納米結(jié)構(gòu)電解能量儲存設(shè)備的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明的所公開的實施例總體上涉及能量儲存設(shè)備，并且更具體地涉及納米結(jié)構(gòu)電解電容器。
【背景技術(shù)】
[0002]在電子設(shè)備中廣泛地使用著包括電池和電容器的能量儲存設(shè)備。具體地，電容器廣泛地用于范圍從電子電路和功率輸送到電壓調(diào)節(jié)和電池替換的應(yīng)用。由于電容器技術(shù)已經(jīng)持續(xù)發(fā)展，所以已經(jīng)涌現(xiàn)出若干類型。例如，也被尤其稱為超級電容器(除其它名稱外)的雙電層電容器(EDLC)由高能量儲存和功率密度、小尺寸和低重量來表征，并且因此已經(jīng)變?yōu)橛糜谌舾蓱?yīng)用的有遠景的候選者。往往通過設(shè)備的有用的表面面積、累積的電荷之間的間距、介入電介質(zhì)材料的電容率，以及設(shè)備的電壓的平方來確定電化學(xué)電容設(shè)備能夠存儲的總能量。取決于所使用的電解質(zhì)(electrolyte)和電極，常規(guī)電化學(xué)電容器在電壓范圍方面被限制到僅僅幾伏特。
[0003]當前使用較厚的電介質(zhì)來形成常規(guī)電容器以對整體電容的高成本來防止電擊穿和泄漏。使用鋁或者鉭來電解地制備常用的電解電容器。該工藝不可容易地轉(zhuǎn)移到高比表面積電極。鉭電介質(zhì)電容器通常具有較好的性能，但是價格較高。另外地，大多數(shù)電解電容器技術(shù)聚焦于要求非常厚(數(shù)千nm)的電介質(zhì)層的超高壓應(yīng)用。
【附圖說明】
[0004]根據(jù)結(jié)合圖中的附圖的以下詳細描述的閱讀，將更好地理解所公開的實施例，在附圖中:
圖1是根據(jù)本發(fā)明的實施例的納米觀不對稱結(jié)構(gòu)100的橫截面視圖；
圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的表示用于構(gòu)造納米結(jié)構(gòu)電解電容器的方法的流程圖 200 ；
圖3是根據(jù)本發(fā)明的實施例的多孔結(jié)構(gòu)的橫截面視圖；
圖4和5是根據(jù)本發(fā)明的實施例的能量儲存設(shè)備的橫截面視圖；
圖6是根據(jù)本發(fā)明的實施例的能量儲存設(shè)備的溝道內(nèi)的雙電層的橫截面表示；
圖7是根據(jù)本發(fā)明的實施例的表示微電子設(shè)備的框圖；和圖8是根據(jù)本發(fā)明的實施例的表示移動電子設(shè)備的框圖。
[0005]為了說明的簡化和清楚起見，繪制的圖圖示了構(gòu)造的一般方式，并且可以省略眾所周知的特征和技術(shù)的描述和細節(jié)，以避免不必要地使所描述的本發(fā)明的實施例的討論模糊。此外，繪制的圖中的要素不一定按比例繪制。例如，可以相對于其他要素夸大圖中的一些要素的尺寸，以幫助改進對本發(fā)明的實施例的理解。不同圖中的相同的附圖標記表示相同的要素，而類似的附圖標記可以但是不必表示類似的要素。
【具體實施方式】
[0006]在一個實施例中，能量儲存設(shè)備的結(jié)構(gòu)可以包括具有導(dǎo)電層和在導(dǎo)電層上形成的電介質(zhì)層的第一納米結(jié)構(gòu)襯底。第二納米結(jié)構(gòu)襯底包括另一個導(dǎo)電層。隔離物(separator )將第一和第二納米結(jié)構(gòu)襯底隔離并且允許電解質(zhì)的離子穿過隔離物。結(jié)構(gòu)可以是納米結(jié)構(gòu)電解電容器，其中第一納米結(jié)構(gòu)襯底形成第一電極(例如，正電極)并且第二納米結(jié)構(gòu)襯底形成電容器的第二電極(例如，負電極)。
[0007]納米結(jié)構(gòu)電解電容器能夠被集成到設(shè)備(例如，硅設(shè)備)中或被集成到封裝上從而以快速響應(yīng)提供能量儲存。納米結(jié)構(gòu)電解電容器能夠與電池一起使用。與電池形成對比，能夠在納米結(jié)構(gòu)電解電容器沒有隨它們的使用期而顯著地降級的情況下，對納米結(jié)構(gòu)電解電容器進行快速地充電和放電。與電池相比，納米結(jié)構(gòu)電解電容器也對溫度不太敏感。
[0008]現(xiàn)在參考附圖，圖1是根據(jù)本發(fā)明的實施例的納米觀不對稱結(jié)構(gòu)100的橫截面視圖。結(jié)構(gòu)100包括第一納米結(jié)構(gòu)襯底110。襯底110包括導(dǎo)電層112來形成第一電極(例如，正電極、陽極)。電介質(zhì)層130被布置在導(dǎo)電層112上。納米結(jié)構(gòu)襯底120包括第二導(dǎo)電層122來形成第二電極(例如，負電極、陰極)。隔離物140 (例如，具有厚度2 - 10微米的多孔隔離物)將納米結(jié)構(gòu)襯底隔離并且允許電解質(zhì)150的離子穿過隔離物。溶劑156也能夠穿過隔離物。離子可以包括陰離子152或陽離子154。陰離子是與質(zhì)子相比具有更多電子的離子從而給予其凈負電荷，而陽離子是與電子相比具有更多質(zhì)子的離子從而給予其凈正電荷。電解質(zhì)基于電介質(zhì)層130的漏電流、根據(jù)需要對電介質(zhì)層130進行局部地修復(fù)和變厚。隔離物可以使第一電極與第二電極電絕緣。
[0009]導(dǎo)致使電容降低的、同時地提高電壓范圍并且同時地增加能量儲存設(shè)備(例如，納米結(jié)構(gòu)電解電容器)的能量容量的方法是在第一電極(例如，正電極)上合并電介質(zhì)層，因此引入與兩個雙電層電容器串聯(lián)的另一個電容器。
[0010]結(jié)構(gòu)100可以是納米結(jié)構(gòu)電解結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)的形成第一電極(例如，正電極)的納米結(jié)構(gòu)襯底110以及形成納米結(jié)構(gòu)襯底120的第二電極(例如，負電極)。當納米結(jié)構(gòu)電解電容器處于操作中時，可以通過電解質(zhì)的存在來產(chǎn)生雙電層。電介質(zhì)層130和雙電層共同地形成串聯(lián)的三個電容。
[0011]第一和第二納米結(jié)構(gòu)襯底中的至少一個可以包括用于構(gòu)成多孔材料、納米柱、薄片或網(wǎng)狀物的硅、碳化硅、鍺、碳、錫和任何其他材料中的至少一個。第一電介質(zhì)層可以是高k電介質(zhì)層。如本文所使用的，措詞“高k”指的是具有比二氧化硅的介電常數(shù)大的介電常數(shù) k (即，大于約 4)的材料(例如，Al2O3' Ti02、HfO2, HfS1x, HfAlOx, Nb2O5' Ta2O5, VOx，諸如SrT13N (Ba, Sr) Ti03、LiNbO3' Bi4Ti3O12，等等的1?鈦礦氧化物)。第一電極(例如，正電極)包括能夠通過到多孔襯底(例如，多孔硅襯底或如在本文所描述的其它材料)上的原子層沉積(ALD)生長、超臨界流生長或水熱生長所形成的高k氧化膜。能夠針對包括在納米結(jié)構(gòu)電解電容器的操作期間的低或高擊穿電壓(例如，多達500伏特)的不同的應(yīng)用來設(shè)計氧化膜。第二電極(例如，負電極)包括能夠通過到多孔襯底上的ALD (TiNx、TixAlyNz、VNx、NbNx、MoNx、TiCx、ZrCx、HfCx、VCx、NbCx、TaCx、WCx、TiSix, NiSix, CoSix、Mo、W、Pt、Ru，等等)、超臨界流生長、或電鍍(N1、Co、Cu、Pd、Au，等等)或通過多孔襯底(例如，多孔硅襯底)的碳化所沉積的適當?shù)仄ヅ涞膶?dǎo)電涂層?？梢允褂镁哂写蟊砻婷娣e的導(dǎo)電聚合物、泡沫金屬或其它基于碳的材料來形成納米結(jié)構(gòu)襯底110和120中的至少一個。
[0012]導(dǎo)電層122可以包括偽電容材料。取決于所使用的電介質(zhì)和電解質(zhì)之間的電化學(xué)窗口，能夠在第二電極(例如，負電極)上形成偽電容材料(例如，RuO2、MnO2、V2O5、N1x、CoOx，等等)，能夠用于進一步提高其比容量。
[0013]重要的設(shè)計參數(shù)通過操縱所選擇的電介質(zhì)層(例如，電介質(zhì)層130)的厚度(其確定該電介質(zhì)電容器的擊穿電壓)來控制總體設(shè)備電壓。與金屬絕緣體金屬(MIM)電容器形成對比，本發(fā)明的實施例特征在于更均勻且在它們的理想擊穿強度的大致80%內(nèi)能夠經(jīng)得起較高的場強度的電介質(zhì)應(yīng)力，這是因為電容器電解質(zhì)繼續(xù)進行原始形成的電極的復(fù)原工作。電解質(zhì)根據(jù)需要對電介質(zhì)進行局部地修復(fù)和變厚。該復(fù)原工藝是由在針孔(pin hole)的電容器的DC漏電流和電介質(zhì)層中的其他缺陷來驅(qū)動的。每當DC電壓被施加到電容器時——即，每當其處于操作中時，汲取DC漏電流。甚至對于沉積在多孔結(jié)構(gòu)上的非常薄的電電介質(zhì)材料，由于在兩側(cè)不存在電子電荷累積的事實，擊穿電壓大體上高于其MIM結(jié)構(gòu)對應(yīng)方。因此，本設(shè)計大大地降低隧穿電子，并且因此改善電介質(zhì)擊穿電壓的發(fā)動(onset)。
[0014]本公開的納米結(jié)構(gòu)電解能量儲存設(shè)備可以具有串聯(lián)的三個電容器。雙電層電容器(EDLC)提供2個電容器他就是說，來自負電極的I個和來自正電極的I個)并且第三電容器基于沉積的電介質(zhì)層(例如，在第一電極、正電極上)。通過該電容器的串聯(lián)布置所約束，通過每個組件電容器的相應(yīng)的電容來確定每個組件電容器上的電壓降，其中較大的電容對應(yīng)于較小的電壓降。較厚的電介質(zhì)材料實現(xiàn)較