一種基于納米結(jié)構(gòu)的透明電容器及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于納米結(jié)構(gòu)的透明電容器及其制備方法，屬于透明電容器領(lǐng)域。其制備方法為：于100～500℃下，在石英玻璃襯底上生長AZO或ITO薄膜作為底電極的接觸層；再將去除Al基底和阻擋層的AAO模板轉(zhuǎn)移到AZO或ITO薄膜表面上；然后，于100～500℃下，在AAO模板上依次生長作為底電極的ITO或AZO薄膜，作為介質(zhì)層的高k材料層，作為頂電極和頂電極的接觸層的AZO或ITO薄膜；最后對(duì)頂電極和頂電極的接觸層進(jìn)行光刻，濕法腐蝕，形成器件，即得到基于納米結(jié)構(gòu)的透明電容器。其優(yōu)點(diǎn)為：本發(fā)明的透明電容器尺寸大，價(jià)格低廉，容量大，透明度良好，且可應(yīng)用于高頻領(lǐng)域；本發(fā)明的制備方法簡單易行。
【專利說明】—種基于納米結(jié)構(gòu)的透明電容器及其制備方法
[0001]

【技術(shù)領(lǐng)域】
本發(fā)明涉及一種基于納米結(jié)構(gòu)的透明電容器及其制備方法，屬于透明電容器領(lǐng)域。
[0002]

【背景技術(shù)】
透明電容器在很多領(lǐng)域都有重要應(yīng)用，比如在液晶顯示屏(IXD)和有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)的驅(qū)動(dòng)電路中作為一種充放電元件，在薄膜太陽能電池的透明窗口中作為儲(chǔ)能元件，在透明的數(shù)字集成電路中作為基本的邏輯元件等。但是，這些領(lǐng)域?qū)ν该麟娙萜鞯碾娙萘亢屯该鞫扔兄鴩?yán)格的要求。其中，可以提高電容量的方法主要有兩種。第一種方法是引入高介電常數(shù)的材料(高k材料)，并將其作為介質(zhì)層。目前，基于高k介質(zhì)層(如A1203、T12,HfO2等)的平板電容器已經(jīng)得到廣泛的研究。不過，當(dāng)前平板電容器的容量也不是很理想，且其透明度也很難達(dá)到工業(yè)的需求。為了進(jìn)一步增大電容量，通常會(huì)采用第二種方法，即引入高深寬比的襯底，目的是為了增大電極板的面積，這種方法有效地增大了電容量，但是由于當(dāng)前用的納米模板大都不是透明的，所以器件的透明性通常都很差。
[0003]在眾多的納米結(jié)構(gòu)襯底中，陽極氧化鋁(AAO)的制備方法簡單，價(jià)格低廉，納米孔洞陣列分布均勻并且高度有序，因而得到了廣泛的應(yīng)用。但是在AAO模板上構(gòu)建透明電容器有幾個(gè)制約因素:鋁(Al)基底的去除，AAO模板的轉(zhuǎn)移，以及合適的薄膜沉積技術(shù)。如果不能去除Al基底，底電極就要沉積在Al基底上，制備出的電容器的透明度很差；去除了Al基底，雖然實(shí)現(xiàn)了模板的透明性，但是由于單通的原因，其與襯底之間的范德瓦爾斯力很小，容易從襯底上脫落，非常不利于透明電容器的構(gòu)建。
[0004]目前，對(duì)于AAO的電容器的研究重點(diǎn)是儲(chǔ)能，也就是說，所制備的電容器只要能在低頻下(日常交流電頻率50 Hz左右)工作即可。用Al做基底的高深寬比的單通AAO (其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，納米孔洞陣列分布在阻擋層上，阻擋層下有Al基底)對(duì)于儲(chǔ)能電容器而言，是個(gè)不錯(cuò)的選擇。由于單通的原因，這種電容器的底電極必須制備在Al基底上，故很難提高電容器的透明性。如果將Al基底和阻擋層去除，得到成雙通結(jié)構(gòu)，則既可實(shí)現(xiàn)透明性，又可有效增大其與襯底之間的范德瓦爾斯力，使模板不易從襯底上脫落。一般而言，AAO孔越淺，AAO模板吸附越牢，轉(zhuǎn)移越容易?？咨畛^500 nm的AAO模板的轉(zhuǎn)移就變的很困難了，所以即使將Al基底和阻擋層去除，要實(shí)現(xiàn)孔深為I?10 μ m的AAO模板的轉(zhuǎn)移也很難。AAO模板無法轉(zhuǎn)移，新的底電極的接觸層就無法制備。雖然孔深為I?10 μπι的AAO電容器的電容量很大，但是由于面電阻很大的底電極(因?yàn)楹穸刃?的面積也很大，所以聞?lì)l下介電損耗很大，故不能應(yīng)用于聞?lì)l領(lǐng)域。目如有關(guān)在雙通的AAO上構(gòu)造電容器還尚未報(bào)道。
[0005]


【發(fā)明內(nèi)容】

本發(fā)明的目的是提供一種在AAO模板上制備透明電容器的方法。通過AAO模板的引入，可以在不失器件透明性的前提下有效地增大電容量。本發(fā)明采用的制備方法是原子層沉積原位生長法與AAO模板的轉(zhuǎn)移技術(shù)相結(jié)合的方法。在器件結(jié)構(gòu)方面，我們采用Al摻雜氧化鋅(AZO)或錫摻雜氧化銦(ITO)作為透明電極，用高k材料作為介質(zhì)層。本發(fā)明所制備的透明電容器透明性優(yōu)良，電容量高。
[0006]本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)。
[0007]一種基于納米結(jié)構(gòu)的透明電容器的制備方法，包括如下步驟:
(1)于100?5001:下，在石英玻璃襯底上生長厚度為50?400 nm的AZO或ITO薄膜作為底電極的接觸層；
(2)將去除Al基底和阻擋層的AAO模板轉(zhuǎn)移到步驟(I)制備的AZO或ITO薄膜表面上；
(3)于100?5001:下，在經(jīng)步驟(2)轉(zhuǎn)移后的AAO模板上依次生長作為底電極的ITO或AZO薄膜，作為介質(zhì)層的高k材料層，作為頂電極的厚度為5?50 nm的AZO或ITO薄膜；
(4)于100?5001:下，在步驟(3)制備的頂電極上生長AZO或ITO薄膜作為頂電極的接觸層；
(5)對(duì)步驟(3)制備的頂電極和步驟(4)制備的頂電極的接觸層進(jìn)行光刻，濕法腐蝕，形成器件，即得基于納米結(jié)構(gòu)的透明電容器。
[0008]所述步驟(2)中的AAO模板的孔徑為30?300 nm,孔深為100?500 nm。
[0009]所述步驟(3)中的底電極的厚度為5?50 nm,介質(zhì)層的厚度為5?50 nm。
[0010]所述步驟(4)中的頂電極的接觸層的厚度為50?400 nm。
[0011]所述高k材料層的k值為8?180。
[0012]所述聞k材料層為Al2O3層、Y2O3層、HfO2層、T12層的一層或幾層。
[0013]一種利用上述方法制備的基于納米結(jié)構(gòu)的透明電容器。
[0014]所述頂電極的厚度為剛好將AAO模板的孔洞填滿所需要的AZO或ITO的厚度，頂電極的接觸層為AAO模板的孔外的AZO或ITO層。
[0015]所述底電極與底電極接觸層是相導(dǎo)通的。
[0016]本發(fā)明所提供的制備方法的詳細(xì)步驟為:(1)于100?500 1:下，在石英玻璃襯底上生長一層厚度為50?400 nm的AZO或ITO薄膜作為底電極的接觸層；(2)將去除Al基底和阻擋層的AAO模板轉(zhuǎn)移到AZO或ITO薄膜表面，優(yōu)選孔徑為30?300 nm,孔深為100nm?500 nm的AAO模板；(3)于100?500 1:下，在步驟(2)所述的AAO模板上生長一層5?50 nm的ITO或AZO薄膜作為底電極；于100?500。(^下,在底電極上生長一層5?50 nm的高k材料作為介質(zhì)層，該材料優(yōu)選為Al203、Y203、Hf02、Ti02的一種或幾種；于100?500 1:下，在介質(zhì)層上生長一層5?50 nm的AZO或ITO作為頂電極；(4)于100?500 V下，繼續(xù)生長50?400 nm的AZO或ITO作為頂電極的接觸層；(5)對(duì)頂電極和頂電極接觸層進(jìn)行光刻，濕法腐蝕，形成一個(gè)個(gè)的器件，單個(gè)器件大小優(yōu)選為100 MfflXlOO Mm。
[0017]原子層沉積生長法，是一種可以將物質(zhì)以單原子膜形式一層一層的鍍?cè)诨妆砻娴姆椒?。原子層沉積與普通的化學(xué)沉積有相似之處。但在原子層沉積過程中，新一層原子膜的化學(xué)反應(yīng)是直接與之前一層相關(guān)聯(lián)的，這種方式使每次反應(yīng)只沉積一層原子，所以能夠在納米尺度上對(duì)沉積工藝進(jìn)行完全控制。
[0018]這種獨(dú)特的自限制生長模式，使得原子層沉積(ALD)技術(shù)成為目前唯一可以在納米孔洞陣列上實(shí)現(xiàn)沉積薄膜的方法。因而在納米孔洞陣列中生長的薄膜厚度可以精確控制，并且具有高保型性。因此將原子層沉積技術(shù)與轉(zhuǎn)移的AAO模板技術(shù)相結(jié)合，可以制備出價(jià)格低廉的，大容量的透明電容器。
[0019]其中，AAO的轉(zhuǎn)移技術(shù)依賴其與襯底之間的范德瓦爾斯力。為了實(shí)現(xiàn)AAO與襯底之間良好的貼合，可以將AAO的Al基底和阻擋層去掉，這樣就得到了雙通的AAO模板，提高了 AAO模板與襯底的結(jié)合力，使得AAO的轉(zhuǎn)移變的容易，并且AAO模板不易脫落。
[0020]本發(fā)明采用原子層沉積的方法在AAO模板上制備出了納米結(jié)構(gòu)的電容器。其電容量大小與選用的AAO模板的深寬比有關(guān)。用這種制備方法，計(jì)算電容量最高可以達(dá)到3000fF/W。
[0021]本發(fā)明采用淺孔的(100?500 nm)雙通AAO作為模板，雖然犧牲了電容量，但是卻實(shí)現(xiàn)了向透明襯底上的轉(zhuǎn)移。而且相對(duì)深孔AAO電容器而言，面電阻很大的底電極的面積減小也有助于降低高頻的介電損耗，使之可以在高頻下工作。
[0022]本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)和效果:
(I)所制備的透明電容器具有尺寸大，價(jià)格低廉，容量大的優(yōu)點(diǎn)。
[0023](2)本發(fā)明提供的方法由于除去了 AAO的Al基底和阻擋層，增大了 AAO模板與襯底間的范德瓦爾斯力，使其結(jié)合更牢固，不易脫落。
[0024](3)本發(fā)明的制備方法在不失器件透明性的前提下有效地增大電容量，并且器件可以應(yīng)用于高頻領(lǐng)域。
[0025](4)本發(fā)明提供的制備方法簡單易行。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1為單通AAO模板的示意圖。
[0027]圖2為納米電容器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028]圖3是實(shí)施例2制備的雙通AAO模板的截面掃描電鏡照片。
[0029]圖4是實(shí)施例2制備的雙通AAO模板的俯視掃面電鏡照片。
[0030]圖5是實(shí)施例2制備的基于納米結(jié)構(gòu)的透明電容器的截面掃描電鏡照片。
[0031]圖6是實(shí)施例2制備的基于納米結(jié)構(gòu)的透明電容器的的透射譜圖。
[0032]圖7是實(shí)施例2制備的基于納米結(jié)構(gòu)的透明電容器和平面結(jié)構(gòu)電容器的電容密度隨頻率變化的關(guān)系圖。
[0033]圖8是實(shí)施例2制備的基于納米結(jié)構(gòu)的透明電容器和平面結(jié)構(gòu)電容器的漏電流密度隨電壓變化的關(guān)系圖。
[0034]其中1-石英玻璃襯底，2-底電極的接觸層，3-底電極，4-介質(zhì)層，5-頂電極和頂電極的接觸層，6-雙通的AAO模板，7-阻擋層，8-A1基底。
[0035]

【具體實(shí)施方式】
下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。
[0036]實(shí)施例1
在100 1:下，在2英寸的石英玻璃上生長一層厚度為50 nm的AZO層。然后將去除Al基底和阻擋層的AAO模板轉(zhuǎn)移到AZO表面，其中AAO模板的孔徑為30 nm,孔深100 nm。在100 1:下，在AAO模板上生長一層5 nm厚的AZO薄膜，并將AZO薄膜作為底電極。然后在100。(^下,生長一層5 nm厚的Al2O3薄膜(k為8)作為介質(zhì)層，并在其上生長一層5 nm厚的AZO作為頂電極，此時(shí)納米孔洞已被填滿。然后繼續(xù)生長一層50 nm的AZO層，作為頂電極接觸層。用光刻加濕法刻蝕的方法將頂電極分開，形成100 MmXlOO Mm大小的器件陣列，即透明電容器。
[0037]實(shí)施例2
在300 1:下，在2英寸的玻璃上生長一層厚度為200 nm的AZO層。然后將去除Al基底和阻擋層的AAO模板轉(zhuǎn)移到AZO表面，AAO模板孔徑為80 nm,孔深380 nm。在300 V下，在AAO模板上生長一層15 nm厚的AZO薄膜作為底電極。然后在300 1:下，生長一層10 nm厚的Al2O3薄膜作為介質(zhì)層，并在其上生長一層15 nm厚的AZO作為頂電極，此時(shí)納米孔洞已被填滿。然后繼續(xù)生長一層200 nm的AZO薄膜，作為頂電極的接觸層。用光刻加濕法刻蝕的方法將頂電極分開，形成100 MfflXlOO Mffl大小的器件陣列，即透明電容器。圖2為納米電容器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3-4分別為雙通AAO模板的截面和俯視的掃面電鏡圖。從圖中可以看出，納米孔洞下面不存在阻擋層，為雙通結(jié)構(gòu)，納米孔洞陣列分布均勻且高度有序。圖5為本實(shí)施例制備的基于納米結(jié)構(gòu)的透明電容器的截面掃描電鏡照片，從圖中可以看出，AAO納米孔洞已被完全填滿，相鄰孔間的柱狀結(jié)構(gòu)變粗。這就說明器件結(jié)構(gòu)已經(jīng)成功的生長在了 AAO模板上。圖6為器件的透射譜，其在400?800 nm的波長范圍內(nèi)平均透射率超過了 80%，展示出了非常好的透光性。圖7為器件的電容密度隨頻率變化的關(guān)系圖，可以看出該器件在I KHz到100 KHz的頻率范圍內(nèi)，電容密度維持在37 fF/Mm2保持不變，展示出良好的低頻及高頻介電性能。圖8為器件的漏電流密度隨電壓的變化圖，可以看出漏電流密度在I V時(shí)只有1.7X 10_7 A/cm2，滿足當(dāng)前透明電路中電容器工作的基本要求。
[0038]實(shí)施例3
在500 1:下，在2英寸的玻璃上生長一層厚度為400 nm的AZO層。然后將去除Al基底和阻擋層的AAO模板轉(zhuǎn)移到AZO表面，AAO模板孔徑為300 nm,孔深500 nm。在500 V下，在AAO模板上生長一層50 nm厚的AZO薄膜作為底電極。然后在500 1:下，生長一層50 nm厚的Al2O3薄膜作為介質(zhì)層，并在其上生長一層50 nm厚的AZO作為頂電極，此時(shí)納米孔洞已被填滿。然后繼續(xù)生長一層400 nm的AZO薄膜，作為頂電極的接觸層。用光刻加濕法刻蝕的方法將頂電極分開，形成100 MfflXlOO Mffl大小的器件陣列，即透明電容器。
[0039]實(shí)施例4
在450 1:下，在2英寸的玻璃上生長一層厚度為300 nm的ITO層。然后將去除Al基底和阻擋層的AAO模板轉(zhuǎn)移到ITO表面，AAO模板孔徑為300 nm，孔深500 nm。在450 V下，在AAO模板上生長一層50 nm厚的ITO薄膜作為底電極。然后在450 1:下，生長一層50 nm厚的Al2O3薄膜作為介質(zhì)層，并在其上生長一層50 nm厚的ITO作為頂電極，此時(shí)納米孔洞已被填滿。然后繼續(xù)生長一層300 nm的ITO薄膜，作為頂電極的接觸層。用光刻加濕法刻蝕的方法將頂電極分開，形成100 MfflXlOO Mffl大小的器件陣列，即透明電容器。
[0040]實(shí)施例5
在300 1:下，在2英寸的玻璃上生長一層厚度為200 nm的AZO層。然后將去除Al基底和阻擋層的AAO模板轉(zhuǎn)移到AZO表面，AAO模板孔徑為80 nm,孔深170 nm。在300 V下,在AAO模板上生長一層15 nm厚的AZO薄膜作為底電極。然后在300。(^下，生長10 nm的Al203/Ti02/Al203疊層結(jié)構(gòu)，其中Al2O3層的厚度為2.5 nm，T12層的厚度為5 nm。在300 1:下，生長一層15 nm厚的AZO作為頂電極，此時(shí)納米孔洞已被填滿。然后繼續(xù)生長一層200 nm的AZO薄膜，作為頂電極的接觸層。用光刻加濕法刻蝕的方法將頂電極分開，形成100 MmXlOO Mm大小的器件陣列。經(jīng)測(cè)試,此疊層結(jié)構(gòu)介質(zhì)層的相對(duì)介電常數(shù)達(dá)到20，即透明電容器。
[0041]實(shí)施例6
在300 1:下，在2英寸的玻璃上生長一層厚度為200 nm的AZO層。然后將去除Al基底和阻擋層的AAO模板轉(zhuǎn)移到AZO表面，AAO模板孔徑為80 nm,孔深170 nm。在300 V下,在AAO模板上生長一層15 nm厚的AZO薄膜作為底電極。然后在500。(^下，生長10 nm的金紅石相T12 (k值為180)薄膜作為介質(zhì)層。在300 1:下，生長一層15 nm厚的AZO作為頂電極，此時(shí)納米孔洞已被填滿。然后繼續(xù)生長一層200 nm的AZO薄膜，作為頂電極的接觸層。用光刻加濕法刻蝕的方法將頂電極分開，形成100 MmXlOO Mm大小的器件陣列，即透明電容器。
[0042]實(shí)施例7
在300 1:下，在2英寸的玻璃上生長一層厚度為200 nm的AZO層。然后將去除Al基底和阻擋層的AAO模板轉(zhuǎn)移到AZO表面，AAO模板孔徑為80 nm,孔深170 nm。在300 V下,在AAO模板上生長一層15 nm厚的AZO薄膜作為底電極。然后在300。(^下，生長10 nm的Y2O3 (k值為15)薄膜作為介質(zhì)層。在300 1:下，生長一層15 nm厚的AZO作為頂電極，此時(shí)納米孔洞已被填滿。然后繼續(xù)生長一層200 nm的AZO薄膜，作為頂電極的接觸層。用光刻加濕法刻蝕的方法將頂電極分開，形成100 MmXlOO Mm大小的器件陣列，即透明電容器。
[0043]實(shí)施例8
在300 1:下，在2英寸的玻璃上生長一層厚度為200 nm的AZO層。然后將去除Al基底和阻擋層的AAO模板轉(zhuǎn)移到AZO表面，AAO模板孔徑為80 nm,孔深170 nm。在300 V下,在AAO模板上生長一層15 nm厚的AZO薄膜作為底電極。然后在300。(^下，生長10 nm的HfO2 (k值為22)薄膜作為介質(zhì)層。在300 1:下，生長一層15 nm厚的AZO作為頂電極，此時(shí)納米孔洞已被填滿。然后繼續(xù)生長一層200 nm的AZO薄膜，作為頂電極的接觸層。用光刻加濕法刻蝕的方法將頂電極分開，形成100 MmX 100 Mm大小的器件陣，即透明電容器。
【權(quán)利要求】
1.一種基于納米結(jié)構(gòu)的透明電容器的制備方法，其特征在于包括如下步驟: (1)于100?5001:下，在石英玻璃襯底上生長厚度為50?400 nm的AZO或ITO薄膜作為底電極的接觸層； (2)將去除Al基底和阻擋層的AAO模板轉(zhuǎn)移到步驟(I)制備的AZO或ITO薄膜表面上； (3)于100?5001:下，在經(jīng)步驟(2)轉(zhuǎn)移后的AAO模板上依次生長作為底電極的ITO或AZO薄膜，作為介質(zhì)層的高k材料層，作為頂電極的厚度為5?50 nm的AZO或ITO薄膜； (4)于100?5001:下，在步驟(3)制備的頂電極上生長AZO或ITO薄膜作為頂電極的接觸層； (5)對(duì)步驟(3)制備的頂電極和步驟(4)制備的頂電極的接觸層進(jìn)行光刻，濕法腐蝕，形成器件，即得基于納米結(jié)構(gòu)的透明電容器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于納米結(jié)構(gòu)的透明電容器的制備方法，其特征在于:所述步驟(2)中的AAO模板的孔徑為30?300 nm，孔深為100?500 nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于納米結(jié)構(gòu)的透明電容器的制備方法，其特征在于:所述步驟(3)中的底電極的厚度為5?50 nm,介質(zhì)層的厚度為5?50 nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于納米結(jié)構(gòu)的透明電容器的制備方法，其特征在于:所述步驟(4)中的頂電極的接觸層的厚度為50?400 nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1?4任一項(xiàng)所述一種基于納米結(jié)構(gòu)的透明電容器的制備方法，其特征在于:所述高k材料層的k值為8?180。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述一種基于納米結(jié)構(gòu)的透明電容器的制備方法，其特征在于:所述聞k材料層為Al2O3層、Y2O3層、HfO2層、T12層的一層或幾層。
7.一種利用權(quán)利要求1?6任一項(xiàng)所述方法制備的基于納米結(jié)構(gòu)的透明電容器。
【文檔編號(hào)】H01G4/33GK104361995SQ201410488860
【公開日】2015年2月18日 申請(qǐng)日期:2014年9月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月23日
【發(fā)明者】劉昌 , 張國禎, 吳昊 申請(qǐng)人:武漢大學(xué)