Integrierte Mikrobatterien

Integrierte Mikrobatterien#

© Fraunhofer IPMS
Prinzipdarstellung der 3-dimensionalen Fraunhofer IPMS-Mikrobatterie.
© Fraunhofer IPMS
TEM-Aufnahme einer Lithiumtitanatschicht auf einer Diffusionsbarriere aus Titannitrid mit Interface zum einkristallinen Silizium; rechts) Cyclovoltamogram von Lithiumtitanat gegen Lithium und die entsprechende Entladekurve mit Spannungsplateau um 1,5 V.

Ein weiteres Forschungsthema am Fraunhofer IPMS sind integrierbare Mikrobatterien. Mit der steigenden Energieeffizienz mikroelektronischer Schaltungen können auch die benötigten Energiespeicher immer weiter verkleinert werden. Es ist abzusehen, dass diese Entwicklung auch weiter anhält. Damit kann auch die direkte Integration des Energiespeichers in den Chip eine kostengünstige und effektive Lösung sein. Insbesondere vor dem Hintergrund des Internet of Things ist diese Technologie interessant, da sich sie z.B. Wartungsfreie Sensorknoten ermöglicht.

Im Vergleich zu integrierten Kapazitäten als Energiespeicher besitzen Batterien in Form eines eletrochemisches Redox-Paares den Vorteil, dass die Entladekurve ein großes Fenster mit nahezu konstantem Spannungsverlauf aufweist. Damit wird die Energieübertragung an verbrauchende Schaltungsteile deutlich einfacher und verlustärmer. Ein weiterer Vorteil sind die sehr niedrigen Entladeströme die eine entsprechend lange Verfügbarkeit der gespeicherten Energie gewährleisten.

Herkömmliche Batterien benötigen allerdings viel Fläche und Volumen. Ein solches Konzept auf einem Chip zu realisieren, dessen Kosten sich ja gerade nach der Fläche richten, ist dabei die große Herausforderung. Am Fraunhofer IPMS wird daher die jahrelange Erfahrung bei der 3d-Strukturierung von Silizium genutzt um den Batteriestapel möglichst tief in das Silizium einzubringen und so entsprechend Chipfläche zu sparen. Dazu müssen mikrometertiefe Löcher mit Durchmessern weniger hundert Nanometern völlig gleichmäßig beschichtet werden. Mit den am Institut entwickelten Verfahren können selbst komplexe Batteriematerialien mit Genauigkeiten im Subnanometerbereich in solchen Strukturen erzeugt werden. Damit können in Zukunft völlig neuartige, autarke Halbleitersysteme entstehen. 

Weitere Informationen:#

Fraunhofer IPMS

Publikation

Surface-Dependent Performance of Ultrathin TiN Films as an Electrically Conducting Li Diffusion Barrier for Li-Ion-Based Devices

Fraunhofer IPMS

Publikation

Formation of highly conformal spinel lithium titanate thin films based on a novel three-step atomic layer deposition process