[論文レビュー] Electrically Tunable Excitonic Light Emitting Diodes based on Monolayer WSe2 p-n Junctions

Jason Ross, Philip Klement+10 more|arXiv (Cornell University)|Dec 5, 2013

2D Materials and ApplicationsMaterials Science被引用数 17

ひとこと要約

この論文は、窒化ホウ素（hBN）を誘電体として用いた静電的ゲーティングにより、モノレイヤーWSe2 p-n接合から電気的に可変な励起子性発光を実証している。WSe2の高い光学的品質と効率的なキャリア注入のおかげで、MoS2と比較して1000倍の低い電流と10倍の狭い線幅で明るい発光が得られ、バイアスの調整により中性励起子、荷電励起子、不純物結合励起子からの発光領域が明確に分離されている。

ABSTRACT

Light-emitting diodes are of importance for lighting, displays, optical interconnects, logic and sensors. Hence the development of new systems that allow improvements in their efficiency, spectral properties, compactness and integrability could have significant ramifications. Monolayer transition metal dichalcogenides have recently emerged as interesting candidates for optoelectronic applications due to their unique optical properties. Electroluminescence has already been observed from monolayer MoS2 devices. However, the electroluminescence efficiency was low and the linewidth broad due both to the poor optical quality of MoS2 and to ineffective contacts. Here, we report electroluminescence from lateral p-n junctions in monolayer WSe2 induced electrostatically using a thin boron nitride support as a dielectric layer with multiple metal gates beneath. This structure allows effective injection of electrons and holes, and combined with the high optical quality of WSe2 it yields bright electroluminescence with 1000 times smaller injection current and 10 times smaller linewidth than in MoS2. Furthermore, by increasing the injection bias we can tune the electroluminescence between regimes of impurity-bound, charged, and neutral excitons. This system has the required ingredients for new kinds of optoelectronic devices such as spin- and valley-polarized light-emitting diodes, on-chip lasers, and two-dimensional electro-optic modulators.

研究の動機と目的

• 電気的に駆動可能な高効率発光ダイオードを、発光の可変励起子性を有するモノレイヤーWSe2を用いて開発すること。
• MoS2ベースのデバイスで観察された低効率な発光と広い線幅の制限を克服すること。
• 多重ゲート化されたhBN支持ヘテロ構造を用いて、モノレイヤーWSe2への効果的な電子およびホール注入を達成すること。
• 注入バイアスを変化させることで、励起子状態の変化に応じた発光の可変性を明らかにすること。
• WSe2ベースの2次元ヘテロ構造が、バレー特異性LEDやオンチップレーザーを含む高度なオプトエレクトロニクスデバイスの実現にどのように寄与できるかを示すこと。

提案手法

• 二重ゲート化されたhBN支持フィールド効果トランジスタを用いて、剥離したモノレイヤーWSe2にラテラルp-n接合を形成する。
• 散乱を最小限に抑えてキャリア注入を向上させるために、六方晶窒化ホウ素（hBN）を高品質な誘電体層として使用する。
• hBNの下に配置された複数の金属ゲートを用いて静電的ゲーティングを実施し、キャリア密度と注入効率を制御する。
• ゲート電圧を変化させた状態で発光を光学的特徴付けを行い、励起子遷移を調査する。
• スペクトルシフトと線幅に基づいて、中性励起子、荷電励起子、不純物結合励起子からの寄与を発光スペクトル解析により特定する。
• 性能の向上を明確にするために、MoS2ベースのデバイスと比較して発光特性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 モノレイヤーWSe2 p-n接合において、高効率かつ狭い線幅の電気的駆動発光が達成可能か？
• RQ2 従来の酸化物と比較して、hBNを誘電体として用いることでキャリア注入と光学的品質がどのように向上するか？
• RQ3 ゲート電圧を変化させることで、中性励起子、荷電励起子、不純物結合励起子といった異なる励起子状態の発光スペクトルを電気的にチューニング可能か？
• RQ4 電流効率とスペクトル幅の観点から、WSe2ベースのLEDは既存のMoS2ベースのデバイスと比較してどの程度の性能を示すか？
• RQ5 これらの結果が、スピンおよびバレー極性LEDやオンチップレーザーを含む2次元オプトエレクトロニクスデバイスの開発に及ぼす意味は何か？

主な発見

• MoS2ベースのデバイスと比較して、モノレイヤーWSe2 p-n接合における発光は、1000倍の低い注入電流で実現された。
• WSe2における発光の線幅はMoS2と比較して10倍狭く、より優れた光学的品質と不均一性による広がりの低減を示している。
• ゲート電圧の調整により、中性励起子が支配的な領域、荷電励起子が支配的な領域、不純物結合励起子が支配的な領域に発光が切り替わることを確認し、励起子の性質に対する電気的制御が可能であることを示した。
• WSe2の高い光学的品質とhBN誘電体による効果的なキャリア注入のおかげで、明るくスペクトル的に鋭い発光が実現された。
• スピンおよびバレー極性LED、オンチップレーザー、2次元エレクトロオプティカルモジュレータを含む、新たなオプトエレクトロニクスデバイスの実現が可能である。
• キャリアの閉じ込め強化と欠陊散乱の低減により、MoS2と比較して、モノレイヤーWSe2が励起子性発光の優れたプラットフォームであることが明らかになった。