虛擬仿真實驗在半導體器件物理實驗中的應用探究

段小玲 王樹龍 許晟瑞

摘要：半導體器件物理實驗是微電子與集成電路專業(yè)的核心專業(yè)實驗，具有實踐性強及技術(shù)更新快的特點，而真實實驗環(huán)節(jié)存在實驗設備昂貴、安全風險和器件內(nèi)部特征與參數(shù)信息難以獲得等問題。西安電子科技大學微電子學院實驗中心把虛擬仿真實驗應用到半導體器件物理實驗當中，作為真實實驗的有效補充，通過虛實結(jié)合的實驗模式探索，解決了經(jīng)費有限、安全風險和教學內(nèi)容前沿創(chuàng)新不足等問題，積極促進了高水平、高素質(zhì)、強能力的集成電路人才培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真；半導體器件物理實驗；虛實結(jié)合

中圖分類號：G642.0文獻標識碼：A文章編號：1673-7164（2020）48-0075-03

基金項目院教育部高等教育司2019年第二批產(chǎn)學合作協(xié)同育人項目“以創(chuàng)新人才培養(yǎng)為導向的微電子實驗教學改革與實踐”（項目編號：201902270029）。

半導體器件是集成電路芯片的核心部分，其性能高低主導著芯片的整體性能。半導體器件物理實驗是微電子與集成電路專業(yè)的一門基礎實驗課，其涉及的實驗設備相對昂貴，受到經(jīng)費預算、場地空間、安全風險、試錯成本、實驗課時以及半導體器件本身結(jié)構(gòu)特點等條件的限制，真實實驗很難實現(xiàn)學生人手一臺設備實驗，使其在有限的實踐環(huán)節(jié)中充分理解實驗原理、進行實驗操作并對實驗結(jié)果進行全面深刻地分析。

為了解決實驗課中普遍存在的問題，各大高校致力于實驗室建設、團隊建設、實驗教學內(nèi)容和教學模式改革探索和實踐研究[1-2]。西安電子科技大學微電子學院微電子與集成電路實驗中心通過專業(yè)基礎實驗室重構(gòu)和虛擬仿真實驗室建設的多年探索，取得了一些教學改革經(jīng)驗[3]，進行了系列虛擬仿真實驗建設和探索。例如，把虛擬仿真實驗應用到半導體器件物理實驗當中，借助虛擬仿真技術(shù)“層層”剖析半導體器件，直觀、形象地展現(xiàn)出半導體器件內(nèi)部不同方向上結(jié)構(gòu)和參數(shù)的變化規(guī)律，增強學生對半導體器件結(jié)構(gòu)、特性和原理的把握，彌補了傳統(tǒng)實驗教學存在的不足，使半導體器件物理實驗教學更加高效。本文基于前期實踐，對虛擬仿真實驗在半導體器件物理實驗中的應用進行分析探索。

一、傳統(tǒng)實驗教學模式存在的問題

（一）實驗經(jīng)費和課時有限

實驗經(jīng)費有限，加上設備昂貴，學生實驗中的試錯成本高，導致設備購置數(shù)量有限，很難保證人手一臺設備進行實驗的條件。再加上微電子實驗儀器操作難度較大，對學生知識的綜合能力要求高，而受實驗課時的限制，學生難以在課堂上進行深度實驗操作和思考，使傳統(tǒng)實驗課堂的教學內(nèi)容在選取和實施上受限，以驗證性實驗為主，學生在課堂上的實踐和綜合能力提升甚微，無法激發(fā)學生實驗的積極性，失去了提升學生能力的實驗教學目的[4]。

（二）前沿涉及不足，廣度深度不夠

集成電路學科具有實踐性強及技術(shù)更新快的特點，而真實實驗教學很難積極快速響應這種變化。一方面，真實實驗課依靠實驗儀器設備進行實驗，設備的更新?lián)Q代需要的資金成本過高[5]，高校在實驗內(nèi)容的設置上通常都是以幾個典型的驗證實驗為主，前沿創(chuàng)新實驗和綜合應用實驗較少，廣度和深度上不夠。另一方面，部分真實實驗要響應理論課的更新內(nèi)容，需要進行論證和設備升級，從設備升級采購到最終實驗開課，花費的時間較長，存在響應延遲，表現(xiàn)出實驗內(nèi)容的前沿涉及不足。

（三）存在安全風險

在真實實驗中，比如器件的擊穿特性實驗、高溫特性實驗，會涉及到給器件外加幾百上千伏高壓或者幾十上百攝氏度高溫。真實實驗中測試高溫、高壓特性存在安全風險，師生在實驗中需要特別注意安全。為學生安全考慮，很多高校會舍棄半導體器件高壓和高溫電特性測試實驗，學生對于器件的高溫高壓特性方面的內(nèi)容很難在實踐應用中驗證和深入探索，直接影響教學效果。

二、虛實結(jié)合的混合教學模式

考慮到半導體器件物理實驗具有實踐性強及技術(shù)更新快的特點，而集成電路人才培養(yǎng)環(huán)節(jié)對實驗環(huán)境要求高，設備昂貴，真實實驗設施投入巨大；實驗過程中可能涉及高溫高壓的試驗條件，安全風險大；實驗條件的限制導致實驗內(nèi)容前沿涉及不足，廣度深度不夠[6]。采用虛實結(jié)合的混合教學模式既能滿足真實實驗對學生動手能力的鍛煉，又能夠彌補真實實驗短板，有效推動實驗改革創(chuàng)新，促進實驗教學協(xié)調(diào)發(fā)展。因此，西安電子科技大學微電子學院建設了集成電路設計與制造虛擬仿真實驗教學中心，大力發(fā)展集成電路相關(guān)虛擬仿真技術(shù)，作為真實實驗的有效補充，積極促進高水平、高素質(zhì)、強能力的集成電路人才培養(yǎng)。

（一）虛擬仿真實驗教學優(yōu)勢

與真實實驗相比，虛擬仿真實驗突破了真實實驗的局限性，作為真實實驗的補充與拓展，能夠有效推動集成電路實驗教學的改革與創(chuàng)新。

首先，突破了真實實驗的局限性。虛擬仿真實驗能解決真實實驗耗時長、成本高、環(huán)境要求苛刻、危險性大等弊端，彌補高校因為實驗室建設費用有限、設備數(shù)量和實驗條件受限、設備采購更新延遲導致的實驗內(nèi)容的前沿和創(chuàng)新滯后等問題，使學生通過虛擬場景學習、實踐和探索。

其次，是真實實驗的補充與拓展。仿真實驗能夠讓學生對實驗中不便直接觀察到的實驗現(xiàn)象、實驗內(nèi)涵、內(nèi)部機理通過仿真生動形象地表現(xiàn)出來（抽象概念和機理的形象化可視化），引導學生探索物理現(xiàn)象的本質(zhì)，讓學生對實驗內(nèi)容有較深刻清晰的認識，對實驗涉及的理論知識是很好的實踐和消化吸收過程。實驗內(nèi)容的廣度和深度上很好把控，不受實驗設施的制約。

最后，能夠有效推動改革與創(chuàng)新。仿真實驗不需要進行真實的實驗，不存在安全風險，且對實驗室環(huán)境沒有苛刻的要求，可操作性強，有利于涉及前沿內(nèi)容、創(chuàng)新實驗和在廣度深度上的全面考量與改革創(chuàng)新。

（二）虛實結(jié)合的半導體器件物理實驗探索

虛擬仿真實驗能夠突破真實實驗的局限性，是真實實驗的有效補充，采用虛實結(jié)合的實驗教學模式能同時吸取虛擬和現(xiàn)實實驗的精華，推動實驗改革創(chuàng)新，達到更好的教學效果。

以該校實驗中心“氮化鎵發(fā)光二極管工藝制造與光電特性虛擬仿真實驗”為例。氮化鎵是第三代半導體材料，氮化鎵發(fā)光二極管是當前產(chǎn)業(yè)和科學研究的熱點，該實驗取材于西安電子科技大學國家級科研成果，旨在通過仿真實驗開展氮化鎵基發(fā)光二極管的工藝制造和光電特性研究。首先是進行AlGaN單量子阱GaN LED的工藝仿真實驗，包括各層薄膜厚度、摻雜濃度、Al組分等相關(guān)信息。其次是AlGaN單量子阱GaN LED器件光電特性仿真部分，包括網(wǎng)格、區(qū)域、摻雜、組分、模型、材料參數(shù)定義，算法定義、外加電壓定義和電特性的計算輸出。學生通過改變器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料參數(shù)來實現(xiàn)對二極管光電特性的分析研究。虛擬仿真實驗彌補了有些高校實驗條件有限的問題，讓學生能夠通過電腦仿真模擬實現(xiàn)對發(fā)光二極管的工藝過程和電學特性產(chǎn)生清晰認知，探索器件內(nèi)部的深層抽象機理，激發(fā)學生的創(chuàng)新思維與學習興趣，增強學生對知識的理解、吸收和拓展。

對于實驗條件允許的高校，在虛擬仿真實驗的基礎上，可安排學生進行真實實驗，對于實驗中不懂的問題再回饋到虛擬仿真中進行機理探索，實現(xiàn)虛實結(jié)合，讓學生對虛擬仿真的機理和實驗現(xiàn)象的認知融合理解，培養(yǎng)學生對實驗現(xiàn)象的探究，實現(xiàn)學生綜合素養(yǎng)的提升。該校實驗中心通過PL法測GaN基單量子阱發(fā)光器件的發(fā)光效率和禁帶寬度等，該實驗的實驗結(jié)果和GaN器件光電特性虛擬仿真實驗結(jié)果充分互補。通過實驗現(xiàn)象調(diào)動學生的積極性、培養(yǎng)學生的動手能力，仿真結(jié)果能夠?qū)⑵骷?nèi)部的抽象機理顯化，讓學生更加清晰明了地理解理論知識，并激發(fā)學生在實驗中學會如何對看到的實驗現(xiàn)象進行分析，讓學生能自己體驗并完成認知和研究過程。真正實現(xiàn)培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力，最大程度的調(diào)動學生實驗的積極性，激發(fā)學生的創(chuàng)新實踐能力。

此外，從實驗安全考慮，采用虛擬實驗既能保證學生安全還能彌補真實實驗空白。以高壓試驗為例，半導體器件的擊穿特性研究方面經(jīng)常涉及到擊穿電壓幾百上千伏的情況。該校本科實驗中心目前測試器件電流-電壓特性的源表的電壓最高限為40 V，對于擊穿電壓大于40 V的器件無法進行測試，而通過仿真能夠解決這個問題。同時通過虛擬仿真能夠模擬器件內(nèi)部的電場分布情況來分析器件的擊穿機理，實現(xiàn)比真實實驗還要形象直觀的原理解析，讓學生對半導體器件的擊穿特性有更深層次的理解。

三、結(jié)語

把虛擬仿真實驗應用到半導體器件物理實驗當中，作為真實實驗的有效補充。西安電子科技大學微電子學院通過虛擬仿真實現(xiàn)對器件電學特性的清晰認知，探索器件內(nèi)部的深層抽象機理，激發(fā)學生的創(chuàng)新思維與學習興趣，增強學生對知識的理解、吸收和拓展?！疤搶崱苯Y(jié)合的實踐教學模式，解決了經(jīng)費有限、安全風險和教學內(nèi)容前沿創(chuàng)新不足等問題，使學生在掌握專業(yè)基礎理論、發(fā)揮專業(yè)技能方面有了顯著提升，為培養(yǎng)技術(shù)水平高、綜合素質(zhì)高、創(chuàng)新實踐能力強的集成電路人才夯實了基礎。

參考文獻：

[1]祖強，魏永軍.國家級示范性虛擬仿真實驗教學項目申報策略探討[J].實驗技術(shù)與管理，2018，35（09）：247-249.

[2]李平，毛昌杰，徐進.開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設提高高校實驗教學信息化水平[J].實驗室研究與探索，2013，32（11）：5-8.

[3]馮曉麗，孫立銳.微電子專業(yè)個性化人才培養(yǎng)模式的探究[J].高教學刊，2019（01）：153-155.

[4]李婷婷，代健民，潘洪志.虛擬仿真實驗教學的探究與創(chuàng)新人才的培養(yǎng)[J].中國繼續(xù)醫(yī)學教育，2019，11（08）：53-55.

[5]潘雪濤，鄔華芝，蔡建文，張美鳳，孟飛.創(chuàng)新虛擬實驗教學模式培養(yǎng)自主學習能力[J].實驗室研究與探索，2014，33（11）：72-76.

[6]熊宏齊.國家虛擬仿真實驗教學項目的新時代教學特征[J].實驗技術(shù)與管理，2019，36（09）：1-4.

（責任編輯：莫唯然）