JP6184155B2

JP6184155B2 - 電源回路

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Inventors: 小山　潤; 潤小山; 坂田　淳一郎; 淳一郎坂田
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Description

本発明は、トランジスタをスイッチとして用いる電源回路と、当該電源回路を用いた半導体装置に関する。

電源回路（電力変換回路とも呼ばれる）は、電池や商用電源などの電源から供給される電圧を、負荷の仕様に合わせて調整する機能を有する。例えば、商用電源から供給される電圧は、実効値が１００Ｖｒｍｓの交流電圧であるのに対し、一般的な電子機器で必要とされる電圧は、５Ｖや１２Ｖなどの比較的低い直流電圧であることが多い。この場合、電源から出力される電圧は、電源回路において整流及び降圧され、負荷に供給される。

一般的に、電源回路には、整流回路、平滑回路、コンバータなどの、電圧の調整を行う回路の他に、電源と負荷の電気的な接続を制御する機能を有した、トランジスタなどの半導体素子で構成されるスイッチが設けられている。半導体素子で構成される半導体スイッチは、機械的スイッチと異なり、信頼性が高く、寿命が長く、スイッチングが高速であるというメリットを有している。ただし、半導体スイッチを電源回路に設ける場合、トランジスタの動作を制御するための制御回路を電源回路内に設ける必要があり、電圧の調整を行う回路において調整された電圧は、負荷のみならず上記制御回路にも供給される。

下記の特許文献１には、システム制御回路が接続されている電子スイッチを介して、電池と、負荷である電子回路とが接続されている安定化電源装置について、記載されている。

特開平１１−００８９３３号公報

上記制御回路には、電源と負荷の電気的な接続を制御する半導体スイッチ（以下、単にスイッチと呼ぶ）が非導通状態にある場合でも、電源回路において調整された電圧が、供給されている必要がある。そのために、上記スイッチは、電圧の調整を行う回路と、電源との間ではなく、電圧の調整を行う回路と、負荷の間に設けられている。

しかし、スイッチを、電圧の調整を行う回路と、負荷の間に設けると、電源から出力される電圧は、電圧の調整を行う回路に常に与え続けられることとなる。そのため、電圧の調整を行う回路では、スイッチが非導通状態の場合、すなわち負荷への電圧の供給が行われていない場合でも、制御回路への電圧の供給を行うためだけに常に動作状態にあり、電力が消費されている。

特に、負荷の消費電力が大きい場合、電圧の調整を行う回路において、半導体素子の電流供給能力または耐圧性を向上させるために、半導体素子のサイズは大型化する傾向にある。そのため、電圧の調整を行う回路では、半導体素子や配線などが有する容量が必然的に大きくなり、電圧の調整を行う回路の動作時に上記容量の充放電により消費される電力が無視できないほど大きくなる。

上述したような技術的背景のもと、本発明の一態様は、消費電力を低く抑えることができる電源回路の提供を、課題の一つとする。また、本発明の一態様は、上記電源回路を用いた、消費電力を低く抑えることができる半導体装置の提供を、課題の一つとする。

本発明の一態様に係る電源回路では、電圧の調整を行う機能を有する回路（以下、電圧調整部とも呼ぶ）と、電源の間に、スイッチを設ける。そして、電圧調整部から与えられた電力を一時的に蓄える機能と、上記スイッチの動作状態を維持する機能とを、上記スイッチの動作を制御する制御回路に持たせる。

まず、電圧調整部から与えられた電力を一時的に蓄える機能について、説明する。本発明の一態様では、電圧調整部と電源の間にスイッチを設けるため、上記スイッチが非導通状態になると、電源から電圧調整部への電圧の供給が停止される。そのため、電圧調整部から制御回路への、電圧の供給も停止する。しかし、本発明の一態様では、電圧調整部から与えられた電力を、一時的に蓄える機能を有する蓄電装置を、制御回路に設けることで、電圧調整部から制御回路への、電圧の供給が停止している場合でも、蓄電装置から出力される電圧を用いて制御回路を動作させることができる。そして、本発明の一態様では、負荷への電力の供給が行われないとき、スイッチを非導通状態にして、電圧調整部への、電圧の供給を停止することができるので、電圧調整部が有する容量の充放電により電力が消費されるのを防ぐことができる。すなわち、本発明の一態様では、制御回路を動作させつつ、電源回路の消費電力を小さく抑えることができる。

なお、本発明の一態様では、蓄電装置から出力が可能な電力が不足しているときに、制御回路の動作に要する電力を、補うことができる補助電源を、有していても良い。

次いで、スイッチの動作状態を維持する機能について説明する。本発明の一態様では、制御回路から、スイッチの動作状態を定めるための電圧を上記スイッチに与えることで、上記スイッチが導通状態または非導通状態となる。そして、本発明の一態様では、上記電圧が上記スイッチに与えられた状態を維持するために、オフ電流の著しく小さいトランジスタを用いた別のスイッチを、制御回路に設ける。すなわち、本発明の一態様では、オフ電流の著しく小さいトランジスタを用いたスイッチが、電圧調整部と電源の間に設けられたスイッチの動作状態を、維持する機能を有するものである。上記構成により、制御回路において、電圧調整部と電源の間に設けられたスイッチの動作状態を定めるための電圧の生成を停止しても、当該スイッチの動作状態を維持することができる。

具体的に、本発明の一態様に係る電源回路は、第１スイッチと、第１スイッチを介して電源から与えられた第１電圧を調整する第１回路（電圧調整部）と、第１回路において調整された第１電圧を用いて電力を蓄える蓄電装置と、補助電源と、蓄電装置または補助電源から出力される第２電圧を用いて、上記第１スイッチを導通状態にするための第３電圧、及び、上記第１スイッチを非導通状態にするための第４電圧を生成する第２回路（電圧発生回路）と、入力装置と、導通状態であるときに上記第３電圧を上記第１スイッチに供給する機能と、非導通状態であるときに上記第１スイッチに供給された第３電圧を保持する機能と、を有する第２スイッチと、導通状態であるときに上記第４電圧を上記第１スイッチに供給する機能と、非導通状態であるときに上記第１スイッチに供給された第４電圧を保持する機能とを有する第３スイッチと、入力装置からの信号の電圧を、第３電圧及び第４電圧を用いて調整することで、第２スイッチ及び第３スイッチを導通状態または非導通状態とするための信号を生成する第３回路（レベルシフタ）と、を有する。

本発明の一態様により、消費電力を低く抑えることができる電源回路を提供することができる。また、本発明の一態様により、上記電源回路を用いた、消費電力を低く抑えることができる半導体装置を提供することができる。

電源回路の構成を示す図。電源回路の動作を示す図。電源回路の動作を示す図。電源回路の動作を示す図。電源回路の動作を示す図。電源回路の構成を示す図。電源回路の動作を示す図。レベルシフタの構成を示す図。電源回路の断面図。トランジスタの断面図。トランジスタの断面図。電子機器の図。トランジスタの作製方法を示す図。

以下では、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。したがって、本発明は、以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。

なお、本発明の一態様は、集積回路、ＲＦタグ、半導体表示装置など、電源回路を用いることができるありとあらゆる半導体装置を、その範疇に含む。なお、集積回路には、マイクロプロセッサ、画像処理回路、ＤＳＰ（ＤｉｇｉｔａｌＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｏｒ）、マイクロコントローラ、またはこれらの少なくとも一つを含むＬＳＩ（ＬａｒｇｅＳｃａｌｅＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ）と、ＦＰＧＡ（ＦｉｅｌｄＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＧａｔｅＡｒｒａｙ）やＣＰＬＤ（ＣｏｍｐｌｅｘＰＬＤ）などのプログラマブル論理回路（ＰＬＤ：ＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＬｏｇｉｃＤｅｖｉｃｅ）とが、その範疇に含まれる。また、半導体表示装置には、液晶表示装置、有機発光素子（ＯＬＥＤ）に代表される発光素子を各画素に備えた発光装置、電子ペーパー、ＤＭＤ（ＤｉｇｉｔａｌＭｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒＤｅｖｉｃｅ）、ＰＤＰ（ＰｌａｓｍａＤｉｓｐｌａｙＰａｎｅｌ）、ＦＥＤ（ＦｉｅｌｄＥｍｉｓｓｉｏｎＤｉｓｐｌａｙ）などが、その範疇に含まれる。

（実施の形態１）
図１に、本発明の一態様に係る電源回路１００の構成を、一例として示す。図１に示す電源回路１００は、パワースイッチ１０１と、パワースイッチ１０２と、電圧調整部１０３と、制御回路１１３とを有する。

電源回路１００には、電源１１６から電圧が供給されており、パワースイッチ１０１及びパワースイッチ１０２は、電圧調整部１０３への上記電圧の入力を制御する機能を有する。具体的に上記電圧は、電源１１６からパワースイッチ１０１を介して電圧調整部１０３に入力される第１電位と、電源１１６からパワースイッチ１０２を介して電圧調整部１０３に入力される第２電位との電位差に相当する。

なお、電源１１６から出力される電圧が交流電圧である場合、図１に示すように、電圧調整部１０３への第１電位の入力を制御するパワースイッチ１０１と、電圧調整部１０３への第２電位の入力を制御するパワースイッチ１０２とを、電源回路１００に設ける。電源１１６から出力される電圧が直流電圧である場合、図１に示すように、電圧調整部１０３への第１電位の入力を制御するパワースイッチ１０１と、電圧調整部１０３への第２電位の入力を制御するパワースイッチ１０２とを、電源回路１００に設けても良いし、或いは、第２電位を接地電位とし、電圧調整部１０３への第２電位の入力を制御するパワースイッチ１０２を設けずに、電圧調整部１０３への第１電位の入力を制御するパワースイッチ１０１を電源回路１００に設けても良い。

そして、本発明の一態様では、パワースイッチ１０１及びパワースイッチ１０２として、耐圧性の高いトランジスタを用いる。具体的に、上記トランジスタは、バンドギャップがシリコンの２倍以上であるワイドギャップ半導体を、活性層に用いるものとする。上記ワイドギャップ半導体として、例えば、酸化物半導体、窒化ガリウム、炭化珪素などを用いることができる。

上記ワイドギャップ半導体の中でも、酸化物半導体の一つである酸化ガリウムは、他のワイドギャップ半導体よりもバンドギャップが特に大きい。例えば、最も安定な構造であるβ型の酸化ガリウムの場合、バンドギャップは４．８ｅＶ乃至４．９ｅＶであり、約１．１ｅＶであるシリコンのバンドギャップの４倍以上である。また、β型の酸化ガリウムのバンドギャップは、ワイドギャップ半導体である、炭化珪素のバンドギャップ（４Ｈ型の場合３．０ｅＶ乃至３．３ｅＶ）及び窒化ガリウムのバンドギャップ（３．４ｅＶ）よりも大きい。そのため、酸化ガリウムの絶縁破壊電界は、シリコンの２０倍以上、炭化珪素及び窒化ガリウムの２倍以上であり、酸化ガリウムを活性層に用いた電界効果トランジスタは、耐圧性が高い。

また、酸化ガリウムを活性層に用いた電界効果トランジスタは、オン（導通状態）の時の抵抗（オン抵抗）が、他のワイドギャップ半導体を用いたトランジスタに比べて小さい。そのため、酸化ガリウムを活性層に用いることで、トランジスタのオン抵抗に起因する電力損失を小さく抑えることができる。

また、炭化珪素や窒化ガリウムなどを用いる場合、耐圧性の高さとオン抵抗の低さを兼ね備えた電界効果トランジスタを作製することが難しい。よって、例えば炭化珪素を用いて４ｋＶ以上の耐圧性を有するスイッチを形成する場合は、バイポーラトランジスタが用いられる。しかし、バイポーラトランジスタは電界効果トランジスタよりも、オンとオフ（非導通状態）の切り換えであるスイッチングが遅いため、オンからオフ、或いはオフからオンへの過渡状態にある期間が長く、スイッチングに起因する電力損失を小さく抑えることが難しい。しかし、酸化ガリウムを用いる場合、耐圧性の高さとオン抵抗の低さを兼ね備えた電界効果トランジスタを、炭化珪素や窒化ガリウムなどを用いる場合よりも、比較的容易に作製することができる。よって、酸化ガリウムを活性層に用いた電界効果トランジスタを、パワースイッチ１０１またはパワースイッチ１０２に用いることで、パワースイッチ１０１またはパワースイッチ１０２のスイッチングを高速にすることができ、それにより、スイッチングに起因する電力損失を小さく抑えることができる。

電圧調整部１０３は、パワースイッチ１０１及びパワースイッチ１０２を介して電源１１６から電圧が入力されると、当該電圧の調整を行う機能を有する。具体的に、電圧調整部１０３における電圧の調整とは、交流電圧を直流電圧に変換すること、電圧の高さを変えること、電圧の高さを平滑化すること、のいずれか一つまたは複数を含む。

具体的に、電圧調整部１０３において、交流電圧を直流電圧へ変換する場合、整流回路を電圧調整部１０３に設ければよい。電圧調整部１０３において、電圧の高さを変える場合、昇圧型コンバータまたは降圧型コンバータを電圧調整部１０３に設ければよい。電圧調整部１０３において、電圧の高さを平滑化する場合、平滑回路を電圧調整部１０３に設ければよい。

例えば、電源１１６が商用電源である場合、電圧調整部１０３は、整流回路により交流電圧を直流電圧に変換し、平滑回路により上記直流電圧の高さを平滑化し、降圧型コンバータにより、負荷１１７または蓄電装置１０４において必要とされる高さにまで、平滑化された上記直流電圧を降圧すれば良い。

電圧調整部１０３において調整された電圧は、負荷１１７と、制御回路１１３とに与えられる。

なお、電圧調整部１０３は、電圧の調整を行う機能の他に、電源１１６と負荷１１７とを絶縁分離する機能を有していても良い。例えば、トランスやフォトカプラを用いることで、電圧調整部１０３に、電源１１６と負荷１１７とを絶縁分離する機能を持たせることができる。

また、図１に示す電源回路１００では、制御回路１１３が、蓄電装置１０４と、補助電源１０５と、電圧発生回路１０６と、スイッチ１０７乃至スイッチ１１０と、レベルシフタ１１１と、入力装置１１２と、容量素子１１４と、容量素子１１５とを有する。

蓄電装置１０４は、電圧調整部１０３から与えられた電力を、一時的に蓄える機能を有する。具体的に蓄電装置１０４は、電圧調整部１０３から与えられた電圧を用いて、電力を蓄えることができるキャパシタ、二次電池などの蓄電部を有する。本発明の一態様では、制御回路１１３が蓄電装置１０４を有することで、電圧調整部１０３から制御回路１１３への電圧の供給が停止している場合でも、蓄電装置１０４に蓄えられている電力を用いて、制御回路１１３を動作させることができる。

なお、二次電池として、例えば、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池等を用いることができる。キャパシタとして、例えば、電気二重層キャパシタや、一対の電極のいずれか一方が電気二重層を構成し、他方が酸化還元反応を使用したハイブリッドキャパシタを用いることができる。ハイブリッドキャパシタには、例えば、正極が電気二重層を構成し、負極がリチウムイオン二次電池を構成している、リチウムイオンキャパシタが含まれる。

また、蓄電装置１０４は、蓄電部の他に、蓄電部の過充電または過放電を防ぐための充電制御回路を有していても良い。

補助電源１０５は、蓄電装置１０４から出力が可能な電力が不足しているときに、制御回路１１３の動作に要する電力を、補う機能を有する。補助電源１０５として、一次電池などを用いることができる。

電圧発生回路１０６は、蓄電装置１０４または補助電源１０５から出力される電圧を用いて、パワースイッチ１０１及びパワースイッチ１０２のスイッチングを制御するための電圧を、生成する機能を有する。具体的に電圧発生回路１０６は、パワースイッチ１０１及びパワースイッチ１０２をオンにするための電圧を生成する機能と、パワースイッチ１０１及びパワースイッチ１０２をオフにするための電圧を生成する機能とを有する。

入力装置１１２は、パワースイッチ１０１及びパワースイッチ１０２の動作状態を制御するための命令を、レベルシフタ１１１に与える機能を有する。なお、パワースイッチ１０１及びパワースイッチ１０２の動作状態は、スイッチ１０７乃至スイッチ１１０のスイッチングによって定められる。

具体的に、入力装置１１２は、外部から与えられる、パワースイッチ１０１及びパワースイッチ１０２の動作状態を制御するための命令を電気信号に変換する入力部と、上記電気信号に含まれる命令をデコードし、スイッチ１０７乃至スイッチ１１０のスイッチングを、上記命令に従って制御するための信号を生成する信号処理部と、を有する。例えば、入力部として、キーボード、マウス、タッチパネルなどの他、赤外光などの光や、電波などを用いて無線で信号を受信することができる受信回路などを、用いることができる。

レベルシフタ１１１は、電圧発生回路１０６において生成された電圧を用いて、入力装置１１２からの信号の電圧を調整することで、スイッチ１０７乃至スイッチ１１０のスイッチングを制御するための信号を、生成する機能を有する。具体的に、レベルシフタ１１１は、電圧発生回路１０６において生成された、パワースイッチ１０１及びパワースイッチ１０２をオンにするための電圧と、パワースイッチ１０１及びパワースイッチ１０２をオフにするための電圧とを用いて、入力装置１１２からの信号の電圧を調整することで、スイッチ１０７及びスイッチ１０９を共に導通状態または非導通状態とするための信号と、スイッチ１０８及びスイッチ１１０を共に導通状態または非導通状態とするための信号とを、生成する。

スイッチ１０７乃至スイッチ１１０は、レベルシフタ１１１において生成された信号に従って、スイッチングを行う。具体的に、スイッチ１０８及びスイッチ１１０がオンであるとき、電圧発生回路１０６で生成された、パワースイッチ１０１及びパワースイッチ１０２をオンにするための電圧が、パワースイッチ１０１及びパワースイッチ１０２に与えられる。また、スイッチ１０８及びスイッチ１１０がオフであるとき、パワースイッチ１０１及びパワースイッチ１０２に、パワースイッチ１０１及びパワースイッチ１０２をオンにするための上記電圧が与えられた状態が、維持される。また、スイッチ１０７及びスイッチ１０９がオンであるとき、電圧発生回路１０６で生成された、パワースイッチ１０１及びパワースイッチ１０２をオフにするための電圧が、パワースイッチ１０１及びパワースイッチ１０２に与えられる。また、スイッチ１０７及びスイッチ１０９がオフであるとき、パワースイッチ１０１及びパワースイッチ１０２に、パワースイッチ１０１及びパワースイッチ１０２をオフにするための上記電圧が与えられた状態が、維持される。

そして、本発明の一態様では、上記電圧がパワースイッチ１０１及びパワースイッチ１０２に与えられた状態を維持するために、スイッチ１０７乃至スイッチ１１０に、オフ電流の著しく小さいトランジスタを用いる。上記構成により、電圧発生回路１０６において、パワースイッチ１０１及びパワースイッチ１０２の動作状態を定めるための電圧の生成を停止しても、パワースイッチ１０１及びパワースイッチ１０２の動作状態を維持することができる。よって、電圧発生回路１０６における消費電力を削減し、延いては電源回路１００における消費電力を小さく抑えることができる。

バンドギャップがシリコンの２倍以上であるワイドギャップ半導体を活性層に用いたトランジスタは、オフ電流が著しく小さいので、スイッチ１０７乃至スイッチ１１０に用いるのに好適である。上記ワイドギャップ半導体として、例えば、酸化物半導体、窒化ガリウム、炭化珪素などを用いることができる。

なお、電子供与体（ドナー）となる水分または水素などの不純物が低減され、なおかつ酸素欠損が低減されることにより高純度化された酸化物半導体（ｐｕｒｉｆｉｅｄＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）は、ｉ型（真性半導体）又はｉ型に限りなく近い。そのため、水分または水素などの不純物濃度が十分に低減され、なおかつ酸素欠損が低減されることにより高純度化された酸化物半導体膜を用いることにより、トランジスタのオフ電流を小さくすることができる。よって、高純度化された酸化物半導体膜を用いたトランジスタを、スイッチ１０７乃至スイッチ１１０に用いることで、電圧発生回路１０６における消費電力を削減し、電源回路１００における消費電力を小さく抑える効果を高めることができる。

具体的に、高純度化された酸化物半導体をチャネル形成領域に用いたトランジスタのオフ電流が小さいことは、いろいろな実験により証明できる。例えば、チャネル幅が１×１０^６μｍでチャネル長が１０μｍの素子であっても、ソース電極とドレイン電極間の電圧（ドレイン電圧）が１Ｖから１０Ｖの範囲において、オフ電流が、半導体パラメータアナライザの測定限界以下、すなわち１×１０^−１３Ａ以下という特性を得ることができる。この場合、トランジスタのチャネル幅で規格化したオフ電流は、１００ｚＡ／μｍ以下であることが分かる。また、容量素子とトランジスタとを接続して、容量素子に流入または容量素子から流出する電荷を当該トランジスタで制御する回路を用いて、オフ電流の測定を行った。当該測定では、高純度化された酸化物半導体膜を上記トランジスタのチャネル形成領域に用い、容量素子の単位時間あたりの電荷量の推移から当該トランジスタのオフ電流を測定した。その結果、トランジスタのソース電極とドレイン電極間の電圧が３Ｖの場合に、数十ｙＡ／μｍという、さらに小さいオフ電流が得られることが分かった。従って、高純度化された酸化物半導体膜をチャネル形成領域に用いたトランジスタは、オフ電流が、結晶性を有するシリコンを用いたトランジスタに比べて著しく小さい。

また、酸化物半導体の中でもＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物などは、炭化シリコンまたは窒化ガリウムと異なり、スパッタリング法や湿式法により電気的特性の優れたトランジスタを作製することが可能であり、量産性に優れるといった利点がある。また、炭化シリコンまたは窒化ガリウムとは異なり、上記酸化物半導体Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物は室温でも成膜が可能なため、ガラス基板上への成膜、或いはシリコンを用いた集積回路上に電気的特性の優れたトランジスタを作製することが可能である。また、基板の大型化にも対応が可能である。

容量素子１１４は、スイッチ１０７及びスイッチ１０８がオフであるとき、パワースイッチ１０１に与えられている電圧を、保持する機能を有する。また、容量素子１１５は、スイッチ１０９及びスイッチ１１０がオフであるとき、パワースイッチ１０２に与えられている電圧を、保持する機能を有する。

ただし、パワースイッチ１０１に用いられているトランジスタの、ゲート電極と半導体膜の間に形成されるゲート容量や、上記ゲート電極に付加された寄生容量が、与えられた電圧を保持するのに十分な大きさであり、なおかつ上記トランジスタのリーク電流が十分小さい場合、本発明の一態様に係る電源回路１００は、容量素子１１４を必ずしも有する必要はない。また、同様に、パワースイッチ１０２に用いられているトランジスタのゲート容量や、当該トランジスタのゲート電極に付加された寄生容量が、与えられた電圧を保持するのに十分な大きさであり、なおかつ上記トランジスタのリーク電流が十分小さい場合、本発明の一態様に係る電源回路１００は、容量素子１１５を必ずしも有する必要はない。

なお、本明細書においてリーク電流とは、トランジスタのゲート電極と、ソース端子またはドレイン端子との間に流れる電流を意味する。トランジスタのソース端子とは、活性層としての機能を有する半導体膜の一部であるソース領域、或いは活性層としての機能を有する半導体膜に接続されたソース電極を意味する。同様に、トランジスタのドレイン端子とは、活性層としての機能を有する半導体膜の一部であるドレイン領域、或いは活性層としての機能を有する半導体膜に接続されたドレイン電極を意味する。

また、トランジスタが有するソース端子とドレイン端子は、トランジスタのチャネル型及びソース端子とドレイン端子に与えられる電位の高低によって、その呼び方が入れ替わる。一般的に、ｎチャネル型のトランジスタでは、ソース端子とドレイン端子のうち、低い電位が与えられる方がソース端子と呼ばれ、高い電位が与えられる方がドレイン端子と呼ばれる。また、ｐチャネル型のトランジスタでは、ソース端子とドレイン端子のうち、低い電位が与えられる方がドレイン端子と呼ばれ、高い電位が与えられる方がソース端子と呼ばれる。本明細書では、便宜上、ソース端子とドレイン端子とが固定されているものと仮定して、トランジスタの接続関係を説明する場合があるが、実際には上記電位の関係に従ってソース端子とドレイン端子の呼び方が入れ替わる。

そして、パワースイッチ１０１及びパワースイッチ１０２がオンであるとき、電源１１６から電圧調整部１０３への電圧の供給が行われる。そして、上記電圧により、蓄電装置１０４には電力が蓄積される。

また、パワースイッチ１０１及びパワースイッチ１０２がオフであるとき、電源１１６から電圧調整部１０３への電圧の供給が停止する。よって、蓄電装置１０４への電力の供給は行われないが、本発明の一態様では、上述したように、蓄電装置１０４または補助電源１０５に蓄えられている電力を用いて、制御回路１１３を動作させることができる。すなわち、本発明の一態様に係る電源回路１００では、制御回路１１３によるパワースイッチ１０１及びパワースイッチ１０２の動作状態の制御を行いつつ、電圧調整部１０３への電圧の供給を停止することができる。そして、電圧調整部１０３への電圧の供給を停止することで、負荷１１７への電圧の供給が行われないときに、電圧調整部１０３が有する容量の充放電により電力が消費されるのを防ぐことができ、それにより、電源回路１００の消費電力を小さく抑えることができる。

特に、負荷１１７の消費電力が大きい場合、電圧調整部１０３において、半導体素子の電流供給能力または耐圧性を向上させるために、半導体素子のサイズが大型化する傾向にある。よって、電圧調整部１０３が有する半導体素子や配線などが有する容量も必然的に大きくなるため、当該容量の充放電により消費される電力も大きくなる。本発明の一態様では、電圧調整部１０３で消費される上記電力を削減することができるので、負荷１１７の消費電力が大きい場合に、電源回路１００の消費電力を抑える効果が特に高い。

次いで、図２乃至図５を用いて、図１に示した電源回路１００の動作の一例について、説明する。

まず、図２を用いて、初期状態から、負荷１１７に電力が供給される状態までの動作について、説明する。初期状態では、蓄電装置１０４に電力が蓄えられていないため、補助電源１０５から電圧発生回路１０６に電圧が与えられる。電圧発生回路１０６では、与えられた電圧を用いて、パワースイッチ１０１及びパワースイッチ１０２をオンにするための電圧（図２ではハイレベルの電圧ＶＨとする）と、パワースイッチ１０１及びパワースイッチ１０２をオフにするための電圧（図２ではローレベルの電圧ＶＬとする）を生成する。

また、入力装置１１２には、外部から、パワースイッチ１０１及びパワースイッチ１０２の動作状態を制御するための命令が与えられる。図２の場合、具体的には、パワースイッチ１０１及びパワースイッチ１０２をオンに制御するための命令が与えられる。入力装置１１２は、上記命令に従ってパワースイッチ１０１及びパワースイッチ１０２の動作状態を制御するべく、スイッチ１０７乃至スイッチ１１０のスイッチングを制御するための信号を生成する。

レベルシフタ１１１は、電圧発生回路１０６において生成された電圧ＶＨ及び電圧ＶＬを用いて、入力装置１１２からの信号の電圧を調整することで、スイッチ１０７乃至スイッチ１１０のスイッチングを制御するための信号を、生成する。

スイッチ１０７乃至スイッチ１１０は、レベルシフタ１１１において生成された信号に従って、スイッチングを行う。具体的には、スイッチ１０７及びスイッチ１０９がオフになり、スイッチ１０８及びスイッチ１１０がオンになる。そして、電圧発生回路１０６において生成された電圧ＶＨは、オンのスイッチ１０８及びスイッチ１１０を介して、パワースイッチ１０１及びパワースイッチ１０２と、容量素子１１４及び容量素子１１５に与えられる。

パワースイッチ１０１及びパワースイッチ１０２は、電圧ＶＨが与えられるとオンになる。そして、オンのパワースイッチ１０１及びパワースイッチ１０２を介して、電源１１６から出力される電圧が、電圧調整部１０３に与えられる。

電圧調整部１０３は、与えられた電圧の調整を行う。具体的には、与えられた電圧が交流電圧である場合、交流電圧を直流電圧に変換する、与えられた電圧の高さを変える、或いは与えられた電圧の高さを平滑化するなどの、調整を行う。

電圧調整部１０３において調整された電圧は、負荷１１７と、制御回路１１３の蓄電装置１０４に供給される。蓄電装置１０４は、供給された電圧を用いて、電力を蓄える。そして、蓄電装置１０４に電力が蓄えられると、補助電源１０５から電圧発生回路１０６への電圧の供給が停止し、蓄電装置１０４から電圧発生回路１０６への電圧の供給が開始される。よって、本発明の一態様では、補助電源１０５から電圧発生回路１０６への電圧の供給は、蓄電装置１０４に電力が蓄えられるまでの間だけ行われるので、補助電源１０５から連続して電圧を電圧発生回路１０６に供給する場合に比べて、補助電源１０５における電力の消耗を小さく抑えることができる。

電圧発生回路１０６では、蓄電装置１０４から供給された電圧を用いて、上述したような動作、具体的には、電圧ＶＨ及び電圧ＶＬの生成を行う。そして、レベルシフタ１１１、スイッチ１０７乃至スイッチ１１０、パワースイッチ１０１及びパワースイッチ１０２は、電圧ＶＨ及び電圧ＶＬを用いて、上述した動作状態を維持する。

次いで、図３を用いて、負荷１１７に電力が供給されている状態を維持しつつ、スイッチ１０７乃至スイッチ１１０をオフにする動作について、説明する。図３に示すように、スイッチ１０７及びスイッチ１０９はオフのままとし、スイッチ１０８及びスイッチ１１０をオフにすると、容量素子１１４及び容量素子１１５は電圧ＶＨを保持する。よって、容量素子１１４により、パワースイッチ１０１に電圧ＶＨが供給されている状態が維持される。また、容量素子１１５により、パワースイッチ１０２に電圧ＶＨが供給されている状態が維持される。したがって、スイッチ１０７乃至スイッチ１１０をオフにしても、パワースイッチ１０１及びパワースイッチ１０２の動作状態は、オンのまま維持される。

次いで、図４を用いて、負荷１１７への電力の供給を停止する動作について、説明する。図４の場合も、電圧発生回路１０６では、蓄電装置１０４から与えられた電圧を用いて、パワースイッチ１０１及びパワースイッチ１０２をオンにするための電圧ＶＨと、パワースイッチ１０１及びパワースイッチ１０２をオフにするための電圧ＶＬとを、生成する。

そして、入力装置１１２には、外部から、パワースイッチ１０１及びパワースイッチ１０２の動作状態を制御するための命令が与えられる。図４の場合、具体的には、パワースイッチ１０１及びパワースイッチ１０２をオフに制御するための命令が与えられる。入力装置１１２は、上記命令に従ってパワースイッチ１０１及びパワースイッチ１０２の動作状態を制御するべく、スイッチ１０７乃至スイッチ１１０のスイッチングを制御するための信号を生成する。

スイッチ１０７乃至スイッチ１１０は、レベルシフタ１１１において生成された信号に従って、スイッチングを行う。具体的には、スイッチ１０７及びスイッチ１０９がオンになり、スイッチ１０８及びスイッチ１１０がオフになる。そして、電圧発生回路１０６において生成された電圧ＶＬは、オンのスイッチ１０７及びスイッチ１０９を介して、パワースイッチ１０１及びパワースイッチ１０２と、容量素子１１４及び容量素子１１５に与えられる。

パワースイッチ１０１及びパワースイッチ１０２は、電圧ＶＬが与えられるとオフになる。よって、電源１１６から電圧調整部１０３への電圧の供給が停止され、負荷１１７への電力の供給も停止される。

次いで、図５を用いて、負荷１１７への電力の供給が停止された状態を維持しつつ、スイッチ１０７乃至スイッチ１１０をオフにする動作について、説明する。図５に示すように、スイッチ１０８及びスイッチ１１０はオフのままとし、スイッチ１０７及びスイッチ１０９をオフにすると、容量素子１１４及び容量素子１１５は電圧ＶＬを保持する。よって、容量素子１１４により、パワースイッチ１０１に電圧ＶＬが供給されている状態が維持される。また、容量素子１１５により、パワースイッチ１０２に電圧ＶＬが供給されている状態が維持される。したがって、スイッチ１０７乃至スイッチ１１０をオフにしても、パワースイッチ１０１及びパワースイッチ１０２の動作状態は、オフのまま維持される。

（実施の形態２）
本実施の形態では、図１に示した電源回路１００の、より具体的な構成の一例について説明する。

図６に、本発明の一態様に係る電源回路１００の構成を、一例として示す。図６に示す電源回路１００は、パワースイッチ１０１として機能するトランジスタ１０１ａと、パワースイッチ１０２として機能するトランジスタ１０２ａと、電圧調整部１０３と、制御回路１１３とを有する。

なお、図６では、一のトランジスタ１０１ａをパワースイッチ１０１として用い、一のトランジスタ１０２ａをパワースイッチ１０２として用いる場合を例示しているが、本発明の一態様に係る電源回路１００では、複数のトランジスタを用いてパワースイッチを構成していても良い。例えば、複数の並列に接続されたトランジスタを用いることで、より大きな電力の制御が可能となるパワースイッチを、形成することができる。

なお、本明細書において、トランジスタが並列に接続されている状態とは、第１のトランジスタのソース端子とドレイン端子のいずれか一方が、第２のトランジスタのソース端子とドレイン端子のいずれか一方に接続され、第１のトランジスタのソース端子とドレイン端子の他方が第２のトランジスタのソース端子とドレイン端子の他方に接続されている状態を意味する。また、トランジスタが直列に接続されている状態とは、第１のトランジスタのソース端子とドレイン端子のいずれか一方のみが、第２のトランジスタのソース端子とドレイン端子のいずれか一方のみに接続されている状態を意味する。

また、図６では、トランジスタ１０１ａ及びトランジスタ１０２ａが、一のゲート電極に対応した一のチャネル形成領域を有する、シングルゲート構造である場合を例示している。しかし、トランジスタ１０１ａ及びトランジスタ１０２ａは、電気的に接続された複数のゲート電極を有することで、チャネル形成領域を複数有する、マルチゲート構造であっても良い。

また、トランジスタ１０１ａ及びトランジスタ１０２ａは、ゲート電極を活性層の片側において少なくとも有していれば良いが、活性層を間に挟んで存在する一対のゲート電極を有していても良い。トランジスタが、活性層を間に挟んで存在する一対のゲート電極を有している場合、一方のゲート電極にはスイッチングを制御するための信号が与えられ、他方のゲート電極は、電気的に絶縁されたフローティングの状態であっても良いし、電位が他から与えられている状態であっても良い。後者の場合、一対の電極に、同じ高さの電位が与えられていても良いし、他方のゲート電極にのみ接地電位などの固定の電位が与えられていても良い。他方のゲート電極に与える電位の高さを制御することで、トランジスタの閾値電圧を制御することができる。

また、本明細書において接続とは電気的な接続を意味しており、電流、電圧または電位が、供給可能、或いは伝送可能な状態に相当する。従って、接続している状態とは、直接接続している状態を必ずしも指すわけではなく、電流、電圧または電位が、供給可能、或いは伝送可能であるように、抵抗素子、ダイオード、トランジスタ、容量素子などの回路素子を介して間接的に接続している状態も、その範疇に含む。

電源回路１００には、図１に示した電源１１６の一例である交流電源１１６ａから、交流電圧が供給されている。トランジスタ１０１ａ及びトランジスタ１０２ａは、電圧調整部１０３への上記交流電圧の入力を制御する機能を有する。

そして、本発明の一態様では、実施の形態１において上述したように、トランジスタ１０１ａ及びトランジスタ１０２ａとして、耐圧性の高いトランジスタを用いる。具体的に、上記トランジスタは、バンドギャップがシリコンの２倍以上であるワイドギャップ半導体を、活性層に用いるものとする。上記ワイドギャップ半導体として、例えば、酸化物半導体、窒化ガリウム、炭化珪素などを用いることができる。

なお、図６では、トランジスタ１０１ａ及びトランジスタ１０２ａとしてＭＯＳＦＥＴを例示しているが、トランジスタ１０１ａ及びトランジスタ１０２ａとしてＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＭＥＳＦＥＴ（ＭｅｔａｌＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＦｉｅｌｄＥｆｆｅｃｔＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などを用いることもできる。ただし、バイポーラトランジスタであるＩＧＢＴよりも、ユニポーラトランジスタであるＭＯＳＦＥＴ、ＭＥＳＦＥＴなどを用いる方が、スイッチングに起因する電力損失を小さく抑えることができる。

また、図６では、電圧調整部１０３が、整流回路１３０と、平滑回路１３１と、降圧型コンバータ１３２とを有する場合を例示している。電圧調整部１０３は、トランジスタ１０１ａ及びトランジスタ１０２ａを介して交流電源１１６ａから交流電圧が入力されると、当該交流電圧の調整を行う。具体的に、図６では、整流回路１３０において交流電源１１６ａからの交流電圧を、直流電圧に変換する。平滑回路１３１は、整流回路１３０から出力された直流電圧に含まれるリプルを除去し、平滑化する。平滑回路１３１から出力された直流電圧は、降圧型コンバータ１３２により、負荷１１７または蓄電装置１０４において必要とされる高さにまで、降圧され、電圧調整部１０３から出力される。

電圧調整部１０３において調整された直流電圧（以下、単に電圧と呼ぶ）は、負荷１１７と、制御回路１１３とに与えられる。

図６に示す電源回路１００では、制御回路１１３が、蓄電装置１０４と、補助電源１０５と、電圧発生回路１０６と、スイッチ１０７乃至スイッチ１１０として機能するトランジスタ１０７ａ乃至トランジスタ１１０ａと、レベルシフタ１１１と、入力装置１１２と、容量素子１１４と、容量素子１１５とを有する。

蓄電装置１０４は、電圧調整部１０３から与えられた電圧を用いて、電力を蓄えることができるキャパシタ、二次電池などの蓄電部１２５と、充電制御回路１２４と、ダイオード１２６とを有する。

充電制御回路１２４は、蓄電部１２５に用いられる二次電池やキャパシタが、過充電または過放電により、寿命が短くなる、内部短絡による発火が引き起こされる、などして、二次電池またはキャパシタとしての機能が低下或いは消失してしまうのを、防ぐ機能を有する。ただし、二次電池の一つであるニッケルカドミウム電池は、過充電または過放電による電池としての機能の低下或いは消失が起こりにくいので、蓄電部１２５にニッケルカドミウム電池を用いる場合、必ずしも蓄電装置１０４に充電制御回路１２４を設ける必要はない。

具体的に、充電制御回路１２４は、二次電池やキャパシタの端子間の電圧（端子電圧）を監視することで、蓄電部１２５の充電状態を把握する。そして、端子電圧が上限を超えると、蓄電部１２５において満充電の状態からさらに充電が行われると判断し、蓄電部１２５に供給される電流の経路を遮断させ、蓄電部１２５が過充電の状態に陥るのを防ぐ。或いは、端子電圧が下限を下回ると、蓄電部１２５において残すべき容量を超えて放電が行われると判断し、蓄電部１２５から放電される電流の経路を遮断させ、蓄電部１２５が過放電の状態に陥るのを防ぐ。

また、ダイオード１２６は、蓄電部１２５から出力が可能な電力が不足し、蓄電部１２５から出力される電圧が電圧発生回路１０６にて必要とされる高さを満たさなくなったときに、蓄電装置１０４からの電圧の出力を停止する機能を有する。蓄電部１２５から出力される電圧が、電圧発生回路１０６にて必要とされる高さを満たしているとき、蓄電部１２５からダイオード１２６を介して、電圧発生回路１０６に電圧が供給される。

補助電源１０５は、一次電池１２８と、ダイオード１２７とを有する。一次電池１２８には、電圧発生回路１０６にて必要とされる高さの電圧が出力できる程度に、電力が蓄えられている。ダイオード１２７は、蓄電部１２５から出力される電圧が電圧発生回路１０６にて必要とされる高さを満たしているとき、補助電源１０５からの電圧の出力を停止する機能を有する。蓄電部１２５から出力される電圧が電圧発生回路１０６にて必要とされる高さを満たしていないとき、一次電池１２８からダイオード１２７を介して、電圧発生回路１０６に電圧が供給される。

電圧発生回路１０６は、正電圧発生回路１２２と、負電圧発生回路１２３とを有する。正電圧発生回路１２２は、供給された電圧から、トランジスタ１０１ａ及びトランジスタ１０２ａをオンにするための電圧（図６ではハイレベルの電圧ＶＨとする）を、生成する機能を有する。また、負電圧発生回路１２３は、供給された電圧から、トランジスタ１０１ａ及びトランジスタ１０２ａをオフにするための電圧（図６ではローレベルの電圧ＶＬとする）を、生成する機能を有する。

具体的に、正電圧発生回路１２２と、負電圧発生回路１２３とには、コンバータの一つである、昇圧型のＤＣＤＣコンバータなどを用いることができる。

入力装置１１２は、入力部１２０と、信号処理部１２１とを有する。トランジスタ１０１ａ及びトランジスタ１０２ａの動作状態を制御するための命令が、外部から入力装置１１２に入力されると、入力部１２０は上記命令を電気信号に変換する。例えば、入力部１２０が、電波または赤外線などを用いて無線で信号を受信することができる受信回路である場合、当該入力部１２０は、電波を受信するアンテナと、アンテナからの電気信号を復調する復調回路などを有する。

信号処理部１２１は、入力部１２０から出力される電気信号に含まれる命令をデコードし、トランジスタ１０７ａ乃至トランジスタ１１０ａのスイッチングを、上記命令に従って制御するための信号を生成する。上記信号は、レベルシフタ１１１に与えられる。図６では、電圧Ｖｉｎ１を有する信号と、電圧Ｖｉｎ２を有する信号とが、レベルシフタ１１１に供給されている場合を例示している。

なお、図６では、入力装置１１２が、蓄電装置１０４または補助電源１０５から電圧が与えられることで動作する場合を例示している。

また、図６では、電圧発生回路１０６の動作を制御する信号を生成する機能を、信号処理部１２１が有する場合を例示している。具体的に、正電圧発生回路１２２は、信号処理部１２１からの信号に従って、電圧ＶＨの生成と、電圧ＶＨの生成の停止とを行う。また、負電圧発生回路１２３は、信号処理部１２１からの信号に従って、電圧ＶＬの生成と、電圧ＶＬの生成の停止とを行う。

レベルシフタ１１１は、電圧発生回路１０６において生成された電圧ＶＨ及び電圧ＶＬを用いて、入力装置１１２から出力される信号の電圧Ｖｉｎ１と電圧Ｖｉｎ２を調整することで、トランジスタ１０７ａ乃至トランジスタ１１０ａのスイッチングを制御するための信号を、生成する。

図６では、レベルシフタ１１１において、入力装置１１２からの信号の電圧を調整することで、トランジスタ１０７ａ及びトランジスタ１０９ａのスイッチングを制御するための、電圧Ｖｏｕｔ１を有する信号と、トランジスタ１０８ａ及びトランジスタ１１０ａのスイッチングを制御するための、電圧Ｖｏｕｔ２を有する信号とが、生成されている場合を例示している。

トランジスタ１０７ａ乃至トランジスタ１１０ａは、レベルシフタ１１１において生成された信号の電圧Ｖｏｕｔ１または電圧Ｖｏｕｔ２に従って、スイッチングを行う。図６では、電圧Ｖｏｕｔ１が、トランジスタ１０７ａ及びトランジスタ１０９ａのゲート電極に供給されている場合を例示している。また、図６では、電圧Ｖｏｕｔ２が、トランジスタ１０８ａ及びトランジスタ１１０ａのゲート電極に供給されている場合を例示している。

そして、トランジスタ１０７ａ及びトランジスタ１０９ａがオンであるとき、電圧ＶＨが、トランジスタ１０１ａ及びトランジスタ１０２ａのゲート電極と、容量素子１１４及び容量素子１１５とに与えられる。トランジスタ１０８ａ及びトランジスタ１１０ａがオンであるとき、電圧ＶＬが、トランジスタ１０１ａ及びトランジスタ１０２ａのゲート電極と、容量素子１１４及び容量素子１１５とに与えられる。

また、トランジスタ１０７ａ及びトランジスタ１０９ａがオフであるとき、電圧ＶＨが容量素子１１４及び容量素子１１５において保持されるため、トランジスタ１０７ａ及びトランジスタ１０９ａのゲート電極に当該電圧ＶＨが与えられている状態が、維持される。トランジスタ１０８ａ及びトランジスタ１１０ａがオフであるとき、電圧ＶＬが容量素子１１４及び容量素子１１５において保持されるため、トランジスタ１０８ａ及びトランジスタ１１０ａのゲート電極に当該電圧ＶＬが与えられている状態が、維持される。

そして、本発明の一態様では、実施の形態１において上述したように、トランジスタ１０７ａ乃至トランジスタ１１０ａに、オフ電流の著しく小さいトランジスタを用いる。具体的に、上記トランジスタは、バンドギャップがシリコンの２倍以上であるワイドギャップ半導体を、活性層に用いるものとする。上記ワイドギャップ半導体として、例えば、酸化物半導体、窒化ガリウム、炭化珪素などを用いることができる。

なお、図６では、トランジスタ１０７ａ乃至トランジスタ１１０ａのそれぞれを、スイッチ１０７乃至スイッチ１１０として用いる場合を例示しているが、本発明の一態様に係る電源回路１００では、複数のトランジスタを用いて上記スイッチを構成していても良い。例えば、複数の直列に接続されたトランジスタを用いることで、スイッチのオフ時にリークする電流を、さらに小さく抑えることができる。

また、図６では、トランジスタ１０７ａ乃至トランジスタ１１０ａが、一のゲート電極に対応した一のチャネル形成領域を有する、シングルゲート構造である場合を例示している。しかし、トランジスタ１０７ａ乃至トランジスタ１１０ａは、電気的に接続された複数のゲート電極を有することで、チャネル形成領域を複数有する、マルチゲート構造であっても良い。

また、トランジスタ１０７ａ乃至トランジスタ１１０ａは、ゲート電極を活性層の片側において少なくとも有していれば良いが、活性層を間に挟んで存在する一対のゲート電極を有していても良い。

また、図６では、トランジスタ１０７ａ乃至トランジスタ１１０ａとしてＭＯＳＦＥＴを例示しているが、トランジスタ１０７ａ乃至トランジスタ１１０ａとしてＭＥＳＦＥＴなどを用いることもできる。

そして、ゲート電極に電圧ＶＨが与えられることで、トランジスタ１０１ａ及びトランジスタ１０２ａがオンであるとき、交流電源１１６ａから電圧調整部１０３への交流電圧の供給が行われる。上記電圧により、蓄電装置１０４には電力が蓄積される。

また、ゲート電極に電圧ＶＬが与えられることで、トランジスタ１０１ａ及びトランジスタ１０２ａがオフであるとき、交流電源１１６ａから電圧調整部１０３への交流電圧の供給が停止する。よって、蓄電装置１０４への電力の供給は行われないが、本発明の一態様では、上述したように、蓄電装置１０４または補助電源１０５に蓄えられている電力を用いて、制御回路１１３を動作させることができる。すなわち、本発明の一態様に係る電源回路１００では、制御回路１１３によるトランジスタ１０１ａ及びトランジスタ１０２ａの動作状態の制御を行いつつ、電圧調整部１０３への電圧の供給を停止することができる。そして、電圧調整部１０３への電圧の供給を停止することで、負荷１１７への電圧の供給が行われないときに、電圧調整部１０３が有する容量の充放電により電力が消費されるのを防ぐことができ、それにより、電源回路１００の消費電力を小さく抑えることができる。

次いで、図７を用いて、図６に示した電源回路１００の動作の一例について、説明する。

まず、初期状態では、蓄電装置１０４に電力が蓄えられていないため、一次電池１２８から出力された電圧が、ダイオード１２７を介して、正電圧発生回路１２２及び負電圧発生回路１２３に与えられる。ダイオード１２７において一次電池１２８から与えられる電圧は降圧されるので、図７では、一次電池１２８から＋９Ｖの電圧が出力され、ダイオード１２７のカソードから＋８．３Ｖの電圧が出力され、上記＋８．３Ｖの電圧が、正電圧発生回路１２２及び負電圧発生回路１２３に与えられる場合を例示している。

そして、与えられた電圧を用いて、正電圧発生回路１２２では電圧ＶＨを生成し、負電圧発生回路１２３では電圧ＶＬを生成する。図７では、正電圧発生回路１２２が＋１７０Ｖの電圧ＶＨを生成し、負電圧発生回路１２３が−１７０Ｖの電圧ＶＬを生成する場合を例示している。

入力装置１１２は、外部から与えられる命令に従ってトランジスタ１０１ａ及びトランジスタ１０２ａの動作状態を制御するべく、トランジスタ１０７ａ乃至トランジスタ１１０ａのスイッチングを制御するための信号を生成し、レベルシフタ１１１に与える。

レベルシフタ１１１は、電圧ＶＨ及び電圧ＶＬを用いて、入力装置１１２からの信号の電圧を調整することで、トランジスタ１０７ａ乃至トランジスタ１１０ａのスイッチングを制御するための、電圧Ｖｏｕｔ１を有する信号と、電圧Ｖｏｕｔ２を有する信号とを生成する。図７では、＋１７０Ｖまたは−１７０Ｖの電圧Ｖｏｕｔ１を有する信号が、トランジスタ１０７ａ及びトランジスタ１０９ａのゲート電極に供給されている場合を例示している。また、図７では、＋１７０Ｖまたは−１７０Ｖの電圧Ｖｏｕｔ２を有する信号が、トランジスタ１０８ａ及びトランジスタ１１０ａのゲート電極に供給されている場合を例示している。

トランジスタ１０７ａ及びトランジスタ１０９ａは、ソース端子及びドレイン端子の一方に＋１７０Ｖの電圧ＶＨが与えられている。＋１７０Ｖの電圧Ｖｏｕｔ１がトランジスタ１０７ａ及びトランジスタ１０９ａのゲート電極に与えられた場合、トランジスタ１０７ａ及びトランジスタ１０９ａはオンになり、＋１７０Ｖよりもトランジスタ１０７ａ及びトランジスタ１０９ａの閾値電圧分低い電圧が、トランジスタ１０１ａ及びトランジスタ１０２ａのゲート電極と、容量素子１１４及び容量素子１１５とに、与えられる。また、−１７０Ｖの電圧Ｖｏｕｔ１がトランジスタ１０７ａ及びトランジスタ１０９ａのゲート電極に与えられた場合、トランジスタ１０７ａ及びトランジスタ１０９ａはオフになり、容量素子１１４及び容量素子１１５により、トランジスタ１０１ａ及びトランジスタ１０２ａのゲート電極の電圧が保持される。

トランジスタ１０８ａ及びトランジスタ１１０ａは、ソース端子及びドレイン端子の一方に−１７０Ｖの電圧ＶＬが与えられている。＋１７０Ｖの電圧Ｖｏｕｔ１がトランジスタ１０８ａ及びトランジスタ１１０ａのゲート電極に与えられた場合、トランジスタ１０８ａ及びトランジスタ１１０ａはオンになり、−１７０Ｖの電圧ＶＬが、トランジスタ１０１ａ及びトランジスタ１０２ａのゲート電極と、容量素子１１４及び容量素子１１５とに、与えられる。また、−１７０Ｖの電圧Ｖｏｕｔ１がトランジスタ１０８ａ及びトランジスタ１１０ａのゲート電極に与えられた場合、トランジスタ１０８ａ及びトランジスタ１１０ａはオフになり、容量素子１１４及び容量素子１１５により、トランジスタ１０１ａ及びトランジスタ１０２ａのゲート電極の電圧が保持される。

また、トランジスタ１０１ａ及びトランジスタ１０２ａのソース端子及びドレイン端子の一方には、交流電源１１６ａから交流電圧が与えられる。図７では、交流電源１１６ａが商用電源であり、±１４１Ｖの交流電圧が、トランジスタ１０１ａ及びトランジスタ１０２ａのソース端子及びドレイン端子の一方に与えられる場合を例示している。よって、トランジスタ１０１ａ及びトランジスタ１０２ａは、＋１７０Ｖの電圧ＶＨよりもトランジスタ１０７ａ及びトランジスタ１０９ａの閾値電圧分低い電圧がゲート電極に与えられると、オンになる。そして、オンのトランジスタ１０１ａ及びトランジスタ１０２ａを介して、交流電源１１６ａから出力される電圧が、電圧調整部１０３に与えられる。また、トランジスタ１０１ａ及びトランジスタ１０２ａは、−１７０Ｖの電圧ＶＬがゲート電極に与えられるとオフになる。

なお、本発明の一態様では、トランジスタ１０７ａ及びトランジスタ１０９ａをオンにして、トランジスタ１０１ａ及びトランジスタ１０２ａのゲート電極に＋１７０Ｖの電圧ＶＨよりもトランジスタ１０７ａ及びトランジスタ１０９ａの閾値電圧分低い電圧を与え、次いでトランジスタ１０７ａ及びトランジスタ１０９ａをオフにした後は、トランジスタ１０７ａ及びトランジスタ１０９ａのソース端子及びドレイン端子の一方の電圧が多少低下しても、トランジスタ１０７ａ及びトランジスタ１０９ａをオフさせたまま維持することができる。そして、本発明の一態様では、トランジスタ１０７ａ乃至トランジスタ１１０ａのオフ電流が著しく小さいため、トランジスタ１０７ａ及びトランジスタ１０９ａがオフであるとき、トランジスタ１０１ａ及びトランジスタ１０２ａをオンさせたまま維持することができる。よって、本発明の一態様では、正電圧発生回路１２２において、トランジスタ１０１ａ及びトランジスタ１０２ａの動作状態を定めるための電圧ＶＨの生成を停止しても、トランジスタ１０１ａ及びトランジスタ１０２ａの動作状態を維持することができるので、電圧発生回路１０６における消費電力を削減し、延いては電源回路１００における消費電力を小さく抑えることができる。

電圧調整部１０３は、オンのトランジスタ１０１ａ及びトランジスタ１０２ａを介して交流電源１１６ａから与えられた交流電圧を調整する。図７では、電圧調整部１０３において、±１４１Ｖの交流電圧を整流して平滑化させた後、降圧することで、＋１２Ｖの電圧（直流電圧）を生成する場合を例示している。電圧調整部１０３において調整された電圧は、負荷１１７と、制御回路１１３の蓄電装置１０４に供給される。

蓄電装置１０４は、供給された電圧を用いて、電力を蓄える。そして、蓄電装置１０４に電力が十分に蓄えられると、蓄電部１２５から出力される電圧が、ダイオード１２６を介して、正電圧発生回路１２２及び負電圧発生回路１２３に与えられる。なお、ダイオード１２６において、蓄電部１２５から与えられる電圧は降圧される。図７では、蓄電部１２５から＋１２Ｖの電圧が出力され、ダイオード１２６のカソードから＋１１．３Ｖの電圧が出力され、上記＋１１．３Ｖの電圧が、正電圧発生回路１２２及び負電圧発生回路１２３に与えられる場合を例示している。

なお、ダイオード１２６のカソードから＋１１．３Ｖの電圧が出力されると、ダイオード１２７は、カソードがアノードより電圧が高くなるので、ダイオード１２７において電流が流れなくなる。よって、補助電源１０５から電圧発生回路１０６への電圧の供給は、停止される。

そして、電圧発生回路１０６では、蓄電装置１０４から供給された電圧を用いて、上述したような動作、具体的には、電圧ＶＨ及び電圧ＶＬの生成を行う。

次いで、レベルシフタ１１１の具体的な回路構成の一例について説明する。図８に、図６及び図７に示すレベルシフタ１１１の、回路構成の一例を示す。

図８に示すレベルシフタ１１１は、トランジスタ１４０及びトランジスタ１４１と、抵抗素子１４２及び抵抗素子１４３とを有する。トランジスタ１４０のソース端子及びドレイン端子は、一方が電圧ＶＬの与えられるノードに接続されており、他方が、抵抗素子１４２が有する第２の端子に接続されている。トランジスタ１４０のゲート電極には、入力装置１１２から、信号の電圧Ｖｉｎ１が与えられる。トランジスタ１４１のソース端子及びドレイン端子は、一方が電圧ＶＬの与えられるノードに接続されており、他方が、抵抗素子１４３が有する第２の端子に接続されている。トランジスタ１４１のゲート電極には、入力装置１１２から、信号の電圧Ｖｉｎ２が与えられる。抵抗素子１４２が有する第１の端子及び抵抗素子１４３が有する第１の端子は、電圧ＶＨの与えられるノードに接続されている。

そして、トランジスタ１４０のソース端子及びドレイン端子の他方と、抵抗素子１４２が有する第２の端子とに与えられる電圧が、電圧Ｖｏｕｔ１としてレベルシフタ１１１から出力される。また、トランジスタ１４１のソース端子及びドレイン端子の他方と、抵抗素子１４３が有する第２の端子とに与えられる電圧が、電圧Ｖｏｕｔ２としてレベルシフタ１１１から出力される。

例えば、電圧Ｖｉｎ１がハイレベルであるとき、トランジスタ１４０がオンになるので、電圧ＶＬが、電圧Ｖｏｕｔ１としてレベルシフタ１１１から出力される。また、電圧Ｖｉｎ１がローレベルであるとき、トランジスタ１４０がオフになるので、電圧ＶＨが、電圧Ｖｏｕｔ１としてレベルシフタ１１１から出力される。電圧Ｖｉｎ２がハイレベルであるとき、トランジスタ１４１がオンになるので、電圧ＶＬが、電圧Ｖｏｕｔ１としてレベルシフタ１１１から出力される。また、電圧Ｖｉｎ２がローレベルであるとき、トランジスタ１４１がオフになるので、電圧ＶＨが、電圧Ｖｏｕｔ１としてレベルシフタ１１１から出力される。

本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。

（実施の形態３）
図９に、発明の一態様に係る電源回路の断面構造の一部を、一例として示す。なお、図９では、図６に示したトランジスタ１０７ａ及び容量素子１１４と、図８に示したトランジスタ１４０及び抵抗素子１４２とを、例示している。

また、本実施の形態では、トランジスタ１４０及び抵抗素子１４２が、単結晶のシリコン基板に形成され、酸化物半導体を活性層に用いたトランジスタ１０７ａと、容量素子１１４とが、トランジスタ１４０及び抵抗素子１４２上に形成されている場合を例示している。トランジスタ１４０は、非晶質、微結晶、多結晶または単結晶である、シリコン又はゲルマニウムなどの薄膜の半導体を活性層に用いていても良い。或いは、トランジスタ１４０は、酸化物半導体を活性層に用いていても良い。全てのトランジスタが酸化物半導体を活性層に用いている場合、トランジスタ１０７ａはトランジスタ１４０上に積層されていなくとも良く、トランジスタ１０７ａとトランジスタ１４０とは、同一の層に形成されていても良い。

なお、薄膜のシリコンを用いてトランジスタ１４０を形成する場合、プラズマＣＶＤ法などの気相成長法若しくはスパッタリング法で作製された非晶質シリコン、非晶質シリコンをレーザーアニールなどの処理により結晶化させた多結晶シリコン、単結晶シリコンウェハに水素イオン等を注入して表層部を剥離した単結晶シリコンなどを用いることができる。

図９では、半導体基板４００にｎチャネル型のトランジスタ１４０が形成されている。

半導体基板４００は、例えば、ｎ型またはｐ型の導電型を有するシリコン基板、ゲルマニウム基板、シリコンゲルマニウム基板、化合物半導体基板（ＧａＡｓ基板、ＩｎＰ基板、ＧａＮ基板、ＳｉＣ基板、ＧａＰ基板、ＧａＩｎＡｓＰ基板、ＺｎＳｅ基板等）等を用いることができる。図９では、ｎ型の導電性を有する単結晶シリコン基板を用いた場合を例示している。

また、トランジスタ１４０は、素子分離用絶縁膜４０１により、例えば図８に示したトランジスタ１４１などの他のトランジスタと、電気的に分離されている。素子分離用絶縁膜４０１の形成には、選択酸化法（ＬＯＣＯＳ（ＬｏｃａｌＯｘｉｄａｔｉｏｎｏｆＳｉｌｉｃｏｎ）法）またはトレンチ分離法等を用いることができる。

具体的に、トランジスタ１４０は、半導体基板４００に形成された、ソース領域またはドレイン領域として機能する不純物領域４０２及び不純物領域４０３と、ゲート電極４０４と、半導体基板４００とゲート電極４０４の間に設けられたゲート絶縁膜４０５とを有する。ゲート電極４０４は、ゲート絶縁膜４０５を間に挟んで、不純物領域４０２と不純物領域４０３の間に形成されるチャネル形成領域と重なる。

また、素子分離用絶縁膜４０１上には、抵抗素子１４２が設けられている。抵抗素子１４２として、例えば、多結晶、微結晶、非晶質のシリコンを含む半導体膜を用いることができる。

トランジスタ１４０上には、絶縁膜４０９が設けられている。絶縁膜４０９には開口部が形成されている。そして、上記開口部には、不純物領域４０２、不純物領域４０３にそれぞれ接する配線４１０、配線４１１と、抵抗素子１４２に接する配線４１２、配線４１３とが形成されている。

そして、配線４１０は、絶縁膜４０９上に形成された配線４１５に接続されており、配線４１１及び配線４１２は、絶縁膜４０９上に形成された配線４１６に接続されており、配線４１３は、絶縁膜４０９上に形成された配線４１７に接続されている。

配線４１５乃至配線４１７上には、絶縁膜４２０が形成されている。絶縁膜４２０には開口部が形成されており、上記開口部に、配線４１６に接続された配線４２１が形成されており、配線４１７に接続された配線４２２が形成されている。

そして、図９では、絶縁膜４２０上にトランジスタ１０７ａ及び容量素子１１４が形成されている。

トランジスタ１０７ａは、絶縁膜４２０上に、酸化物半導体を含む半導体膜４３０と、半導体膜４３０上の、ソース電極またはドレイン電極として機能する導電膜４３２及び導電膜４３３と、半導体膜４３０、導電膜４３２及び導電膜４３３上のゲート絶縁膜４３１と、ゲート絶縁膜４３１上に位置し、導電膜４３２と導電膜４３３の間において半導体膜４３０と重なっているゲート電極４３４と、を有する。

また、絶縁膜４２０上には導電膜４２３が設けられており、導電膜４２３は、配線４２１に接している。導電膜４３２は、配線４２２に接している。

また、ゲート絶縁膜４３１上において導電膜４３３と重なる位置に、導電膜４３５が設けられている。ゲート絶縁膜４３１を間に挟んで導電膜４３３及び導電膜４３５が重なっている部分が、容量素子１１４として機能する。

なお、図９では、容量素子１１４がトランジスタ１０７ａと共に絶縁膜４２０の上に設けられている場合を例示しているが、容量素子１１４は、トランジスタ１４０と共に、絶縁膜４２０の下に設けられていても良い。

そして、トランジスタ１０７ａ、容量素子１１４、導電膜４２３上に、絶縁膜４４１が設けられている。絶縁膜４４１及びゲート絶縁膜４３１には開口部が設けられており、上記開口部を介して導電膜４３３に接する導電膜４４２と、上記開口部を介してゲート電極４３４及び導電膜４２３に接する導電膜４４３とが、絶縁膜４４１上に設けられている。

また、絶縁膜４４１、導電膜４４２、導電膜４４３上には絶縁膜４４５が設けられている。絶縁膜４４５には開口部が設けられており、開口部を介して導電膜４４２に接する導電膜４４７が、絶縁膜４４５上に設けられている。導電膜４４７は、後に、図６に示すトランジスタ１０１ａのゲート電極に接続させるために、その表面の平坦性が高いことが望ましい。よって、導電性を有する粒子が分散された樹脂は、導電膜４４７の材料として適している。ただし、樹脂はハンダとの密着性が乏しいので、導電膜４４７に接するように、ハンダとの密着性が高い導電材料で形成された導電膜４４９を、導電膜４４７上に設ける。

また、図９において、トランジスタ１０７ａは、ゲート電極４３４を半導体膜４３０の片側において少なくとも有していれば良いが、半導体膜４３０を間に挟んで存在する一対のゲート電極を有していても良い。

トランジスタ１０７ａが、半導体膜４３０を間に挟んで存在する一対のゲート電極を有している場合、一方のゲート電極にはオンまたはオフを制御するための信号が与えられ、他方のゲート電極は、電気的に絶縁しているフローティングの状態であっても良いし、電位が他から与えられている状態であっても良い。後者の場合、一対の電極に、同じ高さの電位が与えられていても良いし、他方のゲート電極にのみ接地電位などの固定の電位が与えられていても良い。他方のゲート電極に与える電位の高さを制御することで、トランジスタの閾値電圧を制御することができる。

なお、酸化物半導体としては、少なくともインジウム（Ｉｎ）あるいは亜鉛（Ｚｎ）を含むことが好ましい。また、該酸化物半導体を用いたトランジスタの電気的特性のばらつきを減らすためのスタビライザーとして、それらに加えてガリウム（Ｇａ）を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてスズ（Ｓｎ）を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてハフニウム（Ｈｆ）を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてアルミニウム（Ａｌ）を有することが好ましい。また、スタビライザーとしてジルコニウム（Ｚｒ）を含むことが好ましい。

また、他のスタビライザーとして、ランタノイドである、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ルテチウム（Ｌｕ）のいずれか一種または複数種を含んでいてもよい。

例えば、酸化物半導体として、酸化インジウム、酸化ガリウム、酸化スズ、酸化亜鉛、二元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｚｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｓｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｉｎ−Ｍｇ系酸化物、Ｉｎ−Ｇａ系酸化物、三元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物（ＩＧＺＯとも表記する）、Ｉｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｐｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｎｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｕ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｇｄ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｄｙ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｏ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｅｒ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｔｍ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｙｂ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｌｕ−Ｚｎ系酸化物、四元系金属の酸化物であるＩｎ−Ｓｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ａｌ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｈｆ−Ｚｎ系酸化物、Ｉｎ−Ｈｆ−Ａｌ−Ｚｎ系酸化物を用いることができる。

なお、例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物とは、ＩｎとＧａとＺｎを含む酸化物という意味であり、ＩｎとＧａとＺｎの比率は問わない。また、ＩｎとＧａとＺｎ以外の金属元素を含んでいてもよい。Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物は、無電界時の抵抗が十分に高くオフ電流を十分に小さくすることが可能であり、また、移動度も高い。

例えば、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１（＝１／３：１／３：１／３）あるいはＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝２：２：１（＝２／５：２／５：１／５）の原子比のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物やその組成の近傍の酸化物を用いることができる。あるいは、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝１：１：１（＝１／３：１／３：１／３）、Ｉｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝２：１：３（＝１／３：１／６：１／２）あるいはＩｎ：Ｓｎ：Ｚｎ＝２：１：５（＝１／４：１／８：５／８）の原子比のＩｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物やその組成の近傍の酸化物を用いるとよい。

例えば、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ系酸化物では比較的容易に高い移動度が得られる。しかしながら、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物でも、バルク内欠陥密度を低減することにより移動度を上げることができる。

以下では、酸化物半導体膜の構造について説明する。

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

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

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

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

ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：ＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）によって観察すると、結晶部同士の明確な境界、即ち結晶粒界（グレインバウンダリーともいう。）を確認することができない。そのため、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。

本明細書において、「垂直」とは、二つの直線が８０°以上１００°以下の角度で配置されている状態をいう。従って、８５°以上９５°以下の場合も含まれる。また、「平行」とは、二つの直線が−１０°以上１０°以下の角度で配置されている状態をいう。従って、−５°以上５°以下の場合も含まれる。

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

なお、酸化物半導体膜は、例えば、非晶質酸化物半導体膜、微結晶酸化物半導体膜、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜のうち、二種以上を有する積層膜であってもよい。

ＣＡＡＣ−ＯＳ膜は、例えば、多結晶である金属酸化物ターゲットを用い、スパッタリング法によって成膜する。当該ターゲットにイオンが衝突すると、ターゲットに含まれる結晶領域がａ−ｂ面から劈開し、ａ−ｂ面に平行な面を有する平板状またはペレット状のスパッタリング粒子として剥離することがある。この場合、当該平板状のスパッタリング粒子が、結晶状態を維持したまま基板に到達することで、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を成膜することができる。

また、ＣＡＡＣ−ＯＳ膜を成膜するために、以下の条件を適用することが好ましい。

成膜時の不純物混入を低減することで、不純物によって結晶状態が崩れることを抑制できる。例えば、処理室内に存在する不純物濃度（水素、水、二酸化炭素および窒素など）を低減すればよい。また、成膜ガス中の不純物濃度を低減すればよい。具体的には、露点が−８０℃以下、好ましくは−１００℃以下である成膜ガスを用いる。

また、成膜時の基板加熱温度を高めることで、基板到達後にスパッタリング粒子のマイグレーションが起こる。具体的には、基板加熱温度を１００℃以上７４０℃以下、好ましくは２００℃以上５００℃以下として成膜する。成膜時の基板加熱温度を高めることで、平板状のスパッタリング粒子が基板に到達した場合、基板上でマイグレーションが起こり、スパッタリング粒子の平らな面が基板に付着する。

また、成膜ガス中の酸素割合を高め、電力を最適化することで成膜時のプラズマダメージを軽減すると好ましい。成膜ガス中の酸素割合は、３０体積％以上、好ましくは１００体積％とする。

ターゲットの一例として、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物ターゲットについて以下に示す。

ＩｎＯ_Ｘ粉末、ＧａＯ_Ｙ粉末およびＺｎＯ_Ｚ粉末を所定のｍｏｌ数比で混合し、加圧処理後、１０００℃以上１５００℃以下の温度で加熱処理をすることで多結晶であるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物ターゲットとする。なお、Ｘ、ＹおよびＺは任意の正数である。ここで、所定のｍｏｌ数比は、例えば、ＩｎＯ_Ｘ粉末、ＧａＯ_Ｙ粉末およびＺｎＯ_Ｚ粉末が、２：２：１、８：４：３、３：１：１、１：１：１、４：２：３または３：１：２である。なお、粉末の種類、およびその混合するｍｏｌ数比は、作製するターゲットによって適宜変更すればよい。

本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。

（実施の形態４）
次いで、酸化物半導体膜を活性層に用いたトランジスタの構造例について説明する。

図１０（Ａ）に示すトランジスタ６０１は、チャネルエッチ構造の、ボトムゲート型である。

トランジスタ６０１は、絶縁表面上に形成されたゲート電極６０２と、ゲート電極６０２上のゲート絶縁膜６０３と、ゲート絶縁膜６０３上においてゲート電極６０２と重なっている、活性層として機能する酸化物半導体膜６０４と、酸化物半導体膜６０４上に形成された導電膜６０５、導電膜６０６とを有する。さらに、トランジスタ６０１は、酸化物半導体膜６０４、導電膜６０５及び導電膜６０６上に形成された絶縁膜６０７を、その構成要素に含めても良い。

なお、図１０（Ａ）に示したトランジスタ６０１は、酸化物半導体膜６０４と重なる位置において絶縁膜６０７上に形成されたゲート電極を、更に有していても良い。

図１０（Ｂ）に示すトランジスタ６１１は、チャネル保護構造の、ボトムゲート型である。

トランジスタ６１１は、絶縁表面上に形成されたゲート電極６１２と、ゲート電極６１２上のゲート絶縁膜６１３と、ゲート絶縁膜６１３上においてゲート電極６１２と重なっている、活性層として機能する酸化物半導体膜６１４と、酸化物半導体膜６１４上に形成されたチャネル保護膜６１８と、酸化物半導体膜６１４上に形成された導電膜６１５、導電膜６１６とを有する。さらに、トランジスタ６１１は、チャネル保護膜６１８、導電膜６１５及び導電膜６１６上に形成された絶縁膜６１７を、その構成要素に含めても良い。

なお、図１０（Ｂ）に示したトランジスタ６１１は、酸化物半導体膜６１４と重なる位置において絶縁膜６１７上に形成されたゲート電極を、更に有していても良い。

チャネル保護膜６１８を設けることによって、酸化物半導体膜６１４のチャネル形成領域となる部分に対する、後の工程における、エッチング時のプラズマやエッチング剤による膜減りなどのダメージを防ぐことができる。従ってトランジスタ６１１の信頼性を向上させることができる。

図１０（Ｃ）に示すトランジスタ６２１は、ボトムコンタクト構造の、ボトムゲート型である。

トランジスタ６２１は、絶縁表面上に形成されたゲート電極６２２と、ゲート電極６２２上のゲート絶縁膜６２３と、ゲート絶縁膜６２３上の導電膜６２５、導電膜６２６と、ゲート絶縁膜６２３上においてゲート電極６２２と重なっており、なおかつ導電膜６２５、導電膜６２６上に形成された、活性層として機能する酸化物半導体膜６２４とを有する。さらに、トランジスタ６２１は、導電膜６２５、導電膜６２６、及び酸化物半導体膜６２４上に形成された絶縁膜６２７を、その構成要素に含めても良い。

なお、図１０（Ｃ）に示したトランジスタ６２１は、酸化物半導体膜６２４と重なる位置において絶縁膜６２７上に形成されたゲート電極を、更に有していても良い。

図１０（Ｄ）に示すトランジスタ６４１は、ボトムコンタクト構造の、トップゲート型である。

トランジスタ６４１は、絶縁表面上に形成された導電膜６４５、導電膜６４６と、導電膜６４５及び導電膜６４６上において、活性層として機能する酸化物半導体膜６４４と、酸化物半導体膜６４４、導電膜６４５及び導電膜６４６上に形成されたゲート絶縁膜６４３と、ゲート絶縁膜６４３上において酸化物半導体膜６４４と重なっているゲート電極６４２とを有する。さらに、トランジスタ６４１は、ゲート電極６４２上に形成された絶縁膜６４７を、その構成要素に含めても良い。

（実施の形態５）
次いで、酸化ガリウムを活性層に用いたトランジスタの構造例について説明する。

図１１（Ａ）に示すトランジスタ７０１は、ＭＥＳ型の電界効果トランジスタ（ＭＥＳＦＥＴ）である。具体的に、トランジスタ７０１では、β型のＧａ_２Ｏ_３を含む酸化ガリウム基板７０２上に、錫が添加されることでｎ型化されたβ型のＧａ_２Ｏ_３を含む酸化ガリウム膜７０３が設けられている。酸化ガリウム膜７０３上には、ソース電極またはドレイン電極として機能する導電膜７０４及び導電膜７０５と、導電膜７０４と導電膜７０５の間に位置するゲート電極７０６とが、設けられている。

導電膜７０４及び導電膜７０５には、酸化ガリウム膜７０３との間においてオーミックコンタクトが形成される金属を用いる。例えば、導電膜７０４または導電膜７０５として、アルミニウム、ニッケル、チタンなどを用いることができる。また、ゲート電極７０６には、酸化ガリウム膜７０３との間においてショットキー接合が形成される金属を用いる。例えば、ゲート電極７０６として、金、金ゲルマニウム、白金、窒化タングステンなどを用いることができる。

図１１（Ｂ）に示すトランジスタ７１０は、ＭＯＳ型の電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）である。具体的に、トランジスタ７１０では、β型のＧａ_２Ｏ_３を含む酸化ガリウム基板７１１上に、ソース電極またはドレイン電極として機能する導電膜７１２及び導電膜７１３と、導電膜７１２と導電膜７１３の間に位置するゲート絶縁膜７１４が設けられている。ゲート絶縁膜７１４上には、導電膜７１２と導電膜７１３の間に位置するゲート電極７１５とが、設けられている。

導電膜７１２、導電膜７１３、またはゲート電極７１５として、導電膜７０４と導電膜７０５と同様に、アルミニウム、ニッケル、チタンなどを用いることができる。また、例えば、ゲート絶縁膜７１４として、酸化アルミニウム、酸化珪素などを用いることができる。

（実施の形態６）
本発明の一態様に係る電源回路は、表示機器、パーソナルコンピュータ、記録媒体を備えた画像再生装置（代表的にはＤＶＤ：ＤｉｇｉｔａｌＶｅｒｓａｔｉｌｅＤｉｓｃ等の記録媒体を再生し、その画像を表示しうるディスプレイを有する装置）に用いることができる。その他に、本発明の一態様に係る電源回路を用いることができる電子機器として、携帯電話、携帯型を含むゲーム機、携帯情報端末、電子書籍、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラなどのカメラ、ゴーグル型ディスプレイ（ヘッドマウントディスプレイ）、ナビゲーションシステム、音響再生装置（カーオーディオ、デジタルオーディオプレイヤー等）、複写機、ファクシミリ、プリンター、プリンター複合機、現金自動預け入れ払い機（ＡＴＭ）、自動販売機、電子レンジ等の高周波加熱装置、電気炊飯器、電気洗濯機、エアコンディショナーなどの空調設備、電気冷蔵庫、電気冷凍庫、電気冷凍冷蔵庫、電動ミシン、電動工具、半導体試験装置、などが挙げられる。また、本発明の一態様に係る電源回路は、電力を用いて電動機により推進する移動体に用いられていても良い。上記移動体には、自動車（自動二輪車、三輪以上の普通自動車）、電動アシスト自転車を含む原動機付自転車、航空機、船舶、鉄道車両などが、その範疇に含まれる。これら電子機器の具体例を図１２に示す。

図１２（Ａ）は電子レンジ１４００であり、筐体１４０１と、被処理物を載置するための処理室１４０２と、表示部１４０３と、操作盤などの入力装置１４０４と、筐体１４０１の内部に設置されている高周波発生装置から発生した電磁波を、処理室１４０２に供給する照射部１４０５とを、有する。本発明の一態様に係る電源回路は、例えば、高周波発生装置への電力の供給を制御するのに用いることができる。

図１２（Ｂ）は洗濯機１４１０であり、筐体１４１１と、筐体１４１１内に設けられた洗濯槽上のふた１４１２と、操作盤などの入力装置１４１３と、洗濯槽の給水口１４１４とを、有する。本発明の一態様に係る電源回路は、例えば、洗濯槽の回転を制御するモーターへの電力の供給を制御するのに用いることができる。

（実施の形態７）
次いで、チャネル形成領域を酸化物半導体膜に有するＭＯＳ型の電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）を、酸化ガリウム基板上に作製する方法について説明する。

まず、図１３（Ａ）に示すように、酸化ガリウム基板１０上に、Ｉｎ−Ｚｎ系酸化物を含む酸化物半導体膜１１を形成する。酸化ガリウム基板１０としては、最も安定な構造であるβ型のＧａ_２Ｏ_３を含む基板を用いることができる。酸化物半導体膜１１は、スパッタリング法などを用いて、形成することができる。そして、酸化物半導体膜１１の膜厚は、例えば３ｎｍ以上５００ｎｍ以下、好ましくは３ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすれば良い。

次いで、酸化ガリウム基板１０及び酸化物半導体膜１１に対して加熱処理を施すことで、酸化ガリウム基板１０から酸化物半導体膜１１内にガリウムが拡散させる。なお、酸化物半導体膜１１のインジウム及び亜鉛が酸化ガリウム基板１０に拡散しても良い。上記加熱処理により、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ系酸化物を含む酸化物半導体膜１２が形成される（図１３（Ｂ））。上記加熱処理を、減圧雰囲気下、窒素や希ガスなどの不活性ガス雰囲気下、酸素雰囲気下、又は超乾燥エア（ＣＲＤＳ（キャビティリングダウンレーザー分光法）方式の露点計を用いて測定した場合の水分量が２０ｐｐｍ（露点換算で−５５℃）以下、好ましくは１ｐｐｍ以下、好ましくは１０ｐｐｂ以下の空気）雰囲気下で行うことで、酸化物半導体膜１２中の水分又は水素を脱離させることができるので、好ましい。また、加熱処理の温度は、５００℃以上１７５０℃以下とすれば良い。

次いで、図１３（Ｃ）に示すように、酸化物半導体膜１２をエッチング等により所望の形状に加工することで、酸化物半導体膜１３を形成する。

次いで、酸化物半導体膜１３上に導電膜１４及び導電膜１５を形成した後、酸化物半導体膜１３、導電膜１４及び導電膜１５を覆うようにゲート絶縁膜１６を形成する。次いで、ゲート絶縁膜１６上において酸化物半導体膜１３と重なる位置に、導電膜１７を形成することで、図１３（Ｄ）に示すようにトランジスタを作製することができる。

１０酸化ガリウム基板
１１酸化物半導体膜
１２酸化物半導体膜
１３酸化物半導体膜
１４導電膜
１５導電膜
１６ゲート絶縁膜
１７導電膜
１００電源回路
１０１パワースイッチ
１０１ａトランジスタ
１０２パワースイッチ
１０２ａトランジスタ
１０３電圧調整部
１０４蓄電装置
１０５補助電源
１０６電圧発生回路
１０７スイッチ
１０７ａトランジスタ
１０８スイッチ
１０８ａトランジスタ
１０９スイッチ
１０９ａトランジスタ
１１０スイッチ
１１０ａトランジスタ
１１１レベルシフタ
１１２入力装置
１１３制御回路
１１４容量素子
１１５容量素子
１１６電源
１１６ａ交流電源
１１７負荷
１２０入力部
１２１信号処理部
１２２正電圧発生回路
１２３負電圧発生回路
１２４充電制御回路
１２５蓄電部
１２６ダイオード
１２７ダイオード
１２８一次電池
１３０整流回路
１３１平滑回路
１３２降圧型コンバータ
１４０トランジスタ
１４１トランジスタ
１４２抵抗素子
１４３抵抗素子
４００半導体基板
４０１素子分離用絶縁膜
４０２不純物領域
４０３不純物領域
４０４ゲート電極
４０５ゲート絶縁膜
４０９絶縁膜
４１０配線
４１１配線
４１２配線
４１３配線
４１５配線
４１６配線
４１７配線
４２０絶縁膜
４２１配線
４２２配線
４２３導電膜
４３０半導体膜
４３１ゲート絶縁膜
４３２導電膜
４３３導電膜
４３４ゲート電極
４３５導電膜
４４１絶縁膜
４４２導電膜
４４３導電膜
４４５絶縁膜
４４７導電膜
４４９導電膜
６０１トランジスタ
６０２ゲート電極
６０３ゲート絶縁膜
６０４酸化物半導体膜
６０５導電膜
６０６導電膜
６０７絶縁膜
６１１トランジスタ
６１２ゲート電極
６１３ゲート絶縁膜
６１４酸化物半導体膜
６１５導電膜
６１６導電膜
６１７絶縁膜
６１８チャネル保護膜
６２１トランジスタ
６２２ゲート電極
６２３ゲート絶縁膜
６２４酸化物半導体膜
６２５導電膜
６２６導電膜
６２７絶縁膜
６４１トランジスタ
６４２ゲート電極
６４３ゲート絶縁膜
６４４酸化物半導体膜
６４５導電膜
６４６導電膜
６４７絶縁膜
７０１トランジスタ
７０２酸化ガリウム基板
７０３酸化ガリウム膜
７０４導電膜
７０５導電膜
７０６ゲート電極
７１０トランジスタ
７１１酸化ガリウム基板
７１２導電膜
７１３導電膜
７１４ゲート絶縁膜
７１５ゲート電極
１４００電子レンジ
１４０１筐体
１４０２処理室
１４０３表示部
１４０４入力装置
１４０５照射部
１４１０洗濯機
１４１１筐体
１４１２ふた
１４１３入力装置
１４１４給水口

Claims

第１スイッチと、第２スイッチと、第３スイッチと、第１回路と、第２回路と、を有し、
前記第１回路は、前記第１スイッチを介して前記第１回路に供給される第１電圧を調整し、第２電圧を生成する機能を有し、
前記第２回路は、前記第２電圧を用いて第３電圧を生成する機能と、前記第２電圧を用いて第４電圧を生成する機能と、を有し、
前記第２スイッチは、前記第１スイッチに前記第３電圧を供給する機能を有し、
前記第３スイッチは、前記第１スイッチに前記第４電圧を供給する機能を有し、
前記第１スイッチは、前記第３電圧に従って非導通状態になる機能と、前記第４電圧に従って導通状態になる機能と、を有し、
前記第３電圧に従って前記第１スイッチが非導通状態になった後、前記第２スイッチが非導通状態となっても、前記第１スイッチの非導通状態は維持され、
前記第４電圧に従って前記第１スイッチが導通状態になった後、前記第３スイッチが非導通状態となっても、前記第１スイッチの導通状態は維持され、
前記第１スイッチ、前記第２スイッチ、及び前記第３スイッチは、それぞれ酸化物半導体をチャネル形成領域に含むトランジスタである電源回路。
第１スイッチと、第２スイッチと、第３スイッチと、第１回路と、第２回路と、蓄電装置と、を有し、
前記第１回路は、前記第１スイッチを介して前記第１回路に供給される第１電圧を調整し、第２電圧を生成する機能を有し、
前記蓄電装置は、前記第２電圧を用いて電力を蓄えるとともに、前記第２回路に第３電圧を出力する機能を有し、
前記第２回路は、前記第３電圧を用いて第４電圧を生成する機能と、前記第３電圧を用いて第５電圧を生成する機能と、を有し、
前記第２スイッチは、前記第１スイッチに前記第４電圧を供給する機能を有し、
前記第３スイッチは、前記第１スイッチに前記第５電圧を供給する機能を有し、
前記第１スイッチは、前記第４電圧に従って非導通状態になる機能と、前記第５電圧に従って導通状態になる機能と、を有し、
前記第４電圧に従って前記第１スイッチが非導通状態になった後、前記第２スイッチが非導通状態となっても、前記第１スイッチの非導通状態は維持され、
前記第５電圧に従って前記第１スイッチが導通状態になった後、前記第３スイッチが非導通状態となっても、前記第１スイッチの導通状態は維持され、
前記第１スイッチ、前記第２スイッチ、及び前記第３スイッチは、それぞれ酸化物半導体をチャネル形成領域に含むトランジスタである電源回路。
請求項１または請求項２において、
前記第１スイッチは、前記酸化物半導体として酸化ガリウムを有するトランジスタである電源回路。
請求項１乃至請求項３のいずれか一において、
前記第２スイッチ及び前記第３スイッチは、それぞれ、前記酸化物半導体としてＩｎ、Ｇａ、及びＺｎを有するトランジスタである電源回路。