9.3 이종 접합 (Hetero junction)

이번 장에는 서로 다른 두 반도체 물질을 이용해서 접합을 만든 Hetero junction이 어떤 것인지, 어떤 것을 고려해야 하는지 에너지 밴드 다이어그램은 어떻게 형성되는지 간략하게 알아보겠다.

 

Hetero junction

다음은 좁은 밴드갭 에너지와 넓은 밴드갭 에너지 사이의 관계들로 $E_g$이 서로 다른 두 물질 접합을 만들 때 원래 있던 $E_F$ 차이에 따라 서로 붙는 형태가 각자 다르게 형성된다.

 

Hetero junction는 두 물질 간의 격자상수가 0.2% 이내로 들어오는 범위 내에서 형성되기에 격자상수는 매우 중요하다.

 

Lattice mismatch( < 0.2 % )

 

위의 사진은 격자 상수 간의 차이와 $E_{G}$ 를 나타낸 지표이다.

이를 토대로 Hetero junction을 형성하는데 필요한 물질들을 파악 가능한데, 이야기하였듯 격자 상수가 일치하는 물질(InP & GaAs) 은 서로 접합이 가능하고 서로 간의 차이가 크다면 (GaAS & AlSb) 접합이 불가능하다.

 

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만약 두 물질 간의 격자상수 차이가 크다면

이와 같이 두물질이 접합을 할 때 접합면의 stress 가 발생하는데 이 stress를 버티지 못하고 필름이 부서져 접합 형성이 되지 못한다.

 

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이렇게 적당한 lattice mismatch를 갖고 형성된 hetero junction을 에너지 밴드 다이어그램으로 표현해보겠다.

 

좁은 밴드갭 물질과 넓은 밴드갭 물질의 접촉 전 에너지밴드 다이어그램(우측 반도체 $E_{F}$가 $E_{V}$근처)

 

다음 사진에서 각 물질별 $E_{c}$ 와 $E_{v}$ 는 고정시키고, 남은 $E_{F}$를 수평하게 맞추어준다.

(이때 $\Delta E_{c}$,$\Delta E_{v}$는 물질에 의해 결정된 값이므로 gap 값 또한 그대로 유지시킨다.)

 

좌측(Ge) $E_{F}$가 우측(GaAs) $E_{F}$ 보다 더 높은 곳에 위치해 있으므로 우측 $E_{F}$가 위로 Shift 해야 하기에 양쪽의 모든 band가 위로 shift 되어준다.

 

열평형상태에 있는 이종접합의 이상적인 에너지밴드 다이어그램

 

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이렇게 형성된 이종접합의 이상적인 에너지밴드 다이어그램은 다음과 같고

이와 반대로 $E_{F}$ 가 $E_{C}$근처에 있는 경우는 아래 사진이다.

우측 반도체 $E_{F}$ 가 $E_{C}$ 근처

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2D electron gas

 

우리는 $J = Q N v$ 라는 수식을 이전 물리 전자공학 시간을 통해 배웠다.

이 수식을 통해 보자면 도핑농도를 높일수록 J값 또한 높아질 것임을 유추할 수 있지만, v 내부의 이 동도 값에 의해 농도가 높아질수록 이동도 값이 낮아져 무작정 도핑 농도를 높인다고 J 값이 높아지지 않음을 볼 수 있다. 

 

이런 문제를 극복하기 위한 transistor가 바로 HEMT이다.

 

HEMT

 

이는 한쪽 반도체에는 전자를 많이 생성하기 위해 도핑 농도를 높게 형성하고, 다른 쪽 반도체는 도핑을 하지 않는다.

그렇게 전자가 이동을 하여 두 물질 사이 에너지 장벽으로 둘러싸인 구덩이에 전자를 가두어둔다.

이때 전자는 특정 에너지 레벨인 $E_{0}, E_{1},...$ 에 존재한다.

(위치도 가운데 or 양 끝 같은 특정한 위치에 존재한다.)

장    --------e-e-e-------- $E_{1}$  장

      ------------------------ $E_{F}$   

벽   --------e-e-e------- $E_{0}$   벽

그리고 에너지 barrier로 둘러져있어 마치 자기 부상 열차처럼 떠있는 도로를 달리는 효과를 준다.

따라서 빠르고 쉽게 움직일 수 있어 이동도가 상당히 높아지는 기존의 문제가 사라져 전류밀도 J 값 또한 증가한다.