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矽晶・電子:電晶體誕生的故事

 
 
 

70年前在貝爾實驗室誕生了一個小發明,誰也想不到一顆小小的元件居然成為20世紀人類科技文明最重要的一項發明,它就是電晶體。

 

電晶體

 

過去半個世紀以來,寶島台灣從一個以傳統加工出口產業為導向的蕞爾小島,轉變成為一個以高科技產品製造聞名的科技矽島,經歷過的發展歷史與背景,以及中間所牽涉到的真人真事與英雄事蹟,每一個小故事都與台灣的發展有舉足輕重的影響,但也很難在短短的幾頁文字中訴說清楚。不論是近來最熱門的結合虛擬實境及擴充實境技術的寶可夢遊戲、最新的iPhone手機、下個世代的AMOLED或Micro LED面板,乃至於AI人工智慧跟大數據等產業,都與一個已經在人類的科技史上留名的小東西有關,那就是—電晶體。

 

本文希望藉由這個機會跟《科學發展》月刊的讀者們分享關於電晶體誕生的小故事、半導體產業怎麼在台灣發展起來的,以及今後可能的演進和對未來台灣可能產生的影響。就如同其他的科學或工程技術,電晶體最初的發明並非與現今的應用有直接關聯,因此現在帶各位回到過去,回味一下電晶體的發明過程。

 

什麼是電晶體

 

電晶體的發明徹底顛覆了傳統對於科技的想像。到底什麼是電晶體呢?這得從其英文命名Transistor來談才容易了解。Transistor其實是二個英文字根的組成:tran和resistor(電阻),大家從中學的課本就可以初步認識到電阻,簡單來說,電阻是對電子傳導具有某種程度影響的電子元件,這裡所謂的影響可由電阻的大小來描述,若電阻值大時,意味著通過的電子數目較少(或者可以想成電子移動的速度較慢)。同理,若電阻變小,代表電子較容易傳導。

 

Tran-sistor可想成是一個可以被「跨過、穿越」的電阻,何謂「跨過、穿越」呢?就是在電晶體中,透過一個額外的控制接點,控制電晶體中的電阻(trans一般可視為間接的意思)。實務上可以藉由電壓來控制接點,以改變流經這電阻的電流。早期的電話網路採用真空管來放大語音訊號,如此才能在電話網路中長途傳輸。但是真空管有許多缺點,例如:語音訊號傳輸過程中消耗大量電力、產生大量的熱,且真空管非常嬌弱、容易燒壞。因此貝爾實驗室於1945年開始研究替代方案,以半導體元件來取代真空管放大器。

 

電晶體的誕生

 

電晶體誕生的故事中最重要的3位科學家是蕭克利(William Shockley, 1910-1989)、布萊頓(Walter Brattain, 1902-1987)及巴丁(John Bardeen, 1908-1991)。蕭克利雖然年紀最輕,卻在研究團隊裡扮演領導者的角色,常常發想出許多有趣且富有挑戰性的點子。巴丁則擅長理論計算,布萊頓非常喜歡動手做實驗,3人團隊形成很好的互補。

 

蕭克利驗證理論時,他用1千伏特的電壓為金屬板充電,然後讓它距離半導體表面1毫米,卻發現行不通。他在實驗日誌中記錄下「沒有可觀測到的電流變化」,他內心覺得這樣的結果「有點不尋常」。蕭克利認為只有釐清失敗的原因,才能找到成功的途徑,因此蕭克利請巴丁想方設法找出原因。他倆耗費無數小時討論所謂的「表面態」—物質表面原子層的電子特性和量子力學描述。

 

5個月後的某一天,巴丁忽然靈光乍現,領悟出實驗失敗的可能原因。他把這個想法寫在黑板上與3人團隊的另一位科學家布萊頓分享。

 

巴丁認為,半導體帶電後,電子會困在表層,無法自由移動,形成了一個不易跨越的屏障,即使相隔1毫米之外有強烈電場,都無法穿透壁壘。「新增的電子陷在表面態中,無法移動,」蕭克利指出:「事實上,表面態保護半導體內部不受帶正電荷的控制板影響。」在這樣的假設之下,研究小組有個新任務:設法打破半導體表面形成的屏障。「我們把焦點放在與巴丁的表面態相關的新實驗。」蕭克利解釋。他們必須突破壁壘,才能讓半導體發揮調節、開關和放大電流的功能。

 

科學家的恩怨情仇

 

嚴格來說,第一個電晶體的誕生,蕭克利並未參與其中。巴丁和布萊頓兩個人在1947年發明了點接觸電晶體(Point-contact Transistor)。申請專利時,巴丁和布萊頓也沒有把蕭克利的名字列為發明人,令蕭克利相當生氣難過。

 

這一個事件使原來氣氛和諧的3人研究小組出現嫌隙,蕭克利與另外兩人逐漸形同路人,巴丁和布萊頓的合作默契則越來越好。布萊頓很佩服地稱讚巴丁是最有智慧的人:「John Bardeen was the most intelligent human being that I've ever met.」

 

這一句話深深地刺激到蕭克利,他開始祕密研發另外一種接合電晶體(junction transistor),發憤圖強,並寫成一本《Electrons and Holes in Semiconductors》,後來這本書成為半導體教科書中的聖經。

 

接合電晶體比點接觸電晶體更容易製造,也更有商業價值。蕭克利在1951年獲得接合電晶體的專利,算是替自己出了一口氣。然而他並未與巴丁及布萊頓和解,倚仗主管的權威,不准巴丁和布萊頓做接合電晶體的研究。巴丁只好改做超導體(superconductor)研究,並於1951年離開貝爾實驗室。布萊頓不願和蕭克利共事,轉到了另一個團隊。從此巴丁和布萊頓再也沒對半導體研究做出任何貢獻,蕭克利則一直影響著半導體的主流研究。不過蕭克利強勢且鮮明的個性讓他很快地也和高層鬧翻,在兩年後黯然地離開貝爾實驗室。

 

電晶體的誕生顯然對人類生活已有重大的影響,數十年後各界仍然在紀念這個偉大的發明。

 

因諾貝爾桂冠一笑泯恩仇

 

1956年,因為一件大事,終於讓這3位曾經一起打拚後來卻分道揚鑣的科學家一笑泯恩仇,那就是他們3人共同獲得諾貝爾獎。巴丁只帶一位小孩參加當年的諾貝爾獎頒獎典禮,另外兩位兒子沒有來。為此,惹得瑞典國王古斯塔夫六世(Gustaf VI Adolf, 1882-1973)有點不開心。

 

巴丁急忙保證,下次得獎,所有小孩一定都到齊。果然,巴丁因為超導體研究於1972年再度贏得諾貝爾獎。這次,他信守承諾,帶3個小孩參加頒獎典禮。巴丁離開貝爾實驗室後到伊利諾大學擔任教授,他指導的第一位學生就是大名鼎鼎、發明發光二極體LED的Holonyak。布萊頓則從一而終地待在貝爾實驗室,並未因為得諾貝爾獎後身價高漲而跳槽。蕭克利一生爭議不斷,晚年在史丹福大學任教,成為一位春風化雨的教授。

 

台灣半導體的推手

 

電晶體雖然誕生在美國,但是它的出現卻在地球另一端的小島─台灣悄悄地掀起一波巨大的革命。

 

講到台灣的半導體發展,不可不提到當時幾位高瞻遠矚的人,因為他們的決策及堅持才為台灣帶來數十年的半導體榮景。其中潘文淵博士可以算是台灣半導體的推手,1974年他受邀由美國返台,對台灣的產業未來給出相當前瞻的意見,當時他建議發展積體電路(Integrated Circuit, IC)技術。

 

然而由美國移轉IC技術的經費超過千萬美金,並且是當時不被看好的CMOS技術。財政部舉雙手反對,認為金額太大,浪費公帑。幸好在孫運璿及李國鼎兩位重量級人士的力挺下,蔣故總統經國先生始答應支持這個計畫。而CMOS技術又很幸運地成為後來的主流技術,台灣才有今日舉足輕重的半導體產業。工研院為了紀念「台灣積體電路之父」,於院內成立「潘文淵文物紀念館」,並由胡定華等人發起成立「潘文淵文教基金會」。

 

浮閘記憶體誕生50年

 

學術界也有許多對半導體領域有著巨大貢獻的重要發明,例如交通大學榮譽講座教授暨中央研究院院士施敏博士在1967年發明了浮閘記憶體(floating gate),浮閘記憶體發明的重要性其實不亞於1945年電晶體的發明,有趣的是,浮閘記憶體誕生的故事和出生地與電晶體有著許多相似的地方。

 

1967年,同樣是在美國貝爾實驗室裡一個忙碌的角落,兩位研究員為了開發出一種更輕薄短小的元件來取代當時使用最廣泛的磁圈記憶體,經過了許多的實驗與驗證,歷經無數次的失敗,終於提出一種新的五層閘極結構儲存電子訊號,那就是第一個浮閘記憶體的誕生,那兩位科學家就是施敏博士及姜大元博士。

 

在過去50年間,浮閘記憶體已從一個浮閘概念延伸出許許多多各式各樣的記憶體元件,例如:FAMOS、SAMOS、快閃記憶體、多階記憶體及三維結構。自1990年起,浮閘記憶體開啟了「數位電子時代」,促成了所有現代電子產品的研發,記憶體已成為每個人生活中不可或缺的重要元件。

 

電晶體誕生在國家奈米元件實驗室

 

看了這麼多半導體界先聖先賢的故事,各位讀者是不是有所啟發呢?萬丈高樓平地起,其實很多偉大的創新及發明都是在微小的地方堅持、在繁瑣的過程中鑽研而意外得到的靈感及突破。

 

身為國家奈米元件實驗室(NDL)研發團隊的一員,肩負著國家賦予我們教育及研發的任務,因此一方面會把電晶體的製作流程、方法、設備及原理透過見習班的方式傳授給有興趣的學生;另一方面,也要緊盯著世界半導體的發展趨勢,時時刻刻關注新科技及新技術,確保我國在半導體領域的優勢。

 

這裡跟各位讀者分享幾個我們研發人員開發新世代電晶體的小故事。在NDL原本的半導體平台所製作的是超薄通道電晶體(ultra thin body transistor),類似於SOI(silicon on insulator)的結構,能夠有效地抑制漏電。但我們一直絞盡腦汁思考,如何在不犧牲閘極控制能力的情況下,提升元件的飽和電流。

 

在一次全球重要的電機電子國際會議(IEDM)中,嗅到了有一些公司及團隊開始嘗試在矽晶圓上製作出新型的電晶體結構—鰭式電晶體。鰭式電晶體是加州柏克萊大學的胡正明教授所發明的一種新型結構的電晶體,其特殊如魚鰭結構的通道使得閘極能夠更完整地包覆,進而減少漏電、提升性能。

 

於是,我們的研究人員就在思考,如何把這兩種電晶體結構的優點結合在一起,最終想到在超薄通道電晶體上把通道製作成高深寬比的鰭式結構,如此一來就可以同時達到低漏電及高驅動電流的結果。我們把這樣的研發成果發表在2016年的IEDM中。

 

另一個有趣的小故事是關於三維積體電路(3DIC),隨著摩爾定律的持續延伸,元件尺寸現在已經來到10 nm世代以下的境界。近幾年大家已經開始討論物理極限的困境,三維積體電路的概念就這樣誕生了。

 

NDL所開發的是積層型三維積體電路(monolithic 3DIC),在開發的過程中,遇到了一個困難,那就是當我們堆疊到第二層以上的元件時,一經過高溫的活化,不論是用爐管還是快速升溫退火設備,攝氏800度以上的高溫馬上就造成底層電晶體的損傷,因為當電晶體製作到後段製程時,其金屬連導線(metallization)可耐的溫度是低於攝氏600度的,這又讓我們研發團隊在活化這一個步驟卡關了。

 

在我們團隊中,有另外一批人是負責薄膜電晶體通道的開發,他們採用的方式是用雷射光把非晶矽透過高能量使其相變化成多晶矽通道。某一天,他們在用雷射光掃描晶片時,忽然靈光乍現,這樣的雷射光是否可以用於三維積體電路的活化製程。結果發現使用雷射光做三維積體電路的活化,不僅可以減少電晶體活化的時間,抑制摻雜物熱擴散的結果,更可以透過波長的選擇,控制雷射光穿透的深度,達到在不傷害下層電晶體的情況下,能夠進行上層電晶體的完美活化。

 

下個世代的電晶體

 

今年是電晶體的70歲生日,現在大家看到的電晶體形貌已經跟當初的樣子有很大的差別。隨著科技的進步,各種固態物理理論的完善,半導體製程也從數百微米的尺寸微縮到現今的次十奈米大小。過去數十年大家奉為圭臬的摩爾定律,如今已漸漸逼近物理極限,這是發明電晶體的科學家們始料未及的。

 

電晶體的未來會逐漸走向一個全然不同的方向:不同的材料、不同的結構或三維堆疊技術都會繼續延長電晶體的壽命。不久的未來,我們將看到鍺、二維材料、三五族材料這些新希望持續地延續下個世代電晶體璀璨的大道。

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