CN113445125B - 一种坩埚下降法生长氧化镓体单晶的生长装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种坩埚下降法生长氧化镓体单晶的生长装置及其方法，装置包括单晶炉、铱金坩埚、热场部件、气氛控制单元，热场部件围绕铱金坩埚设置，由独立加热的上温区和下温区组成。本装置采用上、下双温区独立加热，上温区为高温区具有较小的轴向温度梯度，能够有效控制由于熔体温度过高而导致氧化镓原料分解挥发的加剧；下温区为低温区，能够对晶体进行原位退火减少晶体内部应力，上、下温区加热功率相互匹配调节能够更灵活地调控热场的轴向、径向温度梯度。与现有技术相比，本发明能够有效抑制高温晶体生长过程中氧化镓原料的分解挥发，提高晶体的结晶完整性，延长坩埚使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于晶体生长技术领域，具体涉及一种坩埚下降法生长氧化镓体单晶的生长装置及其方法。
背景技术
氧化物半导体β-Ga2O3单晶具有禁带宽度大(～4.9eV)、理论击穿场强高(8MV/cm)等显著优势，在高耐压低损耗功率器件、日盲探测器、高亮度LED等领域具有重要潜在应用价值。近年来β-Ga2O3晶体生长技术的突破性进展极大地推动了相关薄膜外延和器件的研究，氧化镓肖特基二极管、MOSFET器件性能迅速提升，目前水平及垂直氧化镓肖特基二极管分别取得了超过3kV和2.2kV的击穿电压，MOSFET器件击穿电压达到1.85kV。
相对于SiC、GaN等第三代半导体材料而言，β-Ga2O3能够采用熔体法制备体单晶，生长成本较低。β-Ga2O3晶体的生长难点在于在高温缺氧环境下氧化镓发生分解挥发，会影响晶体生长的稳定性和结晶质量，并且β-Ga2O3易于形成孪晶、小角晶界、解理开裂等缺陷。大尺寸β-Ga2O3晶体的生长方法主要有提拉法、导模法和下降法。2016年，德国莱布尼茨晶体生长研究所采用提拉法生长获得2英寸β-Ga2O3单晶，晶体重量超过1kg。由于提拉法生长的热场环境相对开放，随着晶体尺寸增大熔体分解挥发问题难以有效抑制，目前该方法未见有更大尺寸β-Ga2O3晶体的报道。与提拉法相比，导模法更容易设计熔体上方准封闭热场环境达到抑制原料挥发的目的，生长获得的β-Ga2O3晶体为片状或板条状，日本Novel CrystalTechnology公司采用导模法技术已经实现商品化2英寸、4英寸β-Ga2O3单晶基片。下降法是近几年开始应用于β-Ga2O3晶体生长，目前公开报道可生长出2英寸β-Ga2O3晶体，该方法使用的是铂铑合金坩埚，β-Ga2O3晶体的熔点接近铂铑合金坩埚的使用温度极限，晶体尺寸越大坩埚被熔化的风险越高，并且生长结束取出晶体时需要对坩埚进行破坏性剥离。
专利CN103541008A公开了一种大尺寸氧化镓单晶的生长方法及生长装置，该专利采用导模法生长技术，生长装置采用直接感应铱金坩埚加热原料，无外加金属发热体，金属后热器位于感应线圈上方，热场的轴向、径向温度梯度调节幅度有限。专利CN105970290A公开了一种有效抑制氧化镓晶体缺陷的生长装置，该生长装置采用的是单一感应线圈、单一金属发热体形成的单温区热场。专利CN104195640A公开了一种用于蓝宝石单晶生长的热场系统，该热场系统采用石墨侧发热体、石墨底发热体、石墨软毡或碳纤维软毡保温层，含石墨的热场环境会加剧氧化镓的分解挥发，不合适生长氧化镓晶体。
发明内容
本发明的目的就是为了有效抑制高温晶体生长过程中氧化镓原料的分解挥发，提高晶体的结晶完整性，延长坩埚使用寿命，提供一种坩埚下降法生长氧化镓体单晶的生长装置及其方法。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种坩埚下降法生长氧化镓体单晶的生长装置，包括：
单晶炉；
铱金坩埚，位于所述单晶炉的中心，用于容纳氧化镓原料；
热场部件，围绕所述铱金坩埚设置，由独立加热的上温区和下温区组成；及
气氛控制单元，用于调节所述单晶炉内生长气氛。
本装置采用上、下双温区独立加热，上温区为高温区具有较小的轴向温度梯度，能够有效控制由于熔体温度过高而导致氧化镓原料分解挥发的加剧；下温区为低温区，能够对晶体进行原位退火减少晶体内部应力，上、下温区加热功率相互匹配能够调节更灵活地调控热场的轴向、径向温度梯度。
较佳地，所述热场部件水平且同中心安装，包括围绕所述铱金坩埚设置的金属发热体、由氧化锆材料制成的保温构件群、围绕所述保温构件群侧部设置的感应加热线圈，其中，所述上温区和下温区之间由氧化锆陶瓷隔板隔开，所述上温区包括上发热体、氧化锆保温构件群、上感应线圈，所述下温区包括下发热体、氧化锆保温构件群、下感应线圈。
较佳地，所述金属发热体包括两个独立加热的带铱金涂层的钨发热体，发热体的铱金涂层厚度为0.05-0.2mm，上发热体配有上盖板且总高度为130-160mm，下发热体总高度为90-120mm。
较佳地，所述氧化锆陶瓷隔板厚度为10-15mm，陶瓷隔板与铱金坩埚的水平间距为5-10mm。
较佳地，所述保温构件群包括从内向外依次设置的硬质氧化锆保温层、氧化锆纤维保温层和氧化锆陶瓷筒、位于氧化锆保温层底部的氧化铝保温砖、位于氧化锆保温层上方的轻质氧化锆板。
较佳地，所述铱金坩埚为带盖铱金坩埚，顶部内侧壁与水平方向夹角为80-87°，坩埚整体高度为120-150mm，坩埚底部的籽晶卡槽尺寸为Ф(6-10)mm×(20-30)mm，铱金坩埚盖板正中心处圆形开孔尺寸为Ф(5-10)mm。
较佳地，所述生长装置还包括蓝宝石单晶坩埚支柱，蓝宝石单晶坩埚支柱具有较高的热导率，便于热量及时释放，建立合理的籽晶附近温度梯度。
较佳地，所述单晶炉内流动生长气氛的气氛控制单元包括位于蓝宝石单晶坩埚支柱两侧的气体进气口、位于炉膛顶部的气体排气口。
较佳地，所述生长装置还包括设置在铱金坩埚盖板中心孔处的测温称重装置，在晶体生长过程中该装置与坩埚同步下降进行热场的温度监测与挥发量评估。
一种坩埚下降法生长氧化镓体单晶的方法，采用上述生长装置生长，具体步骤如下：
(1)将定向氧化镓籽晶安装于铱金坩埚底部的籽晶卡槽内，将高纯度氧化镓原料装入坩埚内并盖上坩埚盖板；
(2)在单晶炉内水平且同中心地安装发热体、保温层等多个热场部件，将铱金坩埚安装在热场中心处的蓝宝石单晶坩埚支柱上，坩埚初始位置位于上温区内；
(3)单晶炉内抽真空至炉膛真空度＜10Pa，向炉内充入CO2气体至炉内压强为1.02-1.06MPa，然后调节炉膛充气和排气流量阀，在CO2气体流动气氛条件下保持炉内压强恒定在1.02-1.06MPa，充入CO2气体的流量为300-500ml/min；
(4)感应加热升温至上温区加热功率为11-13kw，下温区加热功率为8-10kw，氧化锆陶瓷隔板处温度为1800-1820℃，原料完全熔化恒温1-3小时；
(5)铱金坩埚由上温区缓慢下降进入下温区，坩埚下降和旋转速度分别为0.5-3mm/h和2-4rpm，生长界面附近温度梯度30-60℃/cm；
(6)晶体生长结束后，缓慢冷却至室温，取出晶体，获得透明、无开裂的高质量氧化镓体单晶。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)采用上、下双温区独立加热，上温区为高温区具有较小的轴向温度梯度，能够有效控制由于熔体温度过高而导致氧化镓原料分解挥发的加剧；下温区为低温区，能够对晶体进行原位退火减少晶体内部应力，上、下温区加热功率相互匹配调节能够更灵活地调控热场的轴向、径向温度梯度。
(2)晶体生长采用微正压流动CO2气氛，由坩埚支柱两侧进气口持续充入一定流量的冷CO2气体，在炉膛上方排出炉腔，生长获得的氧化镓晶体可以脱埚取出，无需破坏坩埚，大大提高了铱金坩埚的使用寿命。
(3)通过在坩埚盖板中心孔处安装测温称重装置并与坩埚同步下降，在晶体生长过程中能够对热场的轴向温度分布进行实时监测，根据附着挥发物的重量评估氧化镓熔体的分解挥发情况。
(4)本发明提供的氧化镓单晶生长方法与生长装置，与现有坩埚下降法技术方案相比，在有效抑制晶体生长过程中原料分解挥发的同时，解决了坩埚一次性使用寿命短、受限于铂铑合金坩埚使用温度难以生长更大尺寸氧化镓晶体、多晶形成、失透、晶体开裂等问题，能够生长获得大尺寸、高质量氧化镓体单晶。
附图说明
图1为本发明氧化镓体单晶生长装置的结构示意图；
图中：1-轻质氧化锆板；2-上感应线圈；3-氧化锆陶瓷筒；4-氧化锆纤维保温层；5-氧化锆陶瓷隔板；6-下感应线圈；7-硬质氧化锆保温层；8-气体进气口；9-氧化铝保温砖；10-测温称重装置；11-上发热体；12-铱金坩埚盖板；13-铱金坩埚；14-氧化镓熔体；15-氧化镓晶体；16-下发热体；17-氧化镓籽晶；18-蓝宝石单晶坩埚支柱；19-气体排气口。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明提供一种坩埚下降法生长氧化镓体单晶的方法及其生长装置，具体地，作为示例可以采用以下步骤。
首先，在单晶炉内安装用于加热和保温的多个热场部件。
如图1所示为生长装置的结构示例示意图，生长装置中的热场部件包括围绕铱金坩埚13设置的上发热体11、下发热体16和由氧化锆材料制成的保温构件群、围绕所述保温构件群设置的上感应线圈2、下感应线圈6以及由氧化锆材料制成的顶部保温构件群。
其中，保温构件群包括从内向外依次设置的硬质氧化锆保温层7、氧化锆纤维保温层4和氧化锆陶瓷筒3、位于氧化锆保温层7底部的氧化铝保温砖9、顶部保温构件群主要为位于氧化锆纤维保温层4和7上方的多层轻质氧化锆板1。
为了有效抑制氧化镓原料分解挥发和减少晶体内部应力，设置了具有较小温度梯度的上、下双温区保温热场环境，上发热体11和下发热体16分别采用独立加热上感应线圈2和下感应线圈6，上发热体11带有上盖板且总高度优选130-160mm，下发热体16总高度优选90-120mm。为了降低晶体生长的热场成本，上、下发热体为带铱金涂层的钨发热体，铱金涂层厚度优选0.05-0.2mm。
在上、下温区之间设置氧化锆陶瓷隔板5隔离上温区的辐射热量，厚度优选10-15mm，陶瓷隔板与铱金坩埚的水平间距优选5-10mm。
铱金坩埚13初始位置放置于上温区内，坩埚顶部内侧壁与水平方向夹角优选80-87°，坩埚整体高度优选120-150mm，坩埚底部的籽晶卡槽尺寸优选Ф(6-10)mm×(20-30)mm。
铱金坩埚13顶部设置铱金坩埚盖板12，正中心处圆形开孔尺寸为Ф(5-10)mm。
单晶炉内流动生长气氛的气氛控制单元包括位于坩埚支柱两侧的气体进气口8、位于炉膛顶部的气体排气口19。
为了便于热量及时释放，建立合理的籽晶附近温度梯度，铱金坩埚13底部设置蓝宝石单晶坩埚支柱18。
此外，在铱金坩埚盖板中心孔处设置测温称重装置10，在晶体生长过程中该装置与坩埚同步下降进行热场的温度监测和挥发量评估。
在铱金坩埚13的底部籽晶卡槽中装入定向氧化镓籽晶17，然后在坩埚中装入高纯氧化镓原料。在装入氧化镓原料后，盖上铱金坩埚盖板12。
在单晶炉内水平且同中心地安装好发热体、保温层等多个热场部件，将铱金坩埚13安装在热场中心处的蓝宝石单晶坩埚支柱18上，坩埚初始位置位于上温区内，封闭炉膛。
单晶炉内抽真空至炉膛真空度＜10Pa，向炉内充入CO2气体至炉内压强为1.02-1.06MPa，然后调节炉膛充气和排气流量阀，在CO2气体流动气氛条件下保持炉内压强恒定在1.02-1.06MPa，充入CO2气体流量为300-500ml/min。
开启感应加热升温至上温区加热功率为11-13kw，下温区加热功率为8-10kw，氧化锆陶瓷隔板处5温度为1800-1820℃，原料完全熔化恒温1-3小时。
将坩埚由上温区缓慢下降进入下温区，坩埚内氧化镓熔体14在籽晶顶部逐渐结晶生长成氧化镓晶体15，坩埚下降和旋转速度分别为0.5-3mm/h和2-4rpm，生长界面附近温度梯度30-60℃/cm。
晶体生长结束后，缓慢冷却至室温，取出晶体，获得透明、无开裂的高质量氧化镓体单晶。
下面进一步列举实施例以详细说明本发明。以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。
实施例1：
采用本发明所设计的生长装置及工艺流程生长大尺寸氧化镓体单晶。本实施例中，铱金坩埚顶部内侧壁与水平方向夹角为85°，坩埚整体高度为120mm，坩埚底部的籽晶卡槽尺寸为Ф6mm×20mm，坩埚顶部的铱金盖板正中心处圆形开孔尺寸为Ф6mm。上发热体的铱金涂层厚度为0.1mm，总高度为130mm。下发热体的铱金涂层厚度为0.05mm，总高度为90mm。氧化锆陶瓷隔板厚度为10mm，陶瓷隔板与铱金坩埚的水平间距为10mm。晶体生长工艺流程：选取[010]方向的β-Ga2O3籽晶放入坩埚底部的籽晶卡槽内，将99.999％高纯氧化镓原料装入坩埚内，盖上铱金坩埚盖板；在单晶炉内水平且同中心地安装发热体、保温层等多个热场部件，将铱金坩埚安装在热场中心处的蓝宝石单晶坩埚支柱上，坩埚初始位置位于上温区内，封闭炉膛；开启机械泵抽真空至炉膛真空度9.5Pa，向炉内充入CO2气体至炉内压强为1.02MPa并恒压，流动CO2气氛的充气流量为300ml/min；开启感应加热升温至上温区加热功率为11kw，下温区加热功率为8kw，氧化锆陶瓷隔板处温度为1800℃，原料完全熔化恒温3小时；将坩埚由上温区缓慢下降进入下温区，坩埚下降和旋转速度分别为0.5mm/h和2rpm，生长界面附近温度梯度40℃/cm；晶体生长结束后，缓慢冷却至室温，取出晶体，获得透明、无开裂的高质量氧化镓晶体。
实施例2：
采用本发明所设计的生长装置及工艺流程生长大尺寸氧化镓体单晶。本实施例中，铱金坩埚顶部内侧壁与水平方向夹角为80°，坩埚整体高度为150mm，坩埚底部的籽晶卡槽尺寸为Ф8mm×30mm，坩埚顶部的铱金盖板正中心处圆形开孔尺寸为Ф10mm。上发热体的铱金涂层厚度为0.15mm，总高度为160mm。下发热体的铱金涂层厚度为0.15mm，总高度为110mm。氧化锆陶瓷隔板厚度为12mm，陶瓷隔板与铱金坩埚的水平间距为10mm。晶体生长工艺流程：选取[010]方向的β-Ga2O3籽晶放入坩埚底部的籽晶卡槽内，将99.999％高纯氧化镓原料装入坩埚内，盖上铱金坩埚盖板；在单晶炉内水平且同中心地安装发热体、保温层等多个热场组件，将铱金坩埚安装在热场中心处的蓝宝石单晶坩埚支柱上，坩埚初始位置位于上温区内，封闭炉膛；开启机械泵抽真空至炉膛真空度8.7Pa，向炉内充入CO2气体至炉内压强为1.05MPa并恒压，流动CO2气氛的充气流量为400ml/min；开启感应加热升温至上温区加热功率为12kw，下温区加热功率为9.5kw，氧化锆陶瓷隔板处温度为1805℃，原料完全熔化恒温2小时；将坩埚由上温区缓慢下降进入下温区，坩埚下降和旋转速度分别为2mm/h和3rpm，生长界面附近温度梯度30℃/cm；晶体生长结束后，缓慢冷却至室温，取出晶体，获得透明、无开裂的高质量氧化镓晶体。
实施例3：
采用本发明所设计的生长装置及工艺流程生长大尺寸氧化镓体单晶。本实施例中，铱金坩埚顶部内侧壁与水平方向夹角为87°，坩埚整体高度为120mm，坩埚底部的籽晶卡槽尺寸为Ф6mm×20mm，坩埚顶部的铱金盖板正中心处圆形开孔尺寸为Ф6mm。上发热体的铱金涂层厚度为0.15mm，总高度为130mm。下发热体的铱金涂层厚度为0.1mm，总高度为90mm。氧化锆陶瓷隔板厚度为15mm，陶瓷隔板与铱金坩埚的水平间距为15mm。晶体生长工艺流程：选取[010]方向的β-Ga2O3籽晶放入坩埚底部的籽晶卡槽内，将99.995％高纯氧化镓原料装入坩埚内，盖上铱金坩埚盖板；在单晶炉内水平且同中心地安装发热体、保温层等多个热场组件，将铱金坩埚安装在热场中心处的蓝宝石单晶坩埚支柱上，坩埚初始位置位于上温区内，封闭炉膛；开启机械泵抽真空至炉膛真空度9Pa，向炉内充入CO2气体至炉内压强为1.03MPa并恒压，流动CO2气氛的充气流量为500ml/min；开启感应加热升温至上温区加热功率为13kw，下温区加热功率为9.5kw，氧化锆陶瓷隔板处温度为1810℃，原料完全熔化恒温1小时；将坩埚由上温区缓慢下降进入下温区，坩埚下降和旋转速度分别为2mm/h和3rpm，生长界面附近温度梯度50℃/cm；晶体生长结束后，缓慢冷却至室温，取出晶体，获得透明、无开裂的高质量氧化镓晶体。
对比例1：
如实施例1所述，不同的是抽真空后向炉内充入CO2气体至炉内压强为1.02MPa即关闭CO2气体充气阀门，采用非流动CO2气氛生长氧化镓晶体。生长结束后，晶体无法脱离坩埚取出。
对比例2：
如实施例1所述，不同的是采用单一发热体和单一感应线圈加热形成的单一温场环境生长氧化镓晶体，原料熔化后挥发较严重，生长获得的氧化镓晶体多晶开裂、结晶质量较差。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种坩埚下降法生长氧化镓体单晶的生长方法，其特征在于，采用生长装置生长，坩埚下降法生长氧化镓体单晶的生长装置包括：
单晶炉；
铱金坩埚（13），位于所述单晶炉的中心，用于容纳氧化镓原料；
热场部件，围绕所述铱金坩埚（13）设置，由独立加热的上温区和下温区组成；及气氛控制单元，用于调节所述单晶炉内生长气氛；
所述热场部件水平且同中心安装，包括围绕所述铱金坩埚（13）设置的金属发热体、由氧化锆材料制成的保温构件群、围绕所述保温构件群侧部设置的感应加热线圈，其中，所述上温区和下温区之间由氧化锆陶瓷隔板（5）隔开；
所述金属发热体为带铱金涂层的钨发热体；
所述生长装置还包括设于所述铱金坩埚（13）底部的蓝宝石单晶坩埚支柱（18）；
所述气氛控制单元包括位于蓝宝石单晶坩埚支柱（18）两侧的气体进气口（8）、位于炉膛顶部的气体排气口（19）；
所述生长方式具体步骤如下：
（1）将定向氧化镓籽晶（17）安装于铱金坩埚（13）底部的籽晶卡槽内，将高纯度氧化镓原料装入坩埚内并盖上坩埚盖板；
（2）将铱金坩埚（13）安装在热场部件的热场中心处的蓝宝石单晶坩埚支柱（18）上，坩埚初始位置位于上温区内；
（3）单晶炉内抽真空至炉膛真空度＜10Pa，向炉内充入CO2气体至炉内压强为1.02-1.06MPa，然后调节炉膛充气和排气流量阀，在CO2气体流动气氛条件下保持炉内压强恒定在1.02-1.06MPa；
（4）感应加热升温至上温区加热功率为11-13kw，下温区加热功率为8-10kw，氧化锆陶瓷隔板（5）处温度为1800-1820℃，原料完全熔化恒温1-3小时；
（5）铱金坩埚（13）由上温区缓慢下降进入下温区，坩埚下降和旋转速度分别为0.5-3mm/h和2-4rpm，生长界面附近温度梯度30-60℃/cm；
（6）晶体生长结束后，缓慢冷却至室温，取出晶体，获得透明、无开裂的高质量氧化镓体单晶。
2.根据权利要求1所述的一种坩埚下降法生长氧化镓体单晶的生长方法，其特征在于，所述上温区包括上发热体（11）、上感应线圈（2），所述下温区包括下发热体（16）、下感应线圈（6）。
3.根据权利要求2所述的一种坩埚下降法生长氧化镓体单晶的生长方法，其特征在于，发热体的铱金涂层厚度为0.05-0.2mm，所述上发热体（11）配有上盖板且总高度为130-160mm，所述下发热体（16）总高度为90-120mm。
4.根据权利要求2所述的一种坩埚下降法生长氧化镓体单晶的生长方法，其特征在于，所述氧化锆陶瓷隔板（5）厚度为10-15mm，氧化锆陶瓷隔板（5）与铱金坩埚（13）的水平间距为5-10mm。
5.根据权利要求2所述的一种坩埚下降法生长氧化镓体单晶的生长方法，其特征在于，所述保温构件群包括从内向外依次设置的硬质氧化锆保温层（7）、氧化锆纤维保温层（4）和氧化锆陶瓷筒（3）、位于氧化锆保温层底部的氧化铝保温砖（9）、位于氧化锆保温层上方的轻质氧化锆板（1）。
6.根据权利要求1所述的一种坩埚下降法生长氧化镓体单晶的生长方法，其特征在于，所述铱金坩埚（13）为带盖铱金坩埚（13），所述铱金坩埚（13）顶部内侧壁与水平方向夹角为80-87°，坩埚整体高度为120-150mm，坩埚底部的籽晶卡槽尺寸为Ф（6-10）mm ×（20-30）mm，铱金坩埚盖板（12）正中心处圆形开孔尺寸为Ф（5-10）mm。
7.根据权利要求6所述的一种坩埚下降法生长氧化镓体单晶的生长方法，其特征在于，所述生长装置还包括设置在铱金坩埚盖板（12）中心孔处的测温称重装置（10），在晶体生长过程中该装置与坩埚同步下降进行热场的温度监测与挥发量评估。
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Citations (6)
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|---|---|---|---|---|
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Patent Citations (6)
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|---|---|---|---|---|
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| CN104372408A (zh) * | 2014-12-15 | 2015-02-25 | 山东大学 | 常压下提拉法生长大尺寸氧化镓单晶的方法 |
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