CN105304779A - GaN基LED结构及其形成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种GaN基LED结构及其形成方法。本发明实施例的GaN基LED结构包括:衬底;位于所述衬底之上的GaN缓冲层;位于所述GaN缓冲层之上的第一掺杂类型GaN层;位于第一掺杂类型GaN层之上的量子阱发光层;位于量子阱发光层之上的第二掺杂类型GaN层;电子阻挡层,电子阻挡层位于量子阱发光层与P掺杂类型GaN层之间,其中,电子阻挡层包括块结构层和超晶格结构层,块结构层的禁带宽度大于GaN的禁带宽度,超晶格结构层用于调节P掺杂类型GaN层与块结构层之间的能带倾斜程度以降低空穴势垒高度;以及P电极和N电极。本发明采用块结构层加超晶格结构层的复合结构,大幅度提升电子空穴在量子阱发光层内的复合发光效率,且具有结构简单等优点。
Description
技术领域
本发明属于LED(LightEmittingDiode,发光二极管)技术领域,具体涉及一种GaN基LED结构及其形成方法。
背景技术
随着LED产业的不断发展,LED凭借其节能环保的优势成为新一代的照明光源,同时在LED器件性能上也不断向亮度高、电压低、可靠性好的方向发展。现有工艺中通过在量子阱发光层后插入电子阻挡层,以利于增加电子空穴的空间复合概率,提高内量子效率,提升光效。
常见的电子阻挡层有AlGaN块结构、AlGaN/GaN超晶格结构等形式。AlGaN材料的禁带宽度较GaN材料的禁带宽度大,在量子阱发光层后插入AlGaN块结构或者AlGaN/GaN超晶格结构的电子阻挡层,虽然能有效的阻挡电子越过量子阱发光层迁至P型层中,但同时也阻挡了空穴迁至量子阱发光层中,电子空穴复合的效率还有待提高。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的内量子效率不够高的技术问题之一。为此,本发明的目的在于提出一种内量子效率高的GaN基LED结构及其形成方法。
有鉴于此,根据本发明实施例的GaN基LED结构,可以包括:衬底;
位于所述衬底之上的GaN缓冲层;位于所述GaN缓冲层之上的第一掺杂类型GaN层;位于所述第一掺杂类型GaN层之上的量子阱发光层;位于所述量子阱发光层之上的第二掺杂类型GaN层;电子阻挡层,所述电子阻挡层位于所述量子阱发光层与P掺杂类型GaN层之间,其中,所述电子阻挡层包括块结构层和超晶格结构层,所述块结构层的禁带宽度大于GaN的禁带宽度,所述超晶格结构层用于调节所述P掺杂类型GaN层与所述块结构层之间的能带倾斜程度以降低空穴势垒高度;以及P电极和N电极。
根据本发明实施例的GaN基LED结构,采用块结构层加超晶格结构层的复合结构,一方面提高电子势垒高度、减少电子逸出量子阱发光层,另一方面有效降低空穴势垒高度,促使P型层的空穴更容易移动至量子阱发光层,大幅度提升电子空穴在量子阱发光层内的复合发光效率。本发明的GaN基LED结构还具有结构简单的优点。
有鉴于此,根据本发明实施例的GaN基LED结构的形成方法,可以包括以下步骤:提供衬底;在所述衬底之上形成GaN缓冲层;在所述GaN缓冲层之上形成第一掺杂类型GaN层;在所述第一掺杂类型GaN层之上形成量子阱发光层;在所述量子阱发光层之上形成第二掺杂类型GaN层;在所述量子阱发光层与P掺杂类型GaN层之间形成电子阻挡层,其中,所述电子阻挡层包括块结构层和超晶格结构层,所述块结构层的禁带宽度大于GaN的禁带宽度,所述超晶格结构层用于调节所述P掺杂类型GaN层与所述块结构层之间的能带倾斜程度以降低空穴势垒高度;以及形成P电极和N电极。
根据本发明实施例的GaN基LED结构的形成方法,采用块结构层加超晶格结构层的复合结构,一方面提高电子势垒高度、减少电子逸出量子阱发光层,另一方面有效降低空穴势垒高度,促使P型层的空穴更容易移动至量子阱发光层,大幅度提升电子空穴在量子阱发光层内的复合发光效率。本发明的GaN基LED结构的形成方法还具有工艺简单的优点。
附图说明
图1a为本发明第一实施例的GaN基LED结构的示意图。
图1b为图1a示出的GaN基LED结构的局部能带示意图。
图2a是本发明第二实施例的GaN基LED结构的示意图。
图2b为图2a示出的GaN基LED结构的局部能带示意图。
图3a是本发明第三实施例的GaN基LED结构的示意图。
图3b为图3a示出的GaN基LED结构的局部能带示意图。
图4a是本发明第四实施例的GaN基LED结构的示意图。
图4b为图4a示出的GaN基LED结构的局部能带示意图。
图5是本发明实施例的GaN基LED结构的形成方法的流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例,所述实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,旨在用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。
本发明第一方面提出一种GaN基LED结构,可以包括:衬底;位于所述衬底之上的GaN缓冲层;位于所述GaN缓冲层之上的第一掺杂类型GaN层;位于第一掺杂类型GaN层之上的量子阱发光层;位于量子阱发光层之上的第二掺杂类型GaN层;电子阻挡层;以及P电极和N电极。需要说明的是,可以是第一掺杂类型GaN层为N型GaN层、第二掺杂类型GaN层为P型GaN层,也可以为相反情况。P电极和P型掺杂类型GaN层相连,N电极和N型掺杂类型GaN层相连。其中,电子阻挡层位于量子阱发光层与P掺杂类型GaN层之间。电子阻挡层具体可以包括块结构层和超晶格结构层。块结构层是指浑然为整个块体的、化学成分单一的半导体材料层。块结构层的禁带宽度大于GaN的禁带宽度,提高电子势垒高度,减少电子逸出发光量子阱层的概率,实现电子阻挡层的基本作用。超晶格结构层是指由两种晶格较匹配的半导体材料交替地生长周期性结构。超晶格结构层用于调节P掺杂类型GaN层与块结构层之间的能带倾斜程度以降低空穴势垒高度。
需要说明的是,本领域技术人员还可以根据需要加入以下可选结构以进一步改善LED结构的发光效果:本征半导体层、电流阻挡层、超晶格接触层等等。此为本领域技术人员的已知技术,本文不赘述。
上述实施例的GaN基LED结构中,采用块结构层加超晶格结构层的复合结构,一方面提高电子势垒高度、减少电子逸出量子阱发光层,另一方面有效降低空穴势垒高度,促使P型层的空穴更容易移动至量子阱发光层,大幅度提升电子空穴在量子阱发光层内的复合发光效率。本发明的GaN基LED结构还具有结构简单的优点。
图1a为本发明第一实施例的GaN基LED结构的示意图。图1b为图1a示出的GaN基LED结构的局部能带示意图。如图1a和图1b所示,该实施例的GaN基LED结构包括由下至上依次堆叠的:衬底10、GaN缓冲层20、n型GaN层30、量子阱发光层40、电子阻挡层、p型GaN层50以及P电极和N电极(P电极和N电极均未画出)。其中电子阻挡层具体包括:位于量子阱发光层40之上的AlGaN材料的第一块结构层51,和位于第一块结构层51之上的GaN/AlGaN材料的第一超晶格结构层52。第一超晶格结构层52中的超晶格层数目可以为1-6层,层数过少则能带调节效果不理想,层数过多则导致工艺成本高。该实施例中,第一超晶格结构层52中的GaN势阱层将产生和束缚大量空穴,形成二维空穴高密态,增加空穴注入效率,提高电子和空穴复合概率。同时,第一超晶格结构层52中由于GaN和AlGaN的晶格常数的差异,导致应力的产生而出现了压电极化,强烈的极化场产生一个很强的内建电场导致能带倾斜,同样有利于空穴越过电子阻挡层到达量子阱发光层40与电子复合发光。
图2a为本发明第二实施例的GaN基LED结构的示意图。图2b为图2a示出的GaN基LED结构的局部能带示意图。如图2a和图2b所示,该实施例的GaN基LED结构中的电子阻挡层具体包括:位于量子阱发光层40之上的AlGaN材料的第二块结构层53,和位于第二块结构层53之上的InGaN/GaN材料的第二超晶格结构层54。第二超晶格结构层54中的超晶格层数目可以为1-6层,层数过少则能带调节效果不理想,层数过多则导致工艺成本高。该实施例中,由于InGaN、GaN的能带比AlGaN的要小,采用InGaN/GaN超晶格,在不影响阻挡电子的作用下,减少空穴越过超晶格的能量,提高空穴越过电子阻挡层、到达量子阱发光层40与电子复合的概率。
图3a为本发明第三实施例的GaN基LED结构的示意图。图3b为图3a示出的GaN基LED结构的局部能带示意图。如图3a和图3b所示,该实施例的GaN基LED结构中的电子阻挡层具体包括:位于量子阱发光层40之上的AlGaN/GaN材料的第三超晶格结构层55、位于第三超晶格结构层55之上的AlGaN材料的第三块结构层56,和位于第三块结构层56之上的InGaN/GaN材料的第四超晶格结构层57。第三超晶格结构层55和第四超晶格结构层57中的超晶格层数目分别可以为1-6层,层数过少则能带调节效果不理想,层数过多则导致工艺成本高。该实施例中,由于AlGaN、GaN的能带差异大,AlGaN块材料与量子阱发光层中GaN垒层的界面处会存在一个能带尖,形成空穴的势垒,阻碍空穴迁移至量子阱发光层,影响空穴与电子在量子阱的复合发光;由于在AlGaN块材料56和量子阱发光层40之间采用AlGaN/GaN材料的第三超晶格结构层55,因此在不影响阻挡电子的作用下,利用超晶格的隧穿效应,进一步提高空穴越过AlGaN势垒,到达量子阱与电子复合。
图4a为本发明第四个实施例的GaN基LED结构的示意图。图4b为图4a示出的GaN基LED结构的局部能带示意图。如图4a和图4b所示,该实施例的GaN基LED结构中的电子阻挡层具体包括:位于量子阱发光层40之上的AlGaN/GaN材料的第五超晶格结构层58、位于第五超晶格结构层58之上的AlGaN材料的第四块结构层59,和位于第四块结构层59之上的InGaN/AlGaN材料的第六超晶格结构层5X。第五超晶格结构层58和第六超晶格结构层5X中的超晶格层数目分别可以为1-6层,层数过少则能带调节效果不理想,层数过多则导致工艺成本高。该实施例中,第六超晶格结构层5X采用InGaN/AlGaN超晶格结构,InGaN与AlGaN的晶格常数差异较大,在所构成的超晶格结构中InGaN和AlGaN受应力作用,能带发生剧烈倾斜,有利于杂质电离并聚集空穴,形成二维空穴气,提高空穴载流子,有利于更多的空穴迁移至量子阱发光层与电子发生复合。
图5是本发明实施例的GaN基LED结构的形成方法的流程图。如图5所示,该形成方法可以包括以下步骤:
A.提供衬底。
B.在衬底之上形成第一掺杂类型GaN层。
C.在第一掺杂类型GaN层之上形成量子阱发光层。
D.在量子阱发光层之上形成第二掺杂类型GaN层。其中,第一掺杂类型与第二掺杂类型相反。
E.在量子阱发光层与P掺杂类型GaN层之间形成电子阻挡层。其中,电子阻挡层包括块结构层和超晶格结构层。块结构层是指浑然为整个块体的、化学成分单一的半导体材料层。块结构层的禁带宽度大于GaN的禁带宽度,提高电子势垒高度,减少电子逸出发光量子阱层的概率,实现电子阻挡层的基本作用。超晶格结构层是指由两种晶格较匹配的半导体材料交替地生长周期性结构。超晶格结构层用于调节P掺杂类型GaN层与块结构层之间的能带倾斜程度以降低空穴势垒高度。
F.形成P电极和N电极。其中,P电极和第一掺杂类型GaN层与第二掺杂类型GaN层二者中的p-GaN层相连;N电极和第一掺杂类型GaN层与第二掺杂类型GaN层二者中的n-GaN层相连。
需要说明的是,本发明中可以是第一掺杂类型GaN层为n-GaN层、第二掺杂类型GaN层为p-GaN层;也可以是第一掺杂类型GaN层为p-GaN层、第二掺杂类型GaN层为n-GaN层,这不改变发明原理。这些工艺步骤间的灵活变换属于本领域技术人员的已知常识,在此不赘述。仅需要注意在p-GaN层和量子阱发光层插入符合上述条件的电子阻挡层即可。
需要说明的是,本领域技术人员还可以根据需要形成以下可选结构以进一步改善LED结构的发光效果:缓冲层、本征半导体层、电流阻挡层、超晶格接触层等等。此为本领域技术人员的已知技术,本文不赘述。
上述实施例的GaN基LED结构的形成方法中,采用块结构层加超晶格结构层的复合结构,一方面提高电子势垒高度、减少电子逸出量子阱发光层,另一方面有效降低空穴势垒高度,促使P型层的空穴更容易移动至量子阱发光层,大幅度提升电子空穴在量子阱发光层内的复合发光效率。本发明的GaN基LED结构的形成方法还具有工艺简单的优点。
在本发明的一个实施例中,电子阻挡层可以具体包括:沿着邻近量子阱发光层至远离量子阱发光层的方向依次层叠的AlGaN材料的第一块结构层和GaN/AlGaN材料的第一超晶格结构层。
在本发明的一个实施例中,电子阻挡层可以具体包括:沿着邻近量子阱发光层至远离量子阱发光层的方向依次层叠的AlGaN材料的第二块结构层和InGaN/GaN材料的第二超晶格结构层。
在本发明的一个实施例中,电子阻挡层可以具体包括:沿着邻近量子阱发光层至远离量子阱发光层的方向依次层叠的AlGaN/GaN材料的第三超晶格结构层、AlGaN材料的第三块结构层和InGaN/GaN材料的第四超晶格结构层。
在本发明的一个实施例中,电子阻挡层可以具体包括:沿着邻近量子阱发光层至远离量子阱发光层的方向依次层叠的AlGaN/GaN材料的第五超晶格结构层、AlGaN材料的第四块结构层和InGaN/AlGaN材料的第六超晶格结构层。
在本发明的一个实施例中,电子阻挡层可以具体包括:超晶格结构层中的超晶格的层数目为1-6层。
为使本领域技术人员更好地理解本发明的内容,下面详细阐述图3a和图3b所示的GaN基LED结构中的形成方法。该过程中,采用MOCVD(Metal-organicChemicalVaporDeposition,金属有机化合物化学气相沉淀)设备。以氨气(NH3)作为N源,三甲基镓(TMGa)或三乙基镓(TEGa)作为Ga源,三甲基铟(TMIn)作为In源,三甲基铝(TMAl)作为Al源,硅烷(SiH4)作为Si掺杂源,二茂镁(Cp2Mg)作为Mg掺杂源,氮气(N2)、氢气(H2)做载气,在蓝宝石衬底或者蓝宝石图形化衬底异质外延u-GaN、n-GaN、InGaN/GaN的量子阱发光层、电子阻挡层、p-GaN,构成GaN基LED外延片结构。下面着重阐述电子阻挡层的形成过程:
第一步,量子阱结构发光层40上生长AlGaN层。选用高纯H2或者N2作载气,生长温度约为800-900°C,生长压力约为150-300mBar。AlGaN层厚度约为在1-5nm,其中Al组分占金属原子总数的原子数比例约为0-20%,Mg的掺杂浓度约为0-1020cm-3。
第二步,在AlGaN层上生长GaN层。选用高纯H2或者N2作载气,生长温度约为800-900°C,生长压力约为150-300mBar。GaN层厚度约为1-5nm,Mg的掺杂浓度在0-1020cm-3。
第一步至第二步完成的结构共同形成一层AlGaN/GaN超晶格。AlGaN层与GaN层重复交替生长三次,形成超晶格层数目为3的AlGaN/GaN材料的第三超晶格结构层55。
第三步,在第三超晶格结构层55之上继续外延生长AlGaN材料的第三块结构层56。选用高纯H2或者N2作载气,生长温度约为800-900°C,生长压力约为150-300mBar。AlGaN材料的第三块结构层56的厚度约为20-60nm,Al组分约为0-20%,Mg的掺杂浓度约为0-1020cm-3。
第四步,在第三块结构层56之上继续外延生长掺Mg的InGaN层。选用高纯H2或者N2作载气,生长温度约为800-900°C,生长压力约为150-300mBar。InGaN层厚度约为1-5nm,In组分约为0-20%,Mg的掺杂浓度约为0-1020cm-3。
第五步,在InGaN层上生长掺Mg的GaN层。选用高纯H2或者N2作载气,生长温度约为800-900°C,生长压力约为150-300mBar。GaN层厚度在1-5nm,Mg的掺杂浓度在0-1020cm-3。
第四步至第五步完成的结构共同形成一层InGaN/GaN超晶格。InGaN层与GaN层重复交替生长四次,形成超晶格层数目为4的InGaN/GaN材料的第四超晶格结构层57。
至此,第三超晶格结构层55、第三块结构层56以及第四超晶格结构层57共同组成了电子阻挡层。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中,“多个”的含义是至少两个,例如两个,三个等,除非另有明确具体的限定。
在本发明中,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或成一体;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系,除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中,除非另有明确的规定和限定,第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触,或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且,第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方,或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方,或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为,表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分,并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现,其中可以不按所示出或讨论的顺序,包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序,来执行功能,这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外,在不相互矛盾的情况下,本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例,可以理解的是,上述实施例是示例性的,不能理解为对本发明的限制,本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (12)
1.一种GaN基LED结构,其特征在于,包括:
衬底;
位于所述衬底之上的GaN缓冲层;
位于所述GaN缓冲层之上的第一掺杂类型GaN层;
位于所述第一掺杂类型GaN层之上的量子阱发光层;
位于所述量子阱发光层之上的第二掺杂类型GaN层;
电子阻挡层,所述电子阻挡层位于所述量子阱发光层与P掺杂类型GaN层之间,其中,所述电子阻挡层包括块结构层和超晶格结构层,所述块结构层的禁带宽度大于GaN的禁带宽度,所述超晶格结构层用于调节所述P掺杂类型GaN层与所述块结构层之间的能带倾斜程度以降低空穴势垒高度;以及
P电极和N电极。
2.根据权利要求1所述的GaN基LED结构,其特征在于,所述电子阻挡层具体包括:
沿着邻近所述量子阱发光层至远离所述量子阱发光层的方向依次层叠的AlGaN材料的第一块结构层和GaN/AlGaN材料的第一超晶格结构层。
3.根据权利要求1所述的GaN基LED结构,其特征在于,所述电子阻挡层具体包括:
沿着邻近所述量子阱发光层至远离所述量子阱发光层的方向依次层叠的AlGaN材料的第二块结构层和InGaN/GaN材料的第二超晶格结构层。
4.根据权利要求1所述的GaN基LED结构,其特征在于,所述电子阻挡层具体包括:
沿着邻近所述量子阱发光层至远离所述量子阱发光层的方向依次层叠的AlGaN/GaN材料的第三超晶格结构层、AlGaN材料的第三块结构层和InGaN/GaN材料的第四超晶格结构层。
5.根据权利要求1所述的GaN基LED结构,其特征在于,所述电子阻挡层具体包括:
沿着邻近所述量子阱发光层至远离所述量子阱发光层的方向依次层叠的AlGaN/GaN材料的第五超晶格结构层、AlGaN材料的第四块结构层和InGaN/AlGaN材料的第六超晶格结构层。
6.根据权利要求1所述的GaN基LED结构,其特征在于,所述超晶格结构层中的超晶格层数目为1-6层。
7.一种GaN基LED结构的形成方法,其特征在于,包括以下步骤:
提供衬底;
在所述衬底之上形成GaN缓冲层;
在所述GaN缓冲层之上形成第一掺杂类型GaN层;
在所述第一掺杂类型GaN层之上形成量子阱发光层;
在所述量子阱发光层之上形成第二掺杂类型GaN层;
在所述量子阱发光层与P掺杂类型GaN层之间形成电子阻挡层,其中,所述电子阻挡层包括块结构层和超晶格结构层,所述块结构层的禁带宽度大于GaN的禁带宽度,所述超晶格结构层用于调节所述P掺杂类型GaN层与所述块结构层之间的能带倾斜程度以降低空穴势垒高度;以及
形成P电极和N电极。
8.根据权利要求7所述的GaN基LED结构的形成方法,其特征在于,所述电子阻挡层具体包括:
沿着邻近所述量子阱发光层至远离所述量子阱发光层的方向依次层叠的AlGaN材料的第一块结构层和GaN/AlGaN材料的第一超晶格结构层。
9.根据权利要求7所述的GaN基LED结构的形成方法,其特征在于,所述电子阻挡层具体包括:
沿着邻近所述量子阱发光层至远离所述量子阱发光层的方向依次层叠的AlGaN材料的第二块结构层和InGaN/GaN材料的第二超晶格结构层。
10.根据权利要求7所述的GaN基LED结构的形成方法,其特征在于,所述电子阻挡层具体包括:
沿着邻近所述量子阱发光层至远离所述量子阱发光层的方向依次层叠的AlGaN/GaN材料的第三超晶格结构层、AlGaN材料的第三块结构层和InGaN/GaN材料的第四超晶格结构层。
11.根据权利要求7所述的GaN基LED结构的形成方法,其特征在于,所述电子阻挡层具体包括:
沿着邻近所述量子阱发光层至远离所述量子阱发光层的方向依次层叠的AlGaN/GaN材料的第五超晶格结构层、AlGaN材料的第四块结构层和InGaN/AlGaN材料的第六超晶格结构层。
12.根据权利要求7所述的GaN基LED结构的形成方法,其特征在于,所述超晶格结构层中的超晶格的层数目为1-6层。
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