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【芯魂】李志坚院士:方寸铸就“中国芯”

2018-06-12

李志坚(1928年5月1日-2011年5月2日),微电子学专家,中国科学院院士。出生于浙江宁波,1947年至1951年在浙江大学物理系学习,获学士学位,1953年至1958年在前苏联列宁格勒大学物理系留学,获副博士学位。1958年回国任教于清华大学,为清华大学半导体专业的创立和发展倾注了毕生心血,是我国硅基半导体科学研究的奠基人和开创者。早在1950年代未,他就提出了以硅技术为半导体专业的主要研究方向;1970年代末,他又提出以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。李志坚院士曾获得一项国家发明奖、两项国家科技进步奖和多项部级科技进步奖,曾获得陈嘉庚信息科学奖、何梁何利科技进步奖;1979年被评为北京市劳动模范和全国劳动模范,1984年被评为国家级有突出贡献的专家,1991年当选中国科学院院士。在50余年的教学科研中,培养了一大批活跃在国内外微电子学领域的优秀人才。

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图片来源于网络

 

烽火少年,立志报国

 

1928年5月1日李志坚出生于浙江省镇海县柴桥镇(现浙江省宁波市北仑区柴桥街道),1934年就读于柴桥小学,1940年升入镇海中学(建校于1911年)。

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镇海中学


根据镇海中学的校记表明:1937年,抗日战争爆发,敌机轰炸镇海,学校迁至西门外渡驾桥回向寺。时,一年级为普通初中,二、三年级为商科,学生百余人。1939年8月,因战火威胁,又迁校于柴桥瑞岩寺,改收普通初中新生,计三个学期。1940年,因当时县府指示,学校迁至庄市汤家庙。1941年4月19日,日寇入侵镇海县城。清晨,师生得讯,仓猝星散,学校器具典籍尽损。

 

在战火的威胁下,师生们总是要提心吊胆地提防着日军的偷袭和轰炸,时常要进行逃生准备和演练。

 

李志坚在小学和中学时,因抗日战争几度随着学校在农村和山区辗转。尽管当时生活环境极为恶劣,教学设施非常匮乏,但是大家却不以为苦。李志坚原本应无忧无虑的孩童时光却因抗日战争的爆发被改写。

 

李志坚目睹了日本侵略者的暴行,感受到国破山河在的苦难。战乱时代的经历使他树立了坚定不移的爱国报国思想,也培养了他百折不挠的意志。“位卑未敢忘忧国”的家国情怀,影响了他的一生。

 

本硕博缘结半导体    

 

抗日战争结束后,回到镇海中学再度学习一年的李志坚于1947年考取浙江大学(1897年创建求是书院,1928年定名为浙江大学)物理系,在何增禄(1898年8月13日-1979年5月12日,1947—1952年任系主任)、束星北(1907年10月01日-1983年10月30日,1946年-1952年任教)、卢鹤绂(1914年6月7日-1997年2月13日,核物理学家)、王淦昌(1907年5月28日-1998年12月10日,中国科学院院士、核物理学家、中国核科学的奠基人和开拓者之一、“两弹一星功勋奖章”获得者)等当时中国物理学界最优秀的教授的引领下,走进了物理学的殿堂。1951年大学毕业后被分配到同济大学物理系任助教。1953年接到学校通知,要他前去北京俄专学习一年后留学苏联。就这样,李志坚踏上了去前苏联求学的旅程。1953年9月,李志坚成为列宁格勒大学物理系学生。

 

1947年美国贝尔实验室发明了半导体点接触式晶体管,从而开创了人类的硅文明时代。李志坚到达列宁格勒大学时,前苏联的半导体研究也刚刚起步,师从当时的物理学家亚历山大·阿列克谢耶夫·列别捷夫(英文名Alexander Aleksyev Lebedev;俄文名Александр Алексиев Лебедев;1893年11月27日-1969年3月15日,1953年10月当选苏联科学院院士)。列别捷夫在前苏联国防单位工作,同时在列宁格勒大学物理系兼教研室主任,他在做半导体研究时侧重红外夜视的半导体。目前在俄罗斯科学院还有以列别捷夫命名的物理研究所。

 

留学期间,李志坚克服了语言难关,仅用半年时间就完成了导师规定的两年学习任务(包括固体物理、量子力学等四、五门课程)。

 

李志坚在通过了相关课程的考试后,他的研究集中在红外光电器件性能的改善和相关理论探索。得益于浙大物理系学习时练就的良好实验技能,在实验中自制了多项实验工具,根据大量试验结果,开创性地成功提出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,以优异的成绩获得了列宁格勒大学物理—数学科学副博士学位。

 

白手起家,开创硅基半导体研究

 

1958年2月,从列宁格勒大学留学回国的李志坚来到了清华大学,参与到无线电电子学系半导体教研组的创建中。

 

当时,中国半导体研究也刚刚起步。1950年,政务院批准在重工业部组建电信工业局,中国电子工业开始进入发展新阶段。1956年,国家制定了《一九五六年至一九六七年科学发展远景规划纲要》,根据国外发展电子元器件的进程,提出了中国也要研究半导体科学。,把半导体技术列为国家四大紧急措施(计算技术、半导体技术、无线电电子学、自动学和远距离操纵技术)之一。

 

为了落实国家提出的发展半导体器件,中国科学院应用物理所首先举办了半导体器件短期培训班,请回国的半导体专家黄昆、吴锡九、黄敞、林兰英、王守武、成众志等讲授半导体理论、晶体管制造技术和半导体线路。1956年暑期,在五所大学――北京大学、复旦大学、吉林大学、厦门大学和南京大学联合在北京大学开办了半导体物理专业,共同培养第一批半导体人才。1957年毕业的第一批学生中有中国科学院院士王阳元、工程院院士许居衍和原电子工业部总工程师俞忠钰。

 

为落实高教部在清华大学创办包括半导体在内的十个新专业的方案,加上前往北京大学半导体专业学习的曹培栋、张建人、庄同曾、金保生(离开到部队研究所)、应联华(离开去无锡)、黄培中(离开到上海交通大学)、俞鲁棣和崔君(离开到天津大学)等八员大将毕业回校,无线电电子学系半导体教研组于1957年9月正式成立。1958年2月,加入半导体教研组的李志坚主讲“半导体物理”。

 

在创建过程中,人员匮乏,条件简陋,李志坚边授课、边学习、边建设、边实验,1959年在国内首次用四氯化硅氢还原法获得了纯度高达“九个九”的高纯多晶硅,拉出了国内第一根钨丝区熔单晶硅,研制出了PbS光敏电阻、SiC非线性电阻等,随后在开发硅平面工艺的基础上,研制出硅高反压晶体管。

 

作为我国半导体学科的创立者之一,李志坚凭着自己敏锐的洞察力,提出了对半导体科学研究方向的预测。

 

1950年代未,锗是当时生产半导体的主要材料,在此背景下,李志坚独辟蹊径,带领半导体教研组选择专攻硅基半导体,准确把握住集成电路发展的正确方向。1970年代末,他又提出以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。

 

攻艰克难,捍卫国家信息安全

 

1969年,教研组一分为二,一部分留在北京专攻MOS电路,一部分去了绵阳分校专攻双极电路。1978年绵阳的人员全部回到北京,1980年以原半导体教研组的人马为班底组建了清华大学微电子所,并全力投入到大规模、超大规模集成技术及器件物理的研究中。

 

微电子所成立后,由于国外对中国半导体技术和设备实行禁运和控制,李志坚带领大家在资金短缺的情况下,自主建立了国内第一个可满足集成电路生产要求的超净车间和1.0-1.5微米CMOS前道工艺生产线,并研究开发了成套生产工艺(包括电路设计、工艺流水试制、测试分析),并成功购得荷兰ASML生产的PAS2500光刻机台(当时荷兰没有对中国实行禁运)。

 

1990年11月研制成功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1兆位(1M)汉字只读存储器(ROM)芯片,突破国外对先进科技的禁运,满足国家的战略需求。1兆位汉字只读存储器芯片就是用点阵技术描述一个汉字,再由两个芯片形成一级汉字库,这样会加快运算速度,这个成果后来推广到了无锡华晶。

 

在参与我国第二代身份证专用集成电路的研制和制造中,李志坚克服了重重困难,向政府建言献策,坚持“自主版权,国内生产”的基本原则,促进了我国集成电路产业的发展,捍卫了国家的信息安全。

 

桃李天下,春晖四方

 

从1958年学成回国,在其五十多年的从教生涯中,李志坚培养了众多优秀人才。他们中既有成绩斐然的专业学者,如中国科学院微电子所的吴德馨院士、中国科学院半导体所的郑厚植院士;也有业界精英,如展讯通信的共同创办人并获得国家科技进步一等奖的陈大同博士。学生中很多已经成为我国微电子学术界、教育界、产业界的骨干。

 

李志坚还是我国微电子专业最早的博士生导师。他指导的博士生邹泉波的论文获“首届全国优秀博士论文”,博士生马玉涛的论文获2003年“全国优秀博士论文”。

 

作为清华大学微电子所的创建人,李志坚不仅对自己所培养的研究生事必躬亲,而且对微电子所的教学工作也给予了细心关注,对许多年轻的教员给予有益的指点。

 

李志坚一直深受师生爱戴,因他在教学工作中突出贡献,获得了2003年度清华大学“教书育人奖”。

 

后记

 

在“向科学进军”的号召下,正是在一批从海外回国的半导体学者带领下,开始建立起中国自主的半导体产业。李志坚的一生与半导体密不可分。从1951年大学毕业后,其60年的学术生涯,是清华大学半导体学科创建和成长的缩影,是中国半导体产业从无到有艰难前行的展现。