Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВА ХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ С ПО МЕНЬШЕЙ МЕРЕ ОДНОЙ ПОРИСТОЙ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ ПОДЛОЖКОЙ

Область техники, к которой относится изобретение

Раскрытые здесь варианты осуществления настоящего изобретения, в целом, относятся к устройствам хранения энергии и, более конкретно, относятся к конденсаторам с пористыми обкладками.

Уровень техники

Устройства хранения энергии, к которым относятся батареи и конденсаторы, широко используются в электронных устройствах. В частности, конденсаторы широко используются в областях применения от электрической схемотехники и подачи электропитания до стабилизации напряжения и замены батарей. По мере того как технология конденсаторов продолжает развиваться, возникли несколько их типов. Например, электрические конденсаторы с двойным электрическим слоем (EDLC), также называемые ультраконденсаторами (помимо других возможных названий), отличаются высокими значениями хранимой энергии и удельной мощностью, небольшими размерами и низким весом и, таким образом, стали перспективными кандидатами для использования во многих областях применения. В рамках одного из подходов эти ультраконденсаторы основаны на углероде и не имеют открытой пористой структуры. Кроме того, для таких ультраконденсаторов отсутствуют традиционные способы обработки.

Краткое описание чертежей

Раскрытые варианты осуществления настоящего изобретения будут более понятны после прочтения следующего подробного описания, которое следует рассматривать в сочетании с сопроводительными чертежами, на которых:

фиг. 1 - вид в разрезе пористой структуры, соответствующей одному из вариантов осуществления настоящего изобретения;

фиг. 2 - топографическое изображение, полученное с помощью электронного микроскопа, куска пористого кремния в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения;

фиг. 3 - вид в разрезе пористой обкладки конденсатора с поликристаллической подложкой, имеющей большой размер зерна, в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения;

фиг. 4 - вид в разрезе пористой обкладки конденсатора с поликристаллической подложкой, содержащей оптимальный размер зерна, в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения;

фиг. 5 - блок-схема последовательности выполнения операций способа получения оптимальной пористой поликристаллической подложки в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения;

фиг. 6 - схема одного из вариантов способа изготовления поликристаллической подложки, содержащей оптимальный размер зерна, в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения;

фиг. 7 и 8 - виды в разрезе устройства хранения энергии, соответствующего вариантам осуществления настоящего изобретения;

фиг. 9 - вид в разрезе электрического двойного слоя внутри канала устройства хранения энергии, соответствующего одному из вариантов осуществления настоящего изобретения;

фиг. 10 - блок-схема, представляющая микроэлектронное устройство, соответствующее одному из вариантов осуществления настоящего изобретения; и

фиг. 11 - блок-схема мобильного электронного устройства, соответствующего одному из вариантов осуществления настоящего изобретения.

Для простоты и ясности чертежи иллюстрируют общие принципы описываемых конструкций, и некоторые описания и детали хорошо известных признаков и технологий могут быть сознательно опущены, чтобы избежать излишнего загромождения описания вариантов осуществления настоящего изобретения. Кроме того, элементы на чертежах не обязательно выполнены в масштабе. Например, размеры некоторых из элементов на чертежах могут быть преувеличены относительно других элементов, чтобы улучшить наглядность вариантов осуществления настоящего изобретения. Одни и те же ссылочные позиции на различных чертежах обозначают одни и те же элементы, в то время как схожие ссылочные позиции не обязательно обозначают подобные элементы.

Подробное описание

В одном из вариантов осуществления изобретения структура для устройства хранения энергии может содержать поликристаллическую подложку. Размер зерна может таким, чтобы он по меньшей мере соответствовал размеру зерен, при котором фононное рассеяние начинает доминировать над рассеянием на границах зерен. Описываемая структура также содержит пористую структуру, содержащую множество каналов внутри поликристаллической подложки. При производстве электрохимических ультраконденсаторов существует потребность в создании экономически выгодных обкладок конденсаторов для массового производства. Обработка пористого материала при высоких температурах свыше 400°C позволяет использовать методы осаждения атомного слоя (ALD) с нанесением покрытия на сотни микронов вглубь пор (например, для пор шириной 40 нм). Однако на данный момент не удается получить экономически выгодные обкладки конденсаторов ввиду нескольких недостатков, присущих известным в настоящее время материалам подложек.

Одним из недостатков является водородная десорбция, которая приводит к отслоению слоя в достаточно глубоких порах. Другим недостатком является пластическая деформация и закрытие нанопор за счет высокотемпературной обработки, что может привести к снижению площади поверхности на кубический сантиметр. Еще одним недостатком является то, что поверхность пористого кремния требует пассивирования для предотвращения протекания электрохимических реакций при напряжении заряда. Непассивированный кремний является высокореактивным материалом и обладает высоким сопротивлением из-за поверхностных ловушек. Эти свойства непассивированного кремния вызывают большие последовательности сопротивлений в пластинах поликристаллического кремния, которые в результате приводят к омическим потерям во время заряда и разряда ультраконденсатора.

Применяемые в настоящее время технологии для создания проводящих химически стабильных слоев используют методы ALD. Однако эта стратегия страдает вышеупомянутыми температурными ограничениями и требует дополнительных материалов, помимо кремниевой подложки, которые могут быть дорогостоящими. Существующие подходы также используют углерод, чтобы избавиться от необходимости упомянутого выше пассивирования и от недостатков, связанных с проводимостью поверхности. Некоторые из преимуществ от использования углерода состоят в том, что он химически стабилен и имеет высокую проводимость, обычно благодаря присутствию слоев графена в порах. Однако в коммерческих ультраконденсаторах на основе углероде отсутствует открытая пористая структура, и для них отсутствуют методы обработки электролитическим травлением твердого полупроводника, используемые в случае кремния.

На фиг. 1 показан вид в разрезе пористой структуры 100, соответствующей одному из вариантов осуществления настоящего изобретения. Пористая структура 100 содержит пористый слой 120 с множеством каналов 111 внутри поликристаллической подложки 110. Заштрихованная область 120 отличает пористый слой от непористого слоя 121. Материал подложки в заштрихованной области 120 может быть тем же самым материалом, что и в незаштрихованной области 121. В одном из вариантов осуществления незаштрихованная область может быть удалена или уменьшена по толщине, чтобы минимизировать ее размер для реализации в малогабаритном устройстве. Граница 125 пористого слоя представляет среднюю глубину пор матрицы каналов внутри поликристаллической подложки. В одном из вариантов осуществления изобретения каждый канал может иметь отверстие 112 в пористой поверхности 115 поликристаллической подложки 110. В других вариантах осуществления подложка может быть сформирована с использованием различных производственных технологий и может содержать различные материалы (например, углерод). Каждый из каналов может не иметь выхода на пористую поверхность подложки. Поликристаллическая подложка 110 или подложка может быть получена так, чтобы она имела определенный размер зерна, что будет объяснено более подробно в настоящем документе.

В одном из вариантов осуществления изобретения поликристаллическая подложка с заданным и оптимизированным размером зерна может содержать кремний, карбид кремния, германий, углерод, олово или любой другой материал, который может подвергаться травлению для получения пористого материала, имеющего большую площадь поверхности. К возможным преимуществам использования кремния относится его совместимость с существующей кремниевой технологией. Германий обладает аналогичным преимуществом вследствие наличия существующих технологий для этого материала и, по сравнению с кремнием, обладает потенциальным дополнительным преимуществом, заключающимся в том, что его собственный оксид (оксид германия) растворим в воде и поэтому может быть легко удален. (Собственный оксид, который формируется на поверхности кремния, может захватывать заряд, что является нежелательным результатом.) Германий также в большой степени совместим с кремниевой технологией. Возможные преимущества использования олова, которое является материалом с нулевой шириной запрещенной зоны, включают его улучшенную проводимость по отношению к некоторым другим проводящим и полупроводящим материалам. Для получения пористой структуры могут также использоваться и другие материалы, такие как карбид кремния, сплавы, такие как сплав кремния и германия, и металлы, такие как медь, алюминий, никель, кальций, вольфрам, молибден и марганец. Кремниево-германиевый сплав, например, выгодным образом имеет намного меньшие объемные различия, чем чисто германиевая структура.

Среди группы описанных выше материалов карбид кремния может быть желательным материалом, из которого можно получать поликристаллическую подложку. Это материал дешев в поликристаллической форме и плавится при температуре приблизительно на 1000°C выше точки плавления кремния. Он также обладает огромной структурной и тепловой прочностью и может быть сделан пористым в результате анодного травления, подобно кремнию. Введение углеродосодержащих газов в поры при температуре несколько сотен градусов Цельсия может позволить покрыть поверхность пор в подложке из карбида кремния пластинами графена заданной толщины (например, толщиной несколько нанометров). Такое получение графена в порах может пассивировать поверхность пор и преобразовывать стенки пор в пластины с очень высокой проводимостью. Кроме того, высокотемпературная стабильность карбида кремния может позволить использовать процессы ALD, которые могут требовать технологических температур на сотни градусов Цельсия выше, чем для кремния. Это может позволить намного более высокие скорости диффузии в глубокие поры и полное преобразование поверхностных соединений в их равновесное состояние.

На фиг. 2 представлено топографическое изображение, полученное с использованием сканирующего электронного микроскопа (SEM), показывающее кусок пористого кремния 200, соответствующего одному из вариантов осуществления настоящего изобретения. Как показано на чертеже, пористый кремний 200 содержит множество каналов 211, некоторые из которых могут выглядеть вертикально удлиненными, а некоторые могут выглядеть как приблизительно круглые отверстия. Вторая группа представляет собой каналы, для которых видимый участок ориентирован горизонтально. Следует понимать, что каналы 211, вероятно, будут скручиваться и поворачиваться вдоль их длины, так что одиночный канал может иметь и вертикальные и горизонтальные участки, а также участки, которые не являются ни полностью вертикальными, ни полностью горизонтальными, а находятся где-то в промежутке между ними.

При правильном травильном растворе можно создать пористые структуры с описанными характеристиками из самых разнообразных материалов. Например, пористая кремниевая структура может быть создана травлением кремниевой подложки смесью фтористоводородной кислоты (HF) и спирта (этилового спирта, метанола, изопропила и т.д.). В более общем смысле, пористый кремний и другие пористые структуры могут быть получены с использованием таких процессов как поверхностное травление и анодирование.

В некоторых вариантах осуществления самый малый размер каждого из каналов составляет не более 1 микрона (мкм). Этот предел размера для самого малого размера каналов может быть выбран для конкретных вариантов осуществления, чтобы максимизировать площадь поверхности пористых структур в этих вариантах осуществления изобретения. Более малые (например, более узкие) каналы приводят к увеличению общей площади поверхности электропроводящей структуры, поскольку в электропроводящей структуре заданного размера может разместиться большее число таких более узких каналов. Поскольку емкость пропорциональна площади поверхности, каналы, ограниченные по размеру указанным образом, должны, вероятно, выгодным образом приводить в результате к конденсаторам с повышенной емкостью. (Другими размерами каналов, например их длиной, также можно манипулировать для увеличения площади поверхности (или достижения какого-то другого результата), то есть более длинные каналы могут быть предпочтительны по сравнению с более короткими, но в целом такие размеры, вероятно, менее критичны, чем самый малый размер, обсужденный выше.) В других вариантах осуществления изобретения наименьший размер каналов может быть больше 1 мкм, вероятно таким, как 10 мкм или больше. Хотя при этом уменьшается площадь поверхности, такие большие каналы могут обеспечить большее внутреннее пространство, в котором при желании можно выращивать или как-либо иначе формировать дополнительные структуры. По меньшей мере один такой вариант осуществления обсуждается ниже.

На фиг. 3 показан вид в разрезе пористой поликристаллической подложки 300, имеющей большой размер зерен в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения. Как видно на фиг. 3, пористая поликристаллическая подложка 300 может содержать зерна большого размера, определяемого границами 308 зерна. Следует заметить, что когда размеры зерен слишком большие, анодное травление пор может встречаться с различными проблемами. Одна из проблем может состоять в том, что ориентация больших кристаллов оказывает сильный отрицательный эффект на процесс формирования пор. Другой проблемой может быть то, что физические различия на границах 308 зерен, такие как повышенная диффузность и пониженная химическая стабильность, могут приводить к преимущественному травлению в некоторых областях поликристаллической подложки. Еще одной проблемой может быть то, что большинство переносчиков, расположенных на границах 308 зерна, могут быть исчерпаны, что оказывает большое влияние на скорость травления на границах 308 зерна. В результате, пористый слой 302 (представленный на пористой подложке 300 с большим размером зерна, определяемым границами 308 зерна), как показано на чертеже, обладает большим разбросом 310 глубины пор, представленным разностью высот между глубинами 306 и 304. Следует заметить, что заштрихованное сечение, представляющее пористый слой 302, может содержать матрицу каналов 111, как показано на фиг. 1. Большой разброс глубины пор может быть нежелателен из-за непредсказуемости результатов при определении общей емкости ультраконденсатора, что приводит к ненадежности ультраконденсатора.

С другой стороны, аморфная кремниевая подложка может быть вариантом для создания пор, поскольку она не имеет проблем с ориентацией зерен и большими границами зерен. Однако ее может быть трудно использовать по той причине, что аморфный кремний электрохимически нестабилен, что может ограничить максимальную получающуюся толщину пористого материала. В результате, аморфный кремний может плохо поддаваться травлению в случае толщины пластины свыше 200 нм. Из-за этого ограничения аморфный кремний может оказаться непригоден, потому что на практике ультраконденсатор может потребовать пор, имеющих глубину несколько сотен микрон.

На фиг. 4 показан вид в разрезе пористой поликристаллической подложки 400, структурированной зернами желаемого размера в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг. 4, пористая поликристаллическая подложка 400 (например, пористая обкладка конденсатора) может содержать зерна желаемого размера, определяемого границами 408 зерна. Размер зерна, определяемый границами 408 зерна, может быть подобран так, чтобы он приводил к большей однородности пористого слоя 402, ввиду того, что оптимальные границы 408 зерна могут равномерно распределяться по всей поликристаллической подложке, усредняя, таким образом, разброс глубины пор. Разброс глубины пор может быть представлен минимальным разбросом 410 глубины между глубиной 404 и глубиной 406 подложки 400.

В одном из вариантов осуществления изобретения размер зерна пористой поликристаллической подложки может быть примерно равен размеру, при котором фононное рассеяние начинает доминировать над рассеянием на границах зерен. Подвижность дырок в полупроводниковых материалах составляет приблизительно 480 см²/В-с, что подразумевает время фононного рассеяния 0,27 пикосекунды. Учитывая типичную скорость дырочного носителя на поверхности моря Ферми, это время рассеяния подразумевает среднюю длину свободного пробега 273 нанометра (нм). Поэтому в одном из вариантов осуществления изобретения размер, при котором фононное рассеяние начинает доминировать над рассеянием на границах зерен, может составлять приблизительно 273 нм. Поликристаллическая подложка, соответствующая некоторым из вариантов осуществления изобретения, может содержать зерна размером приблизительно 200-500 нм, приблизительно 250-350 нм или приблизительно 300 нм. В случае пор шириной 20 нм, протравливаемых в подложке, можно получать пластины толщиной свыше 100 микрон с высокой площадью поверхности материала (например, сотни квадратных метров площади поверхности/на кубический сантиметр) без высокого разброса площади, поскольку в таком случае может иметь место достаточное усреднение по кристаллографической ориентации и вариациям травления пограничного слоя.

На фиг. 5 приведена блок-схема 500 последовательности выполнения операций способа изготовления пористой поликристаллической подложки 500 в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения. На этапе 502 способ 500 может содержать определение размера кристаллического зерна, который по меньшей мере является размером, при котором фононное рассеяние начинает доминировать над рассеянием на границах зерен. Следует заметить, что размер зерна не должен быть настолько малым, чтобы он значительно увеличивал сопротивление подложки, и размер зерна не должен быть настолько большим, чтобы столкнуться с упомянутыми выше недостатками поликристаллической подложки с большим размером зерна. По существу, в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения может быть найден такой размер зерна, который минимизирует обе эти неблагоприятные ситуации.

На этапе 504 способ 500 может содержать получение материала поликристаллической подложки, имеющего размер кристаллических зерен, найденный на этапе 502. Процесс получения материала подложки может иметь различные формы, в том числе, в частности, это может быть изготовление подложки в производственных условиях. Способы производства, относящиеся к одному из вариантов осуществления настоящего изобретения, могут включать способ, раскрытый ниже на фиг. 6.

На этапе 506 способ 500 может содержать формирование пористого слоя, содержащего множество каналов внутри поликристаллической подложки. В одном из вариантов осуществления изобретения каждый из каналов может иметь выход на пористую поверхность поликристаллической подложки. Формирование каналов внутри пористого слоя может осуществляться путем анодного травления или любого другого процесса, известного в области формирования пор микронной глубины с нанометровым диаметром.

На этапе 508 способ 500 может дополнительно содержать обработку пористой структуры при температуре выше 400°C. Поскольку материал подложки может содержать карбид кремния, подложка может быть чрезвычайно стойкой к высокой температуре, что позволяет проводить процессы, требующие высоких температур, такие как процесс ALD, для осаждения материала на подложку, не сталкиваясь с такими проблемами, как водородная десорбция или пластическая деформация.

На фиг. 6 представлен вариант 600 получения поликристаллической подложки, имеющей оптимальный размер зерен, в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения. Заготовка литого материала 602 (например, кремний, легированный бором) может быть экструдирована между двумя валками 604а и 604b для получения тонкой пластины экструдированного кремния 608. Валки 604а и 604b могут быть выполнены в виде вращающихся цилиндров из карбида кремния, которые могут вращаться в направлениях 606а и 606b соответственно. Тонкая пластина экструдированного кремния может содержать карбид кремния, который может экструдироваться в направлении 610. По мере того как кремний экструдируется из валков, он охлаждается в поликристаллическую форму с определенным размером зерна, задаваемым скоростью охлаждения.

В одном из вариантов осуществления изобретения осуществляется охлаждение кремния путем охлаждения тонкой пластины кремния медью с водяным охлаждением со скоростью 10⁶ К/с. Это очень быстрое охлаждение создает аморфный материал. Очень медленное охлаждение, напротив, создает зерна с размерами, превышающими много микрон в диаметре. Экструдирование кремния через валки позволяет, контролируя скорость, с которой он протягивается, управлять охлаждением кремния, так что кремний охлаждается в правильном режиме охлаждения, давая, таким образом, зерна требуемого размера в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения. Также могут использоваться и другие металлургические технологии, такие как кремниевая лента с поддерживаемыми краями. В соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения, толщина пластины может иметь значение несколько сотен микрон и несколько метров в длину и ширину.

На фиг. 7 и 8 приведены виды в разрезе устройства хранения энергии, соответствующего одному из вариантов осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг. 7 и 8, устройство 700 хранения энергии содержит поликристаллическую подложку 710 и поликристаллическую подложку 720, отделенные друг от друга электрическим изолятором. Этот электрический изолятор может принимать любую из различных форм, как более подробно обсуждается ниже. По меньшей мере одна из поликристаллических подложек 710 и 720 содержит пористую структуру 100 (как показано на фиг. 1, но где большая часть непористого слоя 121 удалена), содержащую множество каналов 711. В показанных вариантах осуществления изобретения как поликристаллическая подложка 710, так и поликристаллическая подложка 720 содержат такую пористую структуру. Соответственно, поликристаллическая подложка 710 содержит каналы 711 с отверстиями 712 на поверхности 715 соответствующей пористой структуры, а поликристаллическая подложка 720 содержит каналы 721 с отверстиями 722 на поверхности 725 соответствующей пористой структуры. В том варианте осуществления изобретения, в котором только одна из поликристаллических подложек 710 и 720 содержит пористую структуру с множеством каналов, другая электропроводящая структура может быть, например, металлическим электродом или непористой поликристаллической кремниевой структурой.

Возможны различные конфигурации устройства 700 хранения энергии. В варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.7, например, устройство 700 хранения энергии содержит две отдельные пористые структуры (поликристаллическая подложка 710 и поликристаллическая подложка 720), соединенные вместе промежуточным сепаратором 730. В качестве другого примера в варианте осуществления, показанном на фиг. 8, устройство 800 хранения энергии содержит одиночную плоскую пористую структуру, в которой первая секция (поликристаллическая подложка 810) отделена от второй секции (поликристаллическая подложка 820) канавкой 831, содержащей сепаратор 830. Одна из электропроводящих структур будет положительной стороной, и другая электропроводящая структура будет отрицательной стороной. Сепаратор 830 позволяет осуществлять перенос ионов, но препятствует переносу текучей среды такой, которая может быть найдена в электролите. Поликристаллические подложки, показанные на фиг. 7 и 8, соответствующие определенным вариантам осуществления настоящего изобретения, могут содержать зерна с размером, который по меньшей мере является размером, при котором фононное рассеяние начинает доминировать над рассеянием на границах зерен (например, приблизительно 200-500 нм, приблизительно 250-350 нм, приблизительно 300 нм, приблизительно 273 нм).

На фиг. 8 показан маленький мостик из материала, соединяющего поликристаллическую подложку 810 и поликристаллическую подложку 820. Если его оставить без внимания, этот мост может выступать как электрический замыкатель между двумя электропроводящими структурами. Существует, однако, ряд возможных решений для этой ситуации. Например, мост может быть удален с использованием операции полировки. В альтернативном варианте электропроводящие структуры могут быть сформированы в сильно легированном верхнем слое или области пластины, в то время как канавка проходит внизу, в подстилающей слаболегированной подложке, которая является не очень хорошим проводником. В другом варианте осуществления может использоваться структура кремний-на-изоляторе.

Для примера, пористая структура поликристаллических подложек 810 и 820 может быть получена путем жидкого травления, в котором жидкий травитель, нанесенный на поверхность электропроводящих структур, вытравливает участки электропроводящей структуры таким образом, который по меньшей мере отчасти подобен тому, как вода вырезает каналы в камне. По этой причине каждый из каналов, сформированных таким образом, имеет выход на поверхность электропроводящей структуры; способ жидкого травления не способен создавать внутри пористой структуры полностью закрытые полости, то есть полости без отверстий на поверхности, подобные воздушному пузырю, попавшему в камень. Это не означает, что такие отверстия не могут быть покрыты другими материалами или как-то иначе закрыты в результате присутствия или добавления других материалов (это, вообще говоря, может иметь место в некоторых вариантах осуществления изобретения), но независимо от того, являются они покрытыми или нет, описанные отверстия на поверхности присущи каждому каналу в каждой пористой структуре, соответствующей по меньшей мере одному из вариантов осуществления изобретения. (Одним из вариантов осуществления, в котором отверстия могут быть покрыты, является вариант, в котором поверх каналов наращивается слой эпитаксиального кремния, как место для размещения электрической схемы или других проводников). Пористые структуры, соответствующие вариантам осуществления настоящего изобретения, могут изготавливаться с использованием точного и однородного контроля размера пор (в отличие от активированного угля.) Это позволяет достичь быстрого заряда (размер поры может быть оптимизирован так, чтобы быть совместимым с размером ионов), а также увеличивает емкость (никакая область не будет функционировать неправильно). Это также должно позволить сузить распределение флюктуации напряжения.

В связи с этим обсуждением следует отметить, что пористый углерод, формируемый способом, отличным от описанного выше, имеет другую структуру, которая отличается полностью закрытыми полостями, не имеющими выхода на поверхность. В результате, пористый углерод непригоден или по меньшей мере нежелателен для по меньшей мере некоторых из вариантов осуществления настоящего изобретения (хотя здесь нужно упомянуть, что некоторые другие варианты осуществления (такие как, например, толстая электропроводящая структура, описанная ниже), могут содержать полностью закрытые полости). Следует также заметить, что представленные на фиг. 7 и фиг. 8 пористые структуры весьма идеализированы. В качестве одного из примеров все каналы 811 и 821 показаны на этих фигурах как проходящие исключительно вертикально. В действительности, каналы могут отклоняться в различных направлениях, создавая запутанную, беспорядочную модель, которая может выглядеть подобно пористой структуре, показанной на фиг. 2.

В одном из вариантов осуществления устройство 700 хранения энергии дополнительно содержит электропроводящее покрытие 740 на по меньшей мере части пористой структуры и по меньшей мере некоторых из каналов 711. Такое электропроводящее покрытие может быть необходимо для того, чтобы поддерживать или улучшать удельную проводимость пористой структуры. Как пример, в одном из вариантов осуществления настоящего изобретения электропроводящее покрытие 740 может содержать графен. Этот материал может наноситься с использованием таких процессов, как ALD. Слой графена может пассивировать поверхность канала поры и преобразовывать поверхность в высокопроводящие пластины. Устройство 800 хранения энергии может содержать электропроводящее покрытие 840 на по меньшей мере части пористой структуры и по меньшей мере в некоторых из каналов 811.

Как другой пример, электропроводящее покрытие 740 может быть покрытием из металла, такого как, например, алюминий, медь и вольфрам, или другого электрического проводника, такого как нитрид вольфрама, нитрид титана и нитрид тантала. Каждый из перечисленных материалов имеет то преимущество, что он используется в существующей технологии CMOS. Другие металлы, такие как никель и кальций, также могут использоваться в качестве электропроводящего покрытия 740 или 840. Эти материалы могут наноситься с использованием таких процессов, как электролитическое покрытие, химическое осаждение из паровой фазы (CVD) и/или осаждение атомного слоя (ALD). Следует заметить, что процесс CVD для вольфрама является самоограничивающимся, что означает, что вольфрам сформирует пару монослоев и затем прекратит свой рост. Получающееся тонкое электропроводящее покрытие является точно таким, которое необходимо для вариантов осуществления устройства 700 или 800 хранения энергии, потому что оно никогда не получится настолько толстым, чтобы герметично закупорить каналы и препятствовать проникновению газа CVD глубже в каналы. При желании пористая структура может также быть легирована легирующей примесью, предназначенной для увеличения удельной электропроводимости структуры (например, бором, мышьяком или фосфором для пористого кремния; например, мышьяком или галлием для пористого германия).

В одном из вариантов осуществления изобретения электрический изолятор, отделяющий электропроводящую структуру 710 от поликристаллической подложки 720, содержит диэлектрический материал. Например, можно сделать конденсатор с очень высокой емкостью, используя пористый кремниевый электрод, оксидированный двуокисью кремния (SiO₂), вместе с металлической или поликристаллической кремниевой структурой в качестве другого электрода. Очень высокая площадь поверхности пористого кремния могла бы давать большой вклад в достижение высокой емкости, которую можно было бы получить для такого конденсатора.

Емкость могла бы быть увеличена еще больше (в том числе значительно) путем размещения электролита 750 в физическом контакте с пористой структурой. Электролит 750 (так же как другие электролиты, описанные здесь) представлен на чертежах случайно расположенными окружностями. Такое изображение предназначено для иллюстрации того, что электролит является веществом (жидким или твердым), содержащим свободные ионы. Окружности были выбраны для удобства и не предназначены для накладывания каких-либо ограничений в отношении компонентов электролита или их свойств, в том числе, в частности, любых ограничений в отношении размера, формы или количества ионов. Типичным, хотя не единственным, типом электролита, который может использоваться в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, является ионный раствор.

В варианте осуществления, в котором используется электролит 750, электрический изолятор, отделяющий поликристаллическую подложку 710 от поликристаллической подложки 720, может быть электрическим двойным слоем, который образуется в присутствии электролита. Этот электрический двойной слой, изображенный схематично на фиг. 9, может дополнять или заменять диэлектрический материал, описанный выше. Как показано на фиг. 9, электрический двойной слой (EDL) 902 формируется внутри одного из каналов 711. EDL 902 состоит из двух слоев ионов, один из которых является электрическим зарядом боковых стенок канала 711 (показан как положительный на фиг. 9, но который может также быть отрицательным), а другой формируется свободными ионами в электролите. EDL 902 электрически изолирует поверхность, обеспечивая, таким образом, разделение зарядов, необходимое для функционирования конденсатора. Большая емкость и, следовательно, потенциал хранения энергии электролитических ультраконденсаторов возникают благодаря малому промежутку (приблизительно 1 нм) между ионами электролита и электродом.

Следует заметить, что когда устройство 700 хранения энергии разряжается, то EDL исчезает. Это означает, что при некоторых обстоятельствах, когда EDL заменяет собой диэлектрический слой, например, поликристаллические подложки 710 и 720 могут в течение какого-то времени не быть отделены друг от друга электрическим изолятором, по меньшей мере тем, который является EDL. Приведенные в данном документе ссылки на ″первую электропроводящую структуру и вторую электропроводящую структуру, отделенные друг от друга электрическим изолятором″, особенно включают в себя ситуации, в которых, как описано выше, электрический изолятор присутствует только когда устройство хранения энергии электрически заряжено.

В некоторых вариантах осуществления электролит 750 является органическим электролитом. Как пример, электролит может быть жидким или твердым раствором органических материалов, таким как тетраэтиламмоний тетрафторборат в ацетонитриле. Другие примеры включают растворы на основе борной кислоты, бората натрия или слабых органических кислот. В альтернативном варианте (неорганическая) вода может использоваться в качестве электролита, но это может создавать некоторый риск в том, что если превысится определенная температура конденсатора, вода может вскипеть и образовать газ, который может вызвать взрыв конденсатора.

На фиг. 10 показана блок-схема, представляющая микроэлектронное устройство 1000, соответствующее одному из вариантов осуществления изобретения. Как видно на фиг. 10, микроэлектронное устройство 1000 может содержать подложку 1002, микропроцессор 1004 на подложке 1002 и устройство 1006 хранения энергии, связанное с микропроцессором 1004. Устройство 1006 хранения энергии может располагаться на подложке 1002 вне микропроцессора 1004 (например, конденсатор вне кристалла), как показано сплошными линиями, или он может быть расположен непосредственно на микропроцессоре 1004 (например, в слое, наращиваемом поверх микропроцессора), как показано пунктирными линиями. В одном из вариантов осуществления устройство 1006 содержит первую и вторую электропроводящие структуры, отделенные друг от друга электрическим изолятором, где по меньшей мере первый или второй электропроводящий слой содержит поликристаллическую подложку, имеющую по меньшей мере такой размер зерна, при котором фононное рассеяние начинает доминировать над рассеянием на границах зерен, и пористая структура содержит внутри поликристаллической подложки множество каналов. В одном из вариантов осуществления изобретения каждый канал имеет выход на пористую поверхность поликристаллической подложки. Как пример, этот вариант осуществления может быть подобен одному или нескольким вариантам осуществления, показанным на фиг. 7-9 и описанным в соответствующей части описания. В другом варианте осуществления устройство 1006 хранения энергии содержит множество наноструктур (например, дискретных наноструктур) и электролит, находящийся в физическом контакте с по меньшей мере некоторыми из наноструктур.

Устройства хранения энергии, раскрытые в настоящем изобретении, в некоторых вариантах осуществления могут использоваться в качестве развязывающего конденсатора внутри микроэлектронного устройства 1000 такого, который имеет меньшие размеры и который, по причинам, описанным в настоящем документ и в других местах, имеет гораздо более высокую емкость и намного более низкий импеданс, чем существующие развязывающие конденсаторы. Как уже упоминалось, устройство 1006 хранения энергии может быть частью интегральной схемы (IC) или чипа, расположенных на подложке, или может быть расположено на самом кристалле микропроцессора. Как пример, в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения можно сформировать области пористого кремния (и т.п., как описано выше) на кристалле микропроцессора и затем создать встроенный развязывающий конденсатор с высокой площадью поверхности непосредственно на подложке кристалла микропроцессора. Из-за пористости кремния встроенный конденсатор может иметь очень высокую площадь поверхности. Другими возможными областями применения раскрытых устройств хранения энергии являются применения в качестве элемента памяти запоминающего устройства (где проблемы с подходами встроенных DRAM в направлении по оси z могут быть решены в результате значительного увеличения емкости на единичную площадь) или в качестве компонента преобразователей напряжения в схеме вольтодобавки, возможно для использования с блоками схем, индивидуальными ядрами микропроцессоров и т.п.

Как пример, более высокие значения емкости могли бы быть в этом контексте предпочтительны, поскольку части схемы могли бы тогда номинально работать при определенном (относительно низком) напряжении, но затем в местах, где требуется более высокое напряжение, для увеличения скорости (например, кэш-памяти, операций ввода-вывода (I/O)) напряжение может быть повышено до более высокого значения. Рабочая схема такого рода, вероятно, была бы предпочтительна по сравнению с той, в которой всюду используется повышенное напряжение; то есть в случаях, когда только малая часть схемы требует повышенного напряжения, вероятно, должно быть предпочтительным повышать напряжение с пониженного базового напряжения отдельно для этого малого участка схемы, а не снижать напряжение с более высокого базового значения для большей части электрической схемы. Будущие поколения микропроцессоров также могут использовать преобразователи напряжения описанного здесь типа. Имея повышенные емкости, которые можно развертывать во всем пакете или в кристалле микропроцессора, можно помочь решить существующую проблему недопустимо высокой индуктивности между транзисторами, преобразующими напряжение в используемой схеме.

На фиг. 11 показана блок-схема, представляющая мобильное электронное устройство 1100, соответствующее одному из вариантов осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг. 11, мобильное электронное устройство 1100 включает подложку 1110, на которой располагаются микропроцессор 1120 и устройство 1130 хранения энергии, связанное с микропроцессором 1120. Устройство 1130 хранения энергии может располагаться либо на подложке 1110 на удалении от микропроцессора 1120, как показано сплошными линиями, либо может располагаться непосредственно на микропроцессоре 1120, как показано пунктирными линиями. В одном из вариантов осуществления изобретения устройство 1130 хранения энергии содержит первую и вторую электропроводящие структуры, отделенные друг от друга электрическим изолятором, где по меньшей мере первая или вторая электропроводящие структуры содержат пористую структуру, содержащую множество каналов. Как пример, этот вариант осуществления изобретения может быть подобен одному или нескольким показанным и описанным здесь вариантам осуществления.

По меньшей мере в некоторых вариантах осуществления изобретения устройство 1130 хранения энергии является одним из множества устройств хранения энергии (которые все представлены на фиг. 11 блоком 1130), содержащихся внутри мобильного электронного устройства 1100. В одном или нескольких из этих вариантов осуществления мобильное электронное устройство 1100 дополнительно содержит переключающую сеть 1140, связанную с устройствами хранения энергии. Когда конденсатор разряжается, он не поддерживает постоянное напряжение, а вместо этого деградирует по экспоненте (в отличие от батареи, где напряжение остается относительно постоянным во время разряда). Переключающая сеть 1140 содержит схему или некоторый другой механизм, который включает и выключает различные конденсаторы, так что поддерживается относительно постоянное напряжение. Например, устройства хранения энергии могут первоначально быть соединены параллельно друг с другом, а затем после падения напряжения до определенного значения подмножество устройств хранения энергии может изменяться переключающей сетью так, чтобы они соединялись последовательно, так чтобы их индивидуальные вклады напряжения могли повышать общее падающее напряжение. В одном из вариантов осуществления изобретения переключающая сеть 1140 может быть реализована с использованием существующей технологии кремниевых устройств, которая использовалась на предшествующем уровне техники (транзисторы, кремниевые управляемые выпрямители (SCR) и т.д.), в то время как в других вариантах осуществления это может быть реализовано с использованием реле или переключателей микроэлектромеханических систем (MEM) (которые, как необходимо отметить, имеют тенденцию к очень низкому сопротивлению).

В некоторых вариантах осуществления изобретения мобильное электронное устройство 1100 дополнительно содержит сеть 1150 датчиков, связанную с устройством 1130 хранения энергии. По меньшей мере в некоторых из вариантов осуществления изобретения каждое из множества устройств хранения энергии будет иметь свой собственный датчик, указывающий определенные поведенческие параметры устройства хранения энергии. Например, датчики могут указывать текущее напряжение, а также текущую скорость разряда, оба из которых являются параметрами, которые могут использоваться переключающей сетью, особенно в случаях, когда используемый диэлектрический материал (или другой электрический изолятор) является не линейным, а имеет диэлектрическую постоянную, меняющуюся в зависимости от напряжения. В этих случаях может быть предпочтительным использовать вместе с сетью датчиков конечный механизм, такой как блок 1160 управления напряжением, который знает особенности поведения диэлектрика и реагирует соответственно. Блок управления напряжением, который знает, как ведет себя диэлектрик, может компенсировать любую нелинейность последнего. Температурный датчик 1170, связанный с устройствами 1130 хранения энергии, также может быть использован, чтобы считывать температуру (или другие связанные с безопасностью параметры). В некоторых вариантах осуществления изобретения мобильное электронное устройство 1100 дополнительно содержит одно или более из следующего: дисплей 1181, антенну/радиочастотные элементы 1182, сетевой интерфейс 1183, устройство 1184 ввода данных (например, клавиатура или сенсорный экран), микрофон 1185, камеру 1186, видеопроектор 1187, приемник 1188 системы глобального позиционирования (GPS) и т.п.

В одном из вариантов осуществления устройство (например, микроэлектронное устройство, мобильное электронное устройство) содержит подложку, микропроцессор на подложке и устройство хранения энергии, связанное с микропроцессором. Устройство хранения энергии содержит первую электропроводящую структуру, вторую электропроводящую структуру и электрический изолятор для отделения проводящих структур друг от друга. По меньшей мере первая электропроводящая структура или вторая электропроводящая структура может содержать поликристаллическую подложку, имеющую размер зерна, являющийся по меньшей мере размером, при котором фононное рассеяние начинает доминировать над рассеянием на границах зерен. В некоторых вариантах осуществления размер составляет приблизительно 200-500 нм, приблизительно 250-350 нм, приблизительно 300 нм или приблизительно 273 нм. В одном из вариантов осуществления поликристаллическая подложка может содержать пористый слой, имеющий множество каналов, где каждый канал имеет выход на пористую поверхность поликристаллической подложки. Поликристаллическая подложка содержит по меньшей мере одно из кремния, карбида кремния, германия, углерода, олова или любого другого материала, который может быть подвергнут анодному травлению с получением пористых структур в материале. Поликристаллическая подложка может иметь толщину менее одного миллиметра.

Термины ″первый″, ″второй″, ″третий″, ″четвертый″ и т.п. в описании и в формуле изобретения, если таковые имеются, используются для разделения схожих элементов и не обязательны для описания конкретного последовательного или хронологического порядка. Следует понимать, что термины, используемые таким образом, являются взаимозаменяемыми при соответствующих обстоятельствах, так что варианты осуществления изобретения, описанные здесь, к примеру, способны работать и в других последовательностях, нежели те, которые показаны или как-то иначе описаны в настоящем документе. Точно так же, если способ описывается здесь как содержащий последовательность этапов, порядок таких этапов, как он представлен в настоящем документе, не обязательно является единственно возможным порядком, в котором можно осуществлять такие этапы, и некоторые из указанных этапов, возможно, могут быть пропущены и/или некоторые другие этапы, не описанные в настоящем документе, могут, возможно, быть добавлены к такому способу. Кроме того, термины ″содержит″, ″включает″, ″имеет″ и любые их варианты предназначены для неисчерпывающего перечисления, так чтобы процесс, способ, изделие или устройство, содержащие перечень элементов, не обязательно ограничивались этими элементами, но могли содержать и другие элементы, не указанные явным образом в перечне или не присущие такому процессу, способу, изделию или устройству от природы.

Термины ″левый″, ″правый″, ″передний″, ″задний″, ″верхний″, ″нижний″, ″над″ и ″под″ и т.п. в описании и в формуле изобретения, если они имеются, используются только для целей описания и не обязательно означают постоянные относительные положения элементов. Следует понимать, что термины, используемые таким образом, являются взаимозаменяемыми при определенных обстоятельствах, так что описанные здесь варианты осуществления изобретения, например, могут работать и в ориентациях, отличных от проиллюстрированных или иным образом описанных в настоящем документе. Термин ″соединенный″, как он используется в настоящем документе, определяется как прямо или косвенно соединенный электрическим или неэлектрическим способом. Объекты, описанные здесь как ″соседствующие″ друг с другом, могут находиться в физическом контакте друг с другом, быть в непосредственной близости друг от друга или находиться в одной и той же общей области или зоне нахождения друг друга, как следует из контекста, в котором используется фраза. Выражения ″в одном из вариантов осуществления″ в данном документе не обязательно все относятся к одному и тому же варианту осуществления.

Хотя настоящее изобретение описано здесь со ссылкой на конкретные варианты осуществления, специалисты в данной области техники должны понимать, что, не отступая от сущности или объема изобретения, в нем можно сделать различные изменения. Соответственно, раскрытие вариантов осуществления изобретения предназначено для иллюстрации объема изобретения и не предназначено для его ограничения. Подразумевается, что объем изобретения должен ограничиваться только в том объеме, как указано в прилагаемой формуле изобретения. Например, любому специалисту в данной области техники должно быть понятно, что устройства хранения энергии и сопутствующие структуры и способы, обсуждаемые в настоящем документе, могут быть воплощены во множестве вариантов осуществления и что предшествующее обсуждение некоторых из вариантов осуществления не обязательно дает полное описание всех возможных вариантов осуществления изобретения.

Кроме того, преимущества, другие выгоды и методы решения проблем были описаны в отношении конкретных вариантов осуществления изобретения. Тем не менее выгоды, преимущества и методы решения проблем, а также любой элемент или элементы, способные вызвать выгоды, преимущества или методы решения, которые должны появиться или стать более явными, не должны толковаться как критичные, обязательные или существенные признаки или элементы для любого или всех из пунктов формулы изобретения.

Кроме того, раскрытые здесь варианты осуществления и ограничения не предназначены для передачи в общественное достояние в тех случаях, когда эти варианты осуществления и/или ограничения: (1) не указаны явно в формуле изобретения; и (2) являются или потенциально являются эквивалентами раскрываемых в формуле изобретения элементов и/или ограничений согласно доктрине эквивалентов.