永遠的半導體大師
施敏院士是半導體領域的大師級人物。 圖｜研之有物
求學與選擇：初遇半導體
施敏出生於 1936 年，青年時期的他就讀建國中學時，就對工程科學產生濃厚興趣。高中畢業後，他原本想要追隨礦冶專家父親施家福的步伐，就讀臺南工學院礦冶系（今國立成功大學）。施敏笑著說，當時父親勸他在臺灣不要走礦冶，因為「臺灣是水成岩，不是火成岩，地底下礦物不多。父親說我學礦冶的話就白學了（笑）。」
後來，施敏把眼光轉向臺灣大學工學院，四大科系有機械系、土木系、化工系和電機系。施敏說，當時他覺得電機系用的數學比較多，加上數學也是自己擅長的領域，於是就進入臺大電機工程學系就讀。
1957 年，施敏順利從臺灣大學電機系畢業。他說：「四年讀完之後，那時候有個風氣，就是我們班的同學幾乎 90% 都出國留學，一大票人都去了美國。」在留學風氣之下，施敏選擇到美國華盛頓大學深造。離開熟悉的家鄉，年輕的施敏踏上了求知之路。
華盛頓大學期間，施敏遇到了人生第一位半導體導師：魏凌雲教授。施敏說：「當時要申請獎學金時，我分別和天線組、控制組、微波組以及半導體組的教授談過，最後選擇做半導體。」可能是使用共同語言的熟悉感，他和半導體組的魏凌雲教授相談甚歡。施敏說：「魏教授教了我很多固態電子的技術。他的老師約翰·巴丁（John Bardeen）是電晶體發明人之一，而且拿過兩次諾貝爾獎，一次是電晶體，另一次是超導理論。」
就這樣，施敏開始在魏教授底下從事半導體研究，1960 年取得華盛頓大學碩士學位，論文為「鋅和錫在銻化銦中的擴散」（Diffusion of Zinc and Tin in Indium Antimonide）。
施敏笑著說：
"我運氣不錯，如果魏教授不做半導體的話，我這輩子很可能會去做微波，一個小決定造成世界很大的改變。"
重要人生導師：John Moll
碩士畢業之後，施敏申請到史丹佛大學的電機博士班，繼續深造半導體專業。在那裡他遇到人生第二位啟發他的半導體導師，同時也是重要的人生導師：約翰·莫爾教授（John Moll），John Moll 是半導體物理學的大師。施敏說：「John Moll 是第一個建議用矽取代鍺來製造電晶體的人，Moll 認為矽比鍺更適合發展為主要半導體技術。」（註1）
漸漸地，在 John Moll 的指導下，施敏開始確立自己在半導體領域的學術方向，1963 年他順利完成博士學位，論文為「金薄膜內的熱電子範圍函數與能量關係」（Range-energy relation of hot electrons in gold）。
畢業後，當時半導體產業正在擴張，施敏順利拿到多達七家半導體公司的工作職位，除了有貝爾實驗室（Bell Labs），還有通用電子（General Electric）、惠普（HP）、國際商業機器（IBM）、美國無線電公司（RCA）和西屋電氣（Westinghouse Electric）等。如此多的工作可能性一次迎面而來，讓施敏不知道該如何選擇。
於是，施敏再次請教他的人生導師 John Moll。過去曾在貝爾實驗室任職的 John Moll，對施敏的個性再瞭解不過，他極力推薦施敏去 Bell Labs。甫出社會的施敏回應：「可是，Bell Labs 給的薪水比其他公司低了大概 15% 至 20%。」John Moll 自信地說：「沒關係，起薪不重要。Bell Labs 是全世界最好的研究中心，大概有三萬名研究人員，其中有四千個博士和一萬個碩士，每年經費多達 30 億美元。只要好好做，加薪加得很快。」
導師的建議果然別具遠見，施敏自 1963 年至 1989 年間，一直在美國貝爾實驗室從事研究工作。他得以盡情發揮所長，接觸到各式各樣先進的半導體技術和設備。而其中最關鍵的時間點，莫過於 1967 年 5 月，他和同事姜大元共同發明了全世界第一個「浮閘非揮發性半導體記憶體」。
1967 年 5 月，施敏（右）和姜大元（左）共同發明了全世界第一個「浮閘非揮發性半導體記憶體」。 圖｜施敏演講資料
孕育人才的搖籃：貝爾實驗室
工作可以影響一個人的視野和創意的發揮，究竟當時貝爾實驗室是什麼樣的工作環境？讓施敏能夠盡情研究，進而發明新型的記憶體元件？
施敏在位於默里山（Murray Hill）分部的貝爾實驗室待了 27 年，「Bell Labs 提供一個非常有挑戰性和激勵性的環境」，施敏說，當初他進實驗室時，就問他的頂頭上司 Bob Ryder 博士：「請問我需要做什麼事？」Bob Ryder 說：「你可以做任何事情，和矽或半導體有關的東西都可以做。你可以和任何人合作，需要什麼設備隨時申請，你也可以去參加任何國際會議。」
施敏回憶：「他們的圖書館資料也非常齊全，找到任何資料馬上能提供給你。並且提供兩位非常好的技術人員幫忙執行工作。需要什麼工具，幾乎是 100% 可以買到，真的是非常好的研究環境。」
施敏提到，他們實驗室的工作守則是：Welcome（歡迎）、Inspired（啟發）、Abundant（豐富）和 Assistant（協助）。即是：資源充沛、觀點多元又開放包容的環境，並鼓勵所有成員追求創新和團隊合作。他特別感謝當時兩位部門主管 Bob Ryder 博士和 George Smith 博士，這兩位老闆人都很好，很樂意幫忙解決問題，甚至還同意他留職停薪五次，讓他有空檔可以如願回臺灣教書，培育下一代英才。施敏坦言，「以現代工作來說，這是幾乎不可能的事情，很感謝他們！」
「Bell Labs 的文化，對我以後的教育工作和寫書都有很大影響」，施敏說道。
施敏院士任職貝爾實驗室期間之照片。1967 年施敏院士在貝爾實驗室主管 Bob Ryder 博士支持下開始寫書，1969 年出版《半導體元件物理學》時，那年他才 33 歲。 圖｜陽明交通大學電機學院提供
非揮發性半導體記憶體的始祖：「浮閘記憶體」誕生！
施敏與姜大元的合作可以說是半導體歷史上的重要里程碑。他們兩人在貝爾實驗室共同發明了「浮閘非揮發性半導體記憶體」（Floating-Gate Non-Volatile Semiconductor Memory，簡稱浮閘記憶體），這是人類史上第一個小型非揮發性記憶體，而且可以使用半導體的平面化製程量產。
我們現在每天大量使用的手機、平板電腦、筆電、穿戴式裝置、數位相機和遊戲機等各種 3C 電子產品，這些產品儲存的資料不會因為沒電就消失，其核心技術的起源就是「浮閘記憶體」。
現在我們每天都在用的固態硬碟，即是浮閘記憶體技術的應用。圖中人物手持的固態硬碟是採用最新的 3D 非揮發記憶體堆疊技術，容量達 8 TB，可用於高效能伺服器儲存。 圖｜陽明交大李義明教授、群聯電子提供
浮閘記憶體是一種非揮發性記憶體，意思就是當你儲存資料在機器，機器關機或沒電時，資料不會消失，資料可以長期保存在記憶體元件裡面。此外，施敏和姜大元設計的浮閘記憶體結構，可以使用半導體製程，讓非揮發性記憶體可以微小化，實現高密度和大量生產。
施敏提到，在 1960 年代，當時的電腦和通訊系統所採用的非揮發性記憶體是「磁圈記憶體」（Magnetic Core Memory, MCM），由中國科學家王安發明，但是磁圈記憶體有很多缺點，體積大、非常耗電，儲存資料和讀取資料都非常慢，而且不相容於半導體量產製程。
圖片中間為 SanDisk 容量 8 GB 的記憶卡，可記憶 80 億個位元組。在記憶卡的下方，即是早期的磁圈記憶體，共有 8*8 個磁圈，每個磁圈只能記憶 1 位元，可記憶 64 位元，共 8 個位元組（8B, 8 byte）。科技世代的演變，讓小小的記憶卡能夠記住龐大資料量。 圖｜Wikimedia（CC BY 2.0）
施敏和同實驗室的姜大元，當時他們小組專注在金氧半場效電晶體（MOSFET）的研究（註2）。他們想要嘗試做出更輕巧更省電的半導體元件，來取代磁圈記憶體。從 1966 年底到 1967 年的春天，他們嘗試了各種組合，例如使用蕭特基二極體（Schottky diode）搭配 MOS 電容（Metal-Oxide-Semiconductor capacitor），想要做出非揮發性記憶體的效果，結果都不可行。
直到 1967 年 3 月，施敏和姜大元在默里山附近的咖啡廳用完午餐，姜大元因為還沒吃飽，就點了一個四層的起士蛋糕。他們看著蛋糕，就想到：如果在金氧半場效電晶體（MOSFET）的三層結構中，再塞入一層金屬層（也就是「浮閘」）會發生什麼事？
世界上第一個浮閘記憶體之截面圖，1967 年由施敏和姜大元開發。從 MOSFET 到浮閘記憶體的創新思維，就像在原本的三層蛋糕中，夾入了一層特別美味的浮閘金屬層。 圖｜研之有物（資料來源｜75th Anniversary of the Transistor）
如上圖，浮閘記憶體的浮閘金屬層，就設計在 MOSFET 的氧化層中間，原本 MOSFET 結構是「控制閘金屬-氧化物-半導體」，施敏他們將氧化物那層一分為二，結構變成「控制閘金屬-氧化物-浮閘金屬-氧化物-半導體」。
至於「浮閘」，施敏說因為浮閘金屬沒有直接連接到電路，它的電壓會受到周圍電壓的影響，電壓是浮動的。理論上，浮閘金屬層可以長期儲存電荷（即儲存資料），即使斷電也不會消失，這就是施敏想要的「非揮發性」。
在施敏和姜大元開始著手設計記憶體元件時，一開始他們選用鎢（W）作為浮閘金屬材料，但是鎢的氣化溫度太高，很難做化學氣相沉積（CVD）。後來實驗室的 Marty Lepselter 博士建議，浮閘金屬應該可以用鋯（Zr），鋯相對容易蒸發，而且鋯的表面在氧氣環境中，可以形成氧化鋯（ZrO2），作為上層氧化層結構，進一步簡化製程。
最後，施敏和姜大元終於順利做出最早的浮閘記憶體，可以成功儲存資料超過一個小時以上，論文發表在 1967 年 5 月的《Bell System Technical Journal》。施敏強調，當時半導體儲存電子的平均時間是「毫秒」，能儲存一個小時，已經是原先時間長度的 360 萬倍！
施敏和姜大元的浮閘記憶體，作為史上第一個非揮發性的半導體記憶體，本來是想要取代笨重的磁圈記憶體，但後來沒有成功。施敏表示，在浮閘記憶體發表的兩個月之後，IBM 推出動態隨機存取記憶體（DRAM），DRAM 是揮發性記憶體而且非常耗電，但是過去人們並不追求省電和行動需求，於是磁圈記憶體迅速被取代，DRAM 發揮了其超快讀寫速度（每秒數十個 GB）和低成本的優勢。
那浮閘記憶體就沒戲唱了嗎？當然不是，施敏他們沒想到的是，浮閘記憶體的發明，成為後來 EPROM、EEPROM 和快閃記憶體（Flash Memory）的基礎，影響了所有的電子產品和行動裝置。（低頭看看你的手機，裡面就有浮閘記憶體喔！）
圖片為浮閘記憶體的資料寫入和刪除原理（示意圖）。我們只要將很多顆記憶體元件串聯起來，就可以記住很多個 0（OFF）和 1（ON）。浮閘記憶體雖然是非揮發性的，但無法永久記憶。隨著時間過去，氧化層會慢慢損耗，尤其是經常有電子穿越的下層氧化層，所以浮閘記憶體會有使用年限。 圖｜研之有物（資料來源｜施敏演講資料《邂逅數位電子時代》）
浮閘記憶體的數位革命
浮閘記憶體屬於非揮發性記憶體，它讓機器擁有「可編碼的預設知識」，研發人員可以將機器的指令寫入浮閘記憶體。例如：我們平常用的洗衣機，按下預設功能按鈕，機器就能區分浸泡模式和速洗模式。電腦開機時優先啟動的 BIOS，也使用浮閘記憶體來記住使用者的硬體偏好，確保每次開機時都維持相同的設定。
浮閘記憶體不僅在家電和電腦中有廣泛應用，更讓行動裝置變得可能。由於浮閘記憶體具有省電和可垂直堆疊的高密度設計，我們的手機才能輕易記住多達 256 GB 的資料，即使手機沒電時，所有資料也都會好好的存在裡面。
雖然浮閘記憶體的操作速度不像 DRAM 那麼快，但現今使用浮閘記憶體技術的固態硬碟（SSD），已經至少能達到每秒 1 GB 的讀寫速度。更關鍵的是，浮閘記憶體和 DRAM 都能相容 MOSFET 製程，充分降低生產成本，大量製造。
施敏強調，浮閘記憶體的結構幾乎和 MOSFET 一樣，可以直接沿用電晶體的產線來量產，只要在下層氧化層製程後面，覆蓋一層浮閘金屬，其餘步驟就和電晶體製程相同。而這個小小的改變，帶來巨大的影響。
圖片顯示 NAND 快閃記憶體和傳統硬碟每 GB 容量所花費成本（美元），可以看到隨著時代及技術演進，成本愈來愈低，而且兩邊的成本也愈來愈靠近。 圖｜研之有物（資料來源｜75th Anniversary of the Transistor）
全世界第一個應用浮閘記憶體技術的廠商，就是我們都很熟悉的任天堂。施敏表示，1983 年任天堂在家用遊戲機「紅白機」率先採用了浮閘記憶體，讓玩家的遊戲紀錄可以暫存在硬體中。
接著 1984 年，浮閘記憶體應用於個人電腦的 BIOS（基本輸入輸出系統），以便在開機時優先啟動。1989 年，Nokia 開始把浮閘記憶體放入手機。施敏認為，正是手機的應用，讓浮閘記憶體在 1990 年代開始大規模普及。
1995 年左右，消費級數位相機開始導入浮閘記憶體儲存技術（例如 CompactFlash 卡、SmartMedia 卡），帶動日後數位相機記憶卡的研發。1998 年 GPS 車用導航裝置逐漸普及，採用浮閘記憶體，以避免車輛震動影響儲存品質。2000 年之後，USB 介面的隨身碟開始出現。2007 年智慧型手機誕生，第一支 iPhone 問世。此後，浮閘記憶體幾乎無處不在。
至於個人電腦和筆記型電腦，則是在近 10 年才逐漸改用浮閘記憶體技術做大容量儲存。過去都是用傳統機械式磁碟來記錄資料，因為成本比較低。隨著半導體技術的進展，浮閘記憶體的成本愈來愈低，以前 1 TB 的固態硬碟要價近萬元臺幣，現在只需要三千多元，固態硬碟逐漸取代傳統磁碟，成為電腦的主要儲存裝置。
施敏的浮閘記憶體技術，影響了近代所有的數位電子產品和行動裝置。 圖｜研之有物
大師級教科書：《半導體元件物理學》
施敏寫過最經典也最暢銷的一本教科書，相信全世界學習半導體的人都有唸過，就是：《半導體元件物理學》（Physics of Semiconductor Devices），是所有相關領域專業人士必唸的聖經本。
訪問中施敏坦言，寫書其實與貝爾實驗室有密切關係。貝爾實驗室的政策，要求每一位研究員每年都要在實驗室內開設或選修一門課。當時施敏想：如果要開課，就來開半導體元件物理學好了，講講元件物理吧。在他開始去圖書館找資料時，他發現貝爾實驗室雖然有全世界半導體的教科書，但是幾乎都只討論「電晶體」，而沒有討論其他元件。於是，施敏開始撰寫講義，並在上課時發給同事。
因為課程迴響不錯，有同事建議他將講義改編成一本書，並介紹他認識在 Wiley 出版社的編輯。施敏寄了一百多頁的講義給編輯，結果第二天編輯就打電話過來，表示非常有興趣。於是，施敏就開啟了寫書的旅程。施敏說，那時候差不多是 1967 年，距離發明電晶體已經 20 年，全世界和半導體元件有關的文章大概是 2,500 篇，他全部印下來一篇一篇讀。
撰寫這本書的過程非常辛苦，施敏表示他沒有寫書的經驗，只能慢慢將講義轉換成書稿，寫書的過程大概花了他三千個小時的時間。寫書期間，施敏還答應了臺灣交通大學董浩雲的講座，隔年要親自到交通大學任教一年。
施敏說當他剩下差不多五個月截稿時，有責任感的他開始加緊腳步。最後三個月，他每天晚上七點從實驗室回家，此時小孩已經睡了；隔天早上六點他繼續再到實驗室寫書，就這樣連續三個月沒有見到他的小孩。
施敏和兒女的感情相當好，他們從 1968 年起，每十年拍一張照片，皆由施敏院士的夫人王令儀女士拍攝。 圖｜陽明交通大學電機學院提供
終於，施敏在 1968 年 7 月順利完成英文版書稿，但他也累壞了。訪談中施敏提到，當時覺得渾身不舒服，醫生說他過度疲勞，需要調養身體。雖然寫書非常辛苦，但不意外地，出版之後銷量很好，施敏的書整理了半導體元件中最重要的知識，很快地翻譯成各國語言，包括日文、韓文、西班牙文、俄文以及中國版和臺灣中文版。
隨著半導體領域的快速發展，施敏繼續撰寫了第二版、第三版，甚至最新的第四版（2021年）。施敏表示，從 1947 年發明電晶體到他 1969 年出版第一版，過去每年只有約 100 篇半導體元件的文章。然而，在 1981 年他寫第二版時，全世界每年已有 3,000 篇相關文章。到了 2006 年他和 Kwok K. Ng 合寫第三版時，每年已有 8,000 篇文章。最近的第四版是 2021 年出版，這段期間每年平均有 5 萬篇以上的半導體文章。
知識量的爆炸，更考驗寫書人的功力。施敏表示，一般學生根本不可能有時間讀完那些文獻，所以他寫書的最大貢獻就是幫大家從資料大海中整理約 1,000 篇的精彩文章，為學生提供了很好的參考來源。因為如此，施敏說，他這本書在工程和應用科學領域被引用的次數已經超過 65,500 次（2023 年 7 月）。
有趣的是，施敏的第三版書，在臺灣被學生們稱為「爌肉本」。因為臺灣中文版的第三版封面是故宮博物院的肉形石，很生動地表現出浮閘記憶體的多層結構，施敏笑著說「肉形石很漂亮，最上面的皮就像控制閘，下面一層脂肪就是氧化層，中間的瘦肉就是浮閘，再下面一層脂肪又是一個氧化層。最下面看不到的基座則代表半導體基版。是不是很像浮閘記憶體呢？」
施敏的第三版《半導體元件物理學》，在臺灣被學生們稱為「爌肉本」。過去無論是學生想要在半導體材料深入研究，或是想要報考固態電子工程研究所，這本書都是必備教材。目前最新版為第四版。 圖｜陽明交通大學出版社
作育英才：永遠的半導體大師
（在本文出版之前，施敏已經在 2023 年 11 月 6 日安詳辭世，享壽 87 歲。）
關於施敏大師的事情，可以說的實在太多。施敏不僅發明了影響全世界的「浮閘記憶體」，還撰寫了全球暢銷的半導體物理教科書，而且他更回饋社會，在臺灣交通大學培養了無數的半導體人才。
施敏分享，當時受到交大朱蘭成教授的請託，請他指導工學博士。他遇到的第一位是張俊彥（後來成為交大校長），給的題目是關於金屬半導體中間的輸送現象。張俊彥相當厲害，一年內就把文章完成並發表在固態期刊，1970 年拿到博士學位，張俊彥於是成為臺灣有史以來第一位工學博士。張俊彥後來推動「臺灣半導體研究中心」的建置，更在交大成立「國家奈米元件實驗室」（NDL），奠定了臺灣半導體的研究基礎。
俗話說有一就有二，施敏後來指導的第二位工學博士，就是大名鼎鼎的陳龍英教授。當時交大致電施敏指導第二位學生時，他說「可以阿，到我實驗室來做好了。」貝爾實驗室總經理 James Brown Fisk 也一口答應，告知學生的旅費、生活費或國際交流講座都不用擔心。陳龍英教授就遠赴美國接受施敏的指導，完成博士論文。後來陳龍英成為臺灣學界公認的電子學名師，他不斷調整教學方法，為了讓學生能夠理解抽象的電子學概念，《陳龍英的電子學》已經成為教學經典，要理解電子學的人，一定會去參考這份教材。
在訪談中，聊到半導體為何能成為臺灣的關鍵產業時，施敏認為當時孫運璿部長扮演了至關重要的角色。施敏提到，他在孫部長做決策時提供了許多建議，而孫部長則是讓政府全力支持半導體產業的人。正因如此，工研院才能派人前往 RCA 受訓，最終促成了臺灣半導體產業的興起。
施敏進一步說，「現在情況不同了，台積電已經是世界第一，第一的意思就是你已經沒有可以學習的對象了。你必須用自己的工程人員，以自己的方法來發展所有最新的科技，這需要最好的人才才能做到。」施敏謙虛地說，「在培育臺灣人才這方面，我也是有點貢獻的。而且我寫的那些教科書應該也是蠻有用的。」
施敏說：「台積電已經是世界第一，第一的意思就是你已經沒有可以學習的對象了。你必須用自己的工程人員，以自己的方法來發展所有最新的科技，這需要最好的人才才能做到。」 圖｜Wikimedia（CC BY-SA 4.0）
半導體是不斷變化的高科技領域，材料從最早期的矽，到第二代的砷化鎵，再到第三代材料如氮化鎵和碳化矽等，這些新材料都需要大量的頂尖人才來開發新的製程和元件。
在這樣的背景下，如何培養優秀的半導體人才就成了重要議題，施敏認為，學生在求學階段需要先打好數學、物理和英文的基礎，積極參加國際會議，和各國專家交流，最後才能成為一名合格的半導體專家。
他很高興看到臺大、清大、交大和成大都開始成立半導體學院，他相信半導體未來幾十年對整個國防和民生依然非常重要。「成功的關鍵在於人才」施敏說道。
訪談的尾聲，我們請施敏分享他如何保持科學的熱情和創造力。他說一個是音樂，施敏從小學習口琴，高齡 87 歲的他依然常常拿出口琴吹奏，口琴始終是陪伴他的好朋友。而他也和史丹佛大學的教授學書法，他認為書法可以平心靜氣，訓練自己專注。
另一個則是教書。「教書時你就永遠和年輕人在一起，這很重要。我教的是半導體元件物理和積體電路製程，這應該是半導體產業最上游的工作了，要帶給人類更好的生活，第一步就要先做成功。」施敏自信地說。
在訪談結束時，施敏依然充滿熱情地分享各種半導體的知識，也期待很看到文章的刊出。最後，謹以此文，紀念施敏，永遠的半導體大師。
註1：在施敏畢業之後，John Moll 也指導了台積電創辦人張忠謀（1964 年畢業），以及華泰電子創辦人杜俊元（1967 年畢業）。
註2：MOSFET，即「金氧半場效電晶體」，就是採用金屬、氧化物和半導體組成的電晶體，只要調整閘極金屬的電壓，就可以控制半導體的電流。MOSFET 是現代電腦處理器和記憶體不可或缺的元件之一。
採訪撰文｜簡克志
責任編輯｜簡克志
美術設計｜蔡宛潔
文章審定｜國立陽明交通大學李義明教授（《半導體元件物理學》第四版共同作者）
