集積回路の発明

第二次世界大戦中および直後には、「数の暴政」と呼ばれる現象が注目されました。つまり、一部の計算装置は、故障やダウンタイムによる損失が期待される利益を上回るほど複雑化しました。^{[ 7 ]}ボーイングB-29（1944年に就役）はそれぞれ300～1000個の真空管と数万個の受動部品を搭載していました。^{[ d ]}高度なコンピュータでは真空管の数が数千個に達し、ENIAC（1946年）では17,000個を超えました。^{[ e ]}部品が増えるごとに、装置の信頼性が低下し、トラブルシューティングに要する時間が長くなりました。^{[ 7 ]}従来の電子機器は行き詰まり、電子機器のさらなる発展には部品数の削減が必要となりました。

The invention of the first transistor in 1947 led to the expectation of a new technological revolution. Fiction writers and journalists heralded the imminent appearance of "intelligent machines" and robotization of all aspects of life.^[12] Although transistors did reduce the size and power consumption, they could not solve the problem of reliability of complex electronic devices. On the contrary, dense packing of components in small devices hindered their repair.^[7] While the reliability of discrete components was brought to the theoretical limit in the 1950s, there was no improvement in the connections between the components.^[13]

Early developments of the integrated circuit go back to 1949, when the German engineer Werner Jacobi (Siemens AG)^[14] filed a patent for an integrated-circuit-like semiconductor amplifying device^[15] showing five transistors on a common substrate in a 3-stage amplifier arrangement with two transistors working "upside-down" as impedance converter. Jacobi disclosed small and cheap hearing aids as typical industrial applications of his patent. An immediate commercial use of his patent has not been reported.

On May 7, 1952, the British radio engineer Geoffrey Dummer formulated the idea of integration in a public speech in Washington:

With the advent of the transistor and the work in semiconductors generally, it seems now to be possible to envisage electronic equipment in a solid block with no connecting wires. The block may consist of layers of insulating, conducting, rectifying and amplifying materials, the electrical functions being connected by cutting out areas of the various layers.^[16][17]

Dummer later became famous as "the prophet of integrated circuits", but not as their inventor. In 1956 he produced an IC prototype by growth from the melt,^[16] but his work was deemed impractical by the UK Ministry of Defence, because of the high cost and inferior parameters of the IC compared to discrete devices.^[18]

1952年5月、シドニー・ダーリントンは、 2つまたは3つのトランジスタをさまざまな構成で1つのチップに集積した構造に関する特許を米国で出願した。1952年10月、バーナード・オリバーは、1つの半導体結晶上に電気的に接続された3つの平面トランジスタを製造する方法に関する特許を出願した。^{[ 19 ] [ 20 ]}

1953年5月21日、ハーウィック・ジョンソンは、トランジスタ、抵抗器、集中容量、分布容量など、さまざまな電子部品を1つのチップ上に形成する方法に関する特許を出願した。ジョンソンは、集積型1トランジスタ発振器を製造する3つの方法を説明した。いずれも、片端にバイポーラトランジスタを備えた狭い半導体ストリップを使用し、トランジスタの製造方法が異なっていた。ストリップは一連の抵抗器として機能し、集中容量は融着によって形成され、逆バイアスされたpn接合は分布容量として機能した。^{[ 21 ]}ジョンソンは技術的な手順を提示しておらず、実際にデバイスを製造したかどうかは不明である。1959年、彼の提案の変形がジャック・キルビーによって実装され、特許を取得した。^{[ 19 ]}

1957年、東京近郊の通商産業省電気技術研究所の樽井康夫は、同一チップ上に「四重極」トランジスタ、単極（電界効果トランジスタ）の一種、および双極接合トランジスタを作製した。これらの初期のデバイスは、複数のトランジスタが共通の活性領域を共有できる設計を特徴としていたが、それらを互いに分離する電気的絶縁はなかった。 ^{[ 22 ]}

米国の大手電子機器メーカー（ベル研究所、IBM、RCA 、ゼネラル・エレクトリック）は、最小限の受動素子で特定の機能を実現する個別部品の開発において、「数の専制」に対する解決策を模索した。^{[ 23 ]}真空管時代には、このアプローチにより、動作周波数を犠牲にして回路のコストを削減することができた。例えば、1940年代のメモリセルは、2つの三極管と12個の受動部品で構成され、最大200kHzの周波数で動作した。2つの五極管と6つのダイオードを使用すれば、MHzの応答が得られた。このセルは、負荷抵抗と入力コンデンサを備えた1つのサイラトロンに置き換えることができたが、そのような回路の動作周波数は数kHzを超えることはなかった。^{[ 24 ]} 

1952年、ベル研究所のジュエル・ジェームズ・エバースは、サイラトロンのプロトタイプとなる固体アナログ、すなわち4層トランジスタ（サイリスタ）を開発した。^{[ 25 ]}ウィリアム・ショックレーは、その設計を簡略化して2端子の「4層ダイオード」（ショックレーダイオード）とし、工業生産を試みた。^{[ 26 ]}ショックレーは、この新しいデバイスが電話交換機の偏極リレーに取って代わることを期待していたが、^{[ 27 ]}ショックレーダイオードの信頼性は許容できないほど低く、彼の会社は衰退していった。

同時に、ベル研究所、IBM、RCA ではサイリスタ回路の研究が行われていました。イアン・マンロー・ロスと L. アーサー・ダサロ (ベル研究所) はサイリスタベースのメモリセルを実験していました。^{[ 28 ]}ジョー・ローグとリック・ディル (IBM) は単接合トランジスタを使用してカウンタを構築していました。 ^{[ 29 ]} J. トルケル・ウォールマークとハーウィック・ジョンソン (RCA) はサイリスタと電界効果トランジスタの両方を使用しました。1955～1958 年のゲルマニウムサイリスタを使用した研究は成果を上げませんでした。^{[ 30 ]}キルビー、レホベック、ホーニの発明が公に知られるようになった 1959 年の夏になって初めて、ダサロはシリコンサイリスタに基づくオペレーショナルシフトレジスタを報告しました。このレジスタでは、4 つのサイリスタを含む 1 つの水晶が 8 つのトランジスタ、26 個のダイオード、27 個の抵抗器を置き換えました。各サイリスタの面積は0.2～0.4  mm²^で、厚さは約0.1  mmであった。回路素子は深い溝をエッチングすることによって分離された。^{[ 28 ] [ 31 ]}

機能エレクトロニクスの支持者、半導体時代の立場からすると、彼らのアプローチは半導体技術の根本的な問題を回避することを可能にした。^{[ 28 ]}ショックレー、ロス、ウォールマークの失敗は、このアプローチの誤りを証明した。機能デバイスの大量生産は技術的な障壁によって妨げられた。^{[ 29 ]}

初期のトランジスタはゲルマニウムで作られていました。1950年代半ばまでに、これはより高い温度で動作できるシリコンに置き換えられました。1954年、テキサス・インスツルメンツのゴードン・キッド・ティールが最初のシリコントランジスタを製造し、1955年に商用化されました。 ^{[ 32 ]}また、1954年には、フラーとディッツェンバーガーがシリコン中の拡散に関する基礎研究を発表し、ショックレーはこの技術を使用して特定の不純物濃度プロファイルを持つpn接合を形成することを提案しました。^{[ 33 ]}

1955 年初頭、ベル研究所のCarl Froschがシリコンの湿式酸化法を開発し、その後 2 年間にわたり Frosch、Moll、Fuller、Holonyak らによる研究が続けられました。^{[ 34 ] [ 35 ]} 1958 年後半、Frosch と Lincoln Derick は、シリコン酸化物層が拡散プロセス中にシリコン表面を保護し、拡散マスキングに使用できることを提案しました。^{[ 36 ] [ 37 ]}この偶然の発見により、シリコンがゲルマニウムよりも優れている 2 番目の根本的な利点が明らかになりました。ゲルマニウム酸化物とは異なり、「湿式」シリカは物理的に強く、化学的に不活性な電気絶縁体です。

平面加工

ジャン・ホーニは、同じ1958年の電気化学会に出席し、モハメド・アタラの表面パッシベーションプロセスの発表に興味をそそられた。ホーニは、アタラのデバイスについて考えているうちに、ある朝「平面のアイデア」を思いついた。^{[ 40 ]}シリコン表面に対する二酸化ケイ素のパッシベーション効果を利用して、ホーニは二酸化ケイ素の層で保護されたトランジスタを作ることを提案した。^{[ 40 ]}これにより、アタラ・タンネンバウム・シャイブナーの熱酸化膜によるシリコントランジスタのパッシベーション技術の最初の製品実装が成功した。^{[ 47 ]}

ジャン・ホーニは、バイポーラトランジスタのプレーナ技術を最初に提案した。このプロセスでは、すべてのpn接合が保護層で覆われており、信頼性が大幅に向上するはずだった。しかし、当時、この提案は技術的に不可能だと考えられていた。npnトランジスタのエミッタの形成にはリンの拡散が必要であり、フロッシュの研究では、SiO _2がそのような拡散を妨げないことが示唆されていた。^{[ 48 ]} 1959年3月、ホーニの元同僚であるチータン・サは、ホーニとノイスにフロッシュの結論の誤りを指摘した。フロッシュは薄い酸化膜を使用していたが、1957年から1958年の実験では、厚い酸化膜がリンの拡散を止めることができることが示されていた。^{[ 49 ]}

上記の知識を基に、ホーニは1959年3月12日までにプレーナー型トランジスタの最初の試作品を製作し^{[ 50 ]}、1959年5月1日にはプレーナープロセスの発明に関する特許出願を行った^{[ 48 ]} 。 1960年4月にはフェアチャイルドがプレーナー型トランジスタ2N1613を発表し^{[ 51 ] 、1960年10月までにメサ型トランジスタ技術を完全に放棄した[ 52 ]}。1960年代半ばまでに、プレーナープロセスはトランジスタとモノリシック集積回路を製造する主要技術となった^{[ 53 ] 。}

1959 年初頭、ノイスは IC の大量生産を妨げていた相互接続の問題という、もう一つの重要な問題を解決した。^{[ 91 ]}裏切り者の 8 人の同僚によると、彼のアイデアは自明だった。つまり、パッシベーション酸化膜層はチップと金属化層の間に自然な障壁を形成するということだ。^{[ 92 ]}キルビーとノイスと共に働いたターナー・ヘイスティによると、ノイスは 1951～1952 年にトランジスタ技術を公開したベル研究所と同様に、フェアチャイルドのマイクロエレクトロニクス特許を幅広い企業に利用可能にすることを計画していた。^{[ 93 ]}

ノイスは1959年7月30日に出願し、1961年4月25日に米国特許第2,981,877号を取得した。特許によれば、この発明は、金属化層をチップから分離する酸化膜層（コンタクトウィンドウ領域を除く）を保持し、金属層を酸化膜にしっかりと密着するように堆積させることから成り立っていた。堆積方法はまだ知られておらず、ノイスの提案には、マスクを通してアルミニウムを真空蒸着し、連続層を堆積させた後、フォトリソグラフィーを行い、余分な金属をエッチング除去することが含まれていた。サクセナによれば、ノイスの特許は、欠点はあるものの、現代のIC技術の基本を正確に反映している。^{[ 94 ]}

キルビーは特許の中で、金属化層の使用についても言及している。しかし、キルビーは二酸化ケイ素の代わりに、異なる金属（アルミニウム、銅、またはアンチモン添加金）と一酸化ケイ素の厚いコーティング層を好んだ。これらのアイデアはICの製造には採用されなかった。^{[ 95 ]}

The above logic ICs were built from standard components, with sizes and configurations defined by the technological process, and all the diodes and transistors on one IC were of the same type.^[106] The use of different transistor types was first proposed by Tom Long at Sylvania during 1961–1962.

In 1961, transistor–transistor logic (TTL) was invented by James L. Buie.^[107] In late 1962, Sylvania launched the first family of transistor–transistor logic (TTL) ICs, which became a commercial success.^[108]Bob Widlar from Fairchild made a similar breakthrough in 1964–1965 in analog ICs (operational amplifiers).^[109] TTL became the dominant IC technology during the 1970s to early 1980s.^[107]

The MOSFET (metal-oxide-silicon field-effect transistor), also known as the MOS transistor, was invented by Mohamed Atalla and Dawon Kahng at Bell Labs in 1959.^[110] The MOSFET made it possible to build high-density integrated circuits.^[111] Nearly all modern ICs are metal–oxide–semiconductor (MOS) integrated circuits, built from MOSFETs (metal–oxide–silicon field-effect transistors).^[112] The earliest experimental MOS IC to be fabricated was a 16-transistor chip built by Fred Heiman and Steven Hofstein at RCA in 1962.^[113]

General Microelectronics later introduced the first commercial MOS integrated circuit in 1964,^[114] a 120-transistor shift register developed by Robert Norman.^[113] The MOSFET has since become the most critical device component in modern ICs.^[112]

1960年代の特許戦争の間、米国の報道機関や専門家コミュニティは、ICの発明者の数がかなり多い可能性があることを認識していた。「起業家精神の黄金時代」という本では、キルビー、レホベック、ノイス、ホーニの4人の名前が挙げられている。^{[ 134 ]}ソラブ・ガンジーは「マイクロエレクトロニクスの理論と実践」（1968年）の中で、レホベックとホーニの特許は1950年代の半導体技術の頂点であり、ICの大量生産への道を開いたと書いている。^{[ 135 ]}

1966年10月、キルビーとノイスは「集積回路の開発への重要かつ不可欠な貢献」により、フランクリン研究所からバランタイン・メダルを授与された。^{[ 123 ]}この出来事は、2人の発明家という概念を生み出した。キルビーの推薦は、彼の試作品を「真の」半導体ICとして認めなかった同時代人から批判された。ノイスの推薦はさらに物議を醸した。工学界はムーア、ホーニ、その他の主要な発明家の役割をよく認識していたが、ノイスは発明当時フェアチャイルドのCEOであり、最初のICの作成に直接関与していなかった。^{[ 123 ]}ノイス自身も「私は生産上の問題を解決しようとしていた。集積回路を作ろうとしていたわけではない」と認めている。^{[ 136 ]}

レスリー・ベルリンによれば、ノイスが「集積回路の父」となったのは特許戦争がきっかけだった。テキサス・インスツルメンツは、ノイスの名前が自社が異議を唱えた特許に由来していたため、彼をフェアチャイルド社におけるすべての開発作業の唯一の代表者として「任命」した。^{[ 137 ]}一方、フェアチャイルド社は、自社、ひいてはノイスの優先権を守るために、あらゆる資源を動員した。^{[ 138 ]}キルビーはテキサス・インスツルメンツ社の広報活動に個人的に関わっていたが、ノイスは広報活動を避け、ゴードン・ムーアが代わりにその役割を担った。^{[ 139 ]}

1970年代半ばまでに、2人の発明者説が広く受け入れられるようになり、1976年から1978年にかけて専門誌で行われたキルビーとレホベックの論争も状況を変えることはなかった。ホーニ、ラスト、レホベックはマイナーな存在と見なされており、彼らは大企業を代表するわけでもなく、優先権をめぐる公的な議論にも積極的ではなかった。^{[ 140 ]}

1980年代の科学論文では、IC発明の歴史はしばしば次のように紹介されていた。

フェアチャイルド在籍中に、ノイスは集積回路を開発した。同じ概念は、数か月前にダラスのテキサス・インスツルメンツのジャック・キルビーによって発明されていた。1959年7月、ノイスは集積回路の構想について特許を出願した。テキサス・インスツルメンツはノイスとフェアチャイルドに対して特許侵害訴訟を起こし、この訴訟は数年間続いた。今日では、ノイスとキルビーは集積回路の共同発明者とみなされているが、発明者として発明家の殿堂入りを果たしたのはキルビーである。いずれにせよ、マイクロエレクトロニクスの分野における多くの応用において、集積回路の改良に貢献した功績はノイスに帰せられている。^{[ 141 ]}

1984年、トーマス・リードは著書『チップ：2人のアメリカ人がマイクロチップを発明し、革命を起こした方法』で、2人の発明者説をさらに支持した。^{[ 142 ]}ニューヨーク・タイムズのロバート・ライトは、リードが発明に関わった脇役について長々と記述していることを批判したが、^{[ 143 ]}レホベックとラストの貢献については触れられておらず、ジャン・ホーニはノイスに相談した理論家としてのみ本書に登場する。^{[ 142 ]}

ポール・セルッツィは著書『現代コンピューティングの歴史』（2003年）で、2人の発明者による話を繰り返し、「彼らの発明は、最初はマイクロロジックと呼ばれ、その後フェアチャイルドによって集積回路と呼ばれたが、これは単にこの道（1950年代の軍事計画で要求された小型化の道）に沿ったもう1つのステップに過ぎなかった」と述べている。^{[ 144 ]}文献で一般的な見解に言及し、セルッツィはICの大量生産への道を開いたがICの発明者リストには含まれていないホーニのプレーナープロセスを使用するというノイスの決定を提示した。^{[ 145 ]}セルッツィはICコンポーネントの分離の発明については触れていない。

2000年、ノーベル委員会は「集積回路の発明における貢献」によりキルビーにノーベル物理学賞を授与した。^{[ 4 ]}ノイスは1990年に亡くなったため、ノイチェはノイチェにノミネートされることはなかった。生前、ノーベル賞の見込みについて尋ねられた際、彼は「工学や実際の仕事にはノーベル賞は与えられない」と答えた。^{[ 146 ]}ノーベル賞のノミネート手続きは機密事項であるため、他のIC発明者が検討されたかどうかは不明である。サクセナは、キルビーの貢献は基礎科学ではなく純粋な工学であり、したがって彼のノミネートはアルフレッド・ノーベルの意思に反すると主張した。^{[ 147 ]}

2人の発明者による説は2010年代まで存続した。^{[ 148 ]}この説ではキルビーが発明者であり、ノイスはキルビーの発明を改良したエンジニアであるとされている。^{[ 149 ]}フレッド・カプランは、彼の人気著書「1959: すべてが変わった年」（2010年）でICの発明に8ページを費やし、キルビーに発明者として割り当てている。^{[ 150 ]}ノイスについては脚注で言及しているだけで^{[ 151 ]}、ホーニとラストは無視している。

1990年代後半から2000年代にかけて、ICの発明を単純化された2人の物語を超えて紹介する一連の書籍が出版された。1998年、マイケル・リオルダンとリリアン・ホッドソンは「クリスタル・ファイア：情報化時代の誕生」でキルビーの発明に至るまでの出来事を詳細に記述した。しかし、彼らはその発明で止まってしまった。^{[ 152 ]}レスリー・ベルリンは2005年のロバート・ノイスの伝記で、フェアチャイルドで展開された出来事を取り上げ、キルビーの貢献を批判的に評価した。ベルリンによれば、接続線が「このデバイスを大量生産することを不可能にした」が、「キルビーはそれをよく知っていた」という。^{[ 153 ] [ 91 ]}

2007年、ボー・ロジェクは2人の発明者説に反対し^{[ 154 ]}、ホーニとラストの貢献について述べ、キルビーを批判した^{[ 155 ]} 。 2009年、サクセナはレホベックとホーニの研究について述べ、キルビーとノイスの役割を軽視した^{[ 156 ] 。}