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1.晶体管诞生70年, 回首中国集成电路来时路;
'时间: 1947年12月16日
日记号: 38139-7'
70年前, 当物理学家沃尔特·布拉顿像往常一样写下他的实验日记, 他不曾预料, 一个时代即将开启.
这场实验的主角是一个比火柴棍短且粗的半导体放大器, 后来, 它被命名为点接触式晶体管.
点接触式晶体管成了人类打开晶体管大门的第一把钥匙. 大门推开后, 一场信息技术革命席卷全球.
70年后, 晶体管已经变得几乎无处不在. 人类以其为砖瓦, 搭建出一个个虚拟世界. 我们至今仍未找到晶体管的替代品, 以其为基础的集成电路, 还将被人类长期依赖.
晶体管的问世, 人类微电子革命的先声
晶体管诞生之前, 人们已经有了电子管, 或者叫真空管.
电子管具有信号放大作用, 但是毛病一箩筐——寿命低, 体积大, 可靠性差.
所以, 人们希望找到一种器件替代电子管. 美国电话电报公司 (AT&T) 下属的贝尔实验室成了寻找路上的开路先锋.
贝尔实验室创建于1925年. 成立伊始, 它就是世界上规模最大的工业实验室. 3600名工作人员中, 有2000名是技术人员.
1945年7月, 二战临近结束, 为了适应战后研究方向的调整, 贝尔实验室进行了各个研究部门的改组.
这次改组中, 物理部门成立了3个研究小组, 其中之一就是固体物理研究组. 该组又分为半导体和冶金两个小组, 麻省理工大学博士肖克莱兼任半导体小组组长. 他将小组的研究计划, 定为研制 '半导体放大器' .
半导体是指常温下导电性能介于导体和绝缘体之间的材料, 像硅和锗, 就是常见的半导体材料.
清华大学微电子所所长魏少军说, 要理解晶体管的工作原理, 可以想象一个大坝的水闸.
当大坝闸门合上, 无水流出, 水力发电机就无法发电; 当闸门打开, 水流涌出, 水力发电机就可以输出电流. '闸门的开合直接影响到了水力发电机的运转, 这就是用一个弱信号, 去控制了一个强信号. ' 而晶体管的基本原理, 就是 '放大' , 用小电流去控制大电流.
贝尔实验室对晶体管的构思由来已久. 晶体管的诞生, 是长期积累的结果. 从诺贝尔奖的归属来看, 荣誉最终给了3个人——肖克莱, 布拉顿和巴丁.
1947年12月16日, 摆在布拉顿和巴丁面前的, 是一个多次改进后的, 构筑在锗晶体之上的器件. 锗晶体表面, 用一根弹簧压着一个两边包裹着金箔的三角形塑料楔子. 这两边的金箔, 就是信号的输入端和输出端.
就是它, 在那天的实验中, 成功放大了30%的输出功率和15倍的输出电压.
用现代标准来衡量, 这点触式晶体管的原型实在太过质朴笨拙, 但无可否认, 它就是人类微电子革命的先声.
在它之后, 又有双极型, 单极型晶体管和硅晶体管相继问世.
'从移动计算到智能计算, 当今时代的种种变化, 都离不开电子信息系统. 而晶体管, 是其中最为基础的器件. ' 魏少军说, 晶体管之于信息革命, 如同铁器之于农业革命, 如同蒸汽机之于工业革命, '它的重要性怎么强调都不为过. '
起步不晚的中国, 还是落后了
晶体管应该被拿来做更多的事情, 不过前提是, 它要足够小.
如何找到一种高效的晶体管, 导线和其他器件的连接方法? 1958年左右, 美国两位30岁出头的年轻人, 各自拿出了自己的解决方案——就是我们今天已经熟知的集成电路.
如果说, 晶体管的诞生, 是蝴蝶扇动了翅膀, 那么, 远隔大洋的中国, 也敏锐地嗅到了风暴来袭的信号.
中国的起步并不晚. 上世纪50年代中期, 正值我国开始实施第一个五年计划. 半导体这门新兴科学技术受到了党和政府的高度重视. 1956年, 在没有技术资料和完整设备的条件下, 我国成功研制出了首批半导体器件——锗合金晶体管. 1965年, 我国又拥有了集成电路.
'说起我国第一代半导体人, 那真是非常了不起. ' 中科院微电子研究所所长叶甜春感慨, '他们带着知识归国, 自己研制设备, 自己制备材料, 自己培养了第一批学生, 完全白手起家. '
头20年, 我国集成电路和国际上的差距并不大; 但在第二个20年, 道路开始曲折.
差的不在技术, 而是产业. 一个还没有完成工业化的国家, 刚刚从计划经济时代走出, 还不知道如何组织大规模商品生产. 此时, 还想更进一步, 发展高新技术产业, 更是难上加难.
产业发展不起来, 技术研发也步履维艰, 陷入恶性循环. 叶甜春记得, 1986年自己刚入集成电路这一行时, 整个行业都处在痛苦的转型期. 大家还在学习高质量低成本地批量制造产品, 在混沌中摸索.
上世纪八九十年代, 国际集成电路产业开始起飞. '这是国家发展阶段的差异, 也没什么好埋怨的. ' 叶甜春坦言.
真正的转折点, 发生在2008年.
那一年, 国家科技重大专项启动. '核心电子器件, 高端通用芯片及基础软件产品' '极大规模集成电路制造装备及成套工艺' 等专项都指向了集成电路. 5年后, 技术储备到了一定程度, 加大产业投入, 也就被提上议事日程.
2014年, 国务院发布《国家集成电路产业发展推进纲要》, 设立国家产业投资基金. '效果一下子就显现出来了. 为什么能这么快? 因为技术体系已经建立起来了, 能支撑产业体系的快速发展了. ' 叶甜春总结, '这是一套组合拳, 堪称完美. '
到了能打大战役的时候了
2017年1月, 晶体管诞生之国美国, 在一份报告中将矛头对准了中国.
美国总统科技顾问委员会称, 中国的芯片业已经对美国的相关企业和国家安全造成了严重威胁, 建议美国总统下令对中国的芯片产业进行更加严密的审查.
为什么? 我国集成电路产业规模在世界占比非常小, 算是 '小透明' , 就算有一些跨国并购, 但交易额也完全不够看, 何至于引起这么高的警觉?
'因为资本的背后, 是我们自己真正的技术体系和产业体系在做支撑. ' 叶甜春说, '他们认为, 一旦发展起来, 就不可阻挡. 我们有核心竞争力了, 人家就害怕. '
实际上, 我国集成电路一直都在国际上的打压和遏制中求生存. 产业还在起步阶段, 就有 '巴黎统筹协会' 对我国所需的新技术, 新设备进行封锁禁运. 当上世纪80年代后期 '巴黎统筹协会' 解体之后, 又有 '瓦圣那协定组织' 继续对我国新兴技术和新兴产业进行封锁限制, 它们只允许放行比经济发达国家滞后两代的集成电路技术和设备.
'西方国家有点神经过敏. ' 魏少军的看法略有不同, '中国打赢集成电路这场仗没那么容易. ' 集成电路产业的发展, 需要全球化的产业环境, 需要巨额投入, 也需要大量人才. 这都无法一蹴而就.
从中国半导体行业协会的统计来看, 2016年我国集成电路产业销售额达4335.5亿元, 比上年增长20.1%, 这一增长速度算得上 '高歌猛进' . 不过, 魏少军提醒, 这4000多亿元的销售额, 还包括了在华外商的贡献. '其实我们自身的能力还相当有限. ' 他判断, 我国自己生产的集成电路, 大约可以满足国内需求的1/4.
从技术上来看, 我国最新的集成电路技术, 跟国际上最新技术还差了一代到两代. 不过, 叶甜春认为, 纠结于这个最新技术的代际差异, 是一种误区, 并没有太大意义.
比如, 如今依然在大量生产的55纳米, 40纳米和28纳米芯片, 进入市场已近10年, 但它们并未因为更小尺寸芯片的出现就退出历史舞台.
'集成电路尺寸缩小速度确实很快, 但并不是下一代对上一代的完全替代. 每一代技术都有大约10年的生命周期. ' 叶甜春表示, 我国55, 40, 28纳米三代成套工艺已研发成功并实现量产, 而更先进的22, 14纳米先导技术在研发上也取得突破, 形成了自主知识产权. '所谓赶超, 也无需要求在各个领域全面超越, 只要我国的集成电路能够支撑我国信息化和智能化的发展即可. '
可以肯定的是, 这场晶体管开启的信息革命, 将更深, 更广地重塑人类社会. '未来, 芯片的重要性只增不减. ' 魏少军强调.
而回首来路, 叶甜春常说 '传承' . 一代一代半导体人的砥砺前行, 才有中国今天的局面.
今天是个怎样的局面? 他抬起头, 望向远方, 带着笑意. '可以打大战役了. 我们有了 '战' 的能力, 虽然能力有限, 但和从前相比, 大不一样了. 天时地利人和, 没有理由超不过别人, 这只是时间早晚问题. ' (记者 张盖伦) 科技日报
2.乐鑫推出支持 Apple HomeKit 新版 SDK;
集微网消息, 乐鑫在近期推出支持 Apple HomeKit 的软件开发工具包 (SDK). 新版 SDK 基于 ESP32 而研发, 全面集成了 Apple HomeKit 协议. ESP32 是乐鑫最新的旗舰芯片, 自上市以来已成为业内最受欢迎的芯片之一. 用户可以快速选型 ESP32 芯片, 通过新版的 SDK 来开发 HomeKit 应用.
支持 Apple HomeKit 的 SDK 结合 ESP32 芯片为用户提供了快速, 友好的开发体验. 与此同时, SDK 充分结合了 HomeKit 与乐鑫强大的加密功能, '双保险' 机制确保了产品开发和使用的安全性.
此版本 SDK 的主要特征包括:
用户 API 独立于通信传输提供了常用的应用实例, 方便用户快速开发支持用户自定义配件
目前乐鑫以 GitLab 的形式向客户定向提供支持 Apple HomeKit 的 SDK, 对于已经有过 MFi 认证经验或计划加入 MFi 认证的客户, 现在已可以选型 ESP32 芯片做方案设计, 乐鑫将为您提供全面的技术支持, 您可从乐鑫官网登记信息联系商务人员咨询.
3.崂山建青岛芯谷 2022年微电子产业规模达100亿;
昨天, 崂山区, 高通(中国)控股有限公司(以下简称 '美国高通' )和歌尔股份有限公司举行 '青岛芯谷·美国高通·歌尔联合创新中心' (以下简称 '联合创新中心' )签约仪式.
实现四大领域创新
联合创新中心将落户于崂山区国际创新园, 中心包括展示中心, 创新实验室两个区域. 展示中心将作为青岛高科技领域的展示名片, 通过展示美国高通与歌尔全球领先的技术以及最新的应用案例, 帮助青岛双创企业了解全球最新技术与市场趋势, 为更多双创企业投身智能终端开发拓展思路; 创新实验室配备先进的测试仪器, 依托美国高通全球领先的技术, 歌尔强大的研发实力和产业基础, 为符合条件的双创企业提供技术评估, 初期研发指导及系统兼容性测试, 从而加快双创企业在智能终端及物联网各相关行业应用领域的发展.
签约仪式上, 美国高通与歌尔双方代表分别介绍了公司的发展愿景. 美国高通是全球领先的无线通信企业和全球最大的无晶圆厂半导体公司, 引领了全球3G, 4G以及下一代无线技术的发展, 通过布局移动计算, 物联网, 汽车及人工智能等领域, 引领万物智能互联的新时代. 歌尔是全球精密零组件与智能硬件领域的领导厂商, 在声学, 传感器, MEMS等精密零组件以及VR/AR, 智能音响, 智能穿戴, 机器人等智能硬件领域积累了深厚的技术优势, 凭借领先的垂直整合能力与自动化精密制造能力, 为全球客户提供一站式产品解决方案. 歌尔与美国高通在智能硬件领域的合作已经开展多年, 比如在VR领域, 双方基于高通骁龙820与835移动平台先后联合开发了两款VR一体机参考设计平台, 有效提高了VR一体机产业的发展速度.
崂山发力建设青岛芯谷
高通与歌尔的品牌影响力与先进技术有助于聚集产业资源, 吸引技术人才, 促进上下游产业的发展, 完善青岛产业链条. 联合创新中心将有助于解决青岛 '缺芯' 难题, 为青岛企业提供芯片应用, 5G, 物联网技术解决方案, 推动青岛企业的技术创新. 青岛市将全力以赴支持美国高通和歌尔在青岛的发展, 共同做大微电子和智能硬件的市场蛋糕, 努力实现企业与地方产业发展双赢.
美国高通公司中国区董事长孟朴介绍, 今后, 高通将继续加强与歌尔及青岛市在智能终端和物联网等领域的合作, 也希望联合创新中心能让更多青岛的双创企业从中受益, 在家门口就能了解前沿技术趋势并获得创新创业方面的有力支持.
歌尔股份有限公司总裁姜龙告诉记者, 此次联合创新中心的建立, 有助于推动智能硬件生态圈的发展. 歌尔将发挥自己在智能硬件与精密零组件领域的技术优势, 研发实力以及制造经验, 与美国高通一起积极推进智能硬件和物联网的发展, 打造创新驱动的多赢合作模式.
据介绍, 崂山区立足本土优势, 打造 '北部沿海综合经济区微电子产业研发高地和青岛 '芯谷' 发展目标' . 力争到2022年, 崂山区微电子产业规模达到100亿元. 根据国家 '十三五规划' , 培育集成电路产业体系; 培育人工智能, 智能硬件, 移动智能终端, 5G移动通信技术, 先进传感器和穿戴设备等产业将成为新的经济增长点. 此次联合创新中心的建立不仅是对国家 '十三五规划' 的积极响应, 同时将有效推进青岛市微电子, 智能硬件产业, 物联网等行业的发展. 青岛早报
4.工行南京联手永丰银行 支持南京集成电路产业;
12月12日, '金融支持南京集成电路产业研讨会' 于工商银行江苏省分行营业部盛大召开. 本次研讨会由中国工商银行江苏省分行营业部主办, 永丰银行 (中国) 有限公司协办. 邀请了人民银行, 南京市集成电路协会, 中科招商投资管理集团, 浦口经济开发区, 海峡两岸科工园, 江北新区研创园以及欣铨集成电路, 创意电子, 展讯半导体, 江苏芯艾科半导体, 弘洁半导体等20家企业代表出席.
会上, 工商银行江苏省分行营业部副总经理陈金华先生指出: '集成电路产业是现代电子信息产业的基础和核心, 是关系国民经济和社会发展全局的基础性, 先导性和战略性产业, 也与我们的日常生活息息相关. 我国已明确提出 建立自主可控集成电路产业体系 的发展战略, 未来, 随着党的十九大在深化供给侧结构性改革, 加快建设创新型国家, 实施乡村振兴战略, 推动形成全面开放新格局等一系列重大部署的落地, 集成电路产业将迎来重要战略机遇期和黄金发展期. '
一直以来, 工商银行高度重视支持集成电路产业发展, 将其作为践行企业社会责任的重要途径, 不断拓宽企业融资渠道, 创新服务产品, 加大金融支持力度, 为集成电路产业全链条企业提供了包括支付, 融资, 存款, 结算, 理财, 投行, 年金等一揽子金融服务, 有力地促进了我国集成电路产业的蓬勃发展. 今后, 工商银行将携手永丰银行, 进一步整合资源优势, 为广大客户提供更加多元, 优质的金融服务. 严婷 南京日报
5.苏州纳米所半导体SERS研究获进展
有一种元素, 以单质分子形式构成大气体积的21%, 以化合物形式构成地壳总质量的48.6%, 这就是氧. 因其活泼的化学性质及其较大的电负性, 成就了自然界物种的多样性. 自1777年由拉瓦锡发现以来, 氧元素一直都是化学家的宠儿. 如今在新兴的半导体SERS领域, 它的重要性再一次被体现.
上世纪70年代, 表面增强拉曼光谱 (SERS) 面世后, 贵金属基底的引入将拉曼检测灵敏度提升百万倍, 克服了传统拉曼光谱与生俱来的信号微弱等缺点, 使拉曼检测在食品安全, 环境监测, 生命科学等领域得到广泛应用, 并迅速成长为最灵敏的表面物种现场谱学检测技术之一. 然而, 人们欣喜的同时却遗憾地发现, SERS仅在金, 银, 铜等贵金属的粗糙表面才具有高活性, 即需依赖贵金属表面电磁增强的 '热点' 效应, 基底的选择十分有限; 且实际应用中这种精细调制的材料结构易受环境因素干扰, 稳定性差强人意. 事实上, 探索新型, 高性能的非金属基底是SERS技术中最重要的研究方向之一. 尤其近年来半导体化合物被证实具有SERS活性, 其丰富的种类与化学组成引起人们极大的兴趣, 但此类化合物作为SERS基底普遍较低的增强因子似乎成为难以突破的科研瓶颈. 基底材料所表现出的SERS性能来源于探针分子与其表面的相互作用, 包括电磁增强 (EM) 与化学增强 (CM) 两种方式. 通常认为金属材料中以电磁增强为主, 而半导体化合物表面化学增强则起决定作用. 正因为机制不同, 半导体材料用作SERS基底的设计应遵循完全不同于现有的贵金属材料的研究理念.
近日, 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员赵志刚率领的研究团队, 发现氧分子可以作为开启半导体化合物SERS性能宝藏的钥匙, 即利用化合物化学组成可调的特点, 巧妙地通过氧元素调控过渡金属化合物的化学计量组成或表面晶格氧浓度, 来增强非 (弱) SERS活性材料表面物种的信号.
在此学术思想指导下, 该研究团队首先选择自身富氧缺陷的W18O49海胆状纳米粒子作为SERS基底, 获得了高灵敏度和低探测极限的优异SERS性能. 这种首次作为SERS基底的半导体材料对R6G分子的检测极限可低至10-7M, 通过还原气氛 (H2, Ar) 处理的方法进一步改变W18O49的表面氧缺陷浓度, 将材料的SERS增强因子提升至3.4×105, 是现已报道的性能最为优秀的半导体SERS基底材料之一, 并已接近无 '热点' 的贵金属材料. 相比之下, 化学计量比WO3几乎没有SERS活性, 这说明氧缺陷对于半导体氧化物的SERS性能有重要作用.
既然从晶格中拖出氧对材料SERS如此重要, 那么反过来向晶格中插入氧又将如何? 带着这个疑问, 赵志刚团队选择了硫化钼 (MoS2) 这种本身SERS性能微弱的硫族半导体材料, 通过取代和氧化两种方式方便地实现其晶格中氧的插入. 结果证实, 适量的氧插入可使硫化钼的SERS活性提升100,000倍, 但过量的氧掺杂会导致SERS活性大幅下降. 此外, 通过这种氧插入方法, 硒化钨, 硫化钨, 硒化钼等多种化合物的SERS性能均可获得大幅增强, 也就是说, 这种晶格氧调控的手段在提升半导体SERS性能方面颇具普适性潜力.
至此, 晶格中的 '氧缺陷' 与 '插入氧' 对半导体SERS的增强作用已被统一, 而理论计算结果更是指向了同一结论. 该团队研究人员将化学增强的理论模型应用于半导体-有机分子体系, 发现半导体材料晶格氧的增减可作为调控其能级结构的有效手段; 其中 '氧缺陷' 会引入深能级作为电子跃迁的 '弹跳板' , 而 '插入氧' 将直接增加带边附近的电子态并伴随着禁带变窄; 这些都将显著增加激光激发下半导体中电子跃迁的可能, 并进一步通过振动耦合 (Vibronic Coupling) 作用于半导体-有机分子之间的电荷跃迁 (Charge Transfer) , 影响基底表面所吸附有机分子的极化张力, 从而增强其拉曼光谱响应.
以上工作证实了恰当地调制半导体化合物中的晶格氧, 可作为显著提升其SERS性能的一种有效手段, 突破常规SERS技术中贵金属基底的局限性, 进一步拓宽半导体化合物作为基底材料在SERS检测中的应用范畴. 系列研究成果分别以Noble metal-comparable SERS enhancement from semiconducting metal oxides by making oxygen vacancies与Semiconductor SERS enhancement enabled by oxygen incorporation为题在线发表在Nature Communications上.
研究工作得到国家自然科学基金, 江苏省优秀青年基金,
氧缺陷W18O49纳米粒子作为SERS基底性能优秀
氧插入MoS2材料 中国科学院网站