芯片如何进一步降电压？可调栅电极给出新方案

（图注：微图案化二维导电金属有机框架（MOF）薄膜集成于各类场效应晶体管及晶体管阵列中作为栅电极的示意图。来源：韩国科学技术院 KAIST）

智能手机与计算机依靠控制半导体内部电流的通断来处理信息，栅电极正是传递控制信号、实现通断的核心部件。迄今为止，栅电极大多由电子属性固定的金属制成。如今，由韩国科学技术院（KAIST）牵头的联合研究团队，采用一种融合金属与有机分子的新型材料，成功制备出可正常工作的半导体栅电极。该研究为面向不同半导体器件需求定制电极提供了依据，也被认为有望推动可在更低电压下运行的低功耗半导体技术发展。

这项研究成果发表于学术期刊《先进材料》。

研究由KAIST化学系Sarah S. Park教授团队牵头，釜庆大学、浦项科技大学（POSTECH）与延世大学的研究人员共同参与。团队将导电金属有机框架（MOF）加工成厚度可控、图案精确的薄膜，并用作半导体器件中的栅电极。研究搭载的验证对象是场效应晶体管（FET）——晶体管是半导体的基础元器件，能根据电信号实现电流通断或调节；向栅电极施加电压，即可控制沟道内电流的大小。

通过化学手段定制电极性能

目前栅电极主要选用导电性优异的金属材料，但每种金属的电子属性都是固定的，很难针对特定半导体的需求进行调整。导电MOF由金属离子与有机分子按规整结构键合而成，改变金属与有机组分的搭配，就能调控材料的电子特性。其中一项关键参数是功函数，即电子脱离材料表面所需的最低能量。

功函数直接决定半导体的开启电压。因此，通过调整MOF组分，研究人员可以定向设计电极，为器件设定所需的开启阈值。本研究采用的Cu₃(C₆O₆)₂薄膜功函数为4.51电子伏特，介于典型N型与P型半导体的功函数之间，同一款薄膜可同时调控两种类型的导电沟道。

在保留导电能力的前提下实现薄膜图案化

作为电极使用，MOF材料须先制备成厚度均匀的薄膜，再完成高精度图案化，只保留需要的功能区域；加工过程中材料一旦受损，导电性能就会衰减。团队先通过化学气相沉积（CVD）工艺，以前驱体气相反应制备出均匀的MOF薄膜，随后用光刻定义精细图形，再以刻蚀去除多余区域——这两步正是半导体制造中的标准工序光刻与刻蚀。

为降低工艺损伤，团队采用两步刻蚀策略：先用反应速率相对平缓的过硫酸铵（APS）初步成型，再以短时间的快速铬（Cr）刻蚀去除残余物。完成整套流程后，材料的晶体结构、化学状态与导电性能大体得以保留，说明该材料与现有半导体图形化工艺具备兼容潜力。

在三类半导体材料上完成验证

团队将MOF栅电极分别搭载于N型二硫化钼（MoS₂）、P型二碲化钼（MoTe₂）与氧化物半导体铟镓锌氧（IGZO）三类器件上，电极均实现了电流的有效通断控制。

在二硫化钼器件中，团队在同一沟道上分别制备MOF栅极与传统铂（Pt）栅极，进行直接对照。两种栅极的阈值电压（电流开始流动的电压）相近，场效应迁移率（衡量电荷在沟道内迁移难易的指标）也处于同一水平，说明新材料电极的电流调控能力可以媲美传统金属电极。

规模化可行性是另一项测试重点：团队在一块衬底上制备23个IGZO晶体管，仅通过一次图案化流程完成全部栅电极加工，23支器件均正常工作。稳定性方面，一支IGZO晶体管在连续400次栅压循环后性能保持稳定；一支MoS₂晶体管在常温空气环境中存放约一年后，其MOF栅极的器件特性依然保持。

低压低功耗仍是核心攻关目标

这项研究证明，金属-有机复合材料可以作为电极，在真实半导体器件中实现电流开关。若后续通过调整组分把器件工作电压进一步压低，这套方案有望降低芯片功耗。团队计划下一步验证该方案在实际场景中的节能效果，并探索电极的微型化、加工精度提升与大面积均匀制备，同时评估工艺可重复性与长期可靠性。

“我们证实这种新材料不仅导电性良好，还能作为栅电极控制实际半导体器件的开关。”Park表示。团队的目标是让研究者不再从现成金属中挑选电极材料，而是能根据每类半导体的需求，设计出具备相应性能的栅电极。

产业视角：电极材料与低功耗路线

从产业背景看，栅电极材料本身就是一个随工艺代际持续演进的环节。过去十余年，先进制程已从多晶硅栅极转向金属栅极配合高k栅介质的路线，功函数调控成为制程微缩中的关键技术之一。随着芯片功耗密度不断上升，移动设备与数据中心对能效的要求日益苛刻，在更低的电压下维持器件性能，已成为半导体材料与器件研究共同面对的问题。

本次研究的产业意义，在于把一种此前多用于气体存储、催化和传感领域的材料（MOF）推进到晶体管核心部件的位置，并验证了它与光刻、刻蚀等标准工艺的兼容性。氧化物半导体IGZO已经在显示面板的薄膜晶体管背板中大规模商用，二硫化钼等二维材料也被视为后硅时代沟道材料的候选方向之一；MOF电极若能持续证明其可靠性与工艺兼容性，将给电极材料体系增加一种可"化学设计"的新选项。