Développement de µLED rouges et RGB pour les microécans et la communication rapide // Development of red and RGB µLEDs for microdisplays and high-speed communication

Contexte : Les microLED (µLED) constituent une technologie prometteuse pour la réalisation de mini-écrans à forte brillance (lunettes de réalité augmentée ou les montres connectées). D’une taille inférieure à 20 µm, ces µLED sont obtenues par gravure d’une structure planaire sur saphir intégrant des puits quantiques InxGa1-xN. La longueur d’onde émise est directement pilotée par la teneur x en indium des puits quantiques (x˜15 % pour le bleu, 25 % pour le vert, 35–40 % pour le rouge). Si les nitrures offrent d’excellentes performances dans le bleu, l’efficacité chute fortement lorsque la taille des µLED diminue. Pour lever ce verrou, une approche innovante repose sur la réalisation de microfils en géométrie cœur/coquille. Cette architecture permet de préserver l’efficacité d’émission quelle que soit la taille et de pouvoir communiquer des données au GHz (technologie développée au sein de la start-up grenobloise Aledia). Malgré leur fort potentiel, les LED à microfils cœur/coquille se heurtent encore à un enjeu scientifique majeur: l’obtention d’émission rouge. L’incorporation d’indium reste limitée à 25 %, seuil insuffisant pour atteindre le rouge. Ce verrou technologique freine aujourd’hui l’émergence de µLED trichromatiques RGB. Notre équipe a démontré des résultats pionniers dans de domaine, où nous avons réalisé les 1er puits quantiques InGaN cœur/coquille à 15 % pour une émission bleue et à 25% pour une émission verte. Malgré ces avancées, le défi reste entier pour réaliser une émission rouge.

Objectifs : Une nouvelle idée a émergé pour aller au-delà des 25% pour la technologie microfil cœur-coquille et ainsi viser l’émission rouge, ce qui a donné lieu à un dépôt d’un brevet en 2025. Des résultats préliminaires se sont révélés très prometteurs et nous souhaitons poursuivre ce travail à travers une thèse avec un trible objectif :
- Démontrer l’émission rouge en variant les paramètres géométriques des microfils (diamètre…)
- Réaliser des µLED le rouge
- Réaliser des µLED trichromique RGB en un seul run de croissance

Collaborations: Ce projet s’appuie sur une étroite collaboration avec le LTM (Laboratoire de la Technologie de la Microélectronique) pour la réalisation de réseaux de microfils GaN par garvure. Les études d’épitaxie de LED cœur/coquille seront menées au CEA à PHELIQS grâce au bâti d’épitaxie MOCVD en intégrant des analyses structurales/optiques. La dernière étape vise à réaliser les dispositifs LED à microfils grâce au savoir-faire développé à l’Institut Néel via la salle blanche NanoFab.

Pourquoi rejoindre ce projet ? Acquérir une expertise en épitaxie, en physique des semiconducteurs et en optoélectronique. Travailler dans un environnement dynamique et collaboratif, étroitement lié au monde de l'industrie. Contribuer au développement des prochaines générations de µLED destinées aux micro-écrans et aux communications GHz.

Financement : Sujet de thèse financée par le Labex « µelectronics » de l’UGA.

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Background: MicroLEDs (µLEDs) are a promising technology for the development of high-brightness mini-displays (such as augmented reality glasses or smartwatches). Measuring less than 20 µm in size, these µLEDs are produced by etching a planar structure on sapphire that incorporates InxGa1-xN quantum wells. The emitted wavelength is directly tuned by the indium content x of the quantum wells (x ˜ 15% for blue, 25% for green, 35–40% for red). While nitride semiconductors offer excellent performance in the blue spectrum, efficiency drops sharply as the size of the µLEDs decreases. To overcome this issue, an innovative approach involves microwire technology with a core-shell geometry. This architecture preserves emission efficiency regardless of size and enables data transmission at GHz speeds (technology developed by the Grenoble-based startup Aledia). Despite their strong potential, core-shell microwire LEDs still face a major scientific challenge: achieving red emission. Indium incorporation remains limited to 25%, a threshold insufficient to reach red. This technological bottleneck is currently hindering the emergence of RGB trichromatic µLEDs. Our team has achieved pioneering results in this field, where we created the first InGaN core-shell quantum well at 15% for blue emission and 25% for green emission. Despite these advances, the challenge of achieving red emission remains.

Objectives: A new idea has emerged to go beyond 25% of In-content for core-shell microwire technology and thus aim for the first demonstration of red emission, which led to a patent application in 2025. Preliminary results have proven very promising results, and we wish to continue this work through a thesis with the three main objectives:
- Demonstrate red emission by varying the geometric parameters of the microwires (diameter, etc.)
- Produce red µLEDs
- Produce trichromatic RGB µLEDs in a single growth run

Collaborations: This project relies on close collaboration with the LTM (Laboratory of Microelectronics Technology) for the fabrication of GaN microwire arrays via etching process. Epitaxial studies of core/shell LEDs will be conducted at CEA’s PHELIQS facility using the MOCVD epitaxial setup, incorporating structural and optical analyses. The final step aims to fabricate microwire-based µLED devices using the expertise developed at the Néel Institute via the NanoFab cleanroom.
Why join this project? To gain expertise in epitaxy, semiconductor physics, and optoelectronics. To work in a dynamic and collaborative environment closely linked to the industrial sector. To contribute to the development of next-generation µLEDs for micro-displays and GHz communications.

PhD Funding: This thesis project is funded by the UGA’s Labex “µelectronics.”

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Pôle fr : Direction de la Recherche Fondamentale
Département : Institut de Recherche Interdisciplinaire de Grenoble
Service : DEPHY
Date de début souhaitée : 01-11-2026
Ecole doctorale : Ecole Doctorale de Physique de Grenoble (EdPHYS)
Directeur de thèse : DURAND Christophe
Organisme : Grenoble-INP
Laboratoire : DRF/IRIG/PHELIQS/NPSC

Financement public/privé

Pôle fr : Direction de la Recherche Fondamentale
Département : Institut de Recherche Interdisciplinaire de Grenoble
Service : DEPHY

M2 Nanosciences, Ecoles d'ingénieur