転位とは

Dislocation

最終更新：2026-09-14・単結晶製造装置（CZ/FZ引上げ）・材料

転位とは？

転位とは、結晶中で原子の並びのずれが線状に続く欠陥（線欠陥）で、ずれの向きによって刃状転位とらせん転位に分けられます。シリコンでは{111}面に沿ってすべり、pn接合を貫くとリーク電流の経路になるため、単結晶インゴットは無転位で育成されます。GaN-on-SiやSiCでは転位が多く、貫通転位の低減やBPDの変換が品質と信頼性の鍵になります。

定義・解説

転位（dislocation）とは、結晶中で原子の並びのずれが線状に続いている欠陥です。結晶の一部だけが原子1列分すべった状態の境界線にあたり、線欠陥とも呼ばれます。ずれの向きと大きさを表すベクトルをバーガースベクトルと呼び、これが転位線に垂直なものを刃状転位、平行なものをらせん転位、その中間を混合転位と分類します。

金属が柔らかく曲がるのは転位が動きやすいためですが、共有結合でできたシリコンでは、室温で転位はほとんど動きません。しかし高温では動きやすくなり、ウェハに熱応力がかかると{111}面に沿って転位がすべり、増殖します。熱処理中にウェハの縁や支持部から入るこの欠陥をスリップと呼びます。

転位はデバイスにとって有害です。転位の周囲では結合が歪み、バンドギャップ中に準位ができるため、pn接合を貫くとリーク電流の経路になります。さらに金属不純物が転位に集まって析出すると、局所的な短絡を起こすこともあります。そのため、シリコンの単結晶インゴットは転位を含まない無転位結晶として育成されます。

格子定数の異なる材料を積み重ねると、界面に転位が生じます。シリコン上のSiGeやGaN、サファイア上のGaNでは、ずれを解消するためのミスフィット転位と、そこから膜を貫いて表面に達する貫通転位が発生します。GaN-on-Siの貫通転位密度は一般に10⁸〜10⁹ cm⁻²程度と、ほぼ無転位のシリコンとは桁違いで、これを減らすバッファ層の設計が重要です。

SiCでは転位がデバイスの信頼性に直結します。基板やエピ層に含まれるベーサル面転位（BPD）は、通電時に電子と正孔が再結合するエネルギーを受けて積層欠陥へ広がり、オン電圧を経時的に上昇させます（バイポーラ劣化）。このため、エピ成長の初期にBPDを無害な貫通刃状転位へ変換する技術が使われています。転位の観察には、選択エッチングでピットとして浮かび上がらせる方法、X線トポグラフィ、透過電子顕微鏡（TEM）が用いられます。

図解

刃状転位の断面模式図と、{111}面の積層順序で見た正常・内因性積層欠陥・双晶の比較図。 — 刃状転位は余分な原子面の端、積層欠陥と双晶は{111}面の積み重なり方の乱れとして理解できる

刃状転位とらせん転位

種類	バーガースベクトルと転位線	形のイメージ	動き方
刃状転位	垂直	余分な原子面が半分だけ差し込まれた形	すべり面上を動く（すべり運動）。点欠陥を吸収・放出してすべり面から外れて動くこともある（上昇運動）
らせん転位	平行	原子面がらせん階段状につながった形	すべり面を乗り換えられる（交差すべり）
混合転位	斜め	両者の性質を併せ持つ	実際の転位の多くはこの形

シリコンのすべり系は {111}〈110〉で、転位は {111} 面の上を〈110〉方向のバーガースベクトルを持って動きます。

b = (a/2)〈110〉,　|b| = a / √2 ≈ 0.384 nm　（a = 0.5431 nm）

無転位結晶はどう作るか

CZ 法では、種結晶を高温の融液に浸けた瞬間の熱衝撃で、種結晶に転位が入ります。そのまま太く育てると転位は結晶全体に引き継がれてしまうため、種結晶の直後を数 mm 程度まで細く絞りながら速く引き上げます。転位は結晶の成長方向に対して斜めに傾いた {111} 面の上にあるので、細い部分を伸ばしていくうちに結晶の側面へ抜けていき、その先は転位のない結晶になります。この工程をネッキング（ダッシュネッキング）と呼びます。

ネッキング部は数百 kg に及ぶインゴット全体を支えることになるため、大口径化・重量化とともに、絞る太さと強度の両立が課題になってきました。育成中に転位が入ると、その先は単結晶として使えなくなる（有転位化）ため、融液の汚染や温度変動の管理も欠かせません。

ヘテロエピタキシーと格子不整合

格子定数の異なる材料を積み重ねると、ずれ（格子不整合）を解消するために界面に転位が入ります。

f = (a_膜 − a_基板) / a_基板

組み合わせ	格子不整合	何が起きるか
Si₀.₈Ge₀.₂ / Si	約0.8%	臨界膜厚（数十 nm 程度）より薄ければ転位を入れずに歪んだまま成長できる
GaN / Si(111)	約17%（熱膨張係数も大きく異なる）	高密度の貫通転位と、冷却時の反り・クラックが課題
4H-SiC エピ / 4H-SiC 基板	同じ材料（ホモエピ）	基板の転位がエピ層へ引き継がれる。BPD の変換が鍵

歪みシリコンや SiGe チャネルは、臨界膜厚以下で転位を入れずに歪みを保つことが前提です。GaN-on-Si では、格子不整合と熱膨張係数の差の両方を吸収するため、 AlN や AlGaN を組み合わせた厚いバッファ層で転位の伝搬を抑え、反りを調整します。

転位の見つけ方

手法	原理	特徴
エッチピット法	転位の周囲は歪んでいて、選択エッチング液で速く溶ける	簡便で安価。破壊検査。SiC では溶融 KOH が使われる
X線トポグラフィ	格子の歪みで X 線の回折強度が変わる	ウェハ全面を非破壊で観察できる
透過電子顕微鏡（TEM）	転位の歪み場による回折コントラスト	転位の種類やバーガースベクトルまで特定できる。試料の薄片化が必要
フォトルミネッセンス（PL）イメージング	欠陥のある場所で発光が変わる	SiC エピの BPD や積層欠陥の非破壊検査に使われる

よくある質問（FAQ）

刃状転位とらせん転位の違いは何ですか？▾

ずれの向き（バーガースベクトル）と転位線の向きの関係が違います。刃状転位はずれが転位線に垂直で、結晶に余分な原子面が半分だけ差し込まれた形をしています。らせん転位はずれが転位線に平行で、原子面がらせん階段のようにつながった形です。実際の転位の多くは両方の性質を持つ混合転位です。

シリコンウェハに転位はありますか？▾

デバイス用のシリコン単結晶は、転位を含まない無転位結晶として育成されます。種結晶を融液に浸けたときに入る転位は、種結晶の直後を数mm程度まで細く絞るネッキングで結晶の外へ逃がします。ただしデバイス工程の熱処理で大きな応力がかかると、スリップと呼ばれる転位が後から入ることがあります。

GaNやSiCで転位が問題になるのはなぜですか？▾

基板と膜の格子定数や熱膨張係数の違い、あるいは結晶成長の難しさから、シリコンに比べて桁違いに多くの転位を含むためです。GaN-on-Siの貫通転位はリーク電流や信頼性の低下を招き、SiCのベーサル面転位は通電中に積層欠陥へ広がってオン電圧を上昇させます。いずれも転位の低減や無害な種類への変換が品質の鍵になります。