III-nitride nanowires on unconventional substrates From materials to optoelectronic device applicationsAbstractGroup-III nitrides and their alloys feature direct bandgaps covering a broad range of the

摘要 III族氮化物及其合金具有直接带隙，覆盖了广泛的电磁波谱范围，使其成为各种应用的有前途的材料系统，如固态照明、化学/生物传感、水分解、医学诊断和通信。近年来，应变和无缺陷的III族氮化物纵向纳米线的生长已成为研究的热点领域。这些纳米线在各种非传统基底上生长，如硅和不同金属，相对于其平面对应物具有潜在的优势，包括近红外波长可调性和效率下降减小。这些纳米线的低轮廓和低功耗也使它们成为物联网和人工智能等新兴应用的可行候选材料。在本文中，我们对III族氮化物纳米线领域的最新成就进行了全面回顾。我们比较和讨论了通过金属有机化学气相沉积和分子束外延制备这些结构所涉及的生长条件和机制。我们讨论了这些纳米线的独特光学、电学和热学性质与它们在各种非传统基底上的生长条件的相关性，并讨论了它们各自的应用，包括发光二极管、激光器、光电探测器和光电极。最后，我们详细介绍了充分利用III族氮化物纳米线在实际应用中的潜力所面临的剩余障碍和挑战。

1. 引言 III族氮化物材料是继硅之后最重要的半导体系统之一，由于其多功能性能而被广泛应用于固态照明、发光二极管（LED）显示器、皮肤科学和光电化学水分解等领域[1,2,3]。纤锌矿相III族氮化物具有从InN的0.7 eV到AlN的6.0 eV的直接带隙，使这些材料适用于从深紫外到近红外的发射器件（图1）[4,5]。此外，这些化合物具有高化学、机械和热稳定性[6,7]。此外，这些材料中的自发和压电极化场诱导的高表面电荷和饱和漂移速度使其能够用于使用AlGaN / GaN高电子迁移率晶体管的高功率器件，能够进行高电压和高温度操作[8]。

然而，与GaAs或InP半导体不同，很难获得大尺寸的单晶氮化物基片，用于氮化物薄膜的同质外延生长。商业平面III族氮化物是在传统基底上异质外延生长的，如蓝宝石和碳化硅（SiC），但由于多种原因，材料的质量和器件的性能有限。首先，III族氮化物和蓝宝石基片之间的晶格和热失配导致高密度的螺旋位错，密度在10^6到10^8 cm^-2之间，这些位错充当非辐射复合中心[9]。c平面氮化物中存在自发和压电极化场[10]，相关的量子限制斯塔克效应以及由Auger复合和电子泄漏引起的效率下降也导致异质外延生长的III族氮化物的性能不佳[[10]，[11]，[12]，[13]，[14]，[15]]。此外，研究表明，常规平面InGaN量子阱（QW）结构中的应变能积累进一步降低了高铟含量（>25%）InGaN QW的发光效率，导致由这些材料制造的LED中的“绿色间隙”问题[16]。

相比之下，SiC上的LED显示器由于其较低的缺陷密度而显示出优越的性能[17]。近年来，GaN基片的发展消除了晶格失配并减小了极化场[18]。然而，这些进展的代价是昂贵的SiC和GaN基片。GaN-on-Si是一种更便宜的替代品，但是GaN和Si之间的晶格和热膨胀失配会在氮化物层中引起裂纹[19,20]。因此，可用于同质外延生长的基底的限制部分阻碍了氮化物基器件的发展。

近年来，半导体薄膜的研究越来越多地转向低维纳米结构的研究，如量子点（QDs）、量子环和纳米线（有时也称为纳米棒或纳米柱），这些结构已成为未来电子和光电子器件的潜在候选材料[[21]，[22]，[23]]。纳米线可以在高V/III比生长条件下无催化剂地生长，这增强了III族纳米线侧壁沿纳米线扩散的III族柱状原子，从而促进纵向生长并限制横向生长[[24]，[25]，[26]]，这个过程通过横向释放应变来避免位错的形成，从而确保了材料的高结晶质量。

与平面III族氮化物相比，纵向排列的III族氮化物纳米线器件具有各种优势。例如，它们可以在低成本的不同基底上生长，因为纳米线不容易发生位错和应变。由于径向松弛，III族氮化物纳米线具有较小的应变，因此产生较小的极化场，以增加电子-空穴波函数的重叠。氮化物三元结构中的III族成分也可以在广泛范围内调节，从而可以覆盖整个可见光范围[27]。由于其尺寸和形态，III族氮化物纳米线的光提取特性也得到了改善[23,28]。此外，可以将量子点以盘状形式嵌入纳米线中以进行载流子约束。

在许多情况下，氮化物纳米线显示出克服了固态照明中上述基底限制障碍的潜力[29]。例如，郭等报道了使用InGaN纳米线制造的