《微電子器件》課程的深度學(xué)習(xí)建設(shè)

趙紅東，孫梅，韓力英

河北工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，天津，300401

0 引言

2018年教育部提出“淘汰水課”“打造金課”，堅(jiān)持學(xué)生中心、產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)的理念，建設(shè)具有高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度的一流本科課程，以此示范帶動(dòng)更多高校和教師參與教學(xué)改革。因此，本科課程建設(shè)一流化是未來(lái)高等教育發(fā)展改革需要不斷探索、不斷推進(jìn)的。過去兩年，全國(guó)各高校都在積極申報(bào)各級(jí)一流課程，在這種時(shí)代背景下，電子科學(xué)與技術(shù)《微電子器件》專業(yè)課程組積極探索并向著一流課程建設(shè)，通過多元協(xié)同機(jī)制，科研與教學(xué)深度融合，多學(xué)科、多門課程交叉融合，建設(shè)兩性一度的一流課程，使學(xué)生不僅在課程知識(shí)的淺層方面學(xué)習(xí)，更注重學(xué)生的能力培養(yǎng)等深度學(xué)習(xí)層面。

1 《微電子器件》課程的教學(xué)目標(biāo)

半導(dǎo)體器件和集成電路是電子科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展方向，其中集成半導(dǎo)體二極管、雙極性晶體管（BJT）和場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）已經(jīng)成為微電子器件的核心，是大規(guī)模集成電路、高功率和高頻率電路的關(guān)鍵單元，因此，《微電子器件》是一門關(guān)鍵課程。該課程的教學(xué)目標(biāo)分為知識(shí)、能力和素質(zhì)目標(biāo)。其知識(shí)目標(biāo)是能夠綜合運(yùn)用所掌握的知識(shí)、方法和技術(shù)，判斷PN結(jié)、BJT、MS和場(chǎng)效應(yīng)晶體管基本原理的正確性；建立分析半導(dǎo)體PN結(jié)、BJT、MS及場(chǎng)效應(yīng)晶體管的物理模型以及數(shù)學(xué)描述，并正確證明其原理；能夠運(yùn)用晶體管中的原理，定量計(jì)算晶體管中參量，并分析晶體管參量中的關(guān)鍵因素；熟悉制造半導(dǎo)體器件過程中對(duì)應(yīng)的器件結(jié)構(gòu)，能夠繪制晶體管結(jié)構(gòu)和原理圖。能力目標(biāo)是能夠運(yùn)用數(shù)學(xué)、自然科學(xué)及工程基礎(chǔ)知識(shí)，通過對(duì)具體問題的分析，增強(qiáng)創(chuàng)新意識(shí)、提升創(chuàng)新能力，提升解決復(fù)雜工程問題的能力。素質(zhì)目標(biāo)是通過該課程的學(xué)習(xí)，提高嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實(shí)的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)素養(yǎng)。

2 深度學(xué)習(xí)的教學(xué)方法

該課程的教學(xué)內(nèi)容比較抽象，微觀理論知識(shí)學(xué)生很難掌握，將學(xué)生納入科研團(tuán)隊(duì)，進(jìn)行深度學(xué)習(xí)。課程組組建了微電子器件科研團(tuán)隊(duì)，不僅在課堂上進(jìn)行理論教學(xué)，而且組織學(xué)生分組進(jìn)入科研實(shí)驗(yàn)室，在科研學(xué)長(zhǎng)的指導(dǎo)下，完成器件結(jié)構(gòu)的建模、特性的仿真，使學(xué)生全面參與挑戰(zhàn)性的內(nèi)容，達(dá)到對(duì)課程的深度學(xué)習(xí)，挖掘?qū)W生的創(chuàng)新思維，初步了解科研的最新成果，使科研反哺教學(xué)，教學(xué)為科研服務(wù)，真正做到科研與教學(xué)的融合。例如，以一種新型GaN/AlN異質(zhì)結(jié)隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管（TFET）的直流和射頻性能研究來(lái)反哺教學(xué)。

3 深度學(xué)習(xí)舉例

下面以一種新型GaN/AlN異質(zhì)結(jié)TFET的直流和射頻性能研究為例，引入學(xué)生深度學(xué)習(xí)的過程。

3.1 理論講解

課堂上講解理論，使學(xué)生了解TFET已成為實(shí)現(xiàn)高效率電子器件的候選器件。電子和空穴因量子隧穿而可以穿過能帶勢(shì)壘，而傳統(tǒng)MOSFET（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）的載流子導(dǎo)通機(jī)制是熱擴(kuò)散[1-2]。這種導(dǎo)通機(jī)制使得TFET可以在室溫條件下實(shí)現(xiàn)低于60mV/dec的亞閾值擺幅（SS，subthreshold swing）[3-5]。然而，在TFET中實(shí)現(xiàn)高輸出電流是研究人員面臨的一個(gè)重大挑戰(zhàn)[6]。TFET中載流子的帶帶隧穿主要存在兩種阻礙：帶隙之間的隧穿勢(shì)壘高度、隧穿勢(shì)壘的厚度[7]。由于窄帶隙材料具有更低的隧穿勢(shì)壘，因此，這種材料構(gòu)成的隧穿晶體管通常能夠獲得更高的輸出電流。然而，當(dāng)器件為反向偏置狀態(tài)時(shí)，過窄的能帶會(huì)導(dǎo)致雙極電流產(chǎn)生，這意味著更高的關(guān)斷電流，并且破壞電路的操作邏輯[8-9]。具有優(yōu)異開關(guān)性能的III族氮化物（如GaN和AlN）已成為電力傳輸應(yīng)用的主要選擇[10-13]。與Si相比，III族氮化物由于具有可調(diào)的能帶和直接隙結(jié)構(gòu)而得到廣泛的關(guān)注。GaN/InN異質(zhì)結(jié)TFET被認(rèn)為是提升ION的一種方法[12]。AlN是一種寬帶隙材料，AlN基TFET的雙極電流很小。對(duì)于寬禁帶半導(dǎo)體材料來(lái)說(shuō)，它們的隧穿勢(shì)壘高度很高，通常在這種材料的器件中發(fā)生隧穿的概率很小。一層薄的AlN夾在P型和N型GaN之間時(shí)，會(huì)在異質(zhì)結(jié)表面引入極化電荷，這種結(jié)構(gòu)稱之為PITJ（Polarization Induced Tunneling Junction）[7,14,15]。同時(shí)，極化效應(yīng)彌補(bǔ)了p型GaN材料雜質(zhì)電離能過大的缺陷[16-17]。GaN摻雜的受主雜質(zhì)Mg具有174meV的電離能，使得GaN器件難以實(shí)現(xiàn)重?fù)诫sPN結(jié)，這不利于隧穿電流的產(chǎn)生。極化電荷的存在使得結(jié)邊界能帶彎曲，這種彎曲縮短了隧穿勢(shì)壘的寬度，這會(huì)提升隧穿電流的大小[7]。

3.2 實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)

在實(shí)驗(yàn)室中，通過科研讓學(xué)生親自模擬仿真一種帶有AlN極化夾層的GaN/AlN異質(zhì)結(jié)隧穿晶體管的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，來(lái)達(dá)到學(xué)生深度學(xué)習(xí)《微電子器件》課程的目的。

3.2.1 模型校準(zhǔn)

Atlas半導(dǎo)體器件模擬是一種常用的模擬半導(dǎo)體器件的電學(xué)性能和制造流程的一種工具。學(xué)生使用Atlas仿真軟件，建立模型。GaN基隧道二極管的結(jié)構(gòu)與校準(zhǔn)結(jié)果分別如圖1（a）[15]和圖1（b）所示。對(duì)該器件進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，重點(diǎn)關(guān)注極化效應(yīng)對(duì)隧穿電流的影響，因此，當(dāng)二極管尚未導(dǎo)通時(shí)，模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存在較大偏離。

圖1 隧穿二極管

GaN/AlN異質(zhì)結(jié)TFET的結(jié)構(gòu)與校準(zhǔn)結(jié)果分別如圖2（a）[7,18]和圖2（b）所示。

圖2 GaN/AlN TFET

3.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

指導(dǎo)學(xué)生使用Atlas仿真軟件對(duì)半導(dǎo)體器件進(jìn)行電學(xué)參數(shù)的仿真。器件的具體結(jié)構(gòu)如圖所示，圖3（a）為傳統(tǒng)的對(duì)照結(jié)構(gòu)，圖3（b）為AlN基夾層凹陷型TFET，圖3（c）為AlN基夾層凸起型TFET。

圖3 器件結(jié)構(gòu)圖

表1所示為器件結(jié)構(gòu)的具體參數(shù)值。TS、TC和TD分別是源區(qū)、溝道和漏區(qū)的厚度，TC是器件的長(zhǎng)度，TP是GaN口袋層的厚度，TAlN是AlN極化層的厚度，T1和L1分別是擴(kuò)展AlN層的厚度和長(zhǎng)度，氧化物的厚度固定在2nm。

表1 器件參數(shù)和對(duì)應(yīng)數(shù)值

極化效應(yīng)對(duì)器件的能帶的影響如圖4所示。實(shí)線所示為帶有AlN夾層的隧穿二極管導(dǎo)帶與價(jià)帶能帶圖（EC_TD以及EV_TD），虛線所示為沒有AlN夾層的普通GaN二極管能帶圖（EC_CD以及EV_CD），能量為0處的虛線是費(fèi)米能級(jí)的位置。隧穿二極管的隧穿勢(shì)壘寬度顯著小于普通二極管的隧穿勢(shì)壘寬度，這有助于提升載流子的隧穿概率。

圖4 GaN/AlN 隧穿二極管的能帶示意圖

器件的簡(jiǎn)要工藝流程如圖5所示。漏極區(qū)利用分子束外延（MBE，Molecular Beam Epitaxy）在GaN襯底上生長(zhǎng)[圖5(a)]，然后刻蝕漏極區(qū)[圖5(b)]，SiO2沉積在漏區(qū)兩側(cè)[圖5(c)]。AlN層同樣由MBE生成[圖5(d)]，氧化層作為硬掩膜沉積在AlN層上，之后AlN層被部分刻蝕[圖5(e)]，重p型GaN和本征GaN先后在此基礎(chǔ)上由MBE生長(zhǎng)[圖5(f)]。柵極和柵極氧化物通過沉積法生成[圖5(g)]這兩層材料之后會(huì)被部分蝕刻[圖5(h)]。源極層由MBE生長(zhǎng)，三個(gè)電極由金屬沉積生長(zhǎng)[圖5(i)]。

圖5 GaN TFET 制造流程

這三種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)移特性曲線如圖6所示。坐標(biāo)右側(cè)刻度為半對(duì)數(shù)坐標(biāo)，左側(cè)為線性坐標(biāo)。由圖6可以看出，結(jié)構(gòu)3的轉(zhuǎn)移特性曲線具有更低的亞閾值電壓、更低的亞閾值擺幅以及與結(jié)構(gòu)2相差不大的輸出電流。因此，結(jié)構(gòu)3所示的TFET具有更好的電學(xué)性能。

圖6 三種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)移特性曲線

3.2.3 器件深度學(xué)習(xí)結(jié)果

學(xué)生通過分組進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，使用軟件模擬器件結(jié)構(gòu)及特性，進(jìn)一步了解了隧道擊穿的原理，理解了不同結(jié)構(gòu)的TFET器件的轉(zhuǎn)移特性，初步建立了科研意識(shí)。

4 結(jié)論

深度學(xué)習(xí)能夠使學(xué)生在知識(shí)學(xué)習(xí)中形成核心素養(yǎng)，使學(xué)生在課程內(nèi)容學(xué)習(xí)中成長(zhǎng)和發(fā)展。課程基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)是淺層學(xué)習(xí)，是不能完成核心素養(yǎng)的培養(yǎng)的，因此，深度學(xué)習(xí)是未來(lái)教育的首要任務(wù)。本文采用教學(xué)與科研相融合的方式，從實(shí)驗(yàn)的角度，引導(dǎo)學(xué)生建立器件模型，進(jìn)行仿真，深度學(xué)習(xí)器件的特性，以學(xué)生深度學(xué)習(xí)為主導(dǎo)建設(shè)一流課程，完成教學(xué)的最終目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)學(xué)生的全面發(fā)展。