“光电检测技术”的课程思政探索

宋伟东 郭越 陈毅湛 张弛 范东华

摘要“光电检测技术”是光电信息科学与工程专业的核心课程。在传授专业知识和培养专业技能过程中融入思政教育，达到全程育人、全方位育人的目的，具有重要意义。本文以紫外光电探测器的讲授为案例，将光子型探测器的基本工作原理与特性等知识点串联起来，在讲解其研究发展历程中融入课程思政，向学生传达科学研究精神的内涵；同时，以GaNMSM型紫外探测器制作与测试作为科研实践内容，培养学生严谨的科学操守和良好的科研规范。本案例将传授知识、培养能力相结合，并在教学和实践各个环节融入课程思政，“三位一体”，达到润物无声的育人效果。

关键词 光电检测技术 课程思政 高校 科学精神

中图分类号：G424文献标识码：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绪论

“光电检测技术”是光学与电子学相结合而产生的一门最具潜力的新兴检测技术，具有精度高、容量大、自动化等特点，与國民经济各行业的发展和应用密切相关。“光电检测技术”课程是光电信息科学与工程专业核心课程，为前期“光电子技术”“半导体物理与器件”“信号与系统”等课程提供光电专业基本应用及拓展的必备能力与素质的支撑；为后续课程“光电子专业实验”“光电综合训练”“毕业设计（论文）”等课程提供光电专业基本概念、基本原理与基本计算。该课程与其他光电信息学科知识体系紧密相连，具有很强的理论性和实践性。课程主要内容包括光电检测系统结构、光电检测物理机制、各类光电检测器件、光电检测电路、直接检测系统、光外差检测系统，以及各类光电检测测试仪。该课程要求学生在掌握光电技术和半导体物理的基本理论基础上，学习工业生产中实际使用的光电检测器件，再结合实际检测需要设计、分析及使用各类光电检测测试仪，培养学生对实际光电检测系统的分析和设计能力；要求学生能恰当地选择和使用现代工程和信息技术工具，及运用光电检测知识对光电产业中的各类检测器件进行分析、归纳，掌握从理论到生产实践应用的过程、方法及分析解决具体实际问题的能力。

新时代要求更新的教育教学理念，以更好地达到上述课程教学目标。将科学探索和思政教育相结合融入该课程教学中，不仅提升学生分析问题和解决问题的能力，同时还可以教授求真务实、勇于探究的科学态度，为学生一生成长奠定科学的思维基础，成为德才兼备、全面发展的人才。本文在课程内容“光子型探测器”的讲授中以新兴技术—紫外光电探测器为例，理论教学中将光子型探测器的基本工作原理与特性的理论知识与GaN紫外探测器研究背景、器件结构与类型串联在一起，从GaN紫外探测器研制的进展中挖掘思政元素，进行课程思政教育；并辅以实践教学—一种GaN MSM型紫外探测器的制备与性能测试实践，融入课程思政，不仅显性地提高学生科研实践能力，而且隐性地培养了学生求真务实、团结协作、独立思考的科学品质。

1课程安排及课程思政

1.1理论教学

以GaN紫外探测器为例，讲解光子型探测器的基本工作原理与特性，主要分两部分：GaN紫外探测器研究背景、器件结构与类型，并从GaN紫外探测器研制的进展中挖掘思政元素。

1.1.1研究背景

我们日常生活所受的紫外辐射主要来源于日光，根据波段可细分為：UV-A（320-400 nm）、UV-B（280-320 nm）和UV-C（100-280 nm）。基于紫外线的超高能量，通过光电效应制备高性能的光子型紫外探测器，对军事和民用具有重要的应用价值。在军事方面，紫外探测技术可用于导弹预警、紫外通信、紫外线干扰等；在民用方面，可用于环境污染监测、火焰探测等。

在诸多半导体材料中，第一代半导体Si由于技术成熟且成本低，在新能源、光伏产业方面发挥了重要作用。但由于硅材料的带隙较窄、电子迁移率和击穿电场较低，在光电子领域和高频高功率器件方面的应用受到诸多限制。随着高速通信时代的到来，第二代化合物半导体材料主要被用于制作高速、高频电子器件和发光器件，广泛应用于卫星通讯、GPS导航等领域。随着21世纪智能产品的兴起和普及，传统的第一、二代半导体材料由于自身的性能限制已经无法满足更高的科技需求。1928年，Johason等人合成第三代导体半导体材料GaN，与第一、二代半导体材料相比，GaN材料具有更宽的禁带宽度、更高的热导率、更高的电子饱和速率及更强的抗辐射能力，用它制作的紫外探测器能很好地在宇航及军事等极端条件下工作。另外，通过材料配比可以调节器件的响应截止波长，为制备各个波段紫外探测器提供了有利条件。近年来，GaN基探测器已发展出多种器件结构，如光电导结构探测器，PN结和MSM结构探测器，以及雪崩探测器等，广泛应用于众多领域，促进了未来小型化、高效化、智能化的集成传感网络的发展。

1.1.2 GaN紫外光子探测器的类型

光电导型探测器：GaN光电导型器件利用光电导效应来实现紫外探测。其原理是当能量大于其禁带宽度的光子照射GaN材料上时，产生非平衡光生载流子，在外置偏压作用下，探测器输出回路中输出光电流。这类器件响应度高，但通常存在开/关比低和响应速度慢等问题。

光伏型探测器：GaN光电伏型器件利用光伏效应来实现紫外探测。其原理是当器件被紫外光照时，携带能量的光子进入PN结后，产生光生载流子，在内建电场或外置偏压作用下电子空穴对被分离，最后通过电极收集，形成光电流。光伏型探测器可通过PN结、肖特基结以及MSM等结构实现。这类光伏型探测器响应度比光电导型低，其优势在于具有较宽的线性动态范围，快速响应速度，低暗电流等，是目前的主流研究方向。

1.2引入课程思政

早在20世纪50年代初，紫外和红外探测技术几乎同时产生，红外探测技术在第二次世界大战中得到应用，引起广泛关注并得到迅速发展。然而，由于紫外探测器件灵敏度低，一直未能得到应用。直到90年代，日本研发出雪崩倍增靶摄像管，使紫外摄像器获得较高灵敏度及合适的光谱范围。此后，紫外探测技术的研究和应用开始引起研究人员广泛关注。1993年，美国研制出第一支基于GaN的紫外探测器；两年后，我国科学院半导体研究所也开始该方面的研究。科学家王晓亮说过：“国外比我们先行一步，我们承认差距，但是我们要本着‘引进—消化—吸收—创新’的科学态度，学习他们的先进经验，节约我们的资源和时间成本，跨越发展，最终通过自主创新实现超越”。现如今我国研发的紫外探测器朝着体积小、功耗低、柔性、自供电等多方面发展，科技水平逐渐跻身世界前列。我国先进科研成果的介绍引发学生强烈的民族自豪感，激发学生自信心和对专业的热爱。

我国半导体光电子技术的后来居上，是建立在无数科学家夜以继日的实验和坚持不懈的研究基础上，他们以国家责任为己任、与祖国共命运的科研态度，影响着一代代年轻人投入科技事业。当代大学生应培养“引进—消化—吸收—创新”的科研态度，牢记“长江后浪推前浪”的历史规律，充分发挥主观能动意识，大胆将所学进行自主创新创造，肩负起“一代更比一代强”的青春责任，争做与时俱进的有为青年。

2实践教学与课程思政

2.1一种GaN MSM结构紫外探测器的制备与性能测试实践

虽然光电检测技术课程具有很强的应用属性，但传统教的课堂教学受到很多限制，比如重理论、轻实践，重学术、轻应用等现象。传统的课程学习容易使学生感到枯燥，难以保持较好的学习积极性。通过组织学生进入第二课堂（科研实验室），有助于拓展教与学的时间与空间。在讲解了实验室仪器操作和安全规范、确保学生带好防护工具后，以GaNMSM型紫外探测器的制备与测试为例，带领学生进行课程实践活动。

光电检测器件工作过程可简单描述为光信号到电信号的转换，但是微电子器件制备工艺却精密且步骤繁杂。本实践中器件的制备流程包含以下几步：GaN样品表面清洗、涂胶、光刻、金属电极沉积、去胶剥离。样品的预处理主要是对样品表面杂质进行清理；光刻是微电子器件制备的基本工艺，通过涂胶、曝光、显影、去胶，将掩膜版图形转移到有源材料表面，为金属电极的沉积做准备；金属沉积是通过热蒸发系统沉积一层金属电极；然后剥离去除光刻胶，完成MSM结构的GaN紫外探测器元器件的制备。

光电测试系统主要由暗箱、光谱仪、氙灯、源表、探针台等组成。采用该系统可完成器件的光/暗I-V特性曲线、响应度、外量子效率、探测率、响应速度等光电探测器基本参数的测量。在测试前，结合课程内容“光电检测器件的特性参数”进行讲解。光/暗I-V特性曲线是指器件在有光/无光条件的电压-电流函数，高性能的器件应具有高光/暗电流比，并具有低的暗噪声电流，I-V曲线是最为直观的表现；光谱响应度和外量子效率描述了器件的光电转换能力，通过观察响应度曲线可以判断出该器件对哪个波段的光最敏感，从而应用于不同领域；探测率是描述器件对微弱光信号探测能力，取决于器件的响应度和噪声，高探测率的器件广泛应用于弱光探测；响应速度则可理解为器件对光信号响应的快慢。低延迟，高响应度器件是目前学者的研究热点。同时，通过讲解测试系统的各组成部分与功能，引入“光电直接检测系统”课程内容，对“系统”的概念有了更直观的理解。

2.2引入课程思政

学以致用才能让知识活起来，在实践教学的过程中可以帮助学生更好地掌握光电检测技术和半导体物理器件基本理论，培养学生从理论到生产实践过程中解决具体实际问题的能力。對于实践中制作的MSM结构探测器，可以看作一对“背靠背”肖特基二极管串联，当电极间外加偏压时，其中一个肖特基结正偏，另一个肖特基结则反偏。当有源层吸收光照，产生电子-空穴对，在外偏压产生的电场中，电子-空穴便在电极间发生漂移和扩散运动，形成定向光电流输出。电极的设计显著影响肖特基结电场分布，会极大影响器件性能。为此，引导学生就如何设计电极结构进一步提升器件性能进行广泛讨论，培养学生主观能动性和创造性。鼓励和支持学生的独立见解，宽容学生的不成熟想法。在讨论结束后，引入文献报道的一种设计方案——掩埋电极结构的进行讲解。该设计将GaN刻蚀一定深度，金属电极则沉积在所刻蚀的凹坑中。该论文作者通过数值仿真，反复优化结构设计，并在实验得到证明，采用掩埋电极结构的探测器具有更高的响应度和响应速度。这种创新设计的成功源于他们一次次的物理建模和反复实验，从失败中总结经验，这种细致、严谨理性的科学态度是科研工作者的共性，也是大学生需要培养的宝贵素质。

3结束语

本文以紫外光电探测器为例，针对光电检测技术中的课程思政进行了案例探索。在理论教学部分，以GaN紫外探测器为例，通过讲述研究背景、器件结构与类型，研究进展等内容，引入课程思政，倡导学生在半导体科学技术中勇于探索，以国家责任为己任、与祖国共命运，肩负起“一代更比一代强”的青春责任。在实践教学部分，通过GaN MSM型紫外探测器的制备与性能测试实践，不仅显性地提高学生操作能力，而且隐性地引导学生培养求真务实、团结协作、独立思考的科学品质。该案例探索了将思政教育有机融入课程和实践教学中，促进了学生专业理论、科学精神、实践能力的协同发展，从而实现全程育人、全方位育人的教学目标。

*通讯作者：宋伟东

基金项目：本文系教育部高等学校电子信息类光电教指分委教育教学研究项目（2020XGK22），材料科学与工程特色专业建设项目（GDJX2019006），广东省教学质量工程与教学改革工程项目五邑大学-江门市科恒实业新能源材料与器件实践教学基地项目（GDJX2019004）成果

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