硅材料和硅器件技术研究
中国科学院院士 清华大学微电子所教授 李志坚
人类运用石器作为主要工具的时代称为石器时代，对应的人类社会为畜牧业社会。同样，青铜器时代对应着农业化社会；钢铁时代对应着工业化社会。人类信息化社会已经到来，微电子是信息技术的支柱，而微电子的主要材料是硅；所以有人认为随着信息社会的来临，人们已进入了硅（器）时代。
今天硅和硅技术对人类的重要性已不言而喻。但在50年代后期，国际上硅技术正处于开发阶段，半导体锗晶体管也还是进入市场不久（晶体管发明于1948年）。我国是在56年制定的12年国家科学发展规划推动下，在57、58年开始半导体研究的，在1958年硅和硅器件技术在中国还是一片空白。更严峻的是在当时的形势下，这一技术（包括原材料）英美等科技先进国家对我国严格封锁。
清华大学无线电电子学系半导体专业是在1958年刚建立的年青集体，教研室一成立就投入了国家发展半导体科技的行列。作为一个年轻的、缺少经验的团队，在半导体研究中当时有不少方向可供选择，例如锗材料和器件，当时在国际比较成熟，国内也有不少单位已开展，有许多经验可借鉴、可学习。硅与锗同是四族元素半导体，作为器件材料最有前景。锗是稀有元素，材料成本高，其禁带宽度只有0.66电子伏，器件只能工作到80℃以下。硅是地球表面上含量最多的元素，原料成本低，且其禁带宽度为1.1电子伏，器件可望工作到120℃以上。只是因为锗较易提纯而硅则因化学性能活泼提纯和单晶制备技术发展比锗落后了一步，所以当时未能起主导作用，但是作为器件应用的前景，硅胜出锗是不容怀疑的（实际上，70年代起它就成为最重要半导体微电子材料了）。清华半导体教研室的年轻集体经过讨论坚定地选取了硅作为自己科研的主要方向，而后国家有关方面也肯定了“北硅南锗”，即以上海为主的南方地区发展锗为主，以中科院和清华、以及有色冶金研究所为主的北方地区则以研发硅为主。
要开展硅技术首先要获得硅原料――超净多晶硅。当时选的技术路线是高温下用H2还原SiCl4。因为要得到的是超纯（99.9999999即9个9）的硅，所以首先要得到高纯度的SiCl4和H2。为此他们自己建造了高效石英蒸馏塔，对SiCl4进行了多级提纯。又在气路中设置了H2纯化，特别是除水装置。反应需在1050℃以上的高温下进行，因此需要一个能通电加热钼条的气密闭室，该气密室有外套可水冷却，但又有窗口可以监控内部反应过程。当时国家处于“大跃进”时期，在“超英赶美”口号的鼓舞下，大家土法上马，用一个玻璃钟罩接口处用腊密封起来，上面不断浇水加以冷却，因陋就简造成了反应腔。这样条件当然不可能不出事故（反应室爆炸）和多次遭遇到失败（硅氧化为氧化硅）。但是大家干劲大、热气高，不断总结经验、加上工艺和设备调整，经过几个月的日夜奋战终于在当年“十一”国庆节前研制出了纯度达标的半导体多晶硅！接着定制的钢反应室及系统完成，替代了旧反应系统，就使多晶硅达到小批量生产。该工艺流程在59年间全部转移给北京玻璃厂进行生产，成为国内最早一批半导体原料多晶硅产品，该厂后来成为我国生产硅材料的主要基地之一。
在提炼多晶硅同时，教研室由专人设计制造了硅籽晶直拉式（恰可拉尔斯基法）单晶炉，并在1959年中用自制的多晶拉制出了硅单晶锭（Φ~30），这在国内也在首批行列之中。这期间，教研室的另一批学生开展了对硅材料性能检测（如电阻率，少子寿命）方法的研究，这使我们对自制材料可以进行正确的鉴定，证明了我们的材料研究完全成功。
在研制成功硅单晶的基础上，教研室即开始了硅晶体管的研制工作。首先是在60年初开始的硅合金晶体管。这是在硅片两侧对中地烧制上两个含金球，形成两个PN结（发射极和收集极）组成的晶体管，是一种低频（<1MHz ）小功率（<几百mw）晶体管，可用于仪器、仪表。器件初步研制出来后（据我们所知这是国内最早研制成功的硅晶体管），教研室即派遣小分队到北京市电工研究所（后发展为沙河半导体厂）与之协作，共同生产这种硅合金晶体管。
作为现代集成电路基础的硅平面工艺和MOS晶体管的突破性工作主要出现在二十世纪50年代末和60年代初。如氧化、扩散工艺主要在60年代下半时成熟，硅与二氧化硅稳定性的研究，平面器件的出现则在50年代末，而MOS晶体管发明在60年代初，MOS集成电路发明则在1962、1963年等等。清华半导体教研组的建立和发展恰好在这个大潮流时期，也由于他们正确地认定了以硅技术为自己的发展方向，他们得以在自己研制成功硅材料和晶体管的同时，开展了一系列关于硅技术的预研工作。其中有硅扩散与氧化技术，氧化硅表面稳定性研究，PN结电击穿机理研究，锗硅合金材料研究等等。这些研究工作都处于当时的国际前沿。这样就导致了他们在国内首先研制出高反压（VB>80V）硅平面晶体管（1964年），与国内少数（科学院半导体所、电子部13所）单位一起开始MOS集成电路的研究（1963－1964），最终为清华微电子所成为国家重要微电子研究开发基地之一奠定了基础。
本项目完成的意义在于说明：⑴高瞻远曙，选择有深远意义和良好前景的科研方向十分重要；⑵ 坚持严谨的科学作风，集体拼搏，在高科技发展中完全可以跨越前进。
参加本项目研究的主要人员，先后有：李志坚、南德恒、应联华、张建人、曹培栋、杨伯熙、钱佩信、徐葭生、庄同曾、梁培虎等。
