CN106206891B - 氮化物半导体结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种氮化物半导体结构,其包括基板、被覆层、成核层、过渡层以及复合缓冲结构。被覆层位于基板上。成核层位于基板与被覆层之间。过渡层位于成核层与被覆层之间,其中过渡层为AlxGaN层。复合缓冲结构位于过渡层与被覆层之间。复合缓冲结构包括第一复合缓冲层,其中第一复合缓冲层包括相互交叠的多个第一AlyGaN层以及多个第一GaN层,且x等于y。因此可避免由于氮化铝的长时间磊晶而造成产能降低的问题,并减缓顶GaN层(即氮化物半导体层)与基板之间因晶格与热膨胀系数不匹配所产生的应力,从而克服前述两者之间缺陷过多的缺点。
Description
技术领域
本发明是涉及一种半导体结构,尤其涉及一种氮化物半导体结构。
背景技术
近年来,氮化物发光二极管已广泛地应用于各领域。在氮化物半导体结构中,由于硅基板具备高导热以及低成本等优点,因此,以硅基板为基础的大尺寸的氮化物半导体已成为氮化物发光二极管中的重要元件。
然而,以氮化镓(GaN)半导体层为例,氮化镓半导体层与硅基板之间的晶格差异为17%,且两者之间的热膨胀系数差异为54%。上述差异除了在冷却期间会因热应力过大而造成薄膜破裂外,也会使氮化镓半导体层在磊晶过程中产生内应力,进而造成薄膜龟裂并形成缺陷。因此,如何解决氮化物半导体层与硅基板之间晶格与热膨胀系数不匹配的问题,以减少晶片的破裂、避免缺陷的产生,便成为当前亟待解决的课题。
发明内容
本发明提供一种氮化物半导体结构,改善氮化镓与硅之间晶格与热膨胀系数不匹配的问题,以减少晶片的破裂,并避免缺陷的产生。
本发明提出一种氮化物半导体结构,其包括基板、被覆层、成核层、过渡层以及复合缓冲结构。被覆层位于基板上。成核层位于基板与被覆层之间。过渡层位于成核层与被覆层之间,其中过渡层为AlxGaN层。复合缓冲结构位于过渡层与被覆层之间。复合缓冲结构包括第一复合缓冲层,其中第一复合缓冲层包括相互交叠的多个第一AlyGaN层以及多个第一GaN层,且x等于y。
在本发明的一实施例中,上述的成核层的厚度介于50纳米至3000纳米之间。
在本发明的一实施例中,上述的成核层包括氮化铝层。
在本发明的一实施例中,上述的成核层包括碳化硅层。
在本发明的一实施例中,上述的各个第一AlyGaN层的厚度彼此相同,各个第一GaN层的厚度彼此相同,且这些第一AlyGaN层的层数等于这些第一GaN层的层数。
在本发明的一实施例中,上述的复合缓冲结构还包括第二复合缓冲层,位于第一复合缓冲层与过渡层之间。第二复合缓冲层包括相互交叠的多个第二AlyGaN层以及多个第二GaN层。
在本发明的一实施例中,上述的各个第二AlyGaN层的厚度彼此相同,各个第二GaN层的厚度彼此相同。这些第二AlyGaN层的层数等于这些第二GaN层的层数。
在本发明的一实施例中,上述的第一AlyGaN层的厚度为a1,第一GaN层的厚度为b1,第二AlyGaN层的厚度为a2,且第二GaN层的厚度为b2,其中a1、b1、a2以及b2满足下列关系式:
a1/(a1+b1)<a2/(a2+b2)。
在本发明的一实施例中,0<x<0.5。
在本发明的一实施例中,上述的氮化物半导体结构还包括顶GaN层,位于第一复合缓冲层与被覆层之间。顶GaN层的厚度大于各个第一GaN层的厚度
在本发明的一实施例中,上述的顶GaN层的厚度介于10纳米至2500纳米之间。
在本发明的一实施例中,上述的氮化物半导体结构还包括阻障层,位于顶GaN层与被覆层之间。
在本发明的一实施例中,上述的阻障层的厚度介于5纳米至40纳米之间。
在本发明的一实施例中,上述的被覆层的厚度介于1纳米至5纳米之间。
在本发明的一实施例中,上述的基板的材料包括硅、氧化铝或玻璃。
在本发明的一实施例中,上述的基板为图案化基板。
在本发明的一实施例中,上述的过渡层的厚度介于50纳米至2000纳米之间。
基于上述,在本发明的氮化物半导体结构中,其是将成核层、过渡层以及复合缓冲结构依序堆叠于基板上,其中过渡层为AlxGaN层,复合缓冲结构的复合缓冲层可包括相互交叠的多个AlyGaN层以及多个GaN层,且x等于y。因此,本发明的氮化物半导体结构可通过上述AlxGaN层的厚度与AlyGaN层的厚度之间的差异,使相对靠近成核层的过渡层的平均铝含量大于相对远离成核层的复合缓冲层的平均铝含量,藉以有效地减缓顶GaN层(即氮化物半导体层)与基板之间因晶格与热膨胀系数不匹配所产生的应力,从而克服前述两者之间缺陷过多的缺点。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂,下文特举实施例,并配合附图作详细说明如下。
附图说明
图1是本发明的一实施例所示出的氮化物半导体结构的剖面示意图;
图2是本发明的另一实施例所示出的氮化物半导体结构的剖面示意图;
图3是本发明的又一实施例所示出的氮化物半导体结构的剖面示意图。
附图标记说明:
100、100A~100B:氮化物半导体结构;
110:基板;
120:被覆层;
130:成核层;
140:过渡层;
150、150a、150b:复合缓冲结构;
151:第一复合缓冲层;
151a:第一AlyGaN层;
151b:第一GaN层;
152:第二复合缓冲层;
152a:第二AlyGaN层;
152b:第二GaN层;
153:第三复合缓冲层;
153a:第三AlyGaN层;
153b:第三GaN层;
154:顶GaN层;
155:阻障层。
具体实施方式
图1是本发明的一实施例所示出的氮化物半导体结构的剖面示意图,其中第一复合缓冲层示意地示出相互交叠的数层第一AlyGaN层与数层第一GaN层,并非代表其实际的层数。请参考图1,在本实施例中,氮化物半导体结构100包括基板110、被覆层120、成核层130、过渡层140以及复合缓冲结构150,其中基板110的材料可包括硅、氧化铝(Al2O3)或玻璃。以硅基板为例,基板110可为图案化的硅基板,其图案可为规则或不规则的微米图案或纳米图案。举例来说,基板110经图案化后可形成有多个凹陷(未示出),以使后续形成于基板110上的磊晶层(也即,成核层130)能够侧向成长,进而减少差排(dislocation)的产生。
被覆层120位于基板110上,且成核层130位于基板110与被覆层120之间。成核层130例如是通过有机化学气相沉积法(MOCVD)或物理气相沉积(PVD)等方式而形成于基板110上的氮化铝(AlN)层。在其他实施例中,成核层130也可以是通过化学气相沉积法(chemical vapor deposition,以下简称CVD)而形成于基板110上的碳化硅(SiC)层。换句话说,本发明的成核层130可以是氮化铝层或碳化硅层,其中氮化铝层与碳化硅层可分别通过上述相应的形成方式,以成长于平坦的硅基板或者图案化的硅基板上。此处,成核层130的厚度例如是介于50纳米至3000纳米之间。
过渡层140位于成核层130与被覆层120之间,其中过渡层140例如是通过有机化学气相沉积法而形成于成核层130上的AlxGaN层,且0<x<0.5。此处,过渡层140的厚度例如是介于50纳米至2000纳米之间。本实施例的氮化物半导体结构100可通过上述过渡层140的参数设计,有效地减缓被覆层120与基板110之间因晶格与热膨胀系数不匹配所产生的应力。另一方面,复合缓冲结构150位于过渡层140与被覆层120之间,其可包括第一复合缓冲层151。此处,第一复合缓冲层151可包括相互交叠的多个第一AlyGaN层151a以及多个第一GaN层151b,其中0<y<0.5,且x等于y。
在本实施例中,第一复合缓冲层151可先通过有机化学气相沉积法以于过渡层140上形成一层第一AlyGaN层151a,再于此第一AlyGaN层151a上通过有机化学气相沉积法形成一层第一GaN层151b,如此反复为之,以形成相互交叠的多个第一AlyGaN层151a以及多个第一GaN层151b。在其他实施例中,第一复合缓冲层151也可先通过有机化学气相沉积法以于过渡层140上形成一层第一GaN层151b,再于此第一GaN层151b上通过有机化学气相沉积法形成一层第一AlyGaN层151a,如此反复为之,以形成相互交叠的多个第一AlyGaN层151a以及多个第一GaN层151b。也就是说,本发明对于第一AlyGaN层151a与第一GaN层151b之间的交叠顺序并不加以限制。此处,各个第一AlyGaN层151a的厚度彼此相等,各个第一GaN层151b的厚度彼此相等,第一AlyGaN层151a的层数等于第一GaN层151b的层数,其中第一AlyGaN层151a的厚度例如是介于1纳米至30纳米之间,且第一GaN层151b的厚度例如是介于1纳米至30纳米之间。此外,在本实施例中,各个第一AlyGaN层151a的厚度与各个第一GaN层151b的厚度相同,但本发明并不限于此。
另一方面,氮化物半导体结构100还包括顶GaN层154,其例如是通过有机化学气相沉积法而形成于第一复合缓冲层151上,且厚度介于10纳米至2500纳米之间。氮化物半导体结构100还包括阻障层155,其例如是通过有机化学气相沉积法而形成于顶GaN层154上的AlGaN层,且厚度介于5纳米至40纳米之间。换言之,本实施例是在形成被覆层120于复合缓冲结构150之前,先于复合缓冲结构150上形成顶GaN层154,接着于顶GaN层154上形成阻障层155,最后使被覆层120形成于阻障层155上。其中,顶GaN层154的设置可有助于提升磊晶的品质。
由于本实施例的第一复合缓冲层151是由多个第一AlyGaN层151a以及多个第一GaN层151b交叠而成的超晶格结构,其中相对靠近成核层130的第一AlyGaN层151a的铝含量与相对远离成核层130的第一AlyGaN层151a的铝含量彼此相等,并利用第一GaN层151b取代现有的氮化铝层,因此可避免由于氮化铝的长时间磊晶而造成产能降低的问题,并减缓顶GaN层154与基板110之间因晶格与热膨胀系数不匹配所产生的应力。另一方面,成核层130也可用以减缓顶GaN层154与基板110之间因晶格与热膨胀系数不匹配所产生的应力。
详细而言,被覆层120位于复合缓冲结构150上,且连接阻障层155。换言之,阻障层155例如是位于被覆层120与顶GaN层154之间,其中被覆层120的材料可包括氮化镓(GaN),且形成被覆层120的方法可包括有机金属化学气相沉积法。此处,被覆层120的厚度例如是介于1纳米至5纳米之间。
在本实施例中,过渡层140例如是Al0.25GaN层,其厚度例如是800纳米。又,各个第一AlyGaN层151a也例如是Al0.25GaN层,其中各个第一AlyGaN层151a的厚度与各个第一GaN层151b的厚度皆例如是4纳米,且第一AlyGaN层151a的层数与第一GaN层151b的层数皆例如是90层。也就是说,这些第一AlyGaN层151a的总厚度为360纳米,因此相对靠近成核层130的过渡层140的平均铝含量会大于相对远离成核层130的第一复合缓冲层151的平均铝含量,藉以缓顶GaN层154与基板110之间因热膨胀系数的差异所产生的应力。另一方面,由于阻障层155的厚度例如是25纳米,因此相对靠近成核层130的第一复合缓冲层151的平均铝含量会大于相对远离成核层130的阻障层155的平均铝含量,藉以减缓顶GaN层154与基板110之间因晶格与热膨胀系数不匹配所产生的应力。
以下将列举其他实施例以作为说明。在此必须说明的是,下述实施例沿用前述实施例的元件标号与部分内容,其中采用相同的标号来表示相同或近似的元件,并且省略了相同技术内容的说明。关于省略部分的说明可参考前述实施例,下述实施例不再重复赘述。
图2是本发明的另一实施例所示出的氮化物半导体结构的剖面示意图,其中第一复合缓冲层示意地示出数层第一AlyGaN层与数层第一GaN层,且第二复合缓冲层示意地示出数层第二AlyGaN层与数层第二GaN层,并非代表其实际的层数。值得注意的是,图2的氮化物半导体结构100A与图1的氮化物半导体结构100的主要差异处在于:复合缓冲结构的组成不同。请参考图2,在本实施例中,复合缓冲结构150a还包括第二复合缓冲层152,位于第一复合缓冲层151与过渡层140之间,其中第二复合缓冲层152可包括相互交叠的多个第二AlyGaN层152a以及多个第二GaN层152b,各个第二AlyGaN层152a的厚度彼此相同,且各个第二GaN层152b的厚度彼此相同。另一方面,各个第二AlyGaN层152a的厚度大于各个第一AlyGaN层151a的厚度,且各个第二AlyGaN层152a的厚度与对应的第二GaN层152b的厚度的总和等于各个第一AlyGaN层151a的厚度与对应的第一GaN层151b的厚度的总和。也即,一层第一AlyGaN层151a与一层第一GaN层151b的总厚度等于一层第二AlyGaN层152a与一层第一GaN层151b的总厚度。
此处,第一AlyGaN层151a的层数、第二AlyGaN层152a的层数、第一GaN层151b的层数以及第二GaN层152b的层数彼此相等,因此第二复合缓冲层152的厚度会与第一复合缓冲层151的厚度相同。第一AlyGaN层151a与第二AlyGaN层152a皆例如是Al0.25GaN层,其中各个第二AlyGaN层152a的厚度例如是6纳米,各个第二GaN层152b的厚度例如是2纳米,且第一AlyGaN层151a的层数、第二AlyGaN层152a的层数、第一GaN层151b的层数以及第二GaN层152b的层数皆例如是60层。也就是说,这些第一AlyGaN层151a的总厚度与这些第二AlyGaN层152a的总厚度的总和为600纳米。由于过渡层140例如是Al0.25GaN层,且厚度例如是800纳米,因此相对靠近成核层130的过渡层140的平均铝含量会大于相对远离成核层130的第一复合缓冲层151与第二复合缓冲层152的平均铝含量,且相对靠近成核层130的第二复合缓冲层152的平均铝含量会大于相对远离成核层130的第一复合缓冲层151的平均铝含量,藉以减缓顶GaN层154与基板110之间因热膨胀系数的差异所产生的应力。
换个角度来说,在本实施例中,相对远离成核层130的第一AlyGaN层151a的厚度为a1,相对远离成核层130的第一GaN层151b的厚度为b1,相对靠近成核层130的第二AlyGaN层152a的厚度为a2,且相对靠近成核层130的第二GaN层152b的厚度为b2,前述a1、b1、a2以及b2可满足下列关系式(1):
a1/(a1+b1)<a2/(a2+b2) (1)
图3是本发明的又一实施例所示出的氮化物半导体结构的剖面示意图,其中第一缓冲层示意地示出数层第一AlyGaN层与数层第一GaN层,第二复合缓冲层示意地示出数层第二AlyGaN层与数层第二GaN层,且第三复合缓冲层示意地示出数层第三AlyGaN层与数层第三GaN层,并非代表其实际的层数。值得注意的是,图3的氮化物半导体结构100B与图2的氮化物半导体结构100A的主要差异处在于:复合缓冲结构的组成不同。请参考图3,在本实施例中,复合缓冲结构150b还包括第三复合缓冲层153,位于第一复合缓冲层151与顶GaN层154之间,其中第三复合缓冲层153可包括相互交叠的多个第三AlyGaN层153a以及多个第三GaN层153b,各个第三AlyGaN层153a的厚度小于各个第一AlyGaN层151a的厚度,且各个第三AlyGaN层153a的厚度与对应的第三GaN层153b的厚度的总和、各个第二AlyGaN层152a的厚度与对应的第二GaN层152b的厚度的总和以及各个第一AlyGaN层151a的厚度与对应的第一GaN层151b的厚度的总和彼此相等。
此处,第一AlyGaN层151a的层数、第二AlyGaN层152a的层数、第三AlyGaN层153a的层数、第一GaN层151b的层数、第二GaN层152b的层数以及第三GaN层153b的层数彼此相等,因此第一复合缓冲层151的厚度、第二复合缓冲层152的厚度以及第三复合缓冲层153会彼此相等。第一AlyGaN层151a、第二AlyGaN层152a以及第三AlyGaN层153a皆例如是Al0.25GaN层,各个第三AlyGaN层153a的厚度例如是2纳米,各个第三GaN层153b的厚度例如是6纳米,且第一AlyGaN层151a的层数、第二AlyGaN层152a的层数、第三AlyGaN层153a的层数、第一GaN层151b的层数、第二GaN层152b的层数以及第三GaN层153b的层数皆例如是60层。也就是说,这些第一AlyGaN层151a的总厚度、这些第二AlyGaN层152a的总厚度以及这些第三AlyGaN层153a的总厚度的总和为720纳米。由于过渡层140例如是Al0.25GaN层,且厚度例如是1000纳米,因此相对靠近成核层130的过渡层140的平均铝含量会大于相对远离成核层130的第一复合缓冲层151、第二复合缓冲层152以及第三复合缓冲层153的平均铝含量,相对靠近成核层130的第二复合缓冲层152的平均铝含量会大于相对远离成核层130的第一复合缓冲层151的平均铝含量,且相对靠近成核层130的第一复合缓冲层151的平均铝含量会大于相对远离成核层130的第三复合缓冲层153的平均铝含量,藉以减缓顶GaN层154与基板110之间因热膨胀系数的差异所产生的应力。
换个角度来说,在本实施例中,第一AlyGaN层151a的厚度为a1,第一GaN层151b的厚度为b1,相对靠近成核层130的第二AlyGaN层152a的厚度为a2,相对靠近成核层130的第二GaN层152b的厚度为b2,相对远离成核层130的第三AlyGaN层153a的厚度为a3,相对远离成核层130的第三GaN层153b的厚度为b3,前述a1、b1、a2、b2、a3以及b2可满足以下关系式(2):
a3/(a3+b3)<a1/(a1+b1)<a2/(a2+b2) (2)
需说明的是,虽然本实施例是以复合缓冲结构包含三层复合缓冲层作说明,但本发明不限于此,基于上述的各层复合缓冲层的AlyGaN层是以越靠近成核层者厚度越厚的设计原则,也可令复合缓冲结构包含有四层、五层或更多层复合缓冲层。
以下列举几个实验结果来验证上述实施例的效果。实验例1是对应于氮化物半导体结构100的制作,也即在基板110上依序形成厚度为270纳米的成核层130(AlN层)、厚度为800纳米的过渡层140(Al0.25GaN层)、复合缓冲结构150以及厚度为3纳米的被覆层120,其中复合缓冲结构150包括厚度为720纳米的第一复合缓冲层151、厚度为2200纳米的顶GaN层154以及厚度为25纳米的阻障层155。实验例2是对应于氮化物半导体结构100A的制作,也即在基板110上依序形成厚度为270纳米的成核层130(AlN层)、厚度为800纳米的过渡层140(Al0.25GaN层)、复合缓冲结构150a以及厚度为3纳米的被覆层120,其中复合缓冲结构150a包括总厚度为960纳米的第一复合缓冲层151、第二复合缓冲层152、厚度为1900纳米的顶GaN层154以及厚度为25纳米的阻障层155。实验例3是对应于氮化物半导体结构100B的制作,也即在基板110上依序形成厚度为270纳米的成核层130(AlN层)、厚度为1000纳米的过渡层140(Al0.25GaN层)、复合缓冲结构150b以及厚度为3纳米的被覆层120,其中复合缓冲结构150b包括厚度为1440纳米的第一复合缓冲层151、第二复合缓冲层152、第三复合缓冲层153、厚度为1900纳米的顶GaN层154以及厚度为25纳米的阻障层155。
实验例1~3的主要差异处是在于:复合缓冲结构的组成,其中第一复合缓冲层151、第二复合缓冲层152、第三复合缓冲层153的组成、各个分层的厚度以及相对配置关系可参照上述实施例的说明,于此便不再赘述。对实验例1~3的氮化物半导体结构100、100A~100B从温度1050℃冷却到室温(约25℃)进行试验,结果显示于下表一。
表一
由表一可知,实验例1~3的氮化物半导体结构100、100A~100B的从温度1050℃冷却到室温(约25℃)后,顶GaN层154(即氮化物半导体层)与基板110之间热膨胀系数及晶格的差异所产生的应力而造成的结构破裂(crack)、弯曲(bow)以及翘曲(warp)等情形皆可得到改善。
综上所述,在本发明的氮化物半导体结构中,其是将成核层、过渡层以及复合缓冲结构依序堆叠于基板上,其中过渡层为AlxGaN层,复合缓冲结构的复合缓冲层可包括相互交叠的多个AlyGaN层以及多个GaN层,且x等于y。由于复合缓冲层是由多个AlyGaN层以及多个GaN层交叠而成的超晶格结构,并利用GaN层取代现有的氮化铝层,因此可避免由于氮化铝的长时间磊晶而造成产能降低的问题,并减缓顶GaN层(即氮化物半导体层)与基板之间因晶格与热膨胀系数不匹配所产生的应力,从而克服前述两者之间缺陷过多的缺点。
最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (15)
1.一种氮化物半导体结构,其特征在于,包括:
基板;
被覆层,位于所述基板上;
成核层,位于所述基板与所述被覆层之间;
过渡层,位于所述成核层与所述被覆层之间,其中所述过渡层为AlxGaN层;以及
复合缓冲结构,位于所述过渡层与所述被覆层之间,所述复合缓冲结构包括:
第一复合缓冲层,其中所述第一复合缓冲层包括相互交叠的多个第一AlyGaN层以及多个第一GaN层,且x等于y;以及
第二复合缓冲层,位于所述第一复合缓冲层与所述过渡层之间,所述第二复合缓冲层包括相互交叠的多个第二AlyGaN层以及多个第二GaN层,
其中,所述第一AlyGaN层的厚度为a1,所述第一GaN层的厚度为b1,所述第二AlyGaN层的厚度为a2,且所述第二GaN层的厚度为b2,其中a1、b1、a2以及b2满足下列关系式:
a1/(a1+b1)<a2/(a2+b2)。
2.根据权利要求1所述的氮化物半导体结构,其特征在于,所述成核层的厚度介于50纳米至3000纳米之间。
3.根据权利要求1所述的氮化物半导体结构,其特征在于,所述成核层包括氮化铝层。
4.根据权利要求1所述的氮化物半导体结构,其特征在于,所述成核层包括碳化硅层。
5.根据权利要求1所述的氮化物半导体结构,其特征在于,各所述第一AlyGaN层的厚度彼此相同,各所述第一GaN层的厚度彼此相同,且所述多个第一AlyGaN层的层数等于所述多个第一GaN层的层数。
6.根据权利要求1所述的氮化物半导体结构,其特征在于,各所述第二AlyGaN层的厚度彼此相同,各所述第二GaN层的厚度彼此相同,所述多个第二AlyGaN层的层数等于所述多个第二GaN层的层数。
7.根据权利要求1所述的氮化物半导体结构,其特征在于,0<x<0.5。
8.根据权利要求1所述的氮化物半导体结构,其特征在于,还包括:
顶GaN层,位于所述第一复合缓冲层与所述被覆层之间,所述顶GaN层的厚度大于各所述第一GaN层的厚度。
9.根据权利要求8所述的氮化物半导体结构,其特征在于,所述顶GaN层的厚度介于10纳米至2500纳米之间。
10.根据权利要求8所述的氮化物半导体结构,其特征在于,还包括:
阻障层,位于所述顶GaN层与所述被覆层之间。
11.根据权利要求10所述的氮化物半导体结构,其特征在于,所述阻障层的厚度介于5纳米至40纳米之间。
12.根据权利要求1所述的氮化物半导体结构,其特征在于,所述被覆层的厚度介于1纳米至5纳米之间。
13.根据权利要求1所述的氮化物半导体结构,其特征在于,所述基板的材料包括硅、氧化铝或玻璃。
14.根据权利要求1所述的氮化物半导体结构,其特征在于,所述基板为图案化基板。
15.根据权利要求1所述的氮化物半导体结构,其特征在于,所述过渡层的厚度介于50纳米至2000纳米之间。
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