chất rắn có thể thay đổi tính dẫn điện khi có hiện diện của một trường điện bên ngoài
năm 1876 WG Adams xuất bản bài viết Hành vi của ánh sáng trên vật liệu seleni
năm 1935 tiến sĩ Oskar Heil vật lý Đức (ảnh dưới) nộp đơn đăng ký bản quyền một thiết bị khác, nhưng cũng không có bằng chứng cho thấy một thiết bị thực tế đã được chế tạo
giữa năm 1945 Shockley và đồng sự Gerald Pearson (ảnh dưới) thiết kế một thí nghiệm để thử và tạo nên thiết bị này
thí nghiệm, Shockley đặt một điện áp lên đĩa kim loại; dự kiến là một dòng điện mạnh sẽ chạy qua, đến vật liệu bán dẫn
khi Shockley thực hiện thí nghiệm, ông nhận thấy hiệu ứng thực tế đã yếu hơn kỳ vọng
Bóng bán dẫn đầu tiên
năm 1948 Bell Labs công bố bóng bán dẫn tiếp xúc điểm, gồm hai điểm tiếp xúc kim loại, chạm bề mặt của germani đã-được-xử-lý-hoá-học
William Shockley quay xe khỏi ý tưởng 'hiệu ứng trường' của mình, và dựa theo ý tưởng 'pha tạp hạt mang điện thiểu số' [minority carrier inject] ông đã tạo nên bóng bán dẫn lưỡng cực
Mối nối lưỡng cực
bóng bán dẫn lưỡng cực đầu tiên được làm từ một tinh thể germani duy nhất có 3 khúc là cực gốc, cực phát và cực thu
cực phát và cực thu sẽ được làm từ cùng germani được pha tạp kiểu-dương hoặc kiểu-âm, trong khi kiểu ngược lại sẽ pha tạp cho cực gốc rất mỏng; vậy nên, có hai vách ngăn, còn gọi là những mối nối P-N, giữa cực gốc với cực phát và cực thu
gọi là 'lưỡng cực' bởi vì khi thiết bị hoạt động, cả electron và lỗ-trống sẽ đi qua cực gốc
Bóng bán dẫn hợp kim
năm 1952 General Eletric công bố một kỹ thuật mới: pha trộn hai viên indi, to chỉ 1 milimet, ở 2 phía một lát germani mỏng; có thể gióng bằng những chấm nhỏ
bóng bán dẫn hợp kim đã truyền cảm hứng cho Shockley trở lại ý tưởng 'hiệu ứng trường'
năm 1951 Shockley có ý tưởng 'nhét' [pinch off] dòng điện đi qua vật liệu bán dẫn: chế tạo một thanh vật liệu bán dẫn, cực nguồn ở một bên, cực máng ở bên kia, ở giữa có kênh và một cặp cổng ở hai phía của kênh
áp một điện áp nhất định lên cổng, sẽ tăng lên một vùng nghèo [depletion region] trong vật liệu bán dẫn; vùng nghèo sẽ giống như một khoảng không trống rỗng, không có electron hay lỗ trống, sẽ hành xử như một vật liệu cách điện
Thụ động hoá
mới đầu General Electronic, Bell Labs và Texas Instruments ưa chuộng bóng bán dẫn lưỡng cực; John Bardeen đã đúng về sự tồn tại của những 'bẫy' trên bề mặt của vật liệu bán dẫn đã khiến 'hiệu ứng trường' không hoạt động tốt như mong đợi
ở bóng bán dẫn lưỡng cực và bóng bán dẫn hiệu ứng trường mối-nối, hạt mang điện (electron hoặc lỗ-trống) đi qua toàn bộ vật liệu; phần nào bỏ qua được những hiệu ứng bề mặt
dưới hiện diện của một trường điện, những liên kết lắc lư sẽ tiếp nhận electron, can thiệp vào đặc tính dẫn điện của vật liệu bán dẫn
nếu tăng trưởng một lớp silic ôxit lên trên silic, sử dụng nhiệt, ôxy và nước, ta sẽ có thể 'thụ động hoá' những liên kết lắc lư này và ngăn chúng xen vào khả năng dẫn điện; tức là 'thụ động hoá' silic bằng silic ôxit sẽ làm ổn định bề mặt, để hạt mang điện đi dọc theo nó
sau rốt, báo cáo của Mohamed về thụ động hoá bề mặt silic đã khiến Jean Hoerni chú ý, một trong '8 kẻ phản bội' ở Fairchild
Atalla và Kahng
Atalla xem lại một số thiết kế đã thực hiện những năm trước bởi đội ngũ Shockley, và đã đề nghị sử dụng silic ôxit làm cổng ôxit cho một sản phẩm bóng bán dẫn hiệu ứng trường
ở Bell Labs, Atalla tuyển dụng sinh viên cao học Dawon Kahng, sinh ra ở Seoul và đến Mỹ lấy bằng tiến sĩ ở trường đại học Ohio, thực hiện ý tưởng trên
năm 1960 họ trình làng kết quả ở một hội thảo, lưu ý tiềm năng hữu ích cho mạch tích hợp, bấy giờ mới được phát minh cách đấy 2 năm; bấy giờ phát minh ấy chưa có tên, bài viết chỉ nhắc đến khái niệm những bề mặt silic và silic đi-ôxit, gọi là 'thiết bị bề mặt silic-silic-điôxit'
Bề mặt silic và silic điôxit
giữa cực nguồn và cực máng sẽ có một xếp chồng 'cổng' được làm từ một cổng nhôm nằm trên một cổng silic đi-ôxit đã được tăng trưởng nhiệt, tất cả nằm trên một nền, làm từ silic kiểu-âm hoặc kiểu-dương lần lượt gọi là NMOS và PMOS; cùng nhau, PMOS và CMOS làm nên bóng bán dẫn ôxit kim loại bù [CMOS complimentary metal oxide semiconductor] là công nghệ bán dẫn tiết-kiệm-điện đột phá của châu Á, nay là thiết kế phổ biến của tất cả thiết bị logic kỹ thuật số
khi đưa một điện áp vào cổng, nó tạo ra một điện trường, đẩy những hạt mang điện tích cùng dấu của silic đã-bị-pha-tạp, đồng thời hút những hạt mang điện tích trái dấu
khi đạt đến điện áp ngưỡng, có đủ những hạt trái-dấu được mang đến bề mặt, để dẫn một dòng điện từ cực nguồn đến cực máng; đây là kênh
đảo ngược hỗn hợp electron hoặc lỗ-trống trong lớp bề mặt của vật liệu bán dẫn, cho nên gọi tên là 'kênh bề mặt đảo ngược' [inversion surface channel]
silic nền sẽ phải rất sạch, và cổng ôxit silic sẽ phải tinh khiết
Quá sớm
năm 1960 hội thảo đã hưởng ứng Bell Labs trình làng bóng bán dẫn mối-nối sử dụng tăng trưởng epitaxy, một hình thức tăng trưởng hơi; một đột phá sản xuất, cải thiện lợi suất và hiệu năng của bóng bán dẫn mối-nối
công ty Crystalonics quảng cáo những JFET, những công ty Pháp chào bán Technitron là một phiên bản nữa
bấy giờ, ghi chép kỹ thuật của Kahng (ảnh dưới: trái) lưu ý thiết bị không ổn định, giữa sản phẩm đúc [fabricate] thử lần này và lần khác; ngành linh kiện bán dẫn cũng đang tập trung vào bóng bán dẫn lưỡng cực, đáng tin cậy hơn
Kết cục
John Atalla bất mãn với Bell Labs và bỏ sang Hewlett-Packard, giúp sáng lập phòng thí nghiệm nghiên cứu và chỉ đạo dự án thể-rắn
RCA
năm 1960 ở hội thảo, RCA nhận ra rằng thiết kế bóng bán dẫn của Atalla và Kahng có giá trị so với bóng bán dẫn lưỡng cực: trước tiên, thiết kế bóng bán dẫn ôxit kim loại bù sẽ thu-nhỏ [scale] tốt, về mặt vật lý; bóng bán dẫn lưỡng cực sẽ bị trễ tín hiệu, nếu thu nhỏ kích thước
thứ hai, bản thân thiết kế sẽ bảo vệ 'cổng ôxit' nhờ có 'cổng kim loại' đậy lên
thứ ba, đúc [fabricate] bóng bán dẫn ôxit kim loại [MOS] sẽ cần ít bước hơn bóng bán dẫn lưỡng cực; vì căn bản là một bóng bán dẫn phẳng, sẽ có thể nhét thêm lên trên một miếng silic duy nhất
RCA bổ nhiệm một nhóm cho nỗ lực MOS
Fairchild
năm 1957 Hoerni viết ra ý tưởng sử dụng silic ôxit để bảo vệ những mối nối PN, cắt những hố vào nó, nếu cần, để bổ sung những tính năng khác của bóng bán dẫn
năm 1959 Hoerni trình làng 'tiến trình phẳng'
bấy giờ Fairchild sản xuất bóng bán dẫn Mesa (núi mặt bàn)
sau khi ứng dụng 'tiến trình phẳng', Hoerni gọi tên bóng bán dẫn Mesa đã-chỉnh-sửa mới là bóng bán dẫn phẳng (không phải MOSFET phẳng)
Frank Wanlass của đội ngũ nghiên cứu phát triển Fairchild, lần đầu nghe đến MOSFET từ công việc của RCA khi Frank đang làm nghiên cứu sinh, đã đúc MOSFET ở Fairchild, sử dụng 'tiến trình phẳng'
tháng 10 năm 1962 phòng tiếp thị của Fairchild đưa ra cái tên MOSFET, mặc dù năm 1959 John Louis Moll (ảnh dưới) ở Bell Labs đã đưa ra thuật ngữ MOS
RCA quảng cáo sản phẩm của mình là IGFET; khiến một thời gian, ngành lưỡng lự giữa hai cái tên IGFET và MOSFET; MOSFET giành chiến thắng vì thuật ngữ IGFET quá khó phát âm
Tin cậy
năm 1963 đến 1966 những sản phẩm MOSFET thuở đầu hoạt động không tốt: những vấn đề độ tin cậy, cổng ôxit bị hư hỏng, bóng bán dẫn không hoạt động tốt như bóng bán dẫn lưỡng cực
năm 1966 đến 1968 một loạt phát hiện đã thấy rằng ion natri đã lọt vào 'cổng ôxit' sau khi đúc [fabricate], khiến thiết bị hư hỏng sao ít năm
vậy nên, Fairchild thêm một lớp phủ [overcoat] silic nitride lên toàn bộ con chip
Hiệu năng
xét về tốc độ, nhiều mạch tích hợp dựa-trên-bóng-bán-dẫn-MOS mới đầu đã thua kém bóng bán dẫn lưỡng cực; IC MOS cũng bị ngưỡng điện-áp cao
vấn đề nằm ở những cổng kim loại của MOSFET
cuối thập niên 1960 sản xuất MOSFET, bắt đầu là một bề mặt wafer silic, sau đó tăng trưởng một lớp ôxit dày 1 milimet lên trên bề mặt của wafer silic; gọi là 'ôxy hoá mặt' [field oxidation] sử dụng tiến trình ôxy hoá nhiệt [thermal oxidation] - căn bản đưa wafer vào một lò nướng, với nước và ôxy
sau đó, sử dụng in thạch bản ánh sáng để in thiết kế những cực nguồn, cực máng và kênh
sau đó, biết vị trí của cực nguồn và cực máng, ta sẽ pha tạp những vùng ấy; bấy giờ người Anh chưa thương mại hoá công nghệ cấy ion, ta cần sử dụng khuếch tán - đặt wafer vào một lò nung nhiệt độ cao, sau đó lấy tạp-chất [dopant] thường ở dạng lỏng, nung lên với ôxy, tạp-chất sẽ phản ứng với ôxy và khuếch tán vào bề mặt silic
sau đó, sử dụng những tiến trình khắc-axit [etch] để cạo một lỗ trong lớp ôxit trường, nơi đặt 'cổng'
sau đó, tăng trưởng một lớp silic đi-ôxit mỏng, tinh khiết ở trên nền silic; lại sử dụng tiến trình ôxy hoá nhiệt
sau đó, lắng đọng 'cổng kim loại' thông qua 'bay hơi'
Gióng lệch [misalign]
nhôm là kim loại có nhiệt độ nóng chảy 660 độ C, nhưng việc khuếch tán silic sẽ cần nhiệt độ 1000 độ C; cho nên phải làm cực nguồn và cực máng, trước khi lắng đọng 'cổng nhôm'; sẽ cần gióng 'cổng nhôm' ngay trên vị trí kích-thước-nanomet nơi đặt kênh, một cách nhất quán
các hãng sản xuất MOS đã làm 'cổng' lớn hơn cần thiết, để đảm bảo được gióng với kênh, vấn đề mới là đôi khi 'cổng' sẽ đè lên cực nguồn và cực máng
Cổng silic đa tinh thể
'đa tinh thể' ở đây là những nguyên tử silic sẽ không được bố trí theo một định dạng tinh thể duy nhất
thay thế 'cổng nhôm' bằng một cổng silic đa tinh thể đã-được-pha-tạp-mạnh cho phép những hãng sản xuất linh kiện bán dẫn có thể làm xếp-chồng cổng, trước khi làm cực nguồn và cực máng
làm xong 'cổng', nó sẽ được dùng làm định vị vị trí cho cực nguồn và cực máng; silic đa tinh thể có nhiệt độ nóng chảy cao hơn nhôm, chống chịu được nhiệt độ 'khuếch tán'
'cổng' được tự-gióng vào những vùng đã-được-pha-tạp, nên công nghệ được gọi tên là 'cổng tự-gióng' [self-aligned gate technology]; giảm ngưỡng điện áp của MOSFET, và tăng tốc độ gấp 3-5 lần
bốn hãng General Electric, Hughes Aircraft, Bell Labs và Fairchild Semiconductor cùng trình làng công nghệ cổng tự-gióng
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét