基于掺杂PN区与高介电常数层的新型高压超级电容的制作方法

基于掺杂pn区与高介电常数层的新型高压超级电容
技术领域
1.本发明涉及电容技术领域，尤其涉及一种基于掺杂pn区与高介电常数层的新型高压超级 电容。


背景技术：

2.随着电子工业的高速发展，迫切要求开发击穿电压高、损耗小、体积小、可靠性高的高 压陶瓷电容器。近20多年来，国内外研制成功的高压陶瓷电容器已经广泛应用于电力系统、 激光电源、磁带录像机、彩电、电子显微镜、复印机、办公自动化设备、宇航、导弹、航海 等方面。
3.目前高压陶瓷电容器通常采用平板电容的方式实现，在两个电极之间加入介质层实现电 荷储能。其中，提高介质层的介电常数是提高电容值的途径之一，例如采用钛酸钡基陶瓷材 料作为介质层，但是单纯应用这些陶瓷材料对于电容值的提升仍然有限，面对电网级别的储 能以及未来的大容量储能的电动汽车来说，都还远远不够。


技术实现要素：

4.以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制权利要求的保护范围。
5.本发明实施例提供了一种基于掺杂pn区与高介电常数层的新型高压超级电容，能够提高 电容器的电压耐性以及储电容量。
6.本发明实施例提供了一种基于掺杂pn区与高介电常数层的新型高压超级电容，包括两个 电极，两个电极之间设置有介质层，所述介质层依次设置有n型掺杂介质层、由高介电常数 材料制成的绝缘陶瓷层和p型掺杂介质层，所述n型掺杂介质层和所述p型掺杂介质层通过 对轻掺杂的硅片进行三重扩散工艺掺杂后制成，从所述电极往所述绝缘陶瓷层的方向，所述 n型掺杂介质层和所述p型掺杂介质层的掺杂浓度由重掺杂浓度开始递减。
7.本发明实施例提供的基于掺杂pn区与高介电常数层的新型高压超级电容，至少具有如下 有益效果：通过三重扩散技术对更大层厚的pn区进行重掺杂，得到掺杂浓度从高到低分布的 n型掺杂介质层和p型掺杂介质层，由于n型掺杂介质层和p型掺杂介质层形成了大规模的 空间电荷区，形成体电荷，因此相对于常规平板电容的面电荷分布方式，本发明实施例的电 容器具有更大的电荷容量，实现法拉级的电容值，并且，pn区大规模的空间电荷区分散了绝 缘陶瓷层区域的电力线，大大提高了电容器的击穿耐压；另外，通过设计n型掺杂介质层和 p型掺杂介质层的掺杂方式，调整电容器的电荷分布，可以得到不同电容值的电容器，相对 于常规平板电容无法改变掺杂浓度而无法自由设计电容值来说，具有很大的工业生产优势； 因此，采用本发明实施例的高压超级电容器，能够满足大容量高耐压的行业需求。
8.在一实施例中，所述n型掺杂介质层和/或所述p型掺杂介质层由多层掺杂介质层堆叠而 成，所述多层掺杂介质层随着堆叠高度的不同具有不同的掺杂浓度。
9.在一实施例中，所述n型掺杂介质层和/或所述p型掺杂介质层的重掺杂区域由经过三重 扩散工艺掺杂的碎晶压紧而成，所述碎晶为纳米尺度的重掺杂材料。
10.在一实施例中，所述n型掺杂介质层和所述p型掺杂介质层的掺杂浓度递减的方式为分 层递减或者渐进递减。
11.在一实施例中，所述n型掺杂介质层和所述p型掺杂介质层分为重掺杂浓度区域和中掺 杂浓度区域。
12.在一实施例中，所述电极通过蒸发镀膜或者溅射镀膜的方式形成在所述介质层表面。
13.在一实施例中，还包括石墨烯层，所述石墨烯层设置在所述电极和所述介质层之间。
14.在一实施例中，所述n型掺杂介质层和所述p型掺杂介质层中重掺杂区域的掺杂浓度为 10
19-10
20
个每立方厘米。
15.在一实施例中，所述绝缘陶瓷层采用钛酸钡基陶瓷材料或钛酸铅系材料。
16.在一实施例中，所述介质层的外部包裹有用于提供刚性支撑的封闭膜。
17.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而 易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书 以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
18.附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的 示例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。
19.图1是本发明一个实施例提供的基于掺杂pn区与高介电常数层的新型高压超级电容的结 构图；
20.图2是本发明另一个实施例提供的基于掺杂pn区与高介电常数层的新型高压超级电容的 结构图；
21.图3是本发明另一个实施例提供的基于掺杂pn区与高介电常数层的新型高压超级电容的 结构图。
具体实施方式
22.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发 明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于 限定本发明。
23.本技术的说明书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在) 是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据 在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施例，例如能够以除了在这里图示或描 述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于 覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或装置不必 限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、 产品或装置固有的其他步骤或单元。
24.应当理解，在本技术中，“至少一个(项)”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个 以上。“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“a和/或b
”ꢀ
可以表示：只存在a，只存在b以及同时存在a和b三种情况，其中a，b可以是单数或者复 数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似 表达，是指这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c 中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，“a和b”，“a和c”，“b和c”，或“a和b和c”， 其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。
25.应当理解，在本技术实施例的描述中，多个(或多项)的含义是两个以上，大于、小于、 超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。
26.目前常规的陶瓷电容在一对电极板之间设置有介质层，为了保证介质层掺杂均匀程度， 介质层通常较薄，这样就限制了陶瓷电容的电容值的提高，业内为了提高单个陶瓷电容的电 容值，相关技术是采用多层陶瓷电容器，简称mlcc(multi-layer ceramic capacitor)，设 置有并排的多个内电极，相邻的两个内电极之间都设置有陶瓷介质膜片，经过一次性高温烧 结形成陶瓷芯片电容。mlcc虽然在一定程度上提高了单个电容器的电容值，但是在内部结构 不进行革新的情况下，mlcc的电容值的增大受到体积的影响，无法提高集成度，并且也不适 于强电场充放电的场景，这对于未来在电网级别的储能方案以及大容量储能的电动汽车来说， 目前的电容器都未能满足要求。
27.基于此，本发明实施例提供了一种基于掺杂pn区与高介电常数层的新型高压超级电容， 通过加厚介质层并结合三重扩散，形成体电荷分布的电容结构，同时还采用高介电常数的陶 瓷材料层，增大电容器的耐压程度，实现强电场下的高容量储能。
28.参照图1，本发明实施例提供了一种基于掺杂pn区与高介电常数层的新型高压超级电容， 包括两个电极，两个电极之间设置有介质层，所述介质层依次设置有n型掺杂介质层、由高 介电常数材料制成的绝缘陶瓷层和p型掺杂介质层，所述n型掺杂介质层和所述p型掺杂介 质层通过对轻掺杂的硅片进行三重扩散工艺掺杂后制成，从所述电极往所述绝缘陶瓷层的方 向，所述n型掺杂介质层和所述p型掺杂介质层的掺杂浓度由重掺杂浓度开始递减。
29.两个电极成对设置，电极之间设置介质层，参照图1中的结构，作为本发明的一个实施 例，从上往下，分别设置有第一电极层、n型掺杂介质层、绝缘陶瓷层、p型掺杂介质层和第 二电极层，第一电极层和第二电极层构成一对电极，其中绝缘陶瓷层由高介电常数材料制成， 高介电常数材料具有耐高压的特性，例如由钛酸钡材料制成的超细钛酸钡层，其介电常数可 以达到5000，又或者采用钛酸铅系材料或其他高介电常数的材料。另外，n型掺杂介质层和 p型掺杂介质层通过对轻掺杂的硅片进行三重扩散工艺掺杂后制成，n型掺杂介质层和p型掺 杂介质层具有相对于常规平板电容器更高的层厚，例如n型掺杂介质层和p型掺杂介质层的 层厚为1厘米，而常规平板电容器通常为10微米尺度，由于n型掺杂介质层和p型掺杂介质 层的层厚超过10微米很多，如果采用常规的掺杂技术，掺杂深度只有10微米，余下的厚度 没有形成有效的空间电荷区，影响最终电容器的电容值，因此本发明实施例采用了三重扩散 技术加大掺杂深度，可以实现更大的硅片掺杂深度，使得整个n型掺杂介质层和p型掺杂介 质层都形成了空间电荷区。
30.上述通过三重扩散工艺进行重掺杂的过程中，通过控制掺杂深度和浓度，可以在n
型掺 杂介质层和p型掺杂介质层得到不同的储电容量，实现电荷分布可控、可被设计；因此面对 不同的应用场景，设计人员可以根据需求为n型掺杂介质层和p型掺杂介质层设计不同的储 电容量，从而提高产品对不同场景的适应性。
31.由于n型掺杂介质层和p型掺杂介质层的厚度相对常规电容器的介质层变大，形成了大 规模的空间电荷区，因此本发明实施例的电容器内部以体电荷的方式进行储能，提高了电荷 容量，同时还改变了电荷分布，分散了施加在绝缘陶瓷层区域的电力线，降低了绝缘陶瓷层 的击穿电场强度，形成高压超级电容器。
32.应该注意的是，上述n型掺杂介质层和p型掺杂介质层都是非均匀掺杂的，例如三重扩 散工艺从电极所在的一侧开始加工，使得n型掺杂介质层和p型掺杂介质层的掺杂浓度往绝 缘陶瓷层的一侧逐渐减少；这样，使得n型掺杂介质层与电极接触的一侧为重掺杂，接近绝 缘陶瓷层的一侧为中掺杂或者轻掺杂，而p型掺杂介质层同样，也是与电极接触的一侧为重 掺杂，接近绝缘陶瓷层的一侧为中掺杂或者轻掺杂。其中，重掺杂区域的掺杂浓度(电子或 者空穴)可以为10
19-10
20
个每立方厘米。
33.其中，n型掺杂介质层和p型掺杂介质层基于三重扩散工艺，在生产过程中可以以多种 方式制得，下面举出三种不同制成方式：
34.第一种制成方式是基于轻掺杂的一体化硅片，该硅片作为一个整体具有较大的厚度(例 如上述1厘米)，在生产过程中直接对该硅片进行三重扩散掺杂，使得该硅片一侧为重掺杂， 另一侧为中掺杂或轻掺杂。
35.第二种制成方式是将pn区进行分层，以n型掺杂介质层为例，将按照层厚划分得到若干 细化的小层，每小层具有对应的掺杂浓度，靠近一侧的小层的掺杂浓度较高，靠近另一侧的 小层的掺杂浓度较低，最后按照掺杂浓度的大小关系叠加各个小层形成n型掺杂介质层。这 一制成方式是由于高掺杂区域有可能受到三重扩散工艺的限制，无法对更高厚度的硅片进行 掺杂，因此考虑对多个小层进行三重扩散得到多个重掺杂小层，从而通过小层的叠加形成n 型掺杂介质层；至于p型掺杂介质层同样，在此不再重复一次。例如，参照图2示出的一个 简单的实施例，在n型掺杂介质层中划分出n型重掺杂区域和n型轻掺杂区域，在p型掺杂 介质层中划分出p型重掺杂区域(1厘米)和p型轻掺杂区域(1厘米)，n型重掺杂区域和p 型重掺杂区域均为0.5厘米，两者靠近电极层，n型轻掺杂区域和p型轻掺杂区域均为0.5 厘米，两者靠近绝缘陶瓷层。
36.第三种制成方式是采用压紧碎晶的方式制成pn区的重掺杂区域，例如将硅片先经过三重 扩散工艺重掺杂之后，粉碎成为纳米晶，纳米晶压紧形成pn区的重掺杂区域。
37.对于pn区的掺杂浓度变化的方式，可以是分层递减或者渐进递减。具体来说，分层递减 相当于pn区从宏观上看划分有明显不同掺杂浓度的多个层，相邻两个层之间的掺杂浓度是断 层的；渐进递减相当于pn区从宏观上看从一侧往另一侧的掺杂浓度是逐渐变化的，掺杂浓度 在变化过程中没有出现明显断层。
38.可以理解的是，上述电极层可以通过蒸发镀膜或者溅射镀膜的方式在pn的表面形成。而 pn区的边缘可以通过激光切割等方式平整其表面，pn区表面可以包裹有用于进行刚性支撑的 封闭膜(例如，可硬化的固定支撑胶等)。
39.参照图3，为了提高电容器的电极的导电特性，可以在电极和介质层之间添加石墨烯层， 例如在n型掺杂介质层表面添加石墨烯层，再在石墨烯层上添加电极层，在p型掺杂
介质层 表面添加石墨烯层，再在石墨烯层上添加电极层。可以理解的是，这一对电极中可以选其中 一个电极添加石墨烯层，也可以两个电极都添加石墨烯层。
40.本发明实施例也可以按照mlcc的结构制成多层陶瓷电容器，mlcc中相邻两个电极分别 是正极和负极，正极和负极之间为介质层，因此复用多个本发明实施例的结构可以得到多层 陶瓷电容器。
41.综上可知，通过调整pn区掺杂浓度的分布、调整pn区的体积大小、调整绝缘陶瓷层的 厚度和材料可以设计得到不同电容值的电容器，可设计性相比常规电容器具有很大的提升； 由于本发明实施例的电容器为体电荷储能 非均匀掺杂浓度 高介电常数的绝缘陶瓷层，可以 把电容容量提高到法拉级，满足电网级别的储能以及未来的大容量储能的电动汽车的需求。
42.以上是对本技术的较佳实施进行了具体说明，但本技术并不局限于上述实施方式，熟悉 本领域的技术人员在不违背本技术精神的前提下还可作出种种的等同变形或替换，这些等同 的变形或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。