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以可撓曲之3D奈米場效電晶體做為局部生物探針

科景_96
・2011/02/10 ・1103字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 571 ・九年級

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Original publish date:Aug 22, 2010

編輯 finn 報導

近年利用奈米管或奈米線所製成的奈米電子元件之研究在生物系統應用方向有很大的進展,然而大多仍侷限於二維度之平面元件設計。哈佛大學的研究人員利用特殊設計的矽奈米線,成功展示了絕佳的三維度生物探測能力。

作為奈米電子生物探測元件,探針的選擇相當重要。哈佛大學的研究人員選用奈米場效電晶體( nano field effect transistor, nanoFET)作為偵測探針。雖然針頭的尺寸可以非常小,但最大的缺點便是無法做三維度的量測,因為傳統的FET都是二維的。

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哈佛大學Charles M. Lieber所領導的研究小組,在幾年前即成功在成長矽奈米線過程中選擇一段摻入雜質,來製作nanoFET[1]。接著他們控制矽奈米線,使矽奈米線長成各式順向或異向扭結(cis or trans kinks)的結構,並且在結構中同時成長nanoFET[2]。現在,他們刻意將矽奈米線成長為雙順向扭結(doubly cis-linked kinks)的結構,形成一個60度角的尖銳探針,並將含有nanoFET的一段長在探針前端,最後再利用電子束微影製程技術在矽奈米線兩端鍍上兩條金屬電極(Cr/Pd/Cr),然後一起與基板脫離,利用Pd/Cr金屬電極本身的內應力,使得整個矽奈米線探針結構往上翹起[3]。翹起的高度可以透過改變金屬電極的長度來控制,大約數十微米(10^-6米),差不多就是一個細胞的大小。 初步實驗顯示,這個翹起的三維結構與正常的平面二維結構具有相同的偵測靈敏度,約是4~8 μS/V。翹起的高度在±10微米的範圍內,電導的改變小於20 nS,約在0.31%整體元件電導的變動之內。此三維結構也有相當好的pH靈敏度~58 mV/pH,目前最佳的記錄是可以解析0.02 pH的變化。

利用雙層磷脂(phospholipid bilayers)將探針表面改質後,三維矽奈米探針便可透過內吞過程(endocytic)進出細胞而不破壞細胞表面。 研究人員成功展示利用表面改質的探針,在針尖接觸到HL-1細胞後的250毫秒(ms)之內,量到~52 mV的電壓變化。更進一步,研究小組對一連串雞心肌細胞(chicken cardiomyocytes)進行細胞外層(extracellular)、細胞中層(cellular entrance)與細胞內層(intracellular)的掃描,均得到相當高解析度的訊號。

Lieber表示,此技術對研究人員了解細胞跟外來毒素或藥物的反應有很大的幫助;或更進一步,未來甚至可能將多個nanoFET植入細胞內,讓數位電路與細胞功能整合在一起。這很可能便是奈米科技與生物科技的最佳結合之一!

原始論文
[1] C. Yang, Z.H. Zhong, C.M. Lieber, Science 310 (2005) 1304.
[2] B.Z. Tian, P. Xie, T.J. Kempa, D.C. Bell, C.M. Lieber, Nature Nanotechnology 4 (2009) 824.
[3] B. Tian, T. Cohen-Karni, Q. Qing, X. Duan, P. Xie, C.M. Lieber, Science 329 (2010) 830.

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參考來源:

本文版權聲明與轉載授權資訊:

 

 

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科景_96
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超壓縮的水會變成冰?!二維奈米薄冰能在室溫下穩定存在嗎?有什麼用途?——專訪中研院原分所謝雅萍副研究員
研之有物│中央研究院_96
・2024/03/10 ・4907字 ・閱讀時間約 10 分鐘

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本文轉載自中央研究院「研之有物」,為「中研院廣告」

  • 採訪撰文|張琬婷
  • 責任編輯|簡克志
  • 美術編輯|蔡宛潔

水能被擠壓成冰?

水在攝氏零度以下會結冰。然而,當水被擠壓到極限時,會形成二維的奈米薄冰,不僅室溫下穩定存在,還有從未見過的鐵電特性(Ferroelectricity),而石墨烯則是實現這種擠壓條件的關鍵。中央研究院「研之有物」專訪院內原子與分子科學研究所的謝雅萍副研究員,她與我們分享了實驗室如何意外發現這層特殊的二維薄冰,以及團隊如何利用二維薄冰的鐵電特性製作有記憶電阻功能的奈米元件,研究成果發表在科學期刊《自然通訊》(Nature Communications)。

奈米尺度下,物質特性會跟著改變?

謝雅萍的主要研究題目之一就是合成新穎的二維材料,這是奈米科技的領域。奈米是什麼?奈米(nanometer)是長度單位,即 10-9 公尺,一根頭髮的直徑長度約為 1 奈米的十萬倍。奈米尺度之下,很多物質的特性會隨之改變,最常見的例子是「蓮花效應」,因為蓮花葉上具有奈米等級的表面結構,為蓮葉賦予了疏水與自我清潔的特性,髒污與水珠都不易附著在蓮葉上。

電腦模擬圖(左)和實際照片(右),蓮葉上密集的微小突起,讓大顆的水珠和灰塵不易附著,這讓蓮葉具有疏水與自我清潔的特性。
圖|William ThielickeGJ Bulte

奈米材料(nanomaterial)是指三維尺寸的材料,至少有一個維度的尺寸小於 100 奈米。只縮小一維,就是平面的二維材料(2D),例如石墨烯;縮小兩個維度,就是奈米線(1D);三維都縮小,就是零維的奈米顆粒(0D)。

奈米科技(nanotechnology)的概念最早可追溯到 1959 年美國物理學家理查費曼(Richard Feynman)在演講中提出的願景「為什麼我們不能把大英百科全書全部寫在一根針頭上呢?」。1974 年日本科學家谷口紀男則是首度創造「奈米科技」這個詞的人,他認為奈米科技包括原子與分子層次的分離、固定與變形。

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過去有不少科學家嘗試奈米材料的研發,但受限於製造技術不成熟,而無法順利製作出精細製程的奈米材料。1981 年,在掃描隧道顯微鏡(Scanning Tunneling Microscope, STM)發明之後,不僅有助於材料的微觀分析,操縱單個原子和分子也成為可能,奈米科技也逐漸實現。

2013 年 IBM 研究人員使用 STM 顯微鏡將上千個一氧化碳分子製作成原子等級的動畫「男孩與他的原子」,目前是金氏世界紀錄最小的定格影片。

無處不在的奈米科技?

我們生活周遭的奈米科技俯拾即是,從大賣場商品到半導體產業的電子元件都有。謝雅萍舉例:防曬霜之所以是白色,是因為裡面有二氧化鈦的奈米顆粒;許多塗料與噴漆亦會以奈米添加物,來增進耐蝕、耐磨、抗菌與除汙的特性,例如汽車鍍膜或奈米光觸媒;羽球拍或牙醫補牙會使用奈米樹脂,讓球拍和補牙結構更堅固。

至於半導體產業,奈米科技更是關鍵。透過縮小元件尺寸以及調整奈米元件的幾何形狀,以便於在單一晶片上乘載更多電晶體。「當今的電晶體大小皆是奈米等級,製作電子元件就等同在處理奈米科技的問題」,謝雅萍說道。

IBM 展示 5 奈米技術的矽奈米片電晶體(nanosheet transistors),圖中堆疊起來的一顆顆橢圓形結構是電子通道的截面,IBM 設計立體結構以因應愈來愈小的元件尺寸。
圖|IBM

實驗中的難題,反而促成驚奇發現?

鐵電性是什麼?二維奈米薄冰有哪些可能的應用方式?

對謝雅萍來說,發現二維的奈米薄冰是個意外的驚喜。最初謝雅萍團隊其實是要製作以石墨烯為電極的開關,畢竟石墨烯是實驗室的主要研究項目,理論上當兩層石墨烯很靠近時,分別給予兩端電壓會是導通的「ON」狀態,沒電時就是斷開的「OFF」狀態。

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然而,實驗過程中團隊卻發現當電壓為零時,石墨烯開關仍會導通,甚至要給予負電壓時才會成為 OFF 狀態。這個奇特的現象讓研究團隊苦惱許久,嘗試思考了各種可能性,但都無法完善的說明此現象。

「原本以為實現石墨烯開關應該是一件能夠很快完成的題目,沒想到過程中卻出現了這個意料之外的難題,因此這個研究比預期多花了一兩年」,謝雅萍無奈地笑道。

靈感總是突如其來,某次謝雅萍在與朋友討論研究時,突然想到一個可能的方向:「一直以來都有人猜測水是否為鐵電材料,但都沒有真正證實。臺灣氣候潮濕,開關關不緊會不會就是水的影響?」

設計實驗跑下去之後,謝雅萍團隊終於擺脫了一直以來的疑雲。原來,兩層石墨烯結構中,真的有水分子的存在!「一般水分子用手去捏,還是會維持液體的狀態。但是我們發現,當水被兩層石墨烯擠壓到剩下原子厚度時,水分子就會變成具有鐵電特性的二維薄冰!」,謝雅萍開心地說道。

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換句話說,當極限擠壓之下,水會結成冰,而這層超薄的平面奈米薄冰會轉變成鐵電材料,而且可以在室溫下穩定存在!

示意圖,當水受到兩層石墨烯的極限擠壓之下,會形成單原子厚度的二維奈米薄冰,這層薄冰是鐵電材料,而且可以在室溫下穩定存在。
圖|之有物(資料來源|謝雅萍)

鐵電材料乍聽之下很抽象,謝雅萍表示:「相較於會吸磁鐵的鐵磁材料,大多數人對鐵電材料比較不熟悉,其實概念十分相似」。她說,鐵磁材料經過外加磁場的「磁化」之後,即使不加磁場仍可維持原本的磁性。相對地,鐵電材料經過外加電場的「極化」之後,即使不加電場仍可維持原本的電荷極化方向。

謝雅萍團隊發現的二維冰具有鐵電性,這意味著水分子的正負極在外加電場之下會整齊排列,形成一個永久的電偶極,並且在電場消失後保持不變。

鐵電材料經過外加電場的「極化」之後,即使不加電場仍可維持原本的電荷排列方向。圖片顯示為順電狀態,極化方向和外加電場相同,箭頭表示每一小塊區域(Domain)的平均極化方向。
圖|之有物(資料來源|Inorganics

接著,謝雅萍發現,二維冰的鐵電性只存在於單層原子,增加多層原子之後,鐵電性會消失,變成普通的冰,這是因為多層原子的交互作用會打亂原本的極化排列。因此研究團隊發現的二維冰,是非常特殊的固態水,不是手搖飲加的冰塊那麼簡單。

因為石墨烯的擠壓和固定,二維冰可以在室溫下穩定存在,不會蒸發。謝雅萍團隊實驗發現,要升溫到攝氏 80 度,被夾住的二維冰才會變成水。如此大範圍的操作溫度,這讓謝雅萍開始思考將二維冰作為鐵電材料使用的可能性。

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於是,謝雅萍團隊嘗試開發新型的電子元件,他們將二維冰與石墨烯整合成機械式的奈米開關。由於二維冰具有鐵電特性,在施加不同外加電壓之後,元件可以維持上次操作的電阻值,並保留至下次操作,有這種特性的元件稱為「憶阻器」(memristor)。

憶阻器這個詞是由記憶體(memory)與電阻(resistor)組合而成,字面上的解釋便是:具備記憶先前電阻值的能力。

謝雅萍表示:「我們可以藉由不同的外加大電壓寫入電阻值,再以微小電壓讀取之前的電阻值,允許快速存取」。而單獨一個二維冰奈米開關可以記住 4 個位元的資料,具備未來記憶體的發展潛能。

此外,二維冰奈米開關也是很好的開關裝置,團隊驗證導通電流和截止電流的比值可以達到 100 萬,開路和斷路的功能極佳,並且允許雙向操作。而開關的功能經過 1 萬次循環還不會衰減,相當穩定。

謝雅萍團隊是全世界第一個證實二維薄冰鐵電性的團隊,並實現第一個以石墨烯為架構的二維冰機械式憶阻器。她的團隊將往新穎二維材料的方向繼續邁進,目前實驗室有和台積電(TSMC)合作,希望透過產學合作,將更多奈米技術的應用落地實現。

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謝雅萍與研究團隊用意外發現的二維奈米薄冰,以石墨烯為架構,做出了全世界第一個機械式的憶阻器。
圖|之有物

與二維材料實驗的相遇?

謝雅萍目前除了是中研院原分所的副研究員,同時也是國立臺灣大學 MY Lab 實驗室的共同主持人,她和人生伴侶 Mario Hofmann 教授共同指導的 MY Lab 發揮了 1+1>2 的效果,創意與想法的激盪和交流,是產生傑出研究的關鍵。

回到碩博士時期,謝雅萍都在臺大物理所,鑽研材料的光電性質與新穎光電元件的機制。她回憶:「當時我們都要向化學系要材料,他們給什麼我們就得用什麼,但難以了解整個材料製造的細節。」後來她體認到,擁有製造材料的調控能力才能真正突破元件設計上的侷限。

謝雅萍在博士班時申請到了千里馬計畫,讓臺灣博士生獲得國科會補助前往國外頂尖研究機構,進行為期約半年至一年的研究。「我認為這個計畫非常好,也可以幫助學生建立重要人脈!」在指導教授引薦下,謝雅萍因緣際會進入美國麻省理工學院(MIT)的二維材料實驗室,自此與二維材料結下不解之緣,她認為:「好材料與好元件是相輔相成的,前瞻材料更是如此。」

「我到了 MIT 之後,深刻體悟到他們做研究的態度與臺灣學生的不同。臺灣學生像是把研究當作一份工作,然而我在 MIT 時就感受到他們學生對於自身研究的熱忱。討論風氣也非常盛行,學生之間會互相分享自己的研究內容,互相幫忙思考、激盪出新想法」,謝雅萍分享自己在 MIT 時期的觀察。

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當年二維材料還在萌芽階段,她所在的 MIT 實驗室已是此領域的佼佼者,她也因此立下了目標:「希望未來我有能力時,能夠自己掌控自己的材料做出好元件!」如今,謝雅萍正走在自己目標的道路上,過去認識的朋友也都是各頂尖大學的二維材料實驗室主持人,直到現在都還會互相幫忙。

從物理到二維材料,身處這些男性為主的學術環境,謝雅萍顯得自在,而且積極參與討論和交流。「我發現女科學人會把自己變得較中性,讓自己融入整個以男性居多的環境中,才不會在團體中有突兀的感覺」,她分享道。

謝雅萍的實驗室 MY Lab,是與臺大物理系 Mario Hofmann 教授共同主持的奈米科技實驗室,他們除了是工作上的夥伴,更是人生中的最佳拍檔!當初兩人就是在美國麻省理工大學 MIT 相識,再一起回到臺灣。

讓「研之有物」團隊好奇的是:這種共同主持的模式與一般實驗室相比,是否有特別之處?

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「從多個面向而論,我認為都是 1+1>2 的」,謝雅萍說道,「實驗室會有兩倍的資源、儀器、計畫與兩倍的人脈。遇到一個題目,兩個人思考時會從不同的觀點切入。即便是夫妻,我們在研究上看的面向也都不一樣,因此可以激盪出許多有趣的想法」。

她補充,不僅對實驗室本身而言,對學生也有很大的好處,「因為學生的研究必須同時說服我們兩個人,代表學生的研究成果會非常扎實,也可以為學生帶來信心。」重要的是,「學生也會得到兩倍的照顧與關愛,我覺得我們的學生是蠻幸福的」,謝雅萍笑笑地說。

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研之有物│中央研究院_96
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研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook

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洗澡時突然浮現:八叛徒的諾貝爾獎級專利,半導體的「平面製程」——《掀起晶片革命的天才怪咖:蕭克利與八叛徒》
親子天下_96
・2022/07/17 ・5127字 ・閱讀時間約 10 分鐘

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一場淋浴的時間,革命性想法突然浮現

1959 年 1 月初,赫爾尼早上起床淋浴時,一個在他腦中深藏許久的念頭突然浮現出來,他似乎看到了一線曙光,可以解決令大家束手無策的困境!

赫爾尼早上起床淋浴時,一個在他腦中深藏許久的念頭突然浮現出來。 圖/envato

根據貝爾實驗室的技術手冊,當矽晶圓完成摻雜後,必須用溶劑把表面剩餘的氧化層全部清除乾淨。因為擴散法應該也會把雜質摻入氧化層裡,若沒有全部移除,被汙染的氧化層恐怕會影響電晶體的導電性。不過如此就會讓 p-n 接面裸露在外,所以才必須用金屬外殼加以密封。

赫爾尼當時就懷疑氧化層是否真的會被汙染,就算會,真的會影響電晶體嗎?

他覺得氧化層有隔絕保護作用,保留下來或許利大於弊,但貝爾實驗室與同事都說照著技術手冊做就對了。後來要忙著趕 IBM 的訂單,他就把這想法擱在一旁,未再深入研究,現在他才突然想到如果有氧化層擋著,掉落的金屬碎屑就接觸不到 p-n 接面,也就不會影響電晶體了。

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赫爾尼進辦公室後,連忙翻出當初所寫的筆記,重新整理謄寫。而在塗塗寫寫的過程中,腦中又冒出一個革命性的想法。

高臺式電晶體是先用擴散法在集極表面摻雜成基極,再用光刻技術在基極中央蝕刻出窗口,摻雜成射極。但何不一開始就用光刻技術做出基極?這樣底層的集極就不會全部被基極蓋住,集極、基極與射極三者都在同一平面,它們之間的 p-n 接面用同一層二氧化矽保護,只露出接腳的接觸點。由於電極彼此更靠近,效能會更好,而在製造上也更加簡單。

諾貝爾獎級的專利:平面製程

赫爾尼興奮的向諾宜斯與摩爾等人提出這個「平面製程(Planar process)」的構想,大家都半信半疑,違背技術手冊的指示,保留氧化層真的不會有問題嗎?不過目前也沒別的辦法,況且真的成功的話,不僅能解決眼下的問題,還能大幅提升電晶體效能與生產效率,讓快捷半導體的競爭力更上一層樓。他們決定放手一搏,同時趕緊找專利律師申請專利。

赫爾尼的平面製程概念(左圖)與高臺式電晶體(右圖)比較。平面製程的電晶體讓基極、射極和集極都在同一個平面上,並且都受到二氧化矽保護。圖/親子天下

「你們希望這項專利涵蓋哪些範圍?」專利律師開頭就先問這個問題。

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諾宜斯等人頓時都愣住了,不就電晶體嗎?律師才進一步解釋:「這平面製程不是一種製造方法嗎?除了電晶體,也可以用來製造其他半導體元件吧?」

摩爾見諾宜斯還在出神中,只好出聲回答:「當然可以。要的話,二極體、電阻、電容這些也都可以用平面製程,但意義不大,這些也不是我們的目標市場。」

「為什麼?」

「因為這些元件構造簡單,沒必要用平面製程,純粹看生產規模,規模越大,成本越低。這是德州儀器、雷神這些大公司的優勢,我們只能攻電晶體,以技術取勝。」

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律師點點頭:「那就只針對電晶體申請專利保護囉?」

「等一下!」神遊中的諾宜斯突然插進來,卻又思索了一下才說:「還是把其他半導體元件都納進來好了。別誤會,我沒有要做這些東西,只是剛剛想到——如果用平面製程把它們都放在同一片晶圓上呢?

大家不解的望著諾宜斯,只見他站起來走向黑板,一邊問大家:「你們想想,IBM 拿到我們的電晶體之後,再來呢?」

接著諾宜斯在黑板畫起一個一個小方塊,說:「他們得把電晶體、二極體、電阻、電容這些元件一個個銲接到電路板上。我估計全部至少有幾百顆,甚至上千顆吧,每顆都要接上金屬電路,還得有銲接的空間,結果元件本身所占的空間其實不到一半。」黑板上的圖就像幅地圖,上面坐落著一棟棟平房,空地與道路占了大片土地。

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電路板上的各種電子元件就像地圖上的房子,有大半的面積被空地與道路佔據,房子(電子元件)只占一小部分。 圖/Pixabay

「不只如此。」諾宜斯再用紅色粉筆在小方塊中間畫個小圈圈,說:「每個元件真正有用的只有這裡,其餘只是外殼包裝。你們看,如果只有這些小圈圈,讓它們彼此緊鄰在一起,空間就只有原來電路板的 5% 不到吧。」

大家似乎開始明白諾宜斯要說什麼,但貝仍疑惑的問道:「我可能沒你們懂,但怎麼可能沒有外殼,還緊鄰在一起?它們得有保護,彼此也得分開才不會漏電,不是嗎?」

赫爾尼微笑著替諾宜斯回答:「二氧化矽可以提供保護,也能用來區隔元件。我只想到多做一次光刻技術,但既然能做兩次,當然三次、四次、……要幾次都可以,就能把各種元件都做在一起。」

摩爾接著說:「而且蝕刻出的缺口不僅用於摻雜,也可以蝕刻出複雜的溝槽作為電路。既然每個元件的接觸點都在同一平面,便可以像印刷電路板那樣,直接把銅線印在溝槽上,原來在電路板上的電路就都整合在一個晶片裡了。諾宜斯,這真是絕妙的點子!」

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「這得感謝赫爾尼先想出平面製程。不過這只是個概念,具體上要怎麼做,摩爾,我們倆再一起研究。」

貝興奮的說:「這只要做出來,再貴我都賣得出去!我告訴你們,空軍的人一直在問我能不能做得更小呢。因為除了轟炸機,還有導彈、火箭也都要裝上電腦,它們的空間更小,電腦越小越好,到時候這些訂單非我們莫屬。」

被捷足先登的專利申請

的確如貝所說,美國政府正在傾全力推動太空計劃,並加強國防科技。因為蘇聯在 1957 年 10 月 4 日,毫無預警的發射第一顆人造衛星史普尼克一號(Sputnik 1),嚇了美國一大跳,發現原來蘇聯的太空科技竟然遙遙領先。萬一蘇聯將太空科技用於戰爭,勢必會取得空中優勢,甚至危及美國本土。

蘇聯第一顆人造衛星史普尼克一號(Sputnik 1)1 : 1等比模型。 圖/wikimedia

因此,美國政府除了要軍方強化飛機、飛彈與各項國防武器的性能,同時在 1958 年 10 月成立「國家航空暨太空總署(NASA)」,整合資源與各界人才,以求在這場太空競賽超越蘇聯。軍方與 NASA 都有龐大預算,為了盡速達成任務,都願意採用最新技術,花起錢來也毫不手軟,對快捷半導體而言正是大好時機。

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專利律師先針對平面製程申請專利,積體電路則還要等諾宜斯寫出具體方法,才能提出專利申請。不料,諾宜斯和摩爾尚在研究,3 月時竟然被捷足先登,德州儀器召開記者會,發表史上第一顆積體電路!

原來德州儀器的工程師基爾比(Jack Kilby)去年 6 月就提出積體電路的構想,然後在 9 月以手工做出一個晶片雛形,只有電晶體、電阻和電容三個元件,電路另外用金線銲接而成,雖然粗糙簡單,但確實能正常運作。如果德州儀器祭出專利保護,快捷半導體就無法開發積體電路這極具潛力的產品,嚴重影響公司的未來。

辭職風暴

屋漏偏逢連夜雨,在公司前途未卜之際,總經理鮑德溫竟然要辭職。諾宜斯等人錯愕又憤怒,要他當面說清楚。

貝先開口責問他:「鮑德溫,現在公司遇到問題,你身為主帥不面對處理,反而要先落跑,未免太現實了吧?」

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「我如果真的現實,去年 IBM 訂單問題搞不定時老早就走了。人總是有更高的目標要追求,就這麼簡單。」

羅伯特忍不住嗆他:「更高?你已經是總經理,權力、薪水與分紅都比我們幾個創辦人高,還有什麼不滿意?」

鮑德溫平靜的回答:「我很感謝你們的禮遇,但總經理也只是受聘的經理人,再怎樣也和你們幾位大股東沒辦法比。」

諾宜斯真摯的說:「你如果嫌認股權太少,可以提出來啊。」

鮑德溫嘆了一口氣說:「那就說開了吧。有家國防承包商願意出資,讓我成立公司製造電晶體,一些工程師也會跟我走。」

公司前途未卜之際,總經理鮑德溫選擇辭職離開。(示意圖) 圖/envato

「什麼,你也太沒道義了!」「了不起,主帥帶兵投靠敵營。」「你這叛徒!」「你膽敢偷走技術,就等著被告!」憤怒的斥責馬上此起彼落。

「你們有什麼資格說我?你們幾個不也是背叛蕭克利自立門戶?」鮑德溫馬上惱羞成怒,展開反擊:「我不過帶走十幾個人,你們對原公司造成的傷害才大吧。論道義,你們更沒道義!我本想大家好聚好散的,現在也沒什麼好說了。祝你們好運,再見。」說完即頭也不回的走出門外。

會議室裡一片沉寂,大家不約而同想到當年從蕭克利半導體實驗室集體請辭的情景:平時易怒暴躁的蕭克利竟然一句話都沒說,鐵青著臉直接走出辦公室。反倒是貝克曼跑來找他們曉以大義,發現無法挽回後,隨即變臉威脅要控告他們侵權洩密。沒想到如今換他們嚐到這滋味了。

諾宜斯先打破沉默:「我們來討論總經理人選吧。你們有沒有想到誰還不錯的?」

克雷納舉起手說:「我覺得不要再從外面找了,找來難保又跟鮑德溫一樣。就諾宜斯你來當吧,這一年多來,你應該也學到不少經營面的大小事了。」

大家紛紛附議贊同,這次諾宜斯也不再謙讓,決定扛下這重責大任,研發副總一職便交給摩爾。

摩爾趁此時報告積體電路的應對策略:「我們和專利律師討論過了,德州儀器雖然先申請積體電路的專利,但他們的電路仍得用銲接的,而諾宜斯結合了平面製程與印刷電路,這兩項技術都不在他們的設計裡,應該可以認定為新發明。所以我們決定還是申請專利,無論如何,總比棄械投降來得好。」

基爾比與諾宜斯兩人的積體電路設計對比。左圖是基爾比的設計,可以明顯看出電子元件上都有額外拉出的電線。而右圖是諾宜斯的設計就簡潔許多,電線和電子元件都是平整的放置在一個平面上。圖/親子天下

「沒錯,不用管別人,我們就照原先計劃往前走。等送出專利申請、做出樣品後,我們也要舉辦盛大的積體電路發表會,讓所有人知道誰的技術管用。」諾宜斯馬上展現了總經理的氣勢。

積體電路的專利申請於 1959 年 7 月送出,未待審核結果出爐,本身是發明家的費爾柴爾德就以實際行動展現對他們的信心與支持,提前於 10 月執行選擇權,依當初合約所載,用三百萬買下全部股權。

八叛徒當初每人拿出 500 元,如今兩年不到就換回 25 萬元,當然是美夢成真,也讓外界人人稱羨。不過,卻有兩個人看在眼裡頗不是滋味,那就是蕭克利與貝克曼。

將希望壓在四層二極體的蕭克利

諾宜斯等人出走時,蕭克利仍不認為自己有錯,他得到的教訓反而是認為國內這些心高氣傲的年輕人不聽話又沒忠誠度,不如從歐洲招募三、四十歲的博士,他們更加成熟穩定,好用多了。何況八叛徒本來不懂電晶體,都是他一手教出來的,現在換另一批人,他當然也可以在短時間內就讓他們上手。

因此,無論面對貝克曼或是外界的質疑,他都信心滿滿的堅稱集體離職事件不會有任何影響,實驗室仍將正常運作。

然而,就算貝克曼也這麼認為,他對蕭克利半導體實驗室已有不同想法了。1958 年,貝克曼將它從集團的附屬機構獨立出來為「蕭克利電晶體公司」,顯然已不想再燒錢打造另一個貝爾實驗室,而是要它像一般公司那樣盈虧自負。

蕭克利終於在 1959 年成功開發出 p-n-p-n 四層二極體,卻因為品質不穩定,未能如他原先預想的用於AT&T 的電話交換機;而軍方那邊也沒能賣出多少,以致公司繼續虧損。

貝克曼決定不玩了,剛好克里夫蘭一家傳統企業也想跨足半導體,而蕭克利的名聲仍有相當吸引力,便在 1960 年將公司賣給他們。

蕭克利倒不在意換新東家,反正他仍然在原地繼續做原來的事,只要解決四層二極體的品質問題,還是有機會從 AT&T 拿到源源不絕的訂單,到時所有人——尤其是八叛徒,就會知道他才是最後的贏家。

——本文摘自《掀起晶片革命的天才怪咖:蕭克利與八叛徒》,2022 年 7 月,親子天下,未經同意請勿轉載。

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舉起時代的火炬,推動科技革命的巨輪:蕭克利與他的接面電晶體——《掀起晶片革命的天才怪咖:蕭克利與八叛徒》
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・2022/07/16 ・3671字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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電晶體時代的來臨

巴丁辭職兩個月後,貝爾實驗室終於準備好讓點接觸電晶體走出實驗室。

貝爾實驗室總部。 圖/wikimedia

1951 年 9 月中旬,為期五天的閉門研討會在紐澤西的貝爾實驗室辦公大樓召開,受邀者均經過五角大廈資格審查,主要是軍方的合作廠商,大約有 100 間,另外還有 20 間大學的研究學者。

有人認為是軍方施壓讓貝爾實驗室分享技術,好提升整體國防工業,但其實貝爾實驗室屬於研究機構性質,本來就無意製造販賣電子零件;而且母公司 AT&T 也未跨足通訊以外的產業,並不反對將電晶體的技術授權出去。

因此,對貝爾實驗室而言,收取權利金既符合公司利益,也讓軍方這個大客戶開心,還可以加速電晶體的時代來臨,簡直是三贏的局面。

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第二年,25 間美國廠商與 10 間外國企業取得授權,開始製造點接觸電晶體。最先應用的產品除了 AT&T 本身的通訊設備,其他都是屬於軍方的武器裝備;但到了年底,第一個電晶體消費性產品就問世了,那是由聲諾通公司(Sonotone)製造的助聽器 Sonotone 1010。

1952年,聲諾通公司(Sonotone)製造的助聽器 Sonotone 1010 問世。 圖/wikimedia

不過這個助聽器要價不斐,當時售價高達 229 美元(相當於現在 2250 美元),無法堪稱平價的商品。這其實反映了點接觸電晶體製造不易,成本壓不下來。再經過一年的時間,電晶體在 1953 年的每月出貨量約五萬顆,而同時期真空管每月產量仍多達三千五百萬顆。

儘管如此,電晶體的崛起已經引起大眾注目。比起五年前那場只有圈內人才能體會重要性的發表會,如今連財經記者也看出電晶體將會改變未來。1953 年 3 月號的《財富(Fortune)》雜誌便在一篇題為〈電晶體之年〉的專文中,預測電晶體的「可靠、小巧,耗電又低,會讓資料處理與計算的機器提升到任何所能想像的複雜度,而成為即將到來的第二次工業革命的核心。」

革命的大功臣:接面電晶體與矽

《財富》雜誌看到的是前一年 IBM 推出的通用型電腦,如果裡面的真空管全部改為電晶體,勢必會是另一番樣貌。結果一如其預言,隨著電晶體的效能日益提升,電腦果真推動了如今我們所稱的第三次工業革命*

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* 原文財富雜誌所說的第二次工業革命,其實是指現今的第三次工業革命。而現今所指的第二次工業革命則是指 19 世紀末到 20 世紀初,由電力帶來的改變。

不過《財富》雜誌沒看出來的是,點接觸電晶體並無法勝任這場革命,這場革命的掌旗手還是必須交給接面電晶體,同時電晶體材料也得從鍺換成矽才行。

當年布拉頓和巴丁為了降低表面態的能量障礙,用鍺取代矽,最後雖然成功發明點接觸電晶體;但鍺的能量障礙低的優點,也是缺點。能量障礙低,代表比較容易導電,一旦環境溫度太高或機器全速運轉(溫度升高)時,就會發生漏電。因此,當蕭克利另組團隊,開始打造接面電晶體時,就設定最終的成品應以矽為材料。

矽還有一個好處:地表上蘊藏豐富,是地殼中含量第二的元素。隨處可見的沙子其實就是二氧化矽,原料成本要比鍺便宜多了。不過要製造接面電晶體非常困難,得精煉出純度高達 99.999999999% 的矽,同時還要將原本結構不夠規則的多晶矽,轉為晶格排列整齊的單晶矽,才有利於電子順利通過。

在製造過程中,還得精確控制摻雜硼與鍺的分量,而且要確保位置精準、分布均勻;尤其三明治架構的中間那層 p 型矽必須薄到微米級的厚度才有放大效果,如何把硼均勻摻入這麼薄的中間層,不能有絲毫摻到左右兩邊,更是難上加難。

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貝爾實驗室一直到 1954 年初才發明出製造方法,但實驗室的文化畢竟是研究導向,並沒有積極投入量產。結果兩年前才向貝爾實驗室取得授權的德州儀器(TexasInstruments)後來居上,率先於 4 月宣布可以大量生產用矽打造的接面電晶體,並於 10 月推出第一臺電晶體收音機 TR-1。這臺收音機只比菸盒大一些,可隨身攜帶,讓一般大眾感受到電晶體將帶來巨大改變。

1954年推出了第一台電晶體收音機 TR-1 ,體積僅是手掌大小,可以隨身攜帶。 圖/wikipedia

蕭克利與貝爾實驗室的愛恨情仇

此時蕭克利並不在貝爾實驗室,他向公司請了一年的長假,回到大學母校加州理工學院,擔任客座教授。其實這是蕭克利故意表達他的嚴正抗議,抗議公司沒有給他「對等」的待遇。

貝爾實驗室高層不是相當重視蕭克利嗎?不但處處配合他,同意讓他兼任軍方顧問、任意調配上班時間,還幫他塑造電晶體發明人的形象,為什麼蕭克利還會如此不滿?原來蕭克利得罪的不只布拉頓與巴丁,事實上,已經有十幾個人都受不了他的剛愎自用又愛亂發脾氣,而先後辭職走人。

高層看在眼裡,都明白他雖然是個無庸置疑的天才,但個性缺陷改不了,所以只能負責特定專案,並不適合再提拔為更高階的領導者。

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可是蕭克利的聰明才智對公司實在太重要了,為了安撫他,特地讓他擔任「聘僱長」一職,負責決定特殊人才的任用與敘薪(事實證明蕭克利雖然不是個好的領導者,但卻有識人的眼光,幾個經他特別加薪的人,日後都做出重要貢獻,其中有兩位還獲得諾貝爾獎)。

蕭克利的聰明才智對公司實在太重要了,但他的個性缺陷卻是一大問題。圖/wikipedia

然而這個「實則架空」的職位怎麼可能讓蕭克利滿意,尤其幾個比他晚進公司的人竟然官升得比他高,更令他忍不下這口氣,決定請長假以示抗議。

現任貝爾實驗室總裁的凱利當然不願失去蕭克利這樣的頂尖人才,但找他來懇談之後,終於明白這頭亟欲振翅高飛的大鵬,是不可能再委身在貝爾實驗室裡。權不夠大、官不夠高、薪水不夠多,這些人比人氣死人的因素,固然讓蕭克利覺得委屈,但這些都只是導火線,並非是他想離開的真正原因。

當年凱利以創造新時代的使命感,吸引蕭克利加入貝爾實驗室;如今蕭克利算是完成使命,但他顯然並不想功成身退、以此為終。自負的蕭克利想要繼續引領時代前進,這也是為什麼他始終不肯放棄軍方顧問一職,因為參與改變世局的決策,不但充滿成就感,也滿足掌握一切的權力慾望。

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如果說蕭克利所發明的接面電晶體是個掀起革命的火苗,那麼他還想成為舉起火炬照亮前方的帶領者。

但貝爾實驗室畢竟只是研究機構,不做商品化的生意,加上個人的發明按照規定又歸公司所有,即使凱利把總裁讓給蕭克利,他一定仍會覺得有志難伸,終究不會安身立命。

果然,蕭克利在加州理工學院一邊教書、一邊放出打算離開貝爾實驗室的風聲,試探可能的發展機會。許多大型企業與知名大學耳聞後,紛紛提供條件優渥的職位,但蕭克利在得知德州儀器率先推出矽的接面電晶體以及電晶體收音機後,已下定決心要自行創業。

原本在貝爾實驗室負責提煉矽晶體的提爾(Gordon Kidd Teal),跳槽到德州儀器一年多後,就能做出這樣的成績,那麼他蕭克利絕對更能有一番作為。

美國德州達拉斯市的德州儀器的招牌。
蕭克利受到德州儀器與提爾(Gordon Kidd Teal)的刺激,決定辭職、自行創業。圖/wikipedia

蕭克利正式向凱利表明辭意後,凱利除了予以祝福,還主動引介他與洛克斐洛家族會面。其實凱利知道以蕭克利的聲望與人脈,不用別人幫忙,他自己就能找到願意資助他創業的大型企業。

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果然過沒多久,蕭克利就將遇見一位願意投資他成立實驗室的企業主。

補充的知識+

  • 單晶矽的製作

製作單晶矽對於半導體製造來說是個非常關鍵的步驟。我們常聽到的「晶圓廠」,就是負責將沙子中的二氧化矽提煉製作成單晶矽,並且切割成一片片晶圓片後,再送到 IC 製造廠或是代工廠生產半導體晶片。

——本文摘自《掀起晶片革命的天才怪咖:蕭克利與八叛徒》,2022 年 7 月,親子天下,未經同意請勿轉載。

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