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国产单晶之路

   日期:2020-10-14     来源:直拉单晶硅    浏览:2368    评论:0    
 1904年,弗莱发明了世界上第一个真空电子管。电子管的问世推动了无线电电子学的蓬勃发展,但是电子管十分笨重,能耗大、寿命短,其制造工艺也十分复杂,而且,真的也不好用。


弗莱

1918年,J. Czochralski发表了关于从熔体中生长单晶金属丝的报告,后来的直拉法就是以他的名字命名。
1946年美国的贝尔实验室决定开展半导体的研究。1947年12月,肖克莱、约翰·巴丁、布拉顿研制出第一支锗晶体管。晶体管的问世,是微电子革命的先声。也为后来集成电路的诞生吹响了号角,与电子管相比具有无可比拟的优势。此时,中国国共两党正打的热火朝天。


1950年制出第一只硅晶体管,提高了人们制备优质硅单晶的兴趣。Teal and Little 1952年用直拉法(CZ)培育硅单晶成功。谢希德麻省理工毕业,加入复旦物理系任教授。

1953年,第一个采用锗晶体管的商业化设备助听器投入市场。1954年,第一台商业制造的晶体管收音机在德州仪器公司诞生,检波器是锗二极管。1955年,车载收音机厂商摩托罗拉公司仍使用的是锗材料晶体管,这也是第一家使用晶体管来制造收音机的厂商。锗晶体管高温性能很差,开始考虑用硅替换锗来制造晶体管,但此时采用锌还原四氯化硅法生产纯硅,还不能满足制造晶体管的要求。



摩托罗拉Chrome Nose车载收音机

1955年6月林兰英获得宾夕法尼亚大学固体物理学博士学位,之后,她被聘为从事半导体科研工作的索菲尼亚公司(Sylvania公司)高级工程师

1956年研究成功氢还原三氯氢硅法,能大规模制造半导体级别的纯硅。1946年发明晶体管的3位科学家共同荣获了1956年诺贝尔物理学奖。同年,周总理发起了“向科学进军”的口号,国家制定了为期十二年的《1956-1967科技发展远景规划》。林兰英回国,谢希德、黄昆、高鼎三等创立了我国第一个半导体专门化培训班,在北大培养我国第一批半导体人才。期间各项里程碑只和美国差距5-7年,和日本几乎同步,领先韩国整整十年。

1957一年内美国制造了近3000万个晶体管,但硅晶体管仅有100万个,锗晶体管有近2900万个。德州仪器凭借20%的市场份额,成为晶体管市场的巨头。我国北京电子管厂(774厂,即现在的京东方)拉出锗单晶,同年,研制出锗晶体管。谢希德与黄昆合著的《半导体物理学》问世,这也是我国该领域的第一部著作,直到现在也是专业经典教材。



谢希德与黄昆合著的《半导体物理学》

1958年7月,基尔比被美国德州仪器公司录用,12月基尔比将晶体管、二极管、电阻,组成一个线路放在同一粒硅晶片上发明了集成电路,并于42年之后的2000年获得诺贝尔物理学奖。中科院研制出我国第一批锗合金高频晶体管,并成功应用在109厂(现中科院微电子所)的计算机上。9月,天津市成立“601实验所”(中国电科46所前身),开始从石英石中制备硅的实验研究,利用硫——铝还原法从石英石中制取粉末状多晶硅,但如何进一步熔炼出硅单晶,尚无任何进展。同年,中国拥有了第一台自己的半导体收音机,使用的7只三极管和2只二极管全部是国外产品。


第一块集成电路

1959年,赫鲁晓夫正式表态停止对中国的一切援助。在中国半导体材料之母林兰英的带领下,我国冲破西方禁运,拉出了硅单晶。掀起一波中国半导体自主热潮。

1960年,美国人发明平面光刻技术,仙童公司随即开发出全球第一块晶体管集成电路。601实验所拉制成功第一根硅单晶棒,纯度达到了7个9。中科院半导体所和河北半导体研究所(现中电13所)正式成立。


显微镜下的晶体管集成电路

1964年10月以原冶金部有色金属研究院338室和沈阳冶炼厂高纯金属车间为主组建的我国第一家集半导体材料科研、试制、生产相结合的大型企业—峨嵋半导体材料研究所,现直属东方电气集团。

1965年,摩尔定律诞生。王守觉院士在一块约1平方厘米大小的硅片内,刻蚀了7个晶体管、1个二极管、7个电阻和6个电容的电路,我国第一块集成电路由此诞生。

1966年,国家设立了应用日本设备和技术的740(洛阳单晶硅厂),随后又建了739(四川峨眉半导体材料厂)和741(陕西华山半导体材料厂),这为后来我国硅行业的发展培养了大量骨干人才,是我国硅行业发展的“黄埔军校”。

1970年费德里科·费金加入英特尔公司,开发了第一台单片机中央处理器(CPU)——英特尔4004,这块芯片只有2300个晶体管。


Intel的4004芯片

1966-1976年,文革十年。北京878厂,上海无线电19厂,永川半导体所(24所前身),相继成立,并完成PMOS,NMOS,CMOS研制。但与大国间的差距逐渐拉大。纵观六七十年代取得的成绩钱学森的话发人深省:20世纪60年代,我们全力投入“两弹一星”,得到很多;70年代我们没有搞半导体,为此失去很多。当我们关上大门时,中国半导体只落后世界5年;当中国再次回到世界,已经落后20-30年。

在集成电路发明之后仅仅几年,日本就推出超大规模集成电力计划(VLSI),竞争手段简单粗暴又实际高效:永远比Intel便宜10%。日本人迅速在美国发明的市场中杀出一条血路。

80年代,日本半导体产值超越美国,打得行业鼻祖Intel宣布退出存储器市场。美国分别从立法、产业政策、直接干预、贸易战等多个角度,组织了针对日本的狙击。对日贸易谈判,以100%的关税及各项条件相胁。最终日本承诺自行对半导体产品管制,减少产量,提高价格。

90年代正是计算机产业井喷发展的时候,日本的限产限价,为韩国发展半导体提供了极大的便利。1994年,韩国推出了《半导体芯片保护法》并不断加大研发投入,最终顺利站在世界半导体第一梯队。

20世纪末,由于国防能源危机的影响,世界各国都开始发展绿色能源,特别是太阳能光伏产业,带动了多晶硅价格飞涨,这一商机引起了2000年以后的全国多晶硅热,各单晶硅厂也纷纷布局多晶硅生产。国内单晶也逐步向光伏端迅速发展,这也减缓了半导体行业的国产单晶之路。保守估计,目前95%以上大尺寸硅片依赖进口。

英伟达A100 GPU

在摩尔定律的驱动下,从第一根晶体管到前不久英伟达发布全新专业级GPU 集成超540亿个晶体管。硅片尺寸呈现从6寸—8寸—12寸的路径变化。1980年代是4英寸硅片占主流,1990年代是6英寸占主流,2000年代是8英寸占主流。目前12英寸市场处于爆发期,国内厂商也纷纷布局市场缺口最大的12英寸硅片,希望能改变国内半导体大硅片完全依赖国外的现状。
 
标签: 晶体 晶硅 单晶硅

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