1. 반도체의 기초
1. 반도체 기술 개발 역사 이해
- 더욱 작게 만드는 반도체
- 나노미터의 이해(1nm)
: 바이러스가 1000nm정도 된다고 한다.
- 반도체의 부품은 얼마나 작은가??
1) 트렌지스터 : 20~30nm
※ 트렌지스터란? 전자의 이동경로
가. 반도체의 역사
1) 1958년 잭 킬비 : 게르마늄(ge)를 통해 직접회로(IC)를 제작함
2) 1959년 로버트 노이스 : 실리콘(si, 규소)를 이용하여 0.06inch 직경의 웨이퍼 위에 직접회로를 제작함(페어차일드 세미컨덕터)
지난 50년간 집적도가 기하 급수적으로 증가했다.
30cm 웨이퍼기준으로 칩 1개의 기준으로 20억개가 들어있다.
3) 인텔의 창립자 무어의 법칙(MOORE's LAW)
약 24개월 마다 같은 면적에 들어가는 트랜지스터의 총개수는 2배 증가할 것이다.
이를 통해 개인용 컴퓨터를 뛰어 넘어 한손에 컴퓨터를 갖을 수 있는 스마트폰 시대까지 왔고 이후 몸에 컴퓨터를 심는 것 까지 예측을 하고 있다.
4) 최근의 반도체 기술현황
가) 인텔 : 2003년에 90nm 반도체기술 완성
나) 인텔 : 2005년 65nm 반도체기술 완성
다) 인텔 : 2007년 45nm 반도체기술 완성
- 세계적 최초로 전기적으로 더 얇고, 물리적으로 더 두꺼운
하프늄 다이옥사이드(hfo2)를 사용함.
실리콘 다이옥사이드(sio2)보다 유전상수가 높아 high-k라는 말을 쓴다고 합니다.
마) 인텔 : 2011년 세계최초 3차원 반도체 구조를 가진 부품소자를 집적회로에 넣음
출처 : intel investor meeting 2010
3차원 반도체구조는 3DX Point라는 이름으로 제품생산이 되고 있다.
2018년 i7-8700k는 14nm 공정을 갖고 있으며,
2030년 이후에는 10nm이하의 공정이 나올 것으로 예상된다.
또한 슈퍼스팁 스위칭 디바이스(Super Steep Switching Devices) 핵심기술로 떠오를 것으로 예상
※ 슈퍼스팁 스위칭 디바이스(Super Steep Switching Devices)란?
- 전류를 10배 늘리는데 전압을 60mV보다 작은 소자
2. 반은 도체, 반은 부도체(실리콘 재료의 물성 이해)
가. 반도체의 이해
* 리지스티비티(resistivity, 저항률) 단어의 이해 *
도체(Condouctor) : 낮은 저항률(Low resistivity)
부도체(Insulator) : 높은 저항률(High resistivity)
반도체(Semiconductor) = 중간 저항률(Intermediate resistivity)
반도체는 실리콘(Si, 규소) 주로 사용한다.
실리콘 구조로 살펴보면 Crystalline, Amorphous, Poly-crystalline이 있다.
1) Crystalline : 원자 배치가 주기적이고 규칙적인 구조
2) Amorphous : 원자 배치가 불규칙적인 구조
3) Poly-crystalline : 원자의 배치가 지역적으로 규칙성을 띈다.
영역과 경계가 나타나 이것을 그레인(Grain)이라고 하며,
경계면을 그레인 바운더리(Grain Boundary)라고 한다.
나. 반도체의 재료
1) 4족원소 : 규소(si, Silicon) / 게르마늄(Ge,Germanium) / 탄소(C, Carbon)
2) 화합물 반도체(Compound semiconductor) : 3,5족 원소가 하나씩 만나 결합한 반도체
다. 실리콘 원소의 전자배치
실리콘(si) 14개의 양성자와 14개의 전자를 갖고 있는데,
그중에 가장 외곽에서 돌고 있는 4개의 전자만이 전류를 흘려준다.
이를 최외각 전자라고 하며 3s, 3p orbitals라고도 한다.
라. 크리스탈린 실리콘재료(Crystaline Silicon)
출처 : https://en.wikipedia.org/wiki/Silicon
각 실리콘 원소는 주변에 가장 가까이 있는 4개의 원자들과 결합을 한다.
따라서 상호간에 결합을 통해 실리콘의 구조를 이루고 있다.
화합물 반도체(Compound semiconductor)도 구조상으로 똑같지만 원자의 위치가 다르다.
마. 1cm³에 몇 개의 규소(Si)원자가 들어가는가?
- 꼭지점 : 1개
- 면 : 3개
- 대각선 : 4개
총 8개의 원소가 unit cell에 들어있다.
육면체 구성에 한 면의 길이가 0.543nm라고 한다.
식은 8*(0.543 * 10^-7)³을 하면 된다.
약 5*10²²개를 갖게 된다고 한다.
3. 결정재료의 면/방향 표기법
가. Crystallographic Notation
1) 밀러 인덱스(Miller index)
실리콘의 방향을 알려주는 지표정도라고 생각하면 된다.
어떤 방향으로 설계하느냐에 따라 전류의 흐름도 변한다.
나. 웨이퍼(Wafer)
출처 : https://en.wikipedia.org/wiki/Wafer_(electronics)
실리콘으로 구성된 얇은 막