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我国半导体研究的“拓荒者”——王守武院士诞辰100周年

2019-03-15
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本文来源:中科院之声

        王守武(1919.3.15—2014.7.30),江苏苏州人。中国半导体科学奠基人之一,半导体器件物理学家,中科院院士。他组织筹建了中国第一个半导体研究室和全国半导体测试中心,也是中国科学院半导体研究所的创建者。在研究与开拓中国半导体材料、半导体器件、光电子器件及大规模集成电路等方面做出了重要贡献,他领导研制了中国的第一台单晶炉、第一根锗单晶、第一只锗晶体管、第一只激光器,组建了第一条完全自主的中、大规模集成电路生产线。今天是王守武诞辰100周年纪念日,特撰写此文,以纪念王先生及其卓越的贡献。
        王守武出生于书香门第之家,其父王季同先生是当时有名的电气工程师。他从小便聪明过人,但高中会考前疟疾的复发使他错过了北京大学,随后在大哥王守竞的安慰劝导下,王守武于1936年进入同济大学机电系学习。

      “七七事变”爆发后,王守武几经波折跟随同济大学颠沛流离至昆明,克服了恶劣的环境、德语授课等诸多困难,最终毕业并先后进入昆明机器厂、中国工合翻砂实验厂工作。当时的工作环境与制度和他的初衷相去甚远,因而他在那些日子里,郁郁不得志,官僚作风与无孔不入的黑暗使他决心离开工厂。1943年初,他返回母校同济大学任教。

       1944年,王守武通过了国民政府的自费留美考试,并被麻省理工学院录取,但是结核病使他错过了赴美时间,未能入学。1945年夏天,在二哥王守融的陪同下,他辗转缅甸,东渡大洋,进入普渡大学攻读工程力学。在普渡大学时间,王守武对工程材料的力学性能研究产生了浓厚兴趣。之后他获得了奖学金,并转到物理系攻读博士学位,专注于固体内部微观粒子运动规律的研究。

       留学期间,王守武与同窗的葛修怀女士组建了家庭,两人相识相爱的故事传为佳话。

       新中国成立后,他积极响应“留美中国科学工作者协会”的号召,克服美国政府和国民党特务的重重阻碍刁难,携妻儿回到祖国。

王守武一家1950年回国途中上岸时拍摄
 

      1950年,他进入中国科学院应用物理研究所工作,参与一项“为在抗美援朝前线的志愿军运输队设计一种特殊的车灯和路标”的任务,使部队可以在夜间行车而不被发现。1951年5月,他接受了设计太阳灶的任务,以解决藏民生活燃料稀缺的问题,设计制作成功后,用它可以在15分钟内把一壶水烧开。这种太阳灶,至今还在青藏高原发挥它的作用。而后他教授《理论力学》,并开展了氧化亚铜整流器等研究。

 开拓半导体科学事业

       1954年,王守武了解到新一代的电子器件(半导体晶体管)已在国外广泛应用,并意识到它将引起电子技术的一次新的革命。为了推动国内电子技术发展,他与同期归国的黄昆、洪朝生等物理学家在当年的物理学年会和全国半导体物理学讨论会上,做了相关介绍,希望引起有关方面的重视。

       1956年迎来了一个重要的转折点,王守武应邀参加了由党中央和国务院领导同志主持召开的“全国十二年科学技术发展远景规划”的讨论和制订工作,半导体科学技术的发展被列为“四大紧急措施”之一。随后,王守武中断了其他科研项目,走遍祖国大江南北,大力普及半导体科学知识、举办科学报告会、并组建了我国第一个半导体研究室。他组织领导了锗单晶材料制备的研究工作,一方面抓锗材料的提纯,一方面亲自设计制造了我国第一台制备半导体锗材料的单晶炉,并于1957年底,拉制成功了我国第一根锗单晶;同年11月底到次年初,他与同事合作,研制成功了我国第一批锗合金结晶体管,并掌握了锗单晶中的掺杂技术,达到了器件生产的要求。


我国第一根锗单晶

      在参与研制锗高频合金扩散晶体管的同时,他又参与了拉制硅单晶的组织领导工作,并具体解决了在拉制硅单晶过程中因坩埚底部温度过高而引起的“跳硅”难题。经王守武与林兰英教授的共同努力,我国第一根硅单晶于1958年7月问世。为了促进我国第二代(晶体管型)电子计算机的研究,在王守武与有关同志的组织领导下,于1958年创建了我国最早的生产晶体管的工厂——中国科学院109工厂,从事锗高频晶体管的批量生产。1960年4月,王守武受命筹建中国科学院半导体研究所,任筹委会副主任。1960年9月6日,半导体研究所正式成立,研究领域包括半导体物理、材料、器件和电子学,王守武被任命为副所长,负责全所的科研业务管理和开拓分支学科的组建等工作,从此开始了拓宽我国半导体科研领域和分支学科的新历程。


我国第一批硅单晶

建设全国半导体测试中心

      50年代末,半导体材料与器件工业如火如荼地发展起来,但材料与器件质量的检测手段,远不能适应客观需要。1962年,王守武依据国家科委的决定,在半导体所筹建全国半导体测试中心,并兼任该中心主任。他领导并参与了对半导体材料的电阻率、少数载流子寿命以及锗晶体管频率特性的标准测试方法的研究,建立了相应的标准测试系统。在建立标准测试方法的同时,他还着手研究某些简便的测试方法,以满足有关所、厂随时抽测一些样品的需要,并创造性地提出了一种测量半导体“少子”寿命的新方法。测试中心建成后,很快便承担起了全国半导体材料与器件的参数测试中的仲裁任务。


全国半导体测试中心

研制第一只半导体激光器

      1962年,美国用砷化镓半导体材料制成了第一只激光器,在世界上产生了广泛而深远的影响。王守武迅速于1963年组建了半导体激光器研究室。在研制过程中,为了解决在砷化镓薄片的两端形成两个绝对平行的腔端面的问题,他设计搭制了一台精密测角仪来检测薄片表面与腔端面之间的夹角,同时他创造性地发展了一种光学定向的新方法来保证薄片表面与腔端面之间的垂直性。1964年元旦前夕,在克服了一系列工艺技术难题后,我国的第一只半导体激光器问世了,这是一项令科技界非常振奋的成果。


国内第一台半导体激光器

      此后,王守武指导并参与了激光通讯机和激光测距仪的研制工作。时隔不久,我国第一台激光通讯机就诞生了。他提出并设计了从噪声中提取信号的电路方案,极大地提高激光测距仪的可测距离,有力地支援了国防现代化建设。

研制4千位的大规模集成电路

      粉碎“四人帮”后,全国自然科学学科规划会议在北京召开,指示半导体工作者“一定要把大规模集成电路搞上去”。1978年10月,王守武负责4千位的MOS随机存储器这一大规模集成电路的研究工作,这是一项难度甚高的研究工作,而且于科技、国防、经济发展意义重大。王守武立刻一头扎进实验室中,对四十道工艺进行设计、创新。他要求各工序的负责人,明确工作流程,严格执行,力求工艺质量的稳定。由于实验条件的落后,他也对实验所用的仪器设备和基础材料进行检修、改造和测试,使之稳定可靠,达到所需的质量标准。

      王守武先从研制难度不大的256位中规模集成电路入手,以检验工艺流程的稳定性和可靠性,随后才投片研制4千位动态随机存储器。1979年9月28日,该大规模集成电路研制成功,批量成品率达20%以上,最高的达40%。这一重要突破结束了我国不能制造大规模集成电路的历史,并获得中科院1980年科技成果一等奖。1979年底,他也因此荣获全国劳动模范;1980年,被评选为中国科学院院士。


1979年在超净线工作

 


1980年荣获科技成果一等奖


 开展集成电路大生产试验

      1980年,王守武开始兼任中国科学院109工厂厂长职务,开展4千位大规模集成电路的推广工作,从事提高成品率、降低成本的集成电路大生产试验。他在109工厂,建设了大通间、高净化级别、适合大规模集成电路生产的现代化厂房。同时组织有关人员,重新改造了通风、排气系统,完善了其他一些工艺设施,从而迅速将老厂房改造高净化标准厂房。

 

      王守武率领科研人员对每台设备的每个部件进行检查,还研制了清洗机之类的工艺设备,使得工艺设备可靠工作。他首次选用聚丙烯做高纯水的输送管材以保障成品率;建起了用高压充气和抽高真空两种检查气体管道密封性能的方法以解决气体表头密封问题。同时,他组织设计制定了对硅片等原材料的质量检查标准和控制措施。对于工艺技术方案,他不仅引导大家大胆采用等离子化学气相淀积(CVD)这一最新工艺,还积极采用半导体研究所发明的一种成本低、光刻线边界整齐、针孔小、适合大生产的无显影光刻技术。在王守武精心操持下,109厂以一个电视机用的集成电路品种进行流片试生产,一次就取得了芯片成品率达50%以上的可喜成果,比国内其它研制单位的成品率高出三四倍。大生产试验线及成果,在1985年获得中国科学院科技进步二等奖,后被授予国家级科技进步奖。


1985年王守武厂长做报告

      1986年1月,上级将半导体所从事大规模集成电路研究的全套人马,合并到109工厂,组建中科院“微电子中心”(后来更名为微电子研究所),王守武被任命为该中心的终身名誉主任。之后他再次亲自领导组织建设新的生产线,并通过验收于1990年荣获中科院科技进步二等奖。

       在109工厂任职期间,王守武并未停止自己的科学研究工作。他与有关同事一起,研究了PNPN负阻激光器的性能、单腔双接触激光器的稳定性问题,以及对激光器内部光波模式和载流子分布的计算机模拟分析等,也做出了非常优秀的成果。

伟大传承

      王守武先生渊博的学识、超人的动手能力、谦逊的性格得到了国内外广大学者的尊重。他曾担任《硅谷》的总编和《半导体学报》的主编,担任过中国电子学会理事、常务理事,中国电子学会半导体与集成技术专业分会主任委员,分别在中国科技大学、清华大学、北京大学、复旦大学任教。他也为祖国的半导体领域、微电子领域培养了一批又一批的人才,很多他的学生已成为行业领域的栋梁之才。

      在生前的最后十多年中,为帮助贫困学子能够继续完成学业,王守武与夫人葛修怀在湖北省鄂州市泽林高中设立了“英才奖学金”。王守武还向中科院研究生教育基金会捐赠资金,设立“王守武奖励基金”,他的子女支持这一义举,继续为基金添资,用于奖励中国科学院半导体所、微电子所的优秀博士生。

      今天是王守武先生诞辰100周年,我们深切纪念这位伟大的科学家,纪念他为中国半导体事业做出的卓越贡献。

本文来源:中科院之声



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