半导体器件发展历程

• BJT主要用于高频领域 • 新型器件层出不穷
MOS器件缩小的极 限？
MOS之后是什么器 件？
“摩尔定律”：处理器(CPU)的功 能和复杂性每年(其后期减慢为18 个月)会增加一倍，而成本却成比 例地递减。
微电子小型化的极限
•固体的最小尺寸 •功耗限制 •电压或电流感应击穿的限制 •噪声限制
解决途径
增强型MOSFET
1962年 Hall, Nathan,Quist 半导体激光器
1967年
Kahng, Sze
非挥发存储 器
1960
1962年 1963年Gunn
Wanlass、 渡越电子二极管
C. T. Sah
CMOS技 术
1966年 Mead
1970
1968年Dennard 单晶体管DRAM
1970年 Boyle, Smith
➢肖克莱在研究垂直表面的电场对半导体内部载流子浓度和各种 性质所产生的影响时，发现了垂直表面电场可以引起表面电 导变化的场效应现象，并在1948年提出了场效应晶体管的理 论。
➢1959年，Atalla提出用硅片上热生长二氧化硅层作为栅绝缘 层、贝尔实验室的Kahng和Atalla在1960年用高压水气生长 二氧化硅层获得成功，制备出了第一支MOS场效应晶体管， 但性能还是不稳定。
• 肖克莱完成了晶体管的基本概念， 巴丁提出了表面态理论，
• 布莱顿设计了实验。1948年1月23日宣布了面结型晶体管 的发明， 该结果于1949年以论文形式发表。
• 1950年用生长结制成了锗n-p-n结型晶体管
• 1951年用合金法制成了锗p-n-p晶体管
• 1954年用气相扩散制成了大功率硅整流器
• 新材料：非晶硅，多晶硅，SiGe，Ⅲ-Ⅴ族复合 半导体，有机材料，宽禁带半导体（SiC、 GaN）
• 新结构器件 • 新互连方法：铜连线、低K，光连接等。 • 深亚微米尺度下器件和电路设计CAD工具 • 新电路 • 新电源：板上太阳能，生物电，空间微波等 • 纳米技术 • 3D电路
➢1967年，A.S.Grove，C.T.Sah，E.H.Snow，B.E.Deal等基 本搞清了Si-SiO2系统的四种电荷的性质，并成为界面物理研 究的基础。在工艺上，找到了控制Na离子玷污的方法，并结 合净化措施和采用高纯级的基础材料，使MOS集成电路得到 稳定生产。
1960年 Kahng,AtБайду номын сангаасlla
态半导体的量子力学理论，与固体X射线实验 相结合，奠定了今天固体能带论的基础 ➢霍尔效应用于半导体材料研究，半导体与金 属区别开来，并发现了半导体中有两种载流 子
• 肖特基（ Schottky）和莫特（Mott） 于1939年第一次提出了空间电荷区理论
• B.Davidor提出了不同半导体之间也可 以有整流效应，并提到了半导体中的一 个关键概念——少数载流子的重要性。
CCD器件
1971年 Intel公司微处理器
1980年
调制掺杂场 效应晶体管
MODFET
1970
分水岭： 1970年前发 明 的器件全部实 现商业化
1974年 Chang, Esaki, Tsu 共振隧道二极管
1980
1968年Dennard 单晶体管DRAM
1984年 电荷注入晶体管
CHINT
1985年
半导体器件的发展
半导体器件的发展历程
▪ 1874年F.Braun半导体器件的第1项研究金属－ 半导体接触。
▪ 1907年H.J.Round发光二极管LED。
▪ 1930年量子力学的发展以及半导体材料制备技 术的成熟；半导体的光电导、光生伏特效应、整 流效应。
▪ 1939年Schottky 肖特基势垒。
▪ 1947年Shockley ，Bardeen, Brattain晶体管 （transistor)；1956年获诺贝尔奖。
▪ 1949年Shockley p-n结双极晶体管（BJT）
晶体管的三位发明人：巴丁、肖克莱、布拉顿
NPN Ge 晶体管 成为现代电子
工业的基础
晶体管的基础准备
➢1924年衍射实验证实电子的波动性概念 ➢1928年提出电子的费米—狄拉克统计理论 ➢1931年，威尔逊（A.H.Wilson）提出了固
• 获得了完整性比较好、纯度比较高的锗、 硅材料，排除了诸如硒、氧化亚铜等材 料中的一些复杂因素
晶体管的发明
• 1947年12月16日诞生了具有放大和功率增益性能的点接触 晶体管。点接触晶体管并不稳定，由于是三维问题，在物理 分析上有困难。
肖克莱在对p-n结基本物理图像进行长期研究的基础上，提 出用n型半导体与薄的p型材料面接触代替探针的点接触， 这样就可以用一维模型来进行分析。
• 1956年就制成了扩散型基区台式晶体管
• 1956年Bardeen、Brattain和Shockley一起获得了物理学 的诺贝尔奖。
1952年
Schockley结型 场效应晶体管
1954年
JFET
Chapin, Fuller,
第1个半导体场效 应器件
Pearson，硅太 阳能电池，6％
进
入
成
长 1950
期
1952年Ebers
闸流管模型
thyristor
1958年 Esaki 隧道二极管 1973年诺 贝尔奖
1960
1957年Kroemer 异质结双极晶体管
HBT 2000年诺贝尔奖
场效应晶体管的发展
➢ 1935年海尔在一份英国专利中宣布过他的场效应放大器发明。 但无法实现，主要限制是无法制备满足器件需要的薄的高强 度栅绝缘层。
共振隧穿热 电子晶体管
纳米电子 学器件
1980
1980年后出 现了大量的 异质结构器 件和量子效 应器件
1990
1984年 共振隧穿双极晶体管 RTBT
1990年
单电子存储器 SEM
半导体器件的发展
• CMOS器件成为主流技术－通过不断地缩小实现性 能的优化。 – 摩尔定律Moore’s Law： 集成电路的特征尺寸每隔18个月缩小 2倍 集成度每隔18个月增加一倍