微电子专业“半导体材料”课程的教学改革

赵纪红，李贤斌

（吉林大学 电子科学与工程学院，吉林 长春130012）

0 引言

半导体材料在微电子工业及光电子领域中占据重要的地位，然而，在国内外专门设置“半导体材料”课程的大学寥寥无几，作为中国大陆第一个半导体系，吉林大学半导体系自1959年建系初始，“半导体材料”课程即被列入首批开设的四门专业课之一。60多年来，吉林大学在半导体材料的理论教学、实验教学、科学研究以及人才培养等多个方面积累了丰富的宝贵经验。目前，“半导体材料”课程被列为微电子专业的重点专业基础课程。为了进一步提高教学质量和培养优秀的人才，在保持前辈们优秀的教学思想和理念的基础上，吉林大学对“半导体材料”进行新的教学改革，目标将“半导体材料”课程建设成国内具有重要特色的专业课程。本次教学改革着重从夯实专业理论基础知识、学习兴趣导向、科研能力培养、科学前沿拓展和实际应用等方面对本专业的学生进行综合能力的培养。

为适应当今社会对微电子领域人才的需求［1］，培养具有综合性的高素质人才是当前高等院校教师的主要目标。培养的学生不仅要具有坚实的理论知识基础，并且还应具有运用知识、科研探索和创新等多方面的能力。传统的“半导体材料”课程内容主要是对理论知识的讲授，而且知识点较分散缺乏系统性，已不能满足当前培养综合性高素质人才的需求。“半导体材料”课程开设前需要用到“半导体物理”、“结晶学”、“热力学统计物理”等课程的理论知识，同时该课程也为“半导体器件”、“集成电路”等课程提供必要的理论基础储备。课程还涉及半导体材料的提纯、晶体生长、薄膜生长、杂质带工程及实际应用问题。与其它课程不同，作为国际前沿的研究热点，具有新功能的半导体材料不断地被开发和研究，因此，随着科学研究的进步、新材料的开发探索和对材料生长机制理解程度的深入，教学人员需不断跟进材料发展的前沿动态并需要在教学方式和教学内容上做及时的更新和完善。

1 教学改革方式

1.1 课程内容

我校开展的“半导体材料”课程教学改革，是以杨树人先生等编著的《半导体材料》教材中的知识框架为基础［2］，结合科学前沿在课程的绪论部分拓展半导体材料的理论知识背景；在区熔提纯内容之前增添相图的基础理论知识；在课程的最后加入新型二维半导体材料的相关介绍。整个课程内容包括半导体材料的导论、硅和锗的化学制备、相图的基础理论、区熔提纯、晶体生长、硅和锗晶体中的杂质和缺陷、硅外延生长、III-V族化合物半导体、III-V族化合物半导体的外延生长、III-V族多元化合物半导体、II-VI族化合物半导体、低维结构半导体材料、照明半导体材料、其他半导体材料及新型二维半导体材料等。

该课程内容需要用到“半导体物理”课程中的半导体的物理性质及掺杂理论等基础知识；同时需要用到“热力学统计物理”课程中的热力学及动力学理论知识；也需要“结晶学”课程中的半导体的晶体结构、缺陷理论等相关基础知识；本课程涉及半导体材料的提纯技术、晶体生长理论和原理、薄膜生长方法及半导体材料的制备和特性控制、半导体材料的加工和应用等内容。

课程涉及到半导体材料的发展史，讲解中以微电子器件在实际中的应用来揭开半导体芯片的层层面纱，从而让学生意识到半导体材料的重要性，同时结合国内外现状使学生建立学习“半导体材料”课程对于芯片科技强国的使命感。用晶体管和集成电路的发明背景将学生们带入硅谷的发展史，使学生们领略到晶体管之父肖克莱及其八大弟子的学术风采，从而让学生切实体会到课程的重要意义并激发学生的学习兴趣。结合当今研究的热点半导体材料如氮化稼的研究进展和实际应用，一方面，让学生们了解半导体材料及器件与我们的日常生活密不可分，另一方面，让学生们认识到课堂所学习的基础理论是如何深刻影响半导体工业发展和科技进步的。课程内容中除了典型的第一、二、三代半导体材料外，还涉及到前沿的半导体材料，包括微结构半导体、低维半导体和各种新型的半导体材料，如锗硅合金、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导体材料，以及半导体材料的最前沿的研究进展及应用领域。从而，让学生充分认识了解半导体材料的发展以及半导体材料在科学研究、科技进步、日常生活中的应用。另外，讲授“半导体材料”课程的教师应将课程内容与其自身的科研工作紧密联系，既可以加深对讲授知识的理解程度，也可以将自己在科研中涉及到与课程内容相关的研究方法和科研成果展示给学生。这样设置的课程内容既能激发学生的学习兴趣、明确学习方向，还要求授课教师时刻跟进半导体材料的研究进展，从而达到教研相长的目的。

1.2 教学方法

教学方法的合适与否直接影响学生对知识的吸收效果和理解程度，教师授课的内容不在量而在质，因此教学方法改革至关重要。知识的传递不能只靠课堂上的灌输式授课，“授人以鱼不如授人以渔”。教师的“教”与学生的“学”是相互的，因此，教学效果一定要有反馈才能评价其质量。在课堂上教师应加强与学生的互动，时刻掌握学生对知识接受的程度，对存在的问题及时做出响应，从而根据反馈信息对教学内容和方法做出相应的调整和改进。

再者，学生不能单一地只从课堂教学来获取知识，知识的获取应该是多途径、多渠道、多样化的，应加强学生从被动学习转变为主动学习的习惯。结合课程在实际中的应用，通过设置课程调研任务来培养学生主动学习、搜集资料、独立思考、合作交流等多方面的学习能力。如今的教学形式不再单一化，特别在后新冠疫情时代，课堂教学可与线上互联网教学相互结合；合理利用资源，同时还可利用观看教学视频、实地参观、实践教学等多种方式来建立多元化的教学模式，从而有效地提升教学质量，激发学生学习的兴趣、提高学习的积极性和主动性，达到知识传递的最佳效果。

具体到“半导体材料”的实际教学课堂中，教师首先要设计好教学大纲并搭建课程内容框架，对教学内容做好整体性把握，对各章节内容的知识点进行归纳总结，并按层次和重难点对知识点进行分类，且注重前后知识点的连贯性和逻辑关系，课程内容的讲授应重点突出，而不是千篇一律。教师应启发式地教学而不是机械式灌输，注重学生对课程内容的思考，通过多设疑问、多举实例来引导学生对知识点的理解和运用。在课堂教学开始前，教师专门设置一个与本次课内容相关的问题，该问题能体现出课程知识点在实际中的具有应用，从而激发学生对课程内容的探索和思考，最后，在课堂教学内容完成后给出解答，做到前后呼应。在课堂教学中，也可通过设置问答的方式来加强与学生的互动，如采用小程序在线问卷的方式来及时反馈学生对课程内容的掌握情况。对于所提出的问题的答案应允许百家争鸣、百花齐放，正确地引导和鼓励学生积极表达自己对问题的观点和想法，不能只关注对错，而是要让学生明白现象背后的本质。通过讨论和回答问题，使学生们积极地参与到课堂教学中来，并培养学生主动思考问题的能力，从而加深对知识点的理解。通过教与学的互动实现教与学的相长。另外，为提高学生的课堂注意力和专注度，教师要在多媒体课件的形式和结构安排上多用心，多媒体课件应条理清晰、层次分明、重点突出，杜绝通篇文字，同时要结合文字与图片、动画、视频等多种表达形式来增加学生对课堂教学的关注程度。在板书设计上应精心安排内容，板书内容与多媒体课件应相互补充，避免内容重复。要做到重要知识点突出、条理清晰。通过板书教学一方面可提高学生听课的注意力并及时跟进课程内容，另一方面，也使课程重难点突出，做到知识点一目了然。在每次课堂教学结束后，通过布置多种形式的课堂作业，不仅可以使学生加深对重点知识的理解并了解课程内容在实际中的运用，还可以使教师及时地了解学生对知识的掌握情况。

利用线上线下相结合的教学模式，将课程内容录制成教学视频并上传至网络平台，按知识点将其分解为短视频，并按照重难点进行划分。重难知识点内容视频可用做学生们的课前预习和课后复习。而对于仅需要简单了解的课程内容，学生们只需课后自行观看教学视频即可，这样，可更加有效合理地利用课堂教学时间。课堂外，教师还可通过手机客户端向同学们推送半导体行业和集成电路前沿的研究动态，并介绍行业信息与课程内容的相关性。

作为与半导体工业界结合非常紧密的课程，“半导体材料”的课程内容涉及半导体体单晶的生长工艺过程、绝缘层上硅（SOI）的制备工艺过程、半导体薄膜单晶的生长过程，也涉及单晶硅晶圆的加工过程和集成电路芯片的制造过程等。为直观地了解和学习相关工艺过程，一方面可在多媒体课件中适当地加入动画来形象地展现材料生长工艺过程另一方面利用教学视频来辅助介绍半导体加工和制造过程。在课堂内容外，可与国内的半导体企业和工厂合作，组织学生参观学习半导体的制造过程。此外，吉林大学的微电子教学中心为“半导体材料”课程设置了系列的配套实验课程，如硅单晶的生长、傅立叶变换红外吸收光谱测定、非平衡载流子寿命测试、外延层中杂质浓度测量、硅单晶中缺陷的观察、半导体工艺等实验。涉及到相应的课程内容时，可组织学生参观与之相关的实验系统，讲授实验原理和操作流程，目的在于加深学生对理论课程内容的理解。另外，吉林大学集成光电子学国家重点实验室吉林大学实验区具有国际先进的半导体薄膜材料生长设备，如化学气相沉积系统（CVD）、分子束外延系统（MBE）、原子层沉积系统（ALD）、热蒸发及磁控溅射镀膜系统等。通过参观材料生长设备，一方面使实验、科研与授课内容相辅相成，促进学生对教学内容的理解；另一方面，通过走进实验室使同学们了解最前沿的科研动态，进而激发学生对科研和学习的双重兴趣。

再者，可适当地安排课后文献调研任务。如在学期开始的第一次课后可安排学生查阅文献调研“摩尔定律的极限与延长方法”，通过文献调研让学生们从多方面了解微电子领域和集成电路发展的前沿动态，认识限制我国芯片发展的主要“卡脖子”问题。在期末课程的最后，可安排学生调研新型二维半导体材料的研究进展，通过文献汇报和多媒体课件展示两种形式考察学生的完成情况，利用翻转课堂的新型教学模式来锻炼学生的文献调研、分类汇总、语言表达等多方面的综合能力。

1.3 考核方式

除课程内容丰富完善和自成体系、教学方法的多样化外，“半导体材料”课程的考核方式也在与时俱进。课程评价不再是单纯的期末闭卷考试的考核方式。而是通过多渠道来全面考察学生对知识的掌握情况。成绩的评定包括课堂作业、课后作业、课后调研、期中考试成绩、期末考试成绩。其中，课堂作业、课后作业和课后调研占20%，期中考试成绩占25%，期末考试成绩占55%。布置课上作业的目的在于既能使教师及时掌握学生对知识的接受程度并随时调整课程内容和讲授方式，也能调动学生的学习积极性并加强听课专注力。布置课后作业的目的在于使学生加深对重点和难点知识内容的理解，巩固课程内容。布置课后调研任务的目的在于培养学生文献调研、分类整理和表达等多方面的综合能力。期末考试试题应着重考察学生对知识的理解和运用能力，教学的宗旨是让学生深刻理解“半导体材料”课程中涉及的概念、材料性质、生长原理和材料制备的方法，而不是生硬地暂时性记忆知识。这种综合的考评方式能比较客观、公平、公正地评估学生对知识的掌握情况。依照课程考核结果，授课教师对教学方法和内容做出改进，从而不断提升课程的教学效果。

2 结语

“半导体材料”课程分别在课程内容设置、教学方法和考核方式几个方面进行了综合性的改革。在课程内容设置上，基于杨树人先生等编著的《半导体材料》教材的知识框架体系增添了相图的基础理论知识和新型二维半导体材料的研究进展两部分内容。课程内容包括半导体材料的生长理论知识、半导体材料的生长方法和提纯技术、半导体材料的应用领域和前沿动态。通过学习课程，使学生们全面了解半导体行业所涉及的相关知识并培养学生对本专业的兴趣。在教学方法上，通过转被动学习为主动学习的方式调动学生学习的积极性；采用线上线下相结合的教学模式来提高教学的效率和水平，利用实践教学、多媒体等手段激发学生对知识的学习兴趣；将科学前沿的动态及时输入到课堂教学中，进而使同学们切实体会到课堂知识在实践中的运用。最终，通过多渠道多途径的教学手段，培养学生主动学习、独立思考和解决问题等多方面的能力。

在考核方式上，通过课上、课后作业，期中考试、期末考试等多种考察方式来合理地评价学生对知识的掌握情况。教学改革的最终目的在于以教学为本提高本课程的教学质量，探索提升学生综合素质的教学方法，为国家培养高素质的微电子学科人才。