RU2629364C1 - Суперконденсатор на основе кмоп-технологии - Google Patents

Суперконденсатор на основе кмоп-технологии Download PDF

Info

Publication number
RU2629364C1
RU2629364C1 RU2016147871A RU2016147871A RU2629364C1 RU 2629364 C1 RU2629364 C1 RU 2629364C1 RU 2016147871 A RU2016147871 A RU 2016147871A RU 2016147871 A RU2016147871 A RU 2016147871A RU 2629364 C1 RU2629364 C1 RU 2629364C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
supercapacitor
dielectric layer
dielectric
lower electrode
electrodes
Prior art date
Application number
RU2016147871A
Other languages
English (en)
Inventor
Алексей Николаевич Белов
Евгений Эдуардович Гусев
Николай Алексеевич Дюжев
Виталий Иосифович Золотарев
Валерий Юрьевич Киреев
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники"
Priority to RU2016147871A priority Critical patent/RU2629364C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2629364C1 publication Critical patent/RU2629364C1/ru

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01GCAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/22Electrodes
    • H01G11/24Electrodes characterised by structural features of the materials making up or comprised in the electrodes, e.g. form, surface area or porosity; characterised by the structural features of powders or particles used therefor
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01GCAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/84Processes for the manufacture of hybrid or EDL capacitors, or components thereof
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/13Energy storage using capacitors

Landscapes

  • Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
  • Semiconductor Memories (AREA)

Abstract

Изобретение относится к твердотельному суперконденсатору и может быть использовано в устройствах хранения энергии разнообразных интегральных микросхем. Суперконденсатор содержит два электрода, размещенный между ними диэлектрический слой, конформно расположенный на нижнем электроде, при этом верхний электрод конформно расположен на диэлектрическом слое, нижний электрод сформирован на профильно-структурированном основании из пористого оксида алюминия или титана. Увеличение плотности энергии суперконденсатора, повышение воспроизводимости формирования структуры с регулируемыми значениями емкости и плотности запасенной энергии является техническим результатом изобретения. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

Description

Изобретение относится к области изделий твердотельной микро- и наноэлектроники на основе КМОП-технологии и применяемых в ней материалов, а именно к твердотельным суперконденсаторам, и может быть использовано в качестве устройств для хранения энергии и электропитания разнообразных интегральных микросхем (ИМС), микроэлектронных устройств и приборов на основе микроэлектромеханических систем (МЭМС-приборов), к которым предъявляются высокие требования по циклическому ресурсу и готовности к работе.
В настоящее время большие перспективы в области промышленного энергосбережения открывают суперконденсаторы, или, как их принято называть, ионисторы, которые позволяют хранить в сотни раз больше энергии, чем традиционные емкостные элементы, причем делать это на протяжении долгого времени без утечки заряда.
Рассмотрим несколько аналогов предлагаемого суперконденсатора. Коллектив авторов (Carу L. Pint и др.) анализирует суперконденсатор на основе вертикально ориентированных углеродных нанотрубок (УНТ), формирование которых выходит за рамки КМОП-технологии [1]. Кроме того, выбранные в качестве нижнего электрода УНТ вследствие хаотичного формирования на поверхности не обеспечивают однородность по площади плотности накопленного заряда. И, таким образом, не обеспечивается точное воспроизведение номинала емкости с единицы площади суперконденсатора, необходимого для функционирования в составе ИМС.
Известен накопительный конденсатор элемента памяти интегральных схем, содержащий первую и вторую обкладки и разделительную диэлектрическую область между ними [2]. Причем первая обкладка углублена в подложку и ее поверхность выполнена рельефной за счет формирования выступов из материала обкладки, а нижняя поверхность второй обкладки повторяет рельеф первой. При этом разделительная область выполнена из диэлектрического материала, а обкладки выполнены из легированного поликремния (Si*). Недостатком данного устройства является выбор в качестве материала обкладок легированного поликремния, который по сравнению с металлом обладает меньшей проводимостью и большой величиной зерна, что не позволяет минимизировать толщину обкладки и получить высокую плотность заряда по площади. Кроме того, формирование рельефа первой обкладки производится с применением трудоемкой и прецизионной операции - фотолитографии и использованием дорогого фотошаблона.
Наиболее близким, по сути, к изобретению, является твердотельный суперконденсатор, содержащий два электрода и размещенный между ними диэлектрический слой, при этом нижний электрод выполнен из материала с большой удельной площадью поверхности, диэлектрический слой конформно и однородно расположен на нижнем электроде, верхний электрод конформно и однородно расположен на диэлектрическом слое и выполнен из оксида цинка, легированного алюминием, отличающийся тем, что материалом диэлектрического слоя является многокомпонентный оксид, содержащий смесь по меньшей мере двух оксидов из ряда TiO2, HfO2, ZrO2, Аl2O3, Та2O5, Nb2O5, Y2O3, (lantanoid)2O3, причем материал диэлектрического слоя имеет диэлектрическую проницаемость слоя в интервале 10-30 [3].
К недостаткам прототипа можно отнести материалы нижнего и верхнего электрода. Нижний электрод состоит из углеродных нанотрубок (УНТ), которые, как отмечено выше, обладают плохой воспроизводимостью плотности заряда по площади и, кроме того, не сочетаются с процессами КМОП-технологии. Верхний электрод состоит из оксида цинка, легированного алюминием. Как известно, цинк легко диффундирует в прилегающий материал, что повышает вероятность деградации структуры; ограничивает диапазон использования микроэлектронных приборов.
Задачей настоящего изобретения является реализация суперконденсатора на традиционных процессах КМОП-технологии с целью снижения себестоимости и повышения воспроизводимости формирования структуры с регулируемыми значениями емкости и плотности запасенной энергии.
Поставленная задача решается тем, что формируют твердотельный суперконденсатор, содержащий два электрода и размещенный между ними диэлектрический слой, конформно расположенный на нижнем электроде, при этом верхний электрод конформно расположен на диэлектрическом слое, нижний электрод сформирован на профильно-структурированном основании из пористого оксида алюминия или титана.
Технологическая особенность формирования удаляемого и основного слоев пористого анодного оксида алюминия (Аl2O3) заключается в потенциостатическом режиме операции, при этом непрерывно по линейному закону изменяют температуру зоны реакции с изменением в ходе анодного окисления плотности электрического тока. Разработанные процессы позволяют регулировать диаметр пор в диапазоне (10-200) нм, а период их расположения - в диапазоне (30-600) нм [4].
Особенность изготовления пористого анодного оксида титана (TiO2) заключается в том, что после формирования слоя проводят электрохимический процесс его отделения. Отделение проводится в слабом водном растворе неорганической кислоты путем катодной поляризации титанового образца в потенциостатическом режиме. Затем формируют вторичный слой пористого анодного оксида титана путем анодного окисления титанового образца в потенциостатическом режиме в электролите на неводной основе, при этом формирование слоев пористого анодного оксида титана проводят при термостабилизации зоны протекания электрохимической реакции [5].
Такие структуры пористых анодных оксидов алюминия и титана используются в качестве подслоя для нижней обкладки конденсатора. Далее методом атомно-слоевого осаждения формируют первый электрод (нижняя обкладка конденсатора), диэлектрик и второй электрод из металлов, используемых в КМОП-технологии. В качестве диэлектрика в конструкции могут применяться различные материалы с высокой диэлектрической проницаемостью.
С целью увеличения плотности энергии суперконденсатора изготавливается и другой конструктивный вариант за счет переноса профильно-структурированных на субстананометровом уровне размеров основания в полупроводниковую подложку путем анизотропного ионно-плазменного травления последней через маску пористого оксида алюминия или титана.
Таким образом, изготовление суперконденсатора не требует применения сложного и прецизионного оборудования проекционной оптической нанолитографии и дорогостоящих фотошаблонов, что значительно уменьшает себестоимость устройства.
Примеры конкретного изготовления суперконденсаторов.
Обкладки из металлов, обладают высокой проводимостью. Метод атомно-слоевого осаждения позволяет использовать в технологии рельеф микронных и субмикронных размеров с высоким аспектным отношением. Применение метода атомно-слоевого осаждения для формирования обкладок и диэлектрика в одном технологическом цикле позволяет получить высокие значения напряжения пробоя и малые токи утечки при высокой поверхностной плотности энергии конденсатора.
Величина удельной емкости прямо пропорциональна площади электродов S, и обратно пропорциональна толщине диэлектрика d. Основной вклад в величины емкости вносят протяженные вертикальные участки основания высотой h, которые сохраняют угол около 90° к поверхности.
На фиг. 1 представлен вид структуры пористого Аl2O3. На фиг. 2 показан вид структуры пористого TiO2.
На фиг. 3, 4 и 5 представлен макет суперконденсатора с контролируемыми параметрами, где а - диаметр дна пор, h - высота пор, t - период пор, 1 - верхний электрод, 2 - диэлектрический слой, 3 - нижний электрод, 4 - оксид кремния, 5 - полупроводниковая подложка, 6 - пористый оксид алюминия
На фиг. 3 представлена конструкция суперконденсатора на диэлектрической поверхности. Углубления в структуре оксида алюминия сформированы с периодом t в виде круглых цилиндров высотой h и диаметром а. Величина удельной емкости прямо пропорциональна площади электродов S и обратно пропорциональна толщине диэлектрика d.
При h=2 мкм, а=70 нм, t=150 нм в качестве диэлектрика применен оксид титана толщиной 10 (нм) с диэлектрической проницаемостью ε=40.
Площадь такого цилиндра составит 3.14⋅а⋅h, т.е. 4.39⋅10-9 см2. Емкость одной поры 1.63×10-14 (Ф). Удельная емкость на 1 см2 площади составит7.27×10-5 (Ф/см2)
На фиг. 4 представлена конструкция суперконденсатора в приповерхностном объеме кремния. Цилиндрические углубления в кремнии сформированы реактивным ионно-плазменным травлением в режиме Bosh-процесса через маску оксида алюминия с периодом t с высотой h и диаметром а.
При h=7 мкм, а=140 нм, t=250 нм с диэлектриком из оксида титана толщиной 10 (нм) с диэлектрической проницаемостью ε=40 площадь такого цилиндра составит 3.14⋅а⋅h, т.е. 3.07⋅10-8 см2. Емкость одной поры 1.11×10-13 (Ф). Удельная емкость на 1 см2 площади составит 1.77×10-4 (Ф/см2).
На фиг. 4 маска оксида алюминия после травления кремния удалена. Но возможно и сохранение маски и использование суммарной емкости двух суперконденсаторов. Выбор определяется схемотехническим применением.
На фиг. 5 представлена конструкция суперконденсатора в кремниевой пластине, предварительно протравленной насквозь (высота h равна толщине пластины) реактивным ионно-плазменным травлением в режиме Bosh-процесса через маску оксида алюминия с периодом t и диаметром а. После удаления маски из оксида алюминия и термического окисления пластины с помощью атомно-слоевого осаждения первый электрод суперконденсатора наносится с обратной стороны пластины. Затем пластина переворачивается и диэлектрик, и второй электрод осаждаются с лицевой стороны пластины. В такой конструкции можно достичь максимальной глубины отверстий, а следовательно, и максимальной удельной емкости суперконденсатора, а также упростить разводку электродов, которые будут выходить на разные стороны кремниевой пластины.
Источники информации
1. Carу L. Pint et al.. Three dimensional solid-state supercapacitors from aligned single-walled carbon nanotube array templates. Carbon, v. 49, p. 4890-4897, (2011).
2. Патент РФ 2030813. Накопительный конденсатор элемента памяти интегральных схем, (1991).
3. Патент РФ 2528010. Твердотельный суперконденсатор на основе многокомпонентных оксидов. Маркеев A.M., Черникова А.Г., (2014) – прототип.
4. А.Н. Белов, С.А. Гаврилов, В.И. Шевяков. Особенности получения наноструктурированного анодного оксида алюминия. Российские нанотехнологии, т. 1, №1, 2, 2006, с. 223-227.
5. А.Н. Белов, А.А. Дронов, И.Ю. Орлов. Особенности электрохимического формирования слоев оксида титана с заданными геометрическими параметрами структуры. Известия вузов. Электроника. 2009, №1, с. 16-21.

Claims (3)

1. Твердотельный суперконденсатор, содержащий два электрода и размещенный между ними диэлектрический слой, конформно расположенный на нижнем электроде, при этом верхний электрод конформно расположен на диэлектрическом слое, отличающийся тем, что нижний электрод сформирован на профильно-структурированном основании из пористого оксида алюминия или титана.
2. Твердотельный суперконденсатор по п. 1, отличающийся тем, что рельефно-структурированное основание сформировано в полупроводниковой подложке.
3. Твердотельный суперконденсатор по п. 2, отличающийся тем, что рельефно-структурированное основание в полупроводниковой подложке является сквозным, а электроды суперконденсатора формируются с разных сторон полупроводниковой подложки.
RU2016147871A 2016-12-07 2016-12-07 Суперконденсатор на основе кмоп-технологии RU2629364C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016147871A RU2629364C1 (ru) 2016-12-07 2016-12-07 Суперконденсатор на основе кмоп-технологии

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016147871A RU2629364C1 (ru) 2016-12-07 2016-12-07 Суперконденсатор на основе кмоп-технологии

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2629364C1 true RU2629364C1 (ru) 2017-08-29

Family

ID=59797639

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016147871A RU2629364C1 (ru) 2016-12-07 2016-12-07 Суперконденсатор на основе кмоп-технологии

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2629364C1 (ru)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2030813C1 (ru) * 1991-06-24 1995-03-10 Конструкторско-технологическое бюро "Белмикросистемы" Научно-производственного объединения "Интеграл" Накопительный конденсатор элемента памяти интегральных схем
RU2528010C2 (ru) * 2012-07-18 2014-09-10 Федеральное Государственное Автономное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Московский Физико-Технический Институт (Государственный Университет)" Твердотельный суперконденсатор на основе многокомпонентных оксидов
US20150235776A1 (en) * 2012-07-11 2015-08-20 Jme, Inc. Conductive material with charge-storage material in voids
CN105262127A (zh) * 2015-12-18 2016-01-20 许昌学院 一种光伏发电混合储能系统的功率自适应控制方法
CN105355448A (zh) * 2015-11-25 2016-02-24 太原理工大学 一种基于高介电常数薄膜的mems超级电容器及其制备方法
CN105470001A (zh) * 2015-12-08 2016-04-06 武汉理工大学 MoS2纳米薄片双栅场效应晶体管/超级电容器复合器件及其制备方法
CN105706234A (zh) * 2013-10-29 2016-06-22 Ipdia公司 具有改进型电容器的结构

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2030813C1 (ru) * 1991-06-24 1995-03-10 Конструкторско-технологическое бюро "Белмикросистемы" Научно-производственного объединения "Интеграл" Накопительный конденсатор элемента памяти интегральных схем
US20150235776A1 (en) * 2012-07-11 2015-08-20 Jme, Inc. Conductive material with charge-storage material in voids
RU2528010C2 (ru) * 2012-07-18 2014-09-10 Федеральное Государственное Автономное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Московский Физико-Технический Институт (Государственный Университет)" Твердотельный суперконденсатор на основе многокомпонентных оксидов
CN105706234A (zh) * 2013-10-29 2016-06-22 Ipdia公司 具有改进型电容器的结构
CN105355448A (zh) * 2015-11-25 2016-02-24 太原理工大学 一种基于高介电常数薄膜的mems超级电容器及其制备方法
CN105470001A (zh) * 2015-12-08 2016-04-06 武汉理工大学 MoS2纳米薄片双栅场效应晶体管/超级电容器复合器件及其制备方法
CN105262127A (zh) * 2015-12-18 2016-01-20 许昌学院 一种光伏发电混合储能系统的功率自适应控制方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2553981C2 (ru) Устройство накопления заряда, способ его изготовления, способ изготовления электропроводящей структуры для устройства, мобильное электронное устройство, использующее устройство, и микроэлектронное устройство, содержащее устройство
US8912522B2 (en) Nanodevice arrays for electrical energy storage, capture and management and method for their formation
US10032569B2 (en) Nanodevice arrays for electrical energy storage, capture and management and method for their formation
TWI497547B (zh) 用於偽電容能量儲存的奈米結構電極
US9928966B2 (en) Nanostructured electrolytic energy storage devices
US8378333B2 (en) Lateral two-terminal nanotube devices and method for their formation
Gao et al. Highly flexible and transferable supercapacitors with ordered three-dimensional MnO 2/Au/MnO 2 nanospike arrays
TW201423789A (zh) 用於多孔性電化學電容器的奈米加工結構
CN1925184A (zh) 非易失存储器件及其制造方法
US20210074477A1 (en) Integrated energy storage component
US10269504B2 (en) Supercapacitor having holes formed in carbonaceous electrodes for increasing the frequency of operation
BR112015000651B1 (pt) Estrutura, método para construção de um dispositivo de armazenamento de energia, dispositivo de armazenamento de energia e dispositivo
RU2629364C1 (ru) Суперконденсатор на основе кмоп-технологии
US20240112867A1 (en) Supercapacitors, and methods of their manufacture
TWI467611B (zh) 能量儲存裝置及其形成方法
Semenova et al. Forming porous structures on silicon with a ferroelectric for capacitive microelectronic and microsystems engineering elements
RU2523425C2 (ru) Суперконденсатор
TWI505534B (zh) 蓄電裝置、其製造方法、為其製造導電結構之方法、使用其之行動電子裝置、與含其之微電子裝置
Mineo et al. Engineering of Nanostructured WO3 Powders for Asymmetric Supercapacitors. Nanomaterials 2022, 12, 4168
Hourdakis et al. Electronic devices using porous anodic aluminum oxide
RU2645731C1 (ru) Планарный конденсатор
Wen et al. Preparation and characterization of three-dimensional micro-electrode for micro-supercapacitor based on inductively coupled plasma reactive etching technology
Hourdakis et al. Recent advances in high density MIM capacitors using anodic aluminum oxide nanolayers
Mozalev et al. Porous-Anodic-Alumina-Templated Ta-Nb-Alloy/Oxide Coatings Via the Magnetron-Sputtering/Anodizing as Novel 3d Nanostructured Electrodes for Energy-Storage Applications
Cornaglia Toward CMOS compatible on-chip micro-supercapacitors: Design, Fabrication and Analysis