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鍺平面式與環繞式閘極場效應電晶體之研究

在本篇論文中，主要著重在高遷移率鍺平面式與環繞式閘極場效應電晶體之製備與分析，並探討其氧化層介面特性、載子遷移率、應力響應以及相關製程整合。 在電晶體尺寸微縮進入10奈米節點後，使用高遷移率的通道材料來增加驅動電流，如:鍺以及III-V族合金材料，以及新穎的三維電晶體結構來改善短通道效應，如:鰭式、三閘極與環繞式閘極電晶體，都是未來半導體的重要發展方向。 在本論文中，我們利用二氧化鍺來鈍化鍺表面，發展出能達到低介面缺陷密度的鍺金氧半元件。我們也利用低溫電導法來探討其介面缺陷密度的分布，其介面缺陷密度可低至1E11 cm-2eV-1，且其金氧半電容特性曲線不會因頻率而改變，更進一步驗證二氧化鍺的鈍化效果。此外，在降低源極和汲極電阻方面，我們採用離子佈植來摻雜雜質，並利用兩階段的退火來活化接面，所製備之n+/p二極體具有高達1E5之開關電流比，以及接近1的理想因子。 在整合二氧化鍺鈍化技術、兩階段的源極/汲極活化、高介電常數介電層以及閘極後製程，我們已在鍺 (001) 和(111)基板上製作出高遷移率達~1050 cm2/V-s 以及 ~2200 cm2/V-s之n型電晶體。其在低電場下的高遷移率可歸功於低介面缺陷密度，使得庫侖散射效應大幅地降低。由於鍺元件有比矽還要嚴重的表面粗糙散射效應，導致其在高電場下的遷移率發生快速下降的現象，故有效降低表面粗糙度，其特性將能更加改善。最後，我們也探討鍺元件的應力響應，在(001)基板施加平行<110>方向的伸張應力約0.08%後，其最佳遷移率增益可達12%，如此一來元件的驅動電流也可以再進一步地提升。我們也利用模擬並以實驗確認 (001)基板遷移率增益較(111)為大，其原因可歸類為能帶分裂和電子重新分布至較小傳導質量的能谷。 我們也將高遷移率鍺通道與環繞式閘極場效應電晶體整合在絕緣層上矽基板上，並利用新的無接面電晶體操作模式，將電晶體性能大幅提升，例如:高電流開關比以及低次臨界擺幅。我們使用鍺磊晶配合內摻雜技術來避免離子佈植可能造成的晶格損壞，並且利用非等向性蝕刻來去除因為矽與鍺晶格不匹配所產生的差排缺陷。由於環繞式閘極有較好的閘極控制能力，能有效地控制通道中的壓降，並幫助無接面元件的通道達到完全空乏，我們在通道濃度為5E18 cm-3的元件上達到高電流開關比2E6以及低次臨界擺幅95 mV/dec。更甚者，我們也將元件微縮至9奈米以及將通道濃度提高到8E19 cm-3，其電流可高達390 uA/um。我們也發現在高電壓以及高溫操作下，無接面電晶體可提供比傳統反轉式電晶體更高的通道遷移率，主要是由於遷移率受制於庫倫散射，並對表面粗糙散射有較好的免疫力。 最後，我們也將探討極紫外光對高遷移率鍺元件的可靠度研究，傳統浸潤式微影技術在半導體製程邁入14~16奈米節點後將面臨物理波長的極限，極紫外光微影技術已被認為可提供更好的解析度，但由於其光子能量 (92 eV)太高，將會對元件產生光致衰退的現象。我們發現在經過極紫外光的照射後，元件在臨界電壓、次臨界擺幅、以及載子遷移率都發生衰退現象，主要原因是鍺與二氧化鍺表面以及二氧化鍺氧化層中產生斷鍵，進而使表面缺陷密度以及氧化層中的缺陷增加。同時表面缺陷密度的增加也導致庫侖散射效應加強，所以載子遷移率在低電場有顯著地下降。由於鍺的表面缺陷主要都靠近其傳導帶，所以p型電晶體對極紫外光有較好的免疫力。

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適用於CUDA運算平台上之移動補償彩色都卜勒數位信號處理引擎設計與實現

超音波影像（ultrasonic imaging）因為有低成本、非侵入性（non-invasiveness）、即時成像、與儀器較方便攜帶等優點，所以是一種被廣泛使用的造影方式。彩色都卜勒影像為超音波影像系統中重要的成像模式之一，可即時地將人體內血液分佈及流速快慢變化呈現在二維影像上，提供臨床診斷及治療。 彩色都卜勒影像有一項重要議題就是組織雜訊的濾除。相較於傳統高通濾波器，基於特徵值分解的濾波器(eigen-based clutter filter)能更有效的濾除組織雜訊，然而實際上會遇到組織雜訊與血流訊號混合在同一個特徵向量(mixed eigen-components)上的情形，這會使得特徵值濾波器誤把血流資訊移除，導致估測出的血流訊號有誤。 此外彩色都卜勒影像容易受到體內組織運動、呼吸、脈搏跳動等受測者與探頭間相對運動影響，些許的相對運動就會降低影像品質以及血流相關參數的準確度。為了解決運動假象(motion artifact)，過去學長姐提出了運動補償的相關演算法，但其運算複雜度太高而使得在個人電腦上無法達到即時成像。 本論文的研究主題是設計並實現一個具有運動補償的彩色都卜勒數位訊號處理引擎（Motion compensated color Doppler DSP engine）。此超音波系統的目標有二，分別為良好的影像品質及能達到即時成像。首先，本設計會發展一套適用於彩色都卜勒去除混合特徵向量的機制，以提升影像品質。然後，本設計將利用CUDA語言實現在GPU平台上。相較於目前一般處理器的架構而言，GPU平台具有高度平行處理能力，可以大大地減少運算時間以達到即時成像的目標。

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應用於車輛測速與車用防撞之24-GHz雷達模組

隨著交通量的增加，車禍發生的次數與日俱增，交通的控制以及車輛行車安全成為一重要議題。 本論文提出一利用65奈米互補式金屬氧化半導體製程之24-GHz連續波與連續波頻率調變雷達。接收器與發射器晶片組由帶隙參考電壓電路、鎖相迴路、功率放大器、低雜訊放大器、混頻器、多相濾波器所組成。藉由次諧波注入鎖相迴路以及溫度補償的技巧，鎖相迴路量測結果達到在1-MHz 偏移頻率下 −95dBc/Hz的相位雜訊，並且方均根時脈抖動從溫度−10度至80度皆能低於600毫微微秒。接發機前端電路晶片組與天線、類比基帶處理器、電源模組、數位訊號處理器與使用者介面整合成一雷達模組。其量測結果亦在本論文中作呈現，在發射器提供14.7分貝毫瓦的功率以及接收器37.2分貝的增益下，雷達能偵測到50公尺以外車輛之速度與行進方向。

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具有預防性相位鎖定偵測器之可調變頻寬時脈與資料回復電路

近年來，由於有線通訊應用與資訊工業的快速成長，高速通訊顯然已成為一個重要的議題。當每秒數十億個位元的訊號藉由銅導線傳遞時，訊號的抖動參數與品質變得更難以估計。其中，接收端內的時脈與資料回復電路(CDR)主要用來重建並還原傳輸端所傳送的資料序列，而頻寬的選擇將直接影響還原訊號的抖動效能。然而，時脈與資料回復電路存在一個取捨問題，介於訊號抖動抑制能力與訊號抖動容忍能力。 在本論文中，一個自適應調整頻寬之資料回復電路被提出來達到還原較佳的訊號品質，其中具有預防性相位鎖定偵測器防止在調整頻寬過程中訊號錯誤率的增加。提出的電路可有效抑制14.14 dB 訊號抖動量在為抖動頻率為8 MHz 的輸入訊號下。自適應調整頻寬電路為全數位合成，整體電路消耗功率為86.4 mW，並操作在6 Gb/s 輸入訊號頻率下，使用的技術為TSMC18 製程。

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非晶相銦鎵鋅氧化物薄膜電晶體之電性及穩定度分析

在本論文中，著重於非晶相銦鎵鋅氧化物(α-IGZO)之薄膜材料分析與薄膜電晶體之電特性。相較於非晶相矽電晶體，α-IGZO薄膜電晶體之高電子遷移率(> 10 cm2/V-s)、高開/關比(> 107)、高穿透率，以及在製程上，可以在室溫中沉積並且可以有效的控制薄膜的均勻性等優點，α-IGZO 將是下一代薄膜電晶體很好的通道材料。 首先，利用廣波長之光源，量測在不同波段之α-IGZO薄膜之光吸收係數。配合Tauc plot的作圖計算，定義出α-IGZO薄膜之光能帶隙，並計算出α-IGZO薄膜之Urbach energy 以分析不同製程參數下的能矽中之缺陷態分布。經由上述方法，發現α-IGZO與氫反應後之Urbach energy變得較大，亦指出α-IGZO與氫反應後，其tail states之寬度較寬，使得α-IGZO 薄膜電晶體之電特性較差。 與單閘極操作相比，雙閘極操作下之α-IGZO TFTs擁有較大之驅動電流以及較小之次臨界擺幅。由於下閘極介電層以及上閘極介電層(包含蝕刻阻擋層與鈍化層)之氧化矽與氧化氮於製程中皆使用矽甲烷(SiH4)，將使得α-IGZO之上通道與下通道處有較多氫與α-IGZO反應，使得α-IGZO上通道與下通道之缺陷亦較多。α-IGZO薄膜電晶體於雙閘極操作下，有較多載子傳導於較少缺陷處(通道中間)，故其電子遷移率較高，由於上述現象，於雙閘極操作下之α-IGZO薄膜電晶體擁有較大之驅動電流，且其次臨界擺幅較小。 對於元件穩定度測試，探討由於偏壓應力施加導致元件失真的原因以及物理機制，例如：電性與偏壓應力分析等等。然而，元件的穩定度測試以及物理特性分析就變得特別重要。因此，對元件做於閘極上施加電性壓力測試，包含正偏壓與負偏壓之電性壓力，並探討元件電性衰減的物理機制。 下閘極操作之α-IGZO薄膜電晶體之製程中，主要使用氧化矽與氮化矽作為蝕刻阻擋層以及鈍化層，而上述材料製程中都會使用SiH4氣體，使得氫會進入α-IGZO上通道中並發生反應，由於下閘極操作下之α-IGZO薄膜電晶體易受到上通道品質之影響，故在蝕刻阻擋層製程中，相對於較高SiH4氣體量之氧化矽製程，利用較低SiH4氣體量之製程沉積氧化矽之α-IGZO薄膜電晶體之電性獲得改善。 由於下閘極操作下之α-IGZO 薄膜電晶體易受到上通道品質之影響，為了提升α-IGZO薄膜電晶體電性，可利用負電荷儲存於上閘極絕緣層中，使通道中電子被庫倫斥力推離上通道之高缺陷處，使電晶體之電性可以獲得改善。由於氧化鋁(Al2O3)為一帶有負電荷之材料，與氧化矽做為鈍化層之α-IGZO薄膜電晶體相比，利用氧化鋁鈍化層之α-IGZO薄膜電晶體有較高載子遷移率以及較佳操作穩定度。

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第一原理研究鍺元件高介電氧化層介面與新穎通道彈道傳輸研究

由於互補式金氧半元件的尺寸微縮逐漸到達物理極限，為了讓摩爾定律繼續延續下去，使用新穎材料已是無法避免的趨勢。鍺被認為極有可能取代矽成為下一世代金氧半元件的通道材料。 在使用含有無缺陷鍺次級氧化物的氧化鍺與鍺所建立的介面模型中，並沒有發現任何介面帶隙能態，意味著單純的鍺次級氧化物並不是造成元件特性降低的來源。因此，在本論文中，我們採取第一原理密度泛函的方法來建立具有懸浮鍵的鍺/二氧化鍺介面模型，進一步探討介面上處在不同氧化態的鍺原子，也就是鍺次級氧化物中的鍺原子之上的懸浮鍵所造成的帶隙能態能量位置的差異，還有不同氧化態對能量位置的影響，藉以提出之能帶中不同位置之帶隙能態的可能來源，同時我們也解釋了在二氧化鍺中的氧化層固定電荷來源。此外，由於預期高介電常數金屬氧化物在未來極有可能被運用在鍺元件上，我們探索二氧化鋯的氧化層性質。二氧化鋯上使用四氟化碳氣體作後閘極式電漿處理，發現二氧化鋯仍可以四方晶相形成。在等效氧化層厚度為0.4奈米的金氧半電容元件上，電性遲滯現象可以改善，原因可歸於鋯-氟鍵結的形成，減少了二氧化鋯中的氧空缺缺陷數量。 論文第二部分是使用鍺以外的新材料，並研究在低維度狀況下的彈道傳輸效能。過渡金属硫族化合物體材料是間接帶隙半導體, 而單層材料是直接帶隙半導體。我們研究單層二硫化錳的能帶結構及施加應變後的變化，並導入彈道傳輸理論，計算其在應變下的增強效果。而另外一種新材料則是使用六方晶系的烏采結構矽或鍺。雖然屬於在幾十年就被發現的結構，但是該系的電子結構並未廣泛的研究。在最後的章節，利用第一原理計算出合理的能隙與能帶結構後，同樣討論應變後的變化及彈道傳輸的效能。

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可適性多輸入多輸出正交分頻多工系統之基頻收發機設計與硬體實作

本論文從系統設計的角度出發，完整地設計一可適性多輸入多輸出正交分頻多工系統(Adaptive MIMO OFDM System)，並致力於將系統以硬體實現，最後再整合射頻端之儀器，建構出一完整的基頻可適性收發機，完成系統驗證。 　　在本論文中，參考高速無線區域網路IEEE 802.11協定，設定系統規格，並提出可適性多輸入多輸出正交多頻分工收發機架構及電路設計。接收機的主要架構可分為初始同步、追蹤迴路、通道估計、資料回復與資訊回傳及雜訊估測等可適性調變所需之模組。其中初始同步包括封包偵測、符元邊界粗估與細估、載波頻率飄移的粗估與細估，由封包中的舊有短訓練欄位與舊有長訓練欄位作估計，論文中提出的改良之符元邊界粗估的方法，能讓估計的結果不會有false alert，以及normalized後的延遲相關值使得threshold的設定上簡單許多；追蹤迴路包括殘餘分數載波頻率偏移與取樣時脈偏移的聯合估計，乃是利用封包中資料符元的領航碼作追蹤；奇異值分解電路使用了直觀的公式解，優點為速度快、運算量小，缺點為只能適用於2x2的天線設置；雜訊估測方面利用了高速長訓練符元的特性，套用ren’s estimator的概念，計算量相當小，且不需要額外的編碼；另外，以舊有長訓練符元與高速長訓練符元作通道的估計，用於MIMO訊號偵測，在偵測訊號時，以傳輸模式的不同決定等化方式，以VBLAST模式傳輸時，相較SVD傳輸模式於有較好的系統效能，而SVD傳輸模式讓我們實現可適性調變的功能，可以得到更高的throughput，缺點是SVD對於通道的變化相當敏感。論文中也提出了相較於文獻更低運算量的可適性調變演算法及另一個可以在符合JAER的情況下將throughput提高更多的改良之可適性調變演算法，並且經由模擬驗證。 　　最後經由電路設計及結合射頻無線電平台、現場可編輯邏輯閘陣列，完成了real-time、over-the-air的可適性多輸入多輸出正交多頻分工收發機系統驗證、證實了其可實現性。

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生醫訊號感測系統之低雜訊低功耗類比前端電路設計

生理訊號感測在醫學臨床診斷上具有重要意義。以往生理訊號的量測皆須仰賴大型機台，拜科技進步之賜，現今的半導體工業已允許我們將整個系統微小化並實作於一個電路板，甚至是單一晶片上。將整個感測系統包含前端電路，類比數位轉換器，數位訊號處理器以及無線傳輸/接收模組全部整合在一個晶片內，是近幾年國際間熱門的研究課題。本論文著重於探討應用於此系統之類比前端電路設計。此電路必須將極其微弱且低頻的生理信號放大，去除來自外界與電路本身可能的雜訊干擾，同時亦要求低功率以滿足可攜式需求。 本論文實作並量測三個不同架構的晶片。第一個架構為一個四通道儀表放大器，利用時間分工技術達到僅使用一個電容回授式儀表放大器達到可同時偵測四組不同訊號的功能，然而時間分工技術雖然可以大幅降低晶片面積及功率消耗，但其非連續時間的特性會將儀表放大器的輸出雜訊疊回低頻，導致訊號品質下降。此架構採用台積電0.18微米製程，每個通道面積消耗為0.015平方毫米，在1.8伏特的電源供應下，每個通道平均消耗4.25微安培的電流，並達到11.56的雜訊效率指標(NEF) 。 第二個架構實現一個雙通道儀表放大器利用正交頻率調變技巧。此電路會先將訊號做正交調變，以利於訊號在進行放大過程不會互相干擾，並且在解調後可成功將訊號分離。正交頻率調變技巧為連續時間操作，所以不會發生雜訊疊回低頻的現象，且此技巧可將閃爍雜訊載到高頻上，在利用低通濾波器可有效的去除，讓載低頻的訊號有良好的訊號品質。此架構採用台積電0.35微米製程，每個通道面積消耗為0.035平方毫米，在3伏特的電源下，每個通道平均消耗13微安培的電流，並達到3.74的雜訊效率指標(NEF) 。 I 第三個架構為胸腔阻抗檢測電路，此架構可成功量測出胸腔阻抗訊號，並且採用方波刺激電流有別於傳統的刺激方法，方波刺激電流可大大降低整體電路的功率消耗，此架構還提出新的解調方法讓解調出的胸腔阻抗訊號有良好的線性度及精準度。此架構採用台積電0.18微米製程，面積消耗為0.5平方毫米，在1.8伏特的電源下最大電流消耗為75微安培，刺激電流大小為10到50微安培之間。

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應用於生醫訊號偵測之CMOS感測單晶片研製

CMOS 感測系統單晶片提供重點照護低成本、即時偵測並即刻對訊號做處理與可攜帶性之可能性。在本研究中利用台積電0.35μm 標準製程技術，整合化學、生物與電的原理共研製三種感測系統單晶片。 第一種為利用參考式電晶體(ReFET)實現一酸鹼感測電路，其感測靈敏度可達34.242 mV/pH，可用於感測人體內pH變化。 第二種是多晶矽奈米線生物分子感測系統單晶片，利用標準半導體製程後，透過後段製程蝕刻處理，可將多晶矽奈米線裸露作為感測之用。根據實驗結果，此感測系統晶片對急性腎損傷的生物標記分子NGAL 之靈敏度可達3pg/ml。 第三種則是對果蠅心電量測的感測晶片，此晶片於標準半導體製程後透過液態金屬銦鎵共金(Indium Gallium, InGa)塗布，可做為導電介質於單晶片及果蠅體表上，根據實驗結果，此種方式可以實現非侵入式果蠅心電量測。 此三種感測系統單晶片在未來有極高的潛力可做為重點照護之用。它們的效能可媲美甚至是超越現有商業產品或是技術。 本文中所提出之電路均使用台積電0.35μm 標準製程技術實現。

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矽/鍺材料的再吸收與鈍化現象

為了遵循摩爾定律，持續微縮電晶體尺寸是半導體界努力的方向，由於多功能型平板和智慧型手機的普及，此需求更是重要。因為高載子遷移率、可與當今矽製程結合、具有1550 nm光通訊波段可利用於通訊和遠紅外光應用，所以矽/鍺材料逐漸扮演電子與光電元件的重要角色。在本篇論文中，著重研究矽/鍺再吸收與鈍化現象的元件物理以及光電特性，此研究對於電子與光電元件有重要的影響。該論文研究成果若結合於發光二極體和太陽能電池等光電元件可與現今製程相容並應用於生物醫療、光通訊傳輸、遠紅外光光源等，可增加半導體晶片的價值。 在論文的第一部分，主要研究再吸收效應對於光激發光和發光二極體的影響。鍺材料有直接能隙(0.8 eV)與非直接能隙(0.66 eV)的材料特性，其中直接能隙主要可應用於光通訊與遠紅外光光源等應用。有鑑於此，為了提升該能隙的放光效率，在光激發光的實驗中，發現晶圓的厚度和表面復合效率對於直接能隙的放光影響，由於直接能隙大於非直接能隙約140 meV，所以在光激發光中，直接能隙放光容易被非直接能隙吸收而降低放光效率，為了降低此現象，將晶圓厚度縮減可增強直接能隙放光結果。而當中透過光激發光強度的變化、厚度的變化和表面復合效率的模擬可以將晶圓的等效生命週期得出。其中，比較磊晶鍺與晶圓鍺的光激發光結果也是本部份的另一重點，缺陷會導致非發光復合增強而使得直接能隙放光增加。根據光激發光的實驗結果得知再吸收效應對於直接能隙有明顯的影響。在應用上，發光二極體的結構也會影響直接能隙的放光效率。垂直金屬結構的pn發光二極體有較弱的直接能隙放光現象，若改成水平金屬結構則提升直接能隙放光強度，主要因為載子分佈在表面所致。由光激發光實驗結果比較p型和n型鍺直接能隙放光效率，在相同厚度和濃度下，p型鍺有較高的直接能隙放光強度，由模擬中分析p型鍺的直接能隙與非直接能隙的能量差小於n型鍺，能隙微縮現象較明顯，此外，濃度較高者，載子生命週期短，造成載子主要分布於表面而降低直接能隙被吸收的可能。對於應用於光電元件可以使用p型鍺材料在直接能隙有較佳的表面。 為了提升元件效率，高載子遷移率的材料已成為主要研究方向，如鍺通道電晶體，而太陽能電池更需要表面鈍化以增加效率，所以表面鈍化研究成為重要的一環，其中氧化鍺為主要鈍化鍺表面的材料，可用於光電與電子元件中。利用光學和電學特性分析氧化鍺材料特性，如表面復合效率、電容電壓曲線和光激發光頻譜等等，可以了解氧化鍺鈍化鍺表面的原因，而薄膜中的固定電荷可以建立電場而降低載子復合，降低表面復合效率。對於未來元件開發應用有重要的地位。 第二部分著重研究鈍化對於光激發光、表面復合效率、電容電壓曲線和太陽電池效率的影響。鈍化主要目的是降低表面缺陷數目防止載子復合而降低發光效率或是太陽能電池效率。另外一方面，電漿浸沒式離子佈植技術可應用於小尺寸與大尺寸的太陽電池中，鈍化表面與邊界的缺陷而有效提升效率，未來可應用於工業界。