Small Methods: 二维层状半导体发光器件和光电探测器研究进展综述

具有原子尺寸厚度的二维层状半导体材料因其具有本征的能带带隙，其能带覆盖了从红外到紫外的广泛光谱范围，成为未来微纳电子器件、发光器件和光电子器件应用领域最具潜力的构筑材料。二维层状半导体不仅具有类薄膜的宏观维度，与成熟的半导体工艺有着高度适配性而易于实现大规模集成，而且又不失量子效应所带来的新性能。不仅如此，基于这些二维半导体的微纳电子器件和光电子器件具有超薄、超轻、柔性和透明等优异特性，在新型固态照明、相干光源、柔性电子、芯片基光互连、量子计算、传感和光通讯等方面有着广阔的应用前景。

近日，西北工业大学黄维院士、新加坡南洋理工大学于霆教授和复旦大学丛春晓教授等以“2D semiconductor enabled light sources and photodetectors”为题综述了基于二维半导体的新型发光器件和光电探测器的研究进展。文章中，根据不同的发光机制分别阐述了四种二维半导体发光器件：激子发光二极管、单光子发光二极管、能谷发光二极管和二维半导体激光器。其次，对基于二维半导体及其异质结构的光电探测器的器件结构、性能参数和工作原理进行了深入探讨。随后，总结了开发实用型二维半导体发光器件和光电探测器面临的挑战，并提出了潜在的解决方案及研究方向。当前绝大多数的二维半导体发光二极管的主要工作波段在橙色，红色到近红外区间，需进一步地开发蓝光和绿光发光波段的器件以实现全色显示和白光照明。同时，二维半导体发光二极管电致发光的量子效率大多小于10%，需要大幅提高以期比肩当前广泛应用的III-V族半导体发光二极管（量子效率可达75%）。目前虽已开发出具有宽波段响应且光敏感的二维半导体光电探测器，但其响应时间大多比Si、Ge和InGaAs基光电探测器要慢，所以二维半导体光电探测器的材料选择和结构设计仍需要进一步优化以提高响应速度。最后，文章具体地建议了三个前景研究方向，包括用于芯片基光互连和量子信息交互的二维半导体发光器件和光接收器，基于二维半导体发光二极管实用化的全色显示器和白光照明应用，以及超薄或透明的可穿戴光电传感设备。

相关综述文章发表在Small Methods (DOI: 10.1002/smtd.201800019)上。

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