Thermal conductivity of AlxGa1−xN layers with 0x0.96 and variable thicknesses is systematically studied by combined thermoreflectance measurements and a modified Callaway model. We find a reduction in the thermal conductivity of AlxGa1−xN by more than one order of magnitude compared to that of GaN, which indicates a strong effect of phonon-alloy scattering. It is shown that the short-mean free path phonons are strongly scattered, which leads to a major contribution of the long-mean free path phonons to the thermal conductivity. In thin layers, the long-mean free path phonons become efficiently scattered by the boundaries, resulting in a further decrease in the thermal conductivity. Also, an asymmetry of thermal conductivity as a function of Al content is experimentally observed and attributed to the mass difference between Ga and Al host atoms.

1.
J. Y.
Tsao
,
S.
Chowdhury
,
M. A.
Hollis
,
D.
Jena
,
N. M.
Johnson
,
K. A.
Jones
,
R. J.
Kaplar
,
S.
Rajan
,
C. G. V.
de Walle
,
E.
Bellotti
,
C. L.
Chua
,
R.
Collazo
,
M. E.
Coltrin
,
J. A.
Cooper
,
K. R.
Evans
,
S.
Graham
,
T. A.
Grotjohn
,
E. R.
Heller
,
M.
Higashiwaki
,
M. S.
Islam
,
P. W.
Juodawlkis
,
M. A.
Khan
,
A. D.
Koeher
,
J. H.
Leach
,
U. K.
Mishra
,
R. J.
Nemanich
,
R. C. N.
Pilawa-Podgurski
,
J. B.
Shealy
,
Z.
Sitar
,
M. J.
Tadjer
,
A. F.
Witulski
,
M.
Wraback
, and
J. A.
Simmons
,
Adv. Electron. Mater.
4
,
1600501
(
2018
).
2.
J. L.
Hudgings
,
G. S.
Simin
,
E.
Santi
, and
M. A.
Khan
,
IEEE Trans. Power Electron.
18
,
907
(
2003
).
3.
Y.
Taniyasu
,
M.
Kasu
, and
N.
Kobayashi
, “
Intentional control of n-type conduction for Si-doped AlN and AlxGa1−xN (0.42 < x < 1)
,”
Appl. Phys. Lett.
81
,
1255
(
2002
).
4.
F.
Mehnke
,
T.
Wernicke
,
H.
Pingel
,
C.
Kuhn
,
C.
Reich
,
V.
Kueller
,
A.
Knauer
,
M.
Lapeyrade
,
M.
Weyers
, and
M.
Kneissl
,
Appl. Phys. Lett.
103
,
212109
(
2013
).
5.
T.
Kinoshita
,
T.
Obata
,
H.
Yanagi
, and
S.
Inoue
,
Appl. Phys. Lett.
102
,
012105
(
2013
).
6.
S.
Schöche
,
T.
Hofmann
,
D.
Nilsson
,
A.
Kakanakova-Georgieva
,
E.
Janzén
,
P.
Kühne
,
K.
Lorenz
,
M.
Schubert
, and
V.
Darakchieva
,
J. Appl. Phys.
121
,
205701
(
2017
).
7.
T.
Nanjo
,
M.
Takeuchi
,
Suita
,
T.
Oishi
,
Y.
Abe
,
Y.
Tokuda
, and
Y.
Aoyagi
,
Appl. Phys. Lett.
92
,
263502
(
2008
).
8.
H.
Tokuda
,
M.
Hatano
,
N.
Yafune
,
S.
Hashimoto
,
K.
Akita
,
Y.
Yamamoto
, and
M.
Kuzuhara
,
Appl. Phys. Express
3
,
121003
(
2010
).
9.
T.
Nanjo
,
A.
Imai
,
Y.
Suzuki
,
Y.
Abe
,
T.
Oishi
,
M.
Suita
,
E.
Yagyu
, and
Y.
Tokuda
,
IEEE Trans. Electron Devices
60
,
1046
(
2013
).
10.
Y.
Wu
,
J.
Zhang
,
S.
Zhao
,
W.
Zhang
,
Y.
Zhang
,
X.
Duan
,
J.
Chen
, and
Y.
Hao
,
IEEE Electron Device Lett.
40
,
1724
(
2019
).
11.
A. A.
Allerman
,
A. M.
Amstrong
,
A. J.
Fischer
,
J. R.
Dickerson
,
M. H.
Crawford
,
M. P.
King
,
M. W.
Moseley
,
J. J.
Wierer
, and
R. J.
Kaplar
,
Electron. Lett.
52
,
1319
(
2016
).
12.
R.
Dalmau
,
H. S.
Craft
,
R.
Schlesser
,
S.
Mita
,
J.
Smart
,
G. P. C.
Hitchcock
,
T. P.
Chow
, and
B.
Moody
,
ECS Trans.
80
,
217
(
2017
).
13.
B. C.
Daly
,
H. J.
Maris
,
A. V.
Nurmikko
,
M.
Kuball
, and
J.
Han
,
J. Appl. Phys.
92
,
3820
(
2002
).
14.
W.
Liu
and
A. A.
Balandin
,
Appl. Phys. Lett.
85
,
5230
(
2004
).
15.
W.
Liu
and
A. A.
Balandin
,
J. Appl. Phys.
97
,
073710
(
2005
).
16.
Y. R.
Koh
,
M. A.
Shirazi-HD
,
B.
Vermeersch
,
A. M. S.
Mohammed
,
J.
Shao
,
G.
Pernot
,
J. H.
Bahk
,
M. J.
Manfra
, and
A.
Shakouri
,
Appl. Phys. Lett.
109
,
243107
(
2016
).
17.
T. E.
Beechem
,
A. E.
McDonald
,
E. J.
Fuller
,
A. A.
Talin
,
C. M.
Rost
,
J. P.
Maria
,
J. T.
Gaskins
,
P. E.
Hopkins
, and
A. A.
Allerman
,
J. Appl. Phys.
120
,
095104
(
2016
).
18.
E.
Ziade
,
J.
Yang
,
G.
Brummer
,
D.
Nothern
,
T.
Moustakas
, and
A. J.
Schmidt
,
Appl. Phys. Lett.
110
,
031903
(
2017
).
19.
D. Q.
Tran
,
N.
Blumenschein
,
A.
Mock
,
P.
Sukkaew
,
H.
Zhang
,
J. F.
Muth
,
T.
Paskova
,
P. P.
Paskov
, and
V.
Darakchieva
,
Physica B
579
,
411810
(
2020
).
20.
21.
M. G.
Holland
,
Phys. Rev.
132
,
2461
(
1963
).
22.
M.
Asen-Palmer
,
K.
Bartkowski
,
E.
Gmelin
,
M.
Cardona
,
A. P.
Zhernov
,
A. V.
Inyushkin
,
A.
Taldenkov
,
V. I.
Ozhogin
,
K. M.
Itoh
, and
E. E.
Haller
,
Phys. Rev. B
56
,
9431
(
1997
).
23.
D. T.
Morelli
,
J. P.
Heremans
, and
G. A.
Slack
,
Phys. Rev. B
66
,
195304
(
2002
).
24.
D. S.
Tang
,
G. Z.
Qin
,
M.
Hu
, and
B. Y.
Cao
,
J. Appl. Phys.
127
,
035102
(
2020
).
25.
J.
Garg
,
T.
Liu
, and
G.
Chen
,
Appl. Phys. Lett.
112
,
252101
(
2018
).
26.
J.
Zou
,
D.
Kotchetkov
,
A. A.
Balandin
,
D. I.
Florescu
, and
F. H.
Pollak
,
J. Appl. Phys.
92
,
2534
(
2002
).
27.
P. P.
Paskov
,
M.
Slomski
,
J. H.
Leach
,
J. F.
Muth
, and
T.
Paskova
,
AIP Adv.
7
,
095302
(
2017
).
28.
C.
Mion
,
J. F.
Muth
,
E. A.
Preble
, and
D.
Hanser
,
Appl. Phys. Lett.
89
,
092123
(
2006
).
29.
K.
Park
and
C.
Bayram
,
J. Appl. Phys.
126
,
185103
(
2019
).
30.
R. D.
Carrascon
,
D. Q.
Tran
,
P.
Sukkaew
,
A.
Mock
,
R.
Ciechonski
,
J.
Ohlsson
,
Y.
Zhu
,
O.
Hultin
,
B.
Monemar
,
P. P.
Paskov
,
L.
Samuelson
, and
V.
Darakchieva
,
Phys. Status Solidi B
257
,
1900581
(
2020
).
31.
32.
S.
Adachi
,
J. Appl. Phys.
54
,
1844
(
1983
).
33.
P. G.
Klemens
,
Proc. Phys. Soc. A
68
,
1113
(
1955
).
34.
H.
Angerer
,
D.
Brunner
,
F.
Freudenberg
,
O.
Ambacher
,
M.
Stutzmann
,
R.
Höopler
,
T.
Metzger
,
E.
Born
,
G.
Dollinger
,
A.
Bergmaier
,
S.
Karsch
, and
H. J.
Körner
,
Appl. Phys. Lett.
71
,
1504
(
1997
).
35.
J.
Rubio-Zuazo
,
R. J.
Jimenez-Rioboo
,
E.
Rodr iguez-Canas
,
C.
Prieto
,
T.
Palacios
,
F.
Calle
,
E.
Monroy
, and
M. A.
Sanchez-Garcia
,
Mater. Sci. Eng. B
93
,
168
(
2002
).
36.
G. A.
Slack
,
L. J.
Schowalter
,
D.
Morelli
, and
J. A.
Freitas
, Jr.
,
J. Cryst. Growth
246
,
287
(
2002
).
37.
Z.
Cheng
,
Y. R.
Koh
,
A.
Mamun
,
J.
Shi
,
T.
Bai
,
K.
Huynh
,
L.
Yates
,
Z.
Liu
,
R.
Li
,
E.
Lee
,
M. E.
Liao
,
Y.
Wang
,
H. M.
Yu
,
M.
Kushimoto
,
T.
Luo
,
M. S.
Goorsky
,
P. E.
Hopkins
,
H.
Amano
,
A.
Khan
, and
S.
Graham
,
Phys. Rev. Mater.
4
,
044602
(
2020
).
38.
J. P.
Freedman
,
J. H.
Leach
,
E. A.
Preble
,
Z.
Sitar
,
R. F.
Davis
, and
J. A.
Malen
,
Sci. Rep.
3
,
2963
(
2013
).
39.
J.
Ma
,
W.
Li
, and
X.
Luo
,
J. Appl. Phys.
119
,
125702
(
2016
).
40.
D.
Xu
,
Q.
Wang
,
X.
Wu
,
J.
Zhu
,
H.
Zhao
,
B.
Xiao
,
X.
Wang
,
X.
Wang
, and
Q.
Hao
,
Front. Energy
12
,
127
(
2018
).
You do not currently have access to this content.