我和半导体的最初缘分
王 迅
复旦大学物理系
1955 年我在复旦大学物理系读到大三时,系里开始分专门化,原来复旦物理系只有一个光学专门化,而在谢希德先生和方俊鑫先生的努力下,固体物理专门化比计划提前一年开设出来。我当时就选了固体物理专门化。
按照学习苏联的一套教学计划,大三结束时要进行生产实习。 谢希德 先生联系了中国科学院应用物理研究所(物理所的前身),安排了我们六个学生(陈怀琳、王豫生、姜承烈、 朱 荘 德、郑绍唐和我)于暑假内去往北京。当时实习活动的具体事项都是由我们学生操办的, 我们拿到了系里买的火车票,当时只买到了慢车硬席座票,而且不是直达的,还要在济南换车。我们带了被褥行李从上海出发,一路停靠大小站,在南京乘火车轮渡过长江,晚上同学们轮流躺在座位底下。第二天早晨到达济南,总算想办法把济南到北京的慢车票改成了快车。到达北京时已是晚上七、八点钟,适逢天下大雨,住宿安排尚未落实。幸好陈怀琳同学有亲戚家在北京,一行人雇了人力三轮车,带了行李到她亲戚家住了一宿。第二天搬往宽街附近一所学校的教室内,在临时搭起的双层铺,安顿了下来。
应用物理研究所当时在东皇城报,离我们住处相隔约 2—3 条街,到所里步行约 15—20 分钟。当时一起实习的还有北京大学物理系的 6 位同学,记得起名字的有李淑娴、林绪伦和陈坚。
所里为我们开了一个欢迎会,记得当时的所长好像是 陆学善 先生。在会上讲话的老师中印象最深的是 钱临照 先生,他以亲身经历谈了新旧中国的对比。他谈了解放前我们的科研条件如何落后,而新中国成立以后现在的条件有了长足的进步。他说过去我们所里示波器这样的高级仪器只有一台,现在已有一、二十台之多,他的讲话给我们很大鼓舞。当时应用物理研究所里有一部分老师开始从事半导体方面的工作。我记得有 王守武 先生、 许少鸿 先生。可能还有 汤定元 先生 和徐叙 瑢 先生。 王守觉 先生当时大概在苏联学习和考察 П6 锗三极管的制造,不在所里。
我们和北大一共 12 个学生分在各个组内,基本上是一个北大和一个复旦学生在一起。我和陈坚同学分到 王守武 先生手下,做氧化亚铜的功函数测量。 王 先生先给我们二人讲了讲测量功函数方法的原理,给我们看了一篇文献,是苏联人发表的译成中文登在什么杂志上。具体的实验工作是由 荘 蔚华 先生指导安排的。她是我在复旦的师姐,比我高二级。这项工作原来是由 连志超 先生负责的,他把仪器等都筹齐了,后来因为要去苏联留学而离开了,所以由庄蔚华接手。在我们实习中间,连志超来过一次,看了看说了几句话。
功函数测量采用的是振动电容法。将氧化亚铜样品粘在一个电极上,和另一个固定的金属电极靠近形成一个电容,然后让样品与金属电极之间的距离交替地增大减小,电容产生一个周期性变化,在电路中的取样电阻上产生一个交变电压讯号,用示波器来测量。靠改变外加偏压来补偿氧化亚铜与金属电极之间的功函数差,可以获得最小的交变讯号,从中确定氧化亚铜与金属电极的功函数差。金属电极表面镀金,氧化亚铜的功函数值一般就以金为参考。样品 — 金属间距离的交替变化是靠将样品通过一个连杆粘在一个音频喇叭的振动线圈上(将喇叭的纸盆拆掉),将音频发生器的电压加在喇叭上,就使样品振动起来了。
我和陈坚的分工是他制备样品,我做金电极和屏蔽罩的金蒸镀,因为要使测量准确可靠,样品要保持在不受环境气氛或氧化影响的条件下,所以要对一些样品架部件表面蒸金。当时国内的锗、硅半导体材料是根本没有的,在苏联也不重视对锗材料和锗晶体管的研究。苏联当时半导体界受其权威约飞的控制,只相信他们自己的研究方向,做半导体热电效应和温差发电等。国内的研究受到他们影响,因为当时国家的十二年科学规划是苏联专家帮助制订的。所以在 1955 年,我们只能做氧化亚铜,这种材料是早期发现的一种半导体材料,具有整流特性,我们做样品时是将纯的扁紫铜条在氧气氛中加热,两面氧化后,然后一面磨去氧化层和纯铜成薄片,另一面的氧化层则磨平抛光,陈坚同学很多天就天天磨样品。我则将样品架的部件清洗后放在真空镀膜机中,在钨丝上挂上金丝,加热蒸发。但是不知道是什么原因,可能是蒸发源和蒸镀件之间距离太近,每次蒸好的样品罩上金膜,总有一部分变成棕黑色,只能洗掉后重来。这样天天蒸,天天失败,我觉得浪费掉很多黄金,非常可惜。
镀膜设备放在我们的测量仪器隔壁一间房间内,那里是王豫生同学做实验的地方。我看到她天天在那里蒸电极,然后用仪器测量电学特性,她大概做的是硫化铅薄膜。我看到她天天做,天天测,心里好不羡慕,觉得她一定是很有收获,而我却一事无成。后来我们一交谈,她说看到我每天来蒸镀,她心里很着急,以为我很有进展。其实她的样品性能一直做不好,也没有得到什么结果。
王豫生的指导老师是周帅先,他和 荘 蔚华当时都是实习研究员。其他老师的名字已经记不起来。 殷士端 先生见到过几次,有一次她到我们实验室来 向王守武 先生收工会会费,我才知道她是工会小组长。室里有一位比较资深的姓廖的工程师,大家都称他为廖公。还有一位技术员,叫欧阳恒忠,我们的氧化亚铜样品是他帮助我们做的。他说话比较直爽,有空时常来和我们学生聊天,所在和我们都比较熟悉。
实习过了三个星期,行将结束时,我觉得前面似乎走了一段弯路。我们其实应该一开始把振动电容法的效应先观察出来,然后再去镀金和改善样品的环境,提高测试的可靠性和准确性。结果我们前三周连实验现象都没有看到过,于是我向 荘 蔚华 先生提出了我的想法,她同意我们这样做。于是我开始做测试,但是试了多次都没有看到效应,我猜想是扬声器比较小,没有足够的振幅。刚好旁边有个大的扬声器,我那时胆子也够大的,就按照样品架连杆与小喇叭线圈连接的方式,把大喇叭的纸盆卸了,将样品连杆粘到大喇叭的线圈上去。但粘起来很困难,一不小心样品杆就与喇叭中间的铁芯粘在一起,根本无法振动,试了几次都无法成功。最后,我干脆把喇叭拆开,将线圈取下来,与样品杆粘接。但这一下糟了,喇叭中永磁铁的吸力很强,装回去时线圈怎么弄都无法安放到自由振动的位置,结果这个喇叭就变 “ 哑 ” 了。 欧阳 先生过来看了,皱着眉头叹气,说是实验室自己总归是没法修好它了。虽然他没有直接责怪我,但我心里是非常内疚的。
我闯的更大的祸还在后头。就在整个实习结束的前二天,我用示波器观察波形时,直接将调压变压器输出的 220 伏交流电压接到示波器的输入端。不知怎么一不小心,两只手分别 揑 住了导线的火线和中线端,强电流立即由一只手流到另一只手,经过手臂和心脏,我整个上半身和手就剧烈颤抖,难过极了。非常幸运的是,在剧烈颤抖中,导线从接线柱上脱落下来,电流中止,一条命算是捡了回来。整个过程持续时间虽然不长,旁边的陈坚同学都还来不及反应过来。事后,我整个一上午都感到很不舒服,特别是心区难过得厉害。这件事告诉了复旦的同学后,他们说,还好没有出事,否则我们的实习便会以惨祸告终,回去如何交代。
实习的最后结束是愉快的。所里为我们举办了一次联欢会,地点在北海公园。晚上师生们先一起划了一小时船,然后在靠湖边的一处空地上围坐一起,大家表演一些节目。复旦同学事先由姜承烈教大家学了合唱越剧《梁山伯与祝英台》中的 “ 楼台会 ” 一段唱段。这个戏剧不久前在北京演出时取得轰动,因此我们的表演大受欢迎。而我们的合唱又超水平发挥,音调优美,合拍整齐,博得热烈鼓掌,一定要我们再来一个。无奈我们只学了这么一段,只好向大家一再鞠躬道谢。
50 年前的这次实习虽然是一个渺小的事件,但它是我踏进半导体领域的第一步,也是我国半导体事业在萌芽时期的点滴见证。如今时过境迁,物事全非。当年有关的老师中,谢希德和方俊鑫先生都已驾鹤仙去。庄蔚华先生也于数年前不幸病逝。连志超先生留苏回国后,于 60 年代初调往上海技物所,在一次实验事故中不幸殉职。周帅先先生可能是 50 年代中调离应用物理研究所的。欧阳恒忠先生据说在 1957 年不幸被打成右派。在同学中,陈怀琳、王豫生、郑绍唐、姜承烈和北大的陈坚后来都从事核物理和高能物理,朱 荘 德去了清华大学,李淑娴在 1957 年也被划成右派。 50 年来,这些学生中一直留在半导体领域中的就剩我一人。很多往事都已遗忘,记得起的这些琐事也可能有不少谬误。如今不厌其烦在这里唠唠叨叨,只是想为我国半导体事业的 50 年历程补充一点知者甚少而行将湮没的细微末节,也给闲暇无事的老同志和本书的看官们在茶余饭后提供一点轻松的消遣。
(刊登于《自主创新之路 — 纪念中国半导体事业五十周年》夏建白 陈辰嘉 何春藩主编, 科学出版社, 2006 年)
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