培養(yǎng)半導(dǎo)體材料創(chuàng)新人才:基于研究的教學(xué)

摘 要:鑒于半導(dǎo)體材料在高技術(shù)領(lǐng)域的重要性，我國的科技創(chuàng)新迫切需要高質(zhì)量的半導(dǎo)體材料創(chuàng)新人才。作為培養(yǎng)創(chuàng)新人才的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，本科教育在半導(dǎo)體材料創(chuàng)新人才的培養(yǎng)方面發(fā)揮著重要作用。在浙江大學(xué)我們充分發(fā)揮硅材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究優(yōu)勢，從案例式實(shí)踐教學(xué)、科研訓(xùn)練與教學(xué)融合以及學(xué)術(shù)研討與交流等方面入手，探索基于科學(xué)研究的半導(dǎo)體材料教學(xué)。

關(guān)鍵詞:半導(dǎo)體材料 創(chuàng)新 研究 教學(xué)

中圖分類號:G644文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1673-9795(2012)07(a)-0035-02

Cultivation of Innovative Talents for Semiconductor Materials:Research-Based Education

Pi Xiaodong Yang Deren

(Zhejiang University，State Key Lab of silicon materials and the Department of materials science and Engineering，Zhejiang 310027，China)

Abstract:High-quality innovative talents for semiconductor materials are urgently needed in the technological innovation of China，given the importance of semiconductor materials in high technology.As a key means for the cultivation of innovative talents for semiconductor materials，undergraduate education plays an important role.We take the advantage of the excellent research in the State Key Laboratory of Silicon Materials at Zhejiang University.Case study，combination of teaching and research training and scientific exchange are employed in the teaching of semiconductor materials.

Key Words:Semiconductor materials;Innovation;Research;Teaching

在我國建立自主科技創(chuàng)新體系的進(jìn)程中，半導(dǎo)體材料人才的培養(yǎng)是一個(gè)重要的工作，這主要因?yàn)榘雽?dǎo)體材料在事關(guān)國家核心競爭力的高科技產(chǎn)業(yè)里的基礎(chǔ)性地位。例如，被國家置于戰(zhàn)略地位的集成電路產(chǎn)業(yè)是建立在半導(dǎo)體硅材料上的[1];在新能源布局中需要大力發(fā)展的太陽電池產(chǎn)業(yè)也是建立在以硅為代表的半導(dǎo)體材料上的[2];能夠?yàn)楣?jié)能環(huán)保作重要貢獻(xiàn)的半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)則依托于以氮化鎵為代表的半導(dǎo)體材料[3]。所以，培養(yǎng)半導(dǎo)體材料創(chuàng)新人才對我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重要的意義。

作為培養(yǎng)創(chuàng)新人才的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，本科教育在半導(dǎo)體材料創(chuàng)新人才的培養(yǎng)方面發(fā)揮著重要作用。浙江大學(xué)的本科教育在培養(yǎng)創(chuàng)新人才方面注重基于科學(xué)研究的教學(xué)[4]。力圖通過學(xué)習(xí)與研究的融合，在激發(fā)學(xué)生的研究興趣的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)自主性、探究式學(xué)習(xí)，使學(xué)生具備創(chuàng)新的能力。在浙江大學(xué)材料系，我們充分發(fā)揮硅材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究優(yōu)勢，根據(jù)高年級本科專業(yè)課的特點(diǎn)，從案例式實(shí)踐教學(xué)、科研訓(xùn)練與教學(xué)融合以及學(xué)術(shù)研討與交流等方面入手，探索基于研究的半導(dǎo)體材料教學(xué)。

1 案例式實(shí)踐教學(xué)

硅材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室是國內(nèi)最早建立的國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室之一，以硅材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為依托的浙江大學(xué)材料物理與化學(xué)學(xué)科(原半導(dǎo)體材料學(xué)科)一直是全國重點(diǎn)學(xué)科。硅材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在硅材料研究方面實(shí)力雄厚，特別是在硅晶體生長及硅中的雜質(zhì)和缺陷研究上在國際上享有聲譽(yù)[5]。而在半導(dǎo)體材料教學(xué)中，硅晶體材料的基本性質(zhì)和制備方法是重點(diǎn)。借助硅材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的直拉硅單晶生長設(shè)備和各種硅材料的分析測試設(shè)備，我們可以對學(xué)生進(jìn)行有關(guān)硅材料的案例式教學(xué)。

在講授直拉提純方法和直拉硅單晶時(shí)，我們把課堂搬進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，利用兩臺直拉硅單晶爐進(jìn)行教學(xué)。其中一臺用于展示直拉硅單晶爐的結(jié)構(gòu)和多晶硅原料的配料。通過結(jié)合實(shí)物介紹直拉硅單晶爐的結(jié)構(gòu)，學(xué)生能夠深入理解直拉硅單晶爐各項(xiàng)功能的具體實(shí)施途徑。比如，熔化多晶硅原料是通過石墨電極加熱盛放多晶硅原料的石英坩堝來實(shí)現(xiàn)的。學(xué)生對多晶硅原料、石墨電極和石英坩堝在直拉硅單晶爐里的位置的觀察也有助于他們理解為什么直拉硅單晶中不可避免的雜質(zhì)是氧和碳。在展示多晶硅原料的配料時(shí)，我們結(jié)合硅的摻雜理論，利用實(shí)例介紹如何確定配料時(shí)摻雜劑如硼或磷的用量，從而保證最后直拉硅單晶的電阻率滿足要求。另一臺直拉硅單晶爐處于硅單晶的生長狀態(tài)。通過觀察硅單晶的實(shí)時(shí)生長，學(xué)生能夠把硅從熔體轉(zhuǎn)變?yōu)榫w的過程深刻地印入腦海，加深對晶體生長理論的理解。

在講解硅晶體材料的基本性質(zhì)時(shí)，我們充分利用硅材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的分析測試設(shè)備，使學(xué)生在實(shí)踐中掌握知識和應(yīng)用知識，獲得能夠進(jìn)行創(chuàng)新性研究的基本技能。例如，應(yīng)用四探針電阻率測試儀，學(xué)生可以確定硅片的電阻率;應(yīng)用少數(shù)載流子壽命儀，學(xué)生能夠測量硅片中少數(shù)載流子的壽命;應(yīng)用傅立葉變化紅外光譜儀，學(xué)生能夠獲得硅片中常見雜質(zhì)氧和碳的含量。考慮到多晶硅材料在太陽能光伏產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展的帶動(dòng)下用量大增，在實(shí)踐教學(xué)中我們安排單晶硅材料和多晶硅材料的比較性研究。學(xué)生通過自己的分析測試工作，總結(jié)出單晶硅材料和多晶硅材料的異同。

2 科研訓(xùn)練與教學(xué)融合

浙江大學(xué)高度重視大學(xué)生的科研培訓(xùn)。目前有國家級(國家大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃)、省級(新苗計(jì)劃)和校級(大學(xué)生科研訓(xùn)練計(jì)劃)等針對本科生的科研訓(xùn)練計(jì)劃。在這些科研訓(xùn)練計(jì)劃里所開展的科研項(xiàng)目一般由學(xué)生個(gè)人或團(tuán)隊(duì)在導(dǎo)師的指導(dǎo)下進(jìn)行選題，設(shè)計(jì)和實(shí)施實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和撰寫總結(jié)報(bào)告。由于半導(dǎo)體材料在國民經(jīng)濟(jì)中的重要性和在前沿性科學(xué)研究中的活躍性，有相當(dāng)多的學(xué)生在參加科研訓(xùn)練計(jì)劃時(shí)，希望從事有關(guān)半導(dǎo)體材料方面的研究。

依托于硅材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江大學(xué)材料系在半導(dǎo)體材料研究方面具有較高的水平。除了硅材料研究，在半導(dǎo)體薄膜材料和復(fù)合半導(dǎo)體光電功能材料研究上也開展了大量工作[5]。有一批研究人員從事有關(guān)半導(dǎo)體材料的基礎(chǔ)性研究和應(yīng)用基礎(chǔ)性研究。與半導(dǎo)體材料研究有關(guān)的設(shè)備和設(shè)施具有國際水準(zhǔn)，這為大學(xué)生參加半導(dǎo)體材料研究活動(dòng)提供了良好的條件。

在半導(dǎo)體材料的課堂教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)中，學(xué)生掌握了有關(guān)半導(dǎo)體材料的一些基本理論，了解了研究半導(dǎo)體材料的一些技術(shù)手段。在參加科研訓(xùn)練計(jì)劃時(shí)，學(xué)生能夠把所學(xué)的知識和技術(shù)應(yīng)用于科研項(xiàng)目的研究，而且可以根據(jù)項(xiàng)目的需要，學(xué)習(xí)和掌握新的半導(dǎo)體材料研究手段。通過體驗(yàn)研究過程，學(xué)生有望獲得靈活應(yīng)用所學(xué)知識、自主攝取新知識、分析和解決問題的能力。這將為學(xué)生今后在半導(dǎo)體材料領(lǐng)域做出創(chuàng)新性成果打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

近年來，開展半導(dǎo)體材料研究的教師對指導(dǎo)大學(xué)生從事科研訓(xùn)練活動(dòng)的熱情呈上升趨勢。盡管大學(xué)生還處于學(xué)習(xí)進(jìn)行科學(xué)研究的階段，但是他們?yōu)閷?shí)驗(yàn)室增添了新鮮血液，帶來了新氣象。他們在進(jìn)行項(xiàng)目研究時(shí)所提出的問題促進(jìn)了教師更加深入地理解所研究的課題，鍛煉了教師深入淺出地解釋科學(xué)問題的能力，有時(shí)還直接促成了教師嘗試新的研究內(nèi)容。另外，借助學(xué)校對指導(dǎo)大學(xué)生從事科研訓(xùn)練活動(dòng)的教師在政策及經(jīng)費(fèi)上的支持，活躍在半導(dǎo)體材料科研工作第一線的中青年教師在吸引學(xué)生進(jìn)行半導(dǎo)體材料研究方面做了大量工作。目前，他們中的絕大部分人都擔(dān)任了參加科研訓(xùn)練活動(dòng)的大學(xué)生的導(dǎo)師，在人力資源上確保了半導(dǎo)體材料研究與教學(xué)的融合。

3 學(xué)術(shù)研討與交流

隨著科研活動(dòng)的不斷推進(jìn)，交流與協(xié)作在人們的創(chuàng)新工作中占據(jù)著越來越重要的位置。因此，在半導(dǎo)體材料創(chuàng)新人才培養(yǎng)的實(shí)踐中我們注重了培養(yǎng)學(xué)生的交流能力和協(xié)作精神。

學(xué)生交流能力的培養(yǎng)首先是安排學(xué)生參加硅材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和材料系里的有關(guān)半導(dǎo)體材料的學(xué)術(shù)講座。鼓勵(lì)學(xué)生參加其他系如物理系、化學(xué)系和高分子系里的有關(guān)半導(dǎo)體材料的學(xué)術(shù)講座。在半導(dǎo)體材料教學(xué)結(jié)束時(shí)，要求學(xué)生提供一個(gè)參加學(xué)術(shù)講座的總結(jié)報(bào)告。根據(jù)學(xué)生參加學(xué)術(shù)講座的數(shù)量、總結(jié)報(bào)告的質(zhì)量以及在聽學(xué)術(shù)報(bào)告時(shí)的表現(xiàn)(如以提問的方式與報(bào)告人互動(dòng))進(jìn)行評分。特別需要指出的是，在浙江大學(xué)建設(shè)世界一流大學(xué)的進(jìn)程中，浙江大學(xué)鼓勵(lì)和支持教師與國外學(xué)者進(jìn)行廣泛的交流。現(xiàn)在每年都有幾十位與半導(dǎo)體材料研究有關(guān)的國外學(xué)者訪問浙江大學(xué)。他們的到來拓展了學(xué)生的視野，促進(jìn)了學(xué)生國際交流能力的提高。

在課堂教學(xué)中，我們針對學(xué)生交流能力的培養(yǎng)設(shè)計(jì)了專題研討。這些專題都是針對當(dāng)前半導(dǎo)體材料領(lǐng)域里的前沿性研究的。例如，在2010年的教學(xué)中，我們要求學(xué)生以做報(bào)告的形式介紹一種納米半導(dǎo)體材料，展示半導(dǎo)體材料在納米尺度上所表現(xiàn)出的新特性，概述其研究歷程，對已有的研究結(jié)果進(jìn)行評論，最后預(yù)測其發(fā)展前景。學(xué)生在文獻(xiàn)調(diào)研、資料分析、報(bào)告內(nèi)容組織及限時(shí)演講過程中受到了系統(tǒng)訓(xùn)練。這種訓(xùn)練有效地促進(jìn)了學(xué)生交流能力的提高。

另外，在半導(dǎo)體材料教學(xué)中我們設(shè)計(jì)了以小組為單位完成的大作業(yè)。這些大作業(yè)的問題是開放式的，既緊扣半導(dǎo)體材料研究的前沿又與半導(dǎo)體材料的教學(xué)緊密相關(guān)。例如，針對利用p型摻硼的硅制備的太陽電池存在光致衰減的情況，我們提出了如何制備出沒有光致衰減的太陽電池用p型硅的問題。學(xué)生可以在小組中進(jìn)行充分討論，找到導(dǎo)致p型摻硼的硅光致衰減原因，接著提出解決這一問題可以采取的幾種途徑，然后通過理論推演和計(jì)算證明所建議的途徑的可性行。在整個(gè)過程中，學(xué)生需要通力合作，對任務(wù)進(jìn)行合理的分工，以保證在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)高質(zhì)量地完成大作業(yè)。采用這種以小組為單位完成大作業(yè)的教學(xué)方式，學(xué)生的協(xié)作精神能夠得到鍛煉，有助于他們在今后的創(chuàng)新活動(dòng)中發(fā)揮團(tuán)隊(duì)的優(yōu)勢，在競爭日益激烈的科技創(chuàng)新中取得好成績。

4 結(jié)語

總得來說，基于研究的教學(xué)在培養(yǎng)創(chuàng)新人才的實(shí)踐中至關(guān)重要。一方面，半導(dǎo)體材料研究在整個(gè)研究領(lǐng)域里顯得非常活躍;另一方面，依托于硅材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的浙江大學(xué)半導(dǎo)體材料研究正在迅速向國際一流水平邁進(jìn)。所以，在浙江大學(xué)半導(dǎo)體材料創(chuàng)新人才的培養(yǎng)過程中大力推進(jìn)基于研究的教學(xué)具有非常有利的條件。我們已經(jīng)在這方面做了一些有益的嘗試。隨著教學(xué)改革的不斷深入，我們將繼續(xù)探索基于研究的半導(dǎo)體材料教學(xué)的新途徑和新方法，為我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展輸送高質(zhì)量的半導(dǎo)體材料創(chuàng)新人才。

參考文獻(xiàn)

[1] 馬春.世界半導(dǎo)體硅材料發(fā)展現(xiàn)狀[J].上海有色金屬，2005(3).

[2] 楊德仁.太陽電池材料[J].化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[3] 廖志凌，阮新波.半導(dǎo)體照明工程的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2006 (9).

[4] 韓青青，鐘鳴文.探索本科生創(chuàng)新培養(yǎng)模式[J].高等工程教育研究，2007(3).

[5] 浙江大學(xué)硅材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)站[EB/OL].http://silab.zju.edu.cn.