半导体晶体管的发明历史

1947年12月16 日美国贝尔(Bell)实验室的J.Bardeen(1908-1991)和W,Brattain(1902一1987)研究成功一种崭新的电子器件----半导体晶体管。他们发明的晶体管原形是一个点接触三极实验型固态器件,如图1.1所示。他们利用半导体锗晶体,在人类历史上首次试验成功一种具有信号放大效应的固态电子器件。这是自从1906年L.DeForest(1873-1961）发明真空电子三极管后,电子器件领域的最重要讲展。与发明者在同一实验室工作的工程师J.R.Pieree(1910一2002),为这种刚"出世"的固态器件创造了个新词"transistor"。据说,现今通用的中文译名"晶体管"为钱学森所建议。由于这种器件具有与当时真空三极管相类似的三电极结构和电学特性,Bardeen和 Brattain撰写的有关此新器件的论文题目为"晶体管----一种半导体三极管"[1]。1947年12月23日他们向贝尔实验室高层管理人员展示了这一发明。次年6月在这项划时代发明获得专利后,Bardeen和 Brattain才把他们的论文发表,并由贝尔实验室向世人宣告晶体管的发明。1897年英国科学家汤姆孙(J.Thomson，1857一1940)发现电子50年后,晶体管发明开创了半导体器件、电子学和信息科学技术的新纪元。

早在真空电子器件之前，1874年就有人发现，金属与半导体硫化铅形成的金半接触具有整流特性。20世纪前期曾用氧化亚铜、硒等半导体材料制成金半接触整流器。20世纪30年代研制出金属点接触硅二极管,用于制作高频检波电路,在无线电和雷达接收机中得到有效应用。第二次世界大战后,随着电子技术发展,研制具有信号放大等更强功能的固态器件,成为半导体研究领域的迫切课题。20世纪30和40年代半导体科学在量子力学能带理论基础上取得重要进展，人们对半导体导电机制等有了较深入了解，但仍有许多问题令人困惑,激发起人们的研究兴趣,其中就有一些固态科学研究者力图探索与研制具有电信号放大功能的固体器件。早在第二次世界大战前,W.Shockley和W.Brattain就在贝尔实验室从事半导体器件有关研究,战争使他们的研究中断。战后1945年他们返回贝尔实验室，进一步开展半导体器件技术研究,Bardeen也加入他们的研究团队。正如许多创新工作一样，他们的研究也遇到种种困难与挫折。例如，他们曾力图应用场效应研制固体放大器件的设想未能如愿,却促使Bardeen和Brattain深入研究半导体表面和界面效应。正是在研究半导体表面和金属/半导体接触特性的过程中,Bardeen和Brattain发现了晶体管效应，研究成功全新固态电子器件晶体管[3,4]

在图1.1所示发明点接触晶体管的实验装置中，一块n型锗晶体置于金属导体电极上，锗表面上有两个金箔接触点,它们由图中三角形绝缘体紧密压延而成，作为相距尽可能近(约50um)的两个电极,两者都和n-Ge形成肖特基势垒接触结,分别为发射极与集电极。n-Ge基片与背面金属形成欧姆接触的基区电极。3个电极分别用导线连接到电源,形成共基极电路。Brattain和Bardeen应用这样巧妙而简捷的实验装置，在发射结正偏压与集电结反偏压条件下，发现并验证了晶体管放大效应。

Shockley(1910一1989)虽然并未直接参与上述点接触晶体管发明，但他在晶体管原理研究和技术发展中发挥了独特作用。他不仅是当时贝尔实验室半导体研究的领导者,而且在Bardeen和Brattain试验成功晶体管后,对半导体pn结电流电压特性的物理机制和晶体管基础原理进行了开创性理论研究,并发明了由两个pn结构成的半导体晶体管[5]。Shockley在1949年7月发表题为"半导体pn结和晶体管理论"的论文，与他在此期间前后发表的其他相关著作一起,奠定了双极型晶体管的理论基础[6,7]。因此,Bardeen、Brattain和Shockley 3人共同获得1956年诺贝尔物理学奖。

直到20世纪50年代中期,电子技术发展主要还是依赖真空电子器件。1955年举行首届国际电子器件会议(ITEDM),在9个分组研讨专题中，仅有3个与半导体器件技术相关,其余皆为真空管相关技术。此后，半导体器件逐渐成为电子技术研发主流。与真空电子管相比,半导体晶体管具有体积小、重量轻、可靠性高、制造工艺简捷等显著优越性。1948一1958年半导体单晶制备和晶体管制造技术得到迅速发展。由初期的金属点接触晶体管与合金法pn结晶体管制备工艺,逐步演进到应用杂质扩散工艺,使晶体管性能显著改善。1956年贝尔实验室用扩散工艺研制成功二极管和晶体管。早期半导体材料中纯度和单晶质量最好的是锗,二极管和晶体管等器件的最初实验研究多应用锗单晶衬底。随着硅单晶制备技术的进步,硅器件制造技术开始加速发展。1954年美国德克萨斯仪器公司(TI)研制成功硅晶体管。用硅与错单晶材料制造的晶体管、二极管等固态器件的生产规模和应用领域开始迅速扩展。

1.1.2 集成电路的发明

集成电路是由TI公司的J.Kilby(1923-2005)在1958年发明的。在晶体管问世后,能否把多个分立二极管、晶体管及电阻等组成的电路直接制作在一块基片上,使电子电路小型化，成为固体器件技术领域先行者们所关注的课题。1958年到TI公司任职不久的工程师Kilby所选择的正是这一课题。在许多人外出度假的美国南方炎热夏季，他独自在实验室进行的开创性研究，导致第一块集成电路诞生。与当时他人选择的混合集成方案不同,Kilby坚持采用单片方案,即晶体管和电阻电容等都制作在半导体基片上。1958年9月12日他研制成功一种具有相移振荡器功能的集成电路[8]。初期这种集成电路曾被称作"固体电路或固态电路(solid circuit)"。1959年2月Kilby提出了用半导体材料制作集成电路的"小型化电子电路(miniaturized electonic circuits)"专利申请。现在Kilby是公认的集成电路发明者,但他并非集成电路概念的最初提出者。此前在1952年，电子工程师G.Dummer曾提出，可能把所有的电路集成到一块半导体晶片上,但当时未能实现其想法。直到晶体管制造技术得到较成熟发展的6年后，他的设想才由Kiby实现。

图1.2为Kilby最初研制成功的集成电路照片。Kilby是在锗晶片上制成这种集成电路的。pn结、晶体管和电阻等用扩散方法制作,晶体管在Ge晶片上形成相互隔离的台面结构,台面结构系采用黑蜡保护，经化学腐蚀形成，用细导线焊接，相连成一个电路。虽然现在看上去这种电路很"粗糙"，但它却是现代科学技术发展史上的原创性重大发明之一。随着时间推移，人们愈益认识集成电路发明的价值。40余年后的2000年,Kilby因他的发明获得诺贝尔物理学奖。

在1960年前后，研究者发明和试验成功多种改进晶体管和集成电路制造技术的关键工艺[9]。其中包括硅热氧化工艺、反向pn结器件隔离工艺、金属薄膜蒸发工艺等。在氧化、光刻、扩散、蒸发等工艺基础上，美国仙童半导体公司(Fairchild Semiconductor)的J. Hoeri(1924-1997)发明了平面工艺(planar process).经过硅晶片表面生长氧化层、图形光刻、局域选择性掺杂等各种平面加工,通过多项工艺有机结合,形成pn结等器件结构。Fairchild公司应用这种工艺最先研制成功硅平面晶体管。用平面工艺制造硅晶体管,在器件性能和生产效率等方面都显著优于锗晶体管技术,从而促进了半导体器件主导衬底材料由锗转向硅的演进。平面工艺原理至今仍为集成电路制造基本技术基础之一。

在Kilby发明集成电路和提出专利申请后不久，1959年7月Fairchild公司的RNoyce(1927-1990)也提出了应用平面工艺制造集成电路的专利申请,其名称为"半导体器件及引线结构"(semiconductordevice-and-lead structure),并研制成功第一个硅单片集成电路,把它称作"微芯片"(microchip)。图1.3所示为早期制造的简单逻辑电路硅微芯片照片。人们开始把制造在大小仅为毫米或厘米尺度硅片上的集成电路,称为"硅集成电路芯片"(IC chip),也可简称为"集成芯片"。这种平面工艺微芯片技术，促使集成电路制造工艺走向成熟，硅集成电路器件技术得以更快发展。因此，Noyce是集成电路技术与产业名副其实的主要奠基人之一。

1.1.3MOS集成器件技术基础的建立

作为现代硅集成电路主流的金属/氧化物/半导体场效应晶体管(MOSFET)器件，也在双极型晶体管与集成电路发明及早期发展的同时，奠定了技术基础。在晶体管发明前后，Bardeen、Shockley等人对半导体表面和场效应理论进行了多方面理论与实验研究。1948年Shockley发表了题为"表面电荷对半导体薄膜电导的调制"的论文[o]。斯坦福大学J.Moll(1921一2011)在1959年提出用金属/氧化物/半导体(MOS)结构的电容-电压(C-V)特性测试技术，表征热氧化生长的SiO2特性，研究SiO2/Si界面状态和改进硅氧化工艺途径。MOSC-V测试技术至今仍是分析介质及其与半导体界面质量的有效方法。硅表面与界面研究为发展 MOS晶体管和集成电路制造工艺奠定了知识基础。

1960年贝尔实验室的D.Kahng(1931一1992)和M.Atalla(1924一2009)利用硅衬底和热生长SiO2研制成功MOS场效应晶体管。1962年Fairchild公司和美国无线电公司(RadioCorporation of America,RCA)分别研制成功商用PMOS和NMOS晶体管。1963年Fairchild公司的F.M.Wanlass(1933一2010)与C.T.Sah(萨支唐,1932一)提出了由NMOS和PMOS晶体管构成的互补型金属/氧化物/半导体(CMOS)倒相器电路。由于MOS结构器件所特有的高集成度等特点,MOS超大规模集成电路技术得到迅速发展[]。特别是CMOS器件,有赖于其突出的低功耗优越性,已发展成为现今微电子技术的主导器件。在晶体管和集成电路发展初期的另一项重要发明,是浮栅晶体管结构。1967年Kahng和S.M.Sze(施敏,1936一)发明了可用于存储器的浮栅技术[2]，成为数十年来非挥发性半导体存储器件技术迅速发展与广泛应用的基础。