Progetto di amplificatori CMOS criogenici per la caratterizzazione di dispositivi operanti a 4.2 K

This Master Thesis work discuss the design of six different topologies of integrated analog circuit amplifiers based on CMOS 0.35µm technology with the aim of working at 4.2K. Istituto di Fotonica e Nanotecnologie del CNR collaborated with this proect. These amplifiers can be used to detect the current through Silicon quantum dots and ultra-scaled devices where quantum mechanics takes place they can be used also for quantum information. The very low working temperature of the devices is required to reduce the noise associated by thermal fluctuations. The developed electronic circuit allows to closely place the cryogenic sample so as to get both a higher signal-to-noise ratio and better bandwidth with respect to the solutions where very long cables are used to connect the cryogenic device to the ambient temperature instrumentation. It is then discussed the necessary set-up to characterize these amplifiers, with particular regard on the electronic board interface between the cryogenic world and the ambient temperature instrumentations. Finally, it is discussed about the characterization at cryogenic temperatures of Erbium doped transistors fabricated by Waseda University Tokyo and more traditional transistors developed by LFoundry. It is confirmed that working at such low temperatures is advantageous to reduce white noise which allows improve the sensibility of the measure with the proper design and to observe single-charge dynamics on Silicon devices.

Il presente elaborato di Tesi Magistrale tratta la progettazione di sei diverse tipologie di circuiti amplificatori analogici integrati in tecnologia CMOS 0.35µm destinati a funzionare alla temperatura di 4.2 K e questo progetto ha visto la collaborazione dell'Istituto di Fotonica e Nanotecnologie del CNR. Essi trovano impiego nella misura della corrente di quantum dots in silicio e di dispositivi ultra-scalati in cui gli effetti quantistici possono essere impiegati per innovative applicazioni di quantum processing. La bassa temperatura di esercizio dei dispositivi è richiesta per ridurre la perturbazione data dalle fluttuazioni termiche. L’elettronica di misura progettata permette di essere posta vicina al campione criogenico con un miglioramento del rapporto segnale-rumore e della banda rispetto alle soluzioni che impiegano lunghi cavi per collegarsi alla strumentazione a temperatura ambiente. In aggiunta ai circuiti integrati criogenici si è sviluppato il set-up necessario per caratterizzarli, con particolare riguardo alla scheda elettronica di interfaccia tra il mondo criogenico e la strumentazione a temperatura ambiente. Infine si discute la caratterizzazione alle temperature criogeniche sia di transistor drogati con atomi di Erbio, fabbricati presso la Waseda University di Tokyo, che di transistor più tradizionali prodotti da LFoundry. Con il presente lavoro si è dimostrato che lavorare a temperature così basse offre la possibilità di ridurre in maniera significativa il contribuito di rumore bianco permettendo di realizzare misure molto più precise che a temperatura ambiente e poter osservare fenomeni dinamici di singola carica elettrica nei dispositivi di semiconduttore.