适合用作超级电容器的本体的坯件、超级电容器以及制造多孔硅卷的方法技术

适合用作超级电容器(25)的本体的坯件(17、17a、17b)包括第一多孔半导体卷(22)和第二多孔半导体卷(21)，第二多孔半导体卷(21)由第一多孔半导体卷(22)横向包围，并通过沟槽(10)与第一多孔半导体卷隔开，沟槽(10)适用于接收电解质(24)，由此第一和第二多孔半导体卷(22、21)包括开口到沟槽(10)的通道。超级电容器(25)包括通过前述权利要求中任一项所述的坯件(17、7a、17b)形成的本体，使得第一多孔半导体卷(22)用作一个电极，第二多孔半导体卷(21)用作另一个电极，在沟槽(10)中容纳有电解质(24)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】适合用作超级电容器的本体的坯件、超级电容器以及制造多孔硅卷的方法
通常，本专利技术涉及半导体和微电子领域。更具体地，本专利技术的某些方面涉及基于半导体的超级电容器(semiconductor-basedsupercapacitors)，而本专利技术的另一些方面涉及多孔半导体的制造。
技术介绍
基于高表面积碳的材料(highsurfaceareacarbonbasedmaterials，例如活性炭、碳化物衍生碳、碳纳米管或石墨烯)通常用作超级电容器电极。特别是，低成本活性炭已经大规模应用于商业超级电容器中。通常使用聚合物粘合剂和不同的涂覆工艺将碳材料施加在集电体上。然而，由于这些工艺难以小型化并难以集成到微电子制造工艺中，所以最近已经提出了替代的精细加工和纳米加工工艺。有希望的加工方法包括，例如，从常见光刻胶材料生产高表面积碳(所谓的光刻胶衍生碳)，以及对可以通过微尺度(atmicroscale)激光还原生产的氧化石墨进行部分还原。可以获得具有比电容为2.35Fcm-3的激光图案化氧化石墨烯/还原型氧化石墨烯(GO/RGO)微电容器，其运行非常稳定。在商业化之前，氧化石墨薄膜的生产和沉积仍然是待解决的问题。具有碳化硅衍生碳薄膜的装置也被证明具有高达0.7mFcm-2的电容，其与基于CNT的电极(CNTbasedelectrodes)相当。该技术的一个缺点是高处理温度-在1050℃下进行石墨化。英特尔公司的公开号为WO2011/123135A1的国际专利申请公开了电荷存储装置。该电荷存储装置包括通过隔板彼此隔开的第一和第二导电结构。第一和第二导电结构包括具有多个通道的多孔结构。每个通道具有到多孔结构表面的开口。本申请人的公开号为WO2013/128082A1的国际专利申请公开了可集成的电化学电容器及其制造方法。电化学电容器包括：第一电极，其包括具有第一多孔部的第一刚性件，第二电极，其包括具有第二多孔部的第二刚性件，以及与第一多孔部和第二多孔部接触的电解质。通过该结构，无需在电极间设置隔膜来制造电化学电容器。专利技术目的虽然可以被蚀刻到高表面积的纳米多孔结构内，但到目前为止作为微型超级电容器材料的硅的应用却得到很少关注。多孔Si(PS)直接作为电极材料的应用有助于实现容易地集成到现有的制造工艺中。不幸的是，硅在常见的电解质中是电化学不稳定的，具有有限的润湿性和差的导电性能，从而导致PS超级电容器的整体电性能差。广泛认为PS的涂覆是一种降低电阻，提高稳定性的有吸引力的途径，但即使是涂覆的电极，其性能仍然比基于碳的片上超级电容器(carbonbasedon-chipsupercapacitors)低几个数量级，因为在端部，复合硅纳米结构的电阻不利地限制了功率密度。WO2013/128082A1中公开的可集成的电化学电容器是相当难制造的。如果可以操作，WO2011/123135A1中公开的电荷存储装置也是难以实施的。进一步地，已经证明难以实现将电解质横向限定到电化学电容器或电荷存储装置内部的必要设计。沟槽两端的密封有时是相当困难的。沟槽中的多孔半导体通道也是难以制造的。即使沟槽可以根据WO2013/128082A1中提出的方式制造，但在绝缘体上硅(SOI)晶片的侧面用基于氟化氢的蚀刻液(hydrogenfluoridebasedetchingliquid)处理来生成SOI中的介孔表面结构时，氟化氢剧烈地与绝缘体层反应，从而使绝缘体层在蚀刻液的作用下消失。因此，很难甚至无法利用绝缘体层作为超级电容器的载体结构。如果绝缘体层是完好的，也可以将绝缘体上硅晶片用于其他目的。本专利技术的第一方面的目的是简化超级电容器或适合用作超级电容器的本体的坯件的制造。该目的可以通过独立权利要求1中的坯件，或并列的独立权利要求13中的超级电容器实现。本专利技术的第二方面的目的涉及改善多孔硅的形成方法。该目的可以通过权利要求17的制造多孔硅卷(poroussemiconductorvolume)的方法，权利要求18的自限性蚀刻方法(self-limitingetchingmethod)，和多孔硅的成型方法来实现。本专利技术的第三方面的目的是改进多孔半导体通道的制造方法。该目的可以通过用来选择性形成多孔半导体通道的第一、第二或第三方法来实现。本专利技术的第四方面的目的是涉及在硅纳米结构中，特别是在微型超级电容器中，使用新型PS-TiN混合材料。该目的可以通过在纳米结构中使用多孔硅(PS)-TiN混合材料，特别是使用多孔硅(PS)-TiN混合材料来制造微型超级电容器的方法来实现，该混合材料通过将块状硅电化学蚀刻成纳米多孔硅，然后进行TiN高保形原子层沉积涂覆而制备。本专利技术的第五方面的目的涉及在硅结构中制造电极，例如，该硅结构可以用于本专利技术的任一个其他方面的坯件或超级电容器中。该目的可以通过在硅结构中制造电极的方法来实现。从属权利要求中描述了坯件，超级电容器和方法的有利方面。专利技术优点适合用作超级电容器的本体的坯件包括：第一多孔半导体卷和第二多孔半导体卷。第二多孔半导体卷由第一多孔半导体卷横向包围并且通过沟槽与第一多孔半导体卷隔开，沟槽适合于容纳电解质。第一和第二多孔半导体卷包括开口至沟槽的通道。一个主要的优点是，沟槽的端部不再需要封闭(即，沟槽不需要横向封闭)，因为第一多孔半导体卷横向包围第二多孔半导体卷。因此，沟槽可以有利地(但并非必需)形成闭合的形状，如环形，圆形，也可以是矩形或任何形状。重要的是在沟槽相对侧的多孔半导体卷是彼此电隔离的，从而超级电容器的电极不会短路。当第一多孔半导体卷和第二多孔半导体卷位于同一半导体层中并在整个层的高度上延伸时，可更容易地从沟槽的顶部进行坯件的封闭。以这种方式，甚至可以更好地利用半导体晶片卷的整个高度，从而便于半导体装置的进一步小型化。当第一多孔半导体卷的沟槽侧边和第二多孔半导体卷的沟槽侧边各形成至少一个电极时，可以在界限分明的(well-defined)位置处进行与坯件(或坯件与超级电容器)的电连接。当至少一个、两个或所有的电极的各自边缘已至少部分地涂覆时，可以提高超级电容器的稳定性，同时可以保持相对高的电容密度。最有利地，涂覆可通过原子层沉积或其他用于形成保形层的方法来进行，例如，通过使用TiN或NbN，或包括TiN或NbN的材料、化合物或合金。TiN具有足够高的导电率，并且是电化学足够稳定的。除此之外或替代地，涂层可以是或包括导电氧化物或金属。测试表明，其中第一多孔半导体卷和第二多孔半导体卷是或包括硅的坯件的原型表现出相对良好的稳定性。当坯件还包括限定到第一多孔卷的底部，第二多孔卷的底部，以及沟槽的底部的绝缘层时，从沟槽的底部进行电解质的密封可以通过该结构来实现，因此不再需要在沟槽的底部进行后续密封步骤。最有利地，绝缘层是或包括埋设的氧化物层和/或由半导体氧化物组成。半导体氧化物可与半导体相结合。有利的是，坯件可以位于单面或双面抛光的硅晶片上，该硅晶片是包括绝缘体上硅层的绝缘体上硅晶片，坯件可以位于绝缘体上硅层的相对侧。优选地，坯件位于单面或双面抛光的硅晶片的n++或p++掺杂层中。坯件可以位于单面或双面抛光的硅晶片中，绝缘层覆盖在晶片的另一侧。优选地，坯件位于单面或双面抛光的硅晶片的n++或p++掺杂层中。在SO本文档来自技高网...

【技术保护点】
适合用作超级电容器(25)的本体的坯件(17、17a、17b)，其特征在于：其包括第一多孔半导体卷(22)和第二多孔半导体卷(21)，所述第二多孔半导体卷(21)由所述第一多孔半导体卷(22)横向包围，并通过沟槽(10)与所述第一多孔半导体卷(22)隔开，所述沟槽(10)适用于接收电解质(24)，由此所述第一和第二多孔半导体卷(22、21)包括开口到沟槽(10)的通道。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.10.17 FI 201459141.适合用作超级电容器(25)的本体的坯件(17、17a、17b)，其特征在于：其包括第一多孔半导体卷(22)和第二多孔半导体卷(21)，所述第二多孔半导体卷(21)由所述第一多孔半导体卷(22)横向包围，并通过沟槽(10)与所述第一多孔半导体卷(22)隔开，所述沟槽(10)适用于接收电解质(24)，由此所述第一和第二多孔半导体卷(22、21)包括开口到沟槽(10)的通道。2.根据权利要求1所述的坯件(17、17a、17b)，其中：所述第一多孔半导体卷(22)和所述第二多孔半导体卷(21)位于相同的半导体层(1、13)中，并且所述第一和第二多孔半导体卷(22、21)在层(1、13)的整个高度延伸。3.根据权利要求1或2所述的坯件(17、17a、17b)，其中：所述第一多孔半导体卷(22)的沟槽(10)的侧边和所述第二多孔半导体卷(21)的沟槽(10)的侧边各自形成至少一个电极。4.根据权利要求3所述的坯件(17、17a、17b)，其中：至少一个、两个或全部电极具有至少部分涂覆的相应侧边，使得它们是或包括涂覆的多孔半导体。5.根据权利要求4所述的坯件(17、17a、17b)，其中：所述涂覆通过使用原子层沉积或任何其它用于制造保形层的方法进行。6.根据权利要求4或5所述的坯件(17、17a、17b)，其中：涂层是或包括TiN、NbN或至少一种导电氧化物或金属。7.根据前述权利要求中任一项所述的坯件(17、17a、17b)，其中：所述第一多孔半导体卷(22)和所述第二多孔半导体卷(21)是或包括硅。8.根据前述权利要求中任一项所述的坯件(17、17a、17b)，其中：所述坯件(17、17a、17b)还包括限定到所述第一多孔半导体卷(22)的底部和所述第二多孔半导体卷(21)的底部以及沟槽(10)的底部的绝缘层(12、15)。9.根据权利要求6或7所述的坯件(17、17a、17b)，其中：绝缘层(12、15)是或包括埋设的氧化物层(12)和/或由半导体氧化物组成和/或包括特别可以是氮化硅层(15)的电绝缘层。10.根据前述权利要求中任一项所述的坯件(17、17b)，其中：所述坯件(17、17b)位于单面或双面抛光的硅晶片中，所述第一多孔半导体卷(22)和所述第二多孔半导体卷(21)形成在半导电硅层(1、13)中，由此所述单面或双面抛光的硅晶片可以是n++或p...

【专利技术属性】
技术研发人员：约尼·阿霍佩尔图，格里格拉斯·凯斯图蒂斯，列夫·格林伯格，米卡·普伦尼拉，
申请(专利权)人：芬兰国家技术研究中心股份公司，
类型：发明
国别省市：芬兰,FI