(57)【要約】【課題】グラフェン素子及びこれを備える電子機器を提供する。【解決手段】活性層と、活性層と当接し、活性層に電流の移動経路を提供するグラフェン層と、グラフェン層と離隔配置され、印加された電圧のサイズによってグラフェン層の仕事関数を調節する第１電極と、を備えるグラフェン素子。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ソース、ゲート及びドレインを含むトランジスタと、
キャリアの移動可能な活性層と、
前記ゲートと前記活性層との間に配置され、前記活性層の電極の役割と前記トランジスタのチャネル層の役割とを同時に行うグラフェン層と、を備えるグラフェン素子。
【請求項２】
前記グラフェン層は、前記ソース及びドレインのうちいずれか一つと当接しつつ前記ソース及びドレインのうち他の一つと離隔配置される請求項１に記載のグラフェン素子。
【請求項３】
前記活性層と当接し、前記グラフェン層との電圧によって前記活性層に電界を形成する活性電極をさらに備える請求項１に記載のグラフェン素子。
【請求項４】
前記ソース及びドレインのうちいずれか一つが前記活性電極である請求項３に記載のグラフェン素子。
【請求項５】
前記ゲートに印加される電圧によって前記グラフェン層の仕事関数が変わる請求項１に記載のグラフェン素子。
【請求項６】
前記ゲートに印加される電圧によって前記グラフェン層と前記活性層との間のエネルギーバリアが変わる請求項１に記載のグラフェン素子。
【請求項７】
前記活性層は、
光を放出する発光層を備える請求項１に記載のグラフェン素子。
【請求項８】
前記活性層は、
光と反応して光電変換する光伝導層をを備える請求項１に記載のグラフェン素子。
【請求項９】
活性層と、
前記活性層と当接し、前記活性層に電流の移動経路を提供するグラフェン層と、
前記グラフェン層と離隔配置され、印加された電圧のサイズによって前記グラフェン層の仕事関数を調節する第１電極と、を備えるグラフェン素子。
【請求項１０】
前記活性層と当接し、前記活性層に電流の移動経路を提供する第２電極をさらに備える請求項９に記載のグラフェン素子。
【請求項１１】
前記グラフェン層は、トランジスタのチャネルであり、前記第１電極は、前記トランジスタのゲートである請求項９に記載のグラフェン素子。
【請求項１２】
前記グラフェン層と当接し、前記グラフェン層に電流の移動経路である第３電極をさらに備える請求項９に記載のグラフェン素子。
【請求項１３】
前記第３電極は、トランジスタのソースまたはドレイン電極である請求項１２に記載のグラフェン素子。
【請求項１４】
前記活性層から前記グラフェン層に移動するキャリアと、前記第２電極に移動するキャリアとの極性が互いに逆である請求項９に記載のグラフェン素子。
【請求項１５】
前記グラフェン層に移動するキャリアの極性は、前記第１電極に印加される電圧の極性によって異なる請求項１４に記載のグラフェン素子。
【請求項１６】
前記電圧が正極性ならば、前記グラフェン層に移動するキャリアは電子であり、
前記電圧が負極性ならば、前記グラフェン層に移動するキャリアは正孔である請求項１５に記載のグラフェン素子。
【請求項１７】
前記第１電極に印加される電圧によって、前記グラフェン層と前記活性層との間のエネルギーバリアが変わる請求項９に記載のグラフェン素子。
【請求項１８】
前記グラフェン層は、
前記仕事関数が大きいほど前記活性層への正孔の移動が容易である請求項９に記載のグラフェン素子。
【請求項１９】
前記グラフェン層は、
前記仕事関数が小さいほど前記活性層への電子の移動が容易である請求項９に記載のグラフェン素子。
【請求項２０】
前記活性層は、
前記第１電極と少なくとも一部領域とが重なる請求項９に記載のグラフェン素子。
【請求項２１】
前記グラフェン層と当接する半導体層をさらに備える請求項９に記載のグラフェン素子。
【請求項２２】
前記半導体層は、
前記グラフェン層と前記活性層との間に配置される請求項２１に記載のグラフェン素子。
【請求項２３】
前記活性層は、
光を放出する発光層を備える請求項９に記載のグラフェン素子。
【請求項２４】
前記グラフェン素子は、発光素子である請求項２３に記載のグラフェン素子。
【請求項２５】
前記活性層は、
光と反応して光電変換する光伝導層を備える請求項９に記載のグラフェン素子。
【請求項２６】
前記グラフェン素子は、検出素子である請求項２５に記載のグラフェン素子。
【請求項２７】
請求項９に記載のグラフェン素子を一つ以上備える電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、グラフェンを含むグラフェン素子及びこれを備える電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコン基板の半導体素子は、速い速度で高集積化及び高性能化されてきた。しかし、シリコンの物質自体の特性及び製造工程の限界のため半導体素子の性能向上に限界がある。これによって、シリコン基板の半導体素子の限界を乗り越える次世代素子に関する研究が進みつつある。
【０００３】
グラファイト単原子層に分離されたグラフェンが見つけられた以後、電気的、機械的に優れた特性によって多くの分野で次世代素材として注目されている。グラフェンは、炭素原子が平面に６角形に連結されている物質であり、その厚さが原子の一層に過ぎないほど薄い。半導体として主に使う単結晶シリコンより１００倍以上速く電気を通し、理論的に移動度が２００，０００ｃｍ２／Ｖｓである。銅より１００倍多い電気を流しても問題がないと知られており、電子回路の基礎素材として注目されている。
【０００４】
前記グラフェンを含む素子の研究が進行中である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、グラフェン層がデュアル機能を行えるグラフェン素子を提供することである。
【０００６】
本発明が解決しようとするさらに他の課題は、前記グラフェン素子を備える電子機器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一実施形態によるグラフェン素子は、活性層と、前記活性層と当接し、前記活性層に電流の移動経路を提供するグラフェン層と、前記グラフェン層と離隔配置され、印加された電圧のサイズによって前記グラフェン層の仕事関数を調節する第１電極と、を備える。
【０００８】
また、前記活性層と当接し、前記活性層に電流の移動経路を提供する第２電極をさらに備える。
【０００９】
また、前記グラフェン層は、トランジスタのチャネルであり、前記第１電極は、前記トランジスタのゲートである。
【００１０】
また、前記グラフェン層と当接し、前記グラフェン層に電流の移動経路である第３電極をさらに備える。
【００１１】
また、前記第３電極は、トランジスタのソースまたはドレイン電極である。
【００１２】
また、前記活性層から前記グラフェン層に移動するキャリアと、前記第２電極に移動するキャリアとの極性が互いに逆である。
【００１３】
また、前記グラフェン層に移動するキャリアの極性は、前記第１電極に印加される電圧の極性によって異なる。
【００１４】
また、前記電圧が正極性ならば、前記グラフェン層に移動するキャリアは電子であり、前記電圧が負極性ならば、前記グラフェン層に移動するキャリアは正孔である。
【００１５】
また、前記第１電極に印加される電圧によって、前記グラフェン層と前記活性層との間のエネルギーバリアが変わる。
【００１６】
また、前記グラフェン層は、前記仕事関数が大きいほど前記活性層への正孔の移動が容易である。
【００１７】
また、前記グラフェン層は、前記仕事関数が小さいほど前記活性層への電子の移動が容易である。
【００１８】
また、前記活性層は、前記第１電極と少なくとも一部領域とが重なる。
【００１９】
また、前記グラフェン層と当接する半導体層をさらに備える。
【００２０】
また、前記半導体層は、前記グラフェン層と前記活性層との間に配置される。
【００２１】
また、前記活性層は、光を放出する発光層を備える。
【００２２】
また、前記グラフェン素子は、発光素子である。
【００２３】
また、前記活性層は、光と反応して光電変換する光伝導層を備える。
【００２４】
また、前記グラフェン素子は、検出素子である。
【００２５】
一方、一実施形態による電子機器は、前記のグラフェン素子を一つ以上備える。
【００２６】
他の実施形態によるグラフェン素子は、ソース、ゲート及びドレインを含むトランジスタと、キャリアの移動可能な活性層と、前記ゲートと前記活性層との間に配置され、前記活性層の電極の役割と前記トランジスタのチャネル層の役割とを同時に行うグラフェン層と、を備える。
【００２７】
また、前記グラフェン層は、前記ソース及びドレインのうちいずれか一つと当接しつつ前記ソース及びドレインのうち他の一つと離隔配置される。
【００２８】
また、前記活性層と当接し、前記グラフェン層との電圧によって前記活性層に電界を形成する活性電極をさらに備える。
【００２９】
また、前記ソース及びドレインのうちいずれか一つが前記活性電極である。
【００３０】
また、前記ゲートに印加される電圧によって前記グラフェン層の仕事関数が変わる。
【００３１】
また、前記ゲートに印加される電圧によって前記グラフェン層と前記活性層との間のエネルギーバリアが変わる。
【００３２】
また、前記活性層は、光を放出する発光層を備える。
【００３３】
また、前記活性層は、光と反応して光電変換する光伝導層をを備える。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】一実施形態によるグラフェン素子の概略的な断面図である。
【図２】他の実施形態によるグラフェン素子の概略的な断面図である。
【図３】他の実施形態によるグラフェン素子の概略的な断面図である。
【図４】他の実施形態によるグラフェン素子の概略的な断面図である。
【図５】さらに他の実施形態によるグラフェン素子の概略的な断面図である。
【図６】さらに他の実施形態によるグラフェン素子の概略的な断面図である。
【図７】一実施形態による発光素子として用いられるグラフェン素子を示す図面である。
【図８】一実施形態によるゲートの印加電圧によるグラフェン層の仕事関数の変化を理論的に示す図面である。
【図９】一実施形態によるゲートの印加電圧によるドレイン電流の変化を測定した結果を示すグラフである。
【図１０】一実施形態によるゲートの印加電圧による発光層での発光率を実験した結果を示すグラフである。
【図１１】図７の発光素子が前面発光方式で動作する時を示す図面である。
【図１２】図７の発光素子が背面発光方式で動作する時を示す図面である。
【図１３】一実施形態による背面発光方式で動作する複数の発光素子を備える表示装置を示す図面である。
【図１４】一実施形態による背面発光方式で動作する複数の発光素子を備える表示装置を示す図面である。
【図１５】一実施形態による背面発光方式で動作する複数の発光素子を備える表示装置を示す図面である。
【図１６】一実施形態による検出素子として動作するグラフェン素子を概略的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下、添付した図面を参照して、開示されたグラフェン素子及びこれを備える電子装置について詳細に説明する。
【００３６】
図１は、一実施形態によるグラフェン素子を概略的な断面図である。
【００３７】
図１に示されたように、グラフェン素子１００は、ソースＳ、ゲートＧ及びドレインＤを含むトランジスタ１０、キャリアの移動可能な活性層２０、及びゲートＧと活性層２０との間に配置され、活性層２０の電極の役割及びトランジスタ１０のチャネル層の役割を行うグラフェン層３０を備える。また、グラフェン素子１００は、活性層２０と当接し、グラフェン層３０との電圧によって活性層２０に電界を形成する活性電極７０をさらに備える。ここで、キャリアの移動は、電流の移動を意味する。そして、キャリア、すなわち、電流が移動する活性層２０、グラフェン層３０、活性電極７０またはその外の電極は、‘電流の移動経路を提供する’と表現する。
【００３８】
前記グラフェン素子１００は、基板４０上に配置されるが、基板４０は、ＳｉＯ２を主成分とする透明なガラス材質からなる。基板４０は、必ずしもこれに限定されるものではなく、透明なプラスチック材質で形成してもよい。この時、基板４０を形成するプラスチック材質は、多様な有機物のうち選択された一つ以上である。
【００３９】
基板４０上にバッファ膜５０がさらに形成される。バッファ膜５０は、基板４０を通じる不純元素の浸透を防止して基板４０の上部に平坦な面を提供するものであり、このような役割を行える多様な物質で形成される。一例として、バッファ膜５０は、酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコン、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化チタンまたは窒化チタンなどの無機物やポリイミド、ポリエステル、アクリルなどの有機物を含み、例示した材料のうち複数の積層体で形成される。また、バッファ膜５０は必須構成要素ではないので、工程条件によって省略されてもよい。
【００４０】
バッファ膜５０上には、ソースＳ、ゲートＧ及びドレインＤがそれぞれ離隔して配置される。ソースＳ、ゲートＧ及びドレインＤは、伝導性物質で形成される。例えば、金属物質または伝導性酸化物で形成される。ソースＳ、ゲートＧ及びドレインＤは、同じ平面上に形成される。例えば、ソースＳ、ゲートＧ及びドレインＤは、バッファ膜５０または基板４０上に同時に形成できるため、製造方法が容易である。
【００４１】
ゲートＧとソースＳ、ゲートＧとドレインＤとの間の電気的通電を防止するために、バッファ膜５０上にゲートＧを覆う絶縁層６０が配置される。前記絶縁層６０は、無機絶縁層であるＺｒＯ２、ＴｉＯ２、ＭｇＯ、ＣｅＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＨｆＯ２、ＮｂＯ、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４及び有機絶縁層であるポリ（ビニルフェノール）（ＰＶＰ）、ポリ（メチル−メタクリレート）（ＰＭＭＡ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、そしてベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）及び有機無機ハイブリッドのうち少なくとも一つを含む絶縁物質で形成される。
【００４２】
一方、絶縁層６０のうちゲートＧと対応する領域上には、グラフェン層３０が配置される。グラフェンは構造的、化学的に非常に安定的であり、光吸収特性と光を熱に変換させる效率及び熱伝逹特性に優れた物質である。グラフェン層３０は、化学気相蒸着（ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＣＶＤ）で製造されたグラフェンが転写された後、パターニングされて形成される。または、グラファイトからの化学的薄利によってグラフェンを薄膜化して使える。
【００４３】
前記グラフェン層３０は、ソースＳ及びドレインＤのうちいずれか一つと当接しつつ、ソースＳ及びドレインＤのうち他の一つと離隔配置される。例えば、グラフェン層３０は、ソースＳ側に延びてソースＳと当接し、ドレインＤと離隔して配置される。一実施形態によるグラフェン層３０は、キャリアが移動する通路であり、トランジスタ１０のチャネル層の役割を行える。
【００４４】
また、活性電極７０は、グラフェン層３０間の電圧によって活性層２０に電界を形成する。前記活性電極７０は、ドレインＤと電気的に連結される。前記活性電極７０も、金属物質または伝導性酸化物で形成される。図１には、ドレインＤと活性電極７０とが別途の層で形成され、ドレインＤと活性電極７０とが当接することで電気的に連結されると示されているが、これに限定されるものではない。ドレインＤ自体が活性電極７０になる。この時には、活性電極７０が別途に必要ではない。
【００４５】
活性層２０は、グラフェン層３０と前記活性電極７０との間の電界によって光を発生させるか、または光を吸収する。一実施形態によるグラフェン素子１００をいかなる素子として活用するかによって活性層２０の物質が変わる。例えば、活性層２０は発光層、光伝導層などを含む。活性層２０については後述する。
【００４６】
一方、グラフェン層３０と活性層２０との間のエネルギーバリアは、ゲートＧに印加される電圧によって調節される。例えば、グラフェン層３０は、ゲートＧに印加される電圧によって仕事関数が変わり、グラフェン層３０と活性層２０との間のエネルギーバリアが調節される。
【００４７】
例えば、キャリアが正孔である場合、ドレインＤに所定の電圧が印加された状態（ドレインに電荷（負電荷）を注入し、ソースは接地した状態）でゲートＧ電圧に負電圧−Ｖｇが印加されれば、グラフェン層３０に正孔が誘導されて仕事関数が増加する。グラフェン層３０の仕事関数の増加は、グラフェン層３０と活性層２０との間のエネルギーバリアが小くなるので、正孔は活性層２０に容易に移動する。
【００４８】
一方、ソースＳ及びドレインＤに所定の電圧が印加された状態で、ゲートＧ電圧に所定の正電圧＋Ｖｇが印加されれば、グラフェン層３０に電子が誘導されてグラフェン層３０の仕事関数が減少する。グラフェン層３０の仕事関数の減少は、グラフェン層３０と活性層２０との間のエネルギーバリアを大きくするので、正孔は活性層２０に容易に移動し難くなる。
【００４９】
負電圧が大きくなるほど活性層２０に移動可能な正孔数は増加し、電圧が基準電圧以上ならば、正孔は活性層２０に移動する。したがって、グラフェン層３０は、トランジスタ１０のチャネル層の役割を行うだけではなく、活性層２０の電極の役割も行える。
【００５０】
一方、一実施形態によるグラフェン素子１００は、半導体層をさらに備える。図２は、他の実施形態によるグラフェン素子の概略的な断面図である。図２に示されたように、グラフェン素子１０１は、グラフェン層３０と当接する半導体層８０をさらに備える。前記半導体層８０は、グラフェン層３０と活性層２０との間に配置される。または、グラフェン層３０と活性層２０との間に半導体層８０が形成される時、半導体層８０と活性層２０との間にさらに電極層（図示せず）が配置され、活性層への正孔投入を助けることもできる。
【００５１】
半導体層８０は、多様な半導体物質で形成される。例えば、シリコン、ゲルマニウム、シリコン−ゲルマニウム、ＩＩＩ−Ｖ族半導体物質またはＩＩ−ＶＩ族半導体、有機半導体などで形成され、ｎ型またはｐ型不純物でドーピングされる。不純物の種類は、キャリア種類（例えば、電子または正孔）によって定められる。前記半導体層８０は、グラフェン層の界面特性向上などグラフェン素子の物性向上のためにグラフェンと接触する要素の材料選択性を広げる役割を行える。
【００５２】
図３及び図４は、他の実施形態によるグラフェン素子の概略的な断面図である。図３に示されたように、グラフェン素子１０２は、グラフェン層３０と活性層２０との間に注入層９０をさらに備える。注入層９０は、偏極チャネル（ｐｏｌａｒｉｚｅｄ  ｃｈａｎｎｅｌ）であり、下部層、例えば、グラフェン層３０または半導体層８０の粗度を補い、活性層２０への正孔または電子の注入を制御する。前記注入層９０は、銅フタロシアニンなどのフタロシアニン化合物またはスターバースト型アミン類であるＴＣＴＡ、ｍ−ＭＴＤＡＴＡ、ｍ−ＭＴＤＡＰＢ、ＬｉＦ、ＮａＣｌ、ＣｓＦ、Ｌｉ２Ｏ、ＢａＯ、Ｌｉｑなどの物質を用いて形成する。または、図４に示されたように、グラフェン素子１０３は、半導体層８０及び注入層９０をいずれも備えてもよい。
【００５３】
図３及び図４では、注入層９０を活性層と異なる層に区分して説明した。しかし、これに限定されるものではない。活性層内に注入層９０が備えられてもよい。
【００５４】
一実施形態で活性電極７０及びドレインＤを別途の構成要素であると区分したが、これは説明の便宜のためのものである。活性電極７０及びドレインＤは、同じ伝導性物質で形成され、一層が活性電極７０及びドレインＤの役割を行ってもよい。図５は、さらに他の実施形態によるグラフェン素子の概略的な断面図である。図５に示されたように、ドレインＤが活性層２０上に配置される。よって、ドレインＤは、活性層２０の活性電極７０の役割も行う。
【００５５】
図６は、さらに他の実施形態によるグラフェン素子の概略的な断面図である。図６に示されたように、ゲートＧ及びドレインＤは同一層に形成されなくてもよい。また、グラフェン層３０全体がゲートＧの上部に形成されてもよい。それだけではなく、ゲートＧ自体がグラフェン素子１０５の基板になってもよい。具体的に、ゲートＧ、ゲートＧ上に絶縁層６０が配置され、前記絶縁層６０上にソースＳ及びグラフェン層３０が配置される。ソースＳとグラフェン層３０とは互いに当接する。そして、グラフェン層３０上に活性層２０が形成され、活性層２０上にドレインＤが形成される。ゲートＧは、活性層２０及びドレインＤと離隔して配置される。
【００５６】
一層が活性電極７０及びドレインＤの役割を行うグラフェン素子１０５も、図２ないし図４に示されたグラフェン素子１０１、１０２、及び１０３と同様に、半導体層及び注入層のうち少なくとも一つをさらに備える。
【００５７】
前記グラフェン素子１００は、多様な電子機器に素子として活用される。例えば、グラフェン素子１００は、発光素子として活用される。例えば、グラフェン素子は、発光素子であり、有機発光素子であっても、ＧａＮ基板発光素子であってもよい。図７は、一実施形態による発光素子として用いられるグラフェン素子を示す図面である。図７を図１と比べれば、図７に示された発光素子２００の活性層２１は、光を発生させる発光層２１ａを備える。発光層２１ａに電子及び正孔が流入されれば、対をなしてから消滅しつつ光を発生させる。前記光は、可視光線である。発光層２１ａは、ホスト物質及びドーパント物質を含む。例えば、緑色（ｇｒｅｅｎ）発光の場合、ホストとしてトリス（８−ヒドロキシキノレート）アルミニウム（Ａｌｑ３）を、不純物（ｄｏｐａｎｔ）としてＭＱＤ（Ｎ−メチルキナクリドン）またはクマリン誘導体を１〜２％ドーピングして発光層が形成される。また青色発光の場合には、ホストとしてＰＢＤ、ＤＰＶＢｉのような物質を使い、不純物としては、ペリレン、クマリン、ピレンのような物質をドーピングして発光層が形成される。
【００５８】
また、場合によって、活性層２１は、正孔注入層（ＨＩＬ：Ｈｏｌｅ  Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ  Ｌａｙｅｒ）、正孔輸送層（ＨＴＬ：Ｈｏｌｅ  Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ  Ｌａｙｅｒ）、電子輸送層（ＥＴＬ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ  Ｌａｙｅｒ）、電子注入層（ＥＩＬ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｌａｙｅｒ）のうち少なくとも一層をさらに備える。正孔注入層（ＨＩＬ）は、銅フタロシアニンなどのフタロシアニン化合物またはスターバースト型アミン類であるＴＣＴＡ、ｍ−ＭＴＤＡＴＡ、ｍ−ＭＴＤＡＰＢなどで形成する。正孔輸送層（ＨＴＬ）は、Ｎ，Ｎ’−ビス（３−メチルフェニル）−Ｎ，Ｎ’−ジフェニル−［１，１−ビフェニル］−４，４’−ジアミン（ＴＰＤ）、Ｎ，Ｎ’−ジ（ナフタレン−１−イル）−Ｎ，Ｎ’−ジフェニルベンジジン（α−ＮＰＤ）などで形成される。電子注入層（ＥＩＬ）は、ＬｉＦ、ＮａＣｌ、ＣｓＦ、Ｌｉ２Ｏ、ＢａＯ、Ｌｉｑなどの物質を用いて形成する。電子輸送層（ＥＴＬ）は、Ａｌｑ３を用いて形成する。
【００５９】
または、活性層２１は、ＧａＮ及び多重量子ウェル層（Ｍｕｌｔｉ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ：ＭＱＷ）などを備える。
【００６０】
図７のトランジスタ１０、グラフェン層３０及び活性電極７０は、図１のトランジスタ１０、グラフェン層３０及び活性電極７０と同一であるため、具体的な説明は略する。図２ないし図６のグラフェン素子も発光素子として用いられるということはいうまでもない。そして、図７には示されていないが、活性電極７０上に封止部材（図示せず）が形成される。封止部材は、有機物または無機物を用いて形成する。
【００６１】
発光素子のグラフェン層３０は、トランジスタ１０のチャネル層の役割を行うだけではなく、活性層２０の電極の役割を行える。すなわち、ゲートＧの印加電圧によってグラフェン層３０の仕事関数が変わり、グラフェン層３０の仕事関数の変化に応じて、活性層２０は光を放出しても、放出しなくてもよい。
【００６２】
発光素子でグラフェン層３０を用いれば、トランジスタ１０と活性層２０とを重ねて配置、すなわち、トランジスタ１０と活性層２０とを垂直に配置させることができるため、開口率を高められる。
【００６３】
図８は、一実施形態によるゲートの印加電圧によるグラフェン層の仕事関数の変化を理論的に示す図面である。グラフェン層と当接する活性層として、正孔注入層（ＨＩＬ）を例示的に配置させた。
【００６４】
例えば、ゲートＧに電圧が印加されていない状態で、グラフェン層３０の仕事関数は約４．４ｅＶになる。そして、活性層中の正孔注入層（ＨＩＬ）の仕事関数は、約５．４ｅＶになる。ここで、正孔注入層は、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳで形成される。
【００６５】
キャリアが正孔である場合、ソース及びドレインに所定の電圧が印加された状態でゲート電圧に所定の正電圧＋Ｖｇを印加すれば、グラフェン層には電子が誘導されてグラフェン層３０の仕事関数が減少する。したがって、伝導可能な正孔の数が低減し、正孔注入層への正孔の移動が困難になる。よって、活性層に供給される電流の量が低減する。
【００６６】
一方、ソース及びドレインに所定の電圧が印加された状態で、ゲート電圧に負電圧−Ｖｇを印加すれば、グラフェン層３０には正孔の数が多くなって仕事関数が増加する。よって、伝導可能な正孔の数が多くなって活性層に供給される電流の量が増加する。ゲートに印加された負電圧が低くなるほど電流の供給量は大きくなる。前記のような原理で発光層のターンオン電圧（すなわち、発光層で光を発生させるための電圧）の調節が可能であり、グラフェン層は、トランジスタのチャネルの役割を行うだけではなく、活性層の電極の役割を行う。
【００６７】
図８では、グラフェン層３０がアノード電極の役割を行うとされているが、これに限定されるものではない。グラフェン層３０は、カソード電極の役割も行える。このような場合、活性層２０内の物質層の配置順序も変わり、ソースＳとドレインＤとの間の電圧も変わる。そして、ゲートＧの正電圧値で発光量を調節する。
【００６８】
ゲート電圧によるドレイン電流の変化及び発光層の発光率を確認するために、グラフェン層上にＰＥＤＯＴ：ＰＳＳを正孔注入層として形成した。図９は、一実施形態によるゲートの印加電圧によるドレイン電流の変化を測定した結果であり、図１０は、一実施形態によるゲートの印加電圧による発光層での発光率を実験した結果である。
【００６９】
図９に示されたように、ソースとドレインとの間に一定の電圧を印加した状態で、負のゲート電圧が大きいほどドレインに流れる電流が大きいことが分かる。そして、図１０に示されたように、ドレイン電圧が略−５Ｖの時、ゲート電圧のサイズを変化させれば、発光層の発光をオンまたはオフさせる。これは、ゲート電圧の変化に従って正孔の移動速度が変わるからである。
【００７０】
また前記発光素子は、前面発光方式で動作してもよく、背面発光方式で動作してもよい。これは、活性電極７０及びゲートＧを投光性のある物質で形成するかどうかによって定められる。
【００７１】
図１１は、図７の発光素子が前面発光方式で動作する時を示す図面であり、図１２は、図７の発光素子が背面発光方式で動作する時を示す図面である。
【００７２】
発光素子２００ａが前面発光方式で動作するために、活性電極７０は、透明金属酸化物、例えば、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）、ＡＺＯ（Ａｌｕｍｉｎｉｕｍ  Ｚｉｎｃ  Ｏｘｉｄｅ）、ＩＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｚｉｎｃ  Ｏｘｉｄｅ）、ＳｎＯ２（Ｔｉｎ  ｏｘｉｄｅ）またはＩｎ２Ｏ３などで形成される。そして、ゲートＧは、不透明で反射率の高い伝導性物質で形成される。例えば、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ａｌ、Ａｕのうち少なくとも一つを含む金属物質である。ソースＳ及びドレインＤも、ゲートＧと同じ物質で形成される。それだけではなく、光が放出される方向に反射層（図示せず）がさらに配置されてもよい。
【００７３】
そして、発光素子２００ｂが背面発光方式で動作するために、ゲートＧは、透明金属酸化物、例えば、ＩＴＯ、ＡＺＯ、ＩＺＯ、ＳｎＯ２またはＩｎ２Ｏ３などで形成される。ソースＳ及びドレインＤも、ゲートＧと同じ物質で形成される。そして、活性電極７０は、不透明で反射率の高い伝導性物質で形成される。例えば、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ａｌ、Ａｕのうち少なくとも一つを含む金属物質である。それだけではなく、光が放出される方向に反射層（図示せず）がさらに配置されてもよい。
【００７４】
前記発光素子は、表示装置に適用される。発光層に蛍光物質または燐鉱物質を加えて青色、緑及び赤色光を放出してもよく、青色、緑色及び赤色のカラーフィルタまたは色変換物質を用いて青色、緑及び赤色光を放出してもよい。
【００７５】
図１３ないし図１５は、一実施形態による背面発光方式で動作する複数の発光素子を備える表示装置を示す図面である。
【００７６】
図１３に示されたように、表示装置３００ａは、アレイされた複数の発光素子２００Ｒ、２００Ｇ、２００Ｂを備える。例えば、表示装置３００ａは、第１素子２００Ｒ、第２素子２００Ｇ、第３素子２００Ｂを備え、第１素子２００Ｒは、前述した例のうち一つの発光素子であり、第１カラーを発光する活性層２０を備え、第２素子２００Ｇは、前述した例のうち一つの発光素子であり、第２カラーを発光する活性層２０を備え、第３素子２００Ｂは、前述した例のうち一つの発光素子であり、第３カラーを発光する活性層を備えるように構成される。前記第１カラー、第２カラー、第３カラーは、それぞれ赤色、緑色、青色である。第１素子２００Ｒ、第２素子２００Ｇ、第３素子２００Ｂそれぞれは、映像情報によってトランジスタ１０駆動が制御されて特定色を放出する。
【００７７】
また、表示装置３００ｂは、図１４に示されたように、アレイされた複数の発光素子２００Ｗ及びカラー表示のためのカラーフィルタ２１０を備える。発光素子２００Ｗは、前記発光素子のうちいずれか一つまたはこれらの変形例が採用される。複数の発光素子２００Ｗは、ホワイトカラーを発光する活性層を備え、複数の発光素子にそれぞれ対応するカラー領域Ｒ、Ｇ、Ｂを持つカラーフィルタ２１０Ｒ、２１０Ｇ、２１０Ｂが配置される。
【００７８】
それだけではなく、図１５に示されたように、複数の発光素子２００Ｂは、ホワイトカラーではない特定カラーを発光する活性層を備え、各発光素子に対応するカラー領域それぞれには、特定カラーを青色、緑及び赤色光に変形する物質が配置される。例えば、複数の発光素子は、青色光を発光する活性層を備え、カラー領域には透明層２２０Ｂ、青色光を緑光に変形する第１変形層２２０Ｇ及び青色光を赤色光に変形する第２変形層２２０Ｒを備える。
【００７９】
一実施形態によるグラフェン素子は、検出素子として機能する。図１６は、一実施形態による検出素子として動作するグラフェン素子を概略的に示す断面図である。図１６に示されたように、グラフェン素子４００は、ソースＳ、ドレインＤ及びゲートＧを含むトランジスタ１０、前記トランジスタ１０と離隔配置された活性層２２、活性層２２とトランジスタ１０との間に配置されてトランジスタ１０のチャネル層の役割及び前記活性層２２の電極の役割を行うグラフェン層３０、及び前記活性層２２に当接してグラフェン層３０との電圧印加による電界を活性層２２に印加する活性電極７０を備える。
【００８０】
検出素子での活性層２２は、磁極、例えば、光を吸収して電荷移動を発生させる物質で形成される。活性層２２は、光伝導物質を含む。例えば、光伝導物質は、ＺｎＴｅ、ＧａＳｅ、ＧａＡｓ、ＴｈＢｒ、ＴｌＢｒ、ＣｄＴｅ、Ｃｄ１−ｘＺｎｘＴｅ（ＣＺＴ）、ＰｂＯ、ＰｂＩ２及びＨｇＩ２のうちいずれか一つであるが、これらに限定されるものではない。
【００８１】
検出素子の検出方式は、次の通りである。活性電極７０に高電圧が印加されれば、活性層２２内に電界が形成される。次いで、光伝導層に光、例えば、Ｘ線が流入されれば、光伝導層の光伝導物質は光と反応して光電変換され、イオン化現象が発生する。よって、光伝導層内にはキャリア、すなわち、電子正孔対が生成される。電子と正孔とは、光伝導層内に形成された電界によって分離される。例えば、電子及び電荷は、反対極性を持つ電極に向かって移動する。例えば、活性電極７０に高電圧が印加された状態で、電子は活性電極７０に移動し、正孔はグラフェン層３０と当接している活性層２２の領域に移動する。そして、ゲートＧに印加される電圧のサイズによってグラフェン層３０の仕事関数が変わり、正孔はグラフェン層３０に移動してドレインＤを通じて増幅部（図示せず）に印加される。よって、検出素子は、光を検出する。すなわち、ゲートＧに正電圧が印加されれば、グラフェン層３０は電子が誘導されて仕事関数が低減する。グラフェン層３０のエネルギーレベルが活性層２２のエネルギーレベルより小くなれば、活性層２２内の正孔がグラフェン層３０に移動する。
【００８２】
図１６の検出素子も、検出性能を高めるためにグラフェン層に当接する半導体層をさらに備えてもよく、グラフェン層と活性層との間に注入層をさらに備えてもよい。検出素子として、Ｘ線検出素子について説明したが、これに限定されるものではない。可視光線の検出素子などにも適用できるということはいうまでもない。
【００８３】
前記で例示された活性層以外にも、熱電素子、圧電素子、化学またはバイオセンサーなどキャリアの移動によって特定機能を具現する素子に、本グラフェン素子の概念を適用してスイッチング機能を一体化させることができ、前記活性層の種類は例示されたものに限定されるものではない。開示されたグラフェン素子は、グラフェン層がデュアル機能を行うため構成要素が簡単になる。開示されたグラフェン素子に備えられたトランジスタの電極も、デュアル機能を行える。
【００８４】
特定の実施形態を図面に例示して詳細に説明したが、これらに限定されるものではなく、多様な変形が可能である。したがって、本発明の思想及び技術範囲に含まれるすべての変換、均等物ないし代替物は、権利範囲に含まれると理解されなければならない。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
本発明は、グラフェン素子及びこれを備える電子機器関連の技術分野に好適に用いられる。
【符号の説明】
【００８６】
１０  トランジスタ
２０  活性層
３０  グラフェン層
４０  基板
５０  バッファ膜
６０  絶縁層
７０  活性電極
１００  グラフェン素子
Ｓ  ソース
Ｇ  ゲート
Ｄ  ドレイン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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