一文带你领略六个影响半导体发展进程的中国人

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1947年12月,美国贝尔实验室的肖克利、巴丁和布拉顿组成的研究小组,研制出一种点接触型的锗晶体管,这是全球第一个半导体器件。在半导体发展的70多年历史中,中国人依靠聪明才智,发挥了重要的作用。 

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一、萨支唐:CMOS技术
 
 萨支唐(Chih-Tang Sah),1932年11月10日生于北京;长期致力于半导体器件和微电子学研究,对发展晶体管、集成电路以及可靠性研究作出了里程碑性质的贡献。父亲本栋是第一届中央研究院院士、国立厦门大学第一任校长。
 
 1949年萨支唐从福州英华中学毕业,赴美国就读于伊利诺伊大学香槟分校,1953年获电机工程学士和工程物理学士;1954年、1956年在斯坦福大学分别获电机工程硕士、博士学位。1956年博士毕业后,萨支唐加入肖克利半导体实验室,跟随肖克利在工业界共同从事固态电子学方面的研究;1959年至1964年供职于仙童半导体;1962年加入伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校,任物理系和电子及计算机系教授达26年,培养出40名博士;1962年获得获得IEEE Browder H. Thompson论文奖;1981年获得IEEE电子器件最高荣誉奖(J.J. Ebers奖);1986年当选为美国国家工程院院士;1988年在佛罗里达大学担任教授至今;1989年获得IEEE Jack Morton奖,表彰其对晶体管物理和技术的贡献;1998年获半导体工业协会(SIA)最高奖;2000年当选为中国科学院外籍院士;2010年受聘任担任厦门大学物理与机电工程学院教授。
 
 1959年进入仙童公司,在戈登·摩尔的领导下,萨支唐开展了平面硅基集成电路的研发,解决了一系列重要的技术问题,做出过非常重要的贡献,并担任固态物理组经理,带领一个64人的研究组从事第一代硅基二极管、MOS晶体管和集成电路的制造工艺研究,。
 
 1962年,从盐湖城犹他大学博士毕业的Frank M. Wanlass加入仙童半导体,安排在由萨支唐领导的固态物理组。缘于博士期间在RCA工作的缘故,Wanlass对FET场效应晶体管非常感兴趣。
 
 1963年的固态电路大会上,Wanlass提交了一份与萨支唐合写的关于CMOS的构想论文,同时还用了一些实验数据对CMOS技术进行了大概的解释,关于CMOS的主要特征也基本确定:静态电源功率密度低;工作电源功率密度高,能够形成高密度的场效应真空三极管逻辑电路。换句话说,CMOS是NMOS和PMOS的有机组合,构成逻辑器件。其特点是该器件在逻辑状态转换时才会产生大电流,面在稳定状态时只有极小的电流通过。
 
 萨支唐和Wanlass当初提出的CMOS,只是指一种技术、一种工艺,而不是具体的某一种产品,这一制造工艺的最大特点就是低功耗,利用CMOS工艺可以制造出多种产品。除了功耗低,CMOS还具有速度快、抗干扰能力强、集成密度高、封装成本逐渐降低等优点。
 
 1966年,美国RCA公司研制出CMOS集成电路,并研制出第一块门阵列(50门);1974年,RCA公司推出第一个CMOS微处理器1802;1981年,64K CMOS SRAM问世,之后,人们利用CMOS工艺制造出越来越多的产品。
 
 CMOS技术的提出与发展,解决了功耗的难题,得以推动集成电路按照摩尔定律不断向前发展。
 
 二、施敏:NVSM技术
 
 施敏(Simon Sze),1936年3月21日出生于江苏省南京市。微电子、半导体器件专家,1994年当选为台湾中央研究院士,1995年当选美国工程院院士,1998年6月当选为中国工程院外籍院士。1991年获得IEEE电子器件最高荣誉奖(J.J. Ebers奖);2017年与Gordon E Moore(摩尔定律之父)共同获得IEEE Celebrated Member(尊荣会员)称号;三获“诺贝尔物理学奖”提名。
 
1936年3月21日出生于江苏省南京市。父亲施家福是矿冶专家,母亲齐祖诠毕业于清华大学。此时的中国,战火纷飞,从重庆、昆明、天津 、北京、沈阳、上海,施敏就读的小学换了多个学校,尽管如此,学业没有被耽误。1948年12月,父亲施家福被调派至基隆金瓜石,于是施敏随着父母来到台湾。离开了战火的纷扰,施敏顺利的在建国中学完成了中学学业,1953年进入台湾大学电机系,毕业时其论文是“电阻电容震荡器之研究Study of RC Oscillators”.
 
 1957年大学毕业后,施敏入伍接受第六期预备军官训练,1958年任空军少尉,1959年2月退役。1959年3月,施敏前往美国西雅图的华盛顿大学求学,师从魏凌云教授,得以第一次接触半导体,其硕士论文“锌和锡在锑化铟中的扩散Diffusion of Zinc and Tin in Indium Antimonide”。1960年施敏硕士毕业,随即进入斯坦福大学深造,师从John Moll教授。其博士论文是“Range-Energy Relation of Hot Electrons in Gold”是在半导体上长一层薄薄的金薄膜,研究热电子要薄膜中的传输情形。
 
 此时,半导体公司正在加速扩张。贝尔实验室、通用电子、西屋电子、惠普、IBM、RCA等都为施敏开出了很高的薪资(12000-14400美元之间),给出的工作岗位分别是:通用电子的功率半导体部门、贝尔实验室的半导体部门、IBM的显示部门。
 
 1963年博士毕业后的施敏听从John Moll教授的忠告,选择进入了贝尔实验室。从1963年到1972年,施敏每年发表的论文超过10篇。
 
 1967年,他在贝尔实验室工作时,和韩裔同事姜大元(Dawon Kahng)休息吃甜点时,用了一层又一层的涂酱,触动了二人的灵感,想到在金属氧化物半导体场效电晶体(MOSFET)中间加入一层金属层,结果发明了浮栅非挥发MOS场效应记忆晶体管(Non-Volatile Semiconductor Memory,NVSM)。
 
 使得晶体管的闸极由上而下分别为金属层、氧化层、金属浮栅层、一层较薄的氧化层,以及最下面的半导体,而中间的金属层因为上、下都是绝缘的氧化层,在施加电压时,可以将电子吸进去保存,改变电路的导通性,而这层金属的上、下都是绝缘体,如果不再度施加反向电压的话,电荷会一直保存在里面,断电后资料也不会消失。
 
 然而,在1967年提出该技术时,在业界没有掀起太大涟漪,但好技术终究不寂寞,30年后在闪存应用的带动下,终究大放异彩,施敏发明的非挥发性存储技术的重要性也断被提及重视,成为现今NAND Flash(闪存)的基础核心。
 
 三、卓以和:分子束外延技术(MBE)
 
 卓以和(Alfred Y. Cho),1937年出生于北京;1949年赴香港就读于培正中学;1955年赴美国就读于伊利诺斯大学,1960年获理学学士,1961年获得硕士学位,1968年获伊利诺伊大学博士学位;1985年获选为美国科学院院士;1993年获颁美国科学家最高荣誉的国家科学奖章;1994年获得IEEE荣誉勋章,表彰其为分子束外延的发展做出的开创性贡献;1996年6月7日当选为中国科学院外籍院士;2007年7月27日再度获得美国国家科学奖章并获得国家技术奖章;2009年2月11日,入选美国专利商标局(USPTO)“全国发明家名人堂”的名单。
 
2013年,第12届美国亚裔工程师年度颁奖大会,卓以和荣获“杰出科技成就奖”。卓以和在获奖感言中表示,“获得成功的重要一条是:你要把握住自己,喜爱自己的工作,有追求、有目的,以及付出更多的辛勤汗水。”
 
 1961年,卓以和加入高压工程公司(High Voltage Engineering Corporation)的子公司离子物理公司(Ion Physics Corporation),他研究了在强电场中带电的微米级固体颗粒;1962年,他加入加利福尼亚州雷东多海滩的TRW空间技术实验室,从事高电流密度离子束的研究;1965年,他回到伊利诺伊大学攻读博士学位,并于1968年加入贝尔实验室,
 
 卓以和发现当时工业界没有技术生产均匀而极薄的薄膜,于是思考利用离子喷射机原理分子束做这项技术,1970年,卓以和成功发明分子束外延技术(Molecular Beam Epitaxy,MBE),原理是将一层层原子射上去,使半导体薄膜的厚度大大降低,半导体制造精度由微米时代进入亚微米时代。
 
 卓以和教授是国际公认的分子束外延、人工微结构材料生长和在新型器件研究领域的奠基人与开拓者。对Ⅲ-V族化合物半导体、金属和绝缘体的异质外延和人工结构的量子阱、超晶格及调制掺杂微结构材料系统地开展了大量先驱性的研究工作。
 
从2004年开始,MBE群体捐赠出一笔资金成立“卓以和奖”,每隔一年的9月初,在MBE国际大会上颁发。这无疑是全体同业及同事对卓以和最高的肯定和敬意。
 
 四、张立纲:共振隧穿现象
 
 张立纲(Leroy L.Chang),1936年1月20日出生出生于河南焦作县;1948年抵达台湾,就读于台湾台中市立第二高级中学;1953年考入台湾大学电机工程系,主修电力工程,1957年,获得学士学位;1959年,经过两年的空军预备军官训练及服役后,赴美国南卡罗来纳大学电子电机工程系学习;1961年,获得硕士学位,进入斯坦福大学攻读固态电子、电机工程系博士学位;1963年博士毕业后进入IBM华生研究中心工作,历任分子束磊晶部经理(1975至1984年)及量子结构部经理(1985至1993年),研究领域也渐由电子器件转为材料测制及物理特性方面;1968年至1969年在美国麻省理工学院电机系工作,担任副教授;1988年当选为美国国家工程院院士;1993年任香港科技大学理学院院长;1994年当选为美国国家科学院院士、台湾“中央研究院”院士、香港工程科学院院士、中国科学院外籍院士;1998年至2001年出任香港科技大学副校长,2008年8月12日在美国洛杉矶去世。
 
 张立纲在半导体物理、材料科学与器件等多科性交叉形成的前沿领域--半导体量子阱、超晶格有许多原创性、开拓性的工作。共振隧穿二极管与张立纲的研究分不开。
 
 共振隧穿二极管是第一个集中研究的纳电子器件,是唯一可以采用集成电路技术进行设计和制造的器件 。可用于高频微波器件(震荡器、混频器)、高速数字电路(存储器)和光电集成电路(光电开关、光调节器)中。
 
 1969年IBM的江崎玲于奈(Reona Esaki)和朱兆祥(Raphael Tsu)在寻找具有负微分电阻(Negative Differential Resistance,NDR)特性的新器件时,提出了一个全新的革命性概念:半导体超晶格(SuperLattice)并在1973年预测在超晶格的势垒结构中能产生共振隧穿(resonant tunneling)现象。
 
 1974年张立纲利用卓以和发明的分子束外延技术(MBE)制备了GaAa/AlXGaXAs异质结构并在其中观测到了微弱的NDR特性,证实了理论预测的共振隧穿现象,尽管当时观测到的NDR特性太小,无法实际应用,但为半导体科研工作开辟一崭新领域。其后这一领域得到积极的发展;不仅成为物理、材料及电子多学科的前瞻研究领域,同时也扩展及机械与生物系统方面,统称为纳米科技。
 
 随着MBE技术的进步,1983年MIT林肯实验室观测到了明显的共振隧穿现象,激发人们研究RTD的兴趣;1988年RTD集成器件成为研究的热点,德州仪器、贝尔实验室、富士通和日本电报电话公司(NTT)分别制备了RTBT、RTDQD、RTFET、RTHFET、RTHET、RTHEMT、RTLD等器件。
 
 五、胡正明:BSIM模型、鳍式场效晶体管 (FinFET)
 
 胡正明(Chenming Hu),1947年7月出生于中国北京;1968年在台湾大学电机系获学士学位;1969年赴美国加州大学伯克利分校留学,1970年获硕士学位,1973年获博士学位;1997年当选为美国工程科学院院士;2001年至2004年担任台积电(TSMC)首席技术官;2007年当选中国科学院外籍院士;2015年12月获得美国国家技术和创新奖;2016年5月19日获得美国国家科学奖章。
 
 胡正明教授是微电子微型化物理及可靠性物理研究的一位重要开拓者,对半导体器件的开发及未来的微型化做出了重大贡献。主要科技成就为:领导研究出BSIM,从实际MOSFET晶体管的复杂物理推演出数学模型,该数学模型于1997年被国际上38家大公司参与的晶体管模型理事会选为设计芯片的第一个且唯一的国际标准。
 
 1990年代发明了在国际上极受注目的鳍式场效晶体管(FinFET)和超薄绝缘层上硅体技术(FD-SOI)等多种新结构器件。这两个器件结构都集中在解决器件的漏电问题,罕见的是这两个器件结构最后竞均被工业界实现了。2011年5月英特尔宣布使用FinFET技术,包括台积电、三星、苹果也都陆续采用FinFET,胡正明开创了摩尔定律被唱衰后的新契机。
 
对微电子器件可靠性物理研究贡献突出:首先提出热电子失效的物理机制,开发出用碰撞电离电流快速预测器件寿命的方法,并且提出薄氧化层失效的物理机制和用高电压快速预测薄氧化层寿命的方法。首创了在器件可靠性物理的基础上的IC可靠性的计算机数值模拟工具。
 
胡正明教授还曾于1993年参与创办BTA Technology;2001年与Ultima Interconnect Technology合并成立BTA Ultima,后更名Celestry Design Technologies, Inc.;2003年被Cadence以1亿2千万美元并购。
 
在2019新思科技开发者大会上,胡正明教授通过视频给大家分享。并表示,他最近一直在进行“负电容晶体管”项目的研究,称是一种非常有潜力的新技术,可以把半导体功耗降低10倍,还可能带来更多好处。
 
胡正明教授在多个场合表示,集成电路产业可再成长100年,芯片功耗还可降低1000倍。线宽的微缩总是有一个极限的,到了某种程度,就没有经济效应驱动人们把这条路径继续走下去。但是我们并不一定非要一条路走到黑,我们也可以转换一个思路,同样可能实现我们想要达到的目的。
 
 六、张忠谋:定期降价策略;晶圆代工
 
 张忠谋(Morris Chang),1931年7月10日出生于浙江省宁波市鄞县;1932年迁居南京;1937年迁居广州,抗日战争爆发后迁居香港;1943年迁居重庆,进入南开中学就读;1945年抗战胜利,迁居上海,进入上海市南洋模范中学就读;1948年再度迁居香港;1949年赴美国波士顿就读哈佛大学;1950年转学麻省理工学院机械工,1952年获得学士学位,1953年获得硕士学位;1954年和1955年两次博士资格考试落第;1955年进入希凡尼亚公司(Sylvania)半导体部门工作,正式进入半导体领域;1958年至1963年在德州仪器半导体事业部担任工程经理;1964年获得斯坦福大学电机工程学系博士;1965年至1966年担任德州仪器锗晶体管部总经理;1966年至1967年担任德州仪器集成电路部总经理;1967年至1972年担任德州仪器副总裁;1972年升任德州仪器集团资深副总裁及半导体集团总经理;1983年因理念与德州仪器董事会不合而离开;1984年担任通用仪器公司总裁;1985年至1988年应邀回台湾担任工业技术研究院院长;1987年创办台积电。
 
 “定期降价策略”让张忠谋扬名全球电子业。时在德州仪器时,他首先发动了DRAM大战。那是1972年,当时市场上的存储器主力产品只有1K,德州仪器的最大竞争者就是英特尔。张忠谋看准机会,超前两个等级,从4K起步,一跃成为业界霸主,令不可一世的英特尔甘拜下风。更让竞争对手不安的是,张忠谋与客户协定,每季降价10%,这记狠招,让对手一个个败下阵来。他颇为得意:“要吓退竞争者,这是唯一的办法。”不久,张忠谋的“定期降价策略”便成为电子产业的一项标准,当时一再坚持不降价的英特尔,后来也不得不把这一策略奉为竞争的法宝。“定期降价策略”振动了产业界,改写了半导体游戏规则。
 
 “晶圆代工”让半导体业态发生根本变化。张忠谋给半导体产业带来最大的变革是建立晶圆代工业(Foundry)。
 
 1958年集成电路的发明,让许多的半导体元件可以一次放在一块晶片上。随著线宽的缩小,容纳的晶体管数目,约每隔两年便会增加一倍、性能每18个月能提升一倍。从1958年代不到10个,到1971年的2000个,1980年代增加到10万个、1990年代增加到1000万个。这个现象由英特尔的名誉董事长摩尔所提出,称为摩尔定律 (Moore’s Law)。如今,集成电路上的元件高达数亿至数十亿个。
 
 早期,半导体公司多是从IC设计、制造、封装、测试到销售都一手包办的整合元件制造商(IDM),如英特尔、德州仪器、摩托罗拉、三星、飞利普、东芝,以及本土的华润微、士兰微。
 
 然而,由于摩尔定律的关系,半导体晶片的设计和制作越来越複杂、花费越来越高,单独一家半导体公司往往无法负担高额研发与制作费用,因此到了1980年代末期,半导体产业逐渐走向专业分工的模式,有些公司专门设计、再交由其他公司做晶圆代工和封装测试。
 
 其中的重要里程碑莫过于1987年,张忠谋在台湾新竹科学园区创建了全球第一家专业晶圆代工公司台积电(TSMC),并迅速发展为台湾半导体业的领头羊。
 
 台积电在张忠谋的带领下成为全球最大的晶圆代工厂,制程工艺也一步步逼近甚至超越英特尔公司,在全球晶圆代工产业中占据了56%的份额,遥遥领先其他对手。
 
 由于一家公司只做设计、制程交给其他公司,容易令人担心机密外洩的问题(比如高通和海思两家彼此竞争的IC设计厂商同时请台积电代工,等于台积电知道了两家的秘密),故一开始台积电并不被市场看好。
 
 然而,台积电本身没有出售晶片、纯粹做晶圆代工,更能替各家晶片商设立特殊的生产线,并严格保有客户隐私,获得了客户的信任,从而也推动了Fabless的发展。
 
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