비결정 반도체(非結晶半導體) 또는 비결정성 반도체(非結晶性半導體)는 결정 구조를 갖지 않고 원자들이 무작위적으로 배열된 비정질(아몰퍼스, amorphous) 상태의 반도체 물질을 말한다. 영어로는 아모퍼스 반도체(amorphous semiconductor)라고도 불린다.
개요
일반적인 결정 상태의 반도체에서는 원자가 발생시키는 주기적 에너지에 의해 전자의 에너지 준위가 띠 구조를 이루며, 원자가띠(가전자대), 전도띠(전도대), 그리고 띠틈(밴드갭)의 구별이 명확하게 형성된다. 이에 반해 비결정 반도체에서는 원자 배열이 무작위적이기 때문에 띠의 경계가 명확하지 않게 된다.
결정 상태에서 결정 전체에 펼쳐지는 파동 함수는 비결정 상태에서 공간적으로 국재(앤더슨 국재, Anderson localization)를 일으켜 전도 특성에 여러 가지 영향을 미친다. 단거리적인 질서는 어느 정도 유지되므로 원자가띠나 전도띠는 존재한다고 볼 수 있지만, 국재 현상으로 인해 원자가띠의 위나 전도띠의 아래, 즉 본래의 띠틈 사이에 이동도가 작은 국재 준위가 생긴다. 또한 댕글링 본드(dangling bond)에 의해 페르미 준위 근처에 다수의 준위가 형성된다.
이 때문에 비결정 반도체에서는 광학적 에너지 간격과 전기적 에너지 간격에 차이가 생기며, 광학적으로 국재 준위에서 국재 준위로의 천이가 가능해져 전기적 에너지 간격보다 광학적 간격이 작아지는 특성을 보인다. 또한 결정의 무작위성에 의해 전자가 포논을 개재하여 천이할 확률이 증가하여 광흡수 계수가 상승하는 광학적 특성상의 변화도 나타난다.
재료와 응용
대표적인 비결정 반도체 재료로는 아모퍼스 실리콘(비정질 실리콘, a-Si)이 있다. 비정질 실리콘은 띠틈이나 광흡수 계수의 증대 특성을 활용하여 다음과 같은 분야에 응용된다.
- 박막 트랜지스터(TFT)
- 태양 전지
비정질 실리콘은 유리, 금속, 플라스틱 등 다양한 기판 위에 화학 기상 증착(CVD) 등의 방법으로 저온에서 증착할 수 있어, 대면적 전자소자 제작에 유리한 장점이 있다. 특히 LCD용 박막 트랜지스터와 박막형 태양 전지의 반도체 재료로 널리 사용된다.
결정 반도체와의 차이
비결정 반도체는 결정 반도체와 비교하여 전자와 정공의 이동이 장거리 결정을 가진 결정성 반도체에 비해 제한적이며, 에너지 밴드 구조가 연속적인 띠와 띠 사이의 허용 밴드갭 대신 국재 준위를 포함하는 형태로 나타난다. 이러한 물성 차이로 인해 비결정 반도체는 결정 반도체와 구별되는 전기적·광학적 특성을 지니며, 특정 응용 분야에서 활용되고 있다.
