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.

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.

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.