메사 구조 반도체는 기술 환경을 급진적으로 변화시킨 최초의 상업적으로 생산된 고체 상태 전자 소자 중 하나였습니다. 페어차일드 반도체 제조회사(Fairchild Semiconductor Manufacturing)가 상업적으로 출시한 실리콘 메사 트랜지스터가 가장 유명한 모델입니다. 메사 트랜지스터는 메사형 구조로 인한 한계 때문에 이후 평면 트랜지스터로 대체되었습니다. 실리콘 메사 트랜지스터의 탄생 배경, 제조 방식, 그리고 왜 다른 트랜지스터 설계로 대체되었는지 계속 읽어보시기 바랍니다.
메사 구조 반도체 소자란 무엇인가?
자연계에서 메사(mesa)란 경계 전체에 걸쳐 가파른 경사면을 가지고 있으며 주변(대개 평원)보다 뚜렷하게 높이 솟아 있는, 고립되고 꼭대기가 평평한 산을 말합니다. 반도체의 세계에서 메사란 주변을 둘러싼 절연 기판 위로 구성 요소가 솟아오른 구조를 의미합니다. 이 둘의 차이점은 자연의 산은 보통 수백 피트 높이인 반면, 메사 반도체는 높이가 1마이크론(0.001밀리미터) 미만이라는 것입니다. 가장 유명한 메사형 반도체 소자는 메사 트랜지스터입니다.
실리콘 메사 트랜지스터로 이어진 발명들
최초의 점접촉 트랜지스터는 1947년 벨 연구소(Bell Labs)에서 고체 물리학자 윌리엄 쇼클리(William Shockley)의 지휘 아래 과학자 존 바딘(John Bardeen)과 월터 브래튼(Walter Brattain)에 의해 개발되었습니다. 이들은 게르마늄 블록을 반도체로 사용하고 두 개의 금 점접촉을 적용했습니다. 이 시스템에 작은 양전류를 인가했을 때 더 높은 출력 전류가 검출되었으며, 이는 본질적으로 증폭기 역할을 한 것이었습니다. 이 세 사람은 훗날 트랜지스터 효과의 발견과 반도체 연구 업적으로 노벨 물리학상을 수상하게 됩니다.
이 새로운 고체 상태 트랜지스터 기술은 전자 제품의 소형화에 커다란 변화를 가져왔으며, 당시 사용되던 진공관 기술을 빠르게 대체했습니다. 점접촉 트랜지스터가 발명된 이후 수년 동안 다른 여러 유형의 트랜지스터가 빠르게 등장했습니다. 성장 접합 트랜지스터(grown-junction transistor)라 불리는 최초의 쌍극성 접합 트랜지스터(BJT)는 1948~49년 쇼클리에 의해 발명되었으며 P-N 접합을 가지고 있었습니다. BJT는 베이스, 컬렉터, 이미터라는 세 개의 단자를 가진 트랜지스터입니다.
이는 전하 운반자로서 전자와 정공을 도입한 반도체 부품에서의 최초의 도핑 사례였습니다. 이때는 게르마늄을 반도체로 사용했으며, 1954년에 실리콘을 사용한 성장 접합 트랜지스터를 최초로 생산한 곳은 텍사스 인스트루먼트(Texas Instruments)였습니다. 이후의 추가 연구는 확산 접합 트랜지스터로, 그리고 마침내 오늘날 거의 모든 종류의 현대 전자 기기를 작동시키는 평면 트랜지스터에서 한 단계 앞선 메사 트랜지스터로 이어졌습니다. 반도체 재료의 화학적, 물리적 특성과 P-N 접합, 그리고 그 작동 원리에 대해 더 자세히 알아보려면 반도체 화학 이해하기를 읽어보세요.
트랜지스터 제조: 확산 대 성장
성장 접합 트랜지스터라는 이름은 그것을 만들어내는 공정에서 유래했습니다. 이 공정에서는 반도체 부품의 P형 및 N형 영역이 성장됩니다. 성장 공정은 제어하기가 극도로 어려워 베이스 층이 매우 두꺼워지는 결과를 낳았습니다. 이는 성장 접합 트랜지스터에 사용할 수 있는 주파수를 제한했습니다.
이 문제에 대한 해결책은 트랜지스터의 도핑 영역을 만드는 데 성장 대신 확산(diffusion)이라는 공정을 활용하는 것이었습니다. 이 공정에서는 게르마늄, 그리고 이후에는 실리콘을 도펀트 물질이 포함된 고온 가스에 노출시켜 불순물을 주입했습니다. 초기의 확산 접합 트랜지스터는 물질을 기판으로 확산시켜 생성된 베이스를 가졌으며, 이미터와 컬렉터는 합금으로 만들어졌습니다. 1955년 이중 확산(double diffusion) 기법이 발견되면서 이미터, 컬렉터, 베이스를 포함한 모든 구조를 형성하는 것이 가능해졌습니다. 벨 연구소에서 캘빈 사우더 풀러(Calvin Souther Fuller)가 수행한 이 연구는 그다음에 등장할 메사 트랜지스터로 가는 길을 닦았습니다.
실리콘 메사 트랜지스터
IBM사의 정부 계약은 연방 시스템 사업부(Federal Systems Division)가 담당했습니다. 행정 처리, 최고 기밀 슈퍼컴퓨터, 심지어 NASA의 아폴로 우주 계획에 이르기까지 미국 정부의 많은 컴퓨팅 요구 사항이 IBM의 연방 시스템 사업부를 통해 충족되었습니다. 이러한 컴퓨터를 만드는 데 사용된 트랜지스터는 대개 페어차일드 반도체와 같은 회사에 외주로 맡겨졌습니다.
페어차일드 반도체의 사업장은 훗날 실리콘 밸리로 유명해지는 팔로알토에 위치해 있었습니다. 이 회사의 과학자 제이 라스트(Jay Last)와 로버트 노이스(Robert Noyce)는 이미 포토리소그래피 마스킹 기술에서 진전을 이루었습니다. 금속 접점을 만드는 데 필요한 알루미늄의 특성은 고든 무어(Gordon Moore)가 확립했으며, 그는 자체 테스트 및 제조 시설까지 개발했습니다.
벨 연구소의 이중 확산 발견에 이어, 페어차일드 반도체의 연구팀은 1958년 사상 최초의 실리콘 메사 트랜지스터를 생산할 수 있었습니다. 앞서 언급했듯이 메사 트랜지스터라는 이름은 기판 위로 솟아오른 구조에서 비롯되었습니다. 메사 트랜지스터는 확산된 베이스와 이미터를 가진 최초의 트랜지스터였습니다.
메사 트랜지스터는 1958년 8월 웨스콘(Wescon) 무역 박람회에서 큰 호평을 받으며 공개되었으며 기술 명칭은 2N697이었습니다. 대수롭지 않게 들릴 수 있지만, 이 메사 트랜지스터는 미니트맨(Minuteman) 탄도 미사일의 유도 및 제어 시스템 부품으로 선정되었습니다. 이는 당시 미국 최대 규모의 국방 프로그램이었습니다.
메사 트랜지스터 대 평면 트랜지스터
메사 트랜지스터는 이전의 많은 트랜지스터와 마찬가지로 결함을 가지고 있었습니다. 메사 구조로 인해 메사 트랜지스터의 컬렉터-베이스 접합부가 노출되어 있었습니다. 이 때문에 메사 트랜지스터는 표면 오염으로 인한 누설 전류에 매우 민감했습니다. 시간이 지남에 따라 메사 트랜지스터의 전기적 특성을 저하시킬 위험이 있는 이 문제를 방지하기 위해서는 기밀 밀봉(hermetic seal)이 필요했습니다. 이는 메사 트랜지스터의 주요한 신뢰성 문제였으며, 이를 해결하기 위해서는 평면 트랜지스터라는 새로운 트랜지스터가 필요했습니다.
평면 트랜지스터 역시 1959년 페어차일드 반도체에서 장 회르니(Dr. Jean Hoerni) 박사에 의해 개발되었습니다. 그가 한 일은 노출된 접합부를 보호하기 위해 이산화규소 층을 도입한 것이었습니다. 이를 통해 트랜지스터는 오염 위험 없이 저렴한 플라스틱 패키지에 담길 수 있게 되었습니다. 평면 트랜지스터는 합금 접합 트랜지스터보다 스위칭 속도는 느렸지만, 대량 생산이 더 용이했습니다. 평면 트랜지스터는 이후 수년간 빠르게 발전하여 평범했던 실리콘 메사 트랜지스터를 포함한 이전 모델들보다 훨씬 더 강력해졌습니다.
반도체와 함께 미래로 나아가기
성능이 뛰어난 평면 트랜지스터는 메사 트랜지스터를 빠르게 구식으로 만들었으며 반도체 세계 전체에 혁명을 일으켰습니다. 수백만 개의 미세한 트랜지스터를 포함하는 현대의 집적 회로는 이러한 종류의 발견들을 통해서만 가능했습니다. 메사 트랜지스터는 자취를 감췄을지 모르지만, 반도체 소자 역사에서 중요한 디딤돌로 남아 있습니다. 반도체 소자, 제조 방법, 장비에 대해 더 알아보려면 저희 인사이트를 확인해 보세요!
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자주 묻는 질문
칩과 반도체의 차이점은 무엇인가요?
반도체는 칩과 집적 회로 생산에 사용되는 기초 재료 역할을 합니다. 반면 칩은 다양한 전자 부품을 수용하는 반도체 재료로 만들어진 소자입니다. 트랜지스터, 저항기, 축전기 등의 이러한 부품들이 통합되어 다양한 회로 기능을 수행합니다.
실리콘 반도체 칩을 대체할 것은 무엇인가요?
실리콘 기반 칩을 대체할 다양한 소재들이 등장하고 있으며, 그중에서도 질화갈륨(GaN) 칩이 두드러집니다. GaN은 실리콘에 비해 우수한 전자 이동도를 제공하여, 스위칭 속도를 높이고 전력 효율성을 향상시킵니다.
메사 트랜지스터란 무엇인가요?
메사 트랜지스터는 접합 구성 요소가 메사 산의 지질학적 구조와 유사하게 기판 위로 솟아 있는 확산 접합형 실리콘 트랜지스터의 한 종류입니다.
메사 트랜지스터는 누가 발명했나요?
메사 트랜지스터는 1958년 팔로알토에 본사를 둔 페어차일드 반도체에 의해 상업적으로 출시되었습니다. 이는 1955년 벨 연구소가 개발한 이중 확산 기법을 사용하여 만들어졌습니다.