[发明专利]一种基于石墨烯/金属复合导线的片上电感及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子器件技术领域，特别涉及一种基于石墨烯/金属复合导线的片上电感及其制备方法。

背景技术

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、高抗电迁移、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，石墨烯具有高电子迁移率、高热导率、高电导率、高机械强度等优异的材料性能。在室温下，石墨烯理论上的电子迁移率达到200,000cm²/Vs，是硅的100倍以上，同时，其电阻率约为10^-6?·㎝，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(5000W·m^-1·K^-1)，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。

石墨烯是现有导电性最好、热导率最高的材料，并且在高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μm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。

发明内容

本发明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。

本发明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。

一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（1）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（1）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。