導讀：未來科學大獎由一群科學家和民間企業家群體聯合發起，主要關注原創性的基礎科學研究。今期人物是張忠謀同門師兄弟、被業界譽為半導體一代宗師的施敏教授（1936─2023），未來科學大獎─數學與計算機科學獎2021得主。本社獲授權以書摘形式轉載其訪談實錄，禮讚科學成就，並讓社會人士藉由科學家本人視角去了解一位科學家是如何養成的。
關於半導體和肖特基（Schottky）半導體中間，這個歐姆接觸（ohmic contacts）更重要。為什麼呢？現在積體電路已經有1億多單位，甚至有1萬億個電晶體了，但是還要乘三，因為每一個電晶體都有三個歐姆接觸，中間任何一個出了問題的話，積體電路操作就會出問題了。
很有趣的是，金屬半導體這個器件是我們整個半導體的第一個器件，1874年就研究，但經過那麼多年，它的答案一直都不夠精確，為什麼呢？因為有很多基本東西沒有考慮進去。舉個例子，像量子反射、聲子散射，還有二維雜質， 這些東西都沒有考慮進去。我們在這篇論文中，把這些問題都考慮進去了，所以是一個全方位的，可以說是最精確的一個計算。 那麼有了這個計算結果之後，我們就可以引出、算出來我們整個的歐姆接觸，所以對整個的積體電路有相當大的影響。
1959年，諾伊斯（Robert Noyce）發明電子元件積體電路的時候只有32歲，他的發明對個人電腦的普及起到關鍵性的作用。（Wikimedia Commons）
我想借這個機會鼓勵一下我們年輕的同學。我看了一下過去那麼多年來，幾乎最重要的發明都是年輕人做的，因為年輕人腦力很強，不但有很強的發明能力，同時也有發現能力。 舉個例子好了，剛才有提到像愛因斯坦發現E=mc²時是26歲；貝爾發明電話是29歲；愛迪生發明電燈泡、諾伊斯發明積體電路時都只有32歲；肖克萊發明電晶體是37歲。（編按：諾伊斯也是英特爾共同創始人之一，素有矽谷市長的美稱）
像我剛才提到做歐姆接觸討論或者是做浮柵（floating-gate）討論，那時候我也只有31歲左右，所以我希望年輕人能夠在這方面對科學發生興趣，而且借大獎的鼓勵使他們了解未來科學的重要性，希望能夠給人類帶來更多的福祉。
關於人生
「我想告訴年輕人，過去100多年來，
世界上重要的發明或重要的發現大都在20幾歲到40歲這個年齡層裏。所以，我總是鼓勵年輕人去做科學研究，
特別是數學好的人們，這會更加精彩！」
──施敏
現代人已經離不開智慧手機、網上購物、無人汽車、GPS定位；這些統統都是科學家10年、100年基礎研究的智慧結晶。（Shutterstock）
浮柵電晶體 影響一代人的智慧生活
我獲得未來科學大獎的研究成果是關於金屬和半導體接觸界面的研究。 金屬與半導體的接觸有兩種類型：歐姆接觸和肖特基接觸。
歐姆接觸就好像在金屬和半導體之間加了一個電阻，電流和介面間的電壓成正比；而肖特基接觸，電流和電壓的關係表現出二極體特徵，電流在一個方向可以導通，在反方向幾乎為零。 這兩者之間，歐姆接觸更加重要，假如說一個積體電路中有100萬個電晶體，那幾乎就有300萬個歐姆接觸在裏面。
現在電晶體愈做愈小，在一個只有指甲蓋大小的晶片上就有數百億個晶體管，在這種情況下，歐姆接觸的重要性就愈來愈大。 1968 年我所提出的金屬與半導體界面的電荷流動理論奠定了過去50年在積體電路器件中最關鍵的歐姆與肖特基接觸，使得晶片產業能夠依照摩爾定律持續擴展迄今，成為各類電子系統不可或缺之要件，也不斷大幅度地提升了人類的生活和文明。
另外有一個重要的發現，就是浮柵電晶體效應。 浮柵電晶體對我們的生活影響很大。它影響我們的通信，如智慧手機；影響我們的電腦，如雲端運算；還影響我們的商業，比如我們購物的時候一掃碼就會顯示價格；影響我們的醫學，如現在最新的醫藥設備；影響運輸，比如無人駕駛汽車、GPS定位等；影響能源，如智慧電網、節能減排等。 就我們現代人的生活而言，浮柵電晶體無處不在。
你猜每個人平均擁有多少個浮柵電晶體？差不多有4×1012——是的，每個人平均都有這麼多。
這些技術可說改變了整個人類文明的面貌。 就以我們最熟悉的東西為例吧：全世界人口還不到80億（編按：2025年初已接近82億），世界上的手機就已經超過72億部，其中不少是智慧手機。 我們每一個人都深有體會：智慧手機改變了我們的生活方式，改變了我們與別人和世界的關係。而沒有浮柵電晶體，這一切將無法實現。
全球移動通訊系統協會（GSMA）2023年報告指出，全球人口 55%相當於43 億人擁有智能電話，使用流動上網的人口約為 46 億。（Shutterstock）
金屬浮柵層的靈感 源自奶油蛋糕
我們說，全世界發生過四次工業革命。第一次的標誌是蒸汽機；第二次的標誌是電燈；第三次的標誌就是電晶體，由此開啟了互聯網時代；第四次工業革命是從21世紀開始的，就是受到了我們的研究成果——浮柵電晶體的影響。有了它，很多以前不能做的事情都能實現， 比如手機、大資料、機器人、固態碟及人工智慧等等。
回想自己的科研道路，有沒有特別閃光的時刻或特別困難的時刻？ 1967年對我很重要。那時候，我已經在貝爾實驗室工作差不多4年了。當時我在和一位美籍韓裔科學家姜大元一起做半導體器件的研究。我們經常在一起討論問題，吃飯的時候都不例外。 當時的電腦開機特別慢，你們想不到，大概需要半個鐘頭的樣子。 我們常常開玩笑，進入辦公室第一件事就是開機，然後去喝咖啡，喝上半個鐘頭再回來工作。
為什麼這麼慢？因為當時電腦的存儲技術靠的是磁圈記憶體（存儲器），但磁圈記憶體的體積大又耗電，而且運轉緩慢。我就想，我們是研究半導體的實驗室啊，為什麼不能用半導體來做呢？我們一邊吃飯一邊討論這個問題，他提一個建議，我提一個建議，都不靈。 有一天我們吃完飯之後，姜大元說他還沒吃飽，就叫了一個蛋糕， 剛好是四層。我看到這個蛋糕層的結構，中間有一層薄薄的奶油，突然靈機一動，提出在已經研發的金氧半場效電晶體中間加上一層很薄的金屬浮柵層，姜大元聽了，立刻說Good idea（好主意）。
但這裏還有個問題：浮柵是用什麼東西做？另一位同事給了我很好的建議。第一個浮柵電晶體做出來後，我們測量了一下，居然能夠保持電子在裏面一個鐘頭，當時就很不錯了。當然了，現在我們可以保持10 年至100年或更長久。 這就是科學。
1903年6月12日萊特兄弟的飛行壯舉。 （Wikimedia Commons）
當初萊特兄弟（Wright brothers）造的飛機，第一次飛只能飛12秒，但它的潛力是無窮的。 我們又重複了一次實驗，結果完全一樣，就寫了一篇論文發表在 Bell System Technical Journal。這裏還有一個小插曲，就是我的頂頭上司看了這篇文章以後，不允許我發表在最好的雜誌上，他說根本沒有用的東西，你發表什麼？所以我也就乖乖地發表在貝爾實驗室自己的期刊上。要知道，好的期刊發行量都是數以萬計的，我們這本期刊大概只有幾百個訂單。可以想見，當時大家都沒想到這個成果有這麼重要。
做事情，需要投入很多時間和精力才能有好的結果，但很多人希望能儘快看到成果、看到收穫。但這不是科研的精神。
關於科研
「科研是在長時間的努力、很多工作的積累之後，無意間擦出的火花。
你看到有些人突然拿出一個大成果，突然天下盡知。
但你不知道他在背後已經默默地耕耘了十幾年了。」
──施敏
我在1967年看到那個四層蛋糕之前，已經花了3年時間在考慮如何取代磁圈。如果沒有這些積累，那蛋糕在我眼裏就只是蛋糕而已。
1967 年還發生了一件事。我開始在貝爾實驗室教半導體器件這門課。要教書就得準備講義。我到圖書館查了一下，發現所有書籍都只講電晶體，沒有別的東西。我就很奇怪，明明有幾十種不同的器件，怎麼就只講電晶體一個東西呢？ 後來我就乾脆自己寫講義，開了這門課，之後又到附近另一所學校裏教了一個學期。
一個同事對我說，你這本講義很好，乾脆出一本書吧。他還向我介紹了一位主編。主編一聽我想要出的書，很高興，因為他也知道當時市面上的書籍只有電晶體，沒有別的。就這樣，我從1967年開始寫書。後來筆耕不輟，著作疊起來比女兒還要高。
（左起）《半導體器件物理學》第一版（2006）和第四版（2021）
施敏：2021未來科學大獎獲獎工作介紹視頻（視頻來源：未來科學大獎）
延伸閱讀：
《「未來」科學家：未來科學大獎獲獎者訪談實錄（2020-2022）》，本社獲未來科學大獎基金會有限公司授權摘錄轉載。標題為編輯擬。
