臺灣大學電子工程學研究所學位論文
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本論文提出一個由0-π可變增益放大器所實現之Ka頻段主動式向量和式相移器，可應用於5G毫米波頻段通訊系統。 此相移器主要由90°正交耦合器、0-π可變增益放大器及功率整合器所組成，電路一開始經由正交耦合器將訊號分為兩路相差90°的IQ訊號，接著透過0-π可變增益放大器將兩路IQ訊號切換成±I/±Q訊號，並將此±I/±Q訊號當做基本元素，控制不同的增益，最後透過功率整合器合成出所需要的相位移訊號。其中0-π可變增益放大器以吉伯特細胞電路作為主體進行改良，使電路能夠進行0°/180°的相位切換，並搭配電流導向技術來切換增益，其可調增益範圍為+6 dB~-9.7 dB，進而能夠使向量和式相移器合成出不同相位。 此電路採用台積電90 nm CMOS 製程來實現，可實現等效5位元解析度，在28 GHz量測之均方根相位誤差為0.52°，均方根增益誤差為0.11dB，平均|S21|為-1.41 dB，直流功耗最大為19.2 mW。
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類神經網路在隨著機器學習的發展被廣泛討論，相較於在電腦平台上運算，硬體實作是一個相對低功耗且高效率的方案。在硬體實作上，除了傳統的定點數運算，隨機運算也是一種常被採用的實作方式，基於隨機運算之特性，我們可以用較長的運算時間換取相對於定點數運算更低的面積與功耗，因此隨機運算也被視為在資源有限的裝置上的一種解決方案。 在本論文中，我們採用隨機運算作為類神經網路的主要實作方式，並提出位元壓縮的技巧以減少隨機運算所帶來的高延遲時間。此外，我們將基於經典的摺積類神經網路(CNN)架構LeNet-5探討採用隨機運算之CNN於現場可程式化邏輯閘陣列(FPGA)之設計方法，以及探討將隨機運算方式套用位元壓縮技巧後所帶來之效益與其權衡。
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本論文探討InP/InGaAs SAGCM結構雪崩光電二極體的鋅擴散輪廓設計，由於擴散區曲率效應會使邊緣處電場放大、發生邊緣崩潰，因此我們使用Sentaurus TCAD模擬出二維結構，進一步針對保護環(attached guard ring)、懸護環(floating guard ring)分析其對元件內電場分布產生的影響，提出能夠抑制邊緣崩潰、增加元件崩潰電壓的擴散設計。TCAD內使用的費米擴散模型其擴散深度與時間呈現根號關係，符合擴散機制，側向擴散比率與實驗量測結果接近。 我們發現中央主動區的模擬尺寸會影響到元件崩潰電壓計算結果，放大元件尺寸會使崩潰電壓逐漸飽和，因此需要經過適當調整才可靠。保護環能有效降低中央主動區邊緣處的電場，隨著擴散深度增加，其抑制效果將會越好，但會造成崩潰位置改變至保護環上，產生保護環崩潰的現象，不利於崩潰電壓提升；懸護環則是擴散深度太淺會無法發揮功用，其與保護環間距是一關鍵參數，將會影響崩潰電壓大小。 透過分析樣品電流-電壓量測結果可知，本次元件擴散的中央主動區、護環深度分別為3.15 μm、2.81 μm，保護環結構能有效的將元件崩潰電壓提升4.5 V，但護環深度較淺的元件則不具有此效果；懸護環結構可再次提升崩潰電壓1.18 V，測量數據的崩潰電壓變化趨勢與模擬結果相似，驗證本論文建立的模型具有可靠性。
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為了增加離子感測場效電晶體的感測能力，衍生出的設計當中，其中一種是延伸式閘極離子感測場效電晶體，可提高待測物與閘極的接觸面積，減少因電晶體微縮對感測能力造成的影響。 在論文中，研究主要以多重物理耦合模擬分析軟體進行。先從離子感測場效電晶體的平面範例結構開始，並為之後的延伸式閘極離子感測場效電晶體做重要的設計參考。使用的延伸式閘極離子感測場效電晶體先以實驗室既有的元件進行，並在模擬結果中得到了與實際量測同樣的非理想效應。之後，再從可能造成非理想效應的原因著手進行修改與模擬，元件面積已經可以確定是其因素，同時也發現了增加感測能力的方法，像是提高元件的介電常數、加大汲極與源極的範圍。最後，將一些結構立體化，使結果更趨近於理想。
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這篇論文的主題 主要分為兩個部分，第一部分實現了一個資料傳輸率為10.4-16-Gb/s無參考頻率之鮑率數位時脈資料還原電路與1-tap決策回授等化器。提出的寬範圍鮑率頻率偵測器由粗調頻率偵測器與細調頻率偵測器所組成。此寬範圍鮑率頻率偵測器、相位偵測器與決策回授等化器共用前級高速比較器，因此無需增加任何額外高速硬體成本。除此之外，透過偵測五位元之資料序列的取樣點移動，此細調頻率偵測器可以達到穩固的頻率偵測器與相位偵測器切換。此頻率偵測器不只達到寬的頻率鎖定範圍，同時具有短的頻率追鎖時間。此架構使用台積電40奈米製程製作，核心電路面積為0.1004mm^2，操作在資料速度16Gb/s的功率消耗為39.9mW，達到的能源效率為2.49pJ/b。 第二部分實現了一個抖動容忍度增強之數位鮑率時脈資料還原電路。為了改善時脈資料還原電路的抖動容忍度，此部分提出一背景校正電路。此晶片使用台積電40奈米製程，其核心電路面積為0.1mm^2。在 通道衰減為10.31dB@10GHz與輸入資料速度為20Gb/s資料序列為PRBS2^7-1下，資料錯誤率10^-12。 透過所提出的校正電路，此電路改善量測到的高頻抖動容忍度。量測到的收斂時間小於5微秒，操作在資料速度20Gb/s的功率消耗為55.4mW，達到的能源效率為2.77pJ/b 。
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延伸式閘極離子感測器(EGISFET)是一種穩定且堅固的電化學感測器，這類的元件時常被應用於生物化學效應的感測，其發源於傳統離子感測器(ISFET)，但卻擁有較佳的穩定性與耐用性。雖然EGISFET已是一個發展許久且十分具有應用性的元件，EGISFET的感測靈敏性卻有其極限，此即為能斯特極限(Nernst limit)。因此，在我的論文中，我們便利用solid-state dewetting效應以及metal-assisted chemical etching的蝕刻方式嘗試於矽基板上製造簡單可控的奈米孔洞的結構，再將其作為EGISFET的延伸式閘極，並探討不同的奈米孔洞結構對元件靈敏度的提升效果。在本研究中，我們利用solid-state dewetting效應沉積一層奈米金屬顆粒於矽基板上，將其作為遮罩並再利用metal-assisted chemical etching的蝕刻方式蝕刻出奈米孔洞，之後便用掃描式電子顯微鏡觀察其孔洞分布，再將此結構作為延伸式閘極連接至MOSFET上，並量測元件對於不同pH值溶液的pH靈敏度。其pH靈敏度的提升主要與electrical double layer與site-binding現象有關。在量測與分析之後，我們確認了利用這樣的奈米孔洞結構能有有效提升元件靈敏度，並且於特定情況下得以超越能斯特極限。
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本文提出了一個具抗製程、電壓、溫度變異自我穩定技術之環形放大器前端電路應用於連續漸進式類比數位轉換器，與傳統放大器相比，環形放大器中沒有直流工作點，因此不能使用極零點分析，這項因素使得設計上有不穩定的風險，是由於回授迴路所引起的時間延遲，此項和PVT變異有著高度地關聯性。因此，所提出的技術可以偵測輸出電壓用以自動調整內部失調電壓，在以不增加複雜地控制電路和演算法為前提之下，從PVT變異中找出合適地內部失調電壓，以此作為前端電路的類比數位轉換器可以取樣到更為穩定地電壓。 所提出的環形放大器前端電路以及每秒50萬次取樣的10位元類比數位轉換器使用40奈米CMOS製成。量測結果驗證了所提出技術的有效性，這種技術自動地調整內部失調電壓，觀測輸出電壓趨向穩定。另外，輸入頻率達到奈奎斯特頻率量測地有效位元達到8位元以上，並在1.0伏特電源供應下消耗36.06微瓦特，測得地差動非線性和積分非線性分別為+0.74/-0.72和+0.98/-0.99LSB。
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本論文旨在研究一種新型結構的金氧半穿隧二極體，其全名為具閘極邊界溝槽結構之金氧半穿隧二極體(以下簡稱為溝槽元件)。與傳統的平面型金氧半穿隧二極體相比(以下簡稱為平面元件)，此新型結構元件在電流–電壓、記憶體留存、記憶體耐久特性中不只展現了較低的反偏壓電流，更擁有較大的暫態電流，比如說在1000個週期的記憶體耐久量測中，溝槽結構元件的記憶體電流窗口比傳統結構元件大了25倍。從高頻率的電容–電壓量測中可以推測，溝槽元件中的少數載子數量(即電子)較平面元件少，這也被認為是造成其反偏壓電流較小的原因。此外，根據以上的推論，我們提出了一個模型來解釋為何溝槽元件的暫態電流行為比平面元件要來的更強。最後，不同等效氧化層厚度對暫態電流的影響也在本論文中被詳細探討，並且我們發現溝槽元件在很大的等效氧化層厚度範圍內，都具有比平面元件更好的記憶體電流窗口。由於較強的暫態電流特性與其所致的較佳記憶體電流窗口，具閘極邊界溝槽結構之金氧半穿隧二極體擁有作為揮發性記憶體的潛力。
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本論文以TSMC 180 nm CMOS製程實現操作在2.4 GHz基於環形振盪器的鎖相迴路。結合了一個次取樣與一個基於時間積分器的技術，首先藉由次取樣的特性，來降低鎖相迴路輸出的頻帶內相位雜訊，不過也因為次取樣的關係，使得迴路濾波器上對電容器的需求更大，為了避免額外面積的損耗與成本，透過基於時間積分器的技術，可以將傳統電容器替代為儲存相位之電流控制振盪器，因此可以省下大量的面積。 此晶片操作在1.8伏特的電源供應下，功率的消耗為10.1mW，其核心電路面積約為0.024mm2，當輸入參考頻率為150 MHz時，輸出頻率為2.4 GHz，在頻率偏移1 MHz的相位雜訊表現為-104.1 dBc/Hz，參考突波為-37.84 dBc。
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氦離子束直接曝寫是一個可用於7奈米以下節點圖案製造的潛在替代方案，因為它的優勢包括次0.5奈米的聚焦尺寸，較輕微的鄰近效應，以及潛在比電子束更高的解析度和更好的製像真確度。利用氦離子束直接銑削技術，不需要套用任何複雜的製程最佳化，例如鄰近效應修正方法，就可以相當容易解析出低至IRDS 1.5奈米節點的圖案，而且關鍵尺寸誤差很低。本論文提出並研究了基於模型的鄰近效應修正方法於氦離子束微影中的有效性。該模型利用點擴散函數來描述入射離子束粒子於光阻中散射時涉及的所有現象。後續修正過程的圖案預測來自於點擴散函數和圖案之間的卷積所產生的能量強度分佈，並加上一個適當的光阻靈敏度閾值。本方法透過數個15到5奈米半間距的設計佈局，並在特定的製程參數下，包括加速電壓、抗蝕劑厚度和抗蝕劑靈敏度，來檢驗其於氦離子束微影上的效能 本論文也研究了利用氦離子束直接銑削於先進檢測方案的可行性和潛在優勢。藉由利用氦離子束直接銑削，製程的複雜性可以大幅降低。氦離子束製程控制的能力由其高解析度和低製程複雜性得以驗證，顯示其在檢測工具所使用的測試結構製造中的潛力。然而，氦離子束直接銑削的高劑量特性使其在製造凸型圖案時不太有利。為了緩解此一現象，本論文也探討利用氦離子束微影技術製造高解析度奈米結構的可行性和潛在優勢。 最後，初步研究結果顯示，氦離子束直接銑削和氦離子束微影技術可用為製造10奈米以下圖案的一個有潛力的選擇，如應用於前瞻節點檢測工具的設計缺陷、極紫外光微影/X光微影光罩和其他超高解析度結構。總結，氦離子束是一種具有可製造出高解析度和高精度的原型元件的可行設備，並且適合用於開發用於奈米技術的先進解決方案或新穎應用。