[發明專利]一種高儲能密度的固態電介質薄膜電容器及其制備方法

有效

• 申請號: 202010024046.2
• 申請日: 2020-01-10
• 公開（公告）號: CN111223669B
• 公開（公告）日: 2021-08-03
• 發明（設計）人: 胡保付;孫軻;汪艦;杜保立;劉丙國;徐堅
• 申請（專利權）人: 河南理工大學
• 主分類號: H01G9/025
• 分類號: H01G9/025;H01G9/042;H01G4/33;H01G4/10;H01G4/008
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本發明涉及一種高儲能密度的固態電介質薄膜電容器及其制備方法，該電容器包括上電極(1)、復合電介質薄膜(2)、底電極(3)和襯底基片(4)，其中，所述的底電極(3)是沉積在襯底基片(4)上的一層金屬導電薄膜，所述的復合電介質薄膜(2)是沉積在底電極(3)表面上的氧化鋁/二氧化鈦復合薄膜，然后在復合電介質薄膜(2)上沉積一層金屬薄膜作為上電極(1)，制備成具有高儲能密度的固態薄膜電容器。與現有的技術相比，本發明采用經過自修復后的氧化鋁/二氧化鈦復合薄膜作為電介質，具有較高的介電常數和擊穿電場強度。本發明制備的電容器具有儲能密度高且不存在電解液、安全可靠，成本低廉等優點。

技術領域

本發明屬于電容器制備技術領域，具體涉及一種高儲能密度的固態薄膜電容器及其制備方法。

背景技術

以集成電路為標志的微電子技術是信息化時代最具代表的高新技術之一。電容器作為電子電路中最常用的元件，在大規模集成電路中有不可替代的作用。隨著電子工業產品的微型化、便攜化、大規模集成化，對電容器元件提出了更高的要求。常見的電容器一般可分為電解液電容器和固態電介質電容器，但是這兩種電容器都存在不足。電解液電容器的液態電解質在電容器工作期間會逐漸蒸發或者可能泄漏，給電容器帶來了安全和可靠性隱患；而固態電介質電容器制造過程中，介質膜不可避免的會出現各種各樣的缺陷，導致電容器承載高工作電壓能力不高，電容器能量存儲密度較低等問題，影響了固態電介質電容器的性能。因此傳統的電容器已經不能滿足市場需求。低成本、高可靠性、微型化的高能量密度電容器是微電子工業發展的必然要求。

中國專利CN103971933A公開了一種固態薄膜電容器及其制備方法，該法制備的電容器具有自修復功能，可以修復電介質薄膜的缺陷，能夠承載較高工作電壓。但是該法在制備電容器過程中，采用無定形氧化鋁薄膜作為電介質，而無定型氧化鋁薄膜的介電常數比較低，只有8.0左右，制約了電容器的儲能密度。

發明內容

本發明的目的是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供了一種能夠大幅提高儲能密度的固態薄膜電容器及其制備方法。

本發明可以通過以下技術方案來實現：一種高密度儲能的固態薄膜電容器，包括襯底基片、底電極、復合電介質薄膜和上電極，所述的襯底基片為硅片或石英片；所述的底電極是沉積在襯底基片上的一層Pt、Au或Al金屬薄膜，厚度100-200nm；所述的電介質薄膜為氧化鋁/二氧化鈦相間的復合薄膜，厚度為200-400nm,位于底電極和上電極之間；所述的上電極為Ti金屬薄膜,厚度為100-200nm。

一種高密度儲能的固態薄膜電容器的制備方法，主要包括以下步驟：

(1)采用磁控濺射或脈沖激光沉積方法在襯底基片上沉積厚度為100-200nm的Pt、Au或Al金屬薄膜，作為底電極；

(2)將九水硝酸鋁溶解到冰醋酸中，70℃水浴加熱攪拌30-60min，然后加入乙酸酐，繼續攪拌30-60min，自然冷卻到室溫后加入乙酰丙酮，室溫攪拌30min，Al³⁺與乙酸酐和乙酰丙酮的摩爾比為1:4:4，最后加入質量百分比濃度為6％聚乙烯醇水溶液，調節膠體粘度，升溫到50-70℃，攪拌30-60min，然后降到室溫，得到Al³⁺離子濃度為0.3-0.6mol/L的氧化鋁前驅體；

(3)將步驟(2)配制的氧化鋁前驅體采用旋涂方法涂覆在步驟(1)制備的底電極上，然后150℃熱處理5min，400℃熱處理10min，接著450℃燒結30min，緩慢冷卻至室溫，得到無定型的活性氧化鋁薄膜；

(4)采用脈沖激光沉積的方法在步驟(3)制備的氧化鋁薄膜上沉積金屬Ti膜，所用脈沖激光的波長為248nm，脈沖頻率5Hz；