1. 규소 (Silicon, Si)
ㅇ 탄소(C)가 생물학계의 기본인 것 처럼, 규소(Si)는 지질학계의 기본 임
- 규소가 산소와 결합(SiO₂)하여, 바위,모래,흙 등의 구성성분인 규산염을 형성
ㅇ 집적회로 등에 사용되는 대표적인 반도체 재료 화학원소 임 ☞ 반도체 (Semiconductor) 참조
2. 실리콘의 특징
ㅇ 지구 지각(地殼)에 존재하는 원소 비율로는 27% 이르러, 산소 다음으로 많이 존재
- 자연상태 하에서는 안정된 구조의 `자연 산화물`인 `이산화규소(SiO₂)의 형태`를 취함
. 지구 광물로는 규산염 광물에서 찾아볼 수 있음 ☞ 규산염 광물 (Silica Mineral) 참조
ㅇ 다이아몬드 결정구조를 갖음 ☞ 다이아몬드 입방정 참조
- 작은 다이아몬드형 사면체들이 모여서 큰 입방체(cubic)가 만들어지는 등
ㅇ 융점(Melting Point) 높음
- 같은 반도체 재료로써 Ge 보다 Si 더 높음
. (융점 : Ge 938.25 ℃ < Si 1,414 ℃)
- 금속들인 알루미늄(Al),금(Au),은(Ag) 보다 융점이 더 높아서,
. 패키징 때 유용함 ☞ 반도체 패키징 참조
ㅇ 에너지 밴드 갭이 큼 ☞ 에너지 밴드 갭 참조
- 에너지 밴드 갭이 커서 비교적 고온에서도 동작 가능 (온도에 따른 특성 변화가 적음)
. (Si 1.12 eV > Ge 0.66 eV)
ㅇ 전기적 절연성이 뛰어남 (비저항 Si 230,000 Ω㎝ > Ge 47 Ω㎝)
- 전도 전류에 기여할 수 있는 전자 반송자 농도가 Ge 보다 적음 ☞ 반도체 캐리어 농도 참조
- 실온 상태에서는 자유전자가 거의 없어 절연체적 성질을 갖으나,
. 주입되는 불순물 형태,농도에 따라 전기 전도도의 조절 가능 ☞ 불순물 반도체 참조
ㅇ Si-SiO₂간의 계면 특성이 좋음 ☞ 실리콘 산화막 참조
- 쉽게 안정된 산화막 형성이 가능하여, 전체적으로 평면 특성이 우수
. 리소그라피(Lithography), 식각(Etching) 등의 평면 공정에 유리 ☞ 반도체 집적공정 참조
ㅇ 쉽게 단결정화가 가능 ☞ 단결정 성장 참조
- 단결정화된 기판에서 => 웨이퍼 생산
ㅇ 순도에 따라 여러 응용이 가능 ☞ 실리콘 순도 참조
- 집적회로에 사용시 초고순도 (11 Nine : 99.999999999% 이상)를 요구함
ㅇ 독성이 거의 없어, 환경적으로 우수함
3. 실리콘의 화학적 특징
ㅇ 원자번호 : 14번
ㅇ 족 : 4족
ㅇ 주기 : 3주기
ㅇ 원자량 : 28.08
ㅇ 원자가전자 : 4개 또는 4가 (이들 4개 전자가 공유결합에 참여)
ㅇ 전자배위 : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2
- 14개의 전자들 중 K각에 2개, L각에 8개, M각(최외각)에 4개가 궤도 운동을 함
ㅇ 밀도
- 질량 밀도 : 2.33 g/㎤
- 원자 밀도 : 5 x 1022 atoms/㎤
. 2.33 g/㎤ x (1/28.08) mole/g x (6.023 x 1023) atoms/mole ≒ 5 x 1022 atoms/㎤
. [참고] ☞ 실리콘 원자 밀도 참조
4. 실리콘의 결정 구조 ☞ 다이아몬드 결정구조 참조
ㅇ 작은 단위 셀 : 작은 사면 입방체 (Small Tetrahedral Cubic)
- 매 실리콘 원자 마다, 인접한 4개 원자들과 최외각 전자를 하나씩 공유하며, 공유결합을 이룸
. 각 원자는 주위의 원자들과 4쌍 8개의 전자를 공유 (팔전자 규칙)
ㅇ 큰 단위 셀 : 큰 사면 입방체 (Large Tetrahedral Cubic)
- 작은 정 사면체가 모여, 규칙적인 결정 구조를 갖는 큰 입방체(정육면체)의 FCC(면심입방)
- 셀 당 유효 원자 수 : 8개
. 8개 모서리 (1/8) x 8 + 6개 면 (1/2) x 6 + 4개 내부 원자 (1) x 4 = 8개
5. 실리콘의 구분
ㅇ 비정질 실리콘 (Amorphous Silicon : a-Si)
- TFT-LCD 등
ㅇ 다결정 실리콘 (Poly Crystalline Silicon)
- MOSFET 게이트 전극, 태양전지 등
ㅇ 단결정 실리콘 (Single Crystalline Silicon) ☞ 단결정 성장 참조
- 고성능 트랜지스터(집적회로) 등
※ 시장에서는, 비정질,다결정,단결정 고체 형태 모두를 응용에 맞춰 사용하고 있음
6. 실리콘 화합물 (규소 화합물)
ㅇ 규화물 (Silicide, 실리사이드)
- 금속과 규소 간의 화합물을 말함
. 열적으로 안정한 금속 화합물 임
. 내열성인 금속과 규소의 계면 상에서 낮은 전기저항을 갖음
- 例) 코발트/실리콘 (CoSi2), 몰리브덴/실리콘 (MoSi2),
플래티늄/실리콘 (PtSi2), 탄탈륨/실리콘 (TaSi2),
티타늄/실리콘 (TiSi2), 텅스텐/실리콘 (WSi2)
ㅇ 규소 산화물 (실리카, SiO₂) 등