실리콘-저마늄

실리콘-저마늄(silicon–germanium) 또는 SiGe은 규소와 저마늄의 어떤 몰 비율을 가진 합금으로, 즉 Si_1−xGe_x 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.^[1] 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.^[2] SiGe 장치에 대한 첫 언급은 실제로는 이종접합 양극성 트랜지스터(HBT)의 SiGe 베이스 개념이 1957년 물리학 설명과 함께 논의되었던 양극성 트랜지스터의 원래 특허에 있었다.^[3] 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.^[4]

생산

실리콘-저마늄의 반도체로의 사용은 버나드 S. 마이어슨에 의해 옹호되었다.^[5] 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^[6] 당시 고온 처리가 필수적이라고 여겨지던 가정이 잘못되었음을 발견했으며, 이로 인해 충분히 낮은 온도에서 SiGe 성장이 가능해져^[7] 실질적으로 결함이 형성되지 않았다. 이 기본적인 장애물을 해결하자, 결과적인 SiGe 재료가 기존의 저비용 규소 처리 도구 세트를 사용하여 고성능 전자로 제조될 수 있음이 입증되었다.^[8] 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.^[9] 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.^[10][11]

SiGe 파운드리 서비스는 여러 반도체 기술 회사에서 제공된다. 어드밴스트 마이크로 디바이시스는 IBM과 SiGe 스트레스드 실리콘 기술 공동 개발을 발표했으며,^[12] 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.^[13]

SiGe 트랜지스터

SiGe는 이종접합 양극성 트랜지스터와 CMOS 논리를 통합할 수 있게 하여,^[14] 혼합 신호 집적 회로에 적합하게 만든다.^[15] 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.^[16] 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.^[17] 이는 고온에서 가장 높은 성능을 가진 열전 재료 중 일부이다. 실리콘-저마늄 열전 장치 MHW-RTG3은 보이저 1호 및 보이저 2호 우주선에 사용되었다.^[18] 실리콘-저마늄 열전 장치는 카시니, 갈릴레오, 율리시스에 탑재된 다른 MHW-RTG 및 GPHS-RTG에도 사용되었다.^[19]

빛 방출

육각형 SiGe 합금의 조성을 제어함으로써 아인트호벤 공과대학교 연구원들은 빛을 방출할 수 있는 재료를 개발했다.^[20] 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.^[21]

같이 보기

• 저유전율 유전체
• 실리콘 온 인슐레이터
• 실리콘-주석
• 우주 탐사에서의 실리콘-저마늄 열전 응용