[論文レビュー] Cryo-CMOS Band-gap Reference Circuits for Quantum Computing

Yuanyuan Yang, Kushal Das+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 2, 2019

Advancements in Semiconductor Devices and Circuit Design参考文献 51被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、0.35 µm SiGe BiCMOSおよび28 nm FDSOI CMOSプロセスにプロセスされた、深冷温度（4 Kまで）で安定した電圧および電流リファレンスを提供することを目的とした、クリオ・CMOSバンドギャップリファレンス（BGR）回路の実装を提示する。SiGe BGRは6 Kで1.5–1.8 µWの電力消費を達成し、FDSOIにおけるMOSオンリーBGRは4 Kまで機能を維持する。これは、スケーラブルな量子コンピューティング制御インターフェースに向けた、低消費電力かつ温度安定性に優れたリファレンスソリューションを示している。

ABSTRACT

The control interface of a large-scale quantum computer will likely require electronic sub-systems that operate in close proximity to the qubits, at deep cryogenic temperatures. Here, we report the low-temperature performance of custom cryo-CMOS band-gap reference circuits designed to provide stable voltages and currents on-chip, independent of local temperature fluctuations. Our circuits are fabricated in 0.35 um silicon Germanium (SiGe) BiCMOS and 28 nm Fully Depleted Silicon On Insulator (FDSOI) CMOS processes, and we compare the performance of each. Beyond their specific application as low-power references, these circuits are ideal test-vehicles for developing design approaches that mitigate the adverse effects of cryogenic temperatures on circuit performance.

研究の動機と目的

• 深冷温度における低消費電力かつ温度安定性に優れた電圧および電流リファレンスの開発。
• 深冷温度（例：キャリアの凍結、しきい値電圧の変化）におけるトランジスタ特性の劣化という課題の解決。
• クリオ・アナログ回路設計におけるSiGe BiCMOSおよびFDSOI CMOSプロセスの性能を評価・比較すること。
• 温度変動およびプロセス変動に起因する影響を緩和するためのクリオ設計技術の開発に役立つ、リファレンス回路をテストベッドとして確立すること。
• 量子制御ASICにおける局所的温度変動への感受性を低減するため、オンチップ統合された安定リファレンスの実現。

提案手法

• 2種類のBGRトポロジーを設計：従来の電流ミラー型BGR（SiGe BGR1）と、SiGeヘテロ接合バイポーラトランジスタ（HBT）を用いた改良型（SiGe BGR2）。
• 28 nm FDSOI CMOSプロセスを用いてMOSオンリーBGRを実装し、バックゲートバイアスとリジスタトリミングを用いてキャリブレーションおよび安定性を確保。
• BJTのベースエミッタ間電圧の温度係数を活用し、フィードバックベースのバンドギャップリファレンスアーキテクチャにより、温度依存性の電圧変動をキャンセル。
• 6ビットのバイナリ重み付き分解能を有するリジスタトリミングを適用し、出力電圧および電流を独立してキャリブレーション。
• FDSOI MOSトランジスタにおけるバックゲート制御を用いてしきい値電圧を調整し、低温における電流ミラーのマッチングを向上。
• 4 Kから300 Kの範囲で、クリオプローブステーションおよびディルューション冷凍機を用いて回路を特性評価し、出力電圧、電流、オフセット特性を測定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SiGe HBTを用いたバンドギャップリファレンスは、4 Kという極めて低い温度でも機能性と安定性を維持できるか？
• RQ2 28 nm FDSOI CMOSにおけるMOSオンリーBGRは、クリオ温度領域でどのように動作するか。また、高精度を達成するためにキャリブレーション可能か？
• RQ3 バックゲートバイアスおよびリジスタトリミングが、クリオリファレンスの精度および安定性をどの程度向上させるか？
• RQ4 プロセス変動および温度依存性のトランジスタ動作が、クリオ領域におけるリファレンス出力に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ5 BGR回路は、一般のクリオIC設計技術の開発に有効なテストベッドとして機能できるか？

主な発見

• 0.35 µm BiCMOSプロセスにおけるSiGe BGRは、それぞれ6 Kで1.5 µWおよび1.8 µWの電力消費を達成し、クリオ環境下での低消費電力動作を実証した。
• 28 nm FDSOI CMOSにおけるMOSオンリーBGRは4 Kまで機能を維持しており、超低温度下でもCMOSベースのリファレンスの実現可能性を示している。
• FDSOI MOSトランジスタにおけるバックゲートバイアスにより、しきい値電圧の調整が可能となり、低温下での電流ミラーのオフセット低減とマッチング向上が達成された。
• 6ビット分解能のリジスタトリミングにより、出力電圧および電流の精密キャリブレーションが可能であり、トリミングコードは抵抗値と逆相関する。
• MOSオンリーリファレンスにおける電流ミラーのオフセットは、1.66 Vのバックゲートバイアスで約7.5%のピークを示した。これは主に高バイアス下でのMUXスイッチ効果に起因する。
• 28 nm FDSOIにおけるシリコンBJTベースのBGRは約40 Kで機能を失うことが確認され、標準的なCMOS BJTsが深冷動作において限界に達することを示している。