- 김용훈 교수 연구팀, 차세대 반도체 소자 개발에 있어 원자 수준 양자역학 계산을 수행하는
제 1원리 시뮬레이션 역할이 더욱 중요해지는 상황에서 해당 분야의 획기적 전환 수립
- 2차원 터널링 트랜지스터 내 원자 결함에 의한 비선형 소자 특성 세계 최초로 규명
- 반도체 연구·개발 분야에서 세계적으로 경쟁력 있는 나노 소자 전산 설계 원천기술 확보
반도체 연구개발에서 소자의 미세화에 따라 원자 수준에서 전류의 흐름을 이해하고 제어하는 것이 핵심적 요소가 되고 있는 상황에서, 국내 연구진이 기존에는 불가능했던 원자만큼 얇은 2차원 반도체 소자의 엄밀한 양자 역학적 컴퓨터 시뮬레이션을 성공적으로 구현하고 이를 기반으로 원자 결함에 의해 발생하는 특이한 소자 특성을 세계 최초로 보고했다.
KAIST는 전기및전자공학부 김용훈 교수 연구팀이 자체적으로 개발한 양자 수송 이론을 통해 세계 최초로 그래핀 전극 간 전자의 터널링 현상(전자가 포텐셜 장벽을 투과하는 현상)으로 작동하는 *2차원 터널링 트랜지스터의 **제1 원리 시뮬레이션**을 수행하는 데 성공했다고 4일 밝혔다.
* 2차원 터널링 트랜지스터: 그래핀을 전극으로 하여 전극 간 전자의 터널링(tunneling) 현상을 통해 소자가 작동하는 반도체 소자이다. 소자의 동작 특성을 결정하는 그래핀 전극간 전자의 터널링 현상은 소스-드레인(source-drain) 전극 및 게이트(gate) 전압에 의해 결정된다.
**제1 원리 시뮬레이션: 제1원리 계산은 물질 내 전자들의 거동을 해석할 때 실험적 데이터나 경험적 모델을 도입하지 않고 지배방정식인 슈뢰딩거 방정식을 원자 정보를 포함시켜 직접 푸는 양자역학적 물질 시뮬레이션 방법으로 대표적인 방법론은 밀도 범함수론(density functional theory, DFT)이 있음
KAIST 전기및전자공학부 김태형 박사과정과 이주호 박사가 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 소재 계산 분야의 권위 있는 학술지 `네이쳐 파트너 저널 컴퓨테이셔널 머터리얼즈(Npj Computational Materials)' (IF 13.20) 3월 25일 字 온라인판에 게재됐다. (논문명: Gate-versus defect-induced voltage drop and negative differential resistance in vertical graphene heterostructures)
제1 원리 시뮬레이션이란 슈퍼컴퓨터에서 원자 수준의 양자역학 계산을 수행해 실험적 데이터나 경험적 모델의 도움 없이 물질의 특성을 도출하는 방법으로 제1 원리 계산을 통한 평형 상태의 소재 연구는 1998년 월터 콘(Walter Khon) 교수가 노벨상을 받은 `밀도 범함수론(density functional theory: DFT)'을 기반으로 다방면으로 수행돼왔다.
반면 전압 인가에 따른 비평형 상태에서 작동하는 나노 소자의 제1 원리 계산은 DFT 이론을 적용하기 어렵고 그 대안으로 제시된 이론들에도 한계가 있어 현재 그래핀 기반 2차원 반도체 소자의 엄밀한 양자역학적 시뮬레이션은 불가능한 상황이었다.
연구팀은 먼저 이러한 어려움을 극복하기 위해 자체적으로 수립한 새로운 양자 수송 계산 체계인 다공간 DFT 이론을 발전시켜 그래핀 기반 2차원 터널링 트랜지스터의 제1 원리 시뮬레이션을 가능하게 했다.
다음으로 이를 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 요소을 입증했다.
한편 이러한 비선형 소자 특성은 연구진이 기존에 세계 최초로 제안했던 양자 혼성화(quantum hybridization) 소자 원리(device principle)에 따라 발현됨을 보여 2차원 소자의 양자적 특성을 활용하는 한 방향을 제시했다.
김 교수는 "나날이 치열해지는 반도체 연구개발 분야에서 세계적으로 경쟁력 있는 나노 소자 전산 설계 원천기술을 확보했다ˮ고 연구의 의미를 소개하며 "양자 효과가 극대화될 수밖에 없는 차세대 반도체 연구개발에서 양자역학적 제1 원리 컴퓨터 시뮬레이션의 역할이 더욱 중요해질 것”이라고 강조했다.
□ 용어설명
그래핀 기반 2차원 터널링 트랜지스터(graphene-based two-dimensional tunneling transistor)
그래핀을 전극으로 하여 전극 간 전자의 터널링(tunneling) 현상을 통해 소자가 작동하는 반도체 소자이다. 소자의 동작 특성을 결정하는 그래핀 전극간 전자의 터널링 현상은 소스-드레인(source-drain) 전극 및 게이트(gate) 전압에 의해 결정된다.
비선형 부성 미분 저항(negative differential resistance, NDR)
부성미분저항은 일반적인 경우와는 다르게 특정 구간에서 전압이 증가할 때 전류는 오히려 감소해 전류-전압 특성 곡성이 마치 알파벳 ‘N’모양처럼 비선형적으로 나타나는 현상으로 다양한 소자 기능을 구현하는데 활용될 수 있다.
제1원리 계산(first-principles calculations) 및 전자 밀도 범함수론(density functional theory, DFT)
제1원리 계산은 물질 내 전자들의 거동을 해석할 때 실험적 데이터나 경험적 모델을 도입하지 않고 지배방정식인 슈뢰딩거 방정식을 원자 정보를 포함시켜 직접 푸는 양자역학적 물질 시뮬레이션 방법이다. 제1원리 계산의 대표적인 방법론은 밀도 범함수론(density functional theory, DFT)으로 저명한 고체 물리학자였던 월터 콘(Walter Kohn) 교수는 DFT 이론을 확립한 업적을 인정받아 1998년도 노벨 화학상을 수상한 바 있다. DFT 계산은 평형 상태의 물질 계산에 국한되어 전압 인가에 의해 비평형 상태에 있는 나노소자에 대한 제1원리 계산을 위해서는 DFT를 확장할 필요가 있다.
란다우어 접근법(Landauer approach)
IBM 연구소의 고체물리 연구 부문을 이끌고 응집물질물리에서 컴퓨팅 분야에 걸쳐 중요한 업적을 남긴 롤프 란다우어(Rolf W. Landauer)에 의해 도입된 개념으로 전압이 인가된 구동 상태의 소자를 외부 베터리와 연결되어 있는 열린 시스템(open system)으로 기술한다. 현재 표준적인 제1원리 나노소자 계산은 란다우어 관점을 기반으로 비평형 그린함수(non-equilibrium Green’s function) 이론을 적용하여 수행되고 있었다.
비평형 그린함수(Non-equilibrium Green’s function, NEGF) 이론
비평형 상태의 전자 등 양자 시스템을 기술하는 일반적인 다체계 양자역학 이론이다. 나노소자에 적용될 때에는 란다우어 관점을 토대로 소자 시스템을 반무한(semi-infinite)한 평형 상태의 전극과 더불어 비평형 상태 즉 전압 강하(voltage drop)가 일어나는 채널 영역으로 나누고 채널 영역의 전자밀도를 DFT 와 결합된 NEGF 계산을 통해 도출하게 된다. 이번 연구는 현재 표준적인 제1원리 소자 시뮬레이션 방법론인 NEGF 방법론을 뛰어 넌믄 이론-시뮬레이션 체계를 개발했다는데 의미가 있다.
그림 1. 연구 개요. 연구진이 새롭게 개발한 이론 및 시뮬레이션 체계를 기반으로 세계 최초로 그래핀 기반 2차원 터널링 트랜지스터의 양자역학적 제1원리 시뮬레이션을 수행함. 그 결과 채널 원자 결함의 양자역학적 특성에 의해 다양한 비선형적 소자 특성이 발생할 수 있음을 보임.
그림 2. 나노 소자 내에서 전하 수송 현상을 설명해온 이론들의 발전 과정과 이번 연구에 사용된 MS-DFT 의 개념 (상단). 기존의 표준적인 제1원리 양자 전하 수송 시뮬레이션 방법론을 기반으로는 원자 수준 두께의 2차원 전자 소자 시뮬레이션이 불가능 하였음(하단 왼쪽). 이번 연구에서는 연구진이 새롭게 개발한 MS-DFT 기법은 이러한 제약 조건을 극복할 수 있어 그래핀 전극/질화붕소 채널/그래핀 전극 터널링 트랜지스터 소자의 인가 전압에 따른 동작 특성을 세계 최초로 정확하게 시뮬레이션 함. 특히, 채널 물질인 육각형 질화붕소 층에 존재하는 원자 결함에 의해 다양한 비선형 소자 특성이 발현될 수 있음을 보여 원자 결함 제어의 중요성 및 그 응용 방향을 보임(하단 오른쪽).
그림 3. 이번 연구에서는 연구진이 새롭게 개발한 제1 원리 이론을 기반으로 슈퍼컴퓨터 계산을 수행해 그래핀 기반 2차원 터널링 트랜지스터에서 비선형 소자 특성이 원자 결함에 의해 발생할 수 있음을 보임. 특히, 이 비선형 소자 특성은 원자 결함과 그래핀 전극들의 파동함수들 간 양자 혼성화 정도가 변해 발생하는 양자혼성화 소자원리에 의해 발현됨을 밝힘
