Junsung Park

제 1원리 계산법을 응용한 결함 효과 시뮬레이션 [IJ24]

산화막을 분자단위로 모델링 할 수 있음에 따라, 분자모델의 전기적, 물리적인 변화를 제 1원리 계산법을 통해 계산할 수 있었다. 이에 더불어, 우리는 점결함(point defect)이 있는 구조에 대해서도 동일하게 산화막 단위의 시뮬레이션이 가능하다. 반복 격자 구조(supercell)를 기반으로한 시뮬레이션에서, 우리는 이런 점결함들의 띄는 전하(charged state)에 따라 위치하는 에너지 레벨과 그 때 상응하는 산화막 계면의 전기적, 기계적(vibronic) 상태를 얻을 수 있다.

지난 수십년 동안, 고체 물리학자들은 비발광 재결합(Non-radiative combination) 현상을 설명하기 위해 노력해왔다. 이런 현상은 빛과 같은 외부 에너지의 유입이 없는 프로세스이므로, 고체 격자의 진동 에너지를 이용해 설명하는 다중 포논 방출(multiphonon emission, MPE) 계산법으로 성공적으로 설명되었다. 이런 MPE 계산법을 이용하여, 실험결과 없이도 제 1원리 계산법으로 부터 얻어낸 데이터를 이용하여 특정 원자구조에서의 비발광 재결합율(remcombination rate)을 계산할 수 있게 되었다. 특히, 밴드갭 내 결함에 의한 비발광 재결합인 쇼클리-리드-홀(Shockley–Read–Hall, SRH) 재결합 모델은 반도체 내 점결함으로 형성된 밴드갭 내 전하에 의한 재결합 현상을 효과적으로 설명할 수 있다. SDSL 연구실에서는 제 1원리 계산으로 부터 얻은 데이터로 부터 다중 포논 방출법을 이용한 계산을 통해, 결함의 종류에 따른 재결합 현상을 예측 할 수 있는 방법을 개발 중이다.

제 1원리 계산법을 응용한 산화막 시뮬레이션 [IC43]

반도체 공정 기술의 발달에 따라, 반도체 소자의 크기가 지속적으로 줄어들면서 채널의 길이, 유효 채널면적 그리고 등가 산화막 두께(EOT)는 지속적으로 감소해왔다. 더 높은 성능의 소자를 실현하기 위한 우수한 채널 특성을 위해서 뛰어난 물리적인 특성을 가지고 전기적으로 안정적인 산화막 특성이 요구된다. 산화막에서 일어나는 물리적 현상을 더 잘 이해하고 전자소자 성능 개선 연구에 응용하기 위하여 제 1원리 계산법인 밀도 범함수 이론(Density functional theory, DFT)계산을 이용해 원자 수준의 물리적 특성을 얻어, 다양한 표면 결합 구조 및 결함(defect)에 따른 산화막의 전기적 영향에 대해 시뮬레이션을 수행한다.

SDSL 연구실에서는 기존의 경험적인 결함 및 산화막 모델이 아닌, 산화막 계면과 산화막 내부에서 전기적 특성을 제 1원리법을 통해 얻은 계산값을 통해 전하의 산란 및 수송을 정확하게 계산하여 이를 통해 얻어지는 특성을 토대로 특정 구조에서의 산화막의 특성을 예측하고, 산화막 특성을 향상할 수 있는 방법을 모색한다.

제 1원리 기반 전자구조 및 포논구조 계산

산화막의 물리적인 특성을 파악하기 위해, MD 시뮬레이션 이용하여 산화막 계면 모델을 구성할 수 있다. 나노 구조의 계면의 물리적 특성은 기존의 벌크 구조에서 얻은 반도체 및 산화막의 물질 특성값과 상이하므로, 물리적으로 올바른 값을 예측하기 위해서는 제 1원리 기반 시뮬레이션이 요구된다. 밀도 범함수 이론은 반복 구조인 수퍼셀(supercell) 계산이 가능하므로, 2차원 계면 구조를 물리적으로 잘 묘사할 수 있다. DFT 계산 통한 MD 시뮬레이션을 통해 표면 구조의 에너지 또한 반복적으로 최적화가 가능하므로, 자기 일관(self-consistent)적으로 계산된 안정된 표면 구조를 얻을 수 있다. 또 순수한 벌크 물질과 상이한 산화막 계면 구조의 포논 특성 또한 밀도 범함수 이론 계산 또는 발전된 형태의 밀도 범함수 섭동 이론 - DPFT(Density Functional Perturbation Thoery)을 통해 계산 할 수 있다. 전자의 상호작용을 직접 계산하는 후기 하트리-폭 방법 (Post Hartree-Fock) 또는 이를 이용한 Hybrid density functional 기반의 DFT 계산, GW 근사(GW approximation)등의 발전된 계산법을 통해, 주어진 계면 구조의 물리량을 실험값과 근사하게 묘사할 수 있다.