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，要他從事區熔硅單晶爐和區熔硅單晶的研制。

在20世紀60年代，“區熔”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。可是，這樣的一個集體，卻充滿了為國爭光的熱情。在工廠加工區熔爐期間，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熔時所必有的長時間加熱的穩定性，加工成的區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，描繪我國科學事業遠景的全國自然科學學科規劃會議召開。國家提出，一定要把大規模集成電路搞上去。

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代研究手段，論證了原生態硅單晶中缺陷的本質特征、生成機理。

他們發現，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定性與機械平穩性，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

區熔硅單晶存在的問題，長期困擾著從事區熔工作的梁駿吾，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律。由于將中子輻照與摻氮區熔工藝相結合，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。與常規的摻氮區熔硅單晶和不摻氮的中子嬗變區熔硅單晶相比，該材料的電阻率均勻性好，少數載流子壽命高。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，摻氮中子嬗變區熔硅單晶，不僅有良好的機械性能，還具有優良的電學性質。

專業上的進取，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，為社會主義現代化大業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，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。

很多企業賺錢后，并不愿意拿出錢來提高科學技術水平，但是企業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。