Первая планарная монолитная интегральная схема (ИС) была продемонстрирована в 1960 году. Идея интеграции электронных схем в одно устройство родилась, когда немецкий физик и инженер Вернер Якоби разработал и запатентовал первый известный интегрированный транзисторный усилитель в 1949 году, а британский радиоинженер Джеффри Даммер предложил интегрировать различные стандартные электронные компоненты в монолитный полупроводниковый кристалл в 1952 году. Год спустя Харвик Джонсон подал патент на прототип ИС. Между 1953 и 1957 годами Сидни Дарлингтон и Ясуо Таруи ( Электротехническая лаборатория ) предложили похожие конструкции чипов, в которых несколько транзисторов могли совместно использовать общую активную область, но не было никакой электрической изоляции , чтобы отделить их друг от друга.
Эти идеи не могли быть реализованы в отрасли, пока в конце 1958 года не произошел прорыв. Три человека из трех американских компаний решили три фундаментальные проблемы, которые препятствовали производству интегральных схем. Джек Килби из Texas Instruments запатентовал принцип интеграции, создал первые прототипы ИС и коммерциализировал их. Изобретение Килби представляло собой гибридную интегральную схему (гибридную ИС), а не монолитную интегральную схему (монолитную ИС) [1] В период с конца 1958 по начало 1959 года Курт Леховец из Sprague Electric Company разработал способ электрической изоляции компонентов на полупроводниковом кристалле, используя изоляцию p–n-перехода .
Первая монолитная ИС была изобретена Робертом Нойсом из Fairchild Semiconductor . [2] [3] Он изобрёл способ соединения компонентов ИС (алюминиевая металлизация) и предложил улучшенную версию изоляции на основе планарной технологии процесса , разработанной Жаном Эрни . 27 сентября 1960 года, используя идеи Нойса и Эрни, группа Джея Ласта из Fairchild Semiconductor создала первую действующую полупроводниковую ИС. Texas Instruments, владевшая патентом на изобретение Килби, начала патентную войну, которая была урегулирована в 1966 году соглашением о кросс-лицензировании.
Нет единого мнения о том, кто изобрел ИС. Американская пресса 1960-х годов называла четырёх человек: Килби, Леховец, Нойс и Эрни; в 1970-х годах список был сокращён до Килби и Нойса. Килби был удостоен Нобелевской премии по физике 2000 года «за его вклад в изобретение интегральной схемы». [4] В 2000-х годах историки Лесли Берлин , [a] Бо Лойек [b] и Арджун Саксена [c] восстановили идею о нескольких изобретателях ИС и пересмотрели вклад Килби. Современные микросхемы ИС основаны на монолитной ИС Нойса, [2] [3], а не на гибридной ИС Килби. [1]
Во время и сразу после Второй мировой войны было замечено явление, названное «тиранией чисел», то есть некоторые вычислительные устройства достигли уровня сложности, при котором потери от сбоев и простоев превысили ожидаемую выгоду. [7] Каждый Boeing B-29 (введен в эксплуатацию в 1944 году) нес 300–1000 электронных ламп и десятки тысяч пассивных компонентов. [d] Количество электронных ламп достигало тысяч в современных компьютерах и более 17 000 в ENIAC (1946). [e] Каждый дополнительный компонент снижал надежность устройства и увеличивал время устранения неполадок. [7] Традиционная электроника зашла в тупик, и дальнейшее развитие электронных устройств требовало сокращения количества их компонентов.
Изобретение первого транзистора в 1947 году привело к ожиданию новой технологической революции. Писатели-фантасты и журналисты возвещали о скором появлении «интеллектуальных машин» и роботизации всех аспектов жизни. [12] Хотя транзисторы действительно уменьшили размер и энергопотребление, они не могли решить проблему надежности сложных электронных устройств. Напротив, плотная упаковка компонентов в небольших устройствах затрудняла их ремонт. [7] Хотя надежность дискретных компонентов была доведена до теоретического предела в 1950-х годах, улучшений в соединениях между компонентами не произошло. [13]
Ранние разработки интегральной схемы восходят к 1949 году, когда инженер Siemens Вернер Якоби [14] подал патент на полупроводниковое усилительное устройство, похожее на интегральную схему [15], показывающее пять транзисторов на общей подложке в трехкаскадной схеме усилителя с двумя транзисторами, работающими «вверх ногами» как преобразователь импеданса. Якоби раскрыл небольшие и дешевые слуховые аппараты как типичные промышленные применения своего патента. О непосредственном коммерческом использовании его патента не сообщалось.
7 мая 1952 года британский радиоинженер Джеффри Даммер сформулировал идею интеграции в публичной речи в Вашингтоне:
С появлением транзистора и работы в области полупроводников в целом, теперь, кажется, стало возможным представить электронное оборудование в виде цельного блока без соединительных проводов. Блок может состоять из слоев изолирующих, проводящих, выпрямляющих и усиливающих материалов, причем электрические функции соединяются путем вырезания областей различных слоев. [16] [17]
Даммер позже прославился как «пророк интегральных схем», но не как их изобретатель. В 1956 году он создал прототип ИС методом выращивания из расплава, [16] но его работа была признана непрактичной Министерством обороны Великобритании из-за высокой стоимости и худших параметров ИС по сравнению с дискретными устройствами. [18]
В мае 1952 года Сидни Дарлингтон подал заявку на патент в США на структуру с двумя или тремя транзисторами, интегрированными на одном кристалле в различных конфигурациях; в октябре 1952 года Бернард Оливер подал заявку на патент на метод изготовления трех электрически соединенных планарных транзисторов на одном полупроводниковом кристалле. [19] [20]
21 мая 1953 года Харвик Джонсон подал патентную заявку на способ формирования различных электронных компонентов — транзисторов, резисторов, сосредоточенных и распределенных емкостей — на одном кристалле. Джонсон описал три способа производства интегрированного однотранзисторного генератора. Все они использовали узкую полоску полупроводника с биполярным транзистором на одном конце и различались способами производства транзистора. Полоса действовала как ряд резисторов; сосредоточенные конденсаторы были сформированы путем сплавления, тогда как обратно смещенные pn-переходы действовали как распределенные конденсаторы. [21] Джонсон не предложил технологическую процедуру, и неизвестно, создал ли он реальное устройство. В 1959 году вариант его предложения был реализован и запатентован Джеком Килби. [19]
В 1957 году Ясуо Таруи в Электротехнической лаборатории МИТИ около Токио изготовил « квадрапольный » транзистор, форму униполярного ( полевого транзистора ) и биполярного транзистора на одном чипе. Эти ранние устройства имели конструкцию, в которой несколько транзисторов могли совместно использовать общую активную область, но не было никакой электрической изоляции, чтобы отделить их друг от друга. [22]
Ведущие американские компании по электронике ( Bell Labs , IBM , RCA и General Electric ) искали решение «тирании чисел» в разработке дискретных компонентов, которые реализовывали заданную функцию с минимальным количеством присоединенных пассивных элементов. [23] В эпоху электронных ламп такой подход позволял снизить стоимость схемы за счет ее рабочей частоты. Например, ячейка памяти 1940-х годов состояла из двух триодов и дюжины пассивных компонентов и работала на частотах до 200 кГц. МГц-отклик мог быть достигнут с двумя пентодами и шестью диодами на ячейку. Эту ячейку можно было заменить одним тиратроном с нагрузочным резистором и входным конденсатором, но рабочая частота такой схемы не превышала нескольких кГц. [24]
В 1952 году Джуэлл Джеймс Эберс из Bell Labs разработал прототип твердотельного аналога тиратрона — четырехслойный транзистор, или тиристор . [25] Уильям Шокли упростил его конструкцию до двухконтактного «четырехслойного диода» ( диод Шокли ) и попытался наладить его промышленное производство. [26] Шокли надеялся, что новое устройство заменит поляризованное реле на телефонных станциях ; [27] однако надежность диодов Шокли оказалась неприемлемо низкой, и его компания пришла в упадок.
В то же время работы над тиристорными схемами велись в Bell Labs, IBM и RCA. Ян Манро Росс и Л. Артур Д'Асаро (Bell Labs) экспериментировали с ячейками памяти на основе тиристоров. [28] Джо Лог и Рик Дилл (IBM) строили счетчики с использованием монопереходных транзисторов. [29] Дж. Торкель Уоллмарк и Харвик Джонсон (RCA) использовали как тиристоры, так и полевые транзисторы . Работы 1955–1958 годов, в которых использовались германиевые тиристоры, оказались бесплодными. [30] Только летом 1959 года, после того как изобретения Килби, Леховека и Эрни стали публично известны, Д'Асаро сообщил о рабочем сдвиговом регистре на основе кремниевых тиристоров. В этом регистре один кристалл, содержащий четыре тиристора, заменил восемь транзисторов, 26 диодов и 27 резисторов. Площадь каждого тиристора составляла от 0,2 до 0,4 мм2 , толщина около 0,1 мм. Элементы схемы изолировались путем травления глубоких канавок. [28] [31]
С точки зрения сторонников функциональной электроники, эпохи полупроводников, их подход позволял обойти фундаментальные проблемы полупроводниковой технологии. [28] Неудачи Шокли, Росса и Уоллмарка доказали ошибочность этого подхода: массовое производство функциональных устройств сдерживалось технологическими барьерами. [29]
Ранние транзисторы изготавливались из германия . К середине 1950-х годов его заменил кремний , который мог работать при более высоких температурах. В 1954 году Гордон Кидд Тил из Texas Instruments изготовил первый кремниевый транзистор, который стал коммерческим в 1955 году. [32] Также в 1954 году Фуллер и Дитценбергер опубликовали фундаментальное исследование диффузии в кремнии, а Шокли предложил использовать эту технологию для формирования pn-переходов с заданным профилем концентрации примесей. [33]
В начале 1955 года Карл Фрош из Bell Labs разработал метод влажного окисления кремния, и в течение следующих двух лет Фрош, Молл, Фуллер и Холоньяк провели дополнительные исследования в этой области. [34] [35] В 1957 году Фрош и Дерик опубликовали свою работу о первых изготовленных полупроводниково-оксидных транзисторах на основе диоксида кремния ; первых планарных транзисторах, в которых сток и исток были расположены рядом на одной поверхности. [36] Это случайное открытие выявило второе фундаментальное преимущество кремния перед германием: в отличие от оксидов германия, «мокрый» кремний является физически прочным и химически инертным электрическим изолятором.
-Gate_oxide_transistor_by_Frosch_and_Derrick.png/1280px-1957(Figure_9)-Gate_oxide_transistor_by_Frosch_and_Derrick.png){kind=spacer}
Пассивация поверхности , процесс, при котором поверхность полупроводника становится инертной и не изменяет свойства полупроводника в результате взаимодействия с воздухом или другими материалами, контактирующими с поверхностью или краем кристалла, была впервые обнаружена Карлом Фрошем и Линкольном Дериком в Bell Labs между 1955 и 1957 годами. [37] [38] [36] Фрош и Деррик показали, что диоксид кремния ( SiO
2) слой защищал кремниевые пластины от окружающей среды, замаскировал от диффузии легирующих примесей в кремний и электрически и продемонстрировал это, создав первые транзисторы на основе диоксида кремния, первые транзисторы, в которых сток и исток были смежными на поверхности, изолированной слоем SiO
2слой. [36]
В Bell Labs важность техники Фроша была немедленно осознана. Результаты работы Фроша и Дерика циркулировали в Bell Labs в форме служебных записок BTL, прежде чем были опубликованы в 1957 году. В Shockley Semiconductor Шокли распространил препринт своей статьи в декабре 1956 года среди всех своих старших сотрудников, включая Жана Эрни . [39] [14] [22] [40] Позже Эрни посетил встречу, на которой Аталла представил доклад о пассивации, основанный на предыдущих результатах в Bell Labs. [40] Воспользовавшись пассивирующим эффектом диоксида кремния на поверхности кремния, Эрни предложил изготавливать транзисторы, защищенные слоем диоксида кремния. [40]
Жан Эрни первым предложил планарную технологию биполярных транзисторов. В этом процессе все pn-переходы были покрыты защитным слоем, что должно было значительно повысить надежность. Однако в то время это предложение считалось технически невозможным. Формирование эмиттера npn-транзистора требовало диффузии фосфора, а работа Фроша предполагала, что SiO2 не блокирует такую диффузию. [41] В марте 1959 года Чи-Тан Сах , бывший коллега Эрни, указал Эрни и Нойсу на ошибку в выводах Фроша. Фрош использовал тонкий слой оксида, тогда как эксперименты 1957–1958 годов показали, что толстый слой оксида может остановить диффузию фосфора. [42]
Вооружившись вышеизложенными знаниями, к 12 марта 1959 года Эрни изготовил первый прототип планарного транзистора , [43] а 1 мая 1959 года подал заявку на патент на изобретение планарного процесса. [41] В апреле 1960 года Фэрчайлд выпустил планарный транзистор 2N1613, [44] а к октябрю 1960 года полностью отказался от технологии мезатранзисторов. [45] К середине 1960-х годов планарный процесс стал основной технологией производства транзисторов и монолитных интегральных схем. [46]
Создание интегральной схемы было затруднено тремя фундаментальными проблемами, которые были сформулированы Уоллмарком в 1958 году: [47]
Так получилось, что три разные компании владели ключевыми патентами на каждую из этих проблем. Sprague Electric Company решила не разрабатывать ИС, Texas Instruments ограничилась неполным набором технологий, и только Fairchild Semiconductor объединила все методы, необходимые для коммерческого производства монолитных ИС.
В мае 1958 года Джек Килби, опытный радиоинженер и ветеран Второй мировой войны, начал работать в Texas Instruments. [48] [49] [50] Поначалу у него не было конкретных задач, и ему нужно было найти себе подходящую тему в общем направлении «миниатюризации». [49] У него был шанс либо найти радикально новое направление исследований, либо влиться в многомиллионный проект по производству военных схем. [48] Летом 1958 года Килби сформулировал три признака интеграции:
28 августа 1958 года Килби собрал первый прототип ИС с использованием дискретных компонентов и получил одобрение на его реализацию на одном чипе. У него был доступ к технологиям, которые могли формировать мезатранзисторы, мезадиоды и конденсаторы на основе pn-переходов на германиевом (но не кремниевом) чипе, а основной материал чипа мог использоваться для резисторов. [48] Стандартный чип Texas Instruments для производства 25 (5×5) мезатранзисторов имел размер 10×10 мм. Килби разрезал его на пятитранзисторные полоски 10×1,6 мм, но позже использовал не более двух из них. [51] [52] 12 сентября он представил первый прототип ИС, [48] который представлял собой однотранзисторный генератор с распределенной RC-обратной связью, повторяющий идею и схему в патенте Джонсона 1953 года. [17] 19 сентября он изготовил второй прототип — двухтранзисторный триггер. [53] Он описал эти ИС, ссылаясь на патент Джонсона, в своем патенте США 3,138,743 .
В период с февраля по май 1959 года Килби подал ряд заявок: патент США 3,072,832 , патент США 3,138,743 , патент США 3,138,744 , патент США 3,115,581 и патент США 3,261,081 . [54] По словам Арджуна Саксены, дата подачи заявки на ключевой патент 3,138,743 неизвестна: хотя патент и книга Килби установили ее на 6 февраля 1959 года, [55] она не может быть подтверждена архивами заявок федерального патентного ведомства. Он предположил, что первоначальная заявка была подана 6 февраля и утеряна, а (сохраненная) повторная подача была получена патентным ведомством 6 мая 1959 года — в ту же дату, что и заявки на патенты 3,072,832 и 3,138,744. [56] Texas Instruments представила изобретения Килби публике 6 марта 1959 года. [57]
Ни один из этих патентов не решил проблему изоляции и взаимосвязи – компоненты были разделены путем прорезания канавок на чипе и соединены золотыми проводами. [51] Таким образом, эти ИС были гибридного, а не монолитного типа. [58] Однако Килби продемонстрировал, что различные элементы схемы: активные компоненты, резисторы, конденсаторы и даже небольшие индуктивности могут быть сформированы на одном чипе. [51]
Осенью 1958 года Texas Instruments представила ещё не запатентованную идею Килби военным заказчикам. [48] В то время как большинство подразделений отвергли её как несоответствующую существующим концепциям, ВВС США решили, что эта технология соответствует их программе молекулярной электроники, [48] [60] и заказали производство прототипов ИС, которые Килби назвал «функциональными электронными блоками». [61] Westinghouse добавила эпитаксию к технологии Texas Instruments и получила отдельный заказ от американских военных в январе 1960 года. [62]
В апреле 1960 года Texas Instruments анонсировала мультивибратор № 502 как первую в мире интегральную схему, доступную на рынке. Компания заверила, что в отличие от конкурентов они действительно продают свой продукт по цене 450 долларов США за единицу или 300 долларов США за партии более 100 единиц. [61] Однако продажи начались только летом 1961 года, и цена была выше объявленной. [63] Схема № 502 содержала два транзистора, четыре диода, шесть резисторов и два конденсатора и повторяла традиционную дискретную схему. [64] Устройство содержало две полоски Si длиной 5 мм внутри металлокерамического корпуса. [64] Одна полоска содержала входные конденсаторы; другая вмещала мезатранзисторы и диоды, а ее рифленый корпус использовался в качестве шести резисторов. Золотые провода действовали в качестве межсоединений. [65]
В октябре 1961 года Texas Instruments построила для ВВС демонстрационный «молекулярный компьютер» с 300-битной памятью. [66] [67] Коллега Килби Харви Крейгон упаковал этот компьютер в объем чуть более 100 см3 , используя 587 ИС для замены около 8500 транзисторов и других компонентов, которые были бы необходимы для выполнения эквивалентной функции. [66] В декабре 1961 года ВВС приняли первое аналоговое устройство, созданное в рамках программы молекулярной электроники – радиоприемник. [62] Он использует дорогостоящие ИС, которые имели менее 10–12 компонентов и высокий процент отказавших устройств. Это породило мнение, что ИС могут оправдать себя только для аэрокосмических приложений. [68] Однако аэрокосмическая промышленность отвергла эти ИС из-за низкой радиационной стойкости их мезатранзисторов. [61]
В конце 1958 года Курт Леховец, ученый, работавший в Sprague Electric Company, посетил семинар в Принстоне, где Уоллмарк изложил свое видение фундаментальных проблем микроэлектроники. На обратном пути в Массачусетс Леховец нашел простое решение проблемы изоляции, которое использовало pn-переход: [69]
Хорошо известно, что pn-переход имеет высокое сопротивление электрическому току, особенно если он смещен в так называемом блокирующем направлении или без смещения. Поэтому любая желаемая степень электрической изоляции между двумя компонентами, собранными на одном срезе, может быть достигнута путем наличия достаточно большого количества pn-переходов последовательно между двумя полупроводниковыми областями, на которых собраны указанные компоненты. Для большинства схем будет достаточно одного-трех переходов...
Леховец проверил свою идею, используя технологии изготовления транзисторов, которые были доступны в Спраге. Его устройство представляло собой линейную структуру размером 2,2×0,5×0,1 мм, которая была разделена на изолированные ячейки n-типа (базы будущих транзисторов) p-n-переходами. Слои и переходы формировались путем выращивания из расплава. Тип проводимости определялся скоростью вытягивания кристалла: слой p-типа, богатый индием, формировался на низкой скорости, тогда как слой n-типа, богатый мышьяком, производился на высокой скорости. Коллекторы и эмиттеры транзисторов были созданы путем сварки индиевых бусин. Все электрические соединения были выполнены вручную с использованием золотых проводов. [70]
Руководство Sprague не проявило никакого интереса к изобретению Леховца. Тем не менее, 22 апреля 1959 года он подал заявку на патент за свой счет, а затем покинул Соединенные Штаты на два года. Из-за этого отстранения Гордон Мур пришел к выводу, что Леховца не следует считать изобретателем интегральной схемы. [71]
14 января 1959 года Жан Эрни представил свою последнюю версию планарного процесса Роберту Нойсу и патентному поверенному Джону Ралза из Fairchild Semiconductor. [72] [73] Записка об этом событии, написанная Эрни, легла в основу патентной заявки на изобретение планарного процесса , поданной в мае 1959 года и реализованной в патенте США 3 025 589 (планарный процесс) и патенте США 3 064 167 (планарный транзистор). [74] 20 января 1959 года менеджеры Fairchild встретились с Эдвардом Кеонджианом, разработчиком бортового компьютера для ракеты «Атлас», чтобы обсудить совместную разработку гибридных цифровых ИС для его компьютера. [75] Эти события, вероятно, заставили Роберта Нойса вернуться к идее интеграции. [76]
23 января 1959 года Нойс задокументировал свое видение планарной интегральной схемы, по сути заново изобретя идеи Килби и Леховца на основе планарного процесса Хорни. [77] В 1976 году Нойс утверждал, что в январе 1959 года он не знал о работе Леховца. [78]
В качестве примера Нойс описал интегратор, который он обсуждал с Кеонджианом. [77] [79] Транзисторы, диоды и резисторы этого гипотетического устройства были изолированы друг от друга pn-переходами, но иным образом, чем в решении Леховека. Нойс рассматривал процесс производства ИС следующим образом. Он должен начинаться с чипа высокоомного собственного (нелегированного) кремния, пассивированного оксидным слоем. Первый этап фотолитографии направлен на открытие окон, соответствующих запланированным устройствам, и диффузию примесей для создания «колодцев» с низким сопротивлением по всей толщине чипа. Затем внутри этих колодцев формируются традиционные планарные устройства. [80] В отличие от решения Леховека, этот подход создал двумерные структуры и поместил потенциально неограниченное количество устройств на чип.
Сформулировав свою идею, Нойс отложил ее на несколько месяцев из-за неотложных дел компании и вернулся к ней только к марту 1959 года. [81] Ему потребовалось шесть месяцев, чтобы подготовить патентную заявку, которая затем была отклонена Патентным ведомством США, поскольку они уже получили заявку Леховца. [82] Нойс пересмотрел свою заявку и в 1964 году получил патент США 3 150 299 и патент США 3 117 260. [ 83] [80]
В начале 1959 года Нойс решил еще одну важную проблему — проблему взаимосвязей, которая мешала массовому производству ИС. [84] По мнению коллег из предательской восьмерки, его идея была самоочевидной: конечно, пассивирующий оксидный слой образует естественный барьер между чипом и слоем металлизации. [85] По словам Тернера Хейсти, работавшего с Килби и Нойсом, Нойс планировал сделать микроэлектронные патенты Fairchild доступными широкому кругу компаний, подобно Bell Labs, которые в 1951–1952 годах выпустили свои транзисторные технологии. [86]
Нойс подал заявку 30 июля 1959 года, а 25 апреля 1961 года получил патент США 2 981 877. Согласно патенту, изобретение состояло в сохранении оксидного слоя, который отделял слой металлизации от чипа (за исключением областей контактных окон), и в нанесении металлического слоя таким образом, чтобы он был прочно прикреплен к оксиду. Метод осаждения еще не был известен, и предложения Нойса включали вакуумное осаждение алюминия через маску и осаждение сплошного слоя с последующей фотолитографией и травлением излишков металла. По словам Саксены, патент Нойса, при всех его недостатках, точно отражает основы современных технологий ИС. [87]
В своем патенте Килби также упоминает использование слоя металлизации. Однако Килби отдавал предпочтение толстым слоям покрытия из различных металлов (алюминия, меди или легированного сурьмой золота) и оксида кремния вместо диоксида. Эти идеи не были приняты в производстве ИС. [88]
В августе 1959 года Нойс сформировал в Fairchild группу по разработке интегральных схем. [89] 26 мая 1960 года эта группа под руководством Джея Ласта изготовила первую планарную интегральную схему. Этот прототип не был монолитным — две пары его транзисторов были изолированы путем вырезания канавки на чипе, [90] согласно патенту Ласта. [91] Начальные этапы производства повторяли планарный процесс Хорни. Затем кристалл толщиной 80 микрон приклеивался лицевой стороной вниз к стеклянной подложке, а на задней поверхности проводилась дополнительная фотолитография. Глубокое травление создавало канавку до передней поверхности. Затем задняя поверхность была покрыта эпоксидной смолой , и чип был отделен от стеклянной подложки. [92]
В августе 1960 года Ласт начал работать над вторым прототипом, используя изоляцию pn-переходом, предложенную Нойсом. Роберт Норман разработал схему триггера на четырех транзисторах и пяти резисторах, тогда как Айзи Хаас и Лайонел Каттнер разработали процесс диффузии бора для формирования изолирующих областей. Первое рабочее устройство было испытано 27 сентября 1960 года — это была первая планарная и монолитная интегральная схема. [90]
Fairchild Semiconductor не осознавала важности этой работы. Вице-президент по маркетингу считал, что Ласт зря тратит ресурсы компании и что проект следует прекратить. [93] В январе 1961 года Ласт, Эрни и их коллеги из «предательской восьмерки» Кляйнер и Робертс покинули Fairchild и возглавили Amelco. Дэвид Эллисон, Лайонел Каттнер и некоторые другие технологи покинули Fairchild, чтобы основать прямого конкурента — компанию Signetics . [94]
Первый заказ на поставку интегральных схем был на 64 логических элемента по 1000 долларов за каждый, образцы предлагаемой упаковки были доставлены в Массачусетский технологический институт в 1960 году, а 64 интегральные схемы Texas Instruments — в 1962 году. [95]
Несмотря на уход ведущих ученых и инженеров, в марте 1961 года Fairchild анонсировала свою первую коммерческую серию ИС, названную «Micrologic», а затем потратила год на создание семейства логических ИС. [90] К тому времени ИС уже производились их конкурентами. Texas Instruments отказалась от разработок ИС Килби и получила контракт на серию планарных ИС для космических спутников, а затем и для баллистических ракет LGM-30 Minuteman . [67]
Программа НАСА «Аполлон» была крупнейшим потребителем интегральных схем в период с 1961 по 1965 год. [95]
В то время как ИС для бортовых компьютеров космического корабля Apollo были разработаны Fairchild, большинство из них были произведены Raytheon и Philco Ford . [96] [67] Каждый из этих компьютеров содержал около 5000 стандартных логических ИС, [96] и во время их производства цена за ИС упала с 1000 долларов США до 20–30 долларов США. Таким образом, NASA и Пентагон подготовили почву для рынка невоенных ИС. [97] Первые монолитные интегральные схемы, включая все логические ИС в управляющем компьютере Apollo , представляли собой 3-входовые резисторно-транзисторные логические вентили NOR.
Резисторно-транзисторная логика первых ИС от Fairchild и Texas Instruments была уязвима к электромагнитным помехам, и поэтому в 1964 году обе компании заменили ее на диодно-транзисторную логику [91]. Signetics выпустила диодно-транзисторное семейство Utilogic еще в 1962 году, но отстала от Fairchild и Texas Instruments с расширением производства. Fairchild была лидером по количеству проданных ИС в 1961–1965 годах, но Texas Instruments была впереди по выручке: 32% рынка ИС в 1964 году по сравнению с 18% у Fairchild. [98]
Вышеуказанные логические ИС были построены из стандартных компонентов, размеры и конфигурации которых определялись технологическим процессом, а все диоды и транзисторы на одной ИС были одного типа. [99] Использование различных типов транзисторов было впервые предложено Томом Лонгом в Sylvania в 1961–1962 годах.
В 1961 году Джеймс Л. Буйе изобрел транзисторно-транзисторную логику (ТТЛ) . [100] В конце 1962 года Sylvania выпустила первое семейство транзисторно-транзисторных логических схем (ТТЛ), которые имели коммерческий успех. [101] Боб Видлар из Fairchild совершил аналогичный прорыв в 1964–1965 годах в области аналоговых ИС (операционных усилителей). [102] ТТЛ стала доминирующей технологией ИС в период с 1970-х по начало 1980-х годов. [100]
MOSFET был изобретен в Bell Labs между 1955 и 1960 годами после того, как Фрош и Дерик открыли пассивацию поверхности диоксидом кремния и использовали свое открытие для создания первых планарных транзисторов, первых полевых транзисторов, в которых сток и исток были смежными на одной поверхности. [ 37] [36] [103] [104] [105] [106] MOSFET сделал возможным создание интегральных схем высокой плотности . [107] Почти все современные ИС представляют собой интегральные схемы металл-оксид-полупроводник (МОП), построенные на основе МОП-транзисторов (полевых транзисторов металл-оксид-кремний). [108] Самой ранней экспериментальной МОП-ИС, которая была изготовлена, была 16-транзисторная микросхема, созданная Фредом Хейманом и Стивеном Хофштейном в RCA в 1962 году. [109]
General Microelectronics позже представила первую коммерческую интегральную схему МОП в 1964 году [110], 120-транзисторный сдвиговый регистр, разработанный Робертом Норманом. [109] С тех пор МОП-транзистор стал наиболее важным компонентом устройства в современных ИС. [108]
В 1959–1961 годах, когда Texas Instruments и Westinghouse параллельно работали над авиационной «молекулярной электроникой», их конкуренция носила дружеский характер. Ситуация изменилась в 1962 году, когда Texas Instruments начала рьяно преследовать реальных и мнимых нарушителей своих патентов и получила прозвища «Юридическая фирма Далласа» [111] и «Полупроводниковые ковбои» [112] . Этому примеру последовали и некоторые другие компании. [111] Тем не менее, индустрия ИС продолжала развиваться, несмотря на патентные споры. [113] В начале 1960-х годов Апелляционный суд США постановил, что Нойс был изобретателем монолитного интегрального чипа на основе технологий адгезивного оксида и изоляции переходов [114] .
В 1962–1963 годах, когда эти компании переняли планарный процесс, инженер Westinghouse Хун-Чан Линь изобрел латеральный транзистор. В обычном планарном процессе все транзисторы имеют одинаковый тип проводимости, как правило, npn, тогда как изобретение Линя позволило создавать npn и pnp транзисторы на одном кристалле. [115] Военные заказы, которые предвосхищала Texas Instruments, достались Westinghouse. TI подала иск, который был урегулирован во внесудебном порядке. [116]
10 апреля 1962 года Леховец получил патент на изоляцию с помощью pn-перехода. Texas Instruments немедленно подала в суд, утверждая, что проблема изоляции была решена в их более раннем патенте, поданном Килби. Роберт Спраг, основатель Sprague, посчитал дело безнадежным и собирался отказаться от патентных прав, но Леховец убедил его в обратном. Четыре года спустя Texas Instruments провела в Далласе арбитражное слушание с демонстрацией изобретений Килби и показаниями экспертов. Однако Леховец убедительно доказал, что Килби не упоминал об изоляции компонентов. Его приоритет на патент на изоляцию был окончательно признан в апреле 1966 года. [117]
20 мая 1962 года Жан Эрни, который уже покинул Fairchild, получил первый патент на планарную технологию. Raytheon посчитал, что Эрни повторил патент, принадлежавший Жюлю Эндрюсу и Raytheon, и подал иск в суд. Хотя подход Эндрюса был похож на фотолитографию, диффузию и травление, он имел фундаментальный недостаток: он включал полное удаление оксидного слоя после каждой диффузии. Напротив, в процессе Эрни «грязный» оксид сохранялся. Raytheon отозвала свой иск и получила лицензию от Fairchild. [74]
Hughes Aircraft подала в суд на Fairchild, утверждая, что их исследователи разработали процесс Hoerni's раньше. По словам юристов Fairchild, это дело было безосновательным, но могло занять несколько лет, в течение которых Fairchild не могла продать лицензию на процесс Hoerni's. Поэтому Fairchild решила урегулировать вопрос с Hughes во внесудебном порядке. Hughes приобрела права на один из семнадцати пунктов патента Hoerni's, а затем обменяла его на небольшой процент от будущих лицензионных доходов Fairchild. [74]
В своих юридических войнах Texas Instruments сосредоточилась на своем крупнейшем и наиболее технологически продвинутом конкуренте Fairchild Semiconductor. Их дела препятствовали не производству в Fairchild, а продаже лицензий на их технологии. К 1965 году планарная технология Fairchild стала отраслевым стандартом, но лицензию на патенты Hoerni и Noyce купили менее десяти производителей, и не было никаких механизмов для преследования нелицензионного производства. [113] Аналогичным образом, ключевые патенты Kilby не приносили дохода Texas Instruments. В 1964 году патентный арбитраж присудил Texas Instruments права на четыре из пяти ключевых положений оспариваемых патентов, [118] но обе компании обжаловали это решение. [119] Тяжба могла продолжаться годами, если бы не поражение Texas Instruments в споре со Sprague в апреле 1966 года. Texas Instruments поняла, что не может претендовать на приоритет по всему набору ключевых патентов на ИС, и потеряла интерес к патентной войне. [120] Летом 1966 года [119] Texas Instruments и Fairchild договорились о взаимном признании патентов и перекрестном лицензировании ключевых патентов; в 1967 году к ним присоединилась Sprague. [120]
В начале 1960-х годов Fairchild и Texas Instruments пытались наладить производство ИС в Японии, но им воспротивилось Министерство международной торговли и промышленности Японии (MITI). В 1962 году MITI запретило Fairchild дальнейшие инвестиции в фабрику, которую они уже приобрели в Японии, и Нойс попытался выйти на японский рынок через корпорацию NEC. [121] В 1963 году руководство NEC подтолкнуло Fairchild к крайне выгодным для Японии условиям лицензирования, что существенно ограничило продажи Fairchild на японском рынке. [122] Только после заключения сделки Нойс узнал, что президент NEC также возглавлял комитет MITI, который заблокировал сделки Fairchild. [123]
В 1963 году, несмотря на негативный опыт с NEC и Sony, Texas Instruments попыталась наладить свое производство в Японии. [124] В течение двух лет MITI не давало определенного ответа на запрос, а в 1965 году Texas Instruments отреагировала угрозой эмбарго на импорт электронного оборудования, нарушающего их патенты. Эта акция ударила по Sony в 1966 году и по Sharp в 1967 году, [125] побудив MITI тайно искать японского партнера для Texas Instruments. MITI заблокировало переговоры между Texas Instruments и Mitsubishi (владельцем Sharp) и убедило Акио Мориту заключить сделку с Texas Instruments «ради будущего японской промышленности». [126] Несмотря на секретные протоколы, гарантировавшие американцам долю в Sony, соглашение 1967–1968 годов было крайне невыгодным для Texas Instruments. [127] Почти тридцать лет японские компании производили ИС, не выплачивая роялти Texas Instruments, и только в 1989 году японский суд признал патентные права на изобретение Килби. [128] В результате в 1990-х годах всем японским производителям ИС пришлось платить за 30-летний патент или заключать соглашения о кросс-лицензионных соглашениях. В 1993 году Texas Instruments заработала 520 миллионов долларов США в виде лицензионных сборов, в основном от японских компаний. [129]
Во время патентных войн 1960-х годов пресса и профессиональное сообщество в Соединенных Штатах признали, что число изобретателей ИС может быть довольно большим. В книге «Золотой век предпринимательства» названы четыре человека: Килби, Леховец, Нойс и Эрни. [130] Сораб Ганди в «Теории и практике микроэлектроники» (1968) писал, что патенты Леховеца и Эрни были высшей точкой полупроводниковой технологии 1950-х годов и открыли путь для массового производства ИС. [131]
В октябре 1966 года Килби и Нойс были награждены медалью Баллантайна от Института Франклина «за их значительный и существенный вклад в развитие интегральных схем». [119] Это событие инициировало идею двух изобретателей. Номинация Килби подверглась критике со стороны современников, которые не признавали его прототипы «настоящими» полупроводниковыми ИС. Еще более спорным было выдвижение Нойса: инженерное сообщество хорошо знало роль Мура, Эрни и других ключевых изобретателей, тогда как Нойс на момент своего изобретения был генеральным директором Fairchild и не принимал непосредственного участия в создании первой ИС. [119] Сам Нойс признался: «Я пытался решить производственную проблему. Я не пытался создать интегральную схему». [132]
По словам Лесли Берлина, Нойс стал «отцом интегральной схемы» из-за патентных войн. Texas Instruments выбрала его имя, потому что оно стояло на патенте, который они оспаривали, и тем самым «назначила» его единственным представителем всех разработок в Fairchild. [133] В свою очередь, Fairchild мобилизовала все свои ресурсы для защиты компании и, таким образом, приоритета Нойса. [134] В то время как Килби лично участвовал в кампаниях по связям с общественностью Texas Instruments, Нойс держался подальше от публичности и был заменен Гордоном Муром. [135]
К середине 1970-х годов версия с двумя изобретателями стала широко принятой, и дебаты между Килби и Леховеком в профессиональных журналах в 1976–1978 годах не изменили ситуацию. Эрни, Ласт и Леховец считались второстепенными игроками; они не представляли крупные корпорации и не стремились к публичным дебатам о приоритетах. [136]
В научных статьях 1980-х годов история изобретения ИС часто представлялась следующим образом:
Работая в Fairchild, Нойс разработал интегральную схему. Та же концепция была изобретена Джеком Килби в Texas Instruments в Далласе несколькими месяцами ранее. В июле 1959 года Нойс подал патент на свою концепцию интегральной схемы. Texas Instruments подала иск о патентном вмешательстве против Нойса и Fairchild, и дело тянулось несколько лет. Сегодня Нойса и Килби обычно считают соавторами интегральной схемы, хотя Килби был включен в Зал славы изобретателей как изобретатель. В любом случае, Нойсу приписывают усовершенствование интегральной схемы для ее многочисленных применений в области микроэлектроники. [137]
В 1984 году версия о двух изобретателях была дополнительно поддержана Томасом Ридом в книге «Чип: как двое американцев изобрели микрочип и запустили революцию». [138] Роберт Райт из The New York Times раскритиковал Рида за длинное описание второстепенных персонажей, участвовавших в изобретении, [139] однако вклад Леховека и Ласта не был упомянут, а Жан Эрни появляется в книге только как теоретик, консультировавший Нойса. [138]
Пол Черуцци в «Истории современных вычислений» (2003) также повторил историю двух изобретателей и оговорился, что «Их изобретение, названное сначала Micrologic, а затем Integral Circuit компанией Fairchild, было просто еще одним шагом на этом пути» (миниатюризации, требуемой военными программами 1950-х годов). [140] Ссылаясь на преобладающее в литературе мнение, он выдвинул решение Нойса использовать планарный процесс Эрни, который проложил путь к массовому производству ИС, но не был включен в список изобретателей ИС. [141] Черуцци не осветил изобретение изоляции компонентов ИС.
В 2000 году Нобелевский комитет присудил Килби Нобелевскую премию по физике «за его вклад в изобретение интегральной схемы». [4] Нойс умер в 1990 году и, таким образом, не мог быть номинирован; когда его при жизни спросили о перспективах Нобелевской премии, он ответил: «Нобелевские премии не дают за инженерию или реальную работу». [142] Из-за конфиденциальности процедуры выдвижения номинантов на Нобелевскую премию неизвестно, рассматривались ли другие изобретатели ИС. Саксена утверждал, что вклад Килби был чисто инженерным, а не фундаментальным научным, и, таким образом, его номинация нарушила волю Альфреда Нобеля. [143]
Версия с двумя изобретателями сохранялась до 2010-х годов. [144] Ее вариант выдвигает Килби вперед и рассматривает Нойса как инженера, который усовершенствовал изобретение Килби. [145] Фред Каплан в своей популярной книге «1959: год, когда все изменилось» (2010) уделяет восемь страниц изобретению ИС и приписывает его Килби, [146] упоминая Нойса только в сноске [147] и игнорируя Эрни и Ласта.
В конце 1990-х и 2000-х годов серия книг представила изобретение ИС за пределами упрощенной истории двух человек. В 1998 году Майкл Риордан и Лиллиан Ходдсон подробно описали события, приведшие к изобретению Килби в книге «Crystal Fire: The Birth of the Information Age». Однако они остановились на этом изобретении. [148] В своей биографии Роберта Нойса 2005 года Лесли Берлин включила события, разворачивавшиеся в Fairchild, и критически оценила вклад Килби. По словам Берлина, соединительные провода «исключили возможность производства устройства в любом количестве», о чем «Килби был хорошо осведомлен». [149] [84]
В 2007 году Бо Лоек выступил против версии о двух изобретателях; [150] он описал вклады Эрни и Ласта и раскритиковал Килби. [151] В 2009 году Саксена описал работу Леховца и Эрни. Он также преуменьшил роль Килби и Нойса. [152]
Вольф: Является ли Леховец технически изобретателем ИС? Мур: Согласно Патентному ведомству. Это одна из важных вещей, которая была необходима. Я думаю, в техническом сообществе, поскольку все, что он сделал, это подал бумажную патентную заявку, он не признан изобретателем. У успеха много отцов и все такое.
В прошлом году компания получила 520 миллионов долларов в виде роялти от патентов, что выше, чем 200 миллионов долларов в год в конце 1980-х, и аналитики говорят, что большая часть этих денег поступает от японских лицензионных сделок
Однажды в 1958 году Жан Эрни пришел к Нойсу с теоретическим решением...
Г-н Рид слишком склонен считать всех людей, с которыми он сталкивался в ходе своего исследования, увлекательными… Отбросив несколько второстепенных миниатюрных профилей, г-н Рид мог бы придать больше динамики своей истории, особенно если бы он более глубоко исследовал личности своих центральных персонажей.
1959 год, когда Роберт Нойс, соучредитель Intel, и Джек Килби из Texas Instruments независимо друг от друга изобрели первые интегральные схемы…
Основной полупроводник был совместно изобретен в 1958 году инженером Texas Instruments Джеком Килби и доктором Робертом Н. Нойсом, соучредителем Intel...
Революционная идея Килби... Шесть месяцев спустя в Калифорнии другой инженер, Роберт Нойс...
