Nanostructured semiconductors emit light from electronic states known as excitons[1]. According to Hund's rules[2], the lowest energy exciton in organic materials should be a poorly emitting triplet state. Analogously, the lowest exciton level in all known inorganic semiconductors is believed to be optically inactive. These 'dark' excitons (into which the system can relax) hinder light-emitting devices based on semiconductor nanostructures. While strategies to diminish their influence have been developed[3-5], no materials have been identified in which the lowest exciton is bright. Here we show that the lowest exciton in quasi-cubic lead halide perovskites is optically active. We first use the effective-mass model and group theory to explore this possibility, which can occur when the strong spin-orbit coupling in the perovskite conduction band is combined with the Rashba effect [6-10]. We then apply our model to CsPbX3 (X=Cl,Br,I) nanocrystals[11], for which we measure size- and composition-dependent fluorescence at the single-nanocrystal level. The bright character of the lowest exciton immediately explains the anomalous photon-emission rates of these materials, which emit 20 and 1,000 times faster[12] than any other semiconductor nanocrystal at room[13-16] and cryogenic[17] temperatures, respectively. The bright exciton is further confirmed by detailed analysis of the fine structure in low-temperature fluorescence spectra. For semiconductor nanocrystals[18], which are already used in lighting[19,20], lasers[21,22], and displays[23], these optically active excitons can lead to materials with brighter emission and enhanced absorption. More generally, our results provide criteria for identifying other semiconductors exhibiting bright excitons with potentially broad implications for optoelectronic devices.

Using hybrid functional calculations we investigate the effects of carbon on the electrical and optical properties of GaN. In contrast to the currently accepted view that C substituting for N (CN) is a shallow acceptor, we find that CN has an ionization energy of 0.90 eV. Our calculated absorption and emission lines also indicate that CN is a likely source for the yellow luminescence that is frequently observed in GaN, solving the longstanding puzzle of the nature of the C-related defect involved in yellow emission. Our results suggest that previous experimental data, analyzed under the assumption that CN acts as a shallow acceptor, should be re-examined.

Carbon is a common impurity in the group-III nitrides, often unintentionally incorporated during growth. Nevertheless, the properties of carbon impurities in the nitrides are still not fully understood. We investigate the impact of carbon impurities on the electrical and optical properties of GaN, AlN, and InN using density functional calculations based on a hybrid functional. We examine the stability of substitutional and interstitial configurations as a function of the Fermi-level position and chemical potentials. In all nitrides studied here, C${}_{\mathrm{N}}$ acts as a deep acceptor and gives rise to deep, broad photoluminescence bands. Carbon on the cation site acts as a shallow donor in InN and GaN, but behaves as a $DX$ center in AlN. A split interstitial is the most stable configuration for the C impurity in InN, where it acts as a double donor and likely contributes to $n$-type conductivity.

Based on electronic structure and atomic size considerations, nitrogen has been regarded as the most suitable impurity for p-type doping in ZnO. However, numerous experimental efforts by many different groups have not resulted in stable and reproducible p-type material, casting doubt on the efficacy of nitrogen as a shallow acceptor. Based on advanced first-principles calculations we find that nitrogen is actually a deep acceptor, with an exceedingly high ionization energy of 1.3 eV, and hence cannot lead to hole conductivity in ZnO. In light of this result, we reexamine prior experiments on nitrogen doping of ZnO.

We investigate the properties of Mg acceptors in nitride semiconductors with hybrid functional calculations. We find that although the thermodynamic transition level is relatively close to the valence band in GaN (260 meV), Mg(Ga) exhibits key features of a deep acceptor: the hole is localized on a N atom neighboring the Mg impurity, inducing a large local lattice distortion and giving rise to broad blue luminescence. We show that the ultraviolet photoluminescence peak attributed to Mg acceptors in GaN is likely related to Mg-H complexes, explaining the results of photoluminescence and electron paramagnetic resonance experiments. Predictions for Mg acceptors in AlN and InN are also presented.

Abstract Recent developments in theoretical techniques have significantly improved the predictive power of density-functional-based calculations. In this review, we discuss how such advancements have enabled improved understanding of native point defects in GaN. We review the methodologies for the calculation of point defects, and discuss how techniques for overcoming the band-gap problem of density functional theory affect native defect calculations. In particular, we examine to what extent calculations performed with semilocal functionals (such as the generalized gradient approximation), combined with correction schemes, can produce accurate results. The properties of vacancy, interstitial, and antisite defects in GaN are described, as well as their interaction with common impurities. We also connect the first-principles results to experimental observations, and discuss how native defects and their complexes impact the performance of nitride devices. Overall, we find that lower-cost functionals, such as the generalized gradient approximation, combined with band-edge correction schemes can produce results that are qualitatively correct. However, important physics may be missed in some important cases, particularly for optical transitions and when carrier localization occurs.

We present a theoretical study of broadening of defect luminescence bands due to vibronic coupling. Numerical proof is provided for the commonly used assumption that a multi-dimensional vibrational problem can be mapped onto an effective one-dimensional configuration coordinate diagram. Our approach is implemented based on density functional theory with a hybrid functional, resulting in luminescence lineshapes for important defects in GaN and ZnO that show unprecedented agreement with experiment. We find clear trends concerning effective parameters that characterize luminescence bands of donor- and acceptor-type defects, thus facilitating their identification.

We find the recently developed strongly constrained and appropriately normed (SCAN) functional, now widely used in calculations of many materials, is not able to reliably describe the properties of deep defects and small polarons in a set of wide-bandgap semiconductors and insulators $(\mathrm{ZnO}, \mathrm{ZnSe}, \mathrm{GaN}, {\mathrm{Ga}}_{2}{\mathrm{O}}_{3}, \text{and} \mathrm{NaF})$. By comparing first-principles calculations using the SCAN functional against established experimental information and first-principles calculations using a hybrid functional, we find that the SCAN functional systematically underestimates the magnitude of the structural distortions at deep defects and tends to delocalize the charge density of these defect states.

While semiconductor nanocrystals provide versatile fluorescent materials for light-emitting devices, their brightness suffers from the "dark exciton"─an optically inactive electronic state into which nanocrystals relax before emitting. Recently, a theoretical mechanism, the Rashba effect, was discovered that can overcome this limitation by inverting the lowest-lying levels and creating a bright excitonic ground state. However, no methodology is available to systematically identify materials that exhibit this inversion, hindering the development of superbright nanocrystals and their devices. Here, based on a detailed understanding of the Rashba mechanism, we demonstrate a procedure that reveals previously unknown "bright-exciton" nanocrystals. We first define physical criteria to reduce over 500,000 known solids to 173 targets. Higher-level first-principles calculations then refine this list to 28 candidates. From these, we select five with high oscillator strength and develop effective-mass models to determine the nature of their lowest excitonic state. We confirm that four of the five solids yield bright ground-state excitons in nanocrystals. Thus, our results provide a badly needed roadmap for experimental investigation of bright-exciton nanomaterials.