Shotkky Junction에 대한 Basie Theory

mosfet과 같은 반도체 소자나 PN 접합 다이오드를 만들 때 mETAL과 sEMICONDUCTOR간의 접합이 많이 일어나며, 따라서 mETAL과 sEMICONDUCTOR간의 접합에 대해 잘 알고 있어야 합니다.

 

이전까지는 같은 종류의 반도체에 도핑 LEVEL만 다르게 하여 접합을 하였지만, 이제는 완전 다른 MATERIAL 간의 접합 입니다. 따라서 기본적으로 서로의 LATTICE CONSTANT가 다르기 때문에 접합면에서 일어나는 일을 쉽게 예측하기 힘듭니다. 또한 각각의 MATERIAL의 특성에 따라 접합부에서 일어나는 일은 여러 CASE를 가질 것 임을 예측할 수 있습니다. 먼저 금속과 반도체가 접합하였을 때 생기는 가장 큰 특징인 sCHOTTKY bARRIER(쇼트키 장벽)에 대해 알아보겠습니다.

 

sCHOTTKY bARRIER(쇼트키 장벽)이란, 금속-반도체 JUNCTION에 형성된 전자에 대한 POTENTIAL ENERGY BARRIER(포텐셜 에너지 장벽) 입니다. sCHOTTKY bARRIER를 제대로 알기 위해선 이전에 광전효과에서 배웠던 WORK FUNCTION에 대해 잘 알고 있어야 합니다. WORK FUNCTION이란, METAL에 빛을 쪼이면 특정주파수 보다 높은 경우 전자가 진공으로 튀어나오게 되고 이때, 전자가 진공으로 튀어나오게 하는 MINIMUM ENERGY를 WORK FUNCTION이라 하고 다음과 같이 표현했었습니다.

 

METAL의 WORK FUNCTION

금속의 경우엔 전자가 가장 꺼내기 쉬운 위치에 존재하고 있으며, 그곳이 바로 fERMI- LEVEL 이였습니다. 따라서 WORK FUNCTION은 다르게 말하면 vACUUM(진공)의 ENERGY LEVEL과 MATERIAL의 fERMI-LEVEL의 차이이며 따라서 MATERIAL에서 vACUUM(진공) 쪽으로 전자를 가장 싸게 가져올 수 있는 에너지 라고 할 수 있습니다

반도체의 경우에도 빛을 쪼이면 전자가 튀어나오는 현상이 존재하게 되며 이에 따라 당연히 WORK FUNCTION이 존재할 것 이며 이는 다음과 같이 표현합니다.

 

SEMICONDUCTOR의 WORK FUNCTION

WORK FUNCTION은 vACUUM(진공)의 ENERGY LEVEL과 MATERIAL의 fERMI-LEVEL의 차이라고 했었는데, 반도체에선 fERMI-LEVEL에 전자가 갈 수 있는 STATE가 존재하지 않습니다. 따라서, ELECTRON AFFINITY(전자 친화력)를 새로이 정의하며, 이는 vACUUM(진공)의 ENERGY LEVEL과 전자가 갈수있는 STATE인 cONDUCTION BAND의 ENERGY LEVEL의 차이며 이것이 바로 반도체에 빛을 쪼였을 때 전자가 나오는 MINIMUM ENERGY가 될 것 입니다. ELECTRON AFFINITY는 다음과 같이 표현합니다.

 

전자친화력

지금까지 WORK FUNCTION이 무엇인지와 METAL의 WORK FUNCTION, SEMICONDUCTOR의 WORK FUNCTION, ELECTRON AFFINITY의 정의에 대해 알아보았습니다.

 

지금까지 정의한 내용들은 금속과 반도체를 접합하였을때 나오는 특성이 아닌, 각각의 물질이 가지는 특성들이었습니다. 두 물질을 붙이기 전에 각각의 물질의 ENERGY BAND DIAGRAM을 살펴보겠습니다.

 

접합을 이루기 전 금속과 N-TYPE 반도체의 에너지 대역도, 전하량 EQ

접합을 이루기 전 금속과 N-TYPE 반도체의 ENERGY BAND DIAGRAM으로써 위에서 정의했듯, METAL과 SEMICONDUCTOR의 WORK FUNCTION과 ELECTRON AFFINITY가 표현되어있어 보다 쉽게 각각의 정의를 이해할 수 있을 것 입니다.

 

이제 METAL의 WORK FUNCTION이 N-TYPE SEMICONDUCTOR의 WORK FUNCTION 보다 클 때 METAL과 N-TYPE SEMICONDUCTOR를 접합시키면 어떤일이 일어날지에 대해 알아보겠습니다. METAL과 SEMICONDUCTOR를 접합시켰을 때의 예상되는 가장 큰 변화는 평형상태의 fERMI LEVEL의 변화입니다. METAL과 SEMICONDUCTOR는 서로 다른 fERMI LEVEL을 가지고 있고, 서로 다른 시스템이라면 상관이 없지만 접합시켜 하나의 시스템으로 만들어 준다면 두 물질의 fERMI LEVEL은 하나로 합쳐져야 합니다.  위 그림에서 볼 수 있다 싶이, METAL의 fERMI LEVEL이 SEMICONDUCTOR의 fERMI LEVEL보다 낮으므로 fERMI LEVEL 차이로 인해 SEMICONDUCTOR의 전자들이 더 낮은 에너지 상태를 가지는 METAL로 DIFFUSE(확산) 될 것 입니다. SEMICONDUCTOR의 전자들이 METAL로 확산되면 N-TYPE SEMICONDUCTOR의 FIXED된 도너 양이온이 드러날 것이고, METAL로 넘어간 전자와 양이온이 DEPLETION REGION을 형성하게 됩니다. 결국 fERMI LEVEL이 일치할 때 까지 이 현상이 계속 될 것이며 이 현상이 계속되며 DEPLETION REGION엔 반도체의 전자가 금속으로 DIFFUSION을 하는 힘을 방해하는 e-FIELD가 형성 될 것임은 이전에 배운 내용을 생각한다면 충분히 예상할 수 있습니다. 따라서 이 상황에서의 ENERGY BAND DIAGRAM과 형성된 DEPLETION REGION을 보면 다음과 같습니다.

 

sOLID sTATE eLECTRONIC dEVICES 7TH, fIG 5-40

N형 반도체의 DIFFUSION을 막는 BARRIER는 METAL과 SEMICONDUCTOR의 WORK FUNCTION의 차이 만큼의 크기를 가지게 되며, METAL에서 SEMICONDUCTOR로 넘어가지 못하도록 형성된 BARRIER를 sCHOTTKY BARRIER라고 하고, METAL의 WORK FUNCTION과 SEMICONDUCTOR의 ELECTRON AFFINITY의 차이로 정의됩니다. P형 반도체의 경우엔 N형 반도체와는 반대의 경우라 생각하면 됩니다.

 

이렇게 DEPLETION REGION이 형성이 되면 가지는 가장 큰 특징은 DIODE처럼 동작한다는 것 입니다. 즉, 한쪽으로만 전류를 잘 흘려주게 됩니다. 그 이유는 METAL에서 SEMICONDUCTOR로의 전자의 이동을 막는 sCHOTTKY BARRIER 때문이며 따라서 이러한 METAL과 SEMICONDUCTOR의 접합을 sCHOTTKY DIODE라고 사용하기도 합니다.  그러나 금속은 DIAMOND LATTICE도 아닐 뿐더러 LATTICE CONSTANT도 SEMICONDUCTOR와 다르기 때문에 SCHOTTKY BARRIER는 측정할 때 마다 달라지게됩니다.

 

지금까지 진행된 상황 중 가장 중요한 조건은 바로 METAL의 WORK FUNCTION이 N-TYPE SEMICONDUCTOR의 WORK FUNCTION보다 크다는 점에 있습니다. 이 조건에 의해 DEPLETION REGION이 형성되었고 fORWARD-BIAS를 걸어주면 반도체에서 금속으로 전류를 흘려주게 되고, rEVERSE-BIAS를 걸어주면 전류를 흘리지 않게 해주는 즉, 한쪽으로만 전류를 흘려주는 DIODE의 특성을 가지게 되었습니다. 따라서 이렇게 METAL의 WORK FUNCTION이 N-TYPE SEMICONDUCTOR의 WORK FUNCTION보다 커서 DEPLETION REGION이 생겨 DIODE 처럼 동작하는 것을 rECTIFYING cONTACTS(정류성 접촉)이라고 합니다. P-TYPE SEMICONDUCTOR의 경우엔 반대로 METAL의 WORK FUNCTION 보다 SEMICONDUCTOR의 WORK FUNCTION이 커야할 것 입니다.

 

sOLID sTATE eLECTRONIC dEVICES 7TH, FIG 5-42

위 DIAGRAM과 I-V GRAPH에서도 볼 수 있듯, rECTIFYING cONTACT일 경우 DIODE의 특성을 보임을 알 수 있습니다.

 

반대로, METAL의 WORK FUNCTION보다 N-TYPE SEMICONDUCTOR의 WORK FUNCTION이 큰 경우, 양방향으로 전류를 흘려주는 거의 oHMIC한 I-V 특성을 가지게 되는데, 이러한 경우를 oHMIC CONTACTS(옴 접촉)이라 합니다. P-TYPE SEMICONDUCTOR의 경우엔 반대로 METAL의 WORK FUNCTION보다 작아야 할 것 입니다.

 

결론적으로, OHMIC CONTACT인지 RECTIFYING CONTACT인지의 차이는 WORK FUNCTION의 차이이며, 다시 한번 정리하면 N-TYPE을 기준으로 METAL의 WORK FUNCTION이 SEMICONDUCTOR의 WORK FUNCTION보다더 크면 DEPLETION REGION이 생겨 다이오드 처럼 동작하는 RECTIFYING CONTACT이, SEMICONDUCTOR의 WORK FUNCTION이 더 크면 양방향으로 전류를 모두 흘려주는 OHMIC CONTACT이 되는 것 입니다. P-TYPE의 경우 모두 반대입니다.

 

SEMICONDUCTOR의 경우 WORK FUNCTION은 DOPING LEVEL에 의해 결정되고, METAL의 경우엔 MATERIAL에 따라 결정되게 되는데, 우리는 주로 OHMIC CONTACT을 만들고 싶어합니다. 그 이유는 다음과 같습니다.

 

PN 접합 다이오드를 만들면 다음과 같이 METAL과 SEMICONDUCTOR 간의 접합인 cONTACT 1과 cONTACT 2가 생깁니다. 만약 cONTACT 1,2가 RECTIFYING CONTACT라면 PN JUNCTION이 3개나 생겨버리게 됩니다. 따라서 우리는 위 PN 접합 다이오드를 사용할 수 없게 됩니다. 하지만 반대로 두 cONTACT 모두 OHMIC CONTACT이라면 PN 접합 다이오드로 사용할 수 있게 됩니다. 따라서 우리는 RECTIFYING CONTACT은 대부분 원하지 않으며, OHMIC CONTACT를 만들고 싶어하는 것 입니다.

 

그렇다면 OHMIC CONTACT을 만드려면 어떻게 해야할까요?? N-TYPE의 경우엔 SEMICONDUCTOR의 WORK  FUNCTION의 크기를 키우기 위해 DOPING LEVEL을 낮게해야 할 것이며 METAL의 경우엔 WORK FUNCTION이 작은 METAL을 사용해야할 것 입니다. 그러나 WORK FUNCTION이 작은 METAL을 사용하는데엔 한계가 있으므로 새로운 테크닉이 사용되게 됩니다.

 

RECTIFYING CONTACT에서 OHMIC CONTACT을 만들기 위해서 CONTACT이 일어나는 부분만 HEAVY DOPING 해주는 방법을 사용하게 됩니다. 이렇게 HEAVY DOPING을 해준다면, 이전에 배웠듯  DEPLETION REGION의 폭이 좁아지게 되고, sCHOTTKY BARRIER가 존재하더라도 TUNNELING에 의해 METAL에서 SEMICONDUCTOR로 넘어가는 길이 생겨 결국 양방향으로 전류가 흐르게 되는 OHMIC CONTACT처럼 사용할 수 있게됩니다. 따라서 전류와 전압의 GRAPH를 그려보면 다음과 같습니다.

 

mosfet에서 이러한 방법을 사용하며, 이전 포스팅에서 배웠던 zENER EFFECT과 매우 흡사한 테크닉이므로 조금 더 자세한 과정을 알고 싶다면 이전 포스팅의 zENER BREAKDOWN 부분을 보심을 추천드립니다.

 

이번 포스팅에선 mETAL과 sEMICONDUCTOR를 접합시키면 어떠한 일이 일어날 지에 대해 알아보았습니다. 이번 포스팅은 여기에서 마치고, 다음 포스팅에선 이상적이지 않은 mETAL과 sEMICONDUCTOR의 접합에서 일어나는 일부 효과들에 대해 알아보고, hETERO-JUNCTIONS(이종접합)에 대해 알아보겠습니다.