力インターフェイス）７２２、及びパワーゲートユニット７３０を有する。
回路７０５は、更に、水晶発振回路７４１、タイマー回路７４５、Ｉ／Ｏインターフェイ
ス７４６、Ｉ／Ｏポート７５０、コンパレータ７５１、Ｉ／Ｏインターフェイス７５２、
バスライン７６１、バスライン７６２、バスライン７６３、及びデータバスライン７６４
を有する。更に、回路７０５は、外部装置との接続部として少なくとも接続端子７７０乃
至接続端子７７６を有する。なお、各接続端子７７０乃至接続端子７７６は、１つの端子
または複数の端子でなる端子群を表す。また、水晶振動子７４３を有する発振子７４２が
、接続端子７７２、及び接続端子７７３を介して回路７０５に接続されている。
ＣＰＵ７１０はレジスタ７８５を有し、バスブリッジ７１１を介してバスライン７６１乃
至バスライン７６３、及びデータバスライン７６４に接続されている。
メモリ７１２は、ＣＰＵ７１０のメインメモリとして機能することができる記憶装置であ
り、例えば、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ：Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏ
ｒｙ）が用いられる。メモリ７１２は、ＣＰＵ７１０が処理する命令、命令の実行に必要
なデータ、及びＣＰＵ７１０の処理によるデータを記憶する装置である。ＣＰＵ７１０が
処理する命令により、メモリ７１２へのデータの書き込み、読み出しが行われる。また、
メモリ７１２の一部をメモリ１０６として用いてもよい。
回路７０５では、低消費電力モードでは、メモリ７１２の電力供給が遮断される。そのた
め、メモリ７１２は電力が供給されていない状態でもデータを保持できるメモリで構成す
ることが好ましい。
メモリインターフェイス７１３は、外部記憶装置との入出力インターフェイスである。Ｃ
ＰＵ７１０が処理する命令により、メモリインターフェイス７１３を介して、接続端子７
７６に接続される外部記憶装置へのデータの書き込み及び読み出しが行われる。
クロック生成回路７１５は、ＣＰＵ７１０で使用されるクロック信号ＭＣＬＫ（以下、単
に「ＭＣＬＫ」とも呼ぶ。）を生成する回路であり、ＲＣ発振器等を有する。ＭＣＬＫは
コントローラ７２０及び割り込みコントローラ７２１にも出力される。
コントローラ７２０は回路７０５の制御を行う回路であり、例えば、回路７０５の電源制
御、クロック生成回路７１５、水晶発振回路７４１の制御等を行うことができる。
接続端子７７０は、外部の割り込み信号入力用の端子であり、接続端子７７０を介してマ
スク不可能な割り込み信号ＮＭＩがコントローラ７２０に入力される。コントローラ７２
０にマスク不可能な割り込み信号ＮＭＩが入力されると、コントローラ７２０は直ちにＣ
ＰＵ７１０にマスク不可能な割り込み信号ＮＭＩを出力し、ＣＰＵ７１０に割り込み処理
を実行させる。
また、割り込み信号ＩＮＴが、接続端子７７０を介して割り込みコントローラ７２１に入
力される。割り込みコントローラ７２１には、周辺回路（７４５、７５０、７５１）から
の割り込み信号（Ｔ０ＩＲＱ、Ｐ０ＩＲＱ、Ｃ０ＩＲＱ）も、バス（７６１乃至７６４）
を経由せずに入力される。
割り込みコントローラ７２１は割り込み要求の優先順位を割り当てる機能を有する。割り
込みコントローラ７２１は割り込み信号を検出すると、その割り込み要求が有効であるか
否かを判定する。有効な割り込み要求であれば、コントローラ７２０に割り込み信号ＩＲ
Ｑを出力する。
また、割り込みコントローラ７２１はＩ／Ｏインターフェイス７２２を介して、バスライ
ン７６１及びデータバスライン７６４に接続されている。
コントローラ７２０は、割り込み信号ＩＮＴが入力されると、ＣＰＵ７１０に割り込み信
号ＩＮＴ２を出力し、ＣＰＵ７１０に割り込み処理を実行させる。
また、割り込み信号Ｔ０ＩＲＱが割り込みコントローラ７２１を介さず直接コントローラ
７２０に入力される場合がある。コントローラ７２０は、割り込み信号Ｔ０ＩＲＱが入力
されると、ＣＰＵ７１０にマスク不可能な割り込み信号ＮＭＩ２を出力し、ＣＰＵ７１０
に割り込み処理を実行させる。
コントローラ７２０のレジスタ７８０は、コントローラ７２０内に設けられ、割り込みコ
ントローラ７２１のレジスタ７８６は、Ｉ／Ｏインターフェイス７２２に設けられている
。
続いて、回路７０５が有する周辺回路を説明する。回路７０５は、周辺回路として、タイ
マー回路７４５、Ｉ／Ｏポート７５０及びコンパレータ７５１を有する。これらの周辺回
路は一例であり、回路７０５が使用される状況に応じて、必要な回路を設けることができ
る。
タイマー回路７４５は、クロック生成回路７４０から出力されるクロック信号ＴＣＬＫ（
以下、単に「ＴＣＬＫ」とも呼ぶ。）を用いて、時間を計測する機能を有する。また、タ
イマー回路７４５は、決められた時間間隔で、割り込み信号Ｔ０ＩＲＱを、コントローラ
７２０及び割り込みコントローラ７２１に出力する。タイマー回路７４５は、Ｉ／Ｏイン
ターフェイス７４６を介して、バスライン７６１及びデータバスライン７６４に接続され
ている。
ＴＣＬＫはＭＣＬＫよりも低い周波数のクロック信号である。例えば、ＭＣＬＫの周波数
を数ＭＨｚ程度（例えば、８ＭＨｚ）とし、ＴＣＬＫは、数十ｋＨｚ程度（例えば、３２
ｋＨｚ）とする。クロック生成回路７４０は、回路７０５に内蔵された水晶発振回路７４
１と、接続端子７７２及び接続端子７７３に接続された発振子７４２を有する。発振子７
４２の振動子として、水晶振動子７４３が用いられている。なお、ＣＲ発振器等でクロッ
ク生成回路７４０を構成することで、クロック生成回路７４０の全てのモジュールを回路
７０５に内蔵することが可能である。
Ｉ／Ｏポート７５０は、接続端子７７４を介して接続された外部機器（例えば、センサ１
０４）と情報の入出力を行うためのインターフェイスであり、デジタル信号の入出力イン
ターフェイスである。Ｉ／Ｏポート７５０は、入力されたデジタル信号に応じて、割り込
み信号Ｐ０ＩＲＱを割り込みコントローラ７２１に出力する。
接続端子７７５から入力されるアナログ信号を処理する周辺回路として、コンパレータ７
５１が設けられている。コンパレータ７５１は、接続端子７７５から入力されるアナログ
信号の電位（または電流）と基準信号の電位（または電流）との大小を比較し、値が０又
は１のデジタル信号を発生する。さらに、コンパレータ７５１は、このデジタル信号に応
じて、割り込み信号Ｃ０ＩＲＱを発生する。割り込み信号Ｃ０ＩＲＱは割り込みコントロ
ーラ７２１に出力される。
Ｉ／Ｏポート７５０及びコンパレータ７５１は共通のＩ／Ｏインターフェイス７５２を介
してバスライン７６１及びデータバスライン７６４に接続されている。ここでは、Ｉ／Ｏ
ポート７５０、コンパレータ７５１各々のＩ／Ｏインターフェイスに共有できる回路があ
るため、１つのＩ／Ｏインターフェイス７５２で構成しているが、Ｉ／Ｏポート７５０、
コンパレータ７５１のＩ／Ｏインターフェイスを別々に設けることもできる。
また、周辺回路のレジスタは、対応する入出力インターフェイスに設けられている。タイ
マー回路７４５のレジスタ７８７はＩ／Ｏインターフェイス７４６に設けられ、Ｉ／Ｏポ
ート７５０のレジスタ７８３及びコンパレータ７５１のレジスタ７８４は、それぞれ、Ｉ
／Ｏインターフェイス７５２に設けられている。
回路７０５は内部回路への電力供給を遮断するためのパワーゲートユニット７３０を有す
る。パワーゲートユニット７３０により、動作に必要な回路のみに電力供給を行うことで
、回路７０５全体の消費電力を下げることができる。
図６に示すように、回路７０５内の破線で囲んだユニット７０１、ユニット７０２、ユニ
ット７０３、ユニット７０４の回路は、パワーゲートユニット７３０を介して、接続端子
７７１に接続されている。接続端子７７１は、高電源電位ＶＤＤ（以下、単に「ＶＤＤ」
とも呼ぶ。）供給用の電源端子である。接続端子７７１は、例えば二次電池１０１に接続
される。なお、接続端子７７１と二次電池１０１の間にコンバータを設けてもよい。
本発明の一態様は、ユニット７０１は、タイマー回路７４５、及びＩ／Ｏインターフェイ
ス７４６を含み、ユニット７０２は、Ｉ／Ｏポート７５０、コンパレータ７５１、及びＩ
／Ｏインターフェイス７５２を含み、ユニット７０３は、割り込みコントローラ７２１、
及びＩ／Ｏインターフェイス７２２を含み、ユニット７０４は、ＣＰＵ７１０、メモリ７
１２、バスブリッジ７１１、及びメモリインターフェイス７１３を含む。
パワーゲートユニット７３０は、コントローラ７２０により制御される。パワーゲートユ
ニット７３０は、ユニット７０１乃至７０４へのＶＤＤの供給を遮断するためのスイッチ
回路７３１及びスイッチ回路７３２を有する。
スイッチ回路７３１、スイッチ回路７３２のオン／オフはコントローラ７２０により制御
される。具体的には、コントローラ７２０は、ＣＰＵ７１０の要求によりパワーゲートユ
ニット７３０が有するスイッチ回路の一部または全部をオフ状態とする信号を出力する（
電力供給の停止）。また、コントローラ７２０は、マスク不可能な割り込み信号ＮＭＩ、
またはタイマー回路７４５からの割り込み信号Ｔ０ＩＲＱをトリガーにして、パワーゲー
トユニット７３０が有するスイッチ回路をオン状態とする信号を出力する（電力供給の開
始）。
なお、図６では、パワーゲートユニット７３０に、２つのスイッチ回路（スイッチ回路７
３１、スイッチ回路７３２）を設ける構成を示しているが、これに限定されず、電源遮断
に必要な数のスイッチ回路を設ければよい。
また、本発明の一態様では、ユニット７０１に対する電力供給を独立して制御できるよう
にスイッチ回路７３１を設け、ユニット７０２乃至７０４に対する電力供給を独立して制
御できるようにスイッチ回路７３２を設けているが、このような電力供給経路に限定され
るものではない。例えば、スイッチ回路７３２とは別のスイッチ回路を設けて、メモリ７
１２の電力供給を独立して制御できるようにしてもよい。また、１つの回路に対して、複
数のスイッチ回路を設けてもよい。
また、コントローラ７２０には、パワーゲートユニット７３０を介さず、常時、接続端子
７７１からＶＤＤが供給される。また、ノイズの影響を少なくするため、クロック生成回
路７１５の発振回路、水晶発振回路７４１には、それぞれ、ＶＤＤの電源回路と異なる外
部の電源回路から電源電位が供給される。
コントローラ７２０及びパワーゲートユニット７３０等を備えることにより、回路７０５
を３種類の動作モードで動作させることが可能である。第１の動作モードは、通常動作モ
ードであり、回路７０５の全ての回路がアクティブな状態である。ここでは、第１の動作
モードを「Ａｃｔｉｖｅモード」と呼ぶ。
第２、及び第３の動作モードは低消費電力モードであり、一部の回路をアクティブにする
モードである。第２の動作モードでは、コントローラ７２０、並びにタイマー回路７４５
とその関連回路（水晶発振回路７４１、Ｉ／Ｏインターフェイス７４６）がアクティブで
ある。第３の動作モードでは、コントローラ７２０のみがアクティブである。ここでは、
第２の動作モードを「Ｎｏｆｆ１モード」と呼び、第３の動作モードを「Ｎｏｆｆ２モー
ド」と呼ぶことにする。
Ｎｏｆｆ１モードでは、コントローラ７２０と周辺回路の一部（タイマー動作に必要な回
路）が動作し、Ｎｏｆｆ２モードでは、コントローラ７２０のみが動作している。
なお、クロック生成回路７１５の発振器、及び水晶発振回路７４１は、動作モードに関わ
らず、電源が常時供給される。クロック生成回路７１５及び水晶発振回路７４１を非アク
ティブにするには、コントローラ７２０からまたは外部からイネーブル信号を入力し、ク
ロック生成回路７１５及び水晶発振回路７４１の発振を停止させることにより行われる。
また、Ｎｏｆｆ１、Ｎｏｆｆ２モードでは、パワーゲートユニット７３０により電力供給
が遮断されるため、Ｉ／Ｏポート７５０、Ｉ／Ｏインターフェイス７５２は非Ａｃｔｉｖ
ｅになるが、接続端子７７４に接続されている外部機器を正常に動作させるために、Ｉ／
Ｏポート７５０、Ｉ／Ｏインターフェイス７５２の一部には電力が供給される。具体的に
は、Ｉ／Ｏポート７５０の出力バッファ、Ｉ／Ｏポート７５０用のレジスタ７８３である
。
なお、本明細書では、回路が非アクティブとは、電力の供給が遮断されて回路が停止して
いる状態の他、Ａｃｔｉｖｅモード（通常動作モード）での主要な機能が停止している状
態や、Ａｃｔｉｖｅモードよりも省電力で動作している状態を含む。
また、回路７０５では、Ｎｏｆｆ１、Ｎｏｆｆ２モードから、Ａｃｔｉｖｅモードへの復
帰を高速化するため、レジスタ７８４乃至レジスタ７８７は、電源遮断時にデータを退避
させるバックアップ保持部を更に有する。別言すると、レジスタ７８４乃至レジスタ７８
７は、揮発性のデータ保持部（「揮発性記憶部」とも言う）と、不揮発性のデータ保持部
（「不揮発性記憶部」とも言う）を有する。Ａｃｔｉｖｅモード中、レジスタ７８４乃至
レジスタ７８７は、揮発性記憶部にアクセスして、データの書き込み、読み出しが行われ
る。
なお、コントローラ７２０には常に電力が供給されているため、コントローラ７２０のレ
ジスタ７８０には、不揮発性記憶部は設けられていない。また、上述したように、Ｎｏｆ
ｆ１／Ｎｏｆｆ２モードでも、Ｉ／Ｏポート７５０には出力バッファを機能させるためレ
ジスタ７８３を動作させている。よって、レジスタ７８３には常に電力が供給されている
ため、不揮発性記憶部が設けられていない。
また、揮発性記憶部は一つまたは複数の揮発性記憶素子を有し、不揮発性記憶部は一つま
たは複数の不揮発性記憶素子を有する。なお、揮発性記憶素子は、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、不揮発性記憶素子は、少なくとも電力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。
ＡｃｔｉｖｅモードからＮｏｆｆ１、Ｎｏｆｆ２モードへ移行する際は、電源遮断に先立
って、レジスタ７８４乃至７８７の揮発性記憶部のデータは不揮発性記憶部に書き込まれ
、揮発性記憶部のデータを初期値にリセットし、電源が遮断される。
Ｎｏｆｆ１、またはＮｏｆｆ２モードからＡｃｔｉｖｅへ復帰する場合、レジスタ７８４
乃至７８７に電力供給が再開されると、まず揮発性記憶部のデータが初期値にリセットさ
れる。そして、不揮発性記憶部のデータが揮発性記憶部に書き込まれる。
従って、低消費電力モードでも、回路７０５の処理に必要なデータがレジスタ７８４乃至
７８７で保持されているため、回路７０５を低消費電力モードからＡｃｔｉｖｅモードへ
直ちに復帰させることが可能になる。
［２−２．レジスタの構成例］
図７に、レジスタ７８４乃至レジスタ７８７に用いることができる、１ビットのデータを
保持可能な、揮発性記憶部と不揮発性記憶部を有する回路構成の一例をレジスタ１１９６
として示す。
図７に示すレジスタ１１９６は、揮発性記憶部であるフリップフロップ２４８と、不揮発
性記憶部２３３と、セレクタ２４５を有する。
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、データ信号Ｄに対応して高電位Ｈ
、または低電位Ｌを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Ｄ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Ｄ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データ信号Ｄとして
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７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２４
１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
またはドレインの一方は、フリップフロップ２４８の出力端子に接続されている。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、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。例えば、トランジスタ２４０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（以下、「ＯＳトランジスタ」ともいう）を用いることができる。
容量素子２４１を構成する一対の電極の一方と、トランジスタ２４０のソースまたはドレ
インの他方は、ノードＭ１に接続されている。また、容量素子２４１を構成する一対の電
極の他方にはＶＳＳが与えられる。容量素子２４１は、記憶するデータ信号Ｄ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。トランジスタ２４０にオフ電流
が極めて小さいトランジスタを用いることにより、電源電圧の供給が停止してもノードＭ
１の電荷は保持され、データが保持される。また、トランジスタ２４０にオフ電流が極め
て小さいトランジスタを用いることにより、容量素子２４１を小さく、または省略するこ
とができる。
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
及びドレインの一方にはＶＤＤが与えられる。また、トランジスタ２４４のゲートには読
み出し制御信号ＲＤが入力される。
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
及びドレインの一方と、トランジスタ２４４のソース及びドレインの他方は、ノードＭ２
に接続されている。また、トランジスタ２４３のゲートは、トランジスタ２４４のゲート
に接続し、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
及びドレインの一方は、トランジスタ２４３のソース及びドレインの他方に接続されてお
り、ソース及びドレインの他方には、ＶＳＳが与えられる。なお、フリップフロップ２４
８が出力する高電位Ｈはトランジスタ２４２をオン状態とする電位であり、フリップフロ
ップ２４８が出力する低電位Ｌはトランジスタ２４２をオフ状態とする電位である。
インバーター２４６の入力端子は、ノードＭ２接続されている。また、インバーター２４
６の出力端子は、セレクタ２４５の入力端子に接続される。
容量素子２４７を構成する電極の一方はノードＭ２接続され、他方にはＶＳＳが与えられ
る。容量素子２４７は、インバーター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７に示すレジスタ１１９６は、フリップフロップ２４８から
不揮発性記憶部２３３へデータの退避を行う際は、書き込み制御信号ＷＥとしてトランジ
スタ２４０をオン状態とする信号を入力することにより、フリップフロップ２４８のデー
タ信号Ｑに対応した電荷が、ノードＭ１に与えられる。その後、書き込み制御信号ＷＥと
してトランジスタ２４０をオフ状態とする信号を入力することにより、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ＶＳＳ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ＶＤＤになる。
不揮発性記憶部２３３からフリップフロップ２４８へデータの復帰を行う際は、読み出し
制御信号ＲＤとしてＶＤＤを与える。すると、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はオン状態であり、ノードＭ２にＶＳＳが与えられ、インバーター
２４６から出力されたＶＤＤが、セレクタ２４５を介してフリップフロップ２４８に入力
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はオフ状態であり、読み出し制御信号ＲＤの電位としてＶＳＳが
与えられていたときのノードＭ２の電位（ＶＤＤ）が保持されており、インバーター２４
６から出力されたＶＳＳが、セレクタ２４５を介してフリップフロップ２４８に入力され
る。
上述のように、レジスタ１１９６に揮発性記憶部と不揮発性記憶部２３３を設けることに
より、ＣＰＵへの電力供給が遮断される前に、揮発性記憶部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、ＣＰＵへの電力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及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
記憶部が初期化された状態からＣＰＵを起動し直す必要がなくなるので、電力供給の再開
後ＣＰＵ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。
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、レジスタ１１９６では、トランジスタ２４２のソース及びドレインの他方と容量素
子２４１の他方の電極ともにＶＳＳが供給されているが、トランジスタ２４２のソース及
びドレインの他方と容量素子２４１の他方の電極は、同じ電位としても良いし、異なる電
位としても良い。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。
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
オンオフ動作により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
フローティングゲート内への電荷の注入、及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、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、不揮発性記憶部２
３３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、ＯＳトランジスタを用いて形成された不揮発性記憶素子は、１００℃乃至２００℃
の環境下においてもデータの保持を可能とすることができる。よって、不揮発性記憶部２
３３は、ＯＳトランジスタを用いて形成することが好ましい。
なお、上記において不揮発性記憶部２３３は、図７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 Ｍｅｍｏ
ｒｙ）、磁気抵抗メモリ（ＭＲＡＭ：Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ Ｒａｎｄｏｍ
Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、強誘電体メモリ（ＦｅＲＡＭ：Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔ
ｒｉｃ 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、揮発性記憶部にＳＲＡＭ（Ｓｔａｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａ
ｃｃｅｓｓ 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。
《３．記憶装置》
次に、蓄電装置１００を構成するメモリ１０６に適用可能な記憶装置の一例について説明
する。
［３−１．ＤＯＳＲＡＭ］
図８に、メモリ１０６に適用可能な記憶装置の一例として、ＤＯＳＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉ
ｃ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏ
ｒｙ）を例示する。ＤＯＳＲＡＭは、ＯＳトランジスタをメモリセルの選択トランジスタ
（スイッチング素子としてのトランジスタ）に用いた記憶装置である。
図８（Ａ）は、メモリセル１０５０の回路図である。また、図８（Ｂ）は、メモリセル１
０５０をマトリクス状に配置したメモリセルアレイの回路図である。
メモリセル１０５０は、トランジスタ１０５５と、キャパシタ１０５６を有する。また、
トランジスタ１０５５のゲートはワード線１０５２と電気的に接続される。トランジスタ
１０５５のソースはビット線１０５１と電気的に接続される。トランジスタ１０５５のド
レインはキャパシタ１０５６の一端と電気的に接続される。キャパシタ１０５６の他端は
容量線１０５３に電気的に接続される。
メモリセルアレイは、メモリセル１０５０と、ビット線１０５１と、ワード線１０５２と
、容量線１０５３と、センスアンプ１０５４と、をそれぞれ複数有する。
なお、ビット線１０５１及びワード線１０５２がグリッド状に設けられ、各メモリセル１
０５０はビット線１０５１及びワード線１０５２の交点に付き一つずつ配置される。ビッ
ト線１０５１はセンスアンプ１０５４と接続され、ビット線１０５１の電位をデータとし
て読み出す機能を有する。
図９は、記憶装置の斜視図である。図９に示す記憶装置は、上部に記憶回路としてメモリ
セルを複数含む、メモリセルアレイ（メモリセルアレイ３４００ａ乃至メモリセルアレイ
３４００ｎ（ｎは２以上の整数））を複数層有し、下部にメモリセルアレイ３４００ａ乃
至メモリセルアレイ３４００ｎを動作させるために必要な論理回路３００４を有する。
キャパシタ１０５６に保持された電圧は、トランジスタ１０５５のリーク電流によって時
間が経つと徐々に低減していく。当初Ｖ０からＶ１まで充電された電圧は、時間が経過す
るとｄａｔａ１を読み出す限界点であるＶＡまで低減する。この期間を保持期間Ｔ＿１と
する。すなわち、２値メモリセルの場合、保持期間Ｔ＿１の間にリフレッシュをする必要
がある。
例えば、トランジスタ１０５５のオフ電流が十分小さくない場合、キャパシタ１０５６に
保持された電圧の時間変化が大きいため、保持期間Ｔ＿１が短くなる。従って、頻繁にリ
フレッシュをする必要がある。リフレッシュの頻度が高まると、記憶装置の消費電力が高
まってしまう。
そこで、トランジスタ１０５５としてＯＳトランジスタを用いる。ＯＳトランジスタはオ
フ電流が極めて小さいトランジスタである。トランジスタ１０５５としてＯＳトランジス
タを用いることにより、保持期間Ｔ＿１を極めて長くすることができる。すなわち、リフ
レッシュの頻度を少なくすることが可能となるため、消費電力を低減することができる。
例えば、オフ電流が１×１０−２１Ａから１×１０−２５Ａであるトランジスタ１０５５
でメモリセルを構成すると、電力を供給せずに数日間から数十年間に渡ってデータを保持
することが可能となる。また、メモリセル１０５０をＭＣＵ１０５が有する不揮発性記憶
部に用いることもできる。
ＯＳトランジスタを用いることによって、集積度が高く、消費電力の小さい記憶装置を得
ることができる。
また、ＯＳトランジスタを用いて形成された記憶装置は、１００℃乃至２００℃の環境下
においてもデータの保持を可能とすることができる。
［３−２．ＮＯＳＲＡＭ］
次に、図８及び図９に示した記憶装置とは異なる記憶装置の一例として、ＮＯＳＲＡＭ（
Ｎｏｎ−ｖｏｌａｔｉｌｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｒａｎｄｏｍ
Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）について説明する。ＮＯＳＲＡＭとは、ＯＳトランジスタ
を、メモリセルの選択トランジスタ（スイッチング素子としてのトランジスタ）に用い、
シリコン材料などを用いたトランジスタをメモリセルの出力トランジスタに用いたメモリ
を指す。
図１０（Ａ）はメモリセル及び配線を含む記憶装置の回路図である。また、図１０（Ｂ）
は図１０（Ａ）に示すメモリセルの電気特性を示す図である。
メモリセルは、トランジスタ１０７１と、トランジスタ１０７２と、キャパシタ１０７３
とを有する。ここで、トランジスタ１０７１のゲートはワード線１０７６と電気的に接続
される。トランジスタ１０７１のソースはソース線１０７４と電気的に接続される。トラ
ンジスタ１０７１のドレインはトランジスタ１０７２のゲート及びキャパシタ１０７３の
一端と電気的に接続され、この部分をノード１０７９とする。トランジスタ１０７２のソ
ースはソース線１０７５と電気的に接続される。トランジスタ１０７２のドレインはドレ
イン線１０７７と電気的に接続される。キャパシタ１０７３の他端は容量線１０７８と電
気的に接続される。
なお、図１０に示す記憶装置は、ノード１０７９の電位に応じて、トランジスタ１０７２
の見かけ上のしきい値電圧が変動することを利用したものである。例えば、図１０（Ｂ）
は容量線１０７８の電圧ＶＣＬと、トランジスタ１０７２を流れるドレイン電流Ｉｄ＿２
との関係を説明する図である。
なお、トランジスタ１０７１を介してノード１０７９の電位を調整することができる。例
えば、ソース線１０７４の電位を高電源電位ＶＤＤとする。このとき、ワード線１０７６
の電位をトランジスタ１０７１のしきい値電圧Ｖｔｈに高電源電位ＶＤＤを加えた電位以
上とすることで、ノード１０７９の電位をＨＩＧＨにすることができる。また、ワード線
１０７６の電位をトランジスタ１０７１のしきい値電圧Ｖｔｈ以下とすることで、ノード
１０７９の電位をＬＯＷにすることができる。
そのため、トランジスタ１０７２は、ＬＯＷで示したＶＣＬ−Ｉｄ＿２カーブと、ＨＩＧ
Ｈで示したＶＣＬ−Ｉｄ＿２カーブのいずれかの電気特性となる。すなわち、ＬＯＷでは
、ＶＣＬ＝０ＶにてＩｄ＿２が小さいため、データ０となる。また、ＨＩＧＨでは、ＶＣ
Ｌ＝０ＶにてＩｄ＿２が大きいため、データ１となる。このようにして、ノード１０７９
にデータを記憶することができる。
トランジスタ１０７１としてオフ電流の低いトランジスタを用いることにより、データの
保持期間を長くすることができる。具体的には、ＯＳトランジスタはオフ電流が極めて小
さいトランジスタであるため、トランジスタ１０７１としてＯＳトランジスタを用いるこ
とにより、ノード１０７９の電位を極めて長い期間維持することができる。また、データ
の読み出しを、トランジスタ１０７２を用いておこなうことにより、データを読み出す際
にノード１０７９に記憶したデータが失われないため、繰り返しデータを読み出すことが
できる。例えば、オフ電流が１×１０−２１Ａから１×１０−２５Ａであるトランジスタ
１０７１でメモリセルを構成すると、電力を供給せずに数日間から数十年間に渡ってデー
タを保持することが可能となる。また、ＮＯＳＲＡＭはＭＣＵ１０５が有する不揮発性記
憶部に用いることもできる。
また、ＯＳトランジスタを用いて形成された記憶装置は、１００℃乃至２００℃の環境下
においてもデータの保持を可能とすることができる。
ＯＳトランジスタを用いることによって、集積度が高く、消費電力の小さい記憶装置を得
ることができる。
［３−３．記憶容量］
メモリ１０６の記憶容量は、二次電池１０１の電池容量、充放電電圧、充放電電流、想定
使用温度および想定動作時間と、それぞれのデータを測定する際の分解能を基に決定すれ
ばよい。
充電モードにおいて、電池容量を測定する際の分解能は、最大電池容量の１０％以下、好
ましくは１％以下、より好ましくは０．１％以下である。また、電圧および電流を測定す
る際の分解能は、最小読み値の１／２以下、好ましくは１／１０以下である。また、温度
を測定する際の分解能は、１０℃以下、好ましくは５℃以下である。動作時間の分解能は
、充電モード時は１０分以下、好ましくは１分以下である。
なお、急速放電モードでは、短時間に大きな電流が流れるため、電流を測定する際の分解
能を、定格電流の２／３以下、好ましくは１／２以下とする。また、動作時間の分解能を
、１０ｍｓ以下、好ましくは１ｍｓ以下、より好ましくは１００μｓ以下とする。
例えば、最大電池容量３０００ｍＡｈ、充放電電圧０乃至６．０Ｖ、充放電電流０乃至３
．０Ａ、想定使用温度０乃至２００℃、動作時間４８０分（８時間）とした場合の、充電
モード一回当たりの記憶容量は表１のように求める事ができる。
Figure 0006608988
また、急速放電モード一回当たりの記憶容量は表２のように求める事ができる。なお、表
２では、急速放電モードの最大動作時間を５０ｍｓ、最大放電電流を３０Ａとしている。
Figure 0006608988
表１より、充電モード一回当たりの、開始時と終了時の電池情報、および動作時間を記録
するために必要な記憶容量は７５ｂｉｔである。また、表２より、急速放電モード一回当
たりの、開始時と終了時の電池情報、および動作時間を記録するために必要な記憶容量は
６７ｂｉｔである。
また、１日当たり充電モードを５回、急速放電モードを５回記録するとした場合、３年間
の記録に必要な容量は、（７５×５＋６７×５）×３６５×３＝７７７４５０ｂｉｔ、す
なわち、約７６０ｋｂｉｔと見積もることができる。
《４．半導体装置》
ＭＣＵやメモリなどに用いることができる半導体装置の構成例について説明する。
［４−１．トランジスタの構成例］
ＭＣＵやメモリなどに用いることができるトランジスタの構成例について説明する。
ＭＣＵやメモリなどに用いることができるトランジスタの構造に特段の限定はなく、任意
の構造を用いることができる。例えば、以下に説明するボトムゲート構造のスタガ型やプ
レーナ型のトランジスタを用いることができる。また、トランジスタはチャネル形成領域
が１つ形成されるシングルゲート構造でも、２つ形成されるダブルゲート構造若しくは３
つ形成されるトリプルゲート構造などのマルチゲート構造であってもよい。また、チャネ
ル形成領域の上下にゲート絶縁層を介して配置された２つのゲート電極を有する構造（本
明細書においては、これをデュアルゲート構造という）でもよい。
［４−１−１．ボトムゲート構造］
図１１に、ボトムゲート型トランジスタの一種である、ボトムゲートトップコンタクト構
造のトランジスタ４２１の構成例を示す。図１１（Ａ）は、トランジスタ４２１の平面図
であり、図１１（Ｂ）は、図１１（Ａ）中の一点鎖線Ａ１−Ａ２における断面図であり、
図１１（Ｃ）は、図１１（Ａ）中の一点鎖線Ｂ１−Ｂ２における断面図である。
トランジスタ４２１は、絶縁表面を有する基板４００上に設けられたゲート電極４０１と
、ゲート電極４０１上に設けられたゲート絶縁膜４０２と、ゲート絶縁膜４０２を介して
ゲート電極４０１と重畳する酸化物膜４０４と、酸化物膜４０４と接して設けられたソー
ス電極４０５ａ及びドレイン電極４０５ｂと、を有する。また、ソース電極４０５ａ及び
ドレイン電極４０５ｂを覆い、酸化物膜４０４と接するように絶縁膜４０６が設けられて
いる。なお、基板４００は、他の素子が形成された被素子形成基板であってもよい。
なお、酸化物膜４０４のうち、ソース電極４０５ａ及びドレイン電極４０５ｂに接する領
域にｎ型化領域４０３を有していてもよい。
［４−１−２．トップゲート構造］
図１２（Ａ）に、トップゲート構造のトランジスタ４２２を示す。
トランジスタ４２２は、絶縁表面を有する基板４００上に設けられた絶縁膜４０８と、絶
縁膜４０８上に設けられた酸化物膜４０４と、酸化物膜４０４に接して設けられたソース
電極４０５ａ及びドレイン電極４０５ｂと、酸化物膜４０４、ソース電極４０５ａ及びド
レイン電極４０５ｂ上に設けられたゲート絶縁膜４０９と、ゲート絶縁膜４０９を介して
酸化物膜４０４と重畳するゲート電極４１０と、を有する。
なお、酸化物膜４０４のうち、ソース電極４０５ａ及びドレイン電極４０５ｂに接する領
域にｎ型化領域４０３を有していてもよい。
［４−１−３．デュアルゲート構造］
図１２（Ｂ）に、チャネル形成領域の上下にゲート絶縁膜を介して配置された２つのゲー
ト電極を有する、デュアルゲート構造のトランジスタ４２３を示す。
トランジスタ４２３は、絶縁表面を有する基板４００上に設けられたゲート電極４０１と
、ゲート電極４０１上に設けられたゲート絶縁膜４０２と、ゲート絶縁膜４０２を介して
ゲート電極４０１と重畳する酸化物膜４０４と、酸化物膜４０４と接して設けられたソー
ス電極４０５ａ及びドレイン電極４０５ｂと、ソース電極４０５ａ及びドレイン電極４０
５ｂを覆い、酸化物膜４０４と接するゲート絶縁膜４０９と、ゲート絶縁膜４０９を介し
て酸化物膜４０４と重畳するゲート電極４１０と、を有する。
なお、酸化物膜４０４のうち、ソース電極４０５ａ及びドレイン電極４０５ｂに接する領
域にｎ型化領域４０３を有していてもよい。
［４−２．トランジスタの構成要素］
トランジスタの各構成要素について説明する。
［４−２−１．導電層］
ゲート電極４０１及びゲート電極４１０としては、例えばＡｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｔｉ
、Ｍｏ、Ｗなどを有する層を用いることができる。
ソース電極４０５ａ及びドレイン電極４０５ｂとしては、例えばＡｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｔａ
、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗなどを有する層を用いることができる。
［４−２−２．絶縁層］
ゲート絶縁膜４０２、絶縁膜４０６、ゲート絶縁膜４０９としては、例えば酸化シリコン
膜、酸化窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化ガリウム膜、酸化
アルミニウム膜、又は酸化窒化アルミニウム膜を用いることができる。
［４−２−３．酸化物膜］
さらに、酸化物膜４０４に適用可能な材料について説明する。
［４−２−３−１．単層膜］
酸化物膜４０４としては、例えばＩｎ系金属酸化物、Ｚｎ系金属酸化物、Ｉｎ−Ｚｎ系金
属酸化物、又はＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系金属酸化物などの膜を適用できる。
また、上記Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系金属酸化物に含まれるＧａの一部若しくは全部の代わりに
他の金属元素を含む金属酸化物を用いてもよい。上記他の金属元素としては、例えばガリ
ウムよりも多くの酸素原子と結合が可能な金属元素を用いればよく、例えばチタン、ジル
コニウム、ハフニウム、ゲルマニウム、及び錫のいずれか一つ又は複数の元素を用いれば
よい。また、上記他の金属元素としては、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、及びルテチウムのいずれか一つ又は複数の元
素を用いればよい。これらの金属元素は、スタビライザーとしての機能を有する。なお、
これらの金属元素の添加量は、金属酸化物が半導体として機能することが可能な量である
。ガリウムよりも多くの酸素原子と結合が可能な金属元素を用い、さらには金属酸化物中
に酸素を供給することにより、金属酸化物中の酸素欠陥を少なくできる。
酸化物膜中の水素濃度は、二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ
Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）において、２×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以
下、好ましくは５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１９ａｔ
ｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とすること
ができる。
また、酸化物膜中の窒素濃度は、ＳＩＭＳにおいて、５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未
満、好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１８ａｔ
ｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とすること
ができる。
また、酸化物膜中の炭素濃度は、ＳＩＭＳにおいて、５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未
満、好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１８ａｔ
ｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とすること
ができる。
また、酸化物膜中のシリコン濃度は、ＳＩＭＳにおいて、５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ
３未満、好ましくは５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、より好ましくは１×１０１８
ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、さらに好ましくは５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする
ことができる。
また、酸化物膜では、昇温脱離ガス分光法（ＴＤＳ：Ｔｈｅｒｍａｌ Ｄｅｓｏｒｐｔｉ
ｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）分析によるｍ／ｚが２（水素分子など）である気体分
子（原子）、ｍ／ｚが１８である気体分子（原子）、ｍ／ｚが２８である気体分子（原子
）及びｍ／ｚが４４である気体分子（原子）の放出量が、それぞれ１×１０１９個／ｃｍ
３以下、好ましくは１×１０１８個／ｃｍ３以下であることが好ましい。
酸化物膜４０４には、例えば酸化物半導体膜を用いることができる。
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−Ｏ
Ｓ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 Ｅｌｅｃｔ
ｒｏｎ 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、ＣＡ
ＡＣ−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ＴＥ
Ｍ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−ｐｌ
ａｎｅ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５
６°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、ＣＡＡ
Ｃ−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膜を酸化物膜に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。
酸化物半導体膜は、スパッタリング法により形成することができる。スパッタリング用タ
ーゲットとしてＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ化合物ターゲットを用いる場合、例えばＩｎＯｘ粉
末、ＧａＯｙ粉末、及びＺｎＯｚ粉末を２：２：１、８：４：３、３：１：１、１：１：
１、４：２：３、３：１：２、３：１：４のｍｏｌ数比で混合して形成したＩｎ−Ｇａ−
Ｚｎ−Ｏ化合物ターゲットを用いることが好ましい。ｘ、ｙ、及びｚは任意の正の数であ
る。なお、スパッタリング用ターゲットは、多結晶であってもよい。
また、マグネトロンを用い、磁場によりスパッタリング用ターゲットの近傍のプラズマ空
間を高密度化してもよい。マグネトロンスパッタリング装置では、例えば、スパッタリン
グ用ターゲットの前方に磁場を形成するため、スパッタリング用ターゲットの後方に磁石
組立体が配置される。当該磁場は、スパッタリング用ターゲットのスパッタリング時にお
いて、電離した電子やスパッタリングにより生じた二次電子を捉える。このようにして補
足された電子は成膜室内の希ガス等の不活性ガスとの衝突確率を高め、その結果プラズマ
密度が高まる。これにより、例えば被素子形成層の温度を著しく上昇させることなく、成
膜の速度を上げることができる。
スパッタリング法を用いてＣＡＡＣ−ＯＳ膜を形成する場合、例えば、スパッタリング装
置の成膜室内に存在する不純物（水素、水、二酸化炭素、及び窒素など）を低減すること
が好ましい。また、成膜ガス中の不純物を低減することが好ましい。例えば、酸素ガスや
アルゴンガスの成膜ガスとして、露点が−４０℃以下、好ましくは−８０℃以下、より好
ましくは−１００℃以下にまで高純度化したガスを用いることにより、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜
に対する不純物の混入を抑制できる。
スパッタリング法を用いてＣＡＡＣ−ＯＳ膜を形成する場合、成膜ガス中の酸素割合を高
くし、電力を最適化して成膜時のプラズマダメージを抑制させることが好ましい。例えば
、成膜ガス中の酸素割合を、３０体積％以上、好ましくは１００体積％にすることが好ま
しい。
スパッタリング法を用いてＣＡＡＣ−ＯＳ膜を成膜する場合、成膜時の基板加熱（１５０
℃乃至４５０℃）に加え、成膜後の工程において加熱処理を行うことで、膜中の水素や水
などを除去し、膜中の不純物濃度を低減させることが好ましい。
上記工程に示すように、成膜中に、水素や水などを膜中に含ませないようにすることによ
り、酸化物膜４０４に含まれる不純物濃度を低減することができる。また、酸化物膜４０
４の成膜後に、加熱処理を行うことにより、酸化物膜に含まれる水素や水などを除去する
ことによって、不純物濃度を低減することができる。
酸化物膜４０４の成膜後に加熱処理を行う場合、加熱処理に用いる加熱装置に特別な限定
はなく、抵抗発熱体などの発熱体からの熱伝導または熱輻射によって、被処理物を加熱す
る装置を備えていてもよい。例えば、電気炉や、ＬＲＴＡ（Ｌａｍｐ Ｒａｐｉｄ Ｔｈ
ｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置、ＧＲＴＡ（Ｇａｓ Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａ
ｎｎｅａｌ）装置等のＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置を用い
ることができる。ＬＲＴＡ装置は、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノンア
ークランプ、カーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプ、高圧水銀ランプなどのラン
プから発する光（電磁波）の輻射により、被処理物を加熱する装置である。ＧＲＴＡ装置
は、高温のガスを用いて加熱処理を行う装置である。
加熱処理を行うことによって、酸化物膜４０４から水素（水、水酸基を含む化合物）など
の不純物を放出させることができる。これにより、酸化物膜４０４中の不純物を低減し、
酸化物膜４０４を高純度化することができる。また、特に、酸化物膜４０４から不安定な
キャリア源である水素を脱離させることができるため、酸化物膜４０４を用いたトランジ
スタの信頼性を向上させることができる。
この後に、酸化物膜４０４に酸素を供給し、酸素欠損を補填することにより、酸化物膜４
０４をｉ型（真性半導体）またはｉ型に限りなく近い状態にすることができる。また、ｉ
型に限りなく近い酸化物膜のキャリア密度は、１×１０１７／ｃｍ３未満、１×１０１５
／ｃｍ３未満、又は１×１０１３／ｃｍ３未満である。
酸化物膜４０４に酸素を供給する処理は、イオンドーピング装置またはプラズマ処理装置
を用いて行うことができる。また、イオンドーピング装置として、質量分離機能を有する
イオンドーピング装置を用いてもよい。酸素を添加するためのガスとしては、１６Ｏ２も
しくは１８Ｏ２などの酸素ガス、亜酸化窒素ガスまたはオゾンガスなどを用いることがで
きる。
また、酸化性ガスを含む雰囲気で加熱処理を行うことにより、酸化物膜４０４に酸素を供
給し、不純物の放出と同時に酸化物膜４０４の酸素欠損を補填することができる。また、
不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、酸化性ガスを１０ｐｐｍ以上、１％以上または１
０％以上含む雰囲気で加熱処理を行い、酸化物膜４０４中の酸素欠損を補填してもよい。
酸化物膜４０４を高純度化し、さらに、ｉ型（真性半導体）またはｉ型に限りなく近い状
態にすることで、酸化物膜４０４を用いたトランジスタのしきい値電圧がマイナス方向へ
変動することを抑制させることができる。さらに、トランジスタの信頼性を向上させるこ
とができる。よって、半導体装置の信頼性を向上させることができる。
［４−２−３−２．積層膜］
さらに、酸化物膜４０４は積層膜でもよい。酸化物積層膜について以下に説明する。例え
ば、酸化物膜４０４を、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としてもよい。
酸化物積層膜の構成例を図１３（Ａ）に示す
図１３（Ａ）に示す積層構造は、絶縁膜４０８と、ゲート絶縁膜４０９との間に、酸化物
積層膜１６０を有して構成される。また、酸化物積層膜１６０は、酸化物層１６１、酸化
物層１６２、及び酸化物層１６３を含む。なお、図１３（Ｂ）に示すように、必ずしも酸
化物層１６１を設けなくてもよい。
酸化物層１６１及び酸化物層１６３は、酸化物層１６２を構成する金属元素を一種以上含
む酸化物層である。
酸化物層１６２は、上記酸化物膜４０４に適用可能な酸化物を用いて形成される。
酸化物層１６１としては、Ｉｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（Ａｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｙ、Ｚｒ、
Ｓｎ、Ｌａ、Ｃｅ又はＨｆ等の金属）で表記され、酸化物層１６２よりもＭの原子数比が
高い酸化物層を含む。具体的には、酸化物層１６１として、酸化物層１６２よりも前述の
元素を１．５倍以上、好ましくは２倍以上、さらに好ましくは３倍以上高い原子数比で含
む酸化物層を用いる。前述の元素はインジウムよりも酸素と強く結合するため、酸素欠損
が酸化物層に生じることを抑制することができる機能を有する。即ち、酸化物層１６１は
酸化物層１６２よりも酸素欠損が生じにくい酸化物層である。
酸化物層１６３としては、酸化物層１６１と同様にＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物（Ａｌ、Ｔｉ、
Ｇａ、Ｇｅ、Ｙ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｌａ、Ｃｅ又はＨｆ等の金属）で表記され、酸化物層１６
２よりもＭの原子数比が高い酸化物層を含む。具体的には、酸化物層１６３として、酸化
物層１６２よりも前述の元素を１．５倍以上、好ましくは２倍以上、さらに好ましくは３
倍以上高い原子数比で含む酸化物層を用いる。
つまり、酸化物層１６１、酸化物層１６２、酸化物層１６３が、少なくともインジウム、
亜鉛及びＭ（Ａｌ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｙ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｌａ、Ｃｅ又はＨｆ等の金属）
を含むＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物であるとき、酸化物層１６１をＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ１：ｙ１
：ｚ１［原子数比］、酸化物層１６２をＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ２：ｙ２：ｚ２［原子数比］
、酸化物層１６３をＩｎ：Ｍ：Ｚｎ＝ｘ３：ｙ３：ｚ３［原子数比］とすると、ｙ１／ｘ
１及びｙ３／ｘ３がｙ２／ｘ２よりも大きくなることが好ましい。ｙ１／ｘ１及びｙ３／
ｘ３はｙ２／ｘ２よりも１．５倍以上、好ましくは２倍以上、さらに好ましくは３倍以上
とする。このとき、酸化物層１６２において、ｙ２がｘ２以上であるとトランジスタの電
気特性を安定させることができる。ただし、ｙ２がｘ２の３倍以上になると、トランジス
タの電界効果移動度が低下してしまうため、ｙ２はｘ２の３倍未満であることが好ましい
。
なお、酸化物層１６１がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物であるとき、ＩｎとＭの原子数比率は好ま
しくはＩｎが５０ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが５０ａｔｏｍｉｃ％以上、さらに好ましくは
Ｉｎが２５ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％以上とする。また、酸化物層１
６２がＩｎ−Ｍ−Ｚｎ酸化物であるとき、ＩｎとＭの原子数比率は好ましくはＩｎが２５
ａｔｏｍｉｃ％以上、Ｍが７５ａｔｏｍｉｃ％未満、さらに好ましくはＩｎが３４ａｔｏ
ｍｉｃ％以上、Ｍが６６ａｔｏｍｉｃ％未満とする。また、酸化物層１６３がＩｎ−Ｍ−
Ｚｎ酸化物であるとき、ＩｎとＭの原子数比率は好ましくはＩｎが５０ａｔｏｍｉｃ％未
満、Ｍが５０ａｔｏｍｉｃ％以上、さらに好ましくはＩｎが２５ａｔｏｍｉｃ％未満、Ｍ
が７５ａｔｏｍｉｃ％以上とする。なお、上記のＩｎとＭの原子数比率は、ＩｎとＭとの
和を１００ａｔｏｍｉｃ％としたときの値である。
なお、酸化物層１６１と、酸化物層１６３とは、異なる構成元素を含む層としてもよいし
、同じ構成元素を同一の原子数比で、又は異なる原子数比で含む層としてもよい。
酸化物層１６１、酸化物層１６２、及び酸化物層１６３には、例えば、インジウム、亜鉛
及びガリウムを含んだ酸化物半導体を用いることができる。具体的には、酸化物層１６１
としては、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２［原子数比］のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ
：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：４［原子数比］のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝
１：６：４［原子数比］のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：９：６［原
子数比］のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、又はその近傍の組成を有する酸化物を用いることが
でき、酸化物層１６２としては、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１［原子数比］のＩｎ−Ｇ
ａ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝３：１：２［原子数比］のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物
、又はその近傍の組成を有する酸化物を用いることができ、酸化物層１６３としては、Ｉ
ｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：３：２［原子数比］のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ
＝１：３：４［原子数比］のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：６：４［
原子数比］のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：９：６［原子数比］のＩ
ｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物、又はその近傍の組成を有する酸化物を用いることができる。
酸化物層１６１の厚さは、３ｎｍ以上１００ｎｍ以下、好ましくは３ｎｍ以上５０ｎｍ以
下とする。また、酸化物層１６２の厚さは、３ｎｍ以上１５００ｎｍ以下、好ましくは３
ｎｍ以上１００ｎｍ以下、さらに好ましくは３ｎｍ以上５０ｎｍ以下とする。
なお、酸化物層１６１及び酸化物層１６３は、酸化物層１６２に用いる材料よりもインジ
ウムの原子数比が少ない材料を用いる。酸化物層中のインジウムやガリウムなどの含有量
は、飛行時間型二次イオン質量分析法（ＴＯＦ−ＳＩＭＳ）や、Ｘ線電子分光法（ＸＰＳ
）で比較できる。
また、酸化物層１６１及び酸化物層１６３は、酸化物層１６２を構成する金属元素を一種
以上含み、伝導帯下端のエネルギーが酸化物層１６２よりも、０．０５ｅＶ、０．０７ｅ
Ｖ、０．１ｅＶ、０．１５ｅＶのいずれか以上であって、２ｅＶ、１ｅＶ、０．５ｅＶ、
０．４ｅＶのいずれか以下の範囲で真空準位に近い酸化物半導体で形成することが好まし
い。
このような構造において、トランジスタのゲート電極に電界を印加すると、酸化物積層膜
１６０のうち、伝導帯下端のエネルギーが最も小さい酸化物層１６２にチャネルが形成さ
れる。すなわち、酸化物層１６２とゲート絶縁膜４０９との間に酸化物層１６３が形成さ
れていることよって、トランジスタのチャネルをゲート絶縁膜４０９と接しない構造とす
ることができる。
ここで、酸化物積層膜１６０のバンド構造を説明する。
酸化物積層膜１６０のバンド構造は、例えば分光エリプソメータを用いて酸化物層１６１
乃至酸化物層１６３のエネルギーギャップ、酸化物層１６１乃至酸化物層１６３のそれぞ
れの界面のエネルギーギャップを測定し、紫外線光電子分光分析（ＵＰＳともいう）装置
を用いて酸化物層１６１乃至酸化物層１６３のそれぞれの真空準位と価電子帯上端のエネ
ルギー差を測定し、真空準位と価電子帯上端のエネルギー差と、各層のエネルギーギャッ
プとの差分として算出される真空準位と伝導帯下端のエネルギー差（電子親和力）をプロ
ットすることにより特定することができる。ここでは、酸化物層１６１及び酸化物層１６
３をエネルギーギャップが３．１５ｅＶであるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物とし、酸化物層１
６２をエネルギーギャップが２．８ｅＶであるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物とする。さらに、
酸化物層１６１と酸化物層１６２との界面近傍のエネルギーギャップを３ｅＶ、酸化物層
１６３と酸化物層１６２との界面近傍のエネルギーギャップを３ｅＶとする。
上記により特定されたバンド構造の模式図を図１４（Ａ）に示す。図１４（Ａ）では、酸
化物層１６１及び酸化物層１６３と接して、酸化シリコン膜を設けた場合について説明す
る。ここで、縦軸は電子エネルギー（ｅＶ）を、横軸は距離を、それぞれ示す。また、Ｅ
ｃＩ１及びＥｃＩ２は酸化シリコン膜の伝導帯下端のエネルギー、ＥｃＳ１は酸化物層１
６１の伝導帯下端のエネルギー、ＥｃＳ２は酸化物層１６２の伝導帯下端のエネルギー、
ＥｃＳ３は酸化物層１６３の伝導帯下端のエネルギーを示す。
図１４（Ａ）に示すように、酸化物層１６１、酸化物層１６２、酸化物層１６３において
、伝導帯下端のエネルギーが連続的に変化する。これは、酸化物層１６１、酸化物層１６
２、酸化物層１６３の組成が近似することにより、酸素が相互に拡散しやすい点からも理
解される。
なお、図１４（Ａ）では酸化物層１６１及び酸化物層１６３が同様のエネルギーギャップ
を有する酸化物層である場合について示したが、それぞれが異なるエネルギーギャップを
有する酸化物層であっても構わない。例えば、ＥｃＳ３よりもＥｃＳ１が高いエネルギー
を有する場合、バンド構造の一部は、図１４（Ｂ）のように示される。また、図１４に示
さないが、ＥｃＳ１よりもＥｃＳ３が高いエネルギーを有しても構わない。
図１４（Ａ）、（Ｂ）より、酸化物層１６２がウェル（井戸）となり、酸化物積層膜１６
０を用いたトランジスタにおいて、チャネルが酸化物層１６２に形成されることがわかる
。なお、酸化物積層膜１６０は伝導帯下端のエネルギーが連続的に変化しているため、Ｕ
字型井戸（Ｕ Ｓｈａｐｅ Ｗｅｌｌ）とも呼ぶことができる。また、このような構成で
形成されたチャネルを埋め込みチャネルということもできる。
酸化物層１６１及び酸化物層１６３は、酸化物層１６２を構成する金属元素を一種以上含
む酸化物層であるから、酸化物積層膜１６０は主成分を共通して積層された酸化物積層膜
ともいえる。主成分を共通として積層された酸化物積層膜は、各層を単に積層するのでは
なく連続接合（ここでは、特に伝導帯下端のエネルギーが各層の間で連続的に変化するＵ
字型の井戸構造）が形成されるように作製する。なぜなら、各層の界面にトラップ中心や
再結合中心のような欠陥準位を形成するような不純物が混在していると、エネルギーバン
ドの連続性が失われ、界面でキャリアがトラップあるいは再結合により消滅してしまうた
めである。
連続接合を形成するためには、ロードロック室を備えたマルチチャンバー方式の成膜装置
（スパッタリング装置）を用いて各層を大気に触れさせることなく連続して積層すること
が必要となる。スパッタリング装置における各チャンバーは、酸化物半導体にとって不純
物となる水等を可能な限り除去すべくクライオポンプのような吸着式の真空排気ポンプを
用いて高真空排気（１×１０−４Ｐａ乃至５×１０−７Ｐａ程度まで）することが好まし
い。又は、ターボ分子ポンプとコールドトラップを組み合わせて排気系からチャンバー内
に気体が逆流しないようにしておくことが好ましい。
高純度真性酸化物半導体を得るためには、チャンバー内を高真空排気するのみならずスパ
ッタガスの高純度化も必要である。スパッタガスとして用いる酸素ガスやアルゴンガスは
、露点が−４０℃以下、好ましくは−８０℃以下、より好ましくは−１００℃以下にまで
高純度化したガスを用いることで酸化物半導体に水分等が取り込まれることを可能な限り
防ぐことができる。
酸化物層１６１及び酸化物層１６３はバリア層として機能し、酸化物積層膜１６０に接す
る絶縁膜と、酸化物積層膜１６０との界面に形成されるトラップ準位の影響が、トランジ
スタのキャリアの主な経路（キャリアパス）となる酸化物層１６２へと及ぶことを抑制す
ることができる。
例えば、酸化物半導体層に含まれる酸素欠損は、酸化物半導体のエネルギーギャップ内の
深いエネルギー位置に存在する局在準位として顕在化する。このような局在準位にキャリ
アがトラップされることで、トランジスタの信頼性が低下するため、酸化物半導体層に含
まれる酸素欠損を低減することが必要となる。酸化物積層膜１６０においては、酸化物層
１６２と比較して酸素欠損の生じにくい酸化物層を酸化物層１６２の上下に接して設ける
ことで、酸化物層１６２における酸素欠損を低減することができる。例えば、酸化物層１
６２は、一定光電流測定法（ＣＰＭともいう）により測定された局在準位による吸収係数
を１×１０−３／ｃｍ未満、好ましくは１×１０−４／ｃｍ未満とすることができる。
なお、チャネル形成領域とは、酸化物積層膜１６０（酸化物層１６１、酸化物層１６２、
及び酸化物層１６３）のうち、ゲート電極４１０が重畳している領域をいう。ただし、酸
化物積層膜１６０中にｎ型化領域４０３が形成されうる場合においては、酸化物積層膜１
６０のうち、ゲート電極４１０が重畳し、且つｎ型化領域４０３に挟まれた領域がチャネ
ル形成領域となる。このように、チャネル形成領域は、酸化物積層膜１６０のうち、ゲー
ト電極４１０が重畳している領域に主に形成され、酸化物積層膜１６０の半導体特性に依
存する。したがって、酸化物積層膜１６０のゲート電極４１０が重畳した領域は、酸化物
積層膜１６０がｉ型の場合にはチャネル形成領域であり、酸化物積層膜１６０がｎ型の場
合にはチャネル形成領域でない場合がある。なお、チャネルとは、チャネル形成領域にお
いて、電流が主として流れる経路をいう。
また、酸化物層１６２が、構成元素の異なる絶縁層（例えば、酸化シリコンを含む下地絶
縁層）と接する場合、２層の界面に界面準位が形成され、該界面準位はチャネルを形成す
ることがある。このような場合、しきい値電圧の異なる別のトランジスタが出現し、トラ
ンジスタの見かけ上のしきい値電圧が変動することがある。しかしながら、酸化物積層膜
１６０においては酸化物層１６２を構成する金属元素を一種以上含んで酸化物層１６１が
構成されるため、酸化物層１６１と酸化物層１６２の界面に界面準位を形成しにくくなる
。よって酸化物層１６１を設けることにより、トランジスタのしきい値電圧などの電気特
性のばらつきを低減することができる。
また、ゲート絶縁膜４０９と酸化物層１６２との界面にチャネルが形成される場合、該界
面で界面散乱が起こり、トランジスタの電界効果移動度が低くなる。しかしながら、酸化
物積層膜１６０においては、酸化物層１６２を構成する金属元素を一種以上含んで酸化物
層１６３が構成されるため、酸化物層１６２と酸化物層１６３との界面ではキャリアの散
乱が起こりにくく、トランジスタの電界効果移動度を高くすることができる。
また、酸化物層１６１及び酸化物層１６３は、酸化物積層膜１６０に接する絶縁層の構成
元素が、酸化物層１６２へ混入して、不純物による準位が形成されることを抑制するため
のバリア層としても機能する。
例えば、酸化物積層膜１６０に接する絶縁層として、シリコンを含む絶縁層を用いる場合
、該絶縁層中のシリコン、又は絶縁層中に混入されうる炭素が、酸化物層１６１又は酸化
物層１６３の中へ界面から数ｎｍ程度まで混入することがある。シリコン、炭素等の不純
物が酸化物半導体層中に入ると不純物準位を形成し、不純物準位がドナーとなり電子を生
成することでｎ型化することがある。
しかしながら、酸化物層１６１及び酸化物層１６３の膜厚が、数ｎｍよりも厚ければ、混
入したシリコン、炭素等の不純物が酸化物層１６２にまで到達しないため、不純物準位の
影響は低減される。
ここで、酸化物層１６２に含まれるシリコンの濃度は３×１０１８／ｃｍ３以下、好まし
くは３×１０１７／ｃｍ３以下とする。また、酸化物層１６２に含まれる炭素の濃度は３
×１０１８／ｃｍ３以下、好ましくは３×１０１７／ｃｍ３以下とする。特に酸化物層１
６２に第１４族元素であるシリコン又は炭素が多く混入しないように、酸化物層１６１及
び酸化物層１６３で、キャリアパスとなる酸化物層１６２を挟む、又は囲む構成とするこ
とが好ましい。すなわち、酸化物層１６２に含まれるシリコン及び炭素の濃度は、酸化物
層１６１及び酸化物層１６３に含まれるシリコン及び炭素の濃度よりも低いことが好まし
い。
なお、酸化物層中の不純物濃度は二次イオン分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉ
ｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）で測定することができる。
また、水素や水分が不純物として酸化物半導体層に含まれてしまうとドナーを作りｎ型化
するため、酸化物積層膜１６０の上方に水素や水分が外部から侵入することを防止する保
護絶縁層（窒化シリコン層など）を設けることは、井戸型構造を実現する上で有用である
。
さらに、図１５（Ａ）乃至図１５（Ｃ）に、トランジスタのチャネル幅方向における酸化
物積層膜１６０の断面構成例の一部を示す。酸化物積層膜１６０は、絶縁膜４０８の上に
酸化物層１６１と、酸化物層１６１上に設けられた酸化物層１６２と、酸化物層１６２上
に設けられた酸化物層１６３と、酸化物層１６１の側面、酸化物層１６２の側面、酸化物
層１６３の側面に接して設けられた酸化物層１６４と、を有する。このとき、酸化物層１
６２は、酸化物層１６１、酸化物層１６３、及び酸化物層１６４により囲まれている。ま
た、酸化物層１６４は、ゲート絶縁膜４０９に接し、また、ゲート絶縁膜４０９に接して
ゲート電極４１０が設けられている。
図１５（Ａ）に示す酸化物積層膜１６０は、任意の一又は複数の曲率半径で定義される曲
面を有する。このとき、ゲート絶縁膜４０９に接する酸化物層１６４の面の少なくとも一
部は曲面である。なお、図１５（Ａ）に示すように、ゲート電極４１０が絶縁膜４０８に
接してもよい。
酸化物層１６４は、例えば酸化物層１６１に適用可能な材料を含む。酸化物層１６４は、
例えばドライエッチング法などにより、酸化物層１６１、酸化物層１６２、及び酸化物層
１６３をエッチングする際に、酸化物層１６１の反応生成物が酸化物層１６２及び酸化物
層１６３の側面に付着することにより生成される。
なお、酸化物層１６１、酸化物層１６３、及び酸化物層１６４は厳密に区別のつかない場
合がある。そのため、酸化物層１６２が酸化物に囲まれていると言い換えることもできる
。
また、酸化物積層膜１６０が図１５（Ｂ）に示す構造であってもよい。図１５（Ｂ）に示
す酸化物積層膜１６０は、端部に傾斜（テーパー角）領域を有する構造である。端部に傾
斜（テーパー角）領域を設けることにより、ゲート絶縁膜４０９の被覆性を向上させるこ
とができる。また、図１５（Ｃ）に示すように、上記テーパ領域の一部が削られた構造で
あってもよい。
上記に示すトランジスタは、酸化物半導体膜と、酸化物半導体膜の上側及び下側に接して
設けられる酸化物層の積層でなる酸化物積層膜の断面は、曲面又は傾斜領域を有する。酸
化物積層膜の断面に曲面又は傾斜領域を有することで、酸化物積層膜上に形成される膜の
被覆性を向上させることができる。よって、酸化物積層膜上に形成された膜を均一に形成
することができ、膜密度の低い領域や、膜が形成されていない領域から酸化物積層膜中に
不純物元素が入り込み、トランジスタの電気特性の劣化を抑制し、安定した特性のトラン
ジスタとすることができる。
以上のように、酸化物半導体に接し酸化物を形成し、酸化物半導体と酸化物とを含む酸化
物積層膜とすることによって、水素、水分等の不純物又は酸化物半導体に接する絶縁膜か
らの不純物が、酸化物半導体膜中に入り込むことによってキャリアの形成を抑制すること
ができる。
［４−３．トランジスタを用いた半導体装置の構成例］
上記トランジスタを用いた半導体装置の構成例について説明する。
図１６は、半導体装置の断面構造の一例である。図１６に示す半導体装置は、トランジス
タ１１７２と、絶縁膜等を介してトランジスタ１１７２上に設けられたトランジスタ１１
７１と、キャパシタ１１７８と、を有する。
本実施形態では、下部のトランジスタ１１７２には半導体材料を用い、上部のトランジス
タ１１７１には酸化物膜を用い、当該半導体材料として半導体基板を用いた構造の半導体
装置を示す。
図１６は、下部に半導体材料を用いたトランジスタを有し、上部に本発明の一態様に係る
酸化物膜を用いたトランジスタを有する半導体装置の断面構成を示す一例である。ここで
、半導体材料と本発明の一態様に係る酸化物膜とは異なる材料を用いる。例えば、半導体
材料を酸化物又は酸化物半導体以外の半導体材料とすることができる。酸化物又は酸化物
半導体以外の材料としては、例えば、シリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、
炭化シリコン、又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。単結晶半導体を用いたトランジスタは、高速動作が容易である。一方で、酸化物
膜を用いたトランジスタは、オフ電流が数ｙＡ／μｍ乃至数ｚＡ／μｍ程度と十分低い特
性を利用した回路に用いることができる。これらのことから、図１６に示す半導体装置を
用いて、例えば低消費電力の論理回路を構成することもできる。半導体材料としてその他
に、有機半導体材料などを用いてもよい。
また、図示しないが、上述した半導体基板の替わりに、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ
Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いてもよい。
ＳＯＩ基板（ＳＯＩウェハともいう）は、半導体基板と、半導体基板上の埋め込み酸化膜
（ＢＯＸ（Ｂｕｒｉｅｄ Ｏｘｉｄｅ）層ともいう）と、埋め込み酸化膜上の半導体膜（
以下ＳＯＩ層という）とからなる。該ＳＯＩ基板は、シリコン基板の所定の深さに酸素イ
オンを注入して高温処理によってＢＯＸ層とＳＯＩ層を形成したＳＩＭＯＸ（Ｓｅｐａｒ
ａｔｉｏｎ ｂｙ ＩＭｐｌａｎｔｅｄ ＯＸｇｅｎ：ＳＵＭＣＯ ＴＥＣＨＸＩＶ株式
会社の登録商標）基板や、陽極化成による多孔質シリコン層を用いたＥＬＴＲＡＮ（Ｅｐ
ｉｔａｘｉａｌ Ｌａｙｅｒ ＴＲＡＮｓｆｅｒ：キヤノン株式会社の登録商標）基板、
熱酸化膜を形成した基板（デバイスウェハ）に水素イオンを注入して脆弱層を形成し、他
のシリコン基板（ハンドルウェハ）と貼り合わせ後に熱処理により脆弱層からハンドルウ
ェハを剥離してＳＯＩ層を形成したＵＮＩＢＯＮＤ（ＳＯＩＴＥＣ社の登録商標）基板等
を適宜用いることができる。
なお、一般的にはＳＯＩ基板はシリコン基板上にＢＯＸ層を介してシリコン薄膜からなる
ＳＯＩ層が設けられたものを指すが、シリコンに限られず、他の単結晶半導体材料を用い
てもよい。また、ＳＯＩ基板にはガラス基板等の絶縁基板上に絶縁層を介して半導体層が
設けられた構成のものが含まれるものとする。
半導体基板の替わりに、ＳＯＩ基板を用いた場合には、下部のトランジスタのチャネル領
域に上記のＳＯＩ層を用いる。ＳＯＩ基板を用いたトランジスタを用いることで、バルク
シリコン基板を用いた場合と比較して、ＢＯＸ層の存在により寄生容量が小さい、α線等
の入射によるソフトエラーの確率が低い、寄生トランジスタの形成によるラッチアップが
生じない、素子が容易に絶縁分離できる等の多くの利点を有する。
また、ＳＯＩ層は単結晶シリコン等の単結晶半導体からなる。従って、下部のトランジス
タにＳＯＩ層を用いることで、半導体装置の動作を高速化することができる。
図１６において、トランジスタ１１７２は、例えば図７に示すトランジスタ２４２、図１
０に示すトランジスタ１０７２に相当する。トランジスタ１１７２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１６に示す例においては、トランジスタ１１７２は、ＳＴＩ１０
８５（Ｓｈａｌｌｏｗ Ｔｒｅｎｃｈ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）によって共通の島として他
の素子と絶縁分離されている。ＳＴＩ１０８５を用いることにより、ＬＯＣＯＳによる素
子分離法で発生した素子分離部のバーズビークを抑制することができ、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ＳＴ
Ｉ１０８５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。なお、トランジスタ１１７２のしきい値を制御するため、ＳＴＩ１０８５間には
ウェル１０８１が形成される。
図１６におけるトランジスタ１１７２は、基板１０８０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１１１２（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１１１３、１１１
４と、ゲート絶縁膜１１１３、１１１４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１１１６、１１１８とを有する。ゲート電極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１１１６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１１１８を積層した構造とすることができるが、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よぶ場合がある。
また、基板１０８０中に設けられた不純物領域１１１２には、図示しないが、コンタクト
プラグが接続されている。ここでコンタクトプラグは、トランジスタ１１７２等のソース
電極やドレイン電極としても機能する。また、不純物領域１１１２とチャネル形成領域と
の間には、不純物領域１１１２と異なる不純物領域１１１１が設けられている。不純物領
域１１１１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ことができる機能を果たす。ゲート電極
１１１６、１１１８の側壁には絶縁膜１１１７を介してサイドウォール絶縁膜１１１５を
有する。絶縁膜１１１７やサイドウォール絶縁膜１１１５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１１７２は、層間絶縁膜１０８８により被覆されている。層間絶縁膜
１０８８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、層間絶縁膜１０８８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、層間絶縁膜１０８８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、各トランジスタの移動度を向上させること
ができる。
なお、図１６に示すトランジスタ１１７２を、フィン型構造（トライゲート構造、Ωゲー
ト構造ともいう）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を設けた構造
である。ゲート電極は、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１１７２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。
キャパシタ１１７８は、間に誘電体膜として機能する絶縁膜１０８３を介して、基板１０
８０中に設けられた不純物領域１０８２と、電極１０８４及び電極１０８７との積層によ
り構成される。ここで、絶縁膜１０８３は、トランジスタ１１７２のゲート絶縁膜１１１
３、１１１４と同一の材料で形成され、電極１０８４及び電極１０８７は、トランジスタ
１１７２のゲート電極１１１６、１１１８と同一の材料で形成される。また、不純物領域
１０８２は、トランジスタ１１７２が有する不純物領域１１１２と同一のタイミングで形
成することができる。
図１６におけるトランジスタ１１７１は、例えば図７に示すトランジスタ２４０、図１０
に示すトランジスタ１０７１に相当する。トランジスタ１１７１は、下地絶縁膜１１０１
上に設けられた酸化物膜１１７３と、酸化物膜１１７３に接する一対の導電層１１７４と
、導電層１１７４の上面及び側面に接して設けられた導電層１１７５と、絶縁膜１１７６
を挟んで酸化物膜１１７３に重畳する導電層１１７７と、を有する。
トランジスタ１１７１は、必要な回路構成に応じて下層のトランジスタ１１７２等の半導
体材料を用いたトランジスタと電気的に接続する。図１６においては、一例としてトラン
ジスタ１１７１のソース又はドレインがトランジスタ１１７２のゲートと電気的に接続し
ている構成を示している。
導電層１１７４は、トランジスタ１１７１のソース電極又はドレイン電極としての機能を
有していてもよい。一対の導電層１１７４としては、酸素と結合し易い導電材料を用いる
ことができる。例えば、Ａｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗなどを用いることがで
きる。後のプロセス温度が比較的高くできることなどから、融点の高いＷを用いることが
特に好ましい。なお、酸素と結合し易い導電材料には、酸素が拡散又は移動し易い材料も
含まれる。
酸素と結合し易い導電材料と酸化物層を接触させると、酸化物層中の酸素が、酸素と結合
し易い導電材料側に拡散又は移動する現象が起こる。トランジスタの作製工程には、いく
つかの加熱工程があることから、上記現象により、酸化物層のソース電極層及びドレイン
電極層と接触した近傍の領域に酸素欠損が発生し、当該領域はｎ型化する。したがって、
ｎ型化した当該領域はトランジスタのソース又はドレインとして作用させることができる
。
チャネル長が短いトランジスタを形成する場合、上記酸素欠損の発生によってｎ型化した
領域がトランジスタのチャネル長方向に延在してしまうことがある。この場合、トランジ
スタの電気特性には、しきい値電圧のシフトやゲート電圧でオンオフの制御ができない状
態（導通状態）が現れる。そのため、チャネル長が短いトランジスタを形成する場合は、
ソース電極及びドレイン電極に酸素と結合し易い導電材料を用いることは好ましくない。
したがって、本発明の一態様では、ソース電極層及びドレイン電極層を積層とし、チャネ
ル長を定める一対の導電層１１７５には、酸素と結合しにくい導電材料を用いる。当該導
電材料としては、例えば、窒化タンタル、窒化チタンなどの導電性窒化物、又はルテニウ
ムなどを用いることが好ましい。なお、酸素と結合しにくい導電材料には、酸素が拡散又
は移動しにくい材料も含まれる。
上記酸素と結合しにくい導電材料を一対の導電層１１７５に用いることによって、酸化物
膜１１７３に形成されるチャネル形成領域に酸素欠損が形成されることを抑制することが
でき、チャネルのｎ型化を抑えることができる。したがって、チャネル長が短いトランジ
スタであっても良好な電気特性を得ることができる。
なお、上記酸素と結合しにくい導電材料のみでソース電極層及びドレイン電極層を形成す
ると、酸化物膜１１７３とのコンタクト抵抗が高くなりすぎることから、一対の導電層１
１７４を、酸化物膜１１７３上に形成し、導電層１１７４を覆うように導電層１１７５を
形成することが好ましい。
絶縁膜１１７６は、ゲート絶縁膜としての機能を有していてもよい。絶縁膜１１７６して
は、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、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、酸化ハフニウム及び酸化タンタルを一種以上
含む絶縁膜を用いることができる。また、絶縁膜１１７６は上記材料の積層であってもよ
い。
導電層１１７７は、ゲート電極としての機能を有していてもよい。導電層１１７７は、Ａ
ｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｙ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ａｇ、Ｔａ及びＷなどの導
電膜を用いることができる。また、導電層１１７７は、上記材料の積層であってもよい。
絶縁膜１１０２には、酸素の拡散又は移動が少ない材料を用いると良い。また、絶縁膜１
１０２は、膜中に水素の含有量が少ない材料を用いると良い。絶縁膜１１０２中の水素の
含有量としては、好ましくは５×１０１９／ｃｍ３未満、さらに好ましくは５×１０１８
／ｃｍ３未満とする。絶縁膜１１０２中の水素の含有量を上記数値とすることによって、
トランジスタのオフ電流を低くすることができる。例えば、絶縁膜１１０２としては、窒
化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜を用いるとよい。
また、トランジスタ１１７１においてチャネル長は短く、５ｎｍ以上６０ｎｍ未満、好ま
しくは１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下とする。トランジスタ１１７１は、酸化物膜をチャネル
領域に用いているため、短チャネル効果を有さない、又は極めて少なく、かつスイッチン
グ素子としての良好な電気特性を示すトランジスタである。
トランジスタ１１７１は、オフ電流が小さいため、当該トランジスタを用いることにより
、長期にわたり記憶内容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、あるいは、リフレッシュ動作の頻度が極めて少ない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１１７１のソース又はドレインの一方は、トランジスタ１１７１上に設けら
れた絶縁膜１１０２、層間絶縁膜１１０４、層間絶縁膜１１０５を貫通するコンタクトプ
ラグ１１０３ｂを介して、トランジスタ１１７１よりも上方に形成された配線１１０７ａ
と接続する。
ここで、コンタクトプラグ（接続用導体部、埋め込みプラグ、あるいは単にプラグともい
う）１０８６ａ、１０８６ｂ、１１０３ａ、１１０３ｂ、１１０３ｃ等は、それぞれ柱状
又は壁状の形状を有している。コンタクトプラグは層間絶縁膜に設けられた開口（ビア）
内に導電材料を埋め込むことで形成される。導電材料として、タングステン、ポリシリコ
ン等の埋め込み性の高い導電材料を用いることができる。また、図示しないが、当該材料
の側面及び底面を、チタン膜、窒化チタン膜又はこれらの積層膜等からなるバリア膜（拡
散防止膜）で覆うことができる。この場合、バリア膜も含めてコンタクトプラグという。
コンタクトプラグの底部は、例えばコンタクトプラグ１１０３ｂ、１１０３ｃにおいては
導電層１１７４の上面と接続している。しかし、コンタクトプラグ１１０３ｂ、１１０３
ｃと導電層１１７４との接続はこの接続構造に限らない。例えば、コンタクトプラグ１１
０３ｂ、１１０３ｃが導電層１１７４を貫通して、コンタクトプラグ１１０３ｂ、１１０
３ｃの底面が下地絶縁膜１１０１の上面と接していてもよい。この場合、コンタクトプラ
グ１１０３ｂ、１１０３ｃと導電層１１７４とは、コンタクトプラグ１１０３ｂ、１１０
３ｃの側面で接続する。これにより、導電層１１７４とコンタクトプラグ１１０３ｂ、１
１０３ｃとの電気的な接触性が向上する。また、コンタクトプラグ１１０３ｂ、１１０３
ｃはさらに下地絶縁膜１１０１の内部まで設けられていてもよい。
なお、図１６においては、導電層１１７４と配線１１０７ａ、１１０７ｂとの電気的な接
続に、一つのコンタクトプラグを用いている。しかし、コンタクトプラグと導電層１１７
４又は配線との接触抵抗の低減を図る場合には、複数のコンタクトプラグを並べて用いて
も良く、又は径の大きいコンタクトプラグを用いても良い。
コンタクトプラグは、マスクを用いて形成するため任意の位置に自由に形成することが可
能である。あるいは、サイドウォール絶縁膜１１１９に接するようにコンタクトプラグを
設けることで、素子の微細化を図ることも可能である。
配線１０９４、１０９８、１１０７ａ、１１０７ｂは、それぞれ層間絶縁膜１０９１、１
０９６、１１０８中に埋め込まれている。配線１０９４、１０９８、１１０７ａ、１１０
７ｂ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。低抵
抗な導電性材料を用いることで、配線１０９４、１０９８、１１０７ａ、１１０７ｂを伝
播する信号のＲＣ遅延を低減することができる。配線１０９４、１０９８、１１０７ａ、
１１０７ｂに銅を用いる場合には、銅のチャネル形成領域への拡散を防止するため、バリ
ア膜１０９３、１０９７、１１０６を形成する。バリア膜として、例えば窒化タンタル、
窒化タンタルとタンタルとの積層、窒化チタン、窒化チタンとチタンとの積層等による膜
を用いることができるが、配線材料の拡散防止機能、及び配線材料や下地膜等との密着性
が確保される程度においてこれらの材料からなる膜に限られない。バリア膜１０９３、１
０９７、１１０６は配線１０９４、１０９８、１１０７ａ、１１０７ｂとは別個の層とし
て形成しても良く、バリア膜となる材料を配線材料中に含有させ、加熱処理によって層間
絶縁膜１０９１、１０９６、１１０８に設けられた開口の内壁に析出させて形成しても良
い。
層間絶縁膜１０９１、１０９６、１１０８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 Ｇｌ
ａｓｓ）、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（
ＯＣ２Ｈ５）４を原料とした酸化シリコンであるＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａｅｔｈｙｌ ｏｒ
ｔｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ）、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乃至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。また該層間絶縁膜に配線を埋め込んだ後にＣＭＰ処
理を行うため、層間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。層間絶
縁膜１０９１、１０９６、１１０８は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、スピンコート法（
Ｓｐｉｎ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ：ＳＯＧともいう）を含む塗布法等により形成する。
層間絶縁膜１０９１、１０９６、１１０８上には、層間絶縁膜１０９２、１１００、１１
０９を設けても良い。層間絶縁膜１０９２、１１００、１１０９は、配線材料を層間絶縁
膜１０９１、１０９６、１１０８中に埋め込んだ後、ＣＭＰ等による平坦化処理を行う際
のエッチングストッパとして機能する。
配線１０９４、１０９８、１１０７ａ、１１０７ｂ上には、バリア膜１０９５、１０９９
、１１１０が設けられている。銅等の配線材料の拡散を防止することを目的とした膜であ
る。バリア膜１０９５、１０９９、１１１０は、配線１０９４、１０９８、１１０７ａ、
１１０７ｂの上面のみに限らず、層間絶縁膜１０９１、１０９６、１１０８上に形成して
もよい。バリア膜１０９５、１０９９、１１１０は、窒化シリコンやＳｉＣ、ＳｉＢＯＮ
等の絶縁性材料で形成することができる。但し、バリア膜１０９５、１０９９、１１１０
の膜厚が厚い場合には配線間容量を増加させる要因となるため、バリア性を有し、かつ低
誘電率の材料を選択することが好ましい。
配線１０９８は上部の配線部分と、下部のビアホール部分から構成される。下部のビアホ
ール部分は下層の配線１０９４と接続する。該構造の配線１０９８はいわゆるデュアルダ
マシン法等により形成することができる。また、上下層の配線間の接続はデュアルダマシ
ン法によらず、コンタクトプラグを用いて接続してもよい。
トランジスタ１１７２及びキャパシタ１１７８の上方には、配線１０９４が設けられてい
る。容量素子の上部電極にあたる電極１０８４、１０８７は、層間絶縁膜１０８８、１０
８９、１０９０を貫くコンタクトプラグ１０８６ａを介して配線１０９４と電気的に接続
する。また、トランジスタ１１７２のゲート電極は、層間絶縁膜１０８８、１０８９、１
０９０を貫くコンタクトプラグ１０８６ｂを介して配線１０９４と電気的に接続する。他
方、酸化物膜をチャネルに用いたトランジスタ１１７１のソース又はドレインの一方は、
絶縁膜、層間絶縁膜を貫くコンタクトプラグ１１０３ｂを介して一旦上層の配線１１０７
ａと電気的に接続され、該配線１１０７ａは、絶縁膜、層間絶縁膜及び下地絶縁膜１１０
１を貫くコンタクトプラグ１１０３ａを介して配線１０９８と電気的に接続する。さらに
配線１０９８は、下層の配線１０９４と電気的に接続する。これにより、トランジスタ１
１７１のソース又はドレインの一方は、キャパシタ１１７８の上部電極及びトランジスタ
１１７２のゲート電極と電気的に接続する。
なお、コンタクトプラグを用いた配線どうしの電気的接続は、図１６に示す配線１０９８
と配線１１０７ａとの接続のように複数本のコンタクトプラグを用いた接続でも良く、ま
た、電極１０８４、１０８７と配線１０９４との接続のように壁状のコンタクトプラグを
用いて接続しても良い。
上記の電気的接続の態様は一例であって、上記した配線とは異なる配線を用いて各素子の
接続を行っても良い。例えば図１６で示す態様においては、トランジスタ１１７１とトラ
ンジスタ１１７２及びキャパシタ１１７８との間には、配線を二層設けているが、一層で
も良いし、三層以上設けてもよい。あるいは、配線を介さずに複数のプラグを上下に接続
して、直接素子どうしを電気的に接続してもよい。また、図１６で示す態様においては、
配線１０９４、配線１０９８はダマシン法で形成しているが（配線１０９８は、いわゆる
デュアルダマシン法による。）、他の手法により形成した配線であってもよい。
なお、容量が不要の場合には、キャパシタ１１７８を設けない構成とすることもできる。
また、キャパシタ１１７８は、別途、トランジスタ１１７２の上方やトランジスタ１１７
１の上方に設けてもよい。
また、図示しないが、配線１０９８の不純物拡散防止膜として機能するバリア膜１０９９
と、下地絶縁膜１１０１との間に、酸素、水素、水等のブロッキング効果を有する酸化ア
ルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化窒化ガリウム、酸化イットリウ
ム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム等の金属酸化膜を設け
ることが好ましい。
図１６において、トランジスタ１１７１と、トランジスタ１１７２とは、少なくとも一部
が重畳するように設けられており、トランジスタ１１７１のソース領域又はドレイン領域
と酸化物膜の一部が重畳するように設けられているのが好ましい。また、トランジスタ１
１７１が、キャパシタ１１７８と重畳するように設けられていてもよい。このような平面
レイアウトを採用することにより、半導体装置の占有面積の低減を図ることができるため
、高集積化を図ることができる。
なお、図１６では、トランジスタ１１７１とキャパシタ１１７８とが、異なる層に設けら
れた例を示すが、これに限定されない。例えば、トランジスタ１１７１及びキャパシタ１
１７８を同一平面に設けても構わない。このような構造とすることで、データ保持部の上
に同様の構成のデータ保持部を重畳させることができる。よって、半導体装置の集積度を
高めることができる。
以上のように、半導体装置の下部に設けられた半導体材料を用いたトランジスタ１１７２
は、複数のコンタクトプラグ及び複数の配線を介して、上部に設けられた本発明の一態様
に係る酸化物膜を用いたトランジスタ１１７１と電気的に接続する。半導体装置を以上の
ような構成とすることで、高速動作性能を有する半導体材料を用いたトランジスタと、オ
フ電流が極めて小さい本発明の一態様に係る酸化物膜を用いたトランジスタとを組み合わ
せ、低消費電力化が可能な高速動作の論理回路を有する半導体装置を作製することができ
る。
また、長期間に渡ってデータを保持することができ、さらにフラッシュメモリと比較して
書き込み時に高い電圧が不要であるため、消費電力が小さく、動作速度が速い記憶回路を
有する半導体装置を作製することができる。
このような半導体装置は、上記の構成に限らず、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、
任意に変更が可能である。例えば、説明においては半導体材料を用いたトランジスタと、
本発明の一態様に係る酸化物膜を用いたトランジスタの間の配線層は２層として説明した
が、これを１層あるいは３層以上とすることもでき、また配線を用いることなく、コンタ
クトプラグのみによって両トランジスタを直接接続することもできる。この場合、例えば
シリコン貫通電極（Ｔｈｒｏｕｇｈ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｖｉａ：ＴＳＶ）技術を用いるこ
ともできる。また、配線は銅等の材料を層間絶縁膜中に埋め込むことで形成する場合につ
いて説明したが、例えばバリア膜＼配線材料層＼バリア膜の三層構造としてフォトリソグ
ラフィ工程により配線パターンに加工したものを用いてもよい。
特に、半導体材料を用いたトランジスタ１１７２と本発明の一態様に係る酸化物膜を用い
たトランジスタ１１７１との間の階層に銅配線を形成する場合には、本発明の一態様に係
る酸化物膜を用いたトランジスタ１１７１の製造工程において付加する熱処理の影響を十
分考慮する必要がある。換言すれば、本発明の一態様に係る酸化物膜を用いたトランジス
タ１１７１の製造工程において付加する熱処理の温度を配線材料の性質に適合するように
留意する必要がある。例えば、トランジスタ１１７１の構成部材に対して高温で熱処理を
行った場合、銅配線では熱応力が発生し、これに起因したストレスマイグレーションなど
の不都合が生じるためである。
例えば、図１６に示す構造のメモリを作製し、トランジスタ１１７１として、前述した酸
化物膜を用いたトランジスタを適用すると、当該トランジスタはオフ電流を極めて小さい
ため、ノード１０７９に蓄積された電荷がトランジスタ１１７１を介してリークすること
を抑制できる。そのため、長期間に渡ってデータを保持することができる。また、フラッ
シュメモリと比較して、書き込み時に高い電圧が不要であるため、消費電力を小さく、動
作速度を速くすることができる。
なお、ＭＣＵ、記憶装置以外においても、図１６に示す構造を用いることができる。
《５．二次電池、キャパシタ》
二次電池の一例として、以下にリチウムイオン二次電池に代表される非水系二次電池につ
いて説明する。
［５−１．正極］
まず、二次電池の正極について、図１７を用いて説明する。
正極６０００は、正極集電体６００１と、正極集電体６００１上に塗布法、ＣＶＤ法、又
はスパッタリング法等により形成された正極活物質層６００２などにより構成される。図
１７（Ａ）においては、シート状（又は帯状）の正極集電体６００１の両面に正極活物質
層６００２を設けた例を示しているが、これに限られず、正極活物質層６００２は、正極
集電体６００１の一方の面にのみ設けてもよい。また、図１７（Ａ）においては、正極活
物質層６００２は、正極集電体６００１上の全域に設けているが、これに限られず、正極
集電体６００１の一部に設けても良い。例えば、正極集電体６００１と正極タブとが接続
する部分には、正極活物質層６００２を設けない構成とするとよい。
正極集電体６００１には、金、白金、アルミニウム、チタン等の金属、及びこれらの合金
（ステンレスなど）など、導電性が高く、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。
正極集電体６００１は、箔状、シート状、板状、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。正極集電体６００１は、厚みが１０μｍ
以上３０μｍ以下のものを用いるとよい。
図１７（Ｂ）は、正極活物質層６００２の縦断面を示した模式図である。正極活物質層６
００２は、粒状の正極活物質６００３と、導電助剤としてのグラフェン６００４と、バイ
ンダ６００５（結着剤）とを含む。
導電助剤としては、後述するグラフェンの他、アセチレンブラック（ＡＢ）やグラファイ
ト（黒鉛）粒子などを用いることができるが、ここでは一例として、グラフェン６００４
を用いた正極活物質層６００２について説明する。
正極活物質６００３は、原料化合物を所定の比率で混合し焼成した焼成物を、適当な手段
により粉砕、造粒及び分級した、平均粒径や粒径分布を有する二次粒子からなる粒状の正
極活物質である。このため、図１７（Ｂ）においては、正極活物質６００３を模式的に球
で示しているが、この形状に限られるものではない。
正極活物質６００３としては、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
な材料であればよい。
例えば、オリビン型構造のリチウム含有複合リン酸塩（一般式ＬｉＭＰＯ４（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ＬｉＭＰＯ４の代表例としては、ＬｉＦｅＰＯ４、ＬｉＮｉＰＯ４、ＬｉＣｏ
ＰＯ４、ＬｉＭｎＰＯ４、ＬｉＦｅａＮｉｂＰＯ４、ＬｉＦｅａＣｏｂＰＯ４、ＬｉＦｅ
ａＭｎｂＰＯ４、ＬｉＮｉａＣｏｂＰＯ４、ＬｉＮｉａＭｎｂＰＯ４（ａ＋ｂは１以下、
０＜ａ＜１、０＜ｂ＜１）、ＬｉＦｅｃＮｉｄＣｏｅＰＯ４、ＬｉＦｅｃＮｉｄＭｎｅＰ
Ｏ４、ＬｉＮｉｃＣｏｄＭｎｅＰＯ４（ｃ＋ｄ＋ｅは１以下、０＜ｃ＜１、０＜ｄ＜１、
０＜ｅ＜１）、ＬｉＦｅｆＮｉｇＣｏｈＭｎｉＰＯ４（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正極活物質として用
いることができる。
又は、一般式Ｌｉ（２−ｊ）ＭＳｉＯ４（Ｍは、Ｆｅ（ＩＩ）、Ｍｎ（ＩＩ）、Ｃｏ（Ｉ
Ｉ）、Ｎｉ（ＩＩ）の一以上、０≦ｊ≦２）等の複合酸化物を用いることができる。一般
式Ｌｉ（２−ｊ）ＭＳｉＯ４の代表例としては、Ｌｉ（２−ｊ）ＦｅＳｉＯ４、Ｌｉ（２
−ｊ）ＮｉＳｉＯ４、Ｌｉ（２−ｊ）ＣｏＳｉＯ４、Ｌｉ（２−ｊ）ＭｎＳｉＯ４、Ｌｉ
（２−ｊ）ＦｅｋＮｉｌＳｉＯ４、Ｌｉ（２−ｊ）ＦｅｋＣｏｌＳｉＯ４、Ｌｉ（２−ｊ
）ＦｅｋＭｎｌＳｉＯ４、Ｌｉ（２−ｊ）ＮｉｋＣｏｌＳｉＯ４、Ｌｉ（２−ｊ）Ｎｉｋ
ＭｎｌＳｉＯ４（ｋ＋ｌは１以下、０＜ｋ＜１、０＜ｌ＜１）、Ｌｉ（２−ｊ）ＦｅｍＮ
ｉｎＣｏｑＳｉＯ４、Ｌｉ（２−ｊ）ＦｅｍＮｉｎＭｎｑＳｉＯ４、Ｌｉ（２−ｊ）Ｎｉ
ｍＣｏｎＭｎｑＳｉＯ４（ｍ＋ｎ＋ｑは１以下、０＜ｍ＜１、０＜ｎ＜１、０＜ｑ＜１）
、Ｌｉ（２−ｊ）ＦｅｒＮｉｓＣｏｔＭｎｕＳｉＯ４（ｒ＋ｓ＋ｔ＋ｕは１以下、０＜ｒ
＜１、０＜ｓ＜１、０＜ｔ＜１、０＜ｕ＜１）等の化合物を正極活物質として用いること
ができる。
また、層状岩塩型の結晶構造を有する、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）、ＬｉＮｉ
Ｏ２、ＬｉＭｎＯ２、Ｌｉ２ＭｎＯ３、ＬｉＮｉ０．８Ｃｏ０．２Ｏ２等のＮｉＣｏ系（
一般式は、ＬｉＮｉｘＣｏ１−ｘＯ２（０＜ｘ＜１））、ＬｉＮｉ０．５Ｍｎ０．５Ｏ２
等のＮｉＭｎ系（一般式は、ＬｉＮｉｘＭｎ１−ｘＯ２（０＜ｘ＜１））、ＬｉＮｉ１／
３Ｍｎ１／３Ｃｏ１／３Ｏ２等のＮｉＭｎＣｏ系（ＮＭＣともいう。一般式は、ＬｉＮｉ
ｘＭｎｙＣｏ１−ｘ−ｙＯ２（ｘ＞０、ｙ＞０、ｘ＋ｙ＜１））などを用いることができ
る。
また、ＬｉＭｎ２Ｏ４等のスピネル型の結晶構造を有する活物質、ＬｉＭＶＯ４等の逆ス
ピネル型の結晶構造を有する活物質等、その他種々の化合物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、ベリリウムイオン
、又はマグネシウムイオンなどのアルカリ土類金属イオンの場合、正極活物質６００３と
して、上記化合物や酸化物において、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、ベリリウム、マグネシウム等）、ベリリウム、又はマグネシウムを用いてもよい。
なお、図示しないが、正極活物質６００３の表面に炭素層を設けてもよい。炭素層を設け
ることで、電極の導電性を向上させることができる。正極活物質６００３への炭素層の被
覆は、正極活物質の焼成時にグルコース等の炭水化物を混合することで形成することがで
きる。
また、導電助剤として正極活物質層６００２に添加するグラフェン６００４は、酸化グラ
フェンに還元処理を行うことによって形成することができる。
ここで、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、酸素の割合は、ＸＰＳで測定した場合に
グラフェン全体の２ａｔｏｍｉｃ％以上２０ａｔｏｍｉｃ％以下、好ましくは３ａｔｏｍ
ｉｃ％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二次電池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。
酸化グラフェンは、例えばＨｕｍｍｅｒｓ法とよばれる酸化法を用いて作製することがで
きる。
Ｈｕｍｍｅｒｓ法は、グラファイト粉末に、過マンガン酸カリウムの硫酸溶液、過酸化水
素水等を加えて酸化反応させて酸化グラファイトを含む分散液を作製する。酸化グラファ
イトは、グラファイトの炭素の酸化により、エポキシ基、カルボニル基、カルボキシル基
、ヒドロキシル基等の官能基が結合する。このため、複数のグラフェンの層間距離がグラ
ファイトと比較して長くなり、層間の分離による薄片化が容易となる。次に、酸化グラフ
ァイトを含む混合液に、超音波振動を加えることで、層間距離が長い酸化グラファイトを
劈開し、酸化グラフェンを分離するとともに、酸化グラフェンを含む分散液を作製するこ
とができる。そして、酸化グラフェンを含む分散液から溶媒を取り除くことで、粉末状の
酸化グラフェンを得ることができる。
なお、酸化グラフェンの作製は過マンガン酸カリウムの硫酸溶液を用いたＨｕｍｍｅｒｓ
法に限られず、例えば硝酸、塩素酸カリウム、硝酸ナトリウム、過マンガン酸カリウム等
を使用するＨｕｍｍｅｒｓ法、又はＨｕｍｍｅｒｓ法以外の酸化グラフェンの作製方法を
適宜用いてもよい。
また、酸化グラファイトの薄片化は、超音波振動の付加の他、マイクロ波やラジオ波、又
は熱プラズマの照射や、物理的応力の付加により行ってもよい。
作製した酸化グラフェンは、エポキシ基、カルボニル基、カルボキシル基、ヒドロキシル
基等を有する。酸化グラフェンはＮＭＰ（Ｎ−メチルピロリドン、１−メチル−２−ピロ
リドン、Ｎ−メチル−２−ピロリドンなどともいう。）に代表される極性溶媒の中におい
ては、官能基中の酸素がマイナスに帯電するため、ＮＭＰと相互作用する一方で異なる酸
化グラフェンどうしとは反発し、凝集しにくい。このため、極性溶媒中においては、酸化
グラフェンが均一に分散しやすい。
また、酸化グラフェンの一辺の長さ（フレークサイズともいう。）は一辺の長さが５０ｎ
ｍ以上１００μｍ以下、好ましくは８００ｎｍ以上２０μｍ以下とするとよい。
図１７（Ｂ）に示す正極活物質層６００２の断面図のように、複数の粒状の正極活物質６
００３は、複数のグラフェン６００４によって被覆されている。一枚のシート状のグラフ
ェン６００４は、複数の粒状の正極活物質６００３と接続する。特に、グラフェン６００
４がシート状であるため、粒状の正極活物質６００３の表面の一部を包むように面接触す
ることができる。正極活物質と点接触するアセチレンブラック等の粒状の導電助剤と異な
り、グラフェン６００４は接触抵抗の低い面接触を可能とするものであるから、導電助剤
の量を増加させることなく、粒状の正極活物質６００３とグラフェン６００４との電子伝
導性を向上させるができる。
また、複数のグラフェン６００４どうしも面接触している。これはグラフェン６００４の
形成に、極性溶媒中での分散性が極めて高い酸化グラフェンを用いるためである。均一に
分散した酸化グラフェンを含有する分散媒から溶媒を揮発除去し、酸化グラフェンを還元
してグラフェンとするため、正極活物質層６００２に残留するグラフェン６００４は部分
的に重なり合い、互いに面接触する程度に分散していることで電子伝導の経路を形成して
いる。
また、グラフェン６００４の一部は複数の正極活物質層６００３の間に設けられる。また
、グラフェン６００４は炭素分子の単層又はこれらの積層で構成される極めて薄い膜（シ
ート）であるため、個々の粒状の正極活物質６００３の表面をなぞるようにその表面の一
部を覆って接触しており、正極活物質６００３と接していない部分は複数の粒状の正極活
物質６００３の間で撓み、皺となり、あるいは引き延ばされて張った状態を呈する。
従って、複数のグラフェン６００４により正極６０００中に電子伝導のネットワークを形
成している。このため正極活物質６００３どうしの電気伝導の経路が維持されている。以
上のことから、酸化グラフェンを原料とし、ペースト後に還元したグラフェンを導電助剤
として用いることで、高い電子伝導性を有する正極活物質層６００２を形成することがで
きる。
また、正極活物質６００３とグラフェン６００４との接触点を増やすために、導電助剤の
添加量を増加させなくてもよいため、正極活物質６００３の正極活物質層６００２におけ
る比率を増加させることができる。これにより、二次電池の放電容量を増加させることが
できる。
粒状の正極活物質６００３の一次粒子の平均粒径は、５００ｎｍ以下、好ましくは５０ｎ
ｍ以上５００ｎｍ以下のものを用いるとよい。この粒状の正極活物質６００３の複数と面
接触するために、グラフェン６００４は一辺の長さが５０ｎｍ以上１００μｍ以下、好ま
しくは８００ｎｍ以上２０μｍ以下であると好ましい。
また、正極活物質層６００２に含まれるバインダ（結着剤）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。
以上に示した正極活物質層６００２は、正極活物質６００３、導電助剤としてのグラフェ
ン６００４及びバインダを、正極活物質層６００２の総量に対して、それぞれ正極活物質
を９０ｗｔ％以上９４ｗｔ％以下、グラフェンを１ｗｔ％以上５ｗｔ％以下、バインダを
１ｗｔ％以上５ｗｔ％以下の割合で含有することが好ましい。
［５−２．負極］
次に、二次電池の負極について、図１８を用いて説明する。
負極６１００は、負極集電体６１０１と、負極集電体６１０１上に塗布法、ＣＶＤ法、又
はスパッタリング法等により形成された負極活物質層６１０２などにより構成される。図
１８（Ａ）においては、シート状（又は帯状）の負極集電体６１０１の両面に負極活物質
層６１０２を設けた例を示しているが、これに限られず、負極活物質層６１０２は、負極
集電体６１０１の一方の面にのみ設けてもよい。また、図１８（Ａ）においては、負極活
物質層６１０２は、負極集電体６１０１上の全域に設けているが、これに限られず、負極
集電体６１０１の一部に設けても良い。例えば、負極集電体６１０１と負極タブとが接続
する部分には、負極活物質層６１０２を設けない構成とするとよい。
負極集電体６１０１には、金、白金、鉄、銅、チタン等の金属、及びこれらの合金（ステ
ンレスなど）など、導電性が高く、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。負極集電体６１０１は、箔状、シート状、板状、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。負極集
電体６１０１は、厚みが１０μｍ以上３０μｍ以下のものを用いるとよい。
図１８（Ｂ）は、負極活物質層６１０２の一部の断面を模式的に示した図である。ここで
は負極活物質層６１０２に、負極活物質６１０３とバインダ６１０５（結着剤）を有する
例を示すが、これに限られず、少なくとも負極活物質６１０３を有していればよい。
負極活物質６１０３は、金属の溶解・析出、又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６１０３の材料としては、リチウム金属の他、蓄
電分野に一般的な炭素材である黒鉛を用いることができる。黒鉛は、低結晶性炭素として
軟質炭素や硬質炭素等が挙げられ、高結晶性炭素として、天然黒鉛、キッシュ黒鉛、熱分
解炭素、液晶ピッチ系炭素繊維、メソカーボンマイクロビーズ（ＭＣＭＢ）、液晶ピッチ
、石油又は石炭系コークス等が挙げられる。
また、負極活物質６１０３には上述の材料の他、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材料を用いることができる。キャリアイオンがリ
チウムイオンである場合、合金系材料としては、例えば、Ｍｇ、Ｃａ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇｅ
、Ｓｎ、Ｐｂ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ａｇ、Ａｕ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｈｇ及びＩｎ等のうちの少
なくとも一つを含む材料を用いることができる。このような材料は黒鉛と比べて容量が大
きく、特にシリコンは理論容量が４２００ｍＡｈ／ｇと高い。このため、負極活物質６１
０３にシリコンを用いることが好ましい。
図１８（Ｂ）においては、負極活物質６１０３を粒状の物質として表しているが、これに
限られず、負極活物質６１０３の形状としては、例えば板状、棒状、円柱状、粉状、鱗片
状等任意の形状とすることができる。また、板状の表面に凹凸形状を有するものや、表面
に微細な凹凸形状を有するもの、多孔質形状を有するものなど立体形状を有するものであ
ってもよい。
塗布法を用いて負極活物質層６１０２を形成する場合は、負極活物質６１０３に、導電助
剤（図示せず）や結着剤を添加して、負極ペーストを作製し、負極集電体６１０１上に塗
布して乾燥させればよい。
なお、負極活物質層６１０２にリチウムをプレドープしてもよい。プレドープの方法とし
ては、スパッタリング法により負極活物質層６１０２表面にリチウム層を形成してもよい
。また、負極活物質層６１０２の表面にリチウム箔を設けることで、負極活物質層６１０
２にリチウムをプレドープすることもできる。
また、負極活物質６１０３の表面に、グラフェン（図示せず）を形成することが好ましい
。例えば、負極活物質６１０３をシリコンとした場合、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６１０１と負極活物質層
６１０２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６１０３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、負極集電体６１０１と負極活物質層６１０２との
密着性の低下を抑制することができ、電池特性の劣化が低減されるため好ましい。
負極活物質６１０３の表面に形成するグラフェンは、正極の作製方法と同様に、酸化グラ
フェンを還元することによって形成することができる。該酸化グラフェンは、上述した酸
化グラフェンを用いることができる。
また、負極活物質６１０３の表面に、酸化物等の被膜６１０４を形成してもよい。充電時
において電解液の分解等により形成される固体電解質界面皮膜は、その形成時に消費され
た電荷量を放出することができず、不可逆容量を形成する。これに対し、酸化物等の被膜
６１０４をあらかじめ負極活物質６１０３の表面に設けておくことで、不可逆容量の発生
を抑制又は防止することができる。
このような負極活物質６１０３を被覆する被膜６１０４には、ニオブ、チタン、バナジウ
ム、タンタル、タングステン、ジルコニウム、モリブデン、ハフニウム、クロム、アルミ
ニウム若しくはシリコンのいずれか一の酸化膜、又はこれら元素のいずれか一とリチウム
とを含む酸化膜を用いることができる。このような被膜６１０４は、従来の電解液の分解
生成物により負極表面に形成される被膜に比べ、十分緻密な膜である。
例えば、酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）は、電気伝導度が１０−９Ｓ／ｃｍと低く、高い絶縁
性を示す。このため、酸化ニオブ膜は負極活物質と電解液との電気化学的な分解反応を阻
害する。一方で、酸化ニオブのリチウム拡散係数は１０−９ｃｍ２／ｓｅｃであり、高い
リチウムイオン伝導性を有する。このため、リチウムイオンを透過させることが可能であ
る。
負極活物質６１０３を被覆する被膜６１０４の形成には、例えばゾル−ゲル法を用いるこ
とができる。ゾル−ゲル法とは、金属アルコキシドや金属塩等からなる溶液を、加水分解
反応・重縮合反応により流動性を失ったゲルとし、このゲルを焼成して薄膜を形成する方
法である。ゾル−ゲル法は液相から薄膜を形成する方法であるから、原料を分子レベルで
均質に混合することができる。このため、溶媒の段階の金属酸化膜の原料に、黒鉛等の負
極活物質を加えることで、容易にゲル中に活物質を分散させることができる。このように
して、負極活物質６１０３の表面に被膜６１０４を形成することができる。
当該被膜６１０４を用いることで、二次電池の容量の低下を防止することができる。
［５−３．電解液］
二次電池に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、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
及び比率で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、漏液等に対する安全
性が高まる。また、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
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。
また、上記の溶媒に溶解させる電解質としては、キャリアにリチウムイオンを用いる場合
、例えばＬｉＰＦ６、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＡｌＣｌ４、Ｌｉ
ＳＣＮ、ＬｉＢｒ、ＬｉＩ、Ｌｉ２ＳＯ４、Ｌｉ２Ｂ１０Ｃｌ１０、Ｌｉ２Ｂ１２Ｃｌ１
２、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ＬｉＣ４Ｆ９ＳＯ３、ＬｉＣ（ＣＦ３ＳＯ２）３、ＬｉＣ（Ｃ２
Ｆ５ＳＯ２）３、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２、ＬｉＮ（Ｃ４Ｆ９ＳＯ２）（ＣＦ３ＳＯ２
）、ＬｉＮ（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）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
任意の組み合わせ及び比率で用いることができる。
［５−４．セパレータ］
二次電池のセパレータには、セルロースや、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（Ｐ
Ｅ）、ポリブテン、ナイロン、ポリエステル、ポリスルホン、ポリアクリロニトリル、ポ
リフッ化ビニリデン、テトラフルオロエチレン等の多孔性絶縁体を用いることができる。
また、ガラス繊維等の不織布や、ガラス繊維と高分子繊維を複合した隔膜を用いてもよい
。
［５−５．非水系二次電池］
次に、非水系二次電池の構造について、図１９及び図２０を用いて説明する。
［５−５−１．コイン型二次電池］
図１９（Ａ）は、コイン型（単層偏平型）のリチウムイオン二次電池の外観図であり、部
分的にその断面構造を併せて示した図である。
コイン型の二次電池９５０は、正極端子を兼ねた正極缶９５１と負極端子を兼ねた負極缶
９５２とが、ポリプロピレン等で形成されたガスケット９５３で絶縁シールされている。
正極９５４は、正極集電体９５５と、これと接するように設けられた正極活物質層９５６
により形成される。また、負極９５７は、負極集電体９５８と、これに接するように設け
られた負極活物質層９５９により形成される。正極活物質層９５６と負極活物質層９５９
との間には、セパレータ９６０と、電解液（図示せず）とを有する。
負極９５７は負極集電体９５８と負極活物質層９５９を有し、正極９５４は正極集電体９
５５と正極活物質層９５６を有する。
正極９５４、負極９５７、セパレータ９６０、電解液には、それぞれ上述した部材を用い
ることができる。
正極缶９５１、負極缶９５２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、又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。特に、二次電池の充放電によって生じる電解液による腐
食を防ぐため、ニッケル等を被覆することが好ましい。正極缶９５１は正極９５４と、負
極缶９５２は負極９５７とそれぞれ電気的に接続する。
これら負極９５７、正極９５４及びセパレータ９６０を電解液に含浸させ、図１９（Ａ）
に示すように、正極缶９５１を下にして正極９５４、セパレータ９６０、負極９５７、負
極缶９５２をこの順で積層し、正極缶９５１と負極缶９５２とをガスケット９５３を介し
て圧着してコイン型の二次電池９５０を製造する。
［５−５−２．ラミネート型二次電池］
次に、ラミネート型の二次電池の一例について、図１９（Ｂ）を参照して説明する。図１
９（Ｂ）では、説明の便宜上、部分的にその内部構造を露出して記載している。
図１９（Ｂ）に示すラミネート型の二次電池９７０は、正極集電体９７１及び正極活物質
層９７２を有する正極９７３と、負極集電体９７４及び負極活物質層９７５を有する負極
９７６と、セパレータ９７７と、電解液（図示せず）と、外装体９７８と、を有する。外
装体９７８内に設けられた正極９７３と負極９７６との間にセパレータ９７７が設置され
ている。また、外装体９７８内は、電解液で満たされている。なお、図１９（Ｂ）におい
ては、正極９７３、負極９７６、セパレータ９７７をそれぞれ一枚ずつ用いているが、こ
れらを交互に積層した積層型の二次電池としてもよい。
正極、負極、セパレータ、電解液（電解質及び溶媒）には、それぞれ上述した部材を用い
ることができる。
図１９（Ｂ）に示すラミネート型の二次電池９７０において、正極集電体９７１及び負極
集電体９７４は、外部との電気的接触を得る端子（タブ）の役割も兼ねている。そのため
、正極集電体９７１及び負極集電体９７４の一部は、外装体９７８から外側に露出するよ
うに配置される。
ラミネート型の二次電池９７０において、外装体９７８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。
［５−５−３．円筒型二次電池］
次に、円筒型の二次電池の一例について、図２０を参照して説明する。円筒型の二次電池
９８０は図２０（Ａ）に示すように、上面に正極キャップ（電池蓋）９８１を有し、側面
及び底面に電池缶（外装缶）９８２を有している。これら正極キャップ９８１と電池缶（
外装缶）９８２とは、ガスケット（絶縁パッキン）９９０によって絶縁されている。
図２０（Ｂ）は、円筒型の二次電池の断面を模式的に示した図である。中空円柱状の電池
缶９８２の内側には、帯状の正極９８４と負極９８６とがセパレータ９８５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９８２は、一端が閉じられ、他端が開いている。
正極９８４、負極９８６、セパレータ９８５には、上述した部材を用いることができる。
電池缶９８２には、耐腐食性のあるステンレス鋼やニッケル、アルミニウム、チタン等の
金属、又はこれらの合金やこれらと他の金属との合金を用いることができる。特に、二次
電池の充放電によって生じる電解液による腐食を防ぐため、ニッケル等を腐食性金属にめ
っきすることが好ましい。電池缶９８２の内側において、正極、負極及びセパレータが捲
回された電池素子は、対向する一対の絶縁板９８８、９８９により挟まれている。
また、電池素子が設けられた電池缶９８２の内部は、電解液（図示せず）が注入されてい
る。電解液には、上述した電解質及び溶媒を用いることができる。
円筒型の二次電池に用いる正極９８４及び負極９８６は捲回するため、集電体の両面に活
物質層を形成する。正極９８４には正極端子（正極集電リード）９８３が接続され、負極
９８６には負極端子（負極集電リード）９８７が接続される。正極端子９８３及び負極端
子９８７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９８３
は安全弁機構９９２に、負極端子９８７は電池缶９８２の底にそれぞれ抵抗溶接される。
安全弁機構９９２は、ＰＴＣ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆ
ｉｃｉｅｎｔ）素子９９１を介して正極キャップ９８１と電気的に接続されている。安全
弁機構９９２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９８１と正
極９８４との電気的な接続を切断するものである。また、ＰＴＣ素子９９１は温度が上昇
した場合に抵抗が増大する熱感抵抗素子であり、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（ＢａＴｉＯ３）系半導
体セラミックス等を用いることができる。
［５−５−４．角型二次電池］
次に、角型の二次電池の一例について、図１９（Ｃ）を参照して説明する。図１９（Ｃ）
に示す捲回体９９３は、負極９９４と、正極９９５と、セパレータ９９６と、を有する。
捲回体９９３は、セパレータ９９６を挟んで負極９９４と、正極９９５とが重なり合って
積層され、該積層シートを捲回したものである。この捲回体９９３を角型の封止缶などで
覆うことにより角型の二次電池が形成される。なお、負極９９４、正極９９５及びセパレ
ータ９９６からなる積層の積層数は、必要な容量と素子体積に応じて適宜設計すればよい
。
円筒型の二次電池と同様に、負極９９４は端子９９７及び端子９９８の一方を介して負極
タブ（図示せず）に接続され、正極９９５は端子９９７及び端子９９８の他方を介して正
極タブ（図示せず）に接続される。その他、安全弁機構等の周辺構造は、円筒型の二次電
池に準ずる。
以上のように二次電池として、コイン型、ラミネート型、円筒型及び角型の二次電池を示
したが、その他様々な形状の二次電池を用いることができる。また、正極と負極とセパレ
ータとが複数積層された構造や、正極と負極とセパレータとが捲回された構造であっても
よい。
［５−６．リチウムイオンキャパシタ］
次に、リチウムイオンキャパシタについて説明する。
リチウムイオンキャパシタは、電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ。Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｄ
ｏｕｂｌｅ Ｌａｙｅｒ Ｃａｐａｃｉｔｏｒの略）の正極に、炭素材料を用いたリチウ
ムイオン二次電池の負極を組み合わせたハイブリッドキャパシタであり、正極と負極の蓄
電原理が異なる非対称キャパシタである。正極が電気二重層を形成し物理的作用により充
放電を行うのに対して、負極はリチウムの化学的作用により充放電を行う。この負極活物
質である炭素材料等に予めリチウムを吸蔵させた負極を用いることで、従来の負極に活性
炭を用いた電気二重層キャパシタに比べ、エネルギー密度を飛躍的に向上させている。
リチウムイオンキャパシタは、リチウムイオン二次電池の正極活物質層に代えて、リチウ
ムイオン及びアニオンの少なくとも一つを可逆的に担持できる材料を用いればよい。この
ような材料として、例えば活性炭、導電性高分子、ポリアセン系有機半導体（ＰＡＳ。Ｐ
ｏｌｙＡｃｅｎｉｃ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒの略）等が挙げられる。
リチウムイオンキャパシタは、充放電の効率が高く、急速充放電が可能であり、繰り返し
利用による寿命も長い。
このようなリチウムイオンキャパシタを、本発明の一態様に係る二次電池に置き換えて用
いることができる。これにより不可逆容量の発生を抑制し、サイクル特性を向上させた蓄
電装置を作製することができる。
《６．蓄電装置》
次に、半導体集積回路（ＩＣ）等の電気回路を有する蓄電装置について説明する。
図２１は、上述した角型の二次電池に電気回路等を設けた蓄電装置の構成例を示す図であ
る。図２１（Ａ）及び図２１（Ｂ）に示す蓄電装置６６００は、電池缶６６０４の内部に
上述した捲回体６６０１を収納したものである。捲回体６６０１は、端子６６０２及び端
子６６０３を有し、電池缶６６０４の内部で電解液に含浸される。端子６６０３は電池缶
６６０４に接し、端子６６０２は、絶縁材などを用いることにより電池缶６６０４から絶
縁する構成としてもよい。電池缶６６０４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。
さらに、図２１（Ｂ）に示す蓄電装置６６００に電気回路等を設けることができる。図２
１（Ｃ）及び図２１（Ｄ）は、蓄電装置６６００に、電気回路等を設けた回路基板６６０
６、アンテナ６６０９、アンテナ６６１０、ラベル６６０８を設けた例を示す図である。
回路基板６６０６は、電気回路６６０７、端子６６０５等を有する。回路基板６６０６と
しては、例えばプリント基板（ＰＣＢ）を用いることができる。プリント基板を回路基板
６６０６として用いた場合、プリント基板上に抵抗素子、コンデンサ等の容量素子、コイ
ル（インダクタ）、半導体集積回路（ＩＣ）などの電子部品を実装し結線して電気回路６
６０７を形成することができる。電子部品としてはこれらの他に、サーミスタ等の温度検
出素子、ヒューズ、フィルタ、水晶発振器、ＥＭＣ対策部品等、種々の部品を実装するこ
とができる。
ここで、上記の半導体集積回路（ＩＣ）には、上述した半導体装置を用いることができる
。これにより、電気回路６６０７の消費電力を大幅に低減することが可能となる。
これらの電子部品によって形成された電気回路６６０７は、例えば蓄電装置６６００の過
充電監視回路、過放電監視回路、過電流に対する保護回路等として機能させることができ
る。また、電気回路６６０７として、ＭＣＵ１０５や、メモリ１０６等を設けることがで
きる。
回路基板６６０６が有する端子６６０５は、端子６６０２、端子６６０３、及び電気回路
６６０７に接続される。図２１（Ｃ）及び（Ｄ）においては５つの端子を示しているが、
これに限らず、任意の端子数とすればよい。端子６６０５を用いて蓄電装置６６００の充
放電を行う他、蓄電装置６６００を搭載する電気機器との信号の授受を行うことができる
。
アンテナ６６０９及びアンテナ６６１０は、例えば蓄電装置の外部との電力の授受、信号
の授受を行うために用いることができる。アンテナ６６０９及びアンテナ６６１０の一方
又は双方を上述した通信手段１０７に接続することで、電気回路６６０７により外部との
信号の授受を行うことができる。あるいは、アンテナ６６０９及びアンテナ６６１０の一
方又は双方を端子６６０５に電気的に接続することで、蓄電装置６６００を搭載する電気
機器の制御回路により外部との電力の授受又は信号の授受を制御することもできる。
なお、図２１（Ｃ）及び図２１（Ｄ）は２種類のアンテナを設けた蓄電装置６６００の例
であるが、アンテナは複数種設けてもよく、あるいはアンテナを設けない構成としてもよ
い。
図２１（Ｃ）及び図２１（Ｄ）においては、アンテナ６６０９及びアンテナ６６１０がコ
イル形状である場合を示すが、これに限られず、例えば線状、平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。
なお、無線による電力の授受（非接触電力伝送、無接点電力伝送あるいはワイヤレス給電
などともいう）には、電磁誘導方式、磁界共鳴方式、電波方式等を用いることができる。
アンテナ６６０９の線幅は、アンテナ６６１０の線幅よりも大きいことが好ましい。これ
により、アンテナ６６０９により受電する電力量を上げることができる。
また、アンテナ６６０９及びアンテナ６６１０と、蓄電装置６６００との間に層６６１１
を有する。層６６１１は、例えば捲回体６６０１による電界又は磁界の遮蔽を防止するこ
とができる機能を有する。この場合、層６６１１には、例えば磁性体を用いることができ
る。あるいは、層６６１１を遮蔽層としてもよい。
なお、アンテナ６６０９及びアンテナ６６１０は、外部との電力の授受又は信号の授受と
は異なる用途として用いることができる。例えば、蓄電装置６６００を搭載する電気機器
がアンテナを有さない機器である場合、アンテナ６６０９及びアンテナ６６１０を用いて
電気機器への無線通信を実現することができる。
《７．電気機器》
本発明の一態様に係る蓄電装置は、様々な電気機器の電源として用いることができる。
［７−１．電気機器の定義］
ここで電気機器とは、電気の力によって作用する部分を含む工業製品をいう。電気機器は
、家電等の民生用に限られず、業務用、産業用、軍事用等、種々の用途のものを広くこの
範疇とする。
［７−２．電気機器の一例］
本発明の一態様に係る蓄電装置を用いた電気機器としては、例えば、テレビやモニタ等の
表示装置、照明装置、デスクトップ型やノート型等のパーソナルコンピュータ、ワードプ
ロセッサ、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ）などの記録媒体に
記憶された静止画又は動画を再生する画像再生装置、ＣＤ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｃ）
プレーヤやデジタルオーディオプレーヤ等の携帯型又は据置型の音響再生機器、携帯型又
は据置型のラジオ受信機、テープレコーダやＩＣレコーダ（ボイスレコーダ）等の録音再
生機器、ヘッドホンステレオ、ステレオ、リモートコントローラ、置き時計や壁掛け時計
等の時計、コードレス電話子機、トランシーバ、携帯電話機、自動車電話、携帯型又は据
置型のゲーム機、歩数計、電卓、携帯情報端末、電子手帳、電子書籍、電子翻訳機、マイ
クロフォン等の音声入力機器、スチルカメラやビデオカメラ等の写真機、玩具、電気シェ
ーバ、電動歯ブラシ、電子レンジ等の高周波加熱装置、電気炊飯器、電気洗濯機、電気掃
除機、温水器、扇風機、毛髪乾燥機、加湿器や除湿器やエアコンディショナ等の空気調和
設備、食器洗い器、食器乾燥器、衣類乾燥器、布団乾燥器、電気冷蔵庫、電気冷凍庫、電
気冷凍冷蔵庫、ＤＮＡ保存用冷凍庫、懐中電灯、電動工具、煙感知器、補聴器、心臓ペー
スメーカ、携帯型Ｘ線撮影装置、放射線測定器、電気マッサージ器や透析装置等の健康機
器や医療機器などが挙げられる。さらに、誘導灯、信号機、ガスメータや水道メータ等の
計量器、ベルトコンベア、エレベータ、エスカレータ、自動販売機、自動券売機、現金自
動支払機（ＣＤ。Ｃａｓｈ Ｄｉｓｐｅｎｓｅｒの略）や現金自動預金支払機（ＡＴＭ。
ＡｕｔｏＭａｔｅｄ Ｔｅｌｌｅｒ Ｍａｃｈｉｎｅの略）、デジタルサイネージ（電子
看板）、産業用ロボット、無線用中継局、携帯電話の基地局、電力貯蔵システム、電力の
平準化やスマートグリッドのための蓄電装置等の産業機器が挙げられる。また、蓄電装置
からの電力を用いて電動機により推進する移動体（輸送体）なども、電気機器の範疇に含
まれるものとする。上記移動体として、例えば、電気自動車（ＥＶ）、内燃機関と電動機
を併せ持ったハイブリッド車（ＨＥＶ）、プラグインハイブリッド車（ＰＨＥＶ）、これ
らのタイヤ車輪を無限軌道に変えた装軌車両、農業機械、電動アシスト自転車を含む原動
機付自転車、自動二輪車、電動車椅子、電動カート、小型又は大型船舶、潜水艦、固定翼
機や回転翼機等の航空機、ロケット、人工衛星、宇宙探査機や惑星探査機、宇宙船などが
挙げられる。
なお、上記電気機器は、消費電力のほぼ全てを賄うための主電源として、本発明の一態様
に係る蓄電装置を用いることができる。また、上記電気機器は、主電源や商用電源からの
電力の供給が停止した場合に、電気機器への電力の供給を行うことができる無停電電源と
して、本発明の一態様に係る蓄電装置を用いることができる。あるいは上記電気機器は、
主電源や商用電源からの電気機器への電力の供給と並行して、電気機器への電力の供給を
行うための補助電源として、本発明の一態様に係る蓄電装置を用いることができる。
［７−３．電力系のネットワークの一例］
上述した電気機器は、個々に蓄電装置を搭載する場合に限らず、複数の電気機器と蓄電装
置とこれらの電力系を制御する制御装置とを有線又は無線で接続した電力系のネットワー
ク（電力網）を形成してもよい。電力系のネットワークを制御装置により制御することに
よって、ネットワーク全体における電力の使用効率を向上させることができる。
図２２（Ａ）に、複数の家電機器、制御装置、及び蓄電装置等を住宅内で接続したＨＥＭ
Ｓ（家庭内エネルギー管理システム。Ｈｏｍｅ Ｅｎｅｒｇｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ
Ｓｙｓｔｅｍの略）の構成例を示す。このようなシステムによって、家全体の電力消費量
を容易に把握することが可能になる。また、複数の家電機器の運転を遠隔操作することが
できる。また、センサや制御装置を用いて家電機器を自動制御する場合には、電力の節約
にも貢献することができる。
住宅８０００に設置された分電盤８００３は、引込み線８００２を介して電力系統８００
１に接続される。分電盤８００３は、引込み線８００２から供給される商用電力である交
流電力を、複数の家電機器それぞれに供給するものである。制御装置８００４は分電盤８
００３と接続されるとともに、複数の家電機器や蓄電システム８００５、太陽光発電シス
テム８００６等と接続される。また制御装置８００４は、住宅８０００の屋外などに駐車
され、分電盤８００３とは独立した電気自動車８０１２とも接続することができる。
制御装置８００４は、分電盤８００３と複数の家電機器とを繋ぎネットワークを構成する
ものであり、ネットワークに接続された複数の家電機器を制御するものである。
また、制御装置８００４は、インターネット８０１１に接続され、インターネット８０１
１を経由して、管理サーバ８０１３と接続することができる。管理サーバ８０１３は、使
用者の電力の使用状況を受信してデータベースを構築することができ、当該データベース
に基づき、種々のサービスを使用者に提供することができる。また、管理サーバ８０１３
は、例えば時間帯に応じた電力の料金情報を使用者に随時提供することができ、当該情報
に基づいて、制御装置８００４は住宅８０００内における最適な使用形態を設定すること
もできる。
複数の家電機器は、例えば、図２２（Ａ）に示す表示装置８００７、照明装置８００８、
空気調和設備８００９、電気冷蔵庫８０１０であるが、勿論これに限られず、上述した電
気機器など住宅内に設置可能なあらゆる電気機器を指す。
例えば、表示装置８００７は、表示部に液晶表示装置、有機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｌｕ
ｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）素子などの発光素子を各画素に備えた発光装置、電気泳動表示装
置、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）、ＰＤＰ（Ｐｌ
ａｓｍａ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｐａｎｅｌ）、ＦＥＤ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｄ
ｉｓｐｌａｙ）などの半導体表示装置が組み込まれ、ＴＶ放送受信用の他、パーソナルコ
ンピュータ用、広告表示用など、情報表示用表示装置として機能するものが含まれる。
また、照明装置８００８は、電力を利用して人工的に光を得る人工光源を含むものであり
、人工光源としては、白熱電球、蛍光灯などの放電ランプ、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉ
ｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）や有機ＥＬ素子などの発光素子を用いることができる。図２２
（Ａ）に示す照明装置８００８は天井に設置されたものであるが、この他、壁面、床、窓
等に設けられた据付け型であってもよく、卓上型であってもよい。
また、空気調和設備８００９は、温度、湿度、空気清浄度等の室内環境の調整を行う機能
を有する。図２２（Ａ）では、一例としてエアコンディショナを示す。エアコンディショ
ナは、圧縮機や蒸発器を一体とした室内機と、凝縮器を内蔵した室外機（図示せず）を備
えるものや、これらを一体としたもの等で構成される。
また、電気冷蔵庫８０１０は、食料品等を低温で保管するための電気機器であり、０℃以
下で凍らせる目的の冷凍庫を含む。圧縮器により圧縮したパイプ内の冷媒が気化する際に
熱を奪うことにより、庫内を冷却するものである。
これら複数の家電機器は、それぞれに蓄電装置を有していてもよく、また蓄電装置を有さ
ずに、蓄電システム８００５の電力や商用電源からの電力を利用してもよい。家電機器が
蓄電装置を内部に有する場合には、停電などにより商用電源から電力の供給が受けられな
い場合であっても、蓄電装置を無停電電源として用いることで、当該家電機器の利用が可
能となる。
以上のような家電機器のそれぞれの電源供給端子の近傍に、電流センサ等の電力検出手段
を設けることができる。電力検出手段により検出した情報を制御装置８００４に送信する
ことによって、使用者が家全体の電力使用量を把握することができる他、該情報に基づい
て、制御装置８００４が複数の家電機器への電力の配分を設定し、住宅８０００内におい
て効率的なあるいは経済的な電力の使用を行うことができる。
また、商用電源の供給元が供給可能な総電力量のうち電力使用率が低い時間帯において、
商用電源から蓄電システム８００５に充電することができる。また、太陽光発電システム
８００６によって、日中に蓄電システム８００５に充電することができる。なお、充電す
る対象は、蓄電システム８００５に限られず、制御装置８００４に接続された電気自動車
８０１２に搭載された蓄電装置でもよく、複数の家電機器が有する蓄電装置であってもよ
い。
このようにして、種々の蓄電装置に充電された電力を制御装置８００４が効率的に配分し
て使用することで、住宅８０００内において効率的なあるいは経済的な電力の使用を行う
ことができる。
以上のように、電力系をネットワーク化して制御する例として、家庭内規模の電力網を示
したがこれに限らず、スマートメーター等の制御機能や通信機能を組み合わせた都市規模
、国家規模の電力網（スマートグリッドという）を構築することもできる。また、工場や
事業所の規模で、エネルギー供給源と消費施設を構成単位とするマイクログリッドを構築
することもできる。
［７−４．電気機器の一例（電気自動車の例）］
次に、電気機器の一例として移動体の例について、図２２（Ｂ）及び（Ｃ）を用いて説明
する。本発明の一態様に係る蓄電装置を、移動体の制御用の蓄電装置に用いることができ
る。
図２２（Ｂ）は、電気自動車の内部構造の一例を示している。電気自動車８０２０には、
充放電の可能な蓄電装置８０２４が搭載されている。蓄電装置８０２４の電力は、電子制
御ユニット８０２５（ＥＣＵともいう。Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉ
ｔの略）により出力が調整されて、インバータユニット８０２６を介して走行モータユニ
ット８０２７に供給される。インバータユニット８０２６は、蓄電装置８０２４から入力
された直流電力を３相交流電力に変換するとともに、変換した交流電力の電圧、電流及び
周波数を調整して走行モータユニット８０２７に出力することができる。
従って、運転者がアクセルペダル（図示せず）を踏むと、走行モータユニット８０２７が
作動し、走行モータユニット８０２７で生じたトルクが出力軸８０２８及び駆動軸８０２
９を介して後輪（駆動輪）８０３０に伝達される。これに追従して前輪８０２３も併せて
稼働することで、電気自動車８０２０を駆動走行させることができる。
各ユニットには、例えば電圧センサ、電流センサ、温度センサ等の検出手段が設けられ、
電気自動車８０２０の各部位における物理量が適宜監視される。
電子制御ユニット８０２５は、図示しないＲＡＭ、ＲＯＭ等のメモリやＣＰＵを有する処
理装置である。電子制御ユニット８０２５は、電気自動車８０２０の加速、減速、停止等
の操作情報、走行環境や各ユニットの温度情報、制御情報、蓄電装置の充電状態（ＳＯＣ
）などの入力情報に基づき、インバータユニット８０２６や走行モータユニット８０２７
、蓄電装置８０２４に制御信号を出力する。当該メモリには、各種のデータやプログラム
が格納される。
走行モータユニット８０２７は、交流電動機の他、直流電動機やこれらの電動機と内燃機
関とを組み合わせて用いることができる。
なお、本発明の一態様に係る蓄電装置を具備していれば、上記で示した移動体に特に限定
されないことは言うまでもない。
電気自動車８０２０に搭載された蓄電装置８０２４は、プラグイン方式や非接触給電方式
等により外部の充電設備から電力供給を受けて、充電することができる。図２２（Ｃ）に
、地上設置型の充電装置８０２１から電気自動車８０２０に搭載された蓄電装置８０２４
に、ケーブル８０２２を介して充電を行っている状態を示す。充電に際しては、充電方法
やコネクタの規格等はＣＨＡｄｅＭＯ（登録商標）等の所定の方式で適宜行えばよい。充
電装置８０２１は、商用施設に設けられた充電ステーションでもよく、また家庭の電源で
あってもよい。例えば、図２２（Ｂ）に示す、蓄電装置８０２４と接続する接続プラグ８
０３１を充電装置８０２１と電気的に接続させるプラグイン技術によって、外部からの電
力供給により電気自動車８０２０に搭載された蓄電装置８０２４を充電することができる
。充電は、ＡＣ／ＤＣコンバータ等の変換装置を介して、一定の電圧値を有する直流定電
圧に変換して行うことができる。
また、図示しないが、受電装置を移動体に搭載し、地上の送電装置から電力を非接触で供
給して充電することもできる。この非接触給電方式の場合には、道路や外壁に送電装置を
組み込むことで、停車中に限らず走行中に充電を行うこともできる。また、この非接触給
電の方式を利用して、移動体どうしで電力の送受信を行ってもよい。さらに、移動体の外
装部に太陽電池を設け、停車時や走行時に蓄電装置８０２４の充電を行ってもよい。この
ような非接触での電力の供給には、電磁誘導方式や磁界共鳴方式を用いることができる。
なお、移動体が鉄道用電気車両の場合、架線や導電軌条からの電力供給により、搭載する
蓄電装置に充電することができる。
蓄電装置８０２４として、本発明の一態様に係る蓄電装置を搭載することで、蓄電装置の
サイクル特性が良好となり、利便性を向上させることができる。また、蓄電装置８０２４
の特性の向上により、蓄電装置８０２４自体を小型軽量化できれば、車両の軽量化に寄与
するため、燃費を向上させることができる。また、移動体に搭載した蓄電装置８０２４が
比較的大容量であることから、屋内等の電力供給源として用いることもできる。この場合
、電力需要のピーク時に商用電源を用いることを回避することができる。
［７−５．電気機器の一例（携帯情報端末の例）］
さらに、電気機器の一例として携帯情報端末の例について、図２３を用いて説明する。
図２３（Ａ）は、携帯情報端末８０４０の正面及び側面を示した斜視図である。携帯情報
端末８０４０は、一例として、移動電話、電子メール、文章閲覧及び作成、音楽再生、イ
ンターネット通信、コンピュータゲーム等の種々のアプリケーションの実行が可能である
。携帯情報端末８０４０は、筐体８０４１の正面に表示部８０４２、カメラ８０４５、マ
イクロフォン８０４６、スピーカ８０４７を有し、筐体８０４１の左側面には操作用のボ
タン８０４３、底面には接続端子８０４８を有する。
表示部８０４２には、表示モジュール又は表示パネルが用いられる。表示モジュール又は
表示パネルとして、有機発光素子（ＯＬＥＤ）に代表される発光素子を各画素に備えた発
光装置、液晶表示装置、電気泳動方式や電子粉流体方式等により表示を行う電子ペーパ、
ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）、ＰＤＰ（Ｐｌａｓ
ｍａ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｐａｎｅｌ）、ＦＥＤ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｄｉｓ
ｐｌａｙ）、ＳＥＤ（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ−ｅｍ
ｉｔｔｅｒ Ｄｉｓｐｌａｙ）、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）
ディスプレイ、カーボンナノチューブディスプレイ、ナノ結晶ディスプレイ、量子ドット
ディスプレイ等が用いることができる。
図２３（Ａ）に示す携帯情報端末８０４０は、筐体８０４１に表示部８０４２を一つ設け
た例であるが、これに限らず、表示部８０４２を携帯情報端末８０４０の背面に設けても
よいし、折り畳み型の携帯情報端末として、二以上の表示部を設けてもよい。
また、表示部８０４２には、指やスタイラス等の指示手段により情報の入力が可能なタッ
チパネルが入力手段として設けられている。これにより、表示部８０４２に表示されたア
イコン８０４４を指示手段により簡単に操作することができる。また、タッチパネルの配
置により携帯情報端末８０４０にキーボードを配置する領域が不要となるため、広い領域
に表示部を配置することができる。また、指やスタイラスで情報の入力が可能となること
から、ユーザフレンドリなインターフェイスを実現することができる。タッチパネルとし
ては、抵抗膜方式、静電容量方式、赤外線方式、電磁誘導方式、表面弾性波方式等、種々
の方式を採用することができるが、本発明の一態様に係る表示部８０４２は湾曲するもの
であるため、特に抵抗膜方式、静電容量方式を用いることが好ましい。また、このような
タッチパネルは、上述の表示モジュール又は表示パネルと一体として組み合わされた、い
わゆるインセル方式のものであってもよい。
また、タッチパネルは、イメージセンサとして機能させることができるものであってもよ
い。この場合、例えば、表示部８０４２に掌や指で触れ、掌紋、指紋等を撮像することで
、本人認証を行うことができる。また、表示部８０４２に近赤外光を発光するバックライ
ト又は近赤外光を発光するセンシング用光源を用いれば、指静脈、掌静脈などを撮像する
こともできる。
また、表示部８０４２にタッチパネルを設けずにキーボードを設けてもよく、さらにタッ
チパネルとキーボードの双方を設けてもよい。
操作用のボタン８０４３には、用途に応じて様々な機能を持たせることができる。例えば
、ボタン８０４３をホームボタンとし、ボタン８０４３を押すことで表示部８０４２にホ
ーム画面を表示する構成としてもよい。また、ボタン８０４３を所定の時間押し続けるこ
とで、携帯情報端末８０４０の主電源をオフするようにしてもよい。また、スリープモー
ドの状態に移行している場合、ボタン８０４３を押すことで、スリープモード状態から復
帰させるようにしてもよい。その他、押し続ける期間や、他のボタンと同時に押す等によ
り、種々の機能を起動させるスイッチとして用いることができる。
また、ボタン８０４３を音量調整ボタンやミュートボタンとし、音出力のためのスピーカ
８０４７の音量の調整等を行う機能を持たせてもよい。スピーカ８０４７からは、オペレ
ーティングシステム（ＯＳ）の起動音等特定の処理時に設定した音、音楽再生アプリケー
ションソフトからの音楽等各種アプリケーションにおいて実行される音ファイルによる音
、電子メールの着信音等様々な音を出力する。なお、図示しないが、音出力をスピーカ８
０４７とともに、あるいはスピーカ８０４７に替えてヘッドフォン、イヤフォン、ヘッド
セット等の装置に音を出力するためのコネクタを設けてもよい。
このようにボタン８０４３には、種々の機能を与えることができる。図２３（Ａ）では、
左側面にボタン８０４３を２つ設けた携帯情報端末８０４０を図示しているが、勿論、ボ
タン８０４３の数や配置位置等はこれに限定されず、適宜設計することができる。
マイクロフォン８０４６は、音声入力や録音に用いることができる。また、カメラ８０４
５により取得した画像を表示部８０４２に表示させることができる。
携帯情報端末８０４０の操作には、上述した表示部８０４２に設けられたタッチパネルや
ボタン８０４３の他、カメラ８０４５や携帯情報端末８０４０に内蔵されたセンサ等を用
いて使用者の動作（ジェスチャー）を認識させて操作を行うこともできる（ジェスチャー
入力という）。あるいは、マイクロフォン８０４６を用いて、使用者の音声を認識させて
操作を行うこともできる（音声入力という）。このように、人間の自然な振る舞いにより
電気機器に入力を行うＮＵＩ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｕｓｅｒ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）技術を
実装することで、携帯情報端末８０４０の操作性をさらに向上させることができる。
接続端子８０４８は、外部機器との通信や電力供給のための信号又は電力の入力端子であ
る。例えば、携帯情報端末８０４０に外部メモリドライブするために、接続端子８０４８
を用いることができる。外部メモリドライブとして、例えば外付けＨＤＤ（ハードディス
クドライブ）やフラッシュメモリドライブ、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌ
ｅ Ｄｉｓｋ）ドライブやＤＶＤ−Ｒ（ＤＶＤ−Ｒｅｃｏｒｄａｂｌｅ）ドライブ、ＤＶ
Ｄ−ＲＷ（ＤＶＤ−ＲｅＷｒｉｔａｂｌｅ）ドライブ、ＣＤ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｃ
）ドライブ、ＣＤ−Ｒ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｃ Ｒｅｃｏｒｄａｂｌｅ）ドライブ、
ＣＤ−ＲＷ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｃ ＲｅＷｒｉｔａｂｌｅ）ドライブ、ＭＯ（Ｍａ
ｇｎｅｔｏ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄｉｓｃ）ドライブ、ＦＤＤ（Ｆｌｏｐｐｙ Ｄｉｓｋ
Ｄｒｉｖｅ）ドライブ、又は他の不揮発性のソリッドステートドライブ（Ｓｏｌｉｄ Ｓ
ｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ：ＳＳＤ）デバイスなどの記録メディアドライブが挙げられる。ま
た、携帯情報端末８０４０は表示部８０４２上にタッチパネルを有しているが、これに替
えて筐体８０４１上にキーボードを設けてもよく、またキーボードを外付けしてもよい。
図２３（Ａ）では、底面に接続端子８０４８を１つ設けた携帯情報端末８０４０を図示し
ているが、接続端子８０４８の数や配置位置等はこれに限定されず、適宜設計することが
できる。
図２３（Ｂ）は、携帯情報端末８０４０の背面及び側面を示した斜視図である。携帯情報
端末８０４０は、筐体８０４１の表面に太陽電池８０４９とカメラ８０５０を有し、また
、充放電制御回路８０５１、蓄電装置８０５２、ＤＣＤＣコンバータ８０５３等を有する
。なお、図２３（Ｂ）では充放電制御回路８０５１の一例として蓄電装置８０５２、ＤＣ
ＤＣコンバータ８０５３を有する構成について示しており、蓄電装置８０５２には本発明
の一態様に係る蓄電装置を用いる。
携帯情報端末８０４０の背面に装着された太陽電池８０４９によって、電力を表示部、タ
ッチパネル、又は映像信号処理部等に供給することができる。なお、太陽電池８０４９は
、筐体８０４１の片面又は両面に設けることができる。携帯情報端末８０４０に太陽電池
８０４９を搭載させることで、屋外などの電力の供給手段がない場所においても、携帯情
報端末８０４０の蓄電装置８０５２の充電を行うことができる。
また、太陽電池８０４９としては、単結晶シリコン、多結晶シリコン、微結晶シリコン、
非晶質シリコン又はこれらの積層からなるシリコン系の太陽電池や、ＩｎＧａＡｓ系、Ｇ
ａＡｓ系、ＣＩＳ系、Ｃｕ２ＺｎＳｎＳ４、ＣｄＴｅ−ＣｄＳ系の太陽電池、有機色素を
用いた色素増感太陽電池、導電性ポリマーやフラーレン等を用いた有機薄膜太陽電池、ｐ
ｉｎ構造におけるｉ層中にシリコン等による量子ドット構造を形成した量子ドット型太陽
電池等を用いることができる。
ここで、図２３（Ｂ）に示す充放電制御回路８０５１の構成、及び動作についての一例を
、図２３（Ｃ）に示すブロック図を用いて説明する。
図２３（Ｃ）には、太陽電池８０４９、蓄電装置８０５２、ＤＣＤＣコンバータ８０５３
、コンバータ８０５７、スイッチ８０５４、スイッチ８０５５、スイッチ８０５６、表示
部８０４２について示しており、蓄電装置８０５２、ＤＣＤＣコンバータ８０５３、コン
バータ８０５７、スイッチ８０５４、スイッチ８０５５、スイッチ８０５６が、図２３（
Ｂ）に示す充放電制御回路８０５１に対応する箇所となる。
外光により太陽電池８０４９で発電した電力は、蓄電装置８０５２を充電するために必要
な電圧とするために、ＤＣＤＣコンバータ８０５３で昇圧又は降圧される。そして、表示
部８０４２の動作に太陽電池８０４９からの電力が用いられる際には、スイッチ８０５４
をオンにし、コンバータ８０５７で表示部８０４２に必要な電圧に昇圧又は降圧する。ま
た、表示部８０４２での表示を行わない際には、スイッチ８０５４をオフにし、スイッチ
８０５５をオンにして蓄電装置８０５２の充電を行う。
なお、発電手段の一例として太陽電池８０４９を示したが、これに限定されず、圧電素子
（ピエゾ素子）や熱電変換素子（ペルティエ素子）などの他の発電手段を用いて蓄電装置
８０５２の充電を行ってもよい。また、携帯情報端末８０４０の蓄電装置８０５２への充
電方法はこれに限られず、例えば上述した接続端子８０４８と電源とを接続して充電を行
ってもよい。また、無線で電力を送受信して充電する非接触電力伝送モジュールを用いて
もよく、以上の充電方法を組み合わせてもよい。
ここで、蓄電装置８０５２の充電状態（ＳＯＣ。Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅの略）
が、表示部８０４２の左上（破線枠内）に表示される。これにより、使用者は、蓄電装置
８０５２の充電状態を把握することができ、これに応じて携帯情報端末８０４０を節電モ
ードと選択することもできる。使用者が省電力モードを選択する場合には、例えば上述し
たボタン８０４３やアイコン８０４４を操作し、携帯情報端末８０４０に搭載される表示
モジュール又は表示パネルや、ＣＰＵ等の演算装置、メモリ等の構成部品を省電力モード
に切り換えることができる。具体的には、これらの構成部品のそれぞれにおいて、任意の
機能の使用頻度を低減し、停止させる。省電力モードでは、また、充電状態に応じて設定
によって自動的に省電力モードに切り替わる構成とすることもできる。また、携帯情報端
末８０４０に光センサ等の検出手段を設け、携帯情報端末８０４０の使用時における外光
の光量を検出して表示輝度を最適化することで、蓄電装置８０５２の電力の消費を抑える
ことができる。
また、太陽電池８０４９等による充電時には、図２３（Ａ）に示すように、表示部８０４
２の左上（破線枠内）にそれを示す画像等の表示を行ってもよい。
また、本発明の一態様に係る蓄電装置を具備していれば、図２３に示した電気機器に限定
されないことは言うまでもない。
［７−６．電気機器の一例（蓄電システムの例）］
さらに、電気機器の一例として蓄電システムの例について、図２４を用いて説明する。こ
こで説明する蓄電システム８１００は、上述した蓄電システム８００５として家庭で用い
ることができる。また、ここでは一例として家庭用の蓄電システムについて説明するが、
これに限られず、業務用として又はその他の用途で用いることができる。
図２４（Ａ）に示すように、蓄電システム８１００は、系統電源８１０３と電気的に接続
するためのプラグ８１０１を有する。また、蓄電システム８１００は、家庭内に設けられ
た分電盤８１０４と電気的に接続する。
また、蓄電システム８１００は、動作状態等を示すための表示パネル８１０２などを有し
ていてもよい。表示パネルはタッチスクリーンを有していてもよい。また、表示パネルの
他、主電源のオンオフを行うためのスイッチや蓄電システムの操作を行うためのスイッチ
等を有していてもよい。
なお、図示しないが、蓄電システム８１００を操作するために、蓄電システム８１００と
は別に、例えば室内の壁に操作スイッチを設けてもよい。あるいは、蓄電システム８１０
０と家庭内に設けられたパーソナルコンピュータ、サーバ等と接続し、間接的に蓄電シス
テム８１００を操作してもよい。さらに、スマートフォン等の情報端末機やインターネッ
ト等を用いて蓄電システム８１００を遠隔操作してもよい。これらの場合、蓄電システム
８１００とその他の機器とは有線により又は無線により通信を行う機構を、蓄電システム
８１００に設ければよい。
図２４（Ｂ）は、蓄電システム８１００の内部を模式的に示した図である。蓄電システム
８１００は、複数の蓄電装置群８１０６とＢＭＵ（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎ
ｔ Ｕｎｉｔ）８１０７とＰＣＳ（Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅ
ｍ）８１０８とを有する。
蓄電装置群８１０６は、上述した蓄電装置８１０５を複数並べて接続したものである。系
統電源８１０３からの電力を、蓄電装置群８１０６に蓄電することができる。複数の蓄電
装置群８１０６のそれぞれは、ＢＭＵ８１０７と電気的に接続されている。
ＢＭＵ８１０７は、蓄電装置群８１０６が有する複数の蓄電装置８１０５の状態を監視及
び制御し、また蓄電装置８１０５を保護することができる機能を有する。具体的には、Ｂ
ＭＵ８１０７は、蓄電装置群８１０６が有する複数の蓄電装置８１０５のセル電圧、セル
温度データ収集、過充電及び過放電の監視、過電流の監視、セルバランサ制御、電池劣化
状態の管理、電池残量（（充電率）Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ：ＳＯＣ）の算出演
算、駆動用蓄電装置の冷却ファンの制御、又は故障検出の制御等を行う。なお、これらの
機能の一部又は全部は上述のように、蓄電装置８１０５内に含めてもよく、あるいは蓄電
装置群ごとに当該機能を付与してもよい。また、ＢＭＵ８１０７はＰＣＳ８１０８と電気
的に接続する。
ここで、ＢＭＵ８１０７を構成する電子回路には、上述した酸化物半導体を有するトラン
ジスタを用いた電子回路を有するとよい。この場合、ＢＭＵ８１０７の消費電力を大幅に
低減することが可能となる。
ＰＣＳ８１０８は、交流（ＡＣ）電源である系統電源８１０３と電気的に接続され、直流
−交流変換を行う。例えば、ＰＣＳ８１０８は、インバーターや、系統電源８１０３の異
常を検出して動作を停止する系統連系保護装置などを有する。蓄電システム８１００の充
電時には、例えば系統電源８１０３の交流の電力を直流に変換してＢＭＵ８１０７へ送電
し、蓄電システム８１００の放電時には、蓄電装置群８１０６に蓄えられた電力を屋内な
どの負荷に交流に変換して供給する。なお、蓄電システム８１００から負荷への電力の供
給は、図２４（Ａ）に示すように分電盤８１０４を介してもよく、あるいは蓄電システム
８１００と負荷とを有線又は無線により直接行ってもよい。
なお、蓄電システム８１００への充電は上述する系統電源８１０３からに限らず、例えば
屋外に設置した太陽発電システムから電力を供給してもよいし、電気自動車に搭載した蓄
電システムから供給してもよい。
１００ 蓄電装置
１０１ 二次電池
１０２ 端子
１０３ 端子
１０４ センサ
１０５ ＭＣＵ
１０６ メモリ
１０７ 通信手段
１６０ 酸化物積層膜
１６１ 酸化物層
１６２ 酸化物層
１６３ 酸化物層
１６４ 酸化物層
２０１ 電流曲線
２０２ 電圧曲線
２１１ 充電モード
２１２ 定電流充電モード
２１３ 定電圧充電モード
２１４ 充電モード
２２１ 放電モード
２２２ 急速放電モード
２３１ 待機モード
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 インバーター
２４７ 容量素子
２４８ フリップフロップ
４００ 基板
４０１ ゲート電極
４０２ ゲート絶縁膜
４０３ ｎ型化領域
４０４ 酸化物膜
４０６ 絶縁膜
４０８ 絶縁膜
４０９ ゲート絶縁膜
４１０ ゲート電極
４２１ トランジスタ
４２２ トランジスタ
４２３ トランジスタ
７０１ ユニット
７０２ ユニット
７０３ ユニット
７０４ ユニット
７０５ 回路
７１０ ＣＰＵ
７１１ バスブリッジ
７１２ メモリ
７１３ メモリインターフェイス
７１５ クロック生成回路
７２０ コントローラ
７２１ 割り込みコントローラ
７２２ Ｉ／Ｏインターフェイス
７３０ パワーゲートユニット
７３１ スイッチ回路
７３２ スイッチ回路
７４０ クロック生成回路
７４１ 水晶発振回路
７４２ 発振子
７４３ 水晶振動子
７４５ タイマー回路
７４６ Ｉ／Ｏインターフェイス
７５０ Ｉ／Ｏポート
７５１ コンパレータ
７５２ Ｉ／Ｏインターフェイス
７６１ バスライン
７６２ バスライン
７６３ バスライン
７６４ データバスライン
７７０ 接続端子
７７１ 接続端子
７７２ 接続端子
７７３ 接続端子
７７４ 接続端子
７７５ 接続端子
７７６ 接続端子
７８０ レジスタ
７８３ レジスタ
７８４ レジスタ
７８５ レジスタ
７８６ レジスタ
７８７ レジスタ
９５０ 二次電池
９５１ 正極缶
９５２ 負極缶
９５３ ガスケット
９５４ 正極
９５５ 正極集電体
９５６ 正極活物質層
９５７ 負極
９５８ 負極集電体
９５９ 負極活物質層
９６０ セパレータ
９７０ 二次電池
９７１ 正極集電体
９７２ 正極活物質層
９７３ 正極
９７４ 負極集電体
９７５ 負極活物質層
９７６ 負極
９７７ セパレータ
９７８ 外装体
９８０ 二次電池
９８１ 正極キャップ
９８２ 電池缶
９８３ 正極端子
９８４ 正極
９８５ セパレータ
９８６ 負極
９８７ 負極端子
９８８ 絶縁板
９８９ 絶縁板
９９１ ＰＴＣ素子
９９２ 安全弁機構
９９３ 捲回体
９９４ 負極
９９５ 正極
９９６ セパレータ
９９７ 端子
９９８ 端子
１０５０ メモリセル
１０５１ ビット線
１０５２ ワード線
１０５３ 容量線
１０５４ センスアンプ
１０５５ トランジスタ
１０５６ キャパシタ
１０７１ トランジスタ
１０７２ トランジスタ
１０７３ キャパシタ
１０７４ ソース線
１０７５ ソース線
１０７６ ワード線
１０７７ ドレイン線
１０７８ 容量線
１０７９ ノード
１０８０ 基板
１０８１ ウェル
１０８２ 不純物領域
１０８３ 絶縁膜
１０８４ 電極
１０８５ ＳＴＩ
１０８７ 電極
１０８８ 層間絶縁膜
１０８９ 層間絶縁膜
１０９０ 層間絶縁膜
１０９１ 層間絶縁膜
１０９２ 層間絶縁膜
１０９３ バリア膜
１０９４ 配線
１０９５ バリア膜
１０９６ 層間絶縁膜
１０９７ バリア膜
１０９８ 配線
１０９９ バリア膜
１１００ 層間絶縁膜
１１０１ 下地絶縁膜
１１０２ 絶縁膜
１１０４ 層間絶縁膜
１１０５ 層間絶縁膜
１１０６ バリア膜
１１０８ 層間絶縁膜
１１０９ 層間絶縁膜
１１１０ バリア膜
１１１１ 不純物領域
１１１２ 不純物領域
１１１３ ゲート絶縁膜
１１１４ ゲート絶縁膜
１１１５ サイドウォール絶縁膜
１１１６ ゲート電極
１１１７ 絶縁膜
１１１８ ゲート電極
１１１９ サイドウォール絶縁膜
１１７１ トランジスタ
１１７２ トランジスタ
１１７３ 酸化物膜
１１７４ 導電層
１１７５ 導電層
１１７６ 絶縁膜
１１７７ 導電層
１１７８ キャパシタ
１１９６ レジスタ
３００４ 論理回路
６０００ 正極
６００１ 正極集電体
６００２ 正極活物質層
６００３ 正極活物質
６００４ グラフェン
６００５ バインダ
６１００ 負極
６１０１ 負極集電体
６１０２ 負極活物質層
６１０３ 負極活物質
６１０４ 被膜
６１０５ バインダ
６６００ 蓄電装置
６６０１ 捲回体
６６０２ 端子
６６０３ 端子
６６０４ 電池缶
６６０５ 端子
６６０６ 回路基板
６６０７ 電気回路
６６０８ ラベル
６６０９ アンテナ
６６１０ アンテナ
６６１１ 層
８０００ 住宅
８００１ 電力系統
８００２ 引込み線
８００３ 分電盤
８００４ 制御装置
８００５ 蓄電システム
８００６ 太陽光発電システム
８００７ 表示装置
８００８ 照明装置
８００９ 空気調和設備
８０１０ 電気冷蔵庫
８０１１ インターネット
８０１２ 電気自動車
８０１３ 管理サーバ
８０２０ 電気自動車
８０２１ 充電装置
８０２２ ケーブル
８０２３ 前輪
８０２４ 蓄電装置
８０２５ 電子制御ユニット
８０２６ インバータユニット
８０２７ 走行モータユニット
８０２８ 出力軸
８０２９ 駆動軸
８０３１ 接続プラグ
８０４０ 携帯情報端末
８０４１ 筐体
８０４２ 表示部
８０４３ ボタン
８０４４ アイコン
８０４５ カメラ
８０４６ マイクロフォン
８０４７ スピーカ
８０４８ 接続端子
８０４９ 太陽電池
８０５０ カメラ
８０５１ 充放電制御回路
８０５２ 蓄電装置
８０５３ ＤＣＤＣコンバータ
８０５４ スイッチ
８０５５ スイッチ
８０５６ スイッチ
８０５７ コンバータ
８１００ 蓄電システム
８１０１ プラグ
８１０２ 表示パネル
８１０３ 系統電源
８１０４ 分電盤
８１０５ 蓄電装置
８１０６ 蓄電装置群
８１０７ ＢＭＵ
８１０８ ＰＣＳ
１０４ａ 温度センサ
１０４ｂ クーロンカウンタ
１０４ｃ 電圧計
１０４ｄ 電流計
１０６ａ 記憶領域
１０６ｂ 記憶領域
１０６ｃ 記憶領域
１０８６ａ コンタクトプラグ
１０８６ｂ コンタクトプラグ
１１０３ａ コンタクトプラグ
１１０３ｂ コンタクトプラグ
１１０３ｃ コンタクトプラグ
１１０７ａ 配線
１１０７ｂ 配線
３４００ａ メモリセルアレイ
３４００ｎ メモリセルアレイ
４０５ａ ソース電極
４０５ｂ ドレイン電極

Claims (2)

  1. 複数の動作状態を有する二次電池と、
    前記二次電池の状態を測定する測定手段と、
    前記二次電池の前記動作状態を判定する判定手段と、
    前記動作状態に応じた記憶領域を有する記憶手段と、を有し、
    前記判定手段は、前記測定手段の情報をもとに前記動作状態を判定し、前記動作状態の開始時と終了時の情報を、前記記憶領域に記憶し、
    前記記憶手段は、複数のメモリセルを有し、
    前記複数のメモリセルは、トランジスタとキャパシタと、をそれぞれ有し、
    前記トランジスタは酸化物半導体膜を有し、
    前記酸化物半導体膜は第１乃至第４の酸化物層を有し、
    前記第１の酸化物層上の前記第２の酸化物層と、
    前記第２の酸化物層上の前記第３の酸化物層と、
    前記第１の酸化物層乃至前記第３の酸化物層のそれぞれの側面に接する前記第４の酸化物層を有し、
    前記酸化物半導体膜上に接する絶縁膜を有し、
    前記トランジスタのチャネル幅方向の断面から見て、前記酸化物半導体膜は曲面を有することを特徴とする蓄電システム。
  2. 第１の動作状態と第２の動作状態を有する二次電池と、
    前記二次電池の状態を測定する測定手段と、
    前記二次電池が前記第１の動作状態か前記第２の動作状態かを判定する判定手段と、
    前記二次電池の前記第１の動作状態及び前記第２の動作状態に基づく情報を記憶する記憶手段と、を有し、
    前記記憶手段は、第１の記憶領域と第２の記憶領域とを有し、
    前記判定手段は、前記測定手段の情報をもとに前記二次電池が前記第１の動作状態と前記第２の動作状態とのいずれかであるかを判定し、
    前記判定手段が前記第１の動作状態と判定した場合は、前記第１の記憶領域に前記測定手段からの情報が保存され、
    前記判定手段が前記第２の動作状態と判定した場合は、前記第２の記憶領域に前記測定手段からの情報が保存され、
    前記第１の動作状態は、定電流充電及び定電圧充電を含む充電動作であり、
    前記第２の動作状態は、急速放電を含む放電動作であり、
    前記第１の動作状態の開始時と終了時それぞれの電池残量、電圧、電流、及び温度、並びに前記開始時から前記終了時までの時間は、前記第１の記憶領域に保存され、
    前記第２の動作状態の開始時と終了時それぞれの電池残量、電圧、電流、及び温度、並びに前記開始時から前記終了時までの時間は、前記第２の記憶領域に保存され、
    前記急速放電中の電流最大値は、前記第２の記憶領域に保存され、
    前記第１の記憶領域及び前記第２の記憶領域は、それぞれ複数のメモリセルを有し、
    前記複数のメモリセルは、トランジスタとキャパシタと、をそれぞれ有し、
    前記トランジスタは酸化物半導体膜を有し、
    前記酸化物半導体膜は第１乃至第４の酸化物層を有し、
    前記第１の酸化物層上の前記第２の酸化物層と、
    前記第２の酸化物層上の前記第３の酸化物層と、
    前記第１の酸化物層乃至前記第３の酸化物層のそれぞれの側面に接する前記第４の酸化物層を有し、
    前記酸化物半導体膜上に接する絶縁膜を有し、
    前記トランジスタのチャネル幅方向の断面から見て、前記酸化物半導体膜は曲面を有することを特徴とする蓄電システム。
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