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      梁駿吾:一生只為一顆硅單晶

      2022-05-30 10:48:04卜葉
      科學導報 2022年63期
      關鍵詞:單晶中子半導體

      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。

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