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單一砷化銦量子點與微型柱狀共振腔之偏振解析耦合作用

本論文旨在利用偏振解析之方法探討單一砷化銦量子點與微型柱狀共振腔光子的耦合作用。我們所使用的長晶方法導致砷化銦量子點形狀帶有些微不對稱性，這不對稱性使量子點中的價電帶發生混成作用以及產生非等向交換能，分別影響了量子點激子的發光偏振性以及破壞了激子的能量簡併態。利用能量高的雷射光激發在高品質共振腔內的量子點產生激子，其與共振腔內光子發生耦合作用，激子與光子的耦合作用依其耦合強度可界分為弱耦合區與強耦合區，論文將基於此分類架構下進行探討分析。 首先，在第一部份，我們於實驗上呈現了量子點激子因與共振腔光子發生弱耦合作用，使得其發光偏振性與偏振角度隨著激子與光子間能量差距而改變，針對此觀察，我們考慮了激子與光場間的夾角，提出理論來解析並擬合實驗結果，其不僅能解釋本實驗之發現，更充分吻合先前他人的實驗結果；此外，我們亦提出了利用上述理論模型來萃取與偏振相關的Purcell因子的方法，並比較此萃取Purcell因子的方法與過去已知的方法，可得出非常一致的結果。 接著在第二部分，我們觀察到線性偏振的激子與光子發生了強耦合作用，此時同樣利用偏振解析方法來分析量子點激子的精細結構與共振腔的模態分裂，可獲悉此耦合系統中具有相同偏振之激子態與光子模態間的耦合強度；過去幾年間，數篇理論文章提出利用激子與光子強耦合作用來產生偏振糾纏光子對，我們亦研究了此願景在實現上將會面臨的困難，亦即量子點在不同調光激發下所發生的退相效應對強耦合系統帶來的影響，具體而言，因為兩個激子偏振態與兩個光子偏振模態間能量差距不同，造成退相效應對於耦合程度的影響不同，進而破壞了產生偏振糾纏光子對的理想系統，文中將以一簡單理論模型詳細說明之，並突顯了不同調光激發對於「利用強耦合系統產生糾纏光子對研究」中的重要性。

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主動式相位陣列雷達使用基頻相位延遲

傳統軍事雷達為機械式，透過旋轉天線的方式來接收不同方向的訊號，借此偵察物體方向與速度，此一方法耗時太長的偵測時間，對於軍事來說時間非常重要，此法被漸漸遺棄。新的方法為電子式雷達，其中最普遍的為相位陣列天線構成的雷達，透過電路的運作，可調整接收方向的增益，藉此接收固定方向的訊號，比起機械式的快了很多。此篇論文將介紹一個操作在35GHz的65奈米CMOS四通道可延展相位陣列接收機。此相位陣列接收機採用直接降頻的架構，並且使用基頻相位延遲。本地震盪器採用駐波震盪器(SWO) 以減少四通道的繞線複雜度。每一通有51dB的增益、7.3dB的雜訊指數及8dBm的輸出交調節取點。

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應用於骨導式人工耳蝸之低功耗聲音訊號處理器設計與實作

人工耳蝸是一種植入式的電子裝置，可使重度聽障患者恢復部分聽覺。不同於助聽器，人工耳蝸不是只將聲音放大，而是藉由電流脈衝直接對耳蝸內未受損的聽神經加以刺激以產生聽覺。本論文提出一個可用於新式骨導式人工耳蝸的低功耗聲音訊號處理器，完成演算法開發、硬體架構、以及晶片實現。此處理器包括適應性波束形成器、實數運算的快速傅立葉轉換、包絡檢測、通道組合、以及對數函數壓縮。在晶片實現上，藉由實數傅立葉轉換的演算法、暫存器個數最小化、及資料分配最佳化、數位座標旋轉運算器、以及最低耗能點操作等技巧，達到低功耗與減少面積的設計。相較於複數傅立葉轉換，實數傅立葉轉換可節省44.36%的功率消耗，暫存器個數最少化及資料分配最佳化的應用，使傅立葉轉換的輸出調序電路在面積上減少28.07%，功率消耗降低27.09%。此外，在包絡檢測與對數函數壓縮這兩個較複雜的運算中，藉由數位座標旋轉運算器達到電路延遲時間和功率的優化。此晶片以90 nm CMOS製程實現，核心面積為0.47 mm^2。操作在50 kHz以及最低耗能之0.34 V核心電壓，晶片達到最低耗能，每次運算消耗14 nJ，其功率消耗與訊號處理延遲分別為4.8 uW和2.94 ms。

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電漿處理之奈米碳管薄膜應用於酸鹼值感測特性研究

奈米碳管(Carbon nanotubes)自1991年被發現以來，由於其特殊之材料特性，如高導電性、良好的化學穩定性、最大的楊氏應力係數(Young’s modulus)，以及三維奈米結構形成的高接觸表面積等等，被視為相當具有潛力應用在酸鹼感測上。然而，現有的奈米碳管應用在酸鹼感測器的研究面臨感測特性差、製程難度高、各項污染等問題，限制了它的表現。有鑑於此，本論文使用超音波撒佈(Spraying)的方式製作出均勻、低汙染排放的高品質碳管薄膜，再利用電漿製程做表面處理來提升酸鹼感測特性，以製備出高效能之奈米碳管酸鹼感測器。 本研究首先利用氬氣電漿對碳管薄膜做表面改質，優化處理時間及偏壓功率，成功地製備出具有感測度54.62 mV/pH與線性度0.995之閘極延伸式酸鹼感測器(EGFETs)。藉由掃描式電子顯微鏡(SEM)、X射線光電子能譜(XPS)以及拉曼光譜(Raman spectroscopy)分析材料特性，並與酸鹼感測特性做比較，提出電漿處理之奈米碳管酸鹼感測器可能之感測機制：首先，電漿將碳管鍵結中最弱的π鍵打斷，並在碳管表面形成自由基，與空氣接觸後便和環境中含氧的活性離子鍵結形成官能基。這些官能基扮演酸鹼感測過程中的感測元，電漿處理所形成的大量感測元改善了碳管薄膜的感測特性。有鑑於此，為提供更充足的氧活性自由基，我們進一步將氬氣電漿處理後的奈米碳管薄膜置於低溫(200⁰C)的純氧氣環境中退火，成功地將感測特性從未退火前的54.6 mV/pH提升至56.4 mV/pH。 為了進一步利用氧官能基增強奈米碳管的感測特性，本研究更進一步利用氧氣電漿對碳管薄膜做表面處理。利用離子轟擊碳管表面製造自由基的同時，輝光放電環境提供能量產生更充足之氧活性自由基，因此可以更有效地在碳管表面形成大量氧官能基，進而大幅提升碳管薄膜之酸鹼感測特性，以此方法製備之閘極延伸式酸鹼感測器具有高達56.8 mV/pH 之酸鹼敏感度並同時具有0.9995之高線性度。 最後，本研究成功將酸鹼感測器實現在可撓式基板(聚亞醯胺, polyimide)上，製備具有感測特性高達55.7 mV/pH與線性度0.9996之高效能可撓曲式酸鹼感測器，並且透過撓曲實驗證實，該感測元件受應力撓曲後仍維持良好的酸鹼感測特性，極具潛力應用於未來軟性生醫感測元件中。

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量子電容對於三五族多閘極金氧半場效電晶體本質反轉層電容之影響

由於三五族材料擁有非常高的電子遷移率，三五族材料常被視為是非常有希望可以取代矽材料的通道材料。在本篇論文中，藉由數值模擬以及理論計算的結果，我們將探討量子電容對於三五族雙閘極與多閘極金氧半場效電晶體之本質反轉層電容的影響。我們的研究指出，不論是在雙閘極或多閘極的三五族元件中，量子電容皆會顯著地影響反轉層電容的特性，並且會明顯地使反轉層電容值下降。由於元件的驅動電流和元件的反轉層電容值呈正相關，我們會將三五族元件的反轉層電容與矽通道元件的反轉層電容做比較。此外，多閘極三五族元件會因為量子電容而有額外的反轉層電荷量下降，因此我們將探討對應ITRS 2018到2024年之多閘極三五族元件所需要補償反轉層電荷量下降之最低載子遷移率增益。

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高效能電阻式記憶體搭配場效電晶體與記憶體可靠度特性提升的研究

In this thesis, the improvement of reliability in the transition metal oxide (TMO) based resistive switching random access memory (RRAM) device was investigated. In the first part, we fabricated the ZnO/ZrO2 double layer RRAM device for uniform endurance and high temperature retention property. The stability of resistive switching can be improved by inserting a ZnO thin film with the non-stoichiometric property between Ti top electrode and ZrO2 layer. The oxidation-reduction reaction can be easily performed on the ZnO/ZrO2 double layer RRAM device under an external bias than that on the ZrO2 single layer RRAM device. In addition, the ZnO/ZrO2 double layer RRAM device reveals the stable retention properties exhibited at higher temperature (200 0C). According to the conductive filament model, the control of oxygen ions supply determined by the ZnO inserting layer is the crucial to improve its retention property. Therefore, the ZrO2 RRAM device with an inserting ZnO layer exhibits the stable retention properties at a higher temperature (200 0C). In the second part, we fabricated the HfO2 based RRAM devices with a 1T1R cross bar structure. We discussed the decreasing of resistance in high resistive state (HRS) of HfO2 RRAM device during large endurance test. This phenomenon is due to that no sufficient oxygen ions could recombine with oxygen vacancies for rupturing the conducting filaments. Therefore, the oxygen plasma treatment method is used to increase the available oxygen ions in the HfO2 film for resistive switching. Besides, a thin HfO2 film is inserted to separate them to avoid the Ti top electrode directly absorbs the additional oxygen ions from HfO2 layer with oxygen plasma treatment. Therefore, the endurance degradation can be suppressed in the present structure. High speed (30 ns) and large endurance cycles (up to 1010 cycles) are achieved in this device structure for next generation nonvolatile memory application. In the third part, we fabricated the HfO2 based RRAM devices with a cross bar structure. We discussed the thermal instability of the HfO2 based RRAM device after annealing treatment in vacuum at different temperatures (400 and 500 C) for 30 min. The uniformity of the resistive switching properties degrades after the vacuum annealing treatment. The oxygen ions released from HfO2 resistive switching layers during vacuum annealing leads the unstable resistive switching properties. To overcome this problem, the materials of Al2O3 and TiO2 thin films with different Gibbs free energy are inserted between the Ti top electrode and HfO2 layer to improve the performance of the device. The device with the inserted Al2O3 layer exhibits larger on/off ratios during resistive switching than the single HfO2 layer. Besides, Al2O3 inserted device exhibits good reliability after the high temperature vacuum annealing and post metal annealing (PMA) treatments. Moreover, the endurance and retention properties of the device can also be improved after the PMA treatment. In the fourth part, we fabricated the HfO2 based RRAM cross bar structure devices with an inserting large band gap Al2O3 layer and small band gap TiO2 layer for nonlinear resistive switching property. The HfO2/Al2O3 bilayer device shows the nonlinear resistive switching characteristics, which is performed by inserting the large band gap an Al2O3 tunnel barrier layer. However, the device with a small band gap TiO2 inserting layer shows the typical linear resistive switching property. The nonlinear switching mechanism in the HfO2/Al2O3 bilayer device is caused by Flower–Nordheim (FN) tunneling. We explain the phenomenon by using conductive filament model and energy band diagram. Besides, the influence of different thicknesses of the inserting tunneling barrier layer is also studied. The thicker thickness of both Al2O3 and TiO2 (3nm) tunneling barrier layer device shows the typical linear resistive switching characteristics. Moreover, the nonlinear resistive switching behavior with a large nonlinear factor is also demonstrated in the present device with high performance properties. Finally, we fabricated the metal induced crystallization (MIC) poly-Si based Cu/poly-Si/n+-Si CMOS compatible cross bar CBRAM devices for high performance. We discussed the variation in resistive switching is due to the random formation and rupture of conductive filament in a-Si based device which spoils the repeatability of the devices. The stability of resistive switching can be improved by using MIC poly-Si thin film with the uniform grain boundaries. The MIC process can produce a highly preferred orientation poly-Si film, which can create the exact paths or grain boundaries through the top and down electrodes in the present CBRAM device. The grain boundary in MIC poly-Si layer can confine the conductive filament of metal bridging growth in it, which can improve the switching fluctuation behavior in the nonvolatile memory application. Moreover, the well-behaved memory performance, such as high ON/OFF resistance ratio (4 order), a large AC endurance (106), and good retention characteristics (104 s at 125 ◦C) are achieved in the Cu/poly-Si/n+-Si CMOS compatible cross bar structure.

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微波熱效應對鍺通道金氧半場效電晶體之研究

本論文研究中，首先，我們成功利用微波熱氧化方式成長二氧化鍺製作出三氧化二鋁/二氧化鍺/n型鍺基板之金氧半電容，探討不同微波功率大小與時間所成長的二氧化鍺對電容特性的影響，並且使用電導法來萃取金氧半電容之介面缺陷密度。當微波功率增大或氧化時間增長，等效氧化層厚度隨之增加而介面缺陷密度有下降的趨勢，此結果藉由TEM以及XPS分析驗證。此外，我們探討使用微波後沉積退火在氧氣的環境下對金氧半電容之影響，退火後的介面缺陷密度的值與未退火相比之下降低51%，介面缺陷密度最小值大約為5.9×1011 eV-1cm-2。 其次，我們探討經由微波退火所形成的合金特性表現，為了改善鎳鍺合金的熱穩定性，我們在鎳金屬與n型鍺基板中間加上一層鉑金屬，利用微波退火形成鎳鍺鉑合金的蕭特基接面，我們亦探討鍍上不同厚度的鉑對蕭特基接面特性的影響，發現隨著鉑厚度增加，接面擁有更佳的電性表現，在鉑厚度為10奈米的條件下，擁有最低的理想因子(1.04)、最高的開關電流比(2.1×105)、最高的電子蕭特基能障(0.59 eV)與最低的串聯電阻(9.01Ω)。由低掠角X光繞射分析，在鉑厚度為10奈米條件下形成鎳鍺鉑三元合金。透過原子顯微鏡與掃描式電子顯微鏡，觀察到隨著鉑厚度增加表面粗糙度愈低，有效抑制鎳鍺合金的結塊現象。接著由傳輸線模型萃取出的片電阻以及電阻率，隨著鉑厚度增加，片電阻隨之下降，鎳鍺鉑合金相較於鎳鍺合金的電阻率下降約13%。綜合上述結果，以鉑厚度為10nm的條件下製作通道長度為4μm的蕭特基P型金氧半場效電晶體展現出不錯的電性表現，次臨界擺幅為126mV/dec，元件電流開關比擁有五個數量級，在過驅動電壓為-2.4V及汲極電壓為-2V時，擁有高的驅動電流23.9μA/μm，經由氫氣氮氣混合之熱退火後，元件驅動電流更提升30%。 最後，為了解決費米釘札對於金屬/p型鍺的問題，我們利用磷摻雜離析的方式讓鎳鍺合金/p型鍺接面表現出蕭特基特性。使用微波退火溫度峰值約200°C下形成淺鎳鍺接面(~18nm)與溫度峰值約310°C下進行磷載子活化時可以得到不錯的接面特性，包含最低的理想因子(1.12)、最高的開關電流比(1.7×105)、最高的電洞蕭特基能障(0.58 eV)與最低的串聯電阻(9.12Ω)。因此，在通道長度為5μm的N型金氧半場效電晶體便以此微波條件製作出，元件的次臨界擺幅為197mV/dec.，開關比擁有四個數量級，在過驅動電壓為-2V及汲極電壓為-2V時，驅動電流為3.1μA/μm。此外，我們由原子力顯微鏡以及背面二次離子質譜儀說明低溫微波退火相較於高溫快速退火的優勢在於，低溫活化載子能避免接面因高溫產生鎳鍺合金結塊以及鎳原子擴散產生逆偏電壓相關的漏電流，進而改善接面與元件特性。

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磊晶穿隧層穿隧電晶體之研究

在本論文中，吾人針對利用能帶間穿隧效應(band-to-band tunneling)作為操作機制的穿隧電晶體元件進行研究。為了瞭解此新穎元件的基本特性與設計考量，吾人針對源極端接面輪廓與缺陷輔助穿隧效應(trap-assisted tunneling)對於本體穿隧電晶體元件(bulk TFET)的影響進行探討。為更進一步提升穿隧式電晶體元件的性能，吾人提出一種與互補式金屬氧化物半導體(CMOS)製程相容的磊晶穿隧層(epitaxial tunnel layer)穿隧電晶體元件。同時藉由電腦輔助設計模擬軟體(TCAD simulation)深入探討互補式穿隧電晶體(CTFETs)的各項元件參數。吾人同時展示了使用互補式穿隧電晶體架構作為反相器(inverter)的特性，並與使用互補式全耗盡型絕緣層覆矽(Fully depleted siicon-on-insulator) 金屬氧化物半導體電晶體(MOSFETs)反相器做比較。此外，吾人也同時實際製作互補式鍺磊晶穿隧層穿隧電晶體並探討其特性。 吾人首先針對源極端接面輪廓與缺陷輔助穿隧效應對於本體穿隧電晶體元件的影響進行探討。藉由不同的源極端接面輪廓比較，吾人發現靠近閘極介面層的參雜濃度與輪廓對於穿隧電晶體有最大的影響。穿隧效率與穿隧方向同時也會受到源極端接面輪廓的影響。由於缺陷在空乏區對於元件的特性會有最大的影響，因此缺陷在靠近閘極介面與接面邊緣會最劣化穿隧電晶體的特性。 了解穿隧電晶體基本特性與設計考量之後，吾人提出一種與互補式金屬氧化物半導體製程相容的磊晶穿隧層穿隧電晶體元件來提升穿隧電晶體的特性。考量到製程整合與材料特性的因素，吾人採用鍺-矽異質材料系統來驗證磊晶穿隧層穿隧電晶體的概念。藉由結構工程與磊晶穿隧層能帶工程，鍺磊晶穿隧層P型穿隧電晶體可達到優異的元件性能。 為了達成互補式穿隧電晶體的結構，吾人針對鍺磊晶穿隧N型穿隧電晶體進行研究。由於使用具有價帶位移(valence band offset)的鍺-矽異質材料系統，鍺磊晶穿隧層N型穿隧電晶體可應用抑制低電場能帶間穿隧的概念。吾人利用電腦輔助模擬軟體來展示並探討此抑制概念，同時可發現鍺磊晶穿隧層電晶體的次臨界擺幅(Subthreshold swing)特性可得到進一步提升。 吾人也對於互補式穿隧電晶體架構作為反相器的特性進行探討並同時比較使用互補式全耗盡型絕緣層覆矽金屬氧化物半導體電晶體架構作為反相器的性能。在操作電壓小於0.4 V的時候，穿隧電晶體反相器具有較快的速度。然而由於較大的寄生電容效應，穿隧電晶體反相器有較高的功率耗損。根據功率-延遲的分析，穿隧電晶體反相器操作在0.2 V時可有較快的速度同時具有較低的功率損耗。 最後，吾人同時實際製作互補式鍺磊晶穿隧層穿隧電晶體並對其進行探討。鍺磊晶穿隧層P型穿隧電晶體具有高穿隧電流、低漏電流以及良好的平均次臨界擺幅特性(約100 mV / decade 持續到10 nA / μm)。吾人也針對閘極-源極電容進行研究並同時探討其原因以及可能的影響。