具有至少一个多孔多晶衬底的能量存储设备的制作方法
【专利摘要】在一个实施例中，用于能量存储设备的结构可以包括至少一个多晶衬底。晶粒尺寸可以被设计成至少为多晶衬底中的光子散射开始在晶粒边界散射之上主导的尺寸。该结构还包括包含多晶衬底内的多个通道的多孔结构。
【专利说明】具有至少一个多孔多晶衬底的能量存储设备
【技术领域】
[0001]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】
[0002]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。
【专利附图】
【附图说明】
[0003]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。
[0004]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】
[0005]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°C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。
[0006]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。
[0007]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。
[0008]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。
[0009]在一个实施例中，具有所设计的和优化的晶粒尺寸的多晶衬底可以包括硅、碳化硅、锗、碳、锡、或者可以被蚀刻以制成具有大表面积的多孔材料的任何其它材料。使用硅的可能优点包括其与现有硅技术的相容性。锗由于针对该材料的现有技术而享有类似优点，并且相比于硅享有另外的可能优点:其本征氧化物(氧化锗)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获电荷，这是非期望结果。)锗也与硅技术高度相容。使用锡(其为零带隙材料)的可能优点包括其关于某些其它导电和半导体材料的增强的导电性。其它材料也可以用于多孔结构，包括碳化硅，诸如硅和锗的合金之类的合金，以及诸如铜、铝、镍、钙、钨、钥和锰之类的金属。硅锗合金例如将有利地展现出比纯锗结构小得多的体积差异。
[0010]在以上所公开的材料的组当中，碳化硅可能是从其构造多晶衬底的期望材料。它是多晶形式中的低成本材料并且在硅的熔点以上的约1000°c处熔化。它还具有庞大结构和热强度并且可以以与硅类似的方式通过阳极蚀刻而制成多孔的。通过在数百摄氏度将包含碳的气体引入到孔隙中，碳化硅衬底中的孔隙的表面可以涂敷有某一厚度(例如纳米厚)的石墨烯板。孔隙内的石墨烯的这种形成可以钝化孔隙的表面并且将孔隙壁转换成高度导电的板。此外，碳化硅的高温稳定性可以允许使用ALD过程，其可以要求在硅的处理温度以上的数百摄氏度的处理温度。这可以准许深入到孔隙中的更加快速的扩散速率以及表面化合物到它们的平衡状态的完全转换。
[0011]图2是示出根据本发明的实施例的一片多孔硅200的形貌扫描电子显微镜(SEM)图像。如所示的，多孔硅200包含多个通道211，其中一些通道可以看起来在竖直上是细长的并且一些可以看起来为大概圆形孔。后一组表示可见部分针对其水平取向的通道。应理解，通道211可能沿着它们的长度扭转和转向使得单个通道可以具有竖直和水平部分二者以及既不完全竖直也不完全水平但是落在它们之间某处的部分。
[0012]利用恰当的蚀刻剂，应当可能从各种各样材料制成具有所述特性的多孔结构。作为示例，多孔硅结构可以通过用氢氟酸(HF)和醇类(乙醇、甲醇、异丙醇等)的混合物蚀刻硅衬底来创建。更一般地，多孔硅和其它多孔结构可以通过如阳极化和染色蚀刻的这种过程来形成。
[0013]在某些实施例中，每一个通道的最小维度不大于I微米(μ m)。用于通道的最小维度的该上部尺寸限制可以针对特定实施例进行选择以便最大化那些实施例的多孔结构的表面积。较小(例如较窄)的通道引起用于每一个导电结构的增加的总表面积，因为较大数目的这种较窄通道可以适配到给定尺寸的导电结构中。因为电容正比于表面积，所以在尺寸方面受上述方式约束的通道将可能并且有利地导致具有增加的电容的电容器。(通道的其它维度，例如它们的长度，也可以被操纵以便增加表面积(或者实现一些其它结果)，即较长通道相比较短通道可能是优选的，但是以其它方式而言相比上面讨论最小维度可能较不关键)。在其它实施例中，通道的最小维度可以大于I μ m,也许如10 μ m那么大或者更大。尽管它们会降低表面积，但是这样的较大通道可以提供在其中生长或以其它方式形成附加结构(如果期望的话)的更多内部空间。在下文讨论至少一个这样的实施例。
[0014]图3是根据本发明的实施例的具有大晶粒尺寸的多孔多晶衬底300的截面视图。如图3中所示，多孔多晶衬底300可以包括由晶粒边界308限定的大晶粒尺寸。要指出，当晶粒尺寸过大时，孔隙的阳极蚀刻可能遭受各种问题。一个问题可能是大晶体的取向给形成孔隙的过程施加强烈负面影响。另一问题可能是晶粒边界308处的物理差异(诸如增强的扩散性和较低的化学稳定性)可能引起多晶衬底的某些区域中的优选蚀刻。又一问题可能是位于晶粒边界308处的大部分载流子可能耗尽，从而对晶粒边界308处的蚀刻速率具有大影响。因此，多孔层302(在具有由晶粒边界308限定的大晶粒尺寸的多孔衬底300中表示)被示出具有由深度306和304之间的高度差表示的大孔隙深度变化310。应指出，表示多孔层302的阴影部可以包括如图1中所描绘的通道111的阵列。孔隙深度的大变化由于在确定超级电容器的总电容时的不可预见性(其引起不可靠的超级电容器)而可能是非期望的。
[0015]在另一方面，非晶硅衬底可以是用于创建孔隙的选项，因为它避免晶粒取向和大晶粒边界的问题。然而，这由于以下事实而可能难以利用:非晶硅具有电化学非稳定性，这可能限制多孔材料中的最大可获得厚度。因此，对于超出200nm的板厚度而言，非晶硅可能不良地蚀刻。由于该限制，非晶硅可能是不可工作的，因为实际超级电容器可能要求数百微米深的孔隙。
[0016]图4是根据本发明的实施例的被结构化成具有期望晶粒尺寸的多孔多晶衬底400的截面视图。如图4中所示，多孔多晶衬底400 (例如多孔电容器板)可以包括由晶粒边界408限定的期望晶粒尺寸。由晶粒边界408限定的晶粒尺寸可以被设计成允许更均匀的多孔层402，因为最优晶粒边界408可以在整个多晶衬底中均匀地分布，由此使孔隙深度变化平均。孔隙深度变化可以由衬底400的深度404和深度406之间的最小深度变化410来表
/Jn ο
[0017]在一个实施例中，多孔多晶衬底的晶粒尺寸可以大约为光子散射开始在晶粒边界散射之上主导的尺寸。半导体材料中的空穴移动性是约480cm2/volt-sec，其暗示着0.27皮秒的光子散射时间。鉴于费米海的顶部处的典型空穴载流子速度，该散射时间暗示着273纳米(nm)的平均自由程。因此，在一个实施例中，光子散射开始在晶粒边界散射之上主导的尺寸可以大约为273nm。根据某些实施例的多晶衬底可以包括约200_500nm，约250_350nm或者约300nm的晶粒尺寸。在具有蚀刻到衬底中的20nm宽的孔隙的情况下，可以产生在100微米厚的板之上没有高水平的表面积变化的高表面积(例如数百平方米的表面积/立方厘米)材料，因为可以存在结晶取向和边界层蚀刻变化之上的足够平均处理。
[0018]图5是表示根据本发明的实施例的用于构造多孔多晶衬底500的方法的流程图500。在框502处，方法500可以包括标识至少为光子散射开始在晶粒边界散射之上主导的尺寸的晶体晶粒尺寸。应指出，晶粒尺寸不应太小以至于严重增加衬底电阻，并且晶粒尺寸不应太大以至于遭受具有大晶粒尺寸的多晶衬底的上述缺点。实质上，根据本发明的实施例，使两种非希望情形最小化的晶粒尺寸可以被标识。
[0019]在框504处，方法500可以包括获得具有在框502中所标识的晶体晶粒尺寸的多晶衬底材料。获得衬底材料可以包括各种形式，包括但不限于在制造设施处制造衬底。涉及本发明的一个实施例的制造方法可以包括在下文图6中公开的方法。
[0020]在框506处，方法500可以包括形成包含多晶衬底内的多个通道的多孔层。在一个实施例中，每一个通道可以具有到多晶衬底的多孔表面的开口。多孔层内的通道的形成可以通过阳极蚀刻或者形成具有纳米宽直径的微米深孔隙的领域中已知的任何其它过程来处理。
[0021]在框508处，方法500还可以包括在大于400°C的温度处理多孔结构。因为衬底材料可以包括碳化硅，所以衬底可以是高度耐温的，从而允许诸如ALD过程之类的要求高温的过程以将材料沉积在衬底上而不会遭受诸如氢解吸或塑性流动之类的问题。
[0022]图6是根据本发明的实施例的用于制造具有最优晶粒尺寸的多晶衬底的实施例600的图。熔化的材料602 (例如掺硼硅)的主体可以在两个轧辊604a和604b之间突伸到娃突起608的薄板中。轧棍604a和604b可以由可分别在方向606a和606b上旋转的碳化硅轧辊构成。硅突起的薄板可以包括可在方向610上突伸的碳化硅。随着硅从轧辊突伸，它冷却成具有由冷却速率建立的某一晶粒尺寸的多晶形式。
[0023]在一个实施例中，硅的急冷通过抵抗水冷的铜以16K/秒冷却硅的薄板来完成。该非常快速的冷却产生非晶材料。在另一方面，非常慢的冷却产生超出许多微米的直径的晶粒尺寸。通过使硅突伸通过轧辊，其被拉伸的速率可以控制硅的冷却使得硅以恰当的冷却安排而冷却，由此产生根据本发明的实施例的期望晶粒尺寸。冶金学中的其它技术，诸如边缘支持的线带硅，也可以工作。根据本发明的实施例，板厚度可以是数百微米厚以及若干米长和宽。
[0024]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。如图7和8中所示，能量存储设备700包括通过电气隔离物彼此分离的多晶衬底710和多晶衬底720。该电气隔离物可以采取各种形式中的一个，如以下更详细讨论的。多晶衬底710和720中的至少一个包括包含多个通道711的多孔结构100 (如图1中所示，但是其中移除大多非多孔层121)。在所示实施例中，多晶衬底710和多晶衬底720 二者包括这样的多孔结构。因此，多晶衬底710包括具有到对应多孔结构的表面715的开口 712的通道711，并且多晶衬底720包括具有到对应多孔结构的表面725的开口 722的通道721。在其中多晶衬底710和720中仅一个包括具有多个通道的多孔结构的实施例中，另一导电结构可以例如为金属电极或非多孔多晶硅结构。
[0025]能量存储设备700的各种配置是可能的。例如在图7的实施例中，能量存储设备700包括已经利用中间分离器730面对面结合在一起的两个分立的多孔结构(多晶衬底710和多晶衬底720)。作为另一示例，在图8的实施例中，能量存储设备800包括单个平面多孔结构，其中第一部(多晶衬底810)通过包含分离器830的沟槽831与第二部(多晶衬底820)分离。导电结构中的一个将是正侧并且另一导电结构将是负侧。分离器830准许离子的转移但是不允许诸如将在电解物中发现的流体的转移。根据某些实施例的图7和8的多晶衬底可以包括至少为光子散射开始在晶粒边界散射之上主导的尺寸的晶粒尺寸(例如约200_500nm,约 250_350nm,约 300nm,约 273nm)。
[0026]图8示出连接多晶衬底810和多晶衬底820的材料的小桥。如果未定址(unadressed)，则该桥可以充当两个导电结构之间的电气短路。然而，存在若干可能的解决方案。例如，桥可以使用抛光操作移除。可替换地，导电结构可以形成在晶片的重掺杂顶层或区中同时沟槽向下延伸到并不是非常良好的导体的底层轻掺杂衬底。在另一实施例中，可以使用隔离物上硅的结构。
[0027]作为示例，多晶衬底810和820的多孔结构可以通过湿法蚀刻过程来创建，在湿法蚀刻过程中被应用到导电结构的表面的液体蚀刻剂以至少在某种程度上与水能够在石头中雕刻通道的方式类似的方式将导电结构的部分蚀刻掉。这是为什么以这种方式形成的通道中的每一个具有到导电结构的表面的开口的原因；湿法蚀刻方法不能够在多孔结构内创建完全围封的腔室，即没有到表面的开口的腔室，类似于俘获在石头内的气泡。这并不是说那些开口不可以被其它材料覆盖或者由于其它材料的存在或附加而以其它方式闭合(其实际上在若干实施例中可能发生)，但是不管是否被覆盖，到表面的所述开口是根据本发明的至少一个实施例的每一个多孔结构中的每一个通道的特征。(其中开口可以被覆盖的一个实施例是其中作为用于电路系统或其它布线的位置的外延硅层生长在通道顶部的实施例)。根据本发明的实施例的多孔结构可以用非常精确且一致的孔隙尺寸控制来制造(与活性碳形成对比)。这允许快速充电(孔隙尺寸可以优化以便与离子尺寸相容)并且还改进电容(将没有区域不起作用)。这还将允许电压波动的窄分布。
[0028]结合该讨论应指出，以不同于上述的方式形成的多孔碳具有不同结构，即以没有表面开口的完全围封的腔室为特征的结构。因此，多孔碳不适用于(或者至少不期望用于)本发明的至少某些实施例(尽管应当在此处提及，某些其它实施例(诸如例如下文描述的厚导电结构)可以包含完全围封的腔室)。还应指出，多孔结构的图7和图8的描绘在仅作为一个示例提及的以下方面是高度理想的:所有通道811和821被示出为仅竖直延伸。实际上，通道将在多个方向上分叉以创建凌乱的、不规则的图案，其可以看起来有些像图2中示出的多孔结构。
[0029]在一个实施例中，能量存储设备700还包括在多孔结构的至少一部分上和通道711中的至少一些中的导电涂层740。这样的导电涂层可能是必要的以便维持或增强多孔结构的导电性。作为示例，导电涂层740在本发明的一个实施例中可以包括石墨烯。该材料可以使用诸如ALD之类的过程来应用。石墨烯层可以钝化孔隙通道的表面并且将该表面转换成高度导电的板。能量存储设备800可以包括在多孔结构的至少一部分上和通道811中的至少一些中的导电涂层840。
[0030]作为另一示例，导电涂层740可以是诸如例如铝、铜和钨之类的金属的涂层，或者是诸如氮化钨、氮化钛和氮化钽之类的其它电导体。所列材料中的每一个具有在现有CMOS技术中使用的优势。诸如镍和钙之类的其它金属也可以用作导电涂层740或840。这些材料可以使用诸如电镀、化学气相沉积(CVD)和/或原子层沉积(ALD)之类的过程来应用。此处应指出，钨的CVD过程是自限制的，这意味着钨将形成一对单层并且然后停止生长。所得薄导电涂层精确地是能量存储设备700或800的实施例所需要的，因为它不会变得太厚以至于密封通道并且防止CVD气体穿透较深入到通道中。如果期望的话，多孔结构也可以掺杂有被设计成增加结构的导电性的掺杂剂(例如用于多孔硅的硼、砷或磷；例如用于多孔锗的砷或镓)。
[0031]在一个实施例中，分离导电结构710和多晶衬底720的电气隔离物包括电介质材料。例如，人们可以通过使用利用二氧化硅(S12)氧化的多孔硅电极连同作为另一电极的金属或多晶硅结构一起来制成非常高电容的电容器。多孔硅的非常高表面积将是可以用这样的电容器实现的高电容的主要贡献者。
[0032]通过将电解物750放置成与多孔结构物理接触，电容仍可以进一步增加，甚至明显增加。电解物750 (以及本文描述的其它电解物)在图中使用随机布置的圆来表示。该表示意图传达电解物是包含自由离子的物质(液体或固体)的思想。出于便利性而选择圆并且其并不意图暗示对电解物成分或量的任何限制，包括关于离子的尺寸、形状或数目的任何限制。可以依照本发明的实施例使用的典型的但不是仅有的类型的电解物是离子溶液。
[0033]在其中使用电解物750的实施例中，将多晶衬底710与多晶衬底720分离的电气隔离物可以是通过电解物的存在而创建的双电层。在图9中示意性地描绘的该双电层可以补偿或者替代上述电介质材料。如图9中所示,双电层(EDL)902已经形成在通道711中的一个内。EDL 902由两个离子层形成，其中一个是通道711的侧壁的电荷(在图9中被描绘为正的但是也可以是负的)并且另一个由电解物中的自由离子形成。EDL 902电气隔离表面，从而提供用于使电容器发挥作用所必要的电荷分离。电解物超级电容器的大电容及因而能量存储潜力由于电解物离子和电极之间的小(约Inm)分离而提升。
[0034]应指出，当能量存储设备700放电时，然后EDL消耗。这意味着在其中EDL代替例如电介质层的某些情况下，多晶衬底710和720可以在某一时间内没有通过电气隔离物(至少不是嵌入在EDL中的那个)彼此分离。在本文中对“通过电气隔离物彼此分离的第一导电结构和第二导电结构”的引用具体地包括如以上所述的其中电气隔离物仅在能量存储设备被充电时存在的情形。
[0035]在一些实施例中，电解物750是有机电解物。作为一个示例，电解物可以是有机材料的液体或固体溶液，诸如乙腈中的四乙铵四氟硼酸。其它示例包括基于硼酸、硼酸钠或弱有机酸的溶液。可替换地，(非有机)水可以用作电解物，但是这可能引起在电容器超过某一温度时水可能沸腾并且形成气体的安全性风险，从而可能造成电容器爆炸。
[0036]图10是表示根据本发明的实施例的微电子设备1000的框图。如图10中所示，微电子设备1000可以包括衬底1002、在衬底1002之上的微处理器1004、以及与微处理器1004相关联的能量存储设备1006。能量存储设备1006可以或者位于衬底1002上远离微处理器1004 (例如管芯侧电容器)，如实线所示，或者它可以位于微处理器1004本身上(例如在微处理器以上的内建层中)，如虚线所示。在一个实施例中，能量存储设备1006包括通过电气隔离物彼此分离的第一和第二导电结构，其中第一和第二导电结构中的至少一个包括具有至少为光子散射开始在晶粒边界散射之上主导的尺寸的晶粒尺寸的多晶衬底和包含多晶衬底内的多个通道的多孔结构。在一个实施例中，每一个通道具有到多晶衬底上的多孔表面的开口。作为示例，该实施例可以类似于在图7-9中示出的并且在随附文本中描述的实施例中的一个或多个。在另一实施例中，能量存储设备1006包括多个纳米结构(例如分立的纳米结构)以及与纳米结构中的至少一些物理接触的电解物。
[0037]本文中所公开的能量存储设备可以在一些实施例中用作微电子设备1000内的去耦合电容器，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现有去耦合电容器高得多的电容和低得多的阻抗的去耦合电容器。如已经提及的，能量存储设备1006可以是支持集成电路(IC)或芯片的一部分或者它可以位于微处理器管芯本身上。作为示例，根据本发明的实施例，人们可能能够形成微处理器管芯上的多孔硅的区(或者类似物，如以上所描述的)并且然后恰好在微处理器管芯的衬底上创建高表面积嵌入的去稱合电容器。由于硅的多孔性的缘故，嵌入的电容器将具有非常高的表面积。用于所公开的能量存储设备的其它可能用途包括用作存储器存储元件(其中利用嵌入的DRAM方案的z方向尺寸的问题可以通过极大地增加每单位面积的法拉来解决)或者用作升压电路系统中的电压转换器的组件，也许用于与电路块、个体微处理器核或类似物一起使用。
[0038]作为示例，较高的电容值在该上下文中可能是有利的，因为电路的部分然后可以在某一(相对低的)电压处标称地运行但是然后在其中需要较高电压以便增加速度的地方(例如高速缓冲存储器、输入/输出(I/o)应用)可以将电压升压至较高值。该种类的操作方案相比于其中每个地方使用较高电压的方案而言将可能是优选的；即在其中仅小量电路系统要求较高电压的情形中，将可能优选的是从用于该小部分电路的较低基线电压对电压进行升压而不是从用于大部分电路系统的较高基线值降低电压。另外，微处理器生成也可以利用此处所描述的类型的电压转换器。具有可用于部署在封装周围或微处理器管芯周围的更多电容可以帮助解决在电路周围转移电压的晶体管之间的无法忍受的高电感的现有问题。
[0039]图11是表示根据本发明的实施例的移动电子设备1100的框图。如图11中所示，移动电子设备1100包括在其上设置微处理器1120和与微处理器1120相关联的能量存储设备1130的衬底1110。能量存储设备1130可以或者位于衬底1110上远离微处理器1120，如实线所示，或者它可以位于微处理器1120本身上，如虚线所示。在一个实施例中，能量存储设备1130包括通过电气隔离物彼此分离的第一和第二导电结构，其中第一和第二导电结构中的至少一个包括包含多个通道的多孔结构。作为示例，该实施例可以与本文所示出和描述的实施例中的一个或多个类似。
[0040]在至少一些实施例中，能量存储设备1130是包含在移动电子设备1100内的多个能量存储设备(其所有在图11中以框1130表示)中的一个。在那些实施例中的一个或多个中，移动电子设备1100还包括与能量存储设备相关联的切换网络1140。当电容器放电时，它不维持恒定电压，而是替代地以指数方式衰减(不像其中电压在放电期间保持相对恒定的电池)。切换网络1140包括切入和切出各种电容器使得维持相对恒定电压的电路系统或某一其它机构。例如，能量存储设备可以初始地并联连接到彼此，并且然后在某一量的电压衰减之后，可以通过切换网络改变能量存储设备的子集以便串联连接使得它们个体的电压贡献可以对下降的总电压进行升压。在一个实施例中，切换网络1140可以使用如现有技术中所使用的现有硅设备技术(晶体管、硅控制的整流器(SCR)等)来实现，而在其它实施例中它可以使用微机电系统(MEMS)中继器或开关(可以指出，其倾向于具有非常低的电阻)来实现。
[0041]在一些实施例中，移动电子设备1100还包括与能量存储设备1130相关联的传感器网络1150。在至少一些实施例中，多个能量存储设备中的每一个将具有其本身的传感器，该传感器指示能量存储设备的某些行为参数。例如，传感器可以指示现有电压电平以及正在进行的放电响应，这两者是可以被切换网络使用的参数，特别地在其中所使用的电介质材料(或其它电气隔离物)不是线性的而是具有随电压变化的介电常数的情形中尤为如此。在那些情形中，可能有利的是连同传感器网络一起包括诸如电压控制单元1160之类的有限状态机，所述有限状态机知晓电介质的行为是怎样的并且相应地做出响应。知晓电介质是如何做出行为的电压控制单元可以补偿任何非线性。与能量存储设备1130相关联的温度传感器1170也可以被包括以便感测温度(或者其它安全性有关的参数)。在本发明的某些实施例中，移动电子设备1100还包括以下当中的一个或多个:显示器1181、天线/RF元件1182、网络接口 1183、数据录入设备1184(例如键盘或触摸屏)、麦克风1185、相机1186、视频投影仪1187、全球定位系统(GPS)接收器1188、以及类似物。
[0042]在一个实施例中，设备(例如微电子设备、移动电子设备)包括衬底、在衬底之上的微处理器、以及与微处理器相关联的能量存储设备。能量存储设备包括第一导电结构、第二导电结构、以及将导电结构彼此分离的电气隔离物。第一导电结构和第二导电结构中的至少一个可以包括具有至少为光子散射开始在晶粒边界散射之上主导的尺寸的晶粒尺寸的多晶衬底。在某些实施例中，尺寸约为200-500nm，约为250_350nm，约为300nm，或者约为273nm。在一个实施例中，多晶衬底可以包括具有多个通道的多孔层，其中每一个通道具有到多晶衬底的多孔表面的开口。多晶衬底包括硅、碳化硅、锗、碳、锡、或者可以被阳极蚀刻以制成材料中的多孔结构的任何其它材料中的至少一个。多晶衬底的厚度可以小于毫米。
[0043]说明书和权利要求中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”和类似词(如果有的话)是用于在类似元素之间进行区分并且未必用于描述特定的序列性或时间顺序。要理解的是，如此使用的术语在适当情况下是可互换的使得本文中所描述的发明的实施例能够例如以除本文所说明或以其它方式描述的那些之外的序列操作。类似地，如果方法在本文中被描述为包括一系列步骤，则本文所呈现的这样的步骤的顺序未必是可以执行这样的步骤的仅有顺序，并且所陈述的步骤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骤可以可能地被添加到方法。此外，术语“包括”、“包含”、“具有”及其任何变形意图覆盖非排他性包括，使得包括元素列表的过程、方法、物品或装置未必限于那些元素，而是可以包括未明确列出或不是这样的过程、方法、物品或装置所固有的其它元素。
[0044]说明书和权利要求中的术语“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“之上”、“之下”和类似词(如果有的话)用于描述性目的并且未必用于描述永久性相对位置。应理解，如此使用的术语在适当情况下是可互换的使得本文中所描述的发明的实施例能够例如以除本文所说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术语“耦合”被限定为以电气或非电气方式直接或间接连接。在本文中被描述为“邻近”彼此的对象可以与彼此物理接触，紧密接近彼此，或者处于彼此相同的一般区或区域中，如短语所使用的上下文中所适当的那样。短语“在一个实施例中”在本文中的出现未必都是指相同的实施例。
[0045]尽管已经参照具体实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将理解的是，可以做出各种改变而不脱离本发明的精神或范围。因此，本发明的实施例的公开是意图说明本发明的范围并且并非意图限制。本发明的范围应意图仅限于由随附权利要求所要求的程度。例如，本领域技术人员将容易清楚的是，本文所讨论的能量存储设备及相关结构和方法可以以各种实施例来实现，并且这些实施例中的某些的前述讨论未必表示所有可能实施例的完整描述。
[0046]附加地，已经关于具体实施例描述了益处、其它优点以及问题的解决方案。然而，所述益处、优点、问题的解决方案以及可以引起任何益处、优点或方案发生或变得更显著的任何元素或多个元素不应被解释为所有权利要求或任何权利要求的关键的、要求的或必要的特征或元素。
[0047]此外，如果本文中所公开的实施例和/或限制:(I)在权利要求中未明确主张；和
(2)在等同原则之下是权利要求中所表述的元素和/或限制的等同形式或者潜在地为其等同形式，则在专用原则之下这些实施例和限制并不贡献于大众。
【权利要求】
1.一种结构，包括: 具有至少为光子散射开始在晶粒边界散射之上主导的尺寸的晶粒尺寸的第一多晶衬底；以及 在第一多晶衬底内形成的第一多孔层，其中第一多孔层包含多个通道。
2.权利要求1的结构，还包括: 具有至少为光子散射开始在晶粒边界散射之上主导的尺寸的晶粒尺寸的第二多晶衬底； 在第二多晶衬底内形成的第二多孔层，其中第二多孔层包含多个通道，其中每一个通道具有到第二多晶结构的多孔表面的开口 ；以及 在第一和第二多晶衬底之间形成的隔离材料，其中第一多孔层的每一个通道包括到第一多晶衬底的多孔表面的开口。
3.权利要求2的结构，其中多个通道涂敷有石墨烯。
4.权利要求2的结构，其中第一和第二多晶衬底中的至少一个包括硅、碳化硅、锗、碳、锡、以及可以被蚀刻以制成多孔材料的任何其它材料中的至少一个。
5.权利要求2的结构，其中第一和第二多晶衬底中的至少一个包括硅和碳化硅中的至少一个。
6.权利要求2的结构，其中第一和第二多晶衬底每一个的厚度小于毫米。
7.权利要求1的结构，其中第一多晶衬底的晶粒尺寸在200和500纳米(nm)之间。
8.权利要求1的结构，其中多孔层具有约20纳米(nm)的孔隙尺寸。
9.权利要求2的结构，其中第一和第二多晶衬底的晶粒尺寸在250和350纳米(nm)之间。
10.一种用于构造能量存储设备的方法，包括: 标识至少为光子散射开始在晶粒边界散射之上主导的尺寸的晶体晶粒尺寸； 获得具有该晶体晶粒尺寸的多晶衬底材料；以及 形成多晶衬底内的多孔层，其中多孔层包含多个通道。
11.权利要求10的方法，还包括在高于400°C的温度处理多孔层，其中多孔层通过阳极蚀刻多晶衬底来形成，其中多孔层的每一个通道包括到多晶衬底的多孔表面的开口。
12.权利要求10的方法，其中获得多晶衬底包括使熔化的衬底材料突伸通过碳化硅轧辊，其中熔化的衬底包括掺硼硅。
13.权利要求12的方法，其中突伸以将衬底冷却成具有至少为光子散射开始在晶粒边界散射之上主导的尺寸的晶粒尺寸的多晶结构的速率来执行。
14.一种能量存储设备，包括: 第一导电结构； 第二导电结构； 将第一导电结构与第二导电结构分离的电气隔离物，其中第一导电结构和第二导电结构中的至少一个包括具有至少为光子散射开始在晶粒边界散射之上主导的尺寸的晶粒尺寸的多晶衬底。
15.权利要求14的能量存储设备，还包括: 在多晶衬底内形成的多孔层，其中多孔层包含多个通道，其中每一个通道具有到多晶衬底的多孔表面的开口。
16.权利要求15的能量存储设备，其中多晶衬底包括硅、碳化硅、锗、碳、锡、以及可以被阳极蚀刻以制成多孔材料的任何其它材料中的至少一个。
17.权利要求14的能量存储设备，其中多晶衬底的厚度在毫米以下。
18.权利要求14的能量存储设备，其中多晶衬底包括硅。
19.权利要求14的能量存储设备，其中多晶衬底包括碳化硅。
20.权利要求14的能量存储设备，其中多晶衬底的晶粒尺寸在200和500纳米(nm)之间。
21.权利要求14的能量存储设备，其中多晶衬底的晶粒尺寸在250和350纳米(nm)之间。
22.—种设备,包括: 衬底； 在衬底之上的微处理器；以及 与微处理器相关联的能量存储设备，能量存储设备包括第一导电结构、第二导电结构和将导电结构彼此分离的电气隔离物，其中第一导电结构和第二导电结构中的至少一个包括具有至少为光子散射开始在晶粒边界散射之上主导的尺寸的晶粒尺寸的多晶衬底。
23.权利要求22的设备，其中多晶衬底包括多孔层，其中多孔层包含多个通道，其中每一个通道具有到多晶衬底的多孔表面的开口。
24.权利要求22的设备，其中多晶衬底包括硅、碳化硅、锗、碳、锡、以及可以被阳极蚀刻以制成材料中的多孔结构的任何其它材料中的至少一个。
25.权利要求22的设备，其中多晶衬底的厚度在毫米以下。
26.权利要求23的设备，其中多孔层包含从衬底的一侧延伸到衬底的一部分中的多个通道。
27.权利要求22的设备，其中多晶衬底包括硅。
28.权利要求22的设备，其中多晶衬底包括碳化硅。
29.权利要求22的设备，其中多晶衬底的晶粒尺寸在200和500纳米(nm)之间。
30.权利要求22的设备，其中多晶衬底的晶粒尺寸在250和350纳米(nm)之间。
【文档编号】H01G11/36GK104471663SQ201380037359
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2013年6月11日 优先权日:2012年8月13日
【发明者】C. 汉纳 E. 申请人:英特尔公司