세계 최초로 규명된 원자 수준의 준-페르미 준위 분리 현상 규명 "반도체 원천기술 확보"
[대전=뉴스봄] 육군영 기자 = 과학계의 70년째 난제로 꼽히던 준-페르미 준위 원자 수준 분리현상이 국내 연구진에 의해 세계 최초로 규명됐다.
27일 KAIST 전기 및 전자공학부 김용훈 교수 연구팀은 반도체 소자 동작의 기원인 준-페르미 준위(quasi-Fermi level) 분리 현상을 제1 원리적으로 기술하는 데 세계 최초로 성공했다고 밝혔다.
김 교수 연구팀은 슈퍼컴퓨터와 새로운 이론 체계를 확립해 비평형 상태의 나노 소자의 복잡한 전압 강하의 기원을 세계 최초로 규명해냈으며 향후 첨단 반도체 소자의 분석과 차세대 나노 소자 개발에 기반을 마련했다는 점에서 그 의의가 있다.
이주호 박사과정이 제1 저자로 참여한 이번 연구 성과는 국제학술지 미국‘국립과학원회보(Proceedings of the National Academy of Sciences)’에 지난 23일 자 온라인판에 게재됐다. (논문명: Quasi-Fermi level splitting in nanoscale junctions from ab initio)
반도체 관련 교과서에도 소개되고 있는 준-페르미 준위 개념은 반도체 소자 내 전압인가 상황을 기술하는 표준적인 이론 도구로서 그동안 트랜지스터, 태양전지, 발광다이오드(LED) 등 다양한 반도체 소자들의 구동 원리를 이해하거나 성능을 결정하는데 경험적으로 사용됐다.
그러나 준-페르미 준위 분포 현상은 1956년 노벨 물리학상 수상자 윌리엄 쇼클리(William B. Shockley)가 제시한 지 70년이 지난 현재에도 전압 인가 상황의 반도체 소자 채널 내에서 측정을 하거나 계산을 하는 기술적 어려움이 있어 원자 수준의 연구는 진행되지 않았다.
김용훈 교수 연구팀은 기존의 NEGF 방법론의 한계점을 뛰어넘는 새로운 이론 체계를 개발하고 이를 적용한 소프트웨어까지 구현해 세계 최초로 나노소자에서의 준-페르미 준위를 근사 없이 제1원리 수준에서 기술해 내는데 성공했다.
연구팀은 전도성이 강한 HTDT 기반 분자 소자의 경우 비대칭의 란다우어 잔류 저항 쌍극자(Landauer residual-resistivity dipole)가 유도된다는 점에서 전압 강하가 비선형적으로 이뤄짐을 확인했다.
특히 이러한 비선형 전압 강하는 준-페르미 준위가 같은 위치 공간 내에서 다른 에너지를 갖는 여러 개로 분리돼 존재하는 이른바 준-페르미 준위 분리의 특정 양상에서 기원함을 규명했다.
연구팀 관계자는 "새로운 비평형 상태 반도체 소자 계산 이론 체계인 MS-DFT 이론을 확립했다"면서 "기존에 외산 소프트웨어에만 의존하고 있던 반도체 설계 분야에서 세계적으로 경쟁력 있는 차세대 나노소자 전산 설계 원천기술을 확보했다는 그 의미를 가진다"고 설명했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부 중견연구자지원사업, 나노소재원천기술개발사업, 기초연구실지원사업, 글로벌프론티어사업의 지원을 받아 수행됐다.
