肖特基势垒场效应晶体管性能有多好？以单层 ZrS? 为案例研究

《Surfaces and Interfaces》：How good can Schottky barrier field effect transistors be? A case study for monolayer ZrS 2

　　

摘要

二维肖特基势垒场效应晶体管（2D SBFET）是后硅时代极具前景的候选器件；然而，其性能从根本上受到电极-沟道接触的限制。本工作中，我们采用单层（ML）ZrS₂作为沟道材料，系统地确定了与其原子尺度相匹配的欧姆接触电极，并定量评估了它们对关键器件指标的影响。第一性原理分析表明，单层1T-TaTe₂和Sc₂NF₂可作为n型欧姆电极，而单层Sc₂NO₂和Mo₂CO₂可作为p型欧姆电极。得益于卓越的载流子注入效率——其隧穿概率为15.42%，而p型器件仅为2.12%——采用1T-TaTe₂电极的n型单层ZrS₂ SBFET在相同关态电流（I_off）（10^?4～10^?1 μA/μm）下，其开态电流（I_on）约为采用Mo₂CO₂电极的p型SBFET的四倍。尤为重要的是，该n型SBFET满足IRDS高性能目标，并在I_off = 0.1 μA/μm时，其I_on较对应的MOSFET器件高出约9.2%（2290 比 2098 μA/μm）。本研究表明，电极-沟道接触对器件性能具有至关重要的控制作用，并揭示了采用1T-TaTe₂作为源/漏电极的优化n型ZrS₂ SBFET可以实现高于其MOSFET对应器件的驱动电流。这些优异的成果为推动ZrS₂基SBFET的实现提供了具体的实验基础。

引言

单层二硫化锆（ML ZrS₂）由于其本征的平面内电子各向异性和极高的载流子迁移率，成为摩尔定律延续电子学极具前景的沟道材料。单层ZrS₂的理论预测声子限制迁移率和实验测得的霍尔效应迁移率均超过1200 cm²·V^–1·s^–1 [1,2]，远高于报道的单层MoS₂的340 cm²·V^–1·s^–1 [1]。值得注意的是，器件模拟预测n型和p型单层ZrS₂金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）即使在1纳米超短沟道条件下也能实现447和450 μA/μm的令人印象深刻的开态电流（I_on）[3]。除了这些本征优势之外，单层ZrS₂还能通过自氧化生成ZrO₂形成高介电常数（high-κ）介质层[4]，简化了器件制造。尽管单层ZrS₂最早于2011年通过电化学锂化工艺合成[5]，但基于ZrS₂的场效应晶体管（FET）的实验进展[[6], [7], [8]]远落后于基于MoS₂的FET[[9], [10], [11], [12], [13], [14], [15]]。迄今为止，二维（2D）晶体管的主要实验架构仍是肖特基势垒场效应晶体管（SBFET）。因此，除沟道材料和介质材料外，电极接触是影响器件性能的另一个关键因素[16]。最近，几种二维SBFET取得了实验突破，展示了低电阻接触和高开态电流[[10], [11], [12],[17], [18], [19]]。一般而言，层状金属、半金属和原位掺杂诱导的相变被认为是实现低电阻接触的三种实用策略[16]。理论上，单层金属——如石墨烯、过渡金属二硫化物（TMD）和过渡金属碳化物/碳氮化物（MXene）——被提议作为二维SBFET的有前景的欧姆接触电极，其模拟性能超过了ITRS[[20], [21], [22], [23], [24]]和未来十年IRDS[[25], [26], [27], [28]]的目标。二维体系中的金属-半导体界面也表现出一些有趣的物理现象。例如，面外接触的1T/2H-MoS₂二极管相比其面内对应器件表现出更优越的整流特性[29]；此外，不对称的Janus结构可以有效调节肖特基势垒高度，从而促进准欧姆或欧姆接触的形成[30,31]。然而，先前的研究一致报道，即使具有优化的欧姆接触，二维SBFET的性能仍然落后于其MOSFET对应器件[22,25,27,28,32,33]。这种持续的性能差距提出了一个关键问题：二维SBFET能否在性能上超越其MOSFET对应器件？受单层ZrS₂沟道卓越性能和接触物理在决定SBFET性能中关键作用的启发，我们系统地筛选了基于单层ZrS₂的SBFET的候选欧姆接触电极，并使用第一性原理量子输运模拟定量评估了其器件特性。我们确定了单层1T-TaTe₂和Sc₂NF₂作为有前景的n型欧姆电极，而单层Sc₂NO₂和Mo₂CO₂则作为p型选项。虽然n型和p型单层ZrS₂ MOSFET表现出近乎对称的I_on，但在I_off为10^?4到10^?1 μA/μm范围内，采用1T-TaTe₂电极的n型单层ZrS₂ SBFET的I_on值约为采用Mo₂CO₂电极的p型对应器件的四倍。这种显著的提升源于1T-TaTe₂/ZrS₂异质结处载流子注入效率的显著提高，其定量表现为隧穿概率为15.42%，而p型对应器件仅为2.12%。尤为重要的是，采用1T-TaTe₂的n型单层ZrS₂ SBFET在'A1.8 eq'技术节点满足IRDS高性能器件目标。最令人瞩目的是，在I_off = 0.1 μA/μm时，其I_on达到2290 μA/μm，比MOSFET的2098 μA/μm高出约9.2%。

章节片段

计算细节

我们采用量子ATK软件包中实现的密度泛函理论（DFT）[34,35]，全面研究了单层ZrS₂、候选单层金属及其垂直异质结的结构、电子和界面性质。交换-相关泛函使用广义梯度近似（GGA）的Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）形式[36]描述，异质结界面的范德华（vdW）色散相互作用通过……

结构与稳定性

稳定的单层ZrS₂采用1T相，具有3.68 ?的六方晶格。它表现出1.13 eV的间接带隙，其中导带底（CBM）和价带顶（VBM）分别位于M点和Γ点（图S1）。我们对关键计算参数进行了收敛性测试，包括交换-相关泛函（PBE 比 PW91）、赝势（PseudoDojo-Medium 比 FHI-DZP）、k点采样网格（30×30×1 比 40×40×1）和截断能（120 Ha 比 160 Ha）。

结论

本研究使用第一性原理计算系统地研究了单层ZrS₂的欧姆接触电极，并通过从头算量子输运模拟评估了器件性能。基于功函数匹配、超胞尺寸和晶格匹配筛选了候选金属电极，包括石墨烯、单层TMD和单层MXene。在候选电极中，单层1T-TaTe₂和Sc₂NF₂成为n型欧姆电极，而单层Sc₂NO₂和Mo₂CO₂被确定为p型欧姆电极。

电子补充材料

单层ZrS₂的潜在单层金属电极；不同堆叠构型下单层金属/ZrS₂ vdW异质结的能量差和层间距离；与先前研究的接触特性和相应器件性能对比；单层ZrS₂的结构、能带结构和PDOS；六种所选单层金属的能带结构；六种所选单层金属/ZrS₂ vdW异质结的堆叠构型、平面平均电子密度和电子密度差；标注

利益冲突

作者声明他们之间没有竞争利益关系。

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作者贡献

李宏：撰写-初稿，概念化，调查，方法论，撰写-审阅与编辑；魏俊杰：数据管理，形式分析，验证，撰写-审阅与编辑；袁新奇：数据管理，形式分析，验证；刘凤宾：监督，撰写-审阅与编辑；卢晶：监督，撰写-审阅与编辑。

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竞争利益声明

作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本文所报告的工作。

致谢

本工作得到中国国家自然科学基金（编号：12274002 和 91964101）、中国科技部（编号：2022YFA1203904）、中国国家自然科学基金联合基金（项目编号：U23A2025）和中国北京自然科学基金（编号：4212046）的支持。李宏|魏俊杰|袁新奇|刘凤宾|卢晶