半导体物理的通识教研初探

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　　[摘           要]  从异质外延GaN薄膜中缺陷的形成机理出发，通过湿法腐蚀GaN和扫描电子显微镜（SEM）观察的方法，主要从美学中的形式美、意象美和功能美三个方面，针对异质外延生长的GaN薄膜中缺陷的艺术形象进行了分析，其目的是有意识地提炼学科中的科学美，唤起学生探索的兴趣和积极性，为自然科学通识教育课程内容设置提供一些具体的、可操作的构想。
　　[关    键   词]  通识;半导体;美学;物理
　　[中图分类号]  O47                 [文献标志码]  A              [文章编号]  2096-0603（2019）34-0166-02
　　 一、引言
　　 目前，国内高校的通识教育[1-2]大多数以“补差”为特点，这些课程内容没能摆脱传统教学思维，只解决了“识”的问题，还没达到“通”的程度。对自然科学的通识教育，应在力求学科知识的基础上，有意识地提炼其中的科学美，唤起学生对自然科学的兴趣和积极性[3]。本文将以一个实例探讨如何在现有的自然科学类课程的教学和研究中，进行跨学科知识的融合和多学科创新思维的培养，把大学生通识教育与真正的课堂教育有机结合起来，以实现由“识”到“通”，为自然科学通识教育课程内容设置提供一些具体的、可操作的构想。
　　 從20世纪末，半导体电子器件的重心开始由传统的Si基窄带隙半导体材料转向GaN和SiC等宽禁带化合物半导体材料[4]。GaN晶体中普遍存在着自然形成的各种缺陷[5]，其中还存在着富有艺术感的图案，缺陷之美不止可以体现在断臂维纳斯、汝窑等这类艺术形象中，也可以存在于GaN晶体生长中，而GaN的生长作为一种自然过程，其中包含的艺术形象更值得我们去研究。我们可以通过形式、意象和功能[6]等不同层面感受美，对异质外延GaN薄膜中缺陷的艺术形象用美学的思想去解读。
　　 二、从形式美角度分析GaN缺陷的艺术形象
　　 形式美是指构成事物外在形态的自然属性及其组合规律所体现出来的美，是各种形式因素，包括色彩、线条等的有规律的组合，其撇开了具体事物，只概括事物在形式上引起美感的共同特征[7]。形式美的法则包括整齐一律、对称均衡以及多样统一等。
　　 下图为SEM观察到的湿法选择性腐蚀后的c面GaN表面，图中分布着大量六边形图案，是倒六棱锥型腐蚀坑，这些腐蚀坑将GaN的缺陷标定出来。如果我们给六边形定义一个方向，将其中点指向端点的方向作为六边形的方向，由于六边形具有中心对称的性质，即使中点指向不同的端点，也可以将其旋转至同一方向。我们发现，虽然位置分布是随机的，但所有六边形的方向都是一致的，简单理解为，所有的六边形都是“正”的，并非像散落在地上的纸牌一样朝向四面八方。这种整齐一律的美感要得益于六方型腐蚀坑特殊的结构。腐蚀坑像是一个倒置的六棱锥，六个侧面均为面，与底面c面（面）呈约为62°的夹角。正是因为每一个坑的侧面都是相同的，才使从俯视图看来的六边形具有整齐一律的方向。
　　 规则的腐蚀坑俯视图呈现为正六边形，拥有同正六边形一样的对称性，既满足轴对称，具有6条对称轴，包括3条对角线和3条对边中点的连线;又满足中心对称，且最小旋转60°即可与原图形重合，体现了对称之美。但并非所有的腐蚀坑都是规则的正六边形，生长过程中的不可抗因素会导致腐蚀坑出现对称性破缺。对称性破缺狭义理解为对称元素的缺失，也可理解为原来具有较高对称性的系统，出现不对称因素，其对称程度自发降低的现象。由于GaN的生长以及缺陷的产生属于一种自然过程，所以其中出现的对称性破缺属于自发对称性破缺。当物理系统所遵守的自然定律具有某种对称性，而物理系统本身并不具有这种对称性，则称此现象为自发对称破缺。对GaN中的腐蚀坑缺陷来说，由于原子台阶和更小的腐蚀坑的出现，破坏了正六边形原本的对称性，使其不再具有轴对称和中心对称的性质，这时便出现了自发对称性破缺。
　　 多样统一是形式美的最高法则，也被称为和谐美。c面GaN表面大大小小的缺陷很像漫天飞舞的鹅毛大雪，又像是冬天窗户上结的冰花，这些缺陷大小不一，形态各异，但又规则均匀，具有多样统一之美，让人不禁赞叹自然的神奇。
　　 三、从意象美角度分析GaN缺陷的艺术形象
　　 意象指的是客观物象经过创作主体独特的情感活动而创作出来的一种艺术形象，在观察GaN中缺陷的过程中，它给我们以启示：不同观察尺度和角度对结果有很大影响，从事任何研究都应该全面透彻，这也是GaN中缺陷所蕴含的哲学意象。
　　 如果我们用肉眼去观察GaN，观察尺度非常大，无法看到其中的缺陷。借助电子显微镜将观察尺度减小后才发现，原来GaN薄膜也像月球表面一样并不平坦。当我们把放大倍数增大，能够清晰地看到每一个斑点其实都是六边形的凹坑，甚至还可以观察到缺陷之中还存在着位错坑和原子阶梯。所以，尽管是对同一事物的研究，在不同的观察尺度下，也会有不同的结果，观察的尺度越小，就越接近事物的真实情况。由此引申到，了解事物不能只看表象，通常我们习惯于用宏观的眼光去观察事物，但往往在微观世界中会有更奇妙的发现，一花一世界，一叶一菩提，这是微观领域的独特之美。
　　 同样，观察角度有所不同，得到的结果也会大相径庭。正如这句耳熟能详的诗：“横看成岭侧成峰，远近高低各不同。”对GaN薄膜来说，如果换个角度观察其a面，位错坑则由六边形变成了三角形。如果对GaN的N面进行腐蚀后观察，则又是另一番样貌。由此可见，不同的观察角度下，事物表现出的特点也不相同。这给我们以启示，对任何事物的理解都不能以偏概全，要从多方面、多角度去观察，才能全面地认识事物。 　　 四、从功能美角度分析GaN中缺陷的艺术形象
　　 把实用功能和审美有机统一起来，就是功能美。虽然GaN中的缺陷在一定程度上会影响器件的性能，但并不完全是有害的，它也有有利的一面。换句话说，缺陷也有自己的功能，也有自己存在的价值。
　　 对LED器件，位错的存在会提高载流子的非辐射复合几率，降低LED的发光效率，想要完全消除位错几乎不可能，目前最常见的办法就是引入腐蚀坑缺陷。Takahashi[8]等研究发现，GaN表面坑使其侧壁量子阱的禁带宽度大于平台的量子阱，从而产生载流子的势垒，使载流子难以从表面坑内部输运，而选择从平台输运，由于位错位于表面坑的顶端，所以表面坑阻挡了载流子迁移至非辐射复合中心，进而提高辐射复合的效率，从而提高了LED的发光效率。另外，Kayo Koike等[9]也发现，表面坑一方面有效抑制了光散射，另一方面有效屏蔽了位错附近的非辐射复合，所以表面坑尺寸较大的器件更不容易漏电。
　　 这些研究表明，GaN内缺陷对改善器件发光和漏电具有一定的积极意义。由此可见，缺陷又可以具有被人利用的价值，因此具有实用功能。当我们关注一个艺术形象时，很容易忽略掉它作为一件艺术品之外的东西，也就是它的实用功能。再昂贵的名画，其本质也是为了记录现实或者反映画家的内心状态;价值连城的瓷器，其最初的目的也是为了盛放物品。我们对缺陷艺术形象的分析时，不能只关注它的外形，更要关注它的内在意象以及它所具有的功能美。
　　 五、结论
　　 本文进行了通识教育的教学方式的创新与改进，以半导体物理中的宽禁带半导体GaN晶体生长过程中形成的缺陷这部分内容为举例，提出通识教育由“识”到“通”的过程应配合具体的教育内容，将大学生通识教育与真正的课堂教育进行有机融合，在自然科学类课程中引入美学思想，引导学生欣赏科学中的对称、和谐之美，感受科学家追求的理论至真、大道至简的丰富意象，从而激发学生的好奇心和创造力。本文是这方面教研的一个初步探索，可以为自然科学通识教育课程内容设置提供一些具体的、可操作的构想。
　　 参考文献：
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　　 [2]何海伦，岳庆来，邵思蜜.海洋通识教育探讨[J].高教发展与评估，2014（2）：87-92，100.
　　 [3]“双创”教育视角下自然科学通识教育课程内容构建[J].创新与创业教育，2019（10）：99-104.
　　 [4]Zhang G Y， Shen B， Chen Z Z.GaN-based substrates and optoelectronic materials and devices[J].Chinese Science Bulletin，
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　　 [5]ViscontiP，Jones KM，Reshchikov MA，et al.Dislocation de-nsity in GaN determined by photoelectrochemical and hot wet etching[J]. Appl. Phys. Lett.，2000（77）：3532.
　　 [6]葉朗.美在意象：美学基本原理提要[J].北京大学学报（哲学社会科学版），2009（3）：11-19.
　　 [7]杨辛，甘霖.美学原理[M].北京：北京大学出版社，2010：140-153.
　　 [8]Takahashi H，A Ito，T Tanaka，et al.Effect of Intentionally
　　Formed V-Deffects on the Emission Efficiency of GaInN Single Qu-antum Well[J].Japanese Journal of Applied Physics，2000，39（6B）：569-571.
　　 [9]Koike K，Lee S，Cho S R，et al.Improvement of Light Extr-action Effciency and Reduction of Leakage Current in GaN-Based LED Via V-Pit Formation[J].IEEE Photonics Technology Letters，
　　2012，24（6）：449-451.
　　◎编辑 张 慧
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