반도체 - 종류별....반도체란?
반도체 (半導體 semiconductor)
상온에서 금속·탄소봉 등 도체보다도 전하를 잘 이동시키지는 못하나 유리·자기 등 부도체보다는 비교적 전하를 잘 이동시키는 물질의 총칭. .
설명
상온에서 금속·탄소봉 등 도체보다도 전하(電荷)를 잘 이동시키지는 못하나 유리·자기(瓷器) 등 부도체(절연체)보다는 비교적 전하를 잘 이동시키는 물질(물체)의 총칭. 더 명확히 말하면, 상온에서의 전기저항에 있어서 저항률(比低抗)이 도체와 부도체의 중간 정도(대체로10∼10Ω·m)인 물질을 통틀어 반도체라고 한다. 또 반도체는 극저온에서 부도체와 같은 정도로 무한대에 가까운 저항률을 나타내나(절대온도에서의 전기전도율이 0에 가깝게 된다), 온도 상승에 따라 저항률이 급격히 낮아진다. 이 성질은 온도 상승에 따라 저항률이 증가하는 금속 등 도체의 성질과는 상반되는 성질로, 반도체의 중요한 특성 중 하나이다. 또한 반도체는 불순물의 첨가, 빛 조사(照射), 온도 변화 등 외부 요인에 의해 그 전기적 성질이 크게 변하는데, 이 특성은 저항률(전기전도율)에 관한 성질보다도 더욱 중요하며, 응용 분야에서 많이 이용되고 있다. 대표적인 반도체로는 흩원소물질[單體(단체)]인 실리콘·게르마늄·셀렌 등과 금속산화물인 산화아연·산화납·산화구리·금속간(金屬間)화합물인 비소화갈륨(갈륨비소)·인화갈륨(갈륨인)·안티몬화인듐(인듐안티몬), 황화물인 황화카드뮴, 텔루르화물인 텔루르화카드뮴, 유기화합물인 안트라센 등이 있다.
반도체의 역사
반도체에 의해 일어나는 현상(반도체적인 성질)의 발견은 19세기 초부터 시작되었다. 즉 1839년 M. 패러데이는 황화은의 저항률이 금속의 경우와는 반대로 온도 상승에 따라 감소된다는 사실을 발견했으며, 같은 해에 A.E. 베크렐은 어느 재료와 전해질(電解質)의 계면(界面)에 빛을 비추면 전압이 발생하는 ＜광기전력효과(光起電力效果)＞를 발견했다. 또 1873년에는 W. 스미스가 셀렌 막대에 빛을 비추면 전기전도에 변화가 나타나는 ＜광전도효과(光傳導效果:내부광전효과)＞를 발견하였다. 1874년, K.F. 브라운은 방연석(方鉛石)에 금속선을 접촉시키면 이 광석 성분인 금속황화물에서 ＜정류작용(整流作用)＞이 일어난다는 것을 발견했는데, 이로써 그는 광석검파기(鑛石檢波器)의 선구자가 되었다. 같은 해에 A. 슈스터는 산화구리와 구리의 접촉면에서도 정류작용이 일어남을 발견했는데, 이것을 바탕으로 하여 1920년에 아산화구리정류기가 시험 제작되었다. 이 밖에도 1883년에 셀렌의 정류작용이 발견되었고, 1923년에 셀렌정류기가 발표되는 등 20세기 초까지는 반도체소자로서 주로 정류기가 고안·제작되었으나 반도체 자체의 동작 메커니즘에 대해서는 명확히 이해하지 못했다. 그러나 1926년에 E. 슈뢰딩거에 의해 파동방정식이 발표되고, 이것이 활용됨으로써 반도체에서의 현상이 하나하나 해명되었다. 때를 같이하여 거의 이상적인 반도체 재료도 만들어졌으며, 마침내 1947년에 J. 바딘·W.H. 브래튼에 의해 점접촉트랜지스터(최초의 트랜지스터. 현재는 사용되지 않는다)가 발견되고, 이어서 W. 쇼클리에 의한 ＜ p-n 접합이론＞이 발표되어 본격적인 반도체시대로 접어들게 되었다.
반도체의 물성(物性)
반도체결정의 구조
반도체의 성질은 결정 구조와 화학결합의 상태에 따라 정해진다. 실리콘·게르마늄 등 홑원소물질반도체는 주기율표 5족에 속하고, 다이아몬드와 동일한 구조의 결정이므로 다이아몬드구조라 불리며, 각 원자가 정사면체의 꼭지점에 배치되어 있다. 그리고 각 원자는 원자 자체의 맨 바깥에 있는 4개의 전자를 하나씩 서로 내서 곁의 원자와 공유(共有)하는 방식으로 결합하는 공유결합결정이다. 3∼5족의 금속간화합물인 비소화갈륨이나 인화갈륨 등은 3족과 5족의 원자들이 번갈아 어긋나게 공유결합하여, 홑원소물질반도체와 유사한 공유결합결정을 이루는 화합물반도체이다. 이들의 결정구조는 종류가 다른 원자끼리 인접해 있으며, 결정구조의 형식상으로는 섬아연석구조(閃亞鉛石構造)를 이룬다. 또 텔루르화카드뮴도 섬아연석구조의 화합물반도체이며, 황화카드뮴은 섬유아연석구조(우르츠석형구조)의 화합물반도체이다. 이 밖에도 황화납·텔루르화납 등은 염화나트륨구조(암염형구조)를 이루고 있는 등 반도체에는 여러 가지 결정구조로 되어 있는 화합물반도체가 있다. 그런데 산화물·황화물인 화합물반도체 중에는 정제하기가 어렵기 때문에 단결정(單結晶)을 얻기가 어려운 것이 많다. 금속에 비해 반도체의 저항률은 훨씬 크다. 또 반도체는 미량의 불순물 첨가, 온도 변화 등 외부 요인에 대해 매우 큰 변화를 나타내는데, 반도체의 이러한 특성 및 전기전도 메커니즘은 이른바 ＜띠이론(band theory)＞에 의해 대략 다음과 같이 설명된다. 물질을 이루고 있는 원자는 양성자와 중성자로 이루어진 원자핵과, 이것의 둘레에 있는 전자로 구성되어 있다. 원자번호 는 양성자의 개수를 나타내는 수이며, 중성원자에서 원자핵 둘레에 있는 전자의 개수와 는 일치한다. 또 전자의 거동은 양자역학의 법칙에 따르고, 슈뢰딩거의 파동방정식과 합치한다. 즉 원자핵 둘레의 전자는 정해져 있는 에너지준위의 궤도만 선택할 수 있으며, 또한 일정한 에너지준위의 궤도에는 일정한 개수의 전자만 들어갈 수 있게 되어 있다. 구체적으로 설명하면, ＜양자 상태를 나타내는 주양자수 이 1인데에는 2개, 2인 데에는 8개, 3인 데에는 18개, …＞라는 식으로 각 궤도에 전자가 들어갈 수 있다. 그러나 원자들을 서로 접근시켜 결정이 이루어지게 되면, 결정 속의 각 원자의 에너지준위는 결정 전체를 이루고 있는 다른 원자의 영향을 받아 변하게 된다. 원자군(原子群)이 서로 접근함에 따라 에너지준위는 분열하게 되고, 결정을 구성할 정도로 접근하면 에너지준위는 약간씩 차이가 있는 에너지준위의 집합인 ＜에너지띠(energy band)＞로 바뀐다. 그리고 두 에너지띠 사이의 부위는 전자의 존재가 금지되어 있어서 ＜금지띠(에너지 갭；밴드 갭)＞라 한다. 또한 금지띠 위쪽의 에너지띠에 전자가 채워져 있지 않은 준위가 남아 있을 때에 전자가 원자 사이를 이동할 수 있으므로, 이 에너지띠를 ＜전도(傳導)띠＞라 하며, 금지띠 아래쪽의 에너지띠는 ＜원자가전자(原子價電子)띠＞라 한다〔그림 1-a〕. 금지띠의 폭은 물질에 따라 다른데, 전도띠에 전자가 없고 금지띠의 폭이 넓은 것은 부도체(절연체)이고, 전도띠에 전자가 없고 금지띠의 폭이 좁은 것은 반도체이다. 또 전도띠에 전자와 공준위(空準位)가 충분히 존재하거나 전도띠와 원자가전자띠가 일부 겹쳐 금지띠가 없는 경우에는 도체(금속)가 된다〔그림 1-b〕. 반도체의 온도 변화에 대한 특성은 띠이론으로 설명할 수 있다. 가령 온도가 상온보다도 충분히 낮은 경우, 금지띠의 폭이 좁은 반도체에서는 원자가전자띠의 전자가 금지띠를 건너뛰어 전도띠로 올라가는 현상이 일어날 수 없기 때문에 전기전도가 불가능하다. 따라서 이런 경우의 반도체는 부도체로 된다. 그러나 상온에서는 원자가전자띠 전자의 일부가 전도띠로 올라가기 때문에 원자가전자띠에 공전위가 생기며, 이 공전위를 ＜양공(陽孔)＞이라 한다. 이 양공 및 전도띠에 올라간 전자는 전기전도를 가능하게 하므로, 반도체는 전기전도성을 나타내게 된다. 그리고 온도가 높을 수록 전도띠로 올라가는 전자의 수가 증가하기 때문에, 반도체의 전기전도는 온도 상승에 따라 더욱 잘 일어나게 된다. 반도체의 종류만 확인하면 전도띠로 이동하는 전자 및 양공의 수를 ＜페르미분포함수＞에 의해 구할 수 있다. 또 반도체에서 전기전도를 가능하게 하는 전자와 양공을 ＜운반체(캐리어)＞라 한다.
n형·p형 반도체
이상과 같은 반도체의 물성은 불순물이 전혀 섞이지 않은 순수한 홑원소물질반도체나, 화학량론적 조성상의 착오나 결함이 없는 이상적인 화합물반도체 등 이른바 ＜진성반도체(眞性半導體；固有半導體)＞의 성질에 해당한다. 이 진성반도체에 어떤 일정한 불순물을 첨가하면, 금지띠의 전도부에 가까운 부위 또는 원자가전자띠에 가까운 부위에 첨가물에 의한 새로운 전위(電位)가 형성됨으로써 전기전도성이 증진될 수 있다. 이와 같은 방법으로 전기전도성을 높인 반도체를 ＜불순물반도체＞라 한다. 이 불순물반도체에서 전도띠에 가까운 부위에 새로 형성되는 도너의 에너지준위를 ＜도너준위(doner level)＞라 하는데, 이 도너의 전자는 근소한 에너지로도 전도띠에 올라갈 수 있으므로 전자에 의한 전기전도성이 증가한다. 이와 같이 도너로부터 이동해오는 운반체인 전자에 의해 전기전도성을 증가시킨 불순물반도체를 ＜n형반도체＞라 한다. 또 불순물 첨가로 원자가전자띠에 가까운 부위에 새로 형성되는 억셉터의 에너지준위를 ＜억셉터준위(acceptor level)＞라 한다. 이 억셉터준위가 형성되면, 원자가전자띠의 전자가 억셉터준위에 올라갈 수 있게 됨으로써 원자가전자띠에 양공이 형성되어 전기전도성이 증가되는데, 이러한 원리를 응용한 것이 ＜ p형반도체＞이다〔그림 2〕. 그리고 도너준위와 억셉터준위가 둘 다 형성되어 있는 불순물반도체도 있는데, 도너의 수가 억셉터의 수보다 많으면 n형반도체로 되고, 반대로 억셉터가 도너보다도 많으면 p형반도체로 된다. 즉 도너가 억셉터보다도 많으면 도너의 전자가 억셉터전위로 떨어져 억셉터를 채우고서도 남게 되며, 이 남은 전자가 전도부에 올라가 전도전자의 역할을 하게 되므로 n형반도체로 된다. 이것의 정반대인 경우에는 도너의 전자가 채우고도 남은 억셉터에 의해 원자가전자띠에 양공이 생겨 p형반도체로 된다. 또한 이온성이 강한 화합물반도체에서는 금속이온의 과잉·부족 또는 결함으로 새로운 에너지전위가 형성되는데, 금속이온이 과잉 상태로 된 경우에는 n형반도체로 되고, 반대로 금속이온이 부족한 상태로 된 경우에는 p형반도체로 된다.
p-n 집합
n형반도체와 p형반도체를 접촉시켰을 때 이루어지는 n형 영역과 p형 영역의 접합부위를, 또는 이러한 접합부위를 만드는 조작을 ＜ p-n 접합＞이라 하는데, 이것은 다이오드·트랜지스터·집적회로 등의 기본 구조를 만드는 데 활용되고 있다. p-n접합은 하나의 단결정 안에 자리잡기 때문에 외관상으로는 이 접합에 의한 별다른 변화가 나타나지 않지만, p영역과 n영역 접합부위의 에너지띠 구조에서는 열평형상태에서 내부전기장이 발생한다. 즉 p형 영역의 양공 밀도가 n형 영역보다도 높으므로, 양공이 일부 p형 영역에서 n형 영역으로 확산·이동하게 되어, 접합 부위의 p형 영역에는 양공이 거의 존재하지 않는 공핍층(空乏層)이 형성된다. 또 마찬가지로 전자 일부가 n형 영역에서 p형 영역으로 확산·이동하게 되어, 접합부위의 n형 영역에 전자가 거의 존재하지 않는 공핍층이 형성되며, 이 결과 내부전기장이 발생한다. 이 내부전기장은 양공과 전자의 확산을 방해하는 작용을 하므로 평형상태가 유지된다. 이 상태에서 외부로부터 n형 영역이 양전위, p형 영역이 음전위가 되는 방향으로 전압을 걸면, 내부전위는 더욱 강해져 p형 영역 양공의 n형 영역으로의 확산·이동과 n형 영역 전자의 p형 영역으로의 확산·이동이 억제됨으로써 전류는 거의 흐르지 않게 된다. 반대로 n형 영역이 음전위, p형 영역이 양전위가 되는 방향으로 전압을 걸면, 내부전위는 약해져 p형 영역의 양공이 n형 영역으로, n형 영역의 전자가 p형 영역으로 확산·이동하여 p형 영역에서 n형 영역 방향으로 전류가 흐르게 된다. 이상과 같이 p-n접합은 정류작용을 하는 특성을 나타낸다〔그림 3〕. 정류작용에서는 전류가 흐르는 방향을 ＜순방향(順方向)＞, 전류가 흐르지 않는 방향을 ＜역방향(逆方向)＞이라 하는데, p-n접합에서는 p형 영역에서 n형 영역으로의 방향이 순방향이며 이 정류 특성은 ＜다이오드＞를 만드는 데 이용된다. 그리고 역방향의 조건에서 p-n접합은 ＜콘덴서(축전기)＞로서 작용한다. 또 p형반도체와 n형반도체를 n-p-n 또는 p-n-p와 같이 3층 구조로 접합시켜 만든 것을 ＜바이폴러트랜지스터(bipolar transistor；쌍극형트랜지스터)＞라 하는데, 이것은 증폭 기능을 가진다. 즉 쌍극형트랜지스터에서 입력 쪽의 p-n접합에 내부전기장이 작아지는 방향으로, 출력 쪽 p-n접합에 내부전기장이 커지는 방향으로 전압을 걸면, 입력 쪽에서 작은 전압에 의해 주입(注入)된 전자가 큰 전압을 건 출력쪽으로 흘러가게 되어 전력이 증폭된다〔그림 4〕. 그리고 이상과 같은 p형반도체·n형반도체의 접합조작으로 이루어지는 다이오드·트랜지스터·콘덴서 및 저항 등의 회로소자를 조합·결합시킴으로써, 여러 가지 기능을 나타내는 시스템회로를 만들 수 있다. 특히 1변이 수㎜∼10㎜인 반도체 조각 안에, 회로소자를 수만∼수십만개 만들어 연결시켜서 하나의 시스템회로가 이루어지게 만든 것을 ＜반도체집적회로(半導體集積回路)＞라 한다.
반도체결정 제조법
집적회로나 보통의 다이오드·트랜지스터 등의 회로소자를 만드는 반도체결정으로는, 크고 질적으로 양호한 결정을 만드는 데에 적합한 ＜초크랄스키법(Czochralskimethod；약칭은 CZ법. 結晶引上法)＞으로 만들어지는 것이 이용된다. 한편 전력용인 트랜지스터·정류기·사이리스터(thyristor；실리콘제어정류기) 등 고내압(高耐壓)을 필요로 하는 소자로는, 고순도·고비저항의 단결정을 만드는 데에 적합한 ＜플로팅존법(floating-zone technique；약칭은 FZ법. 浮游帶鎔融法)＞에 의해서 만들어지는 결정이 쓰인다. 초크랄스키법은 게르마늄단결정의 양산(量産)에 활용되고 있으며, 또한 실리콘단결정 제조에도 이용되고 있다. 실리콘단결정 제조의 경우에는 먼저 고순도 실리콘다결정을 고순도의 석영도가니 안에 넣고, 이것을 도가니 홀더 바깥둘레에 장치한 카본 히터로 가열하여 용융시킨다. 그리고 이 용융액에 종자결정인 실리콘단결정을 담근 다음, 이 단결정을 매분 10회 정도 회전시키면서 매분 1∼2㎜의 속도로 끌어올리면 된다. 이때 도가니와 함께 용융액을 결정의 회전 방향과는 반대 방향으로 회전시켜야 한다. 이상과 같은 조작으로 균일성이 뛰어나고 지름도 큰 실리콘단결정이 만들어진다. 이 제조법으로 초기에는 지름이 약 20㎜인 실리콘단결정이 만들어졌는데, 기술과 장치의 개량으로 해마다 평균 약 6∼7㎜씩 증가하여 지금은 120㎜ 정도의 큰 실리콘단결정도 만들 수 있게 되었다. 한편 플로팅존법은 게르마늄다결정 등의 물리적 정제에 이용되었던 띠정제[帶精製(대정제)] 기술을 발전시킨 것으로 실리콘단결정 제조에도 응용되고 있는데, 오염의 원인이 되는 도가니 등의 용기를 전혀 사용하지 않기 때문에 이 기법으로는 고순도의 단결정을 얻을 수 있다. 이 기법에서는 우선 장치 안에서 부유용융띠를 다결정과 단결정의 중간에 만든다. 이 부유용융띠는 유도코일에 고주파전류(주파수 2∼3㎒)를 흐르게 하여 코일가열을 하는 방법으로서 결정을 부분적으로 용융하는 방법으로 만들면 된다. 그리고 다결정과 단결정을 서로 반대 방향으로 회전시키면서 부유띠 아래의 단결정을 성장하게 한다. 이 과정에서 부유띠는 용융물의 부착력과 응집력에 의해 유지될 뿐이므로 역학적으로는 불안전하지만, 제어기술의 발달로 지금은 이 기법에 의해 초크랄스키법으로 제조되는 것에 가까운 정도로 큰 반도체단결정을 만들 수 있게 되었다. 실리콘이나 게르마늄 등의 흩원소물질반도체와 같이, 녹는점에서의 증기압이 극히 낮은 성분으로 이루어진 반도체결정은 진공이나 아르곤가스 속에서도 성장시킬 수 있다. 그러나 녹는점에서의 휘발성이 높은 성분이 함유된 화합물 등 고휘발성 성분의 반도체결정을 만드는 경우에는, 그 성분의 발산(發散)을 막는 기법이 필요하다. 예컨대 인화갈륨(갈륨인)의 녹는점(1467℃)에서 인의 증기압은 35기압이므로, 인화갈륨용액에서 인화갈륨반도체의 결정을 만들기 위해서는, 그와 같은 고온·고압하에서 결정을 성장시키지 않으면 안되는 난점이 있다. 그러나 인화갈륨용액 위에 산화붕소를 띄우면, 이것이 그 용액 전체를 덮게 되는 현상이 활용됨으로써, 지금은 비교적 쉽게 인화갈륨반도체의 결정을 만들 수 있게 되었는데, 이러한 기법을 ＜액체캡슐법＞이라 한다. 고휘발성 성분의 증기압을 제어하면서 용액에서 결정을 성장시키는 방법에는 ＜수평(水平)브리지맨법＞이 있다. 이 기법은 주로 비소화갈륨(갈륨비소)의 단결정 제조에 응용되고 있는데, 제조 과정은 우선 비소화갈륨과 비소화갈륨의 종자결정 및 과잉비소를 석영앰풀에 봉입하고, 온도 조절을 한 과잉비소를 공급하면서 녹는점에서의 비소화갈륨의 비소압을 유지하여 비소화갈륨의 분해를 억제하면, 비소화갈륨의 결정이 성장하게 된다. 이상과 같은 기법으로 제조된 단결정은 절단·연마의 공정을 거쳐 박판(薄板:웨이퍼)으로 만들어져 반도체결정으로서 이용된다. 이 공정에서 반도체결정의 일부가 자투리로 남게 되어 버려지는 것을 막고, 또 공정을 줄이기 위해, 경제적인 반도체결정 제조 기법인 ＜박판상결정(리본결정) 제조법＞이 고안되어 주목되고 있다. 이 제조 기법에는 과냉각용액 표면에서부터 나뭇가지모양 결정을 끌어올리는 방법과, 구멍이 뚫린 박판상 주형(鑄型)의 한쪽 끝을 용액에 접촉시켜, 그 구멍을 통해 띠 모양 결정을 성장시키는 방법이 있다. 박판상 단결정의 기판(基板) 표면 위에 동일한 또는 다른 단결정의 얇은 층을 성장시키는 것을 ＜에피택시(epitaxy)＞라 하는데, 이는 우수한 다이오드·트랜지스터·집적회로 등을 만드는 데에 꼭 필요한 기술이다. 에피택시는 결정을 액체상인 것에서부터 만드는 ＜액체상에피택시＞와, 기체상인 것에서부터 만드는 ＜기체상에피택시＞의 두 가지가 있다. ＜액체상에피택시＞는 갈륨·인듐 등의 녹는점이 낮은 금속을 사용하여 화합물반도체의 얇은 층을 성장시키는 데 이용되며, 발광다이오드·레이저다이오드 등의 제법으로서 실용화되어 있다. 이 기법에서는 먼저 금속용액에 화합물반도체를 녹여서 포화시킨 후, 온도를 낮추어 과포화의 용질을 기판면 위에 부착시켜 단결정층을 성장하게 한다. 기판면 위에 종류가 다른 여러 가지 반도체결정층을 성장시키는 경우에는, 여러 가지 용액이 각각 들어 있는 용기를 차례로 이동시켜 기판에 접촉시키게 되어 있는 흑연(그래파이트)제의 슬라이드식 보드가 사용된다. 한편 ＜기체상에피택시＞에서는 반응가스화학반응의 생성물을 기판 위에 단결정으로서 퇴적시키는 기법과, 재료 물질을 초진공(超眞空；10torr 이하) 속에서 증발시키고, 그 증기를 기간 위에 증착(蒸着)시켜서 단결정을 성장시키는 기법 등이 이용된다. 이 가스반응 생성물 퇴적 기법의 예로서는, 사염화규소의 수소H에 의한 환원반응으로 얻어지는 실리콘을 1200℃ 정도로 가열한 실리콘기판 위에 퇴적시켜 실리콘단결정을 성장시키는 제조법이 잘 알려져 있다. 이 경우에 디보란 BH 또는 포스핀(기체 인화수소) PH을 약간 반응가스에 혼합함으로써 p형 또는 n형 반도체층을 형성시킬 수 있다. 한편, 후자의 증기 증착에 의한 기체상에피택시는 ＜분자선(分子線)에피택시＞라고도 불리는데, 이 경우에는 초진공 속에서 증착분자를 세공(細孔) 또는 슬릿을 통해 빔 모양으로 만들어서 기판에 부착시켜 박막단결정을 성장시킨다. 이 방법으로는 실리콘뿐만 아니라 다른 여러 가지 반도체 박층(薄層)을 몇 층이고 겹쳐지게 만들 수 있어 활용 범위가 넓다.
반도체소자 제조법
반도체소자(반도체디바이스)는 반도체결정기판의 전기전도율·전기전도형(n형·p-n형 … 등)을 부분적으로 바꾸거나 필요한 부분에 전극 고착과 배선 등을 해서 만든다. 반도체단결정을 제조할 때에는 결정 전체의 전기전도율·전기전도형이 가능한 한 전체적으로 일정하게 되도록 제어하는데, 이렇게 만든 결정에 전극 부착과 배선만을 해서 만드는 소자는 광전도셀·홀소자·펠티에스자가 있는 정도이며 그다지 많지는 않다. 또 단결정을 제조하는 도중에 일부분의 전기전도형을 바꾸어서 p-n접합이 이루어지게 하여 성장시키는 트랜지스터 제조법도 이용된 적이 있었으나, 결정에서 접합이 이루어진 부분만 사용될 뿐, 결정의 대부분을 버리게 되므로 양산성(量産性)이 너무 낮아 현재는 사용되지 않고 있다. 단결정을 절단한 박판(웨이퍼)을 기판으로 사용하여 소자를 만드는 기법에서는, 앞에서와 같이 박판의 전기전도형을 부분적으로 바꾸는 방법을 이용하는데, 이 방법에는 합금법·불순물확산법·불순물이온주입법·에피택시법 등이 있다.
합금법
낮은 온도에서 인듐·알루미늄 등 반도체결정과의 합금을 만드는 기법인데, 여기서는 전기전도형을 바꿀 수 있는 금속을 재료로 이용한다. 이전에는 이 방법으로 게르마늄합금형 트랜지스터, 실리콘다이오드 등이 제조되었지만 접합부분의 정밀 제어가 어렵고, 또한 박판의 일괄 생산이 불가피하기 때문에 현재는 거의 사용되고 있지 않다.
불순물확산법
확산층의 두께를 제어하기가 쉽고, 산화규소 SiO의 막을 마스크로서 사용하며, 확산 영역의 정밀 제어도 가능하다. 또 확산시키는 불순물의 종류에 따라 p형층·n형층을 자유롭게 이룰 수 있게 할 수 있어 널리 활용되고 있다. 예컨대 플레이너트랜지스터 제조의 경우에는 산화막(산화규소막)에 뚫은 구멍을 통해 붕소를 확산시켜 베이스로서의 p형층을 만들고, 또 이 p형층 위에 만들어지는 산화막에 두번째 구멍을 뚫고 이를 통해 인을 확산시켜 이미터로서의 n형층을 만든다. 끝으로 한번 더 산화막에 구멍을 뚫어서 베이스·이미터 양층에 전극을 고착시키면 플레이너트랜지스터가 완성된다〔그림 5〕. 이 방법을 활용하면 박판 위에 다수의 트랜지스터를 동시에 만들 수 있을 뿐만 아니라, 리소그래피를 이용하여 베이스·이미터 양 영역을 정밀하게 제어할 수 있으므로 성능이 우수하고 가격이 싼 트랜지스터를 양산할 수 있게 되었다.
불순물이온주입법
불순물의 이온을 주입하여반도체소자를 만드는 기법으로서, 집적회로 제작의 기본적 기술이다.
이 기법은
① 상온에서도 주입할 수 있고
② 마스크로서 산화막·다결정막뿐만 아니라 감광성수지(포토레지스트)막도 사용할 수 있고
③ 불순물의 첨가량을 정밀하게, 또 균일하게 되도록 제어할 수 있고
④ 1000℃ 이하의 열처리로 충분하며
⑤ 주입층의 두께를 이온의 가속전압으로 제어할 수 있다는
등의 이점이 갖추어져 있다.
이 기법은 불순물확산법과 마찬가지로 바이폴러(쌍극)트랜지스터의 베이스 또는 이미터의 형성, 모스트랜지스터(MOS transistor；metal oxide semiconductor transistor)의 소스 및 드레인의 형성 등에 활용되고 있고, MOS트랜지스터의 역치전압의 조정 등에도 이용되고 있다.
에피택시법
결정을 성장시키는 한 가지 기법이라 할 수 있지만, 결정의 성장 속도가 초크랄스키법 속도의 1/1000밖에 안될 정도로 느리므로, 이 방법은 보통 두께가 수㎛ 정도인 소자용 결정층의 제작에 이용된다. 특히 이 기법의특징으로서 불순물 농도를 기판결정에 대해 독립적으로 설정할 수 있다는 점을 들 수 있다. 즉 이 기법으로는 바이폴러집적회로의 소자층을 만드는 경우와 같이, 고불순물농도층 위에 저불순물농도층을 형성시키는 등의 조작이 가능하다. 예를 들면 바이폴러집적회로를 만드는 경우, 〔그림 6〕과 같이 먼저 p형기판 위에 n형 주입층(＋는 고불순물농도를 나타낸 것)이 확산에 의해 만들어지고, 그 고저항(高低抗)의 n형층이 에피택시에 의해 만들어지며, 이어서 이 n형층 안에 저항·다이오드·트랜지스터가 만들어져 자리잡게 된다. 그리고 화합물반도체 분야에서는 액체상에피택시로 저온에서 양질의 결정층을 형성하게 하는 기법이 건다이오드(Gunn diode)의 동작층(動作層)·전극층, 레이저다이오드의 헤테로접합, 발광다이오드의 p-n접합 등의 제조에 이용된다.
반도체의 응용
대표적인 반도체소자인 다이오드·트랜지스터는 소형, 경량(輕量), 전력 절감, 수명 연장 등의 장점을 활용하게 하면서, 이전에 흔히 사용되었던 진공관·방전관 등의 정류·검파·증폭·발진(發振) 등 분야를 점차 침식(侵蝕)해 왔으며, 이 결과 이제 진공판은 고주파·고출력을 필요로 하는 극히 일부 분야에 한하여 이용하게 되었다. 현재 반도체소자에는 보통의 다이오드 및 트랜지스터 이외에 ＜사이리스터＞ ＜제너다이오드(定電壓다이오드)＞ ＜건다이오드＞ ＜임파트다이오드＞ 등 많은 종류가 있다. 이 밖에도 빛과 관계있는 것으로서 발광용·수광용이 있는데 발광용인 ＜발광다이오드＞ ＜레이저다이오드＞ 등은 화합물반도체로 만들어지고, 수광용인 ＜포토다이오드＞ ＜포토트랜지스터＞ 등은 실리콘 또는 게르마늄 등의 홑원소물질반도체로 만들어진다. 또한 광기전용(光起電用)으로서 실용화된 ＜태양전지＞에 있어서는, 광-전기 변환효율이 12％ 정도인 것은 실리콘반도체로, 15％ 정도인 것은 비소화갈륨반도체로 만들어진다. 이상의 예는 p-n접합의 성질을 이용한 것이며, 단결정의 성질을 이용한 것으로는 자기장검출용인 ＜홀소자＞, 전자냉각용인 ＜펠티에소자＞, 열전자발열용인 ＜제벡소자＞, 광검출용인 ＜광전도셀＞, 변형계(스트레인 게이지)용 ＜압전효과소자(壓電效果素子；피에조효과소자)＞ 등이 있다. 또한 단결정으로 되지 않는 산화물반도체는 가스 센서 서미스터 등 뿐만 아니라, 전자관의 음극 재료로 이용되기도 한다. 반도체는 저항이나 콘덴서 등 회로부분에도 활용되고 있다. 또한 한 반도체 속의 소자나 부분품을 전기적으로 분리할 수도 있다. 이 성질을 이용하여, 어느 한 가지 기능을 담당할 수 있는 전자회로를 일관작업에 의해 하나의 반도체 기판 위에 제작한 것을 ＜반도체집적회로＞ 또는 간단히 ＜집적회로(IC:integrated circuit)＞라고 한다. 집적회로는 더 나아가서 ＜고밀도집적회로(LSI:large scale integrated circuit)＞ ＜초고밀도집적회로(VLSI；very l. s. i. )＞로 발전하였다(LSI는 대규모집적회로라고도 불린다). VLSI를 SLSI라고도 하는데, S는 super의 머리글자이다. 반도체는 앞으로 더욱 고성능화되고 신뢰성이 높은 전자회로 등의 소형화·경량화에 기여하게 될 것이다. 그리하여 반도체의 응용범위는 종래의 진공관·트랜지스터의 응용범위를 넘어 사회의 모든 분야에서 활용될 것이다.
한국의 반도체
한국에서 처음으로 반도체소자가 생산된 것은 1965년으로, 미국의 고미그룹이 국내에 합작투자회사를 설립하여 트랜지스터를 조립·생산하였다. 그 뒤 페어차일드·모토롤라·시그네틱스 등 여러 외국업체가 노동집약적 단순조립을 목적으로 들어와, 초보적 반도체기술을 이전하였다. 1970년대말 정부출연연구소를 중심으로 반도체IC 기술개발체제의 구축과 1980년대초 민간기업체의 대규모 투자가 시작되면서 반도체 분야의 체계적인 기술이 축적되게 되었다. 따라서 1974년 이전까지의 웨이퍼(wafer)에서 떼어낸 칩(chip)만을 수입한 후리드선을 부착·밀봉하여 재수출하던 단순조립수준을 벗어나 웨이퍼가공에서 칩까지를 독자적으로 제조·생산할 수 있는 웨이퍼 프로세스기술을 연구, 개발하기에 이르렀다. 1983년 국내에선 처음으로 64KD램을 개발, 시험생산에 성공하였다. 이후 1984년 256KD램, 1986년 256KS램과 1MD램, 1988년 4MD램과 1MS램 등의 개발에 성공, 반도체산업에서의 기술발전을 거듭하였다. 1993년 64MD램에 이어 1994년에는 세계 최초 256MD램(삼성전자)을 개발하여 미국IBM, 일본도시바, 유럽지멘스를 제치고 반도체메모리분야에서의 기술우위를 차지하였다.
반도체 - 종류별....반도체란?
