카이스트, 그래핀 기반 2차원 반도체 소자 시뮬레이션의 양자 도약 달성

김용훈 교수 연구팀, 2차원 터널링 트랜지스터 내 원자 결함에 의한 비선형 소자 특성 세계 최초로 규명

[에너지경제신문 송기우 에디터] 반도체 연구·개발에서 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.

카이스트(총장 이광형)는 전기및전자공학부 김용훈 교수(사진) 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 시뮬레이션을 수행하는 데 성공했다고 4일 밝혔다.

카이스트 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 연구·개발 분야에서 세계적으로 경쟁력 있는 나노 소자 전산 설계 원천기술을 확보했다"고 연구의 의미를 소개하며, "양자 효과가 극대화될 수밖에 없는 차세대 반도체 연구?개발에서 양자역학적 제1 원리 컴퓨터 시뮬레이션의 역할이 더욱 중요해질 것"이라고 강조했다.

한편 이번 연구는 삼성전자 미래기술 육성센터의 지원을 받아 수행됐다.

▲ 연구 개요. 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.

▲ 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)

▲ 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 (자료=카이스트)