Le mécanisme de génération d’électrons libres par l’hydrogène dans le silicium élucidé pour la première fois

Le professeur associé Yuichiro Matsushita du Laboratoire des Matériaux et Structures de l’Institut des Sciences de Tokyo, Mitsubishi Electric Corporation, le professeur associé Takahide Umeda de l’Institut des Sciences Pures et Appliquées, Université de Tsukuba et Quemix Corporation ont annoncé avoir réalisé la première élucidation au monde¹ de la manière dont l’hydrogène produit des électrons libres² via l’interaction avec certains défauts³ dans le silicium. Cette avancée a le potentiel d’améliorer la conception et la fabrication des transistors bipolaires à grille isolée (IGBT), les rendant plus efficaces et réduisant leurs pertes d’énergie. Elle ouvre également des perspectives pour les futurs dispositifs utilisant des matériaux à large bande interdite (UWBG).⁴

Dans la course mondiale vers la neutralité carbone, les efforts pour rendre l’électronique de puissance plus efficace et économe en énergie s’accélèrent à travers le monde. Les IGBT sont des composants clés responsables de la conversion de puissance, donc améliorer leur efficacité est une priorité majeure. Bien que l’implantation d’ions hydrogène soit utilisée depuis environ un demi-siècle pour contrôler la concentration en électrons dans le silicium, le mécanisme sous-jacent est resté obscur jusqu’à présent.

En 2023, Mitsubishi Electric et l’Université de Tsukuba ont conjointement découvert un complexe de défauts⁵ dans le silicium qui contribue à augmenter la concentration en électrons. Ils ont confirmé que ce complexe se forme lorsqu’une paire de silicium interstitiel et de l’hydrogène se lient, mais la raison pour laquelle de nouveaux électrons libres sont générés dans ce processus restait obscure.⁶ En utilisant des calculs computationnels avancés, les quatre organisations ont maintenant révélé comment l’hydrogène existe à l’intérieur du complexe de défauts. Ils ont également expliqué pourquoi l’hydrogène libère des électrons et comment ces électrons deviennent libres dans le silicium. De plus, leurs résultats suggèrent que ce mécanisme pourrait aussi s’appliquer au diamant, un matériau prometteur pour les futurs semi-conducteurs de puissance dont le contrôle des niveaux d’électrons est difficile.

Les détails complets de cette recherche ont été publiés en ligne le 13 janvier (heure de Londres) dans Communications Materials, une revue publiée par Nature Portfolio.

Caractéristiques

1) Mécanisme par lequel un complexe de défauts contenant de l’hydrogène dans le silicium génère des électrons libres

Depuis près d’un demi-siècle, il a été rapporté que l’implantation d’ions hydrogène dans le silicium produit des électrons libres aux endroits où se trouvent les atomes d’hydrogène. Cette technique est maintenant utilisée pour former des couches de type n contenant des électrons libres à l’intérieur des semi-conducteurs de puissance comme les IGBT. Cependant, un atome d’hydrogène isolé dans le silicium ne libère pas nécessairement un électron libre,⁷ donc le mécanisme sous-jacent restait obscur.

Partant de l’hypothèse que l’hydrogène et les défauts cristallins agissent ensemble pour générer des électrons libres, la recherche conjointe de Mitsubishi Electric et de l’Université de Tsukuba a appliqué des mesures électriques et optiques ainsi que la résonance paramagnétique électronique (RPE).⁸ En 2023, ces travaux ont identifié le défaut I₄ – une perturbation structurelle formée par des atomes de silicium supplémentaires insérés dans le cristal de silicium – comme étant impliqué dans la génération d’électrons libres. Pour clarifier le rôle de l’hydrogène, l’Institut des Sciences de Tokyo et Quemix ont effectué des calculs de premiers principes⁹ sur des modèles contenant des atomes d’hydrogène à plusieurs sites candidats autour du défaut I₄ pour étudier la stabilité structurelle et les états électroniques¹⁰ résultants des complexes de défauts.

Les calculs ont montré que dans le silicium sans défaut, un atome d’hydrogène forme des états électroniques qui ne contribuent pas à la génération d’électrons libres. Cependant, lorsqu’un défaut I₄ est à proximité, un atome d’hydrogène peut résider dans les positions centrales des liaisons¹¹ entre atomes de silicium. Dans cette configuration, les états électroniques associés au défaut I₄ se déplacent vers une condition favorable à la libération d’électrons. Dans une analyse plus poussée basée sur la théorie des orbitales moléculaires,¹² le calcul computationnel indique un effet coopératif : un électron associé à un atome d’hydrogène se déplace vers le défaut I₄, et le défaut I₄ libère ensuite un électron qui fonctionne comme un électron libre. Cette synergie entre défaut et hydrogène explique la génération observée d’électrons libres.

2) Démonstration technique : Jusqu’à 20 % de réduction des pertes d’énergie dans les IGBT et diodes en silicium

Mitsubishi Electric a réduit les pertes d’énergie dans les IGBT et diodes en silicium en combinant l’implantation d’ions hydrogène pour la formation de couches de type n et la réduction de l’épaisseur des substrats en silicium. Par exemple, dans un dispositif de classe 1 200 V, l’entreprise a techniquement démontré des réductions de la perte de puissance totale de 10 % dans les IGBT et de 20 % dans les diodes par rapport à ses produits de 7^e génération. Les connaissances fondamentales acquises sur la génération d’électrons libres liée à l’hydrogène, qui ont contribué à la présente élucidation du mécanisme, ont soutenu ces réductions de pertes.

3) Indication théorique de l’applicabilité aux matériaux UWBG

Des matériaux tels que le diamant et le nitrure d’aluminium (AlN) sont prometteurs pour les futurs semi-conducteurs de puissance et capteurs quantiques, mais leur mise en œuvre pratique a été entravée par l’extrême difficulté de contrôler la concentration en électrons via les méthodes conventionnelles. Pour examiner si le mécanisme de génération d’électrons libres lié à l’hydrogène trouvé dans le silicium pourrait fonctionner dans les matériaux UWBG, des calculs initiaux de premiers principes ont été effectués. Les résultats indiquent que dans le diamant – qui partage une structure cristalline covalente similaire au silicium – l’hydrogène est énergétiquement plus stable lorsqu’il est incorporé dans les liaisons entre atomes de carbone plutôt qu’en occupant les interstices. Lorsque des défauts appariés sont présents, cette incorporation au centre de liaison de l’hydrogène pourrait permettre au même type de mécanisme de fonctionner dans le diamant. Cette découverte suggère une voie possible pour aborder le contrôle de la concentration en électrons dans certains matériaux UWBG, du moins d’un point de vue fondamental.

Développements futurs

En appliquant ce mécanisme aux matériaux UWBG tels que le diamant, dans lesquels la concentration en électrons a traditionnellement été difficile à contrôler, cette approche vise à faire progresser le développement de dispositifs semi-conducteurs. Ceux-ci incluent les semi-conducteurs de puissance, les dispositifs haute fréquence et les capteurs quantiques, tous attendus pour contribuer significativement à la réalisation d’un monde neutre en carbone.  

¹        Selon les recherches menées par Mitsubishi Electric au 14 janvier 2026.

²        Électrons qui peuvent se déplacer librement dans un cristal de silicium. Leur concentration est contrôlée par l’introduction intentionnelle d’impuretés spécifiques.

³        Imperfections structurelles qui affectent la mobilité et la recombinaison des électrons libres.

⁴        Diamant, nitrure d’aluminium, etc. Semi-conducteurs avec une bande interdite plus large que les semi-conducteurs conventionnels au silicium ou au carbure de silicium.

⁵        Un complexe de défauts composé de défauts intrinsèques – tels que des interstitiels de silicium – et de défauts extrinsèques, comme l’hydrogène. Dans les semi-conducteurs de puissance, de tels complexes de défauts sont intentionnellement créés pour contrôler les performances des dispositifs.

⁶        « How does hydrogen transform into shallow donors in silicon? », Phys. Rev. B 108, 235201 (2023).

⁷        Dans un silicium sans défaut, les atomes d’hydrogène se placent dans des positions connues sous le nom de sites tétraédriques ou sites centrés sur les liaisons, selon leurs états de charge où ils forment un état électronique qui ne peut pas générer d’électrons libres.

⁸        Une technique de spectroscopie utilisée pour détecter les électrons non appariés dans un champ magnétique.

⁹        Une méthode computationnelle qui prédit les propriétés des matériaux basée sur les lois de la mécanique quantique, sans s’appuyer sur des données expérimentales.

¹⁰      Le niveau d’énergie d’un état électronique est important pour contrôler la concentration en électrons, car si l’énergie thermique dépasse ce niveau, les électrons peuvent être excités thermiquement et devenir disponibles comme électrons libres.

¹¹      Les liaisons dans un cristal sont les forces qui font que les atomes ou molécules maintiennent une structure cristalline spécifique, influençant les propriétés physiques du matériau telles que la dureté, la conductivité électrique et le point de fusion.

¹²      Une théorie utilisée pour comprendre l’agencement et les états énergétiques des électrons au sein d’une molécule.

¹³      Une méthode computationnelle basée sur la mécanique quantique qui traite la densité électronique comme une variable fondamentale et calcule les états électroniques pour prédire les propriétés des matériaux.

Article : Advancing N-type doping in semiconductors through hydrogen-defect interactions – Journal : Communications Materials – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude

Source : Institute of Science Tokyo