[发明专利]一种用于能量存储的纳米电容器及其制作方法

说明书

技术领域

本发明属于能量存储器件技术领域，具体涉及一种基于AAO(阳极氧化铝)模板和ALD(原子层淀积)工艺的MIM(金属-绝缘介质-金属)纳米电容器。

背景技术

随着能源短缺和环境恶化问题的出现，如何构建资源节约型和环境友好型的社会被提上了日程。一时间一批新的能源系统涌现出来，如太阳能、水能、风能、生物能等。然而这些能源系统存在自身的不稳定性，所以必须有一种储能器件可以将这些能源以电能的形式保存起来，同时这种储能器件还能提供高的功率密度和能量密度，而且对环境无污染，以满足节能和环保的要求。

传统的静电电容通过电荷在电极表面的聚集存储能量，充放电速度快，可以提供很高的功率密度，然而有限的电极表面积使得其能量密度非常低，所以无法作为供电元件。因此，基于双电层电容和法拉第电容的超级电容被相继提出。这是由于超级电容可以提供很高的能量密度和功率密度，然而电荷在电解质中的低迁移率以及氧化还原反应都限制了充放电时间的进一步减小，从而限制了功率密度的进一步提高。

双电层电容是基于电极/电解液界面上的电荷分离来实现能量的存储，而法拉第电容是基于金属氧化物或导电聚合物的表面快速、可逆的氧化还原反应产生的准电容来实现能量的储存。如何既能拥有静电电容的高功率密度，又能拥有超级电容的高能量密度，纳米技术的发展给这一问题带来了解决方案。

高纯度的铝片经阳极氧化可以在氧化铝表面形成超高密度(10¹⁰cm^-2)的高度有序、六方形排列的多孔结构，并且通过工艺条件的控制可以获得不同直径(30～80nm)和深度的孔。这种电化学工艺被称作阳极氧化铝(AAO)工艺。因此，采用这种纳米结构，可以很容易获得超过100倍的表面积。如果以这种氧化铝多孔结构(AAO模板)作为制作模板，在其表面形成MIM电容结构，根据能量与电容值成正比，电容值又与电极表面积成正比这一规律将可以获得很大的能量。而超高的孔密度又使得这种器件重量很轻，因而能量密度将会很高。同时这种器件采用了MIM静电电容结构，因而可以获得很高的功率密度。本发明提出采用ALD方法来生长MIM结构，不仅厚度易控制，而且深孔填充效果好。

发明内容

本发明的目的在于提出一种用于能量存储的MIM纳米电容器，这种纳米电容器可以同时获得高功率密度和能量密度，而且制作工艺简单，成本低，封装体积小。

为达到本发明的上述目的，本发明以具有有序、多孔结构的AAO(阳极氧化铝)为制作模板。采用ALD的方法，在AAO模板的孔隙中依次淀积底层金属电极、中间绝缘介质和顶层金属电极，从而形成MIM电容结构。

在以上所述的MIM结构里，底层金属电极材料可以是TiN、TaN或Ru，中间绝缘介质材料可以是具有较高介电常数的Al₂O₃、HfO₂、Ta₂O₅或ZrO₂，或它们之中几种的混合材料，顶层金属电极材料可以是TiN、TaN或Ru。

上述纳米电容器中，所述AAO模板中，孔的深度为10～100微米，孔的直径为30～80纳米。

上述纳米电容器中，所述底层金属电极的厚度为5～15纳米，中间绝缘介质的厚度为10～50纳米，顶层金属电极的厚度为5～15纳米。

本发明还提出了上述用于能量存储的纳米电容器的制作方法，该方法包括下列步骤：

(1)在单晶硅或玻璃衬底上淀积一层金属铝膜，厚度为100～500微米；

(2)对金属铝进行两次阳极氧化得到AAO模板，该模板中含有深宽比很大的纳米孔；例如，深度为10～100微米，孔的直径为30～80纳米

(3)采用ALD方法在模板的纳米孔隙中淀积底层金属电极，厚度为5～15纳米；

(4)在底层金属电极上用ALD方法淀积中间绝缘介质，厚度为10～50纳米；

(5)在中间绝缘介质上用ALD方法淀积顶层金属电极，厚度为5～15纳米；

(6)在顶层金属电极表面再淀积一层金属铝膜作为顶层集流体，厚度为200～500纳米；

(7)通过光刻工艺和反应离子刻蚀将底层集流体暴露出来，并分别用导线将顶层和底层集流体引出，用作纳米电容的两个电极。

本发明制备得到的MIM纳米电容器具有很高的功率密度和能量密度，而且制作工艺简单，成本低，封装体积小。

附图说明

图1：在硅衬底上淀积一层金属铝膜。