最新一期【研发信息汇总】已发布↓↓↓

一周研发资讯汇总（20260112-20260118）

欢迎点击浏览，参与投票，决定更新内容

↓↓↓文章末尾获取原文链接↓↓↓

本文1615字，阅读约需5分钟

摘要：阐明将氢注入硅中后，通过与特定缺陷结合产生自由电子的机制，利用该机制，可以提升IGBT（绝缘栅双极晶体管）的电子浓度控制水平，优化结构设计和制造方法，有助于降低功率损耗。

关键词：自由电子、半导体、电子浓度控制、IGBT、复合缺陷

概要

研究小组在世界上首次阐明了氢注入硅中后，通过与特定缺陷结合产生自由电子的机制。通过阐明该机制，可以提升IGBT（绝缘栅双极晶体管）的电子浓度控制水平，优化结构设计和制造方法，有助于降低功率损耗。此外，未来有望将该机制应用于采用超宽带隙（UWBG）材料的器件。

为了实现碳中和社会，全球范围内正在积极致力于提高电力电子设备的效率和能效。其中，IGBT作为驱动这些设备运行不可或缺的功率转换关键器件，提高其转换效率一直是一个挑战。在IGBT中，一种通过将氢离子注入硅来控制电子浓度的技术已经投入实际应用，但尽管这种现象大约在半个世纪前就被发现，其原理在很长一段时间内仍不清楚。

研究小组于2023年发现了有助于提高硅中电子浓度的复合缺陷，并阐明这种缺陷是由间隙硅原子对与氢原子键合形成的，但在这一过程中产生新型自由电子的原因仍不明朗。此次，研究小组聚焦于这一复合缺陷，进行了第一性原理计算，以阐明氢是如何存在于这一复合缺陷中的。作为支持自由电子由这些复杂缺陷产生这一观点的理论，他们还阐明了氢释放电子的原因以及电子在硅中变成自由电子的机制。此外，通过扩展该理论，研究小组还证明了将此机制应用于金刚石（有望成为未来功率器件的材料，但控制其电子浓度极其困难）的可能性。

氢注入硅产生自由电子的机制

1.阐明在硅中注入氢所形成的复合缺陷产生自由电子的机制

当将氢离子注入硅中时，氢存在的地方会产生自由电子，这一现象早在大约半个世纪前就已被报道。近年来，这种方法已被用于制造IGBT等功率器件内部含有自由电子的n型层。然而，也有报道称硅中的氢本身并不会释放自由电子，而这些自由电子的产生机制长期以来一直是个谜。

因此，研究小组假设氢和晶体缺陷与自由电子的产生有关，利用电学和光学测量以及电子自旋共振等评估技术进行研究，最终在2023年确认了I₄缺陷（多余的硅存在于硅晶体结构内部的晶体结构的紊乱）参与了自由电子的产生。此次，为了阐明氢在自由电子产生中的作用，研究小组采用第一性原理计算，研究了将氢置于I₄缺陷的不同位置时的结构稳定性和电子态。

在无缺陷的硅中，氢会形成一种电子态，不会促进自由电子的产生；然而，研究发现，当I₄缺陷存在于氢附近时，氢可以进入形成缺陷的硅原子之间的键中，此时I₄缺陷的电子态会变为适合释放自由电子的状态。

此外，根据计算结果，研究小组基于分子轨道理论进行了进一步思考，结果发现，缺陷和氢的协同效应（即氢所拥有的电子会移动到I₄缺陷处，然后从I₄缺陷中释放出来作为自由电子）有助于自由电子的产生。

通过缺陷从氢中提取自由电子的原理示意图

2.在技术上验证了硅基IGBT和二极管的功率损耗降低20%

通过氢离子注入形成n型层并减小硅衬底的厚度，降低了硅基IGBT和二极管的功率损耗。例如，在1200V级器件中，在技术上验证了IGBT的总损耗降低10%，二极管的总损耗降低20%。在阐明这一机制的过程中获得的基础知识有助于减少这种功率损耗。

3.理论上提出应用于UWBG材料中的可能性

金刚石和氮化铝有望成为未来制造功率器件和量子传感器的半导体材料，但众所周知，控制它们的电子浓度极其困难，这阻碍了它们在社会中的实际应用。此次，研究小组利用第一性原理计算，对在硅的探索中获得的与氢相关的新型自由电子产生方法是否适用于这些UWBG进行了初步研究。结果表明，在具有与硅相似的晶体结构和共价键性质的金刚石中，将氢引入碳原子之间的键中、而不是引入组成碳原子之间的空隙中，可以形成能量较低的稳定结构，并且如果存在成对缺陷，这种机制可能会起作用。

金刚石内部的氢排列

未来展望

研究小组计划将此次阐明的机制应用于金刚石等难以控制电子浓度的UWBG材料，并通过将其应用于功率半导体、高频器件、量子传感器和其他器件，开发有助于实现碳中和社会的半导体器件。

https://www.isct.ac.jp/ja/news/6b72n8py9lfe

https://doi.org/10.1038/s43246-025-00955-4

（1）资讯定制

对于本文章中提到的技术，有海外相关技术信息（行业资讯、技术报告、专利信息等）扩展搜集需求的，欢迎留言区留言，或联系邮箱【info#aipatent.com（注明“资讯定制”） *发送邮件时请将“#”替换为“@”】了解详情。

（2）征稿启事

应部分读者建议，本公众号现开放投稿，面向企业及科研机构人员征集稿件，可以分享技术信息、学术类论文、科研成果以及研究见解等。

投稿请发送至邮箱：support#aipatent.com（请注明“AIpatent公众号来稿”） *发送邮件时请将“#”替换为“@”

阐明氢注入硅中产生自由电子的机制——提升硅功率半导体的电子浓度控制水平，有助于降低功率损耗