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Nov 09, 2023

Una breve historia del transistor MOS, Parte 2: Fairchild

Ninguna empresa estaba mejor equipada y posicionada para capitalizar el desarrollo del primer MOSFET que Fairchild Semiconductor. Fundada en 1957 para trabajar con transistores de silicio, Jean Hoerni

Ninguna empresa estaba mejor equipada y posicionada para capitalizar el desarrollo del primer MOSFET que Fairchild Semiconductor. Fundada en 1957 para trabajar con transistores de silicio, Jean Hoerni desarrolló el proceso planar y Robert Noyce desarrolló las ideas para el primer circuito integrado (CI) práctico basado en el proceso planar de Hoerni apenas unos meses antes de que Atalla y Kahng consiguieran que el primer MOSFET funcionara en Bell Labs. . Al igual que las dos llaves necesarias para abrir una caja de seguridad en la bóveda de un banco, la tecnología de proceso de semiconductores planos y el CI plano fueron las dos claves necesarias para desbloquear todo el potencial del MOSFET.

Fairchild poseía estas claves y, aunque los investigadores de Fairchild contribuyeron significativamente al desarrollo y mejora del MOSFET, la empresa no logró crear una línea de productos MOS IC exitosa. Como resultado, la compañía vio evaporarse su liderazgo inicial en circuitos integrados (CI bipolares) a medida que la Ley de Moore llevó las densidades de los dispositivos de CI más allá del alcance de la tecnología de transistores bipolares y hacia el atractivo dominio MOSFET.

William Shockley dejó Bell Labs en 1953 porque se sentía ignorado para ascensos y reconocimiento. Regresó a California, tomó un puesto en Caltech, llegó a un acuerdo con el profesor de Caltech y empresario de alta tecnología Arnold Beckman, y fundó Shockley Transistor Laboratory en 1955. Inicialmente, Shockley pensó que podía asaltar los laboratorios Bell en busca de personal, pero nadie en su antiguo empleador quería trabajar con él. Se vio obligado a buscar en otra parte y logró reunir un equipo superlativo de científicos e ingenieros jóvenes y recién graduados, atrayéndolos al clima superlativo de California. También prometió que estarían desarrollando el Santo Grial del día, el transistor de silicio.

Al año siguiente, Shockley compartió el Premio Nobel de Física con John Bardeen y Walter Brattain por la invención del transistor de contacto puntual. Por esa época, Shockley se interesó intensamente en el diodo de 4 capas, un interruptor semiconductor que habría sido de gran interés para Bell System. Sin embargo, no era el dispositivo que había prometido a sus investigadores y no quedaron contentos. El estilo de gestión autocrático y el ego de Shockley fracturaron a su equipo, provocando un enfrentamiento el 29 de mayo de 1957. La demanda del equipo de investigación era que se resolviera el "problema de Shockley". No lo fue, y ocho miembros del equipo de investigación de Shockley, que llegó a ser conocido como los Ocho Traidores, se marcharon en septiembre de 1957. Ese grupo central llegó a un acuerdo con Sherman Fairchild y fundó Fairchild Semiconductor el 1 de octubre de 1957. Fairchild Semiconductor se convertiría rápidamente en la empresa de semiconductores más importante del mundo y la empresa con más probabilidades de llevar el transistor MOS a su máximo potencial.

El primer paso importante para lograr el destino de Fairchild fue la invención del proceso de semiconductor plano. El 1 de diciembre de 1957, apenas dos meses después de la fundación de Fairchild, Hoerni tuvo un destello de inspiración. Sabía que se estaban realizando trabajos de pasivación con dióxido de silicio, fotolitografía y grabado en los Laboratorios Bell porque Shockley lo había discutido con su equipo de investigación a principios de ese año, antes de la partida de los Ocho Traidores. Hoerni necesitó sólo dos páginas de su cuaderno de laboratorio para describir el proceso plano. Su innovación fue dejar el dióxido de silicio cultivado térmicamente en la oblea semiconductora después de la difusión para proteger los circuitos que se encuentran debajo. Bell Labs pensó que este óxido estaba demasiado sucio para dejarlo en su lugar, pero Hoerni se dio cuenta de que una capa aislante suficientemente limpia evitaría la contaminación por polvo, suciedad y agua. Con pocos cambios, Hoerni solicitó una patente sobre el proceso plano el 14 de enero de 1959.

El segundo paso importante hacia el avance de los semiconductores que era necesario para permitir que los MOSFET alcanzaran su destino se produjo el 23 de enero de 1959. Ese fue el día en que el fundador de Fairchild Semiconductor, Robert Noyce, anotó las ideas para un circuito integrado monolítico en su cuaderno de laboratorio. Se sintió impulsado a pensar en formas de utilizar el proceso plano de Hoerni para fabricar algo más que transistores discretos. Se dio cuenta de que la capa de dióxido de silicio era un aislante perfecto y permitió depositar interconexiones metálicas en la parte superior para completar las conexiones entre múltiples dispositivos en el CI. Con ese destello de conocimiento, Noyce cambió la industria electrónica para siempre y transformó la soldadura y el cableado en un proceso de impresión de alta tecnología.

Estas dos ideas, el proceso plano de Hoerni y el concepto de CI de Noyce, encendieron la mecha de Fairchild. En primer lugar, Fairchild utilizó el proceso planar para fabricar transistores mejores y más estables que cualquiera de sus competidores. Los transistores de Fairchild se convirtieron rápidamente en el estándar de oro. Al cabo de dos años, Fairchild anunció la primera familia de productos de circuitos integrados del mundo, denominada Micrologic. Era una familia de circuitos integrados de lógica bipolar. Durante los seis meses posteriores a la introducción de la familia Micrologic, Fairchild arrasó en el campo. Ninguno de los competidores de Fairchild tenía nada parecido al circuito integrado de Fairchild para ofrecer a sus clientes. Incluso Texas Instruments, oficialmente co-inventor del CI, se vio obligado a otorgar licencias sobre las patentes de CI de Fairchild sólo para competir.

Gordon Moore se enteró del exitoso desarrollo del primer transistor MOS por parte de Bell Labs poco después de que Mohamed Atalla y Dawon Kahng pusieran en funcionamiento su primer dispositivo en 1960. Moore asumió el cargo de director del departamento de Investigación y Desarrollo de Fairchild en 1959, después de que Robert Noyce se convirtiera en director general de la empresa. después de que el hombre contratado para ese puesto, Edward Baldwin, partiera abruptamente con otros cinco miembros del personal de Fairchild para fundar Rheem Semiconductor.

La semana siguiente a la partida de Baldwin, Fairchild probó el primer transistor bipolar fabricado con el proceso plano de Hoerni. El transistor funcionó bien. Existe un mito que dice que Hoerni escupió en el transistor durante la prueba para demostrar que el proceso plano hacía que los transistores fueran inmunes a la contaminación. Quizás la prueba real realizada no fue tan dramática como para usar una muestra de saliva de Hoerni, pero el proceso planar efectivamente arrojó los resultados deseados. El cofundador de Fairchild, Jay Last, recuerda haber dicho: "Caramba, es una pena que Baldwin tuviera que irse la semana pasada". Fairchild había estado fabricando transistores de mesa y, en cuestión de meses, trasladó la producción al diseño de transistor plano, muy superior y mucho más estable.

Con los nuevos transistores bipolares planos y los circuitos integrados Micrologic, Fairchild estaba muy ocupado simplemente haciendo que el proceso planar fuera confiable y estable, aprendiendo a implementar la litografía de precisión necesaria para fabricar circuitos integrados y desarrollando nuevos tipos de transistores bipolares y chips Micrologic. Ningún cliente de Fairchild exigía ni preguntaba siquiera sobre los transistores MOS, por lo que no había ninguno en desarrollo. El departamento de Investigación y Desarrollo de Gordon Moore se centró en proyectos de largo alcance, que no incluían transistores MOS. La indiferencia de Fairchild hacia los MOSFET cambió en 1962, cuando la empresa contrató a un recién doctorado en física de la Universidad de Utah llamado Frank Wanlass. Cuando se unió a la empresa, Wanlass ya estaba obsesionado con los transistores MOS y sabía que el proceso plano de Fairchild era la forma de fabricarlos.

Wanlass fue contratado en el departamento de Investigación y Desarrollo de Fairchild, y su asignación le dio suficiente libertad para trabajar en MOSFET, incluso si Fairchild no los estaba fabricando en ese momento, porque la estructura MOS (semiconductor de óxido metálico) era una parte integral de el proceso planar ya sea que se usara para fabricar transistores bipolares o MOS. Gran parte de su libertad derivaba de su capacidad para hacer casi todo por sí mismo. Como físico, Wanlass conocía la física de la estructura MOS y, por tanto, podía diseñar él mismo los MOSFET. Entendía de electrónica, por lo que diseñó no solo los transistores sino también los circuitos que integraban un MOS IC. Uno de sus primeros diseños fue un flip-flop MOS integrado que rindió más del 80%. En febrero de 1963, Wanlass y su manager CT Sah presentaron un artículo en el ISSCC que revelaba que Wanlass había concebido circuitos que combinaban MOSFET de canal p y n en el mismo circuito integrado. Había inventado el CMOS como un mero subproducto de su trabajo.

En el camino, Wanlass abordó los problemas de estabilidad inherentes a los MOSFET y la indiferencia de Fairchild hacia los MOSFET en general. A la empresa le estaba yendo demasiado bien fabricando productos semiconductores bipolares como para dedicar mucha energía al lento MOSFET. Aunque el departamento de Investigación y Desarrollo de Gordon Moore dedicó muchos esfuerzos a analizar y modelar la física de MOS como una forma de mejorar el proceso plano, esas mejoras apuntaron a la fabricación de transistores bipolares. En diciembre de 1963, Wanlass se sintió frustrado y abandonó el barco. Se unió a General Microelectronics (GME), que fue fundada en el verano de 1963 por miembros del grupo Micrologic de Fairchild con el propósito específico de desarrollar circuitos integrados MOS.

Con la pérdida de varios miembros clave del grupo Micrologic y Wanlass, Fairchild perdió el aliento y la compañía nunca desarrolló una línea de productos MOS IC. Con el tiempo, el propio Moore se daría cuenta de que Fairchild no iba a aprovechar plenamente el potencial del MOSFET. Cuando dejó Fairchild con Robert Noyce en 1968 para fundar Intel, sería para crear una empresa de semiconductores dedicada a la fabricación de circuitos integrados MOS (circuitos integrados de memoria para ser específicos), pero ese evento se produjo casi cinco años en el futuro.

Referencias

Hacia la era digital: laboratorios de investigación, empresas de nueva creación y el auge de la tecnología MOS, Ross Knox Bassett, 2002

Ley de Moore: La vida de Gordon Moore, el revolucionario silencioso de Silicon Valley, Arnold Thackray, David C. Brock y Rachel Jones, 2015

Michael Riordan, “The Silicon Dioxide Solution”, IEEE Spectrum, diciembre de 2007, págs. 51-56

Michael Riordan, “From Bell Labs to Silicon Valley: A Saga of Semiconductor Technology Transfer, 1955-61”, The Electrochemical Society Interface, otoño de 2007, págs. 36-41

Bruce E. Deal, “La perspectiva de un científico sobre los primeros días de la tecnología MOS”, The Electrochemical Society Interface, otoño de 2007, págs. 42-45

Ross Knox Bassett, “MOS Technology, 1963-1974: A Dozen Crucial Years”, The Electrochemical Society Interface, otoño de 2007, págs. 46-50