Si/Ge/GaAs 비교
개요
반도체 산업에서 가장 중요한 세 가지 재료는 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 갈륨 비화물(GaAs)입니다. 각 재료는 고유한 물리적 특성을 가지며, 특정 응용 분야에 적합합니다.
1. 기본 물성 비교
1.1 주요 파라미터
| 특성 | Si | Ge | GaAs |
|---|---|---|---|
| 원자번호 | 14 | 32 | 31/33 |
| 밴드갭 (eV) @300K | 1.12 | 0.66 | 1.43 |
| 갭 유형 | 간접 | 간접 | 직접 |
| 격자 상수 (Å) | 5.43 | 5.66 | 5.65 |
| 결정 구조 | 다이아몬드 | 다이아몬드 | 아연 섬석 |
| 밀도 (g/cm³) | 2.33 | 5.32 | 5.32 |
1.2 전자 특성
| 특성 | Si | Ge | GaAs |
|---|---|---|---|
| 전자 이동도 (cm²/V·s) | 1350 | 3900 | 8500 |
| 정공 이동도 (cm²/V·s) | 480 | 1900 | 400 |
| 내재 캐리어 밀도 (cm⁻³) | 1.5×10¹⁰ | 2.4×10¹³ | 1.8×10⁶ |
| 유전 상수 | 11.7 | 16 | 12.9 |
1.3 열적 특성
| 특성 | Si | Ge | GaAs |
|---|---|---|---|
| 녹는점 (°C) | 1414 | 938 | 1238 |
| 열전도도 (W/cm·K) | 1.5 | 0.6 | 0.55 |
| 열팽창 계수 (10⁻⁶/K) | 2.6 | 5.8 | 5.7 |
2. 실리콘 (Si)
2.1 장점
1. 우수한 산화막 (SiO₂)
- Si/SiO₂ 계면 품질 우수
- 결함 밀도: < 10¹¹ cm⁻²
- MOSFET의 기초
2. 풍부한 원료
- 지각의 약 28% (두 번째로 풍부)
- 저렴한 비용
- 대량 생산 가능
3. 기술 성숙도
- 70년 이상의 개발 역사
- 완벽한 공정 인프라
- 12인치 웨이퍼까지 양산
2.2 단점
1. 간접 밴드갭
- LED/Laser 제작 불가능
- 광 방출 비효율
2. 상대적으로 낮은 이동도
- 전자: 1350 cm²/V·s
- 고주파 응용에 한계
2.3 주요 응용
- CMOS 로직 IC
- DRAM/NAND Flash 메모리
- 태양전지
- 파워 반도체
3. 게르마늄 (Ge)
3.1 장점
1. 높은 이동도
- 전자: 3900 cm²/V·s (Si의 3배)
- 정공: 1900 cm²/V·s (Si의 4배)
- 고속 동작 가능
2. 좁은 밴드갭
- 적외선 감지에 적합
- 적외선 검출기
3. Si와의 호환성
- 격자 상수 차이: ~4%
- SiGe 합금 형성 가능
3.2 단점
1. 불량한 산화막
- GeO₂: 불안정, 수용성
- MOS 구조 제작 어려움
2. 좁은 밴드갭
- 높은 내재 캐리어 농도
- 고온 동작 불리
3. 희소성
- Si보다 1000배 비쌈
3.3 주요 응용
- 고속 SiGe 트랜지스터
- 적외선 검출기
- 광섬유 통신 소자
- 태양전지 (멀티접합)
4. 갈륨 비화물 (GaAs)
4.1 장점
1. 직접 밴드갭
- 효율적인 광 방출
- LED/Laser에 이상적
2. 매우 높은 전자 이동도
- 8500 cm²/V·s (Si의 6배)
- 고주파/고속 응용
3. 적절한 밴드갭
- 1.43 eV: 가시광선 영역
- 태양광 흡수에 적합
4.2 단점
1. 불량한 산화막
- 자연 산화막 없음
- MOS 구조 제작 어려움
2. 취성
- Si보다 약함
- 대면적 웨이퍼 제작 어려움
3. 비용
- Si보다 10배 이상 비쌈
- 비소(As) 독성 문제
4.3 주요 응용
- LED/Laser 다이오드
- 고주파 RF 소자
- 고효율 태양전지
- 광통신 소자
5. 종합 비교
5.1 응용별 최적 재료
| 응용 분야 | 최적 재료 | 이유 |
|---|---|---|
| CMOS 로직 | Si | 우수한 SiO₂ 산화막 |
| 메모리 | Si | 비용, 기술 성숙도 |
| LED/Laser | GaAs/GaN | 직접 밴드갭 |
| RF/마이크로파 | GaAs | 높은 이동도 |
| 태양전지 (저가) | Si | 비용 효율 |
| 태양전지 (고효율) | GaAs | 직접 갭, 적절한 Eg |
| 적외선 검출 | Ge | 좁은 밴드갭 |
| 고온 동작 | SiC/GaN | 광대역갭 |
5.2 Si가 지배하는 이유
-
Si/SiO₂ 계면 품질
- 저결함 밀도 (< 10¹¹ cm⁻²)
- 열 산화로 자연 형성
-
풍부한 원료
- 지각 28%, 사실상 무한
- 저렴한 웨이퍼 비용
-
기술 인프라
- 70년 이상의 연구개발
- 완벽한 공급망
-
대면적 웨이퍼
- 12인치 (300mm) 양산
- 규모의 경제
6. 밴드 구조 비교
6.1 직접 vs 간접 밴드갭
직접 밴드갭 (GaAs):
- 전도대 최소 = 가전자대 최대 (k-공간)
- 효율적인 광 방출
간접 밴드갭 (Si, Ge):
- 전도대 최소 ≠ 가전자대 최대
- 포논 필요 → 비효율
6.2 응용에 대한 영향
| 응용 | 요구사항 | Si | Ge | GaAs |
|---|---|---|---|---|
| LED | 직접 갭 | ✗ | ✗ | ✓ |
| Laser | 직접 갭 | ✗ | ✗ | ✓ |
| 태양전지 | 흡수 효율 | ✓ | ✓ | ✓ |
| 로직 IC | 산화막 | ✓ | ✗ | ✗ |
7. 요약
실리콘 (Si)
- 간접 밴드갭 (1.12 eV)
- 우수한 SiO₂ 산화막
- 저렴, 풍부
- 로직, 메모리, 태양전지
게르마늄 (Ge)
- 간접 밴드갭 (0.66 eV)
- 높은 이동도
- 적외선 감지
- SiGe 고속 소자, IR 검출기
갈륨 비화물 (GaAs)
- 직접 밴드갭 (1.43 eV)
- 매우 높은 이동도
- 광 방출 우수
- LED, Laser, RF 소자
📚 참고문헌
- D.A. Neamen, "Semiconductor Physics and Devices"
- Ioffe Institute, "Semiconductor Parameters"
- Wikipedia, "Gallium Arsenide"
- LibreTexts, "Semiconductor Materials"