硅基集成|芬兰VTT实现与硅基CMOS兼容的超级电容器

芬兰爱尔兰延德尔国家研究院（VTT）技术研究中心的研究人员结合微纳加工工艺和新研究出的新型混合纳米材料，研究出能与硅基微电子器件单片集成的的微型超级电容器。该超级电容器具备超高能量和集成度优势，有望带来新的移动用集成器件，以及为未来物联网所需零功耗自治器件的发展奠定基础。

超级电容器

超级电容器类似电化学电池。与移动手机中锂电池通过化学反应来存储能量不同的是，超级电容器主要存储电解液和固态电极界面间的静电电能，其能量和功率密度依赖于存储电荷的表面积和固态电极的导电性，应用场合小到电动工具、大到电动汽车。

技术核心

VTT研发了一个混合纳米材料电极。该电极由厚达几微米的多孔硅层组成，多孔硅上又采用原子层淀积（ALD）工艺涂覆了厚约10纳米的氮化钛层。通过利用氮化钛理想的电化学特性和多孔硅矩阵增大的面积，使电化学双层电容器（EDLC）达到理想特性。需要指出的是，由于最高可达1:1000的纵深比，要在多孔硅上实现氮化钛层的涂覆并不容易。

工艺过程

研究人员首先在体硅中刻蚀出微通道，接着在微通道的侧壁上形成混合纳米材料电极，以及增加触点；然后在两个混合电极之间形成的微通道中填充离子液体，实现小体积、高能效的能量存储。

成果图示

图为片内多孔硅-氮化钛超级电容器

（a）带有分离电极的沟道的扫描电镜显微镜（SEM）图片

（b）两个相反电极横截面示意图（还展现了背面带有氮化铝覆膜的多孔硅层和铝接触点）

（c）多孔硅的高倍放大SEM图像

（d）器件沟道表面

（e）金属化（包括为实现超级电容器电极的铝接触）

（f）循环伏安法曲线

性能指标

研究人员表示，此次突破使硅基微型超级电容器具有卓越的性能，其功率、能量和使用寿命等指标首次可与碳和石墨烯基器件相竞争。

研究人员制作了几个多孔硅层厚度不等（最高到7微米）的超级电容器。根据测试结果，电容值最高达到15F/cm³，能量密度最高达到1.3mWh/cm³，功率密度最高达到214W/cm³，上述指标在1.3万次循环中保持稳定；而受限于测试时间，有记录的最大循环周期达到5万次，且未观察到多孔硅-氮化钛电极材料出现退化。（另一报道的测试数据是，演示的片内超级电容器技术能够在1cm²硅芯片上存储0.2J和产生高达2W的功率）。

研究人员发现多孔硅层越厚，电容值越大。通过数据外推，估计采用20微米厚多孔硅层和相同的电极结构，器件的电能存储能力达到50mF/cm²。

应用领域

微型超级电容器能够直接集成到有源微电子器件中，可存储由不同热、光和震动能量收集器产生的电能，然后在需要的时候进行供电，同时其上还可集成有源微电子器件和传感器等，对自治传感器网络、可穿戴电子和物联网用移动电子设备带来巨大益处。

意义

多孔硅层的横向厚度和沟道的长度有力地拓展了整个电容器的储电量。而且，整个制造工艺不超过450摄氏度，并与CMOS工艺兼容，使得能量存储器件可用平面芯片最常用的体硅衬底来制作，并实现与硅器件的单片集成。

下一步发展

由于上述超级电容器是敞盖的，研究人员下一步将研究对该超级电容器实现密封，以及寻找各种固态电解液。此外，还将寻找合作伙伴以帮助实现该技术的商业化。潜在感兴趣的设计团队包括嵌入式无源器件或单独的表贴式硅超级电容器。