从电子管到集成电路的“芯”路历程

2018-02-04王国强

张江科技评论 2018年4期

■文/王国强

从第一块集成电路诞生到现在，正好一甲子。重温这段“芯”路历程，对当今中国的创新不无裨益。

“中兴事件”不仅把人们的目光聚焦在高端芯片上，而且把人们带回到电子学及其技术创新的历史长河中。电子管、晶体管、半导体材料、集成电路、大规模或超大规模集成电路等一系列的技术发明和创新构成了无线电电子学的发展之旅，推动着电子信息产业的不断转型升级。如今，人类社会正进入以互联网、大数据、人工智能为主要特征的新的发展阶段，而推动这一发展的主要原动力仍是60年前电子学最为伟大的发明——集成电路。

电子管引领了无线电电子技术的发展

电子学是关于电在真空、气体或半导体中传导的科学和技术，是20世纪的关键性学科，决定着整个技术的发展动向。电子器件、元件和电路作为各种电子设备、电子系统的基础单元，始终发挥着技术创新的先导作用。从某种意义上讲，无线电电子学的发展史就是电子器件的演变史。

●电子管的诞生

19世纪80年代，爱迪生效应的发现和电磁波存在的证实标志着电子学的诞生。1883年，美国著名发明家爱迪生（Thomas Edison）发现在通电加热的灯丝和钢丝之间有微弱的电流通过，这一现象也被称为爱迪生效应。1884年，英国科学家弗莱明（John A. Fleming）重复了类似的实验。1895年，意大利工程师马可尼（Guglielmo Marconi）在赫兹实验的基础上成功地进行了距离为2.5千米的无线电报传送实验。此后，无线电报传送距离不断延伸并取得巨大成功，马可尼成为无线电报系统的发明人。1896年，马可尼电报公司成立，弗莱明受聘为该公司的顾问，并从事电报接收机关键电子器件粉末检波器的改进工作。粉末检波器是1891年由法国物理学家布朗利（Édouard Branly）发明的，复杂的结构和较差的功率严重影响着电报通信的效率。1904年，弗莱明根据爱迪生效应，用真空二极管作为无线电波检波装置，大大改善了电报检波装置的性能。真空二极管除检波外，还有变交流电为直流电的整流作用。真空二极管是人类历史上第一只电子器件，它的成功点燃了电子管的火炬，照亮了一代又一代电子器件的发展道路。

●电子管“王朝”的建立

与粉末检波器相比，二极管的性能的确好很多，但它的检波效率还很低，输出信号还很弱。1906年，美国从事无线电信号检波工作的德福雷斯特（Lee de Forest）发现，在二极管的负极和正极之间加入一个栅极后，电信号显著增强，于是第一只三极管诞生了。最初几年，人们只是把它作为灵敏的探测器和检波器，并不了解它还具有放大作用。事实上，三极管就是一个放大器。1919年，德国人朔特基（Walter H. Schottky）提出在栅极和正极之间加一个帘栅极的思想。1926年，英国人朗德（Henry J. Round）实现了朔特基的想法，发明了四极管。同年，荷兰的霍尔斯特（Gilles Holst）和泰勒根（Bernard D. H.Tellegen）发明了五极管。这些多极真空管统称电子管。

电子管的相继问世，促进了电子工业的兴起。1920年，美国威斯汀豪斯公司在匹兹堡开设了世界上第一座无线电电台。1921年，美国无线电股份有限公司成立，将分属于马可尼、贝尔电话、通用电气、西屋和阿姆斯特等公司的有关专利汇集起来，生产电子管的大工厂在世界各地相继建立，电子管进入大规模工业生产的新阶段。1925年，随着无线电广播的发展，收音机开始上市。同年，英国人贝尔德（John L. Baird）制造出第一台能传输图像的机械式电视机。到20世纪30年代末，电子管已经渗透到各个应用领域，成为无线电技术的“天之骄子”，一种无可替代的产品。直到40年代和50年代前期，电子管仍处于蓬勃发展的发展状态，全世界每年生产的各种电子管达到数亿只。

晶体管迎来电子信息产业的拐点

真空电子器件的发展带动了各种电子设备的发展，使无线电通信、电话、广播、电视等电子信息产业成为当时世界工业体系中最为庞大的产业之一。20世纪30年代，电子管小型化催生出的一种新型半导体电子器件登上了电子技术的历史舞台。

●半导体的兴起

电子管小型化能够缩小体积、减轻重量、提高性能和降低电耗，符合市场的基本需求。随着第一台电子计算机ENIAC的出现，电子管的缺点更加明显。这台电子计算机共用电子管约1.8万只，体积有90立方米，质量达30吨，占地面积为167平方米，耗电量高达150千瓦时。另外，随着电子设备功能的扩大和要求的提高，电子管的使用寿命和可靠等缺点也成为亟待解决的问题。

电子管小型化技术的探索使“半导体”晶体终于从泯没无闻的状态浮现出来。与导体、绝缘体相比，半导体材料的发现较晚。1833年，英国物理学家法拉第（Michael Faraday）最早发现硫化银的电阻随着温度的升高而下降。1839年，法国物理学家贝克莱尔（Henri Becquerel）发现了半导体光伏效应。1873年，英国工程师史密斯（Willoughby Smith）发现了半导体的光电效应。1874年，德国物理学家布劳恩（Karl F. Braun）发现了半导体的整流效应。1879年，美国物理学家霍尔（Edwin Hall）发现了半导体的霍尔效应，即垂直于磁场放置的通有电流的半导体会出现横向电压。1911年，半导体概念被德国物理学家贝德克尔（Karl Baedeker）首次命名使用。从1910年到1930年，人们对各种被认为是半导体的物质进行了大量研究，虽然并没有取得突破性进展，但是半导体的技术应用引起了人们的强烈兴趣。1906年，人们用金刚砂晶体做成了一个简单的矿石检波器，因一度被用在收音机上而风行一时，但很快让位给真空二极管检波器。

20世纪20年代末到30年代初，半导体的理论研究出现了突破。1928年，瑞士裔美国物理学家布洛赫（Felix Bloch）首开能带理论之先河。1929年，德裔英国物理学家派尔斯（Rudolf Peierls）提出微扰理论。1931年，英国物理学家威尔逊（Harold A.Wilson）在能带理论的基础上，提出半导体的物理模型，并利用能带理论给出半导体的明确定义，奠定了半导体物理的理论基础。1939年，朔特基提出有关整流理论的许多重要论断，认为金属与半导体间存在能障，并提出著名的扩散理论。随着无线电应用波段延伸到短波、超短波，真空二极管的检波性能呈现出严重不足。科学家认识到在“电子管”框架下的研发不能从根本上解决问题，必须从基础研究入手进行颠覆式创新，因此人们开始把视野投向了当时新兴的半导体。

●晶体管的问世

半导体的理论研究和技术应用的进展为新型电子器件的诞生奠定了理论和技术条件。1925年，贝尔实验室的建立标志着美国工业实验进入基础研究和技术发展相结合的成熟阶段，为新型电子器件的诞生提供了新型的研究范式。1945年，贝尔实验室成立了以肖克利（William Shockley）和摩根（Stanley Morgan）领导的固体物理研究小组，其中肖克利还成立以布拉顿（Walter Brattain）、皮尔逊（Gerald Pearson）、吉布尼（Robert Gibney）和巴丁（John Bardeen）为核心成员的固体物理半导体研究分组。根据分工，皮尔逊研究硅晶体和锗晶体的特性，布拉顿研究半导体的表面现象，肖克利和巴丁负责实验的理论解释。根据肖克利的安排，巴丁着手研究“场效应”检验。实验中，当用锗晶体代替硅晶体时，出现了肖克利预测的场效应现象。1947年11月21日，在测量晶体上电位分布时巴丁向布拉顿偶然建议，用一根金属的尖端刺到硅片上，通过改变周围电解质的电压来改变点触下方的硅晶体的电阻，由此控制流入到接触点上的电流。此后，他们用锗晶体代替硅晶体，用各种方法不断缩小两个接触点之间的距离，终于在12月16日出现了功放系数高达450%的奇迹，一种新型的电子器件诞生了。1948年6月30日，这种新型电子器件被正式命名为晶体管（transistor）。

肖克利因在关键实验中没有在场而错失点接触晶体管的发明。1949年，肖克利提出PN结和面结型晶体管理论，并在实验室研制出结型晶体管。结型晶体管因优势明显，很快取代了点接触晶体管，获得了广泛应用。此后，相继出现PNP合金管、合金扩散管和台面晶体管等。1952年，肖克利发明结型场效应晶体管及其基本理论。1953年，肖克利研制出硅结型场效应晶体管。1956年，因肖克利对三种晶体管及其制作工艺都做出了重大贡献，与巴丁、布拉顿一起获得了诺贝尔物理学奖。同年，我国第一只点接触锗合金晶体管在林守武、林兰英的领导下研制成功。1957年，受雇于索尼公司的江崎玲于奈（Leo Esaki）制成了隧道二极管。同年，美国仙童半导体公司利用硅晶片上热生长二氧化硅工艺制造出世界上第一只硅平面晶体管。1960年美国埃及裔科学家阿塔拉（Martin Atalla）和韩裔科学家江大原（Dawon Kahng）发明了硅金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。

●半导体器件的发展

晶体管虽然从技术意义上完成了革命，但是在实际应用中要代替电子管还不得不面临市场的考验。1951年，用合金方法制造的锗晶体管已经问世，有了比较稳定的放大性能，但实际应用上还远远不如电子管，存在着频率特性差、噪声大、功率低、寿命短等缺点。

随着工艺结构的不断改进，锗、硅等半导体材料的纯度逐渐提高，晶体管的优势日渐显现，晶体管和晶体二极管开始进入大规模生产阶段。1953年，晶体管助听器上市。1954年，美国印第安纳波利斯市工业发展工程师协会研制的世界上第一台超小型晶体管收音机上市，售价仅49.95美元。1955年，晶体管助听器和收音机开始走向国际市场。1956年，用扩散方法制作晶体管获得成功，晶体管的频率性能和功率容量大大提高，晶体管技术步入成熟阶段，各种高频晶体管陆续问世。电子设备的晶体管化，使电阻器、电容器、线圈、继电器、电路插件等电子元件日益变小，可靠性和寿命大幅度提高。晶体管的出现使人们对半导体材料有了更深入的研究，发现了更多的“神奇”功能，制造出五花八门的各种半导体器件，如自动化设备中的光敏电阻、太阳能电池、应力测量装置、气敏报警器等，半导体器件成为电子学的宠儿。

集成电路开启微电子技术新时代

晶体管的不断小型化带动了制造工艺的创新，而从合金工艺制作到平面工艺制作的创新使晶体管小型化迈出更大的一步。平面工艺不仅把半导体器件的生产推进到大批量生产的新阶段，而且为集成电路的诞生奠定了工业技术基础。

●集成电路的问世

晶体管的小型化虽然把电子设备的小型化提高到一个新境界，但是随着计算机、人造卫星、航空航天等技术的突飞猛进，晶体管的小型化仍远远不能满足社会的需求，特别是军方的需求。为减少电子设备的重量和体积，不仅晶体管要更小化，电阻、电容器、继电器等电子元件也要更小化。于是，人们开始在电子设备的高密度上进行各种尝试和努力，出现了“微模组件”式的电子设备，即先把各种电子元件设法密集地装配在一起，再叠成立体结构。但是，这样的努力离航空航天等精密电子设备的要求仍存在很大的距离。能否按照电子线路的要求，把晶体管、晶体二极管及其他必要的元件统统集合在一块半导体晶片上？这似乎是一个自然的问题。

1952年，英国皇家雷达站工程师达默（Geoffrey Dummer）提出了这种集成化电路的设想。1958年5月，受雇于美国德州仪器公司的基尔比（Jack Kilby）立刻开始了晶体管电路的小型化研究。9月12日，基尔比终于用锗块制成电阻器，用PN结锗晶体做成电容器，并将锗晶体管等装在玻璃板上的锗晶片上。然后，他用蚀刻法在几个器件间刻出沟道，用金导线将它们连接，形成一个完整的电路，成为有史以来第一个制成的集成电路（有时也称微电子或者芯片）。1958年底，基尔比和他的同事用带氧化物层的硅块制成电容器，用扩散法制成扩散层电阻器，用硅结晶体管制做出集成相移振荡器电路，并申请了专利。基尔比也因此荣获2000年诺贝尔物理学奖。

1959年，美国仙童半导体公司的诺伊斯（Robert Noyce）用平面工艺制做出硅集成电路，真正实现了单片集成电路，成为后来集成电路发展的原型。1960年，第一块MOS集成电路诞生。1962年，世界上出现了第一块仅有12个晶体管和电阻的集成电路正式商品，标志着第三代电子器件正式登上历史的舞台。1965年，美国英特尔公司的创始人摩尔（Gordon Moore）提出著名的摩尔定律，认为芯片上可容纳的元件每隔18～24个月便会增加1倍，性能也将提升1倍。集成电路的发明为微电子学、微电子技术的发展开辟了道路，并按照摩尔定律预测的速度不断发展，对现代工业的影响日益深远。

●制造工艺的创新

集成电路离不开材料及其制造工艺的创新。晶体管是集成电路的核心器件，其性能依赖于锗或硅的纯度。1948年，肖克利在制作结型晶体管时，物理化学家蒂尔（Gordon Teal）和工程师利特尔（John B. Little）曾帮助他制成了第一台拉晶机，从熔晶中制成了PN结，并用掺入杂质的方法制成NPN结单晶体。正如后来的研究者评价所说：“肖克利无论设计出什么种类的放大器，也只能是一些供自己消遣的草图而已。”也就是说，没有半导体材料的提纯和生长单晶以及掺入杂质的技术，高性能的晶体管就不可能诞生。

同样，没有硅氧化物掩膜、电路图印刷、蚀刻和扩散技术，平面式晶体管和集成电路也不可能实现，微电子技术的发展更无从谈起。1957年，人们发现了硅表面的二氧化硅具有阻止杂质向硅内扩散的作用，直接导致硅平面工艺技术的出现。所谓平面工艺，就是制作平面晶体管时的每一道工序都是在半导体晶体片表面很浅的平面层内进行的，氧化、光刻、扩散、离子注入是其重要的工序环节。1960年，卢尔（H. H. Loar）和克里斯坦森（H. Christensen）发明了外延工艺。1970年，斯皮勒（E. Spiller）和卡斯泰拉尼（E.Castellani）发明了光刻工艺。光刻机是芯片制作的核心设备，原理与古老印刷业中的照相制版相同。在摩尔定律的驱动下，光刻工艺曝光方式经历了20世纪60年代的接触式光刻机／接近式光刻机、70年代的投影式光刻机、80年代的步进式光刻机／步进式扫描光刻机／浸入式光刻机及现在的EUV光刻机的变革，技术上跨越了1微米、0.5微米、0.18微米、90纳米、65纳米、45纳米等节点。光刻技术的不断创新推动着集成电路技术的发展。

超大规模集成电路成为现代工业的根基

自集成电路问世，无线电电子设备就掀起了“集成化”运动。从电子计算机到各种电子仪器，从航空航天的复杂电子设备到工业自动化控制装备，以及如今的云计算、物联网、大数据等新兴产业，集成电路按照摩尔定律速度不断发展。

●大规模集成电路的出现

集成电路按照集成度的高低可分为小规模集成电路、中规模集成电路、大规模集成电路和超大规模集成电路。一般认为，单块芯片上包含数十个元件为小规模，100个以上至1000个为中规模，1000个以上为大规模，10万个以上为超大规模。集成电路的快速发展是技术、经济发展的必然结果。提高集成电路的集成度符合人们的直观想象，整个线路系统、整个无线电设备统统放在单块芯片上不仅能大大节约劳动成本，而且大规模集成电路和少量元件的简单集成电路工艺过程并无多大的不同。另外，20世纪60年代电子计算机已日益深入到国民经济、科学研究和国防等各个部门，用小规模集成电路组装无论是成本还是技术都无法令人满意。MOS晶体管因结构简单、所占芯片面积小以及多个管子集成时无须增加“隔离”措施等优点，所以1967年美国贝尔实验室制成了第一块大规模集成电路，并很快被推进到工业生产和实际应用中，占据了重要地位。

半导体存储器一直被看作集成度增长的代表性产品，从存储容量的字节数1千位扩大到4千位、16千位、64千位、256千位和1兆位。20世纪70年代末，美国英特尔公司提出随机逻辑大规模集成电路，发明计算机中央处理单元（CPU）集成电路，为计算机的微型化创造了条件。1977年，一个芯片上约有15万个管子的超大规模集成电路面世。1988年，16MB的动态随机存取存储器（DRAM）问世，一个芯片上集成了3500万个管子，标志着集成电路进入特大规模集成时代。

●集成电路的产业发展

集成电路产业的发展源于人们对信息数量和质量的需求以及集成电路技术的进步，已渗透到国计民生的每个角落，成为社会发展的重要支撑。集成电路产业结构经历了三次大的变革。20世纪70年代是以加工制造为主导的集成电路产业的形成期，其主要产品是微处理器、存储器以及标准通用逻辑电路，集成电路设计只是一个附属部门。80年代是以集成电路设计主导的集成电路产业的成长期，其主要产品是微处理器、微控制器及专用集成电路。在这个时期，无晶圆集成电路设计公司或设计部门纷纷成立，代工工厂开始崛起。90年代，随着互联网的兴起，集成电路产业结构形成了设计、制造、封装和测试独立成行的专业化格局，设计业成为产业的“龙头”。

集成电路产业主要分布在美国、日本、欧洲、韩国和中国台湾，形成了各具特色的集成电路产业。美国是集成电路技术的发源地，拥有英特尔、德州仪器、美光以及高通、博通无晶圆设计公司等大型企业，居世界领先地位。日本在1964年研制集成电路，成为世界上第二个拥有集成电路技术的国家。韩国的集成电路产业始于20世纪70年代，以存储器为主，在全球市场占据了多数份额，形成垄断局面。中国台湾地区则起步于80年代，形成了完备的产业结构。我国集成电路产业在1956—1978年间取得了不小的成就。例如，1956年有了第一只晶体管，1965年制成了DTL型逻辑电路，1972年研制出第一块PMOS型LSI电路，1976年自主研制了1000万次的大型电子计算机。在1979—2000年间，从技术引进到重点支持，我国集成电路企业技术上有了积累，产业上有了发展，但不顺利。2000年以后，在中央和地方各项政策的支持和鼓舞下，中国集成电路产业迅速发展，并取得了一批具有自主知识产权的“中国芯”，但与国际先进水平相比核心技术还存在着较大差距。

从第一块集成电路诞生到现在，正好一甲子。重温这段“芯”路历程，对当今中国的创新不无裨益。社会需求是重大创新的源泉，电子器件的小型化、集成化为电子技术的创新指明了方向。重大的原始创新离不开深入的理论研究，没有固体物理理论的突破，难以想象晶体管、集成电路的出现。“中兴”被美国禁“芯”，突显引进人才比引进技术更重要，硅谷是世界高科技创新的中心，更是世界人才聚集的高地。新技术转化为新产品离不开好的创新环境，贝尔实验室所营造的公平竞争的创新环境成就了一个互补协作的攻坚团队。