Chapter 1. Crystal Properties and Growth of Semiconductors ( 결정체 성질과 반도체 결정의 성장 )

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1 Chapter 1. Crystal Properties and Growth of Semiconductors ( 결정체 성질과 반도체 결정의 성장 )

2 Chap. 1. Crystal Properties and Growth of Semiconductors 1.1 반도체 재료 반도체란 ? 금속과 절연체와의 중간 정도의 전기전도도를 갖는 일군의 물질 단, 전기전도도가 온도, 광학적인 여기 상태 및 불순물 함유량에 따라 크게 변할 수 있음. 전기적 성질의 융통성 때문에 반도체 재료가 전자소자 연구를 위한 대상물질로 각광을 받고 있음.

3 Chap. 1. Crystal Properties and Growth of Semiconductors 1.1 반도체 재료 반도체란 ? 자유전자가 있어서 전기를 잘 통할 수 있는 물질 예 ) 금, 은, 구리 등 자유전자가 있어서 전기를 잘 통할 수 있는 물질 예 ) 금, 은, 구리 등 금 속 도체와 부도체의 중간적 성격 전기가 통할수도 안 통할 수도 있는 물질 예 ) 실리콘, 게르마늄 등 도체와 부도체의 중간적 성격 전기가 통할수도 안 통할 수도 있는 물질 예 ) 실리콘, 게르마늄 등 반도체 반도체를 이용하여 다양한 전자 소 자를 만들 수 있다 !!! 자유전자가 없어서 전기를 잘 통할 수 없는 물질 예 ) 나무, 플라스틱, 유리 등 자유전자가 없어서 전기를 잘 통할 수 없는 물질 예 ) 나무, 플라스틱, 유리 등 절연체

4 Chap. 1. Crystal Properties and Growth of Semiconductors (a)IIIIIIVVVI Zn Cd B Al Ga In C Si Ge N P As Sb S Se Te (b) ElementalIV compounds Binary III-V compounds Binary II-VI compounds Si Ge SiC SiGe AlP AlAs AlSb GaN GaP GaAs GaSb InP InAs InSb ZnS ZnSe ZnTe CdS CdSe CdTe Table. 1-1 보편적 반도체 재료 (a) 반도체를 만드는 원소 주기율표에서의 위치 (b) 원소 반도체와 화합물 반도체

5 Chap. 1. Crystal Properties and Growth of Semiconductors 반도체 재료의 이용 반도체가 어디에 쓰일까 ? Si, Ge : 반도체 전자소자, 정류소자, Tr, 집적회로 소자, 적외선 검출소자, 방사능 검출소자 GaN, GaP, GaAs (Binary III-V) – LED GaAsP(ternary), InGaAsP(quaternary) – 다양한 물질의 선택 결정 TV 형광물질 – ZnS (II-VI) Light detector – InSb, CdSe, PbTe, HgCdTe Gunn diode – GaAs, InP 반도체 레이저 – GaAs, AlGaAs, 3 원소, 4 원소의 화합물 Energy band gap 반도체에서 흡수되거나 방출되는 빛의 파장을 결정한다. Doping 전자적 및 광학적 성질이 불순물에 의하여 크게 영향 받음, 불량도체에서 양도체로 바꾸어 줌 불순물 첨가의 조절과 과정 : doping

6 Chap. 1. Crystal Properties and Growth of Semiconductors 1.2 결정격자 (a) Crystalline solid : 결정을 구성하고 있는 원자가 주기적인 형식으로 배열되어 있음. (b) Amorphous solid : 전혀 주기적인 구조를 이루지 않고 있음. (c) Polycrystalline solid : 단결정인 물질이 여러 개 합해져 있음. Fig. 1-1 원자배열에 따른 세 가지 고체의 분류 결정질 (a) 와 비정질 재료 (b) 는 원자의 미시적 관점에서 본 것이며, 다결정구 조 (c) 는 (a) 와 같은 서로 인접한 단결정의 영역을 거시적 관점에서 표시한 것 이다. 결정격자의 주기성

7 Chap. 1. Crystal Properties and Growth of Semiconductors 1.2.1 주기적 구조 Fig. 1-2 단위셀이 r=3a+2b 만큼 이루어진 것을 보여주는 2 차원 격자 주기적 구조 격자 (lattice) : 결정에서의 원자의 주기적인 배열 단위셀 (unit cell) : 기본셀을 해석하기 더 쉽게 만든 셀 기본셀 (primitive cell) : 격자들이 이루는 가장 작은 셀

8 Chap. 1. Crystal Properties and Growth of Semiconductors 1.2.2 입방격자 Fig. 1-3 세 가지 입방격자구조의 단위셀 입방격자 원자가 격자구조로 싸여져 있어 인접된 원자간의 거리는 그들이 서로 잡아 당기는 힘과 그들을 서로 떼어 놓으려는 또 다른 힘 사이의 평형이 이루어 짐으로써 정해짐.

9 Chap. 1. Crystal Properties and Growth of Semiconductors 1.2.2 입방격자 Fig. 1-4 fcc 격자로 강구를 충전시킬 경우의 모형

10 Chap. 1. Crystal Properties and Growth of Semiconductors 1.2.3 면과 방향 면과 방향 Miller index 를 통하여 나타내기 그 면과 결정축과의 교차점을 구한다. 역수를 취한 후, 최소공배수를 곱한다. 소괄호 ‘( )’ 를 취해 면을 표현한다. {100} : 등가적인 평면들에 대한 지수는 중괄호를 사용하여 전체적으로 하나로 표시. [100] : 면의 방향까지 고려한 형태 : 등가적인 평면들에 대해 방향성을 고려한 형태

11 Chap. 1. Crystal Properties and Growth of Semiconductors 1.2.3 면과 방향 Fig. 1-7 입방격자구조에서의 결정방향

12 Chap. 1. Crystal Properties and Growth of Semiconductors 다이아몬드 격자구조 다이아몬드 격자는 FCC 격자구조의 배열로 된 각 원자로부터 (¼, ¼, ¼) 인 위치에 별도로 같은 원자가 더 있는 FCC 격자구조로 볼 수 있다. 여러 화합물 반도체에서 원자는 기본적인 다이아몬드 격자구조로 배열되 어 있으나 다른 구성원자가 격자위치에 교대로 자리잡고 있는 구조 ( 섬아연광 ) Zincblende 격자구조 (III-V 족 화합물 반도체 ) 1.2.3 면과 방향 Fig. 1-8 다이아몬드 격자구조 : (a) 격자의 단위셀, (b)(100) 방향에서 본 모습 a a a

13 Chap. 1. Crystal Properties and Growth of Semiconductors 1.2.3 면과 방향

14 Chap. 1. Crystal Properties and Growth of Semiconductors 1.2.3 면과 방향

15 Chap. 1. Crystal Properties and Growth of Semiconductors 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) Czochralski technique. 실리콘 용액으로부터 일정한 결정 방위를 단결정 씨앗을 용기 내에서 회전 시키며 단결정 실리콘을 성장시키는 방법. MGS EGS Metallurgical Grade Si Electronic Grade Si Fig. 1-10 용융체로부터의 Si 결정의 인상 ( 초크랄스키 방법 ) 1.3.1 시작시료

16 Chap. 1. Crystal Properties and Growth of Semiconductors 초크랄스키법 용융된 실리콘 용액으로부터 일정한 결정 방위로 단결정 실리콘을 성장시 키는 방법 원리가 간단하고 큰 지름의 단결정 주괴를 만들 수 있다. 반도체용 단결정 육성법으로 현재 가장 널리 사용 기본 원리 및 공정 도가니 속 초고순도 실리콘 용융액에 씨결정 또는 종결정을 담근다. 용융액 온도의 균일성 및 비등방성장 방지를 목적으로 결정 혹은 도가니를 회전 시킨다. 1.3.2 단결정 주괴의 성장

17 Chap. 1. Crystal Properties and Growth of Semiconductors 1.3.2 단결정 주괴의 성장

18 Chap. 1. Crystal Properties and Growth of Semiconductors 1.3.3 웨이퍼 웨이퍼 (wafer) 반도체 집적 회로 (IC) 의 원재료로 사용되는 단결정 (single-crystal) 실리콘 으로 만들어진 원형 모양의 얇은 기판. 결정특성 실리콘 웨이퍼는 결정성장 방향에 따라 기계적, 화학적 가공 특성이 달라 확산, 식각 등과 같은 반도체 제조 공정에 있어서 큰 영향을 미침. 표면특성 실리콘 웨이퍼의 표면은 소자 제조 공정의 원활함과 고품질 회로를 구성하 기 위해, 회로 제조 시 치명적인 영향을 주는 결함 또는 미량의 화학적 성분 이 표면에 잔존해서도 안되며, 극도의 평탄도 (Flatness) 가 요구. Slicing, lapping, polishing 작업 시 미세한 진동도 억제.

19 Chap. 1. Crystal Properties and Growth of Semiconductors 실리콘 웨이퍼 제조공정 1.3.3 웨이퍼

20 Chap. 1. Crystal Properties and Growth of Semiconductors 1.3.4 도핑 도핑 용융된 EGS 에는 약간의 불순물이 남아 있다. Si 의 전기적 특성을 변화시키기 위해 Si 용융체에 의도적으로 불순물이나 도판트 (dopant) 를 첨가시킬 수 있다. 통상 용융체와 고체와의 중간층이 응고하는 데는 이들 2 상 사이에 일종의 불순물의 분포가 이루어진다. 용융체로부터 성장되는 동안에는 이 분포계수가 중요시된다. k d : 분포계수 C S : 평형상태에서 고상내의 불순물농도 C L : 평형상태에서 액상내의 불순물농도

21 Chap. 1. Crystal Properties and Growth of Semiconductors 1.4 에피택셜 성장 에피텍시 (epitaxy) 그리스 문자로 epi( 위에 )+taxis( 배열 ) 의 합성어 물질 ( 기판 ) 위에 기판과 같은 결정 구조를 성장시키는 방법 기판으로 사용된 결정 ( 웨이퍼 ) 과 유사한 격자 구조 및 방위를 갖는 반도체 결정을 기판 물질의 녹는점보다 훨씬 낮은 온도에서 성장 가능 용융온도에서 결정을 성장시킬 때 생기는 대표적인 불순물 혼입 등의 여러 가지 문제점 제거 ( 고순도 )

22 Chap. 1. Crystal Properties and Growth of Semiconductors 1.4.1 에피택셜 성장에서의 격자정합 에피택시의 종류 Homoepitaxy 기판과 같은 물질을 성장시키는 경우 Heteroepitaxy 같은 결정구조 및 유사한 격자 상수를 갖는 경우 기판과 다른 물질을 같은 결정 구조의 단결정의 형태로 성장시키는 것이 가능. 에피택시 공정 분류 액상 에피택시 (liquid-phase epitaxy; LPE) 기상 에피택시 (vapor-phase epitaxy; VPE) 분자선 에피택시 (molecular beam epitaxy; MBE)

23 Chap. 1. Crystal Properties and Growth of Semiconductors 에피택셜 성장에서의 격자정합

24 Chap. 1. Crystal Properties and Growth of Semiconductors 1.4.1 에피택셜 성장에서의 격자정합

25 Chap. 1. Crystal Properties and Growth of Semiconductors 액상 에피택시 액상 에피택시 (liquid-phase epitaxy; LPE) 반도체 단결정을 녹는 점보다 아래 온도에서 결정 재료가 녹아 있는 포화 용액으로부터 성장시키는 방법 Ex. GaAs → melting point of 1238 ℃ Mixture of GaAs With Ga metal →Considerably lower melting point Si, GaAs, AlGaAs, GaP 에피택시 제조에 널리 사용

26 Chap. 1. Crystal Properties and Growth of Semiconductors 액상 에피택시

27 Chap. 1. Crystal Properties and Growth of Semiconductors 1.4.2 기상 에피택시 기상 에피택시 결정 재료가 포함된 반응 가스를 기판 위로 흘리면서 열에 의한 분해와 반 응을 통해 기판 위에 결정을 성장시키는 것 SiCl 4 +2H 2 ↔ Si+4HCl(g) SiCl 4 의 수소환원에 요구되는 온도는 대략 1150-1250 ℃ 가열된 결정 표면에서 반응이 일어날 경우 Si 원자들은 epitaxial layer 로 표면에 증착 HCl 는 가스 형태이므로 epitaxy layer 에 영향을 미치지 않음. SiH 4 ↔ Si+2H 2 보다 낮은 온도 (1000 ℃ ) 에서의 반응으로 인해 기판으로부터 epitaxial layer 로의 impurities migration 감소.

28 Chap. 1. Crystal Properties and Growth of Semiconductors MOCVD or MOVPE 메틸이나 에틸 등 알킬기를 갖는 유기 금속 화합물을 원료로 사용 (CH 3 ) 3 Ga+AsH 3 →GaAs+3CH 4 (700 ℃ ) 반응가스 종류를 달리해서 물질의 조성을 쉽게 바꿀 수 있으므로 GaAs 나 InP 와 같은 2 원계 화합물 뿐만 아니라 AlGaAs 와 같은 3 원계, 4 원계 화합물 반도체성장에 주로 많이 사용. III-V 족 화합물 반도체로서 1960 년에 InP 성장이 최초. 태양전지, 레이저 등의 소자 제작에 이용. 1.4.2 기상 에피택시

29 Chap. 1. Crystal Properties and Growth of Semiconductors 1.4.2 기상 에피택시

30 Chap. 1. Crystal Properties and Growth of Semiconductors 1.4.3 분자선 에피택시 분자선 에피택시 (molecular beam epitaxy; MBE) 종래의 물리 증착방식 (physical vapor deposition; PVD) 을 발전시킨 것으로 10 -9 Torr 이하의 초고진공 반응기 내에서 증발된 결정 재료가 분자나 원자 형태로 빔을 형성하여 기판 위에 도달한 후 기판 표면과 반응하여 결정 성 장이 되는 것. 낮은 기판온도에서 제작가능 (GaAs 의 경우 600 ℃ ) 불순물 첨가량 및 결정 조성의 정밀한 제어 가능 초격자 (superlattice) 및 다층 (multi-layer) 소자 제작에 응용

31 Chap. 1. Crystal Properties and Growth of Semiconductors 1.4.3 분자선 에피택시

32 Chap. 1. Crystal Properties and Growth of Semiconductors 1.4.3 분자선 에피택시

33 Chap. 1. Crystal Properties and Growth of Semiconductors 에피택셜 성장 에피텍시의 응용 미래의 빛, 광 소자용 핵심 소재 생산에 뛰어난 고휘도, 고효율 LED 제작을 위해 에피 웨이퍼는 필수적 차세대 조명 고효율 백색 LED 용도로 에피 웨이퍼가 널리 사용 차세대 Network 광선 VCSEL 용도와 포토 다이오드 (photo-diode) 의 제작, HBT/HEMT 용도로 응용 데이터 저장용 고출력 레이저 다이오드

34 Homework #1 고체전자공학 제 6 판 Chapter 1. 연습문제 문제 1, 문제 3, 문제 5, 문제 6 Chap. 1. Crystal Properties and Growth of Semiconductors