交通大學電子工程系所學位論文
國立交通大學,正常發行
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本論文描述一個收發開關在超寬頻3.1-10.6GHz的應用，它採用串並聯的架構。這電路使用0.18微米互補式金氧半製程。非對稱式的LDD金氧半電晶體有較高的汲源極崩潰電壓，且被用在傳輸端。其好處在於可在傳輸端偏較大的電壓以改善功率線性度。除此之外也使用基極浮接的技術來改善收發開關的功率承載能力。在3.1到10.6GHz頻段當中，互補式金氧半收發開關呈現出的植入損耗在傳輸與接受狀態分別小於2.5dB與3.5dB，隔離度在此頻段分別為29.8-31.7dB與25-31.5 dB。量測到的1-dB功率壓縮點為24.5dBm。晶片面積為550微米 495微米。
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本論文分成兩個部分：第一部份為砷化銦量子點紅外線偵測器（第三～六章），另一部份為銻化鎵材料之研究（第七、八章）。 在第一個部分我們利用分子束磊晶系統成長高品質之砷化銦量子點製作紅外線偵測器，研究包括：偵測器其響應值對於溫度及偏壓的相依性探討、垂直偶和的量子點紅外線偵測器的特性分析、以及偵測器中的光電流頻譜調整及躍遷能階之研究。 量子點紅外線偵測器的響應對於溫度及偏壓的相依性與量子井紅外線偵測器，具有相當的差異性。對於量子井而言，響應的大小對於溫度變化溫度並沒有太大的改變，對於偏壓則呈現線性的相依性。但是，對於量子點而言：響應對於溫度及偏壓都是呈現指數關係的變化。經由詳細的元件電流增益行為的量測，對於此響應行為我們有深入的分析。在100度K的溫度變化中，元件的電流增益約有兩個數量級的改變，如此巨大的改變是由於量子點中額外注入的載子所產生的庫輪排斥力作用，此外我們亦計算了額外注入的載子數目。此額外注入的載子會改變量子點中的費米能階並且改變元件的量子效率。 對於垂直耦合的的量子點紅外線偵測器的特性，我們做了詳細的分析研究。對於垂直耦合的量子點中，會形成一個微能帶，此微能帶會使得載子在量子點中自由的移動帶，會使得量子點中的能階分佈更為均勻，進而縮小光電流頻譜的半高寬並提高元件之量子效率。此外，此垂直耦合的量子點亦可以提高自由載子的捕捉機率，因此，此結構亦可提高元件的頻率響應頻寬。 我們在標準的量子點紅外線偵測器中的量子點下方加入一層高能障之砷化鋁鎵，藉此調整元件中的載子躍遷行為。標準之偵測器其光電流響應頻譜會隨著加入之高能障層而分離成兩個訊號，其中一個光訊號並不會隨著此高能障層與量子點的距離改變而有所變化，但是另一個光訊號會慢慢的往短波長移動並且響應強度也會慢慢減弱。當此高能障層與量子點的距離只有五奈米的時候，只有一個光響應訊號會存在。因此，此光電流頻譜的半高寬與峰值波長的比例會從25％降低至10％，且元件之量子效率亦可提高。此外，此加入之高能障層亦會降低元件之暗電流，進而提高元件之偵測度表現。 第二部分為銻化鎵材料的研究，分成兩個章節：一部份為銻化鎵在砷化鎵基材中的量子點成長，另一部份為銻化鎵的矽基板上的磊晶研究。 對於銻化鎵量子點的成長我們有系統的做了一系列的實驗，包括：磊晶材料的厚度、磊晶溫度及五族三族的通量比例等。我們藉由原子力顯微鏡分析成長之量子點的表面型態，包括量子點密度及大小。此外，我們亦研究了此第二類超晶格量子點的光激光譜行為，分別分析其光譜在不同的激發光密度及不同的溫度下的表現，有別於第一類超晶格量子點，此種類的量子點光激光譜有極不同的行為。另外，我們亦發現了一層、兩層及三層的銻化鎵原子層的光譜訊號，藉由理論的分析，我們可以研究推估銻化鎵及砷化鎵兩種異質材料的價帶不連續的能量大小。 我們對於銻化鎵材料在矽基板上成長的緩衝層材料做了研究探討。如果將銻化鎵直接成長於矽基板上，銻化鎵材料的表面會非常的粗糙，藉由銻化鋁緩衝層的加入，我們可以成功的提高銻化鎵的磊晶品質，此銻化鋁一開始會在矽基板表面形成量子點，並隨著更多銻化鋁的成長此量子點會連結起來，此過程會吸收因為晶格常數不匹配而產生的應力，進而使得銻化鎵的磊晶品質提升。此外，我們亦使用的銻化鋁/銻化鎵間格的超晶格結構去阻擋晶格缺陷的延展，此種緩衝層結構會更進一步的提升銻化鎵的磊晶品質。
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傳統視訊位元率控制演算法通常追求影像失真總量最小化，然而往往付出影值大幅度變動的代價，特別是在視訊內容較激烈且經常性場景變換時。為了減輕影值變動所帶來的負面作用，許多演算法追求全部影值均等。如某些研究者指出，雖然現有演算法已能產生影值均等的視訊，但是這些演算法經常無法精確地使用分配的位元來減少失真總量。本論文嘗試一次達成三個目標。即平穩視訊品質、失真總量最小化、精準地使用位元預算等。我們共提供三個演算法，針對兩種不同應用，定速率與變速率通道，來完成這些目標。其中兩個演算法適用於定速率通道，如儲存應用；一個演算法適用於變速率通道，如網際網路傳輸應用。 第一個演算法使用籬柵圖(Trellis-Based)架構來達成具備一致性品質的視訊。我們第一個貢獻是推導出，失真最小化問題與位元預算最小化問題的等效條件。第二，籬柵圖狀態定義為失真量，方便於一致性品質控制。第三，只需在提出的演算法中調整一個參數，一個介於，最小失真總量與固定品質的視訊解，可以被求得。第二個演算法結合拉格蘭乘數（Lagrange Multiplier）、快速分支延展與最佳化程序。與第一個演算法比較，它的峰信雜比效能只有些微的降低，但是運算複雜度顯著地降低。模擬結果顯示，這兩個演算法都只比MPEG 所提JM位元率控制演算法的平均峰信雜比些微低。當與近期發表的MultiStage與LPF演算法比較，我們所提演算法能夠較準確地使用分配位元預算，且輸出最大的峰信雜比與很小的峰信雜比變動率。 第三個演算法在變速率通道追求優雅的品質變動。我們取代一致性品質限制，換成最大相鄰幀間影值變動限制。因為這個演算法在單獨GOP內運作，相鄰GOP品質控制需求也需要被考量。每個GOP通道位元率被設定成給定的頻寬晃動模型。模擬結果顯示，我們的峰信雜比曲線函數很平滑，且在每個GOP邊界並沒有品質突然掉落。我們所提演算法也能夠準確地利用分配位元預算值。 總結，我們發展出彈性的影值控制架構，提出三個演算法。這些解能滿足三個目標，品質變動最小化、失真總量最小化、精準地使用位元預算。此外，附錄A呈現通道編碼效能分析結果，未來可用於整合視訊與通道編碼研究。
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隨著電源管理日趨重要，橫向擴散金氧半導體場效電晶體(LDMOS)於高電 壓整合型電路中的使用也日趨廣泛。在高功率的操作下，熱載子引發的可靠性問 題及元件模型的建立仍然是最大挑戰。 本篇論文將針對LDMOS 的可靠度與元件模型的建立做一系列探討。首先， 吾人提出一個具有特殊接觸電極的LDMOS 結構，藉以量測LDMOS 中通道 (channel)部分的內部電壓(internal voltage)、電流、與低頻雜訊。兩個利用此種特 殊結構的例子將在第二章中被討論；一個是對自我加熱效應(self-heating effect) 的研究，另一個是對通道電流與LDMOS 電流的特性分析。在自我加熱效應的研 究中，吾人提出一個以內部電壓為觀察指標的研究方式，觀察到自我加熱效應所 引發的暫態電壓改變將呈現兩段式變化。我們的研究也顯示出，內部電壓量測法 將比傳統電流量測法更有效率，並能更清楚得到所需要的熱時間常數。在另一個 例子中，此特殊結構將用來研究通道與LDMOS 間的特性。電流與低頻雜訊在通 道中與在LDMOS 中的特性將被研究。我們的研究顯示，在低閘極偏壓下，汲極 電流與汲極低頻雜訊主要是由LDMOS 中的通道所決定，這也暗示了一個新的元 件模型建立方法與熱載子(hot carrier)特性分析方法。 ii 在第三章中，針對熱載子效應所導致的氧化層傷害，吾人提出一個新式三段 式電荷幫浦(three-region charge pumping)的量測方法加以研究。利用此方法，我 得以確認不同傷害模式下的氧化層損傷位置，並可以進一步知道所產生的損傷缺 陷特性。我們的研究結果顯示，在最大閘極電流(max. IG stress)模式下，將導致 最大的汲極電流與次臨限區斜率(subthreshold slope)的退化，退化的原因為通道 區的表面缺陷(interface trap)產生與鳥嘴區(bird’s beak region)的負電荷量(negative oxide charge)累積，其產生的速度將可從三段式電荷量測幫浦中個別萃取。同時， 我們也將利用二維元件模擬與低頻雜訊量測方法進一步確認實驗結果。 經由前面章節的了解，在第四章中，吾人將利用特殊結構研究自我加熱效應 所引發的暫態熱載子效應(transient hot carrier effect)。同時，利用二維元件模擬驗 證實驗結果，並用來分析交流頻率與元件退化間的關聯性。吾人研究結果發現， 熱載子效應在交流偏壓下的電流退化，將比直流偏壓下的電流變化更為嚴重，其 原因在於自我加熱效應的消失將造成熱載子的增加。 最後，吾人發展出一個雙組合元件模型(a two-component device model)，用 來描述LDMOS 的電流特性，並將模擬自我加熱效應所引發的內部電壓改變。此 LDMOS 模型將使用一種新的模型建立方法，以低閘極/高閘極電流分別建立通道 區與淡摻雜區(drift region)的模型。並利用內部電壓控制有/無自我加熱效應下的 汲極電流。經由比較後發現，我們的模型在所有的操作電壓下均可以準確的預測 汲極電流，這範圍包含次臨限區(subthreshold)到臨限區以上(super-threshold)、有 自我加熱情形及無自我加熱情形都可準確描述。
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低溫複晶矽 (low temperature polycrystalline silicon, LTPS) 薄膜電晶體 (thin-film transistors, TFTs) 已被視為一種材料廣泛地研究於可攜帶式系統產品中，例如數位相機、行動電話、個人數位助理 (PDA) 、筆記型電腦等，這是由於低溫複晶矽薄膜電晶體的電子遷移率約是傳統非晶矽 (amorphous silicon) 薄膜電晶體的一百倍大。此外，低溫複晶矽技術可藉由將驅動電路整合於顯示器之周邊區域來達到輕薄、巧小且高解析度的顯示器。這樣的技術也將越來越適合於系統面板 (System-on-Panel, SOP) 應用之實現。 隨著系統面板的發展，各式輸入顯示技術 (input display technology) 被整合於其中，包含了記錄文字、影像或是照片的掃描器 (scanner) ，偵測手指或是筆跡的觸控式面板 (touch panel) 等，這些新穎的應用不管對於個人或是企業都可以帶來很大的便利性。另外，面板溫度對液晶顯示器薄膜電晶體影響顯著，因此為了提升系統可靠度，溫度補償電路也廣泛的被討論。無論是在觸控式面板設計抑或是溫度補償電路等，其中都包含了感測電路 (sensing circuit) 。類比至數位轉換器就是一種被廣泛地應用在感測電路後端，將感測到的類比訊號轉換為數位訊號進而驅動其它數位訊號處理器 (DSP) 的電路。因此，隨著輸入顯示技術的發展以及溫度補償電路的不可或缺性，面板上類比至數位轉換器的整合是非常值得被研究與探討。 在本篇論文之中，首次提出了設計於玻璃基板上之和差類比至數位轉換電路並且已經在三微米低溫複晶矽薄膜電晶體製程下成功被驗證。相較於其它類比至數位轉換器 (flash ADC, pipeline ADC)，此電路可藉由負迴授機制以操作速度換取較高的解析度，同時佔用較小的面積。此類比至數位轉換器操作在十伏特的操作電壓之下，前端和差調變器 (delta-sigma modulator) 將類比輸入訊號轉換成連續性的位元流 (bit stream)，再經由降頻濾波器 (decimation filter) 轉換為八位元之數位訊號。此新提出的類比至數位轉換器電路未來將可以被整合在面板上，帶來更便利性的應用。
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本篇博士論文的目的是希望對自組式砷化銦量子點及量子環的磊晶及電子能態特性做一個通盤的瞭解，以便實現長波長量子結構紅外線偵測器並提升其元件特性。 我們研究如何利用分子束磊晶技術來控制砷化銦量子點的面密度及幾何形狀。藉由調變長晶條件及程序，我們已能成長大範圍之不同面密度的量子點，並且控制量子點的形狀變化以獲得其演變至量子環之各種不同形狀的量子結構。對於藉由部分覆蓋及熱退火技術所成長的量子環，我們也探討了造就其形變的機制。再者，透過模擬，我們發現量子環其環狀分佈的位能井迫使電子波函數遠離環心，以致於抬高了電子能階的分佈並縮小其能差。 我們也利用調變激發能量之螢光頻譜來研究量子點的能譜。分析量子點放射光譜隨激發能量改變的情形，我們區分出三個具有不同物理意義的特徵區域。隨激發能量由高至低，它們分別為：連續能態吸收區，離散電子態激發區，以及多聲子共振區。透過自組式量子點特有之沾濕層wetting layer與量子點耦合之準連續態，電子之釋能獲得幫助，上述豐富的能譜結果也得以解釋。 我們還研究藉由調變量子點能障結構的方式來調變量子點紅外線偵測器之偵測波段及極化吸收特性。此研究的結果顯示，透過量子點能障結構的設計，我們能有效操控量子點偵測器之元件特性以符合不同的需求。由此觀念出發，我們設計了一種新的”侷限增強型量子點在井中(confinement-enhanced Dots-in-a-well, CE-DWELL)”之結構，有效加強了DWELL量子點本身在側向上較弱的能障侷限。利用這個新的設計，我們成功製作出高度正向吸收並具8-12微米波段之量子點紅外線偵測器。更重要的是，元件之量子效率及偵測度獲得大幅度的提升。 我們更進一步研究不同CE-DWELL結構之量子點紅外線偵測器。我們發現，用以增強侷限之砷化鋁鎵層的厚度及含鋁成分，對於偵測器元件不論是吸收特性或傳輸特性都有顯著的影響。調整適當之CE-DWELL元件參數，我們成功製作出操作溫度高於200K的8-12微米波段量子點紅外線偵測器。 最後，我們也研究了砷化銦量子環之紅外線偵測器。量子環在側向上較廣的波函數分佈與其較高卻較密的能階分佈造就了量子環偵測器不同於量子點偵測器的特色，例如：寬頻之光電流頻譜、隨溫度變化較為穩定之光響應度、較低之暗電流活化能。藉由一高能障砷化鋁鎵電流阻擋層，量子環本質上較低的載子活化能得以提升，量子環紅外線偵測器的操作溫度也因而提升。
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本論文針對多閘極金氧半場效電晶體，比較其載子傳輸在重疊與非重疊閘源（汲）極結構中之差異，在具有重疊結構的元件中，我們觀察到次臨界電流特性依循波玆曼定律以及聲子為主要之載子碰撞特性，而在非具有重疊閘源（汲）極結構的元件中，我們發現次臨界區域與反轉區域之汲極電流對溫度並不敏感。我們的低溫量測結果指出，對於窄的重疊結構元件而言，載子在能階間碰撞是傳輸的主要機制，而對於非重疊結構元件而言，存在於非重疊區域的位能障會導致電導降低以及擾動。 此外，我們針對非具有重疊閘源（汲）極結構的多閘極金氧半場效電晶體，有系統地分析其可被控制的單電子效應與通道長、通道寬、閘極電壓、溫度之間的相依性。我們的研究指出，使用非重疊閘源（汲）極結構有助於實現單電子電晶體於金氧半場效電晶體，同時多閘極結構提供高閘極控制能力與高源（汲）極電阻的雙重優點，單電子效應被進一步地強化，目前的結果顯示，如果要實現室溫下可運作的單電子電晶體，除了元件尺寸必須要進一步維縮之外，穿隧位能障以及源（汲）極電阻必須要再進一步最佳化。由於單電子效應可被實現於最先進的金氧半場效電晶體，因此有助單電子電晶體整合於低功率互補式金氧半電路，以達到高密度的目的。 另外，我們評估從實驗中萃取通道背向散射的可行性、限制因素以及應用範圍，我們的研究指出，其困難點在於是否能正確決定低電場載子遷移率（μ0）、關鍵長度（l）與熱速度（υtherm）的溫度係數，透過我們所提出的自我相符萃取方法，我們不必預先假設：平均自由徑λ = (2kBTμ0/qυtherm)，l = kBT長，μ0 =低電場載子遷移率，以及非退化極限。用這個廣義溫度相依性的萃取方法來分析應力效應對通道背向散射的影響，我發現p型金氧半場效電晶體之通道背向散射會因單軸壓縮應力增強而下降。至於應力效應與靜電位能的相關性，第一次透過實驗方法萃取出。我們還進一步證實應力作用能夠透過增強彈道傳輸效率進而抑制汲極電流的變異。 還有，我們針對具有超薄氧化層的金氧半場效電晶體，研究其漏電流所引起異常電容電壓特性的問題，我們提出用本質輸入阻抗來模擬長通道金氧半場效電晶體之電容衰減，並反向重建應有的電容電壓特性，透過SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)模擬，我們驗證本質輸入阻抗重建衰減電容的可靠度，而對於所重建的電容電壓特性，我們發現多晶矽閘極空乏效應可以被真實呈現，這個突破是有別於傳統使用頻率相依性所重建出的結果。由於重建方法的簡單性，因此適合作為大量製程觀察之用。
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本論文提出一簡單且快速的處理器模型技術，此技術採用將時序模型分割為功能與時序兩部份的概念，在本論文中，此二部份分別稱為功能核心與時序外殼。功能核心實際上為一無時序、高速的指令集模擬器，適合軟體開發；而時序外殼則提供了額外的時序資訊協助模擬週期精確的硬體行為。當一使用相同指令集的處理器家族加入了新成員，依照提出的模型技術，我們只須要替換時序外殼，沿用跟其他成員相同的功能核心，即可產生此新成員的模型。這技術不僅能確保各模型的功能與規格吻合，並且能有效縮短建立模型花費的時間。在本論文中，我們將此技術應用在使用相同指令集架構的一ARM7-like與一ARM9-like處理器，並在實驗結果中顯示，本論文提出的雙層式週期精確模型較一般的RTL模型模擬速度平均快上約30倍。
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本論文提出一個高效能的MP3音訊解碼系統使用低功率之32位元嵌入式處理器ACARM9(Academic ARM9)。其一：此處理器有較佳的性能。此處理器以ARM V5E指令集實作，並且在乘法部份有更好的效能，此指令集能使用ADS(ARM Developer Suite) 的編譯器將高階程式語言(C,C++)編譯成組合語言，再將其組譯為可供 ACARM9 使用的機器語言，以顯示出此處理器的高使用性。其二：本論文提出一個完整的系統發展平台，此處理器之設計被燒錄在 FPGA之上，再使用 ARM926EJ-S Versatile發展板系統，以本處理器解碼MP3音訊資料，達到高效能的解碼速率及音訊同步化播放，完成MP3播放系統。
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本論文利用Piranha 潔淨技術清潔金表面有機氧化物等污染，並可降低金表面的接觸角，提升表面自由能，將此技術應用於金-金熱壓式鍵結接面以達到低溫可熱壓鍵結技術之探討。經由實驗驗證於Piranha 潔淨技術，可將原本傳統熱壓式接合所需溫度300度，經由本潔淨技術在壓力為100MPa，接合時間180秒之接合條件下將結合溫度降低為160度，此技術將可應用在需要低溫接合之晶片封裝而不須花費高額的費用。