三菱电机株式会社、东京科学大学、筑波大学及 Quemix 公司于2026年1月14日联合宣布，全球率先1成功揭示了氢元素如何通过与硅材料中特定缺陷2的相互作用产生自由电子3的机制。此项突破性成果有望优化绝缘栅双极性晶体管（IGBT）的设计与制造工艺，从而提升其能效表现并降低功率损耗。该发现还将为基于超宽禁带（UWBG）材料4的未来器件开辟新的可能性。
氢通过与硅中缺陷相互作用产生自由电子的机制
在全球迈向碳中和的进程中，提升电力电子设备的效率与节能性已成为世界范围内的重要课题。IGBT作为电力转换的核心部件，其效率提升是当前的重点研发方向。尽管半个多世纪以来，氢离子注入技术已被用于调控硅中的电子浓度，但这一技术背后的核心机制此前始终未被明确。
2023 年，三菱电机与筑波大学联合发现了硅中一种可提高电子浓度的缺陷复合物5。研究证实，该复合物由硅原子间隙与氢结合形成，但在此过程中自由电子新生成的原因仍不明确6。此次，四家机构通过先进的计算模拟，揭示了氢在缺陷复合物中的存在状态，解释了氢释放电子并使其在硅中成为自由电子的原理。此外，研究结果表明，这一机制同样适用于金刚石材料 —— 一种极具潜力的未来功率半导体材料，但其电子能级调控一直面临巨大挑战。
这项研究的完整细节已于1月13日（伦敦时间）在线发表于自然出版集团旗下期刊《Communications Materials》上。
<核心亮点>
1）硅中含氢缺陷复合物产生自由电子的机制 近半个世纪以来，有研究表明向硅中注入氢离子后，氢原子存在的区域会产生自由电子。如今，该技术已被用于在 IGBT 等功率半导体内部形成含自由电子的N型层。然而，硅材料中的孤立氢原子并不一定会释放自由电子7，其内在机理始终未能明确。 基于 “氢与晶体缺陷共同作用产生自由电子” 的假设，三菱电机与筑波大学通过电学光学测量及电子自旋共振（ESR）技术8展开联合研究。2023年，该团队发现I₄缺陷（硅晶体中因额外插入硅原子而形成的结构扰动）与自由电子的产生密切相关。为明确氢的作用，东京科学大学与Quemix公司通过第一性原理计算9，在I4缺陷周围多个候选点位构建含氢原子模型，分析了缺陷复合物的结构稳定性及电子态10。 计算结果显示，在无缺陷的硅中，氢原子形成的电子态无法产生自由电子；而当附近存在I₄缺陷时，氢原子会占据硅原子间共价键中间位置11。这种构型使I4缺陷相关的电子态转变为利于电子释放的状态。基于分子轨道理论12的进一步分析表明，这一过程存在协同效应：氢原子中的一个电子转移至I₄缺陷，随后I₄缺陷释放出一个可作为自由电子的电子。这种缺陷与氢的协同作用，正是自由电子产生的关键原因。
氢与缺陷协同作用产生自由电子的示意图
2）技术验证：Si IGBT 与二极管功耗最高降低 20% 三菱电机通过结合氢离子注入形成N型层与减薄硅衬底厚度的技术，成功降低了Si IGBT与二极管的功耗。例如，在1200V器件中，与第七代产品相比，IGBT的总功耗降低了10%，二极管的总功耗降低了20%，相关技术已完成验证。此次机理阐明的关键——关于氢致自由电子生成的基础性见解，为这些功耗降低提供了理论支撑。 3）对超宽禁带（UWBG）材料适用性的理论验证 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广阔应用前景，但传统方法难以对其电子浓度进行有效调控，阻碍了其实际应用。为探究硅中发现的氢致自由电子产生机制是否适用于超宽禁带材料，研究团队进行了初步的第一性原理计算。结果表明，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共价键比占据间隙位更稳定。当存在成对缺陷时，这种键合位嵌入的氢原子同样可在金刚石中发挥作用。这一发现从基础理论层面为某些超宽禁带材料的电子浓度控制提供了潜在解决方案。
金刚石晶体中氢原子的结构形态
<各方职责>
机构名称 | 主要职责 |
三菱电机 株式会社 | ①电学与光学测量评估 ②识别影响电子浓度的缺陷 ③构建机制模型 |
东京科学大学 | ①基于密度泛函理论（DFT）13的第一性原理计算 ② 氢与缺陷相互作用的阐明 ③ 构建机制模型 |
筑波大学 | ①电子自旋共振（ESR）技术测量评估 ②识别影响电子浓度的缺陷 ③构建机制模型 |
Quemix 公司 | ① 基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算 ②阐明氢与缺陷的相互作用 ③构建机制模型 |
本研究得到了日本学术振兴会（JSPS）科研费资助（项目编号：21H04553、20H00340、22H01517），并获得了可持续量子人工智能创新中心（JST，资助编号：JPMJPF2221）的额外支持。
<未来展望> 研究团队计划将这一机制应用于金刚石等传统电子浓度调控难度较大的超宽禁带材料，推动功率半导体、高频器件及量子传感器等半导体器件的研发进程，为实现碳中和目标提供重要技术支撑。
<发表信息>
标题 Advancing N-type doping in semiconductors through hydrogen-defect interactions 作者 Akira Kiyoi, Yusuke Nishiya, Yuichiro Matsushita & Takahide Umeda 期刊 Communication Materials（自然出版集团旗下期刊） 日期 2026 年 1 月 13 日（伦敦时间） DOI 10.1038/s43246-025-00955-4
1 根据三菱电机截至2026年1月14日进行的研究。
2 影响自由电子迁移和复合的结构缺陷。
3 能在硅晶体内自由移动的电子，它们的浓度是通过有意引入特定杂质来控制的。
4 金刚石、氮化铝等半导体，其带隙比传统硅或碳化硅半导体大。
5 由本征缺陷（如硅原子间隙）和外来缺陷（如氢）组成的缺陷复合体。在功率半导体中，这类缺陷复合体是为了控制器件性能而有意形成的。
6 “氢如何在硅中转变为浅施主？”，Phys. Rev. B 108, 235201 (2023)。
7 在无缺陷的硅中，氢原子会根据其电荷状态占据硅四面体间隙位或共价键中心位，形成无法产生自由电子的电子态。
8 一种用于在磁场中检测未配对电子的光谱技术。
9 一种基于量子力学定律预测材料特性的计算方法，无需依赖实验数据。
10 电子态的能级对于控制电子浓度至关重要，因为如果热能超过该能级，电子可能受热激发成为自由电子。
11 晶体中的键是使原子或分子保持特定晶体结构的力，影响材料的物理性质，如硬度、电导率和熔点。
12 一种用于理解分子内电子排列和能量状态的理论。
13 一种基于量子力学的计算方法，将电子密度视为基本变量，并计算电子态以预测材料的性质。
文章来源：三菱电机