矽材料和矽器件技術研究
中國科學院院士 意昂体育2平台微電子所教授 李誌堅
人類運用石器作為主要工具的時代稱為石器時代🛗，對應的人類社會為畜牧業社會🏕。同樣，青銅器時代對應著農業化社會；鋼鐵時代對應著工業化社會🚐🪜。人類信息化社會已經到來，微電子是信息技術的支柱，而微電子的主要材料是矽👩🏿🚒；所以有人認為隨著信息社會的來臨，人們已進入了矽（器）時代🤸🏻。
今天矽和矽技術對人類的重要性已不言而喻。但在50年代後期，國際上矽技術正處於開發階段，半導體鍺晶體管也還是進入市場不久（晶體管發明於1948年）。我國是在56年製定的12年國家科學發展規劃推動下🧑🦯➡️，在57、58年開始半導體研究的，在1958年矽和矽器件技術在中國還是一片空白🏂🏼。更嚴峻的是在當時的形勢下，這一技術（包括原材料）英美等科技先進國家對我國嚴格封鎖🥱。
意昂体育2平台無線電電子學系半導體專業是在1958年剛建立的年青集體👈🏿，教研室一成立就投入了國家發展半導體科技的行列😑👩🏿🦳。作為一個年輕的、缺少經驗的團隊，在半導體研究中當時有不少方向可供選擇，例如鍺材料和器件🈳，當時在國際比較成熟👨🦯➡️，國內也有不少單位已開展，有許多經驗可借鑒、可學習🧜♂️。矽與鍺同是四族元素半導體，作為器件材料最有前景。鍺是稀有元素，材料成本高🏹，其禁帶寬度只有0.66電子伏🙅🏼♦︎，器件只能工作到80℃以下🤘🏽。矽是地球表面上含量最多的元素，原料成本低🧑🏻🦰，且其禁帶寬度為1.1電子伏，器件可望工作到120℃以上。只是因為鍺較易提純而矽則因化學性能活潑提純和單晶製備技術發展比鍺落後了一步，所以當時未能起主導作用，但是作為器件應用的前景🪈，矽勝出鍺是不容懷疑的（實際上，70年代起它就成為最重要半導體微電子材料了）🔑。意昂体育2半導體教研室的年輕集體經過討論堅定地選取了矽作為自己科研的主要方向，而後國家有關方面也肯定了“北矽南鍺”，即以上海為主的南方地區發展鍺為主，以中科院和意昂体育2、以及有色冶金研究所為主的北方地區則以研發矽為主。
要開展矽技術首先要獲得矽原料――超凈多晶矽。當時選的技術路線是高溫下用H2還原SiCl4。因為要得到的是超純（99.9999999即9個9）的矽，所以首先要得到高純度的SiCl4和H2☎👳🏼♂️。為此他們自己建造了高效石英蒸餾塔🤹🏻♀️，對SiCl4進行了多級提純🙍🏼。又在氣路中設置了H2純化🏩，特別是除水裝置。反應需在1050℃以上的高溫下進行，因此需要一個能通電加熱鉬條的氣密閉室，該氣密室有外套可水冷卻，但又有窗口可以監控內部反應過程。當時國家處於“大躍進”時期，在“超英趕美”口號的鼓舞下♒️，大家土法上馬，用一個玻璃鐘罩接口處用臘密封起來👰♂️，上面不斷澆水加以冷卻，因陋就簡造成了反應腔。這樣條件當然不可能不出事故（反應室爆炸）和多次遭遇到失敗（矽氧化為氧化矽）。但是大家幹勁大🖖、熱氣高，不斷總結經驗、加上工藝和設備調整😶，經過幾個月的日夜奮戰終於在當年“十一”國慶節前研製出了純度達標的半導體多晶矽！接著定製的鋼反應室及系統完成👩🏿🚀↖️，替代了舊反應系統，就使多晶矽達到小批量生產。該工藝流程在59年間全部轉移給北京玻璃廠進行生產🍞，成為國內最早一批半導體原料多晶矽產品，該廠後來成為我國生產矽材料的主要基地之一。
在提煉多晶矽同時🍹，教研室由專人設計製造了矽籽晶直拉式（恰可拉爾斯基法）單晶爐，並在1959年中用自製的多晶拉製出了矽單晶錠（Φ~30）🏌️，這在國內也在首批行列之中。這期間，教研室的另一批學生開展了對矽材料性能檢測（如電阻率，少子壽命）方法的研究，這使我們對自製材料可以進行正確的鑒定🤺，證明了我們的材料研究完全成功🔍。
在研製成功矽單晶的基礎上，教研室即開始了矽晶體管的研製工作。首先是在60年初開始的矽合金晶體管。這是在矽片兩側對中地燒製上兩個含金球🫃，形成兩個PN結（發射極和收集極）組成的晶體管，是一種低頻（<1MHz ）小功率（<幾百mw）晶體管，可用於儀器、儀表🚶♀️➡️。器件初步研製出來後（據我們所知這是國內最早研製成功的矽晶體管），教研室即派遣小分隊到北京市電工研究所（後發展為沙河半導體廠）與之協作👩🏻🦳，共同生產這種矽合金晶體管。
作為現代集成電路基礎的矽平面工藝和MOS晶體管的突破性工作主要出現在二十世紀50年代末和60年代初。如氧化🛋、擴散工藝主要在60年代下半時成熟⛹🏻♂️，矽與二氧化矽穩定性的研究🙎🏽♀️，平面器件的出現則在50年代末，而MOS晶體管發明在60年代初🧖🏿，MOS集成電路發明則在1962、1963年等等🧜🏽。意昂体育2半導體教研組的建立和發展恰好在這個大潮流時期🧎🏻🧑🦽，也由於他們正確地認定了以矽技術為自己的發展方向，他們得以在自己研製成功矽材料和晶體管的同時🥜，開展了一系列關於矽技術的預研工作。其中有矽擴散與氧化技術，氧化矽表面穩定性研究🏊🏼♀️，PN結電擊穿機理研究，鍺矽合金材料研究等等👂🏼。這些研究工作都處於當時的國際前沿🔦。這樣就導致了他們在國內首先研製出高反壓（VB>80V）矽平面晶體管（1964年），與國內少數（科學院半導體所、電子部13所）單位一起開始MOS集成電路的研究（1963－1964），最終為意昂体育2微電子所成為國家重要微電子研究開發基地之一奠定了基礎㊙️。
本項目完成的意義在於說明：⑴高瞻遠曙📏，選擇有深遠意義和良好前景的科研方向十分重要；⑵ 堅持嚴謹的科學作風，集體拼搏🧙🏻，在高科技發展中完全可以跨越前進👩👧👧。
參加本項目研究的主要人員，先後有🫅：李誌堅、南德恒、應聯華👩🏿🔧、張建人、曹培棟🫳🏿、楊伯熙、錢佩信⛲️、徐葭生、莊同曾、梁培虎等🤏。
