改性氮化钼电极

在原子尺寸容积内存储微量气体是科研中一项十分有意义的研究。其中，阻隔材料的选择是影响气体存储的重要因素：该材料必须形成气泡来包覆存储的气体，且必须在端环境下保持稳定，更重要的是材料本身不能与存储气体有任何的化学或者物理的相互作用。近期，中国科学院上海微系统与信息技术研究所的王浩敏研究员课题组就这项研究在《自然-通讯》杂志上发表了通过等离子体处理实现六方氮化硼气泡中的氢分离的工作。单层六方氮化硼（h-BN）是一种由硼氮原子相互交错组成的sp2轨道杂化六边形网格二维晶体材料。在所有现已发现的范德瓦尔斯(van der Waals )单原子层二维材料（2D Materials）中，h-BN是的缘体，因此其被认为是纳米电子器件中理想的超薄衬底或缘层材料。此外，h-BN还拥有高的热稳定性及化学稳定性，使得它被广泛研究并应用于超薄抗氧化涂层。研究表明，h-BN在1100 ℃以下都能很好地发挥其稳定的抗氧化功效。图1. 通过等离子体技术从烷中提取氢气到h-BN夹层中形成气泡同石墨烯类似，h-BN的六边形网格在结构不被破坏的情况下可以阻止任何一种气体分子或原子穿透其平面，却对直径远小于原子的质子无能为力。这一有趣的特性使之能够被很好地应用于“选择性薄膜”、“质子交换膜”等能源领域。而在本文报道的研究中， 王浩敏研究员团队则巧妙地利用h-BN这一特性，结合等离子体技术，对碳氢化合物气体（烷、乙炔）、氩氢混合气进行了“氢提取”，并将其稳定地存储在h-BN表面的微纳气泡中（图1）。图2. a: 六方氮化硼光学显微镜照片；b: 六方氮化硼34K与33K温度下的低温原子力显微镜形貌图，当温度34K时存在气泡（图中亮色部分）；c: 六方氮化硼气泡不同温度下的高度，当温度33K时气泡消失低温原子力显微镜的测量结果（图2）证实了被六方氮化硼气泡包覆的气体确实是氢气。文章中，作者使用了一套attoAFM I低温原子力显微镜，显微镜可以在闭循环低温恒温器attoDRY1100（attoDRY2100系列）内被冷却到低的液氦温度。在特定的测量温度下，原子力显微成像结果可以帮助研究者证实在33.2 K ± 3.9 K温度的时候气泡消失，证实了被包覆气体的消失。由于该转变温度与氢气的冷凝温度（33.18K）接近，该实验结果可以证明氢气气体存在与六方氮化硼气泡内。该工作成功地在六方氮化硼内存储了氢气，为未来氢气的存储提供了全新的方法。图3. 低温强磁场原子力磁力显微镜以及attoDRY2100低温恒温器 低温强磁场原子力磁力显微镜attoAFM/MFM I主要技术特点：-温度范围：1.8K ..300 K-磁场范围：0...9T (取决于磁体, 可选12T，9T-3T矢量磁体等)-工作模式：AFM（接触式与非接触式）, MFM-样品定位范围：5×5×5 mm3-扫描范围: 50×50 mm2@300 K, 30×30 mm2@4 K -商业化探针-可升PFM, ct-AFM, SHPM, CFM，atto3DR等功能 参考文献：Haomin Wang et al, Isolating hydrogen in hexagonal boron nitride bubbles by a plasma treatment, Nat. Commun., 2019, 10, 2815.

第三代半导体材料主要是以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)、金刚石、氮化铝(AlN)等为代表的宽禁带半导体材料。与第一、二代半导体材料相比，第三代半导体材料具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的热导率、更高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力，更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件，通常又被称为宽禁带半导体材料(禁带宽度大于2.3eV)，亦被称为高温半导体材料。从目前第三代半导体材料及器件的研究来看，较为成熟的第三代半导体材料是碳化硅和氮化镓，而氧化锌、金刚石、氮化铝等第三代半导体材料的研究尚属起步阶段。碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)，被行业称为第三代半导体材料的双雄。专利一般是由政府机关或者代表若干国家的区域性组织根据申请而颁发的一种文件，这种文件记载了发明创造的内容，并且在一定时期内产生这样一种法律状态，即获得专利的发明创造在一般情况下他人只有经专利权人许可才能予以实施。在我国，专利分为发明、实用新型和外观设计三种类型。专利文献作为技术信息最有效的载体，囊括了全球90%以上的最新技术情报，相比一般技术刊物所提供的信息早5～6年，而且70%～80%发明创造只通过专利文献公开，并不见诸于其他科技文献，相对于其他文献形式，专利更具有新颖、实用的特征。可见，专利文献是世界上最大的技术信息源，另据实证统计分析，专利文献包含了世界科技技术信息的90%～95%。如此巨大的信息资源远未被人们充分地加以利用。事实上，对企业组织而言，专利是企业的竞争者之间惟一不得不向公众透露而在其他地方都不会透露的某些关键信息的地方。因此，通过对专利信息细致、严密、综合、相关的分析，可以从其中得到大量有用信息。基于此，仪器信息网特统计分析了第三代半导体中氮化镓的专利信息，以期为从业者提供参考。（本文搜集信息源自网络，不完全统计分析仅供读者参考，时间以专利申请日为准）专利申请趋势分析（1994-2020）申请人数量趋势分析（1994-2020）发明人数量趋势分析（1994-2020）本次统计，以“氮化镓”为关键词进行检索，共涉及专利总数量为9740条（含世界知识产权组织254条专利），其中发明专利8270条、实用新型专利1169条和外观专利47条。从统计结果可以看出可以看出，从1994年开始，氮化镓专利数量和专利申请人数量整体呈增长趋势，只在2012-2014年之间和2020年呈下降趋势。这表明氮化镓的研发投入不断增加，相关企业和科研院所数量也在不断增加。从专利发明人数量趋势可以看出，从事氮化镓相关研究的人数也在逐年增加，氮化镓已成为研究热点。申请人专利排行发明人专利量排行那么从事相关研发工作的主要有哪些单位呢？从申请人专利量排行可以看出，在专利申请人申请量排名中，中国科学院半导体研究所的表现最为突出共申请专利314件，三菱电机株式会社（排名第二）与电子科技大学（排名第三）也不甘示弱，分列第二与第三位。具体来看，半导体所的专利主要集中于材料生长、加工工艺等方面；三菱电机的专利主要集中于功率器件制造、半导体装置等方面。在发明人专利量排行中，李鹏的专利量最多，其次为胡加辉、李晋闽等人。李鹏发明的专利主要归华灿光电所属，专利集中于氮化镓发光二极管领域的研究。据了解，华灿光电成立于2005年的华灿光电股份有限公司，是我国领先的半导体技术型企业。目前有张家港、义乌、玉溪三大生产基地。历经十几年的发展，华灿光电已成为国内第二大LED芯片供应商，国内第一大显示屏用LED芯片供应商。2015年收购云南蓝晶，整合LED上游产业资源。专利申请区域统计通过对专利申请区域进行统计能够了解到目前专利技术的布局范围以及技术创新的活跃度，进而分析各区域的竞争激烈程度。从专利申请区域可以看出，氮化镓专利申请主要集中于广东省、江苏省等，这些地区都是半导体产业发达的地区，其在第三代半导体方面的布局也快人一步。值得注意的是，日本企业在国内也有很多专利布局。专利技术分类统计从专利技术分类来看，大部分氮化镓的专利都集中于电学领域。这主要是因为氮化镓是功率器件和射频器件的重要半导体材料，在电力电子、射频芯片等领域都要重要的应用。具体来看，相关研究主要集中于光发射的半导体器件、半导体装置或设备、半导体材料在基片上的沉积等方面。

当前，信息技术的高速发展对半导体器件的热管理提出了更高的要求：一方面需要使用更好的散热材料（如石墨烯、金刚石等），另一方面需要降低接触界面热阻。对于小尺寸的高功率器件而言，界面的导热能力实际上已经成为制约器件性能提升的瓶颈，因此，研究其界面导热机制尤其重要。在半导体器件中，界面热导主要是由异质结界面附近的几个原子层产生的界面声子决定的。但目前人们对于界面声子如何影响界面热导知之甚少，主要原因是缺乏有效实验测量界面声子的手段。图 (a) AlN/Si异质结界面处的原子分辨图；(b) AlN/Si异质结界面的EELS谱；(c) AlN/Si和AlN/Al异质结四种不同界面模式的声子态密度分布及对界面热导的贡献近来，北京大学物理学院量子材料科学中心、电子显微镜实验室高鹏教授课题组，发展了兼具空间分辨和动量分辨能力的四维电子能量损失谱技术（Nature Communications 2021, 12, 1179 发明专利：ZL202011448013.7），并展示了可应用于异质结界面声子色散的测量（Nature 2021, 559, 399)。最近，他们和清华大学、南方科技大学等合作，利用该谱学方法测量了第三代半导体氮化铝（AlN）与硅（Si）衬底、金属铝（Al）电极等界面的晶格动力学行为，并探索了不同界面的声子传输行为及其对界面热导的贡献。联合研究团队发现AlN/Si和AlN/Al的界面声子模式迥然不同，从而导致界面热导数倍的差异。通常，界面声子可以分为四类：扩展模式、局域模式、部分扩展模式和孤立模式。其中，扩展模式和局域模式与界面两侧的体态声子都有很强的关联，使得一侧的声子通过弹性/非弹性散射穿过界面到达另一侧，充当连接两侧体态声子的桥梁，从而有助于提升界面热导；而部分扩展模式和孤立模式对界面热导贡献很小。联合研究团队首先在AlN/Si异质结界面上观测到了界面模式具有明显的桥效应：界面存在原子尺度局域的声子模式，与界面两侧AlN和Si的不同能量的体声子都能发生非弹性散射从而交换能量；此外，也观察到了明显的界面扩展模式。这两种模式都能有效促进界面热量的传输。而在AlN/Al界面，并没有观察到明显的由局域模式或扩展模式构成的声子桥，其界面声子模式主要为部分扩展模式，对热量的传输效率较低。这些结果解释了为什么AlN/Al的界面热导要远小于AlN/Si。该工作深化了对界面声子传输和热输运的理解，尤其为基于氮化物的高电子迁移率晶体管和大功率发光二极管等高功率半导体器件的热管理提供了有价值的信息。2022年2月18日，相关成果以“原子尺度探测氮化物半导体异质结界面声子桥”（Atomic-scale probing of heterointerface phonon bridges in nitride semiconductor）为题，在线发表于《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America）。北京大学物理学院量子材料科学中心2017级博士研究生李跃辉为第一作者，高鹏为通讯作者，其他主要合作者包括北京大学物理学院的研究助理亓瑞时、2018级博士研究生时若晨，清华大学胡健楠博士、马旭村教授、罗毅院士，以及清华大学和南方科技大学薛其坤院士等。上述研究工作得到国家自然科学基金，以及量子物质科学协同创新中心、怀柔综合性国家科学中心轻元素量子材料交叉平台、北京大学高性能计算平台等支持。论文原文链接：https://www.pnas.org/content/119/8/e2117027119