반도체학과 재학생이 알려주는 MS 접합

안녕하세요. 이번 포스팅에서는 반도체의 접합 중 금속과 결합시키는 접합인 MS 접합에 대해 알아보도록 하겠습니다.

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1. MS 접합이란?

2. 쇼트키 접촉 (Schottky contact)

3. 저항 접촉 (Ohmic contact)

4. Carrier Conduction Mechanism

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1. MS 접합이란?

금속-반도체 접합은 대표적인 반도체의 이종 접합 중 하나입니다. 앞의 포스팅에서 살펴본 PN 접합과 달리 MS 접합은 금속과 반도체의 서로 다른 재료를 가지고 접합한 경우입니다.

 

MOSFET과 같은 트랜지스터에서 전극의 역할은 아주 중요합니다. 트랜지스터의 전기적 특성을 향상시키기 위해 전도성이 뛰어난 금속으로 전극을 사용합니다. 하지만, 금속과 반도체의 성질이 서로 달라 금속과 반도체의 접합 시 둘 사이에 발생하는 현상을 반드시 이해해야 합니다. 이 두 재료를 접합하면 접합면에서 크게 두 종류의 접촉 현상이 발생하는데 바로, 쇼트키(Schottky) 접촉과 저항(Ohmic) 접촉의 경우입니다.

 

2. 쇼트키 접촉 (Schottky contact)

Rectifying contact이라 불리는 쇼트키 접촉은 PN다이오드와 같은 특성을 보입니다. 전류가 순방향 바이어스에서는 흐르고 역방향에서는 흐르지 않습니다.

쇼트키 접촉의 I-V 커브

쇼트키 접촉은 금속과 반도체의 일함수 차이에 의해 쇼트키 장벽(Schottky barrier)라는 것이 형성되어 캐리어들이 한쪽 방향으로만 움직이는 현상을 보입니다.

 

n-type의 경우를 살펴봅시다. 쇼트키 접촉이 되려면 금속의 일함수가 반도체의 일함수보다 큰 경우에 가능합니다(φM>φS).

반도체의 페르미 준위가 금속의 페르미 준위보다 높게 형성되어 있습니다. 반도체에 전자가 많은 경우로 접합 시, 반도체 쪽에서 금속으로 전자의 확산이 일어나게 됩니다. 이러한 이유로 에너지 밴드가 휘게 되고, 장벽이 생기게 됩니다.

 

전자가 금속에서 반도체로 넘어갈 때 맞이하는 장벽을 쇼트키 장벽이라 하고 금속의 일함수와 전자 친화도의 차이만큼 생깁니다(φB=φM-X). 반대로 반도체의 전도대에 있는 전자가 금속 쪽으로 이동할 때 맞이하는 장벽을 pn 접합의 경우와 비슷하게 내부 전위 장벽(built-in potential)이라 하고 금속의 일함수와 반도체의 일함수의 차이만큼 생깁니다(Vbi=φM-φS).

 

순방향 바이어스를 걸어주게 되면 전자의 수가 증가하고 페르미 준위가 높아져 내부 전위 장벽이 낮아지게 됩니다.

반면, 역방향 바이어스를 걸어주게 되면 내부 전위 장벽이 높아져 전자가 장벽을 넘지 못하게 됩니다.

p-type의 경우를 살펴봅시다. 이번에는 금속의 일함수가 반도체의 일함수보다 작은 경우에 가능합니다(φM<φS).

반도체의 페르미 준위가 금속의 페르미 준위보다 낮게 형성되어 있습니다. 반도체에 정공이 많은 경우로 접합 시, 반도체 쪽에서 금속으로 정공의 확산이 일어나게 됩니다. 여기서 장벽은 전자 친화도와 금속의 일함수의 차이만큼 생깁니다(φB=X-φM). 이 역시 내부 전위 장벽이 존재하게 되고 이는 반도체의 일함수와 금속의 일함수의 차이만큼 생기게 됩니다(Vbi=φS-φM).

 

3. 저항 접촉 (Ohmic contact)

Non rectifying contact이라 불리는 저항 접촉은 말 그대로 옴의 법칙(V=IR)을 따르는 접촉입니다. 반도체 소자 제작 시 저항 접촉을 해주어야 낮은 저항을 가지고 소자에 높은 전류를 줄 수 있어 소자의 성능 향상이 가능해집니다.

 

n-type 반도체의 경우를 살펴봅시다. n-type의 경우에는 금속의 일함수가 반도체의 일함수보다 작을 경우에 해당합니다(φM<φS).

반도체의 페르미 준위가 금속의 페르미 준위보다 아래에 존재하여 공핍 영역이 형성되지 않고 금속에서 반도체 쪽으로 전자의 확산이 수월하게 일어납니다.

 

반도체의 페르미 준위가 금속의 페르미 준위보다 아래에 존재하여 공핍 영역이 형성되지 않고 금속에서 반도체 쪽으로 전자의 확산이 수월하게 일어납니다.

 

p-type반도체도 마찬가지로 정공의 이동이 수월하게 일어나려면 금속의 일함수가 반도체의 일함수보다 커야 합니다(φM>φS).

금속의 페르미 준위가 반도체의 페르미 준위보다 낮게 형성되어 있어 접합 시 공핍 영역이 형성되지 않고 반도체 쪽에서 금속으로 정공의 확산이 수월하게 이루어집니다.

 

4. Carrier Conduction Mechanism

소자의 성능을 향상하기 위하여 쇼트키 접촉을 저항 접촉의 형태로 만들어야 합니다. 앞 절의 내용과 같이 금속의 일함수를 조절하여 저항 접촉의 형태를 만들 수 있지만 다른 방법으로는 접합부에 도핑을 해줌으로써 저항 접촉의 형태를 만들 수 있습니다.

도핑에 따른 세 가지의 메커니즘

도핑이 되지 않았을 때에 전자는 장벽에 가로막혀 수월한 이동을 할 수 없습니다. 접합부에 도핑을 해주면 그림에서 보다시피 공핍 영역이 줄어들게 되고 전자가 터널링 효과를 통해 장벽을 무시하고 이동을 할 수 있게 됩니다. 도핑을 통해 접합의 특성이 쇼트키에서 저항 접촉으로 바뀌게 되는 것입니다.

 

이상으로 MS접합에 대해 알아보았습니다. 다음 포스팅에서는 21세기의 전구라고 불리는 발광 다이오드 (LED)에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 

감사합니다.

 

*본 포스팅은 ‘NEAMEN의 반도체 물성과 소자’를 참고하여 제작하였습니다.

 

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