CN101897048B - 半导体发光器件及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

AlGaInP发光器件被形成为薄的倒装芯片器件。该器件包含半导体结构，该半导体结构包含布置在n型区域(22)和p型区域(26)之间的AlGaInP发光层(24)。电连接到n和p型区域的n和p接触(34，32)均形成于半导体结构的同一侧上。半导体结构经由接触连接到载具(40)。生长衬底从半导体结构移除且厚透明衬底被略去，使得器件中半导体层的总厚度在一些实施例中小于15μm，在一些实施例中小于10μm。半导体结构的顶侧可被纹理化。

Description

半导体发光器件及其制作方法
背景
相关技术描述
发光二极管(LED)在要求低功耗、小尺寸和高可靠性的许多应用中被广泛地接受作为光源。发射可见光谱的黄绿色到红色区域中的光的能量有效的二极管包含由AlGaInP合金形成的有源层。图1和2示出常规的透明衬底(TS)AlGaInP LED的制作。在图1中，在典型地为GaAs的半导体衬底10之上生长例如
Figure GSB00000662755700011
n-In0.5Ga0.5P层的蚀刻停止层12。在蚀刻停止层12之上生长器件层14，接着是可选的厚(例如厚度介于5μm和100μm)的窗口层16，该窗口层16通常为通过气相外延生长的p型GaP，器件层14包含均布置在双异质结构配置内的下限制层、至少一个(AlxGa1-x)yIn1-yP有源层和上限制层。限制层是由透明半导体制成并增强LED的内量子效率，该内量子效率定义为有源层内复合并发射光的电子-空穴对的分数。发光区域可由单一的厚的均匀成份的层或者一系列薄的阱和垒组成。
GaAs优选作为生长衬底，因为它与有利于形成发射可见光谱的黄绿色到红色区域中的光的LED的成份下y～0.5的(AlxGa1-x)yIn1-yP晶格匹配。Ge是可替换的晶格匹配的衬底。由于典型的生长衬底是吸收的，它们通常被移除并用透明衬底替代，如图2中所说明。图1中示出的GaAs衬底10通过以比蚀刻停止层12快得多的速率蚀刻GaAs的蚀刻来移除。典型地为n型GaP的透明衬底18通常通过在应用单轴力的同时在升高的温度下退火外延结构而晶片键合到该外延结构(图2中的蚀刻停止层12)的下表面。随后使用适合于p型外延GaP阳极和n型晶片键合GaP阴极的常规金属接触和芯片制作技术，从所键合的晶片加工LED芯片。
透明衬底18和也是透明半导体的窗口层16在该器件内横向地扩展电流并增加侧面光发射。由于AlGaInP层中低的空穴迁移率的原因，电流扩展在有源区域的p侧上是特别重要的。然而，由于半导体材料中常见的在光吸收与电和热抗性之间折衷的原因，厚半导体层的使用较其它方法具有若干缺点。
TS AlGaInP器件结构的可替换方案是一种其中消除了半导体-半导体键合的薄膜结构。替代地，部分加工的晶片被键合到典型地为Si、Ge或金属衬底的操作衬底。在键合到操作衬底之后，生长衬底被移除且晶片加工完成。这样的器件通常如图2包含比如GaAs的吸收n接触层以及其中n接触和p接触形成于半导体结构的对立侧面上的垂直注入结构。
发明内容
根据本发明实施例，AlGaInP发光器件被形成为薄的倒装芯片器件。该器件包含半导体结构，该半导体结构包含布置在n型区域和p型区域之间的AlGaInP发光层。电连接到n和p型区域的n和p接触均形成于半导体结构的同一侧面上。在一些实施例中，该器件包含厚n层以横向地分布电流，且包含较薄p层以主要垂直地传导电流。该半导体结构经由接触连接到载具。生长衬底从半导体结构移除且上述的厚透明衬底被略去，使得该器件内半导体层的总厚度可以在一些实施例中小于15μm，在一些实施例中小于10μm。半导体结构的顶侧可被纹理化、粗糙化或者图案化。
为了最小化发光层的p侧上的接触电阻，该半导体结构可包含布置在p型区域和p接触之间的p型接触层。p型接触层和p接触之间的界面可配置成使得当器件被正向偏置时，载流子隧穿通过该界面。结果，接触不需要退火，这可改善接触的反射率，因为退火通常致使半导体材料和金属接触之间合金化，该金属化通常减小接触的反射率。在一些实施例中，该p接触层为至少在一些部分掺杂到至少5×1018cm-3的空穴浓度的GaP、AlGaInP和InGaP其中之一。p接触可以是整片金属，这增加了光学反射率，最小化了电学接触电阻并减小了器件的热阻抗。隧穿接触可允许使用比如Ag的各种高反射性金属用于p接触。
附图说明
图1说明生长在吸收衬底之上的现有技术AlGaInP LED器件结构。
图2说明现有技术透明衬底AlGaInP LED。
图3说明根据本发明实施例的器件的半导体结构。
图4说明根据本发明实施例的倒装芯片器件。
图5为封装发光器件的分解视图。
图6说明一部分的p接触和p型接触层，其中重掺杂半导体点和电介质层布置在部分的p接触和p型接触层之间。
图7说明一部分的p接触和p型接触层，其中部分的p型接触层被蚀刻掉。
具体实施方式
取决于上下文，此处使用的″AlGaInP″可以特别地指铝、铟、镓和磷的四元合金，或者大体上指铝、铟、镓和磷的任何二元、三元或四元合金。取决于上下文，此处使用的″接触″可以特别地指金属电极，或者大体上指半导体接触层、金属电极以及任何布置在半导体接触层和金属电极之间的结构的组合。
如上所述，由于p型AlGaInP材料中低的空穴迁移率的原因，AlGaInP器件特别是在发光区域的p侧上常规地包含厚层用于电流扩展。由于在AlGaInP中难以实现高空穴浓度的原因，一般不使用较薄的p型层。
根据本发明的实施例，AlGaInP发光器件包含重掺杂的薄p型接触层。反射性层可以形成于p型接触层上，使得该器件可以配置成薄膜倒装芯片。n型III-V层通常具有比p型层高的载流子迁移率，因此通过设计器件使得大多数横向电流分布发生在n型层内而不是在p型层内，可以减小电流分布层的厚度。在这种器件中，选择n型层的特性以提供适当的电流分布，最小化器件的串联电阻，并且最小化吸收损坏。
图3说明根据本发明实施例的器件的外延结构。蚀刻停止层20生长在常规GaAs衬底10之上。蚀刻停止层20可以是任何可用于停止稍后移除GaAs衬底10所使用的蚀刻的材料。蚀刻停止层20可以是例如InGaP、AlGaAs或AlGaInP。蚀刻停止层20的材料可以与生长衬底(典型地为GaAs)晶格匹配，不过其不需要晶格匹配。与生长衬底晶格不匹配的蚀刻停止层可以足够薄以避免弛豫和/或可以被应变补偿。蚀刻停止层20的厚度取决于用于移除GaAs衬底10的蚀刻溶液的选择性；蚀刻的选择性越低，蚀刻停止层越厚。AlGaAs蚀刻停止层可以是例如介于
Figure GSB00000662755700041
和
Figure GSB00000662755700042
不过如果如下文所描述蚀刻停止层用于纹理化器件的发射表面，则可使用较厚的蚀刻停止层。AlxGa1-xAs蚀刻停止层的成份x可以是例如介于0.50和0.95。
在一些实施例中，器件中包含多个蚀刻停止层。多个蚀刻停止层可以通过GaAs层彼此分隔，不过它们不需要分隔。在一个实例中，第一蚀刻停止层生长在GaAs生长衬底上，接着是GaAs层，接着是第二蚀刻停止层。器件层生长在第二蚀刻停止层之上。任何上文描述的蚀刻停止层可以用于具有多个蚀刻停止层的器件中。器件中的蚀刻停止层可分别具有所述属性(比如成份和厚度)，不过它们不需要如此。在第一实例中，AlGaAs第一蚀刻停止层生长在GaAs衬底之上，接着是InGaP第二蚀刻停止层。在第二实例中，AlGaAs第一蚀刻停止层生长在GaAs衬底之上，接着是AlInGaP第二蚀刻停止层。
在一个实施例中，AlGaAs蚀刻停止层20生长在GaAs生长衬底10上。作为n型区域22的一部分的n型AlGaInP层生长成与AlGaAs蚀刻停止层20直接接触。
器件层从n型区域22开始生长在蚀刻停止层20之上，所述器件层在夹置于n型区域和p型区域之间的发光区域内包含至少一个发光层。选择n型区域22的厚度和掺杂浓度以得到低的电学电阻和良好的电流分布。例如，n型区域22可以是厚4μm至10μm且用Te掺杂到约1×1018cm-3的浓度的AlGaInP层。AlGaInP n型区域22通常与GaAs晶格匹配。在更高的掺杂剂浓度，用更薄的层可以获得相同的电流分布；然而，在更高的掺杂剂浓度，不期望的自由载流子吸收会增加。n型区域22因此可包含不均匀的掺杂浓度，比如以1×1018cm-3掺杂的一个或多个厚的区域以及更重掺杂直至例如1×1019cm-3的一个或多个薄的区域。这些重掺杂区域可以用Te、Si、S或者其它合适的掺杂剂来掺杂，且高掺杂浓度可以或者通过外延生长、通过掺杂剂扩散或者通过这二者来获得。
选择n型区域22的成份以最小化在与发光区域的界面处的折射率台阶，以避免在该界面处波导光。在一个实例中，在发光区域配置成发射红光的器件中，n型区域22的成份为(Al0.40Ga0.60)0.5In0.5P，该成份与发光区域中的平均成份近似相同。
发光区域或有源区域24生长在n型区域22之上。合适的发光区域的实例包含单一的发光层以及多阱发光区域，在该多阱发光区域中，多个厚或者薄的发光阱由垒层分隔开。在一个实例中，配置成发射红光的器件的发光区域26包含由(Al0.65Ga0.35)0.5In0.5P垒分隔开的(Al0.06Ga0.94)0.5In0.5P发光层。发光层和垒每个可具有例如介于和
Figure GSB00000662755700052
之间的厚度。发光区域的总厚度可以为例如介于
Figure GSB00000662755700053
和3μm。
p型区域26生长在发光区域24之上。p型区域26被配置成将载流子限制在发光区域24内。在一个实例中，p型区域26为(Al0.65Ga0.35)0.5In0.5P且包含更高Al成份的超薄层以帮助限制电子。由于从发光区域24的p侧的电流注入主要是垂直的，p型区域26的厚度可以是微米量级；例如介于0.5μm和3μm。发光区域的发光层通过薄p型区域26邻近p接触也可以减小器件的热阻抗。
p型接触层28生长在p型区域26之上。p型接触层28是重掺杂的且对于由发光区域24发射的光是透明的。例如，p型接触层28可以掺杂到在一些实施例中至少5×1018cm-3的空穴浓度，以及在一些实施例中至少1×1019cm-3的空穴浓度。p型接触层28可具有介于
Figure GSB00000662755700054
和
Figure GSB00000662755700055
的厚度。在一些实施例中，反射性层形成于p接触层28之上以形成非合金化接触。p型接触层28和反射性层之间的电学接触是通过载流子隧穿通过界面的表面耗尽区域来实现的。
在一些实施例中，p型接触层28为重掺杂的GaP。例如，由金属有机化学气相沉积生长的GaP接触层28可以用Mg或Zn来掺杂，其被激活至至少8×1018cm-3的空穴浓度。GaP层可以在低生长温度和低生长速率生长；例如，在比约850℃的典型GaP生长温度低大约50℃至200℃的生长温度，以及在为约5μm每小时的典型GaP生长速率的大约1％至10％的生长速率。由分子束外延生长的GaP接触可用C掺杂到至少1×1019cm-3的浓度。
作为在生长期间并入掺杂剂的可替换方案，如本领域中所已知的，可以生长p型接触层，随后例如通过在扩散炉中或者在生长反应器中提供高压掺杂剂源，在生长之后使掺杂剂从气相源扩散到p型接触层内。掺杂剂可以从气相源扩散到p型接触层28表面的全部区域内，或者扩散到p型接触层28的离散区域内，例如通过在掺杂剂扩散之前用例如电介质层遮蔽部分的p型接触层28。
在一些实施例中，p型接触层28为重掺杂GaP或者晶格匹配的AlGaInP层。该层是通过生长半导体材料，随后在所生长的层上沉积包含掺杂剂源的层而被掺杂。例如，掺杂剂源层可以是元素Zn、AuZn合金或者掺杂的电介质层。包含掺杂剂源的层可以可选地用扩散阻挡层包覆。该结构被退火使得掺杂剂从掺杂剂源层扩散到半导体内。扩散阻挡层和剩余的掺杂剂源层随后被剥离。在一个实例中，
Figure GSB00000662755700061
至的包含4％Zn的AuZn合金沉积在GaP层之上，接着是TiW扩散阻挡层。该结构被加热，随后剩余的TiW和AuZn被剥离。
在一些实施例中，p型接触层28为与GaAs晶格不匹配的重掺杂InGaP或者AlGaInP层。该层厚度介于
Figure GSB00000662755700063
和
Figure GSB00000662755700064
且用Mg或Zn掺杂到至少1×1019cm-3的空穴浓度。
图4说明被加工成薄膜倒装芯片器件的图3的外延结构。诸如Ag的反射性金属30形成于p型接触层28之上。在常规器件中，接触金属沉积在半导体上，随后在高温(例如，在大于500℃的温度)退火以改善该接触。该退火可减少金属的反射率，这有可能是通过致使金属和半导体的互混。在图4说明的器件中，由于至少一部分的p型接触层28和反射性金属30之间的接触是通过隧穿来实现的，该接触被称为非合金化接触，且高温退火是不需要的。通过吸除杂质或者改善金属接触和半导体接触层之间的键，低温退火(例如，在低于300℃的温度)可改善隧穿接触。
在一些实施例中，诸如氧化铟锡(ITO)或ZnO的非金属导电材料布置在至少一部分的p型接触层28和反射性金属30之间。
在一些实施例中，小接触区域和电介质镜的组合可以如图6中所说明布置在p接触层28和反射性金属30之间，图6示出一部分的p型接触层28和反射性金属30。例如，诸如AuZn的合金化金属的小点可被图案化在p接触层28上，所述小点被诸如Al2O3的非导电氧化物52围绕。退火该结构以将AuZn掺杂剂扩散到半导体内以形成重掺杂半导体点50，随后剥离剩余的AuZn金属。诸如Ag的反射性金属30形成于电介质52和重掺杂半导体点50之上。在此实例中，暴露于AuZn扩散的小区域54提供电学接触，且由电介质52/反射性金属30覆盖的更大百分比的区域提供高反射性表面。p型层26(示于图3)厚度可以介于1μm和3μm以提供来自重掺杂半导体点50的足够良好的横向电流分布(示于图6)。在图6说明的接触设计中，由于来自AuZn扩散区域的光学吸收被最小化，接触具有来自电介质/金属区域的适当良好的反射率。
还可以如上文所述通过生长p型接触层28，形成具有开口54的电介质区域52，随后从开口54上内的气相源将掺杂剂扩散到p型接触层28内，形成图6中的重掺杂半导体点50。
在一些实施例中，如图7所说明，部分的p型接触层28例如通过蚀刻被移除。诸如p型接触层28的重掺杂层通常有点吸收。为了减少吸收，可以蚀刻掉在p型接触层28表面处的吸收材料的区域59。p型接触层28的总厚度可以在区域59处被蚀刻掉，或者p型接触层28的一些厚度可剩余，如图7所说明。p型接触层28的剩余部分58例如通过此处描述的隧穿接触而形成与p接触30的电学接触。p接触30可以在区域59直接接触p型材料的表面，或者可选的电介质材料56可以在其中部分的p型接触层28被蚀刻掉的区域59中布置在p型接触层28和p接触30之间。
回到图4，例如通过干法蚀刻在器件内蚀刻形成一个或多个通路，以露出n接触34形成于其上的一部分的n型区域22。n型区域22和n接触34之间的直接电学接触可以通过例如Au/Ge n接触34来实现。可替换地，n接触34可以是隧穿的非合金化反射性接触，诸如沉积在n型层22的重掺杂区域上的Al。n和p接触34和30可通过一个或多个电介质层32来电学隔离、重新分布和平坦化。器件的晶片随后被切片。单独的器件随后通过p和n互连38和36连接到载具40。接触42和44可形成于载具40的背面上。
在一些实施例中，为了消除对载具和LED管芯之间支撑管芯的底填料的需要，n和p接触34和30可以形成在基本上同一平面内，且可覆盖LED结构背面的至少85％。载具具有基本上在同一平面内的阳极和阴极接触的相应布局。LED管芯接触和载具接触互连在一起使得LED管芯的基本整个表面由接触和底座支撑。不需要底填料。可以使用不同的LED到底座互连的方法，诸如超声或热超声金属到金属互扩散(金-金、铜-铜、其它延性金属或上述的组合)，或者使用诸如金-锡、金-锗、锡-银、锡-铅或其它类似合金体系的不同合金成份来焊接。名称为″LED Assembly Having Maximum Metal Supportfor Laser Lift-Off of Growth Substrate″且通过引用结合于此的美国公开专利申请20070096130中更详细描述了合适的互连。
在将器件连接到载具40之后，例如通过在蚀刻停止层20上终止的蚀刻来移除生长衬底10。可以通过干法蚀刻或者在n型区域22上终止的蚀刻来移除蚀刻停止层20。可以纹理化(即，粗糙化或者用例如光子晶体来图案化)n型区域22的露出表面以改善光提取。例如，可以通过干法蚀刻、光化学蚀刻或者光电化学蚀刻来粗糙化n型区域22。可替换地，可以纹理化蚀刻停止层20，随后通过干法蚀刻将图案转移到n型区域22。在一些实施例中，附加的透明导电氧化物层沉积在n型区域22的纹理化表面上以改善器件中的电流分布。
成品器件中剩余半导体材料的总厚度在一些实施例中可以小于15μm，在一些实施例中可以小于10μm。在一个实例中，n型区域22为4μm至6μm厚，发光区域24为1.5μm厚，以及p型区域26为1.5μm厚，得到总厚度为7μm至9μm。
在一些实施例中，成品器件中的所有半导体层(除了发光层之外)，特别是n接触形成于其上的n型层，具有比发光区域的发光层的带隙大的带隙。因此，在这些实施例中，该器件内发光层以外的所有半导体层不直接吸收由发光区域发射的光。
此处描述的实施例与常规TS AlGaInP器件相比可提供诸多优点。例如，本发明实施例的提取效率可以接近具有成形侧壁的厚窗口TS AlGaInP器件的提取效率，但是来自薄膜器件的增强的表面发射可得到更好的指向性和更高的表面亮度。此外，此处描述的实施例实现了更简单的生长结构、不昂贵的制作以及潜在更佳的从有源区域的热提取。通过此处描述的实施例可以避免常规TS AlGaInP器件中常见的生长问题，诸如在通过VPE生长GaP窗口期间p掺杂剂的扩散。
此处描述的实施例较其它薄膜器件可提供若干优点。例如，在一些上述实施例中，不需要晶片级键合，无论是半导体-半导体晶片级键合还是晶片级键合到操作衬底。晶片级键合由于所键合的结构或层之间的热膨胀失配的原因通过引入应力而可能损伤半导体结构。此外，晶片级键合会受后续加工步骤损伤。上述实施例还可以简化制造，因为它们不需要切割被键合到操作衬底的结构。此外，上述实施例消除了与垂直注入结构关联的问题，诸如发光区域的光学闭塞、脆弱的引线结合以及与邻近光学元件的结构性干扰。
图5为如美国专利6,274,924中更详细地描述的封装发光器件的分解视图。热沉嵌块100放置到插入成型引线框架中。插入成型引线框架为例如围绕提供电学路径的金属框架106模制的填充塑料材料105。嵌块100可包含可选的反射器杯102。可以为上面实施例中描述的任何器件的发光器件管芯104直接地或者经由导热底座103间接地安装到嵌块100。可以添加可以是光学透镜的覆盖件108。
已经详细地描述了本发明之后，本领域技术人员应当理解的是，鉴于本公开内容，在不脱离此处描述的发明构思的精神的情况下可以对本发明进行改动。因此，不应当预期本发明的范围限于所说明和描述的特定实施例。

Claims (15)

1.一种制作半导体发光器件的方法，包含：
在生长衬底之上生长包含布置在n型区域和p型区域之间的AlGaInP发光层的半导体结构；
形成电连接到该半导体结构的该n型区域和p型区域的n接触和p接触，其中该n接触和p接触均布置在该半导体结构的同一侧上以及其中该n接触和p接触的至少一个是反射性的；
将该半导体结构连接到载具；以及
在将该半导体结构连接到该载具之后，移除该生长衬底；
其中：
该半导体结构包含布置在该p型区域和该p接触之间的p型接触层；以及
该p型接触层的一部分被掺杂到至少5×1018cm-3的空穴浓度用以提供电学接触。
2.如权利要求1所述的方法，其中移除该生长衬底包含用一蚀刻来蚀刻该生长衬底，该蚀刻在布置于该半导体结构和该生长衬底之间的蚀刻停止层上终止，且其中该蚀刻停止层为AlGaAs；以及直接接触该蚀刻停止层的该半导体结构的一部分为AlGaInP。
3.如权利要求1所述的方法，其中在将该半导体结构连接到该载具之前形成该n接触和p接触，该n接触包含Au和Ge；以及该n接触直接接触n型III-P层。
4.如权利要求1所述的方法，其中：
该p型接触层的剩余部分的面积大于提供电学接触的被掺杂到至少5×1018cm-3的空穴浓度的部分的面积，该剩余部分提供反射性表面。
5.如权利要求4所述的方法，其中p型掺杂剂通过下述之一被引入该p型接触层：在生长该p型接触层期间引入，以及在生长该p型接触层之后从气相源扩散。
6.如权利要求1所述的方法，进一步包含在形成该接触之前蚀刻掉该p型接触层的部分，以及在该p接触和该p型区域之间，在与该p型接触层的被蚀刻掉的部分对应的至少一个区域中布置电介质。
7.如权利要求4所述的方法，进一步包含在该p型接触层之上形成具有开口的电介质层，其中掺杂到至少5×1018cm-3的空穴浓度的该p型接触层的部分与该电介质层中的开口对准。
8.如权利要求4所述的方法，其中生长半导体结构包含通过金属有机化学气相沉积以小于
Figure FSB00000662755600021
每小时的生长速率生长该p型接触层。
9.如权利要求1所述的方法，其中该p型接触层为GaP、AlGaInP和InGaP其中之一，以及其中生长该半导体结构包含：
生长p型接触层；
在该p型接触层之上沉积具有开口的电介质层；
在该电介质层之上沉积包含掺杂剂的层，其中所述包含掺杂剂的层为金属和电介质其中之一；
退火该结构；
移除所述包含掺杂剂的层。
10.如权利要求1所述的方法，其中生长半导体结构包含生长半导体晶片，该方法进一步包含在将该半导体结构连接到载具之前，将该晶片切片成单独的半导体结构，以及其中该p接触和该p型区域之间的界面配置成使得当该半导体结构被正向偏置时，载流子隧穿通过该界面。
11.一种半导体发光器件，包含：
包含布置在n型区域和p型区域之间的AlGaInP发光层的半导体结构；
电连接到该n型区域和p型区域的n接触和p接触，其中该n接触和p接触均形成在该半导体结构的同一侧上以及其中该n接触和p接触的至少一个是反射性的；以及
载具，其中该半导体结构经由该n接触和p接触连接到该载具；
其中该器件中的半导体层的总厚度小于15μm以及该半导体结构的顶侧的至少一部分被纹理化。
12.如权利要求11所述的器件，进一步包含布置在该p型区域和该p接触之间的p型接触层，其中该p型接触层和该p接触之间的界面配置成使得当该器件被正向偏置时，载流子隧穿通过该界面。
13.如权利要求11所述的器件，进一步包含布置在该p型区域和该p接触之间的p型接触层，其中至少一部分的该p型接触层和该p接触之间的界面是反射性的，其中该p型接触层的一部分被掺杂到至少5×1018cm-3的空穴浓度用以提供电学接触，以及该p型接触层的剩余部分的面积大于提供电学接触的被掺杂到至少5×1018cm-3的空穴浓度的部分的面积，该剩余部分提供反射性表面。
14.如权利要求13所述的器件，进一步包含布置在至少一部分的该p型接触层和该p接触之间的导电氧化物，其中该导电氧化物为ITO和ZnO其中之一，其中：
该p型接触层为GaP、AlGaInP和InGaP其中之一；以及
该p接触包含Ag。
15.如权利要求11所述的器件，其中该器件中除了任何发光层以外的所有半导体层具有比至少一个发光层的带隙大的带隙。
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