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具銀膜加熱器之微型前濃縮晶片應用於微型氣相層析系統

本研究為開發一種微型前濃縮晶片(Micro Preconcentrator, μPCT)，其為微型氣相層析系統 (Micro Gas Chromatography, μGC)之關鍵元件，氣相層析系統可針對人體所呼出之氣體混合物進行詳細分析，並以非侵入的方式監控人體健康狀況及提前預防肺部相關等疾病，亦可應用於環境監測及空氣汙染檢測等方面。 本研究所提出之微型前濃縮晶片，相較於其他研究團隊之設計，於微流道內製作有高加熱效能之微銀膜加熱器，其透過簡易的微機電製程(MEMS)技術，僅須一道光罩，並結合微流體技術及化學還原反應(多倫反應，Tollens’reaction)即可達到，大幅降低製程所需之時間和成本。並且針對先前研究之前濃縮晶片於量測上所碰到的缺點，進一步加以改善與改良，且可就其填入之吸附劑不同，能吸附不同物性之氣體化合物。並利用微加熱元件，能有效地將吸附之氣體進行分離與濃縮,達到高度的氣體選擇性及氣體濃縮效果。 本研究之μPCT將整合於氣相層析系統，以纖維素燒結碳化之碳膜作為吸附劑，進行揮發性有機氣體(Volatile organic compounds, VOCs)之量測與分析。當輸入功率為5 W時，具有50℃/s 之加熱速度，到達熱脫附之溫度僅需6秒，實驗中以濃度為10 ppm、1ppm、100ppb之Acetone、Benzene及Toluene作為待測氣體，脫附之氣體樣品將經過長度為17公尺之石英分離管柱進行分離，最後再經由火焰離子感測器偵測分離後氣體之訊號並加以分析。新設計前濃縮晶片採樣流速為過去設計的十倍，解決過去研究流阻過高、採樣流速過低的情況，濃縮容量亦較過去設計大，並可針對濃度較低(100ppb)之樣品氣體進行濃縮，濃縮效能表現更好。

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邊緣窄化結構對砷化銦/砷化鎵量子點紅外線偵測器之特性影響

近來，提升量子點紅外線偵測器操作溫度的方法吸引了很多人的關注。實驗已經證明了，以降低元件的暗電流，可提昇量子點紅外線偵測器的特性。然而，由於決定暗電流的主要因子仍然是不明確的，因此藉由降低暗電流來提升元件操作溫度的效果是有限的。本論文的第一個主題，針對暗電流的決定因子完成了系統性的研究，分別製作不同面積大小的元件，比較暗電流在元件大小之間的差異。顯示暗電流與元件大小並無顯著的關聯性。既然降低暗電流的效果不佳，因此提升光電流的想法被提出。接著第二個主題，在傳統的砷化銦/砷化鎵量子點紅外線偵測器中加入砷化銦鎵作為載子補充層，發現元件響應有巨大的提昇。藉由實驗與理論模型詳細地探究載子傳輸的物理機制。最後一個主題，基於前一個主題的成功，透過邊緣窄化結構提升元件的操作溫度。在量子點層做結構，重現了降低暗電流的效果，也清楚地觀察到縮減寬度與操作溫度的正相關性。雖然如此，此種結構亦會降低光電流，導致元件響應並不如預期。在這個主題中，得到了操作溫度為250 K的元件。

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具有自我偵測與自動校正能力的0.18微米CMOS射頻EDR藍芽收發機

藍芽通訊已經成為被廣泛應用的通訊協定，其傳輸資料的前段部分採用GFSK的調變技術來達到訊號認證的功用，本研究因應藍芽通訊的發展，以藍芽+EDR為研究對象，完成本研究的驗證，本研究乃實現一無線高頻前端收發機，來接受與發送藍芽技術的訊號，利用電路本身之自我訊號偵測與自動增益校正的功能，來偵測調變訊號並達到自動增益調整的目的，而不需要額外基頻數位控制的電路。 本研究發展之無線收發機，內部包含GFSK訊號偵測機制，低雜訊放大器的增益控制，以及整合型PGA與RSSI的自動增益校正機制。本研究最後以FPGA實現藍芽技術之實體層與此無線收發機結合測試，其發送端的DEVM測試為小於6%，接收端的系統NF為小於7.5dB。功耗的表現上，在1.8V內部的供給電壓以及連續訊號的測試下，發送端為42mA，接收端為32mA。

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應用於具備低待機功耗之隔離型切換式電源供應器的回授電路研究

本論文旨在探討具備低待機功耗之隔離型切換式電源供應器的回授電路。傳統的回授電路使用一光耦合器來回授輸出資訊，然而，其雙邊的電流將隨著系統輸出能量的減少而增加，造成系統的損耗增加，而最糟的狀況將發生在輸出無負載之時。這一現象對於追求低待機功耗的系統設計者來說，無疑是一大障礙。 　　有鑑於此，我們提出一可應用於隔離型切換式電源供應器的回授電路，此電路能在轉換器操作於無載時將光耦合器雙邊之電流降至幾乎為零。在這個所提出的回授架構裡，我們使用了一個新提出的反相式並聯穩壓器來產生用於光耦合機制的誤差訊號，而為了接收此誤差訊號並產生正確的驅動訊號，必須採用一個修改過的脈波寬度調變控制器來搭配。此回授架構的能量損耗分析與頻率補償分析均詳述於本論文中。其與傳統回授架構相較，本論文提出的架構具備有極低待機功耗的特色。此外，轉換器操作於輕載時的效率也可有效提升。 　　為了建構所提出的回授方案，我們使用世界先進公司0.5-um、5-V/40-V的高壓互補式金屬氧化物半導體製程設計並製作了先前提到的脈波寬度調變器與反相式並聯穩壓器等兩顆積體電路。利用這兩顆積體電路，我們實作了兩個輸出電壓12伏特、最大輸出功率18瓦並分別採用傳統與本文提出之回授架構的返馳式轉換器。實驗結果顯示與採用傳統回授架構的轉換器比較，採用本論文提出之回授方案的返馳式轉換器可以在操作於無載狀況下時減少至少27 mW的功率損耗。不僅如此，在輸入電壓為155.5伏特狀況下，當操作於最大輸出功率10%的輸出能量(1.8瓦輸出能量)下，系統可以提升2.2%的轉換效率；而操作於最大輸出功率5%的輸出能量(0.9瓦輸出能量)下，系統可以提升3.6%的轉換效率。

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圖案化藍寶石基板對氮化銦鎵類發光二極體量子侷限化史塔克效應之影響

本篇論文探討氮化銦鎵類發光二極體成長於間距逐漸縮小的奈米圖案化藍寶石基板上之效應。此奈米圖案化藍寶石基板上之週期性奈米金字塔微結構係採用電子束微影方式搭配濕式蝕刻形成。 運用圖案化藍寶石基板之技術提升氮化銦鎵類發光二極體之亮度已經廣泛被探討。微米圖案化藍寶石基板可增加氮化銦鎵類發光二極體之光萃取效率，而奈米圖案化藍寶石基板可抑制氮化銦鎵類發光二極體之缺陷產生。但截至目前為止，奈米圖案化基板可以減少氮化銦鎵類發光二極體內部之量子侷限化史塔克效應，始終無深入探討。有鑑於此，氮化銦鎵類發光二極體成長於間距逐漸縮小的奈米圖案化藍寶石基板上與氮化銦鎵類發光二極體內部之量子侷限化史塔克效應兩者之間的關係，將於本篇論文深入探討。 本篇論文之內文包含長晶與量測分析。氮化銦鎵類發光二極體成長於間距逐漸縮小的奈米圖案化藍寶石基板上以及氮化銦鎵類發光二極體成長於拋光藍寶石基板上均具備相同磊晶參數。光致激發螢光之強度與封值能量的位移用於決定材料內部的內建電場大小。拉曼量測將用於提供磊晶層內之應力大小之計算。除此之外，將磊晶片經由業界標準的封裝流程，制備大功率氮化銦鎵類發光二極體之晶粒。此大功率氮化銦鎵類發光二極體之晶粒將用於測定發光二極體之相對發光強度以及探討效率衰減問題。實驗的結果發現，運用間距逐漸縮小的奈米圖案化藍寶石基板，可增強氮化銦鎵類發光二極體之光致激發螢光以及電致激發螢光之發光強度，主要的原因來自於減少氮化銦鎵類發光二極體內部之量子侷限化史塔克效應。

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元件結構對電注入式微碟雷射特性之影響

本實驗室過去已成功做出直徑6.5微米五層InGaAs量子點主動層的電注入式微碟雷射，並可在室溫下以脈衝模式操作，其閾值電流為0.45mA、特徵溫度為107K。在此篇論文中，我們展示了同樣主動層改變金屬的厚度與柱子向內蝕刻深度的元件，其室溫下閾值電流為0.18mA，特徵溫度則是216K，Q值約為3400。另外，我們也首次嘗試了連續操作，最高溫可到220K，閾值電流為1.8mA。我們分別討論了金屬厚度對微碟雷射操作上的影響，以及實驗數據的驗證。 另外，我們也嘗試改變主動層結構，採用的是三層InAs量子點主動層，其主動層內量子點層間距較大，從10nm增加到35nm。我們分別討論了層間距以及層數減少對載子生命期乃至於閾值電流的影響。而此微碟雷射在主動碟直徑7.8微米時，元件最高可操作至260K，閾值電流為0.48mA，特徵溫度則為195K。

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低複雜度希爾伯特黃轉換引擎設計和實現

希爾伯特黃轉換近年來被廣泛使用於非線性或非穩態的訊號處理，如地震分析、生醫訊號處理等。在希爾伯特黃轉換中，經驗模態分解法和總和經驗模態分解法是分解自然界訊號為本質模態函數的關鍵。但是經驗模態分解法遭遇到模態混合的問題(模態混合定義為間斷性訊號載於低頻振盪波形上)，黃鍔博士提出總和經驗模態分解法，藉由雜訊的幫助解決模態混合的問題。然而，總和經驗模態分解法需要大量的運算複雜度，所以總和經驗模態分解法不適合用於某些即時性訊號，例如:醫用超音波系統。本篇論文中，我們以可擕式家用醫療儀器的生醫訊號處理為目標。因為可擕式儀器需要低雜度和低功耗，所以我們開發低複雜度的希爾伯特黃轉換。在本篇論文中，我們為低複雜度的希爾伯特黃轉換開發兩種方法:一)弦波輔助的經驗模態分解法(第二和三章)、二)乒乓式架構的經驗模態分解法(第四章)。最後，在第五章，本篇論文將提出的兩種方法應用於量測血液流速。 在第二及第三章中，我們提出兩種弦波輔助之經驗模態分解法。第一種演算法以低複雜度解決模態混合的問題。然而，當真實訊號的取樣頻率過低時，第一種演算法會因為極值位置的不準確造成誤差。因此，我們提出第二種演算法來解決取樣頻率的問題。在觀察聖嬰現象的應用中，相對於平均100次的總和經驗模態分解法，第二種弦波輔助之經驗模態分解法可以加速11-13倍的運算速度，並提供相若的訊號相關性。 在第四章中，本文中提出了兩種低複雜度的經驗模態分解法架構。經驗模態分解法的大部分運算複雜度取決於三次雲形線內插法，並且需要大量的時間延遲和記憶體進行運算。因此，經驗模態分解法通常使用電腦、數位訊號處理器進行運算。過去的研究使用三對角矩陣資料的重覆運用來降低延遲和記憶體的需求。三對角矩陣包含正向和反向的運算。然而過去的研究降低了正向的演算量，但卻增加了反向的演算量。我們提出乒乓架構來降低延遲和記憶體的需求。因此乒乓架構的能耗可以降至過去架構的1%。接著，我們將資料延用的概念應用於乒乓架構可進一步提高運算效率。 藉由頻譜都卜勒，我們可以量測血液流速；並可應用於診斷血管阻塞、心血管疾病和內出血。其中主要的議題在於如何將血流和血管壁產生的都卜勒訊號分離。針對頻譜都卜勒的應用，過去的研究已將經驗模態分解法應用於都卜勒訊號分離，效果可比傳統的高通濾波器好。然而超音波訊號仍有模態混合的問題。我們應用本篇論文中提出的低複雜度經驗模態分解法進行處理，本論文中的乒乓架構可以將CPU實現的經驗模態分解法加速約24-30倍。而改進的弦波輔助之經驗模態分解法可以降低經驗模態分解法的誤差。

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以壓控振盪器為基礎且具平移平均之三角積分調變器

本論文呈獻一個基於壓控震盪器的三階連續時間三角積分調變器。以壓控震盪器為基礎的量化器具有開迴路一階雜訊調變以及閉迴路天生動態加權平均等好處，但是輸入電壓對輸出頻率的非線性仍然是個必須解決的問題。這篇論文提出了一個平移平均的方法來延展線性操作區間，並且將調變器中的前饋加法器以及迴路延遲補償皆整合至壓控震盪器當中，節省了額外的硬體並減少消耗功率。本晶片使用台積電六十五奈米互補式金氧半製程所實現，在十六億赫茲的取樣頻率下操作，並於兩千萬赫茲的有效頻寬下得到65.2 dB的訊號雜訊失真比以75.4 dB的訊號無雜散比。在1.2伏特的電源供應下總共消耗21.1毫瓦，所佔晶片面積只有0.159平方毫米。

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銻磷砷化鎵與銻磷化銦鎵之特性及在異質接面雙極性電晶體之應用

在本論文中，我們成功地以金屬有機氣相化學沉積成長了高品質的銻磷砷化鎵及銻磷化銦鎵薄膜，在銻磷砷化鎵方面: 我們以X-ray 來研究其晶格常數與(001)，(115) 面的應變量 (strain) 並得出其晶格常數為5.6927埃。 經由壓電調制光譜分析 (piezo-reflectance) 與應變量的計算而得出其能隙 (energy gap) Eg 為 1.256 電子伏特 (eV) 與 形變位能 (shear deformation potential) b = -1.31電子伏特。我們也發現此種化合物具有極大的負彎曲的自旋-軌道角動量分裂能量 (negative bowing of spin-orbital splitting)。藉由分析其光激光 (photoluminescence)，調制光譜 (photoreflectance) 與應變量，我們發現銻磷砷化鎵與砷化鎵接面之能帶位準為第二型能帶位準 (type II band alignment) 。此外，我們成功的製作出以銻磷砷化鎵為基極層 (base layer) 的異質接面雙極性電晶體 (HBT)，由其電壓與電流特性知道此種材料對於實現低耗能、高線性度電晶體有非常大的潛力，再者，我們提出了一個藉由其光激光(photoluminescence)、電壓與電流及電壓與電容特性的方法來計算出其與砷化鎵之帶偏移(band offset) ，我們得出導電帶偏移 (ΔEC) : 44毫電子伏特 (meV)，價電帶偏移 (ΔEV) : 221毫電子伏特。由此帶偏移，我們也得到了銻磷砷化鎵與砷化鎵接面之能帶位準為第二型能帶位準的結果。另外，在本論文中，我們也研究銻磷化銦鎵/砷化鎵異質接面雙極性電晶體的特性，成功地藉由其正反Gummel plots (forward and reverse Gummel plots) 得到銻磷化銦鎵/砷化鎵之能帶位準為第一型能帶位準且導電帶偏移與價電帶偏移分別為0.12電子伏特與0.35 電子伏特。由其電壓與電流特性知道此種材料有較大的自我加熱 (self-heating) 效應，在用於大功率電晶體時能提供自我的保護以防止元件因為崩潰而造成永久性的損壞。

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用於薄膜電晶體液晶顯示器源極驅動器晶片可測試性技術

隨著彩色深度與輸出頻道數目的持續成長，測試薄膜電晶體液晶顯示器的源極驅動器晶片所需的量產測試成本也隨之增加。 在本篇論文，我們針對源極驅動器晶片中的數位類比轉換器發展出高效率的可測試設計技術。藉由加入可測試性多工器，我們所提出的技術藉由觀察電源供應器電流偵測短路錯誤，而不需要使用昂貴的測試設備量測所有輸出頻道的電壓輸出值。此外，在適當的位置加入的可測試性多工器將短路錯誤造成的額外電流最大化而易於觀察。 我們以電晶體階層模擬驗證所提出的可測試性設計技術。以一個八位元的源極驅動器晶片為待測物，所有的短路錯誤都導致明顯的電流增加而可以很容易地被偵測。