李志坚(1928~2011)
李志坚,中国科学院院士,半导体物理学家,微电子学专家,教育家。在为清华大学创建半导体与微电子学学科的同时,先后在硅材料、硅器件、超大规模集成电路及相关工艺和测试装置的学术研究与样品制作中作出了一系列奠基性贡献。
立志为国争光
李志坚,1928年5月1日出生在浙东滨海小镇——镇海柴桥镇。小学到中学的大半时间是在抗日战争期间渡过的。由于日本侵略军未到这一小镇驻扎,因而时有北方流亡的爱国知识分子临时来此落户,又有许多原在上海、杭州等地工作、读书的青年人逃难回到乡下来。他们一方面带来了爱国抗日的进步思想,另一方面也大大加强和优化了当地中、小学的师资队伍,使少年时代的李志坚受益匪浅。
大学是青年人成长和世界观形成的关键时期。李志坚在全国解放前的1947年进入了浙江大学。浙大的校训是“求是”。校长竺可祯学贯中西,是实事求是学风的化身。他团结了一大批学术大师来浙江大学任教,以当时李志坚所在的物理系为例,教授就有束星北、王淦昌、何增禄、王谟显、朱复兴、卢鹤绂、程开甲、胡济民等。教师们学识丰富、治学严谨、对实验数据和报告要求都十分严格。此外,教师们还特别重视实验技术的教导,如何增禄先生曾亲自手把手教过李志坚吹制玻璃器具,这项技术不仅在后来李志坚当研究生时大派用场,而且他还传授给了自己的研究生。
李志坚上大学的4年期间,国家正处在政治上的伟大转折时期。国民党的统治由于政治腐败而正在走向崩溃,全国“反内战、反饥饿”等民主运动风起云涌,富有民主传统的浙大校内在校方默许下,要民主、要进步的思想成为当时青年学生的主流。1949年杭州和全国解放后,更有抗美援朝、思想改造等运动,这一切,使李志坚懂得了人的一生要过得有意义,就应该积极投身于祖国的解放和建设事业中去。
风云变化的4年大学生活,向李志坚打开了两扇大门:一是物理学之门,一是为共产主义奋斗的人生道路之门。当时李志坚立志,要在科学方面作出成绩,同时要通过自己的努力,培育出一批能在科学方面作出杰出贡献的学生,为中国人民争光。
时刻听从国家的召唤
1951年7月,李志坚以优异的成绩从浙江大学物理系毕业,服从组织分配到同济大学工作。当时正值第一个五年计划前夕,需选派一批青年去苏联进修、学习。1953年他进入了列宁格勒大学物理系,师从苏联科学院院士列别杰夫攻读半导体物理专业副博士学位。导师先给了一批书目叫李志坚自学或听课,说两年后通过考试才能做课题。起初,他学习比其他同去的同学吃力。一方面他的基础比当时的苏联研究生差,另一方面他的俄文是突击出来的,开始交流有困难;再一点是苏联大学本科是5年制,我国那时只读4年,许多功课如固体物理、电路技术及一些半导体方面的专业课都没有学过。但是,经过李志坚夜以继日的勤奋自学,在大半年内就通过了考试,提前一年半进入研究课题。
李志坚在苏联从事的是薄膜电导和光电导的机理以及器件的研究。PbS等薄膜当时已在红外探测器等军用方面得到重要应用,但其物理机理只用一般固态能带论来解释难以令人满意。另外,当时苏联半导体权威约飞院士等人(包括李志坚的导师列别杰夫)研究非晶态和多晶半导体做器件,都有相同的看法,认为固体中原子的近邻作用应该起主导作用,建立在完全周期场的能带论模型过于简单,所以难以解释诸如液态半导体、半导体表面态、非晶半导体及多晶薄膜等问题。因此,李志坚的研究除了改善红外光电器件的性能外,还要在理论方面进行探索。在这样的背景下,李志坚必须从次原子层、单原子层薄膜做起,在不同成膜条件和膜厚度下,对电导、光电导进行仔细的测定。要知道,在20世纪50年代前半叶,这是十分困难的,不像现在有MBE等现成手段。首先要获得10-10mmHg以上的真空,当时国际上也没有现成的方法,甚至连测试这样高真空度的电离计都刚刚在文献中出现。李志坚只能从获得真空的玻璃装置做起,自制出可避免X射线诱生离子流的电离真空计;为了测试原子层薄膜的电导,李志坚又自制了电流灵敏度达到10-15A以上的电流计。为了观测从很低能量到较高能量范围内的能谱,又能实现从晶粒表面激发电子,他设计制造了能量分散度只有100毫电子伏、从零到几伏变化的低能电子束枪。经过几年奋斗,根据大量试验结果,他提出了多晶膜晶粒间电子势垒模型,获得了物理、数学副博士学位。
李志坚的关于CdS、CdSe薄膜的电子激发电导的论文,用明确的实验结果证实了多晶膜的晶粒间电子势垒对电导、光电导所起的决定性的作用,及这一势垒与晶界状态、晶粒大小等依赖性的有关规律,对一系列薄膜半导体电特性的了解和相关器件的制作有指导意义。他的研究成果现在已成共识。
1958年初,不到30岁的李志坚从苏联学成回国,被分配到清华大学工作。他立即投入半导体专业的创建,从此一干就是几十年,在这块园地上播种、耕耘、开花、结果。
艰苦创业不畏难
为适应国家建设发展的需要,清华大学创建了原子能、半导体等新技术专业。1956年,在当时无线电系副主任南德恒的领导下,在立斋建立了310教研组(即半导体教研组),并聘请中国科学院半导体研究所的王守武为首任教研组主任。1958年,李志坚留学归国当天即到学校报到,很快投入工作。当时,半导体专业只有几名教工和8名在北京大学进修的毕业班学生及一群三年级的大学生,是全系最年轻和最小的教研组,其办公地点设在几间临时腾出的学生宿舍,可谓白手起家。李志坚不畏艰辛、不计简陋,和年轻的同事与学生“摸、爬、滚、打”在一起,边教课,边学习,边建设,边实验,不管多苦多累,夜以继日地工作了1年多,在简陋的实验室里首次在中国用四氯化硅氢还原法获得了高纯多晶硅,拉出了第一根钨丝区熔单晶硅。还搞出了PbS光敏电阻、SiC非线性电阻等。
1959年,31岁的李志坚任教研组主任,主持专业建设的全面工作,很快在硅材料、锗器件、光电材料及器件等方面取得了一批研究成果,向国庆十周年献了厚礼。在起步阶段,以他为主导解决了专业发展的两大问题。首先是冷静而机智地对待了“大跃进”刮起的“浮夸风”和“批判风”,没有干什么蠢事,又始终保持了自力更生的充足干劲。再就是在众多的学术发展方向中,不求“全面开花”,而是选定国际上刚起步的硅材料和器件技术为主导的学科建设方向,再辅之以师资队伍与实验室的建设,使清华大学能于1963年起就开始酝酿发展硅集成电路,并于1964年开始研制。40多年过后回头再看,清华大学在微电子领域的人才培养、学术水平、研究成果之所以能一直处于国内前列,李志坚在其中所起的主导作用甚为关键。
认准方向不动摇
20世纪50年代末期,世界上生产的半导体器件主要是锗器件,我国一些科研单位与工厂也在研制。从理论上讲,硅材料的物理性质要比锗好,但那时世界上只有少数实验室做出硅晶体管。1958年,李志坚所在的教研组通过反复研究,决定以硅材料和硅器件作为科研的主攻方向。这不仅可以缩短和世界水平的差距,还可以带动半导体专业的建设。由于当时国内还没有硅单晶,从国外引进也根本不可能,只有自己干。于是,以他为首的团队就从SiCl4制备多晶硅开始,一步步从头干起。
研制多晶硅,必须要用上千度的通氢高温炉,国内没有,师生们就自己动手做起。不知道经过了多少次失败,克服了多少困难,终于制出了高纯多晶硅。这项技术后来转到北京市玻璃总厂。接着用自制的高纯多晶硅,采用钨丝区熔加热制得了单晶,后来又参照国外图纸,加工了单晶炉,自己安装、调试,获得了直拉单晶硅。在李志坚的带领下,1961年在国内首次研制成功硅合金晶体管,1964年又研制成功硅平面高反压晶体管,并着手集成电路的研制。这些工作在国内有着重要的影响,为进一步从事硅集成技术的研究奠定了坚实的基础。
李志坚在国外时主要从事半导体光电效应的基础研究,对硅材料和器件并不熟悉,但他能够很快地钻进去,认真分析工艺,反复进行实验。据曾和他一起工作过的同志们回忆,在遇到困难和挫折时,李志坚总是信心十足,从不灰心丧气。
1962年,有一位来自列宁格勒大学的苏联教授访问清华大学,看到半导体教研组搞光电基础研究的只剩几个人,而主要研究方向已经转向硅器件,对李志坚的“改行”表示惋惜,悄悄地劝李志坚,不要放弃原来的课题研究,因为已经是国际水平,容易发表文章。李志坚认为,我们对硅材料和器件的研究刚刚起步,这些研究可以带动从材料、工艺、器件到测试整个专业学科的建设,提高半导体学科的整体研究水平,缩短和国际水平的差距,个人暂时少发表几篇论文,也是值得的。
1966年以前,清华大学半导体教研组已经取得了一系列研究成果,如硅平面高反压晶体管达到了当时国际先进水平;TTL(晶体管—晶体管逻辑)集成电路也研制出样品,在国内处于领先地位。
科研教学齐头并进
党的十一届三中全会带来了科学技术发展的春天。1980年建立了清华大学微电子学研究所,李志坚任副所长。作为学科的带头人,他广泛征求全所同志的意见,决定缩短战线,以MOS(金属氧化物半导体)大规模集成电路为科研的主攻方向,并把精兵强将充实到教学第一线,抓住科研和教学这两个龙头,使微电子所得以进一步发展。
“六五”期间,清华大学微电子所相继研制成了1k、4k、16k位静态随机存储器(k为1000位的缩写符号),8位、16位高速微处理机和2KEEPROM(电可编程只读存储器)、通信用专用集成电路等大规模集成电路以及3微米成套集成电路工艺技术。这些工作曾多次受到国家和上级领导部门的嘉奖。微电子所这支队伍在完成这些科研任务中得到锻炼成长。
“七五”期间,清华微电子所承担了国家重点科技攻关项目“1~1.5μm成套工艺技术及相应VLSI研制”。经过全所同志的艰苦努力,在国内建立起了第一条1~1.5μmCMOS(互补型金属氧化物半导体)研制线,并研制出1兆位只读存储器汉字库,第一次使集成度突破百万只晶体管大关,它标志着我国的集成电路研制水平已进入超大规模集成阶段。
他们研制1兆位只读存储器汉字库的日子令人难忘。在考验成品率阶段,一连投了几批片子,一无所获,做了各种试验都奏效不大。验收的日子又日益逼近,有的同志有些信心不足,怀疑在这样的设备、环境条件下,能否研制出1兆位的产品。这时李志坚从国外访问回来,亲自到流水线上,和大家一起做工艺试验,一起分析原因,重新树立起完成任务的信心。那年暑假,工艺线上的同志没有休息,李志坚也几乎天天来工艺线,终于找到了原因,改进了工艺,超额完成了预定指标,按期通过了国家验收,全面完成了“七五”攻关任务。该成果后来向工厂转产。
自1980年以来,李志坚还从事了多项研究课题,主要成果有:
(1)Si/SiO2界面电子态的研究,创建了一种新的研究方法——脉冲Q(V)和Q(V)瞬态谱法。它可以探明界面态分布的一般规律,特别是全禁带分布、不对称机理分析等。此项成果为国际同行所重视,据以发表的一系列论文全部被美国出版的《ChinesePhysics》刊出。
(2)倡导和参加了VLSI技术中的快速热处理(RTP)研究课题,参与发明了一种RTP设备装置。清华微电子所研制开发的具有自主知识产权的“RHT系列半导体快速热处理设备”产品。先后获得了1项美国专利、4项中国专利和1项日本专利;我国政府还于1990年、1991年授予国家发明二等奖和中国专利金奖;1997年还获得德国CE认证,取得了进入欧共体市场的准入证。
(3)从1989年起,他在中国首先开展SOC(单片系统集成)和MEMS(微机械电子系统)技术的研究,主持了国家自然科学基金重大项目“系统集成的基础技术研究”,十几年来,已取得了一批国际先进的成果:如①1990年研究成功国内第一个MEMS——硅微马达(直径≅100μm)。并首次在世界上把光电池(测转速的传感器)与马达(执行器)集成在一个硅芯片上;②1994年研制成功硅微麦克风,灵敏度达到当时国际领先水平,其特点是首次用折叠式膜做振动膜片;③1998年开始把铁电膜用于制造硅微麦克风,如今已达到产业化水平;④1997年开始RF(射频)MEMS研究,已研制出其工艺与硅兼容的RF开关、RF滤波器、电感等。
(4)从1989年起开展“人工神经网络”、“模糊逻辑”的VLSI(超大规模集成电路)实现。为此提出系列CMOS电流型电路及汉明网等新型电路,实现了用人工神经网络进行字母、语音识别芯片的研究。
(5)从2000年起,他开始重视对硅微电子极限的探讨,研究MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)的量子力学效应等,并积极推动“从微电子到纳电子”的发展。从而促进了清华大学微电子与纳电子学系的成立。
清华大学微电子所作为一个科研集体,自十一届三中全会以来已取得国家级科技进步和发明奖3项,部委级奖33项。这和李志坚付出的艰辛和心血是分不开的。国内同行认为:清华大学微电子所这支能打硬仗的队伍,主要是有以李志坚为首的一批学术带头人,有一批实干的科技人才和一大批年轻人。这支团结的队伍,是清华微电子所不断取得重大科研成果的根本保证。
由于李志坚的杰出成就和贡献,1997年获陈嘉庚信息科学奖,2000年获何梁何利科技进步奖。
努力为国家培养高科技人才
清华大学是培养科技人才的摇篮,李志坚一直重视教学和基础研究,认为这是培养人才的重要环节。
作为我国微电子领域赶超世界先进水平的重要基地之一的清华微电子所,从成立的第一天起,就肩负着培养优秀微电子技术人才的重任。为此,清华大学专门成立了半导体器件与微电子技术教研组,由李志坚亲自兼任教研组主任,负责半导体器件与物理专业(1993年改为微电子学专业)本科生的教学工作。
李志坚除了繁忙的行政工作和科研任务外,长期担任“半导体物理”的主讲。这门课是半导体专业大学生重要的专业基础课。他讲课深入浅出,深受同学们的欢迎。十一届三中全会后,李志坚又承担了研究生课程的讲课工作,站在教学第一线。
20世纪60年代初,李志坚就招收了半导体专业的第一批3名研究生。给出的3个研究课题是:硅器件中的热电子发射研究,Si/SiO2界面态研究和锗、硅合金半导体材料。这些都是在科研工作中提出的基础研究课题。到几十年后的今天看这几个课题,仍有重要的学术和实际意义。李志坚对基础研究的重视,在提高专业的学术水平上起了重要作用。
从70年代末,李志坚开始招收硕士研究生,从80年代起,李志坚成为我国首批博士生导师,开始招收博士生。结合微电子所的“六五”、“七五”、“八五”、“九五”和“十五”及其他科研项目,他先后指导了40多名博士生,其中两人的博士论文(“硅基微麦克风研究”和“ULSI器件中的量子力学效应和量子隧穿”)获“全国百篇博士论文”称号。李志坚作为国务院学位委员会学科评议组成员还在建立我国硕士和博士研究生的培养点、博士后流动站及半导体器件与微电子学二级学科建设方面作出了贡献。
40多年来,清华大学半导体专业已毕业了本科生2000余名,硕士研究生370余名,博士研究生近100名(其中李志坚直接指导的44名),其中有不乏杰出者,有的已被选为中国科学院院士。至今,李志坚的学生已遍布国内外,他们中的绝大多数均在科研、教学、生产中起着骨干作用。
李志坚态度谦和、平易近人,无论是同事还是学生,都能和他平等的讨论问题,有时甚至争得面红耳赤,事后都感到很有收益。大家都反映李志坚不仅是学者、教授,还是兄长、朋友,都愿意和他一起讨论问题,开展工作。
作者:朱正涌
简历
1928年5月1日 出生于浙江省镇海柴桥镇。
1940—1943年 浙江镇海中学学生。
1944—1947年 浙江宁波鄞县县中学生。
1947—1951年 浙江大学物理系学生。
1951—1952年 上海同济大学物理系助教。
1952—1953年 北京俄语专科学校二部学生。
1953年12月—1958年2月 苏联列宁格勒大学物理系研究生。
1958年2月 获苏联列宁格勒大学物理-数学副博士学衔。
1958年2月—1969年 清华大学无线电系讲师、副教授,半导体教研室副主任、主任。
1969— 1972年 清华大学绵阳分校建校劳动。
1972—1978年 清华大学计算机系副教授、教授。
1979年 获全国劳动模范称号。
1979年 获北京市劳动模范称号。
1978—1990年 清华大学电子系教授、博导,教研室主任。
1980—1998年 清华大学微电子所副所长、所长。
1990年 当选中国科学院院士。
1983—2002年 中国电子学会副理事长。
1981—2003年 国务院学位委员会学科评议组成员。
2002—2004年 国家信息化专家咨询委员会委员。
主要论著
1 李志坚主编. 半导体材料硅. 北京: 科学出版社,1959
2 李志坚主编. MOS大规模集成技术. 北京: 科学出版社,1984
3 李志坚,周润德主编. ULSI器件、电路、系统. 北京: 科学出版社,2000
4 李志坚,马鑫荣,田立林. 硅耗尽层少子产生率的强电场效应. 半导体学报,1985,6 (1): 1
5 李志坚,马鑫荣,田立林. 硅耗尽层准二维系统室温电子隧道能谱. 半导体学报,1985,6 (3): 236
6 李志坚,郑心畲. 界面电荷瞬态谱方法. 半导体学报,1985,6 (5):458
7 李志坚.MOS技术中的Si-SiO2界面物理. 见: 王守武主编. 半导体器件研究与进展 (第一册),北京: 科学出版社,1988: 98—181
8 唐政,李志坚. 一种新的MOS电流型逻辑电路. 电子学报,1988,10(2): 51
9 张钟宣,李志坚. VLSI成品率统计中的缺陷形成效应及统计参数与面积关系. 半导体学报,1988,9 (3): 245
10 陈大同,李志坚. 一种新的有沟道注入的短沟MOSFET的阈电压解析模型. 电子学报,1990,18 (11): 9
11 Wang Y. L.,Li Z. J.,Liu L. T. A Novel Pressure Sensor Struc-ture For Integrated Sensors.Sensors And Actuators,1990,A21—23:62
12 Liu L.J.,Li Z.J.,Qian P. X. Defect Free Silicon Film On SiliconDioxide Formed by Zone Melting Recrystallization With High Speed.IEEE Trans. On Electron Devices,1990,ED37: 952
13 李志坚. 90年代的微电子技术. 中国科学院院报,1991,(1): 23
14 王阳,李志坚,石秉学. 一种基于浮栅NMOS晶体管的可编程神经网络芯片的设计和应用. 电子学报,1992,20 (10): 48
15 程玉华,李志坚,李瑞伟. 雪崩应力下热电子注入引起的MOSFET退变特性研究. 半导体学报,1993,14 (12): 723
16 Sun X. Q.,Li Z. J.,Liu L. T. The On-Chip Detection Of Micro-motor Rotational Speed. Sensors And Actuators,1995,A48: 81
17 李斌桥,李志坚,石秉学. 一种对称高分辨精度的电流型MAX和MIN门电路. 半导体学报,1995,16 (6): 453
18 Zou Q. B.,Li Z. J.,Liu L. T. New Methods For Measuring Me-chanical Properties Of Thin Films In Micro-Machinning,Beam Pull-InVoltage Method And Long Beam Deflection Method. Sensors And Ac-tuators,1995,A48: 137
19 陈平,李志坚. BMHMT-Bi-MOS混合模式晶体管. 电子学报,1995,23 (11): 11
20 李斌桥,石秉学,李志坚. 一种模拟集成电路Hamming神经网络及其应用. 半导体学报,1995,17 (3): 217
21 Zou Q. B.,Li Z. J.,Liu L. T. Design And Fabrication Of Single Wafer Silicon Condensor Microphone Using Corrugated Diaphragm.IEEE J. Of MEMs,1996,5 (3): 197
22 马玉涛,李志坚. 包含多子带结构的MOS器件开启电压量子力学效应修正模型. 半导体学报,1999,20 (3): 219
23 李志坚,任天令. 铁电-硅微集成系统. 半导体学报,1999,30 (3):177
24 Ma Y. T.,Li Z. J.,Yu Z. P. A Discussion On The Universality Of Inversion Layer Mobility In MOSFETs. IEEE Trans. On Electron De-vices,1999,46 (9): 1920
25 Ma Y. T.,Li Z. J.,Liu L. T. Validity And Applicability Of Trian-glar Potential Well Approximation In Modeling Of MOS Structure Inver-sion And Accumulation Layer. IEEE Trans. On Electron Devices,2000,47 (9): 1764
26 Ma Y. T.,Li Z. J.,Liu L. T. Effective Density Of States Ap-proach To QM Correction In MOS Structures. Solid State Electronics,44 (3): 401
27 Ma Y. T.,Li Z. J.,Liu L. T. Comprehensive Analytical Physical Model Of Quantized Inversion Layer In MOS Structure. Solid State E-lectronics,2001,45 (2): 267
28 Ren T. L,Li Z. J.,et al. Fabrication Of (001) Oriented PZT ThinFilm For MEMS Applications. Integrated Ferroelectrics,2002,46:79
29 李志坚. 从微电子到纳电子. 半导体学报,2003,24 (Supplement):1
来源:中国科学技术协会 编;罗沛霖 主编.中国科学技术专家传略·工程技术编 电子信息科学技术卷 二.北京:中国科学技术出版社.2007.第208-220页.