ナノスケールデバイス：二次元半導体ダイオードにおいて固有の励起子物理の極限に近づく
Nature 599, 7885 doi: 10.1038/s41586-021-03949-7
二次元（2D）半導体は、大きな励起子結合エネルギーや強いゲート調整可能性など、低次元性に起因する特異な光物理学的特性があるため、強い関心を集めてきた。多くの取り組みがなされたにもかかわらず、本来の状態での2D半導体の基本的な光物理と実際のデバイス性能の間には依然として乖離があり、これは、半導体–接触界面における化学的乱れを含む、多くの外的要因による悪影響を受けていることが多い。今回我々は、界面の乱れが最小のファンデルワールス接触を用いて、接触誘起Shockley–Read–Hall再結合を抑制し、2D半導体ダイオードにおいて、光物理によって決まるほぼ固有のデバイス性能を実現した。我々は、スプリットゲート構造において静電場を用い、二セレン化タングステンダイオードの電子ドーピングと正孔ドーピングを独立して調節することにより、低電荷密度における短絡回路光電流に異常ピークを発見した。また、時間分解フォトルミネッセンスによって、励起子–電荷オージェ再結合の増大に起因して励起子寿命が電荷中性領域での約800ピコ秒から高ドーピング密度での約50ピコ秒まで大幅に短くなることが明らかになった。以上より、電荷密度依存性の短絡回路光電流が励起子拡散制限モデル（exciton-diffusion-limited model）でうまく説明されることが示され、この結果は、走査型光電流顕微鏡法によってさらに裏付けられた。従って我々は、2Dデバイスにおける励起子拡散と励起子–電荷二体オージェ再結合の基本的役割を実証するとともに、2D半導体に固有の光物理特性を用いて、より効率の高いオプトエレクトロニクスデバイスを作製できることを浮き彫りにしている。
