JP6608988B2 - 蓄電システム - Google Patents
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Description
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。
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。
われている。
る材料の開発が続けられている。
)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)。
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。
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。
。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
、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。
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。
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。
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
。
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。
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。
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。
きる。
[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。
、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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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(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。
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。
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。
注ぎ足し充電モード214に分けて考えることができる。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
状態を待機モードという。
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
。
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。
は、1ms以下、好ましくは100μs以下とする。
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
。
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。
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。
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。
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。
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。
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
。
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)。
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)。
なっているか否かを判断する(ステップS303)。
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)。
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)。
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)。
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)。
定動作を停止する(ステップS309)。
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)。
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。
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。
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)。
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)。
なっているか否かを判断する(ステップS303)。
(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)。
る(ステップS315)。
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)。
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)。
時間測定動作を停止する(ステップS315)。
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)。
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。
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。
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。
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。
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)。
なっているか否かを判断する(ステップS303)。
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)。
、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。
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。
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。
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。
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。
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)。
なっているか否かを判断する(ステップS303)。
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)。
、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。
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。
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
)。
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)。
する(ステップS319、図5参照)。
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)。
ステップS321)。
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)。
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。
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。
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。
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)。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
[2−1.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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
ン761及びデータバスライン764に接続されている。
号INT2を出力し、CPU710に割り込み処理を実行させる。
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。
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
。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
性記憶部233と、セレクタ245を有する。
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。
信号Dが与えられる。
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。
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。
1が設けられている。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
6の出力端子は、セレクタ245の入力端子に接続される。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
、容量線1053と、センスアンプ1054と、をそれぞれ複数有する。
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。
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。
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。
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。
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。
ることができる。
においてもデータの保持を可能とすることができる。
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。
は図10(A)に示すメモリセルの電気特性を示す図である。
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。
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。
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。
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。
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。
においてもデータの保持を可能とすることができる。
ることができる。
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。
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。
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。
.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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
、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。
域にn型化領域403を有していてもよい。
図12(A)に、トップゲート構造のトランジスタ422を示す。
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。
域にn型化領域403を有していてもよい。
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。
、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。
域にn型化領域403を有していてもよい。
トランジスタの各構成要素について説明する。
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。
、Ti、Mo、Wなどを有する層を用いることができる。
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。
さらに、酸化物膜404に適用可能な材料について説明する。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
。
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。
)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。
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。
いることがわかる。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
℃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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
む酸化物層である。
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。
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。
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
。
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。
、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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
、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。
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。
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。
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。
(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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
、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。
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。
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。
on Mass Spectrometry)で測定することができる。
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
。
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。
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。
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。
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
。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
Insulator)基板を用いてもよい。
(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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
、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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
、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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
まず、二次電池の正極について、図17を用いて説明する。
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。
(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。
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。
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。
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。
な材料であればよい。
(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。
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。
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。
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。
、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。
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。
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。
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。
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。
きる。
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。
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。
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。
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。
m以上100μm以下、好ましくは800nm以上20μm以下とするとよい。
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。
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。
、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。
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。
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。
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。
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。
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。
次に、二次電池の負極について、図18を用いて説明する。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
。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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
、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。
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
。
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。
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。
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。
55と正極活物質層956を有する。
ることができる。
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。
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。
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。
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。
ることができる。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
。
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。
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。
次に、リチウムイオンキャパシタについて説明する。
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。
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。
利用による寿命も長い。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
、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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
関とを組み合わせて用いることができる。
されないことは言うまでもない。
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。
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。
蓄電装置に充電することができる。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
チパネルとキーボードの双方を設けてもよい。
、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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
、図23(C)に示すブロック図を用いて説明する。
、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。
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。
(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。
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。
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。
されないことは言うまでもない。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
−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。
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。
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)
- 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。 - 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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