專利名稱：一種用于能量存儲的納米電容器及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于能量存儲器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于AA0(陽極氧化鋁)模板和 ALD(原子層淀積)工藝的MIM(金屬-絕緣介質(zhì)-金屬)納米電容器。
背景技術(shù)：
隨著能源短缺和環(huán)境惡化問題的出現(xiàn)，如何構(gòu)建資源節(jié)約型和環(huán)境友好型的社會 被提上了日程。一時間一批新的能源系統(tǒng)涌現(xiàn)出來，如太陽能、水能、風(fēng)能、生物能等。然而 這些能源系統(tǒng)存在自身的不穩(wěn)定性，所以必須有一種儲能器件可以將這些能源以電能的形 式保存起來，同時這種儲能器件還能提供高的功率密度和能量密度，而且對環(huán)境無污染，以 滿足節(jié)能和環(huán)保的要求。傳統(tǒng)的靜電電容通過電荷在電極表面的聚集存儲能量，充放電速度快，可以提供 很高的功率密度，然而有限的電極表面積使得其能量密度非常低，所以無法作為供電元件。 因此，基于雙電層電容和法拉第電容的超級電容被相繼提出。這是由于超級電容可以提供 很高的能量密度和功率密度，然而電荷在電解質(zhì)中的低遷移率以及氧化還原反應(yīng)都限制了 充放電時間的進(jìn)一步減小，從而限制了功率密度的進(jìn)一步提高。雙電層電容是基于電極/電解液界面上的電荷分離來實現(xiàn)能量的存儲，而法拉第 電容是基于金屬氧化物或?qū)щ娋酆衔锏谋砻婵焖?、可逆的氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生的準(zhǔn)電容來實 現(xiàn)能量的儲存。如何既能擁有靜電電容的高功率密度，又能擁有超級電容的高能量密度，納 米技術(shù)的發(fā)展給這一問題帶來了解決方案。高純度的鋁片經(jīng)陽極氧化可以在氧化鋁表面形成超高密度(lCTcnr2)的高度有 序、六方形排列的多孔結(jié)構(gòu)，并且通過工藝條件的控制可以獲得不同直徑(30 80nm)和深 度的孔。這種電化學(xué)工藝被稱作陽極氧化鋁(AA0)工藝。因此，采用這種納米結(jié)構(gòu)，可以很 容易獲得超過100倍的表面積。如果以這種氧化鋁多孔結(jié)構(gòu)(AA0模板)作為制作模板，在 其表面形成MIM電容結(jié)構(gòu)，根據(jù)能量與電容值成正比，電容值又與電極表面積成正比這一 規(guī)律將可以獲得很大的能量。而超高的孔密度又使得這種器件重量很輕，因而能量密度將 會很高。同時這種器件采用了 MIM靜電電容結(jié)構(gòu)，因而可以獲得很高的功率密度。本發(fā)明 提出采用ALD方法來生長MIM結(jié)構(gòu)，不僅厚度易控制，而且深孔填充效果好。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種用于能量存儲的MIM納米電容器，這種納米電容器可 以同時獲得高功率密度和能量密度，而且制作工藝簡單，成本低，封裝體積小。為達(dá)到本發(fā)明的上述目的，本發(fā)明以具有有序、多孔結(jié)構(gòu)的AA0(陽極氧化鋁)為 制作模板。采用ALD的方法，在AA0模板的孔隙中依次淀積底層金屬電極、中間絕緣介質(zhì)和 頂層金屬電極，從而形成MIM電容結(jié)構(gòu)。在以上所述的MIM結(jié)構(gòu)里，底層金屬電極材料可以是TiN、TaN或Ru，中間絕緣介 質(zhì)材料可以是具有較高介電常數(shù)的A1203、Hf02、Ta205或&02，或它們之中幾種的混合材料，
3頂層金屬電極材料可以是TiN、TaN或Ru。上述納米電容器中，所述AA0模板中，孔的深度為10 100微米，孔的直徑為30 80納米。上述納米電容器中，所述底層金屬電極的厚度為5 15納米，中間絕緣介質(zhì)的厚 度為10 50納米，頂層金屬電極的厚度為5 15納米。本發(fā)明還提出了上述用于能量存儲的納米電容器的制作方法，該方法包括下列步 驟(1)在單晶硅或玻璃襯底上淀積一層金屬鋁膜，厚度為100 500微米；(2)對金屬鋁進(jìn)行兩次陽極氧化得到AA0模板，該模板中含有深寬比很大的納米 孔；例如，深度為10 100微米，孔的直徑為30 80納米(3)采用ALD方法在模板的納米孔隙中淀積底層金屬電極，厚度為5 15納米；(4)在底層金屬電極上用ALD方法淀積中間絕緣介質(zhì)，厚度為10 50納米；(5)在中間絕緣介質(zhì)上用ALD方法淀積頂層金屬電極，厚度為5 15納米；(6)在頂層金屬電極表面再淀積一層金屬鋁膜作為頂層集流體，厚度為200 500 納米；(7)通過光刻工藝和反應(yīng)離子刻蝕將底層集流體暴露出來，并分別用導(dǎo)線將頂層 和底層集流體引出，用作納米電容的兩個電極。本發(fā)明制備得到的MIM納米電容器具有很高的功率密度和能量密度，而且制作工 藝簡單，成本低，封裝體積小。


圖1 在硅襯底上淀積一層金屬鋁膜。圖2 對金屬鋁進(jìn)行兩次陽極氧化得到的AA0模板。圖3 在AA0模板的納米孔隙中通過ALD淀積得到底層金屬電極。圖4 在底層金屬電極表面通過ALD淀積得到中間絕緣介質(zhì)。圖5 在中間絕緣介質(zhì)表面通過ALD淀積得到頂層金屬電極。圖6 在納米電容器的頂層金屬電極表面再淀積一層金屬鋁膜。圖7 通過光刻工藝和反應(yīng)離子刻蝕暴露出底層集流體_金屬鋁膜。圖8 分別用導(dǎo)線將頂層和底層集流體引出，作為納米電容的電極。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明進(jìn)行詳盡的說明。步驟1 請參照圖1，將襯底200放進(jìn)電子束蒸發(fā)系統(tǒng)或磁控濺射系統(tǒng)中淀積一層 金屬201，其中200是單晶硅或玻璃，厚度為5微米；201是鋁膜(純度為99. 99%),厚度為 100 500微米。步驟2 請參照圖2，對201采用傳統(tǒng)的兩次陽極氧化得到202，其中202是氧化鋁。 在這里兩次陽極氧化的工藝條件相同，均采用了濃度為0. 3M,溫度為0°C的硫酸溶液，陽極 和陰極之間加25V直流電壓。通過控制陽極氧化時間可以獲得深度為10 100微米，直徑 為30 80納米的孔。
步驟3 請參照圖3，在202的納米孔內(nèi)表面通過ALD方法淀積一層金屬203，203 是TiN，其厚度在5 15納米范圍內(nèi)。步驟4 請參照圖5，在203的表面通過ALD方法淀積一層絕緣介質(zhì)204，204是 A1203，其厚度在10 50納米范圍內(nèi)。步驟5 請參照圖6，在204的表面通過ALD淀積一層金屬205，205是TiN，其厚度 在5 15納米范圍內(nèi)。同時，金屬203、絕緣介質(zhì)204、金屬205三者厚度之和應(yīng)該不小于 納米孔的直徑。步驟6 請參照圖6，將制作有MIM結(jié)構(gòu)的納米電容器襯底放入電子束蒸發(fā)腔內(nèi)或 磁控濺射腔中，在205表面淀積一層金屬206作為頂層集流體，206是鋁，其厚度為200 500納米。步驟7 請參照圖7，通過光刻工藝和反應(yīng)離子刻蝕暴露出底層集流體201。步驟8 請參照圖8，分別用導(dǎo)線將201和206引出來，用于納米電容的兩個電極。本發(fā)明的實施可以得到一種用于能量存儲的納米電容器，可獲得高功率密度和高 能量密度。此外，制作工藝簡單，成本低，封裝體積小。
權(quán)利要求
一種用于能量存儲的納米電容器，其特征在于，該電容器以具有有序、多孔結(jié)構(gòu)的陽極氧化鋁為制作模板，采用ALD方法，在模板的微孔中依次淀積底層金屬電極、中間絕緣介質(zhì)和頂層金屬電極而獲得。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米電容器，其特征在于所述的頂層金屬電極材料是TiN、 TaN 或 Ru。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米電容器，其特征在于所述的中間絕緣介質(zhì)材料是A1203、 Hf02、Ta205 或 Zr02。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米電容器，其特征在于所述的底層金屬電極材料是TiN、 TaN 或 Ru。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米電容器，其特征在于所述陽極氧化鋁模板中孔的深度為 10 100微米，孔的直徑為30 80納米。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米電容器，其特征在于所述底層金屬電極的厚度為5 15 納米，中間絕緣介質(zhì)的厚度為10 50納米，頂層金屬電極的厚度為5 15納米。
7.一種用于能量存儲的納米電容器制作方法，其特征在于具體步驟如下(1)在硅襯底上淀積一層金屬鋁，厚度為100 500微米；(2)對金屬鋁進(jìn)行兩次陽極氧化得到具有有序、多孔結(jié)構(gòu)的陽極氧化鋁模板；(3)在模板的納米孔中用ALD方法淀積底層金屬電極，厚度為5 15納米；(4)在底層金屬電極表面用ALD方法淀積中間絕緣介質(zhì)，厚度為10 50納米；(5)在中間絕緣介質(zhì)表面用ALD方法淀積頂層金屬電極，厚度為5 15納米；(6)在頂層金屬電極表面淀積一層金屬鋁作為頂層集流體，厚度為200 500納米；(7)通過光刻工藝和反應(yīng)離子刻蝕將底層集流體暴露出來，并分別用導(dǎo)線將頂層和底 層集流體引出，作為納米電容的兩個電極。
全文摘要
本發(fā)明屬于能量存儲器件技術(shù)領(lǐng)域，具體公開了一種用于能量存儲的納米電容器及其制作方法。該納米電容器的制作方法包括在硅或玻璃襯底上淀積一層金屬鋁膜；對金屬鋁進(jìn)行兩次陽極氧化得到陽極氧化鋁模板；在模板的納米孔隙中用ALD方法淀積底層金屬電極、中間絕緣介質(zhì)和頂層金屬電極；在頂層金屬電極表面淀積一層金屬鋁作為頂層集流體；通過光刻工藝和反應(yīng)離子刻蝕將底層集流體暴露出來，并分別用導(dǎo)線將頂層和底層集流體引出，作為納米電容的兩個電極。本發(fā)明所公開的納米電容器可以同時獲得很高的功率和能量密度，而且制作工藝簡單，成本較低，封裝體積小。
文檔編號H01L27/08GK101800253SQ20101013806
公開日2010年8月11日 申請日期2010年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月1日
發(fā)明者丁士進(jìn), 朱寶 申請人:復(fù)旦大學(xué)