[논문 리뷰] Cryo-CMOS Band-gap Reference Circuits for Quantum Computing

Yuanyuan Yang, Kushal Das외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 02.

Advancements in Semiconductor Devices and Circuit Design참고 문헌 51인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 0.35 µm SiGe BiCMOS 및 28 nm FDSOI CMOS 공정에서 제작된 냉각-CMOS 밴드갭 기반 참조(BGR) 회로를 제안하며, 깊은 냉각 온도(최저 4 K)에서 안정적인 전압 및 전류 기반을 제공하도록 설계되었다. SiGe BGR는 6 K에서 1.5–1.8 µW의 전력 소비를 달성하였고, FDSOI에서의 MOS 전용 BGR는 4 K까지 기능을 유지하여 확장 가능한 양자 컴퓨팅 제어 인터페이스를 위한 저전력, 온도 안정성 기반 솔루션을 입증하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 냉각 온도에서 저전력, 온도 안정성 기반 전압 및 전류 기반을 개발한다.
• 깊은 냉각 온도(예: 운반자 동결, 임계 전압 이동 등)에서 트랜지스터 동작 특성 열화 문제를 해결한다.
• 냉각 온도에서의 아날로그 회로 설계에 적합한 SiGe BiCMOS 및 FDSOI CMOS 공정의 성능을 평가하고 비교한다.
• 온도 및 공정 변동성에 대응하는 냉각 설계 기법을 테스트하기 위한 기반 회로를 확립한다.
• 양자 제어 ASIC에서 국소 온도 변동에 민감도를 감소시키기 위해 안정적인 기반을 온칩 통합할 수 있도록 한다.

제안 방법

• 기본 전류 미러 BGR(SiGe BGR1) 및 SiGe 이종접합 고속 트랜지스터(HBT)를 사용한 개선형 구조(SiGe BGR2)의 두 가지 BGR 구조를 설계한다.
• 백게이트 바이어스 및 저항 트리밍을 활용해 28 nm FDSOI CMOS에서 MOS 전용 BGR를 실현하며, 校정 및 안정성 확보를 도모한다.
• 반환 기반 밴드갭 기반 참조 아키텍처를 적용해 온도에 따라 변하는 전압 변화를 상쇄하며, BJT의 기저-에미터 전압 온도 계수를 활용한다.
• 6비트 이진가중치 해상도를 갖춘 저항 트리밍을 적용해 출력 전압 및 전류를 독립적으로 校정한다.
• FDSOI MOS 트랜지스터에서 백게이트 제어를 활용해 임계 전압을 조절하고 저온에서의 전류 미러 일치도를 향상시킨다.
• 냉각 프로브 스테이션 및 냉각 용융 냉각기에서 4 K에서 300 K까지의 온도 범위에서 회로를 특성화하며, 출력 전압, 전류 및 오프셋 특성을 측정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SiGe HBT 기반 밴드갭 기반 참조는 최저 4 K에서 기능성과 안정성을 유지할 수 있는가?
• RQ2 28 nm FDSOI CMOS에서의 MOS 전용 BGR는 냉각 온도에서 어떻게 성능을 발휘하며, 정밀도를 확보하기 위해 校정이 가능한가?
• RQ3 백게이트 바이어스 및 저항 트리밍이 냉각 기반의 정확도 및 안정성에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 공정 변동성 및 온도에 따라 변하는 트랜지스터 동작 특성은 냉각 조건에서 기반 출력에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 BGR 회로는 일반적인 냉각 IC 설계 기법 개발을 위한 효과적인 테스트 벤치로 활용될 수 있는가?

주요 결과

• 0.35 µm BiCMOS 공정에서의 SiGe BGR는 각각 6 K에서 1.5 µW 및 1.8 µW의 전력 소비를 달성하여 냉각 조건에서 저전력 작동을 입증하였다.
• 28 nm FDSOI CMOS에서의 MOS 전용 BGR는 4 K까지 기능을 유지하여 초저온에서 CMOS 기반 기반의 실현 가능성을 입증하였다.
• FDSOI MOS 트랜지스터에서의 백게이트 바이어스를 통해 임계 전압을 조절할 수 있었으며, 이는 저온에서의 전류 미러 오프셋 감소 및 일치도 향상에 기여하였다.
• 6비트 해상도의 저항 트리밍을 통해 출력 전압 및 전류를 정밀하게 校정할 수 있었으며, 트리밍 코드는 저항 값과 반비례 관계에 있었다.
• MOS 전용 기반에서의 전류 미러 오프셋은 백게이트 바이어스 1.66 V에서 약 7.5%의 최대값을 기록하였으며, 이는 고배압에서 MUX 스위치 효과로 인한 것이다.
• 28 nm FDSOI에서의 실리콘 BJT 기반 BGR는 약 40 K에서 기능을 잃었으며, 이는 표준 CMOS BJT가 깊은 냉각 작동에서의 한계를 보여준다.