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真空微電子學(xué)的崛起論文
1.微電子學(xué)的出現(xiàn)、發(fā)展及其困境
本世紀(jì)初出現(xiàn)的電子管在無線電通訊、雷達(dá)等方面的應(yīng)用起過重大作用，尤其是在第二次 世界大戰(zhàn)期間，真空電子學(xué)取得了長足進(jìn)展.但由于真空電子管體積大，速度慢.功耗高、迫切需要用新的器件來代替，這對(duì)戰(zhàn)時(shí)需要尤為迫切.這一要求直接導(dǎo)致了1947年貝爾實(shí)驗(yàn)室的半導(dǎo)體晶體管發(fā)明.與真空電子管相比，晶體管體積小、重量輕、功耗低=這一劃時(shí)代的發(fā)明給當(dāng)今人類社會(huì)創(chuàng)造出了巨大財(cái)富.晶休管發(fā)明的理論基礎(chǔ)是以M子力學(xué)建立起來的能帶論.為此，貝爾實(shí)驗(yàn)室的肖克萊(Shokley)、巴丁(Bardeen)和布拉圯(Bratain)因發(fā)明晶體管而獲1956年的諾貝爾物理獎(jiǎng).晶體管出現(xiàn)的初期，并未得到人們足夠的重視，連《紐約時(shí)報(bào)》也僅僅在晶體管發(fā)明的七個(gè)月后才用很小的一點(diǎn)篇幅登載了這一消息.'但在1958年仙童公司的諾伊斯發(fā)明了集成電路后、電子學(xué)也就開始f翻天覆地的變化.集成電路的發(fā)明正是微電子學(xué)出現(xiàn)的標(biāo)志.由于集成電路將分立的晶體管.電阻.電容等元件集成在一起、不僅是電子系統(tǒng)的體積縮小，而且也由F焊點(diǎn)數(shù)大為減少，電子系統(tǒng)的可靠性提高.在五十年代未到八十年末，以半導(dǎo)體為基礎(chǔ)的新器件不斷現(xiàn)出，如P-N結(jié)隧道效應(yīng)(江崎二級(jí)管)、半導(dǎo)體激光器.MOS器件等.其中PN結(jié)隧道效應(yīng)不僅是一些微波半導(dǎo)體器件工作的基礎(chǔ)，也為本世紀(jì)初出現(xiàn)的量子力學(xué)提供了直接證據(jù)，為此江崎在1973年獲諾貝爾物理獎(jiǎng).集成電路的快速發(fā)展，對(duì)計(jì)算機(jī)、通信、雷達(dá)、自動(dòng)化及日常消費(fèi)品等領(lǐng)域產(chǎn)生了巨大沖擊.國外在八十年代有一些專著如《微電子技術(shù)浪潮》、《微電子學(xué)與社會(huì)》等問世，專門討論微電子學(xué)對(duì)當(dāng)今社會(huì)的影響.由r.微電子學(xué)以硅材料為基礎(chǔ)，所以我國有位專家認(rèn)為人類先后經(jīng)歷了石器時(shí)代、鐵器時(shí)代，現(xiàn)在是硅器時(shí)代i可見微電子學(xué)正在逐步改變?nèi)祟惖纳睢?/p>
微電子學(xué)的核心是集成電路，集成電路的發(fā)展則是以提高集成度、速度等，或者說提高器件的性能價(jià)格比為主要方卩|丨.正如丨975年莫爾指出的那樣，集成電路的集成度W每年增加一倍的速度發(fā)展(莫爾定律).而集成度提高的主要技術(shù)因素之一是器件尺寸的縮小.為了得到更小的器件尺寸，集成電路加工設(shè)備的發(fā)展也是驚人的，如MOCVD、MBE、X光光刻等等.超大規(guī)模集成技術(shù)的發(fā)展不僅為縮小器件的尺寸提供了強(qiáng)有力的手段，也為新的器件.材料制備提供了可能，如超晶格、真空微三極管等。
集成電路的集成度提高并不是無止境的，八十年代初期，美國一些名牌大學(xué)的博士論文就開始探討集成電路的極限.能量守恒定律、熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理中的載流于漲落和量子力學(xué)遂道效應(yīng)是器件最小尺寸的基本限制。
人類不僅滿足現(xiàn)在，而且要探求未來.空間技術(shù)、海洋工.程、機(jī)器人等要求器件在超高速、極低溫、極高溫、高輻射環(huán)境中工作.盡管一方面對(duì)固體電子器件在這些環(huán)境中作了不少工作，如八十年代西德的克利青(Klitzing)對(duì)MOS晶體管在強(qiáng)磁場(chǎng)、超低溫下的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了“量子霍爾效應(yīng).使當(dāng)代物理學(xué)的基本常數(shù)測(cè)定更為精確而獲985年諾貝爾物理獎(jiǎng).另一方面，也在探求新的材料與器件，如HEMT(高電子遷移率晶體管、SOI(絕緣體上硅))，GaA,SiC等等.但由于載流子在固體中運(yùn)動(dòng)，所以，因受到聲子，雜質(zhì)等散射而使飽和漂移速度都小于5xl07cm/s;因在極低溫度下，器件中載流f會(huì)“凍結(jié)”而不能工作(或者說導(dǎo)帶中無電子而呈絕緣體);在極髙溫度下，器件中載流尸“熱激發(fā)”太多使器件失效;在高輻射環(huán)境中，射線穿過固體產(chǎn)生電子一空穴對(duì)、及晶格位移等而使器件失效。
顯然，由于電子在固體中傳輸，在這些環(huán)境中的應(yīng)用面臨困境.而電子在真空中的輸則不存在上述問題，真空中的電子速度理論極限是光速3xl01Qcm/s,實(shí)際上也已込6?9x丨〇8cm/s.因此，面臨新的應(yīng)用，以半導(dǎo)體為基礎(chǔ)的微電子產(chǎn)業(yè)呼換著真空微電子學(xué).
2.硅微機(jī)械加工技術(shù)的成熟
六十年代和七十年代，集成電路工藝和計(jì)算技術(shù)的快速發(fā)展已經(jīng)使復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單，精確，電子學(xué)許多新的應(yīng)用障礙不再是微處理器或存儲(chǔ)器，而是與之有關(guān)的接口功能，尤其是需要把電子系統(tǒng)與非電世界聯(lián)系起來的傳感器和執(zhí)行器.傳感器并不是什么新的術(shù)語，從事電子學(xué)及與電子學(xué)有關(guān)的人都知道這個(gè)名詞，但傳感器突飛猛進(jìn)的發(fā)展還是八十甲K初的事。
由于七十年代以前，電子學(xué)發(fā)展對(duì)低成本傳感器和執(zhí)行器的要求并不迫切，因?yàn)榧词乖谛枰@種元件的電子系統(tǒng)中，往往只需很少幾個(gè)，整個(gè)電子系統(tǒng)的成本相對(duì)較高，幾個(gè)傳感器的高成本并不能對(duì)系統(tǒng)成本產(chǎn)生重要影響，因此，傳感器的執(zhí)行器的發(fā)展維持在小批量、高成本、非標(biāo)準(zhǔn)化、可靠性低且單個(gè)校準(zhǔn)的水平上，這種狀況非常類似于真空電子管.由于電子學(xué)格局的變化，對(duì)低成本、髙性能傳感器的需要，七十年代末及八十年代初，傳感器及執(zhí)行器的研究異軍突起.正象當(dāng)年把分立的器件集成在一起形成集成電路那樣，人們有理由也把傳感器與集成電路結(jié)合在一起形成集成傳感器或集成執(zhí)行器.這種作法之目的在于要借助超大規(guī)模集成技術(shù)，使傳感器形成產(chǎn)業(yè)化.超大規(guī)模集成技術(shù)通俗地講基本上是一種平面加工技術(shù).為了融合傳感器的生產(chǎn)，主要開展了三方面研究：(丨)將功能薄膜材料與集成電路結(jié)合，即薄膜技術(shù)，(2)特殊的封裝技術(shù)，以便使傳感器與外界接觸而集成電路則不與外界接觸，(3)硅微機(jī)械加工技術(shù).硅的微機(jī)械加工技術(shù)主要包括腐蝕和鍵合，或者說就是硅的縱向加工技術(shù).七十年未至八十年代初，傳感器和執(zhí)行器的發(fā)展很為迅速，如國際權(quán)威雜志《IEEETrans,ElectronDevices》在1979?1986出版四期傳感器與執(zhí)行器專集.這段時(shí)間也正是微機(jī)械加工技術(shù)走向成熟的時(shí)期.需要特別值得一提的是，自停止腐蝕機(jī)制方面的第一篇論文就是美國海軍實(shí)驗(yàn)室的E.D.Palik和H.F.Gray等人在1982年《J.ElectrochemSoc.》上所發(fā)表的，這篇著名論文在硅微機(jī)械加工方面的有關(guān)論文中廣為引用.這里的H.F.Gtay也正是在IEDM86中發(fā)表開拓性論文《真空集成電路》的那個(gè)H.F.Gray.因此，我們說，硅微機(jī)械加工技術(shù)的成熟為真空微電子學(xué)的出現(xiàn)提供了又一技術(shù)基礎(chǔ)。
3.場(chǎng)致發(fā)射的研究
早在1928年，F(xiàn)owler-Nordheim根據(jù)量子力學(xué)提出了金屬表現(xiàn)的場(chǎng)致發(fā)射理論.按照這個(gè)理論，只需在金屬表面加一個(gè)電場(chǎng)，就可使金屬發(fā)射電子，而不需象真空電子管那樣在陰極加熱(熱電子發(fā)射).早期這方面的研究主要是驗(yàn)證該理論.由于按照Fowler-Nordheim理論，要得到適中的發(fā)射電流，這種電場(chǎng)要在大約0.5V/A的數(shù)量級(jí).為了產(chǎn)生這么高的電場(chǎng)，提出了尖端形的結(jié)構(gòu).這種結(jié)構(gòu)不僅驗(yàn)證了Fowler-Nordheim理論，而且也成為研究表面現(xiàn)象的工具，如FEM(場(chǎng)發(fā)射顯微鏡)，F(xiàn)IM(場(chǎng)離子顯微鏡)，AP(原子探針)及最近的STM(掃描遂道顯微鏡).因?yàn)镾TM可以觀察到原子的排列(具有原子級(jí)的分辯率)、為此，STM發(fā)明人G.Binnig,H.Rohr-er和魯斯卡榮獲1986年諾貝爾物理獎(jiǎng)。
1961年，斯坦福大學(xué)的Shoulder提出了微型真空?qǐng)鲋掳l(fā)射管的建議，這項(xiàng)建議直接導(dǎo)致了C.A.Spindtl968年實(shí)現(xiàn)的低電壓、高電流密度的場(chǎng)致發(fā)射陰極.Spindt陰極是真空微電子學(xué)的開端.因此場(chǎng)致發(fā)射的研究為真空微電子學(xué)莫定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。
A十年代中期，H.F.Gray等人借助超大規(guī)模集成技術(shù)、硅微機(jī)械加工技術(shù)的和Spimlt的器件結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了真空集成電路，已經(jīng)可以在lmm2的面枳內(nèi)制造出1萬個(gè)微型真空管.由于真空微電子器件具有高速、耐高溫、耐低溫、耐輻射和集成電路的高密度、大生產(chǎn)化的伏:點(diǎn)，所以，自Gray等人的真空微電子器件報(bào)道后，立即引起各國科學(xué)和技術(shù)界的關(guān)注和廣泛研究，并在1988年召開了第一屆國際真空微電子學(xué)會(huì)議(以后每年一屆).目前的研究內(nèi)容十分廣泛，新的器件結(jié)構(gòu)及制備工藝不斷涌現(xiàn).主要應(yīng)用包括真空?qǐng)鲂?yīng)晶體管、場(chǎng)致發(fā)射陰極x波段調(diào)諧放大器，微米級(jí)真空管，吉赫波管以及真空熒光平板顯示部件等.應(yīng)該引起我國從事微電子學(xué)和真空電子學(xué)的有關(guān)人員關(guān)注，同時(shí)，由于具空微電子學(xué)結(jié)合了當(dāng)今真空電子學(xué)和微電子學(xué)兩方面的內(nèi)容，跨學(xué)科的合作是必然的.真空微電子學(xué)的出現(xiàn)給微電子學(xué)和真空電子學(xué)的發(fā)展提供了新的機(jī)會(huì)。
生產(chǎn)的.象西門子在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)力量上都很雄厚的公司，1990年在集成電路部分還是虧損的.其原因是某些研究成果未變成商品這次大會(huì)主題是強(qiáng)調(diào)了科研要促進(jìn)技術(shù)和生產(chǎn)發(fā)展，技術(shù)要爭(zhēng)市場(chǎng).微電子工業(yè)已成為高效益的巨大產(chǎn)業(yè)，就業(yè)人員8〇〇萬，年產(chǎn)商品6000億美元;微電子工業(yè)也是其它工業(yè)基礎(chǔ)之一.為什么日本的微電子工業(yè)發(fā)展這么快?一是國家支持、投入，二是科研促進(jìn)技術(shù)和生產(chǎn)，爭(zhēng)取市場(chǎng)歐洲已極為注意這個(gè)問題了。
我國微電子工業(yè)也面臨歐洲面臨的問題，即強(qiáng)大的國際競(jìng)爭(zhēng).而且我國微電子包括器件和集成電路的研究比歐洲還要落后.但是發(fā)展科研，促進(jìn)技術(shù)和生產(chǎn)，爭(zhēng)取市場(chǎng)是相同的，只要國家統(tǒng)籌組織，科研生產(chǎn)相結(jié)合，品種對(duì)路，質(zhì)量上去，價(jià)格下來，打開應(yīng)用，政策合理，我國微電子工業(yè)無疑是大有希望的。
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