반도체 소자의 집적도 증가와 더불어 수 nm 스케일의 소자 채널 및 전극 구조에 대한 원자 수준의 이해가 중요해짐에 따라 최근 기술전산설계(technology computer-aided design, TCAD)에 제1원리 시뮬레이션 방법론을 도입하고자 하는 요구가 대두되고 있습니다.  
 
현재 대표적인 제1원리 TCAD 시뮬레이션 접근법은 전자밀도범함수론(density functional theory, DFT)과 결합된 비평형그린함수(nonequilibrium Green’s function, NEGF) 방법론을 활용하는 것으로, TCAD 분야의 대표적인 회사인 Synopsys사는 제1원리 TCAD 기술의 확보를 위해 2017년 덴마크 공대(Denmakr Technical University)에서 시작된 QuantumATK사를 인수한 바 있습니다. 그러나 DFT 기반 NEGF 제1원리 소자 시뮬레이션은 수치적 불안정성, 전극 구조의 제약 등 여러 면에서 한계를 지니고 있습니다.  
 
본 과제에서 계획하는 연구는 우리 연구진이 NEGF 이론의 한계를 극복할 수 있는 양자수송특성 계산 방법론으로 최근 초기 개발을 완료한 다공간 제한탐색 밀도 범함수론(multi-space constrained-search DFT, MS-DFT)을 확장하고 disruptive 반도체 소자 개발에 적용하는 것을 목표로 하고 있습니다. MS-DFT 방법론은 열린 양자계(open quantum systems)를 기술함에 있어(그림 1a) 변분적 에너지(variational energy) 계산 능력을 유지하면서 비평형 양자수송(quantum transport) 특성을 예측할 수 있다는 점에서 독보적인 과학적 의의를 갖습니다(그림 1b).   
 
이를 다방면으로 확장하고자 하는 본 연구가 성공적으로 완료되면, 최첨단 소자의 발열, 열화 지점 등을 원자 수준에서 빠르게 특정하여 소자 최적화를 가능하게 하고, 나아가 반데르발스 저차원 물질기반 소자, 강유전 터널접합 소자 등 disruptive 차세대 소자 설계에 필요한 로드맵을 제시하는 새로운 제1원리 TCAD 원천 기술이 확보될 것으로 기대합니다.  

양자수송 현상이 진행되는 열린 양자계를 기술하는 새로운 제1원리 계산 방법론