随着 Micro-LED 向更高分辨率发展，像素尺寸不断缩小，刻蚀侧壁损伤导致的效率衰减问题日益突出。国家第三代半导体技术创新中心（苏州）【以下简称“国创中心（苏州）”】聚焦第三代半导体产业关键共性技术，将高质量第三代半导体材料生长、器件制备等作为核心攻关方向。近日，联合中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所【以下简称“中国科学院苏州纳米所”】在InGaN/GaN 蓝光 Micro-LED 侧壁修复方面持续攻关并取得新进展。
团队相关成果以“Repairing etched sidewall surface of InGaN/GaN micro-light emitting diode through neutral N/H radicals in high vacuums”为题发表于国际期刊Applied Physics Letters（APL），并获国际化合物半导体专业媒体Semiconductor Today专题报道，论文第一作者为博士生李凯。
该研究提出了一种“中性N/H自由基修复+真空互联原子层沉积钝化”工艺：首先在高真空环境中利用中性N/H自由基修复刻蚀损伤并清除侧壁杂质，随后通过真空互联系统，在不接触空气的条件下直接完成Al2O3的ALD钝化。采用该工艺后，5 μm器件的峰值外量子效率（EQE）由13.76%提升至18.52%，相对提升34.6%；在−5 V下，反向漏电流密度由1.30 A/cm²降低至9.64×10⁻⁶ A/cm²，降幅超过5个数量级。
01 芯片越小，为什么“侧壁”越不能忽视？
Micro-LED具有高亮度、高效率、响应快和寿命长等优势，被广泛认为是面向高分辨显示、AR/VR 与光通信的重要技术路线。
但当像素尺寸不断缩小，一个原本位于边缘的问题会迅速走向中心：侧壁效应。Micro-LED通常需要通过感应耦合等离子体（ICP）刻蚀定义像素。刻蚀过程中的粒子轰击与辐射会在侧壁留下缺陷和杂质，带来表面态、费米能级钉扎、非辐射复合以及漏电通道。器件越小，侧壁损伤面积占比越大，损伤区域对整体性能的影响就越明显。
传统湿法处理能够去除部分损伤层，却可能改变侧壁几何形貌；处理后再暴露于空气，还可能发生再氧化和二次污染。离子等离子体处理则可能引入表面充电、局部强电场和异常能带弯曲。
问题由此变得十分具体：能否修复侧壁，又不带来新的损伤；完成清洁后，还不让它重新“沾上”空气中的杂质？
02 一次“中性原子修复”，接上一场“真空接力”
研究团队给出的答案，是把两步工艺连成一条不中断的真空链路。
首先，利用高真空射频原子源产生中性活性 N/H 自由基，在无加速偏压条件下处理刻蚀后的侧壁。与带电离子不同，中性自由基能够参与表面化学反应，同时减少离子轰击和表面充电带来的附加损伤。
随后，样品经真空互联系统直接转移至原子层沉积（ALD）腔体，沉积 30 nm Al2O3 钝化层。侧壁从修复到封护不再经历空气暴露，从工艺链上降低了再氧化与二次杂质吸附的风险。
图 1｜Micro-LED 芯片阵列制备流程及 20、10、5 μm器件形貌图
这不是简单地去除侧壁污染，而是一套彼此配合的表面反应：活性 H 自由基促进 Cl、F 等卤素残留脱除，活性 N 自由基进一步修复卤素脱除后形成的Ga悬挂键，从而减少N空位与富Ga相关缺陷，推动GaN表面化学计量比和电子结构恢复。
03 5 μm器件，改善最明显
团队制备并比较了 20、10 和 5 μm三种尺寸的蓝光 Micro-LED。结果显示，器件越小，侧壁修复带来的收益越突出。5 μm器件峰值EQE由 13.76% 提升至 18.52%，相对提升34.6%；反向漏电流密度降低约5个数量级。
激光扫描共聚焦显微成像给出了更直观的证据。处理前，器件边缘的发光分布不均匀，“死区”形状也不规则；处理后，边缘发光更连续、更均匀。以 20 μm器件为例，死区面积约减少 6%，有源发光区灰度标准差由 65 降至 53。
图 3｜20、10、5 μm Micro-LED N/H处理前后发光强度分布
04 为什么会变亮、变均匀，也更少漏电？
论文通过时间分辨光致发光（TRPL）、二次离子质谱（SIMS）和 X 射线光电子能谱（XPS）建立了从“表面变化”到“器件性能”的证据链。
TRPL 结果显示，载流子寿命明显增长，说明侧壁缺陷俘获载流子的过程得到抑制。SIMS 进一步显示，10 μm器件侧壁的 C、Cl、F 信号分别降低 49.9%、38.9% 和 73.8%。其中，Cl 主要与氯基等离子体刻蚀有关，F 主要来自去除 SiO2 掩膜时的含氟工艺，C 则与空气暴露带来的有机残留有关。
XPS 结果则表明，处理后 Ga-N 组分增强，Ga-O 与 Ga-Ga 组分降低；p-GaN 和非极性 m 面 GaN 的表面能带弯曲均得到缓解。这意味着载流子在量子阱边缘附近更不容易被缺陷俘获，空穴注入与辐射复合条件得到改善。
由此，整条逻辑闭环逐渐清晰：去除侧壁残留 → 修复悬挂键与缺陷态 → 缓解能带弯曲 → 抑制非辐射复合和漏电通道 → 提升发光效率与均匀性。
05 成果背后，是从材料到器件的协同平台
图4｜国家第三代半导体技术创新中心（苏州）
这项研究由国创中心（苏州）与中国科学院苏州纳米所联合攻关，实现了从材料生长、外延到器件工艺、测试分析的闭环验证，是跨平台协同创新的典型实践。
该工作依托国创中心的平台硬件能力与工程经验积累，将一项从基础研究出发的界面修复思路，推进到了可验证、可重复的器件结果层面，让“论文中的概念”转化为“工艺中的方案”。这也是国创中心平台的核心价值所在：通过整合材料生长、器件工艺、测试分析等跨环节能力，为关键技术攻关提供从实验室到产业应用的转化通道，其体系化平台能力也为我国第三代半导体的自主可控发展提供了坚实的平台支撑。
06 面向更小像素，侧壁修复仍将是关键变量
随着半导体显示技术的发展，AR/VR等应用对像素尺寸提出了更加严苛的要求。当像素逼近微米尺度，侧壁效应从次要矛盾上升为主要矛盾，侧壁不再只是器件的“边缘”，而会成为决定效率、均匀性与可靠性的关键界面。本工作从最基础的表面科学出发，以"原子级界面精准控制"为思路，重新审视了损伤修复与界面保护的协同机制，为小像素Micro-LED的效率难题找到了一条不同以往的解决路径。更关键的是，该方案呈现出“尺寸越小，改善越显著”的特性，使其在像素尺寸持续下探的趋势中具备持续释放技术红利的潜力，为面向高 PPI 微显示的侧壁工程提供了清晰方向。
论文链接：https://doi.org/10.1063/5.0333059
