[반도체 공학] 도핑 방법과 PN 접합 (확산법, 이온주입법)

오늘 게시물은 반도체 도핑 방법과 반도체 PN접합입니다.

반도체의 종류

① 진성 반도체 : 순수한 4가 원소로 이루어진 반도체 ex)Si

② 외인성 반도체 : 4가 원소에 3가 또는 5가 원소를 주입하여 형성된 반도체입니다. 3가 원소가 주입되면 P-type 반도체이고, 5가 원소가 주입되면 N-type 반도체가 됩니다.

 

- P type : 3가 원소로 붕소(B), 알루미늄(Al), 인듐(In), 갈륨(Ga) 등이 있다. 4가 원소에 3가를 치환해주면 여분의 정공이 생겨나게 되므로 다수운반자는 정공이 된다.

 

- N type : 5가 원소로 인(P), 비소(As), 안티모니(Sb), 비스무트(Bi)) 등이 있다. 4가 원소에 5가를 치환해주면 여분의 전자가 생겨나게 되므로 다수운반자는 전자가 된다.

 

어떤 물질에 불순물을 주입하는 것을 도핑(Doping)이라 하고, 이때 넣어주는 불순물을 Dopant라고 한다. 3가 원소를 acceptor, 5가 원소를 donor라고 한다.

 

불순물 주입(Doping) 방법

① 확산법

고온의 석영 튜브 노(furnace)에 반도체 wafer를 넣고 원하는 dopant가 포함된    혼합가스를 통과시킴으로써 이루어진다. 속도는 빠르나 측면확산이 일어나 원하는   분포 범위만큼 doping하는 것이 어렵다.

 

확산 소스(source) 구분  

- 고체 소스 확산 (BN, As2O3, P2O5)

- 액체 소스 확산 (BBr3, AsCl3, POCl3)

- 기체 소스 확산 (B2H6, AsH3, PH3)

* 일반적으로, 기체 소스를 가장 많이 사용

 

② 이온주입법(Ion Implant)

이온 도핑(Ion Dopping)이라고도 한다. 소재표면에 주입하고 싶은 원소를 이온화하여, 수십 ~ 수백 keV의 가속에너지로 고체표면에 충돌시켜, 그 원소를 어떤 깊이 (0.1㎛정도)까지 주입하는 방법이다.

 

- 장점 : 불순물 양의 정확한 제어, 재연하기 편한 형태, 그리고 확산 공정과 비교했을 때 낮은 공정 온도이다.

- 단점 : 이온 주입 시 격자 손상을 입기 때문에 열처리가 필요하다.

 

PN 접합

p형과 n형 반도체를 접합하면 농도차이 때문에 접합부 쪽으로 정공과 전자의 확산이 일어난다. (p형에서 n형으로 정공의 확산, 전자는 그 반대로 확산)

 

접합부에서 전자와 정공의 재결합으로 양이온과 음이온이 들어나게 되고 이들이 쌓여 공핍층을 형성한다. 공핍층은 전자와 정공이 이동하는데 장벽 역할을 하게되므로 전류가 잘 흐르지 않게 된다. 이를 해결해주기 위하여 외부 전압을 걸어주고 이것을 Bias라고 한다.

 

Bias에는 순방향 바이어스와 역방향 바이어스가 있다. 순방향 바이어스는 p형에 (+)극을, n형에 (-)극을 걸어주는 것을 의미하고 역방향은 그 반대이다. 순방향 바이어스를 걸어주면 다수의 전자와 정공이 주입돼 공핍층을 줄이게 되고, 따라서 전자와 정공의 이동이 쉬워져 전류가 흐르게 된다.