Die Siliziumdioxidlösung

Keine Plastiktüten, keine Metallschrauben, keine Zigarettenkippen. Nein, das häufigste menschliche Artefakt ist heute der Transistor – er wurde diesen Monat vor 60 Jahren von den Bell Labs-Physikern John Bardeen und Walter Brattain erfunden. Millionen dieser Subminiaturschalter stecken in Computern, Mobiltelefonen, Spielzeugen, Haushaltsgeräten und allem anderen, was einen Mikrochip trägt. Wie viele Transistoren es genau gibt, ist schwer zu sagen, aber vor einigen Jahren stellte Gordon Moore, Gründer der Intel Corp. und Autor des berühmten Mooreschen Gesetzes, eine fundierte Vermutung an: Jährlich werden mehr als 1018 – das ist eine Trillion – Transistoren hergestellt. „Wir stellen pro Jahr mehr Transistoren her, als in allen Zeitungen, Zeitschriften, Büchern, Fotokopien und Computerausdrucken Zeichen gedruckt sind“, erzählte mir Moore kürzlich. „Und wir verkaufen diese Transistoren für weniger als den Preis einer Figur in der Sunday New York Times.“

Hinter dem explosionsartigen Wachstum, das die Transistorproduktion seit 1960 verzeichnet, steht eine große technologische Errungenschaft. Heutzutage drucken Chiphersteller im Wesentlichen Transistoren auf Siliziumwafern. Dabei handelt es sich um eine Herstellungsmethode, die auf dem mechanischen Druckverfahren basiert, das vor mehr als 500 Jahren von Johannes Gutenberg entwickelt wurde – allerdings natürlich weitaus komplexer. Moore selbst spielte in den 1960er Jahren eine führende Rolle bei der Entwicklung der Transistorfertigungstechnologie, als er Forschungsdirektor bei Fairchild Semiconductor Corp. in Palo Alto, Kalifornien, war. Aber ein Großteil des Verdienstes für diesen revolutionären Fortschritt gebührt einem weniger bekannten Halbleiterpionier Fairchild-Mitbegründer. Der unbesungene Held dieses entscheidenden Kapitels in der Geschichte der Elektronik – der Erfindung des Planartransistors – ist Jean Hoerni.

Der in der Schweiz geborene theoretische Physiker Hoerni gründete 1957 zusammen mit sieben anderen entschlossenen, gleichgesinnten Rebellen – Moore, Robert Noyce, Jay Last, Sheldon Roberts, Eugene Kleiner, Julius Blank und Victor Grinich – Fairchild [siehe Foto: „ Die Fairchild Acht“]. Sie alle trugen direkt oder indirekt zur neuen Technologie bei, aber keiner so sehr wie Hoerni. Vor fünfzig Jahren, als er allein in seinem Büro saß, entwickelte er einen völlig neuen Transistortyp: ein kompakteres, flacheres Gerät, dessen empfindliche Teile unter einer dünnen Schicht Siliziumdioxid geschützt waren. Hoernis brillante Idee ermöglichte es dem jungen Unternehmen mehr als jeder andere Faktor, mit dem Drucken von Transistoren auf Silizium zu beginnen. Planartransistoren würden sich als viel zuverlässiger und leistungsfähiger als andere Designs erweisen und die Angebote der Konkurrenz praktisch überflüssig machen.

Die Fairchild Eight: von links: Gordon Moore, Sheldon Roberts, Eugene Kleiner, Robert Noyce, Victor Grinich, Julius Blank, Jean Hoerni und Jay Last. Fotoillustration: Wayne Miller/Magnum Photos/Fairchild Semiconductor

Der Planarprozess erleichterte auch die Verbindung benachbarter Transistoren auf einem Wafer und ebnete so den Weg zu einer weiteren Errungenschaft von Fairchild: den ersten kommerziellen integrierten Schaltkreisen. Als andere Unternehmen die großen Vorteile der Planartechnologie erkannten und damit begannen, sie in ihren eigenen Produktionslinien einzuführen, trug Hoernis elegante Idee dazu bei, das Silicon Valley zum weltweiten Epizentrum der Mikroelektronik zu etablieren.

Die letzten Monate des Jahres 1957 waren bei Fairchild eine Zeit der Vorfreude, als die Gründer die Labore und Produktionslinien des neuen Unternehmens in einer Gebäudegruppe in der 844 Charleston Road in Palo Alto organisierten. Im September desselben Jahres hatten die acht Wissenschaftler und Ingenieure massenhaft ihr Amt im Shockley Semiconductor Laboratory im etwa zwei Kilometer entfernten Mountain View niedergelegt. Sie waren verärgert über den unnachgiebigen Führungsstil seines Gründers, des Transistorpioniers William Shockley, und sein Streben nach schwierigen Forschungs- und Entwicklungsprojekten auf Kosten nützlicher, verkaufsfähiger Produkte. Deshalb überzeugten sie die Fairchild Camera and Instrument Corp. aus Syosset, NY, ein Unternehmen, das sein Geschäft diversifizieren wollte, von der Gründung von Fairchild Semiconductor. Die acht Gründer planten, die Siliziumverarbeitungstechniken, die sie unter Shockley gelernt hatten, zu nutzen, um fortschrittliche Hochgeschwindigkeitstransistoren herzustellen und zu verkaufen.

Ihr Timing hätte nicht besser sein können. Am 4. Oktober 1957 brachte die Sowjetunion Sputnik I in die Umlaufbahn und löste damit einen hektischen Wettlauf ins All mit den Vereinigten Staaten aus. Millionen auf der ganzen Welt blickten in den Himmel, um den beeindruckenden, unbestreitbaren Beweis dafür zu sehen, dass die Sowjets einen großen Vorsprung hatten. Unterdessen leitete Senator Lyndon B. Johnson (D-Texas) die Untersuchungen des Kongresses darüber, wie die Eisenhower-Regierung jemals die Entstehung einer solchen „Raketenlücke“ hätte zulassen können. Da die UdSSR durch die größere Schubkraft ihrer Raketen einen großen Vorteil hatte, suchte die US-amerikanische Luft- und Raumfahrtindustrie nach allen erdenklichen Möglichkeiten, die Größe und das Gewicht ihrer Nutzlasten und Satelliten zu reduzieren. „In den späten 1950er Jahren wurde viel über die Packungsdichte elektronischer Funktionen gesprochen“, erinnerte sich Noyce in einem Interview aus dem Jahr 1975, das im IEEE History Center archiviert ist. „Es war das Raketenzeitalter und die Transportkosten von hier nach Russland waren sehr hoch.“ Der Bedarf an kleinen, ultraleichten elektronischen Schaltkreisen auf Basis zuverlässiger Siliziumtransistoren machte diese Geräte zu einem vielversprechenden Markt für Fairchild.

In diesem Herbst arbeiteten die Gründer von Fairchild fieberhaft daran, alles zum Laufen zu bringen. Moore richtete Diffusionsöfen ein, um Siliziumwafer mit mikrometerdünnen Schichten von Verunreinigungen zu imprägnieren – chemischen Elementen wie Bor, Phosphor oder Aluminium, die die elektrischen Eigenschaften von Silizium verändern, um die Bausteine ​​eines Transistors zu bilden. Der Metallurge Sheldon Roberts übernahm die Aufgabe, hochreine Siliziumkristalle zu züchten, aus denen die Wafer geschnitten werden konnten. Noyce und Last entwickelten Methoden zur Photolithographie und Oxidmaskierung, mit denen sie präzise Öffnungen in einer dünnen Siliziumdioxidschicht auf der Waferoberfläche definieren konnten; Die Verunreinigungen würden durch diese Öffnungen in das darunter liegende Silizium diffundieren. Andere Mitbegründer beschäftigten sich mit der Herstellung, dem Testen und dem Verkauf der High-Tech-Geräte an Kunden aus der Luft- und Raumfahrtindustrie.

Und dann war da noch Hörni. Als Theoretiker mit gleich zwei Doktortiteln der Universitäten Cambridge und Genf war er in die Vereinigten Staaten gekommen, um am Caltech ein Postdoktorat zu absolvieren. 1956 lockte Shockley den 32-jährigen Physiker von der akademischen Welt weg und beauftragte ihn mit theoretischen Berechnungen der Diffusionsraten. Zuerst war Hoerni in einem separaten Büro untergebracht, aber er kam immer wieder vorbei und schnüffelte im Labor im Hauptgebäude herum – was ihm wertvolle Einblicke in die Festkörperdiffusion verschaffte. Später, bei Fairchild, während die anderen am Bau oder der Installation von Geräten arbeiteten, saß er meistens in seinem Büro und „kritzelte in sein Notizbuch“, erzählte mir Moore.

Am 1. Dezember 1957 schnappte sich Hoerni sein neues Laborheft und begann, einen Eintrag mit dem Titel „Methode zum Schutz freiliegender pn-Übergänge an der Oberfläche von Siliziumtransistoren durch Oxidmaskierungstechniken“ zu schreiben. In einer lockeren, fließenden Skizze, durchsetzt mit drei einfachen Zeichnungen, beschrieb er eine revolutionäre neue Methode zur Herstellung von Transistoren – anders als alles, was jemals zuvor versucht wurde.

Die damals fortschrittlichsten Siliziumtransistoren wurden Mesa-Transistoren genannt, weil sie den Hochebenen des amerikanischen Südwestens ähnelten und die Verunreinigungsschichten seitlich wie die bunten Gesteinsschichten verliefen [siehe Abbildung „Mesa vs. Planar“]. Diese Transistoren bestanden im Wesentlichen aus drei vertikal übereinander gestapelten Störstellenschichten, von denen jede entweder reich an Elektronen (n-Typ) oder mit Elektronenmangel, besser bekannt als Löcher (p-Typ), war. Der Hauptnachteil der Mesa-Struktur besteht darin, dass ihre pn-Übergänge, die Grenzflächen zwischen Schichten, an denen die elektrische Aktivität des Transistors stattfindet, an den Rändern freiliegen. Staubpartikel oder Feuchtigkeitstropfen können die empfindlichen Schnittstellen verunreinigen und deren normales elektrisches Verhalten stören.

Mesa vs. Planar: Seitenansichten einer Mesa (links) und eines Planartransistors, aus einem Bericht von Hoerni aus dem Jahr 1960. Illustration: Computer History Museum

Hoernis Idee bestand darin, die pn-Übergänge zu schützen, indem die Oxidschicht nach dem Diffusionsprozess auf dem Silizium erhalten blieb; Die damals übliche Praxis bestand darin, diese Schicht wegzuätzen und so die Verbindungsstellen freizulegen. „Die so erhaltene Oxidschicht ist ein integraler Bestandteil des Geräts“, schrieb er an diesem Dezembertag in sein Notizbuch, „und schützt die ansonsten freiliegenden Verbindungen vor Kontamination und möglichen elektrischen Leckagen aufgrund der anschließenden Handhabung, Reinigung und Konservierung.“ des Geräts.“

Es war eine brillante Idee, aber ihrer Zeit zu weit voraus. Hoernis Ansatz würde zusätzliche Herstellungsschritte erfordern, und die Herstellung von Mesa-Transistoren lag bereits an der Grenze des Möglichen. Bell Labs und Western Electric hatten Prototypen von Mesas hergestellt, aber kein Unternehmen hatte einen auf dem freien Markt verkauft.

Anfang 1958 erhielt Fairchild seinen ersten Auftrag für Siliziumtransistoren von der Federal Systems Division von IBM, die plante, diese in dem Bordcomputer einzusetzen, den sie für den B-70-Bomber entwarf. Fairchild, das noch nicht einmal über Prototypen verfügte, stand vor der gewaltigen Herausforderung, tatsächlich funktionierende Geräte zu liefern. Um die Erfolgsaussichten zu maximieren, beschlossen die Mitbegründer, zwei verschiedene Arten von Mesa-Transistoren zu entwickeln. Eine Gruppe unter Moore verfolgte die NPN-Transistoren, die als einfacher herzustellen galten, während Hoerni eine weitere Gruppe gründete, die sich mit den PNP-Versionen befasste.

Ausschlaggebend für beide Bemühungen war die Arbeit von Last und Noyce an den optischen Methoden, die erforderlich sind, um die Muster, die die Merkmale eines Transistors definieren, auf den Siliziumwafer zu übertragen. Auf einer Reise nach San Francisco kauften sie in einem Fotofachgeschäft drei 16-Millimeter-Objektive und bauten daraus eine Step-and-Repeat-Kamera, ein Gerät, das rechteckige Anordnungen winziger, identischer Bilder auf Fotoplatten, sogenannten Masken, erzeugte. Die Arbeiter richteten Licht durch die Masken auf ein spezielles lichtempfindliches Harz, das auf der Oxidoberflächenschicht des Wafers abgeschieden worden war. Als sie den Wafer anschließend in einer starken Säure spülten, ätzten diese die beleuchteten Bereiche weg und legten das darunter liegende Silizium frei. Durch die entstandenen Öffnungen diffundierten dann dünne Schichten von Verunreinigungen in das Silizium. Mit solchen Techniken könnte Fairchild Hunderte identischer Transistoren auf einem einzigen Wafer stapelweise verarbeiten.

Ein weiterer Durchbruch war die Verwendung eines einzigen Metalls zur Herstellung der elektrischen Verbindungen sowohl zum n-Typ- als auch zum p-Typ-Silizium, ein Ansatz, der den Herstellungsprozess erheblich vereinfachte. Moore hatte mit diesem Problem zu kämpfen und versuchte viele verschiedene Metalle, als Noyce eines Tages früh in seinem Labor vorbeikam und Aluminium vorschlug. Als Verunreinigung vom p-Typ verbindet sich Aluminium leicht mit Silizium vom p-Typ, bildet jedoch häufig einen stromblockierenden pn-Übergang, wenn es auf Silizium vom n-Typ abgeschieden wird. Moore fand einen Weg, dieses Problem zu umgehen, indem er mit Silizium vom n-Typ begann, das mehr Verunreinigungen als üblich aufwies. Moores Gruppe nahm ihre NPN-Transistoren im Mai 1958 in Produktion, weit vor Hoernis Team, das sich für die Verwendung von Silber für elektrische Kontakte entschieden hatte.

Um die empfindlichen Übergänge der Mesa zu schützen, wurde jeder Transistor in eine erbsengroße, hermetisch verschlossene Metalldose verpackt und dann getestet. Fairchild lieferte die ersten hundert Exemplare planmäßig im Juli an IBM aus, wobei ein Stückpreis von 150 US-Dollar in Rechnung gestellt wurde. Im nächsten Monat stellten die Gründer auf der Elektronikmesse WESCON zu ihrer Freude fest, dass sie die einzigen auf dem Markt waren, die Silizium-Mesa-Transistoren hatten. „Wir haben die Branche erobert!“ sagte Noyce und freute sich über ein Fairchild-Treffen ein paar Tage später.

Über die einzige Person Bei Fairchild feierte Hoerni nicht. Als stolzer, charmanter, aber jähzorniger und oft sprunghafter Mann, Spross einer Schweizer Bankiersfamilie, ärgerte er sich darüber, dass sein PNP-Ansatz übergangen worden war. Aber er war auch ein hartnäckiger Widersacher, dessen kreatives Feuer durch Widrigkeiten angeheizt wurde. Hoerni gab nicht nur nicht auf, sondern machte sich auch daran, einen noch besseren Transistor zu entwickeln. Später in diesem Jahr kehrte er zu den Ideen zurück, die auf den ersten Seiten seines Notizbuchs niedergeschrieben waren. Könnte die Oxidschicht tatsächlich zum Schutz der empfindlichen pn-Übergänge genutzt werden? Es gab Anzeichen dafür. In diesem Frühjahr waren Berichte von Bell Labs eingegangen, dass die Oxidschicht tatsächlich das darunter liegende Silizium schützte. Warum nicht auch die Kreuzungen?

Als promovierter Kristallphysiker erkannte Hoerni, dass die durch die winzigen Öffnungen in der Oxidschicht eindringenden Verunreinigungsatome sowohl seitwärts als auch nach unten in die Kristallstruktur des Siliziums diffundieren würden. Das bedeutete, dass sich die Grenzflächen unter der Oxidschicht, die eine Öffnung umgab, nur wenige Mikrometer weiter von ihren Rändern entfernt aufrollten. Er vermutete, dass die Oxidschicht diese Verbindungen schützen könnte, wenn sie an Ort und Stelle belassen würde, anstatt weggeätzt zu werden.

Aber das Gerät, das Hoerni sich vorgestellt hatte, wäre nicht nur schwieriger herzustellen, seine Struktur widersprach auch der gängigen Meinung. Insbesondere bei Bell Labs und Western Electric galt die Oxidschicht als „schmutzig“ – nach dem Diffusionsprozess mit Verunreinigungen gefüllt – und musste daher entfernt werden.

In der Zwischenzeit kamen Ende 1958 und Anfang 1959 ernsthafte Bedenken hinsichtlich der Mesa-Transistoren auf, die Fairchild verkaufte. Bei einigen Geräten kam es zu Verstärkungsinstabilitäten, bei anderen kam es zu Fehlfunktionen. Ein wichtiger Kunde berichtete, dass ein Transistor plötzlich nicht mehr funktionierte. Ein Fairchild-Techniker führte die Fehler schließlich auf winzige Staubpartikel und Lotfragmente zurück, die in den Dosen eingeschlossen waren. Die Flecken wurden durch die dortigen starken elektrischen Felder von den Verbindungsstellen angezogen. In einem anschließenden Qualitätskontrollverfahren, das als Klopftest bekannt wurde, klopften Arbeiter mit Radiergummis auf die Dosen und versuchten, alle Teile zu lösen, die einen Kurzschluss an den Verbindungen verursachen könnten. In diesem Fall wurde der Transistor verworfen. Für das freche junge Unternehmen waren das schwere Zeiten, denn solche Misserfolge bei seinem einzigen Produkt bedrohten seine Existenz.

Hoernis zielstrebiges Streben nach einem zuverlässigeren Transistor erwies sich tatsächlich als zeitgemäß. In dem, was Moore mir gegenüber als „Flickschust-Experiment“ beschrieb, mit dem Hoernis Ideen bewertet werden sollten, ließ ein Techniker absichtlich die Oxidschicht auf einem der pn-Übergänge in einem Mesa-Transistor zurück. Im Test zeigte es eine wesentlich bessere Verstärkungsstabilität – was darauf hindeutet, dass Hoerni wirklich auf der richtigen Spur war. Am 14. Januar 1959 ließ er zwei seiner Notizbuchseiten als formelle Offenlegung abtippen und an John Ralls, den Patentanwalt von Fairchild, schicken. Abgesehen von ein paar kleineren Korrekturen und besseren Zeichnungen war es identisch mit dem Notizbucheintrag, den er mehr als ein Jahr zuvor geschrieben hatte.

Ein Problem bei Hoernis Ansatz – und einer der Gründe dafür, dass zunächst niemand es versuchte – bestand darin, dass seine Transistorstruktur komplexer war als die der Mesa und für ihre Herstellung eine vierte fotolithografische Maske erforderlich war. Die Step-and-Repeat-Kamera von Last und Noyce konnte nur drei Masken aufnehmen. Aber im Februar letzten Jahres habe die Jury zu diesem Zweck „eine vierte Maske manipuliert“, erinnerte er sich kürzlich in einem Telefoninterview. Am 2. März schrieb Hoerni einen weiteren Eintrag in sein Notizbuch mit dem Titel „Eine Methode zur Herstellung von PNP-Transistoren mit oxidgeschützten Übergängen“. Auf zwei weiteren Text- und Zeichnungsseiten erläuterte er konkret, wie ein solches Gerät hergestellt werden sollte, verwendete jedoch weiterhin hartnäckig Silber für die elektrischen Kontakte auf der Oberseite. Zu diesem Zeitpunkt waren seine Techniker bereits damit beschäftigt, seine neuartigen Ideen in tatsächliche Herstellungsprozesse umzusetzen.

Aber all diese Fortschritte kamen zu einer Zeit des Umbruchs bei Fairchild. In derselben Woche, in der Hoerni seine Fertigungsideen niederschrieb, verließ Edward Baldwin, der von Hughes Electronics Corp. als General Manager von Fairchild eingestellt worden war, plötzlich das Unternehmen, um Rheem Semiconductor in Mountain View zu gründen, und nahm fünf Schlüsselpersonen aus der Fertigung mit Aufteilung. Nach anhaltendem Drängen der anderen Mitbegründer von Fairchild trat Noyce an seine Stelle und Moore übernahm Noyces Position als Forschungsdirektor.

Silicon Flatland: Oben von oben: ein früher Prototyp eines Planartransistors, hergestellt von Fairchild im Frühjahr 1959; ein Schnittmodell des ersten kommerziellen Planartransistors des Unternehmens, des 2n1613, der erstmals im April 1960 auf den Markt kam; einer der ersten integrierten Schaltkreise, der im Frühjahr 1960 vom Entwicklungsteam von Jay Last hergestellt wurde; und ein Prototyp einer planaren Flip-Flop-Schaltung, hergestellt im Herbst 1960. Fotos: Oben (2): Fritz Goro/Time & Life Pictures/Getty Images; Unten (2): Fairchild Semiconductor

In der folgenden Woche lud Hoerni mehrere Kollegen ein, sich eine Vorführung seines neuen Transistor-Prototyps anzusehen. Unter dem Mikroskop sah es anders aus als jedes andere Gerät von Fairchild. Mit einem Durchmesser von weniger als einem Millimeter war es völlig flach – in der Mitte ragte kein Mesa hervor. Alles, was sichtbar war, war ein kreisförmiger Metallpunkt mit einem Metallring darum herum und die Oxidoberflächenschicht dazwischen. Es ähnelte einer Volltrefferzielscheibe, bei der ein Teil wie eine Träne herausgezogen war, was das Anbringen eines Drahtes erleichterte [siehe Fotos, „Silicon Flatland“].

Was dann geschah, ist unklar. Einige Beobachter haben behauptet, Hoerni habe plötzlich auf seinen Transistor gespuckt, um zu zeigen, dass solch ein unerhörter Missbrauch keine negativen Auswirkungen auf die oxidgeschützten Übergänge hatte. Aber Last und Moore können sich nicht erinnern, dass er tatsächlich gespuckt hat, und Moore weist darauf hin, dass Speichel die Metalldrähte am Gerät kurzgeschlossen hätte. Dennoch sei die Demonstration dramatisch und überzeugend gewesen, sagte mir Last. „Mensch, es ist schade, dass Baldwin letzte Woche gehen musste“, erinnert er sich, als er hinterher scherzte.

Danach ging es schnell voran. Es war offensichtlich, dass Hoernis Schöpfung weitaus robuster und zuverlässiger war als die Tafelberge. Und es zeigte sich auch, dass die Leckströme viel geringer sind – kleine, in die falsche Richtung fließende Ströme, die die Transistorleistung erheblich beeinträchtigen können. In einem Fairchild-Bericht, der im folgenden Jahr veröffentlicht wurde, stellte Hoerni fest, dass die Leckströme in seinem Gerät normalerweise weniger als ein Nanoampere oder nur 1 Prozent der Leckströme in Mesa-Transistoren betrugen.

Die Frage, die uns alle beschäftigte, war: Können wir diese Transistoren in großen Mengen herstellen? Anfänglich lieferte der Planarprozess nur wenige funktionierende Transistoren pro 100 – viel schlechter als der Mesa-Prozess. Doch als verschiedene Probleme, wie zum Beispiel Nadellöcher in der Oxidschicht, gelöst wurden, stiegen die Erträge und die Zweifel verflüchtigten sich. Im April 1960 verkaufte Fairchild seinen ersten Planartransistor, den 2N1613 – einen Metallzylinder mit einem Durchmesser von etwa einem halben Zentimeter und fast genauso hoch, aus dem drei kleine Metallbeine herausragten.

Einige Monate später verfügten Noyce und Moore, dass künftig alle Transistoren des Unternehmens planar sein würden. Während andere Halbleiterfirmen wie Rheem, Motorola und Texas Instruments begonnen hatten, Mesa-Transistoren zu wettbewerbsfähigen Preisen herzustellen, schlug Fairchild mutig eine vielversprechende neue Richtung ein. Bald begannen Avionikhersteller aufgrund ihrer unübertroffenen Zuverlässigkeit nach Planartransistoren zu fragen. Die Autonetics-Abteilung von North American Aviation bestand beispielsweise darauf, die Planartransistoren von Fairchild in den Leit- und Kontrollsystemen der Minuteman-Rakete einzusetzen.

Fairchild lizenzierte den Planarprozess schließlich an andere Transistorhersteller – sogar an Bell Labs und Western Electric. Entweder folgten die anderen Firmen dem Beispiel von Fairchild oder sie schieden aus der Branche aus.

Lange vor Fairchild Nachdem es ihm gelungen war, Hoernis Gerät zu kommerzialisieren, begann Noyce darüber nachzudenken, was das Unternehmen sonst noch mit dem planaren Ansatz machen könnte. In seinem Interview von 1975 schrieb er Patentanwalt Ralls zu, dass er das Fairchild-Team aufgefordert habe, andere Anwendungen in Betracht zu ziehen, die sich aus der neuen Art der Transistorherstellung ergeben könnten. Noyce erkannte, dass durch das Belassen der Oxidschicht „die Oberfläche des Siliziums mit einem der besten Isolatoren versehen war, die der Mensch kennt“. Das bedeutete, dass die elektrischen Verbindungen durch Abscheiden von Metallstreifen – wie die von Moores Gruppe perfektionierten Aluminiumkontakte – auf der Oxidschicht hergestellt werden konnten. Die Streifen würden automatisch von den darunter liegenden Bauteilen isoliert.

Am 23. Januar 1959, nicht lange nachdem Hoerni seine Patentoffenlegung abgetippt hatte, schrieb Noyce einen Eintrag in sein eigenes Notizbuch: „In vielen Anwendungen wäre es heutzutage wünschenswert, mehrere Geräte auf einem einzigen Stück Silizium herzustellen, um dies zu ermöglichen.“ stellen im Rahmen des Herstellungsprozesses Verbindungen zwischen Geräten her und reduzieren so Größe, Gewicht usw. sowie die Kosten pro aktives Element.“ Sein Eintrag erstreckte sich über weitere vier Seiten und beinhaltete die entscheidende Idee, die Oxidschicht als Isolator unter den Verbindungen zu verwenden. Er beschrieb auch eine Möglichkeit, die Schaltungselemente – nicht nur Transistoren, sondern auch Widerstände, Kondensatoren und Dioden – voneinander zu isolieren, indem zwischen ihnen zusätzliche p-Übergänge eingefügt wurden, die einen Stromfluss nur in eine Richtung ermöglichen.

Erkannte Noyce zunächst die Bedeutung dieser Ideen? Damals hatten Forscher bei Bell Labs, Fairchild und anderswo oft einen Kollegen, der wichtige, potenziell patentierbare Ideen sofort bezeugte und unterzeichnete. Noyce zum Beispiel war bereits im Dezember 1957 Zeuge von Hoernis Einzug gewesen. Seltsamerweise war jedoch niemand Zeuge von Noyces Einzug, was darauf hindeutet, dass er es nicht für so wichtig hielt, als er es schrieb.

Zu dieser Zeit kam die „monolithische Idee“ in Mode, vollständige, robuste elektronische Schaltkreise aus einem einzigen Stück Silizium, Germanium oder einem anderen Halbleiter herzustellen. Die US-Armee, die Marine und die Luftwaffe förderten jeweils ihre eigenen Lieblingsansätze und finanzierten Forschungs- und Entwicklungsverträge in der Industrie. Die monolithische Integration galt als eine Möglichkeit, die „Tyrannei der Zahlen“ zu überwinden, die Jack Morton, Vizepräsident von Bell Labs, beklagte. Er hatte davor gewarnt, dass mit zunehmender Anzahl der Schaltkreiskomponenten auch die Wahrscheinlichkeit eines Schaltkreisausfalls zunimmt [siehe „How Bell Labs Missed the Microchip“ IEEE Spectrum, Dezember 2006]. Aber was wäre, wenn Sie zuverlässige Komponenten herstellen und diese in einem einzigen Halbleiterchip miteinander verbinden würden? Dann sind Ihre Chancen, erfolgreiche komplexe Schaltkreise aufzubauen, möglicherweise viel höher.

Im August 1958 hatte Jack Kilby von Texas Instruments eine Möglichkeit entwickelt, solche integrierten Schaltkreise aus Silizium herzustellen. Auf der Grundlage dieser Idee baute er sogar einen Prototyp eines Oszillators mit Germanium-Mesa-Transistoren, die damals bei TI leicht erhältlich waren. Doch während Noyces späterer Ansatz Metallstreifen umfasste, die auf einer Oxidschicht abgeschieden wurden, nutzte Kilbys Gerät „fliegende Drähte“, um die elektrischen Verbindungen herzustellen. TI gab diesen Durchbruch am 6. März 1959 auf einer Versammlung des Institute of Radio Engineers (einem Vorgänger des IEEE) in New York City öffentlich bekannt. TI-Präsident Mark Shepherd prahlte damit, dass es „die bedeutendste Entwicklung von Texas Instruments seit der Bekanntgabe der kommerziellen Verfügbarkeit des Siliziumtransistors“ sei.

Die Nachricht vom Erfolg von TI erreichte Fairchild gerade, als sich die Unruhen im Management ablösten und Hoerni gerade dabei war, seinen neuen Transistor vorzuführen. Später in diesem Monat berief Noyce ein Treffen ein, um zu besprechen, wie auf TI reagiert werden sollte, und legte seine Gedanken darüber offen, wie mehrere Geräte in Silizium miteinander verbunden werden könnten. Zu diesem Zeitpunkt wurde klar, dass Hoernis Planarprozess große Vorteile bei der Herstellung solcher integrierten Schaltkreise bot. Hoerni, Last, Moore und die anderen Mitbegründer diskutierten diese Möglichkeit ausführlich, wobei der Schwerpunkt auf dem Pragmatischen lag. „Jeder von uns könnte sich zehn Dinge vorstellen, die er tun könnte, aber dann würden wir neun oder sogar zehn davon als unpraktisch ausschließen“, sagte Last kürzlich in einem Telefongespräch. „Wir haben uns darauf konzentriert, Dinge zu schaffen, die funktionieren.“

Aus dieser kreativen Mischung entstand ein weiteres entscheidendes Konzept, das von Historikern bisher übersehen wurde. Mit dem Planartransistor war es nun einfach, alle drei elektrischen Kontakte – Emitter, Basis und Kollektor – auf einer Seite des Siliziumwafers zu platzieren. Auf den ersten Blick scheint es sich nur um eine geringfügige Verbesserung zu handeln, aber diese Funktion und die Tatsache, dass ein einziges Metall wie Aluminium zur Herstellung der Verbindungen verwendet werden konnte, bedeuteten, dass Fairchild nun tatsächlich elektrische Schaltkreise drucken konnte – Transistoren und alles – auf Silizium. Wie die typografischen Tintenmuster, die von einer Druckmaschine auf Papier gedruckt werden, könnten die Muster der einzelnen Halbleiterbauelemente und Metallverbindungen nun fotolithografisch auf eine einzelne Seite eines Wafers aufgebracht werden.

Hoerni war der erste, der das Konzept veröffentlichte, alle elektrischen Kontakte auf einer Seite zu platzieren. In seiner am 1. Mai 1959 eingereichten Patentanmeldung für ein „Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen“ präsentierte er die Idee fast nebenbei, nachdem er eine Struktur enthüllt hatte, die der der Mesa ähnelte, mit Kontakten auf beiden Seiten des Wafers. In Noyces viel bekannterem Patent „Semiconductor Device and Lead Structure“, das drei Monate später angemeldet wurde, ist das einseitige Merkmal ein grundlegender Aspekt seiner planaren integrierten Schaltkreisstruktur. Doch in keinem der beiden Labornotizbücher wird die Idee erwähnt – was darauf hindeutet, dass sie wahrscheinlich aus den fruchtbaren Geben-und-Nehmen-Diskussionen im Frühjahr hervorgegangen ist und später in die Patentanmeldungen aufgenommen wurde.

Auf jeden Fall verschaffte diese Besonderheit des planaren Prozesses Fairchild einen enormen Vorteil bei der Verwirklichung der monolithischen Idee.

Um diese neue Technologie umzusetzen, Im Herbst 1959 gründete Last eine Gruppe mit dem Ziel, integrierte Schaltkreise auf der Grundlage des Planarverfahrens von Hoerni herzustellen. Es dauerte weitere 18 Monate, bis die ersten kommerziellen Mikrochips, die Micrologic-Serie von Fairchild, auf den Markt kamen. Aber Fairchild brachte seinen Mikrochip immer noch mehr als sechs Monate vor TI auf den Markt, was erst gelang, nachdem das Unternehmen mit der Nutzung der von Fairchild lizenzierten Planartechnologie begonnen hatte.

Um dieses Ziel zu erreichen, musste das Team von Last mehrere erhebliche Hindernisse überwinden. Bei der Positionierung der physischen Merkmale dieser Chips waren die Toleranzen viel enger, was bedeutete, dass die verschiedenen Masken präziser ausgerichtet werden mussten. Eine Möglichkeit zu finden, ihre Komponenten elektrisch zu isolieren, war ebenfalls ein heikles Problem. Noyces Idee, Back-to-Back-PN-Übergänge zwischen einzelnen Komponenten einzufügen, erwies sich als effektive Lösung und öffnete im März 1961 die Tür zur Kommerzialisierung.

Aber Hoerni und Last waren nicht da, um an den Feierlichkeiten teilzunehmen. Sie waren von der zunehmend geschichteten Fairchild-Hierarchie und den sich verschlechternden Beziehungen zu ihrem New Yorker Mutterunternehmen desillusioniert. Sie hatten auch das Gefühl, dass die Marketingabteilung von Fairchild Mikrochips ablehnte, weil diese direkt mit den Hauptprodukten des Unternehmens – Transistoren und Dioden – konkurrieren würden. Also machten sich Hoerni und Last auf den Weg, um einen weiteren Halbleiterbetrieb zu gründen, die Amelco-Abteilung von Teledyne, mit dem Ziel, integrierte Schaltkreise herzustellen.

Die beiden sind seit ihrer Zeit im Shockley Lab eng befreundet und verbrachten ihre Wochenenden oft gemeinsam mit Wanderungen in den Wüsten und Bergen des Südwestens. Last erinnert sich, dass Hoerni eine unglaubliche Ausdauer hatte und mit wenig Nahrung und Wasser stundenlang wandern konnte. Um seine Last zu erleichtern, trug er nur einen dürftigen alten Schlafsack. Wenn die Temperaturen zu kalt wurden, stopfte er es mit Zeitungen voll – einmal behauptete er, dass das Wall Street Journal am meisten zusätzliche Wärme spende.

Nach zwei Jahren bekam Hoerni jedoch Probleme mit dem neuen Unternehmen. Mitten in der Geldkrise im April 1963 schlugen Führungskräfte von Teledyne vor, ihn als Kostensenkungsmaßnahme vom Generaldirektor von Amelco zum Forschungsdirektor zu versetzen. Der launische Schweizer Physiker war mit der Idee nicht einverstanden. Stattdessen entschloss er sich, das Unternehmen zu verlassen und begann, sich nach anderen Geschäftsalternativen umzusehen.

Obwohl ihre Beziehung nach Hoernis Entscheidung „ziemlich frostig“ war, machten sie sich laut Last noch im Frühjahr auf den Weg zu einer 3000-Meter-Besteigung in den Inyo-Bergen östlich der Sierra Nevada. Erschöpft erreichten sie in der Abenddämmerung den Gipfel, kurz bevor eine Kaltfront durchbrach und die Temperaturen drastisch sanken. Trotz ihrer Differenzen drängten sich die beiden den Rest der Nacht zusammen, um nicht zu frieren. „Wir stiegen am nächsten Morgen aus, fuhren zurück in die Bay Area und setzten unsere frostigen Geschäftsgespräche fort“, erinnerte sich Last Jahre später während einer Gedenkfeier für seinen Freund.

Während Last bis in die späten 1970er Jahre bei Teledyne blieb, wechselte Hoerni zu Union Carbide und baute dessen Halbleiterabteilung auf. 1967 wagte er einen weiteren Schritt und gründete mit europäischen Investoren die Intersil Corp., um Mikrochips für Digitaluhren herzustellen. Es war das erste Unternehmen, das solche Niederspannungs- und Energiesparschaltungen auf Basis der CMOS-Technologie (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) herstellte. Im folgenden Jahr verließen Moore und Noyce Fairchild, um Intel in Santa Clara, Kalifornien, im Herzen des bald als Silicon Valley bekannten Gebiets zu gründen.

Während der nächsten drei Jahrzehnte blieb Hoerni als Investor und Berater in der Halbleiterindustrie aktiv. Er engagierte sich auch in philanthropischen Initiativen und reiste weiter um die Welt. Er starb am 12. Januar 1997 in Seattle, dem Jahr, in dem der Transistor 50 Jahre alt wurde. Obwohl er in der Halbleitergeschichte oft übersehen wird, sollte er als die Person in Erinnerung bleiben, die die entscheidende Brücke von diesem revolutionären Festkörpergerät zum integrierten Schaltkreis konstruiert hat ist heute so allgegenwärtig geworden.

Der mitwirkende Herausgeber Michael Riordan lehrt Geschichte der Physik und Technologie an der Stanford University und der University of California, Santa Cruz.

Hervorragende Darstellungen der frühen Fairchild-Arbeit und ihrer weiteren Auswirkungen finden Sie in Gordon Moores „The Role of Fairchild in Silicon Technology in the Early Days of ‚Silicon Valley‘“ und Jay Lasts „Two Communications Revolutions“, beide in Proceedings of the IEEE, Bd. 86, Nr. 1 (Januar 1998).

Zwei neuere Bücher, die sich ausführlich mit der Planartechnologie und den Ursprüngen des integrierten Siliziumschaltkreises befassen, sind „Making Silicon Valley: Innovation and the Growth of High Tech, 1930–1970“ von Christophe Lécuyer (MIT Press, 2006) und „The Man Behind the“ von Leslie Berlin Mikrochip: Robert Noyce und die Erfindung des Silicon Valley (Oxford University Press, 2005). Eine Rezension beider Bücher erschien in der Aprilausgabe 2006 von IEEE Spectrum.

Das Computer History Museum erforscht die Halbleitergeschichte unter http://www.computerhistory.org/semiconductor.