虚拟仿真实验在半导体器件物理实验中的应用探究

段小玲 王树龙 许晟瑞

摘要：半导体器件物理实验是微电子与集成电路专业的核心专业实验，具有实践性强及技术更新快的特点，而真实实验环节存在实验设备昂贵、安全风险和器件内部特征与参数信息难以获得等问题。西安电子科技大学微电子学院实验中心把虚拟仿真实验应用到半导体器件物理实验当中，作为真实实验的有效补充，通过虚实结合的实验模式探索，解决了经费有限、安全风险和教学内容前沿创新不足等问题，积极促进了高水平、高素质、强能力的集成电路人才培养。

关键词：虚拟仿真；半导体器件物理实验；虚实结合

中图分类号：G642.0文献标识码：A文章编号：1673-7164（2020）48-0075-03

基金项目院教育部高等教育司2019年第二批产学合作协同育人项目“以创新人才培养为导向的微电子实验教学改革与实践”（项目编号：201902270029）。

半导体器件是集成电路芯片的核心部分，其性能高低主导着芯片的整体性能。半导体器件物理实验是微电子与集成电路专业的一门基础实验课，其涉及的实验设备相对昂贵，受到经费预算、场地空间、安全风险、试错成本、实验课时以及半导体器件本身结构特点等条件的限制，真实实验很难实现学生人手一台设备实验，使其在有限的实践环节中充分理解实验原理、进行实验操作并对实验结果进行全面深刻地分析。

为了解决实验课中普遍存在的问题，各大高校致力于实验室建设、团队建设、实验教学内容和教学模式改革探索和实践研究[1-2]。西安电子科技大学微电子学院微电子与集成电路实验中心通过专业基础实验室重构和虚拟仿真实验室建设的多年探索，取得了一些教学改革经验[3]，进行了系列虚拟仿真实验建设和探索。例如，把虚拟仿真实验应用到半导体器件物理实验当中，借助虚拟仿真技术“层层”剖析半导体器件，直观、形象地展现出半导体器件内部不同方向上结构和参数的变化规律，增强学生对半导体器件结构、特性和原理的把握，弥补了传统实验教学存在的不足，使半导体器件物理实验教学更加高效。本文基于前期实践，对虚拟仿真实验在半导体器件物理实验中的应用进行分析探索。

一、传统实验教学模式存在的问题

（一）实验经费和课时有限

实验经费有限，加上设备昂贵，学生实验中的试错成本高，导致设备购置数量有限，很难保证人手一台设备进行实验的条件。再加上微电子实验仪器操作难度较大，对学生知识的综合能力要求高，而受实验课时的限制，学生难以在课堂上进行深度实验操作和思考，使传统实验课堂的教学内容在选取和实施上受限，以验证性实验为主，学生在课堂上的实践和综合能力提升甚微，无法激发学生实验的积极性，失去了提升学生能力的实验教学目的[4]。

（二）前沿涉及不足，广度深度不够

集成电路学科具有实践性强及技术更新快的特点，而真实实验教学很难积极快速响应这种变化。一方面，真实实验课依靠实验仪器设备进行实验，设备的更新换代需要的资金成本过高[5]，高校在实验内容的设置上通常都是以几个典型的验证实验为主，前沿创新实验和综合应用实验较少，广度和深度上不够。另一方面，部分真实实验要响应理论课的更新内容，需要进行论证和设备升级，从设备升级采购到最终实验开课，花费的时间较长，存在响应延迟，表现出实驗内容的前沿涉及不足。

（三）存在安全风险

在真实实验中，比如器件的击穿特性实验、高温特性实验，会涉及到给器件外加几百上千伏高压或者几十上百摄氏度高温。真实实验中测试高温、高压特性存在安全风险，师生在实验中需要特别注意安全。为学生安全考虑，很多高校会舍弃半导体器件高压和高温电特性测试实验，学生对于器件的高温高压特性方面的内容很难在实践应用中验证和深入探索，直接影响教学效果。

二、虚实结合的混合教学模式

考虑到半导体器件物理实验具有实践性强及技术更新快的特点，而集成电路人才培养环节对实验环境要求高，设备昂贵，真实实验设施投入巨大；实验过程中可能涉及高温高压的试验条件，安全风险大；实验条件的限制导致实验内容前沿涉及不足，广度深度不够[6]。采用虚实结合的混合教学模式既能满足真实实验对学生动手能力的锻炼，又能够弥补真实实验短板，有效推动实验改革创新，促进实验教学协调发展。因此，西安电子科技大学微电子学院建设了集成电路设计与制造虚拟仿真实验教学中心，大力发展集成电路相关虚拟仿真技术，作为真实实验的有效补充，积极促进高水平、高素质、强能力的集成电路人才培养。

（一）虚拟仿真实验教学优势

与真实实验相比，虚拟仿真实验突破了真实实验的局限性，作为真实实验的补充与拓展，能够有效推动集成电路实验教学的改革与创新。

首先，突破了真实实验的局限性。虚拟仿真实验能解决真实实验耗时长、成本高、环境要求苛刻、危险性大等弊端，弥补高校因为实验室建设费用有限、设备数量和实验条件受限、设备采购更新延迟导致的实验内容的前沿和创新滞后等问题，使学生通过虚拟场景学习、实践和探索。

其次，是真实实验的补充与拓展。仿真实验能够让学生对实验中不便直接观察到的实验现象、实验内涵、内部机理通过仿真生动形象地表现出来（抽象概念和机理的形象化可视化），引导学生探索物理现象的本质，让学生对实验内容有较深刻清晰的认识，对实验涉及的理论知识是很好的实践和消化吸收过程。实验内容的广度和深度上很好把控，不受实验设施的制约。

最后，能够有效推动改革与创新。仿真实验不需要进行真实的实验，不存在安全风险，且对实验室环境没有苛刻的要求，可操作性强，有利于涉及前沿内容、创新实验和在广度深度上的全面考量与改革创新。

（二）虚实结合的半导体器件物理实验探索

虚拟仿真实验能够突破真实实验的局限性，是真实实验的有效补充，采用虚实结合的实验教学模式能同时吸取虚拟和现实实验的精华，推动实验改革创新，达到更好的教学效果。

以该校实验中心“氮化镓发光二极管工艺制造与光电特性虚拟仿真实验”为例。氮化镓是第三代半导体材料，氮化镓发光二极管是当前产业和科学研究的热点，该实验取材于西安电子科技大学国家级科研成果，旨在通过仿真实验开展氮化镓基发光二极管的工艺制造和光电特性研究。首先是进行AlGaN单量子阱GaN LED的工艺仿真实验，包括各层薄膜厚度、掺杂浓度、Al组分等相关信息。其次是AlGaN单量子阱GaN LED器件光电特性仿真部分，包括网格、区域、掺杂、组分、模型、材料参数定义，算法定义、外加电压定义和电特性的计算输出。学生通过改变器件的结构参数和材料参数来实现对二极管光电特性的分析研究。虚拟仿真实验弥补了有些高校实验条件有限的问题，让学生能够通过电脑仿真模拟实现对发光二极管的工艺过程和电学特性产生清晰认知，探索器件内部的深层抽象机理，激发学生的创新思维与学习兴趣，增强学生对知识的理解、吸收和拓展。

对于实验条件允许的高校，在虚拟仿真实验的基础上，可安排学生进行真实实验，对于实验中不懂的问题再回馈到虚拟仿真中进行机理探索，实现虚实结合，让学生对虚拟仿真的机理和实验现象的认知融合理解，培养学生对实验现象的探究，实现学生综合素养的提升。该校实验中心通过PL法测GaN基单量子阱发光器件的发光效率和禁带宽度等，该实验的实验结果和GaN器件光电特性虚拟仿真实验结果充分互补。通过实验现象调动学生的积極性、培养学生的动手能力，仿真结果能够将器件内部的抽象机理显化，让学生更加清晰明了地理解理论知识，并激发学生在实验中学会如何对看到的实验现象进行分析，让学生能自己体验并完成认知和研究过程。真正实现培养学生发现问题和解决问题的能力，最大程度的调动学生实验的积极性，激发学生的创新实践能力。

此外，从实验安全考虑，采用虚拟实验既能保证学生安全还能弥补真实实验空白。以高压试验为例，半导体器件的击穿特性研究方面经常涉及到击穿电压几百上千伏的情况。该校本科实验中心目前测试器件电流-电压特性的源表的电压最高限为40 V，对于击穿电压大于40 V的器件无法进行测试，而通过仿真能够解决这个问题。同时通过虚拟仿真能够模拟器件内部的电场分布情况来分析器件的击穿机理，实现比真实实验还要形象直观的原理解析，让学生对半导体器件的击穿特性有更深层次的理解。

三、结语

把虚拟仿真实验应用到半导体器件物理实验当中，作为真实实验的有效补充。西安电子科技大学微电子学院通过虚拟仿真实现对器件电学特性的清晰认知，探索器件内部的深层抽象机理，激发学生的创新思维与学习兴趣，增强学生对知识的理解、吸收和拓展。“虚实”结合的实践教学模式，解决了经费有限、安全风险和教学内容前沿创新不足等问题，使学生在掌握专业基础理论、发挥专业技能方面有了显著提升，为培养技术水平高、综合素质高、创新实践能力强的集成电路人才夯实了基础。

参考文献：

[1]祖强，魏永军.国家级示范性虚拟仿真实验教学项目申报策略探讨[J].实验技术与管理，2018，35（09）：247-249.

[2]李平，毛昌杰，徐进.开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设提高高校实验教学信息化水平[J].实验室研究与探索，2013，32（11）：5-8.

[3]冯晓丽，孙立锐.微电子专业个性化人才培养模式的探究[J].高教学刊，2019（01）：153-155.

[4]李婷婷，代健民，潘洪志.虚拟仿真实验教学的探究与创新人才的培养[J].中国继续医学教育，2019，11（08）：53-55.

[5]潘雪涛，邬华芝，蔡建文，张美凤，孟飞.创新虚拟实验教学模式培养自主学习能力[J].实验室研究与探索，2014，33（11）：72-76.

[6]熊宏齐.国家虚拟仿真实验教学项目的新时代教学特征[J].实验技术与管理，2019，36（09）：1-4.

（责任编辑：莫唯然）