“現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理”課程改革與探索

謝生 徐江濤 韓旭 張珊 蘭馗博

[摘 要] 隨著微電子技術(shù)進(jìn)入后摩爾時(shí)代，集成電路專業(yè)的研究生不僅要掌握現(xiàn)行的硅基微電子技術(shù)，還要能夠應(yīng)對(duì)行業(yè)未來的重大技術(shù)變革，引領(lǐng)時(shí)代發(fā)展。作為本科生“微電子器件基礎(chǔ)”的進(jìn)階課程，“現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理”是集成電路專業(yè)研究生的核心課程，研究生對(duì)器件物理知識(shí)的熟識(shí)程度直接影響其半導(dǎo)體器件分析和集成電路設(shè)計(jì)能力。本課程改革以“學(xué)生中心，產(chǎn)出導(dǎo)向”為指導(dǎo)，通過梳理課程知識(shí)體系，構(gòu)建模塊化的知識(shí)地圖，將最新學(xué)術(shù)成果和行業(yè)動(dòng)態(tài)融入教學(xué)內(nèi)容，并利用翻轉(zhuǎn)課堂、分組討論等教學(xué)新模式和多元考評(píng)體系培養(yǎng)研究生的創(chuàng)新思維，提升研究生學(xué)習(xí)的積極性、主動(dòng)性和課程參與度。本課程的教學(xué)改革成果為集成電路專業(yè)研究生的核心課程建設(shè)和人才培養(yǎng)提供了一定的參考。

[關(guān)鍵詞] 課程改革;人才培養(yǎng);集成電路;微電子器件

[基金項(xiàng)目] 2020年度天津大學(xué)研究生創(chuàng)新人才培養(yǎng)項(xiàng)目“科教產(chǎn)教融合推動(dòng)卓越微電子人才培養(yǎng)”（YCX202048）;2021年度天津大學(xué)研究生創(chuàng)新人才培養(yǎng)項(xiàng)目“‘強(qiáng)芯夢(mèng)引領(lǐng)的‘異質(zhì)異構(gòu)集成微電子人才培養(yǎng)”（YCX202115）;2020年度天津大學(xué)教改項(xiàng)目“微電子工藝原理課程思政”（202013）

[作者簡介] 謝 生（1978—），男，河北張家口人，博士，天津大學(xué)微電子學(xué)院副教授，主要從事半導(dǎo)體器件與模擬集成電路設(shè)計(jì)研究;徐江濤（1979—），男，河北唐山人，博士，天津大學(xué)微電子學(xué)院教授，主要從事集成電路設(shè)計(jì)研究;韓 旭（1985—），男，天津人，碩士，天津大學(xué)微電子學(xué)院講師，主要從事大學(xué)生思想政治教育研究。

[中圖分類號(hào)] G420 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A[文章編號(hào)] 1674-9324（2022）03-0041-04[收稿日期] 2021-07-04

引言

集成電路是信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的核心，是支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和保障國家安全的戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性和先導(dǎo)性產(chǎn)業(yè)[1]。然而，目前我國集成電路技術(shù)與國際先進(jìn)水平尚存在較大差距，關(guān)鍵技術(shù)受制于人，導(dǎo)致我國在5G通信、大數(shù)據(jù)和人工智能等領(lǐng)域的發(fā)展受到限制，制約我國進(jìn)入全球高端產(chǎn)業(yè)鏈。近幾年先后發(fā)生的“中興事件”“孟晚舟事件”和“華為5G禁令事件”等均與集成電路芯片密切相關(guān)。大力發(fā)展集成電路產(chǎn)業(yè)、培養(yǎng)集成電路高端人才是解決這一問題的關(guān)鍵突破口。因此，需要在價(jià)值觀塑造、課程體系建設(shè)和人才培養(yǎng)模式等方面進(jìn)行改革，打破傳統(tǒng)思維和研究生培養(yǎng)體系的束縛，大膽嘗試和創(chuàng)新。

天津大學(xué)微電子學(xué)院作為重點(diǎn)建設(shè)的國家示范性微電子學(xué)院之一，積極響應(yīng)教育部等七部門關(guān)于加強(qiáng)集成電路人才培養(yǎng)的意見和新工科建設(shè)理念精神[1，2]，在研究生核心課程建設(shè)、培養(yǎng)體制與機(jī)制，以及創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)建設(shè)等方面進(jìn)行了大膽嘗試，取得了一些成果。本文以集成電路專業(yè)的核心課程“現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理”為例，探討在課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和評(píng)價(jià)手段等方面的改革措施，希望為其他高校集成電路專業(yè)的研究生核心課程建設(shè)和人才培養(yǎng)提供一些借鑒。

一、傳統(tǒng)課程模式存在的問題

（一）課程內(nèi)容陳舊，缺乏先進(jìn)技術(shù)引領(lǐng)

半導(dǎo)體器件種類繁多，技術(shù)快速更迭，而研究生培養(yǎng)體系的修訂速度難以跟上技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。特別是器件尺寸進(jìn)入納米量級(jí)，MOSFET器件受短溝道效應(yīng)、泄漏電流和亞閾值擺幅的限制愈發(fā)突出，科研人員提出了一系列基于新原理、新結(jié)構(gòu)或新材料的半導(dǎo)體器件，然而器件物理的教材建設(shè)遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于技術(shù)發(fā)展。例如，施敏先生編撰的研究生經(jīng)典教材《現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理》[3]成書于二十年前，未能涵蓋當(dāng)前流行的FinFET、GAAFET和TFET等器件新結(jié)構(gòu)。如果教學(xué)內(nèi)容中缺乏前沿理論和最新成果，研究生則難以了解和掌握半導(dǎo)體器件領(lǐng)域的最新進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì)，缺乏創(chuàng)新思維，更不可能引領(lǐng)時(shí)代發(fā)展。

（二）理論實(shí)踐脫節(jié)，難以適應(yīng)行業(yè)發(fā)展

集成電路人才培養(yǎng)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，除了掌握基礎(chǔ)理論外，還需要通過工程實(shí)踐加深知識(shí)的理解與應(yīng)用，因此，需要高校與產(chǎn)業(yè)界相互協(xié)作，實(shí)現(xiàn)資源和優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，共同為社會(huì)發(fā)展和進(jìn)步培養(yǎng)具有創(chuàng)新思維和能解決工程實(shí)際問題的集成電路人才。然而傳統(tǒng)課程模式重理論、輕實(shí)踐，難以實(shí)現(xiàn)學(xué)以致用、以用促學(xué)[4]。由于缺乏工程實(shí)踐經(jīng)歷，研究生解決工程實(shí)際問題的能力也不強(qiáng)。

（三）教學(xué)模式單一，缺乏創(chuàng)新能力培養(yǎng)

傳統(tǒng)教學(xué)模式以教師講授為主，學(xué)生被動(dòng)接受，主動(dòng)思考和探索的積極性不高，而且半導(dǎo)體器件種類繁多，難以涵蓋所有學(xué)生的興趣點(diǎn)，整體學(xué)習(xí)效果并不理想。對(duì)于研究生課程教學(xué)，更應(yīng)該革新教學(xué)模式，激發(fā)學(xué)生的主觀能動(dòng)性和自由探索精神，培養(yǎng)創(chuàng)新思維和解決問題的能力，以更好地應(yīng)對(duì)未來的技術(shù)變革。

（四）評(píng)價(jià)方式片面，專業(yè)綜合素質(zhì)不強(qiáng)

傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方式僅考查研究生對(duì)理論知識(shí)的掌握程度，用一張?jiān)嚲碓u(píng)價(jià)學(xué)生的整體學(xué)習(xí)成效，缺乏對(duì)學(xué)生創(chuàng)新思維、實(shí)踐能力和專業(yè)綜合素質(zhì)的考查，從而導(dǎo)致學(xué)生重理論而輕實(shí)踐，缺乏解決工程實(shí)際問題的能力。

二、改革措施與成效

針對(duì)上述問題，本課程改革以學(xué)生為中心，圍繞集成電路產(chǎn)業(yè)對(duì)半導(dǎo)體器件物理的技術(shù)需求和學(xué)生興趣點(diǎn)，在掌握理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和學(xué)術(shù)交流能力。在課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式和評(píng)價(jià)考核等方面進(jìn)行了革新，探索了集成電路相關(guān)專業(yè)研究生培養(yǎng)的新模式。

（一）教學(xué)內(nèi)容更新與優(yōu)化

在過去的幾十年，硅基集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展一直遵循摩爾定律，即每隔兩年更新一代。當(dāng)前，基于5nm FinFET的集成電路已進(jìn)入量產(chǎn)，3nm技術(shù)將于2022年大規(guī)模投產(chǎn)，而2nm GAA結(jié)構(gòu)的納米線/納米帶器件的研發(fā)進(jìn)展順利。然而，通過進(jìn)一步縮小器件尺寸以提升芯片性能的方案并不經(jīng)濟(jì)，所以當(dāng)前集成電路產(chǎn)業(yè)同時(shí)向More than Moore和Beyond Moore方向發(fā)展[5]。在這種情況下，需要從器件結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)構(gòu)架方面尋求改變，以適應(yīng)3D堆疊的異質(zhì)異構(gòu)集成。而Beyond Moore則打破傳統(tǒng)硅基限制，利用納米尺度下二維材料的優(yōu)異特性，使用石墨烯、二硫化鉬等新型材料，構(gòu)建基于電子自旋、量子干涉和憶阻等新機(jī)理的器件[6]。此外，受6G通信、超高密度存儲(chǔ)和太赫茲探測(cè)等需求的驅(qū)動(dòng)，各種新器件、新技術(shù)也不斷涌現(xiàn)。為了培養(yǎng)能夠適應(yīng)技術(shù)變革，甚至引領(lǐng)未來的高層次人才，在本次課程改革中，將學(xué)術(shù)前沿成果和行業(yè)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)納入課程教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生能夠把握集成電路技術(shù)的發(fā)展方向，為未來技術(shù)的更新?lián)Q代提供理論支撐。

考慮到集成電路高層次人才既要具備當(dāng)前主流器件的設(shè)計(jì)能力，迅速融入產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)，又要面向未來器件可能在材料、機(jī)理和結(jié)構(gòu)方面的重大變革，具備適應(yīng)變化以致引領(lǐng)變化的能力，我們對(duì)“現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理”的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了如圖1所示的模塊劃分。其中，器件基礎(chǔ)部分為本科生微電子器件的教學(xué)內(nèi)容，核心器件模塊為當(dāng)前集成電路所用的主流器件，也是本課程的主要講授內(nèi)容，新型器件部分則著重討論基于新材料、新機(jī)理和新結(jié)構(gòu)的學(xué)術(shù)前沿成果。

（二）教學(xué)方法與過程

在傳統(tǒng)的線下教學(xué)過程中，教師按照教學(xué)大綱要求，采取由淺到深或由易到難的方式對(duì)專業(yè)必備知識(shí)進(jìn)行講授。該教法的優(yōu)點(diǎn)在于學(xué)生可以了解本課程所需掌握的大部分專業(yè)知識(shí)，但由于不同學(xué)生的興趣點(diǎn)和研究方向不同，很難因材施教，使學(xué)生積極參與到課程建設(shè)和課程討論中，達(dá)到教學(xué)相長的目的。根據(jù)如圖2所示的學(xué)習(xí)金字塔模型，被動(dòng)學(xué)習(xí)的平均留存率小于30%，若將課堂教學(xué)模式轉(zhuǎn)換為主動(dòng)學(xué)習(xí)，則可大大提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。為此，本次課程改革積極轉(zhuǎn)變教學(xué)理念，引入翻轉(zhuǎn)課堂，形成以學(xué)生為中心，教師講授和學(xué)生匯報(bào)相結(jié)合的教學(xué)新模式。

在32學(xué)時(shí)的教學(xué)安排中，教師利用前20學(xué)時(shí)講授核心模塊的主流器件，學(xué)生在理解這些器件的基本原理和結(jié)構(gòu)后，結(jié)合個(gè)人興趣，對(duì)當(dāng)前學(xué)術(shù)前沿的自旋電子器件、憶阻器和隧穿效應(yīng)晶體管等新型器件進(jìn)行文獻(xiàn)調(diào)研、學(xué)習(xí)和歸納整理，并通過PPT進(jìn)行成果匯報(bào)。另外，從工程實(shí)踐設(shè)計(jì)庫中選取感興趣的實(shí)踐課題，進(jìn)行TCAD仿真設(shè)計(jì)。通過上述改革措施，提高了學(xué)生的課堂參與度和主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性，培養(yǎng)了探索精神和創(chuàng)新思維。

（三）評(píng)價(jià)與考核

課程以“學(xué)生中心，產(chǎn)出導(dǎo)向”為指導(dǎo)，開展全過程、多維度評(píng)價(jià)。注重學(xué)生創(chuàng)新思維、專業(yè)素質(zhì)和溝通交流等多方面的考核，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性。在評(píng)價(jià)體系中，平時(shí)表現(xiàn)占10%，PPT成果匯報(bào)占40%，研究學(xué)習(xí)報(bào)告占50%。其中，PPT成果匯報(bào)成績從版式（10%）、前沿性與新穎性（20%）、深度與廣度（30%）、講解效果及溝通交流（40%）四個(gè)方面進(jìn)行評(píng)定。

考慮到學(xué)時(shí)和學(xué)生人數(shù)，本課程要求每4人為一組，學(xué)生按照個(gè)人興趣自行分組、選題題目后，進(jìn)行組內(nèi)和組間研討。為保證所有學(xué)生都積極主動(dòng)地參與課程學(xué)習(xí)，在PPT成果展示前隨機(jī)確定本組的匯報(bào)人，并且匯報(bào)人的成績代表本組的成果匯報(bào)成績，從而有效避免個(gè)別學(xué)生偷懶的現(xiàn)象。由于PPT匯報(bào)是全組學(xué)生分工協(xié)作的共同成果，所以在交流討論環(huán)節(jié)中組內(nèi)成員均可解答。為保證PPT成果展示具有一定的深度和廣度，要求人均參考文獻(xiàn)不少于十篇，匯報(bào)時(shí)間控制在20～25分鐘，溝通交流環(huán)節(jié)5～10分鐘。為提高學(xué)生的課堂參與度，選派學(xué)生代表對(duì)PPT匯報(bào)進(jìn)行評(píng)分，積極交流學(xué)生的表現(xiàn)，并以此為依據(jù)納入平時(shí)成績。授課教師則作為評(píng)分細(xì)則的制定者和評(píng)委之一，指導(dǎo)學(xué)生代表完成PPT成果匯報(bào)的成績?cè)u(píng)定，并根據(jù)學(xué)生評(píng)分情況，適當(dāng)調(diào)整學(xué)生評(píng)分和教師評(píng)分的比重。

在課程結(jié)束后，各組學(xué)生將學(xué)習(xí)和調(diào)研情況撰寫成研究學(xué)習(xí)報(bào)告，并列出小組成員的貢獻(xiàn)比例。報(bào)告格式嚴(yán)格按照指定論文模板格式，使研究生提前熟悉科技論文寫作體例和規(guī)范。教師根據(jù)學(xué)生的平時(shí)表現(xiàn)、PPT成果展示和研究報(bào)告的貢獻(xiàn)核算最終成績。

（四）改革成效

通過課程改革，實(shí)現(xiàn)了以學(xué)生為中心、教師為主導(dǎo)的教學(xué)新模式。研究生在掌握集成器件所需的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)外，可根據(jù)自己的興趣進(jìn)行探索，訓(xùn)練了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的思維，提高了自主學(xué)習(xí)的積極性和課程建設(shè)的參與度，增強(qiáng)了研究生學(xué)習(xí)的成就感與獲得感。此外，通過PPT成果匯報(bào)和研究報(bào)告撰寫，培養(yǎng)了研究生學(xué)術(shù)交流和科技論文寫作能力，也豐富了“現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理”的教學(xué)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)相長和師生共同進(jìn)步。

結(jié)語

“現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理”課程教學(xué)改革的目標(biāo)是探索適合新形勢(shì)下研究生人才培養(yǎng)的新范式。本文從課程內(nèi)容建設(shè)、教學(xué)模式革新和評(píng)價(jià)方式轉(zhuǎn)變等方面進(jìn)行了有益的探索，形成了以學(xué)生為中心、教師為主導(dǎo)的教學(xué)新模式。通過引入最新研究成果、翻轉(zhuǎn)課堂和多元考評(píng)體系等方式，不僅促使研究生把握集成電路技術(shù)的發(fā)展方向，而且培養(yǎng)了其發(fā)現(xiàn)、解決問題的思維和學(xué)術(shù)交流能力，為其適應(yīng)變化以至引領(lǐng)未來技術(shù)發(fā)展方向提供必要的專業(yè)知識(shí)支撐。

參考文獻(xiàn)

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Reform and Exploration of Modern Semiconductor Device Physics Course

XIE Sheng1，2， XU Jiang-tao1，2， HAN Xu1， ZHANG Shan1， LAN Kui-bo1，2

（School of Microelectronics， Tianjin University， Tianjin 300072， China; 2. Tianjin Key Laboratory of Imaging and Sensing Microelectronic Technology， Tianjin 300072， China）

Abstract： As microelectronic technology steps into post-Moore era， the postgraduate students majoring in integrated circuit need not only to master the current silicon-based microelectronics technology， but also to have the ability to cope with the future technical innovations. As the advanced course of Fundamental of Microelectronic Devices， Modern Semiconductor Device Physics is one of the core courses for graduate students majoring in integrated circuits， and the knowledge of device physics directly affects students semiconductor device analysis ability and IC design ability. This course reform is guided by the student-centered and output-oriented concepts， and a modular knowledge map is constructed by reorganizing the professional knowledge system. The latest research findings and industry new progress are fused properly into the teaching. The innovative thinking of students is trained though the popular teaching modes （e.g. flipped classroom and group discussion） and multi-assessment system， thus improving the learning enthusiasm， initiative and course participation. The reform achievements provide some references for the core course construction and talent cultivation of integrated circuit major.

Key words： course reform; talent cultivation; integrated circuit; microelectronic devices