本工作展示了一种突破性的混合电致发光器件，它将成熟的(In,Ga)N基微米发光二极管（µ-LED）技术与原子级薄的过渡金属硫族化合物（TMD）单层膜（例如MoS2、WSe2）新颖的光学特性相结合。其核心创新在于，将电驱动的µ-LED并非用作最终光源，而是作为一个局域、高效的“泵浦源”，用于激发直接沉积在其表面的TMD单层膜的光致发光（PL）。这种架构绕过了向二维TMD材料进行直接电掺杂和载流子注入的重大挑战，为基于这些材料的实用化电驱动器件开辟了一条新途径。
一个关键成就是实现了低温运行，这得益于µ-LED中特殊的隧道结（TJ）设计，这对于触及TMD的量子发射区域至关重要。集成WSe2单层膜的器件被证明可以作为一个紧凑、独立、电驱动的单光子源——这是量子信息技术的关键组件。
混合器件采用垂直堆叠结构构建。基础是一个定制设计的(In,Ga)N µ-LED，通过机械剥离获得的TMD单层薄片被精确转移并沉积在其上。
氮化物µ-LED采用了隧道结（TJ）架构。该设计用高导电性的n型层取代了传统的顶部p型GaN接触层。埋藏在结构内部的TJ，即使在传统p型掺杂电阻急剧增大的低温下，也能促进高效的载流子输运。这可以用隧穿概率 $P_T \approx \exp(-2d\sqrt{2m^*\phi}/\hbar)$ 进行数学描述，其中 $d$ 是势垒宽度，$m^*$ 是有效质量，$\phi$ 是势垒高度。n型顶层还实现了优异的电流扩展，并允许侧面接触，从而为TMD沉积保留了顶部GaN表面的原始状态。
通过从块体晶体机械剥离到聚合物印章上，制备了多种TMD（MoS2、MoSe2、WS2、WSe2）的单层膜。然后，使用确定性干法转移技术，将选定的薄片对准并转移到µ-LED的有源区域。TMD与GaN表面之间紧密的范德华接触对于从LED到TMD层的高效非辐射能量转移和/或电荷载流子注入至关重要。
当向µ-LED施加正向偏压时，电子和空穴在(In,Ga)N量子阱中复合，发射出能量为 $E_{LED} \approx E_g^{(In,Ga)N}$ 的光子。这些光子被TMD单层膜吸收，产生电子-空穴对。由于二维材料中强大的库仑相互作用和减弱的介电屏蔽，这些电子-空穴对迅速形成紧密结合的激子，其结合能约为数百meV（$E_b^{TMD} \gg k_B T$）。随后，激子发生辐射复合，发射出具有TMD材料特征的光（$E_{TMD} \approx E_g^{TMD} - E_b^{TMD}$）。这一过程有效地将LED的电致发光转换为TMD的光致发光。
隧道结是实现低温（低至液氦温度）运行的关键。在标准的p-n结LED中，p型层的电阻随着温度降低而急剧增加，阻碍了高效注入。基于TJ的设计通过使用重掺杂的n++/p++结（载流子通过隧穿穿过势垒）规避了这一问题。与扩散电流相比，隧穿电流 $I_T$ 的温度依赖性较弱，遵循 $I_T \propto V \exp(-A\sqrt{\phi})$ 的关系，这使得器件能够在低温下高效工作，这对于分辨尖锐的TMD激子谱线和量子发射器是必要的。
在向µ-LED进行电注入的条件下，混合器件成功产生了所集成TMD单层膜的特征发射光谱。对于基于WSe2的低温器件，其电致发光光谱显示出一个主峰，对应于约~1.72 eV的中性激子（X0）发射，其线宽明显窄于室温下的PL光谱，证实了高质量的材料和高效的低温运行。TMD发射的强度随注入µ-LED的电流成比例变化。
WSe2混合器件在使用Hanbury Brown-Twiss干涉仪测量的二阶关联函数 $g^{(2)}(\tau)$ 中表现出明显的反聚束现象。实现了 $g^{(2)}(0) < 0.5$ 的值，明确证明了该器件发射单光子的能力。这种电驱动的单光子源以施加到µ-LED的电脉冲所决定的特定重复频率运行。
分析框架示例（非代码）： 为了评估此类混合器件的效率，必须采用系统化框架分析几个关键参数：
核心见解： 这篇论文不仅仅是又一个二维材料光子学演示；它堪称实用化混合集成的典范。作者没有去攻克向原始TMD进行高效电注入这一近乎不可能的任务（这个难题已困扰该领域十年之久），而是巧妙地绕过了它。他们利用氮化物LED的工业成熟度，将其作为一个鲁棒、电可控的“光子泵浦”，将一个基础的材料挑战转化为一个优雅的工程解决方案。
逻辑脉络： 其逻辑极具说服力：1) TMD具有无与伦比的光学特性（强激子、单光子发射器），但电接触性能极差。2) 氮化物LED擅长将电能转化为光，但无法匹敌TMD的量子光学质量。3) 因此，将它们融合。利用LED的电学效率来激发TMD的光学优势。用于低温运行的隧道结是关键使能因素，这表明作者对系统要求的理解超越了室温概念验证的层面。
优势与不足： 其优势毋庸置疑：一个功能性的、电驱动的二维材料单光子源。隧道结的使用颇具启发性。然而，其不足在于可扩展性路径。机械剥离和确定性转移是学术工具，而非工业工具。作者对未来直接外延（例如在GaN上MBE生长TMD）的提及是关键前提——这是一个出色的原型，但其商业可行性取决于一个材料集成问题，而这个问题可以说与原始的电注入问题一样棘手。光子泵浦过程的效率也仍然是一个悬而未决的问题；它本质上比直接注入效率低。
可操作的见解： 对于研究人员：专注于量化端到端的量子效率（$\eta_{hybrid}$）并证明光子不可区分性——这是实现量子计算相关性的下一个关键里程碑。对于工程师：立即探索替代的、可扩展的集成方法，例如为硅光子学开发的晶圆级TMD转移技术。对于投资者：这项工作降低了基于TMD的量子光源概念的风险。眼前的机遇不在于这个确切的器件，而在于那些开发使能可扩展集成平台（如AIXTRON或CVD设备制造商）的公司，这些平台可能使这一愿景得以制造。关注后续直接解决效率和可扩展性瓶颈的论文。
短期（1-3年）： 优化混合界面以提高效率。研究光子结构（例如将器件集成到微腔中）以增强发射方向性和Purcell效应，提高亮度并可能实现不可区分光子的产生。开发此类器件的阵列，用于片上生成多个单光子流。
中期（3-7年）： 从剥离法过渡到可扩展的沉积方法。这可能涉及在氮化物LED上直接进行TMD单层膜的范德华外延，或先进的晶圆级转移技术。与氮化硅或硅光子波导集成，用于单光子的片上路由，这是迈向集成量子光子电路的关键一步。
长期（7年以上）： 实现完全集成的、电泵浦的量子光子芯片，包含单光子源（基于此混合概念）、移相器和探测器。潜在应用于安全的量子通信网络、线性光学量子计算和量子传感。最终目标是实现一个可制造的、与代工厂兼容的工艺，共同集成III-V族泵浦LED和二维材料量子发射器。