반도체 특강 [2] 자유 전자

 

 전자는 마찰을 일으켜 생성된 정전기에서도 얻을 수 있고, 발전소에서 처럼 자석을 철심 속에 회전을 시켜 '유도'해내기도 한다. 

 

 반도체의 경우에는 어떨까?

 

 반도체에 전자가 생기려면 분자의 상호작용이 이루어져야한다. 이때, 분자의 공유결합에 참여하지 못한 잉여 전자는 외부 에너지를 얻어 원자의 속박으로부터 탈출할 수 있다. 이를 바로 '자유전자'라고 한다. 이 자유 전자가 많이 모이게 되면 반도체 속을 몰려다니며 트랜지스터를 ON/OFF 동작하도록 하는 것이다.

 

Si(실리콘)

 

태양의 모습과 실리콘을 사용한 반도체 웨이퍼의 재료인 잉곳

 

 지구의 표피에 있는 지각을 구성하는 원소 중에 제일 많은 원소인 산소 다음으로는 규소(실리콘)이 있다. 반도체의 기본 원소로 사용되는 실리콘은 거슬러 올라가면, 태양에서부터 왔다. 태양의 핵융합 반응시에 산소 다음으로 많이 만들어지는 것이 이 실리콘이다. 태양에서 이탈되어 나온 지구의 표피에 자연스럽게 많아진 원인이 된 것이다. 실리콘은 반도체 재료로도 사용되어 세상을 윤택하게 만들었다.

 

눈으로 보기 쉽게 그려놓은 실리콘 결합 구조, 회전축이 세차운동 형태로 이동하면서 타원 궤도를 그리는 행성

 

 실리콘 원자들 속에 갇혀있는 전자들이 바라본 세상은 사각형의 구조물들이 얽혀있는 공간이다. 실제로 이러한 구조물이 존재하는 것이 아닌, 원자핵의 구심력에 의하여 도망가지 못한 전자들이 서로 결합된 형태이다. 이를 쉽게 비유하자면, 태양계에 갇혀 일정 궤도만을 돌고 있는 지구에서 바라본 우주의 별과 행성과 비슷하다. 태양의 자리에 원자핵이 위치해있고, 지구 같은 행성의 자리에 원자핵에 부속된 전자들이 고유의 궤도를 돌고있는 비슷한 형태라고 생각하면 된다.

 

 다만, 태양계와 다른 점은 실리콘의 원자핵과 부속 전자들이 균일하고 규칙적으로 수도 없이 일정한 간격으로 도열하여 제 위치 혹은 그 주위 범위를 지키고 있다는 것이다. 그곳에서 각각의 실리콘 원자들은 서로 다른 4개의 원자들과 연결고리를 만들어 공생하고 있습니다. 실리콘 원자핵은 가장 밖의 궤도에서 돌고있는 최외각에 4개의 전자들을 거느리고 있으면서 이웃하는 4개의 실리콘 원자핵과는 최외각전자들을 2개씩 공유한다.

 

건설적 파괴, 이온 임플란테이션

 

▲ 높은 전압을 이용하여 실리콘 원자 내로 불순물 양이온을 침투시킨 형태

 

 14족 실리콘은 자체적으로 매우 안정적이다. 따라서, 실리콘이 내부적으로는 안정적이긴하지만 외부와는 거의 소통하지 않는 특성을 보인다. 이러한 안정적인 실리콘 원자에 불순물을 넣으면 어떻게 될까?

 

 15족 원소를 강한 전압을 이용하여 넣으면 강력한 에너지에 이끌린 불순물 이온들이 실리콘 원자들이 형성하고 있는 공유결합을 끊어내기도 하고, 실리콘 원자들 가까이에서 존재하기도 합니다. 높은 전압을 이용하여 불순물 양이온을 강제적으로 침투시키는 것을 반도체 공정에서 '이온 임플란테이션 공정'이라고 한다. 이때까지는 이온들이 주변의 실리콘 원자들과 결합을 맺지는 못한 상태이다.

 

어널링, 결정 구조의 회복

 

▲ 이온 임플란트 후의 파괴된 표피층에 대한 어닐링 전후

 

 15족 원소의 이온 임플란트 공정을 진행한 후에는 불순물 이온들에 의하여 실리콘 근방의 실리콘 결정격자가 파괴된다. 그러다가 온도를 매우 높게 올리면, 주위의 전자들은 너무 더워서 실리콘 원자핵 집단으로부터 밖으로 뛰쳐나가려고 한다. 이렇게 일정시간 동안 높은 온도로 파괴된 부분을 가열하여 풀림을 시키면, 4족과 5족의 원자들이 서서히 1개씩 전자를 내어놓고 공유결합을 하게 된다.

 

 이처럼 거의 원래 상태에 준한 결합 상태로 회복이 되는 것을 '어닐링'이라고 한다. 강제로 치완된 3족(13족)/5족(15족) 불순물들이 4족 실리콘과 잘 연결되도록 도와주는 역할을 합니다. 어닐링을 통해 트랜지스터의 3개의 단자 중 2개의 단자(소스/ 드레인) 단자가 동시에 형성됩니다.

 

잉여 전자의 생성

 

▲ 4족 실리콘 원자가 5족 안티몬 원자로 치환되어 공유 결합한 후, 잉여전자가 생성된 상태인 N-type 반도체

 

 Source 단자는 '전자들을 공급'하는 발원지이고, Drain 단자는 '전자들을 빨아들이는 곳'이다. 현재의 MOSFET은 Source에서 Drain으로 전자들을 이동시켜 스위칭 동작을 결정하는 데, 이들 전자를 공급하기 위해선 MOSFET 내부적으로 적정량의 잉여전자나 잉여정공을 만들어내야한다. 잉여 전자는 안정적인 실리콘에 불순물을 주입(도핑)시켜 생성시킨다.

 

 불순물 도핑은 4족원소끼리의 결합 중 원자를 떼어낸 후 높은 온도에서 새로운 5족, 3족 원소를 맞아 완성된다. 즉, 이온 임플란테이션과 어닐링 2가지 공정을 거쳐 진행된다. 

 

원자핵으로부터의 자유, 반도체 동작의 시작

 

▲ N-type 반도체인 5족-4족 결합으로부터 탈출한 자유전자 모형

 

 현재까지 개발된 기술 수준에서 반도체 동작시키는 매개체는 '전자'뿐이다.

 메모리 반도체의 ON/OFF 기능을 제대로 동작시키려면 의도한 바에 따라 전자 개체를 만들어내고 또 만들어진 전자들을 정해진 계획대로 움직일 수 있어야한다. 지구상에서 전자를 얻으려면 원자 내부 시스템의 가장 밖의 껍질을 돌고 있는 최외각 전자를 끄집어내야한다. 일반적으로 이 방법은 매우 어려운 작업이기 때문에 일부 국한된 영역에서만 활용하고 있다.

 

 그러나, 반도체 산업에서는 높은 기술력을 활용해 적은 에너지로 자유 전자를 비교적 쉽게 얻어냈다. 가장 대표적인 N형 반도체에서는 5족 불순물을 도핑시켜 생성한 잉여 전자에 약간의 에너지를 가하여 결합에서 탈출시킬 수 있다. 이러한 방식은 일반적인 원자의 최외각 전자를 탈출시키는 데 필요한 에너지의 1/10 이하로 사용한다.

 

 

원본 자료입니다.

https://news.skhynix.co.kr/post/electronic-journey-in-semiconductors

[반도체 특강] 반도체 속의 전자 여행: 자유전자의 탄생