10具有将电能转换成光能的性质时，光可以通过在石墨烯层GP10和第二 电极E20之间施加电压而在功能层F10中产生。根据此原理，可以实现发光器件（luminous device)或光发射器件，诸如发光二极管（LED)或激光二极管（LD)。因此，石墨烯器件可以 被认为是发光晶体管。根据施加到栅极G10的电压，可以控制功能层F10的发光特性或光 伏特性。因此，根据示例实施方式的石墨烯器件可以是其发光特性或光伏特性可以被容易 地控制的器件。
[0110] 根据用于形成功能层F10的材料，功能层F10的带隙可以被控制在宽的范围内。换 句话说，对应于功能层F10的带隙的光的波长可以从紫外线区域（约400nm或更小）到可见 光区域（约400至700nm)以及到红外线区域（例如，2000nm)变化。功能层F10的带隙可 以具有0.4至4eV的范围。通过增大功能层F10的厚度，可以容易地增大光吸收系数。当 功能层F10是2D材料时，可控制的带隙的宽度为相对小的。当2D材料不是单层时，可以形 成间接带隙。此外，当功能层F10是2D材料时，控制功能层F10的厚度不会是容易的。在 这方面，形成除了 2D材料之外的材料（体材料）的功能层F10在应用到光电子器件期间可 以是有利的。除了 2D材料之外的材料（也就是，非2D材料）也可以在容易制造和可应用 到大面积工艺的方面是有利的。
[0111] 根据示例实施方式，当使用石墨稀层GP10和功能层F10时，不仅可以实现在迀移 率、开关比等方面具有优良性能的开关器件（电子器件/晶体管），而且可以在开关器件 (电子器件/晶体管）的结构内实现具有各种功能（例如，存储器功能、压电功能和光电功 能）中的至少一种的多功能石墨烯器件。换句话说，根据示例实施方式的石墨烯器件可以 是具有开关器件（晶体管）的功能以及另一种器件（例如，存储器器件、压电器件或光电子 器件）的功能的多功能器件。石墨烯器件可以具有开关器件（晶体管）的功能和存储器器 件的功能两者、开关器件（晶体管）的功能和压电器件的功能两者、或开关器件（晶体管） 的功能和光电子器件的功能两者。替代地，石墨烯器件可以具有除开关器件（晶体管）的 功能之外的存储器器件的特性、压电器件的特性和光电子器件的特性中的至少两个，因为 功能层F10可以具有存储器特性、压电特性和光电转换特性中的至少一种。替代地，石墨烯 器件可以通过利用多个功能层而具有多个功能。这将在后面参照图16和图17更详细地描 述。
[0112] 如上所述，根据示例实施方式，可以实现在单个器件内具有多个功能的多功能器 件，因此可以具有各种优点。当使用具有单个功能的现有器件时，需要具有不同功能的多个 器件以实现要求各种功能的电子器件，也需要将多个器件连接到彼此。因此，在工艺和设计 方面产生各种困难。然而，由于根据示例实施方式的石墨烯器件通过利用单个器件实现多 种功能，所以在工艺和设计方面可以是非常有利的。
[0113] 根据其他的示例实施方式，可以对图1的石墨烯器件的结构进行各种变型。示例 变型在图2中示出。
[0114] 参照图2，石墨烯层GP11可以在基板SUB11上。第一电极El1可以在石墨烯层GP11 的第一区域上。第二电极E21可以在石墨烯层GP11的第二区域和基板SUB11之间。功能 层F11可以在第二电极E21和石墨烯层GP11之间。栅极绝缘层GI11和栅极G11可以顺 序地位于石墨稀层GP11的存在于功能层F11上的部分上。在功能层F11和石墨稀层GP11 之间的第一插入层Nil和在功能层F11和第二电极E21之间的第二插入层N21中的至少一 个可以可选地被包括在图2的石墨烯器件中。图2的石墨烯层GP11、功能层F11、第一电极 El1、第二电极E21、栅极G11、栅极绝缘层GI11、第一插入层Nl1和第二插入层N21的材料/ 特性可以分别与图1的石墨烯层GP10、功能层F10、第一电极E10、第二电极E20、栅极G10、 栅极绝缘层GI10、第一插入层N10和第二插入层N20相同或相似。基板SUB11可以包括绝 缘材料。根据需要，基板SUB11可以是柔性的或可拉伸的。
[0115]图2的结构可以被修改为图3的结构。图3是根据另一个示例实施方式的石墨烯 器件的截面图。
[0116] 参照图3,第二电极Ε2Γ可以在基板SUB11'上，功能层F11'可以覆盖第二电极 Ε2Γ。具有孔的绝缘层IL11'可以在功能层F11'上，功能层F11'的一部分（例如，中央部 分）经由该孔被暴露。石墨烯层GP11'可以在绝缘层IL11'和基板SUB11'的邻近于绝缘 层IL11'的部分上。石墨烯层GP11'可以接触功能层F11'的经由绝缘层IL11'的孔暴露 的部分。栅极绝缘层Gill'和栅极G11'可以顺序地位于石墨烯层GP11'的存在于第二电 极Ε2Γ上的部分上。尽管没有在图3中示出，但是第一插入层可以在功能层F11'和第二 电极Ε2Γ之间，第二插入层可以在功能层F11'和石墨稀层GP11'之间。
[0117]图2的结构也可以被修改为图4的结构。图4是根据另一个示例实施方式的石墨 烯器件的截面图。图4的结构可以通过增加绝缘层IL11"到图2的结构而获得。
[0118] 参照图4,绝缘层IL11〃可以在第一电极E11下面以支撑石墨烯层GP11"。绝缘 层IL11"可以在基板SUB11和石墨烯层GP11"之间并可以具有与功能层F11或第一插入层 Nil的高度相似的高度。绝缘层IL11"可以接触第二电极E21的侧表面和功能层F11的侧 表面。由于绝缘层IL11"，石墨烯层GP11〃可以具有平坦结构或相对平坦的结构。
[0119] 图5是根据另一个示例实施方式的石墨烯器件的截面图。根据本实施方式，功能 层F12可以主要地具有非易失性存储器特性或压电特性。
[0120] 参照图5,栅极绝缘层GI12和石墨烯层GP12可以顺序地在栅极GP12上。第一电 极E12可以在石墨烯层GP12的第一区域上。第二电极E22可以在石墨烯层GP12的第二区 域上。功能层F12可以在石墨烯层GP12和第二电极E22之间。功能层F12可以具有非易 失性存储器特性或压电特性。当功能层F12具有非易失性存储器特性时，根据本实施方式 的石墨烯器件可以是RRAM、FRAM或分子存储器（分子开关）的单元器件。例如，为了实现 RRAM，功能层F12可以包括TiOx、TaOx、NiOx、CuOx、石墨稀氧化物等。为了实现FRAM，功能 层F12可以包括钙钛矿材料诸如SrTi03、BaTi03SPZT。为了实现分子存储器（分子开关）， 功能层F12可以包括多稳态分子诸如轮烷。能量势皇可以形成在功能层F12和石墨烯层 GP12之间，功能层F12的电阻状态可以根据施加在第一电极E12和第二电极E22之间的电 压而改变。电阻状态可以根据施加到栅极G12的电压而具有两个或更多不同值。当功能层 F12具有压电特性时，根据本实施方式的石墨烯器件可以是由于由外部压力、应力等引起的 功能层F12的机械变形而在第一电极E12和第二电极E22之间产生电压的器件（S卩，压电器 件）。在这种情况下，功能层F12可以包括钙钛矿材料诸如PZT或可以包括ΤΜ0诸如ZnOx。 根据本实施方式，功能层F12可以包括2D材料。尽管没有在图5中示出，但是第一插入层 可以在功能层F12和石墨稀层GP12之间，第二插入层可以在功能层F12和第二电极E22之 间。
[0121] 图5的石墨烯器件可以用作光电子器件。为此，第二电极E22和栅极G12中的至少 一个可以由透明材料形成或包括透明材料。第一电极E12也可以由透明材料形成或包括透 明材料。图6示出当图5的石墨烯器件用作光电子器件时光L1入射在功能层F12上。尽 管在图6中未示出，但是功能层F12可以具有发光特性。
[0122] 图7是根据示例实施方式的石墨烯器件的截面图。根据本实施方式，功能层F13 可以包括相变材料，并且包括功能层F13的石墨烯器件可以具有相变存储器特性。
[0123] 参照图7,功能层F13可以在石墨烯层GP13和第二电极E23之间。功能层F13可 以包括相变材料。相变材料可以是硫族化物材料诸如Ge-Sb-Te或GeTe-Sb2Te3。在这种情 况下，加热电极H13可以进一步在功能层F13和第二电极E23之间。加热电极H13可以具 有比功能层F13和第二电极E23的每个的宽度小的宽度。加热电极H13可以被包括在绝缘 层IL13中。换句话说，绝缘层IL13可以在功能层F13和第二电极E23之间，将功能层F13 连接到第二电极E23的加热电极H13可以形成在绝缘层IL13内。加热电极H13可以具有 杆形或类似于杆形的形状。加热电极H13可以被包括以容易地加热功能层F13的一部分。 当功能层F13的接触加热电极H13的部分（在下文，称为第一区域）被加热到结晶温度或 更高时，结晶相在第一区域中生长，因此功能层F13的电阻可以减小。当第一区域的温度为 熔点或更高时，非晶相可以在第一区域中，因此，功能层F13的电阻可以增大。因而，当功能 层F13包括相变材料时，根据本实施方式的石墨烯器件可以变成PRAM的单元器件。图7的 栅极G13、栅极绝缘层GI13和第一电极E13可以与图1中的它们的对应物相同或相似。虽 然在图7中未示出，但是插入层可以在功能层F13和石墨烯层GP13之间。
[0124] 图7的石墨烯器件也可以用作光电子器件。为此，第二电极E23和栅极G13中的 至少一个可以由透明材料形成或包括透明材料。第一电极E13也可以由透明材料形成或包 括透明材料。图8示出当图7的石墨烯器件用作光电子器件时光L1入射在功能层F13上。 尽管在图8中未示出，但是功能层F13可以具有发光特性。
[0125] 图9是根据另一个示例实施方式的石墨烯器件的截面图。根据本实施方式的石墨 烯器件可以具有单极晶体管的特性。
[0126] 参照图9,石墨烯层GP14和第二电极E24之间的功能层F14可以是η型半导体 或Ρ型半导体。图9的栅极G14、栅极绝缘层GI14和第一电极Ε14可以与图1中的它们的 对应物相同或相似。当功能层F14是η型半导体时，功能层F14的电子亲合势（electron affinity)为约3. 0至约4. 5eV，因此具有从石墨稀的费米能级（约4. 5eV)向上的约1. 5eV 的差异。在这种情况下，石墨烯器件可以操作为η型晶体管。换句话说，当栅电压具有正值 时，石墨烯器件可以被导通。当功能层F14是ρ型半导体时，功能层F14的电子亲合势和带 隙之和为约4. 5至约6.OeV，因此具有从石墨稀的费米能级（约4. 5eV)向下的约1. 5eV的 差异。在这种情况下，石墨烯器件可以操作为P型晶体管。换句话说，当栅电压具有负值时， 石墨烯器件可以被导通。
[0127] 图9的石墨烯器件可以用作光电子器件。为此，第二电极E24和栅极G10中的至少 一个可以由透明材料形成或包括透明材料。第一电极E14也可以由透明材料形成或包括透 明材料。图10示出当图9的石墨烯器件用作光电子器件时光L1入射在功能层F14上。来 自外部源的光L1被功能层F14吸收，因此可以产生激子。电子和空穴被朝向第二电极E24 和石墨烯层GP14分离从而获得电信号。在这种情况下，电子和空穴的各自的移动特性可以 根据石墨烯层GP14、功能层F14和第二电极E24之间的能带结构而改变。根据本实施方式 的石墨烯器件可以具有光伏器件、光电探测器或光电晶体管的功能。根据本实施方式，石墨 烯层GP14和功能层F14可以形成单个沟道。根据用于形成功能层F14的材料，功能层F14 的带隙可以改变，对应于该带隙的光的波长也可以改变。光的波长可以具有例如约300nm 至约3000nm的范围。尽管没有示出，但是功能层F14可以具有发光特性。在这种情况下， 石墨烯器件可以用作发光器件。
[0128]图9和10的石墨烯器件中的功能层F14可以包括具有双极性半导体特性的材料。 在这种情况下，功能层F14可以具有η型半导体的特性和ρ型半导体的特性两者，石墨烯器 件可以操作为双极性晶体管。
[0129] 图11是根据示例实施方式的石墨烯器件的截面图。根据本实施方式的石墨烯器 件可以具有双极性晶体管的特性。
[0130] 参照图11，功能层F15可以包括横向地布置的多个层Π和f2。例如，功能层F15 可以包括横向地布置的第一层Π和第二层f2。第一层和第二层Π和f2中的一个可以是 η型半导体，另一个可以是p型半导体。图11示出第一层Π是η型半导体并且第二层f2 是P型半导体的情形。图11的栅极G15、栅极绝缘层GI15、石墨烯层GP15、第一电极E15和 第二电极E25可以与图1的它们的对应物相同或相似。
[0131] 图11的石墨烯器件可以操作为双极性器件。当正电压被施加到栅极G15并且期望 的电压或替代地预定的电压施加在第一电极（源极）E15和第二电极（漏极）E25之间时， 沟道可以在作为η型半导体的第一层Π中，同时石墨烯器件可以被导通。当负电压被施加 到栅极G15并且期望的电压或替代地预定的电压施加在第一电极（源极）Ε15和第二电极 (漏极）Ε25之间时，沟道可以在作为ρ型半导体的第二层f2中，同时石墨烯器件可以被导 通。为了图11的石墨烯器件操作为如上所述的双极性器件，小的电压可以施加在第一电极 E15和第二电极E25之间，正向泄漏电流可以是小的。
[0132] 图12示出图11的石墨烯器件用作光电子器件的情形。在图12中，第二电极E25 和栅极G15中的至少一个可以由透明材料形成或包括透明材料。第一电极E15也可以由透 明材料形成或包括透明材料。光L1入射在功能层F15上，因此可以产生电能。在图12的 实施方式中，由于功能层F15包括多个层，也就是第一层Π和第二层f2,所以能够被吸收的 光的范围可以变宽，可以增大光电转换效率。例如，能够被功能层F15吸收的光的范围可以 从紫外光到红外光。功能层F15可以包括横向地布置的三个或更多层。
[0133] 图13是根据示例实施方式的石墨烯器件的截面图。根据本实施方式的石墨烯器 件可以例如具有光电子器件的功能。
[0134] 参照图13,功能层F16可以包括垂直地堆叠在彼此上的多个层f10和f20。例如， 功能层F16可以包括垂直地堆叠的第一层Π0和第二层f20。第一层Π0和第二层f20中 的一个可以是P型半导体层，另一个可以是η型半导体层。图13示出第一层f10是ρ型半 导体并且第二层f20是η型半导体的情形。第一插入层N16可以在功能层F16和石墨烯 层GP16之间，第二插入层Ν26可以在功能层F16和第二电极Ε26之间。第一和第二插入层 Ν16和Ν26可以帮助电荷（电子/空穴）的输运。第一和第二插入层Ν16和Ν26可以是电 子传输层或空穴传输层并因此可以由有机半导体或无机半导体形成或包括有机半导体或 无机半导体。替代地，第一和第二插入层Ν16和Ν26可以由2D绝缘体诸如h-BN形成或包 括2D绝缘体诸如h-BN。在这种情况下，由于h-BN具有非常小的厚度，所以第一和第二插入 层N16和N26可以用作隧穿层。包括第一和第二插入层N16和N26可以是可选的。