单层二硫化锆(ZrS2 )：后硅时代超短沟道MOSFET的潜力通道材料

本研究针对后硅时代晶体管沟道材料的性能瓶颈问题，通过第一性原理量子模拟探索了单层二硫化锆(ZrS2 )金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)在1-5 nm栅极长度(Lg )下的极限性能。结果表明，n/p型ZrS2 MOSFET在3 nm节点满足国际器件与系统路线图(IRDS)高性能(HP)指标，5 nm节点满足低功耗(LP)要求，其导通电流(Ion )最高达450 μA/μm，性能优于MoS2 等二维材料，为延续摩尔定律提供了新型沟道解决方案。

　　

在半导体器件持续微缩的进程中，硅基晶体管已逼近物理极限。当栅极长度(L_g
)缩减至5纳米以下时，传统硅通道会出现严重的短沟道效应，导致器件性能急剧下降。二维半导体材料因其原子级厚度和优异的静电控制能力，被视为后硅时代的理想沟道候选。然而，目前研究最广泛的二硫化钼(MoS₂
)虽能实现埃米级沟道，但其低导通电流(<1 μA/μm)难以满足实际应用需求。寻找兼具高迁移率与优异开关特性的新型二维材料，成为突破器件性能极限的关键。

北京大学的研究团队将目光投向了IVB族过渡金属硫化物——单层二硫化锆(ZrS₂
)。这种材料具有显著的各向异性电子特性和高达1247 cm²
·V^?1
·s^?1
的理论迁移率，是MoS₂
的4倍。通过第一性原理量子输运模拟，研究人员系统研究了ZrS₂
MOSFET在1-5 nm栅长下的极限性能，相关成果发表在《Materials Science and Engineering: B》上。

研究采用密度泛函理论(DFT)计算材料本征特性，结合非平衡格林函数(NEGF)方法进行量子输运模拟。器件模型采用双栅结构并优化了underlap（栅极与源漏区的非重叠部分）设计，分别沿armchair和zigzag方向构建n/p型晶体管。

On-currents
单层ZrS₂
的六方晶格常数为3.67 ?，具有1.14 eV的间接带隙，导带底(CBM)和价带顶(VBM)分别位于M点和Γ点。在5 nm栅长下，优化后的n/p型器件导通电流I_on
(LP)分别达到935/586 μA/μm，满足IRDS低功耗标准；3 nm节点时I_on
(HP)高达2550/4060 μA/μm，超越MoS₂
、InSe等材料。特别值得注意的是，在1 nm极限尺寸下仍保持447/450 μA/μm的高电流驱动能力。

Conclusion
该研究首次证实单层ZrS₂
MOSFET在亚5 nm节点全面满足IRDS标准，其性能优势主要源于材料的高迁移率和优化的underlap设计。与MoS₂
、MoTe₂
等材料相比，ZrS₂
在3 nm节点的I_on
(HP)提升达2-4倍，且n/p型器件性能均衡。这一发现不仅为延续摩尔定律提供了新型沟道材料选择，更展示了二维半导体在埃米尺度器件的应用潜力。研究团队特别指出，ZrS₂
已可通过化学气相沉积(CVD)等工艺制备，其与现有半导体工艺的兼容性将加速实际应用进程。

这项工作的突破性在于：从理论上预测了ZrS₂
MOSFET的性能极限，填补了IVB族二维材料在纳米电子学研究的空白；通过量子尺度模拟揭示了材料各向异性对器件优化的指导意义；为后硅时代晶体管设计提供了兼具高性能与可制造性的解决方案。随着芯片制造进入埃米时代，这类兼具理论深度与应用前景的研究，将持续推动半导体技术的创新发展。