• 學位論文

金/鉍/矽 金屬-半金屬-半導體接面的研究

本論文研究金/鉍/矽 金屬-半金屬-半導體接面的電壓電流特性。在實驗上，我們以分子束磊晶法在n型與p型的(111)Si基板成長不同厚度的鉍薄膜，再以電子束蒸鍍法鍍上金薄膜，完成接面並進行電壓電流量測以獲取接面能障。在理論計算上，我們以一維Poisson方程式求解接面的位能分布，獲取能帶結構圖，據以獲得鉍矽接面的能障。並與實驗獲得的能障比較；兩者的結果大致相符。 我們從理論計算發現，鉍矽接面能障會隨著偏壓與鉍薄膜的厚度而改變。此點與金屬半導體蕭基接面具有固定的能障值不同。此可變的能障源自於鉍的低本質載子濃度與量子侷限效應，加上鉍的雙極性使的鉍矽接面類似於np或nn半導體之異質接面特性。此點也獲得了實驗的支持。 我們也在金/鉍/n-矽的電性逆偏量測時，發現了不尋常的指數型上升電流。我們利用前述的能帶結構圖計算獲取不同逆偏壓下的矽鉍接面處電場，以熱游子場穿隧放射模型(TFE model)計算由鉍注入電子進入矽的電壓電流特性。此計算結果與實驗值相當接近，證實了模型的正確性。此項發現顯示了鉍的電子電洞雙極特性，及其在新穎元件應用的潛力。

• 學位論文

以在 FPGA 實作 Ethash 探討資料流最佳化

乙太坊是現今相當熱門的區塊鏈，其發明者希望以太坊能做為世界各地人們一起驅動的世界電腦。隨著乙太坊所用的代幣價格提升，如何有效率地進行其所使用的工作量證明Ethash，其重要性也跟著日益升高。 根據Ethash的設計，電路的運算能力和其所配備大容量記憶體的頻寬成正比。最常見的高頻寬電子產品是繪圖處理器(GPU)。除此之外，也有部分現場可程式化邏輯閘陣列(FPGA)配備有高頻寬記憶體(HBM)。這類型的FPGA也因此適合計算Ethash。本篇論文描述如何在FPGA上實作硬體電路以利用HBM的頻寬，將頻寬完整轉化為Ethash的運算能力。首先透過流水線設計提高時脈。流水線設計所增加的正反器(Flip-Flop)可能導致電路無法完整放入晶片，或由於硬體資源使用率過高導致繞線困難反而降低時脈。於是進一步透過調整資料流提升硬體使用效率並精簡使用硬體資源。另外也對除法器進行改良，透過乘法器來實作。最終讓運算能力提升一倍達到81.25MH/s，同時面積縮小超過二分之一，可以將電路移植到更小的晶片上。 本篇論文並彙整過程中使用的研究方法，對於演算法資料流的分析，可以有效協助開發者找到實作架構中的瓶頸所在，期望這個方法能運用在未來其他類似開發工作中。

• 學位論文

一個應用於驅動新型觸控回饋系統之壓電材料致動器的高壓磁滯控制調變D類功率放大器

在現今生活中，觸控螢幕裝置已廣泛的出現在我們身邊的許多裝置中，並且由近年各大手機廠的旗艦機種可發現，消費者對於具備大螢幕裝置的需求愈漸提升，因此如何在螢幕使用上改善使用者的操作體驗便成為一個值得開發的研究領域。本論文提出以壓電陶瓷致動器來提供觸控螢幕所需的觸覺回饋，並針對其特性加以研究，設計了一個能提供高電壓、低失真以及高效率的驅動電路用以在適當的操作條件下驅動壓電陶瓷致動器。 上述驅動電路以TSMC 180 nm BCD 製程 (T18HVG2) 實現一個操作在60 V、200 Hz的高壓磁滯控制調變D類功率放大器。此D類功率放大器能達到穩定的70%高能量轉換效率，並產生最低失真為0.0045% THD的輸出訊號，以此作為壓電陶瓷致動器之驅動訊號源。

• 學位論文

應用於光電邏輯閘之光致量子隧穿二硫化鉬元件

近年來電子邏輯門控在準確和快速計算方面開始面臨限制，難以支撐未來對廣泛數據處理的爆炸性需求，為了因應速度的需求於是光子傳輸訊號的方式成了討論話題，雖然全光邏輯門控看來是有利候選者之一，然而不論是聚光或是收光都需要複雜的光學組件來構建，實務上不易於實踐，因此近期一種光電邏輯門控受到關注，不僅不需像全光邏輯閘複雜的組件問題，也具備了光子在速度上的優勢，因而備受矚目，近期相關研究由於材料多屬於單向傳輸運行，研究大都僅展現了AND 或 OR 邏輯閘功能，但這樣遠遠不夠，因此如何實現多功能的光電邏輯閘是目前較為迫切的問題。 二硫化鉬由於其具備的半導體性質以及原子級厚度為現今討論度最高的二維材料之一，且具備可見光波段的發光能力適合作為光偵測器，然而傳統以橫向傳輸為主的二硫化鉬電晶體易受水氣分子極性以及介面陷阱影響，容易在電子傳輸時發生持續光傳導(Persistent Photo Conductive, PPC) 效應，導致光響應時間非常慢(約45.7s)。 在此，本研究探討一種垂直傳輸的單層二硫化鉬元件，避開了傳統橫向傳輸面臨的持續光傳導(PPC)的影響，我們利用薄約30nm厚度之二氧化矽作為絕緣層，使熱電子發射機制主導的暗電流藉由可見光的激發能夠引起FN穿隧的光電流，不僅極大的減少了其光響應時間(上升時間約3.52ms以及下降時間約1.54ms)，還達到了光響應度約0.3 A/W 以及偵測度約7.4 x 109 Jones，更有趣的是，藉由結構中二硫化鉬的載子受光激發後產生的穿隧電流展現了雙向光響應性質，根據此特性我們將元件組合成4種基本光邏輯閘(OR、AND、NOR、NAND)，得以利用二硫化鉬元件實現多功能的光電邏輯閘。

• 學位論文

可用於增進有機發光顯示器性能之有機發光材料及元件研究

主動式有機發光二極體 (active-matrix organic light-emitting diode, AMOLED)因為其輕薄的結構、製程簡易和傑出的視覺表現(例如：反應速度快、飽和的色彩顯示、高對比以及廣視角)已成為主流的顯示技術之一，在高畫質的產品應用中如小尺寸顯示器或可攜式裝置，一般是採取上發光的OLED結構，此種結構由於其像素內的薄膜電晶體 (thin-film transistors)可以很好地成長在透明或不透明基板上以及埋在OLED疊層下方而不阻擋上發光式OLED的出光，使得高性能的驅動電路可以完好地整合在AMOLED中卻不降低顯示的畫質以及開口率 (filling factor, FF)。在產業應用上，常見的上發光OLED結構是將有機層夾在下反射陽極與上薄金屬半透明陰極之間，由於兩邊金屬電極的高反射率特性，上發光OLED會在其中產生足夠的微共振腔效應而極大地影響元件效率以及不同視角上的色彩表現，雖然現今的OLED可以透過使用載子複合較平衡的OLED結構以及高效率利用三重態 (triplet)的放光材料而達到近乎100%的內部量子效率 (internal quantum efficiencies, IQEs)，但是上發光OLED元件的內部發光仍僅少部分能萃取出來，波導模態、表面電漿模態及兩側金屬電極吸收導致的輻射能量流失構成了上發光元件提升其外部量子效率 (external quantum efficiencies, EQEs)的阻礙。此外，上發光OLED較強的微共振腔效應固然能使元件發光顏色更加地飽和，然而該效應也會使共振波長在不同方向上產生明顯的變化而導致隨角度變化帶來的嚴重的頻譜偏移以及色彩偏差。因此，現今OLED顯示器的低效率以及待改善的各角度色彩表現仍然是值得研究的關鍵議題。 為了進一步提升OLED出光，諸多光萃取技術被提出來或發表以增加出光效率，然而此些技術由於其製程不相容性、製造複雜度且可能破壞顯示器的影像品質而一般不太適合用於上發光OLED或AMOLED的像素結構中。因此，我們提出了一個簡單且實用的方式以同時解決以上的問題，其能夠在不影響影像清晰度及複雜化整個AMOLED的製程下，同時增加元件效率且增進色彩表現，此方法順勢利用傳統AMOLED的像素凹槽結構，將底面的下反射陽極延伸擴展到像素凹槽的邊坡之上以形成圍繞像素中心發光區域的三維反射面，之後再於像素的凹槽區域內充填高折射率填料 (filler)在OLED疊層之上，如此一來，OLED放光物質於發光層內部所產生的光其絕大部分皆能被萃取出而進入高折射率的填料區內，雖然起始入射角大過填料/空氣介面全反射臨界角的光起初仍會被困在填料區內而無法輻射到空氣，但其後透過周遭的反射面產生的多次反射與變向，最終可能順利脫離填料區而成功出光，並增加元件的出光效率。 本論文研究的第一部分詳細並依序地闡述了針對OLED三維光學結構而採用的多尺度光學模擬之工作原理及運算流程介紹、如何在裸玻璃基板上形成完整的反射式三維OLED像素凹槽結構以及如何準確地填充高折射率材料至每個像素內的實際製程(從基板規劃與反射式三維像素結構的具體設計介紹、精密金屬遮罩 (fine metal mask, FMM)的設計方案與製作細節、基板的製備、基板的預處理、OLED的蒸鍍、FMM/基板的對位流程、填料的沉積到最後的元件玻璃封裝)、多像素結構的上發光元件量測方法、所得的模擬/實驗結果之數據處理。在此研究中，我們更進一步地討論像素大小以及填料位置的對準情形對元件發光特性帶來的影響。實驗結果部分諸如：像素凹槽的(側)截面影像、元件的上視照、元件電性與效率、實驗發光場型與變角度頻譜、元件的色彩表現(CIE色座標與色偏量)皆呈現於本論文研究的結果與討論內，在採用反射式三維像素結構於上發光OLED之中後，可觀察到其在不影響影像品質下，具有較佳的色彩表現以及顯著的元件效率提升，使最小的反射式三維像素元件之效率增益高達1.28倍。實驗數據和模擬結果的一致性也共同驗證了反射式三維結構的元件效率增益會隨著像素縮小而隨之遞增。最重要的是，填料的對位情況並不會顯著地影響效率增益、造成各視角上的顏色變化以及破壞影像清晰度，這暗示著此結構對於填料對位誤差具有較高的容忍度，因此可放寬對位精確度的嚴格控制/要求以進一步地降低製程成本。總結來說，本項研究成果提供了一個簡單且低成本的方式以有效地降低現行OLED顯示產品的功耗，為AMOLED顯示技術的發展開拓出一條嶄新且前景廣闊的道路。 本論文的第二部分則為深藍磷光材料的光物理分析及元件研究，由於雙三牙配位銥金屬錯合物材料相比於三雙牙配位銥金屬錯合物具有較佳的剛性，我們合成出數種新穎且高效率的深藍雙三牙配位銥金屬錯合物磷光材料，並對其作光物理分析，再利用其中具有最高量子效率(~91%)的磷光材料製作出外部量子效率(EQE)高達20.7%且CIE (x, y)色座標位於(0.15, 0.17)的深藍磷光有機發光元件。

• 學位論文

序向條件線路反轉故障模擬器之實作

序向故障電路模擬器 (sequential fault simulator) 在先進的半導體奈米製程中扮演著日益重要的角色。它廣泛的被用以發展多重擷取序向測試和軟體自我測試 (software-based self-test, SBST)。除此之外，現實世界中的瑕疵機制越來越複雜，傳統的經典故障模型或許已經無法全面的描述所有種類的瑕疵。因此，我們採用了「條件線路反轉」計算法 (Conditional Line Flip calculus, CLF)，發展出一個可支援使用者自定義故障模型的彈性序向故障電路模擬器以應付上述的問題。我們提出了一個用動態載入程式庫架設的簡易的故障模型建構環境，讓使用者能簡單快速的建立自定義的故障模型。最後，我們也提出了新的動態故障模擬及注入的方式以處理使用者自定義故障模型中的未知瑕疵機制。通過上述的方法，我們的序向故障電路模擬器能夠支援各種不同的經典故障模型以及使用者動態自定義故障模型。和習知的特定故障模型序向故障電路模擬器相比，我們的整體執行時間也尚可接受。

• 學位論文

可靠且可實現的RC電路縮減

近年來摩爾定律依然持續，現今積體電路設計複雜度已超乎想像，而在積體電路設計流程中會遇到的一個瓶頸是在驗證階段必須要從原始電路提取RC網絡列表進行模擬，這會花費大量的時間及記憶體，因此將RC網絡縮減同時維持準確度是必須的，自從時間常數平衡消去法(TICER)在1999年發表後到現在依然是商用EDA軟體的主要的演算法。在以前，電路頻率要求並不高，然而現今的電路頻率已普遍來到千兆赫茲，對於縮減後的RC網絡在各方面的特性維持越來越重要。因此，在本論文中，我們在TICER的基礎上提出一個可以對電路中端口進行高精確度的縮減方法，我們將電路中的每個小區塊分別取出，再將各取出的區塊電路經TICER縮減的二階RC電路進行調整，調整的方式是以改變RC的分佈狀況來增加或減少高頻響應，因單位階躍中含有許多高頻成分，所以我們推論電路的高頻響應會影響到對單位階躍輸入的延遲，最後再將調整過同時維持艾莫爾延遲(Elmore Delay)的二階RC電路放回原電路。在真實存在的電路樣本的實驗結果顯示，比較調整前與調整後，我們的方法在大部分端口上有明顯的進步，甚至達到<1%延遲誤差。

• 學位論文

可見光氮化鎵超穎介面產生高拓樸電荷數完美渦漩光

渦漩的現象在生活中隨處可見，像是熱帶性低氣壓引起的颱風、水流造成的漩渦等，同樣的，在光場中也存在著類似的概念。和一般雷射光束不同，因渦漩光束夾帶著軌道角動量(Orbital Angular Momentum, OAM)的資訊，且其具有e^ilθ的方位角項，傳遞時會隨著拓樸電荷(Topological Charge, TC)進行扭轉，並且不同拓樸電荷數l的渦漩光束之間彼此正交，行進時不會互相影響。 這篇論文利用氮化鎵奈米天線柱搭配Pancharatnam-Berry(PB) phase設計原理，在藍寶石基板上使用六角形基底進行幾何排列，並針對450nm的雷射光進行模擬，成功製作出l=16、l=32兩種不同拓樸電荷的超穎介面，其直徑為100μm、焦距150μm、數值孔徑(Numerical Aperture, NA值)為0.3。為確保成品與設計相符，為長160nm、寬90nm的長方形奈米柱，在製作完成後也使用掃描式電子顯微鏡(Scanning electron microscope, SEM)檢測氮化鎵奈米天線柱的尺寸與垂直度。 在最後，我們使用圓偏振的雷射光束作為輸入，經過超穎介面後，在輸出端成功觀察到兩種不同TC數的渦漩光束，且以聚焦平面為對稱平面進行變化。並期許具備完整性與高解析度的渦漩光束在未來能應用在許多場合，像是光纖傳輸、光學顯微鏡、粒子操縱等。

• 學位論文

在雜訊中等規模量子世代之量子電路診斷

由於受到雜訊和錯誤的影響，目前在雜訊中等規模量子 (NISQ) 電路不保證能產生正確的輸出。在這篇論文中，我們提出一個針對 NISQ 電路的診斷技術，我們的技術包含靜態診斷和動態診斷。靜態診斷使用了錯誤字典，其中包含了每一個錯誤的輸出機率分布。動態診斷使用二分搜尋法來找到量子電路的錯誤位置。我們用 Qiskit 模擬器配合實際的雜訊模型來展示我們的技術。我們用 15 個基準電路並且插入么正錯誤和非么正錯誤來評估實驗。模擬結果顯示平均正確率和診斷解析度分別為 97.70% 和 1.81。我們也在 IBM Q 上的量子設備做實驗。實驗結果顯示我們的方法在真實的量子電路設備上是可行的。

• 學位論文

金氧半穿隧二極體鄰近氧化層電荷對元件特性之影響

本篇論文中，我們對於鄰近氧化層之非理想電荷於具鋁/二氧化矽/p型矽結構之穿隧二極體所產生的效應進行了探討。首先於第二章，藉由比較一般元件及去除了鄰近氧化層之元件的特性差異，確認了氧化層電荷之存在及其大致效果。完成確認後，為了探討不同量的鄰近氧化層電荷對於元件的影響，多個不同厚度之元件在同一片晶圓上同時製作，並於製作後對各元件的氧化層電荷量進行萃取。經由對比各元件所測得的逆偏壓飽和電流，我們確認了電荷量、氧化層厚度、逆偏壓飽和電流三者之間的正向關係。在第三章中，在得知氧化層電荷之存在及其所產生之延伸反轉層的基礎上，我們進了鄰近元件間互動效應之研究。此互動效應的核心在於少數載子的交換及空乏區的同步伸張。利用這些反應，當鄰近元件被輸入電訊號時，另一元件也可讀取到相對應之訊息，比如電流或者開路電壓。在探討過程中，我們也再次利用移除元件鄰近氧化層之方式來驗證這些機制對於氧化層電荷之依存性，經由比較分析出元件之互動效應具有兩種機制。綜上所述，適當量的氧化層電荷可使得鋁/二氧化矽/p型矽穿隧二極體展現特定的應用，有其未來發展的可能性。