실리콘-저마늄

실리콘-저마늄(silicon–germanium) 또는 SiGe은 규소와 저마늄의 어떤 몰 비율을 가진 합금으로, 즉 Si1−xGex 형태의 분자식을 가진다. 이는 일반적으로 이종접합 양극성 트랜지스터를 위한 집적 회로(IC)의 반도체 재료로 사용되거나 CMOS 트랜지스터에 변형을 유도하는 층으로 사용된다. IBM은 1989년에 이 기술을 주류 제조에 도입했다. 이 비교적 새로운 기술은 혼합 신호 회로 및 아날로그 회로 IC 설계 및 제조 분야에서 기회를 제공한다. SiGe는 또한 고온 응용 분야(>700K)를 위한 열전 재료로 사용된다.

역사

SiGe에 대한 첫 번째 논문은 1955년에 실리콘-저마늄 합금의 자기저항효과에 대해 발표되었다. SiGe 장치에 대한 첫 언급은 실제로는 이종접합 양극성 트랜지스터(HBT)의 SiGe 베이스 개념이 1957년 물리학 설명과 함께 논의되었던 양극성 트랜지스터의 원래 특허에 있었다. 트랜지스터에 필요한 SiGe 이종구조의 첫 번째 에피택시 성장은 1975년에 독일 울름의 AEG 연구 센터(현재 다임러 벤츠)에서 에리히 카스퍼와 그의 동료들에 의해 분자선 에피택시(MBE)를 사용하여 시연되었다.

생산

실리콘-저마늄의 반도체로의 사용은 버나드 S. 마이어슨에 의해 옹호되었다. 수십 년 동안 그 실현을 지연시켰던 난제는 저마늄 원자가 규소 원자보다 약 4% 더 크다는 것이었다. 규소 트랜지스터가 제조되던 통상적인 고온에서는 이러한 더 큰 원자를 결정질 규소에 추가함으로써 유도되는 변형이 엄청난 수의 결함을 생성하여 결과적인 재료가 전혀 쓸모없게 만들었다. 마이어슨과 동료들은 당시 고온 처리가 필수적이라고 여겨지던 가정이 잘못되었음을 발견했으며, 이로 인해 충분히 낮은 온도에서 SiGe 성장이 가능해져 실질적으로 결함이 형성되지 않았다. 이 기본적인 장애물을 해결하자, 결과적인 SiGe 재료가 기존의 저비용 규소 처리 도구 세트를 사용하여 고성능 전자로 제조될 수 있음이 입증되었다. 더 중요하게는, 결과적인 트랜지스터의 성능이 당시 전통적으로 제조된 규소 장치의 한계라고 생각되었던 것을 훨씬 초과하여, WiFi와 같은 새로운 세대의 저비용 상업용 무선 기술을 가능하게 했다. SiGe 공정은 규소 CMOS 제조와 유사한 비용을 달성하며, 비소화 갈륨과 같은 다른 이종접합 기술보다 저렴하다. 최근에는 고순도 Ge, SiGe 및 변형 규소와 같은 Ge 함유 박막의 MOVPE 증착을 위한 저메인의 덜 위험한 액체 대안으로 유기저마늄 전구체(예: 아이소부틸저메인, 알킬저마늄 삼염화물, 디메틸아미노저마늄 삼염화물)가 검토되었다.

SiGe 파운드리 서비스는 여러 반도체 기술 회사에서 제공된다. 어드밴스트 마이크로 디바이시스는 IBM과 SiGe 스트레스드 실리콘 기술 공동 개발을 발표했으며, 65 nm 공정을 목표로 하고 있다. TSMC 또한 SiGe 제조 능력을 판매한다.

2015년 7월, IBM은 7 nm 실리콘-저마늄 공정을 사용하여 작동하는 트랜지스터 샘플을 제작했다고 발표했으며, 이는 당시 공정보다 트랜지스터 수를 4배 늘릴 수 있음을 약속했다.

SiGe 트랜지스터

SiGe는 이종접합 양극성 트랜지스터와 CMOS 논리를 통합할 수 있게 하여, 혼합 신호 집적 회로에 적합하게 만든다. 이종접합 양극성 트랜지스터는 기존의 동종접합 양극성 트랜지스터보다 더 높은 순방향 이득과 낮은 역방향 이득을 가진다. 이는 더 나은 저전류 및 고주파 성능으로 이어진다. 조정 가능한 띠틈을 가진 이종접합 기술로서, SiGe는 규소 단독 기술보다 더 유연한 띠틈 튜닝 기회를 제공한다.

절연체 상 실리콘-저마늄(SGOI)은 현재 컴퓨터 칩에 사용되는 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 기술과 유사한 기술이다. SGOI는 MOS 트랜지스터 게이트 아래의 결정격자에 변형을 가하여 마이크로칩 내부의 트랜지스터 속도를 증가시키며, 이는 향상된 전자 이동도와 더 높은 구동 전류를 유도한다. SiGe MOSFET은 또한 SiGe의 낮은 띠틈 값으로 인해 더 낮은 접합 누설을 제공할 수 있다. 그러나 SGOI MOSFET의 주요 문제는 표준 규소 산화 공정을 사용하여 실리콘-저마늄과 안정적인 산화물을 형성할 수 없다는 것이다.

열전 응용

SiGe의 열전 특성은 1964년에 처음 측정되었으며, p-SiGe는 1000°C에서 최대 약 0.7의 ZT를, n-SiGe는 1000°C에서 최대 약 1.0의 ZT를 가졌다. 이는 고온에서 가장 높은 성능을 가진 열전 재료 중 일부이다. 실리콘-저마늄 열전 장치 MHW-RTG3은 보이저 1호 및 보이저 2호 우주선에 사용되었다. 실리콘-저마늄 열전 장치는 카시니, 갈릴레오, 율리시스에 탑재된 다른 MHW-RTG 및 GPHS-RTG에도 사용되었다.

빛 방출

육각형 SiGe 합금의 조성을 제어함으로써 아인트호벤 공과대학교 연구원들은 빛을 방출할 수 있는 재료를 개발했다. 이는 전자적 특성과 결합하여 전기 전류 대신 빛을 사용하여 데이터 전송을 가능하게 하는 단일 칩에 통합된 레이저를 생산할 가능성을 열어주며, 데이터 전송 속도를 높이고 에너지 소비 및 냉각 시스템 필요성을 줄인다. 네덜란드 아인트호벤 공과대학교의 엘함 파달리(Elham Fadaly), 알랭 데이크스트라(Alain Dijkstra), 에릭 바커스(Erik Bakkers)와 독일 프리드리히 실러 대학교 예나의 젠스 르네 수커트(Jens Renè Suckert)가 주 저자인 국제 연구팀은 잡지 피직스 월드로부터 2020년 올해의 돌파구 상을 수상했다.

같이 보기

각주

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외부 링크