1 310 nm垂直腔面發(fā)射激光器芯片制備技術(shù)的研究進(jìn)展

劉麗杰， 吳遠(yuǎn)大*， 王 玥， 安俊明， 胡雄偉， 王 佐

(1. 中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所 集成光電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100083；2. 河南仕佳光子科技有限公司， 河南 鶴壁 458030)

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1 310 nm垂直腔面發(fā)射激光器芯片制備技術(shù)的研究進(jìn)展

劉麗杰1， 吳遠(yuǎn)大1*， 王 玥1， 安俊明1， 胡雄偉1， 王 佐2

(1. 中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所 集成光電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100083；2. 河南仕佳光子科技有限公司， 河南 鶴壁 458030)

垂直腔面發(fā)射激光器(VCSELs)在光纖通訊領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，國(guó)際上對(duì)VCSELs需求逐年增加，而國(guó)內(nèi)目前VCSELs的產(chǎn)業(yè)化尚屬空白。本文從兩方面著手綜述1 310 nm VCSELs制備方法。將可以制備出1 310 nm VCSELs的4種材料，從理論、制備、量產(chǎn)時(shí)需要考慮的因素等方面進(jìn)行較為全面的匯總分析；同時(shí)對(duì)兩種主流的制備方法從工藝步驟分析其在產(chǎn)業(yè)化方面的優(yōu)勢(shì)與不足。

垂直腔面發(fā)射激光器； 1 310 nm； 產(chǎn)業(yè)化

1 引 言

因特網(wǎng)和“互聯(lián)網(wǎng)+”的高速增長(zhǎng)，極大地推動(dòng)了城域網(wǎng)(MAN)、局域網(wǎng)、光互聯(lián)等高速光通訊領(lǐng)域?qū)挼男枨骩1-2]。垂直腔面發(fā)射激光器(VCSELs)具有圓形輸出光斑、發(fā)散角小、低閾值電流、高傳輸速率、高功率轉(zhuǎn)換效率、低電功率損耗、高工作溫度、高可靠性和低成本[3]等優(yōu)點(diǎn)，而且它與光纖耦合效率高，易于制成二維陣列，可在位檢測(cè)[4-5]，非常適合大規(guī)模生產(chǎn)，是國(guó)際上公認(rèn)的光纖通訊領(lǐng)域最有潛力的低成本激光光源之一。

基于材料體系的發(fā)展、開發(fā)難易程度和器件成本的考量，最初局域網(wǎng)采用的是GaAs基的850 nm VCSELs[6]，傳輸速率為0.1～10 Gbit/s。該器件采用同樣的激光輸出功率時(shí)，100 Mbit/s速率下的傳輸距離是7～8 km；當(dāng)傳輸速率提高至10 Gbit/s時(shí)，其傳輸距離僅為50 m。光纖在該波長(zhǎng)時(shí)衰減最小約為2 dB/km，多模光纖的衰減又大于單模光纖，衰減較多，所以850 nm VCSELs已不能滿足高速局域網(wǎng)的通信需求。而在1 310 nm波段時(shí)，光纖衰減最小約為0.5 dB/km，在1 550 nm波段時(shí)光纖衰減最小為0.2 dB/km。可見，采用1 310～1 550 nm長(zhǎng)波長(zhǎng)激光器是光纖通訊領(lǐng)域發(fā)展的必然趨勢(shì)。1 550 nm 分布反饋式激光器(DFB)[7]在長(zhǎng)距離傳輸中有著很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，但是，相對(duì)于量大面廣的城域網(wǎng)或局域網(wǎng)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，DFB激光器的成本稍高。這給1 310 nm VCSELs的研究與開發(fā)提供了很好的契機(jī)。

目前，1 310 nm長(zhǎng)波長(zhǎng)VCSELs芯片的制備主要存在以下技術(shù)難點(diǎn)[8]：

(1) 由于In1-xGaxAsyP1-y/InP材料體系中，與InP晶格匹配的不同組分間的折射率差太小，所以難以制備出長(zhǎng)波長(zhǎng)VCSEL所需的高質(zhì)量的DBR結(jié)構(gòu)。

(2) 要滿足VCSELs器件的激射條件，用In1-xGaxAsyP1-y/InP制備分布布拉格反射鏡(DBR)結(jié)構(gòu)時(shí)，需要生長(zhǎng)幾十對(duì)甚至上百對(duì)不同組分的材料[9]，這對(duì)各生長(zhǎng)層的層厚均勻性和組分均勻性以及組分控制提出了極其苛刻的要求。

(3) 在長(zhǎng)波長(zhǎng)領(lǐng)域，p層的自由載流子的吸收相當(dāng)高，導(dǎo)致光損較大。

(4)如何降低器件串聯(lián)電阻，提高器件的熱導(dǎo)系數(shù)實(shí)現(xiàn)電流的有效注入。

針對(duì)這些難點(diǎn)，本文將從有源區(qū)材料體系和制造方法兩方面說(shuō)明1 310 nm長(zhǎng)波長(zhǎng)VCSELs芯片的制備技術(shù)要點(diǎn)，并從產(chǎn)業(yè)化的角度分析各自的優(yōu)勢(shì)與不足。

2 1 310 nm VCSELs芯片的材料體系

VCSELs的結(jié)構(gòu)和工作原理如圖1所示。有源區(qū)材料的選取是制備激光器的關(guān)鍵，不同有源區(qū)材料體系會(huì)產(chǎn)生不同的導(dǎo)帶、階帶結(jié)構(gòu)和電子限制。目前能實(shí)現(xiàn)1 310 nm長(zhǎng)波長(zhǎng)VCSELs的有源區(qū)材料體系主要有GaAs 基的GaInNAs/GaAs、GaAsSb/GaAs和InP基的InGaAsP/InP、InAlGaAs/InP。

圖1 VCSEL原理示意圖

2.1 GaInNAs/GaAs材料體系

激射波長(zhǎng)為1 310 nm的半導(dǎo)體激光器，其有源區(qū)材料的帶隙是0.95 eV，如圖2所示。GaInNAs四元材料中的“N”具有電負(fù)性大、共價(jià)半徑較小的特點(diǎn)，會(huì)引起負(fù)的彎曲系數(shù)。因此，“N”并入GaAs或者InGaAs中會(huì)大大減小材料的帶隙，使材料的激射波長(zhǎng)延長(zhǎng)至1 310 nm。GaInNAs的優(yōu)點(diǎn)是：

(1)GaInNAs/GaAs QWs 的導(dǎo)帶差ΔEc高達(dá)300～400 meV，較深的量子阱對(duì)電子有很好的限制[10]。

(2) 可以采用技術(shù)成熟的AlGaAs/GaAs 作為DBR反射鏡[11]。

(3) 采用MBE生長(zhǎng)，與InP基材料相比，其組分和均勻性控制相對(duì)容易。

(4) 可以采用AlAs 氧化技術(shù)來(lái)進(jìn)行電流和光限制[12]。

(5) 可以直接與GaAs 基微電子電路及其他器件集成。

圖2 Ⅲ-Ⅴ族元素合金相圖

采用GaInNAs材料體系產(chǎn)業(yè)化的公司主要有：美國(guó)Picolight公司，發(fā)射波長(zhǎng)為1 280 nm，10 Gbit/s傳輸速率下的單模傳輸距離為20 km[3]；日本Sumitomo公司，25 ℃下的最大輸出功率為4.2 mW，10 Gbit/s的傳輸速率，發(fā)射波長(zhǎng)約為1 260 nm[13]。但是，GaInNAs在實(shí)際外延生長(zhǎng)技術(shù)中仍存在以下問題[7]：

(1)完全不同的邊界狀態(tài)將影響外延技術(shù)選擇，所以目前量產(chǎn)上使用MBE外延技術(shù)較多。

(2)不同組分合金在生長(zhǎng)過(guò)程中的匹配。GaInN晶體生長(zhǎng)需要相對(duì)較高的生長(zhǎng)溫度，而InGaAs需要相對(duì)較低的生長(zhǎng)溫度，容易形成易混的合金帶隙。

2.2 GaAsSb/GaAs材料體系

另一個(gè)GaAs基材料體系是GaAsSb/GaAs。含Sb化合物覆蓋的波長(zhǎng)比較寬，可以從900 nm延展至4 500 nm。GaAsSb/GaAs系材料有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

(1)GaAsSb和GaAs的晶格常數(shù)不匹配， GaAsSb外延層存在壓應(yīng)力，在GaAs 襯底上生長(zhǎng)的GaAsSb/GaAs是應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)，發(fā)光波長(zhǎng)可接近1 310 nm[14]。

(2)可以采用技術(shù)成熟的AlAs/GaAs 作為DBR 反射鏡[15]。

(3)GaAs1-xSbx和GaAs 界面的能帶不連續(xù)性主要降落在價(jià)帶，在導(dǎo)帶邊的不連續(xù)性較少，可能形成Ⅱ類異質(zhì)結(jié)界面[16]。Ⅱ類異質(zhì)結(jié)有兩個(gè)重要特性[17]：一是由晶格常數(shù)不同造成的應(yīng)變特性，二是由能帶交錯(cuò)排列產(chǎn)生的獨(dú)特電學(xué)和光學(xué)特性。

日本NEC公司的VCSEL器件的激射波長(zhǎng)為1 295 nm，閾值電流為1.2 mA，最大工作溫度可達(dá)70 ℃[18]。美國(guó)Lyfek 公司用MBE生長(zhǎng)技術(shù)制備了激射波長(zhǎng)為1 266 nm、單模輸出功率為0.3 mW(工作溫度為10 ℃)、最大工作溫度為70 ℃、邊模抑制比(SMSR)為42 dB 的VCSEL器件[19]。GaAs1-xSbx材料在生長(zhǎng)方面還需考慮以下幾個(gè)因素：

(1)由于Ga-Sb和Ga-As間的結(jié)合能差別較大，Ⅴ族元素之間存在強(qiáng)烈競(jìng)爭(zhēng)。

(2)GaAs1-xSbx外延生長(zhǎng)質(zhì)量和組分取決于生長(zhǎng)參數(shù)。

(3)砷化物的化學(xué)鍵普遍強(qiáng)于銻化物，Sb原子在GaAs表面無(wú)法通過(guò)Ga—As斷鍵方式置換出As原子來(lái)形成穩(wěn)定的GaSb，所以GaAs1-xSbx外延生長(zhǎng)中精確的組分控制和外延中關(guān)鍵工藝技術(shù)掌握至關(guān)重要，一旦控制不好則高質(zhì)量的材料制備將變得非常困難。

2.3 InGaAsP/InP材料體系

InGaAsP/InP是長(zhǎng)波長(zhǎng)光電器件研究及生產(chǎn)的首選材料。InxGa1-xAsyP1-y四元材料體系的晶格常數(shù)與帶隙的關(guān)系如圖3[20]所示。橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)是組分變化，實(shí)線是Eg值，虛線是晶格常數(shù)a。對(duì)于半導(dǎo)體激光器而言，最主要的是光電轉(zhuǎn)化效率要高，即注入的電子空穴直接輻射復(fù)合，產(chǎn)生較大增益，達(dá)到激射閾值，所以制備半導(dǎo)體激光器的材料需選直接帶隙材料。圖中上部粗實(shí)線表示與GaAs晶格匹配，下部粗實(shí)線表示與InP晶格匹配。由圖可以看出，對(duì)于GaAs(a=0.565 3 nm)，匹配的化合物的帶隙能量為l.4～1.9 eV。對(duì)于InP(a=0.586 9 nm)，匹配的化合物的帶隙能量為0.75～1.45 eV。對(duì)于1 310 nm VCSELs所對(duì)應(yīng)的材料帶隙，InGaAsP/InP有源區(qū)材料占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位。美國(guó)Agilent公司采用MOCVD生長(zhǎng)方法，制備出InGaAsP長(zhǎng)波長(zhǎng)VCSELs。該器件在室溫持續(xù)工作時(shí)的電流密度為1.1 kA/cm2，量子效率大于30%，最大工作溫度為85 ℃，單模輸出功率為1.6 mW[9]。該結(jié)構(gòu)材料生長(zhǎng)過(guò)程中需要考慮的主要問題是：

(1)InxGa1-xAsyP1-y與InP襯底匹配時(shí)，x、y滿足的關(guān)系式為x=0.4526/(1-0.031y)[21]，在外延生長(zhǎng)過(guò)程中通過(guò)調(diào)整，可以得到比較理想的材料組分。

(2)InP晶格匹配的不同組分InxGa1-x-AsyP1-y的折射率差太小，DBR結(jié)構(gòu)材料將有幾十對(duì)甚至上百對(duì)，這對(duì)各生長(zhǎng)層的層厚均勻性和組分均勻性都提出了極其苛刻的要求，需優(yōu)化DBR結(jié)構(gòu)體系[22]。

圖3 Eg和晶格常數(shù)a與材料組分的關(guān)系圖

2.4 AlInGaAs/InP材料體系

為提高激光器在惡劣環(huán)境下的工作的可靠性，人們提出了AlInGaAs/InP材料體系。它的主要優(yōu)勢(shì)是：

(1)AlInGaAs在室溫下帶隙能量在0.75～1.45 eV范圍內(nèi)，基本與InGaAsP相同。它的電子有效質(zhì)量為0.041～0.083，空穴的有效質(zhì)量為0.47～0.87，與InGaAsP(電子有效質(zhì)量0.041～0.08，空穴有效質(zhì)量0.47～0.85)相似。它們的室溫霍爾遷移率和折射率也基本相同。

(2)AlInGaAs的導(dǎo)帶偏差大：ΔEc=0.72ΔEg[23]，此結(jié)構(gòu)有利于提高激光器量子阱有源區(qū)在高溫及高注入電流密度情況下對(duì)電子的限制能力。

(3)由于價(jià)帶空穴的有效質(zhì)量遠(yuǎn)大于導(dǎo)帶電子的有效質(zhì)量，對(duì)AlInGaAs/InP材料系中相應(yīng)的價(jià)帶偏量小，價(jià)帶空穴注入一致性好，光譜調(diào)制特性得以改善。

(4)AlInGaAs只有一個(gè)Ⅴ族元素，在高溫處理時(shí)，不會(huì)發(fā)生Ⅴ族元素互擴(kuò)散和混晶現(xiàn)象，更容易得到一個(gè)陡峭的異質(zhì)界面[24]，這也是AlInGaAs器件高溫工作穩(wěn)定的一個(gè)重要因素[25]。

(5)AlInGaAs/InP材料可以選用MBE或MOCVD生長(zhǎng)技術(shù)生長(zhǎng)。

美國(guó)康寧公司采用MOCVD方法生長(zhǎng)了VCSELs器件，單模輸出功率為1.7 mW(工作溫度25 ℃)，85 ℃下的單模輸出功率為0.6 mW，最大工作溫度大于100 ℃， 10 Gbit/s傳輸速率下的傳輸距離達(dá)10 km[26]。德國(guó)VERTILAS 公司制備了1 330 nm InGaAlAs/InP VCSEL器件，室溫輸出功率為3 mW，80 ℃時(shí)的輸出功率為0.6 mW，TOSA光纖耦合效率大于50%，20～80 ℃溫度范圍內(nèi)的器件閾值電流為2.7 mA，SMSR為40 dB[27-28]。由于Al和Ga原子半徑相差很小，因此可以利用In源控制外延材料的應(yīng)變量，交互調(diào)節(jié)Al源和Ga源流量使AlInGaAs量子阱的激射波長(zhǎng)至所需波長(zhǎng)。線性調(diào)節(jié)Al源和Ga源流量可以方便地得到帶隙漸變的分別限制異質(zhì)結(jié)限制層，這可以進(jìn)一步提高激光器有源區(qū)兩側(cè)對(duì)電子的限制能力，提升器件性能。

綜上所述，1 310 nm VCSELs量產(chǎn)雖有4種材料體系可選用，但GaInNAs/GaAs及GaAsSb/GaAs材料由于帶隙和異質(zhì)結(jié)量子阱類型等原因，造成GaAs材料體系在長(zhǎng)波段不占優(yōu)勢(shì)。另外，從產(chǎn)業(yè)化商用標(biāo)準(zhǔn)來(lái)說(shuō)，目前 VCSEL光纖通訊領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)有SONET、IEEE802.3ae、ANSI和ITU等，根據(jù)傳輸距離的不同，由于光纖的色散和衰減，各標(biāo)準(zhǔn)需要不同的最小波長(zhǎng)。例如，OC-192(傳輸速率9.953 Gbit/s)，需求的最小波長(zhǎng)為1 290 nm。 所以GaAs基兩種材料體系不是長(zhǎng)波長(zhǎng)器件的首選。InP基的InGaAsP/InP、InAlGaAs/InP兩種材料體系雖在DBR制備時(shí)有不足之處，但器件在長(zhǎng)波長(zhǎng)1 310 nm甚至1 550 nm[29]波段有很大優(yōu)勢(shì)：一是如前所述的帶隙方面的優(yōu)勢(shì)，二是高速特性方面的優(yōu)勢(shì)。增大有源區(qū)微分增益可以提高有源區(qū)弛豫振蕩頻率，提高器件高速特性。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，量子阱結(jié)構(gòu)中的填充態(tài)和限制因子對(duì)微分增益有很重要的影響，而InP基兩種材料在這方面較GaAs基具有優(yōu)勢(shì)。在外延技術(shù)方面，GaAs基器件多數(shù)采用MBE生長(zhǎng)技術(shù)制備，MBE生長(zhǎng)N材料和Sb的合金具有生產(chǎn)速率低、產(chǎn)量小、設(shè)備及輔助材料成本高等劣勢(shì)。而InP基器件可采用MOCVD方法制備，該方法生長(zhǎng)過(guò)程最為靈活，可獲得陡峭的材料界面，具有雜質(zhì)少、點(diǎn)缺陷水平低、均勻性好、重復(fù)性高、生長(zhǎng)速率快、可選擇性生產(chǎn)和實(shí)時(shí)監(jiān)控等優(yōu)點(diǎn)。總之，InP基兩種材料體系在1 310 nm VCSELs器件的產(chǎn)業(yè)化方面更有發(fā)展前景。

3 1 310 nm VCSELs芯片的制備方法

通常人們根據(jù)DBR結(jié)構(gòu)的制備方法將1 310 nm長(zhǎng)波長(zhǎng)VCSELs的制備方法分成全外延生長(zhǎng)法和鍵合法兩大類。圖4是全外延生長(zhǎng)氧化限制型VCSELs的制備工藝流程示意圖[30]。(a) 外延片的一次生長(zhǎng)包括：在半導(dǎo)體襯底上依次生長(zhǎng)出掩埋層、晶格匹配過(guò)渡層、下n-DBR層、下光學(xué)和電流限制層、有源層、上光學(xué)和電流限制層、上p-DBR層、電極層等；(b) 利用光刻和濕法腐蝕技術(shù)進(jìn)行器件結(jié)構(gòu)刻蝕；(c) 采用濕氧氧化工藝形成電流限制區(qū)域；(d) PECVD介質(zhì)材料生長(zhǎng)；(e)填充腐蝕溝；(f)通過(guò)光刻和刻蝕工藝制作出p面歐姆電極的窗口；(g)通過(guò)電子束蒸發(fā)和lift off技術(shù)在制作p型電極的同時(shí)形成出光孔；(h) 外延片減薄、背面濺射制備出n型電極以及電極合金。隨后，進(jìn)行管芯解理、芯片燒結(jié)等器件制管工藝和器件特性測(cè)試分析。

晶片鍵合是使兩個(gè)具有平整或互補(bǔ)形態(tài)表面的固體在不存在任何中間層的情況下，通過(guò)化學(xué)鍵作用力結(jié)合成為一個(gè)整體的過(guò)程[31]。采用鍵合法制備VCSELs可以結(jié)合GaAs基DBR優(yōu)勢(shì)和InP基有源區(qū)的優(yōu)勢(shì)，從而制備高性能的長(zhǎng)波長(zhǎng)VCSELs器件[32]。例如：AlInGaAs材料具有較好的可靠性和低的溫度敏感性，但是需要生長(zhǎng)在InP襯底上。采用晶片鍵合技術(shù)將更多外延的兩元材料GaAs-AlAs DBR堆垛到有源區(qū)，提供最優(yōu)的熱和光學(xué)鏡面結(jié)構(gòu)、性能優(yōu)異的1 310 nm的VCSELs[28]。再如，鍵合法能將AlGaAs/GaAs材料制備的優(yōu)質(zhì)DBR結(jié)構(gòu)和AlInGaAs-InP材料制備出的優(yōu)質(zhì)高增益材料巧妙地結(jié)合在一起，并將長(zhǎng)波長(zhǎng)VCSELs的激射波長(zhǎng)涵蓋1 250～1 650 nm范圍，很適合CWDM應(yīng)用需求[33]。

圖4 氧化限制型VCSEL制作工藝

圖5 晶片鍵合工藝示意圖

鍵合法可以得到性能優(yōu)良的VCSELs器件，但是鍵合工藝復(fù)雜，不容易擴(kuò)展成大規(guī)模和高良率生產(chǎn)。晶片鍵合至少包含4個(gè)主要步驟[10]，如圖7所示，每步工藝控制不好都將會(huì)降低產(chǎn)品良率。國(guó)際VCSEL產(chǎn)業(yè)中只有為數(shù)不多的Vertilas、EPFL、Corning等公司有過(guò)鍵合法制備產(chǎn)品的報(bào)道，而大多數(shù)企業(yè)為全外延生長(zhǎng)法。所以，全外延生長(zhǎng)法在產(chǎn)業(yè)化方面更具前景。

4 結(jié) 論

依據(jù)光纖通訊領(lǐng)域國(guó)際有影響力的OFC會(huì)議等最新發(fā)布出來(lái)的數(shù)據(jù)分析，VCSELs在光纖通訊領(lǐng)域有著光明的應(yīng)用前景，國(guó)際上對(duì)VCSELs的需求逐年增加，但國(guó)內(nèi)的VCSELs產(chǎn)業(yè)尚屬空白。本文從材料和技術(shù)兩方面綜述了1 310 nm VCSELs的制備方法。匯總分析得出，InP基尤其是AlInGaAs/InP是制備長(zhǎng)波長(zhǎng)1 310 nm和1 550 nm VCSELs的首選材料，同時(shí)，全外延生長(zhǎng)法比鍵合法更具產(chǎn)業(yè)化前景。

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劉麗杰(1981-)，女，河北秦皇島人，博士研究生，2008年于河北工業(yè)大學(xué)獲得碩士學(xué)位，主要從事垂直腔面發(fā)射激光器方面的研究。

E-mail： liulijie@semi.ac.cn

吳遠(yuǎn)大(1974-)，男，湖北陽(yáng)新人，研究員，博士生導(dǎo)師，2003年于吉林大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事“三網(wǎng)融合”、“光纖到戶”核心光子器件芯片產(chǎn)業(yè)化技術(shù)的研究。

E-mail： wuyuanda@semi.ac.cn

Research Progress of 1 310 nm VCSELs Chip Technology

LIU Li-jie1, WU Yuan-da1*, WANG Yue1, AN Jun-ming1, HU Xiong-wei1, WANG Zuo2

(1.StateKeyLaboratoryonIntegratedOptoelectronics,InstituteofSemiconductors,ChineseAcademyofSciences，Beijing100083,China;2.HenanShijiaPhotonsTechnologyCo.,Ltd.,Hebi458030,China)

The vertical-cavity surface-emitting laser(VCSEL) is becoming a key device in the gigabit, local-area networks(LANs) and optical interconnets. Its volumn is increasing ever year in the world. However, there is no company to produce this promising device in China. In this paper, we review its material system properties and fabrication technology of 1 310 nm long-wavelength band and analyse the advantage and disadvantage from production. Lastly，we give a conclusion which method is better choice in the industrlization.

vertical cavity surface-emitting lasers; 1 310 nm; industrialization

1000-7032(2016)07-0809-07

2016-02-19；

2016-03-29

“863”國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(2015AA016902)資助項(xiàng)目

TN248.4

A

10.3788/fgxb20163707.0809

*CorrespondingAuthor,E-mail:wuyuanda@semi.ac.cn