Modélisation DFT des surfaces et interfaces pour l'intégration monolithique de semiconducteurs III-V/Si

Advanced DFT modeling of surfaces and interfaces for the monolithic integration of III-V semiconductors on Si

• Auteur / Autrice : Sreejith Pallikkara Chandrasekharan
• Direction : Laurent Pedesseau, Charles Cornet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux et dispositifs pour l'électronique et la photonique
• Date : Soutenance le 29/10/2025
• Etablissement(s) : Rennes, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, télécommunications, informatique, signal, systèmes, électronique (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Fonctions Optiques pour les Technologies de l’informatiON (Lannion ; 2000-....)
• Jury : Président / Présidente : Mikaël Kepenekian
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lutz Geelhaar, Anne Hemeryck, Frank Glas
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Lutz Geelhaar, Anne Hemeryck
• DOI : 10.70675/8dcb0240ze2ddz469dz852ezaf188ce0a90f

Mots clés

Mots clés contrôlés

Semiconducteurs

Théorie de la fonctionnelle de densité

Énergie de surface

Thermodynamique

Photonique

Mots clés libres

Semi-conducteurs III-V/Si

Énergie de surface et d’interface

Croissance 3D

Défauts

Thermodynamique

DFT

III-V/Si semiconductors

Surface and interface energy

3D-growth

Defects

Thermodynamics

DFT

Résumé

Cette thèse explore, à l’échelle atomique, les mécanismes de croissance épitaxiale des semiconducteurs III-V sur Si(001) pour les applications en photonique, en énergie, et en quantum technologie à l’aide de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). En effet, l’épitaxie directe reste difficile en raison de la formation de défauts tels que les parois d’antiphase (APB) et les dislocations dues aux désaccords de maille. Pour surmonter ces défis, une méthodologie basée sur l’ab initio est développée afin de calculer les énergies absolues de surface et d’interface dans les hétérostructures III-V/Si, permettant une évaluation quantitative du mouillage et de la stabilité thermodynamique des interfaces. Le GaP/Si est étudié comme système modèle pour analyser le comportement de mouillage, révélant que la passivation inévitable sur Si avant l'épitaxie favorise la croissance Volmer-Weber 3D. Un modèle théorique de formation des APBs est ensuite proposé, identifiant ces défauts comme des structures métastables issues de la coalescence d’îlots. Par ailleurs, une démonstration rigoureuse de la construction ab initio de Wulff-Kaischew est conduite en vue de prédire, de manière quantitative, les morphologies cristallines à l’équilibre thermodynamique ainsi que des observations TEM in situ de la croissance épitaxiale de GaP sur Si. De plus, une méthode innovante de passivation par charge fictive est également introduite pour surmonter les complications liées aux reconstructions de surface, permettant un calcul précis des énergies d’interface absolue. Cette méthode est appliquée aux interfaces GaAs/Si soumise à une contrainte biaxiale, puis étendue à l’étude des dislocations de type 90°, mettant en évidence des configurations de cœur de dislocation énergétiquement plus stables, au sein desquelles les compensations de charge sont effectivement assurées. Enfin, des calculs préliminaires de structure de bande électronique révèlent des états situés au milieu du gap qui sont directement associés aux interfaces, avec ou sans dislocation. Ce travail apporte ainsi une meilleure compréhension de l’intégration III-V/Si à l’échelle atomique et propose de nouveaux outils pour l’optimisation des dispositifs multifonctionnels de prochaine génération mais aussi une nouvelle vision.

This thesis explores the atomic-scale epitaxial growth mechanisms of III-V semiconductors on Si(001) for applications in photonics and energy, using density functional theory (DFT). However, direct epitaxy remains challenging due to defects such as anti-phase boundaries and misfit dislocations. To address these challenges, this work develops a first-principles framework based on DFT to calculate absolute surface and interface energies in III-V/Si systems, enabling a quantitative evaluation of wetting behavior and interface thermodynamics. GaP/Si is studied as a model system to analyze the wetting behavior, revealing that an inevitable passivation on Si prior to epitaxy promotes 3D Volmer-Weber growth. A theoretical model for APB formation is then proposed, identifying these defects as metastable features formed as a consequence of island coalescence. Additionally, an ab initio Wulff-Kaischew construction is implemented to predict the equilibrium crystal shapes showing good agreement with in situ TEM observations of GaP/Si epitaxial growth. Notably, a novel fictitious charge passivation on surfaces scheme is introduced to accurately compute interface energies, effectively eliminating difficulties and errors from complex surface reconstructions. This method is applied first to biaxially strained, and next to 90° misfit dislocations of GaAs/Si systems, revealing energetically favorable dislocation core structures with charge compensation. Furthermore, preliminary calculations of the electronic band structure of this heterostructure structure reveal the presence of midbandgap states, which are associated with both dislocations and interfaces. Overall, this work advances the atomic-scale understanding and control of III-V/Si integration, offering new tools for optimizing next generation multifunctional devices, while also providing a new perspective on these heterostructures.