中央大學電機工程學系學位論文
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隨著科技進步，對於元件效能需求的提高，互補式金氧半場效電晶體的尺寸逐漸微縮，矽材料與閘極氧化層將面臨其物理極限，以三五族材料搭配高介電常數氧化層來取代目前現有矽基電晶體是目前眾人研發的趨勢之一。但是對三五族材料來說，氧化層與半導體界面缺陷的問題仍是目前最需要深入研究的一項課題。本論文即針對此課題，提出兩個有效降低高介電材料/銻化鎵界面缺陷之方法，並分析其金氧半結構之電氣特性。 本論文中首先聚焦於開發臨場沉積的氧化鉿/氧化鋁(5 nm/1 nm)雙層膜於銻化鎵上，希望藉由磊晶後直接於高真空腔體中傳輸的方式，防止表面原生氧化層生成，以降低界面缺陷。研究結果顯示，以此方式製作的金氧半電容，室溫下電容調變率約為31%，界面能態密度約為5.27×1012 eV-1cm-2。 本論文亦提出利用氫氣電漿清理銻化鎵表面的方法，以氫原子與表面原生氧化物進行化學反應，進而去除原生氧化層。實驗結果顯示，在適當的條件下，此方法同樣能達到降低界面缺陷的效果，室溫下電容調變率約為36 %，界面能態密度約為3.81×1012 eV-1cm-2。利用此兩種氧-半界面處理方式有助於元件閘極通道之調控能力，改善次臨界擺幅等電氣特性，使三五族金氧半場效電晶體之實用化再進一步。
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本論文主要為探討利用MOCVD磊晶的方式來提升其金屬-絕緣層-半導體場效電晶體之截止區崩潰特性。首先藉由增加緩衝層厚度的方式提升其元件截止區特性，在氮化鎵緩衝層厚度為4.6 μm，閘極至汲極間距為20 μm的規格下獲得元件截止區崩潰電壓960 V，因試片邊緣裂縫區域過大使磊晶試片有效面積降為65%，因此將研究重心轉變為如何降低磊晶層厚度並維持相同元件特性；根據文獻搜尋結果和MOCVD機台限制選擇使用鋁含量為5%之氮化鋁鎵作為緩衝層材料，並與氮化鎵緩衝層進行比較，在相同緩衝層厚度的情況下，氮化鎵之元件截止區崩潰電壓為795 V，氮化鋁鎵則為705 V，而從截止區電壓電流特性來看，氮化鋁鎵緩衝層之漏電流明顯大於氮化鎵，其原因為氮化鋁鎵磊晶層缺陷密度過高所致，其MOCVD之磊晶參數尚待調整。 根據前段結論，元件截止區特性皆會受到磊晶層缺陷密度影響，因此設計新結構:利用低溫成長之氮化鋁薄鏌提升其上之氮化鎵緩衝層品質，在相同的元件規格之下，未使用低溫成長氮化鋁薄鏌之元件截止區崩潰電壓為795 V，而在氮化鎵間插入低溫成長氮化鋁薄鏌之元件截止區崩潰電壓達926 V，提升幅度約16%。除了元件特性提升之外，截止區特性滿足空間電荷限制電流理論進一步釐清截止區電流曲線之成因。
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砷化銦化合物半導體因其具備低能隙、高電子遷移率與高電子飽和速度，被視為低耗能電晶體的通道層材料選項之一，此三-五族材料的鰭狀電晶體架構，在未來有相當高的機會被應用在積體電路中。然而，目前高介電常數材料與三-五族半導體間的界面缺陷多寡是影響元件特性最關鍵的問題，因此，本論文中將提出適當地砷化銦表面處理方式，開發奈米級砷化銦鰭式場效電晶體，並探討其元件特性。 本研究是以原子層沉積法成長的氧化鋁作為高介電常數材料，並於成長前藉由不同化學溶液對砷化銦的表面進行處理，同時搭配金屬沉積後的退火處理，修復氧化鋁與氧化鋁/砷化銦界面缺陷，最終提出一個合適的表面清理與熱退火處理方式，有效降低氧化鋁/砷化銦界面缺陷密度和氧化層缺陷密度。 製作鰭式場效電晶體所使用之試片是以分子束磊晶法所成長，以砷化鎵為基板，銻化物為緩衝層及砷化銦為通道層。鰭式場效電晶體的製程技術開發包括:以電子束微影系統進行鰭式通道、歐姆接觸與閘極區域的定義，過程包含微影劑量、光阻形貌與金屬沉積後的形貌開發，同時引入BCB平坦化製程，解決奈米級元件的接觸窗口不易形成的問題。最後，本研究成功利用電子束微影技術開發出閘極長度為0.5 μm、源極至汲極距離為2 μm與有效鰭式通道寬度為60 nm之砷化銦表面通道鰭式場效電晶體。其元件之最大汲極電流密度為119 μA/μm，最大轉導值為77.2 μS/μm，臨界電壓為-2.37 V，汲極電流開關比為136以及次臨界擺幅為524 mV/decade。
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隨著主流單晶片系統設計(system-on-chip, SoCs)的複雜度日益提升，以及因應逐漸縮短的緊迫上市時間(time-to-market)，晶片設計者可能缺乏時間成本反覆進行完整的測試。此外，類比與數位混合訊號(analog and mixed signal, AMS)元件在SoC晶片中的地位越來越重要，據統計所佔比重約有30~50%，且有高達50%的驗證錯誤是源自於類比混合訊號區塊，需要消耗時間與成本進行再設計(redesign)。基於上述的理由，系統層級的驗證在現今的設計流程中扮演極重要的角色。 為了加速類比混合訊號電路的驗證，現行常見的解決方法為提升電路階層層級(hierarchy)，使用硬體描述語言(hardware description language, HDL)建立小區塊電路的行為模型(behavioral model)。現存的行為模型研究大多侷限於特定電路架構，如：鎖相迴路(Phase Locked Loop, PLL)、運算放大器(Operational Amplifier, OPA)或射頻傳輸線(RF transmission line)等重複性高的折疊式(cascode)電路；至於電路區塊間用來溝通訊號的連結邏輯(glue logic)，則較少文獻著墨於此種非特定架構模型產生器(model generator)的方法研究。 有鑑於此，本論文致力於行為模型產生器的建構，透過輸入電晶體層級的電路描述，取得電路的初始行為，再經過一連串的電路資訊分析與訊號流上的架構辨識，最終自動產出Verilog語言編寫成的近似行為模型，且與原電路行為的差異控制在很小的誤差範圍內。
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本論文利用砷化鎵積體電路製程來實現單晶片吸收式帶止濾波器，以配合發展ALMA (Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array) Band-1無線電波天文望遠鏡接收機。此帶止濾波器可吸收接收機中混波器的LO至RF洩漏訊號，從而降低LO至RF路徑之隔離度不佳所造成之混波器轉換增益變差的問題。 論文的第一部分將著重於新式吸收式帶止濾波器設計方法，並提出一套完整的設計流程及公式。有別於先前文獻利用多重耦合架構造成止帶訊號相消而產生吸收式止帶效果，本研究於帶止濾波器之共振器中引入適當電阻，有效地消耗掉反射訊號，達成吸收式止帶，並以一個三階吸收式帶止濾波器設計，驗證所提之設計流程與設計公式。濾波器之中心頻率為2 GHz、比例頻寬5%，並具有0.01dB等鏈波響應。實測之通帶內反射損耗均大於17.5 dB，止帶內最大穿透損耗大為33.3 dB，止帶最大功率損耗則為99.8%。 論文的第二部分則進行Q-Band吸收式帶止濾波器之研發，以應用於ALMA Band-1接收機系統中。其止帶範圍為31-33 GHz，比例頻寬約為7%，通帶範圍為35-52 GHz，並實現於穩懋半導體之0.15-m pHEMT製程，晶片面積為2.5mm×2 mm。由量測結果，於止帶中濾波器可吸收至少93.4%的LO至RF洩漏訊號，止帶中心頻(32GHz)之抑止度可達35.6 dB；通帶範圍內最大穿透損耗為2.44 dB，最小反射損耗為15.23 dB。又為提昇鏡相頻帶之抑制效果，另將吸收式帶止濾波器與寬頻帶通濾波器整合於單一晶片上，以利實現高度積體化與高整合度的接收機。 相較於既有文獻，本論文所提出之新式吸收式帶止濾波器具有更高的設計彈性，包括止帶頻寬、止帶頻率選擇度及通帶內鏈波均可依所需規格設計，並提出一整套簡潔明瞭的設計流程做為設計工具，可依據系統規格快速求算設計參數，有助於推展吸收式帶止濾波器於收發機系統之應用。
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射頻電路的能量收集(energy harvesting)是近期相當熱門的研究，它可以將環 境中的能量轉換為電路所需的電源，使電路不需要額外的獨立電源即可運作。在 能量收集的電路中，整流器(rectifier)扮演著不可或缺的角色，因此，本論文針對狄克森多階整流器的架構，提出一套考量效率與輸入阻抗的自動化設計工具，可 自動依據使用者輸入的規格，找出符合規格的最佳電路設計，並自動產出相對應 的電路佈局。與之前的研究相比，本論文最大的特點在於將輸入阻抗納入考量， 讓使用者可以在效率與面積之間做一個適當的取捨，有效避免設計結束後阻抗匹 配電路不易設計的情況。 整套自動化工具包含了電路設計與電路佈局兩個部分，皆可在LINUX 上實 現，所產生的TCL 佈局批次命令檔，亦可在現有的EDA 工具順利執行，產出正 確無誤地佈局。從實驗數據的觀察可知，本論文所提出的工具確實可以在非常短 的時間內設計出符合使用者所給定規格之電路及其佈局，大大縮短了射頻電路上 繁瑣的設計流程。
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近年來，以氮化鎵為基礎之藍綠發光二極體已廣泛應用於各種顯示器、背光源、室內照明等，而以氮化鋁鎵為基礎之深紫外光發光二極體也預期能應用於醫療光源、生物檢測或殺菌淨化用途，並期待能取代傳統汞燈。然而為了提升深紫外發光二極體之發光效率，在磊晶上有以下三點困難需要克服：(1) 氮化鋁(AlN)薄膜品質的提升，(2) P型氮化鋁鎵摻雜效率提升，(3) 量子井與能障之間的壓電極化造成波長紅移與效率下降。 本研究利用有機金屬化學蒸氣沉積法成長AlN薄膜於藍寶石基板上，藉由調整中間插入層之厚度，於1180 ℃下成長1 m 厚之AlN薄膜，其AlN (102) X-光繞射搖幌曲線之半高寬為 583 arcsec，將高溫成長層厚度增加至3 m，其半高寬更下降至394 arcsec。在成長高鋁含量之N型與P型氮化鋁鎵於3 m 厚AlN薄膜之研究上也獲得一些成果，其中鋁含量60%之N型氮化鋁鎵成長到1 m 厚度時，其表面粗糙度僅0.63 nm，電子遷移率與載子濃度分別可以達到58 cm2/v-s與1.5×1019 cm-3，其特性已經與N型氮化鎵接近；而鋁含量30%之P型氮化鋁鎵之載子濃度僅達1.2×1016 cm-3，片電阻值高至1.04×105 ohm/sq，此部分仍然有待未來的突破。此研究亦成長氮化鋁鎵(AlGaN/AlGaN)量子井深紫外光發光二極體於氮化鋁薄膜上，並分析其發光特性。從陰極激發光譜可以發現，量子井發光波長為275 nm且半高寬為10 nm，與其他團隊相近，但仍需克服大部分電子容易與VAl-空缺復合，導致量子井發光微弱的問題。
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隨著可攜式電子產品市場的盛行，為延長電池的工作時間，低功率成為可攜式電子產品的首要考量，而電源管理IC的需求也日漸增加。此外，由於日益激烈的市場競爭及緊縮的產品上市時間，高良率成為產業所追求的目標之一，因此一套可有效提升良率且縮短設計時間的自動化合成工具是必不可少的。 本論文提出一套考量製程變異與佈局效應的低壓降線性穩壓器自動化合成工具，可經由人性化的圖形介面，設計出符合需求規格的電路設計與電路佈局。為了提高良率評估的精準度，本論文以最壞情況距離(worst case distance)的概念來協助訂定良率的目標，並與布局效應一起整合到以方程式為基礎的自動化設計流程中，在自動化流程中並同時考慮誤差放大器(Error amplifier)和低壓降線性穩壓器的交互效應，以達成整體電路的最佳化，降低設計的成本。 本論文中的自動化合成工具已在Linux上實現，在線性規劃(linear programming)的部分使用CPLEX來找尋最佳解，而在自動產生電路佈局上則是以C/C++及Tcl/Tk 程式語言產生批次命令，再由Laker自動完成佈局的過程。從實驗數據的觀察可知，本論文所提出的工具可快速設計出符合使用者所給定規格之電路，在佈局後電路效能皆可達到所需求的規格，並可有效提升電路良率，達成高品質的需求。
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現今的製程已經達到奈米層級，在元件(device)上因製造(manufacture)時所產生的變異(variation)隨處可見，而這些變異大致上可區分為全域變異(global variation)及區域變異(local variation)兩種，當製程變異造成電路效能變化過大時，可能會造成電路設計失效，而導致晶片製造良率(yield)下降，因此，在晶片正式下線前需要對這些變異進行分析，以保證晶片出貨的品質。 在全域變異的考量上，結合製程(process)、電源(voltage)、溫度(temperature)之極端情況的角落分析(Corner Analysis)是廣泛被運用的，但在現今的製程中，完整的角落分析需要經過數百或數千個角落的模擬，太過耗時而變得不實用。而在區域變異方面，由於其變因相當的多，常見的做法是將各個變因以統計的型式表示，再使用蒙地卡羅(Monte Carlo)模擬來分析，若要得到較準確的統計結果，也需模擬數千筆以上的樣本(samples)，亦是相當耗時的過程。 在本論文中提出了一個快速尋找電路最差角落的方法，可以分析出幾個合適的角落進行模擬，而不必跑完所有角落，有效提升了角落分析的效率。該分析的結果也可以用來篩選蒙地卡羅模擬的樣本，只有可能性較高的樣本才會真正進行電路模擬，大大節省了蒙地卡羅分析的模擬時間。從幾個不同電路的實驗結果中可以看出，本論文所提出的方法確實都可以用少量的樣本模擬找到電路效能最糟的情況，大大提升了製程變異分析的效率以及準確度。
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現今積體電路應用層面越來越廣泛，使得電路設計複雜度和需求日漸增高，所要考慮的設計條件也跟著變多。在健康照護的應用中，生理訊號擷取是偵測疾病相當重要的一環，然而，生理訊號相當微弱，很容易受到雜訊影響導致難以判讀，如何去降低雜訊對原始訊號的干擾，對生醫系統設計來說是一門重要的課題。本論文提出一套考量雜訊效應的類比電路系統自動化設計帄台，在電路尺寸調整流程中，加入相關雜訊的計算，並使用雜訊指數作評估，盡量降低電路受到雜訊的影響，最後可經由操作客製化的圖形介面，快速得到相對應的電路設計與電路佈局。整套自動化 類比設計平台在LINUX上實現，在線性規劃(linear programming)的部分用CPLEX來找尋最佳解，而在自動產生電路佈局上則是以C/C++及Tcl/Tk程式語言實現，並能在Laker環境下自動化完成佈局的過程。由模擬結果及晶片量測的數據觀察可知，本工具自動合成的運算放大器可成功應用在生理訊號擷取系統上，在加入雜訊考量後，整體的雜訊也確實縮小了。