반도체 물성과 소자) 10. 반도체 Heterojunction

반도체 - 금속 접합에 대해서 배웠습니다.

2022.10.26 - [반도체 공학/반도체 소자 이론] - 반도체 물성과 소자) 9. Metal Semiconductor Heterojunction

반도체 물성과 소자) 9. Metal Semiconductor Heterojunction

이번 시간에는 서로 다른 반도체끼리 접합하는 heterojunction에 대해서 배우겠습니다. 

 

고성능의 반도체를 구현하기 위해 서로 다른 반도체끼리 접합시키는 경우가 많습니다.

현재 대부분의 반도체가 다 'heterojunction structure'죠. 특히 LED, Solar cell에 적용됩니다. 

 

 

 

 

Heterojunction MOSFET

Heterojunction의 정의

두 개의 상이한 반도체가 접합되어 있는 것을 이종접합(heterojunction)이라고 합니다.

Heterojunction을 이해하기 위한 이론

1. 물질이 다르기 때문에 당연히 Energy band가 다릅니다. 

에너지 밴드

a) 에너지 밴드가 겹친 경우 (대부분 반도체는 여기에 속합니다.)

b) 에너지 밴드의 일부가 겹친 경우

c) 에너지 밴드가 겹치지 않은 경우

 

2. 격자 상수의 부정합(lattice mismatch)이 존재합니다. 

물질은 모두 격자 상수(lattice constance)가 다릅니다.

격자 상수가 크게 다른 물질끼리 접촉 시, strain 등의 결함이 생겨 반도체 계면에 추가적인 에너지 준위를 생성합니다. 

표면에 결함이 너무 많으면 위 반도체의 단결정 성장이 되지 않을 수도 있습니다. 

계면에 에너지 준위가 추가적으로 생기면, carrier들이 trap되어 전기적 성질이 안 좋아집니다.

즉, 최대한 lattice mismatch가 적은 반도체끼리 결합을 시켜야 합니다.

결함 및 에너지 준위를 없앨 수는 없지만 minimize 해야겠죠.

 

3. 이종 접합 종류

이형 : 접합 양쪽에 도핑 물질이 서로 다릅니다. (nP, Np)

동형 : 접합 양쪽에 도핑물질이 동일합니다. (nN, pP) 

*여기서 대문자는 wide band gap 물질을 나타냈습니다.  

 

 

a) 에너지 밴드가 겹친 경우, nP에 대해서 설명을 해드리겠습니다.

before contact

컨택 전 페르미 에너지 준위는 Wide p형 반도체보다  n형 반도체가 더 높습니다.

컨택 시, 페르미 에너지 준위가 일정해질 때까지 p형 반도체로 전자가 이동하게 됩니다. 

왼쪽 n형 반도체의 계면에는 전자가 빠져 양이온이 남게 되어 에너지 밴드가 위로 올라게 되고

오른쪽 p형 반도체의 계면에는 전자가 들어와 전자가 많아져 에너지 밴드가 아래로 내려가게 됩니다. 

 

after contact

contact 전과 후에 델타 Ec, 델타 Ev 값은 변하지 않습니다. 그림이 좀 과장되게 그렸네요.

공간 전하 영역 폭도 반도체 별로 다르며, 진공 레벨도 달라지게 됩니다. 

 

a) 에너지 밴드가 겹친 경우, nN에 대해서 설명해 드리겠습니다. 

마찬가지로, space region이 생기고, band offset이 생김을 알 수 있습니다. 

 

nN 접촉시 2DEG 형성이 되기도 합니다. narrow band의 conduction band가 fermi 레벨보다 낮은 경우에, 축퇴 반도체가 일어나게 됩니다. 전자가 엄청 많은 거죠. 계면에 수직인 방향으로는 양자화된 에너지 준위를 갖지만, 다른 이차원 공간 방향으로는 자유롭게 움직이는 상태가 되어 모빌리티가 엄청 커집니다. 즉, 전자가 엄청 자유롭게 됩니다. 

이러한 성질을 이용해 고속 전자 소자로 HEMT device가 발명되었습니다.

 

p형 같은 경우는 다음과 같습니다. 

 

 

마지막으로 LED 반도체 에너지 밴드를 응용해드리고 마치도록 하겠습니다. 

이 문제는 한 기업의 면접에서 그려보라고 해서, 제가 실제로 그렸던 문제입니다.