[发明专利]片上固态超级电容及其制备方法

说明书

本发明提供了一种片上固态超级电容，包括结构相同且对称设置的第一电极和第二电极，所述第一电极包括硅衬底、至少两个硅纳米柱、金属硅化物层、TiVN薄膜、导电柱以及凝胶层，所述硅纳米柱设置于所述硅衬底上，且所述硅纳米柱之间互不接触，所述金属硅化物层覆盖于所述硅纳米柱和所述衬底上，所述TiVN薄膜覆盖于所述金属硅化物层上，所述凝胶层覆盖于所述TiVN薄膜上，所述导电柱设置于任意一个所述纳米柱背向所述硅衬底一面上的金属硅化物层上，且所述导电柱不被所述TiVN薄膜和所述凝胶层覆盖，降低了功率损失，且降低了成本，结构简单便于制备，同时增强了循环的稳定性。本发明还提供了一种片上固态超级电容的制备方法。

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种片上固态超级电容及其制备方法。

背景技术

随着无线充电和物联网的快速发展，需要芯片能够实现能量自治。在用于能量存储的电子器件中，超级电容因同时拥有高的功率密度和循环寿命得到了广泛的关注。超级电容可以通过电双层(电双层超级电容)或者近表面的氧化还原反应(赝电容)来存储能量。通常，赝电容的能量密度要远远大于电双层电容。为了能与硅基芯片集成，需要将超级电容直接制备在芯片上。其次，由于需要额外的封装来阻止液态电解质的泄露，所以采用固态电解质是最佳的选择。也就是说，全固态超级电容更适合与硅基芯片集成。为了充分利用硅材料，可以对硅衬底进行结构设计，并使其直接作为电极材料。基于这种思想，大量的硅基纳米结构被用来作为制备超级电容的模板。由于硅很容易被氧化，而且是不可逆的，所以通常在硅表面覆盖一层钝化层，比如石墨烯、碳、氮化钛等。然而，这些超级电容都是利用电双层来存储电荷，所以可获得的能量密度都比较小。

为了增大能量密度，可以引入金属氧化物，比如氧化钌、氧化镍、氧化锰等，这些材料可以与电解质发生可逆的氧化还原反应，从而可以获得更大的电容密度和能量密度。目前，采用金属辅助阳极刻蚀的方法制备了硅纳米柱阵列，然后采用原子层沉积的工艺在硅纳米柱表面生长了一层氧化钌，最后注入固态电解质组装成固态超级电容。虽然他们获得了很好的超级电容性能，但是钌是一种非常稀有的贵金属，所以采用氧化钌作为活性电极材料必然大大增加制造成本。此外，在金属辅助阳极刻蚀的过程中需要采用金作为催化剂，这同样会增加制造成本，而且金属辅助阳极刻蚀工艺复杂，其中涉及到贵金属的光刻定义图形以及电化学刻蚀。氧化镍和氧化锰电阻率较高，所以采用这两种材料作为活性电极材料将导致功率密度较低。

最近，过渡金属氮化物也被研究作为超级电容的电极材料，比如TiN、VN以及MoxN。金属氮化物相对于氧化物具有更高的电导率，而且这些材料也比较便宜。其中，VN可以与电解质发生可逆的氧化还原反应，从而具有较高的电容密度和能量密度，是一种良好的赝电容材料。相反，TiN是通过电双层来存储电荷，所以电容密度较低，但是循环稳定性较好。为了利用TiN和VN的各自优势，有研究者采用共溅射的方法，制备TiVN材料作为超级电容的活性电极材料。虽然可以获得较高的电容密度和较好的循环稳定性，但是他们所使用的是平面硅衬底，所以电容密度无法进一步提高。此外，共溅射法也就是物理气相沉积法的台阶覆盖率较低，无法在高深宽比的硅纳米结构有效填充TiVN材料，一旦出现孔洞，电解质将直接与硅衬底接触并与之发生不可逆的氧化还原反应，从而影响电容密度和稳定性，而如果电解质是KOH水合电解质，则不利于与芯片集成。

因此，有必要提供一种新型的片上固态超级电容及其制备方法以解决现有技术中存在的上述部分问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种片上固态超级电容及其制备方法，有利于降低了成本，且结构简单，便于制备。