中国半导体第五话:王守觉先生

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1958年国内首次研制成功锗合金扩散高频晶体管,1963年中国首先研制成硅平面器件,1978年一种集成高速模糊逻辑电路DYL使中国集成8位D/A转换器转换时间由80ns缩短至4ns以下....这些重大成果的幕后英雄,就是王守武的弟弟王守觉,他也是我们国家赫赫有名的半导体专家。

王守觉,原名王守平,1925年6月27日生于上海,原籍江苏苏州,他从小思维敏捷,天资聪慧而且特别顽皮大胆,好吵闹,父亲练字,他要在一旁静静观看,母亲坐禅念佛,他要掀门偷偷去瞧瞧,哥姐们讨论问题,他也要去参和,这个深得父亲与哥姐们喜爱的孩童就是王守觉。

20世纪30年代初的一天,苏州,一个孩子在一座小桥上徘徊良久才走向不远处的家门。进门后正撞见父亲,父亲一眼看见了孩子手里的试卷,拿过去看了许久,然后指着99分的数学试卷说:“你数学怎么会不是100分呢?这么严谨的东西。”父亲认为数学不得满分是件不可思议的事情。

这个孩子就是王守觉,而他父亲则是历史上颇有名气的王季同。王季同1890至1895年于京师同文馆学习数学。1927年随蔡元培筹备中央研究院,1928年进入工程研究所任研究员是著名数学家和机电专家因有关“四元函数求微分法”的研究,被称为“王氏代数”。怪不得对孩子要求这么严啊。

王守觉出生的时候,父亲已经51岁了。在王守觉记忆里,父亲不大管自己,只是偶尔会把自己找去长谈一下。其中印象比较深刻的有两次:一次是父亲告诉他,钱财、官职都是身外之物,人死了就没有了,惟有学问是真理,可以永远存在下去,要追求就追求学问,真理啊。

还有一次是父亲给他讲起了自家的祖先王鳌,这位生长在明朝的祖先曾连中三元,殿试时本是状元,因遭主考官嫉恨而被贬为探花,最后他还是当上了宰相,父亲说当年那些陷害王鳌的人都不在了可是《古文观止》里王鳌的文章都还留着,王守觉的兄弟姐妹颇多,大都成为经纶济世之才。

他大哥王守敬是中国机械工业创始人。二哥王守融是中国著名精密机械仪器专家。大姐王淑贞是上海妇产医院创始人,二姐王明贞是清华大学第一个女教授。王守觉说父亲的教育方法总结为:一是言教不如身教;二是多说不如多看(观察孩子);三是尊重自我发展;最后半句是——少管。

王守觉自幼聪慧,精明能干,深得父母与哥姐们的宠爱。11岁时入苏州东吴大学附中读初一。不久因染疟疾休学在家。辍学后的几年里,王守觉干过许多工作先是在家里修旧表去卖,当时中国工业很落后,家用的门锁质量都很差,他用低熔点合金做原料铸造了很漂亮的门锁,一时销路不错。

1937年抗日战争全面爆发,少年王守觉随家人从苏州一路南下,他深刻理解了什么叫落后就要挨打,什么叫科技强国。从苏州到镇江,从镇江到武汉,从武汉到长沙,从长沙到湘潭,从湘潭到广州,从广州到香港,从香港到安南(现越南等),再从安南到昆明。一家人一路的辛酸一言难尽。

1939年,因为大哥在昆明的一家机器制造厂做了厂长,一家人最终在昆明安定下来。王守觉在离开学校两年之后,插班进入一个学校的初三进行学习,扎实的底子让他顺利地升入高中。但是升入高中不久后,他病倒了。身体底子不好再加上两年的颠沛流离,这一病就是好几个月。王守觉病好后再去学校,校方执意要让他留一级,重读高一,王守觉不愿意,争辩半天也没用。王守觉一气之下说:“我不读了。”于是辍学回家,于1941年入昆明裕庆建筑公司当练习生。1942年年初的一天,王守觉在昆明街头,撞见了一位高中同学。这个同学影响了他后来一生的发展。

当时这位同学行迹匆匆,说还有半年就要考大学了,得抓紧时间准备。王守觉也因此产生了考大学的念头。虽然王守觉因病缺课过多,但他自觉努力,靠勤奋自学,终于在1942年以同等学历(因无高中毕业文凭)考入西南联大大专班。对此,王守觉并不满意,仍幻想着要读本科。

其实王守觉原名王守平,他的一个哥哥叫王守觉(后因病去世)当时在敌占区上大学,他就用这个哥哥上大学的成绩单作为敌占区流亡学生的学历登记报考,考入了已内迁四川李庄的同济大学,转至同济大学电机工程系电讯专业学习。至此,王守平便正式改名为王守觉了。

侵华日军临近同济大学所在地川南,王守觉便应召入伍,在驻四川泸州的重庆国民政府青年军203师的通讯营中,当上了一名报务员及机务员。一年后,日本战败投降,抗战胜利,同济大学又逐步迁回上海。1946年,王守觉复员后,仍回上海同济大学继续学习。

王守觉说自己大学期间最大的成就不是学好了功课,而是锻炼好了自己的身体。他说自己刚进学校有个外号叫“东亚病夫”,刚好学校在长江边上,河滩上有很多巨大的鹅卵石,于是王守觉就去举这些石头,他举的石头越来越大,身体也越来越好。走出大学时,他已经是个健壮的青年了。

王守觉大学学的是电气工程专业,当时同济很多地方采用德式教学,进大学先得学德语一年,本科又要上5年,加上四处流动的停学,王守觉的大学一共读了7年。在此期间,日本战败投降,同济也逐渐迁回上海。王守觉毕业那年是1949年,他正式毕业的时候上海已经解放。

王守觉毕业那年是1949年,他进了北平研究院上海镭学研究所工作,主要从事氧化亚铜固态整流器的研究。1949年11月1日,中科院成立,该所随后改名为中国科学院应用物理研究所结晶学研究室。1950年12月,镭学所迁往北京并入中科院,王守觉留在上海负责镭学所的迁京工作。王守觉因儿子刚满一岁,不便抽身,不想北上想继续留在上海,他便向所长严济慈递交了辞呈,进入上海新成电器厂任工程师,继续从事氧化亚铜整流器的研究。他经过多方努力,把固态整流器产品化,并在我国最早建成的集中控制自动闭塞火车站——衡阳火车站应用成功。

1953年,我国第一个五年建设计划的156项重大工程开始,王守觉被调往新成立的第一机械工业部第二设计分局。两年内他由新手开始,逐渐熟悉业务,担任了主任设计师兼弱电组组长,并亲手解决了工业企业安全系统专用设备及提高信息系统设计效率的模块化问题,还因此被评上了劳模。

1956年,王守觉奉调到北京即将成立的中科院计算技术研究所。在去设在北京西苑大旅社的筹备组报到时,只见房间是空的,一个人也没有。经打听,才知筹备组的所有成员,都已去苏联学习去了。王守觉只得去中科院找人事局。在路上,他碰到一个熟人,这个熟人再次改变了他的命运。这个熟人就是当年的上海镭学研究所的副所长陆学善,他当时已是中科院北京应用物理研究所的业务所长。陆学善问明情况后说:“干脆你到我们所来得了。”就这样,王守觉便阴差阳错地进了应用物理所的半导体研究室,这个偶然,成就了我们国家一个著名的半导体材料专家。

王守觉在半导体研究室任高频晶体管课题组组长,定职为副研究员。1957年9月,被派往苏联科学院列宁格勒列别捷夫研究所作短期工作。这期间,他刻苦自学,夜以继日地工作,圆满完成了任务。并研制成功一种具有N型负阻特性的半导体器件,受到赴苏实习团领导的一致好评。

1956年,国家在制定12年科学发展远景规划时,把“半导体”列为与原子能、计算机、自动化、电子学并提的五大紧急措施之一。开展我国半导体材料及其器件的研究,是半导体科技工作者当时面临的重要课题。王守觉自调来半导体研究室后,参与并主持了锗高频晶体管的开创性研制工作。

他依仗平素积累的知识和在苏联工作期间获得的经验,果断地采用以双合金扩散为突破口的研制方案。凭借他于1949年前后研制氧化亚铜整流器的实践经验,解决了热处理过程中的精确控制等关键问题。在不到半年的时间里,即1958年9月即研制成功了我国第一只锗合金扩散高频晶体管。

第一只锗合金扩散高频晶体管截止频率比当时国内研制的锗合金结晶体管提高了一百倍以上,即由原来的2兆赫提高到200兆赫。在这一科研成果的基础上,解决了我国发展核工业急需的首台晶体管化高速计算机——109乙机的半导体器件的燃眉之急,109厂也随之而来。

1960年初,美国同行又传来了研制成功硅平面型晶体管的消息。具有敏锐观察力且处事果断的王守觉,于1961年任半导体所器件研究室主任后不久,毅然舍弃了正在研制并已取得一定成果的硅台面工艺,立即组织研究室力量,转而投入对硅平面工艺的探索研究。

当时,第七机械工业部某研究分院(国防部门),正需用多种高性能的硅器件。王守觉借此机遇,即以正在研究的硅平面工艺为基础,承接了这些硅器件的研制任务。在不到半年的时间里,就首先研制成功了一种结构最简单的硅平面型低反向电流二极管,电参数全部达标,成品率也较高。

到1962年下半年,一批批性能合格的各种硅平面型晶体管相继研制成功。为了缩小器件体积与减轻重量,根据硅平面器件相对地较为稳定的特点,王守觉当即率领化学专业人员研究并解决了硅平面管的软包封技术,发展了体积与重量均减小一个数量级的微小型晶体管(俗称“芝麻管”)。

依据军工需要而研制成功的五种硅平面型器件均于1964年4月通过鉴定验收,并在同年获国家颁发的新产品一等奖,次年还获国家科委首次颁发的创造发明一等奖。这些器件的研制成功,同时为我国在“两弹一星”研究工作中做出重大贡献的计算机——109丙机提供了器件基础。

硅平面工艺在我国开发成功的重要意义还在于为我国发展集成电路、并近而发展微电子技术奠定了基础。以王守觉为主的科研班子其他成果还包括:自动控温的高温扩散炉,真空蒸发设备,金丝热压焊机,简易型光刻曝光机,照像制版设备等我国自行设计的第一代硅平面工艺设备。

虽然有微小型晶体管出现,但电子线路的小型化仍然受到阻容元件和连接线的限制。60年代初,国际上出现了把阻容元件及元件间的互连线同晶体管一起制作在硅片上的半导体固体电路。王守觉知晓后也开始了半导体固体电路的研制,并于65年4月首次研制成功了我国最早的固体组件。

他把制作在硅片上的具有6个晶体管、7个电阻和6个电容的电子线路,封装在不到指甲盖大小的管壳里。这种半导体固体组件(或称固体电路)称之为第三代电子计算机所普遍采用的“阻容耦合门电路”。他先后 研制成的国内最早的4种固体组件,为后来研制弹上用微型计算机打下了基础。

王守觉先后研制成的国内最早的4种固体组件,为后来研制弹上用微型计算机打下了基础。这一集成电路新品种的研制成功,立即受到国家科委的高度重视,并拨出100万元人民币,在半导体所内建起了新的实验楼—“固体楼”。国内对固体电路—后来统称为集成电路的研究随之高潮迭起。

随着集成电路的发展,光刻掩膜版的图形日益复杂化,1965年,王守觉首先提出了用拼图的发生方式,来直接发生复杂图形的掩膜版主张,并和他的助手们一起,用一台大型工具显微镜,改装成了可以把图形库里的多个基本图形,直接用传感光拼合方法,来产生复杂图形的拼合设备。

王守觉在1966年初成功地试作了一块小规模集成电路的掩膜版,取得了初步成果。这比国际上最早用拼图方式产生的版图及其图形发生器早3年。但是,在文革”中, 他被批为“不务正业”、“浪费国家财产”等罪名,王守觉也在“文革”中被作为所内第三号打倒对象而停职劳动。

1969年,王守觉恢复工作被安排在制版组作具体的制版工艺,无法施展其才干。1970年他看到了当时国外同行发表用拼图感光方式产生版图的图形发生器论文,证实了他早年提出的设想并在1966年初见成效的制版途径的正确性。王守觉遂提出希望重新开展图形发生器和自动制版技术研究。