Abstract High-quality two-dimensional atomic layered p–n heterostructures are essential for high-performance integrated optoelectronics. The studies to date have been largely limited to exfoliated and restacked flakes, and the controlled growth of such heterostructures remains a significant challenge. Here we report the direct van der Waals epitaxial growth of large-scale WSe 2 /SnS 2 vertical bilayer p–n junctions on SiO 2 /Si substrates, with the lateral sizes reaching up to millimeter scale. Multi-electrode field-effect transistors have been integrated on a single heterostructure bilayer. Electrical transport measurements indicate that the field-effect transistors of the junction show an ultra-low off-state leakage current of 10 −14 A and a highest on–off ratio of up to 10 7 . Optoelectronic characterizations show prominent photoresponse, with a fast response time of 500 μs, faster than all the directly grown vertical 2D heterostructures. The direct growth of high-quality van der Waals junctions marks an important step toward high-performance integrated optoelectronic devices and systems.

Semiconducting p-n heterojunctions, serving as the basic unit of modern electronic devices, such as photodetectors, solar-energy conversion devices, and light-emitting diodes (LEDs), have been extensively investigated in recent years. In this work, high performance self-powered broad-band photodetectors were fabricated based on vertically stacked p-n heterojunctions though combining p-type WSe2 with n-type Bi2Te3 via van der Waals (vdW) epitaxial growth. Devices based on the p-n heterojunction show obvious current rectification behaviors in the dark and superior photovoltaic characteristics under light irradiation. A maximum short circuit current of 18 nA and open circuit voltage of 0.25 V can be achieved with the illumination light of 633 nm (power density: 26.4 mW/cm2), which are among the highest values compared with the ever reported 2D vdW heterojunctions synthesized by chemical vapor deposition (CVD) method. Benefiting from the broad-band absorption of the heterostructures, the detection range can be expanded from the visible to near-infrared (375-1550 nm). Moreover, ascribing to the efficient carriers separation process at the junction interfaces, the devices can be further employed as self-powered photodetectors, where a fast response time (∼210 μs) and high responsivity (20.5 A/W at 633 nm and 27 mA/W at 1550 nm) are obtained under zero bias voltage. The WSe2/Bi2Te3p-n heterojunction-based self-powered photodetectors with high photoresponsivity, fast photoresponse time, and broad spectral response will find potential applications in high speed and self-sufficient broad-band devices.

Monolayer tungsten selenide (WSe 2 ) has attracted attention due to its direct bandgap-generated strong light emission and light–matter interaction. Herein, vertical WSe 2 /VOCl bilayer heterojunctions with enhanced PL of WSe 2 were synthesized by the vapor growth method. The morphology, crystal structure, and chemical composition of the WSe 2 /VOCl heterojunctions were systematically investigated, which confirmed the successful formation of the heterojunctions. The PL emission intensity of WSe 2 obtained from the WSe 2 /VOCl heterojunction was about 2.4 times higher than that of the WSe 2 monolayer, demonstrating the high optical quality of the WSe 2 /VOCl heterojunction, which was further confirmed by time-resolved PL measurements. The insulator top VOCl, which was deposited on the surface of the semiconductor bottom WSe 2 as a surface passivation material, reducing the impurities and resulting in an atomically clean surface, successfully enhanced the PL emission of the bottom WSe 2 . This vertical WSe 2 /VOCl bilayer heterojunction with PL enhancement could provide a promising platform for optical devices.