謝生 徐江濤 韓旭 張珊 蘭馗博

[摘 要] 隨著微電子技術進入后摩爾時代，集成電路專業(yè)的研究生不僅要掌握現行的硅基微電子技術，還要能夠應對行業(yè)未來的重大技術變革，引領時代發(fā)展。作為本科生“微電子器件基礎”的進階課程，“現代半導體器件物理”是集成電路專業(yè)研究生的核心課程，研究生對器件物理知識的熟識程度直接影響其半導體器件分析和集成電路設計能力。本課程改革以“學生中心，產出導向”為指導，通過梳理課程知識體系，構建模塊化的知識地圖，將最新學術成果和行業(yè)動態(tài)融入教學內容，并利用翻轉課堂、分組討論等教學新模式和多元考評體系培養(yǎng)研究生的創(chuàng)新思維，提升研究生學習的積極性、主動性和課程參與度。本課程的教學改革成果為集成電路專業(yè)研究生的核心課程建設和人才培養(yǎng)提供了一定的參考。

[關鍵詞] 課程改革;人才培養(yǎng);集成電路;微電子器件

[基金項目] 2020年度天津大學研究生創(chuàng)新人才培養(yǎng)項目“科教產教融合推動卓越微電子人才培養(yǎng)”（YCX202048）;2021年度天津大學研究生創(chuàng)新人才培養(yǎng)項目“‘強芯夢引領的‘異質異構集成微電子人才培養(yǎng)”（YCX202115）;2020年度天津大學教改項目“微電子工藝原理課程思政”（202013）

[作者簡介] 謝 生（1978—），男，河北張家口人，博士，天津大學微電子學院副教授，主要從事半導體器件與模擬集成電路設計研究;徐江濤（1979—），男，河北唐山人，博士，天津大學微電子學院教授，主要從事集成電路設計研究;韓 旭（1985—），男，天津人，碩士，天津大學微電子學院講師，主要從事大學生思想政治教育研究。

[中圖分類號] G420 [文獻標識碼] A[文章編號] 1674-9324（2022）03-0041-04[收稿日期] 2021-07-04

引言

集成電路是信息技術產業(yè)的核心，是支撐經濟社會發(fā)展和保障國家安全的戰(zhàn)略性、基礎性和先導性產業(yè)[1]。然而，目前我國集成電路技術與國際先進水平尚存在較大差距，關鍵技術受制于人，導致我國在5G通信、大數據和人工智能等領域的發(fā)展受到限制，制約我國進入全球高端產業(yè)鏈。近幾年先后發(fā)生的“中興事件”“孟晚舟事件”和“華為5G禁令事件”等均與集成電路芯片密切相關。大力發(fā)展集成電路產業(yè)、培養(yǎng)集成電路高端人才是解決這一問題的關鍵突破口。因此，需要在價值觀塑造、課程體系建設和人才培養(yǎng)模式等方面進行改革，打破傳統(tǒng)思維和研究生培養(yǎng)體系的束縛，大膽嘗試和創(chuàng)新。

天津大學微電子學院作為重點建設的國家示范性微電子學院之一，積極響應教育部等七部門關于加強集成電路人才培養(yǎng)的意見和新工科建設理念精神[1，2]，在研究生核心課程建設、培養(yǎng)體制與機制，以及創(chuàng)新實踐平臺建設等方面進行了大膽嘗試，取得了一些成果。本文以集成電路專業(yè)的核心課程“現代半導體器件物理”為例，探討在課程教學內容、教學方法和評價手段等方面的改革措施，希望為其他高校集成電路專業(yè)的研究生核心課程建設和人才培養(yǎng)提供一些借鑒。

一、傳統(tǒng)課程模式存在的問題

（一）課程內容陳舊，缺乏先進技術引領

半導體器件種類繁多，技術快速更迭，而研究生培養(yǎng)體系的修訂速度難以跟上技術和產業(yè)的發(fā)展。特別是器件尺寸進入納米量級，MOSFET器件受短溝道效應、泄漏電流和亞閾值擺幅的限制愈發(fā)突出，科研人員提出了一系列基于新原理、新結構或新材料的半導體器件，然而器件物理的教材建設遠遠滯后于技術發(fā)展。例如，施敏先生編撰的研究生經典教材《現代半導體器件物理》[3]成書于二十年前，未能涵蓋當前流行的FinFET、GAAFET和TFET等器件新結構。如果教學內容中缺乏前沿理論和最新成果，研究生則難以了解和掌握半導體器件領域的最新進展和發(fā)展趨勢，缺乏創(chuàng)新思維，更不可能引領時代發(fā)展。

（二）理論實踐脫節(jié)，難以適應行業(yè)發(fā)展

集成電路人才培養(yǎng)是一項系統(tǒng)工程，除了掌握基礎理論外，還需要通過工程實踐加深知識的理解與應用，因此，需要高校與產業(yè)界相互協(xié)作，實現資源和優(yōu)勢互補，共同為社會發(fā)展和進步培養(yǎng)具有創(chuàng)新思維和能解決工程實際問題的集成電路人才。然而傳統(tǒng)課程模式重理論、輕實踐，難以實現學以致用、以用促學[4]。由于缺乏工程實踐經歷，研究生解決工程實際問題的能力也不強。

（三）教學模式單一，缺乏創(chuàng)新能力培養(yǎng)

傳統(tǒng)教學模式以教師講授為主，學生被動接受，主動思考和探索的積極性不高，而且半導體器件種類繁多，難以涵蓋所有學生的興趣點，整體學習效果并不理想。對于研究生課程教學，更應該革新教學模式，激發(fā)學生的主觀能動性和自由探索精神，培養(yǎng)創(chuàng)新思維和解決問題的能力，以更好地應對未來的技術變革。

（四）評價方式片面，專業(yè)綜合素質不強

傳統(tǒng)評價方式僅考查研究生對理論知識的掌握程度，用一張試卷評價學生的整體學習成效，缺乏對學生創(chuàng)新思維、實踐能力和專業(yè)綜合素質的考查，從而導致學生重理論而輕實踐，缺乏解決工程實際問題的能力。

二、改革措施與成效

針對上述問題，本課程改革以學生為中心，圍繞集成電路產業(yè)對半導體器件物理的技術需求和學生興趣點，在掌握理論知識的基礎上，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和學術交流能力。在課程教學內容、教學模式和評價考核等方面進行了革新，探索了集成電路相關專業(yè)研究生培養(yǎng)的新模式。

（一）教學內容更新與優(yōu)化

在過去的幾十年，硅基集成電路產業(yè)的發(fā)展一直遵循摩爾定律，即每隔兩年更新一代。當前，基于5nm FinFET的集成電路已進入量產，3nm技術將于2022年大規(guī)模投產，而2nm GAA結構的納米線/納米帶器件的研發(fā)進展順利。然而，通過進一步縮小器件尺寸以提升芯片性能的方案并不經濟，所以當前集成電路產業(yè)同時向More than Moore和Beyond Moore方向發(fā)展[5]。在這種情況下，需要從器件結構和系統(tǒng)構架方面尋求改變，以適應3D堆疊的異質異構集成。而Beyond Moore則打破傳統(tǒng)硅基限制，利用納米尺度下二維材料的優(yōu)異特性，使用石墨烯、二硫化鉬等新型材料，構建基于電子自旋、量子干涉和憶阻等新機理的器件[6]。此外，受6G通信、超高密度存儲和太赫茲探測等需求的驅動，各種新器件、新技術也不斷涌現。為了培養(yǎng)能夠適應技術變革，甚至引領未來的高層次人才，在本次課程改革中，將學術前沿成果和行業(yè)動態(tài)實時納入課程教學內容，使學生能夠把握集成電路技術的發(fā)展方向，為未來技術的更新?lián)Q代提供理論支撐。

考慮到集成電路高層次人才既要具備當前主流器件的設計能力，迅速融入產業(yè)生產，又要面向未來器件可能在材料、機理和結構方面的重大變革，具備適應變化以致引領變化的能力，我們對“現代半導體器件物理”的教學內容進行了如圖1所示的模塊劃分。其中，器件基礎部分為本科生微電子器件的教學內容，核心器件模塊為當前集成電路所用的主流器件，也是本課程的主要講授內容，新型器件部分則著重討論基于新材料、新機理和新結構的學術前沿成果。

（二）教學方法與過程

在傳統(tǒng)的線下教學過程中，教師按照教學大綱要求，采取由淺到深或由易到難的方式對專業(yè)必備知識進行講授。該教法的優(yōu)點在于學生可以了解本課程所需掌握的大部分專業(yè)知識，但由于不同學生的興趣點和研究方向不同，很難因材施教，使學生積極參與到課程建設和課程討論中，達到教學相長的目的。根據如圖2所示的學習金字塔模型，被動學習的平均留存率小于30%，若將課堂教學模式轉換為主動學習，則可大大提升學生的學習效率。為此，本次課程改革積極轉變教學理念，引入翻轉課堂，形成以學生為中心，教師講授和學生匯報相結合的教學新模式。

在32學時的教學安排中，教師利用前20學時講授核心模塊的主流器件，學生在理解這些器件的基本原理和結構后，結合個人興趣，對當前學術前沿的自旋電子器件、憶阻器和隧穿效應晶體管等新型器件進行文獻調研、學習和歸納整理，并通過PPT進行成果匯報。另外，從工程實踐設計庫中選取感興趣的實踐課題，進行TCAD仿真設計。通過上述改革措施，提高了學生的課堂參與度和主動學習的積極性，培養(yǎng)了探索精神和創(chuàng)新思維。

（三）評價與考核

課程以“學生中心，產出導向”為指導，開展全過程、多維度評價。注重學生創(chuàng)新思維、專業(yè)素質和溝通交流等多方面的考核，充分調動學生學習的主動性和積極性。在評價體系中，平時表現占10%，PPT成果匯報占40%，研究學習報告占50%。其中，PPT成果匯報成績從版式（10%）、前沿性與新穎性（20%）、深度與廣度（30%）、講解效果及溝通交流（40%）四個方面進行評定。

考慮到學時和學生人數，本課程要求每4人為一組，學生按照個人興趣自行分組、選題題目后，進行組內和組間研討。為保證所有學生都積極主動地參與課程學習，在PPT成果展示前隨機確定本組的匯報人，并且匯報人的成績代表本組的成果匯報成績，從而有效避免個別學生偷懶的現象。由于PPT匯報是全組學生分工協(xié)作的共同成果，所以在交流討論環(huán)節(jié)中組內成員均可解答。為保證PPT成果展示具有一定的深度和廣度，要求人均參考文獻不少于十篇，匯報時間控制在20～25分鐘，溝通交流環(huán)節(jié)5～10分鐘。為提高學生的課堂參與度，選派學生代表對PPT匯報進行評分，積極交流學生的表現，并以此為依據納入平時成績。授課教師則作為評分細則的制定者和評委之一，指導學生代表完成PPT成果匯報的成績評定，并根據學生評分情況，適當調整學生評分和教師評分的比重。

在課程結束后，各組學生將學習和調研情況撰寫成研究學習報告，并列出小組成員的貢獻比例。報告格式嚴格按照指定論文模板格式，使研究生提前熟悉科技論文寫作體例和規(guī)范。教師根據學生的平時表現、PPT成果展示和研究報告的貢獻核算最終成績。

（四）改革成效

通過課程改革，實現了以學生為中心、教師為主導的教學新模式。研究生在掌握集成器件所需的專業(yè)基礎知識外，可根據自己的興趣進行探索，訓練了學生發(fā)現問題和解決問題的思維，提高了自主學習的積極性和課程建設的參與度，增強了研究生學習的成就感與獲得感。此外，通過PPT成果匯報和研究報告撰寫，培養(yǎng)了研究生學術交流和科技論文寫作能力，也豐富了“現代半導體器件物理”的教學內容，實現了教學相長和師生共同進步。

結語

“現代半導體器件物理”課程教學改革的目標是探索適合新形勢下研究生人才培養(yǎng)的新范式。本文從課程內容建設、教學模式革新和評價方式轉變等方面進行了有益的探索，形成了以學生為中心、教師為主導的教學新模式。通過引入最新研究成果、翻轉課堂和多元考評體系等方式，不僅促使研究生把握集成電路技術的發(fā)展方向，而且培養(yǎng)了其發(fā)現、解決問題的思維和學術交流能力，為其適應變化以至引領未來技術發(fā)展方向提供必要的專業(yè)知識支撐。

參考文獻

[1]教育部等七部門關于加強集成電路人才培養(yǎng)的意見[A/OL].（2016-05-06）[2021-06-14].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/201606/t20160607_248468.html.

[2]鐘登華.新工科建設的內涵與行動[J].高等工程教育研究，2017（3）：1-6.

[3]施敏.現代半導體器件物理[M].北京：科學出版社，2001：168-175.

[4]王科平，楊藝，李玉東.新工科背景下“模式識別”課程改革與探索[J].電氣電子教學學報，2020，42（3）：52-56.

[5]常勝.后摩爾時代研究型微電子人才培養(yǎng)思考[J].教育教學論壇，2019（3）：214-216.

[6]孫玲，黎明，吳華強，等.后摩爾時代的微電子研究前沿與發(fā)展趨勢[J].中國科學基金，2020，34（5）：652-659.

Reform and Exploration of Modern Semiconductor Device Physics Course

XIE Sheng1，2， XU Jiang-tao1，2， HAN Xu1， ZHANG Shan1， LAN Kui-bo1，2

（School of Microelectronics， Tianjin University， Tianjin 300072， China; 2. Tianjin Key Laboratory of Imaging and Sensing Microelectronic Technology， Tianjin 300072， China）

Abstract： As microelectronic technology steps into post-Moore era， the postgraduate students majoring in integrated circuit need not only to master the current silicon-based microelectronics technology， but also to have the ability to cope with the future technical innovations. As the advanced course of Fundamental of Microelectronic Devices， Modern Semiconductor Device Physics is one of the core courses for graduate students majoring in integrated circuits， and the knowledge of device physics directly affects students semiconductor device analysis ability and IC design ability. This course reform is guided by the student-centered and output-oriented concepts， and a modular knowledge map is constructed by reorganizing the professional knowledge system. The latest research findings and industry new progress are fused properly into the teaching. The innovative thinking of students is trained though the popular teaching modes （e.g. flipped classroom and group discussion） and multi-assessment system， thus improving the learning enthusiasm， initiative and course participation. The reform achievements provide some references for the core course construction and talent cultivation of integrated circuit major.

Key words： course reform; talent cultivation; integrated circuit; microelectronic devices