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影響半導體發展進程的六個中國人

2020-01-17 10:04:49 來源:芯思想
1947年12月,美國貝爾實驗室的肖克利、巴丁和布拉頓組成的研究小組,研制出一種點接觸型的鍺晶體管,這是全球第一個半導體器件。在半導體發展的70多年歷史中,中國人依靠聰明才智,發揮了重要的作用。

一、薩支唐:CMOS技術

 薩支唐(Chih-Tang Sah),1932年11月10日生于北京;長期致力于半導體器件和微電子學研究,對發展晶體管、集成電路以及可靠性研究作出了里程碑性質的貢獻。父親本棟是第一屆中央研究院院士、國立廈門大學第一任校長。

 1949年薩支唐從福州英華中學畢業,赴美國就讀于伊利諾伊大學香檳分校,1953年獲電機工程學士和工程物理學士;1954年、1956年在斯坦福大學分別獲電機工程碩士、博士學位。1956年博士畢業后,薩支唐加入肖克利半導體實驗室,跟隨肖克利在工業界共同從事固態電子學方面的研究;1959年至1964年供職于仙童半導體;1962年加入伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校,任物理系和電子及計算機系教授達26年,培養出40名博士;1962年獲得獲得IEEE Browder H. Thompson論文獎;1981年獲得IEEE電子器件最高榮譽獎(J.J. Ebers獎);1986年當選為美國國家工程院院士;1988年在佛羅里達大學擔任教授至今;1989年獲得IEEE Jack Morton獎,表彰其對晶體管物理和技術的貢獻;1998年獲半導體工業協會(SIA)最高獎;2000年當選為中國科學院外籍院士;2010年受聘任擔任廈門大學物理與機電工程學院教授。

 1959年進入仙童公司,在戈登·摩爾的領導下,薩支唐開展了平面硅基集成電路的研發,解決了一系列重要的技術問題,做出過非常重要的貢獻,并擔任固態物理組經理,帶領一個64人的研究組從事第一代硅基二極管、MOS晶體管和集成電路的制造工藝研究,。

 1962年,從鹽湖城猶他大學博士畢業的Frank M. Wanlass加入仙童半導體,安排在由薩支唐領導的固態物理組。緣于博士期間在RCA工作的緣故,Wanlass對FET場效應晶體管非常感興趣。

 1963年的固態電路大會上,Wanlass提交了一份與薩支唐合寫的關于CMOS的構想論文,同時還用了一些實驗數據對CMOS技術進行了大概的解釋,關于CMOS的主要特征也基本確定:靜態電源功率密度低;工作電源功率密度高,能夠形成高密度的場效應真空三極管邏輯電路。換句話說,CMOS是NMOS和PMOS的有機組合,構成邏輯器件。其特點是該器件在邏輯狀態轉換時才會產生大電流,面在穩定狀態時只有極小的電流通過。

 薩支唐和Wanlass當初提出的CMOS,只是指一種技術、一種工藝,而不是具體的某一種產品,這一制造工藝的最大特點就是低功耗,利用CMOS工藝可以制造出多種產品。除了功耗低,CMOS還具有速度快、抗干擾能力強、集成密度高、封裝成本逐漸降低等優點。

 1966年,美國RCA公司研制出CMOS集成電路,并研制出第一塊門陣列(50門);1974年,RCA公司推出第一個CMOS微處理器1802;1981年,64K CMOS SRAM問世,之后,人們利用CMOS工藝制造出越來越多的產品。

 CMOS技術的提出與發展,解決了功耗的難題,得以推動集成電路按照摩爾定律不斷向前發展。

 二、施敏:NVSM技術

 施敏(Simon Sze),1936年3月21日出生于江蘇省南京市。微電子、半導體器件專家,1994年當選為臺灣中央研究院士,1995年當選美國工程院院士,1998年6月當選為中國工程院外籍院士。1991年獲得IEEE電子器件最高榮譽獎(J.J. Ebers獎);2017年與Gordon E Moore(摩爾定律之父)共同獲得IEEE Celebrated Member(尊榮會員)稱號;三獲“諾貝爾物理學獎”提名。

1936年3月21日出生于江蘇省南京市。父親施家福是礦冶專家,母親齊祖詮畢業于清華大學。此時的中國,戰火紛飛,從重慶、昆明、天津 、北京、沈陽、上海,施敏就讀的小學換了多個學校,盡管如此,學業沒有被耽誤。1948年12月,父親施家福被調派至基隆金瓜石,于是施敏隨著父母來到臺灣。離開了戰火的紛擾,施敏順利的在建國中學完成了中學學業,1953年進入臺灣大學電機系,畢業時其論文是“電阻電容震蕩器之研究Study of RC Oscillators”.

 1957年大學畢業后,施敏入伍接受第六期預備軍官訓練,1958年任空軍少尉,1959年2月退役。1959年3月,施敏前往美國西雅圖的華盛頓大學求學,師從魏凌云教授,得以第一次接觸半導體,其碩士論文“鋅和錫在銻化銦中的擴散Diffusion of Zinc and Tin in Indium Antimonide”。1960年施敏碩士畢業,隨即進入斯坦福大學深造,師從John Moll教授。其博士論文是“Range-Energy Relation of Hot Electrons in Gold”是在半導體上長一層薄薄的金薄膜,研究熱電子要薄膜中的傳輸情形。

 此時,半導體公司正在加速擴張。貝爾實驗室、通用電子、西屋電子、惠普、IBM、RCA等都為施敏開出了很高的薪資(12000-14400美元之間),給出的工作崗位分別是:通用電子的功率半導體部門、貝爾實驗室的半導體部門、IBM的顯示部門。

 1963年博士畢業后的施敏聽從John Moll教授的忠告,選擇進入了貝爾實驗室。從1963年到1972年,施敏每年發表的論文超過10篇。

 1967年,他在貝爾實驗室工作時,和韓裔同事姜大元(Dawon Kahng)休息吃甜點時,用了一層又一層的涂醬,觸動了二人的靈感,想到在金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)中間加入一層金屬層,結果發明了浮柵非揮發MOS場效應記憶晶體管(Non-Volatile Semiconductor Memory,NVSM)。

 使得晶體管的閘極由上而下分別為金屬層、氧化層、金屬浮柵層、一層較薄的氧化層,以及最下面的半導體,而中間的金屬層因為上、下都是絕緣的氧化層,在施加電壓時,可以將電子吸進去保存,改變電路的導通性,而這層金屬的上、下都是絕緣體,如果不再度施加反向電壓的話,電荷會一直保存在里面,斷電后資料也不會消失。

 然而,在1967年提出該技術時,在業界沒有掀起太大漣漪,但好技術終究不寂寞,30年后在閃存應用的帶動下,終究大放異彩,施敏發明的非揮發性存儲技術的重要性也斷被提及重視,成為現今NAND Flash(閃存)的基礎核心。

 三、卓以和:分子束外延技術(MBE)

 卓以和(Alfred Y. Cho),1937年出生于北京;1949年赴香港就讀于培正中學;1955年赴美國就讀于伊利諾斯大學,1960年獲理學學士,1961年獲得碩士學位,1968年獲伊利諾伊大學博士學位;1985年獲選為美國科學院院士;1993年獲頒美國科學家最高榮譽的國家科學獎章;1994年獲得IEEE榮譽勛章,表彰其為分子束外延的發展做出的開創性貢獻;1996年6月7日當選為中國科學院外籍院士;2007年7月27日再度獲得美國國家科學獎章并獲得國家技術獎章;2009年2月11日,入選美國專利商標局(USPTO)“全國發明家名人堂”的名單。

2013年,第12屆美國亞裔工程師年度頒獎大會,卓以和榮獲“杰出科技成就獎”。卓以和在獲獎感言中表示,“獲得成功的重要一條是:你要把握住自己,喜愛自己的工作,有追求、有目的,以及付出更多的辛勤汗水。”

 1961年,卓以和加入高壓工程公司(High Voltage Engineering Corporation)的子公司離子物理公司(Ion Physics Corporation),他研究了在強電場中帶電的微米級固體顆粒;1962年,他加入加利福尼亞州雷東多海灘的TRW空間技術實驗室,從事高電流密度離子束的研究;1965年,他回到伊利諾伊大學攻讀博士學位,并于1968年加入貝爾實驗室,

 卓以和發現當時工業界沒有技術生產均勻而極薄的薄膜,于是思考利用離子噴射機原理分子束做這項技術,1970年,卓以和成功發明分子束外延技術(Molecular Beam Epitaxy,MBE),原理是將一層層原子射上去,使半導體薄膜的厚度大大降低,半導體制造精度由微米時代進入亞微米時代。

 卓以和教授是國際公認的分子束外延、人工微結構材料生長和在新型器件研究領域的奠基人與開拓者。對Ⅲ-V族化合物半導體、金屬和絕緣體的異質外延和人工結構的量子阱、超晶格及調制摻雜微結構材料系統地開展了大量先驅性的研究工作。

從2004年開始,MBE群體捐贈出一筆資金成立“卓以和獎”,每隔一年的9月初,在MBE國際大會上頒發。這無疑是全體同業及同事對卓以和最高的肯定和敬意。

 四、張立綱:共振隧穿現象

 張立綱(Leroy L.Chang),1936年1月20日出生出生于河南焦作縣;1948年抵達臺灣,就讀于臺灣臺中市立第二高級中學;1953年考入臺灣大學電機工程系,主修電力工程,1957年,獲得學士學位;1959年,經過兩年的空軍預備軍官訓練及服役后,赴美國南卡羅來納大學電子電機工程系學習;1961年,獲得碩士學位,進入斯坦福大學攻讀固態電子、電機工程系博士學位;1963年博士畢業后進入IBM華生研究中心工作,歷任分子束磊晶部經理(1975至1984年)及量子結構部經理(1985至1993年),研究領域也漸由電子器件轉為材料測制及物理特性方面;1968年至1969年在美國麻省理工學院電機系工作,擔任副教授;1988年當選為美國國家工程院院士;1993年任香港科技大學理學院院長;1994年當選為美國國家科學院院士、臺灣“中央研究院”院士、香港工程科學院院士、中國科學院外籍院士;1998年至2001年出任香港科技大學副校長,2008年8月12日在美國洛杉磯去世。

 張立綱在半導體物理、材料科學與器件等多科性交叉形成的前沿領域--半導體量子阱、超晶格有許多原創性、開拓性的工作。共振隧穿二極管與張立綱的研究分不開。

 共振隧穿二極管是第一個集中研究的納電子器件,是唯一可以采用集成電路技術進行設計和制造的器件 。可用于高頻微波器件(震蕩器、混頻器)、高速數字電路(存儲器)和光電集成電路(光電開關、光調節器)中。

 1969年IBM的江崎玲于奈(Reona Esaki)和朱兆祥(Raphael Tsu)在尋找具有負微分電阻(Negative Differential Resistance,NDR)特性的新器件時,提出了一個全新的革命性概念:半導體超晶格(SuperLattice)并在1973年預測在超晶格的勢壘結構中能產生共振隧穿(resonant tunneling)現象。

 1974年張立綱利用卓以和發明的分子束外延技術(MBE)制備了GaAa/AlXGaXAs異質結構并在其中觀測到了微弱的NDR特性,證實了理論預測的共振隧穿現象,盡管當時觀測到的NDR特性太小,無法實際應用,但為半導體科研工作開辟一嶄新領域。其后這一領域得到積極的發展;不僅成為物理、材料及電子多學科的前瞻研究領域,同時也擴展及機械與生物系統方面,統稱為納米科技。

 隨著MBE技術的進步,1983年MIT林肯實驗室觀測到了明顯的共振隧穿現象,激發人們研究RTD的興趣;1988年RTD集成器件成為研究的熱點,德州儀器、貝爾實驗室、富士通和日本電報電話公司(NTT)分別制備了RTBT、RTDQD、RTFET、RTHFET、RTHET、RTHEMT、RTLD等器件。

 五、胡正明:BSIM模型、鰭式場效晶體管 (FinFET)

 胡正明(Chenming Hu),1947年7月出生于中國北京;1968年在臺灣大學電機系獲學士學位;1969年赴美國加州大學伯克利分校留學,1970年獲碩士學位,1973年獲博士學位;1997年當選為美國工程科學院院士;2001年至2004年擔任臺積電TSMC)首席技術官;2007年當選中國科學院外籍院士;2015年12月獲得美國國家技術和創新獎;2016年5月19日獲得美國國家科學獎章。

 胡正明教授是微電子微型化物理及可靠性物理研究的一位重要開拓者,對半導體器件的開發及未來的微型化做出了重大貢獻。主要科技成就為:領導研究出BSIM,從實際MOSFET晶體管的復雜物理推演出數學模型,該數學模型于1997年被國際上38家大公司參與的晶體管模型理事會選為設計芯片的第一個且唯一的國際標準。

 1990年代發明了在國際上極受注目的鰭式場效晶體管(FinFET)和超薄絕緣層上硅體技術(FD-SOI)等多種新結構器件。這兩個器件結構都集中在解決器件的漏電問題,罕見的是這兩個器件結構最后競均被工業界實現了。2011年5月英特爾宣布使用FinFET技術,包括臺積電、三星、蘋果也都陸續采用FinFET,胡正明開創了摩爾定律被唱衰后的新契機。

對微電子器件可靠性物理研究貢獻突出:首先提出熱電子失效的物理機制,開發出用碰撞電離電流快速預測器件壽命的方法,并且提出薄氧化層失效的物理機制和用高電壓快速預測薄氧化層壽命的方法。首創了在器件可靠性物理的基礎上的IC可靠性的計算機數值模擬工具。

胡正明教授還曾于1993年參與創辦BTA Technology;2001年與Ultima Interconnect Technology合并成立BTA Ultima,后更名Celestry Design Technologies, Inc.;2003年被Cadence以1億2千萬美元并購。

在2019新思科技開發者大會上,胡正明教授通過視頻給大家分享。并表示,他最近一直在進行“負電容晶體管”項目的研究,稱是一種非常有潛力的新技術,可以把半導體功耗降低10倍,還可能帶來更多好處。

胡正明教授在多個場合表示,集成電路產業可再成長100年,芯片功耗還可降低1000倍。線寬的微縮總是有一個極限的,到了某種程度,就沒有經濟效應驅動人們把這條路徑繼續走下去。但是我們并不一定非要一條路走到黑,我們也可以轉換一個思路,同樣可能實現我們想要達到的目的。

 六、張忠謀:定期降價策略;晶圓代工

 張忠謀(Morris Chang),1931年7月10日出生于浙江省寧波市鄞縣;1932年遷居南京;1937年遷居廣州,抗日戰爭爆發后遷居香港;1943年遷居重慶,進入南開中學就讀;1945年抗戰勝利,遷居上海,進入上海市南洋模范中學就讀;1948年再度遷居香港;1949年赴美國波士頓就讀哈佛大學;1950年轉學麻省理工學院機械工,1952年獲得學士學位,1953年獲得碩士學位;1954年和1955年兩次博士資格考試落第;1955年進入希凡尼亞公司(Sylvania)半導體部門工作,正式進入半導體領域;1958年至1963年在德州儀器半導體事業部擔任工程經理;1964年獲得斯坦福大學電機工程學系博士;1965年至1966年擔任德州儀器鍺晶體管部總經理;1966年至1967年擔任德州儀器集成電路部總經理;1967年至1972年擔任德州儀器副總裁;1972年升任德州儀器集團資深副總裁及半導體集團總經理;1983年因理念與德州儀器董事會不合而離開;1984年擔任通用儀器公司總裁;1985年至1988年應邀回臺灣擔任工業技術研究院院長;1987年創辦臺積電

 “定期降價策略”讓張忠謀揚名全球電子業。時在德州儀器時,他首先發動了DRAM大戰。那是1972年,當時市場上的存儲器主力產品只有1K,德州儀器的最大競爭者就是英特爾。張忠謀看準機會,超前兩個等級,從4K起步,一躍成為業界霸主,令不可一世的英特爾甘拜下風。更讓競爭對手不安的是,張忠謀與客戶協定,每季降價10%,這記狠招,讓對手一個個敗下陣來。他頗為得意:“要嚇退競爭者,這是唯一的辦法。”不久,張忠謀的“定期降價策略”便成為電子產業的一項標準,當時一再堅持不降價的英特爾,后來也不得不把這一策略奉為競爭的法寶。“定期降價策略”振動了產業界,改寫了半導體游戲規則。

 “晶圓代工”讓半導體業態發生根本變化。張忠謀給半導體產業帶來最大的變革是建立晶圓代工業(Foundry)。

 1958年集成電路的發明,讓許多的半導體元件可以一次放在一塊晶片上。隨著線寬的縮小,容納的晶體管數目,約每隔兩年便會增加一倍、性能每18個月能提升一倍。從1958年代不到10個,到1971年的2000個,1980年代增加到10萬個、1990年代增加到1000萬個。這個現象由英特爾的名譽董事長摩爾所提出,稱為摩爾定律 (Moore’s Law)。如今,集成電路上的元件高達數億至數十億個。

 早期,半導體公司多是從IC設計、制造、封裝、測試到銷售都一手包辦的整合元件制造商(IDM),如英特爾、德州儀器、摩托羅拉、三星、飛利普、東芝,以及本土的華潤微、士蘭微。

 然而,由于摩爾定律的關系,半導體晶片的設計和制作越來越複雜、花費越來越高,單獨一家半導體公司往往無法負擔高額研發與制作費用,因此到了1980年代末期,半導體產業逐漸走向專業分工的模式,有些公司專門設計、再交由其他公司做晶圓代工和封裝測試

 其中的重要里程碑莫過于1987年,張忠謀在臺灣新竹科學園區創建了全球第一家專業晶圓代工公司臺積電TSMC),并迅速發展為臺灣半導體業的領頭羊。

 臺積電在張忠謀的帶領下成為全球最大的晶圓代工廠,制程工藝也一步步逼近甚至超越英特爾公司,在全球晶圓代工產業中占據了56%的份額,遙遙領先其他對手。

 由于一家公司只做設計、制程交給其他公司,容易令人擔心機密外洩的問題(比如高通和海思兩家彼此競爭的IC設計廠商同時請臺積電代工,等于臺積電知道了兩家的秘密),故一開始臺積電并不被市場看好。

 然而,臺積電本身沒有出售晶片、純粹做晶圓代工,更能替各家晶片商設立特殊的生產線,并嚴格保有客戶隱私,獲得了客戶的信任,從而也推動了Fabless的發展。

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