KAIST将MOF用于栅电极，三种半导体器件验证成功

智能手机和计算机通过控制半导体内部电流的通断来处理信息。栅电极负责传递控制这一开关过程的信号。迄今为止，栅电极通常由电子性质固定的金属制成。

如今，由韩国科学技术院（KAIST）牵头的联合研究团队利用一种结合金属与有机分子的新材料，制成了可在实际半导体器件中工作的电极。这项研究为根据不同半导体的需求设计电极提供了基础，也有望推动低功耗半导体的发展，使其能够在更低电压下工作。

这项研究已发表于期刊《Advanced Materials》。

由KAIST化学系教授Sarah S. Park领导的研究团队，与釜庆国立大学、浦项科技大学（POSTECH）和延世大学的研究人员合作，将具有导电性的金属有机框架（MOF）加工成厚度均匀、图案精确的薄膜，并将其用作半导体器件中的栅电极。

研究团队将这些电极应用于场效应晶体管（FET）。晶体管是半导体的基本元件，能够根据电信号控制电流的通断或调节电流大小。通过向栅电极施加电压，可以控制电流在晶体管中的流动。

通过化学组成调控电极性质

目前，栅电极主要由导电性能良好的金属制成。然而，每种金属的电子性质都是固定的，因此很难根据特定半导体的需求调整电极的性能。

导电金属有机框架（MOF）是一类由金属离子与有机分子连接形成规则结构的材料。改变金属与有机分子的组合，可以调节材料的电子性质。其中一项重要性质是功函数，即电子从材料表面逸出所需的能量。

功函数会影响半导体开启时所需的电压。因此，通过调整MOF的组成，研究人员有望设计出能够设定半导体开启电压的电极。

本研究使用的Cu₃(C₆O₆)₂薄膜，其功函数为4.51 eV。这一数值介于典型的n型半导体与p型半导体的功函数之间，因此，同一种薄膜可以控制这两类半导体的沟道。

在保持导电性的同时进行薄膜图案化

要将MOF用作电极，首先需要将其制成厚度均匀的薄膜，随后还要进行精确图案化，只保留所需区域。此外，加工过程中还必须避免材料受损，因为材料损伤可能降低其导电能力。

研究人员首先采用气相前驱体反应的方法，制备出厚度均匀的MOF薄膜。这种方法称为化学气相沉积（CVD）。随后，他们利用光刻形成精细图案，再去除不需要的区域，从而制成电极。这两个半导体加工步骤分别称为光刻和刻蚀。

为了减少加工过程中的损伤，研究团队依次使用了两种刻蚀剂。首先使用反应速度相对较慢的过硫酸铵（APS）形成初始图案，随后短暂使用反应速度较快的铬（Cr）刻蚀剂，去除残留物。加工完成后，材料的结构、化学状态和导电性基本得以保留。

在三种半导体材料上进行测试

研究团队将这些电极应用于三种不同的半导体材料，分别是n型二硫化钼（MoS₂）、p型二碲化钼（MoTe₂），以及氧化物半导体铟镓锌氧化物（IGZO）。测试结果显示，这些电极在三种材料中均能实现电流的开启与关闭。

在MoS₂器件中，研究团队在同一条沟道上分别制备了MOF栅电极和传统铂（Pt）栅电极，以便直接比较两者的性能。测试发现，两种栅电极具有相近的阈值电压，即电流开始流动时所需的电压；两者的场效应迁移率也相近。场效应迁移率用于衡量电荷在沟道中移动的难易程度。这些结果证实，采用这种新材料制成的电极，能够像传统金属电极一样有效地控制电流。

研究团队还测试了这种电极能否实现规模化制造。他们在同一块衬底上制备了23个IGZO晶体管，并通过一次图案化工艺，为全部晶体管形成栅电极。测试结果显示，23个晶体管均正常工作。

在稳定性测试中，IGZO晶体管经过连续400次栅极电压循环后，仍保持稳定的性能。此外，MoS₂晶体管在环境空气中存放约一年后，其MOF栅电极仍保留原有的工作特性。

降低功耗仍是后续研究目标

这项研究表明，由金属与有机分子构成的复合材料能够用作电极，并在实际半导体器件中实现电流的通断控制。如果能够通过调整材料组成，使器件在更低电压下工作，这种方法有望帮助降低功耗。

研究人员计划进一步验证这种方法能否在实际应用中降低功耗。他们还将研究如何进一步缩小电极尺寸、提高图案精度，并在大面积范围内均匀制备电极，同时评估工艺的可重复性和长期可靠性。

Park表示：“我们已经证实，这种新材料不仅具有良好的导电性，还能够作为电极，控制实际半导体器件的开启与关闭。”她补充说，研究团队计划进一步发展这项技术，使研究人员不再局限于从现有金属中进行选择，而是能够根据每种半导体的需求，设计具有相应性能的电极。