In this doctoral dissertation, we utilize the newly developed multi-space constrained-search density functional theory (MS-DFT) to simulate various structures of two-dimensional (2D) semiconductor-based electronic devices and discuss the obtained results. Throughout this process, we address the issue of high computational costs that arises when increasing the complexity of 2D semiconductor-based electronic devices. To begin, we perform MS-DFT simulations by introducing atomic defects into the vertically stacked graphene/hexagonal boron nitride/graphene heterojunctions. We observe the occurrence of negative differential resistance (NDR) and explain this NDR, which is caused by quantum mechanical hybridization changes between defects and graphene electrodes as the source-drain voltage increases. Next, considering factors that can impact contact resistance between transition metal dichalcogenide (TMDC) semiconductor/metal electrodes, we model the atomic structures of metal/TMDC/metal junctions and present the results of theoretical transmission line model (TLM) analysis within MS-DFT simulations. We show that the theoretical TLM provides accurate contact resistance between TMDC/metal contacts, as well as the scaling limit of TMDC channel length for transistor operation. Based on the theoretical TLM results, we propose an optimal contact geometry and TMDC/metal combination that exhibit better device characteristics than others. Finally, we effectively reduce computational costs by combining MS-DFT with the simulated doping method for computationally demanding simulations of lateral 2D TMDC p-n junction devices. Subsequently, we perform calculations for 2D TMDC p-n junction devices without defects, followed by conducting first-principles quasi-Fermi level (QFL) analysis to elucidate the correlation between QFL profiles and carrier transport properties. Furthermore, we introduce atomic defects into 2D TMDC p-n junction devices and discuss the impact of defects on carrier transport characteristics.
본 박사 학위 논문에서는 새로 개발된 다중 공간 제한 탐색 밀도 범함수론(Multi-Space Constrained-Search Density Functional Theory, MS-DFT)을 활용하여 다양한 구조의 2차원 반도체 기반 전자 소자를 계산하고 그 결과를 논의한다. 이 과정에서 2차원 반도체 기반 전자 소자의 복잡성을 점차 증가시키면서 발생하는 높은 계산 비용 문제를 해결하는 방법을 제시한다. 먼저, 그래핀/질화붕소/그래핀 수직 적층 터널링 소자 구조에서 질화붕소에 원자 결함을 도입하여 MS-DFT 시뮬레이션을 수행하고, 소스-드레인 전압이 증가함에 따라 결함과 그래핀 전극 사이의 양자역학적 혼성화 변화로 인해 부성미분저항 현상이 발생함을 보인다. 다음으로, 전이금속 디칼코겐(Transition Metal Dichalcogenides, TMDC) 반도체/금속 전극 접촉에서 접촉 저항에 영향을 미칠 수 있는 요소들을 고려하여 금속/TMDC/금속 소자 구조를 모델링하고, MS-DFT 시뮬레이션을 통해 트랜스미션 라인 모델(Transmission Line Model, TLM) 분석을 수행한 결과를 보고한다. 해당 연구에서 이론적 TLM 분석을 통해 TMDC/금속 접촉 저항과 함께, 트랜지스터 동작을 위한 TMDC의 한계 채널 길이를 정량적으로 평가하여 우수한 소자 특성을 갖는 최적의 접촉 구조와 TMDC/금속 조합을 제안한다. 마지막으로, 계산 비용이 큰 2차원 TMDC p-n 접합 소자 시뮬레이션을 위해 MS-DFT와 도핑 시뮬레이션 방법론을 결합하여 계산 비용을 효과적으로 감소시킨 결과를 보고한다. 그후, 결함을 포함하지 않는 2차원 TMDC p-n 접합 소자 계산을 수행하고, 제1원리적으로 준-페르미 에너지 준위(Quasi-Fermi Level, QFL) 분석을 수행하여 QFL과 전하 수송 특성간의 상관관계를 밝힌다. 더 나아가 2차원 p-n TMDC 접합 소자에 결함을 도입하여 결함이 전하 수송 특성에 미치는 영향을 논의한다.
