科学网丨陈星弼:功率器件领路人

文:科学网 / 来源:社会媒体 / 2019-12-11 / 点击量:636

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  我不完全赞同韩愈《师说》的观点。教师确实应该传道授业,至于解惑……不仅不赞成答疑,甚至认为教师应该把学生当“敌人”。怎么对付这个“敌人”?出难题,考得学生瓜西西的(四川话,有点尴尬的意思)。做难题锻炼了独立解决问题的能力,进而能够自己发现问题。科学研究无非就是这两个方面:发现问题、解决问题。经历过难题的磨砺,做科研的能力才会增强。

  陈星弼衣着朴素,他自嘲“在街上,从没有小偷来偷我的钱,看不上”。可谁又知道,这位看似普通的老人,其真实身份是中国科学院院士、电子科技大学教授,他的专利已被220项美国专利引用,他的成果带来了约20亿美元的经济效益。

  “为了名利,不可能在科研上耗费一辈子的精力。”陈星弼说。年少时,他就读过马克思的名言——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。这也是他一生科研情怀的写照。

  12月4日,陈星弼因病医治无效逝世,享年89岁。带着对科研报国的满腔热爱,他永远地离开了我们。

信念如炬踏坎坷

  上世纪50年代,我国从零开始建设电子计算机及半导体的科技事业。南京工学院电机系助教陈星弼敏锐地捕捉到这一新方向。得到学校许可后,他北上中科院,跨越转专业难关,投身祖国新兴的半导体事业。

  从小喜欢物理的他,毕业于同济大学电机系,像他的“偶像”爱因斯坦一样喜欢古典音乐,尤爱听舒伯特、贝多芬、莫扎特的音乐。“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。”

  在中科院,他被漂移晶体管吸引住了。这在当时是新兴事物,正逐渐替代饱和晶体管。陈星弼利用假期进行推导,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》出炉了。该文是在国际上首次指出集电区中少数载流子存储效应对开关性能影响的重要文章,发表在1959年的《物理学报》。

  结束中科院进修的陈星弼来到巴蜀大地,开始了60余年的电子科技大学生涯,彼时电子科技大学的校名还是成都电讯工程学院(以下简称“成电”)。

  时年28岁的陈星弼接到的第一个任务是教《半导体物理》。为了实现最好的教学效果,授课前,陈星弼先讲给夫人唐俊奇听。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了上海话和四川方言,唐俊奇纠正他的发音错误。夫妻俩细细推敲每个例子是否准确,琢磨每句话最佳的表达方式。

  “我不完全赞同韩愈《师说》的观点。” 陈星弼摇了摇头,“教师确实应该传道授业,至于解惑……”他不仅不赞成答疑,甚至认为教师应该把学生当“敌人”。怎么对付这个“敌人”?“出难题,考得学生瓜西西的(四川话,有点尴尬的意思)”“每次考试都应该有学生不及格”。

  陈星弼在求学过程中遇到很多严师,遇严师、做难题,他认为自己非常幸运。做难题锻炼了独立解决问题的能力,进而能够自己发现问题。“科学研究无非就是这两个方面:发现问题、解决问题。”经历过难题的磨砺,做科研的能力才会增强。

  家庭成分不好,“白专”路线的评价……立志科研事业的陈星弼在上世纪60年代被硬生生地排除在科研工作之外。“文革”时期,他又被无限上纲而首批被打倒。尽管如此,他内心的梦想仍在逆境中迸发无限力量。

  在他的建议和努力下,成电接到了研制硅靶摄像管的科研任务。硅靶靶面研制小组成立后,陈星弼做了理论论证,提出工艺和测量方面进行攻关的三大难题。全组人员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。

  在测量半导体的电阻率时,陈星弼发现平时最常用的方法是“四探针法”,通常所用的理论计算方式必须假设均匀材料,但实际情况和假设有差别。他抽时间研究电阻率,最后利用传统的电荷镜像法,创造了一种在一维方向介质是不均匀的镜像电荷方程。

  在特殊的年代,陈星弼还先后写出了几篇优秀的论文:《论晶体管电荷控制法的基础》《一维不均匀媒质中的镜像法》《表面复合的漂移及扩散运动的影响》《小注入下晶体管I_c-V_(BE)特性的指数因子的研究》。

万里求学辟奇境

  1978年,全国科学大会在北京召开,科学的春天终于来到了。

  作为“文革”后第一批出国留学人员,1980年8月,陈星弼进入俄亥俄大学注册学习。他先进电机系,导师很快发现陈星弼的水平比自己高,他又转到物理系,学得专注而用心。有一次,陈星弼发现考卷上有一道题出错了,考试后立即给教授指出来。第二学期开课,他一只脚刚踏进门,教授突然不讲了。陈星弼抬头看看黑板,正是那道错题。教授温和而礼貌地问他:“Mr Chen,你看这道题是不是应该这样解?”

  在俄亥俄大学半年学了三门课程,陈星弼去加州大学伯克利分校学习。在那里,陈星弼“邂逅”功率器件,找到了后半生为之奋斗的道路。

  以毫米为单位的小芯片从晶圆片上划分而来,制作成各种产品。有一个问题始终困扰着业界的专家们:每个芯片都有边界,它将对功率器件的性能产生影响。解决该问题的技术被称为“终端技术”。

  陈星弼接触功率器件不到一年的时间后,凭借扎实的功底和勤奋的学习,对解决芯片“终端技术问题”有了独特的思路: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,即最佳表面变掺杂。

  与陈星弼合作研究的加州大学伯克利分校教授胡正明建议他将功率器件作为归国后的研究方向。然而,陈星弼固执地摇了摇头。他心中还有一个关于“最伟大的物理”的宏大梦想。

  可以说是回校后带领团队的重大责任,让陈星弼走上了半导体功率器件的研究之路。当时校内科研项目太少,从事高新技术研究的教师待遇很低,最好的学生不愿意留下来搞科研,长此以往,何谈发展?担任系主任的陈星弼毅然决定,放弃对理论物理的热爱,带领教师们投入当时在国内外方兴未艾的半导体功率器件研究。

  归国后不久,陈星弼提出建立微电子研究所。1984年6月,经电子工业部批准,微电子研究所成立,陈星弼任所长、李智任副所长,挂靠三系。1986年3月,微电子研究所成为单独的科研机构。

  微电子所“独立”之初,全部经费不足两万元。当所长的陈星弼压力很大。功率器件研究在国内还是新方向,申报课题时很难被理解。陈星弼带领大家忘我地投入高强度工作。“早上十点前一定不要叫我,或者给我家打电话,我要休息。”陈星弼再三嘱咐。他每天都工作到凌晨两三点钟,甚至通宵达旦,当东方发白,才短暂地休息几个小时。

  1987年底,当冬雪给万物披上银装,陈星弼和同事们终于饮下了成功的佳酿。那一年,全所科研课题10个,经费将近30万元。而当时,一年科研经费超过20万元的专业还凤毛麟角。几篇论文相继发表,“功率半导体器件及高压集成电路”这个崭新而陌生的词组从此与陈星弼紧密联系在一起。“尤其值得高兴的是,‘半导体器件与微电子学’还高分通过了博士点申请。”陈星弼说。

群英共助攀高峰

  本世纪初,行业内专家认为,陈星弼的几项发明成为了第二次电子革命的突破口,这一创新在十年内无人突破。

  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。第二次电子革命是用微电子技术控制和利用电能的方法。要让功率管实现对电能的控制,主要方法是开关,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”。陈星弼的发明却能使用作开关的功率管较容易地直接连到集成电路上,让仪器不仅有一个“聪明的大脑”集成电路,还能做到“四肢发达”。

  早在1981年,陈星弼在加州大学伯克利分校做访问学者时,就发现各种平面结终端技术实质上都是利用由在表面引入的电荷产生的电场,使平面结边缘的电场降低。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,直到他看到科研界提出表面变掺杂的实现方法。

  关于表面耐压层结构的想法,一直在他心底沉睡多年。突然间,一页论文、一个灵感,好像无边的暗夜里,打了个雪亮的忽闪,把它惊醒了。

  为了实现这个设想,陈星弼于1993年去加拿大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,他坚信这种方法比国外的技术要先进很多。

  陈星弼自己出钱租了一个二维器件模拟软件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。经过多年的试验,陈星弼和他的研究小组通过改变功率管的结构,实现了复合缓冲耐压结构(现称为“超结器件”)。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。这个方法的工艺改进后,成本将大大下降,最后成为主流产品。

  美国得克萨斯大学电子工程系终身正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”。美国专家迈克尔·肖尔在给电子科大的信中提到,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。

  即便是这样,陈星弼对超结器件仍不满意,他对它的缺陷耿耿于怀,又相继研制成功了“具有异型掺杂岛耐压结构”“表面耐压层结构”等,终获中国发明专利,有效地解决了功率管做到集成电路上高代价的问题,使我国高压(功率)集成电路在一个全新的、比国际更先进的起点上展翅腾飞。


  报道链接:http://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2019/12/351909.shtm



编辑:林坤  / 审核:林坤  / 发布者:林坤