도핑(반도체)-Doping(in Semiconductor)

정의

반도체 결정 중에 필요한 불순물을 희망하는 양만큼 첨가하는 것을 말하며, 불순물 첨가라고도 한다. 반도체의 전기 전도, 밴드갭 구조에서의 에너지레벨 등이 불순물의 영향을 받게 되므로 반도체를 이용한 여러 가지 제품에서 특정 불순물을 함유시키는 것을 말한다. 도핑을 위해서는 당연히 다른 불순물을 제어시켜야 한다. 반도체 도핑에서 가장 널리 이용되는 방법은 확산 기술과 이온 주입 방법이다.

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반도체 도핑의 역사

반도체 도핑의 영향은 크리스탈 라디오 검출기와 셀레늄 정류기 제조와 같이 오래 전부터 경험적으로 알려져 있었다. 예를 들어 1885년 쉘포드 비드웰과 1930년 독일의 과학자 베른하르트 구든은 각각 반도체 특성이 그 안에 포함된 불순물 때문이라고 독립적으로 보고했다. 도핑 과정은 공식적으로 2차 세계대전 중 스퍼리 교로스코프 회사에서 일하는 존 로버트 우드야드에 의해 처음 개발되었으며 1950년에 미국 특허가 발행되었다.비슷한 작업이 벨 연구소에서 고든 K에 의해 수행되었다. Teal과 Morgan Sparks, 1953년에 미국 특허가 발행되었다.

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Dopant Concentration과 전기적 특성

사용되는 도펀트(dopant)의 농도는 많은 전기적 특성에 영향을 미치는데 그 이유는 도펀트의 농도는 전하 캐리어(Carrier)의 농도와 직접적인 관계가 있기 때문이다. 일반적으로 도핑이 증가하면 캐리어농도가 높아져 전도성이 높아지며, 도핑농도가 높은 반도체는 금속과 비슷한 전기 전도도를 가지고 있으며 금속의 대체물로 집적회로에서 자주 사용된다. 반도체에서 상대 도핑 농도를 나타내기 위해 종종 상위 도핑 플러스 마이너스 기호가 사용된다. 예를 들어, n+는 높은, 종종 퇴행성 도핑 농도의 n형 반도체를 나타낸다. 마찬가지로 p-는 도핑된 p-형 재료를 나타낸다.

그림. 도핑이 밴드구조에 미치는 영향

도핑이 밴드구조에 미치는 영향

반도체에서의 도핑은 밴드 갭 내의 에너지 준위에 도핑하여 밴드갭 에너지를 줄이는 역할을 하게 하는 경우가 많다. 반도체에 전기가 흐르게 하는 전압 즉 에너지의 크기는 밴드갭의 크기에 영향을 많이 받게 되기 때문이다.

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주요 도핑 기술

Thermal Diffusion : 열확산에 의해 dopant를 주입하고는 과정으로 doping의 수준과 속력은 온도, 확산시간, 확산계수 등의 영향을 받는다.

Ion Implantation System : Dopant를 이온화한 후 바이어스를 가해 가속시켜 wafer에 주입하는 방법으로, 바이어스의 크기(Ion Beam Energy, Ion Beam Current)와 시간에 영향을 받는다.

Epitaxy : 단결정 혹은 다결정 박막을 생성하는 데 사용되는 다양한 물리적, 화학 증착 방법(CVD, PVD, MBE 등)또한 도핑에 이용될 수 있다. 박막의 형성 과정 혹은 박막 위에 dopant가 포함된 다양한 물질들이 가스 혹은 플라즈마 등의 형태로 반도체 웨이퍼에 접근할 때 열분해 현상이 일어나 웨이퍼 표면으로 흡수되어 도핑이 되는 형태이다.