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Semiconductor Device Engineer--a position that gradually grows from the minority

Time:2021-06-03 Reading times:2557

半导体产业逐渐由“摩尔时代”向“后摩尔时代”转变,并随着物联网、大数据、云计算、人工智能和量子计算的发展速度越来越快,对半导体创新量与质的需求也越来越多,产业需求成为推动半导体领域创新人才培养发展的根本动力。然而,我国无论是在核心器件技术还是在人才方面,仍然相对落后于一些发达国家。

纵观历史,上世纪五十年代,固体物理学逐渐进入付诸应用的成熟阶段,随着世界上第一只锗点接触晶体管的发明,自此拉开了半导体技术发展的序幕,在国家“向科学进军”的号召下,中国的知识分子、技术人员在外界封锁的环境下,在海外回国的一批半导体学者带领下,凭借知识和实验室经验发展到实验性工厂和生产性工厂,开始建立起国内的半导体行业并培养了一部分半导体器件研究人才。他们在半导体理论基础以及工艺技术领域取得了一定的成就,但在全球半导体发展最为迅猛的七八十年代却未紧紧跟上全球半导体发展的步伐,导致国内半导体器件人才梯度青黄不接。而在九十年代以后,随着国外先进IC产品逐渐进入中国市场,性能优异、价格便宜开始滋生了“造不如买,买不如租”的“贸工技”发展思潮,进一步加剧了国内半导体器件人才的分流。更重要的是半导体核心器件的研究需要坐得住“冷板凳”,特别是在快速发展的时代,少有单位、人员能独善其身。

近些年,由于国际环境的影响以及国内科技创新不断赋能供给侧,一些新兴半导体技术的兴起,像第三代半导体器件、光电器件、功率器件、MEMS器件等,进一步促使了对半导体器件人才的极大需求。然后,由于以上的种种原因,使得半导体器件人才的匮乏,这就需要我们进行半导体器件人才的建设与培养。那么,一个半导体器件工程师应该具备哪些素养才能成为一个有影响力的工程师呢?笔者认为主要需要两大方面的建设:知识体系和思维方法。

一、 知识体系

对于一个合格的半导体器件工程师,必须具备强大的知识体系才能保证所设计器件的合理性、高性能性甚至高性价比性。知识体系包括理论基础,器件仿真能力,器件测试技术,器件建模能力以及半导体器件生产工艺,而整个知识体系需要在深度与广度两个维度的持续加强。

1.理论基础

从底层的量子力学、固体理论到中层的半导体物理再到较宏观的半导体器件、光电材料与器件、集成电路工艺等。所谓深度,就是对这些知识的深刻理解、融会贯通,而并不是仅仅知道一个概念而已,浮于表面的知识对设计的优化没有任何帮助,只有深刻理解各个知识之间的内在联系,才有助于做出性能优异的产品,而且扎实的半导体理论知识是后期器件仿真、测试、分析以及建模的基础。广度在于,不仅仅掌握半导体物理基础理论,还要涉及到电路原理,化学化工,纳米科学,微纳制造,晶体学等领域。总之下能分析能带变换、载流子输运特性,上能量化分析电路系统中电流、电压以及噪声机制。

2.半导体器件TCAD仿真能力

TCAD是建立在半导体物理基础之上的数值仿真工具,它可以对不同工艺条件进行仿真,取代或部分取代昂贵、费时的工艺实验;也可以对不同器件结构进行设计和优化,获得理想的特性,还可以对电路性能及电缺陷等进行模拟。TCAD可以通过减少实验次数和缩短研发时间,将生产成本降低40%。而器件仿真的深度能力在于深刻理解其内核计算过程,针对不同的case采用不同的计算方式,既能保证仿真的“真”又能保证仿真的高效;而不仅仅是一个软件操作者。例如有限元法对区域法的离散比较自由,适合于具有复杂几何边界的半导体器件;蒙特卡洛法不受器件维数的束缚,对微型器件的模拟结果与准确度最好,但是它计算时间过长。而广度在于,是否具备多物理量耦合仿真能力,基于同一仿真平台将我们所关注的热、光、电等物理量变化趋势计算得出。  

3.测试分析能力

器件性能测试是产品闭环研发环节中的重要一环,是对前期设计预期的验证,更是对后期产品进一步改进、优化的反馈。虽然是测试工作,半导体器件工程师必须具备这方面的能力,一方面,参与测试将会在后期的设计思维中纳入可行性测试设计,另一方面,自己设计的器件,认识更为深刻。而测试知识的深度在于根据器件一级指标进行量化的可测性分析,确定一级指标方案;熟练测试设备及原理。广度在于应具备逻辑学、电路学、概率与统计、信号与系统等方面的知识,才能在纷繁复杂的系统体系中抽离出我们需要的物理量进行分析,总结,优化。

4.半导体器件建模能力

半导体器件建模,一个完备的器件模型,对内可以指导器件量化设计,从而综合量化各性能参数,求解出所需性能的最优解。例如,通过建立VCSEL器件的模型,我们可以量化分析其在高温下的功耗主要是由于带间载流子泄露所引起,当我们需要特定环境下工作的VCSEL器件时,就需要通过增大势垒带隙宽度以减小带间载流子泄露提高高温下器件的电光转换效率。对外提供一个接近于实际的器件以保证后端电路与器件之间的阻抗匹配,例如要设计一个高速激光器驱动芯片,准确的模型保证驱动电路与器件之间的阻抗匹配,从而保证更高的系统带宽。

半导体器件模型的建立需要半导体理论知识的深度理解,从载流子所产生的碰撞电离模型到不同电场下的载流子迁移模型再到载流子的各种复合模型以及所对应的基本模型方程像泊松方程、电流连续性方程、玻尔兹曼方程等。而在广度这块,不但有物理知识的基础,还需数学、电路等方面的知识,也就是说要将各个基本物理模型抽象成数学表达式且关联起来形成系统模型,掌握像有限元、有限差分、蒙特卡洛等数值处理方法以及非线性偏微分方程组的求解方法等,从而对上述模型进行离散与解析。

5.半导体生产工艺掌握能力

半导体制造工艺是芯片研发环节的重要一环,是将芯片设计人员的设计理念高良率、低成本、短周期的落地实现。一个好的半导体器件设计工程师一定要是一个好的半导体工艺工程师,尤其对于半导体器件设计,在深度方向要熟练掌握各工艺机理,哪步工艺对最终器件性能有重大影响,在设计过程中增大哪步工艺的参数窗口,另外深刻理解各工艺方法之间的差异,便能选取最优工艺实现最终器件的最优性能,例如对工艺中外延材料选型、注入角度理解、热退火机理建立、dummy在保证成品率中的作用,同时还要掌握新型异质集成工艺的方法。一句话总结,工艺的FEOL与BEOL都需要掌握,方可有效理解开发的器件与工艺的匹配性。

二、 思维方法

1.正确的研究态度

做核心技术研发,首先要具备正确的研究态度,不要因为难以解决而逃避问题,要坐得住板凳,你难,别人也觉得难,大家都觉得难,只要你比别人多解决一点点,你就比别人强很多了。

2.缜密的逻辑思维

要想在产品研发上取得突破和成功,缜密的逻辑思维是必备的一种素质, 研究生与本科生最大的区别是:本科生以学习人类长期以来积累的知识为主,兼顾技能训练;而研究生的本质是通过科学研究来发掘创造新的知识,是对创新科研方法论和逻辑思维的锻炼。这些逻辑思维包括:

(1) 批判性思维,技术研发上要进行创新与突破最为重要的就是要挑战传统思维,打破迷信、怀疑成规,而关键在于:Follow the logic,严密的逻辑是批判性思维的根本。

(2) 预期思维,我们探究一个问题时,先期必须有所hypothesis,然后基于这个假设去设计实验,这样才能提高实验验证效率。而一个好的假设在于不管最终的实验结果是否符合你的预期,你都能基于这个结果开展下一阶段的研究。

(3) 系统思维,一个半导体器件的研发过程不仅仅要单个点思考问题,同时也要从系统的角度进行思考。例如,所设计器件工艺是否满足,是否匹配后端的电路、光学系统等。

(4) 定量化思维,学会和习惯用数据来说话,定量描述问题和诊断问题,通过量化做出准确的预判和下一步优化计划。

3.科学的方法

“科学知识是点成的金,最终有限;科学方法是点石成金的手指,可以产生无穷的金”。科学方法包括文献调研法、实验验证法、定性分析法、定量分析法、跨学科研究法、功能分析法、模型方法、总结法等,不同场景采用不同的方法进行探究。