Compositional, structural, and optical properties of molecular-beam epitaxy grown AlxGa1xN films were characterized by transmission electron microscopy (TEM), x-ray diffraction, and cathodoluminescence spectroscopy. Spontaneous modulation, phase separation, and band gap reductions were observed to vary systematically with AlN mole fraction across the full alloy series. At low AlN mole fraction (x0.5), AlGaN epilayers display pronounced phase separation. With increasing AlN mole fraction, phase separation is strongly suppressed by the formation of spontaneous modulation which high spatial resolution TEM techniques unambiguously determine to be atomic-scale compositional superlattice. The formation of the spontaneous superlattice is considered responsible for the pronounced reductions in band gaps and emission energies, exceeding several hundred meV for the Al-rich AlGaN, which has been confirmed by band structure calculations.

1.
R. D.
Dupuis
and
J. C.
Campbell
, in
Wide Energy Bandgap Electronic Devices
, edited by
F.
Ren
and
J. C.
Zolper
(
World Scientific
,
Singapore
,
2003
), p.
429
.
2.
T. D.
Moustakas
,
E.
Iliopoulos
,
A. V.
Sampath
,
H. M.
Ng
,
D.
Doppalapudi
,
M.
Misra
,
D.
Korakakis
, and
R.
Singh
,
J. Cryst. Growth
227–228
,
13
(
2001
).
3.
M. A.
Khan
,
M.
Shatalov
,
H. P.
Maruska
,
H. M.
Wang
, and
E.
Kuokstis
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
44
,
7191
(
2005
).
4.
R.
Averbeck
and
H.
Riechert
,
Phys. Status Solidi A
176
,
301
(
1999
);
E.
Iliopoulos
and
T. D.
Moustakas
,
Appl. Phys. Lett.
81
,
295
(
2002
).
5.
S. R.
Lee
,
A. F.
Wright
,
M. H.
Crawford
,
G. A.
Petersen
,
J.
Han
, and
R. M.
Biefeld
,
Appl. Phys. Lett.
74
,
3344
(
1999
).
6.
A.
Zunger
, in
Handbook on Semiconductors
, edited by
T. S.
Moss
(
Elsevier Science
,
New York
,
1994
), p.
1399
.
7.
A.
Zunger
,
MRS Bull.
22
,
20
(
1997
);
G. B.
Stringfellow
,
MRS Bull.
22
,
27
(
1997
).
8.
Spontaneous Ordering in Semiconductor Alloys
, edited by
A.
Mascarenhas
(
Kluwer Academic
,
Dordrecht
,
Plenum
,
New York
,
2002
).
9.
D.
Doppaiapudi
,
S. N.
Basu
,
K. F.
Ludwig
, Jr.
, and
T. D.
Moustakas
,
J. Appl. Phys.
84
,
1389
(
1998
).
10.
P.
Ruterana
,
G.
Nouet
,
W.
Van der Stricht
,
I.
Moerman
, and
L.
Considine
,
Appl. Phys. Lett.
72
,
1742
(
1998
).
11.
M. K.
Behbehani
,
E. L.
Piner
,
S. X.
Liu
,
N. A.
EI-Masry
, and
S. M.
Bedair
,
Appl. Phys. Lett.
75
,
2202
(
1999
).
12.
D.
Doppalapudi
,
S. N.
Basu
, and
T. D.
Moustakas
,
J. Appl. Phys.
85
,
883
(
1999
).
13.
J. E.
Northrup
,
L. T.
Romano
, and
J.
Neugebauer
,
Appl. Phys. Lett.
74
,
2319
(
1999
).
14.
E. A.
Albanesi
,
W. R. L.
Lambrecht
, and
B.
Segall
,
Phys. Rev. B
48
,
17841
(
1993
).
15.
I.
Ho
and
G. B.
Stringfellow
,
Appl. Phys. Lett.
69
,
2701
(
1996
).
16.
L. K.
Teles
,
J.
Furthmüller
,
L. M. R.
Scolfaro
,
J. R.
Leite
, and
F.
Bechstedt
,
Phys. Rev. B
62
,
2475
(
2000
).
17.
T.
Takayama
,
M.
Yuri
,
K.
Itoh
, and
J. S.
Harris
, Jr.
,
J. Appl. Phys.
90
,
2358
(
2001
).
18.
J.
Adhikari
and
D. A.
Kofke
,
J. Appl. Phys.
95
,
6129
(
2004
).
19.
D.
Korakakis
,
K. F.
Ludwig
, Jr.
, and
T. D.
Moustakas
,
Appl. Phys. Lett.
71
,
72
(
1997
).
20.
M.
Misra
,
D.
Korakakis
,
H. M.
Ng
, and
T. D.
Moustakas
,
Appl. Phys. Lett.
74
,
2203
(
1999
).
21.
P.
Ruterana
,
G.
De Saint Jores
,
M.
Laügt
,
F.
Omnes
, and
E.
Bellet-Amalric
,
Appl. Phys. Lett.
78
,
344
(
2001
).
22.
M.
Benamara
,
L.
Kirste
,
M.
Albrecht
,
K. W.
Benz
, and
H. P.
Strunk
,
Appl. Phys. Lett.
82
,
547
(
2003
).
23.
E.
Iliopoulos
,
K. F.
Ludwig
, Jr.
,
T. D.
Moustakas
, and
S. N. G.
Chu
,
Appl. Phys. Lett.
78
,
463
(
2001
).
24.
E.
Iliopoulos
,
K. F.
Ludwig
, Jr.
, and
T. D.
Moustakas
,
J. Phys. Chem. Solids
64
,
1525
(
2003
).
25.
B.
Neubauer
,
A.
Rosenauer
,
D.
Gerthsen
,
O.
Ambacher
, and
M.
Stutzmann
,
Appl. Phys. Lett.
73
,
930
(
1998
).
26.
M.
Laügt
,
E.
Bellet-Amalric
,
P.
Ruterana
, and
F.
Omnès
,
Phys. Status Solidi B
236
,
729
(
2003
).
27.
I.
Levin
,
L. H.
Robins
,
M. D.
Vaudin
,
J. A.
Tuchman
,
E.
Lakin
,
M. J.
Sherman
, and
J.
Ramer
,
J. Appl. Phys.
89
,
188
(
2001
).
28.
D. G.
Ebling
,
L.
Kirste
,
K. W.
Benz
,
N.
Teofilov
,
K.
Thonke
, and
R.
Sauer
,
J. Cryst. Growth
227–228
,
453
(
2001
).
29.
A.
Strittmatter
,
L.
Reissmann
,
D.
Bimberg
,
P.
Veit
, and
A.
Krost
,
Phys. Status Solidi B
234
,
722
(
2002
).
30.
M.
Albrecht
 et al,
Phys. Rev. B
71
,
035314
(
2005
).
31.
M.
Gao
,
Y.
Lin
,
S. T.
Bradley
,
S. A.
Ringel
,
J.
Hwang
,
W. J.
Schaff
, and
L. J.
Brillson
,
Appl. Phys. Lett.
87
,
191906
(
2005
).
32.
S. V.
Dudiy
and
A.
Zunger
,
Phys. Rev. B
68
,
041302
(R) (
2003
).
33.
J.
Hwang
 et al,
Appl. Phys. Lett.
81
,
5192
(
2002
).
34.
S. T.
Bradley
,
S. H.
Goss
,
L. J.
Brillson
,
J.
Hwang
, and
W. J.
Schaff
,
J. Vac. Sci. Technol. B
21
,
2558
(
2003
).
35.
D. E.
Jesson
and
S. J.
Pennycook
,
Proc. R. Soc. London, Ser. A
449
,
273
(
1995
).
36.
S. P.
Ahrenkiel
 et al,
Phys. Rev. Lett.
75
,
1586
(
1995
).
37.
P. M.
Reimer
,
J. R.
Buschert
,
S.
Lee
, and
J. K.
Furdyna
,
Phys. Rev. B
61
,
8388
(
2000
).
38.
L. J.
Brillson
,
J. Vac. Sci. Technol. B
19
,
1762
(
2001
);
A. P.
Young
 et al,
J. Electron. Mater.
28
,
308
(
1999
) (1keV depth probe in GaN).
39.
L. J.
Brillson
,
T. M.
Levin
,
G. H.
Jessen
, and
F. A.
Ponce
,
Appl. Phys. Lett.
75
,
3835
(
1999
).
40.
P. B.
Perry
and
R. F.
Rutz
,
Appl. Phys. Lett.
33
,
319
(
1978
).
41.
N.
Teofilov
,
K.
Thonke
,
R.
Sauer
,
L.
Kirste
,
D. G.
Ebling
, and
K. W.
Benz
,
Diamond Relat. Mater.
11
,
892
(
2002
).
42.
K. B.
Nam
,
M. L.
Nakarmi
,
J.
Li
,
Y.
Lin
, and
H. X.
Jiang
,
Appl. Phys. Lett.
83
,
2787
(
2003
).
43.
G. D.
Chen
,
M.
Smith
,
J. Y.
Lin
,
H. X.
Jiang
,
S.-H.
Wei
,
M. A.
Khan
, and
C. J.
Sun
,
Appl. Phys. Lett.
68
,
2784
(
1996
).
44.
Y.
Cao
,
D.
Jena
,
M.
Gao
, and
L. J.
Brillson
(unpublished).
45.
F.
Bernardini
,
V.
Fiorentini
, and
D.
Vanderbilt
,
Phys. Rev. B
56
,
R10024
(
1997
).
46.
B. K.
Ridley
,
W. J.
Schaff
, and
L. F.
Eastman
,
J. Appl. Phys.
94
,
3972
(
2003
).
47.
S.
Lee
,
U.
Bindley
,
J. K.
Furdyna
,
P. M.
Reimer
, and
J. R.
Buschert
,
J. Vac. Sci. Technol. B
18
,
1518
(
2000
).
48.
G.
Yang
,
S.
Lee
, and
J. K.
Furdyna
,
Phys. Rev. B
61
,
10978
(
2000
).
49.
L. C.
Su
,
I. H.
Ho
, and
G. B.
Stringfellow
,
Appl. Phys. Lett.
65
,
749
(
1994
).
50.
A. V.
Sampath
,
G. A.
Garrett
,
C. J.
Collins
,
W. L.
Sarney
,
E. D.
Readinger
,
P. G.
Newman
,
H.
Shen
, and
M.
Wraback
,
J. Electron. Mater.
35
,
641
(
2006
);
C. J.
Collins
 et al,
Appl. Phys. Lett.
86
,
031916
(
2005
).
51.
Q.
Sun
, et al,
Appl. Phys. Lett.
87
,
121914
(
2005
).
52.
P.
Venezuela
,
J.
Tersoff
,
J. A.
Floro
,
E.
Chason
,
D. M.
Follstaedt
,
F.
Liu
, and
M. G.
Lagally
,
Nature (London)
397
,
678
(
1999
).
You do not currently have access to this content.