半導(dǎo)體物理的通識教研初探

曹路明　高志遠(yuǎn)　崔碧峰

[摘? ? ? ? ? ?要]? 從異質(zhì)外延GaN薄膜中缺陷的形成機理出發(fā)，通過濕法腐蝕GaN和掃描電子顯微鏡（SEM）觀察的方法，主要從美學(xué)中的形式美、意象美和功能美三個方面，針對異質(zhì)外延生長的GaN薄膜中缺陷的藝術(shù)形象進行了分析，其目的是有意識地提煉學(xué)科中的科學(xué)美，喚起學(xué)生探索的興趣和積極性，為自然科學(xué)通識教育課程內(nèi)容設(shè)置提供一些具體的、可操作的構(gòu)想。

[關(guān)? ? 鍵? ?詞]? 通識;半導(dǎo)體;美學(xué);物理

[中圖分類號]? O47? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻標(biāo)志碼]? A? ? ? ? ? ? ? [文章編號]? 2096-0603（2019）34-0166-02

一、引言

目前，國內(nèi)高校的通識教育[1-2]大多數(shù)以“補差”為特點，這些課程內(nèi)容沒能擺脫傳統(tǒng)教學(xué)思維，只解決了“識”的問題，還沒達(dá)到“通”的程度。對自然科學(xué)的通識教育，應(yīng)在力求學(xué)科知識的基礎(chǔ)上，有意識地提煉其中的科學(xué)美，喚起學(xué)生對自然科學(xué)的興趣和積極性[3]。本文將以一個實例探討如何在現(xiàn)有的自然科學(xué)類課程的教學(xué)和研究中，進行跨學(xué)科知識的融合和多學(xué)科創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，把大學(xué)生通識教育與真正的課堂教育有機結(jié)合起來，以實現(xiàn)由“識”到“通”，為自然科學(xué)通識教育課程內(nèi)容設(shè)置提供一些具體的、可操作的構(gòu)想。

從20世紀(jì)末，半導(dǎo)體電子器件的重心開始由傳統(tǒng)的Si基窄帶隙半導(dǎo)體材料轉(zhuǎn)向GaN和SiC等寬禁帶化合物半導(dǎo)體材料[4]。GaN晶體中普遍存在著自然形成的各種缺陷[5]，其中還存在著富有藝術(shù)感的圖案，缺陷之美不止可以體現(xiàn)在斷臂維納斯、汝窯等這類藝術(shù)形象中，也可以存在于GaN晶體生長中，而GaN的生長作為一種自然過程，其中包含的藝術(shù)形象更值得我們?nèi)パ芯?。我們可以通過形式、意象和功能[6]等不同層面感受美，對異質(zhì)外延GaN薄膜中缺陷的藝術(shù)形象用美學(xué)的思想去解讀。

二、從形式美角度分析GaN缺陷的藝術(shù)形象

形式美是指構(gòu)成事物外在形態(tài)的自然屬性及其組合規(guī)律所體現(xiàn)出來的美，是各種形式因素，包括色彩、線條等的有規(guī)律的組合，其撇開了具體事物，只概括事物在形式上引起美感的共同特征[7]。形式美的法則包括整齊一律、對稱均衡以及多樣統(tǒng)一等。

下圖為SEM觀察到的濕法選擇性腐蝕后的c面GaN表面，圖中分布著大量六邊形圖案，是倒六棱錐型腐蝕坑，這些腐蝕坑將GaN的缺陷標(biāo)定出來。如果我們給六邊形定義一個方向，將其中點指向端點的方向作為六邊形的方向，由于六邊形具有中心對稱的性質(zhì)，即使中點指向不同的端點，也可以將其旋轉(zhuǎn)至同一方向。我們發(fā)現(xiàn)，雖然位置分布是隨機的，但所有六邊形的方向都是一致的，簡單理解為，所有的六邊形都是“正”的，并非像散落在地上的紙牌一樣朝向四面八方。這種整齊一律的美感要得益于六方型腐蝕坑特殊的結(jié)構(gòu)。腐蝕坑像是一個倒置的六棱錐，六個側(cè)面均為面，與底面c面（面）呈約為62°的夾角。正是因為每一個坑的側(cè)面都是相同的，才使從俯視圖看來的六邊形具有整齊一律的方向。

規(guī)則的腐蝕坑俯視圖呈現(xiàn)為正六邊形，擁有同正六邊形一樣的對稱性，既滿足軸對稱，具有6條對稱軸，包括3條對角線和3條對邊中點的連線;又滿足中心對稱，且最小旋轉(zhuǎn)60°即可與原圖形重合，體現(xiàn)了對稱之美。但并非所有的腐蝕坑都是規(guī)則的正六邊形，生長過程中的不可抗因素會導(dǎo)致腐蝕坑出現(xiàn)對稱性破缺。對稱性破缺狹義理解為對稱元素的缺失，也可理解為原來具有較高對稱性的系統(tǒng)，出現(xiàn)不對稱因素，其對稱程度自發(fā)降低的現(xiàn)象。由于GaN的生長以及缺陷的產(chǎn)生屬于一種自然過程，所以其中出現(xiàn)的對稱性破缺屬于自發(fā)對稱性破缺。當(dāng)物理系統(tǒng)所遵守的自然定律具有某種對稱性，而物理系統(tǒng)本身并不具有這種對稱性，則稱此現(xiàn)象為自發(fā)對稱破缺。對GaN中的腐蝕坑缺陷來說，由于原子臺階和更小的腐蝕坑的出現(xiàn)，破壞了正六邊形原本的對稱性，使其不再具有軸對稱和中心對稱的性質(zhì)，這時便出現(xiàn)了自發(fā)對稱性破缺。

多樣統(tǒng)一是形式美的最高法則，也被稱為和諧美。c面GaN表面大大小小的缺陷很像漫天飛舞的鵝毛大雪，又像是冬天窗戶上結(jié)的冰花，這些缺陷大小不一，形態(tài)各異，但又規(guī)則均勻，具有多樣統(tǒng)一之美，讓人不禁贊嘆自然的神奇。

三、從意象美角度分析GaN缺陷的藝術(shù)形象

意象指的是客觀物象經(jīng)過創(chuàng)作主體獨特的情感活動而創(chuàng)作出來的一種藝術(shù)形象，在觀察GaN中缺陷的過程中，它給我們以啟示：不同觀察尺度和角度對結(jié)果有很大影響，從事任何研究都應(yīng)該全面透徹，這也是GaN中缺陷所蘊含的哲學(xué)意象。

如果我們用肉眼去觀察GaN，觀察尺度非常大，無法看到其中的缺陷。借助電子顯微鏡將觀察尺度減小后才發(fā)現(xiàn)，原來GaN薄膜也像月球表面一樣并不平坦。當(dāng)我們把放大倍數(shù)增大，能夠清晰地看到每一個斑點其實都是六邊形的凹坑，甚至還可以觀察到缺陷之中還存在著位錯坑和原子階梯。所以，盡管是對同一事物的研究，在不同的觀察尺度下，也會有不同的結(jié)果，觀察的尺度越小，就越接近事物的真實情況。由此引申到，了解事物不能只看表象，通常我們習(xí)慣于用宏觀的眼光去觀察事物，但往往在微觀世界中會有更奇妙的發(fā)現(xiàn)，一花一世界，一葉一菩提，這是微觀領(lǐng)域的獨特之美。

同樣，觀察角度有所不同，得到的結(jié)果也會大相徑庭。正如這句耳熟能詳?shù)脑姡骸皺M看成嶺側(cè)成峰，遠(yuǎn)近高低各不同?！睂aN薄膜來說，如果換個角度觀察其a面，位錯坑則由六邊形變成了三角形。如果對GaN的N面進行腐蝕后觀察，則又是另一番樣貌。由此可見，不同的觀察角度下，事物表現(xiàn)出的特點也不相同。這給我們以啟示，對任何事物的理解都不能以偏概全，要從多方面、多角度去觀察，才能全面地認(rèn)識事物。

四、從功能美角度分析GaN中缺陷的藝術(shù)形象

把實用功能和審美有機統(tǒng)一起來，就是功能美。雖然GaN中的缺陷在一定程度上會影響器件的性能，但并不完全是有害的，它也有有利的一面。換句話說，缺陷也有自己的功能，也有自己存在的價值。

對LED器件，位錯的存在會提高載流子的非輻射復(fù)合幾率，降低LED的發(fā)光效率，想要完全消除位錯幾乎不可能，目前最常見的辦法就是引入腐蝕坑缺陷。Takahashi[8]等研究發(fā)現(xiàn)，GaN表面坑使其側(cè)壁量子阱的禁帶寬度大于平臺的量子阱，從而產(chǎn)生載流子的勢壘，使載流子難以從表面坑內(nèi)部輸運，而選擇從平臺輸運，由于位錯位于表面坑的頂端，所以表面坑阻擋了載流子遷移至非輻射復(fù)合中心，進而提高輻射復(fù)合的效率，從而提高了LED的發(fā)光效率。另外，Kayo Koike等[9]也發(fā)現(xiàn)，表面坑一方面有效抑制了光散射，另一方面有效屏蔽了位錯附近的非輻射復(fù)合，所以表面坑尺寸較大的器件更不容易漏電。

這些研究表明，GaN內(nèi)缺陷對改善器件發(fā)光和漏電具有一定的積極意義。由此可見，缺陷又可以具有被人利用的價值，因此具有實用功能。當(dāng)我們關(guān)注一個藝術(shù)形象時，很容易忽略掉它作為一件藝術(shù)品之外的東西，也就是它的實用功能。再昂貴的名畫，其本質(zhì)也是為了記錄現(xiàn)實或者反映畫家的內(nèi)心狀態(tài);價值連城的瓷器，其最初的目的也是為了盛放物品。我們對缺陷藝術(shù)形象的分析時，不能只關(guān)注它的外形，更要關(guān)注它的內(nèi)在意象以及它所具有的功能美。

五、結(jié)論

本文進行了通識教育的教學(xué)方式的創(chuàng)新與改進，以半導(dǎo)體物理中的寬禁帶半導(dǎo)體GaN晶體生長過程中形成的缺陷這部分內(nèi)容為舉例，提出通識教育由“識”到“通”的過程應(yīng)配合具體的教育內(nèi)容，將大學(xué)生通識教育與真正的課堂教育進行有機融合，在自然科學(xué)類課程中引入美學(xué)思想，引導(dǎo)學(xué)生欣賞科學(xué)中的對稱、和諧之美，感受科學(xué)家追求的理論至真、大道至簡的豐富意象，從而激發(fā)學(xué)生的好奇心和創(chuàng)造力。本文是這方面教研的一個初步探索，可以為自然科學(xué)通識教育課程內(nèi)容設(shè)置提供一些具體的、可操作的構(gòu)想。

參考文獻：

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[3]“雙創(chuàng)”教育視角下自然科學(xué)通識教育課程內(nèi)容構(gòu)建[J].創(chuàng)新與創(chuàng)業(yè)教育，2019（10）：99-104.

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[7]楊辛，甘霖.美學(xué)原理[M].北京：北京大學(xué)出版社，2010：140-153.

[8]Takahashi H，A Ito，T Tanaka，et al.Effect of Intentionally

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[9]Koike K，Lee S，Cho S R，et al.Improvement of Light Extr-action Effciency and Reduction of Leakage Current in GaN-Based LED Via V-Pit Formation[J].IEEE Photonics Technology Letters，

2012，24（6）：449-451.

◎編輯 張 慧