PT Unknown
AU Andrzejewski, D
TI Großflächig lichtemittierende Bauelemente auf Basis von 2D-Halbleitern
PD 06
PY 2023
DI 10.17185/duepublico/78285
LA de
DE 2D LED
AB 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.
ER