2026 年 10 月 26 日
来源：韩国先进科学技术学院 (KAIST)
在智能手机和计算机等电子设备中，半导体通过控制电流的通断来处理信息，而这一过程由门电极发出的信号进行调控。传统上，门电极多由金属制成，其电子性质固定，难以灵活适配不同半导体的特定需求。
近日，由韩国先进科学技术学院（KAIST）领导的联合研究团队开发了一种基于新型材料的可工作半导体电极。该成果发表于《先进材料》杂志，为根据具体半导体要求定制电极特性提供了基础，并有望推动低电压、低功耗半导体的研发。
利用化学可调性优化电极性能
研究团队由 KAIST 化学系的 Sarah S. Park 教授领衔，并与普京国立大学、POSTECH 以及 Y 西大学的研究人员合作。他们成功将导电金属有机框架（Conductive MOFs）加工成薄且图案精确的薄膜，并将其应用于半导体器件中作为门电极。
导电 MOFs 是由金属离子与有机分子以规则结构连接而成的材料。通过调整金属与有机分子的组合，可以改变材料的电子属性，特别是“功函数”——即电子从材料表面逸出所需的能量。由于功函数直接影响半导体的开启电压，调节 MOF 的成分即可实现对半导体开启电压的设计。
在该研究中使用的 Cu₃((C₆O₆)₂) 薄膜具有 4.51 eV 的功函数。这一数值介于典型的 n 型和 p 型半导体之间，意味着同一层薄膜能够同时有效控制两种类型的通道。
光刻工艺下的无损图案化技术
为了作为电极使用，MOF 必须形成厚度均匀的薄膜，并能被精确地限制在特定区域，同时在加工过程中保持其导电能力不受损害。
研究人员首先采用化学气相沉积（CVD）技术，通过前体在气相中的反应制备出薄而均匀的 MOF 薄膜。随后，结合光刻法和蚀刻工艺去除不需要的区域以形成电极图案。
为减少加工损伤，团队采用了一种双重蚀刻策略：先使用反应较慢的过硫酸盐（APS）形成初始图案，再短暂使用快速反应的铬（Cr）蚀刻剂去除残留物。实验结果显示，经过这一流程处理后，材料的结构、化学状态及电导率均得到了良好保留。
多种半导体材料验证与规模化潜力
该团队将这种新型电极应用于三种不同的半导体材料进行测试：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）。结果表明，电极能够有效控制电流的通断。
在 MoS₂ 器件中，研究人员在同一通道上分别制造了 MOF 门和传统的铂（Pt）门，以便进行直接对比。数据显示，两者表现出相似的阈值电压（电流开始流动的电压）和场效应迁移率（衡量电荷在通道中移动难易程度的指标）。这证实了新材料电极在控制电流方面与传统金属电极同样高效。
此外，团队还评估了该技术的可扩展性。他们在单个基板上集成了 23 个 IGZO 晶体管，并通过单次图案化步骤形成了所有晶体管的门电极，所有器件均正常工作。
稳定性测试显示，IGZO 晶体管在经历连续 400 次门电压循环后仍保持性能稳定；而在环境空气中储存约一年后，MoS₂ 晶体管的 MOF 门操作特性也未发生显著退化。
迈向更低功耗的未来
这项研究证明，结合金属和有机分子的材料可以作为电极，在实际半导体设备中有效切换电流。若进一步调整材料组成以支持更低的驱动电压，该技术有助于降低电力消耗。
Park 教授表示：“我们已证实这种新材料不仅具备良好的导电性，还能作为电极开启和关闭实际的半导体设备。”她指出，团队未来的计划是深入探索该技术在降低实际功耗方面的潜力，并致力于实现更小尺寸、更高精度及大面积均匀生产的电极制造工艺，同时评估其工艺的可重复性与长期可靠性。
最终目标是让研究人员能够根据每个半导体的特定需求设计电极特性，而非局限于现有的金属选择。
参考文献：
Hyeonwoo Lee 等人，《可扩展电子产品的石版相容导电金属有机框架》，《先进材料》(2026)。DOI: 10.1002/adma.75003
