single crystal : 단결정, 전체적으로 통일된 질서로 원자들이 배열되어 있음. ✅Si => single ctystal 구조는 전자가 가장 잘 흐르며, 전자 흐름의 예측이 쉬우므로 가장 유용하게 사용됨.
Single crytal의 Space lattices
lattices : 결정의 규칙적인 배열. atom은 lattices point에 들어간다.
단결정 격자의 경우, 주기적인 배열을 가지고 있으므로 임의의 lattices point를 원점으로 잡고, 나머지 point들은 원점에서의 평행이동으로 모두 표현이 가능하다. Point = pa + qb + sc
또한, 단결정은 주기적으로 반복되므로 반복되는 기초 단위만 보아도 괜찮은데, 이때 반복되는 단위를 Unit cell이라 하고, unit cell중 가장작은 단위를 primitive cell이라 한다.
Single crystal의 Crystal structure
단결정 구조(single crystal structure)는 원자들이 전체적으로 규칙적이고 일관된 배열을 가지는 상태를 의미한다. 이때, 배열되는 격자 구조의 모양은 물질에 따라 달라질 수 있으며, 다양한 결정 구조가 존재한다. 대표적인 구조는 다음과 같다.
SC (Simple Cubic): 단순 입방 구조. 각 격자의 모서리에만 원자가 위치하는 단순한 형태.
BCC (Body-Centered Cubic): 체심 입방 구조. 각 격자의 모서리와 중심에 원자가 위치.
FCC (Face-Centered Cubic): 면심 입방 구조. 각 격자의 모서리와 각 면의 중심에 원자가 위치.
Diamond 구조: FCC 격자를 기반으로 각 원자가 4개의 이웃 원자와 공유 결합을 이루어 사면체 배열을 이루는 구조. 실리콘, 다이아몬드(탄소) 등에서 나타난다. ✅Si
Diamond structure
4족 원소 (Si, Ge...)로 구성된 대부분의 결정들은 diamond sturcture 형태를 가진다.
diamond 구조는 tetrahedral이 대각선으로 배열된 형태이다.
만약, 서로 다른 원소가 diamond strucre를 이루는 경우, Zincblende structure라 부른다!
Crytal plane and Miller indices
실제 물질은 무한하지 않고, 표면이 존재한다. 이러한 표면을 표현하기 위한 개념이 바로 Miller indices이다.
격자를 표현할 때 사용되는 벡터와 표면사이의 교점을 p,q,s라 할 때 밀러지수는 교점의 역수를 통해 정의 된다. => (1/p, 1/q, 1/s)*(p,q,s의 최소 공배수)
또한, 결정 방향은 결정면에 수직인 방향으로, (a,b,c) 결정면의 결정 방향은 [a,b,c]로 표현한다.
Atomic Bonding
열평형 상태에 있는 시스템의 총에너지는 최솟값에 도달하려는 경향이 있기 때문에, 원자들도 안정화 되는 방향으로 결합을 하려 한다.
원자들의 결합은 다음과 같이 4가지 유형으로 나눠 볼 수 있다.
Ionic bonding
한 원소는 전자를 잃어 양이온이 되고, 한 원소는 전자를 얻어 음이온이 되어 쿨롱힘에 의해 결합한다.
ex) Na(+)Cl(-)
Covalent bonding
완전한 가전자 각을 이루려는 경향에 의해 전자를 서로 공유하며 결합한다.
이때, H2의 경우 서로 전자를 하나씩 나눠가지며 최외각 껍질이 모두 채워지기때문에 더이상 공유결합 할 전자가 남아있지 않아 분자 상태로 존재하게 된다.
하지만, Si의 경우 결합하여도 공유결합 할 전자가 남아 있어 무한히 결합하여 반복적인 배열을 형성할 수 있다. 즉, 무한대의 단결정 구조를 이룰 수 있게 된다. => 실제로 Si는 정사면체 구조로 결합되어 이러한 정사면체 구조가 반복되면서 Si 결정은 diamond structure를 이룬다.
Metallic bonding
각 원자들이 내보낸 많은 전자들이 전자 구름 형태를 이루고, 이러한 전자들이 +를 띄는 원자들을 정전기력으로 끌어 당겨 결합된 형태이다.
ex) Na은 금속 결합을 통해 FCC 구조를 이루고 있다.
Van der Waals bonding
분자 간 결합으로, 가장 약한 결합이며 융점이 낮아 상온에서 주로 기체 상태로 존재한다.
서로 다른 전기 음성도를 가진 원소들이 결합하여 전하 분포의 비대칭으로 전기 쌍극자가 형성되고, 이러한 전기 쌍극자에 의해 다른 분자랑 결합한다.
imperfect와 impurities
imperfect
lattice vibration : 열에너지에 영향을 받아 격자들이 진동하는 결함
point deect
vacancy : 원자가 격자점에서 이탈하여 원자가 있어야 할 곳에 없음
interstitial : 결자점 틈새에 원자가 위치하여 없어야 하는 곳에 원자가 좀재
line defect : 원자 전체 열이 정상 격자 선에서 이탈하여 line dislocation이 존재
impurities
substitutinal : 불순물이 정상적인 격자점에 존재하는 것
interstitutional : 불순물이 격자점 사이에 존재하는 것
Doping
원하지 않는 불순물이 존재하는 것을 impurities라고 하기도 하지만, 반대로 일부러 불순물을 넣어주는 경우도 있는데 이것을 doping이라 한다.
doping 방법은 다음과 같다.
Diffusion
1000도 정도의 고온 환경을 구성하면, 원자들이 격자 자리를 이탈해 vacancy가 생긴다.
이때, 반도체 표면에 불순물을 주입하면 농도차에 의해 불순물이 결정내로 이동하면서 vacancy를 차지하게 된다. => 느리게 진행되고, 자연스럽게 진행되어 다른 결함을 만들지는 않지만 / 제어가 어렵다.
Ion implantation
가속화된 이온빔을 반도체 표면에 주입하는 방법.
확산보다는낮은 온도에서 이루어진다. => 원하는 수를, 원하는 위치에 주입시킬 수 있어 제어가 쉽지만 / 다른 결정 원자와 충돌하여 결합을 발생시키는 문제가 있다.
Growth of semiconductor materials
Growth from melt
주로 Czochralski 방법을 이용하여 잉곳을 얻는다.
실리콘 원료 용융:
고순도의 다결정 실리콘을 도가니(crucible)에 넣고 고온에서 1,400°C 이상으로 가열하여 용융 상태로 만든다.
단결정 시드 결정체 삽입:
순수한 단결정 구조를 형성하기 위해, 단결정 시드(seed) 결정체를 용융상태의 실리콘에 접촉시킨다.
이때, 시드 결정은 원하는 결정 방향을 가지는 단결정으로 준비 된다. (반도체 소자에서 많이 사용하는 결정 방향은 [100] 방향, [110] 방향, [111] 방향 등이 있다.)
시드 결정이 용융 실리콘에서 결정을 성장시킬 때, 시드 결정과 동일한 결정 방향을 가지는 구조가 연속적으로 형성된다.
회전 및 인출:
시드 결정체를 용융 실리콘에 담근 후, 천천히 위로 끌어올리면서 회전시킨다.
이 과정에서 용융 실리콘이 시드에 붙으면서 결정이 응고되기 시작하며, 시드와 같은 결정 구조를 가진 단결정 실리콘 기둥이 서서히 형성된다.
단결정 기둥 성장:
단결정 실리콘 기둥이 서서히 성장하면서 원하는 길이와 두께로 자란다.
성장 과정에서 기둥의 직경을 일정하게 유지하려면 인출 속도와 회전 속도를 정밀하게 조절해야 한다.
완성된 실리콘 기둥은 실리콘 인곳(ingot)이라고 부르며, 이 인곳은 나중에 얇은 웨이퍼로 절단된다.
인곳 절단 및 웨이퍼 제작:
성장된 실리콘 인곳은 절단되어 웨이퍼 형태로 가공된다. 이 웨이퍼는 반도체 제조 공정의 기판으로 사용된다.
Epitaxial Growth
만약 더 순도 높은 wafer 또는 특정 특성을 가지는 wafer를 얻고 싶다면, 앞선 방법으로 얻은 단결정 기판 위에 단결정 물질을 성장시켜 순도 높은 wafer을 얻을 수 있다.
homoepitaxy : 기판과 동일한 물질을 성장시킨다.
heteroepitaxy : 기판과 다른 물질을 성장시킨다. 이때, 결함이 없기 위해서, 결정구조는 서로 같아야 한다.
Epitaxial 종류는 다음과 같다.
CVD : 증착되는 애가 gas상태이다. 기체가 잘 증착될 수 있도록 600~700도의 고온에서 이루어진다.
LPE : 증착되는 애가 liquid상태이다. 기판을 증착하고자 하는 액상 화합물에 넣으면, 액체가 식으면서 기판 위에 단결정 반도체층이 성장한다.
MBE : CVD에 비해 낮은 450~500도에서 이루어진다. beam을 이용하여 복잡한 도핑도 정확히 조절할 수 있다.
