光电元件可分为吸收光线作为开关讯号的光电探测器（photodetector），吸收光线转换为电能的太阳能电池（solar cell 或是 photovoltaic device）以及发射光线的发光装置（light emitting device，最常见的是发光二极体 LED）（图十）[27]。元件性能的主要指标有高响应度（responsivity）、短响应时间（response time）、高灵敏度（sensitivity）、大增益（photo gain）、线性响应度变化（linearity）。
二维材料应用于光电元件
吸收光线的元件中分为三个步骤讨论：（1）光吸收（2）产生载子（3）载子传输。材料光吸收的目标是涵盖大的接收频段（bandwidth）范围，取决于材料的能隙。二维材料半导体可以接收的光讯号涵盖了大的频段范围[6]，从中红外光到可见光都有相应的材料可选用。然而二维原子层材料在光吸收上比起三维块材来说是相对少的，可以透过堆叠二维材料异质层增加不同频段的接收效率，而且设计上需要注意提升增益。
光生载子的阶段，材料吸收光线后产生载子──电子电洞对。要提高增益需注意降低电子电洞对的结合，便能取出增加的载子数量，常见的做法为添加另一材料来引导载子往不同的方向移动，例如 [7]文献中使用铟原子吸附放置于二维半导体二硫化钨 WS2 上方，引导光生电子转移至二硫化钨通道，而电洞困于铟原子。
载子传输的主要挑战在于半导体通道与金属导线间接面，接触电阻造成消耗并导致低的响应度。由于尚未出现方法能够修复二维材料在传统参杂制程中出现的损坏，因此选择一个能带匹配的金属，还有量子穿隧机制的使用是当前降低接触电阻的主要做法。具有半金属特性的石墨烯经常被用于衔接二维材料半导体和金属导线，它可以和二维材料形成低的接触电阻，同时，它的超高载子迁移率（mobility）特性也更加降低了已分离的电子电洞们相遇结合。
图九. 各频段可应用的二维材料[6]
图十. 常见的光电元件结构[27]
热门发光装置
现今热门发光装置多应用光致发光（photoluminescence，PL）和电致发光（electroluminescence， EL）原理。使用直流电源的结构有发光二极体LED和单光子发射（single photon emission）的量子点（Quantum dot LED，QLED）。二维材料特性应用于发光装置有许多优势。QLED 的制程繁琐，对疏水绝缘长配体（ligand）的依赖也阻碍了它们的稳定性和导电性，二维材料的自终止面（self-terminated surface）特质使它的装置在运作时载子不受配体干扰。有机发光二极体 OLED 的载流子传输能力和激子复合能力低，阻碍了亮度的提高，而二维材料半导体 TMDs 优异的激子发光能力可在室温下达到高亮度。[8]
薄层材料中的量子局限效应将薄层三维材料的状态密度和载子浓度降低。二维材料半导体 TMDs由于其有效质量高，带来高的载子浓度，在这样的条件下将可以观察到更高阶的激子准粒子，如激子 （Exciton） 和带电激子 （Trion） 等等。二维材料半导体 TMDs 有强的库仑作用力，使激子紧密结合，带来高的激子结合能，甚至能够在室温下观察。典型三五族半导体 GaAs 的结合能为4.76 meV，只能在低温下观察激子，而二维 TMDs 中的二硫化钼 MoS2 为 240meV。
传统半导体中的缺陷会捕捉载子，妨碍电子电洞结合发光，大大降低光致发光量子产率 （Photoluminescence Quantum Yield，PLQY），是决定元件光电性能的关键指标。二维材料半导体 TMDs 加工后通常有较大的原生缺陷密度，修补缺陷是一大制程挑战，然而研究发现中性激子复合是辐射性的，即使存在高缺陷密度仍可以有高的 PLQY 表现[8]，让二维 TMDs 于光电应用有很大潜力。
除了上述的直流输入 LED 结构，一个使用交流电源的结构也被提出 （图十一） [9]，透过适合材料的交流电切换频率，正负电荷在材料中相遇结合并发光。LED 结构使用材料的 PN 界面（P-N Junction）发光，狭窄的材料界面和复杂结构使得大面积应用受到限制。图十一的结构简易且受到材料界面萧基势垒的影响程度低，为大面积透明显示器提供了一个方案。
在相异材料的元件与控制电路之间异质整合议题上，二维材料也有优点。控制元件的电路以硅基底 CMOS 电路为主。HgCdTe 和三五族元素构成的元件在与控制电路整合时，制程上会有晶格不匹配（lattice mismatch）所导致的接合不顺利。而二维材料可以透过转印制程（transfer）转移到其他材料上，透过汎德瓦力附着于其他材料上，不依赖晶格匹配，亦可使用此特性制作二维材料基底的控制电路用于三五族显示器[12]和需要透明且可挠的穿戴式显示器[11]。对于二维材料光吸收有限的问题，研究发现可通过延长相互作用长度，大大增强二维材料层与沿光波导传播的光模场之间的相互作用。[13] 随着光与物质相互作用的增强，透过波导集成硅和二维材料的光电元件在各种功能性光子集成电路中的应用潜力引起了广泛的关注。 （图十一右） [26]
图十一. 左为交流电 LED，右为波导集成硅和二维材料的光电元件
二维材料制备
制作只有几层分子厚材料的常见方法可分为以下几种：剥离法 （exfoliation）、化学气相沉积 （chemical vapor deposition，CVD）、后退火法 （post-annealing）。
一、剥离法 （exfoliation）
剥离法引入以一适当大小的力来克服二维层状材料层与层之间微弱的汎德瓦作用力，将多层堆叠的大体积原料块分开成数片少层薄片，而层内的共价键、离子键或金属键足够强壮可保持二维层完好无损。例如超音波处理 （ultrasonication）和剪切混合技术 （high-sheer mixing）是通过引入剪切力在液相中生产二维材料的直接方法。电化学剥离法则是透过引入电场增加层与层之间的距离来达到效果。
二、化学气相沉积法 （chemical vapor deposition，CVD）
化学气相沉积法的原理是利用高温将固态的原料气化，原料蒸气相遇发生气相化学反应，沉积于目标基板上。以二维材料半导体二硫化钼为例，三氧化钼和硫的固体粉末被加热到600~800°C，气相反应后于基板上形成二硫化钼薄层。其中挑战在于抑制垂直方向的沉积同时加强水平方向的生长。温度、压力、持温时间、基板、前体等参数对于反应都有显着的影响。
三、后退火法 （post-annealing）
后退火法是一个两步骤的生长方式，先沉积前体 （precursor） ，再透过后退火反应成为目标材料，同时提升材料结晶性以优化材料电特性。溅镀 （sputter）是一种适合大规模制造的方法，属于物理气相沉积 （physical vapor deposition，PVD） ，具有快速、廉价和可扩展性的优点，可以制造通常需要更高工艺温度的钨基二维材料。然而，在二维材料所需的低原子层数量的情况下，很难控制精确的薄膜厚度、粗糙度和结晶度。因此它搭配 CVD 做后退火处理来提升结晶性和修补缺陷。
二维材料后处理制程
针对欲增强控制的性能种类，选择适合材料的后处理方式很重要。常见的制程手法有退火和掺杂。
传统退火方式在真空或是惰性气体环境中升温进行，二维材料在此环境中退火将出现许多缺陷，例如碲化钼，能够提升结晶性的温度在 650 度以上，而膜层中的碲元素在 250 度时开始脱离，所以此材料的退火须要在充满碲元素气氛的环境下进行，也可以利用此特性将欲掺杂的元素在退火过程中填入材料 （图十二之一） [21]。另外，还有一个不受气氛影响的退火方法被提出，固态结晶法 （solid phase crystallization，SPC） ，透过 SiO2 覆盖层封装溅射的 MoTe2 然后升至高温，固态结晶过程可以在无 Te 气氛中轻松进行 （图十二之二） [22]。
图十二. 二维材料后处理手法（1）低温退火（2）固相结晶法退火（3）雷射处理
无添加剂的做法还有雷射处理，雷射处理可以针对特定位置进行，例如图十二之三中的碲化钼，在雷射处理过后由 2H 半导体相位转变为 1T 半金属相位，可应用于欧姆接触议题。（图十二之三）[23]
在使用添加剂的手法中，目前用于 TMDs 掺杂工程的主要策略有：（1）取代掺杂（2）电荷转移掺杂（3）静电场效应掺杂。传统三维晶体结构的半导体通常在取代或间隙位点由杂质原子掺杂。与之相比，二维膜层之间的弱范德瓦相互作用导致较大的层间距离，有利于掺杂剂原子的嵌入。并且在这样的超薄厚度下，它们也可以很容易地通过表面电荷转移和外部静电场效应进行掺杂。
（1） 取代掺杂
取代掺杂可以透过在材料生长阶段混入掺杂剂来实现，或是以退火、电浆、雷射的方式，在膜层制造空位后通过气氛填入掺杂剂。在存在硫空位的情况下，七族（F、Cl、Br）和 五族元素（N、P、As）掺杂反应在热力学上是更倾向发生的。在金属位置，掺杂剂的形成很大程度上取决于金属空位的浓度，例如 MoS2 的 Re 掺杂。 因此不论是在产生缺陷的生长或是在后处理，使用原位方法 （ in situ methods ） 相对容易实现取代掺杂制程。
表一. 取代掺杂的掺杂剂和效果[25] 表二. 电荷转移掺杂的掺杂剂和效果
（2） 电荷转移掺杂
电荷转移掺杂在调节半导体电子行为方面引起了广泛的关注，与掺入外来掺杂剂原子到晶格中的替代掺杂相比，电荷转移掺杂是利用主体材料与相邻介质（包括表面吸附原子、离子、分子、粒子和基板）之间的电荷转移相互作用，这样的方式可以避免晶格结构畸变并能够在低维材料中实现高迁移率传输。
（3） 静电场效应掺杂
由于其超薄的性质，二维材料薄膜特别容易受到外部场效应的影响。静电掺杂策略利用此特性调整 TMDs（Transition Metal Dichalcogenides，过渡金属二硫属化合物）中载流子掺杂浓度和极性。静电掺杂所需要的外部电场可使用一个额外的闸极或是浮动栅极 （floating gate）来提供。[24]在金属-绝缘体-半导体 （MIS） 结构中，当元件受到大的电位偏压驱动时，通道中的自由电荷将穿过绝缘层到达金属浮栅，被另一个介电层捕获。由于浮栅完全被高电阻材料包围，因此其中包含的电荷量会长时间保持不变，这些被捕获的电荷将透过电容耦合持续提供电场影响半导体通道的电导率，直到这些电荷被施加相反的大电位排出浮闸。
结语
二维材料系统有许多优异特性，集感测、存储、处理于一体的 2D 半导体硬体系统，未来将颠覆电子应用的架构。现阶段来说，要发展积体电路量产，乃至商业化应用，仍有许多研究工作待完成。二维半导体材料做为电晶体的基本性质尚未被理解掌握，能带和寄生电容模型仍待更多的探讨。制程方面的挑战，欧姆接触、大面积品质均匀性、参杂手法调控材料特性，期待更多突破。
