每人手机中的IC电话卡和第二代身份证,是社会信息化的成果,主要依靠的是IC芯片技术。国内最早的IC卡,就是在李志坚教授领导和参与下、由清华大学微电子所研究出来的。
李志坚,中国科学院院士,微电子技术专家、我国硅基半导体科学研究的奠基人和开创者。
20世纪50年代后期,他提出了以硅技术为半导体专业的主要研究方向;20世纪70年代末,提出以CMOS集成微电子学为主要学术方向。这两次学术方向的确立对我国的半导体事业和清华大学微电子学科的成功起步及持续发展有着极为重要的战略意义。
走进物理殿堂结缘半导体
1928年,李志坚出生于浙江省宁波市北仑区柴桥镇的一个普通的商人家庭。父亲李国瑞是一个勤劳、质朴的商人。李志坚从小跟着父亲学习锡匠,耳濡目染,铸就了其刻苦耐劳和勤俭的品质。
1934年,李志坚入学宁波镇海柴桥小学。1937年,全面抗日战争爆发,李志坚的家乡遭遇日军轰炸,他就读的小学毁于战火。在李志坚记忆里,他的小学、初中、高中学习生活几乎都是在炮火中度过的。
他随家人几经逃难,虽辗转各地,但仍坚持自学,还有幸接触到避难回来的先进知识分子。在这些知识分子的熏陶下,李志坚深刻感受到个人命运与民族、国家的命运密不可分,萌发和坚定的爱国之心。
1947年夏,李志坚被浙江大学物理系录取。他在当时中国物理学界最优秀的教授何增禄、束星北、卢鹤绂、王淦昌等人的引领下,走进了物理学的殿堂。
1951年,大学毕业的李志坚进入同济大学物理系任职助教。次年,他接到校方通知,教育部录取他为留苏研究生。
留苏期间,李志坚的导师是当时苏联学术界有很高声望的亚历山大·阿列克谢耶夫·列别杰夫院士。李志坚原本打算在金属学方面深造,以便学成后服务于国家的钢铁工业,但由于列宁格勒(现俄罗斯圣彼得堡)大学物理系没有金属学专业,他只好另作考虑。
此时李志坚的导师列别杰夫正从事红外探测器等军事应用方面的研究工作,需要有关光电子器件方面的研究,便建议他选择半导体专业。李志坚阅读了很多相关书籍,认识到半导体研究刚刚起步,研究潜力很大,前景很好,便从此迈入了半导体研究的领域。
后来,李志坚在自传中特别提到了他的异国导师列别杰夫,感谢导师带领他跨入了做学问的门槛。
每天工作15小时,求学科研两不误
留苏期间,李志坚遇到的第一个难题是无法用俄语进行日常交流。为此,他开始恶补俄文著作和文献。仅用半年时间,他就将导师规定在两年内完成的功课全部学完,并参加了资格考试。
苏联的资格考试全部是口试形式,需要中国留学生用非母语来回答专业问题,不仅考验学生对知识的掌握,还有临场应变能力。
通过资格考试后,李志坚就进入了课题研究阶段。导师列别杰夫院士把国防部的一个课题——使用薄膜电子势垒理论研究光电子器件,交给他完成。
要完成这一实验需要做一个玻璃装置来产生真空,他把想法告诉物理系专门做玻璃系统的师傅,希望得到帮助。然而由于种种原因,玻璃装置始终没有完成,无奈之下,李志坚凭借在浙大学习的吹玻璃经验自己动手制作。
经历了无数次失败后,他制造出了真空度达10-10托的全玻璃真空系统。当时世界上也只有少数最先进实验室能达到这样的水平。
虽然在制作玻璃装置方面取得了初步成果,但想要完成实验,李志坚还要解决无数难题。
那时候,新中国刚刚成立,物理教学远远落后于苏联,大学时期学习的物理知识仅仅是物理学的入门知识。在苏联研究生看起来非常简单的实验方法却难倒了中国留学生,他们不仅要克服语言障碍、读书补习物理学理论知识,还要与本科生一起学习物理基本实验方法。为此,他们只能增加每天的工作时间。
白天没有完成实验工作,李志坚就晚上继续加班加点地做,有时实验数据不好或操作失误,还要重新做实验。因此,他常常一天工作15小时。
有了最基础的玻璃装置并掌握了实验方法,李志坚开始从次原子层、单原子层薄膜做起,在不同成膜条件下和膜厚度下,对电导、光电导进行仔细的测定。
由于技术有限,很多测试工具需要自己制作。因此,李志坚自制了可避免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,自制出电流灵敏度10-15安以上的电流计;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术枪。
最终,在不断努力下,李志坚依据大量的实验结果,开创性地提出了薄膜光导体的晶粒电子势垒理论,完成关于CdS、CdSe薄膜的电子激发电导的毕业论文,用明确的实验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作用,以优异的成绩获得了苏联列宁格勒大学物理—数学科学副博士学位。
引领微电子领域发展浪潮
1958年2月,李志坚从苏联回国。按照规定,完成学业后他应返回原派遣单位同济大学工作,然而清华大学无线电系副主任李传信得知李志坚回国后,特地从学校要了一辆车到北京火车站把他“劫”到清华,只因他是半导体方面的人才。
同年3月,李志坚正式加入清华半导体教研组。
在之后的工作中,李志坚和他的同事们攻克了纯度高达“九个九”的多晶硅的制作,紧接着又在研制“平面型高反向击穿电压硅晶体三极管”中取得成功。此项成果不仅是国内半导体事业的创举,而且对突破当时国外的科学封锁具有重大意义。
1980年,清华大学微电子所建立,李志坚在任科研所长时从事了几项重大科研项目,如1~1.5微米成套工艺开发和1兆位汉字只读存储器的研制,覆盖了工艺线、设计组、器件物理组等几乎全所的科研力量。
他们从当时国内第一个可满足集成电路生产要求的超净车间的建立,到电路设计、工艺流水试制、测试分析,经历上百个环节,最终成功研制出具有我国独立自主版权、在性能指标上达到世界先进水平的汉字只读存储器芯片,这在中国集成电路技术的自主发展方面具有重大的战略意义。
1995年,李志坚带领微电子所率先自行设计、研制出基于已有E2PROM技术的HX768逻辑加密IC卡,由无锡华晶微电子公司生产,当时国家计委发来了封贺信,称之为“中华第一卡”。
1998年,他们开发成功DTT4C01A公用电话IC卡芯片,由大唐微电子公司实现产业化,2000年销售量已超过1亿片;2001年,他们又开发了铁电存储器非接触式IC卡芯片,用于市政公交“一卡通”和身份识别。
几十年来,李志坚始终站在科学的最前沿,十多次获得国家和部级奖。1979年获得全国劳动模范称号;1991年当选中国科学院院士;还曾获1997年度陈嘉庚信息科学奖、2000年度“何梁何利基金科学与技术”进步奖。
诲人不倦,培养微电子科技人才
李志坚在做研究的同时,也为国家培养了一批又一批微电子科技人才。即使到了晚年,身体不好,他也从未停止对学生的指导和关心。
李志坚的学生李铁夫回忆,李志坚一年一般自己带一位学生,同时会找一个副导师共同培养,由李志坚把关大方向,副导师管具体的项目和任务。李铁夫说,他从发表第一篇文章开始,到留学日本,再到最后的留校工作,他的每一步成长都离不开李志坚的精心指导。
在李志坚的支持下,李铁夫前往了当时国际上NEC做得最好的日本NEC基础实验室学习。
“在日本的两年多时间,我跟先生通了很多电子邮件,先生打字非常慢,因为他是后来学的计算机,所以很多时候我写了一个东西传真给他,他在上面改,给我传真回来。”李铁夫说。
李志坚不仅对自己门下的学生关怀备至,也十分愿意指导和帮助微电子所的其他学生。一些学生向他请教、讨论问题,或是想让他帮忙写推荐信,李志坚基本上都不会拒绝。
在李志坚的悉心培养、精心栽培下,他的门下出现了两位中国科学院院士,一位是吴德馨院士,一位是郑厚植院士。
2011年5月2日,李志坚走完了他83年的壮丽人生。
六十年的学术生涯,是李志坚从一个立志报国的青年成长为一名杰出的微电子学专家的历程,也是中国微电子事业从无到有艰难前行的展现。