고체의 분류
반도체는 반도체 내에서 전자들의 이동으로 그 성질이 결정됩니다. 이때, 전자들이 이동하는 데 큰 영향을 주는 요인은 원자 배열의 차이 입니다. 고체 내부의 원자 배열은 단결정질, 비정질, 다결정질 3가지 종류가 있습니다.
고체는 액체나 가스와 달리 독특한 특성을 지니고 있습니다. 고체의 상태나 모양은 특정한 geometry에서 어떻게 입자(particle)들이 배열이 되어 있는지에 따라 달라지게 됩니다. 그때 등장하는 개념이 단결정질, 비정질, 다결정질 입니다.
비정질(Amorphous)
Amorphous한 고체는 전혀 주기적인 구조를 이루고 있지 않은 물질입니다. random하게 atom들이 배열이 되어있는 형태죠. 일반적으로 박막에서 native oxide의 경우에 amorphous의 특성을 띄고 있고 이런 비정질 박막들은 전기적인 특성이 매우 떨어지기 때문에 우수한 전기적인 특성을 요구하는 박막의 경우에는 사용을 하지 않습니다. 당연히 단면을 자른다면, 불규칙적인 표면이 나타나겠죠.
단결정(Single-Crystalline)
Single-Crystalline한 고체는 주기적인 구조를 이루고 있는 물질입니다. atom들이 주기적으로 배치가 되어있고 만약 단면을 잘라서 보게 된다면 smooth한 단면을 볼 수 있습니다. 규칙적인 원자의 배열을 하고 있기 때문에 전기적인 특성이 의미 있게 나타나고 원하는 값을 가진 박막으로 사용을 할 수 있습니다. 그렇기 때문에, 반도체에서 박막을 증착했을 때 혹은 성장시켰을 때 Crystalline의 고품질 박막을 형성시켜 전기적인 특성을 높일 수 있습니다. 하지만, 형성하기 어렵다는 애로사항이 존재하죠.
다결정질(Poly-Crystalline)
Poly-Crystalline 고체는 부분적으로 주기성을 띄고 있는 물질입니다. Single-Crystalline이 모든 영역에서 규칙을 띈다면 Poly-Crystalline은 Grain이라는 영역 안에서 규칙성을 갖고 있습니다. 그래서 Grain 사이에는 Grain Boundary라는 경계가 존재하게 됩니다. Grain들은 Grain Boundary라는 경계를 가지고 있지만, 단순히 접촉하고 있는 것은 아니고 부분적으로 연결되어 결합력은 갖고 있습니다. Grain Boundary가 존재하기 때문에 결국 Single-Crystalline과는 다른 특징을 갖게 되는데 carrier가 이동을 하다 Grain Boundary를 만나게 된다면 움직임에 방해를 받게 됩니다. 따라서 일반적으로 Grain Boundary는 저항성이 결정면 보다는 큰 특징을 갖고 있습니다.
위처럼 Single Crystalline과 Poly-Crystalline을 구분을 하긴 했지만 일반적으로 박막을 증착하였을 때 완벽하게 Single-Crystalline을 증착하는 것은 어렵습니다. 따라서 결정성(Crystallinity)를 얼마나 가졌느냐? 또는 가지지 못해서 Amorphous하느냐? 가 중요합니다. Amorphous한 경우 전기적인 우수성이 떨어지기 때문에 절연체의 경우 매우 떨어지거나, 도체의 경우 저항성을 갖게 되는 것이죠. 따라서 최대한 Grain의 Size를 키워 단결정에 가까운 원자 배열을 갖는 박막을 증착하는 것이 중요해지고 있는 요즘입니다.