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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、發(fā)展及其困境
本世紀初出現的電子管在無(wú)線(xiàn)電通訊、雷達等方面的應用起過(guò)重大作用，尤其是在第二次 世界大戰期間，真空電子學(xué)取得了長(cháng)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(lái)代替，這對戰時(shí)需要尤為迫切.這一要求直接導致了1947年貝爾實(shí)驗室的半導體晶體管發(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)明給當今人類(lèi)社會(huì )創(chuàng )造出了巨大財富.晶休管發(fā)明的理論基礎是以M子力學(xué)建立起來(lái)的能帶論.為此，貝爾實(shí)驗室的肖克萊(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.晶體管出現的初期，并未得到人們足夠的重視，連《紐約時(shí)報》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(kāi)始f翻天覆地的變化.集成電路的發(fā)明正是微電子學(xué)出現的標志.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、不僅是電子系統的體積縮小，而且也由F焊點(diǎn)數大為減少，電子系統的可靠性提高.在五十年代未到八十年末，以半導體為基礎的新器件不斷現出，如P-N結隧道效應(江崎二級管)、半導體激光器.MOS器件等.其中PN結隧道效應不僅是一些微波半導體器件工作的基礎，也為本世紀初出現的量子力學(xué)提供了直接證據，為此江崎在1973年獲諾貝爾物理獎.集成電路的快速發(fā)展，對計算機、通信、雷達、自動(dòng)化及日常消費品等領(lǐng)域產(chǎn)生了巨大沖擊.國外在八十年代有一些專(zhuān)著(zhù)如《微電子技術(shù)浪潮》、《微電子學(xué)與社會(huì )》等問(wèn)世，專(zhuān)門(mén)討論微電子學(xué)對當今社會(huì )的影響.由r.微電子學(xué)以硅材料為基礎，所以我國有位專(zhuān)家認為人類(lèi)先后經(jīng)歷了石器時(shí)代、鐵器時(shí)代，現在是硅器時(shí)代i可見(jiàn)微電子學(xué)正在逐步改變人類(lèi)的生活。
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(shuō)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，集成電路加工設備的發(fā)展也是驚人的，如MOCVD、MBE、X光光刻等等.超大規模集成技術(shù)的發(fā)展不僅為縮小器件的尺寸提供了強有力的手段，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(wú)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(kāi)始探討集成電路的極限.能量守恒定律、熱力學(xué)統計物理中的載流于漲落和量子力學(xué)遂道效應是器件最小尺寸的基本限制。
人類(lèi)不僅滿(mǎn)足現在，而且要探求未來(lái).空間技術(shù)、海洋工.程、機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MOS晶體管在強磁場(chǎng)、超低溫下的實(shí)驗，發(fā)現了“量子霍爾效應.使當代物理學(xué)的基本常數測定更為精確而獲985年諾貝爾物理獎.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”而不能工作(或者說(shuō)導帶中無(wú)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(xiàn)穿過(guò)固體產(chǎn)生電子一空穴對、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)境中的應用面臨困境.而電子在真空中的輸則不存在上述問(wèn)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，面臨新的應用，以半導體為基礎的微電子產(chǎn)業(yè)呼換著(zhù)真空微電子學(xué).
2.硅微機械加工技術(shù)的成熟
六十年代和七十年代，集成電路工藝和計算技術(shù)的快速發(fā)展已經(jīng)使復雜的數據處理簡(jiǎn)單，精確，電子學(xué)許多新的應用障礙不再是微處理器或存儲器，而是與之有關(guān)的接口功能，尤其是需要把電子系統與非電世界聯(lián)系起來(lái)的傳感器和執行器.傳感器并不是什么新的術(shù)語(yǔ)，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)展對低成本傳感器和執行器的要求并不迫切，因為即使在需要這種元件的電子系統中，往往只需很少幾個(gè)，整個(gè)電子系統的成本相對較高，幾個(gè)傳感器的高成本并不能對系統成本產(chǎn)生重要影響，因此，傳感器的執行器的發(fā)展維持在小批量、高成本、非標準化、可靠性低且單個(gè)校準的水平上，這種狀況非常類(lèi)似于真空電子管.由于電子學(xué)格局的變化，對低成本、髙性能傳感器的需要，七十年代末及八十年代初，傳感器及執行器的研究異軍突起.正象當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合在一起形成集成傳感器或集成執行器.這種作法之目的在于要借助超大規模集成技術(shù)，使傳感器形成產(chǎn)業(yè)化.超大規模集成技術(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(kāi)展了三方面研究：(丨)將功能薄膜材料與集成電路結合，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)硅微機械加工技術(shù).硅的微機械加工技術(shù)主要包括腐蝕和鍵合，或者說(shuō)就是硅的縱向加工技術(shù).七十年未至八十年代初，傳感器和執行器的發(fā)展很為迅速，如國際權威雜志《IEEETrans,ElectronDevices》在1979?1986出版四期傳感器與執行器專(zhuān)集.這段時(shí)間也正是微機械加工技術(shù)走向成熟的時(shí)期.需要特別值得一提的是，自停止腐蝕機制方面的第一篇論文就是美國海軍實(shí)驗室的E.D.Palik和H.F.Gray等人在1982年《J.ElectrochemSoc.》上所發(fā)表的，這篇著(zhù)名論文在硅微機械加工方面的有關(guān)論文中廣為引用.這里的H.F.Gtay也正是在IEDM86中發(fā)表開(kāi)拓性論文《真空集成電路》的那個(gè)H.F.Gray.因此，我們說(shuō)，硅微機械加工技術(shù)的成熟為真空微電子學(xué)的出現提供了又一技術(shù)基礎。
3.場(chǎng)致發(fā)射的研究
早在1928年，Fowler-Nordheim根據量子力學(xué)提出了金屬表現的場(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的數量級.為了產(chǎn)生這么高的電場(chǎng)，提出了尖端形的結構.這種結構不僅驗證了Fowler-Nordheim理論，而且也成為研究表面現象的工具，如FEM(場(chǎng)發(fā)射顯微鏡)，FIM(場(chǎng)離子顯微鏡)，AP(原子探針)及最近的STM(掃描遂道顯微鏡).因為STM可以觀(guān)察到原子的排列(具有原子級的分辯率)、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。
1961年，斯坦福大學(xué)的Shoulder提出了微型真空場(chǎng)致發(fā)射管的建議，這項建議直接導致了C.A.Spindtl968年實(shí)現的低電壓、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(kāi)端.因此場(chǎng)致發(fā)射的研究為真空微電子學(xué)莫定了堅實(shí)的理論基礎。
A十年代中期，H.F.Gray等人借助超大規模集成技術(shù)、硅微機械加工技術(shù)的和Spimlt的器件結構，實(shí)現了真空集成電路，已經(jīng)可以在lmm2的面枳內制造出1萬(wàn)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(kāi)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?jì)热菔謴V泛，新的器件結構及制備工藝不斷涌現.主要應用包括真空場(chǎng)效應晶體管、場(chǎng)致發(fā)射陰極x波段調諧放大器，微米級真空管，吉赫波管以及真空熒光平板顯示部件等.應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)結合了當今真空電子學(xué)和微電子學(xué)兩方面的內容，跨學(xué)科的合作是必然的.真空微電子學(xué)的出現給微電子學(xué)和真空電子學(xué)的發(fā)展提供了新的機會(huì )。
生產(chǎn)的.象西門(mén)子在經(jīng)濟和技術(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 )主題是強調了科研要促進(jìn)技術(shù)和生產(chǎn)發(fā)展，技術(shù)要爭市場(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(wàn)，年產(chǎn)商品6000億美元;微電子工業(yè)也是其它工業(yè)基礎之一.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)，爭取市場(chǎng)歐洲已極為注意這個(gè)問(wèn)題了。
我國微電子工業(yè)也面臨歐洲面臨的問(wèn)題，即強大的國際競爭.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)，爭取市場(chǎng)是相同的，只要國家統籌組織，科研生產(chǎn)相結合，品種對路，質(zhì)量上去，價(jià)格下來(lái)，打開(kāi)應用，政策合理，我國微電子工業(yè)無(wú)疑是大有希望的。
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