Großflächig lichtemittierende Bauelemente auf Basis von 2D-Halbleitern
Großflächig lichtemittierende Bauelemente auf Basis von 2D-Halbleitern
Zweidimensionale (2D) Materialien stellen eine spannende neue Materialklasse mit metallischen, halbleitenden und isolierenden Eigenschaften dar. Atomar dünne Übergangsmetall-Dichalcogenide (TMDCs), insbesondere die Familie (Mo, W)(S, Se)2, haben in den letzten Jahren großes Interesse geweckt. Liegen diese 2D-Halbleiter als Monolage mit einer Schichtdicke < 0,7 nm vor, weisen sie eine direkte Bandlücke auf und besitzen eine große Oszillatorstärke, was sie zu vielversprechenden Kandidaten für zukünftige optoelektronische Anwendungen macht. In der Theorie können alle 2D-Materialien frei kombiniert werden, ohne durch Wachstumsprozesse und Gitterkonstanten eingeschränkt zu sein. Um jedoch TMDCs als 2D-Bausteine für ultradünne lichtemittierenden Bauelemente der nächsten Generation nutzen zu können, gibt es jedoch noch einige Herausforderungen zu überwinden:
Bisher zeigen nur wenige Ansätze die Möglichkeit einer Skalierung für die Herstellung im größeren Maßstab, die für praktische Anwendungen relevant ist. Da auch die kontrollierte Herstellung von TMDCs noch immer eine große Herausforderung ist, würde die Kombination eines reproduzierbaren Herstellungsverfahrens mit einer geeigneten skalierbaren Bauelementarchitektur den nächsten Schritt in Richtung 2D-Optoelektronik ebnen.
Das in dieser Arbeit entwickelte Grundkonzept lichtemittierender Bauelemente beruht dabei auf einem vollständig vertikalen Design, wodurch dieses prinzipiell beliebig skalierbar ist. Dieser Ansatz basiert auf der Einbettung von WS2-Monolayern in ein p-i-n-Layout unter Verwendung organischen p- und anorganischen n-Hilfsschichten. In einer ersten Machbarkeitsstudie wurden exfolierte WS2-Monolagen verwendet, wobei der Strompfad mittels Laserlithografie senkrecht zur WS2-Flocke definiert wurde. Diese Bauelemente weisen ein diodisches I-U-Verhalten auf und die Elektrolumineszenz (EL) erreicht bei Raumtemperatur eine Leuchtdichte von bis zu 50 cd m-2 im roten Spektralbereich.
Um dieses Bauelementkonzept zu skalieren, ist ein großflächiges TMDC-Wachstum mit homogenen Eigenschaften erforderlich. Dafür wird zunächst MoS2 untersucht, das auf 2 ‘‘ Saphir (0001) Wafern mittels metallorganischer Gasphasenabscheidung (MOCVD) gewachsen ist. Hier wird der Zusammenhang zwischen den Wachstumsparametern und der Photolumineszenz (PL) Intensität analysiert. Dabei konnte eine klare Korrelation zwischen der Kristallkorngröße und der PL-Intensität festgestellt werden. Eine Verringerung der Halbwertsbreiten sowohl der Raman-Resonanzen als auch der PL-Spektren wies darüber hinaus auf eine verringerte Defektdichte bei optimierten Wachstumsbedingungen hin.
Eine Transfertechnik wurde entwickelt, um großflächig gewachsene WS2-Monolagen in die vertikale p-i-n-Bauelementarchitektur einzubetten. Bei Anlegen einer Spannung zeigten die prozessierten Bauelemente ein gleichrichtendes Verhalten und eine rote EL über eine Fläche von 6 mm2, die nur durch die Größe der Kontaktpads begrenzt ist. Es wurden Einschaltspannungen < 2,5 V erreicht und bei einer Betriebsspannung von 7 V konnte eine Leuchtdichte von fast 1 cd m2 erzielt werden. Durch die erfolgreiche Umsetzung dieses Konzepts auf Foliensubstraten wurden die ersten flexiblen, großflächigen lichtemittierenden Bauelemente auf der Basis von 2D-Halbleitern realisiert. Eine Besonderheit dieser Bauteile ist, dass durch einfaches Biegen eine Verspannung des WS2-Kristalls hervorgerufen werden kann und somit die Farbe der Lichtemission mit -30 meV ε(%)‑1 verändert werden kann.
Large scale light-emitting devices based on 2D semiconductors
Two-dimensional (2D) materials represent an exciting new material class of conductors, semiconductors, and insulators. Atomically thin transition metal dichalcogenides (TMDCs), in particular the family (Mo, W)(S, Se)2, have attracted tremendous interest in recent years. Forming a direct bandgap for monolayer thickness (< 0.7 nm) and exhibiting exceptional excitonic effects, these 2D semiconductors represent promising compounds for future applications. Due to their naturally passivated surfaces and out-of-plane van der Waals interactions, TMDCs can be used to form heterostructures without lattice constraints. Consequently, TMDCs can serve as 2D building blocks for next-generation ultrathin optoelectronic devices. However, there are still main challenges on the route toward practical light-emitting devices based on TMDC materials:
Although, various approaches toward light-emitting devices, e.g., based on exfoliated or chemical vapor deposited TMDC monolayers, have been reported, they all suffer from limited scalability and reproducibility required for industrial fabrication. Furthermore, the controlled fabrication of TMDCs is still a daunting challenge. Combining a scalable and reproducible fabrication route with a suitable and mature device architecture for light-emitting devices would be the next step toward 2D optoelectronics.
Here, a novel LED architecture with a vertical and therefore scalable design is developed. This approach is based on embedding WS2 monolayers into a p-i–n layout using organic p- and inorganic n-supporting layers. In a first step of proof-of-concept, exfoliated WS2 monolayers were used. Laser lithography was applied to define the current path perpendicular to the WS2 flake. These devices exhibit diode-like behavior and emit room temperature electroluminescence (EL) with luminance up to 50 cd m−2 in the red spectral range.
Scaling this device concept from the lab towards industrial relevant sizes, a large-scale TMDC growth with homogeneous properties is necessary. Serving this, MoS2 grown on 2 ’’ sapphire (0001) wafers via metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) are used. Here the relation between growth parameters and photoluminescence (PL) intensity, as one of the most important parameters for optoelectronic applications, will be discussed. A prebake step under H2 atmosphere combined with a reduced molybdenum precursor flow increases the crystal grain size by one order of magnitude and strongly enhances PL intensity with a clear correlation to the grain size. A decrease of the linewidths of both, Raman resonances and PL spectra, indicate a reduced defect density at optimized growth conditions.
A transfer technique was developed to embed MOCVD WS2 monolayers into the vertical p-i‑n device architecture. Those devices show a rectifying behavior in I-V measurements. With an applied voltage, red EL over an area of 6 mm2 was observed, which is just limited by the size of the contact pads. A turn-on voltage of less than 2.5 V has been achieved, and a luminance of almost 1 cd m2 was obtained at a bias voltage of 7 V. By successful implementation of this concept onto foil substrates, the first large-area flexible light-emitting devices based on 2D materials were realized. Uniquely, the strong dependence of the WS2 bandgap on strain results in a tunable EL emission with a gauge factor of -30 meV ε(%)-1 simply by bending the device.
These results pave the way to large-area 2D light-emitting devices that are easily processable and scalable for future ultrathin and flexible light concepts.