梁駿吾：一生只為一顆硅單晶

卜葉

1、貧瘠中奮斗

1960年，梁駿吾從蘇聯(lián)留學歸國，正值半導體所剛成立。嶄新的科學平臺，成為日后梁駿吾的奮斗原野。早在學生時代就立志要在科技領域“為建成共產主義添磚加瓦”的梁駿吾，來到了該所的研究室，從事國內蓬勃興起的硅材料研究。半導體所室主任林蘭英，任命他為課題組長，要他從事區(qū)熔硅單晶爐和區(qū)熔硅單晶的研制。

在20世紀60年代，“區(qū)熔”是一項前沿研究。在這塊貪瘠的科學園地里，進行這類開拓性研究，無可供借鑒的工藝技術，缺必不可少的工藝設備，一切都得從頭做起，困難重重。

1961年初，梁駿吾和團隊開始研制工作。那時，物質生活條件差。寒冷的冬天，實驗室正在翻修，他們擠在一間沒有暖氣的平房里工作，上班的路上還要拾一些柴火來生爐子。住的宿舍是一個大禮堂，上下雙層鋪，上百人住在一起?？墒?，這樣的一個集體，卻充滿了為國爭光的熱情。在工廠加工區(qū)熔爐期間，他們深入車間，與工人同吃同勞動。中午下班時，沒地方休息，就在車間外的臺階上坐坐。加工好的設備要運回，就靠他們推著人力板車步行十多公里……那個困難的年代，卻也是充滿火熱激情的年代。

經歷300多個日日夜夜之后，科研團隊終于闖過來了，成功解決了高頻感應加熱主回路的設計與制作。關鍵技術的突破，使高頻加熱圈連續(xù)24小時工作不打火，不僅解決了在對硅材料進行反復多次區(qū)熔時所必有的長時間加熱的穩(wěn)定性，加工成的區(qū)熔爐還比國外的同類產品還先進，而且還為后來的外延生長工藝中的感應加熱技術，提供了經驗，被高熔爐生產廠家一直沿用至今。

2、細微處探索

1977年，描繪我國科學事業(yè)遠景的全國自然科學學科規(guī)劃會議召開。國家提出，一定要把大規(guī)模集成電路搞上去。

在面積不到4x4mm2的硅片上，制作一萬多個形成電路功能的電子元件，要經過60多道工序，電路線寬必須是微米、亞微米量級。這么高的集成度，對硅單晶質量提出了越來越高的要求。

國外研究工作表明，硅單晶中尺度在微米、亞微米量級的缺陷（以下簡稱微缺陷），對集成電路的性能與成品率，有著至關重要的影響。因此，1978年，國家科委向半導體所下達“提高硅單晶質量的研究”任務。

梁駿吾深知任務艱巨，責任重大。他一到北京，無暇安置，馬上到研究所開展工作，潛心于硅單晶中的微缺陷——主要是漩渦缺陷的本質、形成機理及消除辦法的研究。

想解決問題，先搞清楚成因。梁駿吾和研究人員采用化學擇優(yōu)腐蝕顯示方法、紅外光譜測量分析方法以及透射電子顯微鏡觀察等現(xiàn)代研究手段，論證了原生態(tài)硅單晶中缺陷的本質特征、生成機理。

他們發(fā)現(xiàn)，在無位錯單晶生長中，熱點缺陷對單晶完整性起決定性作用，所以控制生長時的熱波動，機械穩(wěn)定性以及氧碳等雜質，是控制漩渦缺陷生成的關鍵。

而后，研究人員從單晶缺陷生成機理入手，采取一系列技術措施，反復實踐，次次探求，多方設法解決了拉晶爐的熱穩(wěn)定性與機械平穩(wěn)性，定位了氣氛的選擇和氣流模型。這樣一來，就為消除漩渦缺陷指明了正確途徑，終于降低了硅單晶中的氧化層措密度，提高了少數(shù)載流子的壽命，獲得了無位錯、無漩渦、低微缺陷和氧含量可控的直拉硅單晶，單晶成品率達80%。

直拉硅單晶質量的突破，為研制大規(guī)模集成電路奠定了基礎。1979～1980年，半導體所相繼研制成功了4千位、16千位的大規(guī)模集成電路——硅柵MOS隨機存貯器，兩次獲得中科院重大成果一等獎。

3、突破摻氮技術

區(qū)熔硅單晶存在的問題，長期困擾著從事區(qū)熔工作的梁駿吾，他思索：是讓其止步不前，自然淘汰，還是探索新路，促其發(fā)展？

梁竣吾選擇了后者。他埋頭書案，默默地在學海里尋覓、探求……

為進一步提高材料性能，除進行中子嬗變技術處理外，還應該給硅中摻入某種雜質，使硅的晶格“強壯”起來。

摻什么雜質呢？國外有文獻記載，摻入氧、氮或者鍺，均可能改進硅的機械性能。但是，梁駿吾考慮到，氧的沉淀會引起缺陷;摻鍺均勻性又不好，且成本高。氮可以考慮，但氮的加入是否會引來不利反應，氮在工藝熱處理中是否會引入缺陷？經過理論推算，梁駿吾認為，這些問題是可以克服的。于是，將中子嬗變技術和摻氮技術相結合的新思維產生了，進行新的硅單晶品種的實驗開始了。

實驗證明，在高溫范圍內，氮在硅中的存在，增強了硅的臨界切應力，增大了屈服強度，其硬變降低率，比直拉硅單晶低，改進了硅材料的機械性能，驗證了前人的結論。梁駿吾想，這一新型硅材料的誕生，必將減少制作器件過程中的崩邊率，減少硅片在燒結工藝過程中的彎曲率，提高硅片的利用率，定會受到器件廠家的歡迎。

斗轉星移，1982年，梁駿吾等人克服了設備上的問題，解決了摻氮所需的氣體成份，解決了氮中生長高質量單晶的規(guī)律。由于將中子輻照與摻氮區(qū)熔工藝相結合，使硅單晶既有良好的機械性能，又能使單晶電阻率得到均勻分布的雙重效果。這一大膽的嘗試，在當時國際上還別無他例。

摻氮中子嬗變區(qū)熔硅單晶終于研究制成功了。這種新型硅單晶，能否適于制造硅器件，能否改進器件性能，提高器件的成品率，梁駿吾又率領科技人員，對該材料的電學性能進行廣泛深入的研究。研究結果表明，硅中所含的氮，在經中子輻照之后，不致引起有害的核反應。只要硅中氮濃度受到定量控制，晶體中的氮原子，就能有效地防止位錯的產生與繁殖，對位錯起到釘扎的作用。與常規(guī)的摻氮區(qū)熔硅單晶和不摻氮的中子嬗變區(qū)熔硅單晶相比，該材料的電阻率均勻性好，少數(shù)載流子壽命高。氮在硅中雖有深能及產生，在經900℃高溫處理之后，將會全部消失。因此，摻氮中子嬗變區(qū)熔硅單晶，不僅有良好的機械性能，還具有優(yōu)良的電學性質。

專業(yè)上的進取，是梁駿吾的一貫追求;政治上的進步，也是他孜孜以求的目標。1980年，他光榮地加入了中國共產黨。他入黨時的誓言：要為共產主義奮斗不止，為社會主義現(xiàn)代化大業(yè)作出更多更好的貢獻。

梁駿吾心語

那時，世界上的半導體研究也只是剛剛開始，我對此一無所知，非常緊張。

人要有自知之明，到了一定的歲數(shù)，就要選擇自己力所能及的事情來做。

從事材料科學研究的人，在作選擇的時候不能太功利主義，不要太講求能有多大的功勞，歷史自然會把你的貢獻和名字寫進去。

我的很多事業(yè)是領導和組織決定的。然而回望來路，我并不會后悔，因為那些任務里的確有很多值得研究的科學問題供我探索。

讓他們看到這份事業(yè)可以有所作為，讓他們覺得自己同樣能夠作出成績，這就可以了。

很多企業(yè)賺錢后，并不愿意拿出錢來提高科學技術水平，但是企業(yè)往往過分注重近期的利潤，不愿在學術和技術上加大投資力度，我個人的能力畢竟是有限的。

回首往事，其實還有很多事情沒有做到盡善盡美。

?梁駿吾（1933年9月18日～2022年6月23日）出生于湖北省武漢市，半導體材料專家、中國工程院院士、中國科學院半導體研究所研究員、博士生導師。梁駿吾先后從事高純區(qū)熔硅單晶、砷化鎵液相外延、硅氣相外延、SiO2隔離膜生長和多晶硅生長的研究，大規(guī)模集成電路用硅單晶、摻氮中子嬗變硅單晶、超高速電路用外延技術、MOCVD AlGaAs/GaAs量子阱材料及半導體中雜質與缺陷的行為，SiC外延生長和GaN基材料的生長。