We report on the molecular beam epitaxy and characterization of monolayer GaN embedded in N-polar AlN nanowire structures. Deep ultraviolet emission from 4.85 to 5.25 eV is measured by varying the AlN barrier thickness. Detailed optical measurements and direct correlation with first-principles calculations based on density functional and many-body perturbation theory suggest that charge carrier recombination occurs predominantly via excitons in the extremely confined monolayer GaN/AlN heterostructures, with exciton binding energy exceeding 200 meV. We have further demonstrated deep ultraviolet light-emitting diodes (LEDs) with the incorporation of single and double monolayer GaN, which operate at 238 and 270 nm, respectively. These unique deep ultraviolet LEDs exhibit highly stable emission and a small turn-on voltage around 5 V.

1.
H.
Hirayama
,
N.
Maeda
,
S.
Fujikawa
,
S.
Toyoda
, and
N.
Kamata
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
53
,
100209
(
2014
).
2.
Y.
Wu
,
Y.
Wang
,
K.
Sun
, and
Z.
Mi
,
J. Cryst. Growth
507
,
65
(
2019
).
3.
S. M.
Sadaf
,
S.
Zhao
,
Y.
Wu
,
Y. H.
Ra
,
X.
Liu
,
S.
Vanka
, and
Z.
Mi
,
Nano Lett.
17
,
1212
(
2017
).
4.
S.
Zhao
,
H. P. T.
Nguyen
,
M. G.
Kibria
, and
Z.
Mi
,
Prog. Quant. Electron.
44
,
14
(
2015
).
5.
S.
Zhao
,
S. M.
Sadaf
,
S.
Vanka
,
Y.
Wang
,
R.
Rashid
, and
Z.
Mi
,
Appl. Phys. Lett.
109
,
201106
(
2016
).
6.
Y.
Guo
,
J.
Yan
,
Y.
Zhang
,
J.
Wang
, and
J.
Li
,
J. Nanophotonics
12
,
043510
(
2018
).
7.
D.
Li
,
K.
Jiang
,
X.
Sun
, and
C.
Guo
,
Adv. Opt. Photonics
10
,
43
(
2018
).
8.
H.
Hirayama
,
Proc. SPIE
7617
,
76171G
(
2010
).
9.
X.
Rong
,
X.
Wang
,
S. V.
Ivanov
,
X.
Jiang
,
G.
Chen
,
P.
Wang
,
W.
Wang
,
C.
He
,
T.
Wang
,
T.
Schulz
,
M.
Albrecht
,
V. N.
Jmerik
,
A. A.
Toropov
,
V. V.
Ratnikov
,
V. I.
Kozlovsky
,
V. P.
Martovitsky
,
P.
Jin
,
F.
Xu
,
X.
Yang
,
Z.
Qin
,
W.
Ge
,
J.
Shi
, and
B.
Shen
,
Adv. Mater.
28
,
7978
(
2016
).
10.
D.
Ma
,
X.
Rong
,
X.
Zheng
,
W.
Wang
,
P.
Wang
,
T.
Schulz
,
M.
Albrecht
,
S.
Metzner
,
M.
Müller
,
O.
August
,
F.
Bertram
,
J.
Christen
,
P.
Jin
,
M.
Li
,
J.
Zhang
,
X.
Yang
,
F.
Xu
,
Z.
Qin
,
W.
Ge
,
B.
Shen
, and
X.
Wang
,
Sci. Rep.
7
,
46420
(
2017
).
11.
Y.
Wang
,
X.
Rong
,
S.
Ivanov
,
V.
Jmerik
,
Z.
Chen
,
H.
Wang
,
T.
Wang
,
P.
Wang
,
P.
Jin
,
Y.
Chen
,
V.
Kozlovsky
,
D.
Sviridov
,
M.
Zverev
,
E.
Zhdanova
,
N.
Gamov
,
V.
Studenov
,
H.
Miyake
,
H.
Li
,
S.
Guo
,
X.
Yang
,
F.
Xu
,
T.
Yu
,
Z.
Qin
,
W.
Ge
,
B.
Shen
, and
X.
Wang
,
Adv. Opt. Mater.
7
,
1801763
(
2019
).
12.
Z.
Mi
,
S.
Zhao
,
S. Y.
Woo
,
M.
Bugnet
,
M.
Djavid
,
X.
Liu
,
J.
Kang
,
X.
Kong
,
W.
Ji
,
H.
Guo
,
Z.
Liu
, and
G. A.
Botton
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
49
,
364006
(
2016
).
13.
Y.
Wu
,
T.
Hasan
,
X.
Li
,
P.
Xu
,
Y.
Wang
,
X.
Shen
,
X.
Liu
, and
Q.
Yang
,
Appl. Phys. Lett.
106
,
051108
(
2015
).
14.
S.
Zhao
,
X.
Liu
,
Y.
Wu
, and
Z.
Mi
,
Appl. Phys. Lett.
109
,
191106
(
2016
).
15.
J.
Verma
,
P. K.
Kandaswamy
,
V.
Protasenko
,
A.
Verma
,
H.
Grace Xing
, and
D.
Jena
,
Appl. Phys. Lett.
102
,
041103
(
2013
).
16.
S. M.
Islam
,
V.
Protasenko
,
S.
Rouvimov
,
H.
Xing
, and
D.
Jena
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
55
,
05ff06
(
2016
).
17.
X.
Liu
,
S.
Zhao
,
B. H.
Le
, and
Z.
Mi
,
Appl. Phys. Lett.
111
,
101103
(
2017
).
18.
K.
Ding
,
V.
Avrutin
,
Ü.
Özgür
, and
H.
Morkoç
,
Crystals
7
,
300
(
2017
).
19.
A.
Aiello
,
Y.
Wu
,
A.
Pandey
,
P.
Wang
,
W.
Lee
,
D.
Bayerl
,
N.
Sanders
,
Z.
Deng
,
J.
Gim
,
K.
Sun
,
R.
Hovden
,
E.
Kioupakis
,
Z.
Mi
, and
P.
Bhattacharya
,
Nano Lett.
19
,
7852
(
2019
).
20.
C.
Liu
,
Y. K.
Ooi
,
S. M.
Islam
,
J.
Verma
,
H.
Xing
,
D.
Jena
, and
J.
Zhang
,
Appl. Phys. Lett.
110
,
071103
(
2017
).
21.
C.
Liu
,
Y. K.
Ooi
,
S. M.
Islam
,
H.
Xing
,
D.
Jena
, and
J.
Zhang
,
Appl Phys. Lett.
112
,
011101
(
2018
).
22.
Y.
Zhang
,
S.
Krishnamoorthy
,
F.
Akyol
,
S.
Bajaj
,
A. A.
Allerman
,
M. W.
Moseley
,
A. M.
Armstrong
, and
S.
Rajan
,
Appl. Phys. Lett.
110
,
201102
(
2017
).
23.
Y.
Zhang
,
Z.
Jamal-Eddine
, and
S.
Rajan
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
58
,
Sc0805
(
2019
).
24.
S.
Zhao
,
M.
Djavid
, and
Z.
Mi
,
Nano Lett.
15
,
7006
(
2015
).
25.
J.
Verma
,
S. M.
Islam
,
V.
Protasenko
,
P.
Kumar Kandaswamy
,
H.
Xing
, and
D.
Jena
,
Appl. Phys. Lett.
104
,
021105
(
2014
).
26.
I.
Bryan
,
Z.
Bryan
,
S.
Washiyama
,
P.
Reddy
,
B.
Gaddy
,
B.
Sarkar
,
M. H.
Breckenridge
,
Q.
Guo
,
M.
Bobea
,
J.
Tweedie
,
S.
Mita
,
D.
Irving
,
R.
Collazo
, and
Z.
Sitar
,
Appl. Phys. Lett.
112
,
062102
(
2018
).
27.
R.
Dalmau
,
B.
Moody
,
R.
Schlesser
,
S.
Mita
,
J.
Xie
,
M.
Feneberg
,
B.
Neuschl
,
K.
Thonke
,
R.
Collazo
,
A.
Rice
,
J.
Tweedie
, and
Z.
Sitar
,
J. Electrochem. Soc.
158
,
H530
(
2011
).
28.
S.
Hagedorn
,
A.
Knauer
,
A.
Mogilatenko
,
E.
Richter
, and
M.
Weyers
,
Phys. Status Solidi A
213
,
3178
(
2016
).
29.
Z.
Chen
,
J.
Hoo
,
Y.
Chen
,
V.
Wang
, and
S.
Guo
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
58
,
Sc1007
(
2019
).
30.
H.
Miyake
,
C.-H.
Lin
,
K.
Tokoro
, and
K.
Hiramatsu
,
J. Cryst. Growth
456
,
155
(
2016
).
31.
S.
Walde
,
S.
Hagedorn
, and
M.
Weyers
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
58
,
Sc1002
(
2019
).
32.
D.
Bayerl
,
S. M.
Islam
,
C. M.
Jones
,
V.
Protasenko
,
D.
Jena
, and
E.
Kioupakis
,
Appl. Phys. Lett.
109
,
241102
(
2016
).
33.
S. M.
Islam
,
K.
Lee
,
J.
Verma
,
V.
Protasenko
,
S.
Rouvimov
,
S.
Bharadwaj
,
H.
Xing
, and
D.
Jena
,
Appl. Phys. Lett.
110
,
041108
(
2017
).
34.
A. T.
Sarwar
,
B. J.
May
,
M. F.
Chisholm
,
G. J.
Duscher
, and
R. C.
Myers
,
Nanoscale
8
,
8024
(
2016
).
35.
S. M.
Islam
,
V.
Protasenko
,
K.
Lee
,
S.
Rouvimov
,
J.
Verma
,
H.
Xing
, and
D.
Jena
,
Appl. Phys. Lett.
111
,
091104
(
2017
).
36.
Y.
Horikoshi
,
M.
Kawashima
, and
H.
Yamaguchi
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
27
,
169
(
1988
).
37.
X.
Liu
,
K.
Mashooq
,
T.
Szkopek
, and
Z.
Mi
,
IEEE Photonics J.
10
,
4501211
(
2018
).
38.
M.
Djavid
and
Z.
Mi
,
Appl. Phys. Lett.
108
,
051102
(
2016
).
39.
B.
Janjua
,
H.
Sun
,
C.
Zhao
,
D. H.
Anjum
,
F.
Wu
,
A. A.
Alhamoud
,
X.
Li
,
A. M.
Albadri
,
A. Y.
Alyamani
,
M. M.
El-Desouki
,
T. K.
Ng
, and
B. S.
Ooi
,
Nanoscale
9
,
7805
(
2017
).
40.
M. G.
Kibria
,
R.
Qiao
,
W.
Yang
,
I.
Boukahil
,
X.
Kong
,
F. A.
Chowdhury
,
M. L.
Trudeau
,
W.
Ji
,
H.
Guo
,
F. J.
Himpsel
,
L.
Vayssieres
, and
Z.
Mi
,
Adv. Mater.
28
,
8388
(
2016
).
41.
K.
Hestroffer
,
C.
Leclere
,
C.
Bougerol
,
H.
Renevier
, and
B.
Daudin
,
Phys. Rev. B
84
,
245302
(
2011
).
42.
X.
Liu
,
B. H.
Le
,
S. Y.
Woo
,
S.
Zhao
,
A.
Pofelski
,
G. A.
Botton
, and
Z.
Mi
,
Opt. Express
25
,
30494
(
2017
).
43.
S.
Chatterjee
,
C.
Ell
,
S.
Mosor
,
G.
Khitrova
,
H. M.
Gibbs
,
W.
Hoyer
,
M.
Kira
,
S. W.
Koch
,
J. P.
Prineas
, and
H.
Stolz
,
Phys. Rev. Lett.
92
,
067402
(
2004
).
44.
M.
Kira
and
S. W.
Koch
,
Semiconductor Quantum Optics
(
Cambridge University Press
,
Cambridge
,
2012
).
45.
D.
Bayerl
and
E.
Kioupakis
,
Appl. Phys. Lett.
115
,
131101
(
2019
).
46.
J. F.
Muth
,
J. H.
Lee
,
I. K.
Shmagin
, and
R. M.
Kolbas
,
Appl. Phys. Lett.
71
,
2572
(
1997
).
47.
A. T.
Connie
,
S.
Zhao
,
S. M.
Sadaf
,
I.
Shih
,
Z.
Mi
,
X.
Du
,
J.
Lin
, and
H.
Jiang
,
Appl. Phys. Lett.
106
,
213105
(
2015
).
48.
N. H.
Tran
,
B. H.
Le
,
S.
Zhao
, and
Z.
Mi
,
Appl. Phys. Lett.
110
,
032102
(
2017
).
49.
A.
Pandey
,
W. J.
Shin
,
X.
Liu
, and
Z.
Mi
,
Opt. Express
27
,
A738
(
2019
).
50.
X.
Hai
,
R. T.
Rashid
,
S. M.
Sadaf1
,
Z.
Mi
, and
S.
Zhao
,
Appl. Phys. Lett.
114
,
101104
(
2019
).
51.
R. P.
Smith
,
J. K.
Wahlstrand
,
A. C.
Funk
,
R. P.
Mirin
,
S. T.
Cundiff
,
J. T.
Steiner
,
M.
Schafer
,
M.
Kira
, and
S. W.
Koch
,
Phys. Rev. Lett.
104
,
247401
(
2010
).
You do not currently have access to this content.