오늘 소개할 것은 반도체의 스트레인입니다.
스트레인은 부정적으로 들릴 수 있지만, 소재의 세계에서는 오히려 상황을 개선할 수 있습니다.
반도체 스트레인은 전자의 이동 방식을 바꾸기 위해 결정 격자를 의도적으로 늘리거나 압축하는 것을 의미합니다.
엔지니어는 이 스트레인을 제어함으로써 트랜지스터의 크기를 변경하지 않고도 트랜지스터를 더 빠르고 효율적으로 만들 수 있습니다.
이 기술은 현대 칩 성능의 핵심 비밀 중 하나가 되었습니다.
이 기사에서는 밴드 엔지니어링이 어떻게 작동하는지, 스트레인이 결정의 동작을 어떻게 변화시키는지, 장치의 캐리어 이동성을 어떻게 개선하는지 알아보겠습니다.
조용한 주제이지만, 스트레인이 없었다면 컴퓨터와 휴대폰의 속도는 지금보다 훨씬 느려졌을 것입니다.
밴드 엔지니어링
밴드 엔지니어링은 전하의 거동을 제어하기 위해 재료의 전자 구조를 조정하는 것을 의미합니다.
모든 반도체에는 전자가 존재할 수 있는 에너지 준위와 존재할 수 없는 에너지 준위를 구분하는 밴드갭이 있습니다.
스트레인을 적용하면 이러한 밴드의 거리와 모양을 수정할 수 있습니다.
격자의 원자가 서로 당겨지거나 밀리면 오비탈이 다르게 겹칩니다.
이는 밴드갭 에너지와 전도 및 원자가 밴드의 위치를 변경합니다.
엔지니어들은 이를 사용하여 임계 전압 및 전류 흐름과 같은 장치 특성을 미세 조정합니다.
예를 들어, 스트레인 실리콘에서는 전자가 결정을 따라 더 쉽게 움직일 수 있는 방식으로 밴드 구조가 변경됩니다.
주파수는 악기 자체를 변경하지 않지만 소리는 달라집니다.
밴드 엔지니어링은 원자 규모에서 수행되는 섬세한 튜닝입니다.
변형 효과
변형률은 인장 변형 또는 압축 변형이 될 수 있습니다.
인장 변형은 격자를 약간 더 멀리 뻗어 원자를 서로 밀어내는 것을 의미합니다.
반도체에서는 캐리어 유형에 따라 두 가지 유형이 모두 유용할 수 있습니다.
전자는 일반적으로 인장 변형을 선호하는 반면, 정공은 압축 변형의 이점을 누릴 수 있습니다.
그 이유는 스트레인이 캐리어의 유효 질량을 변화시켜 전기장에 얼마나 빨리 반응할 수 있는지에 영향을 미치기 때문입니다.
유효 질량이 더 작을수록 더 빠른 이동과 더 높은 전도성을 의미합니다.
실제로 스트레인은 실리콘-게르마늄(SiGe)과 같은 특수 층을 사용하거나 장치 위에 증착된 스트레스 라이너를 통해 도입됩니다.
스트레인이 제대로 작동하면 전력을 증가시키지 않고도 성능을 10~30% 향상시킬 수 있습니다.
눈에 보이지 않는 개선이지만, 장치가 즉각적으로 반응할 때마다 느낄 수 있는 것입니다.
이동성 향상
이동성은 트랜지스터 성능에서 가장 중요한 요소 중 하나입니다.
이는 캐리어가 물질을 얼마나 빨리 통과할 수 있는지 알려줍니다.
스트레인은 결정 전위와 산란 속도를 변경하여 이동성에 직접적인 영향을 미칩니다.
예를 들어, 스트레인 실리콘 채널에서는 전자 이동성이 비스트레인 실리콘에 비해 두 배로 증가할 수 있습니다.
이를 통해 낮은 작동 전압, 감소된 열, 더 빠른 스위칭 속도가 가능합니다.
스트레인으로 인한 이동성 향상은 오늘날 거의 모든 고성능 칩에서 어떤 식으로든 사용할 정도로 흔해졌습니다.
그러나 스트레인을 너무 많이 사용하면 인접 영역에서 전위, 균열 또는 원치 않는 스트레스를 유발할 수 있으므로 신중하게 제어해야 합니다.
그렇기 때문에 엔지니어들은 시뮬레이션 도구와 정밀한 증착 기술을 사용하여 완벽한 균형을 찾습니다.
이동성은 전자와 격자 사이의 대화와 같으며, 스트레인은 이러한 대화를 더 부드럽고 덜 중단되게 만듭니다.
결론적으로 반도체 스트레인은 재료를 부수는 것이 아니라 더 잘 작동하도록 형성하는 것입니다.
우리는 밴드 엔지니어링을 통해 재료의 에너지를 조정하고, 스트레인 효과를 통해 대칭을 재구성하며, 이동성 향상을 통해 속도를 제공합니다.
이것이 바로 사용자에게는 보이지 않지만 기계에게는 필수적인 현대 트랜지스터의 조용한 기술입니다.
스트레인은 진보가 항상 더 많은 것을 추가하는 것이 아니라 재료가 이미 할 수 있는 일을 주의 깊게 듣고 조금 더 자유롭게 움직일 수 있도록 돕는 것임을 상기시켜줍니다.