[Day4] 결정성 반도체

안녕하세요! 반도체 자세하게 알려주는 "띵주"입니다.

"전공자를 위한 자세한 반도체 이론" 카테고리에 포스팅하는 글들은

반도체를 전공으로 하는 학부생을 대상으로 "반도체공학"에서 배우는 이론 및 지식들을 깔끔하게 정리하는 게 목적입니다.

이번 포스팅에서는 "결정성 반도체"를 주제로 정리해 보겠습니다.

---

결정성 반도체

- 반도체 소자와 집적회로를 구성하는 핵심 재료로는 주기적인 원자 배열을 가진 결정성 반도체(Si, Ge, GaAs, InP, GaN)가 주로 사용됩니다. 이러한 단결정 반도체는 원자배열의 주기성에 따라 고유의 전기적 및 광학적 특성을 가지며, 반도체 소자와 집적회로를 구현하는 재료로 유용하게 활용됩니다.

---

비정질 반도체 및 다결정 반도체

- 산화규소막(SiO₂, SiOₓ)과 질화규소막(Si₃N₄, SiNₓ)은 원자 배열의 주기성이 없지만, 반도체 소자 및 집적회로에서 중요한 절연체로 널리 사용됩니다.

 

- 특히 넓은 면적에 균일한 특성이 요구되는 대면적 디스플레이 같은 시스템을 구현할 때는 비결정성 유리나 플라스틱 기판 위에 반도체를 성장시켜야 하며, 이때 본래 결정성인 Si도 비정질 형태로 사용됩니다.

 

- 결정성을 가지지 않는 비정질 실리콘(a-Si)은 태양전지나 대형 평면 TV의 박막 트랜지스터(TFT) 제작에 꼭 필요한 재료로, 정보통신 시스템과 Si 기반 집적회로 구현에 핵심적인 역할을 합니다.

 

- 또한 비정질 반도체층에 증착된 실리콘은 일정한 결정성이 포함된 다결정 실리콘(Poly-Si)으로 존재합니다. 비록 단결정 실리콘보다 전기적 성능은 다소 낮지만, 다양한 반도체 소자 및 집적회로에 실용적으로 쓰입니다.

---

반도체소자 및 집적회로 구현에 사용되는 예

아래 표는 아날로그 및 디지털 집적회로 구현에 사용되는 전자 소자들과, 빛을 전기 신호로 변환하거나 전기 에너지를 빛으로 바꾸는 데 널리 사용되는 반도체를 구분하여 정리한 것입니다.

구분	종류	전기전도성	응용
단결정	Si (실리콘)	반도체	고성능 전자소자와 집적회로, 수광/광검출 소자, 이미지 센서
	Ge (게르마늄)	반도체	고성능 전자소자와 집적회로, 수광/광검출 소자, 이미지 센서
	GaAs, AlAs, InP, InAs, GaP, GaN, AlN	반도체	초고속/초고주파 전자소자, 발광/수광 소자
	AlGaAs,InGaAs, InGaAsP, AlGaN	반도체	이종접합을 이용한 초고주파 전자 소자, 발광/수광 소자
다결정	Poly-Si	반도체	태양전지, 디스플레이용 트렌지스터, MOSFET의 Gate
비정질	a-Si	반도체	태양전지, 대면적 디스플레이용 트렌지스터
	비정질 산화물 반도체(AOS)	반도체	대면적 투명 디스플레이용 트렌지스터
	SiO2 (산화규소)	부도체	반도체소자와 집적회로의 절연막
	Si3N4 (질화규소)	부도체	반도체소자와 집적회로의 절연막
	Al2O3 (알루미나)	부도체	반도체소자와 집적회로의 절연막

---

마무리하며

이번 글에서는 반도체 소자와 집적회로 구현의 핵심이 되는 결정성 반도체를 중심으로, 그와 대비되는 비정질 반도체 및 다결정 반도체까지 폭넓게 살펴보았습니다.

결정성 반도체는 소자의 성능을 결정짓는 핵심 재료이며, 비정질 및 다결정 반도체는 특수한 응용에 맞춰 활용됩니다. 각 재료의 결정성과 전기적 특성을 이해하는 것은 반도체 소자와 회로 설계의 기초가 됩니다.

 

이처럼 반도체 소자의 성능과 활용 범위는 재료의 결정성에 따라 크게 달라지며, 각 재료의 특성을 이해하는 것은 전공자로서 소자의 구조와 동작 원리를 깊이 있게 파악하는 데 큰 도움이 됩니다.

같은 내용을 반도체를 전혀 모르는 비전공자를 대상으로 "반도체"를 쉽게 풀어서 설명하는 내용을 원하시면 아래 링크를 참고하세요.

단결정, 다결정, 비정질 반도체의 종류와 응용 예