[发明专利]一种石墨烯改良的硅集成储能薄膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种石墨烯改良的硅集成储能薄膜及其制备方法，石墨烯改良的硅集成储能薄膜包括硅衬底、石墨烯层和储能薄膜层，石墨烯层置于所述硅衬底和储能薄膜层之间；制备方法包括以下过程：采用常规湿法转移方法将铜基石墨烯转移至硅衬底表面，然后在石墨烯表面制备一层或多层储能薄膜层，得到所述石墨烯改良的硅集成储能薄膜。本发明在硅集成储能薄膜中增设石墨烯层，在石墨烯表面进行储能薄膜的范德华外延，并利用石墨烯层阻挡硅元素扩散，以提升储能薄膜的结晶质量；同时利用石墨烯层优良的导热性，增强储能薄膜的散热，有效避免热失控，从而显著提升储能薄膜的储能密度，以便于实现储能薄膜在高温环境下的应用。

技术领域

本发明涉及储能薄膜材料领域，特别涉及一种石墨烯改良的硅集成储能薄膜及其制备方法。

背景技术

介电储能薄膜凭借其储能密度高、充放电速度快和可集成等特点，在集成电路中的储能应用中表现出明显的优势。然而大部分介电薄膜与硅衬底间因存在晶格失配，而无法在硅衬底上实现高结晶质量的生长。有必要对硅集成储能薄膜的结晶质量进行优化，以提升薄膜的储能性能。

近年来，随着电子设备的便携化和多功能化的发展趋势，集成电路的集成度、功率密度和结温不断提升。在高温、高电场下，介电储能薄膜的泄漏电流急剧增大，由漏电流导致的能量损耗进一步引起薄膜材料内部的局部温度升高，如此将使储能性能大幅下降甚至导致介电材料击穿，即介电材料在高温下的热失控。因而，硅集成介电储能薄膜在高温下的储能特性和可靠性亟待提高。现有的介电储能薄膜优化方法，通常通过介电材料掺杂改性或多层介电薄膜设计实现，从公开的技术手段看，尚未有应对热失控问题的优化策略，针对这一问题，介电储能薄膜的高温储能性能仍有提升空间。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的是提供一种石墨烯改良的硅集成储能薄膜及其制备方法；本发明面向半导体集成电路应用，能够有效提高硅集成储能薄膜在高温下的储能密度。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种石墨烯改良的硅集成储能薄膜，包括硅衬底、石墨烯层和储能薄膜层，石墨烯层设置于硅衬底表面，储能薄膜层设置于石墨烯层表面。

优选的，石墨烯层为单层石墨烯或多层石墨烯。

优选的，石墨烯层中，石墨烯的层数为1-10。

优选的，所述储能薄膜为铁电薄膜、弛豫铁电薄膜和反铁电薄膜中的一种或多种，所述储能薄膜层采用单层储能薄膜或多层储能薄膜。

优选的，所述储能薄膜的厚度为10-1000nm。

优选的，所述储能薄膜为0.85BaTiO₃-0.15Bi(Mg_0.5Zr_0.5)O₃薄膜。

优选的，所述硅衬底为半导体硅。

优选的，所述硅衬底为用硼元素掺杂的P型(100)硅晶片。

本发明还提供了一种石墨烯改良的硅集成储能薄膜的制备方法，包括如下过程：

将石墨烯层转移至硅衬底表面，然后进行清洗、烘干；

再在石墨烯层表面制备储能薄膜层，然后进行退火，退火结束后得到所述石墨烯改良的硅集成储能薄膜。

优选的，本发明石墨烯改良的硅集成储能薄膜的制备方法还包括对硅衬底的预处理，硅衬底的预处理过程包括：将切割好的硅衬底依次用丙酮、无水乙醇和去离子水进行超声清洗，清洗完后用高压氮气吹干，以去衬底表面的杂质；将清洗干净的硅衬底置于无水乙醇中保存待用；

将石墨烯层转移至硅衬底表面，然后进行清洗、烘干的过程包括：