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超高真空化學氣相沉積矽鍺磊晶成長暨先進元件應用

於本論文中，超高真空化學氣相沉積矽鍺磊晶技術被詳細的探討。我們成長矽鍺量子點與奈米環狀結構以供光偵測器元件等先進光學元件應用開發，而矽鍺量子井以及矽鍺漸進層結構則被設計來提供金氧半場效電晶體元件以及絕緣層閘極場校電晶體元件等先進電子元件的開發。 於本論文的第一部份，矽鍺量子井與矽鍺量子點這兩種已經歷史悠久的矽鍺奈米微結構的生長機制將被再次討論，特別是載流氣體對矽鍺量子井與量子點結構的生長影響。氫原子表面覆蓋現象在矽鍺量子井與量子點結構的生長中扮演很重要的角色，特別是會影響到矽鍺奈米結構中的鍺濃度以及應變分布。除此之外，這兩種奈米結構在元件上的應用也被充份的討論。利用在Si(100)，Si(110)與Si(111)三種基板上製作的金氧半場效電晶體在本次論文中亦被開發。等效質量的差異導致了在這三種基板上製作之元件的載子遷移率不同。另一方面，利用多層量子點結構製作的紅外光偵測器特性也在此部份被討論。 在矽鍺量子井與矽鍺量子點之生長與元件應用介紹後，我們利用類似的概念開發出矽鍺奈米環狀結構。兩種生長機制：矽原子表面擴散與鍺原子外擴散現象分別被建構在於六百度生長與於五百度生長的矽鍺奈米環狀結構上。利用鍺原子外擴散現象所製作的矽鍺奈米環狀結構，由於對環狀結構的深度以及邊緣的鍺濃度具有較好的控制性，被我們認為是比較適合於開發未來新型光偵測器等先進元件應用。而除了開發出此結構外，我們亦同時開發出在Si(100)，Si(110)與Si(111)三種基板上的矽鍺奈米環狀結構。利用改變底部基板，我們可以控制矽鍺奈米環狀結構的基底形狀，藉以得到更多光學元件的應用。 在本論文的第三部份，我們開發出了具有目前世界紀錄二維電子氣載子遷移率的高速元件，並進一步的將此紀錄往前推進。此項高速元件在載子濃度於1.5×1011 /cm2時，具有約1.6×106 cm2/Vs的二維電子氣載子遷移率。另一方面，我們更進一步的將此概念開發成可同時具有二維電子氣以及二維電洞氣載子遷移率的互補元件。P型通道場效電晶體的特性以及反用換流器也同時被開發成功。除此之外，我們也討論了對於二維電子氣密度以及二維電子氣載子遷移率的限制性。各種在矽鍺奈米結構內的散射現象，包括雜質、背景雜質、介面粗糙度、還有線差排密度等，都可以很直接的降低我們的二維電子氣載子遷移率。而藉由這部份的發現，我們也成功將我們二維電子氣載子遷移率的紀錄推進到2×106 cm2/Vs，並在可預期的未來，我們還有更多進步空間。 最後一個部份裡，我們討論了在鍺基板上成長矽的生長機制。一個與一般在矽基板上生長鍺狀況不同，從三維生長回歸到二維生長的機制，被第一次在鍺基板上成長矽的情形中發現。這一連串的生長分成三個階段，首先，矽量子點會先出現在鍺基板表面。在持續的矽沉積後，一種奈米環狀結構將會取代原本的矽量子點。而最後，整個矽表面將會變平，回歸到二維的生長當中。這種生長機制，推測是來自於拉伸應變可以增強矽原子在表面的表面擴散效應，並增進側向的成長，從而形成從三維生長回歸到二維生長的機制。這種平坦狀的矽磊晶層，對於先進的光電以及奈米電子元件開發，具有非常大的助益。

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藉由具圖案矽基板控制局部熔點分佈以製作高品質鍺奈米粒子

藉由具圖案矽基板可控制鍺薄膜局部熔點分佈，熱退火時，因矽基板與鍺薄膜熱膨脹係數差異，鍺薄膜於奈米洞陣列中所承受之壓力隨位置改變而不同，導致鍺薄膜中，熔點為一空間分佈而非定值；利用此特性，控制氧原子於鍺薄膜中分佈，產生氧化蝕刻效應，降低矽基板與鍺奈米粒子接觸面積，減少鍺奈米粒子與矽基板間應力，進而提升其結晶度。 利用電子束熱蒸鍍機台將鍺薄膜沉積於具圖案矽基板上，經適當熱處理，鍺奈米粒子可由鍺薄膜聚集而成，藉由穿透式電子顯微鏡及拉曼頻譜驗證，所製作鍺奈米粒子尺寸超過20奈米，且於特定樣品中，具有遠紅外光發光特性，其發光波長為1157奈米。 非破壞性掃描式近場光學顯微鏡技術亦應用於檢驗樣品特性，此光學顯微鏡具有1.55微米波長的雷射光源，此雷射光波長可穿透樣品中矽及二氧化矽層，但為鍺奈米粒子吸收，故從穿透圖案中，可得知鍺奈米粒子於樣品中之分佈，且其中鍺奈米粒子直徑超過一個微米，遠大於從穿透式電子顯微鏡中觀察得到之奈米粒子尺寸。

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低溫化學氣相成長介電層材料及其應用

軟性電子與顯示器已然是科技發展的趨勢，其可撓折、輕便化、能縮小體積便於攜帶的特點使電子產品延伸出了許多新穎的應用，電子紙、軟性照明、穿戴式顯示器都將逐漸進入我們生活中。適用於軟性電子的介電薄膜扮演相當重要的角色，不論是在薄膜電晶體的閘極介電層、OLED的氣體阻擋層、軟性基板的緩衝層抑或是軟性電子元件的保護層都需要使用到介電薄膜，因此，能低溫成長高品質的介電薄膜是軟性電子發展的關鍵技術。 以HMDSO和O2所沉積特性介於silicone與silica之間的有機-無機複合薄膜，能夠在低溫(接近室溫)下成長且仍具高品質特性，緻密但撓折下不易脆、碎，於可見光區透明，有高崩潰電壓與低漏電流密度，良好的水氧阻隔效果，此外，相較於傳統沉積SiOx所使用的SiH4，HMDSO較為無毒且環保，十分適合作為軟性電子的應用。 本論文使用感應耦合電漿氣相沉積法以HMDSO和O2沉積複合薄膜，對不同成長條件的複合薄膜進行物理、化學、光學及電特性上的觀測與分析，了解其特性參數的變化趨勢，同時也對複合薄膜/PEN基板的水氣阻隔效果做一研究，最後將其應用於非晶相氧化銦鎵鋅薄膜電晶體中的閘極介電層，並與SiOx為閘極介電層之薄膜電晶體作一比較。

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電阻式記憶體之物理機制與 SPICE 模型建立

本論文建立了相變化記憶體和電阻式記憶體的 SPICE 電路模型，並在第四章中探討了電阻式記憶體的切換物理機制。附錄包含使用雷射切割降低雙功率放大器間的干擾及極紫外光照射矽鍺異質接面雙極電晶體之效應另外兩個主題。 第二章提出了改進之相變化記憶體 SPICE 巨觀模型，解決相變化電路的關鍵問題使得 I-V 圖可以更精確地顯示電阻切換行為，R-I 圖也與量測結果相符合。第三章我們使用 Verilog-A 程式語言撰寫相變化記憶體之精簡模型，精確地描述 I-V 圖並提供兩種精確等級的 R-I 圖，基礎版之 R-I 圖適用於大型記憶體電路模擬之快速收斂，而進階版之 R-I 圖適用於需要精確描述電阻轉換過程的情形。 第四章提出電阻式記憶體的物理模型，其中 Ti 層的厚度必須仔細設計，因為此厚度決定了電阻式記憶體中氧空缺的最大量。第五章使用子電路方式建立參數化之 SPICE 模型，未來若能將物理機制嵌入 SPICE 參數中，會對電阻式記憶體的微縮有所幫助，可提供預測物理行為的效果。第六章使用 Verilog-A 程式語言撰寫電阻式記憶體的精簡模型，我們提出了簡易版二階切換的SPICE模型，並提供九個 SPICE 參數供電路設計者使用。由 2x2 電路驗證與 1k bit 電路驗證顯示 SPICE 模型的確可用於 HSPICE 電路設計環境，幫助電路設計團隊加速產品實現。 附錄一說明了如何使用經濟的雷射切割技術降低雙功率放大器間的不當干擾，此技術成功降低了雙功率放大器間的小訊號干擾，同時提升了雙功率放大器操作模式下的單一放大器線性度。 附錄二探討次世代光學顯影技術之極紫外光對矽鍺異質接面雙極電晶體的損害效應，照極紫外光後的基極電流增加是由於空乏區受到極紫外光影響產生的產生-復合陷阱所致，基極電流的增加造成電晶體直流增益下降。

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以電子束微影與準分子雷射熱退火技術製作規則排列之結晶奈米鍺點

在本論文中，我們將以電子束微影搭配雷射熱退火技術，在平面矽基板上製作出規則排列的結晶奈米鍺點，因其在空間上具有規則排列以及大小均勻等的特性，在光學及電子元件上均能有多樣的應用。首先我們使用了電子束微影系統在矽基板上的光阻層定義出規則性排列的孔洞，接著經由電子束熱蒸鍍上一層非晶鍺薄膜，經lift-off步驟後，可得到如圖形定義的整齊排列非晶鍺柱。最後再以準分子雷射進行熱退火，即可得到自我聚集的球型結晶奈米鍺點。在此，我們發現以單發低能量雷射對樣品進行多次逐步修補的方式，會得到最佳的結晶效果。 經由拉曼光譜系統對樣品分析檢測，我們可以確信所形成的量子點已具有結晶的品質，另外由FEB影像的輔佐，可看出形成的奈米鍺點大小十分的均勻，且在空間上可維持整齊的規則排列。

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雙單位電容分離式電容陣列之連續趨近式類比數位轉換器設計與分析

本文提出雙單位電容分離式電容陣列之連續趨近式類比數位轉換器，能將傳統分離式電容陣列的優勢更加提升，並提出直接切換之數位邏輯，有效增加連續趨近式類比數位轉換器之運作頻率。 在電容不匹配效應不影響電路解析度的前提之下，分別對分離式電容陣列兩端的單位電容值做最小化，並以數位方式校正電容陣列權重。因此，此架構比傳統分離式電容陣列架構擁有更少的電容面積及電容穩定時間，並仍然保有傳統架構之佈局容易及繞線簡單優勢。 在單調切換電容程序架構下，提出數位控制部分的直接切換式數位邏輯，將連續趨近式一個內部循環中所需處理時間大幅減少，有效地加快連續趨近式類比數位轉換器的速度。 使用TSMC 90nm製程實現9位元的雙單位電容分離式電容陣列連續趨近式類比數位轉換器架構，在後模擬時，1.2V供應電壓下達到100 MS/s取樣頻率，及566 μW的功率消耗。

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染料敏化太陽能電池之阻抗頻譜分析研究

由於染料敏化太陽能電池具有成本低廉、製程簡單以及效率良好等優點，近幾年來吸引了許多研究團隊投入並且有商業化的趨勢。染料敏化太陽能電池通常由染料、奈米多孔性二氧化鈦、電解質、白金對電極以及導電玻璃基板所組成，其效率有很大一部分取決於這些結構本身或是接面之間的阻抗特性。本論文利用交流阻抗頻譜的理論對二氧化鈦、白金以及電解液進行有系統的理論模型建立以及實驗驗證。 我們在半導體以及電化學等理論架構下建立染料敏化太陽能電池元件之物理模型以及直流與交流的等效電路，其中我們特別針對二氧化鈦層之電荷傳輸做詳細的探討。透過數值模擬，我們分析各種物理參數對於元件阻抗以及電流電壓特性的影響。在建立了元件的阻抗頻譜模型之後，我們製作了一系列簡化的結構以及完整的元件進行阻抗頻譜量測。我們首先用簡化的結構分析白金、導電玻璃基板與電解液之阻抗，接著我們分析不同工作狀態下的元件之阻抗以驗證我們提出的二氧化鈦層之阻抗頻譜理論，我們也分析了幾種電解液中常被用來提升元件效率的添加物對元件阻抗的影響，包含4-TBP、GuSCN和鋰離子，並對其現象提出解釋。

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應用於高速背板通訊之可適性等化器

近幾年由於電腦網路的普及化，資料流量傳輸需求也日漸具增，使得輸入/輸出介面的頻寬變成是眾多系統中的瓶頸。在有線背板通訊系統中，高速資料傳輸會同時遭受到介質損耗和集膚效應，這些現象會使原本傳送的訊號失真，導致嚴重的符際干擾，惡化位元錯誤率。為了減輕符際干擾並改善位元錯誤率，一種解決方式是對傳輸資料做調變，減少系統對通道所需頻寬的要求，來維持訊號完整性。另一種解決方式是利用等化器去補償通道衰減，其中類比等化器、預先強化器和決策回授等化器已經被廣泛應用於通道損耗的補償，然而，一顆等化器可能被應用於不同的長度或板材的通道中，所受到的符際干擾也會不相同，因此可適性等化器也慢慢普及化且實用於背板通訊傳輸。 本論文主要分為兩個部分，在第二章中，利用雙二元調變傳輸來取代傳統二源傳輸，把預先編碼器和雙二源轉換器合併一起，減少硬體的需求，以達到高速低功率的目標，在90奈米CMOS製成下實現一20-Gb/s的收發器，其中我們提中可適性的預先補償器方法，因為發射端沒有眼圖開大小的資訊，所以在預先強化器上做可適性是有點難度，我們在資料傳輸之前，在發射端一端送入一個時脈，經過通道後再接收回發射端，我們可以觀察時脈的振幅大小去決定預先強化器的補償係數。通道越長，衰減也越劇烈，所收到的時脈振幅大小也越小，則補償也要越多。等預先強化器的補償係數決定後，就可以開始進行資料對傳。 在第三章中，我們提出有別於傳統類比方式的高速可適性等化器，我們利用一個非同步時脈且盲目取樣收到的訊號，首先去記綠低頻成分的振幅大小，然後調整高頻成分的振幅大小，目標是讓高頻和低頻成分的振幅大小相同，等效上是完成等化器，在決策回授電路中，比較整流後時脈和資料的大小相同，有衰減的資料，振幅一定比較小，因此可以用來控制決策回授電路的補償係數，此架構在65奈米CMOS製成下實現20-Gb/s數位可適性等化器。

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可適性接收機與次諧波注入鎖相迴路分析與設計

這篇論文的主題主要分為三個部分，第一個部分是針對資料時脈回覆電路之擾動容忍轉移函數做一個內建自我測試電路，此電路運用了隨機二進制序列及多模除頻器去產生帶有擾動的資料，而正弦抖動所需之三角積分調變器則由FPGA板所產生，無需使用額外昂貴的量測儀器。此自我校正電路所測得之擾動容忍轉移函數之方均根誤差為 <13%。 第二部分實做了一個高速有線接收機，此接收機提出了創新的可適性無限脈衝決策回授等化器去補償通道損耗，在32.7dB通道損耗的情況下，此接收機仍可以回復資料和時脈。此外，我們提出了一個頻率偵測器和鎖定偵測器。就算在高損耗的環境下，此頻率偵測器仍然可以使資料時脈回覆電路鎖頻。 第三部分我們實現了一個低相位雜訊鎖相迴路。我們使用了次諧波注入之技巧去壓抑震盪器之相位雜訊。此外，我們提出了一個注入時間點校正之技巧去對齊震盪器之最佳注入點，使得此次諧波鎖相迴路系統可以穩定。量測到的相位雜訊可以從原本的-113dBc/Hz降低至-132dBc/Hz在1MHz之頻率偏移，而方均根抖動可以從原本的362fs改善至170fs。

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無線超音波神經電刺激器

本論文是採用無線超音波傳遞資料和能量，並運用於神經電刺激器。相較於傳統線圈耦合的方式，超音波傳輸不但沒有輻射污染的問題，且能提供較長的傳輸距離，較適合身體組織深處的刺激。 本論文主要分為三個部份，首先介紹神經電刺激器，刺激器可輸出0.1mA 到 0.94mA 的電流，刺激頻率可操作在60Hz到300Hz適用生物組織，整體消耗功率為2.1mW。 第二部份介紹一個使用振幅偏移載波調變(ASK-Carrier)的無線超音波刺激器，此ASK-Carrier傳輸方式成功的接收超音波訊號且利用此傳輸方式操控刺激器之電流及頻率，同時也提出一個低功率的功率接收器於此無線超音波傳輸技術。此無線超音波刺激器是使用台積電 0.35um 2P4M 標準 CMOS製程來實現，面積為 2.2mm*2 mm，此晶片量測結果最大資料傳輸率為25 kbps，功率接收器的功率消耗為58.17uW。 第三部份為一個使用頻率偏移脈波寬度調變(FSK-PWM)的無線超音波刺激器，此FSK-PWM傳輸方式成功的接收超音波訊號且利用此方式操控刺激器之電流及頻率，同時一個無線超音波能量傳輸技術同樣運用於此，此無線超音波刺激器使用台積電 0.35um 2P4M 標準 CMOS製程來實現，面積為 2.2mm*2.2 mm，此晶片量測結果最大資料傳輸率為50 kbps，功率接收器的功率消耗為55uW。