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

東京科学大学（Science Tokyo）総合研究院 フロンティア材料研究所の松下 雄一郎特任准教授、三菱電機株式会社（以下、三菱電機）、筑波大学 数理物質系の梅田享英准教授、株式会社Quemix（キューミックス、以下、Quemix）の4者は、シリコンに注入した水素が特定の欠陥^[用語1]と結合することで自由電子^[用語2]を生成するメカニズムを世界で初めて^[用語3]解明しました。本メカニズムの解明により、IGBT^[用語4]（Insulated Gate Bipolar Transistor）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るため、電力損失の低減に貢献できます。また、将来的には、UWBG^[用語5]（Ultra Wide Band Gap）材料を用いたデバイスへの展開が期待できます。

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活発に進められています。中でもIGBTはそ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、その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が、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^[用語6]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が、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^[用語7]。4者は今回、この複合欠陥に着目し、第一原理計算^[用語8]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、将来のパワーデバイス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。

なお、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）で発表しました。

• シリコン中に形成された特定の欠陥(格子間シリコン対)と水素の結合により複合欠陥が形成される際に、水素の電子が複合欠陥に移動することで、移動した電子が電気伝導に寄与する自由電子として利用されることを、第一原理計算により解明
• メカニズムが機能するために必要な結晶構造や電子状態の条件も解明

• メカニズム解明過程で得られた知見を一部適用したシリコンIGBTとダイオードに対して、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、シリコン基板の厚さを従来よりも薄くすることが可能になり、1,200Vクラスでは当社製第7世代と比べてダイオードで電力損失を20％低減できることを技術的に実証

• 従来の不純物添加による電子濃度制御が困難なダイヤモンドにおいても、水素による自由電子生成が発現する可能性を理論的に提示

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します。

シリコン中に水素をイオン注入すると、水素が存在する箇所に自由電子が生成されることが約半世紀前から報告されており、近年では、IGBTなどのパワーデバイスの内部に自由電子を含んだn型層を形成するための製造方法として利用されています。しかしながら、シリコン中の水素は単独では自由電子を放出しないことも報告されており^[用語10]、この自由電子の生成メカニズムは長らく不明でした。

そこで、自由電子の生成には、水素と結晶欠陥が関与しているという仮説を立て、三菱電機と筑波大学の共同研究で電気測定・光学測定および電子スピン共鳴法^[用語11]などの評価技術を用いて調べた結果、I₄欠陥（シリコンの結晶構造の内部に余分なシリコンが入った結晶構造の乱れ）が自由電子生成に関与していることを2023年につきとめました。今回、自由電子の生成に関する水素の役割を明確にするために、Science TokyoとQuemixが持つ第一原理計算技術を用いて、I₄欠陥のさまざまな位置に水素を配置した際の構造安定性や電子状態を調べました。

欠陥のないシリコンでは、水素は自由電子の生成に寄与しない電子状態^[用語12]を作ります。一方、I₄欠陥が水素の近くに存在すると、水素は欠陥を形成するシリコン原子の間のボンド^[用語13]間に入ることが可能となり、この際にI₄欠陥の電子状態が自由電子の放出に適した状態に変化することが分かりました。

さらに、計算結果をもとに分子軌道法^[用語14]に基づく考察を深め、水素の持つ電子がI₄欠陥に移動し、I₄欠陥から電子が放出されることで自由電子として機能するという欠陥と水素の相乗効果が、自由電子生成に寄与することを解明しました。

三菱電機では、水素イオン注入によるn型層形成とシリコン基板の厚さを従来よりも薄くすることにより、シリコンIGBTとダイオードの電力損失を低減してきました。例えば、1,200Vクラスでは当社製第7世代と比べてIGBT で10％、ダイオードで20％のトータル損失の低減を技術的に実証しました。今回のメカニズム解明に至るまでに得られた基礎的な知見は、この電力損失の低減に貢献しています。

ダイヤモンドや窒化アルミニウムは、将来のパワーデバイスや量子センサーを製造する半導体材料として期待されているものの、電子濃度制御が非常に困難であることが知られており、社会実装の妨げになっていました。今回、シリコンでの探索で得られた水素が関与する新しい自由電子生成方法が、これらUWBG材料に対して機能する可能性の有無について、第一原理計算を用いた初期検討を行いました。その結果、シリコンと同様の結晶構造、共有結合性を有するダイヤモンドにおいては、構成原子である炭素の原子の隙間よりも、炭素原子間のボンド間に水素を取り込んだ方が、エネルギーが低い安定な構造が発生し、ペアとなる欠陥が存在すれば、当該メカニズムが機能する可能性があることを明らかにしました。

本研究は日本学術振興会 科学研究費補助金（課題番号：21H04553、20H00340、22H01517）および科学技術振興機構（JST）「持続可能な量子AIイノベーション拠点」（課題番号：JPMJPF2221）の助成を受けて実施しました。

[用語1]

電子の移動や再結合に影響を与える構造的な不完全さ

[用語2]

シリコン結晶中で自由に動き回ることのできる電子。添加する不純物量によって制御される

[用語3]

2026年1月14日現在。三菱電機調べ

[用語4]

絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ

[用語5]

従来のSiやSiCよりも大きなバンドギャップを持つ半導体。ダイヤモンドや窒化アルミニウムなど

[用語6]

真性欠陥と外因性欠陥の複合体（今回の検討で着目した複合欠陥は、真性欠陥である格子間シリコン対と外因性欠陥である水素で構成）。パワーデバイスでは人為的に複合欠陥を作って性能を制御している

[用語7]

“How does hydrogen transform into shallow donors in silicon?”, Phys. Rev. B 108, 235201 (2023)

[用語8]

実験データに頼らずに量子力学の法則に基づいて物質の性質を予測する計算手法

[用語9]

量子力学に基づき、電子密度を主要な変数として物質のエネルギーや性質を記述・予測する理論

[用語10]

水素はシリコン原子間のボンド間もしくは原子の隙間入りこむが、その時の水素の電子状態は自由電子を放出させるのに適さないため、水素原子だけでは直接、自由電子を放出させることができない

[用語11]

磁場中の不対電子を検出する分光法

[用語12]

電子状態のエネルギーが重要になる。熱エネルギーがこのエネルギーよりも大きいと、電子が熱励起されて、自由電子として利用できる

[用語13]

結晶中のボンド（結合）は原子や分子が結晶構造を形成するための力であり、結晶の物理的特性（硬さ、導電性、融点など）に影響を与える

[用語14]

分子内の電子の配置やエネルギー状態を理解するための理論

掲載誌：

Communications Materials

タイトル：

Advancing N-type doping in semiconductors through hydrogen-defect interactions

掲載日：

2026年1月13日 10:00（ロンドン時間）

著者：

清井明、西谷侑将、松下雄一郎、梅田享英

DOI：

10.1038/s43246-025-00955-4

• プレスリリース 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—（PDF）
• 逆転の発想でSiCパワー半導体の高品質化に成功 | 旧・東京工業大学

• 松下 雄一郎 Yu-Ichiro Matsushita | Science Tokyo研究情報データベース（理工学系）
• フロンティア材料研究所
• 総合研究院

• 三菱電機株式会社
• 筑波大学
• 株式会社Quemix