Please wait a minute...
Frontiers in Energy

ISSN 2095-1701

ISSN 2095-1698(Online)

CN 11-6017/TK

Postal Subscription Code 80-972

2018 Impact Factor: 1.701

Front. Energy    2018, Vol. 12 Issue (1) : 127-136    https://doi.org/10.1007/s11708-018-0519-5
RESEARCH ARTICLE
Largely reduced cross-plane thermal conductivity of nanoporous In0.1Ga0.9N thin films directly grown by metal organic chemical vapor deposition
Dongchao XU1, Quan WANG2, Xuewang WU3, Jie ZHU3, Hongbo ZHAO1, Bo XIAO1, Xiaojia WANG3, Xiaoliang WANG2, Qing HAO1()
1. Aerospace & Mechanical Engineering, University of Arizona, 1130 N Mountain Ave, Tucson, AZ 85721, USA
2. Key laboratory of Semiconductor Materials Science, Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100083, China
3. Department of Mechanical Engineering, University of Minnesota,111 Church St. SE, Minneapolis, MN 55455, USA
 Download: PDF(296 KB)   HTML
 Export: BibTeX | EndNote | Reference Manager | ProCite | RefWorks
Abstract

In recent year, nanoporous Si thin films have been widely studied for their potential applications in thermoelectrics, in which high thermoelectric performance can be obtained by combining both the dramatically reduced lattice thermal conductivity and bulk-like electrical properties. Along this line, a high thermoelectric figure of merit (ZT) is also anticipated for other nanoporous thin films, whose bulk counterparts possess superior electrical properties but also high lattice thermal conductivities. Numerous thermoelectric studies have been carried out on Si-based nanoporous thin films, whereas cost-effective nitrides and oxides are not systematically studied for similar thermoelectric benefits. In this work, the cross-plane thermal conductivities of nanoporous In0.1Ga0.9N thin films with varied porous patterns were measured with the time-domain thermoreflectance technique. These alloys are suggested to have better electrical properties than conventional SixGe1−x alloys; however, a high ZT is hindered by their intrinsically high lattice thermal conductivity, which can be addressed by introducing nanopores to scatter phonons. In contrast to previous studies using dry-etched nanopores with amorphous pore edges, the measured nanoporous thin films of this work are directly grown on a patterned sapphire substrate to minimize the structural damage by dry etching. This removes the uncertainty in the phonon transport analysis due to amorphous pore edges. Based on the measurement results, remarkable phonon size effects can be found for a thin film with periodic 300-nm-diameter pores of different patterns. This indicates that a significant amount of heat inside these alloys is still carried by phonons with ~300 nm or longer mean free paths. Our studies provide important guidance for ZT enhancement in alloys of nitrides and similar oxides.

Keywords nanoporous film      thermoelectrics      phonon      mean free path      diffusive scattering     
Corresponding Author(s): Qing HAO   
Online First Date: 05 January 2018    Issue Date: 08 March 2018
 Cite this article:   
Dongchao XU,Quan WANG,Xuewang WU, et al. Largely reduced cross-plane thermal conductivity of nanoporous In0.1Ga0.9N thin films directly grown by metal organic chemical vapor deposition[J]. Front. Energy, 2018, 12(1): 127-136.
 URL:  
https://academic.hep.com.cn/fie/EN/10.1007/s11708-018-0519-5
https://academic.hep.com.cn/fie/EN/Y2018/V12/I1/127
Fig.1  SEM images of the as prepared nanoporous In0.1Ga0.9N films with (a) aligned pores or (b) hexagonally aligned pores (The scale bar is 5 mm for both cases)
Fig.2  Thermal conductivity accumulation function for bulk GaN (Symbols, solid lines, and dashed lines are measurement data [55], prediction by Eq. (13), and predictions with vgvp2 to replace vs3 in Eq. (13), respectively. The analyzed temperatures are 415 K (blue) and 309 K (red).)
vs,LA/(m·s−1) vs,TA/(m·s−1) r/(kg·m−3) M/(1026kg)
InN 5720 2650 6810 10.699
GaN 7781 4427 6150 6.9535
Tab.1  Employed parameters for GaN and InN. The sound velocities, which are vs,LA for the LA branch and vs,TA for the TA branch, are computed from previous studies [62].
Fig.3  (a) Thermal penetration depth d estimated for various InxGa1−xN compositions in [28]; (b) Comparison between model predictions and experimental results for InxGa1−xN thin films.
Fig.4  Comparison between the measured and predicted k values for tri-layered nanoporous GaN-based films (Here filled circles are for hexagonal patterns, whereas empty squares are for patterns on a square lattice. Using slightly different phonon MFPs for bulk GaN, the green dashed line and black solid line overlap with each other.)
Fig.5  Room-temperature thermal conductivity accumulation function for bulk GaN and In0.1Ga0.9N alloys
1 Johnson W, Piner  E L. GaN HEMT Technology. Berlin: Springer Berlin Heidelberg, 2012
2 Wu Y R, Singh  J. Transient study of self-heating effects in AlGaN/GaN HFETs: consequence of carrier velocities, temperature, and device performance. Journal of Applied Physics, 2007, 101(11): 113712
https://doi.org/10.1063/1.2745286
3 Rosker M, Bozada  C, Dietrich H,  Hung A, Via  D, Binari S,  Vivierios E,  Cohen E,  Hodiak J. The DARPA wide band gap semiconductors for RF applications (WBGS-RF) program: Phase II results. In: CS MANTECH Conference. Tampa, Florida, USA, 2009
4 Lee H, Agonafer  D D, Won  Y, Houshmand F,  Gorle C,  Asheghi M,  Goodson K. Thermal modeling of extreme heat flux microchannel coolers for GaN-on-SiC semiconductor devices. Journal of Electronic Packaging, 2016, 138(1): 010907
https://doi.org/10.1115/1.4032655
5 Calame J P, Myers  R E, Binari  S C, Wood  F N, Garven  M. Experimental investigation of microchannel coolers for the high heat flux thermal management of GaN-on-SiC semiconductor devices. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2007, 50(23–24): 4767–4779
https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2007.03.013
6 Yan Z, Liu  G, Khan J M,  Balandin A A. Graphene quilts for thermal management of high-power GaN transistors. Nature Communications, 2012, 3(3): 199–202
7 Tsurumi N, Ueno  H, Murata T,  Ishida H,  Uemoto Y,  Ueda T, Inoue  K, Tanaka T. AlN passivation over AlGaN/GaN HFETs for surface heat spreading. IEEE Transactions on Electron Devices, 2010, 57(5): 980–985
https://doi.org/10.1109/TED.2010.2044675
8 Liu W, Balandin  A A. Thermoelectric effects in wurtzite GaN and AlxGa1-xN alloys. Journal of Applied Physics, 2005, 97(12): 123705
https://doi.org/10.1063/1.1927691
9 Pantha B N, Dahal  R, Li J,  Lin J Y,  Jiang H X,  Pomrenke G. Thermoelectric properties of In0.3Ga0.7N alloys. Journal of Electronic Materials, 2009, 38(7): 1132–1135
https://doi.org/10.1007/s11664-009-0676-8
10 Sztein A, Bowers  J E, DenBaars  S P, Nakamura  S. Polarization field engineering of GaN/AlN/AlGaN superlattices for enhanced thermoelectric properties. Applied Physics Letters, 2014, 104(4): 042106
https://doi.org/10.1063/1.4863420
11 Sztein A, Haberstroh  J, Bowers J E,  Denbaars S P,  Nakamura S. Calculated thermoelectric properties of InxGa1−xN, InxAl1−xN, and AlxGa1−xN. Journal of Applied Physics, 2013, 113(18): 183707
https://doi.org/10.1063/1.4804174
12 Hurwitz E N, Asghar  M, Melton A,  Kucukgok B,  Su L, Orocz  M, Jamil M,  Lu N, Ferguson  I T. Thermopower study of GaN-based materials for next-generation thermoelectric devices and applications. Journal of Electronic Materials, 2011, 40(5): 513–517
https://doi.org/10.1007/s11664-010-1416-9
13 Goldsmid H J. Thermoelectric Refrigeration. New York: Plenum Press. 1964
14 Pantha B N, Dahal  R, Li J,  Lin J Y,  Jiang H X,  Pomrenke G. Thermoelectric properties of InxGa1−xN alloys. Applied Physics Letters, 2008, 92(4): 042112
https://doi.org/10.1063/1.2839309
15 Sztein A, Ohta  H, Bowers J E,  DenBaars S P,  Nakamura S. High temperature thermoelectric properties of optimized InGaN. Journal of Applied Physics, 2011, 110(12): 123709
https://doi.org/10.1063/1.3670966
16 Cahill D G, Braun  P V, Chen  G, Clarke D R,  Fan S, Goodson  K E, Keblinski  P, King W P,  Mahan G D,  Majumdar A,  Maris H J,  Phillpot S R,  Pop E, Shi  L. Nanoscale thermal transport. II. 2003–2012. Applied Physics Reviews, 2014, 1(1): 011305
https://doi.org/10.1063/1.4832615
17 Marconnet A M,  Asheghi M,  Goodson K E. From the casimir limit to phononic crystals: 20 years of phonon transport studies using silicon-on-insulator technology. Journal of Heat Transfer, 2013, 135(6): 061601–1/10
18 Lim J, Wang  H T, Tang  J, Andrews S C,  So H, Lee  J, Lee D H,  Russell T P,  Yang P. Simultaneous thermoelectric property measurement and incoherent phonon transport in holey silicon. ACS Nano, 2016, 10(1): 124–132
https://doi.org/10.1021/acsnano.5b05385
19 Yu J K, Mitrovic  S, Tham D,  Varghese J,  Heath J R. Reduction of thermal conductivity in phononic nanomesh structures. Nature Nanotechnology, 2010, 5(10): 718–721
https://doi.org/10.1038/nnano.2010.149
20 Tang J, Wang  H T, Lee  D H, Fardy  M, Huo Z,  Russell T P,  Yang P. Holey silicon as an efficient thermoelectric material. Nano Letters, 2010, 10(10): 4279–4283
https://doi.org/10.1021/nl102931z
21 Chen G. Nanoscale Energy Transport and Conversion: A Parallel Treatment of Electrons, Molecules, Phonons, and Photons. Oxford: Oxford University Press, 2005
22 Maldovan M. Narrow low-frequency spectrum and heat management by thermocrystals. Physical Review Letters, 2013, 110(2): 025902
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.110.025902
23 Song D, Chen  G. Thermal conductivity of periodic microporous silicon films. Applied Physics Letters, 2004, 84(5): 687–689
https://doi.org/10.1063/1.1642753
24 He Y, Donadio  D, Lee J H,  Grossman J C,  Galli G. Thermal transport in nanoporous silicon: interplay between disorder at mesoscopic and atomic scales. ACS Nano, 2011, 5(3): 1839–1844
https://doi.org/10.1021/nn2003184
25 Ravichandran N K,  Minnich A J. Coherent and incoherent thermal transport in nanomeshes. Physical Review B: Condensed Matter and Materials Physics, 2014, 89(20): 205432
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.89.205432
26 Hopkins P E, Reinke  C M, Su  M F, Olsson  R H III, Shaner  E A, Leseman  Z C, Serrano  J R, Phinney  L M, El-Kady  I. Reduction in the thermal conductivity of single crystalline silicon by phononic crystal patterning. Nano Letters, 2011, 11(1): 107–112
https://doi.org/10.1021/nl102918q
27 Lee J, Lim  J, Yang P. Ballistic phonon transport in holey silicon. Nano Letters, 2015, 15(5): 3273–3279
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5b00495
28 Tong T, Fu  D, Levander A,  Schaff W,  Pantha B,  Lu N, Liu  B, Ferguson I,  Zhang R,  Lin J, Jiang  H X, Wu  J, Cahill D G. Suppression of thermal conductivity in InxGa1−xN alloys by nanometer-scale disorder. Applied Physics Letters, 2013, 102(12): 121906
https://doi.org/10.1063/1.4798838
29 Hsiao T K, Chang  H K, Liou  S C, Chu  M W, Lee  S C, Chang  C W. Observation of room-temperature ballistic thermal conduction persisting over 8.3 mm in SiGe nanowires. Nature Nanotechnology, 2013, 8(7): 534–538
https://doi.org/10.1038/nnano.2013.121
30 Hao Q, Xu  D, Zhao H. Systematic studies of periodically nanoporous Si films for thermoelectric applications. MRS Proceedings, 2015, 1779, 27–32
31 Kim B, Nguyen  J, Clews P J,  Reinke C M,  Goettler D,  Leseman Z C,  El-Kady I,  Olsson R. Thermal conductivity manipulation in single crystal silicon via lithographycally defined phononic crystals micro electro mechanical systems (MEMS). In: 2012 IEEE 25th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS), 2012, 176–179
32 Marconnet A M,  Kodama T,  Asheghi M,  Goodson K E. Phonon conduction in periodically porous silicon nanobridges. Nanoscale and Microscale Thermophysical Engineering, 2012, 16(4): 199–219
https://doi.org/10.1080/15567265.2012.732195
33 Nomura M, Nakagawa  J, Sawano K,  Maire J,  Volz S. Thermal conduction in Si and SiGe phononic crystals explained by phonon mean free path spectrum. Applied Physics Letters, 2016, 109(17): 173104
https://doi.org/10.1063/1.4966190
34 Alaie S, Goettler  D F, Su  M, Leseman Z C,  Reinke C M,  El-Kady I. Thermal transport in phononic crystals and the observation of coherent phonon scattering at room temperature. Nature Communications, 2015, 6: 7228
https://doi.org/10.1038/ncomms8228
35 Jain A, Yu  Y J, McGaughey  A J. Phonon transport in periodic silicon nanoporous films with feature sizes greater than 100 nm. Physical Review B: Condensed Matter and Materials Physics, 2013, 87(19): 195301
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.87.195301
36 Choi K, Arita  M, Arakawa Y. Selective-area growth of thin GaN nanowires by MOCVD. Journal of Crystal Growth, 2012, 357: 58–61
https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2012.07.025
37 Cahill D G. Analysis of heat flow in layered structures for time-domain thermoreflectance. Review of Scientific Instruments, 2004, 75(12): 5119–5122
https://doi.org/10.1063/1.1819431
38 Krukowski S, Witek  A, Adamczyk J,  Jun J, Bockowski  M, Grzegory I,  Lucznik B,  Nowak G,  Wróblewski M,  Presz A,  Gierlotka S,  Stelmach S,  Palosz B,  Porowski S,  Zinn P. Thermal properties of indium nitride. Journal of Physics and Chemistry of Solids, 1998, 59(3): 289–295
https://doi.org/10.1016/S0022-3697(97)00222-9
39 Leitner J, Strejc  A, Sedmidubský D, Růžička  K. High temperature enthalpy and heat capacity of GaN. Thermochimica Acta, 2003, 401(2): 169–173
https://doi.org/10.1016/S0040-6031(02)00547-6
40 Oh D W, Ravichandran  J, Liang C W,  Siemons W,  Jalan B,  Brooks C M,  Huijben M,  Schlom D G,  Stemmer S,  Martin L W,  Majumdar A,  Ramesh R,  Cahill D G. Thermal conductivity as a metric for the crystalline quality of SrTiO3 epitaxial layers. Applied Physics Letters, 2011, 98(22): 221904
https://doi.org/10.1063/1.3579993
41 Zhu J, Zhu  Y, Wu X,  Song H, Zhang  Y, Wang X. Structure-thermal property correlation of aligned silicon dioxide nanorod arrays. Applied Physics Letters, 2016, 108(23): 231903
https://doi.org/10.1063/1.4953625
42 Majumdar A. Microscale heat conduction in dielectric thin films. Journal of Heat Transfer, 1993, 115(1): 7–16
https://doi.org/10.1115/1.2910673
43 Jeong C, Datta  S, Lundstrom M. Thermal conductivity of bulk and thin-film silicon: a Landauer approach. Journal of Applied Physics, 2012, 111(9): 093708
https://doi.org/10.1063/1.4710993
44 Hua Y C, Cao  B Y. Cross-plane heat conduction in nanoporous silicon thin films by phonon Boltzmann transport equation and Monte Carlo simulations. Applied Thermal Engineering, 2017, 111: 1401–1408
https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2016.05.157
45 Hao Q, Xiao  Y, Zhao H. Characteristic length of phonon transport within periodic nanoporous thin films and two-dimensional materials. Journal of Applied Physics, 2016, 120(6): 065101
https://doi.org/10.1063/1.4959984
46 Liu W, Balandin  A A. Thermal conduction in AlxGa1−xN alloys and thin films. Journal of Applied Physics, 2005, 97(7): 073710
https://doi.org/10.1063/1.1868876
47 Dames C, Chen  G. Theoretical phonon thermal conductivity of Si/Ge superlattice nanowires. Journal of Applied Physics, 2004, 95(2): 682–693
https://doi.org/10.1063/1.1631734
48 Dames C, Chen  G. Thermal conductivity of nanostructured thermoelectric materials. In: Rowe D M ed. Thermoelectrics Handbook: Macro to Nano. Boca Raton, USA: CRC Press 2005, 42:1–16
49 Toberer E S, Zevalkink  A, Snyder G J. Phonon engineering through crystal chemistry. Journal of Materials Chemistry, 2011, 21(40): 15843–15852
https://doi.org/10.1039/c1jm11754h
50 Klemens P G. Theory of thermal conductivity in solids. In: Tye R P ed. Thermal Conductivity. London: Academic Press, 1969, 1–68
51 Roufosse M, Klemens  P G. Thermal conductivity of complex dielectric crystals. Physical Review B: Condensed Matter and Materials Physics, 1973, 7(12): 5379–5386
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.7.5379
52 Julian C L. Theory of heat conduction in rare-gas crystals. Physical Review, 1965, 137(1A): A128–A137
https://doi.org/10.1103/PhysRev.137.A128
53 Slack G A, Galginaitis  S. Thermal conductivity and phonon scattering by magnetic impurities in CdTe. Physical Review, 1964, 133(1A): A253–A268
https://doi.org/10.1103/PhysRev.133.A253
54 Leibfried G, Schloemann  E. Thermal conductivity of dielectric solids by a variational technique. Nachr Akad Wiss Goettingen, Math-Phys Kl, 2A. Math-Phys-Chem Abt, 1954, 23: 1366–1370
55 Freedman J P, Leach  J H, Preble  E A, Sitar  Z, Davis R F,  Malen J A. Universal phonon mean free path spectra in crystalline semiconductors at high temperature. Scientific Reports, 2013, 3(1): 2963
https://doi.org/10.1038/srep02963
56 Yang F, Dames  C. Mean free path spectra as a tool to understand thermal conductivity in bulk and nanostructures. Physical Review B: Condensed Matter and Materials Physics, 2013, 87(3): 035437
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.87.035437
57 Lindsay L, Broido  D, Reinecke T. Thermal conductivity and large isotope effect in GaN from first principles. Physical Review Letters, 2012, 109(9): 095901
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.109.095901
58 Mion C, Muth  J, Preble E,  Hanser D. Accurate dependence of gallium nitride thermal conductivity on dislocation density. Applied Physics Letters, 2006, 89(9): 092123
https://doi.org/10.1063/1.2335972
59 Tamura S I. Isotope scattering of dispersive phonons in Ge. Physical Review B: Condensed Matter and Materials Physics, 1983, 27(2): 858–866
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.27.858
60 Ziman J M. Electrons and Phonons: the Theory of Transport Phenomena in Solids. Oxford: Oxford University Press, 2001
61 Klemens P G. The scattering of low-frequency lattice waves by static imperfections. Proceedings of the Physical Society. Section A, 1955, 68(12): 1113–1128
https://doi.org/10.1088/0370-1298/68/12/303
62 Wright A. Elastic properties of zinc-blende and wurtzite AlN, GaN, and InN. Journal of Applied Physics, 1997, 82(6): 2833–2839
https://doi.org/10.1063/1.366114
63 Pantha B, Dahal  R, Li J,  Lin J, Jiang  H, Pomrenke G. Thermoelectric properties of InxGa1−xN alloys. Applied Physics Letters, 2008, 92(4): 042112
https://doi.org/10.1063/1.2839309
64 Regner K T, Sellan  D P, Su  Z, Amon C H,  McGaughey A J,  Malen J A. Broadband phonon mean free path contributions to thermal conductivity measured using frequency domain thermoreflectance. Nature Communications, 2013, 4: 1640
https://doi.org/10.1038/ncomms2630
65 Koh Y K, Cahill  D G. Frequency dependence of the thermal conductivity of semiconductor alloys. Physical Review B: Condensed Matter and Materials Physics, 2007, 76(7): 075207
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.76.075207
66 Kucukgok B, Wu  X, Wang X,  Liu Z, Ferguson  I T, Lu  N. The structural properties of InGaN alloys and the interdependence on the thermoelectric behavior. AIP Advances, 2016, 6(2): 025305
https://doi.org/10.1063/1.4941934
67 Mingo N, Hauser  D, Kobayashi N,  Plissonnier M,  Shakouri A. “Nanoparticle-in-Alloy” approach to efficient thermoelectrics: silicides in SiGe. Nano Letters, 2009, 9(2): 711–715
https://doi.org/10.1021/nl8031982
68 Koh Y K, Singer  S L, Kim  W, Zide J M O,  Lu H, Cahill  D G, Majumdar  A, Gossard A C. Comparison of the 3ω method and time-domain thermoreflectance for measurements of the cross-plane thermal conductivity of epitaxial semiconductors. Journal of Applied Physics, 2009, 105(5): 054303 
https://doi.org/10.1063/1.3078808
69 Jeżowski A, Danilchenko  B, Boćkowski M,  Grzegory I,  Krukowski S,  Suski T,  Paszkiewicz T. Thermal conductivity of GaN crystals in 4.2–300 K range. Solid State Communications, 2003, 128(2–3): 69–73
https://doi.org/10.1016/S0038-1098(03)00629-X
70 Jung K, Cho  M, Zhou M. Strain dependence of thermal conductivity of [0001]-oriented GaN nanowires. Applied Physics Letters, 2011, 98(4): 041909
https://doi.org/10.1063/1.3549691
71 Hao Q, Zhao  H, Xiao Y. Multi-length scale thermal simulations of GaN-on-SiC high electron mobility transistors. In: Zhang Y, He Y-L ed. Multiscale Thermal Transport in Energy Systems. Hauppauge. New York: Nova Science Publishers, 2016
72 Han Y J. Intrinsic thermal-resistive process of crystals: umklapp processes at low and high temperatures. Physical Review B: Condensed Matter and Materials Physics, 1996, 54(13): 8977– 8980
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.54.8977
73 Dubey K, Misho  R. Three-phonon scattering relaxation rate and phonon conductivity. Application to Mg2Ge. Physica Status Solidi. B, Basic Research, 1977, 84(1): 69–81
https://doi.org/10.1002/pssb.2220840108
74 Joshi Y, Verma  G. Analysis of phonon conductivity: application to Si. Physical Review B: Condensed Matter and Materials Physics, 1970, 1(2): 750–755
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.1.750
75 Ohta H, Kim  S, Mune Y,  Mizoguchi T,  Nomura K,  Ohta S, Nomura  T, Nakanishi Y,  Ikuhara Y,  Hirano M,  Hosono H,  Koumoto K. Giant thermoelectric Seebeck coefficient of a two-dimensional electron gas in SrTiO3. Nature Materials, 2007, 6(2): 129–134
https://doi.org/10.1038/nmat1821
[1] Yangsu XIE, Bowen ZHU, Jing LIU, Zaoli XU, Xinwei WANG. Thermal reffusivity: uncovering phonon behavior, structural defects, and domain size[J]. Front. Energy, 2018, 12(1): 143-157.
[2] Amun JARZEMBSKI, Cedric SHASKEY, Keunhan PARK. Review: Tip-based vibrational spectroscopy for nanoscale analysis of emerging energy materials[J]. Front. Energy, 2018, 12(1): 43-71.
Viewed
Full text


Abstract

Cited

  Shared   
  Discussed