集成电路

微电子技术的发展是以集成电路技术的不断完善作为先导的。集成电路既是电子计算机、通信设备和电子消费品等现代电子装置的基本部件，也是武器自动化系统的关键部分，然而，它在技术上的突破又有赖于材料和工艺上的一系列革新。

1833 年，英国科学家法拉第在实验过程中发现：电通过铜、银一类物质时，温度越高，电阻越大；相反，如硫化铁这样一种导电性不好的材料，温度越高，导电能力却越强。纯铜、纯银和其他许多金属都是电的良导体，而硫化铁的导电能力却很低，这究竟是怎么回事呢？

大约一个世纪以后，人类才有能力来回答这一问题：原来，许多材料都具有半导体的性能，“半导体”一词开始进入了科学领域。科学家花在半导体材料上工夫最多的要数硅了，尤其是最近几十年内，大部分技术都集中在制造掺有少量其他元素的高纯度硅上面。

硅的原料是石英，也是沙子。尽管从表面上看，制造一块硅片所需的劳

动微乎其微，所需的资金也微乎其微，但是，在它上面投入的信息、知识量却大得惊人，可以说，一块硅片便是一部积累了人类几千年知识的史书。正是这种知识的积累，才使一块重量不到一克的硅片成为强大的电子计算机的“大脑”，具有创造无数价值的潜力。

半导体收音机是最先大规模使用硅材料晶体管的产品之一。它的制造方法也和过去制造电子管收音机一样，先取一块金属底座，在底座上安装各种电子元件——电阻、电容器、变压器、晶体管等，然后用电线把它们全部接通，这个过程非常缓慢，犹如用纸和笔计算一长串数字一样，有没有更好的办法呢？有！这就是印刷线路板。

大约在 1960 年，这种办法开始发展成为将导体材料“放”在硅圆片上，这个硅圆片就是“芯片”。芯片的制作过程是从形成大块高纯度的晶体硅开始的，然后将圆柱体的纯硅像锯圆木那样锯成刀片一样薄、手掌那样大的圆片；接着，对圆片进行一系列加工，使之表面和内部具有必要的电子特性，再将各种不同的图案光刻到各个圆片上。实际上，每个硅圆片上的几百个图案全都是一样的，即都是一个个很小的方形单元，每个单元边长只有一两毫米，但是，它们却都包含着几万个微小的电子“通一断”开关，这就是所谓的“微处理机”。最新技术是使用原子束、电子束和 X 光束，把上百万个电子元件“安装”到一块芯片上去。

这也就是集成电路的“集成”方法。

1959 年，美国科学家申请了第一个集成电路的专利权，从而带动了“电脑芯片”的发展。集成电路的种类很多，按结构和工艺划分，大致可分为半导体集成电路、薄膜电路、厚膜电路和混合集成电路 4 种；从外壳材料上分，

有金属、塑料、陶瓷 3 种；还有一种线性集成电路，它是按集成块里的电路划分的，分为直流运算放大、音频放大、中频放大、宽带放大等多种，应用领域十分广泛，计算机、通信设备、电源、控制装置中都少不了它。

集成电路从它诞生之日起，就以硅晶体为主要材料，科学家们预测，到20 世纪末，硅的这种基础地位仍不会发生根本性的改变。但是，随着对速度和集成度要求的提高，硅材料的局限性也逐步暴露出来，于是，人们又开始广泛探索以新半导体材料取代硅晶体的可行途径。1978 年，美国贝尔电话研究所发现，砷化镓化合物半导体晶体的电子迁移速度比硅半导体快五六倍，这一发现引起了许多国家半导体技术界的极大反响。美国、日本和西欧等相继展开了对砷化镓等化合物半导体及其电路技术的研究。如今，只有一些中小规模的砷化镓集成电路达到实用化水平，一些国家已开始在卫星通信、移动通信和光通信或计算机上使用，而大规模和超大规模砷化镓集成电路尚处于研制阶段。

至今为止，所有实用硅集成电路都是二维平面的结构，在这方面，线宽已进入亚微米，预计到 20 世纪末可达到 0.1～0.2 微米数量级。目前，科学家已研制成功 6000 兆位贮存器芯片，以及 32 位微处理器，这种微处理器上

有 60 万个晶体管，每秒钟能执行 6600 万个指令。但是，这些技术发展的潜力不会是无限的，如果再进一步紧缩元件之间的距离，只在平面上提高集成密度，将会出现热电子产生源、漏穿孔、发热等一系列技术障碍。为了探索新的出路，专家们提出了多层立体化结构的设想，也就是所谓的“三维集成电路”。

今天，科学家正在研制的三维集成电路大体分为两类：一类是多层高密度集成电路，另一类是多层多功能集成电路。

1991 年 10 月，日本的《日刊工业新闻》报道，日本三洋电机公司超大规模集成电路研究所已制成五层构造的三维线路器件，这种器件的目的是将平面型半导体积层，以提高芯片的器件密度。三洋电机公司的方法是加热到摄氏 600 度，使单晶的种晶在绝缘膜上以横向蔓延成长，最终在衬底全面形

成单晶。同样的工序重复 5 次，即可制成五层构造的三维线路器件。

同传统的利用电信号传递信息的集成电路相比，光集成电路具有更高的信息处理能力，因而成为全世界科学家的另一个研究方向，在这方面，日本德岛大学的一个科研组已研制成功光集成电路，在世界上名列前茅。这个科研组首次将砷化镓稳定地覆盖在硅片表面，成功地解决了因热膨胀系数不同致命名使发光元件变形受损的难题。他们在厚 5 微米、0.5 毫米见方的发光元件与硅片之间分区留出 0.5 微米的间隙，这就减小了砷化镓与硅的接触

面，有效地阻止了砷化镓的变形，并可使发光元件连续 2000 小时发出红外光。这一成果为光子计算机的问世，奠定了物质基础。