学术报告

作者和研究机构

本研究的主要作者包括 Lucas Nyssens、Arka Halder、Babak Kazemi Esfeh、Nicolas Planes、Denis Flandre、Valeriya Kilchytska 和 Jean-Pierre Raskin。作者分别隶属于 Université Catholique de Louvain 的 Institute of Information and Communication Technologies, Electronics and Applied Mathematics，以及 ST-Microelectronics。该研究发表于 IEEE Journal of Electron Devices Society，具体出版时间为2020年6月15日。

研究背景

该研究属于纳米电子学与射频(RF)工程领域，重点在于研究28纳米工艺的FD-SOI CMOS器件（Fully Depleted Silicon-On-Insulator CMOS）在低温环境（最低至4.2开尔文）中的特性。近年来，随着量子计算技术的快速发展，相关的前端控制电路以及读出电路需要在接近量子比特（qubit）工作环境的低温条件下运行。这需要开发能够适应低温环境并具有高射频性能的CMOS（称为Cryo-CMOS，低温CMOS）器件。此外，28纳米全耗尽UTBB（Ultra-Thin Body and Box）FD-SOI CMOS凭借其超低功耗与优越的射频性能成为研究热点。本文旨在通过分析这些器件在低温环境中的射频参数来评估其在未来低温电子学中的潜能。

研究目标包括：（1）分析28纳米FD-SOI CMOS在4.2 K环境下的射频参数演化；（2）研究温度对器件小信号等效电路与RF性能指标的影响；（3）为量子计算相关的低温电路设计提供器件性能预测与建模支持。

研究流程

实验装置及对象
研究对象为 ST-Microelectronics 提供的28纳米FD-SOI CMOS工艺制成的NMOS器件，其栅长(lg)从25纳米到150纳米不等，采用高k金属栅堆叠结构，包含60根宽度为2微米的并联指。实验评价囊括从室温(300 K)至液氦温度(4.2 K)的多个温度点，器件测试包括直流(DC)和从低频直到67 GHz的射频范围。

实验在Lakeshore低温探针台内进行，其中采用液氦或液氮对衬底冷却，并使用100微米间距的射频探针与67 GHz的PNA-X矢量网络分析仪。为了提高测量精度，实验先进行离片短路-开路-负载通路（SOLT）校准，并采用特定的开路结构对寄生参数进行解除嵌入。

数据提取步骤
1. 基准设置与测量初始化
提取寄生阻抗参数（如寄生电阻 rds 和寄生电容）以校准测量。通过“冷态”实验提取器件的寄生电抗值，随后在传导状态下测量内在和外在电路参数。

1. 等效电路建模
   使用包括内在与外在寄生参数的MOSFET小信号等效电路，对射频参数进行频段分析与提取，参数提取主要集中于低频段（5 GHz以下）以减少高频寄生效应的干扰。栅电阻 (rg) 和最大振荡频率 (fmax) 在10 GHz以上提取确保拟合精度。

2. 参数与性能解读
   分析了各小信号参数及关键性能指标（如截止频率 ft 和最大振荡频率 fmax）的变化趋势，结合内在和外在寄生效应来解释参数随温度的变化。

研究主要结果

1. MOSFET的直流特性改进
随着温度降低，NMOS器件的阈值电压(vth)、漏电流(id)和最大直流跨导(gm,dc)均显著提升。在4.2 K环境下，gm 提升约40%，这是由于低温下声子散射减少导致通道迁移率（mobility）增加。此外，零温度系数点（ZTC）在低温条件下保持稳定，并体现了超薄埋氧(UTBB)结构的优越性能。

2. 寄生元件的行为
- 源漏寄生电阻 (rds)
在77 K之前显著降低，这主要可归因于硅中的声子散射减少，硅化镍(NiSi)触点的电阻也相应下降。然而，在77 K以下，rds 略微增加，可能与高掺杂区中库仑散射的增强有关。

• 栅电阻 (rg)
  随温度降低而下降约30%，这一变化与金属门电阻率和多晶硅迁移率提高相关。

3. 栅电容特性
器件的外在栅电容(cgg,e)随温度显著减少，而内在栅电容(cgg,i)变化较小，总栅电容(cgg,t)呈现出短器件中略微减少的趋势。这种减少有助于改善射频性能。

4. 射频性能提升
- 截止频率(ft)与最大振荡频率(fmax)
测量表明，在4.2 K时，对于最短栅长的25纳米器件，ft 提升约50%，达到∼130 GHz；而fmax 提升约75 GHz。这些提升主要得益于跨导 gm 和迁移率的显著提高，以及栅电阻的减小。以较低的漏源电压 (vds=0.6 V) 操作时，即使射频性能略有下降（ft 和 fmax 减少13-20%），整体仍能满足量子计算电路低功耗、低温操作的需求。

研究结论

该研究证明了28纳米FD-SOI CMOS在4.2 K低温下的卓越性能，其改进显著提升了射频性能指标，并提供了完整的器件等效电路模型。研究从迁移率提升、寄生参数变化等角度揭示了温度对器件性能的影响，为未来低功耗电子设备和量子计算集成电路设计奠定了理论基础。此外，本研究提出了一种用于低温环境下器件性能表征的分析方法，对相关领域研究具有重要的指导意义。

本研究的亮点与意义

1. 提供了28纳米FD-SOI CMOS在极低温（4.2 K）条件下的全面射频性能分析。
2. 通过实验和建模，验证和解析了关键小信号参数的温度依赖性。
3. 强调了器件在低功耗、低电压应用中的潜能特别是量子计算低温电路。
4. 提出了一种准确、高效的等效电路参数提取方法，支持射频器件与电路的协同设计。