论文题目：
“Characterization and Analysis of On-Chip Microwave Passive Components at Cryogenic Temperatures”

主要作者及研究机构：
Bishnu Patra (Department of Quantum and Computer Engineering, Delft University of Technology, Netherlands), Mohammadreza Mehrpoo, Andrea Ruffino, Fabio Sebastiano, Edoardo Charbon, Masoud Babaie。

发表期刊及时间：
IEEE Journal of Electron Devices Society, 2020年4月8日。

研究背景及目的：
该研究主要面向的科学领域是量子计算与深低温（cryogenic）电子学。随着量子计算技术的发展，量子位（qubit）的数量不断增加，这导致在冷却的量子计算机与室温电子控制设备之间的电缆布置变得不切实际。因此，研究者提出将量子位和控制电子设备整合到冷冻设备内。而CMOS电路在低温下的操作为控制和读取接口的实现提供了新的可能性。这项研究旨在表征并分析在深低温条件下，TSMC 40nm CMOS工艺中微波无源器件的性能变化，更好地服务于低温CMOS的设计。

研究详细过程及工作流程：
研究通过多个实验步骤，全面表征和分析镶嵌式微波无源元件（包括MOM电容器、变压器、谐振器）在4.2K环境下的性能。

第一部分，测试结构的设计与制备。研究者设计并制造了一系列测试结构，这些结构基于1P7M-4X1Z1U TSMC 40nm CMOS工艺，被用于在300K和4K下测试无源元件。在这些测试结构中，使用了一个来自代工厂库的高密度旋转母-金属-母(MOM)电容器。

第二部分，测量和建模MOM电容器。使用了一种与频率无关的π型网络模型来建模MOM电容器，该模型考虑到电容器的电介质损耗和金属损耗。同时，研究检测了温度变化对电容以及品质因子（Quality Factor, Q值）的影响。

第三部分，对变压器的测量与建模。使用多匝变压器来测试在不同温度下两线圈之间的耦合因素，并建立相应的集中参数等效电路模型。研究表明，在4K环境下，变压器的电阻和电感特性发生明显变化，其主要原因是金属导电性的提高。

第四部分，基于上述器件建立谐振器并测试其对RFIC的影响。研究将定制变压器与集总电容结合用作谐振器，并测试其在4K条件下的特性，以分析低温环境对射频电路性能的影响。

主要结果：
研究通过测试发现，在深低温环境下，MOM电容器的电容值略有变化，而其品质因子显著提升。这表明低温条件下电介质和金属损耗的降低。在变压器方面，电感值略有降低，耦合因子增加，且品质因子提高约2.7倍。这些结果说明温度引起金属导电性提高和基底损耗降低，显著改善了微型变压器的性能。

结论及意义：
该研究首次提供了TSMC 40nm CMOS工艺下各类芯片集成无源器件在4.2K深冷条件下的模型，这对设计低温CMOS射频集成电路（RFIC）非常重要，有助于进一步推进量子计算机电子接口的开发。从科学价值来看，该研究为了解无源器件低温特性提供了新的见解和数据支持；从应用角度看，这将进一步推动低温CMOS技术在量子计算和深空应用的进步，为可扩展的量子计算机提供可能的解决方案。

研究亮点：
该研究的显著创新在于首次建模了在4.2K温度下的MOM电容器、变压器及谐振器，描绘了这些元件在深冷条件下的行为变化，并提供了详细的测量和建模方法。这不仅为相关领域提供了基础数据支撑，也为未来低温CMOS电路设计奠定了理论基础。

其他讨论：
文章还探讨了如何利用EM模拟和集总模型预测这些无源器件在深低温条件下的性能，并从而指导RFIC设计者进行可靠设计。此外，文章在附录部分进一步详细列出了不同元件在4K和RT条件下的测试数据和参数模型，供设计人员参考应用。

该研究的结果对量子计算和深低温CMOS技术的发展具有重要的推动作用，为未来的电子设计及系统集成提供了可行的路径与方法。