KR102081891B1 - 그래핀 소자 및 이를 포함하는 전자 기기 - Google Patents
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Abstract
그래핀 소자 및 이를 포함한 전자 기기를 제공한다. 본 그래핀 소자는 소스, 게이트 및 드레인을 포함하는 트랜지스터, 캐리어가 이동 가능한 활성층 및 게이트와 활성층 사이에 배치되며 활성층의 전극 역할과 트랜지스터의 채널층 역할을 수행하는 그래핀층을 포함한다.
Description
본 개시는 그래핀을 포함하는 그래핀 소자 및 이를 포함하는 전자 기기에 관한 것이다.
실리콘 기판의 반도체 소자는 빠른 속도로 고집적화 및 고성능화되어 왔다. 그러나 실리콘의 물질 자체의 특성과 제조 공정의 한계에 의해 반도체 소자의 성능 향상에 한계가 있다. 이에 따라 실리콘 기판의 반도체 소자의 한계를 뛰어 넘을 수 있는 차세대 소자에 대한 연구가 진행되고 있다.
그래파이트(graphite) 단원자층으로 분리된 그래핀(graphene)이 발견된 이후, 전기적, 기계적으로 우수한 특성으로 인해 많은 분야에서 차세대 소재로 각광받고 있다. 그래핀은 탄소 원자가 평면에 6각형으로 연결되어 있는 물질로 그 두께가 원자 한 층에 불과할 정도로 얇다. 반도체로 주로 쓰는 단결정 실리콘보다 100배 이상 빠르게 전기를 통하며 이론적으로 이동도가 200,000 cm2/Vs 이다. 구리보다 100배 많은 전기를 흘려도 문제가 없는 것으로 알려져 있어 전자 회로의 기초 소재로 관심을 받고 있다.
상기한 그래핀을 포함한 소자의 연구가 진행중에 있다.
본 개시는 그래핀층이 듀얼 기능을 수행할 수 있는 그래핀 소자를 제공한다.
본 개시는 상기한 그래핀 소자를 포함한 전자 기기를 제공한다.
일 유형에 따르는 그래핀 소자는, 활성층; 상기 활성층과 접하며, 상기 활성층에 전류의 이동 경로를 제공하는 그래핀층; 및 상기 그래핀층과 이격 배치되며, 인가된 전압의 크기에 따라 상기 그래핀층의 일함수를 조절하는 제1 전극;를 포함한다.
그리고, 상기 활성층과 접하며, 상기 활성층에 전류의 이동 경로를 제공하는 제2 전극;을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 활성층에서 상기 그래핀층으로 이동하는 캐리어와 상기 제2 전극으로 이동하는 캐리어의 극성이 반대일 수 있다.
그리고, 상기 그래핀층은 트랜지스터의 채널이고, 상기 제1 전극은 상기 트랜지스터의 게이트일 수 있다.
또한, 상기 그래핀층과 접하며, 상기 그래핀층에 전류의 이동 경로를 제공하는 제3 전극;을 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 그래핀층에서 이동하는 캐리어의 극성은 상기 제1 전극에 인가되는 전압의 극성에 따라 다를 수 있다.
또한, 상기 전압의 극성이 포지티브이면 상기 그래핀층에서 이동하는 캐리어는 전자이고, 상기 전압의 극성이 네거티브이면 상기 그래핀층에서 이동하는 캐리어는 정공일 수 있다.
그리고, 상기 제3 전극은 트랜지스터의 소스 또는 드레인 전극일 수 있다.
또한, 상기 제1 전극에 인가되는 전압에 따라 상기 그래핀층과 상기 활성층간의 에너지 배리어가 변할 수 있다.
그리고, 상기 그래핀층은, 상기 일함수가 클수록 상기 활성층에 정공의 이동이 쉬울 수 있다.
또한, 상기 그래핀층은, 상기 일함수가 작을수록 상기 활성층에 전자의 이동이 쉬울 수 있다.
그리고, 상기 활성층은, 상기 제1 전극과 적어도 일부 영역이 중첩될 수 있다.
또한, 상기 그래핀층과 접하는 반도체층;을 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 반도체층은, 상기 그래핀층과 상기 활성층 사이에 배치될 수 있다.
또한, 상기 활성층은, 광을 방출하는 발광층;을 포함할 수 있다.
그리고, 상기 그래핀 소자는 발광 소자일 수 있다.
또한, 상기 활성층은 광과 반응하여 광전 변환하는 광전도층;을 포함할 수 있다.
그리고, 상기 그래핀 소자는 검출 소자일 수 있다.
한편, 일 실시예에 따른 전자 기기는, 앞서 기술한 그래핀 소자를 하나 이상 포함한다.
다른 실시예에 따른 그래핀 소자는, 소스, 게이트 및 드레인을 포함하는 트랜지스터; 캐리어가 이동 가능한 활성층; 및 상기 게이트와 상기 활성층 사이에 배치되며, 상기 활성층의 전극 역할과 상기 트랜지스터의 채널층 역할을 동시에 수행하는 그래핀층;을 포함한다.
그리고, 상기 그래핀층은 상기 소스 및 드레인 중 어느 하나와 접하면서 상기 소스 및 드레인 중 다른 하나와 이격 배치될 수 있다.
또한, 상기 활성층과 접하며, 상기 그래핀층과의 전압에 의해 상기 활성층에 전계를 형성하는 활성 전극;을 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 소스 및 드레인 중 어느 하나가 상기 활성 전극일 수 있다.
또한, 상기 게이트에 인가되는 전압에 따라 상기 그래핀층의 일함수가 변할 수 있다.
그리고, 상기 게이트에 인가되는 전압에 따라 상기 그래핀층과 상기 활성층간의 에너지 배리어가 변할 수 있다.
또한, 상기 활성층은 광을 방출하는 발광층;을 포함할 수 있다.
그리고, 상기 활성층은 광과 반응하여 광전변환하는 광전도층;을 포함할 수 있다.
개시된 그래핀 소자는 그래핀층이 듀얼 기능을 수행하기 때문에 구성요소가 간소화될 수 있다.
개시된 그래핀 소자에 포함된 트랜지스터의 전극도 듀얼 기능을 수행할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 그래핀 소자를 개략적인 단면도이다.
도 2는 다른 실시예에 따른 그래핀 소자의 개략적인 단면도이다.
도 3 및 도 4는 다른 실시예에 따른 그래핀 소자의 개략적인 단면도이다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 그래핀 소자의 개략적인 단면도이다.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 그래핀 소자의 개략적인 단면도이다.
도 7은 일 실시예에 따른 발광 소자로 이용되는 그래핀 소자를 도시한 도면이다.
도 8은 일 실시예에 따른 게이트의 인가 전압에 따른 그래핀층의 일함수의 변화를 이론적으로 도시한 도면이다.
도 9는 일 실시예에 따른 게이트의 인가 전압에 따른 드레인 전류의 변화를 측정한 결과이다.
도 10은 일 실시예에 따른 게이트의 인가 전압에 따른 발광층에서의 발광 율을 실험한 결과이다.
도 11는 도 7의 발광 소자가 전면 발광 방식으로 동작할 때를 도시한 도면이다.
도 12은 도 7의 발광 소자가 후면 발광 방식으로 동작할 때를 도시한 도면이다.
도 13 내지 15은 일 실시예에 따른 배면 발광 방식으로 동작하는 복수 개의 발광 소자를 포함하는 표시 장치를 도시한 도면이다.
도 16은 일 실시예에 따른 검출 소자로서 동작하는 그래핀 소자를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 다른 실시예에 따른 그래핀 소자의 개략적인 단면도이다.
도 3 및 도 4는 다른 실시예에 따른 그래핀 소자의 개략적인 단면도이다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 그래핀 소자의 개략적인 단면도이다.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 그래핀 소자의 개략적인 단면도이다.
도 7은 일 실시예에 따른 발광 소자로 이용되는 그래핀 소자를 도시한 도면이다.
도 8은 일 실시예에 따른 게이트의 인가 전압에 따른 그래핀층의 일함수의 변화를 이론적으로 도시한 도면이다.
도 9는 일 실시예에 따른 게이트의 인가 전압에 따른 드레인 전류의 변화를 측정한 결과이다.
도 10은 일 실시예에 따른 게이트의 인가 전압에 따른 발광층에서의 발광 율을 실험한 결과이다.
도 11는 도 7의 발광 소자가 전면 발광 방식으로 동작할 때를 도시한 도면이다.
도 12은 도 7의 발광 소자가 후면 발광 방식으로 동작할 때를 도시한 도면이다.
도 13 내지 15은 일 실시예에 따른 배면 발광 방식으로 동작하는 복수 개의 발광 소자를 포함하는 표시 장치를 도시한 도면이다.
도 16은 일 실시예에 따른 검출 소자로서 동작하는 그래핀 소자를 개략적으로 도시한 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 개시된 그래핀 소자및 이를 포함하는 전자 장치에 대해서 상세하게 설명한다.
도 1은 일 실시예에 따른 그래핀 소자를 개략적인 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 그래핀 소자(100)는 소스(S), 게이트(G) 및 드레인(D)을 포함하는 트랜지스터(10), 캐리어가 이동 가능한 활성층(20), 및 게이트(G)와 활성층(20) 사이에 배치되며 활성층(20)의 전극 역할과 트랜지스터(10)의 채널층 역할을 수행하는 그래핀층(30)을 포함한다. 또한, 그래핀 소자(100)는 활성층(20)과 접하며, 그래핀층(30)과의 전압에 의해 활성층(20)에 전계를 형성하는 활성 전극(70)을 더 포함할 수 있다. 여기서, 캐리어의 이동은 전류의 이동을 의미한다. 그리고 캐리어 즉 전류가 이동하는 활성층(20), 그래핀층(30), 화활성 전극(70) 또는 그외 전극은 '전류의 이동 경로를 제공한다'라고 표현할 수 있다.
상기한 그래핀 소자(100)는 기판(40)상에 배치되는데, 기판(40)은 SiO2를 주성분으로 하는 투명한 유리 재질로 이루어질 수 있다. 기판(40)은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 투명한 플라스틱 재질로 형성할 수도 있다. 이 때 기판(40)을 형성하는 플라스틱 재질은 다양한 유기물들 중 선택된 하나 이상일 수 있다.
기판(40)상에 버퍼막(50)이 더 형성될 수 있다. 버퍼막(50)은 기판(40)을 통한 불순 원소의 침투를 방지하며 기판(40) 상부에 평탄한 면을 제공하는 것으로서, 이러한 역할을 수행할 수 있는 다양한 물질로 형성될 수 있다. 일례로, 버퍼막(50)은 실리콘 옥사이드, 실리콘 나이트라이드, 실리콘 옥시나이트라이드, 알루미늄옥사이드, 알루미늄나이트라이드, 티타늄옥사이드 또는 티타늄나이트라이드 등의 무기물이나, 폴리이미드, 폴리에스테르, 아크릴 등의 유기물을 함유할 수 있고, 예시한 재료들 중 복수의 적층체로 형성될 수 있다. 또한 버퍼막(50)은 필수 구성 요소는 아니므로 공정 조건에 따라 생략될 수도 있다.
버퍼막(50)상에는 소스(S), 게이트(G) 및 드레인(D)이 각각 이격되어 배치될 수 있다. 소스(S), 게이트(G) 및 드레인(D)은 전도성 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 금속 물질 또는 전도성 산화물로 형성될 수 있다. 소스(S), 게이트(G) 및 드레인(D)은 동일한 평면상에 형성될 수 있다. 예를 들어, 소스(S), 게이트(G) 및 드레인(D)은 버퍼막(50) 또는 기판(40)상에 동시에 형성할 수 있기 때문에 제조 방법이 용이하다.
게이트(G)과 소스(S), 게이트(G)과 드레인(D)간의 전기적 통전을 방지하기 위해 버퍼막(50)상에 게이트(G)을 덮는 절연층(60)이 배치될 수 있다. 상기한 절연층(60)은 무기절연층인 ZrO2, TiO2, MgO, CeO2, Al2O3, HfO2, NbO, SiO2, Si3N4 및 유기 절연층인 poly(vinylphenol) (PVP), poly(methyl -methacrylate) (PMMA), polyvinylalcohol (PVA) 그리고 benzocylobutene (BCB) 및 유무기하이브리드 중 적어도 하나를 포함하는 절연 물질로 형성될 수 있다.
한편, 절연층(60) 중 게이트(G)과 대응하는 영역상에는 그래핀층(30)이 배치된다. 그래핀은 구조적, 화학적으로 매우 안정적이며, 광흡수 특성과 광을 열로 변환시키는 효율 및 열전달 특성이 우수한 물질이다. 그래핀층(30)은 화학기상증착(chemical vapor deposition: CVD)으로 제조된 그래핀이 전사된 후 패터닝되어 형성될 수 있다. 또는, 그라파이트로부터 화학적 박리에 의해 그래핀을 박막화하여 사용할 수 있다.
상기한 그래핀층(30)은 소스(S) 및 드레인(D) 중 어느 하나와 접하면서 소스(S) 및 드레인(D) 중 다른 하나와 이격 배치될 수 있다. 예를 들어, 그래핀층(30)은 소스(S)쪽으로 연장되어 소스(S)와 접할 수 있으며, 드레인(D)과 이격되게 배치될 수 있다. 일 실시예에 따른 그래핀층(30)은 캐리어가 이동하는 통로로서, 트랜지스터(10)의 채널층의 역할을 할 수 있다.
또한, 활성 전극(70)은 그래핀층(30)간의 전압에 의해 활성층(20)에 전계를 형성한다. 상기한 활성 전극(70)은 드레인(D)과 전기적으로 연결될 수 있다. 상기한 활성 전극(70)도 금속 물질 또는 전도성 산화물로 형성될 수 있다. 도 1에는 드레인(D)과 활성 전극(70)이 별도의 층으로 형성되고, 드레인(D)과 활성 전극(70)이 접함으로써 전기적으로 연결된다고 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않는다. 드레인(D) 자체가 활성 전극(70)이 될 수 있다. 이때에는 활성 전극(70)이 별도로 필요하지 않는다.
활성층(20)은 그래핀층(30)과 상기 활성 전극(70)간의 전계에 의해 광을 발생시키거나 광을 흡수할 수도 있다. 일 실시예에 따른 그래핀 소자(100)를 어떠한 소자로 활용되느냐에 따라 활성층(20)의 물질이 달라질 수 있다. 예를 들어, 활성층(20)은 발광층, 광전도층 등을 포함할 수 있다. 활성층(20)에 대해서는 후술하기로 한다.
한편, 그래핀층(30)과 활성층(20) 사이의 에너지 배리어는 게이트(G)에 인가되는 전압에 따라 조절된다. 예를 들어, 그래핀층(30)은 게이트(G)에 인가되는 전압에 따라 일함수가 변경되어, 그래핀층(30)과 활성층(20) 사이의 에너지 배리어가 조절된다.
예를 들어, 캐리어가 정공인 경우, 드레인(D)에 소정의 전압이 인가된 상태(드레인에 전하(음전하)주입하고, 소스는 접지한 상태)에서 게이트(G) 전압에 네거티브 전압(-Vg)이 인가되면, 그래핀층(30)에 정공이 유도되어 일함수가 증가한다. 그래핀층(30)의 일함수의 증가는 그래핀층(30)과 활성층(20) 사이의 에너지 배리어가 작아지므로, 정공은 활성층(20)으로 쉽게 이동하게 된다.
반면, 소스(S)과 드레인(D)에 소정의 전압이 인가된 상태에서 게이트(G) 전압에 소정의 포지티브 전압(+Vg)이 인가되면, 그래핀층(30)에 전자가 유도되어 그래핀층(30)의 일함수가 감소된다. 그래핀층(30)의 일함수의 감소는 그래핀층(30)과 활성층(20) 사이의 에너지 배리어를 크게 하므로, 정공은 활성층(20)으로 쉽게 이동하기 어려워진다.
네거티브 전압이 커질수록 활성층(20)으로 이동 가능한 정공 수는 증가하고, 전압이 기준 전압 이상이면 정공은 활성층(20)으로 이동하게 된다. 그리하여, 그래핀층(30)은 트랜지스터(10)의 채널층 역할을 할 뿐만 아니라 활성층(20)의 전극 역할도 수행할 수 있다.
한편, 일 실시예에 따른 그래핀 소자(100)는 반도체층을 더 포함할 수 있다. 도 2는 다른 실시예에 따른 그래핀 소자의 개략적인 단면도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 그래핀 소자(101)는 그래핀층(30)과 접하는 반도체층(80)을 더 포함할 수 있다. 상기한 반도체층(80)은 그래핀층(30)과 활성층(20)사이에 배치될 수 있다. 또는 그래핀층(30)과 활성층(20) 사이에 반도체층(80)이 형성시, 반도체층(80)ㄱ허 활성층(20)과의 사이에 추가적으로 전극층(미도시)이 배치되어 활성층으로 정공 투입을 돕는 것도 가능하다.
반도체층(80)은 다양한 반도체 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 실리콘, 게르마늄, 실리콘-게르마늄, III-V족 반도체 물질 또는 II-VI족 반도체, 유기 반도체 등으로 형성될 수 있으며, n형 또는 p형 불순물로 도핑될 수 있다. 불순물의 종류는 캐리어 종류(예를 들어, 전자 또는 정공)에 따라 결정될 수 있다. 상기한 반도체층(80)은 그래핀층의 계면 특성 향상 등 그래핀 소자의 물성 향상을 위해 그래핀과 접촉하는 요소의 재료 선택성을 확대하는 역할을 할 수 있다.
도 3 및 도 4는 다른 실시예에 따른 그래핀 소자의 개략적인 단면도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 그래핀 소자(102)는 그래핀층(30)과 활성층(20) 사이에 주입층(90)을 더 포함할 수 있다. 주입층(90)은 편광 채널로서 하부층, 예를 들어, 그래핀층(30) 또는 반도체층(80)의 거칠기를 보완하고 활성층(20)으로 정공 또는 전자의 주입을 제어할 수 있다. 상기한 주입층(90)은 구리프탈로시아닌 등의 프탈로시아닌 화합물 또는 스타버스트(Starburst)형 아민류인 TCTA, m-MTDATA, m-MTDAPB, LiF, NaCl, CsF, Li2O, BaO, Liq 등의 물질을 이용하여 형성할 수 있다. 또는, 도 4에 도시된 바와 같이, 그래핀 소자(103)는 반도체층(80) 및 주입층(90)을 모두 포함할 수도 있다.
도 3 및 도 4에서는 주입층(90)를 활성층과 다른 층으로 구분하여 설명하였다. 그러나, 이에 한정되지 않는다. 활성층 내에 주입층(90)이 포함될 수도 있다.
일 실시예에서 활성 전극(70) 및 드레인(D)을 별도의 구성요소로 구분하였으나, 이는 설명의 편의를 도모하기 위함이다. 활성 전극(70) 및 드레인(D)은 동일한 전도성 물질로 형성될 수 있고, 하나의 층이 활성 전극(70) 및 드레인(D)의 역할을 수행할 수도 있다. 도 5는 또 다른 실시예에 따른 그래핀 소자의 개략적인 단면도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 드레인(D)이 활성층(20)상에 배치될 수 있다. 그리하여, 드레인(D)은 활성층(20)의 활성 전극(70) 역할도 수행한다.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 그래핀 소자의 개략적인 단면도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 게이트(G)과 드레인(D)은 동일한 층에 형성되지 않을 수 있다. 또한, 그래핀층(30) 전체가 게이트(G)의 상부에 형성될 수도 있다. 뿐만 아니라, 게이트(G) 자체가 그래핀 소자(105)의 기판이 될 수도 있다. 구체적으로, 게이트(G), 게이트(G)상에 절연층(60)이 배치되고, 상기한 절연층(60)상에 소스(S) 및 그래핀층(30)이 배치될 수 있다. 소스(S)과 그래핀층(30)은 서로 접할 수 있다. 그리고, 그래핀층(30)상에 활성층(20)이 형성되고 활성층(20)상에 드레인(D)이 형성될 수 있다. 게이트(G)는 활성층(20) 및 드레인(D)과 이격되게 배치될 수 있다.
하나의 층이 활성 전극(70)과 드레인(D)의 역할을 수행하는 그래핀 소자(100)도, 도 2 내지 도 4에 도시된 그래핀 소자(100)와 마찬가지로, 반도체층 및 주입층 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
앞서 기술한 그래핀 소자(100)는 다양한 전자 기기에 소자로서 활용될 수 있다. 예를 들어, 그래핀 소자(100)는 발광 소자로 활용될 수 있다. 예를 들어, 그래핀 소자는 발광 소자로서 유기 발광 소자가 될 수도 있고, GaN 기판 발광 소자일 수도 있다. 도 7은 일 실시예에 따른 발광 소자로 이용되는 그래핀 소자를 도시한 도면이다. 도 7을 도 1과 비교하면, 도 7에 도시된 발광 소자(200)의 활성층(21)은 광을 발생시키는 발광층(21a)을 포함할 수 있다. 발광층(21a)에 전자와 정공이 유입되면 쌍을 이룬 후 소멸하면서 광을 발생시킨다. 상기한 광은 가시 광선일 수 있다. 발광층(21a)은 호스트 물질과 도판트 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 녹색(green) 발광의 경우, 호스트(host)로 트리스(8-하이드록시퀴놀레이트)알루미늄(Alq3)(tris(8-hydroxyquinolatealuminum)을, 불순물(dopant)로 MQD(N-메틸퀴나크리돈)(N-Meth ylquinacridone) 또는 쿠마린(Coumarine)유도체를 1~2% 도핑하여 발광층이 형성될 수 있다. 또한 청색 발광의 경우는 호스트(host)로 PBD, DPVBi와 같은 물질을 사용하고 불순물(dopant)로는 페릴렌(Perylene), 쿠마린(coumarine), 파이렌 (pyrene)과 같은 물질을 도핑하여 발광층이 형성할 수 있다.
또한, 경우에 따라, 활성층(21)은 정공 주입층(HIL: Hole Injection Layer), 정공 수송층(HTL: Hole Transport Layer), 전자 수송층(ETL: Electron Transport Layer), 전자 주입층(EIL: Electron Injection Layer) 중 적어도 하나의 층을 더 포함할 수 있다. 정공 주입층(HIL)은 구리프탈로시아닌 등의 프탈로시아닌 화합물 또는 스타버스트(Starburst)형 아민류인 TCTA, m-MTDATA, m-MTDAPB 등으로 형성할 수 있다. 정공 수송층(HTL)은 N,N'-비스(3-메틸페닐)- N,N'-디페닐-[1,1-비페닐]-4,4'-디아민(TPD), N,N'-디(나프탈렌-1-일)-N,N'-디페닐 벤지딘(α-NPD)등으로 형성될 수 있다. 전자 주입층(EIL)은 LiF, NaCl, CsF, Li2O, BaO, Liq 등의 물질을 이용하여 형성할 수 있다. 전자 수송층(ETL)은 Alq3를 이용하여 형성할 수 있다.
또는 활성층(21)은 GaN 및 다중 양자 우물층(Multi Quantum Well: MQW) 등을 포함할 수도 있다.
도 7의 트랜지스터(10), 그래핀층(30) 및 활성 전극(70)은 도 1의 트랜지스터(10), 그래핀층(30) 및 활성 전극(70)과 동일하기 때문에 구체적인 설명은 생략한다. 도 2 내지 도 6의 그래핀 소자도 발광 소자로 이용될 수 있음은 물론이다. 그리고, 도 7에는 도시되어 있지 않으나, 활성 전극(70)상에 봉지 부재(미도시)가 형성될 수 있다. 봉지 부재는 유기물 또는 무기물을 이용하여 형성할 수 있다.
발광 소자의 그래핀층(30)은 상기한 그래핀층(30)은 트랜지스터(10)의 채널층 역할을 수행할 뿐만 아니라 활성층(20)의 전극을 역할을 수행할 수 있다. 즉 게이트(G)의 인가 전압에 따라 그래핀층(30)의 일함수가 변경되고, 그래핀층(30)의 일함수의 변경으로 활성층(20)은 광을 방출할 수도 있고 방출하지 않을 수도 있다.
발광 소자에서 그래핀층(30)을 이용하면 트랜지스터(10)와 활성층(20)을 중첩되게 배치 즉, 트랜지스터(10)와 활성층(20)을 수직하게 배치시킬 수 있기 때문에 개구율을 증가시킬 수 있다.
도 8은 일 실시예에 따른 게이트의 인가 전압에 따른 그래핀층의 일함수의 변화를 이론적으로 도시한 도면이다. 그래핀층과 접하는 활성층으로 정공 주입층(HIL)을 예시적으로 배치시켰다.
예를 들어, 게이트(G)에 전압이 인가되지 않는 상태에서, 그래핀층(30)의 일함수는 약 4.4 eV가 된다. 그리고, 활성층 중 정공 주입층(HIL)의 일함수는 약 5.4 eV가 된다. 여기서, 정공 주입층은 PEDOT:PSS로 형성될 수 있다.
캐리어가 정공인 경우, 소스과 드레인에 소정의 전압이 인가된 상태에서 게이트 전압에 소정의 포지티브 전압(+Vg)을 인가하면, 그래핀층에는 전자가 유도되어 그래핀층(30)의 일함수가 감소한다. 그리하여, 전도 가능한 정공의 수가 줄어들고, 정공 주입층으로 정공의 이동이 어려워진다. 그리하여, 활성층으로 공급되는 전류의 양이 감소된다.
한편, 소스과 드레인에 소정의 전압이 인가된 상태에서, 게이트 전압에 네거티브 전압(-Vg)을 인가하면, 그래핀층(30)에는 정공의 수가 많아지고 일함수가 증가한다. 그리하여, 전도 가능한 정공의 수가 많아져서 활성층으로 공급되는 전류의 양이 증가하게 된다. 게이트에 인가된 네거티브 전압이 낮아질수록 전류의 공급량은 커진다. 상기와 같은 원리로 발광층의 턴온 전압(즉, 발광층에서 광을 발생시키기 위한 전압)의 조절이 가능하며, 그래핀층은 트랜지스터의 채널 역할을 할 뿐만 아니라, 활성층의 전극 역할을 수행한다.
도 8에서는 그래핀층(30)이 애노드 전극 역할을 한다고 하였으나, 이에 한정되지 않는다. 그래핀층(30)은 캐소드 전극 역할을 할 수도 있다. 이와 같은 경우, 활성층(20)내 물질층의 배치 순서도 바뀌고 소스(S)와 드레인(D)간의 전압도 바뀔 수 있다. 그리고, 게이트(G)의 포지티브 전압 값으로 발광 양을 조절할 수 있다.
게이트 전압에 따른 드레인 전류의 변화 및 발광층의 발광율을 확인하기 위해 그래핀층상에 PEDOT:PSS을 정공 주입층으로 형성하였다. 도 9는 일 실시예에 따른 게이트의 인가 전압에 따른 드레인 전류의 변화를 측정한 결과이고, 도 10은 일 실시예에 따른 게이트의 인가 전압에 따른 발광층에서의 발광 율을 실험한 결과이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 소스와 드레인간에 일정한 전압을 인가한 상태에서 네거티브의 게이트 전압이 클수록 드레인에 흐르는 전류가 큼을 알 수 있다. 그리고, 도 10에 도시된 바와 같이, 드레인 전압이 약 -5V 일 때, 게이트 전압의 크기를 변화시키면 발광층의 발광을 온 또는 오프시킬 수 있다. 이는 게이트 전압의 변화에 따라 정공의 이동 속도가 달라지기 때문이다.
또한 앞서 설명한 발광 소자는 전면 발광 방식으로 동작할 수도 있고, 후면 발광 방식으로 동작할 수도 있다. 이는 활성 전극(70) 및 게이트(G)을 투광성이 있는 물질로 형성하느냐 여부에 따라 결정될 수 있다.
도 11는 도 7의 발광 소자가 전면 발광 방식으로 동작할 때를 도시한 도면이고, 도 12은 도 7의 발광 소자가 후면 발광 방식으로 동작할 때를 도시한 도면이다.
발광 소자(200a)가 전면 발광 방식으로 동작하기 위해, 활성 전극(70)은 투명 금속 산화물로, 예를 들어, ITO(Indium Tin Oxide), AZO(Aluminium Zinc Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), SnO2(Tin oxide) 또는 In2O3 등으로 형성될 수 있다. 그리고, 게이트(G)은 불투명하고 반사율이 높은 전도성 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, Pt, Cu, Ag, Ir, Ru, Al, Au 중 적어도 하나를 포함하는 금속 물질일 수 있다. 소스(S) 및 드레인(D)도 게이트(G)고 동일한 물질로 형성될 수 있다. 뿐만 아니라, 광이 방출되는 방향으로 반사층(미도시)이 추가적으로 배치될 수도 있다.
그리고, 발광 소자(200b)가 후면 발광 방식으로 동작하기 위해, 게이트(G)은 투명 금속 산화물, 예를 들어, ITO(Indium Tin Oxide), AZO(Aluminium Zinc Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), SnO2(Tin oxide) 또는 In2O3 등으로 형성될 수 있다. 소스(S) 및 드레인(D)도 게이트(G)과 동일한 물질로 형성될 수 있다. 그리고, 게이트(G)은 불투명하고 반사율이 높은 전도성 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, Pt, Cu, Ag, Ir, Ru, Al, Au 중 적어도 하나를 포함하는 금속 물질일 수 있다. 뿐만 아니라, 광이 방출되는 방향으로 반사층(미도시)이 추가적으로 배치될 수도 있다.
앞서 설명한 발광 소자는 표시 장치에 적용된다. 발광층에 형광 물질 또는 인광 물질을 추가하여 청색, 녹색 및 적색 광을 방출할 수도 있고, 청색, 녹색 및 적색의 컬러 필터 또는 색변환 물질을 이용하여 청색, 녹색 및 적색 광을 방출할 수도 있다.
도 13 내지 15은 일 실시예에 따른 배면 발광 방식으로 동작하는 복수 개의 발광 소자를 포함하는 표시 장치를 도시한 도면이다.
도 13에 도시된 바와 같이, 표시 장치(300a)는 어레이된 복수 개의 발광 소자(200R, 200G, 200B)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 표시 장치(200)는 제1 소자(200R), 제2 소자(200G), 제3 소자(200B)를 포함할 수 있으며, 제1 소자(200R)는 전술한 예들 중 하나의 발광 소자로서, 제1 컬러를 발광하는 활성층(20)을 포함하고, 제2 소자(200G)는 전술한 예들 중 하나의 발광 소자로서 제2 컬러를 발광하는 활성층(20)을 포함하고, 제3 소자(200B)는 전술한 예들 중 하나의 발광 소자로서 제3 컬러를 발광하는 활성층을 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 제1 컬러, 제2 컬러, 제3 컬러는 각각 적색, 녹색, 청색일 수 있다. 제1 소자(200R), 제2 소자(200G), 제3 소자(200B) 각각은 영상 정보에 따라 트랜지스터(10) 구동이 제어되어 특정 색을 방출할 수 있다.
또한, 표시 장치(300b)는, 도 14에 도시된 바와 같이, 어레이된 복수 개의 발광 소자(200W)와 컬러 표시를 위한 컬러 필터(210)를 포함할 수 있다. 발광 소자(200W)는 전술한 발광 소자들 중 어느 하나 또는 이들로부터의 변형예가 채용될 수 있다. 복수 개의 발광 소자(200W)는 화이트 컬러를 발광하는 활성층을 포함하며, 복수 개의 발광 소자에 각각 대응되는 컬러 영역(R, G, B)을 가지는 컬러 필터(210R, 210G, 210B)가 배치될 수 있다.
뿐만 아니라, 도 15에 도시된 바와 같이, 복수 개의 발광 소자(200B)는 화이트 컬러가 아닌 특정 컬러를 발광하는 활성층을 포함할 수 있으며, 각 발광 소자와 대응하는 컬러 영역 각각에는 특정 컬러를 청색, 녹색 및 적색 광으로 변형하는 물질이 배치될 수 있다. 예를 들어, 복수 개의 발광 소자는 청색 광을 발광하는 활성층을 포함할 수 있으며, 컬러 영역에는 투명층(220B), 청색 광을 녹색 광으로 변형하는 제1 변형층(220G) 및 청색 광을 적색 광으로 변형하는 제2 변형층(220R)을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 그래핀 소자는 검출 소자로 기능할 수 있다. 도 16은 일 실시예에 따른 검출 소자로서 동작하는 그래핀 소자를 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 16에 도시된 바와 같이, 그래핀 소자(400)는 소스(S), 드레인(D) 및 캐소드를 포함한 트랜지스터(10), 상기한 트랜지스터(10)와 이격 배치된 활성층(22), 활성층(20)과 트랜지스터(10)의 사이에 배치되며 트랜지스터(10)의 채널층 역할과 상기한 활성층(22)의 전극 역할을 하는 그래핀층(30) 및 상기한 활성층(22)에 접하며 그래핀층(30)과의 전압 인가에 의한 전계를 활성층(22)에 인가하는 활성 전극(70)을 포함할 수 있다.
검출 소자에서의 활성층(22)은 자극, 예를 들어 광을 흡수하여 전하 이동을 발생시키는 물질로 형성될 수 있다. 활성층(22)은 광전도 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 광전도 물질은 ZnTe, GaSe, GaAs, ThBr, TlBr, CdTe, Cd1-xZnxTe(CZT), PbO, PbI2 및 HgI2 중 어느 하나일 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
검출 소자의 검출 방식은 다음과 같다. 활성 전극(70)에 고전압이 인가되면, 활성층(22) 내에 전계가 형성된다. 이어서, 광전도층에 광 예를 들어, 엑스선이 유입되면, 광전도층의 광전도 물질은 광과 반응하여 광전 변환되어 이온화 현상이 발생된다. 그리하여, 광전도층내에는 캐리어 즉, 전자 정공 쌍이 생성될 수 있다. 전자와 정공은 광전도층 내에 형성된 전계에 의해 분리될 수 있다. 예를 들어, 전자 및 전하는 반대 극성을 갖는 전극을 향하여 이동하게 된다. 예를 들어, 활성 전극(70)에 고전압이 인가된 상태에서 전자는 활성 전극(70)으로 이동하고, 정공은 그래핀층(30)과 인접한 활성층(22)의 영역으로 이동하게 된다. 그리고, 게이트(G)에 인가되는 전압의 크기에 따라 그래핀층(30)의 일함수가 변경되어 정공은 그래핀층(30)으로 이동하여 드레인(D)을 통해 증폭부(미도시)로 인가된다. 그리하여, 검출 소자는 광을 검출할 수 있다. 즉, 게이트(G)에 포지티브 전압이 인가되면 그래핀층(30)은 전자가 유도되어 일함수가 감소된다. 그래핀층(30)의 에너지 레벨이 활성층(22)의 에너지 레벨보다 작아지면 활성층(22)내 정공이 그래핀층(30)으로 이동할 수 있다.
도 16의 검출 소자도 검출 성능을 높이기 위해 그래핀층에 접하는 반도체층을 더 포함할 수도 있고, 그래핀층과 활성층 사이에 주입층을 더 포함할 수도 있다. 검출 소자로서 엑스선 검출 소자에 대해 설명하였으나, 이에 한정되지 않는다. 가시 광선의 검출 소자 등에도 적용될 수 있음은 물론이다.
상기에서 예시된 활성층 이외에도 열전 소자, 압전소자, 화학 또는 바이오 센서 등 캐리어의 이동에 의해 특정 기능을 구현하는 소자에 본 그래핀 소자의 개념을 적용하여 스위칭 기능을 일체화 시키는 것이 가능하며 상기 활성층의 종류는 예시된 것으로 한정되지 않는다.
특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하였으나 이에 한정되는 것은 아니고 다양한 변형이 가능하다. 따라서 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물은 권리범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
100, 101, 102, 103, 104, 105: 그래핀 소자
10: 트랜지스터 20, 21, 22: 활성층
30: 그래핀층 40: 기판
50: 버퍼막 60: 절연층
70: 활성 전극 80: 반도체층
90: 주입층
200, 200a, 200b: 발광 소자
300a, 300b, 300c: 표시 장치
400: 검출 소자
10: 트랜지스터 20, 21, 22: 활성층
30: 그래핀층 40: 기판
50: 버퍼막 60: 절연층
70: 활성 전극 80: 반도체층
90: 주입층
200, 200a, 200b: 발광 소자
300a, 300b, 300c: 표시 장치
400: 검출 소자
Claims (27)
- 활성층;
상기 활성층과 접하며, 상기 활성층에 전류의 이동 경로를 제공하는 그래핀층; 및
상기 그래핀층과 이격 배치되며, 인가된 전압의 크기에 따라 상기 그래핀층의 일함수를 조절하는 제1 전극;
상기 그래핀층과 접하면서 상기 제1 전극과 동일 평면상에 배치되며, 상기 그래핀층에 전류 경로를 제공하는 제3 전극;을 포함하고,
상기 활성층은 광을 방출하는 발광층 또는 광과 반응하여 광전 변환하는 광전도층을 포함하는 그래핀 소자. - 제 1항에 있어서,
상기 활성층과 접하며, 상기 활성층에 전류의 이동 경로를 제공하는 제2 전극;을 더 포함하는 그래핀 소자. - 제 1항에 있어서,
상기 그래핀층은 트랜지스터의 채널이고, 상기 제1 전극은 상기 트랜지스터의 게이트인 그래핀 소자. - 삭제
- 제 1항에 있어서,
상기 제3 전극은 트랜지스터의 소스 또는 드레인 전극인 그래핀 소자. - 제 2항에 있어서,
상기 활성층에서 상기 그래핀층으로 이동하는 캐리어와 상기 제2 전극으로 이동하는 캐리어의 극성이 반대인 그래핀 소자. - 제 6항에 있어서,
상기 그래핀층에서 이동하는 캐리어의 극성은 상기 제1 전극에 인가되는 전압의 극성에 따라 다른 그래핀 소자. - 제 7항에 있어서,
상기 전압의 극성이 포지티브이면 상기 그래핀층에서 이동하는 캐리어는 전자이고,
상기 전압의 극성이 네거티브이면 상기 그래핀층에서 이동하는 캐리어는 정공인 그래핀 소자. - 제 1항에 있어서,
상기 제1 전극에 인가되는 전압에 따라 상기 그래핀층과 상기 활성층간의 에너지 배리어가 변하는 그래핀 소자. - 제 1항에 있어서,
상기 그래핀층은,
상기 일함수가 클수록 상기 활성층에 정공의 이동이 쉬운 그래핀 소자. - 제 1항에 있어서,
상기 그래핀층은,
상기 일함수가 작을수록 상기 활성층에 전자의 이동이 쉬운 그래핀 소자. - 제 1항에 있어서,
상기 활성층은,
상기 제1 전극과 적어도 일부 영역이 중첩되는 그래핀 소자. - 제 1항에 있어서,
상기 그래핀층과 접하는 반도체층;을 더 포함하는 그래핀 소자. - 제 13항에 있어서,
상기 반도체층은,
상기 그래핀층과 상기 활성층 사이에 배치되는 그래핀 소자. - 삭제
- 제 1항에 있어서,
상기 그래핀 소자는 발광 소자인 그래핀 소자. - 삭제
- 제 1항에 있어서,
상기 그래핀 소자는 검출 소자인 그래핀 소자. - 제 1항 내지 제 3항, 제 5항 내지 제 14항, 제 16항 및 제 18항 중 어느 한 항에 따른 그래핀 소자를 하나 이상 포함하는 전자 기기.
- 동일 평면상에 배치되는 소스, 게이트 및 드레인을 포함하는 트랜지스터;
캐리어가 이동 가능한 활성층; 및
상기 게이트와 상기 활성층 사이에 배치되며, 상기 활성층의 전극 역할과 상기 트랜지스터의 채널층 역할을 동시에 수행하는 그래핀층;을 포함하고,
상기 활성층은 광을 방출하는 발광층 또는 광과 반응하여 광전 변환하는 광전도층을 포함하는 그래핀 소자. - 제 20항에 있어서,
상기 그래핀층은 상기 소스 및 드레인 중 어느 하나와 접하면서 상기 소스 및 드레인 중 다른 하나와 이격 배치되는 그래핀 소자. - 제 20항에 있어서,
상기 활성층과 접하며, 상기 그래핀층과의 전압에 의해 상기 활성층에 전계를 형성하는 활성 전극;을 더 포함하는 그래핀 소자. - 제 22항에 있어서,
상기 소스 및 드레인 중 어느 하나가 상기 활성 전극인 그래핀 소자. - 제 20항에 있어서,
상기 게이트에 인가되는 전압에 따라 상기 그래핀층의 일함수가 변하는 그래핀 소자. - 제 20항에 있어서,
상기 게이트에 인가되는 전압에 따라 상기 그래핀층과 상기 활성층간의 에너지 배리어가 변하는 그래핀 소자. - 삭제
- 삭제
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| EP14155247.1A EP2768039B1 (en) | 2013-02-15 | 2014-02-14 | Graphene device and electronic apparatus |
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-
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