[發明專利]片上固態超級電容及其制備方法

有效

• 申請號: 202110815093.3
• 申請日: 2021-07-19
• 公開（公告）號: CN113436904B
• 公開（公告）日: 2022-03-11
• 發明（設計）人: 朱寶;尹睿;張衛
• 申請（專利權）人: 上海集成電路制造創新中心有限公司
• 主分類號: H01G11/30
• 分類號: H01G11/30;H01G11/02;H01G11/86;H01G11/84
• 代理公司: 上海恒銳佳知識產權代理事務所(普通合伙) 31286
• 代理人: 黃海霞

本發明提供了一種片上固態超級電容，包括結構相同且對稱設置的第一電極和第二電極，所述第一電極包括硅襯底、至少兩個硅納米柱、金屬硅化物層、TiVN薄膜、導電柱以及凝膠層，所述硅納米柱設置于所述硅襯底上，且所述硅納米柱之間互不接觸，所述金屬硅化物層覆蓋于所述硅納米柱和所述襯底上，所述TiVN薄膜覆蓋于所述金屬硅化物層上，所述凝膠層覆蓋于所述TiVN薄膜上，所述導電柱設置于任意一個所述納米柱背向所述硅襯底一面上的金屬硅化物層上，且所述導電柱不被所述TiVN薄膜和所述凝膠層覆蓋，降低了功率損失，且降低了成本，結構簡單便于制備，同時增強了循環的穩定性。本發明還提供了一種片上固態超級電容的制備方法。

技術領域

本發明涉及半導體技術領域，尤其涉及一種片上固態超級電容及其制備方法。

背景技術

隨著無線充電和物聯網的快速發展，需要芯片能夠實現能量自治。在用于能量存儲的電子器件中，超級電容因同時擁有高的功率密度和循環壽命得到了廣泛的關注。超級電容可以通過電雙層(電雙層超級電容)或者近表面的氧化還原反應(贗電容)來存儲能量。通常，贗電容的能量密度要遠遠大于電雙層電容。為了能與硅基芯片集成，需要將超級電容直接制備在芯片上。其次，由于需要額外的封裝來阻止液態電解質的泄露，所以采用固態電解質是最佳的選擇。也就是說，全固態超級電容更適合與硅基芯片集成。為了充分利用硅材料，可以對硅襯底進行結構設計，并使其直接作為電極材料。基于這種思想，大量的硅基納米結構被用來作為制備超級電容的模板。由于硅很容易被氧化，而且是不可逆的，所以通常在硅表面覆蓋一層鈍化層，比如石墨烯、碳、氮化鈦等。然而，這些超級電容都是利用電雙層來存儲電荷，所以可獲得的能量密度都比較小。

為了增大能量密度，可以引入金屬氧化物，比如氧化釕、氧化鎳、氧化錳等，這些材料可以與電解質發生可逆的氧化還原反應，從而可以獲得更大的電容密度和能量密度。目前，采用金屬輔助陽極刻蝕的方法制備了硅納米柱陣列，然后采用原子層沉積的工藝在硅納米柱表面生長了一層氧化釕，最后注入固態電解質組裝成固態超級電容。雖然他們獲得了很好的超級電容性能，但是釕是一種非常稀有的貴金屬，所以采用氧化釕作為活性電極材料必然大大增加制造成本。此外，在金屬輔助陽極刻蝕的過程中需要采用金作為催化劑，這同樣會增加制造成本，而且金屬輔助陽極刻蝕工藝復雜，其中涉及到貴金屬的光刻定義圖形以及電化學刻蝕。氧化鎳和氧化錳電阻率較高，所以采用這兩種材料作為活性電極材料將導致功率密度較低。

最近，過渡金屬氮化物也被研究作為超級電容的電極材料，比如TiN、VN以及MoxN。金屬氮化物相對于氧化物具有更高的電導率，而且這些材料也比較便宜。其中，VN可以與電解質發生可逆的氧化還原反應，從而具有較高的電容密度和能量密度，是一種良好的贗電容材料。相反，TiN是通過電雙層來存儲電荷，所以電容密度較低，但是循環穩定性較好。為了利用TiN和VN的各自優勢，有研究者采用共濺射的方法，制備TiVN材料作為超級電容的活性電極材料。雖然可以獲得較高的電容密度和較好的循環穩定性，但是他們所使用的是平面硅襯底，所以電容密度無法進一步提高。此外，共濺射法也就是物理氣相沉積法的臺階覆蓋率較低，無法在高深寬比的硅納米結構有效填充TiVN材料，一旦出現孔洞，電解質將直接與硅襯底接觸并與之發生不可逆的氧化還原反應，從而影響電容密度和穩定性，而如果電解質是KOH水合電解質，則不利于與芯片集成。

因此，有必要提供一種新型的片上固態超級電容及其制備方法以解決現有技術中存在的上述部分問題。

發明內容

本發明的目的在于提供一種片上固態超級電容及其制備方法，有利于降低了成本，且結構簡單，便于制備。