<MS junction> 4. 이종접합(Hetero junction)

이번 포스팅에서는 서로 다른 반도체 물질을 이용한 접합인 이종접합에 대하여 알아보자.

 

이종접합 Hetero junction은 서로 다른 반도체 물질을 접합했을 때 생기는 접합이다. 즉, energy bandgap 이 서로 다른 물질을 junction 시키는 경우이다. 이 경우 서로 bandgap이 다르기 때문에 energy bandgap에 불연속이 발생한다.

이종접합에서 3가지 종류가 있다. 이 중 straddling이 가장 일반적이며, bandgap이 넓은 물질이 bandgap이 낮은 물질을 완전히 감싸고 있는 형태이다. 여기서 조금 엇 나가면 staggered, 완전히 겹치지 않으면 broken-gap이다.

 

 

 

이종접합 제작

이종접합의 제작은 homo 접합과 다르게 고려해야할 점이 있다.

사진 출처 : https://mbe.engineering.asu.edu/research

위 그래프는 가로가 Lattice constant 세로가 Bandgap Energy인 그래프이다.

그래프에서 빨간색 동그라미인 Si, Ge을 보면 점선으로 이어져 있는 것을 알 수 있는데

이는 Si,Ge을 조성비에 따라 섞으면 점선 위의 Lattice constant와 Bandgap Energy를 얻을 수 있다는 의미이다.

 

하지만 문제는 아무 화합물이나 골라서 이런 이종접합을 만들 수 있는 것이 아니라 Lattice mismatch를 고려해야 한다.

Lattice constant가 a인 물질과 b인 물질을 접합한다고 가정해보자.

 

a,b는 접합부분에서 공유결합이 발생하여야 접합이 안정화 되면서 하나의 물질처럼 구성된다.

하지만 a와 b의 차이가 크게 된다면 접합 부분에 stress가 발생하여 결합이 불안정하게 된다.

그래서 이런 최대의 a,b 의 차이는 0.2%보다 작아야 하고 이를 Lattice mismatch라고 한다.

 

그래서 Lattice mismatch를 고려하여 그래프를 보면 노란 동그라미 안쪽에 있는 물질들이 서로 화합물을 형성할 수 있다는 것을 알수있다.

 

 

이종접합 제작(Energy band)

straddling 이종접합인 N-type의 Ge과 P-type의 GaAs를 접합 해보자.

MS junction을 형성할때 와 비슷한 방법으로 전자친화도에 의해 고정되는 값들은 고정한 뒤 fermi level을 수평하게 만들어 그래프를 이어보자.

접촉 후의 모습이다. fermi level이 수평하게 된 것을 확인할 수 있다.

 

또한 기존의 Ge과 GaAs의 conduction band의 차인 $\Delta E_c$와 valence band의 차인 $\Delta E_v$는 유지되어 불연속한 모습을 확인할 수 있다. Fermi level이 같이 지는 과정에서 Ge의 전자는 GaAs로 GaAs의 hole은 Ge으로 이동한다.

이에 따라 접합면에 depletion 영역이 발생한다.

 

2D electron Gas(2DEG)

2차원 전자가스 현상은 N-type끼리 접합하여 형성됩니다.

사진 출처 : Semiconductor Physics and Devices (Donald A. Neamen)

위는 AlGaAs는 고농도 도핑이 된 상태이고, GaAs의 경우 저농도로 도핑 된 상태입니다. 만약 열평형을 위해 fermilevel을 평행하게 맞춰주면 전자들은 접합면에 구덩이에 빠지게 된다.

이는 무한 potential well과 유사한 상황이 되며, 전자들의 에너지는 양자화 된다.

전자들은 양자화가 되면서 접촉면에 수직한 방향으로는 움직임이 제한되고 다른 두방향으로는 움직임이 자유롭게 된다. 이는 마치 자기부상열차처럼 전자가 붕 떠 있는 상태가 되며 이를 2DEG상태라고 한다.

 

2DEG를 이용하면 양자화되어 있고 2D로는 움직임이 자유롭기 떄문에 불순물의 scattering을 줄일 수 있어 높은 전자 이동도를 가진다.

이런 이종접합에서의 높은 이동도를 이용한 트랜지스터가 HEMT(High Electron Mobility Transistor)이다.

 

 

 

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작성자: 김현수 / 수정 및 검토: 손동휘, 이현우