臺灣大學電子工程學研究所學位論文
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本論文的主體分成四個相關的研究，主要是針對有機電子領域內的有機太陽能電池、有機記憶體和有機電晶體這三個有機電子元件進行探討，未來有機會將這些有機電子元件整合在同一個系統上。首先，我們的實驗發現在一個由P3HT和PCBM做為主動層的本體混合異質接面(BHJ)太陽能電池中摻入少量的無機半導體硫化鐵(FeS2)奈米粒子，可以有效的增加有機太陽能電池效率。接著，我們利用金奈米粒子/氧化鋅奈米桿的複合材料摻入於有機絕緣體(PVP)形成一個有機非揮發性記憶體。這個複合材料是金奈米粒子位於中心而氧化鋅奈米桿將它包覆住。由於金奈米粒子被氧化鋅奈米桿包圍住，因此金奈米粒子不會聚集在一起，可以減少漏電的產生。之後，我們提出一個新的有機記憶體元件，其機制主要是利用N型半導體奈米粒子硫化鐵(FeS2)埋藏於P型有機半導體材料P3HT中，產生第二類型的能帶對準，藉此能夠儲存電子，進而產生電流雙穩態效應。最後，我們利用一種新合成的有機材料poly(N-(4-(9,9-dioctyl-fluoren-2-yl)phenyl)-N,N',N'-triphenyl-l,4-phenylenediamine) (P1)製作有機電晶體，元件的載子移動率是0.95x10-2 cm2/Vs 而電流開關比是5.8 x10 4倍，但是這個新材料具有一個特別的優點也就是大的能隙值(2.84eV)，因為這個新材料P1可以同時具有電晶體特性而且有高透光性，日後有機會可以做為有機透明電晶體的應用。
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因應技術不斷進步，許多統計型時序以及製程良率分析演算法相繼被提出，而為了要支援這些演算法，一個準確的空間相關統計模型 (spatial correlation model)是非常必要的。一個沒有彈性的模型除了在模化過程時會有很大的誤差之外，更嚴重的是在我們將此模型導入電路模擬時會導致整個結果完全無法信任。 在本篇論文，我們首先提出了一個全新的空間相關統計模型，它不只可以處理一般化 的空間相關性問題，而且它還提供了非常精確的解析模型。接著，使用了我們提出的統計模型，我們提出一個考慮相關性的非高斯分佈統計型平行電路模擬演算法(correlation-aware non-Gaussian statistical and parallel circuit simulation algorithm)。我們的電路模擬演算法首先將一個電路切成一些比較小的子電路，然後我們應用多執行緒的技術來平行處理每一個子電路，不只如此，我們還使用了外部記憶體來減少記憶體使用量，再搭配我們所提出的演算法，整體效能幾乎不會因為外部記憶體而有所損耗，記憶體的使用量也因此降低到29%。傳統上為了要模擬製程偏差對電路效能的影響，都是使用蒙地卡羅法 (Monte Carlo simulation)來估計製程偏差的效應，蒙地卡羅法最大的問題就是需要大量的模擬結果來得到可靠的結果，整個模擬過程非常耗時。如果使用我們提出的統計型電路模擬演算法，我們只需經過一次的模擬，就可以由導出的隨機變數直接估計其統計分佈，藉此大大的縮短模擬所需的時間。實驗結果指出，利用我們提出的統計型電路模擬演算法，可以比傳統的蒙地卡羅法快上超過700 倍的時間。
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輕薄、可撓曲、製作成本低，是有機高分子太陽能電池相對其他種類太陽能電池的優點，近年來受到廣大的注意。而其中的研究，有一方向是改變有機層的形態組成，在不同的薄膜形態下對於太陽能元件的影響。本論文中使用兩種不同的方式來進行有機主動層薄膜形態的調製，第一種方式是以P3HT/PCBM的倒置結構為架構，進行外加電場調變主動層的實驗，藉由電場引導極性高分子進行有序排列。在實驗上採用垂直方向外加電場製程，而在施加電場方向上分為正向和反向，發現到施加不同向電場時導致P3HT/PCBM在分布上有相反的趨性，使用反向電場5.0×105 V m-1時(有機層指向ITO陰極)，電場會改變P3HT和PCBM在有機層裡的垂向分布，使得靠近陽極的有機層表面P3HT比例增加，從未施加電場的47%增為52%，而減少PCBM在表面聚集的情形，形成較有利於倒置型太陽能電池的有機層垂直相分布，符合能帶傳導機制。另一方面也因為增加了表面的粗糙度進而增加接觸面積，使得太陽能電池效率提升，從3.16%進步到3.51%。 第二種是進行置換主動層溶劑的實驗，以新的受體材料ICBA置換傳統使用的受體材料PCBM，製作異質混層的有機太陽能電池製作倒置結構太陽能電池，，使用不同溶劑溶解ICBA主動層受體材料形成的薄膜形態各異，另外在置換不同溶劑再進行退火的製程中，發現有機層薄膜雖然在成膜時形貌不同，但在退火後都有效率提升的表現，其中尤以使用鄰二氯苯(DCB)進行製作薄膜過程中因為其沸點最高，製成之薄膜有最高的P3HT結晶性，且其表面粗糙度與銀電極間接面較佳，相對於其他溶劑能達到最高的太陽能電池表現，效率可達3.33%，較使用CB及CF僅分別達到1.66%和1.91%的效率，提升效果明顯。
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在現今的積體電路設計流程中，功率消耗已成為一大瓶頸。因此，一種被稱為時脈閘控的高效益省電技術，經常被拿來使用以降低晶片所消耗的功率。一般來說，時脈閘控的基本架構可大略分成為三大部分：(1)時脈閘控訊號控制系統、(2)暫存器狀態控制系統、以及 (3)時脈閘控電路。近幾年來，研究員大多致力於關於時脈閘控訊號控制系統、以及暫存器狀態控制系統的簡化研究。相較之下，時脈閘控電路的最佳化反而較少被提及。據我們所知，本論文提出首份有關在時序限制的考量下，時脈閘控電路之最佳化的研究。我們提出了一種V型的最佳化流程，其中包括了由總體至個別區塊的分割、以及由個別區塊至總體的合併。實驗結果顯示了本論文所提出的最佳化流程所達到的顯著效果。相較於九十九學年度大學校院積體電路電腦輔助設計軟體製作競賽中前三名之隊伍，平均來說，我們能達到多達14.6%的更佳效果。同時，當在時序限制較難達到的情況下，我們還能有效地得到最佳化結果。反觀競賽前三名之隊伍，他們皆無法在時序限制較嚴格的情況下，產生任何最佳化的結果。
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W頻段坐落於75至110 GHz內。此頻段可提供毫米波雷達研究、衛星通訊與軍用雷達鎖定與追蹤等應用。其中近年來76~77 GHz此頻率範圍已經指定給長距離車用雷達使用。因系統嚴苛的規格與要求，目前此雷達系統主要還是以GaAs製程實現。然而隨著CMOS技術的突破，車用雷達系統將可採用CMOS技術來製作，如此將可實現低成本之車用雷達系統。但CMOS技術具有其先天上的缺陷，諸如低電源與崩潰電壓、低增益效能與高損耗被動元件等缺點，將使得以CMOS實現高效能的車用雷達電路為一非常困難的課題。有鑑於此，本論文將提出電路技巧減緩此些製程缺點所造成的障礙，同時並以實際晶片之量測結果加以驗證。 本論文第二章探討77 GHz 功率放大器設計，其中此電路採用短路殘段架構與變壓器形式的功率相加器等技巧來減緩信號損耗與增進輸出功率。量測結果顯示此放大器操作於1.2 V下，可達到 9.9 dB的小訊號增益、11.2 dBm 的P1dB、13.2 dBm的Psat與10.4 %的PAE。此電路驗證CMOS技術確實可實現高功率輸出之毫米波放大器且其效能可與SiGe技術之電路匹敵。 第三章則是提出一個寬鎖定範圍的注入式鎖定除頻器。此電路採用65奈米CMOS技術實現並使用直接多點注入技巧來拓增鎖定範圍，故此電路架構解決傳統除三電路其狹窄鎖定範圍的問題。經由實際量測，此電路於不採用額外的調諧機制下具有9.4 GHz的鎖定範圍，並僅消耗2.8 mW。 最後於第四章中將呈現可應用於W頻帶的低功率鎖相迴路。此鎖相迴路將第三章所提出的除三電路整合至迴路中，且其壓控振盪器採用分佈式儲能槽技巧減輕變容器其低品質因數的影響並提高操作速度，將可不需額外的緩衝器來驅動第一級除頻器。此鎖相迴路若不將測試緩衝器納入功率計算下，僅僅消耗17 mW。故適當地選擇除頻器的架構，毫米波時脈產生器確實可以達到低功率的效能。
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近年來，隨著無線通訊應用的快速成長，不同的無線通訊規格也相繼出現，便需要不同的收發機，因此，如何整合這些通訊系統在同一收發機內成為一個熱門的議題。軟體無線電(Software-Defined Radio，SDR)技術[1]即是指在目前各種不同的無線通訊規格中，藉由在不同信號調變方式之間建立互通性，共用相同類比射頻的前端電路，最後再由軟體進行信號解調以及處理。如此就能使用單一收發機，同時進行多規格之通訊。然而，欲完成此種軟體無線電收發機，便不可或缺一個具有不同解析度及轉換頻率的多規格類比數位轉換器。 管線式類比數位轉換器已被廣泛使用於中解析度且高速的應用中。本論文中提出改良電容切換運算及可調整運算放大器，使管線式類比數位轉換器在不同規格的需求下達到更有效率的功率耗損。所設計的類比數位轉換器，其數位碼輸出的訊雜比可達48.6 dB。本管線式類比數位轉換器採用九十奈米CMOS製程製作，其中核心面積為0.27平方毫米。利用運算放大器與電容共享的技巧，在一伏供應電壓、兩億赫茲轉換速率下，可將核心消耗的功率降低至32毫瓦，再加上運算放大器的調變，於一億赫茲與五千萬赫茲的轉換速率下可分別將功率再降至18.5及13毫瓦。最後，在本論文末，針對管線式架構與近來快速發展的連續漸進式類比數位轉換器進行分析，以引導未來的發展方向。
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在IC設計領域當中，系統層級的整合已經成為現今的主要趨勢。延遲鎖定迴路被廣泛地使用在SoC(System-on-a-Chip)中，用來解決時脈歪斜問題和同步SoC中的每一個知識產權（Intellectual Property）和組件電路。然而，可作為一個IP的類比寬頻延遲鎖定迴路越來越難實現，而且也更難設計於高階製程當中。相較之下，全數位延遲鎖定迴路更容易實現於高階製程中，也易與數位系統整合。這份研究目的即在系統層級中，提出一個可視為IP的寬頻且快速鎖定的全數位延遲鎖定迴路。 此篇論文提出了一個創新電路─相位追蹤延遲器。使用相位追蹤延遲器的目的為取代一般使用在寬頻延遲鎖定迴路中的延遲線，並且將工作頻率範圍拓寬至6.7MHz-1.24GHz。除此之外，使用相位追蹤延遲器和以時脈同步延遲為基礎的控制單元使快速鎖定時間只需5個週期即可達成。有限狀態機和時間至數位轉換器為基礎的控制訊號產生器提供低抖動性能，而操作頻率在1.24GHz時，峰對峰抖動量測結果只有2.22ps。此晶片是使用台積電90nm CMOS製成，其核心電路面積為0.0318平方毫米。
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在這十幾年來，多媒體的發展日新月異，我們的生活也因為多媒體的出現而變得更加豐富，毫無疑問的，多媒體是近代最重要的發明之一。此外，隨著電視顯示技術的進步，廣播傳送設備的提昇，觀賞者已經能夠與傳送端互動並且要求觀賞客製化的影音內容。在這篇博士論文中，我們提出的一個次世代多媒體，它具備多樣的功能性：影片內容註解、新奇視覺效果、可延伸性影片與互動式影片。然而縱觀現今多媒體的方法中，並沒有一個非常合適的方法來實現次世代多媒體。所以，我們提出了一個新的多媒體展現方法『基於影片的影片生成技術』，該技術可以利用一般拍攝的圖片或是影片來生成一段新的影片，因為該生成影片的內容來自於一般拍攝的圖片或是影片，所以它具有非常真實的視覺效果，使用者並不感覺畫面不真實，而且該影片內容還可以隨著使用者的要求而作改變、甚至互動。在『基於影片的影片生成技術』的架構下，我們提出了嶄新的應用、影像處理演算法以及硬體架構設計，來實現新一代的多媒體。 『次世代網球影片』是『基於影片的影片生成技術』所延伸的應用之一，概括的說，『次世代網球影片』是一個全新展示運動影片的方法，該方法具有以下三個重要的特性：影片結構性、內容互動性以及檔案大小可延伸性。在演算法方面，藉由背景建構的技術、前景物體切割的技術以及物體在畫面中資訊的分析，影片中的前後場景可以依序地被分離，球員位置、球軌跡等都可以被註解。接著，我們提出了影片生成的方法，將這些分解後的影片內容重組，達成客製化影片與可延伸性影片的功能。從實驗結果來看，生成的影片具有栩栩如生的視覺效果，後製插入的內容也天衣無縫般的融合在影片中，此外，讓前後時間球員同時出現在畫面中的功能，更帶給觀賞者有趣的視覺效果。值得一提的，戰術搜尋的功能讓使用者直接在影片中的場地上點擊想要看到對戰組合，其搜尋結果會馬上顯示播放。讓受測者評分方面，他們認為可延伸性影片的觀賞品質比現今方法都來的好，而且他們也非常樂意利用『次世代網球影片』的功能，來觀賞運動比賽。據我們所知，『次世代網球影片』是第一個結合影片內容註解、提昇影片內容豐富性以及可延伸性影片等多功能應用的架構。 『網球真人快打』是另外一個『基於影片的影片生成技術』的應用，它是一個利用比賽影片所建構出來的互動式遊戲，而且也是一個結合影片內容註解、影片生成技術以及互動式遊戲的創新應用。關於影片內容分析的演算法，我們提出利用影片內容來建立球員資料庫的方法，並且使用球員動作的模型來模擬所有該球員在球場上可能的動作。關於球員生成的演算法，我們利用片段的球員動作，組合出任意的球員移動、擊球等，在結合立體背景生成的技術下，一個互動式的遊戲架構就大功告成了。從實驗結果得知，相較於電腦繪圖，我們不用非常繁複的運算就可以生成栩栩如生的遊戲畫面，此外，該生成的球員所表現出來的運動特性，都會反應該球員在現實運動影片中的表現，如此真實的特性，更可拿來預測真實世界中兩個球員對打的結果。在使用者評分方面，受測者非常肯定藉由玩『網球真人快打』可以提昇與影片的互動性、參與感以及樂趣。 由於『基於影片的影片生成技術』應用的運算量都不小且必須即時運算，所以我們需要設計一個強大的運算單元。於是我們設計了『影片生成引擎』專門計算影片生成所需要的運算，該晶片還可以嵌入在電視系統中。從實驗結果顯示，該『影片生成引擎』具有架構重組的特性，能針對不同的應用做不同的運算，最少能支援以下應用的運算：全景圖、同心圓全景圖、立體景深圖、『次世代網球影片』與『網球真人快打』。在運算能力評比方面，『影片生成引擎』甚至超越2.83 GHz的Core2Due CPU。我們可以下個簡單的結論，有了『影片生成引擎』的強大運算能力與嵌入在電視內的特性，『基於影片的影片生成技術』的應用就可以落實在我們的日常生活中。
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近年來二維干擾成為通道中不可避免的現象，例如行動多天線輸入輸出正交分頻多工(MIMO-OFDM)系統通道中的載波間干擾(ICI)及天線間干擾(IAI)，或者是全像術光學儲存系統通道中的二維像素間干擾(IPI)。傳統資料偵測方法將兩個維度分開解決，因此常會遭遇錯誤傳遞(error propagation)的問題，但若是同時考慮兩個維度則因複雜度過大而無法實現。 因此本論文提出了一種新的演算法，根據最大事後機率(MAP)準則，針對兩個維度中的解分別建立列表(list)，隨著疊代更新內容，藉由共同考慮兩列表中的解，達到消除錯誤地板現象(error floor)的效果。 本論文選擇行動多天線輸入輸出正交分頻多工系統以及全像術光學儲存系統兩個應用，和傳統演算法比較在位元錯誤率上的表現，數值模擬結果顯示出新演算法確能解決傳統演算法遭遇的錯誤傳遞困境，甚至在多天線輸入輸出正交分頻多工系統下能逼近靜態通道的表現。此外本論文也以聯合邊界(union bound)的技巧推導符元錯誤率之理論上限，觀察列表長度對錯誤率表現的影響。 在實作方面，本論文提出數個降低複雜度的技巧，以避免重複運算、單獨計算差異量、以簡單的檢測方法提前結束等等為原則，在付出合理的成本下達到期待的錯誤率表現。並且本論文將新演算法的在兩個應用下的硬體設計以場域可程式化閘陣列(FPGA)做功能驗證。 經由數學分析、模擬驗證及硬體實現，本論文為二維干擾通道的資料偵測提供了一新的解決方案。
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氧化銦鎵鋅薄膜電晶體具有在非晶態下，仍能保有高載子移動率，且能於低溫成長；另外，氧化物半導體在可見光區下大多為透明，可用於提升平面顯示器之開口率。顯示出氧化物半導體具有高度取代非晶矽和低溫多晶矽的潛力。 雷射製程常被利用於加熱非晶矽使成長為多晶矽去製作低溫多晶矽薄膜電晶體。在本論文中，我們研究雷射退火製程對氧化銦鎵鋅薄膜包含物理和化學方面的影響，以及利用TLM的結構研究雷射退火製程對金屬-半導體接觸電阻的影響。 藉著控制適當的雷射製程條件，氧化銦鎵鋅薄膜的電阻率可以下降至6.8×10-3 Ω-cm，和金屬電極的接觸電阻率下降至6.5×10-5 Ω-cm２，接著我們提出利用雷射製程降低串聯阻抗和接觸電阻去製作上閘極self-aligned氧化銦鎵鋅薄膜電晶體的方法，相較於傳統熱退火方式，雷射製程對於基板的的熱效應可大幅減少，有機會實現在塑膠基板上製作高效能氧化銦鎵鋅薄膜電晶體。
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