우리 학교 전기및전자공학부 김용훈 교수 연구팀이 세계 최초로 그래핀 전극 간 전자의 터널링 현상으로 작동하는 2차원 터널링 트랜지스터의 제1 원리 시뮬레이션*을 수행하는 데 성공했다고 지난 4일 밝혔다. 

소자 미세화에 따른 양자 효과

 지난 수십 년간 반도체 소자의 지속적인 집적도 향상은 전극 및 채널 물질의 미세화를 가속화시켰다. 이에 채널 및 전극 물질의 원자 수준에서 전류의 흐름을 이해하고 제어하는 것이 반도체 소자 연구 개발의 핵심적 요소가 되고 있는 상황이다. 연구팀은 새로이 개발한 이론체계를 통해 기존에는 불가능했던 원자만큼 얇은 2차원 반도체 소자의 엄밀한 양자 역학적 컴퓨터 시뮬레이션을 성공적으로 수행하였고, 이를 기반으로 그래핀-질화붕소-그래핀 구조의 터널링 소자에서 채널 영역에 존재하는 원자 결함으로 인한 전극-채널 물질간 양자 역학적 상호작용이 실험적으로 알려진 비선형 전류-전압 특성의 원인임을 세계 최초로 규명하였다. 

제1 원리 계산에 기반한 양자 전하 수송 현상의 설명

 미세한 반도체 개발이 가속화되는 상황에서 제1 원리 기반의 양자 전하 수송 계산의 중요성은 점차 대두되고 있다. 이에 슈뢰딩거 방정식을 임의적인 변수의 도입없이 풀어 정답을 찾는 제1 원리 계산인 전자 밀도 범함수 이론(DFT)이 널리 사용되고 있으며, 여기에 전하 수송 현상을 기술하기 위해 비평형 그린 함수(NEGF) 방법론을 도입하는 방식이 표준적인 양자 전하 수송 계산 방법으로 이용되고 있다. 하지만, DFT와 결합된 NEGF 계산 방법은 양자 전하 수송 현상을 기술하기 위해 필요한 ‘전극 구조가 채널 물질에 비해 무한히 크다’라는 제약조건으로 인해 실질적으로 유한히 작은 전극 구조에 대한 양자 전하 수송 현상을 설명하지 못한다는 한계점이 존재한다. 

자체적으로 개발한 MS-DFT 이론

 이러한 기존의 한계를 극복하고자 연구팀은 비평형 상태의 나노 소자에서 양자 전하 수송 특성을 기술하는 새로운 관점의 제1원리 기반의 양자 전하 수송 방법론과 계산 도구인 다공간 제한 탐색 밀도 범함수론(MS-DFT)을 개발하였다. 구체적으로 연구팀은 기존 비평형 상태에 의한 양자 전하 수송 과정을 DFT 이론체계 내에서 한쪽 전극의 전자가 반대편 전극으로 광학 여기(optical excitation)되는 현상으로 대응시키는 작업을 수행하였다. 이를 통해 MS-DFT가 기존 DFT와 결합된 NEGF 계산 방법론을 대체할 수 있을 뿐만 아니라 기존 방법론으로 다룰 수 없었던 원자 수준 두께의 전극 물질을 갖는 차세대 나노 소자 또한 제1원리 계산의 정확도로 계산할 수 있음을 보였다. 

MS-DFT의 검증과 도구 개발

 연구팀은 자체적으로 수립한 새로운 양자 수송 계산 체계인 MS-DFT 이론을 발전시켜, 기존 양자 수송 이론으로는 다룰 수 없었던 유한 전극 구조의 그래핀 2차원 터널링 트랜지스터의 제1 원리 시뮬레이션을 가능하게 하였다. 기존 이론을 대체할 새로운 이론체계를 도입하였기 때문에 연구팀은 MS-DFT 이론의 철저한 검증 작업을 수행하였다. 기존 방법론과 MS-DFT 방법론으로 동시에 다룰 수 있는 다양한 계산 모델을 설정하여 두 방법론이 동일한 결과를 도출하는 것을 확인하였다. 철저한 검증작업 이후, 연구팀은 MS-DFT 방법론을 그래핀 전극-육각형 질화붕소 채널-그래핀 전극 소자 구조에 적용해 질화붕소 층에 존재하는 원자 결함이 다양한 비선형 소자 특성들을 도출시킬 수 있음을 보여 원자 결함의 종류와 위치에 대한 정보가 신뢰성 있는 2차원 소자의 구현에 매우 중요함 요소임을 입증했다.

 마지막으로 연구팀의 김태형 박사과정은 소자의 미세화에 따른 제1원리 시뮬레이션 연구가 중요해지는 상황임을 강조하며, 새로운 방법론을 제시하는 것과 이를 확립하는 것에 관심있는 많은 학생들의 관심을 촉구하였다.

제1 원리 시뮬레이션*
물질 내 전자들의 거동을 해석할 때 슈뢰딩거 방정식을 원자 정보를 포함시켜 직접 푸는 양자역학적 시뮬레이션 방법