联合研究揭示氢与硅缺陷协同生成自由电子的机制
在全球推进碳中和的大背景下，电力电子设备的能效提升成为研发重点。近期，三菱电机株式会社联合东京科学大学、筑波大学及Quemix公司，在氢元素与硅材料中缺陷相互作用的研究方面取得了突破性进展，首次明确了氢如何通过与硅中特定缺陷的协同作用产生自由电子的机制。该成果有望推动电力半导体器件的优化，并为未来基于超宽禁带材料的器件开发奠定基础。
这一发现已在2026年1月13日由自然出版集团旗下的《Communications Materials》在线发表。研究成果不仅对硅基器件如绝缘栅双极性晶体管（IGBT）的性能优化具有重要意义，也为如金刚石等其他宽禁带材料中的电子能级调控提供了新思路。
在过去的数十年中，氢离子注入已成为调节硅中电子浓度的一种常用手段，并被广泛应用于IGBT等功率半导体器件中，以形成N型掺杂层。然而，关于氢如何在特定条件下释放出自由电子，这一过程背后的微观机制一直未能彻底阐明。
氢与硅中缺陷的协同机制
2023年，三菱电机与筑波大学首先发现了一种名为I₄的缺陷复合物，其与自由电子的产生密切相关。然而，氢在其中的具体作用尚不明确。为深入研究，东京科学大学与Quemix公司利用第一性原理计算，构建了多个含氢的模型，分析了缺陷复合物在不同条件下结构稳定性与电子态的变化。
研究结果表明，当硅中存在I₄缺陷时，氢原子倾向于占据硅原子之间共价键的中间位置。这一结构配置促使缺陷中的电子态发生变化，从而释放出自由电子。通过分子轨道理论进一步解释，氢原子中的一个电子可转移至缺陷位点，促使缺陷释放出另一个电子进入导带，形成自由电子。这种氢与缺陷之间的协同效应被认为是自由电子生成的关键。
技术验证与应用潜力
基于这一机制，三菱电机已在实际器件中进行了验证。通过结合氢离子注入与硅衬底减薄技术，成功降低了1200V Si IGBT和二极管的功耗。与上一代产品相比，IGBT的总功耗减少了约10%，而二极管的总功耗则降低了20%。这表明氢致自由电子机制不仅在理论层面被揭示，也在实际应用中展现出显著成效。
拓展至超宽禁带材料
金刚石、氮化铝（AlN）等材料在未来功率半导体及量子传感器领域具有巨大潜力，但由于缺乏有效手段对电子浓度进行调控，其应用受到限制。研究团队通过初步计算发现，金刚石与硅具有相似的共价晶体结构，氢原子嵌入碳原子间的共价键比处于间隙位更稳定。当存在成对缺陷时，氢原子同样能够引发电子释放，为宽禁带材料的电子浓度控制提供了理论依据。
各方贡献与科研支持
- 三菱电机株式会社：负责电学与光学测量，识别影响电子浓度的缺陷，并构建相关机制模型。
- 东京科学大学：开展基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算，阐明氢与缺陷的相互作用。
- 筑波大学：使用电子自旋共振（ESR）技术进行缺陷识别与机制建模。
- Quemix 公司：提供理论计算支持，协助构建模型并分析氢与缺陷的相互作用。
本项目获得日本学术振兴会（JSPS）科研经费支持，并获得可持续量子人工智能创新中心（JST）的专项资助。
未来发展方向
研究团队计划将这一机制拓展至金刚石等难以调控电子浓度的材料，推动功率半导体、高频器件及量子传感器等领域的技术进步。这一研究成果不仅提升了现有器件的效率，也为未来器件的开发提供了新的研究路径，助力实现更高效的能源利用与碳中和目标。