Caratterizzazione e progetto di circuiti integrati cmos operanti a 4.2 K per misure su quantum dots

Quantum dots are nanocrystals of semiconductor materials or nanostructures inside other semiconductors that are small enough to lead to a strong confinement of charge carriers. This encourage the rising up of quantum phenomena, like the discretization of the energy levels, that can be exploited for innovative optical applications and for quantum computing. Electrical characterization of quantum dots requires a dedicated electronic instrumentation. Indeed a very low temperature is needed so that the quantum mechanism occurs to limit the effect of thermal energy. The information is detected measuring the current signal from the device under test which is located inside a cryostat at a temperature lower than 4 K. The complicated experimental setup lays some problems about the readout electronics located at room temperature a few meters far away from the sample. The long connecting cables between the sample and the measurement instrumentation causes a big capacitance at the amplifier’s input. This input capacitance reduces measurement's performance of resolution and bandwidth. A way to improve the performance is to reduce the input capacitance developing an integrated system working inside the cryostat near the sample. In my thesis work I realized a measurement system to characterize a cryogenic integrated chip realized in a previous thesis in the laboratory of Prof. Marco Sampietro. The experimental results confirmed the proper functioning of some circuit topologies. Instead some measures showed differences compared to simulations due to inaccurate modelling of transistors at 4.2 K in weak inversion. In order to improve the performance of the previous amplifiers finally I designed the new integrated cryogenic amplifiers. I realized a transimpedance amplifier with a 1.52fA/sqrt(Hz) resolution, a current amplifier with a bandwidth 60 times greater than the previous amplifier, a low power amplifier with an improvement of a factor 5 than the previous chip and a chopper amplifier to reduce the 1/f noise dominant at 4.2 K.

I quantum dots sono nanocristalli semiconduttori o nanostrutture inserite in altri semiconduttori di dimensioni tali da portare a un forte confinamento dei portatori di carica. Questo favorisce l'emergere di fenomeni puramente quantistici, come la discretizzazione dei livelli energetici, che possono essere sfruttati per applicazioni innovative in ottica e nei computer quantistici. La caratterizzazione elettrica dei quantum dots richiede una strumentazione elettronica specializzata. Infatti affinchè il meccanismo quantico prenda luogo è necessaria una temperatura molto bassa per limitare l'effetto dell'energia termica. L'informazione è estratta misurando il segnale di corrente proveniente dal transistor di test che si trova all'interno di un criostato ad una temperatura spesso inferiore a 4 K. Il set-up complicato pone dei problemi sull'elettronica di lettura che è posta a qualche metro di distanza dal campione. La presenza di lunghi cavi di collegamento tra il campione e la strumentazione elettronica di misura porta ad una grande capacità in ingresso all'amplificatore che riduce le prestazioni di misura di risoluzione e banda. Un modo per migliorare queste prestazioni è quello di ridurre la capacità inserendo l'elettronica di lettura nel criostato vicino al campione. Nel mio lavoro di tesi mi sono occupato di realizzare un sistema di misura per caratterizzare un chip criogenico realizzato in un precedenza. I risultati sperimentali trovati hanno confermato il buon funzionamento di alcune topologie circuitali. Tuttavia alcune misure hanno mostrato una discrepanza rispetto alle simulazioni che è stata attribuita ad una non accurata modellizzazione dei transistor utilizzati a 4.2 K in regione di debole inversione. Allo scopo di migliorare le prestazioni degli amplificatori precedenti ho infine progettato dei nuovi amplificatori integrati criogenici. Rispetto al chip precedente ho realizzato un transimpedenza con risoluzione dimezzata e pari a 1.52fA/sqrt(Hz) , un amplificatore di corrente con banda 60 volte maggiore, un amplificatore con un quinto della potenza dissipata e un amplificatore "chopperato" per ridurre il rumore 1/f dominante a 4.2 K.