突破性導電橋接層技術，開啟2D光電元件新紀元
光電二極體是一種廣泛應用的半導體元件，能夠將光能轉換為電能。這類元件在當代科技中扮演著重要角色，包括太陽能電池（PVs）以及各種感測、成像、測量和通訊系統。近年來，工程師們致力於開發新的設計策略，以進一步提升光電二極體的效能及其光電轉換效率。其中一個備受關注的方法是利用二維（2D）半導體材料來製造這些元件。2D半導體僅有幾個原子層的厚度，並具有多種優異特性。
儘管2D半導體光電二極體具有巨大潛力，但許多已製造的元件表現並未達到預期。這主要是由於費米能級釘扎現象（Fermi level pinning）所致，該現象會導致金屬與半導體介面處的能級固定，從而影響元件的效能。為瞭解決這一問題，韓國科學技術研究院（KIST）、高麗大學、延世大學以及其他韓國研究機構的研究人員設計並製造了一種新型導電橋接層接觸結構，有望提升2D光電二極體的電荷傳輸效率。他們的研究成果發表在《Nature Electronics》期刊上，為光電元件的未來發展開闢了新的可能性。
研究團隊在論文中指出：「基於二維半導體的光電二極體在光電元件開發中具有潛在應用價值，但其光伏效率受到金屬-半導體接觸處強烈費米能級釘扎的限制。傳統的金屬-介層-半導體接觸結構雖能解決這一問題，但也可能導致串聯電阻增加。我們報告了一種導電橋接層接觸結構，既能實現費米能級解釘扎，又能保持低電阻。」
Jang、Hong及其同事開發的導電橋接層接觸結構本質上是一層薄絕緣層，將光電二極體內的金屬與2D半導體分隔開來。這層薄介層由氧化物材料製成，並嵌入了金奈米簇（即微小的導電粒子）。研究團隊在論文中進一步解釋：「我們創造了一種氧化物介層，使金屬和半導體解耦，同時介層中嵌入的金奈米簇作為導電路徑，促進高效的電荷傳輸。利用這種接觸結構，我們製造了一種二硫化鎢（WS2）光電二極體，其光響應度達到0.29 A W−1，線性動態範圍為122 dB，功率轉換效率為9.9%。」
在研究過程中，研究團隊將他們開發的導電橋接層接觸結構整合到基於WS2的光電二極體中。結果顯示，這種介層有效減少了費米能級釘扎等不良電子互動作用，從而提升了光電二極體的功率轉換效率。研究團隊還提到：「我們的方法也提供了一個探測光載流子動力學的平臺，並發現接觸重組對光伏效能有顯著影響。此外，我們展示了使用這種導電橋接層接觸結構的光電二極體作為全綵二維和三維成像器的潛力。」
未來，這支研究團隊開發的新型導電橋接層接觸結構有望整合並測試於其他基於2D半導體的光電元件中。最終，這項技術將為通訊、成像和感測系統等廣泛領域的技術進步做出重要貢獻。
