금속-반도체 접합

1 개요

반도체 소자는 외부와 연결되어 동작하는 원리이다. 외부와의 연결은 금속과 반도체 간의 접합에 의해 이루어지고, 이때 금속-반도체 접합은 두 가지 종류로 구분할 수 있다. 하나는 PN 접합 다이오드와 같이 정류 특성을 가지는 쇼트키 접합(Schottky junction)이고, 다른 하나는 저항 특성¹을 보이는 옴 접합(Ohmic junction)이다. 이 중 옴 접합이 반도체 소자에 사용되고 있으며, 전류 전도가 양방향으로 원활하게 이루어진다는 특성이 있다. 옴 접합(저항성 접합)은 동작 속도 등과 같은 소자의 성능에 큰 영향을 미치므로, 반도체에서 중요한 부분 중 하나이다.

저항 특성¹: 양전압, 음전압에 관계없이 전압에 따라 전류가 선형적으로 변하는 특성

본 단원에서는 쇼트키 접합과 옴 접합에 대해 알아보고, 그중 옴 접합을 일으키는 조건에 대해서도 논하고자 한다. 그 전에 먼저, 두 가지 새로운 개념을 도입해야 하는데, 일 함수(Work function, Φ)와 전자 친화도(Electron affinity, χ)가 바로 그것이다. 일 함수는 금속에서 전자를 떼어내는 데 드는 최소한의 에너지로서, 페르미 준위와 진공 준위(Vacuum level)²의 차이로 정의된다. 그리고 전자 친화도는 기체 상태의 원자가 전자 하나를 얻어 에너지 준위가 낮아지면서 방출하는 에너지로 정의되고, 전자 친화도가 클수록 그 입자는 전자를 얻기 더 쉽다는 의미가 된다. 에너지 밴드 측면에서 보면 반도체의 전도대역 최소 에너지(Ec)에 있는 전자를 진공 준위까지 끌어 올리는 데 필요한 에너지로 정의할 수 있다.

진공 준위²: 전자가 표면에서 충분히 멀리 떨어져 금속 표면의 영향을 받지 않을 때의 에너지 준위

쇼트키 접합과 옴 접합은 일 함수의 차이가 나는 금속과 반도체의 접합이며, 두 물질을 접합했을 때 캐리어가 이동하여 페르미 준위가 같아지면서 평형 상태에 이르게 된다. 일 함수의 차이에 따라 [표 3-1]과 같이 쇼트키 접합과 옴 접합으로 분류할 수 있다. 본 서에서는 n형 반도체에 대해서만 다룰 예정이고, p형 반도체는 n형 반도체의 경우와는 반대의 개념으로 이해하면 된다.

표 3-1 일 함수 차이에 의한 금속-반도체 접합 분류

※ \quad \Phi_m : 금속의 일 함수, \quad \Phi_s : 반도체의 일 함수

2 쇼트키 접합(Schottky junction)

(1) 열 평형 상태

[그림 3-1]은 평형 상태에서 \Phi_m > \Phi_s인 금속 -n형 반도체의 에너지 밴드 다이어그램을 나타낸 것이다. [그림 3-1(a)]는 금속과 반도체의 접합 전을, [그림 3-1(b)]는 접합 후 접합면의 전하 분포 및 에너지 밴드를 보여주고 있다.

금속과 반도체를 접합시키면, 순간적으로 전자는 페르미 준위가 높은 반도체에서 페르미 준위가 낮은 금속으로 이동하여 페르미 준위가 같아지는 평형 상태에 이르게 된다. 전자가 금속 쪽으로 이동했기 때문에 금속은 상대적으로 음의 전하를 갖게 되고 반도체는 금속 접합면 부근에서 도너 양이온에 의한 공핍 영역이 생성된다. 이로 인해 반도체 표면의 에너지 밴드가 위로 휘면서 내부 전위 장벽이 형성되므로, 더 이상의 전자 확산은 일어나지 않게 된다. 접합 후 금속 쪽 내부 전위 장벽의 높이(q\phi_B)는 q(\Phi_m - \chi)이 되고, 반도체 쪽(qV_0)은 q(\Phi_m - \Phi_s)이 되며, 이때의 금속 쪽 내부 전위 장벽 B를 쇼트키 장벽(Schottky barrier)이라 한다.

(2) 비평형 상태

그렇다면 평형 상태의 금속-반도체 접합 양단에 전압을 인가하여 비평형 상태를 만들면 어떤 변화가 생길까? [그림 3-2]에 순방향과 역방향 바이어스일 경우의 에너지 밴드 다이어그램을 나타내었다.

순방향 바이어스는 [그림 3-2(a)]에서 보여지듯이 금속 쪽에 양 전압을, 반도체 쪽에 음 전압을 가한 경우이다. 이렇게 되면 평형 상태에서 발생된 내부 전위(V₀)와는 반대 방향의 전압(V_f)이 인가되어 내부 전위 장벽이 q(V₀ - V_f)로 낮아지므로, 반도체 쪽에서 금속 쪽으로의 전자 확산이 잘 일어나 전류가 잘 흐르게 된다. 반면에 [그림 3-2(b)]와 같이 금속 쪽에 음 전압을, 반도체 쪽에 양 전압을 가한 역방향 바이어스의 경우에는, 평형 상태의 내부 전위(V0)와 같은 방향의 전압(Vr)이 추가로 인가되어 반도체 쪽의 에너지 밴드가 아래쪽으로 내려가게 된다. 이는 PN 접합에서 역방향 바이어스가 인가된 것과 동일한 원리이며, 내부 전위 장벽이 q(V₀ + V_r)로 높아지는 결과를 가져오게 되므로 전류가 흐르지 못한다. 정리해보면, 순방향 바이어스와 역방향 바이어스 시에 [그림 3-2(c)]와 같은 전압-전류 특성 곡선으로 나타낼 수 있다. 이러한 비대칭적 접합을 쇼트키 접합(Shottky junction)이라 한다.

3 옴 접합(Ohmic junction)

(1) 열 평형 상태

이번에는 평형 상태에서 \Phi_m < \Phi_s 인 금속 -n형 반도체의 에너지 밴드 다이어그램을 [그림 3-3]에 나타내었다. [그림 3-3(a)]는 금속과 반도체의 접합 전을, [그림 3-3(b)]는 접합 후 접합면의 전하 분포 및 에너지 밴드를 보여주고 있다.