[发明专利]提高介电薄膜电容器储能密度的方法和介电薄膜电容器

说明书

本发明提供一种提高介电薄膜电容器储能密度的方法，包括以下步骤：S1：制备底电极；S2：在底电极上沉积PbZrO₃薄膜；S3：向PbZrO₃注入氦离子；S4：制备顶电极。本发明的提高介电薄膜电容器储能密度的方法，提高了反铁电材料PbZrO₃本身的饱和极化值和击穿电场，获得了高储能密度的介电薄膜电容器。

技术领域

本发明属于薄膜材料技术领域，具体涉及提高介电薄膜电容器储能密度的方法和介电薄膜电容器。

背景技术

电容器是一种基础的储能器件，电子工业产品小型化、集成化、便携化的发展趋势，对电容器的性能提出更高要求。由于反铁电材料锆酸铅PbZrO₃(简称为PZO)在电场下可以产生可逆的反铁电-铁电相变，锆酸铅可以制成具有高功率密度、超快充放电速率的电介质容器。目前对锆酸铅作电介质容器的研究主要集中在成分的掺杂和纳米结构的设计上。成分的掺杂主要为往PbZrO₃中加入镧(La)、钛(Ti)、锡(Sn)等元素，可以降低相变过程中的能量损耗，提高饱和极化强度，从而提高储能密度和效率。纳米结构的设计则比较多样，多层结构、核壳结构、自组装纳米柱、掺杂纳米颗粒等都提高了PZO的击穿电场并减少泄露电流，增强了储能性能。

目前作为电介质容器的PZO基材料主要有陶瓷和薄膜两大类。陶瓷密度大、柔性差、烧结温度高，这使其在集成电路中的应用受到限制；此外，烧结过程中陶瓷易产生各种缺陷例如孔隙等，会降低其机械性能，且容易被击穿。薄膜的体积小，耐压能力强，满足电子产品小型化、集成化的条件，但纯PZO薄膜储能密度很低(～14J/cm³)，不足以支撑目前商业化的要求，并且通过外加电场诱导PZO发生反铁电-铁电相变会消耗大量能量，引起形变，导致薄膜的储能效率低、器件不稳定。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种提高介电薄膜电容器储能密度的方法，提高了反铁电材料PbZrO₃本身的饱和极化值和击穿电场，获得了高储能密度的介电薄膜电容器。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种提高介电薄膜电容器储能密度的方法，包括以下步骤：S1；制备底电极；S2：在底电极上沉积PbZrO₃薄膜；S3：向PbZrO₃注入氦离子；S4：制备顶电极。

本发明提供的提高介电薄膜电容器储能密度的方法，向反铁电材料PbZrO₃注入氦离子，氦离子进入PbZrO₃晶格内部使PbZrO₃晶体产生晶格畸变，破坏PbZrO₃晶体中偶极子的长程有序性，在顶电极和底电极之间的电场作用下，PbZrO₃晶体中偶极子的取向在短程内一致，从而具备了驰豫铁电特性，氦离子不替代原来晶格位置的原子，极大提高了PbZrO₃本身的饱和极化值和击穿电场，获得了高储能密度的介电薄膜电容器。

进一步，PbZrO₃薄膜的厚度为50-100nm，太薄则漏电流过大易造成发热损坏，太厚则不利于器件的小型化。

进一步，S3中注入的氦离子剂量范围为5×10¹⁴～5×10¹⁵ions/cm²。氦离子的注入剂量应适中，剂量太低则PbZrO₃晶体产生的畸变不足以打破偶极子的长程有序性，剂量太高则会破坏PbZrO₃晶格的完整性，造成非晶化。

进一步，S3中氦离子的注入能量为11-22keV。注入能量应适中，注入能量太低则氦离子可能无法注入晶格内部，停留在PbZrO₃晶粒表面，分布不均匀；注入能量太高则氦离子会穿透PbZrO₃进入底电极和底电极下层的基片，无法停留在PbZrO₃内部。