KR101392451B1 - 그래핀을 이용한 적외선 발광소자 - Google Patents

Abstract

그래핀을 이용한 적외선 발광소자를 개시한다. 개시된 적외선 발광소자는, 소스 영역 및 드레인 영역과, 그 사이의 발광 영역을 포함하며 상기 소스 영역, 드레인 영역 및 발광 영역이 일체형으로 형성된 발광층; 상기 발광 영역에 형성된 게이트 전극; 및 상기 발광층으로부터 상기 게이트 전극을 이격시키는 절연층;을 구비하며, 상기 소스 영역으로부터 상기 드레인 영역으로의 제1방향과 직교하는 제2방향에서 상기 소스 영역 및 드레인 영역의 폭이 상기 발광 영역보다 더 넓은 것을 특징으로 한다.

Description

그래핀을 이용한 적외선 발광소자{Infrared rays emitting device using graphene}

도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 그래핀을 이용한 적외선 발광소자의 단면도 및 평면도이다.

도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 실시예에 따른 그래핀을 이용한 적외선 발광소자의 작용을 보여주는 밴드 다이어그램의 개략도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호설명*

100: 적외선 발광소자 110: 기판

112: 절연층 114: 게이트 전극

120: 발광층 121: 소스 영역

122: 드레인 영역 123: 발광 영역

131: 소스 전극패드 132: 드레인 전극패드

본 발명은 그래핀(graphene)을 이용한 적외선 발광소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 그래핀과 같은 단일층 구조의 물질을 패터닝하여 폭이 좁은 영역에서 적외선을 발광하는 소자에 관한 것이다.

종래 발광소자는 전자와 정공의 이동도가 달라서 발광효율이 높지 않으며, 발광을 위해서 다층으로 적층된 구조로 되어 두께가 증가될 수 있다.

그래핀(graphene)과 같은 단일층(single layer)은 리소그래피 기술을 적용하여 패터닝함으로써 나노스케일의 폭을 형성할 수 있다. 이러한 나노 스케일의 폭을 조정함으로써 소정 영역에서의 밴드갭을 조절할 수 있다.

이러한 나노스케일 물질을 이용하면 밴드갭에 의한 발광소자를 형성할 수 있다.

본 발명의 목적은 그래핀과 같은 이차원 층상물질을 이용하여 소정의 밴드갭 영역에서 전자 및 정공을 재결합하여 적외선을 발광하는 나노 사이즈의 발광소자를 제공하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 그래핀을 이용한 적외선 발광소자는: 소스 영역 및 드레인 영역과, 그 사이의 발광 영역을 포함하며 상기 소스 영역, 드레인 영역 및 발광 영역이 일체형으로 형성된 발광층;

상기 발광 영역에 형성된 게이트 전극; 및

상기 발광층으로부터 상기 게이트 전극을 이격시키는 절연층;을 구비하며,

상기 소스 영역으로부터 상기 드레인 영역으로의 제1방향과 직교하는 제2방향에서 상기 소스 영역 및 드레인 영역의 폭이 상기 발광 영역보다 더 넓은 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 상기 제2방향에서, 상기 발광 영역의 폭은 5nm ~ 20nm 일 수 있다.

본 발명의 일 국면에 따르면, 상기 발광층은 그래핀, 보론 나이트라이드, 카드뮴 텔루르, 몰리브덴 다이설파이드, 니오븀 다이셀레나이드 중 어느 하나의 물질로 단일층으로 형성된다.

본 발명의 다른 국면에 따르면, 상기 발광층은 비스무스 스트론튬 칼슘 카퍼 산화물의 1/2 층으로 형성된다.

상기 게이트 전극은 상기 절연층의 하부에 형성된다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명에 의한 그래핀을 이용한 적외선 발광소자에 대해 보다 상세하게 설명한다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 그래핀을 이용한 적외선 발광소자(100)의 단면도 및 평면도이다.

도 1 및 도 2를 함께 참조하면, 적외선 발광소자(100)는 기판(110) 상에 형성된 절연층(112)과, 절연층(112) 상에 형성된 발광층(120)을 구비한다. 기판(110)의 소정 영역에는 게이트 전극(114)가 형성되어 있다. 기판(110)은 실리콘 기판으로 형성될 수 있으며, 절연층(112)은 실리콘 산화막일 수 있다. 상기 게이트 전극(114)는 알루미늄과 같은 도전성 물질로 형성될 수도 있다. 이러한 구조는 종래의 트랜지스터의 바텀 게이트(bottom gate)와 같은 형태일 수 있다.

발광층(120)은 소스 영역(121) 및 드레인 영역(122)과 상기 소스 영역(121) 및 드레인 영역(122) 사이에 형성된 발광 영역(123)을 구비한다. 소스 영역(121), 드레인 영역(122) 및 발광 영역(123)은 일체형(monolithic) 구조이다. 상기 소스 영역(121) 및 드레인 영역(122)에는 각각 소스 전극패드(131) 및 드레인 전극패드(132)가 더 형성될 수 있다. 소스 전극패드(131) 및 드레인 전극패드(132)는 일반적인 전극물질, 예컨대 Ti/Al 전극으로 형성될 수 있다.

상기 게이트 전극(114)는 발광 영역(131)에 대응되게 형성된다.

발광층(120)은 2차원 층상구조의 물질, 예컨대 그래핀(graphene), 보론 나이트라이드(boron nitride), 카드뮴 텔루르(cadmium telluride), 니오븀 다이셀레나이드(niobium diselenide), 몰리브덴 다이설파이드(molybdenum disulfide)로 형성된 단일층(single layer)이거나, 또는 비스무스 스트론튬 칼슘 카퍼 산화물(bismuth strontium calcium copper oxide)(Bi₂Sr₂CaCuO_x)의 1/2 층(half layer)으로 형성될 수 있다.

상기 소스 영역(121) 및 드레인 영역(122)은 이들을 연결하는 제1방향(발광층의 길이방향)에 대해서 직교하는 제2방향의 폭(w1)이 대략 100nm ~ 200 nm 일 수 있으며, 금속물질의 특성을 가진다. 상기 폭(w1)은 200 nm 보다 더 넓게 형성될 수도 있다. 발광 영역(123)은 제2방향의 폭(w2)이 대략 5nm ~ 20 nm 일 수 있으며, 반도체 특성을 가진다. 발광 영역(123)의 에너지 갭은 대략 0.1 eV 이상이 된다. 발광층(120)은 폭(w2)이 좁을 수록 밴드갭이 크다. 에너지 갭이 0.1 eV인 경우, 발광층(120)에서 방출되는 광의 파장은 수학식 1에 의하면 대략 12 ㎛ 가 되며, 따라 서 적외선이 방출된다.

E x λ = 12,000

여기서, E는 에너지 갭(단위 eV)이며, λ는 파장(단위: Å)이다.

상기 발광 영역(123)의 제1방향의 폭은 1 ㎛ 으로 제2방향의 폭(w2) 보다 클 수 있다. 특히, 발광영역(123)의 제1방향의 폭은 전하의 이동이 탄도적(ballistic) 특성을 가지는 범위 내에서 형성될 수 있다.

도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 실시예에 따른 그래핀을 이용한 적외선 발광소자(100)의 작용을 보여주는 밴드 다이어그램의 개략도이며, 발광층(120)으로서는 그래핀을 사용하였다. 도 1 및 도 2의 구성요소와 실질적으로 동일한 구성요소에는 동일한 참조번호를 사용하고 상세한 설명은 생략한다.

먼저 도 3a를 참조하면, 소스 전극(131), 드레인 전극(132) 및 게이트 전극(114)에 각각 그라운드 전압을 연결하면, 발광층(120)은 폭이 넓은 소스 영역(121) 및 드레인 영역(122)에서는 밴드갭이 매우 낮으며, 폭이 좁은 발광 영역(123)에서는 밴드갭이 크다. 상기 발광 영역(123)의 밴드갭은 그 폭(도 2의 w2 참조) 및 2차원 층상 물질에 따라 달라질 수 있다.

발광층(120)은 발광 영역(123)에서의 포텐셜의 변화가 거의 없는 발라스틱(ballastic) 특성을 보여준다.

도 3b를 참조하면, 게이트 전극(114)에 양전압을 인가하면, 발광 영역(123)에 밴드 벤딩(band-bending)이 형성되면서 소스 영역(121)의 전자는 발광 영 역(123)으로 용이하게 이동된다.

도 3C를 참조하면, 게이트 전극(114)에 양전압을 인가한 상태에서, 드레인 전극에 게이트 전압(Vg)의 2배에 해당되는 양전압(Vd=2Vg)을 인가하면, 드레인 영역(122)의 전위가 낮아지면서 드레인 영역(122)의 정공이 발광 영역(123)으로 용이하게 이동될 수 있다. 또한, 소스 영역(121)으로부터의 전자와 드레인 영역(122)으로부터의 정공의 발광 영역(123)으로의 이동 확률이 거의 같게 될 수 있다. 따라서, 소스 영역(221)으로부터의 전자와 드레인 영역(222)의 정공은 발광 영역(223)에서 재결합하면서 발광 영역(123)의 밴드갭에 해당되는 에너지의 광을 발광하게 된다. 이때 발광되는 광은 밴드갭의 크기에 따라서, 즉, 발광 영역(123)의 폭에 따라서 파장이 다른 적외선광이 된다.

본 발명에 따른 발광소자는 발광층이 단일층으로 형성되어서 그 두께가 얇게 형성될 수 있다. 또한, 적정한 전압을 소스 영역 및 드레인 영역에 인가하면 전자 및 정공의 이동속도가 거의 같게 되어서 발광효율이 향상될 수 있다. 또한, 발광영역의 폭의 조절로 파장이 다른 적외선광을 방출시킬 수 있다.

상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 따라서, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.

Claims (6)

1. 소스 영역 및 드레인 영역과, 그 사이의 발광 영역을 포함하며 상기 소스 영역, 드레인 영역 및 발광 영역이 일체형으로 형성된 발광층;

   상기 발광 영역에 형성된 게이트 전극; 및

   상기 발광층으로부터 상기 게이트 전극을 이격시키는 절연층;을 구비하며,

   상기 소스 영역으로부터 상기 드레인 영역으로의 제1방향과 직교하는 제2방향에서 상기 소스 영역 및 드레인 영역의 폭이 상기 발광 영역보다 더 넓은 것을 특징으로 하는 적외선 발광소자.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제2방향에서, 상기 발광 영역의 폭은 5nm ~ 20nm 인 것을 특징으로 하는 적외선 발광소자.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 발광층은 하나의 층으로 형성된 것을 특징으로 하는 적외선 발광소자.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 발광층은, 그래핀, 보론 나이트라이드, 카드뮴 텔루르, 몰리브덴 다이설파이드, 니오븀 다이셀레나이드로 이루어진 그룹 중 선택된 어느 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 적외선 발광소자.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 발광층은 비스무스 스트론튬 칼슘 카퍼 산화물의 1/2 층으로 형성된 것을 특징으로 하는 적외선 발광소자.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 게이트 전극은 상기 절연층의 하부에 형성된 것을 특징으로 하는 적외선 발광소자.

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