多方联合揭示硅中氢致自由电子生成机制
三菱电机株式会社、东京科学大学、筑波大学以及Quemix公司于2026年1月14日共同宣布，首次在全球范围内阐明了氢原子在硅材料中与特定晶格缺陷相互作用从而生成自由电子的机制。
这一突破性发现不仅有助于优化IGBT（绝缘栅双极型晶体管）的设计与制造工艺，提升其能效并降低功率损耗，也为基于超宽禁带材料的下一代半导体器件提供了新的理论支撑。
在当前全球积极迈向碳中和的背景下，提升电力电子系统的效率和节能性能已成为各国研究的重点。作为电力转换系统中的关键组件，IGBT的性能优化是实现高效能源利用的关键之一。尽管氢离子注入技术已广泛应用于硅材料中以调节自由电子浓度，但其背后的物理机制长期以来尚不明确。
早在2023年，三菱电机与筑波大学的合作研究中，发现了硅中一种能够增强电子浓度的缺陷复合物，其结构由硅间隙原子与氢结合而成。然而，氢如何促使电子释放仍是一个未解之谜。此次，四家研究机构结合先进计算方法，成功解析了氢在缺陷复合物中的具体作用方式，阐明了氢原子如何促进电子释放并使其成为可自由移动的电子。
研究还指出，这种机制同样适用于金刚石材料——一种在功率半导体领域备受关注的超宽禁带材料，其电子能级的精确调控一直是个难题。
相关研究成果已于2026年1月13日（伦敦时间）在线发表于《Communications Materials》期刊。
核心亮点
1）硅中含氢缺陷复合物产生自由电子的机制
长期以来，氢离子注入被用于在硅中形成自由电子区域，广泛应用于IGBT等功率半导体器件的N型层构造。然而，氢原子在硅中单独存在时并不总是能生成自由电子，其内在机制缺乏明确解释。
基于“氢与缺陷协同作用产生自由电子”的假设，三菱电机与筑波大学采用电学光学测量与电子自旋共振（ESR）技术开展联合研究。2023年，研究团队确认I₄缺陷与自由电子生成存在密切关联。
随后，东京科学大学与Quemix公司通过第一性原理计算，在I₄缺陷周围构建多个含氢模型，分析其结构稳定性和电子态分布。结果表明，当氢原子占据硅原子之间的共价键间隙位置时，缺陷态发生转变，更有利于电子释放。
进一步的分子轨道理论分析揭示出，氢原子将一个电子转移到I₄缺陷，继而缺陷释放出自由电子。这一过程揭示了氢与缺陷之间的协同效应，是自由电子生成的关键。
2）技术验证：Si IGBT与二极管功耗最高降低20%
基于新揭示的氢致自由电子机制，三菱电机开发了结合氢注入与薄型硅基板的新工艺，成功应用于Si IGBT与二极管中。测试数据显示，在1200V等级器件中，与第七代产品相比，IGBT总功耗降低10%，二极管总功耗降低20%。
这些实验验证进一步证明了理论机制的实用性，也为未来更高效器件设计提供了理论依据。
3）对超宽禁带（UWBG）材料适用性的理论验证
金刚石、氮化铝等材料因其宽禁带特性，被认为是未来功率器件与量子传感器的理想材料，但其电子浓度调控长期面临挑战。
本研究团队通过第一性原理计算初步验证了硅中发现的氢致电子生成机制在金刚石中的适用性。结果显示，氢原子嵌入金刚石晶格中碳原子之间的共价键位置，比占据间隙位置更稳定。在存在成对缺陷的情况下，氢同样能促进电子释放。
这一发现为UWBG材料的电子调控问题提供了理论基础，为未来器件开发打开了新的方向。
本研究得到了日本学术振兴会（JSPS）科研经费支持（项目编号：21H04553、20H00340、22H01517），并获得可持续量子人工智能创新中心（JST，项目编号：JPMJPF2221）的资助。
未来展望
研究团队计划将该机制进一步拓展至金刚石等难以进行传统电子浓度调控的材料中，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，为实现碳中和目标提供关键技术支持。