半導體與貝爾實驗室

2023年7月28日台積電盛大地慶祝其永久性研發大樓的落成，過去台積電的研發中心都是跟著不同的廠區而遷移，逐水草而居，如今擁有永續基地。

這棟大樓可容納超過7,000名研究人員，而台積電的研發經費，多年來都佔其營收的8%。以去年（2022年）超過730億美元營收，研發經費就將近55億美元。所以創辦人張忠謀特別提到，台積電的研發經費，遠遠超過麻省理工學院（MIT）1年約20億美元的研究經費。

董事長劉德音在研發大樓落成慶祝儀式中，特別提到希望將台積電的研發中心，打造成台版貝爾實驗室。



貝爾實驗室這座我學生時代心目中的科學聖地，是造就15位諾貝爾獎得主的殿堂，包括2位華裔的崔琦及朱棣文教授。研究半導體的學者若此生沒到過貝爾實驗室做過一段時間的研究，如同伊斯蘭教信徒沒去過麥加朝聖般。

貝爾實驗室的經費來自於母公司美國電話及電報公司（AT&T）。1982年全盛時期，貝爾實驗室經費是16億美元，員工2.2萬名，其中博士學位者超過3,000人。當時AT&T年營收是347億美元，佔當時美國GDP的1.1%，所以貝爾實驗室的研發經費是AT&T營收的4.6%。1984年因為反壟斷法的關係，AT&T拆分7家獨立的區域型電話公司，從此貝爾實驗室的經費及重要性開始走下坡，如今已成為諾基亞（Nokia）旗下一員。

眾所周知電晶體的發明，誕生於1947年的貝爾實驗室，除此之外MOS電晶體、非揮發記憶體floating gate、半導體雷射，甚至於也拿過諾貝爾獎的CCD元件，皆出自於貝爾實驗室，當然還有更多在半導體領域重要發明。

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貝爾實驗室從1940年代，一直到1990年代，在半導體領域的研究上一直是獨領風騷。

MOS電晶體以及其所衍生的CMOS，是所有積體電路以及分離器件中最被廣泛使用的元件結構，於1959年由Mohamed Atalla以及韓裔的Dawon Khang（姜大元）博士在貝爾實驗室所共同發明。MOS元件的特點在於，在電晶體的控制端—閘極（gate）金屬下方成長一層薄的二氧化矽絕緣層，可利用絕緣層的電容來控制輸出的電荷量，同時不會有電流流進閘極。當電晶體尺寸愈做愈小的同時，MOS所消耗的功率愈少，而操作的速度就愈快，成就摩爾定律，也造就今日世界。

現今半導體兩大記憶體分別是DRAM以及Flash（NAND、NOR），DRAM是1966年由IBM所發明，其作用是將電荷儲存在矽半導體所製作的電容內，並由電荷電位的高低決定記憶的位元是0或1。但是半導體內的電容很容易漏電，隨時得補充電荷以維持記憶狀態，一旦關掉電源記憶隨即消失，故被稱為揮發性記憶體（volatile memory）。

Flash是非揮發性記憶體（non-volatile memory），即使無電源供應，記憶狀態依舊保持。其中最關鍵的結構floating gate，是施敏教授（S.M. Sze）與姜大元博士於1967年提出。此架構是將儲存電荷的閘極，完全包覆在二氧化矽絕緣層內，不會有漏電流發生，而電荷是利用量子穿隧效應（tunneling）注入進floating gate。

據施敏教授口述，他是在實驗室大樓自助餐廳看到鮮奶油蛋糕，在蛋糕內的層與層之間，塗了一層薄的鮮奶油，激發floating gate這個創意。此一重要創舉，第一次投稿時卻被學術期刊的編輯退件，最後是刊登在貝爾實驗室所辦的學術期刊內。

談論到施敏教授，必須得提他所著作的《半導體元件物理》（Physics of Semiconductor Devices）一書，該書是是半導體領域的聖經。我在研究所時讀的是1981年的第二版，全書有880頁。有一整年的時間對我而言，幾乎是晨昏定省，從第一章第一節，研讀到最後一章完。到後來整本書的封皮都剝落了，有時讀累了就趴在書上小憩，書本中難免夾雜個人的汗水及口水。

施敏教授是向貝爾實驗室申請，全職來寫這本書，這本書內容廣泛且論述清晰，尤其參考資料非常豐富。《半導體元件物理》不僅是本教科書，也是做研究所需的入門書籍。據他本人描述，所收集的論文資料，堆起來有一個人高度。施教授寫書的時候，在他的書桌旁放了一個字紙簍，如果他看不懂的文章就丟到裡面。他說如果連他都看不懂，那很難有人會懂了。

據統計在美國有4成科學家，其出生地非來自本土，相信在貝爾實驗室的比例更高。Atalla出生地是埃及，姜大元博士是南韓，施敏教授出生於南京，在台灣完成大學教育。即便連兩位因CCD發明而獲得諾貝爾獎的 Willard Boyle及 George Smith，前者也來自於加拿大。惋惜的是在南韓被視為國寶的姜大元博士，不幸於1992年在結束學術會議，返家途中昏倒過世，否則也極有可能獲得諾貝爾的殊榮。

最後，我們祝賀台積電研發中心的落成及運作，也期望一如貝爾實驗室能吸引國際一流人才進駐，引領半導體相關領域的研究，邁入下一個新紀元。