Si-integrated capacitors for energy storage
Institution:
université Paris-SaclayDisciplines:
Directors:
Abstract EN:
With the ever-increasing need for miniaturized electronics, components must be compatible with the 3D integration. Murata Integrated Passive Solutions (MIS) offers the Passive Integrated Connecting Substrate (PICS) technology, which integrates passive components on silicon. The objective of the present work is to fabricate high energy density micro-supercapacitors (MSCs) (~ 10 J.cm⁻³) to meet the energy storage needs. This study focused on four key points: (1) implementation of a thin film inorganic solid-state electrolyte for MSCs, LiPON, (2) interfaces and storage modes (surface or bulk) optimization, (3) development of ultrathin LiPON layers deposited by Atomic Layer Deposition (ALD), and (4) MSC specific surface area enhancement via nano structuring processes. The whole work is based on a systematic study, combining electrical and electrochemical results with advanced physical and chemical analysis. When integrated in a Metal – Insulator - Metal (MIM) configuration, the LiPON electrolyte exhibited an electronic double layer storage mode (like EDLCs), with good performance in terms of kinetics and stored energy. The latter was further improved by implementing an oxide layer, TiO₂, implying new storage modes. This material/performance relationship served as a basis for the development of ultra-thin MSCs. The feasibility of an electrically functional ALD LiPON deposition was demonstrated, and its integration into high aspect ratio 3D structures gave first encouraging results regarding the targeted performance.
Abstract FR:
Avec la nécessité de toujours plus miniaturiser l’électronique, les composants doivent aujourd’hui être compatibles avec le processus d’empilement 3D. Murata Integrated Passive Solutions (MIS) propose alors la technologie « Passive Integrated Connecting Substrate » (PICS), consistant à intégrer sur silicium des composants passifs. L’objectif, dans notre cas, est la réalisation de micro-supercondensateurs (MSCs) à fortes densités d’énergie (~10 J.cm⁻³) pour répondre aux besoins de stockage d’énergie. Cette étude s’est articulée autour de quatre points clés : (1) l’implémentation d’un électrolyte solide inorganique en couches minces pour MSCs, le LiPON, (2) l’optimisation des interfaces et des modes de stockage (surfacique ou volumique), (3) le développement d’un LiPON ultra fin déposé par Atomic Layer Deposition (ALD), enfin (4) l’augmentation de la surface spécifique du MSC à partir de procédés de nano structuration. L’ensemble du travail repose sur une étude systématique, couplant résultats électriques et électrochimiques à des analyses physico-chimiques poussées. L’électrolyte LiPON, lorsqu’intégré en configuration Métal – Isolant - Métal (MIM), a démontré un mode de stockage de type double couche électroniques (conformément aux EDLCs), avec de bonnes performances en termes de cinétique et d’énergie stockée. Cette dernière a pu être améliorée en implémentant une couche d’oxyde, du TiO₂, impliquant de nouveaux modes de stockage. La relation matériau/performance ainsi déterminée a servi de base pour le développement de MSCs ultra minces. La faisabilité d’un dépôt de LiPON par ALD électriquement fonctionnel a pu être démontrée, et son intégration dans des structures 3D à fort ratio d’aspect a permis de donner de premiers résultats encourageants quant aux performances ciblées.