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應用掃描式光電流顯微術於半導體奈米線之載子傳輸特性研究

具空間解析能力之電流量測技術如掃瞄式光電流顯微術(scanning photocurrent microscopy)已被應用於在製作成完整元件之前的半導體結構，如奈米線中，探索本質的載子傳輸特性。此光電流量測技術為許多以奈米線為基礎元件，包含了光偵測器、太陽能元件、雷射、感測器及電晶體等，提供了寶貴的載子傳輸資訊。在本論文中，我們將利用掃瞄式光電流顯微術來探討半導體奈米線中載子的傳輸特性。 　　首先，我們利用數值模擬的方式在PN接面型(p-n junction-based)及歐姆接觸型奈米線元件中解互相耦合的帕松方程式(Poisson’s equation)與兩條連續方程式。過去在文獻中，往往都使用一個簡單的指數遞減函數來擷取載子擴散長度或是載子衰減長度。我們的數值模擬結果驗證了對於有著巨大內建電場的PN接面型(p-n junction-based)元件，確實能基於掃瞄式光電流輪廓僅受到載子擴散機制影響的假設，利用一個簡單的指數遞減函數由掃瞄式光電流輪廓中擷取出載子擴散長度。然而我們發現，在無巨大內建電場的歐姆接觸型元件中，該傳統擷取技術將不再有效。有別於文獻中過於簡化的模型，我們保留了激發光感應電場(ΔE)的影響，由帕松方程式及連續方程式出發，成功的推導了掃瞄式光電流輪廓的新解析公式，我們發現掃瞄式光電流輪廓與少數載子衰減長度間的關係可以用一個特殊的解析公式來表示。我們先以數值模擬驗證了在歐姆接觸型元件中所推導出解析公式於砷化銦及矽奈米線中的有效性，並且在許多不同材料參數與操作條件下探討解析公式的適用範圍。我們也實際以N型砷化銦奈米線來演示載子衰減長度的擷取技術，於不同激發強度及不同外加電場的實驗結果也進一步確認了解析公式的有效性。 　　我們也以數值模擬的方式探討了歐姆接觸型元件於強光激發下的掃瞄式光電流輪廓，指出了文獻中對於歐姆接觸型元件中掃瞄式光電流輪廓的錯誤理解，我們發現了在強光激發下的掃瞄式光電流輪廓雖然會呈現一個簡單的指數遞減趨勢，但由掃瞄式光電流輪廓擷取出的光電流衰減長度卻與載子實際的衰減長度相差很多，故我們認為歐姆接觸型元件並不適合在強光激發條件下擷取載子衰減長度。

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成長在砷化鎵基板之銻磷化鎵結構特性以及德拜-沃勒因子研究

我們利用金屬有機物化學氣相沉積在砷化鎵基板上成長銻磷化鎵，包含兩種鍵長相異甚大的合金磷化鎵和銻化鎵，將這種高度不匹配的原子填充到晶格中會導致強烈的鍵結扭曲，將會導致成長上的困難，因此產生兩片單一相以及一片相分離的樣品。我們進行X光繞射在對稱面上的量測，在雙軸應變相同的前提下，利用布拉格公式和維加德定律計算出單一相樣品的組成成分之濃度，再透過非對稱面的量測，將相分離中較靠近基板峰的相解析出來並計算成分比例，接著我們針對相分離的樣品進行能量色散X射線譜和電子微探儀的量測，判斷相分離中哪一個相含量較高，並與X光繞射強度進行比較。 於國家同步輻射中心量測磷和銻延伸X光吸收精細結構，並且透過Athena和Artemis軟體分析擬合，可以分別得到三個樣品中磷化鎵和銻化鎵的鍵長，並且跟價力場模型中利用1000顆原子模擬出來的結果進行比較。最後利用X光繞射的強度計算原子偏差，歷史上德拜提出了一個理論來解釋為什麼晶體中原子的熱擾動不會影響X光繞射的半高寬，相反其只影響其強度，德拜將此歸因於熱擾動的零平均值，然而強度卻與德拜-沃勒因子成正比，此因子是原子熱擾動方均根的指數函數，因此我們透過X光繞射的強度比例，經由計算得到得到銻磷化鎵和砷化鎵的原子偏差平方，前者由於鍵結扭曲和熱擾動而具有強烈的偏差，而後者僅由於熱擾動而具有偏差。

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一個具有四倍增益的多輸入環形比較器的高解析度且低功耗之雜訊整形連續漸進式類比至數位轉換器

本論文提出了一個全新的比較器架構，以達到更佳的比較器效率，得以實現一個雜訊整形連續漸進式類比數位轉換器。 一般來說，要實現一個雜訊整形連續漸進式類比數位轉換器，要先做前幾筆殘值資料的取樣，再對取樣後的殘值做積分的動作。而在做殘值資料的取樣時，會因為電荷分享的行為而導致殘值訊號的振幅衰減。同樣的，為了減少功率消耗，本論文使用被動式殘值積分的方法，以省去使用主動積分電路所消耗的功耗，同時也節省電路的複雜度。然而，使用被動式殘值積分的方式同樣會因為電荷分享的行為而導致殘值訊號的振幅衰減。 為了補足損失掉的訊號振幅，通常會利用多輸入差動對的比較器來解決，而這種多輸入差動對的比較器，會因為架構的關係，先天上產生較多的雜訊，對高解析度的類比數位轉換器來說，產生足夠大的影響。同時，比較器中輸入殘值的差動對因為尺寸較大的關係，也會產生更大的返回雜訊，同樣對電路設計造成傷害。 本論文提出的環型比較器，可以解決上述的問題，在不用加大輸入差動對的尺寸的情況下，能彌補電荷分享造成的增益損失，也因為架構的關係，比較器在不引入更多雜訊的同時，功率消耗是跟輸入訊號相關的，使得整體功耗比傳統的比較器還低，以利於高解析、低功耗之類比數位轉換器的設計。 本文所提出的類比數位轉換使用40奈米CMOS製程實現。在0.9V的供電下，所消耗的功耗是14.8微瓦，量測的最高頻寬內的信號與雜訊失真比為75dB，等效為170.3dB的Schreier 效能指標。

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具展頻追蹤與較佳高頻抖動容忍度之5-Gb/s數位時脈資料回復電路

近幾年來，人們對於有線資料傳輸速度的要求愈來愈高。而有線傳輸技術也持續以指數的方式成長。然而，隨著資料傳輸的速度愈來愈高，其所產生的電磁干擾問題也愈嚴重。因此，展頻時脈技術被應用來降低高頻時脈所帶來的電磁干擾。然而，展頻時脈技術會使得時脈頻率隨時間變化。此頻率變化所造成的相位誤差會對時脈資料回復電路造成負擔並進而劣化高頻抖動容忍度甚至脫鎖。 本論文提出一適用於資料帶有展頻時脈下的5-Gb/s數位時脈資料回復電路。透過適當的迴路參數設計以及所提出的積分增益控制器，除了可追蹤展頻外，並可降低因展頻時脈造成的相位誤差並進而提升高頻抖動容忍度。此電路實作於40奈米CMOS製程，其面積與功耗分別為0.022 mm2與9.9 mW。在給定27-1帶有±300 ppm頻率誤差以及-5000ppm展頻時脈的5-Gb/s PRBS下，透過提出的積分增益控制器，在位元錯誤率小於10-12時，最小的高頻抖動容忍度可提升至0.55 UIpp。

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鋁金屬-絕緣層-矽基半導體穿隧二極體暫態電流峰值特性與其應用

本論文主要探討鋁金屬-絕緣層-矽基半導體穿隧二極體的結構下，絕緣層厚度在4奈米至10奈米之間量測到的特殊暫態電流峰值特性。我們定義上電極為汲極、下電極為基極，且基極接地。對於摻雜硼之p型矽基半導體，當汲極從-2 V掃至2 V時，汲極電流在-0.6至-0.2 V間會產生正的暫態電流峰值；而當汲極從2 V掃到-2 V時，電流在-0.2至-0.6 V間會產生負的暫態電流峰值。而對於摻雜磷之n型矽基半導體在掃動電壓介於-1.2至-0.8 V時，汲極電流也會產生類似的現象。而當汲極掃動速度越快，所感應的暫態電流峰值也越高。另外，氧化層的厚度也會影響暫態電流峰值的特性：當氧化層厚度接近4.6奈米的時候，會有最大的暫態電流峰值；而當氧化層厚度越厚時，暫態電流峰值會漸減。產生最大電流峰值的原因是因為絕緣層-矽基半導體表面電子與電洞濃度相當時，產生最大的複合率，進而感應出暫態電流峰值。需要注意的是，對於n型矽基半導體，由於多數載子—電子具有較高的遷移率及擴散係數；而少數載子—電洞具有較低的遷移率及擴散係數，使得理論上穩態電子電洞濃度相同發生在-0.66 V，而在掃動時基於上述原因使得最大暫態電流峰值移到-1 V，上述載子隨著電壓掃動而移動的現象可以用能帶圖描述之。此外，當元件在照光時，因為光照射而產生的額外電子電洞對會進而參與複合，使得原本的暫態電流峰值消失。藉由此特殊暫態電流的現象可以應用在複合率偵測器及掃描率偵測器，藉由輸出電流來偵測輸入交流電是否跨過特定電壓範圍。

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全數位校正的高解析度連續漸進式類比至數位轉換器

類比至數位轉換器可以將自然界類比訊號轉換成數位訊號提供數位處理器做分析。本論文提出一個操作在0.9伏特電壓每秒一百萬次取樣的十四位元連續漸進式類比至數位轉換器，實現於40奈米製程。 本電路使用次區間電路架構，配合偵測與迴避切換及同步切換來降低電容陣列的切換能量消耗，並使用追蹤切換的平均技巧提升對比較器雜訊的抵抗性及能量效率。由於縮小電容能減少電容切換能量，為了解決嚴重的電容誤差，還有偵測與迴避切換的架構限制，使用分離式權重補償技巧可以完美克服權重補償的瓶頸。且次區間電路架構存在著比較器之間的電壓平移誤差，背景平移誤差校正能追蹤誤差量，並回傳至類比電路做校正來降低平移誤差造成的影響和次電路比較器的能量消耗。 本文提出的類比至數位轉換器在每秒一百萬次取樣速度下，功率消耗為8.38瓦特。校正後，差動非線性和積分非線性分別為0.51/-0.54和1.34/-1.31最低有效位元。量測得到的有效位元最高可達到12.55的有效位元，訊號對雜訊及諧波比分別為77.3dB和101.38dB，Schreier品質因數為185.1dB。

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鎳/鍺蕭基位障調變與參數分析

當電晶體尺寸微縮時，為了滿足半導體元件效能需求，除了改變電晶體結構，我們尋求比矽更高的載子移動率材料；鍺、鍺錫材料擁有低能隙、高載子移動率，能大幅提升元件效能；然而，在元件製程上，金屬與鍺接面有費米能階釘札，導致高蕭基位障，而產生高接觸電阻，成為尺寸微縮主要問題之一。 本篇論文中，運用鍺錫能夠調變能帶的特性，加入鍺錫來調變蕭基位障；我們利用分子束磊晶，在n型鍺基板上低溫成長n型鍺錫磊晶層，以非破壞性之X光繞射，量測分析磊晶薄膜之倒置空間圖譜，確認磊晶層之應力狀態、材料品質與錫濃度比例。 並且因為鍺錫的加入，使得串聯電阻升高、飽和電流增大、逆向漏電流增加，因此我們模擬了蕭基位障之電壓電流特性曲線，建立不同情況下，電壓電流模型，提供量測參數萃取與最佳化的方法，驗證在不同特性下的誤差來源，得到可靠度高之模型參數做為實驗論證依據。 我們實驗了鎳鍺與n型鍺接面、鎳鍺錫與n型鍺錫接面，並透過變溫量測電壓電流，萃取其電性參數並比較，我們發現鍺錫磊晶層的加入能夠有更低的平均位障，並且其位障較不隨溫度而變異，與金屬之接面較均勻，製程上穩定度更高。

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氧化層厚度對邊緣環繞超薄金屬閘極金氧半穿隧二極體雙態特性之影響

本篇論文中，我們製備了具有不同氧化層厚度的邊緣環繞超薄金屬閘極金氧半穿隧二極體。此種結構元件的瞬間雙態特性可以被放大。在論文的第二章中，具有不同氧化層厚度的邊緣環繞超薄金屬閘極金氧半穿隧二極體以及傳統金氧半穿隧二極體的電特性和瞬間雙態特性，證明了邊緣環繞超薄金屬閘極金氧半穿隧二極體在適當的氧化物厚度範圍內可以呈現較大的雙態電流差值。邊緣環繞超薄金屬閘極金氧半穿隧二極體的電特性對氧化層厚度非常敏感。此外，電流-電壓遲滯現象與瞬間雙態特性由於元件邊緣處的RC延遲使得兩者密切相關。在論文的第三章中，比較了最佳氧化層厚度 (29Å) 的邊緣環繞超薄金屬閘極金氧半穿隧二極體以及傳統金氧半穿隧二極體的瞬間暫態特性。瞬間鬆弛現象證明了RC延遲的存在。此外，元件的信號維持時間為 190 毫秒，這達到了動態隨機存取記憶體維持時間 64 毫秒應用標準的要求。在論文的第四章中，透過調變超薄金屬閘極區域面積和脈衝電壓的操作，在調變脈衝偏壓下可以放大瞬間暫態的響應。至於其他的關係則需要再更進一步的研究。

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應用於 5G 毫米波通訊系統採用差動有預失真線性器和自動適性偏壓技術及轉導補償技術以優化線性度及效率之CMOS功率放大器

本篇論文提出了兩個於 Ka 頻段使用台積電 90-nm 互補式金氧半導體製程 之功率放大器，旨在提升電路的線性度、輸出功率、功率附加效率及退縮 6-dB 處的功率附加效率。 於第一個電路中，我們採用了差動預失真寄生二極體線性器，功率放大器使 用 1.2 V 偏壓供電，級間加入差動預失真寄生二極體線性器以提高電路整體線性 度。由於佈局失誤，於量測時使用第二個電路之相同模態驗證差動預失真寄生二 極體線性器之效能。此三級差動共源極功率放大器在 1.2 V 以及線性器控制電壓 1 V 開啟情況下，實際量測可得 Ka 頻段操作小訊號增益 21 dB、OP1dB 為 16.3 dBm 以及飽和輸出功率 17.5 dBm，於 OP1dB 點的 PAE 與 PAE 的最大值分別為 20.2 %與 23.9 %，而在 P1dB 退縮 6 dB 點的 PAE 為 8 %。 於第二個電路中，我們採用了偏壓自動適性技術並使用 1.2 V 電壓供電。加 入偏壓自動適性電路後，功率放大器在小訊操作時將偏壓在近 B 類操作提升效 率，而大訊號操作時自動偏壓至近 A 類操作以提供較大的線性度與輸出擺幅。 使用此技術可改善 P1dB退縮 6-dB 點的 PAE。由於使用之墊片含有內阻使得內部 偏壓自動適性電路無法正常提供偏壓，隨後切除該部分電路後改採用自製外部 偏壓自動適性電路實現理想轉移曲線以進行量測。在 1.2 V 電源供電下，實際量 測可得 Ka 頻段操作小訊號增益 21.3 dB、OP1dB 為 16.6 dBm 以及飽和輸出功率 17.7 dBm，於 OP1dB 點的 PAE 與 PAE 的最大值分別為 21.4 %與 23.5 %，而在 P1dB 退縮 6-dB 點的 PAE 為 12 %。於 back-off 6-dB 點時，量測有無加入偏壓適 性技術在直流功耗的節省上可達到節省 50 %的直流功耗，可驗證偏壓自動適性 技術在 Ka 頻段仍可對直流功耗作出改善以提升 P1dB 退縮 6-dB 點之 PAE 約 1.5 %。另外也加入轉導補償技術後電路的 OP1dB提升了 0.3 dBm 且在該點的 PAE 增 加 1.5 %。使得電路在 OP1dB 及其退縮點處的 PAE 皆有改善。

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應用於5G NR 40 MHz封包追蹤技術之CMOS電源供應調變器

近年來，可攜式電子產品，諸如：智慧型手機，平板電腦等已相當普及，隨著無線多媒體影音與通訊軟體的蓬勃發展，使用者對這些可攜式裝置的使用需求日益增加，電力需求也隨之提高，而這些裝置都賴以電池做為供電來源，因此，電池續航力便成為可攜式產品供應市場與消費者們都相當在意的一項規格。 無線通訊系統中，例如:寬頻分碼多工(WCDMA)、長期演進技術(LTE)以及未來的新無線電(NR)，射頻功率放大器為主要的功率消耗來源之一，且相較於過去行動通訊世代，第四代(4G)、第五代(5G)行動通訊技術的射頻功率放大器功率消耗又更加嚴重，因此，如何有效提升射頻功率放大器的效率是現今通訊技術中極為重要的一個議題。 封包追蹤(Envelope Tracking, ET)技術是近年來最廣為人知提升射頻功率放大器效率的方法之一，不同於傳統給予固定的供應電源，封包追蹤技術依據射頻訊號的封包變化情形，動態且適當地提供電壓予射頻功率放大器作為電源使用，此技術將有效提升射頻功率放大器的效率，進而提升可攜式裝置整體的效率，而能夠提供該動態電壓的電路稱為電源供應調變器(Supply Modulator, SM)，本論文目的旨在提出可靠且高效能的電源供應調變器。 本論文設計的電源供應調變器架構是依據過去文獻中最廣為使用的線性與切換混合式電源供應調變器作為基底，並提出三大機制加入其中。其一是功率分配技術，本論文藉由適當功率分配，由切換頻率較高的切換式轉換器(效率相對低者)負責較少的功率，切換頻率較低的切換式轉換器(效率較高者)負責較多的功率，再由效率最差但響應能力最好的線性放大器負責功率佔比最低的高頻訊號成分，此分配可使整體效率提升；其二是遲滯雙相位控制技術，該技術具有比傳統架構更佳的迴轉率(Slew Rate)、較快的響應能力、低開關損失以及較小的電流漣波等優點，並且克服過去文獻中電壓轉換率有所限制的窘境；而第三個技術是迴轉率提升電路，可於切換級之迴轉率不足時迅速補充電流以降低線性級之電流漣波。 本論文使用0.25微米互補式金屬氧化物半導體(CMOS)製程實現，晶片面積為1.95×1.49 mm2。追蹤的訊號20/40 MHz LTE及40MHz 5G NR之封包，可操作的輸出電壓範圍為0.5 ~4 V，於輸入20 MHz LTE訊號時，電源供應調變器效率可達到的80.65 %，連接功率放大器量測後，封包追蹤功率放大器之整體系統(Eff.)最多可提升2.95 %，於輸入40 MHz LTE訊號時，效率可達78.92 %，連接功率放大器量測後，封包追蹤功率放大器之整體系統效率最多可提升3.01 %，而輸入40 MHz 5G NR訊號時，效率可達79.13 %，連接功率放大器量測後，封包追蹤功率放大器之整體系統效率最多可提升3.12 %。