徐峰

(揚(yáng)州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 江蘇 揚(yáng)州 225009)

1 引言

近年來(lái)，發(fā)光二極管(LED)產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)趨向飽和，LED產(chǎn)業(yè)朝向新技術(shù)和高端應(yīng)用逐步轉(zhuǎn)型，利用微縮矩陣技術(shù)制備的LED器件(MicroLED)逐漸成為顯示器行業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)．相比于傳統(tǒng)的液晶顯示以及有機(jī)發(fā)光二極管技術(shù)，MicroLED顯示技術(shù)利用微米級(jí)像素光源，形成定址控制的高對(duì)比度、納秒級(jí)響應(yīng)的顯示系統(tǒng)．伴隨著超高清智能5G+8K微顯示時(shí)代的來(lái)臨，MicroLED憑借其高分辨率、高穩(wěn)定性、廣色域等優(yōu)勢(shì)，將成為業(yè)界翹首以待的終極顯示技術(shù)，并成為光電產(chǎn)業(yè)新的增長(zhǎng)點(diǎn)[1，2]．

光電子材料與器件是微電子專(zhuān)業(yè)的核心課程[3]，其中發(fā)光二極管部分是該課程的重點(diǎn)之一，涵蓋了半導(dǎo)體材料以及器件結(jié)構(gòu)等知識(shí)點(diǎn)，展示了光電子器件獨(dú)特的光電學(xué)特性．隨著光電子技術(shù)的升級(jí)迭代，該部分內(nèi)容已無(wú)法有效銜接光電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，極大限制了微電子專(zhuān)業(yè)學(xué)生的科學(xué)思維和視野．

針對(duì)上述問(wèn)題，結(jié)合作者一線(xiàn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和科研實(shí)踐，本文基于MicroLED技術(shù)的前沿發(fā)展，旨在培養(yǎng)微電子專(zhuān)業(yè)學(xué)生核心素養(yǎng)，提出了對(duì)光電子材料與器件課程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，尤其是圍繞“課程理論+仿真實(shí)踐”路徑開(kāi)展了教學(xué)模式改革．

2 教學(xué)目標(biāo)

2.1 教材分析

科學(xué)出版社《光電子材料與器件》教材是基于PN結(jié)二極管理論系統(tǒng)論述了LED器件結(jié)構(gòu)、發(fā)光原理、特性參數(shù)以及驅(qū)動(dòng)技術(shù)[3]，相關(guān)知識(shí)點(diǎn)圍繞發(fā)光器件原理及應(yīng)用展開(kāi)，提供了專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)的理論體系．但與之相應(yīng)的是，教材沿用了傳統(tǒng)半導(dǎo)體課程的內(nèi)容框架和案例選擇，缺乏對(duì)最新科技發(fā)展的引入，對(duì)半導(dǎo)體時(shí)代新的發(fā)展格局和新理論、新知識(shí)、新業(yè)態(tài)的補(bǔ)充亟待深入，因此難以拓寬微電子專(zhuān)業(yè)學(xué)生對(duì)光電器件領(lǐng)域的深層次理解和認(rèn)知．

2.2 學(xué)情分析

從課程設(shè)置及知識(shí)基礎(chǔ)上看，微電子專(zhuān)業(yè)學(xué)生已系統(tǒng)學(xué)習(xí)半導(dǎo)體物理學(xué)、半導(dǎo)體器件物理等課程，對(duì)LED知識(shí)理論與應(yīng)用有了初步認(rèn)識(shí)．從認(rèn)知結(jié)構(gòu)上看，學(xué)生熟悉應(yīng)用廣泛的發(fā)光二極管，但缺乏與新型光電子器件的接觸，科創(chuàng)實(shí)踐及設(shè)計(jì)能力有待提升．所以，本課程設(shè)計(jì)涵蓋的MicroLED全新微顯示器件，不僅可以加強(qiáng)學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)理論知識(shí)的理解，更能夠激發(fā)學(xué)習(xí)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的興趣，提高其未來(lái)投身國(guó)家半導(dǎo)體發(fā)展的熱情．

2.3 教學(xué)目標(biāo)

(1)優(yōu)化教學(xué)模式

傳統(tǒng)光電子材料與器件課程采用教材為主多媒體為輔的教學(xué)模式，注重理論知識(shí)，但教學(xué)方式單一陳舊，同時(shí)也忽略了實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)和科創(chuàng)實(shí)踐．因此，需要?jiǎng)?chuàng)新優(yōu)化基于“課程理論+仿真實(shí)踐”的教學(xué)模式，通過(guò)采用探究式、討論式以及軟件模擬結(jié)合實(shí)踐式教學(xué)，將課程理論和仿真設(shè)計(jì)相結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生養(yǎng)成學(xué)以致用的科創(chuàng)觀(guān)念，在理論基礎(chǔ)上搭配仿真設(shè)計(jì)培訓(xùn)，提升學(xué)生對(duì)發(fā)光二極管物理特性的理解．

(2)拓寬科學(xué)思維

提升學(xué)生認(rèn)知光電子器件物理本質(zhì)的科學(xué)能力，結(jié)合軟件仿真設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)，包括仿真模型、步驟、優(yōu)化措施等，對(duì)發(fā)光二極管進(jìn)行器件模擬，并在此基礎(chǔ)上提升對(duì)新型發(fā)光器件的科學(xué)探究，能基于理論提出器件設(shè)計(jì)和驗(yàn)證、匯總并分析仿真結(jié)果、使用科學(xué)證據(jù)和推力預(yù)判行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)．

(3)增強(qiáng)責(zé)任擔(dān)當(dāng)

深入培養(yǎng)微電子專(zhuān)業(yè)學(xué)生的科學(xué)理論素養(yǎng)，通過(guò)對(duì)MicroLED器件的接觸和學(xué)習(xí)，了解光電子器件領(lǐng)域的發(fā)展，引導(dǎo)學(xué)生樹(shù)立責(zé)任意識(shí)和職業(yè)精神，明確自身的學(xué)習(xí)責(zé)任．同時(shí)，將課程改革作為深化創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的重要抓手，并推動(dòng)與專(zhuān)業(yè)教育深度融合、與課程思政緊密結(jié)合，促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展為創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)型人才．

3 教學(xué)過(guò)程

設(shè)計(jì)以MicroLED器件的發(fā)展及迭代升級(jí)為主線(xiàn)，系統(tǒng)地將半導(dǎo)體器件科學(xué)前沿進(jìn)展、模擬仿真工具以及科創(chuàng)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，整體融入到教學(xué)過(guò)程中，圍繞“課程理論+仿真實(shí)踐”模式對(duì)教學(xué)過(guò)程進(jìn)行整體優(yōu)化．

3.1 引入：發(fā)光二極管前沿技術(shù)介紹

全面介紹以MicroLED新型器件為代表的發(fā)光二極管演變發(fā)展歷程，結(jié)合PPT課件展示MicroLED主流應(yīng)用領(lǐng)域(圖1)，使學(xué)生了解現(xiàn)階段還存在諸多有待突破的技術(shù)瓶頸，如芯片工藝、巨量轉(zhuǎn)移、晶粒檢測(cè)修復(fù)等．重點(diǎn)介紹巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)，激發(fā)學(xué)生對(duì)新技術(shù)的探索興趣，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深入的科學(xué)思考，如何解決“卡脖子”技術(shù)難題．

圖1 MicroLED顯示器件主流應(yīng)用領(lǐng)域(圖片來(lái)源：https://www.slideshare.net/Yole_Developpement/microled-displays-2017-report-by-yole-developpement)

開(kāi)闊學(xué)生科研視野，以高端 “離子注入技術(shù)”為例，講解MicroLED器件的制備工藝，即利用高能等離子束源對(duì)半導(dǎo)體材料目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行轟擊形成注入?yún)^(qū)域，注入深度的增大會(huì)提升離子束能量損耗，最終離子停留在材料中使光電特性發(fā)生改性效應(yīng)．離子注入技術(shù)簡(jiǎn)單可靠、注入源選擇廣、深度分布均勻，相比于傳統(tǒng)方法具備更好的工藝兼容性，有利于MicroLED像素的縮小及成品率的提升．因此，離子注入技術(shù)在制備MicroLED器件上具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)．

3.2 探索：模擬仿真設(shè)計(jì)軟件講解

系統(tǒng)講解SRIM、Crosslight APSYS軟件在光電器件設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，重點(diǎn)介紹如何利用仿真軟件開(kāi)展MicroLED三維模擬研究，為學(xué)生科研實(shí)踐提供具體的指導(dǎo)．扎實(shí)的軟件模擬能力提供了強(qiáng)有力的輔助實(shí)驗(yàn)手段，也為實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)提供了準(zhǔn)確而系統(tǒng)的技術(shù)支持．

主要設(shè)計(jì)內(nèi)容：

(1)SRIM軟件是模擬計(jì)算離子束在目標(biāo)靶材中能量損失和分布特征，采用Monte Carlo方法模擬跟蹤入射粒子的能量損失、分布位置以及次級(jí)粒子的綜合參數(shù)，最后得到離子注入所需物理量的設(shè)計(jì)值．通過(guò)調(diào)節(jié)加速電壓，模擬計(jì)算得到不同粒子以不同角度、能量入射到半導(dǎo)體中的分布情況，如圖2(a)所示．

圖2 模擬仿真設(shè)計(jì)軟件的設(shè)計(jì)內(nèi)容

(2)Crosslight APSYS是三維光電子器件模擬軟件，其內(nèi)置數(shù)學(xué)模型可自洽解決泊松方程、載流子能量傳輸方程、電流連續(xù)性方程、熱傳輸方程．APSYS完善的三維模擬能力，能夠完成對(duì)復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的MicroLED器件有源發(fā)光區(qū)電子輸運(yùn)以及3D光線(xiàn)的追蹤模擬，優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)．運(yùn)算步驟如圖2(b)所示.

3.3 實(shí)踐：光電子器件科創(chuàng)實(shí)驗(yàn)開(kāi)展

利用校級(jí)器件模擬仿真平臺(tái)進(jìn)行科創(chuàng)實(shí)踐．首先，訓(xùn)練學(xué)生使用SRIM軟件模擬在半導(dǎo)體中形成有效的離子注入，分析具有不同能量的離子的注入效果，通過(guò)仿真深入了解離子注入在光電子器件制備工藝中的實(shí)際應(yīng)用．其次，進(jìn)一步訓(xùn)練學(xué)生利用Crosslight APSYS軟件進(jìn)行光電器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)合已有科研成果，引導(dǎo)學(xué)生基于離子注入設(shè)計(jì)新型MicroLED器件，使其從底層設(shè)計(jì)邏輯上了解器件制備流程，明確器件結(jié)構(gòu)與性能之間的調(diào)節(jié)機(jī)制．

4 教學(xué)安排

綜合考慮到微電子專(zhuān)業(yè)學(xué)生對(duì)發(fā)光二極管內(nèi)容已經(jīng)較為熟悉，具備了一定的理論基礎(chǔ)，因此在制定教學(xué)安排時(shí)，力求保持與教學(xué)大綱一致，優(yōu)化改進(jìn)原有授課內(nèi)容，進(jìn)行整體的替換升級(jí)，具體的教學(xué)設(shè)計(jì)安排如表1所示.

表1 半導(dǎo)體發(fā)光二極管教學(xué)設(shè)計(jì)

5 結(jié)論

光電子材料與器件作為微電子專(zhuān)業(yè)的核心課程，具有專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)、學(xué)科交叉多等特征，本文針對(duì)“發(fā)光二極管”內(nèi)容的傳統(tǒng)授課方式，提出了優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容的創(chuàng)新和改革，基于光電子器件MicroLED技術(shù)的前沿發(fā)展，并引入“課程理論+仿真實(shí)踐”融合的教學(xué)模式，結(jié)合多元化教學(xué)手段提升教學(xué)效率．通過(guò)優(yōu)化教學(xué)計(jì)劃，將理論結(jié)合科創(chuàng)實(shí)踐，深入學(xué)生的科學(xué)理論素養(yǎng)，引導(dǎo)學(xué)生樹(shù)立責(zé)任意識(shí)和職業(yè)精神．同時(shí)，利用課程改革深化創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育，推動(dòng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育與專(zhuān)業(yè)教育深度融合、與課程思政緊密結(jié)合，促進(jìn)學(xué)生發(fā)展成為德才兼?zhèn)涞膭?chuàng)新創(chuàng)業(yè)型人才．