这篇研究论文属于”类型a”，以下是根据原文撰写的详细学术报告：

本研究由Wriddhi Chakraborty及其合作者完成，主要来自University of Notre Dame的Department of Electrical Engineering和Georgia Institute of Technology的School of Electrical and Computer Engineering。其中，Wriddhi Chakraborty为通讯作者（联系方式为wchakrab@nd.edu）。论文发表于《IEEE Journal on Exploratory Solid-State Computational Devices and Circuits》，接收时间为2021年11月22日，正式发表时间为2021年11月25日。论文的DOI为10.1109/JXCDC.2021.3131144。

研究背景

本研究涉及半导体与低温物理研究领域，聚焦在22纳米完全耗尽绝缘体上硅（Fully Depleted Silicon-on-Insulator，FD-SOI）技术的射频（RF）和模拟性能在深低温环境下的表现。近年来，超导处理器基于Josephson结实现单磁通量量子逻辑（Single-Flux Quantum，SFQ），在约4K的低温条件下操作，以高效能和超低功耗的特点成为量子计算和高性能计算的关键技术。然而，这种技术要求匹配的低温存储器以减小访问延迟和提高数据吞吐量，同时与之相配的低温CMOS芯片成为关键问题。FD-SOI技术以其高晶体管集成密度、低功耗及优化的射频性能被视为解决该问题的一种重要方向。

在此背景下，本研究主要目标是分析22纳米FD-SOI技术在低温条件下的射频性能，通过实验与小信号建模方法深入评估这种技术在低温下的电学参数和射频性能增益，并解释温度变化如何影响其性能和设计参数。此外，本研究的成果可以为量子计算和超导逻辑电路的接口设计提供理论支持。

研究流程

论文主要分为以下几个阶段：

1. 器件描述与实验设置

研究使用了一种商业化的22纳米FD-SOI CMOS平台，包括硅通道的NFET（N型场效应晶体管）和硅锗通道的PFET（P型场效应晶体管）。器件采用25纳米厚的埋氧层及超薄约6纳米厚的未掺杂硅通道制造，采用了“先栅高k金属栅极”工艺。

实验测量范围从室温300K到深低温5.5K。直流电参数的测量使用Keithley 4200 SCS参数分析仪完成，而射频性能测量使用带50微米探针间距的接地-信号-接地（GSG）探针和8722D矢量网络分析仪。所有RF测量（0.5–35 GHz范围）通过“冷态晶体管”和饱和偏置状态下分别采集S参数，并通过开路和短路结构去嵌入测试结构的寄生效应。小信号参数的提取依托于精准温度敏感建模技术。

2. 直流与射频性能表征

实验在不同温度范围内分析以下电性能数据：

直流性能结果

• 迁移率与阈值电压变化：当温度降低至5.5K时，NFET的阈值电压（Vth,lin）上升122.5 mV，PFET的阈值电压上升160 mV，这与费米势在低温下升高密切相关。同时，由于低温下的散射减少，迁移率提升，导致跨导（gm,sat）在NFET和PFET中分别提升33%和25%。
• 亚阈值斜率与子阈值特性：研究发现，亚阈值斜率（SS）随温度降低但不呈线性，低于70K后趋于饱和至约20 mV/dec。这可能归因于高界面陷阱密度和低温下费米分布函数的急剧变化。
• 输出特性与饱和行为：低温下晶体管的输出电流显著增强，NFET提升37%，PFET提升60%。

射频性能结果

通过去嵌入的S参数分析，研究提取了晶体管的截止频率（Ft）和最大振荡频率（Fmax）： - NFET性能增益：当温度降至5.5K时，NFET的Ft从300K时的367 GHz提升至494 GHz，Fmax从373 GHz升至497 GHz。 - PFET性能增益：PFET的Ft从300K的268 GHz升至337 GHz，Fmax从288 GHz提升至372 GHz。

数据表明，温度降低改善了射频性能，其原因包括晶体管跨导提升、源漏电阻下降、以及在低温下金属接触电阻（如NiSi和多晶硅）降低。

3. 小信号等效电路建模

研究采用小信号等效电路模型，对实验提取的NFET和PFET性能参数从300K到5.5K进行了拟合，参数包括： - 内在与外在电容变化：内在和外在总栅电容（Cgg,int与Cgg,ext）几乎不受温度影响。 - 电阻变化：晶体管的门极电阻在低温时减少（NFET下降32%，PFET下降24%），有助于提升Fmax。 - 通道导电性变化：低温下导电性略微降低（go增加17%），可能与短沟道效应增强有关。

该建模过程重点评估了温度变化对晶体管寄生阻抗和容抗的影响，这些影响为低温射频电路的精确设计奠定了基础。

研究主要结果与结论

1. 研究突破点：

   1. 实现了史无前例的22nm FD-SOI平台射频性能，Ft和Fmax分别可达495/497 GHz（NFET）和337/372 GHz（PFET）。
   2. 演示了FD-SOI技术的背栅偏置能力（Back-Biasing Capability），阈值电压可通过+2V调节至低温下与300K时一致。
   3. 小信号建模和延迟分析表明，更快的电子和空穴传输是性能提升的核心驱动因素。

2. 实际意义： 这项研究在科学和应用层面都具有重大意义。不仅为深低温量子计算硬件的接口设计提供了理论依据，同时也为设计低功耗、高效能的射频电路提供了关键技术支持。

研究亮点

• 创新性：首个基于22nm FD-SOI平台的深低温DC与RF性能研究。
• 性能提升：射频性能显著提升，验证了低温环境对深度缩放CMOS技术的潜在提升能力。
• 模型准确性：提出的建模工具为设计高性能低温射频电路提供了可靠技术路径。

研究的最终成果表明，22nm FD-SOI技术在深低温射频和模拟性能优化上具有明显优势，并且能够满足未来量子计算与超导逻辑相关应用的设计和性能需求。