中国计量大学：高通量计算筛选金属性MBenes实现二维半导体量子极限接触

随着硅基场效应晶体管（FET）的尺寸微缩逐渐逼近物理极限，新一代电子器件的探索需要将沟道材料缩减至二维（2D）极限，同时规避短沟道效应的影响。黑磷（BP）、硒化铟（InSe）及过渡金属硫属化合物（TMDs）等二维半导体因其超薄体厚度、无悬挂键表面和高载流子迁移率，成为后摩尔时代晶体管的理想候选材料。、

其中，原子级厚度的TMDs凭借高结构稳定性和无悬挂键表面特性，在静电栅极调控与沟道长度微缩方面展现出独特优势，对实现高性能FET至关重要。因此，性能优异的二维FET不仅能满足国际半导体技术路线图（ITRS/IRDS）的标准，更有望将摩尔定律延续至沟道长度缩至1纳米的极限。台积电、英特尔、三星等全球半导体巨头已明确将二维半导体集成技术纳入其技术路线图。

尽管二维半导体器件已取得显著进展，但如何在纳米尺度下实现低阻金属-半导体（M-S）接触仍面临严峻挑战，尤其是在器件沟道长度的极端微缩场景中。理想的金属-半导体结（MSJ）需具备无缺陷界面、可调控载流子极性及超低接触电阻。

过渡金属硼化物（即MBenes）作为新兴二维材料家族，凭借高稳定性、优异导电性及独特物理化学性质，在电子器件、光电子学及能源存储与转换领域引发广泛关注。MBenes的结构多样性与丰富表面终止基团为调控其电子特性（如功函数与电导率）提供了巨大自由度。因此，MBenes作为二维半导体接触电极具备显著优势：

• 高结构与化学稳定性：相较于传统二维金属与半金属，MBenes的陶瓷特性可有效抵御外部应力与空气氧化；

• 优异导电性：过渡金属与硼原子间强s-d与p-d轨道杂化在费米面附近形成宽能带色散，促进载流子传输；

• 可调功函数：MBenes的结构多样性与表面终止基团使其功函数可在宽范围内调控，这对构建高性能MSJ至关重要。

研究表明，O/F端基的MBenes作为高功函数金属可诱导MoS2形成p型欧姆接触。此外，MBenes的多变表面终止基团为通过界面工程优化金属-半导体接触提供了可能，这对开发量子极限低阻接触的高性能器件意义重大。尽管MBenes在二维半导体接触领域潜力巨大，其与半导体结的电输运与接触特性研究仍处于起步阶段。

本次研究提出了一种通过功能化MBene作为接触电极，在TMD基金属-半导体结中实现趋近量子极限的超低接触电阻的有效策略。基于高通量密度泛函理论（DFT）计算与非平衡格林函数（NEGF）方法，从870种初始MBene结构中筛选出8种高稳定性的二维金属性MBene材料。所选的铌（Nb）基与锝（Tc）基MBenes展现出高态密度丰度（DF）、低电阻特性及宽功函数范围（2.58~6.51 eV），为构建具有目标接触类型的二维MBene-TMD结提供了高度自由度。

通过二维金属性MBenes与半导体TMD沟道的范德华（vdW）集成，证明了所形成的MBene-TMD结可同时实现肖特基接触与欧姆接触。特别地，MBene-TMD结的界面极化效应产生局域内建电场，可调控TMD沟道的能带偏移，从而在MBene-MoS2结中实现p型欧姆接触。

进一步研究发现，MBenes与TMDs（如MoS2）间的强范德华相互作用，可在费米能级钉扎（FLP）效应与隧穿势垒概率（PTB）间达成精妙平衡，使得MBene-MoS2结在载流子浓度为2.93×10¹³ cm⁻²时，接触电阻低至41.6 Ω·μm。

此外，筛选出的Nb2BO2-MoS2与Nb2B(OH)2-MoS2结的接触性能优于多数基于MoS2的先进金属-半导体结，并与采用半金属锑（Sb）和铋（Bi）作为MoS2器件接触电极的现有纪录相媲美。这些发现揭示了金属性MBenes在开发高性能、低电阻TMD基器件接触中的巨大潜力。

发现潜在二维MBenes材料的高通量计算筛选流程

不同表面官能团终止的二维MBenes的形成能、吸附能和功函数

二维金属性MBenes的态密度(DOS)丰度与电子输运特性

二维MBene-TMD结中界面极化效应对肖特基势垒及接触类型的调控作用

MBene-MoS2结的费米能级钉扎(FLP)、载流子隧穿概率及接触电阻特性

值得一提的是，本次研究首次系统揭示了MBenes在二维半导体接触中的革命性潜力。

首先，高通量筛选策略从870种候选材料中锁定Nb/Tc基MBenes，实现了功函数范围（2.58-6.51 eV）的突破性拓展，解决了传统金属电极与TMDs功函数失配的固有问题；其次，发现界面极化诱导的内建电场可动态调控TMD沟道能带，成功实现p型欧姆接触，填补了MoS2等材料p型器件开发的空白；更重要的是，通过范德华界面工程在费米能级钉扎与载流子隧穿效率间建立精妙平衡，将接触电阻降至41.6 Ω·μm（载流子浓度2.93×10¹³ cm⁻²），逼近量子极限。

这些发现不仅为二维半导体器件的性能优化提供了理论框架，更推动了MBenes从基础研究向产业应用的跨越，为1 nm节点以下晶体管技术储备了关键材料解决方案。