交通大學電子工程系所學位論文
國立交通大學,正常發行
選擇卷期
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本篇論文主要是計對自行設計之啁啾式多層堆疊量子點寬頻雷射的同調性暨其是否適用於生醫領域上在近年來蓬勃發展的光學同調斷層掃描術(OCT)來做探討。為了定量寬頻光源的同調長度，我們架設了一套光纖式、並以程式自動控制的促動器來調整光程差的Mach-Zehnder式干涉儀，並搭配一張高速數位器卡整合成一套同調長度量測系統。為了驗證該量測系統的準確性，我們也用理論來數學模擬了頻譜形式較為簡單的雷射，並與之和實驗結果相比較。 為了提供OCT系統更高解析度的光源，我們嘗試設計了一種多層堆疊結構的量子點雷射(chirped- multilayer quantum dot laser diode, CMQD LD)，期望利用其基態與激發態同時雷射的特性得到高輸出功率的寬頻光源。我們藉有系統的量測來觀察該雷射的表現，包括其同調性，並發現當其操作於高電流時，於高解析度0.1 nm的量測條件下，單一量子態的發光頻譜寬度可達到29 nm，且當中不存在任何3dB凹陷，而該頻譜中心位在1270 nm，我們預估其同調長度可落在50 μm以內。由於縱向模態的存在，我們提出量測干涉圖將是用來評斷一個“寬頻”雷射是否合適於OCT系統應用的一個較直接且實際的方式。另外，於干涉圖中光程差為零的主峰，其半高寬可視為用來檢視雷射寬頻程度的重要依據。最後，我們也將提供CMQD LD在未來可以更適合做為OCT光源的設計思維。
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噪音消除是助聽器中的關鍵問題。為了補償患者的聽力損失，助聽器需要對輸入聲音加以放大，如此一來必需要以噪音消除設計來增進在噪音環境下的聲音品質和辨識度。在整合的助聽器系統中，為了延長電池使用壽命及最小化系統的體積，我們需要低功率的設計。 在此論文中，我們提出一套適用於助聽器的低功率噪音消除設計，其中包含了以熵值為基礎的語音偵測，及以濾波器組為基礎的頻域刪減。以熵值為基礎的語音偵測可在噪音環境下區分該時段是語音訊號或是沉默區間。以filter bank為基礎的頻域刪減估計噪音量值，並根據以熵值為基礎的語音偵測之結果做不同的頻域刪減。關閉機制在噪音量值低於一固定閥值時，停止頻域刪減之作動以節省耗電。透過降低運算複雜度，此演算法針對低功率的硬體設計作了最佳化設計。從實驗結果可以得知，平均區段噪訊比增進了6.27dB。PESQ分數則平均增進了0.316分。 最後此演算法在聯華電子90奈米CMOS製程下完成硬體實現。工作頻率為6百萬赫茲。為了節省面積及耗電，我們採用折疊硬體設計。基於資料存儲之需要，我們使用了1.536千位元組的靜態隨機存取記憶體。若包含靜態隨機存取記憶體，估計需要的邏輯閘約為101,697個。如不包含靜態隨機存取記憶體，則估計需要的邏輯閘約為80,628個。耗電量則為2.927×10^(-4)瓦。
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近來許多研究指出，當氧化層厚度小於2~3奈米時，等效電子遷移率會隨著氧化層厚度的減少而減少。研究認為等效電子遷移率的減少是因多晶矽閘極中的遠距電荷所產生的遠距庫倫散射所導致。利用通道背向散射理論以及建立在三角位能井理論基礎上的模擬器，我們可以從Fischetti的蒙地卡羅模擬結果中得到平均自由徑λ。透過不同情況下的等效電子速度所推得的不同平均自由徑λ，可以從中分析出由多晶矽閘極空乏區中的電荷所造成的遠距庫倫散射造成的平均自由徑λ變化量，並由此經通道背向散射理論計算得遠距庫倫散射電子遷移率。這個方法提供了一個簡單的新方式可以估算遠距庫倫散射電子遷移率μrcs，其結果與其他相關研究比較，亦合理且接近。
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本論文提出以原子層沉積法沉積氧化鋁/二氧化鉿交錯層作為快閃式非揮發性記憶體的電荷儲存層。製作的電容結構以及薄膜電晶體結構，採用高介電常數材料氧化鋁作為電荷阻擋層，並分別使用高功含數材料白金與p+多晶矽作為電容結構元件與多晶矽薄膜記憶體結構元件之閘極，以降低元件抹除時背部電子注入與等效厚度。論文討論記憶體的基本電性，包括記憶窗口、寫入/抹除速度、電荷保持力、耐久性與抗擾性，並且進一步討論製程差異所造成的電性影響與原因，包括氧化鋁/二氧化鉿交錯層重複次數、形成奈米顆粒退火時間與電荷阻擋層厚度的改變。 在電容部份，發現經過攝氏900度/60秒退火後的元件記憶窗口較經過攝氏900度/30秒退火後的元件大，而此攝氏900度/60秒退火會使氧化鋁些微結晶，造成元件抹除速度下降，而將氧化鋁加厚為20奈米，則可大幅降低漏電。此記憶體元件在寫入/抹除條件為15V/1秒時有6V的記憶窗口，且經過105秒後仍有百分之83，並在耐久性與抗擾性上有不錯的特性。在多晶矽薄膜記憶體部份，閘極介電質與電容元件相似，但因改將氧化鋁作為穿隧氧化層，經過高溫退火後有結晶狀況，因而導致許多負面效應。總結而言，使用氧化鋁/二氧化鉿交錯層，有不錯的電荷儲存力，但必需搭配可靠的穿隧氧化層與電荷阻擋層，使元件在高溫製程後有良好的可靠度，因此值得進一步研究。
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NAND型快閃記憶體之小面積及低功耗使之成為現今最重要的非揮發性記憶元件之一。它快速的讀寫時間讓其非常適合成為次世代之大量儲存媒介。然而，NAND型快閃記憶體的輸出入介面之工作頻率限制了資料傳輸的頻寬。為了在此頻寬限制下得到更高的效能，新世代的NAND型快閃記憶體元件提供交錯以及雙面運行之指令。因此NAND型快閃記憶體控制器也必須擁有支援這些先進指令集之能力以使整體之系統效能提升。 在本篇論文中，我們提出一個高效能之NAND型快閃記憶體控制器。它主要使用了兩項技巧，包括平行化指令處理及使用雙面指令之定址模式。藉由這些技巧，我們可以盡可能地將指令間的平行度最大化並降低單一指令平均之執行時間以得到較好的效能。實驗結果顯示，我們所提出的快閃記憶體控制器相較於一般基本功能之控制器在各種讀寫之效能均可提升達18%以上。
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快速傅利葉轉換處理器相當廣泛的應用在訊號處理系統及通訊系統中。雖然現存的文獻提供了許多快速傅利葉轉換處理器的架構，但要能夠在給定的條件下挑選出最適合的架構仍是一個相當重要的技術問題。一個快速傅利葉轉換處理器產生器，不但可以增加設計的生產力，同時也可以縮短整個系統設計開發的時程。在這篇論文中，我們針對管線化的快速傅利葉轉換架構提出了面積與通量折衷的方法，且能自動地產生對應的硬體設計。實驗結果顯示，我們在通量的限制之下，可以產生硬體面積較小的架構。
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錯誤更正碼，例如渦輪碼，一般而言需要比較有彈性的選擇碼率來適應不同的通道環境。為了達到這個需求，不同碼率的解碼器必須要被提出來。為了提高通道的使用效率及提升傳輸速度，高碼率的錯誤更正碼是需要被採用的。一般的渦輪解碼器通常都會使用高基數(high radix)的柵欄結構來解高碼率的碼，然而，這樣會增加解碼器的硬體複雜度。在本論文中，我們引用了互反雙重柵欄的結構來減低在柵欄在高碼率解碼器的複雜度。我們使用穿孔(puncture)技術在WCDMA的渦輪編碼器上來產生高碼率的碼，並且使用互反雙重柵欄的架構來解碼。此外，我們採用了Sign-Magnitude的數字表示方式來更進一步降低硬體複雜度。我們研究了四種碼率1/3、1/2、2/3、4/5的穿孔渦輪碼，這四種不同的碼率模擬結果也呈現在本論文中。 最後，我們提出了一個多重碼率渦輪解碼器的硬體架構。根據在90nm製程下的實驗結果，所提出的解碼器包含370k的運算邏輯閘及58kb的儲存單元。在供應電壓0.9伏特下，若操作在碼率4/5的功率消耗是80mW並且可以達到101Mb/s的傳輸速度。
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本篇論文利用到複數轉導分析方法，對電晶體提出轉導等效小訊號電路模型，藉由此分析方法應用於多閘級電晶體架構之線性度分析，相較於之前所提出的分析方法，在此複數轉導分析下可以提供寬頻的線性度提升特性，以利於改善寬頻放大器電路之線性度。根據此種分析方法，超寬頻放大器與前端接收電路分別經由晶片製作來驗證。 第一顆晶片應用於超寬頻系統之-5dBm之輸入第三階交會點超寬頻放大器利用到複數導數相消技術。量測結果顯示此一超寬頻放大器在線性度方面具有5dBm 以上的提升，同時不用消耗多餘的功率。這顆超寬頻放大器在8.26mW功率損秏下，具有8.1dB之轉換增益，8dB之輸入反迴損秏以及-5dBm以上之輸入第三階交會點。 在第二顆晶片中，設計一個應用於超寬頻系統之低功率、高線性度前端接收端電路，此接收器電路包含了一個低雜訊放大器，一個主動相位分離器以及一個直接降頻混頻器。 模擬結果顯示此前端電路有20.3dB的轉換增益，10dB之輸入反迴損秏以及-4.7dBm之輸入第三階交會點，此外，此電路消秏功率為10.4mW。
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進入深次微米時代，過長的連線導致過大的延遲，使得系統的效能難以繼續提高。在過去數種分散式暫存器架構已被提出，企圖使用較短的區域連線進行大部分的資料傳輸，以解決延遲的問題。在本篇論文中，我們提出一種分散式架構，稱之為考慮島間傳遞延遲的分散式暫存器檔案的架構。在這個架構上，提出一個合成流程使得整體效能盡可能達到最好。首先，分配運算子到島上得到一個初步的結果；接著，利用反覆增加效能的方法，嘗試得到更佳的結果。由實驗結果得知，與前作相比，我們可以將效能增加平均達到百分之二十九點二。
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近年來矽奈米線已被廣泛的應用在生物、化學感測方面。相較於其它感測器，矽奈米線擁有許多優點，例如：矽奈線是即時反應，一旦環境中有待測分子，矽奈米線會立即鍵結住，透過電流變化便可知環境有此分子存在。還有，矽奈米線可偵測濃度非常低的分子，不用透過萃取的方式使濃度增高，便可進行偵測的動作。在此論文中，我們利用半導體製程技術來形成矽鍺奈米線，利用矽鍺氧化鍺析出現象，將鍺析出在奈米線外層，讓矽鍺奈米線形成非均勻，並討論不同的氧化溫度、時間對靈敏度的變化，最後並証實非均勻矽鍺奈米線比均質矽鍺奈米線有較好的感測能力。