專利名稱：一種具有高儲(chǔ)能密度的薄膜電容器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電容器制造領(lǐng)域，特別涉及一種具有高儲(chǔ)能密度的薄膜電容器及其制
備方法。
背景技術(shù)：
儲(chǔ)能器件作為能源系統(tǒng)中占據(jù)最大比例重量與體積的部件，其儲(chǔ)能密度的提高意
義重大。目前，國(guó)內(nèi)外所普遍采用的電容器的儲(chǔ)能密度一般低于1. 0J/cm3，不能滿足對(duì)高儲(chǔ)
能密度電容器愈加迫切的需求。 我們知道，電容器的電容C有以下關(guān)系
的能量
CJ (1)
其中￡為電介質(zhì)的介電常數(shù)；S為電極面積，S為電介質(zhì)厚度。假設(shè)電容器儲(chǔ)存 t為W，則
「—，『 1 2 1 f Sf/21 fS^72"PT/21 T/「2 廣" JF = —Ct/2:=--=--:;~ =--T"-—SF五2 (2)
2 2 5 2 2 2 其中V為電介質(zhì)的體積，E為電介質(zhì)承受的電場(chǎng)強(qiáng)度，e為電介質(zhì)的介電常數(shù)。電
容器的能量?jī)?chǔ)存在兩金屬電極板之間的電介質(zhì)中，電介質(zhì)的體積儲(chǔ)能密度為￡> =工=丄^:2 (3) r 2 由(3)式可見(jiàn)，提高電容器儲(chǔ)能密度的途徑有兩種，一種是提高電介質(zhì)的介電常 數(shù)e ，一種是提高電容器的耐擊穿場(chǎng)強(qiáng)E。目前所廣泛采用的途徑一個(gè)是只提高電介質(zhì)的 介電常數(shù)，即采用高介電常數(shù)的介電薄膜、介電陶瓷作電介質(zhì)材料制成的單層或多層陶瓷 電容器，但由于這些介電材料一般為極性材料，電導(dǎo)率較大，擊穿場(chǎng)強(qiáng)比較低。提高電容器 儲(chǔ)能密度的另一個(gè)途徑是只提高電容器的工作電場(chǎng)強(qiáng)度，但具有高擊穿場(chǎng)強(qiáng)的電介質(zhì)的介 電常數(shù)一般較小。這兩種方法得到的電容器的儲(chǔ)能密度均不是很高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有高儲(chǔ)能密度的薄膜電容器，其儲(chǔ)能密度可達(dá) 12-124J/cm3。 本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供上述具有高儲(chǔ)能密度的薄膜電容器的制備方法。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)。
(1) —種具有高儲(chǔ)能密度的薄膜電容器，其特征在于，包括襯底，垂直疊置在襯底 上的至少一個(gè)薄膜電容器層；所述薄膜電容器層包含依次垂直疊置的下金屬電導(dǎo)子層、下 耐擊穿子層、中間儲(chǔ)能薄膜子層、上耐擊穿子層、上金屬電導(dǎo)子層。
上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)和特點(diǎn)在于 所述中間儲(chǔ)能薄膜子層為鈦酸鋇薄膜、鉍鋅鈮薄膜或鈦酸鍶鋇薄膜；
所述上、下耐擊穿子層為二氧化硅、三氧化二鋁或者氮化硅；
3
所述上、下金屬電導(dǎo)子層為鉑、銅、鋁或鎳；
所述襯底為硅片或氧化鋁陶瓷。
(2)上述具有高儲(chǔ)能密度的薄膜電容器的制備方法，其特征在于，首先選擇硅或者 氧化鋁陶瓷做襯底，然后在襯底上面依次制備一層或多層薄膜電容器層；
其中薄膜電容器層的制備包括以下步驟 1)用磁控濺射方法沉積一層厚度為50-200nm的鉑、銅、鋁或鎳元素的下金屬電導(dǎo) 子層； 2)在下金屬電導(dǎo)子層上采用磁控濺射法或脈沖激光沉積法沉積一層厚度為 10-50nm的二氧化硅、三氧化二鋁或者氮化硅材質(zhì)的下耐擊穿子層； 3)在下耐擊穿子層上采用磁控濺射法、脈沖激光沉積法或化學(xué)溶液沉積法沉積一
層厚度為0. 5-5 i！ m的鈦酸鋇薄膜、鉍鋅鈮薄膜或鈦酸鍶鋇薄膜作為中間儲(chǔ)能薄膜子層； 4)在中間儲(chǔ)能薄膜子層上采用磁控濺射法或脈沖激光沉積法沉積一層厚度為
10-50nm的二氧化硅、三氧化二鋁或者氮化硅材質(zhì)的上耐擊穿子層； 5)然后，高溫?zé)Y(jié)，燒結(jié)溫度為600-800°C，時(shí)間為10-30分鐘； 6)最后，用磁控濺射方法沉積一層厚度為50-200nm的鉑、銅、鋁或鎳元素的下金
屬電導(dǎo)子層。 本發(fā)明的具有高儲(chǔ)能密度的薄膜電容器，包括襯底，垂直疊置在襯底上的至少一 薄膜電容器層；所述薄膜電容器層包含依次垂直疊置的下金屬電導(dǎo)子層、下耐擊穿子層、中 間儲(chǔ)能薄膜子層、上耐擊穿子層、上金屬電導(dǎo)子層；所述中間儲(chǔ)能薄膜子層為鈦酸鋇薄膜、 鉍鋅鈮薄膜或鈦酸鍶鋇薄膜；所述上、下耐擊穿子層為二氧化硅、三氧化二鋁或者氮化硅所 述上、下金屬電導(dǎo)子層為鉑、銅、鋁或鎳；所述襯底為硅片或氧化鋁陶瓷。利用薄膜沉積工 藝本身的平板電容器結(jié)構(gòu)特征，在平板電容器的兩個(gè)金屬導(dǎo)電層中間夾一層上下表面均涂 覆有高擊穿場(chǎng)強(qiáng)氧化物或氮化物層的高介電常數(shù)的介電薄膜層作電介質(zhì)，形成多層復(fù)合結(jié) 構(gòu)，使其具有高擊穿場(chǎng)強(qiáng)和高介電常數(shù)的特點(diǎn)，以獲得具有高儲(chǔ)能密度的薄膜電容器。這種 薄膜電容器具有體積小、使用電壓低和儲(chǔ)能密度高的特點(diǎn)，是一種新型的儲(chǔ)能器件。另外將 多個(gè)單層薄膜電容器采用多層陶瓷電容器結(jié)構(gòu)進(jìn)行串聯(lián)疊加，可以制備出儲(chǔ)能更高的多層 薄膜電容器。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明的做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。 圖1為一種具有單個(gè)薄膜電容器層的本發(fā)明的電容器斷面結(jié)構(gòu)示意圖，其中1為 襯底，2為下金屬電導(dǎo)子層，3為下耐擊穿子層，4為中間儲(chǔ)能薄膜子層，5為上耐擊穿子層，6 為上金屬電導(dǎo)子層。 圖2為另一種具有四個(gè)薄膜電容器層的本發(fā)明的電容器斷面結(jié)構(gòu)示意圖，其中 Cl， C2， C3和C4分別為垂直疊置在襯底上的第一、第二、第三、第四薄膜電容器層。
具體實(shí)施例方式
參照?qǐng)Dl，一種具有高儲(chǔ)能密度的薄膜電容器，主要包括襯底l，垂直疊置在襯底1 上一個(gè)薄膜電容器層。薄膜電容器層包含依次垂直疊置的下金屬電導(dǎo)子層2、下耐擊穿子層3、中間儲(chǔ)能薄膜子層4、上耐擊穿子層5、上金屬電導(dǎo)子層6。其中中間儲(chǔ)能薄膜子層4為 鈦酸鋇薄膜、鉍鋅鈮薄膜或鈦酸鍶鋇薄膜；上、下耐擊穿子層5、3為二氧化硅、三氧化二鋁 或者氮化硅；上、下金屬電導(dǎo)子層6、2為鉑、銅、鋁或鎳；襯底1為硅片或氧化鋁陶瓷。
參照?qǐng)D2，另一種具有高儲(chǔ)能密度的薄膜電容器，具有四個(gè)薄膜電容器層，依次垂 直疊置在襯底上。其中Cl， C2， C3和C4分別表示垂直疊置在襯底上的第一、第二、第三、第 四薄膜電容器層。
實(shí)施例1 : 以硅作襯底，用磁控濺射法濺射一層厚度為100nm的下金屬電導(dǎo)子層Pt后，采用 磁控濺射沉積法原位沉積一層厚度為10nm的氧化鋁(A1203)涂層，再采用磁控濺射法沉積 1 P m的鈦酸鋇(BaTi03， BT)薄膜，然后用磁控濺射方法沉積一層厚度為10nm的A1203涂層 后高溫?zé)Y(jié)，燒結(jié)溫度為700°C，時(shí)間為30分鐘。最后，再用磁控濺射方法濺射一層厚度為 100nm的上金屬電導(dǎo)子層Pt即可。 當(dāng)外加電壓為300伏，電極面積選為lcn^，liim的鈦酸鋇薄膜的介電常數(shù)為 1000 (本實(shí)驗(yàn)室用磁控濺射法制備的BT薄膜的介電性能)，A1203的介電常數(shù)為9，計(jì)算得到 的儲(chǔ)能密度為102J/cm3。其計(jì)算方法為
BaTi03薄膜的電容
—g。g^ — 8.85 x 10一'2 x 1000 x W — 0 0《r d ]拜
A1203涂層的電容




c_ =M^8.85 W=7 96xl0—卞
2'3 fi IO鵬
鑒于該薄膜電容器的結(jié)構(gòu)相當(dāng)于各個(gè)子電容的串聯(lián)，其總電容為
r — C早C扁3 — 7.96x10—7x8.85xl(T7 "c in_7j7 2C腳，+C"3(2x8.85 + 7.96)x10-7
電容器的總體積為
V電容器lcm2X (2X10nm+liim+2X100nm) = 1.22X10—4cm3 電容器的儲(chǔ)能為(當(dāng)外加電壓為300V時(shí))<formula>formula see original document page 5</formula>
所以電容器的儲(chǔ)能密度為
<formula>formula see original document page 5</formula>
實(shí)施例2 : 以氧化鋁陶瓷作襯底，用磁控濺射法濺射一層厚度為200nm的金屬電導(dǎo)層Ni后， 采用磁控濺射法原位沉積一層厚度為20nm的A1203涂層，再采用脈沖激光沉積法沉積厚度 為0. 5 m的鉍鋅鈮(BZN)薄膜，然后用磁控濺射法在BZN薄膜層上沉積一層厚度為20nm 的A1203涂層后高溫?zé)Y(jié)，燒結(jié)溫度為700°C ，時(shí)間為20分鐘。最后，濺射一層厚度為200nm 的上金屬電導(dǎo)子層Ni即可。
當(dāng)外加電壓為300伏，電極面積選為lcm2，0. 5iim的BZN薄膜的介電常數(shù)為 200 (本實(shí)驗(yàn)室用脈沖激光沉積法制備的立方相BZN薄膜的介電性能)，A1203的介電常數(shù)為 9，計(jì)算得到的儲(chǔ)能密度為61J/cm3。其計(jì)算方法同實(shí)施例1。
實(shí)施例3: 以硅作襯底，用磁控濺射法濺射一層厚度為100nm的金屬電導(dǎo)層Cu后，采用磁控 濺射方法原位沉積一層厚度為10nm的A1203涂層，再采用化學(xué)溶液沉積法沉積厚度為1 P m 的鈦酸鍶鋇(BST)薄膜，然后在BST薄膜層上用磁控濺射法沉積一層厚度為10nm的Al203 涂層后高溫?zé)Y(jié)，燒結(jié)溫度為700°C，時(shí)間為10分鐘。最后，濺射一層厚度為100nm的上金 屬電導(dǎo)子層Cu即可。 當(dāng)外加電壓為300伏，電極面積選為lci^，liim的BST薄膜的介電常數(shù)為2500(脈 沖激光沉積法，溫度55(TC，氣氛為1Pa的氮?dú)?。A1203的介電常數(shù)為9，計(jì)算得到的儲(chǔ)能密 度為124J/cm3。其計(jì)算方法同實(shí)施例l。
實(shí)施例4 : 以氧化鋁陶瓷作襯底，用磁控濺射方法濺射一層厚度為50nm的金屬電導(dǎo)層Al后， 采用磁控濺射方法原位沉積一層厚度為30nm的二氧化硅(Si02)涂層，再用磁控濺射方法 沉積厚度為0. 8 i！ m的BT薄膜，然后在BT薄膜層上用磁控濺射法沉積一層厚度為30nm的 Si02涂層后高溫?zé)Y(jié)，燒結(jié)溫度為750°C，時(shí)間為10分鐘。最后，濺射一層厚度為50nm的 上金屬電導(dǎo)子層A1即可。 當(dāng)外加電壓為300伏，電極面積選為lcm2，0. 8iim的BT薄膜的介電常數(shù)為 1000 (本實(shí)驗(yàn)室用磁控濺射制備的BT薄膜的介電性能)，Si02的介電常數(shù)為3. 7，計(jì)算得到 的儲(chǔ)能密度為24. 4J/cm3。其計(jì)算方法同實(shí)施例1。
實(shí)施例5 : 以氧化鋁陶瓷作襯底，用磁控濺射法濺射一層厚度為100nm的金屬電導(dǎo)層Pt后， 采用脈沖激光沉積法沉積一層厚度為10nm的Si02涂層，再采用脈沖激光沉積法原位沉積 厚度為2 ii m的BZN薄膜層，然后在BZN薄膜層上用脈沖激光沉積法沉積一層厚度為10nm 的Si02涂層后高溫?zé)Y(jié)，燒結(jié)溫度為750°C，時(shí)間為20分鐘。最后，濺射一層厚度為100nm 的上金屬電導(dǎo)子層Pt即可。 當(dāng)外加電壓為300伏，電極面積選為lcm2， 2 ii m的BZN薄膜的介電常數(shù)為200 (本 實(shí)驗(yàn)室用脈沖激光沉積法制備的BZN薄膜的介電性能)，Si02的介電常數(shù)為3. 7，計(jì)算得到 的儲(chǔ)能密度為11.6J/cm3。其計(jì)算方法同實(shí)施例1。
實(shí)施例6 : 以氧化鋁陶瓷作襯底，用磁控濺射方法濺射一層厚度為50nm的金屬電導(dǎo)層Ni后， 用脈沖激光沉積法沉積一層厚度為5nm的Si02涂層，再采用化學(xué)溶液沉積法沉積5 y m的 BST薄膜，然后在BST薄膜層上用脈沖激光沉積法沉積一層厚度為5nm的Si02涂層后高溫 燒結(jié)，燒結(jié)溫度為750°C，時(shí)間為30分鐘。最后，用磁控濺射法濺射一層厚度為50nm的上金 屬電導(dǎo)子層Ni即可。 當(dāng)外加電壓為300伏，電極面積選為lci^，5iim的BST薄膜的介電常數(shù)為2500(脈 沖激光沉積法，溫度55(TC，氣氛為1Pa的氮?dú)?，Si02的介電常數(shù)為3. 7，計(jì)算得到的儲(chǔ)能 密度為16.6J/cm3。其計(jì)算方法同實(shí)施例l。
實(shí)施例7 : 以硅作襯底，用磁控濺射方法濺射一層厚度為100nm的金屬電導(dǎo)層Pt后，用脈沖 激光沉積法沉積一層厚度為lOnm的氮化硅(Si3N4)涂層，再采用脈沖激光沉積法原位沉積 厚度為1 P m的BT薄膜，然后在BT薄膜層上用脈沖激光沉積法沉積一層厚度為lOnm的SiA 涂層后高溫?zé)Y(jié)，燒結(jié)溫度為800°C，時(shí)間為10分鐘。最后，濺射一層厚度為lOOnm的上金 屬電導(dǎo)子層Pt即可。 當(dāng)外加電壓為300伏，電極面積選為lcm2， 1 ii m的BT薄膜的介電常數(shù)為1000 (本 實(shí)驗(yàn)室用磁控濺射制備的BT薄膜的介電性能)，Si3N4的介電常數(shù)為7，計(jì)算得到的儲(chǔ)能密 度為84. 6J/cm3。其計(jì)算方法同實(shí)施例1。
實(shí)施例8 : 以硅作襯底，用磁控濺射方法濺射一層厚度為50nm的金屬電導(dǎo)層Cu后，用磁控濺 射方法原位沉積一層厚度為20nm的Si3N4涂層，再采用脈沖激光沉積法沉積厚度為0. 8 y m 的BZN薄膜，然后在BZN薄膜層上用磁控濺射法濺射一層厚度為20nm的Si3N4涂層后高溫 燒結(jié)，燒結(jié)溫度為80(TC，時(shí)間為20分鐘。最后，濺射一層厚度為50nm的上金屬電導(dǎo)子層 Cu即可。 當(dāng)外加電壓為300伏，電極面積選為lcm2，0. 8iim的BZN薄膜的介電常數(shù)為 200 (本實(shí)驗(yàn)室用脈沖激光沉積法制備的BZN薄膜的介電性能)，Si3N4的介電常數(shù)為7，計(jì)算 得到的儲(chǔ)能密度為43.6J/cm3。其計(jì)算方法同實(shí)施例1。
實(shí)施例9 : 以硅作襯底，用磁控濺射法沉積一層厚度為lOOnm的金屬電導(dǎo)層Ni后，用磁控濺 射法原位沉積一層厚度為10nm的Si3N4涂層，再采用磁控濺射法沉積厚度為1 P m的BST薄 膜，然后在BST薄膜層上用磁控濺射法濺射一層厚度為lOnm的Si3N4涂層后進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)， 燒結(jié)溫度為800°C，時(shí)間為30分鐘。最后，濺射一層厚度為lOOnm的上金屬電導(dǎo)子層Ni即 可。 當(dāng)外加電壓為300伏，電極面積選為lcm2， liim的BST薄膜的介電常數(shù)為2500 (脈 沖激光沉積法，溫度55(TC，氣氛為lPa的氮?dú)?，Si3N4的介電常數(shù)為7，計(jì)算得到的儲(chǔ)能密 度為100J/cm3。其計(jì)算方法同實(shí)施例l。
實(shí)施實(shí)例10 : 以硅作襯底，用磁控濺射方法濺射一層厚度為lOOnm的金屬電導(dǎo)層Pt后，用磁控 濺射方法原位沉積一層厚度為lOnm的A1203涂層，再采用磁控濺射方法沉積厚度為1 P m 的BT薄膜，然后在BT薄膜層上在用磁控濺射法沉積一層厚度為lOnm的A1203涂層后，再 用磁控濺射方法濺射一層厚度為lOnm的上金屬電導(dǎo)子層Pt后進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，燒結(jié)溫度為 70(TC，時(shí)間為30分鐘。為了得到多層薄膜電容器，再在最上面的金屬電導(dǎo)子層上用相同的 工藝依次沉積A1203涂層，BT薄膜層、A1203涂層和Pt金屬電導(dǎo)子層，然后采用與第一層相同 的條件進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)。連續(xù)重復(fù)100次后得到多層薄膜電容器。其總電容變?yōu)樵瓉?lái)的O.Ol 倍，而總電壓變?yōu)樵瓉?lái)的100倍，由公式(2)可知，其總儲(chǔ)能應(yīng)變?yōu)樵瓉?lái)的100倍。但由于 電容器的總體積也相應(yīng)增大100倍，所以多層薄膜電容器的儲(chǔ)能密度保持不變，和單層薄 膜電容器相同。 綜上所有實(shí)施實(shí)例，由依次垂直疊置的下金屬電導(dǎo)子層、下耐擊穿子層、中間儲(chǔ)能
7薄膜子層、上耐擊穿子層和上金屬電導(dǎo)子層組成的薄膜電容器，通過(guò)選擇不同的子層材料 體系和涂層厚度，其儲(chǔ)能密度的范圍為12-124J/cm 明顯優(yōu)于背景技術(shù)中所提及的國(guó)內(nèi)外 普遍采用的電容器。
權(quán)利要求
一種具有高儲(chǔ)能密度的薄膜電容器，其特征在于，包括襯底，垂直疊置在襯底上的至少一個(gè)薄膜電容器層；所述薄膜電容器層包含依次垂直疊置的下金屬電導(dǎo)子層、下耐擊穿子層、中間儲(chǔ)能薄膜子層、上耐擊穿子層、上金屬電導(dǎo)子層。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有高儲(chǔ)能密度的薄膜電容器，其特征在于，所述中間 儲(chǔ)能薄膜子層為鈦酸鋇薄膜、鉍鋅鈮薄膜或鈦酸鍶鋇薄膜。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有高儲(chǔ)能密度的薄膜電容器，其特征在于，所述上、下耐擊穿子層為二氧化硅、三氧化二鋁或者氮化硅。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有高儲(chǔ)能密度的薄膜電容器，其特征在于，所述上、下 金屬電導(dǎo)子層為鉑、銅、鋁或鎳。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有高儲(chǔ)能密度的薄膜電容器，其特征在于，所述襯底 為硅片或氧化鋁陶瓷。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有高儲(chǔ)能密度的薄膜電容器的制備方法，其特征在 于，首先選擇硅或者氧化鋁陶瓷做襯底，然后在襯底上面依次制備一層或多層薄膜電容器 層；其中，薄膜電容器層的制備包括以下步驟1) 用磁控濺射方法沉積一層厚度為50-200nm的鉑、銅、鋁或鎳元素的下金屬電導(dǎo)子層；2) 在下金屬電導(dǎo)子層上采用磁控濺射法或脈沖激光沉積法沉積一層厚度為10-50nm 的二氧化硅、三氧化二鋁或者氮化硅材質(zhì)的下耐擊穿子層；3) 在下耐擊穿子層上采用磁控濺射法、脈沖激光沉積法或化學(xué)溶液沉積法沉積一層厚 度為0. 5-5 ii m的鈦酸鋇薄膜、鉍鋅鈮薄膜或鈦酸鍶鋇薄膜作為中間儲(chǔ)能薄膜子層；4) 在中間儲(chǔ)能薄膜子層上采用磁控濺射法或脈沖激光沉積法沉積-層厚度為10-50nm 的二氧化硅、三氧化二鋁或者氮化硅材質(zhì)的上耐擊穿子層；5) 然后，高溫?zé)Y(jié)，燒結(jié)溫度為600-80(TC，時(shí)間為10-30分鐘；6) 最后，用磁控濺射方法沉積一層厚度為50-200nm的鉑、銅、鋁或鎳元素的下金屬電導(dǎo)子層。
全文摘要
本發(fā)明涉及電容器制造領(lǐng)域，公開(kāi)了一種具有高儲(chǔ)能密度的薄膜電容器及其制備方法。薄膜電容器包括襯底，垂直疊置在襯底上的至少一個(gè)薄膜電容器層；所述薄膜電容器層包含依次垂直疊置的下金屬電導(dǎo)子層、下耐擊穿子層、中間儲(chǔ)能薄膜子層、上耐擊穿子層、上金屬電導(dǎo)子層。薄膜電容器制備選擇硅或者氧化鋁陶瓷做襯底，然后在襯底上面依次制備一層或多層薄膜電容器層。
文檔編號(hào)H01G9/155GK101728089SQ200910254428
公開(kāi)日2010年6月9日 申請(qǐng)日期2009年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月22日
發(fā)明者任巍, 史鵬, 吳小清, 張效華, 梁廣華, 王昭, 王玲艷, 陳曉峰 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)