We report on time-domain thermoreflectance measurements of cross-plane thermal conductivity of In0.63Ga0.37As/In0.37Al0.63As superlattices with interface densities ranging from 0.0374 to 2.19 nm−1 in the temperature range 80–295 K. The measurements are complemented by a three-dimensional finite-difference time-domain solution to the elastic wave equation, in which the rms roughness and correlation length at heterointerfaces are varied, and the parameters yielding best agreement with experiment are determined using machine learning. Both experimental measurements and simulations demonstrate the existence of a minimum in the cross-plane thermal conductivity as a function of interface density, which is evidence of a crossover from incoherent to coherent phonon transport as the interface density increases. This minimum persists with increasing temperature, indicating the continued dominance of the temperature-independent interface and alloy-disorder scattering over the temperature-dependent three-phonon scattering in thermal transport through III–V alloy superlattices.
References
1.
D. G.
Cahill
, W. K.
Ford
, K. E.
Goodson
, G. D.
Mahan
, A.
Majumdar
, H. J.
Maris
, R.
Merlin
, and S. R.
Phillpot
, J. Appl. Phys.
93
, 793
(2003
).2.
M. N.
Luckyanova
, J.
Garg
, K.
Esfarjani
, A.
Jandl
, M. T.
Bulsara
, A. J.
Schmidt
, A. J.
Minnich
, S.
Chen
, M. S.
Dresselhaus
, Z.
Ren
, E. A.
Fitzgerald
, and G.
Chen
, Science
338
, 936
(2012
).3.
M. N.
Luckyanova
, J.
Mendoza
, H. L. B.
Song
, S.
Huang
, J.
Zhou
, M.
Li
, Y.
Dong
, H.
Zhou
, J.
Garlow
, L.
Wu
, B. J.
Kirby
, A. J.
Grutter
, A. A.
Puretzky
, Y.
Zhu
, M. S.
Dresselhaus
, A.
Gossard
, and G.
Chen
, Sci. Adv.
4
, eaat9460
(2018
).4.
S. M.
Lee
, D. G.
Cahill
, and R.
Venkatasubramanian
, Appl. Phys. Lett.
70
, 2957
(1997
).5.
T.
Borca-Tasciuc
, W.
Liu
, J.
Liu
, T.
Zeng
, D. W.
Song
, C. D.
Moore
, G.
Chen
, K. L.
Wang
, M. S.
Goorsky
, T.
Radetic
, R.
Gronsky
, T.
Koga
, and M. S.
Dresselhaus
, Superlattices Microstruct.
28
, 199
–206
(2000
).6.
S. T.
Huxtable
, A. R.
Abramson
, C.-L.
Tien
, A.
Majumdar
, C.
LaBounty
, X.
Fan
, G.
Zeng
, J. E.
Bowers
, A.
Shakouri
, and E. T.
Croke
, Appl. Phys. Lett.
80
, 1737
(2002
).7.
K.
Kothari
, A.
Malhotra
, and M.
Maldovan
, J. Phys.: Condens. Matter
31
, 345301
(2019
).8.
P.
Chakraborty
, I. A.
Chiu
, T.
Ma
, and Y.
Wang
, Nanotechnology
32
, 065401
(2021
).9.
M. V.
Simkin
and G. D.
Mahan
, Phys. Rev. Lett.
84
, 927
(2000
).10.
B. C.
Daly
, H. J.
Maris
, K.
Imamura
, and S.
Tamura
, Phys. Rev. B
66
, 024301
(2002
).11.
E. S.
Landry
and A. J. H.
McGaughey
, Phys. Rev. B
79
, 075316
(2009
).12.
K.
Termentzidis
, P.
Chantrenne
, J.-Y.
Duquesne
, and A.
Saci
, J. Phys.: Condens. Matter
22
, 475001
(2010
).13.
W. S.
Capinski
, H. J.
Maris
, T.
Ruf
, M.
Cardona
, K.
Ploog
, and D. S.
Katzer
, Phys. Rev. B
59
, 8105
(1999
).14.
J.
Garg
and G.
Chen
, Phys. Rev. B
87
, 140302
(2013
).15.
J.
Ravichandran
, A. K.
Yadav
, R.
Cheaito
, P. B.
Rossen
, A.
Soukiassian
, S. J.
Suresha
, J. C.
Duda
, B. M.
Foley
, C.-H.
Lee
, Y.
Zhu
, A. W.
Lichtenberger
, J. E.
Moore
, D. A.
Muller
, D. G.
Schlom
, P. E.
Hopkins
, A.
Majumdar
, R.
Ramesh
, and M. A.
Zurbuchen
, Nat. Mater.
13
, 168
(2014
).16.
B.
Saha
, Y. R.
Koh
, J.
Comparan
, S.
Sadasivam
, J. L.
Schroeder
, M.
Garbrecht
, A.
Mohammed
, J.
Birch
, T.
Fisher
, A.
Shakouri
, and T. D.
Sands
, Phys. Rev. B
93
, 045311
(2016
).17.
P.
Hołuj
, C.
Euler
, B.
Balke
, U.
Kolb
, G.
Fiedler
, M. M.
Müller
, T.
Jaeger
, P.
Kratzer
, and G.
Jakob
, Phys. Rev. B
92
, 125436
(2015
).18.
V.
Samvedi
and V.
Tomar
, Nanotechnology
20
, 365701
(2009
).19.
M.
Hu
and D.
Poulikakos
, Nano Lett.
12
, 5487
(2012
).20.
Y.
Chen
, D.
Li
, J. R.
Lukes
, Z.
Ni
, and M.
Chen
, Phys. Rev. B
72
, 174302
(2005
).21.
Y.
Wang
, H.
Huang
, and X.
Ruan
, Phys. Rev. B
90
, 165406
(2014
).22.
L. J.
Mawst
and D.
Botez
, IEEE Photonics J.
14
(1
), 1508025
(2022
).23.
A.
Sood
, J. A.
Rowlette
, C. G.
Caneau
, E.
Bozorg-Grayeli
, M.
Asheghi
, and K. E.
Goodson
, Appl. Phys. Lett.
105
, 051909
(2014
).24.
G. R.
Jaffe
, S.
Mei
, C.
Boyle
, J. D.
Kirch
, D. E.
Savage
, D.
Botez
, L. J.
Mawst
, I.
Knezevic
, M. G.
Lagally
, and M. A.
Eriksson
, ACS Appl. Mater. Interfaces
11
, 11970
(2019
).25.
S.
Mei
and I.
Knezevic
, J. Appl. Phys.
118
, 175101
(2015
).26.
B. M.
Foley
, H. J.
Brown-Shaklee
, J. C.
Duda
, R.
Cheaito
, B. J.
Gibbons
, D.
Medlin
, J. F.
Ihlefeld
, and P. E.
Hopkins
, Appl. Phys. Lett.
101
, 231908
(2012
).27.
J.
Zhu
, D.
Tang
, W.
Wang
, J.
Liu
, K. W.
Holub
, and R.
Yang
, J. Appl. Phys.
108
, 094315
(2010
).28.
J. J.
Gengler
, J.
Hu
, J. G.
Jones
, A. A.
Voevodin
, P.
Steidl
, and J.
Vlček
, Surf. Coat. Technol.
206
, 2030
(2011
).29.
H.
Harikrishna
, W. A.
Lanford
, S. W.
King
, and S. T.
Huxtable
, J. Nucl. Mater.
514
, 154
(2019
).30.
Z.
Tian
, A.
Marconnet
, and G.
Chen
, Appl. Phys. Lett.
106
, 211602
(2015
).31.
Z.
Cheng
, L.
Yates
, J.
Shi
, M. J.
Tadjer
, K. D.
Hobart
, and S.
Graham
, APL Mater.
7
, 031118
(2019
).32.
R. M.
Costescu
, M. A.
Wall
, and D. G.
Cahill
, Phys. Rev. B
67
, 054302
(2003
).33.
L. S.
Larkin
, M. R.
Redding
, N. Q.
Le
, and P. M.
Norris
, J. Heat Transfer
139
, 031301
(2017
).34.
P.
Jiang
, X.
Qian
, and R.
Yang
, J. Appl. Phys.
124
, 161103
(2018
).35.
A. J.
Schmidt
, X.
Chen
, and G.
Chen
, Rev. Sci. Instrum.
79
, 114902
(2008
).36.
D. G.
Cahill
, Rev. Sci. Instrum.
75
, 5119
(2004
).37.
L. N.
Maurer
, S.
Mei
, and I.
Knezevic
, Phys. Rev. B
94
, 045312
(2016
).38.
D.
Botez
, J. D.
Kirch
, C.
Boyle
, K. M.
Oresick
, C.
Sigler
, H.
Kim
, B. B.
Knipfer
, J. H.
Ryu
, D.
Lindberg
, T.
Earles
, L. J.
Mawst
, and Y. V.
Flores
, Opt. Mater. Express
8
, 1378
(2018
).39.
B.
Knipfer
, S.
Xu
, J. D.
Kirch
, D.
Botez
, and L. J.
Mawst
, J. Cryst. Growth
583
, 126531
(2022
).40.
B.
Yang
and G.
Chen
, Phys. Rev. B
67
, 195311
(2003
).41.
© 2022 Author(s). Published under an exclusive license by AIP Publishing.
2022
Author(s)
You do not currently have access to this content.