1102101723Ch01 The Crystal Structure of Solids

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					Chapter 1. The Crystal
           Structure of Solids
     Semiconductor Materials
     Type of Solids
     Space Lattices
     Atomic Bonding
     Imperfections and Impurities in Solids
     Growth of Semiconductor Materials


                                    Young-Hwan Lee
                                    http://cafe.daum.net/lyh201circuit
                                    E-mail : lyh201@hanyang.ac.kr
                                    Mobile : 010-7178-1884
1.1 Semiconductor Materials
 Bell Telephone Lab.(U.S.A)의 Shockley, Bardeen, Brattain
  에 의해(1956년 Nobel 물리학상 공동수상) 1948년 최초
  로 Ge single crystal을 이용한 point contact Transistor를
  발명.

 semiconductor material 의 정제 및 제조기술과 물성론
  적 이해에 힘입어 semiconductor devices는 현재까지 급
  속한 발전을 이룸.




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  1.1 Semiconductor Materials
 Semiconductors are a group of materials having conductivities
  between those of conductors and insulators.
 General classification
  - elemental semiconductor : group IV of the periodic table
     (A semiconductor composed of a single species of atom)
  - compound semiconductor : special combination of group III
   and group V elements (binary compound, ternary compound)
        III       IV    V         Compound semiconductors
        B         C           AlP          Aluminum phosphide
                             AlAs          Aluminum arsenide
        Al        Si    P
                             GaP           Gallium phosphide
       Ga        Ge     As
                             GaAs          Gallium arsenide
        In              Sb    InP          Indium phosphide

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   1.1 Semiconductor Materials
 semiconductor materials의 특징

(1) electrical resistivity : 대략 10-6 ~ 106 [Ω· m ] 의 물질
                            그러나 절대적인 구분은 아님.
(2) energy band structure에서 energy gap(Eg)이 1 eV정도.
(3) electrical resistivity의 temp. coefficient : negative
 ※ semiconductor & insulator : (–) conductor : (+)
    electrical resistivity가 temp. 증가와 함께 감소. 즉 electrical conductivity
    가 temp.증가와 함께 급속히 증가하고 대단히 민감.
                     [  ne & n  exp ( E g 2kT )]
(4) semiconductor에 포함되는 impurity의 종류와 양에 따라 conductivity의
   변화가 크다.
(5) ambipolar conduction
   → carriers : electron & hole
(6) rectifying action, photoelectric effect, Hall effect, thermo-electric effect etc.
   물리적 현상

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1.1 Semiconductor Materials
 semiconductor materials

 (1) elemental semiconductor
 (2) compound semiconductor
    (a) intermetallic compound semiconductor
    (b) oxide semiconductor
 (3) organic semiconductor
 (4) amorphous semiconductor




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  1.1 Semiconductor Materials
1. elemental semiconductor (group IV elements)
 (1) Ge : diamond structure (atomic number : 32)
             40 [  cm] at 300 K
           Eg  0.67 [eV] at 300 K
     ※ 70℃ 정도에서 intrinsic conduction이 시작되어 device의 동작성능
         급격히 저하(melting point 960℃).
  (2) Si : diamond structure (atomic number : 14)
             310 5 [  cm] at 300K
           Eg  1.12 [eV]        at 300K
   ※ O2 다음으로 지구상에 많이 존재하는 원소이나 고순도 정제가 어려
     워 실용화가 늦음 (melting point 1,410℃).

2. compound semiconductor
  2종류이상의 원소로 구성되어 있는 inorganic semiconductor를 의미함.
  일반적으로 (1) 화학적 조성의 제어가 어렵고
        (2) single crystal 제작이 매우 힘들어 실용화가 늦음.

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   1.1 Semiconductor Materials
(1) intermatallic compound semiconductor

  A. binary compound semi.
   * III족 elements(B, Al, Ga, In)과 V족 elements(N, P, As, Sb)
    을 mole 비 로 혼 합 하 여 만 든 zincblende structure 의
    compound.
   * IV 족 elemental semiconductor 에 비 해 higher electron
    mobility → high frequency transistor
         ; GaAs ( n  8,500 & p  400 cm V  s ) at 300K
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           Si     ( n  1,350 & p  480 cm 2 V  s ) at 300K
     larger energy gap → high temp. devices
         ; GaAs (Eg = 1.43 eV) at 300 K
           Si     (Eg = 1.12 eV) at 300 K


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   1.1 Semiconductor Materials
B. ternary compounds ; GaAs-AlAs : AlxGa1-xAs
                        GaP-InP      : GaxIn1-xP
                        GaAs-InAs : GaxIn1-xAs
                        AlAs-InAs : AlxIn1-xAs etc.
     → mixed crystal은 조성비에 따라 energy gap을 자유롭게 연속적으
   로 변화시킬 수 있으므로 optoelectronics materials로 중요.
    ※ GaAs (Eg =1.43 eV) –AlAs(Eg =2.13 eV)계 mixed crystal인
   AlxGa1-xAs(x는 Al조성비)에서 x의 변화(0~1)에 의해
    a) Eg의 연속적인 변화
    b) 성질을 GaAs로부터 AlAs의 성질까지 변화
    c) GaAs(5.6533Å at 300K)와 AlAs(5.6605Å at 300K)는 lattice const.
   가 거의 비슷하여 GaAs위에 쉽게 AlAs를 성장시켜 hetero structure
   를 얻기가 용이하므로 특히 중요.
    ※ HBT(heterojunction bipolar transistor, cf. BJT),
      MODFET(modulation-doped field effect transistor : multilayer
   modulation-doped heterostructure) 등에 이용 .
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  1.1 Semiconductor Materials
(2) oxide semiconductor
 일반적으로 metal의 oxide는 Eg가 넓어 insulator로 작용하나
 불순물의 혼입에 의해 도전성을 갖는 경우가 있다.
  p-type semiconductor : Cu2O, NiO, CoO, FeO, Cr2O3,
                         Bi2O3, MoO3, Ti2O3
  n-type semiconductor : ZnO, CdO, TiO2, Al2O3, ThO2, SnO2 etc.
  Cu2O → metal과의 접촉면에 정류성이 있어 오랫동안 정류기로
  사용. 그러나 Si정류기의 출현으로 거의 사용치 않음.
  ZnO → varistor material
  SnO2 → thin film으로 만들면 투명하고, 유리와의 접착성이 좋으
  므로 유리 위에 입혀서 투명전극, EL판용 전극, 액정표시소자의
  투명 전극 등에 이용될 뿐만 아니라 박막 저항재료로도 이용.



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  1.1 Semiconductor Materials
(3) organic semiconductor

   자연계에 천연으로 존재하는 것이 아니고, 인공합성에 의해 만
    들어지는 C-H 결합의 semiconductor
   일반적으로 organic compound는 분자내에 강한 결합을 갖고 있
    고 분자간에는 large potential barrier가 존재하므로 electron의 이
    동확률이 매우 낮아 대부분 전기 절연체 이나, 분자간을 이동
    할 수 있는 electron(π electron in anthracene : C14H10)을 어느 정
    도 갖고 있어 반도체적 성질을 나타내는 organic compound도 있
    어, 현재는 아직 연구 단계이나 앞으로 이의 응용은 대단히 유
    망하다.
   ※ π electron → 결합력이 비교적 약해 free electron에 가까운 성
    질을 나타내 분자간을 어느 정도 자유스럽게 이동.



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 1.1 Semiconductor Materials
(4) amorphous semiconductor
    원자배열에 주기성이 없는 고체로 long range order는 없지만 수개의
    원자를 포함한 미소한 영역에서는 강한 방향성을 지닌(short range
    order) 특수한 구조의 semiconductor
 a. elctron을 공유하므로서 s & p궤도를 8개의 전자로 채운 폐각구조
 b. α-Ge, α -Si에서는 결정과 마찬가지로 sp혼성궤도에 의한 정사면체 구
    조의 결합.
 c. 원자배열의 주기성이 상실되어 있으므로 forbidden band내에 고밀도
    의 localized energy level이 존재
  → low carrier mobility ( for α-Ge & α-Si)
 d. α-Si은 solar cell, TFT(thin film tr.) 등에 이용.
   앞으로 광 memory device재료로 기대됨.
 e. Se, Te etc.(chalcogen element) 의 amorphous semiconductor
    (chalcogenide glass)
     → 적외선영역의 광학유리로 이용.

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 1.2 Types of Solids
SOLDIS → 고밀도의 원자집합으로 atoms의 공간적 배열상태에 따라 three
  different types이 존재.
(1) single crystal (crystalline) : atom or atom group의 regular
    arrangement
    <atomic arrangement가 regular geometric periodicity을 가짐.
    (atom이 long-range order를 가짐)>
   semiconductor devices는 일반적으로
    single crystal materials로 제작.
   single-crystal materials의 growth는
    semiconductor technology에서 중요.
   electrical properties이 nonsingle-
    crystal material에 비해 우수.


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 1.2 Types of Solids
(2) polycrystalline : atom or atom group의 부분
적인 regular arrangement
  <grain boundary에 의해 나누어진 many
small crystals로 구성>
   ※poly-Si은 MOS devices에서 gate materials
로 사용.
(3) amorphous: atom or atom group의 irregular
arrangement <short-range order>
   ※solar cell, TFT 등에서 a-Si이 사용됨.




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  1.3 Space Lattices
single-crystal내의 원자배열은 regular geometric periodicity.
즉 동종의 atom or atom group이 3차원의 각 방향에서 일정한 거리마다 반복.
lattice : The periodic arrangement of atom in a crystal.
lattice point : a particular atomic array by a dot.
1.3.1 Primitive and unit cell
어떤 일정방향 & 일정거리로 atom을 이동시키면 동종의 atom과 중첩.
           " translational symmetry, 병진대칭 "
→ 그러므로 three fundamental vectors를 규정할 수 있다.
                r  pa  qb  sc (1-1)
       where p, q, s are arbitrary integers
 공간 내 eq.(1-1)에 의해 정의되는 points              : lattice point
 eq.(1-1)에 의해 정의되는 lattice points의 집합 : space lattice
 vector a, b, c에 의해 정의되는 평행6면체 : primitive cell or unit cell
※ primitive cell : 평행 6면체의 eight corners에만 lattice points를 가짐.
   unit cell : 평행 6면체의 eight corners뿐만 아니라 face-center or volume
  center에도 lattice point 존재.

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1.3 Space Lattices




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 1.3 Space Lattices
1.3.2 Basic Crystal Structures
single-crystal ; atom의 3-dimensional periodical array.
 → this periodical array는 lattice sites를 연결하는 three independent
  shortest vectors인 primitive basis vectors (a, b, c)에 의해 define됨.
                       r  pa  qb  sc
                       where p, q, s are arbitrary integers
 primitive vectors(a, b, c)와 각 vector간의 각 α, β, γ에 의해 형성되
   는 평행6면체.            " primitive cell “
   ※ a, b, c, α, β, γ : lattice constants




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 1.3 Space Lattices




SC (simple cubic)       BCC (body-centered         FCC (face-centered
                              cubic)                     cubic)
8 corner atoms             8 corner atoms             8 corner atoms
                             1 b-c atom                  6 f-c atoms
# of atoms/unit cell    # of atoms/unit cell =   # of atoms/unit cell =
= 8 * (1/8) = 1           8 * (1/8) + 1 = 2        8 * (1/8) + 6*1/2 = 4
                        * Cr, Mo, W, α-Fe        * Ag, Al, Au, Ca, Cu,
                                                   Ni,
                                                   Pd, Pt, Rh
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 1.3 Space Lattices
 Example 1.1
Find the volume density of atoms in a crystal (BCC).
Lattice constant a = 5Å




              2 atoms
   density                1.6 10 22 atoms/cm 3
             (5 10 -8 )3




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1.3 Space Lattices
The
seven
crystal
systems




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 1.3 Space Lattices
1.3.3 Crystal Planes and Miller Indices
 * real crystals은 infinitely large하지 않고 그 규칙성은 표면에서 끝
  나며, 또한 semi. devices의 특성은 surface properties에 큰 영향을
  받으므로 lattice의 관점에서 surface를 표현하는 것이 필요.
 Miller indices
  The set of integers used to describe a crystal plane.
  * crystallographic direction and crystal plane을 표시하는 기호 (h, k,
  l) <결정방법>
   (1) 결정축을 lattice constant(a, b, c)를 단위 길이로 하여 설정.
   (2) 결정면의 결정축과의 교차점을 lattice constants를 단위 길이
  로 하여 결정.
   (3) 교차점의 역수를 취하여 분수를 제거한 3숫자의 집합
      이 Miller indices (h, k, l).



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 1.3 Space Lattices




Three lattice planes (a) (100)plane, (b) (110) plane, (c) (111) plane
 Example 1.3
 Calculate the surface density of atoms on a particular plane(110)
in a crystal (BCC). Lattice constant a = 5Å
                     2 atoms
  density                           5.66 10 14 atoms/cm 2
                    2 (5 10 -8 ) 2

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1.3 Space Lattices




Three lattice directions and planes
(a) (100)plane and [100] directions, (b) (110) plane and [110] directions, (c)
(111) plane and [111] directions

 The [hkl] direction is perpendicular to the (hkl) plane.



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1.3 Space Lattices
1.3.4 The Diamond Structure
 Si, Ge : diamond crystal structure, tetrahedral configuration
 * 중첩된 2개의 face-centered cubic sublattice로 구성되며, 한 lattice는 다른
   lattice에 대해 unit cell의 대각선방향으로 대각선의 1/4만큼 상대적으로
   이동한 모양.
 * 결합력은 각 원자가 갖고 있는 4개의 valence electrons에 의한 tetrahedral
   bond에 기초를 두고 있다.
 * isolated atom상태에서 이들 원자
    의 valence electrons은 2개의 s
    electron과 2개의 p electron에 의
    해 구성되어 있으나, 사면체결합
    을 이루기 위해 이 중 한 개의 s
    electron이 energy가 약간 높은 p
    상태로 여기되어 3p3 혼성궤도
    (hybrid orbit)를 만들어야 한다.



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  1.3 Space Lattices
 GaAs(AIIIBV) : zincblende structure
  * diamond구조와 유사하며, 1개의 face-centered cubic sublattice
  는 Ga atom으로만 구성되어 있고, 또 1개 As atom만으로 구성되
  어 있다는 점이 다르다.

   * AlAs, GaP, GaSb,
     InAs, InP, InSb,
     ZnS, ZnTe




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   1.4 Atomic Bonding
  가장 안정된 electron configurations는 outer(valence) shell의 s & p subshells
   이 완전히 채워진 경우.
※ for example : inert gases Ne(10) 1s22s22p6
                              Ar(18) 1s22s22p63s23p6
                              Kr(36) core + 4s24p6
                              Xe(54) core + 5s25p6
                              Rn(86) core + 6s26p6
(1) ionic bond : oppositely charged ions이 Coulomb attraction에 의한 결합.
(2) covalent bond : valence shell의 s & p subshells을 완전히 채우기 위해 인접
   한 atoms이 their valence electrons을 공유하여 bonds를 형성.
  ※ for example : Si(14) core + 3s23p2
                    Ge(32) core + 4s24p2
   Ga(31, core + 4s24p1)와 As(33, core + 4s24p3)가 결합한 GaAs compound의
   each atom은 평균적으로 two s electrons & two p electrons을 가짐.
(3) metallic bond : 집단적으로 전자를 공유
(4) Van der Waals bond : the weakest of the chemical bonds

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1.5 Imperfection & Impurities in Solids
 구조민감성(structure sensitive properties)
 - crystal defects의 존재에 의해 영향을 받는 성질.
 (1) diffusion
 (2) mechanical property
 (3) thermal conduction
 (4) dielectric breakdown
 (5) electrical conduction of semiconductor
 구조불감성(structure non-sensitive properties)
 - crystal defects의 존재에 큰 영향을 받지 않는 성질.
 (1) 비중
 (2) 탄성계수, 반사율
 (3) 융점, 비점, 비열, 열팽창
 (4) 상자성
 (5) 유전율, 역률(tan δ)

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 1.5 Imperfection & Impurities in Solids
1.5.1 Imperfection in Solids
(1) point defects
    a. vacancy defect
    b. interstitial defect
    c. Frenkel defect
    d. Schottky defect
                                                 (a) a vacancy defect




                                                                        (c) Frenkel defect
                                                                        (d) Schottky defect



      (b) an interstitial defect


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      1.5 Imperfection & Impurities in Solids
(2) line defect ; dislocation(轉位)
   * 결정내에서 다수의 원자가 선상으로 변위된 것.
     a. edge dislocation
     b. screw dislocation




                             A line dislocation   A screw dislocation

(3) surface defect ; grain
     boundary
   * 표면에서 격자의 불
     연속성 때문에 일어
     나는 결함



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    1.5 Imperfection & Impurities in Solids
1.5.2 Impurities in Solids




    A substitutional impurity      an interstitial impurity

  substitutional impurity : impurity atoms located at normal
  lattice sites
  interstitial impurity : impurity atoms located between normal
  lattice sites
  doping : The technique of adding impurity atoms to a
  semiconductor material in order to change its conductivity.
   * diffusion, ion implantation
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  1.6 Growth of Semiconductor Materials
Technology of Semiconductor Devices
<Semiconductor Devices의 製造工程技術>
  * Semiconductor Material기술과 Thin Film Process의 조합.
  * wafer의 大口徑化, 高集積, 高速化 추구.
  * 신소재 개발연구 활발히 추진.
** 제조공정기술 분류 **
 Ⅰ. 재료기술
    1. 고순도다결정 정제기술
    2. Single Crystal 성장기술
       * Czochralski method
    3. Wafer 제조기술
 Ⅱ. 설계기술
 Ⅲ. Mask 제작기술
 Ⅳ. Wafer 가공기술
 Ⅴ. 조립기술
 Ⅵ. 시험 및 검사기술                                 Czochralski method
    Hanyang University        fall – 2007                          30
    *** 제조공정기술 분류 ***
I. 재료기술
II. Wafer 가공기술
  A. Epitaxial growth method
     (homoepitaxy, heteroepitaxy)
     1. Vapor Phase Epitaxy(VPE)
     2. Liquid Phase Epitaxy(LPE)
     3. Chemical Vapor Deposition(CVD)
     4. Molecular Beam Epitaxy(MBE)
     5. MOCVD (Metalorganic chemical vapor deposition )
  B. Thermal Oxidation of Si
  C. Diffusion and Ion Implantation
  D. Film Deposition
     1. Vacuum Evaporation
     2. Sputtering
  E. Lithography and Etching
  F. Metallization

     Hanyang University           fall – 2007             31

				
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