《Microelectronic Engineering》：Graphene nanoribbon interconnects for RF sensing: Modeling and performance analysis using ring oscillators
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石墨烯纳米带互连在环形振荡器中的应用及性能比较。基于16nm PTM模型，通过SPICE仿真验证MLGNR互连在射频传感中的性能，对比铜和不同自由程的侧接触GNR互连，发现MFP=1000nm的SC-GNR在4.8GHz最高频率下功耗降低2-3倍，延迟减少2.5-3.5倍且噪声更优。
Sandip Bhattacharya | Tan Cher Ming | Subhajit Das | Abir Chattopadhyay
电子与通信工程系，SR大学，瓦朗加尔，特伦甘纳邦 506371，印度
摘要
在本文中，我们提出了一个与SPICE兼容的紧凑型射频（RF）模型，用于多层石墨烯纳米带（MLGNR）互连，该模型与三级环形振荡器相连，以验证MLGNR互连在片上RF传感应用中的电路性能。采用16纳米CMOS工艺技术的PTM模型与16纳米MLGNR互连相结合，基于ITRS-13标准对基本环形振荡器的功耗、传播延迟和噪声特性进行了设计、验证和分析，以满足RF传感应用的需求。同时，还分析了其与传统铜互连和侧接触式MLGNR互连的相对性能。研究结果表明，平均自由路径（MFP）接近1000纳米的侧接触式GNR（SC-GNR）优于其他互连材料，如Cu（MFP=300纳米）和SC-GNR（MFP=419纳米）。具体而言，MFP为1000纳米的SC-GNR能够实现最高4.8 GHz的频率，非常适合高速数据处理，在RF传感应用中功耗约为其他互连材料的2-3倍低，延迟也减少了约2.5-3.5倍。
引言
任何RF传感数字电子系统都包含一个振荡器，用于生成特定频率的信号，以同步数字系统内的计算过程。理想情况下，振荡器通过产生周期性信号来提供完美的时间参考。然而，所有物理振荡器都受到不希望的干扰或噪声的影响，这些因素会干扰其正常运行。因此，实际振荡器产生的信号在周期性上并不完全规律，因为这些物理系统中存在固有的噪声，导致它们对干扰或噪声的响应各不相同。虽然有多种类型的振荡器可供选择，但每种振荡器的工作原理不同，振荡频率范围也不同，在噪声环境中的表现也有所不同[[1], [2], [3]]。许多科学家和研究人员更倾向于使用环形振荡器，因为它们在RF传感应用中具有更快的运行速度和更好的噪声性能。环形振荡器在闭环结构中的每个阶段都会产生延迟，但它具有多个优点：(i) 使用CMOS等先进集成电路技术实现简单设计；(ii) 能够在低电压水平下振荡；(iii) 以低功耗生成高频（RF频率）振荡；(iv) 具有电可调性或调谐能力；(v) 由于其基本结构，能够产生多相输出。许多研究致力于开发能够在保持低噪声和低功耗的同时生成高频率的环形振荡器。例如，Yu-Sheng Lin等人于2013年提出了适用于低功耗应用的电流模式逻辑（CML）环形振荡器[4]。该电路采用90纳米CMOS技术实现，功耗为8.7毫瓦（DC），供电电压为1.2伏，输出频率范围为16.56至19.8 GHz，调谐电压范围为0至1.2伏。在1 MHz偏移频率下，输出信号的相位噪声为-104.6 dBc/Hz[4]。参考文献[5]介绍了一种工作在60 GHz的正交环形振荡器，该振荡器利用电流组合技术实现频率倍增。该环形振荡器采用28纳米CMOS工艺技术设计，需要15.3毫瓦的供电功率来达到60 GHz的频率。Kan Takeuchi等人开发了一种电压和温度敏感的环形振荡器，采用28纳米HKMG（高K金属栅）技术，设计时考虑了产品的适用性、设计复杂性和低功耗等因素[6]。参考文献[7]介绍了一种采用65纳米CMOS技术设计的四级电压控制环形振荡器（VCO），其工作频率范围为485.7至1011.6 MHz，在645 MHz频率下，相位噪声为-110.8 dBc/Hz，功耗为10毫瓦（1伏电源）。在参考文献[8], [9], [10]中，对基于多环偏斜的单端振荡器（MSSEO）的相位噪声进行了分析，并将其与传统三级环形振荡器（CRO）进行了比较。研究表明，MSSEO在基于偏斜的设计中能够实现可比的振荡性能，并使用180纳米和65纳米工艺设计套件（PDK）进行了验证。研究还发现热噪声（闪烁噪声）是一个重要因素；通过增加相同纵横比的n-MOSFET和p-MOSFET的级数，平均可以降低约1-2 dB的相位噪声。最后，在相位噪声方程中加入整形函数后，MSSEO的相位噪声可进一步降低2-3 dB。
在先前的研究中，大多数环形振荡器电路设计使用传统的互连材料（如Cu、Al、Ni等）来生成不同频率[[11], [12], [13], [14]]。当从亚微米尺度缩小到纳米尺度时，选择互连材料变得至关重要。在纳米尺度上，生成高频率非常困难，但同时也会引入显著的噪声问题。为了解决这一挑战，研究人员一直在探索基于石墨烯的纳米材料，这些材料不仅能够生成高频率，还具有更低的功耗和更少的延迟[[15], [16], [17], [18], [19]]。石墨烯纳米带是一种有潜力的下一代纳米互连材料，因为它具有高电流密度、长的电子平均自由路径（MFP），并且机械和热稳定性比钻石高40倍。
在本研究中，我们探讨了使用CMSO技术和GNR作为互连材料的环形振荡器电路在下一代高频RF应用中的潜力，特别是探索GNR作为RF传感中纳米互连设计的替代方案。随后，我们进行了全面的比较分析，与铜互连材料进行了功耗、延迟和噪声方面的性能对比。结果表明，GNR互连材料的性能优于铜互连。图1提供了针对各种应用需求的详细频率谱分析。本研究的主要焦点是RF频谱，我们探讨了GNR在未来的RF传感应用中作为纳米互连设计的潜在用途。选择环形振荡器作为基本构建模块，是因为其在RF应用中的设计较为简单。
本文的其余部分安排如下：第2节介绍了ROC的模块级和电路级表示；第3节描述了GNR互连模型；第4节讨论了研究结果；第5节总结了研究结论和未来发展方向。
节选内容
设计RF传感方法的基本构建模块——环形振荡器
本节详细解释了环形振荡器的基本工作原理。环形振荡器由数量不等的NOT门组成，这些NOT门在两种电压状态之间产生连续振荡，分别代表真和假。图2展示了基本的三级环形振荡器的原理图，图3展示了环形振荡器的布局图。NOT门也称为反相器，它们按顺序连接，最后一个NOT门的输出...
用于提取RLC参数的GNR互连模型
石墨烯纳米带（GNR）作为一种高度有前景的纳米级互连材料，在高性能RF应用中设计先进环形振荡器方面表现出色，这主要归功于其优异的电学、机械和热学特性。在本节中，我们将深入探讨GNR互连的电阻（R）、电容（C）和电感（L）的建模。图4展示了多层GNR（MLGNR）的结构。
结果与讨论
在本节中，我们研究了GNR互连在环形振荡器电路中的性能，旨在实现未来片上RF传感应用所需的高频率。我们的研究对比了GNR互连和铜互连在功耗、传播延迟和噪声方面的表现。图5展示了三级环形振荡器电路的输出响应，其中图5(a)显示了使用铜作为互连材料时的响应情况...
结论
本研究比较了平均自由路径（MFP）为1000纳米的SC-GNR互连与其他互连材料（如Cu、SC-GNR（MFP=300纳米）和SC-GNR（MFP=419纳米）在高频生成、功耗估算、传播延迟估算和噪声分析方面的性能。结果表明，SC-GNR（MFP=1000纳米）互连在...
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
