IBM公司的登纳德构想出的DRAM有个缺陷，晶体管开关一旦泄漏电流，就会导致全部数据丢失，这也是停电时文档如果没有及时保存到硬盘就会丢失的原因。

1967年，贝尔实验室的姜大元注意到了半导体存储器的潜力，预计它迟早要替代当时主流的磁芯存储器，于是他想发明一种掉电后数据还能长期保存的存储器，即非易失性存储器（简称NVM）。

此时，距离姜大元和阿塔拉发明MOS场效晶体管已经过去了7年，阿塔拉早已离开了贝尔实验室，姜大元则有了一位新的合作者施敏（Simon M.Sze，见图8-4）。

图8-4　施敏

施敏在1936年出生于中国南京，1957年毕业于中国台湾大学，1963年在斯坦福大学获得博士学位。毕业时，施敏收到了好几份工作邀约，他不知做何选择，于是找来导师莫尔一起商量。莫尔曾在贝尔实验室工作过，他认为贝尔的研究环境很好，但它给出的年薪却是最低的。莫尔对施敏说：“不用担心，重要的是dM/dt的大小，M代表Money（金钱）。”施敏立刻明白了，dM/dt代表金钱的增速，于是他当下就决定选择贝尔实验室。

顺利入职后，施敏问上司自己该研究什么？“很简单，”上司说，“任何东西，只要跟硅有关，任何东西都可以。”

看来这里的研究环境真的非常好，施敏先从自己写作博士论文时研究过的热电子晶体管开始，之后又开始和姜大元合作研究非易失性存储器。

最早的非易失性存储器是只读存储器（简称ROM），存储的数据不可修改，而且不能定制。这有点像印刷书籍，同一批次的内容完全相同。

到了1956年，美国保殊艾玛公司要为军方开发一种用在导弹中的存储器，不同导弹的瞄准目标不同，存储的目标位置信息也不同，这就要求能够定制信息，这样ROM就不适用了。

于是，保殊艾玛公司的周文俊（Wen Tsing Chow）开发了PROM，由内部的二极管阵列的“通”或“断”代表0或1，出厂时这些二极管处于全部导通状态。当客户需要写入信息时，只需在对应的二极管中接入大电流，令其晶须融化，断开通路，目标信息就可以固化在电路中，这被称为“烧录”。

“烧录”解决了定制的问题，不过一颗存储芯片只能“烧录”一次。如果要“烧录”其他数据，只能用一颗新的空白芯片去“烧录”。这种方式有点像激光打印，可以预先定制内容，然后让激光在白纸上灼烧并留下痕迹，但无法擦除后重复使用。对于一些要反复升级程序或修改信息的场合，这不仅不够灵活，还容易造成芯片的浪费。

姜大元和施敏希望能够在无须更换芯片的情况下，在芯片中反复擦除和写入信息。这需要将电荷存储在晶体管中一个不易丢失的地方。

不过，姜大元和施敏遇到了一个困难，那就是该把电荷“藏”在哪里呢？这有点像要把家里的药片藏在孩子够不到的地方。MOS场效晶体管是一个平面结构，像一块平坦的地板，找不到一个地方来“安放”电荷。因此，姜大元和施敏需要构造出一个安全的“藏匿”地点。

一天中午，两人一边吃着饭，一边讨论着半导体存储器。吃完饭，姜大元仍觉得饿，还想再吃些甜点，于是又点了一块芝士蛋糕。

当芝士蛋糕端到桌上时，两人却都没有动刀叉，两双眼睛齐刷刷地盯着这块有着4层结构的蛋糕，它看起来似乎很“有趣”。两人开始对着这块蛋糕研究起来。

姜大元早已对MOS场效晶体管的结构了然于胸。如果盛放蛋糕的盘子是硅晶圆，那么MOS场效晶体管就是一块双层蛋糕，自下而上分别是一层绝缘层和一层栅极金属。栅极金属上是不可能存储电荷的，因为电荷会顺着栅极上方的导线溜掉。

但眼前的这块蛋糕有着4层结构，这无疑给他们带来了新的思路和灵感。

如果将MOS场效晶体管的栅极也变成4层结构，也就是在原有的一层绝缘体和一层栅极金属的基础上，再叠加一层绝缘体和一层栅极金属，那么这两层绝缘体之间就存在一个悬浮的金属层，就像悬在墙壁高处的一个壁柜。

姜大元和施敏想到，就把电荷关进中间悬浮的金属层里，从而做出一个存储器来，上下两层绝缘层就像两层隔板，将电荷稳稳地存放于中间。

于是，在这块4层蛋糕灵感的指引下，一种浮栅晶体管的想法应运而生（见图8-5）。

图8-5　浮栅晶体管示意图

注：在MOS场效晶体管的栅极堆中额外插入一层浮动的金属栅极。

不过，这里有一个悖论，为了构造悬浮的金属层，其下方有一层绝缘体，这阻挡了下方硅晶圆中的电荷进入悬浮的金属层。

下方的电荷要怎样才能“跃”过绝缘层，“飞升”到悬浮的金属层中呢？这一次，量子力学又发挥了作用，只要绝缘层足够薄，电子就能像崂山道士那样穿墙而过，进入悬浮金属层，这叫作“隧穿”。

姜大元和施敏立刻回到实验室，准备把这个浮栅晶体管做出来。但有一个问题难住了他们，到底应该选用哪种材料作为新插入的浮栅金属呢？他们本想用钨，但是钨的熔点很高，不易加工。因此，他们需要找人请教一下。

两人翻出了实验室内部的电话簿，在上面一条条地查找，上面不仅列出了员工的姓名和电话，还标出了他们的专业特长。他们很快就找到了一位冶金专家，专家建议使用熔点较低的氧化锆，这让两人少走了许多弯路。

第一批做出了十几个浮栅晶体管，这些晶体管的一致性非常好，都能存储电荷。最成功的一个浮栅晶体管在电荷泄漏完之前，足足保存了一个小时之久。

施敏写好了文章，并兴奋地去找他的上司。上司看了一眼结果只丢下一句话：“这毫无用处。”“怎么会呢？”施敏不解地问。

上司反问：“你能想象出它能在什么地方派上用场吗？”施敏回答：“我准备用它替换掉磁芯存储器。”上司冷冷地说：“这根本不可能。”

施敏想，即使不能做成产品，那么总可以把这个想法发表出来吧？他提出把它发表在顶尖的《电子器件》（IEEETED）专刊上，但上司觉得发表在公司内部的《贝尔系统技术》（Bell System Tech）杂志就够了。于是，这项半导体领域最重要的发明之一浮栅晶体管就于1967年5月16日发表在了一本很少人阅读的内部期刊上。

又一次，贝尔实验室的魔咒降临了，这里有世界上最优秀的人才、最宽松的研究氛围、最前沿的思想，然而领导层一次又一次地将这些绝妙的点子扼杀在摇篮里。上一次是MOS场效晶体管，这一次是浮栅晶体管。不幸的是，两次的发明人中都有姜大元。

没有浮栅晶体管，就不会有后来的可擦除可编程只读存储器（简称EPROM）、电可擦除可编程只读存储器（简称EEPROM）、闪存等存储器，今天也不会有手机存储卡、固态硬盘（简称SSD）、U盘，以及数码相机和行车记录仪的存储卡。不论是远在火星上拍照的“祝融号”，还是孩子床头的故事机，所有这些都离不开浮栅晶体管。

不过，在2014年闪存峰会上，施敏的努力终于得到了世人的认可，他因为发明浮栅晶体管而获得了终身成就奖，那一年全世界已经有了1021个浮栅晶体管，平均每个地球人都能分到上千亿个。

颁奖结束后，一行人来到街对面的饭店庆祝。饭后，施敏特意点了一块芝士蛋糕。

——摘自《芯片简史》

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