[发明专利]电化学能源的制造方法、由此获得的电化学能源和电子器件

说明书

本发明涉及电化学能源的制造方法，其包括如下步骤：提供至少部分由导电衬底形成的第一电极；在衬底上沉积锂离子固态电解质并随后在衬底上沉积第二电极。本发明还涉及由此获得的电化学能源，以及设有这种电化学能源的电子器件。

基于固态电解质的电化学能源在本领域内是公知的。如前所述构造这些(平面)能源或“固态电池”。固态电池将化学能高效且清洁地直接转化为电能且经常用作便携式电子设备的电源。在更小的尺寸上这种电池可用于例如为微电子模块提供电能，尤其为集成电路(IC)提供电能。国际专利申请WO 00/25378公开了与此相关的实例，其中将固态薄膜微电池直接制造在特定的衬底上。在该制造工艺的过程中，将第一电极、中间固态电解质和第二电极依次沉积到衬底上。

在一个早前提交但尚未公布的专利申请中，以申请人的名义提供了一种改进的电化学能源，其可以以相对简单的方式构造和制造。为此该电化学能源的特征在于：所述第一电极至少部分由导电衬底形成，在该导电衬底上沉积固态电解质和第二电极。这样电子导电衬底也用作第一电极的至少一部分。所述衬底和至少部分所述第一电极的集成通常导致与本领域公知的(微)电池相比结构更简单的(微)电池。此外，由于至少可以省去一个工艺步骤，因此根据本发明的能源的制造方法也更简单。根据本发明的固态能源的相对简单的制造方法还可以带来显著的成本节约。优选地，在衬底上将固态电解质和第二电极沉积为厚度大约在0.5微米和5微米之间的薄膜层。由于与通过厚膜层相比通过薄膜层传输能源中的离子更容易且更快，所以薄膜层产生较高的电流密度和效率。这样可以使内部能量损失最小化。由于该能源的内部电阻相对较低，所以当应用可再充电能源时可以提高充电速度。

因此可以通过沉积三层叠层：1)Li离子插入(负)电极(例如导电非晶Si)，2)作为固态电解质的Li离子导电层(例如LiPON，铌酸锂[LiNbO₃]，等等)和3)作为(正的)对电极的LiCoO_x层，将例如用于后备电源的全集成固态芯片形成在具有高的表面面积的多孔Si(或其它多孔衬底材料)中。

优选地，第一电极包括电子导电阻挡层，其适用于至少基本上防止插入离子(intercalating ion)扩散到所述衬底中，将所述阻挡层施加到所述衬底上。该优选实施例通常是非常有利的，因为参与根据本发明的电化学源的(再)充电循环的插入离子常常扩散到衬底中，使得这些离子不再参与(再)充电循环，导致电化学源的存储容量的减小。通常应用单晶硅导电衬底承载电子元件，例如集成电路、芯片、显示器，等等。该晶体硅衬底存在插入离子相对容易扩散到所述衬底中的缺点，导致所述能源的容量减小。由于该原因，将阻挡层施加到所述衬底上以防止所述不利的向衬底内的扩散是相当有利的。通过所述阻挡层将至少基本上阻挡插入离子的迁移，其结果是这些离子穿过衬底的迁移将不再发生，而电子穿过所述衬底的迁移却仍然是可能的。根据该实施例，衬底适合于存储插入离子已不再必要。因此，也可以应用硅衬底以外的其它电子导电衬底，如由金属、导电聚合物等制成的衬底。所属阻挡层至少基本上由以下化合物中的至少一种制成：钽、氮化钽和氮化钛。然而，阻挡层的材料不限于这些化合物。这些化合物具有一个共同的特性，即具有对于插入离子(包括锂离子)而言不可渗透的密度相对较大的结构。在一个特定的优选实施例中，第一电极还包括沉积到所述阻挡层的与衬底相反的一侧上的插入层。因此所述插入层适合于存储(和释放)插入离子(暂时地)。因此根据该实施例第一电极由所述衬底、所述阻挡层和所述插入层的叠层形成。通常通过将阻挡层和插入层叠置(沉积)到所述衬底上来形成叠层。然而，在一个特定实施例中，也可通过注入技术形成叠层，其中利用例如钽离子和氮离子轰击例如晶体硅衬底，之后经注入的衬底的温度充分地升高以形成掩埋在所述初始衬底内的物理阻挡层。用离子轰击硅衬底的结果是，通常初始衬底的晶体顶层的晶格将被破坏，产生形成所述插入层的非晶顶层。在一个优选实施例中，所述插入层至少基本上由硅构成，优选由非晶硅构成。非晶硅层具有以下突出的特性：每单位体积存储(和释放)相对大量的插入离子，这导致根据本发明的电化学源的存储容量的提高。优选地，将所述阻挡层沉积到所述衬底上。优选经由低压化学气相沉积(LPCVD)将所述阻挡层和所述插入层沉积到所述衬底上。