Rare-earth defects in GaN: A systematic investigation of the lanthanide series
Rare-earth defects in GaN: A systematic investigation of the lanthanide series
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GaN 中的稀土缺陷：对镧系元素的系统研究
DOI：
10.1103/physrevmaterials.6.044601
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发表时间：
2022
影响因子：
3.4
通讯作者：
Hoang, Khang
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Hoang, Khang
稀土掺杂的GaN在光电子学和自旋电子学以及潜在的量子应用中是令人感兴趣的。对稀土掺杂剂和半导体基质之间相互作用的基本理解是实现材料全部潜力的关键。本文报道了用混合密度泛函缺陷计算方法研究GaN中的镧系元素缺陷。我们发现，所有掺入Ga晶格位置（= La-Lu）的掺杂剂都是稳定的三价离子，但Eu和Yb也可以稳定为二价离子，Ce，Pr和Tb也可以稳定为四价离子。由第一性原理确定了基质材料的能谱中相关缺陷能级和态的位置。我们阐明了缺陷形成和电子结构之间的相互作用，包括-N相互作用，以及掺杂对局部晶格环境的影响。通过考虑可能的缺陷到带和带到缺陷的跃迁，包括宽的电荷转移跃迁，研究了光学性质。这些缺陷也可以作为载流子陷阱，并介导能量从宿主转移到离子的电子核心，导致尖锐的内发光。
Rare-earth doped GaN is of interest for optoelectronics and spintronics and potentially for quantum applications. A fundamental understanding of the interaction between RE dopants and the semiconductor host is key to realizing the material's full potential. This paper reports an investigation of lanthanide () defects in GaN using hybrid density-functional defect calculations. We find that all thedopants incorporated at the Ga lattice site,(= La–Lu), are stable as trivalent ions, but Eu and Yb can also be stabilized as divalent and Ce, Pr, and Tb as tetravalent. The location of-related defect levels and thestates in the energy spectrum of the host material is determined from first principles. We elucidate the interplay between defect formation and electronic structure, including the–N interaction, and the effect of doping on the local lattice environment. Optical properties are investigated by considering possible defect-to-band and band-to-defect transitions involvingdefects with in-gap energy levels, including broad charge-transfer transitions. These defects can also act as carrier traps and mediate energy transfer from the host into the-electron core of theion which leads to sharp intra-luminescence.
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