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(xiàng)突破性成果有望優(yōu)化絕緣柵雙極性晶體管（IGBT）的設(shè)計(jì)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。

氫通過與硅中缺陷相互作用產(chǎn)生自由電子的機(jī)制

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(diǎn)研發(fā)方向。盡管半個(gè)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(shí)，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(jì)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(xiàng)研究的完整細(xì)節(jié)已于1月13日（倫敦時(shí)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(diǎn)>

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(gè)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(duì)發(fā)現(xiàn)I?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(jì)算9，在I4缺陷周圍多個(gè)候選點(diǎn)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(jì)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I?缺陷時(shí)，氫原子會占據(jù)硅原子間共價(jià)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?2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(gè)電子轉(zhuǎn)移至I?缺陷，隨后I?缺陷釋放出一個(gè)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(yàn)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(yàn)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(yàn)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(shí)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(duì)進(jìn)行了初步的第一性原理計(jì)算。結(jié)果表明，金剛石與硅具有相似的共價(jià)晶體結(jié)構(gòu)，氫原子嵌入碳原子間共價(jià)鍵比占據(jù)間隙位更穩(wěn)定。當(dāng)存在成對缺陷時(shí)，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(fèi)資助（項(xiàng)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(duì)計(jì)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(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)提供重要技術(shù)支撐。

<發(fā)表信息>

<關(guān)于三菱電機(jī)株式會社>

三菱電機(jī)株式會社（東京證券交易所代碼：6503）擁有超過 100 年的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品研發(fā)與生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，是全球知名的電氣電子設(shè)備制造商，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于信息處理與通信、太空開發(fā)與衛(wèi)星通信、消費(fèi)電子、工業(yè)技術(shù)、能源、交通及建筑設(shè)備等領(lǐng)域。三菱電機(jī)秉持 “精益求精，共創(chuàng)美好” 的理念，以技術(shù)賦能社會發(fā)展。截至 2025 年 3 月 31 日的財(cái)年，公司營收達(dá) 55217 億日元（約合 368 億美元*）。

* 美元換算基于 2025 年 3 月 31 日東京外匯市場近似匯率：150 日元兌 1 美元。

<關(guān)于東京科學(xué)大學(xué)>

東京科學(xué)大學(xué)（Science Tokyo）于 2024 年 10 月 1 日由東京醫(yī)科齒科大學(xué)與東京工業(yè)大學(xué)合并組建，秉持 “深耕科學(xué)，增進(jìn)民生福祉，共創(chuàng)社會價(jià)值” 的使命。

<關(guān)于筑波大學(xué)>

筑波大學(xué)源于東京教育大學(xué)，1973 年 10 月遷至筑波地區(qū)正式成立。作為日本全國大學(xué)改革計(jì)劃下設(shè)立的新型綜合性大學(xué)，該校以 “開放性” 為核心理念，構(gòu)建了 “新型教育研究體系” 與 “新型大學(xué)管理模式”。筑波大學(xué)持續(xù)推進(jìn)改革，致力于打造教育科研設(shè)施一流、獨(dú)具特色、充滿活力且具有國際競爭力的頂尖學(xué)府。

<關(guān)于Quemix 公司>

Quemix 公司是 TerraSky 株式會社（總部：東京都中央?yún)^(qū)；首席執(zhí)行官：佐藤英也）的全資子公司，專注于量子計(jì)算機(jī)、量子傳感器及材料計(jì)算領(lǐng)域的研發(fā)。秉承"通過量子技術(shù)實(shí)現(xiàn)未來構(gòu)想"的發(fā)展愿景，Quemix致力于為引領(lǐng)量子時(shí)代的企業(yè)提供突破性創(chuàng)新解決方案。

自 2019 年成立以來，Quemix 公司專注于容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)（FTQC）算法研發(fā)，成功開發(fā)并專利注冊了概率虛時(shí)演化（PITE）算法，該算法已通過數(shù)學(xué)證明可在量子化學(xué)計(jì)算中實(shí)現(xiàn)量子加速。作為日本容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)算法領(lǐng)域的先驅(qū)，Quemix 公司計(jì)劃于 2028 年前將實(shí)用化量子計(jì)算應(yīng)用于材料計(jì)算與模擬領(lǐng)域。

1 根據(jù)三菱電機(jī)截至2026年1月14日進(jìn)行的研究。

2 影響自由電子遷移和復(fù)合的結(jié)構(gòu)缺陷。

3 能在硅晶體內(nèi)自由移動的電子，它們的濃度是通過有意引入特定雜質(zhì)來控制的。

4 金剛石、氮化鋁等半導(dǎo)體，其帶隙比傳統(tǒng)硅或碳化硅半導(dǎo)體大。

5 由本征缺陷（如硅原子間隙）和外來缺陷（如氫）組成的缺陷復(fù)合體。在功率半導(dǎo)體中，這類缺陷復(fù)合體是為了控制器件性能而有意形成的。

6 “氫如何在硅中轉(zhuǎn)變?yōu)闇\施主？”，Phys. Rev. B 108, 235201 (2023)。

7 在無缺陷的硅中，氫原子會根據(jù)其電荷狀態(tài)占據(jù)硅四面體間隙位或共價(jià)鍵中心位，形成無法產(chǎn)生自由電子的電子態(tài)。

8 一種用于在磁場中檢測未配對電子的光譜技術(shù)。

9 一種基于量子力學(xué)定律預(yù)測材料特性的計(jì)算方法，無需依賴實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

10 電子態(tài)的能級對于控制電子濃度至關(guān)重要，因?yàn)槿绻麩崮艹^該能級，電子可能受熱激發(fā)成為自由電子。

11 晶體中的鍵是使原子或分子保持特定晶體結(jié)構(gòu)的力，影響材料的物理性質(zhì)，如硬度、電導(dǎo)率和熔點(diǎn)。

12 一種用于理解分子內(nèi)電子排列和能量狀態(tài)的理論。

13 一種基于量子力學(xué)的計(jì)算方法，將電子密度視為基本變量，并計(jì)算電子態(tài)以預(yù)測材料的性質(zhì)。