图注:第一块集成电路,浅蓝色矩形是锗晶片
仙童半导体公司的罗伯特·诺伊斯(Robert Noyce)把注意力放在了硅晶片上。他的最初设想是:“把多种元件放在单一硅片上,同时用平面工艺将它们连接起来,这样可以大幅降低电路的尺寸、功耗及成本。”诺伊斯创造性地在氧化膜上用“平面工艺”制作出铝膜连线,使电子元件和导线合成一体,为半导体集成电路工艺和量产奠定了基础。
Noyce saw that the solution to the problem of connecting the components was to evaporate lines of conductive metal (the “wires”) directly onto the silicon wafer’s surface, a technique known as the planar process.(WIKI:Invention of the integrated circuit)
图注:1961: First Monolithic Silicon IC Chip. Invented by Robert Noyce, Fairchild
事实证明,这个路线是成功的,德州仪器也随后采用了这条技术路线。Texas Instruments abandoned the IC designs by Kilby and received a contract for a series of planar ICs for space satellites。
仙童科技成为了芯片创业的“黄埔军校”,并在四季如春的加州造就了“硅谷”这个称号。2018年,我和明锐理想冀运景赴硅谷纪念集成电路发明60周年。
采用硅工艺的集成电路大量使用后,1960年之后锗元素在电子工业中的核心地位却迅速被硅所取代。
今天几乎所有的集成电路都使用硅作为基本材料,其年产量高达800万吨左右,是锗的数万倍(2020年全球锗产量为130吨)。
由于锗的载流子迁移率和散热性都比硅要优秀,在某些高速开关和需要密集散热的半导体元件上使用锗作为材料,高频大功率器件上有一定用量,光电雪崩二极管用量较大。
大自然中,硅的可获得性远远超过锗。
中国的硅提纯起步并不晚。1960年秋,601实验所(中国电科46所前身)丁守谦团队在一次又一次的反复改良和试验之后,得到了一根纯度达到7个9(即99.99999%)的硅单晶,这也是我国第一根区熔高纯度的硅单晶。
不过,在集成电路浪潮中,中国当年的进步较为缓慢。 三、锗元素从烟灰中“刨”出,中国晶体管一直繁荣到80年代
和西方不同,中国晶体管繁荣的时间很久。收音机、电视机中都大量采用锗二极管和锗三极管。事实上,锗在中国电子工业的核心地位一直延续到了1980年代。之后,由于外来的先进集成电路大量使用,锗失去了中国电子业江湖老大地位。
1956年11月,中国第一只晶体三极管在中国科学院北京应用物理研究所半导体研究室诞生。在王守武、吴锡九等领导下,开展半导体锗的研究工作。一方面抓锗材料的提纯,一方面亲自设计制造了我国第一台制备半导体锗材料的单晶炉。
1957年,搞电子管起家的北京电子管厂(774厂、京东方前身)筹建半导体实验室,自制设备开始研发锗材料和锗晶体管。
1957年,林兰英作为宾夕法尼亚大学第一位中国博士,也是学校历史上的第一位女博士,放弃了美国工作,回国加入了中国科学院北京应用物理研究所半导体研究室。1957年11月,林兰英与王守武共同努力,与北京电子管厂联合,通过从烟灰中还原氧化锗,再用区熔法提纯,拉出了中国第一根锗单晶,在我国半导体材料发展史上写下了辉煌的一页。在此之前,我国用于生产锗半导体器件的锗材料,均由前苏联提供。在此之后,仅用1个月的时间,又研制出了1公斤的N型和P型锗单晶,提供给北京电子管厂,用于生产半导体收音机所需的锗晶体管。
1958年8月,上海无线电技术研究所和复旦大学物理系(谢希德教授)合作,试制成功第一只上海产锗二极管和锗三极管。上海无线电器材厂用这批国产锗晶体管,于1959年国庆10周年前夕组装出美多牌872—1—1型便携式7管中波段超外差式收音机300台并投放市场,首次实现了国产晶体管收音机商品化。