DE102013111292A1

DE102013111292A1 - Batterieelektrode, Batterie und Verfahren zur Herstellung einer Batterieelektrode

Info

Publication number: DE102013111292A1
Application number: DE102013111292.7A
Authority: DE
Inventors: Magdalena Forster; Bernhard Goller; Joachim Hirschler; Katharina Schmut; Philemon Schweizer; Michael Sorger; Michael Sternad; Thomas Walter
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2012-10-17
Filing date: 2013-10-14
Publication date: 2014-04-17
Also published as: CN103779533B; US10170746B2; CN103779533A; US20140106229A1

Abstract

Eine Batterieelektrode (300) gemäß diversen Ausführungsformen kann Folgendes umfassen: ein Substrat (310), das eine Oberfläche (312a, 312b, 314a) umfasst, die so konfiguriert ist, dass sie einem ionenführenden Elektrolyten (308) gegenüberliegt; und eine erste das Diffusionsvermögen ändernde Region (397) auf einem ersten Teil (310a) der Oberfläche (312a, 312b, 314a), wobei die erste das Diffusionsvermögen ändernde Region (397) so konfiguriert ist, dass die Diffusion von Ionen, die von dem Elektrolyten (308) geführt werden, in das Substrat (310) ändert, und wobei ein zweiter Teil (310b) des Substrats (310) frei von der ersten das Diffusionsvermögen ändernden Region (397) ist.

Description

Diverse Ausführungsformen betreffen eine Batterieelektrode, eine Batterie und ein Verfahren zur Herstellung einer Batterieelektrode.
Mit der zunehmenden Verwendung von Batterien in elektronischen Geräten, z. B. in tragbaren elektronischen Geräten (z. B. Mobiltelefonen, Notebooks), erfahren auch Ladungsspeicherzeiten und die Kapazität von in diesen mobilen elektronischen Geräten verwendeten Batterien erhöhte Aufmerksamkeit. Die Kapazität einer Batterie, z. B. einer aufladbaren Batterie, z. B. einer Lithiumionensekundärbatterie, können durch das Verhalten der Batterieelektrode (z. B. Anode) beim Aufladen der Batterie eingeschränkt sein. In vielen Fällen kann z. B. das Laden einer Batterie zu signifikanter Volumensausdehnung der Anode der Batterie führen, was letzten Endes Brüche oder Risse der Anode zur Folge haben kann. Somit kann durch diesen Bruch die Menge der Ladung eingeschränkt werden.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen kann eine Batterieelektrode bereitgestellt sein. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann die Batterieelektrode ein Substrat, das eine Oberfläche umfasst, die so konfiguriert ist, dass sie einem ionenführenden Elektrolyten gegenüberliegt; und eine erste das Diffusionsvermögen ändernde Region auf einem ersten Teil der Oberfläche umfassen, wobei die erste das Diffusionsvermögen ändernde Region so konfiguriert sein kann, dass sie die Diffusion von Ionen, die durch den Elektrolyten geführt werden, in das Substrat ändert, und wobei ein zweiter Teil der Oberfläche von der ersten das Diffusionsvermögen ändernden Region frei sein kann.
In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Substrat ein Halbleitermaterial umfassen.
In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Halbleitermaterial aus einer Gruppe von Materialien ausgewählt sein, wobei die Gruppe aus Silicium, Germanium, Galliumnitrid, Galliumarsenid und Siliciumcarbid umfasst.
In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Substrat ein Material umfassen, dass eine maximale Ausdehnung von größer oder gleich etwa 5% aufweist, wenn es vollständig mit von dem Elektrolyten geführten Ionen beladen ist.
In einer oder mehreren Ausführungsformen kann die Batterieelektrode als Anode im Entladungstyp konfiguriert sein.
In einer oder mehreren Ausführungsformen können die von dem Elektrolyten geführten Ionen Ionen aus zumindest einem aus einer Gruppe von Materialien ausgewählten Material umfassen, wobei die Gruppe aus einem Alkalimetall, einem Erdalkalimetall, einem Chalkogen und einem Halogen besteht.
In einer oder mehreren Ausführungsformen können die von dem Elektrolyten geführten Ionen Ionen aus zumindest einem aus einer Gruppe von Materialien ausgewählten Material umfassen, wobei die Gruppe aus Magnesium, Natrium, Lithium, Kalium, Calcium, Sauerstoff, Schwefel, Chlor und Fluor besteht.
In einer oder mehreren Ausführungsformen kann die erste das Diffusionsvermögen ändernde Region so konfiguriert sein, dass sie die Diffusion von Ionen, die durch den Elektrolyten geführt werden, in das Substrat reduziert.
In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Substrat ein dotiertes Substrat sein und kann die erste das Diffusionsvermögen ändernde Region eine gegendotierte Region in dem dotierten Substrat umfassen.
In einer oder mehreren Ausführungsformen kann die erste das Diffusionsvermögen ändernde Region ein Resistmaterial umfassen.
In einer oder mehreren Ausführungsformen kann die erste das Diffusionsvermögen ändernde Region ein Metall- oder eine Metalllegierung umfassen.
In einer oder mehreren Ausführungsformen kann die erste das Diffusionsvermögen ändernde Region so konfiguriert sein, dass sie die Diffusion von Ionen, die durch den Elektrolyten geführt werden, in das Substrat erhöht.
In einer oder mehreren Ausführungsformen kann die erste das Diffusionsvermögen ändernde Region eine amorphisierte Region in dem Substrat umfassen.
In einer oder mehreren Ausführungsformen kann die Batterieelektrode weiterhin eine zweite das Diffusionsvermögen ändernde Region auf einem zweiten Teil der Oberfläche umfassen, wobei die erste das Diffusionsvermögen ändernde Region so konfiguriert sein kann, dass sie die Diffusion von Ionen, die durch den Elektrolyten geführt werden, in das Substrat reduziert, und wobei die zweite das Diffusionsvermögen ändernde Region so konfiguriert sein kann, dass sie die Diffusion von Ionen, die durch den Elektrolyten geführt werden, in das Substrat erhöht.
In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Substrat ein dotiertes Substrat sein, wobei die erste das Diffusionsvermögen ändernde Region eine gegendotierte Region in dem dotierten Substrat umfassen kann und wobei die zweite das Diffusionsvermögen ändernde Region eine amorphisierte Region in dem dotierten Substrat umfassen kann.
In einer oder mehreren Ausführungsformen kann die erste das Diffusionsvermögen ändernde Region eine Dicke im Bereich von etwa 1 nm bis etwa 10 μm aufweisen.
In einer oder mehreren Ausführungsformen kann zumindest eine von erster das Diffusionsvermögen verändernder Region und zweiter das Diffusionsvermögen verändernder Region eine Dicke im Bereich von etwa 1 nm bis etwa 10 μm aufweisen.
In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Substrat eine Basisregion und zumindest eine von der Basisregion ausgehende Vorwölbung umfassen und kann die Oberfläche, die so konfiguriert ist, dass sie dem ionenführenden Elektrolyten gegenüberliegt, eine Oberfläche der Basisregion und eine Oberfläche der zumindest einen Vorwölbung umfassen,
In einer oder mehreren Ausführungsformen kann der erste Teil der Oberfläche, die so konfiguriert ist, dass sie dem ionenführenden Elektrolyten gegenüberliegt, die Oberfläche der Basisregion umfassen, kann der zweite Teil der Oberfläche, die so konfiguriert ist, dass sie dem ionenführenden Elektrolyten gegenüberliegt, die Oberfläche der zumindest einen Vorwölbung umfassen und kann die erste das Diffusionsvermögen ändernde Region so konfiguriert sein, dass sie die Diffusion von Ionen, die durch den Elektrolyten geführt werden, in das Substrat reduziert.
In einer oder mehreren Ausführungsformen kann der erste Teil der Oberfläche, die so konfiguriert ist, dass sie dem ionenführenden Elektrolyten gegenüberliegt, die Oberfläche der zumindest einen Vorwölbung umfassen, kann der zweite Teil der Oberfläche, die so konfiguriert ist, dass sie dem ionenführenden Elektrolyten gegenüberliegt, die Oberfläche der Basisregion umfassen und kann die erste das Diffusionsvermögen ändernde Region so konfiguriert sein, dass sie die Diffusion von Ionen, die durch den Elektrolyten geführt werden, in das Substrat erhöht.
In einer oder mehreren Ausführungsformen kann die erste das Diffusionsvermögen ändernde Region eine abgestufte Dicke aufweisen.
In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Substrat eine Basisregion und zumindest eine von der Basisregion ausgehende Vorwölbung umfassen, wobei der erste Teil der Oberfläche, die so konfiguriert ist, dass sie dem ionenführenden Elektrolyten gegenüberliegt, eine Oberfläche der Basisregion umfassen kann und der zweite Teil der Oberfläche, die so konfiguriert ist, dass sie dem ionenführenden Elektrolyten gegenüberliegt, eine Oberfläche der zumindest einen Vorwölbung umfassen kann.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen kann eine Batterie bereitgestellt werden. Die Batterie kann einen ionenführenden Elektrolyten und zumindest zwei Batterieelektroden umfassen, wobei zumindest eine Batterieelektrode von den zumindest zwei Batterieelektroden ein Substrat, das eine Oberfläche umfasst, die so konfiguriert ist, dass sie dem ionenführenden Elektrolyten gegenüberliegt, und eine erste das Diffusionsvermögen ändernde Region auf einem ersten Teil der Oberfläche umfassen kann, wobei die erste das Diffusionsvermögen ändernde Region so konfiguriert sein kann, dass sie die Diffusion von Ionen, die durch den Elektrolyten geführt werden, in das Substrat ändert, wobei ein zweiter Teil der Oberfläche von der ersten das Diffusionsvermögen ändernden Region frei sein kann.
In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Substrat der Batterieelektrode der Batterie eine Basisregion und zumindest eine von der Basisregion ausgehende Vorwölbung umfassen, wobei der erste Teil der Oberfläche, die so konfiguriert ist, dass sie dem ionenführenden Elektrolyten gegenüberliegt, eine Oberfläche der Basisregion umfassen kann, wobei der zweite Teil der Oberfläche, die so konfiguriert ist, dass sie dem ionenführenden Elektrolyten gegenüberliegt, eine Oberfläche der zumindest einen Vorwölbung umfassen kann und wobei die erste das Diffusionsvermögen ändernde Region so konfiguriert sein kann, dass sie die Diffusion von Ionen, die durch den Elektrolyten geführt werden, in das Substrat reduziert.
In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Substrat der Batterieelektrode der Batterie ein dotiertes Halbleitersubstrat sein, wobei die erste das Diffusionsvermögen ändernde Region eine gegendotierte Region in der Basisregion umfassen kann.
In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Substrat der Batterieelektrode der Batterie eine Basisregion und zumindest eine von der Basisregion ausgehende Vorwölbung umfassen, wobei der erste Teil der Oberfläche, die so konfiguriert ist, dass sie dem ionenführenden Elektrolyten gegenüberliegt, eine Oberfläche der zumindest einen Vorwölbung umfassen kann, wobei der zweite Teil der Oberfläche, die so konfiguriert ist, dass sie dem ionenführenden Elektrolyten gegenüberliegt, eine Oberfläche der Basisregion umfassen kann und wobei die erste das Diffusionsvermögen ändernde Region so konfiguriert sein kann, dass sie die Diffusion von Ionen, die durch den Elektrolyten geführt werden, in das Substrat erhöht.
In einer oder mehreren Ausführungsformen kann die erste das Diffusionsvermögen ändernde Region der Batterieelektrode der Batterie eine amorphisierte Region in der zumindest einen Vorwölbung umfassen.
In einer oder mehreren Ausführungsformen kann die Batterieelektrode der Batterie weiterhin eine zweite das Diffusionsvermögen ändernde Region auf dem zweiten Teil der Oberfläche umfassen, wobei die erste das Diffusionsvermögen ändernde Region so konfiguriert sein kann, dass sie die Diffusion von Ionen, die durch den Elektrolyten geführt werden, in das Substrat reduziert, und wobei die zweite das Diffusionsvermögen ändernde Region so konfiguriert sein kann, dass sie die Diffusion von Ionen, die durch den Elektrolyten geführt werden, in das Substrat erhöht.
In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Substrat der Batterieelektrode der Batterie eine Basisregion und zumindest eine von der Basisregion ausgehende Vorwölbung umfassen, wobei der erste Teil der Oberfläche, die so konfiguriert ist, dass sie dem ionenführenden Elektrolyten gegenüberliegt, eine Oberfläche der Basisregion umfassen kann, wobei der zweite Teil der Oberfläche, die so konfiguriert ist, dass sie dem ionenführenden Elektrolyten gegenüberliegt, eine Oberfläche der zumindest einen Vorwölbung umfassen kann.
In einer oder mehreren Ausführungsformen kann die zumindest eine Batterieelektrode der Batterie als Anode der Batterie konfiguriert sein.
In einer oder mehreren Ausführungsformen kann die Batterie als Lithiumionenbatterie konfiguriert sein.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen kann ein Verfahren zur Herstellung einer Batterieelektrode bereitgestellt sein. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Verfahren das Bereitstellen eines Substrats, das eine Oberfläche umfasst, die so konfiguriert ist, dass sie einem ionenführenden Elektrolyten gegenüberliegt; und das Ausbilden einer ersten das Diffusionsvermögen ändernden Region auf einem ersten Teil der Oberfläche des Substrats umfassen, wobei ein zweiter Teil der Oberfläche von der ersten das Diffusionsvermögen ändernden Region frei bleiben kann und wobei die erste das Diffusionsvermögen ändernde Region so konfiguriert sein kann, dass sie die Diffusion von Ionen, die durch den Elektrolyten geführt werden, in das Substrat ändert.
In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das in dem Verfahren bereitgestellte Substrat ein Halbleitermaterial umfassen.
In einer oder mehreren Ausführungsformen kann die erste das Diffusionsvermögen ändernde Region so konfiguriert sein, dass sie die Diffusion von Ionen, die durch den Elektrolyten geführt werden, in das Substrat reduziert.
In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Substrat ein dotiertes Substrat sein, wobei das Ausbilden der ersten das Diffusionsvermögen ändernden Region das Ausbilden einer gegendotierten Region in dem dotierten Substrat umfassen kann.
In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Ausbilden der gegendotierten Region in dem dotierten Substrat das Implantieren von gegendotierenden Ionen in das dotierte Substrat und das Ausheilen des Substrats nach dem Implantieren der gegendotierenden Ionen umfassen.
In einer oder mehreren Ausführungsformen kann die erste des Diffusionsvermögen ändernde Region so konfiguriert sein, dass sie die Diffusion von Ionen, die durch den Elektrolyten geführt werden, in das Substrat erhöht.
In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Ausbilden der ersten das Diffusionsvermögen ändernden Region das Ausbilden einer amorphisierten Region in dem Substrat umfassen.
In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Ausbilden der amorphisierten Region in dem Substrat das Implantieren von Ionen in das Substrat umfassen.
In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Verfahren weiterhin das Ausbilden einer zweiten das Diffusionsvermögen ändernden Region auf dem zweiten Teil der Oberfläche des Substrats umfassen, wobei die erste das Diffusionsvermögen ändernde Region so konfiguriert sein kann, dass sie die Diffusion von Ionen, die durch den Elektrolyten geführt werden, in das Substrat reduziert, und wobei die zweite des Diffusionsvermögen ändernde Region so konfiguriert sein kann, dass sie die Diffusion von Ionen, die durch den Elektrolyten geführt werden, in das Substrat erhöht.
In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Substrat ein dotiertes Substrat sein, kann das Ausbilden der ersten das Diffusionsvermögen ändernden Region das Ausbilden einer gegendotierten Region in dem dotierten Substrat umfassen und kann das Ausbilden der zweiten das Diffusionsvermögen ändernden Region das Ausbilden einer amorphisierten Region in dem dotierten Substrat umfassen.
In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Verfahren weiterhin das Strukturieren des Substrats umfassen, sodass es eine Basisregion und zumindest eine von der Basisregion ausgehende Vorwölbung aufweist, wobei die Oberfläche des Substrats, die so konfiguriert ist, dass sie dem ionenführenden Elektrolyten gegenüberliegt, eine Oberfläche der Basisregion und eine Oberfläche der zumindest einen Vorwölbung umfassen kann und wobei das Ausbilden der ersten das Diffusionsvermögen ändernden Region auf dem ersten Teil der Oberfläche des Substrats das Ausbilden der ersten das Diffusionsvermögen ändernden Region an der Oberfläche der Basisregion umfassen kann.
In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Strukturieren des Substrats das Ausbilden (z. B. Abscheiden) einer Abdeckschicht (z. B. einer Resistschicht) über der Oberfläche des Substrats, die so konfiguriert ist, dass sie dem ionenführenden Elektrolyten gegenüberliegt; das Strukturieren (z. B. Ätzen) der Abdeckschicht, um einen Teil der Abdeckschicht von der Oberfläche zu entfernen und so eine strukturierte Abdeckschicht auszubilden; und das Ätzen des Substrats unter Verwendung der strukturierten Abdeckschicht als Ätzmaske, um die Basisregion und die zumindest eine Vorwölbung auszubilden, umfassen.
In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Ausbilden der ersten das Diffusionsvermögen ändernden Region an der Oberfläche der Basisregion das Implantieren von Ionen in die Basisregion und das Ausheilen des Substrats nach dem Implantieren der Ionen in die Basisregion umfassen.
In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Implantieren der Ionen in die Basisregion das Verwendung das strukturierten Abdeckschicht als Implantationsmaske umfassen.
In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Verfahren weiterhin das Strukturieren des Substrats umfassen, sodass es eine Basisregion und zumindest eine von der Basisregion ausgehende Vorwölbung aufweist, wobei die Oberfläche des Substrats, die so konfiguriert ist, dass sie dem ionenführenden Elektrolyten gegenüberliegt, eine Oberfläche der Basisregion und eine Oberfläche der zumindest einen Vorwölbung umfassen kann und wobei das Ausbilden der ersten das Diffusionsvermögen ändernden Region auf dem ersten Teil der Oberfläche des Substrats das Ausbilden der ersten das Diffusionsvermögen ändernden Region an der Oberfläche der zumindest einen Vorwölbung umfassen kann.
In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Strukturieren des Substrats das Ausbilden (z. B. Abscheiden) einer Abdeckschicht (z. B. einer Resistschicht) über der Oberfläche des Substrats, die so konfiguriert ist, dass sie dem ionenführenden Elektrolyten gegenüberliegt; das Strukturieren (z. B. Ätzen) der Abdeckschicht, um einen Teil der Abdeckschicht von der Oberfläche zu entfernen und so eine strukturierte Abdeckschicht auszubilden; das Ätzen des Substrats unter Verwendung der strukturierten Abdeckschicht als Ätzmaske, um die Basisregion und die zumindest eine Vorwölbung auszubilden; und das Entfernen der strukturierten Abdeckschicht nach dem Ätzen des Substrats umfassen.
In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Ausbilden der ersten das Diffusionsvermögen ändernden Region an der Oberfläche der zumindest einen Vorwölbung des Substrats das Ausbilden einer Abdeckschicht über der Oberfläche der Basisregion und das Implantieren von Ionen in die zumindest eine Vorwölbung unter Verwendung der Abdeckschicht als Implantationsmaske umfassen.
In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Implantieren der Ionen in die zumindest eine Vorwölbung eine gekippte Implantation der Ionen in die zumindest eine Vorwölbung umfassen.
In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Verfahren weiterhin das Strukturieren des Substrats umfassen, sodass es eine Basisregion und zumindest eine von der Basisregion ausgehende Vorwölbung aufweist, wobei die Oberfläche des Substrats, die so konfiguriert ist, dass sie dem ionenführenden Elektrolyten gegenüberliegt, eine Oberfläche der Basisregion und eine Oberfläche der zumindest einen Vorwölbung umfassen kann, wobei das Ausbilden der ersten das Diffusionsvermögen ändernden Region auf dem ersten Teil der Oberfläche des Substrats das Ausbilden der ersten das Diffusionsvermögen ändernden Region an der Oberfläche der Basisregion umfassen kann und wobei das Ausbilden der zweiten das Diffusionsvermögen ändernden Region auf dem zweiten Teil der Oberfläche des Substrats das Ausbilden der zweiten das Diffusionsvermögen ändernden Region an der Oberfläche der zumindest einen Vorwölbung umfassen kann.
In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Strukturieren des Substrats das Ausbilden (z. B. Abscheiden) einer Abdeckschicht (z. B. einer Resistschicht) über der Oberfläche des Substrats, die so konfiguriert ist, dass sie dem ionenführenden Elektrolyten gegenüberliegt; das Strukturieren (z. B. Ätzen) der Abdeckschicht, um einen Teil der Abdeckschicht von der Oberfläche zu entfernen und so eine strukturierte Abdeckschicht auszubilden; und das Ätzen des Substrats unter Verwendung der strukturierten Abdeckschicht als Ätzmaske, um die Basisregion und die zumindest eine Vorwölbung auszubilden; umfassen.
In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Ausbilden der ersten das Diffusionsvermögen ändernden Region an der Oberfläche der Basisregion das Implantieren von Ionen in die Basisregion unter Verwendung der strukturierten Abdeckschicht als Implantationsmaske und das Ausheilen des Substrats nach dem Implantieren der Ionen in die Basisregion vor dem Ausbilden der zweiten das Diffusionsvermögen ändernden Region an der Oberfläche der zumindest einen Vorwölbung umfassen.
In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Ausbilden der zweiten das Diffusionsvermögen ändernden Region an der Oberfläche der zumindest einen Vorwölbung das Ausbilden einer Abdeckschicht über der Oberfläche der ersten an der Oberfläche der Basisregion ausgebildeten Diffusionsschicht und das Implantieren von Ionen in die zumindest eine Vorwölbung unter Verwendung der Abdeckschicht als Implantationsmaske umfassen.
In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Referenzzeichen im Allgemeinen in allen unterschiedlichen Ansichten die gleichen Teile. Die Zeichnungen sind nicht zwangsläufig maßstabsgetreu, stattdessen liegt der Schwerpunkt eher auf der Veranschaulichung der Grundsätze der Erfindung. In der nachfolgenden Beschreibung sind diverse Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die weiter unten folgenden Zeichnungen beschrieben, wobei:
1 eine Querschnittsansicht zeigt, die eine Batterie veranschaulicht.
2A und 2B vergrößerte Ansichten eines Abschnitts einer Anode der in 1 gezeigten Batterie zeigen.
3A und 3B diverse Querschnittsansichten zeigen, die eine Batterieelektrode gemäß diversen Ausführungsformen veranschaulichen.
4A und 4B diverse Querschnittsansichten zeigen, die eine Batterieelektrode gemäß diversen Ausführungsformen veranschaulichen.
5 eine Querschnittsansicht zeigt, die eine Batterieelektrode gemäß diversen Ausführungsformen veranschaulicht.
6 eine Querschnittsansicht zeigt, die eine Batterieelektrode gemäß diversen Ausführungsformen veranschaulicht.
7 ein Verfahren zur Herstellung einer Batterieelektrode gemäß diversen Ausführungsformen zeigt.
8A bis 8G diverse Querschnittsansichten zeigen, die ein Verfahren zur Herstellung einer Batterieelektrode gemäß diversen Ausführungsformen veranschaulichen.
9A bis 9E diverse Querschnittsansichten zeigen, die ein Verfahren zur Herstellung einer Batterieelektrode gemäß diversen Ausführungsformen veranschaulichen.
10A bis 10H diverse Querschnittsansichten zeigen, die ein Verfahren zur Herstellung einer Batterieelektrode gemäß diversen Ausführungsformen veranschaulichen.
11 eine Querschnittsansicht zeigt, die eine Batterie gemäß diversen Ausführungsformen veranschaulicht.
Die nachfolgende ausführliche Beschreibung bezieht sich auf die beiliegenden Zeichnungen, die auf dem Wege der Abbildung bestimmte Details und Ausführungsformen zeigen, nach denen die Erfindung angewandt werden kann. Diese Ausführungsformen sind detailliert genug beschrieben, um es Fachleuten zu ermöglichen, die Erfindung anzuwenden. Es können andere Ausführungsformen eingesetzt und strukturelle, logische und elektrische Veränderungen vorgenommen werden, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Die diversen Ausführungsformen schließen einander nicht zwangsläufig gegenseitig aus, sodass manche Ausführungsformen mit einer oder mehreren anderen Ausführungsformen kombiniert werden können, um neue Ausführungsformen auszubilden. Diverse Ausführungsformen sind für Strukturen oder Vorrichtungen beschrieben, und diverse Ausführungsformen sind für Verfahren beschrieben. Es versteht sich, dass eine oder mehrere (z. B. alle) Ausführungsformen, die im Zusammenhang mit Strukturen oder Geräten beschrieben sind, gleichermaßen für die Verfahren anwendbar sein können und umgekehrt.
Das Wort „beispielhaft” dient hierin der Beschreibung „als Beispiel, Fall oder Veranschaulichung dienend”. Jede beliebige hierin als „beispielhaft” beschriebene Ausführungsform oder Konzeption ist nicht zwingend als bevorzugt oder vorteilhaft im Vergleich zu anderen Ausführungsformen oder Konzeptionen auszulegen.
Das Wort „über”, das hierin der Beschreibung der Bildung eines Merkmals dient, z. B. einer Schicht „über” einer Seite oder Oberfläche, kann so verwendet werden, dass es bedeutet, dass das Merkmal, z. B. die Schicht, „direkt auf”, z. B. in direktem Kontakt mit, der angesprochenen Seite oder Oberfläche gebildet wird. Das Wort „über”, hierin zur Beschreibung der Bildung eines Merkmals, z. B. einer Schicht „über” einer Seite oder Oberfläche, verwendet, kann so verwendet werden, dass es bedeutet, dass das Merkmal, z. B. die Schicht, „indirekt auf” der angesprochenen Seite oder Oberfläche gebildet wird, wobei eine oder mehrere zusätzliche Schichten zwischen der angesprochenen Seite oder Oberfläche und der ausgebildeten Schicht angeordnet sind.
Desgleichen kann das Wort „abdecken”, hierin zur Beschreibung eines über einem anderen vorgesehenen Merkmals, z. B. einer Schicht, die eine Seite oder Oberfläche „abdeckt”, verwendet, kann so verwendet werden, dass es bedeutet, dass das Merkmal, z. B. die Schicht, über und in direktem Kontakt mit der angesprochenen Seite oder Oberfläche vorgesehen ist. Das Wort „abdecken”, hierin zur Beschreibung eines über einem anderen vorgesehenen Merkmals, z. B. einer Schicht, die eine Seite oder Oberfläche „abdeckt”, verwendet, kann so verwendet werden, dass es bedeutet, dass das Merkmal, z. B. die Schicht, über und in indirektem Kontakt mit der angesprochenen Seite oder Oberfläche vorgesehen ist, wobei eine oder mehrere zusätzliche Schichten zwischen der angesprochenen Seite oder Oberfläche und der abdeckenden Schicht angeordnet sind.
Der Begriff „Region” oder „Schicht”, hierin im Zusammenhang mit dem Ausdruck „an einer Oberfläche” oder „auf einem Teil einer Oberfläche” (eines anderen Elements, z. B. eines Substrats, wie z. B. des in den Figuren gezeigten Substrats 310) verwendet, z. B. wie in Ausdrücken wie „eine erste/zweite das Diffusionsvermögen ändernde Region auf einem ersten/zweiten Teil der Oberfläche des Substrats” verwendet, kann z. B. eine Region oder Schicht umfassen oder bezeichnen, die an oder über der Oberfläche (oder auf oder über einem Teil der Oberfläche) ausgebildet ist, z. B. eine Region oder Schicht, die an oder über der Oberfläche eines Substrats ausgebildet ist, oder er kann z. B. eine Region oder Schicht der Oberfläche selbst (oder eine Region oder Schicht eines Teils der Oberfläche) umfassen oder bezeichnen, oder er kann z. B. eine Region oder Schicht umfassen oder bezeichnen, die innerhalb des anderen Elements (z. B. Substrats), z. B. nahe und/oder unter der Oberfläche (oder des Teils der Oberfläche) des anderen Elements, ausgebildet ist.
Mit der zunehmenden Verwendung von Batterien in elektronischen Geräten, z. B. in tragbaren elektronischen Geräten (z. B. Mobiltelefonen, Notebooks) erfahren auch Ladungsspeicherzeiten und die Kapazität von in diesen mobilen elektronischen Geräten verwendeten Batterien erhöhte Aufmerksamkeit. Typischerweise kann es notwendig sein, Batterien, z. B. aufladbare Batterien (die manchmal auch als Sekundärzellen oder -batterien bezeichnet werden), geladen oder wieder aufgeladen werden, wenn der Ladungsstand in einer oder mehreren Elektroden der Batterie (z. B. der Anode) niedrig ist.
Das Laden oder Wiederaufladen einer Batterie kann das Einbringen oder Laden von Ionen (z. B. Lithiumionen) in eine Elektrode der Batterie (hierin auch als Batterieelektrode bezeichnet), z. B. in eine Anode der Batterie, beinhalten. Das Volumen der Batterieelektrode kann zunehmen, während Ionen im Zuge des Ladens in die Batterieelektrode eingebracht werden. Beispielsweise können Lithiumionenbatterieelektroden Silicium enthalten, das eine Volumensausdehnung von bis zu 300% durchlaufen kann, wenn es im Zuge des Ladens mit Lithiumionen beladen wird. Diese Volumensausdehnung kann Belastung und/oder Verformung des Materials der Batterieelektrode verursachen, was wiederum zu einem Bruch oder Riss in einer Oberfläche der Batterieelektrode führen kann. Dadurch können die Ladungsspeicherkapazität und/oder die Ladungsspeicherungszeiten der Batterieelektrode abträglich beeinflusst werden.
1 zeigt eine Querschnittsansicht, die eine Batterie 100 veranschaulicht.
Die Batterie 100 kann z. B. eine Lithiumionenbatterie sein und kann Batterieelektroden 102 und 104 umfassen. Die Batterieelektrode 102 kann als Kathode 102 konfiguriert sein, und die Batterieelektrode 104 kann als Anode 104 konfiguriert sein. Die Anode 104 kann ein Halbleitermaterial, wie z. B. Silicium, umfassen oder daraus bestehen. Die Batterie 100 kann weiterhin ein Trennelement 106, das zwischen der Kathode 102 und der Anode 104 vorgesehen ist, und einen Elektrolyten 108 umfassen. Der Elektrolyt 108 kann die Kathode 102 und die Anode 104 mit Ionen (z. B. Lithiumionen) versorgen, die zum Laden und/oder Wiederaufladen der Batterie 100 benötigt werden. Eine Oberfläche 104a der Anode 104 (z. B. die obere Oberfläche der Anode 104) kann dem Elektrolyten 108 gegenüberliegen, und Ionen können durch die Oberfläche 104a der Anode 104 in die Anode 104 eingebracht oder geladen werden. Die Anode 104 kann ein Substrat 110 umfassen. Das Substrat 110 kann so strukturiert sein, dass es eine Vielzahl von Türmchen 112 aufweist, die sich über eine Basisregion 114 des Substrats 110 erstrecken. Die Türmchen 112 können dazu dienen, die Oberfläche der Anode 104 zu vergrößern, und können so die Speicherkapazität der Anode 104 während eines Lade- und/oder Wiederaufladevorgangs erhöhen. In anderen Worten kann die Anode 104 der Batterie 100 (z. B. eine Siliciumanode einer Lithiumionenbatterie) eine strukturierte Oberfläche aufweisen, die aus einer Reihe von Türmchen 112 besteht, welche zur Vergrößerung der Oberfläche der Anode 114 aus Kapazitätsgründen eingesetzt werden können.
Beispielsweise können die Türmchen 112 und die Basisregion 114 durch Ätzen gebildet werden. Alternativ dazu können die Türmchen 112 gebildet werden, indem die Türmchen 112 wahlweise über die Basisregion 114 hinaus wachsen gelassen werden. Die Batterie 100 kann eine Passivierungsschicht 116 umfassen, die über Teilen der Oberfläche (z. B. einer oder mehreren Seitenwänden) des Substrats 110 ausgebildet ist, welche dem Elektrolyten 108 nicht gegenüberliegen, und können eine wasser- und/oder luftdichte Verkapselung für die Batterie 100 darstellen. Zusätzlich dazu kann ein Gehäuse der Batterie 100 (nicht dargestellt) mit der Passivierungsschicht 116 abgedeckt sein. Die Passivierungsschicht 116 kann verschiedene Materialien, wie z. B. Siliciumoxid (SiO₂), Siliciumnitrid (Si₃N₄) oder sonstige, an sich fachbekannte geeignete Passivierungsmaterialien, umfassen. Die Passivierungsschicht 116 kann die Diffusion von Ionen aus dem Elektrolyten 108 (z. B. Lithiumionen) zu benachbarten Komponenten (nicht dargestellt) unterbinden oder reduzieren. Die Batterie 100 kann einen Dichtstoff 118 umfassen, der über der Kathode 102 ausgebildet ist. Der Dichtstoff 118 kann eine wasser- und/oder luftdichte Verkapselung für die Batterie 100 darstellen. Die Batterie 100 kann eine oder mehrere leitfähige Schichten 120, 122 umfassen, die auf einer Seite der Anode 104 in entgegengesetzter Richtung des Elektrolyts 108 ausgebildet sind, z. B. auf einer Seite des Substrats 110 in entgegengesetzter Richtung des Elektrolyts 108, z. B. auf einer Hinterseite des Substrats 110.
2A und 2B zeigen vergrößerte Ansichten des Abschnitts A der Anode 104 der in 1 gezeigten Batterie 100.
2A zeigt in einer ersten Ansicht einen ungeladenen Zustand der Anode 104, in anderen Worten einen Zustand ohne oder im Wesentlichen ohne in die Anode 104 geladenen Ionen (z. B. Lithiumionen). Im Zuge der Ladung der Batterie 100 können Ionen (z. B. Lithiumionen) in die Anode 104 eingebracht werden, und das kann, wie in 2B in einer zweiten Ansicht gezeigt, eine Volumensausdehnung des Materials der Anode 104 verursachen. Beispielsweise kann bei einer Siliciumanode im Zuge des Einfügens von Ionen (z. B. des Einfügens von Lithiumionen) während des Ladens und/oder Wiederaufladens der Batterie 100 eine Volumensausdehnung des Siliciums von bis zu 300% zu beobachten sein.
Wie an 2B zu erkennen ist, können manche Regionen der Anode 104 sich mit geringer Belastung und/oder Verformung des Materials der Anode 104, z. B. der Türmchen 112 der Anode 104, ausdehnen. Beispielsweise können sich die Türmchen 112 ausdehnen, ohne zu brechen und/oder zu reißen, wenn Ionen (z. B. Lithiumionen) in die Anode 104 geladen oder eingefügt werden. Dennoch kann es, wie in 2B gezeigt, Regionen und/oder Oberflächen der Anode 104 geben, z. B. eine Oberfläche 114a der Basisregion 114, die starke Belastung und/oder Verformung während der Volumensausdehnung erfahren. Diese Oberflächen und/oder Regionen können infolge der starken Belastung und/oder Verformung, die (wie durch die Pfeile 115 in 2B angezeigt) auf diese Oberflächen und/oder Regionen ausgeübt wird, reißen und/oder brechen. Beispielsweise kann die Volumensausdehnung einer Siliciumanode einer Batterie während der Ladung der Batterie das Reißen und/oder Brechen einer Siliciumbasisplatte der Siliciumanode verursachen (wie durch die Basisregion 114 in 2B angezeigt). Zur Veranschaulichung können Ionen (z. B. Lithiumionen) in der Siliciumbasisplatte einer Siliciumanode gespeichert werden, was dazu führen kann, dass sich diese Siliciumbasisplatte ausdehnt, woraufhin die Siliciumbasisplatte und/oder das Gehäuse der Batterie 100 bricht und/oder reißt. Die Menge der Ladung kann durch dieses Brechen und/oder Reißen eingeschränkt werden.
Das Brechen und/oder Reißen des Materials der Anode 104 in diesen Regionen und/oder auf diesen Oberflächen kann die Ladungsspeicherungskapazität der Anode 104 verringern. Anders ausgedrückt können diese Regionen und/oder Oberflächen der Anode 104 eine verminderte Fähigkeit an den Tag legen, die Ionen zu behalten, die in sie geladen or eingesetzt wurden. Außerdem kann im Falle einer aufladbaren Batterie 100 das wiederholte Laden der Batterie 100 diese Regionen und/oder Oberflächen stärkerer Belastung und/oder Verformung aussetzen, was das Brechen und/oder Reißen in diesen Regionen verschlimmert. Folglich kann die Lebensdauer der Batterie 100 abträglich beeinflusst werden. Somit kann es erstrebenswert sein, Batterieelektroden (z. B. eine Anode) bereitzustellen, die in der Lage sind, ihre Ladung (z. B. in sie eingefügte oder geladene Ionen) über lange Zeiträume zu speichern und/oder die Anzahl der Ionen, die in sie geladen oder eingefügt werden können, zu erhöhen, wobei ein Brechen und/oder Reißen des Materials der Batterieelektrode unterbunden oder wesentlich reduziert wird.
Ein Effekt einer oder mehrerer Ausführungsformen kann die Unterbindung oder wesentliche Reduktion der Diffusion von Ionen aus einem Elektrolyten in Regionen und/oder Oberflächen einer Batterieelektrode (z. B. einer Anode) sein, die für das Brechen und/oder Reißen während eines Lade- oder Wiederaufladevorgangs anfällig ist, wie z. B. die Basisregion 114 der Anode 104 der in 1 gezeigten Batterie 100.
Ein Effekt einer oder mehrerer Ausführungsformen kann sein, dass das Einbringen von Ionen in Regionen und/oder Oberflächen einer Batterieelektrode (z. B. Anode), die für das Brechen und/oder Reißen anfällig ist, während eines Lade- oder Wiederaufladevorgangs unterbunden oder wesentlich reduziert werden kann (wie z. B. die Basisregion 114 der Anode 104 der in 1 gezeigten Batterie 100).
Ein Effekt einer oder mehrerer Ausführungsformen kann eine wesentliche Reduktion der Volumensausdehnung in Regionen und/oder Oberflächen einer Batterieelektrode (z. B. einer Anode) sein, die für das Brechen und/oder Reißen während eines Lade- oder Wiederaufladevorgangs anfällig ist, wie z. B. die Basisregion 114 der Anode 104 der in 1 gezeigten Batterie 100.
Ein Effekt einer oder mehrerer Ausführungsformen kann die Unterbindung oder wesentliche Reduktion des Brechens und/oder Reißens in einer Batterieelektrode während eines Lade- oder Wiederaufladevorgangs einer Batterie sein.
Ein Effekt einer oder mehrerer Ausführungsformen kann die Unterbindung oder wesentliche Reduktion des Brechens und/oder Reißens in einer Batterieelektrode im Zuge mehrerer Lade- oder Wiederaufladerunden, z. B. zig, Hunderten oder Tausenden von Lade- oder Wiederaufladerunden oder sogar noch mehr, sein.
Ein Aspekt einer oder mehrerer Ausführungsformen kann sein, dass eine Batterieelektrode bereitgestellt wird, die in der Lage sein kann, Ionen, die darin eingeladen oder eingesetzt wurden, einen langen Zeitraum hindurch zu behalten.
Ein Effekt einer oder mehrerer Ausführungsformen kann die Verbesserung oder Erleichterung des Einfügens von Ionen in Regionen und/oder Oberflächen einer Batterieelektrode sein, die weniger anfällig für Brechen und/oder Reißen während des Lade- oder Wiederaufladevorgangs sein kann (wie z. B. die Türmchen 112 der Anode 104 der in 1 gezeigten Batterie 100).
Ein Effekt einer oder mehrerer Ausführungsformen kann die wesentliche Reduktion der Zeit sein, die es braucht, um eine Batterie zu laden (z. B. um eine Batterie vollständig aufzuladen). In anderen Worten kann ein Effekt einer oder mehrerer Ausführungsformen die wesentliche Reduktion von Ladungszeiten sein.
3A und 3B zeigen diverse Querschnittsansichten, die eine Batterieelektrode 300 gemäß diversen Ausführungsformen veranschaulichen.
Wie in 3A in einer ersten Ansicht gezeigt wird, kann die Batterieelektrode 300 ein Substrat 310 umfassen. Das Substrat 310 kann eine Oberfläche 312a, 312b, 314a umfassen, die so konfiguriert ist, dass sie einem ionenführenden Elektrolyten 308 gegenüberliegt. Die Batterieelektrode 300 kann eine erste das Diffusionsvermögen ändernde Region 397 auf einen ersten Teil 310a der Oberfläche 312a, 312b, 314a, wie in 3A gezeigt, umfassen. Die Oberfläche 312a, 312b, 314a kann weiterhin einen zweiten Teil 310b umfassen, der von der ersten das Diffusionsvermögen ändernden Region 397 frei sein kann, wie in 3A gezeigt.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen kann die Batterieelektrode 300 als Anode im Entladungstyp wirken. In anderen Worten kann die Batterieelektrode 300 als negative Platte einer Batterie konfiguriert sein, sie so konfiguriert ist, dass sie positiv geladene Ionen anzieht und/oder negativ geladene Ionen abstößt, die von der ionenführenden Elektrolyten 308 geführt werden. In weiteren Ausführungsformen kann die Batterieelektrode 300 als Kathode im Entladungstyp wirken. In anderen Worten kann die Batterieelektrode 300 als positive Platte einer Batterie konfiguriert sein, die so konfiguriert ist, dass sie positiv geladene Ionen abstößt und/oder negativ geladene Ionen anzieht, die von dem ionenführenden Elektrolyten 308 geführt werden.
In einer oder mehreren Ausführungsformen kann die erste das Diffusionsvermögen ändernde Region 397 eine innerhalb des Substrats 310 ausgebildete Region umfassen oder sein. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann die erste das Diffusionsvermögen ändernde Region 397 einen Teil der Oberfläche 312a, 312b, 314a des Substrats 310 umfassen oder selbst ein solcher sein. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann die erste das Diffusionsvermögen ändernde Region 397 auf dem ersten Teil 310a der Oberfläche 312a, 312b, 314a des Substrats 310 durch die Implantation von Ionen in das Substrat 310 gebildet worden sein und sich z. B. bis zu einer gewissen Tiefe in dem Substrat 310 erstrecken. Beispielsweise kann die erste das Diffusionsvermögen ändernde Region 397 eine Dicke T1 aufweisen, die ab der Oberfläche 314a des Substrats 310 gemessen wird (wie in 3A gezeigt).
Gemäß einer Ausführungsform kann die erste das Diffusionsvermögen ändernde Region 397 so konfiguriert sein, dass sie die Diffusion von Ionen, die durch den Elektrolyten 308 in das Substrat 310 (z. B. in einen Teil des Substrats 310 unterhalb des ersten Teils 310a der Oberfläche 312a, 312b, 314a) geführt werden, reduziert.
Gemäß einer Ausführungsform kann die erste das Diffusionsvermögen ändernde Region 397 eine Dicke T1 von größer oder gleich etwa 1 nm, z. B. größer oder gleich etwa 25 nm, z. B. im Bereich von etwa 1 nm bis etwa 10 μm, z. B. im Bereich von etwa 1 nm bis etwa 1 μm, z. B. im Bereich von etwa 1 nm bis etwa 100 nm, z. B. im Bereich von etwa 1 nm bis etwa 50 nm, z. B. im Bereich von etwa 10 nm bis etwa 25 nm, aufweisen, wenngleich auch andere Werte gemäß anderen Ausführungsformen möglich sein können.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Substrat 310 ein Halbleitermaterial, z. B. Silicium, wenngleich auch andere Halbleitermaterialien, einschließlich von Verbundhalbleitermaterialien, ebenso möglich sein können, umfassen oder daraus bestehen. Gemäß einer Ausführungsform kann das Halbleitermaterial aus einer Gruppe von Materialien ausgewählt sein, wobei die Gruppe aus Silicium, Germanium, Galliumnitrid, Galliumarsenid und Siliciumcarbid besteht, wenngleich auch andere Materialien gemäß anderen Ausführungsformen ebenso möglich sein können.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Substrat 310 ein dotiertes Substrat sein, z. B. ein dotiertes Halbleitersubstrat, wie z. B. ein dotiertes Siliciumsubstrat, ein dotiertes Germaniumsubstrat, ein dotiertes Galliumnitridsubstrat, ein dotiertes Galliumarsenidsubstrat oder ein dotiertes Siliciumcarbidsubstrat, wenngleich auch andere dotierte Substrate gemäß anderen Ausführungsformen ebenso möglich sein können.
In diesem Zusammenhang kann der Begriff „dotiertes Substrat” einen Fall, bei dem das gesamte Substrat 310 dotiert ist, ebenso wie einen Fall, bei dem nur ein Teil (z. B, ein oberer Teil) des Substrats 310 dotiert ist, umfassen. Das Substrat 310 kann ein p-dotiertes Substrat (in anderen Worten ein Substrat 310, das mit einem Dotanden des Typs p dotiert ist) oder ein n-dotiertes Substrat (in anderen Worten ein Substrat 310, das mit einem Dotanden des Typs n dotiert ist) sein. Gemäß einer Ausführungsform können die Dotanden zum Dotieren des Substrats 310 zumindest ein aus einer Gruppe von Materialien ausgewähltes Material umfassen oder daraus bestehen, wobei die Gruppe aus Bor, Aluminium, Gallium, Indium, Antimon, Phosphor, Arsen und Antimon besteht, wenngleich auch andere Materialien gemäß anderen Ausführungsformen ebenso möglich sind. Beispielsweise kann das Substrat 310 ein mit einem Dotanden des Typs p, wie z. B. Bor, dotiertes Siliciumsubstrat sein. Einem anderen Beispiel zufolge kann das Substrat 310 ein mit einem Dotanden des Typs n, wie z. B. Phosphor, Arsen oder Antimon, dotiertes Siliciumsubstrat sein.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Substrat 310 ein Material umfassen oder daraus bestehen, das sein Volumen verändert, wenn es mit den von dem Elektrolyten 308 geführten Ionen beladen oder besetzt wird. Gemäß einer Ausführungsform kann das Substrat 310 ein Material umfassen oder daraus bestehen, dessen Volumen zunimmt, wenn die von dem Elektrolyten 308 geführten Ionen in das Substrat 310 diffundieren. Die maximale Volumensveränderung pro Einheitsvolumen des Materials des Substrats 310 kann manchmal als maximale Ausdehnung des Materials des Substrats 310 bezeichnet werden. Die maximale Ausdehnung des Materials des Substrats 310 lässt sich messen, wenn das Material des Substrats 310 vollständig mit den von dem Elektrolyten 308 geführten Ionen beladen oder besetzt ist, sodass die Annahme zusätzlicher Ionen von dem Elektrolyten 308 möglicherweise nicht mehr möglich ist (z. B. bei einem Siliciumsubstrat, das vollständig mit von einen Lithiumionen führenden Elektrolyten geführten Lithiumionen lithiiert ist).
Gemäß einer Ausführungsform kann das Substrat 310 ein Material umfassen oder daraus bestehen, das eine maximale Ausdehnung von größer oder gleich etwa 5% aufweist, wenn es vollständig mit von dem Elektrolyten 308 geführten Ionen beladen ist, z. B. größer oder gleich etwa 10%, z. B. größer oder gleich etwa 50%, z. B. größer oder gleich etwa 100%, z. B. größer oder gleich etwa 200%, z. B. größer oder gleich etwa 300%, z. B. im Bereich von etwa 5% bis etwa 400%, z. B. im Bereich von etwa 10% bis etwa 400%, z. B. im Bereich von etwa 50% bis etwa 400%, z. B. im Bereich von etwa 100% bis etwa 400%, z. B. etwa 300%, wenngleich auch andere maximale Ausdehnungswerte gemäß anderen Ausführungsformen ebenso möglich sein können.
Gemäß einer Ausführungsform können die von dem Elektrolyten 308 geführten Ionen Ionen aus zumindest einem aus einer Gruppe von Materialien ausgewählten Material umfassen, wobei die Gruppe aus einem Alkalimetall, einem Erdalkalimetall, einem Chalkogen und einem Halogen besteht, wenngleich auch andere Materialien gemäß anderen Ausführungsformen ebenso möglich sein können.
Gemäß einer Ausführungsform können die von dem Elektrolyten 308 geführten Ionen Ionen aus zumindest einem aus einer Gruppe von Materialien ausgewählten Material umfassen, wobei die Gruppe aus Magnesium, Natrium, Lithium, Kalium, Calcium, Sauerstoff, Schwefel, Chlor und Fluor besteht, wenngleich auch andere Materialien gemäß anderen Ausführungsformen ebenso möglich sein können. Ein Elektrolyt 308, der Lithiumionen führt, kann auch als zumindest einer von einem Lithiumionen führenden Elektrolyten, einem Magnesiumionen führenden Elektrolyten, einem Natriumionen führenden Elektrolyten, einem Kaliumionen führenden Elektrolyten, einem Calciumionen führenden Elektrolyten, einem Sauerstoffionen führenden Elektrolyten, einem Schwefelionen führenden Elektrolyten, einem Chlorionen führenden Elektrolyten und einem Fluorionen führenden Elektrolyten bezeichnet werden, wenngleich auch andere Ionen führende Elektrolyten gemäß anderen Ausführungsformen ebenso möglich sein können.
In diesem Zusammenhang kann die Batterieelektrode 300 eine Elektrode (z. B. Anode) einer Lithiumionenbatterie (im Folgenden auch als Lithiumionenbatterieelektrode bezeichnet) sein. Desgleichen kann die Batterieelektrode 300 eine Elektrode (z. B. Anode) einer Magnesiumionenbatterie, einer Natriumionenbatterie, einer Kaliumionenbatterie, einer Calciumionenbatterie, einer Sauerstoffionenbatterie, einer Schwefelionenbatterie, einer Chlorionenbatterie und/oder einer Fluorionenbatterie sein, wenngleich die Batterieelektrode 300 auch mit anderen Arten von Batterien gemäß anderen Ausführungsformen ebenso verwendet werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Substrat 310 ein dotiertes Substrat wie oben stehend erwähnt sein, und die erste das Diffusionsvermögen ändernde Region 397 auf dem ersten Teil 310a der Oberfläche 312a, 312b, 314a des Substrats 310 kann eine gegendotierte Region in dem dotierten Substrat 310 umfassen oder daraus bestehen. Gemäß einer Ausführungsform kann die gegendotierte Region in dem dotierten Substrat 310 durch das Implantieren von Ionen (z. B. gegendotierenden Ionen) in das dotierte Substrat 310 gebildet werden. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann die gegendotierte Region durch das Implantieren von dotierenden Ionen (z. B. gegendotierenden Ionen) in das dotierte Substrat 310 und das anschließende Aktivieren der implantierten dotierenden Ionen (z. B. das Wärmeaktivieren, z. B. durch Erwärmen, z. B. durch laserthermales Erwärmen) gebildet werden. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Wärmeaktivieren eine Umkristallisation der Region des dotierten Substrats 310, in die die dotierenden Ionen (z. B. gegendotierenden Ionen) implantiert wurden, ermöglichen. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann die gegendotierte Region durch das Implantieren dotierender Ionen (z. B. gegendotierender Ionen) in das dotierte Substrat 310 ohne Aktivierung der implantierten dotierenden Ionen gebildet werden.
In einer oder mehreren Ausführungsformen kann der Begriff „gegendotierte Region” eine Region in dem Substrat 310 umfassen oder bezeichnen, wo eine Dotandenkonzentration des Substrats 310 mit Dotanden eines Leitfähigkeitstyps (z. B. Dotanden des Typs p) zumindest wesentlich mit Dotanden des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps (z. B. Dotanden des Typs n) ausgeglichen ist. Beispielsweise kann in einer oder in mehreren Ausführungsformen der Begriff „gegendotierte Region” eine Region in dem Substrat 310 mit im Vergleich zu dem Susbtrat selbst geringerer Konzentration an Majoritätsträgern des Substrats umfassen oder bezeichnen.
Beispielsweise können gemäß einer Ausführungsform die Majoritätsträger des Substrats 310 Löcher sein (z. B. wenn das Substrat 310 mit einem Dotanden des Typs p dotiert oder vordotiert ist, um ein p-Typ-dotiertes Substrat bereitzustellen). Gemäß dieser Ausführungsform kann die gegendotierte Region in dem Substrat 310 eine geringere Konzentration von Löchern aufweisen als das Substrat 310. Desgleichen können gemäß einer weiteren Ausführungsform die Majoritätsträger des Substrats 310 Elektronen sein (z. B. wenn das Substrat 310 mit einem Dotanden des Typs n dotiert oder vordotiert ist, um ein n-Typ-dotiertes Substrat bereitzustellen). Gemäß dieser Ausführungsform kann die gegendotierte Region in dem Substrat 310 eine geringere Konzentration von Löchere aufweisen als das Substrat 310. Demnach kann die gegendotierte Region in dem Substrat 310 andere inhärente Materialeigenschaften aufweisen als das Substrat 310.
In einer oder mehreren Ausführungsformen kann der Begriff „gegendotierte Region” eine Region in dem Substrat 310 umfassen oder bezeichnen, wo eine Dotandenkonzentration des Substrats 310 mit Dotanden eines Leitfähigkeitstyps von Dotanden des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps übertroffen wird. In diesem Fall kann der Typ der Majoritätsträger in der gegendotierten Region in dem Substrat 310 von dem Typ der Majoritätsträger des Substrats 310 abweichen. Beispielsweise können die Majoritätsträger der gegendotierten Region aus Löchern bestehen, während die Majoritätsträger des Substrats 310 aus Elektronen bestehen können, oder umgekehrt. Demnach kann die gegendotierte Region in dem Substrat 310 andere inhärente Materialeigenschaften aufweisen als das Substrat 310.
Daher kann gemäß einer Ausführungsform das Substrat 310 ein dotiertes Substrat sein, und die erste das Diffusionsvermögen ändernde Region 397 kann eine gegendotierte Region in dem dotierten Substrat 310 umfassen oder daraus bestehen. Gemäß einer Ausführungsform kann das dotierte Substrat 310 mit einem Dotanden des Typs n dotiert sein, und die gegendotierte Region in dem dotierten Substrat 310, die die erste das Diffusionsvermögen ändernde Region 397 bildet, kann mit einem Dotanden des Typs p dotiert sein, oder umgekehrt.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen kann die gegendotierte Region in dem dotierten Substrat 310 als Barriere (z. B. als elektrische Potenzialbarriere und/oder physikalische Barriere und/oder chemische Barriere (z. B. Diffusionsbarriere)) für die Diffusion von Ionen (z. B. Lithiumionen), die von dem Elektrolyten 308 (z. B. einem Lithiumionen führenden Elektrolyten) geführt werden, in das Substrat 310 auftreten. Daher kann in einer oder mehreren Ausführungsformen die gegendotierte Region in dem datierten Substrat 310 die Diffusion von Ionen, die von dem Elektrolyten 308 geführt werden, in das Substrat 310 reduzieren (z. B. verringern und/oder verlangsamen). Somit kann die erste das Diffusionsvermögen ändernde Region 397 so konfiguriert sein, dass sie als Diffusionsbarriere und/oder elektrische Potenzialbarriere an der Oberfläche 314a der Batterieelektrode 300 (z. B. einer Anode einer Batterie, z. B. einer Siliciumanode einer Lithiumionenbatterie) wirkt.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Substrat 310 eine Basisregion 314 und zumindest eine von der Basisregion 314 ausgehende (z. B. eine sich oberhalb der Basisregion 314 erstreckende und/oder eine sich in den ionenführenden Elektrolyten 308 erstreckende) Vorwölbung 312 umfassen, wie in 3A gezeigt. Die Basisregion 314 kann z. B. eine Basisplatte der Batterieelektrode 300 umfassen oder als solche konfiguriert sein. Die Oberfläche 312a, 312b, 314a des Substrats 310, die so konfiguriert ist, dass sie dem ionenführenden Elektrolyten 308 gegenüberliegt, kann eine Oberfläche 314a der Basisregion 314 (z. B. eine obere Oberfläche der Basisregion 314) und eine Oberfläche 312a, 312b der zumindest einen Vorwölbung 312 umfassen oder daraus bestehen. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann die Oberfläche 312a, 312b der zumindest einen Vorwölbung 312 eine Oberfläche einer oder mehrerer Seitenwände 312b der zumindest einen Vorwölbung 312 und/oder eine Oberfläche 312a, die in entgegengesetzter Richtung der Basisregion 314 angeordnet ist (z. B. eine obere Oberfläche der zumindest einen Vorwölbung 312), umfassen oder daraus bestehen.
Gemäß einer Ausführungsform kann die zumindest eine Vorwölbung 312 z. B. die Form einer Säule, eines Türmchens, eines Turms, einer Pyramide, einer auf dem Kopf stehenden Pyramide, eines abgestumpften Kegels oder eines umgedrehten abgestumpften Kegels annehmen, wenngleich auch andere Formen gemäß anderen Ausführungsformen ebenso möglich sein können.
Gemäß einer Ausführungsform kann ein Querschnitt der zumindest einen Vorwölbung 312 entland einer in 3A gezeigten Ebene A-B z. B. eine Kreisform, eine Rechtecksform, eine Dreiecksform, eine ovale Form, eine quadratische Form, eine vieleckige Form oder eine unregelmäßige Form aufweisen, wenngleich auch andere Formen gemäß anderen Ausführungsformen ebenso möglich sein können.
Gemäß einer Ausführungsform kann eine Höhe H der zumindest einen Vorwölbung 312 größer oder gleich etwa 30 μm, z. B. im Bereich von etwa 30 μm bis etwa 450 μm, z. B. im Bereich von etwa 30 μm bis etwa 100 μm, z. B. im Bereich von etwa 35 μm bis etwa 50 μm, z. B. etwa 35 μm, sein, wenngleich auch andere Werte gemäß anderen Ausführungsformen ebenso möglich sein können.
Gemäß einer Ausführungsform kann eine Breite W der zumindest einen Vorwölbung 312 kleiner oder gleich etwa 500 μm, z. B. kleiner oder gleich etwa 350 μm, z. B. kleiner oder gleich etwa 150 μm, z. B. kleiner oder gleich etwa 100 μm, z. B. kleiner oder gleich etwa 70 μm, z. B. etwa 50 μm, z. B. im Bereich von etwa 1 nm bis etwa 500 μm, z. B. im Bereich von etwa 1 nm bis etwa 350 μm, z. B. im Bereich von etwa 1 nm bis etwa 150 μm, z. B. im Bereich von etwa 1 nm bis etwa 100 μm, z. B. im Bereich von etwa 1 nm bis etwa 70 μm, z. B. im Bereich von etwa 1 nm bis etwa 50 μm, sein, wenngleich auch andere Werte gemäß anderen Ausführungsformen ebenso möglich sein können.
In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Substrat 310 eine Vielzahl von Vorwölbungen 312 umfassen wie in 3A gezeigt (als Beispiel sind zwei Vorwölbungen 312 dargestellt, aber die Anzahl der Vorwölbungen 312 kann größer sein als zwei und in manchen Ausführungsformen zig, Hunderte oder Tausende oder sogar mehr Vorwölbungen betragen). Die Vorwölbungen 312 können alle die gleiche oder im Wesentlichen die gleiche Breite W und/oder Höhe H aufweisen. Es kann jedoch auch möglich sein, dass die Breite W und/oder die Höhe H zumindest einer Vorwölbung aus der Vielzahl von Vorwölbungen 312 sich von der Breite W und/oder der Höhe H zumindest einer anderen Vorwölbung aus der Vielzahl von Vorwölbungen 312 unterscheidet.
Gemäß einer Ausführungsform kann der erste Teil 310a der Oberfläche 312a, 312b, 314a des Substrats 310 die Oberfläche 314a der Basisregion 314 umfassen oder daraus bestehen und kann der zweite Teil 310b der Oberfläche 312a, 312b, 314a des Substrats 310 die Oberfläche 312a, 312b der zumindest einen Vorwölbung 312, wie z. B. die Oberfläche einer oder mehrerer Seitenwände 312b der zumindest einen Vorwölbung 312 und/oder der Oberfläche 312a der zumindest einen Vorwölbung 312, die in die entgegengesetzte Richtung der Basisregion 314 angeordnet ist (wie in 3A gezeigt), umfassen oder daraus bestehen.
Wie oben stehend beschrieben, kann die erste das Diffusionsvermögen ändernde Region 397 auf dem ersten Teil 310a der Oberfläche 312a, 312b, 314a des Substrats 310 sein, der so konfiguriert ist, dass er dem ionenführenden Elektrolyten 308 (z. B. einem Lithiumionen führenden Elektrolyten) gegenüberliegt. Daher kann gemäß einer Ausführungsform die erste das Diffusionsvermögen ändernden Region 397 an der Oberfläche 314a der Basisregion 314 sein, und die Oberfläche der zumindest einen Vorwölbung 312 kann von der ersten das Diffusionsvermögen ändernde Region 397 frei sein (z. B. die Oberfläche einer oder mehrerer Seitenwände 312b der zumindest einen Vorwölbung 312 und/oder die Oberfläche 312a, die in die entgegengesetzte Richtung der Basisregion 314 angeordnet ist, kann von der ersten das Diffusionsvermögen ändernden Region 397 frei sein, wie in 3A gezeigt). Beispielsweise kann die erste das Diffusionsvermögen ändernde Region 397 an einer Oberfläche einer Basisplatte einer Batterieelektrode liegen (z. B. an der Oberfläche 314a der Basisregion 314 der Batterieelektrode 300).
Gemäß einer Ausführungsform kann die erste das Diffusionsvermögen ändernde Region 397 an der Oberfläche 314a der Basisregion 314 so konfiguriert sein, dass sie die Diffusion von Ionen, die von dem Elektrolyten 308 geführt werden, in das Substrat 310 (z. B. in einen Teil des Substrats 310 unterhalb der Oberfläche 314a der Basisregion 314) reduzieren (z. B. verringern und/oder verlangsamen). Beispielhaft kann die erste das Diffusionsvermögen ändernde Region als Diffusionsbarriere und/oder elektrische Potenzialbarriere gegen die Diffusion von Ionen, die von dem Elektrolyten 308 geführt werden, in das Substrat 310 wirken.
Gemäß einer Ausführungsform kann ein Effekt der an der Oberfläche 314a der Basisregion 314 befindlichen ersten das Diffusionsvermögen ändernden Region 397 die Unterbindung oder wesentliche Reduktion des Reißens und/oder Brechens in der Batterieelektrode 300 während oder nach dem Lade- und/oder Wiederaufladevorgang und/oder der Entladung einer Batterie sein.
Gemäß einer Ausführungsform kann ein Effekt der an der Oberfläche 314a der Basisregion 314 befindlichen ersten das Diffusionsvermögen ändernden Region 397 die Unterbindung oder wesentliche Reduktion der Diffusion von Ionen aus dem Elektrolyten 308 in Regionen und/oder Oberflächen der Batterieelektrode 300 sein, die für das Brechen und/oder Reißen während des Lade- oder Wiederaufladevorgangs anfällig sind, wie z. B. die Basisregion 314 des Substrats 310 der Batterieelektrode 300.
Gemäß einer Ausführungsform kann ein Effekt der an der Oberfläche 314a der Basisregion 314 befindlichen ersten das Diffusionsvermögen ändernden Region 397 darin bestehen, dass das Einbringen von Ionen in Regionen und/oder Oberflächen der Batterieelektrode 300, die für das Brechen und/oder Reißen während des Lade- oder Wiederaufladevorgangs anfällig sind (wie z. B. die Basisregion 314 des Substrats 310), unterbunden oder wesentlich reduziert werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform kann ein Effekt der an der Oberfläche 314a der Basisregion 314 befindlichen ersten das Diffusionsvermögen ändernden Region 397 eine wesentliche Reduktion der Volumenausdehnung in Regionen und/oder Oberflächen der Batterieelektrode 300 sein, die für das Brechen und/oder Reißen während des Lade- oder Wiederaufladevorgangs anfällig sein können, wie z. B. die Basisregion 314 des Substrats 310.
Gemäß einer Ausführungsform kann ein Effekt der an der Oberfläche 314a der Basisregion 314 befindlichen ersten das Diffusionsvermögen ändernden Region 397 die Unterbindung oder wesentliche Reduktion des Brechens und/oder Reißens in der Batterieelektrode 300 während mehrerer Lade- und Wiederaufladerunden sein.
Gemäß einer Ausführungsform kann die an der Oberfläche 314a der Basisregion 314 befindliche erste das Diffusionsvermögen ändernde Region 397 dazu beitragen, eine Batterieelektrode 300 bereitzustellen, die in der Lage ist. die darin geladenen oder eingeführten Ionen über einen langen Zeitraum zu speichern oder zu behalten.
Wie in 3B in einer zweiten Ansicht gezeigt wird, kann das Reißen und/oder Brechen in der Batterieelektrode 300 während des Ladens oder Wiederaufladen der Batterie mithilfe der an der Oberfläche 314a der Basisregion 314 befindlichen ersten das Diffusionsvermögen ändernden Region 397 unterbunden oder wesentlich reduziert werden. Die von dem Elektrolyten 308 geführten Ionen können von der ersten das Diffusionsvermögen ändernden Region 397 daran gehindert werden, in die Basisregion 314 des Substrats 310 zu diffundieren, während die Diffusion von Ionen aus dem Elektrolyten 308 in die zumindest eine Vorwölbung 312 des Substrats 310 ungehindert vonstattengehen kann. Wie in 3B gezeigt, kann dies die Volumenausdehnung der Batterieelektrode 300 in der Basisregion 314 unterbinden oder wesentlich reduzieren. Beispielhaft kann in einer oder mehreren Ausführungsformen der Aufbau einer Diffusionsbarriere und/oder einer elektrischen Potenzialbarriere durch die erste das Diffusionsvermögen ändernde Region 397 die Speicherung von Ionen (z. B. Lithiumionen) in der Basisregion 314 (z. B. der Basisplatte) der Batterieelektrode 300 (z. B. einer Siliciumbatterieelektrode) unterbinden oder wesentlich reduzieren. Gemäß einer oder mehreren Ausführungsform kann die erste das Diffusionsvermögen ändernde Region 397, die z. B. durch Ionenimplantation gebildet werden kann, aufgrund der inhärenten Materialeigenschaften der implantierten ersten das Diffusionsvermögen ändernden Region 397 gegen Schichtentrennung während eines Lade- und/oder Entladezyklus widerstandsfähig sein.
4A und 4B zeigen diverse Querschnittsansichten, die eine Batterieelektrode 400 gemäß diversen Ausführungsformen veranschaulichen.
Die Bezugszeichen in 4A und 4B, die gleich sind wie in 3A und 3B, bezeichnen die gleichen oder ähnliche Elemente wie in 3A und 3B. Daher werden diese Elemente hier nicht mehr im Detail beschrieben; es sei einfach auf die oben stehende Beschreibung verwiesen. Unterschiede zwischen 4A und 3A werden im Folgenden beschrieben.
In der Batterieelektrode 400 kann eine erste das Diffusionsvermögen ändernde Region 497 auf einem ersten Teil 410a einer Oberfläche 312a, 312b, 314a eines Substrats 310 liegen, der so konfiguriert ist, dass er einem ionenführenden Elektrolyten 308 (z. B. einem Lithiumionen führenden Elektrolyten) gegenüberliegt, während ein zweiter Teil 410b der Oberfläche 312a, 312b, 314a des Substrats 310 von der ersten das Diffusionsvermögen ändernden Region 497 frei sein kann. Wie in 4A gezeigt wird, kann der erste Teil 410a der Oberfläche 312a, 312b, 314a des Substrats 310 die Oberfläche 312a, 312b zumindest einer Vorwölbung 312, z. B. die Oberfläche einer oder mehrerer Seitenwände 312b der zumindest einen Vorwölbung 312 und/oder die Oberfläche 312a, die in die entgegengesetzte Richtung der Basisregion 314 angeordnet ist, umfassen oder daraus bestehen, während der zweite Teil 410b der Oberfläche 312a, 312b, 314a des Substrats 310 die Oberfläche 314a der Basisregion 314, wie z. B. eine obere Oberfläche der Basisregion 314 (wie in 4A gezeigt), umfassen und/oder daraus bestehen kann.
Gemäß einer Ausführungsform kann die erste das Diffusionsvermögen ändernde Region 497 an der Oberfläche 312a, 312b der zumindest einen Vorwölbung 312 (z. B. der Oberfläche einer oder mehrerer Seitenwände 312b der zumindest einen Vorwölbung 312 und/oder der Oberfläche 312a, die in die entgegengesetzte Richtung der Basisregion 314 angeordnet ist) liegen, und kann die Oberfläche 314a der Basisregion 314 (z. B. eine obere Oberfläche der Basisregion 314) von der ersten das Diffusionsvermögen ändernden Region 497 frei sein, wie in 4A gezeigt.
Gemäß einer Ausführungsform kann die erste das Diffusionsvermögen ändernde Region 497 so konfiguriert sein, dass sie die Diffusion von Ionen, die von dem Elektrolyten 308 geführt werden, in das Substrat 310 (z. B. in die zumindest eine Vorwölbung 312) erhöht. Beispielsweise kann die erste das Diffusionsvermögen ändernde Region 497 als Diffusionsverstärkerin wirken und/oder ein inhärentes elektrisches Potenzial aufweisen, das die Diffusion von Ionen, die von dem Elektrolyt 308 geführt. werden, in das Substrat 310 erhöhen und/oder erleichtern kann. In anderen Worten kann die erste das Diffusionsvermögen ändernde Region 497 eine die Diffusion erhöhende Wirkung ausüben und/oder ein inhärentes elektrisches Potenzial aufbauen, das den Diffusionsvorgang erhöhen kann.
Gemäß einer Ausführungsform kann die erste das Diffusionsvermögen ändernde Region 497 eine amorphisierte Region in dem Substrat 310 umfassen oder sein. Gemäß einer Ausführungsform kann die amorphisierte Region in dem Substrat 310 durch das Implantieren von Ionen (z. B. Protonen, dotierenden Ionen, gegendotierenden Ionen) das Substrat 310 gebildet worden sein.
In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Substrat 310 (z. B. ein dotiertes oder undotiertes Halbleitersubstrat, das z. B. Silicium oder sonstige Halbleitermaterialien umfasst oder daraus besteht) ein Material mit regelmäßiger Kristallstruktur oder einer für einen Kristall charakteristischen weitreichenden Gitterordnung (z. B. einer regelmäßigen Kristallstruktur eines von einem Siliciumkristall, einem Germaniumkristall, einem Galliumnitridkristall, einem Galliumarsenidkristall, einem Siliciumcarbidkristall) umfassen oder daraus bestehen.
Gemäß einer Ausführungsform kann die amorphisierte Region in dem Substrat 310 eine Region in dem Substrat 310 sein, die eine amorphe Struktur aufweist, z. B. eine Struktur mit einer unregelmäßigen Kristallstruktur oder eine Struktur ohne eine für einen Kristall charakteristische weitreichende Gitterordnung. Beispielsweise kann die amorphisierte Region eine unregelmäßige Glasstruktur umfassen oder aufweisen.
Gemäß einer Ausführungsform kann die amorphisierte Region die Diffusion von Ionen aus dem Elektrolyten 308 in das Substrat 310, z. B. in die zumindest eine Vorwölbung 312, erleichtern. Demnach kann in einer oder mehreren Ausführungsformen die amorphisierte Region in dem Substrat 310 so konfiguriert sein, dass sie die Diffusion von Ionen, die durch den Elektrolyten 308 geführt werden, in das Substrat 310 erhöhen (z. B. vermehren und/oder erleichtern). Beispielsweise kann die amorphisierte Region in dem Substrat 310 als Diffusionsverstärkerin wirken und/oder ein inhärentes elektrisches Potenzial aufweisen, das die Diffusion von Ionen, die von dem Elektrolyt 308 geführt werden, in das Substrat 310 erhöhen und/oder erleichtern kann.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Dicke der ersten das Diffusionsvermögen ändernden Region 497 im Bereich von etwa 1 nm bis etwa 10 μm, z. B. im Bereich von etwa 1 mit bis etwa 1 μm, z. B. im Bereich von etwa 1 nm bis etwa 100 nm, z. B. im Bereich von etwa 1 nm bis etwa 50 nm, z. B. im Bereich von etwa 10 nm bis etwa 25 nm, liegen, wenngleich auch andere Werte gemäß anderen Ausführungsformen ebenso möglich sein können.
Gemäß einer Ausführungsform kann ein Effekt der an der Oberfläche 312a, 312b der zumindest einen Vorwölbung 312 befindlichen ersten das Diffusionsvermögen ändernden Region 497 die Erhöhung oder Erleichterung des Einfügens von Ionen in Regionen und/oder Oberflächen der Batterieelektrode 400 sein, die weniger anfällig für das Brechen und/oder Reißen während des Lade- oder Wiederaufladevorgangs ist (wie z. B. die zumindest eine Vorwölbung 312 des Substrats 310).
Gemäß einer Ausführungsform kann ein Effekt der an der Oberfläche 312a, 312b der zumindest einen Vorwölbung 312 befindlichen ersten das Diffusionsvermögen ändernden Region 497 die Speicherung oder Einführung von mehr Ionen pro Zeiteinheit aus dem Elektrolyten 308 in die zumindest eine Vorwölbung 312 der Batterieelektrode 400 im Vergleich mit der Speicherung oder Einführung von Ionen pro Zeiteinheit aus dem Elektrolyten 308 in andere Regionen (z. B. die Basisregion 314) der Batterieelektrode 400 sein.
Gemäß einer Ausführungsform kann die erste das Diffusionsvermögen ändernde Region 497 an der Oberfläche 312a, 312b der zumindest einen Vorwölbung 312 eine abgestufte Dicke aufweisen (wie in 4A gezeigt). Gemäß einer Ausführungsform kann die abgestufte Dicke ein lineares Profil aufweisen (wie in 4A gezeigt), wenngleich auch andere Dickeprofile gemäß anderen Ausführungsformen ebenso möglich sein können.
Gemäß einer Ausführungsform kann die abgestufte Dicke der ersten das Diffusionsvermögen ändernden Region 497 an der Oberfläche 312a, 312b der zumindest einen Vorwölbung 312 von einer Basis 402 der zumindest einen Vorwölbung 312 bis zur Oberfläche 312a der zumindest einen Vorwölbung 312 in entgegengesetzter Richtung zur Basisregion 314 (z. B. einer oberen Oberfläche der zumindest einen Vorwölbung 312) ansteigen. Beispielsweise kann in Regionen der zumindest einen Vorwölbung 312, die in der Lage sein können, größere Volumensausdehnungen aufzunehmen oder ihren standzuhalten (z. B. in Regionen der zumindest einen Vorwölbung 312, die näher an die in entgegengesetzter Richtung zur Basisregion 314 angeordneten Oberfläche 312a liegen) die erste das Diffusionsvermögen ändernde Region 497 eine größere Dicke aufweisen als in Regionen der zumindest einen Vorwölbung 312, die nur in der Lage sind, geringere Volumensausdehnungen aufzunehmen oder ihnen standzuhalten (z. B. Regionen, die näher an der Basis 402 der zumindest einen Vorwölbung 312 liegen).
Gemäß einer Ausführungsform kann ein Effekt der abgestuften Dicke der ersten das Diffusionsvermögen ändernden Region 497 an der Oberfläche 312a, 312b der zumindest einen Vorwölbung 312 ein sanftes Abklingen eines diffusionsverstärkenden Effekts von der in entgegengesetzter Richtung zur Basisregion 314 angeordneten Oberfläche 312a der zumindest einen Vorwölbung 312 bis zur Basis 402 der zumindest einen Vorwölbung 312 sein. Daher kann ein Effekt der abgestuften Dicke der ersten das Diffusionsvermögen ändernden Region 497 darin bestehen, dass ein Reißen und/oder Brechen in manchen Teilen der zumindest einen Vorwölbung 312 (z. B. an der Basis 402 der zumindest einen Vorwölbung 312) unterbunden und/oder wesentlich reduziert werden kann.
Wie in 4B in einer zweiten Ansicht gezeigt wird, können Ionen in Regionen und/oder Oberflächen der Batterieelektrode 400 gespeichert und/oder gehalten werden, die weniger anfällig für das Brechen und/oder Reißen während des Lade- oder Wiederaufladevorgangs sind (wie z. B. der zumindest einen Vorwölbung 312 des Substrats 310). Beispielsweise kann die erste das Diffusionsvermögen ändernde Region 497 in den vorstehenden Strukturen der Batterieelektrode (z. B. der zumindest einen Vorwölbung 312) als Diffusionsverstärkerin und/oder Region mit inhärenter elektrischer Potenzialbarriere wirken, die die Speicherung von Ionen (z. B. Lithiumionen) in der Basisregion 314 (z. B. der Basisplatte) der Batterieelektrode 300 (z. B. einer Siliciumbatterieelektrode) unterbindet oder wesentlich reduziert.
5 zeigt eine Querschnittsansicht, die eine Batterieelektrode 500 gemäß diversen Ausführungsformen veranschaulicht.
Die Bezugszeichen in 5, die gleich sind wie in 3A und 3B, bezeichnen die gleichen oder ähnliche Elemente wie in 3A und 3B. Daher werden diese Elemente hier nicht mehr im Detail beschrieben; es sei einfach auf die oben stehende Beschreibung verwiesen. Unterschiede zwischen 5 und 3A werden im Folgenden beschrieben.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Batterieelektrode 500 eine erste das Diffusionsvermögen ändernde Region 597 auf einem ersten Teil 510a der Oberfläche 312a, 312b, 314 des Substrats 310 und eine zweite das Diffusionsvermögen ändernde Region 599 auf einem zweiten Teil 510b der Oberfläche 312a, 312b, 314 des Substrats 310 umfassen. Gemäß einer Ausführungsform kann der erste Teil 510a der Oberfläche 312a, 312b, 314 des Substrats 310 die Oberfläche 314a der Basisregion 314 umfassen oder daraus bestehen und kann der zweite Teil 510b der Oberfläche 312a, 312b, 314 des Substrats 310 die Oberfläche 312a, 312b der zumindest einen Vorwölbung 312 umfassen oder daraus bestehen. Demzufolge kann in einer oder mehreren Ausführungsformen die erste das Diffusionsvermögen ändernde Region 597 an der Oberfläche 314a der Basisregion 314 und die zweite das Diffusionsvermögen ändernde Region 599 an der Oberfläche 312a, 312b der zumindest einen Vorwölbung 312 liegen, wie in 5 gezeigt.
In einer oder mehreren Ausführungsformen kann die erste das Diffusionsvermögen ändernde Region 597 ähnlich konfiguriert sein wie die in 3A gezeigte erste das Diffusionsvermögen ändernde Region 397 und kann z. B. so konfiguriert sein, dass sie die Diffusion von Ionen, die durch den Elektrolyten 308 geführt werden, in das Substrat 310 (z. B. in die Basisregion 314) reduziert (z. B. verringert und/oder verlangsamt).
Beispielsweise kann in einer oder mehreren Ausführungsformen das Substrat 310 ein dotiertes Substrat sein und kann die erste das Diffusionsvermögen ändernde Region 597 eine gegendotierte Region in dem dotierten Substrat 310 umfassen oder sein und so konfiguriert sein, dass sie als Barriere (z. B. als elektrische Potenzialbarriere und/oder als physikalische Barriere (z. B. Diffusionsbarriere)) für die Diffusion von Ionen (z. B. Lithiumionen), die durch den Elektrolyten 308 (z. B. einen Lithiumionen führenden Elektrolyten) geführt werden, in das Substrat 310 wirkt, ähnlich wie die erste das Diffusionsvermögen ändernde Region 397, wie oben stehend im Zusammenhang mit 3A und 3B beschrieben.
In einer oder mehreren Ausführungsformen kann die zweite das Diffusionsvermögen ändernde Region 599 ähnlich konfiguriert sein wie die in 4A gezeigte erste das Diffusionsvermögen ändernde Region 497 und z. B. so konfiguriert sein, dass sie die Diffusion von Ionen, die durch den Elektrolyten 308 geführt werden, in das Substrat 310 (z. B. in die zumindest eine Vorwölbung 312) erhöht (z. B. vermehrt und/oder erleichtert).
Beispielsweise kann in einer oder mehreren Ausführungsformen die zweite das Diffusionsvermögen ändernde Region 599 eine amorphisierte Region in dem Substrat 310 (z. B. einem dotierten oder undotierten Halbleitersubstrat) umfassen oder sein und kann so konfiguriert sein, dass sie die Diffusion von Ionen, die durch den Elektrolyten 308 geführt werden, in das Substrat 310 (z. B. in die zumindest eine Vorwölbung 312) erhöht (z. B. vermehrt und/oder erleichtert), ähnlich wie die erste das Diffusionsvermögen ändernde Region 497, wie oben stehend im Zusammenhang mit 4A und 4B beschrieben.
Somit kann die in 5 gezeigte Batterieelektrode 500 eine oder mehrere Wirkungen der in 3A und 3B gezeigten Batterieelektrode 300 mit einer oder mehreren Wirkungen der in 4A und 4B gezeigten Batterieelektrode 400 kombinieren.
6 zeigt eine Querschnittsansicht, die eine Batterieelektrode 600 gemäß diversen Ausführungsformen veranschaulicht.
Die Bezugszeichen in 6, die gleich sind wie in 3A, bezeichnen die gleichen oder ähnliche Elemente wie in 3A. Daher werden diese Elemente hier nicht mehr im Detail beschrieben; es sei einfach auf die oben stehende Beschreibung verwiesen. Unterschiede zwischen 3A und 6 werden im Folgenden beschrieben.
Die Batterieelektrode 600 kann eine erste das Diffusionsvermögen ändernde Region 697 auf einem ersten Teil 610a der Oberfläche 312a, 312b, 314a des Substrats 310 umfassen. Die erste das Diffusionsvermögen ändernde Region 697 kann über dem ersten Teil 610a der Oberfläche 312a, 312b, 314a des Substrats 310, wie in 6 gezeigt, vorgesehen sein. Gemäß einer Ausführungsform kann der erste Teil 610a der Oberfläche 312a, 312b, 314a des Substrats 310 die Oberfläche 314a der Basisregion 314 (wie in 6 gezeigt) umfassen oder daraus bestehen. Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen kann die erste das Diffusionsvermögen ändernde Region 697 eine erste das Diffusionsvermögen ändernde Schicht umfassen oder sein.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen kann die erste das Diffusionsvermögen ändernde Region 697 eine Polymerschicht oder eine polymerartige Schicht umfassen oder sein. Gemäß einer Ausführungsform kann die erste das Diffusionsvermögen ändernde Region 697 auf dem ersten Teil 610a der Oberfläche 312a, 312b, 314a des Substrats 310 ein Resistmaterial (z. B. ein Photoresist-, ein Imidmaterial, ein Polyimidmaterial, ein Epoxidmaterial) umfassen oder daraus bestehen.
Gemäß weiteren Ausführungsformen kann die erste das Diffusionsvermögen ändernde Region 697 ein Metall oder eine Metalllegierung umfassen oder daraus bestehen. Gemäß einer Ausführungsform kann das Metall zumindest ein aus einer Gruppe von Metallen ausgewähltes Metall, wobei die Gruppe aus Kupfer, Nickel, Cobalt, Eisen, Mangan, Chrom, Vanadium, Titan, Rhodium, Ruthenium, Molybdän, Niob, Zirconium, Iridium, Osmium, Rhenium, Wolfram, Tantal und Hafnium besteht, oder eine Legierung, die zumindest eines der eben genannten Metalle enthält, umfassen.
Gemäß einer Ausführungsform kann die erste das Diffusionsvermögen ändernde Region 697 als Barriere (z. B. als physikalische Barriere (wie z. B. eine Diffusionsbarriere)) für die Diffusion von Ionen (z. B. Lithiumionen), die durch den Elektrolyten 308 (z. B. einen Lithiumionen führenden Elektrolyten) geführt werden, in das Substrat 310 wirken. In anderen Worten kann die erste das Diffusionsvermögen ändernde Region 697 so konfiguriert sein, dass sie die Diffusion von Ionen (z. B. Lithiumionen), die durch den Elektrolyten 308 (z. B. einen Lithiumionen führenden Elektrolyten) geführt werden, in das Substrat 310 (z. B. ein Halbleitersubstrat, z. B. ein undotiertes oder dotiertes Siliciumsubstrat) reduziert (z. B. verringert und/oder verlangsamt).
In einer oder mehreren Ausführungsformen kann die erste das Diffusionsvermögen ändernde Region 697 durch das Abscheiden einer Resistschicht (z. B. einer Photoresist- oder polymerartigen Schicht) über dem gesamten Substrat 310 (z. B. einem Wafer) gebildet werden. Nach der Abscheidung kann die Resistschicht durch das Bearbeiten der Vertiefungen strukturiert werden, um die erste das Diffusionsvermögen ändernde Region 697 zu erhalten. Die erste das Diffusionsvermögen ändernde Region 697 kann als Diffusionsbarriere oder als Diffusionsreduktionsschicht gegen Ionen (z. B. Lithiumionen), die durch den Elektrolyten geführt werden, dienen, sodass ein Brechen und/oder Reißen der Basisregion 314 des Substrats 310 (z. B. eines Siliciumsubstrats) unterbunden oder wesentlich reduziert werden kann.
Diverse Ausführungsformen können Verfahren zur Herstellung einer Batterieelektrode bereitstellen.
7 zeigt ein Verfahren 700 zur Herstellung einer Batterieelektrode gemäß diversen Ausführungsformen.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Verfahren 700 zur Herstellung einer Batterieelektrode zur Herstellung einer Anode herangezogen werden. Gemäß einer Ausführungsform kann das Verfahren 700 zur Herstellung einer Batterieelektrode zur Herstellung einer Kathode herangezogen werden.
Das Verfahren 700 kann das Bereitstellen eines Substrats mit einer Oberfläche, die so konfiguriert ist, dass sie einem ionenführenden Elektrolyten gegenüberliegt (nach 702); und das Ausbilden einer ersten das Diffusionsvermögen ändernden Region auf einem ersten Teil der Oberfläche des Substrats (nach 702) umfassen. Ein zweiter Teil der Oberfläche kann von der ersten das Diffusionsvermögen ändernden Region frei bleiben. Die erste das Diffusionsvermögen ändernde Region kann so konfiguriert sein, dass sie die Diffusion von Ionen, die durch den Elektrolyten geführt werden, in das Substrat ändert.
Gemäß einer Ausführungsform kann die erste das Diffusionsvermögen ändernde Region so konfiguriert sein, dass sie die Diffusion von Ionen, die durch den Elektrolyten geführt werden, in das Substrat reduziert. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die erste das Diffusionsvermögen ändernde Region so konfiguriert sein, dass sie die Diffusion von Ionen, die durch den Elektrolyten geführt werden, in das Substrat erhöht.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Substrat ein dotiertes Substrat (einschließlich z. B. eines p-dotierten Halbleitermaterials oder eines n-dotierten Halbleitermaterials oder daraus bestehend) sein. In dieser Ausführungsform kann das Ausbilden der ersten das Diffusionsvermögen ändernden Region auf dem ersten Teil der Oberfläche des Substrats (nach 704) das Ausbilden einer gegendotierten Region in dem dotierten Substrat umfassen. Gemäß einer Ausführungsform kann das Ausbilden der gegendotierten Region in dem dotierten Substrat das Implantieren von gegendotierenden Ionen in das dotierte Substrat und das Ausheilen des Substrats nach dem Implantieren der gegendotierenden Ionen umfassen.
In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Verfahren 700 weiterhin das Ausbilden einer zweiten das Diffusionsvermögen ändernden Region auf dem zweiten Teil der Oberfläche des Substrats (nach 706) umfassen. Gemäß einer Ausführungsform kann die auf dem ersten Teil der Oberfläche des Substrats (nach 704) ausgebildete erste das Diffusionsvermögen ändernde Region so konfiguriert sein, dass sie die Diffusion von Ionen, die durch den Elektrolyten geführt werden, in das Substrat reduziert (z. B. verringert und/oder verlangsamt) und kann die auf dem zweiten Teil der Oberfläche des Substrats (nach 706) ausgebildete zweite das Diffusionsvermögen ändernde Region so konfiguriert sein, dass sie die Diffusion von Ionen, die durch den Elektrolyten geführt werden, in das Substrat erhöht (z. B. vermehrt und/oder erleichtert).
Die Batterieelektrode oder ein oder mehrere Teile der Batterieelektrode können weiterhin gemäß einer oder mehreren hierin beschriebenen Ausführungsformen, z. B. einer oder mehreren hierin oben stehend im Zusammenhang mit 3A bis 6 beschriebenen Ausführungsformen, konfiguriert sein.
8A bis 8G zeigen diverse Querschnittsansichten, die ein Verfahren zur Herstellung einer Batterieelektrode gemäß diversen Ausführungsformen veranschaulichen, das z. B. zur Herstellung einer in 4A gezeigten Batterieelektrode 400 eingesetzt werden kann.
Die Bezugszeichen in 8A bis 8G, die gleich sind wie in 4A, bezeichnen die gleichen oder ähnliche Elemente wie in 4A. Somit werden diese Elemente hier nicht mehr im Detail beschrieben; es sei einfach auf die oben stehende Beschreibung verwiesen.
Das Verfahren zur Herstellung einer Batterieelektrode kann das Strukturieren eines Substrats 310 vor der Bildung einer ersten das Diffusionsvermögen ändernden Region 497 auf einem ersten Teil 410a des Substrats 310 umfassen, wie in 8A bis 8D gezeigt. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Substrat 310 ein dotiertes Substrat (z. B. ein dotiertes Halbleitersubstrat, z. B. ein dotiertes Siliciumsubstrat) sein.
Wie in 8A in einer Ansicht 800 gezeigt, kann das Strukturieren eines Substrats 310 das Ausbilden einer Abdeckschicht 802, z. B. einer Resistschicht (z. B. einer Photoresistschicht) oder einer Hartmaske (z. B. einer Siliciumnitridschicht), über einer Oberfläche 804 (z. B. einer oberen Oberfläche) des Substrats 310 umfassen, Das Ausbilden der Abdeckschicht 802 (z. B. einer Resistschicht, z. B. Photoresistschicht) über der Oberfläche 804 des Substrats 310 kann z. B. unter Anwendung eines Abscheidungsverfahren, wie z. B. von zumindest einem von einem chemischen Gasphasenabscheidungs-(CVD-)Verfahren, einem Niederdruck-CVD-(LPCVD-)Verfahren, einem plasmaerhöhten chemischen Gasphasenabscheidungs-(PECVD-)Verfahren, einem chemischen Plasma-Gasphasenabscheidungsverfahren bei hoher Dichte (HDP-CVD-Verfahren), einem physikalischen Gasphasenabscheidungs-(PVD-)Verfahren, einem Zerstäubungsverfahren und einem Schleuderbeschichtungsverfahren oder sonstigen geeigneten Abscheidungsverfahren, die an sich fachbekannt sein können, durchgeführt werden.
Wie in 8B in einer Ansicht 801 gezeigt, kann das Strukturieren des Substrats 310 weiterhin das Strukturieren der Abdeckschicht 802 (angedeutet durch die Pfeile 806) umfassen, um einen Teil der Abdeckschicht 802 von der Oberfläche 804 des Substrats 310 zu entfernen und so eine strukturierte Abdeckschicht 808 auszubilden. Das Strukturieren der Abdeckschicht 802 (angedeutet durch die Pfeile 806) kann mittels eines Ätzverfahrens, wie z. B. eines Nassätzverfahrens oder eines Trockenätzverfahrens (z. B. eines Plasmaätzverfahrens), oder (z. B. im Falle einer Resistschicht) mittels eines lithographischen Verfahrens, das Belichtung, Entwicklung und Resistablösung beinhaltet, oder aber mittels anderer geeigneter und an sich fachbekannter Verfahren erfolgen.
Wie in 8C in einer Ansicht 803 gezeigt, kann das Strukturieren des Substrats 310 weiterhin das Ätzen des Substrats 310 (angedeutet durch die Pfeile 810) unter Verwendung der strukturierten Abdeckschicht 808 als Ätzmaske umfassen. Das Ätzen des Substrats 310 kann z. B. unter Anwendung eines Ätzverfahrens, z. B. eines Nassätzverfahrens oder eines Trockenätzverfahrens, z. B. eines Plasmaätzverfahrens (z. B. eines Bosch-Ätzverfahrens) oder eines sonstigen, an sich fachbekannten Ätzverfahrens, erfolgen. Das Ätzen des Substrats 310 kann zumindest eine Vorwölbung 312 (z. B. ein Türmchen), in manchen Ausführungsformen z. B. eine Vielzahl von Vorwölbungen, und eine Basisregion 314 (z. B. eine Basisplatte) aus dem Substrat 310 ausbilden. Die Basisregion 314 kann eine Oberfläche 314a aufweisen, und die zumindest eine Vorwölbung 312 kann eine Oberfläche 312a, 312b aufweisen, darunter z. B. eine Oberfläche 312a (z. B. eine obere Oberfläche), die in entgegengesetzter Richtung zur Basisregion 314 angeordnet ist, und eine oder mehrere Seitenwände 312b.
Wie in 8D in einer Ansicht 805 gezeigt, kann das Strukturieren des Substrats 310 weiterhin das Entfernen der strukturierten Abdeckschicht 808 (z. B. der strukturierten Photoresistschicht) von der Oberfläche 312a der zumindest einen Vorwölbung 312 (z. B. einer oberen Oberfläche) nach dem Ausbilden der zumindest einen Vorwölbung 312 und der Basisregion 314 des Substrats 310 umfassen. Das Entfernen der strukturierten Maskenschicht 808 nach dem Ätzen des Substrats 310 kann unter Anwendung eines Ätzverfahrens durchgeführt werden, z. B. von zumindest einem von einem Nassätzverfahren, einem Trockenätzverfahren, einem Plasmaätzverfahren und sonstigen geeigneten, an sieh womöglich fachbekannten Ätzverfahren durchgeführt werden.
Beispielhaft zeigt 8D ein strukturiertes Substrat 310, das eine Basisregion 314 und zumindest eine Vorwölbung 312 umfasst, wobei die Oberfläche 312a, 312b der zumindest einen Vorwölbung 312 einen ersten Teil 410a der Oberfläche des strukturierten Substrats 310 ausbilden kann und die Oberfläche 314a der Basisregion 314 einen zweiten Teil 410b der Oberfläche des strukturierten Substrats 310 ausbilden kann.
Das Verfahren zur Herstellung einer Batterieelektrode kann weiterhin das Ausbilden einer ersten das Diffusionsvermögen ändernden Region 497 auf dem ersten Teil 410a der Oberfläche des strukturierten Substrats 310 umfassen. Gemäß einer Ausführungsform kann das Ausbilden der ersten das Diffusionsvermögen ändernde Region 497 auf dem ersten Teil 410a der Oberfläche das Ausbilden einer ersten das Diffusionsvermögen ändernden Region 497 an der Oberfläche 312a, 312b der zumindest einen Vorwölbung 312, z. B. an einer oder mehreren Seitenwänden 312b und/oder an einer Oberfläche 312a, die in entgegengesetzter Richtung der Basisregion 314 angeordnet ist (z. B. einer oberen Oberfläche der zumindest einen Vorwölbung 312), umfassen.
Wie an 8E in einer Ansicht 807 gezeigt wird, kann das Ausbilden der ersten das Diffusionsvermögen ändernden Region 497 an der Oberfläche 312a, 312b der zumindest einen Vorwölbung 312 das Ausbilden (z. B. mithilfe eines Abscheidungsverfahrens) einer Abdeckschicht 812 (z. B. einer Resistschicht) über der Oberfläche 314a der Basisregion 314 nach dem Strukturieren des Substrats 310 umfassen. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann die Abdeckschicht 812 eine unterbrochene Abdeckschicht (wie im 8E gezeigt) sein, die dazu verwendet werden kann, die Basisregion 314 (z. B. eine Basisplatte) des Substrats 310 (z. B. eines Siliciumsubstrats) abzudecken.
In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Abscheiden der Abdeckschicht 812 über der Oberfläche 314a der Basisregion 314 unter Anwendung eines Abscheidungsverfahrens, wie z. B. eines chemischen Gasphasenabscheidungs-(CVD-)Verfahrens, eines Niederdruck-CVD-(LPCVD-)Verfahrens, eines plasmaerhöhten chemischen Gasphasenabscheidungs-(PECVD-)Verfahrens, eines chemischen Plasma-Gasphasenabscheidungsverfahrens bei hoher Dichte (HDP-CVD-Verfahren), eines physikalischen Gasphasenabscheidungs-(PVD-)Verfahrens, eines Zerstäubungsverfahrens und einem Schleuderbeschichtungsverfahrens oder sonstiger geeigneter Abscheidungsverfahren, die an sich fachbekannt sein können, durchgeführt werden.
Wie in 8F in einer Ansicht 809 gezeigt wird, kann das Ausbilden der ersten das Diffusionsvermögen ändernden Region 497 an der Oberfläche 312a, 312b der zumindest einen Vorwölbung 312 das Implantieren von Ionen in die zumindest eine Vorwölbung, z. B. in die Oberfläche 312a, 312b der zumindest einen Vorwölbung 312 (angedeutet durch die Pfeile 814), unter Verwendung der Abdeckschicht 812 als Implantationsmaske umfassen. Daher können in hervorgehobene Teile des Substrats 310 (z. B. die zumindest eine Vorwölbung 312) Ionen implantiert sein, während in die Vertiefungsbereiche des Substrats 310 (z. B. die Oberfläche 314a der Basisregion 314, die durch die Abdeckschicht 812 abgedeckt ist) keine Ionen implantiert sind.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Substrat 310 ein dotiertes Substrat sein und kann das Implantieren von Ionen in die zumindest eine Vorwölbung 312 kann das Implantieren von gegendotierenden Ionen umfassen. Beispielsweise kann gemäß einer Ausführungsform das Implantieren von Ionen in die zumindest eine Vorwölbung 312 das Implantieren von gegendotierenden Ionen des Typs p in ein n-dotiertes Substrat 310 oder umgekehrt umfassen. Gemäß einer Ausführungsform können die gegendotierenden Ionen Ionen aus zumindest einem der nachstehenden Materialien umfassen oder sein; Bor, Aluminium, Gallium, Indium, Antimon, Phosphor, Arsen und Antimon, wenngleich auch andere Materialien gemäß anderen Ausführungsformen ebenso möglich sein können. Beispielsweise kann das Substrat 310 ein mit einem Dotanden des Typs p, wie z. B. Bor, dotiertes Siliciumsubstrat sein und können die gegendotierenden Ionen, die in die zumindest eine Vorwölbung 312 implantiert sind, n-dotierende Ionen, wie z. B. Phosphor-, Arsen- oder Antimonionen sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Implantieren von Ionen in die zumindest eine Vorwölbung 312 das Implantieren von Protonen in die zumindest eine Vorwölbung 312 (z. B. mithilfe eines energiereichen Protonenimplantationsverfahrens) umfassen.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Implantieren der Ionen in die zumindest eine Vorwölbung 312 eine amorphisierte Region in der zumindest einen Vorwölbung 312 des Substrats 310 ausbilden. Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Implantieren der Ionen in die zumindest eine Vorwölbung 312 die Gitterstruktur in der Oberfläche 312a, 312b der zumindest einen Vorwölbung 312 zerstören und so die amorphisierte Region ausbilden. Wie oben stehend beschrieben, kann die amorphisierte Region die Diffusion von Ionen, die durch den Elektrolyten 308 (z. B. einen Lithiumionen führenden Elektrolyten) geführt werden, in das Substrat 310 erhöhen (z. B. vermehren und/oder erleichtern). Demnach kann die durch das Implantieren von Ionen in das Substrat 310 (z. B. in die zumindest eine Vorwölbung 312 des Substrats 310) gebildete erste das Diffusionsvermögen ändernde Region 497 so konfiguriert sein, dass sie die Diffusion von Ionen, die durch den Elektrolyten 308 (z. B. einen Lithiumionen führenden Elektrolyten) geführt werden, in das Substrat 310, z. B. in die zumindest eine Vorwölbung 312 des Substrats 310, erhöht (z. B. vermehrt und/oder erleichtert).
Gemäß einer Ausführungsform kann das Implantieren der Ionen in der Substrat 310 (z. B. in die zumindest eine Vorwölbung 312 des Substrats 310) eine gekippte Implantation (wie in 8F durch die Pfeile 814 angezeigt) umfassen. Der Begriff „gekippte Implantation” kann z. B. eine Implantation umfassen oder bezeichnen, die in einem Implantationswinkel ungleich null z. B. kleiner oder gleich etwa 80°, z. B. einem Winkel im Bereich von etwa 10° bis etwa 80°, z. B. einem Winkel von etwa 15°, etwa 30°, etwa 45° oder etwa 60°, zu einer Oberflächennormale vorgenommen wird, wenngleich auch andere Implantationswinkel ebenso möglich sein können. Gemäß einer Ausführungsform kann eine gekippte Implantation in die Seitenwände 312b der zumindest einen Vorwölbung 312 (z. B. eines Türmchens) eine amorphisierte Region mit einer abgestuften Dicke an den Seitenwänden 312b ausbilden. Die abgestufte Dicke der amorphisierten Region kann z. B. dazu dienen, die diffusionsverstärkende Wirkung, wie sie oben stehend im Zusammenhang mit 4A und 4B beschrieben ist, sanft abklingen zu lassen.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Verfahren zur Herstellung einer Batterieelektrode weiterhin das Entfernen der Abdeckschicht 812 (z. B. mithilfe eines herkömmlichen Resistentfernungsverfahrens) nach dem Implantieren der Ionen in die zumindest eine Vorwölbung 312 (wie in einer Ansicht 811 in 8G gezeigt) umfassen.
9A bis 9E zeigen Querschnittsansichten, die ein Verfahren zur Herstellung einer Batterieelektrode gemäß diversen Ausführungsformen veranschaulicht, das z. B. zur Herstellung der in 3A gezeigten Batterieelektrode 300 herangezogen werden kann.
Das Verfahren ist bis zu einem gewissen Grad dem oben stehend im Zusammenhang mit 8A bis 8G beschriebenen Verfahren ähnlich. Insbesondere bezeichnen Bezugszeichen in 9A bis 9E, die gleich sind wie in 3A und in 8A bis 8G, die gleichen oder ähnliche Elemente wie in 3A und in 8A bis 8G. Somit werden diese Elemente hier nicht mehr im Detail beschrieben; es sei einfach auf die oben stehende Beschreibung verwiesen. Insbesondere kann das Verfahren das Strukturieren eines Substrats 310 vor dem Ausbilden einer ersten das Diffusionsvermögen ändernden Region 397 auf einem ersten Teil 310a des Substrats 310, wie in 9A bis 9C gezeigt, umfassen. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Substrat 310 ein dotiertes Substrat (z. B. ein dotiertes Halbleitersubstrat, z. B. ein dotiertes Siliciumsubstrat) sein.
9A zeigt eine Ansicht 900, die das Strukturieren eines Substrats 310 veranschaulicht. Gemäß einer Ausführungsform kann das Strukturieren des Substrats 310 das Ausbilden einer Abdeckschicht 802 (z. B. einer Resistschicht, z. B. einer Photoresistschicht) über der Oberfläche 804 des Substrats 310, die so konfiguriert ist, dass sie einem ionenführenden Elektrolyten (z. B. dem in 3A gezeigten Elektrolyten 308) gegenüberliegt, umfassen. Die weiteren oben stehend in Bezug auf die Abdeckschicht 802 und das in 8A gezeigte Substrat 310 beschriebenen Merkmale sind für die Abdeckschicht 802 und das in 9A gezeigte Substrat 310 gleichermaßen anwendbar.
Wie in 9B in einer Ansicht 901 gezeigt, kann das Strukturieren des Substrats 310 weiterhin das Strukturieren (angedeutet durch Pfeil 806) der Abdeckschicht 802 umfassen, um einen Teil der Abdeckschicht 802 von der Oberfläche 804 des Substrats 310 zu entfernen und so eine strukturierte Abdeckschicht 808 auszubilden. Die weiteren oben stehend in Bezug auf die in 8B gezeigte strukturierte Abdeckschicht 808 beschriebenen Merkmale sind für die 9B gezeigte strukturierte Abdeckschicht gleichermaßen anwendbar.
Wie in 9C in einer Ansicht 903 gezeigt, kann das Strukturieren des Substrats 310 weiterhin das Ätzen des Substrats 310 (angedeutet durch die Pfeile 810) unter Verwendung der strukturierten Abdeckschicht 808 als Ätzmaske umfassen, Die weiteren, oben stehend in Bezug auf das in 8C gezeigte Ätzen des Substrats (angedeutet durch die Pfeile 810) beschriebenen Merkmale können für das in 9C gezeigte Ätzen des Substrats 310 (angedeutet durch die Pfeile 810) gleichermaßen anwendbar sein. Das Ätzen des Substrats 310 kann zumindest eine Vorwölbung 312 (z. B. ein Türmchen), in manchen Ausführungsformen z. B. eine Vielzahl an Vorwölbungen, und eine Basisregion 314 (z. B. eine Basisplatte) aus dem Substrat 310 ausbilden. Die Basisregion 314 kann eine Oberfläche 314a aufweisen, und die zumindest eine Vorwölbung kann eine Oberfläche 312a, 312b aufweisen, die z. B. eine Oberfläche 312a (z. B. eine obere Oberfläche), die in entgegengesetzter Richtung zur Basisregion 314 angeordnet ist, und eine oder mehrere Seitenwände 312b umfasst.
Beispielhaft zeigt 9C ein strukturiertes Substrat 310, das eine Basisregion 314 und zumindest eine Vorwölbung 312 umfasst, wobei die Oberfläche 314a der Basisregion 314 einen ersten Teil 310a der Oberfläche des strukturierten Substrats 310 ausbilden kann und die Oberfläche 312a, 312b der zumindest einen Vorwölbung 312 einen zweiten Teil 310b der Oberfläche des strukturierten Substrats 310 ausbilden kann.
Das Verfahren zur Herstellung einer Batterieelektrode kann weiterhin das Ausbilden einer ersten das Diffusionsvermögen ändernden Region 397 auf dem ersten Teil 310a der Oberfläche des strukturierten Substrats 310 umfassen. Gemäß einer Ausführungsform kann das Ausbilden der ersten das Diffusionsvermögen ändernden Region 397 auf dem ersten Teil 310a der Oberfläche 312a, 312b, 314a das Ausbilden der ersten das Diffusionsvermögen ändernden Region 397 an der Oberfläche 314a der Basisregion 314 des Substrats 310 umfassen oder daraus bestehen
Wie in 9D in einer Ansieht 905 gezeigt, kann das Ausbilden der ersten das Diffusionsvermögen ändernden Region 397 an der Oberfläche 314a der Basisregion 314 das Implantieren von Ionen (z. B. dotierenden Ionen, z. B. Dotanden des Typs n oder Dotanden des Typs p, oder gegendotierende Ionen) (angezeigt durch die Pfeile 902) in die Basisregion 314 des Substrats 310 umfassen. Gemäß einer Ausführungsform kann die strukturierte Abdeckschicht 808 als Implantationsmaske verwendet werden, um zu ermöglichen, dass die Ionen in die Basisregion 314 des Substrats 310 und nicht in die Oberfläche 312a, 312b der zumindest einen Vorwölbung 312 des Substrats 310 implantiert werden. Beispielsweise kann die Ionenimplanation (angezeigt durch die Pfeile 902) unmittelbar nach dem Strukturieren des Substrats (z. B. dem Ätzen des Oberflächensubstrats) unter Verwendung der strukturierten Abdeckschicht 808 als Implantationsmaske erfolgen. Entsprechend kann die Oberfläche 312a (z. B. die obere Oberfläche) der zumindest einen Vorwölbung 312 (z. B. ein Türmchen) vor Ionenimplantation geschützt werden.
Gemäß einer Ausführungsform können für die Ionenimplantation verwendete Ionen Ionen aus zumindest einem der nachstehenden Materialien umfassen oder sein: Bor, Aluminium, Gallium, Indium, Antimon, Phosphor, Arsen und Antimon, wenngleich auch andere Materialien gemäß anderen Ausführungsformen ebenso möglich sein können. Beispielsweise kann das Substrat 310 ein mit einem Dotanden des Typs p, wie z. B. Bor, dotiertes Siliciumsubstrat sein und können die in die Basisregion 314 implantierten Ionen gegendotierte Ionen des Typs n, wie z. B. Phosphor-, Arsen- oder Antimonionen sein.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Ausbilden der ersten das Diffusionsvermögen ändernden Region 397 in der Basisregion 314 des Substrats 310 das Entfernen der strukturierten Abdeckschicht 808 (z. B. mithilfe eines herkömmlichen Resistablösungsverfahrens) nach dem Implantieren der Ionen in die Basisregion 314 (wie in einer Ansicht 907 in 9E dargestellt) umfassen.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Ausbilden der ersten das Diffusionsvermögen ändernden Region 397 in der Basisregion 314 des Substrats 310 weiterhin das Ausheilen des Substrats 310 nach dem Implantieren der Ionen in die Basisregion 314 des Susbtrats 310 umfassen. Gemäß einer Ausführungsform kann das Ausheilen des Substrats 310 nach dem Implantieren der Ionen die implantierten Ionen dazu bringen, eine elektrische Potenzialbarriere oder eine Diffusionsbarriere gegenüber der Diffusion von Ionen (z. B. Lithiumionen) aus dem Elektrolyt (z. B. dem Lithiumionen führenden Elektrolyt) in die Basisregion 314 des Substrats 310 auszubilden. Gemäß einer Ausführungsform kann das Ausheilen der Substrats 310 nach dem Implantieren der Ionen Schäden an der Gitterstruktur der Oberfläche 314a der Basisregion 314 heilen, die durch das Implantieren von Ionen in die Basisregion 314 des Substrats 310 verursacht wurden, und so eine elektrische Potenzialbarriere oder eine Diffusionsbarriere gegenüber der Diffusion von Ionen auszubilden.
10A bis 10H zeigen diverse Querschnittsansichten, die ein Verfahren zur Herstellung einer Batterieelektrode gemäß diversen Ausführungsformen veranschaulichen.
Das Verfahren ist bis zu einem gewissen Graf ähnlich dem oben stehend. in Zusammenhang mit 9A bis 9D beschriebenen Verfahren und kann z. B. zur Herstellung der in 5 gezeigten Batterieelektrode 500 herangezogen werden. Insbesondere bezeichnen Bezugszeichen in 10A bis 10H, die gleich sind wie in 5 und in 9A bis 9E, die gleichen oder ähnliche Elemente wie in 5 und 9A bis 9E. Daher werden diese Elemente hier nun nicht mehr im Detail beschrieben; es sei einfach auf die oben stehende Beschreibung verwiesen. Insbesondere kann das Verfahren das Strukturieren eines Substrats 310 (z. B. eines dotierten Substrats, z. B. eines dotierten Halbleitersubstrats, z. B. eines dotierten Siliciumsubstrats) vor dem Ausbilden einer ersten das Diffusionsvermögen ändernden Region 597 auf einem ersten Teil 510a des Substrats 310 und das Ausbilden einer zweiten das Diffusionsvermögen ändernden Region 599 auf einem zweiten Teil 510b des Substrats 310 umfassen.
10A zeigt eine Ansicht 1000, die die Strukturierung eines Substrats 310 veranschaulicht. Gemäß einer Ausführungsform kann das Strukturieren des Substrats 310 das Abscheiden einer Abdeckschicht 802 (z. B. einer Resistschicht, z. B. einer Photoresistschicht) über einer Oberfläche 804 des Substrats 310, die so konfiguriert ist, dass sie einem ionenführenden Elektrolyten (z. B. dem in 5 gezeigten Elektrolyten 308) gegenüberliegt, umfassen. Die weiteren oben stehend in Bezug auf die Abdeckschicht 802 und das Substrat 310, die in 9A dargestellt sind, gezeigten Merkmale können für die Abdeckschicht 802 und das Substrat 310, die in 10A dargestellt sind, gleichermaßen anwendbar sein.
Wie in 10B in einer Ansicht 1001 gezeigt wird, kann das Strukturieren des Substrats 310 weiterhin das (durch die Pfeile 806 angezeigte) Strukturieren der Abdeckschicht 802 umfassen, um einen Teil der Abdeckschicht 802 von der Oberfläche 804 des Substrats 310 zu entfernen, um eine strukturierte Abdeckschicht 808 auszubilden. Die weiteren oben stehend in Bezug auf die in 9B gezeigte strukturierte Abdeckschicht 808 können für die in 10B gezeigte strukturierte Abdeckschicht 808 gleichermaßen anwendbar sein.
Wie in 10C in einer Ansicht 1003 gezeigt wird, kann das Strukturieren des Substrats 310 weiterhin das (durch die Pfeile 810 angezeigte) Ätzen des Substrats 310 unter Verwendung der strukturierten Abdeckschicht 808 als Ätzmaske umfassen. Die weiteren oben stehend in Bezug auf das (durch die Pfeile 810 angezeigte) Ätzen des Substrats 310, das in 9C dargestellt ist, beschriebenen Merkmale können für das (durch die Pfeile 810 angezeigte) Ätzen des Substrats 310, das in 10C dargestellt ist, gleichermaßen anwendbar sein. Das Ätzen des Substrats 310 kann zumindest eine Vorwölbung 312 (z. B. ein Türmchen), in manchen Ausführungsformen z. B. eine Vielzahl von Vorwölbungen, und eine Basisregion 314 (z. B. eine Basisplatte) aus dem Substrat 310 ausbilden. Die Basisregion 314 kann eine Oberfläche 314a aufweisen, und die zumindest eine Vorwölbung kann eine Oberfläche 312a, 312b aufweisen, die z. B. eine Oberfläche 312a (z. B. eine obere Oberfläche), die in entgegengesetzter Richtung zur Basisregion 314 angeordnet ist, und eine oder mehrere Seitenwände 312b umfasst.
Beispielhaft zeigt 10C ein strukturiertes Substrat 310, das eine Basisregion 314 und zumindest eine Vorwölbung 312 umfasst, wobei die Oberfläche 314a der Basisregion 314 einen ersten Teil 510a der Oberfläche des strukturierten Substrats 310 darstellen kann und die Oberfläche 312a, 312b der zumindest einen Vorwölbung 312 einen zweiten Teil 510b der Oberfläche des strukturierten Substrats 310 darstellen kann.
Das Verfahren zur Herstellung einer Batterieelektrode kann weiterhin das Ausbilden einer ersten das Diffusionsvermögen ändernden Region 597 auf dem ersten Teil 510a der Oberfläche des Substrats 310 und das Ausbilden einer zweiten das Diffusionsvermögen ändernde Region 599 auf dem zweiten Teil 510b der Oberfläche des Substrats 310 umfassen. Gemäß einer Ausführungsform kann das Ausbilden der ersten das Diffusionsvermögen ändernden Region 597 auf dem ersten Teil 510a der Oberfläche des Substrats 310 das Ausbilden der ersten das Diffusionsvermögen ändernden Region 597 an der Oberfläche 314a der Basisregion 314 des Substrats 310 umfassen oder daraus bestehen und kann das Ausbilden der zweiten das Diffusionsvermögen ändernden Region 599 auf dem zweiten Teil 510b der Oberfläche des Substrats 310 das Ausbilden der zweiten das Diffusionsvermögen ändernden Region 599 an der Oberfläche 312a, 312b der zumindest einen Vorwölbung 312, z. B. an einer oder mehreren Seitenwänden 312b und/oder an einer Oberfläche 312a, die in entgegengesetzter Richtung der Basisregion 314 angeordnet ist (z. B. einer oberen Oberfläche der zumindest einen Vorwölbung 312), umfassen oder daraus bestehen.
Wie in 10D in einer Ansicht 1005 gezeigt wird, kann das Ausbilden der ersten das Diffusionsvermögen ändernden Region 597 auf dem ersten Teil 510a der Oberfläche des Substrats 310 (z. B. an der Oberfläche 314a der Basisregion 314) das Implantieren von Ionen (z. B. dotierenden Ionen, z. B. Dotanden des Typs n oder Dotanden des Typs p oder gegendotierenden Ionen) (angezeigt durch die Pfeile 902) in die Basisregion 314 des Substrats 310 umfassen. Gemäß einer Ausführungsform kann die strukturierte Abdeckschicht 808 als Implantationsmaske verwendet werden, die ermöglicht, dass Ionen in die Basisregion 314 des Substrats 310 implantiert werden und nicht in die Oberfläche 312a, 312b der zumindest einen Vorwölbung 312 des Substrats 310. Die weiteren oben stehend in Bezug auf das Implantieren von Ionen in die Basisregion 314 des Substrats (angezeigt durch die Pfeile 902) beschriebenen Merkmale in 9D können für das Implantieren von Ionen in die Basisregion 314 des in 10D gezeigten Substrats (angezeigt durch die Pfeile 902) gleichermaßen anwendbar sein.
Wie in 10E in einer Ansicht 1007 gezeigt wird, kann die strukturierte Abdeckschicht 808 nach dem Implantieren der Ionen (z. B. dotierenden Ionen, z. B. Dotanden des Typs n oder Dotanden des Typs p oder gegendotierenden Ionen) in die Basisregion 314 des Substrats 310, z. B. durch Ätzen, z. B. unter Anwendung eines herkömmlichen Resistablösungsverfahrens, entfernt werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Ausbilden der ersten das Diffusionsvermögen ändernden Region 597 weiterhin das Ausheilen des Substrats 310 nach dem Implantieren der Ionen (z. B. dotierenden Ionen, z. B. Dotanden des Typs n oder Dotanden des Typs p oder gegendotierenden Ionen) in die Basisregion 314 des Substrats 310 z. B. nach der Entfernung der strukturierten Abdeckschicht 808 umfassen. Gemäß einer Ausführungsform kann das Ausheilen des Substrats 310 eine elektrische Potenzialbarriere oder eine Diffusionsbarriere gegenüber der Diffusion von Ionen (z. B. Lithiumionen) aus dem Elektrolyten (z. B. einem Lithiumionen führenden Elektrolyten) in die Basisregion 314 des Substrats 310 ausbilden.
Wie in 10F in einer Ansicht 1009 gezeigt wird, kann das Ausbilden der zweiten das Diffusionsvermögen ändernden Region 599 auf dem zweiten Teil 510b der Oberfläche des Substrats 310, z. B. an der Oberfläche 312a, 312b der zumindest einen Vorwölbung 312, das Ausbilden einer Abdeckschicht 1002 über der Oberfläche 314a der Basisregion 314 umfassen. Die über der Oberfläche 314a der Basisregion 314 ausgebildete Abdeckschicht 1002 kann über der ersten das Diffusionsvermögen ändernden Region 597 ausgebildet werden. Die weiteren oben stehend im Zusammenhang mit der in 8E dargestellten Abdeckschicht 812 beschriebenen Merkmale können für die in 10F gezeigte Abdeckschicht 1002 gleichermaßen anwendbar sein.
Wie in 10G in einer Ansieht 1011 gezeigt wird, kann das Ausbilden der zweiten das Diffusionsvermögen ändernden Region 599 auf dem zweiten Teil 510b der Oberfläche des Substrats 310, z. B. an der Oberfläche 312a, 312b der zumindest einen Vorwölbung 312, das Implantieren von Ionen (z. B. dotierenden Ionen, z. B. Dotanden des Typs n oder Dotanden des Typs p oder gegendotierenden Ionen) in die zumindest eine Vorwölbung 312 unter Verwendung der Abdeckschicht 1002 als Implantationsmaske umfassen. Die weiteren oben stehend im Zusammenhang mit dem (durch die Pfeile 814 angezeigten) Implantieren von Ionen in die in 8F dargestellte zumindest eine Vorwölbung 312 können für das (durch die Pfeile 814 angezeigte) Implantieren von Ionen in die in 10G dargestellte zumindest eine Vorwölbung 312 (durch die Pfeile 814 angezeigte) gleichermaßen anwendbar sein.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen kann die auf dem ersten Teil 510a der Oberfläche des Substrats 310, z. B. an der Oberfläche 314a der Basisregion 314, ausgebildete erste das Diffusionsvermögen ändernde Region 597 so konfiguriert sein, dass sie die Diffusion von Ionen, die durch den Elektrolyten 308 (z. B. einen Lithiumionen führenden Elektrolyten) geführt werden, in das Substrat 310 reduziert (z. B. verringert und/oder verlangsamt) und kann die auf dem zweiten Teil 510b der Oberfläche des Substrats 310, z. B. an der Oberfläche 312a, 312b der zumindest einen Vorwölbung 312, ausgebildete zweite das Diffusionsvermögen ändernde Region 599 so konfiguriert sein, dass sie die Diffusion von Ionen, die durch den Elektrolyten 308 (z. B. einen Lithiumionen führenden Elektrolyten) geführt werden, in das Substrat 310 erhöht (z. B. vermehrt und/oder erleichtert).
Gemäß einer Ausführungsform kann das Substrat 310 ein dotiertes Substrat sein, kann die erste das Diffusionsvermögen ändernde Region 597 auf dem ersten Teil 510a der Oberfläche des Substrats 310, z. B. an der Oberfläche 314a der Basisregion 314, eine gegendotierte Region in dem dotierten Substrat 310 umfassen oder daraus bestehen und kann die zweite das Diffusionsvermögen ändernde Region 599 auf dem zweiten Teil 510b der Oberfläche des Substrats 310, z. B. an der Oberfläche 312a, 312b der zumindest einen Vorwölbung 312, eine amorphisierte Region in dem dotierten Substrat 310 umfassen oder daraus bestehen. Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Ausbilden der gegendotierten Region in dem Substrat 310 das Implantieren von Ionen in das Substrat 310 und das anschließende Ausheilen des Substrats 310 umfassen, während das Ausbilden der amorphisierten Region in dem Substrat 310 das Implantieren von Ionen in das Substrat 310 ohne anschließendes Ausheilen umfasst.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Abdeckschicht 1002 nach dem Implantieren von Ionen (z. B. dotierenden Ionen, z. B. Dotanden des Typs n oder Dotanden des Typs p, gegendotierenden Ionen oder Protonen) in die zumindest eine Vorwölbung 312 (wie in einer Ansicht 1013 in 10H gezeigt) entfernt werden.
Gemäß diversen Ausführungsformen kann eine Batterie bereitgestellt sein.
11 zeigt eine Querschnittsansicht einer Batterie 1100 gemäß diversen Ausführungsformen.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Batterie 1100 einen ionenführenden Elektrolyten 1108 und zumindest zwei Batterieelektroden 1102, 1104, z. B. eine Anode 1104 und eine Kathode 1102, umfassen.
Gemäß einer Ausführungsform kann zumindest eine Batterieelektrode (z. B. die Batterieelektrode 1104) von den zumindest zwei Batterieelektroden 1102, 1104 ein Substrat 1110 umfassen. Das Substrat 1110 kann eine Oberfläche 1112a, 1112b, 1114a, die dem ionenführenden Elektrolyten 1108 gegenüberliegt, umfassen. Die zumindest eine Batterieelektrode 1104 kann eine erste das Diffusionsvermögen ändernde Region 1197 auf einem ersten Teil 1110a der Oberfläche 1112a, 1112b, 1114a umfassen. Die erste das Diffusionsvermögen ändernde Region 1197 kann so konfiguriert sein, dass sie die Diffusion von Ionen, die durch den Elektrolyten 1108 geführt werden, in das Substrat 1110 ändert. Ein zweiter Teil 1110b der Oberfläche 1112a, 1112b, 1114a kann von der ersten das Diffusionsvermögen ändernden Region 1197 frei sein (wie in 11 gezeigt). Gemäß einer Ausführungsform kann die Batterieelektrode 1100 eine zweite das Diffusionsvermögen ändernde Region auf dem zweiten Teil 1110b der Oberfläche umfassen (ist in 11 nicht dargestellt, siehe z. B. 5). Obwohl die erste das Diffusionsvermögen ändernde Region 1197 in 11 an der Oberfläche 1114a einer Basisregion 1114 des Substrats 1110 liegend dargestellt ist, versteht sich, dass die erste das Diffusionsvermögen ändernde Region 1197 gemäß einer anderen Ausführungsform auch auf anderen Teilen der Oberfläche 1112a, 1112b, 1114a des Substrats 1110 liegen kann, z. B. auf einer Oberfläche 1112a, 1112b der zumindest einen Vorwölbung 1112 des Substrats 1110 (ist nicht dargestellt, siehe z. B. 4). Die Batterie 1100 oder ein oder mehrere Teile der Batterie 1100, z. B. die Batterieelektrode 1104 und/oder der ionenführende Elektrolyt 1108, können z. B. gemäß einer oder mehreren hierin beschriebenen Ausführungsformen konfiguriert sein.
Zwar wurden diverse Aspekte dieser Offenbarung unter Bezugnahme auf diese Aspekte dieser Offenbarung konkret gezeigt und beschrieben, dennoch versteht sich für Fachleute, dass diverse Veränderungen in Form und Detail daran vorgenommen werden können, ohne vom Gedanken und Schutzumfang der Offenbarung, definiert durch die beiliegenden Ansprüche, abzuweichen. Der Schutzumfang der Offenbarung wird somit durch die beiliegenden Ansprüche angezeigt, daher ist beabsichtigt, dass sämtliche Änderungen, die innerhalb von Bedeutung und Äquivalenzbereich der Ansprüche liegen, eingeschlossen werden.

Claims

Batterieelektrode (300), die Folgendes umfasst: ein Substrat (310), das eine Oberfläche (312a, 312b, 314a) umfasst, die so konfiguriert ist, dass sie einem ionenführenden Elektrolyten (308) gegenüberliegt; und eine erste das Diffusionsvermögen ändernde Region (397) auf einem ersten Teil (310a) der Oberfläche (312a, 312b, 314a), wobei die erste das Diffusionsvermögen ändernde Region (397) so konfiguriert ist, dass sie die Diffusion von Ionen, die von dem Elektrolyten (308) geführt werden, in das Substrat (310) ändert und wobei ein zweiter Teil (310b) der Oberfläche (312a, 312b, 314a) frei von der ersten das Diffusionsvermögen ändernden Region (397) ist.
Batterieelektrode (300) nach Anspruch 1, wobei das Substrat (310) ein Halbleitermaterial umfasst; wobei vorzugsweise das Halbleitermaterial aus einer Gruppe von Materialien ausgewählt ist, wobei die Gruppe aus Silicium, Germanium, Galliumnitrid, Galliumarsenid und Siliciumcarbid besteht.
Batterieelektrode (300) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Batterieelektrode (300) als Anode in einem Entladungsmodus konfiguriert ist.
Batterieelektrode (300) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die erste das Diffusionsvermögen ändernde Region (397) so konfiguriert ist, dass sie die Diffusion von Ionen, die von dem Elektrolyten (308) geführt werden, in das Substrat (310) reduziert.
Batterieelektrode (300) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Substrat (310) ein dotiertes Substrat (310) ist und wobei die erste das Diffusionsvermögen ändernde Region (397) eine gegendotierte Region in dem dotierten Substrat (310) umfasst.
Batterieelektrode (300) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die erste das Diffusionsvermögen ändernde Region (397) ein Resistmaterial oder ein Metall oder eine Metalllegierung umfasst.
Batterieelektrode (300) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, die weiterhin Folgendes umfasst: eine zweite das Diffusionsvermögen ändernde Region auf dem zweiten Teil (310b) der Oberfläche (312a, 312b, 314a), wobei die erste das Diffusionsvermögen ändernde Region (397) so konfiguriert ist, dass sie die Diffusion von Ionen, die von dem Elektrolyten (308) geführt werden, in das Substrat (310) reduziert, und wobei die zweite das Diffusionsvermögen ändernde Region so konfiguriert ist, dass sie die Diffusion von Ionen, die von dem Elektrolyten (308) geführt werden, in das Substrat (310) erhöht.
Batterie, die Folgendes umfasst: einen ionenführenden Elektrolyten (308); und zumindest zwei Batterieelektroden (300), wobei zumindest eine Batterieelektrode (300) von den zumindest zwei Batterieelektroden (300) Folgendes umfasst: ein Substrat (310), das eine Oberfläche (312a, 312b, 314a) umfasst, die dem ionenführenden Elektrolyten (308) gegenüberliegt; und eine erste das Diffusionsvermögen ändernde Region (397) auf einem ersten Teil (310a) der Oberfläche (312a, 312b, 314a), wobei die erste das Diffusionsvermögen ändernde Region (397) so konfiguriert ist, dass sie die Diffusion von Ionen, die von dem ionenführenden Elektrolyten (308) geführt werden, in das Substrat (310) ändert, und wobei ein zweiter Teil (310b) der Oberfläche (312a, 312b, 314a) frei von der ersten das Diffusionsvermögen ändernden Region (397) ist.
Batterie nach Anspruch 8, wobei das Substrat (310) eine Basisregion und zumindest eine von der Basisregion ausgehende Vorwölbung umfasst, wobei der erste Teil (310a) der Oberfläche (312a, 312b, 314a), die so konfiguriert ist, dass sie dem ionenführenden Elektrolyten (308) gegenüberliegt, eine Oberfläche (312a, 312b, 314a) der Basisregion umfasst, wobei der zweite Teil (310b) der Oberfläche (312a, 312b, 314a), die dem ionenführenden Elektrolyten (308) gegenüberliegt, eine Oberfläche (312a, 312b, 314a) der zumindest einen Vorwölbung umfasst und wobei die erste das Diffusionsvermögen ändernde Region (397) so konfiguriert ist, dass sie die Diffusion von Ionen, die von dem ionenführenden Elektrolyten (308) geführt werden, in das Substrat (310) reduziert.
Batterie nach Anspruch 8 oder 9, wobei die zumindest eine Batterieelektrode (300) weiterhin Folgendes umfasst: eine zweite das Diffusionsvermögen ändernde Region auf dem zweiten Teil (310b) der Oberfläche (312a, 312b, 314a), wobei die erste das Diffusionsvermögen ändernde Region (397) so konfiguriert ist, dass sie die Diffusion von Ionen, die von dem ionenführenden Elektrolyten (308) geführt werden, in das Substrat (310) reduziert, und wobei die zweite das Diffusionsvermögen ändernde Region so konfiguriert ist, dass sie die Diffusion von Ionen, die von dem ionenführenden Elektrolyten (308) geführt werden, in das Substrat (310) erhöht. wobei vorzugsweise das Substrat (310) eine Basisregion und zumindest eine von der Basisregion ausgehende Vorwölbung umfasst, wobei der erste Teil (310a) der Oberfläche (312a, 312b, 314a), die dem ionenführenden Elektrolyten (308) gegenüberliegt, eine Oberfläche (312a, 312b, 314a) der Basisregion umfasst und wobei der zweite Teil (310b) der Oberfläche (312a, 312b, 314a), die dem ionenführenden Elektrolyten (308) gegenüberliegt, eine Oberfläche (312a, 312b, 314a) der zumindest einen Vorwölbung umfasst.
Batterie nach einem der Ansprüche 8 bis 10, die als Lithiumionenbatterie konfiguriert ist.
Verfahren zur Herstellung einer Batterieelektrode (300): Bereitstellen eines Substrats (310), das eine Oberfläche (312a, 312b, 314a) umfasst, die so konfiguriert ist, dass sie einem ionenführenden Elektrolyten (308) gegenüberliegt; Ausbilden einer ersten das Diffusionsvermögen ändernden Region (397) auf einem ersten Teil (310a) der Oberfläche (312a, 312b, 314a) des Substrats (310), wobei ein zweiter Teil (310b) der Oberfläche (312a, 312b, 314a) frei von der ersten das Diffusionsvermögen ändernden Region (397) bleibt und wobei die erste das Diffusionsvermögen ändernde Region (397) so konfiguriert ist, dass sie die Diffusion von Ionen, die von dem Elektrolyten (308) geführt werden, in das Substrat (310) ändert.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Ausbilden der gegendotierten Region in dem dotierten Substrat (310) das Implantieren von gegendotierenden Ionen in das dotierte Substrat (310) und das Ausheilen des Substrats (310) nach dem Implantieren der gegendotierenden Ionen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, das weiterhin Folgendes umfasst: das Ausbilden einer zweiten das Diffusionsvermögen ändernden Region auf dem zweiten Teil (310b) der Oberfläche (312a, 312b, 314a) des Substrats (310), wobei die erste das Diffusionsvermögen ändernde Region (397) so konfiguriert ist, dass sie die Diffusion von Ionen, die von dem Elektrolyten (308) geführt werden, in das Substrat (310) reduziert, und wobei die zweite das Diffusionsvermögen ändernde Region so konfiguriert ist, dass sie die Diffusion von Ionen, die von dem Elektrolyten (308) geführt werden, in das Substrat (310) erhöht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, das weiterhin Folgendes umfasst: das Strukturieren des Substrats (310), so dass es eine Basisregion und zumindest eine von der Basisregion ausgehende Vorwölbung umfasst, wobei die Oberfläche (312a, 312b, 314a) des Substrats (310), die so konfiguriert ist, dass sie dem ionenführenden Elektrolyten (308) gegenüberliegt, eine Oberfläche (312a, 312b, 314a) der Basisregion und eine Oberfläche (312a, 312b, 314a) der zumindest einen Vorwölbung umfasst und wobei das Ausbilden der ersten das Diffusionsvermögen ändernden Region (397) auf dem ersten Teil (310a) der Oberfläche (312a, 312b, 314a) des Substrats (310) das Ausbilden der ersten das Diffusionsvermögen ändernden Region (397) an der Oberfläche (312a, 312b, 314a) der Basisregion umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei das Ausbilden der ersten das Diffusionsvermögen ändernden Region (397) an der Oberfläche (312a, 312b, 314a) der Basisregion das Implantieren von Ionen in die Basisregion und das Ausheilen des Substrats (310) nach dem Implantieren der Ionen in die Basisregion umfasst. wobei vorzugsweise das Implantieren von Ionen in die Basisregion das Verwenden der strukturierten Abdeckschicht als Implantationsmaske umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, das weiterhin Folgendes umfasst: das Strukturieren des Substrats (310), so dass es eine Basisregion und zumindest eine von der Basisregion ausgehende Vorwölbung umfasst, wobei die Oberfläche (312a, 312b, 314a) des Substrats (310), die so konfiguriert ist, dass sie dem ionenführenden Elektrolyten (308) gegenüberliegt, eine Oberfläche (312a, 312b, 314a) der Basisregion und eine Oberfläche (312a, 312b, 314a) der zumindest einen Vorwölbung umfasst und wobei das Ausbilden der ersten das Diffusionsvermögen ändernden Region (397) auf dem ersten Teil (310a) der Oberfläche (312a, 312b, 314a) des Substrats (310) das Ausbilden der ersten das Diffusionsvermögen ändernden Region (397) an der Oberfläche (312a, 312b, 314a) der zumindest einen Vorwölbung umfasst.