微電子專業“半導體材料”課程的教學改革

趙紀紅，李賢斌

（吉林大學 電子科學與工程學院，吉林 長春130012）

0 引言

半導體材料在微電子工業及光電子領域中占據重要的地位，然而，在國內外專門設置“半導體材料”課程的大學寥寥無幾，作為中國大陸第一個半導體系，吉林大學半導體系自1959年建系初始，“半導體材料”課程即被列入首批開設的四門專業課之一。60多年來，吉林大學在半導體材料的理論教學、實驗教學、科學研究以及人才培養等多個方面積累了豐富的寶貴經驗。目前，“半導體材料”課程被列為微電子專業的重點專業基礎課程。為了進一步提高教學質量和培養優秀的人才，在保持前輩們優秀的教學思想和理念的基礎上，吉林大學對“半導體材料”進行新的教學改革，目標將“半導體材料”課程建設成國內具有重要特色的專業課程。本次教學改革著重從夯實專業理論基礎知識、學習興趣導向、科研能力培養、科學前沿拓展和實際應用等方面對本專業的學生進行綜合能力的培養。

為適應當今社會對微電子領域人才的需求［1］，培養具有綜合性的高素質人才是當前高等院校教師的主要目標。培養的學生不僅要具有堅實的理論知識基礎，并且還應具有運用知識、科研探索和創新等多方面的能力。傳統的“半導體材料”課程內容主要是對理論知識的講授，而且知識點較分散缺乏系統性，已不能滿足當前培養綜合性高素質人才的需求。“半導體材料”課程開設前需要用到“半導體物理”、“結晶學”、“熱力學統計物理”等課程的理論知識，同時該課程也為“半導體器件”、“集成電路”等課程提供必要的理論基礎儲備。課程還涉及半導體材料的提純、晶體生長、薄膜生長、雜質帶工程及實際應用問題。與其它課程不同，作為國際前沿的研究熱點，具有新功能的半導體材料不斷地被開發和研究，因此，隨著科學研究的進步、新材料的開發探索和對材料生長機制理解程度的深入，教學人員需不斷跟進材料發展的前沿動態并需要在教學方式和教學內容上做及時的更新和完善。

1 教學改革方式

1.1 課程內容

我校開展的“半導體材料”課程教學改革，是以楊樹人先生等編著的《半導體材料》教材中的知識框架為基礎［2］，結合科學前沿在課程的緒論部分拓展半導體材料的理論知識背景；在區熔提純內容之前增添相圖的基礎理論知識；在課程的最后加入新型二維半導體材料的相關介紹。整個課程內容包括半導體材料的導論、硅和鍺的化學制備、相圖的基礎理論、區熔提純、晶體生長、硅和鍺晶體中的雜質和缺陷、硅外延生長、III-V族化合物半導體、III-V族化合物半導體的外延生長、III-V族多元化合物半導體、II-VI族化合物半導體、低維結構半導體材料、照明半導體材料、其他半導體材料及新型二維半導體材料等。

該課程內容需要用到“半導體物理”課程中的半導體的物理性質及摻雜理論等基礎知識；同時需要用到“熱力學統計物理”課程中的熱力學及動力學理論知識；也需要“結晶學”課程中的半導體的晶體結構、缺陷理論等相關基礎知識；本課程涉及半導體材料的提純技術、晶體生長理論和原理、薄膜生長方法及半導體材料的制備和特性控制、半導體材料的加工和應用等內容。

課程涉及到半導體材料的發展史，講解中以微電子器件在實際中的應用來揭開半導體芯片的層層面紗，從而讓學生意識到半導體材料的重要性，同時結合國內外現狀使學生建立學習“半導體材料”課程對于芯片科技強國的使命感。用晶體管和集成電路的發明背景將學生們帶入硅谷的發展史，使學生們領略到晶體管之父肖克萊及其八大弟子的學術風采，從而讓學生切實體會到課程的重要意義并激發學生的學習興趣。結合當今研究的熱點半導體材料如氮化稼的研究進展和實際應用，一方面，讓學生們了解半導體材料及器件與我們的日常生活密不可分，另一方面，讓學生們認識到課堂所學習的基礎理論是如何深刻影響半導體工業發展和科技進步的。課程內容中除了典型的第一、二、三代半導體材料外，還涉及到前沿的半導體材料，包括微結構半導體、低維半導體和各種新型的半導體材料，如鍺硅合金、碳化硅、石墨烯、六方氮化硼、III-V族和II-VI族二元及多元化合物半導體材料，以及半導體材料的最前沿的研究進展及應用領域。從而，讓學生充分認識了解半導體材料的發展以及半導體材料在科學研究、科技進步、日常生活中的應用。另外，講授“半導體材料”課程的教師應將課程內容與其自身的科研工作緊密聯系，既可以加深對講授知識的理解程度，也可以將自己在科研中涉及到與課程內容相關的研究方法和科研成果展示給學生。這樣設置的課程內容既能激發學生的學習興趣、明確學習方向，還要求授課教師時刻跟進半導體材料的研究進展，從而達到教研相長的目的。

1.2 教學方法

教學方法的合適與否直接影響學生對知識的吸收效果和理解程度，教師授課的內容不在量而在質，因此教學方法改革至關重要。知識的傳遞不能只靠課堂上的灌輸式授課，“授人以魚不如授人以漁”。教師的“教”與學生的“學”是相互的，因此，教學效果一定要有反饋才能評價其質量。在課堂上教師應加強與學生的互動，時刻掌握學生對知識接受的程度，對存在的問題及時做出響應，從而根據反饋信息對教學內容和方法做出相應的調整和改進。

再者，學生不能單一地只從課堂教學來獲取知識，知識的獲取應該是多途徑、多渠道、多樣化的，應加強學生從被動學習轉變為主動學習的習慣。結合課程在實際中的應用，通過設置課程調研任務來培養學生主動學習、搜集資料、獨立思考、合作交流等多方面的學習能力。如今的教學形式不再單一化，特別在后新冠疫情時代，課堂教學可與線上互聯網教學相互結合；合理利用資源，同時還可利用觀看教學視頻、實地參觀、實踐教學等多種方式來建立多元化的教學模式，從而有效地提升教學質量，激發學生學習的興趣、提高學習的積極性和主動性，達到知識傳遞的最佳效果。

具體到“半導體材料”的實際教學課堂中，教師首先要設計好教學大綱并搭建課程內容框架，對教學內容做好整體性把握，對各章節內容的知識點進行歸納總結，并按層次和重難點對知識點進行分類，且注重前后知識點的連貫性和邏輯關系，課程內容的講授應重點突出，而不是千篇一律。教師應啟發式地教學而不是機械式灌輸，注重學生對課程內容的思考，通過多設疑問、多舉實例來引導學生對知識點的理解和運用。在課堂教學開始前，教師專門設置一個與本次課內容相關的問題，該問題能體現出課程知識點在實際中的具有應用，從而激發學生對課程內容的探索和思考，最后，在課堂教學內容完成后給出解答，做到前后呼應。在課堂教學中，也可通過設置問答的方式來加強與學生的互動，如采用小程序在線問卷的方式來及時反饋學生對課程內容的掌握情況。對于所提出的問題的答案應允許百家爭鳴、百花齊放，正確地引導和鼓勵學生積極表達自己對問題的觀點和想法，不能只關注對錯，而是要讓學生明白現象背后的本質。通過討論和回答問題，使學生們積極地參與到課堂教學中來，并培養學生主動思考問題的能力，從而加深對知識點的理解。通過教與學的互動實現教與學的相長。另外，為提高學生的課堂注意力和專注度，教師要在多媒體課件的形式和結構安排上多用心，多媒體課件應條理清晰、層次分明、重點突出，杜絕通篇文字，同時要結合文字與圖片、動畫、視頻等多種表達形式來增加學生對課堂教學的關注程度。在板書設計上應精心安排內容，板書內容與多媒體課件應相互補充，避免內容重復。要做到重要知識點突出、條理清晰。通過板書教學一方面可提高學生聽課的注意力并及時跟進課程內容，另一方面，也使課程重難點突出，做到知識點一目了然。在每次課堂教學結束后，通過布置多種形式的課堂作業，不僅可以使學生加深對重點知識的理解并了解課程內容在實際中的運用，還可以使教師及時地了解學生對知識的掌握情況。

利用線上線下相結合的教學模式，將課程內容錄制成教學視頻并上傳至網絡平臺，按知識點將其分解為短視頻，并按照重難點進行劃分。重難知識點內容視頻可用做學生們的課前預習和課后復習。而對于僅需要簡單了解的課程內容，學生們只需課后自行觀看教學視頻即可，這樣，可更加有效合理地利用課堂教學時間。課堂外，教師還可通過手機客戶端向同學們推送半導體行業和集成電路前沿的研究動態，并介紹行業信息與課程內容的相關性。

作為與半導體工業界結合非常緊密的課程，“半導體材料”的課程內容涉及半導體體單晶的生長工藝過程、絕緣層上硅（SOI）的制備工藝過程、半導體薄膜單晶的生長過程，也涉及單晶硅晶圓的加工過程和集成電路芯片的制造過程等。為直觀地了解和學習相關工藝過程，一方面可在多媒體課件中適當地加入動畫來形象地展現材料生長工藝過程另一方面利用教學視頻來輔助介紹半導體加工和制造過程。在課堂內容外，可與國內的半導體企業和工廠合作，組織學生參觀學習半導體的制造過程。此外，吉林大學的微電子教學中心為“半導體材料”課程設置了系列的配套實驗課程，如硅單晶的生長、傅立葉變換紅外吸收光譜測定、非平衡載流子壽命測試、外延層中雜質濃度測量、硅單晶中缺陷的觀察、半導體工藝等實驗。涉及到相應的課程內容時，可組織學生參觀與之相關的實驗系統，講授實驗原理和操作流程，目的在于加深學生對理論課程內容的理解。另外，吉林大學集成光電子學國家重點實驗室吉林大學實驗區具有國際先進的半導體薄膜材料生長設備，如化學氣相沉積系統（CVD）、分子束外延系統（MBE）、原子層沉積系統（ALD）、熱蒸發及磁控濺射鍍膜系統等。通過參觀材料生長設備，一方面使實驗、科研與授課內容相輔相成，促進學生對教學內容的理解；另一方面，通過走進實驗室使同學們了解最前沿的科研動態，進而激發學生對科研和學習的雙重興趣。

再者，可適當地安排課后文獻調研任務。如在學期開始的第一次課后可安排學生查閱文獻調研“摩爾定律的極限與延長方法”，通過文獻調研讓學生們從多方面了解微電子領域和集成電路發展的前沿動態，認識限制我國芯片發展的主要“卡脖子”問題。在期末課程的最后，可安排學生調研新型二維半導體材料的研究進展，通過文獻匯報和多媒體課件展示兩種形式考察學生的完成情況，利用翻轉課堂的新型教學模式來鍛煉學生的文獻調研、分類匯總、語言表達等多方面的綜合能力。

1.3 考核方式

除課程內容豐富完善和自成體系、教學方法的多樣化外，“半導體材料”課程的考核方式也在與時俱進。課程評價不再是單純的期末閉卷考試的考核方式。而是通過多渠道來全面考察學生對知識的掌握情況。成績的評定包括課堂作業、課后作業、課后調研、期中考試成績、期末考試成績。其中，課堂作業、課后作業和課后調研占20%，期中考試成績占25%，期末考試成績占55%。布置課上作業的目的在于既能使教師及時掌握學生對知識的接受程度并隨時調整課程內容和講授方式，也能調動學生的學習積極性并加強聽課專注力。布置課后作業的目的在于使學生加深對重點和難點知識內容的理解，鞏固課程內容。布置課后調研任務的目的在于培養學生文獻調研、分類整理和表達等多方面的綜合能力。期末考試試題應著重考察學生對知識的理解和運用能力，教學的宗旨是讓學生深刻理解“半導體材料”課程中涉及的概念、材料性質、生長原理和材料制備的方法，而不是生硬地暫時性記憶知識。這種綜合的考評方式能比較客觀、公平、公正地評估學生對知識的掌握情況。依照課程考核結果，授課教師對教學方法和內容做出改進，從而不斷提升課程的教學效果。

2 結語

“半導體材料”課程分別在課程內容設置、教學方法和考核方式幾個方面進行了綜合性的改革。在課程內容設置上，基于楊樹人先生等編著的《半導體材料》教材的知識框架體系增添了相圖的基礎理論知識和新型二維半導體材料的研究進展兩部分內容。課程內容包括半導體材料的生長理論知識、半導體材料的生長方法和提純技術、半導體材料的應用領域和前沿動態。通過學習課程，使學生們全面了解半導體行業所涉及的相關知識并培養學生對本專業的興趣。在教學方法上，通過轉被動學習為主動學習的方式調動學生學習的積極性；采用線上線下相結合的教學模式來提高教學的效率和水平，利用實踐教學、多媒體等手段激發學生對知識的學習興趣；將科學前沿的動態及時輸入到課堂教學中，進而使同學們切實體會到課堂知識在實踐中的運用。最終，通過多渠道多途徑的教學手段，培養學生主動學習、獨立思考和解決問題等多方面的能力。

在考核方式上，通過課上、課后作業，期中考試、期末考試等多種考察方式來合理地評價學生對知識的掌握情況。教學改革的最終目的在于以教學為本提高本課程的教學質量，探索提升學生綜合素質的教學方法，為國家培養高素質的微電子學科人才。