CN105914201A - 一种石墨烯片上可调电感及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种石墨烯片上可调电感及其制造方法，包括石墨烯线圈层、绝缘介质层、电极控制层、以及衬底，石墨烯线圈层为片上电感的主体部分，设于衬底上方；绝缘介质层覆盖在石墨烯线圈层上；电极控制层位于绝缘介质层上并处于石墨烯线圈正上方；通过电极控制层在石墨烯线圈上施加可变栅压，石墨烯线圈层的电感值随之发生改变；首先在催化膜上生长出层状石墨烯；然后将层状石墨烯转移至衬底上；将石墨烯膜图形化成石墨烯电感线圈；在石墨烯电感线圈上淀积一层的绝缘介质层；在绝缘介质层上沉积一层导电膜；将绝缘介质层上的导电膜刻蚀成与石墨烯电感线圈尺寸一致的线圈结构，本发明电感值连续可调，其可调范围大、电调速度快，工作稳定性好。
Description
技术领域
本发明属于微电子器件技术领域，特别涉及一种石墨烯片上可调电感及其制造方法。
背景技术
片上电感是射频集成电路的基础无源元件，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。随着信息技术的进步，无线通信系统不断向小型化、低功耗、高频化、多模式方向发展。如何在多模式要求下保持小型化、低功耗优势是多模式通信系统得以持续发展的关键。最有效的解决方法之一是在射频集成电路中使用片上可调电感。此外，片上可调电感的使用可实现阻抗匹配优化，提高无线通信电路整体性能。因此，无线通信技术的发展对片上可调电感有着强烈的需求。
目前，片上可调电感主要分为以下四类。第一类是由电阻、电容以及运算放大器等部件组成、并通过一系列电路的设计实现的有源可调电感，该类可调电感采用标准的微电子工艺制备，体积小，易于集成，但存在电感量调节范围小、电调速度低、频带宽度窄、线性度差、噪声大、频率低等限制。第二类是在片上电感线圈中插人高频软磁磁芯，通过可变的附加磁场调节磁芯的起始磁导率，从而影响电感性能参数实现可调。这类可调片上电感在低频下具有宽调谐范围和高品质因数，但在高频下受磁介质材料的限制品质因数下降很快，而且工作频率很难达到毫米波频段，极大限制了其在无线通信电路中的应用。第三类是采用MOSFET开关或RF MEMS开关改变电感线圈有效工作长度，达到调谐电感值的目。其中，采用MOSFET开关的可调无源电感没附加可动件，可采用微电子工艺制备，体积小，易于集成，但由于MOSFET开关产生的损耗存在电感Q值不高且无法连续可调等缺陷；采用RF MEMS开关的可调电感具有可调率大、Q值高的优点，但附加的MEMS开关占据了大量的片上面积，不易于集成，而且只能实现离散的可调值，限制了其在射频集成电路中的应用。第四类是通过调节工作线圈与辅助线圈、可动金属板、可动磁芯之间的互感来获得良好的调谐效果。这类可调电感在Q值、可调率及连续可调上能满足射频集成电路的应用要求，但结构复杂，通常带有可动件，工作稳定性差、在封装及集成工艺上存在成本过高的问题。例如，北京大学提出的专利申请“静电驱动导体薄膜的MEMS可调电感及制备方法”（专利申请号：200910080540.4，专利公开号CN 101577174A）公开了一种静电驱动MEMS可调电感，该专利申请采用静电驱动使可动导体薄膜与电感线圈之间距离发生变化，相应改变了可动导体薄膜与电感线圈之间的互感，达到调节电感值的目的，具有连续可调、Q值高的特点。但该专利申请存在明显的不足：首先是结构复杂，包括固定极板、V型槽、可动导体薄膜和悬浮电感线圈，其中既有可动件又有空腔、悬浮结构，导致制备工艺复杂，成本高，难以集成到为平面结构的集成电路中；其次是通过可动导体薄膜调节电感值，对可动薄膜力学、材料性能要求高，薄膜容易开裂发生失效，工作稳定性差；最后是因采用了MEMS结构，无法采用低廉的塑封工艺，因而封装成本高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种石墨烯片上可调电感，该电感具有连续可调及可调范围大、电调速度高、应用频带宽、体积小、稳定性好、易于集成、成本低等优点。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种石墨烯片上可调电感，包括石墨烯线圈层、绝缘介质层、电极控制层、以及衬底，其特征在于：所述石墨烯线圈层为片上电感的主体部分，设于衬底上方；所述绝缘介质层覆盖在石墨烯线圈层上；所述电极控制层为片上电感的控制部分，位于绝缘介质层上并处于石墨烯线圈正上方；通过电极控制层在石墨烯线圈上施加可变栅压，石墨烯线圈层的电感值随之发生改变。
作为优选，所述衬底采用柔性绝缘介质、刚性绝缘基片或半导体基片。
作为优选，所述柔性绝缘介质为PET膜，所述刚性绝缘基片为石英片，所述半导体基片为硅片。
作为优选，所述半导体基片制成的衬底与石墨烯线圈层之间采用绝缘介质层进行隔离，所述绝缘介质层为二氧化硅。
作为优选，所述石墨烯线圈层采用掺杂异物的石墨烯膜或纯净的石墨烯膜制成，所述石墨烯膜的层数为1-9层。
作为优选，所述绝缘介质层采用高介电常数的绝缘材料制成，所述高介电常数的绝缘材料为如HfO2，所述绝缘介质层厚度为10nm-100nm。
作为优选，所述电极控制层为高电导性材料制成，所述高电导性材料为铜或铝，所述电极控制层厚度为1-2um。
一种石墨烯片上可调电感制造方法，其特征在于，包含以下步骤：
一、通过气相沉积法在催化膜上生长出层状石墨烯；
二、通过采用石墨烯转移工艺将催化膜上的层状石墨烯转移至衬底上；
三、采用光刻工艺和等离子体刻蚀工艺将转移至衬底上的石墨烯膜图形化成石墨烯电感线圈；
四、采用薄膜沉积工艺在有石墨烯电感线圈的衬底上淀积一层的绝缘介质层；
五、采用薄膜沉积工艺在绝缘介质层上沉积一层导电膜；
六、采用光刻工艺和湿法刻蚀工艺将绝缘介质层上的导电膜刻蚀成与石墨烯电感线圈尺寸一致的线圈结构,并位于石墨烯电感线圈的正上方，形成电极控制层，至此完成石墨烯片上可调电感的制作。
作为优选，所述催化膜为铜箔、铜箔或者Cu膜。
本发明的基本原理是石墨烯动态电感与石墨烯电子输运状态相关，而石墨烯电子输运状态可通过栅压进行调节，因此，采用石墨烯作为片上电感的导电线圈，在石墨烯线圈上依次沉积绝缘介质层和电极控制层，通过电极控制层向石墨烯线圈施加栅压，改变栅压调节石墨烯电子输运状态，使石墨烯线圈动态电感随之改变，实现石墨烯片上电感的电感值可调。
本发明的优点在于：
（1）采用变化幅值大、连续、高频的栅压信号调节石墨烯动态电感，本发明可调电感可实现电感值连续、大范围、快速可调，且石墨烯电感工作频率可达到几十GHz以上，因而本发明可调电感具有频带宽的特点；
（2）本发明的可调电感无可动部件，不存在力学上的隐患，且控制调节源为稳定可控的电压信号，因此本发明可调电感工作稳定性好；
（3）本发明可调电感为集成电路中常见的平面螺旋结构，无MEMS结构，尺寸小，结构简单，采用标准微电子工艺就可实现，易于应用到集成电路中，且封装成本低，具有很强的实用性。
附图说明
图1为本发明石墨烯片上可调电感结构示意图；
图2为本发明石墨烯片上可调电感的电感值与栅压关系图。
其中，1-衬底；2-石墨烯电感线圈；3-绝缘介质层；4-电极控制层。
具体实施方式
如图1所示，本发明提供了一种石墨烯片上可调电感，包括石墨烯线圈层2、绝缘介质层3、电极控制层4、以及衬底1，所述石墨烯线圈层2为片上电感的主体部分，设于衬底1上方；所述绝缘介质层3覆盖在石墨烯线圈层2上；所述电极控制层4为片上电感的控制部分，位于绝缘介质层3上并处于石墨烯线圈2正上方；通过电极控制层4在石墨烯线圈2上施加可变栅压，石墨烯线圈层2的电感值随之发生改变。
所述衬底1采用柔性绝缘介质，如PET膜；或者刚性绝缘基片，如石英片；或者半导体基片，如硅片。
所述半导体基片制成的衬底1与石墨烯线圈层2之间采用绝缘介质层进行隔离，如二氧化硅等。
所述石墨烯线圈层2采用掺杂异物的石墨烯膜或纯净的石墨烯膜制成，所述石墨烯膜的层数为1-9层。
所述绝缘介质层3采用高介电常数的绝缘材料制成，所述高介电常数的绝缘材料为如HfO2，所述绝缘介质层3厚度为10nm-100nm。
所述电极控制层4为高电导性材料制成，所述高电导性材料为铜或铝，所述电极控制层4厚度为1-2um。
下面结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述，以下实施例并不构成对本发明的限定。
实施例1
1）准备一片PET膜，清洗，烘干；采用化学气相沉积法在镍箔上生长掺有氮杂质的九层石墨烯；采用石墨烯转移工艺将镍箔上的九层石墨烯转移至PET膜上；采用光刻工艺和等离子体刻蚀工艺将转移至PET膜上的石墨烯膜图形化成电感线圈；
2）采用原子层沉积工艺在有石墨烯电感线圈的PET膜上淀积一层20nm的HfO2层；采用电子束蒸发工艺在HfO2层上沉积一层1um厚的Al膜；采用光刻工艺和湿法刻蚀工艺将Al膜刻蚀成与石墨烯电感尺寸一致的线圈结构,并位于石墨烯电感线圈的正上方；
通过以上具体步骤，可实现本发明提供的石墨烯片上可调电感。
实施例2
1）准备一片石英片，清洗，烘干；采用化学气相沉积法在铜箔上生长单层石墨烯；采用石墨烯转移工艺将铜箔上的单层石墨烯转移至石英片上；采用光刻工艺和等离子体刻蚀工艺将转移至石英片上的石墨烯膜图形化成电感线圈；
2）采用原子层沉积工艺在有石墨烯电感线圈的石英片上淀积一层50nm的Al2O3层；采用电子束蒸发工艺在Al2O3层上沉积一层2um厚的Al膜；采用光刻工艺和湿法刻蚀工艺将Al膜刻蚀成与石墨烯电感尺寸一致的线圈结构,并位于石墨烯电感线圈的正上方；
通过以上具体步骤，可实现本发明提供的石墨烯片上可调电感。
实施例3
1）准备一片硅片，清洗，烘干，热氧化生长一层500nm厚的二氧化硅，采用溅射工艺在二氧化硅上方沉积一层500nm厚的Cu膜；
2）采用等离子增强化学气相沉积工艺在Cu膜上生长五层石墨烯；采用烯盐酸去除Cu膜，使石墨烯转移至二氧化硅上；采用光刻工艺和等离子体刻蚀工艺将转移至二氧化硅上的石墨烯膜图形化成电感线圈；
3）采用原子层沉积工艺在有石墨烯电感线圈的硅片上淀积一层100nm的Al2O3层；采用溅射工艺在Al2O3层上沉积一层1.5um厚的Cu膜；采用光刻工艺和湿法刻蚀工艺将Cu膜刻蚀成与石墨烯电感尺寸一致的线圈结构,并位于石墨烯电感线圈的正上方；
通过以上具体步骤，可实现本发明提供的石墨烯片上可调电感。
对于线宽为10um、外径为100um、单圈结构的单层石墨烯平面螺旋片上电感，片上可调电感的电感值与栅压关系如图2所示。
Claims (9)
1.一种石墨烯片上可调电感，包括石墨烯线圈层(2)、绝缘介质层(3)、电极控制层(4)、以及衬底(1)，其特征在于：所述石墨烯线圈层(2)为片上电感的主体部分，设于衬底(1)上方；所述绝缘介质层(3)覆盖在石墨烯线圈层(2)上；所述电极控制层(4)为片上电感的控制部分，位于绝缘介质层(3)上并处于石墨烯线圈(2)正上方；通过电极控制层(4)在石墨烯线圈(2)上施加可变栅压，石墨烯线圈层(2)的电感值随之发生改变。
2.如权利要求1所述的石墨烯片上可调电感，其特征在于：所述衬底(1)采用柔性绝缘介质、刚性绝缘基片或半导体基片。
3.如权利要求2所述的石墨烯片上可调电感，其特征在于：所述柔性绝缘介质为PET膜，所述刚性绝缘基片为石英片，所述半导体基片为硅片。
4.如权利要求3所述的石墨烯片上可调电感，其特征在于：所述半导体基片制成的衬底(1)与石墨烯线圈层(2)之间采用绝缘介质层进行隔离，所述绝缘介质层为二氧化硅。
5.如权利要求1所述的石墨烯片上可调电感，其特征在于：所述石墨烯线圈层(2)采用掺杂异物的石墨烯膜或纯净的石墨烯膜制成，所述石墨烯膜的层数为1-9层。
6.如权利要求1所述的石墨烯片上可调电感，其特征在于：所述绝缘介质层(3)采用高介电常数的绝缘材料制成，所述高介电常数的绝缘材料为如HfO2，所述绝缘介质层(3)厚度为10nm-100nm。
7.如权利要求1所述的石墨烯片上可调电感，其特征在于：所述电极控制层(4)为高电导性材料制成，所述高电导性材料为铜或铝，所述电极控制层(4)厚度为1-2um。
8.一种如权利要求1所述石墨烯片上可调电感制造方法，其特征在于，包含以下步骤：
一、通过气相沉积法在催化膜上生长出层状石墨烯；
二、通过采用石墨烯转移工艺将催化膜上的层状石墨烯转移至衬底(1)上；
三、采用光刻工艺和等离子体刻蚀工艺将转移至衬底(1)上的石墨烯膜图形化成石墨烯电感线圈(2)；
四、采用薄膜沉积工艺在有石墨烯电感线圈(2)的衬底(1)上淀积一层绝缘介质层(3)；
五、采用薄膜沉积工艺在绝缘介质层(3)上沉积一层导电膜；
六、采用光刻工艺和湿法刻蚀工艺将绝缘介质层(3)上的导电膜刻蚀成与石墨烯电感线圈尺寸一致的线圈结构,并位于石墨烯电感线圈的正上方，形成电极控制层(4)，至此完成石墨烯片上可调电感的制作。
9.如权利要求8所述一种石墨烯片上可调电感制造方法，其特征在于：所述催化膜为铜箔、铜箔或者Cu膜。
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