<원소 주기율표와 반도체 재료>
- 원소 반도체
한가지 원소로 구성된 반도체 (4족 원소)
- 화합물 반도체
두가지 이상의 원소로 구성된 반도체 (3-5족, 2-6족)
<원자의 배열에 따른 고체의 3가지 형태>
| 결정 종류 | 단결정 | 다결정 | 비정질 |
| 결정 형태 | - 전체 부피에서 원자들이 일정한 규칙으로 배열 - 완전한 결정 상태 |
- 다른 규칙을 갖는 단결정 영역들이 모여 전체 부피를 구성 - 단결정 영역을 grain과 grain boundary로 구성 |
- 결정성이 없는 고체 |
| 전기적 특성 | 높음 | 중간 (grain boundary에서 전기적 특성 저하) |
낮음 |
| 균일성 | 높음 | 낮음 | 높음 (원자수준의 무질서로 인해 소자 크기에서는 균일) |
| 제작 공정 | 성장 | 증착 | 증착 |
| 면적 당 가격 | 높음 | 중간 | 낮음 |
| 소자 당 가격 | 낮음 | 높음 | 중간 |
| 응용 | CPU, 메모리 등의 고성능 IC-chip | 저면적, 고성능 디스플레이 (모바일) | 대면적 디스플레이 (TV, 모니터) |
<결정과 격자의 기초>
- 단결정
원자들이 규칙적으로 배열된 고체
- 격자
결정에서 원자들이 규칙적인 배열된 구조
- 격자점
격자를 구성하는 최소 단위들의 점으로 나타낸 것
- 격자 상수
격자점 반복 배열의 간격
- 단위셀
결정을 구성하는 작은 반복 단위
- 기본셀
가장 작은 크기의 단위셀
결정을 구성하는 최소 반복 단위
<기본 격자 구조>
1) 단순 입방 (SC)
2) 체심입방 (BCC)
3) 면심입방 (FCC)
<반도체 소자와 결정면>
- 반도체 소자에서 결정면 정의의 중요성
- 반도체 소자 내 다양한 계면이 존재
=> 반도체/반도체 계면, 금속/반도체 계면, 절연층/반도체 계면
- 반도체 계면 또는 표면에 따라 전기적 특성이 달라짐
- 반도체 표면 특성에 따라 성장, 식각 등의 공정 특성이 달라짐
<결정면과 밀러 지수>
- 결정면의 정의 방법
1) a,b,c 축과 결정면의 교차점을 단위벡터의 정수배로 정의 => p,q,s
2) p,q,s의 역수에 최소공배수를 곱하여 정수로 변환 => h,k,l (밀러지수)
3) 소괄호 기호를 사용해 "(hkl)면"이라고 표현
<입방 결정의 대표 결정면>
cf1) 역수인 밀러지수를 사용하여 결정면을 정의하는 이유 : 무한대의 사용을 피할 수 있음
cf2) 만약 원점을 결정면 상에 놓으면 밀러 지수가 무한대가 될 수 있으나, 원점을 이동하여 유한한 정수인 밀러 지수로 정의 가능
<반도체의 결정 방향>
- 반도체 결정 방향의 정의
[hkl]면
- 반도체 소자에서 결정 방향 정의의 필요성
반도체의 결정에 따라 공정 특성 또는 소자의 전기적 특성이 달라짐
<diamond 구조 : 원소 반도체의 결정 구조>
- 단일 원소로 구성
- FCC구조 + x, y, z축으로 1/4씩 이동한 FCC 구조
<Zinc blende 구조 :화합물 반도체의 결정 구조>
- 2개의 서로 다른 원소로 구성
- FCC구조 + x, y, z축으로 1/4씩 이동한 FCC 구조
<원자결합>
- 원자 결합
- 원자들이 집합을 이룰 때 (ex. 가열되어 녹은 후 식어서 굳을 때), 시스템의 총 에너지가 최소값이 되도록 원자들 사이에 상호 작용이 발생
-> 이는 원자들 간 상대적 위치를 고정하고, 이를 '원자 결합'이라고 함
- 원자 결합은 주로 최외각전자(가전자)에 의해 발생하고, 상호 작용하는 원자의 종류에 따라 달라짐
- 원자 결합의 종류
1) 이온 결합
- ex) NaCl, 금속 산화물 반도체 등
- 주로 1족과 7족 원자 집합에서 발생
- 원자들이 최외각 전자를 채워 안정화 하려할 때, 1족은 전자를 잃어 음이온, 7족은 전자를 얻어 양이온이 됨
- 양이온과 음이온 사이의 인력(정전기력)에 의해 서로 둘러싼 구조의 결정 형성
2) 공유 결합
- ex) Si, Ge, GaAs 반도체, 유기물 분자 등
- 원자들이 서로 전자를 공유함으로써 가전자 outet rule을 만족하여 안정화
- 가장 강력한 결합력
- 4족 원소 반도체의 경우, outet rule에 따라 4개의 공유 결합이 필요하고 1개의 원자를 4개의 원자가 둘러싼 형태로 결정 형성
3) 금속 결합
- ex) 전도성 금속
- 최외각 전자들이 모든 원자들 사이를 자유롭게 이동하는 전자 구름을 형성
- 전자 구름과 양이온이 된 원자들 사이의 정전기력으로 결합 형성
4) 분자 결합
- ex) 물, HF, 저분자/고분자 집합 등
- 공유 결합 등으로 형성된 분자 내 양전하와 음전하의 유효 중심이 불일치하여 쌍극자 형성
- 쌍극자 간의 인력 (정전기력)에 의해 결합 형성
- 보통 가장 약한 결합력
<고체의 결함 (defect)>
- 결정 결함의 정의
- 이상적인 주기성을 깨뜨리는 모든 것
- 격자점 원자의 불균일한 열진동에 의한 결함 (원초적인 결함)
- 결정 결함의 종류
1) 점결함
- vacancy : 원자 하나가 격자점에서 이탈
- interstitial : 원자 하나가 격자점 이외의 자리에 위치
2) 선결함
정상적인 격자선에서 이탈
<고체의 불순물>
- 결정 불순물의 정의
- 결정 원소 외에 다른 물질이 격자에 포함되는 것
- 결함의 일종
- 도핑
- 특정 불순물을 첨가하여 반도체의 전기적 특성을 유용하게 조절