微电子器件是信息技术的基础，如今飞速发展的信息技术和人工智能技术都需要微电子器件的支撑。随着亚纳米时代的到来，器件小型化的不断发展和集成度的不断提高，传统的硅基半导体器件已经逼近了其极限尺寸。与此同时，随着实验制备工艺和合成技术的发展，越来越多的纳米材料和纳米结构不断涌现。得益于微小的结构和敏感的量子效应，纳米电子器件在信息感知、物质探测等方面具有先天的优势。相比于传统器件，具有灵敏度高、能耗低、尺寸小、易集成的优点，它们代表了微电子器件最尖端的前沿技术，将带来下一次微电子技术的革命，具有非常广阔的市场前景。
本教材以项目为导向，注重基本理论内容与实际应用的结合。在深化理解丰富基础理论知识内容的基础上，以项目为中轴，将理论知识的掌握与实践能力培养相结合，学以致用，在实际应用中完成理论知识的活学活用。教材以“VDMOS（Vertical DoubleDiffused Metal Oxide Semiconductor，垂直双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管）器件设计仿真”项目为主线，并将该项目分解为四个子项目，通过每个子项目来引出各个章节的内容，学生在学习了基础的理论知识之后，通过对多量子阱红外探测器真实案例的分析和学习，掌握相关的设计方法，进一步在每个子项目的实践环节中完成一部分主项目内容的实现，锻炼实践应用能力。使学生在项目的驱动下学习相应的理论和方法，并在各章的实践内容中分阶段培养应用能力。学生运用在每个实践阶段达成的能力，结合四个子项目的实践内容，最终完成“VDMOS器件设计仿真”项目的全部内容，既巩固了教材知识内容，也提升了实际问题的处理能力。
一、教材的基本信息
1．适用对象
本教材适用于微电子相关专业的本科和专科学生，以及希望学习掌握微电子器件相关技术的读者。
2．需要具备的知识和能力基础
学习本教材需要具备一定的固体物理、半导体物理、半导体工艺、半导体工艺器件模拟相关的基础知识和能力。
3．预期达到的学习效果
学习本教材之后，读者能够具备微电子器件、纳米电子材料的相关知识，掌握下一代纳米器件的基本结构和原理，掌握微纳电子器件的设计方法，以及微纳电子器件计算机设计与仿真的基本能力。
4．教材编写团队
本教材主编宗杨负责教材内容章节的总体规划；孙晓东负责项目制定；张颖负责教材内容编写和项目内容设计；王莉负责项目实施运行；曹海燕负责教材内容编写和整体格式调整。
主编宗杨曾任微电子技术综合实训课程开发负责人，具有6年该课程的授课经验，在授课过程中不断探索TOPCARES教学理念；同时也是国家自然基金项目纵向科研项目的研究员，在纳米电子材料和器件方面有较为深入的研究；负责教材构架设计和项目内容设计，第1、2、3章及第11章内容的编写。孙晓东老师具有丰富的器件工艺模拟行业经验，负责第4章到第6章的编写。张颖老师具有多年半导体器件生产企业工作实践经验，负责第7章、第9章和第10章内容的编写。张琬皎女士提供了第8章内容。王莉老师负责实例项目和实践项目的实施运行；曹海燕老师负责全文的校对工作。编写团队丰富而广泛的微电子行业技术工作实践经验，为本教材引入了行业最前沿新鲜的技术和应用实例，丰富了教材内容，同时将纵向研究课题项目引入到实践环节中，完成学生新知识、新应用的能力培养，满足未来行业对人才的需求。
二、教材的基本结构与内容组织
1．教材的基本结构
本教材以实践项目“VDMOS器件设计仿真”为主线，多量子阱红外探测器设计案例为引导，按照器件设计开发流程，以及各个流程所需的知识内容，按顺序设置了“材料设计单元”“器件设计单元”“工艺设计单元”“器件仿真单元”共4个单元、11章内容。
本教材逻辑结构图如下：
在实例的阐述上结合大连东软信息学院TOPCARES教育理念，教材的每一章基本包括“项目概述”“项目构思”“项目设计”“项目实施与运行”“知识点详解”“本章小结”“项目实践”“课后习题”“拓展学习”“学习资料”等部分。
“项目概述”：介绍了项目的主要任务；
“项目构思”：介绍了项目的制作思路；
“项目设计”：介绍了项目的设计方案；
“项目实施与运行”：介绍了项目的实施步骤；
“知识点详解”：介绍了案例项目运用的理论知识，以及具体的实现步骤；
“本章小结”：总结了本章所涉及的知识点；
“项目实践”：通过对案例项目的学习，运用案例项目的实践方法，根据设计要求，自主完成VDMOS项目实践内容，提高实践能力；
“课后习题”：巩固各章的学习效果，同时检验是否达到应该具备的能力要求；
“拓展学习”：在掌握教材基本内容的基础上，提供给读者一些更深层次的学习目标，通过自主学习，拓展读者的知识范围；
“学习资料”：提供给读者一些相关的网络文献资料等在线学习资源，帮助读者掌握和拓展学习内容。
2．教材的内容组织
本教材共4个单元、11章内容。
第一单元为设计基础介绍和材料设计，介绍器件设计所需的背景知识，包括微电子器件发展情况，器件工作所需的量子物理的基本知识，以及半导体材料的相关内容，在单元结尾通过多量子阱红外探测器材料设计案例的学习，掌握材料设计的基本方法，并在VDMOS材料设计实践项目中对本章所学知识能力进行运用，并确定VDMOS器件的材料，共4章。
第二单元为器件设计内容，介绍了微电子技术最新的器件结构和原理，以及下一代器件的展望，在本单元结尾通过多量子阱红外探测器器件结构设计案例的学习，掌握器件设计的基本方法，并在VDMOS器件设计实践项目中对本章所学知识能力进行运用，并确定VDMOS的器件结构，共2章。
第三单元为工艺设计内容，介绍了常用的纳米材料和器件的制备技术，以及下一代集成电路的制备技术，在本单元结尾通过多量子阱红外探测器器件工艺流程设计案例的学习，掌握器件工艺设计的基本方法，并在VDMOS器件设计实践项目中对本章所学知识能力进行运用，并确定VDMOS器件的工艺流程，共4章。
第四单元为器件仿真内容，利用前三个单元实践项目中确定的器件材料、结构和工艺，完成器件的模拟，并对器件进行电学特性仿真，通过对多量子阱红外探测器器件的仿真案例学习仿真基本方法，并对前三单元完成的VDMOS器件材料、结构和工艺进行整合，完成VDMOS基本器件结构，并进行仿真实践，完成对教材内容的实践应用，共1章。
各章内容如下：
第1章绪论，主要介绍了纳米技术起源和发展、量子物理发展、纳米电子学的发展；
第2章纳米量子效应，主要介绍了纳米量子物理的基本理论；
第3章纳米电子材料，主要介绍了纳米材料分类、主要的纳米电子材料的特性；
第4章材料设计实践，主要进行器件材料建模和模拟；
第5章纳米电子器件，主要介绍了纳米器件的发展历程，主要的器件结构和原理；
第6章器件设计实践，主要进行器件结构建模和模拟；
第7章纳米制造，主要介绍了纳米材料和结构的制造工艺方法和应用实例；
第8章纳米压印技术，主要介绍了行业最新的纳米压印技术和原理；
第9章纳米集成电路，主要介绍了下一代纳米集成电路的制造技术和发展方向；
第10章工艺设计实践，主要进行器件工艺模拟和仿真；
第11章性能仿真实践，利用前三个单元实践项目中确定的器件材料、结构和工艺，完成VDMOS器件的模拟，并对器件进行电学特性仿真。
3．教材内容的前沿性
本教材根据微电子行业最新的学科前沿发展方向，将新理论、新技术、新工具、新产品以及新应用引入到教材内容当中，使学生能够掌握未来微电子技术的发展方向和下一代微电子技术的基本原理，紧跟行业发展的步伐，在将来的学习和工作中做出自己的贡献。
教材的理论部分引入了初步的量子物理理论内容以及纳米电子技术基本原理。目前微电子行业的关键尺寸已经进入了10nm以下尺度范围，微电子器件面临着理论失效的困境，而量子理论和纳米技术已经成为突破该困境的钥匙，该内容的学习能够使学生掌握应对微电子技术革命所需的基本理论知识。教材还将纳米技术设计仿真工具引入到实践部分，培养学生新技术和新工具的实践应用能力。而且针对行业中最新的技术和产品应用，特邀杭州欧光芯科技有限公司执行董事兼总经理张琬皎女士为本教材编写了第8章纳米压印技术的内容，在此表示感谢。纳米压印技术是目前微电子行业最新兴的技术和产品应用，目前在我国处于起步阶段，学生可以通过相关章节内容的学习了解行业前沿的技术发展方向，并在实践环节中通过在线仿真工具进行新技术的模拟应用，培养从器件设计到工艺仿真测试覆盖整个微电子器件设计制造流程的实践能力。
项目导学1
0.1项目概述1
0.2项目构思与设计1
0.2.1项目构思1
0.2.2项目设计2
0.3项目实施与运行2
第一单元材料设计单元
第1章绪论7
1.1知识点详解7
1.1.1纳米技术起源和发展8
1.1.2量子物理发展10
1.1.3纳米电子学的发展16
1.2本章小结21
1.3课后习题21
1.4拓展学习23
1.5学习资料23
第2章纳米量子效应24
2.1知识点详解24
2.1.1表面效应25
2.1.2小尺寸效应27
2.1.3隧穿效应28
2.1.4库仑阻塞效应29
2.1.5其他效应30
2.2本章小结33
2.3课后习题33
2.4拓展学习34
2.5学习资料35
第3章纳米电子材料36
3.1知识点详解36
3.1.1纳米材料37
3.1.2纳米结构46
3.2本章小结50
3.3课后习题51
3.4拓展学习52
3.5学习资料52
第4章材料设计实践53
4.1项目概述53
4.2项目构思53
4.3项目设计54
4.4项目实施与运行54
4.4.1启动deckbuild54
4.4.2初始化网格55
4.4.3定义衬底材料55
4.4.4材料淀积55
4.4.5特性提取56
4.5知识点详解57
4.5.1ATHENA仿真器57
4.5.2网格建立57
4.5.3衬底初始化58
4.5.4离子注入59
4.5.5特性提取60
4.5.6TonyPlot工具61
4.6本章小结62
4.7项目实践62
4.7.1VDMOS的结构特点62
4.7.2VDMOS的工作原理63
4.7.3VDMOS的主要参数63
4.7.4VDMOS的设计要求67
4.8课后习题67
4.9拓展学习68
4.10学习资料68第二单元器件设计单元
第5章纳米电子器件71
5.1知识点详解71
5.1.1量子点器件72
5.1.2纳米线器件78
5.1.3量子阱器件84
5.1.4共振隧穿器件88
5.1.5纳米CMOS器件92
5.1.6光子晶体98
5.2本章小结102
5.3课后习题102
5.4拓展学习103
5.5学习资料103
第6章器件设计实践104
6.1项目概述104
6.2项目构思104
6.3项目设计105
6.4项目实施与运行105
6.4.1启动deckbuild105
6.4.2初始化网格105
6.4.3定义区域和材料105
6.4.4定义电极/描述掺杂108
6.5知识点详解108
6.5.1ATLAS仿真器108
6.5.2网格建立110
6.5.3区域定义111
6.5.4定义电极112
6.5.5TonyPlot工具113
6.6本章小结115
6.7项目实践115
6.7.1导通电阻的设计115
6.7.2VDMOS的结构设计119
6.7.3VDMOS器件设计仿真要求122
6.8课后习题124
6.9拓展学习124
6.10学习资料125
第三单元工艺设计单元
第7章纳米制造129
7.1知识点详解129
7.1.1纳米材料的制备方法130
7.1.2纳米结构的制备方法139
7.2本章小结147
7.3课后习题147
7.4拓展学习149
7.5学习资料149
第8章纳米压印技术150
8.1知识点详解150
8.1.1纳米压印概述151
8.1.2纳米压印关键性技术154
8.1.3纳米压印技术应用164
8.2本章小结165
8.3课后习题166
8.4拓展学习167
8.5学习资料167
第9章纳米集成电路168
9.1知识点详解168
9.1.1垂直互连170
9.1.23D集成电路171
9.1.3硅光子技术173
9.1.4拓扑绝缘体175
9.2本章小结176
9.3课后习题176
9.4拓展学习177
9.5学习资料177
第10章工艺设计实践178
10.1项目概述178
10.2项目构思178
10.3项目设计179
10.4项目实施与运行179
10.4.1启动Deckbuild179
10.4.2定义网格，初始化衬底179
10.4.3淀积，刻蚀工艺GaN/AlGaN层179
10.5知识点详解181
10.5.1ATHENA仿真器181
10.5.2ATHENA工艺仿真流程182
10.6本章小结189
10.7项目实践190
10.7.1VDMOS器件的终端结构190
10.7.2VDMOS器件的单元图形结构190
10.7.3VDMOS器件工艺设计仿真实践要求191
10.8课后习题192
10.9拓展学习194
10.10学习资料194
第四单元器件仿真单元
第11章性能仿真实践197
11.1项目概述197
11.2项目构思198
11.3项目设计198
11.4项目实施与运行198
11.4.1打开deckbuild198
11.4.2电压特性曲线仿真199
11.4.3掺杂光照后特性曲线199
11.4.4器件优化仿真200
11.4.5器件瞬态仿真201
11.5知识点详解202
11.5.1ATLAS仿真器202
11.5.2材料模型描述202
11.5.3数值计算方法206
11.5.4求解描述206
11.5.5结果分析207
11.6本章小结208
11.7项目实践208
11.7.1VDMOS器件的主要技术特性208
11.7.2VDMOS器件的主要应用范围209
11.7.3VDMOS器件特性仿真实践要求209
11.8课后习题209
11.9拓展学习210
11.10学习资料211
附录：学习知识要点及能力要点212
参考文献215
2016年6月，中国成为国际本科工程学位互认协议《华盛顿协议》的正式会员，这是中国工程教育国际化进程的重要里程碑。“回归工程”、培养学生的“大工程观”是当今国际工程教育的主流理念。《华盛顿协议》对毕业生提出的12条素质要求中，不仅要求工程知识、工程能力，还强调通用能力和品德伦理；在实践上，以学生为中心，以产出为导向，注重对目标达成的支撑及持续改进，与CDIO工程教育实质等效。
CDIO工程教育是近年来国际工程教育改革的最新成果，以“预期学习结果”集合来驱动课程内容、教学方法、教育文化的设计，重视营造工程教育文化，其注重工程能力培养和基于工程项目全生命周期的一体化设计思想，对于国内工程类和相关专业的建设具有重要的实施价值。
作为承载了教学改革思想的载体，融入CDIO工程教育理念的高品质教材，东软CDIO工程教育教材在注重理实结合的同时，也注重对学生八大能力的培养，即：技术知识与推理能力，开放式思维与创新，个人职业能力，沟通表达与团队合作，态度与习惯，责任，价值观，实践构思、设计、实现和运行对社会的贡献。
CDIO工程教育教材是 CDIO教育教学改革在教学实施过程中的集中体现，它不仅承载着课程和项目的教学内容，而且贯穿和体现了CDIO工程教育的理念、思想与方法，是在系统化理论的指导下，将知识、能力、素质培养进行一体化设计，有机融合在教材体系中。教材的编写以能力培养为主线，以案例教学为引导，以项目为载体，充分体现“做中学”和“学中做”的思想，具有以下优势：
（1）以能力培养为主线，培养学生专业知识学习能力和工程实践能力。
（2）以案例为驱动，在做案例的过程中学习新知识，充分体现了“做中学”。
（3）以项目为载体，基于工程化教育方法，按照分析、设计、实施、运行展开项目及知识点的讲解。
（4）围绕专业知识结构和能力体系设计教材，实现同一专业下不同教材紧密的关联性。
（5）内容编排循序渐进，符合人的认知规律。
（6）适应柔性化教学变革，构建一体化、立体化教学资源。
CDIO工程教育教材可供以应用型人才为培养目标的高等院校以及职业培训机构作为教材使用。
目前，CDIO工程教育教材的建设还处于探索阶段，是一项创造性的工作，尚需要通过改革的实践不断加以深化和持续改进，任重而道远。
