基于科学研究的教学

基于科学研究的教学——“半导体材料”课程

杨德仁　皮孝东
　材料科学与工程学系

一、课程简介

1.课程类别

专业课程

2.学科类别

工学—材料科学与工程

3.课程目标和教学内容

（1）课程目标:让学生了解和掌握半导体材料的研究历史、基本概念和原理。了解与半导体材料相关的晶体生长、缺陷控制等知识。通过对主要的半导体材料如硅（多晶硅、单晶硅）、砷化镓、氮化镓、碳化硅和氧化锌的介绍，让学生了解和掌握元素半导体、化合物半导体材料以及正在研究开发的新型半导体材料的制备、性质和应用，教授学生在微电子、光电子和太阳能光伏等领域应用半导体材料的基本知识。

（2）教学内容:半导体材料的研究历史、分类、性能和应用。半导体晶体材料生长的动力学和热力学理论以及能带原理。半导体材料制备的主要技术和工艺。新型半导体材料制备、性质和研究进展。

4.教学对象

材料科学与工程学系三年级或四年级本科生。

5.课程学时与教学场景

（1）课程时数:课堂教学24学时，专题报告与讨论6学时，实验教学2学时。

（2）教学场景:教室和硅材料国家重点实验室。

二、课程教学重点解决的问题

在我国建立自主科技创新体系的进程中，半导体材料人才的培养是一个重要的工作，这主要因为半导体材料在事关国家核心竞争力的高科技产业里的基础性地位。例如，被国家置于战略地位的集成电路产业是建立在半导体硅材料上的；在新能源布局中需要大力发展的太阳电池产业也是建立在以硅为代表的半导体材料上的；能够为节能环保作重要贡献的半导体照明产业则依托于以氮化镓为代表的半导体材料。所以，培养半导体材料人才对我国国民经济的发展具有重要的意义。

半导体材料人才的一个突出特点是良好的创新能力。以前的“半导体材料”教学主要是通过在课堂上讲授半导体材料知识来进行的。实际上，在浙江大学材料系和硅材料国家重点实验室有很多关于半导体材料的科学研究活动。但是，这些科学研究活动未与“半导体材料”的教学紧密结合起来以促进对学生创新能力的培养。在“半导体材料”教学改革中，我们重点探索如何充分利用我们在半导体材料科学研究上的优势，加深学生对半导体材料知识的理解，锻炼学生在半导体材料研究上的基本技能，为学生今后进行半导体材料的创新性工作奠定基础。

三、教学方法改革

1.教学实施策略与方法

硅材料国家重点实验室是国内最早建立的国家重点实验室之一，以硅材料国家重点实验室为依托的浙江大学材料物理与化学学科（原半导体材料学科）一直是全国重点学科。硅材料国家重点实验室在硅材料研究方面实力雄厚，特别是在硅晶体生长及硅中的杂质和缺陷研究上在国际上享有盛誉。而在半导体材料教学中，硅晶体材料的基本性质和制备方法是重点。借助硅材料国家重点实验室的直拉硅单晶生长设备和各种硅材料的分析测试设备，我们对学生进行有关硅材料的案例式教学。

浙江大学高度重视大学生的科研培训。目前有国家级（国家大学生创新训练计划）、省级（新苗计划）和校级（大学生科研训练计划）等针对本科生的科研训练计划。在这些科研训练计划里所开展的科研项目一般由学生个人或团队在导师的指导下进行选题、设计和实施实验，进行数据分析和撰写总结报告。由于半导体材料在国民经济中的重要性和在前沿性科学研究中的活跃性，有相当多的学生在参加科研训练计划时，希望从事有关半导体材料方面的研究。这就使我们能够很好地实现科研实践与教学的融合。

随着科研活动的不断推进，交流与协作在人们的创新工作中占据着越来越重要的位置。因此，在“半导体材料”教学中，我们通过学生参加学术报告会、做专题报告和以小组为单位完成大作业等方式培养学生的交流能力和协作精神。

2.具体实施方法举例

（1）案例式实践教学。

在讲授直拉提纯方法和直拉硅单晶时，我们把课堂搬进实验室，利用两台直拉硅单晶炉进行教学。其中一台用于展示直拉硅单晶炉的结构和多晶硅原料的配料。通过结合实物介绍直拉硅单晶炉的结构，学生能够深入理解直拉硅单晶炉各项功能的具体实施途径。比如，熔化多晶硅原料是通过石墨电极加热盛放多晶硅原料的石英坩埚来实现的。学生对多晶硅原料、石墨电极和石英坩埚在直拉硅单晶炉里的位置的观察也有助于他们理解为什么直拉硅单晶中不可避免的杂质是氧和碳。在展示多晶硅原料的配料时，我们结合硅的掺杂理论，利用实例介绍如何确定配料时掺杂剂如硼或磷的用量，从而保证最后直拉硅单晶的电阻率满足要求。另一台直拉硅单晶炉处于硅单晶的生长状态。通过观察硅单晶的实时生长，学生能够把硅从熔体转变为晶体的过程深刻地印入脑海，加深对晶体生长理论的理解。

在讲解硅晶体材料的基本性质时，我们充分利用硅材料国家重点实验室的分析测试设备，使学生在实践中掌握知识和应用知识，获得能够进行创新性研究的基本技能。例如，应用四探针电阻率测试仪，学生可以确定硅片的电阻率；应用少数载流子寿命仪，学生能够测量硅片中少数载流子的寿命；应用傅立叶变换红外光谱仪，学生能够获得硅片中常见杂质氧和碳的含量。考虑到多晶硅材料在太阳能光伏产业迅猛发展的带动下用量大增，在实践教学中我们安排单晶硅材料和多晶硅材料的比较性研究。学生通过自己的分析测试工作，总结出单晶硅材料和多晶硅材料的异同。

（2）科研训练与教学融合。

在“半导体材料”的课堂教学和实践教学中，学生掌握了有关半导体材料的一些基本理论，了解了研究半导体材料的一些技术手段。在参加科研训练计划时，学生能够把所学的知识和技术应用于科研项目的研究，而且可以根据项目的需要，学习和掌握新的半导体材料研究手段。通过体验研究过程，学生有望获得灵活应用所学知识、自主摄取新知识、分析和解决问题的能力。这将为学生今后在半导体材料领域做出创新性成果打下坚实的基础。

近年来，开展半导体材料研究的教师对指导大学生从事科研训练活动的热情呈上升趋势。尽管大学生还处于学习进行科学研究的阶段，但是他们为实验室增添了新鲜血液，带来了新气象。他们在进行项目研究时所提出的问题促进了教师更加深入地理解所研究的课题，锻炼了教师深入浅出地解释科学问题的能力，有时还直接促成了教师尝试新的研究内容。另外，借助学校对指导大学生从事科研训练活动的教师在政策及经费上的支持，活跃在半导体材料科研工作第一线的中青年教师在吸引学生进行半导体材料研究方面做了大量工作。目前，他们中的绝大部分人都担任了参加科研训练活动的大学生的导师，在人力资源上确保了半导体材料研究与教学的融合。

（3）学术研讨与交流。

学生交流能力的培养首先是安排学生参加硅材料国家重点实验室和材料系里的有关半导体材料的学术讲座。鼓励学生参加其他系如物理系、化学系和高分子系里的有关半导体材料的学术讲座。在半导体材料教学结束时，要求学生提供一个参加学术讲座的总结报告。根据学生参加学术讲座的数量、总结报告的质量以及在听学术报告时的表现（如以提问的方式与报告人互动）进行评分。特别需要指出的是，在浙江大学建设世界一流大学的进程中，浙江大学鼓励和支持教师与国外学者进行广泛的交流。现在每年都有几十位与半导体材料研究有关的国外学者访问浙江大学。他们的到来拓展了学生的视野，促进了学生国际交流能力的提高。

在课堂教学中，我们针对学生交流能力的培养设计了专题研讨。这些专题都是针对当前半导体材料领域里的前沿性研究的。例如，在2010年的教学中，我们要求学生以作报告的形式介绍一种纳米半导体材料，展示半导体材料在纳米尺度上所表现出的新特性，概述其研究历程，对已有的研究结果进行评论，最后预测其发展前景。学生在文献调研、资料分析、报告内容组织及限时演讲过程中受到了系统训练。这种训练有效地促进了学生交流能力的提高。

另外，在半导体材料教学中我们设计了以小组为单位完成的大作业。这些大作业的问题是开放式的，既紧扣半导体材料研究的前沿，又与半导体材料的教学紧密相关。例如，针对利用p型掺硼的硅制备的太阳电池存在光致衰减的情况，我们提出了如何制备出没有光致衰减的太阳电池用p型硅的问题。学生可以在小组中进行充分讨论，找到导致p型掺硼的硅光致衰减原因，接着提出解决这一问题可以采取的几种途径，然后通过理论推演和计算证明所建议的途径的可行性。在整个过程中，学生需要通力合作，对任务进行合理的分工，以保证在规定的时间内高质量地完成大作业。采用这种以小组为单位完成大作业的教学方式，学生的协作精神能够得到锻炼，有助于他们在今后的创新活动中发挥团队的优势，在竞争日益激烈的科技创新中取得好成绩。

3.教学方法特点分析

从宏观上讲，我们的教学方法强调了研究性学习。其实现的具体途径是综合应用了课堂上讲授、实验室里案例式实践教学、课外科研训练、专题研讨和团队协作等方法。我们力图实现“半导体材料”的教学与科学研究活动的融合，培养和锻炼学生在半导体材料方面的创新能力。

四、课程考核方法

我们对学生的学习进行过程考核。课程成绩分四部分:作业（15%）；专题研讨（20%）；学术交流（5%）；期末考试（60%）。另外，对在有关半导体材料的科研实践中取得优异成绩的学生进行加分（最多5分）。

五、教学效果和推广性分析

1.教学效果

进行教学改革以来，共有三届本科生（共计131人）学习了“半导体材料”课程。学生对教学效果的总体评价都是优。

2.推广性分析

目前，国内大学的科学研究水平正在不断地提高，有些专业领域已经处于国际领先水平。这就为我们大学的专业课程的教学奠定了良好的科研基础。如果能够切实地把高质量的科研活动与专业课程的教学有机地结合起来，那么学生的创新能力将会有长足进步。

六、课程教材及参考书

1.教材

［1］杨树人，王宗昌，王兢.半导体材料.北京:科学出版社，2004

2.参考书

［1］阙端麟，陈修治.硅材料科学与技术.杭州:浙江大学出版社，2000

［2］Lev I Berger.Semiconductor Materials.Boca Raton:CRC Press，1997

［3］王季陶，刘明登.半导体材料.北京:高等教育出版社，1990