Суперконденсатор на основе кмоп-технологии

Изобретение относится к твердотельному суперконденсатору и может быть использовано в устройствах хранения энергии разнообразных интегральных микросхем. Суперконденсатор содержит два электрода, размещенный между ними диэлектрический слой, конформно расположенный на нижнем электроде, при этом верхний электрод конформно расположен на диэлектрическом слое, нижний электрод сформирован на профильно-структурированном основании из пористого оксида алюминия или титана. Увеличение плотности энергии суперконденсатора, повышение воспроизводимости формирования структуры с регулируемыми значениями емкости и плотности запасенной энергии является техническим результатом изобретения. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к области изделий твердотельной микро- и наноэлектроники на основе КМОП-технологии и применяемых в ней материалов, а именно к твердотельным суперконденсаторам, и может быть использовано в качестве устройств для хранения энергии и электропитания разнообразных интегральных микросхем (ИМС), микроэлектронных устройств и приборов на основе микроэлектромеханических систем (МЭМС-приборов), к которым предъявляются высокие требования по циклическому ресурсу и готовности к работе.

В настоящее время большие перспективы в области промышленного энергосбережения открывают суперконденсаторы, или, как их принято называть, ионисторы, которые позволяют хранить в сотни раз больше энергии, чем традиционные емкостные элементы, причем делать это на протяжении долгого времени без утечки заряда.

Рассмотрим несколько аналогов предлагаемого суперконденсатора. Коллектив авторов (Carу L. Pint и др.) анализирует суперконденсатор на основе вертикально ориентированных углеродных нанотрубок (УНТ), формирование которых выходит за рамки КМОП-технологии [1]. Кроме того, выбранные в качестве нижнего электрода УНТ вследствие хаотичного формирования на поверхности не обеспечивают однородность по площади плотности накопленного заряда. И, таким образом, не обеспечивается точное воспроизведение номинала емкости с единицы площади суперконденсатора, необходимого для функционирования в составе ИМС.

Известен накопительный конденсатор элемента памяти интегральных схем, содержащий первую и вторую обкладки и разделительную диэлектрическую область между ними [2]. Причем первая обкладка углублена в подложку и ее поверхность выполнена рельефной за счет формирования выступов из материала обкладки, а нижняя поверхность второй обкладки повторяет рельеф первой. При этом разделительная область выполнена из диэлектрического материала, а обкладки выполнены из легированного поликремния (Si*). Недостатком данного устройства является выбор в качестве материала обкладок легированного поликремния, который по сравнению с металлом обладает меньшей проводимостью и большой величиной зерна, что не позволяет минимизировать толщину обкладки и получить высокую плотность заряда по площади. Кроме того, формирование рельефа первой обкладки производится с применением трудоемкой и прецизионной операции - фотолитографии и использованием дорогого фотошаблона.

Наиболее близким, по сути, к изобретению, является твердотельный суперконденсатор, содержащий два электрода и размещенный между ними диэлектрический слой, при этом нижний электрод выполнен из материала с большой удельной площадью поверхности, диэлектрический слой конформно и однородно расположен на нижнем электроде, верхний электрод конформно и однородно расположен на диэлектрическом слое и выполнен из оксида цинка, легированного алюминием, отличающийся тем, что материалом диэлектрического слоя является многокомпонентный оксид, содержащий смесь по меньшей мере двух оксидов из ряда TiO2, HfO2, ZrO2, Аl2O3, Та2O5, Nb2O5, Y2O3, (lantanoid)2O3, причем материал диэлектрического слоя имеет диэлектрическую проницаемость слоя в интервале 10-30 [3].

К недостаткам прототипа можно отнести материалы нижнего и верхнего электрода. Нижний электрод состоит из углеродных нанотрубок (УНТ), которые, как отмечено выше, обладают плохой воспроизводимостью плотности заряда по площади и, кроме того, не сочетаются с процессами КМОП-технологии. Верхний электрод состоит из оксида цинка, легированного алюминием. Как известно, цинк легко диффундирует в прилегающий материал, что повышает вероятность деградации структуры; ограничивает диапазон использования микроэлектронных приборов.

Задачей настоящего изобретения является реализация суперконденсатора на традиционных процессах КМОП-технологии с целью снижения себестоимости и повышения воспроизводимости формирования структуры с регулируемыми значениями емкости и плотности запасенной энергии.

Поставленная задача решается тем, что формируют твердотельный суперконденсатор, содержащий два электрода и размещенный между ними диэлектрический слой, конформно расположенный на нижнем электроде, при этом верхний электрод конформно расположен на диэлектрическом слое, нижний электрод сформирован на профильно-структурированном основании из пористого оксида алюминия или титана.

Технологическая особенность формирования удаляемого и основного слоев пористого анодного оксида алюминия (Аl2O3) заключается в потенциостатическом режиме операции, при этом непрерывно по линейному закону изменяют температуру зоны реакции с изменением в ходе анодного окисления плотности электрического тока. Разработанные процессы позволяют регулировать диаметр пор в диапазоне (10-200) нм, а период их расположения - в диапазоне (30-600) нм [4].

Особенность изготовления пористого анодного оксида титана (TiO2) заключается в том, что после формирования слоя проводят электрохимический процесс его отделения. Отделение проводится в слабом водном растворе неорганической кислоты путем катодной поляризации титанового образца в потенциостатическом режиме. Затем формируют вторичный слой пористого анодного оксида титана путем анодного окисления титанового образца в потенциостатическом режиме в электролите на неводной основе, при этом формирование слоев пористого анодного оксида титана проводят при термостабилизации зоны протекания электрохимической реакции [5].

Такие структуры пористых анодных оксидов алюминия и титана используются в качестве подслоя для нижней обкладки конденсатора. Далее методом атомно-слоевого осаждения формируют первый электрод (нижняя обкладка конденсатора), диэлектрик и второй электрод из металлов, используемых в КМОП-технологии. В качестве диэлектрика в конструкции могут применяться различные материалы с высокой диэлектрической проницаемостью.

С целью увеличения плотности энергии суперконденсатора изготавливается и другой конструктивный вариант за счет переноса профильно-структурированных на субстананометровом уровне размеров основания в полупроводниковую подложку путем анизотропного ионно-плазменного травления последней через маску пористого оксида алюминия или титана.

Таким образом, изготовление суперконденсатора не требует применения сложного и прецизионного оборудования проекционной оптической нанолитографии и дорогостоящих фотошаблонов, что значительно уменьшает себестоимость устройства.

Примеры конкретного изготовления суперконденсаторов.

Обкладки из металлов, обладают высокой проводимостью. Метод атомно-слоевого осаждения позволяет использовать в технологии рельеф микронных и субмикронных размеров с высоким аспектным отношением. Применение метода атомно-слоевого осаждения для формирования обкладок и диэлектрика в одном технологическом цикле позволяет получить высокие значения напряжения пробоя и малые токи утечки при высокой поверхностной плотности энергии конденсатора.

Величина удельной емкости прямо пропорциональна площади электродов S, и обратно пропорциональна толщине диэлектрика d. Основной вклад в величины емкости вносят протяженные вертикальные участки основания высотой h, которые сохраняют угол около 90° к поверхности.

На фиг. 1 представлен вид структуры пористого Аl2O3. На фиг. 2 показан вид структуры пористого TiO2.

На фиг. 3, 4 и 5 представлен макет суперконденсатора с контролируемыми параметрами, где а - диаметр дна пор, h - высота пор, t - период пор, 1 - верхний электрод, 2 - диэлектрический слой, 3 - нижний электрод, 4 - оксид кремния, 5 - полупроводниковая подложка, 6 - пористый оксид алюминия

На фиг. 3 представлена конструкция суперконденсатора на диэлектрической поверхности. Углубления в структуре оксида алюминия сформированы с периодом t в виде круглых цилиндров высотой h и диаметром а. Величина удельной емкости прямо пропорциональна площади электродов S и обратно пропорциональна толщине диэлектрика d.

При h=2 мкм, а=70 нм, t=150 нм в качестве диэлектрика применен оксид титана толщиной 10 (нм) с диэлектрической проницаемостью ε=40.

Площадь такого цилиндра составит 3.14⋅а⋅h, т.е. 4.39⋅10-9 см2. Емкость одной поры 1.63×10-14 (Ф). Удельная емкость на 1 см2 площади составит7.27×10-5 (Ф/см2)

На фиг. 4 представлена конструкция суперконденсатора в приповерхностном объеме кремния. Цилиндрические углубления в кремнии сформированы реактивным ионно-плазменным травлением в режиме Bosh-процесса через маску оксида алюминия с периодом t с высотой h и диаметром а.

При h=7 мкм, а=140 нм, t=250 нм с диэлектриком из оксида титана толщиной 10 (нм) с диэлектрической проницаемостью ε=40 площадь такого цилиндра составит 3.14⋅а⋅h, т.е. 3.07⋅10-8 см2. Емкость одной поры 1.11×10-13 (Ф). Удельная емкость на 1 см2 площади составит 1.77×10-4 (Ф/см2).

На фиг. 4 маска оксида алюминия после травления кремния удалена. Но возможно и сохранение маски и использование суммарной емкости двух суперконденсаторов. Выбор определяется схемотехническим применением.

На фиг. 5 представлена конструкция суперконденсатора в кремниевой пластине, предварительно протравленной насквозь (высота h равна толщине пластины) реактивным ионно-плазменным травлением в режиме Bosh-процесса через маску оксида алюминия с периодом t и диаметром а. После удаления маски из оксида алюминия и термического окисления пластины с помощью атомно-слоевого осаждения первый электрод суперконденсатора наносится с обратной стороны пластины. Затем пластина переворачивается и диэлектрик, и второй электрод осаждаются с лицевой стороны пластины. В такой конструкции можно достичь максимальной глубины отверстий, а следовательно, и максимальной удельной емкости суперконденсатора, а также упростить разводку электродов, которые будут выходить на разные стороны кремниевой пластины.

Источники информации

1. Carу L. Pint et al.. Three dimensional solid-state supercapacitors from aligned single-walled carbon nanotube array templates. Carbon, v. 49, p. 4890-4897, (2011).

2. Патент РФ 2030813. Накопительный конденсатор элемента памяти интегральных схем, (1991).

3. Патент РФ 2528010. Твердотельный суперконденсатор на основе многокомпонентных оксидов. Маркеев A.M., Черникова А.Г., (2014) – прототип.

4. А.Н. Белов, С.А. Гаврилов, В.И. Шевяков. Особенности получения наноструктурированного анодного оксида алюминия. Российские нанотехнологии, т. 1, №1, 2, 2006, с. 223-227.

5. А.Н. Белов, А.А. Дронов, И.Ю. Орлов. Особенности электрохимического формирования слоев оксида титана с заданными геометрическими параметрами структуры. Известия вузов. Электроника. 2009, №1, с. 16-21.

1. Твердотельный суперконденсатор, содержащий два электрода и размещенный между ними диэлектрический слой, конформно расположенный на нижнем электроде, при этом верхний электрод конформно расположен на диэлектрическом слое, отличающийся тем, что нижний электрод сформирован на профильно-структурированном основании из пористого оксида алюминия или титана.

2. Твердотельный суперконденсатор по п. 1, отличающийся тем, что рельефно-структурированное основание сформировано в полупроводниковой подложке.

3. Твердотельный суперконденсатор по п. 2, отличающийся тем, что рельефно-структурированное основание в полупроводниковой подложке является сквозным, а электроды суперконденсатора формируются с разных сторон полупроводниковой подложки.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к модулю (10) накопления энергии, содержащему множество электрически соединенных между собой устройств (12) накопления энергии, при этом модуль содержит наружный кожух (40), в котором расположены устройства (12) накопления энергии и по меньшей мере один теплообменник (24).
Изобретение относится к углеродистой композиции, пригодной для изготовления электрода суперконденсатора в контакте с водным ионным электролитом, причем композиция основана на угольном порошке, способном сохранять и высвобождать электроэнергию, и включает гидрофильную связующую систему.

Изобретение относится к области производства электрохимических накопителей энергии, а именно суперконденсаторов, содержащих электроды, обладающие эффектом псевдоемкости.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к твердотельным электрохимическим источникам тока, например аккумуляторным батареям и батареям двухслойных конденсаторов - суперконденсаторов.

Изобретение относится к электротехнической промышленности, а именно к гельполимерному электролиту, который может быть использован при производстве литиевых первичных и вторичных источников тока, а также в суперконденсаторах.

Изобретение относится к технологии приготовления наноструктурированных композитов на основе высокопористых углеродных матриц, наполненных наночастицами золота.

Группа изобретений относится к электрической тяговой системе транспортного средства с питанием от собственных источников энергоснабжения. Подсистема аккумулирования энергии содержит металлический корпус, систему аккумулирования электроэнергии и электрические защитные устройства.

Изобретение относится к производству конденсатора с двойным электрическим слоем. Техническим результатом изобретения является создание конденсатора с двойным электрическим слоем с низким эквивалентным последовательным сопротивлением на номинальное напряжение 2,5 В с диапазоном рабочих температур от минус 55 до 65°С, в том числе работающих при пиковых токовых нагрузках с отсутствием снижения рабочего напряжения при пониженных температурах.

Изобретение относится к области электротехники, точнее к электрохимическим конденсаторам, а именно к гибридным или асимметричным конденсаторам с щелочным электролитом, и может быть использовано для изготовления неполяризуемого гидроксидноникелевого электрода данного конденсатора.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к твердотельным электрохимическим источникам тока, например аккумуляторным батареям и батареям двойнослойных конденсаторов - суперконденсаторов.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при изготовлении углеродных катодных материалов для накопителей энергии, например гибридных суперконденсаторов. Восстановленный оксид графена с насыпным весом 0,002-2,0 г/см3 обрабатывают в псевдоожиженном слое, создаваемом озоновоздушной или озонокислородной смесью, содержащей 10 об.% озона, при температуре до +80°C. Процесс можно проводить в присутствии катализатора, например азотной кислоты, предварительно нанесённой на восстановленный оксид графена. Изобретение позволяет повысить удельные мощностные характеристики катодов и получать прочные структуры катодных материалов в процессе прессования без использования связующих. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 2 ил., 7 пр.

Изобретение относится к авиации и касается панелей жесткости. Панель жесткости содержит оболочку и удлиненный элемент жесткости. При этом элемент жесткости содержит желобок, проходящий в продольном направлении и образующий вместе с оболочкой полость. Причем панель содержит средство накопления и возвращения электрической энергии, расположенное внутри полости. Во время изготовления панели оболочку наносят на средство накопления и возвращения электрической энергии так, чтобы желобок элемента жесткости и оболочка образовали вместе полость. Достигается снижение массы и объема конструкции. 2 н. и 15 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к активации углеродного материала из вискозных волокон для изготовления электродов электролитических суперконденсаторов. Сущность изобретения заключается в том, что способ содержит две стадии, на первой из которых осуществляют пропитку волокон 5% раствором ортофосфорной кислоты на водяной бане, сушку волокон в вытяжном шкафу, помещение одной части пропитанных волокон в высокотемпературный кварцевый реактор, размещенный в муфельной печи, осуществление пиролиза в потоке аргона со скоростью 800 мл/мин, при этом муфельную печь нагревают со скоростью 5°/мин до 900°С, отключают аргон и волокна выдерживают при температуре 900°С в течение 40 минут в потоке СО2 со скоростью 800 мл/мин, далее отключают СО2 и охлаждают волокна в потоке аргона до комнатной температуры для получения углеродного материала, на второй стадии полученный углеродный материал помещают в высокотемпературный кварцевый реактор перпендикулярно потоку аргона, а другую часть вискозных волокон помещают в низкотемпературный кварцевый реактор, размещенный во второй муфельной печи, при этом реакторы соединяют последовательно между собой с одним входом для аргона и одним выходом для использованных газов, проводят нагрев высокотемпературного кварцевого реактора с углеродным материалом до 700°С со скоростью 10°/мин в потоке аргона со скоростью 200 мл/мин, причем низкотемпературный кварцевый реактор отключен, при достижении высокотемпературным кварцевым реактором заданной температуры включают низкотемпературный кварцевый реактор и нагревают его до 400°С со скоростью 5°/мин в потоке аргона со скоростью 200 мл/мин, а высокотемпературный кварцевый реактор выдерживают при температуре 700°С, при этом обдув углеродного материала осуществляют помимо аргона отходящими газами, которые образовались в результате пиролиза вискозных волокон на первой стадии и затем осуществляют охлаждение полученного углеродного материала в обеих печах в потоке аргона. Увеличение площади активной поверхности углеродного материала и повышение удельной емкости суперконденсатора является техническим результатом изобретения. 3 з.п. ф-лы, 2 табл., 3 ил.

Группа изобретений относится к устройствам для хранения энергии, более контректно к аккумуляторам и конденсаторам. Гибридный электрохимический конденсатор включает первый электрод, второй электрод и электролит. Первый электрод содержит Mg, Na, Zn, Al, Sn, TiO2 или комбинацию этих материалов. Второй электрод включает пористый материал с отношением площади поверхности к объему по меньшей мере 10 м2/см3. Имеется также гибридный электрохимический конденсатор, в котором первый электрод выполнен из Mg, Na, Zn, Al, Sn, TiO2, предварительно литированного углерода, Li, второй электрод выполнен из пористого материала, такого как пористый углерод или пассивированный пористый кремний, и электролит выполнен из полупроводника IV группы, полупроводника группы III-V или комбинации этих материалов. Имеется также мобильное устройство. Группа изобретений позволяет создать конденсатор, который имеет повышенные напряжение и плотность энергии по сравнению с другими электрохимическими конденсаторами и повышенную плотность мощности по сравнению с аккумуляторами. 3 н. и 24 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к производству углеродных наноматериалов, которые могут быть использованы для изготовления электродов в суперконденсаторах. Наноматериалы получают из графена путем сборки листов графена, при этом листы графена подвергают электродинамическому ожижению, при котором при встречных столкновениях графеновых листов с зарядами противоположного знака происходит соединение их химически активных краев с образованием ковалентных связей с последующим образованием агрегатов и макроструктур. Последовательное соединение листов при столкновениях приводит к образованию прочных и развитых макроструктур с высокой электропроводностью и большой поверхностью, которые являются материалом для изготовления электродов суперконденсатора. Способ позволяет получать наноматериалы для изготовления электродов суперконденсаторов с высокой электропроводностью и большой поверхностью при высокой производительности и экономичности получения продукта, что является техническим результатом. 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 пр.

Изобретение относится к раствору электролита. Раствор электролита содержит соль, катион которой является щелочным металлом, и органический растворитель с гетероэлементом, причем удовлетворяется по меньшей мере одно из условий 1-3. Условие 1: в отношении интенсивности пика, получаемого от органического растворителя в спектре колебательной спектроскопии раствора электролита, удовлетворяется условие Is>Io, где интенсивность исходного пика органического растворителя обозначается как Io, а интенсивность пика, получающегося в результате сдвига исходного пика, обозначается как Is. Условие 2: «d/c», получаемое путем деления плотности d (г/см3) раствора электролита на концентрацию с соли (моль/л) в растворе электролита, удовлетворяет условию 0,15≤d/c≤0,71. Условие 3: вязкость η (мПа·с) раствора электролита удовлетворяет условию 10<η<500, а ионная проводимость σ (мСм/см) раствора электролита удовлетворяет условию 1≤σ<10. Химическая структура аниона соли представлена нижеприведенной общей формулой (7), PF6 или BF4: (R13SO2)(R14SO2)N Общая формула (7), где R13 и R14, каждый, независимо представляют собой CnFb; n и b, каждое, независимо являются целым числом, большим или равным 0, и удовлетворяют условию 2n+1=b. Органический растворитель выбран из: нитрилов; простых эфиров, выбранных из 1,2-диметоксиэтана, 1,2-диэтоксиэтана, тетрагидрофурана, 1,2-диоксана, 1,3-диоксана, 1,4-диоксана, 2,2-диметил-1,3-диоксолана, 2-метилтетрагидропирана или 2-метилтетрагидрофурана; этиленкарбоната; пропиленкарбоната; амидов; сложных эфиров; сульфонов; сульфоксидов; сложных эфиров фосфорной кислоты или линейного карбоната, причем карбонат представлен нижеприведенной общей формулой (10): R19OCOOR20 Общая формула (10), где R19 и R20, каждый, независимо выбраны из CnHaFb, то есть линейного алкила, n является целым числом не меньше 1, a и b, каждое, независимо являются целым числом не меньше 0 и удовлетворяют условию 2n+1=a+b. Также предложены конденсатор и способ получения раствора электролита. Изобретение позволяет улучшить характеристики батареи. 3 н. и 13 з.п. ф-лы, 70 ил., 22 табл., 99 пр.

Изобретение относится к несшитой гелевой углеродной композиции, к пиролизованной композиции, соответственно образующих водный полимерный гель и его пиролизат в виде пористого углерода, к способу его получения, к электроду из пористого углерода, сформированному из пиролизованной композиции, и к суперконденсатору, содержащему такие электроды. Несшитая гелевая углеродная композиция (G2) представляет собой композицию на основе смолы, получаемой по меньшей мере частично из одного или нескольких полигидроксибензолов R и формальдегида F, и содержит по меньшей мере один водорастворимый катионный полиэлектролит P. Причем композиция образует псевдопластичный физический гель. Пиролизованная углеродная композиция состоит из структурно-цельного углерода и представляет собой продукт, получаемый в результате нанесения, сшивания, сушки и пиролиза несшитой гелевой композиции. Причем структурно-цельный углерод является в основном микропористым и приемлемым для формирования электрода суперконденсатора с толщиной меньше 1 мм. Обеспечивается увеличение вязкости гелевой композиции, позволяющей осуществлять нанесение ее с малой толщиной и быструю сушку. 6 н. и 10 з.п. ф-лы, 1 ил., 3 табл.

Изобретение относится к твердотельному суперконденсатору и может быть использовано в устройствах хранения энергии разнообразных интегральных микросхем. Суперконденсатор содержит два электрода, размещенный между ними диэлектрический слой, конформно расположенный на нижнем электроде, при этом верхний электрод конформно расположен на диэлектрическом слое, нижний электрод сформирован на профильно-структурированном основании из пористого оксида алюминия или титана. Увеличение плотности энергии суперконденсатора, повышение воспроизводимости формирования структуры с регулируемыми значениями емкости и плотности запасенной энергии является техническим результатом изобретения. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

Наверх