面向科學研究的“半導體物理”課程教學初探

宋兵 劉森 王璽

[摘 要]為實現半導體物理課程教學、促進核心電子器件的科學研究，培養能夠有利于實現創新突破的人才，促進國家和民族在半導體領域的深入發展，有必要開展面向科學研究的教學探索。該文通過分析當前半導體教學中的難點問題，提出根據科研方向的關鍵點把握教學內容、根據科研內容的重難點強化教學實踐、根據科研方法的邏輯性培養創新思維、根據科研成果的改進性評價教學效果等四個方面，開展面向科學研究的半導體物理課程教學探索，旨在對促進高等教育院校半導體物理等方面人才培養提出一定的參考。

[關鍵詞]科學研究;教學改革;半導體物理

[中圖分類號] G642[文獻標識碼] A[文章編號] 1674-9324（2020）48-0-03[收稿日期] 2020-10-04

目前，我國集成電路的核心技術受到國外出口限制，導致國內高精尖科技領域和先進科技企業面臨“卡脖子”難題。解決當前核心技術受制于人的關鍵在于人才，人才是創新的第一要素。習主席在全國教育者大會強調，要堅持深化教育創新改革，堅持把服務中華民族偉大復興作為教育的重要使命。改革創新是時代發展的不竭動力，更是教育發展的時代主題[1]。在此時刻，國務院學位委員會會議投票通過集成電路專業作為一級學科，加強人才培養，實現科技強國[2]。教育部實施“強基計劃”，開展基礎學科培養改革，突出數學、物理等基礎學科的支撐引領作用，培養服務國家重大戰略需求的人才[3]。在本科教育過程中，多媒體與計算機教學重新改造學生的學習方式，針對每門課程開展教學改革，對于促進人才培養人才質量提高和科學研究成果的創新突破具有重大意義。

半導體物理課程是介紹半導體材料相關知識和基本工作原理的課程，對于研究新型半導體材料和基礎器件的科學研究具有重大的指導意義，能夠為“核高基”重大規劃中對核心電子器件和高端通用芯片發展提供堅實的理論基礎。課程基本內容包括半導體的晶格結構、半導體中的電子狀態、雜質和缺陷能級、載流子的統計分布，非平衡載流子及載流子的運動規律;討論p—n結、異質結、金屬半導體接觸、表面及MIS結構等半導體表面和界面問題;介紹半導體的光、熱、磁、壓阻等物理現象，以及非晶態半導體的基本特性。

因此，針對半導體材料與器件的發展趨勢以及重大科研規劃，半導體物理課程有必要在向學生介紹新型半導體材料相關的知識和基本工作原理的基礎上，要盡量避免復雜的數學推導和過分細致的器件細節，將科學研究的成果引進課堂，向學生實際展示該課程的效用，激發學生的學習熱情和學習效果。

一、當前半導體物理課程教學中的難點

半導體物理課程的教學內容繁雜，涉及大量的簡化假設和理論公式，導致學生接受起來感到生疏且枯燥，導致學習效果不理想。半導體物理研究半導體原子狀態和電子狀態以及各種半導體器件內部電子過程，是固體物理學的一個分支。研究半導體中的原子狀態是以晶體結構學和點陣動力學為基礎，主要研究半導體的晶體結構、晶體生長，以及晶體中的雜質和各種類型的缺陷。研究半導體中的電子狀態是以固體電子論和能帶理論為基礎，主要研究半導體的電子狀態，即能帶結構、雜質和缺陷的影響、電子在外電場和外磁場作用下的輸運過程、半導體的光電和熱電效應、半導體的表面結構和性質、半導體與金屬或不同類型半導體接觸時界面的性質和所發生的過程、各種半導體器件的作用機理和制造工藝等。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行解釋，因此，如何讓學生準確理解理論的推導過程和物理過程具有較大難度。

此外，課程教學中，未與實際應用結合，學生對課程內容理解和掌握不深，考核后并沒有將理論聯系實際，導致學生應用效果也大打折扣。半導體物理中闡述半導體材料和器件的物理過程和基本原理，通過實驗教學可以加深對理論知識的理解，同時培養學生的動手能力，拓展學生的創造性思維，對于專業學習能力的提高具有很強的促進作用。通過設計合適的實驗內容，使學生能夠更好理解、掌握和應用知識的能力，提高分析問題的能力，并努力解決研究過程中遇到的專業實際問題，對促進科研創新具有重大的意義。但目前，物理課程的講授方式比較單一，有的學校并沒有開設配套實驗課程，或者實驗以基礎內容為主，簡單陳舊，導致學生對新材料新器件新功能不了解，無法滿足當前科學研究的需求。因此，如何通過實驗教學，使學生能夠理論聯系實際，掌握并創新性運用半導體物理知識，是當前教學的另一難點問題。

二、根據科研方向的關鍵點把握教學內容

目前，半導體的發展呈現出更小更薄更新的趨勢，大量的新材料新器件新功能層出不窮，在此基礎上，通過追蹤科學前沿，把握教學內容，對于學生的針對性學習具有重要的意義。

在半導體材料方面，低維材料展示出與三維材料截然不同的性質，受到學術界和工業界的廣泛關注。傳統的半導體物理針對三維塊狀材料進行分析，其物理尺寸遠大于電子自由程，觀測的電子輸運行為具有統計平均結果。但目前的低維材料中，載流子的輸運呈現顯著的量子力學特性，難以利用傳統的技術理論進行分析，例如量子點、量子線以及量子阱等。在教學內容設計中，適當引入新型材料的理論分析及研究成果，將極大拓展學生的學習興趣。

在半導體器件方面，不同于電子輸運過程的各種機理及功能表現出很大的發展前景。多年以來，以硅為基礎的CMOS器件和以III-V族為代表的光學器件受到廣泛研究，理論成熟但逐漸面臨摩爾定律的終點。在此基礎上，阻變、相變、鐵電等新型的物理機理開始受到關注，研究基于這些機理的材料、器件和芯片，開發新型存儲和計算應用，成為當前的研究熱點。在教學內容設計中，通過分析新器件的物理機制，有利于學生結合理論知識進行思考。

在半導體功能方面，超越傳統存儲計算應用，適用于人工智能時代的范式受到廣泛研究。電調制突觸器件、光調制突觸器件等新型物理器件表現出隨著歷史激勵調制且能夠保持的特性，能夠適用于模擬生物神經突觸的功能，或者作為存算一體應用，成為一種提升算力的備選方式，目前正在受到廣泛的關注。在教學內容設計中，適當引入具有前景的應用描述，有利于學生開展針對性學習，提升學習的自信。

三、根據科研內容的重難點強化教學實踐

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、材料的生長與表征，以及新原理器件的功能調制，都屬于科研內容的重難點問題，且都與半導體物理課程的基本知識相關，通過實踐教學，強化學生的理解與掌握。

新型材料體系的開發，遴選合適的材料體系，對于器件的性能至關重要。例如金屬電極材料與絕緣體、半導體材料的遴選，如果通過能帶的調制或摻雜的手段，實現金屬和半導體功函數的匹配，得到電阻很低的金半接觸，從而降低接觸狀態對器件本身的效果，尤其是在二維材料與金屬電極的應用中非常重要。又例如金屬—絕緣層—金屬結構中，不同功函數的金屬與不同電子親和勢的絕緣材料組成，導致器件的導電機制不一致，對器件的性能調制產生不同的效果。

材料的生長與表征方法，對于材料本身的內部狀態產生影響，從而影響器件的性能。例如，離子注入過程中，對于摻雜濃度對硅導電性能的調制是如何實現的，內部的物理機制是什么，通過實驗教學能夠直觀展示理論知識的內容，因此對于學習效果的強化具有重要的意義。

采用半導體工藝及器件試驗箱等實踐方法，對促進半導體物理的教學具有良好的意義。總體來說，核心電子器件的研究過程中，需要包含器件的設計、基本功能實現以及低功耗、高壽命等可靠性優化等，都是在新原理器件研究中需要關注的，其中涉及半導體物理基本知識的運用，例如器件建模及工藝方法等等。在實驗教學中，引入半導體工藝及器件實驗箱，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現，能夠通過改變某些物理參數，產生不同的器件性能，直觀展示器件的優化效果，達到強化理論知識的目的。

四、根據科研方法的邏輯性培養創新思維

科學研究方法對于指導科學研究、促進創新成果具有極大的推動作用。采用正確的科研方法，能夠推動科學研究的重大進展，其中遇到的問題也能夠得到滿意的解決。在半導體物理課程的教學中，要關注學生創新思維的培養，鼓勵學生根據所學知識進行創新創造，促進學習成果的轉化應用。

首先，要重視基礎理論知識的掌握。半導體發展的歷史并不久遠，其中大部分都是基于硅展開研究及應用，因此大部分的物理知識都是硅基的理論，例如晶體結構、PN結等。掌握好了一種材料的物理分析過程，就能夠形成對于半導體材料及物理機制研究的基本印象，構建整個半導體物理體系的框架，對于理解和研究其他半導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新奠定基礎。

其次，要重視基本表征方法的應用。受限于目前觀測手段的限制，半導體材料的研究難以完全實現精確測量或表征，大多數是根據材料或者器件在熱、電、光、磁的外部激勵下，測量其外部特性，同時結合內部缺陷或者原子的統計分布特性，建立定量的物理模型，這些物理模型能反映整個器件的基本性能。因此，采用多種不同的表征手段，交叉檢驗材料內部的結構或性質，對于優化物理模型和器件性能，都具有重大意義。

最后，要關注不同領域材料的借鑒。目前是科學交叉的時代，也是各領域融合發展的時代，不同領域例如新能源、新計算范式等對于半導體材料和器件的關注點并不相同，但其對于材料和器件的研究方法卻大體想通。某個領域的研究成果會對另一個領域具有較大的參考價值，或者某個領域失敗的研究成果可能回事另一個領域想要的成果。例如在相變材料的研制過程中，光學和電學都能夠對其產生作用，因此在光學通信和電學存儲計算方面都會有很大的發展前景，因此兩個領域互相補充，共同促進材料和器件的發展。

五、根據科研成果的改進性評價教學效果

目前的半導體物理課程考核更多涉及理論知識的掌握與否，對于實際應用效果的考核并不關注，這也是導致學生并不關注知識轉化應用的一個方面。在教學過程中，引入具體的科研器件研究成果，并引導學生展開課程實踐，通過科研成果評價學生對課程知識的掌握效果，對于學生的思維水平也是很好的訓練。

首先，教師要選擇具有代表性的科研成果激發學生興趣。當前是人工智能時代，AI芯片是目前的研究熱點，其中的突觸可以使用動態隨機存儲器、憶阻器、相變存儲器等器件模擬生物中神經元或突觸。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，調制器件的基本性能，觀測對于器件性能的改進，并據此撰寫分析報告，闡述運用到哪些半導體物理知識進行器件性能的改進。

其次，教師要開展科研過程引導學生思考。基于學校具有的科研條件，教師開展半導體材料與器件的科研過程，根據學生的思考結果進行工程，讓學生近距離觀察科研過程的實施，并且根據實驗結果分析出現偏差的原因。在此過程中，對學生的科學素養和能力培養，同樣具有較大的意義。此外，學生的思維活躍，不懼怕失敗，這也是科研過程中難能可貴的品質。

最后，教師要改進科研成果鼓勵學生參與。在整個科研過程中，學生的參與感和主動性都被調動起來，這樣既能促進學生掌握課程知識，也能夠促進學生的創新思維培養。理論知識的教學，說到底是為了實際器件的改進，因此在此基礎上對于學生進行評價，能夠敦促學生關注課程教學內容的應用，同時實現對于學生綜合素質的關注和培養。

六、結語

本文主要闡述了對于面向科學研究的半導體物理教學的思考。課程教學是為了學生掌握基本的知識，也是為了將來在實際工作中的應用。開展面向科學研究的半導體物理課程教學，促進學生掌握基本的半導體物理知識，估計學生進行科學研究創新，對于國家的半導體發展具有重大意義。因此，本文主要從教學內容、教學實踐、創新思維和教學效果四個方面，開展面向科學研究的半導體物理教學探討，希望能夠對于半導體優秀人才的培養提供一定借鑒意義。

參考文獻

[1]習近平：堅持中國特色社會主義教育發展道路，培養德智體美勞全面發展的社會主義建設者和接班人[EB/OL].http：//www.xinhuanet.com/politics/leaders/2018-09/10/c_1123408400.htm，2018-09-10.

[2]科技部關于開展《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006-2020年）》中期實施情況調查的通知[Z].國科發計〔2013〕24號，2013-01-28.

[3]教育部關于在部分高校開展基礎學科招生改革試點工作的意見[Z].教學〔2020〕1號，2020-01-13.