반도체 공부의 시작이다.
반도체란 대체 무엇일까,
단어 속에 '도체'가 있으니 전기적 성질과 관련되어 있을 것이고, '반'이 붙어있으니까....
도체 - 전기가 통하는 물질
부도체 - 전기가 통하지 않는 물질
반도체 - ????
그렇다. 반도체는 전기가 통하면서, 통하지 않는다. 도체와 부도체의 성질을 모두 가지고 있는 것이다.
특정 조건이 주어지면 도체적 성질을 띠고, 그 외 조건에서는 부도체적 성질을 띤다.
이렇게 "절반만 도체"라 해서 반(Semi)도체(conductor)인 것이다.
그럼 도대체 무엇이 반도체를 반도체로 만드는걸까? 그 답을 알아보기 위한 여정을 시작한다.
오늘은 반도체로 많이 쓰이는 물질, 실리콘의 특징을 알아보겠다.
그 중에서도 웨이퍼를 구성하는 규소의 결정 구조에 대해서 자세히 다뤄보고자 한다.
먼저, 주기율표에서 실리콘을 찾아 보자.
실리콘은 14족 원소에 속한다. 즉, 전자를 총 14개 가지고 있다.
전자각에 따라 각각 2, 8, 4개의 전자가 분포하기 때문에,
실리콘을 포함한 14족 원소에 속하는 원자들은 4개의 최외각 전자를 가진다.
위와 같이 가장 바깥에 있는 전자의 개수가 4개인 것을 볼 수 있다.
최외각 전자가 8개일 때 안정적인 상태를 유지할 수 있기 때문에,
이 단일 실리콘 원자는 전자 4개가 더 필요한 상황이다.
그럼 부족한 전자 4개를 어디서 가져오는가?
옆에 있는 다른 4개의 실리콘 원자들로부터 한 개 씩 공유 받는다.
(그림에서는 최외각 전자만 표시되어 있다)
이렇게 주변 실리콘 원자들로부터 전자를 공유받아
최외각 전자를 8개로 만들어 안정적인 상태로 유지할 수 있게 된다.
그리고 수많은 실리콘 원자 사이에서 이러한 결합이 이루어지면....
위 그림과 같이 결정 구조가 만들어진다!
해당 이미지는 평면처럼 보이게 그렸지만,
원자는 3차원이기 때문에 결정 구조 또한 3차원 형태를 띤다.
이를 3차원으로 보면 다음과 같다.
이 정육면체 하나가 실리콘 결정 구조의 단위( Diamond structure )가 된다.
이 정육면체 한 변의 길이는 5.43 Å (0.543 nm) 인데, 이를 실리콘의 Lattice constant라고 부른다.
저 각각의 결합이 이루는 각도는 약 109도라고 한다.
또한, 두 실리콘 원자 사이의 거리는 약 2.53 Å (0.253nm) 이다.
이 Diamond structure가 여러 개 모여 큰 결정 구조를 만들어낸다.
이 때, 배열의 주기성에 따라 실리콘 고체의 유형이 아래와 같이 3가지로 분류된다.
결정 내의 원자 배열이 주기적인 것은 Single Crystalline (단결정)
전혀 주기성을 띠지 않는 것은 Amorphous (비정질)
부분적으로는 단결정이지만 결정 방향이 여러 개인 Polycrystalline (다결정)
특히, Polycrystalline을 보면, 단결정 사이에 경계선이 있는 것을 볼 수 있는데,
이 경계선은 Grain Boundary라고 부른다.
이 Grain boundary 부근에서는 여러 문제가 생길 수 있기 때문에
보통 반도체 소자를 제작할 때에는 Single Crystalline을 사용한다.
Diamond structure를 바라보는 시점에 따라서 그 모양이 다르게 보인다.
이를 결정면, Lattice plane이라 칭한다.
Lattice plane을 나타내는 방법으로는 Miller index가 있는데, 이는 따로 찾아보길 바란다. (아주 쉽다)
이 그림에서 <100>, <110>, <111>이 그 Miller index다.
이는 Diamond structure를 보는 시점을 알려준다.
어떤 Lattice plane을 가진 웨이퍼를 사용하냐에 따라 소자의 성능이 달라진다.
같은 전류를 흘려주어도 전자가 느끼는 원자의 배치가 달라지기 때문이다.
보통은 <100> 웨이퍼로 트랜지스터를 제작한다.
그 이유는 웨이퍼 표면에서 발생하는 일로 설명할 수 있다.
아래 그림에서 확인하자.
웨이퍼의 표면에는 산화층이 존재하며, 전자는 이 산화층과 웨이퍼 표면 사이를 이동한다.
산소와 미처 결합하지 못한 실리콘 원자의 부근에는 Dangling bond라고 하는 일종의 트랩이 생긴다.
이 트랩에 전자가 걸리면 잠깐 움직임을 멈춘다!
즉, Dangling bond가 웨이퍼의 표면에 많을 수록 전자의 이동에 방해가 생긴다.
이는 곧 소자의 성능을 떨어트리는 원인이 된다.
<100> 웨이퍼의 경우, 이 Dangling bond가 웨이퍼 표면보다 웨이퍼 내부에 더 많이 생긴다.
반면 <111> 웨이퍼에서는 Dangling bond가 웨이퍼 표면에 더 많이 생긴다.
이 때문에 웨이퍼 표면에서의 전자 이동이 <111> 웨이퍼에서 더 많이 방해받는다.
이러한 이유로 소자의 성능을 조금이라도 높이기 위해 <100> 웨이퍼를 사용하는 것이다.
여기까지 실리콘의 결정 구조에 대한 내용이었다.
다음 글에서는 전자와 정공(Hole), 그리고 에너지 밴드에 대해 정리해보겠다.
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