三菱電機株式會社、東京科學大學、筑波大學及 Quemix 公司于2026年1月14日聯合宣布，全球率先1成功揭示了氫元素如何通過與硅材料中特定缺陷2的相互作用產生自由電子3的機制。此項突破性成果有望優(yōu)化絕緣柵雙極性晶體管（IGBT）的設計與制造工藝，從而提升其能效表現并降低功率損耗。該發(fā)現還將為基于超寬禁帶（UWBG）材料4的未來器件開辟新的可能性。
在全球邁向碳中和的進程中，提升電力電子設備的效率與節(jié)能性已成為世界范圍內的重要課題。IGBT作為電力轉換的核心部件，其效率提升是當前的重點研發(fā)方向。盡管半個多世紀以來，氫離子注入技術已被用于調控硅中的電子濃度，但這一技術背后的核心機制此前始終未被明確。
2023 年，三菱電機與筑波大學聯合發(fā)現了硅中一種可提高電子濃度的缺陷復合物5。研究證實，該復合物由硅原子間隙與氫結合形成，但在此過程中自由電子新生成的原因仍不明確6。此次，四家機構通過先進的計算模擬，揭示了氫在缺陷復合物中的存在狀態(tài)，解釋了氫釋放電子并使其在硅中成為自由電子的原理。此外，研究結果表明，這一機制同樣適用于金剛石材料 —— 一種極具潛力的未來功率半導體材料，但其電子能級調控一直面臨巨大挑戰(zhàn)。
這項研究的完整細節(jié)已于1月13日（倫敦時間）在線發(fā)表于自然出版集團旗下期刊《Communications Materials》上。
<核心亮點>
1）硅中含氫缺陷復合物產生自由電子的機制
近半個世紀以來，有研究表明向硅中注入氫離子后，氫原子存在的區(qū)域會產生自由電子。如今，該技術已被用于在 IGBT 等功率半導體內部形成含自由電子的N型層。然而，硅材料中的孤立氫原子并不一定會釋放自由電子7，其內在機理始終未能明確。
基于 “氫與晶體缺陷共同作用產生自由電子” 的假設，三菱電機與筑波大學通過電學光學測量及電子自旋共振（ESR）技術8展開聯合研究。2023年，該團隊發(fā)現I₄缺陷（硅晶體中因額外插入硅原子而形成的結構擾動）與自由電子的產生密切相關。為明確氫的作用，東京科學大學與Quemix公司通過第一性原理計算9，在I4缺陷周圍多個候選點位構建含氫原子模型，分析了缺陷復合物的結構穩(wěn)定性及電子態(tài)10。
計算結果顯示，在無缺陷的硅中，氫原子形成的電子態(tài)無法產生自由電子；而當附近存在I₄缺陷時，氫原子會占據硅原子間共價鍵中間位置11。這種構型使I4缺陷相關的電子態(tài)轉變?yōu)槔陔娮俞尫诺臓顟B(tài)�；诜肿榆壍览碚�12的進一步分析表明，這一過程存在協(xié)同效應：氫原子中的一個電子轉移至I₄缺陷，隨后I₄缺陷釋放出一個可作為自由電子的電子。這種缺陷與氫的協(xié)同作用，正是自由電子產生的關鍵原因。
氫與缺陷協(xié)同作用產生自由電子的示意圖
2）技術驗證：Si IGBT 與二極管功耗最高降低 20%
三菱電機通過結合氫離子注入形成N型層與減薄硅襯底厚度的技術，成功降低了Si IGBT與二極管的功耗。例如，在1200V器件中，與第七代產品相比，IGBT的總功耗降低了10%，二極管的總功耗降低了20%，相關技術已完成驗證。此次機理闡明的關鍵——關于氫致自由電子生成的基礎性見解，為這些功耗降低提供了理論支撐。
3）對超寬禁帶（UWBG）材料適用性的理論驗證
金剛石、氮化鋁（AlN）等材料在未來功率半導體及量子傳感器領域具有廣闊應用前景，但傳統(tǒng)方法難以對其電子濃度進行有效調控，阻礙了其實際應用。為探究硅中發(fā)現的氫致自由電子產生機制是否適用于超寬禁帶材料，研究團隊進行了初步的第一性原理計算。結果表明，金剛石與硅具有相似的共價晶體結構，氫原子嵌入碳原子間共價鍵比占據間隙位更穩(wěn)定。當存在成對缺陷時，這種鍵合位嵌入的氫原子同樣可在金剛石中發(fā)揮作用。這一發(fā)現從基礎理論層面為某些超寬禁帶材料的電子濃度控制提供了潛在解決方案。
金剛石晶體中氫原子的結構形態(tài)
<各方職責>
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機構名稱 |
主要職責 |
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三菱電機 株式會社 |
①電學與光學測量評估 ②識別影響電子濃度的缺陷 ③構建機制模型 |
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東京科學大學 |
①基于密度泛函理論（DFT）13的第一性原理計算 ② 氫與缺陷相互作用的闡明 ③ 構建機制模型 |
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筑波大學 |
①電子自旋共振（ESR）技術測量評估 ②識別影響電子濃度的缺陷 ③構建機制模型 |
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Quemix 公司 |
① 基于密度泛函理論（DFT）的第一性原理計算 ②闡明氫與缺陷的相互作用 ③構建機制模型 |
本研究得到了日本學術振興會（JSPS）科研費資助（項目編號：21H04553、20H00340、22H01517），并獲得了可持續(xù)量子人工智能創(chuàng)新中心（JST，資助編號：JPMJPF2221）的額外支持。
<未來展望>
研究團隊計劃將這一機制應用于金剛石等傳統(tǒng)電子濃度調控難度較大的超寬禁帶材料，推動功率半導體、高頻器件及量子傳感器等半導體器件的研發(fā)進程，為實現碳中和目標提供重要技術支撐。
