“微電子材料設計與器件仿真”的教學改革與實踐

［摘 要］ 傳統的微電子材料和器件類課程開展的一些常規實驗存在過程煩瑣、耗時長、費用高等問題。南京理工大學材料物理專業以培養德才兼備的專業技術人才為目標，將仿真模擬技術引入教學，開設了融合思想政治教育的課內綜合性實驗，實驗包括思想政治教育引課、半導體材料設計和電子性質計算、器件模型搭建和仿真。適時運用上機操作可以將理論與實踐更好地結合，極大地增強教學的表現力，既可以激發學生科技報國的信念及使命擔當，又能夠培養學生的高階創新實踐能力，為我國微電子技術人才的培養提供有力的保障。

［關鍵詞］ 課程思政；綜合性實驗；微電子；材料設計；器件仿真

［基金項目］ 2021年度江蘇省教改重點項目“材料新工科人才‘跨科融合、浸潤實踐、校際協同’培養模式研究”（2021JSJG105）

［作者簡介］ 張勝利（1984—），男，河南商丘人，博士，南京理工大學材料科學與工程學院教授，主要從事低維信息功能材料及器件研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）43-0065-04 ［收稿日期］ 2023-12-08

引言

微電子與集成電路產業發展迅猛，已成為支撐經濟社會發展與保障國家安全戰略性、基礎性和先導性的產業，但仍面臨著嚴峻的“卡脖子”難題，國內高端師資、工程技術人才稀缺，這就對高等學校專業人才培養提出了更高要求。目前，人工智能、物聯網、航空航天、能源工業等多個領域涉及的半導體材料及器件的特征尺寸已達到微納米尺度［1-3］，新型電子材料設計和器件仿真發揮著重要作用，微電子技術已成為評價一個國家科技水平及綜合國力的重要標準。在此背景下，南京理工大學材料物理專業開設了“微電子材料設計與器件仿真”課程，主要包括材料設計理論簡介、模型構建優化、熱力學、動力學及機械性質模擬、電子材料電子結構模擬、相關器件仿真基礎、二維工藝仿真和器件仿真、器件—電路混合仿真等內容，旨在培養具有創新實踐能力的微電子技術人才。

微電子材料和器件類課程開展的一些常規實驗存在過程煩瑣、耗時長、費用高等問題［4］，結合目前部分實驗開展的痛難點，我們將仿真模擬引入課內教學，設計了一些驗證性、設計性和綜合性的課內實驗。培養德才兼備、知行合一的專業人才是高校教學的核心任務。2016年，習近平總書記在全國高校思想政治工作會議上強調，“要堅持把立德樹人作為中心環節，把思想政治工作貫穿教育教學全過程，實現全程育人、全方位育人”“使各類課程與思想政治理論課同向同行，形成協同效應”［5］。這也為我們高校教師在教書育人過程中指明了前進的道路和方向。因此，在“微電子材料設計與器件仿真”課程教學中，教師須在傳授專業知識的同時，塑造學生的品格，培養學生對器件設計的創新能力，激發學生科技報國的家國情懷和使命擔當［6］。

本文以融合了思政教育的課內綜合性實驗為例，對此類仿真實驗教學開展了探究，培養了學生的愛國主義情懷和創新實踐精神。相比于傳統的實驗制備和性能測試，基于仿真模擬的綜合性實驗可以有效縮短實驗時長，讓學生全方位、多角度地理解專業理論知識應用于工程實踐中的途徑。在仿真模擬的綜合性實驗教學中，適時地融入思政元素，有助于極大地增強教學的表現力，有效拓展學生對微電子技術認知的深度和廣度，培養學生的高階思維和創新能力，激發學生對于學習內容的責任感和使命感。

一、綜合性實驗設計案例

（一）實驗設計思路

筆者基于價值塑造、能力培養和知識傳授“三位一體”的教學理念，以全方位育人為目標，設計了二維層狀Ⅲ-Ⅵ族半導體電子結構及其MOSFET器件性能研究的綜合性實驗。該實驗融合了微電子材料設計和器件仿真的理論知識及仿真軟件的實際操作，非常適合材料物理專業學生的本科教學。

（二）思政教育引課

為了深入貫徹落實習近平總書記在學校思想政治理論課教師座談會上的重要講話精神，南京理工大學材料物理專業以立德樹人為根本任務，對標《高等學校課程思政建設指導綱要》的要求，全面推進課程思政教育。筆者將德育和專業教育相融合，做到春風化雨、潤物無聲，力爭提高課堂的教學效果。在開展實驗前，教師著重向學生介紹場效應晶體管是集成電路、微處理器以及計算機內存等微電子系統的基本元器件，也是目前我國在芯片設計“卡脖子”領域的重要環節。近年來，美國針對華為的芯片事件，值得我們每一名大學生深刻思考。個人的成長與國家的命運緊密相連，我們作為中華民族的一分子，理應奮發圖強、報效祖國。這樣的科學家有很多，例如，我國半導體事業的奠基人——黃昆院士，在1951年放棄國外優越的條件毅然回國，為我國的科研和教育事業奉獻了一生，開創了我國半導體物理學科等嶄新領域。

在這個環節中，我們要求學生在課上分組討論：（1）當年青年學子能干什么？（2）我們以后要成為什么樣的人？（3）個人的發展與國家的命運是怎樣緊密聯系在一起的？通過此環節的討論，可以有效激發學生科技報國的信念和使命擔當，培養具有家國情懷的專業技術人才。

（三）實驗原理

金屬—氧化物—半導體場效應晶體管（MOSFET）是集成電路、微處理器以及計算機內存等微電子系統的基本元器件，與其他元器件組合可以實現電壓的增益和信號功率的放大等功能。然而，隨著器件物理尺寸的減小，短溝道效應逐漸顯現使得器件性能退化，加劇了漏電流和功耗的問題［7］。探索采用合適的二維半導體材料，是解決傳統硅基晶體管性能極限的有效方法。

（四）實驗目的

實驗目的：（1）掌握二維半導體材料的理論設計方法；（2）掌握二維半導體材料電子性質的計算及分析；（3）掌握MOSFET器件的基本結構及設計方法；（4）掌握MOSFET器件仿真模擬的參數設置及收斂技巧。

（五）實驗內容

基于密度泛函理論（DFT）結合非平衡格林函數（NEGF）的QuantumATK軟件，對Ⅲ-Ⅵ族二維半導體材料MX（M=Ga， In;X=S， Se， Te）單層進行結構設計和電子性質計算，以及P型MOSFET器件的模型搭建和仿真模擬。

二、實驗環節

（一）材料設計

材料的性質決定了器件的性能，因此，實驗選擇了MX（M=Ga， In; X=S， Se， Te）單層作為MOSFET的溝道材料。Ⅲ-Ⅵ族單層MX材料是與InSe同族的一系列二維材料。所有MX單層均為雙層屈曲蜂窩六邊形結構，共價鍵X—M—M—X在晶面上。結構優化后，MX單層的晶格常數和有效層厚度會隨著硫族元素X和Ⅲ族元素M的原子半徑增大而增加。

（二）材料的電子性質

計算了幾種二維MX單層的能帶結構，隨著硫族元素X=S， Se， Te變化，價帶頂越來越靠近Γ點，伴隨著價帶頂色散程度的逐漸增強，帶隙和空穴有效質量也呈下降趨勢。幾種材料價帶頂的色散程度相對較弱，在Γ處形成類似墨西哥帽的能帶形狀。這種呈墨西哥帽狀色散的能帶結構會在價帶頂處形成了范特霍夫奇點狀的態密度，更利于誘導更低的帶內隧穿，有助于降低短溝道下的漏電流，因此，單層MX應用于P型MOSFET時有望具有良好的輸運性質。

（三）FET器件模型搭建

將單層MX作為溝道材料，模擬單層MX在雙柵P型MOSFET中的輸運性質。構建了如圖1所示的P型MOSFET器件模型，輸運沿MX單層的鋸齒形方向進行。源漏兩側電極為P型重摻雜的MX單層材料，上下為柵極，等效氧化層厚度為0.4 nm。通過構建MOSFET器件模型，學生對于理解場效應概念有了更深刻的認識，即場效應是指電流由垂直于電荷流動方向的電場控制。

（四）MOSFET器件仿真模擬

使用QuantumATK軟件對MX單層的輸運性質進行計算。當場效應晶體管處在正常工作狀態時，導電載流子會在源漏電壓的作用下從源極沿溝道進入漏極，形成了源漏電流，而導電溝道是否導通取決于柵極的電壓偏置情況。

1.摻雜濃度對輸運性質的影響。在源極和漏極區采用適當的摻雜濃度很關鍵，在我們的實驗中，分別進行了1×1014 cm-2和2×1014 cm-2濃度的空穴摻雜。器件的I-V特性曲線如圖2所示，對于P型MOSFET器件，源漏偏壓一定時，柵壓越小，漏極越能輸出更高的電流，而最終趨近的電流，對應了器件可以達到的最大工作電流；在柵壓一直增大時，漏極趨近于輸出的最小電流，對應了器件遭受短溝道效應時不可避免的漏電流。

教師總結：MX單層在5 nm尺度MOSFET中應用時，計算范圍內工作狀態可以達到的最大電流以及器件漏電流的排序與空穴有效質量的排序有關，隨著空穴有效質量的增大，器件漏電流減小，最大工作電流減小。對于5 nm尺度下源漏摻雜濃度為2×1014 cm-2的P型MOSFET器件，大多數MX單層最大工作電流仍能達到103 μA/μm以上。

2.不同體系的亞閾值擺幅。亞閾值擺幅（SS）是評價器件性能的一個關鍵參數［8］，用于評估短通道效應的影響。小的SS表示柵極對溝道可以進行更好的控制，也意味著具有更好的器件開關特性。從圖2（b）中可以觀察到，InSe和InTe有著更低的亞閾值擺幅，說明在5 nm尺度下InSe和InTe有著良好的開關特性。

3.溝道長度對輸運性質的影響。保持電極摻雜濃度為2×1014 cm-2，將溝道長度擴展到10 nm，器件可以達到的最大工作電流幾乎沒有變化，而漏電流有明顯的降低，因此，10 nm溝道器件中SS也隨之變得更加陡峭。教師總結：在同一電極摻雜濃度以及同一溝道尺度下，隨著空穴有效質量增加，MX單層漏電流也隨之減小，再一次驗證了空穴大的有效質量在屏蔽漏電流方面有所作用的規律。

（五）器件仿真結果匯總

經過幾個小組對不同參數下的器件進行仿真模擬后，將所有結果進行匯總。通過對比，學生應該能從中認真分析數據，發現規律。提問學生：（1）電極摻雜濃度對器件工作電流和漏電流的影響；（2）MX單層材料的空穴有效質量和輸運特性之間的關聯；（3）溝道長度對器件性能的影響。

教師總結：Ⅲ-Ⅵ族半導體MX單層應用于5 nm尺度器件時，關閉區域產生隧穿電流仍低于ITRS 2013對2028年高性能5.1 nm尺度器件的展望，同時在打開區域可以達到高于103 μA/μm的工作電流，最小亞閾值擺幅能夠達到71 mV dec-1。因此，在微納電子器件領域，MX單層應用于P型MOSFET具有良好的前景。

結語

南京理工大學材料物理專業注重培養學生的愛國主義情懷和創新實踐精神。在實驗教學中，通過華為芯片事件的切入，不僅使學生了解到目前我國半導體行業存在的短板，還提出了有望解決的方式——采用二維材料突破傳統硅基材料的短溝道效應，進一步延續摩爾定律，從而調動學生的學習興趣，激發學生科技報國的情懷以及使命擔當。在筆者設計的綜合性實驗中，將光電材料理論設計、電子結構性質模擬及MOSFET器件的仿真整合到一起，適時地運用上機操作可以將理論與實踐更好地結合，極大地增強教學的表現力。該實驗既是對課堂理論知識的深化，又是對學生高階思維和創新能力的培養，能為本專業學生畢業后走向研發崗位和技術應用工作崗位打下良好的基礎，為我國半導體行業的人才培養提供了有力的保障。

參考文獻

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［5］習近平在全國高校思想政治工作會議上強調 把思想政治工作貫穿教育教學全過程 開創我國高等教育事業發展新局面［N］.人民日報，2016-12-09（1）.

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［8］許磊，胡夢真，宋增才，等.非晶氧化物薄膜晶體管的制備及電學性能綜合性教學實驗設計與實踐［J］.實驗技術與管理，2022（8）：181-184.

Teaching Reform and Practice of the Course of Microelectronic Material Design and Device Simulation

ZHANG Sheng-li， ZOU You-sheng， SHI Xiao-qin， ZENG Hai-bo

（School of Materials Science and Engineering， Nanjing University of Science and Technology， Nanjing，

Jiangsu 210094， China）

Abstract： Some conventional experiments conducted in traditional courses of Microelectronic Material Design and Device Simulation have problems such as cumbersome processes， long-time consumption， and high costs. The material physics major in Nanjing University of Science and Technology aims to cultivate professional talents with both moral and professional abilities. Thus， it introduced simulation technology into teaching and offering the comprehensive experiment that integrates ideological and political education in class. This experiment includes the introduction of ideological and political education， semi-conductormaterial design and electronic property calculation， device modeling and simulation. Timely application of computer operation can better combine theory and practice， greatly enhancing the expressive power of teaching. This not only inspires students’ belief and mission to serve the country through science and technology， but also cultivates their high-level innovation and practical abilities， providing effective guarantees for the cultivation of talents for microelectronic technology in China.

Key words： curriculum ideology and politics; comprehensive experiment; microelectronics; material design; device simulation