具有至少一個多孔多晶襯底的能量存儲設備的制作方法
【專利摘要】在一個實施例中，用于能量存儲設備的結構可以包括至少一個多晶襯底。晶粒尺寸可以被設計成至少為多晶襯底中的光子散射開始在晶粒邊界散射之上主導的尺寸。該結構還包括包含多晶襯底內的多個通道的多孔結構。
【專利說明】具有至少一個多孔多晶襯底的能量存儲設備

【技術領域】
[0001]本發(fā)明所公開的實施例一般地涉及能量存儲設備，并且更具體地涉及具有多孔電容器板的電容器。

【背景技術】
[0002]包括電池和電容器的能量存儲設備在電子設備中廣泛地使用。特別地，電容器廣泛用于從電氣電路系統(tǒng)和功率遞送系統(tǒng)到電壓調整和電池更換的應用。隨著電容器技術的持續(xù)發(fā)展，已經(jīng)出現(xiàn)若干類型。例如，也被稱為超級電容器(除其它名稱之外)的雙電層電容器(EDLC)以高能量存儲和功率密度、小尺寸及低重量為特征并且因而已經(jīng)變?yōu)橛糜谠谌舾蓱弥惺褂玫挠袧摿Φ暮蜻x。在一種方案中，這些超級電容器是基于碳的并且缺少開放式孔隙結構，因為常規(guī)處理選項不可用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0003]所公開的實施例將從結合所繪附圖考慮的以下詳細描述的閱讀而被更好地理解，在附圖中:
圖1是根據(jù)本發(fā)明的實施例的多孔結構的截面視圖；
圖2是根據(jù)本發(fā)明的實施例的一片多孔硅的形貌掃描電子顯微鏡圖像；
圖3是根據(jù)本發(fā)明的實施例的具有大晶粒尺寸的多晶襯底的多孔電容器板的截面視圖；
圖4是根據(jù)本發(fā)明的實施例的具有包括最優(yōu)晶粒尺寸的多晶襯底的多孔電容器板的截面視圖；
圖5是表示根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于構造最優(yōu)多孔多晶襯底的方法的流程圖；
圖6是根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于制造包括最優(yōu)晶粒尺寸的多晶襯底的一個實施例的圖；
圖7和8是根據(jù)本發(fā)明的實施例的能量存儲設備的截面視圖；
圖9是根據(jù)本發(fā)明的實施例的能量存儲設備的通道內的雙電層的截面表示；
圖10是表示根據(jù)本發(fā)明的實施例的微電子設備的框圖；以及圖11是表示根據(jù)本發(fā)明的實施例的移動電子設備的框圖。
[0004]出于圖示的簡單性和清楚性，所繪附圖圖示一般構造方式，并且已知特征和技術的描述和細節(jié)可以省略以避免不必要地混淆本發(fā)明所描述的實施例的討論。附加地，所繪附圖中的元素未必按照比例繪制。例如，圖中的一些元素的大小可以相對于其它元素夸大以幫助改善對本發(fā)明的實施例的理解。不同圖中的相同參考標號指代相同元素，而類似參考標號可以但是不一定指代類似元素。

【具體實施方式】
[0005]在一個實施例中，用于能量存儲設備的結構可以包括多晶襯底。晶粒尺寸可以被設計成至少為光子散射開始在晶粒邊界散射之上主導的尺寸。結構還包括包含多晶襯底內的多個通道的多孔結構。在電化學超級電容器的生產(chǎn)中，需要創(chuàng)建成本有效的電容器板以用于大量生產(chǎn)。在超過400°C的高溫處理多孔材料允許使用原子層沉積(ALD)來涂敷深入孔隙(例如40nm寬的孔隙)中的數(shù)百微米。然而，鑒于當前已知襯底材料的若干缺點，成本有效的電容器板當前不能夠實現(xiàn)。
[0006]一個缺點是引起足夠深孔隙的脫層的氫解吸。另一缺點是由于高溫處理而引起的塑性流動和納米孔隙的閉合，這可能引起每立方厘米的表面積的減小。又一缺點在于多孔硅的表面要求鈍化以阻止電化學反應在電壓充電之下出現(xiàn)。未鈍化的硅是高度反應材料并且由于表面陷阱(surface trap)而是非常有阻力的。未鈍化的硅的這些特性引起多晶硅板中的大串聯(lián)電阻，這導致超級電容器的充電和放電期間的歐姆損失。
[0007]當前，方案利用ALD來創(chuàng)建導電、化學穩(wěn)定的層。然而，該策略遭受上述溫度限制并且要求襯底的硅以外的附加材料，這可能是昂貴的。當前方案還利用碳來克服上述鈍化和表面導電性缺點。利用碳的一些益處在于其是化學穩(wěn)定的并且其具有高導電性，這一般歸因于孔隙內的石墨烯層的存在。然而，基于碳的商用超級電容器缺少諸如硅之類的電蝕刻的固體半導體的開放式孔隙結構和處理選項。
[0008]現(xiàn)在參照圖，圖1是根據(jù)本發(fā)明的實施例的多孔結構100的截面視圖。多孔結構100包括具有多晶襯底110內的多個通道111的多孔層120。陰影區(qū)120將多孔層與非多孔層121區(qū)分。陰影區(qū)120中的襯底材料可以是與非陰影區(qū)121相同的材料。在一個實施例中，非陰影區(qū)可以被移除或者在厚度上減小以最小化其尺寸以便用于在緊湊設備中的實現(xiàn)。多孔層邊界125表示多晶襯底內的通道陣列的平均孔隙深度。在一個實施例中，每一個通道可以具有到多晶襯底110的多孔表面115的開口 112。在其它實施例中，襯底可以用不同制造技術形成并且可以包括不同材料(例如碳)。每一個通道可以不具有到襯底的多孔表面的開口。多晶襯底110或襯底可以被設計成具有某一晶粒尺寸，這將在本文中更詳細地解釋。
[0009]在一個實施例中，具有所設計的和優(yōu)化的晶粒尺寸的多晶襯底可以包括硅、碳化硅、鍺、碳、錫、或者可以被蝕刻以制成具有大表面積的多孔材料的任何其它材料。使用硅的可能優(yōu)點包括其與現(xiàn)有硅技術的相容性。鍺由于針對該材料的現(xiàn)有技術而享有類似優(yōu)點，并且相比于硅享有另外的可能優(yōu)點:其本征氧化物(氧化鍺)是水可溶的并且因此易于移除。(形成在硅的表面上的本征氧化物可以俘獲電荷，這是非期望結果。)鍺也與硅技術高度相容。使用錫(其為零帶隙材料)的可能優(yōu)點包括其關于某些其它導電和半導體材料的增強的導電性。其它材料也可以用于多孔結構，包括碳化硅，諸如硅和鍺的合金之類的合金，以及諸如銅、鋁、鎳、鈣、鎢、鑰和錳之類的金屬。硅鍺合金例如將有利地展現(xiàn)出比純鍺結構小得多的體積差異。
[0010]在以上所公開的材料的組當中，碳化硅可能是從其構造多晶襯底的期望材料。它是多晶形式中的低成本材料并且在硅的熔點以上的約1000°c處熔化。它還具有龐大結構和熱強度并且可以以與硅類似的方式通過陽極蝕刻而制成多孔的。通過在數(shù)百攝氏度將包含碳的氣體引入到孔隙中，碳化硅襯底中的孔隙的表面可以涂敷有某一厚度(例如納米厚)的石墨烯板。孔隙內的石墨烯的這種形成可以鈍化孔隙的表面并且將孔隙壁轉換成高度導電的板。此外，碳化硅的高溫穩(wěn)定性可以允許使用ALD過程，其可以要求在硅的處理溫度以上的數(shù)百攝氏度的處理溫度。這可以準許深入到孔隙中的更加快速的擴散速率以及表面化合物到它們的平衡狀態(tài)的完全轉換。
[0011]圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的一片多孔硅200的形貌掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。如所示的，多孔硅200包含多個通道211，其中一些通道可以看起來在豎直上是細長的并且一些可以看起來為大概圓形孔。后一組表示可見部分針對其水平取向的通道。應理解，通道211可能沿著它們的長度扭轉和轉向使得單個通道可以具有豎直和水平部分二者以及既不完全豎直也不完全水平但是落在它們之間某處的部分。
[0012]利用恰當?shù)奈g刻劑，應當可能從各種各樣材料制成具有所述特性的多孔結構。作為示例，多孔硅結構可以通過用氫氟酸(HF)和醇類(乙醇、甲醇、異丙醇等)的混合物蝕刻硅襯底來創(chuàng)建。更一般地，多孔硅和其它多孔結構可以通過如陽極化和染色蝕刻的這種過程來形成。
[0013]在某些實施例中，每一個通道的最小維度不大于I微米(μ m)。用于通道的最小維度的該上部尺寸限制可以針對特定實施例進行選擇以便最大化那些實施例的多孔結構的表面積。較小(例如較窄)的通道引起用于每一個導電結構的增加的總表面積，因為較大數(shù)目的這種較窄通道可以適配到給定尺寸的導電結構中。因為電容正比于表面積，所以在尺寸方面受上述方式約束的通道將可能并且有利地導致具有增加的電容的電容器。(通道的其它維度，例如它們的長度，也可以被操縱以便增加表面積(或者實現(xiàn)一些其它結果)，即較長通道相比較短通道可能是優(yōu)選的，但是以其它方式而言相比上面討論最小維度可能較不關鍵)。在其它實施例中，通道的最小維度可以大于I μ m,也許如10 μ m那么大或者更大。盡管它們會降低表面積，但是這樣的較大通道可以提供在其中生長或以其它方式形成附加結構(如果期望的話)的更多內部空間。在下文討論至少一個這樣的實施例。
[0014]圖3是根據(jù)本發(fā)明的實施例的具有大晶粒尺寸的多孔多晶襯底300的截面視圖。如圖3中所示，多孔多晶襯底300可以包括由晶粒邊界308限定的大晶粒尺寸。要指出，當晶粒尺寸過大時，孔隙的陽極蝕刻可能遭受各種問題。一個問題可能是大晶體的取向給形成孔隙的過程施加強烈負面影響。另一問題可能是晶粒邊界308處的物理差異(諸如增強的擴散性和較低的化學穩(wěn)定性)可能引起多晶襯底的某些區(qū)域中的優(yōu)選蝕刻。又一問題可能是位于晶粒邊界308處的大部分載流子可能耗盡，從而對晶粒邊界308處的蝕刻速率具有大影響。因此，多孔層302(在具有由晶粒邊界308限定的大晶粒尺寸的多孔襯底300中表示)被示出具有由深度306和304之間的高度差表示的大孔隙深度變化310。應指出，表示多孔層302的陰影部可以包括如圖1中所描繪的通道111的陣列?？紫渡疃鹊拇笞兓捎谠诖_定超級電容器的總電容時的不可預見性(其引起不可靠的超級電容器)而可能是非期望的。
[0015]在另一方面，非晶硅襯底可以是用于創(chuàng)建孔隙的選項，因為它避免晶粒取向和大晶粒邊界的問題。然而，這由于以下事實而可能難以利用:非晶硅具有電化學非穩(wěn)定性，這可能限制多孔材料中的最大可獲得厚度。因此，對于超出200nm的板厚度而言，非晶硅可能不良地蝕刻。由于該限制，非晶硅可能是不可工作的，因為實際超級電容器可能要求數(shù)百微米深的孔隙。
[0016]圖4是根據(jù)本發(fā)明的實施例的被結構化成具有期望晶粒尺寸的多孔多晶襯底400的截面視圖。如圖4中所示，多孔多晶襯底400 (例如多孔電容器板)可以包括由晶粒邊界408限定的期望晶粒尺寸。由晶粒邊界408限定的晶粒尺寸可以被設計成允許更均勻的多孔層402，因為最優(yōu)晶粒邊界408可以在整個多晶襯底中均勻地分布，由此使孔隙深度變化平均。孔隙深度變化可以由襯底400的深度404和深度406之間的最小深度變化410來表
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[0017]在一個實施例中，多孔多晶襯底的晶粒尺寸可以大約為光子散射開始在晶粒邊界散射之上主導的尺寸。半導體材料中的空穴移動性是約480cm2/volt-sec，其暗示著0.27皮秒的光子散射時間。鑒于費米海的頂部處的典型空穴載流子速度，該散射時間暗示著273納米(nm)的平均自由程。因此，在一個實施例中，光子散射開始在晶粒邊界散射之上主導的尺寸可以大約為273nm。根據(jù)某些實施例的多晶襯底可以包括約200_500nm，約250_350nm或者約300nm的晶粒尺寸。在具有蝕刻到襯底中的20nm寬的孔隙的情況下，可以產(chǎn)生在100微米厚的板之上沒有高水平的表面積變化的高表面積(例如數(shù)百平方米的表面積/立方厘米)材料，因為可以存在結晶取向和邊界層蝕刻變化之上的足夠平均處理。
[0018]圖5是表示根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于構造多孔多晶襯底500的方法的流程圖500。在框502處，方法500可以包括標識至少為光子散射開始在晶粒邊界散射之上主導的尺寸的晶體晶粒尺寸。應指出，晶粒尺寸不應太小以至于嚴重增加襯底電阻，并且晶粒尺寸不應太大以至于遭受具有大晶粒尺寸的多晶襯底的上述缺點。實質上，根據(jù)本發(fā)明的實施例，使兩種非希望情形最小化的晶粒尺寸可以被標識。
[0019]在框504處，方法500可以包括獲得具有在框502中所標識的晶體晶粒尺寸的多晶襯底材料。獲得襯底材料可以包括各種形式，包括但不限于在制造設施處制造襯底。涉及本發(fā)明的一個實施例的制造方法可以包括在下文圖6中公開的方法。
[0020]在框506處，方法500可以包括形成包含多晶襯底內的多個通道的多孔層。在一個實施例中，每一個通道可以具有到多晶襯底的多孔表面的開口。多孔層內的通道的形成可以通過陽極蝕刻或者形成具有納米寬直徑的微米深孔隙的領域中已知的任何其它過程來處理。
[0021]在框508處，方法500還可以包括在大于400°C的溫度處理多孔結構。因為襯底材料可以包括碳化硅，所以襯底可以是高度耐溫的，從而允許諸如ALD過程之類的要求高溫的過程以將材料沉積在襯底上而不會遭受諸如氫解吸或塑性流動之類的問題。
[0022]圖6是根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于制造具有最優(yōu)晶粒尺寸的多晶襯底的實施例600的圖。熔化的材料602 (例如摻硼硅)的主體可以在兩個軋輥604a和604b之間突伸到娃突起608的薄板中。軋棍604a和604b可以由可分別在方向606a和606b上旋轉的碳化硅軋輥構成。硅突起的薄板可以包括可在方向610上突伸的碳化硅。隨著硅從軋輥突伸，它冷卻成具有由冷卻速率建立的某一晶粒尺寸的多晶形式。
[0023]在一個實施例中，硅的急冷通過抵抗水冷的銅以16K/秒冷卻硅的薄板來完成。該非?？焖俚睦鋮s產(chǎn)生非晶材料。在另一方面，非常慢的冷卻產(chǎn)生超出許多微米的直徑的晶粒尺寸。通過使硅突伸通過軋輥，其被拉伸的速率可以控制硅的冷卻使得硅以恰當?shù)睦鋮s安排而冷卻，由此產(chǎn)生根據(jù)本發(fā)明的實施例的期望晶粒尺寸。冶金學中的其它技術，諸如邊緣支持的線帶硅，也可以工作。根據(jù)本發(fā)明的實施例，板厚度可以是數(shù)百微米厚以及若干米長和寬。
[0024]圖7和8是根據(jù)本發(fā)明的實施例的能量存儲設備的截面視圖。如圖7和8中所示，能量存儲設備700包括通過電氣隔離物彼此分離的多晶襯底710和多晶襯底720。該電氣隔離物可以采取各種形式中的一個，如以下更詳細討論的。多晶襯底710和720中的至少一個包括包含多個通道711的多孔結構100 (如圖1中所示，但是其中移除大多非多孔層121)。在所示實施例中，多晶襯底710和多晶襯底720 二者包括這樣的多孔結構。因此，多晶襯底710包括具有到對應多孔結構的表面715的開口 712的通道711，并且多晶襯底720包括具有到對應多孔結構的表面725的開口 722的通道721。在其中多晶襯底710和720中僅一個包括具有多個通道的多孔結構的實施例中，另一導電結構可以例如為金屬電極或非多孔多晶硅結構。
[0025]能量存儲設備700的各種配置是可能的。例如在圖7的實施例中，能量存儲設備700包括已經(jīng)利用中間分離器730面對面結合在一起的兩個分立的多孔結構(多晶襯底710和多晶襯底720)。作為另一示例，在圖8的實施例中，能量存儲設備800包括單個平面多孔結構，其中第一部(多晶襯底810)通過包含分離器830的溝槽831與第二部(多晶襯底820)分離。導電結構中的一個將是正側并且另一導電結構將是負側。分離器830準許離子的轉移但是不允許諸如將在電解物中發(fā)現(xiàn)的流體的轉移。根據(jù)某些實施例的圖7和8的多晶襯底可以包括至少為光子散射開始在晶粒邊界散射之上主導的尺寸的晶粒尺寸(例如約200_500nm,約 250_350nm,約 300nm,約 273nm)。
[0026]圖8示出連接多晶襯底810和多晶襯底820的材料的小橋。如果未定址(unadressed)，則該橋可以充當兩個導電結構之間的電氣短路。然而，存在若干可能的解決方案。例如，橋可以使用拋光操作移除。可替換地，導電結構可以形成在晶片的重摻雜頂層或區(qū)中同時溝槽向下延伸到并不是非常良好的導體的底層輕摻雜襯底。在另一實施例中，可以使用隔離物上硅的結構。
[0027]作為示例，多晶襯底810和820的多孔結構可以通過濕法蝕刻過程來創(chuàng)建，在濕法蝕刻過程中被應用到導電結構的表面的液體蝕刻劑以至少在某種程度上與水能夠在石頭中雕刻通道的方式類似的方式將導電結構的部分蝕刻掉。這是為什么以這種方式形成的通道中的每一個具有到導電結構的表面的開口的原因；濕法蝕刻方法不能夠在多孔結構內創(chuàng)建完全圍封的腔室，即沒有到表面的開口的腔室，類似于俘獲在石頭內的氣泡。這并不是說那些開口不可以被其它材料覆蓋或者由于其它材料的存在或附加而以其它方式閉合(其實際上在若干實施例中可能發(fā)生)，但是不管是否被覆蓋，到表面的所述開口是根據(jù)本發(fā)明的至少一個實施例的每一個多孔結構中的每一個通道的特征。(其中開口可以被覆蓋的一個實施例是其中作為用于電路系統(tǒng)或其它布線的位置的外延硅層生長在通道頂部的實施例)。根據(jù)本發(fā)明的實施例的多孔結構可以用非常精確且一致的孔隙尺寸控制來制造(與活性碳形成對比)。這允許快速充電(孔隙尺寸可以優(yōu)化以便與離子尺寸相容)并且還改進電容(將沒有區(qū)域不起作用)。這還將允許電壓波動的窄分布。
[0028]結合該討論應指出，以不同于上述的方式形成的多孔碳具有不同結構，即以沒有表面開口的完全圍封的腔室為特征的結構。因此，多孔碳不適用于(或者至少不期望用于)本發(fā)明的至少某些實施例(盡管應當在此處提及，某些其它實施例(諸如例如下文描述的厚導電結構)可以包含完全圍封的腔室)。還應指出，多孔結構的圖7和圖8的描繪在僅作為一個示例提及的以下方面是高度理想的:所有通道811和821被示出為僅豎直延伸。實際上，通道將在多個方向上分叉以創(chuàng)建凌亂的、不規(guī)則的圖案，其可以看起來有些像圖2中示出的多孔結構。
[0029]在一個實施例中，能量存儲設備700還包括在多孔結構的至少一部分上和通道711中的至少一些中的導電涂層740。這樣的導電涂層可能是必要的以便維持或增強多孔結構的導電性。作為示例，導電涂層740在本發(fā)明的一個實施例中可以包括石墨烯。該材料可以使用諸如ALD之類的過程來應用。石墨烯層可以鈍化孔隙通道的表面并且將該表面轉換成高度導電的板。能量存儲設備800可以包括在多孔結構的至少一部分上和通道811中的至少一些中的導電涂層840。
[0030]作為另一示例，導電涂層740可以是諸如例如鋁、銅和鎢之類的金屬的涂層，或者是諸如氮化鎢、氮化鈦和氮化鉭之類的其它電導體。所列材料中的每一個具有在現(xiàn)有CMOS技術中使用的優(yōu)勢。諸如鎳和鈣之類的其它金屬也可以用作導電涂層740或840。這些材料可以使用諸如電鍍、化學氣相沉積(CVD)和/或原子層沉積(ALD)之類的過程來應用。此處應指出，鎢的CVD過程是自限制的，這意味著鎢將形成一對單層并且然后停止生長。所得薄導電涂層精確地是能量存儲設備700或800的實施例所需要的，因為它不會變得太厚以至于密封通道并且防止CVD氣體穿透較深入到通道中。如果期望的話，多孔結構也可以摻雜有被設計成增加結構的導電性的摻雜劑(例如用于多孔硅的硼、砷或磷；例如用于多孔鍺的砷或鎵)。
[0031]在一個實施例中，分離導電結構710和多晶襯底720的電氣隔離物包括電介質材料。例如，人們可以通過使用利用二氧化硅(S12)氧化的多孔硅電極連同作為另一電極的金屬或多晶硅結構一起來制成非常高電容的電容器。多孔硅的非常高表面積將是可以用這樣的電容器實現(xiàn)的高電容的主要貢獻者。
[0032]通過將電解物750放置成與多孔結構物理接觸，電容仍可以進一步增加，甚至明顯增加。電解物750 (以及本文描述的其它電解物)在圖中使用隨機布置的圓來表示。該表示意圖傳達電解物是包含自由離子的物質(液體或固體)的思想。出于便利性而選擇圓并且其并不意圖暗示對電解物成分或量的任何限制，包括關于離子的尺寸、形狀或數(shù)目的任何限制?？梢砸勒毡景l(fā)明的實施例使用的典型的但不是僅有的類型的電解物是離子溶液。
[0033]在其中使用電解物750的實施例中，將多晶襯底710與多晶襯底720分離的電氣隔離物可以是通過電解物的存在而創(chuàng)建的雙電層。在圖9中示意性地描繪的該雙電層可以補償或者替代上述電介質材料。如圖9中所示,雙電層(EDL)902已經(jīng)形成在通道711中的一個內。EDL 902由兩個離子層形成，其中一個是通道711的側壁的電荷(在圖9中被描繪為正的但是也可以是負的)并且另一個由電解物中的自由離子形成。EDL 902電氣隔離表面，從而提供用于使電容器發(fā)揮作用所必要的電荷分離。電解物超級電容器的大電容及因而能量存儲潛力由于電解物離子和電極之間的小(約Inm)分離而提升。
[0034]應指出，當能量存儲設備700放電時，然后EDL消耗。這意味著在其中EDL代替例如電介質層的某些情況下，多晶襯底710和720可以在某一時間內沒有通過電氣隔離物(至少不是嵌入在EDL中的那個)彼此分離。在本文中對“通過電氣隔離物彼此分離的第一導電結構和第二導電結構”的引用具體地包括如以上所述的其中電氣隔離物僅在能量存儲設備被充電時存在的情形。
[0035]在一些實施例中，電解物750是有機電解物。作為一個示例，電解物可以是有機材料的液體或固體溶液，諸如乙腈中的四乙銨四氟硼酸。其它示例包括基于硼酸、硼酸鈉或弱有機酸的溶液。可替換地，(非有機)水可以用作電解物，但是這可能引起在電容器超過某一溫度時水可能沸騰并且形成氣體的安全性風險，從而可能造成電容器爆炸。
[0036]圖10是表示根據(jù)本發(fā)明的實施例的微電子設備1000的框圖。如圖10中所示，微電子設備1000可以包括襯底1002、在襯底1002之上的微處理器1004、以及與微處理器1004相關聯(lián)的能量存儲設備1006。能量存儲設備1006可以或者位于襯底1002上遠離微處理器1004 (例如管芯側電容器)，如實線所示，或者它可以位于微處理器1004本身上(例如在微處理器以上的內建層中)，如虛線所示。在一個實施例中，能量存儲設備1006包括通過電氣隔離物彼此分離的第一和第二導電結構，其中第一和第二導電結構中的至少一個包括具有至少為光子散射開始在晶粒邊界散射之上主導的尺寸的晶粒尺寸的多晶襯底和包含多晶襯底內的多個通道的多孔結構。在一個實施例中，每一個通道具有到多晶襯底上的多孔表面的開口。作為示例，該實施例可以類似于在圖7-9中示出的并且在隨附文本中描述的實施例中的一個或多個。在另一實施例中，能量存儲設備1006包括多個納米結構(例如分立的納米結構)以及與納米結構中的至少一些物理接觸的電解物。
[0037]本文中所公開的能量存儲設備可以在一些實施例中用作微電子設備1000內的去耦合電容器，即更小的并且出于在本文中其它地方描述的原因而提供比現(xiàn)有去耦合電容器高得多的電容和低得多的阻抗的去耦合電容器。如已經(jīng)提及的，能量存儲設備1006可以是支持集成電路(IC)或芯片的一部分或者它可以位于微處理器管芯本身上。作為示例，根據(jù)本發(fā)明的實施例，人們可能能夠形成微處理器管芯上的多孔硅的區(qū)(或者類似物，如以上所描述的)并且然后恰好在微處理器管芯的襯底上創(chuàng)建高表面積嵌入的去稱合電容器。由于硅的多孔性的緣故，嵌入的電容器將具有非常高的表面積。用于所公開的能量存儲設備的其它可能用途包括用作存儲器存儲元件(其中利用嵌入的DRAM方案的z方向尺寸的問題可以通過極大地增加每單位面積的法拉來解決)或者用作升壓電路系統(tǒng)中的電壓轉換器的組件，也許用于與電路塊、個體微處理器核或類似物一起使用。
[0038]作為示例，較高的電容值在該上下文中可能是有利的，因為電路的部分然后可以在某一(相對低的)電壓處標稱地運行但是然后在其中需要較高電壓以便增加速度的地方(例如高速緩沖存儲器、輸入/輸出(I/o)應用)可以將電壓升壓至較高值。該種類的操作方案相比于其中每個地方使用較高電壓的方案而言將可能是優(yōu)選的；即在其中僅小量電路系統(tǒng)要求較高電壓的情形中，將可能優(yōu)選的是從用于該小部分電路的較低基線電壓對電壓進行升壓而不是從用于大部分電路系統(tǒng)的較高基線值降低電壓。另外，微處理器生成也可以利用此處所描述的類型的電壓轉換器。具有可用于部署在封裝周圍或微處理器管芯周圍的更多電容可以幫助解決在電路周圍轉移電壓的晶體管之間的無法忍受的高電感的現(xiàn)有問題。
[0039]圖11是表示根據(jù)本發(fā)明的實施例的移動電子設備1100的框圖。如圖11中所示，移動電子設備1100包括在其上設置微處理器1120和與微處理器1120相關聯(lián)的能量存儲設備1130的襯底1110。能量存儲設備1130可以或者位于襯底1110上遠離微處理器1120，如實線所示，或者它可以位于微處理器1120本身上，如虛線所示。在一個實施例中，能量存儲設備1130包括通過電氣隔離物彼此分離的第一和第二導電結構，其中第一和第二導電結構中的至少一個包括包含多個通道的多孔結構。作為示例，該實施例可以與本文所示出和描述的實施例中的一個或多個類似。
[0040]在至少一些實施例中，能量存儲設備1130是包含在移動電子設備1100內的多個能量存儲設備(其所有在圖11中以框1130表示)中的一個。在那些實施例中的一個或多個中，移動電子設備1100還包括與能量存儲設備相關聯(lián)的切換網(wǎng)絡1140。當電容器放電時，它不維持恒定電壓，而是替代地以指數(shù)方式衰減(不像其中電壓在放電期間保持相對恒定的電池)。切換網(wǎng)絡1140包括切入和切出各種電容器使得維持相對恒定電壓的電路系統(tǒng)或某一其它機構。例如，能量存儲設備可以初始地并聯(lián)連接到彼此，并且然后在某一量的電壓衰減之后，可以通過切換網(wǎng)絡改變能量存儲設備的子集以便串聯(lián)連接使得它們個體的電壓貢獻可以對下降的總電壓進行升壓。在一個實施例中，切換網(wǎng)絡1140可以使用如現(xiàn)有技術中所使用的現(xiàn)有硅設備技術(晶體管、硅控制的整流器(SCR)等)來實現(xiàn)，而在其它實施例中它可以使用微機電系統(tǒng)(MEMS)中繼器或開關(可以指出，其傾向于具有非常低的電阻)來實現(xiàn)。
[0041]在一些實施例中，移動電子設備1100還包括與能量存儲設備1130相關聯(lián)的傳感器網(wǎng)絡1150。在至少一些實施例中，多個能量存儲設備中的每一個將具有其本身的傳感器，該傳感器指示能量存儲設備的某些行為參數(shù)。例如，傳感器可以指示現(xiàn)有電壓電平以及正在進行的放電響應，這兩者是可以被切換網(wǎng)絡使用的參數(shù)，特別地在其中所使用的電介質材料(或其它電氣隔離物)不是線性的而是具有隨電壓變化的介電常數(shù)的情形中尤為如此。在那些情形中，可能有利的是連同傳感器網(wǎng)絡一起包括諸如電壓控制單元1160之類的有限狀態(tài)機，所述有限狀態(tài)機知曉電介質的行為是怎樣的并且相應地做出響應。知曉電介質是如何做出行為的電壓控制單元可以補償任何非線性。與能量存儲設備1130相關聯(lián)的溫度傳感器1170也可以被包括以便感測溫度(或者其它安全性有關的參數(shù))。在本發(fā)明的某些實施例中，移動電子設備1100還包括以下當中的一個或多個:顯示器1181、天線/RF元件1182、網(wǎng)絡接口 1183、數(shù)據(jù)錄入設備1184(例如鍵盤或觸摸屏)、麥克風1185、相機1186、視頻投影儀1187、全球定位系統(tǒng)(GPS)接收器1188、以及類似物。
[0042]在一個實施例中，設備(例如微電子設備、移動電子設備)包括襯底、在襯底之上的微處理器、以及與微處理器相關聯(lián)的能量存儲設備。能量存儲設備包括第一導電結構、第二導電結構、以及將導電結構彼此分離的電氣隔離物。第一導電結構和第二導電結構中的至少一個可以包括具有至少為光子散射開始在晶粒邊界散射之上主導的尺寸的晶粒尺寸的多晶襯底。在某些實施例中，尺寸約為200-500nm，約為250_350nm，約為300nm，或者約為273nm。在一個實施例中，多晶襯底可以包括具有多個通道的多孔層，其中每一個通道具有到多晶襯底的多孔表面的開口。多晶襯底包括硅、碳化硅、鍺、碳、錫、或者可以被陽極蝕刻以制成材料中的多孔結構的任何其它材料中的至少一個。多晶襯底的厚度可以小于毫米。
[0043]說明書和權利要求中的術語“第一”、“第二”、“第三”、“第四”和類似詞(如果有的話)是用于在類似元素之間進行區(qū)分并且未必用于描述特定的序列性或時間順序。要理解的是，如此使用的術語在適當情況下是可互換的使得本文中所描述的發(fā)明的實施例能夠例如以除本文所說明或以其它方式描述的那些之外的序列操作。類似地，如果方法在本文中被描述為包括一系列步驟，則本文所呈現(xiàn)的這樣的步驟的順序未必是可以執(zhí)行這樣的步驟的僅有順序，并且所陳述的步驟中的某些可以可能地被忽略和/或未在本文中描述的某些其它步驟可以可能地被添加到方法。此外，術語“包括”、“包含”、“具有”及其任何變形意圖覆蓋非排他性包括，使得包括元素列表的過程、方法、物品或裝置未必限于那些元素，而是可以包括未明確列出或不是這樣的過程、方法、物品或裝置所固有的其它元素。
[0044]說明書和權利要求中的術語“左”、“右”、“前”、“后”、“頂”、“底”、“之上”、“之下”和類似詞(如果有的話)用于描述性目的并且未必用于描述永久性相對位置。應理解，如此使用的術語在適當情況下是可互換的使得本文中所描述的發(fā)明的實施例能夠例如以除本文所說明或以其它方式描述的那些之外的其它取向而操作。如在本文中所使用的術語“耦合”被限定為以電氣或非電氣方式直接或間接連接。在本文中被描述為“鄰近”彼此的對象可以與彼此物理接觸，緊密接近彼此，或者處于彼此相同的一般區(qū)或區(qū)域中，如短語所使用的上下文中所適當?shù)哪菢?。短語“在一個實施例中”在本文中的出現(xiàn)未必都是指相同的實施例。
[0045]盡管已經(jīng)參照具體實施例描述了本發(fā)明，但是本領域技術人員將理解的是，可以做出各種改變而不脫離本發(fā)明的精神或范圍。因此，本發(fā)明的實施例的公開是意圖說明本發(fā)明的范圍并且并非意圖限制。本發(fā)明的范圍應意圖僅限于由隨附權利要求所要求的程度。例如，本領域技術人員將容易清楚的是，本文所討論的能量存儲設備及相關結構和方法可以以各種實施例來實現(xiàn)，并且這些實施例中的某些的前述討論未必表示所有可能實施例的完整描述。
[0046]附加地，已經(jīng)關于具體實施例描述了益處、其它優(yōu)點以及問題的解決方案。然而，所述益處、優(yōu)點、問題的解決方案以及可以引起任何益處、優(yōu)點或方案發(fā)生或變得更顯著的任何元素或多個元素不應被解釋為所有權利要求或任何權利要求的關鍵的、要求的或必要的特征或元素。
[0047]此外，如果本文中所公開的實施例和/或限制:(I)在權利要求中未明確主張；和
(2)在等同原則之下是權利要求中所表述的元素和/或限制的等同形式或者潛在地為其等同形式，則在專用原則之下這些實施例和限制并不貢獻于大眾。
【權利要求】
1.一種結構，包括: 具有至少為光子散射開始在晶粒邊界散射之上主導的尺寸的晶粒尺寸的第一多晶襯底；以及 在第一多晶襯底內形成的第一多孔層，其中第一多孔層包含多個通道。
2.權利要求1的結構，還包括: 具有至少為光子散射開始在晶粒邊界散射之上主導的尺寸的晶粒尺寸的第二多晶襯底； 在第二多晶襯底內形成的第二多孔層，其中第二多孔層包含多個通道，其中每一個通道具有到第二多晶結構的多孔表面的開口 ；以及 在第一和第二多晶襯底之間形成的隔離材料，其中第一多孔層的每一個通道包括到第一多晶襯底的多孔表面的開口。
3.權利要求2的結構，其中多個通道涂敷有石墨烯。
4.權利要求2的結構，其中第一和第二多晶襯底中的至少一個包括硅、碳化硅、鍺、碳、錫、以及可以被蝕刻以制成多孔材料的任何其它材料中的至少一個。
5.權利要求2的結構，其中第一和第二多晶襯底中的至少一個包括硅和碳化硅中的至少一個。
6.權利要求2的結構，其中第一和第二多晶襯底每一個的厚度小于毫米。
7.權利要求1的結構，其中第一多晶襯底的晶粒尺寸在200和500納米(nm)之間。
8.權利要求1的結構，其中多孔層具有約20納米(nm)的孔隙尺寸。
9.權利要求2的結構，其中第一和第二多晶襯底的晶粒尺寸在250和350納米(nm)之間。
10.一種用于構造能量存儲設備的方法，包括: 標識至少為光子散射開始在晶粒邊界散射之上主導的尺寸的晶體晶粒尺寸； 獲得具有該晶體晶粒尺寸的多晶襯底材料；以及 形成多晶襯底內的多孔層，其中多孔層包含多個通道。
11.權利要求10的方法，還包括在高于400°C的溫度處理多孔層，其中多孔層通過陽極蝕刻多晶襯底來形成，其中多孔層的每一個通道包括到多晶襯底的多孔表面的開口。
12.權利要求10的方法，其中獲得多晶襯底包括使熔化的襯底材料突伸通過碳化硅軋輥，其中熔化的襯底包括摻硼硅。
13.權利要求12的方法，其中突伸以將襯底冷卻成具有至少為光子散射開始在晶粒邊界散射之上主導的尺寸的晶粒尺寸的多晶結構的速率來執(zhí)行。
14.一種能量存儲設備，包括: 第一導電結構； 第二導電結構； 將第一導電結構與第二導電結構分離的電氣隔離物，其中第一導電結構和第二導電結構中的至少一個包括具有至少為光子散射開始在晶粒邊界散射之上主導的尺寸的晶粒尺寸的多晶襯底。
15.權利要求14的能量存儲設備，還包括: 在多晶襯底內形成的多孔層，其中多孔層包含多個通道，其中每一個通道具有到多晶襯底的多孔表面的開口。
16.權利要求15的能量存儲設備，其中多晶襯底包括硅、碳化硅、鍺、碳、錫、以及可以被陽極蝕刻以制成多孔材料的任何其它材料中的至少一個。
17.權利要求14的能量存儲設備，其中多晶襯底的厚度在毫米以下。
18.權利要求14的能量存儲設備，其中多晶襯底包括硅。
19.權利要求14的能量存儲設備，其中多晶襯底包括碳化硅。
20.權利要求14的能量存儲設備，其中多晶襯底的晶粒尺寸在200和500納米(nm)之間。
21.權利要求14的能量存儲設備，其中多晶襯底的晶粒尺寸在250和350納米(nm)之間。
22.—種設備,包括: 襯底； 在襯底之上的微處理器；以及 與微處理器相關聯(lián)的能量存儲設備，能量存儲設備包括第一導電結構、第二導電結構和將導電結構彼此分離的電氣隔離物，其中第一導電結構和第二導電結構中的至少一個包括具有至少為光子散射開始在晶粒邊界散射之上主導的尺寸的晶粒尺寸的多晶襯底。
23.權利要求22的設備，其中多晶襯底包括多孔層，其中多孔層包含多個通道，其中每一個通道具有到多晶襯底的多孔表面的開口。
24.權利要求22的設備，其中多晶襯底包括硅、碳化硅、鍺、碳、錫、以及可以被陽極蝕刻以制成材料中的多孔結構的任何其它材料中的至少一個。
25.權利要求22的設備，其中多晶襯底的厚度在毫米以下。
26.權利要求23的設備，其中多孔層包含從襯底的一側延伸到襯底的一部分中的多個通道。
27.權利要求22的設備，其中多晶襯底包括硅。
28.權利要求22的設備，其中多晶襯底包括碳化硅。
29.權利要求22的設備，其中多晶襯底的晶粒尺寸在200和500納米(nm)之間。
30.權利要求22的設備，其中多晶襯底的晶粒尺寸在250和350納米(nm)之間。
【文檔編號】H01G11/36GK104471663SQ201380037359
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2013年6月11日 優(yōu)先權日:2012年8月13日
【發(fā)明者】C. 漢納 E. 申請人:英特爾公司