我國半導體研究的“拓荒者”——王守武院士誕辰100週年丨科學史

中科院之聲2019-03-20 12:17:30

編者按:王守武(1919.3.15—2014.7.30,江蘇蘇州人。中國半導體科學奠基人之一,半導體器件物理學家,中科院院士。他組織籌建了中國第一個半導體研究室和全國半導體測試中心,也是中國科學院半導體研究所的創建者。在研究與開拓中國半導體材料、半導體器件、光電子器件及大規模集成電路等方面做出了重要貢獻,他領導研製了中國的第一台單晶爐、第一根鍺單晶、第一隻鍺晶體管、第一隻激光器,組建了第一條完全自主的中、大規模集成電路生產線。今天是王守武誕辰100週年紀念日,特撰寫此文,以紀念王先生及其卓越的貢獻。




王守武出生於書香門第之家,其父王季同先生是當時有名的電氣工程師。他從小便聰明過人,但高中會考前瘧疾的復發使他錯過了北京大學,隨後在大哥王守競的安慰勸導下,王守武於1936年進入同濟大學機電系學習。


 

“七七事變”爆發後,王守武幾經波折跟隨同濟大學顛沛流離至昆明,克服了惡劣的環境、德語授課等諸多困難,最終畢業並先後進入昆明機器廠、中國工合翻砂實驗廠工作。當時的工作環境與制度和他的初衷相去甚遠,因而他在那些日子裏,鬱郁不得志,官僚作風與無孔不入的黑暗使他決心離開工廠。1943年初,他返回母校同濟大學任教。


1944年,王守武通過了國民政府的自費留美考試,並被麻省理工學院錄取,但是結核病使他錯過了赴美時間,未能入學。1945年夏天,在二哥王守融的陪同下,他輾轉緬甸,東渡大洋,進入普渡大學攻讀工程力學。在普渡大學時間,王守武對工程材料的力學性能研究產生了濃厚興趣。之後他獲得了獎學金,並轉到物理系攻讀博士學位,專注於固體內部微觀粒子運動規律的研究。


留學期間,王守武與同窗的葛修懷女士組建了家庭,兩人相識相愛的故事傳為佳話。


新中國成立後,他積極響應“留美中國科學工作者協會”的號召,克服美國政府和國民黨特務的重重阻礙刁難,攜妻兒回到祖國。

 

王守武一家1950年回國途中上岸時拍攝


1950年,他進入中國科學院應用物理研究所工作,參與一項“為在抗美援朝前線的志願軍運輸隊設計一種特殊的車燈和路標”的任務,使部隊可以在夜間行車而不被發現。1951年5月,他接受了設計太陽灶的任務,以解決藏民生活燃料稀缺的問題,設計製作成功後,用它可以在15分鐘內把一壺水燒開。這種太陽灶,至今還在青藏高原發揮它的作用。而後他教授《理論力學》,並開展了氧化亞銅整流器等研究。


開拓半導體科學事業


1954年,王守武瞭解到新一代的電子器件(半導體晶體管)已在國外廣泛應用,並意識到它將引起電子技術的一次新的革命。為了推動國內電子技術發展,他與同期歸國的黃昆、洪朝生等物理學家在當年的物理學年會和全國半導體物理學討論會上,做了相關介紹,希望引起有關方面的重視。


1956年迎來了一個重要的轉折點,王守武應邀參加了由黨中央和國務院領導同志主持召開的“全國十二年科學技術發展遠景規劃”的討論和制訂工作,半導體科學技術的發展被列為“四大緊急措施”之一。隨後,王守武中斷了其他科研項目,走遍祖國大江南北,大力普及半導體科學知識、舉辦科學報告會、並組建了我國第一個半導體研究室。他組織領導了鍺單晶材料製備的研究工作,一方面抓鍺材料的提純,一方面親自設計製造了我國第一台製備半導體鍺材料的單晶爐,並於1957年底,拉制成功了我國第一根鍺單晶;同年11月底到次年初,他與同事合作,研製成功了我國第一批鍺合金結晶體管,並掌握了鍺單晶中的摻雜技術,達到了器件生產的要求。

 

我國第一根鍺單晶


在參與研製鍺高頻合金擴散晶體管的同時,他又參與了拉制硅單晶的組織領導工作,並具體解決了在拉制硅單晶過程中因坩堝底部温度過高而引起的“跳硅”難題。經王守武與林蘭英教授的共同努力,我國第一根硅單晶於1958年7月問世。為了促進我國第二代(晶體管型)電子計算機的研究,在王守武與有關同志的組織領導下,於1958年創建了我國最早的生產晶體管的工廠——中國科學院109工廠,從事鍺高頻晶體管的批量生產。1960年4月,王守武受命籌建中國科學院半導體研究所,任籌委會副主任。1960年9月6日,半導體研究所正式成立,研究領域包括半導體物理、材料、器件和電子學,王守武被任命為副所長,負責全所的科研業務管理和開拓分支學科的組建等工作,從此開始了拓寬我國半導體科研領域和分支學科的新曆程。

 

我國第一批硅單晶


建設全國半導體測試中心


50年代末,半導體材料與器件工業如火如荼地發展起來,但材料與器件質量的檢測手段,遠不能適應客觀需要。1962年,王守武依據國家科委的決定,在半導體所籌建全國半導體測試中心,併兼任該中心主任。他領導並參與了對半導體材料的電阻率、少數載流子壽命以及鍺晶體管頻率特性的標準測試方法的研究,建立了相應的標準測試系統。在建立標準測試方法的同時,他還着手研究某些簡便的測試方法,以滿足有關所、廠隨時抽測一些樣品的需要,並創造性地提出了一種測量半導體“少子”壽命的新方法。測試中心建成後,很快便承擔起了全國半導體材料與器件的參數測試中的仲裁任務。

 

全國半導體測試中心


研製第一隻半導體激光器


1962年,美國用砷化鎵半導體材料製成了第一隻激光器,在世界上產生了廣泛而深遠的影響。王守武迅速於1963年組建了半導體激光器研究室。在研製過程中,為了解決在砷化鎵薄片的兩端形成兩個絕對平行的腔端面的問題,他設計搭制了一台精密測角儀來檢測薄片表面與腔端面之間的夾角,同時他創造性地發展了一種光學定向的新方法來保證薄片表面與腔端面之間的垂直性。1964年元旦前夕,在克服了一系列工藝技術難題後,我國的第一隻半導體激光器問世了,這是一項令科技界非常振奮的成果。

 

國內第一台半導體激光器


此後,王守武指導並參與了激光通訊機和激光測距儀的研製工作。時隔不久,我國第一台激光通訊機就誕生了。他提出並設計了從噪聲中提取信號的電路方案,極大地提高激光測距儀的可測距離,有力地支援了國防現代化建設。


研製4千位的大規模集成電路


粉碎“四人幫”後,全國自然科學學科規劃會議在北京召開,指示半導體工作者“一定要把大規模集成電路搞上去”。1978年10月,王守武負責4千位的MOS隨機存儲器這一大規模集成電路的研究工作,這是一項難度甚高的研究工作,而且於科技、國防、經濟發展意義重大。王守武立刻一頭扎進實驗室中,對四十道工藝進行設計、創新。他要求各工序的負責人,明確工作流程,嚴格執行,力求工藝質量的穩定。由於實驗條件的落後,他也對實驗所用的儀器設備和基礎材料進行檢修、改造和測試,使之穩定可靠,達到所需的質量標準。


王守武先從研製難度不大的256位中規模集成電路入手,以檢驗工藝流程的穩定性和可靠性,隨後才投片研製4千位動態隨機存儲器。1979年9月28日,該大規模集成電路研製成功,批量成品率達20%以上,最高的達40%。這一重要突破結束了我國不能製造大規模集成電路的歷史,並獲得中科院1980年科技成果一等獎。1979年底,他也因此榮獲全國勞動模範;1980年,被評選為中國科學院院士。

 

1979年在超淨線工作

 

1980年榮獲科技成果一等獎


開展集成電路大生產試驗


1980年,王守武開始兼任中國科學院109工廠廠長職務,開展4千位大規模集成電路的推廣工作,從事提高成品率、降低成本的集成電路大生產試驗。他在109工廠,建設了大通間、高淨化級別、適合大規模集成電路生產的現代化廠房。同時組織有關人員,重新改造了通風、排氣系統,完善了其他一些工藝設施,從而迅速將老廠房改造高淨化標準廠房。


王守武率領科研人員對每台設備的每個部件進行檢查,還研製了清洗機之類的工藝設備,使得工藝設備可靠工作。他首次選用聚丙烯做高純水的輸送管材以保障成品率;建起了用高壓充氣和抽高真空兩種檢查氣體管道密封性能的方法以解決氣體表頭密封問題。同時,他組織設計制定了對硅片等原材料的質量檢查標準和控制措施。對於工藝技術方案,他不僅引導大家大膽採用等離子化學氣相澱積(CVD)這一最新工藝,還積極採用半導體研究所發明的一種成本低、光刻線邊界整齊、針孔小、適合大生產的無顯影光刻技術。在王守武精心操持下,109廠以一個電視機用的集成電路品種進行流片試生產,一次就取得了芯片成品率達50%以上的可喜成果,比國內其它研製單位的成品率高出三四倍。大生產試驗線及成果,在1985年獲得中國科學院科技進步二等獎,後被授予國家級科技進步獎。

 

1985年王守武廠長做報告


1986年1月,上級將半導體所從事大規模集成電路研究的全套人馬,合併到109工廠,組建中科院“微電子中心”(後來更名為微電子研究所),王守武被任命為該中心的終身名譽主任。之後他再次親自領導組織建設新的生產線,並通過驗收於1990年榮獲中科院科技進步二等獎。


在109工廠任職期間,王守武並未停止自己的科學研究工作。他與有關同事一起,研究了PNPN負阻激光器的性能、單腔雙接觸激光器的穩定性問題,以及對激光器內部光波模式和載流子分佈的計算機模擬分析等,也做出了非常優秀的成果。


偉大傳承


王守武先生淵博的學識、超人的動手能力、謙遜的性格得到了國內外廣大學者的尊重。他曾擔任《硅谷》的總編和《半導體學報》的主編,擔任過中國電子學會理事、常務理事,中國電子學會半導體與集成技術專業分會主任委員,分別在中國科技大學、清華大學、北京大學、復旦大學任教。他也為祖國的半導體領域、微電子領域培養了一批又一批的人才,很多他的學生已成為行業領域的棟樑之才。


在生前的最後十多年中,為幫助貧困學子能夠繼續完成學業,王守武與夫人葛修懷在湖北省鄂州市澤林高中設立了“英才獎學金”。王守武還向中科院研究生教育基金會捐贈資金,設立“王守武獎勵基金”,他的子女支持這一義舉,繼續為基金添資,用於獎勵中國科學院半導體所、微電子所的優秀博士生。


今天是王守武先生誕辰100週年,我們深切紀念這位偉大的科學家,紀念他為中國半導體事業做出的卓越貢獻。


鳴謝:餘金中、閻軍


來源:中國科學院半導體研究所


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