基于科學前沿的光電子材料與器件課程教學設計*
——以“半導體發光二極管”為例

徐峰

(揚州大學物理科學與技術學院 江蘇 揚州 225009)

1 引言

近年來，發光二極管(LED)產業市場趨向飽和，LED產業朝向新技術和高端應用逐步轉型，利用微縮矩陣技術制備的LED器件(MicroLED)逐漸成為顯示器行業關注的熱點．相比于傳統的液晶顯示以及有機發光二極管技術，MicroLED顯示技術利用微米級像素光源，形成定址控制的高對比度、納秒級響應的顯示系統．伴隨著超高清智能5G+8K微顯示時代的來臨，MicroLED憑借其高分辨率、高穩定性、廣色域等優勢，將成為業界翹首以待的終極顯示技術，并成為光電產業新的增長點[1，2]．

光電子材料與器件是微電子專業的核心課程[3]，其中發光二極管部分是該課程的重點之一，涵蓋了半導體材料以及器件結構等知識點，展示了光電子器件獨特的光電學特性．隨著光電子技術的升級迭代，該部分內容已無法有效銜接光電產業的發展現狀，極大限制了微電子專業學生的科學思維和視野．

針對上述問題，結合作者一線教學經驗和科研實踐，本文基于MicroLED技術的前沿發展，旨在培養微電子專業學生核心素養，提出了對光電子材料與器件課程進行優化設計，尤其是圍繞“課程理論+仿真實踐”路徑開展了教學模式改革．

2 教學目標

2.1 教材分析

科學出版社《光電子材料與器件》教材是基于PN結二極管理論系統論述了LED器件結構、發光原理、特性參數以及驅動技術[3]，相關知識點圍繞發光器件原理及應用展開，提供了專業基礎的理論體系．但與之相應的是，教材沿用了傳統半導體課程的內容框架和案例選擇，缺乏對最新科技發展的引入，對半導體時代新的發展格局和新理論、新知識、新業態的補充亟待深入，因此難以拓寬微電子專業學生對光電器件領域的深層次理解和認知．

2.2 學情分析

從課程設置及知識基礎上看，微電子專業學生已系統學習半導體物理學、半導體器件物理等課程，對LED知識理論與應用有了初步認識．從認知結構上看，學生熟悉應用廣泛的發光二極管，但缺乏與新型光電子器件的接觸，科創實踐及設計能力有待提升．所以，本課程設計涵蓋的MicroLED全新微顯示器件，不僅可以加強學生對基礎理論知識的理解，更能夠激發學習專業知識的興趣，提高其未來投身國家半導體發展的熱情．

2.3 教學目標

(1)優化教學模式

傳統光電子材料與器件課程采用教材為主多媒體為輔的教學模式，注重理論知識，但教學方式單一陳舊，同時也忽略了實驗實訓和科創實踐．因此，需要創新優化基于“課程理論+仿真實踐”的教學模式，通過采用探究式、討論式以及軟件模擬結合實踐式教學，將課程理論和仿真設計相結合，引導學生養成學以致用的科創觀念，在理論基礎上搭配仿真設計培訓，提升學生對發光二極管物理特性的理解．

(2)拓寬科學思維

提升學生認知光電子器件物理本質的科學能力，結合軟件仿真設計學習，包括仿真模型、步驟、優化措施等，對發光二極管進行器件模擬，并在此基礎上提升對新型發光器件的科學探究，能基于理論提出器件設計和驗證、匯總并分析仿真結果、使用科學證據和推力預判行業發展趨勢．

(3)增強責任擔當

深入培養微電子專業學生的科學理論素養，通過對MicroLED器件的接觸和學習，了解光電子器件領域的發展，引導學生樹立責任意識和職業精神，明確自身的學習責任．同時，將課程改革作為深化創新創業教育的重要抓手，并推動與專業教育深度融合、與課程思政緊密結合，促進學生全面發展為創新創業型人才．

3 教學過程

設計以MicroLED器件的發展及迭代升級為主線，系統地將半導體器件科學前沿進展、模擬仿真工具以及科創實驗相結合，整體融入到教學過程中，圍繞“課程理論+仿真實踐”模式對教學過程進行整體優化．

3.1 引入：發光二極管前沿技術介紹

全面介紹以MicroLED新型器件為代表的發光二極管演變發展歷程，結合PPT課件展示MicroLED主流應用領域(圖1)，使學生了解現階段還存在諸多有待突破的技術瓶頸，如芯片工藝、巨量轉移、晶粒檢測修復等．重點介紹巨量轉移技術，激發學生對新技術的探索興趣，引導學生進行深入的科學思考，如何解決“卡脖子”技術難題．

圖1 MicroLED顯示器件主流應用領域(圖片來源：https://www.slideshare.net/Yole_Developpement/microled-displays-2017-report-by-yole-developpement)

開闊學生科研視野，以高端 “離子注入技術”為例，講解MicroLED器件的制備工藝，即利用高能等離子束源對半導體材料目標區域進行轟擊形成注入區域，注入深度的增大會提升離子束能量損耗，最終離子停留在材料中使光電特性發生改性效應．離子注入技術簡單可靠、注入源選擇廣、深度分布均勻，相比于傳統方法具備更好的工藝兼容性，有利于MicroLED像素的縮小及成品率的提升．因此，離子注入技術在制備MicroLED器件上具有無可比擬的優勢．

3.2 探索：模擬仿真設計軟件講解

系統講解SRIM、Crosslight APSYS軟件在光電器件設計中的應用，重點介紹如何利用仿真軟件開展MicroLED三維模擬研究，為學生科研實踐提供具體的指導．扎實的軟件模擬能力提供了強有力的輔助實驗手段，也為實驗方案設計提供了準確而系統的技術支持．

主要設計內容：

(1)SRIM軟件是模擬計算離子束在目標靶材中能量損失和分布特征，采用Monte Carlo方法模擬跟蹤入射粒子的能量損失、分布位置以及次級粒子的綜合參數，最后得到離子注入所需物理量的設計值．通過調節加速電壓，模擬計算得到不同粒子以不同角度、能量入射到半導體中的分布情況，如圖2(a)所示．

圖2 模擬仿真設計軟件的設計內容

(2)Crosslight APSYS是三維光電子器件模擬軟件，其內置數學模型可自洽解決泊松方程、載流子能量傳輸方程、電流連續性方程、熱傳輸方程．APSYS完善的三維模擬能力，能夠完成對復雜三維結構的MicroLED器件有源發光區電子輸運以及3D光線的追蹤模擬，優化器件結構設計．運算步驟如圖2(b)所示.

3.3 實踐：光電子器件科創實驗開展

利用校級器件模擬仿真平臺進行科創實踐．首先，訓練學生使用SRIM軟件模擬在半導體中形成有效的離子注入，分析具有不同能量的離子的注入效果，通過仿真深入了解離子注入在光電子器件制備工藝中的實際應用．其次，進一步訓練學生利用Crosslight APSYS軟件進行光電器件結構設計，結合已有科研成果，引導學生基于離子注入設計新型MicroLED器件，使其從底層設計邏輯上了解器件制備流程，明確器件結構與性能之間的調節機制．

4 教學安排

綜合考慮到微電子專業學生對發光二極管內容已經較為熟悉，具備了一定的理論基礎，因此在制定教學安排時，力求保持與教學大綱一致，優化改進原有授課內容，進行整體的替換升級，具體的教學設計安排如表1所示.

表1 半導體發光二極管教學設計

5 結論

光電子材料與器件作為微電子專業的核心課程，具有專業性強、學科交叉多等特征，本文針對“發光二極管”內容的傳統授課方式，提出了優化教學內容的創新和改革，基于光電子器件MicroLED技術的前沿發展，并引入“課程理論+仿真實踐”融合的教學模式，結合多元化教學手段提升教學效率．通過優化教學計劃，將理論結合科創實踐，深入學生的科學理論素養，引導學生樹立責任意識和職業精神．同時，利用課程改革深化創新創業教育，推動創新創業教育與專業教育深度融合、與課程思政緊密結合，促進學生發展成為德才兼備的創新創業型人才．