[发明专利]能量存储电容器及其制备方法

说明书

本发明提供了一种能量存储电容器，包括衬底、绝缘层、底层电极、铁电薄膜、反铁电薄膜和顶层电极。所述衬底开设有第一沟槽结构，所述绝缘层覆盖所述第一沟槽结构的内壁和顶面以形成第二沟槽结构；所述底层电极、所述铁电薄膜、所述反铁电薄膜和所述顶层电极顺次堆叠设置于所述第二沟槽结构，以形成不同的沟槽结构，相邻两个所述沟槽结构的一个沟槽结构覆盖另一个沟槽结构的内壁和顶面，提升了最大极化强度和击穿电场强度，从而使得电介质电容器的储能密度得以提升。本发明还提供了所述能量存储电容器的制备方法。

技术领域

本发明涉及微纳电子材料及功能器件领域，尤其涉及一种能量存储电容器及其制备方法。

背景技术

电介质电容器一般是利用电介质中偶极子的极化作用存储电能，具有极高的功率密度，即超快的充放电速率，这是其他几类储能体系如电池或电化学电容器所不具备的本征优势。并且电介质电容器作为纯固态材料，其最大工作电压、充放电速率、输出功率、循环寿命、漏电流和易于制造方面，相比电池和电化学电容器也具有较大的优势。然而由于其储能密度相对较低，限制了其在需要大的能量密度场景中的应用范围,因此，如果能够将电介质电容器的储能密度提升到更高的水平，其应用前景将会更为广阔。

从电介质电容器的性质来看，其储能密度主要受控于电介质材料的选取，而成为高储能性能的电介质材料需要具备高的最大极化强度、低的剩余极化强度、高的击穿电场强度以及良好的介电性能。对比目前几种典型的电介质材料，反铁电材料具有最大的优势。一般情况下，反铁电体在宏观上表现出无剩余极化强度，但在很强的外加电场作用下，其晶体结构可以转变为铁电相，其P-E特性曲线呈现出双电滞回线特性，当电场强度较小时，电滞回线消失，因此反铁电材料在储能方面表现出了独有的特性。

传统的反铁电材料，如PbZrO₃基反铁电陶瓷、AgNbO₃基反铁电陶瓷、BaTiO₃基类反铁电陶瓷等，虽然表现出极高的储能密度和储能效率，是高性能储能电容的潜在候选材料，但是其制备工艺复杂，需要较高的结晶温度，击穿电场强度低等缺点也限制了其应用范围，并且这些薄膜需要大的沉积厚度也不利于制备纳米储能电容器和三维集成。与之相比，ZrO₂和HfO₂材料具有非常薄的沉积厚度、组分简单、成熟的ALD制备工艺、与CMOS工艺相兼容、介电性能好等优点，更适用于纳米储能电容器的开发和进行三维集成。然而，单一的HZO反铁电薄膜制备的储能电容器具有最大极化强度较低、击穿电场强度较小等缺点，因此其储能密度难以进一步得到提升。

公开号为CN111769122 A的中国专利申请公开了一种反铁电存储器，包括衬底；源电极和漏电极，设置于衬底的两端；反铁电薄膜结构层，设置于衬底上，且该反铁电薄膜结构层自衬底向上依次包括第一反铁电层、中间电极、第二反铁电层和顶电极；其中，顶电极、中间电极和衬底之间具有功函数差。该专利申请通过设置双反铁电夹层结构，可见该专利申请中的反铁电存储器在充放电过程中，反铁电层会产生巨大的应变，易产生裂纹，使得反铁电层的击穿变小、实际寿命变短，导致进一步提升电容器的能量存储效率变得困难。

因此，有必要开发一种新型的能量存储电容器及其制备方法以解决现有技术中存在的上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能量存储电容器及其制备方法，以提升能量存储电容器的最大极化强度和击穿电场强度。

为实现上述目的，本发明提供了一种能量存储电容器，包括顺次堆叠设置的衬底、绝缘层、底层电极、铁电薄膜、反铁电薄膜和顶层电极，所述衬底开设有第一沟槽结构，所述绝缘层覆盖所述第一沟槽结构的内壁和顶面以形成第二沟槽结构；所述底层电极、所述铁电薄膜、所述反铁电薄膜和所述顶层电极顺次堆叠设置于所述第二沟槽结构，以形成不同的沟槽结构，相邻两个所述沟槽结构的一个沟槽结构覆盖另一个沟槽结构的内壁和顶面。