在集成电路(芯片)历史上,诺伊斯贡献了实用电路,摩尔提出了发展规律。
但他们的想法都离不开一项制造技术-平面工艺。该工艺包括光刻、氧化、刻蚀和热扩散等流程。直到现在,依旧是制造硅集成电路芯片的主要工艺流程。
他的发明者被称为硅晶体管的先驱,也是仙童“八叛逆”成员。
他是发明家、企业家,也是一位慈善家,晚年致力于中亚慈善教育,他就是让·阿梅迪·霍尔尼(Jean Amédée Hoerni)。
一、早年生活,肖克利实验室
1924年,霍尔尼出生于瑞士日内瓦。和很多人一样,霍尔尼从小也是按部就班的学习,中学毕业后,考入了当地的日内瓦大学数学系,1947年获得了学士学位。1950年,获得了物理学博士学位。
毕业后,他又前往了英国,进入剑桥大学学习。两年后,即1952年,获得了第二个物理学博士学位。不久之后,他搬到了美国,在帕萨迪纳的加州理工学院担任化学博士后研究员,也是在那里他遇到了晶体管的发明者之一威廉·肖克利,彼时肖克利在学校任教。
1956年,肖克利为自己新成立的半导体实验室寻找人才,霍尔尼也受邀加入了肖克利的公司,成为了八位核心员工之一(后来的八叛逆包括,摩尔、诺伊斯和罗伯茨等人)。
他们的年龄在26岁和33岁之间,其中六人都拥有博士学位。洛杰克在《半导体工程史》中还将霍尔尼形容为一位经验丰富的科学家和才华横溢的管理者,认为他在智力上与肖克利不相上下。
彼时,肖克利刚获得诺贝尔物理学奖,大家对于未来都充满了希望。
可惜,肖克利虽是一位物理天才,却不是一位好的领导。他性格却十分执拗,不懂如何与下属相处,也不懂公司运营管理。
肖克利拒绝雇用技术人员,认为科学家应该能够处理所有技术流程。因此整个1956年,实验室的大多数成员都在组装和调试设备。不过,霍尔尼与诺伊斯凭借相对丰富的经验,得到了参与应用研究的机会。
晶体管发明者之一肖克利
但是研发并没有想象的那么顺利。据诺伊斯等人后来透露,肖克利带领大家最初计划致力于扩散双极晶体管的大规模生产,但随后肖克利又建立了一个“秘密项目”,并于1957年停止了所有双极晶体管的工作。由于肖克利二极管的工作花费了太多的精力。就这样过了一年,依旧没能研究出可商用的产品。此时,团队的矛盾也越来越大,不断有人计划离开。
1957年初,当时团队中的克莱纳,以前往洛杉矶参加一个展览为由,飞往了纽约寻找投资者,最终在父母的帮助下,得到了纽约大型证券公司海登·斯通的财务经理阿瑟·洛克(Arthur Rock)的支持,并为其引荐了仙童摄影器材公司老板谢尔曼·费尔柴尔德(Sherman Fairchild)。
对于克莱纳的想法,包括霍尔尼和摩尔、罗伯茨等人都非常支持。1957年6月,作为肖克利最忠实的支持者诺伊斯也在最后一刻加入了他们。9月18日,霍尔尼与布兰克、格林尼奇、克莱纳、拉斯特、摩尔、诺伊斯和罗伯茨一起从肖克利实验室辞职,八人帮正式集结。
仙童八叛逆(右二霍尔尼)
二、仙童半导体,平面工艺提出
1957年10月,仙童公司半导体部门成立,计划生产硅晶体管。第二年,1958年,摩尔开发的第一个硅台面晶体管2N697上市,并且获得了来自IBM的100个订单。
虽然硅台面晶体管,在当时是极具创新性的,但可靠性相对较差。1958年,霍尔尼在参加一场电化学学会会议时,来自贝尔实验室的工程师穆罕默德·阿塔拉(Mohamed Atalla)发表了一篇关于热氧化p-n结表面钝化的论文,并演示了二氧化硅对硅表面的钝化作用。
霍尔尼对此很感兴趣,一天早上在思考阿塔拉的装置时,他想到了“平面创意”。利用二氧化硅,对硅表面的钝化作用,制造由二氧化硅层保护的晶体管。(在单个硅晶体片”晶圆”上创建电路单晶硅晶锭)
1959年5月,仙童公司为霍尔尼申请了第一个平面工艺专利,用于“制造半导体器件的方法”。这是一项重大改进,可以更轻松地制造晶体管,且成本更低,性能和可靠性更高。平面工艺的出现,也奠定了硅作为电子产业中关键材料的地位。
同年,诺伊斯以霍尔尼的工作为基础,提出了集成电路概念。他在霍尔尼的基本结构顶部添加了一层金属,以连接位于同一块硅片上的不同组件,例如晶体管、电容器或电阻器。平面工艺为其提供了一种实现集成电路的强大方法。
与诺伊斯一样,德州仪器公司的杰克·基尔比也在这一年研发出了集成电路,但基尔比的集成电路是基于锗的。事实证明,硅IC确实比锗更具优势。“硅谷”的“硅”也是由此而来。
随后,仙童半导体开始将这种技术在产品中实施。
这种平面型制造工艺是在研磨得很平的硅片上,采用一种所谓“光刻”技术(早期版本的光刻工艺,是利用汞蒸气灯发出的近紫外光)来形成半导体电路的元器件,如二极管、三极管、电阻和电容等。只要“光刻”的精度不断提高,元器件的密度也会相应提高,从而具有极大的发展潜力。因此平面工艺被认为是“整个半导体的工业键”,也促使摩尔定律(1956年)的提出。
1960年4月,仙童半导体推出了第一款采用平面工艺技术制作晶体管—2N1613平面晶体管。一经面世,就轰动了全球产业界,成为了这一时期,全球最为先进的半导体工艺技术的代表。2N1613晶体管也成为了第一个大批量商用化生产的平面晶体管。
随着2N1613的成功,仙童半导体向整个行业授予了该设计的许可。平面工艺也使得当时大多数其他晶体管工艺都变得过时,并逐渐被淘汰。其中,飞歌(Philco)的晶体管部门就是受害者之一,该部门耗资了4000万美元新建基于锗PADT工艺晶体管。但在几年之内,所有其他晶体管公司都采用了仙童平面工艺。
1960年,仙童半导体员工数量已经高达1.2万名,年收入也达到1.3亿美元,成为公司最赚钱的部门。
与此同时,公司内部问题也开始出现。1959年,谢尔曼·费尔柴尔德行使了最初创立公司时的权利,将“八叛逆”股份回购。(仙童集团在18个月内投入138万美元,如果公司连续三年净利润超过30万美元,仙童集团有权以300万美元收回股票,或5年后以500万美元收回股票。)
这也导致仙童半导体部门不断受到总部控制。时任总裁约翰·卡特 (John Carter) 甚至把半导体部门的利润用于资助和收购一些无利可图的企业。以诺伊斯为首的半导体部门初创成员不断被排挤。目睹母公司的不公平,“八叛逆”陆续再一次“叛逆”。
三、二次叛逆,助力多家半导体公司成立
1961年,霍尔尼与“叛逆八人组”成员杰伊·拉斯特 (Jay Last) 和谢尔顿·罗伯茨 (Sheldon Roberts) 一起离开了仙童公司,创立了Amelco(Teledyne子公司),专门制造集成电路。
在1963年,他又离开了Teledyne前往联合碳化物电子公司(Union Carbide),领导一个研究小组。后来,霍尔尼还为联合碳化物公司组建了半导体部门。
1967年,霍尔尼回到了欧洲,在瑞士手表公司SSIH资助下成立了Intersil公司,致力于开发数字手表集成电路(IC)。后来,Intersil与日本第二精工社签订了开发合同,成为了低压CMOS集成电路的先驱,这也助力了日本电子手表行业的繁荣。
1988 年,Intersil被Harris Semiconductor(是一家美国国防供应商)收购,并与通用电气、RCA等的半导体部门合并,成为通用电气微电子的核心技术来源之一。
而霍尔尼于1980年就离开了Intersil,他又回到了加州西海岸,并成立了一家名为Telmos 的新创业公司,该公司生产半定制产品,涵盖了传感器与微处理器之间的线性接口、数字逻辑内核,以及高压和大电流的驱动器。
由他参与创立的这些半导体公司,也成为全球半导体发展过程中重要的一部分。由于霍尔尼在半导体领域的贡献,他于1969年获得富兰克林研究所颁发的爱德华·朗斯特雷斯奖章,并于1972年获得IEEE 计算机协会颁发的麦克道尔奖。
四、个人生活,致力中亚慈善教育
霍尔尼的一生有过三次婚姻。第一任妻子是安妮·玛丽·(Anne Marie ) 两人育有三个孩子。第二任妻子为露丝·卡莫纳也以离婚告终。1993年,又与詹妮弗·威尔逊结婚。
除了他的半导体事业之外。霍尔尼还是一位登山狂热爱好者,在工作之余,霍尔尼经常会徒步登山。在去巴基斯坦攀登世界第二高山脉喀喇昆仑期间,霍尔尼遇到了贫苦中挣扎的巴尔蒂人,激发了他的人道主义。
于是他向同为登山爱好者的格雷格·莫滕森(Greg Mortenson)慈善项目提供了最大一笔捐款3万美元,在巴基斯坦偏远村庄科尔菲(Korphe)建造了一所学校。
随后1996年,病危的霍尔尼又以100万美元的捐赠创立了中亚研究所(Central Asia Institute,简称CAI ) ,以便在自己去世后也能继续延续这份事业。
霍尔尼任命格雷格·莫滕森为该组织的第一任执行董事,该组织继续在巴基斯坦和阿富汗建设学校,特别是女孩的教育和扫盲。到2008年时,CAI已在巴基斯坦设立了55所学校,在阿富汗设立了9所学校。并且在这63所学校中,43所是女子学校。
而霍尔尼于中亚研究所成立第二年,1997年1月12日,因白血病在华盛顿州西雅图去世,享年72岁。
不过,在很长的一段时间里,霍尔尼总是被人们所忽视。但无论是在教育慈善还是半导体领域,他都值得被铭记。
时间是最好的证明。在去世12年后,2009年,霍尔尼入选了美国国家发明家名人堂。
平面工艺技术也在牛津《电子与电气工程词典》(A Dictionary of Electronics and Electrical Engineering)中被称为是半导体技术中最重要的单一进步之一。此外,还被评为“20世纪意义最重大的成就之一”。直到现在,依旧是制造半导体晶体管的最有效的方法。