[发明专利]锂离子薄膜微电池及其制造方法

说明书

锂离子薄膜微电池、微电池阵列、锂离子薄膜微电池的制造方法和微电池阵列的制造方法。锂离子薄膜微电池包括包含过渡金属氧化物薄膜的无锂阴极；包含锂化的锗或硅薄膜的阳极；以及设于所述阴极与阳极之间的电解质膜；其中，所述锂离子薄膜微电池的锂源由所述锂化的锗或硅薄膜提供。

对相关申请的交叉引用

本申请要求2016年7月29日提交的美国临时申请No.62/368,231的优先权，其内容通过引用完全结合于本申请中用于各种用途。

技术领域

本发明大体上涉及锂离子薄膜微电池及其制造方法，以及微电池阵列及其制造方法。

背景技术

微电子技术的进步降低了电子电路和微电机系统的功率要求，使得片上锂离子薄膜微电池能够用于环境传感[1,2]、RFID[3]、智能卡[4]、物联网(IoT)[5]、甚至是微型航天器[6]。当微电池直接与电子电路集成而不是单独放置在印刷电路板(PCB)上时，可以实现更多的应用。

可以使用通常用于制造其它微系统的薄膜技术来制造微电池[7,8]。锂离子薄膜微电池(TFM)通常包括含有含锂过渡金属氧化物等的阴极、通常由锂金属制成的阳极和由LiPON制成的固态电解质。

为了满足对容量和性能的日益增长的需求，需要可以以简单方式制造的锂离子微电池的新概念。迄今为止，阻碍锂离子微电池大规模商业化利用的关键问题有：(i)含锂阴极材料的容量相对较低；(ii)使用纯锂金属作为阳极时的安全问题；(iii)使用高容量阳极(Si)时可靠性降低；(iv)与CMOS工艺和平台的可集成性。

本发明的实施例试图解决上述需求中的一个或多个。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供一种锂离子薄膜微电池，包括：包含过渡金属氧化物薄膜的无锂阴极；包含锂化的锗或硅薄膜的阳极；以及设于所述阴极与阳极之间的电解质膜；其中，所述锂离子薄膜微电池的锂源由所述锂化的锗或硅薄膜提供。

根据本发明的第二方面，提供了一种微电池阵列，包括两个以上的第一方面的锂离子薄膜微电池。

根据本发明的第三方面，提供了一种制造锂离子薄膜微电池的方法，包括：提供包含过渡金属氧化物薄膜的无锂阴极；提供包含锂化的锗或硅薄膜的阳极；以及提供设于所述阴极和所述阳极之间的电解质膜；其中，所述锂离子薄膜微电池的锂源由所述锂化的锗或硅薄膜提供。

根据本发明的第四方面，提供了一种制造微电池阵列的方法，包括使用第三方面的方法制造两个以上锂离子薄膜微电池。

附图说明

参考详细描述并结合考虑非限制性示例和附图，将更好地理解本发明，其中：

图1示出在Ar和O₂等离子体环境中沉积的用于示例性实施例中的RuO₂薄膜的输出电压与体积比容量。

图2示出用于一示例性实施例中的Ge与Si的面积比容量的比较。

图3(a)示出用于一示例性实施例中的使用纯O₂等离子体溅射沉积的沉积态RuO_x薄膜的场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)顶视图和截面(插入)图像。

图3(b)示出用于一示例性实施例中的使用纯O₂等离子体沉积的RuO_x薄膜中(插入)的透射电子显微镜(TEM)亮视场横截面图像和选定区域电子衍射图案(SAEDP)。