专栏名称: 科技红利及方向型资产研究

科技红利大时代方向型资产的研究与探讨

芯片战争-54：仙童截胡钢铁巨人

科技红利及方向型资产研究 · 公众号 · · 2020-01-12 19:54

正文

中国半导体产业的思考—随笔之《芯片战争——亮剑！国运之战》

芯片战争54—仙童截胡钢铁巨人

（黎明之前，1950-1959年）

Ti申请微型电子线路专利，成功阻止RCA公司染指集成电路企图。全半导体化思想激发仙童更大野心。仙童选择Sprague电气的莱霍韦茨发明“多个半导体器件隔离技术”专利—反向偏压P-N结方法，解决最核心的电气隔离问题，仙童成功截胡钢铁巨人。

正文：

第二章 黎明之前

第四十节：仙童截胡钢铁巨人

在基尔比发明集成电路的三个月后，仙童公司的创始人诺依斯，不知从哪里获知了这一构想，十分震惊，进而欣喜不已。应该说，这个消息不仅震惊了业界，更是在仙童公司内部炸开了锅，8个年轻的创始人深知基尔比发明的“集成电路”这意味着什么。

旋即，诺伊斯召集其他7个小伙伴们共同商议对策，他首先向大伙介绍了两个月前他关于集成电路的一些设想，并直指德州仪器的集成电路粗鄙不堪，无法推出市场。诺伊斯同时建议，应立即上马集成电路项目，以仙童的研发实力以及硅晶体处理工艺上的技术优势，必定可以后来居上，再不济也可以与德州仪器公司打个平手。好东西，管它是谁的，谁先抢到就是谁的呀。

而其中基尔比深感为难的问题，比如硅材料问题，比如在硅片上进行两次扩散和导线互相连接的问题，正是诺伊斯和仙童公司的拿手好戏，小case，想到就去干，先干出来再说。

图：1959年诺伊斯根据基尔比的“全半导体化”思路所成功研制的集成电路

确实，基尔比展示的纯手工打造的“集成电路”是基于锗晶圆而不是性能更为优异的硅晶圆，另外电路的连线也只是用金线将各个元件小心翼翼地通过飞线“粘”在一起，真难为了身高2米的基尔比竟然如此心灵手巧。但这样的作品注定只能展示于实验室，不加以改进，无法实现量产。

而诺伊斯设想的集成电路，则是基于赫尔尼（仙童八位创始人之一）新近发明的半导体平面工艺处理技术，不需要任何外部导线的连接，比起基尔比手工的作品要“精致”得多，并且可以制作出更为复杂的集成电路。

1959年7月，仙童递交了关于集成电路的专利申请，与德州仪器的专利不同，诺伊斯的专利更侧重于生产工艺，重点体现在“为不同半导体区域间的互联提供了以元件为导向的架构，使单一电路的结构更为紧凑，轻松实现更小尺寸的元件的组装，推动同一板块上装配更多的元件。”

一个月后，8月份，仙童半导体在一个国际电子展上展示了他们的首块“集成电路”，这是由拉斯特（仙童八位创始人之一）用四个晶体管在陶瓷板上拼凑出的一个触发电路。

四个晶体管在陶瓷板上拼凑出的一个触发电路，仙童公司的第一个所谓的集成电路的样品很粗糙，这个触发电路，严格意义并不算集成电路，和基尔比的第一个集成电路产品相比较，简直是不忍直视。但是，却展示了仙童对于“集成电路”的一个理念—由一个细小外壳封装的完整电路。

仙童公司也自知这一样品不会引起太大的关注，但是，作为一个营销上的防御措施，还是有着极其重要的意义的。这表明仙童也已经进入集成电路领域，而这一领域，绝不是钢铁巨人的私人领地。

请记住，仙童发布集成电路产品的这一天，距离德州仪器在纽约华尔道夫酒店召开了新闻发布会的日子1959年3月6号，已经过去5个月的时间。

发布第一个样品之后，很快，诺伊斯带领仙童半导体的小伙伴们就将杰克·基尔比的试验进行了改进，采用蒸发沉积金属的方法取代焊接导线，十分轻松的解决了元件之间互相连接的问题，进而实现了集成电路的大规模量产的可能，同时仙童公司以最快的速度申请了发明专利（1959年7月30号），这一做法彻底激怒了德州仪器。

图：罗伯特.诺伊斯制作的第一片单片集成电路

采用蒸发沉积金属的方法取代焊接导线，十分轻松的解决了元件之间互相连接的问题，进而实现了集成电路的大规模量产的可能，这就是仙童半导体公司的赫尔尼发明的轰动全球产业界的平面工艺技术。

图：仙童半导体的第一块采用平面工艺技术的集成电路

该芯片有四个双极晶体管（如上图，照片中心的具有亮蓝色鼻锥状特征）和五个电阻（亮蓝色水平和垂直条）。白条是铝制连接器，通常通过焊接在设备边缘的焊盘上的电线（此处未显示）连接到外部世界。不规则的黑色斑点是芯片表面的缺陷。实际尺寸：直径0.06英寸。

在这里，我们再看看德州仪器的做法，为什么德州仪器要高调的1959年3月6号进行“官宣”。因为，1959年1月28日，一个让人紧张的消息传来，那就是美国无线电公司（RCA）正准备将他们开发的“集成电路原型”上报专利局。这一消息使基尔比和德州仪器的管理层大为震惊。所以，他们迅速地为基尔比的发明准备好了专利申请材料。RCA公司的这个集成电路原型，具体请见随笔前文叙述。

1959年2月6日，德州仪器的专利代理人将一份内容更具有广泛性的“微型电子线路”的专利申请递交给了美国联邦专利局。该申请材料称：“与过去的微型电子线路相比，该发明是基于全新的、完全不同于以往任何微型电子线路的理念。根据这一全新的工艺来实现微型电子线路，只需要一种半导体材料就能将所有电子器件集成起来，并且其工艺步骤是有限的，易于生产的。”

1959年3月6号，在美国无线电工程学院（IEEE的前身）年会上，德州仪器向新闻界发布了他们的革命性发明——“固体微型电子线路”。基尔比的助手谢泼德（这哥们后来当了德州仪器的总裁）宣布：“这是Ti开发的最有意义的技术成果，因此我们宣布集成电路在商业上是可行的。”

可以说，德州仪器的新产品发布会，这一消息成功的使得RCA公司彻底放弃了和Ti争夺集成电路发明权的意图和可能。

德州仪器在纽约华尔道夫酒店展示的新产品，虽然成功的阻止了美国无线电（RCA）公司染指集成电路的企图，但是，基尔比在这一新产品中展现出来的“全半导体化”思想却激发了仙童半导体公司的更大的野心。

可谓是：“前门拒狼，后门迎虎。”

为什么仙童半导体公司能够在很短的时间内就修改了拉斯特的最初的产品方案，从而快速推出了已经接近于集成电路的产品呢？或者说，仙童手里掌握了什么技术使得罗伯特.诺伊斯有信心对钢铁巨人进行“截胡”呢？

当时，仙童公司关于半导体硅片内部如何实现各种器件之间的电气隔离的技术还不成熟，电气隔离，这是集成电路大规模生产制造中最为关键的核心技术之一。为此，诺伊斯和其他七位小伙伴们又一次发扬了“拿来主义”，他们选择了Sprague电气公司的Kurt Lehovec发明专利中的核心技术，在KurtLehovec的专利中他第一次提出了一种“反向偏压P-N结”的方法。仙童半导体据此方法，才解决仙童集成电路中让八位创始人始终苦恼不已的“电气隔离问题”。

图：反向偏压P-N结专利技术的发明者Sprague电气公司的Kurt Lehovec

SpragueElectric（斯普拉格电气公司），FrankJ.Sprague于1886年成立了Sprague电气铁路和电机公司，以开发电机的应用。

到20世纪50年代，斯普拉格为消费电子市场生产电容器和其他电子元件，并于1965年在马萨诸塞州伍斯特市开设了一家制造半导体的工厂。

斯普拉格半导体集团，主要生产用于电力电子和运动控制的集成电路和传感器，后来，分拆为Allegro Microsystems Inc.，最后，由日本Saitama的SankenElectric Company，Ltd.所持有。

KurtLehovec（库尔特.莱霍韦茨），1918年6月12日至2012年2月17日。

Kurt Lehovec于1918年6月12日出生于波希米亚北部的Ledvice，也就是后来的捷克斯洛伐克共和国。1941年，他从布拉格大学获得物理学博士学位，并被征召进入德国军队，第二次世界大战中在苏联战场进行作战。

第二次世界大战结束之后，根据他在太阳能电池方面的工作和成就，1947年，美国新泽西州蒙茅斯的陆军信号部队将Kurt Lehovec列入前纳粹占领区科学家的人才计划，他才得以来到了美国。

在这里，与卡尔.阿克卡多和爱德华.贾姆戈奇安一起，他解释了第一个发光二极管（LED）的工作原理，延续了奥列格.洛塞夫原先的工作，发光二极管（LED）是Kurt Lehovec所取得第一个最重要的半导体技术。

Kurt Lehovec的第二个主要的贡献是，他解释了固体中离子快速传导的重要情况是在离子晶体的表面空间电荷层中进行。K.Lehovec在《离子晶体表面的空间电荷层和晶格缺陷分布》一文中首次预测了这种传导，这篇文章发表于物理学评论，1953 V.21 P.1123—1128。

在文章中，他解释道：“由于空间电荷层具有纳米厚度，其效应直接与纳米离子学有关”。Lehovec所提出的效应形成了许多纳米结构快速离子导体的基础，后来，被广泛的用于今天的便携式锂电池和燃料电池。

后来，1952年，他获得了美国国籍。同年，他加入了位于马萨诸塞州西部的斯普拉格电气（Sprague Electric）公司，主要从事半导体晶体管领域的研究。1968年，在半导体PN连接隔离上的专利问题上，他取得了对德州仪器的专利胜利。后来，他移居加利福尼亚，在那里他第一次担任产业资讯顾问。

1966年，库尔特.莱霍韦茨离开斯普拉格电气公司，成为南加州航空航天公司的顾问。

1972年，库尔特.莱霍韦茨成为加利福尼亚州洛杉矶南加州大学的名誉教授，主要教授工程学。他于1988年从南加州大学退休。后来，他一直住在南加州，直到2012年2月17日在洛杉矶的家中去世，享年93岁。

这一时期，库尔特.莱霍韦茨最主要的成就就是发明了一种“多个半导体器件隔离的技术”的专利，并在1959年4月22号申请，专利号为3029366，专利名称为“多半导体组件（Multiple Semiconductor Assembly）”。这项技术是库尔特.莱霍韦茨对全球半导体产业和集成电路技术的发展所作出的最重要的贡献。

在这篇专利中，库尔特.莱霍韦茨创新了“P—N结隔离”的概念，在每个带保护环的电路元件中使用：一个围绕该元件平面外围的反向偏压p-n结。这一专利技术，为仙童半导体公司诺伊斯成功研制集成电路起到了关键性的作用。

也正是凭借这一核心技术，库尔特.莱霍韦茨，亦被誉为“集成电路的先驱”之一。

图：库尔特.莱霍韦茨的“多个半导体器件隔离的技术”的专利

1959年，库尔特.莱霍韦茨发明了“多个半导体器件隔离技术”的专利，这是集成电路的结隔离技术。同年，罗伯特.诺伊斯在仙童半导体公司开发集成电路时，基于库尔特.莱霍韦茨的想法，在一个小型硅芯片上开发出完全集成的电子电路，然后将其商业化生产。最关键的是，这项技术，在集成电路发明专利这一问题上，使得仙童半导体公司成功的对德州仪器进行了“截胡”。

虽然，库尔特.莱霍韦茨发明的这项专利技术对于仙童半导体公司的集成电路发明起到了关键的促进作用，但是，他并没有从这项开创性的工作中获利。

后来，在德州仪器和仙童半导体关于集成电路发明专利的纠纷中，库尔特.莱霍韦茨被仙童公司推到了前台，和钢铁巨人打起了专利官司。虽然，最终库尔特.莱霍韦茨也取得了“半导体PN结连接隔离技术”的专利胜利，但是，也这场官司也是的他筋疲力尽，最终选择离开了产业，返回大学教书去了。。。

库尔特.莱霍韦茨，今天的人们，即使是半导体、集成电路专业的朋友们，对于他都已经非常陌生了，但是，在20世纪50年代末，他开创性的研究工作—“反向PN结隔离”技术推动了全球集成电路产业的发展和半导体集成电路芯片技术的进步。

感谢您一直以来、长期持续关注《中国半导体产业的思考——随笔》和《芯片战争——亮剑！国运之战》相关系列报告以及敬请您持续关注后续系列！

如果您喜欢本文，欢迎转发和转载。谢谢。

注1：本文部分图表、数据等引用于互联网、公司公告等；

注2：本文相关专利信息和说明等引用于互联网以及国家相关专利机构等；

注3：本文相关公司信息、产品等引用于互联网，外媒、公司公告等；

注4：本文相关行业数据、产业信息等来自国家统计局、工信部等；