와이드 밴드갭 반도체

와이드 밴드갭 반도체(Wide-bandgap semiconductor, WBG 반도체 또는 WBGS)는 일반적인 반도체보다 더 큰 띠틈을 가진 반도체 재료이다. 규소 및 셀레늄과 같은 일반적인 반도체는 0.7 – 1.5 전자볼트 (eV) 범위의 띠틈을 가지는 반면, 와이드 밴드갭 재료는 2 eV 이상의 범위에서 띠틈을 가진다. 일반적으로 와이드 밴드갭 반도체는 일반적인 반도체와 절연체의 중간에 해당하는 전자적 특성을 가진다.

와이드 밴드갭 반도체는 장치가 규소 및 비소화 갈륨과 같은 기존 반도체 재료보다 훨씬 높은 전압, 주파수 및 온도에서 작동할 수 있도록 한다. 이는 단파장(녹색-UV) LED 또는 레이저를 만드는 데 사용되는 핵심 부품이며, 특정 무선주파수 응용 분야, 특히 군용 레이더에도 사용된다. 본질적인 특성으로 인해 다양한 다른 응용 분야에 적합하며, 일반적인 반도체 용도를 위한 차세대 장치의 주요 후보 중 하나이다.

더 넓은 띠틈은 장치가 약 300 °C 정도의 훨씬 높은 온도에서 작동할 수 있도록 하는 데 특히 중요하다. 이로 인해 군사 응용 분야에서 매우 매력적이며, 상당한 양의 사용을 보였다. 높은 온도 내성 또한 이러한 장치가 정상 조건에서 훨씬 더 높은 전력 수준으로 작동할 수 있음을 의미한다. 또한 대부분의 와이드 밴드갭 재료는 일반적인 반도체보다 약 10배 높은 임계 전기장 밀도를 가진다. 이러한 특성이 결합되어 훨씬 높은 전압과 전류에서 작동할 수 있어 군사, 무선 및 전력 변환 응용 분야에서 매우 유용하다. 미국 에너지부는 이것이 새로운 전력 계통 및 대체 에너지 장치뿐만 아니라 플러그인 전기자동차에서 전기 열차에 이르는 고전력 차량에 사용되는 견고하고 효율적인 전력 부품의 기본 기술이 될 것이라고 믿는다. 대부분의 와이드 밴드갭 재료는 또한 높은 자유 전자 속도를 가지므로 더 높은 스위칭 속도에서 작동할 수 있어 무선 응용 분야에서 가치를 더한다. 단일 WBG 장치를 사용하여 완전한 무선 시스템을 만들 수 있으며, 별도의 신호 및 무선 주파수 부품의 필요성을 없애면서 더 높은 주파수와 전력 수준에서 작동할 수 있다.

와이드 밴드갭 재료의 연구 개발은 1970년대 이후 대규모 투자를 받은 기존 반도체보다 뒤처져 있다. 그러나 많은 응용 분야에서의 이점과 기존 반도체에서는 찾아볼 수 없는 몇 가지 독특한 특성이 결합되어 규소 대신 일상적인 전자 장치에 대한 관심이 증가하고 있다. 더 높은 전력 밀도를 처리하는 능력은 무어의 법칙을 유지하려는 시도에 특히 매력적이다. 무어의 법칙은 집적 회로의 트랜지스터 밀도가 수십 년 동안 약 2년마다 두 배로 증가하는 꾸준한 증가율을 관찰한 것이다. 그러나 기존 기술은 트랜지스터 밀도 면에서 정체기에 도달한 것으로 보인다.

 장치에서의 사용 
와이드 밴드갭 재료는 좁은 띠틈 재료에 비해 유용한 여러 가지 특성을 가지고 있다. 더 높은 에너지 띠틈은 장치가 더 높은 온도에서 작동할 수 있도록 한다. 띠틈은 일반적으로 온도가 증가함에 따라 감소하는데, 이는 기존 반도체를 사용할 때 문제가 될 수 있다. 일부 응용 분야의 경우, 와이드 밴드갭 재료는 장치가 더 큰 전압을 전환할 수 있도록 한다. 넓은 띠틈은 또한 전자 전이 에너지를 가시광선 에너지 범위로 가져오므로 LED 및 반도체 레이저와 같은 발광 장치를 가시광선 범위 또는 심지어 자외선을 방출하도록 만들 수 있다.

와이드 밴드갭 반도체를 사용하는 고태 조명은 루멘 효율이 20 루멘/와트 미만인 백열등에 비해 조명에 필요한 에너지 양을 줄일 잠재력을 가지고 있다. LED의 효율은 약 160 루멘/와트이다.

와이드 밴드갭 반도체는 RF 신호 처리에도 사용될 수 있다. 규소 기반 전력 트랜지스터는 작동 주파수, 항복 전압 및 전력 밀도의 한계에 도달하고 있다. 와이드 밴드갭 재료는 고온 및 전력 스위칭 응용 분야에 사용될 수 있다.

 재료 

14족 원소 중 유일한 와이드 밴드갭 재료는 다이아몬드와 탄화 규소 (SiC)이다.

13족 원소 중 유일한 반도체 재료는 규소, 셀레늄 및 저마늄보다 넓은 띠틈을 가진 붕소이다.

와이드 밴드갭을 가진 많은 III–V 및 II–VI 화합물 반도체가 있다. III-V 반도체 계열에서 질화 알루미늄 (AlN)은 200–250 nm까지의 파장을 가진 자외선 LED를 제조하는 데 사용되며, 질화 갈륨 (GaN)은 청색 LED 및 레이저 다이오드를 만드는 데 사용되며, 질화 붕소 (BN)는 청색 LED에 제안된다.

 일반적인 와이드 밴드갭 반도체 표 

 재료 특성 

 띠틈 

양자역학은 재료마다 다른 일련의 고유한 전자 에너지 준위, 즉 띠를 발생시킨다. 각 띠는 특정 수의 전자를 담을 수 있다. 원자에 전자가 더 많으면 더 높은 에너지 띠로 강제로 이동한다. 외부 에너지의 존재 하에서 일부 전자는 에너지를 얻고 에너지 띠 위로 이동한 다음, 에너지를 방출하고 더 낮은 띠로 떨어진다. 실온에 존재하는 열에너지와 같이 외부 에너지를 지속적으로 가하면 띠 위아래로 움직이는 전자의 수가 같아지는 평형 상태에 도달한다.

에너지 띠의 분포와 그들 사이의 "띠틈"에 따라 재료는 매우 다른 전기적 특성을 가진다. 예를 들어, 실온에서 대부분의 금속은 전자가 거의 에너지를 가하지 않고 추가되거나 제거될 수 있는 부분적으로 채워진 띠를 가지고 있다. 밀접하게 함께 묶여 있을 때 전자는 원자에서 원자로 쉽게 이동할 수 있어 우수한 전도체가 된다. 이에 비해 대부분의 플라스틱 재료는 원자 사이에서 전자를 이동시키는 데 상당한 에너지가 필요한 넓은 간격의 에너지 준위를 가지고 있어 자연적인 절연체가 된다. 반도체는 두 가지 유형의 띠를 모두 가진 재료이며, 정상 작동 온도에서 일부 전자는 두 띠에 모두 존재한다.

반도체에서 소량의 에너지를 추가하면 더 많은 전자가 전도띠로 밀려나 전도성이 높아지고 전류가 도체처럼 흐를 수 있다. 이 가해진 에너지의 극성을 반전시키면 전자가 더 넓게 분리된 띠로 밀려나 절연체가 되어 흐름을 멈춘다. 이 두 준위 사이에서 전자를 밀어내는 데 필요한 에너지 양이 매우 작기 때문에 반도체는 매우 적은 에너지 입력으로 스위칭을 허용한다. 그러나 이 스위칭 과정은 전자가 두 상태 사이에 자연적으로 분포되어 있는 것에 의존하므로 작은 입력으로 인해 모집단 통계가 빠르게 변한다. 외부 온도가 변함에 따라 맥스웰-볼츠만 분포로 인해 점점 더 많은 전자가 일반적으로 한 상태 또는 다른 상태에 있게 되어 스위칭 동작이 자체적으로 발생하거나 완전히 멈춘다.

원자의 크기와 원자 내 양성자 수는 띠틈의 강도와 배치를 예측하는 주요 지표이다. 작은 원자와 강한 원자 결합을 가진 재료는 넓은 띠틈과 관련이 있다. III-V 화합물과 관련하여 질화물은 가장 큰 띠틈과 관련이 있다. 띠틈은 합금으로 조절할 수 있으며, 베가드의 법칙은 일정한 온도에서 고용체의 결정 격자 상수와 구성 사이에 선형 관계가 있다고 명시한다. 띠구조에서 전도띠의 최소값 대 최대값의 위치는 띠틈이 직접 띠틈인지 간접 띠틈인지를 결정한다. 직접 띠틈 재료는 빛을 강하게 흡수하고, 간접 띠틈 재료는 덜 강하게 흡수한다. 마찬가지로 직접 띠틈 재료는 빛을 강하게 방출하는 반면, 간접 띠틈 반도체는 빛과 강하게 결합하는 도펀트가 추가되지 않으면 빛을 잘 방출하지 못한다.

 광학적 특성 

파장과 띠틈 사이의 연관성은 띠틈의 에너지가 전자를 전도띠로 여기시키는 데 필요한 최소 에너지라는 것이다. 외부 도움 없이 광자가 이 여기를 유발하려면 최소한 그만큼의 에너지를 가져야 한다. 반대 과정에서 여기된 전자-양공 쌍이 재결합할 때, 띠틈의 크기에 해당하는 에너지를 가진 광자가 생성된다.

띠틈은 LED가 빛을 방출하는 파장과 태양광 발전이 가장 효율적으로 작동하는 파장을 결정한다. 따라서 와이드 밴드갭 장치는 다른 반도체 장치보다 짧은 파장에서 유용하다. 예를 들어, GaAs의 띠틈인 1.4 eV는 약 890 nm의 파장에 해당하며, 이는 적외선이다 (빛 에너지의 등가 파장은 상수 1240 nm-eV를 eV 단위 에너지로 나누어 결정할 수 있다. 따라서 1240 nm-eV / 1.4 eV = 886 nm).
가장 높은 효율은 태양 스펙트럼의 다른 영역에 맞춰 조정된 층을 가진 태양 전지에서 생성되기 때문에, 현대의 다중 접합 태양 전지는 서로 다른 띠틈을 가진 여러 층을 가지고 있으며, 와이드 밴드갭 반도체는 적외선 너머의 스펙트럼 부분을 수집하는 핵심 구성 요소이다.

조명 응용 분야에서 LED의 사용은 특히 와이드 밴드갭 질화물 반도체의 개발에 달려 있다.

 항복 전계 
충격 이온화는 종종 항복의 원인으로 지목된다. 항복 지점에서 반도체 내 전자는 격자 원자와 충돌할 때 캐리어를 생성하기에 충분한 운동 에너지와 관련되어 있다.

와이드 밴드갭 반도체는 높은 항복 전압과 관련이 있다. 이는 충격을 통해 캐리어를 생성하는 데 더 큰 전기장이 필요하기 때문이다.

높은 전기장에서 드리프트 속도는 광학 포논의 산란으로 인해 포화된다. 더 높은 광학 포논 에너지는 특정 온도에서 더 적은 광학 포논을 초래하며, 따라서 산란 중심이 더 적고, 와이드 밴드갭 반도체의 전자는 높은 최고 속도를 달성할 수 있다.

드리프트 속도는 중간 전기장에서 최고점에 도달하고 더 높은 전기장에서는 약간 감소한다. 계곡 간 산란은 큰 전기장에서 추가적인 산란 메커니즘이며, 전도띠의 최저 계곡에서 상위 계곡으로 캐리어의 이동으로 인해 발생한다. 이 경우 낮은 띠 곡률은 전자의 유효 질량을 증가시키고 전자 이동도를 감소시킨다. 계곡 간 산란으로 인한 높은 전기장에서 드리프트 속도의 감소는 낮은 광학 포논 산란으로 인한 높은 포화 속도에 비해 작다. 따라서 전반적으로 더 높은 포화 속도가 나타난다.

 열적 특성 
규소 및 기타 일반적인 재료는 약 1~1.5 전자볼트 (eV) 정도의 띠틈을 가지므로, 이러한 반도체 장치는 비교적 낮은 전압으로 제어할 수 있다. 그러나 이는 또한 열에너지에 의해 더 쉽게 활성화되어 적절한 작동을 방해할 수 있음을 의미한다. 이로 인해 규소 기반 장치는 약 100°C 미만의 작동 온도로 제한되며, 이 온도를 넘어서면 장치의 통제되지 않은 열 활성화로 인해 올바르게 작동하기 어려워진다. 와이드 밴드갭 재료는 일반적으로 약 2~4 eV 정도의 띠틈을 가지므로 약 300°C 정도의 훨씬 더 높은 온도에서 작동할 수 있다. 이로 인해 군사 응용 분야에서 매우 매력적이며, 상당한 사용을 보였다.

녹는점, 열팽창 계수 및 열전도율은 가공에 필수적인 부수적 특성으로 간주될 수 있으며, 이러한 특성은 와이드 밴드갭 재료의 결합과 관련이 있다. 강한 결합은 더 높은 녹는점과 더 낮은 열팽창 계수를 초래한다. 높은 디바이 온도는 높은 열전도율을 초래한다. 이러한 열적 특성으로 열은 쉽게 제거된다.

 응용 분야 

 고전력 응용 분야 
와이드 밴드갭 반도체의 높은 항복 전압은 큰 전기장을 요구하는 고전력 응용 분야에서 유용한 특성이다.

고전력 및 고온 응용 분야를 위한 장치가 개발되었다. 질화 갈륨과 탄화 규소 모두 이러한 응용 분야에 적합한 견고한 재료이다. 견고성과 제조 용이성으로 인해 탄화 규소 반도체는 널리 사용될 것으로 예상되며, 하이브리드 전기차 및 모든 전기차량의 충전을 더 간단하고 효율적으로 만들고, 에너지 손실을 줄이며, 더 오래 지속되는 태양 및 풍력 에너지 전력 변환기를 구축하고, 부피가 큰 송전소 변압기를 없앨 것으로 예상된다. 입방형 질화 붕소도 사용된다. 이들 대부분은 우주 프로그램 및 군사 시스템의 특수 응용 분야용이다. 이들은 일반 전력 반도체 시장에서 규소의 선두 자리를 대체하기 시작하지는 않았다.

 발광 다이오드 
백색 LED는 더 높은 밝기와 더 긴 수명으로 인해 많은 상황에서 백열등을 대체했다. 차세대 DVD 플레이어 (블루레이 및 HD DVD 형식)는 GaN 기반 청자색 레이저를 사용한다.

 변환기 
큰 압전 효과를 통해 와이드 밴드갭 재료를 트랜스듀서로 사용할 수 있다.

 하이 일렉트론 모빌리티 트랜지스터 

초고속 GaN은 높은 계면 전하 밀도 현상을 사용한다.

비용 때문에 질화 알루미늄은 지금까지 주로 군사 응용 분야에 사용되었다.

 도전 과제 
와이드 밴드갭 재료 기반 장치는 규소 버전보다 훨씬 높은 주파수에서 스위칭할 수 있다. 또한 누설 전류도 훨씬 적은 경향이 있다. 결과적으로 WBG 반도체를 테스트하는 동안 적절히 특성화하려면 더 높은 전압과 더 민감한 전류 측정이 필요하다.

광대역 반도체 전력 장치는 온/오프 상태, 용량성 전압 및 동적 특성을 포함한 여러 측정을 요구한다. 동적 성능 외에도 시스템 전체에서 문제를 방지하기 위해 핵심 정적 매개변수를 테스트하는 것이 중요하다.

WBG 테스트는 업그레이드된 센서 중 일부를 적절히 활용하기 위해 추가 장비가 필요할 수도 있다. 고정밀, 고용량 전류 센서는 덜 정확한 옵션보다 큰 경향이 있다. 결과적으로 회로 성능에 미치는 영향을 최소화하면서 사용할 수 있는 특수 테스트 구조가 필요할 수 있다.

광대역 반도체는 상당한 이점을 제공하지만 제조상의 어려움이 있다. 고품질 광대역 재료를 대규모로 생산하는 것은 어렵고 비용이 많이 들 수 있다. 연구원과 제조업체는 이러한 재료를 더 저렴하게 만들기 위해 제조 공정을 최적화하고 있다.

 중요한 와이드 밴드갭 반도체 
 질화 알루미늄
 질화 붕소, h-BN 및 c-BN은 UV-LED를 형성할 수 있다.
 다이아몬드
 질화 갈륨
 탄화 규소
 이산화 규소

 같이 보기 
 직접 및 간접 띠틈
 반도체 소자
 반도체 재료 목록

 각주 

분류:반도체 재료 유형