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超結MOS發明人-陳星弼:心有大我 至誠報國

陳星弼(1931—2019),中國科學院院士、教授、博導,1952年畢業于同濟大學電機系,畢業后在廈門大學電機系、南京工學院(現東南大學)無線電系擔任助教。1956年到成都電訊工程學院(現電子科技大學)任教。1983年任成都電訊工程學院微電子科學與工程系系主任、微電子研究所所長。他是我國第一批學習及從事半導體研究的科技人員之一,電子工業部“半導體器件與微電子學”專業第一個博士生導師,國際著名半導體器件物理學家、微電子學家,國際半導體界著名的超結結構(Super Junction)的發明人,也是國際上功率器件的結終端理論的集大成者。他從1981年起開始對功率半導體器件進行研究,第一個提出了各種終端技術的物理解釋及解析理論。他提出了兩類縱向導電的器件新耐壓結構,并作了唯一的三維電場分析結果,被國際學術界譽為功率器件的新里程碑。他發表200余篇學術論文,獲得授權中美等國發明專利40余項,其中著名的超結發明專利US5216275被國際專利他引超過550次,并授權給國際主流半導體公司。因對高壓功率MOSFET理論與設計的卓越貢獻,他于2015年5月獲得IEEE ISPSD(國際功率半導體器件與集成電路年會)頒發的最高榮譽“國際功率半導體先驅獎”,成為亞太地區首位獲此殊榮的科學家。2018年5月,因發明超結器件成為國內首位入選IEEE ISPSD首屆全球32位名人堂的科學家。

半導體功率器件,是電能/功率處理的核心器件,更是弱電控制與強電運行之間的溝通橋梁,在“中國制造”向“中國智造”轉型過程中,在民族電子信息產業發展中發揮著重要作用。陳星弼院士為此付出了數十年的心血與智慧,直到生命最后一刻,仍念茲在茲。

五月天婷五月天综合网 2019年12月4日,這位被稱作中國半導體功率器件領路人的科學家在成都去世,享年89歲。那條他常去實驗室的路上,鋪滿了金黃的銀杏葉,仿佛在懷念這位中國學人輝煌的科研人生,也似乎還在傾聽他對我國功率器件取得進一步突破的夢想。

“我想陳先生心里想的是,還要再活十年、二十年,還要再為國家和社會作出新的貢獻。所以陳先生是有言而未語,自己在堅持,希望能夠對抗病魔。”陳星弼的學生、原四川省電子廳廳長蔣臣琦在看望病中的恩師時這樣說。

陳星弼:心有大我 至誠報國

美國3D公司授予陳星弼的獎牌。

是啊!陳星弼那樣熱愛生命,熱愛科學。2019年10月,他還和學院的年輕人一起秋游都江堰;生病的前一天依然在實驗室里工作;即使在病床上,他也不閑著,琢磨如何改進輸液即將完畢時通知護士的方式。陳星弼的兒子感慨:“真的沒有想到啊……他還有好多事情想做,好多研究可以做,有很多新的idea(想法),這是他最大的遺憾。”

可是,這位老者沒有更多的時光了。2019年11月20日,陳星弼戴著無創呼吸機,在白細胞22000的情況下寫下了這樣一段話:“一生輾轉千萬里,莫問成敗重幾許,得之坦然,失之淡然。與其在別人的輝煌里仰望,不如親手點亮自己的心燈,揚帆遠航……”這是他最后的心語。

十幾天后,陳星弼在他最愛的《命運》交響曲中離開了這個世界,帶著未酬的凌云壯志,帶著對祖國的無限熱愛。

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陳星弼(右)和胡思福在進行光刻分析。

闖出新路

陳星弼與功率器件的緣分要追溯到20世紀80年代。那時,他作為“文革”后第一批出國留學人員赴美國俄亥俄大學、加州大學伯克利分校做訪問學者。

五月天婷五月天综合网 一個極具科研價值的問題吸引了陳星弼:以毫米為單位的小小芯片從晶圓片上劃分而來,制作成各種產品,但是每個芯片都有邊界,它對功率器件的性能影響如何解決呢?

憑借扎實功底和勤奮學習,陳星弼提出了一個獨特的思路:應該有一個最佳的電荷分布,能在表面以最短的距離使擊穿電壓達到盡可能高的值,即最佳表面變摻雜。

五月天婷五月天综合网 “邂逅”功率器件,擦出火花后,陳星弼并沒有順這條新路走下去。他猶豫著,要不要回到自己最喜愛的物理學研究領域?但歸國后,陳星弼強烈感受到,半導體功率器件對國家電子信息領域發展的重要,于是,他放棄原來的理想,全力投入這一領域的研究之中。

萬丈高樓平地起,面向全新領域,陳星弼開始一磚一瓦搭建基礎平臺。1983年,他推動建立微電子研究所,帶領大家忘我地投入科研工作。每天晚上鐘聲敲過十二下,學校要關門了,陳星弼才肯離開實驗室,一路疾走,回到家中繼續干。有時工作到凌晨兩三點,有時通宵達旦,直到東方發白,才短暫休息幾個小時。

此時的陳星弼已年過五旬,卻以比年輕人更勤勉的態度、更旺盛的精力投入這一全新的事業里。于是,一條新路,在陳星弼堅實的步伐中,延伸向希望的遠方。

五月天婷五月天综合网 陳星弼的幾篇論文《P-N結有場板時表面電場分布的簡單公式》《突變平面結表面電場的近似公式》等相繼發表,“功率半導體器件及高壓集成電路”這個嶄新而陌生的詞組從此與他緊緊聯系在一起。1987年,微電子研究所課題達到10個,經費將近30萬元。這在當時是一筆不小的數目。

五月天婷五月天综合网 “尤其值得高興的是,‘半導體器件與微電子學’高分通過了博士點申請。”1989年11月,時任電子科技大學校長的劉盛綱院士,在一次校內會議上通報了學校參加全國第四批學科點評審的情況。陳星弼舒心地笑了,在同事熱情的掌聲中,他激動地用力皺緊眉頭,瞇起眼睛,不讓淚水流出。

勇攀高峰

五月天婷五月天综合网 “集成電路為電子信息時代奠定了基礎,就像造房子一樣。網絡、云等都是重要的,但基石是微電子。”陳星弼在接受記者采訪時這樣介紹自己的研究,“關于電子信息的發展,有兩個重要的問題:一個是如何發現新的發電方法,比如太陽能電池;另一個是如何節省電能,我們所做的工作就是節省電能。”

五月天婷五月天综合网 陳星弼以微電子研究所為“根據地”,帶領一批優秀的科研工作者在半導體功率器件領域不斷奮斗,在中國首次研制了VDMOST、IGBT、LDMOST、MCT、EST等器件,并首次提出了各種終端技術的物理解釋及解析理論。他想,人們希望功率器件耐壓很高,接通時電阻很小,但它卻有硅極限。如何實現突破呢?

五月天婷五月天综合网 陳星弼研究了很多終端技術理論,逐漸形成了表面耐壓層結構的想法。他不分白天黑夜,泡在實驗室里,甚至自己出錢租設備,助手唐茂成和葉星寧協助他到沈陽電子部47所投片。經過多次試驗,陳星弼和他的研究小組終于通過改變功率管的結構,實現了復合緩沖耐壓結構(現稱為超結器件)。

五月天婷五月天综合网 超結器件導通電阻低,易驅動,速度快,引起學術界和企業界很大反響,被稱作“功率器件的新里程碑”。

五月天婷五月天综合网 這一發明的相關專利在全世界范圍內已被引用超過550次,所產生的經濟效益非常明顯,英飛凌、意法半導體、仙童、東芝等公司都投入生產。根據法國半導體領域的一家市場調查公司的調查結果顯示,超結功率器件將以10.3%的年復合增長率迅速增長。而超結MOS器件的應用也非常廣泛,包括電腦電源、照明電源、液晶電視、光伏逆變器,以及醫療、電信、工業等多類電源都有它的“身影”。

為此,國內外專家對陳星弼及其發明都給予了高度評價——

美國德克薩斯大學電子工程系終身正教授周電說:“陳院士的發明是中國人民的智慧瑰寶,也是全世界人民的共同智慧財產。”“該專利發明標志著半導體功率器件發展進入了一個叫作‘超級結’功率器件的新時代。”

加拿大科學院院士、前院長、中國科學院外籍院士Jamal教授說:“事實上,在功率器件領域,他(陳星弼)曾通過出色的研究工作單槍匹馬讓中國的研究進入國際學術舞臺。與我們現在的科研條件相比,他是在資源極其有限的情況下實現這一巨大成就的。”

五月天婷五月天综合网 然而,陳星弼對超結器件仍不滿意,耿耿于懷的是它的缺陷。2000年后,他又發明了高K電介質耐壓結構、高速IGBT、兩種多數載流子導電的器件等,這使我國高壓(功率)集成電路在一個新的、更先進的起點上起飛。

科研人生

五月天婷五月天综合网 2015年,陳星弼榮獲國際功率半導體先驅獎,他談到了自己對科研的熱愛:“和我同齡的很多人都已經過上了清閑的退休生活,但我卻很享受奮戰在第一線的狀態。我覺得吃喝玩樂才沒意思呢,在科學的路上,遇到困難、解決困難就是一種幸福。”

陳星弼是從20世紀50年代開始走上了這條“幸福”之路的。那時,他剛從同濟大學畢業,在南京工學院電機系任助教,又北上中科院進修。他被漂移晶體管吸引住了。這在當時是新興事物,正逐漸替代飽和晶體管。

五月天婷五月天综合网 陳星弼利用假期進行推導,不久,他的第一篇論文《關于半導體漂移三極管在飽和區工作時的儲存時間問題》發表于1959年的《物理學報》之上,這是國際上首次指出集電區中少數載流子存儲效應對開關性能影響的重要文章。

結束在中科院的進修后,陳星弼來到巴蜀大地。此時,按照周恩來總理的親自部署,交通大學(現上海交通大學、西安交通大學)、南京工學院(現東南大學)、華南工學院(現華南理工大學)的電訊工程有關專業西遷成都,合并創建成都電訊工程學院(現電子科技大學,簡稱成電)。陳星弼把對祖國的深情和對科研的熱愛都融入這所新學校的建設之中,開始了自己六十余年的成電生涯。

五月天婷五月天综合网 在陳星弼的建議和努力下,成電于20世紀70年代接到了研制硅靶攝像管的科研任務。硅靶靶面研制小組成立后,陳星弼做了理論論證,提出工藝和測量方面進行攻關的三大難題。全組人員經過四個月的艱苦奮戰,在733廠和970廠的配合下,終于研制出我國第一支硅靶攝像管。

五月天婷五月天综合网 即使在那樣的特殊年代,陳星弼也克服一切困難,醉心科研。在測量半導體的電阻率時,他發現了一個問題。平時,最常用的方法是“四探針法”,通常所用的理論計算方式必須假設均勻材料。陳星弼卻發現實際情況和假設有差別。這一問題激發了他強烈的研究欲望。他利用業余時間研究電阻率,最后利用傳統的電荷鏡像法,頗具匠心地創造了一種在一維方向介質是不均勻的鏡像電荷的方程。

五月天婷五月天综合网 從漂移晶體管到硅靶攝像管,再到后來創造輝煌的半導體功率器件,陳星弼一直葆有對科研的無限熱愛和克服科學困難的壯志雄心。他說:“科研之初,就像貝多芬《命運》交響曲的第一樂章,我們掙扎、追尋、研究和爭辯,內心有苦也有樂。然而通過不懈的努力,終于征服了種種障礙,并且在某項研究中取得了成功,這又像《命運》交響曲的第四樂章。”

立德樹人

五月天婷五月天综合网 “嚴字當頭,把學生當‘敵人’。”這是陳星弼數十載的教學感悟。他認為,講授真學問的關鍵在“嚴”,把學生當作“敵人”,以難題驅動,進而提升他們思考解決問題的能力。

五月天婷五月天综合网 陳星弼經常舉一個例子,前中國女子曲棍球教練金昶伯,對待自己的隊員就像“敵人”一樣,通過魔鬼訓練讓她們磨礪進步。“嚴師出高徒”,正是在其率領下,中國女子曲棍球隊在不到3年時間里,一躍成為一支世界強隊。

如何做到嚴格要求呢?陳星弼的方法是自主設計難題,讓學生在攻克難題中鍛煉能力,并能不斷創新。他還通過在考試題目中設置難題,辨識學生學習成果差異,讓分數“高斯”分布。

五月天婷五月天综合网 同時,陳星弼也非常重視“寬嚴相濟”。而他認為的“寬”,則是指老師要引導學生加強基礎課和通識教育的學習,打下寬厚基礎,奠定未來研究工作的基石。“現今科技日新月異,專業知識也會隨之更新。我們學雙極型晶體管時,未承想過幾年便出現MOS晶體管。當我們學習MOS晶體管時,很快又有了集成電路。那我們要靠什么快速跟進學習與認知?靠的就是我們曾經不惜時間和精力打下的數理基礎。”

著眼于中國高等教育發展,陳星弼常常呼吁,大學教育培養的不只是高級技師,而應以輸出對科技發展有貢獻的科學家為主,因此要站在對學生及中國高等教育高度負責的立場,加強基礎課的投入,提升基礎課的教學水平。“不要怕學生缺少某些知識,不要妄想知識都要從學校得來,要讓學生意識到,可持續學習能力的自我培養是珍貴品質。”

五月天婷五月天综合网 雖已過去數十年,原成都電訊工程學院三系系主任謝孟賢回憶陳星弼上課的情景,仍歷歷在目:“陳老師自己在上講臺前總是將教案熟悉到極致,所有理論體系、知識案例都在他的腦海里形成一個嚴密的體系。走上講臺,不用背,不用記,要講的內容像水流一樣涓涓不息地淌出來。從1959年開始上課,他就不帶講稿,只有一張香煙盒大小的紙片寫好備忘摘錄。他的課有趣生動,難點重點突出,分析透徹。”

不管工作多么繁忙,陳星弼都把教學工作放在非常重要的位置。他曾主動請纓,接手“人人討厭上”的量子力學,還為研究生開設了《半導體器件物理》《半導體器件的數值計算方法》《功率MOS》等新課。

課程很難,陳星弼卻很興奮。他一向認為,“越偉大越深奧的東西我越喜歡攻克”。陳星弼的課保持著一貫風格:突出物理概念,啟發式教育。他將豐富的科研體驗融匯在課堂內容中,學生感覺實用性更強。

五月天婷五月天综合网 為了鍛煉學生的英語能力,陳星弼在研究生課堂上采用全英文教學。他崇尚自由包容的課堂氛圍,允許學生隨意提問。討論時,沒有權威,沒有師生關系,只有平等交流。同學們踴躍發言,甚至為某一個問題爭得面紅耳赤。

陳星弼還經常給學生們開人文講座,建議他們讀世界名著、聽古典音樂,鍛煉他們的語言表達能力。他認為,通識教育雖不能讓人才速成,但從長遠計,接受通識教育的學生的創新性和貢獻更為突出。

即使已入耄耋之年,身患各種疾病,陳星弼還是親自帶碩士生、博士生,關心每一位學生的成長和發展。

陳星弼是嚴師,更是慈父。他掏錢請學生看電影、吃飯,在甲型流感暴發期間自費購買中藥熬給同學們喝。

五月天婷五月天综合网 更有意思的是,“讓我付錢我才去”成為陳星弼和畢業學生聚會的“標準”。學生們都記得,有一次聚會大家偷偷付了錢,陳先生很不開心,批評“說話不算數”。下次再約時,陳星弼說“除非我把上次聚會時的錢出了,否則我不去。”“在他心里,我們就是他的孩子啊。”

2018年教師節前夕,陳星弼與劉盛綱、李樂民三位院士共同獲得“成電立德樹人成就獎”,這是屬于電子科技大學教師的最高榮譽。

家國情懷

“只有科學和教育發展了,國家才能振興。沒有科學教育,國家就會落后,落后就要挨打。”在紀念二戰勝利70周年時,陳星弼曾談到科教興國的意義,“科學技術是第一生產力,科學技術無形中推動生產力的發展,任何人不能阻止歷史的車輪。”

五月天婷五月天综合网 這樣的感悟與陳星弼刻骨銘心的少年經歷密切相關。國破山河在,城春草木深。1937年,戰爭陰云密布,不到7歲的陳星弼跟隨父母離開上海,在連天的炮火中,踏上向西的逃難之路。

五月天婷五月天综合网 他們逃到了余姚、浦江,又輾轉至蕭山、金華、南昌、長沙、九江……歷經艱險到達重慶,一家人才稍作安頓。陳星弼轉學四次后結束了小學生活。

陳星弼的少年時代拮據清貧,中學每月只發給他們二斗三升米,大部分都是霉爛的紅米。而每次回家,他都要為船費發愁。

五月天婷五月天综合网 1943年,陳星弼轉學到江津縣國立九中,“十萬青年十萬軍”的大規模征兵運動正在全國開展。他唱著《棠棣之花》送別披上戎裝的同學,只恨自己年齡小不能參軍,要么真想爬上卡車,到印度,到緬甸,到抗日前線。

五月天婷五月天综合网 年少的陳星弼在緊張的課余認真軍訓,操練,打靶,一絲不茍。語文老師教大家毛澤東的詞《沁園春·雪》,他非常喜愛。陳星弼和同學還排演曹禺、田漢、夏衍、郭沫若的愛國話劇。

五月天婷五月天综合网 年歲漸增,陳星弼對祖國的愛更深,為祖國奉獻一生的意愿更加強烈。大二時,陳星弼放棄了獎學金。他想,國家還有許多急需用錢的地方,“我也要為祖國盡微薄之力。”畢業分配填寫志愿表時,他鄭重地在每一個志愿欄里都填上“服從組織分配”,并真誠地表示要“到東北去、到西北去、到最艱苦的地方去”,建功立業。

五十歲時,陳星弼走出國門,以真才實學贏得了國際友人的尊重。他主動上交外匯,卻把收據滿不在乎地丟棄。為了給工業發展作出切切實實的貢獻,他痛苦地放棄了關于理論物理的夢想。在功率器件領域艱苦工作,常常通宵達旦。

五月天婷五月天综合网 陳星弼視名利如浮云,他衣著樸素,家里甚至還用著20多年前的暖水瓶。不了解的人很難想象,這位看似普通的老人,專利成果帶來的經濟效益約20億美元。“如果只是為了名利,我不可能在科研上耗費一輩子的精力。”陳星弼說。

五月天婷五月天综合网 從大學時代開始,陳星弼就閱讀馬克思歷史唯物主義著作,而且順著哲學學術河流上溯,閱讀了德國古典哲學著作。“我是經過了艱苦的閱讀、認真的思索,才開始接受馬克思主義。”

五月天婷五月天综合网 終其一生,馬克思主義給予陳星弼源源不斷的精神力量。他引用馬克思的名言——“科學絕不是一種自私自利的享樂。有幸能夠致力于科學的人,首先應該拿自己的學識為人類服務”,認為“能夠在短促的人生中,以科學服務人類,這就是我追求的價值”。他也希望有更多的青年獻身科研,成為科研發展的脊梁。

“長壽,是讓我有充足的時間為祖國做更多的事情。”陳星弼并不在乎生命長短與否,但耄耋之年仍緊張工作在科研戰線最前沿,他深感幸運。經歷過山河破碎,對國弱民賤、生靈涂炭的印象錐心刺骨,陳星弼始終葆有這樣的“初心”:要把自身的前途命運同國家和民族的前途命運緊緊聯系在一起,在祖國需要的科研戰線上建功立業。他“心有大我、至誠報國”,也激勵著廣大科研工作者開拓創新,解決關鍵技術“卡脖子”問題,將科研人生融入實現中華民族偉大復興中國夢的歷史洪流中。

(本版圖片均為資料圖片)

《光明日報》( 2020年03月02日 11版)

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