一种具有高储能密度固态电介质电容器及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种具有高储能密度固态电介质电容器及其制备方法，电容器包括自下而上依次设置的衬底基片、下部电极、氧化铝/二氧化钛复合电介质薄膜及上部电极，下部电极涂覆在衬底基片上，氧化铝/二氧化钛复合电介质薄膜位于上部电极和下部电极之间，上部电极和下部电极为具有阳极氧化能力的阀金属薄膜。与现有技术相比，本发明专利技术具有易于生产、用途范围广、储能密度高、安全可靠等优点。

Solid dielectric capacitor with high energy storage density and preparation method thereof

The present invention relates to a high energy density solid dielectric capacitor and its preparation method, the capacitor comprises a substrate, a bottom-up sequentially arranged on the lower electrode, alumina / titania composite dielectric film and an upper electrode, a lower electrode coated on the substrate, alumina / titania composite dielectric film is located between the upper and lower electrode the electrode, an upper electrode and a lower electrode for the valve metal film with anodic oxidation ability. Compared with the prior art, the present invention has the advantages of easy production, wide application range, high energy storage density, safety and reliability, etc..

【技术实现步骤摘要】
一种具有高储能密度固态电介质电容器及其制备方法
本专利技术属于电容器制备
，尤其是涉及一种具有高储能密度固态电介质电容器及其制备方法。
技术介绍
微电子技术是以集成电路为核心的各种半导体器件基础上的高新电子技术，随着社会信息化不断深入的发展，其在军用、民用等领域不可替代的作用愈加显现。随着技术的进步，高集成度、低功耗、高性能、高可靠性、微型化是微电子技术发展的必然方向。但是材料制备，微电子工艺技术等问题严重制约着微电子技术的进一步发展。因此，寻求微电子技术及相关领域的不断革新，积极探索深层次的微电子技术，使其更好地服务于社会经济发展，促使社会信息化的发展成为当务之急。电容器作为集成电路中必不可少的重要器件，对微电子发展起着关键作用。按照电解质的类型，常见的电容器可分为电解液电容器和固态电介质电容器。而电解液电容器存在着漏液等问题，而严重影响了其进一步的发展和使用。不同于电解液电容器，固态电容器因为采用固体电解质则完全可以避免这样的问题。但是在制备固态电容器的时候，介质中不可避免地会出现各种各样的缺陷，这在一定程度上了影响了其使用性能。中国专利CN103971933A公开了一种固态薄膜电容器及其制备方法，专利技术了一种具有自修复作用的氧化铝固态薄膜电容器，这种电容器利用活性氧化铝薄膜在强场下活跃的离子输运(特别是电介质缺陷处附近的离子更为活跃)，将离子输运至缺陷附近的电极界面实现阳极氧化，进而实现了缺陷处的自修复。但是此以氧化铝薄膜为电介质的电容器中，在使用之前需首先对其进行水合反应用以储备进行阳极氧化反应的羟基基团，此外还需进行电化学处理已达到修复的目的，使用方法较为繁琐。并且，在高温使用时，因为水的失去而难以有效的实现电容器的阳极氧化及自修复，因此这种以氧化铝薄膜为电介质的固态电容器对使用环境温度和湿度有很强的依赖性，而限制了其使用范围。除此之外，氧化铝本身的介电常数较小，而很难取得较高的储能密度。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种能够大大提高电容器的储能密度和使用极限的具有高储能密度固态电介质电容器及其制备方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种具有高储能密度固态电介质电容器，包括自下而上依次设置的衬底基片、下部电极、氧化铝/二氧化钛复合电介质薄膜及上部电极。所述的氧化铝/二氧化钛复合电介质薄膜质地均匀，厚度为200～350nm。该薄膜具有优异的电学性能，能在较为苛刻条件下有效电解阳离子供给于阳极氧化，以产生自修复作用，进而提高击穿场强，可达570MV/m。此类薄膜还具有一定的羟基基团存储能力和高于单纯氧化铝薄膜的介电常数，可以达到10～14。此类薄膜所具有的优异的羟基基团存储和电解能力，在使用过程中可有效电解并产生大量的阳离子，在电场的驱动作用下，输运至电极及薄膜的界面处，产生阳极氧化作用，生成一层致密的阳极氧化膜，在修复薄膜缺陷的同时进一步提高击穿场强。依据储能密度与介电常数成正比，与击穿场强的平方成正比的关系，可得知能有效调高此类固态电容器的储能密度。所述的衬底基片为硅片。所述的上部电极及下部电极为具有阳极氧化能力的阀金属薄膜。作为优选的实施方式，上部电极及下部电极选自Al薄膜、Ti薄膜、Zr薄膜、Cu薄膜或Ni薄膜中的一种。所述的上部电极及下部电极的厚度相同。所述的上部电极及下部电极的厚度为150～250nm。所述的下部电极涂覆在衬底基片上，所述的上部电极沉积在氧化铝/二氧化钛复合电介质薄膜上。具有高储能密度固态电介质电容器的制备方法，采用以下步骤：(1)制备氧化铝/二氧化钛复合前驱胶体：(1-1)往铝醇盐溶液中加入乙酰丙酮，搅拌混合后，再加入冰醋酸，再继续搅拌混合，冷却过滤后，得到溶胶前驱体；(1-2)在制备好的溶胶前驱体中加入纳米二氧化钛粒子，在80℃下搅拌均匀，形成复合前驱体；(2)采用磁控溅射或蒸发镀膜法在沉底基片上制备一层导电薄膜，作为下部电极；(3)将氧化铝/二氧化钛复合前驱体采用旋涂法涂覆在下部电极的表面，进行此过程5～9次，每次涂覆后进行热处理，达到所需厚度后在450～520℃的温度下退火处理2～4h，制得氧化铝/二氧化钛复合电介质薄膜；(4)采用蒸发镀膜法或磁控溅射法在氧化铝/二氧化钛复合电介质薄膜上制备一层具有阳极氧化能力的薄膜，作为上部电极，得到电容器单元；(5)将制备好的电容器单元或将电容器单元组合，通过绝缘介质进行封装固化，再进行两端引线，制得高储能密度固态薄膜集成电路电容器。步骤(1-1)中所述的铝醇盐溶液为异丙醇铝溶液，将异丙醇铝研磨后，加入乙二醇乙醚，超声10～20min后，再于20～150℃下搅拌均匀制得的浓度为0.01～0.1mol/L的异丙醇铝乙二醇乙醚溶液，步骤(1-1)中，铝醇盐溶液、乙酰丙酮和冰醋酸的添加量满足铝醇盐、乙酰丙酮和冰醋酸的添加量比为0.04mol：(0.01～0.1)mol：(1～50)mL，在铝醇盐溶液中加入乙酰丙酮，于20～150℃下搅拌均匀，然后加入冰醋酸，于20～150℃下搅拌均匀。步骤(1-2)中，氧化铝和纳米二氧化钛粒子的摩尔比为(0.5～10)：100；纳米二氧化钛粒子的粒径为5～30nm。本专利技术采用氧化铝/二氧化钛复合薄膜作为电介质，在单纯氧化铝薄膜的基础上通过添加具有优异电学性能的纳米二氧化钛离子进一步提高氧化铝薄膜的羟基基团存储能力及在强场下的活跃的离子输运能力，在电极界面实现阳极氧化，进而实现缺陷的自修复。这是本专利技术的技术核心和关键。同时，纳米二氧化钛具有较高的介电常数，其添加到氧化铝薄膜中可有效提高氧化铝/二氧化钛复合薄膜的介电常数，促进了此类电容器储能密度的提高。本专利技术中电介质电容器所使用的介质薄膜为氧化铝/二氧化钛复合薄膜。此类薄膜结合了氧化铝和二氧化钛优异的电学性能。氧化铝具有性能稳定，成本低的特点，已在电学，光学，热学等领域有了广泛而成熟的应用。作为典型的线性电介质，氧化铝最高的击穿场强可达到700MV/m，介电性能优异。二氧化钛具有抗线、抗菌、自洁净、抗老化等性能，可用于化妆品、功能纤维、塑料、油墨、涂料、油漆、精细陶瓷等领域。作为电池材料，二氧化钛具有极好的高倍率性能和循环稳定性，提高电池材料的首次放点比容量。此外，二氧化钛具有半导体的性能及较高的介电常数。对本专利技术更为重要的是，二氧化钛具有吸湿性，当二氧化钛粒子达到纳米级别时，因其具有巨大的比表面积致使其吸湿性这一性能更为优异。这一特性可以使本专利技术所述电容器电介质不需要事先进行水合作用就可储备用来阳极氧化作用的羟基基团，且使用环境更为宽泛。二氧化钛加入到氧化铝薄膜中，一定程度上会造成薄膜内部结构的畸变，这种畸变会提升电场下离子的输运性能，可对薄膜内部的缺陷有更好的修复作用，并且使生成的阳极氧化膜的致密性好，厚度厚，进而提高了电容器的击穿电压，促进了氧化铝/二氧化钛复合薄膜电容器高压使用极限。因此，氧化铝/二氧化钛复合薄膜成为了高储能密度电容器介质的候选者。本专利技术将传统的液态电解液替换为具有自修复能力的固态电解质，不但解决了市面上电容器电解液漏液等问题，而且由于氧化铝/二氧化钛复合薄膜具有羟基基团存储能力及良好的离子输运能力，从而使电极与介质膜之间形成的阳极氧化物，这种膜具有击穿场强高，自修复本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有高储能密度固态电介质电容器，其特征在于，该电容器包括自下而上依次设置的衬底基片、下部电极、氧化铝/二氧化钛复合电介质薄膜及上部电极。

【技术特征摘要】
1.一种具有高储能密度固态电介质电容器，其特征在于，该电容器包括自下而上依次设置的衬底基片、下部电极、氧化铝/二氧化钛复合电介质薄膜及上部电极。2.根据权利要求1所述的一种具有高储能密度固态电介质电容器，其特征在于，所述的氧化铝/二氧化钛复合电介质薄膜质地均匀，厚度为200～350nm，介电常数10～14，击穿场强达570MV/m。3.根据权利要求1所述的一种具有高储能密度固态电介质电容器，其特征在于，所述的衬底基片为硅片。4.根据权利要求1所述的一种具有高储能密度固态电介质电容器，其特征在于，所述的上部电极及下部电极为具有阳极氧化能力的阀金属薄膜，选自Al薄膜、Ti薄膜、Zr薄膜、Cu薄膜或Ni薄膜中的一种。5.根据权利要求1所述的一种具有高储能密度固态电介质电容器，其特征在于，所述的上部电极及下部电极的厚度相同。6.根据权利要求1或5所述的一种具有高储能密度固态电介质电容器，其特征在于，所述的上部电极及下部电极的厚度为150～250nm。7.根据权利要求1或5所述的一种具有高储能密度固态电介质电容器，其特征在于，所述的下部电极涂覆在衬底基片上，所述的上部电极沉积在氧化铝/二氧化钛复合电介质薄膜上。8.如权利要求1-7中任一项所述的具有高储能密度固态电介质电容器的制备方法，其特征在于，该方法采用以下步骤：(1)制备氧化铝/二氧化钛复合前驱胶体：(1-1)往铝醇盐溶液中加入乙酰丙酮，搅拌混合后，再加入冰醋酸，再继续搅拌混合，冷却过滤后，得到溶胶前驱体；(1-2)在制备好的溶胶前驱体中加入纳米二...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚曼文，苏振，李菲，彭勇，陈建文，姚熹，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海,31