CN105914271B - 发光二极管元件 - Google Patents
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Abstract
本发明关于一种发光二极管元件，发光二极管元件包括导电成长基板、半导体磊晶叠层、第一电极和第二电极。导电成长基板上表面具有第一区域和第二区域。半导体磊晶叠层位于导电成长基板的第一区域上。半导体磊晶叠层包括依序堆栈于第一区域1A上的反射层、具有第一导电特性的第一半导体层、活性层和具有第二导电特性的第二半导体层；第一电极位于第二半导体层上；第二电极位于第二区域上，通过导电成长基板与半导体磊晶叠层电性连结；第一电极和第二电极位于所述导电成长基板的同一侧。相较现有技术，本发明的发光二极管元件提升了亮度，并增强了第二电极和导电成长基板的粘着力，防止第二电极脱离导电成长基板。
Description
本发明是中国发明专利申请(申请号：201110209447.6，申请日：2011年7月25日，发明名称：发光二极管元件)的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种发光二极管元件(Light Emitting Diode；LED)结构，特别是涉及一种具有高反射性的布拉格反射层的水平发光二极管元件的结构。
背景技术
传统的发光二极管元件其活性层产生的光往下入射至砷化镓基板时，由于砷化镓能隙较小，入射光会被砷化镓基板吸收，而降低发光效率。为了避免基板的吸光，传统上有一些文献揭露出提升发光二极管元件亮度的技术，例如在砷化镓基板上加入布拉格反射结构(Distributed Bragg Reflector；DBR)，用来反射入射向砷化镓基板的光，并减少砷化镓基板吸收。然而这种DBR反射结构是利用四元磊晶成长材料堆栈而成，叠层间的折射率差异不大，只能有效地反射较接近垂直入射于砷化镓基板的光，反射率约为80％，并且反射光的波长范围很小，效果并不大。
此外，电极形成在不同侧，在封装过程易造成电极与基板黏着不佳，导致电性不良，阻值增高。
发明内容
本发明提供一种提升亮度和增强第二电极和导电成长基板的粘着力的发光二极管元件。
为达上述优点，本发明提出一种发光二极管元件，所述发光二极管元件包括导电成长基板、半导体磊晶叠层、第一电极和第二电极，所述导电成长基板上表面具有第一区域和第二区域；所述半导体磊晶叠层位于所述导电成长基板的所述第一区域上；所述半导体磊晶叠层包括反射层、具有第一导电特性的第一半导体层、活性层和具有第二导电特性的第二半导体层；所述反射层位于所述第一区域上；所述第一半导体层位于所述反射层上；所述活性层位于所述第一半导体层的上面；所述第二半导体层位于所述活性层的上面；所述第一电极位于所述第二半导体层上；所述第二电极位于所述第二区域上，通过所述导电成长基板与所述半导体磊晶叠层电性连结；所述第一电极和第二电极位于所述导电成长基板的同一侧。
在本发明的一实施例中，上述的发光二极管元件进一步包括一叠层保留部，该叠层保留部位于该第二区域与该第二电极之间，该所述该叠层保留部的材料组成包括至少与该反射层、及/或部分该半导体磊晶叠层、及/或该半导体磊晶叠层相同的材料。
在本发明的一实施例中，上述的发光二极管元件进一步包括位于上述的第二区域与上述的第二电极之间的凹部，该凹部是移除一部份上述的导电成长基板所形成。
在本发明的一实施例中，上述的发光二极管元件进一步包括位于上述的第二半导体层上的透明导电层，该透明导电层与上述的第一电极及上述的第二半导体层电性连结。
在本发明的一实施例中，上述的反射层为一布拉格反射层。
在本发明的一实施例中，上述的反射层由若干个第三半导体层与第四半导体层交互堆栈所形成。
在本发明的一实施例中，上述的第三半导体层较上述的第四半导体层易于被氧化。
在本发明的一实施例中，上述的第三半导体层的材料是砷化铝，及/或上述的第四半导体层的材料是砷化铝镓、砷化镓、磷化铝镓铟、磷化铟镓之中的一种或组合。
在本发明的一实施例中，上述的第三半导体层的铝含量与上述的第四半导体层不同。
在本发明的一实施例中，上述的半导体磊晶叠层进一步包括若干个孔洞，通过孔洞露出上述的导电成长基板或部分上述的反射层。
在本发明的一实施例中，上述的发光二极管元件进一步包括邻接上述的第二区域及上述的第三半导体层的氧化铝层。
在本发明的一实施例中，上述的发光二极管元件进一步包括绕上述的第三半导体层氧化铝层围。
在本发明的一实施例中，上述的发光二极管元件进一步包括围绕上述的孔洞的氧化铝层。
在本发明的一实施例中，上述的氧化铝层是以一湿氧制程氧化部分上述的第三半导体层所形成。
本发明的有益效果是，本发明的发光二极管元件提高了反射率，从而提升了发光二极管元件的亮度；另外，本发明的发光二极管元件增强了第二电极和导电成长基板的粘着力的，防止第二电极脱离导电成长基板。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1A为本发明发光二极管元件的第一实施例的俯视示意图。
图1B为本发明发光二极管元件的第一实施例的侧面剖视示意图。
图1C为本发明发光二极管元件的第一实施例的半导体磊晶叠层的侧面剖视示意图。
图1D为本发明发光二极管元件的第一实施例的具有叠层保留部的侧面剖视示意图。
图2A、2B、2C分别为本发明发光二极管元件的第一实施例不同形状的第二电极侧面剖视示意图。
图3为本发明发光二极管元件的第二实施例的侧面剖视示意图。
图4为本发明发光二极管元件的第三实施例的侧面剖视示意图。
图5A为本发明发光二极管元件具有第三半导体层和第四半导体层交互堆栈组成的侧面剖视示意图。
图5B为本发明发光二极管元件经湿氧制程后的剖面示意图。
图6A为本发明第四实施例的发光二极管元件结构的俯视示意图。
图6B为本发明第四实施例的发光二极管元件结构沿着W-W’虚线的剖面示意图。
图7A及图7B为本发明第五实施例的发光二极管元件结构的俯视示意图。
图8为本发明第六实施例的发光二极管元件结构具有可氧化的高铝含量半导体层与不容易氧化半导体层堆栈组成的侧面剖视示意图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的发光二极管元件的具体实施方式、结构、特征及功效，详细说明如后。
本发明提供一种电极在同侧的水平发光二极管元件结构。图1A和图1B分别为本发明第一实施例的一种第一电极和第二电极在同侧的发光二极管元件的结构俯视示意图和沿着V-V’虚线的侧面剖视示意图。发光二极管结构100包括半导体磊晶叠层101和导电成长基板102。该导电成长基板102具有上表面103并定义有第一区域1A及第二区域1B。半导体磊晶叠层101位于第一区域1A上，包括依序堆栈于第一区域1A上的反射层104、n型半导体层(例：n-cladding层)106、活性层(active layer)108、以及p型半导体层(例：p-cladding层)110、透明导电层112位于所述之p型半导体层110上。第一电极114位于透明导电层112上。叠层保留部116位于导电成长基板102之第二区域1B上。第二电极118形成于导电成长基板102之第二区域1B上并包覆叠层保留部116。
图1C为本发明第一实施例的半导体磊晶叠层结构示意图。本发明所揭露的发光二极管元件结构制程方式，先提供一导电成长基板102，在本发明第一实施例中，导电成长基板102具有导电性，用以成长或承载一半导体磊晶叠层101于其上。构成该导电成长基板101的材料包含但不限于锗(Ge)、砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、磷化镓(GaP)、碳化硅(SiC)、硅(Si)、氮化镓(GaN)的一种或其组合。该导电成长基板102具有上表面103并定义有第一区域1A及第二区域1B。
接着，在导电成长基板上表面103上形成反射层104，该反射层104为一种布拉格反射层，由若干个容易氧化的半导体层与不容易氧化半导体层交互堆栈所组成。例如砷化铝(AlAs)与砷化铝镓(AlGaAs)的交互堆栈、砷化铝(AlAs)与砷化镓(GaAs)的交互堆栈、砷化铝(AlAs)与磷化铝镓铟(AlGaInP)的交互堆栈、或砷化铝(AlAs)与磷化铟镓(InGaP)的交互堆栈所组成，其中砷化铝为容易氧化的半导体层，其它和砷化铝匹配的则为不容易氧化的半导体层。
接着在反射层104的上面，形成n型半导体层106，n型半导体层106的材料包括但不限于磷化铝镓铟、砷化镓、或磷化铟镓。磷化铝镓铟其组成为(AlxGa1-x)yInyP，其中x及y值只需满足0<x<1，y<1即可，例如(AlxGa1-x)0.5In0.5P。
在n型半导体层106的上面形成活性层108，活性层108的材料包括但不限于磷化铝镓铟，其组成为(AlxGa1-x)0.5In0.5P，其中0.5仅为例示。以发光二极管元件为例，可以通过改变活性层108里的其中一层或多层的物理及化学组成，调整发出的光波长。常用的材料为磷化铝镓铟系列、磷化铝铟系列、氮化铝镓铟(AlGaInN)系列、氧化锌(ZnO)系列。活性层108可以是单异质结构(single heterostructure,SH)，双异质结构(double heterostructure,DH)，双侧双异质结(double-side double heterostructure,DDH)，多层量子井结构(multi-quantum well,MWQ)。以多层量子井结构为例，其具有多个阻障层及量子井层交替堆栈，其中阻障层为(AlyGa1–y)0.5In0.5P，0.5≦y≦0.8；量子井层为In0.5Ga0.5P。
在该活性层108的上形成p型半导体层110，例如为p型磷化镓(GaP)，其材料包括但不限于磷化铝镓铟(lnGaAlP)，其组成为(AlxGa1-x)0.5In0.5P，其中0.5仅为例示，(AlxGa1-x)yInyP，其中x及y值仅需0<x<1，y<1即可。其中n型半导体层106厚度约为3μm、p型半导体层110厚度约为10μm，活性层1108的厚度约为0.3～1.5μm。
利用电子束蒸镀或溅镀形成透明导电层112覆盖p型半导体层110，其中透明导电层112的材质可以为金属氧化物，例如铟锡氧化物(ITO)，镉锡氧化物(CTO)、锑氧化锡、氧化铟锌(IZO)、氧化锌铝(AZO)、氧化镓锌(GZO)、氧化锌(ZnO)及锌锡氧化物中的任一种。透明导电层112厚度约为0.005μm～0.6μm。
请参照图1D，对第二区域1B上的半导体磊晶叠层进行图案化蚀刻，形成露出部120及叠层保留部116，露出部120为蚀刻半导体磊晶叠层后曝露出导电成长基板102所形成，其中叠层保留部116为蚀刻半导体磊晶叠层时所保留的部分半导体磊晶叠层所形成。叠层保留部116的组成可以包含和半导体磊晶叠层101完全相同的组成材料，例如同时具有反射层104、n型半导体层106、活性层108、p型半导体层110或透明导电层112。叠层保留部116的组成也可以仅包含与半导体磊晶叠层101部分相同的组成材料，例如：具有反射层104，或具有半导体磊晶叠层101的其中数层，或具有反射层104及n型半导体层106的两层磊晶结构，或具有反射层104、n型半导体层106及活性层108的三层磊晶结构，或具有反射层104、n型半导体层106、活性层108及p型半导体层110的四层磊晶结构。
请参照图2A，第一电极114形成于透明导电层112上，第二电极118形成于第二区域1B上，完全包覆叠层保留部116并覆盖部分的露出部120。第二电极118和露出部120直接接触，通过和导电成长基板102的直接接触，通过导电基板102和半导体磊晶叠层101电性连结；完成此发光二极管元件结构100。第二电极118也可以部分覆盖叠层保留部116并部分覆盖露出部120，如图2B及图2C所示。叠层保留部116的功能为增强第二电极118和导电成长基板102的粘着力，避免第二电极118因粘不牢而剥离。
图3为本发明第二实施例的发光二极管元件结构1001的侧视示意图。半导体磊晶叠层1011的结构及其制程步骤和第一实施例的半导体磊晶叠层101相同，其不同处在于第二区域11B上的半导体磊晶叠层1011在图案化蚀刻后，形成一露出部1201及一叠层保留部1161，其中露出部1201是蚀刻半导体磊晶叠层1011后，曝露出反射层1041所形成。叠层保留部1161是蚀刻半导体磊晶叠层1011时所保留的部分半导体磊晶叠层1011所形成。叠层保留部1161其组成可以只具有n型半导体层1061；或具有其中数层的半导体磊晶叠层1011，例如具有n型半导体层1061及活性层1081的二层磊晶结构，或具有n型半导体层1061、活性层1081及p型半导体层1101的三层磊晶结构，或具有n型半导体层1061、活性层1081、p型半导体层1101及透明导电层1121的四层结构。
最后，第一电极1141形成在透明导电层1121上，第二电极1181形成在第二区域11B上，完全包覆叠层保留部1161并覆盖部分的露出部1201。第二电极1181和露出部1201直接接触，通过反射层1041及导电成长基板1021和半导体磊晶叠层1011电性连结；完成此发光二极管元件结构1001。第二电极1181也可以部分覆盖叠层保留部1161并部分覆盖露出部1201。该叠层保留部1161的功能为增强第二第二电极1181和导电成长基板1021的粘着力，避免第二电极1181因粘不牢而剥离。
图4为本发明第三实施例的发光二极管元件结构1002的侧视示意图。半导体磊晶叠层1012的结构及其制程步骤和第一实施例和第二实施例的半导体磊晶叠层101、1011相同，其不同处在于第二区域111B上的半导体磊晶叠层1012在图案化蚀刻后，形成一露出部1202及一叠层保留部1162，其中露出部1202是蚀刻半导体磊晶叠层1012后曝露出n型半导体层1062所形成，叠层保留部1162是蚀刻半导体磊晶叠层1012时所保留的部分半导体磊晶叠层1012所形成。叠层保留部1162其组成可以仅为n型半导体层1062；或具有其中数层的半导体磊晶叠层1012，例如n型半导体层1062及活性层1082的二层磊晶结构，或n型半导体层1062、活性层1082及p型半导体层1102的三层磊晶结构，或n型半导体层1062、活性层1082、p型半导体层1102及透明导电层1122的四层结构。
最后，第一电极1142形成于透明导电层1122上，第二电极1182形成于第二区域111B上，完全包覆叠层保留部1162并覆盖部分的露出部1202。第二电极1182和覆盖的部分露出部1202直接接触，通过n型半导体层1062、反射层1042、及导电成长基板1022和半导体磊晶叠层1012电性连结；完成此发光二极管元件结构1002。第二电极1182也可以部分覆盖叠层保留部1162并部分覆盖露出部1202。叠层保留部1162的功能是增强第二电极1182和导电成长基板1022的粘着力，避免第二电极1182因粘不牢而剥离。
如图5A所示，上述第一实施例中反射层104可为布拉格反射层，由数对第三半导体层104c与第四半导体层104b交互堆栈所组成。图中以三对第三半导体层104c与第四半导体层104b交互堆栈来做说明，此对数无任何限制。第三半导体层104c可为砷化铝(AlAs)。第四半导体层104b可为砷化铝镓、砷化镓、磷化铝镓铟、或磷化铟镓所组成。如图5B所示，由于第三半导体层104c的特性较第四半导体层104b易于氧化，故在制程阶段将水气通入此发光二极管元件，在高温约300℃～800℃下，第三半导体层104c会由外向内开始氧化，形成氧化铝(AlmOn)层104a，其中m及n为整数。中间部分仍为未氧化的第三半导体层104c。第三半导体层104c的氧化速率随着温度越高越快，也随着铝含量越高越快。经过氧化的制程，于本实施例中，氧化铝的折射系数为1.6，而第四半导体层104b，如低铝含量的砷化铝镓层或磷化铝镓铟层，其折射系数大于3，二者折射系数差异很大，因而所形成的反射层104可使波长范围580-630纳米之间的反射率几乎达到接近100％，可以有效的反射活性层108所发出的光。虽然在本实施例中，反射层104是位于导电成长基板102与n型半导体层106之间，但并非用以限制本发明。本实施例的布拉格反射层也可以放置于n型半导体层106内，以达到本发明所欲达成的效果。
请参照图6A和图6B，其所绘示为本发明第四实施例发光二极管元件结构200的俯视示意图以及沿着W-W’虚线的剖面示意图。本实施例的发光二极管元件结构200包括一导电成长基板202。该导电成长基板202具有一上表面203，该上表面203定义有第一区域2A及一第二区域2B。一半导体磊晶叠层201位在导电成长基板202的第一区域2A上面。该半导体磊晶叠层201包括依序堆栈于导电成长基板202的反射层204、n型半导体层206、活性层(active layer)208、及p型半导体层210。一透明导电层212位于p型半导体层210上。一第一电极214形成于透明导电层212上。一叠层保留部216形成在导电成长基板202第二区域2B的上面。第二电极218形成于导电成长基板202上并覆盖叠层保留部216。反射层204可为布拉格反射层，包括第三半导体层204c与第四半导体层204b交互堆栈。本实施例以三对第三半导体层204c与第四半导体层204b所形成的反射层204来做说明。为了缩短氧化的时间，本实施例由发光二极管元件结构200的上表面蚀刻至导电成长基板202，形成若干个孔洞240，使得反射层204可以通过孔洞240增加第三半导体层204c氧化的面积。因此经由蚀刻孔洞的影响，第三半导体层204c除了会在四周围由外而内开始氧化，在若干孔洞204会由内而外开始氧化，形成氧化铝(AlxOy)层204a。最后，第一电极224形成在透明导电层212上，以及第二电极218形成在导电成长基板202并包覆叠层保留部216上完成此发光二极管元件结构200。本实施例中发光二极管元件结构内具有若干个孔洞240，虽然牺牲部分的活性层208的面积，但增加高反射率反射层的面积，以达成更高的反射率。而由于以含有氧化铝层所形成的布拉格反射层可以提升可见光波长580-630纳米的反射率，故可增加发光二极管元件的发光效率。此外，本实施例中的孔洞240也可由发光二极管元件结构200的上表面蚀刻，但未蚀刻至导电成长基板202，只露出部分的反射层204侧壁(图未示)。第一实施例至第三实施例的半导体磊晶叠层101、1011、1012也可形成若干个孔洞，使得反射层104、1041、1042除了四周围进行氧化外，可以通过孔洞同时进行氧化。
请参照图7A，本发明的第五实施例所揭示的发光二极管元件结构300包括一导电成长基板302。该导电成长基板302具有一上表面303，该上表面303定义有有一第一区域3A及一第二区域3B。一半导体磊晶叠层301位于导电成长基板302的第一区域3A上，该半导体磊晶叠层301包括依序堆栈在导电成长基板302上面的反射层304、n型半导体层306、活性层(active layer)308、p型半导体层310。一透明导电层312位于p型半导体层310上。一第一电极314形成于透明导电层312上。一凹部326形成于导电成长基板302的第二区域3B上。第二电极318形成于导电成长基板302上并覆盖凹部326。半导体磊晶叠层301的组成及其制造步骤如实施例一及实施例四所述。当完成半导体磊晶叠层301的制作后，蚀刻在第二区域3B上的半导体磊晶叠层301至曝露出导电成长基板302。接着图案化蚀刻曝露出的导电成长基板第二区域3B，形成一凹部326，接着形成第二电极318在第二区域B上，并覆盖凹部326及覆盖部分的露出部320。第二电极318直接和导电成长基板302接触，通过导电导电成长基板302和半导体磊晶叠层301电性连结。第二电极318也可以部分覆盖凹部326并部分覆盖露出部320，如图7B所示。凹部326的功能为增强第二电极318和导电成长基板302的粘着力，避免第二电极318因粘不牢而剥离。
请参照图8，本发明的第六实施例所揭示的发光二极管元件结构400包括一导电成长基板402。该导电成长基板402具有一上表面403，该上表面403定义有第一区域4A及第二区域4B。一半导体磊晶叠层401形成于第一区域4A上，该半导体磊晶叠层401包括依序堆栈于导电成长基板402上的反射层404、n型半导体层406、活性层(active layer)408、p型半导体层410。一透明导电层412位于p型半导体层410上。一第一电极414形成于透明导电层412上。一凹部426形成于导电成长基板402的第二区域4B上，第二电极418形成于导电成长基板402上并覆盖凹部426。半导体磊晶叠层401的组成及其制造步骤如第一实施例至第五实施例所述。当完成半导体磊晶叠层401的制作后，蚀刻在第二区域4B上的半导体磊晶叠层401至曝露出导电成长基板402。接着图案化蚀刻曝露出的导电成长基板第二区域4B，形成一凹部426，接着形成第二电极418于第二区域B上，并覆盖凹部426及覆盖部分的露出部420，n型电极418直接和导电成长基板402接触，通过导电成长基板402和半导体磊晶叠层401电性连结。第二电极418也可以部分覆盖凹部426并部分覆盖露出部420。凹部426的功能为增强第二电极418和导电成长基板402的粘着力，避免第二电极418因粘不牢而剥离。
本实施例的反射层404具有第三半导体层404c与第四半导体层404c交互堆栈。为了要缩短氧化的时间，由发光二极管元件结构400的上表面蚀刻至导电成长基板402，形成若干个孔洞440，使得反射层404可以通过孔洞440以内而外进行氧化形成氧化铝(AlxOy)层404a。第一电极424形成在透明导电层412上，以及第二电极418形成在导电成长基板402并包覆凹部426上，完成此发光二极管元件结构400。本实施例中发光二极管元件结构内具有若干个孔洞440，虽然牺牲部分的活性层408的面积，但增加高反射率反射层的面积。实施例中的孔洞440也可由发光二极管元件结构400的上表面蚀刻，但不蚀刻至导电成长基板402，只需露出反射层404，通过氧化的作用，形成氧化铝(AlxOy)层。
以上所述，仅是本发明的实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (9)
1.一种发光二极管元件，其特征在于：
所述发光二极管元件包括导电基板、半导体磊晶叠层、第一电极和第二电极，
所述导电基板上表面具有第一区域和第二区域；
所述半导体磊晶叠层位于所述导电基板的所述第一区域上；
所述半导体磊晶叠层包括具有第一导电特性的第一半导体层、具有第二导电特性的第二半导体层以及位于所述第一半导体层与所述第二半导体层之间的活性层；
所述第二电极位于所述第二区域上，通过所述导电基板与所述半导体磊晶叠层电性连结；
所述第一电极和第二电极位于所述导电基板的同一侧，
所述发光二极管元件进一步包括一位于所述第二区域上的叠层保留部，且所述第二电极完全或部分覆盖所述叠层保留部，
所述叠层保留部的材料组成包括与所述半导体磊晶叠层的材料组成的至少其中之一相同的材料。
2.如权利要求1所述的发光二极管元件，所述半导体磊晶叠层更包括一反射层位于所述第一区域上；所述第一半导体层位于所述反射层上；以及所述第一电极位于所述第二半导体层上。
3.如权利要求2所述的发光二极管元件，其特征在于：所述反射层为由若干个第三半导体层与第四半导体层交互堆栈所形成。
4.如权利要求3所述的发光二极管元件，其特征在于：所述第三半导体层较所述第四半导体层易于被氧化。
5.如权利要求3所述的发光二极管元件，其特征在于：所述第三半导体层的铝含量与所述第四半导体层不同。
6.如权利要求2所述的发光二极管元件，其特征在于：所述半导体磊晶叠层进一步包括若干个孔洞，通过所述孔洞露出所述导电基板或部分所述反射层。
7.如权利要求3所述的发光二极管元件，其特征在于：所述发光二极管元件进一步包括邻接所述第二区域及所述第三半导体层的氧化铝层。
8.如权利要求3所述的发光二极管元件，其特征在于：所述发光二极管元件进一步包括围绕所述第三半导体层的氧化铝层。
9.如权利要求6所述的发光二极管元件，其特征在于：所述发光二极管元件进一步包括围绕所述这些孔洞的氧化铝层。
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