氫通過與硅中缺陷相互作用產(chǎn)生自由電子的機(jī)制
三菱電機(jī)株式會社、東京科學(xué)大學(xué)、筑波大學(xué)及 Quemix 公司于2026年1月14日聯(lián)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(chǎn)生自由電子3的機(jī)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(shè)計與制造工藝，從而提升其能效表現(xiàn)并降低功率損耗。該發(fā)現(xiàn)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(jìn)程中，提升電力電子設(shè)備的效率與節(jié)能性已成為世界范圍內(nèi)的重要課題。IGBT作為電力轉(zhuǎn)換的核心部件，其效率提升是當(dāng)前的重點研發(fā)方向。盡管半個多世紀(jì)以來，氫離子注入技術(shù)已被用于調(diào)控硅中的電子濃度，但這一技術(shù)背后的核心機(jī)制此前始終未被明確。
2023 年，三菱電機(jī)與筑波大學(xué)聯(lián)合發(fā)現(xiàn)了硅中一種可提高電子濃度的缺陷復(fù)合物5。研究證實，該復(fù)合物由硅原子間隙與氫結(jié)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(jī)構(gòu)通過先進(jìn)的計算模擬，揭示了氫在缺陷復(fù)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(jié)果表明，這一機(jī)制同樣適用于金剛石材料 —— 一種極具潛力的未來功率半導(dǎo)體材料，但其電子能級調(diào)控一直面臨巨大挑戰(zhàn)。
這項研究的完整細(xì)節(jié)已于1月13日（倫敦時間）在線發(fā)表于自然出版集團(tuán)旗下期刊《Communications Materials》上。
<核心亮點>
1）硅中含氫缺陷復(fù)合物產(chǎn)生自由電子的機(jī)制
近半個世紀(jì)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(chǎn)生自由電子。如今，該技術(shù)已被用于在 IGBT 等功率半導(dǎo)體內(nèi)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(nèi)在機(jī)理始終未能明確。
基于 “氫與晶體缺陷共同作用產(chǎn)生自由電子” 的假設(shè)，三菱電機(jī)與筑波大學(xué)通過電學(xué)光學(xué)測量及電子自旋共振（ESR）技術(shù)8展開聯(lián)合研究。2023年，該團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)I₄缺陷（硅晶體中因額外插入硅原子而形成的結(jié)構(gòu)擾動）與自由電子的產(chǎn)生密切相關(guān)。為明確氫的作用，東京科學(xué)大學(xué)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(gòu)建含氫原子模型，分析了缺陷復(fù)合物的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及電子態(tài)10。
計算結(jié)果顯示，在無缺陷的硅中，氫原子形成的電子態(tài)無法產(chǎn)生自由電子；而當(dāng)附近存在I₄缺陷時，氫原子會占據(jù)硅原子間共價鍵中間位置11。這種構(gòu)型使I4缺陷相關(guān)的電子態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槔陔娮俞尫诺臓顟B(tài)�；诜肿榆壍览碚�12的進(jìn)一步分析表明，這一過程存在協(xié)同效應(yīng)：氫原子中的一個電子轉(zhuǎn)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(chǎn)生的關(guān)鍵原因。
氫與缺陷協(xié)同作用產(chǎn)生自由電子的示意圖
2）技術(shù)驗證：Si IGBT 與二極管功耗最高降低 20%
三菱電機(jī)通過結(jié)合氫離子注入形成N型層與減薄硅襯底厚度的技術(shù)，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(chǎn)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(guān)技術(shù)已完成驗證。此次機(jī)理闡明的關(guān)鍵——關(guān)于氫致自由電子生成的基礎(chǔ)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(dǎo)體及量子傳感器領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景，但傳統(tǒng)方法難以對其電子濃度進(jìn)行有效調(diào)控，阻礙了其實際應(yīng)用。為探究硅中發(fā)現(xiàn)的氫致自由電子產(chǎn)生機(jī)制是否適用于超寬禁帶材料，研究團(tuán)隊進(jìn)行了初步的第一性原理計算。結(jié)果表明，金剛石與硅具有相似的共價晶體結(jié)構(gòu)，氫原子嵌入碳原子間共價鍵比占據(jù)間隙位更穩(wěn)定。當(dāng)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(xiàn)從基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)形態(tài)
<各方職責(zé)>
本研究得到了日本學(xué)術(shù)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(tuán)隊計劃將這一機(jī)制應(yīng)用于金剛石等傳統(tǒng)電子濃度調(diào)控難度較大的超寬禁帶材料，推動功率半導(dǎo)體、高頻器件及量子傳感器等半導(dǎo)體器件的研發(fā)進(jìn)程，為實現(xiàn)碳中和目標(biāo)提供重要技術(shù)支撐。
<發(fā)表信息>
