梁骏吾：一生只为一颗硅单晶

卜叶

1、贫瘠中奋斗

1960年，梁骏吾从苏联留学归国，正值半导体所刚成立。崭新的科学平台，成为日后梁骏吾的奋斗原野。早在学生时代就立志要在科技领域“为建成共产主义添砖加瓦”的梁骏吾，来到了该所的研究室，从事国内蓬勃兴起的硅材料研究。半导体所室主任林兰英，任命他为课题组长，要他从事区熔硅单晶炉和区熔硅单晶的研制。

在20世纪60年代，“区熔”是一项前沿研究。在这块贪瘠的科学园地里，进行这类开拓性研究，无可供借鉴的工艺技术，缺必不可少的工艺设备，一切都得从头做起，困难重重。

1961年初，梁骏吾和团队开始研制工作。那时，物质生活条件差。寒冷的冬天，实验室正在翻修，他们挤在一间没有暖气的平房里工作，上班的路上还要拾一些柴火来生炉子。住的宿舍是一个大礼堂，上下双层铺，上百人住在一起。可是，这样的一个集体，却充满了为国争光的热情。在工厂加工区熔炉期间，他们深入车间，与工人同吃同劳动。中午下班时，没地方休息，就在车间外的台阶上坐坐。加工好的设备要运回，就靠他们推着人力板车步行十多公里……那个困难的年代，却也是充满火热激情的年代。

经历300多个日日夜夜之后，科研团队终于闯过来了，成功解决了高频感应加热主回路的设计与制作。关键技术的突破，使高频加热圈连续24小时工作不打火，不仅解决了在对硅材料进行反复多次区熔时所必有的长时间加热的稳定性，加工成的区熔炉还比国外的同类产品还先进，而且还为后来的外延生长工艺中的感应加热技术，提供了经验，被高熔炉生产厂家一直沿用至今。

2、细微处探索

1977年，描绘我国科学事业远景的全国自然科学学科规划会议召开。国家提出，一定要把大规模集成电路搞上去。

在面积不到4x4mm2的硅片上，制作一万多个形成电路功能的电子元件，要经过60多道工序，电路线宽必须是微米、亚微米量级。这么高的集成度，对硅单晶质量提出了越来越高的要求。

国外研究工作表明，硅单晶中尺度在微米、亚微米量级的缺陷（以下简称微缺陷），对集成电路的性能与成品率，有着至关重要的影响。因此，1978年，国家科委向半导体所下达“提高硅单晶质量的研究”任务。

梁骏吾深知任务艰巨，责任重大。他一到北京，无暇安置，马上到研究所开展工作，潜心于硅单晶中的微缺陷——主要是漩涡缺陷的本质、形成机理及消除办法的研究。

想解决问题，先搞清楚成因。梁骏吾和研究人员采用化学择优腐蚀显示方法、红外光谱测量分析方法以及透射电子显微镜观察等现代研究手段，论证了原生态硅单晶中缺陷的本质特征、生成机理。

他们发现，在无位错单晶生长中，热点缺陷对单晶完整性起决定性作用，所以控制生长时的热波动，机械稳定性以及氧碳等杂质，是控制漩涡缺陷生成的关键。

而后，研究人员从单晶缺陷生成机理入手，采取一系列技术措施，反复实践，次次探求，多方设法解决了拉晶炉的热稳定性与机械平稳性，定位了气氛的選择和气流模型。这样一来，就为消除漩涡缺陷指明了正确途径，终于降低了硅单晶中的氧化层措密度，提高了少数载流子的寿命，获得了无位错、无漩涡、低微缺陷和氧含量可控的直拉硅单晶，单晶成品率达80%。

直拉硅单晶质量的突破，为研制大规模集成电路奠定了基础。1979～1980年，半导体所相继研制成功了4千位、16千位的大规模集成电路——硅栅MOS随机存贮器，两次获得中科院重大成果一等奖。

3、突破掺氮技术

区熔硅单晶存在的问题，长期困扰着从事区熔工作的梁骏吾，他思索：是让其止步不前，自然淘汰，还是探索新路，促其发展？

梁竣吾选择了后者。他埋头书案，默默地在学海里寻觅、探求……

为进一步提高材料性能，除进行中子嬗变技术处理外，还应该给硅中掺入某种杂质，使硅的晶格“强壮”起来。

掺什么杂质呢？国外有文献记载，掺入氧、氮或者锗，均可能改进硅的机械性能。但是，梁骏吾考虑到，氧的沉淀会引起缺陷;掺锗均匀性又不好，且成本高。氮可以考虑，但氮的加入是否会引来不利反应，氮在工艺热处理中是否会引入缺陷？经过理论推算，梁骏吾认为，这些问题是可以克服的。于是，将中子嬗变技术和掺氮技术相结合的新思维产生了，进行新的硅单晶品种的实验开始了。

实验证明，在高温范围内，氮在硅中的存在，增强了硅的临界切应力，增大了屈服强度，其硬变降低率，比直拉硅单晶低，改进了硅材料的机械性能，验证了前人的结论。梁骏吾想，这一新型硅材料的诞生，必将减少制作器件过程中的崩边率，减少硅片在烧结工艺过程中的弯曲率，提高硅片的利用率，定会受到器件厂家的欢迎。

斗转星移，1982年，梁骏吾等人克服了设备上的问题，解决了掺氮所需的气体成份，解决了氮中生长高质量单晶的规律。由于将中子辐照与掺氮区熔工艺相结合，使硅单晶既有良好的机械性能，又能使单晶电阻率得到均匀分布的双重效果。这一大胆的尝试，在当时国际上还别无他例。

掺氮中子嬗变区熔硅单晶终于研究制成功了。这种新型硅单晶，能否适于制造硅器件，能否改进器件性能，提高器件的成品率，梁骏吾又率领科技人员，对该材料的电学性能进行广泛深入的研究。研究结果表明，硅中所含的氮，在经中子辐照之后，不致引起有害的核反应。只要硅中氮浓度受到定量控制，晶体中的氮原子，就能有效地防止位错的产生与繁殖，对位错起到钉扎的作用。与常规的掺氮区熔硅单晶和不掺氮的中子嬗变区熔硅单晶相比，该材料的电阻率均匀性好，少数载流子寿命高。氮在硅中虽有深能及产生，在经900℃高温处理之后，将会全部消失。因此，掺氮中子嬗变区熔硅单晶，不仅有良好的机械性能，还具有优良的电学性质。

专业上的进取，是梁骏吾的一贯追求;政治上的进步，也是他孜孜以求的目标。1980年，他光荣地加入了中国共产党。他入党时的誓言：要为共产主义奋斗不止，为社会主义现代化大业作出更多更好的贡献。

梁骏吾心语

那时，世界上的半导体研究也只是刚刚开始，我对此一无所知，非常紧张。

人要有自知之明，到了一定的岁数，就要选择自己力所能及的事情来做。

从事材料科学研究的人，在作选择的时候不能太功利主义，不要太讲求能有多大的功劳，历史自然会把你的贡献和名字写进去。

我的很多事业是领导和组织决定的。然而回望来路，我并不会后悔，因为那些任务里的确有很多值得研究的科学问题供我探索。

让他们看到这份事业可以有所作为，让他们觉得自己同样能够作出成绩，这就可以了。

很多企业赚钱后，并不愿意拿出钱来提高科学技术水平，但是企业往往过分注重近期的利润，不愿在学术和技术上加大投资力度，我个人的能力毕竟是有限的。

回首往事，其实还有很多事情没有做到尽善尽美。

 梁骏吾（1933年9月18日～2022年6月23日）出生于湖北省武汉市，半导体材料专家、中国工程院院士、中国科学院半导体研究所研究员、博士生导师。梁骏吾先后从事高纯区熔硅单晶、砷化镓液相外延、硅气相外延、SiO2隔离膜生长和多晶硅生长的研究，大规模集成电路用硅单晶、掺氮中子嬗变硅单晶、超高速电路用外延技术、MOCVD AlGaAs/GaAs量子阱材料及半导体中杂质与缺陷的行为，SiC外延生长和GaN基材料的生长。