김용훈 KAIST 전기및전자공학부 교수(왼쪽) 연구팀은 '준-페르미 준위 분리 현상'을 설명하는 데 처음으로 성공했다고 27일 밝혔다. KAIST 제공

반도체 원리의 핵심 이론이나 실험이나 관측으로 규명되지 않아 70년이 넘도록 난제로 꼽히던 ‘준-페르미 준위 분리 현상’이 원자 수준에서 처음으로 설명됐다.

김용훈 KAIST 전기및전자공학부 교수 연구팀은 반도체 소자가 동작하는 기원인 준-페르미 준위 분리 현상을 제1원리적으로 기술하는 데 처음으로 성공했다고 27일 밝혔다. 제1원리적 방법은 실험 데이터나 경험적 모델을 쓰지 않고 양자가 시간에 따라 변화하는 것을 설명하는 슈뢰딩거 방정식을 직접 푸는 양자역학적 물질 시뮬레이션 방법이다.

준-페르미 준위 개념은 반도체 소자에 전압을 가하는 상황을 설명하는 이론 도구다. 트랜지스터와 태양전지 등 다양한 반도체 소자들의 구동 원리를 이해하고 성능을 결정하는 데 경험적으로 쓰여 왔다. 이 현상은 트랜지스터를 발명한 공로로 1956년 노벨 물리학상을 받은 윌리엄 쇼클리가 1949년 처음 제시했다.

하지만 전압을 가한 상황의 반도체 소자에서 측정하거나 계산을 하기 어려워 원자 수준에서는 이론적인 개념으로만 남아있는 상태였다. 이론적으로도 전압이 가해진 비평형상태를 설명하는 ‘비평형 그린함수(NEGF)’ 방법이 전압이 가해진 상태에서의 에너지 준위를 계산하지 못하는 한계가 있었다.

연구팀은 다공간 제한탐색 밀도 범함수론(MS-DFT)이라는 새로운 이론을 개발해 차세대 반도체 소자 후보군 중 하나인 단일분자 소자 속 나노미터(nm·10억분의 1m) 길이에서 발생하는 전압 강하 현상을 처음 밝혀냈다. 연구팀은 슈퍼컴퓨터를 활용해 분석함으로써 전도성이 강한 특정 나노 전자소자에서 비선형적인 전압 강하 현상이 일어나는 원인이 준-페르미 준위 분리 현상임을 밝혔다.

김 교수는 “비평형상태의 나노 소자 내에서 발생하는 복잡한 전압 강하의 기원을 새로운 이론 체계와 슈퍼컴퓨터를 통해 규명함으로써 다양한 첨단 반도체 소자의 분석과 차세대 나노 소자 개발을 위한 이론적 틀을 제공할 것으로 기대된다”고 말했다.

이주호 박사과정생이 1저자로 참여한 연구결과는 이달 23일 국제학술지 ‘미국국립과학원회보(PNAS)’에 발표됐다.