交通大學光電工程系所學位論文
國立交通大學,正常發行
選擇卷期
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隨著X光設備的快速發展，下一世代的儀器結合了X光照相術和平面顯示器的技術，稱之為數位平板感測器。為了達到更低X光劑量與更高影像品質的目標，平板感測器中的畫素感測電路正快速的改善中。最近有一個新的主動畫素感測電路(APS)被提出，它移除了汲極偏壓線，因此每個畫素只具備一條水平線與一條垂直線。本篇論文的焦點主要集中在這個新的高精細主動畫素感測電路在實際應用上的可行性。為了確認此電路的感測功能，我們拿它和先前的電路做比較，利用實驗證明了兩者的感測功能一致，但新的電路可藉由移除偏壓線來消除漏電流所造成的誤差。此外，我們利用模擬對此電路做更進一步的分析。考慮到電路中的固定模式雜訊(FPN)，我們證明了臨界電壓(VTH)是最重要的因子。另一個關鍵的議題是IR drop，此現象主要是由水平供應輸出電流的方式所造成。對於無關於影像的IR drop而言，我們提出雙掃描主動畫素感測電路搭配儲存電容(Cst)校正的方法來解決。對於隨影像改變的IR drop而言，我們則找到誤差最嚴重的情況。最後，我們對電路做雜訊分析，並且依其結果將操作條件最佳化。
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現今，一般大眾對於影像娛樂需求的提升，不單單只是想在生活中看到立體影像，在顯示器上更為需要，因此，三維立體顯示器已成為目前各大廠商和學術研究的主流，並期望能藉此提供給大眾更真實的立體視覺感觀效果。加上當紅的三維立體電影’阿凡達’以及三維立體電視的推出，使得三維立體顯示器比以往更加受到矚目。雖然眼鏡式的三維顯示技術已普遍在電影院應用，但是需要戴眼鏡仍是一件令人感到不舒服以及不方便的問題。因此，使用二維多工裸眼式技術有著多視角以及不用攜帶眼鏡優勢。 傳統的二維多工裸眼式技術有著低解析度以及固定視角的問題，所以本篇論文提出一款搭配高解析度時間多工背光以及追蹤系統提供多視角之裸眼式液晶顯示器，其中藉由結合一種可調式等條狀背光系統以及微透鏡結構可以維持解析度，一個追蹤系統可以追蹤每位使用者的位置，一個演算法可以計算出每位使用者的最佳投射位置，以及一個120赫茲液晶顯示器可以呈現影像。因此，我們所提出的顯示器可以維持高解析度以及令多位使用者可以同時在廣視角範圍內觀看到三維立體影像，加上可以避免送出錯誤的影像給不對的眼睛。
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近年來3D顯示科技的蓬勃發展，使得影像跳脫傳統框架，栩栩如生地出現在我們眼前。此外2D觸控面板的爆炸性成長，使得多點觸控改變了使用者對於人機介面的使用習慣與期待。鑒於立體影像已蔚為風潮，加上智慧型手機與平板電腦的普及，未來將兩者結合之3D智慧型手機與3D平板電腦已然成為趨勢。 然而要使3D技術普及化，除了3D顯示設備外，擁有一個友善的人機互動介面更是推動此項技術的關鍵，因此3D互動系統將成為下世代的關鍵技術。為了達成平面與三維空間的連續互動介面，我們選擇了內嵌光感測元件的架構，提出適用於薄型可攜式電子顯示器之多點、以及多人三維立體近距離互動系統。 在以往的3D多點/多人互動系統中，使用者間部分重疊的情況始終為一大困擾，因此，經由所提出的演算法，包括時序性互動演算法、多圖騰式演算法等，多位使用者可同時間的與系統進行三維互動並被成功的分辨。最後，所提出的演算法被證實於內嵌光感測元件的4吋面板上。多環形圖騰演算法提升了使用者的辨識能力，解決了使用者間40%之重疊情形，同時獲得個別使用者之二維的位置(x,y)以及深度資訊(z)；另外，藉由多T形圖騰演算法，不僅是使用者的三維資訊(x,y,z)，其傾斜與旋轉角度(θ,φ)等資訊也能夠被準確地截取出來。
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隨著現今科技的演進，智慧型手機以及平板電腦已將取代筆記型電腦與個人數位助理(Personal Digital Assistant, PDA)裝置，因為其可提供行動網路、多媒體數位與內建全球定位系統(Global Positioning System, GPS)等功能，而這些產品的問世為顯示器與半導體的市場帶來了大幅度的成長，也因此客戶們對於具備高速資料傳輸的產品有了更多的需求，所以顯示裝置具備薄邊框(narrow bezel)、低功耗與高速運算等功能將可大量增加產品的普及性與銷售量。 為了達到顯示裝置對於薄邊框的需求，液晶顯示器(Liquid Crystal Display, LCD)中的閘極驅動電路(gate driver)使用薄膜電晶體(Thin-Film-Transistor, TFT)設計已成為一個主要的趨勢，因為有成熟的顯示技術、低成本的製程與減少互補式金氧半(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, CMOS)積體電路(Integrated Circuit, ICs)的數量等優點，此外為了降低顯示裝置於靜態畫面顯示時所消耗的功耗，記憶體內嵌於畫素(Memorry-In-Pixel (MIP)的概念也被提出並使用薄膜電晶體所設計，然而設計薄膜電晶體的電路相對於CMOS電路主要面對到較低的載子傳輸能力以及高電壓驅動導致穩定度下降的兩個重要挑戰，而為了降低較低載子傳輸能力的限制，薄膜電晶體在佈局時會使用較大的面積推動面板內部的負載，但也不可避免造成電路具有較大的寄生(parasitic)效應，再加上薄膜電晶體電路的耐久度也是一個需要解決的問題，因為當薄膜電晶體經過長期電壓的施加，薄膜電晶體的主動層會產生大量缺陷(defects)進而使電晶體的臨界電壓偏移減少了顯示產品的耐久度，所以前述的兩項因素為薄膜電晶體電路的主要設計挑戰。此外大型積體電路(Large Scale Integration, LSI)接合於顯示面板是為了減少IC的腳位以及增加處理射頻(Ratio Frequency, RF)訊號的能力，然而射頻前段電路是與外部天線或濾波器所連接，所以其必然需要靜電放電(ElectroStatic Discharge, ESD)防護電路的放置，但靜電放電防護元件無可避免的會讓輸入與輸出的銲墊(Pad)增加額外寄生的效應，因此設計靜電放電防護元件於面板上的電路也是一個重要的挑戰，即同時達到最高靜電放電的耐受度以及最小射頻訊號的損失。 總結前述的電路設計的挑戰即為本研究論文的主題:設計與實現玻璃基板上之電路及其於顯示系統的應用，本論文的章節包括：(1) 設計可消除電晶體臨界電壓的閘極驅動電路於非晶矽薄膜製程、(2) 設計低功率閘極驅動電路以非晶矽薄膜製程於薄邊框面板的應用、(3) 類比畫素記憶體電路以低溫多晶矽製程於低功耗顯示器的應用、 (4) 電感觸發觸發矽控整流器的靜電放電防護電路以65奈米CMOS製程於60GHz低雜訊放大器的應用、(5) 設計雙波段靜電放電防護電路於毫米波電路的應用。 本論文第二章提出一種新型的閘極驅動電路並成功以非晶矽薄膜電晶體設計與製作於3.8吋WVGA(480xRGBx800)規格的面板，此提出之電路利用電晶體臨界電壓消除之方式，使閘極驅動電路的輸出上升時間(Rise Time)減少了24.6%，進而使其可應用於高解析度之顯示器。本論文第三章利用四個時脈(Clock)訊號設計閘極驅動電路，使得推升電晶體同時具備輸出充電與放電的功能，進而使電路的佈局面積有效的縮小並可於薄邊框的顯示器應用，此外因為減少了時脈訊號的工作週期(Duty Cycle)，所以此提出之電路可以減少靜態功率的消耗，而電路的掃描方向也只需透過切換兩個直流訊號即可達到反向顯示的功效，此所提出之電路已成功展示於WXGA(1440xRGBx800)規格的面板且通過合作公司的穩定度測試。 本論文第四章提出兩種多晶矽薄膜電晶體類比記憶體電路於低功耗應用的液晶顯示器之設計，此電路將反轉畫素電壓透過互補式源極追隨器(Source Follower)使資料訊號可儲存於電容上，並將顯示靜態影像的畫框時間由60Hz降低至3.16Hz，而輸出的電壓的衰減也小於0.1V於1到4V的資料訊號輸入中，本論文亦提出一種可補償電晶體臨界電壓的設計，達到減少源極追隨器的輸出電壓對於電晶體臨界電壓的相依性。 本論文第五章提出使用電感加速矽控整流器導通速度的靜電放電防護電路，而電感的感值與矽控整流器的寄生電容可設計共振於射頻電路所操作的頻率，進而降低射頻訊號的損耗(Loss)，而此提出之射頻靜電放電防護電路已驗證於65奈米CMOS製程並操作於60GHz，且為了射頻接收器的射頻特性和靜電放電防護能力的證實，所提出的電感觸發矽控整流器靜電放電防護電路已成功應用於60GHz低雜訊放大器中並獲得良好的成果。本論文第六章提出雙波段(24GHz與60GHz)靜電放電防護電路，此電路由二極體、矽控整流器、P型電晶體與電感所組成，而為了驗證雙波段的射頻特性與靜電放電的防護能力，所提出之電路已成功應用於雙波段低雜訊放大器中，量測的結果展示了超過2.75kV的人體放電模式(Human Body Model, HBM)且雙波段射頻的特性也僅有些微的損耗。 第七章總結本論文的研究成果，並提出數個接續本論文研究方向的研究題目。本論文所提出的各項新型設計，皆已搭配面板整合或實驗晶片加以驗證。此外本研究有數篇國際期刊與國際研討會論文發表，並有數項創新設計已提出中華民國及美國專利申請。
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氮化鎵系列光電元件可廣泛使用在不同波段之應用(從近紫到紅外)，並且可在高電場和高溫環境下持續操作，在近二十年來，我們可以清楚看到氮化鎵系列雷射(Laser)及發光二極體(LED)將持續改變我們每天日常生活。 在此研究中，為了要達到高效率發光二極體以及提升磊晶層之晶格品質，我們提出三種奈米技術來製備我們的基板 : 自組式氮化鎵奈米柱、嵌入式二氧化矽 (SiO2) 奈米遮罩蝕刻而成的奈米柱以及以矽基板製作而成的奈米柱。在本論文第一部分，我們結合射頻電漿分子束磊晶機台 (RF-plasma MBE) 以及有機金屬氣相磊晶機台 (MOCVD) 在藍寶石基板上先製造自組式氮化鎵奈米柱再成長高效率發光二極體，自組式氮化鎵奈米柱可藉由奈米級側向磊晶機制（NELOG）有效抑制缺陷，而在自組式氮化鎵奈米柱基板上製造出來的發光二極體比起一般發光二極體元件有較小的電激螢光光譜藍移現象，並在20mA電流操作下元件發光強度提升了70 %。 另外我們也成功使用嵌入式微米尺寸空氣柱及奈米尺寸二氧化矽 (SiO2) 遮罩製造高亮度發光二極體，埋入微米級空氣柱及奈米級二氧化矽 (SiO2) 遮罩在氮化鎵磊晶層中發現應力由1.73 GPa減小到 0.88 GPa，另一方面，由於改變在氮化鎵和藍寶石基板中折射率而觀察到高反射率，元件表現上比起一般發光二極體元件在20mA電流操作下發光強度提升了65 %。 最後，我們研究氮化鎵系列發光二極體成長在微米級與奈米級圖型化矽基板之材料、光和電特性研究，從材料量測發現成長在奈米級圖型化矽基板之磊晶品質比起微米級圖型化矽基板來的好；從光學量測發現成長在奈米級圖型化矽基板之發光磊晶層比起微米級圖型化矽基板有較好的載子侷限能力以及較高的載子複合速率；而在奈米級圖型化矽基板上製造出發光二極體元件有較小的電激螢光光譜藍移、較小的漏電流以及較少的效率驟降現象。 在本論文中，我們可以達成成長及製造高品質發光二極體元件，我們期許未來使用新穎奈米技術來有效提升氮化鎵系列光電元件。
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近年來，由於氮化鎵近紫外光發光二極體(near-UV LED)具有非常大的發展潛力及廣泛應用，如驗鈔、光觸媒除臭、空氣淨化器等紫外光光源的使用，因此越來越多的團隊開始研究高效率元件的製作及使用近紫外光於固態照明與螢光粉轉換光源之應用。 然而，低銦含量下的發光二極體其內部量子效率(IQE)驟降迅速，晶格品質與氮化鎵自我吸收的問題更導致製作高效率近紫外光發光二極體是相當困難的。文獻指出低銦含量氮化銦鎵(InGaN)量子井設計中，使用氮化鋁鎵(AlGaN)的位障來提高載子局限能力是必須的；但由於此兩材料氮化銦鎵(InGaN)及氮化鋁鎵(AlGaN)最佳化的成長溫度大不相同，因此深深的影響了兩者的晶格品質及其元件效率的表現。 此外，由於相對低價格及高品質的優點，藍寶石(Sapphire)是目前最廣泛使用於氮化鎵材料的磊晶基板，但由於其導電性及導熱性差的特性致使元件的表現及設計處處受限。近年來，許多研究團隊致力於發展雷射剝離laser lift-off (LLO)技術，及使用氮化鉻(CrN)、氧化鋅(ZnO)及矽摻雜氮化鎵(Si:GaN)等犧牲層來實現化學剝離chemical lift-off (CLO)技術，來實現獨立的氮化鎵薄膜及垂直式發光二極體元件製作，以提升更高的光電元件品質與效率。然而，高溫的雷射剝離製程將導致氮化鎵/藍寶石(GaN/sapphire)界面及保護層因熱衝擊而受損，進而造成元件漏電及低良率等問題；化學剝離製程雖然能避免雷射瞬間高溫加熱元件造成傷害，卻也造成後續蝕刻傷害及使用犧牲層造成晶格品質的問題。 本論文中，我們利用氮化鋁鎵銦(InAlGaN)來取代原本的氮化鋁鎵(AlGaN)的位障以實現高效率的近紫外光發光二極體，並開發一種使用倒六角錐結構Hexagonal Inversed Pyramid (HIP)來實現機械式剝離mechanical lift-off (MLO)製程以製作高品質氮化鎵垂直式發光二極體(Vertical-LED)，此外效率驟降的物理意義、剝離的機制及其光電特性分析也將與本論文中有詳細的量測及調查。 首先，我們調查量子井中以氮化鋁鎵(AlGaN)及氮化鋁鎵銦(InAlGaN)為位障之氮化銦鎵(InGaN)近紫外光發光二極體效率驟降的表現，電致發光(Electroluminescence)結果顯示使用四元化合物材料(quaternary)的LED發光強度於350 mA及1000 mA電流操作下分別提升了25 %及55 %，更進一步的物理模擬顯示使用四元化合物材料的LED於高電流注入下提升了62 %的輻射再結合率及13 %較少的效率驟降，推測這些改善來自於載仔濃度的提升及載仔更均勻的重新分佈。 再者，我們使用倒六角錐結構來實現機械式剝離製程以製作高品質氮化鎵垂直式發光二極體，倒六角錐結構的製作採用高溫氫氧化鉀(KOH)濕蝕刻其氮化鎵/藍寶石基板的界面來完成，TEM分析結果顯示平均的線缺陷密度估計從2×10^9 降低至 1×10^8 cm−2，拉曼(Raman)光譜也揭露出使用倒六角錐結構的氮化鎵磊晶層之壓應力能有效的被釋放，最後我們成功的使用倒六角錐結構為犧牲層並於晶片鍵合降溫過程中實現了機械式剝離製程，其中剝離的物理機制、材料及元件的光電特性也將於本論文中詳細探討。
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本篇論文主要從光學指頭導航器效率進行改良，在光的傳導過程中嘗試不同的方法，光導管曲面將越彎曲，使得光損耗越多。重新設計光學系統，讓光偵測器準確地感應到光的移動方向，來操作業系統內的滑鼠指標，解決機械件以及電容式觸碰屏所衍生的問題。再用光學軟體進一步模擬、分析和優化，並評估實際製程可行性，加以修正。最後在利用3D繪圖軟體繪製機構件，並模擬此光機構元件，與先前模擬結果有無落差，回頭探討設計過程有無瑕疵，一步步將此光機電元件完成。
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本論文的研究對象是一個小發散角(光束角)高效率的照明器之設計與討論。照明器具由光源和燈具所組成，其中燈具包含光學透鏡和機構。一般照明器光源有鎢絲燈，發光二極體(Light Emitting Diod)，雷射二極體(Laser Diode)等，依使用的光源不同，光場場型需要不同，對應的光學透鏡就有差異。在本論文中，我們使用單顆LED分別在對稱系統和非對稱系統下設計一個小發散角高效率照明器，設計過程會使用到光學模擬軟體LightTools和CodeV來設計，從光源，透鏡，接收面的建模，到光線追跡觀看光斑的集中度與效率。在設計完成之後，並做公差分析，了解LED位置和角度的誤差在效率和發散角上是如何的影響。在非對稱系統下，我們使用fresnel-like透鏡設計，效率43.05%，發散角15.6度；在對稱系統下，我們使用Bezier透鏡設計，效率78.32%，發散角5.8度。
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本論文第一部分提出以半導體光放大器為基底之穩定且波長可調Sagnac迴路架構的光纖雷射，是以半導體光放大器(Semiconductor Optical Amplifier；SOA)為基底並以Sagnac迴路作為反射鏡達到單一頻率和節省耗能的環狀光纖雷射結構。在第二個部分我們將提出使用雙反射式結構單一縱模且波長可調的摻鉺光纖雷射，此乃利用一個雙反射式結構線性共振腔的摻鉺光纖雷射並運用一個被動式飽和吸收為基底(Saturated Absorber-Based；SAB)的濾波器和帶通濾波器(Tunable Bandpass Filter；TBF)來達到單一模態(SLM)的雷射輸出並且可以調變波長。第三部分提出利用Saganc迴路並輸出穩定連續的連續波之光學注入波長可調半導體雷射架構，藉由使用以Saganc迴路架構自行注入(Self-injected) Fabry-Perot雷射二極體，並藉由調整FP-LD的溫度使得波長的平移以達到這個雷射架構中連續的波長調變。第四部分提出藉由光學注入Fabry-Perot雷射二極體和反射式半導體光放大器之單一頻率和穩定的波長可調雷射並可行長距離的光纖傳輸。此四種光纖雷射架構之輸出功率、可調變之波長範圍、旁模壓抑比(Side-Mode Suppression Ratio；SMSR)和輸出穩定性皆被實驗展現和探討。
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筆型光學滑鼠以光學滑鼠成像概念為基礎，外型為筆型之設計。與傳統光學滑鼠之主要差異在於照明元件採用同軸照明設計（Co-axial illumination），優點是重量體積較一般光學滑鼠輕薄，並且方便攜帶。採用藍芽無線技術使得操作方便，以及根據設計，適用於大部份材質上。因目前市面上筆滑鼠體積仍稍嫌略大，體積無法與一般用筆相比擬；另外，市面上的設計皆利用一般型發光二極體，消耗功率較多，為了節省成本與節約能源，本論文嘗試使用黏著型發光二極體 （SMD LED, Surface-mount device Light-emitting Diode）發光元件，此類元件體積較小，重量減輕，消耗功率較少，成本亦比一般型LED較低。本篇論文利用新思科技公司（Synopsys, Inc.）之光學軟體CODE V設計模擬成像系統的部分，以及利用Light tools設計模擬非成像系統的部分。從成像到非成像元件及機構設計著手，且針對使用端進行長景深公差分析，最後設計一更加輕薄與更加節能之筆型光學滑鼠產品。