近日，清華大學(xué)電子系寧存政團(tuán)隊(duì)首次將碰撞激子產(chǎn)生和發(fā)光機(jī)制引入到二維半導(dǎo)體材料發(fā)光器件中，實(shí)現(xiàn)了一種基于叉指電極結(jié)構(gòu)的無載流子注入的發(fā)光器件。不同于傳統(tǒng)的電注入發(fā)光器件結(jié)構(gòu)，該器件無需金屬半導(dǎo)體接觸、無需PN結(jié)（P型與N型半導(dǎo)體交界面形成的空間電荷區(qū)），充分利用二維半導(dǎo)體材料激子結(jié)合能大的特點(diǎn)，通過交變電場加速載流子，通過碰撞產(chǎn)生激子并輻射發(fā)光。
圖1 二維半導(dǎo)體材料發(fā)光器件結(jié)構(gòu)示意圖
以過渡金屬硫族化合物（Transition Metal Dichalcogenides, TMDCs）為代表的二維半導(dǎo)體材料憑借其獨(dú)特的光電特性，有望成為繼InP、GaAs等III-V族半導(dǎo)體材料之后新一代的有源半導(dǎo)體材料，將在新型量子光源、發(fā)光二極管和納米激光領(lǐng)域發(fā)揮重要的應(yīng)用價(jià)值。到目前為止，基于二維材料的納米激光器僅能在光泵浦下實(shí)現(xiàn)，尚未實(shí)現(xiàn)電注入的二維材料納米激光。因此，二維半導(dǎo)體材料電致發(fā)光的研究是目前國際前沿的焦點(diǎn)和難點(diǎn)，它不僅對二維半導(dǎo)體材料發(fā)光二極管、電注入二維半導(dǎo)體材料納米激光具有重要意義，更是對二維半導(dǎo)體材料發(fā)光器件能否走向?qū)嵱没鸬經(jīng)Q定性作用。
圖2 碰撞激發(fā)的物理過程
二維半導(dǎo)體材料電致發(fā)光器件面臨幾個關(guān)鍵問題。首先是二維半導(dǎo)體材料目前難以實(shí)現(xiàn)歐姆接觸。在二維材料電注入結(jié)構(gòu)中，通常使用石墨烯或者金屬電極和二維材料進(jìn)行直接接觸，通常其肖特基勢壘比較高，因而帶來較高的接觸電阻。目前還沒有一種有效的辦法在二維半導(dǎo)體材料和金屬電極之間構(gòu)建歐姆接觸，這極大地影響二維材料發(fā)光器件的電注入效率。其次，單層二維半導(dǎo)體材料目前難以通過可控的化學(xué)摻雜制備PN結(jié)。雖然可以通過柵壓調(diào)控實(shí)現(xiàn)單層二維材料橫向PN結(jié)及電致發(fā)光，但是目前該器件發(fā)光效率較低，并且電注入結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不利于發(fā)光結(jié)構(gòu)與微腔等光學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步結(jié)合。另外，目前通過直接生長或者機(jī)械剝離得到的單層或者薄層二維半導(dǎo)體材料尺寸僅為幾十到幾百微米。碎片化的二維材料嚴(yán)重限制了器件的尺寸以及大規(guī)模生產(chǎn)。
圖3 發(fā)光器件照片及熒光成像
為了克服二維半導(dǎo)體材料電致發(fā)光器件面臨的諸多難題，該研究團(tuán)隊(duì)不依賴傳統(tǒng)半導(dǎo)體電致發(fā)光器件的范式，重新審視了基于二維半導(dǎo)體材料電致發(fā)光器件設(shè)計(jì)的各個環(huán)節(jié)。根據(jù)二維半導(dǎo)體材料的特點(diǎn)，提出一種新型的二維半導(dǎo)體電致發(fā)光器件。該器件不需要外部的載流子注入，不需要金半接觸，也不需要對單層二維半導(dǎo)體材料進(jìn)行額外的摻雜或載流子調(diào)控。充分利用二維半導(dǎo)體材料激子結(jié)合能大的特點(diǎn)，通過交變電場加速載流子，通過碰撞產(chǎn)生激子并輻射發(fā)光。該器件對于幾種常見的二維半導(dǎo)體材料都適用，包括單層WSe2、WS2、MoSe2、MoS2，以及單、雙層MoTe2，實(shí)現(xiàn)了從可見光到近紅外的電驅(qū)動發(fā)光。更加重要的是該器件還可以利用一對叉指電極同時(shí)激勵多片不連續(xù)的二維半導(dǎo)體材料同時(shí)發(fā)光，以及多種二維半導(dǎo)體材料實(shí)現(xiàn)多波長發(fā)光，為二維半導(dǎo)體材料的發(fā)光應(yīng)用開辟了一條新的道路。
圖4 不同材料制成的多波長發(fā)光器件
相關(guān)成果以“無注入式多波長單層半導(dǎo)體交變場驅(qū)動發(fā)光器件”（Injection-free multiwavelength electroluminescence devices based on monolayer semiconductors driven by an alternating field）為題發(fā)表于《科學(xué)·進(jìn)展》（Science Advances）雜志上。
清華大學(xué)電子系李永卓助理研究員和馮家斌博士為論文共同第一作者，寧存政教授為論文通訊作者。論文作者還包括電子系章建行博士，2018級博士生唐予倩、孫皓副研究員、甘霖助理研究員。該研究成果得到了國家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金、北京未來芯片創(chuàng)新中心、教育部量子信息前沿科學(xué)中心項(xiàng)目的支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1126/sciadv.abl5134
延伸閱讀：
《VCSEL期刊文獻(xiàn)檢索與分析-2022版》
《傳感應(yīng)用的VCSEL技術(shù)及市場-2021版》
