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도핑 (반도체)

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목차

1. 개요

도핑은 반도체의 전기적 특성을 의도적으로 변화시키는 공정으로, 반도체에 불순물을 첨가하여 전하 운반자(전자 또는 정공)의 농도를 조절한다. 1885년 반도체 특성이 불순물에 기인한다는 연구가 발표되었고, 2차 세계 대전 중 존 로버트 우디야드에 의해 공식적으로 개발되었으며, 이후 벨 연구소에서 기술이 발전했다. 도핑은 반도체의 전도성을 향상시키고, 밴드 구조에 영향을 미쳐 다양한 반도체 소자의 제작에 활용된다. 도펀트의 종류, 농도, 도핑 방법 등에 따라 반도체의 특성이 달라지며, 보상, 자기 도핑, 단일 도펀트, 변조 도핑 등 다양한 기술이 존재한다.

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도핑 (반도체)
도핑
반도체 도핑의 모식도
반도체 도핑의 모식도
정의순수한 반도체에 의도적으로 불순물을 첨가하는 공정
목적반도체의 전기 전도도 조절
불순물도펀트
도핑 유형n형 도핑
p형 도핑
n형 도핑
p형 도핑
도핑 농도
응용 분야
기술적 측면

2. 역사

반도체 도핑은 19세기 후반 크리스탈 라디오나 셀레늄 정류기와 같은 장치를 통해 그 효과가 알려졌다. 20세기 초, 1885년 셸퍼드 비드웰과 1930년 독일 과학자 베르나르트 구덴은 반도체의 특성이 불순물 때문이라고 보고했다.[1][2]

제2차 세계 대전 중 스페리 자이로스코프 회사에서 일하던 존 로버트 우디야드는 1950년에 도핑 공정에 대한 미국 특허를 등록했지만,[3] 레이더 연구에 집중해야 했기 때문에 반도체 도핑에 대한 추가 연구는 진행하지 못했다. 벨 연구소의 고든 K. 틸과 모건 스팍스는 1953년에 도핑 기술 관련 미국 특허를 획득했다.[4] 우디야드의 특허는 이후 스페리 랜드의 소송 근거가 되었다.[5]

1960년대부터 한국에서는 반도체 산업이 태동하기 시작했으며, 도핑 기술은 한국 반도체 산업 발전의 핵심 동력이었다. 삼성전자와 SK 하이닉스 등 한국 기업들은 지속적인 기술 개발과 투자를 통해 세계적인 수준의 도핑 기술을 확보하여 한국이 반도체 강국으로 발돋움하는 데 결정적인 역할을 했다.

2. 1. 초기 역사

반도체 도핑의 효과는 크리스탈 라디오나 셀레늄 정류기와 같은 장치들에서 경험적으로 증명되어 있었다. 1885년, 셀포드 비드웰과 독일의 과학자 베른하르트 구덴은 각각 독립적으로 반도체의 특성이 그 안에 포함된 불순물 때문이라고 발표했다.[34][35] 제2차 세계 대전 중 Sperry Gyroscope Company에서 일하던 존 로버트에 의해 도핑 공정이 공식적으로 처음 개발되어 1950년 미국에서 특허가 등록되었지만,[36] 그가 일하던 회사는 레이더에 관한 연구를 요구하여 그의 반도체 도핑에 대한 연구는 거부되었다.

1953년, 벨 연구소에서 고든 K. 틸과 모건 스파크에 의해 비슷한 연구가 수행되었고, 미국에 특허가 등록되었다.[37]

2. 2. 제2차 세계 대전과 그 이후

반도체 도핑의 효과는 크리스탈 라디오나 셀레늄 정류기와 같은 장치들에서 경험적으로 증명되어 있었다. 1885년, 셸퍼드 비드웰과 독일의 과학자 베른하르트 구덴은 각각 독립적으로 반도체의 특성이 그 안에 포함된 불순물 때문이라고 발표했다.[34][35] 1930년에는 베르나르트 구덴이 다시 반도체의 특성이 불순물 때문이라고 보고했다.[1][2]

제2차 세계 대전 중, 스페리 자이로스코프 회사에서 일하던 존 로버트 우디야드는 도핑 공정을 공식적으로 처음 개발하여 1950년에 미국 특허를 등록했다.[36] 그러나 레이더 연구에 집중해야 했기 때문에, 반도체 도핑에 대한 추가 연구는 진행하지 못했다. 그의 특허에는 "도핑"이라는 단어가 사용되지는 않았지만, 주기율표의 질소족 원소를 아주 소량의 고체 원소로 게르마늄에 첨가하여 정류 장치를 생산하는 방법을 설명하고 있다.[3]

1953년, 벨 연구소의 고든 K. 틸과 모건 스팍스는 독자적인 연구를 통해 도핑 기술을 발전시키고 미국 특허를 획득했다.[37][4] 우디야드의 이전 특허는 스페리 랜드의 광범위한 소송의 근거가 되었다.[5]

3. 운반자 농도

도펀트의 농도는 반도체의 전기적 특성에 큰 영향을 미친다. 그중 가장 중요한 것은 물질의 전하 운반자 농도이다. 진성 반도체가 열평형 상태에 있을 때, 전자와 정공의 농도는 동일하다.

: ''n'' = ''p'' = ''ni''

불순물 반도체(낮은 수준의 도핑에서)가 열평형 상태에 있을 때는 다음과 같은 관계가 성립한다.

: ''n0'' ⋅ ''p0'' = ''ni2''

여기서 ''n0''은 자유 전자의 농도, ''p0''는 정공의 농도, ''ni''는 물질 내부의 운반자 농도이다. 운반자의 농도는 물질의 종류와 온도에 따라 달라진다. 예를 들어 규소의 ''ni''는 실온과 가까운 300K에서 약 1.08×1010 cm-3이다.[38]

일반적으로 도핑을 많이 할수록 운반자 농도가 높아져 전도성이 증가한다. 축퇴 반도체(매우 강하게 도핑된 반도체)는 전도성이 금속과 비슷하기 때문에 집적 회로에서 금속 대신 사용되기도 한다. 보통 위 첨자 +, - 부호는 반도체에서 운반자 농도의 상대적인 정도를 나타낸다. 예를 들어 ''n+''는 강하게 도핑되어 높은 농도를 가진, 보통 축퇴된 n형 반도체를 나타낸다. 마찬가지로 ''p-''는 매우 약하게 도핑된 p형 반도체를 의미한다.

축퇴 반도체 수준으로 도핑된 반도체에서도 불순물의 농도는 기존의 진성 반도체의 농도에 비해 매우 낮다. 진성 결정질 규소에서 cm³ 당 약 5×1022개의 원자가 존재하는 반면, 규소 반도체를 도핑할 때 운반자 농도는 보통 1013/cm-3에서 1018/cm-3 사이이다. 1018/cm-3 이상의 농도로 도핑된 물질은 상온에서 축퇴되었다고 간주된다. 축퇴된 규소 반도체에서는 불순물이 규소의 천분의 일 정도의 비율을 가진다. 이 비율은 매우 약하게 도핑된 규소에서 십억분의 일 수준까지 내려간다. 일반적인 농도 값은 이 정도의 수준으로 낮춰져 기기 내에서 요구되는 특성을 띠도록 조정된다.

4. 밴드 구조에 미치는 영향

도핑은 반도체의 밴드갭 내에 허용된 에너지 상태를 생성하여, 페르미 준위를 이동시킨다. 전자 공여 불순물은 전도대 근처에 새로운 에너지 상태를 만들고, 전자 수용 불순물은 가전자대 근처에 에너지 상태를 만든다. 이때 도펀트와 가장 가까운 에너지 밴드 사이의 간격을 도펀트 부위 결합 에너지(EB)라고 하며, 이 값은 상대적으로 매우 작다. 예를 들어, 실리콘 내 붕소의 EB는 0.045eV로, 실리콘의 밴드갭(1.12eV)보다 훨씬 작다.[38]

순방향 바이어스 모드에서의 PN 접합 동작의 띠 다이어그램. p형 및 n형 접합 모두 1×1015/cm3 도핑 수준으로 도핑되어 약 0.59V의 내장 전위를 생성한다.


EB가 작기 때문에 실온에서 대부분의 도펀트 원자가 열적으로 이온화되어 전도대나 가전자대에 자유 전하 운반자를 생성한다. 도펀트는 페르미 준위를 에너지 밴드에 더 가깝게 이동시키는데, 열역학적 평형 상태에서 페르미 준위는 일정하게 유지되어야 하므로, 서로 다른 특성을 가진 재료 층을 쌓으면 밴드 굽힘이 발생한다. 이러한 밴드 굽힘은 pn 접합과 같은 다양한 소자 구조를 가능하게 한다.[38]

띠 다이어그램은 가전자대와 전도대 가장자리의 변화를 공간 차원에 대해 나타내며, 페르미 준위와 내재 페르미 준위(Ei)도 함께 표시된다. 이러한 다이어그램은 반도체 소자의 작동을 이해하는 데 유용하다.[38]

4. 1. 관계식

도펀트의 농도가 낮은 경우, 관련 에너지 상태는 전자(전도대) 또는 정공(원자가대)에 의해 드물게 채워진다. 이 경우 맥스웰-볼츠만 통계를 이용하여(파울리 배타 원리를 무시하여) 전자와 정공 캐리어 농도에 대한 간단한 식을 작성할 수 있다.[7]

:n_e = N_{\rm C}(T) \exp((E_{\rm F} - E_{\rm C})/kT), \quad n_h = N_{\rm V}(T) \exp((E_{\rm V} - E_{\rm F})/kT),

여기서 는 페르미 준위, 는 전도대의 최소 에너지, 는 원자가대의 최대 에너지이다. 이들은 내재 농도의 값과 다음과 같이 관련된다.[7]

:n_i^2 = n_h n_e = N_{\rm V}(T) N_{\rm C}(T) \exp((E_{\rm V}-E_{\rm C})/kT),

이 식은 (밴드갭)가 도핑에 따라 변하지 않으므로 도핑 수준과 무관하다.

농도 계수 및 는 다음과 같이 주어진다.

:N_{\rm C}(T) = 2(2\pi m_e^* kT/h^2)^{3/2} \quad N_{\rm V}(T) = 2(2\pi m_h^* kT/h^2)^{3/2}.

여기서 및 는 각각 전자와 정공의 상태 밀도 유효 질량이며, 온도에 따라 거의 일정한 값이다.[7]

5. 도핑 방법

반도체 도핑은 다양한 방법으로 이루어진다. 각 웨이퍼에 거의 동일하게 도핑되도록 일정량의 도펀트를 추가한다.[39] 이후 회로 역할에 따라 포토리소그래피[40] 방식으로 정해진 구역에 확산[41]과 이온 주입법 등으로 추가 도핑을 한다. 이온 주입법은 조정성이 뛰어나 대규모 생산에서 주로 사용된다.

적은 수의 도펀트 원자로도 반도체 전도성을 변화시킬 수 있다. 백만 개의 원자 당 하나의 도펀트 원자가 추가되면 낮게 도핑되었다고 하며, 만 개당 하나 비율로 도펀트 원자가 추가되면 높게 도핑되었다고 한다. 강하게 도핑된 반도체는 n형 반도체의 경우 ''n+'', p형 반도체의 경우 ''p+''로 나타낸다.

5. 1. 결정 성장 중 도핑

일반적으로 실리콘 잉곳을 초크랄스키법으로 성장시키는 과정에서 일부 도펀트를 첨가하여 각 웨이퍼에 거의 균일하게 초기 도핑이 이루어지도록 한다.[8]

5. 2. 성장 후 도핑

먼저 일정량의 도펀트가 각 웨이퍼에 거의 동일하게 도핑되도록 추가된다.[39] 이후 회로에서의 역할에 따라 정해진 구역마다 — 주로 포토리소그래피 방식으로 이루어진다[40] — 확산[41]과 이온 주입법과 같은 방법으로 추가적인 도핑이 이루어진다. 이온 주입법의 경우, 조정성이 높아 대규모 생산에서 자주 이용된다.

회로 소자를 정의하기 위해, 선택된 영역(일반적으로 포토리소그래피[12]에 의해 제어됨)은 확산[13] 및 이온 주입과 같은 공정을 통해 추가적으로 도핑되는데, 후자의 방법은 제어성이 향상되었기 때문에 대량 생산에서 더욱 인기가 있다.

스핀온 유리 또는 스핀온 도펀트 도핑은 두 단계로 이루어지는 공정이다. 먼저, SiO2와 도펀트(용매에 녹인)의 혼합물을 스핀 코팅을 이용하여 웨이퍼 표면에 도포한다. 그런 다음, 일정한 질소+산소 유량의 퍼니스(furnace)에서 특정 온도로 베이킹(굽기)하여 제거한다.[14]

5. 3. 합금법

를 제거하면 다음과 같다.

```text

6. 도펀트 종류

4족 반도체인 실리콘, 저마늄 등에 도핑되는 도펀트에는 n형과 p형이 있다.


  • n형 도펀트: 5족 원소(예: 인)를 순수 실리콘에 도핑하면 원자가 전자가 추가되어 n형 반도체가 된다. 이때 5족 원소는 전자 주개로 작용한다. 실리콘 도핑에는 비소, 인 등이 사용된다.[38]

  • p형 도펀트: 3족 원소(예: 붕소)를 도핑하면 실리콘 격자에 "끊어진 결합"(홀)이 생겨 p형 반도체가 된다. 이때 3족 원소는 수용체로 작용한다. 실리콘 도핑에는 붕소, 갈륨 등이 사용된다.[38]


실리콘 도핑에 사용되는 주요 도펀트는 다음과 같다.

도펀트종류특징기타
붕소(B)p형확산 속도가 빨라 접합 깊이 조절이 용이하며, CMOS 기술에 일반적으로 사용된다.디보란(diborane) 가스 확산을 통해 첨가 가능하며, 높은 도펀트 농도가 필요한 트랜지스터 등에 사용된다. 인(P)과 거의 같은 속도로 확산한다.
알루미늄(Al)p형깊은 p형 확산에 사용된다.VLSI 및 ULSI에서는 많이 사용되지 않으며, 의도치 않은 불순물로 존재한다.[19]
갈륨(Ga)p형8~14 μm 대기 창에서 장파장 적외선 광전도 실리콘 검출기에 사용된다.갈륨(Ga) 도핑된 실리콘은 긴 소수 캐리어 수명을 가져 태양 전지에 유망하며, 붕소 도핑 기판을 대체한다.[19]
인듐(In)p형3~5 μm 대기 창에서 장파장 적외선 광전도 실리콘 검출기에 사용된다.[18]
인(P)n형확산 속도가 빨라 벌크 도핑이나 웰 형성에 사용되며, 태양 전지에도 사용된다.포스핀(phosphine) 가스 확산을 통해 첨가 가능하다. 원자로에서 순수 실리콘에 중성자를 조사하여 핵변환(nuclear transmutation)을 통해 벌크 도핑할 수 있다. 금(Au) 원자를 포획하여 재결합 중심 역할을 방지한다.
비소(As)n형확산 속도가 느려 확산 접합에 사용되며, 매립층에 사용된다. 실리콘과 원자 반지름이 비슷하여 높은 농도가 가능하다.확산 계수는 인(P)이나 붕소(B)의 약 1/10이다. 후속 열처리 과정에서 도펀트 위치를 유지하는 데 유용하며, 얕은 확산에 적합하여 VLSI 회로에서 선호된다.[19]
안티모니(Sb)n형확산 계수가 작아 매립층에 사용된다. 비소(As)와 유사한 확산 계수를 가진다.비정상적인 영향이 없어 VLSI에서 비소(As) 대신 사용된다. 고농도 도핑은 전력 장치에 중요하며, 산소 불순물 농도가 낮고 자동 도핑 효과가 적어 에피택셜 기판에 적합하다.[19]
비스무트(Bi)n형장파장 적외선 광전도 실리콘 검출기에 유망한 도펀트이다.p형 갈륨(Ga) 도핑 재료에 대한 n형 대안이다.[20]
리튬(Li)n형방사선 경화(radiation hardening) 태양 전지용 실리콘 도핑에 사용된다.리튬(Li)은 양성자와 중성자에 의해 생성된 격자 결함을 어닐링(annealing)한다.[21] 붕소 도핑된 p+ 실리콘에 도입되어 p형 특성을 유지하거나 저저항 n형으로 역도핑할 수 있다.[22]



갈륨비소, 갈륨인화물, 갈륨질화물 등 기타 반도체의 경우에도 다양한 도펀트가 사용된다.

6. 1. 4족 반도체 (실리콘, 저마늄 등)

4족 반도체인 다이아몬드, 실리콘, 저마늄, 탄화 규소, 실리콘-저마늄의 경우, 가장 일반적인 도펀트는 3족 원소의 수용체 또는 5족 원소의 주개이다.[38]

  • n형 도펀트: 5족 원소 (예: 인)로 순수 실리콘을 도핑하면 추가적인 원자가 전자가 추가되어 개별 원자에서 떨어져 나와 화합물이 전기적으로 전도성이 있는 n형 반도체가 된다. 이 경우 5족 원소는 전자 주개로 작용한다. 실리콘 도핑에는 비소, 인이 사용된다. 인은 일반적으로 실리콘 웨이퍼의 벌크 도핑에 사용되는 반면, 비소는 인보다 확산 속도가 느리기 때문에 더욱 제어 가능하여 접합 확산에 사용된다.

  • p형 도펀트: 3족 원소 (예: 붕소)로 도핑하면 실리콘 격자에 "끊어진 결합"(홀)이 생성되어 자유롭게 이동할 수 있다. 그 결과 전기적으로 전도성이 있는 p형 반도체가 된다. 이 경우 3족 원소는 수용체로 작용한다. 실리콘 도핑에는 붕소, 때로는 갈륨이 사용된다. 붕소는 접합 깊이를 쉽게 제어할 수 있는 속도로 확산되기 때문에 실리콘 집적 회로 생산에 가장 적합한 p형 도펀트이다.


이는 다이오드 물리학의 핵심 개념이다.

6. 2. 실리콘 도펀트

실리콘 도핑에 사용되는 주요 도펀트는 다음과 같다.

  • '''억셉터 (p형)'''


도펀트특징기타
붕소(B)p형 도펀트로, 확산 속도가 빨라 접합 깊이 조절이 용이하다. CMOS 기술에 일반적으로 사용된다.디보란(diborane) 가스 확산을 통해 첨가 가능. 높은 도펀트 농도가 필요한 트랜지스터 등에 사용. 인(P)과 거의 같은 속도로 확산.
알루미늄(Al)깊은 p형 확산에 사용.VLSI 및 ULSI에서는 많이 사용되지 않음. 의도치 않은 불순물로 존재.[19]
갈륨(Ga)8~14 μm 대기 창에서 장파장 적외선 광전도 실리콘 검출기에 사용.갈륨(Ga) 도핑된 실리콘은 긴 소수 캐리어 수명을 가져 태양 전지에 유망하며, 붕소 도핑 기판을 대체.[19]
인듐(In)3~5 μm 대기 창에서 장파장 적외선 광전도 실리콘 검출기에 사용.[18]


  • '''도너 (n형)'''


도펀트특징기타
인(P)n형 도펀트로, 확산 속도가 빨라 벌크 도핑이나 웰 형성에 사용. 태양 전지에도 사용.포스핀(phosphine) 가스 확산을 통해 첨가. 원자로에서 순수 실리콘에 중성자 조사하여 핵변환(nuclear transmutation)을 통해 벌크 도핑 가능. 금(Au) 원자 포획하여 재결합 중심 역할 방지.
비소(As)n형 도펀트로, 확산 속도가 느려 확산 접합에 사용. 매립층에 사용. 실리콘과 원자 반지름이 비슷하여 높은 농도 가능.확산 계수는 인(P)이나 붕소(B)의 약 1/10. 후속 열처리 과정에서 도펀트 위치 유지에 유용. 얕은 확산에 적합하며, VLSI 회로에서 선호.[19]
안티모니(Sb)n형 도펀트로, 확산 계수가 작아 매립층에 사용. 비소(As)와 유사한 확산 계수.비정상적인 영향이 없어 VLSI에서 비소(As) 대신 사용. 고농도 도핑은 전력 장치에 중요. 산소 불순물 농도 낮고 자동 도핑 효과 적어 에피택셜 기판에 적합.[19]
비스무트(Bi)장파장 적외선 광전도 실리콘 검출기에 유망한 도펀트.p형 갈륨(Ga) 도핑 재료에 대한 n형 대안.[20]
리튬(Li)방사선 경화(radiation hardening) 태양 전지용 실리콘 도핑에 사용.리튬(Li)은 양성자와 중성자에 의해 생성된 격자 결함 어닐링(annealing).[21] 붕소 도핑된 p+ 실리콘에 도입, p형 특성 유지 또는 저저항 n형으로 역도핑.[22]


  • '''기타'''


도펀트특징기타
저마늄(Ge)밴드갭(band gap) 엔지니어링에 사용.저마늄(Ge) 층은 어닐링 단계 동안 붕소(B) 확산 억제, 초얕은 p-MOSFET 접합 가능.[23] 저마늄(Ge) 벌크 도핑은 큰 공극 결함 억제, 내부 게터링(gettering) 증가, 웨이퍼 기계적 강도 향상.[19]
실리콘(Si), 저마늄(Ge), 제논(Xe)실리콘 웨이퍼 표면 사전 비정질 실리콘(amorphous silicon)화 위한 이온 빔 사용.표면 아래 비정질 층 형성, p-MOSFET용 초얕은 접합 형성.
질소(N)결함 없는 실리콘 결정 성장에 중요.격자 기계적 강도 향상, 벌크 미세 결함 생성 증가, 공공 응집 억제.[19]
금(Au), 백금(Pt)소수 캐리어 수명 제어, 일부 적외선 검출 응용 분야에 사용.


6. 3. 기타 반도체

7. 보상 (Compensation)

대부분의 경우, 도핑된 반도체에는 여러 종류의 불순물이 존재한다. 만약 반도체에 같은 수의 도너(donor)와 억셉터(acceptor)가 존재한다면, 도너가 제공하는 여분의 핵심 전자는 억셉터 때문에 끊어진 결합을 채우는 데 사용되므로, 도핑은 어떤 종류의 자유 운반자도 생성하지 않는다. 이 현상을 '''보상'''(compensation)이라고 하며, 대다수의 반도체 소자의 pn 접합에서 발생한다.

도너가 억셉터보다 많거나 그 반대인 부분적 보상을 통해, 소자 제작자는 순차적으로 더 높은 농도의 도펀트(dopant)를 확산 또는 이온 주입하여, 소위 '''역도핑'''(counterdoping)이라고 하는 방법으로, 벌크 반도체 표면 아래 특정 층의 종류를 반복적으로 반전(역전)시킬 수 있다. 대부분의 현대 반도체 소자는 벌크 실리콘 표면 아래에 필요한 P형 및 N형 영역을 생성하기 위해 순차적인 선택적 역도핑 단계를 통해 제작된다.[26]

보상은 도너 또는 억셉터의 수를 증가시키거나 감소시키는 데 사용될 수 있지만, 전자와 정공의 이동도는 도너와 억셉터 이온의 합에 의해 영향을 받기 때문에 보상에 의해 항상 감소한다.

8. 전도성 고분자의 도핑

전도성 고분자는 이미 전기 전도성을 가질 가능성이 있는 계에 전자를 주입하기 위해 산화 또는 때로는 환원 반응을 일으키는 화학 반응물을 첨가하여 도핑할 수 있다. 전도성 고분자를 도핑하는 두 가지 주요 방법이 있으며, 둘 다 산화환원 반응 과정을 사용한다.

# '''화학적 도핑'''은 일반적으로 박막인 멜라닌과 같은 고분자를 요오드 또는 브롬과 같은 산화제에 노출시키는 것을 포함한다. 또는 고분자를 환원제에 노출시킬 수도 있는데, 이 방법은 훨씬 덜 일반적이며 일반적으로 알칼리 금속을 포함한다.

# '''전기화학적 도핑'''은 고분자가 불용성인 전해질 용액에 고분자 코팅된 작업 전극을 별도의 대극 및 기준 전극과 함께 현탁하는 것을 포함한다. 전극 사이에 전기적 전위차가 생성되어 전하와 전해질로부터 적절한 대응 이온이 전자 첨가(n-도핑) 또는 제거(p-도핑)의 형태로 고분자에 들어가게 된다.

n-도핑은 지구 대기가 산소가 풍부하여 산화성 환경을 조성하기 때문에 훨씬 덜 일반적이다. 전자가 풍부한 n-도핑된 고분자는 원소 산소와 즉시 반응하여 고분자를 ''탈도핑''(중성 상태로 재산화)한다. 따라서 화학적 n-도핑은 불활성 기체(예: 아르곤) 환경에서 수행되어야 한다. 밀폐된 플라스크 내 용매에서 산소를 제외하는 것이 더 쉽기 때문에 전기화학적 n-도핑이 연구에서 훨씬 더 일반적이다. 그러나 n-도핑된 전도성 고분자가 시판되는 것은 드물다.

9. 유기 분자 반도체의 도핑

분자 도펀트는 모체와의 공정 호환성, 즉 유사한 증발 온도 또는 제어 가능한 용해도 때문에 분자 반도체 도핑에 선호된다.[27] 또한, 금속 이온 도펀트(예: Li+ 및 Mo6+)에 비해 상대적으로 큰 분자 도펀트의 크기는 일반적으로 유익하여 OLED 및 유기 태양 전지와 같은 다층 구조에 사용하기 위한 우수한 공간적 제한을 제공한다. 일반적인 p형 도펀트에는 F4-TCNQ[28] 및 Mo(tfd)3[29]이 포함된다. 그러나, 도전성 고분자 도핑에서 발생하는 문제와 유사하게, 낮은 전자 친화도(EA)를 가진 재료에 적합한 공기 안정적인 n형 도펀트는 여전히 찾기 어렵다. 최근, [RuCp∗Mes]2와 같은 절단 가능한 이량체 도펀트의 조합을 이용한 광활성화는 낮은 EA 재료에서 효과적인 n형 도핑을 실현하는 새로운 경로를 제시한다.[27]

10. 자기 도핑 (Magnetic doping)

자기 도핑에 대한 연구는 비열과 같은 특정 성질이 소량의 불순물에 의해 상당히 변화될 수 있음을 보여주었다. 예를 들어, 반도체 강자성 합금의 도펀트 불순물은 White, Hogan, Suhl 및 Nakamura가 처음 예측한 것처럼 서로 다른 특성을 생성할 수 있다.[30][31]

희석 자성을 부여하기 위한 도펀트 원소의 포함은 자성 반도체 분야에서 점점 중요해지고 있다. 분산된 강자성 종의 존재는 전하 외에 전자 스핀을 활용하는 시스템인 스핀트로닉스의 기능에 중요하다. 밀도 범함수 이론(DFT)을 사용하여 주어진 격자 내 도펀트의 온도 의존 자기 거동을 모델링하여 후보 반도체 시스템을 식별할 수 있다.[32]

11. 단일 도펀트 (Single dopants)

반도체 특성이 도펀트에 민감하게 의존한다는 사실은 다양한 현상을 탐구하고 소자에 적용할 수 있게 해준다. 상용 소자 성능뿐 아니라 반도체 물질의 기본적인 특성에 대한 단일 도펀트의 영향도 확인할 수 있다. 양자 정보 분야의 단일 스핀 소자나 단일 도펀트 트랜지스터와 같이 단일 도펀트의 불연속적인 특성이 필요한 새로운 응용 분야가 등장했다. 지난 10년 동안 단일 도펀트를 관찰하고, 제어 가능하게 생성 및 조작하며, 새로운 소자에 적용하는 데 있어 괄목할 만한 발전이 이루어짐으로써 솔로트로닉스(단일 도펀트 광전자공학)라는 새로운 분야가 열리게 되었다.[33]

12. 변조 도핑 (Modulation doping)

도핑에 의해 도입된 전자 또는 정공은 이동성이 있으며, 해리된 도펀트 원자로부터 공간적으로 분리될 수 있다. 그러나 이온화된 도너와 억셉터는 각각 전자와 정공을 끌어들이므로, 이러한 공간적 분리는 도펀트 농도의 급격한 변화, 띠 간격의 변화(예: 양자 우물), 또는 내장 전기장(예: 비중심 대칭 결정의 경우)을 필요로 한다. 이 기법을 변조 도핑이라고 하며, 감소된 캐리어-도너 산란으로 인해 유리하며, 매우 높은 이동도를 달성할 수 있다.

참조

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