Oxygen is the most common unintentional impurity found in GaN. We study the interaction between substitutional oxygen (ON) and the gallium vacancy (VGa) to form a point defect complex in GaN. The formation energy of the gallium vacancy is largely reduced in n-type GaN by complexing with oxygen, while thermodynamic and optical transition levels remain within the bandgap. We study the spectroscopy of this complex using a hybrid quantum-mechanical molecular-mechanical embedded-cluster approach. We reveal how a single defect center can be responsible for multiband luminescence, including possible contributions to the ubiquitous yellow luminescence signatures observed in n-type GaN, owing to the coexistence of diffuse (extended) and compact (localized) holes.
References
1.
H.
Morkoç
, Handbook of Nitride Semiconductors and Devices
(Wiley-VCH
, Weinheim
, 2008
).2.
T. Y.
Seong
, J.
Han
, H.
Amano
, and H.
Morkoc
, III-Nitride Based Light Emitting Diodes and Applications
(Springer
, Berlin
, 2013
).3.
V.
Garbe
, B.
Abendroth
, H.
Stöcker
, A.
Gavrilov
, D.
Cohen-Elias
, S.
Mehari
, D.
Ritter
, and D. C.
Meyer
, Cryst. Res. Technol.
50
, 425
(2015
).4.
T.
Suski
, P.
Perlin
, H.
Teisseyre
, M.
Leszczynski
, I.
Grzegory
, J.
Jun
, M.
Bockowski
, S.
Porowski
, and T. D.
Moustakas
, Appl. Phys. Lett.
67
, 2188
(1995
).5.
K.
Saarinen
, T.
Laine
, S.
Kuisma
, J.
Nissilä
, P.
Hautojärvi
, L.
Dobrzynski
, J.
Baranowski
, K.
Pakula
, R.
Stepniewski
, M.
Wojdak
, a
Wysmolek
, T.
Suski
, M.
Leszczynski
, I.
Grzegory
, and S.
Porowski
, Phys. Rev. Lett.
79
, 3030
(1997
).6.
F. J.
Xu
, B.
Shen
, L.
Lu
, Z. L.
Miao
, J.
Song
, Z. J.
Yang
, G. Y.
Zhang
, X. P.
Hao
, B. Y.
Wang
, X. Q.
Shen
, and H.
Okumura
, J. Appl. Phys.
107
, 023528
(2010
).7.
M. A.
Reshchikov
, J. D.
McNamara
, F.
Zhang
, M.
Monavarian
, A.
Usikov
, H.
Helava
, Y.
Makarov
, and H.
Morkoc
, Phys. Rev. B
94
, 035201
(2016
).8.
M. A.
Reshchikov
, H.
Morkoç
, S. S.
Park
, and K. Y.
Lee
, Appl. Phys. Lett.
81
, 4970
(2002
).9.
M. A.
Reshchikov
, S. S.
Park
, K. Y.
Lee
, and H.
Morkoç
, Physica B
340–342
, 448
(2003
).10.
C.
Díaz-Guerra
, J.
Piqueras
, and A.
Cavallini
, Appl. Phys. Lett.
82
, 2050
(2003
).11.
M. A.
Reshchikov
, D. O.
Demchenko
, A.
Usikov
, H.
Helava
, and Y.
Makarov
, Phys. Rev. B
90
, 235203
(2014
).12.
T.
Ogino
and M.
Aoki
, Jpn. J. Appl. Phys.
19
, 2395
(1980
).13.
J.
Neugebauer
and C. G.
Van de Walle
, Appl. Phys. Lett.
69
, 503
(1996
).14.
J. L.
Lyons
, A.
Janotti
, and C. G.
Van De Walle
, Appl. Phys. Lett.
97
, 152108
(2010
).15.
D. O.
Demchenko
, I. C.
Diallo
, and M. A.
Reshchikov
, Phys. Rev. Lett.
110
, 087404
(2013
).16.
J. L.
Lyons
, A.
Alkauskas
, A.
Janotti
, and C. G.
Van de Walle
, Phys. Status Solidi B
252
, 900
(2015
).17.
J.
Yang
, D. G.
Zhao
, D. S.
Jiang
, P.
Chen
, Z. S.
Liu
, L. C.
Le
, X. J.
Li
, X. G.
He
, J. P.
Liu
, S. M.
Zhang
, H.
Wang
, J. J.
Zhu
, and H.
Yang
, J. Appl. Phys.
115
, 163704
(2014
).18.
C.
Bozdog
, G. D.
Watkins
, H.
Sunakawa
, N.
Kuroda
, and A.
Usui
, Phys. Rev. B
65
, 125207
(2002
).19.
C. E.
Dreyer
, A.
Alkauskas
, J. L.
Lyons
, J. S.
Speck
, and C. G.
Van De Walle
, Appl. Phys. Lett.
108
, 141101
(2016
).20.
M. A.
Reshchikov
, M. H.
Zhang
, C.
Jie
, P.
Visconti
, Y.
Feng
, and H.
Morkoc
, Mater. Res. Soc. Symp. Proc.
639
, G6.7
(2001
).21.
M. A.
Reshchikov
, D. O.
Demchenko
, A.
Usikov
, H.
Helava
, and Y.
Makarov
, Proc. SPIE
9363
, 93630L
(2015
).22.
S.
Ito
, T.
Nakagita
, N.
Sawaki
, H. S.
Ahn
, M.
Irie
, T.
Hikosaka
, Y.
Honda
, M.
Yamaguchi
, and H.
Amano
, Jpn. J. Appl. Phys.
53
, 11RC02
(2014
).23.
M. A.
Reshchikov
, H.
Morkoç
, S. S.
Park
, and K. Y.
Lee
, Mater. Res. Soc. Symp. Proc.
693
, I6.19.1
(2002
).24.
M. A.
Reshchikov
, J. D.
McNamara
, M.
Toporkov
, V.
Avrutin
, H.
Morkoç
, A.
Usikov
, H.
Helava
, and Y.
Makarov
, Sci. Rep.
6
, 37511
(2016
).25.
M. A.
Reshchikov
, A.
Usikov
, H.
Helava
, and Y.
Makarov
, Appl. Phys. Lett.
104
, 032103
(2014
).26.
J.
Neugebauer
and C. G.
Van De Walle
, Phys. Rev. B
50
, 8067
(1994
).27.
F.
Gao
, E. J.
Bylaska
, and W. J.
Weber
, Phys. Rev. B
70
, 245208
(2004
).28.
K.
Laaksonen
, M. G.
Ganchenkova
, and R. M.
Nieminen
, J. Phys.: Condens. Matter
21
, 015803
(2009
).29.
G.
Miceli
and A.
Pasquarello
, Microelectron. Eng.
147
, 51
(2015
).30.
I. C.
Diallo
and D. O.
Demchenko
, Phys. Rev. Appl.
6
, 064002
(2016
).31.
A.
Kyrtsos
, M.
Matsubara
, and E.
Bellotti
, Phys. Rev. B
93
, 245201
(2016
).32.
T.
Mattila
and M.
Nieminen
, in Proceedings of the III-V Nitride Symposium 189th ECS Meeting
, Los Angeles, May 1996
.33.
A.
Katre
, J.
Carrete
, T.
Wang
, G. K. H.
Madsen
, and N.
Mingo
, Phys. Rev. Mater.
2
, 050602(R)
(2018
).34.
S.
Hautakangas
, I.
Makkonen
, V.
Ranki
, M. J.
Puska
, K.
Saarinen
, X.
Xu
, and D. C.
Look
, Phys. Rev. B
73
, 193301
(2006
).35.
N. T.
Son
, C. G.
Hemmingsson
, T.
Paskova
, K. R.
Evans
, A.
Usui
, N.
Morishita
, T.
Ohshima
, J.
Isoya
, B.
Monemar
, and E.
Janzén
, Phys. Rev. B
80
, 153202
(2009
).36.
A. A.
Sokol
, S. T.
Bromley
, S. A.
French
, C. R. A.
Catlow
, and P.
Sherwood
, Int. J. Quantum Chem.
99
, 695
(2004
).37.
P.
Sherwood
, A. H.
de Vries
, M. F.
Guest
, G.
Schrecken-bach
, C. R. A.
Catlow
, S. A.
French
, A. A.
Sokol
, S. T.
Bromley
, W.
Thiel
, A. J.
Turner
, S.
Billeter
, F.
Terstegen
, S.
Thiel
, J.
Kendrick
, S. C.
Rogers
, J.
Casci
, M.
Watson
, F.
King
, E.
Karlsen
, M.
Sjøvoll
, A.
Fahmi
, A.
Schäfer
, and C.
Lennartz
, J. Mol. Struct.
632
, 1
(2003
).38.
C. R. A.
Catlow
, J.
Buckeridge
, M. R.
Farrow
, A. J.
Logsdail
, and A. A.
Sokol
, Quantum Mechanical/Molecular Mechanical (QM/MM) Approaches: Flawed Perfection
(Wiley-VCH Verlag GmbH
, Weinheim
, 2017
).39.
P. J.
Wilson
, T. J.
Bradley
, and D. J.
Tozer
, J. Chem. Phys.
115
, 9233
(2001
).40.
C.
Adamo
and V.
Barone
, J. Chem. Phys.
110
, 6158
(1999
).41.
J.
Heyd
, G. E.
Scuseria
, and M.
Ernzerhof
, J. Chem. Phys.
124
, 219906
(2006
).42.
W.
Stevens
, M.
Krauss
, H.
Basch
, and P.
Jasien
, Can. J. Chem.
70
, 612
(1992
).43.
M.
Miskufova
, Ph.D. thesis, University College London, 2011
.44.
J.
Buckeridge
, C. R. A.
Catlow
, D. O.
Scanlon
, T. W.
Keal
, P.
Sherwood
, M.
Miskufova
, A.
Walsh
, S. M.
Woodley
, and A. A.
Sokol
, Phys. Rev. Lett.
114
, 016405
(2015
).45.
F.
Weigend
and R.
Ahlrich
, Phys. Chem. Chem. Phys.
7
, 3297
(2005
).46.
Y.
Zhao
, B. J.
Lynch
, and D. G.
Truhlar
, J. Phys. Chem. A
108
, 2715
(2004
).47.
J.
Buckeridge
, C. R. A.
Catlow
, D. O.
Scanlon
, T. W.
Keal
, P.
Sherwood
, M.
Miskufova
, A.
Walsh
, S. M.
Woodley
, and A. A.
Sokol
, Phys. Rev. Lett.
115
, 029702
(2015
).48.
C. R. A.
Catlow
, Z. X.
Guo
, M.
Miskufova
, S. A.
Shevlin
, A. G. H.
Smith
, A. A.
Sokol
, D. J.
Wilson
, and S. M.
Woodley
, Philos. Trans. R. Soc., A
368
, 3379
(2010
).49.
S.
Metz
, J.
Kästner
, A. A.
Sokol
, T. W.
Keal
, and P.
Sherwood
, WIREs Comput. Mol. Sci.
4
, 101
(2014
).50.
M. F.
Guest
, I. J.
Bush
, H. J.
Van Dam
, P.
Sherwood
, J. M. H.
Thomas
, J. H.
Van Lenthe
, R. W.
Havenith
, and J.
Kendrick
, Mol. Phys.
103
, 719
(2005
).51.
J. D.
Gale
, J. Chem. Soc., Faraday Trans.
93
, 629
(1997
).52.
A.
Walsh
, J.
Buckeridge
, C. R. A.
Catlow
, A. J.
Jackson
, T. W.
Keal
, M.
Miskufova
, P.
Sherwood
, S. A.
Shevlin
, M. B.
Watkins
, S. M.
Woodley
, and A. A.
Sokol
, Chem. Mater.
25
, 2924
(2013
).53.
D. J.
Wilson
, A. A.
Sokol
, S. A.
French
, and C. R. A.
Catlow
, The Rôle of Defects in Photographic Latent Image Formation
(Mater. Res. Soc. Symp. Proc.
, 2005
), p. 848
.54.
A. A.
Sokol
, S. A.
French
, S. T.
Bromley
, C. R. A.
Calow
, H. J. J.
van Dam
, and P.
Sherwood
, Faraday Discuss.
134
, 267
(2007
).55.
D. O.
Scanlon
, C. W.
Dunnill
, J.
Buckeridge
, S. A.
Shevlin
, A. J.
Logsdail
, S. M.
Woodley
, C. R. A.
Catlow
, M. J.
Powell
, R. G.
Palgrave
, I. P.
Parkin
, G. W.
Watson
, T. W.
Keal
, P.
Sherwood
, A.
Walsh
, and A. A.
Sokol
, Nat. Mater.
12
, 798
(2013
).56.
Q.
Yan
, A.
Janotti
, M.
Scheffler
, and C. G.
Van De Walle
, Appl. Phys. Lett.
100
, 142110
(2012
).57.
Z.
Xie
, Y.
Sui
, J.
Buckeridge
, C. R. A.
Catlow
, T. W.
Keal
, P.
Sherwood
, A.
Walsh
, D. O.
Scanlon
, S. M.
Woodley
, and A. A.
Sokol
, Phys. Status Solidi A
214
, 1600445
(2017
).58.
Z.
Xie
, Y.
Sui
, J.
Buckeridge
, C. R. A.
Catlow
, T. W.
Keal
, P.
Sherwood
, M. R.
Farrow
, D. O.
Scanlon
, S. M.
Woodley
, and A. A.
Sokol
, e-print arXiv:cond-mat/1803.06273 (2018
).59.
M. A.
Reshchikov
, A.
Usikov
, H.
Helava
, and Y.
Makarov
, J. Electron. Mater.
44
, 1281
(2015
).60.
A.
Sedhain
, J.
Li
, J. Y.
Lin
, and H. X.
Jiang
, Appl. Phys. Lett.
96
, 151902
(2010
).61.
J. L.
Lyons
and C. G.
Van de Walle
, npj Comput. Mater.
12
, 1
(2017
).62.
M. A.
Reshchikov
, A.
Usikov
, H.
Helava
, Y.
Makarov
, V.
Prozheeva
, I.
Makkonen
, F.
Tuomisto
, J. H.
Leach
, and K.
Udwary
, Sci. Rep.
7
, 9297
(2017
).63.
M. A.
Reshchikov
, J. D.
Mcnamara
, H.
Helava
, and A.
Usikov
, Sci. Rep.
8
, 8091
(2018
).© 2018 Author(s).
2018
Author(s)
You do not currently have access to this content.
