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シリコンに注入した水素が自由電子を生成する新たなメカニズム

三菱電機株式会社、国立大学法人東京科学大学、筑波大学、株式会社Quemixの4者は、シリコンに注入された水素が自由電子を生み出す仕組みを初めて解明しました。この発見は、次世代のパワーエレクトロニクスに向けた大きな一歩となります。

研究の背景

カーボンニュートラル社会に向けて、パワーエレクトロニクス機器のエネルギー効率化が求められています。その中核を担うIGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）は重要な役割を果たしており、水素イオンを用いた電子濃度制御技術が注目されています。しかし、シリコン中の水素の振る舞いには未解明な部分が多く、50年以上もその原理がわからずにいました。

研究成果の概要

2023年、三菱電機と筑波大学は共同で、シリコン中の電子濃度を高める複合欠陥を発見しましたが、自由電子の生成メカニズムは不明でした。今回の研究では、この複合欠陥に焦点を当て、第一原理計算を行い、水素がどのように自由電子の生成に寄与するかを明らかにしました。具体的には、特定の欠陥が水素の電子を捕らえ、自由電子として放出される過程が示され、結晶構造や電子状態が関与していることが確認されています。

実証実験と結果

この知見をもとにした実証実験では、シリコンIGBTおよびダイオードで電力損失を最大20％低減することに成功しました。1,200Vクラスでは従来品に対し、パフォーマンスの向上が確認されています。この成果は、IGBTの効率的な運用とともに、エネルギー効率の向上に寄与することが期待されます。

ダイヤモンドへの応用

さらに、研究チームはこのメカニズムをダイヤモンドなどのUltra Wide Band Gap（UWBG）材料にも応用可能であることを示唆しています。これにより、これまで電子濃度の制御が難しかった材料においても、自由電子の生成が実現する可能性が広がっています。

今後の展望

将来的には、この新しいメカニズムを用いて、パワー半導体や高周波デバイス、量子センサーなどの開発が進むことが期待されます。カーボンニュートラル社会の実現に向けて、半導体デバイスの革新が引き続き進展するでしょう。

研究の意義

本研究の成果は、シリコンをベースとしたパワー半導体の技術革新を促進し、持続可能な未来への一歩を進めました。研究チームは、今後も革新を続けていくることでしょう。

学術論文掲載

この研究成果は、2026年1月13日に『Communications Materials』誌に掲載予定です。多くの研究者や業界人にとって参考となる内容が盛り込まれています。

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