실리콘(Si)에 비해 상대적으로 밴드 갭이 작고, 열전도도가 낮으며, 기존의 Si 반도체 공정 기술과 호환이 가능한 실리콘-게르마늄(SiGe) 합금은 트랜지스터, 광수신 소자, 태양전지, 열전 소자 등 다양한 전자 소자에서 사용되고 있다. 본 논문에서는 SiGe 합금이 전자소자에 응용되는 원리 및 응용과 관련된 기술적인 논제들을 고찰한다. Si에 비해 밴드 갭이 작은 게르마늄(Ge)이 그 구성 원소인 SiGe 합금의 밴드 갭은 Si과 Ge의 분률과 상관없이 항상 Si의 밴드 갭 보다 작다. 이러한 SiGe의 작은 밴드 갭은 전류 이득의 손실 없이 베이스 두께를 감소시키는 것을 가능하게 하여 바이폴라 트랜지스터의 동작속도를 향상시킨다. 또한, Si이 흡수하지 못하는 장파장 대의 빛을 SiGe이 흡수하여 광전류를 생성하게 함으로써 태양전지의 변환효율을 증가시킨다. 질량이 서로 다른 Si 및 Ge 원소의 불규칙적인 분포에 의해 발생하는 포논 산란 효과 때문에 SiGe 합금은 순수한 Si 및 Ge과 비교할 때 낮은 열전도도를 갖는다. 낮은 열전도도 특성의 SiGe 합금은 전자 소자 구조 내에서의 열 손실을 억제하는데 효과가 있으므로 Si 반도체 공정 기반의 열전 소자의 구성 물질로서 활용이 기대된다.
실리콘(Si)에 비해 상대적으로 밴드 갭이 작고, 열전도도가 낮으며, 기존의 Si 반도체 공정 기술과 호환이 가능한 실리콘-게르마늄(SiGe) 합금은 트랜지스터, 광수신 소자, 태양전지, 열전 소자 등 다양한 전자 소자에서 사용되고 있다. 본 논문에서는 SiGe 합금이 전자소자에 응용되는 원리 및 응용과 관련된 기술적인 논제들을 고찰한다. Si에 비해 밴드 갭이 작은 게르마늄(Ge)이 그 구성 원소인 SiGe 합금의 밴드 갭은 Si과 Ge의 분률과 상관없이 항상 Si의 밴드 갭 보다 작다. 이러한 SiGe의 작은 밴드 갭은 전류 이득의 손실 없이 베이스 두께를 감소시키는 것을 가능하게 하여 바이폴라 트랜지스터의 동작속도를 향상시킨다. 또한, Si이 흡수하지 못하는 장파장 대의 빛을 SiGe이 흡수하여 광전류를 생성하게 함으로써 태양전지의 변환효율을 증가시킨다. 질량이 서로 다른 Si 및 Ge 원소의 불규칙적인 분포에 의해 발생하는 포논 산란 효과 때문에 SiGe 합금은 순수한 Si 및 Ge과 비교할 때 낮은 열전도도를 갖는다. 낮은 열전도도 특성의 SiGe 합금은 전자 소자 구조 내에서의 열 손실을 억제하는데 효과가 있으므로 Si 반도체 공정 기반의 열전 소자의 구성 물질로서 활용이 기대된다.
The silicon-germanium (SiGe) alloy, which is compatible with silicon semiconductor technology and has a smaller band gap and a lower thermal conductivity than silicon, has been used to fabricate electronic devices such as transistors, photodetectors, solar cells, and thermoelectric devices. This pap...
The silicon-germanium (SiGe) alloy, which is compatible with silicon semiconductor technology and has a smaller band gap and a lower thermal conductivity than silicon, has been used to fabricate electronic devices such as transistors, photodetectors, solar cells, and thermoelectric devices. This paper reviews the application of SiGe alloys to electronic devices and related technical issues. Since the SiGe alloy comprises germanium whose band gap is smaller than silicon, its band gap is also smaller than that of silicon irrespective of the ratio of silicon to germanium. This narrow band gap of SiGe enables the base thickness of bipolar transistors to decrease without a loss in current gain so that it is possible to improve the speed of bipolar transistors by adopting the SiGe-base. In addition, the conversion efficiency of solar cells is enhanced by the absorption of long-wavelength light in the SiGe absorption layer. Phonon scattering caused by the irregular distribution of alloying elements induces the lower thermal conductivity of SiGe than those of pure silicon and germanium. Because a thin film layer with a low thermal conductivity suppresses thermal conduction through a thermal sink, the SiGe alloy is considered to be a promising material for silicon-based thermoelectric systems.
The silicon-germanium (SiGe) alloy, which is compatible with silicon semiconductor technology and has a smaller band gap and a lower thermal conductivity than silicon, has been used to fabricate electronic devices such as transistors, photodetectors, solar cells, and thermoelectric devices. This paper reviews the application of SiGe alloys to electronic devices and related technical issues. Since the SiGe alloy comprises germanium whose band gap is smaller than silicon, its band gap is also smaller than that of silicon irrespective of the ratio of silicon to germanium. This narrow band gap of SiGe enables the base thickness of bipolar transistors to decrease without a loss in current gain so that it is possible to improve the speed of bipolar transistors by adopting the SiGe-base. In addition, the conversion efficiency of solar cells is enhanced by the absorption of long-wavelength light in the SiGe absorption layer. Phonon scattering caused by the irregular distribution of alloying elements induces the lower thermal conductivity of SiGe than those of pure silicon and germanium. Because a thin film layer with a low thermal conductivity suppresses thermal conduction through a thermal sink, the SiGe alloy is considered to be a promising material for silicon-based thermoelectric systems.
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문제 정의
다양한 전자 소자의 구성 물질의 하나로 SiGe 합금이 이용되는 원리를 알아보고 SiGe 합금을 적용하는데 있어서 고려하여야 할 기술적인 측면들을 고찰하였다. 밴드 갭이 작은 SiGe을 이용하여 전류 이득의 손실은 억제하면서 베이스 층의 두께를 감소시킴으로써 Si BJT에 비해 우수한 고주파 특성을 갖는 SiGe HBT를 제조할 수 있다.
본 논문에서는 Si과 차별되는 고유한 특성을 갖는 SiGe 합금이 다양한 전자 소자에 응용되어 성능 개선에 기여하는 원리를 알기 쉽게 해설하고, 각각의 전자 소자에 SiGe 합금을 적용하는데 있어서 고려하여야 할 기술적인 이슈들을 본 연구자가 다년간에 걸쳐 확보한 데이터를 바탕으로 하여 고찰하고자 한다.
제안 방법
Figure 4. Cross-sectional TEM image of a SiGe HBT including volume defects initiated at the collector-base interface and measured collector current vs collector-base voltage for a control device and the SiGe HBT.
6(a)). 높은 광전류를 얻기 위하여 광수신 소자의 하나인 포토다이오드를 어레이 형태로 배열하여 태양전지를 구성한다. 태양전지의 흡수층으로는 여러 가지 물질이 사용되는데, 유리, 금속, 플라스틱과 같은 저가의 기판 위에 Si 계 박막을 흡수층으로 구성한 형태의 비정질 Si 계 박막 태양전지 기술이 기존의 벌크형 결정질 Si 태양전지 기술의 대안으로 활발이 연구되고 있다.
성능/효과
SiGe 트랜지스터 개발 초창기에는 SiGe 층 내에 잔류하는 압축응력에 의한 소자 신뢰성 저하에 대한 의문이 제기되었으나, 연구가 진행됨에 따라 잔류응력이 직접적인 원인이 되는 신뢰성 문제는 없다는 것이 확인되었다 [13]. 따라서, SiGe 형성 시 Si 및 Ge을 공급하는 원료 기체의 비율을 조절함으로써 SiGe 층의 잔류응력 및 밴드 갭을 일정범위 내에서 변화시켜 다양한 성능을 갖는 반도체 소자를 제조할 수 있게 되었다. SiGe HBT의 경우 전류이득을 고려하면 Ge의 분률이 커질수록 밴드 갭 차이가 증가하게 되어 유리하지만, Si 기판과의 정합이 깨지면서 오히려 결정결함이 발생하고 압축응력이 완화되는 역효과가 발생하므로 Ge의 양을 임계 값 이하로 하거나 Ge의 분률을 베이스 깊이에 따라 점진적으로 변화시키는 등 Ge 분률 이외에도 여러 요인들을 동시에 고려함으로써 제조 공정을 최적화 하도록 해야 한다.
밴드 갭이 작은 SiGe을 이용하여 전류 이득의 손실은 억제하면서 베이스 층의 두께를 감소시킴으로써 Si BJT에 비해 우수한 고주파 특성을 갖는 SiGe HBT를 제조할 수 있다. 또한, 밴드 갭이 작아서 Si에 비해 긴 파장의 빛을 흡수하는 특성을 갖는 SiGe으로 광 흡수층을 구성함으로써 태양전지의 변환 효율을 높이고 장파장의 빛을 효과적으로 검출하는 것이 가능하다. 낮은 열전도도를 갖는 SiGe을 열전 소자와 상변화 메모리의 구성 물질로 사용하면 소자 내에서의 열 손실이 감소하여 소자의 성능이 개선된다.
후속연구
열전 소재로서 칼코겐화물에 비해 Z 값이 작은 SiGe의 단점은 Si/SiGe multilayer quantum well(MQW) 구조를 도입하여 열전도도 및 전기비저항을 낮춤으로써 극복할 수 있을 것으로 예상된다[22]. 결국 Si과 다른 SiGe의 독특한 특성을 충분히 활용한다면 Si 반도체 공정으로 고성능의 열전 소자를 제작할 수 있을 것으로 생각되며, 열전 소자의 친환경성을 고려할 때 관련 연구가 폭넓게 진행되어야 할 시점이라고 판단된다.
SiGe에서 Ge의 분률이 클수록 밴드 갭이 감소하므로 흡수할 수 있는 빛의 파장이 길어진다. 따라서 Ge의 함량을 높이면 변환효율이 향상될 것으로 기대되며, 어느 정도의 적은 비용으로 소자를 제작할 수 있느냐에 따라 그 효용성이 결정될 것으로 예상된다. 한편, 다결정 Si계 박막을 태양전지의 흡수층으로 사용하고자 하는 연구도 활발히 진행되고 있는데 비정질 Si계 박막에서는 캐리어의 확산 거리가 단결정이나 다결정 Si계 박막에 비해 매우 작아 전자-정공 쌍의 수집 효율이 낮기 때문에 비정질 구조가 아닌 결정 구조를 저온에서 얻을 수 있는 증착 기술의 개발이 필요하다고 판단된다.
SiGe은 질량이 서로 다른 Si 및 Ge 원소의 불규칙한 분포에서 기인하는 낮은 열전도도 특성을 갖기 때문에 발열전극을 통한 열 손실을 억제함으로써 Si 에 비해서 상변화 전류를 감소시킨다. 순수한 SiGe에 안티몬(Sb)을 첨가함으로써 저온에서 발열전극을 형성하는 방법이 이미 보고 되었으며 [16], 앞으로 칼코겐화물 기반의 상변화 물질과의 열적 안정성이 확보된다면 SiGe은 상변화 메모리의 발열전극으로서 널리 활용될 수 있을 것으로 전망된다.
따라서 Ge의 함량을 높이면 변환효율이 향상될 것으로 기대되며, 어느 정도의 적은 비용으로 소자를 제작할 수 있느냐에 따라 그 효용성이 결정될 것으로 예상된다. 한편, 다결정 Si계 박막을 태양전지의 흡수층으로 사용하고자 하는 연구도 활발히 진행되고 있는데 비정질 Si계 박막에서는 캐리어의 확산 거리가 단결정이나 다결정 Si계 박막에 비해 매우 작아 전자-정공 쌍의 수집 효율이 낮기 때문에 비정질 구조가 아닌 결정 구조를 저온에서 얻을 수 있는 증착 기술의 개발이 필요하다고 판단된다. 특히, Si 박막 태양전지의 생산성을 크게 좌우하는 요인의 하나가 Si 박막 형성을 위한 plasma enhanced chemical vapor deposition(PECVD)의 증착 속도이므로 SiGe 박막 증착 시의 증착 속도 또한 반드시 고려되어야 한다.
SiGe을 트랜지스터의 구성 요소로 사용하고자 하는 시도는 SiGe HBT에만 한정되지 않고 SiGe HBT 기술과 기존의 Si CMOS 기술을 집적하는 SiGe BiCMOS 기술로 발전되었으며, SiGe 다결정 또는 에피택셜 층을 MOS 트랜지스터에 도입하여 그 성능을 향상시키고자 하는 연구도 다양하게 진행되고 있다. 회로 설계에 있어서 전력소모가 작은 Si CMOS 트랜지스터와 동작속도가 빠른 SiGe HBT를 동시에 사용하게 되면 두 종류 트랜지스터의 장점을 적절히 조합함으로써 우수한 성능의 RF IC를 용이하게 구현할 수 있으므로 SiGe BiCMOS 기술에 대한 수요는 계속해서 증가할 것으로 전망된다. 이에 더하여 SiGe은 strained-Si/SiGe 전계효과 트랜지스터(field-effect transistor, FET)의 구성 요소로서 널리 활용되고 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
실리콘과 비교한 실리콘-게르마늄(SiGe) 합금의 장점은?
실리콘(Si)에 비해 상대적으로 밴드 갭이 작고, 열전도도가 낮으며, 기존의 Si 반도체 공정 기술과 호환이 가능한 실리콘-게르마늄(SiGe) 합금은 트랜지스터, 광수신 소자, 태양전지, 열전 소자 등 다양한 전자 소자에서 사용되고 있다. 본 논문에서는 SiGe 합금이 전자소자에 응용되는 원리 및 응용과 관련된 기술적인 논제들을 고찰한다.
SiGe가 박막형 Si 태양전지의 구성 물질로 각광받고 있는 이유는?
6 μm 파장대의 빛을 받아들이는 Si 기반의 광수신 소자에 사용이 가능하다. 또한, 태양전지에 적용되는 경우에는 광전류를 생성시키는 적외선 영역의 빛을 추가적으로 흡수함으로써 변환효율을 향상시키는 효과가 발생하기 때문에 박막형 Si 태양전지의 구성물질의 하나로 각광받고 있다. 이외에도 SiGe은 반도체로서의 전도성 및 Si에 비해 상대적으로 작은 열전도도 특성에 의하여 열전 소자, 상변화 메모리(phase-change memory) [8] 등에서도 그 구성 물질로서 유용하게 이용될 수 있다.
실리콘-게르마늄(SiGe) 합금은 어떤 곳에 사용되고 있는가?
실리콘(Si)에 비해 상대적으로 밴드 갭이 작고, 열전도도가 낮으며, 기존의 Si 반도체 공정 기술과 호환이 가능한 실리콘-게르마늄(SiGe) 합금은 트랜지스터, 광수신 소자, 태양전지, 열전 소자 등 다양한 전자 소자에서 사용되고 있다. 본 논문에서는 SiGe 합금이 전자소자에 응용되는 원리 및 응용과 관련된 기술적인 논제들을 고찰한다.
Q. H. Fan, C. Chen, X. Liao, X. Xiang, S. Zhang, W. Ingler, N. Adiga, Z. Hu, X. Cao, W. Du, and X. Deng, Sol. Energy Mater. Sol. Cells 94, 1300 (2010).
J. Cho, S. Kim, S. Hwangboe, J. Janng, H. Choi, and M. Jeon, J. Korean Vacuum Soc. 18, 352 (2008).
X. Deng, X. Cao, Y. Ishikawa, W. Du, X. Yang, C. Das, and A. Vijh, Conference Record of IEEE 4th World Conference on Photovoltaic Energy Conversion Vol. 2, 1461 (2006).
S. -Y. Lee, Y. S. Park, S. -M. Yoon, S. -W. Jung, J. Lee, and B. -G. Yu, Microelectron. Eng. 85, 2342 (2008).
S. Ghamaty, N. Elsner, and J. Bass, 9th Diesel Engine Emissions Reduction Conference, 104 (2003).
A. Fox et al., IEEE International Electron Devices Meeting, 1 (2008).
S. Van Huylenbroeck, A. Sibaja-Hernandez, R. Venegas, S. You, G. Winderickx, D. Radisic, W. Lee, P. Ong, T. Vandeweyer, N. D. Nguyen, K. De Meyer, and S. Decoutere, IEEE Bipolar/BiCMOS Circuits and Technology Meeting, 5 (2009).
D. C. Howard, L. Xiangtao, and J. D. Cressler, IEEE Bipolar/BiCMOS Circuits and Technology Meeting, 55 (2009).
M. A. Green, K. Emery, Y. Hishikawa, and W. Warta, Prog. Photovolt: Res. Appl. 17, 320 (2009).
X. W. Wang, H. Lee, Y. Lan, G. Zhu, G. Joshi, D. Wang, J. Yang, A. Muto, M. Tang, J. Klatsky, S. Song, M. Dresselhaus, G. Chen, and Z. Ren, Appl. Phys. Lett. 93, 193121 (2008).
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