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奈米結構材料之表面光電位研究

表面光電位(surface photovoltage, SPV)現象是指材料受光照後產生電荷分離，材料的表面電位(surface potential)發生改變的現象。SPV可用於探究材料的吸收及電荷傳遞等基本性質。 此論文中，我們架設了三種表面光電位量測架構。利用這些架構，我們量測受雷射脈衝激發之SPV暫態訊號、穩定激發光源之SPV暫態訊號、以及表面光電位頻譜。藉由特別設計的樣品製備方式，我們在染料敏化二氧化鈦奈米孔隙結構上進行SPV量測，以探討染料敏化太陽能電池(dye-sensitized solar cell, DSSC)中產生電荷分離的過程。我們成功的在三個架構中量測到了SPV訊號。其中針對雷射脈衝激發之SPV暫態進行了一系列的實驗，以探究不同照光條件及周遭環境之影響。

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應用於毫米波無線通訊系統之相位鍵移調變/解調電路及頻率合成器

在本論文中，將會介紹四個應用於毫米波無線通訊的電路系統。包括一個5-Gb/s資料傳輸率、5-GHz載波頻率的差分相干二位元相位鍵移調變/解調器，一個40-GHz頻率合成器，以及兩個操作於W-band (75 GHz~110 GHz)的二位元以及四位元相位鍵移調變收發機。 5-Gb/s資料傳輸率、5-GHz載波頻率的差分相干二位元相位鍵移調變/解調器以90-nm CMOS製程實現。其中包括了一個差分相干編碼器，二位元相位鍵移調變器，以及利用延遲器所實現的解調器。這個晶片在2^(31)-1 PRBS的編碼下，可達到位元誤碼率小於10^ (-12)。在電路1.2伏特的操作電壓下，消耗35毫瓦，晶片面積為0.29平方公釐。 40-GHz頻率合成器以65-nm CMOS製程製造，將應用於60-GH無線通訊系統中，提供20-GHz的正交中頻信號以及40-GHz的本地震盪器信號。為了符合IEEE 802.15.3c的標準，須提供寬頻(38.88 GHz~43.20 GHz)震盪輸出，因此採用八段式頻率震盪器，並包括可適性切段數位電路區塊。本頻率合成器的輸出頻率範圍達到4.58 GHz，在1-MHz偏移頻率下90.0 dBc/Hz 的相位雜訊。在1.2伏特(頻率震盪器1.6伏特)的操作電壓下，消耗功率為92毫瓦，晶片面積為0.44平方公釐。 操作於W-band的二位元以及四位元相位鍵移調變收發機以65-nm CMOS製程實現。本系統使用Costas loop達成載波復原與解調，二位元相位鍵移調變收發機傳輸4.5 Gb/s的資料速率位元誤碼率小於10^(-9)，消耗功率327毫瓦，晶片面積1.28平方公釐。四位元相位鍵移調變收發機傳輸3.5 Gb/s的資料速率位元誤碼率小於10^(-11)，消耗功率378毫瓦，晶片面積1.4平方公釐。

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矽(001)基板上之奈米孔洞在超高真空熱處理下的形貌變化

本研究團隊致力於鍺量子點的研究，由於量子點的自聚(self-assembly method)特性，我們事先利用微影與蝕刻製程，在矽基板上製作具有週期結構陣列的樣品，接著採用化學氣相沉積(chemical vapor deposition)的製程方式，利用晶格不匹配(lattice mismatch)的原理，在矽基板上生長鍺量子點。我們已成功的實現在具有一維陣列結構與二維孔洞陣列結構之矽(001)基板上成長有序排列及大小一致性的鍺量子點。 在製作鍺量子點的過程中，我們發現事先所設計之奈米孔洞結構，經過同步熱處理(in-situ heat treatment)步驟時，孔洞形貌會發生變化。從許多文獻上已發現，奈米孔洞的形貌會主導整個鍺量子點的排列位置。原因來自於，在矽鍺介面中的化學能(chemical potential)，會影響鍺量子點的定位與排列形式，而化學能是曲率(Curvature)的函數，曲率是由孔洞的表面形貌所決定。因此，研究熱處理對孔洞形貌的變化有著基礎且重要的意義，可以使我們對於鍺量子點的研究領域有更深入且全面的了解。 此篇論文致力於研究在真空下熱處理，奈米孔洞形貌變化的過程，並定義其變化結果之特徵。此外，造成奈米孔洞形貌變化的物理機制也是我們欲討論的重點。首先，我們分別在不同熱處理壓力與溫度下，藉由輕敲式原子力顯微鏡(AFM)量測奈米孔洞的表面形貌，我們發現熱處理環境必需在低壓而且高溫的條件下，奈米孔洞形貌才會發生形變。接著，我們在低壓而且高溫的熱處理環境下，觀察奈米孔洞隨不同時間的形貌變化，我們發現奈米孔洞隨時間變化的特徵有以下幾項，孔洞深度變淺，脊狀結構(Ridge)的寬度變窄，孔洞內部的側壁角度變緩，孔洞底部的距離變小。同時發現一個令人更感到有趣的現象是，原本我們利用微影設計，經由蝕刻(RIE)得到的圓形與方形奈米孔洞，原本底部形貌分別為圓形與方形，在隨著熱處理長時間下，孔洞內部形貌最後均變化為底部是方型且側壁形成四個面。 在探討奈米孔洞隨時間變化的過程，我們製作了一系列不同尺寸大小的孔洞，從實驗結果可以發現，原本未經熱處理的圓形(或方形)孔洞 ，在過程會先變化成不規則的多邊形，最後皆變化成底部為方形且側壁四個面。為了進一步觀察此結果，我們將孔洞形貌繪製成3D結構圖，可以明顯的發現此底部方形且側壁四個面的孔洞形貌，為一倒截頭金字塔形(truncated-inverted pyramid)，它重要特徵有以下幾項，底部為方型且四個邊均沿著<110>方向，側壁形成四個方向為<11n>的面。以200奈米的原形孔洞為例，在熱處理長時間下，孔洞內部形貌最後變為倒截頭金字塔形，而孔洞深度從原本未經熱處理時的58奈米變淺為20奈米，脊狀結構(Ridge)的寬度從原本58奈米變為0奈米(即脊狀結構變化為頂部圓弧形之山丘形貌) ，孔洞內部的側壁角度從原先58度變緩為12度，孔洞底部距離從原先162奈米變小為78奈米。 在探討造成孔洞形貌變化的物理機制上，我們從溫度壓力之相位圖上發現，造成孔洞形貌變化的條件為低壓且高溫，此現象與熱脫附所發生之條件相符合，熱脫附是在低壓且高溫的環境下，藉由矽與二氧化矽反應成一氧化矽氣體(Si + SiO2 → 2SiO (g)↑ ) 使得二氧化矽脫附矽基板表面，反應的過程中，矽原子是藉由表面自我擴散(surface self-diffusion)到有二氧化矽處，參與一氧化矽氣體的生成反應，因此我們可以得知，是矽原子表面自我擴散造成了孔洞形貌的變化。最後，我們回顧可能使矽基板表面生成二氧化矽的製程步驟，經蝕刻製作完成的奈米孔洞，在成長鍺量子點前，會先經過RCA清洗，此道清洗步驟最後會使用雙氧水，此強氧化劑會使得矽基板表面生成1至2奈米的原生氧化層(native oxide)，而之後再經過稀釋(50:1)氫氟酸清洗，將此原生氧化層去除，並且在矽表面形成氫鍵阻擋再次氧化，此隔絕時效一般為1至2個小時。然而矽基板在等待熱處理時，抽真空至超高真空等級(UHV)需要3至4個小時，因此我們推測在抽真空的過程，矽基板表面再次與腔體內的氧氣生成原生氧化層，而熱處理時發生熱脫附現象，原生氧化層脫附過程中，矽原子會發生表面自我擴散，最後造成孔洞形貌產生變化。 一般無論是藉由分子束磊晶(MBE)或是化學氣相沉積(chemical vapor deposition)製程來製作量子點，皆須要經過此道同步高溫熱處理(in-situ heat treatment) ，目的就是為了藉由熱脫附機制，獲得表面潔淨的基板以提升磊晶的品質與均勻度，熱脫附過程伴隨矽原子表面自我擴散與我們觀察到孔洞形貌發生變化的現象相符合。

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利用類神經網路與程式片段技術之回歸測試

軟體測試，是用來促進鑑定軟體的正確性、完整性、和品質的過程。而回歸測試是軟體測試的一環，在軟體維護階段，為了檢測程式有無經修改而引入新的錯誤，以及檢查之前能運作的功能, 是否仍能正確無誤地被執行所進行的測試。回歸測試是軟體維護階段的很重要的一部份。 在回歸測試中，一個很重要的困難是，測試者無法得知程式經由修改後，會引發哪些其他部分發生問題。關於這個部分，本篇論文提出了由學習為基礎的方法來解決。在本篇論文中，我們使用利用類神經網路為基礎之架構，來建立學習機制，藉此來動態地排序測試用例的執行修先權。首先我們在原始程式中加入了InTOL，它是一個智型測試判別器，可幫助我們輸出程式片段中我們想要的資訊，我們用InTOL來收集測試範例的行為軌跡；接著，我們把修改後的程式與原始程式做比對，找出對程式中有影響的片段，然後我們把這些片段跟測試用例的行為軌跡做對照，找出可能會影響測試用例執行的程式片段中的特別的事件，以此為特徵值；而後，執行所有的測試範例，把執行結果當作優先權選擇的判斷，最後，使用FANN來模擬出一個簡單的類神經網路，把我們抓出可能會影響測試用例執行結果的特徵值，當作類神經網路的輸入節點，而測試用例的執行結果當作輸出節點，在學習階段時，同時給類神經網路輸入與輸出的資訊，讓它自己學習出一套代表輸入與輸出關係的數學函式，接著，進入測試階段，給予類神經網路輸入的資訊，讓它以學習好的網路，自動預測出輸出結果。我們把最後的輸出結果當作測試用例的修先權選擇的數值。 我們使用的實驗程式為SIR程式，它是目前很有公信力的測試程式，我們由中間選擇了兩個來做實驗，發現在我們的實驗架構下，找到修先執行的測試用例，確實具備有良好的偵錯能力，在實驗結果中，我們跟其他做回歸測試的數種方法做比較，發現我們的表現也比其他技術更為優異，也能大大縮短測試的時間。我們的未來研究的目標，是除了能測試程式的正確性，也能找出錯誤的精確位置。

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針對微小延遲缺陷選取緊密的測試向量

為了在先進的奈米製程技術下確保產品的品質，針對微小延遲缺陷進行測試已經成為必要的課題。在現有的商用測試軟體工具中，針對微小延遲缺陷的自動測試向量產生技術仍然存在著過長的測試向量產生時間以及過量的測試向量等問題。 因此，本論文提出了一套選擇測試向量的演算法，從商用軟體針對延遲缺陷所產生出來的測試向量中選取一個可以有效測試微小延遲缺陷的測試向量集。 本論文所提出的演算法有效的對電路結構上延遲缺陷所傳遞路徑的上下限進行分析，以迅速估算在一組測試向量下微小延遲缺陷所被傳遞的路徑長度。 如此，此演算法在選取測試向量的過程中可以有效的降低所需要花費的時間。 由於大部分在電路中的延遲缺陷都很容易被偵測到，所以本論文在選擇測試向量的過程中，只建立一個局部的錯誤對應字典，而不是一個完整的字典，用來將目標鎖定在那些較難偵測到的延遲缺陷上。 根據實驗結果顯示，本論文提出的演算法選出的測試向量和商用軟體針對微小延遲缺陷所產生的測試向量有著很接近的測試向量品質，並且利用此演算法所選擇出的測試向量集比商用軟體所產生出來的測試向量集小了百分之三十二。 因此，利用本論文所提出的演算法，針對微小延遲缺陷進行測試所需的花費將不再如以往昂貴。

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超薄氧化層金氧半電容元件之製程開發與特性分析

由於元件的微縮，超薄閘氧化層在今日逐漸成為主流。在本論文中，探討金氧半電容元件超薄閘氧化層的製程開發與特性分析。在論文的第二章，探討在金氧半電容元件矽與二氧化矽介面殘餘離子與氣體對超薄閘氧化層特性的影響。我們提出一個新的製程步驟：常溫真空步驟去探討對此介面的影響。在生長完氧化層後將操作試片置於常溫低壓氮氣環境一段時間，討論其二氧化矽的厚度、平帶電壓的偏移量、介面陷阱密度、電容電壓特性圖以及漏電流的變化。在論文的第三章則可分成兩個部分，第一部分為超薄閘氧化層厚度的萃取。相較於傳統的平帶電壓，我們在此提出氧化層平帶電壓。藉由氧化層平帶電壓的電流密度對閘氧化層厚度做圖的延伸線，超薄閘氧化層的厚度將更容易萃取。在第二部分，探討金氧半電容元件的記憶體現象。經過正負偏壓一段時間後，在弱反轉區可以得到高低兩個電流與電容狀態。此現象是藉由氧化層閘極邊緣的氫氧根離子受負正偏壓排斥與吸引所造成。由於材料與製程極為簡單，希望在不久的將來可以應用於記憶體元件之中。

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毫米波頻段鎖相迴路之設計與實現

隨著CMOS製程技術的發展與進步，使得低成本、低功率消耗、高速並應用於微波頻帶的通訊系統得以使用先進的CMOS製程來實現。舉列來說，在近年來，一些子電路應用在60GHz戶內高速資料傳輸、77GHz車用雷達及94GHz影像系統已被奈米級CMOS製程設計、實現並發表。在這些通訊系統中，鎖相迴路通常扮演重要的角色，像是提供本地振盪信號或是輸出參考脈波給系統做資料取樣。在微波頻帶中，雖然有一些鎖相路已被實作成功，但是，具有高輸出頻率、低功率且有低相位雜訊的鎖相迴路，對於電路設計者依然是一個具挑戰性的工作。 在本論文中，我們將重點放在操作頻率高於90GHz的鎖相迴路設計、分析與實現。在第一顆晶片中，我們設計一個低功率，操作在96GHz附近的鎖相迴路。在鎖相迴路中，我們適當地使用四種除頻器架構來設計除頻串以達到低功率消耗的目標。根據我們的量測結果，與先前發表的鎖相迴路比較來，此一除頻串可減少約50%的功率消耗。同時，我們也分析了除頻串中，第一級除頻器的操作範圍，並將分析的結果應用在電路設計上，以確保壓控振盪器之輸出頻率可與第一級除頻器對準。在鎖相迴路的閉迴路量測中，此一電路成功的鎖定在96GHz附近，且其功率消耗約為43.7mW。據我們所知，與先前的文獻比之，此一鎖相迴路具有最低的功率消耗。 在第二個晶片中，我們首先分析一個四階的LC共振腔電路。根據我們分析的結果，與傳統的並聯式LC共振腔電路比之，此一共振電路可達到84.7%的頻率提升。我們將此四階LC共振腔電路應用於壓控振盪器的製作並整合至鎖相迴路中，希望鎖相迴路產生高於100GHz頻率信號。根據我們的量測結果顯示，使用四階LC共振腔電路的壓控振盪器工作在103.057 到 104.581GHz間。同時，使用此壓控振盪器的鎖相迴路鎖定在103.058 至 104.58GHz.間。從此一晶片中，我們看到了使用CMOS製程設計高於100GHz脈波產生電路的可能性。此外，據我們所知，與其他的文獻相較之下，此一晶片是所有CMOS製程中，具有最高輸出頻率的鎖相迴路。

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應用於低壓降穩壓器與液晶顯示器行驅動電路之運算放大器的設計與分析

在所有的類比積體電路中，運算放大器大概是最具功能而且可以有效利用的積體電路。運算放大器的許多應用包括進行在電壓信號的各種各樣的數學運算，例如反相、加法、減法、積分、微分、乘法和除法，而這些運算放大器已經被廣泛的使用在信號處理電路、控制電路與儀表電路，其中一種運算放大器的重要應用是設計非反相放大器、緩衝放大器與反相放大器。隨著高品質與低功率電子產品的快速發展，設計一個高效能的運算放大器來滿足特定的需求成為一個相當重要的課題。 本論文主要分為兩個部份，首先介紹緩衝放大器應用於液晶顯示器行驅動電路。其次介紹非反相放大器應用於低壓降穩壓器。在第二章中，提出一個可適用於大範圍輸出電容與電阻負載變化的軌對軌緩衝放大器，並且提出使用直流位準偏移式電流鏡與分裂式米勒補償技術來達成，使得這個緩衝放大器可以適用於各種尺寸的高品質液晶顯示面板。在第三章中，提出一個可適用於大範圍輸出電容與電阻負載變化的低壓降穩壓器，並且提出使用主動式電阻巢式米勒補償與一位元可程式電容陣列技術來達成，使得這個低壓降穩壓器可以適用於系統單晶片的應用中。在第四章中，提出一個供應電源排斥比促進能力的低壓降穩壓器，使得這個低壓降穩壓器可以適用於低干擾的電路應用中。在第五章中，提出可以操作在低於一伏特的低壓降穩壓器與參考電壓產生器，使得低壓降穩壓器可以適用於低電壓的電路應用中。

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N型矽基板之同質與異質接面太陽能電池

由於矽晶太陽能電池的穩定性以及高轉換效率，使矽晶太陽能電池在太陽能產業上佔了極大部分，雖然此技術在量產上的結構已經發展的很完整，但是在高轉換效率的技術上能存在許多的挑戰。 本論文中，N型矽基板上同質接面太陽能電池的製程是利用離子佈值技術來製作射極(硼)以及背面電場(磷)。利用合適的退火條件，離子佈值中摻雜離子可以被活化;且佈值中造成的損害可以被修復。本論文中研究包含快速熱退火以及爐管退火。快速熱退火製程轉換效率為14.5%而爐管熱退火製程效率為15.4%。此外，為了更佳的效率，電極的製作、材料，以及電極的厚度條件都予以考慮。因此，在本論文中設計了不同在沉積電極後的退火條件以及不同電極材料、厚度的實驗。 另外，由於表面鈍化對於開路電壓有極大的影響關係進而影響太陽能電池轉換效率，因此表面鈍化是十分重要的。利用準穩態光導量測比較不同沉積法的氧化鋁(Al2O3)層之鈍化能力，而較高的有效載子生命周期代表較佳的鈍化能力。此外，準穩態光導量測也提供預估形成介面後太陽能電池的暗示開路電壓之一種方法。利用原子層沉積氧化鋁出色的鈍化能力，本論文中最高轉換效率超過16%。 最後，N型矽基HIT結構太陽能電池達到的轉換效率為11.1%，以此討論非晶矽射極的優點以及適當的後退火條件。

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蝴蝶結形週期性孔洞之異常穿透與可選擇波長多頻譜熱紅外線發射器之研究

本文在理論及實驗上研究蝴蝶結形週期性孔洞的異常穿透特性，實驗上發現二階的銀/矽模態之穿透強度大於一階的，而此現象可用三角形孔洞之尖角產生的磁場增強效應做解釋。藉由增加尖角距離、尖角角度以及金屬薄膜之厚度，此種二階模態的增強效應便會逐漸減弱。另一方面，平行四邊形金屬片陣列為上層之金屬/介電質/金屬結構的電漿子熱輻射發射器的特性也在研究範圍中，不同於正方形或長方形的金屬島嶼，平行四邊形中兩個主模態之極化方向決定於圖形的幾何結構，其中一個的極化接近於長對角線方向，另一個則在短邊共振。進一步，利用消波塊形狀為上層結構之電漿子熱輻射發射器可以在紅外線波段產生三個峰值，而這三個模態可粗略地用極化片選擇。藉由改變消波塊中每個長方形金屬島嶼之長度，可製作出所需波段之三峰值的紅外線熱輻射發射器。