척척학사의 공부노트입니다!
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5주차 내용 정리 및 번역입니다.
5주차. PN junction optical properties and metal-semiconductor contacts
1) 반도체의 광학적 특성
4주차 마지막에서 언급했듯이 지금까지는 PN 접합의 전기적 성질에 대하여 알아봤다. 이번 포스트에서는 광학적 특성에 대해 자세히 알아보자. 더 나아가 가장 흔한 광학 소자인 광 검출기, 태양 전지, LED의 작동 원리에 대해서도 같이 알아보도록 하자.
가장 먼저 반도체의 에너지 밴드에 대해 다시 한번 살펴보자. 반도체 시스템에 에너지가 주입 될 경우 전자정공쌍(EHP)이 형성된다. 이 에너지는 이전에는 열 에너지라고 판단했지만 이는 또한 빛에 의한 광학 에너지일 수도 있다. 물리적으로 빛은 포톤이라 불리는 입자로 고려할 수 있으며, 포톤의 에너지는 파장에 반비례하는 관계를 가진다. 정확한 공식은 위와 같으며 플랑크 상수 h, 진공에서의 빛의 속도 c, 파장 람다로 이루어져있다. 또한 이를 eV 단위로 바꾸어 더욱 간단히 표현 가능하다. 이를 통해 파장이 짧을수록 큰 에너지를 가진다는 것을 확인할 수 있다.
만약 포톤의 에너지가 반도체의 밴드갭보다 크다면, 이는 흡수되어 전자를 가전자대에서 전도대로 excite 시킬 것이다. 하지만 에너지가 밴드갭보다 작다면, 흡수되지 않고 물질을 통과해 버린다. 또한 금속과 반도체들이 일반적으로 작은 밴드갭을 가지고 있어 방사선(radiation)을 쉽게 흡수하기 때문에, 일반적으로 통과가 가능한 물질 중에 절연체가 많은 이유를 설명할 수 있다. 일반적인 가시광선의 파장은 0.7㎛(빨강) ~ 0.4㎛(파랑) 정도이며 이는 각각 1.8eV와 3.1eV에 대응한다. 이를 고려하여, 실리콘은 일반적으로 적외선(infrared)를 포함하여 전체 가시광선 영역을 전부 흡수한다.
물질의 밴드갭보다 큰 에너지를 가진 포톤이 비춰졌을때, EHP가 생성된다. 이렇게 형성된 각각의 캐리어는 확산에 의해 동시에 움직이게 되고 결과적으로 전류는 발생하지 않는다(zero net current). 또한 빛이 비추지 않는 영역으로 이동하면 이들은 다시 재결합되게 된다.
하지만, 빛이 PN 접합의 공핍 영역에 비춰지게 된다면, 접합의 전기장에 의해서 각각의 캐리어는 서로 다른 영역으로 이동하게 된다. 이는 접합의 양 영역이 같은 전압이 걸려있더라도 전류를 형성할 수 있게 해준다. 이를 단락 전류(short-circuit current) 혹은 lsc라고 부르며 빛의 광도에 비례한다. 또한 이 전류가 주입된 포톤에 의해 발생했기 때문에 Iphoto라고 표현한다.
접합에서 전류는 N 영역에서 P 영역으로 흐르기 때문에 이 전류는 PN 접합 전류 공식에 따라 음수로 고려한다. 또한 전압이 음수, 양수와 상관없이 접합에 인가된다면 전류가 유도된다. 따라서 접합에 흐르는 전체 전류는 인가된 전압에 의해 발상한 전류와 포톤에 의해 발생한 전류의 합이다. 따라서 빛이 비춰지고 있는 접합의 전류-전압 특성을 위와 같은 공식을 통해서 표현할 수 있으며 이를 그래프로써 표현한 것이 다음과 같다. 광도가 높을때 커브는 Iphoto가 커지기 때문에 아래쪽으로 내려간다. 다이오드의 전류가 전압 축과 교차하는 부분은 전류가 흐르지 않는다는 것을 의미하지만 다이오드의 양 끝단 사이에는 여전히 전위차가 존재한다. 이 전압을 개방 회로(open-circuit voltage) Voc라고 표현한다. 이 상황은 음수의 Iphoto와 Voc의 순방향전압이 걸릴때 유도되는 순방향전류가 같을때 발생한다.
2) 광 검출기
이러한 PN 접합의 광학적 특성을 활용한 가장 간단한 기능이 리모콘과 같이 광 신호를 수신하는 광 검출기이다. 이에 따른 간단한 광 검출기 회로가 위와 같다. 배터리는 다이오드에 역방향전압이 걸리도록 유도한다. 이 상황에서 다이오드 전류는 역방향전압이 굉장히 작기 때문에 Iphoto와 같다. 아무런 빛이 없을때 다이오드에는 역방향전압이 걸려있기 때문에 개방 회로처럼 작용하여 외부 저항에 아무런 전류가 흐르지 않는다. 따라서 출력 전압은 0V이다. 다이오드에 빛이 비춰진다면 역방향전류 Iphoto가 다이오드에 흐르게 되고 이는 저항에 전류를 공급한다. 이에 따라 외부 전압은 Iphoto * R이 되며 이는 외부 전압이 광도, Iphoto에 비례한다는 사실을 알 수 있다. 따라서 빛의 광도를 외부 전압을 측정함으로써 알 수 있다.
3) 태양 전지 (Solar cell)
빛이 PN 접합에 아무런 전압의 인가 없이 전류를 형성할 수 있기 때문에 이를 에너지원으로 활용할 수 있다. 따라서 간단한 PN 접합으로 태양 전지를 만들 수 있다. 이러한 태양 전지의 작동 원리를 PN 접합의 I-V 곡선을 통해 알 수 있다.
광 검출기 회로에서는 배터리에 의해 역방향전압이 걸리도록 유도되었다. 이는 그래프에서 제3사분면에 해당하도록 유도한 것이다. 이러한 상황에서는 높은 전위의 음극에서 낮은 전위의 양극 방향으로 전류가 흐르게 된다. 이러한 전압 극성을 따르는 전류가 흐를 경우, 다이오드가 전력을 소비한다. 이에 배터리와 같은 전력 소스가 펌프처럼 작용해 전류를 흐르게 해주는 것이다. 이러한 역할을 PN 접합으로도 가능하다.
PN 접합을 역방향전압을 유도하기 위한 배터리 없이 저항에 연결한 뒤, 다이오드에 빛이 비춰진다면 다이오드 내에서 N 영역에서 P 영역으로 흐르는 전류가 형성되게 된다. 이 전류는 저항에 공급되고 전체 다이오드에 순방향전압을 형성한다. 이후 PN 접합은 전류의 방향과 전압의 극성이 반대되는, I-V 곡선의 제4사분면에 해당하는 거동을 보이게 된다. 이 상황에서, PN 접합 다이오드는 광 에너지를 전기적에너지로 변환하며 이를 태양 전지(solar cell)라고 부른다.
회로의 작동 지점은 다이오드의 I-V 곡선과 인가된 저항에 따라 결정된다. 시계반대방향의 전류를 양수로 정의할 때, 다이오드의 특성은 위와 같으며 저항에는 음수의 전류와 양수의 전압이 걸린다. 이는 -(1/R)의 기울기를 가지는 직선으로 나타낼 수 있다. 이 직선의 중요한 지점은 회로의 출력 전압과 전류에 의해 결정된다. 태양 전지에서 생성된 전력은 전지의 전류와 전압에 의해 구해지며 이는 사각형 박스의 넓이와 같다.
이 그래프에서, 실리콘 태양 전지의 몇가지 특징을 볼 수 있다. 최대 전압은 PN 접합의 내부 전위에 의해 제한되며 내부 전위가 밴드갭보다 작아야하기 때문에 일반적으로 1V보다 작다. 만약 높은 전압을 필요로 한다면 다수의 PN 접합을 이용해야 한다. 태양 전지에서 유도되는 전류, 전압, 전력은 광도와 인가된 저항에 의해서 다양한 값을 가질 수 있다. 또한 전압 조정기(voltage regulator)가 태양 전지의출력 전압을 안정화시키기 위해 필요하다.
4) 태양 전지 물질 (Solar cell materials)
태양 전지를 만들기 위해 실리콘은 지구상에서 가장 많이 존재하는 물질 중 하나이기 때문에 여전히 가장 많이 활용된다. 그리고 실리콘은 다른 대안보다 가격이 싸지만 태양 전지를 실리콘 단결정 구조로 제작하는 것은 가격이 비싸다. 그 이유는 실리콘 단결정을 만들기 위해선 실리콘을 매우 높은 온도에서 녹여야하기 때문이다. 이 과정은 에너지를 매우 많이 소비하며 오염도 심각하다. 웨이퍼 상의 PN 접합을 살펴보았을때, 빛은 상단부에서 얕은 깊이만 통과할 수 있다. 빛이 관통하는 깊이보다 더 깊은 기판의 많은 영역은 물리적으로 보조하는 역할을 한다. 하지만 2세대 태양 전지에서는 박막기술이 사용됨으로써 낮은 가격의 기판, 대체로 유리를 활용한 얇은 태양 전지를 만들었다.
실리콘은 지지해주기 위한 기판 위에 실레인(Silane)과 같은 운반 가스(carrying gas)를 통해 증착된다. 박막 증착 공정은 단결정 실리콘을 위해 1400℃에서 녹이는 과정보다 훨씬 낮은 온도인 400℃ ~ 600℃에서 공정이 이루어진다. 게다가, 박막 태양 전지는 낮은 온도를 통해 더 절감된 가격에서 생산이 가능하다. 하지만 비정질 혹은 다결정 실리콘 구조는 단결정 구조와 다르게 기판과 박막 물질 사이에 원자 구조의 불일치가 발생한다.
실리콘을 저온에서 증착하면 비정질 실리콘이 형성되며 온도가 증가할수록 그레인의 크기는 커진다. 그리고 충분히 고온에 도달했을 경우 다결정 실리콘이 기판 위에 증착된다. 비정질, 다결정 실리콘 모두 그레인 바운더리가 존재하며 그레인 사이를 이동할 때 스케터링(scattering)을 유발한다. 이는 박막 태양 전지의 성능을 단결정 태양 전지에 비해서 떨어트리는 결과를 초래한다. 이와 동시에 박막 물질은 결함과 안정성에 문제가 존재한다. 하지만 낮은 가격과 더 넓은 영역을 커버할 수 있는 가능성은 매력적인 장점으로 작용한다.
최근에는 훨씬도 낮고 간단한 공정을 갖춘 태양 전지에 대한 연구가 활발하다. 이는 유기 물질을 활용한 3세대 태양 전지의 연구를 통해 이루어지고 있다. 유기 물질의 가장 큰 장점은 저온에서 생산이 가능하며, 짧은 소요 시간(TAT, turn-around time), 매우 쉬운 처분이다. 하지만 유기 물질 태양 전지의 성능은 여전히 실리콘 태양 전지보다 떨어지며 유기 물질 특유의 신뢰성 문제가 존재한다.
5) 태양 전지 설계(Solar cell design)
태양 전지는 근본적으로 간단한 PN 접합이지만 높은 에너지 변환 효율을 얻기 위해선 특별한 설계가 요구된다. 먼저 기본적인 태양 전지의 구조를 살펴보자. 빛이 여기에 비춰졌을때, 몇몇 빛은 흡수되거나 혹은 반사된다. 빛의 흡수율을 높이고 반사율을 낮추기 위해서 반사 방지 코팅을 표면에 활용한다. 이것이 태양 전지의 흡수 표면이 광택이 없어보이는 이유다.
최대한 많은 양의 빛을 공핍 영역까지 비추기 위해, 공핍 영역이 웨이퍼 상단에 가까워야 하며 따라서 PN 접합의 상단부는 얇아야 한다. 그리고 주입된 모든 빛을 흡수하기 위해서 공핍 영역은 충분히 깊어야 한다. 이렇게 큰 공핍 영역을 가지기 위해선 한쪽 면이 낮은 도핑 농도를 갖춰야하는데, 이렇게 된다면 내부전위가 굉장히 낮아져 태양 전지가 가질 수 있는 최대 전압을 제한한다.
이에 따라 높은 내부전위와 넓은 공핍 영역을 동시에 얻기 위해, P+,N+영역 사이에 순수 혹은 낮게 도핑된 레이어를 추가한다. 따라서 P-i-N 다이오드를 형성하게 된다. 이러한 구조에서, 순수 레이어는 완전히 공핍 상태이다. i 영역의 두께가 공핍 영역의 두께로 고려할 수 있으며, 내부 전위는 양 영역의 도핑 농도로 결정되며 밴드갭 전압 수준에 가깝다고 볼 수 있다.
배선은 상단 혹은 하단에 추가되는데 이는 빛을 막아선 안된다. 따라서 배선은 일반적으로 그 거리를 최소화하기 위해서 상단 레이어부터 금속 배선까지 스트레이프 구조로 배열되어 있다. 혹은 빛이 통과 가능한 전극을 활용하는 것도 다른 방안이다.
6) LED
빛이 흡수된다면 EHP가 생성된다. 이와 반대되는 상황으로는 재결합이 발생할 때 빛 에너지가 방출된다. 따라서 반도체에 재결합이 일어나는 경우 광원으로 활용할 수 있다. 예를 들어 긴 길이의 PN 접합에 순방향전압이 걸린 경우 재결합이 일어나기 때문에 빛을 방출한다. 하지만 우리는 방출되는 빛을 볼 수 없는데, 그 이유는 실리콘 결정 깊은 곳에서 재결합이 발생되기 때문이다. 또한 일반적으로 방출되는 빛의 에너지는 물질의 밴드갭에 의해 결정된다. 실리콘의 밴드갭은 1.1eV이기 때문에 방출되는 빛은 가시광선을 벗어난 적외선 영역에 해당한다. 따라서 가시광선을 방출하기 위해서는 더욱 큰 밴드갭을 가진 물질을 이용해야 한다.
이에 따라 활용할 수 있는 물질과 물질에 따른 빛의 영역은 위 표에 나와있다. 갈륨비소(GaAs)와 인화갈륨(GaP)가 붉은 빛의 LED에 많이 활용되어 왔고, 파란 빛을 위해선 3eV이상 밴드갭이 필요로 하기 때문에 질화갈륨(GaN)이 최근 많이 활용된다. 이 외에도 유기물질을 사용하는 OLED도 존재한다. 이러한 큰 밴드갭을 가진 물질을 사용하기 때문에 LED는 일반적으로 큰 내부 전위를 가지며 이에 따라 Von이 크다. 특히 파란 LED를 켜기 위해선 3V 이상의 전압이 필요하다. 따라서 효율을 높이기 위해, LED의 구조를 신중하게 설계해야한다.
먼저 EHP가 재결합 될때 반도체가 빛을 방출한다. 따라서 우리는 모든 전자와 정공이 다이오드의 끝에 도달하기 전에 재결합하기를 원한다. 때문에 길이기 굉장히 긴 다이오드를 필요로 한다. 하지만 긴 다이오드를 사용하면 깊이가 깊은 곳에서 빛이 발생하는 지점이 형성된다. 이는 빛이 반도체 결정을 뚫고 방출되는 것을 어렵게 만든다. 따라서 짧은 중립 영역에서 많은 재결합이 일어나게 하기 위해 서로 다른 밴드갭을 가진 물질을 사용한 이중 구조(heterogeneous structure)를 활용한다. 그 예시가 위 이미지와 같다. 접합에 전압이 인가된다면 각 영역으로부터 전자와 정공이 주입된다. 이후 각 캐리어들이 에너지 밴드내의 골에 갇히게 된다. 또한 매우 높은 장벽이 각 캐리어들이 더 이상 나아가지 못하도록 방지한다. 이렇게 갇힌 캐리어들은 전류가 흐르게 하기 위해 강제로 재결합이 되고 이렇게 모든 전류가 재결합 전류로 구성되게 된다. 이는 매우 높은 전환 효율을 보이게 된다.
이러한 소자의 원리 외에도, LED의 형상도 주의깊게 설계되어야 한다. 대부분의 LED들은 빛이 특정 방향으로만 방출된다. 하지만 실제로 빛이 형성될 때에는 모든 방향으로 빛이 방출되게 되는데, 바닥 표면이 이를 반사시켜야 원하는 방향으로의 빛의 밝기가 증가하게 된다. 이와 동시에 상단 표면은 반사를 하지 않아야 밝기가 강하게 유지된다. 따라서 빛이 모든 방향으로 방출되기 때문에 상단 표면에 여러 각도로 도달하게 되는데, 이 입사각(incident angle)이 임계각보다 큰 경우 전반사가 일어나고 이를 방지할 수 있는 구조가 필요하다. 이를 위해 채용한 구조가 돔 구조이다. 돔 구조에서는 빛이 수직(perpendicular)에 가깝게 상단 표면에 도달하게 되고 전반사가 일어나지 않으며, 이는 소자 자체를 돔 구조로 만들거나 비슷한 굴절률을 가진 물질을 상단에 씌움으로써 만든다.
LED의 발광부가 굉장히 작을때는, 이를 사다리꼴(trapezoid) 형태로 설계하여 오히려 전반사를 활용하여 특정 방향으로 빛이 방출되게 만들기도 한다.
지금까지 접합의 광학적 특성 및 다양한 소자들에 대해 알아봤다. 이외에도 반도체 레이저와 같은 다양한 소자들이 존재한다. 이들을 전부 다루지는 않았지만 근본적인 기본 원리는 PN 접합의 원리를 따른다.