Une brève histoire du transistor MOS, partie 3 : Frank Wanlass

Il n’est pas surprenant que les fabricants de semi-conducteurs aient été réticents à investir beaucoup d’énergie dans le développement des MOSFET au début des années 1960. Les premiers MOSFET étaient 100 fois plus lents que les transistors bipolaires, et ils étaient considérés comme instables, pour une bonne raison : leurs caractéristiques électriques dérivaient de manière importante et imprévisible avec le temps et la température. De nombreux travaux de recherche et développement seraient nécessaires pour transformer les MOSFET en composants électroniques fiables. Cependant, lorsque Fairchild Semiconductor a embauché Frank Wanlass, le MOSFET a trouvé son champion. Wanlass s'était engagé envers le MOSFET, et non envers une entreprise. Il est allé partout et a fait tout ce qu'il pouvait pour promouvoir le développement du MOSFET. Il est devenu le Johnny Appleseed de la technologie MOS (métal-oxyde-semi-conducteur), plantant librement des graines MOSFET, à tout moment et en tout lieu.

Fairchild a embauché Wanlass en août 1962 après avoir obtenu son doctorat en physique de l'Université de l'Utah. Il s'est intéressé à la technologie MOS lorsqu'il a entendu parler des travaux de RCA sur les FET à couche mince de sulfure de cadmium (CdS), alors qu'il étudiait pour son doctorat en physique du solide. La simplicité de la structure du dispositif FET l’a d’abord intrigué puis obsédé. Il s'est rendu compte que la structure simple du FET signifiait que de nombreux FET pouvaient tenir sur une puce semi-conductrice, et il a conçu la construction de circuits intégrés (CI) complexes à l'aide de ces dispositifs. Mais les FET CdS à couches minces de RCA étaient beaucoup trop instables. Même laissés sur une étagère pendant quelques heures, leurs caractéristiques électriques dérivaient considérablement. Wanlass pensait que fabriquer des FET avec du silicium au lieu du CdS résoudrait le problème de dérive paramétrique. Il s’est avéré qu’il avait tort. Les FET semi-conducteurs ont souffert de dérive pendant plusieurs années jusqu'à ce que le processus de fabrication du MOS puisse être suffisamment nettoyé pour éliminer les contaminants à l'origine de la dérive paramétrique du FET.

Lorsque Wanlass a rejoint le groupe de recherche et développement de Gordon Moore chez Fairchild, l'entreprise avait pour politique de laisser les nouveaux doctorants travailler sur n'importe quel projet qu'ils souhaitaient entreprendre. Wanlass a décidé de se concentrer sur les MOSFET, même si le département de Moore n'était pas particulièrement intéressé par la fabrication de ces appareils. Cependant, le département de Moore était extrêmement intéressé par le traitement MOS, car c'était la structure de base et la nature du processus de fabrication planaire de Jean Hoerni, que Fairchild utilisait pour fabriquer des transistors et des circuits intégrés bipolaires. Toute compréhension accrue du processus planaire et toute amélioration apportée à la technologie du processus renforceraient la capacité de Fairchild à fabriquer des transistors bipolaires et des circuits intégrés.

Wanlass n'était pas intéressé par l'étude ou l'analyse des caractéristiques du procédé MOS. Il souhaitait fabriquer des MOSFET discrets, construire des circuits intégrés avec des MOSFET et concevoir des circuits au niveau système utilisant ces dispositifs pour répondre à la demande de composants. L’année suivante, c’est exactement ce qu’il a fait. En moins de six mois, Wanlass a conçu et fabriqué des MOSFET individuels à canaux P et N en silicium en utilisant le procédé planaire. Tous les appareils à canal P présentaient une dérive paramétrique importante, alors qu'aucun des appareils à canal N ne fonctionnait du tout. Il a testé la dérive paramétrique des dispositifs à canal P en les plaçant dans un traceur de courbe et en les chauffant avec un briquet. Il a ensuite conçu et fabriqué un circuit intégré à bascule utilisant des MOSFET et a obtenu un rendement de tranche incroyable supérieur à 80 %. Il a développé des circuits d'application pour les MOSFET, notamment un ampèremètre qui exploitait l'impédance d'entrée extrêmement élevée du MOSFET.

En cours de route, Wanlass et son manager CT Sah ont breveté l'idée de circuits CMOS, qui combinent des MOSFET à canaux P et N sur une seule puce de silicium. CMOS est la technologie fondamentale des transistors pour presque tous les circuits intégrés actuellement fabriqués. (Remarque : Sah est souvent répertorié comme l'unique inventeur du CMOS, mais son nom figure sur le brevet car il était le directeur de Wanlass, et il était d'usage de mentionner le directeur avec l'inventeur sur la demande de brevet.)

Au début de 1963, Gordon Moore a commencé à embaucher davantage de personnes pour analyser plus en profondeur la technologie des procédés MOS. Cependant, l’étude des MOSFET ne l’intéressait pas. Il voulait simplement mieux comprendre le processus planaire métal-oxyde-semi-conducteur afin que Fairchild puisse fabriquer de meilleurs transistors et circuits intégrés bipolaires. L'équipe d'analyse était composée de Bruce Deal, Andrew Grove et Ed Snow. Ils n'ont pas fait partie d'une équipe formelle, mais ils se sont rapidement découverts et ont découvert leurs missions complémentaires grâce à des interactions informelles au bureau. Deal a travaillé sur l'oxydation et les états de surface. Snow a analysé les instabilités transitoires du MOS. Grove a écrit des programmes pour modéliser les analyses.