Идею интеграции множества стандартных электронных компонентов в монолитном кристалле полупроводника впервые предложил в 1952 году британский радиотехник . Год спустя Харвик Джонсон подал первую в истории патентную заявку на прототип интегральной схемы (ИС). Реализация этих предложений в те годы не могла состояться из-за недостаточного развития технологий.

В конце 1958 года и в первой половине 1959 года в полупроводниковой промышленности произошёл прорыв. Три человека, представлявшие три частные американские корпорации, решили три фундаментальные проблемы, препятствовавшие созданию интегральных схем. Джек Килби из Texas Instruments запатентовал принцип интеграции, создал первые несовершенные прототипы ИС и довёл их до серийного выпуска. Курт Леговец из Sprague Electric Company изобрёл способ электрической изоляции компонентов, сформированных на одном кристалле полупроводника. Роберт Нойс из Fairchild Semiconductor изобрёл способ электрического соединения компонентов ИС (металлизацию алюминием) и предложил усовершенствованный вариант изоляции компонентов на базе новейшей планарной технологии . 27 сентября 1960 года группа создала в компании «Fairchild Semiconductor» первую работоспособную полупроводниковую ИС по идеям Нойса и Эрни. Texas Instruments, владевшая патентом на изобретение Килби, развязала против конкурентов патентную войну, завершившуюся в 1966 году мировым соглашением о перекрёстном лицензировании технологий.

Не существует единого мнения о том, кто именно является изобретателем ИС. Американская пресса 1960-х годов признавала изобретателями ИС четырёх человек: Килби, Леговца, Нойса и Эрни. В 1970-е годы список изобретателей сократился до двух имён: Килби и Нойс, а в популярной литературе — до одного Килби. Именно Килби был удостоен в 2000 году Нобелевской премии по физике «за личный вклад в изобретение интегральной схемы» — см. . В XXI веке историки отрасли Лесли Берлин — профессиональный историк, руководитель программы Стэнфордского университета по истории Кремниевой Долины, автор биографии Роберта Нойса (см. список литературы), советник Смитсоновского института., Бо ЛоекБо Лоек () — американский физик-твердотельщик, специалист по диффузии в кремнии, в 2012 году сотрудник Atmel. Автор книги по истории полупроводниковой промышленности (см. список литературы)., Арджун СаксенаАрджун Саксена () — индийско-американский физик, изобретатель, работавший в США в области полупроводников с 1960 года. В 2012 году — почётный профессор (professor emeritus) Института Ренсселира. Автор книги об истории изобретения ИС (см. список литературы). вернулись к точке зрения, что круг изобретателей ИС был существенно шире, и подвергли ревизии значение вклада Килби.

Предпосылки

Ожидание прорыва

Во время Второй мировой войны и в первые послевоенные годы в электронике появились признаки явления, которое в США назвали «тиранией чисел» (): отдельные образцы бортовой и вычислительной техники достигли потолка сложности, за которым потери от отказов и простоев превосходили любые ожидаемые выгоды. Каждый Boeing B-29 (поставлен на вооружение в 1944 году) возил на себе, по разным источникам, от трёхсот до почти тысячи электронных ламп и десятки тысяч пассивных компонентовВ нобелевской речи Килби (Kilby, 2000, p. 474) назвал цифру 300 («Even the B-29, probably the most complex equipment used in the war, had only around 300 vacuum tubes»). В статье 1976 года (Kilby 1976, p. 648) он назвал «почти тысячу». Та же оценка приводится, например, в .. В стационарных компьютерах счёт ламп шёл на тысячи, в компьютере ENIAC (1946 год) их было более семнадцати тысячВ компьютере ENIAC число паек достигало пяти миллионов. При круглосуточном дежурстве бригады из шести техников ожидаемое время безотказной работы равнялось 5,6 часов. В среднем, ENIAC работал 69 % времени, а 31 % занимали плановые и вынужденные ремонты. — .. Каждый дополнительный резистор, каждая дополнительная пайка ухудшали надёжность и удлиняли время поиска неисправностей.

Традиционная электроника оказалась в тупике: дальнейшее усложнение электронных устройств требовало сокращения числа их компонентов.

Обнародованное летом 1948 года изобретение транзистора породило в обществе развитых стран ожидание новой технической революции. Фантасты и журналисты предвещали скорое появление «разумных машин» и массовую роботизацию всех сторон жизни — от кухонной плиты до межпланетных полётов. Результаты реальной транзисторизации оказались намного скромнее. Замена электронных ламп на полупроводниковые приборы позволила уменьшить размеры и энергопотребление электронных устройств, но не могла решить проблему надёжности сложных систем. Миниатюризация отчасти усугубила её: плотная упаковка компонентов на платах, необходимая для достижения приемлемого быстродействия, затрудняла поиск неисправностей и ухудшала ремонтопригодность. Надёжность дискретных компонентов в 1950-е годы довели до теоретического предела, но надёжность соединений между компонентами принципиально не изменилась. Сложнейшие системы начала 1960-х годов содержали до 200 тысяч дискретных компонентов — не намного больше, чем ламповый ENIAC.

Идея интеграции 7 мая 1952 года британский радиотехник выступил в Вашингтоне с публичной речью, в которой сформулировал идею интеграции:

С появлением транзистора и с развитием полупроводников в целом, представляется возможным создание электронных устройств в массиве [полупроводника] без использования монтажных соединений. [Полупроводниковый] блок может состоять из проводящих, изолирующих, выпрямляющих, усиливающих слоёв. Отдельные функциональные компоненты [этих слоёв] соединяются между собой через вырезы в соответствующих слоях.

Даммер, впоследствии ставший знаменитым как «пророк интегральных схем» (но не их изобретатель!), безуспешно пытался найти финансирование на родине. Только в 1956 году он смог изготовить прототип собственной ИС методом выращивания из расплава; опыт оказался неудачным. В 1957 году министерство обороны Великобритании окончательно признало его работы бесперспективными. Чиновники мотивировали отказ высокой себестоимостью и худшими, чем у дискретных приборов, параметрами ещё не созданных ИС. Развитие электронных технологий сосредоточилось в США.

В октябре 1952 года Бернард Оливер подал патентную заявку на способ изготовления составного транзистора (структуры из трёх электрически связанных плоскостных транзисторов) на общем кристалле полупроводника. В мае 1953 года Харвик Джонсон подал патентную заявку на способ формирования в кристалле проводника различных электронных компонентов — транзисторов, сопротивлений, сосредоточенных и распределённых емкостей. Джонсон описал три возможных способа производства интегрального однотранзисторного генератора колебаний. Во всех вариантах схема представляла собой узкую планку полупроводника, на одном конце которой формировался сплавной биполярный транзисторДжонсон не предлагал конкретных технологических решений. Язык патента 2816228 допускал различные способы создания транзистора, но более всего внимания было уделено «недавно поданной заявке Мюллера» на сплавную технологию.. Тело планки выполняло функцию цепочки электрически связанных сопротивлений. Сосредоточенные ёмкости формировались сплавлением, а распределённые — в виде протяжённых обратно-смещённых p-n-переходов. Неизвестно, сумел ли Джонсон реализовать своё предложение на практике, но спустя шесть лет один из вариантов схемы Джонсона был реализован и запатентован Джеком Килби.

Функциональная электроника Крупные американские корпорации (Bell Labs, IBM, RCA, General Electric) искали решение проблемы «тирании чисел» в проверенной временем функциональной электронике — разработке дискретных компонентов (функциональных приборов) c уникальными физическими свойствами, реализующих заданную функцию при минимальном количестве компонентов обвеса. В ламповую эру этот подход позволял эффективно сократить количество компонентов схемы ценой её быстродействия. Например, ячейка памяти на типовых компонентах 1940-х годов состояла из двух вакуумных триодов и около десятка пассивных компонентов, и работала на тактовых частотах до 200 кГц. Ячейку на триодах мог заменить единственный активный компонент — маломощный тиратрон — с нагрузочным резистором и входной ёмкостью, однако рабочая частота такой ячейки не превышала нескольких кГц. Кольцевой декадный счётчик можно было построить на десяти последовательно соединённых тиратронахВ реальных устройствах такая минималистская конструкция не применялась из-за низкого быстродействия. Обычная ячейка пересчёта содержала один тиратрон, одну неоновую лампочку, два резистора и две ёмкости — см. Бонч-Бруевич 1956, с. 502., а можно было использовать единственную газонаполненную лампу-счётчик — декатрон (скорость счёта порядка десятков кГцРабочая частота переключения тиратронной схемы ограничено задержкой выключения газового разряда — она составляет порядка 200 мкс. В декатроне счёт производится переброской разряда с электрода на электрод без разрыва тока разряда, поэтому быстродействие счётчика на декатронах существенно лучше, чем в тиратронных схемах.). Запоминающие электронно-лучевые трубки и ртутные линии задержки позволяли хранить тысячи единиц информации.

В 1952 году Джуэл Эберс разработал на Bell Labs опытный твердотельный аналог тиратрона — «четырёхслойный транзистор», или тиристор. Уильям Шокли упростил конструкцию тиристора до двухвыводного «четырёхслойного диода» (динистора) и сосредоточился на доводке динистора до промышленного производства. Шокли рассчитывал, что новый прибор сможет заменить поляризованные реле телефонных станций, однако начатая в 1956 году работа затянулась до 1960 года, надёжность «диодов Шокли» оказалась неприемлемо низкой, а предприятие Шокли пришло в упадокВ июле 1961 года Шокли разбился в автокатастрофе, а после выздоровления уже не вернулся к делам своей лаборатории. Владелец лаборатории Арнольд Бекман продал её компании Clevite, а в 1967 году лаборатория прекратила существование. Телефонные сети США и всего мира предпочли модернизацию на базе известных с 1936 года герконовых реле.

Одновременно с Шокли над тиристорной темой работали инженеры Bell Labs, IBM и RCA. и Дэвид Д’Азаро (Bell Labs) экспериментировали с ячейками памяти («шаговыми ячейками») на тиристорах. Джо Лог и Рик Дилл (IBM) строили счётчики на однопереходных транзисторах. Торкл Уолмарк и Харвик Джонсон (RCA) работали и с тиристорами, и с полевыми транзисторами. Работы 1955—1958 годов с германиевыми тиристорными структурами не принесли результата. В марте 1958 года RCA преждевременно анонсировала десятибитный регистр сдвига Уолмарка как «новую концепцию в электронной технологии», но реальные схемы на германиевых тиристорах были неработоспособны. Лишь летом 1959 года, после оглашения изобретений Килби, Леговца и Эрни, Д’Азаро представил работоспособный кремниевый регистр сдвига на тиристорах. Один кристалл схемы д’Азаро (четыре тиристора) заменял схему из восьми транзисторов, 26 диодов и 27 резисторов. Площадь каждого тиристора составляла от 0,2 до 0,4 мм2 при толщине около 0,1 мм, элементы схемы изолировались травлением глубоких канавок Представлено в устной форме на конференции WesCon летом 1959 года.

С точки зрения сторонников функциональной электроники, в полупроводниковую эру их подход был особенно выгоден, так как позволял обходить фундаментальные, ещё не решённые проблемы технологии полупроводников. Неудачи Шокли, Росса и Уолмарка доказали ошибочность этого подхода: серийный выпуск функциональных приборов мог начаться только после устранения технологических препятствий.

Кремниевые технологии