KR20210143784A - 반도체 장치, 전지 팩, 및 전자 기기 - Google Patents

반도체 장치, 전지 팩, 및 전자 기기 Download PDF

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KR20210143784A
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다카유키 이케다
다케시 아오키
무네히로 고즈마
게이 다카하시
슌페이 야마자키
šœ페이 야마자키
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가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 켄큐쇼
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Abstract

소비 전력이 저감된 반도체 장치를 제공한다. 3개의 트랜지스터로 2개의 노드의 전위를 전환하여 전압을 검지한다. 제 1 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 한쪽은 제 1 단자와 전기적으로 접속되고, 제 1 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 제 1 노드를 통하여 콤퍼레이터의 비반전 입력과 전기적으로 접속되고, 제 2 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 한쪽은 제 2 단자와 전기적으로 접속되고, 제 2 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 제 2 노드를 통하여 제 3 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 한쪽과 전기적으로 접속되고, 제 3 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 제 3 단자와 전기적으로 접속되고, 제 1 용량 소자는 제 1 노드와 제 2 노드 사이에 제공되고, 콤퍼레이터의 반전 입력은 제 4 단자와 전기적으로 접속되고, 콤퍼레이터의 출력은 제 5 단자와 전기적으로 접속된다.

Description

반도체 장치, 전지 팩, 및 전자 기기
본 발명의 일 형태는 반도체 장치, 전지 팩, 및 전자 기기에 관한 것이다.
또한 본 발명의 일 형태는 상기 기술분야에 한정되지 않는다. 본 명세서 등에서 개시(開示)하는 발명의 기술분야는 물건, 방법, 또는 제조 방법에 관한 것이다. 또는 본 발명의 일 형태는 공정(process), 기계(machine), 제품(manufacture), 또는 조성물(composition of matter)에 관한 것이다.
또한, 본 명세서 등에 있어서 반도체 장치란, 반도체 특성을 이용함으로써 기능할 수 있는 것 전반을 가리킨다. 따라서, 트랜지스터나 다이오드 등의 반도체 소자나 반도체 소자를 포함하는 회로는 반도체 장치이다. 또한, 표시 장치, 발광 장치, 조명 장치, 전기 광학 장치, 및 전자 기기 등은, 반도체 소자나 반도체 회로를 포함하는 경우가 있다. 따라서, 표시 장치, 발광 장치, 조명 장치, 전기 광학 장치, 촬상 장치, 및 전자 기기 등도 반도체 장치라고 불리는 경우가 있다.
근년, 리튬 이온 이차 전지, 리튬 이온 커패시터, 공기 전지 등 다양한 축전 장치의 개발이 활발히 진행되고 있다. 특히 고출력, 고에너지 밀도의 리튬 이온 이차 전지는, 휴대 전화, 스마트폰, 태블릿, 또는 노트북형 컴퓨터 등의 휴대 정보 단말기, 게임 장치, 휴대 음악 플레이어, 디지털 카메라, 의료 기기, 또는 하이브리드 자동차(HEV), 전기 자동차(EV), 또는 플러그인 하이브리드 자동차(PHEV) 등의 차세대 클린 에너지 자동차, 전동 바이크 등, 반도체 산업의 발전과 함께 급속히 그 수요가 확대되어 있으며, 충전이 가능한 에너지 공급원으로서 현대의 정보화 사회에 불가결한 것이 되었다.
축전 장치는 과방전, 과충전, 과전류, 또는 단락과 같은 충방전 시의 이상을 파악하기 위하여 일반적으로 전지 보호 회로를 포함한다.
전지 보호 회로는 충전 시 또는 방전 시의 이상을 검지하기 위하여 전압이나 전류 등의 데이터를 취득한다. 전지 보호 회로는 관측되는 데이터에 기초하여 충전 경로 또는 방전 경로에 제공되는 스위치의 개폐를 제어하여, 전지 셀의 과충전 또는 과방전을 보호한다(예를 들어 특허문헌 1 참조).
미국 특허출원공개공보 US2016-118821호
본 발명의 일 형태는 소비 전력이 저감된 반도체 장치 등을 제공하는 것을 과제 중 하나로 한다. 또는 전압 검지 정밀도가 양호한 반도체 장치 등을 제공하는 것을 과제 중 하나로 한다. 또는 동작이 안정된 반도체 장치 등을 제공하는 것을 과제 중 하나로 한다. 또는 신뢰성이 양호한 반도체 장치 등을 제공하는 것을 과제 중 하나로 한다. 또는 생산성이 양호한 반도체 장치 등을 제공하는 것을 과제 중 하나로 한다. 또는, 신규 반도체 장치 등을 제공하는 것을 과제 중 하나로 한다.
또한, 이들 과제의 기재는 다른 과제의 존재를 방해하는 것이 아니다. 또한 본 발명의 일 형태는 이들 과제의 모두를 해결할 필요는 없다. 또한 이들 이외의 과제는 명세서, 도면, 청구항 등의 기재로부터 저절로 명백해지는 것이며 명세서, 도면, 청구항 등의 기재로부터 이들 이외의 과제를 추출할 수 있다.
본 발명의 일 형태는 제 1 스위치 내지 제 3 스위치와, 제 1 용량 소자와, 콤퍼레이터를 가지고, 제 1 스위치의 한쪽 단자는 제 1 단자와 전기적으로 접속되고, 제 1 스위치의 다른 쪽 단자는 콤퍼레이터의 비반전 입력과 전기적으로 접속되고, 제 2 스위치의 한쪽 단자는 제 2 단자와 전기적으로 접속되고, 제 2 스위치의 다른 쪽 단자는 제 3 스위치의 한쪽 단자와 전기적으로 접속되고, 제 3 스위치의 다른 쪽 단자는 제 3 단자와 전기적으로 접속되고, 제 1 용량 소자는 제 1 스위치의 다른 쪽 단자와 제 3 스위치의 한쪽 단자 사이에 제공되고, 콤퍼레이터의 반전 입력은 제 4 단자와 전기적으로 접속되고, 콤퍼레이터의 출력은 제 5 단자와 전기적으로 접속되는 반도체 장치이다.
또한, 본 발명의 다른 일 형태는 제 1 트랜지스터 내지 제 3 트랜지스터와, 제 1 용량 소자와, 콤퍼레이터를 가지고, 제 1 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 한쪽은 제 1 단자와 전기적으로 접속되고, 제 1 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 콤퍼레이터의 비반전 입력과 전기적으로 접속되고, 제 2 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 한쪽은 제 2 단자와 전기적으로 접속되고, 제 2 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 제 3 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 한쪽과 전기적으로 접속되고, 제 3 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 제 3 단자와 전기적으로 접속되고, 제 1 용량 소자는 제 1 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 다른 쪽과 제 3 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 한쪽 사이에 제공되고, 콤퍼레이터의 반전 입력은 제 4 단자와 전기적으로 접속되고, 콤퍼레이터의 출력은 제 5 단자와 전기적으로 접속되는 반도체 장치이다.
또한, 제 1 트랜지스터는 반도체층에 산화물 반도체를 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 제 2 트랜지스터 및 제 3 트랜지스터 중 적어도 한쪽은 반도체층에 산화물 반도체를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 다른 일 형태는 제 1 스위치 내지 제 6 스위치와, 제 1 용량 소자와, 제 2 용량 소자와, 콤퍼레이터를 가지고, 제 1 스위치의 한쪽 단자는 제 1 단자와 전기적으로 접속되고, 제 1 스위치의 다른 쪽 단자는 제 6 스위치의 한쪽 단자와 전기적으로 접속되고, 제 2 스위치의 한쪽 단자는 제 2 단자와 전기적으로 접속되고, 제 2 스위치의 다른 쪽 단자는 제 3 스위치의 한쪽 단자와 전기적으로 접속되고, 제 3 스위치의 다른 쪽 단자는 제 3 단자와 전기적으로 접속되고, 제 4 스위치의 한쪽 단자는 제 1 단자와 전기적으로 접속되고, 제 4 스위치의 다른 쪽 단자는 콤퍼레이터의 비반전 입력과 전기적으로 접속되고, 제 5 스위치의 한쪽 단자는 제 2 단자와 전기적으로 접속되고, 제 5 스위치의 다른 쪽 단자는 제 6 스위치의 다른 쪽 단자와 전기적으로 접속되고, 제 1 용량 소자는 제 1 스위치의 다른 쪽 단자와 제 3 스위치의 한쪽 단자 사이에 제공되고, 제 2 용량 소자는 제 4 스위치의 다른 쪽 단자와 제 5 스위치의 다른 쪽 단자 사이에 제공되고, 콤퍼레이터의 반전 입력은 제 4 단자와 전기적으로 접속되고, 콤퍼레이터의 출력은 제 5 단자와 전기적으로 접속되는 반도체 장치이다.
또한, 본 발명의 다른 일 형태는 가요성 기판에 제공된 상기 어느 하나의 반도체 장치와 이차 전지를 가지고, 이차 전지의 음극은 제 1 단자와 전기적으로 접속되고, 이차 전지의 양극은 제 3 단자와 전기적으로 접속되는 전지 팩이다.
또한, 본 발명의 다른 일 형태는 상기 전지 팩과, 수전 장치를 포함하는 전자 기기이다.
또한 본 발명의 일 형태에 의하여 소비 전력이 저감된 반도체 장치 등을 제공할 수 있다. 또는 전압 검지 정밀도가 양호한 반도체 장치 등을 제공할 수 있다. 또는, 동작이 안정된 반도체 장치 등을 제공할 수 있다. 또는, 신뢰성이 양호한 반도체 장치 등을 제공할 수 있다. 또는 생산성이 양호한 반도체 장치 등을 제공할 수 있다. 또는 신규 반도체 장치 등을 제공할 수 있다.
또한 이들 효과의 기재는 다른 효과의 존재를 방해하는 것은 아니다. 또한 본 발명의 일 형태는 이들 효과 모두를 가질 필요는 없다. 또한 이들 이외의 효과는 명세서, 도면, 청구항 등의 기재로부터 저절로 명백해질 것이고, 명세서, 도면, 청구항 등의 기재로부터 이들 이외의 효과를 추출할 수 있다.
도 1의 (A), (B)는 반도체 장치의 구성예를 나타낸 도면이다.
도 2는 반도체 장치의 동작예를 설명하는 타이밍 차트이다.
도 3의 (A), (B)는 반도체 장치의 동작예를 나타낸 도면이다.
도 4의 (A), (B)는 반도체 장치의 동작예를 나타낸 도면이다.
도 5의 (A), (B)는 종래의 반도체 장치의 구성예를 나타낸 도면이다.
도 6의 (A) 내지 (D)는 트랜지스터의 회로 기호를 나타낸 도면이다.
도 7은 반도체 장치의 구성예를 나타낸 도면이다.
도 8은 반도체 장치의 구성예를 나타낸 도면이다.
도 9는 반도체 장치의 구성예를 나타낸 도면이다.
도 10은 반도체 장치의 동작예를 설명하는 타이밍 차트이다.
도 11은 반도체 장치의 동작예를 나타낸 도면이다.
도 12는 반도체 장치의 동작예를 나타낸 도면이다.
도 13은 반도체 장치의 동작예를 나타낸 도면이다.
도 14는 반도체 장치의 동작예를 나타낸 도면이다.
도 15의 (A), (B)는 반도체 장치의 구성예를 나타낸 도면이다.
도 16은 반도체 장치의 구성예를 나타낸 도면이다.
도 17은 반도체 장치의 구성예를 나타낸 도면이다.
도 18의 (A) 내지 (C)는 트랜지스터의 구성예를 나타낸 도면이다.
도 19의 (A) 내지 (C)는 트랜지스터의 구성예를 나타낸 도면이다.
도 20의 (A) 내지 (C)는 트랜지스터의 구성예를 나타낸 도면이다.
도 21의 (A) 내지 (C)는 이차 전지의 구성예를 나타낸 도면이다.
도 22의 (A), (B)는 권회체 및 이차 전지의 구성예를 나타낸 도면이다.
도 23의 (A) 내지 (C)는 전지 팩의 구성예를 나타낸 도면이다.
도 24의 (A) 내지 (D)는 전지 팩의 구성예를 나타낸 도면이다.
도 25의 (A) 내지 (D)는 전지 팩의 구성예를 나타낸 도면이다.
도 26의 (A), (B)는 이차 전지의 구성예를 나타낸 도면이다.
도 27의 (A), (B)는 전자 기기의 일례를 나타낸 도면이다.
도 28의 (A), (B)는 전자 기기의 일례를 나타낸 도면이다.
도 29는 전자 기기의 일례를 나타낸 도면이다.
도 30의 (A) 내지 (D)는 회로 동작의 검증 결과를 나타낸 도면이다.
도 31의 (A) 내지 (D)는 회로 동작의 검증 결과를 나타낸 도면이다.
실시형태에 대하여 도면을 사용하여 자세히 설명한다. 다만, 본 발명은 이하의 설명에 한정되지 않으며, 본 발명의 취지 및 그 범위로부터 벗어남이 없이 그 형태 및 자세한 사항을 다양하게 변경할 수 있는 것은 통상의 기술자라면 용이하게 이해할 수 있다. 따라서 본 발명은 아래에 나타내는 실시형태의 기재 내용에 한정되어 해석되는 것은 아니다. 또한 이하에서 설명되는 발명의 구성에서, 동일한 부분 또는 같은 기능을 가지는 부분에는 동일한 부호를 상이한 도면 사이에서 공통적으로 사용하고, 이의 반복적인 설명은 생략한다.
또한, 도면 등에서 나타내는 각 구성의 위치, 크기, 범위 등은 발명의 이해를 용이하게 하기 위하여 실제의 위치, 크기, 범위 등을 나타내지 않는 경우가 있다. 따라서 개시(開示)하는 발명은 도면 등에 나타낸 위치, 크기, 범위 등에 반드시 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 실제의 제조 공정에서, 에칭 등의 처리에 의하여 레지스트 마스크 등이 의도하지 않게 감소되는 경우가 있지만, 이해하기 쉽게 하기 위하여 도면에 반영하지 않은 경우가 있다.
또한 상면도("평면도"라고도 함)나 사시도 등에서, 도면을 이해하기 쉽게 하기 위하여 일부의 구성 요소의 기재를 생략하는 경우가 있다.
또한 본 명세서 등에서 "전극"이나 "배선"이라는 용어는, 이들 구성 요소를 기능적으로 한정하는 것이 아니다. 예를 들어 "전극"은 "배선"의 일부로서 사용되는 경우가 있고, 그 반대도 마찬가지이다. 또한 "전극"이나 "배선"이라는 용어는, 복수의 "전극"이나 "배선"이 일체가 되어 형성되어 있는 경우 등도 포함한다.
또한 본 명세서 등에서 전기 회로에서의 "단자"란, 전류의 입력 또는 출력, 전압의 입력 또는 출력, 또는 신호의 수신 또는 송신이 수행되는 부분을 가리킨다. 따라서, 배선 또는 전극의 일부가 단자로서 기능하는 경우가 있다.
또한 본 명세서 등에서 "위"이나 "아래"의 용어는 구성 요소의 위치 관계가 바로 위 또는 바로 아래이며 직접 접하는 것을 한정하는 것은 아니다. 예를 들어, "절연층(A) 위의 전극(B)"이라는 표현이면, 절연층(A) 위에 전극(B)이 직접 접촉되어 형성될 필요는 없고, 절연층(A)과 전극(B) 사이에 다른 구성 요소를 포함하는 것을 제외하지 않는다.
또한 소스 및 드레인의 기능은 상이한 극성을 가지는 트랜지스터를 채용하는 경우나, 회로 동작에서 전류의 방향이 변화되는 경우 등, 동작 조건 등에 따라 서로 바뀌기 때문에, 어느 쪽이 소스 또는 드레인인지를 한정하기가 어렵다. 그러므로 본 명세서에서는 소스 및 드레인이라는 용어는 서로 바꾸어 사용할 수 있는 것으로 한다.
또한 본 명세서 등에서 "전기적으로 접속"에는 직접 접속되는 경우와, "어떠한 전기적 작용을 가지는 것"을 통하여 접속되어 있는 경우가 포함된다. 여기서 "어떠한 전기적 작용을 가지는 것"은 접속 대상 간에서의 전기 신호의 주고받음을 가능하게 하는 것이면 특별한 제한을 받지 않는다. 따라서 "전기적으로 접속된다"고 표현되는 경우에도 실제의 회로에서는 물리적인 접속 부분이 없고, 배선이 연장되어 있을 뿐인 경우도 있다.
또한 본 명세서 등에서 "평행"이란, 예를 들어 2개의 직선이 -10° 이상 10° 이하의 각도로 배치되어 있는 상태를 말한다. 따라서 -5° 이상 5° 이하의 경우도 포함된다. 또한 "수직" 및 "직교"란, 예를 들어 2개의 직선이 80° 이상 100° 이하의 각도로 배치되어 있는 상태를 말한다. 따라서 85° 이상 95° 이하의 경우도 포함된다.
또한 본 명세서 등에서 계수치 및 계량값에 관하여 "동일하다", "같다", "동등하다", 또는 "균일하다" 등이라고 하는 경우에는, 명시되어 있는 경우를 제외하고 ±20%의 오차를 포함하는 것으로 한다.
또한, 전압은 어떤 전위와 기준 전위(예를 들어 접지 전위 또는 소스 전위)의 전위차를 가리키는 경우가 많다. 따라서 "전압"과 "전위"는 서로 환언할 수 있는 경우가 많다. 본 명세서 등에서는, 특별히 명시되지 않는 한, 전압과 전위를 환언할 수 있는 것으로 한다.
또한 "반도체"라고 표기한 경우에도, 예를 들어 도전성이 충분히 낮은 경우에는 "절연체"로서의 특성을 가진다. 따라서 "반도체"를 "절연체"로 치환하여 사용할 수도 있다. 이 경우, "반도체"와 "절연체"의 경계는 애매하고, 양자를 엄밀하게 구별하는 것은 어렵다. 따라서, 본 명세서에 기재된 "반도체"와 "절연체"는 서로 바꿔 읽을 수 있는 경우가 있다.
또한 "반도체"라고 표기한 경우에도, 예를 들어 도전성이 충분히 높은 경우에는 "도전체"로서의 특성을 가진다. 따라서 "반도체"를 "도전체"로 치환하여 사용할 수도 있다. 이 경우, "반도체"와 "도전체"의 경계는 애매하고, 양자를 엄밀하게 구별하는 것은 어렵다. 따라서, 본 명세서에 기재된 "반도체"와 "도전체"는 서로 바꿔 읽을 수 있는 경우가 있다.
또한, 본 명세서 등에서 "제 1", "제 2" 등의 서수사는 구성 요소의 혼동을 피하기 위하여 붙인 것이며, 공정 순서 또는 적층 순서 등 어떤 순서나 순위를 가리키는 것이 아니다. 또한 본 명세서 등에서 서수사를 붙이지 않은 용어이어도, 구성 요소의 혼동을 피하기 위하여, 청구범위 등에서는 서수사를 붙이는 경우가 있다. 또한 본 명세서 등에서 서수사를 붙인 용어이어도, 청구범위에서는 다른 서수사를 붙이는 경우가 있다. 또한 본 명세서 등에서 서수사를 붙인 용어이어도, 청구범위 등에서는 서수사를 생략하는 경우가 있다.
또한 본 명세서 등에서 트랜지스터의 "온 상태"란 트랜지스터의 소스와 드레인이 전기적으로 단락되어 있다고 간주할 수 있는 상태("도통 상태"라고도 함)를 말한다. 또한 트랜지스터의 "오프 상태"란 트랜지스터의 소스와 드레인이 전기적으로 차단되어 있다고 간주할 수 있는 상태("비도통 상태"라고도 함)를 말한다.
또한 본 명세서 등에서 "온 전류"란, 트랜지스터가 온 상태일 때 소스와 드레인 사이를 흐르는 전류를 가리키는 경우가 있다. 또한 "오프 전류"란, 트랜지스터가 오프 상태일 때 소스와 드레인 사이를 흐르는 전류를 가리키는 경우가 있다.
또한 본 명세서 등에서 고전원 전위(VDD)(이하 단순히 "VDD" "H전위", 또는 "H"라고도 함)란, 저전원 전위(VSS)보다 높은 전위의 전원 전위를 가리킨다. 또한 저전원 전위(VSS)(이하 단순히 "VSS", "L전위", 또는 "L"이라고도 함)란, 고전원 전위(VDD)보다 낮은 전위의 전원 전위를 가리킨다. 또한 접지 전위를 VDD 또는 VSS로서 사용할 수도 있다. 예를 들어 VDD가 접지 전위인 경우에는 VSS는 접지 전위보다 낮은 전위이고, VSS가 접지 전위인 경우에는 VDD는 접지 전위보다 높은 전위이다.
또한, 본 명세서 등에 있어서, 게이트란, 게이트 전극 및 게이트 배선의 일부 또는 전체를 가리킨다. 게이트 배선이란, 적어도 하나의 트랜지스터의 게이트 전극과, 다른 전극이나 다른 배선을 전기적으로 접속시키기 위한 배선을 가리킨다.
또한, 본 명세서 등에 있어서, 소스란, 소스 영역, 소스 전극, 및 소스 배선의 일부 또는 전체를 가리킨다. 소스 영역이란, 반도체층 중 저항률이 일정한 값 이하의 영역을 가리킨다. 소스 전극이란, 소스 영역과 접속되는 부분의 도전층을 가리킨다. 소스 배선이란, 적어도 하나의 트랜지스터의 소스 전극과, 다른 전극이나 다른 배선을 전기적으로 접속시키기 위한 배선을 가리킨다.
또한 본 명세서 등에서 드레인이란, 드레인 영역, 드레인 전극, 및 드레인 배선의 일부 또는 전부를 가리킨다. 드레인 영역이란, 반도체층 중 저항률이 일정한 값 이하의 영역을 가리킨다. 드레인 전극이란, 드레인 영역과 접속되는 부분의 도전층을 가리킨다. 드레인 배선이란, 적어도 하나의 트랜지스터의 드레인 전극과, 다른 전극이나 다른 배선을 전기적으로 접속시키기 위한 배선을 가리킨다.
또한 도면 등에서, 배선 및 전극 등의 전위의 이해를 돕기 위하여, 배선 및 전극 등에 인접하여 H전위를 나타내는 "H", 또는 L전위를 나타내는 "L"를 부기하는 경우가 있다. 또한 전위 변화가 발생된 배선 및 전극 등에는, "H" 또는 "L"를 원문자로 부기하는 경우가 있다. 또한 트랜지스터가 오프 상태인 경우, 상기 트랜지스터에 겹쳐 "Х" 기호를 부기하는 경우가 있다.
(실시형태 1)
본 발명의 일 형태에 따른 반도체 장치에 대하여 도면을 사용하여 설명한다.
<전압 검지 회로(9900)>
우선, 반도체 장치의 종래의 예에 대하여 설명한다. 반도체 장치의 종래의 예로서 도 5의 (A)에 나타낸 저항 분압을 이용한 전압 검지 회로(9900)의 구성예에 대하여 설명한다.
전압 검지 회로(9900)는 저항 소자(R1), 저항 소자(R2), 및 콤퍼레이터(9901)(비교 회로)를 가진다. 저항 소자(R1)는 단자(9911)와 노드(ND9) 사이에 제공되고, 저항 소자(R2)는 단자(9912)와 노드(ND9) 사이에 제공되어 있다. 또한, 노드(ND9)는 콤퍼레이터(9901)의 비반전 입력과 전기적으로 접속된다. 콤퍼레이터(9901)의 반전 입력은 단자(9915)와 전기적으로 접속되고, 콤퍼레이터(9901)의 출력은 단자(9913)와 전기적으로 접속된다.
단자(9912)는 단자(201) 및 이차 전지(300)의 양극과 전기적으로 접속된다. 단자(9911)는 단자(202) 및 이차 전지(300)의 음극과 전기적으로 접속된다. 전압 검지 회로(9900)는 단자(201) 및 단자(202)를 통하여 이차 전지(300)에 공급되는 전압이 일정값 이상이 되면 단자(9913)의 전압이 L에서 H로 변화하는 기능을 가진다.
도 5의 (B)를 사용하여 전압 검지 회로(9900)의 동작에 대하여 설명한다. 또한, 본 명세서 등에 나타낸 콤퍼레이터는 비반전 입력에 입력되는 전압이 반전 입력에 입력되는 전압 이하의 경우에 L이 출력되고, 비반전 입력에 입력되는 전압이 반전 입력에 입력되는 전압을 초과한 경우에 H가 출력되는 것으로 한다.
예를 들어, 저항 소자(R1)의 저항값을 1MΩ, 저항 소자(R2)의 저항값을 3MΩ, 단자(9915)의 전압을 1.0V로 하면, 단자(9911)의 전압을 0V로 하였을 때, 단자(9912)의 전압이 4.0V가 되면, 저항 분압에 의하여 노드(ND9)의 전압은 1.0V가 된다. 즉, 콤퍼레이터(9901)의 비반전 입력에 1.0V가 공급된다. 또한, 콤퍼레이터(9901)의 반전 입력에 단자(9915)를 통하여 1.0V가 공급되기 때문에 콤퍼레이터(9901)로부터 L이 출력된다. 따라서, 단자(9913)의 전압은 L이 된다.
단자(9912)의 전압이 4.0V를 초과하면, 노드(ND9)의 전압도 1.0V를 초과하기 때문에 콤퍼레이터(9901)로부터 H가 출력된다. 따라서, 단자(9913)의 전압은 H가 된다. 예를 들어, 단자(9912)의 전압이 4.0V에서 0.4V 증가되어 4.4V가 되면, 노드(ND9)의 전압은 1.0V에서 0.1V 증가되어 1.1V가 된다.
저항 분압을 이용한 종래의 전압 검지 회로(9900)에서는 단자(9911)와 단자(9912) 사이에 항시 전류 It가 흐르기 때문에 소비 전력의 저감이 어렵다. 또한, 원리적으로 단자(9912)의 전압 변화량보다 노드(ND9)의 전압 변화량이 작아 검출 감도가 낮다는 문제가 있었다.
<전압 검지 회로(100)>
본 발명의 일 형태에 따른 반도체 장치의 일례로서, 전압 검지 회로(100)의 구성예에 대하여 도 1의 (A)를 사용하여 설명한다.
[구성예]
전압 검지 회로(100)는 스위치(SW1), 스위치(SW2), 스위치(SW3), 용량 소자(C1), 및 콤퍼레이터(101)(비교 회로)를 가진다. 스위치(SW1)의 한쪽 단자는 단자(111)와 전기적으로 접속되고, 다른 쪽 단자는 노드(ND1)와 전기적으로 접속된다. 스위치(SW2)의 한쪽 단자는 단자(114)와 전기적으로 접속되고, 다른 쪽 단자는 노드(ND2)와 전기적으로 접속된다. 스위치(SW3)의 한쪽 단자는 노드(ND2)와 전기적으로 접속되고, 다른 쪽 단자는 단자(112)와 전기적으로 접속된다.
용량 소자(C1)는 노드(ND1)와 노드(ND2) 사이에 제공된다. 콤퍼레이터(101)의 비반전 입력은 노드(ND1)와 전기적으로 접속되고, 반전 입력은 단자(115)와 전기적으로 접속된다. 콤퍼레이터(101)의 출력은 단자(113)와 전기적으로 접속된다.
단자(112)는 단자(201) 및 이차 전지(300)의 양극과 전기적으로 접속된다. 단자(111)는 단자(202) 및 이차 전지(300)의 음극과 전기적으로 접속된다. 전압 검지 회로(100)는 단자(201) 및 단자(202)를 통하여 이차 전지(300)에 공급되는 전압이 일정값 이상이 되면 단자(113)의 전압이 L에서 H로 변화하는 기능을 가진다.
본 명세서 등에서 스위치란, 도통 상태(온 상태) 또는 비도통 상태(오프 상태)가 되어 전류를 흘릴지 여부를 제어하는 기능을 가지는 것을 가리킨다. 또는 스위치란, 전류를 흘리는 경로를 선택하고 전환하는 기능을 가지는 것을 가리킨다. 일례로서는, 전기적 스위치, 기계적 스위치 등을 사용할 수 있다. 즉, 스위치는 전류를 제어할 수 있는 것이면 좋고, 특정의 것에 한정되지 않는다.
전기적 스위치의 일례로서는 트랜지스터(예를 들어 바이폴러 트랜지스터, MOS 트랜지스터 등), 다이오드(예를 들어 PN 다이오드, PIN 다이오드, 쇼트키 다이오드, MIM(Metal Insulator Metal) 다이오드, MIS(Metal Insulator Semiconductor) 다이오드, 및 다이오드 접속의 트랜지스터 등), 또는 이들을 조합한 논리 회로 등이 있다. 또한 트랜지스터를 스위치로서 동작시키는 경우에는, 트랜지스터의 극성(도전형)은 특별히 한정되지 않는다.
기계적 스위치의 일례로서는, 디지털 마이크로미러 디바이스(DMD)와 같이 MEMS(micro electro mechanical systems) 기술을 사용한 스위치가 있다. 그 스위치는 기계적으로 동작시킬 수 있는 전극을 가지고, 그 전극의 움직임에 따라 도통과 비도통을 제어하여 동작한다.
[변형예]
전압 검지 회로(100)를 구성하는 스위치(SW1), 스위치(SW2), 및 스위치(SW3)를 트랜지스터로 변경한 전압 검지 회로(100T)의 구성예를 도 1의 (B)에 나타내었다.
전압 검지 회로(100T)는 트랜지스터(M1), 트랜지스터(M2), 트랜지스터(M3), 용량 소자(C1), 및 콤퍼레이터(101)(비교 회로)를 가진다. 트랜지스터(M1)의 소스 및 드레인 중 한쪽은 단자(111)와 전기적으로 접속되고, 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 노드(ND1)와 전기적으로 접속된다. 트랜지스터(M1)의 게이트는 단자(G1)와 전기적으로 접속된다. 트랜지스터(M2)의 소스 및 드레인 중 한쪽은 단자(114)와 전기적으로 접속되고, 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 노드(ND2)와 전기적으로 접속된다. 트랜지스터(M2)의 게이트는 단자(G2)와 전기적으로 접속된다. 트랜지스터(M3)의 소스 및 드레인 중 한쪽은 노드(ND2)와 전기적으로 접속되고, 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 단자(112)와 전기적으로 접속된다. 트랜지스터(M3)의 게이트는 단자(G3)와 전기적으로 접속된다.
용량 소자(C1)는 노드(ND1)와 노드(ND2) 사이에 제공된다. 콤퍼레이터(101)의 비반전 입력은 노드(ND1)와 전기적으로 접속되고, 반전 입력은 단자(115)와 전기적으로 접속된다. 콤퍼레이터(101)의 출력은 단자(113)와 전기적으로 접속된다.
트랜지스터(M1), 트랜지스터(M2), 및 트랜지스터(M3)는 채널이 형성되는 반도체층에 금속 산화물의 1종인 산화물 반도체를 포함하는 트랜지스터("OS 트랜지스터"라고도 함)인 것이 바람직하다. 산화물 반도체는 밴드 갭이 2eV 이상이기 때문에 오프 전류가 현저히 적다. 따라서, 전압 검지 회로(100T)의 소비 전력을 저감할 수 있다. 또한, 전압 검지 회로(100T)를 포함하는 반도체 장치의 소비 전력을 저감할 수 있다. 특히, 트랜지스터(M1)에 OS 트랜지스터를 사용하면 노드(ND1)에 공급된 전하가 장기간 유지될 수 있어 바람직하다.
또한, 트랜지스터를 스위치로서 기능시키는 경우에는, 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 한쪽이 스위치의 일단(한쪽 단자)에 상당하고, 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 다른 쪽이 스위치의 다단(다른 쪽 단자)에 상당한다.
또한 트랜지스터(M1), 트랜지스터(M2), 및 트랜지스터(M3) 각각은 더블 게이트형 트랜지스터이어도 좋다. 도 6의 (A)에 더블 게이트형 트랜지스터(150A)의 회로 기호예를 나타내었다.
트랜지스터(150A)는 트랜지스터(Tr1)와 트랜지스터(Tr2)가 직렬로 접속된 구성을 가진다. 도 6의 (A)에서는 트랜지스터(Tr1)의 소스 및 드레인 중 한쪽이 단자(S)와 전기적으로 접속되고, 트랜지스터(Tr1)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽이 트랜지스터(Tr2)의 소스 및 드레인 중 한쪽과 전기적으로 접속되고, 트랜지스터(Tr2)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽이 단자(D)와 전기적으로 접속되어 있는 상태를 나타내었다. 또한 도 6의 (A)에서는 트랜지스터(Tr1)와 트랜지스터(Tr2)의 게이트가 전기적으로 접속되고, 또한 단자(G)와 전기적으로 접속되어 있는 상태를 나타내었다.
도 6의 (A)에 나타낸 트랜지스터(150A)는 단자(G)의 전위를 변화시킴으로써 단자(S)와 단자(D) 사이를 도통 상태 또는 비도통 상태로 전환하는 기능을 가진다. 따라서 더블 게이트형 트랜지스터인 트랜지스터(150A)는 트랜지스터(Tr1)와 트랜지스터(Tr2)를 포함하고 하나의 트랜지스터로서 기능한다. 즉, 도 6의 (A)에서 트랜지스터(150A)의 소스 및 드레인 중 한쪽은 단자(S)와 전기적으로 접속되고, 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 단자(D)와 전기적으로 접속되고, 게이트는 단자(G)와 전기적으로 접속되어 있다고 말할 수 있다.
또한 트랜지스터(M1), 트랜지스터(M2), 및 트랜지스터(M3) 각각은 트리플 게이트형 트랜지스터이어도 좋다. 도 6의 (B)에 트리플 게이트형 트랜지스터(150B)의 회로 기호예를 나타내었다.
트랜지스터(150B)는 트랜지스터(Tr1), 트랜지스터(Tr2), 및 트랜지스터(Tr3)가 직렬로 접속된 구성을 가진다. 도 6의 (B)에서는 트랜지스터(Tr1)의 소스 및 드레인 중 한쪽이 단자(S)와 전기적으로 접속되고, 트랜지스터(Tr1)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽이 트랜지스터(Tr2)의 소스 및 드레인 중 한쪽과 전기적으로 접속되고, 트랜지스터(Tr2)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽이 트랜지스터(Tr3)의 소스 및 드레인 중 한쪽과 전기적으로 접속되고, 트랜지스터(Tr3)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽이 단자(D)와 전기적으로 접속되어 있는 상태를 나타내었다. 또한 도 6의 (B)에서는 트랜지스터(Tr1), 트랜지스터(Tr2), 및 트랜지스터(Tr3)의 게이트가 전기적으로 접속되고, 또한 단자(G)와 전기적으로 접속되어 있는 상태를 나타내었다.
도 6의 (B)에 나타낸 트랜지스터(150B)는 단자(G)의 전위를 변화시킴으로써 단자(S)와 단자(D) 사이를 도통 상태 또는 비도통 상태로 전환하는 기능을 가진다. 따라서 트리플 게이트형 트랜지스터인 트랜지스터(150B)는 트랜지스터(Tr1), 트랜지스터(Tr2), 및 트랜지스터(Tr3)를 포함하고 하나의 트랜지스터로서 기능한다. 즉 도 6의 (B)에서 트랜지스터(150B)의 소스 및 드레인 중 한쪽은 단자(S)와 전기적으로 접속되고, 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 단자(D)와 전기적으로 접속되고, 게이트는 단자(G)와 전기적으로 접속되어 있다고 말할 수 있다.
트랜지스터(150A) 및 트랜지스터(150B)와 같이, 복수의 게이트를 가지고, 또한 복수의 게이트가 전기적으로 접속되어 있는 트랜지스터를 "멀티 게이트형 트랜지스터" 또는 "멀티 게이트 트랜지스터"라고 부르는 경우가 있다.
또한 트랜지스터(M1), 트랜지스터(M2), 및 트랜지스터(M3) 각각은 백 게이트를 가지는 트랜지스터이어도 좋다. 도 6의 (C)에 백 게이트를 가지는 트랜지스터(150C)의 회로 기호예를 나타내었다. 또한 도 6의 (D)에 백 게이트를 가지는 트랜지스터(150D)의 회로 기호예를 나타내었다.
트랜지스터(150C)는 게이트와 백 게이트가 전기적으로 접속되는 구성을 가진다. 트랜지스터(150D)는 백 게이트가 단자(BG)와 전기적으로 접속되는 구성을 가진다. 백 게이트는 게이트와 백 게이트로 반도체층의 채널 형성 영역을 끼우도록 배치된다. 백 게이트는 게이트와 같은 식으로 기능시킬 수 있다.
게이트와 백 게이트를 전기적으로 접속함으로써, 트랜지스터의 온 전류를 늘릴 수 있다. 또한 백 게이트의 전위를 독립적으로 변화시킴으로써 트랜지스터의 문턱 전압을 변화시킬 수 있다.
[동작예]
도 2 내지 도 4를 사용하여 전압 검지 회로(100)의 동작예에 대하여 설명한다. 도 2는 전압 검지 회로(100)의 동작을 설명하는 타이밍 차트이다. 도 3 및 도 4는 전압 검지 회로(100)의 동작 상태를 나타낸 도면이다.
본 실시형태에서는 이차 전지(300)의 충전 동작에 있어서, 충전 전압이 4V 이하인 경우에 단자(113)의 전위가 L이 되고, 충전 전압이 4V를 초과한 경우에 단자(113)의 전위가 H가 되는 동작에 대하여 설명한다. 또한, 단자(114)에 3V, 단자(115)에 1V가 공급되어 있는 것으로 한다. 또한, 충전 동작에서 단자(201)의 전압이 3.5V에서 4.4V까지 변화되는 것으로 한다.
[기간(T1)]
기간(T1)에서, 스위치(SW1) 및 스위치(SW2)를 온 상태로 하고, 스위치(SW3)를 오프 상태로 한다(도 3의 (A) 참조). 이와 같이 하면, 노드(ND1)의 전압이 0V가 되고 노드(ND2)의 전압이 3V가 된다. 콤퍼레이터(101)의 반전 입력에는 1V가 입력되고, 비반전 입력에는 0V가 입력된다. 따라서, 콤퍼레이터(101)의 출력은 L이 되고, 단자(113)의 전압도 L이 된다.
[기간(T2)]
기간(T2)에서, 스위치(SW1) 및 스위치(SW2)를 오프 상태로 하고, 스위치(SW3)를 온 상태로 한다(도 3의 (B) 참조). 이와 같이 하면, 노드(ND2)의 전압이 3.5V가 되고 노드(ND1)의 전압이 0.5V가 된다. 콤퍼레이터(101)의 반전 입력에 1V가 입력되고, 비반전 입력에 0.5V가 입력된다. 따라서, 콤퍼레이터(101)의 출력은 L을 유지하고, 단자(113)의 전압도 L을 유지한다.
또한, 단자(201)의 전압이 상승하면, 단자(112) 및 노드(ND2)의 전압도 상승한다. 따라서, 노드(ND1)의 전압도 상승한다.
[기간(T3)]
기간(T2)에 이어서, 기간(T3)에서도 단자(201)의 전압이 상승한다. 따라서, 단자(112), 노드(ND2) 및 노드(ND1)의 전위가 상승한다. 기간(T3)에서는 단자(201)의 전압이 4V까지 상승하는 것으로 한다.
단자(201)의 전압이 4V가 되면, 단자(112) 및 노드(ND2)의 전압도 4V가 된다. 또한, 노드(ND1)의 전압이 1V가 된다(도 4의 (A) 참조). 콤퍼레이터(101)의 반전 입력에 1V가 입력되고, 비반전 입력에도 1V가 입력된다. 따라서, 콤퍼레이터(101)의 출력은 L을 유지하고, 단자(113)의 전압도 L을 유지한다.
[기간(T4)]
기간(T4)에서도 단자(201)의 전압이 상승한다. 기간(T4)에서는 단자(201)의 전압이 4.4V까지 상승하는 것으로 한다.
단자(201)의 전압이 4V를 초과하면, 단자(112) 및 노드(ND2)의 전압도 4V를 초과한다. 또한, 노드(ND1)의 전압도 1V를 초과한다. 콤퍼레이터(101)의 반전 입력에 1V가 입력되고, 비반전 입력에는 1V를 초과하는 전압이 입력된다. 따라서, 콤퍼레이터(101)의 출력이 H가 되고, 단자(113)의 전압도 H가 된다.
단자(201)의 전압이 4.4V가 되면, 노드(ND2)의 전압도 4.4V가 되고, 노드(ND1)의 전압이 1.4V가 된다(도 4의 (B) 참조).
본 발명의 일 형태에 따른 전압 검지 회로(100)에서는, 종래의 전압 검지 회로(9900)와 달리, 동작 시에 전류 It가 발생하지 않는다. 따라서, 소비 전력을 저감할 수 있다. 또한, 단자(112)와 노드(ND2)의 전압 변화량이 같게 되므로, 검출 감도가 양호하다.
본 실시형태는 다른 실시형태 및 실시예 등에 기재된 구성과 적절히 조합하여 실시할 수 있다.
(실시형태 2)
본 실시형태에서는 상기 실시형태에 나타낸 반도체 장치의 변형예에 대하여 설명한다. 본 실시형태에 설명이 없는 것에 대해서는 상기 실시형태를 참조하면 좋다.
<전압 검지 회로(100A)>
본 발명의 일 형태에 따른 반도체 장치의 변형예로서, 전압 검지 회로(100A)에 대하여 설명한다. 또한, 전압 검지 회로(100A)는 상기 실시형태에 나타낸 전압 검지 회로(100)의 변형예이다.
[구성예]
도 7에 전압 검지 회로(100A)의 구성예를 나타내었다. 전압 검지 회로(100A)는 전압 검지 회로(100)의 구성에 스위치(SW4), 스위치(SW5), 스위치(SW6), 및 용량 소자(C2)를 더한 구성을 가진다.
구체적으로는, 스위치(SW1)의 한쪽 단자는 단자(111)와 전기적으로 접속되고, 다른 쪽 단자는 노드(ND1)와 전기적으로 접속된다. 스위치(SW2)의 한쪽 단자는 단자(114)와 전기적으로 접속되고, 다른 쪽 단자는 노드(ND2)와 전기적으로 접속된다. 스위치(SW3)의 한쪽 단자는 노드(ND2)와 전기적으로 접속되고, 다른 쪽 단자는 단자(112)와 전기적으로 접속된다. 스위치(SW4)의 한쪽 단자는 단자(111)와 전기적으로 접속되고, 다른 쪽 단자는 노드(ND3)와 전기적으로 접속된다. 스위치(SW5)의 한쪽 단자는 단자(114)와 전기적으로 접속되고, 다른 쪽 단자는 노드(ND4)와 전기적으로 접속된다. 스위치(SW6)의 한쪽 단자는 노드(ND1)와 전기적으로 접속되고, 다른 쪽 단자는 노드(ND4)와 전기적으로 접속된다.
용량 소자(C1)는 노드(ND1)와 노드(ND2) 사이에 제공된다. 용량 소자(C2)는 노드(ND3)와 노드(ND4) 사이에 제공된다. 콤퍼레이터(101)의 비반전 입력은 노드(ND3)와 전기적으로 접속되고, 반전 입력은 단자(115)와 전기적으로 접속된다. 콤퍼레이터(101)의 출력은 단자(113)와 전기적으로 접속된다.
단자(112)는 단자(201) 및 이차 전지(300)의 양극과 전기적으로 접속된다. 단자(111)는 단자(202) 및 이차 전지(300)의 음극과 전기적으로 접속된다. 전압 검지 회로(100A)는 단자(201) 및 단자(202)를 통하여 이차 전지(300)에 공급되는 전압이 일정값 이상이 되면 단자(113)의 전압이 L에서 H로 변화하는 기능을 가진다.
[변형예 1]
전압 검지 회로(100A)의 변형예인 전압 검지 회로(100B)를 도 8에 나타내었다. 전압 검지 회로(100B)는 단자(111) 대신 단자(111A) 및 단자(111B)를 가지고, 단자(114) 대신 단자(114A) 및 단자(114B)를 가진다.
전압 검지 회로(100B)에서는, 스위치(SW1)의 한쪽 단자는 단자(111A)와 전기적으로 접속되고, 스위치(SW4)의 한쪽 단자는 단자(111B)와 전기적으로 접속된다. 또한, 스위치(SW2)의 한쪽 단자는 단자(114A)와 전기적으로 접속되고, 스위치(SW5)의 한쪽 단자는 단자(114B)와 전기적으로 접속된다.
전압 검지 회로(100B)에서는, 스위치(SW2)의 한쪽 단자와, 스위치(SW5)의 한쪽 단자에 각각 다른 전압을 공급할 수 있다. 또한, 도 8에서는 단자(111A)와 단자(111B)가 모두 단자(202)와 전기적으로 접속되어 있지만, 단자(111A)와 단자(111B)는 서로 다른 단자 또는 배선 등과 전기적으로 접속되어도 좋다.
[변형예 2]
전압 검지 회로(100A)를 구성하는 스위치(SW1) 내지 스위치(SW6)를 트랜지스터로 변경한 전압 검지 회로(100TA)의 구성예를 도 9에 나타내었다. 전압 검지 회로(100TA)는 전압 검지 회로(100T)의 변형예이다. 전압 검지 회로(100TA)는 전압 검지 회로(100T)의 구성에 트랜지스터(M4), 트랜지스터(M5), 트랜지스터(M6), 및 용량 소자(C2)를 더한 구성을 가진다.
구체적으로는, 전압 검지 회로(100TA)는 트랜지스터(M1), 트랜지스터(M2), 트랜지스터(M3), 트랜지스터(M4), 트랜지스터(M5), 트랜지스터(M6), 용량 소자(C1), 용량 소자(C2), 및 콤퍼레이터(101)를 가진다. 트랜지스터(M1)의 소스 및 드레인 중 한쪽은 단자(111)와 전기적으로 접속되고, 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 노드(ND1)와 전기적으로 접속된다. 트랜지스터(M1)의 게이트는 단자(G1)와 전기적으로 접속된다. 트랜지스터(M2)의 소스 및 드레인 중 한쪽은 단자(114)와 전기적으로 접속되고, 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 노드(ND2)와 전기적으로 접속된다. 트랜지스터(M2)의 게이트는 단자(G2)와 전기적으로 접속된다. 트랜지스터(M3)의 소스 및 드레인 중 한쪽은 노드(ND2)와 전기적으로 접속되고, 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 단자(112)와 전기적으로 접속된다. 트랜지스터(M3)의 게이트는 단자(G3)와 전기적으로 접속된다.
트랜지스터(M4)의 소스 및 드레인 중 한쪽은 단자(111)와 전기적으로 접속되고, 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 노드(ND3)와 전기적으로 접속된다. 트랜지스터(M4)의 게이트는 단자(G4)와 전기적으로 접속된다. 트랜지스터(M5)의 소스 및 드레인 중 한쪽은 단자(114)와 전기적으로 접속되고, 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 노드(ND4)와 전기적으로 접속된다. 트랜지스터(M5)의 게이트는 단자(G5)와 전기적으로 접속된다. 트랜지스터(M6)의 소스 및 드레인 중 한쪽은 노드(ND1)와 전기적으로 접속되고, 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 노드(ND4)와 전기적으로 접속된다. 트랜지스터(M6)의 게이트는 단자(G6)와 전기적으로 접속된다.
용량 소자(C1)는 노드(ND1)와 노드(ND2) 사이에 제공된다. 용량 소자(C2)는 노드(ND3)와 노드(ND4) 사이에 제공된다. 콤퍼레이터(101)의 비반전 입력은 노드(ND3)와 전기적으로 접속되고, 반전 입력은 단자(115)와 전기적으로 접속된다. 콤퍼레이터(101)의 출력은 단자(113)와 전기적으로 접속된다.
트랜지스터(M1 내지 M3)와 마찬가지로, 트랜지스터(M4 내지 M6)도 OS 트랜지스터인 것이 바람직하다. 특히, 트랜지스터(M4)에 OS 트랜지스터를 사용하면 노드(ND3)에 공급된 전하가 장기간 유지될 수 있어 바람직하다. 또한, 트랜지스터(M5)에 OS 트랜지스터를 사용하면 노드(ND4)에 공급된 전하가 장기간 유지될 수 있어 바람직하다.
[동작예]
도 10 내지 도 14를 사용하여 전압 검지 회로(100A)의 동작예에 대하여 설명한다. 도 10은 전압 검지 회로(100A)의 동작을 설명하는 타이밍 차트이다. 도 11 내지 도 14는 전압 검지 회로(100A)의 동작 상태를 나타낸 도면이다.
본 실시형태에서는 이차 전지(300)의 충전 동작에 있어서, 충전 전압이 4V 이하인 경우에 단자(113)의 전위가 L이 되고, 충전 전압이 4V를 초과한 경우에 단자(113)의 전압이 H가 되는 동작에 대하여 설명한다. 또한, 단자(114)에 1.5V, 단자(115)에 1V가 공급되어 있는 것으로 한다. 또한, 충전 동작에서 단자(201)의 전압이 3.5V에서 4.4V까지 변화되는 것으로 한다.
[기간(T1)]
기간(T1)에서, 스위치(SW1), 스위치(SW2), 스위치(SW4), 및 스위치(SW5)를 온 상태로 하고, 스위치(SW3) 및 스위치(SW6)를 오프 상태로 한다(도 11 참조). 이와 같이 하면, 노드(ND1) 및 노드(ND3)의 전압이 0V가 되고 노드(ND2) 및 노드(ND4)의 전압이 1.5V가 된다. 콤퍼레이터(101)의 반전 입력에는 1V가 입력되고, 비반전 입력에는 0V가 입력된다. 따라서, 콤퍼레이터(101)의 출력은 L이 되고, 단자(113)의 전압도 L이 된다.
[기간(T2)]
기간(T2)에서, 스위치(SW1), 스위치(SW2), 스위치(SW4), 및 스위치(SW5)를 오프 상태로 하고, 스위치(SW3) 및 스위치(SW6)를 온 상태로 한다(도 12 참조). 이와 같이 하면, 노드(ND2)의 전압이 1.5V에서 2V 상승하여 3.5V가 되고 노드(ND1)의 전압이 0V에서 2V 상승하여 2V가 된다. 또한, 스위치(SW6)가 온 상태이기 때문에 노드(ND1)와 노드(ND4)는 전기적으로 접속된다. 따라서, 노드(ND4)도 2V가 된다. 이때, 노드(ND4)의 전압은 1.5V에서 0.5V 상승한다. 따라서, 노드(ND3)의 전압은 0.5V가 되고, 콤퍼레이터(101)의 비반전 입력에 0.5V가 입력된다. 콤퍼레이터(101)의 반전 입력에는 1V가 입력되어 있기 때문에 콤퍼레이터(101)의 출력은 L을 유지하고, 단자(113)의 전압도 L을 유지한다.
또한, 단자(201)의 전압이 상승하면, 단자(112) 및 노드(ND2)의 전압도 상승한다. 따라서, 노드(ND1), 노드(ND3), 및 노드(ND4)의 전압도 상승한다.
[기간(T3)]
기간(T2)에 이어서, 기간(T3)에서도 단자(201)의 전위 상승에 따라 단자(112), 노드(ND1) 내지 노드(ND4)의 전위가 상승한다. 기간(T3)에서는 단자(201)의 전압이 4V까지 상승하는 것으로 한다.
단자(201)의 전압이 4V가 되면, 단자(112) 및 노드(ND2)의 전압도 4V가 된다. 또한, 노드(ND1) 및 노드(ND4)의 전압이 2.5V가 되고, 노드(ND3)의 전압이 1V가 된다(도 13 참조). 따라서, 콤퍼레이터(101)의 반전 입력에 1V가 입력되고, 콤퍼레이터(101)의 비반전 입력에는 1V가 입력된다. 따라서, 콤퍼레이터(101)의 출력은 L을 유지하고, 단자(113)의 전압도 L을 유지한다.
[기간(T4)]
기간(T4)에서도 단자(201)의 전압이 상승한다. 기간(T4)에서는 단자(201)의 전압이 4.4V까지 상승하는 것으로 한다.
단자(201)의 전압이 4V를 초과하면, 단자(112) 및 노드(ND2)의 전압도 4V를 초과한다. 또한, 노드(ND3)의 전압도 1V를 초과한다. 콤퍼레이터(101)의 반전 입력에 1V가 입력되고, 비반전 입력에는 1V를 초과하는 전압이 입력된다. 따라서, 콤퍼레이터(101)의 출력이 H가 되고, 단자(113)의 전압도 H가 된다.
단자(201)의 전압이 4.4V가 되면, 노드(ND2)의 전압도 4.4V가 된다. 또한, 노드(ND1) 및 노드(ND4)의 전압이 2.9V가 되고, 노드(ND3)의 전압이 1.4V가 된다(도 14 참조).
본 실시형태에 나타낸 전압 검지 회로(100A)는 전압 검지 회로(100)보다 단자(114)에 인가하는 전압을 작게 할 수 있다. 따라서, 전압 검지 회로(100)보다 소비 전력을 저감할 수 있다. 또한, 동작에 필요한 전압을 작게 할 수 있기 때문에 전압 생성 회로의 부담이 경감된다. 따라서, 전압 검지 회로(100A)를 사용한 반도체 장치는 동작이 안정되기 때문에 신뢰성을 높일 수 있다.
본 실시형태는 다른 실시형태 및 실시예 등에 기재된 구성과 적절히 조합하여 실시할 수 있다.
(실시형태 3)
본 실시형태에서는, 본 발명의 일 형태에 따른 반도체 장치를 사용한 무선 급전 시스템("와이어리스(wireless) 급전"이라고도 함)의 구성예에 대하여 설명한다.
무선 급전을 실현하는 방식으로서 전파 방식, 전계 결합 방식, 자계 공명 방식, 전자기 유도 방식 등이 알려져 있다. 특히 전자기 유도 방식은 회로 설계가 용이하고 전력의 전송(傳送) 효율도 높은 방식으로서 알려져 있으며, 휴대 정보 단말기 등의 모바일 기기로의 채용이 검토되고 있다. 전자기 유도 방식을 사용한 무선 급전의 국제 규격으로서 Qi 규격, PMA 규격, AirFuel Inductive 규격 등이 있다.
또한, 자계 공명 방식은 전자기 유도 방식보다 회로 설계가 복잡하고 전력의 전송 효율도 떨어지지만, 전자기 유도 방식보다 원거리의 송전이 가능하므로 EV(Electric Vehicle) 등으로의 채용이 검토되고 있다. 자계 공명 방식을 사용한 무선 급전의 국제 규격으로서 WPT1 규격, WPT2 규격, WPT3 규격, AirFuel Resonant 규격 등이 있다.
본 발명의 일 형태에 따른 반도체 장치는 다양한 방식의 무선 급전 시스템에 사용할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 형태에 따른 반도체 장치는 다양한 규격의 무선 급전 시스템에 사용할 수 있다.
본 실시형태에서 예시한 무선 급전 시스템은 송전 장치(400) 및 수전 장치(450)를 포함한다. 송전 장치(400)의 구성예를 도 15의 (A)에 도시하였다. 수전 장치(450)의 구성예를 도 15의 (B)에 도시하였다.
또한, 도 15의 (A)에서 예시한 송전 장치(400) 및 도 15의 (B)에서 예시한 수전 장치(450)의 구성은 일례이고, 모든 구성 요소를 포함할 필요는 없다. 송전 장치(400) 및 수전 장치(450)는 도 15의 (A) 및 (B)에 도시된 구성 요소 중 필요한 구성 요소를 가지면 된다. 또한 도 15의 (A) 및 (B)에 도시된 구성 요소 이외의 구성 요소를 가져도 좋다.
<송전 장치(400)>
송전 장치(400)는 송전 제어 회로(411), 정합 회로(412), 전력 방사 회로(413)를 가진다. 송전 장치(400)에는 전원(401)이 접속된다. 전원(401)은 송전 장치(400)에 교류 전력을 공급하는 기능을 가진다. 전원(401)이 공급하는 교류 전력의 주파수 fG는 특정의 주파수에 한정되지 않고, 예를 들어 서브밀리파인 300GHz 내지 3THz, 밀리파인 30GHz 내지 300GHz, 마이크로파인 3GHz 내지 30GHz, 극초단파인 300MHz 내지 3GHz, 초단파인 30MHz 내지 300MHz, 단파인 3MHz 내지 30MHz, 중파인 300kHz 내지 3MHz, 장파인 30kHz 내지 300kHz, 및 초장파인 3kHz 내지 30kHz 중 어느 것을 사용할 수 있다.
송전 제어 회로(411)는 전원(401)으로부터 공급된 전력을 정합 회로(412)를 통하여 전력 방사 회로(413)에 공급하는 기능을 가진다. 전력 방사 회로(413)는 송전 안테나(402)에 접속된다. 전력 방사 회로(413)는 전원(401)으로부터 공급된 교류 전력을 송전 안테나(402)를 통하여 외부의 공간에 방사하는 기능을 가진다.
전원(401)의 임피던스와 전력 방사 회로(413)의 임피던스가 상이하면, 전원(401)으로부터 공급된 교류 전력의 일부가 임피던스의 차이에 따라 반사되기 때문에 교류 전력을 효율적으로 전력 방사 회로(413)에 공급할 수 없다. 정합 회로(412)는 전원(401)의 임피던스와 전력 방사 회로(413)의 임피던스를 거의 일치시켜, 전원(401)으로부터 공급되는 교류 전력을 효율적으로 전력 방사 회로(413)에 전송하는 기능을 가진다.
<수전 장치(450)>
도 15의 (B)에 도시된 수전 장치(450)는 수전 안테나(403), 수전 회로(451), 충전 제어 회로(452), 충방전 제어 회로(453)를 가진다. 또한, 수전 장치(450)는 단자(461), 단자(462), 및 단자(463)를 가진다. 도 15의 (B)에서는, 단자(461)에 이차 전지(300)의 양극이 전기적으로 접속되고, 단자(462)에 이차 전지(300)의 음극이 전기적으로 접속되어 있다.
수전 회로(451)는 수전 안테나(403)의 인덕턴스에 기초하여 결정되는 공진 주파수 fR를 가진다. 송전 안테나(402)로부터 방사되는 교류 전력의 주파수 fG와 수전 회로(451)가 가지는 공진 주파수 fR를 일치시킴으로써 수전 안테나(403)에 유도 기전력을 발생시켜, 송전 장치(400)로부터 수전 장치(450)로의 전력 공급을 실현할 수 있다.
또한, 수전 회로(451)는 정류 회로를 가진다. 정류 회로는 수전 안테나(403)에 유도된 교류 전력을 직류로 변환하는 기능을 가진다.
충전 제어 회로(452)는 수전 회로(451)로부터 공급되는 직류 전력을 적절한 전압으로 조정하는 기능을 가진다. 예를 들어, 충전 제어 회로(452)에 스위칭 레귤레이터 등의 기능을 부가하면 좋다.
또한, 충전 제어 회로(452)에 Noff-CPU(노멀리 오프 CPU)를 사용하여도 좋다. 또한, 노멀리 오프 CPU란, 게이트 전압이 0V이어도 비도통 상태(오프 상태라고도 함)인 노멀리 오프형 트랜지스터를 포함하는 집적 회로이다. 노멀리 오프형 트랜지스터는, OS 트랜지스터로 실현할 수 있다. 노멀리 오프 CPU를 사용함으로써, 충전 제어 회로(452)의 대기 동작 시의 소비 전력을 저감할 수 있다.
수전 안테나(403)에 유도된 교류 전력은 수전 회로(451) 및 충전 제어 회로(452)를 통하여 이차 전지(300)에 충전할 수 있다. 또한, 수전 장치(450)는 외부 기기의 전원으로서 기능할 수 있다. 구체적으로는, 단자(461)와 단자(463)를 통하여 외부 기기와 전기적으로 접속함으로써, 상기 외부 기기에 이차 전지의 전력을 공급할 수 있다. 또한, 상기 외부 기기에 송전 장치(400)로부터 받은 전력을 공급할 수 있다.
충방전 제어 회로(453)는 이차 전지(300)의 충방전 상황을 감시하는 기능을 가진다. 충방전 제어 회로(453)는 과전류 검지 회로 및 전압 검지 회로 등을 가진다. 예를 들어, 이차 전지(300)로부터 외부 기기에 전력을 공급할 때 규정값 이상의 전류("과전류"라고도 함)가 흐른 경우, 충방전 제어 회로(453)는 트랜지스터(471)를 오프 상태로 하여 전력 공급을 정지할 수 있다. 또한, 이차 전지(300)의 충전 시에 규정값 이상의 전류가 흐른 경우, 충방전 제어 회로(453)는 트랜지스터(472)를 오프 상태로 하여 충전을 정지할 수 있다. 또한, 이차 전지(300)의 충전 시에 규정값 이상의 전압("과전압"이라고도 함)이 이차 전지(300)에 인가된 경우, 충방전 제어 회로(453)는 트랜지스터(472)를 오프 상태로 하여 충전을 정지할 수 있다.
본 실시형태에서는, 도 15의 (A)에 도시된 송전 안테나(402) 및 도 15의 (B)에 도시된 수전 안테나(403)를 코일을 나타내는 회로 기호로 도시하였다. 다만, 송전 안테나(402) 및 수전 안테나(403)는 코일 형상의 안테나에 한정되지 않고, 송전 방식 등에 따라 적절히 변경하면 좋다. 예를 들어 선상, 판상이어도 좋다. 또한 평면 안테나, 개구면 안테나, 진행파 안테나, EH 안테나, 자기장 안테나, 유전체 안테나 등의 안테나를 사용하여도 좋다.
본 발명의 일 형태에 따른 전압 검지 회로(100)는 충방전 제어 회로(453)에 사용할 수 있다. 또한, 무선 급전 시스템에 포함되는 트랜지스터의 일부 또는 모두에 OS 트랜지스터를 사용할 수 있다.
예를 들어, 수전 장치(450)에 포함되는 트랜지스터에 OS 트랜지스터를 사용함으로써, 수전 장치(450)를 가요성 기판 위에 제공할 수 있다. 따라서, 수전 장치(450)의 체적 삭감 및 경량화를 실현할 수 있다. 또한, 수전 장치(450)를 가요성 기판 위에 제공함으로써, 예를 들어 이차 전지(300)의 측면을 따라 수전 장치(450)를 제공하는 것도 가능하다.
또한 OS 트랜지스터를 사용한 충방전 제어 회로, 과전류 검출 회로, 전압 검지 회로, 이상 검지 회로, 또는 이차 전지 제어 시스템 등을 BTOS(Battery operating system 또는 Battery oxide semiconductor)라고 부르는 경우가 있다.
OS 트랜지스터는 오프 전류가 매우 낮다. 따라서, 무선 급전 시스템의 소비 전력을 저감할 수 있다. 또한 OS 트랜지스터는 고온 환경하에서도 오프 전류가 거의 증가하지 않는다. 구체적으로는 실온 이상 200℃ 이하의 온도에서도 오프 전류가 거의 증가하지 않는다. 또한, OS 트랜지스터는 소스와 드레인 사이의 절연 내압이 높다. 무선 급전 시스템을 구성하는 트랜지스터에 OS 트랜지스터를 사용함으로써, 고온 환경하에서도 동작이 안정적이고 신뢰성이 양호한 무선 급전 시스템을 실현할 수 있다.
본 실시형태는 다른 실시형태 및 실시예 등에 기재된 구성과 적절히 조합하여 실시할 수 있다.
(실시형태 4)
본 실시형태에서는 앞의 실시형태에서 설명한 반도체 장치에 적용할 수 있는 트랜지스터의 구성에 대하여 설명한다. 구체적으로는, 상이한 전기 특성을 가지는 트랜지스터를 적층하여 제공하는 구성에 대하여 설명한다. 상기 구성으로 함으로써 반도체 장치의 설계 자유도를 높일 수 있다. 또한 상이한 전기 특성을 가지는 트랜지스터를 적층하여 제공함으로써 반도체 장치의 집적도를 높일 수 있다.
도 16에 도시된 반도체 장치는, 트랜지스터(550)와, 트랜지스터(500)와, 용량 소자(600)를 가진다. 도 18의 (A)는 트랜지스터(500)의 채널 길이 방향의 단면도이고, 도 18의 (B)는 트랜지스터(500)의 채널 폭 방향의 단면도이고, 도 18의 (C)는 트랜지스터(550)의 채널 폭 방향의 단면도이다.
트랜지스터(500)는 OS 트랜지스터이다. 따라서 트랜지스터(500)는 오프 전류가 매우 적기 때문에, 반도체 장치가 가지는 트랜지스터로서 이를 사용함으로써, 기록된 데이터 전압 또는 전하가 장기간에 걸쳐 유지될 수 있다. 즉 리프레시 동작의 빈도가 적거나 또는 리프레시 동작이 필요 없기 때문에, 반도체 장치의 소비 전력을 저감할 수 있다.
본 실시형태에서 설명하는 반도체 장치는 도 16에 나타낸 바와 같이 트랜지스터(550), 트랜지스터(500), 용량 소자(600)를 가진다. 트랜지스터(500)는 트랜지스터(550) 위쪽에 제공되고, 용량 소자(600)는 트랜지스터(550) 및 트랜지스터(500) 위쪽에 제공되어 있다.
트랜지스터(550)는 기판(311) 위에 제공되고, 도전체(316), 절연체(315), 기판(311)의 일부로 이루어지는 반도체 영역(313), 소스 영역 또는 드레인 영역으로서 기능하는 저저항 영역(314a) 및 저저항 영역(314b)을 가진다. 또한 트랜지스터(550)는 예를 들어 상기 실시형태에서의 콤퍼레이터(101)가 가지는 트랜지스터 등에 적용할 수 있다.
트랜지스터(550)는 도 18의 (C)에 도시된 바와 같이 반도체 영역(313)의 상면 및 채널 폭 방향의 측면이 절연체(315)를 개재(介在)하여 도전체(316)로 덮여 있다. 이와 같이, 트랜지스터(550)를 Fin형으로 함으로써 실효적인 채널 폭이 증대하여 트랜지스터(550)의 온 특성을 향상시킬 수 있다. 또한 게이트 전극의 전계의 기여를 높일 수 있기 때문에, 트랜지스터(550)의 오프 특성을 향상시킬 수 있다.
또한 트랜지스터(550)는 p채널형 및 n채널형 중 어느 쪽이어도 좋다.
반도체 영역(313)의 채널이 형성되는 영역, 그 근방의 영역, 소스 영역 또는 드레인 영역이 되는 저저항 영역(314a) 및 저저항 영역(314b) 등에서 실리콘계 반도체 등의 반도체를 포함하는 것이 바람직하고, 단결정 실리콘을 포함하는 것이 바람직하다. 또는 Ge(저마늄), SiGe(실리콘 저마늄), GaAs(갈륨 비소), GaAlAs(갈륨 알루미늄 비소) 등을 가지는 재료로 형성하여도 좋다. 결정 격자에 응력을 가하여 격자 간격을 변화시킴으로써 유효 질량을 제어한 실리콘을 사용한 구성으로 하여도 좋다. 또는 GaAs와 GaAlAs 등을 사용함으로써, 트랜지스터(550)를 HEMT(High Electron Mobility Transistor)로 하여도 좋다.
저저항 영역(314a) 및 저저항 영역(314b)은 반도체 영역(313)에 적용되는 반도체 재료에 더하여 비소, 인 등의 n형 도전성을 부여하는 원소 또는 붕소 등의 p형 도전성을 부여하는 원소를 포함한다.
게이트 전극으로서 기능하는 도전체(316)는 비소, 인 등의 n형 도전성을 부여하는 원소, 또는 붕소 등의 p형 도전성을 부여하는 원소를 포함하는 실리콘 등의 반도체 재료, 금속 재료, 합금 재료, 또는 금속 산화물 재료 등의 도전성 재료를 사용할 수 있다.
또한 도전체의 재료에 따라 일함수가 결정되기 때문에, 상기 도전체의 재료를 선택함으로써 트랜지스터의 문턱 전압을 조정할 수 있다. 구체적으로는, 도전체에 질화 타이타늄이나 질화 탄탈럼 등의 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 또한 도전성과 매립성을 양립하기 위하여 도전체에 텅스텐이나 알루미늄 등의 금속 재료를 적층하여 사용하는 것이 바람직하고, 특히 텅스텐을 사용하는 것이 내열성의 관점에서 바람직하다.
또한 도 16에 도시된 트랜지스터(550)는 일례이고, 그 구성에 한정되지 않고, 회로 구성이나 구동 방법에 따라 적절한 트랜지스터를 사용하면 좋다. 예를 들어 반도체 장치를 OS 트랜지스터만으로 이루어진 단극성 회로(n채널형 트랜지스터만 등, 동극성의 트랜지스터를 의미함)로 하는 경우, 도 17에 도시된 바와 같이, 트랜지스터(550)의 구성을 산화물 반도체를 사용한 트랜지스터(500)와 같은 구성으로 하면 좋다. 또한 트랜지스터(500)의 자세한 사항에 대해서는 후술한다.
트랜지스터(550)를 덮어 절연체(320), 절연체(322), 절연체(324), 및 절연체(326)가 순차적으로 적층되어 제공된다.
절연체(320), 절연체(322), 절연체(324), 및 절연체(326)로서 예를 들어 산화 실리콘, 산화질화 실리콘, 질화산화 실리콘, 질화 실리콘, 산화 알루미늄, 산화질화 알루미늄, 질화산화 알루미늄, 질화 알루미늄 등을 사용하면 좋다.
또한 본 명세서에서 산화질화 실리콘이란 그 조성에서 질소보다 산소의 함유량이 많은 재료를 가리키고, 질화산화 실리콘이란 그 조성에서 산소보다 질소의 함유량이 많은 재료를 가리킨다. 또한 본 명세서에서 산화질화 알루미늄이란 그 조성에서 질소보다 산소의 함유량이 많은 재료를 가리키고, 질화산화 알루미늄이란 그 조성에서 산소보다 질소의 함유량이 많은 재료를 가리킨다.
절연체(322)는, 그 아래쪽에 제공되는 트랜지스터(550) 등에 의하여 생기는 단차를 평탄화하는 평탄화막으로서의 기능을 가져도 좋다. 예를 들어 절연체(322)의 상면은 평탄성을 높이기 위하여 화학 기계 연마(CMP)법 등을 사용한 평탄화 처리에 의하여 평탄화되어도 좋다.
또한, 절연체(324)에는 기판(311) 또는 트랜지스터(550) 등으로부터 트랜지스터(500)가 제공되는 영역으로 수소나 불순물이 확산되지 않도록 하는 배리어성을 가지는 막을 사용하는 것이 바람직하다.
수소에 대한 배리어성을 가지는 막의 일례로서, 예를 들어 CVD법으로 형성한 질화 실리콘을 사용할 수 있다. 여기서, 트랜지스터(500) 등의 산화물 반도체를 가지는 반도체 소자로 수소가 확산됨으로써 상기 반도체 소자의 특성이 저하되는 경우가 있다. 따라서, 트랜지스터(500)와 트랜지스터(550) 사이에 수소의 확산을 억제하는 막을 사용하는 것이 바람직하다. 수소의 확산을 억제하는 막이란, 구체적으로는 수소의 이탈량이 적은 막이다.
수소의 이탈량은, 예를 들어 승온 이탈 가스 분석법(TDS) 등을 사용하여 분석할 수 있다. 예를 들어, 절연체(324)의 수소의 이탈량은 TDS 분석에서 막의 표면 온도가 50℃ 내지 500℃의 범위에서 수소 원자로 환산한 이탈량이 절연체(324)의 면적당으로 환산하여, 10×1015atoms/cm2 이하, 바람직하게는 5×1015atoms/cm2 이하이면 좋다.
또한, 절연체(326)는 절연체(324)보다 유전율이 낮은 것이 바람직하다. 예를 들어, 절연체(326)의 비유전율은 4 미만이 바람직하고, 3 미만이 더 바람직하다. 또한 예를 들어 절연체(326)의 비유전율은 절연체(324)의 비유전율의 0.7배 이하가 바람직하고, 0.6배 이하가 더 바람직하다. 유전율이 낮은 재료를 층간막으로 함으로써, 배선 사이에 생기는 기생 용량을 저감할 수 있다.
또한 절연체(320), 절연체(322), 절연체(324), 및 절연체(326)에는 용량 소자(600) 또는 트랜지스터(500)에 접속되는 도전체(328) 및 도전체(330) 등이 매립되어 있다. 또한, 도전체(328) 및 도전체(330)는 플러그 또는 배선으로서의 기능을 가진다. 또한, 플러그 또는 배선으로서의 기능을 가지는 도전체에는, 복수의 구성을 합쳐서 동일한 부호를 부여하는 경우가 있다. 또한 본 명세서 등에서 배선과, 배선과 접속되는 플러그가 일체물이어도 좋다. 즉, 도전체의 일부가 배선으로서 기능하는 경우, 그리고 도전체의 일부가 플러그로서 기능하는 경우도 있다.
각 플러그 및 배선(도전체(328), 도전체(330) 등)의 재료로서는 금속 재료, 합금 재료, 금속 질화물 재료, 또는 금속 산화물 재료 등의 도전성 재료를 단층으로 또는 적층하여 사용할 수 있다. 내열성과 도전성을 양립하는 텅스텐이나 몰리브데넘 등의 고융점 재료를 사용하는 것이 바람직하고, 텅스텐을 사용하는 것이 바람직하다. 또는 알루미늄이나 구리 등의 저저항 도전성 재료로 형성하는 것이 바람직하다. 저저항 도전성 재료를 사용함으로써, 배선 저항을 저감할 수 있다.
절연체(326) 및 도전체(330) 위에 배선층을 제공하여도 좋다. 예를 들어, 도 16에서 절연체(350), 절연체(352), 및 절연체(354)가 순차적으로 적층되어 제공되어 있다. 또한, 절연체(350), 절연체(352), 및 절연체(354)에는 도전체(356)가 형성된다. 도전체(356)는 트랜지스터(550)와 접속되는 플러그 또는 배선으로서의 기능을 가진다. 또한, 도전체(356)는 도전체(328) 및 도전체(330)와 같은 재료를 사용하여 제공할 수 있다.
또한 예를 들어 절연체(350)에는, 절연체(324)와 마찬가지로 수소에 대한 배리어성을 가지는 절연체를 사용하는 것이 바람직하다. 또한 도전체(356)는 수소에 대한 배리어성을 가지는 도전체를 포함하는 것이 바람직하다. 특히, 수소에 대한 배리어성을 가지는 절연체(350)가 가지는 개구부에 수소에 대한 배리어성을 가지는 도전체가 형성된다. 상기 구성에 의하여, 트랜지스터(550)와 트랜지스터(500)는 배리어층에 의하여 분리할 수 있어, 트랜지스터(550)로부터 트랜지스터(500)로 수소가 확산되는 것을 억제할 수 있다.
또한 수소에 대한 배리어성을 가지는 도전체로서는, 예를 들어 질화 탄탈럼 등을 사용하는 것이 좋다. 또한, 질화 탄탈럼과 도전성이 높은 텅스텐을 적층함으로써, 배선으로서의 도전성을 유지한 채, 트랜지스터(550)로부터의 수소의 확산을 억제할 수 있다. 이 경우, 수소에 대한 배리어성을 가지는 질화 탄탈럼층이, 수소에 대한 배리어성을 가지는 절연체(350)와 접하는 구성인 것이 바람직하다.
절연체(354) 및 도전체(356) 위에 배선층을 제공하여도 좋다. 예를 들어, 도 16에서 절연체(360), 절연체(362), 및 절연체(364)가 순차적으로 적층되어 제공되어 있다. 또한, 절연체(360), 절연체(362), 및 절연체(364)에는 도전체(366)가 형성된다. 도전체(366)는 플러그 또는 배선으로서의 기능을 가진다. 또한, 도전체(366)는 도전체(328) 및 도전체(330)와 같은 재료를 사용하여 제공할 수 있다.
또한 예를 들어 절연체(360)에는, 절연체(324)와 마찬가지로 수소에 대한 배리어성을 가지는 절연체를 사용하는 것이 바람직하다. 또한 도전체(366)는 수소에 대한 배리어성을 가지는 도전체를 포함하는 것이 바람직하다. 특히, 수소에 대한 배리어성을 가지는 절연체(360)가 가지는 개구부에 수소에 대한 배리어성을 가지는 도전체가 형성된다. 상기 구성에 의하여, 트랜지스터(550)와 트랜지스터(500)는 배리어층에 의하여 분리할 수 있어, 트랜지스터(550)로부터 트랜지스터(500)로 수소가 확산되는 것을 억제할 수 있다.
절연체(364) 및 도전체(366) 위에 배선층을 제공하여도 좋다. 예를 들어, 도 16에서 절연체(370), 절연체(372), 및 절연체(374)가 순차적으로 적층되어 제공되어 있다. 또한, 절연체(370), 절연체(372), 및 절연체(374)에는 도전체(376)가 형성된다. 도전체(376)는 플러그 또는 배선으로서의 기능을 가진다. 또한, 도전체(376)는 도전체(328) 및 도전체(330)와 같은 재료를 사용하여 제공할 수 있다.
또한 예를 들어 절연체(370)에는, 절연체(324)와 마찬가지로 수소에 대한 배리어성을 가지는 절연체를 사용하는 것이 바람직하다. 또한 도전체(376)는 수소에 대한 배리어성을 가지는 도전체를 포함하는 것이 바람직하다. 특히, 수소에 대한 배리어성을 가지는 절연체(370)가 가지는 개구부에 수소에 대한 배리어성을 가지는 도전체가 형성된다. 상기 구성에 의하여, 트랜지스터(550)와 트랜지스터(500)는 배리어층에 의하여 분리할 수 있어, 트랜지스터(550)로부터 트랜지스터(500)로 수소가 확산되는 것을 억제할 수 있다.
절연체(374) 및 도전체(376) 위에 배선층을 제공하여도 좋다. 예를 들어, 도 16에서 절연체(380), 절연체(382), 및 절연체(384)가 순차적으로 적층되어 제공되어 있다. 또한, 절연체(380), 절연체(382), 및 절연체(384)에는 도전체(386)가 형성된다. 도전체(386)는 플러그 또는 배선으로서의 기능을 가진다. 또한, 도전체(386)는 도전체(328) 및 도전체(330)와 같은 재료를 사용하여 제공할 수 있다.
또한 예를 들어 절연체(380)에는, 절연체(324)와 마찬가지로 수소에 대한 배리어성을 가지는 절연체를 사용하는 것이 바람직하다. 또한 도전체(386)는 수소에 대한 배리어성을 가지는 도전체를 포함하는 것이 바람직하다. 특히, 수소에 대한 배리어성을 가지는 절연체(380)가 가지는 개구부에 수소에 대한 배리어성을 가지는 도전체가 형성된다. 상기 구성에 의하여, 트랜지스터(550)와 트랜지스터(500)는 배리어층에 의하여 분리할 수 있어, 트랜지스터(550)로부터 트랜지스터(500)로 수소가 확산되는 것을 억제할 수 있다.
상기에서, 도전체(356)를 포함하는 배선층, 도전체(366)를 포함하는 배선층, 도전체(376)를 포함하는 배선층, 및 도전체(386)를 포함하는 배선층에 대하여 설명하였지만, 본 실시형태에 따른 반도체 장치는 이에 한정되는 것이 아니다. 도전체(356)를 포함하는 배선층과 같은 배선층을 3층 이하로 하여도 좋고, 도전체(356)를 포함하는 배선층과 같은 배선층을 5층 이상으로 하여도 좋다.
절연체(384) 위에는 절연체(510), 절연체(512), 절연체(514), 및 절연체(516)가 순차적으로 적층되어 제공된다. 절연체(510), 절연체(512), 절연체(514), 및 절연체(516) 중 어느 것에는 산소나 수소에 대하여 배리어성이 있는 물질을 사용하는 것이 바람직하다.
예를 들어 절연체(510) 및 절연체(514)에는 예를 들어 기판(311) 또는 트랜지스터(550)를 제공하는 영역 등으로부터 트랜지스터(500)를 제공하는 영역으로 수소나 불순물이 확산되지 않도록 하는 배리어성을 가지는 막을 사용하는 것이 바람직하다. 따라서, 절연체(324)와 같은 재료를 사용할 수 있다.
수소에 대한 배리어성을 가지는 막의 일례로서, CVD법으로 형성한 질화 실리콘을 사용할 수 있다. 여기서, 트랜지스터(500) 등의 산화물 반도체를 가지는 반도체 소자로 수소가 확산됨으로써 상기 반도체 소자의 특성이 저하되는 경우가 있다. 따라서, 트랜지스터(500)와 트랜지스터(550) 사이에 수소의 확산을 억제하는 막을 사용하는 것이 바람직하다. 수소의 확산을 억제하는 막이란, 구체적으로는 수소의 이탈량이 적은 막이다.
또한, 수소에 대한 배리어성을 가지는 막으로서, 예를 들어 절연체(510) 및 절연체(514)에는 산화 알루미늄, 산화 하프늄, 산화 탄탈럼 등의 금속 산화물을 사용하는 것이 바람직하다.
특히, 산화 알루미늄은 산소 및 트랜지스터의 전기 특성의 변동 요인이 되는 수소, 수분 등의 불순물의 양쪽에 대하여 막을 투과시키지 않도록 하는 차단 효과가 높다. 따라서, 산화 알루미늄은 트랜지스터의 제작 공정 중 및 제작 후에서 수소, 수분 등의 불순물의 트랜지스터(500)로의 혼입을 방지할 수 있다. 또한 트랜지스터(500)를 구성하는 산화물로부터의 산소의 방출을 억제할 수 있다. 그러므로, 트랜지스터(500)에 대한 보호막으로서 사용하는 것에 적합하다.
또한, 예를 들어 절연체(512) 및 절연체(516)에는 절연체(320)와 같은 재료를 사용할 수 있다. 또한 이들 절연체에 유전율이 비교적 낮은 재료를 적용함으로써, 배선 사이에 생기는 기생 용량을 저감할 수 있다. 예를 들어, 절연체(512) 및 절연체(516)로서 산화 실리콘막이나 산화질화 실리콘막 등을 사용할 수 있다.
또한 절연체(510), 절연체(512), 절연체(514), 및 절연체(516)에는 도전체(518), 및 트랜지스터(500)를 구성하는 도전체(예를 들어 도전체(503)) 등이 매립되어 있다. 또한 도전체(518)는 용량 소자(600) 또는 트랜지스터(550)에 접속되는 플러그 또는 배선으로서의 기능을 가진다. 도전체(518)는 도전체(328) 및 도전체(330)와 같은 재료를 사용하여 제공할 수 있다.
특히 절연체(510) 및 절연체(514)와 접하는 영역의 도전체(518)는 산소, 수소, 및 물에 대한 배리어성을 가지는 도전체인 것이 바람직하다. 상기 구성에 의하여 트랜지스터(550)와 트랜지스터(500)는 산소, 수소, 및 물에 대한 배리어성을 가지는 층에 의하여 분리할 수 있어, 트랜지스터(550)로부터 트랜지스터(500)로의 수소의 확산을 억제할 수 있다.
절연체(516)의 위쪽에는 트랜지스터(500)가 제공된다.
도 18의 (A), (B)에 도시된 바와 같이, 트랜지스터(500)는 절연체(514) 및 절연체(516)에 매립되도록 배치된 도전체(503)와, 절연체(516) 및 도전체(503) 위에 배치된 절연체(520)와, 절연체(520) 위에 배치된 절연체(522)와, 절연체(522) 위에 배치된 절연체(524)와, 절연체(524) 위에 배치된 산화물(530a)과, 산화물(530a) 위에 배치된 산화물(530b)과, 산화물(530b) 위에 서로 떨어져 배치된 도전체(542a) 및 도전체(542b)와, 도전체(542a) 및 도전체(542b) 위에 배치되고 도전체(542a)와 도전체(542b) 사이에 중첩하여 개구가 형성된 절연체(580)와, 개구 밑면 및 측면에 배치된 산화물(530c)과, 산화물(530c)의 형성면에 배치된 절연체(545)와, 절연체(545)의 형성면에 배치된 도전체(560)를 가진다.
또한 도 18의 (A) 및 (B)에 도시된 바와 같이, 산화물(530a), 산화물(530b), 도전체(542a), 및 도전체(542b)와 절연체(580) 사이에 절연체(544)가 배치되는 것이 바람직하다. 또한 도 18의 (A) 및 (B)에 도시된 바와 같이, 도전체(560)는 절연체(545)의 내측에 제공된 도전체(560a)와, 도전체(560a)의 내측에 매립되도록 제공된 도전체(560b)를 가지는 것이 바람직하다. 또한 도 18의 (A) 및 (B)에 도시된 바와 같이, 절연체(580), 도전체(560), 및 절연체(545) 위에 절연체(574)가 배치되는 것이 바람직하다.
또한 본 명세서 등에서, 산화물(530a), 산화물(530b), 및 산화물(530c)을 통틀어 산화물(530)이라고 하는 경우가 있다.
또한, 트랜지스터(500)에서는 채널이 형성되는 영역과 그 근방에서 산화물(530a), 산화물(530b), 및 산화물(530c)의 3층을 적층하는 구성을 나타내었지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니다. 예를 들어, 산화물(530b)의 단층, 산화물(530b)과 산화물(530a)의 2층 구성, 산화물(530b)과 산화물(530c)의 2층 구성, 또는 4층 이상의 적층 구성을 제공하는 구성으로 하여도 좋다. 또한 트랜지스터(500)에서는 도전체(560)를 2층의 적층 구성으로서 나타내었지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니다. 예를 들어, 도전체(560)가 단층 구성이어도 좋고, 3층 이상의 적층 구성이어도 좋다. 또한 도 16, 도 18의 (A)에 도시된 트랜지스터(500)는 일례이고, 그 구성에 한정되지 않고, 회로 구성이나 구동 방법에 따라 적절한 트랜지스터를 사용하면 좋다.
여기서, 도전체(560)는 트랜지스터의 게이트 전극으로서 기능하고, 도전체(542a) 및 도전체(542b)는 각각 소스 전극 또는 드레인 전극으로서 기능한다. 상술한 바와 같이, 도전체(560)는 절연체(580)의 개구 및 도전체(542a)와 도전체(542b)에 끼워진 영역에 매립되도록 형성된다. 도전체(560), 도전체(542a), 및 도전체(542b)의 배치는 절연체(580)의 개구에 대하여 자기 정합(self-aligned)적으로 선택된다. 즉 트랜지스터(500)에서 게이트 전극을 소스 전극과 드레인 전극 사이에 자기 정합적으로 배치할 수 있다. 따라서, 도전체(560)를 위치를 맞추기 위한 마진을 제공하지 않고 형성할 수 있기 때문에, 트랜지스터(500)의 점유 면적의 축소를 도모할 수 있다. 이로써, 반도체 장치를 미세화 및 고집적화를 도모할 수 있다.
또한, 도전체(560)가 도전체(542a)와 도전체(542b) 사이의 영역에 자기 정합적으로 형성되기 때문에, 도전체(560)는 도전체(542a) 또는 도전체(542b)와 중첩되는 영역을 가지지 않는다. 이로써 도전체(560)와 도전체(542a) 및 도전체(542b) 사이에 형성되는 기생 용량을 저감할 수 있다. 따라서, 트랜지스터(500)의 스위칭 속도를 향상시켜, 높은 주파수 특성을 가지게 할 수 있다.
도전체(560)는 제 1 게이트(톱 게이트라고도 함) 전극으로서 기능하는 경우가 있다. 또한 도전체(503)는 제 2 게이트(보텀 게이트라고도 함) 전극으로서 기능하는 경우가 있다. 그 경우, 도전체(503)에 인가하는 전위를 도전체(560)에 인가하는 전위와 연동시키지 않고 독립적으로 변화시킴으로써, 트랜지스터(500)의 문턱 전압을 제어할 수 있다. 특히, 도전체(503)에 음의 전위를 인가함으로써, 트랜지스터(500)의 문턱 전압을 0V보다 크게 하고, 오프 전류를 저감하는 것이 가능해진다. 따라서, 도전체(503)에 음의 전위를 인가하는 경우, 인가하지 않는 경우보다 도전체(560)에 인가하는 전위가 0V일 때의 드레인 전류를 작게 할 수 있다.
도전체(503)는 산화물(530) 및 도전체(560)와 중첩되도록 배치된다. 이로써, 도전체(560) 및 도전체(503)에 전위를 인가한 경우, 도전체(560)로부터 발생되는 전계와 도전체(503)로부터 발생되는 전계가 연결되고, 산화물(530)에 형성되는 채널 형성 영역을 덮을 수 있다.
본 명세서 등에서는, 한 쌍의 게이트 전극(제 1 게이트 전극 및 제 2 게이트 전극)의 전계로 채널 형성 영역을 전기적으로 둘러싸는 트랜지스터의 구성을 surrounded channel(S-channel) 구성이라고 부른다. 또한 본 명세서 등에서, surrounded channel(S-channel) 구성은, 소스 전극 및 드레인 전극으로서 기능하는 도전체(542a) 및 도전체(542b)와 접하는 산화물(530)의 측면 및 주변이, 채널 형성 영역과 마찬가지로 I형이라는 특징을 가진다. 또한 도전체(542a) 및 도전체(542b)와 접하는 산화물(530)의 측면 및 주변은 절연체(544)와 접하기 때문에, 채널 형성 영역과 마찬가지로 I형이 될 수 있다. 또한, 본 명세서 등에서 I형은, 후술하는 고순도 진성과 같은 것으로 취급할 수 있다. 또한 본 명세서 등에서 개시하는 S-channel 구성은 Fin형 구성 및 플레이너형 구성과는 다르다. S-channel 구성을 채용함으로써, 단채널 효과에 대한 내성을 높일 수 있고, 환언하면 단채널 효과가 발생하기 어려운 트랜지스터로 할 수 있다.
또한 도전체(503)는 도전체(518)와 같은 구성이고, 절연체(514) 및 절연체(516)의 개구의 내벽에 접하여 도전체(503a)가 형성되고, 그 내측에 도전체(503b)가 형성된다. 또한 도전체(503a) 및 도전체(503b)가 적층된 트랜지스터(500)의 구성을 나타내었지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니다. 예를 들어 도전체(503)를 단층 또는 3층 이상의 적층 구성으로 하여도 좋다.
여기서, 도전체(503a)에는 수소 원자, 수소 분자, 물 분자, 구리 원자 등의 불순물의 확산을 억제하는 기능을 가지는(상기 불순물이 투과하기 어려운) 도전성 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 또는 산소(예를 들어 산소 원자, 산소 분자 등 중 적어도 하나)의 확산을 억제하는 기능을 가지는(상기 산소가 투과하기 어려운) 도전성 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 또한 본 명세서에서 불순물 또는 산소의 확산을 억제하는 기능이란, 상기 불순물 및 상기 산소 중 어느 하나 또는 모두의 확산을 억제하는 기능이다.
예를 들어, 도전체(503a)가 산소의 확산을 억제하는 기능을 가짐으로써, 도전체(503b)가 산화되어 도전율이 저하하는 것을 억제할 수 있다.
또한 도전체(503)가 배선의 기능을 겸하는 경우, 도전체(503b)에는 텅스텐, 구리, 또는 알루미늄을 주성분으로 하는, 도전성이 높은 도전성 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 또한 본 실시형태에서는 도전체(503)를 도전체(503a)와 도전체(503b)의 적층으로 나타내었지만 도전체(503)는 단층 구성이어도 좋다.
절연체(520), 절연체(522), 및 절연체(524)는 제 2 게이트 절연막으로서의 기능을 가진다.
여기서 산화물(530)과 접하는 절연체(524)에는 화학량론적 조성을 만족시키는 산소보다 많은 산소를 포함하는 절연체를 사용하는 것이 바람직하다. 즉 절연체(524)에는 과잉 산소 영역이 형성되는 것이 바람직하다. 이와 같은 과잉 산소를 포함하는 절연체를 산화물(530)과 접하여 제공함으로써, 산화물(530) 내의 산소 결손(VO: oxygen vacancy라고도 함)을 저감하여, 트랜지스터(500)의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 또한 산화물(530) 내의 산소 결손에 수소가 들어간 경우, 상기 결함(이하 VOH라고 부르는 경우가 있음)은 도너로서 기능하고, 캐리어인 전자가 생성되는 경우가 있다. 또한 수소의 일부가 금속 원자와 결합되는 산소와 결합하여, 캐리어인 전자가 생성되는 경우가 있다. 따라서 수소가 많이 포함되는 산화물 반도체를 사용한 트랜지스터는 노멀리 온 특성을 가지기 쉽다. 또한 산화물 반도체 내의 수소는 열, 전계 등의 스트레스에 의하여 이동하기 쉽기 때문에, 산화물 반도체에 수소가 많이 포함되면, 트랜지스터의 신뢰성이 저하될 우려도 있다. 본 발명의 일 형태에서는 산화물(530) 내의 VOH를 가능한 한 저감하고, 고순도 진성 또는 실질적으로 고순도 진성으로 하는 것이 바람직하다. 이와 같이, VOH가 충분히 저감된 산화물 반도체를 얻기 위해서는, 산화물 반도체 내의 수분, 수소 등의 불순물을 제거하는 것(탈수, 탈수소화 처리라고 기재하는 경우가 있음)과, 산화물 반도체에 산소를 공급하여 산소 결손을 보전하는 것(가산소화 처리라고 기재하는 경우가 있음)이 중요하다. VOH 등의 불순물이 충분히 저감된 산화물 반도체를 트랜지스터의 채널 형성 영역에 사용함으로써, 안정된 전기 특성을 부여할 수 있다.
과잉 산소 영역을 가지는 절연체로서, 구체적으로는 가열에 의하여 일부의 산소가 이탈되는 산화물 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 가열에 의하여 산소가 이탈되는 산화물이란, TDS(Thermal Desorption Spectroscopy) 분석에서 산소 원자로 환산한 산소의 이탈량이 1.0×1018atoms/cm3 이상, 바람직하게는 1.0×1019atoms/cm3 이상, 더 바람직하게는 2.0×1019atoms/cm3 이상, 또는 3.0×1020atoms/cm3 이상인 산화물막이다. 또한 상기 TDS 분석 시의 막의 표면 온도는 100℃ 이상 700℃ 이하, 또는 100℃ 이상 400℃ 이하의 범위가 바람직하다.
또한 상기 과잉 산소 영역을 가지는 절연체와 산화물(530)을 접하게 하여 가열 처리, 마이크로파 처리, 및 RF 처리 중 어느 하나 또는 복수의 처리를 수행하여도 좋다. 상기 처리를 수행함으로써, 산화물(530) 내의 물 또는 수소를 제거할 수 있다. 예를 들어 산화물(530)에서, VoH의 결합이 절단되는 반응, 즉 "VoH→Vo+H"라는 반응이 일어나, 탈수소화될 수 있다. 이때 발생한 수소의 일부는 산소와 결합하여 H2O로서 산화물(530) 또는 산화물(530) 근방의 절연체에서 제거되는 경우가 있다. 또한 수소의 일부는 도전체(542)에 게터링되는 경우가 있다.
또한 상기 마이크로파 처리는, 예를 들어 고밀도 플라스마를 발생시키는 전원을 가지는 장치 또는 기판 측에 RF를 인가하는 전원을 가지는 장치를 사용하면 적합하다. 예를 들어, 산소를 포함하는 가스를 사용하며, 고밀도 플라스마를 사용함으로써, 고밀도의 산소 라디칼을 생성할 수 있고, 기판 측에 RF를 인가함으로써, 고밀도 플라스마에 의하여 생성된 산소 라디칼을 효율적으로 산화물(530) 또는 산화물(530) 근방의 절연체 내에 도입할 수 있다. 또한 상기 마이크로파 처리는 압력을 133Pa 이상, 바람직하게는 200Pa 이상, 더 바람직하게는 400Pa 이상으로 하면 좋다. 또한 마이크로파 처리를 수행하는 장치 내에 도입하는 가스로서, 예를 들어 산소와 아르곤을 사용하고, 산소 유량비(O2/(O2+Ar))가 50% 이하, 바람직하게는 10% 이상 30% 이하에서 수행하면 좋다.
또한 트랜지스터(500)의 제작 공정에서, 산화물(530)의 표면이 노출된 상태에서 가열 처리를 수행하는 것이 바람직하다. 상기 가열 처리는, 예를 들어 100℃ 이상 450℃ 이하, 더 바람직하게는 350℃ 이상 400℃ 이하에서 수행하면 좋다. 또한 가열 처리는 질소 가스 또는 불활성 가스 분위기, 또는 산화성 가스를 10ppm 이상, 1% 이상, 또는 10% 이상 포함하는 분위기에서 수행한다. 예를 들어 가열 처리는 산소 분위기에서 수행하는 것이 바람직하다. 이 경우, 산화물(530)에 산소를 공급함으로써, 산소 결손(VO)을 저감할 수 있다. 또한 가열 처리는 감압 상태에서 수행하여도 좋다. 또는 가열 처리는 질소 가스 또는 불활성 가스 분위기에서 가열 처리를 한 후에, 이탈된 산소를 보충하기 위하여 산화성 가스를 10ppm 이상, 1% 이상, 또는 10% 이상 포함하는 분위기에서 수행하여도 좋다. 또는 산화성 가스를 10ppm 이상, 1% 이상, 또는 10% 이상 포함하는 분위기에서 가열 처리를 수행한 후에, 연속하여 질소 가스 또는 불활성 가스 분위기에서 가열 처리를 수행하여도 좋다.
또한 산화물(530)에 가산소화 처리를 수행함으로써, 공급된 산소에 의하여 산화물(530) 내의 산소 결손을 수복(修復)하는, 바꿔 말하면 "Vo+O→null"이라는 반응을 촉진시킬 수 있다. 또한 산화물(530) 내에 잔존한 수소와 공급된 산소가 반응함으로써, 상기 수소를 H2O로서 제거(탈수화)할 수 있다. 이로써, 산화물(530) 내에 잔존한 수소가 산소 결손과 재결합하여 VOH가 형성되는 것을 억제할 수 있다.
또한, 절연체(524)가 과잉 산소 영역을 가지는 경우, 절연체(522)는 산소(예를 들어 산소 원자, 산소 분자 등)의 확산을 억제하는 기능을 가지는(상기 산소가 투과하기 어려운) 것이 바람직하다.
절연체(522)가 산소나 불순물의 확산을 억제하는 기능을 가짐으로써, 산화물(530)이 가지는 산소는 절연체(520) 측으로 확산되지 않아 바람직하다. 또한, 도전체(503)가 절연체(524)나 산화물(530)이 가지는 산소와 반응하는 것을 억제할 수 있다.
절연체(522)에는, 예를 들어 산화 알루미늄, 산화 하프늄, 알루미늄 및 하프늄을 포함하는 산화물(하프늄 알루미네이트), 산화 탄탈럼, 산화 지르코늄, 타이타늄산 지르콘산 연(PZT), 타이타늄산 스트론튬(SrTiO3), 또는 (Ba,Sr)TiO3(BST) 등의 소위 high-k 재료를 포함하는 절연체를 단층으로 또는 적층하여 사용하는 것이 바람직하다. 트랜지스터의 미세화 및 고집적화가 진행되면, 게이트 절연막의 박막화로 인하여 누설 전류 등의 문제가 생기는 경우가 있다. 게이트 절연막으로서 기능하는 절연체에 high-k 재료를 사용함으로써, 물리적 막 두께를 유지하면서, 트랜지스터 동작 시의 게이트 전위의 저감이 가능해진다.
특히 불순물 및 산소 등의 확산을 억제하는 기능을 가지는(상기 산소가 투과하기 어려운) 절연성 재료인 알루미늄, 하프늄 중 한쪽 또는 양쪽의 산화물을 포함하는 절연체를 사용하는 것이 좋다. 알루미늄, 하프늄 중 한쪽 또는 양쪽의 산화물을 포함하는 절연체로서는, 산화 알루미늄, 산화 하프늄, 알루미늄 및 하프늄을 포함하는 산화물(하프늄 알루미네이트) 등을 사용하는 것이 바람직하다. 이와 같은 재료를 사용하여 절연체(522)를 형성한 경우, 절연체(522)는 산화물(530)로부터의 산소의 방출이나 트랜지스터(500)의 주변부로부터 산화물(530)로의 수소 등의 불순물의 혼입을 억제하는 층으로서 기능한다.
또는 이들 절연체에, 예를 들어 산화 알루미늄, 산화 비스무트, 산화 저마늄, 산화 나이오븀, 산화 실리콘, 산화 타이타늄, 산화 텅스텐, 산화 이트륨, 산화 지르코늄을 첨가하여도 좋다. 또는 이들 절연체를 질화 처리하여도 좋다. 상기 절연체에 산화 실리콘, 산화질화 실리콘, 또는 질화 실리콘을 적층시켜 사용하여도 좋다.
또한 절연체(520)는 열적으로 안정적인 것이 바람직하다. 예를 들어, 산화 실리콘 및 산화질화 실리콘은 열적으로 안정적이기 때문에 적합하다. 또한, high-k 재료의 절연체를 산화 실리콘 또는 산화질화 실리콘과 조합함으로써, 열적으로 안정적이며 비유전율이 높은 적층 구성의 절연체(520)를 얻을 수 있다.
또한 도 18의 (A) 및 (B)에서는 트랜지스터(500)에서는 3층의 적층 구성으로 이루어진 제 2 게이트 절연막으로서 절연체(520), 절연체(522), 및 절연체(524)가 도시되어 있지만, 제 2 게이트 절연막은 단층, 2층, 또는 4층 이상의 적층 구성을 가져도 좋다. 이 경우, 같은 재료로 이루어지는 적층 구성에 한정되지 않고, 상이한 재료로 이루어지는 적층 구성이어도 좋다.
트랜지스터(500)는 채널 형성 영역을 포함하는 산화물(530)에 산화물 반도체로서 기능하는 금속 산화물을 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 산화물(530)로서 In-M-Zn 산화물(원소 M은 알루미늄, 갈륨, 이트륨, 구리, 바나듐, 베릴륨, 붕소, 타이타늄, 철, 니켈, 저마늄, 지르코늄, 몰리브데넘, 란타넘, 세륨, 네오디뮴, 하프늄, 탄탈럼, 텅스텐, 및 마그네슘 등에서 선택된 1종류 또는 복수 종류) 등의 금속 산화물을 사용하면 좋다. 특히 산화물(530)로서 적용할 수 있는 In-M-Zn 산화물은 CAAC-OS(c-axis aligned crystalline oxide semiconductor)인 것이 바람직하다. 또는 CAC-OS(Cloud-Aligned Composite oxide semiconductor)인 것이 바람직하다. 또한, CAAC는 결정 구성의 일례를 나타내고, CAC는 기능 또는 재료의 구성의 일례를 나타낸다. 또한 산화물(530)로서 In-Ga 산화물, In-Zn 산화물을 사용하여도 좋다.
CAC-OS는 CAC-metal oxide라고 불리는 경우가 있다. CAC-OS 또는 CAC-metal oxide는 재료의 일부에서는 도전성의 기능을 가지고, 재료의 일부에서는 절연성의 기능을 가지고, 재료 전체에서는 반도체로서의 기능을 가진다. 또한, CAC-OS 또는 CAC-metal oxide를 트랜지스터의 채널 형성 영역에 사용하는 경우, 도전성의 기능은 캐리어가 되는 전자(또는 홀)를 흘리는 기능이고, 절연성의 기능은 캐리어가 되는 전자를 흘리지 않는 기능이다. 도전성의 기능과 절연성의 기능을 각각 상보적으로 작용시킴으로써, 스위칭시키는 기능(On/Off시키는 기능)을 CAC-OS 또는 CAC-metal oxide에 부여할 수 있다. CAC-OS 또는 CAC-metal oxide에서, 각각의 기능을 분리시킴으로써 양쪽의 기능을 최대한 높일 수 있다.
또한 CAC-OS 또는 CAC-metal oxide는 도전성 영역 및 절연성 영역을 가진다. 도전성 영역은 상술한 도전성 기능을 가지고, 절연성 영역은 상술한 절연성 기능을 가진다. 또한 재료 내에서 도전성 영역과 절연성 영역은 나노 입자 레벨로 분리되어 있는 경우가 있다. 또한 도전성 영역과 절연성 영역은 각각 재료 내에 편재(偏在)하는 경우가 있다. 또한 도전성 영역은 경계가 흐릿해져 클라우드상(cloud-like)으로 연결되어 관찰되는 경우가 있다.
또한 CAC-OS 또는 CAC-metal oxide에서 도전성 영역과 절연성 영역은 각각 0.5nm 이상 10nm 이하, 바람직하게는 0.5nm 이상 3nm 이하의 크기로 재료 내에 분산되어 있는 경우가 있다.
또한 CAC-OS 또는 CAC-metal oxide는 상이한 밴드 갭을 가지는 성분으로 구성된다. 예를 들어 CAC-OS 또는 CAC-metal oxide는 절연성 영역에 기인하는 넓은 갭을 가지는 성분과 도전성 영역에 기인하는 좁은 갭을 가지는 성분으로 구성된다. 이 구성의 경우, 캐리어를 흘릴 때에 좁은 갭을 가지는 성분에서 주로 캐리어가 흐른다. 또한 좁은 갭을 가지는 성분이 넓은 갭을 가지는 성분에 상보적으로 작용되고, 좁은 갭을 가지는 성분과 연동하여 넓은 갭을 가지는 성분에도 캐리어가 흐른다. 따라서 상기 CAC-OS 또는 CAC-metal oxide를 트랜지스터의 채널 형성 영역에 사용하는 경우, 트랜지스터의 온 상태에서 높은 전류 구동력, 즉 큰 온 전류 및 높은 전계 효과 이동도를 얻을 수 있다.
즉 CAC-OS 또는 CAC-metal oxide를 매트릭스 복합재(matrix composite) 또는 금속 매트릭스 복합재(metal matrix composite)라고 부를 수도 있다.
또한 산화물 반도체로서 기능하는 금속 산화물은 단결정 산화물 반도체와, 이 외의 비단결정 산화물 반도체로 나누어진다. 비단결정 산화물 반도체로서는 예를 들어 CAAC-OS, 다결정 산화물 반도체, nc-OS(nanocrystalline oxide semiconductor), a-like OS(amorphous-like oxide semiconductor), 및 비정질 산화물 반도체 등이 있다.
CAAC-OS는 c축 배향성을 가지고, a-b면 방향에서 복수의 나노 결정이 연결되고, 변형을 가지는 결정 구성을 가진다. 또한 변형이란 복수의 나노 결정이 연결되는 영역에서, 격자 배열이 정렬된 영역과 격자 배열이 정렬된 다른 영역 사이에서 격자 배열의 방향이 변화되는 부분을 가리킨다.
나노 결정은 육각형을 기본으로 하지만 정육각형에 한정되지 않고, 비정육각형인 경우가 있다. 또한 오각형 및 칠각형 등의 격자 배열이 변형에 포함되는 경우가 있다. 또한 CAAC-OS에서, 변형 근방에서도 명확한 결정립계(그레인 바운더리라고도 함)를 확인하기는 어렵다. 즉, 격자 배열의 변형에 의하여 결정립계의 형성이 억제되어 있다는 것을 알 수 있다. 이는, CAAC-OS가 a-b면 방향에서 산소 원자의 배열이 조밀하지 않거나, 금속 원소가 치환됨으로써 원자 사이의 결합 거리가 변화되는 것 등에 의하여 변형을 허용할 수 있기 때문이다.
또한 CAAC-OS는 인듐 및 산소를 포함하는 층(이하, In층)과, 원소 M, 아연, 및 산소를 포함하는 층(이하, (M, Zn)층)이 적층된 층상의 결정 구성(층상 구성이라고도 함)를 가지는 경향이 있다. 또한 인듐과 원소 M은 서로 치환할 수 있고, (M, Zn)층의 원소 M이 인듐과 치환된 경우, (In, M, Zn)층이라고 나타낼 수도 있다. 또한 In층의 인듐이 원소 M과 치환된 경우, (In, M)층이라고 나타낼 수도 있다.
CAAC-OS는 결정성이 높은 금속 산화물이다. 한편, CAAC-OS에서는 명확한 결정립계를 확인하기 어렵기 때문에, 결정립계에 기인하는 전자 이동도의 저하가 일어나기 어렵다고 할 수 있다. 또한 금속 산화물의 결정성은 불순물의 혼입이나 결함의 생성 등으로 인하여 저하되는 경우가 있기 때문에, CAAC-OS는 불순물이나 결함(산소 결손 등)이 적은 금속 산화물이라고 할 수도 있다. 따라서, CAAC-OS를 가지는 금속 산화물은 물리적 성질이 안정된다. 그러므로, CAAC-OS를 가지는 금속 산화물은 열에 강하고 신뢰성이 높다.
nc-OS는 미소한 영역(예를 들어, 1nm 이상 10nm 이하의 영역, 특히 1nm 이상 3nm 이하의 영역)에서 원자 배열에 주기성을 가진다. 또한 nc-OS에서는 상이한 나노 결정 간에서 결정 방위에 규칙성이 보이지 않는다. 그러므로 막 전체에서 배향성이 보이지 않는다. 따라서 nc-OS는 분석 방법에 따라서는 a-like OS나 비정질 산화물 반도체와 구별할 수 없는 경우가 있다.
또한 인듐과 갈륨과 아연을 포함한 금속 산화물의 한 종류인 In-Ga-Zn 산화물("IGZO"라고도 함)은 상술한 나노 결정으로 함으로써 안정적인 구성을 가지는 경우가 있다. 특히 IGZO는 대기 중에서 결정 성장하기 어려운 경향이 있기 때문에, 큰 결정(여기서는 수mm의 결정 또는 수cm의 결정)보다 작은 결정(예를 들어 상술한 나노 결정)으로 하는 것이 구성적으로 더 안정되는 경우가 있다.
a-like OS는, nc-OS와 비정질 산화물 반도체의 중간의 구성을 가지는 금속 산화물이다. a-like OS는 공동(void) 또는 저밀도 영역을 가진다. 즉, a-like OS는 nc-OS 및 CAAC-OS에 비하여 결정성이 낮다.
산화물 반도체(금속 산화물)는 다양한 구성을 가지고, 각각이 상이한 특성을 가진다. 본 발명의 일 형태에 따른 산화물 반도체는 비정질 산화물 반도체, 다결정 산화물 반도체, a-like OS, nc-OS, CAAC-OS 중 2종류 이상을 가져도 좋다.
또한 트랜지스터(500)에는 캐리어 농도가 낮은 금속 산화물을 사용하는 것이 바람직하다. 금속 산화물의 캐리어 농도를 낮추는 경우에는 금속 산화물 내의 불순물 농도를 낮추고, 결함 준위 밀도를 낮추면 좋다. 본 명세서 등에서, 불순물 농도가 낮고, 결함 준위 밀도가 낮은 것을 고순도 진성 또는 실질적으로 고순도 진성이라고 한다. 또한 금속 산화물 내의 불순물로서는 예를 들어 수소, 질소, 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 철, 니켈, 실리콘 등이 있다.
특히 금속 산화물에 포함되는 수소는 금속 원자와 결합하는 산소와 반응하여 물이 되기 때문에, 금속 산화물 내에 산소 결손을 형성하는 경우가 있다. 금속 산화물 내의 채널 형성 영역에 산소 결손이 포함되면 트랜지스터는 노멀리 온 특성을 가지는 경우가 있다. 또한 산소 결손에 수소가 들어간 결함은 도너로서 기능하고, 캐리어인 전자가 생성되는 경우가 있다. 또한 수소의 일부가 금속 원자와 결합되는 산소와 결합하여, 캐리어인 전자가 생성되는 경우가 있다. 따라서, 수소가 많이 포함되어 있는 금속 산화물을 사용한 트랜지스터는 노멀리 온 특성을 가지기 쉽다.
산소 결손에 수소가 들어간 결함은 금속 산화물의 도너로서 기능할 수 있다. 그러나 상기 결함을 정량적으로 평가하는 것은 어렵다. 그러므로, 금속 산화물은 도너 농도가 아니라 캐리어 농도로 평가되는 경우가 있다. 따라서, 본 명세서 등에서는, 금속 산화물의 파라미터로서 도너 농도가 아니라 전계가 인가되지 않은 상태를 상정한 캐리어 농도를 사용하는 경우가 있다. 즉, 본 명세서 등에 기재되는 "캐리어 농도"는 "도너 농도"라고 바꿔 말할 수 있는 경우가 있다.
따라서, 금속 산화물을 산화물(530)에 사용하는 경우, 금속 산화물 내의 수소는 가능한 한 저감되어 있는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 금속 산화물에서 이차 이온 질량 분석법(SIMS: Secondary Ion Mass Spectrometry)에 의하여 얻어지는 수소 농도를 1×1020atoms/cm3 미만, 바람직하게는 1×1019atoms/cm3 미만, 더 바람직하게는 5×1018atoms/cm3 미만, 더욱 바람직하게는 1×1018atoms/cm3 미만으로 한다. 수소 등의 불순물이 충분히 저감된 금속 산화물을 트랜지스터의 채널 형성 영역에 사용함으로써, 안정된 전기 특성을 부여할 수 있다.
또한 산화물(530)에 금속 산화물을 사용하는 경우, 채널 형성 영역의 금속 산화물의 캐리어 농도는 1×1018cm-3 이하인 것이 바람직하고, 1×1017cm-3 미만인 것이 더 바람직하고, 1×1016cm-3 미만인 것이 더욱 바람직하고, 1×1013cm-3 미만인 것이 더더욱 바람직하고, 1×1012cm-3 미만인 것이 나아가 더더욱 바람직하다. 또한 채널 형성 영역의 금속 산화물의 캐리어 농도의 하한값에 대해서는 특별히 한정은 없지만, 예를 들어 1×10-9cm- 3로 할 수 있다.
또한, 산화물(530)에 금속 산화물을 사용하는 경우, 도전체(542)(도전체(542a) 및 도전체(542b))와 산화물(530)이 접함으로써, 산화물(530) 내의 산소가 도전체(542)로 확산되어, 도전체(542)가 산화되는 경우가 있다. 도전체(542)가 산화됨으로써, 도전체(542)의 도전율이 저하하는 개연성이 높다. 또한 산화물(530) 내의 산소가 도전체(542)로 확산되는 것을 도전체(542)가 산화물(530) 내의 산소를 흡수한다고 바꿔 말할 수 있다.
또한, 산화물(530) 내의 산소가 도전체(542)(도전체(542a) 및 도전체(542b))로 확산됨으로써, 도전체(542a)와 산화물(530b) 사이 및 도전체(542b)와 산화물(530b) 사이에 이층(異層)이 형성되는 경우가 있다. 상기 이층은 도전체(542)보다 산소를 많이 포함하기 때문에, 절연성을 가지는 것으로 추정된다. 이때, 도전체(542)와, 상기 이층과, 산화물(530b)의 3층 구성은 금속-절연체-반도체로 이루어지는 3층 구성으로 간주할 수 있고, MIS(Metal-Insulator-Semiconductor) 구성이라고 부르거나, 또는 주로 MIS 구성을 가지는 다이오드 접합 구성이라고 부르는 경우가 있다.
또한, 상기 이층은 도전체(542)와 산화물(530b) 사이에 형성되는 것에 한정되지 않고, 예를 들어 이층이 도전체(542)와 산화물(530c) 사이에 형성되는 경우나, 도전체(542)와 산화물(530b) 사이 및 도전체(542)와 산화물(530c) 사이에 형성되는 경우가 있다.
또한 산화물(530)에서, 채널 형성 영역으로서 기능하는 금속 산화물로서는, 밴드 갭이 2eV 이상, 바람직하게는 2.5eV 이상인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 이와 같이, 밴드 갭이 큰 금속 산화물을 사용함으로써, 트랜지스터의 오프 전류를 저감할 수 있다.
산화물(530)은 산화물(530b) 아래에 산화물(530a)을 가짐으로써, 산화물(530a)보다 아래쪽에 형성된 구성물로부터 산화물(530b)로의 불순물의 확산을 억제할 수 있다. 또한, 산화물(530b) 위에 산화물(530c)을 가짐으로써, 산화물(530c)보다 위쪽에 형성된 구성물로부터 산화물(530b)로의 불순물의 확산을 억제할 수 있다.
또한, 산화물(530)은 각 금속 원자의 원자수비가 상이한 복수의 산화물층의 적층 구성을 가지는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 산화물(530a)에 사용하는 금속 산화물에서 구성 원소 중의 원소 M의 원자수비가 산화물(530b)에 사용하는 금속 산화물에서의 구성 원소 중의 원소 M의 원자수비보다 큰 것이 바람직하다. 또한 산화물(530a)에 사용하는 금속 산화물에서 In에 대한 원소 M의 원자수비가 산화물(530b)에 사용하는 금속 산화물에서의 In에 대한 원소 M의 원자수비보다 큰 것이 바람직하다. 또한 산화물(530b)에 사용하는 금속 산화물에서 원소 M에 대한 In의 원자수비가 산화물(530a)에 사용하는 금속 산화물에서의 원소 M에 대한 In의 원자수비보다 큰 것이 바람직하다. 또한, 산화물(530c)에는 산화물(530a) 또는 산화물(530b)에 사용할 수 있는 금속 산화물을 사용할 수 있다.
또한, 산화물(530a) 및 산화물(530c)의 전도대 하단의 에너지가 산화물(530b)의 전도대 하단의 에너지보다 높은 것이 바람직하다. 또한, 환언하면 산화물(530a) 및 산화물(530c)의 전자 친화력이 산화물(530b)의 전자 친화력보다 작은 것이 바람직하다.
여기서, 산화물(530a), 산화물(530b), 및 산화물(530c)의 접합부에서 전도대 하단의 에너지 준위는 완만하게 변화된다. 환언하면, 산화물(530a), 산화물(530b), 및 산화물(530c)의 접합부에서의 전도대 하단의 에너지 준위는 연속적으로 변화 또는 연속 접합한다고도 할 수 있다. 이와 같이 하기 위해서는, 산화물(530a)과 산화물(530b)의 계면 및 산화물(530b)과 산화물(530c)의 계면에서 형성되는 혼합층의 결함 준위 밀도를 낮추는 것이 좋다.
구체적으로는, 산화물(530a)과 산화물(530b), 산화물(530b)과 산화물(530c)이 산소 이외에 공통의 원소를 가짐으로써(주성분으로 함으로써) 결함 준위 밀도가 낮은 혼합층을 형성할 수 있다. 예를 들어, 산화물(530b)이 In-Ga-Zn 산화물인 경우, 산화물(530a) 및 산화물(530c)로서 In-Ga-Zn 산화물, Ga-Zn 산화물, 산화 갈륨 등을 사용하는 것이 좋다.
이때, 캐리어의 주된 경로는 산화물(530b)이다. 산화물(530a), 산화물(530c)을 상술한 구성으로 함으로써, 산화물(530a)과 산화물(530b)의 계면, 및 산화물(530b)과 산화물(530c)의 계면에서의 결함 준위 밀도를 낮게 할 수 있다. 그러므로, 계면 산란으로 인한 캐리어 전도에 대한 영향이 작아지고, 트랜지스터(500)는 높은 온 전류를 얻을 수 있다.
산화물(530b) 위에는 소스 전극 및 드레인 전극으로서 기능하는 도전체(542a) 및 도전체(542b)가 제공된다. 도전체(542a) 및 도전체(542b)에는 알루미늄, 크로뮴, 구리, 은, 금, 백금, 탄탈럼, 니켈, 타이타늄, 몰리브데넘, 텅스텐, 하프늄, 바나듐, 나이오븀, 망가니즈, 마그네슘, 지르코늄, 베릴륨, 인듐, 루테늄, 이리듐, 스트론튬, 란타넘 중에서 선택된 금속 원소, 또는 상술한 금속 원소를 성분으로 하는 합금이나, 상술한 금속 원소를 조합한 합금 등을 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어 질화 탄탈럼, 질화 타이타늄, 텅스텐, 타이타늄과 알루미늄을 포함한 질화물, 탄탈럼과 알루미늄을 포함한 질화물, 산화 루테늄, 질화 루테늄, 스트론튬과 루테늄을 포함한 산화물, 란타넘과 니켈을 포함한 산화물 등을 사용하는 것이 바람직하다. 또한 질화 탄탈럼, 질화 타이타늄, 타이타늄과 알루미늄을 포함한 질화물, 탄탈럼과 알루미늄을 포함한 질화물, 산화 루테늄, 질화 루테늄, 스트론튬과 루테늄을 포함한 산화물, 란타넘과 니켈을 포함한 산화물은 산화되기 어려운 도전성 재료, 또는 산소를 흡수하여도 도전성을 유지하는 재료이기 때문에 바람직하다. 또한 질화 탄탈럼 등의 금속 질화물막은 수소 또는 산소에 대한 배리어성을 가지기 때문에 바람직하다.
또한 도 18에서는 도전체(542a) 및 도전체(542b)를 단층 구성으로 나타내었지만, 2층 이상의 적층 구성으로 하여도 좋다. 예를 들어, 질화 탄탈럼막과 텅스텐막을 적층하는 것이 좋다. 또한 타이타늄막과 알루미늄막을 적층하여도 좋다. 또한 텅스텐막 위에 알루미늄막을 적층하는 2층 구성, 구리-마그네슘-알루미늄 합금막 위에 구리막을 적층하는 2층 구성, 타이타늄막 위에 구리막을 적층하는 2층 구성, 텅스텐막 위에 구리막을 적층하는 2층 구성으로 하여도 좋다.
또한 타이타늄막 또는 질화 타이타늄막과, 그 타이타늄막 또는 질화 타이타늄막 위에 중첩시켜 알루미늄막 또는 구리막을 적층하고, 그 위에 타이타늄막 또는 질화 타이타늄막을 더 형성하는 3층 구성, 몰리브데넘막 또는 질화 몰리브데넘막과, 그 몰리브데넘막 또는 질화 몰리브데넘막 위에 중첩시켜 알루미늄막 또는 구리막을 적층하고, 그 위에 몰리브데넘막 또는 질화 몰리브데넘막을 더 형성하는 3층 구성 등이 있다. 또한 산화 인듐, 산화 주석, 또는 산화 아연을 포함하는 투명 도전성 재료를 사용하여도 좋다.
또한 도 18의 (A)에 도시된 바와 같이, 산화물(530)과 도전체(542a)(도전체(542b))의 계면과 그 근방에는 저저항 영역으로서 영역(543a) 및 영역(543b)이 형성되는 경우가 있다. 이때, 영역(543a)은 소스 영역 및 드레인 영역 중 한쪽으로서 기능하고, 영역(543b)은 소스 영역 및 드레인 영역 중 다른 쪽으로서 기능한다. 또한 영역(543a)과 영역(543b) 사이의 영역에 채널 형성 영역이 형성된다.
상기 도전체(542a)(도전체(542b))를 산화물(530)과 접하도록 제공함으로써, 영역(543a)(영역(543b))의 산소 농도가 저감되는 경우가 있다. 또한 영역(543a)(영역(543b))에, 도전체(542a)(도전체(542b))에 포함되는 금속과, 산화물(530)의 성분을 포함하는 금속 화합물층이 형성되는 경우가 있다. 이와 같은 경우, 영역(543a)(영역(543b))의 캐리어 밀도가 증가하여 영역(543a)(영역(543b))은 저저항 영역이 된다.
절연체(544)는 도전체(542a) 및 도전체(542b)를 덮도록 제공되어, 도전체(542a) 및 도전체(542b)의 산화를 억제한다. 이때, 절연체(544)는 산화물(530)의 측면을 덮어 절연체(524)와 접하도록 제공되어도 좋다.
절연체(544)로서는 하프늄, 알루미늄, 갈륨, 이트륨, 지르코늄, 텅스텐, 타이타늄, 탄탈럼, 니켈, 저마늄, 네오디뮴, 란타넘, 및 마그네슘 등 중에서 선택된 1종류 또는 2종류 이상이 포함된 금속 산화물을 사용할 수 있다. 또한 절연체(544)로서 질화산화 실리콘 또는 질화 실리콘 등을 사용할 수도 있다.
특히, 절연체(544)로서 알루미늄 및 하프늄 중 한쪽 또는 양쪽의 산화물을 포함한 절연체인, 산화 알루미늄, 산화 하프늄, 알루미늄 및 하프늄을 포함한 산화물(하프늄 알루미네이트) 등을 사용하는 것이 바람직하다. 특히, 하프늄 알루미네이트는 산화 하프늄막보다 내열성이 높다. 그러므로, 나중의 공정에서의 열처리에서 결정화되기 어렵기 때문에 바람직하다. 또한 도전체(542a) 및 도전체(542b)가 내산화성을 가지는 재료이거나, 또는 산소를 흡수하여도 도전성이 현저하게 저하하지 않는 경우에는, 절연체(544)는 필수적인 구성이 아니다. 요구되는 트랜지스터 특성에 따라 적절히 설계하면 좋다.
절연체(544)를 가짐으로써, 절연체(580)에 포함되는 물 및 수소 등의 불순물이 산화물(530c), 절연체(545)를 통하여 산화물(530b)로 확산되는 것을 억제할 수 있다. 또한 절연체(580)가 가지는 과잉 산소에 의하여 도전체(560)가 산화되는 것을 억제할 수 있다.
절연체(545)는 제 1 게이트 절연막으로서 기능한다. 절연체(545)는 산화물(530c)의 내측(상면 및 측면)과 접하여 배치되는 것이 바람직하다. 절연체(545)는, 상술한 절연체(524)와 마찬가지로, 산소를 과잉으로 포함하며 가열에 의하여 산소를 방출하는 절연체를 사용하여 형성되는 것이 바람직하다.
구체적으로는 과잉 산소를 포함하는 산화 실리콘, 산화질화 실리콘, 질화산화 실리콘, 질화 실리콘, 플루오린을 첨가한 산화 실리콘, 탄소를 첨가한 산화 실리콘, 탄소 및 질소를 첨가한 산화 실리콘, 공공을 가지는 산화 실리콘을 사용할 수 있다. 특히, 산화 실리콘 및 산화질화 실리콘은 열에 대하여 안정적이므로 바람직하다.
가열에 의하여 산소가 방출되는 절연체를 절연체(545)로서 산화물(530c)의 상면에 접하여 제공함으로써, 절연체(545)로부터 산화물(530c)을 통하여 산화물(530b)의 채널 형성 영역에 효과적으로 산소를 공급할 수 있다. 또한, 절연체(524)와 마찬가지로, 절연체(545) 내의 물 또는 수소 등 불순물의 농도가 저감되어 있는 것이 바람직하다. 절연체(545)의 막 두께는, 1nm 이상 20nm 이하로 하는 것이 바람직하다.
또한, 절연체(545)가 가지는 과잉 산소를 효율적으로 산화물(530)에 공급하기 위하여, 절연체(545)와 도전체(560) 사이에 금속 산화물을 제공하여도 좋다. 상기 금속 산화물은 절연체(545)로부터 도전체(560)로의 산소 확산을 억제하는 것이 바람직하다. 산소의 확산을 억제하는 금속 산화물을 제공함으로써, 절연체(545)로부터 도전체(560)로의 과잉 산소의 확산이 억제된다. 즉, 산화물(530)에 공급하는 과잉 산소량의 감소를 억제할 수 있다. 또한 과잉 산소로 인한 도전체(560)의 산화를 억제할 수 있다. 상기 금속 산화물로서는, 절연체(544)에 사용할 수 있는 재료를 사용하면 좋다.
또한 절연체(545)는 제 2 게이트 절연막과 마찬가지로, 적층 구성으로 하여도 좋다. 트랜지스터의 미세화 및 고집적화가 진행되면, 게이트 절연막의 박막화로 인하여 누설 전류 등의 문제가 발생하는 경우가 있기 때문에, 게이트 절연막으로서 기능하는 절연체를 high-k 재료와 열적으로 안정적인 재료의 적층 구성으로 함으로써, 물리적 막 두께를 유지하면서 트랜지스터 동작 시의 게이트 전위를 저감할 수 있다. 또한 열적으로 안정적이며 비유전율이 높은 적층 구성으로 할 수 있다.
제 1 게이트 전극으로서 기능하는 도전체(560)는 도 18의 (A) 및 (B)에서는 2층 구성으로 나타내었지만, 단층 구성이어도 좋고, 3층 이상의 적층 구성이어도 좋다.
도전체(560a)에는 수소 원자, 수소 분자, 물 분자, 질소 원자, 질소 분자, 산화 질소 분자(N2O, NO, NO2 등), 구리 원자 등의 불순물의 확산을 억제하는 기능을 가지는 도전성 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 또는 산소(예를 들어 산소 원자, 산소 분자 등 중 적어도 하나)의 확산을 억제하는 기능을 가지는 도전성 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 도전체(560a)가 산소의 확산을 억제하는 기능을 가짐으로써, 절연체(545)에 포함되는 산소에 의하여 도전체(560b)가 산화되어 도전율이 저하되는 것을 억제할 수 있다. 산소의 확산을 억제하는 기능을 가지는 도전성 재료로서는, 예를 들어 탄탈럼, 질화 탄탈럼, 루테늄, 또는 산화 루테늄 등을 사용하는 것이 바람직하다. 또한 도전체(560a)로서, 산화물(530)에 적용할 수 있는 산화물 반도체를 사용할 수 있다. 그 경우, 도전체(560b)를 스퍼터링법으로 성막함으로써, 도전체(560a)의 전기 저항값을 저하시켜 도전체로 할 수 있다. 이를 OC(Oxide Conductor) 전극이라고 부를 수 있다.
또한, 도전체(560b)에는 텅스텐, 구리, 또는 알루미늄을 주성분으로 하는 도전성 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 또한 도전체(560b)는 배선으로서도 기능하기 때문에, 도전성이 높은 도전체를 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어 텅스텐, 구리, 또는 알루미늄을 주성분으로 하는 도전성 재료를 사용할 수 있다. 또한 도전체(560b)는 적층 구성으로 하여도 좋고, 예를 들어 타이타늄 또는 질화 타이타늄과 상기 도전 재료의 적층 구성으로 하여도 좋다.
절연체(580)는 절연체(544)를 개재하여 도전체(542a) 및 도전체(542b) 위에 제공된다. 절연체(580)는 과잉 산소 영역을 가지는 것이 바람직하다. 예를 들어 절연체(580)로서 산화 실리콘, 산화질화 실리콘, 질화산화 실리콘, 질화 실리콘, 플루오린을 첨가한 산화 실리콘, 탄소를 첨가한 산화 실리콘, 탄소 및 질소를 첨가한 산화 실리콘, 공공을 가지는 산화 실리콘, 또는 수지 등을 가지는 것이 바람직하다. 특히, 산화 실리콘 및 산화질화 실리콘은 열적으로 안정적이기 때문에 바람직하다. 특히 산화 실리콘 및 공공을 가지는 산화 실리콘은 추후의 공정에서 용이하게 과잉 산소 영역을 형성할 수 있으므로 바람직하다.
절연체(580)는 과잉 산소 영역을 가지는 것이 바람직하다. 가열에 의하여 산소가 방출되는 절연체(580)를 산화물(530c)과 접하여 제공함으로써, 절연체(580) 내의 산소를 산화물(530c)을 통하여 산화물(530)로 효율적으로 공급할 수 있다. 또한, 절연체(580) 내의 물 또는 수소 등 불순물의 농도가 저감되어 있는 것이 바람직하다.
절연체(580)의 개구는 도전체(542a)와 도전체(542b) 사이의 영역과 중첩하여 형성된다. 이에 의하여, 도전체(560)는 절연체(580)의 개구, 및 도전체(542a)와 도전체(542b) 사이의 영역에 매립되도록 형성된다.
반도체 장치를 미세화하기 위하여, 게이트 길이를 짧게 하는 것이 요구되지만, 도전체(560)의 도전성이 낮아지지 않도록 할 필요가 있다. 이를 위하여 도전체(560)의 막 두께를 두껍게 하면, 도전체(560)는 종횡비가 높은 형상이 될 수 있다. 본 실시형태에서는, 도전체(560)를 절연체(580)의 개구에 매립되도록 제공하기 때문에, 도전체(560)를 종횡비가 높은 형상으로 하여도 공정 중에 도전체(560)가 무너지는 일 없이 형성할 수 있다.
절연체(574)는 절연체(580)의 상면, 도전체(560)의 상면, 및 절연체(545)의 상면에 접하여 제공되는 것이 바람직하다. 절연체(574)를 스퍼터링법에 의하여 성막함으로써, 절연체(545) 및 절연체(580)에 과잉 산소 영역을 제공할 수 있다. 이로써 이 과잉 산소 영역으로부터 산화물(530) 내에 산소를 공급할 수 있다.
예를 들어, 절연체(574)로서 하프늄, 알루미늄, 갈륨, 이트륨, 지르코늄, 텅스텐, 타이타늄, 탄탈럼, 니켈, 저마늄, 및 마그네슘 등에서 선택된 1종류 또는 2종류 이상이 포함된 금속 산화물을 사용할 수 있다.
특히, 산화 알루미늄은 배리어성이 높아 0.5nm 이상 3.0nm 이하의 박막이어도 수소 및 질소의 확산을 억제할 수 있다. 따라서, 스퍼터링법으로 성막한 산화 알루미늄은 산소 공급원이면서 수소 등의 불순물의 배리어막으로서의 기능도 가질 수 있다.
또한 절연체(574) 위에 층간막으로서 기능하는 절연체(581)를 제공하는 것이 바람직하다. 절연체(581)는 절연체(524) 등과 마찬가지로, 막 내의 물 또는 수소 등 불순물의 농도가 저감되어 있는 것이 바람직하다.
또한 절연체(581), 절연체(574), 절연체(580), 및 절연체(544)에 형성된 개구에 도전체(540a) 및 도전체(540b)를 배치한다. 도전체(540a) 및 도전체(540b)는 도전체(560)를 끼워 대향하여 제공한다. 도전체(540a) 및 도전체(540b)는 후술하는 도전체(546) 및 도전체(548)와 같은 구성을 가진다.
절연체(581) 위에는 절연체(582)가 제공되어 있다. 절연체(582)에는 산소나 수소에 대하여 배리어성이 있는 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 따라서, 절연체(582)에는 절연체(514)와 같은 재료를 사용할 수 있다. 예를 들어, 절연체(582)에는 산화 알루미늄, 산화 하프늄, 산화 탄탈럼 등의 금속 산화물을 사용하는 것이 바람직하다.
특히, 산화 알루미늄은 산소 및 트랜지스터의 전기 특성의 변동 요인이 되는 수소, 수분 등의 불순물의 양쪽에 대하여 막을 투과시키지 않도록 하는 차단 효과가 높다. 따라서, 산화 알루미늄은 트랜지스터의 제작 공정 중 및 제작 후에서 수소, 수분 등의 불순물의 트랜지스터(500)로의 혼입을 방지할 수 있다. 또한 트랜지스터(500)를 구성하는 산화물로부터의 산소의 방출을 억제할 수 있다. 그러므로, 트랜지스터(500)에 대한 보호막으로서 사용하는 것에 적합하다.
또한 절연체(582) 위에는 절연체(586)가 제공되어 있다. 절연체(586)에는 절연체(320)와 같은 재료를 사용할 수 있다. 또한 이들 절연체에 유전율이 비교적 낮은 재료를 적용함으로써, 배선 사이에 생기는 기생 용량을 저감할 수 있다. 예를 들어, 절연체(586)로서 산화 실리콘막이나 산화질화 실리콘막 등을 사용할 수 있다.
또한, 절연체(520), 절연체(522), 절연체(524), 절연체(544), 절연체(580), 절연체(574), 절연체(581), 절연체(582), 및 절연체(586)에는 도전체(546) 및 도전체(548) 등이 매립되어 있다.
도전체(546) 및 도전체(548)는 용량 소자(600), 트랜지스터(500), 또는 트랜지스터(550)에 접속되는 플러그 또는 배선으로서의 기능을 가진다. 도전체(546) 및 도전체(548)는 도전체(328) 및 도전체(330)와 같은 재료를 사용하여 제공할 수 있다.
또한 트랜지스터(500)를 형성한 후, 트랜지스터(500)를 둘러싸도록 개구를 형성하고, 상기 개구를 덮도록 수소 또는 물에 대한 배리어성이 높은 절연체를 형성하여도 좋다. 상술한 배리어성이 높은 절연체로 트랜지스터(500)를 둘러쌈으로써, 외부로부터 수분 및 수소가 침입하는 것을 방지할 수 있다. 또는 복수의 트랜지스터(500)를 수소 또는 물에 대한 배리어성이 높은 절연체로 통틀어 감싸도 좋다. 또한 트랜지스터(500)를 둘러싸도록 개구를 형성하는 경우, 예를 들어 절연체(522) 또는 절연체(514)에 도달하는 개구를 형성하고, 절연체(522) 또는 절연체(514)와 접하도록 상술한 배리어성이 높은 절연체를 형성하면, 트랜지스터(500)의 제작 공정의 일부를 겸할 수 있기 때문에 적합하다. 또한 수소 또는 물에 대한 배리어성이 높은 절연체로서는, 예를 들어 절연체(522) 또는 절연체(514)와 같은 재료를 사용하면 좋다.
이어서 트랜지스터(500) 위쪽에는 용량 소자(600)가 제공되어 있다. 용량 소자(600)는 도전체(610)와, 도전체(620)와, 절연체(630)를 가진다.
또한, 도전체(546) 및 도전체(548) 위에 도전체(612)를 제공하여도 좋다. 도전체(612)는 트랜지스터(500)와 접속되는 플러그 또는 배선으로서의 기능을 가진다. 도전체(610)는 용량 소자(600)의 전극으로서의 기능을 가진다. 또한, 도전체(612) 및 도전체(610)는 동시에 형성할 수 있다.
도전체(612) 및 도전체(610)에는 몰리브데넘, 타이타늄, 탄탈럼, 텅스텐, 알루미늄, 구리, 크로뮴, 네오디뮴, 스칸듐에서 선택된 원소를 포함하는 금속막, 또는 상술한 원소를 성분으로 하는 금속 질화물막(질화 탄탈럼막, 질화 타이타늄막, 질화 몰리브데넘막, 질화 텅스텐막) 등을 사용할 수 있다. 또는, 인듐 주석 산화물, 산화 텅스텐을 포함하는 인듐 산화물, 산화 텅스텐을 포함하는 인듐 아연 산화물, 산화 타이타늄을 포함하는 인듐 산화물, 산화 타이타늄을 포함하는 인듐 주석 산화물, 인듐 아연 산화물, 산화 실리콘을 첨가한 인듐 주석 산화물 등의 도전성 재료를 적용할 수도 있다.
본 실시형태에서는 도전체(612) 및 도전체(610)를 단층 구성으로 나타내었지만, 상기 구성에 한정되지 않고, 2층 이상의 적층 구성이어도 좋다. 예를 들어 배리어성을 가지는 도전체와 도전성이 높은 도전체 사이에, 배리어성을 가지는 도전체 및 도전성이 높은 도전체에 대하여 밀착성이 높은 도전체를 형성하여도 좋다.
절연체(630)를 개재하여 도전체(610)와 중첩되도록 도전체(620)를 제공한다. 또한, 도전체(620)에는 금속 재료, 합금 재료, 또는 금속 산화물 재료 등의 도전성 재료를 사용할 수 있다. 내열성과 도전성을 양립하는 텅스텐이나 몰리브데넘 등의 고융점 재료를 사용하는 것이 바람직하고, 특히 텅스텐을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 도전체 등의 다른 구성과 동시에 형성하는 경우에는, 저저항 금속 재료인 Cu(구리)나 Al(알루미늄) 등을 사용하면 좋다.
도전체(620) 및 절연체(630) 위에는 절연체(640)가 제공되어 있다. 절연체(640)는 절연체(320)와 같은 재료를 사용하여 제공할 수 있다. 또한 절연체(640)는 그 아래쪽의 요철 형상을 피복하는 평탄화막으로서 기능하여도 좋다.
본 구성을 사용함으로써, 산화물 반도체를 가지는 트랜지스터를 사용한 반도체 장치에서 미세화 또는 고집적화를 도모할 수 있다.
본 발명의 일 형태의 반도체 장치에 사용할 수 있는 기판으로서는 유리 기판, 석영 기판, 사파이어 기판, 세라믹 기판, 금속 기판(예를 들어 스테인리스·스틸 기판, 스테인리스·스틸·포일을 가지는 기판, 텅스텐 기판, 텅스텐·포일을 가지는 기판 등), 반도체 기판(예를 들어 단결정 반도체 기판, 다결정 반도체 기판, 또는 화합물 반도체 기판 등), SOI(Silicon on Insulator) 기판 등을 사용할 수 있다. 또한 본 실시형태의 처리 온도에 견딜 수 있는 내열성을 가지는 플라스틱 기판을 사용하여도 좋다. 유리 기판의 일례로서는, 바륨보로실리케이트 유리, 알루미노실리케이트 유리, 또는 알루미노보로실리케이트 유리, 또는 소다 석회 유리 등이 있다. 이 외에 결정화 유리 등을 사용할 수 있다.
또는 기판으로서 가요성 기판, 접합 필름, 섬유상 재료를 포함한 종이, 또는 기재 필름 등을 사용할 수 있다. 가요성 기판, 접합 필름, 기재 필름 등의 일례로서는 이하의 것을 들 수 있다. 예를 들어, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리에터설폰(PES), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)으로 대표되는 플라스틱이 있다. 또는 일례로서는, 아크릴 등의 합성 수지 등이 있다. 또는 일례로서 폴리프로필렌, 폴리에스터, 폴리플루오린화 바이닐, 또는 폴리염화 바이닐 등이 있다. 또는 일례로서는 폴리아마이드, 폴리이미드, 아라미드, 에폭시, 무기 증착 필름, 또는 종이류 등이 있다. 특히, 반도체 기판, 단결정 기판, 또는 SOI 기판 등을 사용하여 트랜지스터를 제조함으로써, 특성, 크기, 또는 형상 등의 편차가 적고, 전류 능력이 높고, 크기가 작은 트랜지스터를 제조할 수 있다. 이와 같은 트랜지스터에 의하여 회로를 구성하면, 회로의 저소비 전력화 또는 회로의 고집적화를 도모할 수 있다.
또한 기판으로서 가요성 기판을 사용하고, 가요성 기판 위에 트랜지스터, 저항, 및/또는 용량 등을 직접 형성하여도 좋다. 또는 기판과, 트랜지스터, 저항, 및/또는 용량 등 사이에 박리층을 제공하여도 좋다. 박리층은, 그 위에 반도체 장치를 일부 또는 전부 완성시킨 후에 기판으로부터 분리하고 다른 기판에 전재하기 위하여 사용할 수 있다. 이때, 트랜지스터, 저항, 및/또는 용량 등은 내열성이 낮은 기판이나 가요성 기판에도 전재될 수 있다. 또한 상술한 박리층에는 예를 들어 텅스텐막과 산화 실리콘막의 무기막의 적층 구성의 구성이나, 기판 위에 폴리이미드 등의 유기 수지막이 형성된 구성, 수소를 포함한 실리콘막 등을 사용할 수 있다.
즉, 어떤 기판 위에 반도체 장치를 형성하고, 그 후, 다른 기판에 반도체 장치를 전치하여도 좋다. 반도체 장치가 전치되는 기판의 일례로서는, 상술한 트랜지스터를 형성할 수 있는 기판에 더하여, 종이 기판, 셀로판 기판, 아라미드 필름 기판, 폴리이미드 필름 기판, 석재 기판, 목재 기판, 직물 기판(천연 섬유(견, 면, 마), 합성 섬유(나일론, 폴리우레탄, 폴리에스터) 또는 재생 섬유(아세테이트, 큐프라, 레이온, 재생 폴리에스터) 등을 포함함), 피혁 기판, 또는 고무 기판 등이 있다. 이들 기판을 사용함으로써 가요성을 가지는 반도체 장치의 제조, 쉽게 고장나지 않는 반도체 장치의 제조, 내열성의 부여, 경량화, 또는 박막화를 도모할 수 있다.
가요성을 가지는 기판 위에 반도체 장치를 제공함으로써 예를 들어 이차 전지(300)가 곡면 형상 또는 굴곡 형상을 가지는 경우에도 반도체 장치를 이차 전지의 외형을 따라 제공할 수 있다. 예를 들어 이차 전지(300)가 원통형인 경우에 상기 이차 전지의 측면에 반도체 장치를 감도록 제공할 수 있다.
<트랜지스터의 변형예 1>
도 19의 (A), (B)에 도시된 트랜지스터(500A)는 도 18의 (A), (B)에 나타낸 구성의 트랜지스터(500)의 변형예이다. 도 19의 (A)는 트랜지스터(500A)의 채널 길이 방향의 단면도이고, 도 19의 (B)는 트랜지스터(500A)의 채널 폭 방향의 단면도이다. 또한, 도 19의 (A), (B)에 나타낸 구성은 트랜지스터(550) 등 본 발명의 일 형태의 반도체 장치가 가지는 다른 트랜지스터에도 적용할 수 있다.
도 19의 (A), (B)에 나타낸 구성의 트랜지스터(500A)는 절연체(552), 절연체(513), 및 절연체(404)를 가지고, 산화물(530c)이 산화물(530c1)과 산화물(530c2)의 적층으로 구성되어 있는 점이, 도 18의 (A), (B)에 나타낸 구성의 트랜지스터(500)와 다르다. 또한 도전체(540a)의 측면에 접하여 절연체(552)가 제공되고, 도전체(540b)의 측면에 접하여 절연체(552)가 제공되는 점이, 도 18의 (A), (B)에 나타낸 구성의 트랜지스터(500)와 다르다. 또한 절연체(520)를 가지지 않는 점이, 도 18의 (A), (B)에 나타낸 구성의 트랜지스터(500)와 다르다.
도 19의 (A) 및 (B)에 나타낸 구성의 트랜지스터(500)에서는, 절연체(512) 위에 절연체(513)가 제공된다. 또한, 절연체(574) 위 및 절연체(513) 위에 절연체(404)가 제공된다.
도 19의 (A), (B)에 나타낸 구성의 트랜지스터(500)에서는 절연체(514), 절연체(516), 절연체(522), 절연체(524), 절연체(544), 절연체(580), 및 절연체(574)가 패터닝되어, 절연체(404)가 이들을 덮는 구성이 되어 있다. 즉, 절연체(404)는 절연체(574)의 상면, 절연체(574)의 측면, 절연체(580)의 측면, 절연체(544)의 측면, 절연체(524)의 측면, 절연체(522)의 측면, 절연체(516)의 측면, 절연체(514)의 측면, 절연체(513)의 상면과 각각 접한다. 이에 의하여, 산화물(530) 등은 절연체(404)와 절연체(513)에 의하여 외부로부터 격리된다.
절연체(513) 및 절연체(404)는 수소(예를 들어, 수소 원자, 수소 분자 등 중 적어도 하나) 또는 물 분자의 확산을 억제하는 기능이 높은 것이 바람직하다. 예를 들어, 절연체(513) 및 절연체(404)로서는, 수소 배리어성이 높은 재료인 질화 실리콘 또는 질화산화 실리콘을 사용하는 것이 바람직하다. 이에 의하여 산화물(530)에 수소 등이 확산되는 것을 억제할 수 있기 때문에 트랜지스터(500A)의 특성 저하를 억제할 수 있다. 따라서 본 발명의 일 형태의 반도체 장치의 신뢰성을 높일 수 있다.
절연체(552)는 절연체(581), 절연체(404), 절연체(574), 절연체(580), 및 절연체(544)에 접하여 제공된다. 절연체(552)는 수소 또는 물 분자의 확산을 억제하는 기능을 가지는 것이 바람직하다. 예를 들어, 절연체(552)로서 수소 배리어성이 높은 재료인 질화 실리콘, 산화 알루미늄, 또는 질화산화 실리콘 등의 절연체를 사용하는 것이 바람직하다. 특히, 질화 실리콘은 수소 배리어성이 높은 재료이기 때문에 절연체(552)로서 사용하면 적합하다. 절연체(552)로서 수소 배리어성이 높은 재료를 사용함으로써, 물 또는 수소 등의 불순물이 절연체(580) 등으로부터 도전체(540a) 및 도전체(540b)를 통하여 산화물(530)로 확산되는 것을 억제할 수 있다. 또한, 절연체(580)에 포함되는 산소가 도전체(540a) 및 도전체(540b)에 흡수되는 것을 억제할 수 있다. 이상과 같이 하여, 본 발명의 일 형태의 반도체 장치의 신뢰성을 높일 수 있다.
산화물(530c1)은 절연체(524)의 상면, 산화물(530a)의 측면, 산화물(530b)의 상면 및 측면, 도전체(542a) 및 도전체(542b)의 측면, 절연체(544)의 측면, 및 절연체(580)의 측면과 접한다(도 19의 (B) 참조). 산화물(530c2)은 절연체(545)와 접한다.
산화물(530c1)로서는 예를 들어 In-Zn 산화물을 사용할 수 있다. 또한 산화물(530c2)로서는 산화물(530c)이 단층 구성인 경우에 산화물(530c)에 사용하는 재료와 같은 재료를 사용할 수 있다. 예를 들어 산화물(530c2)로서 In:Ga:Zn=1:3:4[원자수비], Ga:Zn=2:1[원자수비], 또는 Ga:Zn=2:5[원자수비]의 금속 산화물을 사용할 수 있다.
산화물(530c)을 산화물(530c1)과 산화물(530c2)의 2층 구성으로 함으로써, 산화물(530c)을 1층 구성으로 하는 경우보다 트랜지스터의 온 전류를 높일 수 있다. 따라서 트랜지스터를 예를 들어 파워 MOS 트랜지스터로 할 수도 있다.
<트랜지스터의 변형예 2>
도 20의 (A), (B), 및 (C)를 사용하여 트랜지스터(500B)의 구성예에 대하여 설명한다. 도 20의 (A)는 트랜지스터(500B)의 상면도이다. 도 20의 (B)는 도 20의 (A)에 일점쇄선으로 나타낸 L1-L2 부분의 단면도이다. 도 20의 (C)는 도 20의 (A)에 일점쇄선으로 나타낸 W1-W2 부분의 단면도이다. 또한 도 20의 (A)의 상면도에서는 도면의 명료화를 위하여 일부 요소의 기재를 생략하였다.
트랜지스터(500B)는 트랜지스터(500)의 변형예이고, 트랜지스터(500)로 치환할 수 있는 트랜지스터이다. 따라서 설명의 반복을 피하기 위하여 주로 트랜지스터(500)와 다른 점에 대하여 설명한다.
제 1 게이트 전극으로서 기능하는 도전체(560)는 도전체(560a) 및 도전체(560a) 위의 도전체(560b)를 가진다. 도전체(560a)에는 수소 원자, 수소 분자, 물 분자, 구리 원자 등의 불순물의 확산을 억제하는 기능을 가지는 도전성 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 또는 산소(예를 들어 산소 원자, 산소 분자 등 중 적어도 하나)의 확산을 억제하는 기능을 가지는 도전성 재료를 사용하는 것이 바람직하다.
도전체(560a)가 산소의 확산을 억제하는 기능을 가짐으로써, 도전체(560b)의 재료 선택성을 향상시킬 수 있다. 즉 도전체(560a)를 가짐으로써, 도전체(560b)의 산화가 억제되고, 도전율이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
또한 도전체(560)의 상면 및 측면, 절연체(545)의 측면, 및 산화물(530c)의 측면을 덮도록 절연체(544)를 제공하는 것이 바람직하다. 또한 절연체(544)에는 물 또는 수소 등의 불순물 및 산소의 확산을 억제하는 기능을 가지는 절연성 재료를 사용하는 것이 좋다. 예를 들어, 산화 알루미늄 또는 산화 하프늄 등을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 이 외에도, 예를 들어 산화 마그네슘, 산화 갈륨, 산화 저마늄, 산화 이트륨, 산화 지르코늄, 산화 란타넘, 산화 네오디뮴, 또는 산화 탄탈럼 등의 금속 산화물, 질화산화 실리콘 또는 질화 실리콘 등을 사용할 수 있다.
절연체(544)를 제공함으로써 도전체(560)의 산화를 억제할 수 있다. 또한 절연체(544)를 가짐으로써 절연체(580)가 가지는 물 및 수소 등의 불순물이 트랜지스터(500B)로 확산되는 것을 억제할 수 있다.
트랜지스터(500B)에서는 도전체(542a)의 일부와 도전체(542b)의 일부에 도전체(560)가 중첩되기 때문에, 트랜지스터(500)보다 기생 용량이 커지기 쉽다. 따라서 트랜지스터(500)에 비하여 동작 주파수가 낮아지는 경향이 있다. 그러나 절연체(580) 등에 개구를 제공하여 도전체(560)나 절연체(545) 등을 매립하는 공정이 불필요하므로 트랜지스터(500)와 비교하여 생산성이 높다.
본 실시형태는 다른 실시형태 및 실시예 등에 기재된 구성과 적절히 조합하여 실시할 수 있다.
(실시형태 5)
본 실시형태에서는 이차 전지(300)에 사용할 수 있는 전지의 구성예에 대하여 도면을 사용하여 설명한다. 본 실시형태에서는 리튬 이온 이차 전지의 예를 나타내지만 이차 전지(300)에 사용할 수 있는 전지는 리튬 이온 이차 전지에 한정되지 않는다.
[원통형 이차 전지]
도 21의 (A)는 원통형 이차 전지(715)의 외관도이다. 도 21의 (B)는 원통형 이차 전지(715)의 단면을 모식적으로 나타낸 도면이다. 중공 원통형 전지 캔(702)의 안쪽에는 세퍼레이터(705)를 사이에 두고 띠 형상의 양극(704)과 음극(706)이 권회된 전지 소자가 제공되어 있다. 도시하지 않았지만, 전지 소자는 센터 핀을 중심으로 하여 권회되어 있다. 전지 캔(702)은 한쪽 단부가 닫혀 있고, 다른 쪽 단부가 열려 있다. 전지 캔(702)에는 전해액에 대하여 내부식성이 있는 니켈, 알루미늄, 타이타늄 등의 금속, 또는 이들의 합금이나, 이들과 다른 금속의 합금(예를 들어, 스테인리스강 등)을 사용할 수 있다. 또한 전해액으로 인한 부식을 방지하기 위하여 니켈이나 알루미늄 등으로 피복하는 것이 바람직하다. 전지 캔(702)의 안쪽에서 양극, 음극, 및 세퍼레이터가 권회된 전지 소자는 대향하는 한 쌍의 절연판(708), 절연판(709) 사이에 끼워진다. 또한 전지 소자가 제공된 전지 캔(702)의 내부에는 비수전해액(도시하지 않았음)이 주입되어 있다. 이차 전지는 코발트산 리튬(LiCoO2)이나 인산 철 리튬(LiFePO4) 등의 활물질을 포함한 양극과, 리튬 이온의 흡장·방출이 가능한 흑연 등의 탄소 재료로 이루어지는 음극과, 에틸렌 카보네이트나 다이에틸 카보네이트 등의 유기 용매에 LiBF4나 LiPF6 등의 리튬염으로 이루어지는 전해질을 용해시킨 비수 전해액 등으로 구성된다.
원통형 이차 전지에 사용되는 양극 및 음극은 권회되기 때문에, 활물질을 집전체의 양면에 형성하는 것이 바람직하다. 양극(704)에는 양극 단자(양극 집전 리드)(703)가 접속되고, 음극(706)에는 음극 단자(음극 집전 리드)(707)가 접속된다. 양극 단자(703) 및 음극 단자(707)에는 각각 알루미늄 등의 금속 재료를 사용할 수 있다. 양극 단자(703)는 안전 밸브 기구(712)에, 음극 단자(707)는 전지 캔(702)의 바닥에 각각 저항 용접된다. 안전 밸브 기구(712)는 PTC(Positive Temperature Coefficient) 소자(711)를 통하여 양극 캡(701)과 전기적으로 접속되어 있다. 안전 밸브 기구(712)는 전지의 내압 상승이 소정의 문턱값을 초과한 경우에, 양극 캡(701)과 양극(704) 사이의 전기적인 접속을 절단하는 것이다. 또한 PTC 소자(711)는 온도가 상승한 경우에 저항이 증대되는 열감 저항 소자이며, 저항의 증대에 의하여 전류량을 제한하여 이상 발열을 방지하는 것이다. PTC 소자에는 타이타늄산 바륨(BaTiO3)계 반도체 세라믹 등을 사용할 수 있다.
전해액을 사용하는 리튬 이온 이차 전지는, 양극과, 음극과, 세퍼레이터와, 전해액과, 외장체를 가진다. 또한 리튬 이온 이차 전지에서는, 충전과 방전에 있어서 애노드와 캐소드가 바뀌고 산화 반응과 환원 반응이 바뀌게 되기 때문에, 반응 전위가 높은 전극을 양극이라고 부르고, 반응 전위가 낮은 전극을 음극이라고 부른다. 따라서 본 명세서에서는 충전 중이어도, 방전 중이어도, 역방향 바이어스를 흘리는 경우에도, 충전 전류를 흘리는 경우에도, 양극은 "양극" 또는 "+극(플러스극)"이라고 하고, 음극은 "음극" 또는 "-극(마이너스극)"이라고 한다. 산화 반응이나 환원 반응에 관련된 애노드(양극)나 캐소드(음극)라는 용어를 사용하면, 충전 시와 방전 시에서 반대가 되어 혼란을 일으킬 가능성이 있다. 따라서 애노드(양극)나 캐소드(음극)라는 용어는 본 명세서에서는 사용하지 않는 것으로 한다. 만약에 애노드(양극)나 캐소드(음극)라는 용어를 사용하는 경우에는, 충전 시인지 방전 시인지를 명기하고, 양극(플러스극) 및 음극(마이너스극) 중 어느 쪽에 대응하는 것인지에 대해서도 병기하는 것으로 한다.
본 실시형태에서는 리튬 이온 이차 전지의 예를 나타내지만 리튬 이온 이차 전지에 한정되지 않고, 이차 전지의 양극 재료로서 예를 들어 원소 A, 원소 X, 및 산소를 가지는 재료를 사용할 수 있다. 원소 A는 1족 원소 및 2족 원소에서 선택되는 하나 이상인 것이 바람직하다. 1족 원소로서 예를 들어 리튬, 소듐, 포타슘 등의 알칼리 금속을 사용할 수 있다. 또한 2족 원소로서 예를 들어 칼슘, 베릴륨, 마그네슘 등을 사용할 수 있다. 원소 X로서 예를 들어 금속 원소, 실리콘, 및 인에서 선택되는 하나 이상을 사용할 수 있다. 또한 원소 X는 코발트, 니켈, 망가니즈, 철, 및 바나듐에서 선택되는 하나 이상인 것이 바람직하다. 대표적으로는 리튬 코발트 복합 산화물(LiCoO2)이나, 인산 철 리튬(LiFePO4)을 들 수 있다.
음극은 음극 활물질층 및 음극 집전체를 가진다. 또한 음극 활물질층은 도전 조제 및 바인더를 가져도 좋다.
음극 활물질로서, 리튬과의 합금화·탈합금화 반응에 의한 충방전 반응이 가능한 원소를 사용할 수 있다. 예를 들어, 실리콘, 주석, 갈륨, 알루미늄, 저마늄, 납, 안티모니, 비스무트, 은, 아연, 카드뮴, 및 인듐 등 중 적어도 하나를 포함하는 재료를 사용할 수 있다. 이와 같은 원소는 탄소에 비하여 용량이 크고, 특히 실리콘은 이론 용량이 4700mAh/g으로 높다.
또한 이차 전지는 세퍼레이터를 가지는 것이 바람직하다. 세퍼레이터로서는 예를 들어 종이를 비롯한 셀룰로스를 가지는 섬유, 부직포, 유리 섬유, 세라믹, 또는 나일론(폴리아마이드), 바이닐론(폴리 바이닐 알코올계 섬유), 폴리에스터, 아크릴, 폴리올레핀, 폴리우레탄이 사용된 합성 섬유 등으로 형성된 재료를 사용할 수 있다.
도 21의 (C)에서는 가요성 기판(721) 위에 형성 또는 고정된 수전 장치(724)가 이차 전지(715)의 측면을 따라 제공되어 있는 것을 나타내었다. 수전 장치(724)로서 상기 실시형태에 나타낸 수전 장치(450) 등을 사용할 수 있다. 수전 장치(724)를 가요성 기판(721) 위에 제공함으로써, 원통형 이차 전지(715)의 곡면을 따라 수전 장치(724)를 제공할 수 있다. 따라서 수전 장치(724)의 점유 공간을 작게 할 수 있다. 따라서 이차 전지(715) 및 수전 장치(724)를 포함하는 전자 기기 등의 소형화를 실현할 수 있다.
[편평형 이차 전지]
다음으로 편평형 이차 전지(913)의 내부 구성예에 대하여 설명한다.
이차 전지(913)의 내부에 배치되는 권회체(950)의 구성을 도 22의 (A)에 나타내었다. 권회체(950)는 음극(931)과, 양극(932)과, 세퍼레이터(933)를 가진다. 권회체(950)는 세퍼레이터(933)를 사이에 두고 음극(931)과 양극(932)이 중첩되어 적층되고, 이 적층 시트를 권회시킨 권회체이다. 또한 음극(931)과, 양극(932)과, 세퍼레이터(933)의 적층을 복수 개 더 중첩하여도 좋다.
음극(931)은 단자(951) 및 단자(952) 중 한쪽과 전기적으로 접속되고, 양극(932)은 단자(951) 및 단자(952) 중 다른 쪽과 전기적으로 접속된다.
도 22의 (B)에서 이차 전지(913)는 하우징(930)("외장체"라고도 함) 내부에 단자(951)와 단자(952)가 제공된 권회체(950)를 가진다. 권회체(950)는 하우징(930) 내부에서 전해액에 함침(含浸)된다. 단자(952)는 하우징(930)과 접하고, 단자(951)는 절연재 등이 사용됨으로써 하우징(930)과 접하지 않는다. 또한 도 22의 (B)에서는 하우징(930)을 분리하여 도시하였지만, 실제로는 권회체(950)가 하우징(930)으로 덮이고, 단자(951) 및 단자(952)가 하우징(930)의 외부로 연장되어 있다. 하우징(930)에는 금속 재료(예를 들어 알루미늄 등) 또는 수지 재료를 사용할 수 있다.
하우징(930)으로서는 금속 재료, 유기 수지 등, 절연 재료를 사용할 수 있다. 하우징(930)을 필름으로 구성하는 경우도 있고, 이 경우 그 필름에 가요성 기판 위에 형성된 충전 제어 회로를 제공하는 경우도 있다.
[전지 팩]
이어서, 편평형 이차 전지(913)를 포함하는 전지 팩(901)에 대하여 설명한다. 도 23의 (A)는 이차 전지(913)의 외관도이다. 이차 전지(913)는 단자(951) 및 단자(952)를 가진다. 단자(951)는 이차 전지(913) 내부의 양극과 전기적으로 접속되고, 단자(952)는 이차 전지(913) 내부의 음극과 전기적으로 접속된다.
도 23의 (B)는 수전 장치(900) 및 층(916)의 외관도이다. 수전 장치(900)는 회로(912) 및 안테나(914)를 가지고, 가요성 기판에 제공되어 있다. 안테나(914)는 회로(912)에 전기적으로 접속된다. 회로(912)에는 단자(971) 및 단자(972)가 전기적으로 접속된다. 회로(912)는 단자(911)에 전기적으로 접속된다.
이차 전지(913)는 수전 장치(900), 단자(951), 단자(952), 및 단자(911)와 통합되어 전지 팩으로서 기능한다.
수전 장치(900)는 예를 들어 상기 실시형태에 나타낸 수전 장치(450)에 상당한다. 회로(912)에는 수전 회로(451), 충전 제어 회로(452), 충방전 제어 회로(453) 등이 포함된다. 또한, 안테나(914)는 상기 실시형태에 나타낸 수전 안테나(403)에 상당한다.
안테나는 코일 형상에 한정되지 않고, 예를 들어 선 형상, 판 형상이어도 좋다. 또한 평면 안테나, 개구면 안테나, 진행파 안테나, EH 안테나, 자기장 안테나, 유전체 안테나 등의 안테나를 사용하여도 좋다.
단자(911)는 예를 들어 이차 전지의 전력이 공급되는 기기에 접속된다. 예를 들어, 표시 장치, 센서 등에 접속된다.
도 23의 (B)에 나타낸 층(916)은 예를 들어 이차 전지(913)로 인한 전자기장을 차폐할 수 있는 기능을 가진다. 층(916)으로서는 예를 들어 자성체를 사용할 수 있다.
도 23의 (C)에 이차 전지(913) 위에 수전 장치(900)를 배치한 전지 팩을 나타내었다. 단자(971)는 단자(951)와 전기적으로 접속되고, 단자(972)는 단자(952)와 전기적으로 접속된다. 층(916)은 수전 장치(900)와 이차 전지(913) 사이에 배치된다.
수전 장치(900)는 가요성 기판 위에 제공하는 것이 바람직하다. 가요성 기판을 사용함으로써 박형의 수전 장치(900)를 실현할 수 있다. 또한 후술하는 도 24의 (D)에 나타낸 바와 같이 수전 장치(900)를 이차 전지에 감을 수 있다.
이어서, 전지 팩(901)의 다른 구성예로서, 도 24의 (A) 내지 (D)를 사용하여 전지 팩(901A)에 대하여 설명한다. 도 24의 (A)는 이차 전지(913)의 외관도이다. 도 24의 (B)에 나타낸 수전 장치(900)는 도 23의 (B)에 나타낸 수전 장치(900)와 마찬가지로 회로(912) 및 안테나(914)를 가진다. 또한, 도 24의 (B)에는 층(916)도 나타내었다.
도 24의 (C)에 나타낸 바와 같이, 가요성 기판에 제공된 수전 장치(900)를 이차 전지(913)의 형상에 맞춰 만곡시켜, 이차 전지 주위의 배치함으로써, 도 24의 (D)에 나타낸 바와 같이, 수전 장치(900)를 이차 전지에 감을 수 있다.
이어서, 전지 팩(901)의 다른 구성예로서, 도 25의 (A) 내지 (D)를 사용하여 전지 팩(901B)에 대하여 설명한다. 도 25의 (A)에 나타낸 이차 전지(913)는 한쪽으로부터 보았을 때 L자형 형상을 가진다.
도 25의 (B)는 수전 장치(900)가 제공된 가요성 기판이 노치부(notch portion)를 가지는 예를 나타낸 것이다. 노치부를 슬릿이라고 부르는 경우도 있다. 도 25의 (B)에 나타낸 층(916)은 도 25의 (A)에 나타낸 이차 전지(913)와 마찬가지로 L자형 형상을 가진다.
도 25의 (C) 및 (D)에 나타낸 바와 같이, 가요성 기판이 노치부를 가짐으로써, 수전 장치(900)의 일부(노치부의 오른쪽의 영역)를 L자형 이차 전지(913)의 이면(裏面) 측에 감을 수 있다. 또한, 도 25의 (C)는 수전 장치(900)의 일부를 L자형 이차 전지(913)에 감는 도중의 상태를 나타낸 도면이고, 도 25의 (D)는 감은 후의 상태를 나타낸 도면이다.
수전 장치(900)를 가요성 기판 위에 제공함으로써, 이차 전지(913)의 형상을 따라 수전 장치(900)를 제공할 수 있다. 따라서, 수전 장치(900)의 점유 공간을 작게 할 수 있다. 따라서, 전지 팩의 소형화를 실현할 수 있다. 또한, 전지 팩의 경량화를 실현할 수 있다. 본 발명의 일 형태에 따른 전지 팩을 포함하는 전자 기기 등의 소형화를 실현할 수 있다. 본 발명의 일 형태에 따른 전지 팩을 포함하는 전자 기기 등의 경량화를 실현할 수 있다.
본 실시형태는 다른 실시형태 및 실시예 등에 기재된 구성과 적절히 조합하여 실시할 수 있다.
(실시형태 6)
본 실시형태에서는, 본 발명의 일 형태에 따른 양극 활물질에 대하여 설명한다.
본 명세서 등에서 편석(偏析)이란 복수의 원소(예를 들어 A, B, C)로 이루어지는 고체에서, 어느 원소(예를 들어 B)가 공간적으로 불균일하게 분포되는 현상을 말한다.
본 명세서 등에서 활물질 등의 입자의 표층부란 표면으로부터 10nm 정도까지의 영역을 말한다. 금이나 크랙에 의하여 생긴 면도 표면이라고 하여도 좋다. 또한, 표층부보다 깊은 영역을 내부라고 한다.
본 명세서 등에서 리튬 및 전이 금속을 포함하는 복합 산화물이 가지는 층상 암염형 결정 구성이란, 양이온과 음이온이 교대로 배열된 암염형 이온 배열을 가지고, 전이 금속과 리튬이 규칙적으로 배열되어 2차원 평면을 형성하기 때문에 리튬의 2차원적인 확산이 가능한 결정 구성을 말한다. 또한, 양이온 또는 음이온의 결손 등의 결함이 있어도 좋다. 또한, 층상 암염형 결정 구성은, 엄밀히 말하자면 암염형 결정의 격자가 변형된 구성을 가지는 경우가 있다.
또한, 본 명세서 등에서 암염형 결정 구성이란 양이온과 음이온이 교대로 배열된 구성을 말한다. 또한, 양이온 또는 음이온의 결손이 있어도 좋다.
또한, 본 명세서 등에서 리튬 및 전이 금속을 포함하는 복합 산화물이 가지는 의사 스피넬형 결정 구성이란, 공간군 R-3m이고, 스피넬형 결정 구성이 아니지만, 코발트, 마그네슘 등의 이온이 산소 6배위 위치를 차지하고, 양이온의 배열이 스피넬형과 비슷한 대칭성을 가지는 결정 구성을 말한다. 또한, 의사 스피넬형 결정 구성에서는 리튬 등의 경원소는 산소 4배위 위치를 차지하는 경우가 있고, 이 경우도 이온의 배열이 스피넬형과 비슷한 대칭성을 가진다.
또한, 의사 스피넬형 결정 구성은 층간에 랜덤하게 Li을 가지지만, CdCl2형 결정 구성과 유사한 결정 구성이라고도 할 수 있다. 이 CdCl2형과 유사한 결정 구성은, 니켈산 리튬을 충전 심도 0.94까지 충전하였을 때(Li0 . 06NiO2)의 결정 구성과 가깝지만, 순수한 코발트산 리튬, 또는 코발트를 많이 포함하는 층상 암염형 양극 활물질은 일반적으로 이러한 결정 구성을 취하지 않는 것으로 알려져 있다.
층상 암염형 결정 및 암염형 결정의 음이온은 입방 최조밀 쌓임 구성(면심 입방 격자 구성)를 가진다. 의사 스피넬형 결정도 음이온은 입방 최조밀 쌓임 구성을 가진다고 추정된다. 이들이 접촉할 때 음이온으로 구성되는 입방 최조밀 쌓임 구성의 방향이 일치하는 결정면이 존재한다. 다만, 층상 암염형 결정 및 의사 스피넬형 결정의 공간군은 R-3m이고, 암염형 결정의 공간군 Fm-3m(일반적인 암염형 결정의 공간군) 및 Fd-3m(가장 단순한 대칭성을 가지는 암염형 결정의 공간군)과 상이하기 때문에, 상기 조건을 만족시키는 결정면의 밀러 지수는 층상 암염형 결정 및 의사 스피넬형 결정과, 암염형 결정 사이에서 상이하다. 본 명세서에서는 층상 암염형 결정, 의사 스피넬형 결정, 및 암염형 결정에서, 음이온으로 구성되는 입방 최조밀 쌓임 구성의 방향이 일치하는 상태를, 결정 배향이 실질적으로 일치한다고 하는 경우가 있다.
이차 전지는 예를 들어 양극 및 음극을 가진다. 양극을 구성하는 재료로서 양극 활물질이 있다. 양극 활물질은 예를 들어 충방전 용량에 기여하는 반응을 일으키는 물질이다. 또한 양극 활물질은 그 일부에 충방전 용량에 기여하지 않는 물질을 포함하여도 좋다.
본 명세서 등에서, 본 발명의 일 형태에 따른 양극 활물질은 양극 재료 또는 이차 전지용 양극재 등이라고 표현되는 경우가 있다. 또한 본 명세서 등에서, 본 발명의 일 형태에 따른 양극 활물질은 화합물을 가지는 것이 바람직하다. 또한 본 명세서 등에서, 본 발명의 일 형태에 따른 양극 활물질은 조성물을 가지는 것이 바람직하다. 또한 본 명세서 등에서, 본 발명의 일 형태에 따른 양극 활물질은 복합체를 가지는 것이 바람직하다.
<양극 활물질>
본 발명의 일 형태에 따른 양극 활물질을 사용함으로써, 이차 전지의 용량을 높이며, 충방전 사이클에 따른 방전 용량의 저하를 억제할 수 있다.
[양극 활물질의 구성]
양극 활물질은 캐리어 이온이 되는 금속(이하, 원소 A)을 가지는 것이 바람직하다. 원소 A로서, 예를 들어, 리튬, 소듐, 포타슘 등의 알칼리 금속, 및 칼슘, 베릴륨, 마그네슘 등의 2족의 원소를 사용할 수 있다.
양극 활물질에서, 충전에 따라 캐리어 이온이 양극 활물질로부터 이탈된다. 원소 A가 많이 이탈되는 경우, 이차 전지의 용량에 기여하는 이온이 많아 용량이 증대된다. 그러나, 원소 A가 많이 이탈되는 경우, 양극 활물질이 가지는 화합물의 결정 구성이 붕괴되기 쉬워진다. 양극 활물질의 결정 구성의 붕괴는 충방전 사이클에 따른 방전 용량의 저하를 초래하는 경우가 있다. 본 발명의 일 형태에 따른 양극 활물질이 원소 X를 가짐으로써, 이차 전지의 충전 시에 캐리어 이온이 이탈될 때 결정 구성이 붕괴되는 것이 억제되는 경우가 있다. 원소 X는 예를 들어 그 일부가 원소 A의 위치에 치환된다. 원소 X로서 마그네슘, 칼슘, 지르코늄, 란타넘, 바륨 등의 원소를 사용할 수 있다. 또한 예를 들어 원소 X로서 구리, 포타슘, 소듐, 아연 등의 원소를 사용할 수 있다. 또한 원소 X로서 상술한 원소 중 2개 이상을 조합하여 사용하여도 좋다.
또한 본 발명의 일 형태에 따른 양극 활물질은 원소 X에 더하여 할로젠을 가지는 것이 바람직하다. 플루오린, 염소 등의 할로젠을 가지는 것이 바람직하다. 본 발명의 일 형태에 따른 양극 활물질이 상기 할로젠을 가지면, 원소 X가 원소 A의 위치에 치환되는 것이 촉진되는 경우가 있다.
또한 본 발명의 일 형태에 따른 양극 활물질은 이차 전지의 충전 및 방전에 의하여 가수(價數)가 변화되는 금속(이하, 원소 M)을 가지는 것이 바람직하다. 원소 M은, 예를 들어, 전이 금속이다. 본 발명의 일 형태에 따른 양극 활물질은 예를 들어, 원소 M으로서 코발트, 니켈, 및 망가니즈 중 하나 이상을 가지고, 특히, 코발트를 가지는 것이 바람직하다. 또한, 원소 M의 위치에, 알루미늄 등, 가수의 변화가 없고, 또한 원소 M과 같은 가수를 가질 수 있는 원소, 더 구체적으로는, 예를 들어, 3가의 전형 원소를 가져도 좋다. 상술한 원소 X는 예를 들어 원소 M의 위치에 치환되어도 좋다. 또한 본 발명의 일 형태에 따른 양극 활물질이 산화물인 경우에는, 원소 X는 산소의 위치에 치환되어도 좋다.
본 발명의 일 형태에 따른 양극 활물질로서 예를 들어 층상 암염형 결정 구성을 가지는 리튬 복합 산화물을 사용하는 것이 바람직하다. 더 구체적으로는 예를 들어 층상 암염형 결정 구성을 가지는 리튬 복합 산화물로서, 코발트산 리튬, 니켈산 리튬, 니켈, 망가니즈, 및 코발트를 가지는 리튬 복합 산화물, 니켈, 코발트, 및 알루미늄을 가지는 리튬 복합 산화물 등을 사용할 수 있다. 또한, 이들 양극 활물질은 공간군 R-3m으로 나타내어지는 것이 바람직하다.
층상 암염형 결정 구성을 가지는 양극 활물질에 있어서, 충전 심도를 높이면 결정 구성의 붕괴가 발생될 경우가 있다. 여기서 결정 구성의 붕괴란 예를 들어 층의 어긋남이다. 결정 구성의 붕괴가 비가역적인 경우에는 충전과 방전의 반복에 따라 이차 전지의 용량의 저하가 일어날 경우가 있다.
본 발명의 일 형태에 따른 양극 활물질이 원소 X를 가짐으로써 예를 들어 충전 심도가 깊어져도 상기 층의 어긋남이 억제된다. 어긋남을 억제함으로써, 충방전에서의 체적 변화를 작게 할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 형태에 따른 양극 활물질은 우수한 사이클 특성을 실현할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 형태에 따른 양극 활물질은 고전압의 충전 상태에서 안정된 결정 구성을 취할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 형태에 따른 양극 활물질은 고전압의 충전 상태를 유지한 경우에서, 단락이 발생되기 어려운 경우가 있다. 이와 같은 경우에는 안전성이 더 향상되기 때문에 바람직하다.
본 발명의 일 형태에 따른 양극 활물질에서는 충분히 방전된 상태와, 고전압으로 충전된 상태에서의 결정 구성의 변화 및 동수의 전이 금속 원자당으로 비교한 경우의 체적의 차이가 작다.
본 발명의 일 형태에 따른 양극 활물질은 화학식 AMyOZ(y>0, z>0)로 나타내어지는 경우가 있다. 예를 들어 코발트산 리튬은 LiCoO2로 나타내어지는 경우가 있다. 또한 예를 들어 니켈산 리튬은 LiNiO2로 나타내어지는 경우가 있다.
원소 X를 가지는, 본 발명의 일 형태에 따른 양극 활물질에서는, 충전 심도가 0.8 이상의 경우에 있어서, 공간군 R-3m으로 나타내어지고, 스피넬형 결정 구성이 아니지만, 원소 M(예를 들어 코발트), 원소 X(예를 들어 마그네슘) 등의 이온이 산소 6배위 위치를 차지하고, 양이온의 배열이 스피넬형과 비슷한 대칭성을 가지는 경우가 있다. 본 구성을 본 명세서 등에서는 의사 스피넬형 결정 구성이라고 부른다. 또한, 의사 스피넬형 결정 구성에서는 리튬 등의 경원소는 산소 4배위 위치를 차지하는 경우가 있고, 이 경우도 이온의 배열이 스피넬형과 비슷한 대칭성을 가진다.
충전에 따른 캐리어 이온의 이탈로 인하여 양극 활물질의 구성은 불안정해진다. 의사 스피넬형 결정 구성은 캐리어 이온이 이탈되어도 높은 안정성을 유지할 수 있는 구성이라고 할 수 있다.
본 발명의 충전 심도가 높은 경우에 있어서, 의사 스피넬형 구성을 가지는 양극 활물질을 이차 전지에 사용함으로써, 예를 들어 리튬 금속의 전위를 기준으로 하여 4.6V 정도의 전압에서, 더 바람직하게는 4.65V 내지 4.7V 정도의 전압에서 양극 활물질의 구성이 안정적이고, 충방전으로 인한 용량 저하를 억제할 수 있다. 또한, 이차 전지에 있어서 예를 들어 음극 활물질로서 흑연을 사용하는 경우에는 예를 들어 이차 전지의 전압이 4.3V 이상 4.5V 이하에서, 더 바람직하게는 4.35V 이상 4.55V 이하에서 양극 활물질의 구성이 안정적이고, 충방전으로 인한 용량 저하를 억제할 수 있다.
또한, 의사 스피넬형 결정 구성은 층간에 랜덤하게 Li을 가지지만, CdCl2형 결정 구성과 유사한 결정 구성이라고도 할 수 있다. 이 CdCl2형과 유사한 결정 구성은, 니켈산 리튬을 충전 심도 0.94까지 충전하였을 때(Li0 . 06NiO2)의 결정 구성과 가깝지만, 순수한 코발트산 리튬, 또는 코발트를 많이 포함하는 층상 암염형 양극 활물질은 일반적으로 이러한 결정 구성을 취하지 않는 것으로 알려져 있다.
층상 암염형 결정 및 암염형 결정의 음이온은 입방 최조밀 쌓임 구성(면심 입방 격자 구성)를 가진다. 의사 스피넬형 결정도 음이온은 입방 최조밀 쌓임 구성을 가진다고 추정된다. 이들이 접촉할 때 음이온으로 구성되는 입방 최조밀 쌓임 구성의 방향이 일치하는 결정면이 존재한다. 다만, 층상 암염형 결정 및 의사 스피넬형 결정의 공간군은 R-3m이고, 암염형 결정의 공간군 Fm-3m(일반적인 암염형 결정의 공간군) 및 Fd-3m(가장 단순한 대칭성을 가지는 암염형 결정의 공간군)과 상이하기 때문에, 상기 조건을 만족시키는 결정면의 밀러 지수는 층상 암염형 결정 및 의사 스피넬형 결정과, 암염형 결정 사이에서 상이하다. 본 명세서에서는 층상 암염형 결정, 의사 스피넬형 결정, 및 암염형 결정에서, 음이온으로 구성되는 입방 최조밀 쌓임 구성의 방향이 일치하는 상태를, 결정 배향이 실질적으로 일치한다고 하는 경우가 있다.
의사 스피넬형 결정 구성은 단위 격자에서의 코발트와 산소의 좌표를 Co(0, 0, 0.5), O(0, 0, x), 0.20≤x≤0.25의 범위 내로 나타낼 수 있다.
본 발명의 일 형태에 따른 양극 활물질에 있어서, 충전 심도 0의 체적에서의 단위 격자의 체적과, 충전 심도 0.82의 의사 스피넬형 결정 구성의 단위 격자당 체적의 차는 2.5% 이하가 바람직하고, 2.2% 이하가 더 바람직하다.
의사 스피넬형 결정 구성에서는 2θ=19.30±0.20°(19.10° 이상 19.50° 이하) 및 2θ=45.55±0.10°(45.45° 이상 45.65° 이하)에 회절 피크가 출현한다. 더 자세하게는 2θ=19.30±0.10°(19.20° 이상 19.40° 이하) 및 2θ=45.55±0.05°(45.50° 이상 45.60 이하)에 날카로운 회절 피크가 출현한다.
또한 본 발명의 일 형태에 따른 양극 활물질은 고전압으로 충전하였을 때 의사 스피넬형 결정 구성을 가지지만, 반드시 모든 입자가 의사 스피넬형 결정 구성일 필요는 없다. 다른 결정 구성을 포함하여도 좋고, 일부가 비정질이어도 좋다. 다만 XRD 패턴에 대하여 릿펠트 해석을 수행하였을 때, 의사 스피넬형 결정 구성이 50wt% 이상인 것이 바람직하고, 60wt% 이상인 것이 더 바람직하고, 66wt% 이상인 것이 더욱 바람직하다. 의사 스피넬형 결정 구성이 50wt% 이상, 바람직하게는 60wt% 이상, 더 바람직하게는 66wt% 이상이면 사이클 특성이 충분히 우수한 양극 활물질로 할 수 있다.
원소 X의 원자수는 원소 M의 원자수의 0.001배 이상 0.1배 이하가 바람직하고, 0.01보다 크고 0.04 미만이 더 바람직하고, 0.02 정도가 더욱 바람직하다. 여기서 제시하는 원소 X의 농도는 예를 들어 ICP-MS 등을 사용하여 양극 활물질의 입자 전체를 원소 분석한 값이라도 좋고, 양극 활물질의 제작의 과정에서의 원료의 배합의 값에 기초하여도 좋다.
원소 M으로서 코발트 및 니켈을 가지는 경우에는, 코발트와 니켈의 원자수의 합(Co+Ni)에서 차지하는 니켈의 원자수(Ni)의 비율 Ni/(Co+Ni)이 0.1 미만인 것이 바람직하고, 0.075 이하인 것이 더 바람직하다.
본 발명의 일 형태에 따른 양극 활물질은 상술한 재료에 한정되지 않는다.
양극 활물질로서 예를 들어 스피넬형 결정 구성을 가지는 복합 산화물 등을 사용할 수 있다. 또한 양극 활물질로서 예를 들어 폴리 음이온계 재료를 사용할 수 있다. 폴리 음이온계 재료로서 예를 들어, 올리빈(olivin)형 결정 구성을 가지는 재료, 나시콘형 재료 등을 들 수 있다. 또한, 양극 활물질로서 예를 들어, 황을 가지는 양극 재료를 사용할 수 있다.
스피넬형 결정 구성을 가지는 재료로서 예를 들어, LiM2O4로 나타내어지는 복합 산화물을 사용할 수 있다. 원소 M으로서 Mn을 가지는 것이 바람직하다. 예를 들어, LiMn2O4를 사용할 수 있다. 또한 원소 M으로서, Mn에 더하여 Ni을 가짐으로써, 이차 전지의 방전 전압이 향상되어, 에너지 밀도가 향상되는 경우가 있어, 바람직하다. 또한, LiMn2O4 등의 망가니즈를 포함하는 스피넬형 결정 구성을 가지는 리튬 함유 재료에, 소량의 니켈산 리튬(LiNiO2나 LiNi1 - xMxO2(M=Co, Al 등))을 혼합시킴으로써, 이차 전지의 특성을 향상시킬 수 있어 바람직하다.
폴리 음이온계 재료로서 예를 들어, 산소와, 원소 X와, 금속 A와, 금속 M을 가지는 복합 산화물을 사용할 수 있다. 금속 M은 Fe, Mn, Co, Ni, Ti, V, Nb 중 하나 이상이고, 금속 A는 Li, Na, Mg 중 하나 이상이고, 원소 X는 S, P, Mo, W, As, Si 중 하나 이상이다.
올리빈형 결정 구성을 가지는 재료로서 예를 들어, 복합 재료(일반식LiMPO4(M은 Fe(II), Mn(II), Co(II), Ni(II) 중 하나 이상))를 사용할 수 있다. 일반식 LiMPO4의 대표적인 예로서는 LiFePO4, LiNiPO4, LiCoPO4, LiMnPO4, LiFeaNibPO4, LiFeaCobPO4, LiFeaMnbPO4, LiNiaCobPO4, LiNiaMnbPO4(a+b는 1 이하, 0<a<1, 0<b<1), LiFecNidCoePO4, LiFecNidMnePO4, LiNicCodMnePO4(c+d+e는 1 이하, 0<c<1, 0<d<1, 0<e<1), LiFefNigCohMniPO4(f+g+h+i는 1 이하, 0<f<1, 0<g<1, 0<h<1, 0<i<1) 등의 리튬 화합물을 사용할 수 있다.
또한, 일반식 Li(2-j)MSiO4(M은 Fe(II), Mn(II), Co(II), Ni(II) 중 하나 이상, 0≤j≤2) 등의 복합 재료를 사용할 수 있다. 일반식 Li(2-j)MSiO4의 대표적인 예로서는, 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)NikMnlSiO4(k+l은 1 이하, 0<k<1, 0<l<1), Li(2-j)FemNinCoqSiO4, Li(2-j)FemNinMnqSiO4, Li(2-j)NimConMnqSiO4(m+n+q는 1 이하, 0<m<1, 0<n<1, 0<q<1), Li(2-j)FerNisCotMnuSiO4(r+s+t+u는 1 이하, 0<r<1, 0<s<1, 0<t<1, 0<u<1) 등의 리튬 화합물을 재료로서 사용할 수 있다.
또한, AxM2(XO4)3(A=Li, Na, Mg, M=Fe, Mn, Ti, V, Nb, X=S, P, Mo, W, As, Si)의 일반식으로 나타내어지는 나시콘형 화합물을 사용할 수 있다. 나시콘형 화합물로서는, Fe2(MnO4)3, Fe2(SO4)3, Li3Fe2(PO4)3 등이 있다. 또한 양극 활물질로서, Li2MPO4F, Li2MP2O7, Li5MO4(M=Fe, Mn)의 일반식으로 나타내어지는 화합물을 사용할 수 있다.
또한, 양극 활물질로서, NaFeF3, FeF3 등의 페로브스카이트형 플루오린화물, TiS2, MoS2 등의 금속 칼코게나이드(황화물, 셀레늄화물, 텔루륨화물), LiMVO4 등의 역스피넬형 결정 구성을 가지는 산화물, 바나듐 산화물계(V2O5, V6O13, LiV3O8 등), 망가니즈 산화물, 유기 황 화합물 등의 재료를 사용할 수 있다.
또한, 양극 활물질로서, 일반식 LiMBO3(M은 Fe(II), Mn(II), Co(II) 중 하나 이상)으로 나타내어지는 붕산염계 양극 재료를 사용할 수 있다.
소듐을 가지는 재료로서 예를 들어, NaFeO2나, Na2 / 3[Fe1/2Mn1/2]O2, Na2/3[Ni1/3Mn2/3]O2, Na2Fe2(SO4)3, Na3V2(PO4)3, Na2FePO4F, NaVPO4F, NaMPO4(M은 Fe(II), Mn(II), Co(II), Ni(II)), Na2FePO4F, Na4Co3(PO4)2P2O7 등의 소듐 함유 산화물을 양극 활물질로서 사용할 수 있다.
또한, 양극 활물질로서, 리튬 함유 금속 황화물을 사용할 수 있다. 예를 들어, Li2TiS3, Li3NbS4 등을 들 수 있다.
본 실시형태는 다른 실시형태 및 실시예 등에 기재된 구성과 적절히 조합하여 실시할 수 있다.
(실시형태 7)
본 실시형태에서는, 이차 전지에 사용할 수 있는 재료 및 구성의 일례에 대하여 설명한다.
본 발명의 일 형태에 따른 이차 전지는 양극, 음극, 및 전해질을 가진다. 본 발명의 일 형태에 따른 이차 전지는 예를 들어 전해질을 가지는 전해액과, 양극과 음극 사이의 세퍼레이터를 가진다. 또는, 본 발명의 일 형태에 따른 이차 전지는 예를 들어 양극과 음극 사이의 고체 전해질을 가진다. 양극, 음극, 및 전해질은 외장체로 감싸이는 것이 바람직하다.
[양극]
양극은 양극 활물질층을 가진다. 양극 활물질층은 적어도 양극 활물질을 가지고, 양극 활물질에 더하여 활물질 표면의 피막, 도전 조제, 또는 바인더 등의 다른 물질을 포함하여도 좋다. 양극이 집전체를 가지고, 양극 활물질층이 이 집전체 위에 형성되어도 좋다.
도전 조제로서는 탄소 재료, 금속 재료, 또는 도전성 세라믹 재료 등을 사용할 수 있다. 또한 도전 조제로서 섬유상 재료를 사용하여도 좋다. 활물질층의 총량에 대한 도전 조제의 함유량은 1wt% 이상 10wt% 이하가 바람직하고, 1wt% 이상 5wt% 이하가 더 바람직하다.
도전 조제로서는, 예를 들어 천연 흑연, 메소카본 마이크로비즈 등의 인조 흑연, 탄소 섬유 등을 사용할 수 있다. 탄소 섬유로서는 예를 들어 메소페이스 피치계 탄소 섬유, 등방성 피치계 탄소 섬유 등의 탄소 섬유를 사용할 수 있다. 또한 탄소 섬유로서 카본 나노 섬유나 카본 나노 튜브 등을 사용할 수 있다. 또한 도전 조제로서 예를 들어 카본 블랙(아세틸렌 블랙(AB) 등), 그래파이트(흑연) 입자, 그래핀, 풀러렌 등의 탄소 재료를 사용할 수 있다. 또한 예를 들어 구리, 니켈, 알루미늄, 은, 금 등의 금속 분말이나 금속 섬유, 도전성 세라믹 재료 등을 사용할 수 있다.
또한 도전 조제로서 그래핀 화합물을 사용하여도 좋다. 그래핀 화합물로서 예를 들어 그래핀, 멀티 그래핀, 또는 RGO를 사용하는 것이 특히 바람직하다. 여기서 RGO는 예를 들어 산화 그래핀(graphene oxide: GO)을 환원하여 얻어지는 화합물을 가리킨다.
바인더로서는 폴리스타이렌, 폴리아크릴산메틸, 폴리메타크릴산메틸(폴리메틸메타크릴레이트, PMMA), 폴리아크릴산 소듐, 폴리바이닐 알코올(PVA), 폴리에틸렌 옥사이드(PEO), 폴리프로필렌 옥사이드, 폴리이미드, 폴리염화 바이닐, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아이소뷰틸렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 나일론, 폴리플루오린화바이닐리덴(PVDF), 폴리아크릴로나이트릴(PAN), 에틸렌프로필렌다이엔 폴리머, 폴리아세트산바이닐, 나이트로셀룰로스 등의 재료를 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 바인더로서는 스타이렌 뷰타다이엔 고무(SBR), 스타이렌 아이소프렌 스타이렌 고무, 아크릴로나이트릴 뷰타다이엔 고무, 뷰타다이엔 고무, 에틸렌 프로필렌 다이엔 공중합체 등의 고무 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 또한 바인더로서 플루오린 고무를 사용할 수 있다. 또한 바인더로서 수용성 고분자를 사용하는 것이 바람직하다. 수용성 고분자로서는, 예를 들어 다당류 등을 사용할 수 있다. 다당류로서는, 카복시메틸셀룰로스(CMC), 메틸셀룰로스, 에틸셀룰로스, 하이드록시프로필셀룰로스, 다이아세틸셀룰로스, 재생 셀룰로스 등의 셀룰로스 유도체나 녹말 등을 사용할 수 있다. 이들 수용성 고분자를, 상술한 고무 재료와 아울러 사용하면 더 바람직하다.
바인더에는 상기 재료 중에서 복수를 조합하여 사용하여도 좋다.
집전체에는 스테인리스, 금, 백금, 알루미늄, 타이타늄 등의 금속, 및 이들의 합금 등 도전성이 높은 재료를 사용할 수 있다. 또한 실리콘, 타이타늄, 네오디뮴, 스칸듐, 몰리브데넘 등의 내열성을 향상시키는 원소가 첨가된 알루미늄 합금을 사용할 수 있다. 또한 실리콘과 반응하여 실리사이드를 형성하는 금속 원소를 사용하여도 좋다. 실리콘과 반응하여 실리사이드를 형성하는 금속 원소로서는, 지르코늄, 타이타늄, 하프늄, 바나듐, 나이오븀, 탄탈럼, 크로뮴, 몰리브데넘, 텅스텐, 코발트, 니켈 등이 있다. 집전체는 박 형상, 판 형상(시트 형상), 그물 형상, 펀칭 메탈 형상, 강망(expanded-metal) 형상 등의 형상을 적절히 사용할 수 있다. 집전체는 두께가 5μm 이상 30μm 이하인 것을 사용하면 좋다.
[음극]
음극은 음극 활물질층을 가진다. 음극 활물질층은 도전 조제 및 바인더를 가져도 좋다. 음극이 집전체를 가지고, 음극 활물질층이 이 집전체 위에 형성되어도 좋다.
음극 활물질층이 가질 수 있는 도전 조제 및 바인더로서는 양극 활물질층이 가질 수 있는 도전 조제 및 바인더와 같은 재료를 사용할 수 있다.
음극 집전체로서, 구리, 타이타늄 등의 금속, 및 이들의 합금 등의 재료를 사용할 수 있다. 또한 음극 집전체에는, 리튬 등의 캐리어 이온과 합금화되지 않는 재료를 사용하는 것이 바람직하다.
<음극 활물질>
음극 활물질로서는 예를 들어 합금계 재료나 탄소계 재료 등을 사용할 수 있다.
음극 활물질로서, 리튬과의 합금화·탈합금화 반응에 의한 충방전 반응이 가능한 원소를 사용할 수 있다. 예를 들어, 실리콘, 주석, 갈륨, 알루미늄, 저마늄, 납, 안티모니, 비스무트, 은, 아연, 카드뮴, 및 인듐 등 중 적어도 하나를 포함하는 재료를 사용할 수 있다. 이들 원소를 가지는 화합물을 사용하여도 좋다. 예를 들어, SiO, Mg2Si, Mg2Ge, SnO, SnO2, Mg2Sn, SnS2, V2Sn3, FeSn2, CoSn2, Ni3Sn2, Cu6Sn5, Ag3Sn, Ag3Sb, Ni2MnSb, CeSb3, LaSn3, La3Co2Sn7, CoSb3, InSb, SbSn 등이 있다.
본 명세서 등에서 SiO는 예를 들어 일산화 실리콘을 가리킨다. 또는, SiO는 SiOx라고 나타낼 수도 있다. 여기서 x는 1 근방의 값을 가지는 것이 바람직하다. 예를 들어, x는 0.2 이상 1.5 이하인 것이 바람직하고, 0.3 이상 1.2 이하인 것이 더 바람직하다.
탄소계 재료로서는 흑연, 이흑연화성 탄소(소프트 카본), 난흑연화성 탄소(하드 카본), 카본 나노 튜브, 그래핀, 카본 블랙 등을 사용하면 좋다.
흑연으로서는 인조 흑연이나 천연 흑연 등을 들 수 있다. 인조 흑연으로서는 예를 들어 메소카본 마이크로비즈(MCMB), 코크스계 인조 흑연, 피치계 인조 흑연 등을 들 수 있다. 천연 흑연으로서는 예를 들어 인편상 흑연(flake graphite), 구상화 천연 흑연 등을 들 수 있다.
또한 음극 활물질로서, 이산화 타이타늄(TiO2), 리튬 타이타늄 산화물(Li4Ti5O12), 리튬-흑연 층간 화합물(LixC6), 오산화 나이오븀(Nb2O5), 산화 텅스텐(WO2), 산화 몰리브데넘(MoO2) 등의 산화물을 사용할 수 있다.
또한 컨버전(conversion) 반응이 일어나는 재료를 음극 활물질로서 사용할 수도 있다. 예를 들어 산화 코발트(CoO), 산화 니켈(NiO), 산화 철(FeO) 등, 리튬과 합금화되지 않는 전이 금속 산화물을 음극 활물질에 사용하여도 좋다. 컨버전 반응이 일어나는 재료로서는, Fe2O3, CuO, Cu2O, RuO2, Cr2O3 등의 산화물, CoS0 .89, NiS, CuS 등의 황화물, Zn3N2, Cu3N, Ge3N4 등의 질화물, NiP2, FeP2, CoP3 등의 인화물, FeF3, BiF3 등의 플루오린화물도 있다.
[전해액]
전해액은 용매와 전해질을 가진다. 전해액의 용매로서는 비양성자성 유기 용매가 바람직하고, 예를 들어, 에틸렌카보네이트(EC), 프로필렌카보네이트(PC), 뷰틸렌카보네이트, 클로로에틸렌카보네이트, 바이닐렌카보네이트, 벵뼁-뷰티로락톤, 벵뼁-발레로락톤, 다이메틸카보네이트(DMC), 다이에틸카보네이트(DEC), 에틸메틸카보네이트(EMC), 폼산메틸, 아세트산메틸, 아세트산에틸, 프로피온산메틸, 프로피온산에틸, 프로피온산프로필, 뷰티르산메틸, 1,3-다이옥세인, 1,4-다이옥세인, 다이메톡시에테인(DME), 다이메틸설폭사이드, 다이에틸에터, 메틸다이글라임, 아세토나이트릴, 벤조나이트릴, 테트라하이드로퓨란, 설폴레인, 설톤 등 중에서 1종류, 또는 이들 중 2종류 이상을 임의의 조합 및 비율로 사용할 수 있다.
또한 전해액의 용매로서, 난연성 및 난휘발성인 이온성 액체(상온 용융염)를 하나 또는 복수 사용함으로써, 이차 전지의 내부 단락이나 과충전 등으로 인하여 내부 온도가 상승하여도, 이차 전지의 파열이나 발화 등을 방지할 수 있다. 이온성 액체는 양이온 및 음이온으로 이루어지며, 유기 양이온과 음이온을 포함한다. 전해액에 사용하는 유기 양이온으로서, 4급 암모늄 양이온, 3급 설포늄 양이온, 및 4급 포스포늄 양이온 등의 지방족 오늄 양이온이나, 이미다졸륨 양이온 및 피리디늄 양이온 등의 방향족 양이온을 들 수 있다. 또한 전해액에 사용하는 음이온으로서, 1가 아마이드계 음이온, 1가 메티드계 음이온, 플루오로설폰산 음이온, 퍼플루오로알킬설폰산 음이온, 테트라플루오로보레이트 음이온, 퍼플루오로알킬보레이트 음이온, 헥사플루오로포스페이트 음이온, 또는 퍼플루오로알킬포스페이트 음이온 등을 들 수 있다.
또한 상기 용매에 용해시키는 전해질로서는, 예를 들어, LiPF6, LiClO4, LiAsF6, LiBF4, LiAlCl4, LiSCN, LiBr, LiI, Li2SO4, Li2B10Cl10, Li2B12Cl12, LiCF3SO3, LiC4F9SO3, LiC(CF3SO2)3, LiC(C2F5SO2)3, LiN(CF3SO2)2, LiN(C4F9SO2)(CF3SO2), LiN(C2F5SO2)2 등의 리튬염을 1종류, 또는 이들 중 2종류 이상을 임의의 조합 및 비율로 사용할 수 있다.
또한 전해액에 바이닐렌카보네이트, 프로페인설톤(PS), tert-뷰틸벤젠(TBB), 플루오로에틸렌카보네이트(FEC), 리튬비스(옥살레이트)보레이트(LiBOB), 또한 숙시노나이트릴, 아디포나이트릴 등의 다이나이트릴 화합물 등의 첨가제를 첨가하여도 좋다. 첨가하는 재료의 농도는, 예를 들어 용매 전체에 대하여 0.1wt% 이상 5wt% 이하로 하면 좋다.
또한 폴리머를 전해액으로 팽윤시킨 폴리머 겔 전해질을 사용하여도 좋다. 폴리머 겔 전해질을 사용함으로써, 누액성 등에 대한 안전성이 높아진다. 또한 이차 전지의 박형화 및 경량화가 가능하다. 겔화된 폴리머로서는, 실리콘(silicone) 겔, 아크릴 겔, 아크릴로나이트릴 겔, 폴리에틸렌옥사이드계 겔, 폴리프로필렌옥사이드계 겔, 플루오린계 폴리머의 겔 등을 사용할 수 있다. 또한 폴리머로서는 예를 들어 폴리에틸렌옥사이드(PEO) 등의 폴리알킬렌옥사이드 구조를 가지는 폴리머, PVDF, 및 폴리아크릴로나이트릴 등, 및 이들을 포함하는 공중합체 등을 사용할 수 있다. 예를 들어, PVDF와 헥사플루오로프로필렌(HFP)의 공중합체인 PVDF-HFP를 사용할 수 있다. 또한 형성되는 폴리머는 다공질 형상을 가져도 좋다.
또한, 전해액 대신에 황화물계 고체 전해질, 산화물계 고체 전해질, 할로젠화물계 고체 전해질 등을 사용할 수 있다. 또는 PEO(폴리에틸렌 옥사이드)계 등의 고분자 재료를 가지는 고체 전해질을 사용할 수 있다. 고체 전해질을 사용하는 경우에는, 세퍼레이터나 스페이서의 설치가 불필요하다. 또한 전지 전체를 고체화할 수 있기 때문에, 누액될 우려가 없어져 안전성이 비약적으로 향상된다.
황화물계 고체 전해질에는 싸이오 실리콘계(Li10GeP2S12, Li3 . 25Ge0 .25P0. 75S4 등), 황화물 유리(70Li2S·30P2S5, 30Li2S·26B2S3·44LiI, 63Li2S·38SiS2·1Li3PO4, 57Li2S·38SiS2·5Li4SiO4, 50Li2S·50GeS2 등), 황화물 결정화 유리(Li7P3S11, Li3 .25P0. 95S4 등)가 포함된다. 황화물계 고체 전해질은 높은 전도도를 가지는 재료가 있는 점, 낮은 온도에서 합성할 수 있는 점, 또한 비교적 부드럽기 때문에 충방전을 거쳐도 도전 경로가 유지되기 쉽다는 점 등의 이점이 있다.
산화물계 고체 전해질에는 페로브스카이트형 결정 구조를 가지는 재료(La2 /3-xLi3xTiO3 등), NASICON형 결정 구조를 가지는 재료(Li1 - XAlXTi2 -X(PO4)3 등), 가닛형 결정 구조를 가지는 재료(Li7La3Zr2O12 등), LISICON형 결정 구조를 가지는 재료(Li14ZnGe4O16 등), LLZO(Li7La3Zr2O12), 산화물 유리(Li3PO4-Li4SiO4, 50Li4SiO4·50Li3BO3 등), 산화물 결정화 유리(Li1 . 07Al0 . 69Ti1 .46(PO4)3, Li1 . 5Al0 . 5Ge1 .5(PO4)3 등)가 포함된다. 산화물계 고체 전해질은 대기 중에서 안정적이라는 이점이 있다.
할로젠화물계 고체 전해질에는 LiAlCl4, Li3InBr6, LiF, LiCl, LiBr, LiI 등이 포함된다. 또한 이들 할로젠화물계 고체 전해질을 다공성 알루미나나 다공성 실리카의 세공에 충전(充塡)한 복합 재료도 고체 전해질로서 사용할 수 있다.
또한 다른 고체 전해질을 혼합하여 사용하여도 좋다.
그 중에서도 NASICON형 결정 구조를 가지는 Li1 + xAlxTi2 -x(PO4)3(0<x<1)(이하 LATP)는, 알루미늄과 타이타늄이라는, 본 발명의 일 형태에 따른 이차 전지(300)에 사용하는 양극 활물질이 가져도 좋은 원소를 포함하기 때문에, 사이클 특성 향상에 대한 시너지 효과를 기대할 수 있어 바람직하다. 또한 공정 삭감에 의한 생산성 향상도 기대할 수 있다. 또한 본 명세서 등에서 NASICON형 결정 구조란 M2(XO4)3(M: 전이 금속, X: S, P, As, Mo, W 등)으로 나타내어지는 화합물이며, MO6 팔면체와 XO4 사면체가 정점을 공유하여 3차원적으로 배열된 구조를 가지는 것을 말한다.
[세퍼레이터]
또한 이차 전지는, 세퍼레이터를 가지는 것이 바람직하다. 세퍼레이터로서는, 예를 들어 종이, 부직포, 유리 섬유, 세라믹, 또는 나일론(폴리아마이드), 바이닐론(폴리바이닐 알코올계 섬유), 폴리에스터, 아크릴, 폴리올레핀, 폴리우레탄을 사용한 합성 섬유 등으로 형성된 것을 사용할 수 있다. 세퍼레이터는 봉투 형상으로 가공하고, 양극 및 음극 중 어느 한쪽을 감싸도록 배치하는 것이 바람직하다.
세퍼레이터는 다층 구조이어도 좋다. 예를 들어, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 등의 유기 재료 필름에, 세라믹계 재료, 플루오린계 재료, 폴리아마이드계 재료, 또는 이들을 혼합한 것 등을 코팅할 수 있다. 세라믹계 재료로서는, 예를 들어 산화 알루미늄 입자, 산화 실리콘 입자 등을 사용할 수 있다. 플루오린계 재료로서는, 예를 들어 PVDF, 폴리테트라플루오로에틸렌 등을 사용할 수 있다. 폴리아마이드계 재료로서는, 예를 들어 나일론, 아라미드(메타계 아라미드, 파라계 아라미드) 등을 사용할 수 있다.
[외장체]
이차 전지가 가지는 외장체로서는, 예를 들어 알루미늄 등의 금속 재료나 수지 재료를 사용할 수 있다. 또한 필름 형상의 외장체를 사용할 수도 있다. 필름으로서는, 예를 들어 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리카보네이트, 이오노머, 폴리아마이드 등의 재료로 이루어지는 막 위에, 알루미늄, 스테인리스, 구리, 니켈 등의 가요성이 우수한 금속 박막을 제공하고, 또한 상기 금속 박막 위에 외장체의 외면으로서 폴리아마이드계 수지, 폴리에스터계 수지 등의 절연성 합성 수지막을 제공한 3층 구조의 필름을 사용할 수 있다.
[이차 전지의 구성예]
아래에서 이차 전지의 구성의 일례로서 고체 전해질층을 사용한 이차 전지의 구성에 대하여 설명한다.
도 26의 (A)에 도시된 이차 전지(700)에서는 양극(710), 고체 전해질층(720) 및 음극(730)의 조합이 적층된다. 복수의 양극(710), 고체 전해질층(720), 및 음극(730)을 적층함으로써 이차 전지의 전압을 높게 할 수 있다. 도 26의 (A)는 양극(710), 고체 전해질층(720), 및 음극(730)의 조합을 4층 적층한 경우의 개략도이다.
또한 본 발명의 일 형태에 따른 이차 전지(700)는 박막형 전고체 전지이어도 좋다. 박막형 전고체 전지는 기상법(진공 증착법, 펄스 레이저 퇴적법, 에어로졸 데포지션법, 스퍼터링법)을 사용하여 양극, 고체 전해질, 음극, 배선 전극 등을 성막하여 제작할 수 있다. 예를 들어 도 26의 (B)와 같이 기판(740) 위에 배선 전극(741) 및 배선 전극(742)을 형성한 후, 배선 전극(741) 위에 양극(710)을 형성하고, 양극(710) 위에 고체 전해질층(720)을 형성하고, 고체 전해질층(720) 및 배선 전극(742) 위에 음극(730)을 형성함으로써 이차 전지(700)를 제작할 수 있다. 기판(740)으로서는 세라믹 기판, 유리 기판, 플라스틱 기판, 금속 기판 등을 사용할 수 있다.
고체 전해질층(720)이 가지는 고체 전해질로서는, 상술한 고체 전해질을 사용할 수 있다.
본 실시형태는 다른 실시형태 및 실시예 등에 기재된 구성과 적절히 조합하여 실시할 수 있다.
(실시형태 8)
본 실시형태에서는 본 발명의 일 형태에 따른 반도체 장치를 적용할 수 있는 전자 기기에 대하여 설명한다.
본 발명의 일 형태에 따른 반도체 장치는 다양한 전자 기기에 탑재할 수 있다. 전자 기기의 예로서는, 텔레비전 장치, 데스크톱형 또는 노트북형 퍼스널 컴퓨터, 컴퓨터용 등의 모니터, 디지털 사이니지(Digital Signage: 전자 간판), 파칭코기 등의 대형 게임기 등 비교적 큰 화면을 가지는 전자 기기 외에, 디지털 카메라, 디지털 비디오 카메라, 디지털 액자, 휴대 전화기, 휴대용 게임기, 휴대 정보 단말기, 음향 재생 장치 등을 들 수 있다. 또한 자동차, 이륜차, 선박, 및 항공기 등의 이동체도 전자 기기라고 할 수 있다. 본 발명의 일 형태에 따른 반도체 장치는 이들의 전자 기기에 내장되는 배터리의 충방전 제어 장치 등에 사용할 수 있다.
전자 기기는 안테나를 가져도 좋다. 안테나로 신호를 수신함으로써, 표시부에서 영상이나 정보 등을 표시할 수 있다. 또한 전자 기기가 안테나 및 이차 전지를 포함하는 경우, 안테나를 비접촉 전력 전송에 사용하여도 좋다.
전자 기기는 센서(힘, 변위, 위치, 속도, 가속도, 각속도, 회전수, 거리, 광, 액체, 자기, 온도, 화학 물질, 음성, 시간, 경도(硬度), 전기장, 전류, 전압, 전력, 방사선, 유량, 습도, 경사도, 진동, 냄새, 또는 적외선을 측정하는 기능을 포함하는 것) 등을 가져도 좋다.
전자 기기는 다양한 기능을 가질 수 있다. 예를 들어, 다양한 정보(정지 화상, 동영상, 텍스트 화상 등)를 표시부에 표시하는 기능, 터치 패널 기능, 달력, 날짜, 또는 시각 등을 표시하는 기능, 다양한 소프트웨어(프로그램)를 실행하는 기능, 무선 통신 기능, 기록 매체에 기록되는 프로그램 또는 데이터를 판독하는 기능 등을 가질 수 있다.
본 발명의 일 형태에 따른 반도체 장치를 가지는 전자 기기의 예에 대하여 도면을 사용하여 설명한다.
도 27의 (A)에 손목시계형 휴대 정보 단말기의 일례와 송전 장치의 일례를 나타내었다. 휴대 정보 단말기(6100)는 하우징(6101), 표시부(6102), 밴드(6103), 조작 버튼(6105) 등을 가진다. 송전 장치(6200)는 하우징(6201), 전원 케이블(6202), 송전 안테나(6203), 구동 회로(6204) 등을 가진다. 구동 회로(6204)는 송전 제어 회로, 정합 회로, 전력 방사 회로 등을 가져도 좋다. 또한, 휴대 정보 단말기(6100)는 그 내부에 이차 전지 및 수전 장치를 가진다. 수전 장치는 송전 장치(6200)로부터 방사된 전력을 받고, 이차 전지에 충전하는 기능을 가진다. 수전 장치는 예를 들어 상기 실시형태에 예시된 수전 장치이어도 좋다.
또한, 도 27의 (B)에 나타낸 바와 같이, 휴대 정보 단말기(6100)와 송전 장치(6200)를 겹침으로써, 휴대 정보 단말기(6100)에 전력을 효율적으로 공급할 수 있다. 휴대 정보 단말기(6100)는 포함된 이차 전지가 만충전이 되면, 전력 방사를 정지하는 신호를 송전 장치(6200)에 송신하는 기능을 가진다.
휴대 정보 단말기(6100)는 Wi-Fi(등록 상표), Bluetooth(등록 상표) 등의 근거리 통신 수단 외에, LTE 등의 3세대 이동 통신 시스템에 준거한 통신 수단, 4세대 이동 통신 시스템(4G)에 준거한 통신 수단, 또는 5세대 이동 통신 시스템(5G)에 준거한 통신 수단 등 다양한 통신 수단을 가질 수 있다.
도 28의 (A)는 휴대 전화기의 일례를 나타낸 것이다. 휴대 전화기(6300)는 하우징(6301)에 제공된 표시부(6302) 외에 조작 버튼(6303), 스피커(6304), 마이크로폰(6305) 등을 가진다.
또한, 휴대 전화기(6300)는 표시부(6302)와 중첩되는 영역에 지문 센서(6310)를 가진다. 지문 센서(6310)는 유기 광 센서이어도 좋다. 도 28의 (A)에 지문(FP)의 일례를 나타내었다. 지문은 사람마다 다르기 때문에 지문 센서(6310)로 지문 패턴을 취득하고, 개인 인증을 수행할 수 있다. 지문 센서(6310)로 지문 패턴을 취득하기 위한 광원으로서, 표시부(6302)가 발한 광을 사용할 수 있다.
또한, 휴대 전화기(6300)는 그 내부에 이차 전지 및 상기 실시형태에 나타낸 수전 장치를 가진다. 수전 장치는 송전 장치(6200)로부터 방사된 전력을 받고, 이차 전지에 충전하는 기능을 가진다.
또한, 도 28의 (B)에 나타낸 바와 같이, 휴대 전화기(6300)와 송전 장치(6200)를 겹침으로써, 전력을 효율적으로 휴대 전화기(6300)에 공급할 수 있다. 휴대 전화기(6300)는 포함된 이차 전지가 만충전이 되면, 전력 방사를 정지하는 신호를 송전 장치(6200)에 송신하는 기능을 가진다.
휴대 전화기(6300)는 Wi-Fi(등록 상표), Bluetooth(등록 상표) 등의 근거리 통신 수단 외에, LTE 등의 3세대 이동 통신 시스템에 준거한 통신 수단, 4세대 이동 통신 시스템(4G)에 준거한 통신 수단, 또는 5세대 이동 통신 시스템(5G)에 준거한 통신 수단 등 다양한 통신 수단을 가질 수 있다.
또한, 도 27의 (A)에 나타낸 표시부(6102), 및 도 28의 (A)에 나타낸 표시부(6302)에는 발광 소자 등을 사용할 수 있다. 발광 소자로서는, LED(Light Emitting Diode), OLED(Organic LED), QLED(Quantum-dot LED), 반도체 레이저 등의 자발광성 발광 소자를 들 수 있다. 또한 표시부(6102) 및 표시부(6302)에 사용하는 표시 소자로서는 투과형 액정 소자, 반사형 액정 소자, 반투과형 액정 소자 등의 액정 소자를 사용할 수도 있다. 또한 셔터 방식 또는 광 간섭 방식의 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 소자나, 마이크로캡슐 방식, 전기 영동 방식, 일렉트로 웨팅 방식, 또는 전자 분류체(電子粉流體, Electronic Liquid Powder)(등록 상표) 방식 등을 적용한 표시 소자 등을 사용할 수도 있다.
또한, 본 발명의 일 형태에 있어서는, 특히 유기 EL 소자를 표시부(6102) 및 표시부(6302)에 사용하면 적합하다. 유기 EL 소자를 사용함으로써, 가요성 기판 위에 표시부(6102) 및 표시부(6302)를 제공할 수 있다. 휴대 정보 단말기(6100) 및 휴대 전화기(6300)에 가요성을 가지는 표시부를 적용함으로써, 중량이 가볍고 또한 표시부의 파손이 경감된 휴대 정보 단말기 및 휴대 전화기를 제공할 수 있다.
도 29에 도시된 로봇(7100)은 조도 센서, 마이크로폰, 카메라, 스피커, 디스플레이, 각종 센서(적외선 센서, 초음파 센서, 가속도 센서, 피에조 센서, 광 센서, 자이로 센서 등), 및 이동 기구 등을 가진다.
마이크로폰은 사용자의 음성 및 환경 소리 등의 음향 신호를 검지하는 기능을 가진다. 또한 스피커는 음성 및 경고음 등의 오디오 신호를 출력하는 기능을 가진다. 로봇(7100)은 마이크로폰을 통하여 입력된 오디오 신호를 해석하고, 필요한 오디오 신호를 스피커로부터 출력할 수 있다. 로봇(7100)은 마이크로폰 및 스피커를 사용하여, 사용자와 의사소통을 할 수 있다.
카메라는 로봇(7100)의 주위를 촬상하는 기능을 가진다. 또한 로봇(7100)은 이동 기구를 사용하여 이동하는 기능을 가진다. 로봇(7100)은 카메라를 사용하여 주위의 화상을 촬상하고, 화상을 해석하여 이동할 때의 장애물의 유무 등을 감지할 수 있다. 로봇(7100)의 이차 전지(배터리)에 본 발명의 일 형태에 따른 반도체 장치를 사용함으로써 충전 동작 시의 과전압을 검지할 수 있다. 따라서 로봇(7100)의 신뢰성 및 안전성을 향상시킬 수 있다.
비행체(7120)는 프로펠러, 카메라, 및 배터리 등을 가지고, 자율적으로 비행하는 기능을 가진다.
예를 들어 카메라로 촬영된 화상 데이터는 전자 부품(7121)에 기억된다. 전자 부품(7122)은 화상 데이터를 해석하여, 이동할 때의 장애물의 유무 등을 검지할 수 있다. 또한 전자 부품(7122)에 의하여 배터리의 축전 용량의 변화로부터, 배터리 잔량을 추정할 수 있다. 비행체(7120)의 배터리에 본 발명의 일 형태에 따른 반도체 장치를 사용함으로써 충전 동작 시의 과전압을 검지할 수 있다. 따라서 비행체(7120)의 신뢰성 및 안전성을 향상시킬 수 있다.
로봇 청소기(7140)는 상면에 배치된 디스플레이, 측면에 배치된 복수의 카메라, 브러시, 조작 버튼, 각종 센서 등을 가진다. 도시하지 않았지만, 로봇 청소기(7140)에는 타이어, 흡입구 등이 구비되어 있다. 로봇 청소기(7140)는 자율적으로 주행하고, 먼지를 검지하고, 하면에 제공된 흡입구로부터 먼지를 흡입할 수 있다.
예를 들어 로봇 청소기(7140)는 카메라가 촬영한 화상을 해석하여 벽, 가구, 또는 단차 등의 장애물의 유무를 판단할 수 있다. 또한 화상 해석에 의하여, 배선 등 브러시에 얽히기 쉬운 물체를 검지한 경우에는 브러시의 회전을 멈출 수 있다. 로봇 청소기(7140)의 배터리에 본 발명의 일 형태에 따른 반도체 장치를 사용함으로써 충전 동작 시의 과전압을 검지할 수 있다. 따라서 로봇 청소기(7140)의 신뢰성 및 안전성을 향상시킬 수 있다.
이동체의 일례로서 전기 자동차(7160)를 나타내었다. 전기 자동차(7160)는 엔진, 타이어, 브레이크, 조타 장치, 카메라 등을 가진다. 전기 자동차(7160)의 배터리에 본 발명의 일 형태에 따른 반도체 장치를 사용함으로써 충전 동작 시 또는 방전 동작 시의 과전압을 검지할 수 있다. 따라서 전기 자동차(7160)의 신뢰성 및 안전성을 향상시킬 수 있다.
또한 위에서는 이동체의 일례로서 전기 자동차에 대하여 설명하였지만, 이동체는 전기 자동차에 한정되지 않는다. 예를 들어 이동체로서는 전철, 모노레일, 선박, 비행체(헬리콥터, 무인 항공기(드론), 비행기, 로켓) 등을 들 수도 있고, 이들 이동체의 배터리에 본 발명의 일 형태에 따른 반도체 장치를 사용함으로써 충전 동작 시의 과전압을 검지할 수 있다. 따라서 이들 이동체의 신뢰성 및 안전성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 형태의 반도체 장치를 가진 배터리는 TV 장치(7200)(텔레비전 수상 장치), 스마트폰(7210), PC(퍼스널 컴퓨터)(7220), PC(7230), 게임기(7240), 게임기(7260) 등에 제공될 수 있다.
스마트폰(7210)은 휴대 정보 단말기의 일례이다. 스마트폰(7210)은 마이크로폰, 카메라, 스피커, 각종 센서, 및 표시부를 가진다.
PC(7220), PC(7230)는 각각 노트북형 PC, 거치형 PC의 예이다. PC(7230)에는 키보드(7232) 및 모니터 장치(7233)를 무선 또는 유선으로 접속할 수 있다. 게임기(7240)는 휴대용 게임기의 일례이다. 게임기(7260)는 거치형 게임기의 예이다. 게임기(7260)에는 무선 또는 유선으로 컨트롤러(7262)가 접속되어 있다.
본 발명의 일 형태에 따른 반도체 장치를 전자 기기에 제공함으로써 소비 전력을 저감할 수 있다.
본 실시형태는 다른 실시형태 및 실시예 등에 기재된 구성과 적절히 조합하여 실시할 수 있다.
(실시예)
도 9에 기재된 전압 검지 회로(100TA)의 회로 동작을 회로 시뮬레이터로 검증하였다. 회로 시뮬레이터는 SILVACO사제 SmartSpice를 사용하였다.
검증 조건으로서, 트랜지스터(M1 내지 M6)의 채널 길이를 0.36μm, 채널 폭을 0.36μm, 문턱 전압을 0.83V로 하였다. 또한, 용량 소자(C1) 및 용량 소자(C2)의 용량값을 각각 1pF로 하였다. 또한, 노드(ND1) 내지 노드(ND4)에 발생되는 기생 용량의 용량값을 1fF로 하였다. 또한, 단자(111)에 0V, 단자(114)에 1.5V, 단자(115)에 1V의 전압이 공급되는 것으로 하였다.
또한, 콤퍼레이터(101)는 비반전 입력의 전압이 반전 입력의 전압 이하인 경우에 0V를 출력하고, 비반전 입력의 전압이 반전 입력의 전압을 초과한 경우에 1V를 출력하는 것으로 하였다.
단자(112)의 전압이 3.5V에서 4.5V까지 변화될 때의, 단자(G1) 내지 단자(G6), 노드(ND1) 내지 노드(ND4), 단자(112), 및 단자(113)의 전압 변화를 회로 시뮬레이터로 계산하였다. 계산 결과를 도 30의 (A) 내지 (D) 및 도 31의 (A) 내지 (C)에 나타내었다. 또한, 계산에 사용한 단자(112)의 전위 변화를 도 31의 (D)에 나타내었다. 도 30의 (A) 내지 (D) 및 도 31의 (A) 내지 (D)의 세로축은 전압(Voltage)을 나타내고, 가로축은 시간(Time)을 나타낸다.
도 30의 (A)는 단자(G1), 단자(G2), 단자(G4), 및 단자(G5)의 계산 결과이다. 도 30의 (B)는 단자(G3) 및 단자(G6)의 계산 결과이다. 도 30의 (C)는 노드(ND1)의 계산 결과이다. 도 30의 (D)는 노드(ND2)의 계산 결과이다. 도 31의 (A)는 노드(ND3)의 계산 결과이다. 도 31의 (B)는 노드(ND4)의 계산 결과이다. 도 31의 (C)는 단자(113)의 계산 결과이다.
본 실시예에서는, 시각이 0초에서 20μ초가 경과할 때까지, 단자(G1), 단자(G2), 단자(G4), 및 단자(G5)에 10V를 공급하고, 단자(G3) 및 단자(G6)에 0V를 공급하였다. 이 기간에서는 트랜지스터(M1), 트랜지스터(M2), 트랜지스터(M4), 및 트랜지스터(M5)가 온 상태가 되고, 트랜지스터(M3) 및 트랜지스터(M6)가 오프 상태가 된다. 따라서, 노드(ND1)는 0V, 노드(ND2)는 1.5V, 노드(ND3)는 0V, 노드(ND4)가 1.5V가 된다.
20μ초가 경과한 후에는 단자(G1), 단자(G2), 단자(G4), 및 단자(G5)에 0V를 공급하고, 단자(G3) 및 단자(G6)에 10V를 공급하였다. 따라서, 20μ초가 경과한 후에는 트랜지스터(M1), 트랜지스터(M2), 트랜지스터(M4), 및 트랜지스터(M5)가 오프 상태가 되고, 트랜지스터(M3) 및 트랜지스터(M6)가 온 상태가 된다. 또한, 20μ초가 경과한 후의 노드(ND1) 내지 노드(ND4)의 전압은 단자(112)의 전위 변화에 따라 변화한다.
도 31의 (C) 및 (D)로부터, 단자(113)의 전압은 단자(112)의 전압이 4V 이하일 때 0V이고, 단자(112)의 전압이 4V를 초과하면 1V로 변화된다는 것을 알 수 있다. 회로 시뮬레이터를 사용함으로써, 전압 검지 회로(100TA)가 정상적으로 동작하는 것을 확인할 수 있었다.
100: 전압 검지 회로, 101: 콤퍼레이터, 111: 단자, 112: 단자, 113: 단자, 114: 단자, 115: 단자, 201: 단자, 202: 단자, 300: 이차 전지

Claims (11)

  1. 반도체 장치로서,
    제 1 스위치 내지 제 3 스위치와, 제 1 용량 소자와, 콤퍼레이터를 가지고,
    상기 제 1 스위치의 한쪽 단자는 제 1 단자와 전기적으로 접속되고,
    상기 제 1 스위치의 다른 쪽 단자는 상기 콤퍼레이터의 비반전 입력과 전기적으로 접속되고,
    상기 제 2 스위치의 한쪽 단자는 제 2 단자와 전기적으로 접속되고,
    상기 제 2 스위치의 다른 쪽 단자는 상기 제 3 스위치의 한쪽 단자와 전기적으로 접속되고,
    상기 제 3 스위치의 다른 쪽 단자는 제 3 단자와 전기적으로 접속되고,
    상기 제 1 용량 소자는,
    상기 제 1 스위치의 다른 쪽 단자와, 상기 제 3 스위치의 한쪽 단자 사이에 제공되고,
    상기 콤퍼레이터의 반전 입력은 제 4 단자와 전기적으로 접속되고,
    상기 콤퍼레이터의 출력은 제 5 단자와 전기적으로 접속되는, 반도체 장치.
  2. 전지 팩으로서,
    가요성 기판에 제공된 제 1 항에 기재된 반도체 장치와,
    이차 전지를 가지고,
    상기 이차 전지의 음극은 상기 제 1 단자와 전기적으로 접속되고,
    상기 이차 전지의 양극은 상기 제 3 단자와 전기적으로 접속되는, 전지 팩.
  3. 전자 기기로서,
    제 2 항에 기재된 전지 팩과,
    수전 장치를 포함하는, 전자 기기.
  4. 반도체 장치로서,
    제 1 트랜지스터 내지 제 3 트랜지스터와,
    제 1 용량 소자와, 콤퍼레이터를 가지고,
    상기 제 1 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 한쪽은 제 1 단자와 전기적으로 접속되고,
    상기 제 1 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 상기 콤퍼레이터의 비반전 입력과 전기적으로 접속되고,
    상기 제 2 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 한쪽은 제 2 단자와 전기적으로 접속되고,
    상기 제 2 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 상기 제 3 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 한쪽과 전기적으로 접속되고,
    상기 제 3 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 제 3 단자와 전기적으로 접속되고,
    상기 제 1 용량 소자는,
    상기 제 1 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 다른 쪽과 상기 제 3 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 한쪽 사이에 제공되고,
    상기 콤퍼레이터의 반전 입력은 제 4 단자와 전기적으로 접속되고,
    상기 콤퍼레이터의 출력은 제 5 단자와 전기적으로 접속되는, 반도체 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 트랜지스터는 반도체층에 산화물 반도체를 포함하는, 반도체 장치.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 제 2 트랜지스터 및 상기 제 3 트랜지스터 중 적어도 한쪽은 반도체층에 산화물 반도체를 포함하는, 반도체 장치.
  7. 전지 팩으로서,
    가요성 기판에 제공된 제 4 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 기재된 반도체 장치와,
    이차 전지를 가지고,
    상기 이차 전지의 음극은 상기 제 1 단자와 전기적으로 접속되고,
    상기 이차 전지의 양극은 상기 제 3 단자와 전기적으로 접속되는, 전지 팩.
  8. 전자 기기로서,
    제 7 항에 기재된 전지 팩과, 수전 장치를 포함하는, 전자 기기.
  9. 반도체 장치로서,
    제 1 스위치 내지 제 6 스위치와, 제 1 용량 소자와, 제 2 용량 소자와, 콤퍼레이터를 가지고,
    상기 제 1 스위치의 한쪽 단자는 제 1 단자와 전기적으로 접속되고,
    상기 제 1 스위치의 다른 쪽 단자는 상기 제 6 스위치의 한쪽 단자와 전기적으로 접속되고,
    상기 제 2 스위치의 한쪽 단자는 제 2 단자와 전기적으로 접속되고,
    상기 제 2 스위치의 다른 쪽 단자는 상기 제 3 스위치의 한쪽 단자와 전기적으로 접속되고,
    상기 제 3 스위치의 다른 쪽 단자는 제 3 단자와 전기적으로 접속되고,
    상기 제 4 스위치의 한쪽 단자는 상기 제 1 단자와 전기적으로 접속되고,
    상기 제 4 스위치의 다른 쪽 단자는 상기 콤퍼레이터의 비반전 입력과 전기적으로 접속되고,
    상기 제 5 스위치의 한쪽 단자는 상기 제 2 단자와 전기적으로 접속되고,
    상기 제 5 스위치의 다른 쪽 단자는 상기 제 6 스위치의 다른 쪽 단자와 전기적으로 접속되고,
    상기 제 1 용량 소자는,
    상기 제 1 스위치의 다른 쪽 단자와 상기 제 3 스위치의 한쪽 단자 사이에 제공되고,
    상기 제 2 용량 소자는,
    상기 제 4 스위치의 다른 쪽 단자와 상기 제 5 스위치의 다른 쪽 단자 사이에 제공되고,
    상기 콤퍼레이터의 반전 입력은 제 4 단자와 전기적으로 접속되고,
    상기 콤퍼레이터의 출력은 제 5 단자와 전기적으로 접속되는, 반도체 장치.
  10. 전지 팩으로서,
    가요성 기판에 제공된 제 9 항에 기재된 반도체 장치와,
    이차 전지를 가지고,
    상기 이차 전지의 음극은 상기 제 1 단자와 전기적으로 접속되고,
    상기 이차 전지의 양극은 상기 제 3 단자와 전기적으로 접속되는, 전지 팩.
  11. 전자 기기로서,
    제 10 항에 기재된 전지 팩과, 수전 장치를 포함하는, 전자 기기.
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