研究人员近日公布，已首次明确氢在硅中通过与特定缺陷相互作用产生自由电子的微观机制。研究称，这一发现有望提升绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等功率半导体器件的设计与制造效率，并为降低功率损耗提供理论支撑。

在提升电力电子效率、推动节能减排的背景下，IGBT作为电力转换关键器件，其性能优化受到关注。氢离子注入用于调控硅中电子浓度的技术已应用近半个世纪，并被用于形成含自由电子的n型层，但氢在硅中产生自由电子的根本原因长期未被清晰解释。

研究团队回顾称，三菱电机与筑波大学在2023年已确认，硅中一种与电子浓度提升相关的缺陷复合体由间隙硅对与氢结合形成，并指出I4缺陷（由额外硅原子插入晶体导致的结构扰动）参与自由电子生成，但“为何会产生新的自由电子”仍缺乏解释。

为进一步厘清氢的作用，东京科学研究所与Quemix对氢原子位于I4缺陷周围多个候选位置的模型开展第一性原理计算，评估缺陷复合体的结构稳定性与电子态特征。计算结果显示，在无缺陷的硅中，氢原子形成的电子态并不会促成自由电子生成；而在存在I4缺陷时，氢原子可稳定处于硅原子间键的中心位置，使与I4缺陷相关的电子态转变为更有利于电子释放的状态。

研究人员基于分子轨道理论进一步分析认为，缺陷与氢之间存在协同效应：氢相关电子首先转移至I4缺陷，随后I4缺陷释放一个电子并成为自由电子，从而解释了实验中观察到的自由电子生成现象。

在器件层面，三菱电机表示，公司通过结合氢离子注入形成n型层并减薄硅衬底，持续降低硅基IGBT与二极管的功率损耗。以1200V级器件为例，相较第七代产品，公司已实现IGBT总功率损耗降低10%、二极管降低20%。研究团队称，此次对氢相关自由电子生成机制的理解，为进一步降低功率损耗提供了理论依据。

研究还将该机制的适用性延伸至超宽禁带（UWBG）材料的可能性。团队指出，金刚石、氮化铝（AlN）等材料被视为未来电力半导体与量子传感器的候选，但传统方法难以有效控制其电子浓度。初步第一性原理计算显示，在与硅类似的共价晶体结构金刚石中，氢原子更倾向于结合在碳原子间的键上而非占据间隙位置；当存在成对缺陷时，氢原子在键中心的结合可能使类似机制发挥作用。

上述研究成果于1月13日在线发表于《Communications Materials》。研究团队成员包括东京科学研究所材料与结构实验室松下裕一郎副教授、三菱电机公司、筑波大学纯应用科学研究所梅田孝秀副教授及Quemix公司等机构人员。