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嵌入硒化鎘量子點之介電質光子晶體微共振腔之研究

本論文利用RSoft套裝軟體之平面波展開法(Plane Wave Expansion)來模擬光子晶體的光能隙(Photonic Band Gap)，設計出光能隙落在可見光範圍之結構。實驗上，我們利用電漿輔助化學氣相沉積系統(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD)成長之氮化矽作為光學共振腔的介電材料，經過電子束直寫微影技術，定義出所設計之光子晶體結構與缺陷共振腔(defect cavity)，再以乾式與濕式蝕刻做出介電質材料二維光子晶體被動元件，最後利用光纖尖頭滴量子點法將主動發光材料硒化鎘(CdSe)沾在光子晶體微共振腔區域，讓量子點的發光在微共振腔模態上獲得增強。 我們設計基本的直線型與六角型微共振腔，改變其共振腔大小，觀察模態位置，並且和模擬結果之波長互相對應。 我們在不同溫度下量測光子晶體模態，發現模態位置隨溫度升高而紅移，且紅移量在高溫較顯著，此現象在其他文獻中也有發生，解釋其原因是由於氮化矽材料之折射係數對溫度呈現二次曲線變化所造成。 接著我們改變激發光源的強度，觀察發光強度與激發強度之間的關係。在激發強度小於0.1mW時，兩者呈現線性變化；在激發強度大於0.1mW時，量子點模態的強度趨於飽和，推測是由於樣品熱效應的影響。於是我們利用脈衝雷射激發以降低樣品熱效應，成功將激發強度增加至0.3mW，量子點模態的強度仍能線性增強。

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應用在雙向通道網路晶片的死結偵測機制

在網路晶片架構（Networks-on-Chip）上，死結（Deadlock）是一個相當重要的課題。在這篇論文中，我們提出一個偵測死結的機制，應用在採用完全動態路由演算法（Fully Adaptive Routing）的雙向通道網路晶片架構（BiNoC）上。我們提出的死結偵測機制，不僅會檢查路由器內部的資料停滯的時間，同時也利用一個偵測封包，沿著資料封包移動的反方向傳送，藉此找到資料封包彼此之間的循環相依性。 我們提出的死結偵測機制，不論是在傳統單向通道網路晶片架構或是雙向通道網路晶片架構上，都能夠有效的降低偵測到的死結資料封包數量，從而避免用於死結復原的資源飽和。同時在雙向通道網路晶片架構上，我們所提出的反方向傳送偵測封包之死結偵測機制，能夠有效的使用因為死結而閒置的通道。這些位置的通道不單單提供給偵測封包使用，同時也供給資料封包使用。這樣的作法能夠提高通道的使用效率，並藉此得到更好的系統效能。

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利用低能量密度準分子雷射熱退火改善金奈米晶粒非 揮發性記憶體

本研究論文中，我製作金氧半(MOS)結構含有化學還原法製成之金奈米晶粒的記憶體元件，目的是為了儲存電荷。金奈米晶粒的密度及均勻度是藉由掃描式電子顯微鏡觀察，因為使用不同介面活性劑在沈積金奈米晶粒會有均勻度上的不同，而均勻度會造成不同的差異在高頻電容電壓曲線上，因為均勻度是聚積出現的關鍵。大家都知道使用電漿輔助化學氣相沈積成長控制氧化層的品質較差，所以我想利用KrF準分子雷射熱退火提升氧化層的品質。透過此種方式，KrF準分子雷射可以改善金奈米晶粒非揮發性記憶體在電性上的表現。接著我使用不同能量密度及不同發數，並且發現在特定雷射條件，即低能量密度且多發數可以擁有較佳的元件電性。另外根據電荷流失百分比，討論儲存電荷在不同KrF準分子雷射參數下在金奈米晶粒及氧化層缺陷的relaxation time及儲存比例。最後探討經過KrF準分子雷射熱退火後的二氧化矽膜會因為化學鍵結變化造成光學特性上的不同。

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在多路徑頻率選擇性通道下使用聯合載波同步與通道等化演算法之OFDM收發機系統設計與其CORDIC-Based超大型積體電路架構設計

本論文，主要是考量在多重路徑頻率選擇性通道(multipath frequency-selective fading channel)下，探討正交分頻多工(orthogonal frequency-division multiplexing, OFDM)基頻收發機的系統設計與驗證。另外，針對OFDM系統在追蹤階段(tracking stage)，提出載波同步與通道等化之聯合演算法。此聯合演算法是根據最小均方誤差(minimum mean-square-error, MMSE)準則，定出其單一成本函數(cost function)，可同時最小化子通道上的均方誤差，進而減弱載波頻率抖動(jitter)。基本上，聯合演算法包含了一個雙迴路(dual-loop)的載波同步與一個增益(gain)等化回路。此雙迴路是由內部(inner)迴路與外部(outer)迴路組成的架構。此外，針對硬體實現所造成迴路延遲(loop-delay)，進而引起雙迴路的相關穩定度問題與迴路抖動對系統效能(performance)的影響，在此論文中都做了詳盡的探討與分析。針對AWGN與頻率選擇性通道的情況下，透過系統模擬驗證系統的分析，其結果可以顯示出聯合演算法不僅可以準確的估測與補償載波頻率偏移和通道等化，且具有成本效益的特色。在考量相關的演算法比較下，聯合演算法在乘法與加法運算上，可分別節省18.8%/57.2%與12.4%/49.1%的算術運算功率(computational power)。 考量聯合演算法的算術運算特性，針對OFDM基頻接收機，提出以CORDIC-based的超大型積體電架構設計，進而降低整個接收機的硬體複雜度。聯合演算法中其算術運算包含座標旋轉(coordinate rotation)、反正切(arctangent)、平方相加(square & addition)與平方根(square-root)、乘法與除法運算等。這些算術運算可以很簡單的透過控制單元，在不同的時間將CORDIC設定成相對應的組態，執行上述各個算術運算。此外，為了要得到合理的硬體設計，根據系統可接受的SNR損失下，針對OFDM系統的接收信號路徑作其定點分析。以Altera Stratix II EP2S180建立一個OFDM基頻接收機的FPGA原型機，驗證其相關的系統規格。在IEEE 802.11a且其載波偏移頻率(carrier frequency offset, CFO)為-232.2 KHz，64-QAM非編碼(uncoded)的最大傳送資料量72 Mbps下，其誤差向量振幅(error vector magnitude, EVM)的量測結果為-31.0 dB，且符合系統要求(<-25 dB)。 最後，以TSMC 0.18um 1P6M CMOS製程，完成此CORDIC-based超大型積體電路架構設計的OFDM基頻接收機的實體佈局。其晶片與核心面積分別為2.1 mm^2與1.2 mm^2。根據佈局後模擬(Post-layout simulation)的結果與Prime Time的估計，其總消耗功率在核心(core)電壓1.8 V、晶片輸入/輸出埠(I/O pad)電壓1.5 V與系統時脈40MHz的情況下為51 mW，其晶片核心消耗功率為33.2 mW。

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熱退火對氮銻砷化鎵能隙及原子結構的影響

本論文我們研究利用氣態源分子束磊晶成長的氮銻砷化鎵樣品在熱退火前後的能隙和原子結構的改變。經由光激發螢光和光學吸收譜的量測，此材料的能隙在經過750C熱退火之後有著明顯的能隙藍移現象。這些氮銻砷化鎵樣品在經過熱退火後的能隙值與文獻利用能帶彎曲模型所計算的能隙很接近。此外，氮和銻可以獨立控制縮減此材料的能隙。在這樣的基礎下，我們提出雙能帶彎曲模型並用來說明氮和銻的加入可分別獨立控制砷化鎵的導電帶和價電帶能量。我們也研究了氮銻砷化鎵在經過熱退火後能隙藍移的原因。我們相信“氮原子對”存在於熱退火前的氮銻砷化鎵樣品，其能隙比雙能帶彎曲模型理論計算值還低。在經過熱退火處理之後，“氮原子對”逐漸分離成“獨立氮”的形式並導致能隙藍移。將調置光譜量測的訊號經由Karmers-Kronig 模組轉換後的分析，我們可以解析出各種“氮原子對”和“獨立氮”所造成訊號。當熱退火溫度上升時，這些訊號逐漸混合到“獨立氮”的訊號。為了更進一步找尋可以支持“氮原子對”分離理論的證據，我們利用國家同步輻射中心20A光束線量測了氮的K-edge X 光吸收近邊緣頻譜並研究氮銻砷化鎵短範圍結構的變化。我們使用價力場模型建立多個216原子的超晶格，分別包含了許多不同的結構，包括“獨立氮”、“氮原子對”、氮氫複合物等等。我們以氮為中心，建構一個381原子的球型原子堆並利用模擬軟體FEFF9來模擬氮的光吸收近邊緣頻譜。藉由比較實驗值和模擬值，我們認為“氮原子對”存在於熱退火前的氮銻砷化鎵樣品。當熱退火850C、5分鐘後“氮原子對”轉換成獨立氮氫複合物。

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微影成像模擬以及次解析輔助特徵結合HSMO的分析

光學微顯影成像技術(Optical micro-lithography image technology)是目前半導體製造中關鍵的一步。隨著超大型積體電路(VLSI, very-large-scale integrated-circuit)製程技術的演進，元件的特徵尺寸(feature size)已小於現今所使用的曝光光源波長，使得成像結果因光的繞射效應明顯地偏離了原本的設計圖樣(design pattern)。因此，各種採用有效技巧與演算法的解析度增強技術(RET, resolution enhancement technology)廣泛地被提出，以期能使成像結果貼近原本的設計圖樣。眾多代表性的技術如偏軸照明(OAI, off-axis illumination)、相移光罩(PSM, phase shift mask)、光學鄰近修正術(OPC, optical proximity correction)等，均有助於成像結果的改善。 於本論文中，我們考慮結合亞解析度輔助圖形(SRAF, sub-resolution assist feature)以及階層式光源光罩最佳化技術(HSMO, hierarchical source mask optimization)。先藉由添加亞解析度輔助圖形的方式來提高設計圖樣的焦深(depth of focus)，接著再對於光源以及光罩作最佳化，以期能抵消製程的作用而得到原本的電路設計。 然而，在使用解析度增強技術之前，我們必須先確保我們的光阻內成像模擬的正確性。因此，我們考慮完整介紹建立在平面波分解上的光阻內成像模擬，並且將我們程式的成像模擬結果對照Sentaurus Lithography的成像模擬結果，以方便確認我們程式模擬結果的正確性。 此外，以現在元件數以百萬計的電路設計，若以傳統的直接摺積方式去得到成像結果，這將會需要非常大量的時間以及空間。在此論文中，我們將使用阿貝主成份分析(Abbe-PCA, Abbe principal component analysis)對過程中產生的摺積成像核心(convolution image kernel)進行快速壓縮，並利用摺積查表(convolution lookup table)加速最佳化過程中的目標函數(object cost function)的計算。 於本論文中，我們將使用成像強度誤差(IIE, image intensity error)作為我們的目標函數。經過最佳化以後的模擬結果將會比原始成像模擬結果在目標函數值上改善了67.46%，模擬結果不僅更接近原本設計的圖樣並且在對於失焦(defocus)的容錯率上也提升了。

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用於電子紙顯示器之高開路電壓之非晶碳化矽薄膜太陽能疊電池

在本論文中，首先探討非晶碳化矽薄膜在200℃底下成長時的結構、光學及電學特性，並與250℃時成長的薄膜相比較，以確定低溫成長的非晶碳化矽薄膜特性。接著利用此材料寬能隙的優點引入太陽能電池製程中作為太陽能電池的透光層以獲得更高的開路電壓。為了發展使用在電子紙上的太陽能電池，配合其可捲曲式的特性，我們先在塑膠基板上成功製作了三層堆疊非晶碳化矽p-i-n太陽能電池。而為了增進太陽能電池在塑膠基板上的效能，我們採用表面紋理化的方法，先在Asahi-U基板上製作太陽能電池來與平面基板上的太陽能電池作比較，接著使用一種新的技術去在PI基板上製造紋理表面，並成功的在具紋理表面的PI基板上製作了三層堆疊非晶碳化矽p-i-n太陽能電池，比起平面基板上的太陽能電池，其效能提升了16.4%.

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運用雙向傳輸通道之容錯網路晶片設計

本文提出了一個運用雙向傳輸通道之容錯網路晶片設計，使得網路晶片可以避免靜態或是動態的錯誤傳輸通道，而繼續正常的傳輸溝通。在傳統的網路晶片平台，錯誤的傳輸通道會造成傳輸資料的堵塞或是繞道，進而造成效能上嚴重的影響。這篇論文提出了一個運用可動態調整之雙向傳輸通道的容錯機制，根據所實現的錯誤偵測和診斷機制，使得網路晶片可以精確的避開錯誤通道，且僅伴隨著輕微的效能影響。潛在的效能優勢像是故障率的降低和可靠度的增加也都在本文中仔細的分析。實驗結果說明了在錯誤發生的網路狀態下，對此容錯機制的效能影響不論是在合成交通型態或真實交通型態都是輕微的。除了避免錯誤之外，這篇論文也提出了一個以封包大小為單位的蟲洞交換重傳機制，在網路晶片的資料鏈結層來處理網路晶片發生錯誤的當下而受損害的傳輸資料。實驗結果也分析了在不同的錯誤狀況底下，錯誤對重傳機制的效能變化。

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堆疊晶片間無線能量傳送系統

本篇論文提出一個使用了耦合電感於三維積體電路堆疊晶片間無線能量傳輸的一個可行方法。現行無線能量傳輸方法主要有三，耦合電容、耦合電感以及天線。但其中偶合電容與天線在晶片尺寸時的功率傳輸大約只在微瓦(μW)等級，而我們希望能得到毫瓦(mW)等級的傳輸功率，來驅動系統級的電路。除此之外，與電容耦合相比，由於電感耦合的傳輸有比較遠的距離，因此選用耦合電感做為傳輸媒介。本論文提出兩個不同傳輸距離的設計，晶片間的距離分別為15以及70微米。我們使用交流弦波做為發射訊號，經由發射端電感來傳送能量，接收端則包含了接收電感以及整流器來穩定並提供輸出電壓。此無線能量傳輸系統發射端分別使用氧化鋁陶瓷基板(Al2O3)製程以及玻璃基體被動元件(GIPD)製程，而接收端方面則使用台灣積體電路公司0.18微米製程來實現。本論文實作之結果，在Al2O3版本模擬結果為輸出功率38.10mW，轉換效率為25.93%。在GIPD版本量測結果為輸出功率3.28mW，轉換效率10.36%。

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一個使用嵌入式有限脈波響應濾波器的60億赫茲除小數頻率合成器

近來，隨著越來越多傑出的研究成果，全數位鎖相迴路已然變為一個當紅的研究主題。跟傳統類比電路使用充電汞的架構相比，全數位的架構有著以下的強勢優點：容易在不同製程之間做電路轉換、小面積、先進製程的高電路成果表現以及易與數位電路系統整合等好處。為了更進一步發展全數位鎖相迴路的潛力，在本篇論文中我們完成兩個跟全數位鎖相迴路有關的架構設計。 在第一顆晶片中，一個使用嵌入式有限脈波響應濾波器的60億赫茲除小數頻率合成器的設計被提出，用以抑制傳統的除小數頻率合成器中，受限於量化雜訊的問題。其根本概念是利用調變器與振盪器的資訊，經由數位電路的運算，來補償主迴路上所產生的量化誤差，因此得以節省許多晶片面積及電功率消耗。實驗的晶片是使用台積電90奈米的互補式金氧半場效電晶體製程，量測的結果在使用所提出的演算法下，量化雜訊在輸出端的相位雜訊被壓抑了15dB，晶片中的電路面積占了0.18 mm2 ，而功率消耗為28.8mW. 在第二顆晶片中，我提出了一個使用串接式架構的全數位鎖相迴路，輸出的頻率為134百萬赫茲。在這顆晶片中，我利用串接式的架構搭配上注入式鎖像迴路的觀念，藉此消除在單一迴路中，迴路頻寬受限於輸入頻率過低，而產生的相位雜訊過高的問題。實驗的晶片是使用台積電180奈米的互補式金氧半場效電晶體製程。