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快速鎖定之非同步取樣可適性等化器及一個雙二元收發器

近十年來，人們對於各種有線傳輸技術的興趣日趨濃厚。有線傳輸的其中一項應用就是晶片與晶片間的傳輸。為了要能使製造成本降低，各個晶片的輸入輸出通道數目，這就造成每個輸入輸出通道的傳輸速度必須提高。傳輸速度的提高會使得資料在通道中傳輸時候到更大的衰減，一個可適性等化器可以用來補償這些衰減，並且可以針對不同的通道作自動調整。另一種減少通道衰減的方法是使用不同的訊號形式，某些訊號形式可以藉由受到較小的衰減的特性提升訊號的完整度。 本論文主要分為兩個部分，在第二章中提出了兩個非同步取樣之可適性等化器，並且分別實現了兩個可以快速收斂的演算法。第一個方法偵測波形的大小，補償完成後在波峰以及連續相同資料時的訊號大小應相同，這個電路使用40奈米CMOS製程作實現，操作速度為8 Gb/s，它可以補償16.4dB的衰減，補償完的錯誤率小於10-12，量測到的收斂時間分別是450ns，消耗的功率分別為85.5mW。而第二個方法是計算訊號轉換的次數，補償完成後累積特定次數的時間應是一個定值，這些電路同樣是使用40奈米CMOS製程作實現且操作速度為8 Gb/s，它也可以補償16.4dB的衰減，補償完的錯誤率小於10-12，量測到的收斂時間是2700ns消耗的功率為17.6mW。 在第三章中，提出了一個雙二元之可適性收發器。這個收發器包含了傳輸端與接收端的等化器以及一個補償調整電路。除此之外，也提出了一個可以適用於這種訊號形式的演算法。這個收發器是使用40奈米CMOS製程來做實現，而且可以操作在18 Gb/s，最大可以補償14.7dB 的衰減，補償完的錯誤率小於10-12，量測結果顯示傳輸端消耗的功率為65mW，接收端中等化器消耗了55mW，而補償調整電路消耗了85mW。

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溫度及效能感知三維晶片內網路系統之演算法與架構設計

隨著半導體製程的進步，晶片內連線複雜度也隨著增加並且已成為整體系統的效能瓶頸。對高效能的多核心處理器系統而言，由於晶片內網路架構具有延展性高以及連線規則度高等優點，此種連線架構已成為一種可有效降低連線複雜度的方法。近年來，三維積體電路技術被視為另一項可大幅提升連線頻寬以及系統效能的潛力技術。結合三維積體電路技術，三維晶片內網路系統具有的主要優勢包含構成尺度下限的縮減與因物理距離縮短帶來的低連線延遲等，使晶片內網路系統具備更高的傳輸效能。然而，由於三維堆疊的結構，使得當晶片內網路建置在三維積體電路環境時，會造成比傳統二維環境在同面積下堆疊的晶粒使用功率密度成倍數增加。此外，由於各晶粒與散熱片距離不同亦造成不同垂直矽晶層間相異的冷卻率，使得三維晶片內網路系統中的溫度議題比起二維的環境還要更加嚴峻。溫度問題除了會造成嚴重的系統效能衝擊外，亦會帶來系統可靠度下降以及封裝成本提高等問題。 為了確保系統溫度不超過溫度上限，動態溫度管理機制是最常用來保護系統免於因過熱而造成效能崩壞的技術。傳統上為達到快速降溫的目標，當系統溫度高於某個溫度限制時即會關閉此即將過熱的運算單元。此種被動式的溫度管理機制雖可確保晶片操作在安全溫度範圍內不至於燒毀，但也造成了嚴重的效能衝擊。在本論文中， 為降低因溫度管理機制啟動所帶來的效能衝擊，我們將效能與溫度感知三維晶片內網路的設計挑戰分成兩個設計層級：系統效能的維持以及系統溫度的保護。在第一個設計層級中，我們主要探討新式的可適性路由演算法，讓系統不會因為傳統被動式溫度管理機制的啟動而造成效能上的下降。在第二個設計層級中，我們主要探討主動式溫度管理機制。此種機制會根據溫度感測器所提供的感測溫度資訊來預測未來的溫度趨勢，並根據預測結果來提早做相對應的溫度管理。 針對前述的設計挑戰，本論文主要分成四個研究主題。在本論文的第一個研究方向中，我們將從路由演算法的改良來減低傳統被動式溫度管理機制所遭遇的效能衝擊。由於熱管理機制會造成網路拓樸隨時間快速改變，傳統晶片內網路設計之路由方法將遭遇壅塞樹長時間大幅佔據可用通道之問題，使得資料交換成功率與網路吞吐量下降趨近於零。我們提出一個拓樸感知的可適性路由演算法，與其低成本之硬體架構。此演算法會根據目前網路的拓樸狀態，動態的調整路由機制以增加封包的傳送成功率。相較於傳統路由機制，本技術除了可以使網路交通流量分布更加的平均外，亦可以提升約7.7%~380%的系統效能。 在本論文接下來的三個研究方向中，我們將從溫度管理機制上的改良來提升整體的系統效能。在第二個研究主題中，我們首先會針對熱電阻-電容模型的分析來推導出一個溫度預測模型。由於本預測模型具有低運算複雜度的優點，所以本預測模型可以在任一種交通負載行為下於常數時間內獲得溫度預測的結果。實驗結果顯示，相較於實際測得的感測溫度，本預測機制可以將預測誤差在50ms內控制在0.3°C以下。 前述的溫度預測機制需仰賴熱電阻-電容模型的精確度，然而熱電阻-電容值會隨著溫度變化而有所飄移，因而增加了溫度預測上的誤差。在本論文的第三個研究主題中，我們進一步提出熱雜訊校正技術。透過每一階段的溫度預測誤差，我們將使用可適性濾波器的設計概念來動態調整用於溫度預測模型中的參數值。如此一來，本技術可以解決因溫度所造成的熱電阻-電容值漂移的問題，並可進一步提升溫度預測的準確性。相較於未使用熱雜訊校正技術的預測機制，本技術可以提升約69.51%~72.96%的預測精確度。 在本論文的第四個研究主題中，我們提出了一個以截流為主的主動式溫度管理機制。根據溫度預測結果，我們透過時間軸上分配功率預算的概念來控制每個晶片內網路單元的操作頻率，進而達到溫度管理的目的。由於此種頻率分配方法具有低運算複雜度的優點，所以此種主動式溫度管理機制具有快速反應的特點。相較於傳統截流為主的被動式溫度管理機制，我們可以減少晶片內網路系統中11.4%~80.3%的過熱單元以及提升1.6%~211.8%的系統效能。 總結本論文所提出之設計方法，可降低三維晶片內網路較嚴重之熱挑戰，並有效的把系統效能與溫度做最佳化的分配，使得三維晶片內網路系統具備更高之傳輸效能。

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內嵌絕緣層矽金氧半場效電晶體與銅銦鎵硒太陽能電池之鈍化及均勻度分析

在本篇論文中，提出了一種新型的內嵌絕緣層矽金氧半場效電晶體。透過此種內嵌絕緣層矽金氧半場效電晶體，短通道效應可以明顯的改善。嵌入之二氧化矽/氮化矽 絕緣層於環型佈植區(HALO)，環型佈植之濃度會因此被阻檔而增加，進而改善短通道效應。如果佈植的濃度調淡，使得內嵌絕緣層矽金氧半場效電晶體之關電流調整至近似控制元件，將使元件的通道濃度變低，元件將因為較低的垂直電場而有較高的載子遷移率。此外，內嵌絕緣層矽金氧半場效電晶體還可以阻檔STI產生之壓應力，所以N型場效電晶體之載子遷移率將可以再提升。元件的表現可以透過模擬來最佳化內嵌絕緣層之位置。實際製程之元件量測結果，最高可以有23%之開電流之增加。此外，量測結果亦有7%接面電容之減少及8%的環形振盪器速率之增加(只有N型場效電晶體應用內嵌絕緣層之技術)。最後，元件的可靠度亦仔細的量測檢視，內嵌絕緣層矽金氧半場效電晶體並不會使可靠度有明顯之減少。 在論文的第二部分，銅銦鎵硒太陽能電池是主要的研究內容。氧化鋁可以用來鈍化銅銦鎵硒薄膜的表面。因為表面複合速率之減少光激發光的量測可以觀測到100倍的光強。而且光激發光的強度會隨著氧化鋁之厚度從5nm增加到50nm而增加。透過電容量測之驗證，氧化鋁薄膜中帶有負固定電荷。最後，我們用第一原理之模擬可以發現氧化鋁可以使得銅銦鎵硒薄膜界面缺陷密度有35%之減少。此等級之減少沒有辦法完全解釋表面複合速率之減少，因此固定電荷之電場效應才是氧化鋁能夠有良好鈍化銅銦鎵硒表面之主因。 接下來，度過模擬來分析銅銦鎵硒太陽能電池之薄膜均勻度如何影響電池之效率。同時考慮了不均勻可能會發生在電池本身，或是在不同模組之間。在模擬中，選定三種參數，分別為生命週期、載子濃度及鎵的比例來做不均勻之分析。研究中指出，鎵的比例之不均勻是影響最後效率之最重要的因子。因為當鎵的比例改變時，開路電壓及短路電流皆會有一定程度之改變，而開路電壓會不均勻之薄膜中最差的一部份而決定。研究亦指出，模組受到不均勻的影響將比電池所受到的而大，其主因是因為其較差之填充因子。 附件A：鍺之直接能隙較大，其也較容易受到再吸收，直接能隙之發光強度將隨著不同元件之發光深度而改變。垂直電流之電激發光元件，因為電場之幫助，其載子之分佈比光激發光來得深。因此其直接能隙之發光強相對的低。水平電流之元件可以幫助載子之分佈較接近表面，因此可以有相對強之直接能隙之發光。 關鍵字：內嵌絕緣層/金氧半場效電晶體/壓應力/銅銦鎵硒太陽能電池/氧化鋁/均勻度

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基於FSM錯誤模型所開發之RTL Design除錯技術

給定一個錯誤的暫存器轉換階層設計以及一條顯示設計與規格不符的錯誤軌跡，自動除錯技術藉由此錯誤軌跡與暫存器轉換階層設計中模擬的結果，找出在暫存器轉換階層設計中可能的錯誤根源。值得注意的是，在現今極端複雜的超大積體電路設計中，幾乎不可能不利用自動化技術來進行除錯。如此，自動除錯技術在設計能否成功被完成中扮演著很重要的腳色。然而，這些自動除錯工具實際上並沒有如預期的受歡迎。最主要的原因是這些自動除錯工具產生極大量的可能錯誤根源，使得工程師必須花費大量的時間過濾這些可能錯誤根源。更糟糕的是，自動除錯工具所找到的可能錯誤根源大部分都是位於合成後的電路上，要從這些在合成後電路上的可能錯誤根源推論出暫存器轉換階層設計中的錯誤，對工程師而言相當費時。為了解決這個問題，我們提出一個自動暫存器轉換階層設計除錯演算法，這個演算法作用在基於有限狀態機的錯誤模型中。我們並沒有在合成後的電路上找尋可能錯誤根源，而是將可能發生在暫存器轉換階層設計上的錯誤，依照這些錯誤在其有限狀態機上的錯誤加以分類。這些可能錯誤根源能夠直接對應到原始的暫存器轉換階層程式碼中。實驗結果顯示，藉由我們的有限狀態基錯誤模型，我們的演算法能夠有效地在少數可能錯誤根源中偵測出真正的錯誤。

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具注入式鎖定技術之差動相位調變射頻接收機

近身通訊網路(BAN)與多通道的神經記錄器等短距離的無線通訊系統，在近年來蓬勃發展。由於電力上的限制，如何提升無線收發機的能量效率，是非常重要的議題。在傳統以混波器為主的收發機架構中，功率消耗受限於頻率合成器與混波器。可能在新應用的發展上受到限制。 在傳輸器方面，近年來以相位選擇器為主的高效能傳輸器已被提出。可達到20 Mbps 左右的資料傳輸速率。然而，高效能的相位調變無線接收機，仍還未發表。 本論文將描述一個具高能量效率，操作在四億赫茲，採用差動式相位調變(DPSK)的無線接收機。接收機的核心是利用注入式鎖定振盪器的動態特性，來完成將相位資訊轉換為振幅資訊。因此，不需要閉迴路系統來完成相位同步，可大幅簡化系統架構，進而降低成本及功耗。另外提出了一自動的增益調整機制，來控制注入振盪器的電流。此接收機是使用台積電0.18微米製程設計，消耗功率為1.77 毫瓦、接收器的靈敏度為-63 dBm，當接收10 Mbps的訊號時，能源效益為 177 pJ/bit。

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圖案化藍寶石基板對發光二極體之影響

成長在藍寶石基板上的氮化鎵發光二極體，會因為與藍寶石基板的晶格常數差異、熱膨脹係數不同，而對元件產生量子侷限化史塔克效應，使氮化鎵發光二極體發光效率下降。因此本篇論文想藉由在藍寶石基板上製作奈米圖案，探討對氮化鎵發光二極體造成的影響。吾人使用電子束微影系統搭配濕式蝕刻技術，製作出不同週期、不同基板佔有比例的奈米結構，並使用有機金屬化學氣相沉積系統進行氮化鎵磊晶。其後使用拉曼光譜系統確認磊晶品質，光致激發螢光系統量測主動層發光特性，最後使用低溫系統量測內部量子效率。

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利用非滿足性核心所建構之抽象化轉移關係進行無界模型檢驗

內插模型檢驗是一種無界模型驗證演算法。在內插模型檢驗之中，抽象修正是很困難的。事實上，在McMillan內插模型檢驗與NewITP兩個之前的演算法中，抽象修正效果不是很彰顯。傳統的McMillan內插模型檢驗在遇到反例的時候只是修正了有界模型檢驗的步數。已經計算的內插函數對於未來的迭代中是沒有幫助的。NewITP除了修正了有界模型檢驗的步數之外，還從通用化的方塊中排除了之前遇到的反例。然而排除之前遇到的反例只是排除一些最小項來修正抽象。當一個問題傾向於在NewITP演算法中產生許多的反例，詳細地排除布林空間過於昂貴以致於不實用。共通的問題在於固定的抽象粒度。只有固定抽象粒度，抽象只會適合相對應的檢驗問題。在這篇論文之中，有三個新的特徵被提出。第一，我們提倡抽象程度應該要隨著輸入的問題調整，並且提出一個可調性的內插模型檢驗。第二，為了建立適合輸入的問題的抽象，我們提出了抽象調控演算法，稱為利用切割可達度達成彈性內插。第三，我們提出一個新的內插引擎，抽象轉移關係與可達度兩段式內插，是一個可以跟我們提出的第二項特徵相結合的內插引擎。實驗結果顯示我們的可調式內插模型檢驗，與之前的研究相比，解出最多的問題，因為我們的可調度調整個抽象層次並且找到適合輸入問題的抽象值。

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矽基主動與被動介電質微碟共振腔之製作

在本篇論文中，我們製作出不同材料之介電質微碟共振腔。首先，氮化矽微碟面臨兩個問題，分別為量子點訊號消失與氮化矽材料在高功率激發下受損。另外，苯環丁烯微碟則是在製作時，量子點因持續高溫導致變質。故我們利用漸細光纖耦合量測系統來探討其被動微碟共振腔之特性，其結果為20微米微碟Q值約為1300、30微米微碟Q值約1400~1500、40微米微碟Q值約1900~2000。並且，我們亦有探討光纖與微碟耦合位置和模態間之關係。當光纖在微碟圓周附近耦合時，其量測到之頻譜為迴音廊模態徑向量子數mR=1，同時也觀察到徑向量子數mR=2的迴音廊模態。若持續將光纖往微碟內部靠近則會觀察到mR=2之徑向模態，並隨著光纖越靠近微碟內部mR=2之模態耦合影響越明顯。且隨光纖往微碟內部靠近其強度會衰減。其原因為基板折射率較高，光藉由柱子耦合進基板，造成整體強度下降。

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以表面電位控制之次微米細胞塗布技術之研發

隨著醫療技術與微機電系統的日益成熟，細胞晶片的發展越來越受到矚目與重視。如何能利用此成熟的技術，將微機電系統的優點移轉至細胞晶片或細胞感測器上，已成近年來熱門的研究主題。而若要成功發展細胞晶片，如何能夠對蛋白質及細胞進行有效且準確的塗布，佔有相當關鍵的地位。目前已成功發展的塗布技術，如利用壓模轉印圖樣的微壓印技術[1](microcontact printing)、利用微奈米製程的微影技術[2](photolithography)與藉介電泳動效應實現細胞塗布的介電泳動技術[3](dielectrophoresis)等，雖有其各自的優點，但以上幾種方法，皆無法同時達成高解析度、高效率與對細胞無潛在損害的目標。 基於此，本研究中應用電致濕潤現象(eletrowetting)。此現象能依所加電壓而改變表面的親疏水性質，而親疏水間作用力是生物分子間重要的非共價作用力之一。因此經由外加電壓調控，能夠控制表面的性質，即改變表面與生物分子的附著力，並且進而達到生物分子與細胞的精準塗布。於本研究中，證實了此方法的可行性，細胞塗布圖樣可由電極圖樣決定，並且其細胞塗布解析度可達到次微米等級。更重要的，此技術能夠避免不必要的熱能及電解現象產生，亦不會有電場或機械應力而對欲塗布的細胞造成不良影響。由以上結果可證實，本技術未來可望對生物晶片與細胞晶片的塗布技術提供一個新的方向與動力。

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基於連續弦方法之多重電路模擬

本篇論文提出一個多重電路模擬器來加速多重電路模擬(multi-circuit simulation)。在多重電路模擬之中，每個電路的架構都是相同的，但是電路參數和原始電路不同。此模擬器是基於連續弦方法(successive chord method)，它是一個使用固定的逆雅可比矩陣(inverse of Jacobian matrix)的非線性迭代方法。透過連續弦方法，此模擬器重複使用逆雅可比矩陣來模擬很多具有相似偏壓的電路。此模擬器也在連續的時間區間內重複使用逆雅可比矩陣，以加速單一電路模擬。本篇論文使用8微米a-Si有機發光二極體驅動電路及90奈米CMOS漣波進位加法器當作實驗電路，並且將此模擬器和一個使用牛頓法(Newton-Raphson method)及逆向尤拉法(backward Euler method)的傳統模擬器做比較。實驗結果顯示此模擬器達到2.3倍的單一電路模擬加速及3.6倍的多重電路模擬加速，並且維持一樣的準確率。