“光電檢測技術(shù)”的課程思政探索

宋偉東 郭越 陳毅湛 張弛 范東華

摘要“光電檢測技術(shù)”是光電信息科學(xué)與工程專業(yè)的核心課程。在傳授專業(yè)知識和培養(yǎng)專業(yè)技能過程中融入思政教育，達(dá)到全程育人、全方位育人的目的，具有重要意義。本文以紫外光電探測器的講授為案例，將光子型探測器的基本工作原理與特性等知識點(diǎn)串聯(lián)起來，在講解其研究發(fā)展歷程中融入課程思政，向?qū)W生傳達(dá)科學(xué)研究精神的內(nèi)涵；同時，以GaNMSM型紫外探測器制作與測試作為科研實(shí)踐內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)操守和良好的科研規(guī)范。本案例將傳授知識、培養(yǎng)能力相結(jié)合，并在教學(xué)和實(shí)踐各個環(huán)節(jié)融入課程思政，“三位一體”，達(dá)到潤物無聲的育人效果。

關(guān)鍵詞 光電檢測技術(shù) 課程思政 高校 科學(xué)精神

中圖分類號：G424文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.22.051

Ideological and Political Exploration of "Photoelectric Detection Technology"

——Taking "ultraviolet photodetector" as an example

SONG Weidong， GUO Yue， CHEN Yizhan， ZHANG Chi， FAN Donghua

（School of Applied Physics and Materials， Wuyi University， Jiangmen， Guangdong 529020）

Abstract"Photoelectric detection technology" is the core course in the major of optoelectronic information science and engineering. It is of great significance to integrate ideological and political education during the professional knowledge and skill teaching， guiding students to achieve the goal of full and all-round education.This article takes the ultraviolet photodetector as an example which connects in series the basic working principles and characteristics of a photodetector， so as to convey the connotation of the spirit of scientific research to the students. Meanwhile， the fabrication and characterization of a MSM type GaNphotodetector is used as a scientific research practice， whichhelps to cultivate students’ rigorous scientific ethics and good scientific research norms. This case combines the imparting of professional knowledge and ability， and integrates curriculum ideology and politics into each link of teaching and practice， which directs to achieve an education effect that likes moisturizing things silently.

Keywordsphotoelectric detection technology； ideological and political education； university； science spirit

0緒論

“光電檢測技術(shù)”是光學(xué)與電子學(xué)相結(jié)合而產(chǎn)生的一門最具潛力的新興檢測技術(shù)，具有精度高、容量大、自動化等特點(diǎn)，與國民經(jīng)濟(jì)各行業(yè)的發(fā)展和應(yīng)用密切相關(guān)?！肮怆姍z測技術(shù)”課程是光電信息科學(xué)與工程專業(yè)核心課程，為前期“光電子技術(shù)”“半導(dǎo)體物理與器件”“信號與系統(tǒng)”等課程提供光電專業(yè)基本應(yīng)用及拓展的必備能力與素質(zhì)的支撐；為后續(xù)課程“光電子專業(yè)實(shí)驗(yàn)”“光電綜合訓(xùn)練”“畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）”等課程提供光電專業(yè)基本概念、基本原理與基本計(jì)算。該課程與其他光電信息學(xué)科知識體系緊密相連，具有很強(qiáng)的理論性和實(shí)踐性。課程主要內(nèi)容包括光電檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、光電檢測物理機(jī)制、各類光電檢測器件、光電檢測電路、直接檢測系統(tǒng)、光外差檢測系統(tǒng)，以及各類光電檢測測試儀。該課程要求學(xué)生在掌握光電技術(shù)和半導(dǎo)體物理的基本理論基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)工業(yè)生產(chǎn)中實(shí)際使用的光電檢測器件，再結(jié)合實(shí)際檢測需要設(shè)計(jì)、分析及使用各類光電檢測測試儀，培養(yǎng)學(xué)生對實(shí)際光電檢測系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)能力；要求學(xué)生能恰當(dāng)?shù)剡x擇和使用現(xiàn)代工程和信息技術(shù)工具，及運(yùn)用光電檢測知識對光電產(chǎn)業(yè)中的各類檢測器件進(jìn)行分析、歸納，掌握從理論到生產(chǎn)實(shí)踐應(yīng)用的過程、方法及分析解決具體實(shí)際問題的能力。

新時代要求更新的教育教學(xué)理念，以更好地達(dá)到上述課程教學(xué)目標(biāo)。將科學(xué)探索和思政教育相結(jié)合融入該課程教學(xué)中，不僅提升學(xué)生分析問題和解決問題的能力，同時還可以教授求真務(wù)實(shí)、勇于探究的科學(xué)態(tài)度，為學(xué)生一生成長奠定科學(xué)的思維基礎(chǔ)，成為德才兼?zhèn)?、全面發(fā)展的人才。本文在課程內(nèi)容“光子型探測器”的講授中以新興技術(shù)—紫外光電探測器為例，理論教學(xué)中將光子型探測器的基本工作原理與特性的理論知識與GaN紫外探測器研究背景、器件結(jié)構(gòu)與類型串聯(lián)在一起，從GaN紫外探測器研制的進(jìn)展中挖掘思政元素，進(jìn)行課程思政教育；并輔以實(shí)踐教學(xué)—一種GaN MSM型紫外探測器的制備與性能測試實(shí)踐，融入課程思政，不僅顯性地提高學(xué)生科研實(shí)踐能力，而且隱性地培養(yǎng)了學(xué)生求真務(wù)實(shí)、團(tuán)結(jié)協(xié)作、獨(dú)立思考的科學(xué)品質(zhì)。

1課程安排及課程思政

1.1理論教學(xué)

以GaN紫外探測器為例，講解光子型探測器的基本工作原理與特性，主要分兩部分：GaN紫外探測器研究背景、器件結(jié)構(gòu)與類型，并從GaN紫外探測器研制的進(jìn)展中挖掘思政元素。

1.1.1研究背景

我們?nèi)粘Ｉ钏艿淖贤廨椛渲饕獊碓从谌展?，根?jù)波段可細(xì)分為：UV-A（320-400 nm）、UV-B（280-320 nm）和UV-C（100-280 nm）?；谧贤饩€的超高能量，通過光電效應(yīng)制備高性能的光子型紫外探測器，對軍事和民用具有重要的應(yīng)用價值。在軍事方面，紫外探測技術(shù)可用于導(dǎo)彈預(yù)警、紫外通信、紫外線干擾等；在民用方面，可用于環(huán)境污染監(jiān)測、火焰探測等。

在諸多半導(dǎo)體材料中，第一代半導(dǎo)體Si由于技術(shù)成熟且成本低，在新能源、光伏產(chǎn)業(yè)方面發(fā)揮了重要作用。但由于硅材料的帶隙較窄、電子遷移率和擊穿電場較低，在光電子領(lǐng)域和高頻高功率器件方面的應(yīng)用受到諸多限制。隨著高速通信時代的到來，第二代化合物半導(dǎo)體材料主要被用于制作高速、高頻電子器件和發(fā)光器件，廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通訊、GPS導(dǎo)航等領(lǐng)域。隨著21世紀(jì)智能產(chǎn)品的興起和普及，傳統(tǒng)的第一、二代半導(dǎo)體材料由于自身的性能限制已經(jīng)無法滿足更高的科技需求。1928年，Johason等人合成第三代導(dǎo)體半導(dǎo)體材料GaN，與第一、二代半導(dǎo)體材料相比，GaN材料具有更寬的禁帶寬度、更高的熱導(dǎo)率、更高的電子飽和速率及更強(qiáng)的抗輻射能力，用它制作的紫外探測器能很好地在宇航及軍事等極端條件下工作。另外，通過材料配比可以調(diào)節(jié)器件的響應(yīng)截止波長，為制備各個波段紫外探測器提供了有利條件。近年來，GaN基探測器已發(fā)展出多種器件結(jié)構(gòu)，如光電導(dǎo)結(jié)構(gòu)探測器，PN結(jié)和MSM結(jié)構(gòu)探測器，以及雪崩探測器等，廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域，促進(jìn)了未來小型化、高效化、智能化的集成傳感網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。

1.1.2 GaN紫外光子探測器的類型

光電導(dǎo)型探測器：GaN光電導(dǎo)型器件利用光電導(dǎo)效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)紫外探測。其原理是當(dāng)能量大于其禁帶寬度的光子照射GaN材料上時，產(chǎn)生非平衡光生載流子，在外置偏壓作用下，探測器輸出回路中輸出光電流。這類器件響應(yīng)度高，但通常存在開/關(guān)比低和響應(yīng)速度慢等問題。

光伏型探測器：GaN光電伏型器件利用光伏效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)紫外探測。其原理是當(dāng)器件被紫外光照時，攜帶能量的光子進(jìn)入PN結(jié)后，產(chǎn)生光生載流子，在內(nèi)建電場或外置偏壓作用下電子空穴對被分離，最后通過電極收集，形成光電流。光伏型探測器可通過PN結(jié)、肖特基結(jié)以及MSM等結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。這類光伏型探測器響應(yīng)度比光電導(dǎo)型低，其優(yōu)勢在于具有較寬的線性動態(tài)范圍，快速響應(yīng)速度，低暗電流等，是目前的主流研究方向。

1.2引入課程思政

早在20世紀(jì)50年代初，紫外和紅外探測技術(shù)幾乎同時產(chǎn)生，紅外探測技術(shù)在第二次世界大戰(zhàn)中得到應(yīng)用，引起廣泛關(guān)注并得到迅速發(fā)展。然而，由于紫外探測器件靈敏度低，一直未能得到應(yīng)用。直到90年代，日本研發(fā)出雪崩倍增靶攝像管，使紫外攝像器獲得較高靈敏度及合適的光譜范圍。此后，紫外探測技術(shù)的研究和應(yīng)用開始引起研究人員廣泛關(guān)注。1993年，美國研制出第一支基于GaN的紫外探測器；兩年后，我國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所也開始該方面的研究?？茖W(xué)家王曉亮說過：“國外比我們先行一步，我們承認(rèn)差距，但是我們要本著‘引進(jìn)—消化—吸收—創(chuàng)新’的科學(xué)態(tài)度，學(xué)習(xí)他們的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，節(jié)約我們的資源和時間成本，跨越發(fā)展，最終通過自主創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)超越”?，F(xiàn)如今我國研發(fā)的紫外探測器朝著體積小、功耗低、柔性、自供電等多方面發(fā)展，科技水平逐漸躋身世界前列。我國先進(jìn)科研成果的介紹引發(fā)學(xué)生強(qiáng)烈的民族自豪感，激發(fā)學(xué)生自信心和對專業(yè)的熱愛。

我國半導(dǎo)體光電子技術(shù)的后來居上，是建立在無數(shù)科學(xué)家夜以繼日的實(shí)驗(yàn)和堅(jiān)持不懈的研究基礎(chǔ)上，他們以國家責(zé)任為己任、與祖國共命運(yùn)的科研態(tài)度，影響著一代代年輕人投入科技事業(yè)。當(dāng)代大學(xué)生應(yīng)培養(yǎng)“引進(jìn)—消化—吸收—創(chuàng)新”的科研態(tài)度，牢記“長江后浪推前浪”的歷史規(guī)律，充分發(fā)揮主觀能動意識，大膽將所學(xué)進(jìn)行自主創(chuàng)新創(chuàng)造，肩負(fù)起“一代更比一代強(qiáng)”的青春責(zé)任，爭做與時俱進(jìn)的有為青年。

2實(shí)踐教學(xué)與課程思政

2.1一種GaN MSM結(jié)構(gòu)紫外探測器的制備與性能測試實(shí)踐

雖然光電檢測技術(shù)課程具有很強(qiáng)的應(yīng)用屬性，但傳統(tǒng)教的課堂教學(xué)受到很多限制，比如重理論、輕實(shí)踐，重學(xué)術(shù)、輕應(yīng)用等現(xiàn)象。傳統(tǒng)的課程學(xué)習(xí)容易使學(xué)生感到枯燥，難以保持較好的學(xué)習(xí)積極性。通過組織學(xué)生進(jìn)入第二課堂（科研實(shí)驗(yàn)室），有助于拓展教與學(xué)的時間與空間。在講解了實(shí)驗(yàn)室儀器操作和安全規(guī)范、確保學(xué)生帶好防護(hù)工具后，以GaNMSM型紫外探測器的制備與測試為例，帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行課程實(shí)踐活動。

光電檢測器件工作過程可簡單描述為光信號到電信號的轉(zhuǎn)換，但是微電子器件制備工藝卻精密且步驟繁雜。本實(shí)踐中器件的制備流程包含以下幾步：GaN樣品表面清洗、涂膠、光刻、金屬電極沉積、去膠剝離。樣品的預(yù)處理主要是對樣品表面雜質(zhì)進(jìn)行清理；光刻是微電子器件制備的基本工藝，通過涂膠、曝光、顯影、去膠，將掩膜版圖形轉(zhuǎn)移到有源材料表面，為金屬電極的沉積做準(zhǔn)備；金屬沉積是通過熱蒸發(fā)系統(tǒng)沉積一層金屬電極；然后剝離去除光刻膠，完成MSM結(jié)構(gòu)的GaN紫外探測器元器件的制備。

光電測試系統(tǒng)主要由暗箱、光譜儀、氙燈、源表、探針臺等組成。采用該系統(tǒng)可完成器件的光/暗I-V特性曲線、響應(yīng)度、外量子效率、探測率、響應(yīng)速度等光電探測器基本參數(shù)的測量。在測試前，結(jié)合課程內(nèi)容“光電檢測器件的特性參數(shù)”進(jìn)行講解。光/暗I-V特性曲線是指器件在有光/無光條件的電壓-電流函數(shù)，高性能的器件應(yīng)具有高光/暗電流比，并具有低的暗噪聲電流，I-V曲線是最為直觀的表現(xiàn)；光譜響應(yīng)度和外量子效率描述了器件的光電轉(zhuǎn)換能力，通過觀察響應(yīng)度曲線可以判斷出該器件對哪個波段的光最敏感，從而應(yīng)用于不同領(lǐng)域；探測率是描述器件對微弱光信號探測能力，取決于器件的響應(yīng)度和噪聲，高探測率的器件廣泛應(yīng)用于弱光探測；響應(yīng)速度則可理解為器件對光信號響應(yīng)的快慢。低延遲，高響應(yīng)度器件是目前學(xué)者的研究熱點(diǎn)。同時，通過講解測試系統(tǒng)的各組成部分與功能，引入“光電直接檢測系統(tǒng)”課程內(nèi)容，對“系統(tǒng)”的概念有了更直觀的理解。

2.2引入課程思政

學(xué)以致用才能讓知識活起來，在實(shí)踐教學(xué)的過程中可以幫助學(xué)生更好地掌握光電檢測技術(shù)和半導(dǎo)體物理器件基本理論，培養(yǎng)學(xué)生從理論到生產(chǎn)實(shí)踐過程中解決具體實(shí)際問題的能力。對于實(shí)踐中制作的MSM結(jié)構(gòu)探測器，可以看作一對“背靠背”肖特基二極管串聯(lián)，當(dāng)電極間外加偏壓時，其中一個肖特基結(jié)正偏，另一個肖特基結(jié)則反偏。當(dāng)有源層吸收光照，產(chǎn)生電子-空穴對，在外偏壓產(chǎn)生的電場中，電子-空穴便在電極間發(fā)生漂移和擴(kuò)散運(yùn)動，形成定向光電流輸出。電極的設(shè)計(jì)顯著影響肖特基結(jié)電場分布，會極大影響器件性能。為此，引導(dǎo)學(xué)生就如何設(shè)計(jì)電極結(jié)構(gòu)進(jìn)一步提升器件性能進(jìn)行廣泛討論，培養(yǎng)學(xué)生主觀能動性和創(chuàng)造性。鼓勵和支持學(xué)生的獨(dú)立見解，寬容學(xué)生的不成熟想法。在討論結(jié)束后，引入文獻(xiàn)報(bào)道的一種設(shè)計(jì)方案——掩埋電極結(jié)構(gòu)的進(jìn)行講解。該設(shè)計(jì)將GaN刻蝕一定深度，金屬電極則沉積在所刻蝕的凹坑中。該論文作者通過數(shù)值仿真，反復(fù)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并在實(shí)驗(yàn)得到證明，采用掩埋電極結(jié)構(gòu)的探測器具有更高的響應(yīng)度和響應(yīng)速度。這種創(chuàng)新設(shè)計(jì)的成功源于他們一次次的物理建模和反復(fù)實(shí)驗(yàn)，從失敗中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，這種細(xì)致、嚴(yán)謹(jǐn)理性的科學(xué)態(tài)度是科研工作者的共性，也是大學(xué)生需要培養(yǎng)的寶貴素質(zhì)。

3結(jié)束語

本文以紫外光電探測器為例，針對光電檢測技術(shù)中的課程思政進(jìn)行了案例探索。在理論教學(xué)部分，以GaN紫外探測器為例，通過講述研究背景、器件結(jié)構(gòu)與類型，研究進(jìn)展等內(nèi)容，引入課程思政，倡導(dǎo)學(xué)生在半導(dǎo)體科學(xué)技術(shù)中勇于探索，以國家責(zé)任為己任、與祖國共命運(yùn)，肩負(fù)起“一代更比一代強(qiáng)”的青春責(zé)任。在實(shí)踐教學(xué)部分，通過GaN MSM型紫外探測器的制備與性能測試實(shí)踐，不僅顯性地提高學(xué)生操作能力，而且隱性地引導(dǎo)學(xué)生培養(yǎng)求真務(wù)實(shí)、團(tuán)結(jié)協(xié)作、獨(dú)立思考的科學(xué)品質(zhì)。該案例探索了將思政教育有機(jī)融入課程和實(shí)踐教學(xué)中，促進(jìn)了學(xué)生專業(yè)理論、科學(xué)精神、實(shí)踐能力的協(xié)同發(fā)展，從而實(shí)現(xiàn)全程育人、全方位育人的教學(xué)目標(biāo)。

*通訊作者：宋偉東

基金項(xiàng)目：本文系教育部高等學(xué)校電子信息類光電教指分委教育教學(xué)研究項(xiàng)目（2020XGK22），材料科學(xué)與工程特色專業(yè)建設(shè)項(xiàng)目（GDJX2019006），廣東省教學(xué)質(zhì)量工程與教學(xué)改革工程項(xiàng)目五邑大學(xué)-江門市科恒實(shí)業(yè)新能源材料與器件實(shí)踐教學(xué)基地項(xiàng)目（GDJX2019004）成果

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