半導(dǎo)體物理是自然科學(xué)領(lǐng)域中一個(gè)極其重要的學(xué)科，也是集成電路產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的基礎(chǔ)。諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)作為全世界范圍內(nèi)最具權(quán)威性的自然科學(xué)獎(jiǎng)勵(lì)，與集成電路的發(fā)展存在密不可分的聯(lián)系。
從1956年至今，大概有十項(xiàng)半導(dǎo)體技術(shù)獲評(píng)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，在一定程度上真實(shí)而客觀地記錄和反映了幾十年來半導(dǎo)體技術(shù)所走過的光輝歷程。晶體管和集成電路的發(fā)明在半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展過程中具有里程碑式的重大意義，對(duì)人類文明和社會(huì)進(jìn)步產(chǎn)生了巨大的影響。
在1956年，為表彰肖克萊、巴丁和布拉頓三位科學(xué)家對(duì)晶體管發(fā)明所作出的決定性和開創(chuàng)性貢獻(xiàn)，他們共同榮獲了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
肖克萊(Shockley)在1910年2月出生于英國，在美國加利福尼亞州長(zhǎng)大，在1936年獲得了麻省理工學(xué)院(MIT)的博士學(xué)位，在1951年成為美國國家科學(xué)院院士，他一生共獲得了90多項(xiàng)專利。巴丁(Bardeen)出生于1908年，在1929年獲得碩士學(xué)位后，先后從事了地球物理學(xué)、數(shù)學(xué)和固體物理學(xué)的研究。1920年，布拉頓(Brattain)出生于中國廈門，但成長(zhǎng)于華盛頓州的養(yǎng)牛牧場(chǎng)，他在1929年在明尼蘇達(dá)大學(xué)(UMN)獲得博士學(xué)位并進(jìn)入貝爾實(shí)驗(yàn)室工作。在晶體管誕生之前，放大電信號(hào)主要是通過電子管 (真空三極管)，但由于制作困難、體積大、耗能高且使用壽命短，人們一直希望能夠用固態(tài)器件來替換它。在第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束前夕，貝爾實(shí)驗(yàn)成立了以肖克萊為首的固體物理小組，開始著手固體理論的基礎(chǔ)研究，并進(jìn)行半導(dǎo)體器件的研制探索。巴丁在固體量子理論上有扎實(shí)的基礎(chǔ)，善于用理論解釋和協(xié)調(diào)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及現(xiàn)象，而肖克萊擅長(zhǎng)用幾何圖像說明物理現(xiàn)象，布拉頓則是在半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)方面取得了重要的成果。1945年，由肖克萊設(shè)計(jì)晶體管和有關(guān)電路，布拉頓進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，但并未取得預(yù)期的電流調(diào)制作用。1947年，布拉頓按照巴丁提出的表面效應(yīng)理論，對(duì)鍺半導(dǎo)體表面形成金屬點(diǎn)接觸結(jié)構(gòu)的電子流動(dòng)特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究時(shí)，成功發(fā)現(xiàn)了電流放大現(xiàn)象，進(jìn)而發(fā)明了世界上第一個(gè)點(diǎn)接觸晶體管，并申請(qǐng)了相關(guān)專利。
在這個(gè)點(diǎn)接觸式晶體管中，通過把間距為50μm的兩個(gè)金電極壓在鍺半導(dǎo)體上，微小的電信號(hào)由一個(gè)金電極 (發(fā)射極) 進(jìn)入鍺半導(dǎo)體 (基極) 并被顯著放大，然后通過另一個(gè)金電極 (集電極) 輸出，這個(gè)器件在1kHz的增益為4.5。
在1948年7月1日的美國《紐約時(shí)報(bào)》上，出現(xiàn)了一個(gè)叫做“晶體管”(transistor）的詞。“一種叫做晶體管的設(shè)備在貝爾實(shí)驗(yàn)室首次得到了公開展示，它在通常使用真空管的無線電設(shè)備中有幾項(xiàng)應(yīng)用?！边@句話就是全球新聞界第一次正式關(guān)于“晶體管”的正式介紹。1948年9月，巴丁（Bardeen）、肖克利（Shockley）和布拉頓（Brattain）三位科學(xué)家登上了美國《電子學(xué)》雜志的封面。
點(diǎn)接觸晶體管制造困難，可靠性不高，因此肖克萊繼續(xù)深入研究，在1948年獨(dú)立提出了結(jié)型晶體管的概念，在1949年提出了半導(dǎo)體PN結(jié)理論，在1951年與合作者一起成功研制了以PN結(jié)為有源區(qū)的結(jié)型雙極晶體管，這一結(jié)構(gòu)更容易制造，效果也更好，立即成了BJT的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，并服役至今。
改變世界的重大創(chuàng)新——集成電路
在2000年，基爾比因?yàn)樵?span style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; word-wrap: break-word !important; font-family: "Times New Roman";">1958年發(fā)明了集成電路而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。我們可以發(fā)現(xiàn)，獲獎(jiǎng)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)晚于集成電路的發(fā)明時(shí)間，達(dá)到了42年，這是因?yàn)楫?dāng)時(shí)集成電路被人們認(rèn)為是一項(xiàng)重要的技術(shù)創(chuàng)新，而并非是一項(xiàng)重大的科學(xué)發(fā)明。但是集成電路的發(fā)展經(jīng)受住了時(shí)間的考驗(yàn)，并且直至今日依舊在不斷發(fā)展。基爾比(Kilby)在1923年11月8日出生于美國密蘇里州的杰佛遜市，早在中學(xué)時(shí)代，他就與父親一起從事電話和無線電通信方面工作，并對(duì)電子學(xué)產(chǎn)生了濃厚的興趣。在1947年和1950年，他分別在伊利諾伊(Illinois)大學(xué)和威斯康星(Wisconsin）大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位和碩士學(xué)位。
早在第二次世界大戰(zhàn)期間和此后的朝鮮戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)期，軍事上對(duì)電子裝備的小型化及其可靠性提出了迫切的需求．當(dāng)時(shí)一架B－29轟炸機(jī)要求上千個(gè)真空管和幾萬個(gè)無源元件。它的成本、體積和可靠性成為一個(gè)電子系統(tǒng)發(fā)展的制約因素。
關(guān)于集成電路的概念的最早描述，應(yīng)該說是由英國皇家信號(hào)和雷達(dá)機(jī)構(gòu) （Royal Signal＆Radar Establishment）于1952年5月在電子元器件會(huì)議上提出的，但是卻未能予以實(shí)現(xiàn)。基爾比在德州儀器（TI）負(fù)責(zé)電子裝備的小型化工作時(shí)，認(rèn)為用傳統(tǒng)的微型化模型的工作方式解決不了問題。因此他試圖將電阻、電容等無源元件和有源元件都做在同一塊半導(dǎo)體材料上，于1958年9月12日在實(shí)驗(yàn)室完成了第一塊集成電路振蕩器的演示實(shí)驗(yàn)，標(biāo)志著集成電路的誕生。
第二年，他在光刻技術(shù)的幫助下成功研制出了新的鍺觸發(fā)器。
此后基爾比一直從事集成電路的軍事、工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用的開拓性工作，在軍事應(yīng)用系統(tǒng)和集成電路計(jì)算機(jī)等方面都取得了一定的成就。作為發(fā)明人之一，他還發(fā)明了掌上計(jì)算器和用于袖珍數(shù)據(jù)終端熱打印機(jī)。
可以發(fā)現(xiàn)，第一個(gè)晶體管是鍺基晶體管，第一個(gè)集成電路芯片是鍺芯片，鍺材料在半導(dǎo)體芯片的早期占據(jù)了主導(dǎo)地位。仙童公司在1959年7月30日申請(qǐng)了基于硅平面工藝的集成電路專利，使用了外延、氧化、擴(kuò)散和光刻等一系列新工藝技術(shù)，更適合大批量生產(chǎn)，相對(duì)于鍺芯片來說具有價(jià)格上的優(yōu)勢(shì)。除此之外，硅在物理、化學(xué)性質(zhì)以及在儲(chǔ)量上都占有絕對(duì)性的優(yōu)勢(shì)。
因此，隨著硅芯片技術(shù)的不斷發(fā)展，鍺芯片逐漸退出了歷史的舞臺(tái)。雖然鍺退出了芯片領(lǐng)域，但它仍然是一種重要的半導(dǎo)體材料，在高頻大功率器件、光電雪崩二極管和太陽能電池等領(lǐng)域仍舊有著不可取代的地位。
高端芯片的未來——先進(jìn)封裝
基于市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，不斷提高產(chǎn)品的性價(jià)比是半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展的動(dòng)力，而縮小特征尺寸是最有效手段之一。1964年，Intel公司創(chuàng)始人之一的摩爾(Moore)提出著名的摩爾定律(Moore's Law)，預(yù)測(cè)芯片技術(shù)的未來發(fā)展趨勢(shì)是：當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，芯片上可容納的元器件的數(shù)目，約每隔18-24個(gè)月便會(huì)增加一倍，性能也將提升一倍。后來50多年芯片技術(shù)的發(fā)展也證明了摩爾定律基本上還是準(zhǔn)確的。
但是，隨著特征尺寸的不斷縮小，器件尺度進(jìn)入了納米量級(jí)、時(shí)間尺度為飛秒量級(jí)的新器件將遇到器件結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵工藝、集成技術(shù)和材料體系以及理論基礎(chǔ)等方面的一系列問題，越來越接近其物理限制。近年來，各種先進(jìn)封裝的方法層出不窮，實(shí)現(xiàn)了更高層次的封裝集成，使芯片具有了更高的密度、更強(qiáng)的功能、更優(yōu)的性能、更小的體積、更低的功耗、更快的速度、更小的延遲、更低的成本等優(yōu)勢(shì)。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)正在進(jìn)入后摩爾時(shí)代，作為集成電路產(chǎn)業(yè)中不可或缺的后道工序，先進(jìn)封裝技術(shù)正扮演著越來越重要的角色。
參考文獻(xiàn)
[1]彭英才,傅廣生,X.W.Zhao.半導(dǎo)體科學(xué)技術(shù)與諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)[J].物理,2004(09):692-696.
[2].1956年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)——威廉·布拉德福德·肖克利、沃爾特·豪澤·布拉頓及約翰·巴丁因?qū)Π雽?dǎo)體的研究和發(fā)現(xiàn)晶體管效應(yīng)[J].醫(yī)療裝備,2018,31(11):206.
[3]王陽元.諾貝爾獎(jiǎng)離我們并不遙遠(yuǎn)——從集成電路發(fā)明獲2000年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?wù)勂?span style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; word-wrap: break-word !important; font-family: "Times New Roman";">[J].物理,2001(03):132-137.
[4]龍樂.電子封裝技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)[J].電子與封裝,2012,12(01):39-43.DOI:10.16257/j.cnki.1681-1070.2012.01.012.