半导体物理学和实验技术的蓬勃发展

半导体物理学和实验技术的蓬勃发展

半导体物理学和实验技术的发展是现代科技的重要里程碑。从1960年以前的半导体单晶材料研究，到1960年以后集成电路引发的电子革命，半导体技术不仅推动了信息技术的飞速发展，也深刻改变了人类社会的面貌。本文将带你回顾这一激动人心的技术发展历程。

1960 年以前半导体单晶材料及半导体物理的发展

在晶体管发明初期，只有中等纯度的多晶材料可用。为了推动基础研究和改进晶体管性能，需要高纯度、完整性的晶态半导体材料。第一个锗单晶的生长工作由蒂尔（G.K.Teal）和李特尔（J.B.Little）完成，这为结型晶体管的制造奠定了基础。虽然理论上硅被认为优于锗，但由于提纯难度更大，第一批硅晶体管直到1954年才问世。

20世纪60年代以前，半导体技术经历了以下关键发展阶段：

• 1947-1948年：点接触型晶体管
• 1949年：单晶生长，区域提纯
• 1950年：结型晶体管
• 1952年：晶体管助听器、收音机等应用
• 1954年：硅晶体管
• 1960年：平面晶体管技术

这些成就主要依赖于高质量的半导体材料。优质单晶的研制推动了半导体材料工艺、区域提纯、掺杂控制、平面工艺等技术的发展，使锗和硅单晶成为纯度最高、结晶完整性最好、品质鉴定最清楚的固体材料。这些技术和材料为固体物理学家的理论设想提供了实验验证的可能。

20世纪50年代初，海纳斯（Haynes）等人发表了著名的漂移迁移率实验，直接观察到了空穴的注入和运动，对能带理论给出了决定性的支持。皮尔逊等人的磁阻实验首次测定了Ge和Si的具体能带结构。德累塞豪斯（Dresselhause）用回旋共振实验方法进一步研究了Ge和Si的能带结构细节。光吸收方法在研究禁带宽度、直接跃迁、间接跃迁过程方面发挥了重要作用。这些实验不仅深化了对半导体电子结构的认识，也揭示了大量半导体的物理性质。

在晶体管的发展过程中，理论与实验之间形成了相辅相成的关系。实验促进了理论的发展，能带理论得到验证，新的物理概念不断涌现。20世纪60年代以前，半导体物理学中出色的理论成果包括肖克利小组基于固体能带论发明的点接触型晶体管，以及江崎对量子隧道效应的理论解释。江崎发现，用高浓度材料制成的狭窄p-n结在加反向偏压时电流增加，在加正向偏压时形成负阻区。他用量子力学的隧道效应对这种反常伏安特性作出的解释，不仅在理论上带来突破，还导致了隧道二极管的发明和使用。

1960 年以后，集成电路引发了真正的电子革命

20世纪60年代初，在晶体管发展的基础上发明了集成电路，这是半导体发展的一次飞跃，标志着半导体器件由小型化进入集成化时期。所谓集成电路，指的是将二极管、三极管（晶体管）以及电阻、电容都制作在同一个硅芯片上，使一个片子所完成的不再是一个晶体管的放大或开关效应，而是具有一个电路的功能。

就在集成电路刚刚发明不久，硅谷的先驱者之一的摩尔（Gordon Moore）提出了著名的摩尔定律。其内容是说：集成电路的性能，包括其上的元器件数目，对于同样的芯片价格，每18~24个月增加一倍。值得注意的是，过了几乎四十年，这条定律仍然保持有效，集成电路的性能一直在加倍！当然，加倍不可能总是这样延续下去。这就激发了物理学家致力于探索其他类型的微电子学元件。

应该说，1947年巴丁等人发现晶体管效应具有划时代的伟大意义，可以看成是现代半导体时代的发端。开始时晶体管只是作为真空电子管的代替品，晶体管更小、更可靠、比电子管消耗更少的能量。因此，电子系统中元器件的数量可以大大增多，这一进步当然也是非常巨大的，但是在本质上没有太大的区别。如果科学的发展只是停留在以晶体管代替电子管，就根本不可能达到现在的水平。可以说，只有在电子学中引进了集成电路，才能说开始了真正的电子革命。当然，集成电路的诞生也离不开半导体技术的发展。正是由于半导体技术的发展引起了固体物理学和材料科学研究的高涨。一个重要的突破是把硅引进为晶体管材料，这是得克萨斯仪器公司的蒂尔在1954年首先演示的。后来发现，就地氧化的硅是很理想的绝缘体，而且硅和二氧化硅的界面研究得最为彻底。这就为集成电路的发明准备了条件。

在集成电路发明之后大约十年，已经可以把足够的元器件连接在一个集成电路之中，以便把整个处理器安置在一块单个芯片中。微处理器是在20世纪70年代初发明的。这一新器件后来成了一系列应用的动力，并且使个人计算机有可能大大发展。就像蒸汽机是工业革命的主力机械一样，个人计算机也成了信息和知识革命中的主力机械。计算机连接在信息网络之中，相互通信。这就代表了两门主要技术：计算机技术和通信技术的结合。随着对处理和传输速度越来越高的要求，不仅芯片上的元件数是重要的，而且元件的速度也很重要。元件做得越来越小，能耗越来越少可以部分地达到这一目的。但是最终还需求助于新的材料和新的半导体结构。当创造信息和处理信息的能力提高了，必然会提出把信息储存在记忆里和储存银行里的更高的要求。快速随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）等大容量储存技术急速发展，既增大了容量，又降低了价格。由于集成电路的发明，微电子学已成为所有现代技术发展的基础，微型芯片的广泛应用，使我们周围的环境到处都是小型电子装置，可以说，集成电路成了现代科学技术最重要的核心器件之一，它几乎无处不在，极大地影响了人类的生活，深刻地改变了社会的面貌，而且这种影响和改变还正在开始，远未完结。

集成电路的发明

把几个晶体管组合在同样一块半导体晶体上的观念在20世纪50年代初已经很流行，例如，达默（W.A.Dummer）在英国的一次会议上讲到电子学的可靠性时说过：“随着晶体管的出现和半导体工作的普遍化，现在似乎可以设想在固体板块中的电子设备无需连接的导线。板块本身就包括了绝缘的导电层、整流和放大的材料，通过切割各层面积的办法直接把电学功能连接在一起。”

基尔比（Jack S. Kilby，1923—）是美国得克萨斯州（Texas）达拉斯（Dallas）得克萨斯仪器公司的成员，1958年刚刚任职。由于无权享受休假，那年的暑期他独自留在实验室里。从他以前的工作，他正对如何解决由于电路中元件数目越来越多的问题深感兴趣。

就在这年暑期，他演示了有可能把一个振荡器各种不同的分立元件全都在同一块作为基极材料的硅片上制作出来（参看图10-8基尔比的笔记）。他继续沿这一方向做下去，这一年9月，他又证明有可能在一块锗片上制作整个电路，锗是当时生产线上流行的一种半导体材料。1959年2月6日他为他的小型化电子线路的思想提出了一份专利申请书。平面晶体管和被动元件都可由金丝连接。基尔比在他的专利申请书中提到有可能以绝缘材料上沉积的金片作为导线，把不同部分连接起来。

图10-8 基尔比的笔记，记录了他对集成电路的思想

大约与此同时，在另一家美国的实验室里也出现了类似的进展，加州仙童电子公司（Fairchild Electronics）的一位瑞士科学家洪尼（J.A.Hoerni）证明有可能利用平面工艺避免平面晶体管从半导体台基的表面上凸出。这在当时流行的技术中是不可避免的，因而造成了连接的困难。平面工艺使得导线能够更容易地沉积在半导体材料制成的芯片上。在同一家公司里的诺依斯（Robert Noyce）发现，铝金属可以很牢固地附着在硅和二氧化硅上。在他1959年1月23日的实验室笔记上，他详细地描述了如何用铝作为导电条制作集成电路。他在1959年7月30日提交的专利申请，题为“半导体器件与导线结构”，在1961年4月25日得到批准。这比基尔比的专利批准的日期（1964年6月）要早得多，尽管基尔比提出申请的时间要更早些。诺依斯和他的一些同事组成了一家新公司，这就是英特尔公司，专注于集成电路的发展。

人们公认基尔比和诺依斯是集成电路的共同发明者。后来诺依斯成了“硅谷”的奠基人之一，并于1990年逝世。而基尔比则于2000年荣获诺贝尔物理学奖。

20世纪60年代出现了在一块硅芯片上（通常面积小于1厘米）包含几十个晶体管的小规模集成电路；随着硅平面工艺的突破和进展，20世纪70年代集成度大大提高，发展了包括几万个晶体管的大规模集成电路。集成电路的发展使电子器件的成本大大降低，1976年的成本只有1956年的十万分之一。所以半导体电子设备深入到社会各个角落，并且使人类社会从工业社会发展到信息社会。1971年美国英特尔公司4004微处理器芯片的诞生是个重要的里程碑，这个芯片有2300个晶体管，1982年英特尔公司又推出16位的80286微处理器芯片，片内集成了13.4万个晶体管。1986年出厂的80386的32位微处理器，片内有27.5万个晶体管。1989年的英特尔486则有120万只晶体管。1993年的英特尔奔腾芯片上有320万只晶体管。1995年的高能奔腾增至550万只晶体管。随后又推出奔腾Ⅱ则有750万只晶体管。有人统计，在这些年月里，微处理器性能，正如摩尔所预言的那样，平均每18个月提高一倍。

图10-10 计算机里的大规模集成电路板

图10-11 集成电路里用铜做导线，导线宽度仅为0.13微米

图10-12 集成电路做成的微处理器，里面有近一千万个晶体管

半导体物理和技术的大发展

半导体物理是一门技术性很强的科学，特别是小型化、集成化对材料质量的极高要求，有力地促进了超纯、超净、超精细加工技术的开发和发展。杂质及其含量对半导体性能有极明显的影响，例如硅中只要掺入百万分之一的磷原子，电导率就会提高十万倍左右。所以要严格地控制半导体中杂质的含量，这就要求发展超纯技术。灰尘不仅会在材料加工中混入而影响纯度，而且器件加工过程中玷污了灰尘会造成表面和结构缺陷以及不需要的杂质吸附，使器件性能变坏。小型化必须要求发展精细加工。现在，超纯、超净、超精细加工技术不仅推动了半导体技术的发展，而且已成为一项重要的现代科学实验技术。

半导体的小型化、集成化过程中不断地提出许多理论和基础研究课题，如由于不断小型化，器件结构越来越接近表面；而半导体器件的特性受表面影响很大，使得表面物理的研究受到了极大的重视。现在人们对表面结构、能带的弯曲、表面态的分布等进行着深入的研究。

小型化的不断前进，要求对半导体器件进行原子级加工。即人类利用现代的微加工实验手段，在精确控制的情况下，一层一层地把原子生长到材料上，也可以一个一个地把原子刻蚀剥离掉，制备预先设计好的材料和器件。20世纪后半叶发展起来的分子束外延（MBE）技术、金属有机氯化物汽相沉积（MOCVD）技术可以进行原子层级生长超晶格半导体材料，离子束刻蚀技术可以对半导体材料进行原子级刻蚀剥离。这是半导体小型化技术的一次重大革新。