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[關鍵詞]工藝原理 器件模擬與仿真 微電子技術

[中圖分類號] G420 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2015）11-0112-03

0引言

西安郵電大學微電子科學與工程專業(yè)源于原計算機系的微電子學專業(yè)，2005年開始招收第一屆本科生，專業(yè)方向設置偏向于集成電路設計。2013年，根據(jù)教育部《普通高等學校本科專業(yè)目錄（2012年）》的專業(yè)設置，將微電子學專業(yè)更名為微電子科學與工程專業(yè)。2009年至今，該專業(yè)累計培養(yǎng)本科畢業(yè)生6屆。根據(jù)歷年應屆畢業(yè)生就業(yè)情況和研究生報考方向，我們發(fā)現(xiàn)半導體工藝方向人數(shù)比重呈現(xiàn)逐年上升的趨勢。另外，隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，中西部地區(qū)半導體行業(yè)的投資力度也越來越大，例如韓國三星電子有限公司、西安愛立信分公司等落戶西安，半導體人才需求日益增加。

根據(jù)2014年，微電子科學與工程專業(yè)新一輪培養(yǎng)方案的定位，設置出半導體工藝、集成電路設計兩大課程體系，可實現(xiàn)半導體工藝、集成電路設計和集成電路應用人才的個性化培養(yǎng)。半導體工藝課程體系除設置固體物理、半導體物理學、半導體器件物理等專業(yè)基礎課程外，還包含集成電路工藝原理、器件模擬與仿真、集成電路制造與測試和半導體工藝實習等專業(yè)課程。本課程體系是微電子技術領域人才培養(yǎng)的核心，旨在培養(yǎng)學生掌握集成電路制造的工藝原理、工藝流程以及實踐操作的能力，同時也是培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識的高素質(zhì)應用型人才的關鍵。

因此，整合集成電路工藝原理與實踐課程體系的教學內(nèi)容，充分利用微電子技術實驗教學中心現(xiàn)有的硬件環(huán)境和優(yōu)勢資源，加強軟件設施，例如實踐教學具體組織實施方案及考核機制的建設，構建內(nèi)容健全、結(jié)構合理的集成電路工藝原理與實踐課程體系，對微電子科學與工程專業(yè)及相關專業(yè)的人才，尤其是半導體工藝人才培養(yǎng)的落實和發(fā)展具有重要意義。

一、面臨的主要問題和解決措施

（一）教學面臨的主要問題

課程體系是高等學校人才培養(yǎng)的主要載體，是教育思想和教育觀念付諸實踐的橋梁。集成電路工藝原理與實踐課程體系注重理論教學與實踐教學的緊密結(jié)合，不僅讓學生充分了解、掌握集成電路制造的基本原理和工藝技術，而且逐步加強學生半導體技術生產(chǎn)實踐能力的培養(yǎng)。然而，該課程體系相關實踐環(huán)境建設與運行維護耗費巨大，致使大多數(shù)高等院校在該課程體系的教學上僅局限于課堂教學，無法做到理論與實踐相結(jié)合。

為解決這一問題，學校經(jīng)過多方調(diào)研考察、洽談協(xié)商，與北京微電子技術研究所進行校企合作，建立了半導體工藝聯(lián)合實驗室。通過中省共建項目和其他項目對半導體工藝聯(lián)合實驗室進一步建設、完善，為微電子科學與工程專業(yè)及相關專業(yè)本科生提供了良好的工藝實踐平臺。然而，在實際教學過程中，專業(yè)課程內(nèi)容不能模塊化、系統(tǒng)化，理論教學與實踐教學嚴重脫鉤，工程型師資人員匱乏，教學效果不理想。因此，對集成電路工藝原理與實踐課程體系進行深化改革與探索，可謂任重而道遠。

（二）主要的解決措施

1.課程體系整合優(yōu)化

集成電路工藝原理與實踐課程體系服務于半導體產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展對人才培養(yǎng)的需要。本課程體系以集成電路工藝原理、器件模擬與仿真和工藝實踐為主線，將集成電路工藝原理、半導體器件模擬與仿真、集成電路封裝與測試、新型材料器件課程設計和半導體工藝實習等課程內(nèi)容進行整合，明確每門課程、知識的相互關系、地位和作用，找到課程內(nèi)容的銜接點，讓每一門課程都發(fā)揮承上啟下的作用，保證半導體人才培養(yǎng)的基本規(guī)格和基本質(zhì)量要求。在此基礎上，設置半導體材料、半導體功率器件、納米電子材料與器件等專業(yè)選修課，培養(yǎng)學生的興趣、愛好和特長，以滿足個性化培養(yǎng)需要。

為解決微電子科學與工程專業(yè)本科生實踐形式單一、綜合程度不高導致解決實際問題的應用能力不足等現(xiàn)象，集成電路工藝原理與實踐課程體系在力求理論教學與實踐教學有機融合的基礎上，設置微電子學基礎實驗、半導體器件模擬仿真、半導體工藝實習以及新型材料器件課程設計等實踐課程，形成由簡單到綜合、由綜合到創(chuàng)新的遞階實踐教學層次。通過獨立設課實驗、課程設計、科研訓練、生產(chǎn)實習、社會實踐、科技活動和畢業(yè)設計等實踐環(huán)節(jié)達到預期的效果。同時，注重課程形式的綜合化、科研化，提高綜合性、設計性實驗比例，使實踐課程與理論課程并行推進，貫穿整個人才培養(yǎng)過程。

2.考核體系的完善

考核體系總體上包括理論課程考核體系和實踐課程考核體系。目前，理論考核體系已基本成熟。然而，長期以來，我國教育領域由于實踐教學成本高、經(jīng)費得不到保障，所以考核主體對實踐環(huán)節(jié)考核的積極性不高、重視程度不夠，導致考核制度不完善。集成電路工藝原理與實踐課程體系在不斷完善理論教學考核體系的同時，尤其注重實踐教學體系的改革。將教學實驗項目的實驗過程、工藝參數(shù)和器件性能等列為考核的過程。兼顧定性與定量相結(jié)合、過程與結(jié)果相結(jié)合、課內(nèi)與課外相結(jié)合、考核與考評相結(jié)合的原則，不斷完善實踐教學的考核體系，形成以學生為中心的適應學生能力培養(yǎng)和鼓勵探索的多元實踐教學考核體系。該體系能全面、準確地反映學生的應用能力和實際技能，激發(fā)學生的學習動力、創(chuàng)新思維和創(chuàng)新精神，促進人才培養(yǎng)質(zhì)量和水平的提高。

3.教學團隊構建

根據(jù)集成電路工藝原理與實踐課程體系對高素質(zhì)應用型人才培養(yǎng)的需要，本教學團隊秉承“以老帶新”的傳統(tǒng)，為青年教師配備老教授或資深教授作為指導教師。在日常教學過程中，由老教師對年輕教師進行業(yè)務指導，負責教學質(zhì)量的監(jiān)控與授課經(jīng)驗的傳授。在老教師的“傳、幫、帶”和示范表率作用下，青年教師間互相聽課、交流教學心得，定期組織教學競賽，體現(xiàn)以人為本，強調(diào)德才兼?zhèn)?，營造青年教師良好的教與學氛圍。同時，課程體系團隊積極為任課教師創(chuàng)造條件，加大隊伍培養(yǎng)建設，鼓勵教師走出去，了解企業(yè)的運作模式，提高自身的業(yè)務能力。目前，已有多位教師到企業(yè)參觀交流、參加各種業(yè)務能力培訓，取得了多種職業(yè)資格認證，教師的業(yè)務能力和水平得到大幅提升。

西安郵電大學經(jīng)過多年建設和培養(yǎng)，形成了一支結(jié)構合理、師資雄厚的教學團隊，具有高學歷化、年輕化和工程化的特點。本課程體系現(xiàn)擁有任課教師15名，其中具有博士學位的教師7名，副高以上職稱的教師8名，40歲以下的教師占課程組教師總數(shù)的60%，具有工程實踐經(jīng)驗的教師占課程組教師總數(shù)的40%。

4.實驗環(huán)境的優(yōu)化

實驗環(huán)境是實踐教學和科學研究的關鍵性場所。根據(jù)微電子科學與工程專業(yè)半導體工藝、集成電路兩大課程體系對人才培養(yǎng)的需要，微電子技術實驗教學中心下設微電子學實驗教學部和集成電路實驗教學部，共計占地約1300平方米。微電子學實驗教學部下設微電子學基礎實驗室、半導體工藝仿真實驗室、半導體工藝實驗室、微 / 納材料器件實驗室、材料器件分析實驗室。微電子學基礎實驗室，擁有霍爾效應、高頻晶體管測試儀、四探針測試儀等常規(guī)設備，可實現(xiàn)微電子學專業(yè)基礎實驗。半導體工藝仿真實驗室，配置Silvaco、ISE和EDA等專業(yè)仿真軟件，可實現(xiàn)半導體器件工藝參數(shù)和性能的仿真。半導體工藝實驗室擁有雙管氧化擴散爐、光刻機、LP-CVD、離子束刻蝕機、磁控濺射臺、高溫快速退火和激光劃片等設備，可實現(xiàn)半導體工藝生產(chǎn)。微 / 納材料器件實驗室設計專業(yè)，配備排風、有害氣體報警系統(tǒng)，擁有氣氛熱處理程控高溫爐、納米球磨機、高壓反應釜等設備，可實現(xiàn)多種納米材料器件的制備。材料器件分析實驗室，擁有吉時利4200-SCS半導體特性分析系統(tǒng)、太陽能模擬器和化學工作站等設備，可完成新型材料器件的測試分析。

通過實踐教學資源配置、環(huán)境優(yōu)化，實現(xiàn)了實驗教學中心的整體規(guī)劃和布局;針對大型貴重精密設備配備專業(yè)操作人員，進行定期的維護和保養(yǎng);制定大型設備的操作流程和規(guī)范，保證實踐教學的順利實施。實驗平臺的建設，將為相關專業(yè)的本科生、研究生和教師在實踐教學、科研方面搭建一個良好的學術平臺。

二、改革的特色和預期成果

（一）改革的特色

1.校內(nèi)實驗平臺的優(yōu)化

集成電路工藝原理與實踐課程體系的構建，使專業(yè)培養(yǎng)方向定位更加明確、教學內(nèi)容更加明了。尤其是在教學形式上，從教學內(nèi)容整合、考核體系制定、教學團隊形成和實驗環(huán)境優(yōu)化等進行了多方位、多角度的改革探索。圍繞集成電路工藝原理、半導體器件模擬與仿真和半導體工藝生產(chǎn)實踐教學內(nèi)容為主線，保證半導體人才培養(yǎng)的基本規(guī)格和基本質(zhì)量要求;利用選修課實現(xiàn)學生專業(yè)個性化培養(yǎng)。通過合理設置理論課程與實踐課程比例、課內(nèi)課程與課外課程比例，可有效地控制教學內(nèi)容的穩(wěn)定性、機動性，推進課程內(nèi)容的重組與融合。同時，引領學生獨立思考、主動探索，激發(fā)學生的創(chuàng)新意識和提高學生解決實際問題的能力。

2.校企合作實驗平臺的構建

在校內(nèi)實踐教學的基礎上，微電子技術實驗教學中心先后與西安芯派電子科技有限公司、西安西谷微電子有限責任公司等微電子器件及測試公司建立了良好的交流合作關系。這些關系的建立，可使微電子科學與工程專業(yè)的學生在校外公司，例如在西安芯派電子科技有限公司進行半導體器件再流焊工藝的實習。校內(nèi)外互補的工藝實踐體系構件，使學生不僅掌握集成電路工藝實踐基本知識和原理，更能夠掌握實際行業(yè)內(nèi)集成電路工藝中需要考慮的系列問題，從而培養(yǎng)了工程的思維方式。

（二）改革的預期成果

1.達到理論與實踐教學的有機融合

理論學習是知識傳遞過程，實踐則是知識吸收過程。實踐環(huán)節(jié)教學能鞏固、加深學生對課堂上所學知識的理解，培養(yǎng)學生的實踐技能。集成電路工藝原理與實踐課程體系，將課程體系教學內(nèi)容按層次分為半導體工藝原理、器件模擬與仿真和半導體工藝實踐三個主要部分。通過半導體工藝原理的學習，掌握材料器件的基本參數(shù)、性能和制備方法;通過器件模擬與仿真，了解各種制備方法、工藝參數(shù)和器件性能之間的關系;通過半導體工藝實踐，充分調(diào)動學生的學習積極性、主動性和創(chuàng)造性，從而有效地加深對理論知識的理解，鍛煉實際動手能力。通過理論和實踐的有機融合，可有效培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。

2.實現(xiàn)教學的開放性

集成電路工藝原理與實踐課程體系，在理論教學方面，打破傳統(tǒng)課堂教學的局限性，充分利用現(xiàn)代多媒體技術，實現(xiàn)網(wǎng)絡教學。通過網(wǎng)絡教學系統(tǒng)，開展互動學習的教學模式。將傳統(tǒng)教學活動如批改作業(yè)、討論答疑和查閱資料等傳到網(wǎng)絡教學系統(tǒng)上;開發(fā)試題庫，建設合理的測試系統(tǒng)。在實踐教學方面，將部分實踐教學環(huán)節(jié)以錄像的形式上傳到網(wǎng)站上供學生學習、參考，部分實驗室實行全天候的開放，學生自主學習、管理。通過興趣小組、創(chuàng)新項目和開放性實驗等多種方式，形成團隊教師定期指導、高年級學生指導低年級學生的滾動機制，激發(fā)學生潛在的學習能力、創(chuàng)新意識，提高學生的學習興趣和實踐動手能力，為我校培養(yǎng)微電子技術領域高素質(zhì)應用型人才奠定基礎。

三、結(jié)語

根據(jù)西安郵電大學2014年微電子科學與工程專業(yè)新一輪培養(yǎng)方案的定位及社會發(fā)展對半導體人才培養(yǎng)的客觀要求，本文提出集成電路工藝原理與實踐課程體系改革。本課程體系以半導體工藝原理、器件模擬與仿真和半導體工藝實踐為主線，對教學內(nèi)容進行整合、修訂和完善，保證半導體人才培養(yǎng)的基本規(guī)格和質(zhì)量要求。根據(jù)現(xiàn)有實驗環(huán)境、實驗設備和優(yōu)勢資源，進行資源優(yōu)化配置，完成微電子技術實驗教學中心的整體規(guī)劃布局。通過師資隊伍的建設、切實可行的實踐教學管理制度的制定，明確任課教師的職責，出臺實踐教學質(zhì)量考核標準，加強實踐教學環(huán)節(jié)的時效性。通過上述諸要素的相互協(xié)調(diào)、配合，實現(xiàn)集成電路工藝原理與實踐課程體系“非加和性”的整體效應，促進微電子技術領域應用型人才培養(yǎng)質(zhì)量和水平的提高。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 崔穎.高校課程體系的構建研究[J].高教探索，2009（3）：88-90.

[2] 馬穎，范秋芳.美國高等教育管理體制對中國高等教育改革的啟示[J].中國石油大學學報（社會科學版），2014（4）：105-108.

[3] 別敦榮，易夢春.中國高等教育發(fā)展的現(xiàn)實與政策應對[J].清華大學教育研究，2014（1）：11-13.

[4] 王永利，史國棟，龔方紅.淺談工科大學生實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)體系的構建[J].中國高等教育，2010（19）：57-58.

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【關鍵詞】集成電路 理論教學 改革探索

【基金項目】湖南省自然科學基金項目（14JJ6040）;湖南工程學院博士啟動基金。

【中圖分類號】G642.3 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2015）08-0255-01

隨著科學技術的不斷進步，電子產(chǎn)品向著智能化、小型化和低功耗發(fā)展。集成電路技術的不斷進步，推動著計算機等電子產(chǎn)品的不斷更新?lián)Q代，同時也推動著整個信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[1]。因此，對集成電路相關人才的需求也日益增加。目前國內(nèi)不僅僅985、211等重點院校開設了集成電路相關課程，一些普通本科院校也開設了相關課程。課程的教學內(nèi)容由單純的器件物理轉(zhuǎn)變?yōu)榘M集成電路、數(shù)字集成電路、集成電路工藝、集成電路封裝與測試等[2]。隨著本科畢業(yè)生就業(yè)壓力的不斷增加，培養(yǎng)應用型、創(chuàng)新型以及可發(fā)展型的本科人才顯得日益重要。然而，從目前我國各普通院校對集成電路的課程設置來看，存在著重傳統(tǒng)輕前沿、不因校施教、不因材施教等問題，進而導致學生對集成電路敬而遠之，退避三舍，學習積極性不高，繼而導致學生的可發(fā)展性不好，不能適應企業(yè)的要求。

本文結(jié)合湖南工程學院電氣信息學院電子科學與技術專業(yè)的實際，詳細闡述了本校當前“集成電路原理與應用”課程理論教學中存在的問題，介紹了該課程的教學改革措施，旨在提高本校及各兄弟院校電子科學與技術專業(yè)學生的專業(yè)興趣，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識。

1.“集成電路原理與應用”課程理論教學存在的主要問題

1.1理論性強，課時較少

對于集成電路來說，在講解之前，學生應該已經(jīng)學習了以下課程，如：“固體物理”、“半導體物理”、“晶體管原理”等。但是，由于這些課程的理論性較強，公式較多，要求學生的數(shù)學功底要好。這對于數(shù)學不是很好的學生來說，就直接導致了其學習興趣降低。由于目前嵌入式就業(yè)前景比較好，在我們學校，電子科學與技術專業(yè)的學生更喜歡嵌入式方面的相關課程。而集成電路相關企業(yè)更喜歡研究生或者實驗條件更好的985、211高校的畢業(yè)生，使得我校集成電路方向的本科畢業(yè)生找到相關的較好工作比較困難。因此，目前我校電子科學與技術專業(yè)的發(fā)展方向定位為嵌入式，這就導致一些跟集成電路相關的課程，如“微電子工藝”、“晶體管原理”、“半導體物理”等課程都取消掉了，而僅僅保留了“模擬電子技術”和“數(shù)字電子技術”這兩門基礎課程。這對于集成電路課程的講授更增加了難度?！凹呻娐吩砼c應用”課程只有56課時，理論課46課時，實驗課10課時。只講授教材上的內(nèi)容，沒有基礎知識的積累，就像空中架房，沒有根基。在教材的基礎上額外再講授基礎知識的話，課時又遠遠不夠。這就導致老師講不透，學生聽不懂，效果很不好。

1.2重傳統(tǒng)知識，輕科技前沿

利用經(jīng)典案例來進行課程教學是夯實集成電路基礎的有效手段。但是對于集成電路來說，由于其更新?lián)Q代的速度非常快，故在進行教學時，除了采用經(jīng)典案例來夯實基礎外，還需緊扣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前沿。只有這樣才能保證人才培養(yǎng)不過時，學校培養(yǎng)的學生與社會需求不脫節(jié)。但目前在授課內(nèi)容上還只是注重傳統(tǒng)知識的講授，對于集成電路的發(fā)展動態(tài)和科技前沿則很少涉及。

1.3不因校施教，因材施教

教材作為教師教和學生學的主要憑借，是教師搞好教書育人的具體依據(jù)，是學生獲得知識的重要工具。然而，我校目前“集成電路原理與應用”課程采用的教材還沒有選定。如：2012年采用葉以正、來逢昌編寫，清華大學出版社出版的《集成電路設計》;2013年采用畢查德?拉扎維編寫，西安交通大學出版社出版的《模擬CMOS集成電路設計》;2014年采用余寧梅、楊媛、潘銀松編著，科學出版社出版的《半導體集成電路》。教材一直不固定的原因是還沒有找到適合我校電子科學與技術專業(yè)學生實際情況的教材，這就導致教師不能因校施教、因材施教。

2.“集成電路原理與應用”課程理論教學改革

2.1選優(yōu)選新課程內(nèi)容，夯實基礎

由于我校電子科學與技術專業(yè)的學生，沒有開設“半導體物理”、“晶體管原理”、“微電子工藝”等相關基礎課程，因此理想的、適用于我校學生實際的教材應該包括半導體器件原理、模擬集成電路設計、雙極型數(shù)字集成電路設計、CMOS數(shù)字集成電路設計、集成電路的設計方法、集成電路的制作工藝、集成電路的版圖設計等內(nèi)容，如表1所示。因此，在教學實踐中，本著“基礎、夠用”的原則，采取選優(yōu)選新的思路，盡量選擇適合我校專業(yè)實際的教材。目前，使用筆者編寫的適合于我校學生實際的理論教學講義，理順了理論教學，實現(xiàn)了因校施教，因材施教。

表1 “集成電路原理與應用”課程教學內(nèi)容

2.2提取科技前沿作為教學內(nèi)容，激發(fā)專業(yè)興趣

為了提高學生的專業(yè)興趣，讓他們了解“集成電路原理與應用”課程的價值所在，在授課的過程中穿插介紹集成電路設計的前沿動態(tài)。如：從IEEE國際固體電路會議的論文集中提取模塊、電路、仿真、工藝等最新的內(nèi)容，并將這些內(nèi)容按照門類進行分類和總結(jié)，穿插至傳統(tǒng)的理論知識講授中，讓學生及時了解當前集成電路設計的核心問題。這樣不但可以激發(fā)學生的好奇心和學習興趣，還可以提高學生的創(chuàng)新能力。

2.3開展雙語教學互動，提高綜合能力

目前，我國的集成電路產(chǎn)業(yè)相對于國外來說，還存在著相當?shù)牟罹?。要開展雙語教學的原因有三：一是集成電路課程的一些基本專業(yè)術語都是由英文翻譯過來的;二是集成電路的研究前沿都是以英文發(fā)表在期刊上的;三是世界上主流的EDA軟件供應商都集中在歐美國家，軟件的操作語言與使用說明書都是英文的。因此，集成電路課程對學生的英語能力要求很高，在課堂上適當開展雙語教學互動，無論是對于學生繼續(xù)深造，還是就業(yè)都是非常必要的。

3.結(jié)語

集成電路自二十世紀五十年代被提出以來，經(jīng)歷了小規(guī)模、中規(guī)模、大規(guī)模、超大規(guī)模、甚大規(guī)模，目前已經(jīng)進入到了片上系統(tǒng)階段。雖然集成電路的發(fā)展日新月異，但目前集成電路相關人才的學校培養(yǎng)與社會需求存在很大的差距。因此，對集成電路相關課程的教學改革刻不容緩。基于此，本文從“集成電路原理與應用”課程理論教學出發(fā)，詳細闡述了“集成電路原理與應用”課程教學所存在的主要問題，并有針對性的提出了該課程教學內(nèi)容和教學方法的改革措施，這對培養(yǎng)應用型、創(chuàng)新型的集成電路相關專業(yè)的本科畢業(yè)生具有積極的指導意義。

參考文獻：

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關鍵詞：集成電路工藝；立體化教學；探索與實踐

微電子技術是高科技和信息產(chǎn)業(yè)的核心技術，是伴隨著集成電路（IC）發(fā)展起來的高新技術，對國民經(jīng)濟和國家安全有著舉足輕重的戰(zhàn)略作用。集成電路工藝作為電子科學與技術相關專業(yè)的專業(yè)課程，其任務是使學生掌握集成電路的主要工藝技術及相關原理，培養(yǎng)其自主解決工藝問題的能力。課程具有實踐性強、理論與實踐密切結(jié)合的特點，目前的教學存在強調(diào)理論、忽視實踐的問題，學生害怕硬件，缺乏動手能力，不能扎實系統(tǒng)地掌握課程知識。本文對集成電路工藝的教學方法和教學內(nèi)容進行了探討，搭建了“理論―模擬―實踐”的立體化教學平臺，為大學教學改革提供參考。

一、目前課程存在的問題

1.教學模式的限制

在課程教學中，教學模式主要以理論授課為主，但是高等院校對微電子及集成電路專業(yè)的人才培養(yǎng)方式越來越強調(diào)對學生實踐能力的培養(yǎng)，傳統(tǒng)板書和多媒體PPT演示的教學方法已經(jīng)無法滿足與實驗教學有機的結(jié)合。

2.教學資源的缺乏

要培養(yǎng)學生具備較好的動手能力及基本的科研素質(zhì)，在集成電路工藝實驗教學中，必須使用各種工藝設備，如擴散爐、退火爐、光刻機、刻蝕機等，這些設備儀器價格昂貴，購置和維護這些設備的費用遠遠超出了學校的承受能力，導致其中部分實驗無法開設，降低了教學效果。

3.課程設置僵化

目前集成電路工藝的課程設置一般是采用理論教學和實驗教學結(jié)合、理論教學和計算機模擬結(jié)合的形式，或者單獨進行相關的課程設計，整個知識面不夠系統(tǒng)，并且考核形式比較單一，不利于學生集成電路工藝設計和分析能力的提高。

二、立體化教學在課程中的實踐

1.理論教學設計

集成電路工藝的基礎知識所涉及的面較廣，理論性較強，要求學生能夠扎實掌握半導體原理和器件的相關知識，能夠從前期的課程基礎上解釋工藝中出現(xiàn)的問題，如外延層構造及缺陷與器件性能間的聯(lián)系、擴散參數(shù)與摻雜離子分布的聯(lián)系等。所以，在教學內(nèi)容的選擇上突出交叉課程的相關性，將半導體原理和器件的內(nèi)容融入工藝的教學內(nèi)容中，有利于電子科學與技術專業(yè)學生對課程體系的整體掌握。

2.模擬仿真設計

TCAD（Technology CAD） 即工藝計算機輔助設計已經(jīng)在集成電路工藝中有著舉足輕重的作用，廣泛運用于工藝優(yōu)化、控制以及設計優(yōu)化中，不但可以通過模擬芯片制備的整個工藝流程節(jié)省實驗成本，在實驗前后以及進行過程中，可以隨時觀察各項數(shù)據(jù)，對實驗過程和結(jié)果進行直觀分析，從而使學生得到及時全面的認知，改善教學效果。對理論教學中的案例進行驗證性和探究性模擬實驗設計，可以進一步加強學生對知識的掌握程度?；谀贤ù髮W的SILVACO―TCAD的教學軟件，同樣以熱擴散工藝為例，如下圖所示，擴散深度隨著擴散時間的增加而增加，可見在模擬實驗中可以便捷地修改各項參數(shù)，靈活設計教學內(nèi)容。

3.實驗教學設計

實驗作為教學的重要組成部分必須與理論教學相輔相成， 必須能有效地促進學生對理論的理解，又要能在實驗中應用相關理論，為學生獲得新的理論知識打下良好的基礎。目前集成電路工藝課程存在實驗儀器貴重、精密、量少與實驗人數(shù)多、實驗時間短的供需矛盾，因此對于現(xiàn)有的設備一定要對實驗參數(shù)進行正交設計，從全面實驗中挑選出部分有代表性的點進行實驗，注重高效率、快速、經(jīng)濟。

綜上所述，在集成電路工藝課程中，建立理論授課―TCAD工藝模擬―工藝實驗密切結(jié)合的立體化實驗平臺，不但能豐富課程的教學內(nèi)容，而且能激發(fā)學生的學習興趣，也能使學生更為扎實地掌握集成電路制備的整個流程和設計方式，增強動手能力，提升教學效果。

參考文獻：

篇4

兩年以上工作經(jīng)驗|女|26歲（1990年9月10日）&nbsp

居住地：南京&nbsp

電　話：139*******（手機）&nbsp

E-mail：&nbsp

最近工作[9個月]&nbsp

公　司：XX有限公司&nbsp

行　業(yè)：電子技術/半導體/集成電路&nbsp

職　位：電子技術高級硬件工程師&nbsp

最高學歷&nbsp

學　歷：本科&nbsp

?！I(yè)：熱能與動力工程&nbsp

學　校：南京理工大學&nbsp

自我評價

上進心強、勤于學習能不斷提高自身的能力與綜合素質(zhì)。在未來的工作中，我將以充沛的精力，刻苦鉆研的精神來努力工作，穩(wěn)定地提高自己的工作能力，與企業(yè)同步發(fā)展。

求職意向

到崗時間：可隨時到崗

工作性質(zhì)：全職

希望行業(yè)：電子技術/半導體/集成電路

目標地點：南京

期望月薪：面議/月

目標職能：電子技術高級硬件工程師

工作經(jīng)驗

2014/9 – 2015/6：XX有限公司[9個月]

所屬行業(yè)：電子技術/半導體/集成電路

研究部

電子技術高級硬件工程師

1.參與部門的建設和規(guī)劃，組織方案設計或進行關鍵方案設計

2.承擔公司的硬件開發(fā)，負責設計產(chǎn)品原理圖、PCB Layout 樣板試制、協(xié)助uboot開發(fā)，以及樣機樣板調(diào)試工作。

3.承擔硬件資源建設，設計了包括典型時鐘電路、AD9388A采集電路、TMS320DN8168小系統(tǒng)；根據(jù)市場和部門特點進行硬件團隊建設，進行技術積累，設計了DVI、CVBS、4K2K等電路，快速跟進市場；

2013/5 – 2014/8：XX有限公司[1年3個月]

所屬行業(yè)：電子技術/半導體/集成電路

研究部

電子技術高級硬件工程師

1.參與項目管理，以硬件設計為關鍵路徑制定項目管理計劃和控制項目進度；

2.協(xié)助主管組織技術攻關及改造工作，對遺留的問題進行應急處理；

3.協(xié)助采購對新增供應商的供應能力、技術實力、質(zhì)量保證體系等進行考察及認定；

教育經(jīng)歷

2009/8— 2013/6 南京理工大學 熱能與動力工程 本科

證書

2010/12 大學英語四級

篇5

關鍵詞：微電子學；實驗室建設；教學改革；

1微電子技術的發(fā)展背景

美國工程技術界在評出20世紀世界最偉大的20項工程技術成就中第5項——電子技術時指出：“從真空管到半導體，集成電路已成為當代各行各業(yè)智能工作的基石”。微電子技術發(fā)展已進入系統(tǒng)集成(SOC—SystemOnChip)的時代。集成電路作為最能體現(xiàn)知識經(jīng)濟特征的典型產(chǎn)品之一，已可將各種物理的、化學的和生物的敏感器(執(zhí)行信息獲取功能)和執(zhí)行器與信息處理系統(tǒng)集成在一起，從而完成從信息獲取、處理、存儲、傳輸?shù)綀?zhí)行的系統(tǒng)功能。這是一個更廣義的系統(tǒng)集成芯片，可以認為這是微電子技術又一次革命性變革。因而勢必大大地提高人們處理信息和應用信息的能力，大大地提高社會信息化的程度。集成電路產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值以年增長率≥15%的速度增長，集成度以年增長率46%的速率持續(xù)發(fā)展，世界上還沒有一個產(chǎn)業(yè)能以這樣的速度持續(xù)地發(fā)展。2001年以集成電路為基礎的電子信息產(chǎn)業(yè)已成為世界第一大產(chǎn)業(yè)。微電子技術、集成電路無處不在地改變著社會的生產(chǎn)方式和人們的生活方式。我國信息產(chǎn)業(yè)部門準備充分利用經(jīng)濟高速發(fā)展和巨大市場的優(yōu)勢，精心規(guī)劃，重點扶持，力爭通過10年或略長一段時間的努力，使我國成為世界上的微電子強國。為此，未來十年是我國微電子技術發(fā)展的關鍵時期。在2010年我國微電子行業(yè)要實現(xiàn)下列四個目標：

(1)微電子產(chǎn)業(yè)要成為國民經(jīng)濟發(fā)展新的重要增長點和實現(xiàn)關鍵技術的跨越。形成2950億元的產(chǎn)值，占GDP的1.6%、世界市場的4%，國內(nèi)市場的自給率達到30%，并且能夠拉動2萬多億元電子工業(yè)產(chǎn)值。從而形成了500~600億元的純利收入。

(2)國防和國家安全急需的關鍵集成電路芯片能自行設計和制造。

(3)建立起能夠良性循環(huán)的集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展、科學研究和人才培養(yǎng)體系。

(4)微電子科學研究和產(chǎn)業(yè)的標志性成果達到當時的國際先進水平。

在這一背景下，隨著國內(nèi)外資本在微電子產(chǎn)業(yè)的大量投入和社會對微電子產(chǎn)品需求的急驟增加，社會急切地需要大量的微電子專門人才，僅上海市在21世紀的第一個十年，就需要微電子專門人才25萬人左右，而目前尚不足2萬人。也正是在這一背景下，1999年以來，全國高校中新開辦的微電子學專業(yè)就有數(shù)十個。2002年8月教育部全國電子科學與技術專業(yè)教學指導委員會在貴陽工作會議上公布的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，相當多的高校電子科學與技術專業(yè)都下設了微電子學方向。微電子技術人才的培養(yǎng)已成為各高校電子信息人才培養(yǎng)的重點。

2微電子學專業(yè)實驗室建設的緊迫性

我國高校微電子學專業(yè)大部分由半導體器件或半導體器件物理專業(yè)轉(zhuǎn)來，這些專業(yè)的設立可追溯到20世紀50年代后期。辦學歷史雖長，但由于多年來財力投入嚴重不足，而微電子技術發(fā)展迅速，國內(nèi)大陸地區(qū)除極個別學校外，其實驗教學條件很難滿足要求。高校微電子專業(yè)實驗室普遍落后的狀況，已成為制約培養(yǎng)合格微電子專業(yè)人才的瓶頸。

四川大學微電子學專業(yè)的發(fā)展同國內(nèi)其它院校一樣走過了一條曲折的道路。1958年設立半導體物理方向(專門組)，在其后的40年中，專業(yè)名稱幾經(jīng)變遷，于1998年調(diào)整為微電子學。由于社會需求強勁，1999年微電子學專業(yè)擴大招生數(shù)達90多人，是以往招生人數(shù)的2倍。當時，我校微電子學專業(yè)的辦學條件與微電子學學科發(fā)展的要求形成了強烈反差：實驗室設施陳舊、容量小，教學大綱中必需的集成電路設計課程和相應實驗幾乎是空白；按照新的教學計劃，實施新課程和實驗的時間緊迫，基本設施嚴重不足；教師結(jié)構不合理，專業(yè)課程師資缺乏。

在關系到微電子學專業(yè)能否繼續(xù)生存的關鍵時期，學校組織專家經(jīng)過反復調(diào)研、論證，及時在全校啟動了“523實驗室建設工程”。該工程計劃在3~5年時間內(nèi)，籌集2~3億資金，集中力量創(chuàng)建5個適應多學科培養(yǎng)創(chuàng)新人才的綜合實驗基地；重點建設20個左右基礎(含專業(yè)及技術基礎)實驗中心(室)；調(diào)整組合、合理配置、重點改造建設30個左右具有特色的專業(yè)實驗室?！?23實驗室建設工程”的啟動，是四川大學面向21世紀實驗教學改革和實驗室建設方面的一個重要跨越。學校將微電子學專業(yè)實驗室的建設列入了“523實驗室建設工程”首批重點支持項目，2000年12月開始分期撥款275萬元，開始了微電子學專業(yè)實驗室的建設。怎樣將有限的資金用好，建設一個既符合微電子學專業(yè)發(fā)展方向，又滿足本科專業(yè)培養(yǎng)目標要求的微電子學專業(yè)實驗室成為我們學科建設的重點。

3實驗室建設項目的實施

3.1整體規(guī)劃和目標的確立

微電子技術的發(fā)展要求我們的實驗室建設規(guī)劃、實驗教改方案、人才培養(yǎng)目標必須與其行業(yè)發(fā)展規(guī)劃一致，既要腳踏實地，實事求是，又必須要有前瞻性。尤其要注意國際化人才的培養(yǎng)。微電子的人才培養(yǎng)若不能實現(xiàn)國際化，就不能說我們的人才培養(yǎng)是成功的。

基于這樣的考慮，在調(diào)查研究的基礎上，我們將實驗室建設整體規(guī)劃和目標確定為：建立國內(nèi)一流的由微電子器件平面工藝與器件參數(shù)測試綜合實驗及超大規(guī)模集成電路芯片設計綜合實驗兩個實驗系列構成的微電子學專業(yè)實驗體系，既滿足微電子學專業(yè)教學大綱要求，又適應當今國際微電子技術及其教學發(fā)展需求的多功能的、開放性的微電子教學實驗基地。我們的目標是：

(1)建立有特色的教學體系——微電子工藝與設計并舉，強化理論基礎、強化綜合素質(zhì)、強化能力培養(yǎng)。

(2)保證寬口徑的同時，培養(yǎng)專業(yè)技能。

(3)建立開放型實驗室，適應跨學科人才的培養(yǎng)。

(4)在全國微電子學專業(yè)的教學中具有一定的先進性。

實踐中我們認識到，要實現(xiàn)以上目標、完成實驗室建設，必須以教學體系改革、教材建設為主線開展工作。

3.2重組實驗教學課程體系，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和現(xiàn)代工業(yè)意識

實驗課程體系建設的總體思路是培養(yǎng)創(chuàng)造性人才。實驗的設置要讓學生成為實驗的主角和與專業(yè)基礎理論學習相聯(lián)系的主動者，能激發(fā)學生的創(chuàng)造性，有專業(yè)知識縱向和橫向自主擴展和創(chuàng)新的余地。因此該實驗體系將是開放式的、有層次的和與基礎課及專業(yè)基礎課密切配合的。實驗教學的主要內(nèi)容包括必修、選修和自擬項目。我們反復認真研究了教育部制定的本科微電子學專業(yè)培養(yǎng)大綱及國際上對微電子學教學提出的最新基本要求。根據(jù)專業(yè)的特點，充分考慮目前國內(nèi)大力發(fā)展集成電路生產(chǎn)線(新建線十條左右)和已成立近百家集成電路設計公司對人才的強烈需求，為新的微電子專業(yè)教學制定出由以下兩個實驗系列構成的微電子學專業(yè)實驗體系。

(1)微電子器件平面工藝與器件參數(shù)測試綜合實驗。

這是微電子學教學的重要基礎內(nèi)容，也是我校微電子學教學中具有特色的實驗課程。這一實驗系列將使學生了解和初步掌握微電子器件的主要基本工藝，工藝參數(shù)的控制方法和工藝質(zhì)量控制的主要檢測及分析方法，深刻地了解成品率在微電子產(chǎn)品生產(chǎn)中的重要性。同時，半導體材料特性參數(shù)的測試分析系列實驗是配合“半導體物理”和“半導體材料”課程而設置的基本實驗，通過整合，實時地與器件工藝實驗配合，雖增加了實驗教學難度，卻使學生身臨其境直觀地掌握了工藝對參數(shù)的影響、參數(shù)反饋對工藝的調(diào)整控制、了解半導體重要參數(shù)的測試方法并加深對其相關物理內(nèi)涵的深刻理解。這樣的綜合實驗，對于學生深刻樹立產(chǎn)品成品率，可靠性和生產(chǎn)成本這一現(xiàn)代工業(yè)的重要意識是必不可少的。

(2)超大規(guī)模集成電路芯片設計綜合實驗。

這是微電子學教學的重點基礎之一。教學目的是掌握超大規(guī)模集成電路系統(tǒng)設計的基本原理和規(guī)則，初步掌握先進的超大規(guī)模集成電路設計工具。該系列的必修基礎實驗共80學時，與之配套的講授課程為“超大規(guī)模集成電路設計基礎”。除此而外，超大規(guī)模集成電路測試分析和系統(tǒng)開發(fā)實驗不僅是與“超大規(guī)模集成電路原理”和“電路系統(tǒng)”課程套配，使學生更深刻的理解和掌握集成電路的特性；同時也是與前一系列實驗配合使學生具備自擬項目和獨立創(chuàng)新的理論及實驗基礎。

3.3優(yōu)化設施配置，爭取項目最佳成效

由于項目實施的時間緊迫、資金有限。我們非常謹慎地對待每一項實施步驟。力圖實現(xiàn)設施的優(yōu)化配置，使項目產(chǎn)生最佳效益。最終較好地完成了集成電路設計實驗體系和器件平面工藝實驗體系的實施。具體內(nèi)容包括：

(1)集成電路設計實驗體系。集成電路設計實驗室機房的建立——購買CADENCE系統(tǒng)軟件(IC設計軟件)、ZENILE集成電路設計軟件；集成電路設計實驗課程體系由EDA課程及實驗、FPGA課程及實驗、PSPICE電路模擬及實驗、VHDL課程及實驗、ASIC課程及實驗、IC設計課程及實驗等組成。

(2)器件平面工藝實驗體系和相關參數(shù)測試分析實驗。結(jié)合原有設備新購并完善平面工藝實驗系統(tǒng)，包括：硼擴、磷擴、氧化、清洗、光刻、金屬化等；與平面工藝同步的平面工藝參數(shù)測試，包括：方塊電阻、C-V測試(高頻和準靜態(tài))、I-V測試、Hall測試、膜厚測試(ELLIPSOMETRY)及其它器件參數(shù)測試(實時監(jiān)控了解器件參數(shù)，反饋控制工藝參數(shù))；器件、半導體材料物理測試設備，如載流子濃度、電阻率、少子壽命等。

(3)與實驗室硬件建設配套的軟件建設和環(huán)境建設。實驗室環(huán)境建設、實驗室崗位設置、實驗課程的系統(tǒng)開設、向相關學院及專業(yè)提出已建實驗室開放計劃、制定各項管理制度。

在實驗室的階段建設中，我們分步實施、邊建邊用、急用優(yōu)先，在建設期內(nèi)就使實驗室發(fā)揮出了良好的使用效益。

3.4強化管理，實行教師負責制

新的實驗室必須要有全新的管理模式。新建實驗室和實驗課程的管理將根據(jù)專業(yè)教研室的特點，采取教研室主任和實驗室主任統(tǒng)一協(xié)調(diào)下的教師責任制。在兩大實驗板塊的基礎上，根據(jù)實驗內(nèi)容的布局進一步分為4類(工藝及測試，物理測試，設計和集成電路參數(shù)測試，系統(tǒng)開發(fā))進行管理。原則上，實驗設施的管理及實驗科目的開放由相應專業(yè)理論課的教師負責，在項目的建立階段，將按前述的分工實施責任制，其責任的內(nèi)容包括：組織設備的安裝調(diào)試，設備使用規(guī)范細則的制定，實驗指導書的編寫等。根據(jù)專業(yè)建設的規(guī)劃，在微電子實驗室建設告一段落后，主管責任教師將逐步由較年青的教師接任。主管責任教師的責任包括：設備的維護和保養(yǎng)，使用規(guī)范和記錄執(zhí)行情況的監(jiān)督，組織對必修和選修科目實驗指導書的更新，組織實驗室開放及輔導教師的安排，完善實驗室開放的實施細則等。

實驗課將是開放式的。結(jié)合基礎實驗室的開放經(jīng)驗和微電子專業(yè)實驗的特點，要求學生在完成實驗計劃和熟悉了設備使用規(guī)范細則的條件下，對其全面開放。對非微電子專業(yè)學生的開放，采取提前申請，統(tǒng)一完成必要的基礎培訓后再安排實驗的方式。同時將針對一些專業(yè)的特點編寫與之相適應的實驗教材。

4取得初步成果

微電子學專業(yè)實驗室通過近3年來的建設運行，實現(xiàn)或超過了預期建設目標，成效顯著，于2002年成功申報為&quot；四川省重點建設實驗室&quot；?，F(xiàn)將取得的初步成果介紹如下：

(1)在微電子實驗室建設的促進下，為適應新條件下的實驗教學，我們調(diào)整了教材的選用范圍。微電子學專業(yè)主干課教材立足選用國外、國內(nèi)的優(yōu)秀教材，特別是國外能反映微電子學發(fā)展現(xiàn)狀及方向的先進教材，我們已組織教師編撰了能反映國際上集成電路發(fā)展現(xiàn)狀的《集成電路原理》，選用了最新出版教材《大規(guī)模集成電路設計》，并編撰、重寫及使用了《集成電路設計基礎實驗》、《超大規(guī)模集成電路設計實驗》、《平面工藝實驗》、《微電子器件原理》、《微電子器件工藝原理》等教材。

在重編實驗教材時，改掉了&quot；使用說明&quot；式的教材編寫模式。力圖使實驗教材能配合實驗教學培養(yǎng)目標，啟發(fā)學生的想象力和創(chuàng)造力，尤其是誘發(fā)學生的原發(fā)性創(chuàng)新能力乃至創(chuàng)新沖動。

(2)對本科微電子學的教學計劃、教學大綱和教材進行了深入研究和大幅度調(diào)整，并充分考慮了實驗課與理論課的有機結(jié)合。堅持并發(fā)展了我校微電子專業(yè)在器件工藝實驗上的特色和優(yōu)勢，通過對實驗課及其內(nèi)容進行整合更新，使實驗更具綜合性。如將過去的單一平面工藝實驗與測試分析技術有機的結(jié)合，將原來相互脫節(jié)的芯片工藝、參數(shù)測試、物理測試等有機地整合在一起，以便充分模擬真實芯片工藝流程。使學生在獨立制造出半導體器件的同時，能對工藝控制進行實時綜合分析。

(3)引入了國際上最通用、最先進的超大規(guī)模集成電路系統(tǒng)設計教學軟件(如CADENCE等)，使學生迅速地掌握超大規(guī)模集成電路設計的先進基本技術，激發(fā)其創(chuàng)造性。為了保證這一教學目的的實現(xiàn)，我們對

專業(yè)的整體教學計劃做了與之配合的調(diào)整。在第5學期加強了電子線路系統(tǒng)設計(如EDA、PSPICE等)的課程和實驗內(nèi)容。在教學的第4學年又預留了足夠的學時，作為學生進一步掌握這一工具的選修題目的綜合訓練。

(4)所有的實驗根據(jù)專業(yè)基礎課的進度分段對各年級學生隨時開放。學生根據(jù)已掌握的專業(yè)理論知識和實驗指導書選擇實驗項目，提出實驗路線。鼓勵學生對可提供的實驗設施作自擬的整合，促進學生對實驗課程的全身心的投入。

在實驗成績的評定上，不簡單地看實驗結(jié)果的正確與否，同時注重實驗方案的合理性和創(chuàng)造性，注重是否能對實驗現(xiàn)象有較敏銳的觀察、分析和處理能力。

(5)通過送出去的辦法，把教師和實驗人員送到器件公司、設計公司培訓，并積極開展了校內(nèi)、校際間的進修培訓。推促教師在專業(yè)基礎和實驗兩方面交叉教學，提高了教師隊伍的綜合素質(zhì)。

(6)將集成電路設計實驗室建設成為電子信息類本科生的生產(chǎn)實習基地，為此，我們參加了中芯國際等公司的多項目晶圓計劃。

加入了國內(nèi)外EDA公司的大學計劃，以利于實驗室建設發(fā)展和提高教學質(zhì)量，如華大公司支持微電子實驗室建設，贈送人民幣1100萬元軟件(RFIC，SOC等微電子前沿技術)已進入實驗教學。

5結(jié)語

篇6

集成電路是當今信息技術產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展的基礎和源動力，已經(jīng)高度滲透與融合到國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的每個領域，其技術水平和發(fā)展規(guī)模已成為衡量一個國家產(chǎn)業(yè)競爭力和綜合國力的重要標志之一[1]，美國更將其視為未來20年從根本上改造制造業(yè)的四大技術領域之首。我國擁有全球最大、增長最快的集成電路市場，2013年規(guī)模達9166億元，占全球市場份額的50%左右。近年來，國家大力發(fā)展集成電路，在上海浦東等地建立了集成電路產(chǎn)業(yè)基地，對于集成電路設計、制造、封裝、測試等方面的專門技術人才需求巨大。為了適應產(chǎn)業(yè)需求，推進我國集成電路發(fā)展，許多高校開設了電子科學與技術專業(yè)，以培養(yǎng)集成電路方向的專業(yè)人才。集成電路版圖設計是電路設計與集成電路工藝之間必不可少的環(huán)節(jié)。據(jù)相關統(tǒng)計，在從事集成電路設計工作的電子科學與技術專業(yè)的應屆畢業(yè)生中，由于具有更多的電路知識儲備，研究生的從業(yè)比例比本科生高出很多。而以集成電路版圖為代表包括集成電路測試以及工藝等與集成電路設計相關的工作，相對而言對電路設計知識的要求低很多。因而集成電路版圖設計崗位對本科生而言更具競爭力。在版圖設計崗位工作若干年知識和經(jīng)驗的積累也將有利于從事集成電路設計工作。因此，版圖設計工程師的培養(yǎng)也成為了上海電力學院電子科學與技術專業(yè)本科人才培養(yǎng)的重要方向和辦學特色。本文根據(jù)上海電力學院電子科學與技術專業(yè)建設的目標，結(jié)合本校人才培養(yǎng)和專業(yè)建設目標，就集成電路版圖設計理論和實驗教學環(huán)節(jié)進行了探索和實踐。

一、優(yōu)化理論教學方法，豐富教學手段，突出課程特點

集成電路版圖作為一門電子科學與技術專業(yè)重要的專業(yè)課程，教學內(nèi)容與電子技術（模擬電路和數(shù)字電路）、半導體器件、集成電路設計基礎等先修課程中的電路理論、器件基礎和工藝原理等理論知識緊密聯(lián)系，同時版圖設計具有很強的實踐特點。因此，必須從本專業(yè)學生的實際特點和整個專業(yè)課程布局出發(fā)，注重課程與其他課程承前啟后，有機融合，摸索出一套實用有效的教學方法。在理論授課過程中從集成電路的設計流程入手，在CMOS集成電路和雙極集成電路基本工藝進行概述的基礎上，從版圖基本單元到電路再到芯片循序漸進地講授集成電路版圖結(jié)構、設計原理和方法，做到與上游知識點的融會貫通。

集成電路的規(guī)模已發(fā)展到片上系統(tǒng)（SOC）階段，教科書的更新速度遠遠落后于集成電路技術的發(fā)展速度。集成電路工藝線寬達到了納米量級，對于集成電路版圖設計在當前工藝條件下出現(xiàn)的新問題和新規(guī)則，通過查閱最新的文獻資料，向?qū)W生介紹版圖設計前沿技術與發(fā)展趨勢，開拓學生視野，提升學習熱情。在課堂教學中盡量減少冗長的公式和繁復的理論推導，將理論講解和工程實踐相結(jié)合，通過工程案例使學生了解版圖設計是科學、技術和經(jīng)驗的有機結(jié)合。比如，在有關天線效應的教學過程中針對一款采用中芯國際（SMIC）0.18um 1p6m工藝的雷達信號處理SOC 芯片，結(jié)合跳線法和反偏二極管的天線效應消除方法，詳細闡述版圖設計中完全修正天線規(guī)則違例的關鍵步驟，極大地激發(fā)了學生的學習興趣，收到了較好的教學效果。

集成電路版圖起著承接電路設計和芯片實現(xiàn)的重要作用。通過版圖設計，可以將立體的電路轉(zhuǎn)化為二維的平面幾何圖形，再通過工藝加工轉(zhuǎn)化為基于半導體硅材料的立體結(jié)構[2]。集成電路版圖設計是集成電路流程中的重要環(huán)節(jié)，與集成電路工藝密切相關。為了讓學生獲得直觀、準確和清楚的認識，制作了形象生動、圖文并茂的多媒體教學課件，將集成電路典型的設計流程、雙極和CMOS集成電路工藝流程、芯片內(nèi)部結(jié)構、版圖的層次等內(nèi)容以圖片、Flash動畫、視頻等形式進行展示。

版圖包含了集成電路尺寸、各層拓撲定義等器件相關的物理信息數(shù)據(jù)[3]。掩膜上的圖形決定著芯片上器件或連接物理層的尺寸。因此版圖上的幾何圖形尺寸與芯片上物理層的尺寸直接相關。而集成電路制造廠家根據(jù)版圖數(shù)據(jù)來制造掩膜，對于同種工藝各個foundry廠商所提供的版圖設計規(guī)則各不相同[4]。教學實踐中注意將先進的典型芯片版圖設計實例引入課堂，例如舉出臺灣積體電路制造公司（TSMC）的45nm CMOS工藝的數(shù)模轉(zhuǎn)換器的芯片版圖實例，讓學生從當今業(yè)界實際制造芯片的角度學習和掌握版圖設計的規(guī)則，同時切實感受到模擬版圖和數(shù)字版圖設計的藝術。

二、利用業(yè)界主流EDA工具，構建基于完整版圖設計流程的實驗體系

集成電路版圖設計實驗采用了Cadence公司的EDA工具進行版圖設計。Cadence的EDA產(chǎn)品涵蓋了電子設計的整個流程，包括系統(tǒng)級設計、功能驗證、集成電路（IC）綜合及布局布線、物理驗證、PCB設計和硬件仿真建模模擬、混合信號及射頻IC設計、全定制IC設計等。全球知名半導體與電子系統(tǒng)公司如AMD、NEC、三星、飛利浦均將Cadence軟件作為其全球設計的標準。將業(yè)界主流的EDA設計軟件引入實驗教學環(huán)節(jié)，有利于學生畢業(yè)后很快適應崗位，盡快進入角色。

專業(yè)實驗室配備了多臺高性能Sun服務器、工作站以及60臺供學生實驗用的PC機。服務器中安裝的Cadence 工具主要包括：Verilog HDL的仿真工具Verilog-X、電路圖設計工具Composer、電路模擬工具Analog Artist、版圖設計工具Virtuoso Layout Editing、版圖驗證工具Dracula 和Diva、自動布局布線工具Preview和Silicon Ensemble。

Cadence軟件是按照庫（Library）、單元（Cell）、和視圖（View）的層次實現(xiàn)對文件的管理。庫、單元和視圖三者之間的關系為庫文件是一組單元的集合，包含著各個單元的不同視圖。庫文件包括技術庫和設計庫兩種，設計庫是針對用戶設立，不同的用戶可以有不同的設計庫。而技術庫是針對工藝設立，不同特征尺寸的工藝、不同的芯片制造商的技術庫不同。為了讓學生在掌握主流EDA工具使用的同時對版圖設計流程有準確、深入的理解，安排針對無錫上華公司0.6um兩層多晶硅兩層金屬（Double Poly Double Metal）混合信號CMOS工藝的一系列實驗讓學生掌握包括從電路圖的建立、版圖建立與編輯、電學規(guī)則檢查（ERC），設計規(guī)則檢查（DRC）、到電路圖-版圖一致性檢查（LVS）的完整的版圖設計流程[5]。通過完整的基于設計流程的版圖實驗使學生能較好地掌握電路設計工具Composer、版圖設計工具Virtuoso Layout Editor以及版圖驗證工具Dracula和Diva的使用，同時對版圖設計的關鍵步驟形成清晰的認識。

以下以CMOS與非門為例，介紹基于一個完整的數(shù)字版圖設計流程的教學實例。

在CMOS與非門的版圖設計中，首先要求學生建立設計庫和技術庫，在技術庫中加載CSMC 0.6um的工藝的技術文件，將設計庫與技術庫進行關聯(lián)。然后在設計庫中用Composer中建立相應的電路原理圖（schematic），進行ERC檢查。再根據(jù)電路原理圖用Virtuoso Layout Editor工具繪制對應的版圖（layout）。版圖繪制步驟依次為MOS晶體管的有源區(qū)、多晶硅柵極、MOS管源區(qū)和漏區(qū)的接觸孔、P+注入、N阱、N阱接觸、N+注入、襯底接觸、金屬連線、電源線、地線、輸入及輸出。基本的版圖繪制完成之后，將輸入、輸出端口以及電源線和地線的名稱標注于版圖的適當位置處，再在Dracula工具中利用幾何設計規(guī)則文件進行DRC驗證。然后利用GDS版圖數(shù)據(jù)與電路圖網(wǎng)表進行版圖與原理圖一致性檢查（LVS），修改其中的錯誤并按最小面積優(yōu)化版圖，最后版圖全部通過檢查，設計完成。圖1和圖2分別給出了CMOS與非門的原理圖和版圖。

篇7

（嘉興學院機電工程學院，浙江 嘉興 314001）

基金項目：國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（201310354009）；浙江省錢江人才資助項目（QJD1302007）。

作者簡介：胡慧（1994.02—），女，漢族，安徽安慶人，嘉興學院學生，專業(yè)為材料成型及控制工程。

通訊作者：鹿業(yè)波（1983—），男，山東萊蕪人，工學博士，嘉興學院機電工程學院，講師，研究方向為金屬微納米材料的制備與評估。

0　前言

半導體技術和微電子技術是電子信息產(chǎn)業(yè)的核心技術，然而相對于國外微電子技術的發(fā)展[1]，國內(nèi)半導體器件產(chǎn)品制造的固有質(zhì)量和應用可靠性仍有待提高，尤其在溫度、電流密度等條件頻繁變化的環(huán)境下故障率較高[2]。集成電路的穩(wěn)定及可靠性是指在規(guī)定條件下，電路完成指定任務的能力，通常稱其為使用壽命。當集成電路的工作條件或者工作環(huán)境超出其額定值時，器件將無法正常工作，進而影響到整個系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性。通常工作溫度被認為是影響集成電路壽命的重要因素，該領域已有較多的研究報道。另一方面，當集成電路在頻繁開/關過程中，電路中焦耳熱會引起的溫度循環(huán)變化，這對集成電路壽命也會產(chǎn)生不可忽視的影響[3]。D. Gerth等人[4]對集成電路中的鋁膜進行了研究，發(fā)現(xiàn)了鋁膜上小丘的生長，并分析了相應機理，取得了有益的進展。歐陽斯可等人[5]采用微波等離子體加熱方法對金屬薄膜進行熱處理，但此類研究都是僅以恒溫加熱作為研究方法，忽視了快速冷熱循環(huán)變化對薄膜材料影響的研究。日本的Shien Ri 和 Masumi Saka[6]制作了能夠?qū)崿F(xiàn)溫度快速變化的裝置，但設計復雜、制作成本較高，且操作難度較大。目前通用的高溫加熱爐加熱速率低，不能實現(xiàn)快速冷熱循環(huán)。因此，針對半導體材料發(fā)展研究的需要，本文設計了一種能夠?qū)崿F(xiàn)快速冷熱循環(huán)的試驗裝置。

1　總體結(jié)構設計

利用陶瓷加熱片作為加熱源，將陶瓷加熱片安裝固定于快速升降位移機構之上。通過伺服電機的驅(qū)動，使快速移動臺帶動加熱片實現(xiàn)上下往復運動，進而使金屬薄膜材料的環(huán)境溫度發(fā)生快速冷熱循環(huán)的變化，從而達到試驗目的。快速冷熱循環(huán)試驗裝置如圖1所示，由快速移動臺、伸出臂、試驗臺、溫度控制器、水泵等幾部分組成。該裝置通過操作軟件的控制實現(xiàn)快速移動臺的上下移動速度、循環(huán)次數(shù)、停留時間等；溫度控制器實時檢測控制加熱片溫度；通過水泵、熱排等組成的冷卻系統(tǒng)保證承載試驗臺表面溫度在非加熱狀態(tài)時始終維持在室溫；溫度控制器實時顯示試驗臺溫度以保證冷卻系統(tǒng)的可靠性。

2　加熱系統(tǒng)的設計

加熱系統(tǒng)是該裝置設計的重要部分，其組成包括伸出臂、溫度控制器、陶瓷加熱片、快速移動臺等（如圖1所示），電路接線示意圖如圖2所示，工作原理為：溫度控制器與陶瓷加熱片相連接，通過控制器的控制作用使陶瓷加熱片穩(wěn)定于某一設定溫度，當伸出臂上的加熱片靠近試驗臺上的金屬薄膜材料時，金屬薄膜材料受熱溫度升高。

加熱系統(tǒng)中，伸出臂要承受力的載荷，同時受高溫的影響，通過校核計算設計采用304不銹鋼作為伸出臂材料，以保證伸出臂的平穩(wěn)性。伸出臂的規(guī)格為178×50×3.5mm，上面加工出槽用于放置陶瓷加熱片，溫度控制器的傳感器導線采用正方體鐵塊固定；陶瓷加熱片作為加熱系統(tǒng)中的直接加熱體，屬脆性材料，規(guī)格為48×26×2mm，額定電壓和功率分別為220V、242W，以保證試驗中規(guī)格較小的加熱體能達到200~300℃的高溫，為考慮安全性，加熱片用小片長方形鋼條壓蓋，通過螺栓連接固定于伸出臂銑出的槽內(nèi)；在鋼條與加熱片之間加入了彈簧機構，以固定傳感器探頭，同時避免加熱片在加熱過程中因鋼板的壓迫而爆裂；溫度控制器通過控制BT穩(wěn)壓裝置來實現(xiàn)溫度的可靠控制；快速移動臺利用滾珠絲杠傳動來實現(xiàn)，將伺服電機的圓周運動轉(zhuǎn)變?yōu)榛_的直線運動，其軟件系統(tǒng)是MPC08系統(tǒng)，移動臺最大行程為600mm，最大速率可達50mm/s。

3　冷卻系統(tǒng)的設計

冷卻系統(tǒng)的組成包括試驗臺、溫度控制器、水泵、冷卻液等部分，工作原理為：當位移機構開始上升時，陶瓷加熱片隨之遠離試驗臺，試驗臺上的試樣迅速冷卻，為加快試樣冷卻速度，保證儀器的冷卻效果，設計的試驗臺增設冷卻循環(huán)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過水管連接各個冷卻裝置，使冷卻液在其中快速流動從而達到較好的冷卻效果。

系統(tǒng)中,試驗臺應具有良好的導熱性，以保證試樣在冷卻狀態(tài)下可以盡量與室溫一致，同時避免試樣溫度的累積。本裝置設計采用導熱性較好的銅作為試驗臺材料，并將試驗臺上的冷卻液進出口設計為寶塔型，使之能緊密的與水管相接，避免冷卻液的滲漏，利用工字鋼和長方形鋼條固定試驗臺于導柱上；循環(huán)泵規(guī)格為1206型12伏45瓦直流微型水泵；溫度控制器作用僅顯示試驗臺表面的溫度。

4　儀器測試分析

集成電路承受的溫度一般為80℃左右，超過該極限溫度就易導致電子產(chǎn)品出現(xiàn)故障。快速冷熱循環(huán)裝置可在一定范圍內(nèi)任意設置加熱溫度，通過控制伸出臂的位置，可實現(xiàn)試驗臺上金屬薄膜材料溫度變化，以達到不同試驗的要求。

裝置搭建完成后，本文對加熱效果進行了檢測分析，利用移動臺驅(qū)動伺服電機使加熱片靠近/遠離試驗臺表面，并借助傳感器及溫度控制器，初步檢測記錄了試驗臺表面的加熱溫度的相關數(shù)據(jù)，如圖3所示。加熱片與試驗臺最短距離控制在10mm左右，此時，陶瓷加熱片溫度為250℃，試驗臺表面溫度113℃（能量損失主要在于空氣流通），隨著加熱片與試驗臺距離的增大，試驗臺表面溫度迅速降低，當間距達到100mm時，其表面溫度進入穩(wěn)定狀態(tài)，此時可認為試驗臺降至室溫。綜合考慮行程運行速度、安全等因素，設置試驗中最大行程為120mm。

通過此裝置對鋁膜進行了初步的冷熱循環(huán)試驗，試驗結(jié)果表明快速冷熱循環(huán)會使鋁膜表面出現(xiàn)大量的小丘。在之前的研究中[7]，經(jīng)過恒溫加熱的試樣表面出現(xiàn)小丘較少，因此，在加熱時間和加熱溫度相同的條件下，快速冷熱對試樣的破壞性更大。

目前溫度快速變化對半導體材料影響研究的相關報道較少，主要原因在于測試儀器的缺乏，本儀器的設計及制作為相關研究提供了可行性，將促進對半導體電路材料失效機理的研究。

5　結(jié)語

本文設計制作了一種快速冷熱循環(huán)儀，進行了應用試驗，并取得預期成果。實驗過程中，該系統(tǒng)加熱穩(wěn)定，溫度變化迅速，能夠有效地控制試驗循環(huán)次數(shù)。該試驗儀器不僅可應用于Al薄膜的測試研究，還可用于研究性能要求較高的其它金屬薄膜材料，如Ag、Cu等材料，通過研究溫度變化對薄膜材料的影響，可改善其在半導體電路中的應用，推進半導體電子行業(yè)的發(fā)展。

參考文獻

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［3］詹郁生,鄭學仁.集成電路金屬互連焦耳熱效應的測試與修正[J].華南理工大學學報:自然科學版,2004,32(5):34-37.

［4］D. Gerth, D. Katzer, M. Krohn D. Study of the thermal behaviour of thin aluminium alloy films[J]. Thin Solid Films, 1992,208(1):67-75.

［5］歐陽斯可,汪濤,戴永兵,等.微波等離子加熱實現(xiàn)金屬薄膜固相反應[J].新技術新工藝,2004(6):36-38.

［6］S. Ri, M. Saka. Diffusion–fatigue interaction effect on hillock formation in aluminum thin films under thermal cycle testing[J]. Materials Letters, 2012,79(15):139-141.

篇8

關鍵詞：量子阱；器件；紅外探測器；激光器；

  1 引言

  量子阱器件,即指采用量子阱材料作為有源區(qū)的光電子器件,材料生長一般是采用mocvd外廷技術。這種器件的特點就在于它的量子阱有源區(qū)具有準二維特性和量子尺寸效應。二維電子空穴的態(tài)密度是臺階狀分布,量子尺寸效應決定了電子空穴不再連續(xù)分布而是集中占據(jù)著量子化第一子能級,增益譜半寬大為降低、且價帶上輕重空穴的簡并被解除,價帶間的吸收降低。

  2 量子阱器件基本原理

  2.1 量子阱基本原理[1]

半導體超晶格是指由交替生長兩種半導體材料薄層組成的一維周期性結(jié)構.以gaas／alas半導體超晶格的結(jié)構為例:在半絕緣gaas襯底上沿[001]方向外延生長500nm左右的gaas薄層,而交替生長厚度為幾埃至幾百埃的alas薄層。這兩者共同構成了一個多層薄膜結(jié)構。gaas的晶格常數(shù)為0.56351nm,alas的晶格常數(shù)為0.56622nm。由于alas的禁帶寬度比gaas的大,alas層中的電子和空穴將進入兩邊的gaas層，“落入”gaas材料的導帶底,只要gaas層不是太薄,電子將被約束在導帶底部,且被阱壁不斷反射。換句話說,由于gaas的禁帶寬度小于alas的禁帶寬度,只要gaas層厚度小到量子尺度,那么就如同一口阱在“吸引”著載流子,無論處在其中的載流子的運動路徑怎樣,都必須越過一個勢壘,由于gaas層厚度為量子尺度,我們將這種勢阱稱為量子阱.

當gaas和alas沿z方向交替生長時,圖2描繪了超晶格多層薄膜結(jié)構與相應的的周期勢場。其中a表示alas薄層厚度(勢壘寬度),b表示薄層厚度(勢阱寬度)。如果勢壘的寬度較大,使得兩個相鄰勢阱中的電子波函數(shù)互不重疊,那么就此形成的量子阱將是相互獨立的,這就是多量子阱。多量子阱的光學性質(zhì)與單量子阱的相同,而強度則是單量子阱的線性迭加。另一方面,如果兩個相鄰的量子阱間距很近,那么其中的電子態(tài)將發(fā)生耦合,能級將分裂成帶,并稱之為子能帶。而兩個相鄰的子能帶

之間又存在能隙,稱為子能隙。通過人為控制這些子能隙的寬度與子能帶,使得半導體微結(jié)構表現(xiàn)出多種多樣的宏觀性質(zhì)。

  2.2 量子阱器件

量子阱器件的基本結(jié)構是兩塊n型gaas附于兩端,而中間有一個薄層,這個薄層的結(jié)構由algaas-gaas-algaas的復合形式組成,。

在未加偏壓時,各個區(qū)域的勢能與中間的gaas對應的區(qū)域形成了一個勢阱,故稱為量子阱。電子的運動路徑是從左邊的n型區(qū)(發(fā)射極)進入右邊的n型區(qū)(集電極),中間必須通過algaas層進入量子阱,然后再穿透另一層algaas。

  量子阱器件雖然是新近研制成功的器件,但已在很多領域獲得了應用,而且隨著制作水平的提高,它將獲得更加廣泛的應用。

  3 量子阱器件的應用

  3.1 量子阱紅外探測器

量子阱紅外探測器(qwip)是20世紀90年展起來的高新技術。與其他紅外技術相比,qwip具有響應速度快、探測率與hgcdte探測器相近、探測波長可通過量子阱參數(shù)加以調(diào)節(jié)等優(yōu)點。而且,利用mbe和mocvd等先進工藝可生長出高品質(zhì)、大面積和均勻的量子阱材料,容易做出大面積的探測器陣列。正因為如此,量子阱光探測器,尤其是紅外探測器受到了廣泛關注。

qwip是利用摻雜量子阱的導帶中形成的子帶間躍遷,并將從基態(tài)激發(fā)到第一激發(fā)態(tài)的電子通過電場作用形成光電流這一物理過程,實現(xiàn)對紅外輻射的探測。通過調(diào)節(jié)阱寬、壘寬以及algaas中al組分含量等參數(shù),使量子阱子帶輸運的激發(fā)態(tài)被設計在阱內(nèi)(束縛態(tài))、阱外(連續(xù)態(tài))或者在勢壘的邊緣或者稍低于勢壘頂(準束縛態(tài)),以便滿足不同的探測需要,獲得最優(yōu)化的探測靈敏度。因此,量子阱結(jié)構設計又稱為“能帶工程”是qwip最關鍵的一步。另外,由于探測器只吸收輻射垂直與阱層面的分量,因此光耦合也是qwip的重要組成部分。

  3.2 量子阱在光通訊方面的應用

光通信是現(xiàn)代通信的主要方式,光通訊的發(fā)展需要寬帶寬、高速、大容量的光發(fā)射機和光接收機,這些儀器不僅要求其體積小,質(zhì)量高,同時又要求它成本低,能夠大規(guī)模應用,為了達到這些目的,光子集成電路(pic’s)和光電子集成電路(oeic’s)被開發(fā)出來。但是,通常光子集成電路

和光電子集成電路是采用多次光刻,光柵技術、干濕法腐蝕技術、多次選擇外延生長mocvd或mbe等復雜工藝,從而可能使銜接部位晶體質(zhì)量欠佳和器件間的耦合效率低下,影響了有源器件性能和可靠性。

近20年來發(fā)展了許多選擇量子阱無序或稱之為量子阱混合(qwi)的新方法,目的在于量子阱一次生長(mocvd-qw)后,獲得在同一外延晶片上橫向不同區(qū)域具有不同的帶隙、光吸收率、光折射率和載流子遷移率,達到橫向光子集成和光電子集成的目的,這樣就避免了多次生長和反復光刻的復雜工藝。

  4 結(jié)語

  半導體超晶格和量子阱材料是光電材料的最新發(fā)展,量子阱器件的優(yōu)越性使得它活躍在各種生產(chǎn)和生活領域。目前,在光通信、激光器研制、紅外探測儀器等方面,量子阱器件都得到了廣泛的應用。隨之科學技術的不斷進步,我們相信,半導體超晶格和量子阱材料必然在更多領域發(fā)揮其獨特的作用。

參考文獻： 

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杜鵬，周立慶．面向工程化應用的量子阱紅外探測材料制備研究［j］．激光與紅外，2010，40(11)：1215～1219．

畢艷軍，郭志友，于敏麗等. p型gamnas/algaas量子阱紅外探測器研究［j］．激光與紅外，2008，38(8)：784～786．

篇9

而近年來全國工程教育認證標準發(fā)生較大的變化，電子科學與技術專業(yè)的電類課程設置，逐漸被光學類課程所取代，影響了各高校專業(yè)培養(yǎng)方案的制定。本文通過總結(jié)國內(nèi)各高校電子科學與技術專業(yè)基礎與核心課程設置的經(jīng)驗，分析本科專業(yè)對應于電子科學與技術一級學科所屬的各二級學科的基礎知識，對于將集成電路設計設置為電子科學與技術專業(yè)核心課程，來完善電子科學與技術專業(yè)課程體系設置進行了探討。

1 全國工程教育認證標準

全國工程教育認證是我國高等教育為了融入世界得到全球高等教育界的認可而開展的認證，自2007年開始試點實行。近些年來，全國工程教育認證標準已經(jīng)成為各高校制定專業(yè)培養(yǎng)方案的導向標準。

2011年之前的標準 2011年之前的全國工程教育認證標準指出，電子科學與技術專業(yè)的本科生運用所掌握的理論知識和技能，從事信號與信息處理的新型電子、光電子和光子材料及其元器件，以及集成電路、集成電子系統(tǒng)和光電子系統(tǒng)，包括信息光電子技術和光子器件、微納電子器件、微光機電系統(tǒng)、大規(guī)模集成電路和電子信息系統(tǒng)芯片的理論、應用及設計和制造等方面的科研、技術開發(fā)、教育和管理等工作。

可以看出，2011年之前的全國工程教育認證標準對于電子科學與技術專業(yè)的知識要求非常強調(diào)電學方面的基礎知識，特別是集成電路和集成電子系統(tǒng)方面的知識，光學方面的知識只是作為輔助。

2012年之后的標準 2012年之后的全國工程教育認證標準指出，電子科學與技術專業(yè)包括電動力學、固體物理、微波與光導波技術、激光原理與技術等知識領域的核心內(nèi)容。2012年之后的全國工程教育認證標準對于電子科學與技術專業(yè)的知識要求較以前有了大幅度的簡化，同時也可以看出，電子科學與技術專業(yè)的標準更多地強調(diào)了光學方面的知識，而減少了電學方面的知識要求，對于集成電路方面的知識沒有做具體要求，只是提出各高?？梢愿鶕?jù)自己的特長設置特色課程。這個標準似乎更適合光電子科學與技術這樣的本科專業(yè)，當然目前國內(nèi)并沒有光電子科學與技術這樣的本科專業(yè)，卻有光信息科學與技術和光電信息科學與工程這樣的本科專業(yè)，也就是說此要求跟光學專業(yè)的要求是比較接近且有所交叉重疊的。

2 國內(nèi)高校本科專業(yè)課程設置

《電子科學與技術分教指委本科指導性專業(yè)規(guī)范》指出，電子科學與技術專業(yè)涵蓋的學科范圍廣闊，以數(shù)學和近代物理為基礎，研究電磁波、荷電粒子及中性粒子的產(chǎn)生、運動、變換及其不同媒質(zhì)相互作用的現(xiàn)象、效應、機理和規(guī)律，并在此基礎上研究制造電子、光電子各種材料及元器件，以及集成電路、集成電子系統(tǒng)和光電子系統(tǒng)，并研究開發(fā)相應的設計、制造技術。

清華大學的電子科學與技術本科專業(yè)課程設置與2012年之后的全國工程教育認證標準更為接近，在對電學方面的基礎知識進行要求的同時更加強調(diào)了光學方面的基礎知識，而復旦、同濟、上海交大、浙江大學、東南大學等眾多高校的電子科學與技術本科專業(yè)更多地強調(diào)了集成電路、集成電子系統(tǒng)方面的知識，多數(shù)都把集成電路方面的知識作為必修的考試科目專業(yè)知識。

3 學科知識體系的對應關系

《授予博士、碩士學位和培養(yǎng)研究生的學科、專業(yè)目錄》中指出，工科類一級學科電子科學與技術，涵蓋了物理電子學、電路與系統(tǒng)、微電子與固體電子學、電磁場與微波技術等4個二級學科。電子科學與技術本科專業(yè)應該涵蓋一級學科所屬各二級學科物理電子學、電路與系統(tǒng)、微電子與固體電子學、電磁場與微波技術等方面的基礎知識，也就是說本科專業(yè)應該涵蓋固體物理或半導體物理、半導體器件、集成電路、電磁場等方面的基礎知識是比較合理的，這樣既有利于本科學生將來在本學科領域的繼續(xù)深造學習，也有利于適應社會需要而就業(yè)。

4 結(jié)束語

綜上所述，集成電路設計這樣的課程應該作為電子科學與技術專業(yè)核心課程進行設置，有條件的高校還可以分別設置模擬集成電路設計和數(shù)字集成電路設計這樣的課程作為專業(yè)核心課程。這樣既能滿足本科指導性專業(yè)規(guī)范的要求，也能滿足為后續(xù)碩士博士研究生階段的繼續(xù)深造打下基礎，還能適應國家大力發(fā)展集成電路設計與制造產(chǎn)業(yè)的要求。這樣就需要中國工程教育認證協(xié)會對全國工程教育認證的電子科學與技術專業(yè)標準做出修改，不再過多強調(diào)光學方面的基礎知識，而是更多地要求集成電路與集成電子系統(tǒng)方面的知識，這樣能引導國內(nèi)各高校回歸到加強電學方面的知識教育的道路上來。

在我國大力支持集成電路設計產(chǎn)業(yè)發(fā)展的大環(huán)境下，本文對于將集成電路設計設置為電子科學與技術專業(yè)核心課程，來完善電子科學與技術專業(yè)課程體系設置進行了探討。本文探討的內(nèi)容希望能夠為全國工程教育認證電子科學與技術專業(yè)標準的設定提供參考，也可以為兄弟院校相關專業(yè)的課程設置提供借鑒。

參考文獻

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篇10

關鍵詞半導體材料量子線量子點材料光子晶體

1半導體材料的戰(zhàn)略地位

上世紀中葉，單晶硅和半導體晶體管的發(fā)明及其硅集成電路的研制成功，導致了電子工業(yè)革命；上世紀70年代初石英光導纖維材料和GaAs激光器的發(fā)明，促進了光纖通信技術迅速發(fā)展并逐步形成了高新技術產(chǎn)業(yè)，使人類進入了信息時代。超晶格概念的提出及其半導體超晶格、量子阱材料的研制成功，徹底改變了光電器件的設計思想，使半導體器件的設計與制造從“雜質(zhì)工程”發(fā)展到“能帶工程”。納米科學技術的發(fā)展和應用，將使人類能從原子、分子或納米尺度水平上控制、操縱和制造功能強大的新型器件與電路，必將深刻地影響著世界的政治、經(jīng)濟格局和軍事對抗的形式，徹底改變?nèi)藗兊纳罘绞健?/p>

2幾種主要半導體材料的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

2.1硅材料

從提高硅集成電路成品率，降低成本看，增大直拉硅（CZ－Si）單晶的直徑和減小微缺陷的密度仍是今后CZ－Si發(fā)展的總趨勢。目前直徑為8英寸（200mm）的Si單晶已實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，基于直徑為12英寸（300mm）硅片的集成電路（IC‘s）技術正處在由實驗室向工業(yè)生產(chǎn)轉(zhuǎn)變中。目前300mm，0.18μm工藝的硅ULSI生產(chǎn)線已經(jīng)投入生產(chǎn)，300mm，0.13μm工藝生產(chǎn)線也將在2003年完成評估。18英寸重達414公斤的硅單晶和18英寸的硅園片已在實驗室研制成功，直徑27英寸硅單晶研制也正在積極籌劃中。

從進一步提高硅IC‘S的速度和集成度看，研制適合于硅深亞微米乃至納米工藝所需的大直徑硅外延片會成為硅材料發(fā)展的主流。另外，SOI材料，包括智能剝離（Smartcut）和SIMOX材料等也發(fā)展很快。目前，直徑8英寸的硅外延片和SOI材料已研制成功，更大尺寸的片材也在開發(fā)中。

理論分析指出30nm左右將是硅MOS集成電路線寬的“極限”尺寸。這不僅是指量子尺寸效應對現(xiàn)有器件特性影響所帶來的物理限制和光刻技術的限制問題，更重要的是將受硅、SiO2自身性質(zhì)的限制。盡管人們正在積極尋找高K介電絕緣材料（如用Si3N4等來替代SiO2），低K介電互連材料，用Cu代替Al引線以及采用系統(tǒng)集成芯片技術等來提高ULSI的集成度、運算速度和功能，但硅將最終難以滿足人類不斷的對更大信息量需求。為此，人們除尋求基于全新原理的量子計算和DNA生物計算等之外，還把目光放在以GaAs、InP為基的化合物半導體材料，特別是二維超晶格、量子阱，一維量子線與零維量子點材料和可與硅平面工藝兼容GeSi合金材料等，這也是目前半導體材料研發(fā)的重點。

2.2GaAs和InP單晶材料

GaAs和InP與硅不同，它們都是直接帶隙材料，具有電子飽和漂移速度高，耐高溫，抗輻照等特點；在超高速、超高頻、低功耗、低噪音器件和電路，特別在光電子器件和光電集成方面占有獨特的優(yōu)勢。

目前，世界GaAs單晶的總年產(chǎn)量已超過200噸，其中以低位錯密度的垂直梯度凝固法（VGF）和水平（HB）方法生長的2－3英寸的導電GaAs襯底材料為主；近年來，為滿足高速移動通信的迫切需求，大直徑（4，6和8英寸）的SI－GaAs發(fā)展很快。美國莫托羅拉公司正在籌建6英寸的SI－GaAs集成電路生產(chǎn)線。InP具有比GaAs更優(yōu)越的高頻性能，發(fā)展的速度更快，但研制直徑3英寸以上大直徑的InP單晶的關鍵技術尚未完全突破，價格居高不下。

GaAs和InP單晶的發(fā)展趨勢是：

（1）。增大晶體直徑，目前4英寸的SI－GaAs已用于生產(chǎn)，預計本世紀初的頭幾年直徑為6英寸的SI－GaAs也將投入工業(yè)應用。

（2）。提高材料的電學和光學微區(qū)均勻性。

（3）。降低單晶的缺陷密度，特別是位錯。

（4）。GaAs和InP單晶的VGF生長技術發(fā)展很快，很有可能成為主流技術。

2.3半導體超晶格、量子阱材料

半導體超薄層微結(jié)構材料是基于先進生長技術（MBE，MOCVD）的新一代人工構造材料。它以全新的概念改變著光電子和微電子器件的設計思想，出現(xiàn)了“電學和光學特性可剪裁”為特征的新范疇，是新一代固態(tài)量子器件的基礎材料。

（1）Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料。

GaAIAs／GaAs，GaInAs／GaAs，AIGaInP／GaAs；GalnAs／InP，AlInAs／InP，InGaAsP／InP等GaAs、InP基晶格匹配和應變補償材料體系已發(fā)展得相當成熟，已成功地用來制造超高速，超高頻微電子器件和單片集成電路。高電子遷移率晶體管（HEMT），贗配高電子遷移率晶體管（P－HEMT）器件最好水平已達fmax=600GHz，輸出功率58mW，功率增益6.4db；雙異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（HBT）的最高頻率fmax也已高達500GHz，HEMT邏輯電路研制也發(fā)展很快?；谏鲜霾牧象w系的光通信用1.3μm和1.5μm的量子阱激光器和探測器，紅、黃、橙光發(fā)光二極管和紅光激光器以及大功率半導體量子阱激光器已商品化；表面光發(fā)射器件和光雙穩(wěn)器件等也已達到或接近達到實用化水平。目前，研制高質(zhì)量的1.5μm分布反饋（DFB）激光器和電吸收（EA）調(diào)制器單片集成InP基多量子阱材料和超高速驅(qū)動電路所需的低維結(jié)構材料是解決光纖通信瓶頸問題的關鍵，在實驗室西門子公司已完成了80×40Gbps傳輸40km的實驗。另外，用于制造準連續(xù)兆瓦級大功率激光陣列的高質(zhì)量量子阱材料也受到人們的重視。

雖然常規(guī)量子阱結(jié)構端面發(fā)射激光器是目前光電子領域占統(tǒng)治地位的有源器件，但由于其有源區(qū)極薄（～0.01μm）端面光電災變損傷，大電流電熱燒毀和光束質(zhì)量差一直是此類激光器的性能改善和功率提高的難題。采用多有源區(qū)量子級聯(lián)耦合是解決此難題的有效途徑之一。我國早在1999年，就研制成功980nmInGaAs帶間量子級聯(lián)激光器，輸出功率達5W以上；2000年初，法國湯姆遜公司又報道了單個激光器準連續(xù)輸出功率超過10瓦好結(jié)果。最近，我國的科研工作者又提出并開展了多有源區(qū)縱向光耦合垂直腔面發(fā)射激光器研究，這是一種具有高增益、極低閾值、高功率和高光束質(zhì)量的新型激光器，在未來光通信、光互聯(lián)與光電信息處理方面有著良好的應用前景。

為克服PN結(jié)半導體激光器的能隙對激光器波長范圍的限制，1994年美國貝爾實驗室發(fā)明了基于量子阱內(nèi)子帶躍遷和阱間共振隧穿的量子級聯(lián)激光器，突破了半導體能隙對波長的限制。自從1994年InGaAs／InAIAs／InP量子級聯(lián)激光器（QCLs）發(fā)明以來，Bell實驗室等的科學家，在過去的7年多的時間里，QCLs在向大功率、高溫和單膜工作等研究方面取得了顯著的進展。2001年瑞士Neuchatel大學的科學家采用雙聲子共振和三量子阱有源區(qū)結(jié)構使波長為9.1μm的QCLs的工作溫度高達312K，連續(xù)輸出功率3mW.量子級聯(lián)激光器的工作波長已覆蓋近紅外到遠紅外波段（3－87μm），并在光通信、超高分辨光譜、超高靈敏氣體傳感器、高速調(diào)制器和無線光學連接等方面顯示出重要的應用前景。中科院上海微系統(tǒng)和信息技術研究所于1999年研制成功120K5μm和250K8μm的量子級聯(lián)激光器；中科院半導體研究所于2000年又研制成功3.7μm室溫準連續(xù)應變補償量子級聯(lián)激光器，使我國成為能研制這類高質(zhì)量激光器材料為數(shù)不多的幾個國家之一。

目前，Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料作為超薄層微結(jié)構材料發(fā)展的主流方向，正從直徑3英寸向4英寸過渡；生產(chǎn)型的MBE和M0CVD設備已研制成功并投入使用，每臺年生產(chǎn)能力可高達3.75×104片4英寸或1.5×104片6英寸。英國卡迪夫的MOCVD中心，法國的PicogigaMBE基地，美國的QED公司，Motorola公司，日本的富士通，NTT，索尼等都有這種外延材料出售。生產(chǎn)型MBE和MOCVD設備的成熟與應用，必然促進襯底材料設備和材料評價技術的發(fā)展。

（2）硅基應變異質(zhì)結(jié)構材料。

硅基光、電器件集成一直是人們所追求的目標。但由于硅是間接帶隙，如何提高硅基材料發(fā)光效率就成為一個亟待解決的問題。雖經(jīng)多年研究，但進展緩慢。人們目前正致力于探索硅基納米材料（納米Si／SiO2），硅基SiGeC體系的Si1－yCy/Si1－xGex低維結(jié)構，Ge／Si量子點和量子點超晶格材料，Si／SiC量子點材料，GaN／BP／Si以及GaN／Si材料。最近，在GaN／Si上成功地研制出LED發(fā)光器件和有關納米硅的受激放大現(xiàn)象的報道，使人們看到了一線希望。

另一方面，GeSi／Si應變層超晶格材料，因其在新一代移動通信上的重要應用前景，而成為目前硅基材料研究的主流。Si/GeSiMODFET和MOSFET的最高截止頻率已達200GHz，HBT最高振蕩頻率為160GHz，噪音在10GHz下為0.9db，其性能可與GaAs器件相媲美。

盡管GaAs／Si和InP／Si是實現(xiàn)光電子集成理想的材料體系，但由于晶格失配和熱膨脹系數(shù)等不同造成的高密度失配位錯而導致器件性能退化和失效，防礙著它的使用化。最近，Motolora等公司宣稱，他們在12英寸的硅襯底上，用鈦酸鍶作協(xié)變層（柔性層），成功的生長了器件級的GaAs外延薄膜，取得了突破性的進展。

2.4一維量子線、零維量子點半導體微結(jié)構材料

基于量子尺寸效應、量子干涉效應，量子隧穿效應和庫侖阻效應以及非線性光學效應等的低維半導體材料是一種人工構造（通過能帶工程實施）的新型半導體材料，是新一代微電子、光電子器件和電路的基礎。它的發(fā)展與應用，極有可能觸發(fā)新的技術革命。

目前低維半導體材料生長與制備主要集中在幾個比較成熟的材料體系上，如GaAlAs／GaAs，In（Ga）As／GaAs，InGaAs／InAlAs／GaAs，InGaAs／InP，In（Ga）As／InAlAs／InP，InGaAsP／InAlAs／InP以及GeSi／Si等，并在納米微電子和光電子研制方面取得了重大進展。俄羅斯約飛技術物理所MBE小組，柏林的俄德聯(lián)合研制小組和中科院半導體所半導體材料科學重點實驗室的MBE小組等研制成功的In（Ga）As／GaAs高功率量子點激光器，工作波長lμm左右，單管室溫連續(xù)輸出功率高達3.6～4W.特別應當指出的是我國上述的MBE小組，2001年通過在高功率量子點激光器的有源區(qū)材料結(jié)構中引入應力緩解層，抑制了缺陷和位錯的產(chǎn)生，提高了量子點激光器的工作壽命，室溫下連續(xù)輸出功率為1W時工作壽命超過5000小時，這是大功率激光器的一個關鍵參數(shù)，至今未見國外報道。

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半導體材料研究的新進展

在單電子晶體管和單電子存貯器及其電路的研制方面也獲得了重大進展，1994年日本NTT就研制成功溝道長度為30nm納米單電子晶體管，并在150K觀察到柵控源－漏電流振蕩；1997年美國又報道了可在室溫工作的單電子開關器件，1998年Yauo等人采用0.25微米工藝技術實現(xiàn)了128Mb的單電子存貯器原型樣機的制造，這是在單電子器件在高密度存貯電路的應用方面邁出的關鍵一步。目前，基于量子點的自適應網(wǎng)絡計算機，單光子源和應用于量子計算的量子比特的構建等方面的研究也正在進行中。

與半導體超晶格和量子點結(jié)構的生長制備相比，高度有序的半導體量子線的制備技術難度較大。中科院半導體所半導體材料科學重點實驗室的MBE小組，在繼利用MBE技術和SK生長模式，成功地制備了高空間有序的InAs／InAI（Ga）As／InP的量子線和量子線超晶格結(jié)構的基礎上，對InAs／InAlAs量子線超晶格的空間自對準（垂直或斜對準）的物理起因和生長控制進行了研究，取得了較大進展。

王中林教授領導的喬治亞理工大學的材料科學與工程系和化學與生物化學系的研究小組，基于無催化劑、控制生長條件的氧化物粉末的熱蒸發(fā)技術，成功地合成了諸如ZnO、SnO2、In2O3和Ga2O3等一系列半導體氧化物納米帶，它們與具有圓柱對稱截面的中空納米管或納米線不同，這些原生的納米帶呈現(xiàn)出高純、結(jié)構均勻和單晶體，幾乎無缺陷和位錯；納米線呈矩形截面，典型的寬度為20－300nm，寬厚比為5－10，長度可達數(shù)毫米。這種半導體氧化物納米帶是一個理想的材料體系，可以用來研究載流子維度受限的輸運現(xiàn)象和基于它的功能器件制造。香港城市大學李述湯教授和瑞典隆德大學固體物理系納米中心的LarsSamuelson教授領導的小組，分別在SiO2／Si和InAs／InP半導體量子線超晶格結(jié)構的生長制各方面也取得了重要進展。

低維半導體結(jié)構制備的方法很多，主要有：微結(jié)構材料生長和精細加工工藝相結(jié)合的方法，應變自組裝量子線、量子點材料生長技術，圖形化襯底和不同取向晶面選擇生長技術，單原子操縱和加工技術，納米結(jié)構的輻照制備技術，及其在沸石的籠子中、納米碳管和溶液中等通過物理或化學方法制備量子點和量子線的技術等。目前發(fā)展的主要趨勢是尋找原子級無損傷加工方法和納米結(jié)構的應變自組裝可控生長技術，以求獲得大小、形狀均勻、密度可控的無缺陷納米結(jié)構。

2.5寬帶隙半導體材料

寬帶隙半導體材主要指的是金剛石，III族氮化物，碳化硅，立方氮化硼以及氧化物（ZnO等）及固溶體等，特別是SiC、GaN和金剛石薄膜等材料，因具有高熱導率、高電子飽和漂移速度和大臨界擊穿電壓等特點，成為研制高頻大功率、耐高溫、抗輻照半導體微電子器件和電路的理想材料；在通信、汽車、航空、航天、石油開采以及國防等方面有著廣泛的應用前景。另外，III族氮化物也是很好的光電子材料，在藍、綠光發(fā)光二極管（LED）和紫、藍、綠光激光器（LD）以及紫外探測器等應用方面也顯示了廣泛的應用前景。隨著1993年GaN材料的P型摻雜突破，GaN基材料成為藍綠光發(fā)光材料的研究熱點。目前，GaN基藍綠光發(fā)光二極管己商品化，GaN基LD也有商品出售，最大輸出功率為0.5W.在微電子器件研制方面，GaN基FET的最高工作頻率（fmax）已達140GHz，fT=67GHz，跨導為260ms／mm；HEMT器件也相繼問世，發(fā)展很快。此外，256×256GaN基紫外光電焦平面陣列探測器也已研制成功。特別值得提出的是，日本Sumitomo電子工業(yè)有限公司2000年宣稱，他們采用熱力學方法已研制成功2英寸GaN單晶材料，這將有力的推動藍光激光器和GaN基電子器件的發(fā)展。另外，近年來具有反常帶隙彎曲的窄禁帶InAsN，InGaAsN，GaNP和GaNAsP材料的研制也受到了重視，這是因為它們在長波長光通信用高T0光源和太陽能電池等方面顯示了重要應用前景。

以Cree公司為代表的體SiC單晶的研制已取得突破性進展，2英寸的4H和6HSiC單晶與外延片，以及3英寸的4HSiC單晶己有商品出售；以SiC為GaN基材料襯低的藍綠光LED業(yè)已上市，并參于與以藍寶石為襯低的GaN基發(fā)光器件的竟爭。其他SiC相關高溫器件的研制也取得了長足的進步。目前存在的主要問題是材料中的缺陷密度高，且價格昂貴。

II－VI族蘭綠光材料研制在徘徊了近30年后，于1990年美國3M公司成功地解決了II－VI族的P型摻雜難點而得到迅速發(fā)展。1991年3M公司利用MBE技術率先宣布了電注入（Zn，Cd）Se／ZnSe蘭光激光器在77K（495nm）脈沖輸出功率100mW的消息，開始了II－VI族蘭綠光半導體激光（材料）器件研制的。經(jīng)過多年的努力，目前ZnSe基II－VI族蘭綠光激光器的壽命雖已超過1000小時，但離使用差距尚大，加之GaN基材料的迅速發(fā)展和應用，使II－VI族蘭綠光材料研制步伐有所變緩。提高有源區(qū)材料的完整性，特別是要降低由非化學配比導致的點缺陷密度和進一步降低失配位錯和解決歐姆接觸等問題，仍是該材料體系走向?qū)嵱没氨仨氁鉀Q的問題。

寬帶隙半導體異質(zhì)結(jié)構材料往往也是典型的大失配異質(zhì)結(jié)構材料，所謂大失配異質(zhì)結(jié)構材料是指晶格常數(shù)、熱膨脹系數(shù)或晶體的對稱性等物理參數(shù)有較大差異的材料體系，如GaN／藍寶石（Sapphire），SiC／Si和GaN／Si等。大晶格失配引發(fā)界面處大量位錯和缺陷的產(chǎn)生，極大地影響著微結(jié)構材料的光電性能及其器件應用。如何避免和消除這一負面影響，是目前材料制備中的一個迫切要解決的關鍵科學問題。這個問題的解泱，必將大大地拓寬材料的可選擇余地，開辟新的應用領域。

目前，除SiC單晶襯低材料，GaN基藍光LED材料和器件已有商品出售外，大多數(shù)高溫半導體材料仍處在實驗室研制階段，不少影響這類材料發(fā)展的關鍵問題，如GaN襯底，ZnO單晶簿膜制備，P型摻雜和歐姆電極接觸，單晶金剛石薄膜生長與N型摻雜，II－VI族材料的退化機理等仍是制約這些材料實用化的關鍵問題，國內(nèi)外雖已做了大量的研究，至今尚未取得重大突破。

3光子晶體

光子晶體是一種人工微結(jié)構材料，介電常數(shù)周期的被調(diào)制在與工作波長相比擬的尺度，來自結(jié)構單元的散射波的多重干涉形成一個光子帶隙，與半導體材料的電子能隙相似，并可用類似于固態(tài)晶體中的能帶論來描述三維周期介電結(jié)構中光波的傳播，相應光子晶體光帶隙（禁帶）能量的光波模式在其中的傳播是被禁止的。如果光子晶體的周期性被破壞，那么在禁帶中也會引入所謂的“施主”和“受主”模，光子態(tài)密度隨光子晶體維度降低而量子化。如三維受限的“受主”摻雜的光子晶體有希望制成非常高Q值的單模微腔，從而為研制高質(zhì)量微腔激光器開辟新的途徑。光子晶體的制備方法主要有：聚焦離子束（FIB）結(jié)合脈沖激光蒸發(fā)方法，即先用脈沖激光蒸發(fā)制備如Ag/MnO多層膜，再用FIB注入隔離形成一維或二維平面陣列光子晶體；基于功能粒子（磁性納米顆粒Fe2O3，發(fā)光納米顆粒CdS和介電納米顆粒TiO2）和共軛高分子的自組裝方法，可形成適用于可光范圍的三維納米顆粒光子晶體；二維多空硅也可制作成一個理想的3－5μm和1.5μm光子帶隙材料等。目前，二維光子晶體制造已取得很大進展，但三維光子晶體的研究，仍是一個具有挑戰(zhàn)性的課題。最近，Campbell等人提出了全息光柵光刻的方法來制造三維光子晶體，取得了進展。

4量子比特構建與材料

隨著微電子技術的發(fā)展，計算機芯片集成度不斷增高，器件尺寸越來越小（nm尺度）并最終將受到器件工作原理和工藝技術限制，而無法滿足人類對更大信息量的需求。為此，發(fā)展基于全新原理和結(jié)構的功能強大的計算機是21世紀人類面臨的巨大挑戰(zhàn)之一。1994年Shor基于量子態(tài)疊加性提出的量子并行算法并證明可輕而易舉地破譯目前廣泛使用的公開密鑰Rivest，Shamir和Adlman（RSA）體系，引起了人們的廣泛重視。

所謂量子計算機是應用量子力學原理進行計的裝置，理論上講它比傳統(tǒng)計算機有更快的運算速度，更大信息傳遞量和更高信息安全保障，有可能超越目前計算機理想極限。實現(xiàn)量子比特構造和量子計算機的設想方案很多，其中最引人注目的是Kane最近提出的一個實現(xiàn)大規(guī)模量子計算的方案。其核心是利用硅納米電子器件中磷施主核自旋進行信息編碼，通過外加電場控制核自旋間相互作用實現(xiàn)其邏輯運算，自旋測量是由自旋極化電子電流來完成，計算機要工作在mK的低溫下。

這種量子計算機的最終實現(xiàn)依賴于與硅平面工藝兼容的硅納米電子技術的發(fā)展。除此之外，為了避免雜質(zhì)對磷核自旋的干擾，必需使用高純（無雜質(zhì)）和不存在核自旋不等于零的硅同位素（29Si）的硅單晶；減小SiO2絕緣層的無序漲落以及如何在硅里摻入規(guī)則的磷原子陣列等是實現(xiàn)量子計算的關鍵。量子態(tài)在傳輸，處理和存儲過程中可能因環(huán)境的耦合（干擾），而從量子疊加態(tài)演化成經(jīng)典的混合態(tài)，即所謂失去相干，特別是在大規(guī)模計算中能否始終保持量子態(tài)間的相干是量子計算機走向?qū)嵱没八匦杩朔碾y題。

5發(fā)展我國半導體材料的幾點建議

鑒于我國目前的工業(yè)基礎，國力和半導體材料的發(fā)展水平，提出以下發(fā)展建議供參考。

5.1硅單晶和外延材料硅材料作為微電子技術的主導地位

至少到本世紀中葉都不會改變，至今國內(nèi)各大集成電路制造廠家所需的硅片基本上是依賴進口。目前國內(nèi)雖已可拉制8英寸的硅單晶和小批量生產(chǎn)6英寸的硅外延片，然而都未形成穩(wěn)定的批量生產(chǎn)能力，更談不上規(guī)模生產(chǎn)。建議國家集中人力和財力，首先開展8英寸硅單晶實用化和6英寸硅外延片研究開發(fā)，在“十五”的后期，爭取做到8英寸集成電路生產(chǎn)線用硅單晶材料的國產(chǎn)化，并有6～8英寸硅片的批量供片能力。到2010年左右，我國應有8～12英寸硅單晶、片材和8英寸硅外延片的規(guī)模生產(chǎn)能力；更大直徑的硅單晶、片材和外延片也應及時布點研制。另外，硅多晶材料生產(chǎn)基地及其相配套的高純石英、氣體和化學試劑等也必需同時給以重視，只有這樣，才能逐步改觀我國微電子技術的落后局面，進入世界發(fā)達國家之林。

5.2GaAs及其有關化合物半導體單晶材料發(fā)展建議

GaAs、InP等單晶材料同國外的差距主要表現(xiàn)在拉晶和晶片加工設備落后，沒有形成生產(chǎn)能力。相信在國家各部委的統(tǒng)一組織、領導下，并爭取企業(yè)介入，建立我國自己的研究、開發(fā)和生產(chǎn)聯(lián)合體，取各家之長，分工協(xié)作，到2010年趕上世界先進水平是可能的。要達到上述目的，到“十五”末應形成以4英寸單晶為主2－3噸／年的SI－GaAs和3－5噸／年摻雜GaAs、InP單晶和開盒就用晶片的生產(chǎn)能力，以滿足我國不斷發(fā)展的微電子和光電子工業(yè)的需術。到2010年，應當實現(xiàn)4英寸GaAs生產(chǎn)線的國產(chǎn)化，并具有滿足6英寸線的供片能力。

5.3發(fā)展超晶格、量子阱和一維、零維半導體微結(jié)構材料的建議

（1）超晶格、量子阱材料從目前我國國力和我們已有的基礎出發(fā)，應以三基色（超高亮度紅、綠和藍光）材料和光通信材料為主攻方向，并兼顧新一代微電子器件和電路的需求，加強MBE和MOCVD兩個基地的建設，引進必要的適合批量生產(chǎn)的工業(yè)型MBE和MOCVD設備并著重致力于GaAlAs／GaAs，InGaAlP／InGaP，GaN基藍綠光材料，InGaAs／InP和InGaAsP／InP等材料體系的實用化研究是當務之急，爭取在“十五”末，能滿足國內(nèi)2、3和4英寸GaAs生產(chǎn)線所需要的異質(zhì)結(jié)材料。到2010年，每年能具備至少100萬平方英寸MBE和MOCVD微電子和光電子微結(jié)構材料的生產(chǎn)能力。達到本世紀初的國際水平。

寬帶隙高溫半導體材料如SiC，GaN基微電子材料和單晶金剛石薄膜以及ZnO等材料也應擇優(yōu)布點，分別做好研究與開發(fā)工作。

（2）一維和零維半導體材料的發(fā)展設想?；诘途S半導體微結(jié)構材料的固態(tài)納米量子器件，目前雖然仍處在預研階段，但極其重要，極有可能觸發(fā)微電子、光電子技術新的革命。低維量子器件的制造依賴于低維結(jié)構材料生長和納米加工技術的進步，而納米結(jié)構材料的質(zhì)量又很大程度上取決于生長和制備技術的水平。因而，集中人力、物力建設我國自己的納米科學與技術研究發(fā)展中心就成為了成敗的關鍵。具體目標是，“十五”末，在半導體量子線、量子點材料制備，量子器件研制和系統(tǒng)集成等若干個重要研究方向接近當時的國際先進水平；2010年在有實用化前景的量子點激光器，量子共振隧穿器件和單電子器件及其集成等研發(fā)方面，達到國際先進水平，并在國際該領域占有一席之地?？梢灶A料，它的實施必將極大地增強我國的經(jīng)濟和國防實力。