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Nov 17, 2023

Una breve historia del transistor MOS, Parte 3: Frank Wanlass

No sorprende que las empresas de semiconductores se mostraran reacias a invertir mucha energía en el desarrollo de MOSFET a principios de los años sesenta. Los primeros MOSFET eran 100 veces más lentos que los transistores bipolares y

No sorprende que las empresas de semiconductores se mostraran reacias a invertir mucha energía en el desarrollo de MOSFET a principios de los años sesenta. Los primeros MOSFET eran 100 veces más lentos que los transistores bipolares y se los consideraba inestables, por una buena razón: sus características eléctricas variaban de manera grave e impredecible con el tiempo y la temperatura. Se necesitaría mucho trabajo de investigación y desarrollo para transformar los MOSFET en componentes electrónicos confiables. Sin embargo, cuando Fairchild Semiconductor contrató a Frank Wanlass, el MOSFET encontró a su campeón. Wanlass estaba comprometido con el MOSFET, no con ninguna empresa. Fue a cualquier parte e hizo todo lo que pudo para promover el desarrollo del MOSFET. Se convirtió en el Johnny Appleseed de la tecnología MOS (semiconductores de óxido metálico), plantando libremente semillas MOSFET, en cualquier momento y lugar.

Fairchild contrató a Wanlass en agosto de 1962 después de recibir su doctorado en física de la Universidad de Utah. Se interesó en la tecnología MOS cuando leyó sobre el trabajo de RCA con FET de sulfuro de cadmio (CdS) de película delgada mientras estudiaba su doctorado en física del estado sólido. La simplicidad de la estructura del dispositivo FET primero lo intrigó y luego lo obsesionó. Se dio cuenta de que la estructura simple del FET significaba que muchos FET cabrían en una matriz semiconductora, y concibió la construcción de circuitos integrados (CI) complejos utilizando estos dispositivos. Pero los FET CdS de película delgada de RCA eran demasiado inestables. Incluso cuando se dejaron en un estante durante unas horas, sus características eléctricas variaron drásticamente. Wanlass pensó que fabricar FET con silicio en lugar de CdS resolvería el problema de la deriva paramétrica. Resulta que estaba equivocado. Los FET semiconductores sufrieron deriva durante varios años hasta que el proceso de fabricación de MOS pudo limpiarse lo suficiente como para eliminar los contaminantes que causaron la deriva paramétrica de los FET.

Cuando Wanlass se unió al grupo de Investigación y Desarrollo de Gordon Moore en Fairchild, la empresa tenía la política de permitir que los nuevos doctores contratados trabajaran en cualquier proyecto que quisieran emprender. Wanlass decidió centrarse en los MOSFET, aunque el departamento de Moore no estaba especialmente interesado en fabricar los dispositivos. Sin embargo, el departamento de Moore estaba de vital interés en el procesamiento MOS, porque esa era la estructura básica y la naturaleza del proceso de fabricación planar de Jean Hoerni, que Fairchild utilizaba para fabricar transistores bipolares y circuitos integrados. Cualquier mayor comprensión del proceso planar y cualquier mejora realizada en la tecnología del proceso mejoraría la capacidad de Fairchild para fabricar transistores bipolares y circuitos integrados.

Wanlass no estaba interesado en estudiar ni analizar las características del proceso MOS. Quería fabricar MOSFET discretos, construir circuitos integrados con MOSFET y diseñar circuitos a nivel de sistema utilizando esos dispositivos para alimentar la demanda de los componentes. Durante el año siguiente, hizo exactamente eso. En menos de seis meses, Wanlass diseñó y fabricó MOSFET individuales de canal p y n en silicio mediante el proceso plano. Todos los dispositivos de canal p exhibieron una deriva paramétrica severa, mientras que ninguno de los dispositivos de canal n funcionó en absoluto. Probó la deriva paramétrica de los dispositivos de canal p colocándolos en un trazador de curvas y calentándolos con un encendedor. Luego diseñó y fabricó un circuito integrado flip-flop utilizando MOSFET y logró un increíble rendimiento de oblea superior al 80 %. Desarrolló circuitos de aplicación para MOSFET, incluido un medidor de corriente que explotaba la impedancia de entrada extremadamente alta del MOSFET.

En el camino, Wanlass y su gerente CT Sah patentaron la idea de los circuitos CMOS, que combinan MOSFET de canal p y n en una matriz de silicio. CMOS es la tecnología de transistores fundamental para casi todos los circuitos integrados que se fabrican actualmente. (Nota: Sah suele figurar como el único inventor de CMOS, pero su nombre aparece en la patente porque era el gerente de Wanlass, y era costumbre incluir al gerente junto con el inventor en la solicitud de patente).

A principios de 1963, Gordon Moore comenzó a contratar más personas para analizar más a fondo la tecnología de procesos MOS. Sin embargo, no estaba interesado en estudiar los MOSFET. Simplemente quería comprender mejor el proceso plano del semiconductor de óxido metálico para que Fairchild pudiera fabricar mejores circuitos integrados y transistores bipolares. El equipo de análisis lo formaron Bruce Deal, Andrew Grove y Ed Snow. No los pusieron en un equipo formal, pero pronto se descubrieron entre sí y descubrieron sus tareas complementarias a través de interacciones informales en la oficina. Deal trabajó en oxidación y estados superficiales. Snow analizó las inestabilidades transitorias de MOS. Grove escribió programas para modelar los análisis.

A finales de 1963, Wanlass estaba seguro de que Fairchild sólo quería estudiar y analizar dispositivos MOS, no construirlos comercialmente, y prefería fabricar dispositivos, no estudiarlos. Wanlass dejó Fairchild en diciembre de 1963, apenas un año y cuatro meses después de incorporarse a la empresa. Ocupó un puesto en General Microelectronics (GME), que había sido fundada por un pequeño grupo de ex empleados de Fairchild que habían decidido formar una empresa de semiconductores. GME fue una de las primeras empresas derivadas de Fairchild Semiconductor, conocidas colectivamente como Fairchildren. Los objetivos y la dirección de GME claramente llevarían a Wanlass a donde quería ir, y Wanlass instantáneamente se hizo cargo de crear y fabricar transistores y circuitos integrados MOS.

Wanlass aportó sus bien desarrolladas habilidades de diseño MOS a GME. Había construido con éxito MOSFET y pequeños MOS IC en Fairchild, por lo que aportó esas capacidades, pero también aportó otra cosa importante. Mientras trabajaba en Fairchild, Wanlass descubrió que podía reducir significativamente la deriva de tiempo y temperatura de las características MOS si evaporaba la interconexión de aluminio en la oblea semiconductora usando vaporización por haz de electrones en lugar de evaporación térmica. Fairchild había estado construyendo evaporadores de haces de electrones en su sótano. Fue una de las primeras empresas de semiconductores en tener a mano este tipo de evaporador.

En una entrevista, Wanlass dijo: “Un día, domingo, estaba conduciendo por la autopista 101 y me di cuenta. Tiene que ser sodio, y envié un alambre de aluminio para que lo analizaran espectroscópicamente. Sabía por mi trabajo universitario, algunos de mis trabajos de tesis, que el sodio... sabía con certeza que el sodio, con sólo un poco de ayuda de la temperatura y el voltaje, se difundiría directamente a través del cuarzo. Tenía un cociente de difusión muy alto. Lo sabía. Eso fue a partir de experimentos en la universidad”.

Sospechando que el proceso de vaporización térmica de alguna manera depositaba aluminio contaminado en la oblea semiconductora y que este aluminio contaminado estaba causando que los dispositivos se desviaran, Wanlass intentó evaporar platino en las obleas en lugar de aluminio. No hay grabado químico para el platino, por lo que tuvo que marcar los electrodos de puerta en la capa de platino a mano usando una sonda puntiaguda de tungsteno. El MOSFET resultante no se desvió tanto. Luego intentó utilizar oro y otros metales, pero el platino era superior. Luego, para completar, Wanlass utilizó los evaporadores de haz de electrones para poner aluminio en una oblea. Tampoco se desviaron tanto, y la evaporación del aluminio por haz de electrones rápidamente se convirtió en parte de la receta del proceso MOS. Todo esto ocurrió mientras Wanlass todavía estaba en Fairchild y aportó este importante conocimiento a GME.

Con el tiempo, la industria comprendería que la contaminación por iones de sodio causa deriva y mata los MOSFET de canal p con el tiempo, al tiempo que imposibilita la construcción de MOSFET de canal n que funcionen. El aluminio se contaminaba con sodio cuando se pasaba a través de troqueles de alambre para fabricar el alambre de aluminio que sirvió como materia prima para la deposición de vapor. Las matrices de alambre se lubricaron con sodio. La vaporización por haz de electrones emplea un mecanismo de obturación que protege las obleas del crisol de aluminio fundido hasta que el aluminio alcanza su temperatura de evaporación. El sodio tiene un punto de ebullición mucho más bajo que el aluminio, por lo que el sodio hirvió y se disipó antes de que se abriera el obturador de la cámara de evaporación y expusiera la oblea al vapor de aluminio.

Wanlass utilizó evaporadores de haz de electrones para metalizar obleas en GME y, en mayo de 1964, había producido un transistor MOS discreto y funcional. La empresa introdujo este dispositivo comercialmente meses antes de que Fairchild pudiera hacer lo mismo. Luego, Wanlass construyó un registro de desplazamiento de 20 bits como un MOS IC monolítico, no porque los clientes lo exigieran, sino simplemente porque podía. Un registro de desplazamiento de 20 bits fue un excelente vehículo de demostración de MOS IC. En ese momento, los registros de desplazamiento eran la forma preferida de la industria para pequeños dispositivos de memoria digital debido a su bajo número de pines, al tiempo que permitían montar los dispositivos en un paquete de transistores de lata metálica TO-5, con hasta 12 pines.

Aunque GME tenía un stand en el piso de exhibición en el WESCON (Western Electronic Show and Convention) de 1964 celebrado en Los Ángeles, la compañía también alquiló una habitación de hotel solo para mostrar el IC de registro de turnos de Wanlass. La demostración de circuito integrado de registro de desplazamiento MOS de GME impresionó a los clientes potenciales, estableció firmemente el liderazgo de GME en circuitos integrados MOS y posicionó a Wanlass como la autoridad líder de la industria en el desarrollo de circuitos integrados MOS.

La demostración de IC de registro de desplazamiento MOS de GME, la creciente reputación de la compañía como proveedor de MOSFET y las habilidades de venta y conexiones del coronel retirado de la Marina de los EE. UU. Art Lowell, uno de los fundadores de GME, atrajeron clientes del gobierno de los EE. UU. El primer contrato de diseño de MOS de la compañía fue con la NASA, para diseñar un circuito integrado con seis o siete MOSFET para la nave espacial Interplanetary Monitoring Platform, un programa que fue administrado por el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland. Las naves espaciales tienen severas restricciones de energía, por lo que los circuitos integrados MOS de baja potencia parecían hechos a medida para el proyecto. La supersecreta Agencia de Seguridad Nacional (NSA) también se convirtió en uno de los primeros clientes de GME. La NSA tenía un ambicioso plan para introducir comunicaciones inalámbricas con circuitos de descifrado en los cascos de los soldados, recuerda Wanlass.

La densidad de dispositivos llevó a GME a tomar el camino que condujo al destino inicial del MOS IC: las calculadoras. GME firmó un acuerdo con Victor Comptometer para construir un conjunto de chips de calculadora MOS que consta de al menos 20 circuitos integrados, cada uno de los cuales contiene cientos de componentes de circuito, incluidos MOSFET. Este debería haber sido un proyecto soñado para Wanlass, pero vio que GME no estaría a la altura de este desafío. Wanlass dejó GME en diciembre de 1964 cuando el proyecto de la calculadora apenas comenzaba. Como esperaba, el proyecto de calculadora de GME sufrió retrasos. La empresa empezó a tener problemas de dinero y fue adquirida en 1966 por Philco-Ford. Se convirtió en la División de Microelectrónica de Philco-Ford y la marca General Microelectronics dejó de existir. Philco-Ford finalmente abandonó el proyecto de la calculadora Victor en 1968, y la propia empresa dejó de existir unos años más tarde, cuando Ford decidió venderla. "GME cerró porque no tenían suficiente dinero y estaban presionando demasiado rápido, demasiado pronto", dijo Wanlass durante una entrevista.

Cuando dejó GME, Wanlass y cuatro de sus colegas intentaron por primera vez iniciar su propia empresa de semiconductores, pero el trato fracasó. En cambio, el equipo se unió a General Instrument (GI), un conglomerado de electrónica de la costa este que quería agregar a su cartera la fabricación de semiconductores, específicamente la fabricación de circuitos integrados. GI ya había contratado gerentes de otros fabricantes de semiconductores, incluidos Philco e IBM. La incorporación de Wanlass y su equipo marcó la dirección de la nueva división de semiconductores: MOS.

Lo primero que hizo Wanlass en GI fue diseñar y fabricar un IC de registro de desplazamiento de 21 bits, un poco más grande que el dispositivo de GME, para que GI pudiera afirmar que tenía el más grande. Pronto, GI introdujo circuitos integrados de registro de desplazamiento MOS de 50 y 90 bits. Entonces, algo que Wanlass hizo durante su mandato en GME se le ocurrió con un retorno de su inversión. Mientras Wanlass estaba demostrando el registro de desplazamiento de 20 bits de GME en esa suite de hotel en WESCON en 1964, conoció a un ingeniero llamado Bob Booher que trabajaba para Rockwell Autonetics, un contratista de aviónica conocido especialmente por desarrollar sistemas de guía inercial para submarinos e misiles balísticos intercontinentales estadounidenses. Wanlass parece haber contagiado a Booher su entusiasmo por los circuitos integrados MOS durante esa reunión.

Un par de años más tarde, Booher encontró a Wanlass en GI y le preguntó si podía fabricar un chip que él había diseñado. Era un analizador diferencial digital (DDA) y era un dispositivo muy ambicioso para la época. El DDA de Booher fue una implementación digital del Analizador Diferencial de Vannevar Bush, una computadora analógica mecánica utilizada ampliamente para resolver ecuaciones diferenciales numéricamente antes de la llegada de las computadoras electrónicas digitales. Con el tiempo, Rockwell Autonetics iniciaría su propio grupo de fabricación de semiconductores, pero eso era en el futuro y Rockwell no podía fabricar un chip tan grande en ese momento. El diseño del chip requirió un par de miles de transistores y fue, con diferencia, el diseño de circuito integrado más complejo que Wanlass había visto hasta la fecha. Además, Booher había desarrollado un novedoso esquema de sincronización de 4 fases que producía puertas lógicas dinámicas rápidas conservando al mismo tiempo el espacio del silicio. Wanlass acordó construir el chip para Booher y el dispositivo funcionó. GI estaba haciendo una demostración del dispositivo en agosto de 1966 y Booher estaba encantado.

En 1967, la infame falta de paciencia de Wanlass volvió a imponerse. Había hecho un trato que no le gustaba, pero esta vez lo que le molestaba era el lugar. Las instalaciones de semiconductores de GI estaban ubicadas en Hicksville, en Long Island, Nueva York. Wanlass creció como occidental y no le gustaba el clima de la costa este ni la fuerza laboral sindicalizada. Propuso trasladar toda la operación de semiconductores de GI a Utah, donde había crecido. Para mantenerlo feliz, GI permitió que Wanlass estableciera un laboratorio de investigación y desarrollo en Salt Lake City, Utah, donde obtuvo su doctorado. Dado el efecto del sodio en los circuitos integrados MOS, tal vez una ciudad llamada Salt Lake City no fuera el lugar ideal para un laboratorio de semiconductores MOS, pero el acuerdo mantuvo a Wanlass trabajando para GI, al menos durante unos años más. El laboratorio se inauguró en agosto de 1967. Durante ese período, GI se convirtió en líder en diseño y fabricación de circuitos integrados MOS. Wanlass dejó GI en 1970 y la posición de la empresa en la industria de circuitos integrados se deterioró rápidamente después de eso.

Como enérgico evangelista de MOS, Wanlass ayudó a varias empresas a ingresar al negocio de MOS IC, ya sea directa o indirectamente. Los investigadores de Fairchild continuaron beneficiándose del trabajo que realizó mientras trabajaba allí. Wanlass se reunió con gente de IBM Research en marzo de 1965 y compartió con ellos sus conocimientos sobre el diseño de MOS IC. IBM Research pronto se convirtió en un punto focal para la investigación de MOS. Fairchild contrató a Lee Boysel de IBM en 1966. Básicamente, había sido aprendiz de Wanlass en GI a pesar de que trabajaba para IBM, por lo que cuando se unió a Fairchild, estaba bien versado en todos los aspectos de la tecnología MOS IC, incluido el esquema de sincronización de 4 fases de Booher. En 1969, Boysel fundó su propia empresa de ordenadores y semiconductores MOS, Four-Phase Systems. Fairchild también contrató a Bob Cole de GME, donde trabajó con Wanlass como ingeniero principal en la operación de fabricación MOS de GME. Según se informa, el primer MOS IC de Texas Instruments fue una copia mediante ingeniería inversa de un chip GI diseñado por Wanlass.

Cuando Gordon Moore cofundó Intel en 1968 para fabricar circuitos integrados de memoria MOS, intentó contratar a Wanlass, pero Wanlass estaba vinculado a GI por un contrato de 7 años y rechazó la oferta. Sin embargo, el principal ingeniero MOS de Intel asistió a un seminario de GI donde Wanlass describió en detalle el trabajo MOS de GI. Wanlass compartió información con entusiasmo siempre que pudo porque su objetivo principal era hacer florecer el uso de los circuitos integrados MOS en la industria. No es que Wanlass no pudiera guardar secretos. Antes de obtener su doctorado, pasó un par de años en los Servicios Especiales del Ejército de EE. UU. ocupándose de secretos sobre armas atómicas, y estaba cansado de guardar secretos.

La historia de los semiconductores suele caracterizar a Wanlass como “impaciente”, y con razón. Dejaría a un empleador por pastos más verdes siempre que sintiera que beneficiaría el desarrollo de MOSFET. La industria de los semiconductores es realmente afortunada de que estuviera tan impaciente. Su obsesión lo llevó a ir a donde tuviera mayores posibilidades de ayudar a los MOSFET a lograr el destino que había imaginado como estudiante de doctorado en la Universidad de Utah, ya fuera que eso requiriera cambiar de empleador, dar presentaciones técnicas detalladas a investigadores de otros fabricantes de semiconductores, brindando amplio asesoramiento gratuito a pedido, o incluso contratando aprendices de proveedores de semiconductores de la competencia.

El historial de Wanlass se desvanece rápidamente después de que dejó GI en 1970. Parece haberse mudado a California y Silicon Valley. Después de dejar GI, Wanlass trabajó, fundó o participó en varias empresas emergentes de semiconductores, entre ellas:

· Varadyne, un fabricante de componentes electrónicos de amplia base en Santa Mónica, California, que compró la casa de diseño MOS Integrated Systems Technology, que se separó de GME después de que Philco-Ford comprara esa empresa en 1966.

· El fabricante de chips de reloj CMOS LSI Systems en Sunnyvale, California, que fue comprado por John Marshall en 1976 y rebautizado como Integrated Technology Corporation, manteniendo a Wanlass como consultor de diseño.

· Four-Phase Systems, fabricante de ordenadores y chips de memoria, en Cupertino, California

· Ultra Logic, la firma consultora de procesos CMOS de Wanlass, que desarrolló y patentó uno de los primeros procesos BiCMOS llamado UltraCMOS que combinaba lógica CMOS con transistores de salida bipolares.

· Zytrex en Sunnyvale, California, que compró Ultra Logic de Wanlass en 1981 y lo instaló como CTO

· Standard Microsystems en Hauppauge, Nueva York, que fue adquirida por Microchip en 2012.

Robert Plachno fue vicepresidente de ingeniería en Zytrex cuando Wanlass era director de tecnología. Plachno recuerda que Wanlass pudo sentarse y diseñar un nuevo proceso CMOS con un lápiz y una hoja de papel, anotando el flujo de herramientas y los tiempos y temperaturas necesarios para cada paso del proceso en una columna ordenada en el papel. También recuerda que Wanlass diseñaría un nuevo circuito integrado a mano en una hoja de Mylar de tamaño E utilizando una mesa de ping-pong instalada en su garaje como escritorio de trabajo.

En 1991, Wanlass se convirtió en el tercer ganador del Premio IEEE de Circuitos de Estado Sólido, ahora llamado Premio IEEE Donald O. Pederson en Circuitos de Estado Sólido. En el 50 aniversario del MOSFET y del circuito integrado en 2009, Frank Wanlass fue incluido en el Salón Nacional de la Fama de los Inventores por su invención de los circuitos CMOS. Se jubiló en 1994, pero continuó jugando con la electrónica y las computadoras.

Al final, la visión de Wanlass para los circuitos integrados MOS se hizo realidad. Murió en 2010, por lo que tuvo amplia oportunidad de ver a los MOSFET y CMOS convertirse en los elementos de circuito fundamentales para casi todos los circuitos integrados actuales. Su placa personalizada de California decía “I LUV CMOS”, un mensaje apropiado para el primer evangelista MOS de la industria.

Referencias

Entrevista con Frank Wanlass realizada por Ross Knox Bassett, 18 de octubre de 1994, de la colección personal de Bassett.

Entrevista con Robert Plachno, ex vicepresidente de ingeniería de Zytrex, por Steve Leibson, 25 de febrero de 2023.

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

Historia de la ingeniería de semiconductores, Bo Lojek, 2007

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

Michael J. Riezenman, “Circuito CMOS de Wanlass”, IEEE Spectrum, mayo de 1991, p.41.