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高速垂直共振腔面射型雷射及垂直共振腔電晶體雷射之開發及特性研究

隨著網際網路的快速發展，光纖傳輸已廣泛使用在長距離的骨幹網路、中距離的都會網路及短距離的區域網路。光通訊的資料傳輸速率需求也越來越高，目前10 Gb/s及25 Gb/s的高速雷射光源已經發展成熟並應用在40/100 Gb/s乙太網路系統，而400 Gb/及Tb/s級系統架構也在全球最大光通訊研討會(Optical Fiber Conference, OFC)被探討。在2015 OFC，預估 2020 年400 Gb/s光收發模組開始實際應用於數據中心。為了達成400 Gb/s系統架構，光發射器為重要一環，為達到更高的輸出頻寬及更低的功耗，單通道50 Gb/s垂直共振腔面射型雷射(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser, VCSEL)為必要發展的項目。 本論文旨在研發下一代光通訊網路之高速雷射，在論文第二章，我們開發了單通道零誤碼率(Error-free) 50 Gb/s 850nm垂直共振腔面射型雷射，目標展示單顆面射型雷射高速50 Gb/s傳輸及零誤碼率操作，我們使用半波長(0.5-λ)共振腔並讓氧化孔徑縮小到3.3 μm，其閾值電流(Ith)為0.8 mA，最大頻寬27.6 GHz，我們使用不歸零(Non-Return-to-Zero, NRZ)開關移鍵(On-Off Keying, OOK)格式在室溫下通過50 Gb/s零誤碼率數據傳輸。 第三章探討VCSEL在高溫下的特性。在高溫下，由於增益-共振腔補償設計VCSEL的增益頻譜(gain spectrum)會逐漸紅移並在65˚C時有最低閾值電流(0.62 mA)。從室溫到85˚C，頻寬由27.6 GHz降到25 GHz。我們透過微波量測及建模擬合萃取出快速的電子電洞復合(τrec = 0.053增加至0.063 ns)及較低的光子生命時間(τp = 3.2增加至4.3 ps)並歸納雷射之頻寬限制來自於熱效應導致的光子密度飽和。 然而，二極體雷射由於主動區載子動力學的劣勢，電子電洞注入量子井後會堆積並等待復合，終究會限制其頻寬，而且其過高的共振頻率峰值會導致眼圖過衝(overshooting)進而扭曲數據傳輸的波形而增加誤碼率。因此，我們將VCSEL與電晶體結合，開發出垂直共振腔電晶體雷射(Vertical Cavity Transistor Laser, VCTL)，其主動區少數載子分布變成傾斜，主動區不再像是水庫累積載子，復合慢的載子將會被基-集極的逆偏電流掃至集極，進而減少復合發光時間，因此可以降低其共振峰值而得到較“平”光頻率響應及不失真的傳輸波形。第四章，我們使用選擇性氧化技術(selective oxidation)增加VCTL的載子侷限並增加復合放光效率進而降低閾值電流至2.4 mA，其旁模抑制比(Side Mode Suppression Ratio, SMSR)為31.76 dB為單模操作。在80 K時，最大光頻寬為11.1 GHz。其頻率響應相較於二極體雷射更“平”，將來應用於數據傳輸可得到不失真的波形及更低的誤碼率。

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感知老化效應的路徑延遲分析之實現

電路老化(aging)會影響電路的可靠度，因此如何分析老化效應對電路所帶來的影響是很重要的議題。過去有許多研究透過建立電晶體衰退模型(transistor degradation model)以及邏輯閘延遲衰退模型(gate delay degradation)來估計老化效應對邏輯閘延遲以及路徑延遲(path delay)的影響。 在這篇論文中我們僅分析負偏壓溫度不確定性(Negative-bias temperature instability)對路徑延遲的影響，引用過去研究的電晶體衰退模型，並建立自己的邏輯閘延遲衰退模型，實現了一個能感知老化效應的路徑延遲分析流程。實驗結果顯示以我們的邏輯閘延遲衰退模型估算的邏輯閘輸出訊號傳播延遲(propagation delay)誤差低於2 ps，同時能夠順利地計算出受老化效應影像後的路徑延遲，誤差最大值為8.27%。

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具非致冷/波長選擇之窄頻紅外光元件及可攜雛型開發與應用

本論文介紹紅外光熱輻射發射器之輻射模態種類及其原理和設計，包括：表面電漿子模態、侷域型表面電將模態以及波導型模態，利用金屬/介電質/金屬搭配金屬表面微結構處理，可在中紅外光波段激發單個/數個窄頻紅外光發射；此類型紅外光熱輻射發射器之用途相當廣泛，包括：第四章中的非色散式紅外光線 (NDIR) 氣體感測系統、第五章討論的激發氣味分子鍵結的振動用於人類嗅覺實驗之研究以及第六章針對水的第四相 (Exclusion Zone of Water) 之特性探討。此外，開發了一具室溫操作和窄頻段吸收特性之中紅外光偵測器，利用氫化非晶矽之阻值隨溫度變化的材料性質，結合垂直電流路徑與表面電漿中電場侷限等特性，大幅提昇了窄頻紅外光偵測器的表現，包括：偵測波長隨頂層條狀金屬寬度之可調性、響應時間以及與吸收頻譜吻合之光電反應；此偵測器亦應用於文中的非色散式紅外光線氣體感測系統。 第四章中實現了一改量式非色散氣體感測系統，透過前敘的窄頻紅外光熱輻射發射器及室溫操作之窄頻紅外光偵測器，取代傳統系統中的紅外光窄頻濾波片，大幅降低了元件製作成本和系統複雜性；本文選用乙醇為待測目標且採用波長為9.4微米之紅外光元件，針對碳-氧鍵於中紅外的吸收進行分析，成功量測到臺灣酒駕最低限度 (50 ppm)，最後結合電源控制器、轉導放大器以及微處理器完成一可攜式非色散紅外光線氣體感測系統之原型，其體積僅1580立方公分。 文中第五章亦將窄頻紅外光應用於探討人類嗅覺理論的實驗。氣味分子中的鍵結振動可以被具有特定波長的紅外光照射所激發，利用受到激發的分子鍵結震動研究對人體嗅覺的影響。嗅覺實驗中採用具有碳-氫和碳-氧鍵結的檸檬醛和環十五烷酮的氣味分子，照射光源採用波長為3.5微米和5.8微米的窄頻紅外光。通過分析23個受試者的嗅覺實驗結果，研究了受到紅外光照射激發的分子鍵結振動確實影響了相當數量受試者所感受到的氣味變化，立基於實驗結果且介由窄頻紅外光照射的方式，實現了一氣味可調之香味盒子原型。 本論文中第六章將一寬頻譜黑體輻射光源和一具有3.0微米窄頻熱輻射紅外光光源應用於第四相水 (Exclusion Zone of Water) 之特性探討。透過氧-氫鍵對於中紅外光之吸收波長位於3.0微米的物理特性，經實驗統計釐清了寬頻和窄頻中紅外光光源對於第四相水之影響；此外，意外地發現一種被忽略已久的場–撓場，可以透過第四相水之反應來進行量測。所有第四相水的實驗結果皆可由李嗣涔教授所提出的八度實虛時空來進行解釋。

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利用機器學習於單一電晶體上實現多重模態感測效果

由於物聯網的發展，次世代的感測器研究正在發生典範轉移。如今，多模態感測器已經在物聯網及人工智慧應用中扮演不可或缺的角色。為了更進一步降低功率及感測器尺寸，多模態感測元件將是未來感測技術的重要趨勢。因此，在本論文中，我們利用雙閘極離子感測場效電晶體成功實現多模態感測元件，成功同時量化酸鹼度，光及溫度三種物理變量。並提出虛擬感測器空間的模型來解釋多模態感測原理。首先，本論文提出利用時序產生虛擬感測器的理論，並解釋虛擬感測器空間與多重感測效應的關聯性。隨後，我們成功實現並驗證酸鹼度/光度雙重感測器以及酸鹼度/光/及溫度三重感測器，並且利用感測器的量測數據驗證我們所提出之虛擬感測空間的模型。利用本論文提出的虛擬感測器空間與多模態感測原理，我們可以將多模態感測器實現於單一感測元件中，並應用於感測器融合，物聯網以及人工智慧辨識等應用。

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應用發光電晶體整合光電邏輯閘與光電SR閂鎖器之研究與開發

發光電晶體(Light emitting transistors, LETs)的自發性復合載子生命週期為皮秒等級，因此具有高速的光調變頻寬，元件結構亦可同時作為光接收器、調變器與光發射器，再加上特有的光電雙輸出特性，使發光電晶體成為下一代光電積體整合電路(Opto-Electronic Integrated Circuits, OEICs)的重點發展元件。 第一部分探討發光電晶體作為異質接面光電晶體(Heterojunction phototransistor, HPT)與光二極體(Photodiode, PD)的特性差異，光電晶體由於具有內部增益，故擁有較大的光響應度，然而複雜的物理機制與結構，同時犧牲其光調變速度。本論文提出全新的雙端光電晶體等效小訊號電路模型，並探討影響光調變速度的關鍵參數，發現微縮光電晶體尺寸與增加入射光強，可有效提升元件的光響應截止頻率。在光二極體的高頻特性上，微縮元件同樣可提升其光調變速度。 第二部分設計以發光電晶體和光偵測器所組成的光電邏輯閘，其具有同時傳輸電訊號NAND閘與光訊號AND閘的光電雙輸出特性，並成功展示在2 kHz與20 kHz操作下的正確輸出結果。此外，研究使用不同的光偵測器，對光電邏輯閘輸出特性之影響，發現以光電晶體作為光接受器較為節能，¬以光二極體作為光接受器則有較快的傳輸速度。 最後，將基於光電邏輯閘的成果，開發光電SR閂鎖器，在展示光電NOR閘的輸出特性後，將兩光電NOR閘的輸出與輸入相接，形成光電SR閂鎖器電路。透過邏輯功能驗證量測，發現提升Set/Reset光輸入脈衝強度，可有效提升光電SR閂鎖器的操作速度，本研究成功展示光電SR閂鎖器於5 mW光脈衝強度下，操作在0.2 MHz的正確輸出結果，為學界首次以發光電晶體整合電路製作出光電SR閂鎖器之研究。

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一個用於壓電能量擷取系統的同步反相和電荷提取介面電路

隨著物聯網概念的發展，無線設備被廣泛使用，而為這些設備供電則是一個問題。如果使用電池，我們必須每隔一段時間更換一次電池。此外，廢棄的電池也會造成環境汙染。因此，我們從環境能源中收集能量來延長電池壽命，最終實現無電池IOT設備的目標。在室內，環境的振動源提供最高的功率密度，因此，我們使用壓電能量擷取系統來收集這些能量。 同步電感式能量擷取電路 (SSHI)和同步電荷擷取電路(SECE)是兩種常見的的介面電路。與標準介面電路相比，SSHI具有高功率增益的優點，而功率增益取決於負載阻抗。而SECE具有中等的功率增益，但功率增益完全獨立於負載阻抗。而本論文提出用於壓電能量擷取的同步反相和電荷提取（SICE）介面電路，結合SSHI和SECE電路，在給定的反轉次數下，反轉達到峰值的壓電電壓（偏置翻轉動作），然後通過SECE電路擷取總能量。因此，可以同時獲得高功率增益和負載獨立的優點。 此晶片使用台積電0.25μm HV-CMOS製程來實現。根據量測結果，此介面電路在壓電電壓峰值為10 V且不翻轉的情況，擷取的功率為130μW，此時的功率增益為290%；而在壓電電壓峰值為2.8 V且反轉次數為3時，擷取功率為22μW，此時的功率增益為628%。

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利用低損傷電漿系統在石墨烯氣體感測器上之應用

石墨烯 (graphene) 因具備極高的載子遷移率，且對於氣體分子來說具有極大的感測接觸面積，所以是個很具有潛力的氣體感測器。而且，石墨烯是一种類金屬(semimetal)，它所以在製作元件上，石墨烯可以同時具有感測層以及傳輸層特性，這讓石墨烯在各種得分子測量上具有一定的優勢 本論文將以化學氣相沉積法成長大面積的石墨烯於銅箔上，再利用氣泡掀離法把隨機堆疊的雙層石墨烯轉印到目標基板上，接著利用低損傷電漿系統對石墨烯進行表面的官能基修飾，藉由這些表面的改變，也發現了石墨烯對於各種氣體的感測特性(sensing characteristic)隨著各種參數的變化而變化，而一開始我們選定的電漿是以不同時間的氧電漿對石墨烯表面進行改質，除了氧電漿外我們也對氮電漿進行各種的試驗，尋找能將石墨烯表面官能化的最佳參數，並且利用這些表面被官能基改變的石墨烯進行氣體量測。 此外，本實驗也對摻雜前後的單層與雙層石墨烯進行拉曼光譜的分析，同時也藉由X射線光電子光譜儀來分析摻雜時間與石墨烯表面的碳氧比例的關係。

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具快速動態電壓調節於電源管理之兩億赫茲數位線性穩壓器

近年來，為了實現低輸入電壓下的快速暫態響應，越來越多的應用傾向使用數位線性穩壓器。然而，由於一般數位線性穩壓器常採用同步控制，在每段時間周期下移位暫存器只能打開或關閉一個功率電晶體，因此其暫態響應將會被工作頻率所限制。若要提高暫態響應的效率，唯有提供更高的工作頻率。但在提高工作頻率的同時，相對的靜態電流也會跟著提升。 有鑑於此，本論文提出一個具快速動態電壓調節應用於電源管理之數位線性穩壓器，在180奈米製程下實作。該設計採用非同步控制來降低靜態電流，並在提升工作頻率的同時不會犧牲暫態響應，使該數位線性穩壓器實現動態電壓調節。其負載電流切換為490mA，輸入電壓範圍為1.2V至2V，輸出電壓範圍為1.15V至1.95V。在電壓調節達到穩定狀態時，最小靜態電流可降至2.55uA。另外，所提出的D-LDO實現了0.06mV / mA的負載調節。

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使用CMOS製程應用於5G通訊毫米波頻段與Ka頻段衛星接收系統相移器晶片

本論文設計兩個向量和式相移器，第一顆晶片為使用主動IQ訊號產生器之Ka頻段向量和相移器，可應用於衛星接收系統。而第二顆晶片為具相位補償之Ka頻段向量和相移器，可應用於5G毫米波通訊系統。 第一個電路使用主動IQ訊號產生器，來提供具有增益之正交訊號，接著經雙相調變器的開與關，來達到訊號的反向，因此能提供出四個象限之訊號，最後結由向量加法器來調整I與Q路徑之訊號大小，進而合成所需相位。此電路採用台積電0.18 μm CMOS製程來實現，在19 GHz量測之均方根相位與增益誤差分別為0.31°與0.63 dB，平均|S21|為-1.25 dB，平均直流功耗約為10 mW。 第二個電路使用被動90°耦合器，正交訊號傳遞至雙相調變器，來產生四個象限，而兩路訊號分別送至具有相位補償的可調增益放大器，放大器之中間級為調整級，如此一來，最後一級之疊接放大器可以屏障輸出阻抗之變化，可以有較好之輸出反射損耗表現，相位補償的部分同樣在中間級，我們在疊接放大器共閘極的閘極端接上小電容與共源極的源極端加上電感，來抑制相位變化。此電路也採用台積電0.18 μm CMOS製程來實現，在28 GHz量測之均方根相位與增益誤差分別為0.6°與0.57 dB，平均|S21| 為-4.73 dB，直流功耗小於10.5 mW。

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應用於微型機器人自主導航之路徑規劃處理器設計與實現

自主行動之微型機器人已廣泛應用於各種場景並已改變人類生活方式，其自主導航與控制系統需要進行大量認知處理，才能讓機器人執行複雜任務。所需之認知處理包括路徑規劃與障礙物避讓，並需對動態環境進行即時反應。然而，受限於搭載電池的續航力，認知處理必須達到高速且節能。本論文透過演算法與硬體架構之綜合最佳化，提出一個應用於二維與三維空間即時自主導航之高效節能路徑規劃處理器。此處理器採用快速探索隨機樹 (RRT) 在高維度與高解析度的地圖進行路徑規劃，並使用雙樹生長策略、分支延伸、與平行擴展等技術降低運算複雜度與記憶體需求。在原本已搜尋之路徑的基礎上，採用修剪與重複利用等策略進行動態環境下的快速路徑重新規劃。所提出之處理器使用大量平行之處理引擎陣列，其硬體架構設計確保在低複雜度實現下仍具有高效能表現。所提出之路徑規畫處理器以 40nm製程實現，在 3.65mm^2 的晶片面積上整合 2M 邏輯閘。晶片可進行二維與三維的路徑規劃，僅需低於 1ms 與 10ms 的運算時間。操作於200MHz 時脈、供應電壓為 0.9V 時，針對一過去文獻支援之 100×100二維地圖，本研究所提出之處理器晶片消耗能量僅為 1.5µJ/task，在運算時間與能量消耗皆達到上千倍的提升。