70년 난제 준-페르미 준위 분리현상 국내 연구팀 첫 규명

카이스트 김용훈 교수팀

70년간 전자공학계의 난제로 남아있던 ‘준-페르미 준위 분리 현상’의 원리가 국내 연구진에 의해 처음으로 규명됐다.

카이스트(KAIST) 전기및 전자공학부 김용훈 교수 연구팀은 반도체 소자 동작의 기원인 준-페르미 준위(quasi-Fermi level) 분리 현상을 ‘제1 원리적’으로 기술하는 데 세계 최초로 성공했다고 27일 밝혔다. 

‘제1 원리적 방법’이란 실험적 데이터나 경험적 모델을 사용하지 않고 슈뢰딩거 방정식을 직접 푸는 양자역학적 물질 시뮬레이션이다.

‘준-페르미 준위 분리 현상’의 원리를 처음 규명한 카이스트 김용훈(맨 왼쪽)교수와 연구원들

반도체 관련 교과서에도 소개되고 있는 준-페르미 준위 개념은 반도체 소자 내 전압인가 상황을 기술하는 표준적인 이론 도구로, 그동안 트랜지스터, 태양전지, 발광다이오드(LED) 등 다양한 반도체 소자들의 구동 원리를 이해하거나 성능을 결정하는데 경험적으로 사용돼왔다.

하지만 준-페르미 준위 분포 현상은 1956년 노벨 물리학상 수상자 윌리엄 쇼클리(William B. Shockley)가 제시한 지 70년이 지난 현재에도 반도체 소자 채널 안에서 측정을 하거나 계산을 해야 하는 어려움 때문에 원자 수준에서는 이해되지 못하는 상황이 계속돼왔다.  

연구팀은 차세대 반도체 소자의 후보군으로 주목을 받는 단일분자 소자에서, 나노미터 길이에서 발생하는 복잡한 전압 강하 현상을 처음으로 규명해냈다. 특히 전도성이 강한 특정 나노 전자소자에 대해 비 선형적 전압 강하 현상이 일어나는 원인이 준-페르미 준위 분리 현상임을 밝혀냈다.

이는 외국산 소프트웨어에만 의존하던 반도체 설계 분야에서 세계적으로 경쟁력 있는 차세대 나노소자 전산 설계 원천기술을 확보했다는 점에서 큰 의미가 있다.  

반도체 소자 제1 원리 계산 이론을 확립하고 이를 소프트웨어적으로 구현해왔던 김 교수는 “특히 비평형 상태의 나노 소자 내에서 발생하는 복잡한 전압 강하의 기원을 새로운 이론 체계와 슈퍼컴퓨터를 통해 규명함으로써, 다양한 첨단 반도체 소자의 분석 및 차세대 나노 소자 개발을 위한 이론적 틀을 제공할 것으로 기대하고 있다”고 말했다. 

이주호 박사과정 학생이 제1 저자로 참여한 이번 연구 성과는 국제학술지 미국 국립과학원회보 4월 23일 자 온라인판에 게재됐다.

대전=임정재 기자 [e-mail]