Устройство накопления заряда, способ его изготовления, способ изготовления электропроводящей структуры для устройства, мобильное электронное устройство, использующее устройство, и микроэлектронное устройство, содержащее устройство

Устройство накопления заряда, способ его изготовления, способ изготовления электропроводящей структуры для устройства, мобильное электронное устройство, использующее устройство, и микроэлектронное устройство, содержащее устройство

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Раскрытые варианты осуществления настоящего изобретения относятся, в общем, к устройствам накопления заряда, а более конкретно - к конденсаторам, включающим в себя электрические двухслойные конденсаторы.

Уровень техники

Устройства для накопления заряда, включающие в себя аккумуляторы и конденсаторы, широко используются в электронных устройствах. В частности, конденсаторы используются в широком диапазоне приложений - от электрических схем и устройств электроснабжения до регулировки напряжения и замены аккумуляторов. В последнее время технология производства конденсаторов продолжала развиваться, и было разработано несколько типов конденсаторов. Например, электрические двухслойные конденсаторы (EDLC), которые также (среди прочих названий) называются ультраконденсаторами (или суперконденсаторами), характеризуются высокой способностью накопления энергии, высокой плотностью мощности, малыми габаритами и весом и, таким образом, являются многообещающими кандидатами для применения в ряде приложений.

Краткое описание чертежей

Раскрытые варианты осуществления станут более понятны после прочтения подробного описания, изложенного ниже со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:

фиг.1 и 2 - виды в поперечном сечении устройства для накопления заряда, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения;

фиг.3 - изображение, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа, в поперечном сечении части пористого кремния, согласно варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг.4 - изображение в поперечном сечении электрического двойного слоя внутри канала устройства для накопления заряда, согласно варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг.5 - вид в поперечном сечении канала внутри устройства для накопления заряда, показывающий различные слои и структуры, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения;

фиг.6 - вид в поперечном сечении устройства для накопления заряда, согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг.7 - блок-схема алгоритма, иллюстрирующая способ изготовления электропроводящей структуры для устройства для накопления заряда, согласно варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг.8 - вид в перспективе относительно плотной электропроводящей структуры, согласно варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг.9 - блок-схема алгоритма, иллюстрирующая способ изготовления устройства для накопления заряда, согласно варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг.10 - блок-схема, изображающая мобильное электронное устройство, согласно варианту осуществления настоящего изобретения; и

фиг.11 - блок-схема, изображающая микроэлектронное устройство, согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

Подробное описание изобретения

Для простоты и ясности иллюстрации на фигурах изображен общий способ изготовления, поэтому подробное описание хорошо известных особенностей и технологий можно опустить во избежание ненужного усложнения при обсуждении описываемых вариантов осуществления настоящего изобретения. Кроме того, элементы на фигурах необязательно изображены в масштабе. Например, размеры некоторых элементов на фигурах могут быть увеличены относительно других элементов, что способствует улучшению понимания вариантов осуществления настоящего изобретения. Одинаковые ссылочные позиции на разных фигурах обозначают одинаковые элементы, хотя сходные ссылочные позиции необязательно могут обозначать сходные элементы.

Термины "первый", "второй", "третий", "четвертый" и т.п., встречающиеся в описании и формуле изобретения, используются при необходимости для того, чтобы различить между собой сходные элементами, и необязательно для описания конкретной последовательности или хронологического порядка. Следует понимать, что термины, используемые таким образом, являются взаимозаменяемыми при соответствующих обстоятельствах, поэтому варианты осуществления настоящего изобретения, описанные здесь, допускают, например, работу в последовательностях, которые отличаются от последовательностей, иллюстрированных или же описанных здесь. Подобным образом, если способ описан здесь как содержащий последовательность этапов, порядок таких этапов, как представлено здесь, необязательно является только порядком, в котором можно выполнить такие этапы, и определенные из изложенных этапов можно пропустить и/или определенные другие этапы, не описанные здесь, можно добавить к способу. Кроме того, термины "содержать", "включать в себя", "иметь" или любые их разновидности предназначены для охвата неисключающего включения, поэтому процесс, способ, изделие или устройство, которое содержит перечень элементов, необязательно ограничивается этими элементами, а может включать в себя другие элементы, неопределенно перечисленные или присущие такому процессу, способу или устройству.

Термины "слева", "справа", "спереди", "сзади", "сверху", "снизу", "над", "под" и т.п., используемые в описании и формуле изобретения, используются при необходимости в целях описания и необязательны для описания постоянных относительных позиций. Следует понимать, что термины, используемые таким образом, являются взаимозаменяемыми при соответствующих обстоятельствах, поэтому варианты осуществления настоящего изобретения, описанные здесь, допускают, например, работу в других расположениях, по сравнению с теми, которые иллюстрированы или же описаны здесь. Термин "связанный", который используется здесь, определяется как непосредственно или косвенно связанный с электрическим или неэлектрическим способом. Описанные здесь предметы, такие как "расположенные рядом" друг к другу, могут находиться в физическом контакте друг с другом или в непосредственной близости друг от друга или в одной и той же общей области или зоне, относящейся в равной степени друг к другу, при необходимости для контекста, в котором используется фраза. Наличие фразы "в одном варианте осуществления", которая используется здесь, необязательно полностью относится к одному и тому же варианту осуществления.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения, устройство для накопления заряда содержит первую электропроводящую структуру и первую электропроводящую структуру, которые отделены друг от друга электрическим изолятором, в котором, по меньшей мере, одна из первой электропроводящей структуры и второй электропроводящей структуры содержит пористую структуру, содержащую многочисленные каналы, и в котором каждый один из каналов имеет отверстие на поверхности пористой структуры.

Ультраконденсаторы и устройства для накопления заряда с большой площадью поверхности можно использовать в микроэлектронике для хранения электрической энергии, для электрической развязки в электрических цепях, в качестве части схемы энергоснабжения, в качестве элемента запоминающего устройства и для множества других функций. Преимущество ультраконденсаторов над аккумуляторами заключается в том, что ультраконденсаторы можно быстро заряжать и разряжать, так как в основе накопления энергии не используются химические реакции, и их свойства, по существу, не ухудшаются на протяжении всего срока службы - даже при быстром заряде и разряде. К тому же, ультраконденсаторы менее чувствительны к температуре по сравнению с аккумуляторами.

Ведущей тенденцией развития ультраконденсаторов является то, что они, по-видимому, со временем достигнут более значительной плотности энергии (как в пересчете количества энергии на единицу массы (кг), так и количества энергии на единицу объема (л)) по сравнению с аккумуляторами. Таким образом, ультраконденсаторы можно использовать совместно с аккумуляторами для того, чтобы защитить аккумуляторы от выбросов высокой мощности (таким образом, продлевая срок службы аккумулятора). Кроме того, электроды аккумуляторов можно выполнить более тонкими, если ультраконденсаторы смогут удовлетворить высокие требования к мощности. Альтернативно, возможно имеет смысл рассматривать ультраконденсаторы в качестве замены аккумуляторов. Вариант осуществления настоящего изобретения позволяет увеличить плотность энергии ультраконденсаторов на несколько порядков, например, за счет увеличения площади поверхности электрода, с помощью наноматериалов, покрытых диэлектрическими материалами с высоким показателем диэлектрической проницаемости (high-k), как будет подробно обсуждено ниже.

Далее, со ссылкой на чертежи, на фиг.1 и 2 изображены виды в поперечном сечении устройства 100 для накопления заряда, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг.1 и 2, устройство 100 для накопления заряда содержит электропроводящую структуру 110 и электропроводящую структуру 120, которые отделены друг от друга электрическим изолятором. Этот электрический изолятор может принимать одну из различных форм, которые более подробно будут обсуждены ниже. По меньшей мере, одна из электропроводящих структур 110 и 120 содержит пористую структуру, содержащую многочисленные каналы, каждый из которых имеет отверстия на поверхности пористой структуры. В изображенных вариантах осуществления обе электропроводящая структура 110 и электропроводящая структура 120 содержат такую пористую структуру. Соответственно, электропроводящая структура 110 содержит каналы 111 с отверстиями 112 на поверхности 115 соответствующей пористой структуры, и электропроводящая структура 120 содержит каналы 121 с отверстиями 122 на поверхности 125 соответствующей пористой структуры. В варианте осуществления, где только одна из электропроводящих структур 110 и 120 содержит пористую структуру с многочисленными каналами, другая электропроводящая структура может представлять собой, например, металлический электрод или поликремневую структуру.

Возможны различные конфигурации устройства 100 для накопления заряда. Например, в варианте осуществления, показанном на фиг.1, устройство 100 для накопления заряда содержит две отдельные пористые структуры (электропроводящую структуру 110 и электропроводящую структуру 120), которые были присоединены друг к другу лицевыми сторонами с помощью промежуточного сепаратора 130. В качестве другого примера, в варианте осуществления, показанном на фиг.2, устройство 100 для накопления заряда содержит одиночную планарную пористую структуру, в которой первая секция (электропроводящая структура 110) отделена от второй секции (электропроводящей структуры 120) с помощью канавки 231, содержащей сепаратор 130. Одна из электропроводящих структур будет представлять собой положительную сторону, а другая электропроводящая структура будет представлять собой отрицательную сторону. Сепаратор 130 позволяет осуществлять перенос ионов, но не допускает переноса жидкости, которая будет находиться в электролите.

На фиг.2 показана маленькая перемычка материала, соединяющая электропроводящую структуру 110 и электропроводящую структуру 120. Если эта перемычка остается безадресной, то она может действовать как электрическая перемычка между двумя электропроводящими структурами. Однако существует несколько возможных решений. Например, перемычку можно удалить с использованием операции шлифования. Альтернативно, электропроводящие структуры можно сформировать в сильнолегированном верхнем слое или в области пластины, в то время как канавка продолжается вниз до базовой слаболегированной подложки, которая не является очень хорошим проводником. В противном случае можно использовать структуру "кремний на диэлектрике".

В качестве примера, пористую структуру электропроводящих структур 110 и 120 можно создать с помощью процесса влажного травления, в котором жидкий травитель, который наносится на поверхность электропроводящих структур, вытравливает участки электропроводящей структуры таким способом, который, по меньшей мере, частично подобен способу, в котором вода способна прорезать каналы в камне. Вот почему каждый один из каналов имеет отверстие на поверхности электропроводящей структуры; причем этот способ жидкого травления не позволяет создавать полностью закрытые полости, то есть полости без отверстия в поверхности, подобно пузырькам воздуха внутри камня в пределах пористой структуры. Это не означает, что эти отверстия нельзя закрыть другими материалами или же закрыть из-за наличия или добавления других материалов - что фактически может иметь место в нескольких вариантах осуществления - но то, закрыты или нет описанные отверстия на поверхности, является признаком каждого канала в каждой пористой структуре, согласно, по меньшей мере, одному варианту осуществления настоящего изобретения. (Один вариант осуществления, в котором можно закрыть отверстие, представляет собой вариант осуществления, в котором слой эпитаксиального кремния, в качестве местоположения для схемы или других межсоединений, растет поверх каналов.) Пористые структуры, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения, можно изготовить с помощью очень точного и постоянного управления размером поры (в противоположность активному углероду). Это позволяет быстро зарядить (размер поры можно оптимизировать для того, чтобы он был совместим с размером ионов), а также повысить емкость (без зон, которые не будут функционировать). Это также позволило бы получить узкое распределение колебания напряжения.

В связи с этим обсуждением следует отметить, что пористый углерод, сформированный способом, который отличается от описанного выше, имеет другую структуру, то есть структуру, которая характеризуется полностью закрытыми полостями, не имеющими отверстий на поверхности. В результате, пористый углерод не подходит, или, по меньшей мере, нежелателен, по меньшей мере, для определенных вариантов осуществления настоящего изобретения (хотя следует упомянуть здесь, что некоторые другие варианты осуществления (такие, например, как толстая электропроводящая структура, описанная ниже) может содержать полностью закрытые полости. Следует также отметить, что изображения пористых структур на фиг.1 и фиг.2 являются сильно идеализированными в том смысле, ссылаясь только на один пример, что все каналы 111 и 121 показаны только в виде продолжающихся в вертикальном направлении. В действительности каналы будут разветвляться в многочисленных направлениях с образованием сложной, беспорядочной картины, которая может выглядеть до некоторой степени как пористая структура, показанная на фиг.3.

На фиг.3 представлено изображение, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM), в поперечном сечении, показывающее часть пористого кремния 300, согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Видно, что пористый кремний 300 содержит многочисленные каналы 311, некоторые из которых имеют вид продолговатых каналов в вертикальном направлении, и некоторые из которых выглядят как приблизительно круглые отверстия. Последняя группа представляет собой каналы, для которой видимый участок сориентирован горизонтально. Следует понимать, что каналы 311 должны быть, вероятно, скручены и повернуты вдоль своей длины таким образом, чтобы одиночный канал мог иметь как вертикальные, так и горизонтальные участки, а также участки, которые не являются полностью вертикальными или полностью горизонтальными, но находятся где-то в промежуточном положении.

С помощью подходящего травителя можно выполнить пористые структуры, имеющие описанные характеристики из почти любого проводящего материала. В качестве примера, пористую кремниевую структуру можно создать путем травления кремниевой подложки с помощью смеси фтористоводородной кислоты и этилового спирта. В большинстве случаев, пористый кремний и другие пористые структуры можно сформировать с помощью таких процессов, как анодирование и неоднородное химическое травление.

Кроме пористого кремния, который был уже упомянут, некоторые другие материалы, которые могут особенно хорошо подходить для устройств для накопления заряда, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения, представляют собой германий и пористое олово. Возможные преимущества использования пористого кремния включают в себя совместимость их с существующей кремниевой технологией. Пористый германий имеет подобные преимущества в результате использования существующей технологии для этого материала и по сравнению с кремнием обладает дополнительным возможным преимуществом в том, что его собственный оксид (оксид германия) является водорастворимым и поэтому легко удаляемым. (Собственный оксид, который образуется на поверхности кремния, может улавливать заряд, что представляет собой нежелательный результат в особенности там, где пористость кремния выше приблизительно 20 процентов.) Пористый германий также в высокой степени совместим с кремниевой технологией. Возможные преимущества использования пористого олова, которое представляет собой материал с нулевой запрещенной зоной, включают в себя повышенную проводимость по отношению к некоторым другим проводящим и полупроводниковым материалам. Другие материалы можно также использовать для пористой структуры, включая карбид кремния, сплавы, такие как сплав кремния и германия, и металлы, такие как медь, алюминий, никель, кальций, вольфрам, молибден и марганец. Например, сплав кремний-германий, будет преимущественно проявлять гораздо меньшее различие по объему, чем структура чистого германия.

Варианты осуществления настоящего изобретения могут использовать очень узкие каналы. В некоторых вариантах осуществления (которые будут описаны более подробно ниже), в каналы вводят электролит. Молекулы в электролите могут быть порядка 2 нанометра (нм). Поэтому, по меньшей мере, в одном варианте осуществления, наименьший размер каждого одного из каналов составляет не менее чем 2 нм для того, чтобы электролит мог протекать свободно по всей длине каналов.

В том же самом и другом варианте осуществления, наименьший размер каждого одного из каналов не больше чем 1 микрометра (мкм). Этот верхний предел по размеру для наименьшего размера каналов можно выбрать для практических вариантов осуществления для того, чтобы максимизировать площадь поверхности пористых структур этих вариантов осуществления. Более маленькие, например, более узкие каналы приводят к увеличению общей площади поверхности для каждой электропроводящей структуры, так как большое число таких более узких каналов могут соответствовать электропроводящей структуре с заданным размером. Так как емкость пропорциональна площади поверхности, каналы, ограниченные по размеру описанным способом, будут, вероятно и преимущественно, приводить к конденсаторам с повышенной емкостью. Другие размеры каналов, например их длины, можно также отрегулировать для того, чтобы повысить площадь поверхности (или для достижения некоторого другого результата) - то есть более длинные каналы могут быть предпочтительными по сравнению с более короткими каналами, но с другой стороны они являются, вероятно, менее критическими, чем наименьший размер, обсужденный выше. В других вариантах осуществления, наименьший размер каналов может быть больше чем 1 мкм - возможно порядка 10 мкм или более. Несмотря на то, что это приведет к уменьшению площади поверхности, такие более широкие каналы могут обеспечить больше внутреннего пространства, в котором при необходимости можно вырастить или же сформировать дополнительные структуры. По меньшей мере, один такой вариант осуществления обсужден ниже.

Устройство 100 для накопления заряда дополнительно содержит электропроводящее покрытие 140, по меньшей мере, на участке пористой структуры и, по меньшей мере, в некоторых каналах 111 и/или каналах 121. Такое электропроводящее покрытие может быть необходимым для того, чтобы сохранить или повысить проводимость пористой структуры - особенно там, где пористость структуры превышает приблизительно 20 процентов. В качестве примера, электропроводящее покрытие 140 может представлять собой силицид. В качестве другого примера, электропроводящее покрытие 140 может представлять собой покрытие из металла, такого как, например, алюминий, медь и вольфрам, или других электрических проводников, таких как нитрид вольфрама, нитрид титана и нитрид тантала. Каждый из перечисленных материалов имеет преимущество, связанное с использованием в существующих технологиях КМОП. Другие металлы, такие как никель и кальций, можно также использовать в качестве электропроводящего покрытия 140. Эти материалы можно применять с использованием процессов, таких как нанесение электролитического покрытия, химическое осаждение из паровой фазы (CVD) и/или осаждение атомных слоев (ALD). Следует отметить здесь, что процесс CVD вольфрама является самоограничивающимся, то есть вольфрам образует пару монослоев, а затем перестает расти. Полученное в результате тонкое электропроводящее покрытие представляет собой точно то, что необходимо для вариантов осуществления устройства 100 для накопления заряда, так как оно никогда не будет таким толстым, чтобы перекрыть каналы и предотвратить проникновение газа CVD глубже в эти каналы. При необходимости, пористую структуру можно также легировать с помощью легирующей примеси, предназначенной для повышения электрической проводимости структурах (бор, мышьяк или фосфор, например, для пористого кремния; мышьяк или галий, например, для пористого германия).

В одном варианте осуществления, электрический изолятор, отделяющий электропроводящую структуру 110 от электропроводящей структуры 120, содержит диэлектрический материал. Например, можно изготовить конденсатор с очень высокой емкостью с использованием электрода из пористого кремния, оксидированного диоксидом кремния (SiO₂) наряду с металлом или поликремневой структурой в качестве другого электрода. Очень большая площадь поверхности пористого кремния дает главный вклад в высокую емкость, которую можно достигнуть с помощью такого конденсатора.

Емкость можно повысить еще больше (даже значительно повысить) путем размещения электролита 150 в физическом контакте с пористой структурой. Электролит 150 (а также другие электролиты, описанные здесь) представлен на чертежах с использованием случайного расположения кружочков. Это изображение служит для передачи идеи того, что электролит представляет собой вещество (жидкое или твердое), содержащее свободные ионы. Кружочки, которые выбраны для удобства и не предназначены для какого-либо ограничения в отношении компонентов электролита или качества электролита, включая любое ограничение по отношению к размеру, форме или количеству ионов. Типичный, хотя и не единственный, тип электролита, который можно использовать, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения, представляет собой ионный раствор.

В варианте осуществления, где используется электролит 150, электрический изолятор, отделяющий электропроводящую структуру 110 от электропроводящей структуры 120, может представлять собой двойной электрический слой, который создается путем наличия электролита. Этот двойной электрический слой, изображенный схематично на фиг.4, может дополнять или заменять диэлектрический материал, описанный выше. Как показано на фиг.4, двойной электрический слой (EDL) 330 был сформирован в пределах одного из каналов 111. EDL 330 состоит из двух слоев ионов, один из которых представляет собой электрический заряд боковых стенок канала 111 (изображенного на фиг.4 как положительного, но который также может быть отрицательным), и другой из которых образован с помощью свободных ионов, находящихся в электролите. EDL 330 электрически изолирует поверхность, таким образом, обеспечивая разделение заряда, необходимое для функционирования конденсатора. Большая емкость и, следовательно, возможность накопления энергии электролитическими ультраконденсаторами возникает благодаря маленькому (приблизительно 1 нм) разделению между ионами электролита и электродом.

Следует отметить, что когда устройство 100 для накопления заряда разряжается, то EDL исчезает. Это означает, что при некоторых обстоятельствах (например, где EDL заменяет диэлектрический слой), электропроводящие структуры 110 и 120 могут в течение некоторого времени оставаться неотделенными друг от друга электрическим изолятором - по меньшей мере, ни одного осуществленного в EDL. В данном случае ссылки на "первую электропроводящую структуру и вторую электропроводящую структуру, которые отделены друг от друга электрическим изолятором", в частности, включают в себя ситуации, где, как описано выше, электрический изолятор присутствует только в случае, когда устройство для накопления заряда электрически заряжено.

В некоторых вариантах осуществления, электролит 150 представляет собой органический электролит. В качестве одного примера, электролит может быть жидким или твердым раствором органических материалов, таких как тетрафторборат тетраэтиламмония в ацетонитриле. Другие примеры включают в себя растворы на основе борной кислоты, бората натрия или слабоорганические кислоты. Альтернативно, (неорганическую) воду можно использовать в качестве электролита, но это может представлять угрозу безопасности в том, что вода может закипать и образовывать газ, если температура конденсатора превышает определенный уровень, что может привести к взрыву конденсатора.

Как упомянуто выше, высокая плотность энергии является необходимой характеристикой конденсатора. Однако типичный двойной электрический слой может выдержать только относительно низкое напряжение, может быть 2 или 3 вольта, и это ограничивает плотность энергии, которую можно достигнуть на практике. Для того чтобы повысить достижимую плотность энергии, варианты осуществления настоящего изобретения включают в себя материалы, имеющие относительно высокие напряжения пробоя, увеличивая тем самым общее напряжение пробоя конденсатора. В качестве примера, материалы, которые увеличивают напряжение пробоя, могут представлять собой хорошие электрические изоляторы, или они могут быть очень электрохимически инертными (например, ртуть), если эти материалы также обладают высокой диэлектрической проницаемостью (в этом случае они называются здесь материалами с высоким показателем диэлектрической проницаемости "high-k materials"), то материалы могут иметь дополнительные положительные эффекты, связанные с увеличением емкости и уменьшением тока утечки. Альтернативно, для этих целей можно использовать отдельные слои или материалы. То есть, один материал для повышения напряжения пробоя наряду с отдельным материалом с высоким показателем диэлектрической проницаемости. Устройства для накопления заряда, использующие материалы с высоким напряжением пробоя в связи с пористыми структурами и органическими электролитами, имеют гораздо большую плотность энергии, чем устройства для накопления заряда без таких компонентов.

Материалом с высокой диэлектрической проницаемостью обычно считается материал, у которого диэлектрическая проницаемость больше, чем диэлектрическая проницаемость SiO₂, то есть больше чем 3,9. Поскольку в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения в качестве диэлектрического покрытия можно использовать SiO₂, SiO₂ (а также любые другие материалы, имеющие диэлектрическую проницаемость 3,9) очевидно распространяются на всю область применения "материалов с высокой диэлектрической проницаемостью" ("high-k materials"), как определено здесь. В то же самое время, следует отметить, что в других вариантах осуществления можно также использовать материалы со значительно более высокими значениями диэлектрической проницаемости. Несколькими примерами материалов с высокой диэлектрической проницаемостью могут служить нитрид кремния (SiN), оксинитрид кремния (SiO_xN_y), оксид гафния (HfO_x), оксид циркония (ZrO_x), оксид тантала (TaO_x), оксид титана (TiO_x) или BaSrTiO₃, образованные с использованием технологий ALD, CVD, термического выращивания или жидкостной химической обработки, и каждый из которых имеет диэлектрическую проницаемость приблизительно порядка 20-50. Можно также использовать более экзотические материалы с еще более высокими диэлектрическими проницаемостями (значения которых указаны ниже в квадратных скобках после каждого материала). Например, они включают в себя (LaSr)₂NiO₄ [10⁵], CaTiO₃ [10,286] и родственные материалы, такие как CaCu₃Ti₄O₁₂ [10,286] и Bi₃Cu₃Ti₄O₁₂ [1,871]. В некоторых вариантах осуществления, при необходимости можно выбрать материал с высокой диэлектрической проницаемостью, имеющей диэлектрическую проницаемость больше чем у электролита (часто приблизительно равную или равную 20).

Как предложено в результате вышеизложенного обсуждения материалов с высокой диэлектрической проницаемостью, в некоторых вариантах настоящего изобретения, устройство 100 для накопления заряда дополнительно содержит материал, имеющий диэлектрическую проницаемость, по меньшей мере, 3,9. На фиг.5 изображен вид в поперечном сечении одного из каналов 111 устройства 100 для накопления заряда, согласно варианту осуществления настоящего изобретения, устройство 100 для накопления заряда содержит материал 515 с высокой диэлектрической проницаемостью, расположенный между электролитом 150 и пористой структурой 110. (EDL не показан на фиг.5 во избежание ненужного усложнения чертежа.)

Как упомянуто выше, варианты осуществления настоящего изобретения позволяют повысить емкость устройства для накопления заряда путем увеличения площади поверхности и/или путем уменьшения расстояния, разделяющего проводящие структуры, и в предыдущих абзацах были раскрыты различные технологии для достижения этих результатов, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения. Согласно дополнительным вариантам осуществления, площадь поверхности конденсатора можно еще больше увеличить за счет наличия наноструктур в пределах, по меньшей мере, некоторых каналов устройства для накопления заряда. Используемый здесь термин "наноструктуры" относится к структурам, имеющим, по меньшей мере, один размер порядка от одного нанометра до нескольких десятков нанометров. Такие наноструктуры могут иметь правильную или неправильную форму. "Наночастицы" представляют собой приблизительно сферические наноструктуры. "Нанопроводники" представляют собой твердые, приблизительно цилиндрические наноструктуры. "Нанотрубки" представляют собой наноструктуры, которые также имеют тенденцию быть приблизительно цилиндрическими, но отличаются от нанотрубок тем, что они образуют полые трубки. Углерод выглядит по своим возможностям уникальным для образования нанотрубок; причем наноструктуры, выполненные из этих материалов, образуют нанопроводники.

В соответствии с вышеизложенным обсуждением, и как показано на фиг.5, канал 111 содержит наноструктуры 535. В качестве примера, они могут представлять собой наночастицы (возможно в растворе изопропилового спирта) или нанопроводники из любого подходящего материала (например, кремния) или комбинации материалов (например, кремний-германий с кремниевой сердцевиной или германиевой сердцевиной), углеродные нанотрубки, углеродные нанотрубки, покрытые кремнием или т.п. Подобно каналам 111 и 121, а также другим участкам пористой структуры, некоторые (или все) наноструктуры 535 могут быть, в одном варианте осуществления покрыты или частично покрыты электропроводящим покрытием 540. Как упомянуто выше, это покрытие должно быть хорошим электрическим проводником (например, соответствующим металлом, силицидом или т.п.). По меньшей мере, некоторые наноструктуры могут содержать легирующую примесь для того, чтобы дополнительно повысить их электрическую проводимость. Дополнительно, в некоторых вариантах осуществления, по меньшей мере, некоторые наноструктуры 535 покрыты материалом 545, который предотвращает электрохимическую реакцию между наноструктурами 535 и электролитом 150. Материал 545 увеличивает напряжение пробоя устройства для накопления заряда. В качестве одного примера, материал 545 может принимать форму монослоя ртути или другого жидкого металла наподобие галлия или сплава галлий-индий-олово на поверхности наноструктур 535 (или возможно поверх электропроводящего покрытия 540, где присутствует такое покрытие).

Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения, далее со ссылкой на фиг.6 будет обсуждено устройство 600 для накопления заряда. Как показано на фиг.6, устройство 600 для накопления заряда содержит множество наноструктур 610 на подложке 605 и дополнительно содержит электролит 650, находящийся в физическом контакте, по меньшей мере, с некоторыми наноструктурами 610. (В изображенном варианте осуществления, наноструктуры 610 представляют собой дискретные наноструктуры, то есть они представляют собой в отличие от каналов пористой структуры, например, автономные структуры, которые не содержатся в пределах другой структуры.) В качестве примера, электролит 650 может быть подобен электролиту 150, который был сначала показан на фиг.1. Наличие электролита 650 создает EDL; то есть устройство 600 для накопления заряда представляет собой EDLC. В качестве примера, первый поднабор из множества наноструктур 610 образует первый электрод устройства 600 для накопления заряда, и второй поднабор из множества наноструктур 610 образует второй электрод устройства 600 для накопления заряда.

Устройство для накопления заряда состоит просто из наноструктур, и электролит может представлять собой ценный ультраконденсатор с высокой емкостью, согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Однако, как обсуждено выше, часто стремятся увеличить напряжение пробоя и/или увеличить емкость и уменьшить ток утечки устройства для накопления заряда и, таким образом, в определенных вариантах осуществления, материал 615 с высокой диэлектрической проницаемостью (напомним из изложенного выше, что он определяется здесь как материал, имеющий диэлектрическую проницаемость, по меньшей мере, 3,9) можно разместить между электролитом 650 и наноструктурами 610. В изображенном варианте осуществления, материал 615 с высокой диэлектрической проницаемостью принимает форму покрытия, по меньшей мере, частично закрывая наноструктуры. В некоторых вариантах осуществления, по меньшей мере, некоторые наноструктуры 610 могут быть дополнительно покрыты материалом 645, который предотвращает электрохимическую реакцию между наноструктурами 610 и электролитом 650. В качестве примера, материал 645 может быть подобен материалу 545, который показан на фиг.5, и поэтому, в одном варианте осуществления, может принимать форму монослоя ртути (или одно из других упомянутых веществ) на поверхности наноструктур.

В определенных вариантах осуществления, наноструктуры 610 представляют собой нанопроводники, образованные из подходящего материала (например, кремния, кремний-германий (SiGe) соединений типа III-V (такие как арсенит галлия (GaAs) или т.п.), среди многих других). В других вариантах осуществления, наноструктуры 610 содержат углеродные нанотрубки.

На фиг.7 изображена блок-схема алгоритма, иллюстрирующая способ 700 изготовления электропроводящей структуры для устройства для накопления заряда, согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

На этапе 710 способа 700 предусматривают раствор, содержащий множество наноструктур в растворителе. В одном варианте осуществления, растворитель представляет собой материал фоторезиста, особенно материал с толстым фоторезистом (например, толщиной порядка 500 мкм). В других вариантах осуществления раствор может содержать растворитель, отличный от фоторезиста. В конкретном варианте осуществления, раствор содержит проводящие наночастицы в изопропиловом спирте. Использование фоторезиста в растворителе может быть преимущественным, потому что он уже и так широко используется в технологии в микроэлектронике. Использование фоторезиста может также упростить формирование рисунка электропроводящих структур, образованных согласно способу 700, если требуется такое формирование рисунка. Друг