シリコンに注入した水素が自由電子を生成するメカニズムを世界で初めて解明~シリコンパワー半導体の電子濃度制御を高度化し、電力損失低減に貢献~

2026-01-14 東京科学大学

東京科学大学(Science Tokyo)、三菱電機、筑波大学、Quemixの4者は、シリコンに注入した水素が特定欠陥(I4欠陥=格子間シリコン対由来)と結合することで自由電子を生成する機構を世界で初めて解明した。第一原理計算により、欠陥近傍で水素がシリコン原子間のボンド間に入り、水素の電子が欠陥状態へ移動して欠陥が電子放出に適した状態へ変化し、放出電子が伝導に寄与することを示した。得られた知見はIGBTの電子濃度制御高度化に直結し、1,200V級でダイオード損失20%低減の技術実証にもつながった。さらに、従来ドーピングが難しいダイヤモンドなどUWBG材料への応用可能性も理論的に提示した。成果はCommunications Materialsに掲載。

シリコンに注入した水素が自由電子を生成するメカニズムを世界で初めて解明~シリコンパワー半導体の電子濃度制御を高度化し、電力損失低減に貢献~
シリコンに注入した水素が自由電子を生成するメカニズム

<関連情報>

水素-欠陥相互作用による半導体のN型ドーピングの進歩 Advancing N-type doping in semiconductors through hydrogen-defect interactions

Akira Kiyoi,Yusuke Nishiya,Yuichiro Matsushita & Takahide Umeda
Communications Materials  Published:13 January 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s43246-025-00955-4

Abstract

Doping, a critical technology in semiconductor device fabrication, is conventionally realized using substitutional impurities as dopants. New ideas and breakthroughs can help realize wide-bandgap materials with unconventional dopants. In this study, we explored a novel n-type doping mechanism using the donor nature of hydrogen-related donors in silicon to address the limitations of conventional doping. Certain defects, such as interstitial-type defects, create defect levels near the conduction band edge, which function as “empty donor levels.” The association of hydrogen with these defects generates free electrons through the transfer of an electron from the hydrogen atom to this empty level. This synergistic approach of hydrogen and defects can be demonstrated reliably and controllably in state-of-the-art Si devices. The mechanism, revealed by density functional theoretical calculation and EPR experiments, potentially expands this approach to other materials, providing a novel method for device optimization such as the realization of low-resistivity contacts.

0403電子応用
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