摘要
二维(2D)半导体因其独特的光物理性质，包括大的激子结合能和强的门可调谐性，而引起了人们的广泛关注1，2，3.，4，5．尽管付出了巨大的努力，但原始二维半导体的基本光物理与实际器件性能之间仍然存在脱节，这往往受到许多外部因素的困扰，包括半导体接触界面的化学紊乱。在这里，通过使用具有最小界面无序的范德华接触，我们抑制了接触诱导的Shockley-Read-Hall复合，并在2D半导体二极管中实现了几乎固有的光物理决定的器件性能。利用分裂栅几何结构的静电场独立调制二硒化钨二极管中的电子和空穴掺杂，我们在低电荷密度的短路光电流中发现了一个不寻常的峰值。时间分辨光致发光表明，由于激-荷俄歇复合的增加，高掺杂密度下激子寿命从电荷中性状态下的约800皮秒大幅降低到约50皮秒。总之，我们证明了激子扩散限制模型很好地解释了电荷密度依赖的短路光电流，这一结果进一步被扫描光电流显微镜证实。因此，我们证明了激子扩散和双体激-荷俄歇复合在2D器件中的基本作用，并强调了2D半导体的固有光物理可用于创建更高效的光电器件。
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确认
段翔峰感谢海军研究办公室通过N00014-18-1-2707授予的支持。J.R.C.承认NSF职业资助号为1945572。Y.H.感谢海军研究办公室通过N00014-18-1-2491的资助。Y.P.感谢空军科学研究办公室根据AFOSR授予的no.;FA9550-YR-1-XYZQ。
作者信息
作者及隶属关系
贡献
段祥峰和P.C.构想了这项研究。p.c.， T.L.A, J.R.C.和段翔峰设计了实验。P.C.制作了这些器件并进行了光电测量。段西东、段永辉、张志良、张志辉、段西东等对材料、器件制作、测量和讨论做出了贡献。J.X.和Y.P.进行了带结构计算。T.L.A.和P.C.进行了时间分辨光致发光和光电流扫描测量。p.c.， T.L.A, J.R.C.和段翔峰进行数据分析。p.c.， T.L.A, J.R.C.和段翔峰共同撰写了手稿。所有作者讨论了结果并对手稿进行了评论。
相应的作者
道德声明
相互竞争的利益
作者声明没有利益竞争。
额外的信息
同行评审信息自然感谢Andrey Chaves、Lain-Jong Li和其他匿名审稿人对本工作的同行评议所作的贡献。
出版商的注意施普林格自然对出版的地图和机构从属关系中的管辖权主张保持中立。
扩展的数据图形和表格
扩展数据图1二极管的带图和光电流产生。
一个，肖特基势垒产生的载流子在p-n界面被势垒阻挡。bp-n结产生的载流子可以隧穿肖特基结形成光电流。
扩展数据图2拟合我DS- - - - - -VDSp-n结二极管的特性。
黑点:实验数据;实线红线:二极管方程拟合。一个， p-n构型的拟合;我们提取R年代= 36 mΩ，R上海= 47 gΩ，我年代= 4.6 × 10−22一个和η= 1.18;b，适合NP配置;我们提取R年代= 28 mΩ，R上海= 35 gΩ，我年代= 8.1 ×10−21一个和η= 1.3。
图3二维二极管的表观外量子效率(EQE)，假设器件面积为有源区域。
一个， EQE依赖于蒸发二极管(红点)和vdw二极管(黑点)的电荷密度VG1=−5v。这条线是作为眼睛的指引。b， EQE依赖于蒸发二极管(红点)和vdw二极管(黑点)的电荷密度VG1= 5v。EQE计算方法为EQE＝我SCEph值/ (eP在),我SC是短路光电流，Eph值是每光子的能量，e基本电荷是和吗P在为输入功率。P在=功率密度(Pd) ×照明激子收集区(一个)．注意，我们通过使用设备面积(整个WSe)来估计表观EQE2源极和漏极之间的面积)一个为了简单，这可能导致相当低估的EQE值，因为设备面积通常大于活动面积。当激子收集长度为1 μm时，可以估计出激子扩散模型的最大EQE值～21%。
扩展数据图4
拟合不同组分相对PL强度和寿命的寿命和掺杂依赖关系。一个，一个双指数拟合的例子:(VG=−0.8 v，P= 244西北)。上面的面板是三指数拟合的残差。中间的面板是双指数拟合的残差。双指数残差与三指数相同，这意味着三指数是由误差确认的过拟合k3.大于…的值的k3.(扩展数据表1）;因此，我们使用了双指数拟合。底部面板为TRPL数据和双指数、三指数拟合曲线。b，三指数拟合的一个例子:(VG＝−4 V,P＝244西北)。上面的面板是三指数拟合的残差。中间的面板是双指数拟合的残差。三指数残差优于双指数残差，且拟合误差大于拟合值;这里我们使用了三指数拟合。底部面板为TRPL数据和双指数、三指数拟合曲线。c，不同组分相对PL强度的掺杂依赖关系。有三个组成部分t1，t2而且t3.．d，不同组分PL寿命的掺杂依赖关系。的生命周期t3.．
扩展数据图5显示WSe中带边载流子相关状态的高度简化带图2．
EF, 0为未掺杂体系的费米能级;EF t为拐点费米能级。
扩展数据图6扫描光电流显微镜研究中激子扩散的反褶积。
具体来说，我们使用了VG1= 4 V和VG2=−4 V(黑线)作为我们测量激光光斑大小的方法，因为光电流收集完全来自二极管接口，它比我们的激光光斑大小(仪器响应函数，IRF)小得多，并将其拟合(红色虚线)到单个高斯函数。我们符合(粉色虚线)VG1= 4 V和VG2=−0.4 V(蓝线)，函数是IRF高斯函数的卷积，其指数中心位于界面的中间(X= 0 μm)为低掺杂极限。拟合的衰减常数对应于激子扩散长度lexc= 0.72±0.10 μm。黄色方块表示电极的位置。
扩展数据图7门相关我SC单层、双分子层和四层WSe2vdW-diodes。
一个，我DS- - - - - -VDS单层WSe曲线2照明下的二极管。b，我DS- - - - - -VDS双分子层WSe曲线2照明下的二极管。c，我DS- - - - - -VDS四层WSe曲线2照明下的二极管。d，门相关我SC在单层二极管中。e，门相关我SC在双层二极管中。f，门相关我SC四层二极管。
扩展数据图8
双分子层二极管中功率依赖的视EQEVG1= 5v和不同VG2．
权利和权限
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陈鹏，阿塔拉，谭良，林中。et al。二维半导体二极管内禀激子物理极限的逼近。自然599， 404-410(2021)。https://doi.org/10.1038/s41586-021-03949-7
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