三菱電機株式會社、東京科學大學、筑波大學及 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。

氫通過與硅中缺陷相互作用產(chǎn)生自由電子的機制

在全球邁向碳中和的進程中，提升電力電子設備的效率與節(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，其效率提升是當前的重點研發(fā)方向。盡管半個多世紀以來，氫離子注入技術已被用于調(diào)控硅中的電子濃度，但這一技術背后的核心機制此前始終未被明確。

2023 年，三菱電機與筑波大學聯(lián)合發(fā)現(xiàn)了硅中一種可提高電子濃度的缺陷復合物5。研究證實，該復合物由硅原子間隙與氫結合形成，但在此過程中自由電子新生成的原因仍不明確6。此次，四家機構通過先進的計算模擬，揭示了氫在缺陷復合物中的存在狀態(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，研究結果表明，這一機制同樣適用于金剛石材料 —— 一種極具潛力的未來功率半導體材料，但其電子能級調(diào)控一直面臨巨大挑戰(zhàn)。

這項研究的完整細節(jié)已于1月13日（倫敦時間）在線發(fā)表于自然出版集團旗下期刊《Communications Materials》上。

<核心亮點>

1）硅中含氫缺陷復合物產(chǎn)生自由電子的機制

近半個世紀以來，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，該技術已被用于在 IGBT 等功率半導體內(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，三菱電機與筑波大學通過電學光學測量及電子自旋共振（ESR）技術8展開聯(lián)合研究。2023年，該團隊發(fā)現(xiàn)I?缺陷（硅晶體中因額外插入硅原子而形成的結構擾動）與自由電子的產(chǎn)生密切相關。為明確氫的作用，東京科學大學與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建含氫原子模型，分析了缺陷復合物的結構穩(wěn)定性及電子態(tài)10。

計算結果顯示，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；而當附近存在I?缺陷時，氫原子會占據(jù)硅原子間共價鍵中間位置11。這種構型使I4缺陷相關的電子態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槔陔娮俞尫诺臓顟B(tài)?；诜肿榆壍览碚?2的進一步分析表明，這一過程存在協(xié)同效應：氫原子中的一個電子轉(zhuǎn)移至I?缺陷，隨后I?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）技術驗證：Si IGBT 與二極管功耗最高降低 20%

三菱電機通過結合氫離子注入形成N型層與減薄硅襯底厚度的技術，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%，相關技術已完成驗證。此次機理闡明的關鍵——關于氫致自由電子生成的基礎性見解，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體及量子傳感器領域具有廣闊應用前景，但傳統(tǒng)方法難以對其電子濃度進行有效調(diào)控，阻礙了其實際應用。為探究硅中發(fā)現(xiàn)的氫致自由電子產(chǎn)生機制是否適用于超寬禁帶材料，研究團隊進行了初步的第一性原理計算。結果表明，金剛石與硅具有相似的共價晶體結構，氫原子嵌入碳原子間共價鍵比占據(jù)間隙位更穩(wěn)定。當存在成對缺陷時，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構形態(tài)

<各方職責>

本研究得到了日本學術振興會（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>

研究團隊計劃將這一機制應用于金剛石等傳統(tǒng)電子濃度調(diào)控難度較大的超寬禁帶材料，推動功率半導體、高頻器件及量子傳感器等半導體器件的研發(fā)進程，為實現(xiàn)碳中和目標提供重要技術支撐。

<發(fā)表信息>

<關于三菱電機株式會社>

三菱電機株式會社（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，是全球知名的電氣電子設備制造商，產(chǎn)品廣泛應用于信息處理與通信、太空開發(fā)與衛(wèi)星通信、消費電子、工業(yè)技術、能源、交通及建筑設備等領域。三菱電機秉持 “精益求精，共創(chuàng)美好” 的理念，以技術賦能社會發(fā)展。截至 2025 年 3 月 31 日的財年，公司營收達 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。

<關于東京科學大學>

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

<關于筑波大學>

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

<關于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，專注于量子計算機、量子傳感器及材料計算領域的研發(fā)。秉承"通過量子技術實現(xiàn)未來構想"的發(fā)展愿景，Quemix致力于為引領量子時代的企業(yè)提供突破性創(chuàng)新解決方案。

自 2019 年成立以來，Quemix 公司專注于容錯量子計算機（FTQC）算法研發(fā)，成功開發(fā)并專利注冊了概率虛時演化（PITE）算法，該算法已通過數(shù)學證明可在量子化學計算中實現(xiàn)量子加速。作為日本容錯量子計算機算法領域的先驅(qū)，Quemix 公司計劃于 2028 年前將實用化量子計算應用于材料計算與模擬領域。

1 根據(jù)三菱電機截至2026年1月14日進行的研究。

2 影響自由電子遷移和復合的結構缺陷。

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、氮化鋁等半導體，其帶隙比傳統(tǒng)硅或碳化硅半導體大。

5 由本征缺陷（如硅原子間隙）和外來缺陷（如氫）組成的缺陷復合體。在功率半導體中，這類缺陷復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。

9 一種基于量子力學定律預測材料特性的計算方法，無需依賴實驗數(shù)據(jù)。

10 電子態(tài)的能級對于控制電子濃度至關重要，因為如果熱能超過該能級，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構的力，影響材料的物理性質(zhì)，如硬度、電導率和熔點。

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