1.1 실리콘 결정 구조(Silicon Crystal Structure)

서론

 > 전자공학과에서 반도체 강의를 수강했으며 관련된 회사에서 관련된 업무를 하고 있다.

 

> 아무리 복잡하거나 창의적은 결과물을 도출할 때 항상 근간이 되는건 기본 지식이다.  

 

> 기본을 Remind하며 학부 때 보았던 소자 공학 서적의 Review를 시작한다.

 

 

1.1.1 실리콘 결정 구조 

 > 우리가 반도체 물질이라고 하면 보통 실리콘을 얘기한다. (Si, Silicon) 

 

 > 먼저 반도체가 뭐냐라고 시작한다면 도체도 될 수 있고 부도체도 될 수 있는 물질.

 

 > 좀 더 어렵게 말하면 Energy Band에서 Band Gap이 적절해서 우리가 임의적으로 도체랑 도체로 Control 할 수 있는 물질. 

 

 > 그런 물질이 되려면 원자의 최외곽 전자가 4개이면 된다. 

 

 > Si만 그럼 최외곽 전자만 4개인가 아니다 Ge도 있고 화합물인 GaAs도 있고 많다. 

 

 > 그럼 왜 Si이 대표적인가? 싸니깐.

 

 > Si은 모래에서 퍼다가 만들면 되고 단결정(Intrinsic) Silicon으로 만들기도 상대적으로 쉽다. 

 

 > 또 중요한 이유는 SiO2처럼 아주 좋은 산화막이 다른 물질에겐 없기 때문.

 

 >  Si은 다아아몬드 구조이다 흔히 반짝거리는 Nothing Lasts Forever Diamond가 맞다. 

 

 > 참고로 Si 대신 C가 들어가면 다이아몬드고 Ge도 동일한 다이아몬드 구조이다. 

 

 >  Si이 서로 엉겨 붙으면서 3차원 구조를 이루는데 이때 주기적인 구조의 기본 단위를 Unit Cell. 

 

 > 그 Unit Cell의 길이가 5.24Å이다. (1Å = 10^10m 이다 meter 단위가 포함되어 있다 이거 모르는 사람 꽤 있더라)

    -. 이 수치는 감각적으로 알고 있으면 좋다. 나중에 H2가 어떻게 격자 사이로 들어와서 Dangling Bond를 Passivation 했지?라고 나처럼 바보같이 안 놀랄 수 있다. 

 

 > Si는 반복적인 구조를 가지고 있어서 어느 방향으로 자르냐에 따라 성질이 다르다.

 

1.1.2 (Miller Index)

 > 그 방향을 구분해 주기 위해서 Miller Index를 사용한다. 

 

 > (abc) 안에 있는 숫자가 Miller Index이고 (###)은 면이고 [###]은 면에 수직한 결정 방향을 말함.

 

 > 안의 숫자 a, b, c는 1/a, 1/b, 1/c 와 x,y,z 축과 교차하는 숫자이다.

 

 > (100)이면 x축은 1과 교차하고 y, z축은 무한대 교차 즉 교차 안하는 면.

 

 > (111)이면 x, y, z축은 1과 교차하는 면.

 

 > 보통 일빵빵, 일일빵 이렇게 부른다. 모빌리티가 좋아서 일빵빵을 주로 쓰지만 특성에 따라 다른면도 쓰긴 한다. 

 

그림 1. 밀러 인덱스 (Miller Index)

 

Introduction

 

> I took a semiconductor course in the Department of Electronic Engineering and I am working on related work.

> Basic knowledge is always the basis for deriving results no matter how complex or creative they are.

> To remind the basics and I'm going to start a review of  the text books that I studied in the past.

 

1.1.1 Silicon crystal structure

> When we discuss semiconductor materials, silicon (Si) is commonly mentioned.

 

> A substance that can function as both a conductor and nonconductor is called a semiconductor.

 

> To be more precise, the appropriate amount of band gap exists within the energy band. This allows us to control its conductivity or insulating properties by applying additional energy.

 

> The condition for a material to be classified as a semiconductor is that it must have four outermost electrons.

 

> Besides silicon, are there other elements with four outermost electrons? Yes, there are, such as germanium (Ge), gallium arsenide (GaAs), and so on.

 

> So why is silicon considered representative? One major reason is its affordability. Silicon can be extracted from sand and the process of making intrinsic silicon is relatively straightforward.

 

>Another significant reason is that other substances do not form oxide films as effectively as SiO2.

 

>Silicon has a diamond-like crystal structure. Yes, it's often referred to as the "Nothing Lasts Forever Diamond."

 

>If carbon (C) is used instead of silicon, it forms a diamond structure, and germanium (Ge) also shares this diamond-like structure.

 

>Silicon atoms bond with each other, forming a three-dimensional lattice. During this process, the fundamental unit of the repeating structure is called a unit cell.

 

>The length of the unit cell is 5.24 Å (1 Å = 10^(-10) m). (Å contains the unit meters. Many people are unaware of this.)

 

>Because silicon has a repetitive structure, its properties vary depending on the direction of the cut.

 

>1.1.2 (Miller Index): We use Miller Indices to distinguish directions.

 

>In the notation (abc), the numbers represent the Miller Indices. The numbers within the brackets [###] indicate a crystal plane, and [###] denotes the direction perpendicular to that plane.

 

>The values a, b, and c are reciprocals of 1/a, 1/b, and 1/c, respectively, and they align with the x, y, and z axes.

 

>For example, in the case of (100), the x-axis intersects at 1, while the y and z-axes intersect infinitely. This signifies a non-intersecting plane.

 

>In the case of (111), the x, y, and z axes intersect at 1.

 

> (111) is commonly used due to its high mobility. However, there are situations where the other side of the silicon crystal is used for specific purposes

 

Figure 1. Miller Index

Reference 

-. Chenming Calvin Hu, Modern Semiconductor Devices for Integrated Circuits, PEARSON(2013)