СТРУКТУРЫ, ИЗГОТОВЛЕННЫЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НАНОТЕХНОЛОГИИ, ДЛЯ ПОРИСТЫХ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ КОНДЕНСАТОРОВ
STRUCTURES MADE USING NANOTECHNOLOGY FOR POROUS ELECTROCHEMICAL CAPACITORS

Область техники, к которой относится изобретение
Раскрываемые варианты осуществления изобретения в целом относятся к устройствам для хранения энергии, и если более точно, то относятся к способам формирования пористых электродов с сильно развитой поверхностью.
Уровень техники
Современное общество зависит от легкой доступности энергии. Поскольку потребность в энергии увеличивается, устройства, способные эффективно сохранять энергию, приобретают все большую важность. В результате, устройства для хранения энергии, включая такие устройства, как батареи, конденсаторы, электрохимические конденсаторы (ECs), включающие в себя ионисторы и электрические двухслойные конденсаторы (EDLC - electric double layer capacitor), также известные как суперконденсаторы, наряду с другими названиями, гибридные электрохимические конденсаторы (ECs), и аналогичные устройства, широко используемые в электронной области техники и за ее пределами. В частности, конденсаторы широко используются для вариантов применения в широком диапазоне от электрических схем и энергоснабжения до регулирования напряжения и замены электрических батарей. Электрохимические конденсаторы характеризуются высокой емкостью хранения энергии, также как и другими желательными характеристиками, включающими в себя высокую плотность энергии, маленький размер, низкий вес, и таким образом становятся многообещающими кандидатами для использования в некоторых вариантах применения для хранения энергии.
В заявке WO 2011/123135 раскрываются трехмерные структуры для формирования электрохимических конденсаторов с высокой плотностью энергии. В некоторых из раскрываемых вариантов осуществления изобретения используется процесс влажного травления, чтобы вытравить глубокие поры в кремниевой структуре, а поры заполняются электролитом или диэлектрическим материалом с высокой диэлектрической проницаемостью и/или тонкой проводящей пленкой в комбинации с электролитом.
Краткое описание чертежей
Раскрываемые варианты осуществления изобретения будут более понятными после прочтения последующего подробного описания, сделанного во взаимосвязи с прилагаемыми фигурами на чертежах, в которых:
Фиг. 1 является боковым видом в разрезе, иллюстрирующим устройство для хранения энергии в соответствии с вариантом осуществления изобретения.
Фиг. 2 является боковым видом в разрезе, иллюстрирующим электрический двойной слой внутри пористой структуры устройства для хранения энергии в соответствии с вариантом осуществления изобретения.
Фиг. 3 является боковым видом в разрезе, иллюстрирующим пористую структуру, сформированную в кремниевой поверхности (1011), в соответствии с вариантом осуществления изобретения.
Фиг. 4 является боковым видом в разрезе, иллюстрирующим устройство для хранения энергии в соответствии с вариантом осуществления изобретения.
Фиг. 5 является крупным планом бокового вида в разрезе, иллюстрирующим главный канал в соответствии с вариантом осуществления изобретения.
Фиг. 6 является боковым видом в разрезе, иллюстрирующим изображение пористой структуры, сформированной в кремниевой поверхности (322)в соответствии с вариантом осуществления изобретения.
Фиг. 7 является боковым видом в разрезе, иллюстрирующим пористую структуру, сформированную в кремниевой поверхности (111), в соответствии с вариантом осуществления изобретения.
Фиг. 8 является схемой последовательности процесса, иллюстрирующей способ формирования пористого электрода в соответствии с вариантом осуществления изобретения.
Фиг. 9-10 являются схематическими боковыми видами в разрезе, иллюстрирующими пористую структуру в соответствии с вариантами осуществления изобретения.
Фиг. 11 является схемой последовательности процесса, иллюстрирующей способ формирования пористого электрода в соответствии с вариантом осуществления изобретения.
Фиг. 12-13 являются схематическими боковыми видами в разрезе, иллюстрирующими пористую структуру, в соответствии с вариантами осуществления изобретения; а также способ электрохимического травления пористой структуры в соответствии с вариантом осуществления изобретения.
Фиг. 14 является схемой последовательности процесса, иллюстрирующей способ формирования пористого электрода с матрицей V-образных канавок или пирамидальных углублений, в соответствии с вариантом осуществления изобретения.
Фиг. 15 является видом сверху, иллюстрирующим линии шаблона матрицы, сформированной над подложкой в соответствии с вариантом осуществления изобретения.
Фиг. 16 является видом сверху, иллюстрирующим матрицу V-образных канавок и углублений, сформированных в подложке в соответствии с вариантом осуществления изобретения.
Фиг. 17 является видом сверху, иллюстрирующим линии шаблона матрицы, сформированной над подложкой в соответствии с вариантом осуществления изобретения.
Фиг. 18 является видом сверху, иллюстрирующим матрицу пирамидальных углублений, сформированную в подложке в соответствии с вариантом осуществления изобретения.
Фиг. 19 является боковым видом в разрезе, иллюстрирующим пористую структуру устройства для хранения энергии в соответствии с вариантом осуществления изобретения.
Фиг. 20 является боковым видом в разрезе, иллюстрирующим пористую структуру устройства для хранения энергии в соответствии с вариантом осуществления изобретения.
Фиг. 21 является боковым видом в разрезе, иллюстрирующим устройство для хранения энергии в соответствии с вариантом осуществления изобретения.
Фиг. 22 является схемой последовательности процесса, иллюстрирующей способ формирования устройства для хранения энергии в соответствии с вариантом осуществления изобретения.
Фиг. 23А-23В являются боковыми видами в разрезе, иллюстрирующими устройство для хранения энергии в соответствии с вариантами осуществления изобретения.
Фиг. 24 является схемой последовательности процесса, иллюстрирующей способ формирования устройства для хранения энергии в соответствии с вариантом осуществления изобретения.
Фиг. 25 является боковым видом в разрезе, иллюстрирующим пористую структуру, освобожденную из токопроводящей подложки в ванне для электрохимического травления в соответствии с вариантом осуществления изобретения.
Фиг. 26 является блок-схемой, иллюстрирующей мобильное электронное устройство в соответствии с вариантом осуществления изобретения.
Фиг. 27 является блок-схемой, иллюстрирующей микроэлектронное устройство в соответствии с вариантом осуществления изобретения.
Осуществление изобретения
Для простоты и ясности иллюстрации фигуры чертежей иллюстрируют общий принцип конструкции, а описания и подробности хорошо известных признаков и технологий могут быть пропущены, чтобы избежать необязательного внесения неопределенности в обсуждение описываемых вариантов осуществления изобретения. Кроме того, элементы на чертежах необязательно изображены в масштабе. Например, размеры некоторых элементов на фигурах могут быть увеличенными по отношению к другим элементам, чтобы помочь улучшить понимание вариантов осуществления настоящего изобретения. Определенные фигуры могут быть показаны идеализированным образом, для того чтобы помочь лучшему пониманию, например в таких случаях, когда структуры изображаются имеющими прямые линии, острые углы, и/или параллельные плоскости, или аналогичные параметры, которые в реальных условиях были бы вероятно значительно менее симметричными и упорядоченными. Те же самые цифровые позиции на различных фигурах обозначают те же самые элементы, в то время как аналогичные цифровые позиции могут, но необязательно, обозначать аналогичные элементы.
Термины «первый», «второй», «третий», «четвертый» и подобные термины в описании и в формуле изобретения, если это имеет место, используются для различения между аналогичными элементами, и необязательно для описания особого порядка последовательности или хронологического порядка. Следует понимать, что используемые таким образом термины являются взаимозаменяемыми в определенных обстоятельствах, таким образом, описываемые здесь варианты осуществления изобретения, например, имеют способность выполнения операций в последовательностях, которые отличаются от тех, которые иллюстрируются или другим способом описываются здесь. Аналогичным образом, если способ описывается здесь как содержащий последовательность шагов, то порядок таких шагов, представленный здесь, необязательно является единственным порядком, в соответствии с которым такие шаги могут выполняться, при этом определенные шаги из установленных шагов возможно могут быть пропущены и/или определенные другие шаги, не описанные здесь, возможно могут быть добавлены к способу. Кроме того, термины «содержать», «включать в себя», «иметь» и любые их вариации предназначаются для того, чтобы включать в себя неисключительное добавление, такое как процесс, способ, продукт, или устройство, которые содержат список элементов, при этом он необязательно ограничивается этими элементами, но может включать в себя другие элементы, которые определенно не внесены в список или необязательно присущи такому процессу, способу, продукту, или устройству.
Термины «левый», «правый», «передний», «задний», «верхний», «нижний», «над», «под» и подобные термины в описании и в формуле изобретения, если это имеет место, используются для описательных целей и необязательно используются для описания постоянных относительных положений, до тех пор, пока это не обозначается иным образом, или специально, или в контексте. Следует понимать, что используемые таким образом термины являются взаимозаменяемыми в определенных обстоятельствах, таким образом, описываемые здесь варианты осуществления изобретения, например, имеют способность выполнения операций в других ориентациях, по сравнению с теми, которые иллюстрируются или иным образом описываются здесь. Термин «соединенный», как он используется здесь, определяется как соединенный непосредственно или не напрямую электрическим или не электрическим способом. Описанные здесь объекты, как являющиеся «смежными» по отношению друг к другу, могут находиться в физическом контакте друг с другом, в непосредственной близости друг от друга, или в той же самой общей области или сфере, как по отношению друг к другу, так и подходящим образом для контекста, в котором эта фраза используется. Наличие здесь фразы «в одном варианте осуществления изобретения» необязательно всегда относится к тому же самому варианту осуществления изобретения.
В одном аспекте варианты осуществления изобретения описывают устройство для хранения энергии и способ формирования устройства для хранения энергии, в котором площадь поверхности пористой структуры, содержащей множество главных каналов внутри электропроводящей структуры, увеличивается за счет формирования главных каналов вдоль направления плоскости кристалла в электропроводящей структуре. В варианте осуществления изобретения каждый из главных каналов проходит в электропроводящей структуре вдоль направления плоскости кристалла, ориентированного под острым углом к главной поверхности пористой структуры. В варианте осуществления изобретения боковые каналы проходят от боковой поверхности каждого из главных каналов в электропроводящей структуре, например, вдоль направления тока травления в ванне для электрохимического травления.
В одном аспекте варианты осуществления изобретения описывают устройство для хранения энергии и способ формирования устройства для хранения энергии с уменьшенной длиной пути диффузии. В варианте осуществления изобретения устройство для хранения энергии включает в себя пористую структуру, содержащую множество главных каналов, которые являются линейно конусообразными. Например, линейно конусообразные главные каналы могут быть сформированы за счет изменения тока травления при электрохимическом травлении нелинейным образом. В другом варианте осуществления изобретения ток травления при электрохимическом травлении может изменяться нелинейно, чтобы образовывать резервуары во множестве главных каналов. Такие структуры могут уменьшать длину пути диффузии для ионов, что уменьшает постоянную времени диффузии и делает возможным работу таких устройств для хранения энергии при более высокой мощности.
В одном аспекте варианты осуществления изобретения описывают устройство для хранения энергии и способ формирования устройства для хранения энергии с усиленной пористой структурой. В варианте осуществления изобретения устройство для хранения энергии включает в себя пористую структуру, содержащую множество главных каналов, которые включают в себя первичную форму поверхности и вторичную форму поверхности, наложенную на первичную форму поверхности. В варианте осуществления изобретения изменение вторичного тока травления при электрохимическом травлении накладывается на изменение первичного тока травления при электрохимическом травлении. Например, изменение вторичного тока травления при электрохимическом травлении может быть линейным добавлением синусоидальной функции. Такое синусоидальное изменение может устранить резкие изменения в пористости, что уменьшает концентрации напряжения и упрочняет пористую структуру.
В одном аспекте варианты осуществления изобретения описывают устройство для хранения энергии и способ формирования устройства для хранения энергии, в котором условия электрохимического травления являются контролируемыми, для уменьшения размера пор, таким образом увеличивая площадь пористой поверхности и электрическую емкость устройства для хранения энергии. В варианте осуществления изобретения ванна для электрохимического травления функционирует приблизительно при комнатной или меньшей температуре. В варианте осуществления изобретения ванна для электрохимического травления содержит концентрацию фтористоводородной кислоты (HF) : алкоголь в соотношении 2:1, или с большей концентрацией HF. В варианте осуществления изобретения алкоголь может быть или изопропиловым, или этиловым алкоголем.
В одном аспекте варианты осуществления изобретения описывают устройство для хранения энергии и способ формирования устройства для хранения энергии с уменьшенным эффективным последовательным сопротивлением за счет увеличения площади поверхности между двумя электродами устройства для хранения энергии. В варианте осуществления изобретения площадь поверхности увеличивается за счет формирования V-образных канавок или пирамидальных углублений в главной поверхности пористой структуры в одной или обеих структурах пористого электрода.
В одном аспекте варианты осуществления изобретения описывают способ с использованием гибридного материала для формирования устройства для хранения энергии. В варианте осуществления изобретения первый пористый электрод формируется за счет электрохимического травления пористой структуры в электропроводящей подложке. В варианте осуществления изобретения первый пористый электрод может интегрироваться с другой схемой в электропроводящей подложке. Разделитель и второй пористый электрод могут затем откладываться на первый пористый электрод, используя технологию тонкопленочного отложения.
В одном аспекте варианты осуществления изобретения описывают устройство для хранения энергии и способ формирования устройства для хранения энергии, использующие режим электрохимического травления для получения свободностоящих пористых структур. В варианте осуществления изобретения пористая структура формируется в электропроводящей подложке, погруженной в ванну для электрохимического травления, после чего следует увеличение тока для электрохимического травления, чтобы освободить пористую структуру из электропроводящей подложки. Освобожденная пористая структура затем соединяется со слоем разделителя и второй пористой структурой, чтобы образовать устройство для хранения энергии.
Хотя в значительной степени это обсуждение будет фокусироваться на электрохимических конденсаторах (включая ионисторы и электрические двухслойные конденсаторы), подробное обозначение «устройство для хранения энергии» включает в себя в добавление к электрохимическим конденсаторам (ECs), гибридным ЕС также батареи, топливные элементы и аналогичные устройства, которые сохраняют энергию. Устройства для хранения энергии в соответствии с вариантами осуществления изобретения могут использоваться для широкого многообразия применений, включающих в себя автомобили, автобусы, поезда, самолеты, другие транспортные средства, бытовые устройства для хранения энергии, устройства сохранения энергии, генерированной солнечными или ветряными генераторами энергии (особенно устройства для поглощения энергии), и множество других.
Электрохимические конденсаторы работают в соответствии с принципами, аналогичными тем, которые управляют традиционными конденсаторами с параллельными пластинами, но на них распространяются определенные важные отличия. Одно значительное различие заключается в механизме разделения зарядов. Для одного важного класса электрохимических конденсаторов оно обычно принимает форму так называемого электрического двойного слоя, или EDL, в большей степени, чем диэлектрического или традиционного конденсатора. Электрический двойной слой (EDL) создается за счет электрохимического поведения ионов на поверхности раздела между электродом с сильно развитой поверхностью и электролитом, и полученным в результате эффективным разделением заряда, несмотря на тот факт, что слои находятся так близко друг к другу. (Расстояния физического разделения составляют порядка единственного нанометра). Таким образом, может считаться, что типичный электрический двухслойный конденсатор (EDLC) сохраняет заряд в электрическом двойном слое. Каждый слой EDL является электропроводящим, но свойства этого двойного слоя предотвращают протекание тока через границу между ними. (EDL дополнительно будет обсуждаться ниже во взаимодействии с фиг. 2).
Также для традиционных конденсаторов верно то, что емкость в электрическом двухслойном конденсаторе пропорциональна площади поверхности электродов и обратно пропорциональна расстоянию разделения зарядов. Очень высокие емкости могут достигаться в электрическом двухслойном конденсаторе частично благодаря очень высокой площади поверхности, свойственной многоканальной пористой структуре и расстоянию разделения зарядов нанометрового масштаба, свойственного электрическому двойному слою, которые увеличиваются благодаря присутствию электролита, как объяснялось выше. Один из типов электролита, который может использоваться в соответствии с вариантами осуществления изобретения, является ионная жидкость. Другим типом является электролит, включающий в себя ионосодержащий растворитель. Также возможно использование органических электролитов, водяных электролитов, и твердотельных электролитов.
2
2
x
2
5
2
5
2
2
2
2
Другим классом электрохимических конденсаторов является ионистор, в котором в добавление к емкости электрического двойного слоя появляется дополнительный механизм хранения - одним из которых является Фарадеевский, а не электростатический по происхождению - может увеличить поверхность определенных типов электродов. Дополнительный механизм хранения обычно определяется как «электрическая псевдоемкость» и характеризуется процессом сохранения заряда, который аналогичен функционированию многих батарей с твердым электродом. Два механизма хранения дополняют друг друга, и приводят даже к большему потенциалу сохранения энергии, чем тот, который возможен при использовании только емкости электрического двойного слоя. Обычно один из этих электродов ионистора покрывается промежуточным слоем оксида металла, таким как MnO, RuO, NiO, NbO, VO, и т.д., или другими материалами, включающими в себя MoN, VN, WN, WC (карбид вольфрама), МоС, VC, подходящий электропроводящий полимер, или аналогичный материал. Эти материалы могут использоваться с электролитом, таким как раствор гидроксида калия (КОН); при этом, когда устройство заряжается, электролит будет реагировать с материалом и запускать реакцию перемещения заряда туда, где сохраняется энергия. Если более точно, то эти материалы сохраняют большую часть их энергии за счет высокореверсивной поверхности и переноса электронов в приповерхностном слое (например, окислительно-восстановительных (фарадеевских) реакций), которые позволяют получить более высокую мощность, чем неупорядоченное хранение в традиционных батареях, благодаря быстрой кинематике заряда и разряда.
2
4
6
Должно быть понятно, что ионисторы могут создаваться с использованием других электролитов, отличающихся от упоминавшихся выше. Например, ионосодержащие растворители, такие как LiSO или LiPF могут использоваться в качестве электролитов; их использование приводит к реакции интеркалирования, которая вызывает вставление изотопов в поверхность исходной структуры без нарушения каких-либо связей. Эта реакция, подобно другим упоминавшимся ранее реакциям электрической псевдоемкости, приводит в результате к переносу заряда таким образом, что он фактически является фарадеевским и рассматривается как окислительно-восстановительная реакция, хотя и окислительно-восстановительная реакция особого типа.
Гибриды электрохимических конденсаторов являются устройствами для хранения энергии, которые объединяют характерные свойства электрохимических конденсаторов (ЕС) и батарей. В одном примере электрод, покрытый ионно-литиевым материалом, объединяется с электрохимическим конденсатором, для того чтобы создавать устройство, которое имеет быстрый обмен и характеристики обмена, как у ЕС, и высокую плотность энергии, как у батареи. С другой стороны, гибридные ЕС, аналогично батареям, имеют более короткий срок службы по сравнению с электрохимическими конденсаторами.
Фиг. 1 является боковым видом в разрезе устройства 100 для хранения энергии в соответствии с вариантами осуществления изобретения. Как иллюстрируется на фиг. , устройство 100 для хранения энергии содержит электропроводящую структуру 110 и электропроводящую структуру 120, разделенные между собой разделителем 130, который является электрическим изолятором и ионным проводником. Разделитель 130 предотвращает физическое соприкосновение между собой электропроводящих структур 110 и 120, для того чтобы предотвращать электрическое короткое замыкание. Например, разделитель 130 может быть проницаемой мембраной или другим пористым полимерным разделителем. В целом разделитель предотвращает физическое соприкосновение анода и катода (что вызовет электрическую неисправность устройства), в то же время позволяя перенос носителей ионного заряда. В добавление к полимерным разделителям возможны также некоторые другие типы разделителей. Они включают в себя листы из волокнистого листового материала, жидкостные мембраны, полимерные электролиты, твердые ионные проводники, и подобные материалы. В других вариантах осуществления изобретения разделитель не является обязательным и может не использоваться.
По меньшей мере одна из электропроводящих структур, т.е. 110 или 120, содержит пористую структуру. В проиллюстрированном на фиг. 1 варианте осуществления изобретения обе электропроводящие структуры содержат электропроводящую пористую структуру. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения, пористые структуры содержат множество главных каналов 111 и 121, каждый из которых имеет отверстие в главной поверхности соответствующей пористой структуры. Этот признак может быть результатом описанного ниже процесса электрохимического травления, используемого для формирования пористой структуры. Например, пористая структура может быть сформирована внутри электропроводящего материала, например такого как токопроводящий материал или полупроводниковый материал. Альтернативно, пористая структура может быть сформирована внутри изолирующего материала (например, окись алюминия), который был покрыт электропроводящей пленкой (например, электропроводящей пленкой с помощью способа атомно-слоевого осаждения ALD, такой как пленка из нитрида титана (TiN). В этом отношении материалы, имеющие более хорошие электропроводящие свойства, являются предпочтительными, поскольку они имеют более низкое эффективное последовательное сопротивление (ESR). В проиллюстрированных вариантах осуществления изобретения обе электропроводящие структуры, т.е. 110 и 120, содержат такую пористую структуру. Соответственно, электропроводящая структура 110 содержит главные каналы 111 с отверстиями 112 в главной поверхности 115 соответствующей пористой структуры, а электропроводящая структура 120 содержит главные каналы 121 с отверстиями 122 в главной поверхности 125 соответствующей пористой структуры. В тех вариантах осуществления изобретения, где только одна из электропроводящих структур, т.е. 110 или 120, содержит пористую структуру с множеством главных каналов, может быть другая электропроводящая структура, например, металлический электрод, структура из поликристаллического кремния, углерод, материал, основанный на углероде, материал, содержащий ионы лития, или псевдоемкостной материал.
В варианте осуществления изобретения пористая кремниевая структура может создаваться с помощью травления электропроводящей кремниевой подложки смесью фтористоводородной кислоты и алкоголя в ванне для электрохимического травления. Однако варианты осуществления изобретения не ограничиваются пористыми кремниевыми структурами, также варианты осуществления изобретения не ограничиваются электрохимическим травлением. Электрохимическое травление описывается здесь как один способ формирования пористой структуры в электропроводящей структуре. Помимо пористого кремния, некоторые другие материалы также могут особенно хорошо подходить для устройств для хранения энергии в соответствии с вариантами осуществления изобретения, например такие как пористый германий и пористое олово. Возможные преимущества при использовании пористого кремния включают в себя совместимость с существующей кремниевой технологией. Пористый германий обладает аналогичным преимуществом в результате существующей технологии для этого материала, и по сравнению с кремнием, обладает дополнительным возможным преимуществом, заключающимся в том, что природный оксид (оксид германия) является растворимым в воде, и поэтому он легко удаляется. (Природный оксид, который образуется на поверхности кремния, может захватывать заряд, что является нежелательным результатом, особенно в том случае, когда пористость кремния больше, чем приблизительно 20 процентов). Пористый германий также хорошо совместим с кремниевой технологией. Возможные преимущества от использования пористого олова, который является материалом с нулевой запрещенной энергетической зоной, включают в себя увеличенную электропроводимость по отношению к определенным другим электропроводящим и полупроводниковым материалам. Другие материалы также могут использоваться для создания пористой структуры, включая карбид кремния, такие сплавы, как сплав кремния и германия, а также такие металлы, как медь, алюминий, никель, кальций, вольфрам, молибден, и марганец.
Устройство 100 для хранения энергии может по выбору включать в себя покрытие 140, по меньшей мере, на части пористой структуры и, по меньшей мере, в некоторых главных каналах 111 и/или главных каналах 121. В варианте осуществления изобретения покрытие 140 является диэлектрическим слоем. Диэлектрический слой может быть добавлен для того, чтобы дополнительно увеличивать емкость устройства для хранения энергии, или по другим причинам, например таким как, но не ограничиваясь этим, увеличение пассивации и смачиваемости поверхности. В варианте осуществления изобретения покрытие 140 является электропроводящим покрытием, чтобы поддерживать или увеличивать электропроводимость пористой структуры, или оно может быть полезным в уменьшении эффективного последовательного сопротивления (ESR), таким образом улучшая технические характеристики. Например, устройство, имеющее более низкое ESR, способно подавать более высокую мощность (которая может проявляться в показателях большей приемистости, большего количества лошадиных сил и т.д.). И наоборот, более высокое ESR (состояние, которое преобладает внутри типичной батареи) ограничивает количество доступной энергии, по меньшей мере частично, вследствие того факта, что значительная часть энергии теряется на тепло.
2
4
На фиг. 1 также иллюстрируется электролит 150, который обусловливает электрический двойной слой (EDL). Этот электрический двойной слой схематически изображен на фиг. 2. Как иллюстрируется на фиг. 2, EDL 230 был сформирован внутри одного из главных каналов 111. EDL 230 выполнен из двух слоев заряда, один из которых является электрическим зарядом боковых стенок главного канала 111 (изображен как положительный на фиг. 2, но также может быть отрицательным), а другой образуется за счет свободных ионов электролита. EDL 230 электрически изолирует поверхность, таким образом обеспечивая разделение заряда, необходимое для выполнения функции конденсатора. Большая емкость, и следовательно, потенциал для сохранения энергии электрических двухслойных конденсаторов (EDLC) увеличивается вследствие маленького разделения (приблизительно 1 нм) между ионами электролита и поверхностным зарядом электрода. В некоторых вариантах осуществления изобретения электролит 150 является органическим веществом. Одним из типов электролита, который может быть использован в соответствии с вариантами осуществления изобретения, является ионный раствор (жидкий или твердый). Другим является электролит (например, LiSO, L1PF6), включающий в себя ионосодержащий растворитель. Например, электролит может быть жидким или твердым раствором органических материалов, таких как тетраэтиламмоний тетрафторборат в ацетонитриле. Другие примеры включают в себя растворы, основанные на борной кислоте, декагидрате тетрабората натрия, или слабых органических кислотах. Также возможны органические электролиты и твердотельные электролиты. Электролит 150 (также как и другие электролиты, описанные здесь) представлен на чертежах с использованием случайно расположенных окружностей. Такое представление предполагает передать идею, что электролит является веществом (жидким или твердым, включая гелеобразные материалы), содержащим свободные ионы. Окружности были выбраны для удобства, при этом не предполагается накладывать какое-либо ограничение в отношении компонентов или качеств, включая какое-либо ограничение в отношении размера, формы, или количества ионов.
Следует также отметить, что изображения пористых структур на фиг. 1 являются в значительной степени идеализированными, если упомянуть только один пример, состоящий в том, что все главные каналы 111 и 121 показаны проходящими в единственном направлении. В реальности главные каналы могут иметь необработанные поверхности и могут ответвляться во множестве направлений. Показательные пористые структуры изображены на фиг. 3 и фиг. 6-7. Аналогичным образом, поверхности главных каналов 111 на фиг. 2 иллюстрируются как необработанные.
В варианте осуществления изобретения пористая структура электропроводящей структуры 110 и/или 120 содержит множество главных каналов 111, 121 внутри электропроводящей структуры 110, 120, и каждый из главных каналов имеет отверстие 112, 122 на главной поверхности 115, 125 соответствующей пористой структуры, при этом каждый из главных каналов 111, 121 проходит в электропроводящей структуре 110, 120 под острым углом к главной поверхности 115, 125. Множество главных каналов 111, 121 может быть ориентировано по линии передачи тока за счет травления в электропроводящей структуре в направлении локального течения тока во время электрохимического травления, или множество главных каналов 111, 121 может быть, предпочтительно, вытравлено в кристаллографическом направлении в электропроводящей структуре. В варианте осуществления изобретения главная поверхность 115 является поверхностью (1011), а каждый из главных каналов 111 проходит в электропроводящей структуре 110 вдоль направления <100> плоскости кристалла под острым углом к главной поверхности, как показано на иллюстрации с боковым видом в разрезе на фиг. 3. В варианте осуществления изобретения боковые каналы проходят об боковой поверхности каждого из главных каналов в пористой структуре. Фиг. 4 является боковым видом в разрезе, иллюстрирующим устройство 100 для хранения энергии, аналогичное устройству, проиллюстрированному на фиг. 1, в соответствии с вариантами осуществления изобретения. Как иллюстрируется на фиг. , пористые структуры электропроводящих структур 110 и/или 120 содержат множество главных каналов 111, 121, при этом каждый канал из множества главных каналов имеет отверстие 112, 122 на главной поверхности 115, 125 соответствующей пористой структуры. Кроме того, боковые каналы 117, 127 формируются в боковой поверхности главных каналов 111, 121 и главных поверхностей 115,125.
Фиг. 5 является крупным планом бокового вида в разрезе, иллюстрирующим главный канал 111, сформированный в электропроводящей структуре 110, в соответствии с вариантом осуществления изобретения. Как иллюстрируется на фиг. 5, боковые каналы 117, предпочтительно, формируются в боковой поверхности 111 В, как противоположные боковой поверхности 111 А. В варианте осуществления изобретения предпочтительная формация боковых каналов 117 выполняется вдоль направления течения тока во время электрохимического травления. Фиг. 6 является боковым видом в разрезе, иллюстрирующим изображение пористой структуры, сформированной в кремниевой поверхности (322), в соответствии с вариантом осуществления изобретения. Как иллюстрируется на фиг. , главные каналы 111 проходят в электропроводящей структуре 110 вдоль направления <100> плоскости кристалла под острым углом (322) к главной поверхности 115 пористой структуры. Боковые каналы 117, предпочтительно, формируются в боковой поверхности 111В, соответствующей боковой поверхности 111 А. Фиг. 7 является боковым видом в разрезе, иллюстрирующим пористую структуру, сформированную в кремниевой поверхности (111), в соответствии с вариантом осуществления изобретения. Как иллюстрируется на фиг. , главные каналы 111 проходят в электропроводящей структуре 110 вдоль направления <113> плоскости кристалла под острым углом к направлению (111) главной поверхности 115 пористой структуры. Боковые каналы 117, предпочтительно, формируются в боковой поверхности 111В, соответствующей боковой поверхности 111А. В другом варианте осуществления изобретения главные каналы проходят в электропроводящей (5512) подложке вдоль направления <100> плоскости кристалла.
Как показано на фиг. 1 и 4, устройство 100 для хранения энергии включает в себя первую пористую структуру, вторую пористую структуру, а также разделитель 130 между первой и второй пористыми, структурами. Вторая пористая структура может содержать множество вторых главных каналов 121, проходящих во второй электропроводящей структуре 120 под вторым острым углом ко второй главной поверхности 125, при этом каждый из множества вторых главных каналов имеет второе отверстие 122 на второй главной поверхности 125. В варианте осуществления изобретения множество главных каналов 111 первой пористой структуры и множество главных каналов 121 второй пористой структуры параллельны друг другу. Например, главные поверхности 115, 125 могут формироваться вдоль той же самой кристаллографической плоскости. В варианте осуществления изобретения главная поверхность формируется вдоль (1011), (322), (111), или (5512) кристаллографической плоскости.
Как будет подробно описываться в дальнейшем, главные каналы могут быть сформированы таким образом, чтобы уменьшать постоянную времени диффузии. В варианте осуществления изобретения главные каналы линейно конические. В варианте осуществления изобретения главные каналы включают в себя резервуары. Например, главные каналы могут включать в себя форму в виде песочных часов с чередующимися областями резервуаров и соединительными областями, при этом области резервуаров являются более широкими, чем соединительные области.
Как будет подробно описываться в дальнейшем, главные каналы могут быть сформированы таким образом, чтобы укреплять пористую структуру. Например, множество главных каналов может включать в себя первичную форму поверхности и вторичную форму поверхности, накладываемую на первичную форму поверхности. В варианте осуществления изобретения первичная форма поверхности является линейной или линейно конусообразной. В варианте осуществления изобретения вторичная форма поверхности является синусоидальной. Такое синусоидальное изменение формы может устранять резкие изменения пористости, которые уменьшают концентрацию напряжений и упрочняют структуру пористого электрода.
Как будет подробно описываться в дальнейшем, условия в ванне для электрохимического травления также могут контролироваться, когда производится травление главных каналов, чтобы уменьшить размер пор и увеличить площадь поверхности за счет уменьшения температуры травления при групповой обработке, и увеличения концентрации фтористоводородной кислоты (HF) ванны для электрохимического травления, чтобы замедлить последовательность окисления и удаления оксида.
Следует принимать во внимание, что хотя многие из следующих изменений описываются отдельно, определенные варианты осуществления изобретения необязательно являются отдельными и могут комбинироваться в соответствующих условиях.
В варианте осуществления изобретения пористый электрод формируется с помощью электрохимического травления множества главных каналов в электропроводящей подложке, поэтому каждый главный канал имеет отверстие на главной поверхности электропроводящей подложки, и каждый из главных каналов проходит в электропроводящей подложке под острым углом к главной поверхности. Множество главных каналов может быть сформировано под острым углом вдоль направления протекания тока в ванне для электрохимического травления, или может быть сформировано вдоль направления кристаллографической плоскости в электропроводящей подложке. В варианте осуществления изобретения электрохимическое травление включает в себя погружение электропроводящей подложки в ванну для электрохимического травления, содержащую фтористоводородную кислоту или органический электролит, такой как диметилсульфоксид (DMSO). Процесс электрохимического травления сам по себе является высоко анизотропным, но обычно во время процесса электрохимического травления второй механизм изотропного травления также имеет место с медленной скоростью. Этот второй механизм травления может включать в себя спонтанное окисление электропроводящей подложки (например, кремния) за счет окисляющих молекул, представленных в ванне для электрохимического травления (например воды) и удаление этого полученного оксида фтористоводородной кислотой. В соответствии с вариантом осуществления изобретения, количество окисляющих молекул в ванне для электрохимического травления уменьшается, для того чтобы понизить скорость механизма изотропного травления, в результате это приводит к увеличенной анизотропности всего травления.
Фиг. 8 является схемой последовательности процесса, иллюстрирующей способ формирования пористого электрода, в соответствии с вариантом осуществления изобретения. Как показано на фиг. , во время операции 810 электропроводящая подложка погружается в ванну для электрохимического травления. Во время операции 820 ток травления прикладывается к электропроводящей подложке. Во время операции 830 ток травления изменяется нелинейным образом, чтобы создавать пористую структуру, содержащую множество главных каналов в электропроводящей подложке, при этом каждый из главных каналов имеет отверстие на главной поверхности пористой структуры.
В соответствии с вариантами осуществления изобретения способ, проиллюстрированный на фиг. 8, может использоваться для формирования устройства для хранения энергии с уменьшенной длиной пути диффузии, что уменьшает постоянную времени диффузии и делает возможным работу таких устройств для хранения энергии при более высокой мощности. Способ, проиллюстрированный на фиг. 8, может также применяться во время формирования пористого электрода, такого как электропроводящие структуры 110 и 120, проиллюстрированные на фиг. 1 и 4, или во время формирования других пористых структур, описываемых ниже, например таких, которые относятся к фиг. 19-21, и фиг. 24-25. В варианте осуществления изобретения изменение тока травления нелинейным образом во время операции 830 включает в себя изменение тока травления в чередующихся узлах с относительно более высоким и более низким токами. Например, это может привести к чередующимся областям 910 с резервуаром и соединительным областям 920, как показано в варианте осуществления изобретения, проиллюстрированном на фиг. 9, где области с резервуаром являются более широкими, чем соединительные области. В варианте осуществления изобретения главные каналы 111 имеют среднюю ширину, приблизительно, 0.05-5 мкм, или более точно, приблизительно 0.2 мкм, и изменение ширины, приблизительно, 0.01-0.25 мкм между областями 910 с резервуаром и соединительными областями 920. В варианте осуществления изобретения изменение тока травления нелинейным образом во время операции 830 включает в себя постоянно снижающийся ток травления. Например, это может привести к боковым стенкам 111A, 111B с внутренней конусностью из главной поверхности 115 к нижней части каждого из главных каналов 111, как показано в варианте осуществления изобретения, проиллюстрированного на фиг. 10. В варианте осуществления изобретения ширина нижней части главного канала 111 в диапазоне между 0.01-0.25 мкм меньше, чем ширина главного канала 111 на главной поверхности 115. Следует принимать во внимание, что в то время как главные каналы 111, проиллюстрированные на фиг. 9-10, расположены под острым углом к главной поверхности, такая иллюстрация является показательной и варианты осуществления изобретения этим не ограничиваются. Например, чередующиеся области с резервуаром и соединительные области, как показано на фиг. 9, или боковые стенки с внутренней конусностью, показанные на фиг. 10, могут применяться в вариантах осуществления изобретения, проиллюстрированных на фиг. 19-21 и фиг. 23В, где главные каналы иллюстрируются как перпендикулярные к главной поверхности.
Фиг. 11 является схемой последовательности процесса, иллюстрирующей способ формирования пористого электрода, в соответствии с вариантом осуществления изобретения. Как показано на фиг. 11, во время операции 1110 электропроводящая подложка погружается в ванну для электрохимического травления. Во время операции 1120 ток травления прикладывается к электропроводящей подложке, чтобы создавать пористую структуру, содержащую множество главных каналов в электропроводящей подложке, при этом каждый из главных каналов имеет отверстие на главной поверхности пористой структуры, а ток травления включает в себя вторичное изменение тока травления, накладываемое на первичное изменение тока травления.
В соответствии с вариантами осуществления изобретения способ, проиллюстрированный на фиг. 11, может использоваться для формирования устройства для хранения энергии с упрочненной пористой структурой. Способ, проиллюстрированный на фиг. 11, также может использоваться для формирования пористого электрода в таких структурах, как проиллюстрированные на фиг. 1 и 4 электропроводящие структуры 110, 120, или во время формирования других пористых структур, описываемых ниже, например таких, которые относятся к фиг. 19-21 и фиг. 24-25. В варианте осуществления изобретения первичное изменение тока может быть нелинейным изменением тока. В варианте осуществления изобретения нелинейное изменение тока является приближенным к многочлену второго или третьего порядка. В варианте осуществления изобретения вторичное изменение тока является линейным добавлением синусоидальной функции. Такое синусоидальное изменение может устранять резкие изменения в пористости, что уменьшает концентрации напряжения и упрочняет пористую структуру. Фиг. 12 является иллюстрацией главного канала 111, включающего в себя боковые стенки 111A, 111B с первичной линейной формой и накладываемой на нее синусоидальной формой, где боковые стенки являются по существу параллельными. Фиг. 13 является иллюстрацией главного канала 111, включающего в себя боковые стенки 111A, 111B с первичной линейной формой и накладываемой на нее синусоидальной формой, где боковые стенки являются конусообразными с внутренней конусностью. В варианте осуществления изобретения главные каналы имеют среднюю ширину, приблизительно, 0.05-5 мкм, или более точно, приблизительно 0.2 мкм, и изменение ширины вдоль накладываемой вторичной формы составляет 2-50 нм, что может быть достаточным для устранения резких изменений пористости и удаления высоких концентраций напряжения. Следует принимать во внимание, что в то время как главные каналы 111, проиллюстрированные на фиг. 12-13, расположены под острым углом к главной поверхности, такая иллюстрация является показательной и варианты осуществления изобретения этим не ограничиваются. Например, накладываемые синусоидальные формы, показанные на фиг. 12-13, могут применяться в вариантах осуществления изобретения, проиллюстрированных на фиг. 19-21 и фиг. 23В, где главные каналы иллюстрируются как перпендикулярные к главной поверхности.
Как описывалось выше, электрохимическое травление может использоваться для формирования пористой структуры пористого электрода. В некоторых вариантах осуществления изобретения были выполнены специфические технологии травления для увеличения поверхности или уменьшения длины пути диффузии. В некоторых вариантах осуществления изобретения условия электрохимического травления контролируются дополнительно, чтобы уменьшать размеры пор, таким образом увеличивая площадь поверхности пор и емкость устройства для хранения энергии. В варианте осуществления изобретения способ формирования пористого электрода включает в себя погружение электропроводящей подложки в ванну для электрохимического травления и приложение тока травления к электропроводящей подложке для создания пористой структуры, содержащей множество главных каналов внутри электропроводящей подложки, в то же время поддерживая в ванне для электрохимического травления приблизительно комнатную или более низкую температуру. Стандартные процессы электрохимического травления могут не контролировать температуру ванны для электрохимического травления, и часто температура поднимается выше комнатной во время процесса электрохимического травления. По мере выполнения процесса электрохимического травления, подложка, подвергаемая этому процессу, окисляется, а затем оксид стравливается. При более высоких температурах процесс окисления и удаления происходит быстрее. Соответственно, в варианте осуществления изобретения сохранение температуры ванны для электрохимического травления в пределах комнатной или более низкой температуры во время электрохимического травления замедляет процесс окисления и процесс травления оксида приводит в результате к порам меньшего размера.
В варианте осуществления изобретения способ формирования пористого электрода включает в себя погружение электропроводящей подложки в ванну для электрохимического травления, которая содержит концентрацию фтористоводородной кислоты (HF) : алкоголь в соотношении 2:1, или с большей концентрацией HF, и приложение тока травления к электропроводящей подложке для создания пористой структуры, содержащей множество главных каналов внутри электропроводящей подложки. В варианте осуществления изобретения концентрация фтористоводородной кислоты (HF) : алкоголь составляет 3:1, или большее значение концентрации HF. Было замечено, что развитие окисления и стравливания оксида является результатом более низкой концентрации HF. Соответственно, в варианте осуществления изобретения концентрация фтористоводородной кислоты (HF) : алкоголь увеличивается для HF до значения 2:1, или более определенно 3:1. В некоторых вариантах осуществления изобретения температура ванны для электрохимического травления сохраняется на уровне комнатной или более низкой температуры, и концентрация HF : алкоголь составляет, по меньшей мере, 2:1, или более определенно, по меньшей мере, 3:1.
На фиг. 14 показан способ формирования пористого электрода с матрицей V-образных канавок или пирамидальных углублений в соответствии с вариантом осуществления изобретения. Во время операции 1410 шаблон в виде твердой маски наносится на кристаллическую подложку, чтобы сформировать матрицу из линий. Затем кристаллическая подложка подвергается травлению, чтобы образовывать матрицу V-образных канавок или пирамидальных углублений на главной поверхности кристаллической подложки во время операции 1420. Главная поверхность кристаллической подложки может быть той же самой главной поверхностью пористой структуры, как здесь описывалось ранее. Во время операции 1430 множество главных каналов вытравливаются электрохимическим способом в кристаллической подложке, при этом множество главных каналов имеют отверстия в матрице V-образных канавок или пирамидальных углублений. Также могут быть сформированы главные каналы с отверстиями на главной поверхности.
3
4
Фиг. 15-16 являются видами сверху, иллюстрирующими способ формирования матрицы V-образных канавок и углублений, сформированных в главной поверхности 115 пористой структуры, в соответствии с вариантами осуществления изобретения. Как показано на фиг. 15, твердый шаблон из такого материала, как нитрид кремния (SiN) наносится на кристаллическую подложку в виде матрицы из линий 1510. В отдельном проиллюстрированном варианте осуществления изобретения кристаллическая подложка является электропроводящей подложкой 110, как здесь описывалось, но также могут использоваться другие подложки, включающие в себя, но не ограничиваясь этим, электропроводящую подложку 120. В варианте осуществления изобретения кристаллическая подложка (100) является кремниевой подложкой. Как показано на фиг. 16, матрица 1660 V-образных канавок и углублений вытравливается в кристаллической подложке. В варианте осуществления изобретения матрица 1660 V-образных канавок и углублений вытравливается в кристаллической кремниевой подложке (100), при этом образуются боковые поверхности 1660А, 1660 В, сформированные вдоль плоскостей (111). Травление матрицы V-образных канавок и углублений может включать в себя подходящий реактив для травления с более высокой избирательностью при травлении в направлении плоскости <100>, чем в направлении плоскости <111>, например такой как раствор гидроксида калия (КОН), этилендиамин пирокатехин (EDP), или тетраметиловый гидроксид аммония (ТМАН).
3
4
Фиг. 17-18 являются видами сверху, иллюстрирующими способ формирования матрицы пирамидальных углублений, сформированной в главной поверхности 115 пористой структуры, в соответствии с вариантом осуществления изобретения. Как показано на фиг. 17, твердый шаблон из такого материала, как нитрид кремния (SiN) наносится на кристаллическую подложку в виде матрицы из линий 1510. В отдельном проиллюстрированном варианте осуществления изобретения кристаллическая подложка является электропроводящей подложкой 110, как здесь описывалось, но также могут использоваться другие подложки, включающие в себя, но не ограничиваясь этим, электропроводящую подложку 120. В варианте осуществления изобретения кристаллическая подложка (100) является кремниевой подложкой. Как показано на фиг. 18, матрица 1870 из пирамидальных углублений вытравливается в кристаллической подложке. В варианте осуществления изобретения матрица 1870 из пирамидальных углублений вытравливается в кристаллической кремниевой подложке (100), при этом образуются боковые поверхности 1870А, 1870В, 1870С, 1870D, сформированные вдоль плоскостей (111). Травление матрицы из пирамидальных углублений может включать в себя подходящий реактив для травления с более высокой избирательностью при травлении в направлении плоскости <100>, чем в направлении плоскости <111>, например такой, как раствор гидроксида калия (КОН), этилендиамин пирокатехин (EDP), или тетраметиловый гидроксид аммония (ТМАН).
Как показано на фиг. 16 и фиг. 18, при удалении нанесенных линий 1510 твердого шаблона после травления матрицы 1660 V-образных канавок или матрицы 1870 из пирамидальных углублений, открывается по существу плоский участок главной поверхности 115. Однако следует принимать во внимание, что пористая структура, включающая в себя множество главных каналов, еще не полностью сформирована, а также то, что главная поверхность 115 пористой структуры также может соответствовать главной поверхности кристаллической подложки, или электропроводящей структуры, такой как электропроводящая структура 110.
Фиг. 19-20 являются боковыми видами в разрезе, иллюстрирующими пористую структуру устройства для хранения энергии, содержащего матрицы 1660 V-образных канавок или матрицы 1870 из пирамидальных углублений, в соответствии с вариантом осуществления изобретения после формирования множества главных каналов. Как проиллюстрировано на фиг. 19? 20, множество главных каналов 111 имеют отверстия 112 в матрице 1660 V-образных канавок или матрицы 1870 из пирамидальных углублений. В варианте осуществления изобретения, проиллюстрированном на фиг. 19, не существует самых верхних плоских участков на главной поверхности 115 кристаллической подложки 110. В варианте осуществления изобретения, проиллюстрированном на фиг. 20, матрицы 1660 V-образных канавок или матрицы 1870 из пирамидальных углублений разделяются самыми верхними плоскими участками 116 на главной поверхности 115 кристаллической подложки 110. Ширина самых верхних плоских участков 116 или их отсутствие может контролироваться за счет выбора ширины линий 1510, 1710 нанесенного твердого шаблона.
В вариантах осуществления изобретения, проиллюстрированных на фиг. 19-20, главные каналы 111 вытравливается электрохимическим способом в кристаллической подложке 110 перпендикулярно плоским участкам 116 главной поверхности 115, где они представлены. Например, там где кристаллическая подложка является кристаллической кремниевой подложкой (100), главные каналы 111 могут вытравливаться электрохимическим способом в направлении плоскости<100>, перпендикулярной поверхности (100). Следует принимать во внимание, что в то время как главные каналы 111, проиллюстрированные на фиг. 19-20, перпендикулярны главной поверхности, такая иллюстрация является показательной, и варианты осуществления изобретения этим не ограничиваются. Например, главные каналы 111 могли бы формироваться под острым углом к главной поверхности за счет ориентации направления линии передачи тока при электрохимическом травлении.
На фиг. 21 показан боковой вид в разрезе, иллюстрирующий устройство для хранения энергии, в соответствии с вариантом осуществления изобретения. Как проиллюстрировано на фиг. , устройство 100 для хранения энергии может включать в себя первую и вторую электропроводящую структуру 110, 120 (например, пористые электроды) и разделитель 130 между пористыми структурами внутри каждой из первой и второй электропроводящих структур 110, 120. Каждая пористая структура содержит матрицу V-образных канавок или пирамидальных углублений в главной поверхности 115, 125 пористой структуры и множество главных каналов 111, 121, проходящих в электропроводящих структурах 110, 120 для каждой из V-образных канавок или пирамидальных углублений с каждым из главных каналов 111, 121, имеющих отверстия 112, 122 в соответствующей V-образной канавке или пирамидальном углублении. В варианте осуществления изобретения, проиллюстрированном на фиг. 21, разделитель 130 проходит в матрицу V-образных канавок или пирамидальных углублений. В варианте осуществления изобретения вторая пористая структура второй электропроводящей структуры 120 проходит в матрицу V-образных канавок или пирамидальных углублений в пористой структуре первой электропроводящей структуры 110. Разделитель 130 может быть сформирован на электропроводящей структуре 110 с помощью множества различных способов. Например, разделитель 130 может быть создан путем отложения или укладывания в стопку. В варианте осуществления изобретения разделитель 130 является растягиваемой пленкой, размещенной на электропроводящей подложке 110.
Фиг. 22 является схемой последовательности процесса, иллюстрирующей способ формирования устройства для хранения энергии, в соответствии с вариантом осуществления изобретения. Фиг. 23А-23В являются боковыми видами в разрезе, иллюстрирующими устройство 2300 для хранения энергии, в соответствии с вариантами осуществления изобретения. Во время операции 2210 разделительный слой 130 формируется над первым электропроводящим пористым электродом, содержащим множество главных каналов 111, при этом каждый главный канал имеет отверстие на главной поверхности 115 первого электропроводящего пористого электрода. Разделитель 130 может быть сформирован на первом электропроводящем пористом электроде с помощью множества различных способов. Например, разделитель 130 может быть создан путем отложения или укладывания в стопку. В варианте осуществления изобретения разделитель 130 является растягиваемой пленкой, размещенной на первом электропроводящем пористом электроде. Электропроводящий пористый электрод может быть любой из описанных здесь электропроводящих структур. В варианте осуществления изобретения электропроводящий пористый электрод является электропроводящей структурой 110, как иллюстрируется на фиг. 1, фиг. 4, фиг. 19-21, или может быть какой-либо из ее вариаций. В варианте осуществления изобретения, проиллюстрированном на фиг. 23А, главная поверхность 115 является относительно плоской. В варианте осуществления изобретения проиллюстрированном на фиг. 23В, матрица 1160 V-образных канавок или матрица 1870 из пирамидальных углублений формируется в главной поверхности 115. Множество главных каналов 111 могут проходить в электропроводящую структуру 110 перпендикулярно главной поверхности 115 пористой структуры, или могут проходить в электропроводящую структуру 110 под острым углом к главной поверхности 115. Во время операции 2220 второй электропроводящий пористый электрод 2320 откладывается на разделяющем слое 130, используя технологию отложения соответствующей тонкой пленки, например такую как химическое осаждение из газовой фазы (CVD - chemical vapor deposition), покрытия, полученного способом центрифугирования, нанесение покрытия осаждением паров (PVD - physical vapor deposition), и нанесение покрытия способом электроосаждения. В варианте осуществления изобретения второй электропроводящий пористый электрод 130 выполнен из такого материала как углерод, материала на основе углерода, или псевдоемкостного материала, при этом первый электропроводящий пористый электрод является материалом, выбранным из следующей группы: кремний, карбид кремния, германий, и олово. В варианте осуществления изобретения второй электропроводящий пористый электрод выполнен из полученного с помощью химического осаждения из газовой фазы легированного литием углерода. В варианте осуществления изобретения второй электропроводящий пористый электрод является наноалмазной углеродной пленкой. Наноалмазная углеродная пленка может объединяться с теплоотводом. В вариантах с гибридным материалом, проиллюстрированных на фиг. 23А-23В, первый пористый электрод может интегрироваться с другой схемой 2330 в электропроводящей подложке. Например, схема 2330 может быть интегральной схемой, сформированной внутри электропроводящей подложки 110, которая также является электропроводящей структурой 110, формирующей первый пористый электрод. В варианте осуществления изобретения устройство 2300 для хранения энергии располагается на той же самой электропроводящей структуре 110 как микропроцессор. В другом варианте осуществления изобретения устройство 2300 для хранения энергии располагается на электропроводящей структуре 110 микропроцессора. В варианте осуществления изобретения устройство 2300 для хранения энергии формируется внутри корпуса мобильного электронного устройства, такого как мобильный телефон, переносной компьютер, или планшетный компьютер. В варианте осуществления изобретения устройство для хранения энергии формируется на кремниевом мосту, соединяющем два кристалла интегральной схемы.
Как показано на фиг. 24, способ формирования устройства для хранения энергии иллюстрируется в соответствии с вариантом осуществления изобретения. Во время операции 2410 электропроводящая подложка вытравливается электрохимическим способом, чтобы высвободить пористую структуру из электропроводящей подложки. Фиг. 25 является боковым видом в разрезе, иллюстрирующим пористую структуру 2512, освобожденную из электропроводящей подложки 2510 в ванне 2500 для электрохимического травления, в соответствии с вариантом осуществления изобретения. Для иллюстративных целей ванна 2500 для электрохимического травления может включать в себя пару электродов 2502, 2504, таких как платиновые сетчатые электроды, установленных на каждой стороне бака 2506. В другом варианте осуществления изобретения ванна для электрохимического травления может быть горизонтальной ванной для травления. Электропроводящая подложки 2510 может быть установлена в сменный держатель 2520 подложки, который может размещаться в передней части отверстия в разделительной пластине 2530 и фиксироваться в пластине с помощью байонетного фиксатора. Когда фиксатор закрывается, левое и правое отделения электрически изолируются друг от друга. Ванна 2500 для электрохимического травления может быть заполнена достаточным количеством раствора 2540 для травления, чтобы покрывать электропроводящую подложку 2510 и электроды 2502, 2504. Например, в том случае, если подложка содержит кремний, показательные растворы для травления включают в себя растворы фтористоводородной кислоты (HF) и HF вместе с этиловым алкоголем.
Электрохимическое травление пористой структуры 2512 в электропроводящей подложке 2510 может выполняться в соответствии с традиционными технологиями. Например, постоянный ток может поддерживаться между отрицательным и положительным электродами 2502, 2504. Может потребоваться до некоторой степени изменять напряжение во время электрохимического травления вследствие потери электрической проводимости раствора 2540 для травления в ванне 2500 для электрохимического травления. Кроме того, любое из описанных здесь изменений процесса травления может комбинироваться со способом, описанным в отношении фиг. 24, для того чтобы, например, увеличить поверхность пористого электрода, уменьшить длину пути диффузии, уменьшить размер поры, увеличить прочность поры. Пористая структура 2512 может быть вытравлена в подложке 2510 на боковой стороне отрицательно заряженного электрода 2502. В варианте осуществления изобретения режим травления используется для высвобождения пористой структуры 2512 из электропроводящей подложки 2510. Например, ток для электрохимического травления может быть быстро увеличен, чтобы высвободить пористую структуру 2512.
Как показано на фиг. 24, пористая структура 2512 может быть затем присоединена к разделительному слою и второй пористой структуре, чтобы сформировать устройство для хранения энергии. Это присоединение может быть выполнено множеством способов. Например, присоединение может включать в себя отложение разделительного слоя на пористой структуре. Присоединение может включать в себя укладку в стопку пористой структуры на разделительный слой, или укладывание в стопку разделительного слоя на пористой структуре. Присоединение также может включать в себя укладывание в стопку второй пористой структуры на разделительный слой. Вторая пористая структура может быть сформирована таким же, или другим способом, как пористая структура 2512.
Фиг. 26 является блок-схемой, иллюстрирующей мобильное электронное устройство 2600, в соответствии с вариантом осуществления изобретения. Как иллюстрируется на фиг. 26, мобильное электронное устройство 2600 содержит подложку 2610, на которой располагаются микропроцессор 2620 и устройство 2630 для хранения энергии, взаимодействующее с микропроцессором 2620. Устройство 2630 для хранения энергии может или располагаться на подложке 2610 на расстоянии от микропроцессора 2620, как проиллюстрировано сплошными линиями, или может располагаться на самом микропроцессоре 2620, как проиллюстрировано пунктирными линиями. В одном варианте осуществления изобретения устройство 2630 для хранения энергии содержит первую и вторую электропроводящие структуры, разделенные между собой разделителем, где по меньшей мере, одна из структур, т.е. первая и/или вторая электропроводящие структуры, содержит пористую структуру, содержащую множество каналов. Например, этот вариант осуществления изобретения может быть аналогичен одному или более вариантам осуществления изобретения, показанным в любой из предыдущих фигур и описанных в сопроводительном тексте.
По меньшей мере в некоторых вариантах осуществления изобретения устройство 2630 для хранения энергии является одним из множества устройств для хранения энергии, которые могут быть последовательно уложены в стопку (все эти устройства представлены на фиг. 26 в виде блока 2630), причем эти устройства содержатся внутри мобильного электронного устройства 2600. В одном или более из этих вариантов осуществления изобретения мобильное электронное устройство 2600 дополнительно содержит переключающую схему 2640, взаимодействующую с устройствами для хранения энергии. Когда конденсатор является разряженным, он не поддерживает постоянное напряжение, но вместо этого оно ослабляется по экспоненциальной функции (в отличие от батареи, где напряжение остается относительно постоянным во время разрядки). Переключающая схема 2640 содержит схематику или какой-либо другой механизм, который включает и выключает различные конденсаторы, например такие, которые поддерживают относительно постоянное напряжение. Например, устройства для хранения энергии могут первоначально соединяться между собой параллельно, а затем, после определенного уменьшения величины напряжения, подгруппа устройств для хранения энергии может быть изменена за счет переключающей схемы, для того чтобы присоединяться последовательно таким образом, что их индивидуальные вклады в общее напряжение могут повышать падающее общее напряжение. В одном варианте осуществления изобретения переключающая схема 2640 может применяться с использованием существующей технологии для кремниевого устройства, которая используется в данной области техники (транзисторы, кремниевые управляемые диоды (SCR) и т.д.), в то время как в других вариантах осуществления изобретения она могла бы применяться с использованием реле или переключателей микроэлектромеханических систем (MEMS), которые, как можно отметить, проявляют тенденцию, чтобы иметь очень низкое сопротивление.
В некоторых вариантах осуществления изобретения мобильное электронное устройство 2600 дополнительно содержит сенсорную сеть 2650, взаимодействующую с устройствами 2630 для хранения энергии. По меньшей мере в некоторых вариантах осуществления изобретения каждое из множества устройств для хранения энергии будет иметь собственный датчик, который отображает определенные поведенческие параметры устройства для хранения энергии. Например, датчики могут отображать существующие уровни напряжения, также как и имеющаяся в настоящее время характеристика разрядки, причем оба этих параметра могут использоваться переключающей сетью, особенно в тех случаях, когда используемый диэлектрический материал (или другой электрический изолятор) является нелинейным, и более того, имеет диэлектрическую постоянную, которая изменяется при изменении напряжения. В этих случаях может быть предпочтительным, наряду с сенсорной сетью, включать в себя конечный автомат, такой как модуль 2660 регулирования напряжения, который учитывает поведение диэлектрика и соответствующим образом на него реагирует. Модуль регулирования напряжения, который прогнозирует поведение диэлектрика, может компенсировать любую нелинейность. Датчик 2670 температуры, взаимодействующий с устройствами 2630 для хранения энергии, также может быть включен в состав системы, чтобы контролировать температуру (или другие параметры, относящиеся к безопасности). В определенных вариантах осуществления изобретения мобильное электронное устройство 2600 дополнительно содержит одно или более устройств: дисплей 2681, антенну/радиочастотные элементы 2682, сетевой интерфейс 2683, устройство 2684 для ввода данных (например, клавиатура или сенсорный экран), микрофон 2685, камера 2686, видеопроектор 2687, приемник 2688 глобальной системы навигации и местоопределения (GPS), и подобные устройства.
Фиг. 27 является блок-схемой, представляющей микроэлектронное устройство 2700, в соответствии с вариантом осуществления изобретения. Как проиллюстрировано на фиг. 27, микроэлектронное устройство 2700 содержит: подложку 2710, микропроцессор 2720 над подложкой 2710, и устройство 2730 для хранения энергии, взаимодействующее с микропроцессором 2720. Устройство 2730 для хранения энергии может или располагаться на подложке 2710 с разнесением от микропроцессора 2720 (например, die-side конденсатор), как проиллюстрировано сплошными линиями, или может быть расположен на самом микропроцессоре 2720 (например, во встроенном слое над микропроцессором), как проиллюстрировано пунктирными линиями. В одном варианте осуществления изобретения устройство 2730 для хранения энергии содержит первую и вторую электропроводящие структуры, разделенные между собой разделителем, где по меньшей мере, одна из структур, т.е. первая и/или вторая электропроводящие структуры содержит пористую структуру. Например, этот вариант осуществления изобретения может быть аналогичен одному или более вариантам осуществления изобретения, показанным в любой из предыдущих фигур и описанных в сопроводительном тексте. В другом варианте осуществления изобретения устройство 2730 для хранения энергии содержит множество электропроводящих структур, содержащих пористые структуры, которые последовательно уложены в стопку. В варианте осуществления изобретения устройство 2730 для хранения энергии включает в себя пористую структуру, которая содержит множество главных каналов, проходящих в пористую структуру под острым углом к главной поверхности пористой структуры. В варианте осуществления изобретения устройство 2730 для хранения энергии включает в себя пористую структуру, которая содержит матрицу V-образных канавок или пирамидальных углублений в главной структуре, а множество главных каналов проходят в каждую V-образную канавку или пирамидальное углубление. В варианте осуществления изобретения устройство 2730 для хранения энергии включает в себя пористую структуру, которая содержит множество главных каналов с боковыми стенками, включающими в себя первичную форму поверхности и вторичную форму поверхности, которая накладывается на первичную форму поверхности. В варианте осуществления изобретения устройство 2730 для хранения энергии включает в себя первый пористый электрод, содержащий кремний, карбид кремния, германий, олово, и псевдоемкостной материал, также устройство 2730 для хранения энергии включает в себя второй пористый электрод, содержащий углерод, материал на основе углерода, карбид кремния, и кремний.
Раскрытые здесь устройства для хранения энергии могут использоваться в некоторых вариантах осуществления изобретения как развязывающий конденсатор внутри микроэлектронного устройства 2700. Такой конденсатор имеет меньший размер, и по причинам, описываемым в других частях описания, предлагает намного более высокую емкость и намного меньшее полное сопротивление, по сравнению с существующими развязывающими конденсаторами. Как уже упоминалось, устройство 2730 для хранения энергии может быть частью носителя интегральной схемы (IC) или микросхемы, или может располагаться на самом кристалле микропроцессора. Например, оно может, в соответствии с вариантами осуществления изобретения, формировать области пористого кремния (или подобно тому, как описывалось ранее) на кристалле микропроцессора, а затем создавать сильно развитую поверхность, с встроенным развязывающим конденсатором непосредственно на подложке кристалла микропроцессора. Благодаря пористости кремния, встроенный конденсатор будет иметь очень большую площадь поверхности. Другие возможные варианты использования для раскрываемых устройств для хранения энергии включают в себя использование в качестве элемента запоминающего устройства (в котором подходы к проблеме с размером в направлении z по аппликате встроенного динамического запоминающего устройства с произвольной выборкой (ЗУПВ) могут быть решены за счет значительного увеличения фарад на единицу площади), или в качестве компонента преобразователей напряжения в схематике добавочного напряжения, возможно для использования со схемными блоками, индивидуальными ядрами микропроцессора, или подобными устройствами. В варианте осуществления изобретения устройство для хранения энергии встраивается внутрь электронного устройства, при этом устройство для хранения энергии взаимодействует с микропроцессором. Например, устройство для хранения энергии может быть сформировано внутри корпуса мобильного электронного устройства, такого как мобильный телефон, переносной компьютер, или планшетный компьютер. В варианте осуществления изобретения устройство для хранения энергии формируется на кремниевом мосту, соединяющем два кристалла интегральной схемы.
Например, более высокие значения емкости могли бы в этом контексте быть предпочтительными, поскольку части схемы могли бы в этом случае работать номинально при определенном (относительно низком) напряжении, но в таком случае в местах, где более высокое напряжение необходимо для того, чтобы увеличить скорость (например, сверхоперативное ЗУ, устройства ввода/вывода (I/O), напряжение может быть повышено до более высокого значения. Операционная схема такого вида, вероятно, была бы предпочтительнее схемы, в которой везде используется более высокое напряжение; т.е. в тех случаях, когда только малая часть схематики требует более высокое напряжение, вероятно было бы предпочтительным повысить напряжение относительно более низкого базового напряжения для этого маленького участка схемы, чем понижать напряжение относительно более высокого базового напряжения для большей части схемы. Будущие поколения микропроцессоров также могут использовать преобразователи напряжения такого типа, как здесь описывалось. Сделав доступным увеличение емкости для развертывания вокруг комплекта или вокруг кристалла микропроцессора, можно помочь решить существующую задачу недопустимо высокой индуктивности между транзисторами, которые передают напряжение по схеме.
Следующие примеры обеспечиваются как отдельные варианты осуществления изобретения, и они скорее являются иллюстративными, чем ограничивающими.
В первом показательном варианте осуществления изобретения устройство для хранения энергии включает в себя пористую структуру, содержащую множество главных каналов внутри электропроводящей структуры; при этом каждый из главных каналов имеет отверстие на главной поверхности пористой структуры, и каждый из главных каналов проходит в электропроводящую структуру под острым углом к главной поверхности. Каждый главный канал может проходить в электропроводящую структуру вдоль направления кристаллической плоскости, ориентированной под острым углом к главной поверхности. Боковые каналы могут проходить от боковой поверхности каждого из главных каналов в электропроводящую структуру. Там где главная поверхность является поверхностью (1011), каждый из главных каналов проходит в электропроводящую структуру вдоль направления <100> кристаллической плоскости под острым углом к главной поверхности. Боковые каналы могут также проходить от боковой поверхности каждого из главных каналов, проходящих в электропроводящую структуру вдоль направления <100> кристаллической плоскости. Там где главная поверхность является поверхностью (322), каждый из главных каналов проходит в электропроводящую структуру вдоль направления <100> кристаллической плоскости под острым углом к главной поверхности. Боковые каналы могут также проходить от боковой поверхности каждого из главных каналов, проходящих в электропроводящую структуру вдоль направления <100> кристаллической плоскости. Там где главная поверхность является поверхностью (111), каждый из главных каналов проходит в электропроводящую структуру вдоль направления <113> кристаллической плоскости под острым углом к главной поверхности. Боковые каналы могут также проходить от боковой поверхности каждого из главных каналов, проходящих в электропроводящую структуру вдоль направления <113> кристаллической плоскости. Устройство для хранения энергии также может включать в себя вторую пористую структуру во второй электропроводящей структуре, и разделитель между пористой структурой и второй пористой структурой. Вторая пористая структура может содержать множество вторых главных каналов, при этом каждый из вторых главных каналов имеет второе отверстие во второй главной поверхности второй пористой структуры, а каждый из вторых главных каналов проходит во вторую электропроводящую структуру под вторым острым углом к второй главной поверхности. Множество главных каналов и множество вторых главных каналов могут быть параллельны друг другу. Главная поверхность и вторая главная поверхность могут формироваться вдоль той же самой кристаллографической плоскости, такой как плоскости (1011), (322), (111), или (5512). Устройство для хранения энергии может быть встроено внутрь электронного устройства, и может взаимодействовать с микропроцессором. Например, устройство для хранения энергии может быть сформировано внутри корпуса мобильного электронного устройства, такого как мобильный телефон, переносной компьютер, или планшетный компьютер. Устройство для хранения энергии может быть сформировано на кремниевом мосту, соединяющем два кристалла интегральной схемы. Каждый из главных каналов в устройстве для хранения энергии может проходить в электропроводящую структуру с боковыми стенками, включающими в себя первичную форму поверхности и вторичную форму поверхности, наложенную на первичную форму поверхности. Например, первичная форма поверхности может быть линейной. Например, первичная форма поверхности может быть линейно конусообразной. В варианте осуществления изобретения вторичная форма поверхности является синусоидальной. В варианте осуществления изобретения вторичная форма поверхности включает в себя чередующиеся области резервуаров и соединительные области.
Во втором показательном варианте осуществления изобретения способ формирования пористого электрода включает в себя электрохимическое травление множества главных каналов в электропроводящей подложке таким образом, что каждый главный канал имеет отверстие в главной поверхности подложки, и каждый из главных каналов проходит в подложку под острым углом к главной поверхности. Множество главных каналов может быть сформировано вдоль направления протекания тока в ванне для электрохимического травления. Множество главных каналов может быть сформировано вдоль направления кристаллографической плоскости в подложке. Электрохимическое травление может включать в себя погружение подложки в ванну для электрохимического травления, содержащую фтористоводородную кислоту (HF) или диметилсульфоксид (DMSO). Процесс электрохимического травления множества главных каналов в электропроводящей подложке может дополнительно включать в себя погружение электропроводящей подложки в ванну для электрохимического травления, приложение тока травления через электропроводящую подложку и изменение тока травления нелинейным образом, чтобы создавать пористую структуру, содержащую множество главных каналов внутри электропроводящей подложки. Изменение тока травления нелинейным образом может включать в себя изменение тока травления в чередующихся узлах с относительно более высоким и более низким током. Это может привести к тому, что в каждом главном канале будут содержаться чередующиеся области резервуаров и соединительные области, причем области резервуаров являются более широкими, чем соединительные области. Изменение тока травления нелинейным образом может включать в себя постоянное понижение тока травления. Это может привести к тому, что в каждом главном канале будут содержаться непрерывно суживающиеся в направлении внутрь боковые стенки от главной поверхности к нижней поверхности каждого главного канала. Электрохимическое травление множества главных каналов в электропроводящей подложке может включать в себя погружение электропроводящей подложки в ванну для электрохимического травления и приложение тока травления через электропроводящую подложку, чтобы создавать пористую структуру, содержащую множество главных каналов внутри электропроводящей подложки, при этом ток травления включает в себя вторичное изменение тока травления, накладываемое на первичное изменение тока травления. Первичное изменение тока травления может быть нелинейным изменением тока. Вторичное изменение тока травления может быть линейным дополнением синусоидальной функции. Нелинейное изменение тока может быть аппроксимировано полиномом второго или третьего порядка. В варианте осуществления изобретения множество главных каналов содержат боковые стенки с первичной линейной формой и накладываемой на ней синусоидальной формой. Электрохимическое травление множества главных каналов в электропроводящей подложке может включать в себя электрохимическое травление электропроводящей подложки для высвобождения пористой структуры, содержащей множество главных каналов, из электропроводящей подложки. Электрохимическое травление множества главных каналов в электропроводящей подложке может включать в себя поддерживание ванны для электрохимического травления приблизительно при комнатной или меньшей температуре. Электрохимическое травление множества главных каналов в электропроводящей подложке может включать в себя погружение электропроводящей подложки в ванну для электрохимического травления, которая содержит концентрацию фтористоводородной кислоты (HF) : алкоголь в соотношении 2:1, или с большей концентрацией HF. В варианте осуществления изобретения ванна для электрохимического травления включает в себя концентрацию HF : алкоголь в соотношении 3:1, или с большей концентрацией HF.
В третьем показательном варианте осуществления изобретения устройство для хранения энергии включает в себя пористую структуру с электропроводящей структурой, при этом пористая структура содержит матрицу V-образных канавок или пирамидальных углублений на главной поверхности пористой структуры, и множество главных каналов, проходящих в электропроводящую структуру для каждой V-образной канавки или пирамидального углубления, при этом каждый главный канал имеет отверстие в соответствующей V-образной канавке или пирамидальном углублении. Главная поверхность может быть плоскостью (100). Каждая V-образная канавка или пирамидальное углубление может включать в себя боковую поверхность, проходящую вдоль направления <111> плоскости в электропроводящей структуре. Устройство для хранения энергии также может включать в себя вторую пористую структуру внутри второй электропроводящей структуры, и разделитель между пористой структурой и второй пористой структурой. Разделитель может проходить в матрицу V-образных канавок или пирамидальных углублений. Вторая пористая структура может проходить в матрицу V-образных канавок или пирамидальных углублений. Вторая электропроводящая структура может быть таким материалом как углерод, материал на основе углерода, и псевдоемкостной материал. Вторая пористая структура может содержать вторую матрицу V-образных канавок или пирамидальных углублений во второй главной поверхности второй пористой структуры, а вторая матрица главных каналов проходит во вторую электропроводящую структуру, при этом каждый главный канал имеет отверстие в соответствующей V-образной канавке или пирамидальном углублении. Вторая пористая структура может проходить в V-образную канавку или пирамидальное углубление пористой структуры. Разделитель может полностью заполнять матрицу V-образных канавок или пирамидальных углублений. Устройство для хранения энергии может быть сформировано на кремниевом мосту, соединяющем два кристалла интегральной схемы. Каждый из главных каналов в устройстве для хранения энергии может проходить в электропроводящую структуру с боковыми стенками, включающими в себя первичную форму поверхности и вторичную форму поверхности, наложенную на первичную форму поверхности. Например, первичная форма поверхности может быть линейной. Например, первичная форма поверхности может быть линейно конусообразной. В варианте осуществления изобретения вторичная форма поверхности является синусоидальной. В варианте осуществления изобретения вторичная форма поверхности включает в себя чередующиеся области с резервуаром и соединительные области. Каждый из главных каналов в устройстве для хранения энергии может проходить в электропроводящую структуру с боковыми стенками, включающими в себя первичную форму поверхности и вторичную форму поверхности, наложенную на первичную форму поверхности. Например, первичная форма поверхности может быть линейной. Например, первичная форма поверхности может быть линейно конусообразной. В варианте осуществления изобретения вторичная форма поверхности является синусоидальной. В варианте осуществления изобретения вторичная форма поверхности включает в себя чередующиеся области с резервуаром и соединительные области. В варианте осуществления изобретения второй пористый электрод включает в себя легированный литием углерод. В варианте осуществления изобретения второй пористый электрод включает в себя наноалмазную пленку.
В четвертом показательном варианте осуществления изобретения способ формирования пористого электрода включает в себя нанесение шаблона твердой маски на кристаллическую подложку, чтобы сформировать матрицу из линий, травление матрицы V-образных канавок или пирамидальных углублений на главной поверхности кристаллической подложки и электрохимическое травление множества главных каналов в кристаллической подложке, при этом каждый из множества главных каналов имеет отверстие в матрице V-образных канавок или пирамидальных углублений. В варианте осуществления изобретения кристаллическая подложка является кремниевой подложкой (100), а травление V-образных канавок или пирамидальных углублений включает в себя реактив для травления - раствор гидроксида калия (КОН). Способ также может включать в себя формирование слоя разделителя над матрицей V-образных канавок или пирамидальных углублений и отложение пористого электрода на слое разделителя. В варианте осуществления изобретения пористый электрод откладывается с помощью химического осаждения из газовой фазы (CVD). Электрохимическое травление множества главных каналов в кристаллической подложке может включать в себя погружение кристаллической подложки в ванну для электрохимического травления и приложение тока травления через кристаллическую подложку, а также изменение тока травления нелинейным образом, чтобы создавать пористую структуру, содержащую множество главных каналов в кристаллической подложке, где каждый из главных каналов имеет отверстие на поверхности в матрице V-образных канавок или пирамидальных углублений. Изменение тока травления нелинейным образом может включать в себя изменение тока травления в чередующихся узлах с относительно более высоким и более низким током. Это может привести к тому, что в каждом главном канале будут содержаться чередующиеся области резервуаров и соединительные области, причем области резервуаров являются более широкими, чем соединительные области. Изменение тока травления нелинейным образом может включать в себя постоянное понижение тока травления. Это может привести к тому, что в каждом главном канале будут содержаться непрерывно суживающиеся в направлении внутрь боковые стенки от главной поверхности к нижней поверхности каждого главного канала. Электрохимическое травление множества главных каналов в кристаллической подложке может включать в себя погружение кристаллической подложки в ванну для электрохимического травления и приложение тока травления через кристаллическую подложку, чтобы создавать пористую структуру, содержащую множество главных каналов внутри кристаллической подложки, при этом ток травления включает в себя вторичное изменение тока травления, накладываемое на первичное изменение тока травления. Первичное изменение тока травления может быть нелинейным изменением тока. Вторичное изменение тока травления может быть линейным дополнением синусоидальной функции. Нелинейное изменение тока может быть аппроксимировано полиномом второго или третьего порядка. В варианте осуществления изобретения множество главных каналов содержат боковые стенки с первичной линейной формой и накладываемой на ней синусоидальной формой. Электрохимическое травление множества главных каналов в кристаллической подложке может включать в себя электрохимическое травление кристаллической подложки для высвобождения пористой структуры, содержащей множество главных каналов, из кристаллической подложки. Электрохимическое травление множества главных каналов в кристаллической подложке может включать в себя поддерживание ванны для электрохимического травления приблизительно при комнатной или меньшей температуре. Электрохимическое травление множества главных каналов в кристаллической подложке может включать в себя погружение кристаллической подложки в ванну для электрохимического травления, которая содержит концентрацию фтористоводородной кислоты (HF) : алкоголь в соотношении 2:1, или с большей концентрацией HF. В варианте осуществления изобретения ванна для электрохимического травления включает в себя концентрацию HF : алкоголь в соотношении 3:1, или с большей концентрацией HF.
В пятом показательном варианте осуществления изобретения способ формирования пористого электрода включает в себя погружение электропроводящей подложки в ванну для электрохимического травления, приложение тока травления через электропроводящую подложку, а также изменение тока травления нелинейным образом, чтобы создавать пористую структуру, содержащую множество главных каналов в электропроводящей подложке, где каждый из главных каналов имеет отверстие на поверхности пористой структуры. Изменение тока травления нелинейным образом может включать в себя изменение тока травления в чередующихся узлах с относительно более высоким и более низким током. Это может привести к тому, что в каждом главном канале будут содержаться чередующиеся области резервуаров и соединительные области, причем области резервуаров являются более широкими, чем соединительные области. Изменение тока травления нелинейным образом может включать в себя постоянное понижение тока травления. Это может привести к тому, что в каждом главном канале будут содержаться непрерывно суживающиеся в направлении внутрь боковые стенки от главной поверхности к нижней поверхности каждого главного канала.
В шестом показательном варианте осуществления изобретения способ формирования пористого электрода включает в себя погружение электропроводящей подложки в ванну для электрохимического травления, приложение тока травления через электропроводящую подложку, чтобы создавать пористую структуру, содержащую множество главных каналов в электропроводящей подложке, где каждый из главных каналов имеет отверстие на главной поверхности пористой структуры, а ток травления включает в себя изменение вторичного тока травления, накладываемое на изменение первичного тока травления. Изменение первичного тока травления может быть нелинейным изменением тока. Изменение вторичного тока травления может быть линейным дополнением синусоидальной функции. Нелинейное изменение тока может быть аппроксимировано полиномом второго или третьего порядка. В варианте осуществления изобретения множество главных каналов содержат боковые стенки с первичной линейной формой и накладываемой на нее синусоидальной формой.
В седьмом показательном варианте осуществления изобретения устройство для хранения энергии включает в себя пористую структуру, содержащую множество главных каналов внутри электропроводящей структуры, где каждый из главных каналов имеет отверстие на главной поверхности пористой структуры, и каждый из главных каналов проходит в электропроводящую структуру с боковыми стенками, включающими в себя первичную форму поверхности и вторичную форму поверхности, которая накладывается на первичную форму поверхности. Например, первичная форма поверхности может быть линейной. Например, первичная форма поверхности может быть линейно конусообразной. В варианте осуществления изобретения вторичная форма поверхности является синусоидальной. В варианте осуществления изобретения вторичная форма поверхности включает в себя чередующиеся области резервуаров и соединительные области.
В восьмом показательном варианте осуществления изобретения способ формирования устройства для хранения энергии включает в себя формирование слоя разделителя над первым электропроводящим пористым электродом, при этом первый электропроводящий пористый электрод содержит множество главных каналов, где каждый из главных каналов имеет отверстие в главной поверхности первого электропроводящего пористого электрода, и откладывающийся второй электропроводящий пористый электрод на слое разделителя. Способ также может включать в себя электрохимическое травление электропроводящей подложки, чтобы формировать первый электропроводящий пористый электрод. Отложение второго электропроводящего пористого электрода может включать в себя такую операцию как химическое осаждение из газовой фазы (CVD), покрытие, полученное способом центрифугирования, нанесение покрытия осаждением паров (PVD), и нанесение покрытия способом электроосаждения.
В девятом показательном варианте осуществления изобретения устройство для хранения энергии включает в себя первый пористый электрод, содержащий множество главных каналов, в котором каждый из главных каналов имеет отверстие на главной поверхности первого пористого электрода, и в котором первый пористый электрод включает в себя кремний, карбид кремния, германий, или олово; разделитель располагается на первом пористом электроде, а второй электрод находится на разделительном слое, при этом второй пористый электрод включает в себя кремний, материал на основе кремния, или псевдоемкостной материал. В варианте осуществления изобретения второй пористый электрод включает в себя легированный литием углерод. В варианте осуществления изобретения второй пористый электрод включает в себя наноалмазную пленку.
В десятом показательном варианте осуществления изобретения способ формирования устройства для хранения энергии включает в себя электрохимическое травление электропроводящей подложки, чтобы высвобождать пористую структуру из электропроводящей подложки, и соединение пористой структуры с разделительным слоем и второй пористой структурой. Соединение может включать в себя отложение разделительного слоя на пористой структуре. Соединение может включать в себя укладывание в стопку пористой структуры на разделительный слой. Соединение может включать в себя укладывание в стопку разделительного слоя на пористой структуре. Соединение может включать в себя укладывание в стопку второй пористой структуры на уложенном в стопку разделительном слое. Способ также может включать в себя электрохимическое травление второй электропроводящей подложки, чтобы высвобождать вторую пористую структуру из второй электропроводящей подложки.
В одиннадцатом варианте осуществления изобретения способ формирования пористого электрода включает в себя погружение электропроводящей подложки в ванну для электрохимического травления, приложение тока травления через электропроводящую подложку для создания пористой структуры, содержащей множество главных каналов внутри электропроводящей подложки, в то же время поддерживая в ванне для электрохимического травления приблизительно комнатную или более низкую температуру, при этом каждый из главных каналов имеет отверстие на главной поверхности пористой структуры. В варианте осуществления изобретения ванна для электрохимического травления включает в себя раствор с концентрацией фтористоводородной кислоты (HF) : алкоголь в соотношении 2:1, или с большей концентрацией HF.
В двенадцатом варианте осуществления изобретения способ формирования пористого электрода включает в себя погружение электропроводящей подложки в ванну для электрохимического травления, которая включает в себя раствор с концентрацией фтористоводородной кислоты (HF) : алкоголь в соотношении 2:1, или с большей концентрацией HF, и приложение тока травления через электропроводящую подложку для создания пористой структуры, содержащей множество главных каналов внутри электропроводящей подложки, при этом каждый из главных каналов имеет отверстие на главной поверхности пористой структуры. В варианте осуществления изобретения ванна для электрохимического травления включает в себя раствор с концентрацией фтористоводородной кислоты (HF) : алкоголь в соотношении 3:1, или с большей концентрацией HF.
Хотя изобретение было описано со ссылкой на отдельные варианты осуществления изобретения, специалистам в данной области техники будет понятно, что различные изменения могут быть сделаны без выхода за пределы объема и сущности изобретения. Соответственно, раскрытие вариантов осуществления изобретения предполагается для иллюстрации изобретения, и не предполагается для ограничения. Предполагается, что объем изобретения будет ограничиваться только до такой степени, которая предусматривается прилагаемой формулой изобретения. Например, специалистам в данной области техники будет очевидно, что устройства для хранения энергии и относящиеся к ним структуры и способы, обсуждаемые здесь, могут быть применены во множестве вариантов осуществления изобретения, при этом приведенное выше обсуждение некоторых из этих вариантов необязательно представляет полное описание всех возможных вариантов осуществления изобретения.
Кроме того, выгоды, другие преимущества и решения проблем были описаны применительно к специфическим вариантам осуществления изобретения. Однако выгоды, преимущества, решения проблем и любой элемент или элементы, которые могут привести к каким-либо выгодам, преимуществам и решениям проблем таким образом, чтобы они имели место или становились более ясно выраженными, не должны истолковываться как критические, требуемые, или необходимые признаки или элементы любого или всех пунктов формулы изобретения.
Кроме того, описанные здесь варианты осуществления изобретения и ограничения не предназначены делать изобретение всеобщим достоянием под доктриной передачи изобретения в общественное пользование, если эти варианты и ограничения: (1) неопределенно заявлены в пунктах формулы изобретения; и (2) являются или потенциально являются эквивалентами показанных элементов и/или ограничениями в пунктах формулы изобретения под доктриной эквивалентов.