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多閘極多通道電晶體特性擾動暨 奈米裂縫場發射特性之研究

金氧半場效應電晶體通道長度微縮至32奈米之後，仍保有高性能之立體矽場效電晶體，因而備受學/業界注目，但唯有完整了解其元件特性才能助於延續摩爾定律。本研究探討閘極具不同長寬比(aspect ratio/AR)之16奈米三通道立體矽場效電晶體的電特性，就元件特性而言，發現單通道之鰭式場效電晶體(AR = 2)，比起具單通道之三閘極場效電晶體(AR = 1)與類平面場效電晶體(AR = 0.5)，有較佳之通道控制，而三通道場效電晶體之電特性又比單通道場效電晶體好。進而探討單通道與三通道電晶體組成的6T靜態隨機存取記憶體(SRAM)電路特性，以及反相器電路的暫態特性，研究發現多通道的缺點在於大電容，電路上的設計需格外小心。就擾動分析而言，隨機摻雜造成的表面電位擾動，在鰭式場效電晶體結構，比起三閘極與類平面場效電晶體結構，仍然較均勻，不僅成功壓抑元件特性擾動，也成功壓抑電路特性擾動。此論文結果對於三通道場效電晶體之DC與電路特性之推估以及下世代電晶體擾動特性分析極有助益。 由於影像顯示產業是兩兆雙星產業發展計畫的其中之一，可見此產業的重要性，因此，本研究將繼續探討在表面傳導電子發射元件(Surface Conduction Electron-Emitter Display, SED) 用於顯示科技技術之工作，我們利用其簡單結構與實驗數據校正後所得之參數，帶入三維有限差分時域粒子式的電磁模擬方法中，成功模擬利用高壓氫製作出奈米級鈀金屬裂縫做為表面傳導電子發射的發射源之電子傳導特性與發射效率。利用此數值計算技術，目前已知使用高壓氫處理，比用聚焦離子束系統製作出的奈米級鈀金屬裂縫，擁有較好的場發射效率，我們將進一步地探討奈米級鈀金屬裂縫，在不同寬度、厚度與傾斜角度變化下，對場發射的影響，並試著在合理結構設定範圍內，找到擁有最佳發射效率之幾何結構設定。在模擬過程中，除了比較不同幾何結構下之場發射特性外，同時也說明其傳導機制、發射效率及在陽極版的電流密度分佈，此研究對新世代平面顯示器技術的突破，有很大的幫助。 總之，本論文以實驗驗證過的模擬技術完成奈米元件與奈米裂縫的研究。論文的第一部份已經模擬分析了多通道多重閘極場效應電晶體元件與電路遭受隨機摻雜擾動影響下的DC、AC、以及動態操作特性。論文的第二部份模擬、分析與設計了奈米級鈀金屬裂縫，在不同幾何結構與參數變化下，奈米裂縫對場發射的影響，並找尋最佳發射效率之幾何結構設定。

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在鍺通道金氧半場效電晶體上製造閘極介電層二氧化鋯/鍺堆疊結構之研究

在這篇論文中，首先我們製造了以二氧化鋯為閘極介電層的鍺金氧半電容，再來我們使用了電性和物性分析來研究利用不同溫度的原子層化學沉積以及不同溫度的沉積後退火對鍺基板和二氧化鋯之間介面的影響。我們討論並使用電導方法(conductance method)來萃取介面缺陷電荷密度，也利用准靜態電容量測方法(quasi-static C-V)和貝格朗積分(Berglund integral)萃取出表面電位並探討能帶彎曲的有效程度。我們選擇250度的原子層化學沉積以及在600度的氮氣環境下進行一分鐘的沉積後退火做為我們製作元件的條件。 其次，我們成功的利用閘極後形成的製程(gate last process)做出了鍺金氧半場效電晶體。我們的p+/n接面以及p型金氧半場效電晶體的開關比分別為1.66×104和2.92×103，次臨界擺幅為119 mV/dec。我們的n+/p接面以及n型金氧半場效電晶體的開關比分別為1.51×105和1.73×104，次臨界擺幅為112.5 mV/dec。但是在介電層退火的過程中，我們的摻雜會向外擴散而造成有很大的源極/汲極串連阻抗。為了改善這個缺點，我們改變了製程的先後順序。 再來，我們利用閘極先形成的製程(gate first process)做出了鍺金氧半場效電晶體。們的p+/n接面以及p型金氧半場效電晶體的開關比分別為8.61×104和5.32×103，次臨界擺幅為125.8 mV/dec。我們的n+/p接面以及n型金氧半場效電晶體的開關比分別為1.66×104和3.02×103，次臨界擺幅為130.5 mV/dec。 最後，我們比較閘極後形成的鍺金氧半場效電晶體和閘極先形成的鍺金氧半場效電晶體。由於摻雜活化是閘極先形成的製程中最後一個高溫的步驟，所以源極/汲極的串連阻抗被大大的降低。

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離散摻雜位置效應以及隨機金屬晶粒在塊材鰭式場效應電晶體特性影響之研究

近年來，在半導體產業中，因為電晶體尺寸不斷的微縮，元件的製程步驟更加繁複，為了維持摩爾定律(Moore’s Law)的運作，除了傳統的製程技術的突破外，更利用電晶體的結構創新，在眾多的結構中，鰭式場效應電晶體(FinFET)，因為符合較低成本的需求，以及高效能的表現，成為這一個世代的重要的電子元件，同時金屬閘極暨高介電係數氧化層(HKMG)的技術，因能夠提升元件特性，而成為重要的技術，然而，在這些結構及技術之下，製程所造成的擾動對元件特性影響如何？是否得以壓抑等，都是有趣且值得去關切的學術研究議題，因此本研究將針對這個議題去作探討。 本研究探討了16奈米技術下金屬閘極暨高介電氧化層鰭式場效應電晶體的本質參數擾動，此擾動包含了隨機摻雜(RDF)、隨機介面陷阱(ITF)和隨機功函數(WKF)擾動，研究中利用了實驗數據校準過後的三維度的元件模擬進行。在此實驗中發現，對於不管是n型還是p型的電晶體，隨機摻雜和隨機功函數數擾動對整個特性變異占有較大的影響，而針對這個結果，我們進一步去分析對隨機摻雜下的隨機位置效應(Random Location Effect)，我們發現在鰭式通道中的下半部，會有一個高能障的區域，是無法有效操作、利用的範圍，會導致較大的元件特性擾動。另一方面，本研究也去分析隨機功函數擾動在16奈米技術下鰭式場效應電晶體和平面式場效應電晶體(Planar MOSFET)下的反應，結果顯示隨機功函數擾動將被晶粒(grain)面積大小以及功函數的分佈所影響，且利用鰭式結構以及製作擁有較小面積的晶粒的閘極可以有效的抑制隨機功函數擾動。 總而言之，本研究所探討的結果，對台灣半導體產業相關技術，製程技術發展與元件設計有其正面的參考價值。

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應用於癲癇偵測之低能耗快速獨立成分分析處理器之設計與實作

獨立成分分析能夠分離多通道腦波中的雜訊和癲癇訊號以提升癲癇偵測之效能。快速獨立成分分析是一種高效率計算獨立成分分析的演算法。為了降低能量消耗，前處理採用特徵值分解以降低獨立成份的迭代次數。特徵值分解利用高平行度架構快速運算。以近似的Jacobi演算法實現的特徵值分解電路和過去的文獻相比降低77.2%。儲存資料的記憶體部分因為記憶體的選擇和適當的wordlength省下95.6%功耗和51.7%面積。透過架構最佳化過程，我們找出晶片面積最小的架構。在latency constraint為0.1s的情況下，和沒有經過最佳化的架構相比面積省下86.5%。core area是0.40mm^2，以90nm CMOS製程實現。快速獨立成分分析處理器操作於0.32V時功耗為81.6W，未來也將整合於癲癇控制系統晶片。一段八通道256個採樣的腦波需要84.2ms的運算時間。和文獻相比，我們只花0.5%功耗，26.7%面積就能加速3.4倍。晶片的功能已經由病人腦波驗證。

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考慮時序效應三維積體電路平面規劃

隨著VLSI技術日益的進步，半導體製程的進步似乎無法再符合摩爾定律。因此， 三維積體電路的概念被提出，並用以延續摩爾定律的壽命。三維積體電路是由堆 疊數層的二維積體電路而成，並在層與層之間導入了矽穿孔 (TSV)，以溝通各層 間訊號。在本論文中，我們提出了一個考慮時序效應的三維積體電路平面規劃， 用以解決時序違反。我們採用了兩階段的時序分析。在第一階段中，採用簡單且 快速的查表法。在第二階段中，一個高精確度的方式被使用。經由該方法，我們 可以提供一組可靠的答案給下一階段的實體化設計。實驗結果顯示，相較於最短 線長法，我們所提出的方法可以有效的改進最差的時序。

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物聯網無線電波功率延遲模型之建立與驗證-應用於冷鏈物流恆溫箱之連網

物聯網是指將所有的物品結合射頻辨識與感測設備來讀取物品資訊，並連結至 網路將資訊上傳至管理平台，形成智能化的管理。在冷鏈物流中，車載的冷凍櫃是一個大金屬箱，金屬箱內有許多用以存放冷凍食品的恆溫箱，若將無線感測網路結合恆溫箱，並將恆溫箱的溫濕度資訊透過雲端傳送到監控平台即形成一個物連網。 但是當恆溫箱的溫濕度資訊要透過電波在這個物連網的無線電通道環境傳播時， 其金屬環境會造成強烈的多重路徑反射，並且恆溫箱本身會導致無線電波被散射或吸收的特性。然而，此一多路徑效應可能會對傳送訊號造成干擾，因此為了確保有良好的通訊品質，有必要對此一通道環境建立功率延遲模型並加以驗證，然而，就我們所知，目前全世界似乎未有此一通道研究。 因此本論文將針對脈衝響應之功率延遲(Power Delay Profile)建立模型，分別提出兩種方法，一種是可決定的方法(Deterministic Approach)，主要透過鏡像法則(Image Method)與閘門合併(Gating)來建立模型；另一種則是透過統計方法(Statistical Approach)，主要應用卜瓦松模型(Poisson Model)或Δ-K模型(Δ-K Model)來對功率延遲建立模型，並且我們發現以Δ-K模型對功率延遲建模更為適合，並且其參數K值介於0.66至0.77，其路徑之間相關性低，有獨立抵達的趨勢。

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以能量偵測演算法偵測隨機到達和離開之主要使用者訊號

本論文針對頻譜感知中的能量偵測技術，考慮當主要使用者訊號隨機到達和離開的情況，推導精確的偵測機率，並提出以貝氏原則的能量偵測法，藉以提升偵測效能。另一部分，考慮當主要使用者訊號在感知時槽中較晚時間點到達的情況，提出一個具權重之能量偵測演算法，並推導精確的偵測機率。模擬結果可以證實相較傳統的能量偵測法，本論文提出的方法能大幅提升能量偵測法的效能，模擬結果也驗證模擬值與本論文推導的理論值相符。

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應用互補螺旋矩形共振腔實現微小化帶通濾波器與分工器設計

本論文主要為利用互補螺旋矩形共振腔的電路基礎下，提出操作在900MHz與1.5GHz兩個不同頻率的微小化帶通濾波器，最後整合其兩個帶通濾波器形成分工器電路。互補螺旋矩形共振腔為一種後設材料，因其擁有許多獨特的電磁特性且具有縮小化電路的效果，使得在近年來被廣泛的應用在微波電路與天線上。 論文前半部分介紹帶通濾波器的基本架構，其主要是由互補螺旋矩形共振腔搭配耦合指叉電容來達成帶通濾波器的低頻區選擇性與帶通範圍。再利用串聯LC共振腔來製造傳輸零點，然後整合帶通濾波器與串聯LC共振腔來改善高頻區選擇性，最後則利用等效電路的觀念，來解釋帶通濾波器的各個部份。 論文後半部分則是整合兩帶通濾波器形成微小化分工器，透過前端的匹配電路，使分工器能達到在微小化的條件之下，仍擁有優良的效能。本研究提出之新型分工器無論在隔離度、訊號抑制能力、電路尺寸的表現都比一般傳統的分工器還要突出。此後設材料概念提供了一些方法來解決一般在微波電路設計時，常會遇到電路面積與效能之取捨問題，並增加與其他電路或天線之整合性。

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新型任意雙頻枝幹耦合器應用於雙圓極化天線之設計

本論文的研究方向著重於設計2.55 GHz和3.5 GHz雙頻段的新型雙頻枝幹耦合器之饋入網路並且搭配L 形電容耦合饋入式平面天線實現雙頻雙圓極化天線。傳統的枝幹耦合器只能用於單一個頻率,然而現在高傳輸資料量、高傳輸速度、傳輸高品質的時代下，設計多頻的饋入網路和多極化天線勢必為一種趨勢。本論文相對於傳統枝幹耦合器不同的是在於引用複合式左右手傳輸線的概念，在枝幹上加入開路殘段和集總的電容、電感元件，經由嚴謹的電路奇偶模分析步驟法得出正確的參數數值，進而讓枝幹耦合器達到雙頻效果，而此雙頻之操作頻段可由設計者任意選取兩頻率且無範圍限制皆可實現其效能。 實現雙頻雙圓極化天線重點在於饋入網路和天線需要有雙頻及產生圓形極化波條件的特性。尤其枝幹耦合器的設計更為重要，因為輸出端埠會隨著操作在不同頻率的變化而有不同的功率大小和相位。因此在設計的雙頻段下，輸出兩端埠需要功率大小相等、相位差為正負90度才能滿足產生圓極化波條件。接著在雙頻微帶線貼片天線部分，利用L形電容耦合饋入法饋入訊號並在平面天線的輻射體上挖置四條狹縫，此目的不僅可以產生雙頻共振條件也可與枝幹耦合器一樣具有高對稱性的結構，如此一來，將天線結合所設計出的雙頻饋入網路而形成一系統，因此達到雙頻雙圓極化天線之設計。

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基於類蕈狀結構之小型三頻雙模態微帶天線

本論文提出了微帶天線結合類蕈狀結構的天線，類蕈狀結構是由傳統蕈狀結在上面挖兩個L型溝槽所組成，這種複合式左右手的結構可以產生零階與正一階共振。這個天線具有兩種輻射場型，一種是零階共振產生的全向性偶極天線場型，另一為正一階共振產生的指向性微帶天線場型。一般來說複合式左右手傳輸線的正負一階的共振頻率受限於單元個數，導致固定單元數時，共振頻率難以設計。本論文所用的類蕈狀結構天線為單一單元，且可以藉由調整兩個L型溝槽的間距來調整正一階的共振頻率。 我們提出的天線結合了下層的類蕈狀結構和上層的微帶矩形金屬，中間夾了一層空氣層。當類蕈狀結構結合堆疊天線時，產生了三頻的特性，且可藉由調整最上層微帶金屬的大小來單獨改變第三共振頻率，天線操作在2.31 GHzヽ2.92 GHzヽ 3.7GHz，第一個頻率為零階共振頻率，第二為正一階共振頻率，最後是第三共振頻率。我們的天線具有許多優點，像是小型ヽ三頻ヽ雙共振模態ヽ頻率可調性，使得天線有更多的應用性。