Computational Nanoelectronics Laboratory
전기및전자공학부 신민철
컴퓨테이셔널 나노일렉트로닉스 연구실은 첨단 반도체 소자 및 신소재 기반 나노소자의 이론적 모델링과 시뮬레이션을 선도적으로 수행하는 연구 그룹입니다. 본 연구실은 양자역학적 접근법을 바탕으로, 전자, 포논, 스핀 등 다양한 물리 현상을 원자 수준에서 정밀하게 해석하고, 이를 통해 미래형 반도체 소자의 성능 한계와 동작 원리를 규명합니다.
연구실의 주요 연구 분야는 초박막 바디 트랜지스터, 나노와이어 FET, 탄소나노튜브 FET, 2차원 반도체 FET 등 차세대 트랜지스터 구조의 양자 수송 시뮬레이션입니다. 또한, 스핀트로닉스 기반의 신개념 메모리 소자(STT-MRAM, FTJ, NCFET 등)와 관련된 스핀 동역학, 저항 스위칭, 네거티브 커패시턴스 현상 등 다양한 물리적 메커니즘을 이론적으로 분석합니다. 이를 위해 자체 개발한 시뮬레이션 툴과 고성능 컴퓨팅 자원을 적극적으로 활용하고 있습니다.
본 연구실은 실리콘을 넘어서는 신소재(블랙 포스포러스, 전이금속 칼코게나이드, 페로일렉트릭 하프늄 옥사이드 등) 기반 소자와, 금속-반도체 접합, 산화막/채널 계면 등 실제 소자에서 발생하는 다양한 인터페이스 이슈에 대한 심층 연구도 수행합니다. 밀도 범함수 이론(DFT), 비평형 그린 함수(NEGF), 타이트 바인딩 모델 등 첨단 계산 방법론을 활용하여, 실험적으로 접근이 어려운 원자 수준의 현상을 이론적으로 규명하고 있습니다.
이러한 연구는 저전력·고속·고집적 반도체 소자 개발, 신경모방 컴퓨팅 및 인공지능 하드웨어 등 미래 정보기술 산업의 혁신을 이끌고 있습니다. 또한, 산업계와의 협력 및 다양한 특허, 논문, 국제 학회 발표를 통해 연구 성과를 국내외에 널리 확산시키고 있습니다.
컴퓨테이셔널 나노일렉트로닉스 연구실은 앞으로도 차세대 반도체 및 신소재 소자 분야에서 세계적 수준의 연구 역량을 바탕으로, 새로운 과학적 발견과 기술 혁신을 지속적으로 선도해 나갈 것입니다.
Neural-Network Device Modeling
Quantum Transport Simulations
Magnetic Tunnel Junctions
양자 수송 시뮬레이션 및 차세대 나노소자 개발
본 연구실은 양자역학적 접근법을 기반으로 한 나노소자 시뮬레이션 및 개발에 중점을 두고 있습니다. 전자, 포논, 스핀의 수송 현상을 원자 수준에서 정밀하게 해석하기 위해 비평형 그린 함수(NEGF) 방법, 밀도 범함수 이론(DFT), 타이트 바인딩 모델 등 다양한 시뮬레이션 기법을 자체적으로 개발 및 활용하고 있습니다. 이를 통해 수백만 개의 원자가 포함된 복잡한 시스템도 고성능 컴퓨팅 자원을 활용하여 효율적으로 분석할 수 있습니다.
특히, 초박막 바디(UTB) FET, 나노와이어 FET, 탄소나노튜브 FET, 2차원 반도체 FET 등 다양한 차세대 트랜지스터 구조의 전자 수송 특성을 심층적으로 연구합니다. 실리콘, 게르마늄, III-V 화합물, 블랙 포스포러스, 전이금속 칼코게나이드 등 신소재 기반 소자에서 나타나는 양자 수송 현상, 표면 거칠기, 변형(스트레인) 효과, 접촉 저항, 인터페이스 트랩 등 실제 소자에서 발생하는 다양한 물리적 이슈를 반영하여 시뮬레이션을 수행합니다.
이러한 연구는 미래 반도체 소자의 성능 한계를 극복하고, 저전력·고속 동작이 가능한 새로운 소자 구조와 소재를 제안하는 데 중요한 역할을 합니다. 또한, 실험적 접근이 어려운 원자 수준의 현상을 이론적으로 규명함으로써, 반도체 산업의 혁신적인 발전에 기여하고 있습니다.
스핀트로닉스 및 신개념 메모리 소자 시뮬레이션
연구실은 스핀트로닉스 기반의 신개념 메모리 소자, 예를 들어 스핀 메모리 디바이스(STT-MRAM), 페로일렉트릭 터널 접합(FTJ), 네거티브 커패시턴스 FET(NCFET) 등 차세대 비휘발성 메모리 및 논리 소자에 대한 이론적 연구와 시뮬레이션을 활발히 수행하고 있습니다. 자기 터널 접합(MTJ) 구조의 스핀 동역학 해석, 스핀 전달 토크(STT) 및 스핀 궤도 토크(SOT) 현상, 자기 이방성 및 변형 효과 등 다양한 물리적 메커니즘을 NEGF-LLGS, DFT-NEGF 등 첨단 시뮬레이션 방법을 통해 분석합니다.
특히, 페로일렉트릭 소재를 이용한 터널 접합 소자의 저항 스위칭 특성, 다중 저항 상태 구현, 신경모방 소자 응용 가능성 등을 연구하며, Landau-Ginzburg-Devonshire 이론과 양자 수송 시뮬레이션을 결합하여 실제 소자 동작을 정밀하게 예측합니다. 또한, 네거티브 커패시턴스 현상을 활용한 초저전력 트랜지스터의 동작 원리와 한계, 실리콘 기반 및 새로운 소재 기반 소자에서의 성능 향상 방안도 심도 있게 탐구하고 있습니다.
이러한 연구는 기존 메모리 및 논리 소자의 한계를 뛰어넘는 고집적, 고속, 저전력 소자 개발에 필수적입니다. 나아가, 미래 인공지능 하드웨어, 신경모방 컴퓨팅 등 다양한 첨단 응용 분야로의 확장 가능성을 제시하며, 반도체 및 정보기술 산업의 패러다임 변화를 선도하고 있습니다.
신소재 및 인터페이스 공학을 통한 소자 성능 극대화
본 연구실은 실리콘을 넘어서는 신소재 기반의 반도체 소자 개발과, 소재-소자 인터페이스에서 발생하는 다양한 물리적 현상에 대한 심층 연구를 수행하고 있습니다. 블랙 포스포러스, 전이금속 칼코게나이드, 페로일렉트릭 하프늄 옥사이드, Heusler 합금 등 다양한 2차원 및 3차원 신소재의 전자 구조, 밴드갭, 이동도, 계면 특성 등을 밀도 범함수 이론(DFT) 및 타이트 바인딩 모델을 활용해 분석합니다.
특히, 금속-반도체 접합에서의 쇼트키 장벽 높이(SBH), 페르미 레벨 고정(Fermi-level pinning) 현상, 산화막/채널 계면 트랩 등 실제 소자 성능에 큰 영향을 미치는 인터페이스 이슈를 원자 수준에서 규명합니다. 이를 위해 SIESTA, openMX, VASP 등 다양한 시뮬레이션 툴을 활용하며, 실험적으로 예측이 어려운 계면 특성까지 이론적으로 예측하고 최적화 방안을 제시합니다.
이러한 연구는 차세대 반도체 소자의 신뢰성, 성능, 에너지 효율을 극대화하는 데 핵심적인 역할을 하며, 새로운 소재와 구조를 접목한 혁신적 소자 설계에 실질적인 기여를 하고 있습니다.
1
Effects of Si/SiO2 interface stress on the performance of ultra-thin-body field effect
transistors: A first-principles study
Hyo-Eun Jung, Mincheol Shin
Nanotechnology, 2017
2
Surface roughness scattering effects on the ballisticity of Schottky barrier nanowire
field effect transistors
Hyo-Eun Jung, Mincheol Shin
Journal of Applied Physics, 2015
3
Surface roughness limited mean free path in silicon nanowire field effect transistors
Hyo-Eun Jung, Mincheol Shin
IEEE TED, 2013