KAIST '준-페르미 준위 분리현상' 세계 최초로 원자수준 규명

반도체 설계분야와 차세대 나노소자 전산설계 원천기술 확보성과

국제학술지 미국 ‘국립과학원회보' 온라이판 4월23일자 게재

[대전=뉴시스] KAIST의 준-페르미 준위 분리현상 규명 개념도. 연구진이 새롭게 개발한 제1 원리 이론을 기반으로 슈퍼컴퓨터 계산을 수행해 전압이 인가된 나노 반도체 소자 채널 내 준-페르미 준위 분리현상을 세계 최초로 규명했다.

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 국내 연구진이 70년 난제로 꼽히던 준-페르미 준위 분리현상을 원자 수준에서 규명하는데 성공했다.

KAIST는 전기및전자공학부 김용훈 교수 연구팀이 반도체 소자 동작의 기원인 '준-페르미 준위(quasi-Fermi level)' 분리현상을 제1 원리적으로 기술하는 데 세계 최초로 성공했다고 27일 밝혔다.

제1 원리적인 방법은 실험적 데이터나 경험적 모델을 사용하지 않고 슈뢰딩거 방정식(지배방정식)을 직접 푸는 양자역학적 물질 시뮬레이션 방법이다.

김용훈 교수팀의 연구결과는 비평형 상태의 나노소자 내에서 발생하는 복잡한 전압 강하의 기원을 새로운 이론체계와 슈퍼컴퓨터를 통해 규명, 다양한 첨단 반도체 소자의 분석 및 차세대 나노소자 개발을 위한 이론적 틀을 제공했다는 평가를 받고 있다.

이주호 박사과정 학생이 제1 저자로 참여한 이번 연구 성과는 국제학술지 미국 ‘국립과학원회보(Proceedings of the National Academy of Sciences)’온라인판에 올해 4월23일자로 게재됐다.(논문명:Quasi-Fermi level splitting in nanoscale junctions from ab initio)

준-페르미 준위 개념은 반도체 소자 내 전압인가 상황을 기술하는 표준 이론도구로, 그동안 트랜지스터, 태양전지, 발광다이오드(LED) 등 다양한 반도체 소자들의 구동원리를 이해하거나 성능을 결정하는데 경험적으로 사용돼 왔다. 

하지만 준-페르미 준위 분포현상은 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 해야 하는 어려움 때문에 원자수준에서는 이해되지 못한채 남겨져 있었다. 

연구팀은 차세대 반도체 소자의 후보군으로 주목받는 단일분자 소자에서 나노미터 길이로 발생하는 복잡한 전압 강하 현상을 최초로 규명해냈다.

특히 전도성이 강한 특정 나노 전자소자에 대해 비 선형적 전압 강하 현상이 일어나는 원인이 준-페르미 준위 분리현상임을 밝혔다.
 
이는 외산 소프트웨어에만 의존하던 반도체설계 분야에서 세계적으로 경쟁력있는 차세대 나노소자 전산설계 원천기술을 확보했다는 점에서 의미가 크다고 KAIST는 설명했다.


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