Computational analysis via molecular dynamics and density functional theory simulations elucidated the structural and electronic properties of a-type basal edge dislocations lying in the ⟨1–100⟩ direction in wurtzite GaN. As a particular and predominant type of misfit dislocations, experimentally identified in coherently grown semipolar heterostructures, understanding of their properties at the atomistic level is crucial for exploring the growth conditions of the material and improving its performance in its various applications. A total of six core configurations are revealed for the first time and investigated systematically. The energetic hierarchy of these core configurations and their electronic structures are determined. The two shuffle core configurations 3-1 and 4-2 are found to be energetically favorable with respect to the glide 2-2 core in both polarities. It is demonstrated that all the core configurations of the a-type basal dislocations introduce multiple gap states which leads to a narrowing of the bandgap in comparison to that of the pristine material, with the N-polar configurations having a more pronounced and detrimental impact. The presence of Ga-related dangling bonds in the vicinity of the core is widely observed, leading to a shift of the Fermi level to the related s orbitals.

1.
S.
Nakamura
,
S.
Pearton
, and
G.
Fasol
,
Meas. Sci. Technol.
12
,
755
(
2001
).
2.
S.
Nakamura
,
M.
Senoh
,
S.
Nagahama
,
N.
Iwasa
,
T.
Yamada
,
T.
Matsushita
,
Y.
Sugimoto
, and
H.
Kiyoku
,
Appl. Phys. Lett.
69
,
3034
(
1996
).
3.
S. P.
Denbaars
,
Proc. IEEE
85
,
1740
(
1997
).
4.
R.
Chu
,
A.
Corrion
,
M.
Chen
,
R.
Li
,
D.
Wong
,
D.
Zehnder
,
B.
Hughes
, and
K.
Boutros
,
IEEE Electron Device Lett.
32
,
632
(
2011
).
5.
A. E.
Romanov
,
T. J.
Baker
,
S.
Nakamura
, and
J. S.
Speck
,
J. Appl. Phys.
100
,
023522
(
2006
).
6.
F.
Bernardini
and
V.
Fiorentini
,
Phys. Status Solidi B
216
,
391
(
1999
).
7.
D.
Fuhrmann
,
U.
Rossow
,
C.
Netzel
,
H.
Bremers
,
G.
Ade
,
P.
Hinze
, and
A.
Hangleiter
,
Phys. Status Solidi C
3
,
1966
1969
(
2006
).
8.
T.
Takeuchi
,
S.
Sota
,
M.
Katsuragawa
,
M.
Komori
,
H.
Takeuchi
,
H.
Amano
, and
I.
Akasaki
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 2
36
,
L382
(
1997
).
9.
B. A.
Haskell
,
S.
Nakamura
,
S. P.
DenBaars
, and
J. S.
Speck
,
Phys. Status Solidi B
244
,
2847
(
2007
).
10.
U. T.
Schwarz
and
M.
Kneissl
,
Phys. Status Solidi RRL
1
,
44
(
2007
).
11.
P.
Waltereit
,
O.
Brandt
,
A.
Trampert
,
H. T.
Grahn
,
J.
Menniger
,
M.
Ramsteiner
,
M.
Reiche
, and
K. H.
Ploog
,
Nature
406
,
865
(
2000
).
12.
S. M.
Hwang
,
Y. G.
Seo
,
K. H.
Baik
,
I. S.
Cho
,
J. H.
Baek
,
S.
Jung
,
T. G.
Kim
, and
M.
Cho
,
Appl. Phys. Lett.
95
,
071101
(
2009
).
13.
G. P.
Dimitrakopulos
,
E.
Kalesaki
,
J.
Kioseoglou
,
T. H.
Kehagias
,
A.
Lotsari
,
L.
Lahourcade
,
E.
Monroy
,
I.
Häusler
,
H.
Kirmse
,
W.
Neumann
,
G.
Jurczak
,
T. D.
Young
,
P.
Duewski
,
P. H.
Komninou
, and
T. H.
Karakostas
,
J. Appl. Phys.
108
,
104304
(
2010
).
14.
J.
Jasinski
,
Z.
Liliental-Weber
,
H. P.
Maruska
,
B. H.
Chai
,
D. W.
Hill
,
M. M. C.
Chou
,
J. J.
Gallagher
, and
S.
Brown
,
New Appl. Wide-Bandgap Semicond.
764
,
369
(
2003
); available at https://www.osti.gov/servlets/purl/861962.
15.
J. S.
Speck
and
S. F.
Chichibu
,
MRS Bull.
34
,
304
(
2009
).
16.
T. J.
Baker
,
B. A.
Haskell
,
F.
Wu
,
J. S.
Speck
, and
S.
Nakamura
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
45
,
L154
(
2006
).
17.
T. J.
Baker
,
B. A.
Haskell
,
F.
Wu
,
P. T.
Fini
,
J. S.
Speck
, and
S.
Nakamura
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 2
44
,
L920
(
2005
).
18.
N. F.
Gardner
,
J. C.
Kim
,
J. J.
Wierer
,
Y. C.
Shen
, and
M. R.
Krames
,
Appl. Phys. Lett.
86
,
111101
(
2005
).
19.
H.
Yamada
,
K.
Iso
,
M.
Saito
,
H.
Hirasawa
,
N.
Fellows
,
H.
Masui
,
K.
Fujito
,
J. S.
Speck
,
S. P.
DenBaars
, and
S.
Nakamura
,
Phys. Status Solidi RRL
2
,
89
(
2008
).
20.
D. F.
Feezell
,
M. C.
Schmidt
,
S. P.
DenBaars
, and
S.
Nakamura
,
MRS Bull.
34
,
318
(
2009
).
21.
S.
Nakamura
,
MRS Bull.
34
,
101
(
2009
).
22.
A.
Chakraborty
,
B. A.
Haskell
,
S.
Keller
,
J. S.
Speck
,
S. P.
Denbaars
,
S.
Nakamura
, and
U. K.
Mishra
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 2
44
,
L173
(
2005
).
23.
A. E.
Romanov
,
E. C.
Young
,
F.
Wu
,
A.
Tyagi
,
C. S.
Gallinat
,
S.
Nakamura
,
S. P.
Denbaars
, and
J. S.
Speck
,
J. Appl. Phys.
109
,
103522
(
2011
).
24.
M. T.
Hardy
,
P. S.
Hsu
,
F.
Wu
,
I. L.
Koslow
,
E. C.
Young
,
S.
Nakamura
,
A. E.
Romanov
,
S. P.
DenBaars
, and
J. S.
Speck
,
Appl. Phys. Lett.
100
,
202103
(
2012
).
25.
A.
Tyagi
,
F.
Wu
,
E. C.
Young
,
A.
Chakraborty
,
H.
Ohta
,
R.
Bhat
,
K.
Fujito
,
S. P.
DenBaars
,
S.
Nakamura
, and
J. S.
Speck
,
Appl. Phys. Lett.
95
,
251905
(
2009
).
26.
F.
Scholz
,
Semicond. Sci. Technol.
27
,
024002
(
2012
).
27.
L.
Lahourcade
,
J.
Renard
,
B.
Gayral
,
E.
Monroy
,
M. P.
Chauvat
, and
P.
Ruterana
,
J. Appl. Phys.
103
,
093514
(
2008
).
28.
H.
Sato
,
H.
Hirasawa
,
H.
Asamizu
,
N.
Fellows
,
A.
Tyagi
,
M.
Saito
,
K.
Fujito
,
J. S.
Speck
,
S. P.
Denbaars
, and
S.
Nakamura
,
J. Light Vis. Environ.
32
,
107
(
2008
).
29.
A.
Chakraborty
,
T. J.
Baker
,
B. A.
Haskell
,
F.
Wu
,
J. S.
Speck
,
S. P.
Denbaars
,
S.
Nakamura
, and
U. K.
Mishra
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
44
,
78
(
2005
).
30.
A.
Tyagi
,
R. M.
Farrell
,
K. M.
Kelchner
,
C.-Y.
Huang
,
P. S.
Hsu
,
D. A.
Haeger
,
M. T.
Hardy
,
C.
Holder
,
K.
Fujito
,
D. A.
Cohen
,
H.
Ohta
,
J. S.
Speck
,
S. P.
DenBaars
, and
S.
Nakamura
,
Appl. Phys. Express
3
,
011002
(
2010
).
31.
J.
Kioseoglou
,
E.
Kalesaki
,
L.
Lymperakis
,
T.
Karakostas
, and
P.
Komninou
,
J. Phys. Condens. Matter
25
,
045008
(
2013
).
32.
L.
Marona
,
J.
Smalc-Koziorowska
,
E.
Grzanka
,
M.
Sarzynski
,
T.
Suski
,
D.
Schiavon
,
R.
Czernecki
,
P.
Perlin
,
R.
Kucharski
, and
J.
Domagala
,
Semicond. Sci. Technol.
31
,
035001
(
2016
).
33.
B.
Leung
,
D.
Wang
,
Y. S.
Kuo
, and
J.
Han
,
Phys. Status Solidi
253
,
23
(
2016
).
34.
S. D.
Lester
,
F. A.
Ponce
,
M. G.
Craford
, and
D. A.
Steigerwald
,
Appl. Phys. Lett.
66
,
1249
(
1995
).
35.
T.
Mukai
,
M.
Yamada
, and
S.
Nakamura
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
38
,
3976
(
1999
).
36.
N. G.
Weimann
,
L. F.
Eastman
,
D.
Doppalapudi
,
H. M.
Ng
, and
T. D.
Moustakas
,
J. Appl. Phys.
83
,
3656
(
1998
).
38.
E.
Kalesaki
,
J.
Kioseoglou
,
L.
Lymperakis
,
P.
Komninou
, and
T.
Karakostas
,
Appl. Phys. Lett.
98
,
072103
(
2011
).
39.
N.
Gmeinwieser
,
K.
Engl
,
P.
Gottfriedsen
,
U. T.
Schwarz
,
J.
Zweck
,
W.
Wegscheider
,
S.
Miller
,
H.-J.
Lugauer
,
A.
Leber
,
A.
Weimar
,
A.
Lell
, and
V.
Härle
,
J. Appl. Phys.
96
,
3666
(
2004
).
40.
S.
Christiansen
,
M.
Albrecht
,
W.
Dorsch
,
H. P.
Strunk
,
C.
Zanotti-Fregonara
,
G.
Salviati
,
A.
Pelzmann
,
M.
Mayer
,
M.
Kamp
, and
K. J.
Ebeling
,
MRS Internet J. Nitride Semicond. Res.
1
,
19
(
1996
).
41.
F. A.
Ponce
,
D. P.
Bour
,
W.
Götz
, and
P. J.
Wright
,
Appl. Phys. Lett.
68
,
57
(
1996
).
42.
H. M.
Ng
,
D.
Doppalapudi
,
T. D.
Moustakas
,
N. G.
Weimann
, and
L. F.
Eastman
,
Appl. Phys. Lett.
73
,
821
(
1998
).
43.
D. C.
Look
and
J. R.
Sizelove
,
Phys. Rev. Lett.
82
,
1237
(
1999
).
44.
T.
Gühne
,
Z.
Bougrioua
,
P.
Vennéguès
,
M.
Leroux
, and
M.
Albrecht
,
J. Appl. Phys.
101
,
113101
(
2007
).
45.
Z. H.
Wu
,
A. M.
Fischer
,
F. A.
Ponce
,
B.
Bastek
,
J.
Christen
,
T.
Wernicke
,
M.
Weyers
, and
M.
Kneissl
,
Appl. Phys. Lett.
92
,
171904
(
2008
).
46.
Z. H.
Wu
,
K. W.
Sun
,
Q. Y.
Wei
,
A. M.
Fischer
,
F. A.
Ponce
,
Y.
Kawai
,
M.
Iwaya
,
S.
Kamiyama
,
H.
Amano
, and
I.
Akasaki
,
Appl. Phys. Lett.
96
,
071909
(
2010
).
47.
J.
Kioseoglou
,
G. P.
Dimitrakopulos
,
P.
Komninou
, and
T.
Karakostas
,
Phys. Rev. B
70
,
035309
(
2004
).
48.
J.
Kioseoglou
,
E.
Kalesaki
,
L.
Lymperakis
,
J.
Neugebauer
,
P.
Komninou
, and
T.
Karakostas
,
J. Appl. Phys.
109
,
083511
(
2011
).
49.
I.
Belabbas
,
G.
Dimitrakopulos
,
J.
Kioseoglou
,
A.
Béré
,
J.
Chen
,
P.
Komninou
,
P.
Ruterana
, and
G.
Nouet
,
Superlattices Microstruct.
40
,
458
(
2006
).
50.
I.
Belabbas
,
J.
Chen
,
P.
Komninou
, and
G.
Nouet
,
Model. Numer. Simul. Mater. Sci.
3
,
11
(
2013
).
51.
I.
Belabbas
,
J.
Chen
,
P.
Komninou
, and
G.
Nouet
,
Comput. Mater. Sci.
79
,
118
(
2013
).
52.
I.
Belabbas
,
J.
Chen
, and
G.
Nouet
,
Phys. Status Solidi C
13
,
221
(
2016
).
53.
I.
Belabbas
,
J.
Chen
,
M. I.
Heggie
,
C. D.
Latham
,
M. J.
Rayson
,
P. R.
Briddon
, and
G.
Nouet
,
Model. Simul. Mater. Sci. Eng.
24
,
075001
(
2016
).
54.
Y.
Chang
,
Y.
Wang
,
Z.
Deng
,
H.
Chen
, and
B.
Ge
,
Philos. Mag. Lett.
96
,
148
(
2016
).
55.
O.
Medvedev
,
O.
Vyvenko
, and
A.
Bondarenko
,
Phys. Status Solidi C
14
,
1700111
(
2017
); available at .
56.
I.
Belabbas
,
J.
Chen
,
P.
Komninou
, and
G.
Nouet
,
Phys. Status Solidi C
10
,
84
(
2013
).
57.
J.
Gruber
,
X. W.
Zhou
,
R. E.
Jones
,
S. R.
Lee
, and
G. J.
Tucker
,
J. Appl. Phys.
121
,
195301
(
2017
).
58.
I.
Lo
,
C.-H.
Hsieh
,
Y.-L.
Chen
,
W.-Y.
Pang
,
Y.-C.
Hsu
,
J.-C.
Chiang
,
M.-C.
Chou
,
J.-K.
Tsai
, and
D. M.
Schaadt
,
Appl. Phys. Lett.
92
,
202106
(
2008
).
59.
E. C.
Young
,
F.
Wu
,
A. E.
Romanov
,
A.
Tyagi
,
C. S.
Gallinat
,
S. P.
DenBaars
,
S.
Nakamura
, and
J. S.
Speck
,
Appl. Phys. Express
3
,
011004
(
2010
).
60.
M. N.
Fireman
,
B.
Bonef
,
E. C.
Young
,
N.
Nookala
,
M. A.
Belkin
, and
J. S.
Speck
,
J. Appl. Phys.
122
,
075105
(
2017
).
61.
A.
Nakamura
,
E.
Tochigi
,
R.
Nagahara
,
Y.
Furushima
,
Y.
Oshima
,
Y.
Ikuhara
,
T.
Yokoi
, and
K.
Matsunaga
,
Crystals
8
,
127
(
2018
).
62.
R.
deWit
,
J. Res. Natl. Bur. Stand. Sect., A
77A
,
607
(
1973
).
63.
J. P.
Hirth
and
J.
Lothe
,
Theory of Dislocations
, 2nd ed. (
Krieger Pub. Co
,
1982
).
64.
A.
Béré
and
A.
Serra
,
Phys. Rev. B
65
,
205323
(
2002
).
65.
J.
Kioseoglou
,
G. P.
Dimitrakopulos
,
P.
Komninou
,
T.
Karakostas
,
I.
Konstantopoulos
,
M.
Avlonitis
, and
E. C.
Aifantis
,
Phys. Status Solidi
203
,
2161
(
2006
).
66.
S.
Plimpton
,
J. Comput. Phys.
117
,
1
(
1995
).
67.
J.
Kioseoglou
,
Phys. Status Solidi A
210
,
204
(
2013
).
68.
G.
Kresse
and
J.
Hafner
,
Phys. Rev. B
47
,
558
(
1993
).
69.
G.
Kresse
and
J.
Furthmüller
,
Phys. Rev. B
54
,
11169
(
1996
).
70.
G.
Kresse
and
J.
Furthmüller
,
Comput. Mater. Sci.
6
,
15
(
1996
).
71.
V. I.
Anisimov
,
J.
Zaanen
, and
O. K.
Andersen
,
Phys. Rev. B
44
,
943
(
1991
).
72.
V. I.
Anisimov
,
I. V.
Solovyev
,
M. A.
Korotin
,
M. T.
Czyyk
, and
G. A.
Sawatzky
,
Phys. Rev. B
48
,
16929
(
1993
).
73.
I. V.
Solovyev
,
P. H.
Dederichs
, and
V. I.
Anisimov
,
Phys. Rev. B
50
,
16861
(
1994
).
74.
A.
Rohrbach
,
J.
Hafner
, and
G.
Kresse
,
J. Phys. Condens. Matter
15
,
979
(
2003
).
75.
A.
Janotti
,
D.
Segev
, and
C. G.
Van De Walle
,
Phys. Rev. B
74
,
045202
(
2006
).
76.
M. M.
Savin
,
V. M.
Chernov
, and
A. M.
Strokova
,
Phys. Status Solidi
35
,
747
(
1976
).
77.
N.
Aïchoune
,
V.
Potin
,
P.
Ruterana
,
A.
Hairie
,
G.
Nouet
, and
E.
Paumier
,
Comput. Mater. Sci.
17
,
380
(
2000
).
78.
M. D.
Pashley
,
Phys. Rev. B
40
,
10481
(
1989
).
79.
J.
Kaczkowski
,
Acta Phys. Pol., A
121
,
1142
(
2012
).
80.
K.
Momma
and
F.
Izumi
,
J. Appl. Crystallogr.
44
,
1272
(
2011
).
81.
J. W. P.
Hsu
,
M. J.
Manfra
,
S. N. G.
Chu
,
C. H.
Chen
,
L. N.
Pfeiffer
, and
R. J.
Molnar
,
Appl. Phys. Lett.
78
,
3980
(
2001
).
82.
J. W. P.
Hsu
,
M. J.
Manfra
,
D. V.
Lang
,
S.
Richter
,
S. N. G.
Chu
,
A. M.
Sergent
,
R. N.
Kleiman
,
L. N.
Pfeiffer
, and
R. J.
Molnar
,
Appl. Phys. Lett.
78
,
1685
(
2001
).
You do not currently have access to this content.