シリコン中の水素が自由電子を生成するメカニズムを解明
三菱電機株式会社、国立大学法人東京科学大学、国立大学法人筑波大学、株式会社Quemixの4者は、シリコンに注入した水素が特定の欠陥と結合することで自由電子を生成するメカニズムを世界で初めて解明したとのことです。
このメカニズムの解明により、IGBTの電子濃度制御を高度化し、構造設計や製造方法を最適化することが可能となり、電力損失の低減に貢献できるとしています。
また、将来的には、UWBG（Ultra Wide Band Gap：超広帯域ギャップ）材料を用いたデバイスへの展開も期待できると発表しています。
Ms.ガジェットカーボンニュートラル社会の実現に向けた取り組み
カーボンニュートラル社会の実現に向けて、パワーエレクトロニクス機器の高効率化や省エネルギー化が世界中で進められています。IGBTは、これらの機器を動作させるために不可欠な電力変換を担うキーデバイスであり、変換効率の向上が課題となっています。
IGBTでは、水素イオンをシリコンに注入して電子濃度を制御する技術が実用化されています。しかし、この現象は約半世紀前に発見されたにもかかわらず、その原理は長らく解明されていませんでした。
三菱電機と筑波大学は、2023年に共同で、シリコン中の電子濃度の増加に寄与している複合欠陥を発見し、それが格子間シリコン対と水素の結合により形成されることを明らかにしました。しかし、その過程で自由電子が新たに生成する理由は不明でした。
Ms.ガジェット研究の進め方と成果
4者は今回、この複合欠陥に着目し、第一原理計算（物理学や化学の基本原理に基づいて計算を行う手法）などを行い、複合欠陥中で水素がどのように存在するかを明らかにしました。
また、この複合欠陥から自由電子が生成していることを裏付ける理論として、水素が電子を放出する理由や、電子がシリコン中で自由電子となるメカニズムも解明しました。
さらに、本理論の拡張により、将来のパワー半導体用材料として期待されていながら、電子濃度制御が非常に困難なダイヤモンドに当該メカニズムを適用できる可能性を示しました。
Ms.ガジェット成果の発表と今後の展望
本成果の詳細は、ネイチャー（Nature）出版社が運営する学術誌のCommunications Materials誌（2026年1月13日（ロンドン時間）にオンライン公開）で発表されました。
今回の成果は、シリコンIGBTとダイオードにおいて、電力損失を20％低減できることを技術的に実証しています。これは、メカニズム解明過程で得られた知見を一部適用し、水素を用いた電子濃度制御技術によりスイッチングを安定させることで実現しました。
今後は、今回解明したメカニズムをダイヤモンドなどの電子濃度制御が困難なUWBG材料へ適用し、パワー半導体をはじめ高周波デバイスや量子センサーなどに活用することで、カーボンニュートラル社会の実現に資する半導体デバイスの開発を目指すとしています。
Ms.ガジェット4者の担当内容
今回の研究における各組織の担当内容は以下の通りです。
- 三菱電機：電気測定・光学測定による評価、電子濃度の増加に寄与している欠陥の同定、メカニズムのモデル構築
- Science Tokyo：密度汎関数理論に基づく第一原理計算、水素と欠陥の相互作用の解明、メカニズムのモデル構築
- 筑波大学：電子スピン共鳴法による評価、電子濃度の増加に寄与している欠陥の同定、メカニズムのモデル構築
- Quemix：密度汎関数理論に基づく第一原理計算、水素と欠陥の相互作用の解明、メカニズムのモデル構築
本研究は、日本学術振興会 科学研究費補助金および科学技術振興機構（JST）の助成を受けて実施されました。
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