반도체는 pn junction이 베이스인 소자입니다.
발광, 정류 특성 등 반도체에서 이용되는 특성은 모두 pn 접합으로 인해 생깁니다.
p-si, n-si를 접합시키면, 같은 재료의 반도체를 접합하였기 때문에 homojunction이라고 부릅니다.
Q. 반도체의 모든 접합은 homojunction 일까요?
반도체에 전압을 가해주기 위해 금속을 반도체에 붙이기도 하고, 더 고성능의 반도체를 만들기 위해 반도체에 다른 반도체를 결합시키기도 합니다. 이런 결합을 Heterojunction이라고 하지요.
오늘 설명드릴 주제는 Heterojunction입니다.
Heterojunction의 분류
Heterojunction는 크게 두 가지로 나뉩니다.
1. Metal-Semiconductor Heterojunction
금속-반도체 이종결합입니다.
2. Semiconductor Heterojunction
서로 다른 반도체-반도체 이종결합입니다.
1. Metal-Semiconductor Heterojunction
반도체에 전압을 가하기 위해 반도체 위에 각각 n-electrode, p-electrode가 증착되어 반도체-금속 결합을 하고 있습니다.
이런 구조를 Metal-Semiconductor heterojunction이라고 합니다.
2. Semiconductor heterojunction
n-GaN 위에 InGaN MQW 박막이 증착되어 있습니다.
InGaN MQW 위에 p-GaN 박막이 증착되어 있습니다.
서로 다른 반도체끼리 결합이 되어 있죠. 이런 구조를 Semiconductor heterojunction이라고 합니다.
이번 장에서는 Heterojunction 중 Metal-Semiconductor Heterojunction에 대하여 설명해 드리겠습니다.
Metal -Semiconductor Heterojunction
Metal-Semiconductor Heterojunction에는 크게 두 가지 종류의 contact이 있습니다.
1. Ohmic contact(저항성 접촉)
모든 방향의 전압에서 전류가 흐릅니다. (옴의 법칙을 따라 흐릅니다.)
금속과 반도체 간의 Ohmic contact은 필수적입니다.
2. Schottky contact(정류성 접촉)
순방향 전압을 걸어줬을때 전류가 흐르고, 역방향 전압을 걸어줬을 때 전류가 흐르지 않습니다.
즉, pn junction과 마찬가지로 정류 작용을 하는 접촉이라고 생각하시면 됩니다.
반도체 - 금속 접합에 있어 '지양'해야 할 접촉입니다.
일함수, 전자 친화력
앞서 말씀드렸다시피, 반도체, 금속 간의 Ohmic contact가 필수적이라고 말씀드렸습니다.
Ohmic contact를 만드는 조건이 굉장히 까다롭습니다.
이를 이해하기 위해 먼저 일함수와 전자 친화력에 대해서 아셔야 합니다.
1. 일함수
일함수의 정의 : 물질 내에 있는 전자 하나를 진공 중으로 끌어내는 데 필요한 최소의 일 또는 에너지.
쉽게 설명드리면, 금속 표면으로부터 전자 1개를 떼어내는데 필요한 에너지를 말합니다.
일함수가 크면, 전자 하나를 떼어내기 굉장히 어렵습니다. (Pt : 5.65)
일함수가 작으면, 전자 하나를 떼어내기 굉장히 쉽습니다. (Ag : 4.26)
일함수는 진공 준위 E0와 페르미 준위 Ef와의 차이를 말합니다.
반도체 같은 경우는 도핑에 따라 페르미 에너지가 바뀌기 때문에 일함수가 바뀝니다.
금속 같은 경우는 일함수가 바뀌지 않고 상수로 고정되어 있습니다.
2. 전자친화력
전자 친화력의 정의 : 진공 중에 무한히 떨어져 있던 중성 원자와 전자가 서로 접근하여 결합할 때 방출되는 에너지.
전자 친화력의 값이 '양'이면 전자를 계속 가지려는 성질입니다. 전자 친화력 값이 클수록 전자를 계속 붙잡으려고 하겠죠.
전자 친화력의 값이 '음'이면 전자를 계속 버리려는 성질입니다. 쉽게 방출하려고 하겠죠.
반도체에서 진공 준위 E0와 전도대역 최저 에너지 Ec와의 차이를 말합니다.
*에너지 밴드갭이 커지면 전자 친화력이 작아집니다. 에너지 밴드갭이 아주 커지면, 전자 친화력이 음수가 나올 수도 있습니다.*
위 내용들을 모두 인지하시고, 먼저 쇼트키 contact에 대해서 설명을 해드리겠습니다.
순서가 뒤죽박죽이지만, 쇼트키 컨택을 먼저 설명해드리면, 오믹 접촉의 조건을 말씀드리기 쉬워지기 때문입니다.
Schottky Contact
n형 반도체 쇼트키 컨택 : (metal 일함수 > semi 일함수)
n형 반도체의 페르미 에너지 레벨이 더 높으므로, 전자가 반도체에서 금속으로 페르미 에너지 레벨이 같아질 때까지 이동을 하게 됩니다. 이에 따라 n형 반도체의 donor가 전자를 잃고 양이온만 남게 됩니다.
따라서 양이온만 남은 depletion region의 에너지 밴드가 위로 올라가게 됩니다.
**양이온 축적 시 에너지 밴드가 위로 올라간다고 생각하시면 됩니다.
이로 인해 왼쪽(금속)에서 오른쪽(반도체)으로 전자가 이동하는 구간에 Barrier가 생깁니다. 이를 쇼트키 배리어라고 합니다.
반대로 오른쪽(반도체)에서 왼쪽(금속)으로 전자가 이동하는 구간에도 내부 전위 장벽이 생깁니다. (배웠던 것입니다.)
바이어스를 걸었을 때입니다.
역방향 바이어스일 때는 쇼트키 장벽은 그대로, 내부 전위 장벽은 더 커짐을 알 수 있습니다.
순방향 바이어스일 때는 쇼트키 장벽이 매우 조금 낮아지고, 내부 전위 장벽은 더 작아짐을 알 수 있습니다.
Ohmic contact
n형 반도체 오믹 컨택 : (metal 일함수 < 반도체 일함수)
금속으로부터 n형 반도체 전도대로 전자가 이동합니다. 이에 따라 전자가 계면에서 축적되어 계면이 down 됨을 알 수 있습니다.
이 내용을 p형 반도체에 적용을 해보면, n형 반도체의 조건과 다 반대됨을 알 수 있습니다.
위 모든 내용을 정리한 표입니다.
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