《半导体材料》课程建设的实践与思考
申慧，赵国营，侯京山，田甜
（上海应用技术大学 材料科学与工程学院，上海）
摘 要： 半导体材料是我校材料物理（光电材料）专业的一门专业基础课程，积极推进该课程的教学改革，不断优化教学内容和教学方法，对于培养学生专业兴趣，后续专业课程的学习、考研和就业产生深远影响。特别是本文结合上海应用技术大学《半导体材料》课程的特点，阐述近年来在教学内容、授课方式等方面的改革，突出应用型培养模式，注重学生综合能力培养，对相关同类课程建设具有一定参考价值。
关键词： 半导体材料；课程建设；课程思政
一 引言
材料物理是从物理角度提供材料结构、特性与性能关系的一门新兴交叉学科。该专业兼顾理论性强和实践性强的双重特点，一方面理论深度较高，另一方面与实际应用联系紧密，特别是发展迅速的微电子、光电子行业。我校材料物理（光电材料）专业紧密围绕国家和上海市重点发展的光电产业，培养具有一定工程技术能力的应用型人才，立足于光电行业，包括微电子、光电子、新能源等，具有广阔的需求前景。
《半导体材料》是材料物理专业的必修课程，主要讲述硅基半导体材料，Ⅳ-Ⅳ、Ⅲ-Ⅴ主族以及宽带隙半导体材料的基本性质、应用领域和制备技术等。作为衔接电子信息产业和材料学的基础课程，课程承接前期《固体物理》《材料物理》的相关内容，又为《半导体器件物理基础》和《微电子工艺学》打下良好的理论基础。基于我校应用型本科培养特色和材料物理专业特质，在近几年的授课过程中，我们有意识地引入与课程授课有关的企业技术人员走入课堂，讲解半导体材料的相关理论知识和制备工艺，提高了学生的学习兴趣和专业认可程度，起到了很好的教学效果。
其次，资本主义世界历史时代为未来社会提供了物质准备和阶级基础。资本主义大工业的发展为共产主义提供了世界性的巨大的生产力，而且“资产阶级不仅锻造了置自身于死地的武器；它还产生了将要运用这种武器的人——现代的工人，即无产者”[12]。所以，为实现人类的完全解放，必须依靠无产阶级的主体力量，以生产力和世界交往的普遍发展为客观物质基础，以解放的理论和全面教育为精神基础[13]。
二 我校《半导体材料》课程建设措施
《半导体材料》课程具有理论性、实践性和实用性强的特点。特别是近年来国内企业对于半导体材料提纯工艺、半导体单晶制备技术和相关光电器件技术的不断超越，是企业不断自我革新，努力追求自我价值，服务社会的例证。
（一） 优化课程内容，难易适中
在本课程的授课过程中，通过改进教学内容和方式，使知识体系得到优化，为后续专业课程奠定良好基础。半导体材料的物理机制是研究半导体材料物理特性和设计新型半导体材料的基础。但是教学过程中涉及的公式推导较多，物理概念较为抽象，采取单一的教学方式很难让学生理解透彻。基于这种情况，我们将授课内容进行了系统的优化，尽量减少公式的推导过程。在此基础上，选取一些代表性的半导体材料，利用这些物理公式对材料的性能进行预判，并与实际的测试数值进行比较，加深同学们的理解。
（二） 引入最新案例分析，增加学习兴趣
以三氯氢硅法和硅烷法提纯电子级多晶硅为例，介绍美国Wacker、SGS和日本小松等企业创新案例和企业文化，培养企业责任，理清社会担当，自主创新，实践企业品牌价值。
（三） 增加实验环节，培养学生动手能力和创新能力
1965年英特尔公司创始人摩尔（Gordon Moore）提出了著名的摩尔定律“随着芯片上电路的复杂度提高，元件数目必将增加，每个元件的成本将每年下降一半”，培养学生的科学精神，运用科学思维认识事物，指导行为。摩尔定律极限：芯片集成度越高，耗电量越大，设备无法散热，从而导致失效。培养学生的科学精神，批判质疑，实践是检验真理的唯一标准。了解半导体材料从晶体管到芯片的发展历程，讲授各国科学家在其中所做的贡献，培养学生的国际视野，了解人类文明进程和世界发展动态。
以全球光伏产业为例，介绍我国的光伏产业发展成就，我国的光伏组件占全球市场的60%，通过这一案例培养政治认同，坚持党的领导，党领导人民从事伟大事业的例证，坚持道路自信和制度自信，光伏产业从无到有，从有到强得益于社会主义制度的优越性，培养国际视野，关注人类发展面临的环境能源危机。
在讲解第一代半导体硅、锗晶体时，我们重点介绍了著名半导体学家林兰英院士的典型事迹，她不仅是第一个被授予美国宾夕法尼亚大学博士学位的中国人，而且负责研制成我国第一根硅单晶、第一根无错位硅单晶、第一台高压单晶炉、第一片单异质结SOI外延材料、第一根GAP半晶、第一片双异质结SOI外延材料，为我国微电子和光电子学的发展奠定了基础；这在很大程度上触发了学生的爱国主义热情和厚德精技的追求。在介绍第三代半导体GaN时，我们2014年诺贝尔物理学奖获得者中村修二为例，他毕业于不知名的大学，凭着自己一股不服输的精神，不仅获得了博士学位，被邀成了美国大学一流大学的教授，入选美国工程院院士，而且还获得了诺贝尔奖。以此为例，极大地激发了学生不服输的精神和坚忍不拔的毅力。在此基础上，本课程修订了教学大纲，细化了授课计划，丰富了教学内容，建立了一支学历、结构、梯队合理的高水平教学团队。
（四） 利用课程思政建设，提升学生的思想境界
近年来，我们将思政元素以润物细无声的方式导入到专业教学中，通过相关案例分析、主题调研等方式，让学生对半导体材料在发展过程中，国内外主要的创新案例、我国科学家在技术领域不断的突出重围等实际案例分析，使学生在上课过程中，不仅能掌握半导体材料相关基本知识，增加对专业的兴趣，同时培养他们的民族自豪感，成为具有创新精神的新一代。通过对比我国与国际半导体技术之间的差距，认识到关键半导体材料及其技术仍然是制约我们半导体产业发展的关键因素之一，激发了学生的爱国热情和奋发图强的决心。
让人想到另一种“药”，中国四大发明之一的火药。大约九世纪或者更早，我们的老祖宗里有一批特殊的人——炼丹师，在炼制丹药的时候发明了火药，是为黑火药。中国人虽然首先把黑火药应用到军事上，但是一千多年来，主要还是拿它放焰火。把黑火药制成礼花、爆竹，逢年过节拿出来放一放，营造出礼花绽放，万紫千红、歌舞升平的景象，煞是壮观。无需查阅史书，单从诗词中便可寻得端倪：唐人有“火树银花合，星桥铁锁开，灯树千光照，明月逐人来”，宋人有“东风夜放花千树，更吹落星如雨”，元人赵孟頫甚至还用诗句“人间巧艺夺天工,炼药燃灯清昼同”直接夸赞烟火制作者技艺高超。
不断加强材料物理实验室的专业建设，完善了半导体材料的制备和相关表征设备。并设置了多个模块的实验课程，例如半导体发光、半导体探测等，有针对性地安排学生进行相关半导体材料的实验。通过将专业实验，如霍尔效应测试、LED特性实验等融入到相关的课程章节教学中，让学生对半导体材料的基础理论知识，如霍尔效应、光伏效应、PN结等，进一步开拓学生的思维，更加扎实地理解半导体材料的相关知识。
采用灰色系统理论进行评价。以各指标的最优值设定理想品种，为参考序列L0，采用初值变换消除量纲，参照张学杰[8]的方法，进行关联系数计算。结合层次分析法确定的权重计算加权关联系数并排序，通过比较与理想品种关联系数的大小对品种的加工适应性进行评价[7]。
二、推进制度改革。我们不能否定但至少可以淡视时代局限性的现实借口，从而以超现实的目标为指引，持续不断地推进制度的完善。制度的改革不可能达到极致，但可以不断地向好。当现实局限不能成为制度僵化不变的借口时，制度变革与改善就可成为社会发展的必然选择。斯宾格勒在《西方的没落》中指出的社会自我成熟、完善达至高峰而迅速趋向没落的警言依然有效，任何一个沾沾自喜、认为现实就是最大的合理、不思变革的社会终将面临困境。
介绍中美贸易战（中兴、华为事件），我国太阳能企业受到美国、欧盟的反倾销调查等，使学生明白正是我们在半导体产业的迅速崛起引起长期独占鳌头的美国强烈的不安，但也应该意识到我们与欧美在半导体技术上仍然存在很大的差距。[5,6]以此为基础，培养他们的国家意识和爱国情怀，自觉捍卫国家利益；培养人文素养，在贸易困境中磨练意志，砥砺知行，厚德精技，牢记总书记提出的“核心技术是国之重器”的发展理念。
随着半导体产业的迅猛发展，将半导体材料、半导体器件相关的最新研究案例扩充到课堂教学，在活跃课堂气氛同时，拓宽学生视野，增加学生对半导体材料的兴趣。例如，关于宽带隙半导体，增加我国科学家在碳化硅和氮化镓等研发成果的分享，也可以让学生分组自行调研，理解这些半导体材料的技术要点。介绍中科院苏州纳米所在氮化镓晶体生长上的技术创新，介绍山东大学等单位在氧化镓半导体晶体上的技术突破，利用这些最新的实际案例分析，增加学生的学习兴趣。
介绍太阳能电池的制备工艺，包括清洗、制绒、刻蚀、沉积和印线，启发式教学，引导学生组成小组就提高光电转换效率进行工艺改进。培养学生的技术思想，综合运用掌握科学技术原理对已有的产品进行改进和优化，培养职业素养，爱岗敬业，发扬团队精神，提升团队合作水平。
介绍GaN半导体材料的发现历程和苹果iPhone手机的产品设计理念，引入中村修二和乔布斯在半导体产品方面的设计思想。培养学生的人文精神，提高审美情趣，运用技术积累提高生产效率，运用美学元素提高产品魅力。
介绍我国在宽禁带半导体研发中的创新思路和最新研发成果，例如碳化硅、氮化镓、氧化镓等。培养学生的专业兴趣、创新思维、团结协作精神和科学素养。
3)孔隙压力场的非对称性分布与水平应力比对裂隙扩展方向的影响存在竞争关系；孔隙压力对煤体破坏类型影响不大，水平地应力比则是主控因素。
三 结束语
我校材料物理（光电材料）专业自2011年开始招生以来，紧密围绕微电子、光电子产业，近年来一大批光电材料的毕业生进入中芯国际、华力微电子、晶澳太阳能等知名的微电子和光电子企业，他们中的绝大多数经过锻炼，已成长为企业技术骨干。《半导体材料》作为本专业重要的专业必修课，通过不断的课程建设和教学改革，优化课程结构，开展多元化教学，让学生理解半导体材料的基础知识和学科发展方向，牢固掌握半导体材料的基本理论知识和基本技能。同时利用课程思政，培养培养造就一批思想素质高、热爱国家、创新能力强、产业急需的微电子拔尖人才，服务国家微电子和光电子产业发展战略需求。
参考文献
[1] 张芳,任大庆,张纳.浅谈《半导体物理与器件》课程的教学改革[J].教育教学论坛,2019(23):133-134.
[2] 段理,谢子锋,于晓晨,等.《半导体物理学》课程教学改革与实践[J].教育现代化,2018,5(09):100-101.
[3] 杨雷,袁雪芹,张甲甲,等.《材料物理性能》课程中“半导体材料”的教学设计[J].广州化工,2019,47(09):176-178.
[4] 闫丽娟,陈春雷.“半导体物理与器件”课程教学改革与探索[J].教育现代化,2019,6(31):80-81.
[5] 徐跃.融入工程教育思路的半导体物理教学改革与实践[J].当代教育实践与教学研究,2018(10):188-189.
[6] 张俊举,张益军,高建坡,等.“半导体物理”课程教学改革[J].电气电子教学学报,2018,40(03):37-39.
本文引用格式： 申慧，等.《半导体材料》课程建设的实践与思考[J].教育现代化,2019,6(78):80-81,135.
DOI： 10.16541/j.cnki.2095-8420.2019.78.035
基金项目： 由上海应用技术大学“教师发展工程”教学能力建设项目、上海市属高校应用型本科“材料科学与工程（建筑节能材料）”试点专业建设项目( 编号: 4521ZK190008001)资助。
作者简介： 申慧，女，汉族，天津市人，博士，副教授，研究方向：光电材料。
标签：半导体材料论文; 课程建设论文; 课程思政论文; 上海应用技术大学材料科学与工程学院论文;