跳转到主要内容

硅锗芯片

100

技术的突破一般源于坚持、独创性,有时也与意外发现有关。半导体硅锗的发现离不开所有这些方面,另外还有无法控制的变量... 事故。

无需缩减

硅锗是一种创新的半导体,它采用既有的技术,而且与其它材料相比,它的成本低很多。SiGe 芯片是 IBM 在 20年来使用的芯片中坚固的互补型金属氧化物半导体 (CMOS) 晶体管的变体。然而,与 CMOS 不同的是,SiGe 强大的性能不要求进行昂贵的缩减。因此,在制造 SiGe 时,IBM 前两三代 CMOS 的加工工具仍然可以使用,这使成本保持极低的水平,但在性能方面创造了新的记录。

协同创新

1992年,终止对 SiGe 提供支持的决策不经意地促发了 IBM 新业务模式的出现。公司成为半导体的铸造厂,为通信公司提供 SiGe 芯片,并由 Meyerson 负责与这些公司合作。这些公司的代表经常参观 IBM 工厂,帮助确认新芯片满足通信市场的需求。Meyerson 成功建立的联盟是协同创新的早期例子,这一战略后来在大中型企业中普遍采用。

制胜口号

在 IBM,Meyerson 和 Harame 创造了一个短语:“数据制胜”。他们的口号指 IBM 在技术开发过程中长期接受有说服力的、有效的数据的领先地位。IBM 作为 SiGe 芯片原始设备制造商的成功不仅通过公司在市场上的成功得到验证,而且也表现在公司持续地创造性能记录。1996年,IBM 公司内部第一次投资硅锗技术,建立了 SiGe 产品开发和制造事业部以及两个新的电信设计中心。2002年,IBM 交付了第 100,000,000件 SiGe 芯片。

01/03

硅锗—通常简写为其化学符号 SiGe(发音为 “sig-ē”)—的出现特别引人注目的是,它是由于两次错误而产生的。在纠正这些错误时,IBM的 Bernard Meyerson 博士为无线产品的爆炸性进步奠定了基础,例如移动电话、全球定位系统 (GPS) 设备、无线宽带互联网 (WiFi) 和移动电视。

1979年,Meyerson 在纽约市立学院攻读博士学位,他在半导体技术领域不断追求自己的兴趣。有一天,在实验室中,他无意间倾倒了刚刚在氢氟酸中清洁过的一英寸的硅。他丝毫没有犹豫,从地板上将样品清扫起来,并用水龙头清洗,他发现银色硅片与水相排斥。Meyerson 知道,暴露在空气中会在硅表面形成薄薄的一层保水氧化物—他从出版物上了解到这一点已有大约 30年的时间。很有可能有一些除氧化物之外的物质保护了样品,而且没有被实验室的地板弄脏。在那一刻,Meyerson 可能已经开始寻找答案,但他需要研究,于是选择了在心里记住这次事故。

1980年,Meyerson 开始在 IBM 开展研究。当时,公司的半导体专家认识到,如果不遇到性能问题,他们就无法继续缩减微处理器的体积,于是开始采用合金改进芯片。Meyerson 将硅与硅结合。主要障碍是需要达到 1000摄氏度才能去除污染氧化物上的硅,从而使其表面能够生长晶体硅和硅锗层—这也是科学界的想法。问题在于,增加的 SiGe 根本无法承受极高的温度。

最后,Meyerson 利用他自己三年前无人知晓的硅遗撒事故获得的经验而解决这个问题。他再次将一个样本放入氢氟酸中清洗,然后对其进行精确的测量。Meyerson 认识到,氢氟酸在硅上包覆了一个很薄的氢保护层。在 600°C 的温度下,肉眼看不到的氢气层会有效地挥发,形成氧化物。这时需要将温度升高到 1000°C - 清除硅上新形成的氧化物污染。

“... 我们已经偏离了常规的工作前提,即‘减小体积,使其更快地运行;这是下一代技术’,转向‘我已经在从目前到下一代技术之间预先安排了四次发明。’清晰的想法是当时有人问,‘它们是什么?’我回答到:‘我不是很确定;这正是它们成为发明的原因。’”

Bernard Meyerson 博士
创新副总裁,IBM 名士

“发明:冒险、多样化和全局思考的结果—采访Bernard S. Meyerson”,《IEEE计算机设计与测试》
>2005年9月/10月刊

“这最初是为大型机程序而设计的。但在发展过程中,我发现这些晶体管绝对更适合在通信设备上使用;令人难以置信的先进‘通信’设计。”

Bernard Meyerson 博士
创新副总裁,IBM 名士

电话采访

2011年 3月 4日
“这个新晶体管表明,硅锗有一个明确的路线图。”

David Harame 博士
RF 模拟建模与设计套件部门高级经理
“IBM 研制出了350GHz 晶体管”,Internetnews.com

2002年 11月 4日
01/03

Meyerson 解释说:“这是一次顿悟。所有人认为您应该消除的一层并不存在,直到您真正在 1000°C 时形成了这一层。简单地在 600°C 以下加工材料可以避免整个问题。这是我最奇特的发现,但也使我领先 10年,因为没人了解 这带来的结果,于是我们不断进步。”

“进步”是指在 550°C 时加工硅锗,产生了完全无瑕疵、无污染的薄膜和极快的晶体管。SiGe 比硅本身更高效。同样重要的是,其成本只是当时通信设备芯片中使用的引导合金——砷化镓的一小部分。通过 SiGe,IBM 自身拥有了受专利保护的制造知识。

Meyerson 很快发现他领导着 100名技术人员专注于为大型机研发 SiGe。然而,在几个月内,公司决定减少 SiGe 的投资,同时专注于在大型机中采用替代技术—互补式金属氧化物半导体(CMOS) 晶体管。Meyerson 坚信 SiGe 在新市场中的潜力,他保留了一个 SiGe 小组,专门负责开发需求。尽管 Meyerson 非常明确 SiGe 对于电信和无线通信的潜力,但 IBM 并未参与到这些新市场中。处于这些原因,公司并没有对合金进行进一步投资。

1992年,最初的 SiGe 小组成员减少到两人:Meyerson 和电气工程师 David Harame。然而,两人仍然对 SiGe 有信心,并决定向 IBM 外部寻求资金。Meyerson 成为单人销售队伍,与多家具有创新意识的通信公司结成了联盟。他签订了这样的财务约定,即通信公司向 IBM 提供资金,由 IBM 开发并制造 SiGe 芯片。资金不断涌入;IBM 很快投入开发、生产,而且几乎在一夜之间创造了无线技术的新领域。

从 20世纪 90年代中期开始的十多年来,IBM 作为全球领先的 SiGe 制造商,在硅技术方面创造了几乎所有的设备性能记录。SiGe 的可靠性、速度和低成本实现了多种有线和无线网络的飞速发展,缩小了 WiFi、移动电话、GPS 系统和其它多种产品的体积,并降低了这些产品的电力需求。SiGe 还使 Bernard Meyerson 和 David Harame 荣获了极负盛名的 IBM 名士荣誉。

Content navigation