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.

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
).
You do not currently have access to this content.