半導(dǎo)體發(fā)明史回眸及其創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)力探討

王學(xué)良

（1.蘇州城市學(xué)院光學(xué)與電子信息工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215104；2.上海先進(jìn)半導(dǎo)體制造有限公司，上海 200233）

0 引言

信息、材料和能源被譽(yù)為人類文明的三大支柱，其中信息科技占據(jù)著很大的比重，而電子信息科技的發(fā)展依賴于半導(dǎo)體科技的發(fā)展。半導(dǎo)體科技作為一種新興科技，其是信息產(chǎn)業(yè)的核心，在出現(xiàn)之初就引起了不小的轟動(dòng)。作為存儲(chǔ)、處理和連接信息的芯片，其已成為21 世紀(jì)推動(dòng)社會(huì)生產(chǎn)力發(fā)展和經(jīng)濟(jì)增長的重要因素，世界各國對半導(dǎo)體科技都非常重視。說得通俗些，制造芯片的科技就相當(dāng)于半導(dǎo)體的科技（也稱微電子科技）。因此，在如今這個(gè)信息決定一切的時(shí)代，誰掌握了半導(dǎo)體科技，誰就坐上快速發(fā)展的時(shí)代列車。人們的生活也越來越離不開智能設(shè)備，從手機(jī)到國家網(wǎng)絡(luò)、國防、金融、醫(yī)療，這些環(huán)節(jié)都離不開智能設(shè)備的支持，而智能設(shè)備的核心就是半導(dǎo)體芯片。

芯片的制造包括設(shè)計(jì)、制造、封裝測試等工序，會(huì)用到光刻機(jī)、刻蝕機(jī)、清洗機(jī)、離子注入機(jī)等半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備，再加上光刻膠材料，以及眾多工藝步驟，每一項(xiàng)半導(dǎo)體科技的背后都有著眾多研究成果。誰能掌握芯片科技，即半導(dǎo)體科技，誰就能擁有改變世界的話語權(quán)。為此，對半導(dǎo)體發(fā)明史及創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行探討就顯得尤為重要［1-2］。

1 半導(dǎo)體發(fā)明史

物理學(xué)從中國墨子及古希臘亞里土多德的古代物理經(jīng)過漫長的科學(xué)思想變遷與進(jìn)化，經(jīng)歷了伽利略、牛頓和麥克斯韋所創(chuàng)造的經(jīng)典物理的輝煌，在20 世紀(jì)之交，物理學(xué)上空危機(jī)疊現(xiàn)、烏云密布時(shí)，愛因斯坦、普朗克等又天才般地建立了相對論及量子力學(xué)，從而成功地開創(chuàng)了現(xiàn)代物理學(xué)。物理學(xué)又迎來了希望的“春天”。半導(dǎo)體科學(xué)及技術(shù)借助量子力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理從固體物理的“沃土”中脫穎而出，并在近百年的時(shí)間里迅速發(fā)展出包含半導(dǎo)體物理、半導(dǎo)體材料、半導(dǎo)體器件、半導(dǎo)體工藝和半導(dǎo)體集成電路在內(nèi)的科學(xué)技術(shù)體系。半導(dǎo)體科學(xué)技術(shù)體系如圖1所示。

圖1 半導(dǎo)體科學(xué)技術(shù)體系

與此同時(shí)，與半導(dǎo)體科學(xué)技術(shù)體系相關(guān)的半導(dǎo)體工業(yè)已成為全球四大重要工業(yè)（電子工業(yè)、汽車工業(yè)、半導(dǎo)體工業(yè)和鋼鐵工業(yè)）之一。

半導(dǎo)體工業(yè)經(jīng)歷3 個(gè)階段。分別是經(jīng)驗(yàn)科學(xué)階段（1833—1931 年），如ZnS 電阻負(fù)溫度系數(shù)、Pbs整流效應(yīng)以及其他發(fā)現(xiàn)；理論科學(xué)階段（1930—1949 年），如A.H.Wilson 基于薛定諤方程的能帶理論和多位科學(xué)家發(fā)明的整流理論以及其他理論；技術(shù)科學(xué)應(yīng)用科學(xué)階段（1947 年至今），如1947 年J.Barden、W.Brattain、W.Schokley 發(fā)明了晶體管，1958 年J.Kilby（TI）成功研制出第一塊集成電路，1959 年R.Noyce（Fairchild）成功研制出具有平面工藝的集成電路，1971 年Intel 公司成功研制出第一塊4004CPU，1970 年Esaki 提出半導(dǎo)體超晶格理論，由此半導(dǎo)體科學(xué)及技術(shù)進(jìn)入能帶工程的新紀(jì)元。在半導(dǎo)體發(fā)展史中，這門新興科學(xué)及技術(shù)的發(fā)明創(chuàng)新精彩紛呈、令人觀嘆。表1 為半導(dǎo)體重大科學(xué)技術(shù)發(fā)明創(chuàng)新錄［3-6］。

由于篇幅限制，本研究只記錄了那些重要的案例，其中有些是足以名垂青史的創(chuàng)新案例。有很多創(chuàng)新發(fā)明雖未能列入，但其為半導(dǎo)體科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展、為人類社會(huì)的進(jìn)步作出了巨大的貢獻(xiàn)?？v觀半導(dǎo)體科學(xué)技術(shù)的發(fā)展史，自始至終都是在堅(jiān)持科技發(fā)明創(chuàng)新。

2 半導(dǎo)體發(fā)明史中三大創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)力模型

技術(shù)創(chuàng)新理論最早是由美籍奧地利經(jīng)濟(jì)學(xué)家熊彼特于1912 年在其著作《經(jīng)濟(jì)發(fā)展理論》中提出的［14］。技術(shù)創(chuàng)新是以市場為導(dǎo)向、產(chǎn)品為龍頭、企業(yè)為主體、管理創(chuàng)新為基礎(chǔ)、制度創(chuàng)新為保證、實(shí)現(xiàn)利益為目標(biāo)的新產(chǎn)品、新技術(shù)、新工藝、新裝備、新設(shè)想的產(chǎn)生、技術(shù)開發(fā)、生產(chǎn)、進(jìn)入市場首次實(shí)現(xiàn)商業(yè)化以及新技術(shù)擴(kuò)散的整個(gè)過程的一切技術(shù)經(jīng)濟(jì)動(dòng)態(tài)活動(dòng)的總和。技術(shù)創(chuàng)新是將科學(xué)技術(shù)變?yōu)樯a(chǎn)力的過程，其是一個(gè)從產(chǎn)生新產(chǎn)品或新工藝的設(shè)想到市場應(yīng)用的完整過程，包括新設(shè)想的產(chǎn)生、研究、開發(fā)、商業(yè)化生產(chǎn)到擴(kuò)散這一系列活動(dòng)，本質(zhì)上是科技、經(jīng)濟(jì)一體化的過程，還包括科技開發(fā)和科技利用。在科技開發(fā)和利用的雙重作用下，科技創(chuàng)新的模式不是唯一的，有科技推動(dòng)型的技術(shù)創(chuàng)新過程模式、市場推動(dòng)型的技術(shù)創(chuàng)新過程模式和科技與市場交互作用的技術(shù)創(chuàng)新過程模式［15-18］。

從半導(dǎo)體科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新案例的推動(dòng)源動(dòng)力來看，表1中的創(chuàng)新過程可分為以下3類。

2.1 科技推動(dòng)型

科技推動(dòng)型的創(chuàng)新過程見圖2。

圖2 科技推動(dòng)的技術(shù)創(chuàng)新過程模式

科技推動(dòng)型創(chuàng)新大多是發(fā)生在相應(yīng)工業(yè)的早期階段，表1 中的案例大多是此類。由于該模式發(fā)生在早期階段，其中大多屬于重大發(fā)明，貢獻(xiàn)卓越。Braun于1874年發(fā)明金屬-半導(dǎo)體接觸結(jié)，Round于1907年發(fā)明發(fā)光二極管（LED），Bardeen、Brattain 及Shockley 于1947 年發(fā)明雙極型晶體管（BJT），Kroemer 于1957 年發(fā)明異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管（HBT），Esaki 于1958 年發(fā)明隧道二極管（Tunnel diode），Kahang、Atalla 于1960 年發(fā)明MOSFET，Wanlass 及薩支唐于1963年發(fā)明CMOS工藝，施敏博士及Kah-ang 于1967 年發(fā)明非揮發(fā)性半導(dǎo)體記憶存儲(chǔ)器NVSM，Hoff 于1971 年發(fā)明微處理器（4004）。其中，施敏博士發(fā)明的非揮發(fā)性半導(dǎo)體記憶存儲(chǔ)器NVSM是一個(gè)典型的創(chuàng)新案例。

表1 半導(dǎo)體重大科學(xué)技術(shù)發(fā)明創(chuàng)新錄

2.2 市場推動(dòng)型

市場需求推動(dòng)的創(chuàng)新過程模式見圖3。

圖3 市場需求推動(dòng)的技術(shù)創(chuàng)新過程模式

市場推動(dòng)型創(chuàng)新大多是發(fā)生在相應(yīng)的工業(yè)和產(chǎn)品的成熟階段。這種創(chuàng)新模式常見于公司的R&D 部門。如表1 中的飛利浦R&D于2005年成功研制的3Q Triac、飛利浦R&D于2007年成功研制的Uuidirection SCR NXL0840、意法半導(dǎo)體R&D于2007年成功研制的Tandem Diode、國際整流器R&D于2008 年成功研制的Tandem Diode、Qspeed R&D于2008年成功研制的Mixed Schottkey Recertier。

2.3 科技與市場交互作用型

科技與市場交互作用型的創(chuàng)新過程見圖4。

圖4 科技與市場交互作用的技術(shù)創(chuàng)新過程模式

科技與市場交互作用型的創(chuàng)新模式常見于市場意識(shí)強(qiáng)的研究所及研發(fā)中心。如在表1 中的中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所所長王曦院士于1998 年自主發(fā)明的SOI 技術(shù)、飛利浦R&D 于2003年發(fā)明的Level shift PFC HB driver UBA 2013、中科院北京半導(dǎo)體所楊輝教授于2007 年發(fā)明的國內(nèi)第一個(gè)氮化鎵藍(lán)光激光器、英特爾Mark Bohr 于2004 年發(fā)明的Stained silicon 等，這些都屬于該類創(chuàng)新模式驅(qū)動(dòng)的。

由此可見，這3 種創(chuàng)新模式的差異主要在于驅(qū)動(dòng)源的不同。科技推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新模式是以科技為驅(qū)動(dòng)源，市場需求推動(dòng)的技術(shù)創(chuàng)新模式是以市場為驅(qū)動(dòng)源，科技與市場交互作用的技術(shù)創(chuàng)新模式是以科技與市場交互作用為驅(qū)動(dòng)源。

3 三大驅(qū)動(dòng)力創(chuàng)新模式對半導(dǎo)體科技創(chuàng)新的影響

卡脖子科技中最著名且典型的是芯片科技。芯片已成為21 世紀(jì)科技的標(biāo)志，其是強(qiáng)國標(biāo)配，弱國奢談芯片。制造芯片的科技就是半導(dǎo)體科技，也稱微電子科技。其具有以下3 個(gè)特點(diǎn)：①高投入、高科技、更新周期短、更新速度快；②綜合性強(qiáng)、高風(fēng)險(xiǎn)；③高集成、可重復(fù)使用。另外，無論是從器件、材料，還是工藝的角度來看，傳統(tǒng)的硅基半導(dǎo)體科技已受限于物理極限的特性［19-20］。

縱觀半導(dǎo)體的發(fā)明創(chuàng)新史，三大驅(qū)動(dòng)力創(chuàng)新模型始終貫穿其中。而這三大創(chuàng)新模型對高投入、高科技、高風(fēng)險(xiǎn)的半導(dǎo)體科技創(chuàng)新發(fā)明產(chǎn)生了重大影響［21-22］。

市場驅(qū)動(dòng)模型對半導(dǎo)體科技創(chuàng)新產(chǎn)生的影響。在市場驅(qū)動(dòng)模型中，半導(dǎo)體科技創(chuàng)新與業(yè)績成正比，這造就了“市場變，我也變”的創(chuàng)新氛圍，在維持現(xiàn)有市場結(jié)構(gòu)的前提下，創(chuàng)新迭出，但也存在著缺乏遠(yuǎn)見、只顧當(dāng)前客戶需求、創(chuàng)新深度不足等缺點(diǎn)。

科技驅(qū)動(dòng)模型對半導(dǎo)體科技創(chuàng)新產(chǎn)生的影響。在科技驅(qū)動(dòng)模型中，半導(dǎo)體科技創(chuàng)新誘發(fā)應(yīng)用、引領(lǐng)市場，這造就了“我變，市場變”的創(chuàng)新氛圍，打破現(xiàn)有的市場格局，引領(lǐng)突破性深層次創(chuàng)新，推動(dòng)應(yīng)用和市場的全面進(jìn)化。但也存在著忽略現(xiàn)有客戶和市場呼聲的缺點(diǎn)。

市場和科技混合驅(qū)動(dòng)模型對半導(dǎo)體科技創(chuàng)新產(chǎn)生的影響。在市場和科技混合驅(qū)動(dòng)模型中，半導(dǎo)體科技創(chuàng)新是半導(dǎo)體科技在市場外力的牽引下自身衍生的，其創(chuàng)新的深度與實(shí)用性交相輝映，是對前兩種模式的融合，使客戶的需求能完全融入創(chuàng)新產(chǎn)品中，從而開發(fā)出更高水平的產(chǎn)品。

4 結(jié)語

在近150 年的半導(dǎo)體科技發(fā)明創(chuàng)新史中，發(fā)明創(chuàng)造群星璀璨、燦爛輝煌，為電子信息科技的發(fā)展奠定基礎(chǔ)，進(jìn)而為現(xiàn)代人類文明的發(fā)展作出杰出的貢獻(xiàn)。從創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)力的角度來看，這些發(fā)明創(chuàng)新可分為三大類：市場驅(qū)動(dòng)、科技驅(qū)動(dòng)、市場和科技混合驅(qū)動(dòng)。這三類發(fā)明創(chuàng)新各有千秋，在半導(dǎo)體科技的發(fā)明史中都有著舉足輕重的地位?；仨鴼v史、展望未來，科技和市場混合驅(qū)動(dòng)是一種揚(yáng)長避短、適合啟迪應(yīng)用、滿足客戶和深化發(fā)明創(chuàng)新的優(yōu)化模式。