圖1 二維半導體材料發光器件結構示意圖

 

以過渡金屬硫族化合物（Transition metal Dichalcogenides, TMDCs）為代表的二維半導體材料憑借其獨特的光電特性，有望成為繼InP、GaAs等III-V族半導體材料之后新一代的有源半導體材料，將在新型量子光源、發光二極管和納米激光領域發揮重要的應用價值。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現，尚未實現電注入的二維材料納米激光。因此，二維半導體材料電致發光的研究是目前國際前沿的焦點和難點，它不僅對二維半導體材料發光二極管、電注入二維半導體材料納米激光具有重要意義，更是對二維半導體材料發光器件能否走向實用化起到決定性作用。

 

 

圖2 碰撞激發的物理過程

 

二維半導體材料電致發光器件面臨幾個關鍵問題。首先是二維半導體材料目前難以實現歐姆接觸。在二維材料電注入結構中，通常使用石墨烯或者金屬電極和二維材料進行直接接觸，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體材料和金屬電極之間構建歐姆接觸，這極大地影響二維材料發光器件的電注入效率。其次，單層二維半導體材料目前難以通過可控的化學摻雜制備PN結。雖然可以通過柵壓調控實現單層二維材料橫向PN結及電致發光，但是目前該器件發光效率較低，并且電注入結構復雜，不利于發光結構與微腔等光學結構進一步結合。另外，目前通過直接生長或者機械剝離得到的單層或者薄層二維半導體材料尺寸僅為幾十到幾百微米。碎片化的二維材料嚴重限制了器件的尺寸以及大規模生產。

 

 

圖3 發光器件照片及熒光成像

 

為了克服二維半導體材料電致發光器件面臨的諸多難題，該研究團隊不依賴傳統半導體電致發光器件的范式，重新審視了基于二維半導體材料電致發光器件設計的各個環節。根據二維半導體材料的特點，提出一種新型的二維半導體電致發光器件。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體材料進行額外的摻雜或載流子調控。充分利用二維半導體材料激子結合能大的特點，通過交變電場加速載流子，通過碰撞產生激子并輻射發光。該器件對于幾種常見的二維半導體材料都適用，包括單層WSe2、WS2、MoSe2、MoS2，以及單、雙層MoTe2，實現了從可見光到近紅外的電驅動發光。更加重要的是該器件還可以利用一對叉指電極同時激勵多片不連續的二維半導體材料同時發光，以及多種二維半導體材料實現多波長發光，為二維半導體材料的發光應用開辟了一條新的道路。

 

 

 

圖4 不同材料制成的多波長發光器件

 

相關成果以“無注入式多波長單層半導體交變場驅動發光器件”（Injection-free multiwavelength electroluminescence devices based on monolayer semiconductors driven by an alternating field）為題發表于《科學·進展》（Science Advances）雜志上。

 

清華大學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基金、北京市自然科學基金、北京未來芯片創新中心、教育部量子信息前沿科學中心項目的支持。

 

論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abl5134