Research Abstract

インタカレートされたグラフェンを用いた次世代高周波エレクトロニクス向けオンチップ・インダクタ

On-chip intercalated-graphene inductors for next-generation radio frequency electronics

2018年1月8日 Nature Electronics 1 : 46 doi: 10.1038/s41928-017-0010-z (2018)
インタカレートされたグラフェンを用いた次世代高周波エレクトロニクス向けオンチップ・インダクタ
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オンチップ金属インダクタは1990年代に高周波エレクトロニクスに革新をもたらしたが、最先端の高周波集積回路の中ではスケーラビリティの限界に直面している。これは、従来の金属インダクタのインダクタンス密度が磁気インダクタンスだけから決まり、電磁誘導の法則の制約を受けるからである。本論文では、インタカレートされたグラフェンからインダクタを作製し、その比較的大きな力学的インダクタンスと高い電気伝導度を利用することで、これまで難しいとされていた小さい形状因子と高いインダクタンス値の両立を達成できたことを報告する。臭素をインタカレートした多層グラフェンを用いた今回の2ターンのスパイラルインダクタは、従来のインダクタの1.5倍のインダクタンス密度を示し、その結果、面積を3分の1縮小できたと同時に、12という高いQ値が得られた。純粋に物質が実現したこの技術は、オンチップ・インダクタに永くつきまとっていたスケーリング問題に対して魅力的な解を与え、超コンパクト無線通信システムの開発に向けた新たな道筋を開くものである。

Jiahao Kang, Yuji Matsumoto, Xiang Li, Junkai Jiang, Xuejun Xie, Keisuke Kawamoto, Munehiro Kenmoku, Jae Hwan Chu, Wei Liu, Junfa Mao, Kazuyoshi Ueno and Kaustav Banerjee

Corresponding Author

Kaustav Banerjee
カリフォルニア大学サンタバーバラ校

On-chip metal inductors that revolutionized radio frequency electronics in the 1990s suffer from an inherent limitation in their scalability in state-of-the-art radio frequency integrated circuits. This is because the inductance density values for conventional metal inductors, which result from magnetic inductance alone, are limited by the laws of electromagnetic induction. Here, we report inductors made of intercalated graphene that uniquely exploit the relatively large kinetic inductance and high conductivity of the material to achieve both small form-factors and high inductance values, a combination that has proved difficult to attain so far. Our two-turn spiral inductors based on bromine-intercalated multilayer graphene exhibit a 1.5-fold higher inductance density, leading to a one-third area reduction, compared to conventional inductors, while providing undiminished Q-factors of up to 12. This purely material-enabled technique provides an attractive solution to the longstanding scaling problem of on-chip inductors and opens an unconventional path for the development of ultra-compact wireless communication systems.

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