Wechselstrombatterie Elektronische Energiespeicherung auf dem Chip

Das Ziel der vorgestellten Neuentwicklung ist, eine Speicheranordnung zu schaffen, die herkömmliche Batteriesysteme ablösen soll. Herkömmliche chemische Akkumulatoren werden dafür durch eine Wechselstrombatterie ersetzt, die durch auf einem Substrat integrierte Halbleiterbauelemente realisiert wird.

Heutige Speichersysteme für elektrische Energie sind in der Regel auf der Basis von chemischen Elementen aufgebaut. Um nun derartige Energie auf rein elektronischem Wege zu speichern, gab es bisher lediglich rudimentäre Ansätze. Als ein denkbares prinzipielles Beispiel im übertragenen Sinne wäre der DRAM-Speicher in der Computertechnik zu nennen. Weiterhin wurden bereits diverse Kondensatorbatterien entwickelt, deren Energiedichte allerdings begrenzt ist. Ein Erfahrungswert der Energiedichte ist hierbei lediglich ein Wert von etwa 0,2 kWh/m³. Ebenfalls wäre es möglich, statt des elektrischen Feldes ein magnetisches Feld B als Speichermedium zu verwenden und die elektrische Energie mit Hilfe einer großen Spule zu speichern. Für eine maximale Magnetfeldstärke Bmax = 10 T ergäbe sich dann eine Energiedichte von etwa 11 kWh/m³. Im Vergleich mit Dieselöl mit einer Energiedichte von etwa 9840 kWh/m³ ist dieser Wert allerdings nicht akzeptabel. Theoretisch wäre es auch möglich, für die hierzu notwendige große Induktivität eine Plasmaspule zu verwenden. Dieses Verfahren hat allerdings zur Zeit noch keine Serienreife erlangt.

Die Grundlage für die beschriebene Erfindung bildet die Halbleitertechnologie, bei der es zwischenzeitlich z.B. möglich ist, bis zu 64 × 8 × 109 (also etwa 500 Milliarden) Speicherzellen auf einem einzigen Chip zu integrieren. Bei dieser Neuentwicklung sollen Gyrator-Schaltungen zusammen mit Halbleiterkondensatoren auf einem einzelnen Chip in hoher, viellagiger Packungsdichte integriert werden (Bild 1). Aus der industriellen Halbleiterschaltungstechnik ist eine Vielzahl von Gyrator-Schaltungen bekannt, die zudem als Patent-anmeldungen vorliegen. Diese können für die Realisierung einer halbleiterbasierten Speicheranordnung herangezogen werden. Der Gyrator ist ein nichtreziprokes elektrisches Übertragungsglied, dessen Ausgangsstrom der Eingangsspannung und dessen Ausgangsspannung dem Eingangsstrom proportional ist. Damit lassen sich Widerstände in Leitwerte und umgekehrt umwandeln. Da der Gyrator auch Induktivitäten als Kapazitäten simulieren kann, wird dieser auch als Richtungsphasenschieber bezeichnet.

Für die vorgesehene Entwicklung ist es unumgänglich, spezielle Kondensatoren auf dem Substrat mit zu integrieren. Diese Kondensatoren müssen aus sogenannten Ultra-High-K-Materialien aufgebaut sein, um einen hohen εr-Wert für eine ausreichend hohe Kapazitätsdichte zu erreichen. Zudem ist es bei diesen integrierten Bauteilen unumgänglich, dass sie viellagig ausgeführt werden.