Уважаемые читатели! В Русском экономическом обществе им. С.Ф. Шарапова есть не только те, кто имеют статус члена Общества (те, кто регулярно посещает заседания и другие мероприятия РЭОШ в Москве), но и такие люди, которые находятся в других городах России и даже за ее пределами. Они заочно участвуют в жизни нашего Общества. Во-первых, регулярно просматривая видео наших заседаний. Во-вторых, присылая на адрес сайта РЭОШ и другие адреса свои письма с вопросами и разными идеями. Мы их называем в шутку «членами-корреспондентами» РЭОШ. Один из таких член-корреспондентов прислал нам статью с далекого Тайваня.
Это Александр Матухнов, инженер-практик в области микроэлектроники и полупроводников, в настоящее время работает в одной из компаний на Тайване. Александр в 2000г закончил Воронежский политехнический институт, факультет: Физика твердого тела; специальность: микроэлектроника и полупроводники (ПП). С 1997 года работал на ВЗПП (Воронежский завод ПП приборов). 2002г убыл на Тайвань для участия в организации ПП завода, который базировался на советском оборудовании и технологиях (восстановление и запуск оборудования ионной имплантации, ведущий технолог по биполярным ИС). В 2010 г. основал собственную компанию по производству ростового оборудования (методу Киропулоса) для выращивания монокристаллов корунда (сапфира). В настоящее время занимается разработкой и производством нестандартного оборудования и отдельных его узлов, а также восстановлением старого оборудования.
Александр подготовил статью, которая в популярной форме раскрывает некоторые технические аспекты полупроводников, а также вопросы их производства в мире. Предлагаем первую часть этой статьи читателям нашего сайта.
Эволюция полупроводников. Часть 1.
В этой статье постараемся прояснить следующие вопросы: Как появились полупроводниковые (далее по тексту пп) приборы? Какие материалы использовались/используются в производстве пп приборов? Значимость полупроводников в современном мире.
На самом деле так называемые «полупроводники» включают широкую номенклатуру (несколько тысяч на сегодня) пп приборов как дискретных (т.н. дискреты, мощные диоды, тиристоры, транзисторы и т.д.) так и интегральных микросхем (аналоговые и цифровые ИС).
Чтобы лучше понимать предмет погрузимся в историю полупроводников.
И так, после многовековых наблюдений за работой совершаемой электрической энергией в природе, человеку начала открываться ее физическая сущность. Создаются искусственные источники электроэнергии. Первый генератор в 1831г появляется трудами Майкла Фарадэя а через два года после он замечает интересный эффект у сульфида серебра, при нагревании электрическое сопротивление этого материала уменьшается когда у металлов (проводников) оно увеличивается. Томас Эдисон в 1883г обнаруживает в своих опытах термоэлектронную эмиссию. Кстати в 1886г он возглавит только что образованную “Westinghouse Electric Company”. Одним из важнейших событий в истории физики было открытие материального носителя электроэнергии – электрона сделанное Джозэфом Томсоном в 1897г. Источник постоянного тока Вольта появляется в 1900г. Так в XIX веке начинается эра электричества.
Проводник – проводит, изолятор – изолирует, но как и чем регулировать электрические токи, как обнаруживать (детектировать) электрические сигналы (радиосигналы)? Первыми помощниками в решении этой задачи становятся вакуумные термоэмиссионные приборы — диоды и триоды (т.н. радиолампы от их первого применения в радио) и в начале XX столетия они преобладают в радиотехнике. Радиолампы производят Philips и Siemens в Европе, в Америке General Electric (GE), Westinghouse, RCA, HP и Weston. Позднее американцы помогают оборудованием и технологией (компания RCA) молодой Советской Республике благодаря чему в 1925г запускается «Советский электро-вакуумный завод» (в 1928 объединен с Ленинградской «Светланой»). А в 1933-м появляется завод «Радиолапма» во Фрязино (позднее завод №747).
А тем временем поспевают открытия свойств управляемой проводимости у некоторых твердотельных материалов, позднее названных полупроводниковыми (полупроводниками). И началом их истории можно считать год 1874-й когда Фердинанд Браун обнаруживает значительную разность сопротивления контакта металл-кристалл галена (галенита) в зависимости от направления протекания электрического тока. Фактически это был первый точечный диод. На вручении премии Браун признался что не может объяснить свое открытие.
Химическую основу природного минерала галенита составляет сульфид свинца – PbS который принадлежит группе пп материалов АIIВVI, в настоящее время синтезированный сульфид свинца применяется как светочувствительный полупроводник (датчики ИК излучения).
Далее Вэрнэр Симэнс обнаружил тот же эффект у селена, также не дав этому объяснения. 1901-й официально признан годом создания первого точечного диода на основе контакта «металл-полупроводник» и первенство отдано индийскому ученому Джагадису Чандра Босу (Jagadis Chandra Bose). Он сразу применил свое изделие практически для детектирования радиоволн. Индиец не хотел иметь патентов на свое изделие и даже напротив безвозмездно делился опытом с другими чтобы изобретение принесло больше пользы.
В 1906 году, инженер американской AT&T (American Telephone and Telegraph) Гринлиф Пиккард (Greenleaf W. Pickard) взяв за основу конструкцию незапатентованного точечного диода пробует различные материалы и получает что эфективнее других в диодах работают кристаллы кремния. Пиккард получает патент на «точечный кремниевый детектор» а через некоторое время открывает компанию “Wireless Specialty Device Company” которая впервые производит и продает пп приборы получившие название по типу конструкции – «кошачий ус» («cat ‘s-whisker»).
В настоящее время кремний является основным пп материалом.
А тогда следом за Пиккардом, в том же 1906г, Генри Данвуди (полное имя Henry Harrison Chase Dunwoody) также получает патент на детектор но карборундовый (карбид кремния = SiC широко применяемый в настоящее время пп материал). Примечательно что в том же году, коллеге и товарищу Данвуди, Ли Дэ Форэсту выдается патент на вакуумный триод. Кстати, сразу после своего появления первые транзисторы иногда называли кристаллическими триодами так как функционально они работали одинаково с их термоэмиссионными собратьями.
В 1908г японец Уичи Ториката (Wichi Torikata) из японской имеперской электротехнической лаборатории получает местный патент на «минеральный детектор».
Последовавшую паузу можно объяснить известными историческими событиями но исследования в приборостроении на основе твердотельных материалов продолжаются после войн и революций и мировую славу в этой области обретает наш соотечественник.
И так, в 1922г сотрудник Нижегородской лаборатории первого Советского радиотехнического НИИ Олег Владимирович Лосев изучая крсталлические диоды обнаружил что при определнных условиях они могут усиливать и генерировать радиосигналы (кристадин Лосева). Позднее (с 1929г работает в ЛФТИ) Лосев фактически рождает идею твердотельного транзистора а именно введение дополнительного электрода в кристаллический диод по аналогии с вакуумным триодом. Вот что пишет Олег Владимирович в 1939г: «Установлено, что с полупроводниками может быть построена трехэлектродная система, аналогичная триоду, как и триод, дающая характеристики, показывающие отрицательное сопротивление. Эти работы подготавливаются мною к печати». Олег Владимирович открывает свечение карборунда положив начало оптоэлектроники. Оставив яркий но к сожалению короткий след в истории полупроводников Олег Владимирович Лосев уходит из жизни в блокадном Ленинграде в январе 1942г.
Вернемся в довоенное время. В 1925г одному из пионеров исследований управления носителями зарядов, Юлию Эдгару Лилиенфельду (Julius E. Lilienfeld) выдан патент на первый полевой транзистор. Отметим что Лилиенфельд долгое время иследовал термоэлектронную эмиссию в вакууме.
В том же 1925 году, упомянутая выше AT&T создает подразделение “Bell Telephone Laboratories” (или просто “Bell Labs”, позднее будет много сказано о ее достижениях) которая в том числе начинает заниматься исследованиями в области твердотельных приборов а позднее в 40-е годы объявляет программу развития полупроводниковых технологий своим основным направлением. Забегая вперед отметим что деятельность сотрудников “Bell Labs” приносит ключевые для пп индустрии результаты в течение последующих 35 лет.
Важную работу проделал немецкий физик Вальтер Шоттки (Walter Schottky). Исследуя радиолампамы он окружил существующую практику теорией и обосновал влияние электрического поля на эмиссионный ток что навечно вписано в историю физики как «эффект Шоттки». Исследуя уже контакт металл-полупроводник Шоттки дал подробное, формульное объяснение эффекту однополярной проводимости перехода металл-полупроводник (МП, англ. MS). Запирающее свойство МП перехода запечатано в учебники как «барьер Шоттки» с годом рождения 1938. Напомним Шоттки работал в компании Siemens.
Переход МП применяется сейчас в половине, если не больше, всех выпускаемых пп приборов (диоды Шоттки и полевые транзисторы Шоттки).
Великая Отечественная Война приостанавливает полупроводниковые НИОКРы, особенно в СССР. Но это не относится к американскому континенту, напротив там деятельность активизируется, способствуют тому и эмигранты из неблагополучной в то время Европы. А в послевоенные годы мир уже разделен на два лагеря в каждом из которых работа идет по своему направлению.
В 1947г, упомянутая выше “Bell Labs” благодаря совместной работе Уильяма Шокли (William Shockley), Джона Бардина (John Bardeen) и Уалтэра Браттэйна (Walter Brattain) создает первый точечный биполярный транзистор. Начиная со следующего, 1948 года “Bell Labs” производит первые несколько тысяч транзисторов “Type A” в металлическом корпусе.
СССР в основном закрывает насущные потребности «оборонки» где в первую очередь необходима надежность которая как правило обеспечивается проверенными временем решениями (тогда это радиолампы). По мнению автора в СССР не торопятся с полупроводниками, ждут западных коллег. Так, только в 1949г (годом позже чем в “Bell Labs”) НИИ Электротехники-160 под руководством к.т.н. А.В. Красилова создает точечные германиевые триоды (транзисторы) С1-С4. Работы над созданием пп приборов также ведут ФИАН, ЛФТИ, ИРЭ АН СССР.
Но вот что пишет о пп приборах того времени Александр Викторович Красилов в своей статье (журнал «Вестник Информаций, 1949г): «Основными недостатками кристаллических триодов, над устранением которых ведется работа, являются: высокий уровень шумов, сравнительно низкая предельная рабочая частота и большой разброс в значениях параметров для различных экземпляров».
Здесь расскажем более подробно о том что же происходило с материалами которые использовали приборостроители того времени. Основными были германий (Ge) и кремний (Si). Тогда полупроводниковые братья из IV группы Периодической Системы еще не были достаточно чистыми (не обладали т.н. «полупроводниковой чистотой») и не имели совершенной монокристаллической структуры.
Увидев первопричины несоответствия теории и реальных характеристик точечных приборов, прозорливый химик Гордон Тил (Gordon Teal) из “Bell Labs” пытается объяснить что нужно бы использовать химически-чистые монокристаллические материалы но приборостроители не обращают на это внимание. Тогда Тил получив разрешение от руководства собрал ростовое оборудование работающее по методу открытому польским химиком Яном Чохральским в 1917г. Тил получает первые монокристаллы германия. Позднее Шокли (Shockley) признает работу Тила и назовет ее «важнейшим достижением на заре развития полупроводников»!
Отметим что на ростовых печах по методу Чохральского получают сегодня монокристаллы германия, кремния, арсенида галлия (GaAs) и других материалов применяемых в пп производстве.
А для первых пп приборов в основном используется германий так как кремния «полупроводниковой» чистоты еще не существует. Позднее станет понятным что в технологии полупроводникового кремния не обойтись без предварительного, предшествующего выращиванию монокристаллов, получения особо чистого поликристаллического кремния (полупроводниковой чистоты). Такой кремний предлагает в середине 50-х компания Dupont. Современное производство поли-кремния полупроводниковой чистоты является совокупностью многих технологических процессов которую условно можно разделить на 2 части, 1-я это производство чистых силанов (пп качества) и 2-я — водородное воостановление кремния из силанов, последнюю часто называют «сименс-процессом». Напомним что в СССР технология производства пп поликремния разработана институтом ГИРЕДМЕТ (конец 50-х – начало 60-х прошлого столения). Им же введены в эксплуатацию несколько заводов которые полностью обеспечивали нужды отечественного производства полупроводников. В современной России поликристаллический кремний полупроводникого качества не производится. Сейчас собственный материал имеют такие страны как: США, Германия, Япония, Китай и Ю. Корея. Еще раз отметим что сейчас именно кремний является основным материалов для изготовления пп приборов.
А тем временем, сразу после прорывного достижения Гордона Тила, другой химик из “Bell Labs” Морган Спаркс (Morgan Sparks) используя технологию Тила вводит примеси n и p типов во время роста монокристалла германия получая таким образом в одном слитке области с различным типом проводимости и создает первый твердотельный n—p—n транзистор. Шокли (Shockley) анонсирует это событие 4-го июля 1951 года. Там же в Бэлл поработали над тем как обеспечить такой транзистор выводами сделав его завершенным изделием.
Годом раньше (1950) до появления твердотельного транзистора произошло другое важное событие в истории пп приборов. Их характеристики были существенно улучшены за счет появления «сплавной» технологии» которая позволила производить «плоскостные» структуры (не точечные как прежде). Одновременно были увеличены площадь и качество контакта.
Используя сплавной метод в 1953г НИИ-160 (СССР) производит первые «плоскостные» германиевые транзисторы П1, П2, П3. А 4.06.1953г в СССР создается «НИИ электронной промышленности для комплексного решения вопросов развития пп электроники» (тогда НИИ-35, сейчас НПП «Пульсар»). Там разработаны диффузионно-сплавные германиевые p—n—p транзисторы П401, П402, П403.
Кстати сказать, достаточно простая «сплавная» технология еще долго используется во всем мире для производства дискретных приборов.
1950-1952г, благодаря работе химиков “Bell Labs” появляется метод «безтигельной зонной плавки» (БЗП). Уильям Пфан (William Pfann) очищает германий в кварцевой трубке перемещая узкую расплавленную зону по длине слитка. Работу в том же направлении ведёт его коллега Генри Сеурер (Henry Theurer), он получает относительно чистый кремний, и именно тем методом БЗП каким он существует сегодня и применяется для получения кремния высокоомных марок. В некоторых источниках можно найти что метод БЗП паралелльно изобрели в “U. S. Army Signal Corps” и “Siemens”.
Тогда же «мать и дочка», “AT&T” и “Bell Labs”, принимают решение «поделиться» транзисторной технологией с другими разработчиками и в апреле 1952г около 100 представителей из примерно 40 компаний съехались на 9-ти дневный симпозиум по «технологии транзисторов» в программу которого было включено посещение завода “Western Electric’s” в Allentown. Участие в симпозиуме обошлось в 25000 долларов каждому. Приняли посланцев из гигантов таких как GE и RCA а так же из небольших тогда компаний как Texas Instruments и Tokyo Telecommunications Company (позднее переименована в Sony).
А в апреле 1954г используя чистый материал Dupont получают первый кремниевый транзистор. Значительно повышается качественный уровень транзистора, в частности рабочие температуры. У германиевого транзистора это 0÷70°С а у кремниевого уже -55÷125°С. Появление кремниевого транзистора также черезвычайно важно для будущего развития полупроводников так как планарная технология и технология интегральных схем реализуются именно на кремниевой подложке. Обойдя «учителей» (“Bell Labs”), лидером на рынке первых кремнивых транзисторов становится американская компания “Texas Instruments”.
Начинается настоящий транзисторный бум. За рубежом, в радиотехнике и вычислительных машинах транзисторы быстро заменяют радиолампы. Габариты изделий на транзисторной базе меньше, они легче и энергоэкономнее.
Март 1955г, “Bell Labs”, химик Кэлвин Фаллэр (Calvin Fuller) реализует свою диффузионную технологию внедрения примеси (изобретена им ранее, в 1952г) в кремниевую подложку и получает т.н. n—p—n «сендвич» являющийся основой «планарной технологии». Чуть позднее ее дополнит применение оксидной пленки кремния (SiO2) в которой будут вытравливаться «окна» для внедрения примеси только в определенные участки. Имеено здесь пявляются размеры областей пп приборов (те самые «нанометры» о которых так много говорят) которые в будущем будут определяться возможностями фотолитографического оборудования. В том же 1955-м там же в “Bell Labs” Джулес Андрас (Jules Andrus) и Уалтер Бонд (Walter Bond) адаптируют уже существующую фотолитографическую технологию применяемую в производстве печатных плат к использованию в производстве пп приборов. Спустя 3 года (1958г) Джей Ласт (Jay Last) и Роберт Нойс (Robert Noyce) в “Fairchild Semiconductor” создают первые фотоповторители. А в 1961г “David W. Mann” подразделение “GCA Corporation” начинает их серийный выпуск.
1957г, Джэй Ласроп (Jay Lathrop) и Джэймс Налл (James Nall) в “U.S. Army’s Diamond Ordnance Fuse Laboratories” изготавливают микросборки из дискретных транзисторов на керамической подложке соединяя их дорожкой шириной в 200 микрон. По аналогии с Фаллэром из Белс они используют оксидную пленку кремния вскрывая в ней окна для формирования диодных областей. Через два года (1959г) Ласроп уходит в “Texas Instruments” к Джэку Килби а Налл в “Fairchild Semiconductor”.
С Джэком Килби связано одно из важнейших событий в мире пп приборов произошедшее в 1958 г когда он работая в “Texas Instruments” реализовал свою идею объединения элементов на одном кристалле. Так появилась первая микросхема (интегральная схема = ИС, integrated circuits = IC).
А уже в 1961г “Fairchild Semiconductor” сделала первые серийные микросхемы для ЭВМ. На схеме представленной ниже «дочки», «внучки» и другие дальние родственники “Fairchild Semiconductor” соседствующие тогда в одной деревне – «силиконовой долине» (“silicon valley”). Кстати будет упомянуть что эту самую “Fairchild Semiconductor” организовала в 1957г хорошо известная своим одновременным уходом из транзисторной лаборатории Шокли «предательская восьмерка» (Gordon Moore, Robert Noyce, Julius Blank, Victor Grinich, Jean Hoerni, Eugene Kleiner, Jay Last, Sheldon Roberts).
Нойс и Килби а вместе с ними “Texas Instruments” и “Fairchild Semiconductor” будут спорить в судах о том кто является автором идеи интегральной схемы, а полупроводниковое производство получает в начале 60-х прошлого века необходимые материалы и технологии для стремительного рывка вперед и с этого момента история пп приборов берет новый старт но об этом в следующей части.
Оставить комментарий