交通大學電子工程系所學位論文
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無接面電晶體的電性表現和傳統的翻轉層電晶體可以視為一致，但是在物理機制上，兩者是截然不同的。本篇論文，我們將利用完整的3D模擬軟體來觀察無接面半導體和傳統電晶體在大量統計下的變化、可靠度議題。 第二章探討大量統計下臨界電壓、臨界電壓變異數和隨機的離散摻雜兩者之間的關係。被指出，由於較嚴重摻雜變異，使臨界電壓變異數的變化幅度在無接面電晶體較為嚴重。 然後，我們研究隨機介面缺陷、隨機離散摻雜分別在無接面電晶體和傳統的電晶體所造成統計分布的改變。研究結果顯示大量統計下，主要分布會幾乎重合；此外，傳統翻轉層電晶體更容易受制於表面缺陷的影響。最後，我們分析這些現象，並提出合理的解釋。
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靜電放電防護和閂鎖效應 (latchup) 預防是在積體電路中兩個重要的可靠度議題，尤其是在高壓應用方面。靜電放電可能發生在積體電路產品製造、封裝、組裝的過程中，通常會造成在積體電路中嚴重的損害，而在電路正常操作情況下，雜訊可能會觸發積體電路內部的寄生電晶體，所以在高壓靜電放電防護設計中，必須使持有電壓 (holding voltage) 高於電路操作電壓，否則在應用上可能會發生閂鎖效應 (latchup)。 高壓的靜電防護設計中，通常使用橫向擴散電晶體 (lateral diffused MOS, LDMOS)，但通常橫向擴散電晶體的持有電壓小於電路的操作電壓，會有閂鎖效應的風險，因此提出使用低壓電晶體來做堆疊結構來達到在高壓中靜電防護有著高持有電壓的一種方法，藉由調整元件的不同堆疊個數，使得在不同高壓應用來提供有效的靜電防護。 在此篇論文中，實驗並驗證堆疊結構，藉由多種不同的佈局方式來增加元件的靜電耐受度，並且使用不同的防護環 (guard-ring) 的佈局方式，探討對持有電壓的影響。此外，使用不同傳輸線脈衝產生器 (transmission line pulsing, TLP) 脈衝寬度對持有電壓的影響，以及試著減少其佈局面積達到相同的靜電耐受度。
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本篇論文中，吾人建立了一個較完整且一致的一維寫入/抹除/保存模型，透過吾人所建立的模型，可以快速地分析改變介電質材料以及結構對寫入/抹除區間(program/erase window)的影響。根據吾人的模型，使用閘極環繞式(Gate-All-Around)的結構可以改善寫入/抹除區間，而在此基礎上再使用氮氧化矽作為穿隧介電層，可以進一步改善寫入/抹除區間。但使用高介電係數之上介電層搭配金屬閘極(high-dielectric constant top oxide and metal gate)，才是對於改善寫入/抹除區間的關鍵方法。吾人的模型重現了抹除操作時，臨界電壓反轉之現象，及提出減少閘極電子注入有助於改善此反轉現象。垂直方向及水平方向保存流失亦在本論文中討論。經由吾人的模擬發現，使用氮氧化矽作為穿隧介電層不利於垂直方向之電荷保存。而水平方向的電荷移動對於臨界電壓值的影響不如垂直方向電荷流失所造成的影響。
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現今智能電源技術已經發展並且電子產品中很多積體電路是在高壓（HV）製程中被製造。例如車用IC等，通常使用高壓製程，與低壓（LV）元件相比，高壓電晶體結構較為複雜，這是為了放大操作範圍和崩潰電壓，如此一來使得靜電放電（ESD）防護的設計更加困難和具有挑戰性。 在高壓的靜電放電防護設計中，常會使用橫向擴散電晶體 (lateral diffused MOS, LDMOS)，這是常見的高壓電晶體，且與低壓電晶體相比，在同樣的布局大小下，通常高壓靜電防護元件的靜電耐受度表現較差，所以使用高壓防護元件，通常都會放大元件大小以達到要求的靜電耐受度，並且要特別注意均勻導通性。 高壓應用之靜電防護元件提出利用低壓P型場氧化層元件 (LVPFOD) 堆疊的構造在0.5微米高壓絕緣層覆矽 (silicon on insulator, SOI) 製程實現。在面積與靜電防護耐受度的考量下，低壓的靜電防護元件，在單位面積下，有比較好的靜電防護耐受度，使用堆疊方法使整體的導通電壓 (trigger voltage) 與持有電壓 (holding voltage) 往上疊加，使它滿足高壓積體電路的需求，所以堆疊可以是最佳的方法之一。在高壓靜電放電防護設計中，持有電壓是一個重要的考量，當在靜電防護元件的持有電壓低於供給的電壓時，在應用上有可能會發生閂鎖效應 (latchup)。實驗並驗證不同堆疊個數的低壓P型場氧化層元件在高壓應用下可以達到較高的靜電防護耐受度，並且達到閂鎖效應免疫。 在此篇論文中，探討了堆疊的靜電防護元件電阻值大小對人體模型和機器模型電流波形的影響效應，這解釋了堆疊的靜電防護元件電阻對峰值電流和波形震盪的影響非常明顯，特別是在機器模型的測試中。因為機器模型中的負載電阻主要受到堆疊的元件影響，但是人體模型則是受到1.5千歐姆的負載電阻影響，所以機器模型量測到的靜電防護耐受度隨著堆疊的低壓P型場氧化層元件個數增加而增加，而人體模型的靜電防護耐受度則不會隨著堆疊個數而改變，量測到相同的靜電防護耐受度。
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在本篇論文中，我們針對電阻式記憶體在寫入/抹除操作後導致缺陷產生與寫入干擾錯誤所需時間之劣化現象做討論。藉由量測元件的漏電流並分析其傳導特性，我們證明元件在定電壓應力及寫入/抹除週期應力操作下皆會造成介電層中的缺陷產生。我們進一步探討新產生的缺陷與寫入干擾錯誤所需時間之劣化現象的關聯，發現造成此劣化現象的原因是由於新產生的缺陷有助形成更易導通的路徑。最後，我們利用以滲透理論為基礎建立的解析模型成功地描述實驗上發生此劣化現象所需應力時間的統計分佈。
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在過去幾十年中，微縮同調光源的研究不曾停滯過，半導體雷射的共振腔尺寸在近幾年中已經從微米尺度縮小到奈米尺度，而奈米尺度的半導體雷射元件具有較小的佔地面積與低功率消耗的特性，所以在生物醫學，光纖通訊，積體光路和平行運算有極高的應用淺力。此外，在微型共振腔中，光與物質的物理作用也是一門有趣的研究，所以在過去幾年中，各式各樣的微型共振腔半導體雷射元件被成功開發，如光子晶體共振腔雷射、微型碟盤式雷射、布拉格反射鏡雷射、垂直共振腔面射型雷射與奈米線雷射等。雖然這些半導體雷射的共振腔尺度都接近奈米等級，但是這些同調光源元件需要在其共振腔外圍建立數個波長的週期性結構來維持高的品質因子(Q-factor)，所以整體元件面積還是在數個波長的尺度，並沒有真的實現奈米尺度的同調光源製作。2007年Hill等人成功製作出金屬披覆型雷射，此結構只需要幾奈米厚度金屬就可以把光場有效地侷限於共振腔裡面，有效的縮小元件面積。然而，此類型的金屬共振腔還是無法突破物理繞射極限。在2009年電漿子雷射成功開發，使得同調光源得尺寸可以進一步的突破物理繞射極限，使同調光源開始進入到奈米的世代。由於電漿子必須存在於金屬和介電材料的介面，導致電漿子雷射損耗很大，一般電漿子雷射的操作閾值極高，所以只能在極低溫的環境下操作。本篇論文主要在研究電漿子雷射的特性，電漿子雷射的操作原理主要在於降低金屬損耗、提高共振腔品質因子及降低電漿子移動的群速度使得增益可以被有效放大。我們首先研究銀的電漿子雷射，由於銀在波長320奈米附近有劇烈的能帶吸收損耗，造成色散曲線在此波段有劇烈的變化(彎折效應)。我們利用氧化鋅奈米線當做增益材料，使雷射操作波長接近銀的能帶吸收波段，來研究其物理特性。我們藉由調整氧化層厚度來調變電漿色散曲線，使得銀電漿子的群速度可以有效降低到光速的1/80，成功開發出模態體積最小的可室溫操作紫外光波段電漿子雷射。此外，我們也研究鋁電漿子雷射，藉由改善鋁金屬薄膜和氧化層的品質，我們成功開發全世界第一顆可室溫操作單晶鋁電漿子雷射，此雷射具有極低的操作閾值(0.28mJ/cm2)和極高的特徵溫度(178K)。
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因應可攜式元件輕薄化、耐衝擊需求及穿戴式電子產品可彎曲及可撓曲需求，可撓曲電晶體逐漸受到重視，並且有許多研究著墨於將其應至可撓式顯示器背板、可撓式射頻元件、人造皮膚及柔性感測器等。其搭配可撓式透明電極，將提升可撓式顯示器亮度或節省電力，同時可製成全透明元件增加應用性。 本論文針對可撓式電晶體之主動層及透明電極進行研究。分別製作P通道型及N通道型場效電晶體，並搭配可撓式透明電極，探討其元件特性，同時藉由元件結構及製程的改進提升元件性能及可靠度。 P通道型場效薄膜電晶體，採用溶液型駢苯衍生物作為主動層，研究源極與汲極於(S/D)主動層上接面型及S/D於主動層下接面型元件結構，並搭配不同S/D材料，探討電晶體特性與接面電阻及金屬表面能之關係。另一方面，利用感光型保護層可有效提升有機電晶體於空氣中存放及操作狀態下之穩定性，同時以濕式蝕刻定義出主動層圖案，並且利用此圖案化方式成功製作32 x 32 主動矩陣式有機電晶體驅動之有機電致發光顯示器。有趣的是，主動層於進行濕式蝕刻時，滲入至保護層下方的溶劑，會緩慢的擴散進入主動層中，同時改變駢苯衍生物分子排列狀態，大幅提高電晶體之載子遷移率。利用這個效應，我們發展出了搭配感光型保護層的溶劑蒸氣處理方式，來製作元件並提升特性，已經申請台灣及美國專利獲准。 N通道型場效薄膜電晶體，採用銦鎵鋅氧化物作為主動層，並以奈米銀透明導電層作為S/D電極之上接面型元件結構，探討其電晶體特性，發現奈米銀電極於高電流密度區域很容易燒斷，導致元件失效，我們藉由失效機制之探討，發展出於奈米銀上方堆疊保護層結構，成功提高奈米銀電極的電流密度耐受度及元件於空氣中之可靠度，使得採用奈米銀透明導電層作為S/D電極之電晶體特性與採用傳統鈦金屬電極相當。同時，成功於PET基板上製作出以奈米銀透明導電層作為S/D電極之銦鎵鋅氧全透明電晶體，其具有良好之電晶體特性。 由本論文研究結果，可獲得以溶液方式製作可撓式有機電晶體、圖案化及有效提升元件特性與可靠度的方式。同時以溶液方式製作奈米銀S/D應用於可撓式銦鎵鋅氧電晶體已初步證實可行。未來因應可能的互補式金氧半導體於可撓式或透明電晶體需求，還需要考慮製程的匹配性採用全真空或全溶液型製程，並且搭配符合應用需求的基材，進行更進一步關於製程應力、彎曲應力及吸濕應力對於元件特性影響的研究，以提供快速發展的可攜式產品及穿戴式產品更好的解決方案。
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本篇論文主要研究使用分子束磊晶技術 (molecular beam epitaxy, MBE) 成長鋁薄膜。我們將砷化鎵基板在腔體中轉換成鎵表面型 (Ga-rich GaAs) 做為磊晶的樣板。即使鋁與砷化鎵存在超過25%的晶格不匹配，在使用了低溫及高沉積率的成長方式後，我們成長出(110)面向的鋁薄膜，在僅僅成長40奈米的厚度之後，表面就達到次奈米級 (sub-nm) 的平整度 (約0.354奈米)。這樣的平整度可以比擬剛磊晶完成的砷化鎵樣品。我們成長的樣品可以在紫外光波段 (200 ~ 350奈米) 達到0.85的反射率，這在其他的金屬 (譬如金、銀等等) 上是很難達成的。這樣的樣品對於應用在紫外光波段的電漿光學元件具有相當大的發展潛力，同時也可以作為一個新的樣板來沉積其他新穎的材料。除此之外，在厚度小於10奈米的樣品上，樣品表面會形成多孔隙狀 (percolative)，我們可以在3、6、8奈米的樣品上觀測到清楚的弱反侷限現像 (weak antilocalization, WAL)。我們發現在最薄的3奈米樣品上，電子同調性的破壞 (electron dephasing, τi-1) 來自於單純的電子-電子交互作用 (electron-electron dephasing, τee-1)。這在一個由控制掺雜 (modulation doped) 的半導體異質接面形成的理想二維系統中很容易被觀測到，但在處於混合維度的超導金屬材料卻很難被觀測到。為了進一步淬取在3奈米的樣品中，WAL中無法淬取到的電子-聲子能量釋放率 (electron-phonon energy relaxation, τe-p-1)，我們量測了載子的熱效應。為了確定這個方式的可靠度，我們先比較了分別用熱效應與WAL在6與8奈米的樣品上淬取出來的值。我們第一次實驗上證明了兩種分別立基於古典物理及量子物理的量測可以得到一致的結果，不管是溫度的相依性或是數值本身。我們驗證了淬取出τe-p-1數據的可信度。於是我們使用熱效應的量測，來淬取3奈米樣品的τe-p-1。我們觀測到，與前人的量測類似，τe-p-1具有2次方的溫度相依性，然而數值卻小了兩個量級。熱效應的分析除了可以得到無法直接在WAL中被淬取的τe-p-1以外，我們也證明了在WAL存在的溫度區間內，τe-p-1遠小於τee-1。使得在3奈米的樣品中τi-1完全由τee-1主導 (τe-p-1很小) 的這件事，在WAL與熱效應的分析中，都能夠得到驗證。
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隨著科技的發展，如何利用深度圖突破現有的科技已經成為趨勢。Microsoft 在2010年發表的Kinect for Xbox 360 可視為深度感測器應用在人們日常生活中的重大突破。玩家只需要在Xbox 360前做簡單的動作，不需任何遙控器或控制器便可以操縱遊戲的進行。而這一切都要歸功於深度感應器Kinect，它會偵測前方物體距離感應器的距離，進而產生深度圖。雖然Kinect產生的深度圖對於辨識站在Xbox 360前方玩家的肢體動作已經足夠讓遊戲順利進行，但相對於彩色影像的解析度而言，深度圖的解析度較小且品質較差，這將會影響電腦圖形辨識的發展。因此，如何提升深度圖的品質已經成為未來多媒體應用的重要議題。 在本實驗中，我們採用Microsoft 在2014年發表的Kinect for Xbox Onex來擷取深度資訊與彩色資訊，雖然相對於其他深度感測器，Kinect v2 產生的深度圖擁有較高解析度且可靠性較佳，但跟彩色影像相比，還是會限制許多深度圖應用的發展。因此，我們提出一套演算法，藉由高解析度彩色照片改善深度圖的品質(高解析度、低雜訊) 。 Kinect v2 產生的深度圖解析度較低，且有雜訊及誤差區塊，因此為了要改善深度圖的品質，我們利用Kinect v2可以同時錄製彩色影片及深度影片的特性，將原本又小且又有許多誤差區塊的深度圖，轉變為高解析度且無破洞的深度圖。本篇論文提出的演算法可藉由影片的資訊建立出深度圖背景，並且藉由彩色影像的資訊，修正深度圖上的誤差區塊。最後拿我們提出的方法產生的深度圖與其他人的方法結果相比，實驗結果顯示，我們的方法可以產生較自然的高解析度深度圖。