Fabrication and electrical characterization of graphene ring oscillators

Graphene, the one-layer thick two-dimensional allotrope of carbon, has raised much interest in the scientific community since its discovery in 2004. Its electronic properties are extraordinary, e.g. a very high mobility at room temperature – measured values exceeding 100000cm2V-1s-1 were reported – which is not inhibited by downscaling the sample. The real 2D nature of graphene could allow to fabricate devices with characteristic dimensions under 10nm, for which the use of Si would be problematic. Despite its promising potentiality, the route to the application of graphene in electronics is not as smooth as it could seem. The absence of a band gap in the band structure prevents MOSFET-like graphene-based transistors to saturate and turn off, hence the extended applicability of graphene in electronics remains partially unclear. To shed some light into this dark region, we demonstrate here integrated ring oscillators fabricated from wafer-scale graphene grown by chemical vapor deposition. The ring oscillator is a test-bed structure to determine the electronic performances of new-concept devices in a real environment. The fabricated ROs let us assess the achievable clock frequency for graphene logic units: they were demonstrated to oscillate at over-gigahertz frequencies, even higher than 2GHz. The tests were performed on ROs with different characteristics as well as different dimensions of the transistors they comprise (channel length from 3um to 0.7um). The oscillation swing for a supply voltage of 2.5V is in the range 30-200mV. We achieved a remarkable over-unity gain for the inverters comprised in the RO loop. The obtained results demonstrate the applicability of graphene in high-speed digital and analog circuits in which high operating speed could be traded off against power consumption.

Il grafene, l'allotropo bidimensionale del carbonio, ha suscitato notevole interesse nella comunità scientifica sin dalla sua scoperta nel 2004. Il nuovo materiale ha proprietà elettroniche straordinarie tra cui un'elevata mobilità dei portatori a temperatura ambiente, maggiore di 100000cm2V-1s-1, non inibita da una riduzione delle dimensioni del campione. La natura bidimensionale del grafene potrebbe consentire di fabbricare dispositivi elettronici con dimensioni caratteristiche sotto i 10nm per i quali l'uso di Si sarebbe problematico. Tuttavia la sua applicazione in ambito elettronico non è priva di ostacoli. L'assenza di una gap tra banda di valenza e di conduzione impedisce la saturazione e lo spegnimento dei transistor di tipo MOSFET con canale in grafene, per questo lo spazio che il grafene potrà ritagliarsi nell'universo dei dispositivi elettronici non è ben delineato. Abbiamo cercato di fare maggiore chiarezza dimostrando la possibilità di fabbricare degli oscillatori ad anello integrati su grafene cresciuto tramite CVD. Gli oscillatori ad anello sono utilizzati in elettronica per verificare le prestazioni dei transistor di nuova concezione poiché costituiscono un sistema di applicazione realistico. Gli oscillatori fabbricati ci hanno consentito di valutare la frequenza di lavoro raggiungibile da unità logiche in grafene: abbiamo misurato elevate frequenze di oscillazione, anche superiori a 2GHz. I test sono stati effettuati su oscillatori di differenti tipologie, in particolare tra un oscillatore e l'altro sono state variate le dimensioni caratteristiche dei transistor in essi compresi (lunghezza del canale da 3um a 0.7um). L'ampiezza di oscillazione del segnale per una tensione di alimentazione di 2.5V ha assunto valori compresi tra 30mV e 200mV. Dai test effettuati si evince un guadagno più che unitario per gli inverter nell'anello. I risultati ottenuti dimostrano le possibilità applicative del grafene nell'elettronica digitale ed analogica ad alta velocità, dove sarebbero accettabili alte dissipazioni di potenza a fronte di un'elevata frequenza operativa di clock.