CN103928578A - Led外延层及其生长方法和led芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种LED外延层及其生长方法和LED芯片,该LED外延层,包括依序生长的N型局限层、MQW层和P型局限层,MQW层包括多个结构单元,每个结构单元内包括InGaN层和GaN层,其特征在于,结构单元内还包括至少一层掺镁层。本发明提供的LED外延层通过在多量子阱层中增设掺杂镁层,使得GaN势垒表面粗糙,影响InGaN势阱的生长,抑制InGaN横向生长,促进InGaN三维生长,从而增加InGaN中的量子点数,从而将LED芯片的发光效率提高5~6%。
Description
技术领域
本发明涉及LED(发光二极光)领域,特别地,涉及一种LED外延层及其生长方法和LED芯片。
背景技术
量子点是准零维的纳米材料,有少量的原子构成,量子点三个维度的尺寸均在100nm以下,外观似极小的点状物,其内部电子在各方向上的运动都受到限制,因而量子点的局限效应特别显著。量子点所具有的特性介于体半导体的特性和分立分子的特性之间。量子点可以用于各种应用,例如,在晶体管、太阳能电池、LED、二极管激光器中,用作医疗成像试剂,用作量子位、以及用作存储器。
GaN基LED蓝绿光发光器件中多以InGaN/GaN超晶格多量子阱层(MQW层)作为发光层。如图1所示,包括MQW层的LED芯片包括依次叠置的衬底1’(蓝宝石或碳化硅)、缓冲GaN层2’、不掺杂GaN层3’、N型局限层4’、MQW层5’、P型局限层6’和掺杂Mg的GaN层7’。其中MQW层5’以彼此叠置的InGaN层51’和GaN层52’为一个单元。MQW层5’重复多个该单元结构,得到MQW层5’。MQW层5’的增设能提高LED芯片的发光效率。为了进一步LED芯片的发光效率还需要进一步地提高空穴和电子的复合效率。增加InGaN中量子点可以增加电子和空穴的复合概率,从而提高芯片的出光效率。实验室中多采用激光照射生长好的LED外延结构,破坏InGaN的二维连续性从而获得较多的量子点。但该方法照射效果不确定,不适于工业运用。
发明内容
本发明目的在于提供一种LED外延层及其生长方法和LED芯片,以解决现有技术中LED芯片发光效率低的技术问题。
为实现上述目的,根据本发明的一个方面,提供了一种LED外延层,包括依序生长的N型局限层、MQW层和P型局限层,MQW层包括多个结构单元,每个结构单元内包括InGaN层和GaN层,其特征在于,结构单元内还包括至少一层掺镁层。
进一步地,掺镁层为MgN。
进一步地,掺镁层厚度≤1.0nm。
进一步地,掺镁层中镁的掺杂浓度5E+18~1E+19。
进一步地,MQW层中结构单元数为10~15个。
进一步地,各结构单元中InGaN层为InxGa(1~x)N层,x=0.15~0.25,优选InGaN层中In掺杂浓度1E+20~3E+20,优选InGaN层的厚度为2.8~3.5nm。
根据本发明的另一方面还提供了一种上述LED外延层的生长方法,包括依序生长的N型局限层、MQW层和P型局限层的步骤,生长MQW层的步骤包括:依序生长多个结构单元,生长每个结构单元的步骤包括依序生长的掺镁层、InGaN层和GaN层,掺镁层为MgN,生长掺镁层的步骤中,生长温度为700~850℃,在压力为300~400mbar下,同时通入镁源和NH330~50s以生长掺镁层。
进一步地,InGaN层为InxGa(1~x)N层,x=0.15~0.25,InGaN层的生长方法包括以下步骤:在700~750℃下同时通入镓源和铟源以及NH3以生长In的掺杂浓度1E+20~3E+20的InxGa(1~x)N层。
进一步地,GaN层的生长方法包括以下步骤:在800~850℃下同时通入镓源和NH3以生长厚度为10~15nm的GaN层。
根据本发明的另一方面还提供了一种LED芯片,包括外延层,外延层上述外延层。
本发明具有以下有益效果:
本发明提供的LED外延层通过在多量子阱层中增设掺杂镁层,使得GaN势垒表面粗糙,影响InGaN势阱的生长,抑制InGaN横向生长,促进InGaN三维生长,从而增加InGaN中的量子点数,从而将LED芯片的发光效率提高5~6%。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外,本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图,对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
图1是本发明优选实施例的示意图;
图2是本发明优选实施例的示意图;
图3是本发明优选实施例的示意图;
图4是本发明优选实施例的示意图;以及
图5是本发明优选实施例芯片发光效率结果图。
图例说明:
1、衬底;2、缓冲GaN层;3、不掺杂Si的GaN层;4、N型局限层;5、MQW层;51、InGaN层;52、GaN层;53、掺镁层;6、P型局限层;7、掺杂Mg的GaN层。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明,但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
本发明提供了一种LED外延层,通过在MQW层中增设掺镁层53,使得GaN势垒表面变得粗糙,对InGaN势阱生长造成影响,抑制InGaN的横向生长,促进InGaN的三维生长,增加了InGaN的量子点,提高电子和空穴的复合效率。从而提高了芯片的发光效率。
本发明一方面提供了一种LED外延层,包括N型局限层4、MQW层5和P型局限层6,MQW层5生长于N型局限层4上,P型局限层6生长于MQW层5上,MQW层5包括多个结构单元,每个结构单元内包括至少一层掺镁层53。
LED外延层的常规结构可以如背景技术中所列,也可以根据实际需要对其进行调整。LED外延层实例1的结构如图2所示,LED外延层包括依次叠置的衬底1、缓冲GaN层2、不掺杂Si的GaN层3、N型局限层4、MQW层5、P型局限层6和掺杂Mg的GaN层7。其中MQW层5包括多个结构单元,每个结构单元内包括至少一层掺镁层53。常规MQW层5以彼此叠置的InGaN层51和GaN层52为一个单元。增设的掺镁层53位置任意,可以设置于InGaN层51的顶部或底部,同样,也可以设置于GaN层52的顶部或底部。以图2为例说明。该结构单元包括InGaN层51、GaN层52和掺镁层53。结构单元结构为InGaN层51设置于N型局限层4的顶面上。GaN层52设置于InGaN层51的顶面上。掺镁层53设置于GaN层52的顶面上。下一个单元结构叠置于上一个单元结构顶面上。重复多个该单元结构得到MQW层5。P型局限层6设置于MQW层5的顶面上。掺杂Mg的GaN层7设置于P型局限层6的顶面上。掺镁层53可以为任意掺杂镁的能用于LED外延层的层。优选为MgN。采用MgN无需更换生产过程中的载气,提高生产效率。掺镁层53的厚度可以为常用的层厚,优选为≤1.0nm。此时能最大限度的增加InGaN层51中的量子点数量。同时避免由于掺镁层53厚度过厚对MQW层5的激发空穴和电子的效果的影响。掺镁层53过厚还会遮蔽一部分LED外延层所发出的光,从而中和了设置掺镁层53后增加的出光效率。无论InGaN层51和GaN层52的厚度如何,掺镁层53的厚度均以≤1.0nm为最优。更优选的掺镁层53的厚度为0.5~0.1nm。此时掺镁层53增强效果最优。
掺镁层53中镁的掺杂浓度可以为常用掺杂浓度,优选掺杂浓度为5E+18~1E+19。如果掺杂镁的浓度过大,会使得掺杂的镁有可能深入LED外延层中临近的其他层中,从而影响其他层发光效果的发挥,反而降低了LED外延层的发光效果。而如果掺杂浓度过小则会掺镁层53的粗糙度又无法有效发挥增加MQW层5中量子点数量的作用。
MQW层5中可以包括常规数量的结构单元,如5~20个均能实现本发明的效果。如果结构单元过多则有可能会遮蔽LED外延层的出射光,如果过少则又无法发挥MQW层5增加LED外延层发光效率的效果。更优选的为10~15个。此时发光效果最优。
优选各结构单元中InGaN层51为InxGa(1~x)N层,x=0.15~0.25,优选InGaN层51中In掺杂浓度1E+20~3E+20,优选InGaN层51的厚度为2.8~3.5nm。按此条件生长InGaN层51配合上述掺镁层53能起到最优的增加出光效率的效果。
实例2的LED外延层如图3所示。实例2与实例1的区别在于MQW层5的一个单元结构为设置于N型局限层4的顶面上的掺镁层53。InGaN层51的设置于掺镁层53的顶面上。GaN层52设置于InGaN层51的顶面上。
实例3的LED外延层如图4所示。实例3与实例1的区别在于MQW层5的一个单元结构为设置于N型局限层4的顶面上InGaN层51。InGaN层51的顶面上设置掺镁层53。GaN层52设置于掺镁层53的顶面上。
最优选的,结构单元中掺镁层53生长于N型局限层4的顶面上,InGaN层51生长于掺镁层53的顶面上,GaN层52生长于InGaN层51的顶面上。此时LED外延层的发光效率增加最多。
实例1~3中所提到的结构均可在生长InGaN层51时增加其中的量子点数量,从而提高LED外延层的发光效率。LED外延层处衬底外的各个层均通过生长获得。在MQW层5中的GaN势垒前插入一层掺镁层53使得GaN势垒表面变得粗糙,影响InGaN势阱的生长,抑制InGaN材料的横向生长,促进InGaN的三维生长,增加InGaN材料中各向受限的量子点的数量,从而提高了LED外延层中电子和空穴的复合效率,从而提高了LED外延层的发光效率。优选的结构单元InGaN层51生长于掺镁层53上,GaN层52生长于InGaN层51上。
本发明的另一方面还提供了上述LED外延层的生长方法,掺镁层的生长方法包括以下步骤:在压力为300~400mbar下,同时通入镁源和NH330~50s生长掺镁层。
掺镁层的生长方法可以按常规MQW层5中各层的生长条件进行。优选在压力为300~400mbar下,同时通入镁源和NH330~50s生长掺镁层。按此条件生长掺镁层能保证所得掺镁层53的厚度≤0.1nm。
以NH3为载气能与InGaN层和GaN层所用载气相同,避免更换载气。
优选掺镁层的生长温度为700~850℃。此生长温度与MQW层中的InGaN层和GaN层的生长温度重叠,使得生长掺镁层53时无需另外设置生长温度即可得到该成。
镁源可以为二茂镁(CP2Mg)。
MQW层中的InGaN层和GaN层可以按常规方法进行生产。优选地,InGaN层的生长方法包括以下步骤:在700~750℃下同时通入镓源和铟源以及NH3生长InxGa(1~x)N,x=0.15~0.25。InGaN层的厚度可以为常用厚度,优选厚度为2.8~3.5nm的InGaN层,InGaN层中In的掺杂浓度可以为常用的掺杂浓度,优选为1E+20~3E+20。按此条件生长得到的MQW层5配合掺镁层53对于LED外延层的发光效率提高效果最优。
GaN层的生长方法包括以下步骤:在800~850℃下同时通入镓源和NH3。生长GaN得到厚度为10~15nm的GaN层。
镓源可以为三甲基镓(TMGa)或三乙基镓(TEGa)。铟源可以为三甲基铟(TMIn)。
衬底1可以为蓝宝石Al2O3材料或碳化硅或硅等常用衬底材料制成。优选为(0001)面蓝宝石。此时衬底1的各向性能最优。缓冲GaN层2按常规方法制得。
以下举例说明LED外延层的制备方法,包括以下步骤:
N型掺杂剂为硅烷(SiH4),铝源为三甲基铝(TMAl)。
1、在1000~1100℃,反应腔压力维持在150~200mbar的氢气气氛下处理蓝宝石衬底12~7分钟;
2、降温至550~750℃,反应腔压力维持在300~600mbar,同时通入NH3,TMGa在蓝宝石衬底1上生长厚度为30~60nm的缓冲GaN层2;
3、升高温度到1100~1300℃,反应腔压力维持在200~400mbar,同时通入NH3,TMGa,生长2~4μm的不掺杂GaN层3;
4、然后同时通入NH3,TMGa,SiH4生长掺杂Si的N型GaN,Si掺杂浓度5E+18~1E+19,总厚度控制在2~4μm得到N型局限层4;
5、反应腔压力维持在300~400mbar,同时通入NH3,Cp2Mg30~50s生长MgN晶核0.5~1.0nm,得到掺镁层53;
6、同时通入TEGa和TMIn以及NH3在700~750℃下生长得到InGaN层51,InGaN层51的掺杂浓度为1E+20~3E+20,厚度为2.8~3.5nm的InxGa(1~x)N(x=0.15~0.25);
7、升温至800~850℃同时通入TEGa和NH3生长10~15nm的GaN层52。MQW层5中结构单元的生长周期为10~15个;
8、再升高温度到900~1000℃,反应腔压力维持在200~300mbar,同时通入NH3,TMGa、TMAl、Cp2Mg持续生长20~50nm的P型AlGaN作为P型局限层6,Al掺杂浓度1E+20~3E+20,Mg掺杂浓度5E+18~1E+19;
9、再升高温度到1000~1100℃,反应腔压力维持在600~900mbar,NH3,TMGa、Cp2Mg持续生长100~200nm的掺镁的P型GaN作为掺杂Mg的GaN层7,Mg掺杂浓度1E+19~1E+20;
10、最后降温至700~800℃,保温20~30分钟,接着炉内冷却。
按上述方法进行生长即可得到具有掺镁层53的LED外延层。显然LED外延层的生长方法并不限于此。
本发明的另一方面还提供了一种具有上述结构的LED外延层制成的LED芯片。该芯片发光效率相对未设置掺镁层53的芯片提高5~6%。
实施例
以下实施例中所用物料均为市售。
所得LED外延层研磨切割成762μm*762μm(30mi*30mil)的外延层颗粒,然后在对比例、实施例所得LED外延层的相同位置各自挑选150颗晶粒,按常规工艺在相同条件下封装成白光LED,并对每个LED芯片编号。分别对每个LED芯片通以350mA电流,驱动各白光LED,采用积分球对其光电性能进行测试。积分球按常规方法使用。
实施例1
1、在1100℃,反应腔压力维持在200mbar的氢气气氛下处理蓝宝石衬底17分钟;
2、降温至550℃,反应腔压力维持在300mbar,同时通入NH3,TMGa在蓝宝石衬底1上生长厚度为30nm的缓冲GaN层2;
3、升高温度到1100℃,反应腔压力维持在200mbar,同时通入NH3,TMGa,生长2μm的不掺杂GaN层3;
4、然后同时通入NH3,TMGa,SiH4生长掺杂Si的N型GaN,Si掺杂浓度1E+19,总厚度控制在2~4μm得到N型局限层4;
5、反应腔压力维持在300mbar,同时通入Cp2Mg和NH350s生长厚度为1.0nm的MgN晶核,得到掺镁层53;掺镁层53为MgN层,掺杂浓度1E+19。
6、同时通入TEGa和TMIn以及NH3在700℃下生长得到InGaN层51,InGaN层51的掺杂浓度为1E+20,厚度为2.8nm的InxGa(1~x)N(x=0.25);
7、升温至800℃同时通入TEGa和NH3生长10nm的GaN层52。MQW层5中结构单元的生长周期为10个;
8、再升高温度到1000℃,反应腔压力维持在300mbar,同时通入TMGa、TMAl和Cp2Mg以及NH3,生长50nm的P型AlGaN作为P型局限层6,Al掺杂浓度3E+20,Mg掺杂浓度5E+18;
9、再升高温度到1100℃,反应腔压力维持在900mbar,同时通入TMGa、Cp2Mg和NH3,持续生长100nm的掺镁的P型GaN作为掺杂Mg的GaN层7,Mg掺杂浓度1E+20;
10、最后降温至700~800℃,保温20~30分钟,接着炉内冷却,得到LED外延层1。
实施例2
1、在1100℃,反应腔压力维持在200mbar的氢气气氛下处理蓝宝石衬底17分钟;
2、降温至750℃,反应腔压力维持在600mbar,同时通入NH3,TMGa在蓝宝石衬底1上生长厚度为60nm的缓冲GaN层2;
3、升高温度到1300℃,反应腔压力维持在400mbar,同时通入NH3,TMGa,生长4μm的不掺杂GaN层3;
4、然后同时通入NH3,TMGa,SiH4生长掺杂Si的N型GaN,Si掺杂浓度1E+19,总厚度控制在2μm得到N型局限层4;
5、反应腔压力维持在400mbar,同时通入Cp2Mg和NH350s生长厚度为0.5nm的MgN晶核,得到掺镁层53;掺镁层53为MgN层,掺杂浓度5E+18。
6、同时通入TEGa和TMIn以及NH3在700℃下生长得到InGaN层51,InGaN层51的掺杂浓度为1E+20,厚度为2.8nm的InxGa(1~x)N(x=0.15);
7、升温至800℃同时通入TEGa和NH3生长10nm的GaN层52。MQW层5中结构单元的生长周期为15个;
8、再升高温度到900℃,反应腔压力维持在200mbar,同时通入TMGa、TMAl和Cp2Mg以及NH3,持续生长20nm的P型AlGaN作为P型局限层6,Al掺杂浓度3E+20,Mg掺杂浓度5E+18;
9、再升高温度到1100℃,反应腔压力维持在900mbar,同时通入TMGa、Cp2Mg和NH3,持续生长200nm的掺镁的P型GaN作为掺杂Mg的GaN层7,Mg掺杂浓度1E+20;
10、最后降温至800℃,保温30分钟,接着炉内冷却,得到LED外延层2。
实施例3
1、在1000℃,反应腔压力维持在150mbar的氢气气氛下处理蓝宝石衬底12分钟;
2、降温至550℃,反应腔压力维持在300mbar,同时通入NH3,TMGa在蓝宝石衬底1上生长厚度为30nm的缓冲GaN层2;
3、升高温度到1100℃,反应腔压力维持在200mbar,同时通入NH3,TMGa,生长2μm的不掺杂GaN层3;
4、然后同时通入NH3,TMGa,SiH4生长掺杂Si的N型GaN,Si掺杂浓度5E+18,总厚度控制在2μm得到N型局限层4;
5、反应腔压力维持在300mbar,同时通入Cp2Mg和NH330s生长厚度为0.5nm的MgN晶核,得到掺镁层53;掺镁层53为MgN层,掺杂浓度5E+18。
6、同时通入TEGa和TMIn以及NH3在700℃下生长得到InGaN层51,InGaN层51的掺杂浓度为1E+20,厚度为2.8nm的InxGa(1~x)N(x=0.15);
7、升温至800℃同时通入TEGa和NH3生长10nm的GaN层52。MQW层5中结构单元的生长周期为10个;
8、再升高温度到1000℃,反应腔压力维持在200mbar,同时通入TMGa、TMAl和Cp2Mg以及NH3,生长50nm的P型AlGaN作为P型局限层6,Al掺杂浓度3E+20,Mg掺杂浓度5E+18;
9、再升高温度到1100℃,反应腔压力维持在900mbar,同时通入TMGa、Cp2Mg和NH3,持续生长200nm的掺镁的P型GaN作为掺杂Mg的GaN层7,Mg掺杂浓度1E+19;
10、最后降温至700℃,保温30分钟,接着炉内冷却,得到LED外延层3。
实施例4
1、在1150℃,反应腔压力维持在170mbar的氢气气氛下处理蓝宝石衬底16分钟;
2、降温至600℃,反应腔压力维持在500mbar,同时通入NH3,TMGa在蓝宝石衬底1上生长厚度为40nm的缓冲GaN层2;
3、升高温度到1200℃,反应腔压力维持在300mbar,同时通入NH3,TMGa,生长3μm的不掺杂GaN层3;
4、然后同时通入NH3,TMGa,SiH4生长掺杂Si的N型GaN,Si掺杂浓度5E+18~1E+19,总厚度控制在3μm得到N型局限层4;
5、反应腔压力维持在350mbar,同时通入Cp2Mg和NH340s生长厚度为0.70nm的MgN晶核,得到掺镁层53;掺镁层53为MgN层,掺杂浓度0.5E+19。
6、同时通入TEGa和TMIn以及NH3在740℃下生长得到InGaN层51,InGaN层51的掺杂浓度为1E+20,厚度为3.0nm的InxGa(1~x)N(x=0.20);
7、升温至810℃同时通入TEGa和NH3生长14nm的GaN层52。MQW层5中结构单元的生长周期为13个;
8、再升高温度到950℃,反应腔压力维持在250mbar,同时通入TMGa、TMAl和Cp2Mg以及NH3,生长30nm的P型AlGaN作为P型局限层6,Al掺杂浓度2E+20,Mg掺杂浓度7E+18;
9、再升高温度到1000℃,反应腔压力维持在700mbar,同时通入TMGa、Cp2Mg以及NH3,持续生长150nm的掺镁的P型GaN作为掺杂Mg的GaN层7,Mg掺杂浓度2E+19;
10、最后降温至750℃,保温25分钟,接着炉内冷却,得到LED外延层4。
实施例5
与实施例4的区别在于掺镁层53所用载气为N2,厚度为0.1nm,MQW层5中结构单元的生长周期为8个;得到LED外延层6。
对比例1
与实施例1的区别在于未生产掺镁层53。得到LED外延层7。
LED外延层1~7分别制成150颗LED芯片测定各个芯片的亮度,结果列于表1中。
表1LED外延层1~7制成LED芯片的平均亮度
LED外延层编号 | 平均亮度/(mw) |
1 | 530 |
2 | 535 |
3 | 537 |
4 | 538 |
5 | 536 |
6 | 534 |
7 | 505 |
由表1可见,设置掺镁层53后所得LED芯片的亮度可以达到538mw,而未设置掺镁层53的对比例所得外延层制成的LED芯片平均亮度仅为505mw,说明通过设置掺镁层53,LED芯片的发光亮度得到的较大的提高。
由图5可知,对比例中所得LED芯片7未设置掺镁层53,发光效率低于本发明提供的LED芯片1约5~6%。由此可知,本发明中通过增设掺镁层53,能起到提高LED芯片的发光效率的目的。同时能增加LED芯片中量子点的数量,为未来研究增加LED芯片中量子点数量的方法指明了方向。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种LED外延层,包括依序生长的N型局限层、MQW层和P型局限层,所述MQW层包括多个结构单元,每个所述结构单元内包括InGaN层和GaN层,其特征在于,所述结构单元内还包括至少一层掺镁层。
2.根据权利要求1所述的LED外延层,其特征在于,所述掺镁层为MgN。
3.根据权利要求1所述的LED外延层,其特征在于,所述掺镁层厚度≤1.0nm。
4.根据权利要求1所述的LED外延层,所述掺镁层中镁的掺杂浓度5E+18~1E+19。
5.根据权利要求1所述的LED外延层,其特征在于,所述MQW层中所述结构单元数为10~15个。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的LED外延层,其特征在于,各所述结构单元中所述InGaN层为InxGa(1~x)N层,所述x=0.15~0.25,优选所述InGaN层中In掺杂浓度1E+20~3E+20,优选所述InGaN层的厚度为2.8~3.5nm。
7.一种如权利要求1至6中任一项所述LED外延层的生长方法,包括依序生长的N型局限层、MQW层和P型局限层的步骤,其特征在于,生长所述MQW层的步骤包括:依序生长多个结构单元,生长每个所述结构单元的步骤包括依序生长的掺镁层、InGaN层和GaN层,所述掺镁层为MgN,生长所述掺镁层的步骤中,生长温度为700~850℃,在压力为300~400mbar下,同时通入镁源和NH330~50s生长所述掺镁层。
8.根据权利要求7所述的方法,其特征在于,所述InGaN层为InxGa(1~x)N层,所述x=0.15~0.25,所述InGaN层的生长方法包括以下步骤:在700~750℃下同时通入镓源和铟源以及NH3以生长In的掺杂浓度1E+20~3E+20的所述InxGa(1~x)N层。
9.根据权利要求8所述的方法,其特征在于,所述GaN层的生长方法包括以下步骤:在800~850℃下同时通入镓源和NH3以生长厚度为10~15nm的所述GaN层。
10.一种LED芯片,包括外延层,其特征在于,所述外延层为权利要求1至6中任一项所述的外延层。
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