국내 연구팀이 70년 동안 난제로 꼽히던 준-페르미 준위 분리 현상의 원자 수준 규명에 성공했다.

준-페르미 준위(quasi-Fermi level)는 초기 반도체 이론을 정립하고 트랜지스터를 개발해 1956년 노벨물리학상을 받은 윌리엄 쇼클리(William B. Shockley)가 도입한 개념이다. 쇼클리는 같은 해 실리콘 밸리의 첫 번째 반도체 회사였던 쇼클리 반도체 연구소를 설립했다.

1949년 벨연구소의 고체 물리 그룹을 이끌 때 준-페르미 준위 개념을 도입했다. 반도체 소자는 외부 인가 전압이나 빛을 쪼이는 등 외부 요인으로 반도체의 전도 에너지띠(conduction band)나 원자가 에너지띠(valence band)의 전자 점유도가 평형 상태에서 변한 비평형 상태에서 작동한다. 이 때 반도체 소자의 기능이 발현되는 채널 내에 과잉 전자 또는 정공 캐리어의 존재를 설명하는 이론 개념이다.

카이스트(KAIST) 전기및전자공학부 김용훈 교수 연구팀이 반도체 소자 동작의 기원인 준-페르미 준위(quasi-Fermi level) 분리 현상을 제1 원리적으로 기술하는 데 세계 최초로 성공했다고 27일 발표했다.

제1 원리적 방법이란 실험적 데이터나 경험적 모델을 사용하지 않고 슈뢰딩거 방정식을 직접 푸는 양자역학적 물질 시뮬레이션 방법이다. 김용훈 교수 연구팀의 연구 결과는 특히 비평형 상태의 나노 소자 내에서 발생하는 복잡한 전압 강하의 기원을 새로운 이론 체계와 슈퍼컴퓨터를 통해 규명함했다. 이로써 다양한 첨단 반도체 소자의 분석과 차세대 나노 소자 개발을 위한 이론적 틀을 제공할 것으로 기대되고 있다.

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

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

이번 연구 성과는 김 교수 연구팀이 다년간에 걸쳐 새로운 반도체 소자 제1 원리 계산 이론을 확립하고 이를 소프트웨어적으로 구현했기에 가능했다. 외산 소프트웨어에만 의존하던 반도체 설계 분야에서 세계적으로 경쟁력 있는 차세대 나노소자 전산 설계 원천기술을 확보했다는 점에서 큰 의미를 부여할 수 있다.

이주호 박사과정 학생이 제1 저자로 참여한 이번 연구 성과는 국제학술지 미국‘국립과학원회보(Proceedings of the National Academy of Sciences)’ 4월 23일 자 온라인판(논문명: Quasi-Fermi level splitting in nanoscale junctions from ab initio)에 실렸다.