CN117833021A - Vcsel激光器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
公开了一种VCSEL激光器及其制造方法。所述VCSEL激光器包括:外延结构、第一电极和第二电极。所述第一电极和所述第二电极连接于所述外延结构。所述外延结构包括:衬底层、离子注入阻挡层和外延主体结构。所述离子注入阻挡层形成于所述衬底层和所述外延主体结构之间,以阻挡电流从所述外延主体结构流向所述衬底层所述外延主体结构叠置于所述离子注入阻挡层上,所述外延主体结构包括底部DBR层、顶部DBR层、有源区和限制层,所述有源区和所述限制层位于所述底部DBR层和所述顶部DBR层之间。
Description
技术领域
本申请涉及半导体激光器领域,更为具体地涉及VCSEL激光器及其制造方法。
背景技术
VCSEL(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser,垂直腔面发射激光器)具有发散角小、光束对称、波长热稳定性高、光束质量稳定等特点,在通讯、消费、车载领域都有巨大的应用潜力。
现有的VCSEL激光器自下而上主要包括衬底层 P0、底部布拉格反射镜 P1、有源区P2、限制层 P3、顶部布拉格反射镜 P4、阳极 P5和阴极 P6。在VCSEL激光器的工作过程中,电流从其阳极 P5通过顶部布拉格反射镜 P4流向底部布拉格反射镜 P1,进而流向其阴极P6。在现有的一些实施方式中,所述衬底层 P0和所述底部布拉格反射镜 P1之间设置有阻挡层 P7,如说明书附图之图1所示,用于阻挡电流流向所述衬底层 P0,避免形成漏电流。
然而,目前的VCSEL激光器中,设置于所述衬底层和所述底部布拉格反射镜之间的阻挡层的导电率较高。电流流动过程中容易穿过所述阻挡层并流向所述衬底层,形成漏电流,造成VCSEL激光器工作电流较大,功率较低,光转换率较低等问题。
因此,需要一种用于VCSEL激光器的阻挡层设计方案,以使得所述阻挡层能够较大程度地阻挡电流流向衬底层。
发明内容
本申请的一个优势在于提供了一种VCSEL激光器及其制造方法,其中,所述VCSEL激光器提供了一种阻挡层设计方案,所述阻挡层的电阻较高,能够较大程度地阻挡电流流向衬底层,降低电流流动过程中形成漏电流的概率,这样,可在一定程度上提高VCSEL激光器的输出功率和光电转换效率。
本申请的另一个优势在于提供了一种VCSEL激光器及其制造方法,其中,所述VCSEL激光器的阻挡层为离子型阻挡层,所述离子型阻挡层是通过向半导体层注入离子形成的,在离子注入的过程中,离子将破坏半导体层的晶格,使得半导体层的电阻增大,起到阻挡电流的作用。本申请的阻挡层设计方案突破了半导体层选材对半导体层的导电率的局限,通过破坏半导体层原本的内部结构来较大程度地改变半导体层的导电率。
为了实现上述至少一优势或其他优势和目的,根据本申请的一个方面,提供了一种VCSEL激光器,其包括:外延结构,所述外延结构包括:衬底层;外延主体结构;所述外延主体结构叠置于所述离子注入阻挡层上,所述外延主体结构包括底部DBR层、顶部DBR层、有源区和限制层,所述有源区和所述限制层位于所述底部DBR层和所述顶部DBR层之间;以及离子注入阻挡层;其中,所述离子注入阻挡层形成于所述衬底层和所述外延主体结构之间,以阻挡电流从所述外延主体结构流向所述衬底层;
第一电极,所述第一电极连接于所述外延结构;以及
第二电极,所述第二电极连接于所述外延结构。
在根据本申请的VCSEL激光器的一实施方式中,所述离子注入阻挡层为非掺杂型离子注入阻挡层。
在根据本申请的VCSEL激光器的一实施方式中,所述离子注入阻挡层中的离子选自H+、O+中的一种或多种。
在根据本申请的VCSEL激光器的一实施方式中,所述离子注入阻挡层为P掺杂型离子注入阻挡层。
在根据本申请的VCSEL激光器的一实施方式中,所述离子注入阻挡层中的离子包括B+。
在根据本申请的VCSEL激光器的一实施方式中,所述离子注入阻挡层中离子的剂量为大于等于1E12 cm-2且小于等于1E17 cm-2。
在根据本申请的VCSEL激光器的一实施方式中,所述离子注入阻挡层包括阻挡形成层和注入所述阻挡形成层内的离子,所述阻挡形成层的制成材料选自SiO2,Si3N4,Al2O3,AlN中的一种或多种。
在根据本申请的VCSEL激光器的一实施方式中,所述VCSEL激光器出射的激光的波长范围为350 nm至530 nm,或500 nm至1000 nm,或,1000 nm至1600 nm。
在根据本申请的VCSEL激光器的一实施方式中,所述离子注入阻挡层的电阻率大于1E9 Ω.cm。
根据本申请的另一个方面,提供了一种VCSEL激光器的制造方法,其包括:
形成阻挡形成层;
在所述阻挡形成层内注入离子,以形成离子注入阻挡层;
在所述离子注入阻挡层上形成外延主体结构,所述外延主体结构包括底部DBR层、顶部DBR层、有源区和限制层,所述有源区和所述限制层位于所述底部DBR层与所述顶部DBR层之间;以及
形成第一电极和第二电极,所述第一电极和所述第二电极分别连接于所述外延主体结构。
在根据本申请的多结VCSEL激光器的制造方法的一实施方式中,在所述阻挡形成层内注入离子,包括:向所述阻挡形成层内注入以下离子中的一种或多种:H+、O+、B+。
在根据本申请的多结VCSEL激光器的制造方法的一实施方式中,在所述阻挡形成层内注入离子的过程中,注入离子的计量为大于等于1 E12 cm-2且小于等于1E17 cm-2。
在根据本申请的多结VCSEL激光器的制造方法的一实施方式中,在所述阻挡形成层内注入离子的过程中,离子的初始能量为5-500 keV。
在根据本申请的多结VCSEL激光器的制造方法的一实施方式中,所述阻挡形成层的制成材料选自SiO2,Si3N4,Al2O3,AlN中的一种或多种。
在根据本申请的多结VCSEL激光器的制造方法的一实施方式中,形成阻挡形成层,包括:在衬底结构上生长至少一半导体层,将至少部分所述半导体层作为所述阻挡形成层。
在根据本申请的多结VCSEL激光器的制造方法的一实施方式中,形成阻挡形成层,包括:提供一衬底结构,并将所述衬底结构的上部形成所述阻挡形成层。
通过对随后的描述和附图的理解,本申请进一步的目的和优势将得以充分体现。
本申请的这些和其它目的、特点和优势,通过下述的详细说明,附图和权利要求得以充分体现。
附图说明
从下面结合附图对本申请实施例的详细描述中,本申请的这些和/或其它方面和优点将变得更加清楚并更容易理解,其中:
图1图示了现有的VCSEL激光器的结构示意图。
图2图示了根据本申请实施例的VCSEL激光器的一实施方式的截面示意图。
图3图示了根据本申请实施例的VCSEL激光器的另一实施方式的截面示意图。
图4图示了根据本申请实施例的VCSEL激光器的制造方法的流程示意图。
图5图示了根据本申请实施例的VCSEL激光器的制造过程的一实施方式的示意图。
图6图示了根据本申请实施例的VCSEL激光器的制造过程的另一实施方式的示意图。
具体实施方式
以下说明书和权利要求中使用的术语和词不限于字面的含义,而是仅由发明人使用以使得能够清楚和一致地理解本申请。因此,对本领域技术人员很明显仅为了说明的目的而不是为了如所附权利要求和它们的等效物所定义的限制本申请的目的而提供本申请的各种实施例的以下描述。
可以理解的是,术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”,即在一个实施例中,一个元件的数量可以为一个,而在另外的实施例中,该元件的数量可以为多个,术语“一”不能理解为对数量的限制。
虽然比如“第一”、“第二”等的序数将用于描述各种组件,但是在这里不限制那些组件。该术语仅用于区分一个组件与另一组件。例如,第一组件可以被称为第二组件,且同样地,第二组件也可以被称为第一组件,而不脱离本申请构思的教导。在此使用的术语“和/或”包括一个或多个关联的列出的项目的任何和全部组合。
在这里使用的术语仅用于描述各种实施例的目的且不意在限制。如在此使用的,单数形式意在也包括复数形式,除非上下文清楚地指示例外。另外将理解术语“包括”和/或“具有”当在该说明书中使用时指定所述的特征、数目、步骤、操作、组件、元件或其组合的存在,而不排除一个或多个其它特征、数目、步骤、操作、组件、元件或其组的存在或者附加。
申请概述:如前所述,在现有的一些实施方式中,所述衬底层 P0和所述底部布拉格反射镜 P1之间设置有阻挡层 P7,如说明书附图之图1所示,用于阻挡电流流向所述衬底层 P0,避免形成漏电流。
然而,目前的VCSEL激光器中,设置于所述衬底层和所述底部布拉格反射镜之间的阻挡层的导电率较高。电流流动过程中容易穿过所述阻挡层并流向所述衬底层,形成漏电流,造成VCSEL激光器工作电流较大,功率较低,光转换率较低等问题。
理论上,可以通过调整阻挡层的选材来调整阻挡层的导电率,进而改善其对电流的阻挡作用。然而,应可以理解,半导体材料对电流的阻挡作用存在局限。半导体材料的导电能力介于导体与绝缘体之间,即使挑选导电能力较低的半导体材料,也较难完全阻挡电流通过。
基于此,本申请的发明人提出,可通过对半导体材料的结构进行破坏,使得该半导体材料的电阻较大程度地增大,突破半导体层选材对半导体层的导电率的局限。具体地,本申请提出可利用离子注入技术破坏半导体材料的原本的结构,进而调控半导体材料的电导率。
相应地,本申请提出一种VCSEL激光器,其包括:外延结构、第一电极和第二电极。所述第一电极和所述第二电极连接于所述外延结构。所述外延结构包括:衬底层、离子注入阻挡层和外延主体结构。所述离子注入阻挡层形成于所述衬底层和所述外延主体结构之间,以阻挡电流从所述外延主体结构流向所述衬底层所述外延主体结构叠置于所述离子注入阻挡层上,所述外延主体结构包括底部DBR层、顶部DBR层、有源区和限制层,所述有源区和所述限制层位于所述底部DBR层和所述顶部DBR层之间。
本申请还提出了一种VCSEL激光器的制造方法,其包括:形成阻挡形成层;在所述阻挡形成层内注入离子,以形成离子注入阻挡层;在所述离子注入阻挡层上形成外延主体结构,所述外延主体结构包括底部DBR层、顶部DBR层、有源区和限制层,所述有源区和所述限制层位于所述底部DBR层与所述顶部DBR层之间;以及形成第一电极和第二电极,所述第一电极和所述第二电极分别连接于所述外延主体结构。
在介绍本申请的基本原理之后,下面将参考附图来具体介绍本申请的各种非限制性实施例。
示意性VCSEL激光器:如图2和图3所示,根据本申请实施例的VCSEL激光器 1被阐明。所述VCSEL激光器 1设置有离子注入阻挡层 13,以避免VCSEL激光器 1在工作过程中电流流向衬底层 11。具体地,在本申请实施例中,所述VCSEL激光器 1包括外延结构 10、第一电极 20和第二电极 30。所述第一电极 20和所述第二电极 30分别连接于所述外延结构10。所述外延结构 10包括衬底层 11、离子注入阻挡层 13和外延主体的结构 12。所述离子注入阻挡层 13叠置于所述衬底层 11上,位于所述外延主体结构 12所述衬底层 11之间,以阻挡电流从所述外延主体结构 12流向所述衬底层 11。所述外延主体的结构 12包括:底部DBR层 121、顶部DBR层 124、有源区 122和限制层 123。
在本申请实施例中,所述衬底层 11被实施为N型衬底层。所述衬底层 11的制成材料可为掺杂型的InP、GaN、GaAs等材料。在本申请的变形实施方式中,所述衬底层 11可被实施为N型衬底层,也可被实施为P型衬底层。
所述离子注入阻挡层 13包括阻挡形成层 130和注入所述阻挡形成层 130内的离子 120,所述阻挡形成层 130的制成材料选自SiO2,Si3N4,Al2O3,AlN中的一种或多种。
在本申请实施例中,所述离子注入阻挡层 13可为非掺杂型离子注入阻挡层 131,也可为P型掺杂离子注入阻挡层 132。在本申请的变形实施例中,所述离子注入阻挡层 13也可被实施为N型掺杂离子注入阻挡层。
所述离子注入阻挡层 13中的离子 120选自H+、O、B+中的一种或多种。在本申请的一个实施方式中,所述离子注入阻挡层 13被实施为非掺杂型离子注入阻挡层 131,如图2所示,所述离子注入阻挡层中的离子 120选自H+、O+中的一种或多种。在本申请的另一个实施方式中,所述离子注入阻挡层 13被实施为P型掺杂离子注入阻挡层 132,如图3所示,所述离子注入阻挡层中的离子 120包括B+。
所述离子注入阻挡层中离子的剂量为大于等于1E12cm-2且小于等于1E17 cm-2。可选地,所述离子注入阻挡层的电阻率大于1E9 Ω.cm。
所述有源区 122和所述限制层 123相互叠置,且所述有源区 122和所述限制层123位于所述底部DBR层 121与所述顶部DBR层 124之间。所述限制层 123可位于所述有源区 122的上方,也可位于所述有源区 122的下方。所述外延结构 10还包括顶部电极接触层125,所述顶部电极接触层 125形成于所述顶部DBR层 124上。所述第一电极 20和所述第二电极 30的形成位置并不为本申请所局限。例如,所述第一电极 20形成于所述顶部电极接触层 125上,所述第二电极 30叠置于所述衬底层 11,或者叠置于所述底部DBR层 121,或者其他位置。
所述底部DBR层 121和所述顶部DBR层 124的掺杂类型可根据需求设置。相应地,所述底部DBR层 121可被实施为底部N-DBR层,也可被实施为底部P-DBR层。所述顶部DBR层124可被实施为顶部N-DBR层,也可被实施为顶部P-DBR层。
N-DBR层由N型掺杂的高铝含量的AlxGa1-xAs (x=1~0)和N型掺杂的低铝含量的AlxGa1-xAs (x=1~0)的交替层形成。P-DBR层由P型掺杂的高铝含量的AlxGa1-xAs (x=1~0)和P型掺杂的低铝含量的AlxGa1-xAs (x=1~0)的交替层形成。
所述有源区 122被夹设于所述顶部DBR层 124与所述底部DBR层 121之间,以形成谐振腔,其中,光子在被激发后在所述谐振腔内来回反射不断重复放大以形成激光振荡,从而形成了激光。本领域普通技术人员应知晓,通过对所述顶部DBR层 124和所述底部DBR层121的配置和设计能够可选择地控制激光的出射方向,例如,从所述底部DBR层 121出射,或者,从所述顶部DBR层 124出射。相应地,所述顶部DBR层 124和所述底部DBR层 121被配置为在所述VCSEL激光器 1被导通后,由所述有源区 122产生的激光在所述顶部DBR层 124与所述底部DBR层 121之间形成的谐振腔内被多次反射后从所述顶部DBR层 124,或者,所述底部DBR层 121出射。
所述限制层 123具有位于其中央的中央区域和环绕于所述中央区域的外围区域,其中,所述限制层 123中央区域形成限制孔,其外围区域中存在特定的离子,电阻较大,形成限制区域。所述限制层 123可被实施为氧化限制层,也可被实施为离子型限制层。
所述VCSEL激光器 1被导通后,电流被限制层 123限制流向,其最终被导入所述VCSEL激光器 1的中部区域,以使得所述有源区 122的中部区域产生激光。具体地,所述限制区域具有较高的电阻率以限制载流子流入所述VCSEL激光器 1的中部区域,且所述限制区域的折射率较低以对光子进行横向限制,载流子和光学横向限制增加了所述有源区 122内的载流子和光子的密度,提高了在所述有源区 122内产生光的效率。
所述VCSEL激光器 1出射的激光的波长范围为350 nm至530 nm,或500 nm至1000nm,或,1000 nm至1600 nm。
综上,基于本申请实施例的VCSEL激光器 1被阐明,所述VCSEL激光器 1提供了一种阻挡层设计方案,本申请的离子注入阻挡层 13的电阻较高,能够较大程度地阻挡电流流向衬底层 11,降低电流流动过程中形成漏电流的概率,这样,可在一定程度上提高VCSEL激光器的输出功率和光电转换效率。
示意性VCSEL激光器的制造方法:相应地,在本申请实施例中,提出一种VCSEL激光器的制造方法。如图4所示,其包括:S110,形成阻挡形成层 130;S120,在所述阻挡形成层130内注入离子,以形成离子注入阻挡层 13;S130,在所述离子注入阻挡层 13上形成外延主体结构 12,所述外延主体结构 12包括底部DBR层 121、顶部DBR层 124、至少一有源区122和至少一限制层 123;所述有源区 122和所述限制层 123位于所述底部DBR层 121与顶部DBR层 124之间;以及,S140,形成第一电极 20和第二电极 30,所述第一电极 20和所述第二电极 30分别连接于所述外延主体结构 12。
在步骤S110中,形成阻挡形成层 130。具体地,在本申请的一个实施方式中,提供一衬底结构 110,在衬底结构 110上生长至少一半导体层,将至少部分所述半导体层作为所述阻挡形成层 130。所述衬底结构 110形成衬底层 11。在本申请的另一个实施方式中,提供一衬底结构 110,并将所述衬底结构 110的上部作为所述阻挡形成层 130。所述衬底结构 110的上部形成所述阻挡形成层 130,所述衬底结构 110的下部形成衬底层 11。所述阻挡形成层 130的制成材料选自SiO2,Si3N4,Al2O3,AlN中的一种或多种。所述阻挡形成层130可为掺杂型阻挡形成层,如图5所示;所述阻挡形成层 130也可为P型阻挡形成层,如图6所示。
在步骤S120中,在所述阻挡形成层 130内注入离子 120,以形成离子注入阻挡层13。具体地,向所述阻挡形成层 130内注入以下离子 120中的一种或多种:H+、O+、B+。注入离子的计量为大于等于1E12 cm-2且小于等于1E17 cm-2。离子的初始能量为5-500 keV。离子的初始能量是指未被注入至所述阻挡形成层 130时离子的能量。
值得一提的是,在本申请实施例中,期望位于衬底层 11与后续形成的外延主体结构 12之间的阻挡层的电导率较低,以阻止电流从所述外延主体结构 12流向所述衬底层11。理论上,可以通过调整阻挡层的选材来调整阻挡层的导电率,进而改善其对电流的阻挡作用。然而,应可以理解,半导体材料对电流的阻挡作用存在局限。半导体材料的导电能力介于导体与绝缘体之间,即使挑选导电能力较低的半导体材料,也较难完全阻挡电流通过。
本申请通过向半导体结构层,即,本申请的阻挡形成层 130注入离子来破坏半导体层的晶格,使得被注入离子后的阻挡形成层的电阻增大,起到阻挡电流的作用。本申请的阻挡层设计方案突破了半导体层选材对半导体层的导电率的局限,通过破坏半导体层原本的内部结构来较大程度地改变半导体层的导电率。
在步骤S130中,在所述离子注入阻挡层 13上形成外延主体结构 12。具体地,通过外延生长工艺在所述离子注入阻挡层 13上生长叠置于所述离子注入阻挡层 13的底部半导体交替层、限制层形成层、有源区形成层、顶部半导体交替层和顶部接触层形成层,以形成外延主体形成层。相应地,所述外延主体形成层包括叠置于所述离子注入阻挡层 13的底部半导体交替层、限制层形成层、有源区形成层、顶部半导体交替层和顶部接触层形成层。
接着,对所述限制层形成层进行处理,以形成限制层 123。具体地,对所述限制层形成层进行氧化,以形成氧化限制层;或者向所述限制层形成层注入离子,以形成离子注入限制层。
在本申请实施例中,可将所述衬底层 11减薄。
在步骤S140中,形成第一电极 20和第二电极 30。具体地,在所述顶部电极接触层125上镀设金属,该被镀设于所述顶部电极接触层 125的金属形成第一电极 20。在所述衬底层 11的下表面或者其他位置,例如,底部DBR层 121,镀设金属,该被镀设于衬底层 11的下表面或者底部DBR层 121或者其他位置的金属形成所述第二电极 30。
综上,基于本申请实施例的VCSEL激光器的制造方法被阐明,所述VCSEL激光器的制造方法提供了一种阻挡层设计方案,本申请的离子注入阻挡层 13的电阻较高,能够较大程度地阻挡电流流向衬底层 11,降低电流流动过程中形成漏电流的概率,这样,可在一定程度上提高VCSEL激光器的输出功率和光电转换效率。
以上结合具体实施例描述了本申请的基本原理,但是,需要指出的是,在本申请中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制,不能认为这些优点、优势、效果等是本申请的各个实施例必须具备的。另外,上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用,而非限制,上述细节并不限制本申请为必须采用上述具体的细节来实现。
Claims (16)
1.一种VCSEL激光器,其特征在于,包括:外延结构,所述外延结构包括:衬底层;外延主体结构;所述外延主体结构叠置于所述离子注入阻挡层上,所述外延主体结构包括底部DBR层、顶部DBR层、有源区和限制层,所述有源区和所述限制层位于所述底部DBR层和所述顶部DBR层之间;以及离子注入阻挡层;所述离子注入阻挡层形成于所述衬底层和所述外延主体结构之间,以阻挡电流从所述外延主体结构流向所述衬底层;第一电极,所述第一电极连接于所述外延结构;以及第二电极,所述第二电极连接于所述外延结构。
2.根据权利要求1所述的VCSEL激光器,其中,所述离子注入阻挡层为非掺杂型离子注入阻挡层。
3.根据权利要求2所述的VCSEL激光器,其中,所述离子注入阻挡层中的离子选自H+、O+中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的VCSEL激光器,其中,所述离子注入阻挡层为P掺杂型离子注入阻挡层。
5.根据权利要求4所述的VCSEL激光器,其中,所述离子注入阻挡层中的离子包括B+。
6.根据权利要求1所述的VCSEL激光器,其中,所述离子注入阻挡层中离子的剂量为大于等于1E12 cm-2且小于等于1E17 cm-2。
7.根据权利要求1所述的VCSEL激光器,其中,所述离子注入阻挡层包括阻挡形成层和注入所述阻挡形成层内的离子,所述阻挡形成层的制成材料选自SiO2,Si3N4,Al2O3,AlN中的一种或多种。
8.根据权利要求1所述的VCSEL激光器,其中,所述VCSEL激光器出射的激光的波长范围为350 nm至530 nm,或500 nm至1000 nm,或,1000 nm至1600 nm。
9.根据权利要求1所述的VCSEL激光器,其中,所述离子注入阻挡层的电阻率大于1E9Ω.cm。
10.一种VCSEL激光器的制造方法,其特征在于,包括:
形成阻挡形成层;
在所述阻挡形成层内注入离子,以形成离子注入阻挡层;
在所述离子注入阻挡层上形成外延主体结构,所述外延主体结构包括底部DBR层、顶部DBR层、有源区和限制层,所述有源区和所述限制层位于所述底部DBR层与所述顶部DBR层之间;以及
形成第一电极和第二电极,所述第一电极和所述第二电极分别连接于所述外延主体结构。
11.根据权利要求10所述的VCSEL激光器的制造方法,其中,在所述阻挡形成层内注入离子,包括:向所述阻挡形成层内注入以下离子中的一种或多种:H+、O+、B+。
12.根据权利要求11所述的VCSEL激光器的制造方法,其中,在所述阻挡形成层内注入离子的过程中,注入离子的计量为大于等于1E12 cm-2且小于等于1E17 cm-2。
13.根据权利要求11所述的VCSEL激光器的制造方法,其中,在所述阻挡形成层内注入离子的过程中,离子的初始能量为5-500 keV。
14.根据权利要求10所述的VCSEL激光器的制造方法,其中,所述阻挡形成层的制成材料选自SiO2,Si3N4,Al2O3,AlN中的一种或多种。
15.根据权利要求10所述的VCSEL激光器的制造方法,其中,形成阻挡形成层,包括:在衬底结构上生长至少一半导体层,将至少部分所述半导体层作为所述阻挡形成层。
16.根据权利要求10所述的VCSEL激光器的制造方法,其中,形成阻挡形成层,包括:提供一衬底结构,并将所述衬底结构的上部作为所述阻挡形成层。
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