臺灣大學電子工程學研究所學位論文
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在高性能奈米同步數位晶片設計之中，擁有一個能夠高度容忍製程變異的緩衝器時鐘樹是不可或缺的。時脈訊號延遲範圍(clock latency range)，定義為在不同的電壓供給之下的時脈訊號延遲差距，是由2009年的計算機網路綜合國際積體電路實體設計會議時鐘樹競賽(ACM ISPD contest)所提出的時鐘樹合成之主要最佳化目標，它可以用來衡量時鐘樹合成時，製程變異所造成的訊號延遲差距。在此論文中，我們提出了一個流程架構及演算法，可以有效地運用避開障礙物之緩衝器插入技術構建時鐘樹，使其時脈訊號延遲範圍得以最小化。在考慮實際的時鐘樹生成時，我們的策略確保了控制電壓迴轉率(slew rate)和資源的使用符合限制，而這樣的結果乃是經過電路模擬(SPICE simulation)驗證。實驗結果顯示出，比起所有為2009年國際積體電路實體設計會議時鐘競賽的參加隊伍，我們的流程架構以及時鐘樹建構演算法能夠達到最佳的平均時脈訊號延遲範圍值，以及最短的程式運行時間。
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在需要處理大量資訊的時代裡，高速的計算機一直是人們追求的目標，而其運算核心即是一個加法器，加法器在計算機中扮演著最基本且影響甚重的角色，其速度幾乎即決定了整體系統的效能。目前Intel已經開發出其專屬之稀疏樹前綴式加法器，且使用65nm製程將其32位元處理速度提升至6.4GHz。 本篇論文針對90nm製程，提出適合先進製程的改良式前綴式加法器，使資料運算更為同步。並使用動態骨牌邏輯實現以提升速度以及利用基板偏壓技術降低其消耗功率。此加法器在2009年3月已使用UMC 90nm製造而成，操作頻率為7GHz，運算延遲為90ps，消耗功率為31mW。 本篇論文亦提出了一精準的量測架構，能準確的量測加法器的運算延遲，其中包含了一個鎖相迴路(PLL)及一個延遲鎖相迴路(DLL)，鎖相迴路(PLL)為整個系統之時脈產生器，輸出訊號為7GHz之週期訊號，延遲鎖相迴路(DLL)被使用在輸入及輸出之間，操作頻率為7GHz，且在每個周期中包含了10個相位，藉由不同相位取得正確的輸出訊號，精確的量測其運算延遲。
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本文的第一個主題是從理論和實驗探討銀薄模上菱形晶格週期性圓型孔洞的異常性穿透現象及其對電漿子熱幅射器幅射頻譜的影響，當銀/矽模態波長夠長使得銀/矽模態和銀/空氣模態不耦合時，銀/矽模態的穿透強度由其簡併模態的數目決定；在銀/矽模態和銀/空氣模態耦合的短波長區，銀/矽模態的峰值將因藕合而變得不明顯。對於菱形晶格電漿子熱幅射器而言，其幅射峰值的強度為黑體幅射強度乘上表面金屬的穿透效率，穿透效率正比於簡併模態的數目。本文的第二個主題是將電漿子熱幅射器的厚度增加到微米等級以分析反射頻譜和幅射頻譜中的共振腔模態，發現共振腔膜態也會如同表面電漿子般的和表面週期性孔洞耦合產生布拉格散射共振腔模態；本文提出了隨機孔洞分布型共振腔熱幅射器打亂表面的週期以消除和週期有關的表面電漿子模態和布拉格散射共振腔模態以實現窄頻純頻譜的中紅外光共振腔型熱幅射器，並藉由改變孔洞的大小發現了孔洞的存在將導致了侷域型共振腔模態和 Fabry-Peort 孔洞振盪模態的產生，雖然小孔洞的隨機孔洞分布型共振腔熱幅射器可以提供純淨的幅射頻譜，其輸出強度卻受限於低密度的孔洞總面積而相當的弱。據此，本文提出了另一種新穎的短週期孔洞陣列型共振腔熱幅射器以解決輸出強度的問題：高輸出強度、純淨的幅射頻譜、可在高溫下穩定的操作、低半高寬的幅射峰值和微弱的非理想效應效像是侷域型共振腔模態或 Fabry-Perot 孔洞振盪模態可以同時被達成，而且只要改變共振腔的厚度即可決定不同波長的幅射峰值。
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半導體量子點目前已被廣泛大量的研究，且由於它們獨特的物理特性，現今被視為下一世代光通訊使用的光源。因此，在本論文當中我們不僅是研究砷化銦量子點的基礎物理特性，我們更專注在量子點雷射靜態與動態的特性。 就量子點物理特性而言，我們專注在光場與載子波函數的交互強度。躍遷偶極矩(Interband Transition Dipole Moment)用來表示為光電場與載子波函數的交互耦合躍遷的共振強度，我們以量測吸收係數的方法來估算出躍遷偶極矩約為32±2 Debye。線寬增強因子(Linewidth Enhancement Factor)不只是影響半導體雷射直流下的線寬也影響在高速調變下的頻率漂移 (chirp)。我們利用Hakki-Paoli方法估算出量子點雷射1260 nm雷射操作下的線寬增強因子數值約2。 至於量子點雷射靜態與動態的模擬方面，我們首先提出以變率方程式模型為基礎，推導出的小訊號等效電路來模擬量子點雷射的光學響應。我們發展出的小訊號等效電路模型是根據變率方程式模型，此包含著載子的復合、鬆弛過程、非均勻寬化(inhomogeneous broadening)、非線性增益壓縮(gain compression)與多模態頻譜雷射光。等效電路模型也可以幫助我們以電路的思考角度來了解量子點雷射的動態特性，並結合SPICE電路軟體，把量子點雷射電路嵌入在傳輸光源模組，搭配雷射驅動電路來作整體設計。 模態群組效應(mode grouping effect)包含2-5 nm的週期性雷射光譜變化，此週期比Fabry-Perot模態週期大上數十倍。由於量子點材料本身非均勻寬化，模態群組的雷射頻譜常被觀察到。我們以動態頻譜解析技術來研究各個群組的雷射動態。我們發現個別群組動態的特性會隨著電流注入大小而有所改變。同樣的技術，我們也應用在非對稱量子井雷射與InGaAsN/GaAs量子井雷射的觀察。 量子點雷射同時由基態(ground state)與激發態(excited state)雙穩態的雷射光起源於包立不相容原理造成較慢的鬆弛時間(relaxation time)。較高的基態載子填滿率會延長從激發態到基態的鬆弛時間，因此導致雙穩態雷射發生。在實驗上我們不僅是觀察到雙穩態雷射的發生，也首次觀察到同時三穩態量子點雷射的發生。在雷射靜態的隨溫度特性測量，我們發現到基態與激發態隨溫度變化的雷射臨界電流(threshold current)呈現出互補的特性。我們也成功的提出多重聲子鬆弛過程(multi-phonon relaxation)搭配著速率方程式來模擬出此臨界電流隨著溫度變化的特性。 當我們持續增加電流在雙穩態雷射的樣品，基態雷射光強度會下降，最終只剩下激發態雷射光。我們並且對雙穩態雷射也做了分光時間解析實驗，我們發現隨著電流的增加，基態光雷射啟發時間(turn-on time)會減少而後異常的增加，然而激發態光雷射啟發時間符合預期的持續減小。隨著加入電流加熱效用在速率發程式模擬上，我們也成功的模擬出異常的基態光雷射啟發時間與衰退的靜態特性。 最後，我們設計出新型的在脊狀波導的中間開了一個沒有覆蓋金屬的窗，我們發現此新型量子點雷射結構可以產生自動脈衝(self-pulsation)的雷射光。我們在此開窗的雷射不僅是加入直流電流，並外加飛秒雷射外加光源來作激發，用以觀察雷射動態特性。我們從動態的量測發現光飛秒雷射入射後會有短暫的雷射光強度下降，之後會再有強烈的鬆弛震盪發生。
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本論文以伽瑪射線照射鈮酸鋰基板，再利用質子交換溼式蝕刻法製作脊形光波導。並針對其蝕刻深度、質子交換的氫離子濃度、脊形結構之外觀比等進行研究與討論 在製程方面，嘗試不同的質子交換酸源和時間，並用氫氟酸與硝酸的混合液進行濕式蝕刻，以製作出脊形結構。在量測方面則利用掃描式電子顯微鏡與原子力顯微鏡分別量測脊形的外觀比與表面粗糙度；之後再以二次離子質譜儀量測氫離子的濃度分佈。實驗數據顯示本研究方法可得到較佳的脊形結構，且適用於製作脊形光波導。 最後，再以本研究方法製作脊形結構之Ｓ形彎曲波導，並量測其傳輸率。量測結果顯示傳輸率上升，此對積體光波導侷限性的改善極有助益。
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在軟體系統上設計的困難度隨著這幾年軟硬體的發展越趨困難。在現今大型軟體的開發與設計一再的顯示出軟體驗證與測試愈來愈有其必要性。軟體測試上，我們需要使用模型化的方法產生測試方法與驗證。通常因為使用者所使用的模型常常語意不清，所以我們需要明確地定義模型用以滿足使用者所期望的運行結果。在本篇論文我們利用機率分配的方法執行我們定義好的時間狀態機。當我們進入狀態機裡的某一個狀態下，我們會使用機率分配方法考慮該在什麼時間點離開這個狀態。當要離開某個狀態時候，我們再度使用機率分配方法將可選的下一個狀態再做一次機率分配圖，在離開本狀態的時後選擇要進入的下一個狀態。整個實驗過程我們著重在什麼時間點之下才能傳送測試資料執行測試。我們的測試資料最後將轉換成通訊協定測試語言的格式執行。
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本論文提出三種新穎製程，於碳化矽基板上成長介電層。在純水中以陽極氧化，再經快速熱退火製備氧化矽，以電導方法求得界面缺陷密度約為3×1011cm-2eV-1，此介電層崩潰電場大於6.3MV/cm 且電容電壓曲線無遲滯現象。於己二酸銨水溶液中使用陽極氧化法成長氧化鋁，首度應用於閘極介電層，先蒸鍍鋁薄膜再以陽極氧化得到超薄氧化鋁，等效氧化層厚度1.9 奈米，電容電壓曲線無遲滯現象，界面缺陷密度約為8×1011 cm-2eV-1，崩潰電場高達14.5 MV/cm 且在偏壓2 V時有著極小漏電流6×10-3 A/cm2。此外，以電漿濺鍍氧化製備氧化鋁介電層金氧半電容，閘極漏電流小於氧化矽一個數量級，從電容電壓曲線而言，低頻時比高頻時較接近理想值，且電容值與頻率於1k~500 kHz 時呈線性相關，我們提出一個等效電路模型，引入電感來解釋此現象，在電漿氧化過程中，並非所有的金屬都被氧化而部分奈米金屬殘留在介電層中。根據論文數據，這三種製程對於碳化矽高壓金氧半元件，有著重大突破。
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摘 要 隨著可攜式以及適用於多規格電子產品應用需求的增加，促進了低電壓供應及低功率消耗電路的設計趨勢，本論文的重點在於描述如何設計以及實現一個適用於無線接收器中的類比基頻濾波器。因此，在論文中，我們介紹了一個可以應用在多重規格直接降頻接收器的五階Butterworth轉導電容低通濾波器。 論文中的連續時間低通濾波器基於一個可調整的轉導工作放大器(OTA)使其頻寬可從2.2MHz操作至10MHz，而此轉導放大器藉由一個調整電壓控制其轉導值達到濾波器頻寬的選取。除此之外，本篇論文中，我們還實現了一個應用振幅鎖定迴路理論的頻率調整電路來補償製程偏移所造成的錯誤，在這樣的濾波器設計之下，此濾波器的頻寬範圍適用於IEEE 802.11a/b/g以及WCDMA等規格，如此設計藉由接收器電路的分享，不僅可以達到節省晶片面積的好處，還可以用同一晶片應用在多重規格的接收器中，達到一舉兩得的效果。 此五階低通濾波器以及頻率調整電路採用了台積電0.13微米的製程製造，並且使用台積電提供的0.13微米製程資料搭配Cadence軟體SPECTRE的使用進行電路模擬。在此設計下，可達到10MHz的頻寬應用在IEEE 802.11a/b/g的規格中，並在1.2伏特電源供應下消耗4.1毫瓦；在WCDMA頻寬為2.5MHz的規格中，消耗了4毫瓦，晶片面積大小為890µm×750µm。
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本論文中，主要針對單晶矽與多晶矽太陽能電池進行效能分析，由Endeas 120CA 太陽光模擬器我們可測得太陽能電池效率、短路電流、開路電壓以及填充因子。除了基本AM1.5G條件下，同時還會針對變溫下的矽晶太陽能電池量測其暗電流及效率變化進行討論，並提出可能造成之原因。另外，我們也首次將電漿浸潤離子佈值技術應用在矽晶太陽能電池上，希望可以藉由氫離子佈值來達成更進一步的鈍化保護效果，使表面缺陷或者邊缺陷可被修復，已提升太陽能電池轉換效率。 首先在矽晶太陽能電池構造方面有基本介紹，並利用X射線光電子光譜(XPS)來分析表面材料組成，特別在接觸金屬與周圍抗反射層成分。在太陽能電池定性與定量上分析上，我們量測逆向偏壓電流與效率，短路電流，開路電壓與填充因子之關係；另在在溫度相依性上也有實驗量測與理論分析。 在變溫量測當中，我們發現多晶矽及單晶矽之溫度係數有差異，特別是短路電流方面有顯著差距，因而造成高溫時單晶矽效率下降幅度比多晶矽高。針對上述問題，我們朝著矽基板的電阻溫度係數性質來研究，初步推估原因可能是兩種基板雜質濃度不同，因此造成升溫時單晶矽與多晶矽基板電阻係數有所不同，最後影響到電流溫度係數。 電漿浸潤式離子佈植技術(PIII)目前可應用於太陽能電池相關製程，藉由佈植氫離子修補缺陷方式以提升太陽能電池轉換效率。其方法可透過不同的佈植能量與時間，控制電漿離子進入靶材深度以及離子濃度，加上三維方向離子佈植特性，元件各方向均可進行修復動作；同時，電漿浸潤式離子佈植亦適用於大面積元件佈植應用。除了實驗上結果之外，我們也使用ISE電腦模擬軟體來模擬表面載子復合速率與效率、短路電流、開路電壓和填充因子之間關係。
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本篇論文針對90nm製程，提出適合先進製程的改良式前綴式加法器，使資料運算更為同步。並使用動態骨牌邏輯實現以提升速度以及利用基板偏壓技術降低其消耗功率。此加法器在2009年3月已使用UMC 90nm製造而成，操作頻率為5.4GHz，運算延遲為185ps，消耗功率為45mW。 本篇論文亦提出了一精準的量測架構，能準確的量測加法器的運算延遲，其中包含了一個鎖相迴路(PLL)與一個延遲選擇器，鎖相迴路(PLL)為整個系統之時脈產生器，輸出訊號為5.4GHz之週期訊號，延遲選擇器被使用在輸入及輸出之間，可選擇多個不同延遲時間，藉由不同相位取得正確的輸出訊號，精確的量測其運算延遲。 另外，本篇論文亦描述了一個高速且低功率損耗電容耦合傳送接收器。這種電容耦合式傳送接收器可將NRZ的資料轉換成低振幅的脈衝波，經由傳輸線傳送後，於接收端再將此脈衝波還原成NRZ的資料。在傳送端使用互補式傳輸線為基礎的鎖相迴路來提供時脈，並使用差動的傳送器來降低雜訊。而接收端電路使用被動但低功率損耗的等化器來彌補高頻的損失，以及使用電流模式的Sense Amplifier將脈衝波回復成NRZ的資料，最後利用改良的Cherry-Hooper放大器將波形放大。 最後實際以TSMC CMOS 0.18um製程下線，使用2^15-1的PRBS來給資料，將資料透過75fF電容經由10公分的FR4傳輸線來傳輸，最大可到達6Gb/s的傳輸速度，而誤碼率小於10-12。