Two-Dimensional ZrS2 and HfS2 for Making Sub-10 nm High-Performance P-Type Transistors

晶体管 材料科学 光电子学 纳米技术 物理 量子力学 电压
作者
Xuemin Hu,Yu Huang,Hengze Qu,Yuanfeng Ye,Shengli Zhang
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry Letters [American Chemical Society]
卷期号:15 (44): 11035-11041 被引量:9
标识
DOI:10.1021/acs.jpclett.4c02694
摘要

Two-dimensional (2D) transition metal dichalcogenide (TMDC) semiconductors have been recognized as reliable candidates for future sub-10 nm physical gate length field-effect transistors (FETs). However, the device performance of 2D P-type devices is far inferior to that of N-type devices, which seriously hinders the development of complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) integrated circuits. Herein, we presented that two new 2D TMDC channel materials, ZrS2 and HfS2, can realize high-performance P-type MOSFETs through first-principles quantum transport simulations. Different from the 2D MoS2 and WSe2, the continuous in-plane p-orbitals at the valence band edge of 2D ZrS2 and HfS2 lead to a small hole effective mass of 0.24 m0. As a result, 2D ZrS2 and HfS2 P-type MOSFETs with 10 nm gate length possess an on-state current (Ion) as high as 2000 μA/μm. Moreover, even when the gate length shrinks to 5 nm, the Ion can also reach ∼1500 μA/μm with the energy delay product ranging from 3 × 10-30 to 1 × 10-29 Js/μm, which are better than many other 2D P-type MOSFETs like MoS2 and WSe2. Our work demonstrates that 2D ZrS2 and HfS2 are competitive channel materials for constructing future sub-10 nm P-type high-performance FETs.
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