CN115004390A - 第iii族氮化物激子异质结构 - Google Patents

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Abstract

器件包括基材和由基材支撑的多个结构，多个结构中每一结构包括第III族氮化物基物，由第III族氮化物基物支撑的第一和第二个第III族氮化物载流子注入层，和设置在第一和第二个载流子注入层之间的量子异质结构。量子异质结构包括一对第III族氮化物势垒层和设置在一对第III族氮化物势垒层之间的第III族氮化物有源层。第III族氮化物有源层具有用于载流子的量子限域的厚度。一对第III族氮化物势垒层中至少一个具有与第III族氮化物有源层相邻的氮化物表面。

Description

第III族氮化物激子异质结构
相关申请的交叉引用
本申请要求2019年12月24日提交的并且指定序列号62/953,325的题目为“GroupIII-Nitride Excitonic Heterostructures”的美国临时申请的权益，其整个公开内容由此通过引用专门并入。
关于联邦资助的研究或发展的声明
本发明是利用政府支持在以下做出的：美国陆军研究办公室授予的协议号W911NF19P0025和美国国家科学基金会授予的协议号DMR-0723032。政府在本发明中具有一定权益。
技术领域
公开内容通常涉及发光二极管(LED)和其它器件用的量子-阱异质结构。
背景技术
第III族氮化物紫外(UV)发光二极管(LED)可用于宽范围的应用中例如杀菌、水净化、医疗处理和拉曼光谱法。已调查具有高Al含量的AlGaN量子阱(QW)作为具有波长范围为222nm-350nm的深UV LED的有源(active)区。然而，目前AlGaN深UV LED器件的效率明显低于基于GaN的蓝色LED器件的效率。例如，对于在小于240nm下工作的LED而言，报道的外量子效率(EQE)远小于1％。限制深UV LED性能的一些主要因素包括由于平面AlGaN QW LED异质结构中大密度的缺陷和位错所致的低量子效率、由与Mg掺杂剂的很大电离能有关的低效p-型传导所致的不良载流子(空穴)注入效率和由光吸收和光学极化引起的低的光提取效率。当AlGaN有源区中Al组成超过约68％时，晶体分裂(CH)次能带位于价带顶部。CH次能带中空穴总数导致横磁(TM)光跃迁，其沿着c轴(生长方向)极化并因此防止常规平面LED器件中有效的光提取。其它因素例如电子溢流、俄歇复合和加热效应还可有助于深UV LED器件的低效率。
对于量子技术而言，高度期望具有激子结合能大于室温热能的半导体。常规的半导体经常具有远低于室温热能的激子能量。实现大激子结合能的目前方式基于单层过渡金属双硫属化物(TMD)。然而，没有高品质合成这些TMD材料的已展示方法。
常规的主体GaN的激子结合能在20-30meV的范围内。通过生长单层GaN可明显增强激子结合能。然而，由于生长过程、大密度缺陷和位错的存在和/或界面粗糙度所带来的限制，之前的尝试未能展示具有大的激子结合能的单层GaN。
发明内容
按照公开内容的一方面，器件包括基材，和由基材支撑的多个结构，多个结构中每一结构包括第III族氮化物基物，由第III族氮化物基物支撑的第一和第二个第III族氮化物载流子注入层，和设置在第一和第二个载流子注入层之间的量子异质结构。量子异质结构包括一对第III族氮化物势垒层和设置在一对第III族氮化物势垒层之间的第III族氮化物有源层。第III族氮化物有源层具有用于载流子的量子限域的厚度。一对第III族氮化物势垒层中的至少一个具有与第III族氮化物有源层相邻的氮化物表面。
按照公开内容的又一方面，制造激子器件的方法包括在基材上生长结构阵列的第III族氮化物基物(base)，在结构阵列的每一第III族氮化物基物上生长第一个第III族氮化物载流子注入层，在结构阵列的每一第一个第III族氮化物载流子注入层上生长量子异质结构，和在结构阵列的每一量子异质结构上生长第二个第III族氮化物载流子注入层。生长量子异质结构包括生长具有氮化物表面的第III族氮化物势垒层和在氮化物表面上生长第III族氮化物有源层。第III族氮化物有源层具有用于载流子的量子限域的厚度。
与前述方面中任一个有关，本文描述的器件和/或方法可替代地或额外地包括或涉及以下方面或特征中一种或多种的任何组合。氮化物表面不含组成一对第III族氮化物势垒层的第III族元素。第III族氮化物有源层的厚度经构造用于激子载流子复合。第III族氮化物有源层的厚度对应于组成第III族氮化物有源层的第III族氮化物材料单层。第III族氮化物有源层的厚度对应于组成第III族氮化物有源层的第III族氮化物材料双层。第III族氮化物有源层具有组成第III族氮化物有源层的第III族氮化物材料的可数单层。量子异质结构还包括另外的第III族氮化物势垒层，和设置在另外的第III族氮化物势垒层和一对第III族氮化物势垒层之一之间的另外的第III族氮化物有源层。一对第III族氮化物势垒层的每一第III族氮化物势垒层具有对应于组成一对第III族氮化物势垒层的第III族氮化物材料的可数单层的厚度。第III族氮化物有源层包括氮化镓。一对第III族氮化物势垒层包括氮化铝。第一和第二个第III族氮化物载流子注入层分别包括硅掺杂的氮化铝和镁掺杂的氮化铝。第III族氮化物基物包括氮化镓。多个结构中每一结构包括与基材垂直取向的纳米线。基材包括硅。生长具有氮化物表面的第III族氮化物势垒层包括在生长期结束时关闭第III族材料用的挡板，同时让用于氮的挡板打开持续一段时间以消耗在第III族氮化物势垒层表面处的额外的第III族原子。时间段长度至少在分钟量级。该方法还包括在基材的背侧上沉积金属触点。该方法还包括在结构阵列的每一第二个第III族氮化物载流子注入层上生长接触层。
附图说明
为了更完整地理解公开内容，应参照以下详细描述和附图，其中同样的附图标记表明图中同样的要素。
图1说明了按照一个实例具有激子异质结构的基于纳米线的器件的示意透视图以及按照一个实例的这样纳米线阵列的图像。
图2说明了具有单层和两个单层(或双层)激子异质结构的实例纳米线阵列的图像以及这样的异质结构的光致发光(PL)谱图和作为激发功率密度函数的单层异质结构的PL强度中变化的图表。
图3说明了作为势垒厚度函数的单层激子异质结构的电子和光学带隙的图表以及各种势垒厚度的单层激子异质结构的PL谱图。
图4说明了按照一个实例具有激子异质结构的纳米线阵列的紫外(UV)发光二极管(LED)器件的示意透视图以及UV LED器件的电流-电压(I-V)特性的图表。
图5说明了具有激子异质结构的纳米线阵列的实例UV LED器件的电致发光(EL)谱图的图表，包括在各注入电流水平或密度下具有单层异质结构的UV LED器件的EL谱图和强度。
图6是按照一个实例制造具有激子异质结构的基于纳米线的器件的方法。
所公开器件和方法的实施方案可具有各种形式。特定实施方案在附图中说明并在下文中描述，应理解本公开内容意图是说明性的。本公开内容不意图将发明限制为本文描述和说明的特定实施方案。
具体实施方式
描述了具有激子异质结构的第III族氮化物器件。还描述了具有激子异质结构的第III族氮化物器件的制造方法。激子异质结构可以包括第III族氮化物材料例如氮化镓(GaN)的一个或多个单层。可将单层嵌入或以其他方式设置在第III族氮化物纳米线、其它纳米结构或其它结构中。因此避免了在之前尝试将单层GaN并入平面结构例如其它AlN平面结构中遇到的挑战。对于形成(一个或多个)GaN单层而言，描述了基于分子束外延的技术。在一些情况下，该技术可将(一个或多个)单层嵌入或以其他方式设置在N-极性AlN纳米线结构中。
基于纳米结构的器件的激子异质结构可用于实现紫外(UV)发光二极管(LED)器件例如深UV LED器件。在一些实例中，通过变化AlN势垒厚度来测量4.85-5.25eV的深紫外发射。详细的光学测量和与基于密度函数和多体微扰理论的第一性原理计算的直接相关性暗示了载流子复合主要通过极度受限的单层异质结构(例如GaN/AlN异质结构)中的激子出现，而激子结合能超过例如200meV。经构造分别在238和270nm下操作具有单个和两个单层GaN的深紫外LED器件的实例。这些独特的深紫外LED表现出高度稳定的发射和约5V的小开启电压。
嵌入第III族氮化物(例如AlN)基体的第III族氮化物例如GaN的一个或多个单层能够表现出在深UV波长中横向电场(TE)而不是横磁(TM)、极化发射。由于可大幅使无辐射肖克莱-里德-霍尔复合效应最小化的强库仑相互作用，极度量子限域还导致单层GaN LED器件中非常大的激子结合能(高达230meV)和稳定的激子发射。此外，由于增强的辐射复合(较小的载体寿命)，器件有源区中的载流子密度明显小于在其它方面相同的注入电流下常规的LED器件，由此减小深UV LED器件的无辐射俄歇复合和电子溢流。
在过去涉及并入平面AlN结构的单层GaN的调查中，没有测量单层GaN中大的激子结合能。在蓝宝石上常规的平面AlGaN异质结构中明显的表面/界面粗糙度和大密度缺陷和位错是限制性因素。相比之下，第III族氮化物纳米晶(包括纳米线和纳米棒)由于有效的表面应变松驰而很大程度没有位错。然而，AlN纳米晶中单层GaN的受控外延保持难以理解(elusive)。例如，在嵌入AlN纳米线的单层GaN中观察到明显的厚度波动，导致光学发射从约240变化至320nm。因此，单层和其它原子薄层并入纳米结构中已是挑战性的。
公开的方法使用等离子体辅助分子束外延(MBE)从而在N-极性第III族氮化物(例如AlN)纳米线阵列中形成单层第III族氮化物(例如GaN)。如本文描述，例如，使用生长中断和迁移增强的外延来控制AlN基体中单层GaN的形成。通过变化AlN势垒厚度来测量4.9-5.25eV的深UV发射。与单层GaN的计算的电子和光学带隙直接相关性证实来自嵌入AlN基体的单层GaN的强激子发射，而激子结合能超过200meV。以这种方式，大面积LED器件可通过并入单个单层和两个单层第III族氮化物(例如GaN)有源区形成，所述有源区在238nm和270nm分别表现出强的发射。
虽然本文连同LED器件描述，但是本文描述的激子异质结构可连同各种各样器件使用。例如，可在各种非发射器件例如检测器中使用异质结构。此外，还可形成其它类型的发射器件，包括例如各种类型的激光器件。
虽然连同氮化铝(AlN)势垒层和GaN有源层描述，但是公开的器件和方法可使用其它第III族氮化物材料。例如，有源层可由氮化铟(InN)或InGaN组成或包括氮化铟(InN)或InGaN。纳米结构(或它的量子异质结构)的层组成也可变化。例如，势垒层的组成可在与载流子注入层之一的界面处逐渐改变(例如从AlN至GaN或反之亦然)。势垒层可由AlGaN组成或包括AlGaN，或如果InN用于有源层，可由GaN或InGaAlN组成或包括GaN或InGaAlN。
图1的部分(a)描述了按照一个实例具有量子异质结构的结构100的示意说明。如本文描述，量子异质结构包括单层第III族氮化物(例如GaN)有源区。在一些情况下，结构100构成LED器件例如深UV LED器件的一部分。例如，器件可包括阵列中的结构100的多个情形。图1的部分(b)描述了按照一个实例具有一系列或其它多个结构的器件的扫描电子显微法(SEM)图像102。结构中每一个可具有量子显微组织并以其他方式按照结构100构造，如本文描述。
如图1中显示，器件包括支撑每一结构100的基材104。基材104可由硅组成或包括硅。可包括补充性或替代性的材料。在该实例中，硅是n型掺杂的。掺杂属性可在其它情况下变化。例如，如果结构100中的掺杂剂极性反向，基材104可为p型掺杂的，或包括p型掺杂。
每一结构100包括第III族氮化物基物106，由第III族氮化物基物106支撑的下方和上方第III族氮化物载流子注入层108、110和在第一和第二个载流子注入层108、110之间设置的量子异质结构112。如图1中描述，第III族氮化物基物106可与基材104和下方第III族氮化物载流子注入层108接触。下方和上方第III族氮化物载流子注入层108、110可与量子异质结构112的相对端接触。在该实例中，第III族氮化物基物106是n型掺杂的，下方第III族氮化物载流子注入层108是n型掺杂的，且上方第III族氮化物载流子注入层110是p型掺杂的。每一结构100还可包括由上方第III族氮化物载流子注入层110支撑并接触的第III族氮化物接触层118。在该实例中，第III族氮化物接触层118是p型掺杂的。前述层的掺杂剂极性可在其它情况反向。例如，在一些情况下，各层的掺杂剂极性可按照基材104的不同掺杂极性(例如p-型)而反向。可因此在这样的情况下变化器件的金属触点的组成或属性。在其它情况下，通过在结构100中并入一个或多个隧道结，层的掺杂剂极性可反向。
量子异质结构112包括一对或多对第III族氮化物势垒层114和设置在每对第III族氮化物势垒层114之间的第III族氮化物有源层116。第III族氮化物势垒层114和第III氮化物有源层116可彼此接触并如所示以堆叠布置而设置。在图1的实例中，提供四个第III族氮化物势垒层114来建立三对堆叠布置。在三对中的每一个之间设置的是有源层116中相应的一个。结果，在该实例中，量子异质结构112包括三个第III族氮化物有源层116。势垒层114和有源层116的数目在其它情况下可更大或更小。例如，在一个实例中，可提供单对势垒层114，连同单个有源层116。在另一实例中，异质结构112包括三个势垒层114和两个有源层116。
在一些情况下，每一第III族氮化物有源层116由氮化镓组成或包括氮化镓。在一些情况下，每一第III族氮化物势垒层114由氮化铝组成或包括氮化铝。下方和上方第III族氮化物载流子注入层108、110可由氮化铝(AlN)组成或包括氮化铝(AlN)。下方第III族氮化物载流子注入层108的AlN可掺杂有硅。上方第III族氮化物载流子注入层110的AlN可掺杂有镁。第III族氮化物基物106由氮化镓组成或包括氮化镓。可在以上提到的层中任一个或多个中使用补充性或替代性的第III族氮化物材料。
每一结构100可为纳米结构或包括纳米结构。在图1的实例中，多个结构中每一结构100经构造或以其他方式包括与基材104垂直取向的纳米线或纳米棒。结构100的尺寸、形状、横截面形状和其它特性可变化。例如，每一结构100可为显微结构或包括显微结构。
每一第III族氮化物有源层116具有用于载流子的量子限域的厚度。例如，第III族氮化物有源层116的厚度可经构造用于激子载流子复合。在一些情况下，第III族氮化物有源层116的厚度对应于组成第III族氮化物有源层116的第III族氮化物材料单层。在其它情况下，第III族氮化物有源层116的厚度对应于组成第III族氮化物有源层116的第III族氮化物材料双层(即两个单层)。可使用其它厚度。例如，第III族氮化物有源层116可具有组成第III族氮化物有源层116的第III族氮化物材料的任何可数数量的单层。
在一些情况下，一对第III族氮化物势垒层114中至少一个具有与有源区116之一相邻的氮化物表面。例如，生长有源层116的势垒层114的氮化物表面不含组成一对第III族氮化物势垒层114的第III族元素。
每对第III族氮化物势垒层14的每一第III族氮化物势垒层114可具有对应于组成第III族氮化物势垒层114的第III族氮化物材料的可数单层的厚度。如以下描述，可使用各种厚度。
在一个实例中，使用配备有射频等离子体辅助氮源的Veeco GEN II MBE系统在n型Si晶片上生长每一结构100的量子异质结构112。在装载至MBE系统前，可在缓冲氢氟酸溶液中清洁Si晶片。在Si基材上首先直接生长具有约100nm长度的Si掺杂的GaN纳米线。GaN纳米线起到量子异质结构112(例如AlN/GaN量子异质结构)的随后外延的模板或其它基物(例如基物106)的作用。然后，可在875℃的基材温度下生长Si掺杂的AlN纳米线链段(例如约150nm长度)以形成下方第III族氮化物载流子注入层108。
在该实例中，然后可在875℃的相同基材温度下生长三对或周期的GaN/AlN量子异质结构。可包括额外的或较少的对或周期。每一量子异质结构周期可被认为呈量子盘。每一量子盘(例如GaN量子盘)的厚度可为例如一个或两个单层。在这种情况下，每一势垒层114(例如AlN势垒)的厚度为约10nm，但是可使用其它厚度。生长速率为约0.1单层/秒。
在富N条件下进行量子异质结构的生长。在一个实例中，在有源区生长期间名义Ga/N比率可为约0.29，和Al/N比率可为约0.26。由于Al的引入比Ga更优选，因此不含Al的表面可用于在AlN基体中受控形成单层GaN。因此，在每一AlN势垒生长结束时，Al挡板关闭例如约10分钟。在该时间段期间，仅氮挡板打开，使得消耗在生长前沿的任何额外的Al原子。然后Ga挡板短暂打开用于形成(一个或多个)单层，其然后立即被AlN势垒覆盖。GaN量子盘的厚度可通过改变Ga挡板打开时间从一个单层变化至两个单层。随后，然后可生长Mg掺杂的p-AlN空穴注入层(例如具有约40nm)和p-GaN接触层(例如具有约～40nm)。
图1还显示了生长状态的纳米线异质结构的扫描电子显微法(SEM)图像102。在该实例中，纳米线阵列具有约2×1010cm-2的密度。纳米线与基材竖直对齐并具有N极性。对于透射电子显微法(TEM)，将GaN/AlN纳米线从基材机械去除并分散在网眼状碳膜网Cu TEM网格上。
使用JEOL JEM3100R05 TEM收集基于纳米线的异质结构的透射电子显微照片，所述TEM具有在STEM模式下工作的双相差矫正器，使用限定了用于高角度环形暗场(HAADF)成像的探针尺寸小于0.1nm，与探测器收集内角为约79mrad的设置。
图2描述部分(a)中的单一GaN单层实例和部分(b)中两个GaN单层实例的STEM-HAADF图像。在每一实例中，(一个或多个)单层嵌入AlN基体。单个和两个单层GaN实例的HAADF-STEM图像确认在AlN纳米线的c-平面上形成单层GaN。在GaN单层和AlN势垒层底部之间观察到清晰的界面，而在GaN单层和顶部AlN势垒层之间存在轻微相互扩散。相互扩散可由具有不同尺寸的纳米线的未优化Ga沉积时间引起。
图2还描述了单个单层实例(“1ML GaN”)和两个单层实例(“2ML GaN”)的归一化的光致发光(PL)谱图。谱图在室温下测量。还显示了含有单层GaN有源区的样品的积分PL强度随激发功率的变化。在室温下使用193nm ArF准分子激光器作为激发源来测量单层GaN/AlN异质结构的PL性质。如图2的部分(c)中显示，对于单个和两个单层GaN实例分别表现出238nm和270nm处不同的发射峰，其很好地符合理论计算。还表现出明显的不均匀变宽(约20nm的半极大处全宽度)，这大程度归因于AlN纳米线的尺寸分布和应变分布中所得的变化。可使用选择区域外延来实现明显减小的谱图变宽从而精确控制AlN纳米线的尺寸。
虽然直接从PL谱图识别真正激子贡献涉及复杂的定量计算，但是时间(temporally)和谱图积分的PL确定辐射复合的电子-空穴对的总数，这然后可用于确定辐射和无辐射俄歇复合之比。如图2的部分(d)中显示，发现来自单层GaN的时间和谱图积分的PL强度(IPL)随着激发强度(I0)线性提高，即IPL∝I0。这暗示产生的载流子数(∝I0)等于辐射复合载流子(∝IPL)。因为俄歇复合将使该平衡无效，所以IPL和I0之间的线性关系暗示了在提出的测量条件下强烈抑制俄歇复合，如对激子占主导体系所期望的。
转向图3，将实验数据与从基于密度函数和多体微扰理论的第一性原理计算的理论预计对比，这产生了材料的精确电子和光学性质。在图3的部分(a)中显示了具有不同AlN势垒厚度的单层GaN/AlN异质结构的理论电子和光学间隙。提高AlN势垒的厚度，对于嵌入九个AlN单层的单层GaN而言，由于GaN量子盘内提高的量子限域，电子间隙提高至5.44eV，且光学间隙提高至5.2eV。较厚的AlN势垒提高电子间隙和光学间隙仅稍微大于该值。在另一极端，交替的GaN和AlN单个单层的结构具有4.66eV的光学间隙。
实验性地，生长了一系列具有单层厚的GaN和各种AlN势垒厚度的GaN/AlN异质结构。对于2、4、6和20个单层(“ML”)的AlN势垒厚度，在图3的部分(b)中显示了室温下测量的PL谱图。如在图3的部分(a)中三角所示，观察的PL峰位置很好符合计算的光学间隙。例如，测量的PL峰明显低于电子间隙，证实单层GaN所测量的深UV发射是激子的。与计算的电子带隙相比，约200meV的激子结合能由嵌入AlN基体的单层GaN导出，其接近主体GaN中的十倍。这样的大激子结合能没有在之前报告的GaN/AlN平面结构中测出，这可能是由于表面/界面粗糙度和大密度的缺陷和位错的存在所致。
在图3的实例中，在300K下测量PL峰。为了易于说明，将与理论数据点连接并外推的线用作指导。图3还描述了在室温下测量的具有不同AlN势垒厚度的单层GaN的归一化PL谱图。实心线是与实验数据的拟合。
图4示意说明大面积单层第III族氮化物(例如GaN)深UV LED器件400的制造。如图4的部分(a)中显示，器件400可包括由基材404支撑的多个(例如阵列)结构402。每一结构402包括如本文描述的第III族氮化物激子量子异质结构。图4的部分(b)描述了在室温下测量的UV LED器件400的电流-电压(I-V)特性的图表。图表的插图以对数标度绘制。
可使用标准光学光刻法和触点金属化技术来制造单层GaN深UV LED器件400。复合金属层406沉积在基材404(例如Si基材)的背侧上。在一些情况下，复合金属层406由Ti(例如80nm)和Au(例如20nm)的构成层组成或包括Ti(例如80nm)和Au(例如20nm)的构成层。复合层406充当n-金属触点。p-金属触点由复合层408提供。在一些情况下，复合层408由Ni(例如10nm)和Au(例如10nm)的构成层组成或包括Ni(例如10nm)和Au(例如10nm)的构成层。使用倾斜角沉积技术来沉积复合层408，所述技术也限定器件面积。随后，可将金属网格触点410沉积在器件顶表面上以促进电流扩散和注入。金属网格触点410还可为复合金属层，包括例如Ti(例如20nm)、Al(例如300mn)和Au(例如20nm)的构成层。可在任何前述复合层中使用补充性或替代性的构成金属层。器件面积尺寸可落入300μm×300μm至1mm×1mm的范围内。
电流-电压特性在室温下测量并表现出约5V的开启电压。对于-10V的反向偏压而言，器件泄漏电流在几百nA量级，如在图4的部分(b)中的插图显示。优异的电性能是由Mg掺杂的AlN纳米晶的有效p型传导所致。由于有效的表面应力松弛，与外延层相比Al取代Mg受主的形成能在AlN纳米结构中大幅减小。所得的明显增强的Mg掺杂剂并入，与在富N外延条件下减小的N空位形成一起，能够在AlN中形成Mg杂质带，这可导致空穴跳跃传导。此外，由于Mg受主的分散，一部分Mg受主具有明显减小的活化能。如在图表中显示，在室温下电流密度在10V超过50A/cm2。
图5在部分(a)中描述了分别从一个单层(“1ML GaN”)和两个单层(“2ML GaN”)GaNLED测量的电致发光(EL)谱图的图表。在图5的部分(b)中，描述了在对于单层GaN LED器件而言2.3A/cm2-32.2A/cm2注入电流下测量的电致发光谱图的图表。在图5的部分(c)中，图表描述了积分光致发光强度和峰位置相对注入电流的变化。在这些实例中，测量的器件面积为300μm×300μm。
并入单个和两个单层GaN有源区的LED器件的电致发光(EL)谱图分别具有在238nm和270nm的峰发射。峰发射与图2的部分(c)中显示的PL测量结果一致。在图5的部分(b)中进一步显示在不同注入电流下测量的单层GaN深UV LED器件的EL谱图。作为电流的函数，峰位置保持几乎恒定，如图5的部分(c)中显示，其归因于可忽略的量子限域斯塔克效应。原子程度上薄的GaN有源区中电子和空穴的极度量子限域防止电子和空穴波函数分离，尽管在GaN和AlN之间有大的极化场。积分的EL强度随电流而近线性地提高。相对外部量子效率对注入电流的分析还显示了可忽略的效率下降(droop)。这直接不同于在常规AlGaN LED中测量的严重效率下降。在单层GaN LED中，因为强的激子结合能增强了辐射延迟和抑制散射，所以辐射载体寿命减小并因此有效载体密度减小。结果，可在强激子系统中抑制在深UV器件中俄歇复合和电子溢流引发的下降。
图6描述了按照一个实例制造激子器件的方法600。该方法600可用于制造本文描述的任何类型的激子器件或另一类型的激子器件。该方法600可包括补充性的、更少的或替代性的步骤(act)。例如，方法600可包括或可不包括涉及制备基材的一个或多个步骤(步骤602)。
该方法600可从步骤602开始，在该步骤中制备基材。基材可为n型硅(Si)晶片或由n型硅(Si)晶片形成。可使用其它半导体和基材。基材的制备可包括一个或多个热扩散或其它掺杂过程。在一些情况下，步骤602可包括一个或多个掺杂过程以建立一个或多个n型层或区域。
在步骤604，在基材的背侧上沉积一个或多个n-金属触点。在一些情况下，步骤604包括沉积粘着性金属层(步骤606)和之后沉积触点金属(步骤608)。
该方法600包括在基材上生长结构阵列的第III族氮化物基物的步骤610。基材可为纳米线或其它纳米结构。步骤610可包括实施等离子体辅助分子束外延过程。可在富氮条件下实施该过程。在一个实例中，生长条件如下：生长温度为790℃持续1.5h，Ga束等效压力为～6×10-8乇，氮流速为1标准立方厘米/分钟(sccm)，和等离子体功率为350W。纳米线提供在以下步骤中形成的异质结构的平台或其它结构。可形成其它平台或结构。例如，所述结构可为显微结构。
然后，在步骤612中在纳米结构阵列的每一第III族氮化物基物上生长第III族氮化物载流子注入层。注入层可为掺杂的(例如Si掺杂的)用于注入电子。
在步骤614，在纳米结构阵列的每一第一个第III族氮化物载流子注入层上生长量子异质结构。可在富氮条件下生长量子异质结构(步骤616)。步骤614包括生长具有氮化物表面的第III族氮化物势垒层(步骤618)和在氮化物表面上生长第III族氮化物有源层(620)。可生长补充性的有源层和周围的势垒层。如本文所述，第III族氮化物有源层具有用于载流子的量子限域的厚度。
如以上描述，生长具有氮化物表面的第III族氮化物势垒层可包括在生长期结束时关闭第III族材料(例如Al)用的挡板，同时让用于氮的挡板打开持续一段时间以消耗在第III族氮化物势垒层表面处的额外的第III族原子。在一些情况下，Al挡板可关闭约10分钟。时间段长度可变化。例如，时间段长度可为分钟量级或更长。
在步骤622，在纳米结构阵列的每一量子异质结构上生长第二个第III族氮化物载流子注入层。第二个载流子注入层可为掺杂的(例如Mg掺杂的)以充当空穴注入层。步骤622还可包括在每一载流子注入层上生长p-接触层。
该方法600还可包括在步骤624中在纳米结构上沉积一个或多个金属触点。在一些情况下，步骤624包括步骤626和628，其中使用倾斜角沉积过程沉积粘着性和触点金属层。作为替代或补充，在步骤630沉积金属网格触点。
如本文描述的，可通过在AlN基体中受控外延单层GaN来实现激子器件。实验研究和与基于密度函数和多体微扰理论的第一性原理计算的直接相关性提供清楚的证据：单层GaN能够表现出强的激子发光，而激子结合能超过例如200meV。可通过改变GaN和/或AlN势垒的厚度来调节发射波长。并入单个和两个单层GaN的深UV LED器件可分别在238和270nm下工作。这些独特的深UV LED器件表现出高度稳定的发射和可忽略的效率下降。
在其它实例中，可使用选择性区域外延。通过选择性区域外延生长的AlN纳米晶中单层GaN的受控外延可明显减小不均匀变宽。因此，可实现具有高功率工作的深UV LED器件。
参照具体实例描述了本公开内容，所述具体实例意图仅为说明性的而不是限制公开内容。可在没有偏离公开内容的精神和范围的情况下对实例进行改变、添加和/或删除。
上述说明仅是为了清楚理解而给出的，不应由此理解为不必要的限制。

Claims (20)

1.器件，包含：
基材；和
由基材支撑的多个结构，所述多个结构中每一结构包含第III族氮化物基物，由第III族氮化物基物支撑的第一和第二个第III族氮化物载流子注入层，和设置在第一和第二个载流子注入层之间的量子异质结构；
其中：
量子异质结构包含一对第III族氮化物势垒层和设置在所述一对第III族氮化物势垒层之间的第III族氮化物有源层，
第III族氮化物有源层具有用于载流子的量子限域的厚度，和
所述一对第III族氮化物势垒层中至少一个具有与第III族氮化物有源层相邻的氮化物表面。
2.根据权利要求1所述的器件，其中氮化物表面不含组成所述一对第III族氮化物势垒层的第III族元素。
3.根据权利要求1所述的器件，其中第III族氮化物有源层的厚度经构造用于激子载流子复合。
4.根据权利要求1所述的器件，其中第III族氮化物有源层的厚度对应于组成第III族氮化物有源层的第III族氮化物材料单层。
5.根据权利要求1所述的器件，其中第III族氮化物有源层的厚度对应于组成第III族氮化物有源层的第III族氮化物材料双层。
6.根据权利要求1所述的器件，其中第III族氮化物有源层具有组成第III族氮化物有源层的第III族氮化物材料的可数单层。
7.根据权利要求1所述的器件，其中量子异质结构还包含：
另外的第III族氮化物势垒层；和
设置在另外的第III族氮化物势垒层和所述一对第III族氮化物势垒层之一之间的另外的第III族氮化物有源层。
8.根据权利要求1所述的器件，其中所述一对第III族氮化物势垒层的每一第III族氮化物势垒层具有对应于组成一对第III族氮化物势垒层的第III族氮化物材料的可数单层的厚度。
9.根据权利要求1所述的器件，其中第III族氮化物有源层包含氮化镓。
10.根据权利要求1所述的器件，其中所述一对第III族氮化物势垒层包含氮化铝。
11.根据权利要求1所述的器件，其中第一和第二个第III族氮化物载流子注入层分别包含硅掺杂的氮化铝和镁掺杂的氮化铝。
12.根据权利要求1所述的器件，其中第III族氮化物基物包含氮化镓。
13.根据权利要求1所述的器件，其中多个结构中每一结构包含与基材垂直取向的纳米线。
14.根据权利要求1所述的器件，其中基材包含硅。
15.制造激子器件的方法，该方法包括：
在基材上生长结构阵列的第III族氮化物基物；
在结构阵列的每一第III族氮化物基物上生长第一个第III族氮化物载流子注入层；
在结构阵列的每一第一个第III族氮化物载流子注入层上生长量子异质结构；和
在结构阵列的每一量子异质结构上生长第二个第III族氮化物载流子注入层，
其中：
生长量子异质结构包括：
生长具有氮化物表面的第III族氮化物势垒层；和
在氮化物表面上生长第III族氮化物有源层，和
第III族氮化物有源层具有用于载流子的量子限域的厚度。
16.根据权利要求15所述的方法，其中在富氮条件下进行生长量子异质结构。
17.根据权利要求15所述的方法，其中生长具有氮化物表面的第III族氮化物势垒层包括在生长期结束时关闭第III族材料用的挡板，同时让用于氮的挡板打开持续一段时间以消耗在第III族氮化物势垒层表面处的额外的第III族原子。
18.根据权利要求17所述的方法，其中时间长度在分钟量级。
19.根据权利要求15所述的方法，还包括在基材的背侧上沉积金属触点。
20.根据权利要求15所述的方法，还包括在结构阵列的每一第二个第III族氮化物载流子注入层上生长接触层。
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