[논문 리뷰] Electrically Tunable Excitonic Light Emitting Diodes based on Monolayer WSe2 p-n Junctions

Jason Ross, Philip Klement외 10명|arXiv (Cornell University)|2013. 12. 05.

2D Materials and ApplicationsMaterials Science인용 수 17

한 줄 요약

이 논문은 고정밀한 산화질화갈륨(이황화몰리브데넘)을 사용한 전기적 게이팅을 통해 단일층 WSe2 p-n 접합에서 전기적으로 조절 가능한 엑시톤 발광을 구현한다. WSe2의 높은 광학 품질과 효율적인 실리콘 주입 덕분에 MoS2보다 1000배 낮은 전류와 10배 좁은 스펙트럼 폭을 가지는 밝은 전기발광을 달성하였으며, 전압 조절을 통해 중성, 전하를 띤, 불순물에 의해 결합된 엑시톤에서 발생하는 별개의 발광 영역을 확인하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 전기적으로 구동되는 고효율 발광 다이오드를 단일층 WSe2를 기반으로 개발하여 조절 가능한 엑시톤 발광을 실현한다.
• MoS2 기반 장치에서 관찰된 낮은 전기발광 효율성과 넓은 스펙트럼 폭의 문제점을 해결한다.
• 다중게이트 구조와 hBN 기반 이종구조를 통해 단일층 WSe2로의 전자 및 정공 주입을 효과적으로 구현한다.
• 주입 전압을 변화시켜 발광 스펙트럼을 조절함으로써 다양한 엑시톤 상태에 대한 접근을 탐색한다.
• WSe2 기반 2차원 이종구조가 밸리트로닉스 발광 다이오드 및 칩 내 레이저와 같은 고급 옵티오일렉트로닉스 장치의 잠재력을 입증한다.

제안 방법

• 이종화된 단일층 WSe2에서 이중게이트 구조를 갖는 hBN 기반 필드효과 트랜지스터를 이용해 횡방향 p-n 접합을 제작한다.
• 산소화물과 비교해 산란을 최소화하고 실리콘 주입을 향상시키기 위해 고품질의 헥사고날 붕소질화물(hBN)을 고립층으로 사용한다.
• hBN 아래에 위치한 다중 금속 게이트를 통해 전하 밀도와 주입 효율을 조절하기 위해 전기적 게이팅을 적용한다.
• 게이트 전압 변화에 따른 전기발광을 광학적으로 특성 분석하여 엑시톤 이완을 탐색한다.
• 스펙트럼 이동과 스펙트럼 폭을 기반으로 중성 엑시톤, 전하를 띤 엑시톤, 불순물에 의해 결합된 엑시톤의 기여를 분석한다.
• MoS2 기반 장치와의 전기발광 성능 비교를 통해 효율성 향상과 스펙트럼 순도 향상을 입증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일층 WSe2 p-n 접합에서 높은 효율성과 좁은 스펙트럼 폭을 가진 전기적 발광을 달성할 수 있는가?
• RQ2 기존 산화물과 비교해 hBN을 고립층으로 사용할 경우 실리콘 주입과 광학 품질이 어떻게 향상되는가?
• RQ3 게이트 전압을 변화시켜 중성 엑시톤, 전하를 띤 엑시톤, 불순물에 의해 결합된 엑시톤 등 다양한 엑시톤 상태로의 발광 스펙트럼을 전기적으로 조절할 수 있는가?
• RQ4 전류 효율성과 스펙트럼 폭 측면에서 WSe2 기반 다이오드는 MoS2 기반 장치에 비해 어떤 성능을 보이는가?
• RQ5 이러한 결과는 스핀 및 밸리-편광 발광 다이오드 및 칩 내 레이저와 같은 2차원 옵티오일렉트로닉스 장치 개발에 어떤 함의를 지닌다?

주요 결과

• MoS2 기반 장치와 비교해 단일층 WSe2 p-n 접합에서의 전기발광은 주입 전류가 1000배 낮아 보였다.
• WSe2에서의 전기발광 스펙트럼 폭은 MoS2보다 10배 좁아지며, 더 높은 광학 품질과 낮은 비균일성 넓이 확산을 나타낸다.
• 게이트 전압 조절을 통해 중성 엑시톤, 전하를 띤 엑시톤, 불순물에 의해 결합된 엑시톤이 지배하는 영역 간의 발광 전환이 가능하여 엑시톤 특성에 대한 전기적 제어를 입증하였다.
• WSe2의 높은 광학 품질과 hBN 고립층에 의한 효과적인 실리콘 주입 덕분에 밝고 스펙트럼이 날카로운 발광이 가능하다.
• 이 시스템은 스핀 및 밸리-편광 발광 다이오드, 칩 내 레이저, 2차원 전기광학 모듈레이터와 같은 새로운 옵티오일렉트로닉스 장치의 실현을 가능하게 한다.
• 더 높은 실리콘 봉쇄성과 낮은 결함 산란으로 인해 WSe2는 MoS2에 비해 엑시톤 발광에 더 유리한 플랫폼임을 입증하였다.