《微電子器件》課程的深度學習建設

趙紅東，孫梅，韓力英

河北工業(yè)大學 電子信息工程學院，天津，300401

0 引言

2018年教育部提出“淘汰水課”“打造金課”，堅持學生中心、產(chǎn)出導向、持續(xù)改進的理念，建設具有高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度的一流本科課程，以此示范帶動更多高校和教師參與教學改革。因此，本科課程建設一流化是未來高等教育發(fā)展改革需要不斷探索、不斷推進的。過去兩年，全國各高校都在積極申報各級一流課程，在這種時代背景下，電子科學與技術《微電子器件》專業(yè)課程組積極探索并向著一流課程建設，通過多元協(xié)同機制，科研與教學深度融合，多學科、多門課程交叉融合，建設兩性一度的一流課程，使學生不僅在課程知識的淺層方面學習，更注重學生的能力培養(yǎng)等深度學習層面。

1 《微電子器件》課程的教學目標

半導體器件和集成電路是電子科學與技術的發(fā)展方向，其中集成半導體二極管、雙極性晶體管（BJT）和場效應晶體管（FET）已經(jīng)成為微電子器件的核心，是大規(guī)模集成電路、高功率和高頻率電路的關鍵單元，因此，《微電子器件》是一門關鍵課程。該課程的教學目標分為知識、能力和素質(zhì)目標。其知識目標是能夠綜合運用所掌握的知識、方法和技術，判斷PN結、BJT、MS和場效應晶體管基本原理的正確性；建立分析半導體PN結、BJT、MS及場效應晶體管的物理模型以及數(shù)學描述，并正確證明其原理；能夠運用晶體管中的原理，定量計算晶體管中參量，并分析晶體管參量中的關鍵因素；熟悉制造半導體器件過程中對應的器件結構，能夠繪制晶體管結構和原理圖。能力目標是能夠運用數(shù)學、自然科學及工程基礎知識，通過對具體問題的分析，增強創(chuàng)新意識、提升創(chuàng)新能力，提升解決復雜工程問題的能力。素質(zhì)目標是通過該課程的學習，提高嚴謹務實的科學態(tài)度和科學素養(yǎng)。

2 深度學習的教學方法

該課程的教學內(nèi)容比較抽象，微觀理論知識學生很難掌握，將學生納入科研團隊，進行深度學習。課程組組建了微電子器件科研團隊，不僅在課堂上進行理論教學，而且組織學生分組進入科研實驗室，在科研學長的指導下，完成器件結構的建模、特性的仿真，使學生全面參與挑戰(zhàn)性的內(nèi)容，達到對課程的深度學習，挖掘?qū)W生的創(chuàng)新思維，初步了解科研的最新成果，使科研反哺教學，教學為科研服務，真正做到科研與教學的融合。例如，以一種新型GaN/AlN異質(zhì)結隧穿場效應晶體管（TFET）的直流和射頻性能研究來反哺教學。

3 深度學習舉例

下面以一種新型GaN/AlN異質(zhì)結TFET的直流和射頻性能研究為例，引入學生深度學習的過程。

3.1 理論講解

課堂上講解理論，使學生了解TFET已成為實現(xiàn)高效率電子器件的候選器件。電子和空穴因量子隧穿而可以穿過能帶勢壘，而傳統(tǒng)MOSFET（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）的載流子導通機制是熱擴散[1-2]。這種導通機制使得TFET可以在室溫條件下實現(xiàn)低于60mV/dec的亞閾值擺幅（SS，subthreshold swing）[3-5]。然而，在TFET中實現(xiàn)高輸出電流是研究人員面臨的一個重大挑戰(zhàn)[6]。TFET中載流子的帶帶隧穿主要存在兩種阻礙：帶隙之間的隧穿勢壘高度、隧穿勢壘的厚度[7]。由于窄帶隙材料具有更低的隧穿勢壘，因此，這種材料構成的隧穿晶體管通常能夠獲得更高的輸出電流。然而，當器件為反向偏置狀態(tài)時，過窄的能帶會導致雙極電流產(chǎn)生，這意味著更高的關斷電流，并且破壞電路的操作邏輯[8-9]。具有優(yōu)異開關性能的III族氮化物（如GaN和AlN）已成為電力傳輸應用的主要選擇[10-13]。與Si相比，III族氮化物由于具有可調(diào)的能帶和直接隙結構而得到廣泛的關注。GaN/InN異質(zhì)結TFET被認為是提升ION的一種方法[12]。AlN是一種寬帶隙材料，AlN基TFET的雙極電流很小。對于寬禁帶半導體材料來說，它們的隧穿勢壘高度很高，通常在這種材料的器件中發(fā)生隧穿的概率很小。一層薄的AlN夾在P型和N型GaN之間時，會在異質(zhì)結表面引入極化電荷，這種結構稱之為PITJ（Polarization Induced Tunneling Junction）[7,14,15]。同時，極化效應彌補了p型GaN材料雜質(zhì)電離能過大的缺陷[16-17]。GaN摻雜的受主雜質(zhì)Mg具有174meV的電離能，使得GaN器件難以實現(xiàn)重摻雜PN結，這不利于隧穿電流的產(chǎn)生。極化電荷的存在使得結邊界能帶彎曲，這種彎曲縮短了隧穿勢壘的寬度，這會提升隧穿電流的大小[7]。

3.2 實驗學習

在實驗室中，通過科研讓學生親自模擬仿真一種帶有AlN極化夾層的GaN/AlN異質(zhì)結隧穿晶體管的結構和性質(zhì)，來達到學生深度學習《微電子器件》課程的目的。

3.2.1 模型校準

Atlas半導體器件模擬是一種常用的模擬半導體器件的電學性能和制造流程的一種工具。學生使用Atlas仿真軟件，建立模型。GaN基隧道二極管的結構與校準結果分別如圖1（a）[15]和圖1（b）所示。對該器件進行校準時，重點關注極化效應對隧穿電流的影響，因此，當二極管尚未導通時，模型與實驗數(shù)據(jù)存在較大偏離。

圖1 隧穿二極管

GaN/AlN異質(zhì)結TFET的結構與校準結果分別如圖2（a）[7,18]和圖2（b）所示。

圖2 GaN/AlN TFET

3.2.2 實驗結果

指導學生使用Atlas仿真軟件對半導體器件進行電學參數(shù)的仿真。器件的具體結構如圖所示，圖3（a）為傳統(tǒng)的對照結構，圖3（b）為AlN基夾層凹陷型TFET，圖3（c）為AlN基夾層凸起型TFET。

圖3 器件結構圖

表1所示為器件結構的具體參數(shù)值。TS、TC和TD分別是源區(qū)、溝道和漏區(qū)的厚度，TC是器件的長度，TP是GaN口袋層的厚度，TAlN是AlN極化層的厚度，T1和L1分別是擴展AlN層的厚度和長度，氧化物的厚度固定在2nm。

表1 器件參數(shù)和對應數(shù)值

極化效應對器件的能帶的影響如圖4所示。實線所示為帶有AlN夾層的隧穿二極管導帶與價帶能帶圖（EC_TD以及EV_TD），虛線所示為沒有AlN夾層的普通GaN二極管能帶圖（EC_CD以及EV_CD），能量為0處的虛線是費米能級的位置。隧穿二極管的隧穿勢壘寬度顯著小于普通二極管的隧穿勢壘寬度，這有助于提升載流子的隧穿概率。

圖4 GaN/AlN 隧穿二極管的能帶示意圖

器件的簡要工藝流程如圖5所示。漏極區(qū)利用分子束外延（MBE，Molecular Beam Epitaxy）在GaN襯底上生長[圖5(a)]，然后刻蝕漏極區(qū)[圖5(b)]，SiO2沉積在漏區(qū)兩側(cè)[圖5(c)]。AlN層同樣由MBE生成[圖5(d)]，氧化層作為硬掩膜沉積在AlN層上，之后AlN層被部分刻蝕[圖5(e)]，重p型GaN和本征GaN先后在此基礎上由MBE生長[圖5(f)]。柵極和柵極氧化物通過沉積法生成[圖5(g)]這兩層材料之后會被部分蝕刻[圖5(h)]。源極層由MBE生長，三個電極由金屬沉積生長[圖5(i)]。

圖5 GaN TFET 制造流程

這三種結構的轉(zhuǎn)移特性曲線如圖6所示。坐標右側(cè)刻度為半對數(shù)坐標，左側(cè)為線性坐標。由圖6可以看出，結構3的轉(zhuǎn)移特性曲線具有更低的亞閾值電壓、更低的亞閾值擺幅以及與結構2相差不大的輸出電流。因此，結構3所示的TFET具有更好的電學性能。

圖6 三種結構的轉(zhuǎn)移特性曲線

3.2.3 器件深度學習結果

學生通過分組進入實驗室，使用軟件模擬器件結構及特性，進一步了解了隧道擊穿的原理，理解了不同結構的TFET器件的轉(zhuǎn)移特性，初步建立了科研意識。

4 結論

深度學習能夠使學生在知識學習中形成核心素養(yǎng)，使學生在課程內(nèi)容學習中成長和發(fā)展。課程基礎知識學習是淺層學習，是不能完成核心素養(yǎng)的培養(yǎng)的，因此，深度學習是未來教育的首要任務。本文采用教學與科研相融合的方式，從實驗的角度，引導學生建立器件模型，進行仿真，深度學習器件的特性，以學生深度學習為主導建設一流課程，完成教學的最終目標，實現(xiàn)學生的全面發(fā)展。