报告内容

主要作者及发表信息

本研究的主要作者包括 Zhidong Tang, Zewei Wang（学生会员，IEEE）、Ao Guo、Linlin Liu、Chengwei Cao、Xin Luo、Weican Wu、Yingjia Guo、Zhenghang Zhi、Yongqi Hu、Yongfeng Cao、Ganbing Shang、Liujiang Yu、Shaojian Hu、Shoumian Chen、Yuhang Zhao 和 Xufeng Kou（IEEE会员），其中通讯作者为 Xufeng Kou（邮箱：kouxf@shanghaitech.edu.cn）。研究团队分别隶属于中国上海科技大学信息科学技术学院、上海集成电路研发中心的多个部门，以及华力微电子有限公司。本研究发表于期刊《IEEE Journal of the Electron Devices Society》（JEDS），文章的接收日期为 2022 年 4 月 11 日，修订日期为 2022 年 6 月 17 日，接受日期为 2022 年 6 月 21 日，发表日期为 2022 年 6 月 29 日，当前版本日期为 2022 年 7 月 19 日。文章的数字对象标识符（DOI）为 10.1109/JEDS.2022.3186979。

研究背景

本研究主要位于低温电子学（cryogenic electronics）和量子计算（quantum computing）领域，重点在于开发可扩展的低温 CMOS RF 器件模型，用于支持大规模量子计算机电路设计。当前量子计算机架构的核心在于量子比特的生成通常处于深低温（T < 1 K）环境中，而量子比特的控制和读出模块需要紧邻量子处理器，以减少热噪声和通信延迟。然而，这种高效寒冷环境中的 RF CMOS 器件性能受限，主要原因在于缺乏可靠的低温 CMOS 紧凑模型（compact model）。现有研究虽然对 MOSFET 的低温直流特性有所探索，但大多数基于有限设备在单一温度下（如 4.2 K）的测试数据，缺乏覆盖整个温度和频率范围的通用模型。

因此，本研究旨在解决此技术瓶颈，通过量化 MOSFET 的 RF 特性，建立具有普适性的低温 CMOS RF 紧凑模型（cryo-CMOS RF compact model），为大规模量子计算器件和电路的设计与优化奠定扎实基础。

研究流程

实验设计与样品选择

本研究基于 HLMC 40 nm 低功耗 CMOS 技术节点，使用了一块标准 RF 测试晶圆开展相关实验。测试对象包括 36 个多指栅极（multi-finger gate）NMOS 和 PMOS 晶体管，研究范围覆盖多种尺寸（W、L、NF）的器件。实验设备包括 Lakeshore 低温探针台、Keysight B1500A 半导体设备分析仪和 Keysight 5227A 矢量网络分析仪（VNA）。

测试与数据采集

1. 低频 C-V 测量
   通过 MOSCAP 测试结构，利用 100 kHz 的低频电容-电压（C-V）测试，提取初始工艺参数。这些参数被整合进常用的 BSIM-4 模型，用于后续模拟。实验结果显示，氧化层厚度和介电常数在 298 K 至 6 K 温度范围内基本稳定，但总栅电容（CGG）-栅压（VGS）的曲线呈现水平移动，表明阈值电压（VTH）在低温下增加。

2. 直流（DC）和 S 参数测量
   在温度从 298 K 降到 6 K 的多组测试中，采集了 NMOS 和 PMOS 的静态特性（IDS-VDS 曲线）及宽频段 S 参数（0.25 GHz-40 GHz）。通过标准 SOLT 校准和短路-开路去嵌（de-embedding）技术，确保测量数据的高精度。

数据处理与模型研发

本征 MOSFET 的低温 DC 建模

1. 阈值电压建模
   鉴于低温条件下载流子的“冻结效应”（freeze-out effect），研究通过物理模型量化了栅几何对阈值电压的影响，并引入相关修正项（如扩展耗尽区宽度WD对通道长度和宽度的修正）。实验结果与模拟一致，证实了模型的准确性。

2. 有效迁移率（μeff）建模
   基于 Matthiessen’s 规则，模型通过调整主要散射机制（库仑散射、表面粗糙散射等）及尺寸效应，成功匹配了长短通道器件的迁移率随温度变化的行为。

3. 亚阈值摆幅（SS）建模
   本研究引入有效温度（Teff）修正项，准确描述了深低温下 SS 的饱和行为。

外加效应 MOSFET 的 RF 建模

1. 电阻参数提取
   实验中采用冷态 FET 方法，通过线性回归提取外部栅电阻（RG,ext），并利用校准的 Z 参数数据获得源、漏及基板电阻的温度依赖性。

2. 电容参数提取
   转换 Y 参数后计算得到 Cgs,ext、Cgd,ext 等相关电容参数，并发现其幅值在宽温区及频率范围内均表现出稳定特性。

3. 基板参数建模
   对基板电阻 Rsub 和结电容 Cj 的温度依赖性开展分析，结合物理模型，提出了基于温度相关宽耗尽区的修正公式。

结果与贡献

实验及模拟结果显示：

1. MOSFET 的 S 参数及相关 RF 特性在低温下的显著变化，由本征和外加器件参数变化共同决定。
2. 提出并验证了适用于整个温度（6 K 至 298 K）和频率范围（0.25 GHz 至 40 GHz）的低温 CMOS RF 紧凑模型。
3. 发现短通道器件在低温下的截止频率（Ft）显著提升，表明低温效应在量子计算器件设计中的潜在应用价值。

研究价值与亮点

本研究是首次系统性解决低温 MOSFET RF 建模难题的工作之一，研究成果不仅扩展了器件物理和紧凑建模的理论框架，同时提供了低温电子学领域中高效设计与优化 CMOS 电路的实用工具。

研究亮点包括： 1. 首次实现了广覆盖温度区域的通用低温 RF 器件模型。 2. 探索了低温对短通道效应的放大机制，并验证了其对 Ft 的显著提升作用。

理论价值和实验性能数据的相辅相成，使得本模型不仅可在量子计算环境中应用，还能为深空探测和其他低温电子技术领域提供指导。

总结

本研究通过温度相关的 MOSFET DC 和 RF 特性实验，提出了具有普适性的低温 CMOS 紧凑模型。该研究深入分析了低温环境下 MOSFET 的特性贡献因素，为量子计算机和相关低温射频电路的优化设计提供了坚实理论基础及实验数据支撑，意义重大，潜力深远。