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半导体功率器件的引路人——小记陈星弼院士

作者:髙千雯、邓长江 发布时间:2019-11-20 来源:澳门赌搏网站大全

【人物名片】陈星弼,19311月出生于上海,半导体器件及微电子学专家,中国科学院院士,电子科技大学教授、博士生导师。1952年毕业于同济大学,分配到厦门大学,次年调到南京工学院,1956年调入成都电讯工程学院随即到科学院应用物理研究所进修半导体,1959年回到成都电讯工程学院工作。上世纪80年代初,先后在俄亥俄州大学、加州大学伯克莱分校作访问学者。1983年任电子科技大学微电子科学与工程系系主任、微电子研究所所长。曾先后被聘为加拿大多伦多大学电器工程系客座教授,英国威尔斯大学天鹅海分校高级客座教授。他著书7本,发表学术论文110多篇,申请中国发明专利20(已授权17),申请美国发明专利19(已授权16项,另有两项已通知准备授权),申请国际发明专利1项。获国家发明奖及科技进步奖2项,省部级奖励13项,完成国家自然科学基金重点项目、军事研究项目、国家"八五"科技攻关项目多项。2015年他因对高压功率MOSFET理论与设计的卓越贡献获得第二十七届国际功率半导体器件与集成电路年会(功率半导体领域最顶级的学术年会)颁发的最高荣誉国际功率半导体先驱奖ISPSD 2015 Pioneer Award),成为亚太地区首位获此殊荣的科学家。2018年,因对超结功率半导体器件的卓越贡献入选ISPSD首届名人堂,成为国内首位入选名人堂的华人科学家。2019年当选为IEEE Fellow。他在五十年代末就对漂移晶体管的存贮时间问题在国际上最早作了系统的理论分析,提出了新的电荷法基本方程、不均匀介质中镜象电荷方程等。八十年代以来,从事半导体电力电子器件的理论与结构创新方面的研究,从理论上解决了提高p- n结耐压的平面及非平面工艺的终端技术问题,作出了一些迄今唯一的理论分析解。在解决MOS功率管中降低导通电阻与提高耐压之间的矛盾问题上作出了系列重要贡献。发明了耐压层的三种新结构,提高了功率器件的综合性能优值,其中横向耐压层新结构在制备工艺上与常规CMOSBiCMOS工艺兼容,有利于发展耐高压的功率集成电路。



01 漂泊少年求真理

1931年,在那个战火纷飞的年代,山河涂炭,家庭危顿,陈星弼的父亲陈德征在蒋介石的迫害下从高位跌落,身陷牢狱,虽在友人的帮助下重获自由,却从此终结了锦绣前途。就在这内外交困之时陈星弼出生了,父亲给他起了个小名“难儿”,虽是父亲陈德征脱口而出,却蕴藉着为国家忧虑、为前程纠葛之心。也许是苦难磨砺,也许是战火侵袭,“难儿”这一生注定不凡。


难儿就在家国蒙难之时成长着。他看着每天哥哥姐姐都背着书包去上学,回来后又叽叽喳喳地讲着学校里的趣事,陈星弼也十分羡慕,哭闹着要去读书。母亲担心战争的喧嚣越来越近,平静的课桌又能摆上几年?早点读书未尝不是一件好事。母亲便带着三岁的陈星弼去找上海南市区一心小学的校长,难得的是校长也很喜欢这个远未达到学龄的孩子,他的眼睛里充盈着求知的灵气。入学考试之后,陈星弼便在自己三岁这年开始了学习生涯。


1937年,“七七事变”之后,全面抗战爆发,那年陈星弼6岁,却不得已告别熟悉的家,跟随父母踏上了逃难漂泊的生活。他们先逃到浙江余姚,陈星弼在余姚县横河小学读三年级,可是才读没多久,上海陷落了,陈星弼又跟随父母逃往浦江。一路上坐火车,换汽车,颠簸拥挤,匆忙混乱,到处都是乞讨的双手、惊恐的目光、饥饿绝望的面孔。无忧无虑的童年破灭,战火、饥饿、鲜血填满了陈星弼年幼的心灵。继续逃难,萧山、金华、南昌、长沙、武汉、重庆,一路不停的逃亡,偶然的安顿,转学四次才终于结束了小学生活。


“这个孩子是小学生吧?怎么混到这里来了?”比同班同学小几岁的陈星弼,总是让人误会成低年级学生,上了中学之后依然如此。陈星弼小学毕业后,就读于江津县白沙镇的“国立”十七中,后来又转学到江津县德感坝的“国立”九中读书。


陈星弼的大哥陈星沐在西北工学院读书,假期回来的时候,他就会和陈星弼绘声绘色地讲起学校的生活,那些关于近代物理的话题总是深深地吸引着这个十几岁的少年,在他的眼中,相对论、量子力学是那样的神秘莫测。逐渐成长起来的少年心里不知不觉悄悄地埋下了一颗理想的种子,他一心想成为一名科学家。“要成为爱因斯坦那样的人!”也许就是从那时起,陈星弼逐渐形成了自己的人生理想,追求真理,探索科学的奥秘。“凡是伟大的东西我都要学习,越是不懂的东西越要学习,没有任何功利性目的”。


回到上海以后,陈星弼就读于著名的敬业中学,近十年颠沛流离的生活和贫困艰苦的环境让陈星弼在学业上和敬业中学的同班同学差了一大截,倔强的陈星弼勤奋努力,迎头赶上。有一次,居小石老师还在全班同学面前表扬陈星弼“特立独行”的解题风格,不管是否会做,都有自己特别的方法。陈星弼从小在做题上就“很有性格”,题目都是自己做,绝不问别人。居老师还鼓励陈星弼“要一辈子做傻瓜(老实人),不要投机取巧”。这位居老师对陈星弼的影响极大,习惯独立解题的陈星弼在之后的科研中也更能发现问题,啃下硬骨头。“做傻瓜”的人生信条也让他一丝不苟、踏踏实实、不计浮名。


陈星弼(前排中)与部分高中同学合影(1945年)


学生时代的陈星弼对好老师总是“莫名其妙地非常崇拜”,即便是上了大学也是如此。对于好老师的课,他总是不计辛苦地去听课。除了本学院的课,他还去听机械系、土木系、测量系的课,好老师的课总是堂堂爆满,陈星弼有时只能站在教室外趴着窗子听课,但是他依然乐此不疲,觉得听他们的课是“一种享受”。陈星弼也很认真听本系的黄席椿教授的课。这位教授讲课极为严谨、考试又很严格,同学们都很难超过80分,他教授的“电工数学”、“电波与天线”等课程给陈星弼打下了扎实的电工基础,他严谨认真、循循善诱的讲课风格也在之后深深地影响着陈星弼的教学生涯。


02 热血初缘半导体

1952年,陈星弼从同济大学电机系毕业,之后他被分配到厦门大学电机系当助教。第二年,国家开始院系调整,陈星弼转到南京工学院无线电系。在那里,他辅导了四年电工基础课。但是年轻的助教也有苦闷的时候,他的研究方向一直没有定下来,只能搞理论学习,对于一个极具有钻研精神的年轻人来说,没有方向就等于失去了前进的动力。1956年,他被指定到新成立的成都电讯工程学院去工作,同时也给了他进修新学科的机会。做了四年电工基础的陈星弼敏锐地捕捉到半导体这一新方向,他选择了到中国科学院应用物理研究所进修半导体。他在该所两年半的时间内,一边工作,一边自学了从物理系四大力学到半导体有关的专业课,他暗下决心跨越转专业难关,投身祖国新兴的半导体事业。


1958年,在中国科学院进修的陈星弼被漂移晶体管吸引住了,当时他被指派去为计算机做半导体器件的测试。假期中,陈星弼也从未松懈,像平时一样努力。他以一个科研工作者的天赋,敏感地意识到这一领域具有极大的研究价值和发展潜能。不久,他的第一篇论文《关于半导体漂移三极管在饱和区工作时的储存时间问题》发表了,陈星弼把它投到《物理学报》没多久就收到了论文的审稿意见,但是陈星弼不知道审稿人正是著名的半导体物理学家王守武先生,“中国半导体事业有两位奠基人,一位是黄昆,一位就是王守武。” 陈星弼收到审稿意见之后认真地进行了修改并就相关问题做出了解释。直到论文发表之后,陈星弼才知道王守武先生是审稿人。在该文中,陈星弼对漂移晶体管应用于计算机中的饱和区工作的存储时间问题做出了系统的分析。后来论文被美国斯坦福大学教授毕列卡于1967年在《晶体管的电特性》中引用,日本管野卓雄教授在陈星弼发表论文4年后也发表了相关问题的论文。第一篇论文就如此大获成功是陈星弼没有想到的,但是这份成功却无形中让陈星弼对未来的科研之路充满了信心和憧憬。


命运总是青睐有准备的人。20世纪60年代末70年代初的彩色电视大会战给陈星弼提供了在科研实践领域崭露头角的机会。1969年陈星弼被派往到773厂支援研制氧化铅摄像管,一次,他通过该厂资料所的人获知,贝尔实验室正在研制硅靶摄像管。陈星弼向当时学校负责彩电攻关的许宗藩提出研制硅靶摄像管的建议。这一科研项目得到省国防科委的大力支持。成都电讯工作学院被四机部接管后接受的第一个科研任务就是研制硅靶摄像管。陈星弼的科研思维非常敏捷。在硅靶靶面研制小组成立后,陈星弼作了理论论证,提出工艺和测量方面进行攻关的三大难题:暗电流在 量级的测试方法和测试图形的设计;光电二极管的高浓度扩散技术;将直径2厘米的硅片的中间直径1.5厘米部分从100微米均匀减薄至8~10微米。全组人经过四个月的艰苦奋战,在733厂和970厂的配合下,终于研制出我国第一支硅靶摄像管。


陈星弼不仅个人得到了快速成长,他在作三系主任后,带领全系老师成功地争取到‘半导体器件与微电子学’的博士点申请,为学校在该学科领域的发展做出了开创性的贡献。


陈星弼与毛钧业主任研究工作


1986年,成都电讯工程学院的半导体专业评博士点铩羽而归。学校决定让新人到新领域去闯一闯,领导们主要是考虑到功率器件的巨大发展潜力、陈星弼非凡的创造力和拼命三郎的工作精神,但临时换将是“兵家大忌”,何况新人新方向,人才队伍、成果、论文几乎还是空白,所以这次申报无论是对学校、对陈星弼和整个三系来说都是背水一战。


陈星弼带着他的“半导体功率器件及高压集成电路”团队不负众望,在短短两年就建起了梯队,结出丰硕成果,以高分顺利通过了博士点申请。


陈星弼(后排左三)与半导体专业部分教师合影(摄于20世纪80年代)


博士点申请后,许多有志科研的青年来成都电讯工程学院修读半导体专业的最高学位。当他们喜悦地穿上博士服,当他们再从成都电讯工程学院奔赴全国各地,他们尊敬而崇拜的眼光离不开那位为博士点申请殚精竭虑、立下汗马功劳的老人。是的,“半导体器件与微电子学”博士点在学科建设上具有里程碑的意义,陈星弼功不可没。



03 “二次革命”引潮流

第一次电子革命是指由半导体微电子技术引起的变化,信息时代随之而来。陈星弼曾生动地描绘微电子技术,“它是应用一个比头发丝小百倍(且越来越小)的晶体管(半导体器件)代替50年前有半个香蕉大的电子管”。科技日新月异的发展令人惊异,为数几百万甚至更多的晶体管可以共同栖身在手指甲大小的集成电路上。


令人更加惊异的是“第二次电子革命”。这一提法最早出自B.J.Baliga,他认为用微电子技术来控制和利用电能的方法,可以称为第二次电子革命。然而,有一个问题成为发展的瓶颈。要让功率管实现对电能的控制,主要的方法是开关。要想实现对开关的自由控制,就要实现开关的高灵敏、智能化。但是,功率管要求耐高电压而集成电路只能耐低电压。国外不得不把功率管和集成电路“隔离”起来,耗费巨大成本,还“费力不讨好”。陈星弼决心啃下这块硬骨头,要让仪器不仅有了一个“聪明的大脑”集成电路,还能做到“四肢发达”,让做开关的功率管能够轻松地直接连到集成电路上。


陈星弼在伯克利校门前留影(摄于1981年)

早在20世纪50年代开始,半导体器件就逐渐取代了小功率的电子管,而且在大功率方面,也取代了传统的闸流管、引燃管等等。半导体功率器件经过几代的发展后,到1980年前后,出现了VDMOS(垂直双扩散金属-氧化物半导体场效应晶体管),VDMOS兼有双极晶体管和普通MOS器件的优点,无论是开关应用还是线性应用,VDMOS都是理想的功率器件,VDMOS主要应用于电机调速、逆变器、不间断电源、电子开关、高保真音响、汽车电器和电子镇流器等。它的特征是: 接近无限大的静态输入阻抗特性,非常快的开关时间,导通电阻正温度系数,近似常数的跨导, 高dV/dt。VDMOS之后,很快出现了IGBT(绝缘栅双极型晶体管),它是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。IGBT是能源变换与传输的核心器件,俗称电力电子装置的“CPU”。到如今,它已经成为最重要的功率器件。作为国家战略性新兴产业,在轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车与新能源装备等领域应用极广。


陈星弼指导学生科研


经过多年的试验,陈星弼通过改变功率管的结构,发明了复合缓冲耐压结构,现称为超结器件(SUPER-JUNCTION)。它的优点是导通电阻低,易驱动,速度快。该技术已经获得美国和中国发明专利。自1998年起,国外已有8家公司在制造。这个方法的工艺被改进后,成本大大下降,目前已成为一种重要产品,科技成果转化市场规模每年超过10亿美元。


美国得克萨斯大学电子工程系终生教授周电在中美两国法庭提交的专家证词中证实陈星弼的发明“第5216275号美国专利被此后的220多项美国专利所引用”。美国专家Michael W. Shore在给电子科技大学的信中提到,陈星弼的成果已经在世界范围内产生了20亿美元的商业价值。



陈星弼对超结器件仍然不满意,他耿耿于怀的是它的缺陷。他又研制成功了“具有异型掺杂岛耐压结构”。它适用于各种材料的各种功率器件,属于耐压结构上的创新。利用这一发明技术,耐压450V的器件只需不到30μm的外延层。传统技术则要超过40μm的外延层。厚外延是中国的难题,片子需要在国外进口。利用这一发明不仅可使功率MOST导通电阻下降一倍(过去杂质分布优化理论的极限只不过比均匀分布的下降10%),而且用在470V耐压的二极管上其开关速度及导通压降与东芝公司的200V器件一致。


20世纪90年代初,行业内专家认为,陈星弼的几项发明成为第二次电子革命的突破口,这一创新在十年内将无人能突破。国内外专家对陈星弼及其发明给予高度评价:


美国专家Alfonso Garcia Chan对称陈星弼做了这样的评价::“ 我认为陈教授是电子学科领域的知识巨匠,是国家的宝藏,应该被认为是中国现代的英雄。”


美国专家Michael W. Shore提到陈星弼的发明对半导体业界革命性的影响说:“他们所发布的这些专利和发明,真真切切地在功率半导体技术方面引发了一场革命。”


美国得克萨斯大学周电教授说:“陈院士的发明是中国人民的智慧魁宝,也是全世界人民的共同智慧财产。”“该专利发明标志着半导体功率器件发展进入了一个叫做‘超级结’功率器件的新时代。”


陈星弼院士入选ISPSD首届名人堂


为什么陈星弼的发明能撬开潘多拉魔盒引发第二次电子革命呢?这还得从陈星弼做访问学者时说起,早在1981年,陈星弼在伯克利做访问学者时,就发现各种平面结终端技术实质上都是利用在表面引入一些电荷,这些电荷产生的电场使平面结(Planer junction)边缘的电场降低。他认为应该有一个最佳的电荷分布,能在表面以最短的距离,使击穿电压达到尽可能高的值。虽然这一想法具有极高的研究价值,但陈星弼并没有顺着这一思路深入下去,直到他看到Steng1提出的表面变掺杂(VLD)的实现方法。


关于表面耐压层结构的想法一直在心底沉睡多年。突然间,一篇论文,一个灵感,好像无边的暗夜里,打了个雪亮的忽闪,一下就把它震醒了。


为了实现他的梦想,陈星弼于1993年去加拿大的多伦多大学做访问学者,却没有找到合作的伙伴,翌年,他又去了英国威尔士的斯旺西大学,在那里出了一些成果。归国后,陈星弼决定走自己的路,而且他坚信这种方法比国外的BCD技术要先进很多。


陈星弼自己出钱去租了一个MEDICI,不分白天黑夜地泡在实验室里。助手唐茂成和叶星宁协助他到沈阳电子部47所投片。有一天晚上,陈星弼工作得太久。起身看表,时针已经指到深夜1点。系楼门早已上锁,怎么办呢?陈星弼看到门玻璃上有一个空洞。童心未泯的老先生也不去叫保安开门,他撸撸袖子,很灵活地就从这个空洞爬了出去。事后,陈星弼还很高兴,这样可以天天加班,不用担心系大门被关。


“表面耐压层结构”又是一个科学智慧的新婴儿,这个“孩子”大有来头,它凝结了陈星弼院士十余年的基础理论研究。利用该发明所做的横向型器件,可以达到同样衬底下突变平行平面结耐压的90%以上,而且导通压降特别低,开关速度快。其电学特性的优值为现有最佳器件的2~200倍。更重要的是,这些器件在工艺上可以和常规CMOS及BiCMOS工艺全兼容。它使高压集成电路摆脱了成本高昂的介质隔离方法、占用面积过大的PN结隔离方法,或者是电学性能不够理想的RESURF自隔离方法。这会使我国高压(功率)集成电路在一个新的、比国际上更先进的起点上起飞。它已经获得中国发明专利。根据该发明可以解决将功率管做到集成电路上的高代价问题。


有人曾经问过他:“你做科研的动力是什么呢?”“是对未知世界的好奇心。而不是为了生存、吃饭或者金钱。”为科研付出的代价,陈星弼深有感触。“科研需要你将所有精力、时间投入其中。只有不停地想,吃饭、走路的时间都不放过,才有可能在一刹那突然想出来。”“科研没有运气,”陈星弼说,“要做出成绩来,只有不停地努力。”他多次向学生复述马克思的名言,“科学没有平坦的大道,只有不畏艰辛沿着陡峭山路攀登的人,才有希望达到光辉的顶点。”


04 丹心一片育桃李


如果说陈星弼这一生有两件事不能割舍,除了科研之外,就是他对学生的爱。1959年,刚回到成都电讯工程学院工作的陈星弼给半导体材料与器件专业6539班上专业课《半导体物理》。在这之前,陈星弼虽然做过几次小型讲座,但从未真正登台给学生们传道授业。但是他总是喜欢挑战困难,越是不容易的事儿越能激发他内心的力量。这样的迎难而上贯穿了陈星弼漫长的科研教学事业。那时年轻的陈老师上课从不带讲稿,他总是从身上摸出一张香烟盒大小的纸片,滔滔不绝地讲起来,偶尔看看纸片上的备忘摘录,原三系总支书记刘清泰清楚地记得50年前陈老师给他们上课时的小卡片,“非常小的活页纸,正反两面都写,提纲挈领。”而他们不知道的是,对知识的信手拈来的背后其实是陈老师的勤奋,夜深人静时,他拧亮台灯,在纸上沙沙地写着教案。什么内容该讲?旁枝末节过多会否冲淡主题?开课之前陈星弼总是将教案熟悉到极致,所有理论体系、知识案例都在他的脑海里形成一个严密的体系。走上讲台,不用背,不用记,要讲的内容像水流一样涓涓不息地流淌出来。他认为要教好书,不仅要把所教内容融会贯通,还要考虑学生如何能最好地接受,他甚至为讲一句话或一段话都要事先琢磨很久,为了实现最好的教学效果,授课前,陈星弼先讲给夫人听,已是成电一系教师的唐俊奇既当学生又做最挑剔的评审,陈星弼的语言里掺杂着上海话和四川方言,唐俊奇纠正他的发音错误,夫妻俩细细推敲每一个例子是否准确,琢磨每一句话的最佳表达方式,把有关内容融会贯通然后联系学生实际,用启发式教育的方式,先讲实验现象,反过来推概念,再讲理论解释。


陈星弼院士指导学生学习


陈老师很看重培养学生的底蕴和文化素养。他认为要成为人才,不能光是只顾眼前的专业,一定的底蕴是必不可少的。陈老师常常给学生们讲我国著名科学家钱伟长的故事,钱伟长刚进入清华时是历史系,以文史见长,而物理只得了5分,后来钱伟长却成了固体力学和流体力学的大师。所以只搞科研,不注意培养个人的文学素养也是不行的。陈老师的学生朱翔回忆起读研究生的时候,陈老师总是要求大家背诵《岳阳楼记》《出师表》《兰亭集序》等古文,即便是毕业了好多年,还是能张口就来“永和九年,岁在癸丑”,当时不懂这样的做的意义,有了更多的生活经验之后,才懂得陈老师的良苦用心。


不仅在学业方面陈老师尽职尽责,在学生遇到生活上的问题之时陈老师也是倾囊相助。有一次,春节回家的学生因为种种原因错过了回家的火车,临时补票后匆忙搭上了另一班火车,回到家之后他收到的第一条短信居然是陈老师发来的,“知你误了火车,到家否?甚念。”寥寥数字,是一位耄耋教师对学生的牵挂和关怀。还有一次,陈老师的学生在和陈老师聊天时偶然间谈起了自己的父亲患有糖尿病,结果没过几天,陈老师便找到那个学生,给了他一些对于治疗糖尿病很有益处的药,要学生寄回家里去。面对这样的关怀,又有谁能不动容?以至于陈老师教书几十载,一届一届的学生都对他的教诲感念不忘,怀抱着师恩继续在科学道路上不畏劳苦勇于攀登。


“长寿,是让我有足够的时间为祖国做更多的事情。”陈星弼并不在乎生命长短与否,但是,耄耋之年仍然紧张工作在科研战线的最前沿,他深感幸运。这似乎弥补了他青春最盛的年华被荒废的遗憾。经历过山河破碎的一代人,他们对国弱民贫、生灵涂炭的印象锥心刺骨,对祖国的感情让后辈难以企及。为了给工业发展做出切切实实的贡献,他痛苦地放弃了关于理论物理的梦想。在功率器件领域他艰苦工作,常常通宵达旦。当他的同龄人都已退休,悠闲生活,含饴弄孙,陈星弼依然全身心地扑在工作上,当一项项专利成果问世,当他的成就为世界瞩目,陈星弼还在思考着如何能让成果为中国的电子工业服务。他想着,怎样提高高校教师的待遇,为三尺讲台留住更多的人才。他想着,如何能培养出更多的综合素质高、创新能力强的学生。


陈星弼院士作《做人与成才》讲座


正如那句马克思的名言,“科学绝不是一种自私自利的享乐。有幸能够致力于科学研究的人,首先应该拿自己的学识为人类服务。” 从实验室到三尺讲台,陈星弼真的把自己的一生、把这漫长的岁月献给了他满怀热爱的祖国。


(根据院士传略《中国半导体功率器件领路人》精简改写)


(成电拾光工作室记者 髙千雯  

指导老师:长江


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