臺灣大學電子工程學研究所學位論文
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增量型三角積分調變器有許多應用，如直流測量，線腳測量，生物醫學應用測量，感測器陣列測量，或適用於任何多通道測量應用。大多數增量型三角積分調變器是由離散時間結構來實現。但在三角積分調變器中有另一種結構為連續時間結構，其耗能比離散時間結構要少得多。原因為連續時間結構不像離散時間結構要需要很大的運算放大器建立時間。本文使用的連續時間結構，使調變器速度更快，功耗更低。本文提出三階三位元，過採樣率為64的連續時間增量型三角積分調變器，使用台積電1P6M T18製成。本晶片操作於一百兆赫茲取樣頻率，並於七百三十七千赫茲的有效頻寬下得到73.82 dB的訊號雜訊失真比。在3.3伏特的電源供應下總共消耗6.6毫安培，晶片的核心面積小於0.25平方毫米。
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本篇論文針對三維晶片內網路交通與空間上溫度的不均所導致的效能降低問題，提出一種熱感知交通預先遷移演算法，並藉此減輕被節流的路由器降低的系統效能與提升在特定溫度限制下晶片內網路之吞吐量。傳統上，我們都認為溫度過高的區域是由於交通壅塞所引起的，所以為了均衡網路上的溫度，都會藉由平衡網路上的交通來達到空間上的溫度均衡。然而，溫度跟路由器切換封包的次數呈正相關，也就是說過熱的區域是由於穩定且大量的封包傳輸所造成的。另一方面，由於溫度取樣頻率有其限制，無法隨時得到當下的溫度資訊，過度依賴溫度去引導封包走向低溫區域來平衡空間的溫度分布反而會使得過多封包堵塞在低溫區域，如此一來便會使得吞吐量下降，降低系統效能。 本篇論文結合時間上與空間上的溫度資訊去限制路由資源，同時再從被限制的路由資源得到交通資訊去引導封包走向交通順暢且溫度較低的方向，藉此達到空間上溫度分布平均且提升系統效能。利用過去提出的溫度預測模型得到未來下一次溫度取樣可能的溫度，再將之與當下得到的溫度相減得到溫度上升速率，此即是時間上溫度變化的趨勢。再利用相鄰節點之溫度上升速率的大小關係來調整路由器各個方向最大可用的路由資源也就是暫存器深度。藉由調整暫存器深度與所提供的交通資訊來繞過潛在過熱區，進而減低過熱區域的交通量以及減慢溫度上升速度。由所提出的演算法可以使得系統的溫度分布標準差相較之前各種方法下降5.9%~33.2%，以及使得在熱限制之下的吞吐量進步4.6%~39.03%。
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本論文提出一個四通道十二位元連續漸進暫存類比數位轉換器，使用了提出的數位較正方式來補償時間偏移誤差，轉換器達到六億赫茲取樣頻率。多通道類比數位轉換器共使用了四個通道。數位混波使用來估計時間偏移量，再使用本論文所提出的延遲取樣雙核心方法來做時間偏移的校正。晶片用四十奈米CMOS製成製作，改善多通道寄生頻率音調從-50分貝到-76分貝，並且達到61.7分貝的訊號對雜訊與諧波比，功耗23毫瓦從一個0.9伏的供應電壓。品質因數(FoM)是38.7fJ/conversion-step，核心電路佔據0.3毫米平方面積。
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近年來紅外線光在各方面的研究及應用均非常熱門，對植物體及動物體，尤其是人體的影響，更是深感興趣，又其中神經系統是動物體最重要的聯絡和控制系統，它能指示身體做出適當的反應，來保護自己和生存，因此如何治療及修復受損的神經組織為一大重要課題。而研究人員使用各種實驗方法欲了解紅外線光對神經系統的變化，但目前對其主要的原理或機制了解的並不多，所以此領域依舊有許多謎團需要挖掘。 本研究的目的，是希望透過紅外線光照射老鼠腎上腺髓質副神經節腫瘤細胞(PC12)及中腦神經細胞的實驗，來了解紅外光照射對神經細胞可能產生的影響。本實驗中設計一種整合紅外線發射器和二氧化碳培養箱的設備，借此模擬紅外光照射老鼠神經細胞，並觀察細胞生長情形及蛋白質表現。在我們之前的研究發現，將PC12細胞經過波長2∼4.5um之紅外光照射及培養4天後，其覆蓋率及某些蛋白質表現會有變化。接下來的研究，我們首先用西方墨點法(Western Blotting)分析照光後PC12細胞中肌動蛋白(Actin)及微管蛋白(Tubulin)的表現量，發現肌動蛋白和微管蛋白表現量具有差異。接著再用老鼠的中腦神經細胞，觀察照光後其生長狀態及複雜度，實驗顯示神經細胞在紅外光的照射下會導致其複雜度的改變。最後為了瞭解紅外光如何影響神經細胞的生長及其機制，我們應用新一代定序(Next Generation Sequencing)分析神經細胞中miRNA的表現，藉此了解miRNA如何影響神經細胞成長或造成蛋白質變化的原因。
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超柔軟、可塑形、具彈性的軟性電子，由於其高自由度的優異機械性質，具有極大的應用潛力。軟性電子不同於傳統矽基電子的堅硬，其柔軟的特性使得軟性電子可以在各種物理形貌下正常使用，並且有潛力可以製作在各種基板，進而大幅拓展現在電子系統的應用範圍。為了達到完全可撓的軟性電子應用，除了可彎曲外，同時具有超柔軟、可變形、可伸縮等都是不可缺少的重要特性。在各式電子應用中，數位電子資訊儲存元件扮演極重要且關鍵的角色，因此，對於軟性電子資訊儲存元件的研發，也將帶領未來的軟性電子裝置走向更多有潛力的新興應用，並且將是未來軟性電子實際應用與數位化、資訊化的重要關鍵。 本論文將致力於研發新穎軟性電子資訊儲存元件，研究的內容將涵蓋超柔軟、可塑形、可伸縮、可堆疊且低耗能的軟、彈性電子資訊儲存元件，並且提出適合軟性電子模組的製程策略。論文先從可水溶液製程的石墨烯雙穩態記憶體開始，接著利用軟性石墨烯作為軟性電極，研發可轉移、可自附著且可塑形的超柔軟數位儲存元件，最後立基於我們提出的製程策略，開發新一代具有彈性、可伸縮的軟性電子資訊儲存元件。 論文的研究一方面研發各種新穎功能的軟性電子資訊儲存元件，並且發展更適合、更可行的軟性電子製程策略，其成果將可推展到其他軟性電子的應用；同時兼顧探究新一代軟性記憶體的物理操作機制。 此論文所研發超柔軟、可塑形、可伸縮的軟性電子資訊儲存元件，配合新開發的製程技術，所達成的研究成果將為未來新興軟性電子，包含可穿戴式電子裝置、超柔軟類紙型顯示器、人造電子皮膚、人體醫療感測與監控、生物驅動元件等應用電子，注入前瞻且重要的貢獻。其內容可簡要分作四個進程： 1. 可水溶液製程的低功率石墨烯雙穩態電阻式資訊儲存元件 傳統電子資訊儲存元件仍以快閃式記憶體為主，然而傳統矽基板上的快閃式記憶體，因為其複雜的結構、極差的機械性質，以及製作不易等問題，使得軟性記憶體的研發成為不可能的任務，因此研發簡化的結構與製程是重要的任務。在此研究成果，我們將製作出世界上第一個利用“水” 溶液低溫製程的石墨烯數位資訊儲存元件。此新穎的碳材電子記憶體，具有許多優異的特質，例如其利用水當作溶劑，可以有效降低有機溶劑的污染與對儀器的傷害，而其低成本的特性，也有助於未來大面積的軟性資訊儲存元件之開發，再者低功率的操作可助於軟性電子的操作。 2. 可貼、可轉移在各種表面及形貌的軟性可編程唯讀電子資訊儲存標籤 為了邁向超軟性電子資訊儲存元件，傳統的快閃記憶體的結構與製程方法已不能適用。在此研究中，我們研發了世界上第一個超軟性、可貼、可轉移、可堆疊的標籤式軟性可編程唯讀電子資訊儲存元件。 此超薄、超軟的可編程唯讀記憶體標籤具有許多獨特的優點：第一，它具有可以被轉貼在各種基板或表面上，並且正常操作，因此電子資訊儲存可以被大幅拓展到各種物體上。第二，可以轉移到各種基板上，其中也包含軟性電子元件、有機電子元件上等，因此能夠成功地避免軟性電子在製程上的困難，如溶劑腐蝕、不能高溫處理等瓶頸，本研究提供有效的方法，可以讓資訊儲存元件整合在軟性基板或有機電子模組中。第三，整個可轉移的軟性電子元件之製作過程是立基於傳統製程與設備上，更增加其可以實際應用的可能。第四，可轉移的特性，也增進了三維高密度軟性有機記憶體，以及多層軟性有機記憶體的發展。最後，所研發的軟性記憶標籤適用於滾輪式大面積製造，更符合低成本軟性記憶標籤的應用需求。 作者更展示了利用所提出的製程策略，可以簡單而有效地垂直整合有機電子元件，實現了有機二極體與有機記憶體垂直整合而成的整流性有機記憶體電子電路，且該方法可以推廣至其他有機電子元件，更是軟性電子與有機記憶體的重要進展。 這些成果成功突破現今電子儲存元件只能製作在堅硬或平坦基板上的限制，更拓展電子儲存元件在各種基板與表面的可能，而其製程方法亦將助於軟性電子垂直整合的發展。並且有利於製作軟性電子儲存元件在未來新興的軟性電子中，如可撓、可穿戴性電子與電子皮膚等的編碼應用。 3. 可複寫、可塑形、可自黏之軟性石墨烯電子資訊儲存元件 為了大幅拓展可塑形的軟性記憶體於未來商用軟性電子之應用，研發”可擦除”、”可重複編程”的軟性記憶體是必要的。為此，立基於前一個研究，我們設計了全新的操作機制，利用金屬橋梁與電流限制的操作原理，達成世界上第一個可寫入、可清除、可複寫的可塑形軟性記憶體元件。該可複寫的記憶體可以轉移到各種表面，如曲面、粗糙面等各式形貌，同時保持可複寫的資訊儲存功能。我們相信新一代“可複寫”的軟性記憶體標籤，利用其自由選擇基板、可自附著且可塑形在各種表面的能力，將最大化軟性記憶體的商業電子應用範圍，也將大幅增進軟性電子資訊儲存的發展。 4. 彈性、可伸縮的電子資訊儲存元件：邁向可學習、數位化的新一代可伸縮的電子應用 為了達成全可撓的軟性目標，未來電子元件勢必需要一定的彈性、可伸縮等特性，以應付彎曲後所受到的壓、 張應力。軟、彈性的電子應用需要將電子元件整合在彈性高分子基板上，然而，該高分子彈性基板不適用在高溫、高化學處理的製程，因此，在開發上面臨關鍵的瓶頸。立基於我們所研發出來的可貼、可轉移在各式基板的超軟性記憶體，可以輕鬆突破這個限制。其次，軟性電極是彈性電子元件的另一項必要要求，而論文中所開發出來的軟性電子資訊儲存元件，以石墨烯作為襯底與底電極，因此，可以克服軟性電極的要求。集結了所開發的超柔軟元件與製程策略，我們研發了世界上第一個具有軟、彈性的電子資訊儲存元件，該記憶體具有獨特波浪狀結構，實現了彈性、可伸縮等特性，其成果有利於未來可拉伸電子的應用，如電子皮膚、表皮電子、可穿戴式電子應用、電子紙、醫療電子、生物驅動元件等軟性電子的數位訊號儲存之發展。 關鍵字：軟性電子、可拉伸電子、可塑形電子元件、可撓式電子、石墨烯、數位資訊儲存元件、可自附著。
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非理想因子一直存在於電子元件之中，並隨著元件的微縮，影響隨之加劇。 金氧半元件中橫向的不均勻性（平行於通道或是閘極氧化層方向）為其中一非理 想因子。在眾多橫向的不均勻現象之中，邊際電場效應（fringing field effect）為電場分布的不均勻。實驗結果顯示，不論照光與否，超薄閘極氧化層P 型金氧半電容（p-MOSCAP）之反轉區電流皆主受控於電洞電流。此電洞電流的大小受到存在於二氧化矽�矽介面電洞的等效蕭基能障高度（effective Schottky barrier height）所支配，並被邊際電場效應所強化。換句話說，元件周長區域電洞的等效蕭基能障大小調控元件的反轉區電流。在本論文之中，探討定電壓應力操作對此P 型金氧半電容之電特性所造成的影響及其可能的應用。負偏壓或正偏壓的定電壓應力（constant voltage stress）操作，為一將電子捕陷於二氧化矽氧化層中或釋放的方法，並藉由此被捕陷或釋放的電子調控電洞的等效蕭基能障高度。當元件施加適當的負偏壓與正偏壓的定電壓應力操作後，可得雙態的反轉區電流以及電容。在施加負偏壓的定電壓應力操作後，由於有些許的電子被捕陷於二氧化矽氧化層之中，而屏蔽反轉區電子的生成，反轉區電子數量驟降，降低二氧化矽氧化層的壓降，而增大電洞的等效蕭基能障高度。此外，二氧化矽氧化層電壓的下降則會增加落在矽基板上的電壓，使得矽基板的空乏區變大。因此，可觀察到降低的反轉區電流與電容。值得注意的是，此些許被捕陷於二氧化矽氧化層中的電子，會使反轉區電容的頻率響應消失。在另一方面，正偏壓的定電壓應力操作則可使原本被捕陷於二氧化矽氧化層內的電子被釋放，使反轉區的電流與電容上升回復到原始狀態。此雙態的反轉區電流以及電容現象提供了可能的應用於記憶體元件之中。最後，將反轉區電流隨負偏壓的定電壓應力操作而下降的特性應用於可見光偵測器之上。由於被捕陷於二氧化矽氧化層中的電子可大幅降低元件的暗電流，此光偵測器的光敏感度（photo sensitivity）可以被有效的改善。此方法同時提供了一個可能的應用於改善可見光偵測器的光敏感度之上。
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無線通訊已快速蓬勃發展，為人們帶來了便利的通訊方式，各種無線存取技術也已分別針對數據傳輸速率、傳輸範圍和機動性做最佳化設計以符合各種不同需求的應用。然而這樣的多樣性也使得無線通訊技術缺乏全球統一的頻譜分配規範，伴隨著許多不同的載波頻率、訊號頻寬、調變方式的通訊標準。最終極的解決方案是採用軟體定義無線電，它使用單一的無線電覆蓋任何通訊頻道，具備較寬的頻譜與支援任何調變機制和訊號頻寬。為了降低成本、功耗和晶片尺寸，理想上能有一個可以處理多個頻帶的收發機來達到此目標。在這篇論文中提出一套收發機架構和一些電路結構，它可以處理從800 MHz到6 GHz頻段的訊號，並使用CMOS晶片來實現應用於軟體定義無線電射頻前端積體電路。 在第二章中提出了一個寬頻可變增益驅動放大器，利用電阻式並聯回授技巧和串級架構使其可應用於軟體定義無線電。此寬頻驅動器放大器以90奈米CMOS技術來實現。在0.8到6 GHz測試結果，其功率增益大於10 dB、輸出匹配小於-10 dB、可調增益範圍從-3到18 dB、輸出三階截取點和功耗分別為5.8 dBm和10 mW。此外，也利用此寬頻可變增益驅動放大器整合一軟體定義無線電發射機前端電路。其測量結果之功率增益大於12.8 dB、輸出匹配優於-9.6 dB。輸出三階截取點大於-5.25 dBm，在0.8到6 GHz的最大值為-0.75 dBm。 在第三章中提出了一個寬頻接收機前端電路，其操作頻率為0.8到6 GHz，利用一個電阻式並聯回授低雜訊放大器和一個微混波器來實現，並以90奈米CMOS技術來製作晶片。使用電阻式並聯回授與串聯電感共振，使得低雜訊放大器在輸入匹配、功率增益和雜訊係數都能有較寬頻的特性。在低雜訊放大器之後是微混波器，進行頻率的降頻工作，並可將單端訊號轉為雙端訊號。測量結果從0.8到6 GHz其轉換增益大於17 dB和輸入返回損耗超過7.3 dB。輸入三階截取點範圍從-7到-10 dBm，雜訊指數則從4.5到5.9 dB。此寬頻接收機之晶片面積為0.48 mm2，比以往的接收機前端電路晶片面積較為縮小，總功耗為13 mW。 為了消除不想要的鄰近通道干擾，在第四章中提出一個可操作於2.1至6 GHz的可變頻率接收機前端電路使用的可變電晶體尺寸的技巧，並也90nm奈米CMOS技術來實現。藉由並聯連接電晶體尺寸可變的技術，使接收機前端提供16個不同頻段的操作選擇。在這些頻段中，該接收機之轉換增益變化範圍為19.7至23.7 dB，雜訊指數從5.3到6 dB。此可調頻率接收機之晶片面積為0.45 mm2，這比傳統採用被動式元件變頻的接收器要小的許多。
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在先進製程中，由於晶片中電晶體密度的增加以及操作頻率的上升，使得系統性缺陷 (systematic defects) 及微小延遲缺陷 (small delay defects) 成為良率及可靠性改善中的重要挑戰。 為了驗證可能造成缺陷的原因，實體錯誤分析(physical failure analysis) 是最普遍被使用的技術。 然而，由於先進設計電路的複雜度快速增加，實體錯誤分析所需要的時間不斷上升。 因此，非常需要準確的診斷技術來妥善選擇進行實體錯誤分析的晶片。 針對系統性缺陷，我們提出了診斷技術來鑑別有可能造成良率下降的致命實體特徵(culprit physical features)。 首先，我們從晶片佈局抽取容易造成缺陷的實體特徵，每個特徵分別與製程中不同發生缺陷的原因有關，例如:壓力，不完美的平面化，與金屬線和通孔(via)間不足的接觸面積等。 接著，對於每顆有測試錯誤的晶片，找出可疑的缺陷實體位置。 在這階段我們提出考慮實體佈局資訊與實體特徵並能處理多重缺陷(multiple defects)的診斷技術。 最後，我們使用變異數分析(analysis of variance)的統計技術來識別出可能的致命實體特徵。 我們所提出的技術在55奈米的製程中用來診斷209顆在測試中有錯誤的晶片，並成功地鑑別了一個可能造成良率下降的致命實體特徵。 根據此特徵而選擇的四顆晶片則經由實體錯誤分析證實了有系統性開路缺陷(systematic open defects)的存在。 針對微小延遲缺陷，我們則提出了考慮時序資訊的診斷技術，並使用高於操作頻率的測試技術(faster-than-at-speed test)。 我們使用了時序分析得到的上下界資訊(timing upper bound and lower bound)來改善診斷結果。 我們所提出的技術在先進製程中用來測試及診斷25顆先進工業界晶片。 其中一顆晶片的診斷結果並經由實體錯誤分析驗證確認有微小延遲缺陷的存在。
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在先進製程中，標準元件內部的缺陷(cell-internal defects)越來越受到重視，常用來模擬缺陷的錯誤模型(fault model)都假設缺陷發生在標準元件與標準元件之間；除此之外現在也需要準確的公式來模擬微小延遲缺陷(samll delay defect)以及內部缺陷，部分的內部缺陷可以使用微小延遲缺陷模型來模擬。此論文提出一個針對內部缺陷的時序感知邏輯閘轉態窮舉測試向量選擇器；我們的 TARGET 測試向量結合了標準元件感知(Cell-aware)以及時序感知(Timing-aware)兩個自動測試向量產生器的優點，他試圖使用不同的邏輯閘輸入端組合引發相同的邏輯閘轉態。我們提出了 TARGET 涵蓋率(Coverage)以及 TARGET 統計延遲程度(SDQL)去衡量產生的測試向量品質。TARGET 並不需要窮舉每個標準元件使用以積體電路為重點的模擬程式(SPICE)，與傳統 N 次偵測以及時序感知自動測試向量比起來，TARGET測試向量有較好的 TARGET 測試涵蓋率以及較短的測試向量數。
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由於製程的演進，晶片測試面臨兩個重要的議題：複雜的缺陷表現行為以及自動測試向量產生器 (ATPG) 過於耗時。針對這兩個議題，我們提出利用圖形處理器 (GPU) 的高品質自動測試向量產生器的演算法。傳統利用中央處理器 (CPU) 的自動測試向量產生器通常仰賴非常快速的選擇，以及一次只針對一個錯誤產生一組測試向量。我們提出的自動測試向量產生器不同於傳統，可以同時針對多個錯誤以及多重的測試目標產生測試向量。我們所提出的方法實做了三個層面的平行化：裝置層面 (device-level) 的錯誤分區平行化、區塊層面 (block-level) 的電路分區平行化、以及字組層面 (word-level) 的搜尋分區平行化。這是一個可以同時產生上千個測試向量高度平行化的演算法。這個演算法的核心是一個「分裂成 W 個分身」 (Split-into-W-Clones) 的自動測試向量產生器。這個演算法把產生測試向量過程需要做的選擇轉換成平行的字組邏輯運算，而使得許多的選擇可以同時進行。我們更進一步利用圖形處理器來加速這個演算法。我們也提出三個延伸的應用來解決時序感知 (timing-aware) 與標準元件感知 (cell-aware) 相關的議題。實驗結果證明我們提出的演算法不論在品質、運算時間、以及測試向量長度大多優於目前業界的利用中央處理器的自動測試向量產生器。