結晶欠陥（格子欠陥）とは

結晶欠陥（格子欠陥）とは、結晶中で原子の規則正しい配列が乱れた箇所のことで、広がりの次元によって点欠陥（空孔・格子間原子）、線欠陥（転位）、面欠陥（積層欠陥・双晶・粒界）、体積欠陥（析出物・ボイド）に分類されます。バンドギャップ中に準位を作ってリーク電流やライフタイム低下を招く一方、酸素析出物のようにゲッタリングに利用される欠陥もあります。

個々の欠陥の詳細は、点欠陥・転位・積層欠陥・双晶・酸素析出物の各解説で扱っています。

結晶欠陥がデバイスに悪影響を与える主な経路は、バンドギャップの中にできるエネルギー準位です。 この準位は電子と正孔の再結合を仲立ちし、少数キャリアのライフタイム τ を縮めます。 準位の密度を N_t、キャリアを捕まえる断面積を σ、キャリアの熱速度を v_th とすると、おおよそ次の関係になります。

τ ≈ 1 / (σ · v_th · N_t)

σ = 10⁻¹⁵ cm²、v_th = 10⁷ cm/s とすると、欠陥準位が 10¹² cm⁻³ ならライフタイムは約100 µs、 10¹⁴ cm⁻³ に増えると約1 µs です。欠陥が100倍に増えればライフタイムは100分の1になります。 バンドギャップの中央付近にある準位ほど、電子と正孔の両方を捕まえやすく、再結合中心として強く働きます。

ライフタイムの低下は、空乏層で発生する電流（発生電流）の増加として pn 接合のリークに現れます。

J_gen ≈ q · n_i · W / τ_g

n_i は真性キャリア濃度、W は空乏層幅、τ_g は発生ライフタイムです。リーク電流が欠陥の量に比例して増えるのはこのためで、 DRAM の電荷保持時間やイメージセンサーの暗電流が結晶品質に敏感な理由でもあります。

結晶欠陥は独立に生まれるのではなく、多くの場合、過剰な点欠陥が集まって大きな欠陥に育ちます。

逆にいえば、点欠陥の量と行き先を制御できれば、大きな欠陥の発生も抑えられます。Grown-in欠陥の制御やプリアモルファス化注入の条件設計は、 いずれもこの考え方に立っています。

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