[发明专利]具有至少一个多孔多晶衬底的能量存储设备

说明书

技术领域

本发明所公开的实施例一般地涉及能量存储设备，并且更具体地涉及具有多孔电容器板的电容器。

背景技术

包括电池和电容器的能量存储设备在电子设备中广泛地使用。特别地，电容器广泛用于从电气电路系统和功率递送系统到电压调整和电池更换的应用。随着电容器技术的持续发展，已经出现若干类型。例如，也被称为超级电容器（除其它名称之外）的双电层电容器（EDLC）以高能量存储和功率密度、小尺寸及低重量为特征并且因而已经变为用于在若干应用中使用的有潜力的候选。在一种方案中，这些超级电容器是基于碳的并且缺少开放式孔隙结构，因为常规处理选项不可用。

附图说明

所公开的实施例将从结合所绘附图考虑的以下详细描述的阅读而被更好地理解，在附图中：

图1是根据本发明的实施例的多孔结构的截面视图；

图2是根据本发明的实施例的一片多孔硅的形貌扫描电子显微镜图像；

图3是根据本发明的实施例的具有大晶粒尺寸的多晶衬底的多孔电容器板的截面视图；

图4是根据本发明的实施例的具有包括最优晶粒尺寸的多晶衬底的多孔电容器板的截面视图；

图5是表示根据本发明的实施例的用于构造最优多孔多晶衬底的方法的流程图；

图6是根据本发明的实施例的用于制造包括最优晶粒尺寸的多晶衬底的一个实施例的图；

图7和8是根据本发明的实施例的能量存储设备的截面视图；

图9是根据本发明的实施例的能量存储设备的通道内的双电层的截面表示；

图10是表示根据本发明的实施例的微电子设备的框图；以及

图11是表示根据本发明的实施例的移动电子设备的框图。

出于图示的简单性和清楚性，所绘附图图示一般构造方式，并且已知特征和技术的描述和细节可以省略以避免不必要地混淆本发明所描述的实施例的讨论。附加地，所绘附图中的元素未必按照比例绘制。例如，图中的一些元素的大小可以相对于其它元素夸大以帮助改善对本发明的实施例的理解。不同图中的相同参考标号指代相同元素，而类似参考标号可以但是不一定指代类似元素。

具体实施方式

在一个实施例中，用于能量存储设备的结构可以包括多晶衬底。晶粒尺寸可以被设计成至少为光子散射开始在晶粒边界散射之上主导的尺寸。结构还包括包含多晶衬底内的多个通道的多孔结构。在电化学超级电容器的生产中，需要创建成本有效的电容器板以用于大量生产。在超过400℃的高温处理多孔材料允许使用原子层沉积（ALD）来涂敷深入孔隙（例如40nm宽的孔隙）中的数百微米。然而，鉴于当前已知衬底材料的若干缺点，成本有效的电容器板当前不能够实现。

一个缺点是引起足够深孔隙的脱层的氢解吸。另一缺点是由于高温处理而引起的塑性流动和纳米孔隙的闭合，这可能引起每立方厘米的表面积的减小。又一缺点在于多孔硅的表面要求钝化以阻止电化学反应在电压充电之下出现。未钝化的硅是高度反应材料并且由于表面陷阱（surface trap）而是非常有阻力的。未钝化的硅的这些特性引起多晶硅板中的大串联电阻，这导致超级电容器的充电和放电期间的欧姆损失。

当前，方案利用ALD来创建导电、化学稳定的层。然而，该策略遭受上述温度限制并且要求衬底的硅以外的附加材料，这可能是昂贵的。当前方案还利用碳来克服上述钝化和表面导电性缺点。利用碳的一些益处在于其是化学稳定的并且其具有高导电性，这一般归因于孔隙内的石墨烯层的存在。然而，基于碳的商用超级电容器缺少诸如硅之类的电蚀刻的固体半导体的开放式孔隙结构和处理选项。

现在参照图，图1是根据本发明的实施例的多孔结构100的截面视图。多孔结构100包括具有多晶衬底110内的多个通道111的多孔层120。阴影区120将多孔层与非多孔层121区分。阴影区120中的衬底材料可以是与非阴影区121相同的材料。在一个实施例中，非阴影区可以被移除或者在厚度上减小以最小化其尺寸以便用于在紧凑设备中的实现。多孔层边界125表示多晶衬底内的通道阵列的平均孔隙深度。在一个实施例中，每一个通道可以具有到多晶衬底110的多孔表面115的开口112。在其它实施例中，衬底可以用不同制造技术形成并且可以包括不同材料（例如碳）。每一个通道可以不具有到衬底的多孔表面的开口。多晶衬底110或衬底可以被设计成具有某一晶粒尺寸，这将在本文中更详细地解释。