CN104103671B - 石墨烯器件和电子设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供石墨烯器件和包括石墨烯器件的电子设备。根据示例实施例，石墨烯器件包括：包括源极、栅极和漏极的晶体管；有源层，载流子通过其移动；以及在栅极和有源层之间的石墨烯层。石墨烯层可被配置为既作为有源层的电极又作为晶体管的沟道层。

Description

石墨烯器件和电子设备
技术领域
本公开涉及包括石墨烯的石墨烯器件和/或包括该器件的电子设备。
背景技术
在硅基板上的半导体器件迅速变得高度集成，且已发展为具有高性能。然而，由于硅的特性以及对于硅的制造工艺的局限性，提高半导体器件的性能已经受到限制。于是，已经进行下一代器件的研究，其可超越硅基板上的半导体器件的局限性。
石墨烯作为下一代材料在各个领域已经受到关注。石墨烯是由在平面上以六角形连接的碳原子形成的材料，且可与原子层一样薄。理论上，石墨烯可具有高达约200，000cm2/Vs的电泳迁移率，这比主要用作半导体的单晶硅(Si)快至少100倍。石墨烯能够以比铜(Cu)大至少100倍的速度释放电。因此，石墨烯作为用于电子电路的基础材料已经受到关注。
已经进行对于包括石墨烯的器件的研究。
发明内容
示例实施例涉及石墨烯器件，其中石墨烯层能够执行双重功能。
示例实施例还涉及包括石墨烯器件的电子设备。
其他方面将部分陈述于下文描述中，部分从描述中显而易见，或可从示例实施例的实践中获知。
根据示例实施例，石墨烯器件包括：有源层；接触有源层的石墨烯层；以及与石墨烯层间隔开的第一电极。石墨烯层和有源层可被配置为提供电流通路。第一电极可配置为根据施加到第一电极的电压来控制石墨烯层的功函数。
在示例实施例中，石墨烯器件可进一步包括接触有源层的第二电极。在示例实施例中，石墨烯层可进一步包括接触石墨烯层的第三电极。石墨烯器件可被配置为具有流到石墨烯层或从石墨烯层流出的电流。
第三电极可以是晶体管的源电极和晶体管的漏电极中的一个。
在示例实施例中，石墨烯层可以是晶体管的沟道，并且第一电极可以是该晶体管的栅极。
在示例实施例中，第二电极可接触有源层。从有源层移动到石墨烯层的载流子的极性可与从有源层移动到第二电极的载流子的极性相反。石墨烯层中移动的载流子的极性可根据施加到第一电极的电压的极性而变化。
在示例实施例中，如果施加到第一电极的电压是正的，则石墨烯层中移动的载流子可以是电子。如果施加到第一电极的电压是负的，则石墨烯层中移动的载流子可以是空穴。
在示例实施例中，第一电极可被配置为基于施加到第一电极的电压而改变石墨烯层和有源层之间的能量势垒。
在示例实施例中，如果施加到第一电极的电压是负的，则第一电极可被配置为响应于石墨烯层功函数的增大而增加空穴向有源层的移动。
在示例实施例中，如果施加到第一电极的电压是正的，则第一电极被配置为响应于石墨烯层功函数的减小而增加电子向有源层的移动。
在示例实施例中，有源层可与第一电极的至少一部分交叠。
在示例实施例中，石墨烯器件可进一步包括接触石墨烯层的半导体层。
在示例实施例中，半导体层可在石墨烯层和有源层之间。
在示例实施例中，有源层可包括配置为发射光的发射层。
在示例实施例中，石墨烯器件可以是发射器件。
在示例实施例中，有源层可包括光电导层，该光电导层可被配置为与光反应，且该光电导层可被配置为光电地转换光。
在示例实施例中，石墨烯器件可以是探测器件。
在示例实施例中，电子设备可包括至少一个石墨烯器件。
根据示例实施例，石墨烯器件包括：包括源极、栅极和漏极的晶体管；在栅极上的有源层；以及在栅极和有源层之间的石墨烯层。石墨烯层可被配置为既作为有源层的电极又作为晶体管的沟道层。
在示例实施例中，石墨烯层可与源极和漏极中的一个接触，并且石墨烯层可与源极和漏极中的另一个间隔开。
在示例实施例中，石墨烯层可进一步包括接触有源层的有源电极，且有源电极可被配置为基于施加到石墨烯层的电压而在有源层上形成电场。
在示例实施例中，有源电极可以是源极和漏极中的一个。
在示例实施例中，栅极可被配置为根据施加到栅极的电压而改变石墨烯层的功函数。
在示例实施例中，栅极可被配置为根据施加到栅极的电压而改变石墨烯层和有源层之间的能量势垒。
在示例实施例中，有源层可包括配置为发射光的发射层。
在示例实施例中，有源层可包括光电导层，该光电导层可被配置为与光反应，且该光电导层可被配置为光电地转换光。
根据示例实施例，石墨烯器件包括：第一电极；在第一电极上的石墨烯层，该第一电极与石墨烯层间隔开，该第一电极被配置为根据施加到第一电极的电压而控制石墨烯层的功函数；接触石墨烯层的有源层；以及在有源层上的第二电极，该有源层在石墨烯层和第二电极之间。
在示例实施例中，石墨烯器件可进一步包括接触石墨烯层的第三电极，以及绝缘层。绝缘层可在第三电极和第一电极之间延伸，并且绝缘层可在石墨烯层和第一电极之间延伸。
在示例实施例中，石墨烯器件可进一步包括接触绝缘层的第四电极。绝缘层可在第四电极和有源层之间延伸。绝缘层可在第四电极和石墨烯层之间延伸。绝缘层可在石墨烯层和第一电极之间延伸。
在示例实施例中，第一电极可在第三电极和第四电极之间。
在示例实施例中，石墨烯器件可进一步包括在有源层和石墨烯层之间的半导体层。
在示例实施例中，如果负电压被施加到第一电极，则第一电极可被配置为增加石墨烯层的功函数，如果正电压被施加到第一电极，则第一电极可被配置为减小石墨烯层的功函数。
在示例实施例中，第一电极可以是晶体管的栅极，并且石墨烯层可被配置为既作为有源层的电极又作为晶体管的沟道。
根据示例实施例，操作一个石墨烯器件的方法包括改变石墨烯层的功函数。石墨烯器件可包括第一电极；在第一电极上的石墨烯层，该第一电极与石墨烯层间隔开，该第一电极被配置为根据施加到第一电极的电压而控制石墨烯层的功函数；接触石墨烯层的有源层；以及在有源层上的第二电极，该有源层在石墨烯层和第二电极之间。操作石墨烯器件的方法可包括通过将负电压和正电压中的一个施加到第一电极来改变石墨烯层的功函数。
在示例实施例中，改变石墨烯层的功函数可包括通过施加负电压到第一电极来增加石墨烯层的功函数。
在示例实施例中，改变石墨烯层的功函数可包括通过施加正电压到第一电极来减小石墨烯层的功函数。
在示例实施例中，第一电极可以是晶体管的栅极。该方法可进一步包括将石墨烯层配置为有源层的电极和晶体管的沟道两者。
在示例实施例中，有源层可包括光电导材料。
在示例实施例中，石墨烯器件可包括在有源层和石墨烯层之间的半导体层。
根据示例实施例，制造石墨烯器件的方法包括：形成晶体管，该晶体管包括在栅电极上的石墨烯层；以及在石墨烯层上形成有源层。石墨烯层与栅电极间隔开。栅电极被配置为基于施加到栅电极的电压来控制石墨烯层的功函数。有源层接触石墨烯层。石墨烯层可被配置为既作为有源层的电极又作为晶体管的沟道。
在示例实施例中，可形成接触有源层的有源电极。有源电极可以是晶体管的源电极和晶体管的漏电极中的一个。
在示例实施例中，晶体管可包括源电极和漏电极。石墨烯层可与源电极和漏电极中的一个接触。
在示例实施例中，该方法可包括在有源层和石墨烯层之间形成半导体层。
附图说明
通过以下对非限定性实施例的描述，这些和/或其他方面将变得显而易见且更易于理解，如附图所示，其中相同的附图标记在不同视图中始终指代相同部件。绘图未必按比例绘制，而是着重于图解说明本发明构思的原理。在附图中：
图1是根据示例实施例的石墨烯器件的示意性截面图；
图2是根据示例实施例的石墨烯器件的示意性截面图；
图3和4是根据示例实施例的石墨烯器件的示意性截面图；
图5是根据示例实施例的石墨烯器件的示意性截面图；
图6是根据示例实施例的石墨烯器件的示意性截面图；
图7是根据示例实施例的用作发射器件的石墨烯器件的视图；
图8是根据示例实施例的、石墨烯层的功函数根据施加到晶体管的栅极的电压而变化的理论视图；
图9是根据示例实施例的、漏极电流根据施加到晶体管的栅极的电压而变化的测量结果的视图；
图10是根据示例实施例的、发射层的发射率根据施加到晶体管的栅极的电压的检查结果的视图；
图11是根据示例实施例的当图7的发射器件作为顶部发射型操作时的视图；
图12是根据示例实施例的当图7的发射器件作为底部发射型操作时的视图；
图13到15是根据示例实施例的显示设备的视图，其包括多个作为底部发射型操作的发射器件；
图16是根据示例实施例的作为探测器件操作的石墨烯器件的示意性截面图；
图17和18是根据示例实施例的石墨烯器件的示意性截面图；
图19到21是根据示例实施例的石墨烯器件的示意性截面图；以及
图22是根据示例实施例的石墨烯器件的示意性截面图。
具体实施方式
现在将参照附图更充分地描述示例实施例，其中示出了一些示例实施例。然而，示例实施例可以许多不同形式实施且不应被理解为限于此处陈述的实施例；而是，提供这些示例实施例使得本公开将是全面和完整的，并且向本技术领域普通技术人员充分传达发明构思的示例实施例的范围。在绘图中，为清楚起见，层和区域的厚度被夸大。附图中相同的参考数字表示相同的元件，且因此其描述可省略。
可以理解的是，当一个元件被称为“连接”或“联接”到另一元件时，其可直接连接或联接到另一个元件，或者可存在中间元件。与此相反，当一个元件被称为“直接连接”或“直接联接”到另一元件时，则不存在中间元件。如此处所用，词语“和/或”包括一个或多个相关所列项目的任何和所有组合。用来描述元件或层之间关系的其他词汇应当以类似的方式理解(例如，“在...之间”与“直接在...之间”、“相邻”与“直接相邻”、“在...上”与“直接在...上”)。
可以理解的是，尽管术语“第一”、“第二”等等在此可用于描述各种元件、组件、区域、层和/或部分，但这些元件、组件、区域、层和/或部分不应受限于这些术语。这些术语仅被用来将一个元件、组件、区域、层或部分区别于另一个元件、组件、区域、层或部分。因此，下文讨论的第一元件、组件、区域、层或部分也可被称为第二元件、组件、区域、层或部分而不背离示例实施例的教导。
这里可以使用空间相对术语，诸如“在......之下”、“在下面”、“下”、“在上面”、“上”等等，以便描述一个元件或特征相对于其他(诸)元件或(诸)特征如图所示的关系。可以理解的是，空间相对术语是为了涵盖除了图中描绘的方位之外器件在使用或运行中的不同取向。例如，如果图中的器件被翻转过来，被描述为在其他元件或特征“下面”或“之下”的元件将取向为在其他元件或特征“上面”。因此，示范性术语“在下面”可涵盖在上面和在下面两个取向。器件可被另外地取向(旋转90度或在其他取向)且此处所用的空间相对描述语被相应地解释。
此处所用术语仅为了描述特定实施例且并非旨在限制示例实施例。如此处所用的，单数形式“一”和“该”意图同样包括复数形式，除非上下文明确地另外指示。进一步可理解的是，术语“包含”和/或“包括”如果在此处使用，指定了所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但并不排除一种或多种其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或其组的存在或增加。当诸如“...中的至少一个”的表达在一列元件之前时，修饰整列的元件而并不修饰该列中的单个元素。
参照截面图在此描述了示例实施例，该截面图为示例实施例的理想化实施例(以及中间结构)的示意图。照此，由于例如制造技术和/或公差导致的图示形状的变化是可预期的。因此，示例实施例不应被理解为受限于此处示出的区域的特定形状，而是包括由例如制造所导致的形状上的差异。因此，图形中示出的区域本质上是示意性的，且它们的形状并不旨在示出器件区域的实际形状，并且并非旨在限制示例实施例的范围。
除非另外定义，此处使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与示例实施例所属领域内普通技术人员通常理解的相同意思。进一步可以理解的是，术语，诸如那些通用词典所定义的术语，应被理解为具有与相关技术领域背景中它们的意思相一致的意思，且不应被解释为理想化或过度正式的意义，除非此处明确地如此定义。
图1是根据示例实施例的石墨烯器件的示意性截面图。
如图1所示，石墨烯器件100包括晶体管10，其包含源极S、栅极G和漏极D、载流子可通过其移动的有源层20、以及一个设置在栅极G和有源层20之间且充当有源层20的电极和晶体管10的沟道层的石墨烯层30。石墨烯器件100可进一步包括有源电极70，其接触有源层20并由于施加到石墨烯层30的电压而在有源层20上形成电场。这里，载流子的移动指的是电流的流动。同样，载流子可以通过其移动(即，电流可流过其中)的有源层20、石墨烯层30和有源电极70或其他电极可被称作为电流流动提供通路。有源层20可位于石墨烯层30和有源电极70之间。
石墨烯器件100设置在基板40上，该基板可由SiO2基透明玻璃材料形成。基板40并不局限于此，且可由透明塑料材料形成。在此情形下，形成基板40的塑料材料可以是选自各种有机材料的一种或多种材料。
缓冲层50可进一步设置在基板40上。缓冲层50限制(和/或防止)杂质透过基板40且使基板的顶表面平坦化，因此可由能实现这些功能的各种材料形成。例如，缓冲层50可包含无机材料，诸如硅氧化物、硅氮化物、
硅氮氧化物、铝氧化物、铝氮化物、钛氧化物或钛氮化物，或包含有机材料，诸如聚酰亚胺、聚酯或压克力，且可形成为它们的叠层结构。此外，由于其并非必要部件，缓冲层50可根据加工条件被任意地省略。
源极S、栅极G和漏极D可被布置为在缓冲层50上彼此间隔开。源极S、栅极G和漏极D可由导电材料形成。例如，它们可由金属材料或导电氧化物形成。源极S、栅极G和漏极D可形成在同一平面上。例如，源极S、栅极G和漏极D可同时形成在缓冲层50或基板40上，因此，晶体管10的制造是简单的。
为了限制(和/或阻止)电流在栅极G和源极S之间以及栅极G和漏极D之间流动，覆盖栅极G的绝缘层60可以设置在缓冲层50上。绝缘层60可由绝缘材料形成，其包括以下至少之一：无机绝缘层，诸如二氧化锆(ZrO2)、二氧化钛(TiO2)、镁氧化物(MgO)、铈氧化物(CeO2)、铝氧化物(Al2O3)、铪氧化物(HfO2)、铌氧化物(NbO)、二氧化硅(SiO2)和硅氮化物(Si3N4)；有机绝缘层，诸如聚乙烯基苯酚(PVP)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯醇(PVA)和苯并环丁烯(BCB)；以及有机和无机杂化物。
同时，石墨烯层30设置在面向栅极G的绝缘层60的区域上。石墨烯在结构上和化学上是非常稳定的，具有优秀的光吸收性，并且在将光转换为热及传递热方面是高效的。通过化学气相沉积(cVD)制造的石墨烯被转移然后被图案化以形成石墨烯层30。或者，石墨烯可通过化学方法从石墨分离而变薄以被使用。
石墨烯层30可设置为与源极S和漏极D中的一个间隔开，而接触源极S和漏极D中的另一个。例如，石墨烯层30可以朝向源极S延伸以接触源极S，且可以设置为与漏极D间隔开。根据示例实施例的石墨烯层30是载流子通过其移动的通路，且可作为晶体管10的沟道层。
由于形成在有源层20和石墨烯层30之间的电压，有源电极70在有源层20上形成电场。有源电极70可与漏极D电连接。有源电极70可由金属材料或导电氧化物形成。在图1中示出，漏极D和有源电极70形成为单独的层且彼此接触的同时彼此电连接，但是并不局限于此。漏极D本身可充当有源电极70。在此情形下，不另外需要有源电极70。
由于在石墨烯层30和有源电极70之间产生的电压，有源层20可发射或吸收光。取决于石墨烯器件100将被用作的器件类型，有源层20的材料可以不同。例如，有源层20可包括发射层和光电导层(photoconductive layer)。关于有源层20的多个方面稍后将进行描述。
同时，石墨烯层30和有源层20之间的能量势垒根据施加到栅极G的电压而控制。例如，石墨烯层30的功函数依据施加到栅极G的电压而变化，因此施加到栅极的电压控制石墨烯层30和有源层20之间的能量势垒。
例如，在载流子是空穴的情况下，当给定电压施加到漏极D时(当电荷(负电荷)被注入到漏极D中且源极S为接地时)，如果负电压-Vg施加到栅极G，则石墨烯层30的空穴被诱导，因此功函数增加。石墨烯层30的功函数的增加导致石墨烯层30和有源层20之间的能量势垒的大小减小，使得空穴会容易移动到有源层20。
与此相反，当给定电压施加到源极S和漏极D时，如果给定正电压+Vg施加到栅极G，则电子被诱导在石墨烯层30表面上，因此石墨烯层30的功函数减小。石墨烯层30的功函数的减小导致石墨烯层30和有源层20之间的能量势垒大小的增加，从而限制(和/或阻止)空穴容易地移动到有源层20。
由于负电压-Vg增加，能够移动到有源层20的空穴的数量增加。此外，当电压大于或等于参考电压时，空穴可移动到有源层20。因此，石墨烯层30不仅可以作为晶体管10的沟道层，而且还可以作为有源层20的电极。
同时，根据示例实施例的石墨烯器件可进一步包括半导体层。图2是根据示例实施例的石墨烯器件101的示意性截面图。如图2所示，石墨烯器件101可进一步包括接触石墨烯层30的半导体层80。半导体层80可设置在石墨烯层30和有源层20之间。替代地，当半导体层80形成在石墨烯层30和有源层20之间时，电极层(未示出)可另外设置在半导体层80和有源层20之间以促进空穴注入到有源层20中。
半导体层80可由各种半导体材料形成。例如，半导体层80可由硅、锗、硅-锗、III-V族半导体材料、II-VI族半导体、或有机半导体形成，并可掺杂有n型或p型的掺杂剂。掺杂剂的类型可根据载流子(例如，电子或空穴)的类型决定。半导体层80可增加接触石墨烯的材料的选择性，以提高石墨烯器件101的材料特性，如石墨烯层30的界面特性。
图3和4是根据示例实施例的石墨烯器件102的示意性截面图。如图3所示，石墨烯器件102可进一步包括在石墨烯层30和有源层20之间的注入层90。注入层90是极化沟道并且可以弥补下层比如石墨烯层30和半导体层80的粗糙，并且可以与有源层20一起控制空穴或电子的注入。注入层90可由酞菁化合物诸如酞菁铜，或星爆型胺诸如TcTA、m-MTDATA、或m-MTDAPB，氟化锂(LiF)、氯化钠(NaCl)、氟化铯(CsF)、锂氧化物(Li，O)、钡氧化物(BaO)、8-羟基喹啉锂(Liq)等材料形成。替代地，如图4所示，石墨烯器件103可包括半导体层80以及注入层90两者。
图3和4将注入层90示出为与有源层20不同的层。然而，它并不局限于此。注入层90可被包括于有源层20中。
根据示例实施例，为便于描述，有源电极70和漏极D示出为单独的组件。有源电极70和漏极D可由相同的导电材料形成，且一个层可行使有源电极70和漏极D的功能。
尽管图1-4示出石墨烯器件100到104，其中石墨烯层30接触源电极S，但示例实施例并不局限于此。例如，图17和18是根据示例实施例的石墨烯器件的示意性截面图。
图17示出的石墨烯器件107与图1示出的石墨烯器件100相似，除了：在石墨烯器件107中，石墨烯层30接触漏电极D而不是源电极S，有源电极70接触源电极S而不是漏电极D，绝缘层60在有源层20和源电极S之间延伸，绝缘层60在石墨烯层30和源电极S之间延伸，且源电极S可大于漏电极D。图18示出的石墨烯器件108可与图17示出的石墨烯器件107相同，除了石墨烯器件108可进一步包括接触石墨烯层30的半导体层80之外。半导体层80可位于石墨烯层30和有源层20之间。图17的石墨烯器件107可进一步包括位于有源层20和石墨烯层30之间的注入层(见图3-4的注入层90)。图18的石墨烯器件108可进一步包括位于有源层20和半导体层80之间的注入层(见图3-4的注入层90)。
图5是根据示例实施例的石墨烯器件104的示意性截面图。如图5所示，漏极D可设置在有源层20上。因此，漏极D还可作为有源层20的有源电极70。
图6是根据示例实施例的石墨烯器件的示意性截面图。如图6所示，栅极G和漏极D可形成在不同的层上。整个石墨烯层30可形成在栅极G的顶部。此外，栅极G本身可以是石墨烯器件105的基板。具体来说，绝缘层60可设置在栅极G上，且源极S和石墨烯层30可布置在绝缘层60上。源极S和石墨烯层30可彼此接触。此外，有源层20可形成在石墨烯层30上且漏极D可形成在有源层20上。栅极G可设置为与有源层30和漏极D间隔开。
其中一个层行使有源电极70和漏极D功能的石墨烯器件105可进一步包括半导体层80和注入层90中的至少一个，如图2到4所示的石墨烯器件101、102和103中一样。
如果石墨烯器件104或105的漏极D由透明导电材料(例如ITO、AZO、IZO、SnO2或In2O3)形成，则石墨烯器件104和105可分别被配置为顶部发射器件。另一方面，如果石墨烯器件104或105的漏极D由不透明的和/或具有高反射率的导电材料(例如包括铂(Pt)、铜(Cu)、银(Ag)、铱(Ir)、钌(Ru)、铝(Al)和金(Au)中至少一个的金属材料)形成，则石墨烯器件104和105可分别被配置为底部发射器件。
参照图5和6，如果替代地，石墨烯层30接触漏极D而不是源极S，则当正电压施加到栅极G时，石墨烯层30的功函数可增加。
上文所述的石墨烯器件100到106和/或随后将描述的200、200a、200b、107到111，以及40，可用作各种电子设备的器件。例如，石墨烯器件100可用作发射器件。例如，石墨烯器件100可以是有机发射器件，或氮化镓(GaN)基板的发射器件。图7是根据示例实施例的用作发射器件的石墨烯器件的视图。比较图7和图1，图7中示出的发射器件200的有源层21可包括发射光的发射层21a。当电子和空穴被注入到发射层21a内时，电子空穴对可以形成并消失以发射光。这种光可以是可见光。发射层21a可包括基质材料和掺杂材料。例如，如果发射的光是绿光，则发射层21a可通过以三(8-羟基喹啉铝)(Alq3)作为基质以及1～2％的N-甲基喹吖啶酮(n-methylquinacridone，MQD)或香豆素作为掺杂剂的掺杂而形成。如果发射的光是蓝光，则发射层21a可通过以PBD或DPVBi作为基质材料且二萘嵌苯、香豆素或嵌二萘作为掺杂材料的掺杂而形成。
同样，根据情况，有源层21可进一步包括空穴注入层(HIL)、空穴传输层(HTL)、电子传输层(ETL)和电子注入层(EIL)中的至少一个。HIL可由酞菁化合物诸如酞菁铜，或星爆型胺诸如TCTA、m-MTDATA、或m-MTDAPB形成。HTL可由N,N'-二苯基(3-甲基苯基)-N,N'-联苯-[1，1-联苯]-4,4'-双胺(TPD)、N,N'-二(萘-1-基)-N，N'-二苯基联苯胺(a-NPD)等形成。EIL可由诸如氟化锂(LiF)、氯化钠(NaCl)、氟化铯(CsF)、锂氧化物(Li2O)、钡氧化物(BaO)、8-羟基喹啉锂(Liq)等材料形成。ETL可由Alq3形成。
替代地，有源层21可包含GaN和多量子阱(MQW)等等。例如，有源层21可以是多量子阱结构，其中量子阱层和量子势垒层交替堆叠(例如，多个InGaN/GaN或GaN/AlGaN层交替堆叠)。然而，示例实施例并不局限于此。
图7中的晶体管10、石墨烯层30和有源电极70与图1中的晶体管10、石墨烯层30和有源电极70相同，因此，在此将不再重复它们的详细描述。此外，图2到6的石墨烯器件101、102、103、104和105以及图17-18的107到108可用作发射器件。此外，尽管图7中未示出，但密封件(未示出)可形成在有源电极70上。密封件可由有机或无机材料形成。
发射器件的石墨烯层30可不仅行使晶体管10的沟道层的功能，而且行使有源层20的电极功能。也就是说，石墨烯层30的功函数可根据施加到栅电极G的电压而变化，并且，有源层20可根据石墨烯层30的功函数的变化而发射或不发射光。
当石墨烯层30被用在发射器件中时，晶体管10和有源层20可被布置为彼此交叠，也就是说，晶体管10和有源层20可竖直地布置，且因此可能增加开口率。
图8是根据示例实施例的、石墨烯层的功函数根据施加到栅极的电压而变化的理论视图。作为非限定性示例，有源层20包括接触石墨烯层30的HIL。
例如，在电压未施加到栅电极G的情形下，石墨烯层30的功函数变为约4.4eV。此外，有源层20的HIL的功函数变为约5.4eV。这里，HIL可由PEDOT：PSS形成。
在载流子为空穴的情形下，在某一电压施加到源极S和漏极D的情形下，如果某一正电压+Vg施加到栅极G，则电子被诱导在石墨烯层30上并且石墨烯层30的功函数减小。因此，导电空穴的数量减少，且对于空穴来说移动到HIL变得困难。因此，流到有源层20的电流减小。
同时，在给定电压施加到源极S和漏极D的情况下，如果负电压-Vg施加到栅极G，则石墨烯层30上空穴的数量增加，并且石墨烯层30的功函数增加。因此，由于导电空穴的数量增加，所以流到有源层20的电流增加。随着施加到栅极G的-Vg减小，电流增加。根据这个原理，可以控制发射层的开启电压(即，用于在发射层上发射光的电压)，并且石墨烯层不仅可用作晶体管10的沟道，还可用作有源层20的电极。
尽管参照图8描述了石墨烯层30作为阳极电极，但石墨烯层30的功能并不局限于此。石墨烯层30还可作为阴极电极。在这种情况下，材料层在有源层20内布置的顺序可以变化且源极S和漏极D之间的电压也可以变化。此外，光发射的量可随栅电极的正电压而调节。
为了检查漏极D的电流的变化和根据栅极G的发射层的发射率，PEDOT：PSS形成在石墨烯层30上作为HIL。图9是示出根据示例实施例的、根据施加到栅极的电压而测量的漏极电流变化的视图。图10是示出观测到的根据示例实施例的、发射层的发射率根据施加到栅极的电压的视图。
如图9所示，在某一电压施加到源极S和漏极D之间的情况下，可以理解的是，随着栅极G的负电压-Vg增加，流入漏极D的电流增加。此外，如图10所示，在漏极D的电压为大约-5V的情况下，由发射层发射的光可通过改变栅极G电压的幅度而被打开或关闭。这是因为发射层的电子迁移率根据栅极G电压的变化而变化。
此外，上文描述的发射器件可作为顶部发射器件或底部发射器件操作。这可根据有源电极70和栅极G是否由可透射材料形成来决定。
图11是根据示例实施例的、当图7的发射器件是顶部发射型器件时的视图。图12是根据示例实施例的、当图7的发射器件是底部发射型器件时的视图。
为了将发射器件200a配置为顶部发射型器件，有源电极70可由透明金属氧化物形成，诸如铟锡氧化物(ITO)、铝锌氧化物(AZO)、铟锌氧化物(IZO)、锡氧化物(SnO2)或In2O3。此外，栅极G可由不透明的且具有高反射率的导电材料形成。例如，栅极G可由包括铂(Pt)、铜(Cu)、银(Ag)、铱(Ir)、钌(Ru)、铝(Al)和金(Au)中至少一个的金属材料形成。源极S和漏极D也可由与栅极G相同的材料形成。此外，反射层(未示出)可进一步设置在光朝向其发射的方向上。反射层可位于石墨烯层30的顶表面或底表面上，且可由导电层形成。反射层可包括具有高反射率的材料(例如，诸如铝Al的金属)。
此外，为了将发射器件200b配置为底部发射型器件，栅极G可由透明金属氧化物形成，诸如铟锡氧化物(ITO)、铝锌氧化物(AZO)、铟锌氧化物(IZO)、锡氧化物(SnO2)或In2O3。源电极S和漏电极D也可由与栅极G相同的材料形成。此外，栅极G可由不透明的且具有高反射率的导电材料形成。例如，栅极G可由包括铂(Pt)、铜(Cu)、银(Ag)、铱(Ir)、钌(Ru)、铝(Al)和金(Au)中至少一个的金属材料形成。此外，反射层(未示出)可进一步设置在光朝向其发射的方向上。
前述发射器件被应用于显示设备中。可以通过向有机发射层中添加荧光或磷光材料来发射蓝光、绿光和红光，也可以通过使用蓝色、绿色和红色滤色器或颜色转换材料来发射蓝光、绿光和红光。
图13及15是根据示例实施例的显示设备的视图，其包括多个配置为底部发射型器件的发射器件。
如图13所示，显示设备300a可包括多个发射器件200R、200G和200B的阵列。例如，显示设备300a可包括第一器件200R、第二器件200G和第三器件200B。第一器件200R可以是根据此前描述的示例实施例的发射器件中的一个，且可以包括发射第一颜色光的有源层20。第二器件200G可以是根据此前描述的示例实施例的发射器件中的一个，且可以包括发射第二颜色光的有源层20。第三器件200B可以是根据此前描述的示例实施例的发射器件中的一个，且可以包括发射第三颜色光的有源层20。第一到第三颜色光可分别为红色、绿色和蓝色。通过根据图像信息控制晶体管10，第一到第三器件200R到200B中的每个可发射其特定颜色。
此外，如图14所示，显示设备300b可包括多个发射器件200W和用来展现颜色的滤色器210的阵列。发射器件200W可以是此前描述的发射器件中的一个或它们的变型。多个发射器件200W可包括用于发射白光的有源层，并且具有滤色器210R、210G和210B，滤色器210R、210G和210B分别具有对应于多个发射器件的颜色区域R、G和B。
此外，如图15所示，多个发射器件200R、200G和200B可包括发射除白光外的特定颜色光的有源层，将特定颜色光转换成蓝色、绿色和红色的材料可分别布置在相应于发射器件的颜色区域上。例如，多个发射器件可包括发射蓝光的有源层，颜色区域可包括透明层220B、将蓝光转换成绿光的第一转换层220G、以及将蓝光转换成红光的第二转换层220R。
根据示例实施例，石墨烯器件可作为探测器件。图16是根据示例实施例的作为探测器件操作的石墨烯器件的示意性截面图。如图16所示，石墨烯器件400可包括：包含源极S、漏极D和阴极的晶体管10；设置为与晶体管10间隔开的有源层22；设置在有源层22和晶体管10之间并用作晶体管10的沟道层和有源层22的电极的石墨烯层30；以及接触有源层22且基于施加到石墨烯层30的电压将电场施加到有源层22的有源电极70。
探测器件内的有源层22可由吸收光和诱导电荷转移的材料形成。有源层22可包括光电导材料。例如，光电导材料可为ZnTe、GaSe、GaAs、ThBr、TIBr、CdTe、Cd1-xZnxTe(CZT)、PbO、PbI2和HgI2中的任意一种，但并不局限于此。
探测器件的探测方法如下所述。当高电压施加到有源电极70时，电场形成在有源层22中。然后，当光，例如X射线，被传输到光电导层时，光电导层的光电导材料与光起反应并被光电转换从而发生电离。因此，载流子，即电子空穴对，可产生于光电导层中。电子和空穴可通过形成在光电导层内的电场彼此分离。例如，在高电压施加到有源电极70的情况下，电子可移动到有源电极70且空穴可移动到有源层22的邻近石墨烯层30的区域。此外，随着施加到栅极G的电压幅度变化，石墨烯层30的功函数也变化，使得空穴移动到石墨烯层30且通过漏极D被施加到放大单元(未示出)。因此，探测器件可探测光。也就是说，当正电压施加到栅极G时，由于电子被诱导，石墨烯层30的功函数减小。当石墨烯层30的能级变得低于有源层22的能级时，有源层22内的空穴可移动到石墨烯层30。
为增强探测功能，图16的探测器件可进一步包括接触石墨烯层30的半导体层(未示出)以及在石墨烯层30和有源层之间的注入层(未示出)。尽管X射线探测器件被描述为探测器件，但并不局限于此。也可以应用用于探测可见光的探测器件。
图19到21是根据示例实施例的石墨烯器件的示意性截面图。
参照图19，石墨烯器件109可与图3中的石墨烯器件102相同，除了石墨烯器件109可进一步包括在石墨烯层30和有源电极70之间的第二注入层95之外。注入层90和第二注入层95中的一个可以是空穴注入层(HIL)而注入层90和第二注入层95中的另一个可以是电子注入层(EIL)。有源层20可在注入层90和第二注入层95之间。
HIL可由酞菁化合物诸如酞菁铜，或星爆型胺诸如TCTA、m-MTDATA、或m-MTDAPB形成。HTL可由N,N'-二苯基(3-甲基苯基)-N,N'-联苯-[1，1-联苯]-4，4′-双胺(TPD)、N,N'-二(萘-1-基)-N，N'-二苯基联苯胺(a-NPD)等形成。EIL可由诸如氟化锂(LiF)、氯化钠(NaCl)、氟化铯(CsF)、锂氧化物(Li2O)、钡氧化物(BaO)、8-羟基喹啉锂(Liq)等材料形成。ETL可由Alq3形成。
参照图20，石墨烯器件110可与上文所述石墨烯器件109相同，除了石墨烯器件110可进一步包括在注入层90和石墨烯层30之间的半导体层80之外。
参照图21，石墨烯器件111可与上文关于图1描述的石墨烯器件100相同，除了石墨烯器件111可进一步包括交替布置在石墨烯层30和有源层20之间的电子注入层部分92和空穴注入层部分94之外。
图22是根据示例实施例的石墨烯器件的示意性截面图。
参照图22，根据示例实施例的石墨烯器件可包括在共同基板40上的顶部发射器件200c和此前关于图12描述的底部发射器件200b。绝缘材料95可位于基板40上且在底部发射器件200b和顶部发射器件200c之间。绝缘材料可包括二氧化硅，但是示例实施例并不局限于此。
顶部发射器件200c可包括：包括源极S′、栅极G′和漏极D′的晶体管10′；载流子通过其移动的有源层23；以及设置在栅极G′和有源层23之间且用作有源层23的电极和晶体管10′的沟道层的石墨烯层31。石墨烯器件200c可进一步包括接触有源层23且由于施加到石墨烯层31的电压而在有源层23上形成电场的有源电极71。在这里，载流子的移动指的是电流的流动。此外，载流子可通过其移动(即电流可流过其中)的有源层23、石墨烯层31和有源电极71或其它电极可被称为是为电流提供通路。有源层23可位于石墨烯层31和有源电极71之间。
源极S′、栅极G′和漏极D′可被布置为在缓冲层50上彼此间隔开。源极S′、栅极G′和漏极D′可由导电材料形成。
为了限制(和/或阻止)电流在栅极G′和源极S′之间以及在栅极G′和漏极D′之间流动，覆盖栅极G′的绝缘层60可设置在缓冲层50上。
同时，石墨烯层31可设置在绝缘层60的面向栅极G′的区域上。石墨烯在结构上和化学上是非常稳定，具有优秀的光吸收性，并且在将光转换为热及传递热方面是高效的。
石墨烯层31可被设置为与源极S′和漏极D′中的一个间隔开，而接触源极S′和漏极D′中的另一个。例如，石墨烯层31可朝向源极S′延伸以接触源极S′，且可以设置为与漏极D′间隔开。根据示例实施例的石墨烯层31是载流子能通过其移动的通路，且可作为晶体管10′的沟道层。
由于形成在有源层23和石墨烯层31之间的电压，有源电极71在有源层23上形成电场。有源电极71可与漏极D′电连接。有源电极71可由金属材料或导电氧化物形成。在图22中示出，漏极D′和有源电极70'形成为单独的层且在彼此接触的同时彼此电连接，但是并不局限于此。漏极D′本身可行使有源电极71的功能。在此情况下，并不另外需要有源电极71。
由于在石墨烯层31和有源电极71之间产生的电压，有源层23可发射或吸收光。石墨烯层31和有源层23之间的能量势垒可以根据施加到栅极G′的电压来控制。
为了将发射器件200c配置为顶部发射型器件，有源电极71可由透明金属氧化物形成，诸如铟锡氧化物(ITO)、铝锌氧化物(AZO)、铟锌氧化物(IZO)、锡氧化物(SnO2)或In2O3。此外，栅极G′可由不透明的且具有高反射率的导电材料形成。例如，栅极G′可由包括铂(Pt)、铜(Cu)、银(Ag)、铱(Ir)、钌(Ru)、铝(Al)和金(Au)中至少一个的金属材料形成。源极S′和漏极D′也可由与栅极G′相同的材料形成。此外，反射层(未示出)可进一步设置在光朝向其发射的方向上。
此外，为了将发射器件200b配置为底部发射型器件，栅极G可由透明金属氧化物形成，诸如铟锡氧化物(ITO)、铝锌氧化物(AZO)、铟锌氧化物(IZO)、锡氧化物(SnO2)或In2O3。源电极S和漏电极D也可由与栅极G相同的材料形成。此外，栅极G可由不透明的且具有高反射率的导电材料形成。例如，栅极G可由包括铂(Pt)、铜(Cu)、银(Ag)、铱(Ir)、钌(Ru)、铝(Al)和金(Au)中至少一个的金属材料形成。此外，反射层(未示出)可进一步设置在光朝向其发射的方向上。
前述发射器件被应用于显示设备中。可以通过向有机发射层中添加荧光或磷光材料来发射蓝光、绿光和红光，也可以通过使用蓝色、绿色和红色滤色器或颜色转换材料来发射蓝光、绿光和红光。
除了上文描述的有源层之外，根据示例实施例的石墨烯器件还可应用于基于载流子的移动实现特定功能的器件，诸如热电器件、压电器件或化学或生物传感器。有源层的类型并不局限于上文所述的类型。在根据示例实施例的石墨烯器件中，石墨烯层30可用作双重功能，且因此石墨烯器件的组件可以是小的。石墨烯器件中包括的晶体管10的电极也可用作双重功能。
应当理解的是，此处描述的示例实施例应考虑为描述意义而非限制目的。在根据示例实施例的每个器件或方法中的特征或方面的描述应典型地被认为适用于根据示例实施例的其它器件或方法中其它相似特征或方面。
本申请要求于2013年2月15日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第No.10-2013-0016596号和2013年11月25日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第No.10-2013-0143914号的优先权。上述引用的每个申请的全部内容通过引用结合在此。

Claims (23)

1.一种石墨烯器件，包括：
有源层；
接触所述有源层的石墨烯层，所述石墨烯层和有源层配置为提供电流通路；
与所述石墨烯层间隔开的第一电极，所述第一电极配置为基于施加到所述第一电极的电压而控制所述石墨烯层的功函数；以及
接触所述有源层的第二电极，其中从所述有源层移动到所述石墨烯层的载流子的极性与从所述有源层移动到所述第二电极的载流子的极性相反。
2.根据权利要求1的石墨烯器件，还包括：
接触所述石墨烯层的第三电极。
3.根据权利要求2的石墨烯器件，其中所述第三电极是晶体管的源电极和晶体管的漏电极中的一个。
4.根据权利要求1的石墨烯器件，其中
所述石墨烯层是晶体管的沟道，并且
所述第一电极是所述晶体管的栅极。
5.根据权利要求1的石墨烯器件，其中在所述石墨烯层中移动的载流子的极性根据施加到所述第一电极的电压的极性而变化。
6.根据权利要求5的石墨烯器件，其中
如果施加到所述第一电极的电压是正的，则在所述石墨烯层中移动的载流子是电子，并且
如果施加到所述第一电极的电压是负的，则在所述石墨烯层中移动的载流子是空穴。
7.根据权利要求1的石墨烯器件，其中所述第一电极配置为基于施加到所述第一电极的电压而改变石墨烯层和有源层之间的能量势垒。
8.根据权利要求1的石墨烯器件，其中如果施加到所述第一电极的电压是负的，则所述第一电极配置为响应于所述石墨烯层的功函数的增大而增加空穴向有源层的移动。
9.根据权利要求1的石墨烯器件，其中如果施加到所述第一电极的电压是正的，则所述第一电极配置为响应于所述石墨烯层的功函数的减小而增加电子向有源层的移动。
10.根据权利要求1的石墨烯器件，其中所述有源层与所述第一电极的至少一部分交叠。
11.根据权利要求1的石墨烯器件，还包括：
接触所述石墨烯层的半导体层。
12.根据权利要求11的石墨烯器件，其中所述半导体层在所述石墨烯层和所述有源层之间。
13.根据权利要求1的石墨烯器件，其中所述有源层包括配置为发射光的发射层。
14.根据权利要求13的石墨烯器件，其中所述石墨烯器件是发射器件。
15.根据权利要求1的石墨烯器件，其中
所述有源层包括光电导层，
所述光电导层被配置为与光反应，且
所述光电导层被配置为光电地转换光。
16.根据权利要求15的石墨烯器件，其中所述石墨烯器件配置为探测器件。
17.一种电子设备，包含：
根据权利要求1的石墨烯器件。
18.一种石墨烯器件，包括：
晶体管，包括源极、栅极和漏极；
在所述栅极上的有源层；
在所述栅极和有源层之间的石墨烯层，所述石墨烯层被配置为既作为有源层的电极又作为晶体管的沟道层；以及
有源电极，接触所述有源层，其中所述有源电极被配置为基于施加到所述石墨烯层的电压而在所述有源层上形成电场。
19.根据权利要求18的石墨烯器件，其中所述有源电极是源极和漏极中的一个。
20.根据权利要求18的石墨烯器件，其中所述栅极被配置为根据施加到所述栅极的电压而改变石墨烯层的功函数。
21.根据权利要求18的石墨烯器件，其中所述栅极被配置为根据施加到所述栅极的电压而改变石墨烯层和有源层之间的能量势垒。
22.根据权利要求18的石墨烯器件，其中所述有源层包括配置为发射光的发射层。
23.根据权利要求18的石墨烯器件，其中
所述有源层包括光电导层，
所述光电导层被配置为与光反应，以及
所述光电导层被配置为光电地转换光。
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