“微电子材料设计与器件仿真”的教学改革与实践

［摘 要］ 传统的微电子材料和器件类课程开展的一些常规实验存在过程烦琐、耗时长、费用高等问题。南京理工大学材料物理专业以培养德才兼备的专业技术人才为目标，将仿真模拟技术引入教学，开设了融合思想政治教育的课内综合性实验，实验包括思想政治教育引课、半导体材料设计和电子性质计算、器件模型搭建和仿真。适时运用上机操作可以将理论与实践更好地结合，极大地增强教学的表现力，既可以激发学生科技报国的信念及使命担当，又能够培养学生的高阶创新实践能力，为我国微电子技术人才的培养提供有力的保障。

［关键词］ 课程思政；综合性实验；微电子；材料设计；器件仿真

［基金项目］ 2021年度江苏省教改重点项目“材料新工科人才‘跨科融合、浸润实践、校际协同’培养模式研究”（2021JSJG105）

［作者简介］ 张胜利（1984—），男，河南商丘人，博士，南京理工大学材料科学与工程学院教授，主要从事低维信息功能材料及器件研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）43-0065-04 ［收稿日期］ 2023-12-08

引言

微电子与集成电路产业发展迅猛，已成为支撑经济社会发展与保障国家安全战略性、基础性和先导性的产业，但仍面临着严峻的“卡脖子”难题，国内高端师资、工程技术人才稀缺，这就对高等学校专业人才培养提出了更高要求。目前，人工智能、物联网、航空航天、能源工业等多个领域涉及的半导体材料及器件的特征尺寸已达到微纳米尺度［1-3］，新型电子材料设计和器件仿真发挥着重要作用，微电子技术已成为评价一个国家科技水平及综合国力的重要标准。在此背景下，南京理工大学材料物理专业开设了“微电子材料设计与器件仿真”课程，主要包括材料设计理论简介、模型构建优化、热力学、动力学及机械性质模拟、电子材料电子结构模拟、相关器件仿真基础、二维工艺仿真和器件仿真、器件—电路混合仿真等内容，旨在培养具有创新实践能力的微电子技术人才。

微电子材料和器件类课程开展的一些常规实验存在过程烦琐、耗时长、费用高等问题［4］，结合目前部分实验开展的痛难点，我们将仿真模拟引入课内教学，设计了一些验证性、设计性和综合性的课内实验。培养德才兼备、知行合一的专业人才是高校教学的核心任务。2016年，习近平总书记在全国高校思想政治工作会议上强调，“要坚持把立德树人作为中心环节，把思想政治工作贯穿教育教学全过程，实现全程育人、全方位育人”“使各类课程与思想政治理论课同向同行，形成协同效应”［5］。这也为我们高校教师在教书育人过程中指明了前进的道路和方向。因此，在“微电子材料设计与器件仿真”课程教学中，教师须在传授专业知识的同时，塑造学生的品格，培养学生对器件设计的创新能力，激发学生科技报国的家国情怀和使命担当［6］。

本文以融合了思政教育的课内综合性实验为例，对此类仿真实验教学开展了探究，培养了学生的爱国主义情怀和创新实践精神。相比于传统的实验制备和性能测试，基于仿真模拟的综合性实验可以有效缩短实验时长，让学生全方位、多角度地理解专业理论知识应用于工程实践中的途径。在仿真模拟的综合性实验教学中，适时地融入思政元素，有助于极大地增强教学的表现力，有效拓展学生对微电子技术认知的深度和广度，培养学生的高阶思维和创新能力，激发学生对于学习内容的责任感和使命感。

一、综合性实验设计案例

（一）实验设计思路

笔者基于价值塑造、能力培养和知识传授“三位一体”的教学理念，以全方位育人为目标，设计了二维层状Ⅲ-Ⅵ族半导体电子结构及其MOSFET器件性能研究的综合性实验。该实验融合了微电子材料设计和器件仿真的理论知识及仿真软件的实际操作，非常适合材料物理专业学生的本科教学。

（二）思政教育引课

为了深入贯彻落实习近平总书记在学校思想政治理论课教师座谈会上的重要讲话精神，南京理工大学材料物理专业以立德树人为根本任务，对标《高等学校课程思政建设指导纲要》的要求，全面推进课程思政教育。笔者将德育和专业教育相融合，做到春风化雨、润物无声，力争提高课堂的教学效果。在开展实验前，教师着重向学生介绍场效应晶体管是集成电路、微处理器以及计算机内存等微电子系统的基本元器件，也是目前我国在芯片设计“卡脖子”领域的重要环节。近年来，美国针对华为的芯片事件，值得我们每一名大学生深刻思考。个人的成长与国家的命运紧密相连，我们作为中华民族的一分子，理应奋发图强、报效祖国。这样的科学家有很多，例如，我国半导体事业的奠基人——黄昆院士，在1951年放弃国外优越的条件毅然回国，为我国的科研和教育事业奉献了一生，开创了我国半导体物理学科等崭新领域。

在这个环节中，我们要求学生在课上分组讨论：（1）当年青年学子能干什么？（2）我们以后要成为什么样的人？（3）个人的发展与国家的命运是怎样紧密联系在一起的？通过此环节的讨论，可以有效激发学生科技报国的信念和使命担当，培养具有家国情怀的专业技术人才。

（三）实验原理

金属—氧化物—半导体场效应晶体管（MOSFET）是集成电路、微处理器以及计算机内存等微电子系统的基本元器件，与其他元器件组合可以实现电压的增益和信号功率的放大等功能。然而，随着器件物理尺寸的减小，短沟道效应逐渐显现使得器件性能退化，加剧了漏电流和功耗的问题［7］。探索采用合适的二维半导体材料，是解决传统硅基晶体管性能极限的有效方法。

（四）实验目的

实验目的：（1）掌握二维半导体材料的理论设计方法；（2）掌握二维半导体材料电子性质的计算及分析；（3）掌握MOSFET器件的基本结构及设计方法；（4）掌握MOSFET器件仿真模拟的参数设置及收敛技巧。

（五）实验内容

基于密度泛函理论（DFT）结合非平衡格林函数（NEGF）的QuantumATK软件，对Ⅲ-Ⅵ族二维半导体材料MX（M=Ga， In;X=S， Se， Te）单层进行结构设计和电子性质计算，以及P型MOSFET器件的模型搭建和仿真模拟。

二、实验环节

（一）材料设计

材料的性质决定了器件的性能，因此，实验选择了MX（M=Ga， In; X=S， Se， Te）单层作为MOSFET的沟道材料。Ⅲ-Ⅵ族单层MX材料是与InSe同族的一系列二维材料。所有MX单层均为双层屈曲蜂窝六边形结构，共价键X—M—M—X在晶面上。结构优化后，MX单层的晶格常数和有效层厚度会随着硫族元素X和Ⅲ族元素M的原子半径增大而增加。

（二）材料的电子性质

计算了几种二维MX单层的能带结构，随着硫族元素X=S， Se， Te变化，价带顶越来越靠近Γ点，伴随着价带顶色散程度的逐渐增强，带隙和空穴有效质量也呈下降趋势。几种材料价带顶的色散程度相对较弱，在Γ处形成类似墨西哥帽的能带形状。这种呈墨西哥帽状色散的能带结构会在价带顶处形成了范特霍夫奇点状的态密度，更利于诱导更低的带内隧穿，有助于降低短沟道下的漏电流，因此，单层MX应用于P型MOSFET时有望具有良好的输运性质。

（三）FET器件模型搭建

将单层MX作为沟道材料，模拟单层MX在双栅P型MOSFET中的输运性质。构建了如图1所示的P型MOSFET器件模型，输运沿MX单层的锯齿形方向进行。源漏两侧电极为P型重掺杂的MX单层材料，上下为栅极，等效氧化层厚度为0.4 nm。通过构建MOSFET器件模型，学生对于理解场效应概念有了更深刻的认识，即场效应是指电流由垂直于电荷流动方向的电场控制。

（四）MOSFET器件仿真模拟

使用QuantumATK软件对MX单层的输运性质进行计算。当场效应晶体管处在正常工作状态时，导电载流子会在源漏电压的作用下从源极沿沟道进入漏极，形成了源漏电流，而导电沟道是否导通取决于栅极的电压偏置情况。

1.掺杂浓度对输运性质的影响。在源极和漏极区采用适当的掺杂浓度很关键，在我们的实验中，分别进行了1×1014 cm-2和2×1014 cm-2浓度的空穴掺杂。器件的I-V特性曲线如图2所示，对于P型MOSFET器件，源漏偏压一定时，栅压越小，漏极越能输出更高的电流，而最终趋近的电流，对应了器件可以达到的最大工作电流；在栅压一直增大时，漏极趋近于输出的最小电流，对应了器件遭受短沟道效应时不可避免的漏电流。

教师总结：MX单层在5 nm尺度MOSFET中应用时，计算范围内工作状态可以达到的最大电流以及器件漏电流的排序与空穴有效质量的排序有关，随着空穴有效质量的增大，器件漏电流减小，最大工作电流减小。对于5 nm尺度下源漏掺杂浓度为2×1014 cm-2的P型MOSFET器件，大多数MX单层最大工作电流仍能达到103 μA/μm以上。

2.不同体系的亚阈值摆幅。亚阈值摆幅（SS）是评价器件性能的一个关键参数［8］，用于评估短通道效应的影响。小的SS表示栅极对沟道可以进行更好的控制，也意味着具有更好的器件开关特性。从图2（b）中可以观察到，InSe和InTe有着更低的亚阈值摆幅，说明在5 nm尺度下InSe和InTe有着良好的开关特性。

3.沟道长度对输运性质的影响。保持电极掺杂浓度为2×1014 cm-2，将沟道长度扩展到10 nm，器件可以达到的最大工作电流几乎没有变化，而漏电流有明显的降低，因此，10 nm沟道器件中SS也随之变得更加陡峭。教师总结：在同一电极掺杂浓度以及同一沟道尺度下，随着空穴有效质量增加，MX单层漏电流也随之减小，再一次验证了空穴大的有效质量在屏蔽漏电流方面有所作用的规律。

（五）器件仿真结果汇总

经过几个小组对不同参数下的器件进行仿真模拟后，将所有结果进行汇总。通过对比，学生应该能从中认真分析数据，发现规律。提问学生：（1）电极掺杂浓度对器件工作电流和漏电流的影响；（2）MX单层材料的空穴有效质量和输运特性之间的关联；（3）沟道长度对器件性能的影响。

教师总结：Ⅲ-Ⅵ族半导体MX单层应用于5 nm尺度器件时，关闭区域产生隧穿电流仍低于ITRS 2013对2028年高性能5.1 nm尺度器件的展望，同时在打开区域可以达到高于103 μA/μm的工作电流，最小亚阈值摆幅能够达到71 mV dec-1。因此，在微纳电子器件领域，MX单层应用于P型MOSFET具有良好的前景。

结语

南京理工大学材料物理专业注重培养学生的爱国主义情怀和创新实践精神。在实验教学中，通过华为芯片事件的切入，不仅使学生了解到目前我国半导体行业存在的短板，还提出了有望解决的方式——采用二维材料突破传统硅基材料的短沟道效应，进一步延续摩尔定律，从而调动学生的学习兴趣，激发学生科技报国的情怀以及使命担当。在笔者设计的综合性实验中，将光电材料理论设计、电子结构性质模拟及MOSFET器件的仿真整合到一起，适时地运用上机操作可以将理论与实践更好地结合，极大地增强教学的表现力。该实验既是对课堂理论知识的深化，又是对学生高阶思维和创新能力的培养，能为本专业学生毕业后走向研发岗位和技术应用工作岗位打下良好的基础，为我国半导体行业的人才培养提供了有力的保障。

参考文献

［1］POP E. Energy dissipation and transport in nanoscale devices［J］. Nano Research， 2010（3）：147-169.

［2］连晓娟.“半导体物理”教学改革与实践初探［J］.教育现代化，2019（18）：49-50.