WO2015115708A1 - 일함수 조절이 가능한 그래핀 배리스터를 포함하는 반도체 소자 - Google Patents

일함수 조절이 가능한 그래핀 배리스터를 포함하는 반도체 소자 Download PDF

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최성율
박익준
박하민
하영욱
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한국과학기술원
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    • H01C7/10—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material voltage responsive, i.e. varistors
    • H01C7/1013—Thin film varistors

Definitions

  • the present invention allows the free work function to be adjusted by applying the characteristic of graphene whose work function varies depending on the electric field value used in the graphene varistor to the light emitting device of the LED or OLED, and the graphene electrode is not exposed to the air.
  • the present invention relates to a light emitting device of an LED or an OLED in which a graphene electrode can maintain its inherent characteristics regardless of time.
  • ITO electrodes which have been used in the past, are transparent and have very small surface resistance, so they are widely used in various fields as transparent electrodes. There is a limit to the production.
  • the work function and sheet resistance are important for the anode and cathode to move holes and electrons smoothly in LED and OLED, respectively.
  • the conventional graphene electrodes are controlled by the doping using a work function, and laminated several layers of graphene to reduce the sheet resistance.
  • an electrode structure and a field effect transistor including graphene are provided.
  • graphene having intermediate properties of semiconductor and metal may be disposed in the middle of a semiconductor-metal bond. Disposed to provide an electrode structure with reduced energy barrier of the semiconductor-metal junction structure.
  • the present invention is to solve the above problems, by applying the inherent characteristics of the graphene, the work function is changed according to the electric field value used in the graphene varistor applied to the light emitting device of the LED or OLED to enable free work function control
  • the semiconductor device includes a first terminal structure including graphene; A light emitting layer coupled to the first terminal structure; A second terminal structure coupled to the light emitting layer; And a substrate in contact with any one of the first and second terminal structures, wherein the first terminal structure has a structure in which a gate terminal, an insulator, and the graphene are stacked in this order. And a first terminal structure and the light emitting layer.
  • the first terminal structure comprises an anode terminal.
  • first terminal structure and the second terminal structure have electrodes having different work functions from each other.
  • the light emitting layer is an LED or an OLED.
  • the substrate is a transparent substrate.
  • the light emitting device allows the free work function to be adjusted by applying the inherent characteristics of graphene whose work function varies depending on the electric field value used in the graphene varistor to the LED or OLED light emitting device. By not being exposed to the air it is possible to maintain the nature of the graphene electrode well regardless of the passage of time.
  • the present invention has both transparency, flexibility and elasticity, which are characteristics that must be provided in the next-generation display device industry. For this reason, the conventional limitation is overcome in that the characteristics do not change over time.
  • 1 is a comparison of the electrical characteristics and the efficiency of the OLED using the doped graphene electrode and the OLED using the ITO electrode.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram illustrating an LED of a semiconductor device including a graphene varistor capable of adjusting a work function according to the present invention.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram illustrating an OLED of a semiconductor device including a graphene varistor capable of adjusting the work function according to the present invention.
  • one embodiment of a semiconductor device 100 including a graphene varistor capable of adjusting the work function of the present invention may be in the form of an LED assembly.
  • the semiconductor device 100 includes a gate electrode 150 disposed at an uppermost portion, an insulator 140 in contact with a lower end of the gate electrode 150, a graphene 130 disposed in contact with a lower end of the insulator 140, Anode terminal 160 mounted on the top of one side of the graphene 130, the LED layer 120 disposed on the lower end of the graphene 130, the cathode terminal 110 and the cathode terminal disposed on the LED layer 120
  • the substrate 10 is disposed at the lower end of the 110 and constitutes the lowermost part of the semiconductor device 100.
  • a stacked form of the gate electrode 150, the insulator 140, and the graphene 130, which form the core of the present invention, is sequentially formed from a gate metal, an insulator, and graphene from the top. It is arranged in a (graphene) structure to form a form as an anode structure of the LED assembly. This makes it possible to control the free work function by using it as an electrode of the LED.
  • the graphene is maintained in a state not exposed to the outside.
  • the cathode terminal 110, the anode terminal 160, and the gate electrode 150 may be formed of a conventional electrode metal such as aluminum, gold, platinum, silver, palladium, or the like by electron beam deposition or sputtering. Meanwhile, the gate electrode 150 may be formed using materials such as ITO and graphene.
  • the insulator 140 may be formed using, for example, Al 2 O 3 using atomic layer deposition (ALD).
  • ALD atomic layer deposition
  • the semiconductor device 100 uses an electrode having a relatively large work function on either the anode or the cathode to emit light more well, and has a relatively small work function on the other electrode. Use an electrode.
  • the graphene is not affected by external physical stimuli, and thus an electric field is applied to the graphene by applying a negative voltage or a positive voltage at the gate electrode 110 instead of doping.
  • an electric field is applied to the graphene by applying a negative voltage or a positive voltage at the gate electrode 110 instead of doping.
  • the work function of graphene increases or decreases due to the applied electric field, the work function of graphene can be easily adjusted according to the polarity and magnitude of the gate voltage.
  • an electric field is applied to graphene as a graphene is applied to a metal in a metal / insulator / graphene structure, depending on the applied electric field.
  • Graphene's inherent properties, which change the work function, enable the on / off of semiconductor devices.
  • the characteristic of changing the work function of graphene by the electric field of the graphene varistor is applied to the electrodes of the LED and the OLED so as to maintain the original work function over time. That is, the present invention provides LED and OLED having a new concept electrode that can freely adjust the work function of graphene by controlling the electric field.
  • another embodiment of a semiconductor device including a graphene varistor capable of adjusting the work function of the present invention may be in the form of an OLED assembly.
  • the semiconductor device 200 as an OLED assembly includes a cathode terminal 210 disposed at an uppermost portion, an OLED layer 220 in contact with a lower end of the cathode terminal 210, and graphene disposed in contact with an OLED layer 220 ( 230, an anode terminal 260 disposed on one end of the graphene 230, an insulator 240 disposed on the lower end of the graphene 230, a gate electrode 250 disposed on the bottom of the insulator 240, and
  • the substrate 20 is disposed at the lower end of the gate electrode 250 and constitutes the bottom of the semiconductor device 100.
  • the substrate 20 is preferably a transparent substrate.
  • the stacked form of the graphene 230, the insulator 240, and the gate electrode 250 which form the core of the present invention, is sequentially formed from a graphene-insulator-gate metal (from the top).
  • the structure of the gate metal forms a form of the anode structure of the OLED assembly. This allows the free work function to be adjusted as an electrode of the OLED assembly.
  • the graphene 230 has a form disposed between the OLED layer and the insulator 240 to maintain the graphene is not exposed to the outside.
  • the present invention allows the free work function to be adjusted by applying the inherent characteristics of graphene whose work function varies depending on the electric field value used in the graphene varistor to the light emitting device of the LED or OLED, and the graphene electrode By not being exposed to the air it is possible to maintain the nature of the graphene electrode well regardless of the passage of time.

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Abstract

본 발명에 따른 반도제 소자는 그래핀을 포함하는 제1 단자 구조체, 제1 단자 구조체에 결합되는 발광 레이어, 발광 레이어에 결합되는 제2 단자 구조체 및 제1,2 단자 구조체 중 어느 하나의 단자 구조체에 접하는 기판을 포함하고, 상기 제1 단자 구조체는 게이트 단자, 절연체, 및 그래핀이 순서대로 적층된 구조로서 상기 그래핀은 제1 단자 구조체 및 발광 레이어 사이에 배치되는 것이 특징이다. 본 발명은 그래핀 배리스터에서 사용된 전기장 값에 따라 일함수가 변하는 그래핀의 고유의 특성을 LED 또는 OLED의 발광 장치에 적용시켜 자유로운 일함수 조절이 가능하게 하고, 그래핀 전극이 공기 중에 노출되지 않게 함으로써 시간 경과 여부에 관계없이 그래핀 전극 본연의 특성을 잘 유지할 수 있게 한다.

Description

일함수 조절이 가능한 그래핀 배리스터를 포함하는 반도체 소자
본 발명은 그래핀 배리스터에서 사용된 전기장 값에 따라 일함수가 변하는 그래핀의 고유의 특성을 LED 또는 OLED의 발광 장치에 적용시켜 자유로운 일함수 조절이 가능하게 하고, 그래핀 전극이 공기 중에 노출되지 않게 함으로써 시간 경과 여부에 관계없이 그래핀 전극 본연의 특성을 잘 유지할 수 있는 형태의 LED 또는 OLED의 발광 장치에 대한 것이다.
최근까지도 LED나 OLED 분야에서 양극 및 음극에 사용되는 ITO 전극을 대체할 물질들에 대해 많은 연구가 진행되고 있다. 기존에 사용되고 있던 ITO 전극은 투명하면서도 굉장히 작은 면 저항을 가지고 있어 투명전극으로써 여러 분야에서 널리 사용되고 있지만, 유연하고(flexible) 신축성 있는(stretchable) 특성이 없어 전체적으로 유연성을 요하는 제품인 디스플레이 또는 여러 전자소자를 제작하는데 한계점이 있다.
이러한 문제점들을 개선시키기 위하여 LED와 OLED의 전극으로 그래핀(graphene)을 사용하는 연구가 진행되고 있다. 그래핀을 양극 또는 음극으로 사용하기 위하여 종래의 대부분의 그룹에서는 도핑 효과를 이용하여 그래핀 전극의 일함수(work function)를 조절하고 있는데, 이러한 방법은 여러 차례의 도핑 과정을 통하여 최적의 일함수를 찾아도 시간이 지남에 따라 도핑 농도가 줄어들어 최적의 일함수를 유지하는데 어려움이 있다는 한계가 있다.
LED와 OLED에서 양극과 음극이 각각 정공과 전자를 원활하게 이동시키기 위해서는 각각의 일함수 및 면저항이 중요하다. 그리하여 기존의 그래핀 전극들은 도핑을 이용하여 일함수를 조절하였고, 면 저항을 줄이기 위해서 여러층의 그래핀을 적층하였다.
도 1에서 확인할 수 있듯이, 도핑된 그래핀 전극을 이용한 OLED와 기존에 많이 쓰이는 ITO 전극을 이용한 OLED의 전기적인 특성과 효율에 대한 비교를 하면 전기적인 특성이나 효율적인 면에서 그래핀 전극이 ITO 전극에 상응하는 특성을 보임을 확인할 수 있지만 도핑된 그래핀 전극은 시간이 지남에 따라 도핑농도가 자연적으로 낮아지기도 하고, 공기중에 그래핀이 노출되면서 그래핀 자체가 변질될 수 있어 신뢰성 면에서 이슈가 있다.
이러한 점들을 참조할때 ITO 전극과 같은 고성능(high performance)를 가지면서 투명성, 유연함 및 신축성까지 가질 수 있기 때문에, 이러한 특성을 갖는 그래핀 전극의 원리를 적용시켜 종래의 도핑을 통하지 않고도 양호한 특성을 나타낼 수 있는 그래핀 전극의 개발 요구가 있어오고 있다.
한편, 공개특허 제10-2013-0032105호를 참조하면, 그래핀을 포함하는 전극 구조체 및 전계효과 트랜지스터를 제공하는데 구체적으로는 반도체 및 금속의 중간 성질을 가진 그래핀을 반도체-금속 결합의 중간에 배치하여 반도체-금속 접합구조의 에너지 배리어를 감소시킨 전극 구조체를 제공한다.
그러나, 위 종래기술은 접촉 저항을 감소시키기 위해서 그래핀의 배치를 조절한다는 내용에 대해서만 기재하고 있을 뿐, 종래의 도핑을 통한 그래핀 형성 과정에서의 문제점 해소 방안 및 LED와 OLED에 적용한 구체적인 실시 방안에 대해서는 개시하지 않고 있다는 문제점이 있게 된다.
본 발명은 상기 종래의 문제점을 해소하고자 하는 것으로서, 그래핀 배리스터에서 사용된 전기장 값에 따라 일함수가 변하는 그래핀의 고유의 특성을 LED 또는 OLED의 발광 장치에 적용시켜 자유로운 일함수 조절이 가능하게 하고, 그래핀 전극이 공기 중에 노출되지 않게 함으로써 시간 경과 여부에 관계없이 그래핀 전극 본연의 특성을 잘 유지할 수 있는 형태의 LED 또는 OLED의 발광 장치를 제공하는 것이 목적이다.
본 발명에 따른 반도제 소자는 그래핀을 포함하는 제1 단자 구조체; 상기 제1 단자 구조체에 결합되는 발광 레이어; 상기 발광 레이어에 결합되는 제2 단자 구조체; 및 상기 제1,2 단자 구조체 중 어느 하나의 단자 구조체에 접하는 기판;을 포함하고, 상기 제1 단자 구조체는 게이트 단자, 절연체, 및 상기 그래핀이 순서대로 적층된 구조로서, 상기 그래핀은 상기 제1 단자 구조체 및 상기 발광 레이어 사이에 배치되는 것이 특징이다.
상기 제1 단자 구조체는 애노드 단자를 포함하는 것이 바람직할 수 있다.
상기 제1 단자 구조체와 제2 단자 구조체는 서로 상이한 일함수를 갖는 전극을 갖는 것이 바람직할 수 있다.
상기 발광 레이어는 LED 또는 OLED인 것이 바람직할 수 있다.
상기 기판는 투명 기판인 것이 바람직할 수 있다.
본 발명에 따른 발광 장치는 그래핀 배리스터에서 사용된 전기장 값에 따라 일함수가 변하는 그래핀의 고유의 특성을 LED 또는 OLED의 발광 장치에 적용시켜 자유로운 일함수 조절이 가능하게 하고, 그래핀 전극이 공기 중에 노출되지 않게 함으로써 시간 경과 여부에 관계없이 그래핀 전극 본연의 특성을 잘 유지할 수 있게 한다.
또한, 본 발명은 차세대 디스플레이 소자산업에 있어서 꼭 갖추어져야 하는 특성인 투명성, 유연함 및 신축성 등을 모두 갖고 있다. 이러한 이유로 시간이 지남에 따라 특성이 바뀌지 않는다는 점에서 종래의 한계성을 극복한다.
도 1은 도핑된 그래핀 전극을 이용한 OLED와 ITO 전극을 이용한 OLED의 전기적인 특성과 효율에 대한 비교도이다.
도 2는 본 발명에 따라 일함수 조절이 가능한 그래핀 배리스터를 포함하는 반도체 소자 중 LED 를 나타낸 개념도이다.
도 3은 도 1은 본 발명에 따라 일함수 조절이 가능한 그래핀 배리스터를 포함하는 반도체 소자 중 OLED 를 나타낸 개념도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일함수 조절이 가능한 그래핀 배리스터를 포함하는 반도체 소자(100)의 일 실시예는 LED 조립체의 형태일 수 있다.
반도체 소자(100)는 최상부에 배치되는 게이트 전극(150), 게이트 전극(150)의 하단부에 접한 상태의 절연체(140), 절연체(140)의 하단에 접하는 상태로 배치되는 그래핀(130), 그래핀(130)의 일측 상단에 마운팅되는 애노드 단자(160), 그래핀(130)의 하단부에 배치되는 LED 레이어(120), LED 레이어(120) 상에 배치되는 캐소드 단자(110) 및 캐소드 단자(110)의 하단에 배치되는 동시에 반도체 소자(100)의 최하부를 구성하는 기판(10)을 포함한다.
상기 반도체 소자(100)에서 본 발명의 핵심을 이루는 게이트 전극(150), 절연체(140), 그래핀(130)의 적층 형태는 상부에서부터 차례로 게이트 금속(Gate metal)-절연체(insulator)-그래핀(graphene) 구조로 배치됨으로써 LED 조립체의 애노드 구조체로서의 일 형태를 이루게 된다. 이를 통해 LED의 전극으로 사용하여 자유 일함수 조절이 가능하게 한다. 여기에서, 종래의 기술과는 다르게 그래핀이 외부에 노출되지 않는 상태를 유지한다.
캐소드 단자(110), 애노드 단자(160) 및 게이트 전극(150)는 통상의 전극 메탈, 예컨대 알루미늄, 금, 백금, 은, 팔라듐 등으로 전자빔 증착, 스퍼터링 등의 증착 방법으로 형성할 수 있다. 한편, ITO 및 그래핀 등의 물질을 이용하여 상기 게이트 전극(150)을 형성할 수 있다.
절연체(140)는 일 예로서 Al2O3를 원자층 증착인 ALD(atomic layer deposition) 방식을 사용하여 형성이 가능할 수 있다.
본 발명에 따른 반도체 소자(100)는 보다 빛을 잘 발광시키기 위하여 anode 나 cathode 중 어느 하나의 전극에 상대적으로 큰 일함수를 가지는 전극을 사용하고, 다른 하나의 전극에는 상대적으로 작은 일함수를 가지는 전극을 사용한다.
상기와 같은 구조의 전극을 사용함으로써 그래핀이 외부의 물리적 자극으로부터 영향을 받지 않게 되어 도핑(doping)이 아니라 게이트 전극(110)에서 - 전압 또는 +전압을 인가함에 따라서 그래핀에 전기장이 인가되고, 인가되는 전기장에 의해 일함수가 증가하거나 감소하는 그래핀의 고유의 특성을 이용하기 때문에 그래핀의 일함수를 게이트 전압의 극성 및 크기에 따라 쉽게 조절이 가능하다.
또한, 도핑을 시키지 않기 때문에 많은 시간이 지난 후에 도핑 집중 현상(doping concentration)이 떨어지는 현상에 대해서 벗어날 수 있게 한다.
본 발명에서의 그래핀 배리스터를 이용하는 반도체 소자(100)는 그래핀이 Metal/Insulator/Graphene 구조에서 metal에 전압이 인가됨에 따라 그래핀에 전기장(E-field)이 인가되는데, 인가되는 전기장에 따라 일함수가 바뀌는 그래핀의 고유의 특성을 이용하여 반도체 소자의 on/off를 결정할 수 있게 한다.
그리하여, 그래핀 배리스터의 전기장에 의하여 그래핀의 일함수가 바뀌는 특성을 LED 및 OLED의 전극에 적용시켜 시간이 지남에도 본연의 일함수를 유지할 수 있게 한다. 즉, 전기장을 조절하여 자유롭게 그래핀의 일함수를 조절할 수 있는 새로운 개념의 전극을 가진 LED 및 OLED를 제공한다.
다음으로 도 2를 참조하면, 본 발명의 일함수 조절이 가능한 그래핀 배리스터를 포함하는 반도체 소자의 다른 실시예는 OLED 조립체의 형태일 수 있다.
OLED 조립체로서의 반도체 소자(200)는 최상부에 배치되는 캐소드 단자(210), 캐소드 단자(210)의 하단부에 접한 상태의 OLED 레이어(220), OLED 레이어(220)에 접하는 상태로 배치되는 그래핀(230), 그래핀(230)의 상단 일측에 배치되는 애노드 단자(260), 그래핀(230)의 하단부에 배치되는 절연체(240), 절연체(240)의 하단에 배치되는 게이트 전극(250) 및 게이트 전극(250)의 하단에 배치되는 동시에 반도체 소자(100)의 최하부를 구성하는 기판(20)을 포함한다. 여기에서, 상기 기판(20)은 투명 기판인 것이 바람직하다.
상기 반도체 소자(200)에서 본 발명의 핵심을 이루는 그래핀(230), 절연체(240) 및 게이트 전극(250)의 적층 형태는 상부에서부터 차례로 그래핀(graphene)-절연체(insulator)-게이트 금속(Gate metal)의 구조로 배치됨으로써 OLED 조립체의 애노드 구조체로서의 일 형태를 이루게 된다. 이를 통해 OLED 조립체의 전극으로 사용하여 자유 일함수 조절이 가능하게 한다. 여기에서도, 그래핀(230)은 OLED 레이어와 절연체(240) 사이에 배치된 형태를 가짐으로써 그래핀이 외부에 노출되지 않는 상태를 유지한다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 그래핀 배리스터에서 사용된 전기장 값에 따라 일함수가 변하는 그래핀의 고유의 특성을 LED 또는 OLED의 발광 장치에 적용시켜 자유로운 일함수 조절이 가능하게 하고, 그래핀 전극이 공기 중에 노출되지 않게 함으로써 시간 경과 여부에 관계없이 그래핀 전극 본연의 특성을 잘 유지할 수 있게 한다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정의 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

Claims (5)

  1. 그래핀을 포함하는 제1 단자 구조체;
    상기 제1 단자 구조체에 결합되는 발광 레이어;
    상기 발광 레이어에 결합되는 제2 단자 구조체; 및
    상기 제1,2 단자 구조체 중 어느 하나의 단자 구조체에 접하는 기판;을 포함하고,
    상기 제1 단자 구조체는 게이트 단자, 절연체, 및 상기 그래핀이 순서대로 적층된 구조로서, 상기 그래핀은 상기 제1 단자 구조체 및 상기 발광 레이어 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는,
    반도제 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 단자 구조체는 애노드 단자를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    반도제 소자.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 단자 구조체와 제2 단자 구조체는 서로 상이한 일함수를 갖는 전극을 갖는 것을 특징으로 하는,
    반도제 소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 발광 레이어는 LED 또는 OLED인 것을 특징으로 하는,
    반도제 소자.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 기판는 투명 기판인 것을 특징으로 하는,
    반도제 소자.
PCT/KR2014/006499 2014-01-29 2014-07-17 일함수 조절이 가능한 그래핀 배리스터를 포함하는 반도체 소자 WO2015115708A1 (ko)

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