Устройство накопления заряда, способ его изготовления, способ изготовления электропроводящей структуры для устройства, мобильное электронное устройство, использующее устройство, и микроэлектронное устройство, содержащее устройство

Авторы патента:

ГАРДНЕР Дональд С. (US)

ХАННА Эрик К. (US)

ЧЭН Жун (US)

ГУСТАФСОН Джон Л. (US)

H01G4/005 - электроды

H01G11/24 - Конденсаторы; конденсаторы, выпрямители тока, детекторы, переключатели, светочувствительные или термочувствительные устройства электролитического типа (выбор специальных материалов в качестве диэлектриков H01B 3/00; конденсаторы с потенциальным барьером, на которых имеет место скачкообразное изменение потенциала, или с поверхностным барьером H01L 29/00)

Владельцы патента RU 2553981:

ИНТЕЛ КОРПОРЕЙШН (US)

Предложен двухслойный конденсатор (EDLС), который имеет первую (110) и вторую (120) электропроводящие структуры, отделенные друг от друга разделителем (130). По меньшей мере одна из первой и второй электропроводящих структур включает в себя пористую структуру, содержащую множество каналов (111, 121) с отверстием на поверхности пористой структуры, при этом каждый из каналов имеет отверстие (112, 122) на поверхности (115, 125) пористой структуры. В другом варианте изобретения устройство накопления заряда включает в себя множество наноструктур (610) на подложке (605), электролит (650), находящийся в физическом контакте по меньшей мере с некоторыми наноструктурами, материал (615), имеющий диэлектрическую проницаемость по меньшей мере 3,9, расположен между электролитом и наноструктурами. Наноструктуры в заявленном устройстве выполнены из кремния, кремний-германия, карбида кремния, алюминия, вольфрама, меди. Предложен также способ изготовления электропроводящей структуры и способ изготовления устройства накопления заряда. Снижение габаритов и веса устройства, увеличение площади поверхности электрода и его емкости является техническим результатом изобретения. 5 н. и 30 з.п. ф-лы, 11 ил.

Область техники, к которой относится изобретение

Раскрытые варианты осуществления настоящего изобретения относятся, в общем, к устройствам накопления заряда, а более конкретно - к конденсаторам, включающим в себя электрические двухслойные конденсаторы.

Уровень техники

Устройства для накопления заряда, включающие в себя аккумуляторы и конденсаторы, широко используются в электронных устройствах. В частности, конденсаторы используются в широком диапазоне приложений - от электрических схем и устройств электроснабжения до регулировки напряжения и замены аккумуляторов. В последнее время технология производства конденсаторов продолжала развиваться, и было разработано несколько типов конденсаторов. Например, электрические двухслойные конденсаторы (EDLC), которые также (среди прочих названий) называются ультраконденсаторами (или суперконденсаторами), характеризуются высокой способностью накопления энергии, высокой плотностью мощности, малыми габаритами и весом и, таким образом, являются многообещающими кандидатами для применения в ряде приложений.

Краткое описание чертежей

Раскрытые варианты осуществления станут более понятны после прочтения подробного описания, изложенного ниже со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:

фиг.1 и 2 - виды в поперечном сечении устройства для накопления заряда, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения;

фиг.3 - изображение, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа, в поперечном сечении части пористого кремния, согласно варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг.4 - изображение в поперечном сечении электрического двойного слоя внутри канала устройства для накопления заряда, согласно варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг.5 - вид в поперечном сечении канала внутри устройства для накопления заряда, показывающий различные слои и структуры, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения;

фиг.6 - вид в поперечном сечении устройства для накопления заряда, согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг.7 - блок-схема алгоритма, иллюстрирующая способ изготовления электропроводящей структуры для устройства для накопления заряда, согласно варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг.8 - вид в перспективе относительно плотной электропроводящей структуры, согласно варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг.9 - блок-схема алгоритма, иллюстрирующая способ изготовления устройства для накопления заряда, согласно варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг.10 - блок-схема, изображающая мобильное электронное устройство, согласно варианту осуществления настоящего изобретения; и

фиг.11 - блок-схема, изображающая микроэлектронное устройство, согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

Подробное описание изобретения

Для простоты и ясности иллюстрации на фигурах изображен общий способ изготовления, поэтому подробное описание хорошо известных особенностей и технологий можно опустить во избежание ненужного усложнения при обсуждении описываемых вариантов осуществления настоящего изобретения. Кроме того, элементы на фигурах необязательно изображены в масштабе. Например, размеры некоторых элементов на фигурах могут быть увеличены относительно других элементов, что способствует улучшению понимания вариантов осуществления настоящего изобретения. Одинаковые ссылочные позиции на разных фигурах обозначают одинаковые элементы, хотя сходные ссылочные позиции необязательно могут обозначать сходные элементы.

Термины "первый", "второй", "третий", "четвертый" и т.п., встречающиеся в описании и формуле изобретения, используются при необходимости для того, чтобы различить между собой сходные элементами, и необязательно для описания конкретной последовательности или хронологического порядка. Следует понимать, что термины, используемые таким образом, являются взаимозаменяемыми при соответствующих обстоятельствах, поэтому варианты осуществления настоящего изобретения, описанные здесь, допускают, например, работу в последовательностях, которые отличаются от последовательностей, иллюстрированных или же описанных здесь. Подобным образом, если способ описан здесь как содержащий последовательность этапов, порядок таких этапов, как представлено здесь, необязательно является только порядком, в котором можно выполнить такие этапы, и определенные из изложенных этапов можно пропустить и/или определенные другие этапы, не описанные здесь, можно добавить к способу. Кроме того, термины "содержать", "включать в себя", "иметь" или любые их разновидности предназначены для охвата неисключающего включения, поэтому процесс, способ, изделие или устройство, которое содержит перечень элементов, необязательно ограничивается этими элементами, а может включать в себя другие элементы, неопределенно перечисленные или присущие такому процессу, способу или устройству.

Термины "слева", "справа", "спереди", "сзади", "сверху", "снизу", "над", "под" и т.п., используемые в описании и формуле изобретения, используются при необходимости в целях описания и необязательны для описания постоянных относительных позиций. Следует понимать, что термины, используемые таким образом, являются взаимозаменяемыми при соответствующих обстоятельствах, поэтому варианты осуществления настоящего изобретения, описанные здесь, допускают, например, работу в других расположениях, по сравнению с теми, которые иллюстрированы или же описаны здесь. Термин "связанный", который используется здесь, определяется как непосредственно или косвенно связанный с электрическим или неэлектрическим способом. Описанные здесь предметы, такие как "расположенные рядом" друг к другу, могут находиться в физическом контакте друг с другом или в непосредственной близости друг от друга или в одной и той же общей области или зоне, относящейся в равной степени друг к другу, при необходимости для контекста, в котором используется фраза. Наличие фразы "в одном варианте осуществления", которая используется здесь, необязательно полностью относится к одному и тому же варианту осуществления.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения, устройство для накопления заряда содержит первую электропроводящую структуру и первую электропроводящую структуру, которые отделены друг от друга электрическим изолятором, в котором, по меньшей мере, одна из первой электропроводящей структуры и второй электропроводящей структуры содержит пористую структуру, содержащую многочисленные каналы, и в котором каждый один из каналов имеет отверстие на поверхности пористой структуры.

Ультраконденсаторы и устройства для накопления заряда с большой площадью поверхности можно использовать в микроэлектронике для хранения электрической энергии, для электрической развязки в электрических цепях, в качестве части схемы энергоснабжения, в качестве элемента запоминающего устройства и для множества других функций. Преимущество ультраконденсаторов над аккумуляторами заключается в том, что ультраконденсаторы можно быстро заряжать и разряжать, так как в основе накопления энергии не используются химические реакции, и их свойства, по существу, не ухудшаются на протяжении всего срока службы - даже при быстром заряде и разряде. К тому же, ультраконденсаторы менее чувствительны к температуре по сравнению с аккумуляторами.

Ведущей тенденцией развития ультраконденсаторов является то, что они, по-видимому, со временем достигнут более значительной плотности энергии (как в пересчете количества энергии на единицу массы (кг), так и количества энергии на единицу объема (л)) по сравнению с аккумуляторами. Таким образом, ультраконденсаторы можно использовать совместно с аккумуляторами для того, чтобы защитить аккумуляторы от выбросов высокой мощности (таким образом, продлевая срок службы аккумулятора). Кроме того, электроды аккумуляторов можно выполнить более тонкими, если ультраконденсаторы смогут удовлетворить высокие требования к мощности. Альтернативно, возможно имеет смысл рассматривать ультраконденсаторы в качестве замены аккумуляторов. Вариант осуществления настоящего изобретения позволяет увеличить плотность энергии ультраконденсаторов на несколько порядков, например, за счет увеличения площади поверхности электрода, с помощью наноматериалов, покрытых диэлектрическими материалами с высоким показателем диэлектрической проницаемости (high-k), как будет подробно обсуждено ниже.

Далее, со ссылкой на чертежи, на фиг.1 и 2 изображены виды в поперечном сечении устройства 100 для накопления заряда, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг.1 и 2, устройство 100 для накопления заряда содержит электропроводящую структуру 110 и электропроводящую структуру 120, которые отделены друг от друга электрическим изолятором. Этот электрический изолятор может принимать одну из различных форм, которые более подробно будут обсуждены ниже. По меньшей мере, одна из электропроводящих структур 110 и 120 содержит пористую структуру, содержащую многочисленные каналы, каждый из которых имеет отверстия на поверхности пористой структуры. В изображенных вариантах осуществления обе электропроводящая структура 110 и электропроводящая структура 120 содержат такую пористую структуру. Соответственно, электропроводящая структура 110 содержит каналы 111 с отверстиями 112 на поверхности 115 соответствующей пористой структуры, и электропроводящая структура 120 содержит каналы 121 с отверстиями 122 на поверхности 125 соответствующей пористой структуры. В варианте осуществления, где только одна из электропроводящих структур 110 и 120 содержит пористую структуру с многочисленными каналами, другая электропроводящая структура может представлять собой, например, металлический электрод или поликремневую структуру.

Возможны различные конфигурации устройства 100 для накопления заряда. Например, в варианте осуществления, показанном на фиг.1, устройство 100 для накопления заряда содержит две отдельные пористые структуры (электропроводящую структуру 110 и электропроводящую структуру 120), которые были присоединены друг к другу лицевыми сторонами с помощью промежуточного сепаратора 130. В качестве другого примера, в варианте осуществления, показанном на фиг.2, устройство 100 для накопления заряда содержит одиночную планарную пористую структуру, в которой первая секция (электропроводящая структура 110) отделена от второй секции (электропроводящей структуры 120) с помощью канавки 231, содержащей сепаратор 130. Одна из электропроводящих структур будет представлять собой положительную сторону, а другая электропроводящая структура будет представлять собой отрицательную сторону. Сепаратор 130 позволяет осуществлять перенос ионов, но не допускает переноса жидкости, которая будет находиться в электролите.

На фиг.2 показана маленькая перемычка материала, соединяющая электропроводящую структуру 110 и электропроводящую структуру 120. Если эта перемычка остается безадресной, то она может действовать как электрическая перемычка между двумя электропроводящими структурами. Однако существует несколько возможных решений. Например, перемычку можно удалить с использованием операции шлифования. Альтернативно, электропроводящие структуры можно сформировать в сильнолегированном верхнем слое или в области пластины, в то время как канавка продолжается вниз до базовой слаболегированной подложки, которая не является очень хорошим проводником. В противном случае можно использовать структуру "кремний на диэлектрике".

В качестве примера, пористую структуру электропроводящих структур 110 и 120 можно создать с помощью процесса влажного травления, в котором жидкий травитель, который наносится на поверхность электропроводящих структур, вытравливает участки электропроводящей структуры таким способом, который, по меньшей мере, частично подобен способу, в котором вода способна прорезать каналы в камне. Вот почему каждый один из каналов имеет отверстие на поверхности электропроводящей структуры; причем этот способ жидкого травления не позволяет создавать полностью закрытые полости, то есть полости без отверстия в поверхности, подобно пузырькам воздуха внутри камня в пределах пористой структуры. Это не означает, что эти отверстия нельзя закрыть другими материалами или же закрыть из-за наличия или добавления других материалов - что фактически может иметь место в нескольких вариантах осуществления - но то, закрыты или нет описанные отверстия на поверхности, является признаком каждого канала в каждой пористой структуре, согласно, по меньшей мере, одному варианту осуществления настоящего изобретения. (Один вариант осуществления, в котором можно закрыть отверстие, представляет собой вариант осуществления, в котором слой эпитаксиального кремния, в качестве местоположения для схемы или других межсоединений, растет поверх каналов.) Пористые структуры, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения, можно изготовить с помощью очень точного и постоянного управления размером поры (в противоположность активному углероду). Это позволяет быстро зарядить (размер поры можно оптимизировать для того, чтобы он был совместим с размером ионов), а также повысить емкость (без зон, которые не будут функционировать). Это также позволило бы получить узкое распределение колебания напряжения.

В связи с этим обсуждением следует отметить, что пористый углерод, сформированный способом, который отличается от описанного выше, имеет другую структуру, то есть структуру, которая характеризуется полностью закрытыми полостями, не имеющими отверстий на поверхности. В результате, пористый углерод не подходит, или, по меньшей мере, нежелателен, по меньшей мере, для определенных вариантов осуществления настоящего изобретения (хотя следует упомянуть здесь, что некоторые другие варианты осуществления (такие, например, как толстая электропроводящая структура, описанная ниже) может содержать полностью закрытые полости. Следует также отметить, что изображения пористых структур на фиг.1 и фиг.2 являются сильно идеализированными в том смысле, ссылаясь только на один пример, что все каналы 111 и 121 показаны только в виде продолжающихся в вертикальном направлении. В действительности каналы будут разветвляться в многочисленных направлениях с образованием сложной, беспорядочной картины, которая может выглядеть до некоторой степени как пористая структура, показанная на фиг.3.

На фиг.3 представлено изображение, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM), в поперечном сечении, показывающее часть пористого кремния 300, согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Видно, что пористый кремний 300 содержит многочисленные каналы 311, некоторые из которых имеют вид продолговатых каналов в вертикальном направлении, и некоторые из которых выглядят как приблизительно круглые отверстия. Последняя группа представляет собой каналы, для которой видимый участок сориентирован горизонтально. Следует понимать, что каналы 311 должны быть, вероятно, скручены и повернуты вдоль своей длины таким образом, чтобы одиночный канал мог иметь как вертикальные, так и горизонтальные участки, а также участки, которые не являются полностью вертикальными или полностью горизонтальными, но находятся где-то в промежуточном положении.

С помощью подходящего травителя можно выполнить пористые структуры, имеющие описанные характеристики из почти любого проводящего материала. В качестве примера, пористую кремниевую структуру можно создать путем травления кремниевой подложки с помощью смеси фтористоводородной кислоты и этилового спирта. В большинстве случаев, пористый кремний и другие пористые структуры можно сформировать с помощью таких процессов, как анодирование и неоднородное химическое травление.

Кроме пористого кремния, который был уже упомянут, некоторые другие материалы, которые могут особенно хорошо подходить для устройств для накопления заряда, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения, представляют собой германий и пористое олово. Возможные преимущества использования пористого кремния включают в себя совместимость их с существующей кремниевой технологией. Пористый германий имеет подобные преимущества в результате использования существующей технологии для этого материала и по сравнению с кремнием обладает дополнительным возможным преимуществом в том, что его собственный оксид (оксид германия) является водорастворимым и поэтому легко удаляемым. (Собственный оксид, который образуется на поверхности кремния, может улавливать заряд, что представляет собой нежелательный результат в особенности там, где пористость кремния выше приблизительно 20 процентов.) Пористый германий также в высокой степени совместим с кремниевой технологией. Возможные преимущества использования пористого олова, которое представляет собой материал с нулевой запрещенной зоной, включают в себя повышенную проводимость по отношению к некоторым другим проводящим и полупроводниковым материалам. Другие материалы можно также использовать для пористой структуры, включая карбид кремния, сплавы, такие как сплав кремния и германия, и металлы, такие как медь, алюминий, никель, кальций, вольфрам, молибден и марганец. Например, сплав кремний-германий, будет преимущественно проявлять гораздо меньшее различие по объему, чем структура чистого германия.

Варианты осуществления настоящего изобретения могут использовать очень узкие каналы. В некоторых вариантах осуществления (которые будут описаны более подробно ниже), в каналы вводят электролит. Молекулы в электролите могут быть порядка 2 нанометра (нм). Поэтому, по меньшей мере, в одном варианте осуществления, наименьший размер каждого одного из каналов составляет не менее чем 2 нм для того, чтобы электролит мог протекать свободно по всей длине каналов.

В том же самом и другом варианте осуществления, наименьший размер каждого одного из каналов не больше чем 1 микрометра (мкм). Этот верхний предел по размеру для наименьшего размера каналов можно выбрать для практических вариантов осуществления для того, чтобы максимизировать площадь поверхности пористых структур этих вариантов осуществления. Более маленькие, например, более узкие каналы приводят к увеличению общей площади поверхности для каждой электропроводящей структуры, так как большое число таких более узких каналов могут соответствовать электропроводящей структуре с заданным размером. Так как емкость пропорциональна площади поверхности, каналы, ограниченные по размеру описанным способом, будут, вероятно и преимущественно, приводить к конденсаторам с повышенной емкостью. Другие размеры каналов, например их длины, можно также отрегулировать для того, чтобы повысить площадь поверхности (или для достижения некоторого другого результата) - то есть более длинные каналы могут быть предпочтительными по сравнению с более короткими каналами, но с другой стороны они являются, вероятно, менее критическими, чем наименьший размер, обсужденный выше. В других вариантах осуществления, наименьший размер каналов может быть больше чем 1 мкм - возможно порядка 10 мкм или более. Несмотря на то, что это приведет к уменьшению площади поверхности, такие более широкие каналы могут обеспечить больше внутреннего пространства, в котором при необходимости можно вырастить или же сформировать дополнительные структуры. По меньшей мере, один такой вариант осуществления обсужден ниже.

Устройство 100 для накопления заряда дополнительно содержит электропроводящее покрытие 140, по меньшей мере, на участке пористой структуры и, по меньшей мере, в некоторых каналах 111 и/или каналах 121. Такое электропроводящее покрытие может быть необходимым для того, чтобы сохранить или повысить проводимость пористой структуры - особенно там, где пористость структуры превышает приблизительно 20 процентов. В качестве примера, электропроводящее покрытие 140 может представлять собой силицид. В качестве другого примера, электропроводящее покрытие 140 может представлять собой покрытие из металла, такого как, например, алюминий, медь и вольфрам, или других электрических проводников, таких как нитрид вольфрама, нитрид титана и нитрид тантала. Каждый из перечисленных материалов имеет преимущество, связанное с использованием в существующих технологиях КМОП. Другие металлы, такие как никель и кальций, можно также использовать в качестве электропроводящего покрытия 140. Эти материалы можно применять с использованием процессов, таких как нанесение электролитического покрытия, химическое осаждение из паровой фазы (CVD) и/или осаждение атомных слоев (ALD). Следует отметить здесь, что процесс CVD вольфрама является самоограничивающимся, то есть вольфрам образует пару монослоев, а затем перестает расти. Полученное в результате тонкое электропроводящее покрытие представляет собой точно то, что необходимо для вариантов осуществления устройства 100 для накопления заряда, так как оно никогда не будет таким толстым, чтобы перекрыть каналы и предотвратить проникновение газа CVD глубже в эти каналы. При необходимости, пористую структуру можно также легировать с помощью легирующей примеси, предназначенной для повышения электрической проводимости структурах (бор, мышьяк или фосфор, например, для пористого кремния; мышьяк или галий, например, для пористого германия).

В одном варианте осуществления, электрический изолятор, отделяющий электропроводящую структуру 110 от электропроводящей структуры 120, содержит диэлектрический материал. Например, можно изготовить конденсатор с очень высокой емкостью с использованием электрода из пористого кремния, оксидированного диоксидом кремния (SiO₂) наряду с металлом или поликремневой структурой в качестве другого электрода. Очень большая площадь поверхности пористого кремния дает главный вклад в высокую емкость, которую можно достигнуть с помощью такого конденсатора.

Емкость можно повысить еще больше (даже значительно повысить) путем размещения электролита 150 в физическом контакте с пористой структурой. Электролит 150 (а также другие электролиты, описанные здесь) представлен на чертежах с использованием случайного расположения кружочков. Это изображение служит для передачи идеи того, что электролит представляет собой вещество (жидкое или твердое), содержащее свободные ионы. Кружочки, которые выбраны для удобства и не предназначены для какого-либо ограничения в отношении компонентов электролита или качества электролита, включая любое ограничение по отношению к размеру, форме или количеству ионов. Типичный, хотя и не единственный, тип электролита, который можно использовать, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения, представляет собой ионный раствор.

В варианте осуществления, где используется электролит 150, электрический изолятор, отделяющий электропроводящую структуру 110 от электропроводящей структуры 120, может представлять собой двойной электрический слой, который создается путем наличия электролита. Этот двойной электрический слой, изображенный схематично на фиг.4, может дополнять или заменять диэлектрический материал, описанный выше. Как показано на фиг.4, двойной электрический слой (EDL) 330 был сформирован в пределах одного из каналов 111. EDL 330 состоит из двух слоев ионов, один из которых представляет собой электрический заряд боковых стенок канала 111 (изображенного на фиг.4 как положительного, но который также может быть отрицательным), и другой из которых образован с помощью свободных ионов, находящихся в электролите. EDL 330 электрически изолирует поверхность, таким образом, обеспечивая разделение заряда, необходимое для функционирования конденсатора. Большая емкость и, следовательно, возможность накопления энергии электролитическими ультраконденсаторами возникает благодаря маленькому (приблизительно 1 нм) разделению между ионами электролита и электродом.

Следует отметить, что когда устройство 100 для накопления заряда разряжается, то EDL исчезает. Это означает, что при некоторых обстоятельствах (например, где EDL заменяет диэлектрический слой), электропроводящие структуры 110 и 120 могут в течение некоторого времени оставаться неотделенными друг от друга электрическим изолятором - по меньшей мере, ни одного осуществленного в EDL. В данном случае ссылки на "первую электропроводящую структуру и вторую электропроводящую структуру, которые отделены друг от друга электрическим изолятором", в частности, включают в себя ситуации, где, как описано выше, электрический изолятор присутствует только в случае, когда устройство для накопления заряда электрически заряжено.

В некоторых вариантах осуществления, электролит 150 представляет собой органический электролит. В качестве одного примера, электролит может быть жидким или твердым раствором органических материалов, таких как тетрафторборат тетраэтиламмония в ацетонитриле. Другие примеры включают в себя растворы на основе борной кислоты, бората натрия или слабоорганические кислоты. Альтернативно, (неорганическую) воду можно использовать в качестве электролита, но это может представлять угрозу безопасности в том, что вода может закипать и образовывать газ, если температура конденсатора превышает определенный уровень, что может привести к взрыву конденсатора.

Как упомянуто выше, высокая плотность энергии является необходимой характеристикой конденсатора. Однако типичный двойной электрический слой может выдержать только относительно низкое напряжение, может быть 2 или 3 вольта, и это ограничивает плотность энергии, которую можно достигнуть на практике. Для того чтобы повысить достижимую плотность энергии, варианты осуществления настоящего изобретения включают в себя материалы, имеющие относительно высокие напряжения пробоя, увеличивая тем самым общее напряжение пробоя конденсатора. В качестве примера, материалы, которые увеличивают напряжение пробоя, могут представлять собой хорошие электрические изоляторы, или они могут быть очень электрохимически инертными (например, ртуть), если эти материалы также обладают высокой диэлектрической проницаемостью (в этом случае они называются здесь материалами с высоким показателем диэлектрической проницаемости "high-k materials"), то материалы могут иметь дополнительные положительные эффекты, связанные с увеличением емкости и уменьшением тока утечки. Альтернативно, для этих целей можно использовать отдельные слои или материалы. То есть, один материал для повышения напряжения пробоя наряду с отдельным материалом с высоким показателем диэлектрической проницаемости. Устройства для накопления заряда, использующие материалы с высоким напряжением пробоя в связи с пористыми структурами и органическими электролитами, имеют гораздо большую плотность энергии, чем устройства для накопления заряда без таких компонентов.

Материалом с высокой диэлектрической проницаемостью обычно считается материал, у которого диэлектрическая проницаемость больше, чем диэлектрическая проницаемость SiO₂, то есть больше чем 3,9. Поскольку в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения в качестве диэлектрического покрытия можно использовать SiO₂, SiO₂ (а также любые другие материалы, имеющие диэлектрическую проницаемость 3,9) очевидно распространяются на всю область применения "материалов с высокой диэлектрической проницаемостью" ("high-k materials"), как определено здесь. В то же самое время, следует отметить, что в других вариантах осуществления можно также использовать материалы со значительно более высокими значениями диэлектрической проницаемости. Несколькими примерами материалов с высокой диэлектрической проницаемостью могут служить нитрид кремния (SiN), оксинитрид кремния (SiO_xN_y), оксид гафния (HfO_x), оксид циркония (ZrO_x), оксид тантала (TaO_x), оксид титана (TiO_x) или BaSrTiO₃, образованные с использованием технологий ALD, CVD, термического выращивания или жидкостной химической обработки, и каждый из которых имеет диэлектрическую проницаемость приблизительно порядка 20-50. Можно также использовать более экзотические материалы с еще более высокими диэлектрическими проницаемостями (значения которых указаны ниже в квадратных скобках после каждого материала). Например, они включают в себя (LaSr)₂NiO₄ [10⁵], CaTiO₃ [10,286] и родственные материалы, такие как CaCu₃Ti₄O₁₂ [10,286] и Bi₃Cu₃Ti₄O₁₂ [1,871]. В некоторых вариантах осуществления, при необходимости можно выбрать материал с высокой диэлектрической проницаемостью, имеющей диэлектрическую проницаемость больше чем у электролита (часто приблизительно равную или равную 20).

Как предложено в результате вышеизложенного обсуждения материалов с высокой диэлектрической проницаемостью, в некоторых вариантах настоящего изобретения, устройство 100 для накопления заряда дополнительно содержит материал, имеющий диэлектрическую проницаемость, по меньшей мере, 3,9. На фиг.5 изображен вид в поперечном сечении одного из каналов 111 устройства 100 для накопления заряда, согласно варианту осуществления настоящего изобретения, устройство 100 для накопления заряда содержит материал 515 с высокой диэлектрической проницаемостью, расположенный между электролитом 150 и пористой структурой 110. (EDL не показан на фиг.5 во избежание ненужного усложнения чертежа.)

Как упомянуто выше, варианты осуществления настоящего изобретения позволяют повысить емкость устройства для накопления заряда путем увеличения площади поверхности и/или путем уменьшения расстояния, разделяющего проводящие структуры, и в предыдущих абзацах были раскрыты различные технологии для достижения этих результатов, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения. Согласно дополнительным вариантам осуществления, площадь поверхности конденсатора можно еще больше увеличить за счет наличия наноструктур в пределах, по меньшей мере, некоторых каналов устройства для накопления заряда. Используемый здесь термин "наноструктуры" относится к структурам, имеющим, по меньшей мере, один размер порядка от одного нанометра до нескольких десятков нанометров. Такие наноструктуры могут иметь правильную или неправильную форму. "Наночастицы" представляют собой приблизительно сферические наноструктуры. "Нанопроводники" представляют собой твердые, приблизительно цилиндрические наноструктуры. "Нанотрубки" представляют собой наноструктуры, которые также имеют тенденцию быть приблизительно цилиндрическими, но отличаются от нанотрубок тем, что они образуют полые трубки. Углерод выглядит по своим возможностям уникальным для образования нанотрубок; причем наноструктуры, выполненные из этих материалов, образуют нанопроводники.

В соответствии с вышеизложенным обсуждением, и как показано на фиг.5, канал 111 содержит наноструктуры 535. В качестве примера, они могут представлять собой наночастицы (возможно в растворе изопропилового спирта) или нанопроводники из любого подходящего материала (например, кремния) или комбинации материалов (например, кремний-германий с кремниевой сердцевиной или германиевой сердцевиной), углеродные нанотрубки, углеродные нанотрубки, покрытые кремнием или т.п. Подобно каналам 111 и 121, а также другим участкам пористой структуры, некоторые (или все) наноструктуры 535 могут быть, в одном варианте осуществления покрыты или частично покрыты электропроводящим покрытием 540. Как упомянуто выше, это покрытие должно быть хорошим электрическим проводником (например, соответствующим металлом, силицидом или т.п.). По меньшей мере, некоторые наноструктуры могут содержать легирующую примесь для того, чтобы дополнительно повысить их электрическую проводимость. Дополнительно, в некоторых вариантах осуществления, по меньшей мере, некоторые наноструктуры 535 покрыты материалом 545, который предотвращает электрохимическую реакцию между наноструктурами 535 и электролитом 150. Материал 545 увеличивает напряжение пробоя устройства для накопления заряда. В качестве одного примера, материал 545 может принимать форму монослоя ртути или другого жидкого металла наподобие галлия или сплава галлий-индий-олово на поверхности наноструктур 535 (или возможно поверх электропроводящего покрытия 540, где присутствует такое покрытие).

Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения, далее со ссылкой на фиг.6 будет обсуждено устройство 600 для накопления заряда. Как показано на фиг.6, устройство 600 для накопления заряда содержит множество наноструктур 610 на подложке 605 и дополнительно содержит электролит 650, находящийся в физическом контакте, по меньшей мере, с некоторыми наноструктурами 610. (В изображенном варианте осуществления, наноструктуры 610 представляют собой дискретные наноструктуры, то есть они представляют собой в отличие от каналов пористой структуры, например, автономные структуры, которые не содержатся в пределах другой структуры.) В качестве примера, электролит 650 может быть подобен электролиту 150, который был сначала показан на фиг.1. Наличие электролита 650 создает EDL; то есть устройство 600 для накопления заряда представляет собой EDLC. В качестве примера, первый поднабор из множества наноструктур 610 образует первый электрод устройства 600 для накопления заряда, и второй поднабор из множества наноструктур 610 образует второй электрод устройства 600 для накопления заряда.

Устройство для накопления заряда состоит просто из наноструктур, и электролит может представлять собой ценный ультраконденсатор с высокой емкостью, согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Однако, как обсуждено выше, часто стремятся увеличить напряжение пробоя и/или увеличить емкость и уменьшить ток утечки устройства для накопления заряда и, таким образом, в определенных вариантах осуществления, материал 615 с высокой диэлектрической проницаемостью (напомним из изложенного выше, что он определяется здесь как материал, имеющий диэлектрическую проницаемость, по меньшей мере, 3,9) можно разместить между электролитом 650 и наноструктурами 610. В изображенном варианте осуществления, материал 615 с высокой диэлектрической проницаемостью принимает форму покрытия, по меньшей мере, частично закрывая наноструктуры. В некоторых вариантах осуществления, по меньшей мере, некоторые наноструктуры 610 могут быть дополнительно покрыты материалом 645, который предотвращает электрохимическую реакцию между наноструктурами 610 и электролитом 650. В качестве примера, материал 645 может быть подобен материалу 545, который показан на фиг.5, и поэтому, в одном варианте осуществления, может принимать форму монослоя ртути (или одно из других упомянутых веществ) на поверхности наноструктур.

В определенных вариантах осуществления, наноструктуры 610 представляют собой нанопроводники, образованные из подходящего материала (например, кремния, кремний-германий (SiGe) соединений типа III-V (такие как арсенит галлия (GaAs) или т.п.), среди многих других). В других вариантах осуществления, наноструктуры 610 содержат углеродные нанотрубки.

На фиг.7 изображена блок-схема алгоритма, иллюстрирующая способ 700 изготовления электропроводящей структуры для устройства для накопления заряда, согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

На этапе 710 способа 700 предусматривают раствор, содержащий множество наноструктур в растворителе. В одном варианте осуществления, растворитель представляет собой материал фоторезиста, особенно материал с толстым фоторезистом (например, толщиной порядка 500 мкм). В других вариантах осуществления раствор может содержать растворитель, отличный от фоторезиста. В конкретном варианте осуществления, раствор содержит проводящие наночастицы в изопропиловом спирте. Использование фоторезиста в растворителе может быть преимущественным, потому что он уже и так широко используется в технологии в микроэлектронике. Использование фоторезиста может также упростить формирование рисунка электропроводящих структур, образованных согласно способу 700, если требуется такое формирование рисунка. Другое возможное преимущество использования фоторезиста в качестве растворителя возникает в случае, когда наноструктуры в растворителе представляют собой углеродные нанотрубки. В этом случае, органический характер фоторезиста (на основе углерода) приводит к высокой степени совместимости с органическими нанотрубками. Полученный в результате контакта углерод-углерод в таком растворе приводит к высокой электрической проводимости.

На этапе 720 способа 700 наносят раствор на подложку. В качестве примера, подложку можно изготовить из кремния (возможно из сильнолегированного кремния) или другого материала, имеющего проводящую пленку (например, алюминиевую), осажденную на него, листовое стекло, покрытое тонкой пленкой металла или в более общем случае, любой подходящий материал, который достаточно жесткий, чтобы служить в качестве опоры. В одном варианте осуществления, этап 720 содержит этап, на котором выполняют электропрядение (электроспиннинг) материала фоторезиста на подложке. Электропрядение включает в себя нанесение электрического заряда таким образом, чтобы волокна или другие наноструктуры можно было сориентировать в определенном порядке. В одном варианте осуществления, электропрядение материала фоторезиста позволяет создать множество волокон, по меньшей мере, некоторые из которых имеют длину, по меньшей мере, 500 мкм. Правильное прядение (без электрического заряда) представляет собой альтернативу электропрядению. Любая процедура прядения позволяет выполнить хорошее равномерное нанесение раствора на подложку. Альтернативно, раствор можно просто вылить на подложку без прядения, хотя в этой технологии будет вероятно сложнее контролировать толщину - необходимое количество раствора необходимо очень тщательно измерять и рассчитывать для того, чтобы гарантировать отсутствие заливания края пластины или подложки.

На этапе 730 способа 700 подвергают отжигу раствор и подложку для того, чтобы сформировать электропроводящую структуру. При отжиге вытесняются частицы растворителя, и после этого остается структура, которая будет относительно толстой. В одном варианте осуществления, отжиг может содержать реакцию пиролиза. Если требуется, некоторые частицы растворителя можно вытеснить на предварительной стадии, в результате воздействия пониженной температуры - возможно путем отжига подложки в печи - что позволяет, по меньшей мере, частично сделать раствор твердым.

На этапе 740 способа 700 формируют диэлектрический материал, по меньшей мере, на некоторых наноструктурах для того, чтобы повысить напряжение пробоя. Это можно выполнить, например, путем осаждения алюминия или другого подходящего материала на наноструктуры и последующего окисления алюминия или другого материала.

Выполнение способа 700 приводит к электропроводящей структуре, которая может иметь довольно существенную толщину. Для того чтобы добиться устойчивой емкости, емкостная структура должна иметь изрядную толщину, причем, тот факт, что существующие емкостные структуры основаны на наноструктурах, придется игнорировать. Таким образом, способ 700, в некоторых вариантах осуществления, по меньшей мере, позволяет использовать толстый органический фоторезист (например, SR8), который можно вращать на подложке с толщиной 500 мкм или более. После пиролиза, который вытесняет частицы раствора, остаются наноструктуры, сформированные в виде структуры с большой площадью поверхности с толщиной порядка первоначальной толщины фоторезиста. Изображенная структура описанного типа, показана на фиг.8, где видны наноструктуры 820 на подложке 810. В этом смысле, следует отметить, что фиг.8, как и некоторые предыдущие фигуры, является идеализированным изображением структуры, которая в реальности будет гораздо менее упорядоченной или гораздо более похожа на беспорядочный стог сена или сотовую структуру или т.п.

Альтернативным способом для изготовления толстой электропроводящей структуры является использование нанопечатной литографии. Этот способ включает в себя создание шаблона, который затем физически прижимается к фоторезисту или т.п., что приводит к образованию материала фоторезиста в виде канавок и плоских участков. Этот способ, возможно, не приведет к большой толщине электропроводящей структуры, такой как структура, достижимая с помощью способа 700, но, тем не менее, возможно, приведет к достаточно устойчивой толщине порядка возможно 50-100 мкм.

На фиг.9 изображена блок-схема алгоритма, иллюстрирующая способ изготовления устройства для накопления заряда, согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

На этапе 910 способа 900 получают электропроводящую структуру, имеющую первую секцию и вторую секцию. В одном варианте осуществления, этап 910 содержит этапы, на которых предусматривают раствор, содержащий множество наноструктур в растворителе, наносят раствор на подложку, и подвергают отжигу раствор и подложку для того, чтобы сформировать электропроводящую структуру.

На этапе 920 способа 900 размещают мембрану или другой сепаратор между первой секцией и второй секцией, где сепаратор обеспечивает перенос ионного заряда. В одном варианте осуществления, этап 920 или другой этап дополнительно содержит этап, на котором выполняют травление канавки между первой секцией и второй секцией и размещают сепаратор в канавке.

На этапе 930 способа 900 размещают электролит, находящийся в физическом контакте с электропроводящей структурой.

На фиг.10 изображена блок-схема, представляющая мобильное электронное устройство 1000, согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг.10, мобильное электронное устройство 1000 содержит подложку 1010, на которой размещается микропроцессор 1020 и устройство 1030 для накопления заряда, связанное с микропроцессором 1020. Устройство 1030 для накопления заряда может быть расположено на подложке 1010 отдельно от микропроцессора 1020, как показано сплошными линиями или может быть расположено на самом микропроцессоре 1020, как показано пунктирными линиями. В одном варианте осуществления, устройство 1030 для накопления заряда содержит первую и вторую электропроводящие структуры, расположенные отдельно друг от друга с помощью электрического изолятора, где, по меньшей мере, первая и вторая электропроводящая структура содержат пористую структуру, содержащую многочисленные каналы. В качестве примера, этот вариант осуществления может быть подобен одному или более из вариантов осуществления, показанных на фиг.1-5 и описан в сопроводительном тексте. В другом варианте осуществления, устройство 1030 для накопления заряда содержит множество наноструктур (например, дискретные наноструктуры) и электролит, находящийся в физическом контакте, по меньшей мере, с некоторыми наноструктурами. В качестве примера, этот вариант осуществления может быть похож на один или более вариантов осуществления, показанных на фиг.6 и описанных в сопроводительном тексте.

По меньшей мере, в некоторых вариантах осуществления, устройство 1030 для накопления заряда представляет собой одно из множества устройств для накопления заряда (каждое из которых изображено на фиг.10 с помощью блока 1030), которые содержатся внутри мобильного электронного устройства 1000. В одном или более из этих вариантов осуществления, мобильное электронное устройство 1000 дополнительно содержит сеть 1040 переключателей, связанную с устройствами для накопления заряда. Когда конденсатор разряжается, он не сохраняет постоянного напряжения, но вместо этого оно понижается экспоненциальным образом (в отличие от аккумулятора, где напряжение остается относительно постоянным во время разряда). Сеть 1040 переключателей содержит схему или некоторые другие механизмы, которые включают и выключают различные конденсаторы таким образом, чтобы поддерживать напряжение относительно постоянным. Например, устройства для накопления заряда могут быть первоначально подсоединены друг к другу параллельно, и затем, после снижения определенного количества напряжения, поднабор из устройств для накопления заряда можно изменить с помощью сети переключателей для того, чтобы подсоединить последовательно таким образом, чтобы их отдельный вклад напряжения мог повышать падающее общее напряжение. В одном варианте осуществления, сеть 1040 переключателей можно реализовать с использованием существующей технологии для кремниевых устройств, которые используются в технике (транзисторы, кремниевые управляемые выпрямители (SCR) и т.д.), хотя в других вариантах осуществления ее можно реализовать с использованием реле и переключателей на основе микроэлектромеханических систем (MEMS), которые, как можно заметить, приводят к наличию очень низкого сопротивления.

В некоторых вариантах осуществления, мобильное электронное устройство 1000 дополнительно содержит сеть 1050 датчиков, связанную с устройствами 1030 для накопления заряда. По меньшей мере, в некоторых вариантах осуществления каждое одно из множества устройств для накопления заряда будет иметь свой собственный датчик, который показывает некоторые характерные параметры устройства для накопления заряда. Например, датчики могут показывать существующие уровни напряжений, а также постоянную характеристику разряда, каждая из которых представляет собой параметры, которые можно использовать с помощью сети переключателей - особенно в случаях, где используемый диэлектрический материал (или другой электрический изолятор) не является линейным, а скорее имеет диэлектрическую проницаемость, которая изменяется в зависимости от напряжения. В этих случаях преимуществом является то, чтобы они включали в себя наряду с сетью датчиков конечные автоматы, такие как блок 1060 управление напряжением, который имеет информацию о том, каким является поведение диэлектрика и, соответственно, на что он реагирует. Блок управления напряжением, который имеет информацию относительно того, как ведет себя диэлектрик, может компенсировать любую нелинейность. Датчик 1070 температуры, связанный с устройствами 1030 для накопления заряда, может также быть включен для того, чтобы измерять температуру (или другие параметры, которые относятся к безопасной работе). В определенных вариантах осуществления настоящего изобретения, мобильное устройство 1000 дополнительно содержит одно или более из: дисплей 1081, антенные/РЧ-элементы 1082, сетевой интерфейс 1083, устройство 1084 ввода данных (например, клавиатуру или сенсорный экран), микрофон 1085, камеру 1086, видеопроектор 1087, приемник 1088 глобальной системы позиционирования (GPS) и т.п.

На фиг.11 изображена блок-схема, представляющая собой микроэлектронное устройство 1100, согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг.11, микроэлектронное устройство 1100 содержит подложку 1110, микропроцессор 1120 поверх подложки 1110 и устройство 1130 для накопления заряда, связанное с микропроцессором 1120. Устройство 1130 для накопления заряда может быть расположено на подложке 1110 в стороне от микропроцессора 1120 (например, конденсатор на стороне кристалла), как показано сплошными линиями, или оно может быть расположено на самом микропроцессоре 1120 (например, в наращенном слое поверх микропроцессора), как показано пунктирными линиями. В одном варианте осуществления, устройство 1130 для накопления заряда содержит первую и вторую электрические проводящие структуры, отделенные друг от друга с помощью электрического изолятора, где, по меньшей мере, одна из первой и второй электрически проводящих структур содержит пористую структуру, содержащую многочисленные каналы. В качестве примера, этот вариант осуществления может быть похож на один или более вариантов осуществления, показанных на фиг.1-5 и описанных в сопроводительном тексте. В другом варианте осуществления, устройство 1130 для накопления заряда содержит множество наноструктур (например, дискретные наноструктуры) и электролит, находящийся в физическом контакте, по меньшей мере, с некоторыми наноструктурами. В качестве примера, этот вариант осуществления может быть похож на один или более вариантов осуществления, показанных на фиг.6 и описанных в сопроводительном тексте.

Устройства для накопления заряда, раскрытые здесь, можно, в некоторых вариантах осуществления, использовать в качестве развязывающего конденсатора внутри микроэлектронного устройства 1100 - который меньше и который, по ряду причин, описанных здесь, обеспечивает гораздо более высокую емкость и гораздо низкий импеданс, чем существующие развязывающие конденсаторы. Как уже упоминалось ранее, устройство ИЗО для накопления заряда может быть частью поддерживающей интегральной схемы (ИС) или чипом, или его можно расположить на самом кристалле микропроцессора. В качестве примера, можно, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения, сформировать области пористого кремния (или подобные, как описано выше) на кристалле микропроцессора и затем создать встроенный развязывающий конденсатор с большой площадью поверхности прямо на подложке кристалла микропроцессора. Из-за пористости кремния, встроенный конденсатор будет иметь более высокую площадь поверхности. Другие возможные применения раскрытых устройств для накопления заряда включают в себя использование в качестве элемента запоминающего устройства (где проблемы с размером в z-направлении подходов со встроенным DRAM можно решить путем значительного увеличения емкости в фарадах на единичную площадь) или в качестве компонента преобразователей напряжения в схемах повышения напряжения, возможно для использования с блоками схемы, отдельными микропроцессорными ядрами или т.п.

В качестве примера, более высокие значения емкости могут быть в этом контексте преимущественными, так как части схемы могут затем номинально работать при определенном (относительно низком) напряжении, но затем в местах, где необходимо более высокое напряжение, для того, чтобы увеличить скорость (например, кэш-память, приложения, связанные с вводом/выводом (I/O)), напряжение можно повысить до более высокого значения. Рабочая схема этого вида будет, вероятно, более предпочтительной по сравнению со схемой, в которой более высокое напряжение используется повсюду; то есть в случаях, где только маленькая часть схемы требует повышенного напряжения, было бы предпочтительным повышение напряжения от более низкого исходного напряжения для этой маленькой части схемы, а не понижать напряжение от более высокого исходного значения для большинства схем. Микропроцессоры будущего поколения могут также использовать преобразователи напряжения типа, описанного здесь. Наличие более высокой емкости, доступной для развертывания вокруг пакета или вокруг кристалла микропроцессора, поможет решить существующую проблему чрезвычайно высокой индуктивности между транзисторами, которые передают напряжение по всей схеме.

Хотя настоящее изобретение было описано со ссылкой на специфический вариант осуществления, специалистам в данной области техники будет понятно, что различные изменения можно выполнить без отклонения от сущности или объема настоящего изобретения. Соответственно, раскрытие вариантов осуществления настоящего изобретения предназначено только для иллюстрации объема настоящего изобретения, а не для его ограничения. Предполагается, что объем настоящего изобретения ограничивается только объемом прилагаемой формулы изобретения. Например, специалистам в данной области техники будет очевидно, что устройства для накопления заряда и родственные структуры и способы, которые были обсуждены здесь, можно реализовать в многочисленных вариантах осуществления, и что вышеизложенное обсуждение некоторых из этих вариантов осуществления необязательно представляет собой полное описание всех возможных вариантов осуществления.

Кроме того, выгоды, другие преимущества и решения проблем были описаны по отношению к специфическим вариантам осуществления. Однако выгоды, преимущества, решения проблем и любой элемент или элементы, которые могут привести к возникновению или сделать более определенной любую выгоду, преимущество или решение, не следует рассматривать как критические, необходимые или существенные признаки и элементы какого-либо или всех пунктов формулы изобретения.

Более того, варианты осуществления или ограничения, раскрытые здесь, не предназначены для широкого круга людей согласно доктрине назначения, если варианты осуществления и/или ограничения: (1) прямо не заявлены в формуле изобретения; и (2) представляют собой или потенциально представляют собой эквиваленты определенных элементов и/или ограничений в формуле изобретения согласно доктрине эквивалентов.

1. Устройство накопления заряда, содержащее:
первую электропроводящую структуру и вторую электропроводящую структуру, отделенные друг от друга электрическим изолятором, при этом:
по меньшей мере одна электропроводящая структура из первой электропроводящей
структуры и второй электропроводящей структуры содержит пористую структуру,
содержащую множество каналов; и
каждый из каналов имеет отверстие на поверхности пористой структуры,
причем пористая структура состоит из материала, выбранного из группы,
содержащей кремний, германий, карбид кремния, кремний-германий, алюминий, вольфрам и медь;
при этом устройство накопления заряда дополнительно содержит:
электролит, находящийся в физическом контакте с пористой структурой, при этом
электрический изолятор представляет собой двойной слой, созданный за счет наличия электролита; и
материал между электролитом и пористой структурой, имеющий диэлектрическую проницаемость, значение которой составляет по меньшей мере 3,9.

2. Устройство накопления заряда по п. 1, в котором:
наименьший размер каждого из каналов составляет не менее 2 нанометров.

3. Устройство накопления заряда по п. 1, в котором:
наименьший размер каждого из каналов составляет не более 1 микрометра.

4. Устройство накопления заряда по п. 1, дополнительно содержащее:
электропроводящее покрытие по меньшей мере на участке пористой структуры и в одном или более каналах.

5. Устройство накопления заряда по п. 1, в котором:
пористая структура содержит легирующую примесь.

6. Устройство накопления заряда по п. 1, в котором:
электрический изолятор содержит диэлектрический материал.

7. Устройство накопления заряда по п. 1, в котором:
электролит представляет собой органический электролит.

8. Устройство накопления заряда по п. 1, дополнительно содержащее:
наноструктуры, расположенные в пределах одного или более каналов пористой структуры.

9. Устройство накопления заряда по п. 8, дополнительно содержащее:
электропроводящее покрытие по меньшей мере на участке одной или более наноструктур.

10. Устройство накопления заряда по п. 8, дополнительно содержащее:
электролит, находящийся в физическом контакте с пористой структурой.

11. Устройство накопления заряда по п. 10, в котором:
одна или более наноструктур покрыты материалом, не допускающим электрохимическую реакцию между наноструктурами и электролитом.

12. Устройство накопления заряда по п. 10, в котором:
материал является одним материалом из ртути, галлия и галлия-индия-олова; при этом материал образует монослой на поверхности наноструктур.

13. Устройство накопления заряда по п. 8, в котором:
одна или более наноструктур содержат легирующую примесь.

14. Устройство накопления заряда, содержащее: множество дискретных наноструктур; и
электролит, находящийся в физическом контакте c одной или более наноструктурами,
причем одна или более наноструктур покрыты материалом, не допускающим электрохимической реакции между наноструктурами и электролитом,
при этом устройство накопления заряда содержит материал между электролитом и наноструктурами, имеющий диэлектрическую проницаемость, значение которой составляет по меньшей мере 3,9.

15. Устройство накопления заряда по п. 14, в котором:
материалом, не допускающим электрохимической реакции между наноструктурами и электролитом, является ртуть;
причем ртуть образует монослой на поверхности наноструктур.

16. Устройство накопления заряда по п. 14, в котором:
электролит представляет собой органический электролит.

17. Устройство накопления заряда по п. 14, в котором:
наноструктуры представляют собой наночастицы.

18. Устройство накопления заряда по п. 14, в котором:
наноструктуры представляют собой нанопровода.

19. Устройство накопления заряда по п. 18, в котором:
нанопровода изготовлены, по меньшей мере частично, из кремния.

20. Устройство накопления заряда по п. 14, в котором:
наноструктуры представляют собой углеродные нанотрубки.

21. Устройство накопления заряда по п. 14, в котором:
первый поднабор указанного множества дискретных наноструктур образует первый электрод устройства накопления заряда.

22. Устройство накопления заряда по п. 21, в котором:
второй поднабор указанного множества дискретных наноструктур образует второй электрод устройства накопления заряда;
при этом устройство накопления заряда дополнительно содержит разделитель между первым электродом и вторым электродом.

23. Способ изготовления электропроводящей структуры для устройства накопления заряда, содержащий этапы, на которых:
обеспечивают раствор, содержащий множество наноструктур в растворителе; наносят раствор на подложку;
подвергают отжигу раствор и подложку для формирования электропроводящей структуры,
причем на этапе нанесения раствора выполняют прядение материала раствора на подложке, создавая при этом множество волокон, по меньшей мере некоторые из которых имеют длину по меньшей мере 500 микрометров.

24. Способ по п. 23, в котором: растворитель представляет собой фоторезист.

25. Способ по п. 23, в котором: наноструктуры являются наночастицами.

26. Способ по п. 23, в котором:
наноструктуры являются углеродными нанотрубками.

27. Способ по п. 23, дополнительно содержащий этап, на котором: формируют диэлектрический материал на одной или более наноструктурах.

28. Мобильное электронное устройство, содержащее: микропроцессор; и
устройство накопления заряда, связанное с микропроцессором, при этом:
устройство накопления заряда содержит первую электропроводящую структуру и вторую электропроводящую структуру, отделенные друг от друга электрическим изолятором; и
по меньшей мере одна электропроводящая структура из первой электропроводящей структуры и второй электропроводящей структуры содержит пористую структуру, содержащую множество каналов,
причем пористая структура состоит из материала, выбранного из группы, содержащей кремний, германий, карбид кремния, кремний-германий, алюминий, вольфрам и медь,
при этом устройство накопления заряда дополнительно содержит:
электролит, находящийся в физическом контакте с пористой структурой, при этом
электрический изолятор представляет собой двойной слой, созданный за счет наличия электролита; и
материал между электролитом и пористой структурой, имеющий диэлектрическую проницаемость, значение которой составляет по меньшей мере 3,9.

29. Мобильное электронное устройство по п. 28, в котором:
устройство накопления заряда представляет собой одно из множества устройств накопления заряда; а
мобильное электронное устройство дополнительно содержит переключательную схему, связанную с устройствами накопления заряда.

30. Мобильное электронное устройство по п. 29, дополнительно содержащее:
сеть датчиков, связанную с устройствами накопления заряда.

31. Мобильное электронное устройство по п. 30, дополнительно содержащее:
блок регулировки напряжения, связанный с сетью датчиков и с устройствами накопления заряда.

32. Мобильное электронное устройство по п. 31, дополнительно содержащее:
датчик температуры, связанный с устройствами накопления заряда.

33. Микроэлектронное устройство, содержащее:
подложку;
микропроцессор, расположенный на подложке; и
устройство накопления заряда, связанное с микропроцессором,
при этом:
устройство накопления заряда содержит первую электропроводящую структуру и вторую электропроводящую структуру, отделенные друг от друга электрическим изолятором; и
по меньшей мере одна электропроводящая структура из первой электропроводящей структуры и второй электропроводящей структуры содержит пористую структуру, содержащую множество каналов,
причем пористая структура состоит из материала, выбранного из группы, содержащей кремний, германий, карбид кремния, кремний-германий, алюминий, вольфрам и медь,
при этом устройство накопления заряда дополнительно содержит:
электролит, находящийся в физическом контакте с пористой структурой, при этом
электрический изолятор представляет собой двойной слой, созданный за счет наличия электролита; и
материал между электролитом и пористой структурой, имеющий диэлектрическую проницаемость, значение которой составляет по меньшей мере 3,9.

34. Микроэлектронное устройство по п. 33, в котором:
устройство накопления заряда расположено на подложке.

35. Микроэлектронное устройство по п. 33, в котором:
устройство накопления заряда расположено на микропроцессоре.

Изобретение относится к области совершенствования энергонакопительных устройств, в частности к получению электродных материалов электролитических конденсаторов.

Способ изготовления гибридной отрицательной пластины для свинцово-кислотной аккумуляторной батареи и свинцово-кислотная аккумуляторная батарея // 2533207

Предложен способ изготовления композитной отрицательной конденсаторной пластины для использования в свинцово-кислотной аккумуляторной батарее. Повышение разрядных характеристик батареи при низкой температуре и высокоскоростных зарядно-разрядных характеристик под действием различных условий возникновения прерывания (PSOC), является техническим результатом заявленного изобретения.

Твердотельный суперконденсатор на основе многокомпонентных оксидов // 2528010

Предложенное изобретение относится к области электротехники, а именно к твердотельным суперконденсаторам на основе многокомпонентных оксидов. Увеличение емкости и плотности запасаемой энергии и уменьшение токов утечки конденсатора является техническим результатом изобретения.

Пленочный конденсатор // 2525825

Предложенное изобретение относится к области электротехники, а именно к композитным пленочным электролитическим конденсаторам. Пленочный конденсатор содержит токосъемник - алюминиевую фольгу, поверхность которой через барьерный слой развита посредством электродного материала из губчатого вентильного металла, пропитанного электролитом.

Суперконденсатор // 2523425

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в приборах мобильной связи в качестве источника постоянного тока многократного использования.

Суперконденсатор с неорганическим композиционным твердым электролитом (варианты) // 2522947

Заявленное изобретение относится к области электротехники, а именно к устройству накопления энергии в виде суперконденсатора с неорганическим композиционным твердым электролитом.

Способ изготовления токоснимающей фольги и токоснимающая фольга суперконденсаторов // 2522940

Изобретение относится к области электротехники, а именно к способу изготовления токоснимающей фольги суперконденсатора с двойным электрическим слоем (КДЭС). Техническим результатом изобретения является повышение мощности суперконденсатора за счет снижения паразитного контактного сопротивления на границе электрода и токосъемника.

Способ формирования электропроводящих слоев на основе углеродных нанотрубок // 2522887

Заявляемое изобретение относится к области электрической техники, в частности к способам создания электропроводящих слоев, применяемых в широких областях техники, в том числе в электронике или электротехнике, и может быть использовано для создания проводящих соединений в микросхемах.

Наноструктурный электрод для псевдоемкостного накопления энергии // 2521083

Предложена нанопористая матричная структура, представляющая собой подложку из анодированного оксида алюминия (АОА), которую используют для создания псевдоконденсатора с высокой плотностью накапливаемой энергии.

Способ эксплуатации электрохимических конденсаторов // 2520183

Изобретение относится к области электротехники и касается способа эксплуатации электрохимических конденсаторов. Предложенный способ включает подключение конденсатора к источнику тока, проведение его заряда до заданного напряжения, прекращение заряда и разряд, при этом предварительно измеряют температуру конденсатора, по которой определяют максимальное рабочее напряжение заряда, исключающее газовыделение, и рассчитывают максимальное зарядное напряжение Umax, которое ограничивают в соответствие с уравнением Umax=k·t+b, где k и b - коэффициенты, определяемые экспериментально и зависящие от особенностей конструкции конденсатора, t - температура, при этом для измерения коэффициентов k и b рассчитывают ток непрерывного подзаряда.

Устройство аккумулирования электроэнергии и его электрод // 2554100

Заявленное изобретение относится к электродам, устройствам аккумулирования электроэнергии, содержащим такие электроды, и к способам производства электродов и устройств аккумулирования электроэнергии. Электроды содержат токоотвод, электропроводный мат и первый и второй электроактивные материалы, причем первый электроактивный материал обладает более высокой плотностью энергии, чем второй электроактивный материал, а второй электроактивный материал обладает способностью к более высокой скорости заряда-разряда, чем первый электроактивный материал. Электропроводный мат может обеспечивать конструктивную и проводящую опору для по меньшей мере одного из электроактивных материалов с высокой энергией и высокой скоростью заряда-разряда, при этом электропроводящий мат содержит пористую сетку из взаимосвязанных электропроводных волокон, что обеспечивает стойкость волокнистого мата против сдвига и разрыва мата вследствие прочности волокон на разрыв. Электроды могут быть предусмотрены в различных конфигурациях и могут быть использованы в высокоскоростных и высокоэнергетических устройствах аккумулирования электроэнергии с обеспечением улучшенного циклического ресурса. 4 н. и 11 з.п. ф-лы, 21 ил., 4 табл.

Многослойный нанокомпозит для двухобкладочных конденсаторов и способ его изготовления // 2572816

Заявленное изобретение относится к области электротехники, а именно к многослойному нанокомпозиту для двухобкладочных конденсаторов. Нанокомпозит содержит подложку из электропроводящего материала с расположенным на ее лицевой поверхности и являющимся нижней обкладкой конденсатора наноструктурированным покрытием, которое выполнено в виде слоя из углеродной ткани, нити основы и утка которой образованы активированными углеродными волокнами, скрученными в продольном направлении. Нити основы и утка указанной ткани механически и электрически посредством электропроводящего клея соединены с электропроводящей подложкой в местах примыкания к электропроводящей подложке их выпукло изогнутых в сторону электропроводящей подложки участков, при этом в каждом клеевом соединении нитей основы и утка с электропроводящей подложкой максимальная глубина проникновения электропроводящего клея в структуру упомянутых нитей составляет от 0,3 до 0,5 поперечного размера нитей. На поверхности волокон нитей основы и утка расположены последовательно и конформно этим поверхностям по меньшей мере один слой из диэлектрического материала, выполняющий функцию верхней обкладки, и слой из электропроводящего материала. Предложен также способ изготовления многослойного нанокомпозита, включающий его нагрев в инертной атмосфере до температуры, соответствующей максимальной температуре атомно-слоевого осаждения с выдержкой при ней до достижения постоянной массы. Повышение однородности и удельной поверхности наноструктурированного покрытия не менее 103 м2/г является техническим результатом изобретения. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Электродная фольга, токоотвод, электрод и элемент для аккумулирования электрической энергии с их применением // 2573387

Катодная фольга для твердотельного электролитического конденсатора предназначена для повышения емкости, снижения эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) и тока утечки, усиления термостойкости и снижения себестоимости производства, в то же время с повышением удельной мощности, реализацией быстрой зарядки-разрядки и улучшением характеристик ресурса в элементе для аккумулирования электрической энергии, таком как вторичная батарея, конденсатор с двойным электрическим слоем и гибридный конденсатор. Используются катодная фольга или токоотвод, содержащие: металлическую фольгу; и металлический слой, смешанный слой, содержащий углерод и вещество, составляющее металлический слой, в смешанном состоянии, и углеродный слой, состоящий по существу из углерода, каждый из которых сформирован на металлической фольге. Смешанный слой выполнен имеющим состав, изменяющийся от состояния, содержащего по существу только вещество, составляющее металлический слой, до состояния, содержащего по существу только углерод, по направлению от металлического слоя к углеродному слою. 12 н. и 7 з.п. ф-лы,13 ил.,15 табл.

Способ накопления и хранения электрической энергии в ионисторе // 2574065

Изобретение относится к способу накопления и хранения электрической энергии в ионисторах, обладающих повышенной удельной электроемкостью, мощностью и низкой плотностью тока утечки. Сущность изобретения заключается в том, что в качестве среды для переноса заряда в ионисторе используют ионизированные газообразные молекулы неорганических комплексных соединений металлов и/или солей. Данный способ характеризуется низкой плотностью тока утечки (1-20 мкА/см2) и позволяет использовать ионисторы в жестких температурных условиях (600-1000°C). 1 ил. 4 пр.

Гибридная отрицательная пластина для свинцо-вокислотной аккумуляторной батареи и свинцово-кислотная аккумуляторная батарея // 2576670

Изобретение относится к области электротехники, а именно к гибридной отрицательной пластине для свинцово-кислотной аккумуляторной батареи, которая обеспечивает подавление или снижение потенциала выделения газообразного водорода. Повышение цикличности ресурса аккумуляторной батареи является техническим результатом изобретения. В гибридной отрицательной пластине для свинцово-кислотной аккумуляторной батареи, содержащей заполненную активным материалом отрицательного электрода пластину, имеющую образованный на ее поверхности слой покрытия из углеродной смеси, содержащей углеродный материал для обеспечения проводимости, активированный уголь для обеспечения емкости конденсатора и/или емкости псевдоконденсатора и по меньшей мере связующее, в качестве активированного угля используется активированный уголь, модифицированный кислотной функциональной группой в количестве от 0,16 до 0,489 мкмоль/м2 на 1 г активированного угля. 3 н. и 8 з.п. ф-лы, 4 ил., 9 табл., 5 пр.

Устройства хранения энергии с по меньшей мере одной пористой поликристаллической подложкой // 2577249

Изобретение относится к области электротехники, а именно к конденсаторам с пористыми обкладками, которые обладают открытой пористой структурой. Предложена структура для использования в устройстве для хранения энергии, которая содержит первую поликристаллическую подложку с размером зерна, при котором фононное рассеяние начинает доминировать над рассеянием на границах зерен в поликристаллической подложке, при этом первый пористый слой сформирован внутри первой поликристаллической подложки и первый пористый слой содержит множество каналов. Предложен также способ получения устройства хранения энергии, в котором определяют размер кристаллического зерна, при котором фононное рассеяние начинает доминировать над рассеянием на границе зерен, и формируют материал поликристаллической подложки, имеющей такой размер зерна, после чего формируют пористый слой внутри поликристаллической подложки, где пористый слой содержит множество каналов, и само устройство хранения энергии с такой структурой на поликристаллической подложке. Снижение сопротивления поликристаллической подложки и как следствие снижение омических потерь во время заряда и разряда электрического конденсатора с двойным электрическим слоем (EDLC) является техническим результатом изобретения. 4 н. и 26 з.п. ф-лы, 11 ил.

Пленочный конденсатор // 2578129

Изобретение относится к электротехнике, а более конкретно к слоистым пленочным накопителям электрической энергии - электролитическим конденсаторам, композиционные слои которых существенно отличаются по составу и физической структуре. Пленочный конденсатор содержит разделенные диэлектриком пакетные электроды, полимерное основание которых выполнено из высокопористого рифленого материала, покрытого токопроводящим слоем, оснащенным токоотводом. Полимерная основа конденсаторной структуры выполнена из углеродных волокон бусофита, металлизированных с поверхности пористым слоем титана толщиной 0,2-2 мкм, а токоотводы толщиной 5-20 мкм выполнены композитными: бусофит и титановый слой с покрытием из высокопроводного металла, преимущественно меди, серебра. Повышение удельной энергоемкости многослойной пленочной структуры конденсатора (не менее 40 Вт·час/кг), при снижении внутреннего омического сопротивления, является техническим результатом изобретения. 1 ил.

Устройство аккумулирования энергии, способ его изготовления и мобильное электронное устройство, содержащее его // 2578668

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электрохимическим емкостным устройствам аккумулирования энергии. Устройство аккумулирования энергии включает в себя первый электрод (110, 510), включающий в себя первое множество каналов (111, 512), содержащих первый электролит (150, 514), и второй электрод (120, 520), включающий в себя второе множество каналов (121, 522), содержащих второй электролит (524). Первый электрод имеет первую поверхность (115, 511), а второй электрод имеет вторую поверхность (125, 521). По меньшей мере один из первого и второго электродов представляет собой электрод из пористого кремния, а по меньшей мере одна из первой и второй поверхностей содержит слой (535) пассивации, который содержит завершенную углеводородом поверхность. Повышение рабочих напряжений устройства аккумулирования энергии, а также надежности и срока службы является техническим результатом изобретения. 3 н. и 1 з.п. ф-лы, 9 ил.

Способ повышения удельной энергии и достижимой выходной мощности устройства накопления энергии // 2578676

Изобретение относится к области электротехники, а именно к способу повышения удельной энергии устройства накопления энергии, например, суперконденсатора. Способ включает увеличение емкости устройства накопления энергии нанесением материала в пористой структуре устройства накопления энергии с помощью процесса атомно-слоевого осаждения, предназначенного для увеличения расстояния, на которое проникает электролит внутри каналов пористой структуры, или размещением диэлектрического материала в пористой структуре. Другой способ включает отжиг устройства накопления энергии, чтобы вызвать диффузию электропроводящего вещества к поверхности структуры и формирование на ней электропроводящего слоя. Другие способы увеличения удельной энергии включают повышение напряжения пробоя, формирование псевдоконденсатора, осаждение электропроводящего материала в пористой структуре. Повышение емкости и удельной энергии устройства накопления энергии является техническим результатом изобретения. 5 н. и 29 з.п. ф-лы, 12 ил.

Литий-углеродный электрохимический конденсатор и способ его изготовления // 2581849

Изобретение относится к литий-углеродному электрохимический конденсатору и способу его изготовления. Внутри термостатируемого объема конденсатора расположен положительный электрод, выполненный из углеродного наноматериала с высокой удельной поверхностью, выполненный из смеси высокопористого активированного угля с углеродными наночешуйками и углеродными нанотрубками, к которым добавлены оксидные соединения лития, отрицательный электрод, выполненный из литий-углеродного нанокомпозита, в виде мелкодисперсного графита с добавлением или без добавления наночастиц металлического лития. Способ изготовления литий-углеродного электрохимического конденсатора включает приготовление электродных смесей для катода и анода; диспергирование приготовленных электродных смесей со связующими; прессование пластин или листов; сушку прессованных пластин или листов в инертной атмосфере или под вакуумом; соединение прессованных пластин или листов, заправку электролитом на основе растворимой литиевой соли и растворителя в сухих условиях; вакуумирование заправленной сборки в зажатом состоянии и ее герметизацию; предварительную электрохимическую обработку для образования литий-углеродного нанокомпозита. Повышение удельной емкости и срока службы конденсатора является техническим результатом изобретения. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 6 ил.

Электрический конденсатор с центрально симметрично расположенными металлическими электродами // 2575882

Изобретение относится к области электротехники, в частности к конденсаторам с нестандартным расположением электродов. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения температуры исследуемого кристалла и улучшение условий охлаждения кристалла. Устройство представляет собой электрический конденсатор, используемый для метода импедансной спектроскопии кристаллов, взаимодействующих с лазерным излучением. Каркас конденсатора образуют две диэлектрические стойки, закрепленные в диэлектрической пластине основания. Используемый в работе кристалл кварца размещается в стойках. Металлические электроды располагаются вдоль длины кристалла в радиальных плоскостях оси конденсатора, центрально симметрично по отношению к оси, на одинаковом от нее расстоянии. Наличие симметрии обеспечивает контроль степени однородности электрического поля в кристалле путем изменения количества электродов в конденсаторе. В случае, если количество электродов больше двух, то углы между плоскостями, соответствующими соседним электродам каждой обкладки конденсатора, одинаковые. Данная конфигурация расположения, малая толщина и использование хорошо отражающего свет металла для электродов минимизируют долю поглощаемого ими рассеянного излучения. Электроды играют роль эффективного радиатора, способствующего контролируемому, однородному охлаждению кристалла. Лучшие условия охлаждения кристалла достигаются использованием большего числа электродов в конденсаторе. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.