반도체 특강 [3] 20세기 최고의 발명품, 점 접촉 트랜지스터

 

 반도체가 비교적 다른 발명품보다 늦게 등장한 이유는 절연체, 반도체, 도체 틍성을 갖는 물체들을 서로 연이어 붙일 때 두 개의 물성 간에 화학적 접합이 어렵기 때문이다. 물리적 접합은 2가지 이상을 서로 갖다 붙이기만 하면 되지만, 반도체에서 화학적 접합은 조건이 있다. 2 가지 이상의 부품을 서로 갖다 붙이되, 접합되어 있는 경계면이 전자 혹은 전자와 상응한 입자들이 접합 경계를 타고 넘어 다른 물질로 왕래될 수 있어서 물성적 교류가 발생해야 한다. 

 

반도체 접합이란?

▲ 극한의 외적조건(고온, 진공, 플라즈마, 고압)을 필요로 하는 반도체 공정 출처: 유투브

 

 물질의 이종간 접합에서 기체나 액체의 경우에는 물성적 결합이 용이하지만, 고체끼리는 대부분 화학적 결합 자체도 불가능해 접촉 그 자체로는 물리적 접합 수준이다. 그러나 특수한 외적 조건 ( 준진공 상태 혹은 섭씨 1,000도 가까이 되는 높은 온도 )에서는 고체와 고체의 접합에서도 물성적 교류를 유발시킬 수 있다. 따라서, 반도체 공정에서는  준진공, 플라즈마, 고온, 고압 등을 활용한 방식이 자주 이용된다. 이는 반도체 장비 가격들의 가격이 고공행진을 하는 이유이기도 하다. 반도체의 기술이 고도화될 수록 극한의 공정 조건들이 더욱 필요해지는 것이다.

 

2극 진공관의 발명과 전자공학의 탄생

▲ 엠부로스 플레밍의 진공관 다이오드, AC교류사용을 거부했던 에디슨의 백열전구 아이디어에 교류를 연결하여 정류한 장치이다. 출처 : Linda Hall Library

 

 고체 간의 물리적 접합 중 금속과 금속 사이는 유일하게 전자의 이동이 쉽게 일어난다. 그러나 금속과 반도체, 특히 반도체와 반도체 간 단순 물리적 접합 면에서는 전자의 이동은 거의 불가능하다. 그래서 처음 전자의 이동은 이동은 손쉬운 '금속과 기체 간의 접합'으로 시작하게 되었다.

 

에디슨의 회사에서 일하던 영국인 '엠브로스 플레밍'은 백열 전구 속에 극판을 하나 더 추가한 에디슨 효과에 전류를 연결해 2극 진공관을 이용한 진공관 다이오드를 만들었다.( 진공관은 전자 공학이라는 분야를 탄생시킨 계기를 마련한 중요한 발명품이다.)

 이는 기체 상태로 낮은 기압을 쉽게 만들 수 있다는 점을 이용하였으며, 준진공상태에서도 이질적 물질인 금속과 기체의 경계면에서 열전자를 발생시킨 경우이다.

 

 진공을 적용한 이유는 챔버 내의 공기 입자들을 가능한 밖으로 많이 뽑아내줘야하기 때문이다. 전자가 진공관 속에서 직진할 때 다른 전자(원자내) 혹은 다른 입자(원자 핵 등)과 부딪히는 경우가 적다.

 

고체 반도체 개발, 점에서 면으로

▲ 바딘과 브레튼에 의해 개발된 점 접촉식 최초의 트랜지스터 볼품없는 모습에 언론에서는 발표 당시 냉담한 분위기였습니다. (출처: the Silicon Engine)

 반면 2극 진공관은 다극 진공관으로 발전을 거듭하였는데, 진공관은 '부피가 너무 크다'는 치명적인 단점을 가지고 있었다. 진공관으로 연결된 회로를 탑재한 우주 로켓은 로켓 추진체가 부피와 무게를 감당할 수 없어 쏠 수 없었다.

 

1948년에는 이러한 단점을 보완하기 위해 미국 벨 연구소의 존 바딘과 월터 브레튼에 의해 고체끼리도 전자의 상호작용이 가능하도록 하는 '점 접촉식 반도체'가 발명되었다. 초창기 진공관 크기를 1/100배 이상 줄인 고체 소자가 등장한 것이다. 이는 전자를 금속에서 기체로 뽑아내던 기술을 발전시켜, 전자를 반도체에서 반도체로 이동시켰다.

 

  오래전부터 독일을 포함한 유럽의 많은 나라들도 진공관의 단점을 개선하기 위해서 벨 연구소와 유사한 고체연구를 진행하였다. 만일 독일이 먼저 개발했다면, 세계전장의 결과가 달라졌을 수도 있는 발명이다.

▲ 질적인 현대 트랜지스터의 모태인 쇼클리의 면접촉식 반도체, 입체적 직육면체를 2차원 단면으로 표시한 JFET 특허 그림 출처: 구글 특허

 

 

 고체 반도체의 점 접합 방식을 발전시켜 3년 뒤인 1951년 윌리엄 쇼클리가 면 접촉식 바이폴러 트랜지스터(BJT)를 개발하였다. 좁은 점 접촉 영역보다 면이라는 넓은 영역을 통과하는 전자량이 기하 급수적으로 많이 때문에 면 접촉식이 'Switching 동작'을 할 수 있는 진정한 의미의 트랜지스터 발명이다.

 

스위칭 동작: 전류를 흐르게 하거나 차단하는 것

 

전자와 정공의 확산 이동

▲ N형-P형 반도체의 Junction(화학적 접합면)에서 다수 이동자인 전자와 정공의 확산이동

 

 JFET(Junction FET) 반도체에는 전기적 상호반응이 없는 Junction 영역이 2 군데가 있다. 이곳을 공핍영역( Depletion Region ) 이라고 한다.  그런데 이 영역은 고체 반도체 소자를 생성시킨 직후에는 오히려 전자와 같은 다수 이동자들의 확산 반응이 가장 활발하게 일어났던 N형 반도체와 P형 반도체의 접합 지역이다. 서로 다른 반도체 물질 2개가 화학적 접합이 되면, 다수 Carrier인 전자와 정고잉 외부 에너지 공급 없어도 서로 상대방 영역으로 침투해서 들어간다.

 

 이는 내부에서 자생적으로 발생한 확산에너지로부터 동력을 받아서이다. 확산 에너지의 원천은 '농도의 차이'이다. 반도체 내에의 농도의 기울기가 클수록 상대방 불순물 영역으로 들어가는 다수 이동자의 확산된 길이가 깊어진다. 

 

 

반도체에서 농도의 본질은 무엇일까?

 농도는 단위 체적 당 생성된 다수 이동자들(혹은 소수 이동자)의 숫자이다. 이러한 다수 혹은 소수 이동자들은 반도체 공정 중에 만들어진다.

 

반도체 접합면을 만드는 도핑 공정

▲ P-well 속에서 Source단자와 Drain단자가 만들어 낸 두개의 접합면(Junction)을 갖는 트랜지스터

 

 

 2 개의 접합면을 가지는 트랜지스터를 만들어보자.

 

 먼저 순도 99.999%의 4족 원소와 5족 원소를 높은 온도 챔버 속에서 섞어서 잉곳(Ingot) 이란 N 형 반도체 덩어리를 만든다. 이를 감자칩 같은 Wafer로 자른 후에, 반도체 라인으로 들어오면 N형 반도체 위에 P형 Well을 만든다. P-Well은 3족 이온을 N형 반도체 위에 임플란팅 하고 나서 고온 확산을 거쳐 형성한다. 이때의 3족 원소로는 붕소만 가능한다. 같은 3족인 알루미늄이나 인듐 등은 고체 내에서 4족 원소와 섞이는 정도인 '고체 용해도'가 너무 떨어져서 사용하지 못한다. 

 

 그런 뒤에 P형 불순물 반도체 속으로 농도가 더욱 높은 5족 불순물 원소를 강제적으로 주입하기 위해 또 다시 고압 이온 임플란팅 방식으로 도핑한다. 농도가 높을 수록 전자의 개수가 많아지므로 전도율은 상승한다. 이온 임플란팅 방식의 도핑 시에는 마스크로 5족 원소가 침투할 영역 이외에는 차단시키고, 5족 불순물이 도핑되면 고온을 가하여 도핑된 5족 이온들이 3족 기판 속으로 깊숙이 확산하게 하여 N+ 형 반도체 영역이 더욱 넓게 도핑되도록 만든다.

 

  그렇게 되면 N+ 반도체와 P형 반도체 사이는 화학적 접합이 되고, 그 접합면을 통해 조건이 맞다면 전자나 정공이 자유롭게 이동하게 된다. 이동 방시은 외부에서 전위에너지가 없는 상태에서 이뤄지는 '확산'이동과 외부에서 각 단자에 전압을 가했을 때 발생되는 'Drift 전류'가 있다.

 

 

https://news.skhynix.co.kr/post/best-of-the-20th-century

[반도체 특강] 20세기 최고의 발명품, 점접촉 트랜지스터