互动科普

硅基逻辑芯片在现代生活中之常见，犹如在生日集会上的生日快乐歌既可由参加集会的客人唱出,也同样可能由生日音乐卡唱出一样。尽管硅技术取得了如此深远广阔的成就，但多年来—些研究人员一直强调硅器件正在接近其物理性能上的极限。他们担心这种传统器件已经无法达到更高的速度，除非将硅电子器件缩小到一个点，而在这种情况下，这些器件已无法再具有任何功能。如果事情果真如此，在电子器件方面需取得新的进展就需依靠硅的替代物的发现，而庞大的电子器件制造业也将面临一个极其困难和耗资巨大的转变时期。硅真像很多作者和研究人员所宣称的那样，已经步入其晚年时期了吗?

就像马克·吐温的描写一样．这种关于硅技术必须让位的报告是大大地夸大了。同IBM研究和制造部门的一组人员密切合作，本文作者已经探索出了一些通过改变芯片成分来提高硅电子器件性能的方法。在过去，硅电子器件在速度和多用性方面所取得的惊人改进大部份是由电路的微型化所带来的。我们的注意力则不是放在这种微型化上，而是代之以使用能使电子急剧提高通过电子器件的速度的材料，这就为改进高速性能提供了另外一条途径。我们的研究结果已经证实。一种硅和锗(两者都是著名的半导体元素)的合金能够作为速度极高的各种晶体管的基本成份。晶体管是在各种现代电子器件中处于核心地位的一些简单的开关。

这些新近研制成功的电子器件所达到的开关速度曾一度被看成是在硅电子器件力所能及的范围之外的。除此之外，它们还能在各种现有的芯片生产线上制造，使在这类生产设施上所投入的数十亿美元资金得以保存下来。由于这些原因，我期待着在电子器件的设计中，硅技术仍将继续保持其统治地位。实际上，我估计硅电子器件很快就会重新担负起一些职能，而这些职能目前已经让位给另外一些更为奇异的材料。
    在与来自Analog Device公司的一组线路设计人员的密切合作下，IBM最近宣布已经推出了首批包含有高性能硅锗晶体管的商业电子产品。在今后几年中，这些以硅锗合金为主要成份的晶体管和其他电子器件可能会在多种产品中找到其用武之地，其中包括个人通讯设备和电子信号转换设备．它们能从正在美国全国各地迅速扩大的光缆网络中提取效字式数据。

决定计算机和其他电子设备工作性能的一个基本因素是其组成元器件的运行速度。在过去几十年中，取得更高运行速度的关键作法是使器件尺寸微型化。现代电子线路中最基本的器件是起简单的开关作用的晶体管，它的开关动作构成了整个数字计算机的工作基础。仔细看一看晶体管的构造情况就可弄清它们是如何运行的和为什么缩小它们的尺寸能改进它们的工作性能。这种观察还能说明为什么缩小尺寸的作法不能无限制地进行下去。

以硅为基础的电子器件采用了两种主要型式的晶体管，即双极晶体管和场效应晶体管。在场效应晶体管中，电流是从称作源极的地方进入并从漏极流出。电流循之流过晶体管的通道区域称作沟道。晶体管中有—个部份称作栅，由它控制通过沟道电流的流动。栅是通过产生一个电场来发挥其作用，该电场可以同沟道中充添或抽出电荷，以此使电流开始或是停止流动。当电流通过沟道流动时，晶体管就是开，在无电流流动时它则是关。

场效应晶体管具有—个显著的优点，就是它消耗的功率不大。要使这种晶体管运转，只需在栅极上加上某一临界电压，一当栅极上含有足够的电荷，就勿需用更多的电流来使晶体管维持其开启或关断状态。因此，除开关之时以外，场效应晶体管实际上不需消耗任何功率。由于这一原因，在那些要求消耗功率很小的场合中，这类晶体管是十分理想的，比如移动式计算机就是一个例子，更不用谈会唱歌的生日贺卡了。

与此相反，高性能计算机则主要是依靠双极晶体管工作，它能以高得多的速度运行，但其消耗的功率也同样要大得多。在最为普遍的一类双极晶体管，即NPN(负一正一负)型晶体管中，电子是从发射极区域流向集电极区域。当晶体管启动时，有少量电流被注入晶体管的基极区该电流使阻止电子流动的恒定内建能垒降低。随着能垒的下降，电流开始流过晶体管，使晶体管转为开的状态。流过晶体管的电流量与注入基极的电流量成比例，但比它大得多。

双极晶体管的基极必须带有足够的恒定电荷以维持能垒，从而使得在基极上不加任何外来电流时，晶体管能始终停贸在断开状态。技术人员造成这种内建电荷的方法是在晶体管制造过程中在硅材料内加进特定的杂质，即掺杂原子。根据掺杂原子的不同性质，他们可在硅内造成净的正电荷或负电荷。掺杂硅在带有过量负电荷时称作n型硅，而在带有过量正电荷时则称作P型硅。

双极晶体管的功能取决于其n型硅和P型硅之间界面上的电特性。在两个具有相同基本成份——在大多数情况下都是硅——但却具有相反掺杂型式的半导体区域之间的界面称作单质结。而在两种不同材料之间的界面则称作异质结。由于单质结的制造要容易得多，所以它在当前的电路设计中占据了统治地位。

晶体管的大小(不论是场效应晶体管还是双极晶体管)对其运行速度具有深刻的影响。举例来说，限制双极晶体管运行速度的一个主要因素是电子通过其基极所需的时间。如果基极的厚度有所减薄，则电子必须穿过的距离就会减小，晶体管开关的速率就能提高。而较薄的基极又使得整个晶体管的表面积可以缩小，较小表面积的晶体管可以布置得更加密集，从而通过减小电信号在各晶体管间必须穿越的距离，使整个芯片的性能得到提高。在场效应晶体管上，缩小尺寸也可获得与之相似的性能上的改进。
    由于这些原因，工艺人员一直在集中精力于制造出越来越小的晶体管。这种通过减小其关键尺寸来提高一种电子器件的工作性能的方法通常称为缩尺法(Scaling)。虽然多年以来缩尺法的应用已为以硅为主要成份制成的电子器件的运行速度和通用性能带来了诸多改进，但这种改进趋势并不能无限制地持续进行下去。考虑一下双极晶体管的性质就能明白为什么会存在这种限制。

缩尺使晶体管基极的厚度和体积都变小，因而掺杂密度必须提高才能使总的基极电荷保持不变。这实际上就意味着必须将同等数量的掺杂原子塞到越来越小的基极区容积里去。遗憾的是，一个界面两侧掺杂程度都非常高的硅单质结将不可避免地会漏泄电流。如果将NPN双极晶体管的尺寸不断地缩小下去。则基极中的掺杂密度最后会到达如此高的程度，以致在晶体管处于其“断开”状态时也会不断有电流流过，使其变得毫无用处。

芯片设计正在开始将缩尺法推向其天然的终极，因而研究人员已在积极寻求其他途径来提高电子器件的运行速度。缩尺法的实际限制确实是某些工程技术人员提出要硅让位给另一些更为奇异的半导体材料(例如砷化镓)的一条主要理由。然而，工业界为了制造以硅为主要成份的电子器件，在工艺装备和生产设施上业已投入数百亿美元。显而易见，如果能找到一种既不放弃硅，又能使其电子器件达到更高运行速度的方法将是极为有利的。

我的大部份精力正是集注在开发出这样一种改进的硅器件上。构成我目前一些成果的基础的实际上是一种很老的想法。在50年代中期，很多研究人员已经认识到，从原理上讲异质结能提供一种不是依靠缩小电子器件的尺寸，而是通过改变其基本电子特性的方法来提高晶体管的开关速率。一个异质结的两种不同材料中天然生成的电场能够对其界面相对两侧上的负电荷和正电荷产生的约束力。如果在结处的材料是逐渐地由一种成份改变成另一种成份，则在这一逐步变化区中可以内建起一个扩展的电场。

现在圣巴拉加利福尼亚大学工作的Herbert Kroemer于50年代末曾提出过利用在缓变异质结中生成的这种电场来推动电子，使其快速通过双极晶体管的基极。通过使电子更快她行进异质结可能比同样大小的单质结运行得快得多。Kroemer预见了好几种可能的能够加快晶体管运行速度的配对半导体材料，其中最有希望的配对为在侧使用硅，在另一侧使用锗。虽然这种想法似乎很正确，但在制造种可以工作的硅锗异质结方面所碰到的实际问题事实证明在当时是难以克服的。

当60年代一些研究人员研究出晶体取向接长，即外延生长时，一个很有希望的进展延生了。这种外延生长技术似乎十分适合于这种精密的制造任务。在外延生长过程中，一层层的原子被沉积到一块结晶状材料上。底下的晶体，亦即基片，其作用犹如—块模板，因而新沉积上去的各层原子会取同晶体自身样的原子排列型式。

由于硅和锗具有相同的晶体结构，因此，一层其中之一的材料可以沉积到另外一种材料上，并保持相互—致的原子排列顺序。然而，锗晶体中的原子其天然间隔要比硅晶体中原子的天然间隔大百分之四。锗原子通常都会扩展到它们的天然间隔距离，不过，当它们被沉积到一个比锗沉积层厚得多的硅基片上时，它们会被其下面的硅锬定在与其相同的原子位置上．因此，沉积到块厚硅基片上的一层锗原子将要承受很大的应力。随着更多的一层层原子的沉积，这种应力将不断增大。

最后．为了消除这种应力，锗晶体中就会有缺陷出现。当一个缺陷出现之后，整排整排的锗原子被挤品格，从而使该沉积层中的余下的锗原子能够拉开相互之间的间距。在每100个顺着硅一锗结生长的锗原子中，有4个必须被挤到品格外面去，以便使晶体结构能够回复到完全松弛的状态。这种对锗原子的排挤能够在一块芯片那样大的面积上造成几万亿个缺陷．多得足以使它不能正常地发挥其功能。

减少晶体中这种应力的一种方法是在硅基片上生长一层硅一锗合金而不是一层层纯粹的锗原子。这种合金具有一种位于硅原子和锗原子之间的特定原子间隔。然而，制作这种合金薄层仍然要求极高的技术，因为即使是混合的硅一锗结构，如果层的厚度太大或者锗的含量过丰，也会有缺陷形成。

硅和锗晶体之间，在原子间隔上的这种不一致(称作晶格失配)，事实证明是极难克服的。80年代初期．在这些方面的大部份努力都是依靠一种称作分子束外延的技术。在这种方法中，研究人员是在钢质密封室中生长晶体薄膜．室内抽成真空，其压力不到大气压力的万亿分之一。硅基片就放置在真空室中．并被加热到1100摄氏度或更高的温度。这种灼热的温度能使杂质从硅中蒸发出去，留下纯净的表面供膜层生长。

在进行高温洁净之后，技术人员让表面作某种冷却，接着在硅基质上沉积一纯硅隔离层，以将任何残余污染物埋住。硅和锗的原子则由设在装置底部的硅和锗的熔化池提供，成束的硅和锗原子被引向基质以生成所需的薄膜。这些原子憧击硅基质并在其上集聚成晶体层。

为了减小晶格失配所造成的应力．研究人员集中精力于试制含锗少于30％的硅一锗合金层。分子束外延最终使这种中等程度的无缺陷异质结的制造成为可能，不过，它们的质量仅仅足以作为实验室的实验电路使用。

因此，有些研究人员放弃了依赖分子束外延，转向采取另一种方法，即化学蒸镀法。这种方法用的是含有所需原子(在本例中为硅和锗原子)的气体分子。这种分子构成的气流将硅和锗原子带到基质表面，在此它们聚集并形成新的结晶层。这种在数十年前即为人们熟知的方法在很多方面都比分子束外延方法来得简单。

化学蒸镀法最大的缺点就是它需要很高的温度；在开始的洁净期间需1100摄氏度．薄膜生长时需1000度。在这种强烈的加热之下．硅一锗合金之类有内应力存在的材料会迅速变成有缺陷的，除此之外．高温还会使精确布放掺杂材料成为不可能。在800摄氏度以上的温度下．硅和锗中的掺杂原子会从它们原来所在的位置迅速扩散开去。只要这一制造过程需要用到这样高的温度．化学蒸镀就无法在硅和硅一锗合金之间制造出可用的异质结来。

包括本文作者在内的很多研究人员都曾寻求一种能在较低温度下进行化学蒸镀的方法。我们的努力集注在这一工艺过程中两个似乎必须使用很高温度的基本工序，亦即薄膜生长之前的硅片表面净化工序和无缺陷薄膜生长工序上。

净化工序的主要目的是除去硅的氧化物，它们是纯净的硅与空气或水分接触时形成的。由于氧化硅不具备晶体结构，不将它们除去就会阻碍外延生长。除此之外，这些硅的氧化物还能将一种硅的掺杂材料——硼从空气中吸取出来，使其以能造成巨大损害的浓度聚集在硅片表面上。在室温条件下，氧化硅能在硅的表面生长到大约10个原子层的厚度，随后，这层氧化硅就能作为一种隔离层来保护它下面的硅，使其不再与空气进行化学反应。

很久以来，科学家们就已知道，将硅片浸到氢氟酸中可以去除氧化硅面层，但普通常识认为，当硅重新暴露到空气中后其表面又会立即重新生成氧化硅。因此，在外延生长所采用的所有方法中都包含了一个在高温下烘烤硅材料的步骤，即使对表面上的氧化硅已经用氢氟酸进行过化学脱除氧化层处理也是如此。我怀疑这种普通常识是否一定正确。

在读研究生期间，我曾在处理硅片上花过很多时间，最后不可避免地也会将其中的某些扔掉。在用水冲洗硅片时，我曾注意到硅片并未变湿，水珠只是从它的表面上滚落下来。我知道氧化硅是吸水的，因此，如果硅片表面不被湿润，那就表明其氧化硅表层还未出现。然而在很多情况下，硅片在经用氢氟酸浴洁净之后已经过了好几个小时。看来，氧化硅面层要经过相当一段时间才能重新形成。

在参加IBM公司之后，我研究过有关这方面的一些过去的文献，并找到了氧化硅会立即生成的误解的根源。多年之前研究人员使用的是一些粗糙的光学检查工具，当他们认为他们探查到了氧化硅时，实际上他们观察到的只是在用氢氟酸浴洁净硅片之后所形成的氢的薄层。现代的化学选择探测方法已经确定，硅在经过氢氟酸浴处理之后，能保持很多小时无氧化物生成。附着在硅材料上的氢层能保护硅片的表面，使它不与空气接触，从而延缓氧化硅的形成。这种保护层消除了在外延生长中对高温准备步骤的需要。事实上，氢氟酸表面净化处理不仅仅是可以使用低温，而且它还必需使用低温，因为高温会将氢层除掉。

下一个难题是找出一种能在相对较低的温度之下生长出高质量薄膜的方法。硅外延生长方面早期的研究工作表明，沉积薄膜中缺陷的数量随着温度的下降而急剧增多。在化学蒸镀过程中一般均会有杂质存在——特别是氧和水，它们在低温下要比在高温下容易进入薄膜得多。这些杂质在生长的薄层内能够相互聚集成簇，在材料中造成缺陷。

克服这一问题的明显办法是降低蒸镀室中无关原子的浓度。实验室中进行的一些实验表明，在700摄氏度以下生长出无杂质的薄膜将要求极高的真空条件，虽然它并不比分子束外延生长所要求的真空条件更为严格。

怎样才能从晶体生长装置内部将可能存在的各种污染源排除出去?在IBM，我们是用专门的真空泵和各种密封装置来排除这类污染杂质的。用这种办法，我们能在便宜的玻璃管内达到极高的真空程度，在玻管四周设有加热炉以提供外延生长所需之热量。这种安排保证了装置不会带来足以影响薄膜生长的杂质。专用的气锁还使得我们能够给生长室装料而又不使它接触外界的空气。这一特点是很重要的，因为从空气中带来的污染物质会紧密地粘附在室内，需要相当长的烘烤时间才能使它们脱落并将它们抽吸出去。

在化学蒸镀期间流过蒸镀装置的含有硅和锗的气体可能是另一种污染源。我们使反应器中的压力保持在极低状态，通常在大气压力的百万分之一左右，以将以这种方式进入蒸镀室的外来杂质减到最少限度．因此，我们将我们采用的这种方法称作超高真空化学蒸镀法。

由于这些方法能使生长室内保持极度洁净的环境，我们可以使炉子在比常规外延生长所使用的低得多的温度下运行。我所在的IBM研究小组发现，摄氏4O0到50O度这种温度就足以制备出高质量硅和硅一锗合金薄膜。

由于能够在这种不太高的温度之下制造出异质结．人们可以开创出许多复杂高级而又灵活多用的芯片类型来。比如说，可以在一种事先已为芯片最终需要具备的种种电子元件准备好了全部恰当化学区域的硅片上生长出硅一锗层，这种印刷化学区型使人们有可能制造出具有极高晶体管或其他电子元件密度的芯片来。传统外延生长技术所使用的高温会使任何这类预印制区型发生严重畸变。

我自己独立地完成了很多这种超高真空化学蒸镀方法的初期开发研究工作。接着，从1988年开始我同其他很多专家一起，着手利用上述方法制造能够实际工作的高速双极晶体管的更为困难得多的研制任务。我们到处去敲那些我们认为具有冒险精神(更不用说幽默感)的同事们的门，以便使我们能从这种前途未卜的研究工作中所不可避免地会发生的种种困境中解脱出来。最终我们总算建起了一支队伍，这支队伍一往无前地打破了硅电子器件的全部原有性能纪录。

我们从利用低温外延生长制造单纯由硅构成的单质结开始。制出的这些简单电子器件工作完美，表明我们所用的方法是正确的。从1989年开始，一组IBM的研究人员制造出了一系列NPN双极晶体管中的第一批，这些晶体管实现了Kroemer在硅和硅一锗合金之间的缓变异质结的设想。尽管在这种合金中，锗的含量还不到4％，这些晶体管却已经超过了硅晶体管所能具备的性能。在这种新型晶体管中内建的电场(沿基极方向为每厘米约8O0O0伏)对电子的加速是如此强烈，以致它们穿过晶体管基极的时间仅需在常规纯硅晶体管中所需时间的一半。

衡量双极晶体管性能的一般标准是看它的增益(晶体管转换的电流与开通晶体管所需电流之比)对开关频率的依赖情况。在计算机内的典型应用场合中，常规双极晶体管的增益可以达到大约100。在较高开关频情况下，增益会变得越来越小，当增益降到1时，晶体管就会变得毫无用处，因为此时开通晶体管所需输入之电流等于晶体管输出之电流，在这种情况下．晶体管的作用仅相当于一条简单的导线。

技术人员测定晶体管速度的方法就是看它的增益在降低到接近1之时其打开和关断的速度能有多快。我们在1989年制出的第一批缓变异质结的开关速率为75千兆赫(每秒钟开关750亿次)，是与之类似的速度最快的硅晶体管的开关速度的将近两倍。在IBM更近时期进行的研究工作已将异质结的开关速度推进行了110到117千兆赫这一范围，这种速度水平在先前曾被认为是利用硅材料所不可能达到的。在后继试验中，我和我的同事们已将这些晶体管接入完整的电路，这些电路均能以创纪录的速度运行。这是一些很重要的试验，因为高速晶体管在被接入实际电路之后，常常会表现出低得多的实际工作性能。

IBM和Analog Devices公司之间的一项合作研究目前正在将这种电路引入市场。在去年于华盛顿举行的国际电子器件会议上Analog Devices公司报告说，该公司不久将开始销售以硅一锗合金为基础的电路系统，该系统包括一个数字—模拟转换器，它是家用电子设备的一种主要部件。这种硅一锗转换器能以每秒10亿次转换这种创纪录的高速率将数字式数据转化成电子式输出。它的速度能与用砷化镓结制成的最好的这类电路的速度相匹敌，而它运行时所消耗的功率却仅为后者的几分之一。

在探索不采用缩尺法而达到更高性能的途径的过程中，具有商业应用价值的硅锗集成电路的问世是一个重要的里程碑Analog Devices公司的工程技术人员目前已在探讨硅一锗电子器件的其他各种用途，如能处理极高速数据流的数字式无绳电话等。对于将从光缆传来的数字式数据转化成电话或电视用的模拟信号来说，数字一模拟转换器是不可或缺的器件。因此．速度更快的数字一模拟转换电路有可能会加速数字式数据网络的进入家庭和商务领域。对于正在日益普及的移动式通讯设备来说，这种转器也将成为其核心部件。

在今天，硅锗技术仍然处于其成长发展的阶段。设计人员还需对很多现有的电路设计作出修改，才能充分利用这种新器件在速度上的优势。到目前为止，在将相当数量的高性能异质结双极晶体管组合进集成电路方面，IBM还是显示出具有这种能力的唯一一家公司。我的研究小组已经表明，硅锗材料同样也能大大提高场效应晶体管的性能，不过，我们还不能将这种晶体管集成到比较大的电路之中。总有天，这种技术将使多种功能(发射功能，信号转换功能、接收功能)综合到单独一块芯片之内成为可能。如果事情果真如此，则“DickTracy”型双向手表式电视之类的各式各样奇妙玩意几都将会从幻想变为现实。

最近，Lenbold—A．G．公司已开始对我们的超高真空化学蒸镀装置进行商业化定型产品制造。工程技术人员在已有标准化生产设备供他们使用之后，现在已可集中精力于开发越来越复杂的电路和探索拓宽可以综合到单独一块芯片上的硅一锗异质结电子器件类型的途径。达此目的仅是一个时间问题——而且可能是个不需太长时间的问题，此后，各式各样新颖奇妙的电子器件都将是它结出的累累硕果。

早些时候，由于面临着缩尺法所具有的种种限制，很多研究人员曾错误地得出结论，认为作为一种电子材料，硅已经走到了它生命的尽头。在这种观点的全盛时期，我曾在—位同事的办公室里看到一幅挂在墙上的广告画，画中描述的是辆汽车的尾灯，它正在车轮扬起的滚滚浓尘中逐渐消失，画上的说明为：“砷化镓已将硅远远抛落在尘埃之中。”事情正好相反，我敢说我们的研究小组已经表明，在这场竞赛中硅仍将大有作为，打赌说它不会有长远的成功将是一笔下错的赌注。