近日，清华大学电子系宁存政团队首次将碰撞激子产生和发光机制引入到二维半导体材料发光器件中，实现了一种基于叉指电极结构的无载流子注入的发光器件。不同于传统的电注入发光器件结构，该器件无需金属半导体接触、无需PN结（P型与N型半导体交界面形成的空间电荷区），充分利用二维半导体材料激子结合能大的特点，通过交变电场加速载流子，通过碰撞产生激子并辐射发光。
图1 二维半导体材料发光器件结构示意图
以过渡金属硫族化合物（Transition Metal Dichalcogenides, TMDCs）为代表的二维半导体材料凭借其独特的光电特性，有望成为继InP、GaAs等III-V族半导体材料之后新一代的有源半导体材料，将在新型量子光源、发光二极管和纳米激光领域发挥重要的应用价值。到目前为止，基于二维材料的纳米激光器仅能在光泵浦下实现，尚未实现电注入的二维材料纳米激光。因此，二维半导体材料电致发光的研究是目前国际前沿的焦点和难点，它不仅对二维半导体材料发光二极管、电注入二维半导体材料纳米激光具有重要意义，更是对二维半导体材料发光器件能否走向实用化起到决定性作用。
图2 碰撞激发的物理过程
二维半导体材料电致发光器件面临几个关键问题。首先是二维半导体材料目前难以实现欧姆接触。在二维材料电注入结构中，通常使用石墨烯或者金属电极和二维材料进行直接接触，通常其肖特基势垒比较高，因而带来较高的接触电阻。目前还没有一种有效的办法在二维半导体材料和金属电极之间构建欧姆接触，这极大地影响二维材料发光器件的电注入效率。其次，单层二维半导体材料目前难以通过可控的化学掺杂制备PN结。虽然可以通过栅压调控实现单层二维材料横向PN结及电致发光，但是目前该器件发光效率较低，并且电注入结构复杂，不利于发光结构与微腔等光学结构进一步结合。另外，目前通过直接生长或者机械剥离得到的单层或者薄层二维半导体材料尺寸仅为几十到几百微米。碎片化的二维材料严重限制了器件的尺寸以及大规模生产。
图3 发光器件照片及荧光成像
为了克服二维半导体材料电致发光器件面临的诸多难题，该研究团队不依赖传统半导体电致发光器件的范式，重新审视了基于二维半导体材料电致发光器件设计的各个环节。根据二维半导体材料的特点，提出一种新型的二维半导体电致发光器件。该器件不需要外部的载流子注入，不需要金半接触，也不需要对单层二维半导体材料进行额外的掺杂或载流子调控。充分利用二维半导体材料激子结合能大的特点，通过交变电场加速载流子，通过碰撞产生激子并辐射发光。该器件对于几种常见的二维半导体材料都适用，包括单层WSe2、WS2、MoSe2、MoS2，以及单、双层MoTe2，实现了从可见光到近红外的电驱动发光。更加重要的是该器件还可以利用一对叉指电极同时激励多片不连续的二维半导体材料同时发光，以及多种二维半导体材料实现多波长发光，为二维半导体材料的发光应用开辟了一条新的道路。
图4 不同材料制成的多波长发光器件
相关成果以“无注入式多波长单层半导体交变场驱动发光器件”（Injection-free multiwavelength electroluminescence devices based on monolayer semiconductors driven by an alternating field）为题发表于《科学·进展》（Science Advances）杂志上。
清华大学电子系李永卓助理研究员和冯家斌博士为论文共同第一作者，宁存政教授为论文通讯作者。论文作者还包括电子系章建行博士，2018级博士生唐予倩、孙皓副研究员、甘霖助理研究员。该研究成果得到了国家自然科学基金、北京市自然科学基金、北京未来芯片创新中心、教育部量子信息前沿科学中心项目的支持。
论文链接：
https://doi.org/10.1126/sciadv.abl5134
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