半導體物理的通識教研初探

曹路明　高志遠　崔碧峰

[摘? ? ? ? ? ?要]? 從異質外延GaN薄膜中缺陷的形成機理出發，通過濕法腐蝕GaN和掃描電子顯微鏡（SEM）觀察的方法，主要從美學中的形式美、意象美和功能美三個方面，針對異質外延生長的GaN薄膜中缺陷的藝術形象進行了分析，其目的是有意識地提煉學科中的科學美，喚起學生探索的興趣和積極性，為自然科學通識教育課程內容設置提供一些具體的、可操作的構想。

[關? ? 鍵? ?詞]? 通識;半導體;美學;物理

[中圖分類號]? O47? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻標志碼]? A? ? ? ? ? ? ? [文章編號]? 2096-0603（2019）34-0166-02

一、引言

目前，國內高校的通識教育[1-2]大多數以“補差”為特點，這些課程內容沒能擺脫傳統教學思維，只解決了“識”的問題，還沒達到“通”的程度。對自然科學的通識教育，應在力求學科知識的基礎上，有意識地提煉其中的科學美，喚起學生對自然科學的興趣和積極性[3]。本文將以一個實例探討如何在現有的自然科學類課程的教學和研究中，進行跨學科知識的融合和多學科創新思維的培養，把大學生通識教育與真正的課堂教育有機結合起來，以實現由“識”到“通”，為自然科學通識教育課程內容設置提供一些具體的、可操作的構想。

從20世紀末，半導體電子器件的重心開始由傳統的Si基窄帶隙半導體材料轉向GaN和SiC等寬禁帶化合物半導體材料[4]。GaN晶體中普遍存在著自然形成的各種缺陷[5]，其中還存在著富有藝術感的圖案，缺陷之美不止可以體現在斷臂維納斯、汝窯等這類藝術形象中，也可以存在于GaN晶體生長中，而GaN的生長作為一種自然過程，其中包含的藝術形象更值得我們去研究。我們可以通過形式、意象和功能[6]等不同層面感受美，對異質外延GaN薄膜中缺陷的藝術形象用美學的思想去解讀。

二、從形式美角度分析GaN缺陷的藝術形象

形式美是指構成事物外在形態的自然屬性及其組合規律所體現出來的美，是各種形式因素，包括色彩、線條等的有規律的組合，其撇開了具體事物，只概括事物在形式上引起美感的共同特征[7]。形式美的法則包括整齊一律、對稱均衡以及多樣統一等。

下圖為SEM觀察到的濕法選擇性腐蝕后的c面GaN表面，圖中分布著大量六邊形圖案，是倒六棱錐型腐蝕坑，這些腐蝕坑將GaN的缺陷標定出來。如果我們給六邊形定義一個方向，將其中點指向端點的方向作為六邊形的方向，由于六邊形具有中心對稱的性質，即使中點指向不同的端點，也可以將其旋轉至同一方向。我們發現，雖然位置分布是隨機的，但所有六邊形的方向都是一致的，簡單理解為，所有的六邊形都是“正”的，并非像散落在地上的紙牌一樣朝向四面八方。這種整齊一律的美感要得益于六方型腐蝕坑特殊的結構。腐蝕坑像是一個倒置的六棱錐，六個側面均為面，與底面c面（面）呈約為62°的夾角。正是因為每一個坑的側面都是相同的，才使從俯視圖看來的六邊形具有整齊一律的方向。

規則的腐蝕坑俯視圖呈現為正六邊形，擁有同正六邊形一樣的對稱性，既滿足軸對稱，具有6條對稱軸，包括3條對角線和3條對邊中點的連線;又滿足中心對稱，且最小旋轉60°即可與原圖形重合，體現了對稱之美。但并非所有的腐蝕坑都是規則的正六邊形，生長過程中的不可抗因素會導致腐蝕坑出現對稱性破缺。對稱性破缺狹義理解為對稱元素的缺失，也可理解為原來具有較高對稱性的系統，出現不對稱因素，其對稱程度自發降低的現象。由于GaN的生長以及缺陷的產生屬于一種自然過程，所以其中出現的對稱性破缺屬于自發對稱性破缺。當物理系統所遵守的自然定律具有某種對稱性，而物理系統本身并不具有這種對稱性，則稱此現象為自發對稱破缺。對GaN中的腐蝕坑缺陷來說，由于原子臺階和更小的腐蝕坑的出現，破壞了正六邊形原本的對稱性，使其不再具有軸對稱和中心對稱的性質，這時便出現了自發對稱性破缺。

多樣統一是形式美的最高法則，也被稱為和諧美。c面GaN表面大大小小的缺陷很像漫天飛舞的鵝毛大雪，又像是冬天窗戶上結的冰花，這些缺陷大小不一，形態各異，但又規則均勻，具有多樣統一之美，讓人不禁贊嘆自然的神奇。

三、從意象美角度分析GaN缺陷的藝術形象

意象指的是客觀物象經過創作主體獨特的情感活動而創作出來的一種藝術形象，在觀察GaN中缺陷的過程中，它給我們以啟示：不同觀察尺度和角度對結果有很大影響，從事任何研究都應該全面透徹，這也是GaN中缺陷所蘊含的哲學意象。

如果我們用肉眼去觀察GaN，觀察尺度非常大，無法看到其中的缺陷。借助電子顯微鏡將觀察尺度減小后才發現，原來GaN薄膜也像月球表面一樣并不平坦。當我們把放大倍數增大，能夠清晰地看到每一個斑點其實都是六邊形的凹坑，甚至還可以觀察到缺陷之中還存在著位錯坑和原子階梯。所以，盡管是對同一事物的研究，在不同的觀察尺度下，也會有不同的結果，觀察的尺度越小，就越接近事物的真實情況。由此引申到，了解事物不能只看表象，通常我們習慣于用宏觀的眼光去觀察事物，但往往在微觀世界中會有更奇妙的發現，一花一世界，一葉一菩提，這是微觀領域的獨特之美。

同樣，觀察角度有所不同，得到的結果也會大相徑庭。正如這句耳熟能詳的詩：“橫看成嶺側成峰，遠近高低各不同。”對GaN薄膜來說，如果換個角度觀察其a面，位錯坑則由六邊形變成了三角形。如果對GaN的N面進行腐蝕后觀察，則又是另一番樣貌。由此可見，不同的觀察角度下，事物表現出的特點也不相同。這給我們以啟示，對任何事物的理解都不能以偏概全，要從多方面、多角度去觀察，才能全面地認識事物。

四、從功能美角度分析GaN中缺陷的藝術形象

把實用功能和審美有機統一起來，就是功能美。雖然GaN中的缺陷在一定程度上會影響器件的性能，但并不完全是有害的，它也有有利的一面。換句話說，缺陷也有自己的功能，也有自己存在的價值。

對LED器件，位錯的存在會提高載流子的非輻射復合幾率，降低LED的發光效率，想要完全消除位錯幾乎不可能，目前最常見的辦法就是引入腐蝕坑缺陷。Takahashi[8]等研究發現，GaN表面坑使其側壁量子阱的禁帶寬度大于平臺的量子阱，從而產生載流子的勢壘，使載流子難以從表面坑內部輸運，而選擇從平臺輸運，由于位錯位于表面坑的頂端，所以表面坑阻擋了載流子遷移至非輻射復合中心，進而提高輻射復合的效率，從而提高了LED的發光效率。另外，Kayo Koike等[9]也發現，表面坑一方面有效抑制了光散射，另一方面有效屏蔽了位錯附近的非輻射復合，所以表面坑尺寸較大的器件更不容易漏電。

這些研究表明，GaN內缺陷對改善器件發光和漏電具有一定的積極意義。由此可見，缺陷又可以具有被人利用的價值，因此具有實用功能。當我們關注一個藝術形象時，很容易忽略掉它作為一件藝術品之外的東西，也就是它的實用功能。再昂貴的名畫，其本質也是為了記錄現實或者反映畫家的內心狀態;價值連城的瓷器，其最初的目的也是為了盛放物品。我們對缺陷藝術形象的分析時，不能只關注它的外形，更要關注它的內在意象以及它所具有的功能美。

五、結論

本文進行了通識教育的教學方式的創新與改進，以半導體物理中的寬禁帶半導體GaN晶體生長過程中形成的缺陷這部分內容為舉例，提出通識教育由“識”到“通”的過程應配合具體的教育內容，將大學生通識教育與真正的課堂教育進行有機融合，在自然科學類課程中引入美學思想，引導學生欣賞科學中的對稱、和諧之美，感受科學家追求的理論至真、大道至簡的豐富意象，從而激發學生的好奇心和創造力。本文是這方面教研的一個初步探索，可以為自然科學通識教育課程內容設置提供一些具體的、可操作的構想。

參考文獻：

[1]張加馳.通識物理教育體系的建設與探索[J].大學教育，2019（5）：8-11.

[2]何海倫，岳慶來，邵思蜜.海洋通識教育探討[J].高教發展與評估，2014（2）：87-92，100.

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[4]Zhang G Y， Shen B， Chen Z Z.GaN-based substrates and optoelectronic materials and devices[J].Chinese Science Bulletin，

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[8]Takahashi H，A Ito，T Tanaka，et al.Effect of Intentionally

Formed V-Deffects on the Emission Efficiency of GaInN Single Qu-antum Well[J].Japanese Journal of Applied Physics，2000，39（6B）：569-571.

[9]Koike K，Lee S，Cho S R，et al.Improvement of Light Extr-action Effciency and Reduction of Leakage Current in GaN-Based LED Via V-Pit Formation[J].IEEE Photonics Technology Letters，

2012，24（6）：449-451.

◎編輯 張 慧