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14살꿈많던아이
화합물반도체는 실리콘반도체와 왜 다른 특성을 갖나요?
갈륨비소 같은 화합물반도체가 실리콘과 다른 특수한 용도로 쓰인다고 들었는데, 이런 소재들이 어떤 물리적 특성 차이로 실리콘을 대체하거나 보완하는지 궁금합니다.
4개의 답변이 있어요!
안녕하세요.
화합물반도체는 서로 다른 원소를 결합해 만들기 때문에 실리콘과 결정구조나 전자 이동 특성이 달라요.
질문하신 갈륨비소는 실리콘보다 전자가 빠르게 이동할 수 있어서 고주파 통신이나 레이더 같은 분야에 유리하죠. 그리고 직접천이형 밴드갭을 가진 물질들이 많아서 전기를 빛으로 바꾸는 LED나 LD에도 활용돼요.
그러나 실리콘은 제조 기술이 매우 성숙되어 있고, 가격이 매우 저렴해요. 그래서 범용 반도체의 중심이 되어 있고, 대부분의 반도체 공정은 실리콘을 기반으로 세팅되어 있죠.
따라서 전체적으로는 실리콘이 쓰이겠지만, 실리콘보다 뛰어난 특성을 요구하는 중요한 곳에는 화합물 반도체가 활용되고 있어요,
감사합니다.
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채택된 답변안녕하세요. 이수민 전문가입니다.
실리콘은 한 종류의 원자로 결정을 이루고, 화합물반도체는 두 종류 이상의 원자가 짝을 이뤄 결정을 만들어요. 갈륨비소는 갈륨과 비소, 질화갈륨은 갈륨과 질소가 번갈아 배열되는 식이에요. 원자 조합이 달라지면 전자가 결정 안에서 움직이는 방식과 에너지 구조가 통째로 바뀌기 때문에 실리콘과 다른 성질이 나오는 거예요.
가장 큰 차이 세 가지를 보면 이래요. 첫째, 전자의 이동 속도예요. 갈륨비소 속 전자는 실리콘보다 대여섯 배 빨리 움직여요. 그래서 스마트폰 통신칩, 위성 통신, 레이더처럼 아주 높은 주파수 신호를 다루는 곳에 쓰여요. 둘째, 빛과의 관계예요. 실리콘은 전자가 에너지를 잃을 때 빛 대신 열을 내는 구조라 발광 소자로 못 쓰는데, 갈륨비소나 질화갈륨은 전자가 빛으로 에너지를 내놓아요. LED, 레이저, 광통신 소자가 전부 화합물반도체인 이유예요. 셋째, 전압과 열에 버티는 힘이에요. 질화갈륨과 탄화규소는 전자가 들뜨는 데 필요한 에너지가 실리콘의 세 배쯤 커서, 높은 전압과 온도에서도 무너지지 않아요. 전기차 인버터, 고속 충전기, 5G 기지국 전력증폭기가 이 재료로 옮겨가는 중이에요.
그런데 실리콘을 대체하지 않고 보완하는 데 머무는 이유도 분명해요. 실리콘은 모래에서 나와 값싸고, 큰 웨이퍼로 만들기 쉽고, 표면에 생기는 산화막이 훌륭한 절연체라 회로를 촘촘히 쌓기에 최적이에요. 화합물반도체는 결정 성장이 어려워 웨이퍼가 작고 비싸며, 결함도 많아요. 그래서 계산을 담당하는 CPU와 메모리는 실리콘이 맡고, 빛과 고주파, 고전력처럼 실리콘이 못 하는 자리를 화합물반도체가 채우는 분업이 자리 잡은 거예요. 요즘은 실리콘 웨이퍼 위에 질화갈륨 층을 얹어 두 장점을 합치는 기술도 실용화돼서, 대체냐 보완이냐보다 조합의 방향으로 가고 있어요 :)
안녕하세요. 박재화 박사입니다.
화합물반도체 소재를 전공한 입장에서 참 반가운 질문입니다.
화합물 반도체는 말그대로 화합물로 된 반도체를 말합니다. 대표적으로 말씀하신 갈륨비소를 포함해, 질화갈륨, 탄화규소, 산화갈륨 등이 있습니다.
갈륨비소는 전자의 이동속도도 빠르고 고주파 특성이 좋아 통신용 반도체와 레이더, 위성 장비 등에 유리하게 활용될 수 있고, 질화갈륨과 탄화규소의 경우는 밴드갭이 넓어 높은 전압과 높은 온도에도 잘 견딜 수 있고 전력 손실이 적어 최근 전기차나 충전기, 전력변환 장치에 많이 쓰이고 있습니다.
또한 질화갈륨 같은 경우는 빛을 직접 방출하거나 잘 흡수할 수 있기 때문에 LED, 레이저, 태양전지 같은 광전자 분야에도 적합하게 활용될 수 있습니다.
문제는 실리콘 기술 자체가 매우 성숙해있고, 가격적으로 매우 저렴해 CPU, 메모리, 일반 전자회로에서 여전히 가장 널리 사용되고 있고, 대부분의 공정이 실리콘을 기반으로 만들어져 있습니다.
종합해보면 화합물반도체는 실리콘을 완전히 대체하기보다 고주파, 고전압, 고온, 광전자처럼 실리콘의 물성적 특성이 한계가 있는 분야에서 활용되어지고 있는 차세대 반도체 소재라고 볼 수 있습니다.
안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.
화합물반도체는 갈륨비소 질화갈륨처럼 두 종류 이상의 원소로 이루어져 실리콘과 원자 구조와 전자 이동 특겅이 다릅니다 일반적으로 전자의 이동 속도가 빠르고 고주파 고출력 환경에서 우수하며 일부 소재는 빛을 직접 만들거나 감지하는 광학적 특성이 뛰어납니다 반면 실리콘은 가격이 저렴하고 대형 웨이퍼 생산과 집적회로 제조 기술이 매우 발달해 범용 반도체에 유리합니다 그래서 화합물반도체는 실리콘을 완전히 대체하기보다 통신 LED 레이저 전력반도체 등 실리콘 상대적으로 약한 분야를 보완하는 데 주로 사용됩니다