The family of III-V nitride semiconductors has garnered significant research attention over the last 20–25 years, and these efforts have led to many highly successful technologies, especially in the area of light emitting devices such as light emitting diodes for solid state white lighting and lasers for high density optical read/write memories. These applications have taken advantage of a key material property of the III-N materials, namely a direct, tunable (0.7–6.2 eV, λ ∼ 200 nm to 1.7 μm) bandgap and have been accomplished despite a relatively poor level of material quality. But a direct, tunable bandgap is only one of many interesting properties of III-N materials of interest to potential future technologies. A considerable list of first and second order properties make this family of semiconductors even more attractive—namely, electric polarization, piezoelectricity, high breakdown field, pyroelectricity, electro-optic and photo-elastic effects, etc. The first few of these have found much utility in the development of high power transistors that promise significant commercial success in both communications and power switching applications. As these areas begin to flourish, it is reasonable to begin to explore what might be next for this versatile family of semiconductors. Here are highlighted three areas of significant potential for future III-N research—atomic layer epitaxy of complex heterostructures, variable polarity homo- and hetero-structures of arbitrary geometries, and nanowire heterostructures. Early results, key technical challenges, and the ultimate potential for future technologies are highlighted for each research path.

1.
O.
Ambacher
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
31
,
2653
(
1998
).
2.
H. P.
Maruska
and
J. J.
Tietjen
,
Appl. Phys. Lett.
15
,
327
(
1969
).
3.
J. I.
Pankove
,
J. E.
Berkeyheiser
,
H. P.
Maruska
, and
J.
Wittke
,
Solid State Commun.
8
,
1051
(
1970
).
4.
J. I.
Pankove
,
H. P.
Maruska
, and
J. E.
Berkeyheiser
,
Appl. Phys. Lett.
17
,
197
(
1970
).
5.
D. K.
Wickenden
,
K. R.
Faulkner
,
R. W.
Brander
, and
B. J.
Isherwood
,
J. Cryst. Growth
9
,
158
(
1971
).
6.
7.
C. R.
Eddy
, Jr.
and
D. K.
Gaskill
,
Science
324
,
1398
(
2009
).
8.
J. W.
Palmour
et al, in
Gallium Nitride and Silicon Carbide Power Technologies,
edited by
K.
Shenai
,
R.
Garg
,
R.
Ma
,
M.
Dudley
, and
A.
Khan
(
Electrochemical Soc Inc.
,
Pennington
,
2011
), Vol.
41
, pp.
3
7
.
9.
J.
Edmond
et al,
J. Cryst. Growth
272
,
242
(
2004
).
10.
R. S.
Pengelly
,
S. M.
Wood
,
J. W.
Milligan
,
S. T.
Sheppard
, and
W. L.
Pribble
,
IEEE Trans. Microwave Theory Tech.
60
,
1764
(
2012
).
11.
T.
Paskova
and
K. R.
Evans
,
IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron.
15
,
1041
(
2009
).
12.
R.
Dwilinski
, et al,
Phys. Status Solidi A
208
,
1489
(
2011
).
13.
W. L.
Liu
,
A. A.
Balandin
,
C.
Lee
, and
H. Y.
Lee
,
Phys. Status Solidi A
202
,
R135
(
2005
).
14.
C.
Mion
,
J. F.
Muth
,
E. A.
Preble
, and
D.
Hanser
,
Superlattices Microstruct.
40
,
338
(
2006
).
15.
N.
Ikeda
,
Y.
Niiyama
,
H.
Kambayashi
,
Y.
Sato
,
T.
Nomura
,
S.
Kato
, and
S.
Yoshida
,
Proc. IEEE
98
,
1151
(
2010
).
16.
X. Q.
Wang
and
A.
Yoshikawa
,
Prog. Cryst. Growth Charact. Mater.
48–49
,
42
(
2004
).
17.
Q.
Fareed
,
J. W.
Yang
,
J. P.
Zhang
,
V.
Adivarahan
, and
M. A.
Khan
,
Proc. IWN, IPAP Conf. Ser.
1
,
237
(
2000
).
18.
S.
Keller
,
I.
Ben-Yaacov
,
S. P.
Denbaars
, and
U. K.
Mishra
,
Proc. IWN, IPAP Conf. Ser.
1
,
233
(
2000
).
19.
T.
Tsuchiya
,
M.
Ohnishi
,
A.
Wakahara
, and
A.
Yoshida
,
J. Cryst. Growth
220
,
191
(
2000
).
20.
A. G.
Bhuiyan
,
T.
Tanaka
,
A.
Yamamoto
, and
A.
Hashimoto
,
Phys. Status Solidi A
194
,
502
(
2002
).
21.
C. R.
Abernathy
,
J. D.
MacKenzie
, and
S. M.
Donovan
,
J. Cryst. Growth
178
,
74
(
1997
).
22.
K.
Fujito
,
S.
Kubo
, and
I.
Fujimura
,
MRS Bull.
34
,
313
(
2009
).
23.
E.
Richter
,
T.
Stoica
,
U.
Zeimer
,
C.
Netzel
,
M.
Weyers
, and
G.
Trankle
,
J. Electron. Mater.
42
,
820
(
2013
).
24.
C.
Simbrunner
,
M.
Wegscheider
,
M.
Quast
,
L.
Tian
,
A.
Navarro-Quezada
,
H.
Sitter
,
A.
Bonanni
, and
R.
Jakiela
,
Appl. Phys. Lett.
90
,
142108
(
2007
).
25.
B.
Gunning
,
J.
Lowder
,
M.
Moseley
, and
W. A.
Doolittle
,
Appl. Phys. Lett.
101
,
082106
(
2012
).
26.
B. N.
Feigelson
,
T. J.
Anderson
,
M.
Abraham
,
J. A.
Freitas
,
J. K.
Hite
,
C. R.
Eddy
, and
F. J.
Kub
,
J. Cryst. Growth
350
,
21
(
2012
).
27.
B. N.
Pantha
,
J.
Li
,
J. Y.
Lin
, and
H. X.
Jiang
,
Appl. Phys. Lett.
96
,
232105
(
2010
).
28.
J.
Simon
,
V.
Protasenko
,
C.
Lian
,
H.
Xing
, and
D.
Jena
,
Science
327
,
60
(
2010
).
29.
Y.
Wu
,
M.
Jacob-Mitos
,
M. L.
Moore
, and
S.
Heikman
,
IEEE Electron Devices Lett.
29
,
824
(
2008
).
30.
31.
J. Q.
Wu
,
J. Appl. Phys.
106
,
011101
(
2009
).
32.
M. T.
Hardy
,
D. F.
Feezell
,
S. P.
DenBaars
, and
S.
Nakamura
,
Mater. Today
14
,
408
(
2011
).
33.
34.
V. B.
Aleskovskii
,
Russ. J. Appl. Chem.
47
,
2207
(
1974
).
35.
T.
Suntola
and
J.
Antson
, U.S. patent 4 058 430 (
1977
).
36.
T.
Takeda
,
T.
Kurosu
,
M.
Lida
, and
T.
Yao
,
Surf. Sci.
174
,
548
(
1986
).
37.
M. A.
Herman
,
O.
Jylha
, and
M.
Pessa
,
J. Cryst. Growth
66
,
480
(
1984
).
38.
J. G.
Nelson
,
J. Vac. Sci. Technol., A
5
,
2140
(
1987
).
39.
K.
Mori
,
M.
Yoshida
,
A.
Usui
, and
H.
Terao
,
Appl. Phys. Lett.
52
,
27
(
1988
).
40.
S. M.
Bedair
,
M. A.
Tischler
,
T.
Katsuyama
, and
N. A.
Elmasry
,
Appl. Phys. Lett.
47
,
51
(
1985
).
41.
N. H.
Karam
,
T.
Parodos
,
P.
Colter
,
D.
McNulty
,
W.
Rowland
,
J.
Schetzina
,
N.
Elmasry
, and
S. M.
Bedair
,
Appl. Phys. Lett.
67
,
94
(
1995
).
42.
S. M.
Bedair
,
B. T.
McDermott
,
Y.
Ide
,
N. H.
Karam
,
H.
Hashemi
,
M. A.
Tischler
,
M.
Timmons
,
J. C. L.
Tarn
, and
N.
Elmasry
,
J. Cryst. Growth
93
,
182
(
1988
).
43.
S. K.
Kim
,
W. D.
Kim
,
K. M.
Kim
,
C. S.
Hwang
, and
J.
Jeong
,
Appl. Phys. Lett.
85
,
4112
(
2004
).
44.
G.
Oya
,
M.
Yoshida
, and
Y.
Sawada
,
Appl. Phys. Lett.
51
,
1143
(
1987
).
45.
J.
Sundqvist
,
A.
Tarre
,
A.
Rosental
, and
A.
Harsta
,
Chem. Vap. Deposition
9
,
21
(
2003
).
46.
K.
Kopalko
,
M.
Godlewski
,
J. Z.
Domagala
,
E.
Lusakowska
,
R.
Minikayev
,
W.
Paszkowicz
, and
A.
Szczerbakow
,
Chem. Mater.
16
,
1447
(
2004
).
47.
J.
Nishizawa
,
H.
Abe
,
T.
Kurabayashi
, and
N.
Sakurai
,
J. Vac. Sci. Technol., A
4
,
706
(
1986
).
48.
S. M.
Bedair
,
F. G.
McIntosh
,
J. C.
Roberts
,
E. L.
Piner
,
K. S.
Boutros
, and
N. A.
ElMasry
,
J. Cryst. Growth
178
,
32
(
1997
).
49.
O. H.
Kim
,
D.
Kim
, and
T.
Anderson
,
J. Vac. Sci. Technol., A
27
,
923
(
2009
).
50.
C.
Ozgit
,
I.
Donmez
,
M.
Alevli
, and
N.
Biyikli
,
J. Vac. Sci. Technol., A
30
,
01A124
(
2012
).
51.
M.
Alevli
,
C.
Ozgit
,
I.
Donmez
, and
N.
Biyikli
,
J. Cryst. Growth
335
,
51
(
2011
).
52.
N.
Nepal
,
N. A.
Mahadik
,
L. O.
Nyakiti
,
S. B.
Qadri
,
M. J.
Mehl
,
J. K.
Hite
, and
C. R.
Eddy
, Jr.
,
Cryst. Growth Des.
13
,
1485
(
2013
).
53.
L. F. J.
Piper
,
T. D.
Veal
,
M.
Walker
,
I.
Mahboob
,
C. F.
McConville
,
H.
Lu
, and
W. J.
Schaff
,
J. Vac. Sci. Technol., A
23
,
617
(
2005
).
54.
J.
Wu
,
J. Appl. Phys.
106
,
011101
(
2009
).
55.
S.-Y.
Kuo
,
F.-I.
Lai
,
W.-C.
Chen
,
W.-T.
Lin
,
C.-N.
Hsiao
,
H.-I.
Lin
, and
H.-C.
Pan
,
Diamond Relat. Mater.
20
,
1188
(
2011
).
56.
X.
Wang
, et al,
Appl. Phys. Express
5
,
015502
(
2012
).
57.
A.
Janotti
and
C. G.
Van de Walle
,
Appl. Phys. Lett.
92
,
032104
(
2008
).
58.
C. G.
Van de Walle
,
J. L.
Lyons
, and
A.
Janotti
,
Phys. Status Solidi A
207
,
1024
(
2010
).
59.
O.
Tuna
,
H.
Behmenburg
,
C.
Giesen
,
H.
Kalisch
,
R. H.
Jansen
,
G. P.
Yablonskii
, and
M.
Heuken
,
Phys. Status Solidi C
8,
2011)
.
60.
W.
Feng
,
S.
Cui
,
H.
Hu
, and
W.
Zhao
,
Phys. Status Solidi B
247
,
313
(
2010
).
61.
J. W.
Edington
,
Practical Electron Microscopy for Materials Science
(
Van Nostrand-Reinhold,
New York
1976
).
62.
S. D.
Wolter
,
B. P.
Luther
,
D. L.
Waltemyer
,
C.
Önneby
,
S. E.
Mohney
, and
R. J.
Molnar
,
Appl. Phys. Lett.
70
,
2156
(
1997
).
63.
C.
Wetzel
,
M.
Zhu
,
J.
Senawiratne
,
T.
Detchprohm
,
P. D.
Persans
,
L.
Liu
,
E. A.
Preble
, and
D.
Hanser
,
J. Cryst. Growth
310
,
3987
(
2008
).
64.
C.
Holder
,
J. S.
Speck
,
S. P.
DenBaars
,
S.
Nakamura
, and
D.
Feezell
,
Appl. Phys. Express
5
,
092104
(
2012
).
66.
N. A.
Sanford
, et al,
J. Appl. Phys.
97
,
053512
(
2005
).
67.
M.
Abe
,
H.
Sato
,
I.
Shoji
,
J.
Suda
,
M.
Yoshimura
,
Y.
Kitaoka
,
Y.
Mori
, and
T.
Kondo
,
J. Opt. Soc. Am. B: Opt. Phys.
27
,
2026
(
2010
).
68.
D.
Zhuang
and
J. H.
Edgar
,
Mater. Sci. Eng., R
48
,
1
(
2005
).
69.
C.
Lee
,
J. K.
Hite
,
M. A.
Mastro
,
J. A.
Freitas
, Jr.
,
C. R.
Eddy
, Jr.
,
H.-Y.
Kim
, and
J.
Kim
,
J. Vac. Sci. Technol., A
30
,
040602
(
2012
).
70.
F.
Tuomisto
,
K.
Saarinen
,
B.
Lucznik
,
I.
Grzegory
,
H.
Teisseyre
,
T.
Suski
,
S.
Porowski
, and
P. R.
Hageman
,
Appl. Phys. Lett.
86
,
031915
(
2005
).
71.
S.
Mita
,
R.
Collazo
, and
Z.
Sitar
,
J. Cryst. Growth
311
,
3044
(
2009
).
72.
R.
Katayama
,
Y.
Kuge
,
K.
Onabe
,
T.
Matsushita
, and
T.
Kondo
,
Appl. Phys. Lett.
89
,
231910
(
2006
).
73.
W. C.
Yang
,
B. J.
Rodriguez
,
M.
Park
,
R. J.
Nemanich
,
O.
Ambacher
, and
V.
Cimalla
,
J. Appl. Phys.
94
,
5720
(
2003
).
74.
H.
Matsumura
,
Y.
Kanematsu
,
T.
Shimura
,
T.
Tamaki
,
Y.
Ozeki
,
K.
Itoh
,
M.
Sumiya
,
T.
Nakano
, and
S.
Fuke
,
Appl. Phys. Express
2
,
101001
(
2009
).
75.
J. K.
Hite
,
N. D.
Bassim
,
M. E.
Twigg
,
M. A.
Mastro
,
F. J.
Kub
, and
C. R.
Eddy
, Jr.
,
J. Cryst. Growth
332
,
43
(
2011
).
76.
J. K.
Hite
,
M. E.
Twigg
,
M. A.
Mastro
,
C. R.
Eddy
, Jr.
, and
F. J.
Kub
,
Phys. Status Solidi A
208
,
1504
(
2011
).
77.
J.
Hite
et al,
Opt. Mater. Express
2
,
1203
(
2012
).
78.
A.
Jezowski
,
B. A.
Danilchenko
,
M.
Bockowski
,
I.
Grzegory
,
S.
Krukowski
,
T.
Suski
, and
T.
Paszkiewicz
,
Solid State Commun.
128
,
69
(
2003
).
79.
M.
Welna
,
R.
Kudrawiec
,
M.
Motyka
,
R.
Kucharski
,
M.
Zajac
,
M.
Rudzinski
,
J.
Misiewicz
,
R.
Doradzinski
, and
R.
Dwilinski
,
Cryst. Res. Technol.
47
,
347
(
2012
).
80.
J. Y.
Yang
,
G. J.
Brown
,
M.
Dutta
, and
M. A.
Stroscio
,
J. Appl. Phys.
98
,
043517
(
2005
).
81.
D. S.
Hum
and
M. M.
Fejer
,
Comptes Rendus Physique
8
,
180
(
2007
).
82.
R.
Collazo
,
S.
Mita
,
A.
Rice
,
R. F.
Dalmau
, and
Z.
Sitar
,
Appl. Phys. Lett.
91
,
212103
(
2007
).
83.
M. A.
Mastro
,
O. M.
Kryliouk
,
M. D.
Reed
,
T. J.
Anderson
,
A.
Davydov
, and
A.
Shapiro
,
Phys. Status Solidi A
188
,
467
(
2001
).
84.
M. A.
Mastro
et al,
Nanotechnology
18
,
265401
(
2007
).
86.
X. F.
Duan
,
Y.
Huang
,
R.
Agarwal
, and
C. M.
Lieber
,
Nature
421
,
241
(
2003
).
87.
C. A.
Balanis
,
Advanced Engineering Electromagnetics
(
Wiley
,
New York
,
1989
).
88.
Y.
Dong
,
B.
Tian
,
T. J.
Kempa
, and
C. M.
Lieber
,
Nano Lett.
9
,
2183
(
2009
).
89.
Y.
Li
,
J.
Xiang
,
F.
Qian
,
S.
Gradecak
,
Y.
Wu
,
H.
Yan
,
D. A.
Blom
, and
C. M.
Lieber
,
Nano Lett.
6
,
1468
(
2006
).
90.
M. A.
Mastro
,
B.
Simpkins
,
M.
Twigg
,
M.
Tadjer
,
R. T.
Holm
, and
C. R. J.
Eddy
,
ECS Trans.
13
,
21
(
2008
).
91.
F.
Qian
,
Y.
Li
,
S.
Gradecak
,
H.-G.
Park
,
Y.
Dong
,
Y.
Ding
,
Z. L.
Wang
, and
C. M.
Lieber
,
Nat. Mater.
7
,
701
(
2008
).
92.
S. K.
Lim
,
S.
Crawford
, and
S.
Gradecak
,
Nanotechnology
21
,
345604
(
2010
).
93.
V. G.
Dubrovskii
and
N. V.
Sibirev
,
Phys. Rev. E
70
,
031604
(
2004
).
94.
S.
Mita
,
R.
Collazo
,
A.
Rice
,
R. F.
Dalmau
, and
Z.
Sitar
,
J. Appl. Phys.
104
,
013521
(
2008
).
95.
E.
Ertekin
,
P. A.
Greaney
,
D. C.
Chrzan
, and
T. D.
Sands
,
J. Appl. Phys.
97
,
114325
(
2005
).
96.
H. J.
Xiang
,
S.-H.
Wei
,
J. L. F.
Da Silva
, and
J.
Li
,
Phys. Rev. B
78
,
193301
(
2008
).
97.
T.
Kuykendall
,
P.
Ulrich
,
S.
Aloni
, and
P.
Yang
,
Nat. Mater.
6
,
951
(
2007
).
98.
Q.
Li
,
J. R.
Creighton
, and
G. T.
Wang
,
J. Cryst. Growth
310
,
3706
(
2008
).
99.
M. A.
Mastro
,
B.
Simpkins
,
G. T.
Wang
,
J.
Hite
,
C. R.
Eddy
, Jr.
,
H.-Y.
Kim
,
J.
Ahn
, and
J.
Kim
,
Nanotechnology
21
,
145205
(
2010
).
100.
M. A.
Mastro
,
H. Y.
Kim
,
J.
Ahn
,
K.
Kim
,
J.
Hite
, and
C. R. J.
Eddy
,
ECS Trans.
28
,
47
(
2010
).
101.
S.
Vandenbrouck
,
K.
Madjour
,
D.
Theron
,
Y.
Dong
,
Y.
Li
,
C. M.
Lieber
, and
C.
Gaquiere
,
IEEE Electron Dev. Lett.
30
,
322
(
2009
).
102.
M.
Feneberg
and
K.
Thonke
,
J. Phys.: Condens. Matter
19
,
403201
(
2007
).
103.
A. E.
Romanov
,
T. J.
Baker
,
S.
Nakamura
,
J. S.
Speck
, and
E. J. U.
Grp
,
J. Appl. Phys.
100
,
023522
(
2006
).
104.
D. F.
Feezell
,
M. C.
Schmidt
,
S. P.
DenBaars
, and
S.
Nakamura
,
MRS Bull.
34
,
318
(
2009
).
105.
M.
Funato
and
Y.
Kawakami
,
MRS Bull.
34
,
334
(
2009
).
106.
M. A.
Mastro
,
H.-Y.
Kim
,
J.
Ahn
,
B.
Simpkins
,
P.
Pehrsson
,
J.
Kim
,
J. K.
Hite
, and
C. R.
Eddy
, Jr.
,
IEEE Trans. Electron Devices
58
,
3401
(
2011
).
107.
M. A.
Mastro
,
J. R.
LaRoche
,
N. D.
Bassim
, and
C. R.
Eddy
,
Microelectron. J.
36
,
705
(
2005
).
108.
J.
Wu
et al,
Appl. Phys. Lett.
84
,
2805
(
2004
).
109.
B. S.
Simpkins
,
M. A.
Mastro
,
C. R.
Eddy
, Jr.
, and
P. E.
Pehrsson
,
J. Appl. Phys.
103
,
104313
(
2008
).
You do not currently have access to this content.