本工作展示了一種突破性的混合式電致發光元件，它結合了成熟的(In,Ga)N基微型發光二極體（µ-LED）技術與原子級薄的過渡金屬二硫屬化物（TMD）單層（例如MoS2、WSe2）的新穎光學特性。其核心創新在於，將電驅動的µ-LED並非用作最終光源，而是作為一個局部、高效的泵浦源，用以激發直接沉積在其表面的TMD單層之光致發光（PL）。此架構繞過了對二維TMD進行直接電摻雜與載子注入的重大挑戰，為基於這些材料的實用電驅動元件開闢了一條新途徑。
一項關鍵成就是實現了低溫操作，這得益於µ-LED中特殊的穿隧接面（TJ）設計，此設計對於進入TMD的量子發射狀態至關重要。整合了WSe2單層的元件被證明可作為一個緊湊、獨立、電驅動的單光子源——這是量子資訊技術的關鍵元件。
混合元件以垂直堆疊方式建構。基礎是一個客製化設計的(In,Ga)N µ-LED，在其上精確轉移並沉積了機械剝離的TMD單層薄片。
氮化物µ-LED採用穿隧接面（TJ）架構。此設計以高導電性的n型層取代了傳統的頂部p型GaN接觸層。埋藏在結構內的TJ，即使在傳統p型摻雜變得高電阻的極低溫下，也能促進有效的載子傳輸。這在數學上以穿隧機率 $P_T \approx \exp(-2d\sqrt{2m^*\phi}/\hbar)$ 描述，其中 $d$ 是障壁寬度，$m^*$ 是有效質量，$\phi$ 是障壁高度。n型頂層還實現了優異的電流擴散，並允許側面接觸，使頂部GaN表面保持原始狀態以利TMD沉積。
各種TMD（MoS2、MoSe2、WS2、WSe2）的單層是透過從塊材晶體機械剝離到聚合物印章上製備的。然後使用確定性乾式轉移技術，將選定的薄片對準並轉移到µ-LED的主動區域上。TMD與GaN表面之間緊密的凡得瓦接觸，對於從LED到TMD層的有效非輻射能量轉移和/或電荷載子注入至關重要。
當對µ-LED施加正向偏壓時，電子與電洞在(In,Ga)N量子井中復合，發射出能量為 $E_{LED} \approx E_g^{(In,Ga)N}$ 的光子。這些光子被TMD單層吸收，產生電子-電洞對。由於二維材料中強烈的庫侖相互作用和減弱的介電屏蔽，這些電子-電洞對迅速形成緊密束縛的激子，其束縛能約為數百meV（$E_b^{TMD} \gg k_B T$）。隨後激子輻射復合，發出具有TMD材料特徵的光（$E_{TMD} \approx E_g^{TMD} - E_b^{TMD}$）。此過程有效地將LED的電致發光轉換為TMD的光致發光。
穿隧接面是實現低溫（低至液氦溫度）操作的關鍵。在標準的p-n接面LED中，p型層的電阻隨著溫度下降而急劇增加，阻礙了有效注入。基於TJ的設計透過使用重摻雜的n++/p++接面，讓載子穿隧通過障壁，從而繞過了這個問題。與擴散電流相比，穿隧電流 $I_T$ 對溫度的依賴性較弱，其遵循 $I_T \propto V \exp(-A\sqrt{\phi})$，使得元件能在極低溫下高效運作，而這正是解析尖銳的TMD激子譜線和量子發射體所必需的。
在對µ-LED進行電注入的條件下，混合元件成功產生了所整合TMD單層的特徵發射光譜。對於一個基於WSe2的低溫元件，其電致發光光譜顯示出一個主峰，對應於約~1.72 eV的中性激子（X0）發射，其譜線寬度明顯窄於室溫下的PL，證實了材料的高品質和高效的低溫操作。TMD發射的強度與注入µ-LED的電流成比例。
WSe2混合元件在使用Hanbury Brown-Twiss干涉儀測量的二階相關函數 $g^{(2)}(\tau)$ 中，顯示出清晰的反聚束現象。達到了 $g^{(2)}(0) < 0.5$ 的數值，明確證明了該元件具有發射單光子的能力。此電驅動單光子源以施加於µ-LED的電脈衝所決定的特定重複率運作。
分析框架範例（非程式碼）： 為了評估此類混合元件的效率，必須使用一個系統性框架來分析幾個關鍵參數：
核心洞察： 這篇論文不僅僅是另一個二維材料光子學演示；它是一堂關於務實混合整合的大師課。作者沒有去對抗對原始TMD進行高效電注入這場近乎不可能的戰鬥——這個問題已困擾該領域十年之久——而是巧妙地繞過了它。他們利用氮化物LED的工業成熟度，將其作為一個穩健、電可控的「光子泵浦」，將一個根本的材料挑戰轉化為一個優雅的工程解決方案。
邏輯流程： 其邏輯具有說服力：1) TMD具有無與倫比的光學特性（強激子、單光子發射體），但電接觸性能極差。2) 氮化物LED擅長將電能轉化為光，但無法匹配TMD的量子光學品質。3) 因此，將它們融合。利用LED的電效率來激發TMD的光學優勢。用於低溫操作的穿隧接面是關鍵的促成因素，顯示出對系統需求（超越室溫概念驗證）的深刻理解。
優勢與缺陷： 其優勢毋庸置疑：一個來自二維材料、可運作、電驅動的單光子源。使用穿隧接面的想法極具啟發性。然而，缺陷在於其可擴展性的路徑。機械剝離和確定性轉移是學術工具，而非工業工具。作者對未來直接磊晶（例如，在GaN上進行TMD的MBE磊晶）的提及是關鍵的附帶說明——這是一個出色的原型，但其商業可行性取決於一個材料整合問題，而這個問題的難度可以說與原始的電注入問題一樣艱鉅。光子泵浦過程的效率也仍然是一個開放性問題；它本質上比直接注入的效率低。
可執行的見解： 對於研究人員：專注於量化端到端的量子效率（$\eta_{hybrid}$），並展示光子不可區分性——這是邁向量子計算相關性的下一個關鍵里程碑。對於工程師：立即探索替代的、可擴展的整合方法，例如為矽光子學開發的晶圓級TMD轉移技術。對於投資者：這項工作降低了基於TMD的量子光源概念的風險。當前的機會並不在於這個確切的元件，而在於開發能夠實現此願景、使其可製造的關鍵可擴展整合平台的公司（例如AIXTRON或CVD設備製造商）。關注後續直接解決效率和可擴展性瓶頸的論文。
短期（1-3年）： 優化混合介面以提高效率。研究光子結構（例如，將元件整合到微腔中）以增強發射方向性和Purcell效應，從而提升亮度，並可能實現不可區分光子的產生。開發此類元件的陣列，用於晶片上產生多個單光子流。
中期（3-7年）： 從剝離過渡到可擴展的沉積方法。這可能涉及在氮化物LED上直接進行TMD單層的凡得瓦磊晶，或先進的晶圓級轉移技術。與氮化矽或矽光子波導整合，用於單光子的晶片上路由，這是邁向整合量子光子電路的關鍵一步。
長期（7年以上）： 實現完全整合、電泵浦的量子光子晶片，其中包含單光子源（基於此混合概念）、相位調變器和偵測器。潛在應用於安全的量子通訊網路、線性光學量子計算和量子感測。最終目標是建立一個可製造、與晶圓廠製程相容的流程，共同整合III-V族泵浦LED和二維材料量子發射體。