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http://inaoe.repositorioinstitucional.mx/jspui/handle/1009/2512| Characterization and modeling of comercial CMOS technologies for cryogenic applications | |
| Omar López | |
| Daniel Durini Romero DANIEL FERRUSCA | |
| Acceso Abierto | |
| Atribución-NoComercial-SinDerivadas | |
| Cryo-CMOS cryo-electronics CMOS Device modeling Fermi-Dirac statistics | |
| Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS) technology is currently facing many challenges in order to keep leading the technology progress, which comes from the manufacturing processes up to achieve design to solve particular needs, such as ultra-low power consumption integrated circuits (IC). This technology is currently trying to meet claims from quantum computing (QC) to have control and readout electronics working in cryogenic environments. Nevertheless, current CMOS commercial models show important discrepancies at cryogenic ambients. Despite the achievement within the cryogenic CMOS field, there are many challenges that need to be solved before we would obtain an optimized integrated circuit (IC for deep-cryogenic temperatures (<10 K). Hence, this thesis focused on the characterization, physics, and modeling of MOSFETs at deep-cryogenic temperatures. Advanced commercial technologies such as 65 nm bulk MOSFET, 22 nm FD SOI MOSFET, and 14 nm PD SOI FinFET were studied. Electrical parameters; and electrical models at cryogenic temperatures were obtained. Measurements from room temperature down to 350 mK and 3.8 K were done. The experimental set-up developed was capable to achieve down to 350 mK, nevertheless, the thermal power dissipation is reduced down to ∼3 μW. So, most of the measurements were done at 3.8 K where the thermal power dissipation is up to 1 W. Within this system, we could obtain electrical and electro-thermal measurements for various transistors allowing us to verify what literature reports as well as study thermal effects. Furthermore, we present a method to extract the parameters of MOSFETs at temperatures ranging from 3.8 K up to 300 K. This method only requires simple DC measurements on a single test device in the triode region. The extracted parameters are the threshold voltage, the series resistance, the mobility degradation, and the critical field at which the carriers are velocity saturated. It is also shown that mobility degradation, series resistance and velocity saturation produce equivalent effects in the triode region. La tecnología Metal Oxido Semiconductor Complementaria (CMOS) actualmente enfrenta diversos desafíos, de tal modo que siga liderando el desarrollo tecnológico, los cuales son del tipo de procesos de manufactura hasta alcanzar a obtener un diseño que resuelva necesidades muy específicas, como por ejemplo algún circuito integrado que requiera trabajar con ultra bajo consumo de potencia. A su vez, esta tecnología intenta cumplir con los requerimientos de la computación cuántica (QC) para poder contar con circuitos electrónicos de control y escritura capaces de trabajar en temperaturas criogénicas. Sin embargo, los modelos comerciales de CMOS actuales difieren de forma importante al momento de operar a temperaturas criogénicas y a pesar del gran avance hecho hasta hoy en día en el área de criogenia, aún existen diversos retos que tienen que ser resueltos antes de poder obtener un circuito integrado (IC) optimizado a temperaturas ultra fías (<10 K). Por tanto, esta tesis se enfoca en obtener mediciones eléctricas de tecnologías CMOS comerciales, así como sus parámetros eléctricos, al igual que los modelos eléctricos y electro-térmicos que pudieran predecir el comportamiento de los transistores una vez alcanzada la temperatura de helio líquido (4.2 K). El sistema de refrigeración y medición desarrollado, fue capaza de alcanzar como temperatura más baja los 350 mK, sin embargo, la potencia de disipación térmica caía drásticamente, hasta alrededor de ∼ 3 μW. Por tanto, la mayoría de las mediciones eléctricas, fueron a 3.8 K, donde la potencia de disipación térmica alcanzaba un Watt. Gracias a este sistema, logramos obtener mediciones eléctricas y electro térmicas para diversos transistores, lo que nos permitió verificar los comportamientos reportados en la literatura, así como estudiar los efectos térmicos. Además, se presenta un método para extraer los parámetros eléctricos del MOSFET para un rango de temperatura entre 3.8 K y 300 K. Este método solo requiere mediciones en DC sobre un dispositivo de prueba en la región de triodo. Los parámetros que se logran extraer son el voltaje de encendido, la resistencia en serie, la degradación de la movilidad y el campo eléctrico crítico al cual los portadores alcanzan una saturación en su velocidad. También se muestra que la degradación de la movilidad, la resistencia en serie y la velocidad de saturación producen efectos equivalentes en la región de triodo. | |
| Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica | |
| 2023-04 | |
| Tesis de doctorado | |
| Inglés | |
| Estudiantes Investigadores Público en general | |
| López López, O., (2023), Characterization and modeling of comercial CMOS technologies for cryogenic applications, Tesis de Doctorado, Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica | |
| ELECTRÓNICA | |
| Versión aceptada | |
| acceptedVersion - Versión aceptada | |
| Aparece en las colecciones: | Doctorado en Electrónica |
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