宋兵 劉森 王璽

[摘 要]為實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體物理課程教學(xué)、促進(jìn)核心電子器件的科學(xué)研究，培養(yǎng)能夠有利于實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新突破的人才，促進(jìn)國(guó)家和民族在半導(dǎo)體領(lǐng)域的深入發(fā)展，有必要開展面向科學(xué)研究的教學(xué)探索。該文通過分析當(dāng)前半導(dǎo)體教學(xué)中的難點(diǎn)問題，提出根據(jù)科研方向的關(guān)鍵點(diǎn)把握教學(xué)內(nèi)容、根據(jù)科研內(nèi)容的重難點(diǎn)強(qiáng)化教學(xué)實(shí)踐、根據(jù)科研方法的邏輯性培養(yǎng)創(chuàng)新思維、根據(jù)科研成果的改進(jìn)性評(píng)價(jià)教學(xué)效果等四個(gè)方面，開展面向科學(xué)研究的半導(dǎo)體物理課程教學(xué)探索，旨在對(duì)促進(jìn)高等教育院校半導(dǎo)體物理等方面人才培養(yǎng)提出一定的參考。

[關(guān)鍵詞]科學(xué)研究;教學(xué)改革;半導(dǎo)體物理

[中圖分類號(hào)] G642[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A[文章編號(hào)] 1674-9324（2020）48-0-03[收稿日期] 2020-10-04

目前，我國(guó)集成電路的核心技術(shù)受到國(guó)外出口限制，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)高精尖科技領(lǐng)域和先進(jìn)科技企業(yè)面臨“卡脖子”難題。解決當(dāng)前核心技術(shù)受制于人的關(guān)鍵在于人才，人才是創(chuàng)新的第一要素。習(xí)主席在全國(guó)教育者大會(huì)強(qiáng)調(diào)，要堅(jiān)持深化教育創(chuàng)新改革，堅(jiān)持把服務(wù)中華民族偉大復(fù)興作為教育的重要使命。改革創(chuàng)新是時(shí)代發(fā)展的不竭動(dòng)力，更是教育發(fā)展的時(shí)代主題[1]。在此時(shí)刻，國(guó)務(wù)院學(xué)位委員會(huì)會(huì)議投票通過集成電路專業(yè)作為一級(jí)學(xué)科，加強(qiáng)人才培養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)科技強(qiáng)國(guó)[2]。教育部實(shí)施“強(qiáng)基計(jì)劃”，開展基礎(chǔ)學(xué)科培養(yǎng)改革，突出數(shù)學(xué)、物理等基礎(chǔ)學(xué)科的支撐引領(lǐng)作用，培養(yǎng)服務(wù)國(guó)家重大戰(zhàn)略需求的人才[3]。在本科教育過程中，多媒體與計(jì)算機(jī)教學(xué)重新改造學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，針對(duì)每門課程開展教學(xué)改革，對(duì)于促進(jìn)人才培養(yǎng)人才質(zhì)量提高和科學(xué)研究成果的創(chuàng)新突破具有重大意義。

半導(dǎo)體物理課程是介紹半導(dǎo)體材料相關(guān)知識(shí)和基本工作原理的課程，對(duì)于研究新型半導(dǎo)體材料和基礎(chǔ)器件的科學(xué)研究具有重大的指導(dǎo)意義，能夠?yàn)椤昂烁呋敝卮笠?guī)劃中對(duì)核心電子器件和高端通用芯片發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。課程基本內(nèi)容包括半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)、半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)、雜質(zhì)和缺陷能級(jí)、載流子的統(tǒng)計(jì)分布，非平衡載流子及載流子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律;討論p—n結(jié)、異質(zhì)結(jié)、金屬半導(dǎo)體接觸、表面及MIS結(jié)構(gòu)等半導(dǎo)體表面和界面問題;介紹半導(dǎo)體的光、熱、磁、壓阻等物理現(xiàn)象，以及非晶態(tài)半導(dǎo)體的基本特性。

因此，針對(duì)半導(dǎo)體材料與器件的發(fā)展趨勢(shì)以及重大科研規(guī)劃，半導(dǎo)體物理課程有必要在向?qū)W生介紹新型半導(dǎo)體材料相關(guān)的知識(shí)和基本工作原理的基礎(chǔ)上，要盡量避免復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)和過分細(xì)致的器件細(xì)節(jié)，將科學(xué)研究的成果引進(jìn)課堂，向?qū)W生實(shí)際展示該課程的效用，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和學(xué)習(xí)效果。

一、當(dāng)前半導(dǎo)體物理課程教學(xué)中的難點(diǎn)

半導(dǎo)體物理課程的教學(xué)內(nèi)容繁雜，涉及大量的簡(jiǎn)化假設(shè)和理論公式，導(dǎo)致學(xué)生接受起來感到生疏且枯燥，導(dǎo)致學(xué)習(xí)效果不理想。半導(dǎo)體物理研究半導(dǎo)體原子狀態(tài)和電子狀態(tài)以及各種半導(dǎo)體器件內(nèi)部電子過程，是固體物理學(xué)的一個(gè)分支。研究半導(dǎo)體中的原子狀態(tài)是以晶體結(jié)構(gòu)學(xué)和點(diǎn)陣動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，主要研究半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)、晶體生長(zhǎng)，以及晶體中的雜質(zhì)和各種類型的缺陷。研究半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)是以固體電子論和能帶理論為基礎(chǔ)，主要研究半導(dǎo)體的電子狀態(tài)，即能帶結(jié)構(gòu)、雜質(zhì)和缺陷的影響、電子在外電場(chǎng)和外磁場(chǎng)作用下的輸運(yùn)過程、半導(dǎo)體的光電和熱電效應(yīng)、半導(dǎo)體的表面結(jié)構(gòu)和性質(zhì)、半導(dǎo)體與金屬或不同類型半導(dǎo)體接觸時(shí)界面的性質(zhì)和所發(fā)生的過程、各種半導(dǎo)體器件的作用機(jī)理和制造工藝等。由此可見，課程中涉及的物理過程很多，且基本概念繁雜，由于材料內(nèi)部物理過程難以精確表征跟蹤，通常采用理論建模的方法進(jìn)行解釋，因此，如何讓學(xué)生準(zhǔn)確理解理論的推導(dǎo)過程和物理過程具有較大難度。

此外，課程教學(xué)中，未與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合，學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容理解和掌握不深，考核后并沒有將理論聯(lián)系實(shí)際，導(dǎo)致學(xué)生應(yīng)用效果也大打折扣。半導(dǎo)體物理中闡述半導(dǎo)體材料和器件的物理過程和基本原理，通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以加深對(duì)理論知識(shí)的理解，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，拓展學(xué)生的創(chuàng)造性思維，對(duì)于專業(yè)學(xué)習(xí)能力的提高具有很強(qiáng)的促進(jìn)作用。通過設(shè)計(jì)合適的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，使學(xué)生能夠更好理解、掌握和應(yīng)用知識(shí)的能力，提高分析問題的能力，并努力解決研究過程中遇到的專業(yè)實(shí)際問題，對(duì)促進(jìn)科研創(chuàng)新具有重大的意義。但目前，物理課程的講授方式比較單一，有的學(xué)校并沒有開設(shè)配套實(shí)驗(yàn)課程，或者實(shí)驗(yàn)以基礎(chǔ)內(nèi)容為主，簡(jiǎn)單陳舊，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)新材料新器件新功能不了解，無法滿足當(dāng)前科學(xué)研究的需求。因此，如何通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使學(xué)生能夠理論聯(lián)系實(shí)際，掌握并創(chuàng)新性運(yùn)用半導(dǎo)體物理知識(shí)，是當(dāng)前教學(xué)的另一難點(diǎn)問題。

二、根據(jù)科研方向的關(guān)鍵點(diǎn)把握教學(xué)內(nèi)容

目前，半導(dǎo)體的發(fā)展呈現(xiàn)出更小更薄更新的趨勢(shì)，大量的新材料新器件新功能層出不窮，在此基礎(chǔ)上，通過追蹤科學(xué)前沿，把握教學(xué)內(nèi)容，對(duì)于學(xué)生的針對(duì)性學(xué)習(xí)具有重要的意義。

在半導(dǎo)體材料方面，低維材料展示出與三維材料截然不同的性質(zhì)，受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)的半導(dǎo)體物理針對(duì)三維塊狀材料進(jìn)行分析，其物理尺寸遠(yuǎn)大于電子自由程，觀測(cè)的電子輸運(yùn)行為具有統(tǒng)計(jì)平均結(jié)果。但目前的低維材料中，載流子的輸運(yùn)呈現(xiàn)顯著的量子力學(xué)特性，難以利用傳統(tǒng)的技術(shù)理論進(jìn)行分析，例如量子點(diǎn)、量子線以及量子阱等。在教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)中，適當(dāng)引入新型材料的理論分析及研究成果，將極大拓展學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

在半導(dǎo)體器件方面，不同于電子輸運(yùn)過程的各種機(jī)理及功能表現(xiàn)出很大的發(fā)展前景。多年以來，以硅為基礎(chǔ)的CMOS器件和以III-V族為代表的光學(xué)器件受到廣泛研究，理論成熟但逐漸面臨摩爾定律的終點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，阻變、相變、鐵電等新型的物理機(jī)理開始受到關(guān)注，研究基于這些機(jī)理的材料、器件和芯片，開發(fā)新型存儲(chǔ)和計(jì)算應(yīng)用，成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。在教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)中，通過分析新器件的物理機(jī)制，有利于學(xué)生結(jié)合理論知識(shí)進(jìn)行思考。

在半導(dǎo)體功能方面，超越傳統(tǒng)存儲(chǔ)計(jì)算應(yīng)用，適用于人工智能時(shí)代的范式受到廣泛研究。電調(diào)制突觸器件、光調(diào)制突觸器件等新型物理器件表現(xiàn)出隨著歷史激勵(lì)調(diào)制且能夠保持的特性，能夠適用于模擬生物神經(jīng)突觸的功能，或者作為存算一體應(yīng)用，成為一種提升算力的備選方式，目前正在受到廣泛的關(guān)注。在教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)中，適當(dāng)引入具有前景的應(yīng)用描述，有利于學(xué)生開展針對(duì)性學(xué)習(xí)，提升學(xué)習(xí)的自信。

三、根據(jù)科研內(nèi)容的重難點(diǎn)強(qiáng)化教學(xué)實(shí)踐

目前，在核心電子器件的研究過程中，包括新型材料體系的開發(fā)、材料的生長(zhǎng)與表征，以及新原理器件的功能調(diào)制，都屬于科研內(nèi)容的重難點(diǎn)問題，且都與半導(dǎo)體物理課程的基本知識(shí)相關(guān)，通過實(shí)踐教學(xué)，強(qiáng)化學(xué)生的理解與掌握。

新型材料體系的開發(fā)，遴選合適的材料體系，對(duì)于器件的性能至關(guān)重要。例如金屬電極材料與絕緣體、半導(dǎo)體材料的遴選，如果通過能帶的調(diào)制或摻雜的手段，實(shí)現(xiàn)金屬和半導(dǎo)體功函數(shù)的匹配，得到電阻很低的金半接觸，從而降低接觸狀態(tài)對(duì)器件本身的效果，尤其是在二維材料與金屬電極的應(yīng)用中非常重要。又例如金屬—絕緣層—金屬結(jié)構(gòu)中，不同功函數(shù)的金屬與不同電子親和勢(shì)的絕緣材料組成，導(dǎo)致器件的導(dǎo)電機(jī)制不一致，對(duì)器件的性能調(diào)制產(chǎn)生不同的效果。

材料的生長(zhǎng)與表征方法，對(duì)于材料本身的內(nèi)部狀態(tài)產(chǎn)生影響，從而影響器件的性能。例如，離子注入過程中，對(duì)于摻雜濃度對(duì)硅導(dǎo)電性能的調(diào)制是如何實(shí)現(xiàn)的，內(nèi)部的物理機(jī)制是什么，通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠直觀展示理論知識(shí)的內(nèi)容，因此對(duì)于學(xué)習(xí)效果的強(qiáng)化具有重要的意義。

采用半導(dǎo)體工藝及器件試驗(yàn)箱等實(shí)踐方法，對(duì)促進(jìn)半導(dǎo)體物理的教學(xué)具有良好的意義。總體來說，核心電子器件的研究過程中，需要包含器件的設(shè)計(jì)、基本功能實(shí)現(xiàn)以及低功耗、高壽命等可靠性優(yōu)化等，都是在新原理器件研究中需要關(guān)注的，其中涉及半導(dǎo)體物理基本知識(shí)的運(yùn)用，例如器件建模及工藝方法等等。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，引入半導(dǎo)體工藝及器件實(shí)驗(yàn)箱，其中集成了各種基本的器件模型，以及各種工藝方法的基本實(shí)現(xiàn)，能夠通過改變某些物理參數(shù)，產(chǎn)生不同的器件性能，直觀展示器件的優(yōu)化效果，達(dá)到強(qiáng)化理論知識(shí)的目的。

四、根據(jù)科研方法的邏輯性培養(yǎng)創(chuàng)新思維

科學(xué)研究方法對(duì)于指導(dǎo)科學(xué)研究、促進(jìn)創(chuàng)新成果具有極大的推動(dòng)作用。采用正確的科研方法，能夠推動(dòng)科學(xué)研究的重大進(jìn)展，其中遇到的問題也能夠得到滿意的解決。在半導(dǎo)體物理課程的教學(xué)中，要關(guān)注學(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，鼓勵(lì)學(xué)生根據(jù)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行創(chuàng)新創(chuàng)造，促進(jìn)學(xué)習(xí)成果的轉(zhuǎn)化應(yīng)用。

首先，要重視基礎(chǔ)理論知識(shí)的掌握。半導(dǎo)體發(fā)展的歷史并不久遠(yuǎn)，其中大部分都是基于硅展開研究及應(yīng)用，因此大部分的物理知識(shí)都是硅基的理論，例如晶體結(jié)構(gòu)、PN結(jié)等。掌握好了一種材料的物理分析過程，就能夠形成對(duì)于半導(dǎo)體材料及物理機(jī)制研究的基本印象，構(gòu)建整個(gè)半導(dǎo)體物理體系的框架，對(duì)于理解和研究其他半導(dǎo)體材料具有一定的參考意義。萬丈高樓平地起，掌握這些基本的理論成果才有可能為成果的創(chuàng)新奠定基礎(chǔ)。

其次，要重視基本表征方法的應(yīng)用。受限于目前觀測(cè)手段的限制，半導(dǎo)體材料的研究難以完全實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量或表征，大多數(shù)是根據(jù)材料或者器件在熱、電、光、磁的外部激勵(lì)下，測(cè)量其外部特性，同時(shí)結(jié)合內(nèi)部缺陷或者原子的統(tǒng)計(jì)分布特性，建立定量的物理模型，這些物理模型能反映整個(gè)器件的基本性能。因此，采用多種不同的表征手段，交叉檢驗(yàn)材料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)或性質(zhì)，對(duì)于優(yōu)化物理模型和器件性能，都具有重大意義。

最后，要關(guān)注不同領(lǐng)域材料的借鑒。目前是科學(xué)交叉的時(shí)代，也是各領(lǐng)域融合發(fā)展的時(shí)代，不同領(lǐng)域例如新能源、新計(jì)算范式等對(duì)于半導(dǎo)體材料和器件的關(guān)注點(diǎn)并不相同，但其對(duì)于材料和器件的研究方法卻大體想通。某個(gè)領(lǐng)域的研究成果會(huì)對(duì)另一個(gè)領(lǐng)域具有較大的參考價(jià)值，或者某個(gè)領(lǐng)域失敗的研究成果可能回事另一個(gè)領(lǐng)域想要的成果。例如在相變材料的研制過程中，光學(xué)和電學(xué)都能夠?qū)ζ洚a(chǎn)生作用，因此在光學(xué)通信和電學(xué)存儲(chǔ)計(jì)算方面都會(huì)有很大的發(fā)展前景，因此兩個(gè)領(lǐng)域互相補(bǔ)充，共同促進(jìn)材料和器件的發(fā)展。

五、根據(jù)科研成果的改進(jìn)性評(píng)價(jià)教學(xué)效果

目前的半導(dǎo)體物理課程考核更多涉及理論知識(shí)的掌握與否，對(duì)于實(shí)際應(yīng)用效果的考核并不關(guān)注，這也是導(dǎo)致學(xué)生并不關(guān)注知識(shí)轉(zhuǎn)化應(yīng)用的一個(gè)方面。在教學(xué)過程中，引入具體的科研器件研究成果，并引導(dǎo)學(xué)生展開課程實(shí)踐，通過科研成果評(píng)價(jià)學(xué)生對(duì)課程知識(shí)的掌握效果，對(duì)于學(xué)生的思維水平也是很好的訓(xùn)練。

首先，教師要選擇具有代表性的科研成果激發(fā)學(xué)生興趣。當(dāng)前是人工智能時(shí)代，AI芯片是目前的研究熱點(diǎn)，其中的突觸可以使用動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器、憶阻器、相變存儲(chǔ)器等器件模擬生物中神經(jīng)元或突觸。這些基本器件的性能改善受到材料等各種因素的影響，通過物理分析和嘗試，調(diào)制器件的基本性能，觀測(cè)對(duì)于器件性能的改進(jìn)，并據(jù)此撰寫分析報(bào)告，闡述運(yùn)用到哪些半導(dǎo)體物理知識(shí)進(jìn)行器件性能的改進(jìn)。

其次，教師要開展科研過程引導(dǎo)學(xué)生思考。基于學(xué)校具有的科研條件，教師開展半導(dǎo)體材料與器件的科研過程，根據(jù)學(xué)生的思考結(jié)果進(jìn)行工程，讓學(xué)生近距離觀察科研過程的實(shí)施，并且根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析出現(xiàn)偏差的原因。在此過程中，對(duì)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和能力培養(yǎng)，同樣具有較大的意義。此外，學(xué)生的思維活躍，不懼怕失敗，這也是科研過程中難能可貴的品質(zhì)。

最后，教師要改進(jìn)科研成果鼓勵(lì)學(xué)生參與。在整個(gè)科研過程中，學(xué)生的參與感和主動(dòng)性都被調(diào)動(dòng)起來，這樣既能促進(jìn)學(xué)生掌握課程知識(shí)，也能夠促進(jìn)學(xué)生的創(chuàng)新思維培養(yǎng)。理論知識(shí)的教學(xué)，說到底是為了實(shí)際器件的改進(jìn)，因此在此基礎(chǔ)上對(duì)于學(xué)生進(jìn)行評(píng)價(jià)，能夠敦促學(xué)生關(guān)注課程教學(xué)內(nèi)容的應(yīng)用，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)于學(xué)生綜合素質(zhì)的關(guān)注和培養(yǎng)。

六、結(jié)語

本文主要闡述了對(duì)于面向科學(xué)研究的半導(dǎo)體物理教學(xué)的思考。課程教學(xué)是為了學(xué)生掌握基本的知識(shí)，也是為了將來在實(shí)際工作中的應(yīng)用。開展面向科學(xué)研究的半導(dǎo)體物理課程教學(xué)，促進(jìn)學(xué)生掌握基本的半導(dǎo)體物理知識(shí)，估計(jì)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)研究創(chuàng)新，對(duì)于國(guó)家的半導(dǎo)體發(fā)展具有重大意義。因此，本文主要從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)實(shí)踐、創(chuàng)新思維和教學(xué)效果四個(gè)方面，開展面向科學(xué)研究的半導(dǎo)體物理教學(xué)探討，希望能夠?qū)τ诎雽?dǎo)體優(yōu)秀人才的培養(yǎng)提供一定借鑒意義。

參考文獻(xiàn)

[1]習(xí)近平：堅(jiān)持中國(guó)特色社會(huì)主義教育發(fā)展道路，培養(yǎng)德智體美勞全面發(fā)展的社會(huì)主義建設(shè)者和接班人[EB/OL].http：//www.xinhuanet.com/politics/leaders/2018-09/10/c_1123408400.htm，2018-09-10.

[2]科技部關(guān)于開展《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》中期實(shí)施情況調(diào)查的通知[Z].國(guó)科發(fā)計(jì)〔2013〕24號(hào)，2013-01-28.

[3]教育部關(guān)于在部分高校開展基礎(chǔ)學(xué)科招生改革試點(diǎn)工作的意見[Z].教學(xué)〔2020〕1號(hào)，2020-01-13.