Chapter 1. Crystal Properties and Growth of Semiconductors ( 결정체성질과반도체결정의성장 )
1.1 반도체재료 반도체란? 금속과절연체와의중간정도의전기전도도를갖는일군의물질 단, 전기전도도가온도, 광학적인여기상태및불순물함유량에따라크게 변할수있음. 전기적성질의융통성때문에반도체재료가전자소자연구를위한대상물질로 각광을받고있음.
1.1 반도체재료 반도체란? 자유전자가있어서 전기를잘통할수있는물질 예 ) 금, 은, 구리등 금속 절연체 반도체 자유전자가없어서 전기를잘통할수없는물질 예 ) 나무, 플라스틱, 유리등 도체와부도체의중간적성격 전기가통할수도안통할수도있는물질 예 ) 실리콘, 게르마늄등 반도체를이용하여다양한전자소자를만들수있다!!!
Table. 1-1 보편적반도체재료 (a) 반도체를만드는원소주기율표에서의위치 (b) 원소반도체와화합물반도체 (a) II III IV V VI Zn Cd B Al Ga In C Si Ge N P As Sb S Se Te (b) Elemental IV compounds Binary III-V compounds Binary II-VI compounds Si Ge SiC SiGe AlP AlAs AlSb GaN GaP GaAs GaSb InP ZnS ZnSe ZnTe CdS CdSe CdTe InAs InSb
반도체재료의이용반도체가어디에쓰일까? Si, Ge : 반도체전자소자, 정류소자, Tr, 집적회로소자, 적외선검출소자, 방사능검출소자 GaN, GaP, GaAs (Binary III-V) LED GaAsP(ternary), InGaAsP(quaternary) 다양한물질의선택결정 TV 형광물질 ZnS (II-VI) Light detector InSb, CdSe, PbTe, HgCdTe Gunn diode GaAs, InP 반도체레이저 GaAs, AlGaAs, 3 원소, 4 원소의화합물 Energy band gap Doping 반도체에서흡수되거나방출되는빛의파장을결정한다. 전자적및광학적성질이불순물에의하여크게영향받음, 불량도체에서양도체로바꾸어줌 불순물첨가의조절과과정 : doping
결정격자의주기성 1.2 결정격자 Fig. 1-1 원자배열에따른세가지고체의분류결정질 (a) 와비정질재료 (b) 는원자의미시적관점에서본것이며, 다결정구조 (c) 는 (a) 와같은서로인접한단결정의영역을거시적관점에서표시한것이다. (a) Crystalline solid : 결정을구성하고있는원자가주기적인형식으로배열되어있음. (b) Amorphous solid : 전혀주기적인구조를이루지않고있음. (c) Polycrystalline solid : 단결정인물질이여러개합해져있음.
주기적구조 1.2.1 주기적구조 Fig. 1-2 단위셀이 r=3a+2b 만큼이루어진것을보여주는 2 차원격자 격자 (lattice) : 결정에서의원자의주기적인배열단위셀 (unit cell) : 기본셀을해석하기더쉽게만든셀기본셀 (primitive cell) : 격자들이이루는가장작은셀
입방격자 1.2.2 입방격자 Fig. 1-3 세가지입방격자구조의단위셀 원자가격자구조로싸여져있어인접된원자간의거리는그들이서로잡아당기는힘과그들을서로떼어놓으려는또다른힘사이의평형이이루어짐으로써정해짐.
1.2.2 입방격자 Fig. 1-4 fcc 격자로강구를충전시킬경우의모형
면과방향 1.2.3 면과방향 Miller index 를통하여나타내기 그면과결정축과의교차점을구한다. 역수를취한후, 최소공배수를곱한다. 소괄호 ( ) 를취해면을표현한다. {100} : 등가적인평면들에대한지수는중괄호를사용하여전체적으로하나로표시. [100] : 면의방향까지고려한형태 <100> : 등가적인평면들에대해방향성을고려한형태
1.2.3 면과방향 Fig. 1-7 입방격자구조에서의결정방향
다이아몬드격자구조 1.2.3 면과방향 a Fig. 1-8 다이아몬드격자구조 : (a) 격자의단위셀, (b)(100) 방향에서본모습다이아몬드격자는 FCC 격자구조의배열로된각원자로부터 (¼, ¼, ¼ ) 인위치에별도로같은원자가더있는 FCC 격자구조로볼수있다. 여러화합물반도체에서원자는기본적인다이아몬드격자구조로배열되어있으나다른구성원자가격자위치에교대로자리잡고있는구조 ( 섬아연광 ) Zincblende 격자구조 (III-V 족화합물반도체 )
1.2.3 면과방향
1.2.3 면과방향
시작시료 1.3.1 시작시료 SiO 2 (solid)+2c Si(solid) +2CO(gas) Si(solid) +3HCl(gas) SiHCl 3 (gas)+h 2 (gas) SiHCl 3 (gas)+h 2 (gas) Si(solid) +3HCl(gas) MGS Metallurgical Grade Si EGS Electronic Grade Si Czochralski technique. 실리콘용액으로부터일정한결정방위를단결정씨앗을용기내에서회전 시키며단결정실리콘을성장시키는방법. Fig. 1-10 용융체로부터의 Si 결정의인상 ( 초크랄스키방법 )
초크랄스키법 1.3.2 단결정주괴의성장 용융된실리콘용액으로부터일정한결정방위로단결정실리콘을성장시키는방법원리가간단하고큰지름의단결정주괴를만들수있다. 반도체용단결정육성법으로현재가장널리사용기본원리및공정 도가니속초고순도실리콘용융액에씨결정또는종결정을담근다. 용융액온도의균일성및비등방성장방지를목적으로결정혹은도가니를회전시킨다.
1.3.2 단결정주괴의성장
웨이퍼 (wafer) 1.3.3 웨이퍼 반도체집적회로 (IC) 의원재료로사용되는단결정 (single-crystal) 실리콘으로만들어진원형모양의얇은기판. 결정특성 실리콘웨이퍼는결정성장방향에따라기계적, 화학적가공특성이달라확산, 식각등과같은반도체제조공정에있어서큰영향을미침. 표면특성 실리콘웨이퍼의표면은소자제조공정의원활함과고품질회로를구성하기위해, 회로제조시치명적인영향을주는결함또는미량의화학적성분이표면에잔존해서도안되며, 극도의평탄도 (Flatness) 가요구. Slicing, lapping, polishing 작업시미세한진동도억제.
1.3.3 웨이퍼 실리콘웨이퍼제조공정
1.3.4 도핑 도핑 용융된 EGS에는약간의불순물이남아있다. Si의전기적특성을변화시키기위해 Si 용융체에의도적으로불순물이나도판트 (dopant) 를첨가시킬수있다. 통상용융체와고체와의중간층이응고하는데는이들 2상사이에일종의불순물의분포가이루어진다. k d C C S L k d : 분포계수 C S : 평형상태에서고상내의불순물농도 C L : 평형상태에서액상내의불순물농도 용융체로부터성장되는동안에는이분포계수가중요시된다.
에피텍시 (epitaxy) 1.4 에피택셜성장 그리스문자로 epi( 위에 )+taxis( 배열 ) 의합성어 물질 ( 기판 ) 위에기판과같은결정구조를성장시키는방법 기판으로사용된결정 ( 웨이퍼 ) 과유사한격자구조및방위를갖는반도체 결정을기판물질의녹는점보다훨씬낮은온도에서성장가능 용융온도에서결정을성장시킬때생기는대표적인불순물혼입등의여러 가지문제점제거 ( 고순도 )
1.4.1 에피택셜성장에서의격자정합 에피택시의종류 Homoepitaxy 기판과같은물질을성장시키는경우 Heteroepitaxy 같은결정구조및유사한격자상수를갖는경우기판과다른물질을같은결정구조의단결정의형태로성장시키는것이가능. 에피택시공정분류 액상에피택시 (liquid-phase epitaxy; LPE) 기상에피택시 (vapor-phase epitaxy; VPE) 분자선에피택시 (molecular beam epitaxy; MBE)
에피택셜성장에서의격자정합
1.4.1 에피택셜성장에서의격자정합
액상에피택시 액상에피택시 (liquid-phase epitaxy; LPE) 반도체단결정을녹는점보다아래온도에서결정재료가녹아있는포화용 액으로부터성장시키는방법 Ex. GaAs melting point of 1238 Mixture of GaAs With Ga metal Considerably lower melting point Si, GaAs, AlGaAs, GaP 에피택시제조에널리사용
액상에피택시
기상에피택시 1.4.2 기상에피택시 결정재료가포함된반응가스를기판위로흘리면서열에의한분해와반응을통해기판위에결정을성장시키는것 SiCl 4 +2H 2 Si+4HCl(g) SiCl 4 의수소환원에요구되는온도는대략 1150-1250 가열된결정표면에서반응이일어날경우 Si원자들은 epitaxial layer로표면에증착 HCl는가스형태이므로 epitaxy layer에영향을미치지않음. SiH 4 Si+2H 2 보다낮은온도 (1000 ) 에서의반응으로인해기판으로부터 epitaxial layer 로의 impurities migration 감소.
MOCVD or MOVPE 1.4.2 기상에피택시 메틸이나에틸등알킬기를갖는유기금속화합물을원료로사용 (CH 3 ) 3 Ga+AsH 3 GaAs+3CH 4 (700 ) 반응가스종류를달리해서물질의조성을쉽게바꿀수있으므로 GaAs나 InP와같은 2원계화합물뿐만아니라 AlGaAs와같은 3원계, 4원계화합물반도체성장에주로많이사용. III-V족화합물반도체로서 1960년에 InP 성장이최초. 태양전지, 레이저등의소자제작에이용.
1.4.2 기상에피택시
1.4.3 분자선에피택시 분자선에피택시 (molecular beam epitaxy; MBE) 종래의물리증착방식 (physical vapor deposition; PVD) 을발전시킨것으로 10-9 Torr이하의초고진공반응기내에서증발된결정재료가분자나원자형태로빔을형성하여기판위에도달한후기판표면과반응하여결정성장이되는것. 낮은기판온도에서제작가능 (GaAs의경우 600 ) 불순물첨가량및결정조성의정밀한제어가능초격자 (superlattice) 및다층 (multi-layer) 소자제작에응용
1.4.3 분자선에피택시
1.4.3 분자선에피택시
에피택셜성장 에피텍시의응용 미래의빛, 광소자용핵심소재생산에뛰어난고휘도, 고효율 LED 제작을 위해에피웨이퍼는필수적 차세대조명고효율백색 LED 용도로에피웨이퍼가널리사용 차세대 Network 광선 VCSEL 용도와포토다이오드 (photo-diode) 의제작, HBT/HEMT 용도로응용 데이터저장용고출력레이저다이오드
Homework #1 고체전자공학제 6 판 Chapter 1. 연습문제 문제 1, 문제 3, 문제 5, 문제 6
연습문제 1.5 Q : In과 Sb 원자의원자반지름은대략 1.44A 과 1.36A 이다. 강구근사를사용하여, InSb( 섬아연광구조 ) 의격자상수와기본셀의체적을구하라. (100) 면에서의원자밀도는얼마인가? ( 힌트 : 기본셀의체적은 fcc 단위셀체적의 ¼ 이다.)
연습문제 1.6 단일원자기본의단순입방격자결정의원자반지름은 2.5A 이고원자량 은 5.42 이다. 원자들이서로맞닿아있다는가정하에밀도를계산하라.