半导体与贝尔实验室

2023年7月28日台积电盛大地庆祝其永久性研发大楼的落成，过去台积电的研发中心都是跟着不同的厂区而迁移，逐水草而居，如今拥有永续基地。

这栋大楼可容纳超过7,000名研究人员，而台积电的研发经费，多年来都占其营收的8%。以去年（2022年）超过730亿美元营收，研发经费就将近55亿美元。所以创始人张忠谋特别提到，台积电的研发经费，远远超过麻省理工学院（MIT）1年约20亿美元的研究经费。

董事长刘德音在研发大楼落成庆祝仪式中，特别提到希望将台积电的研发中心，打造成台版贝尔实验室。



贝尔实验室这座我学生时代心目中的科学圣地，是造就15位诺贝尔奖得主的殿堂，包括2位华裔的崔琦及朱棣文教授。研究半导体的学者若此生没到过贝尔实验室做过一段时间的研究，如同伊斯兰教信徒没去过麦加朝圣般。

贝尔实验室的经费来自于母公司美国电话及电报公司（AT&T）。1982年全盛时期，贝尔实验室经费是16亿美元，员工2.2万名，其中博士学位者超过3,000人。当时AT&T年营收是347亿美元，占当时美国GDP的1.1%，所以贝尔实验室的研发经费是AT&T营收的4.6%。1984年因为反垄断法的关系，AT&T拆分7家独立的区域型电话公司，从此贝尔实验室的经费及重要性开始走下坡，如今已成为诺基亚（Nokia）旗下一员。

众所周知晶体管的发明，诞生于1947年的贝尔实验室，除此之外MOS晶体管、非挥发存储器floating gate、半导体雷射，甚至于也拿过诺贝尔奖的CCD元件，皆出自于贝尔实验室，当然还有更多在半导体领域重要发明。

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贝尔实验室从1940年代，一直到1990年代，在半导体领域的研究上一直是独领风骚。

MOS晶体管以及其所衍生的CMOS，是所有集成电路以及分离器件中最被广泛使用的元件结构，于1959年由Mohamed Atalla以及韩裔的Dawon Khang（姜大元）博士在贝尔实验室所共同发明。MOS元件的特点在于，在晶体管的控制端—闸极（gate）金属下方成长一层薄的二氧化矽绝缘层，可利用绝缘层的电容来控制输出的电荷量，同时不会有电流流进闸极。当晶体管尺寸愈做愈小的同时，MOS所消耗的功率愈少，而操作的速度就愈快，成就摩尔定律，也造就今日世界。

现今半导体两大存储器分别是DRAM以及Flash（NAND、NOR），DRAM是1966年由IBM所发明，其作用是将电荷储存在矽半导体所制作的电容内，并由电荷电位的高低决定记忆的位元是0或1。但是半导体内的电容很容易漏电，随时得补充电荷以维持记忆状态，一旦关掉电源记忆随即消失，故被称为挥发性存储器（volatile memory）。

Flash是非挥发性存储器（non-volatile memory），即使无电源供应，记忆状态依旧保持。其中最关键的结构floating gate，是施敏教授（S.M. Sze）与姜大元博士于1967年提出。此架构是将储存电荷的闸极，完全包覆在二氧化矽绝缘层内，不会有漏电流发生，而电荷是利用量子穿隧效应（tunneling）注入进floating gate。

据施敏教授口述，他是在实验室大楼自助餐厅看到鲜奶油蛋糕，在蛋糕内的层与层之间，涂了一层薄的鲜奶油，激发floating gate这个创意。此一重要创举，第一次投稿时却被学术期刊的编辑退件，最后是刊登在贝尔实验室所办的学术期刊内。

谈论到施敏教授，必须得提他所着作的《半导体元件物理》（Physics of Semiconductor Devices）一书，该书是是半导体领域的圣经。我在研究所时读的是1981年的第二版，全书有880页。有一整年的时间对我而言，几乎是晨昏定省，从第一章第一节，研读到最后一章完。到后来整本书的封皮都剥落了，有时读累了就趴在书上小憩，书本中难免夹杂个人的汗水及口水。

施敏教授是向贝尔实验室申请，全职来写这本书，这本书内容广泛且论述清晰，尤其参考数据非常丰富。《半导体元件物理》不仅是本教科书，也是做研究所需的入门书籍。据他本人描述，所收集的论文数据，堆起来有一个人高度。施教授写书的时候，在他的书桌旁放了一个字纸篓，如果他看不懂的文章就丢到里面。他说如果连他都看不懂，那很难有人会懂了。

据统计在美国有4成科学家，其出生地非来自本土，相信在贝尔实验室的比例更高。Atalla出生地是埃及，姜大元博士是韩国，施敏教授出生于南京，在台湾完成大学教育。即便连两位因CCD发明而获得诺贝尔奖的 Willard Boyle及 George Smith，前者也来自于加拿大。惋惜的是在韩国被视为国宝的姜大元博士，不幸于1992年在结束学术会议，返家途中昏倒过世，否则也极有可能获得诺贝尔的殊荣。

最后，我们祝贺台积电研发中心的落成及运作，也期望一如贝尔实验室能吸引国际一流人才进驻，引领半导体相关领域的研究，迈入下一个新纪元。