Ch.1) 쉬운 요약 - 반도체의 구조와 성장

1. 반도체 재료 (Semiconductor Materials)

• 반도체는 전기가 흐르기도 하고 안 흐르기도 하는 중간 성질의 물질이다.
• 대표적인 재료는 실리콘(Si)과 게르마늄(Ge) 같은 원소 반도체가 있고,
  갈륨비소(GaAs) 같은 화합물 반도체도 많이 쓰인다.
• 실리콘은 스마트폰, 컴퓨터, 전자제품 대부분에 사용된다.
• 반도체 재료는 쓰이는 목적에 따라 다르며, 예를 들어 빛을 잘 다루는 재료는 카메라나 LED에 쓰인다.

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2. 고체 속 원자 배열 (Crystal Lattices)

• 고체 속 원자들은 대부분 반복되는 규칙적인 구조를 이룬다. 이를 결정 구조라고 한다.
• 원자 배열 방식에는 세 가지가 있다:
  • 결정질: 원자가 정돈되어 있는 구조
  • 다결정: 작은 결정들이 모여 있는 구조
  • 비정질: 원자들이 무작위로 흩어진 구조

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• 원자들이 정해진 규칙대로 배치된 가장 작은 단위를 단위세포라고 부른다.
• 단위세포 모양에는 여러 가지가 있는데, 큐브(정육면체) 모양이 대표적이다.
  • 단순입방(SC): 가장 단순한 구조
  • 체심입방(BCC): 가운데에 원자가 하나 더 있는 구조
  • 면심입방(FCC): 각 면의 가운데에 원자가 있는 구조
  • 이 구조에 따라 원자 간 거리와 밀도가 달라진다.

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3. 단결정 실리콘 성장 (Bulk Crystal Growth)

• 우리가 사용하는 실리콘 웨이퍼는 원래 모래(이산화규소, SiO₂)에서 나온다.
• 모래에서 불순물을 제거하고, 다시 여러 번 정제해서 아주 순수한 실리콘 결정을 만든다.
• 이때 사용하는 방법이 Czochralski(츠크랄스키) 성장법이다.
  • 큰 용광로에서 실리콘을 녹이고, 작은 결정 조각(seed)을 넣고 천천히 빼올린다.
  • 이 과정을 통해 크고 긴 실리콘 결정(잉곳, ingot)이 만들어진다.
• 만들어진 잉곳을 얇게 잘라서 웨이퍼를 만든다.
  • 이 웨이퍼는 후에 회로를 새기거나, 빛을 감지하는 센서로 사용된다.
  • 공정 중간에는 도핑이라 하여 전기를 더 잘 흐르게 하는 물질을 소량 넣기도 한다.

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4. 박막 성장 (Epitaxial Growth)

• 에피택시(epitaxy)는 웨이퍼 위에 아주 얇은 결정층을 정해진 방향으로 쌓는 방법이다.
  • 이 과정은 기존 웨이퍼 위에 새로운 기능을 추가하거나 성능을 높이기 위해 쓰인다.
• 박막은 기체나 원자 빔으로 천천히 쌓을 수 있는데, 주로 사용하는 방법은 다음과 같다.
  • CVD: 화학 반응을 통해 얇게 증착
  • MBE: 진공 속에서 원자 단위로 증착
  • ALD: 층을 한 겹씩 아주 정밀하게 쌓음
• 기판과 박막의 원자 간 간격(격자 상수)이 맞지 않으면 결정에 문제가 생길 수 있기 때문에 가능하면 격자 구조가 비슷한 재료끼리 쌓는다.

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