DE112013006301T5

DE112013006301T5 - Nanostrukturierte Elektrolytenergiespeichereinrichtungen

Info

Publication number: DE112013006301T5
Application number: DE112013006301.8T
Authority: DE
Inventors: Charles W. Holzwarth; Zhaohui Chen; Donald S. Gardner; Bum Ki Moon; Cary L. Pint; Scott B. Clendenning
Original assignee: Intel Corp
Current assignee: Intel Corp
Priority date: 2012-12-28
Filing date: 2013-06-24
Publication date: 2015-09-17
Also published as: US9928966B2; TWI598904B; CN104813421B; GB2523922B; WO2014105165A1; TW201435938A; GB201508776D0; CN104813421A; GB2523922A; US20140185260A1

Abstract

Energiespeichereinrichtung ein erstes nanostrukturiertes Substrat mit einer leitenden Schicht und einer auf der leitenden Schicht ausgebildeten Dielektrikumsschicht enthalten. Ein zweites nanostrukturiertes Substrat enthält eine weitere leitende Schicht. Ein Separator trennt das erste und zweite nanostrukturierte Substrat und gestattet, dass Ionen eines Elektrolyten durch den Separator hindurchtreten. Die Struktur kann ein nanostrukturierter Elektrolytkondensator sein, wobei das erste nanostrukturierte Substrat eine positive Elektrode bildet und das zweite nanostrukturierte Substrat eine negative Elektrode des Kondensators bildet.

Description

ERFINDUNGSGEBIET
Die offenbarten Ausführungsformen der Erfindung betreffen allgemein Energiespeichereinrichtungen und betreffen insbesondere nanostrukturierte Elektrolytkondensatoren.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Energiespeichereinrichtungen, einschließlich Batterien und Kondensatoren, werden in elektronischen Einrichtungen extensiv verwendet. Insbesondere finden Kondensatoren breite Verwendung für Anwendungen im Bereich von elektrischen Schaltungsanordnungen und Stromzufuhr zu Spannungsregelung und Batterieaustausch. Mit der fortgesetzten Entwicklung der Kondensatortechnologie sind mehrere Arten zum Vorschein gekommen. Beispielsweise werden elektrische Doppelschichtkondensatoren (EDLCs – Electric Double-Layer Capacitors), unter anderem auch als Ultrakondensatoren bezeichnet, durch eine hohe Energiespeicherung und Leistungsdichte, geringe Größe und geringes Gewicht gekennzeichnet und sind somit zu vielversprechenden Kandidaten für den Einsatz in verschiedenen Anwendungen geworden. Die Gesamtenergie, die eine elektrochemische kapazitive Einrichtung speichern kann, wird oftmals durch den Nutzflächeninhalt der Einrichtung, den Abstand zwischen den akkumulierten Ladungen, die Permittivität des dazwischenliegenden dielektrischen Materials und das Quadrat der Spannung der Einrichtung bestimmt. Herkömmliche elektrochemische Kondensatoren sind in ihrem Spannungsbereich je nach dem verwendeten Elektrolyten und der verwendeten Elektrode auf nur einige wenige Volt beschränkt.
Herkömmliche Kondensatoren werden gegenwärtig unter Verwendung dickerer Dielektrika ausgebildet, um einen elektrischen Durchschlag und Stromverlust bei hohen Kosten für die Gesamtkapazität zu verhindern. Herkömmlich verwendete Elektrolytkondensatoren werden entweder unter Verwendung von Aluminium oder Tantal elektrolytisch hergestellt. Dieser Prozess lässt sich nicht leicht auf Elektroden mit großem Flächeninhalt übertragen. Tantalkondensatoren besitzen allgemein eine bessere Leistung, aber zu einem höheren Preis. Außerdem konzentriert sich die meiste Elektrolytkondensatortechnologie auf Ultrahochspannungsanwendungen, die sehr dicke Dielektrikumsschichten (tausende von nm) erfordern.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die offenbarten Ausführungsformen lassen sich an Hand der Lektüre der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Figuren in den Zeichnungen besser verstehen. Es zeigen:
1 eine Querschnittsansicht einer nanoskopischen asymmetrischen Struktur 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ein Flussdiagramm 200, das ein Verfahren zum Konstruieren eines nanostrukturierten Elektrolytkondensators gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
3 eine Querschnittsansicht einer porösen Struktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 und 5 Querschnittsansichten einer Energiespeichereinrichtung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
6 eine Querschnittsdarstellung einer elektrischen Doppelschicht innerhalb eines Kanals einer Energiespeichereinrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
7 ein Blockdiagramm, das eine Mikroelektronikeinrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt; und
8 ein Blockdiagramm, das eine mobile Elektronikeinrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
Aus Gründen der Einfachheit und Deutlichkeit der Darstellung veranschaulichen die Zeichnungsfiguren die allgemeine Konstruktionsweise, und Beschreibungen und Details wohlbekannter Merkmale und Techniken werden möglicherweise weggelassen, um ein unnötiges Verdunkeln der Erörterung der beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung zu vermeiden. Außerdem sind Elemente in den Zeichnungsfiguren nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet. Beispielsweise können die Abmessungen einiger der Elemente in den Figuren relativ zu anderen Elementen übertrieben sein, um zu helfen, das Verständnis von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu verbessern. Die gleichen Bezugszahlen in verschiedenen Figuren bezeichnen die gleichen Elemente, während ähnliche Bezugszahlen möglicherweise, aber nicht notwendigerweise, ähnliche Elemente bezeichnen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Bei einer Ausführungsform kann eine Struktur für eine Energiespeichereinrichtung ein erstes nanostrukturiertes Substrat mit einer leitenden Schicht und einer auf der leitenden Schicht ausgebildeten Dielektrikumsschicht enthalten. Ein zweites nanostrukturiertes Substrat enthält eine weitere leitende Schicht. Ein Separator trennt das erste und zweite nanostrukturierte Substrat und gestattet, dass Ionen eines Elektrolyten durch den Separator hindurchtreten. Die Struktur kann ein nanostrukturierter Elektrolytkondensator sein, wobei das erste nanostrukturierte Substrat eine erste Elektrode (z. B. positive Elektrode) bildet und das zweite nanostrukturierte Substrat eine zweite Elektrode (z. B. negative Elektrode) des Kondensators bildet.
Nanostrukturierte Elektrolytkondensatoren können in Einrichtungen (z. B. Siliziumeinrichtungen) oder auf Packages integriert werden, um Energiespeicherung mit einer schnellen Antwort bereitzustellen. Die nanostrukturierten Elektrolytkondensatoren können mit Batterien verwendet werden. Im Gegensatz zu Batterien können die nanostrukturierten Elektrolytkondensatoren schnell geladen und entladen werden, ohne dass sie sich während ihrer Lebensdauer signifikant verschlechtern. Nanostrukturierte Elektrolytkondensatoren sind auch gegenüber der Temperatur weniger empfindlich als Batterien.
Nunmehr unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ist 1 eine Querschnittsansicht einer nanoskopischen asymmetrischen Struktur 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Struktur 100 enthält ein erstes nanostrukturiertes Substrat 110. Das Substrat 110 enthält eine leitende Schicht 112 zum Ausbilden einer ersten Elektrode (z. B. positiven Elektrode, Anode). Eine Dielektrikumsschicht 130 ist auf der leitenden Schicht 112 angeordnet. Ein nanostrukturiertes Substrat 120 enthält eine zweite leitende Schicht 122 zum Ausbilden einer zweiten Elektrode (z. B. negativen Elektrode, Kathode). Ein Separator 140 (z. B. ein poröser Separator mit einer Dicke von 2–10 Mikrometern) trennt die nanostrukturierten Substrate und gestattet Ionen eines Elektrolyten 150, durch den Separator hindurchzutreten. Das Lösemittel 156 kann ebenfalls durch den Separator hindurchtreten. Die Ionen können Anionen 152 oder Kationen 154 beinhalten. Ein Anion ist ein Ion mit mehr Elektronen als Protonen, damit es eine negative Nettoladung erhält, während ein Kation ein Ion mit mehr Protonen als Elektronen ist, damit es eine positive Nettoladung erhält. Der Elektrolyt repariert und verdickt die Dielektrikumsschicht 130 lokal, wie erforderlich, auf der Basis eines Leckstroms der Dielektrikumsschicht 130. Der Separator kann die erste Elektrode elektrisch von der zweiten Elektrode isolieren.
Ein Verfahren zum gleichzeitigen Verbessern des Spannungsbereichs und Vergrößern der Energiekapazität einer Energiespeichereinrichtung (z. B. eines nanostrukturierten Elektrolytkondensators), mit der Konsequenz, die Kapazität zu senken, soll eine Dielektrikumsschicht auf der ersten Elektrode (z. B. der positiven Elektrode) integrieren, um dadurch einen weiteren Kondensator in Reihe mit den beiden elektrischen Doppelschichtkondensatoren einzuführen.
Die Struktur 100 kann ein nanostrukturierter Elektrolytkondensator sein, wobei das nanostrukturierte Substrat 110 eine erste Elektrode (z. B. positive Elektrode) bildet und das nanostrukturierte Substrat 120 eine zweite Elektrode (z. B. negative Elektrode) der Struktur bildet. Eine elektrische Doppelschicht kann durch die Anwesenheit des Elektrolyten erzeugt werden, wenn der nanostrukturierte Elektrolytkondensator in Betrieb ist. Die Dielektrikumsschicht 130 und die elektrische Doppelschicht bilden kollektiv drei Kapazitäten in Reihe.
Mindestens eines des ersten und zweiten nanostrukturierten Substrats kann mindestens eines von Silizium, Siliziumcarbid, Germanium, Kohlenstoff, Zinn und einem beliebigen anderen Material umfassen, das zum Herstellen poröser Materialien, Nanosäulen, Folien oder Gitter verwendet wird. Die erste Dielektrikumsschicht kann eine High-k-Dielektrikumsschicht sein. Wie hierin verwendet, bezieht sich der Ausdruck „High-k” auf Materialien (z. B. Al₂O₃, TiO₂, HfO₂, HfSiO_x, HfAlO_x, Nb₂O₅, Ta₂O₅, VO_x, Perowskitoxide wie etwa SrTiO₃, (Ba, Sr)TiO₃, LiNbO₃, Bi₄Ti₃O₁₂ usw.) mit einer Dielektrizitätskonstante k, die größer ist als die von Siliziumdioxid, d. h. größer als etwa 4. Die erste Elektrode (z. B. positive Elektrode) enthält einen High-k-Oxidfilm, der durch Atomlagenabscheidungsaufwachsen (ALD – Atomic Layer Deposition) in einer superkritischen Strömung oder hydrothermales Aufwachsen auf einem porösen Substrat (z. B. porösem Siliziumsubstrat oder anderem Material, wie hier beschrieben) ausgebildet werden kann. Der Oxidfilm kann für unterschiedliche Anwendungen ausgelegt werden, einschließlich Niedrig- oder Hochspannungsdurchschlag (z. B. bis zu 500 Volt) während des Betriebs des nanostrukturierten Elektrolytkondensators. Die zweite Elektrode (z. B. negative Elektrode) enthält eine geeignet angepasste leitende Beschichtung, die durch ALD (TiN_x, Ti_xA1_yN_z, VN_x, NbN_x, MoN_x, TiC_x, ZrC_x, HfC_x, VC_x, NbC_x, TaC_x, WC_x, TiSi_x, NiSi_x, CoSi_x, Mo, W, Pt, Ru usw.) oder Aufwachsen in einer superkritischen Strömung abgeschieden oder auf ein poröses Substrat elektroplattiert werden kann (Ni, Co, Cu, Pd, Au usw.) oder durch Carbonisierung des porösen Substrats (z. B. poröses Siliziumsubstrat). Mindestens eines der nanostrukturierten Substrate 110 und 120 kann unter Verwendung eines leitenden Polymers, eines Metallschaums oder anderer kohlenstoffbasierter Materialien mit einem großen Flächeninhalt gebildet werden.
Die leitende Schicht 122 kann ein pseudokapazitives Material enthalten. Je nach dem elektrochemischen Fenster zwischen dem Dielektrikum und dem Elektrolyten, die verwendet werden, kann ein pseudokapazitives Material (z. B. RuO₂, MnO₂, V₂O₅, NiO_x, CoO_x usw.) auf der zweiten Elektrode (z. B. negativen Elektrode) ausgebildet werden und zum weiteren Verbessern seiner spezifischen Kapazität verwendet werden.
Ein wichtiger Designparameter ist das Steuern der Einrichtungsgesamtspannung durch Manipulieren der Dicke einer gewählten Dielektrikumsschicht (z. B. Dielektrikumsschicht 130), was die Durchschlagsspannung für diesen dielektrischen Kondensator bestimmt. Im Gegensatz zu einem Metall-Isolator-Metall-Kondensator (MIM-Kondensator) sind Ausführungsformen der Erfindung durch dielektrischen Stress gekennzeichnet, der gleichförmiger ist und höheren Feldstärken innerhalb etwa 80% ihrer idealen Durchschlagfestigkeit standhalten kann, weil der Kondensatorelektrolyt die Ausheilarbeit der ursprünglich ausgebildeten Elektrode fortsetzt. Der Elektrolyt repariert und verdickt das Dielektrikum lokal, wie erforderlich. Dieser Ausheilprozess wird durch den Leckgleichstrom des Kondensators an den Pinholes und anderen Defekten in der Dielektrikumsschicht angetrieben. Der Leckgleichstrom wird immer dann gezogen, wenn eine Gleichspannung an den Kondensator angelegt wird, das heißt, immer dann, wenn er in Betrieb ist. Selbst bei auf der porösen Struktur abgeschiedenen, sehr dünnen dielektrischen Materialien liegt die Durchschlagsspannung höher als ihr Gegenstück der MIM-Struktur, und zwar hauptsächlich wegen der Tatsache, dass es auf beiden Seiten keine Elektronenladungsakkumulationen gibt. Deshalb reduziert das vorliegende Design tunnelnde Elektronen stark und verbessert deshalb das Einsetzen der Dielektrikums-Durchschlagsspannung.
Die nanostrukturierte Elektrolyt-Energiespeichereinrichtung der vorliegenden Offenbarung kann drei Kondensatoren in Reihe besitzen. Die elektrischen Doppelschichtkondensatoren (EDLC) liefern 2 Kondensatoren (einen von einer negativen Elektrode und einen von einer positiven Elektrode), und der dritte Kondensator basiert auf der abgeschiedenen Dielektrikumsschicht (z. B. auf der ersten Elektrode, positiven Elektrode). Durch diese Reihenanordnung von Kondensatoren beschränkt, wird der Spannungsabfall an jedem Komponentenkondensator durch seine jeweilige Kapazität bestimmt, wobei eine größere Kapazität einem kleineren Spannungsabfall entspricht. Ein dickeres dielektrisches Material ermöglicht einen Betrieb mit höherer Durchschlagsspannung. Allgemein ist die Durchschlagsspannung proportional zur Dicke des dielektrischen Material. Die Dicke des Dielektrikums wird durch die Geometrie der in der vorliegenden Offenbarung beschriebenen Nanostrukturen/Poren begrenzt. Außerdem müssen alle drei Kondensatoren richtig ausgelegt werden, um sicherzustellen, dass alle Spannungsabfälle an jedem Kondensator für seine jeweilige Durchschlagsspannung sicher sind (oder elektrochemisches Fenster bei einer EDLC-Komponente). Beispielsweise kann bei Berechnungen des vorliegenden Designs, falls ein 2,5 nm dicker Dielektrikumsfilm (wie etwa TiO₂, für 1,3 Volt ausgelegt) auf der positiven Elektrode ausgebildet wird, eine höhere spezifische Energie erzielt werden als mit porösen Si-EDLC. In der Theorie für einen MIM-Kondensator besitzt Al₂O₃ einen Durchschlag von 1,38 V/nm, HfO₂ einen Durchschlag von 0,67 V/nm, Ta₂O₅ einen Durchschlag von 0,37 V/nm und SrTiO₃ einen Durchschlag von 0,23 V/nm. Bei dem vorliegenden Design mit einem auf der positiven Elektrode ausgebildeten Dielektrikum zeigen Versuchsergebnisse an, dass Al₂O₃ einen Durchschlag von 0,6 V/nm, HfO₂ einen Durchschlag von 0,55 V/nm, Ta₂O₅ einen Durchschlag von 0,2 V/nm und SrTiO₃ einen Durchschlag von 0,13 V/nm besitzt. Die Versuchsergebnisse besitzen niedrigere Durchschlagwerte im Vergleich zu theoretischen Ergebnissen, die typischerweise auf Defekten im Dielektrikum basieren.
Durch Wählen des richtigen dielektrischen Materials, wobei die Dielektrizitätskonstantenwerte größer sind als die des Elektrolyten, können die Gesamteinrichtungsarbeitsspannung und die Energiespeicherkapazität signifikant verbessert werden (z. B. um 33%) im Vergleich zu einem herkömmlichen porösen elektrochemischen Siliziumkondensator mit der gleichen Porenstruktur und der gleichen leitfähigen Beschichtungsdicke für beide Elektroden. Die höhere Spannung kann erzielt werden, indem die dielektrische Dicke unter Verwendung eines porösen Silziums mit großer Porengröße (z. B. von 30 nm bis 3 um Durchmesser) weiter erhöht wird. Die Energiekapazität wird jedoch möglicherweise wegen der Abnahme der Gesamtkapazität aufgrund der mit größeren Poren assoziierten niedrigeren Nutzoberfläche nicht gleichzeitig verbessert. Zur weiteren Klärung ist die Erhöhung bei der Arbeitsspannung auf die Tatsache zurückzuführen, dass ein Teil des Spannungsabfalls (z. B. etwa 90%) an der dielektrischen Schicht erfolgt, wodurch die Gesamtspannung der Einrichtung höher sein kann als das elektrochemische Fenster des Elektrolyten. Diese mögliche Abnahme bei der Energie (für eine Anwendung mit höherer Spannung) und Kapazität kann für einige Anwendungen akzeptabel sein, und zwar auf Grund der Notwendigkeit, eine bestimmte Arbeitsspannung zu erreichen.
Bei mindestens einigen Ausführungsformen der Erfindung wird ein nanoskopisches poröses Material verwendet um einen Elektrolytkondensator mit hoher Spannung und großem Flächeninhalt simultan gemäß der vorliegenden Offenbarung auszubilden. Im Gegensatz zur aktuellen Elektrolytkondensatortechnologie überbrücken Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die Einrichtungstechnologie, die den Leistungsvorteil einer herkömmlichen EDLC-Einrichtung und eines herkömmlichen Elektrolytkondensators überspannt. Außerdem kann diese Einrichtung monolithisch auf Mikrochips oder in einem Package integriert werden, was bei gegenwärtigen Elektrolytkondensatorspeichereinrichtungen nicht möglich ist.
Bei einer Ausführungsform enthält die Dielektrikumsschicht ein Anodenoxid-Dielektrikum, das polar ist. So sind auch die Elektrolytkondensatoren polar (im Gegensatz zu den klassischen elektrostatischen Kondensatoren). Das heißt, für diese Ausführungsform müssen die Kondensatoren mit der korrekten Polarität verbunden werden, wie markiert. Ansonsten werden durch das Verbinden mit der umgekehrten Spannung Wasserstoffionen leicht durch das Oxid eingekoppelt, was eine starke Stromleitung, Erhitzung und Reduktion des Anodenoxidfilms verursacht.
Bei anderen Ausführungsformen können nicht-polare (d. h. unipolare oder bipolare) Einrichtungen hergestellt werden, indem zwei Anoden anstelle einer Anode und der Kathode verwendet werden, oder die positiven oder negativen Anschlüsse von zwei identischen Einrichtungen können miteinander verbunden werden. Dann würden die anderen beiden Anschlüsse eine nicht-polare Einrichtung bilden.
2 ist ein Flussdiagram 200, das ein Verfahren zum Konstruieren eines nanostrukturierten Elektrolytkondensators gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Bei Block 202 kann das Verfahren 200 das Ausbilden einer ersten elektrisch leitenden Nanostruktur beinhalten. Bei einer Ausführungsform wird die elektrisch leitende Nanostruktur durch anodisches Ätzen eines Substrats (z. B. Silizium, SiC) oder irgendeinen anderen Prozess ausgebildet, der auf dem Gebiet des Ausbildens tiefer Poren (z. B. Mikrometer tief) mit nanometerbreiten Durchmessern (z. B. bis zu 100 Nanometer breit) bekannt ist. Eine elektrisch leitende Schicht kann auf dem Substrat mit nonoskopischen Poren abgeschieden werden.
Bei Block 204 beinhaltet das Verfahren 200 das Ausbilden einer Dielektrikumsschicht (z. B. eines High-K-Oxidfilms, SiOx usw.) auf der ersten elektrisch leitenden Nanostruktur. Ein High-K-Oxidfilm (z. B. Al₂O₃, TiO₂, HfO₂, HfSiO_x, HfAlO_x, Nb₂O₅, Ta₂O₅, VO_x, Perowskitoxide wie etwa SrTiO₃, (Ba, Sr)TiO₃, LiNbO₃, Bi₄Ti₃O₁₂ usw.) kann durch ALD-Aufwachsen, Aufwachsen im superkritischen Strom oder hydrothermisches Aufwachsen auf der ersten elektrischen Nanostruktur (z. B. positive Elektrode) ausgebildet werden. Der Oxidfilm ist ebenfalls ausgelegt, um einen Hochspannungsdurchschlag aufzuweisen. Bei Block 206 beinhaltet das Verfahren das Ausbilden einer zweiten elektrisch leitenden Nanostruktur durch anodisches Ätzen eines Substrats (z. B. Silizium, SiC) oder irgendeines anderen Prozesses, der auf dem Gebiet des Ausbildens tiefer Poren (z. B. dutzende von Mikrometern tief) mit nanometerbreiten Durchmessern bekannt ist. Die zweite elektrisch leitende Struktur (z. B. negative Elektrode) kann mit einer geeignet angepassten leitenden Beschichtung ausgebildet werden, die durch ALD (TiN_x, Ti_xAl_yN_z, VN_x, NbN_x, MoN_x, TiC_x, ZrC_x, HfC_x, VC_x, NbC_x, TaC_x, WC_x, TiSi_x, NiSi_x, CoSi_x, Mo, W, Pt, Ru usw.), durch Aufwachsen in einer superkritischen Strömung abgeschieden oder auf ein poröses Siliziumsubstrat elektroplattiert wird (Ni, Co, Cu, Pd, Au usw.), oder durch Carbonisierung des porösen Siliziumsubstrats. Das Substrat kann unter Verwendung eines leitenden Polymers, eines Metallschaums oder anderer kohlenstoffbasierter Materialien mit einem großen Flächeninhalt ausgebildet werden. Die zweite elektrisch leitende Nanostruktur kann ein pseudokapazitives Material enthalten, um die Spannung und Kapazität der Einrichtung weiter zu verbessern. Bei einer Ausführungsform werden die erste und zweite elektrisch leitende Nanostruktur mit entsprechenden elektrisch leitenden Schichten (d. h. der gleichen Art von Schichten) ausgebildet.
Bei Block 208 beinhaltet das Verfahren weiterhin das Ausbilden eines Separators, um das erste und zweite nanostrukturierte Substrat zu trennen und um zu gestatten, dass Ionen eines Elektrolyten durch den Separator hindurchtreten. Beispielsweise können die erste und zweite elektrisch leitende Nanostruktur mit einem dazwischen liegenden Separator Fläche an Fläche aneinander gebondet werden. Die erste elektrisch leitende Nanostruktur kann eine positive Elektrode sein, und die zweite elektrisch leitende Nanostruktur kann eine negative Elektrode einer Energiespeichereinrichtung sein. Eine elektrische Doppelschicht kann durch die Anwesenheit des Elektrolyten erzeugt werden, wenn die Energiespeichereinrichtung in Betrieb ist. Der Elektrolyt repariert und verdickt die Dielektrikumsschicht lokal, wie erforderlich, auf der Basis eines Leckstroms der Dielektrikumsschicht. Die Dielektrikumsschicht wird auf der ersten elektrisch leitenden Nanostruktur (z. B. positiven Elektrode) ausgebildet, um die Spannung auf einer großen Oberfläche und auf Nanometerskala zu erhöhen. Beispielsweise kann mit in das Substrat geätzten, 20 nm breiten Poren ein Material mit einer großen Oberfläche (z. B. hunderten von Quadratmetern Oberfläche/Kubikzentimeter) ohne einen hohen Grad an Flächeninhaltvarianz über einer 100 Mikrometer dicken Platte hergestellt werden.
Durch Variieren der Porengröße des porösen Materials, der Materialwahl für die Elektrodenbeschichtung und der Wahl des Elektrolyten kann die Einrichtung so ausgelegt werden, dass sie spezifische Anwendungen für höhere Spannung, höhere Kapazität oder höhere Leistung erfüllt. Es können dreidimensionale Strukturen ausgebildet werden, die Elektroden in asymmetrischen Morphologien gestatten, wie etwa Porengröße, Flächeninhalt oder Tiefe, um das Arbeitsspannungsfenster der Einrichtung zu maximieren, ohne die Durchschlagsspannung des Elektrolyten und der Dielektrikumsschicht zu übersteigen.
3 ist eine Querschnittsansicht einer porösen Struktur 300 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die poröse Struktur 300 enthält eine poröse Schicht 320 mit mehreren Kanälen 311 innerhalb eines Siliziumsubstrats (Si) 310 (z. B. eines beliebigen Siliziumsubstrats mit guter Leitfühigkeit einschließlich einkristallinem, monokristallinem, polykristallinem und amorphem Silizium). Das schraffierte Gebiet 320 unterscheidet die poröse Schicht von der nichtporösen Schicht 321. Das Substratmaterial in dem schraffierten Gebiet kann das gleiche Material sein wie das unschraffierte Gebiet 321. Bei einer Ausführungsform kann das unschraffierte Gebiet entfernt oder seine Dicke kann reduziert werden, um seine Größe für die Implementierung in einer kompakten Einrichtung zu minimieren. Die Grenze 325 der porösen Schicht stellt die mittlere Porentiefe in einem Array von Kanälen innerhalb eines Si-Substrats dar. Bei einer Ausführungsform kann jeder Kanal eine Öffnung 312 zu einer porösen Oberfläche 315 des Si-Substrats 310 besitzen. Bei anderen Ausführungsformen kann das Substrat mit anderen Herstellungstechniken ausgebildet werden und kann andere Materialien (z. B. Kohlenstoff) beinhalten. Beispielsweise besitzt verdichtete Aktivkohle möglicherweise keine Öffnung zu einer Oberfläche des Substrats.
Bei einer Ausführungsform kann das Substrat Silizium, Siliziumcarbid, Germanium, Kohlenstoff, Zinn oder ein beliebiges anderes Material enthalten, das geätzt werden kann, um poröse Materialien mit einem großen Flächeninhalt herzustellen. Zu möglichen Vorteilen der Verwendung von Silizium zählt seine Kompatibilität mit existierender Siliziumtechnologie. Germanium erfreut sich eines ähnlichen Vorteils infolge existierender Technologie für dieses Material und erfreut sich im Vergleich zu Silizium des weiteren möglichen Vorteils, dass sein natives Oxid (Germaniumoxid) wasserlöslich ist und so leicht entfernt wird. (Das native Oxid, das auf der Oberfläche von Silizium entsteht, kann eine Ladung einfangen – was ein unerwünschtes Ergebnis ist.) Germanium ist auch sehr kompatibel mit der Siliziumtechnologie. Zu möglichen Vorteilen der Verwendung von Zinn, das ein Material mit einem Bandabstand von null ist, zählen seine verbesserte Leitfähigkeit bezüglich gewisser anderer leitender und halbleitender Materialien. Es können auch andere Materialien für die poröse Struktur verwendet werden, einschließlich Siliziumcarbid, Legierungen wie etwa eine Legierung aus Silizium und Germanium, und Metalle wie etwa Kupfer, Aluminium, Nickel, Calcium, Wolfram, Molybdän und Mangan. Eine Silizium-Germanium-Legierung beispielsweise wird vorteilhafterweise eine viel kleinere Volumendifferenz als eine reine Germaniumstruktur aufweisen.
Mit dem richtigen Ätzmittel sollte es möglich sein, poröse Strukturen mit den beschriebenen Charakteristika aus einer großen Vielzahl an Materialien herzustellen. Als ein Beispiel kann eine poröse Siliziumstruktur hergestellt werden, indem ein Siliziumsubstrat mit Flusssäure (HF) und Alkohol (Ethanol, Methanol, Isopropyl usw.) geätzt wird. Allgemeiner können poröses Silizium und andere poröse Strukturen durch solche Prozesse wie Anodisierung und ein Stain-Etching-Verfahren ausgebildet werden.
Bei gewissen Ausführungsformen beträgt die kleinste Abmessung jedes einzelnen der Kanäle einige wenige Nanometer oder dutzende Nanometer. Diese Größenobergrenze für die kleinste Abmessung der Kanäle kann für bestimmte Ausführungsformen gewählt werden, um den Flächeninhalt der porösen Strukturen jener Ausführungsformen zu maximieren. Kleinere (z. B. schmalere) Kanäle führen zu einem größeren Gesamtflächeninhalt für jedes elektrisch leitende Struktur, weil eine größere Anzahl derartiger schmalerer Kanäle in eine elektrisch leitende Struktur von gegebener Größe passen kann. Weil die Kapazität proportional zum Flächeninhalt ist, würden auf die beschriebene Weise hinsichtlich der Größe eingeschränkte Kanäle wahrscheinlich und vorteilhafterweise zu Kondensatoren mit erhöhter Kapazität führen. (Auch die anderen Abmessungen der Kanäle, (z. B. ihre Längen, können manipuliert werden, um den Flächeninhalt zu vergrößern (oder um ein gewisses anderes Ergebnis zu erzielen) – das heißt, längere Kanäle können gegenüber kürzeren bevorzugt sein – sind aber anderweitig wahrscheinlich weniger kritisch als die oben erörterte kleinste Abmessung).
4 und 5 sind Querschnittsansichten einer Energiespeichereinrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in 4 und 5 dargestellt, enthält die Energiespeichereinrichtung 700 ein Si-Substrat 710 und ein Si-Substrat 720, die durch einen elektrischen Isolator (z. B. einen Separator) voneinander getrennt sind. Dieser elektrische Isolator könnte verschiedene Formen annehmen, wie unten ausführlicher erörtert. Mindestens eines der Si-Substrate 710 und 720 enthält eine poröse Struktur 300 (wie in 3 gezeigt, wobei aber ein Großteil der nichtporösen Schicht 321 entfernt ist), die mehrere Kanäle 711 enthält. In den dargestellten Ausführungsformen enthalten sowohl das Si-Substrat 710 als auch das Si-Substrat 720 eine derartige poröse Struktur. Dementsprechend enthält das Si-Substrat 710 Kanäle 711 mit Öffnungen 712 zu einer Oberfläche 715 der entsprechenden porösen Struktur, und das Si-Substrat 720 enthält Kanäle 721 mit Öffnungen 722 zu einer Oberfläche 725 der entsprechenden porösen Struktur. Bei einer Ausführungsform, wo nur eines der Si-Substrate 710 und 720 eine poröse Struktur mit mehreren Kanälen enthält, kann die andere elektrisch leitende Struktur beispielsweise eine Metallelektrode oder eine nichtporöse Siliziumstruktur sein.
Verschiedene Konfigurationen der Energiespeichereinrichtung 700 sind möglich. Bei der Ausführungsform von 4 beispielsweise enthält die Energiespeichereinrichtung 700 zwei unterschiedliche poröse Strukturen (Si-Substrat 710 und Si-Substrat 720), die Fläche an Fläche mit einem dazwischen liegenden Separator 730 aneinander gebondet worden sind. Als ein weiteres Beispiel enthält in der Ausführungsform von 5 die Energiespeichereinrichtung 800 eine einzelne planare poröse Struktur, in der eine erste Sektion (Si-Substrat 810) durch einen Graben 831, der einen Separator 830 enthält, von einer zweiten Sektion (Si-Substrat 820) getrennt ist. Eine der elektrisch leitenden Strukturen wird die positive Seite sein, und die andere elektrisch leitende Struktur wird die negative Seite sein. Der Separator 830 gestattet den Transfer von Ionen, gestattet aber nicht den Transfer von Fluid, wie es in einem Elektrolyten angetroffen würde.
5 zeigt eine kleine Brücke aus Material, die das Si-Substrat 810 und das Si-Substrat 820 verbindet. Falls sie ignoriert wird, kann diese Brücke als ein elektrischer Kurzschluss zwischen den beiden elektrisch leitenden Strukturen wirken. Es gibt jedoch mehrere mögliche Lösungen. Beispielsweise kann die Brücke unter Verwendung einer Polieroperation entfernt werden. Alternativ können die elektrisch leitenden Strukturen in einer stark dotierten Deckschicht oder einem stark dotierten Deckgebiet eines Wafers ausgebildet werden, während sich der Graben hinunter zu einem darunter liegenden, schwach dotierten Substrat, das kein sehr guter Leiter ist, erstreckt. Bei einer weiteren Ausführungsform kann eine Silizium-auf-Isolator-Struktur verwendet werden.
Als ein Beispiel kann die poröse Struktur der Si-Substrate 810 und 820 durch einen Nassätzprozess hergestellt werden, bei dem ein auf einer Oberfläche der elektrisch leitenden Strukturen aufgebrachtes flüssiges Ätzmittel Abschnitte der elektrisch leitenden Struktur auf eine Weise wegätzt, die mindestens etwas ähnlich der Weise ist, wie Wasser Kanäle in Fels fräsen kann. Es ist der Grund, weshalb jeder einzelne der auf diese Weise ausgebildeten Kanäle eine Öffnung zur Oberfläche der elektrisch leitenden Struktur besitzt; das Nassätzverfahren kann innerhalb der porösen Struktur keine vollständig eingeschlossenen Hohlräume erzeugen, d. h. Hohlräume ohne Öffnung zur Oberfläche, wie etwa eine in einem Fels eingeschlossene Luftblase. Das soll nicht heißen, dass jene Öffnungen wegen der Anwesenheit oder wegen des Zusatzes anderer Materialien nicht mit anderen Materialien bedeckt oder anderweitig geschlossen werden können – dies ist tatsächlich bei mehreren Ausführungsformen wahrscheinlich – doch bilden, ob bedeckt oder unbedeckt, die beschriebenen Öffnungen zur Oberfläche ein Merkmal jedes Kanals in jeder porösen Struktur gemäß mindestens einer Ausführungsform der Erfindung. (Eine Ausführungsform, in der die Öffnungen abgedeckt werden können, ist eine, bei der eine Schicht aus epitaxialem Silizium als ein Ort für eine Schaltungsanordnung oder eine andere Verdrahtung auf den Kanälen aufgewachsen wird). Poröse Strukturen gemäß Ausführungsformen der Erfindung können mit sehr präziser und gleichförmiger Porengrößensteuerung (im Gegensatz zu Aktivkohle) hergestellt werden. Dies gestattet ein schnelles Laden (die Porengröße kann optimiert werden, um mit der Größe der Ionen kompatibel zu sein) und verbessert auch die Kapazität (kein Bereich wird eine Fehlfunktion aufweisen). Dies würde auch eine enge Verteilung der Spannungsfluktuation gestatten.
Es sei in Verbindung mit dieser Erörterung angemerkt, dass poröser Kohlenstoff, der auf eine andere Weise als der oben beschrieben ausgebildet wird, eine andere Struktur besitzt – eine, die durch vollständig umschlossene Hohlräume ohne Oberflächenöffnungen gekennzeichnet ist. Infolgedessen ist poröser Kohlenstoff für mindestens gewisse Ausführungsformen der Erfindung nicht geeignet – oder zumindest nicht so wünschenswert – (wenngleich hier erwähnt werden sollte, dass gewisse andere Ausführungsformen (wie etwa beispielsweise die unten beschriebene dicke elektrisch leitende Struktur) vollständig umschlossene Hohlräume enthalten können). Es sei auch angemerkt, dass die Darstellungen von 4 und 5 der porösen Strukturen insofern sehr idealisiert sind, da, um nur ein Beispiel zu erwähnen, alle Kanäle 811 und 821 so gezeigt sind, dass sie sich nur vertikal erstrecken. In der Realität würden die Kanäle in mehrere Richtungen verzweigen, um ein verworrenes, unordentliches Muster zu erzeugen.
Bei einer Ausführungsform enthält die Energiespeichereinrichtung 700 weiterhin eine elektrisch leitende Beschichtung 740 auf mindestens einem Abschnitt der porösen Struktur und in mindestens einigen der Kanäle 711. Eine derartige elektrisch leitende Beschichtung ist möglicherweise notwendig, um die Leitfähigkeit der porösen Struktur aufrechtzuerhalten oder zu steigern. Als ein Beispiel kann die elektrisch leitende Beschichtung 740 in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung Graphen enthalten. Dieses Material kann unter Verwendung von Prozessen wie etwa ALD aufgebracht werden. Die Schicht aus Graphen kann eine Oberfläche eines Porenkanals passivieren und die Oberfläche in gut leitende Platten umwandeln. Die Energiespeichereinrichtung 800 kann eine elektrisch leitende Beschichtung 840 auf mindestens einem Abschnitt des porösen Materials und in mindestens einigen der Kanäle 811 enthalten.
Als ein weiteres Beispiel kann es sich bei der elektrisch leitenden Beschichtung 740 um eine Beschichtung aus Metall wie etwa beispielsweise Aluminium, Kupfer und Wolfram oder andere elektrische Leiter wie etwa Wolframnitrid, Titaniumnitrid und Tantalnitrid handeln. Jedes der aufgeführten Materialien besitzt den Vorteil, dass es in der existierenden CMOS-Technologie verwendet wird. Es können auch andere Metalle wie etwa Nickel und Kobalt als die elektrisch leitende Beschichtung 740 oder 840 verwendet werden. Diese Materialien können unter Verwendung von Prozessen wie etwa Elektroplattieren, chemische Dampfabscheidung (CVD) und/oder Atomlagenabscheidung (ALD) aufgebracht werden. Es sei hier angemerkt, dass ein CVD-Prozess mit Wolfram selbstbegrenzend ist, was bedeutet, dass das Wolfram ein paar Monoschichten bilden wird und dann aufhört zu wachsen. Die resultierende dünne elektrisch leitende Beschichtung ist genau das, was für Ausführungsformen der Energiespeichereinrichtung 700 oder 800 benötigt wird, da sie niemals so dick wird, dass sie die Kanäle verschließt und verhindert, dass das CVD-Gas tiefer in die Kanäle eindringt. Falls gewünscht, kann die poröse Struktur auch mit einem Dotierstoff dotiert werden, der so ausgelegt ist, dass er die elektrische Leitfähigkeit der Struktur erhöht (zum Beispiel Bor, Arsen oder Phosphor für poröses Silizium; beispielsweise Arsen oder Gallium für poröses Germanium).
Bei einer alternativen Ausführungsform enthält der elektrische Isolator, bei dem es sich um eine andere Form von Separator 730 handeln kann, der die elektrisch leitende Struktur 710 vom Substrat 720 trennt, ein dielektrisches Material. Beispielsweise könnte ein Kondensator mit sehr hoher Kapazität unter Verwendung einer porösen Siliziumelektrode, die mit Siliziumdioxid (SiO₂) oxidiert ist, zusammen mit einer Struktur aus porösem Silizium, Metall oder Polysilizium als der anderen Elektrode hergestellt werden. Der sehr große Flächeninhalt des porösen Siliziums wäre ein Hauptbeitrag zur hohen Kapazität, die mit einem derartigen Kondensator erzielt werden könnte. Bei gewissen Ausführungsformen ist der Separator ein physischer Separator zum Trennen der Strukturen oder Substrate eines Kondensators. Die Kapazität könnte noch weiter erhöht werden – sogar signifikant erhöht –, indem ein Elektrolyt 750 in physischen Kontakt mit der porösen Struktur platziert wird. Der Elektrolyt 750 (sowie andere hier beschriebene Elektrolyte) wird in den Zeichnungen mit einer Zufallsanordnung von Kreisen dargestellt. Diese Darstellung soll die Idee vermitteln, dass der Elektrolyt eine Substanz (flüssig oder fest) ist, die freie Ionen enthält. Die Kreise wurden der Zweckmäßigkeit halber gewählt und sollen hinsichtlich der Komponenten oder Qualitäten des Elektrolyten keinerlei Beschränkung implizieren, einschließlich irgendeiner Beschränkung bezüglich der Größe, Gestalt oder Anzahl der Ionen. Eine typische, wenngleich nicht die einzige, Art von Elektrolyt, die gemäß Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden kann, ist eine Ionenlösung.
Bei einer weiteren Ausführungsform, bei der der Elektrolyt 750 verwendet wird, kann der elektrische Isolator (z. B. der Separator 730), der das Si-Substrat 710 vom Si-Substrat 720 trennt, eine elektrische Doppelschicht sein, die durch die Anwesenheit des Elektrolyten erzeugt wird. Diese in 6 schematisch dargestellte elektrische Doppelschicht kann das oben beschriebene dielektrische Material ergänzen oder ersetzen. Wie in 6 dargestellt, wurde eine elektrische Doppelschicht (EDL – Electrical Double Layer) 902 innerhalb eines der Kanäle 711 ausgebildet. Die EDL 902 besteht aus zwei Schichten von Ionen, von denen eine die elektrische Ladung der Seitenwände des Kanals 711 ist (in 6 als positiv dargestellt, könnte aber auch negativ sein) und von denen die andere durch freie Ionen im Elektrolyten gebildet wird. Die EDL 902 isoliert die Oberfläche elektrisch, wodurch die Ladungstrennung bereitgestellt wird, die notwendig ist, damit der Kondensator funktioniert. Die große Kapazität und somit das Energiespeicherpotential von Elektrolyt-Ultrakondensatoren entsteht aufgrund des kleinen Abstands (ungeführ 1 nm) zwischen Elektrolytionen und der Elektrode. Es sei angemerkt, dass, wenn die Energiespeichereinrichtung 700 entladen wird, die EDL dann verbraucht wird. Idealerweise sind alle EDLC, mit zwei durch einen gewählten Elektrolyten getrennten Elektroden, elektrisch isoliert ungeachtet dessen, ob die Elektroden geladen sind oder nicht geladen sind. In der Praxis jedoch kann ein zusätzlicher Separator zwischen den beiden Elektroden eingefügt werden, um die Isolation zu verbessern und jeden physischen Kontakt zwischen den beiden Elektroden zu verhindern. Durch mechanische Kraft oder durch irgendeine andere Ursache beispielsweise könnte der Elektrolyt lokal herausgedrückt werden und bewirken, dass die beiden Elektroden physisch in Kontakt stehen.
Der Elektrolyt für die obigen Kondensatoreinrichtungen benötigt eine hohe Ionenleitfähigkeit, um den Ersatz-Reihenwiderstand (ESR – Equivalent Series Resistance) zu senken. Bei einigen Ausführungsformen können die Elektrolyten wasserbasierte Elektrolyte (z. B. H₂SO₄-basierte) mit hoher Ionenleitfähigkeit sein. Man kann auch entweder einen wässrigen, organischen, einen auf einem Ionenflüssigkeitselektrolyten basierenden Ansatz oder einen Hilfslösemittelansatz verwenden, um die Einrichtungsgesamtleistungen zu optimieren oder für eine spezielle Anwendung, die eine kritische Leistung von Temperatur, Sicherheitsproblem usw. erfordert.
Die Elektrolytkondensatortechnologie wird allgemein nicht für die herkömmliche Energiespeicherung genutzt und basiert auch nicht auf porösem Silizium (oder anderen porösen Materialien), da diese Einrichtungen für den Betrieb bei sehr hohen Spannungen gekapselt werden. Außerdem werden poröses Silizium und andere nicht-poröse Nicht-Kohlenstoffmaterialien typischerweise nicht in der Technologie der elektrochemischen Energiespeicherung benutzt. Die in dieser Offenbarung beschriebenen Strukturen ermöglichen die Ausbildung von Einrichtungen für eine höhere Spannung im Vergleich zu herkömmlichen elektrochemischen Kondensatoren, wobei jedoch einige Merkmale (z. B. hohe Energiespeicherung) von herkömmlicheren elektrochemischen Kondensatoren beibehalten werden.
7 ist ein Blockdiagramm, das eine Mikroelektronikeinrichtung 1000 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt. Wie in 7 dargestellt, kann die Mikroelektronikeinrichtung 1000 ein Substrat 1002, einen Mikroprozessor 1004 über dem Substrat 1002 und eine mit dem Mikroprozessor 1004 assoziierte Energiespeichereinrichtung 1006 enthalten. Die Energiespeichereinrichtung 1006 kann sich entweder auf dem Substrat 1002 weg vom Mikroprozessor 1004 befinden (z. B. ein Kondensator auf der Die-Seite), wie in durchgehenden Linien dargestellt, oder kann sich auf dem Mikroprozessor 1004 selbst befinden (z. B. in einer aufgebauten Schicht über dem Mikroprozessor), wie in gestrichelten Linien dargestellt. Bei einer Ausführungsform enthält die Energiespeichereinrichtung 1006 eine erste elektrisch leitende Nanostruktur, eine auf der ersten elektrisch leitenden Nanostruktur angeordnete Dielektrikumsschicht, eine zweite elektrisch leitende Nanostruktur und einen elektrisch isolierenden Separator, um die erste elektrisch leitende Nanostruktur von der zweiten elektrisch leitende Nanostruktur zu trennen. Die Energiespeichereinrichtung kann einen nanostrukturierten Elektrolytkondensator enthalten, wobei die erste elektrisch leitende Nanostruktur eine positive Elektrode bildet und die zweite elektrisch leitende Nanostruktur eine negative Elektrode der Energiespeichereinrichtung bildet. Der elektrisch isolierende Separator mit guter Ionenleitfähigkeit, der sich zwischen zwei Elektroden befindet, enthält auch zwei elektrische Doppelschichten, die durch die Anwesenheit eines Elektrolyten erzeugt werden, wenn der nanostrukturierte Elektrolytkondensator in Betrieb ist. Die Dielektrikumsschicht und die elektrische Doppelschicht bilden zusammen drei Kapazitäten in Reihe. Der Elektrolyt repariert und verdickt die Dielektrikumsschicht lokal, wie erforderlich, auf der Basis eines Leckstroms der Dielektrikumsschicht.
Bei gewissen Ausführungsformen enthält mindestens eine der ersten und zweiten elektrisch leitenden Nanostruktur mindestens eines von Silizium, Siliziumcarbid, Germanium, Kohlenstoff, Zinn und einem beliebigen anderen Material, das zum Herstellen poröser Materialien, Nanosäulen, Folien oder Gittern verwendet wird. Die zweite elektrisch leitende Nanostruktur enthält ein nanostrukturiertes Substrat, das unter Verwendung eines leitenden Polymers, eines Metallschaums oder anderer kohlenstoffbasierter Materialien mit einem großen Flächeninhalt ausgebildet werden kann. Die zweite elektrisch leitende Nanostruktur kann ein pseudokapazitives Material enthalten.
Als ein Beispiel kann diese Ausführungsform einer oder mehreren der in 1–6 gezeigten und im begleitenden Text beschriebenen Ausführungsformen ähnlich sein. Die Energiespeichereinrichtung 1006 kann mehrere Nanostrukturen (z. B. diskrete Nanostrukturen) und einen Elektrolyten in physischem Kontakt mit mindestens einigen der Nanostrukturen enthalten.
Die hier offenbarten Energiespeichereinrichtungen können in einigen Ausführungsformen als ein Entkoppelkondensator innerhalb der Mikroelektronikeinrichtung 1000 verwendet werden – einer, der kleiner ist und der aus hier an anderer Stelle beschriebenen Gründen eine viel höhere Kapazität und viel niedrigere Impedanz als existierende Entkoppelkondensatoren bietet. Wie bereits erwähnt, kann die Energiespeichereinrichtung 1006 Teil einer integrierten Unterstützungsschaltung (IC) oder eines Chips sein oder sie kann sich auf dem Mikroprozessor-Die selbst befinden. Als ein Beispiel könnte man gemäß Ausführungsformen der Erfindung in der Lage sein, Gebiete aus porösem Silizium (oder dergleichen, wie oben beschrieben) auf einem Mikroprozessor-Die auszubilden und dann einen eingebetteten Entkoppelkondensator mit großem Flächeninhalt direkt auf dem Substrat des Mikroprozessor-Die herzustellen. Wegen der Porosität des Siliziums würde der eingebettete Kondensator einen sehr großen Flächeninhalt besitzen. Zu anderen möglichen Verwendungen für die offenbarten Energiespeichereinrichtungen zählen die Verwendung als ein Speicherelement (wobei Probleme mit der Größe in z-Richtung von Ansätzen mit eingebettetem DRAM gelöst werden können, indem die Farrad pro Flächeneinheit stark vergrößert werden), oder als eine Komponente von Spannungswandlern in einer Spannungsverstärkungsschaltungsanordnung, vielleicht zur Verwendung mit Schaltungsblöcken, individuellen Mikroprozessorkernen oder dergleichen.
Als ein Beispiel könnten höhere Kapazitätswerte in diesem Kontext vorteilhaft sein, weil Teile der Schaltung dann nominell mit einer gewissen (relative niedrigen) Spannung arbeiten könnten, dann aber an Stellen, wo eine höhere Spannung benötigt wird, um die Geschwindigkeit zu erhöhen (z. B. Cache-Speicher, Eingabe-/Ausgabe-Anwendungen (E/A)), könnte die Spannung auf einen höheren Wert verstärkt werden. Ein Arbeitsverfahren dieser Art würde wahrscheinlich gegenüber einem bevorzugt werden, bei dem die höhere Spannung überall verwendet wird; d. h. in Fällen, wo nur eine kleine Menge der Schaltungsanordnung eine höhere Spannung erfordert, würde wahrscheinlich bevorzugt, die Spannung von einer niedrigeren Basis wie in den Spannungen für diesen kleinen Abschnitt der Schaltung zu verstärken, anstatt die Spannung von einem höheren Basislinienwert für den größten Teil der Schaltungsanordnung herunterzusetzen. Zudem können auch Mikroprozessorgenerationen Spannungswandler von der hier beschriebenen Art verwenden. Wenn mehr Kapazität zur Verfügung steht, um ein Package herum oder um einen Mikroprozessor-Die herum einzusetzen, kann dies dabei helfen, das existierende Problem einer untolerierbar hohen Induktanz zwischen Transistoren zu lösen, die eine Spannung um eine Schaltung herum transferieren.
8 ist ein Blockdiagramm, das eine mobile Elektronikeinrichtung 1100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Wie in 8 dargestellt, enthält die mobile Elektronikeinrichtung 1100 ein Substrat 1110, auf dem ein Mikroprozessor 1120 und eine mit dem Mikroprozessor 1120 assoziierte Energiespeichereinrichtung 1130 angeordnet sind. Die Energiespeichereinrichtung 1130 kann sich entweder auf dem Substrat 1110 weg vom Mikroprozessor 1120 befinden, wie mit durchgezogener Linie dargestellt, oder sie kann sich auf dem Mikroprozessor 1120 selbst befinden, wie mit gestrichelten Linien dargestellt. Bei einer Ausführungsform enthält die Energiespeichereinrichtung 1130 eine erste elektrisch leitende Nanostruktur, eine auf der ersten elektrisch leitenden Nanostruktur angeordnete Dielektrikumsschicht, eine zweite elektrisch leitende Nanostruktur und einen Separator, um die erste elektrisch leitende Nanostruktur von der zweiten elektrisch leitenden Nanostruktur zu trennen. Eine elektrische Doppelschicht kann durch die Anwesenheit eines Elektrolyten erzeugt werden, wenn die Energiespeichereinrichtung in Betrieb ist. Der Elektrolyt repariert und verdickt die Dielektrikumsschicht lokal, wie erforderlich, auf der Basis eines Leckstroms der Dielektrikumsschicht. Mindestens eine der ersten und zweiten elektrisch leitenden Nanostruktur kann mindestens eines von Silizium, Siliziumcarbid, Germanium, Kohlenstoff, Zinn und beliebigen anderen Materialien enthalten, die zum Herstellen von porösen Materialien, Nanosäulen, Folien oder Gittern verwendet werden. Außerdem kann die zweite elektrisch leitende Nanostruktur ein nanostrukturiertes Substrat enthalten, das unter Verwendung eines leitenden Polymers, eines Metallschaums oder anderer kohlenstoffbasierter Materialien mit einem großen Flächeninhalt ausgebildet wird. Die Energiespeichereinrichtung 1130 ist monolithisch mit dem Substrat 1110 der Einrichtung 1100 integriert. Als ein Beispiel kann diese Ausführungsform ähnlich einer oder mehreren der hier gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sein.
Bei mindestens einigen Ausführungsformen ist die Energiespeichereinrichtung 1130 eine von mehreren Energiespeichereinrichtungen (die alle in 8 durch Block 1130 dargestellt sind), die innerhalb der mobilen Elektronikeinrichtung 1100 enthalten sind. Bei einer oder mehreren jener Ausführungsformen enthält die mobile Elektronikeinrichtung 1100 weiterhin ein Schaltnetzwerk 1140, das mit den Energiespeichereinrichtungen assoziiert ist. Wenn ein Kondensator entladen wird, hält er keine konstante Spannung aufrecht, sondern klingt stattdessen auf exponentielle Weise ab (im Gegensatz zu einer Batterie, wo die Spannung während des Entladens relativ konstant bleibt). Das Schaltnetzwerk 1140 enthält eine Schaltungsanordnung oder einen gewissen anderen Mechanismus, der verschiedene Kondensatoren derart hinein und herausschaltet, dass eine relativ konstante Spannung aufrechterhalten wird. Beispielsweise könnten die Energiespeichereinrichtungen anfänglich parallel miteinander verbunden sein, und dann könnte nach einem bestimmten Ausmaß an Spannungsabklingen eine Teilmenge der Energiespeichereinrichtungen durch das Schaltungsnetzwerk so verändert werden, dass sie derart in Reihe geschaltet sind, dass ihre individuellen Spannungsbeiträge die abnehmende Gesamtspannung verstärken können. Bei einer Ausführungsform könnte das Schaltnetzwerk 1140 unter Verwendung existierender Siliziumeinrichtungstechnologie implementiert werden, wie sie in der Technik verwendet wird (Transistoren, siliziumgesteuerte Gleichrichter (SCR) usw.), während sie in anderen Ausführungsformen unter Verwendung von MEMS – (Micro-Electromechanical Systems – Mikro-elektromechanische Systeme) Relays oder Schalter (die, so sei angemerkt, im Allgemeinen einen sehr niedrigen Widerstandswert besitzen) implementiert werden könnten.
Bei einigen Ausführungsformen enthält die mobile Elektronikeinrichtung 1100 weiterhin ein mit der Energiespeichereinrichtung 1130 assoziiertes Sensornetzwerk 1150. Bei mindestens einigen Ausführungsformen wird jede einzelne der mehreren Energiespeichereinrichtungen ihren eigenen Sensor besitzen, der gewisse Verhaltensparameter der Energiespeichereinrichtung anzeigt. Beispielsweise können die Sensoren existierende Spannungspegel sowie die fortlaufende Entladeantwort anzeigen, die beide Parameter sind, die von dem Schaltnetzwerk verwendet werden können – insbesondere in Fällen, wenn das verwendete elektrische Material (oder ein anderer elektrischer Isolator) nicht linear ist, sondern vielmehr eine Dielektrizitätskonstante besitzt, die mit der Spannung variiert. In jenen Fällen kann es vorteilhaft sein, zusammen mit dem Sensornetzwerk eine Zustandsmaschine aufzunehmen, wie etwa eine Spannungssteuereinheit 1160, die weiß, welches das Verhalten des Dielektrikums ist, und entsprechend reagiert. Eine Spannungssteuereinheit, die weiß, wie sich das Dielektrikum verhält, kann eine etwaige Nichtlinearität kompensieren. Ein mit der Energiespeichereinrichtung 1130 assoziierter Temperatursensor 1170 kann ebenfalls enthalten sein, um die Temperatur (oder andere sicherheitsrelevante Parameter) zu erfassen. Bei gewissen Ausführungsformen der Erfindung enthält die mobile Elektronikeinrichtung 1100 weiterhin eines oder mehrere der Folgenden: ein Display 1181, Antennen-/HF-Elemente 1182, eine Netzwerkschnittstelle 1183, eine Dateneingabeeinrichtung 1184 (z. B. ein Keypad oder einen Touchscreen), ein Mikrofon 1185, eine Kamera 1186, einen Videoprojektor 1187, einen GPS-Empfänger (Global Positioning System) 1188 und dergleichen.
Die Ausdrücke „erster”, „zweiter”, „dritter”, „vierter” und dergleichen in der Beschreibung und in den Ansprüchen, falls vorliegend, werden verwendet, um zwischen ähnlichen Elementen zu unterscheiden, und sie sollen nicht notwendigerweise eine bestimmte sequenzielle oder chronologische Reihenfolge beschreiben. Es versteht sich außerdem, dass die so verwendeten Ausdrücke unter entsprechenden Umständen verstauschbar sind, so dass die Ausführungsformen der hierin beschriebenen Erfindung beispielsweise in anderen Sequenzen als jenen, die dargestellt oder anderweitig hier beschrieben sind, arbeiten können. Analog ist, falls ein Verfahren hier so beschrieben ist, dass es eine Reihe von Schritten umfasst, die Reihenfolge derartiger Schritte, wie sie hierin vorgelegt wird, nicht notwendigerweise die einzige Reihenfolge, in der solche Schritte durchgeführt werden können, und gewisse der erwähnten Schritte können möglicherweise entfallen und/oder gewisse andere, hierin nicht beschriebene Schritte können möglicherweise zum Verfahren hinzugefügt werden. Weiterhin sollen die Ausdrücke „umfassen”, „enthalten”, „haben” und alle Variationen davon eine nicht-exklusive Inklusion abdecken, so dass ein Prozess, ein Verfahren, ein Gegenstand oder eine Vorrichtung, die eine Liste von Elementen umfasst, nicht notwendigerweise auf jene Elemente beschränkt ist, sondern andere Elemente enthalten kann, die nicht ausdrücklich aufgeführt oder für einen derartigen Prozess, ein derartiges Verfahren, einen derartigen Gegenstand oder eine derartige Vorrichtung inhärent sind.
Die Ausdrücke links” rechts” Vorderseite” Rückseite” oben” unten” „über”, „unter” und dergleichen in der Beschreibung und den Ansprüchen, falls vorliegend, werden zu beschreibenden Zwecken verwendet und nicht notwendigerweise zum Beschreiben permanenter relativer Positionen. Es versteht sich, dass die so verwendeten Ausdrücke unter entsprechenden Umständen austauschbar sind, so dass die Ausführungsformen der hierin beschriebenen Erfindung beispielsweise in anderen Orientierungen als jenen dargestellten oder anderweitig hierin beschriebenen arbeiten können. Der Ausdruck „gekoppelt”, wie er hierin verwendet wird, ist als direkt oder indirekt auf elektrische oder nicht-elektrische Weise verbunden definiert. Objekte, die hierin als einander „benachbart” beschrieben sind, können in physischem Kontakt miteinander stehen, in enger Nähe zueinander sein oder sich im gleichen allgemeinen Bereich oder Gebiet wie die anderen befinden, wie für den Kontext angebracht, in dem die Phrase verwendet wird. Vorkommen der Phrase „in einer Ausführungsform” beziehen sich hierin nicht notwendigerweise alle auf die gleiche Ausführungsform.
Wenngleich die Erfindung unter Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen beschrieben worden ist, versteht der Fachmann, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Gedanken oder Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Es ist beabsichtigt, dass der Schutzbereich der Erfindung nur in dem Ausmaß beschränkt sein soll, der durch die beigefügten Ansprüche erforderlich ist. Beispielsweise ist es für einen Durchschnittsfachmann ohne Weiteres offensichtlich, dass die Energiespeichereinrichtungen und die verwandten Strukturen und Verfahren, die hier erörtert werden, in einer Vielzahl von Ausführungsformen implementiert werden können und dass die obige Erörterung gewisser dieser Ausführungsformen nicht notwendigerweise eine vollständige Beschreibung aller möglicher Ausführungsformen darstellt.
Außerdem wurden Vorzüge, andere Vorteile und Lösungen für Probleme in Bezug auf spezifische Ausführungsformen beschrieben. Die Vorteile, Vorzüge, Lösungen für Probleme und beliebiges Element oder Elemente, die bewirken können, dass ein etwaiger Vorzug, Vorteil oder eine etwaige Lösung auftreten oder ausgeprägter werden, sind jedoch nicht als kritische, erforderliche oder essentielle Merkmale oder Elemente eines beliebigen oder aller der Ansprüche auszulegen.
Überdies sind die hier offenbarten Ausführungsformen und Beschränkungen nach der Doctrine of Dedication nicht der Öffentlichkeit zugänglich gemacht, falls die Ausführungsformen und/oder Beschränkungen: (1) nicht ausdrücklich in den Patentansprüchen beansprucht sind; und (2) nach der Äquivalenzlehre mögliche äquivalente ausdrückliche Elemente und/oder Beschränkungen in den Patentansprüchen darstellen.

Claims

Struktur, die Folgendes umfasst: ein erstes nanostrukturiertes Substrat mit einer ersten leitenden Schicht und einer auf der ersten leitenden Schicht angeordneten Dielektrikumsschicht; und ein zweites nanostrukturiertes Substrat mit einer zweiten leitenden Schicht; und einen Separator, um das erste und zweite nanostrukturierte Substrat zu trennen und um zu gestatten, dass Ionen eines Elektrolyten durch den Separator hindurchtreten.
Struktur nach Anspruch 1, wobei die Struktur einen nanostrukturierten Elektrolytkondensator umfasst, wobei das erste nanostrukturierte Substrat eine positive Elektrode bildet und das zweite nanostrukturierte Substrat eine negative Elektrode der Struktur bildet.
Struktur nach Anspruch 2, wobei der nanostrukturierte Elektrolytkondensator während des Betriebs auf der Basis der Anwesenheit des Elektrolyten eine elektrische Doppelschicht erzeugt.
Struktur nach Anspruch 2, wobei die Dielektrikumsschicht und die elektrische Doppelschicht kollektiv drei Kapazitäten in Reihe bilden.
Struktur nach Anspruch 1, wobei mindestens eines des ersten und zweiten nanostrukturierten Substrats mindestens eines von Silizium, Siliziumcarbid, Germanium, Kohlenstoff, Zinn und einem beliebigen anderen Material umfasst, das zum Herstellen poröser Materialien, Nanosäulen, Folien oder Gitter verwendet wird.
Struktur nach Anspruch 1, wobei die Dielektrikumsschicht ein High-k-Dielektrikum ist.
Struktur nach Anspruch 1, wobei mindestens eines des ersten und des zweiten nanostrukturierten Substrats unter Verwendung eines leitenden Polymers, eines Metallschaums oder anderer kohlenstoffbasierter Materialien mit einem großen Flächeninhalt gebildet ist.
Struktur nach Anspruch 1, wobei die zweite leitende Schicht ein pseudokapazitives Material umfasst.
Struktur nach Anspruch 7, wobei das pseudokapazitive Material mindestens eins von RuO₂, MnO₂, V₂O₅, NiO_x und CoO_x beinhaltet.
Struktur nach Anspruch 2, wobei der Elektrolyt die Dielektrikumsschicht lokal repariert und verdickt, wie erforderlich, auf der Basis eines Leckstroms der Dielektrikumsschicht während des Betriebs des nanostrukturierten Elektrolytkondensators.
Energiespeichereinrichtung, die Folgendes umfasst: eine erste elektrisch leitende Nanostruktur; eine Dielektrikumsschicht, die auf der ersten elektrisch leitenden Nanostruktur angeordnet ist, eine zweite elektrisch leitende Nanostruktur; und einen elektrisch isolierenden Separator mit Ionenleitfähigkeit, um die erste elektrisch leitende Nanostruktur von der zweiten elektrisch leitenden Nanostruktur zu trennen.
Energiespeichereinrichtung nach Anspruch 11, wobei die Energiespeichereinrichtung einen nanostrukturierten Elektrolytkondensator umfasst, wobei die erste elektrisch leitende Nanostruktur eine positive Elektrode bildet und die zweite elektrisch leitende Nanostruktur eine negative Elektrode der Energiespeichereinrichtung bildet.
Energiespeichereinrichtung nach Anspruch 12, wobei der elektrische Isolator zwei elektrische Doppelschichten umfasst, die durch die Anwesenheit eines Elektrolyten erzeugt werden, wenn der nanostrukturierte Elektrolytkondensator in Betrieb ist.
Energiespeichereinrichtung nach Anspruch 13, wobei die Dielektrikumsschicht und die elektrische Doppelschicht kollektiv drei Kapazitäten in Reihe bilden.
Energiespeichereinrichtung nach Anspruch 13, wobei der Elektrolyt die Dielektrikumsschicht lokal repariert und verdickt, wie erforderlich, auf der Basis eines Leckstroms der Dielektrikumsschicht während des Betriebs des nanostrukturierten Elektrolytkondensators.
Energiespeichereinrichtung nach Anspruch 12, wobei mindestens eine der ersten und zweiten elektrisch leitenden Nanostruktur mindestens eines von Silizium, Siliziumcarbid, Germanium, Kohlenstoff, Zinn oder einem beliebigen anderen Material umfasst, das zum Herstellen poröser Materialien, Nanosäulen, Folien oder Gitter verwendet wird.
Energiespeichereinrichtung nach Anspruch 12, wobei mindestens eine der ersten und der zweiten elektrisch leitenden Nanostruktur ein nanostrukturiertes Substrat enthält, das unter Verwendung eines leitenden Polymers, eines Metallschaums oder anderer kohlenstoffbasierter Materialien mit einem großen Flächeninhalt ausgebildet ist.
Energiespeichereinrichtung nach Anspruch 12, wobei die zweite elektrisch leitende Nanostruktur ein pseudokapazitives Material umfasst.
Verfahren, das Folgendes umfasst: Ausbilden einer ersten elektrisch leitenden Nanostruktur; Ausbilden einer Dielektrikumsschicht auf der ersten elektrisch leitenden Nanostruktur; Ausbilden einer zweiten elektrisch leitenden Nanostruktur; und Ausbilden eines Separators, um das erste und zweite nanostrukturierte Substrat zu trennen und um zu gestatten, dass Ionen eines Elektrolyten durch den Separator hindurchtreten.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei die erste elektrisch leitende Nanostruktur eine positive Elektrode umfasst und die zweite elektrisch leitende Nanostruktur eine negative Elektrode einer Energiespeichereinrichtung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei eine elektrische Doppelschicht durch den Elektrolyten hergestellt wird, wenn die Energiespeichereinrichtung in Betrieb ist.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei der Elektrolyt die Dielektrikumsschicht lokal repariert und verdickt, wie erforderlich, auf der Basis eines Leckstroms der Dielektrikumsschicht.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei mindestens eine der ersten und der zweiten elektrisch leitenden Nanostruktur ein nanostrukturiertes Substrat enthält, das unter Verwendung eines leitenden Polymers, eines Metallschaums oder anderer kohlenstoffbasierter Materialien mit einem großen Flächeninhalt ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei die zweite elektrisch leitende Nanostruktur ein pseudokapazitives Material umfasst.
Einrichtung, die Folgendes umfasst: ein Substrat; einen Mikroprozessor über dem Substrat; und eine mit dem Mikroprozessor assoziierte Energiespeichereinrichtung, wobei die Energiespeichereinrichtung eine erste elektrisch leitende Nanostruktur, eine auf der ersten elektrisch leitenden Nanostruktur angeordnete Dielektrikumsschicht, eine zweite elektrisch leitende Nanostruktur und einen Separator, um die erste elektrisch leitende Nanostruktur von der zweiten elektrisch leitenden Nanostruktur zu trennen, umfasst.
Einrichtung nach Anspruch 25, wobei die Energiespeichereinrichtung, wenn sie in Betrieb ist, auf der Basis der Anwesenheit des Elektrolyten eine elektrische Doppelschicht erzeugt.
Einrichtung nach Anspruch 26, wobei der Elektrolyt die Dielektrikumsschicht lokal repariert und verdickt, wie erforderlich, auf der Basis eines Leckstroms der Dielektrikumsschicht.
Einrichtung nach Anspruch 25, wobei mindestens eine der ersten und zweiten elektrisch leitenden Nanostruktur mindestens eines von Silizium, Siliziumcarbid, Germanium, Kohlenstoff, Zinn oder einem beliebigen anderen Material umfasst, das zum Herstellen poröser Materialien, Nanosäulen, Folien oder Gitter verwendet wird.
Einrichtung nach Anspruch 25, wobei mindestens eine der ersten und der zweiten elektrisch leitenden Nanostruktur ein nanostrukturiertes Substrat enthält, das unter Verwendung eines leitenden Polymers, eines Metallschaums oder anderer kohlenstoffbasierter Materialien mit einem großen Flächeninhalt ausgebildet ist.
Einrichtung nach Anspruch 25, wobei die Energiespeichereinrichtung monolytisch mit dem Substrat der Einrichtung integriert ist.