一種全碳同軸線及其製備方法
2023-05-08 06:55:01
一種全碳同軸線及其製備方法
【專利摘要】本發明公開了一種全碳同軸線及其製備方法，屬於集成電路【技術領域】。本發明利用石墨烯為單原子層厚，將石墨烯卷作圓柱體，構成半徑很小（可以小到nm級別）的同軸線的內導體，同軸線內導體傳導電流，同時，用單層或多層石墨烯來做同軸線的外導體構成電磁波在空間中的邊界，利用氧化石墨來做內導體和外導體之間的介質材料，約束、引導電磁波能量的定向傳輸。本發明製得的同軸線的尺寸非常小，可以適用於射頻、微波集成電路。
【專利說明】一種全碳同軸線及其製備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於集成電路【技術領域】，具體涉及一種全碳同軸線及其製備方法。
【背景技術】
[0002]集成電路中用於電晶體間相互連接的線稱為互連，在直流或低頻情形下，不需要考慮互連線的分布效應和場效應。隨著數字電路時鐘速度、射頻及微波電路工作頻率的不斷提升，這時不僅需要考慮互連線的分布效應，而且信號的能量除了包括導線內部電子運動的動能外，還包括導線周圍空間中的電磁場能量，導線上的電流和周圍空間或介質內的電磁場相互制約，使電磁能量在導線附近的電磁場中沿一定方向傳播。如果仍然使用傳統的互連線來傳輸高頻信號則會導致信號的損耗、畸變過大。選擇更合適的互連結構——傳輸線，則能獲得仍有效工作於射頻、微波頻段的互連線。相較於傳統的點對點互連線，傳輸線具有信號畸變更小、電磁輻射更少和串擾更少的優點，因而更適於高頻下的信號傳輸。除了用於連接集成電路中的器件之外，傳輸線還廣泛用於構成微波電路元件，如阻抗變換器、功分器、濾波器、諧振器、變壓器、定向耦合器等。傳輸線的種類有很多，例如:平行雙導線、同軸線、帶狀線、微帶線、共面波導等。不同的工作頻段，可以選擇不同類型的傳輸線，選擇的基本要求是:損耗小、效率高；尺寸合理、功率容量大；工作頻帶寬；尺寸小且均勻、結構簡單易加工。
[0003]目前用金屬(銅、鋁、鎢、金等)來製備傳輸線存在著一些影響電路性能和可靠性的問題:(1)有的金屬導體(如銅)需要額外澱積一層擴散阻擋層，而阻擋層材料的電阻率通常很高，這會引起傳輸線的總電阻增加(導致電路RC延遲、導體熱損耗的增加)，另外這層阻擋層還佔用了傳輸線導體近20%的寬度，在導體平整化的過程中還會引起導體表面的凹陷，這會進一步增加導體的總電阻；(2)隨著互連尺寸的減小，傳輸線中金屬導體的截面與電子的平均自由程(?40nm)會處於同一數量級，這將大大增加導體表面和晶界對電子的散射，引起導體電阻的增加；(3)在金屬線上較長時間地通過電流會引起金屬離子的移動(電遷移效應)，這最終會導致導線的斷裂或與另一條導線的短路，造成電路的失效(電遷移的發生率取決於溫度、晶體結構和平均電流密度)；(4)隨著信號頻率的升高，金屬導體的趨膚效應也會導致導體電阻的增加、信號的衰減。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在於提出一種尺寸非常小的全碳同軸線及其製備方法。
[0005]本發明的技術方案如下:
[0006]本發明利用石墨烯單原子層厚這一結構特點，將石墨烯卷作圓柱體，構成半徑很小(可以小到nm級別)的同軸線的內導體，用石墨烯捲來做同軸線的內導體傳導電流，同時，用單層或多層石墨烯來做同軸線的外導體構成電磁波在空間中的邊界，利用氧化石墨來做內導體和外導體之間的介質材料，約束、引導電磁波能量的定向傳輸。
[0007]本發明全碳同軸線能夠適用於射頻、微波集成電路。[0008]本發明全碳同軸線的製備方法，包括以下步驟:
[0009](I)製備單層或多層石墨烯；
[0010](2)把單層或多層石墨烯捲曲成圓柱形構成同軸線的內導體；
[0011](3)在同軸線內導體的表面澱積或包裹一層氧化石墨作為同軸線的內導體和外導體之間的介質材料；
[0012](4)在上述氧化石墨的表面再包裹一層或多層石墨烯構成同軸線的外導體。
[0013]本發明的技術效果如下:
[0014](I)由於單層石墨烯的厚度只有0.34nm,即使是採用雙層、多層石墨烯或者石墨片來製備同軸線，同軸線的尺寸仍舊可以很小(在同樣尺寸情形下金屬同軸線則有更高的電阻、更差的可靠性和更加困難的工藝過程)，可以適用於射頻、微波集成電路；(2)石墨烯結構穩定，用石墨烯製備同軸線不需要擴散阻擋層，製作工藝更加簡單；(3)石墨烯的高電導率使得基於石墨烯的同軸線在高頻下有更高的信號傳輸效率；(4)基於石墨烯的同軸線可以承受的最大電流密度高達108A/cm2，具有十分優良的抗電遷移能力；(5)石墨烯具有優良的熱傳導性，可以緩解同軸線信號傳輸過程中局部溫度過高而發生導線熔斷或者介質熱擊穿的現象；(6)高頻下，石墨烯不存在明顯的趨膚效應，基於石墨烯的同軸線電阻在很寬的頻帶內都能保持不變，電路的性能也更加穩定。總之，基於石墨烯的同軸線有更好的傳輸性能和可靠性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1為本發明全碳同軸線結構示意圖；
[0016]圖中:
[0017]I——內導體 2——外導體
[0018]3——內導體和外導體之間的介質材料
【具體實施方式】
[0019]下面通過實例對本發明做進一步說明。需要注意的是，公布實施例的目的在於幫助進一步理解本發明，但是本領域的技術人員可以理解:在不脫離本發明及所附權利要求的精神和範圍內，各種替換和修改都是可能的。因此，本發明不應局限於實施例所公開的內容，本發明要求保護的範圍以權利要求書界定的範圍為準。
[0020]可以採用單層、雙層、多層石墨烯。基於石墨烯的全碳同軸線的具體製備過程如下:
[0021](I)碳基材料製備:獲取所需的石墨烯(單層、雙層、多層或者石墨片)可採用多種方法實現，例如:可以通過機械剝離、化學氣相沉積、碳化矽表面外延生長、溶劑熱合成等方法生成。
[0022](2)同軸線內導體的製備:把石墨烯(單層、雙層或多層)捲曲成圓柱形，範圍為
0.2nm?500nm，可以採用機械捲曲的方法，也可以把石墨烯放入去離子水、乙醇、丙酮、異丙醇等溶液中讓其自卷形成石墨烯卷；
[0023](3)氧化石墨的製備:氧化石墨可以通過使用氯酸鉀和硝酸氧化石墨的方法得至IJ，也可以通過使用高錳酸鉀和硫酸氧化石墨的方法得到。[0024](4)在同軸線內導體的表面澱積或包裹一層氧化石墨作為同軸線的內、外導體之間的介質，厚度範圍為Inm?2000nm;
[0025](5)在上述氧化石墨的表面再包裹一層或多層石墨烯構成同軸線的外導體，厚度為 0.34nm ?lOOnm。
[0026]雖然本發明已以較佳實施例披露如上，然而並非用以限定本發明。任何熟悉本領域的技術人員，在不脫離本發明技術方案範圍情況下，都可利用上述揭示的方法和技術內容對本發明技術方案作出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。因此，凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均仍屬於本發明技術方案保護的範圍內。
【權利要求】
1.一種全碳同軸線，其特徵在於，用單層或多層石墨烯捲成圓柱體作為同軸線的內導體，在所述內導體的外側包裹單層或多層石墨烯作為同軸線的外導體，且所述內導體和外導體之間填充氧化石墨作為介質材料。
2.如權利要求1所述的全碳同軸線，其特徵在於，所述內導體截面半徑為0.2nm?500nmo
3.如權利要求1所述的全碳同軸線，其特徵在於，所述介質材料厚度為Inm?2000nm。
4.如權利要求1所述的全碳同軸線，其特徵在於，所述外導體的厚度為0.34nm?lOOnm。
5.一種權利要求1所述的全碳同軸線的製備方法，包括以下步驟: (1)製備單層或多層石墨烯； (2)把單層或多層石墨烯捲曲成圓柱體，構成同軸線的內導體； (3)在所述內導體的表面澱積或包裹一層氧化石墨作為介質材料； (4)在所述氧化石墨的表面再包裹一層或多層石墨烯構成同軸線的外導體。
6.如權利要求5所述的製備方法，其特徵在於，所述步驟(I)中通過機械剝離、化學氣相沉積、碳化矽表面外延生長或溶劑熱合成方法生成單層、雙層或多層石墨烯。
7.如權利要求5所述的製備方法，其特徵在於，所述步驟(2)中採用機械捲曲的方法或把石墨烯放入去離子水、乙醇、丙酮或異丙醇溶液中讓其自卷形成同軸線的內導體。
8.如權利要求5所述的製備方法，其特徵在於，所述步驟(3)中氧化石墨通過使用氯酸鉀和硝酸氧化石墨的方法得到，或通過使用高錳酸鉀和硫酸氧化石墨的方法製得。
【文檔編號】H01P11/00GK103943925SQ201410116434
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年3月26日 優先權日:2014年3月26日
【發明者】張亮, 魏子鈞, 賈躍輝, 葉青, 任黎明, 傅雲義, 黃如, 張興 申請人:北京大學