本发明专利技术公开了一种基于石墨烯/金属复合导线的片上电感及其制备方法，属于微电子器件技术领域。该片上电感包括衬底，衬底上设有由石墨烯/金属复合导线组成的电感线圈，所述石墨烯/金属复合导线包括金属导线及其外表面包裹的石墨烯膜。其制法为：（1）在衬底、转印有石墨烯的绝缘基片上或生长有二氧化硅的半导体基片上淀积金属膜，将金属膜刻蚀成金属电感线圈；（2）在金属电感线圈上覆盖石墨烯膜，即得基于石墨烯/金属复合导线的片上电感。其优点为：本发明专利技术提高了片上电感的品质因数、导热性、抗氧化能力、载流能力及高频工作性能，且单层石墨烯包覆在金属导线表面，对片上电感尺寸影响甚微，而且实现工艺简单，具有很强的实用性。
【技术实现步骤摘要】
【专利说明】
本专利技术属于微电子器件
，特别涉及。
技术介绍
片上电感是射频集成电路的基础无源元件，能实现电能到磁能的转换与存储，其广泛应用于低噪声放大器、压控振荡器、混频器、滤波器等各类射频前端模块中，构成无线通信电路的基础。在更高频率、更低功耗等应用的驱动下，射频电路需要更高性能的电路元件。然而，与快速发展的有源器件相比，片上电感的高频性能提升缓慢，电感品质因数通常低于10，导致电路频率稳定性差、噪声水平高等问题，使整个电路的性能大打折扣。这对于要求高性能、低损耗、低失真的射频集成电路而言十分不利。片上电感的品质因数主要由电感线圈材料的电学性能决定。目前，组成片上电感的线圈材料主要为铜、铝等高电导性金属导体。随着工作频率和电流密度的不断提升，金属导线内的高频阻抗及焦耳发热急剧增加，使片上电感的品质因数急剧下降，严重影响了电路的工作稳定性。因此，研发一种新的高电导率、高抗电迀移、散热好、高频性能稳定的导体替代现有电感材料是提升片上电感射频性能的有效方法。石墨烯是由碳原子基于单层结构形成的六角蜂窝状晶体，厚度只有0.344nm，是碳的一种新型二维同素异形体，是构筑高维度碳质材料的基本单元。由于其独特的原子结构，石墨稀具有尚电子迁移率、尚热导率、尚电导率、尚机械强度等优异的材料性能。在室温下，石墨稀理论上的电子迀移率达到200，000cm2/Vs,是娃的100倍以上，同时，其电阻率约为10 6Q.cm，比金属铜或银更低，是目前已知的在常温下导电性能最好的材料，导电密度是铜的一万倍。此外，石墨烯的理论比表面积高达2600m2/g，具有突出的导热性能(5000ff*m '-K1),是金刚石的3倍，并具有超强的机械性能(1060GPa)。这些优异的性能使其在纳米电子器件、液晶器件、传感器、能量存储、生物材料及复合材料等领域有光明的应用前景。石墨稀是现有导电性最好、热导率最尚的材料，并且在尚频下电阻基本不随频率变化，是一种非常理想的导体材料。然而，在实际应用中，具有最低电阻率的单层石墨烯由于厚度仅仅只有0.334nm，其方阻通常在几十欧以上，绝对电阻值比应用于片上电感的高维度金属导线(厚度通常在μπι以上)要高出几个数量级，因此，很难直接应用到现有片上电感中。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于石墨烯/金属复合导体的片上电感及其制备方法，该片上电感具有高品质因数，其制备方法简单易行。本专利技术的目的通过以下技术方案来实现: 一种基于石墨烯/金属复合导线的片上电感，包括衬底，衬底上设有由石墨烯/金属复合导线组成的电感线圈，所述石墨烯/金属复合导线包括金属导线及其外表面包裹的石墨烯膜；所述衬底为绝缘基片或半导体基片，当衬底为半导体基片时，衬底与电感线圈间设有绝缘介质层。所述包裹为全包裹或半包裹；所述金属导线的材料为电导率高于107s/m的高导电性金属；所述石墨烯膜为掺杂石墨烯膜或纯净的石墨烯膜，石墨烯膜的层数为一层到九层。所述高电导性金属为铜或铝；所述为掺杂石墨烯膜为掺杂硼或氮的石墨烯膜。所述绝缘基片为柔性绝缘基片或刚性绝缘基片。所述柔性绝缘基片为PET膜；刚性绝缘基片为石英片；半导体基片为硅片；绝缘介质层的材料为二氧化硅。—种制备上述基于石墨烯/金属复合导线的片上电感，包括如下步骤: (1)采用薄膜沉积工艺在衬底、转印有石墨烯的绝缘基片上或生长有二氧化硅的半导体基片上淀积一层金属膜，采用光刻工艺和刻蚀工艺将金属膜刻蚀成金属电感线圈； (2)在步骤(I)制备的金属电感线圈上覆盖石墨烯膜，即得基于石墨烯/金属复合导线的片上电感。上述方法还包括去除没有覆盖在金属电感线圈上的石墨烯膜。所述去除方法为光刻工艺和氧等离子体刻蚀工艺。所述步骤(I)中的薄膜沉积工艺为电子束蒸发工艺或磁控溅射法。所述步骤(2)中的覆盖石墨烯膜的方法为:原位生长法或转移法。一种基于石墨烯/金属复合导线的片上电感，位于衬底上方的片上电感采用石墨烯/金属复合导线作为电感线圈材料；石墨烯/金属复合导线由石墨烯膜包覆在金属导线表面组成，共同组成导电通道。基于石墨烯/金属复合导线的的片上电感制备方法，包括以下步骤: 1)采用化学气相沉积法在铜基底或镍基底上生长石墨烯膜； 采用薄膜沉积工艺和光刻工艺在衬底上制作基于金属导线的片上电感； 2)将石墨烯膜转移至步骤I)中制备有片上电感的衬底上； 3)采用光刻工艺和刻蚀工艺对经过步骤2)处理的石墨烯膜进行刻蚀，除覆盖在金属导线上的石墨烯膜外，其余石墨烯被刻蚀去除；石墨烯膜包覆在金属导线表面组成复合导线，形成基于石墨稀/金属复合导线的片上电感。基于石墨烯/金属复合导线的的片上电感制备方法，包括以下步骤: 1)采用薄膜沉积工艺和光刻工艺在衬底上制作基于金属导线的片上电感； 2)采用化学气相沉积法在步骤I)制备的金属导线线圈表面原位生长石墨烯层，石墨烯膜包覆在金属导线表面组成复合导线，形成基于石墨烯/金属复合导线的片上电感。所述金属导线为铜、铝等高电导性金属材料。所述石墨烯膜为掺杂异物的石墨烯或纯净的石墨烯，石墨烯膜的层数为一层到九层。所述衬底可采用柔性绝缘介质，如PET膜；或采用刚性绝缘基片，如石英片；或采用半导体基片，如硅片，但在半导体基片与片上电感间采用绝缘介质层进行隔离，如二氧化硅等。本专利技术的基本思想是将石墨烯与金属导线复合作为片上电感的线圈材料，在高维度金属导线保持电感线圈低电阻值的基础上，利用低维度石墨烯的高导电率进一步降低电感线圈的电阻值，从而提升片上电感的品质因数；同时，利用石墨烯的弱趋肤效应，在超高频段下复合导体的电阻值受频率的影响很小，有利于片上电感在超高频率下仍保持高品质因数。此外，石墨烯具有很高的热导率，复合在金属导体薄膜上可加强导体的散热，有利于保持片上电感的工作稳定性，进一步提高片上系统的集成度。本专利技术的有益效果:本专利技术以石墨烯/金属复合导线作为片上电感的线圈材料，可提尚片上电感的品质因数、导热性、抗氧化能力、载流能力及尚频工作性能，且单层石墨烯厚度仅为0.334nm，包覆在金属导线表面，对片上电感尺寸影响甚微，而且实现工艺简单，具有很强的实用性。由于石墨烯具有高电导率，与金属导线复合后可降低导线的电阻，应用于片上电感能有效提升片上电感的品质因数。同时，由于石墨烯属于低维度材料，其电阻受频率变化的影响较小，在超高工作频率下，石墨烯稳定的电导性可有效保障片上电感在射频频段内的工作可靠性，特别适用于射频集成电路。【附图说明】图1为本专利技术实施例1与实施例2制备的石墨烯/金属复合导线的结构示意图；图2为本专利技术实施例1与实施例2中的基于石墨烯/金属复合导线的片上电感制备工艺流程图； 图3为本专利技术实施例3中基于石墨烯/金属复合导线的片上电感制备工艺流程图；...
【技术保护点】
一种基于石墨烯/金属复合导线的片上电感，其特征在于：包括衬底，衬底上设有由石墨烯/金属复合导线组成的电感线圈，所述石墨烯/金属复合导线包括金属导线及其外表面包裹的石墨烯膜；所述衬底为绝缘基片或半导体基片；当衬底为半导体基片时，衬底与电感线圈间设有绝缘介质层。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：刘锋，王国平，刘胜，丁文，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。