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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メカニズムを世界で初めて解明
[26/01/14]
提供元：PRTIMES
提供元：PRTIMES
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
株式会社Quemix
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
[画像: https://prcdn.freetls.fastly.net/release_image/9955/226/9955-226-1edeac80d925adb29554566c25a3845e-623x478.png?width=536&quality=85%2C75&format=jpeg&auto=webp&fit=bounds&bg-color=fff ]
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
株式会社テラスカイ（本社所在地：東京都中央区、代表取締役CEO 社長執行役員：佐藤秀哉）のグループ会社で量子コンピュータのアルゴリズム・ソフトウェアの研究開発を行う株式会社 Quemix（本社：東京都中央区日本橋 代表：松下 雄一郎、以下 Quemix）と、三菱電機株式会社（以下、三菱電機）、国立大学法人東京科学大学（以下、Science Tokyo）、国立大学法人筑波大学（以下、筑波大学）の4者は、シリコンに注入した水素が特定の欠陥※1と結合することで自由電子※2を生成するメカニズムを世界で初めて※3解明しました。本メカニズムの解明により、IGBT※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※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※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※7。4者は今回、この複合欠陥に着目し、第一原理計算※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。
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。
なお、Quemixおよび4者の担当内容については以下の通りです。
[表: https://prtimes.jp/data/corp/9955/table/226_1_8e571e48542b29ac1600da6829e2f820.jpg?v=202601140245 ]
詳細は、Quemixのホームページをご確認ください。
https://www.quemix.com/post/20260114-1
※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
※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
※3 2026年1月14日現在。三菱電機調べ
※4 絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ
※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
※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）。パワー半導体では人為的に複合欠陥を作って性能を制御している
※7 "How does hydrogen transform into shallow donors in silicon?", Phys. Rev. B 108, 235201 (2023)
※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
※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
Quemixについて
Quemixは、株式会社テラスカイ（本社：東京都中央区、代表取締役：佐藤 秀哉）の連結子会社で、量子コンピュータ、量子センサー、材料計算関連の研究開発を行っています。「量子技術で人類が夢見た未来を実現する」というビジョン実現のため量子技術で時代をリードする企業のブレークスルーを支援していくことをミッションに、2019年の会社設立時より誤り耐性量子コンピュータ（FTQC）向けのアルゴリズムにフォーカスした研究開発をしており、量子化学計算アルゴリズムとして数学的に量子加速が証明された「確率的虚時間発展法（ProbabilisticImaginary-Time Evolution、PITE(R)）」を開発・特許取得しております。日本におけるFTQCアルゴリズム研究分野をリードするQuemixでは2028年を目標に材料計算・シミュレーション領域における量子コンピュータ実用化に向けて鋭意研究開発を進めております。
※本文中に記載されている会社名、製品名は、各社の登録商標または商標です。
株式会社Quemix
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
[画像: https://prcdn.freetls.fastly.net/release_image/9955/226/9955-226-1edeac80d925adb29554566c25a3845e-623x478.png?width=536&quality=85%2C75&format=jpeg&auto=webp&fit=bounds&bg-color=fff ]
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
株式会社テラスカイ（本社所在地：東京都中央区、代表取締役CEO 社長執行役員：佐藤秀哉）のグループ会社で量子コンピュータのアルゴリズム・ソフトウェアの研究開発を行う株式会社 Quemix（本社：東京都中央区日本橋 代表：松下 雄一郎、以下 Quemix）と、三菱電機株式会社（以下、三菱電機）、国立大学法人東京科学大学（以下、Science Tokyo）、国立大学法人筑波大学（以下、筑波大学）の4者は、シリコンに注入した水素が特定の欠陥※1と結合することで自由電子※2を生成するメカニズムを世界で初めて※3解明しました。本メカニズムの解明により、IGBT※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※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※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※7。4者は今回、この複合欠陥に着目し、第一原理計算※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。
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。
なお、Quemixおよび4者の担当内容については以下の通りです。
[表: https://prtimes.jp/data/corp/9955/table/226_1_8e571e48542b29ac1600da6829e2f820.jpg?v=202601140245 ]
詳細は、Quemixのホームページをご確認ください。
https://www.quemix.com/post/20260114-1
※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
※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
※3 2026年1月14日現在。三菱電機調べ
※4 絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ
※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
※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）。パワー半導体では人為的に複合欠陥を作って性能を制御している
※7 "How does hydrogen transform into shallow donors in silicon?", Phys. Rev. B 108, 235201 (2023)
※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
※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
Quemixについて
Quemixは、株式会社テラスカイ（本社：東京都中央区、代表取締役：佐藤 秀哉）の連結子会社で、量子コンピュータ、量子センサー、材料計算関連の研究開発を行っています。「量子技術で人類が夢見た未来を実現する」というビジョン実現のため量子技術で時代をリードする企業のブレークスルーを支援していくことをミッションに、2019年の会社設立時より誤り耐性量子コンピュータ（FTQC）向けのアルゴリズムにフォーカスした研究開発をしており、量子化学計算アルゴリズムとして数学的に量子加速が証明された「確率的虚時間発展法（ProbabilisticImaginary-Time Evolution、PITE(R)）」を開発・特許取得しております。日本におけるFTQCアルゴリズム研究分野をリードするQuemixでは2028年を目標に材料計算・シミュレーション領域における量子コンピュータ実用化に向けて鋭意研究開発を進めております。
※本文中に記載されている会社名、製品名は、各社の登録商標または商標です。
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