| '''[[전기전자공학과|전기·전자공학 {{{#!wiki style="font-family: Times New Roman, serif; font-style: Italic; display: inline;"]]''' | |||
| {{{#!wiki style="margin:0 -10px -5px; min-height: 26px; word-break:keep-all" {{{#!folding [ 펼치기 · 접기 ] {{{#!wiki style="margin:-6px -1px -11px" | <colbgcolor=#009><colcolor=#fff> 학문 | 기반 학문 물리학 (전자기학 (회로이론 · 전자 회로 · 논리 회로) · 양자역학 · 물리화학 · 열역학 · 응집물질물리학) · 화학 연관 학문 수학 (공업수학 · 수치해석학 · 위상수학 · 미분방정식 · 대수학 (환론 · 표현론) · 선형대수학 · 이론 컴퓨터 과학 · 컴퓨터공학 (프로그래밍 언어 (HDL · VHDL · C · C++ · Java · 파이썬 · 베릴로그)) · 재료공학 · 제어 이론 | |
| 공식 · 법칙 | 전자기 유도 · 가우스 법칙 · 비오-사바르 법칙 · 무어의 법칙 · 키르히호프의 법칙 · 맥스웰 방정식 · 로런츠 힘 · 앙페르 법칙 · 드모르간 법칙 · 페르미 준위 · 중첩의 원리 | ||
| 이론 · 연구 | 반도체 (P형 반도체 · N형 반도체) · 디스플레이 · 논리 회로 (보수기 · 가산기 · 플립플롭 · 논리 연산) · 전자 회로 · RLC 회로 · 역률 · DSP · 히스테리시스 곡선 · 휘트스톤 브리지 · 임베디드 시스템 | ||
| 용어 | 클럭 · ASIC · CPU 관련 (BGA · 마이크로아키텍처 · GPS · C-DRX · 소켓) · 전계강도계 · 축전기 · CMCI · 전송선 · 양공 · 도핑 · 이미터 · 컬렉터 · 베이스 | ||
| 전기 · 전자 관련 정보 | 제품 스마트폰 · CPU · GPU (그래픽 카드) · ROM · RAM · SSD · HDD · MPU · CCD · eMMC · USB · UFS · LCD · LED · OLED · AMOLED · IoT · 와이파이 · 스마트 홈 · 마그네트론 · 마이크 · 스피커 · 배터리 소자 집적 회로 · 다이오드 · 진공관 · 트랜지스터 (BJT · FET · JFET · MOSFET · T-FT) · CMOS · IGBT · 저항기 · 태양전지 · 연산 증폭기 · 사이리스터 · GTO · 레지스터 · 펠티어 소자 · 벅컨버터 | ||
| 자격증 | |||
| 전기 계열 | 기능사 전기기능사 · 철도전기신호기능사 기사 전기기사 · 전기산업기사 · 전기공사기사 · 전기공사산업기사 · 전기철도기사 · 전기철도산업기사 · 철도신호기사 · 철도신호산업기사 기능장 및 기술사 전기기능장 · 건축전기설비기술사 · 발송배전기술사 · 전기응용기술사 · 전기안전기술사 · 철도신호기술사 · 전기철도기술사 | ||
| 전자 계열 | 기능사 전자기기기능사 · 전자계산기기능사 · 전자캐드기능사 기사 전자기사 · 전자산업기사 · 전자계산기기사 · 기능장 및 기술사 전자기기기능장 · 전자응용기술사 | ||
| 기타 | 기능사 신재생에너지발전설비기능사(태양광) 기사 소방설비기사 · 신재생에너지발전설비기사(태양광) · 로봇소프트웨어개발기사 · 로봇하드웨어개발기사 · 로봇기구개발기사 | }}}}}}}}} | |
[[반도체|반도체 제조 공정
Semiconductor Fabrication
]]- [ 펼치기 · 접기 ]
- ||<-2><tablewidth=100%><tablecolor=#000,#ddd><bgcolor=#0ff>반도체 8대 공정 (Process Integration)
Front-End
(웨이퍼/제조 · 산화 공정 · 포토 리소그래피 · 식각 공정 · 증착 공정 · 금속 배선 공정)
(+ 이온 주입)Back-End
(EDS · 패키징(=백엔드 자체))구조 <rowcolor=#000>반도체 제품 반도체 소자 CPU · GPU(그래픽 카드) · ROM · RAM · SSD · HDD · MPU · eMMC · USB · UFS · 와이파이 트랜지스터(BJT · FET · JFET · MOSFET · T-FT, FinFET, GAA) · 전력 반도체 소자(사이리스터 · GTO · 레지스터(IGBT) ) · 다이오드 · CMOS · 저항기 · 연산 증폭기 · 펠티어 소자 · 벅컨버터 용어 웨이퍼 · 팹 · SoC · Technology Node · PPA · PCB · FPGA · Photo Resist · Alignment · LOCOS · STI · Fume · 산화막 · 질화물 · Annealing <rowcolor=#000>현상 법칙 정전기 방전 무어의 법칙 · 4 GHz의 벽 · 폴락의 법칙 기업 분류
기업 목록은 각 문서에 서술반도체 제조사(종합반도체사 · 팹리스 · 파운드리 · 세미캡)
1. 개요
半導體 / Semiconductor[1]반도체는 상온에서 전기 전도율이 구리 같은 도체와 애자, 유리 같은 부도체의 중간 정도인 물질이다.
일반적으로 전기적으로 도체와 절연체 사이의 성질을 띠고 있는 물질이라고 하나,[2] 정확한 정의를 위해서는 에너지 띠(Energy Band)와 금지대역 또는 띠틈(Forbidden Zone/Band Gap) 등 양자역학적 개념이 필요하다. 대표적으로 탄소-규소-저마늄[3]으로 이어지는 14족의 물질들이 이에 해당하며, Ga[4], As와 같이 13-15족 등 14족을 가운데로 하는 두 물질의 화합물도 이 성질을 갖는 경우가 있다.
가장 많이 쓰이는 반도체 소재는 규소 결정에 불순물을 넣어서 만든 것들이다. 주로 증폭 장치, 계산 장치 등을 구성하는 집적 회로를 만드는 데에 쓰인다.
2. 에너지띠 이론
| '''고체물리학·응집물질물리학 ''' | ||
| {{{#!wiki style="word-break: keep-all; margin:0 -10px -5px; min-height:calc(1.5em + 5px)" {{{#!folding [ 펼치기 · 접기 ] {{{#!wiki style="margin:-5px -1px -11px" | <colbgcolor=#056666><colcolor=#fff> 기반 | 전자기학 · 양자역학(양자장론 · 이차양자화) · 통계역학 · 미분방정식 · 위상수학(매듭이론) |
| 결정학 | 고체 · 결정 · 결정 격자(브라베 격자) · 군론(점군 · 공간군) · 역격자(브릴루앙 영역) · 구조 인자 · 결함 · 준결정 | |
| 에너지띠 이론 | 결정 운동량 · 페르미 - 디랙 분포 · 자유 전자 모형(=드루드-조머펠트 모형) · 드루드 모형 · 분산 관계 · 원자가띠 · 전도띠 · 띠틈 · 페르미 준위 · 페르미 면 · 꽉묶음 모형 · 밀도범함수 이론 · 도체 · 절연체 · 반도체(양공 · 도핑) | |
| 자성 | 강자성(이징 모형) · 반자성 · 상자성 · 반강자성 · 준강자성 · 홀 효과 · 앤더슨 불순물 모형(콘도 효과) · 초전도체(쿠퍼쌍 · 조지프슨 효과 · BCS 이론 · 보스-아인슈타인 응집 · 마이스너 효과) | |
| 강상 관계 | 상전이(모트 전이) · 페르미 액체 이론 · 초유동체 · 준입자(양공 · 엑시톤 · 포논 · 마그논 · 플라즈몬 · 폴라리톤 · 폴라론 · 솔리톤 · 스커미온) · 선형 응답 이론(쿠보 공식 · 요동-흩어지기 정리) · 평균장 이론 · 그린 함수 · 스펙트럼 함수 · 파인만 다이어그램 | |
| 위상 물리학 | 위상부도체(그래핀) · 기하학적 위상 · 양자 홀 효과 · 마요라나 페르미온(마요라나 영준위 상태) | |
| 실험 및 장비 | 전자현미경(SEM · TEM · STM · AFM) · XRD · 분광학(NMR · 라만 분광법) · 방사광 가속기 | }}}}}}}}} |
| Energy Band Theory |
| [math(E_g = 0\,{\rm eV})]이면 도체 [math(E_g \sim 1\,{\rm eV})]이면 반도체 [math(E_g > 5\,{\rm eV})]이면 부도체이다. |
간단히 설명하면, 이온결합, 금속결합, 공유결합, 결정구조 등의 다원자 결합에 의해 전자들이 존재할 수 있는 에너지 준위가 불연속적인 값이 아닌 연속된 값이 되는데, 이를 에너지띠라고 부른다.
에너지띠 이론은 크게 두 가지로 설명할 수 있다. 하나는 준자유전자모형(Nearly Free Electron model)이고, 다른 하나는 밀접 결합 모델이다. 둘은 고체 내부의 전자들의 집단적인(collective) 거동을 두 가지 관점에서 바라 본 것이다.
흔히 물리적 현상을 설명하는 이론은 간단한 모델에서 부터 점점 실제와 비슷한 조건을 부여하여 발전해 가는데 반도체 이론도 이와 같은 흐름을 가지고 있다. 준자유전자 모델의 경우 완전히 자유로운 전자의 설명에서 살짝 덜 자유스러운 전자로 바꿈으로써 에너지 띠를 설명한다. 밀접 결합 모델은 단일 원자의 최외각 전자처럼 묶여 있지만 약간의 에너지로도 떠날 수 있는 상태[5]에서 설명을 시도한다.
정리하면 준자유전자는 완전히 자유로운 전자로부터 시작하고 밀접 결합은 강하게 묶인 상태로부터 시작하여 둘 사이 어디쯤에 있는 실제 반도체의 상태를 설명하려 시도한다. 이 둘을 모두 배운 학생은 두 개를 모두 배우면서 둘의 연관성을 찾기 힘들어 고민 할 수도 있는데 이는 마치 어떤 현상을 거시적인 관점에서부터 접근하는 방법과 양자역학적인 관점으로 접근하는 방법 두 가지가 있는 것처럼 반도체를 두 가지 조건으로부터 발전시켰다고 생각하면 된다.
준자유전자모형으로 자유전자에 아주 약하고 규칙적인 전기적 포텐셜을 섭동으로 도입하면 자유전자가 가질 수 있는 에너지는 더이상 연속적이지 않고 불연속적으로 나타나게 된다. 이 모델은 양자역학의 슈뢰딩거 방정식을 규칙적인 포텐셜이 있을 때 풀어낸 해로 구했으며 처음 이를 유도한 블로흐는 지도교수인 하이젠베르그로 부터 고체물리학이 태동했다는 말을 들었다는 이야기가 전해진다. 이 해는 블로흐 방정식이라고 명명되었다.
나머지 하나는 밀접 결합 모델로 분자오비탈 이론과 유사하다. 분자오비탈 이론은 분자를 이루는 몇 개의 이온에 대하여 접근하지만 밀접 결합 모델은 수많은 이온들이 있을 때라는 점이 다르다. 규칙적으로 물질이 배열되어 있을 때 원자핵이 만드는 주기적인 에너지 우물에 강하게 속박되지 않은 (잠재적인) 자유전자의 파동함수를 구하면 단일 우물일때는 특정 에너지값들에서만 전자의 존재가 가능하지만, 우물들이 서로 간섭해 특정 값들이 모여 존재가 가능한 영역을 만든다.
이것을 원자의 경우에 적용시키면, 원자 사이의 거리가 멀어서 원자들끼리 간섭하지 않을 때는 원자 내부의 전자는 양자화된 에너지 준위를 가지지만 원자 간의 간격이 가까워져서 서로 간섭을 일으키게 되면 파울리의 배타원리에 의해서 영향을 주고 받는 원자들의 개수만큼 에너지 준위가 분리된다. 고체의 경우 원자 간 간섭에 의해 오비탈의 에너지가 갈라지고, 각 원자들의 미세한 차이들이 모여 전자가 존재가능한 연속영역[6]인 에너지 띠(Energy band)와 전자가 존재하는것이 불가능한 빈 공간인 띠틈(band gap)[7]이 만들어진다.
이제 낮은 에너지 띠 영역에서부터 고체의 전자들이 채워지는데, 절대영도를 기준으로 에너지가 가장 큰 전자가 채워진 에너지 띠를 원자가 띠(가전자띠. valence band), 전자가 채워지지 않은 빈 에너지 띠들 중에 가장 낮은 에너지 띠[8]를 전도띠(conduction band)[9]라고 한다.
3. 전기적 성질
도체(전도체)와 다르게 반도체와 부도체는 온도가 높아질수록 전자 저항이 낮아지는 성질을 보인다.[10] 이것은 온도가 높아질수록 원자에 들어 있는 전자가 에너지를 얻기 때문이다. 에너지를 얻은 전자는 원자에게서 벗어나 자유롭게 움직이며 전자의 흐름에 참여하게 된다. 반면 전도체는 전자가 물질을 타고 이동할 때 원자에 부딪혀서 저항이 발생하게 되는데 이 과정에서 저항으로 인해 전기적 손실을 보게되고 온도가 올라간다. 또 온도가 높아질 수록 도체 내부의 분자 운동이 활발해지고 이 분자들이 전자의 흐름을 방해하기 때문에 저항이 높아지게 된다. 따라서 온도가 높아지면 도체는 저항이 커지고 반도체와 부도체는 저항이 작아진다. #고체의 전기 전도성은 원자가 띠와 전도띠 사이의 띠 틈에 의해 결정된다. 도체의 경우 원자의 에너지 준위가 분리되어 에너지 띠를 만들때, 원자가 띠와 전도띠의 영역이 서로 겹쳐져서 띠틈이 존재하지 않아 원자가 띠의 전자가 약간의 열에너지만으로도 전도띠로 건너 뛸 수 있거나, 전자가 원자가 띠를 가득채우지 못해서 원자가 띠의 빈 공간이 전도띠의 역할을 한다. 그래서 실온 정도의 온도가 되면 자유전자가 엄청나게 많이 생겨 전기 전도성이 커지게 된다. 외곽전자결합이 약하고 띠에 여유도 많아 쉽게 움직이는 알칼리 금속이나 알칼리 토금속, 혹은 준위 중간에 빈틈이 많아서 전자가 이동하기 쉬운 전이 금속이 대표적인 도체이다. 부도체의 경우 원자가 띠와 전도띠 사이의 띠틈이 크기 때문에[11] 원자가 띠에 가득 찬 전자가 전도띠로 건너뛰지 못해 자유전자가 생기기 힘들어 전기 전도성이 작아진다.[12]
반도체의 경우 원자가 띠와 전도띠 사이에 띠틈이 2eV 이하로 작아서 주변 온도에 의한 열에너지 만으로도 전자가 전도띠로 건너뛸수 있다. 이러한 에너지띠 구조의 특징으로 인해 온도에 의한 전기전도성의 변화가 크다. 실온 정도의 온도를 기준으로 설명하자면, 실온에서는 약간의 전자가 전도띠로 건너와 있는 상태라 어느 정도 전기가 통한다. 여기서 온도를 더 높여주면 더 많은 전자가 전도띠로 건너 뛰어 자유전자가 되고 반대로 온도를 낮춰주면 전도띠의 자유전자가 원자가띠로 떨어지면서 전기가 잘 통하지 않는 특성을 가지게 된다. 즉, 어떠한 온도를 기준으로 그 온도 이상에서는 전기가 비교적 잘 통하고, 필요한 값 미만으로 온도가 낮아지면 전기가 통하지 않는다는 것이다.[13]
반도체 소재는 크게 진성반도체(intrinsic semiconductor), 외인성 반도체(extrinsic semiconductor)로 구별하며, 외인성 반도체는 또다시 N형(Negative Type)반도체와 P형 반도체(Positive Type)로 나뉜다. 진성반도체는 '순물질'로 규정될 수 있는 물질로 이루어진 반도체이다. 진성반도체 중에서 같은 원소로 이루어진 Si, Ge은 공유결합을 하고 여러 원소로 이루어진 GaAs, GaN, InP 등은 이온결합을 한다.
전하를 운반하는 운반자를 캐리어(Carrier)라고 한다. 공유결합이나 이온에 속박되어있던 전자가 열에너지 등에 의해 전도띠 에너지로 들뜨게 되면 전기퍼텐셜에 의해 전하를 운반할 수 있다. 그런데, 전도띠로 전자가 들뜨게 되면 원자가 띠에는 전자의 빈자리가 생기게 된다. 전자의 빈자리가 생기게 되면 원자가 띠에 있는 전자들도 움직일 수 있게 된다. 그러나 원자가 띠에는 전자가 거의 꽉들어차있어서 이 많은 전자들의 운동을 기술하는 것은 불가능하다. 따라서 전자의 빈자리를 하나의 입자로 보고 이것을 캐리어로 기술하는데, 이 캐리어를 양공(Hole)이라고 한다.
완전한(perfect) 진성반도체는 결합되어있던 전자가 결합에서 벗어나 자유전자가 됨에 따라 그 빈 자리인 정공 역시 같은 숫자로 생성되기 때문에 전자와 정공의 농도가 같을 수밖에 없다. 그 농도는 전자의 총분포밀도(Population Density, 페르미-디랙 분포과 관련되어있다.)를 전도띠 영역에서 적분하여 얻을 수 있다.
불순물을 첨가한 외인성반도체는 주 캐리어가 양공인 P형(Positive type) 혹은 주 캐리어가 전자인 N형(Negative type) 반도체로 나뉜다. 이때 추가하는 불순물을 도펀트(Dopant)라고 하며, 주 캐리어가 양공인지, 전자인지는 도펀트의 원자가 특성에 의해 결정된다. 간략히 설명하면, 도펀트가 바탕물질(Matrix)보다 원자가가 높으면 결합하고 남는 전자를 전도띠로 내어놓아 전자가 주 캐리어가 되고, 도펀트가 바탕물질보다 원자가가 낮으면 오히려 결합을 위해 많은 전자가 필요하여 원자가띠의 전자를 흡수하므로 원자가 띠에 양공이 생겨 양공이 주 캐리어가 된다. 일반적으로 단위부피[math(1cm^3)]당 바탕물질의 양은 [math(10^{22} ~ 10^{23})]개의 원자가 있는데, 도펀트의 양은 보통 [math(10^{16})] 정도이다. 따라서 수만 개 중 1개의 도펀트 정도가 물질의 전기적 특성을 바꿔버리는 셈.
파일:external/pveducation.org/DOPING.gif
4. 대중적인 의미의 반도체
과학계에서 통용되는 반도체의 의미는 특정 물질의 전도성의 정도만을 의미한다. 특정 물질이 반도체성를 지닌 것은 반도체 물질(Semiconductor material)이라고 정의하고 있다.| | |
| 구글 이미지 검색으로 "반도체"와 "부도체"를 각각 검색을 하면 전혀 다른 결과가 나온다. 부도체를 검색하면 과학계에서 통용되는 의미로 검색되지만 반도체를 검색하면 엉뚱하게도 집적회로 칩으로 검색된다. | |
그 원인은 1960년대부터 집적회로 칩을 생산하는 미국의 몇몇 기업들이 자신의 상호명을 "OO Semiconductor"라고 짓는 관행에서 시작되었다.[15] 물리학 지식이 부족했던 당시 언론들이 이러한 상호명을 보고 "반도체=집적회로 칩"이라는 고정관념을 퍼트렸다. 이것이 세계화되어 미국 이외의 기업들도 자신의 상호명을 항상 끝에 반도체라고 짓는 관행이 생겨났고 대중들도 반도체라고 들으면 집적회로 칩인 CPU, RAM, 플래시 메모리 등을 상상하고 전도체와 부도체의 중간의 성질이라는 의미로 상상하지 못하게 되었다. 반도체의 정의 중 하나인 '띠틈'이 단어 자체만 놓고 보면 어려운 어휘가 아님에도 일반인들에게는 인지도가 없다는 것도 한몫하기도 하고.
참고로 반도체라는 단어를 대중적인 의미로 쓰게 되면 "전도체 산업", "고체 생산", "강자성체 설계"라는 표현도 만들 수 있다.
간혹 다이오드와 트랜지스터의 원리를 배우고 반도체의 의미를 정류 혹은 스위치 작용을 하는 물질이라는 뜻으로 오해하기도 한다.
4.1. 반도체 공정
| 삼성전자 반도체 뉴스룸 유튜브 |
| ▲ 반도체 8대 공정 |
| ▲ 반도체 시장 생태계 |
| ▲ 반도체의 기초 |
5. 활용
5.1. 반도체 소자
반도체의 전기적 성질을 이용하여 만든 장치.P형 반도체와 N형 반도체를 활용하여 P-N접합을 통해 전류의 흐름이 일정한 방향으로 흐르게 하는 pn 접합형 다이오드와 이 방식을 응용시켜 P-N-P, N-P-N접합을 이용해 전기신호를 증폭, 스위칭하는 바이폴라 트랜지스터(Bipolar Junction Transistor, BJT)를 만들어낼 수 있으며, 이외에도 금속을 n형 반도체 재료로 가볍게 도핑하는 쇼트키 다이오드, 금속과 융합한 CMOS, 그 하위부류인 FET나 MOSFET 등으로 만들어지며 이에 얽힌 발달과정이 현대 정보산업의 발전으로 이어졌다.
반도체 소자는 전자공학과의 공부 난이도를 올린 주범이다. 반도체 소자가 하나만 있어도 회로 방정식이 비선형 미분방정식으로 바뀌고, Asymptotic Analysis를 적용할 수 있는 특수한 경우가 아니면 회로 방정식을 해석적으로 풀 수가 없는 경우가 많다. 비선형 방정식을 수치해석적으로 풀기 위해서는 각종 수치해석법에 Iterative Method가 추가되어야 한다. 게다가 회로 레벨이 아니라 소자 레벨로 내려가면 유한요소해석을 Iteration을 하여 수렴할 때까지 돌려야 하기 때문에 컴퓨팅 파워를 많이 잡아먹는다.
5.2. 반도체 부품
메모리 반도체로 현재 DRAM과 플래시 메모리가 주로 사용되고 있으며, 앞으로 예상되는 발전 방향은, 현재 비휘발성 RAM인 MRAM(자기저항램)[16]과 PRAM(상변화램)[17]이 연구 중이며, MRAM은 이미 우주분야나 블랙박스와 같은 최첨단 중의 최첨단의 분야에서 사용되기 시작했다.MRAM과 PRAM은 속도는 DRAM과 같지만 전원 공급이 중단되어도 데이터를 상실하지 않고 수명도 사실상 무한하다. 말그대로 궁극의 저장매체인 것이다. 만일 개인용 컴퓨터 시장[18]에서 SSD가 하드디스크를 완전히 밀어낼 시점이 다가오면 MRAM이나 PRAM을 이용한 저장매체가 나와 SSD의 자리를 위협할 것이다.
삼성전자에서는 PRAM 양산을 위한 연구를 진행하고 있으며 MRAM은 독일의 반도체 연구소인 PTB에서 양산 알고리즘을 연구하고 있다. FeRAM(강유전체 램)이라는 것도 있지만, 시제품을 만들어 놓고 보니 개념(이론)과는 너무도 다른 결과를 보여줬다. 즉, 속도도 예상했던 DRAM만큼 나오지도 않았고 고용량을 위한 고도집적화도 거의 불가능해 지금은 시망 테크를 타고 있는 중. 참고로, 일본 후지쯔에서 어찌어찌 해보겠다고 강짜를 놓다가 역시 망.
MRAM과 PRAM의 경우는 프로토타입 단계는 이미 2000년대 초반에 지났고 현재는 소자의 고도화, 양산화를 위한 연구가 진행 중에 있다.[19][20] 즉, 학계의 손을 떠나 기업 주도로 연구ㆍ개발이 이루어지고 있는 것. 2018년 시점에 PRAM은 3D XPoint라는 이름으로 인텔에 의해 상용화가 되기에 이른 상태이다.
사실, MRAM과 PRAM을 대체할 반도체도 기다리고 있다. 바로 RRAM(저항메모리)와 NRAM(나노램)이 기다리고 있다. MRAM이 박막의 스핀배열이 평행/반평행인지에 따라 저항이 변하는 스핀밸브현상 혹은 거대자기저항(GMR)을 이용한 소자라면, RRAM은 멤리스터라고 불리는 물질을 사용하여 일반적으로는 전기를 잘 통하지 않지만 (높은 저항), 유전체 사이의 전도 path를 일시적으로 형성하여 저항을 낮출 수 있다.
또, 개념상 제시된 미래의 RAM에는 밀리피드(Millipede) 반도체와 경주트랙(Racetrack) 메모리라는 것도 있다. 가시거리내 가장 요원한 기술로는 나노자석(Nano Magnets)을 이용한 분자단위 자기정보저장기술이 있다. 2012년 6월에는 해당 기술로 분자단위로 자기정보를 변화시키는 단계에 이르렀다.# 참고로, 카이스트 전기및전자공학과 명 모 교수가 수업시간에 상술한 반도체들의 상용화 예측 연도를 강의한 바 있는데 MRAM이나 PRAM은 2020년대 초중반, RRAM은 2020년대 후반, 밀리피드는 2030년대, 레이스트랙은 2050년대, 나노저장장비는 21세기 중후반으로 제시했다. MRAM에서 RRAM 간의 상용화 주기가 약간 짧은 것은, 사실상 RAM의 물리적 구조를 개선한 것이기 때문이다. 밀리피드부터는 기존의 RAM과는 완전히 다른 새로운 구조이다.
현대 반도체 산업의 중심인 Si(규소)는 석영의 주성분으로서 지각에 가장 많은 2대 원소 중 하나이며 암석의 주요 성분이기 때문에 현대를 철기 시대에 이은 새로운 석기시대라고 농담 삼아 말하는 경우도 있다.
참고로, 반도체 분야에서는 학계의 동향을 항상 신뢰할 수 있는 것은 아니다. CPU 공정 단위가 수십 나노미터 단위로 내려가기 전까지 학계에서는 지속적으로 40nm 이하[21]의 양산이 불가능하다는 주장이 강했지만, 기업의 공밀레 정신으로 그것을 극복해 냈다.[22] 또한 학계는 IGZO트랜지스터가 차세대 디스플레이 구동 소자로 연구되기 전까지 나노결정 실리콘[23]을 매우 주목했으나, 시제품은 기존 디바이스의 단점만 모인 영 쓸모 없는 것이었다.
5.2.1. 역사
1970년대 까지의 반도체 시장은 IBM, Texas Instruments, 모토롤라, 인텔 등 미국 기업들이 절대적인 주도권을 쥐고 있었고 필립스, 지멘스로 대표되는 유럽과 NEC, 도시바, 히타치 등의 일본기업들이 그 뒤를 따라가고 있었다. 그러다가 1980년대부터 1990년대 초까지 일본 기업들의 독주가 이어졌지만 1990년대 중반부터는 미국이 다시 주도권을 되찾았고 한국, 대만이 반도체의 신흥강자로 모습을 드러내기 시작했다. 1990년대 중반부터 2000년대 초반, 일본 반도체 기업들의 합종연횡과 철수가 본격화되었고 삼성전자가 2002년부터 인텔 다음인 점유율 2위를 유지하기 시작한 뒤, 2010년대 초반이 되면 남아있던 일본 기업들마저도 점유율을 잃고 일본은 대만과의 협업 시도를 하고 있다. # 그래서 일본은 현재는 신에츠화학공업, 도쿄일렉트론, 레이저텍 등의 기업처럼, 반도체 그 자체보다는 반도체를 제조/검사하는 소재와 장비에 큰 강세를 보인다.반도체 산업은 과거 IDM(Integrated device manufacturer)이라는 한 기업에서 설계, 제조를 전부하는 수직 계열화된 모델이 주류였다. 1982년 일본 기업 히타치와 미쓰비시가 미국 기업 IBM의 반도체 기술을 빼돌려 산업 스파이로 적발 되면서 13명이 미국 FBI에 체포되는 사건이 있었다.# 그러나 1980년대 후반부터 미국에서 소수의 엔지니어들이 기존의 거대 반도체 기업에서 퇴사해 공장 없이 반도체 설계만을 하는 벤처기업들을 설립하기 시작했으며, 그 설계대로 반도체를 위탁 생산해주는 파운드리가 대만의 TSMC의 설립과 함께 본격화되면서 현재는 팹리스와 파운드리로 분화되어 가는 추세에 있다. 이에 따라 IDM 모델에서 전환하는 데에 실패한 일본의 NEC 같은 반도체 기업들이 대거 몰락하였다.
5.2.2. 현황
|
|
|
상기 이미지는 2021년 반도체 순이익 기준 기업 순위이다. 한국 기업 중에는 삼성전자와 SK하이닉스가 각각 1위와 3위에 올라있다.
현재 점유율은 메모리의 경우 한국이 4분의 3가량을 점유하고 있으며, 시스템 반도체는 미국이 3분의 2 정도를 점유해 전체 반도체 점유율로는 한국이 4분의 1, 미국이 2분의 1 정도를 점유하고 있다. 현재는 미국이 주도하고 있지만 메모리의 경우 한국이 압도적 최강국이고, 메모리 시장의 반을 차지하는 삼성전자가 2030년까지 비메모리에서도 1위를 차지하겠다고 공언하기도 하거나# 정부 주도의 비메모리 투자가 이뤄지는 등 한국 역시 비메모리 분야의 경쟁력을 키우기 위해 노력 중인지라 앞으로 어떻게 될지는 지켜봐야 한다.
현재 대한민국은 메모리 분야에서의 강세와 파운드리 분야에서 다소 강세를 나타내고 있다. 이와 대조적으로 시스템 분야와 팹리스 분야는 미개척 상태로 중국과 대만보다 기술에서 뒤쳐져 있다. 세계 점유율은 1%도 되지 않고 있다. 중국과 대만에게 기술격차가 더 벌어지기 전에 시스템 분야와 팹리스 분야에 대한 많은 투자와 기술 개발이 매우 필요한 상황이다.
한편 반도체 업계는 가격 기준이 아닌 공급량 기준으로 계약이 체결되는 구조이기 때문에 수요와 공급에 의해 가격의 급등락이 잦은 편이며 이에 따라 주기가 생성되는 대표적 사이클 업종이다. 특히 팹을 보유하고 있는 파운드리와 IDM 업체의 경우 이러한 특성이 매우 두드러진다.[24] 이로 인해 대부분의 고객사들은 통상적으로 일정 재고 이상을 비축해두고 있다. 2021년 반도체 공급망 병목 현상을 겪은 이후부터는 공급량 기준이 아닌 선가격 책정 방식으로 제품을 판매하려는 업체들이 생기고 있으며 데이터센터와 전장반도체 등의 분야를 필두로 높은 수요로 인해 사이클의 주기와 등락폭이 줄어들었다.
반도체 제조업의 경우 첨단 장비를 확보하고 고객사를 최대한 모으며 수율을 끌어올려야 유의미한 생산 실적이 나오는 대표적인 자본 주도형 산업이기 때문에 자본동원력이 뛰어난 소수의 업체 위주로 산업이 구성되어 있다.
5.2.3. 전망
여러모로 반도체는 4차 산업 혁명에 있어 핵심 산업이자 앞으로 폭발적으로 성장하게 될 분야여서 각국 사이의 일종의 기술 패권 경쟁이 심화될 것으로 보인다. 중국도 '반도체 굴기'를 선언하며 정부 차원에서 거대한 펀드를 조성하였다. # 이처럼 반도체는 철과 더불어서 '산업의 쌀'이라고 부를 정도로 위상이 올라간 셈이다.반도체 칩에 대해 이야기 할때 관련 학과로는 보통 전기전자공학과를 많이 떠올리지만, 프로세서 아키텍처[25] 연구개발은 컴퓨터 과학자들이 주도한다. 또한 양자역학의 응용이기 때문에 물리학과, 소자나 공정 분야의 신소재공학과 또한 많이 채용된다. 반도체 제조 공정은 거의 화학의 영역이라서 업계에서는 화학공학과, 화학과 또는 신소재공학과 출신도 많이 보인다. 게다가 요즘에는 공과대학에서 아예 반도체를 전문으로 다루는 반도체학과까지 새롭게 만들어진 상황이다.
2020년 들어서는 대한민국 증시에서 BBIG 산업과 함께 동학개미운동의 주요 수혜업종이 되었다. 삼성전자, SK하이닉스 등 반도체 기업들이 코스피 상승을 주도하였다. 수출규제로 인해 관련 산업(소재,부품,장비)들도 기술자립이 가능할 것이다는 요건에 의해 성장 가능성이 높아 보이는 전망이고, 게다가 코로나19와 제4차 산업 혁명 등으로 반도체 수요가 공급을 크게 초과하여 빅싸이클이 오게 되었다. 반도체의 Q(Quantity, 양)는 제한적인데 P(Price, 가격)가 크게 오름에 따라 반도체 기업들의 이익이 크게 늘어나고 있으며, 반도체 업종 주식들이 국내와 해외, 메모리와 비메모리를 가리지 않고 강세를 보이고 있다. 특히 테슬라를 비롯한 전기차 시장 규모가 늘어나고 있는데, 전기차에 들어가는 반도체가 화석연료를 사용하는 일반 차량에 들어가는 반도체보다 훨씬 많기 때문에 전기차 배터리 공급이 크게 부족한 실정이다.
2020년대 반도체 부족 사태로 인해 반도체 공급이 수요를 따라가지 못하고 있어서 공급부족 문제가 대두됐다. 자동차 산업에서 차에 필요한 반도체 공급이 많이 부족해졌고, PS5나 XBOX X같은 게임용 콘솔조차 반도체가 부족해서 생산에 차질이 생겼다. 결국, 세계적으로 반도체 전쟁이 심화되며, 문재인 정부에서 2021년 5월 반도체 기업에 대한 세제 혜택과 지원 확대를 발표했다. # # 그리고 2022년 윤석열 정부는 미국 바이든 정부와 함께 반도체에서의 한미동맹을 넓히기로 결정했다. 미국의 칩설계와 한국의 칩제조 능력이 시너지를 이룰 것이라는 계산이다. #
2024년 미국 대통령 선거의 유력 주자인 도널드 트럼프와 현재는 후보직에서 사퇴했으나 대선 기준 현 대통령인 조 바이든 모두 미국이 주도하는 반도체 시장을 연신 외치고 있다. 그러나, 이 미국 주도 반도체 사이클에서 한국 기업의 언급이 점차 적어졌고, 심지어는 2024년 7월, 필라델피아 반도체에 관해 연설하던 도널드 트럼프의 입에서 오로지 대만과 TSMC, 조 바이든 역시 비슷한 시기 네덜란드의 ASML만을 언급했기에 한국 기업에 대한 언급이 전무했다. 이 것은 한국의 반도체 기업이 미국 우선의 제도를 (눈에 거슬리지 않게) 따라가고 있다는 의미도 되지만, 동시에 반도체 시장에서의 중요성이 상당히 떨어졌다고 볼 수 있기에 매우 예의주시 해야할 현상이라고 볼 수 있다.#
5.3. 반도체 업체 목록
6. 관련 문서
[1] Semiconductor는 학술적 의미의 반도체에 더 가까우며 사회적으로는 microchip이나 chip이라는 용어를 더 자주 쓴다.[2] 물리적 관점에서는 반도체와 부도체의 경계를 굳이 나누지 않는다. 둘 모두 띠틈 사이에 페르미 레벨이 존재한다는 점에서는 동일하기 때문이다.[3] 주석과 납은 완전 도체이기에 해당되지 않음.[4] 차세대 반도체 소자로 주목, 질화갈륨(GaN)[5] itinerant electron이라고 한다. 이를 자유전자라고 잘못 기술한 책이나 설명하는 교수들이 가끔 있는데 자유전자와 itinerant 전자는 다르다. 자유전자는 결정을 이루는 이온과 상관 없이 완전히 자유롭지만 itinerant 전자는 대부분의 시간을 이온에 머물다가 움직일 때만 살짝 움직이는 이른바 호핑(hopping) 형태로 움직인다.[6] 물론 기본적으로 양자화되어 있는 에너지 띠가 분리된 것이기 때문에 앞에 언급되어 있는것과 같이 실제로는 미세한 에너지 차이가 있다. 다만 그 차이가 미세하기 때문에 연속적인 영역인것처럼 다룬다.[7] 혹은 금지대(forbidden band)라고도 하고 에너지 간격(energy gap)이라고도 한다. 이 Gap을 번역할 때 순우리말을 일반적이지 않은 단어에 까지 과도하게 사용하여 이해하기 어렵게 만든 번역서들로 인해 이러한 용어들이 불편해지기도 한다. 고등학교 과학교과서나 위키백과 등에서는 띠틈으로 용어를 통일 시키려는 노력은 하고 있는 듯.[8] 그러니까 원자가 띠 바로 위에 있는 에너지 띠.[9] 주로 전도띠에 전이되어서 고체 내부를 자유롭게 이동할 수 있는 전자를 자유전자라고 부른다.[10] 물론 온도가 높아진다고 해서 좋은 면만 있는 건 아니고 과전류가 발생해서 발열로 인해 회로가 다 타버리거나 성능이 떨어질 수 있다.[11] 보통 2eV 이상의 에너지 간격이 있으면 부도체로 본다.[12] 물론 전기 전도성은 에너지 띠 구조 이외에도 외부 환경에 따라 달라질 수 있다. 예를 들자면 온도가 높아질 경우, 부도체의 전자가 열에너지에 의해 자유전자가 될 확률이 높아져 전기전도성이 커진다. 도체의 경우는 증가하는 자유전자의 영향보다 원자핵의 진동으로 인해 저항이 커지는 효과가 생겨 오히려 전기 전도성이 작아진다.[13] 컴퓨터에 열을 식히기 위한 방열판, 팬 등을 붙이는 가장 큰 이유가 이것이다. 반도체 소자가 과열되면 전기 전도도가 바뀌면서 원하지 않는 동작이 마구 발생할 수 있으니까.[14] 집적 회로 칩 중에 항상 단일체 집적회로 칩으로(Monolithic IC Chip=Microchip)으로 나온다.[15] 1957년에 설립된 Fairchild Semiconductor에서 유래된 듯한데 원래는 트랜지스터나 다이오드 같은 반도체 소자를 생산했던 기업이었다. 그러나 집적회로와 MOSFET이 발명되면서 그 이후로 집적회로 칩까지 생산하게 되었다. 그러나 이는 상호명을 잘못 정한 것으로 과학계에서 통용되는 반도체를 뜻하는 것이 아니다.[16] 기본 회로 구조는 DRAM과 같지만 데이터 입력부에 자기저항소자(TMR)을 두어 이 저항에 의해 전력 상실 후에도 0과 1을 저장하는 구조이다.[17] DRAM의 기본 구조에 칼코게나이드계 유리질을 두고 그 유리질이 열에 의해 변화함을 이용하여 0과 1을 전력 상실 후에도 저장하는 방식이다. 이것을 상용화한 것이 인텔의 옵테인 메모리.[18] 어떤 매체도 완전하지 않다. 데이터를 안전하게 보관하기 위해서는 매체의 종류보다 여러 벌의 복사와 주기적인 점검이 더 중요하다. 또한 HDD나 테이프 같은 자성 매체는 bitrot 현상 때문에 주기적으로 확인 & 복구를 해야 한다.[19] 이미 16MB 이하의 소용량 MRAM, PRAM은 양산에 성공했으며 인공위성이나 비행기 블랙박스 등과 같이 극한의 환경에서 빠른 데이터 처리를 요하는 분야에서 사용되고 있으며, 일부 SSD에도 캐시용으로 사용되고 있다.[20] 2013년에는 Everspin사에서 64MB MRAM 저장매체를 선보인다고 하며, 일반 저장용도 이외에 DDR3이나 DDR4 램으로도 사용할 수 있다고 한다. 비록 아직은 용량이 작고 단위용량당 가격이 SSD에 비해 50배 이상 비싸지만, 양산상용화를 확인한 것이어서 후속 제품 개발이 활발하게 이루어질 것이다. Everspin사에서 내놓은 기술자료에 따르면, MRAM의 속도는 SSD보다 480~500배 정도 빠르다.[21] 이는 CPU뿐만 아니라 모든 반도체 소자에 해당하는 것이었다. 참고로, 학계에서는 4.0GHz의 진동수를 갖는 반도체 소자를 양산하는 것이 불가능하다는 입장이었다.[22] 이것도 반도체 공학적으로 보자면, 완전히 40나노 미만의 반도체를 생산하고 있다고 봐야하는지 아닌지 논란이 될 수 있다. 40나노 이하의 홈(전자가 지나다니면서 0과 1을 처리하는 홈)을 가진 반도체를 생산 할 수 없다는 것은 아직도 정설이다. 왜냐하면 40나노 이하의 간격으로 홈을 팔 경우 홈 사이의 거리가 너무 좁아 홈을 지나다니는 전자 간의 간섭이 일어날 수 있기 때문이다. 그래서 40나노 이하의 반도체는 홈과 홈 사이에 나노소자의 부도체를 넣거나 원래 u자형인 홈을 O자형태가 되도록 위를 덮는 방법을 사용하고 있다. 이렇게 될 경우 홈 간격을 줄여서 소자 다이의 면적을 줄이거나 소비전력을 줄이는 데서 비효율적이 된다. 지금의 경우는 대량생산에 의한 규모의 경제로 그러한 비효율을 극복해 나가고 있는 상황이다. 참고로, 일부 전공자들조차 미세공정이 발달할수록 발열이 적어진다고 생각하는데, 그것은 40나노까지 적어질 경우에나 그런 것이고, 그 이상의 공정으로 가면 전자가 지나다니는 간격이 좁아지면서 발열이 증가한다. 20-30nm 수준에서는 u자형 홈을 유지하되 홈 사이사이에 부도체를 넣는 방법을 사용하고 있으며, O자형 홈은 2020년대 중후반으로 잡혀 있는 10nm 공정에 가서야 사용할 수 있을 것으로 보인다. 홈을 O자형으로 파거나 u자형 홈 위에 규소를 덮어서 O자형 홈으로 만드는 과정은 매우 어려울 것으로 추측되었으나 삼성이 해냈다.[23] 또는 나노액정 실리콘. Nanocrystalline silicon[24] 예를 들어 1월에 DRAM 10,000개 계약을 체결했을 당시 높은 수요로 인해 개당 가격이 5만원이었을지라도 이후 수요가 감소해 3월에 개당 가격이 3만원으로 하락하더라도 계약은 그래도 이행된다.[25] MIPS, RISC-V, ARM(CPU) 등.