[论文解读] 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 4

一句话总结

本论文展示了在0.35 µm SiGe BiCMOS与28 nm FDSOI CMOS工艺中制造的低温CMOS带隙参考（BGR）电路，旨在实现深低温环境（低至4 K）下的稳定电压与电流参考。SiGe BGR在6 K时功耗为1.5–1.8 µW，而FDSOI中的MOS-only BGR在4 K下仍能正常工作，证明了其在可扩展量子计算控制接口中具备低功耗、温度稳定性的可行性解决方案。

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.

研究动机与目标

• 为低温量子计算控制系统开发低功耗、温度稳定的电压与电流参考。
• 解决深低温环境（如载流子冻结、阈值电压漂移）下晶体管行为退化的问题。
• 评估并比较SiGe BiCMOS与FDSOI CMOS工艺在低温模拟电路设计中的性能表现。
• 建立参考电路作为测试平台，用于缓解温度与工艺变化影响的低温设计技术。
• 实现芯片级集成的稳定参考，以降低量子控制ASIC中局部温度波动的敏感性。

提出的方法

• 设计两种BGR拓扑结构：一种为传统的电流镜BGR（SiGe BGR1），另一种为采用SiGe异质结双极晶体管（HBT）的改进型（SiGe BGR2）。
• 在28 nm FDSOI CMOS中实现MOS-only BGR，通过背栅偏置与电阻微调实现校准与稳定性。
• 采用基于反馈的带隙参考架构，通过利用双极结型晶体管（BJT）基极-发射极电压的温度系数，抵消温度相关的电压漂移。
• 应用具有6位二进制加权分辨率的电阻微调，独立校准输出电压与电流。
• 在FDSOI MOS晶体管中采用背栅控制，调节阈值电压，提升低温下的电流镜匹配性能。
• 在低温探针台与稀释制冷机中对电路进行表征，测量范围为4 K至300 K，测量输出电压、电流及失调特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于SiGe HBT的带隙参考能否在低至4 K的温度下保持功能与稳定性？
• RQ2 28 nm FDSOI CMOS中的MOS-only BGR在低温下的表现如何？能否实现高精度校准？
• RQ3 背栅偏置与电阻微调在多大程度上提升了低温参考的精度与稳定性？
• RQ4 工艺变化与温度相关的晶体管行为如何影响低温区域的参考输出？
• RQ5 BGR电路能否作为开发通用低温集成电路设计技术的有效测试平台？

主要发现

• 0.35 µm BiCMOS工艺中的SiGe BGR在6 K时分别实现1.5 µW与1.8 µW的功耗，证明了其在低温环境下的低功耗运行能力。
• 28 nm FDSOI CMOS中的MOS-only BGR在4 K下仍能正常工作，表明CMOS基参考在超低温下具备可行性。
• FDSOI MOS晶体管中的背栅偏置可调节阈值电压，降低电流镜失调，提升低温下的匹配性能。
• 采用6位分辨率的电阻微调可实现输出电压与电流的精确校准，微调码与电阻值呈反比关系。
• MOS-only参考中的电流镜失调在1.66 V背栅偏置时达到约7.5%的峰值，主要源于高偏置下的多路复用开关效应。
• 28 nm FDSOI中基于硅基BJT的BGR在约40 K时失效，表明标准CMOS BJT在深低温运行中存在局限性。