电荷存储设备、其制备方法、其导电结构的制备方法、使用其的移动电子设备以及包含其的微电子设备

摘要

在一个实施例中，电荷存储设备包括通过分离器(130)相互分离的第一(110)和第二(120)导电结构。所述第一和第二导电结构中的至少一个包括包含多个通道(111、121)的多孔结构。所述通道中的每一个具有位于所述多孔结构的表面(115，125)上的开口(112、122)。在另一实施例中，所述电荷存储设备包括多个纳米结构(610)和与至少一些纳米结构物理接触的电解质(650)。介电常数至少为3.9的材料(615)可以设置在所述电解质与所述纳米结构之间。

说明书

技术领域

所公开的本发明实施例一般地涉及电荷存储设备，并且更特别地涉及 电容器，包括双电层电容器。

背景技术

电荷存储设备，包括电池和电容器，被广泛应用在电子设备中。特别 是，电容器广泛地用于从电气线路和功率传输到电压调节和电池更换的应 用领域。随着电容器技术的持续发展，已经出现了多种类型的电容器。例 如，双电层电容器(EDLC)，也被称作超级电容器(等等)，其特征在于高 的能量存储和功率密度、小尺寸以及低重量，并且所述双电层电容器已经 由此变成用在多个应用中的有力竞争者。

附图说明

通过结合附图阅读以下的详细描述将更好的理解公开的实施例，在附 图中：

图1和2是根据本发明实施例的电荷存储设备的截面图；

图3是根据本发明实施例的一片多孔硅的截面扫描电镜图；

图4是根据本发明实施例的电荷存储设备的通道内的双电层的截面图；

图5是根据本发明实施例的电荷存储设备中的通道的示出不同的层和 结构的截面图；

图6是根据本发明另一实施例的电荷存储设备的截面图；

图7是示出根据本发明实施例制备电荷存储设备的导电结构的方法的 流程图；

图8是根据本发明实施例的相对厚的导电结构的透视图；

图9是示出根据本发明实施例制备电荷存储设备的方法的流程图；

图10是表示根据本发明实施例的移动电子设备的框图；

图11是表示根据本发明实施例的微电子设备的框图。

为了清楚和简要地说明，附图示出了结构的通常形式，并且可以省略 公知的特征和技术的描述和细节以避免不必要地使对所描述的本发明实施 例的讨论难以理解。此外，附图中的要素未必是按照比例绘制的。例如， 图中一些要素的尺度可能相对于其他要素放大以帮助改善对本发明实施例 的理解。不同附图中的相同的附图标记代表相同的要素，而相似的附图标 记可以，但不必须代表相似要素。

说明书和权利要求中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等等 (如果有)用来区分相似要素而未必用来描述特定的顺序或时间次序。应 当理解，这样使用的术语在适当的环境下是可互换的，因此本文描述的本 发明实施例(例如)能够以除了本文例示或描述的那些顺序以外的其他顺 序操作。类似地，如果本文中将方法描述为包含一系列步骤，则本文中出 现的这些步骤的顺序未必是可以执行这些步骤的唯一的顺序，并且可以省 略所描述步骤中的某些步骤和/或可以将某些本文没有描述的其他步骤加入 到所述方法中。进一步地，术语“包含”、“包括”、“具有”和他们的任何 变形意在覆盖非排它性的包含，以使得包含所列要素的过程、方法、产品 或装置并不仅仅限于这些要素，而是可以包含没有明确列出的或者这些过 程、方法、项目或装置中所固有的其他要素。

说明书和权利要求中的术语“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、 “在…之上”、“在…之下”等等(如果有)，用于描述性目的，而未必用于 描述永久的相对位置。应当理解，这样使用的术语在适当的环境下是可互 换的，因此本文描述的本发明实施例(例如)能够以除了本文例示或描述 的那些取向以外的其他取向操作。此处使用的术语“耦合”定义为以电或 非电方式直接或间接地连接。本文描述为彼此“相邻”的对象可以是：相 互间物理接触，相互间紧密接近，或彼此处于大体相同的区域或范围，只 要对于使用该短语的上下文而言是合适的。本文出现的短语“在一个实施 例中”未必都涉及同一实施例。

具体实施方式

在本发明的一个实施例中，一种电荷存储设备包括第一导电结构和第 二导电结构，所述第一导电结构和第二导电结构相互间由电绝缘体分离， 其中，所述第一导电结构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，并且其中所述通道中的每一个具有位于所述多孔结构的表面 上的开口。

超级电容器和类似的高表面积电荷存储设备可以用在微电子设备中以 存储能量，用于在电路中进行电气分流，用作功率传输的电路的一部分， 用作存储器存储元件，以及用于许多其他功能。超级电容器相较于电池的 优点是超级电容器能被快速充放电，因为它们不依赖于化学反应来存储能 量，并且甚至在快速充放电时，它们在它们的寿命期间也不会明显劣化。 超级电容器对温度的敏感度也低于电池。

超级电容器的发展道路是使得它们很可能最终获得比电池更大的能量 密度(在能量每千克(kg)和能量每公升两个方面)。超级电容器因此可以 结合电池使用以便保护电池免受大功率冲击(由此延长电池寿命)。进一步 地，如果所述超级电容器能提供大功率需求，则电池的电极能制作得更小。 可选择地，超级电容器作为电池的替代也是有意义的。如下文将详细讨论 的，本发明的实施例能够(例如)通过使用涂覆有高k介电材料的纳米材 料增加电极表面积来将超级电容器的能量密度增加几个量级。

现在参考附图，图1和2是根据本发明实施例的电荷存储设备100的 截面图。如图1和2所示，电荷存储设备100包括被电绝缘体相互分离的 导电结构110和导电结构120。如下文更详细讨论地，该电绝缘体可以采用 各种不同形式中的一种。导电结构110和120中的至少一个包括包含多个 通道的多孔结构，所述通道中的每一个具有位于所述多孔结构的表面上的 开口。在所示出的实施例中，导电结构110和导电结构120都包括这种多 孔结构。相应地，导电结构110包括带有开口112的通道111，所述开口112 位于相应的多孔结构的表面115上，导电结构120包括带有开口122的通 道121，所述开口122位于相应的多孔结构的表面125上。在一个实施例中， 导电结构110和120中仅有一个导电结构包括具有多个通道的多孔结构， 另一导电结构可以是(例如)金属电极或多晶硅结构。

电荷存储设备100可以是不同的结构。例如，在图1的实施例中，电 荷存储设备100包括两个面对面接合在一起的其间设有分离器130的不同 的多孔结构(导电结构110和导电结构120)。作为另一个例子，在图2的 实施例中，电荷存储设备100包括单一的平面多孔结构，其中第一部分(导 电结构110)通过包含分离器130的沟槽231而与第二部分(导电结构120) 分离。所述导电结构中的一个将是正侧，而另一个导电结构将是负侧。分 离器130允许离子传输但不允许例如会在电解质中出现的流体传输。

图2示出连接导电结构110和导电结构120的材料的小桥。如果不加 以解决，则这个桥可以作为两个导电结构间的电短路。然而，存在多个可 能的方案。例如，可以用抛光操作移除所述桥。或者，可以在晶片的重掺 杂顶层或区域中形成导电结构，同时所述沟槽向下延伸至不是很好的导体 的底部轻掺杂衬底。或者可以使用绝缘体上硅结构。

作为一个例子，可以通过湿法蚀刻工艺来产生导电结构110和120的 多孔结构，在所述湿法蚀刻工艺中，施加到导电结构的表面的液体蚀刻剂 以至少某种程度上与水能够在岩石刻蚀出通道的方式相类似的方式蚀刻掉 所述导电结构的部分。这就是为什么所述通道中的每一个都具有位于所述 导电结构的表面的开口；湿法蚀刻方法不能在多孔结构中产生全封闭空腔， 即不带有位于表面上的开口的像陷在岩石中的空气泡的空腔。这不是说那 些开口不能被其它材料覆盖，或因为存在或加入其它材料而封闭了——这 事实上在一些实施例中可能发生——但无论覆盖与否，所描述的位于表面 上的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。(所述开口可能被覆盖的一个实施例是在通道顶部生长作为用于 电路或其它布线的位置的外延硅层的实施例)。能够以(与活性碳相比)很 精确的且统一孔尺寸的控制制备根据本发明实施例的多孔结构。这允许快 速充电(可以优化孔尺寸以便适应离子的尺寸)，并且也提高了电容量(没 有区域会出故障)。这也将允许电压波动的窄分布。

应该注意的是，与该讨论相关联的，以与以上描述不同的方式形成的 多孔碳具有不同的结构——特征在于不具有表面开口的全封闭空腔的结 构。因此，对于本发明的至少某些实施例而言，多孔碳不适合——或至少 不理想(尽管这里必须提及，某些其它实施例(例如，下面描述的厚导电 结构)可以包含全封闭空腔)。同样应该注意的是，多孔结构在图1和图2 中的描述是高度理想化的：仅就一个例子来说，所有的通道111和121都 显示为仅垂直延伸。实际上，所述通道将在多个方向分叉以产生看起来像 在图3中所示的多孔结构的紊乱的无序图案。

图3是示出根据本发明实施例的一片多孔硅300的截面扫描电镜 (SEM)图。如图所示，多孔硅300包含多个通道311，其中一些显得细长 而垂直，而其中一些表现为大致圆形的孔。后一组代表可见部分是水平取 向的通道。应该理解，通道311可能沿其长度扭曲并旋转，使得单个通道 可具有垂直和水平部分两者，以及既不完全垂直又不完全水平而是介于两 者之间的部分。

利用合适的蚀刻剂，应该可以由几乎任何导电材料制作具有所描述的 特征的多孔结构。作为一个例子，可以通过使用氢氟酸和乙醇的混合物蚀 刻硅衬底来产生多孔硅结构。更一般地，可以通过例如阳极氧化和锈蚀等 工艺来形成多孔硅和其它多孔结构。

除了已经提及的多孔硅，可能特别适合于根据本发明实施例的电荷存 储设备的一些其它材料是多孔锗和多孔锡。使用多孔硅的可能的优点包括 其与现有硅技术的兼容性。由于用于锗材料的现有技术，多孔锗享有类似 的优点，并且与硅相比，锗享有进一步的可能的优点：其本征(native)氧 化物(氧化锗)是水溶性的且因此容易被移除。(在硅表面形成的本征氧化 物会捕获电荷——这是不期望的结果——特别是在硅的孔隙率大于大约 20％的情况下。)多孔锗也与硅技术高度兼容。使用作为零带隙材料的多孔 锡的可能的优点包括相对于某些其它导电和半导体材料的增强的电导率。 其它材料也能用作多孔结构，包括碳化硅、合金(例如硅锗合金)、和金属 (例如铜、铝、镍、钙、钨、钼和锰)。例如，硅锗合金与纯锗结构相比将 有利于显示更小的体积差异。

本发明实施例使用很窄的通道。在某些实施例中(在下文中将详细描 述)，将电解质引入通道中。电解质中的分子可在2纳米(nm)的量级上。 因此，在至少一个实施例中，所述通道中的每一个的最小尺度不小于2nm 从而允许电解质沿通道的整个长度自由流动。

在同一或另一实施例中，每一个通道的最小尺度不大于1微米(μm)。 可以针对具体实施例选择所述通道的最小尺度的该上限尺寸限制，以便最 大化那些实施例的所述多孔结构的表面积。更小(例如，更窄)的通道带 来对于每一个导电结构而言增加的总的表面积，因为更多的这样的更窄的 通道能引入到给定尺寸的导电结构。因为电容量与表面积成比例，以所描 述的方式限制尺寸的通道将可能有利地产生具有增加的电容量的电容器。 (也可以控制所述通道的其它尺寸，例如，它们的长度，以便增加表面积 (或者获得一些其它结果)——即较长通道相对于较短通道而言可以是优 选的——但是另外的尺寸可能没有以上讨论的最小尺度那么重要。)在其它 实施例中，所述通道的最小尺度可以大于1μm——可能大到10μm或更大。 尽管它们将减小表面积，但是这样的较大的通道可以提供更多的内部空间， 其中用以生长或形成附加的结构(如果需要)。下文将讨论至少一种这样的 实施例。

电荷存储设备100进一步包括在所述多孔结构的至少一部分上和在至 少一些通道111和/或通道121中的导电涂层140。为了维持或增强所述多 孔结构的导电性——特别是当所述多孔结构的孔隙率超过大约20％的时 候，这导电涂层可以是必需的。作为一个例子，导电涂层140可以是硅化 物。作为另一个例子，导电涂层140可以是金属涂层，例如，铝、铜和钨， 或者其它电导体，例如氮化钨、氮化钛和氮化钽。每一种所列材料都具有 用在现有CMOS技术中的优点。其它金属例如镍和钙也可用于导电涂层 140。这些材料可使用例如电镀、化学气相沉积(CVD)、和/或原子层沉积 (ALD)等工艺来涂覆。这里应该注意的是，钨的CVD工艺是自约束，这 意味着钨将形成几个单层，然后停止生长。所得到的薄导电涂层正是电荷 存储设备100的实施例所需要的，因为它永远不会厚到使通道密封并且阻 止CVD气体更深的透入通道。如果需要，也可以使用掺杂剂对多孔结构进 行掺杂，所述掺杂剂设计为增加所述结构的电导率(例如用于多孔硅的硼、 砷或磷；例如用于多孔锗的砷或镓)。

在一个实施例中，将导电结构110与导电结构120分离的电绝缘体包 括介电材料。例如，能够制作很高电容量的电容器，所述电容器使用采用 氧化硅(SiO₂)氧化的多孔硅电极以及作为另一电极的金属或多晶硅结构。 所述多孔硅的很高的表面积将是高电容量的主要贡献因素，通过这样的电 容器能够获得所述高电容量。

电容量仍能进一步增加——甚至明显增加——通过设置与多孔结构物 理接触的电解质150。电解质150(以及这里描述的其它电解质)在附图中 用随机布置的圆形表示。这种表示的目的是传达一种概念，即所述电解质 是包含自由离子的物质(液体或固体)。选择所述圆形是为了方便，而并不 意味隐含对所述电解质的成分或质量的任何限制，包括任何关于离子的尺 寸、形状或数量的限制。典型地，但不是唯一的，根据本发明的实施例可 以使用的电解质的类型是离子溶液。

在使用电解质150的实施例中，将导电结构110与导电结构120分离 的电绝缘体可以是通过电解质的存在而产生的双电层结构。这个在图4中 示意性描绘的双电层可以补充或替换上述介电材料。如图4所示，双电层 (EDL)330形成在一个通道111中。EDL 330由两层离子构成，其中一层 是通道111的侧壁的电荷(在图4中示出为正，但其也可以为负)，而另一 层是由电解质中的自由离子形成。EDL 330使所述表面电绝缘，由此为电 容器提供工作所必需的电荷分离。电解质超级电容器的大电容量和因此的 能量存储潜力(potential)由于电解质离子与电极之间的小的(大约1nm) 分离而产生。

应该注意的是，当电荷存储设备100被放电时所述EDL耗尽。这意味 着在一些情况下——例如当EDL代替所述介电层时——导电结构110和 120可能在一定时间内不被电绝缘体相互分离——至少不被体现为所述 EDL的电绝缘体相互分离。如上所述，这里所提及的“由电绝缘体相互分 离的第一导电结构和第二导电结构”具体包括这样的情况：所述电绝缘体 仅仅在所述电荷存储设备被充电时存在。

在一些实施例中，电解质150是有机电解质。作为一个例子，电解质 可以是有机材料的液体溶液或固溶体，例如乙腈中的四乙基四氟硼酸铵。 其它例子包括基于硼酸、四硼酸钠或弱有机酸的溶液。或者，(非有机)水 可以用作电解质，但这可能造成如下安全危险：如果所述电容器超过一定 温度，水可能沸腾且形成气体，并且可能导致所述电容器爆炸。

如上所述，高能量密度是期望的电容器特性。然而，典型的双电层仅 能承受相对低的电压——可能2或3伏——并且这限制了在实践中能获得 的能量密度。为了提高可获得的能量密度，本发明实施例采用具有相对更 高的击穿电压的材料，这样提高了电容器的总击穿电压。作为一个例子， 增加击穿电压的材料可以是好的电绝缘体或者它们的电化学惰性可以非常 高(例如，汞)。如果这些材料也具有高介电常数(这种情况下它们在这里 被称为“高k材料”)，则所述材料可以具有增加电容量和降低漏电流的额 外的有益效果。或者，针对这些目的可以采用单独的层或材料——即增加 击穿电压的一种材料连同单独的高k材料。使用与多孔结构和有机电解质 结合的高击穿电压材料的电荷存储设备与没有这些部件的电荷存储设备相 比具有大得多的能量密度。

如果材料的介电常数高于SiO₂的介电常数，即高于3.9，则该材料通常 被认为是高k材料。由于本发明的一些实施例可使用SiO₂作为介电涂层， SiO₂(以及介电常数为3.9的任何其它材料)是明显包含在这里定义的“高 k材料”的范围内。同时，应该注意，在其它实施例中也可使用具有明显更 高的介电常数的材料。举几个例子，所述高k材料可以是使用ALD、CVD、 热生长或湿法化学工艺形成的氮化硅(SiN)、氮氧化硅(SiO_xN_y)、氧化铪 (HfO_x)、氧化锆(ZrO_x)、氧化钽(TaO_x)、氧化钛(TiO_x)或BaSrTiO₃， 所有这些材料均具有大致在20-50的量级的介电常数。也可使用具有更高介 电常数(在下文每种材料旁的括号内标示其值)的更特殊的材料。这些材 料包括，例如，(LaSr)₂NiO₄[10⁵]、CaTiO₃【10,286】，和相关材料例如 CaCu₃Ti₄O₁₂【10,286】和Bi₃Cu₃Ti₄O₁₂【1,871】。在一些实施例中，可能需 要选择介电常数高于所述电解质的介电常数(通常大约20左右)的高k材 料。

如通过前面对高k材料的讨论所提出的，在本发明的一些实施例中， 电荷存储设备100进一步包括具有至少3.9的介电常数的材料。如图5所示， 电荷存储设备100包含在电解质150与多孔结构110之间的高k材料515， 其中图5是根据本发明实施例的电荷存储设备100中的一个通道111的截 面图。(在图5中未示出所述EDL以避免不必要地使所述附图复杂化。)

如上所述，本发明实施例通过增加其表面积和/或通过降低分离导电结 构的距离而增加了电荷存储设备的电容量，并且前面段落已经公开了根据 本发明实施例的获得那些结果的各种技术。根据另外的实施例，仍然可以 进一步通过电荷存储设备的至少一些通道中的纳米结构的存在来增加电容 器的表面积。(如这里使用的，术语“纳米结构”是指至少一个尺度在纳米 量级到几十纳米量级的结构。这样的纳米结构可以是规则的或不规则的形 状。“纳米颗粒”是大致球形的纳米结构。“纳米线”是固态的、大致柱状 的纳米结构。“纳米管”也是趋于大致柱状的纳米结构，但不同于纳米线的 是它们形成为中空的管。碳在其形成纳米管的能力方面似乎是独一无二的； 由其它材料制成的纳米结构形成为纳米线。)

根据前面的讨论，且如图5所示，通道111包含纳米结构535。作为一 个例子，这些纳米结构可以是纳米颗粒(可能在异丙醇溶液中)或任何合 适材料的纳米线(例如，硅)或材料的组合(例如，硅锗——具有硅芯或 锗芯)，碳纳米管、硅包覆碳纳米管，等等。像通道111和121以及多孔结 构的其它部分一样，在至少一个实施例中，可以用导电涂层540涂覆或部 分涂覆纳米结构535中的一些(或全部)。如前所述，这个涂层应该是好的 电导体(例如，合适的金属、硅化物，等等)。至少一些所述纳米结构可以 包含掺杂剂以便进一步增大它们的电导率。另外，在一些实施例中，用防 止纳米结构535与电解质150之间的电化学反应的材料545涂覆至少一些 纳米结构535。材料545增大了所述电荷存储设备的击穿电压。作为一个例 子，材料545可以表现为纳米结构535的表面上(或者当导电涂层540存 在时，可能在导电涂层540上)的汞的单层或者另一如镓或镓-铟-锡合金的 液态金属的形式。

下面转向图6，将讨论根据本发明的另一实施例的电荷存储设备600。 如图6所示，电荷存储设备600包括衬底605上的多个纳米结构610，并且 进一步包括与至少一些纳米结构610物理接触的电解质650。(在所示的实 施例中，纳米结构610为离散纳米结构，即不像多孔结构的通道，它们(例 如)是不包含在另一结构中的独立结构。)作为一个例子，电解质650可以 类似于首先在图1中示出的电解质150。电解质650的存在产生了EDL； 即电荷存储设备600是EDLC。作为一个例子，多个纳米结构610的第一子 集形成为电荷存储设备600的第一电极，并且多个纳米结构610的第二子 集形成为电荷存储设备600的第二电极。

由所述纳米结构和所述电解质简单构成的电荷存储设备可表示根据本 发明的实施例的有价值的高电容量的超级电容器。然而，如以上所讨论的， 通常需要增加击穿电压和/或增加电容量和降低所述电荷存储设备的漏电 流，并且由此，在某些实施例中，高k材料615(回想上文这在本文中定义 为具有至少为3.9的介电常数的材料)可以设置在电解质650与纳米结构 610之间。在所示实施例中，高k材料615表现为至少部分覆盖所述纳米结 构的涂层的形式。在一些实施例中，可以额外地用阻止纳米结构610与电 解质650之间的电化学反应的材料645涂覆至少一些纳米结构610。作为一 个例子，材料645可以类似于在图5中所示的材料545，并且因此在一个实 施例中，表现为在所述纳米结构的表面上的汞单层(或其它提及的物质之 一)的形式。

在某些实施例中，纳米结构610是由合适的材料(例如，硅、硅-锗 (SiGe)、III-V族化合物(例如砷化镓(GaAs)等)，等等)形成的纳米线。 在其他实施例中，纳米结构610包括碳纳米管。

图7是示出根据本发明实施例的制备电荷存储设备的导电结构的方法 700的流程图。

方法700的步骤710是提供包括在溶剂中的多个纳米结构的溶液。在 一个实施例中，所述溶剂是光致抗蚀剂材料，特别是厚光致抗蚀剂材料(例 如，在500μm厚度量级上)。在其它实施例中，溶液可以包含除了光致抗蚀 剂材料以外的溶剂。在特殊实施例中，所述溶液包括在异丙醇中的导电纳 米颗粒。因为光致抗蚀剂已经如此普遍地应用在微电子技术中，所以使用 它作为溶剂可以是有利的。使用光致抗蚀剂也可简化对根据方法700形成 的导电结构的图案化(如果需要这种图案化)。当所述溶剂中的所述纳米结 构是碳纳米管时，产生使用光致抗蚀剂作为溶剂的另一个可能的优点。在 这种情况下，(碳基)光致抗蚀剂的有机性质带来了与有机纳米管的高度兼 容性。在这样的溶液中得到的碳-碳接触产生高导电性。

方法700的步骤720是将所述溶液施加到衬底上。作为一个例子，所 述衬底可由以下材料制成：硅(可能是高掺杂的硅)、其上沉积了导电膜(例 如，铝)的硅或另一材料、涂覆有金属薄膜的片状玻璃、或更一般地，具 有充分的硬度来作为支撑物的任何适合的导电材料。在一个实施例中，步 骤720包括将光致抗蚀剂材料静电旋涂到所述衬底上。静电旋涂包括施加 电荷以便能够将纤维或其它纳米结构引导为所需的排列。在一个实施例中， 静电旋涂光致抗蚀剂材料产生多个纤维，其中至少一些具有至少500μm的 长度。常规旋涂(没有电荷)是静电旋涂的备选方案。两者中的任意一种 旋涂过程都允许在所述衬底上非常均匀地施加所述溶液。或者，所述溶液 可以简单地注入到所述衬底上而不进行旋涂，尽管利用这种技术可能将更 难控制厚度——将必须非常仔细地量出和核算所需溶液的量以确定溶液不 会溢出所述晶片或衬底的边缘。

方法700的步骤730是对所述溶液和所述衬底进行退火以便形成所述 导电结构。退火驱除所述溶剂且留下可能会相对较厚的结构。在一个实施 例中，所述退火可以包含热解反应。如果需要，可能可以通过在炉中烘烤 衬底——至少部分硬化所述溶液——而在初步低温条件(event)下驱除一 些所述溶剂。

方法700的步骤740是在至少一些纳米结构上形成介电材料以便提高 击穿电压。例如，这可以通过在所述纳米结构上沉积铝或另一合适材料， 然后氧化所述铝或另一材料来完成。

执行方法700得到可以具有相对大(substantial)的厚度的导电结构。 为了获得鲁棒的电容量，电容结构应该具有足够的厚度，这是基于纳米结 构的现有电容结构通常忽略的事实。在至少一些实施例中，方法700因此 使用厚的，能以500μm或更厚的厚度旋涂在衬底上的有机光致抗蚀剂(例 如，SR8)。在驱除溶剂的热解后，留下了以光致抗蚀剂材料的原始厚度的 量级的厚度形成为高表面积结构的纳米结构。在图8中示出了所描述的类 型的示例性结构，其中在衬底810上的纳米结构820是可见的。就这一点 而言，应该注意的是，图8如同一些前面的附图那样，是结构的理想化表 示，所述结构实际上将是更无序的，并且更多地类似乱草堆或蜂巢之类。

制作厚导电结构的备选方法是通过使用纳米压印光刻技术。所述方法 包括产生模板，随后物理性地将所述模板用力推向光致抗蚀剂等，这将所 述光致抗蚀剂材料形成为谷地状(valley)和高原状(plateau)。所述方法可 能不会产生如采用方法700可获得的导电结构的厚度那么厚的厚度，但尽 管如此，也将可能产生可能为50-100μm量级的相当鲁棒的厚度。

图9是示出根据本发明实施例的制备电荷存储设备的方法900的流程 图。

方法900的步骤910是提供具有第一部分和第二部分的导电结构。在 一个实施例中，步骤910包括提供溶剂中包含多个纳米结构的溶液，将所 述溶液施加到衬底，并且对所述溶液和所述衬底进行退火以便形成所述导 电结构。

方法900的步骤920是在第一部分与第二部分之间设置隔膜或其它分 离物，其中所述分离器允许离子电荷的传输。在一个实施例中，步骤920 或另一步骤进一步包括在第一部分与第二部分之间蚀刻沟槽，并且在所述 沟槽中设置所述分离器。

方法900的步骤930是设置与所述导电结构物理接触的电解质。

图10是表示根据本发明实施例的移动电子设备1000的框图。如图10 所示，移动电子设备1000包括衬底，其上设置有微处理器1020和与微处 理器1020相关联的电荷存储设备1030。电荷存储设备1030要么如以实线 示出的，可以设置在衬底1010上远离微处理器1020处，或者如以虚线示 出的，设置在微处理器1020自身上。在一个实施例中，电荷存储设备1030 包括由电绝缘体相互分离的第一和第二导电结构，其中所述第一和第二导 电结构中的至少一个包括包含多个通道的多孔结构。作为一个例子，该实 施例可以类似于在图1-5中所示的且在所附文本中描述的一个或多个实施 例。在另一实施例中，电荷存储设备1030包含多个纳米结构(例如，离散 纳米结构)和与至少一些所述纳米结构物理接触的电解质。作为一个例子， 该实施例可以类似于在图6中示出的且在所附文本中描述的一个或多个实 施例。

在至少一些实施例中，电荷存储设备1030是包含在移动电子设备1000 中的多个电荷存储设备(所有电荷存储设备在图10中均用块1030表示) 中的一个。在一个或多个这些实施例中，移动电子设备1000进一步包括与 电荷存储设备相关联的开关网络1040。当电容器被放电时，它不维持恒定 电压而是以指数方式衰减(不像电池那样，在放电时电压保持相对恒定)。 开关网络1040包括接通和断开各个电容器以便保持相对恒定的电压的电路 或一些其它机制。例如，所述电荷存储设备初始时可以相互并联连接，然 后，在一定量的电压衰减后，通过所述开关网络可以改变所述电荷存储设 备的子集，以使其串联连接，从而使得它们各自的电压贡献能够提升衰减 中的总电压。在一个实施例中，开关网络1040可以使用在现有技术中使用 的现有的硅设备技术(晶体管、可控硅整流器(SCR)，等等)来实现，而 在其它实施例中，它可以使用微电子机械系统(MEMS)继电器或开关(值 得注意是是，其通常具有很低的电阻)来实现。

在一些实施例中，移动电子设备1000进一步包括与电荷存储设备1030 相关联的传感器网络1050。在至少一些实施例中，多个电荷存储设备中的 每一个将具有它自己的指示所述电荷存储设备的某一行为参数的传感器。 例如，所述传感器可以指示目前的电压水平以及进行中的放电反应，这两 者都是能被开关网络使用的参数——特别是在所使用的所述介电材料(或 其它电绝缘体)不是线性的而是具有随电压变化的介电常数的情况下。在 那些情况下，有利的是连同所述传感网络还包括例如电压控制单元1060的 有限状态机，其了解所述电介质的特性是什么，并且进行相应的响应。了 解所述电介质的特性的电压控制单元可以对任何非线性进行补偿。也可以 包括与电荷存储设备1030相关联的温度传感器1070以便感测温度(或其 它与安全相关的参数)。在本发明的某些实施例中，移动电子设备1000进 一步包括如下设备中的一个或多个：显示器1081，天线/RF元件1082、网 络接口1083、数据输入设备1084(例如，键盘或触摸屏)、麦克风1085、 摄像机1086、视频投影仪1087、全球定位系统(GPS)接收器1088，等等。

图11是表示根据本发明实施例的微电子设备1100的框图。如图11所 示，微电子设备1100包含衬底1110、衬底1110上的微处理器1120和与微 处理器1120相关联的电荷存储设备1130。电荷存储设备1130要么如以实 线示出的，可以设置在衬底1110上远离微处理器1120处(例如管芯侧电容 器)，或者如以虚线示出的，可以设置在微处理器1120自身上(例如，在 所述微处理器上的内置层中)。在一个实施例中，电荷存储设备1130包括 由电绝缘体相互分离的第一和第二导电结构，其中所述第一和第二导电结 构中的至少一个包括包含多个通道的多孔结构。作为一个例子，该实施例 可以类似于在图1-5中示出的且在所附文本中描述的一个或多个实施例。在 另一实施例中，电荷存储设备1130包括多个纳米结构(例如，离散纳米结 构)和与至少一些所述纳米结构物理接触的电解质。作为一个例子，本实 施例可以类似于在图6中示出的且在所附文本中描述的一个或多个实施例。

在一些实施例中，本文公开的所述电荷存储设备可以用作微电子设备 1100中的去耦电容器——其比现有的去耦电容器更小，并且由于在本文其 它地方所描述的原因，与现有的去耦电容器相比提供更高的电容量和更低 的阻抗。如已经提及的，电荷存储设备1130可以是支持集成电路(IC)或 芯片的一部分或者它可以设置在所述微处理器芯片自身上。作为一个例子， 根据本发明实施例，能够在微处理器管芯上形成多孔硅(或如上所述的类 似物)的区域，然后在所述微处理器管芯的衬底上产生高表面积、嵌入式 去耦电容器。由于所述硅的孔隙率，所述嵌入式电容器将具有非常高的表 面积。对所公开的电荷存储设备的其它可能的使用包括用作存储器存储元 件(其中通过极大增加法拉/单位面积来解决嵌入式DRAM方法的z方向尺 寸的问题)或者用作增压电路中的电压转换器的部件，可能用于电路块、 单独的微处理器核，等等。

作为一个例子，更高的电容量值在本文的语境中可以是有利的，因为 电路的部分可以名义上在某一(相对低的)电压下运行，但随后在为了增 加速度而需要较高电压的位置处(例如，高速缓冲存储器、输入/输出(I/O) 应用)可以将所述电压提升到更高的值。这类可操作方案将会优于处处使 用较高的电压的方案；即在仅有少量的电路需要较高的电压的情况下，可 能优选针对小部分电路从较低的基线电压提升电压，而不是针对大部分电 路从较高的基线值降低电压。未来几代的微处理器也可以使用此处描述的 电压转换器类型。具有可以用来配置在封装周围或微处理器管芯周围的更 大的电容量可以有助于解决目前存在的在电路周围传输电压的晶体管之间 的难以耐受的高电感问题。

尽管参考具体实施例描述了本发明，本领域技术人员将会理解，在不 脱离本发明的精神或范围的情况下可以进行各种更改。相应地，本发明所 公开的实施例旨在说明而不是旨在限制本发明的范围。这意味着本发明的 范围应该仅受限于由所附权利要求所要求的范围。例如，对本领域的普通 技术人员而言，在多种实施例中实现此处讨论的所述电荷存储设备以及相 关的结构和方法将是及其显而易见的，并且前述讨论的某些这些实施例未 必代表对所有可能实施例的全部描述。

此外，已经结合具体实施例描述了好处、其它优点和问题的解决方案。 然而，所述好处、优点、问题的解决方案和可以使任何好处、优点或问题 的解决方案出现或变得更加显著的任何要素，不应被解释为任一或所有的 权利要求的关键的、需要的或必要的特征或要素。

此外，如果此处公开的实施例和/或限制：(1)没有在权利要求中明确 要求；且(2)是权利要求中的表述要素和/或限制，或者在等同原则下是权 利要求中的表述要素和/或限制的潜在等同形式，则所述实施例和限制不是 在贡献原则下贡献给公众的。