[发明专利]电化学能源以及用于制造这样的电化学能源的方法

说明书

技术领域

本发明涉及电化学能源，该电化学能源包括：衬底，和沉积到所述衬底上的至少一个叠层(stack)，该叠层包括：阳极、阴极以及分隔所述阳极和所述阴极的中间固态电解质；以及在衬底和阳极之间沉积至少一个导电阻挡层，该阻挡层适合于至少基本上防止叠层的活性物质(active species)扩散到所述衬底中。本发明也涉及包括至少一个根据本发明的电化学能源的电子组件，其中至少一个电子部件至少部分地嵌入到电化学能源的衬底中。本发明进一步涉及用于制造这样的电化学能源的方法，该方法包括以下步骤：A)将至少一个导电阻挡层沉积到衬底上，以及B)将阳极、固态电解质和阴极的至少一个叠层沉积到所述导电阻挡层上。

背景技术

基于固态电解质的电化学能源是本领域中已知的。这些(平面)能源，或“固态电池”有效地将化学能转化为电能并且可以用作便携电子设备的电源。以小的缩放比例(scale)，这样的电池可以用来将电能供给到例如微电子模块，特别是供给到集成电路(IC’s)。关于这点的一个实例在国际专利申请WO2005/027245中披露，其中固态薄膜微电池，特别是锂离子微电池，直接制造到硅衬底上。衬底可以包括一个或更多个电子部件以形成所谓的片上系统(system-on-chip)。在该片上系统的制造过程期间，导电阻挡层，以及阳极、固态电解质和阴极的叠层依次沉积在硅衬底上。阻挡层适合于抵制插入的锂离子扩散到所述衬底中，该扩散将导致电化学源存储容量(storage capacity)的显著减少。尽管与其它固态电池相比，该已知的微电池通常展示了精良的性能，但该已知的微电池具有几个缺点。已经发现，该已知微电池的主要缺点在于，在长的时期内，少量锂可以穿透该扩散阻挡并且仍将进入硅衬底，这通常将严重影响已经嵌入到衬底中的例如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFETs)等电子部件的性能。而且，电化学能源的存储容量也受到叠层所含有效锂离子的减少的影响。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种具有改进的长期性能的电化学能源。

该目的可以通过提供根据前文的电化学能源来实现，其特征在于，电化学能源进一步包括在衬底和阻挡层之间沉积的至少一个吸收体(getter)层，其用于吸收已通过阻挡层扩散的活性物质。因为吸收体层通常借助于化学键接选择性地结合已经由于某种原因设法通过阻挡层的活性物质，所以可以防止活性物质进入到下面的衬底中，因而，可能嵌入在衬底中的电子部件将不再受到由叠层初始包含的活性物质的影响。应用至少一个吸收体层的另外的优势在于，电化学能源的性能、尤其是叠层的性能可以至少基本上既短期又长期地维持。活性物质的选择性吸收和随后的保留通过以下事实实现，即通过吸收体材料的活性物质的(化学)键接在能量方面比通过衬底的活性物质的键接更加有利。换句话说，由吸收体材料和活性物质形成的键接产物，通常是(化学)反应产物，在热力学上比由衬底和所述活性物质形成的键接产物更加稳定(稳定得多)。

活性物质的吸收可以以不同方式实现，所述活性物质通常由金属原子(例如锂原子、镁原子、或铜原子)形成。在一个优选实施例中，至少一个吸收体层包括至少一种金属。更优选地，吸收体层基本上由金属制成。在这种情况下，吸收体材料通常将与活性物质形成稳定的合金。在一个特定优选实施例中，吸收体层包括以下金属中的至少一种：锑(Sb)、铋(Bi)、锡(Sn)、镓(Ga)、镉(Cd)、铅(Pb)和铟(In)。从该组中，尤其是锑和铋被认为是最具优势的，因为已经发现活性物质与锑或铋之间的键接比活性物质和衬底之间的活性物质之间的键接稳定得多，尤其是在活性物质由锂离子形成并且衬底基本上由硅制成的情况下。

在一个替代的优选实施例中，至少一个吸收体层包括至少一种氧化物。与活性物质形成相对稳定的反应产物的适合的基于氧化物的吸收体材料至少为SiO₂、GeO₂、Al₂O₃和Zr₂O₅。这些类型的材料均有效地通过捕获锂而减少任何自由锂的存在，使之成为氧化锂。对于SiO₂，这根据以下而发生：

2Li+1/2SiO₂→Li₂O+1/2Si ΔG⁰＝-113kJ/半摩尔氧