Учёные раскрыли механизм генерации свободных электронов водородом в кремнии

Механизм генерации свободных электронов водородом при взаимодействии с дефектом в кремнии. Автор: Mitsubishi Electric, Токийский научный институт, Университет Цукубы и Quemix

Международная группа исследователей впервые в мире объяснила, как водород производит свободные электроны при взаимодействии с определёнными дефектами в кремнии. Это открытие может улучшить проектирование и производство биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT), сделав их более эффективными и снизив потери энергии. Оно также открывает возможности для будущих устройств на основе сверхширокозонных материалов.

В условиях глобального стремления к углеродной нейтральности повышение эффективности силовой электроники является ключевой задачей. IGBT-транзисторы — важнейшие компоненты для преобразования энергии, и их улучшение является приоритетом. Хотя ионная имплантация водорода для контроля концентрации электронов в кремнии используется около полувека, её базовый механизм до сих пор оставался неясным.

В 2023 году Mitsubishi Electric и Университет Цукубы совместно обнаружили в кремнии дефектный комплекс, способствующий увеличению концентрации электронов. Они подтвердили, что этот комплекс образуется при связывании пары междоузельных атомов кремния с водородом, но причина генерации новых свободных электронов оставалась загадкой.

Используя передовые вычислительные методы, исследователи из четырёх организаций выяснили, как водород существует внутри дефектного комплекса. Они также объяснили, почему водород высвобождает электроны и как эти электроны становятся свободными в кремнии. Более того, их выводы позволяют предположить, что этот механизм может быть применим и к алмазу — перспективному материалу для будущих силовых полупроводников, в котором крайне сложно контролировать уровень электронов.

Схема генерации свободных электронов водородом при синергетическом взаимодействии с дефектом. Автор: Mitsubishi Electric, Токийский научный институт, Университет Цукубы и Quemix

Механизм генерации свободных электронов водородсодержащим дефектным комплексом в кремнии

Расчёты показали, что в кремнии без дефектов атом водорода формирует электронные состояния, не способствующие генерации свободных электронов. Однако, когда рядом находится дефект I₄ (структурное нарушение, вызванное лишними атомами кремния), атом водорода может располагаться в центре связей между атомами кремния. В этой конфигурации электронные состояния, связанные с дефектом I₄, смещаются в состояние, благоприятное для высвобождения электрона.

Дальнейший анализ на основе теории молекулярных орбиталей указывает на кооперативный эффект: электрон, связанный с атомом водорода, перемещается к дефекту I₄, после чего дефект I₄ высвобождает электрон, который становится свободным. Эта синергия между дефектом и водородом объясняет наблюдаемую генерацию свободных электронов.

Структурная конфигурация атома водорода в кристалле алмаза. Автор: Mitsubishi Electric, Токийский научный институт, Университет Цукубы и Quemix

Техническая демонстрация и перспективы для сверхширокозонных материалов

Mitsubishi Electric уже использует комбинацию ионной имплантации водорода для формирования n-слоя и уменьшения толщины кремниевых подложек, чтобы снизить потери энергии в IGBT и диодах. Например, в устройствах класса 1200В компания технически продемонстрировала снижение общих потерь мощности на 10% в IGBT и на 20% в диодах по сравнению со своими продуктами седьмого поколения.

Исследователи также провели расчёты, чтобы проверить, может ли открытый механизм работать в сверхширокозонных материалах, таких как алмаз. Результаты указывают, что в алмазе, имеющем схожую с кремнием ковалентную кристаллическую структуру, водород энергетически более стабилен, когда встраивается в связи между атомами углерода. При наличии парных дефектов это может позволить тому же механизму работать и в алмазе, открывая возможный путь для контроля концентрации электронов в таких материалах.

Роли организаций в исследовании. Автор: Mitsubishi Electric Corporation, Токийский научный институт, Университет Цукубы и Quemix Corporation

Полные детали исследования были опубликованы онлайн 13 января в журнале Communications Materials. В команду вошли доцент Юитиро Мацусита из Токийского научного института, Mitsubishi Electric Corporation, доцент Такахидэ Умеда из Университета Цукубы и корпорация Quemix.