如歌的岁月 似火的青春
---忆高反压晶体三极管研制的历程
清华大学微电子所研究员 张建人
1964年8月15日是一个值得记录的时刻。在这一天，我们清华大学半导体教研组晶体管研制小组，经历了五年的奋斗，终于迎来了自己研制成功的“平面型高反向击穿电压硅晶体三极管 ”的诞生。回忆起这艰难的研制历程，无不思绪万千。
五十年代中后期，毛主席、周总理高瞻远瞩，确定我国发展半导体事业。不久有好几个国防研究所和工业单位相继提出，希望我们能够提供耐压大于100伏的晶体三极管，作为驱动显示器和“点灯”用的元件。而当时国内连耐低压的晶体三极管都没有，从国外也只能买到耐压小于60伏的晶体三极管。那时，我们还是二十岁出头的年轻人，毫无从事半导体研究的实践经验，但我们有初生牛犊不怕虎的气概，更有报效祖国的满腔激情。面对国防和工业建设的需要，我们深感义不容辞，加之刚刚在五校联合半导体班（我国第一批半导体专业）毕业，更觉踌躇满志。于是在教研组的领导下，我们勇敢地挑起了研制高反压晶体三极管的重任。当时我被任命为“晶体管组组长”。我们随即组织了三个攻关组，分别由三位年轻教师负责，带领着近20人的年轻队伍，从1959年9月中旬开始，日以继夜，三关齐下，组织攻关。
为了早日攻克难关，有时连续几天几夜不睡觉，眼睛熬红了，人也瘦了，依然坚持在实验室中干。那时工资低，没有奖金，每天早上只有窝窝头和馒头，中午、晚上也只是简单的饭菜，但是心中却是愉快的，因为我们深知：勤奋的工作是和国家的振兴，科技的进步，紧紧联系在一起的。领导和同志融洽相处，心往一处想，劲往一处使，都想快点做出三极管，给1960年五·一献礼。然而，事与愿违，大家干到4月30日深夜，都精疲力竭了，零点的钟声已响，三极管还没有做出来，人们悻悻地离开了实验室。节后上班时却发现：扩散用的真空炉破裂了，氢气烧结炉用的氢气用完了，氮气瓶的阀门没关好，氮气跑光了，硅单晶片用完了……。即便如此，大家也没有灰心，紧接着动员再干，七·一献礼，八·一献礼，十·一献礼，却都依然如故，没有成功!
在严峻的事实面前，我们被迫冷静下来。科研是艰苦的，不能仅凭热情，更不能企望一蹴而就，应当讲求科学的方法。通过总结，我们认识到：我们在攻克高反压硅晶体管时，沿袭了制作锗三极管的技术路线，没有抓住硅材料的特点。在文献的调研中，我们找到了一种最新的结构“平面型三极管”，并从中分解出了几个关键技术，即：均匀氧化工艺、精确光刻工艺、高纯扩散工艺、电极引出工艺及高反压P-N结制作。我们决心利用新技术从头开始，踏踏实实地前进。
经过不断努力，好不容易制出了平面型P-N结二极管，但击穿电压只有7?D8伏。反反覆覆的实验、改进，都没有进展。这时已是62年初了，研制工作似乎又走到了山穷水尽的境地，每一个人的毅力都经受着严峻的考验。从理论上我们知道，P-N结的击穿电压，取决于P-N结两边的掺杂浓度和杂质分布，击穿电压低就意味着在P-N结附近存在着高杂质浓度区。通过在显微镜下的观察，我们发现加电压使P-N结击穿时，在P-N结周边上有“发光点”，当时马上意识到，这些“发光点”和击穿电压低直接相关。这使我们非常兴奋，仿佛是在漫漫长夜中看到了曙光！我们得出了结论：“发光点”就是“击穿点”，就是“高杂质浓度区”。问题是它是从哪来的呢？我们采取了逐个排除法，最后终于找出了“元凶”：扩磷和扩硼工艺室的通风管道是相邻的，而且是相通的，它使极易挥发的五族N型杂质磷、伴着微小的尘埃落到了扩硼的工艺室，当高温扩散时，就形成了高浓度N型杂质区，从而导致了“低压击穿”。于是我们将扩硼与扩磷房间彻底隔离，并调整了通风管道。至此，P-N结的低压击穿终于被攻克了，取得了盼望很久的、合格的P-N结二极管，其击穿电压大于60伏。
为了得到耐压大于100伏的高反压三极管，还必须解决几个难题：提高平面P-N结的表面击穿电压、改进平面P-N结的尖角区击穿电压、选择合适的衬底硅单晶电阻率及严格控制扩散工艺等。于是我们又集中精力，安排了工艺实验，经过反复的失败?D?D改进?D?D再失败?D?D再改进的循环，终于突破了难关，取得了耐110?D120伏的P-N结反向击穿电压，奠定了高反压三极管的基础。但若要完全攻克高反压三极管，还必须解决E-B结的注射效率及基区厚度的控制问题。在这困难重重的时刻，教研组领导将争取到的三名1963届本专业留校毕业生，全部分给了我们晶体管研制小组。于是再度组成了含1964届作毕业设计的学生在内的，约20人的攻关队伍。有了这些生力军，真是“如虎添翼”。我们吸取了过去盲目跃进的经验教训，树立了“科学分析”和“实事求是”的作风，一支年轻的、意气风发的攻关队伍又开始了新的“征程”。又经过了一年的奋斗，我国第一支耐压110?D120伏的，平面型高反压击穿电压硅晶体三极管，终于在我们大家的欢呼声中诞生了！
回首往事，再看今天，心绪不平，感慨万千！我们的研制工作成功之时，国际上尚无关于该种指标高反压管的报道。可以说，在这方面，我们当时离世界先进水平并不远。可惜的是，在随后的十年中发生了“文化大革命”。在此期间，世界各国在硅器件和集成电路方面，进行了大量的工作，取得了飞速的发展。而我国却停滞不前，差距拉得越来越远，这使我们非常痛心。现在，我们这些当年的年轻人，都已六十开外了，追赶半导体领域世界先进水平的重担，已责无旁贷地落在了今天年轻人的肩上！可喜的是在改革开放的形势下，高科技事业蓬勃发展，高新技术的研发正面临着前所未有的良好环境，当代青年人正是生逢其时。我们发自肺腑想向他们说的是：要心中充满着祖国的需要，激情洋溢地投入艰难困苦的攻关中，一步一步地、踏踏实实地向前追赶。在不久的未来，我们几代人共同为之奋斗的理想：中华民族立足于世界先进科技之林，就一定会实现！
