JP2004047760A - Light emitting diode and epitaxial wafer therefor - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高輝度を得ることのできる発光ダイオード用エピタキシャルウェハ及び発光ダイオードの構造に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
発光ダイオード(LED)は、その半導体の種類を選択することによりいろいろな色の光を発光することができることから、産業用や民生用の表示素子として広く用いられている。従来、高輝度のLEDとしては、AlGaAsの赤色LEDがあった。これに対し、赤色より短波長のLEDとしては、GaAsPとGaPのLEDがあったが、輝度の低いものしか得られなかった。最近、MOVPE法(有機金属気相成長法)によりAlGaInPやGaNの良質なエピタキシャル層の成長が可能となったことから、橙色より短波長側でも高輝度のLEDが開発され、販売されるようになってきた。
【0003】
図3に発光波長590nmのAlGaInP系発光ダイオードチップの典型的な断面構造を示す。
【0004】
図3に示すように、従来のAlGaInP系発光ダイオードは、n型GaAs基板28上に、アンドープAlGaInP活性層25を、セレン又はシリコンをドープしたn型AlGaInP下部クラッド層26と、亜鉛をドープしたp型AlGaInP上部クラッド層24とで挟んだダブルヘテロ構造の発光領域層(発光部)23を設け、この発光領域層23上に、亜鉛をドープしたp型AlGaInP電流分散層22(「ウインドウ層」と呼ばれる場合もある。)を積層し、p型電流分散層22の表面の一部(通常、表面中央)に円形の表面側電極21を設け、n型基板28の裏面全面に裏面側電極29を設けた構造となっている。
【0005】
この発光ダイオードチップの構造において、円形の表面側電極21から注入されたキャリアは、活性層25に注入され発光する。その際に、表面側電極21と活性層25の間に存在するエピタキシャル層の抵抗が高い場合には、キャリアが電極直下の部分の活性層に注入されるようになってしまう。すなわち、上部クラッド層24における電流の拡がりが小さく、電極21の直下のみが発光領域となる。そうすると、その部分で発光した光は、電極に遮られて、チップから出て来なくなり、結果として発光効率を高めることができない。
【0006】
そこで、図3に示した従来のLEDでは、電流分散層22として、活性層25及び上部クラッド層24よりもバンドギャップエネルギーが大きなGaAlAs層を採用し、これを上部クラッド層24上に設けている。これにより、発光面側の電極21から注入された電流は、活性層25へ到達する前に、発光面側の電流分散層22内で拡散されることになる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、高輝度を得るために、電流分散層の膜厚を厚く成長させようとすると、LED用エピタキシャルウェハのコストが高くなるという問題がある。
【0008】
詳述するに、電流が活性層全面に均一に分散するようにするためには、表面側電極21と活性層25の間のエピタキシャル層の抵抗を低くするか、そのエピタキシャル層の膜厚を厚くして電流の拡散を広げることが必要である。しかし、AlGaInPのクラッド層またはウィンドウ層では、抵抗の低いエピタキシャル層が得られないことから、GaPやAlGaAsなどの他の半導体材料がウインドウ層(電流分散層22)として用いられてきた。かかる構造の場合、活性層25の電流を分散させることはできるが、それでも均一に分散させるためには、エピタキシャル層を厚く成長させる必要があり、コスト高の問題があった。また、電流分散するといっても、表面側電極21直下の電流密度が最も高く、その部分で発光した光を取り出すことができなかったため、効率低下の原因となっていた。
【0009】
そこで、電流分散層を薄くしたままで、電極直下の発光を抑止して高輝度を得る方法として、図4に示すように、電流分散層22内に電流阻止領域27(電流阻止部)を挿入する方法(特開平4−229665号公報)や、図5に示すように、エピタキシャル層と基板の間に電流阻止領域27を挿入する方法(特許第1950123号)が提案されている。
【0010】
しかし、これらの方法では電極直下での発光を抑止できるものの、電流阻止領域をプロセス加工することにより逆メサ部ができてしまったり、表面が酸化して、その後のエピタキシャル成長が難しくなるなどの問題があった。
【0011】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、電流阻止領域をより簡単に形成し、量産に適する高輝度の発光ダイオード用エピタキシャルウェハ及び発光ダイオードの構造を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成したものである。
【0013】
請求項1の発明に係る発光ダイオード用エピタキシャルウェハは、第一導電型の基板上に、第一導電型クラッド層、活性層、第二導電型クラッド層、第二導電型電流分散層を順次エピタキシャル成長し、その表面側に円形又はそれに近い形状の表面側電極を、また裏面側に全面または部分電極から成る裏面側電極を、それぞれ周期的に配設した発光ダイオード用エピタキシャルウェハにおいて、上記基板と上記裏面側電極との間に、上記の表面側電極と中心を一致させた第二導電型の電流阻止領域を配設したことを特徴とする。
【0014】
請求項2の発明に係る発光ダイオード用エピタキシャルウェハは、第一導電型の基板上に、第一導電型クラッド層、活性層、第二導電型クラッド層、第二導電型電流分散層を順次エピタキシャル成長し、その表面側に円形又はそれに近い形状の表面側電極を、また裏面側に全面または部分電極から成る裏面側電極を、それぞれ周期的に配設した発光ダイオード用エピタキシャルウェハにおいて、上記基板と上記裏面側電極との間に、上記の表面電極と中心を一致させた絶縁性の電流阻止領域を配設したことを特徴とする。
【0015】
請求項3の発明は、請求項1又は2に記載の発光ダイオード用エピタキシャルウェハにおいて、上記基板がGaAsであり、発光部を構成する上記第一導電型クラッド層、活性層及び第二導電型クラッド層が、AlGaInPまたはGaInPから成ることを特徴とする。上記電流拡散層は例えばGaP又はAlGaAsから成ることができる。
【0016】
請求項4の発明に係る発光ダイオードは、請求項1〜3のいずれかに記載の発光ダイオード用エピタキシャルウェハを用いて製作したことを特徴とする。
【0017】
<発明の要点>
本発明の要点は、上記目的を達するために、基板とは異なる導電型の電流阻止領域(pn反転層)又は絶縁性の電流阻止領域(高抵抗層)を基板と裏面側電極との間に挿入し、それによってチップ周辺部まで電流が広がるようにして、発光ダイオードの輝度を向上させる構造としたことにある。基板とは異なる導電型の電流阻止領域の代表例はAlGaAs層であり、これは例えば液相エピタキシャル成長により簡単に設けることができる。また、絶縁性の電流阻止領域の代表例はSiO2膜であり、これは例えばプラズマCVD法により形成し、そのSiO2膜をフォトリソプロセス工程で選択エッチングすることにより簡単に設けることができる。よって量産に適する。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図示の実施例を中心に説明する。
【0019】
<実施例その1>
本発明の第一の実施例を説明するための発光ダイオード(LED)の構造を図1に示す。
【0020】
MOVPE法によりn型GaAs基板8上に、厚さが0.5μmでキャリア濃度が1×1018cm−3のn型AlGaInP下部クラッド層6、厚さが0.5μmのアンドープAlGaInP活性層5、厚さが0.5μmでキャリア濃度が5×1017cm−3のp型AlGaInP上部クラッド層4、厚さが5μmでキャリア濃度が2×1018cm−3のp型AlGaAs電流分散層2を順次成長した。
【0021】
これは、n型GaAs基板8上に、アンドープAlGaInP活性層5を、n型AlGaInP下部クラッド層6と、p型AlGaInP上部クラッド層4とで挟んだダブルヘテロ構造の発光領域層13(発光部)を設け、この発光領域層13上にp型AlGaAs電流分散層2を積層したAlGaInP系発光ダイオード構造となる。
【0022】
その後、裏面側に、基板8とは異なる導電型つまりpn反転層によるp型の電流阻止領域7を、表面側電極1と中心が一致するように周期的に形成した。すなわち、基板裏面側に液相エピタキシャル成長により、キャリア濃度が1×1018cm−3で、厚さが0.1μmのp型AlGaAs層を形成し、フォトリソプロセス工程により、厚さ0.1μmで直径がφ200μmのp型電流阻止領域7を周期的に形成した。
【0023】
このエピタキシャルウェハに金属電極を周期的に形成した。正確には、ウェハの表面側に、円形又はそれに近い形状の表面側電極1を周期的に配設すると共に、裏面側に全面または部分電極から成る裏面側電極9を周期的に配設した。
【0024】
かくして、基板8と裏面側電極9との間に、n型の基板8とは異なる導電型であるp型の電流阻止領域7を、表面側電極1と中心を一致させて周期的に配設した。
【0025】
かかる構造によれば、基板8と裏面側電極9との間に、部分的に、基板8とは異なる導電型の電流阻止領域7が挿入されているため、表面側電極1から裏面側電極9に向かう電流3は、図1中に示すように、この電流阻止領域7を避けるように流れることになり、それによってチップ周辺部まで電流が広がる結果、発光ダイオードの輝度が向上する。
【0026】
上記の金属電極を形成したエピタキシャルウェハから約300μm角のLEDチップを製作し、その特性評価を行った。本実施例のLEDチップは、電流阻止領域7を有しないLEDチップと比較して、発光出力が約2割アップの2.4mWとなり、Vfは変わらず1.9Vであった。
【0027】
<実施例その2>
本発明の第二の実施例を説明するための発光ダイオード(LED)の構造を図2に示す。
【0028】
MOVPE法によりn型GaAs基板8上に、厚さが0.5μmでキャリア濃度が1×1018cm−3のn型AlGaInP下部クラッド層6、厚さが0.5μmのアンドープAlGaInP活性層5、厚さが0.5μmでキャリア濃度が5×1017cm−3のp型AlGaInP上部クラッド層4、厚さが5μmでキャリア濃度が2×1018cm−3のp型AlGaAs電流分散層2を順次成長した。13は発光領域層の部分を示す。
【0029】
その後、裏面側に、表面側電極1と中心を一致させて絶縁性の電流阻止領域10を周期的に配設した。すなわち、基板裏面側に、プラズマCVD法により、厚さが0.1μmの絶縁性であるSiO2膜の形成を行い、フォトリソプロセス工程により、厚さ0.1μmで直径がφ200μmの電流阻止領域10を周期的に形成した。
【0030】
このエピタキシャルウェハに金属電極を周期的に形成した。正確には、ウェハの表面側に、円形又はそれに近い形状の表面側電極1を周期的に配設すると共に、裏面側に全面または部分電極から成る裏面側電極9を周期的に配設した。
【0031】
かくして、基板8と裏面側電極9との間に、絶縁性の電流阻止領域10を、表面側電極1と中心を一致させて周期的に配設した。
【0032】
かかる構造によれば、基板8と裏面側電極9との間には、部分的に、絶縁性の電流阻止領域10が挿入されているため、表面側電極1から裏面側電極9に向かう電流3は、図2中に示すように、この電流阻止領域10を避けるように流れることになり、それによってチップ周辺部まで電流が広がる結果、発光ダイオードの輝度が向上する。
【0033】
上記のエピタキシャルウェハの表裏に金属電極を周期的に形成してから、約300μm角のLEDチップを製作し、特性評価を行った。本実施例のLEDチップは、電流阻止層を有しないLEDチップと比較して、発光出力が約2割アップの2.4mWとなり、Vfは変わらず1.9Vであった。
<他の実施例、変形例>
上記実施例1及び実施例2では、LEDエピタキシャル構造を作製してから、p型の電流阻止領域7であるAlGaAs層や、絶縁性の電流阻止領域10であるSiO2膜を形成したが、AlGaAs層やSiO2膜を形成してからLEDエピタキシャル構造を作製しても、同様の電流を阻止し拡散させる作用効果を得ることができる。
【0034】
上記実施例1では、p型の電流阻止領域7としてAlGaAs層を用いたが、他の材料系を用いても、基板とは導電性の異なる層であれば、同様の効果を得ることができる。
【0035】
上記実施例2では、絶縁性の電流阻止領域10としてSiO2膜を用いたが、SiO2膜に限られるものではなく、例えばSiN膜などの他の絶縁性の材料や、アンドープのAlGaAs層であっても、同様の効果を得ることができる。
【0036】
上記実施例1では、液相エピタキシャル成長によりp型の電流阻止領域7であるAlGaAs層を形成し、また上記実施例2では、プラズマCVD法により形成したSiO2膜をフォトリソプロセス工程により選択エッチングすることにより、絶縁性の電流阻止領域10であるSiO2膜を形成したが、これら以外の方法によって作製することもでき、これにより得られた電流阻止領域でも同様の効果を得ることができる。例えば、上記実施例1では、基板裏面側へのp型AlGaAs層を液相エピタキシャル成長により作製したが、イオンプランテーションなどの方法により、基板中に基板とは異なる導電性を示すドーパントを注入しても同様の効果が得られる。
【0037】
上記実施例の場合、電流阻止領域7又は10を裏面側電極9の厚み内に位置させているが、裏面側電極の基板側面上に位置させることもできる。
【0038】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明による発光ダイオード用エピタキシャルウェハ及び発光ダイオードは、基板とは異なる導電型又は絶縁性の電流阻止領域を、基板と裏面側電極との間に挿入し、それによってチップ周辺部まで電流が広がるようにして、発光ダイオードの輝度を向上させたものである。
【0039】
従って、本発明の発光ダイオードによれば、従来のLEDエピタキシャル層内に電流阻止領域を設けた構造の発光ダイオードに比べ、以下の効果が得られる。
【0040】
電流阻止領域は、量産性の高い液相エピタキシャル成長やプラズマCVD法などによる成長が可能であるので、従来のLED構造と比較して、LED用エピタキシャルウエハ及びLEDの製造コストを大幅に下げることができる。
【0041】
また、基板裏面側に電流阻止領域を形成するため、従来のLED構造と比較して、容易に表面モホロジーが良いLED用エピタキシャルウエハを作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例1に係る発光ダイオードの構造を示す断面図である。
【図2】本発明の実施例2に係る発光ダイオードの構造を示す断面図である。
【図3】従来の発光ダイオードチップの外観図である。
【図4】従来の発光ダイオードの構造を示す断面図である。
【図5】従来の発光ダイオードの他の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
1 表面側電極
2 p型電流分散層
4 p型AlGaInP上部クラッド層
5 アンドープAlGaInP活性層
6 n型AlGaInP下部クラッド層
7 p型の電流阻止領域
8 n型GaAs基板
9 裏面側電極
10 絶縁性の電流阻止領域
13 発光領域層[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a light-emitting diode epitaxial wafer and a structure of a light-emitting diode capable of obtaining high luminance.
[0002]
[Prior art]
Light emitting diodes (LEDs) are widely used as industrial or consumer display elements because they can emit light of various colors by selecting the type of semiconductor. Conventionally, red LEDs of AlGaAs have been used as high-brightness LEDs. On the other hand, there were GaAsP and GaP LEDs as LEDs having a shorter wavelength than red, but only LEDs with low luminance were obtained. Recently, high-quality epitaxial layers of AlGaInP and GaN can be grown by MOVPE (organic metal vapor phase epitaxy). It has become.
[0003]
FIG. 3 shows a typical sectional structure of an AlGaInP-based light-emitting diode chip having a light emission wavelength of 590 nm.
[0004]
As shown in FIG. 3, in the conventional AlGaInP-based light emitting diode, an undoped AlGaInP
[0005]
In this light emitting diode chip structure, the carriers injected from the circular
[0006]
Therefore, in the conventional LED shown in FIG. 3, a GaAlAs layer having a band gap energy larger than that of the
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, if an attempt is made to increase the thickness of the current dispersion layer in order to obtain high luminance, there is a problem that the cost of the LED epitaxial wafer increases.
[0008]
More specifically, in order to distribute the current uniformly over the entire surface of the active layer, the resistance of the epitaxial layer between the surface-
[0009]
Therefore, as a method of obtaining high luminance by suppressing light emission immediately below the electrodes while keeping the current spreading layer thin, a current blocking region 27 (current blocking portion) is inserted in the current spreading
[0010]
However, although these methods can suppress light emission immediately below the electrodes, there are problems such as the formation of a reverse mesa portion by processing the current blocking region and the oxidation of the surface, which makes subsequent epitaxial growth difficult. there were.
[0011]
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to solve the above-mentioned problems, to provide a structure of a light-emitting diode epitaxial wafer and a light-emitting diode having a high luminance suitable for mass production, in which a current blocking region is formed more easily.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention is configured as follows.
[0013]
The epitaxial wafer for a light-emitting diode according to the first aspect of the present invention comprises a first-conductivity-type substrate, a first-conductivity-type clad layer, an active layer, a second-conductivity-type clad layer, and a second-conductivity-type current-spreading layer, which are sequentially epitaxially grown on a first-conductivity-type substrate. In a light-emitting diode epitaxial wafer in which a circular or nearly circular front-side electrode is formed on the front side, and a back-side electrode made of a whole or partial electrode is periodically disposed on the back side, A current blocking region of the second conductivity type having a center aligned with the front electrode is disposed between the back electrode and the back electrode.
[0014]
In the epitaxial wafer for a light emitting diode according to the second aspect of the present invention, a first conductivity type clad layer, an active layer, a second conductivity type clad layer, and a second conductivity type current spreading layer are sequentially epitaxially grown on a first conductivity type substrate. In a light-emitting diode epitaxial wafer in which a circular or nearly circular front-side electrode is formed on the front side, and a back-side electrode made of a whole or partial electrode is periodically disposed on the back side, An insulating current blocking region having the same center as that of the front electrode is disposed between the back electrode and the back electrode.
[0015]
According to a third aspect of the present invention, in the epitaxial wafer for a light emitting diode according to the first or second aspect, the substrate is GaAs, and the first conductive type clad layer, the active layer, and the second conductive type clad forming a light emitting portion. The layer is made of AlGaInP or GaInP. The current spreading layer can be made of, for example, GaP or AlGaAs.
[0016]
A light-emitting diode according to a fourth aspect of the present invention is manufactured using the light-emitting diode epitaxial wafer according to any one of the first to third aspects.
[0017]
<The gist of the invention>
The gist of the present invention is that, in order to achieve the above object, a current blocking region (pn inversion layer) or an insulating current blocking region (high resistance layer) of a conductivity type different from that of the substrate is provided between the substrate and the back side electrode. The structure is such that the current is spread to the periphery of the chip by the insertion, thereby improving the brightness of the light emitting diode. A typical example of a current blocking region of a conductivity type different from that of the substrate is an AlGaAs layer, which can be easily provided by, for example, liquid phase epitaxial growth. A typical example of the insulating current blocking region is an SiO 2 film, which can be easily formed by, for example, forming the film by a plasma CVD method and selectively etching the SiO 2 film in a photolithography process. Therefore, it is suitable for mass production.
[0018]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to examples shown in the drawings.
[0019]
<Example 1>
FIG. 1 shows a structure of a light emitting diode (LED) for explaining a first embodiment of the present invention.
[0020]
An n-type AlGaInP
[0021]
This is because a light emitting region layer 13 (light emitting portion) having a double hetero structure in which an undoped AlGaInP
[0022]
Thereafter, a p-type
[0023]
Metal electrodes were periodically formed on this epitaxial wafer. To be more precise, the
[0024]
Thus, a p-type
[0025]
According to this structure, the
[0026]
LED chips of about 300 μm square were manufactured from the epitaxial wafer on which the metal electrodes were formed, and their characteristics were evaluated. The LED chip of this example had an emission output of 2.4 mW, which was about 20% higher than that of the LED chip having no
[0027]
<Example 2>
FIG. 2 shows the structure of a light emitting diode (LED) for explaining a second embodiment of the present invention.
[0028]
An n-type AlGaInP
[0029]
Thereafter, an insulating current blocking
[0030]
Metal electrodes were periodically formed on this epitaxial wafer. To be more precise, the
[0031]
Thus, the insulating current blocking
[0032]
According to this structure, since the insulating current blocking
[0033]
After metal electrodes were periodically formed on the front and back of the epitaxial wafer, LED chips of about 300 μm square were manufactured and evaluated for characteristics. The LED chip of this example had an emission output of 2.4 mW, about 20% higher than that of the LED chip having no current blocking layer, and Vf was 1.9 V without change.
<Other Embodiments and Modifications>
In the first and second embodiments, after forming the LED epitaxial structure, the AlGaAs layer as the p-type
[0034]
In the first embodiment, the AlGaAs layer is used as the p-type
[0035]
In the second embodiment, the SiO 2 film is used as the insulating current blocking
[0036]
In the first embodiment, an AlGaAs layer serving as a p-type
[0037]
In the case of the above embodiment, the
[0038]
【The invention's effect】
As described above, the epitaxial wafer for a light emitting diode and the light emitting diode according to the present invention include a current blocking region having a conductivity type different from that of the substrate or an insulating current blocking region inserted between the substrate and the back surface side electrode, thereby forming a chip periphery. The brightness of the light emitting diode is improved by spreading the current to the portion.
[0039]
Therefore, according to the light emitting diode of the present invention, the following effects can be obtained as compared with a conventional light emitting diode having a structure in which a current blocking region is provided in an LED epitaxial layer.
[0040]
Since the current blocking region can be grown by liquid phase epitaxial growth or plasma CVD with high productivity, the manufacturing cost of the LED epitaxial wafer and the LED can be significantly reduced as compared with the conventional LED structure. .
[0041]
Further, since the current blocking region is formed on the back surface side of the substrate, an epitaxial wafer for LED having good surface morphology can be easily manufactured as compared with the conventional LED structure.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a structure of a light emitting diode according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a sectional view illustrating a structure of a light emitting diode according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is an external view of a conventional light emitting diode chip.
FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating a structure of a conventional light emitting diode.
FIG. 5 is a sectional view showing another structure of a conventional light emitting diode.
[Explanation of symbols]
REFERENCE SIGNS
Claims (4)
上記基板と上記裏面側電極との間に、上記の表面側電極と中心を一致させた第二導電型の電流阻止領域を配設したことを特徴とする発光ダイオード用エピタキシャルウェハ。On the substrate of the first conductivity type, the first conductivity type clad layer, the active layer, the second conductivity type clad layer, the second conductivity type current dispersion layer is epitaxially grown sequentially, and the surface side of the surface side of a circle or a shape close to it is formed. In the epitaxial wafer for the light emitting diode, the electrode, and the back surface side electrode consisting of the entire surface or the partial electrode on the back side, respectively, are arranged periodically.
An epitaxial wafer for a light emitting diode, wherein a current blocking region of the second conductivity type having a center aligned with the front electrode is disposed between the substrate and the rear electrode.
上記基板と上記裏面側電極との間に、上記の表面電極と中心を一致させた絶縁性の電流阻止領域を配設したことを特徴とする発光ダイオード用エピタキシャルウェハ。On the substrate of the first conductivity type, the first conductivity type clad layer, the active layer, the second conductivity type clad layer, the second conductivity type current dispersion layer is epitaxially grown sequentially, and the surface side of the surface side of a circle or a shape close to it is formed. In the epitaxial wafer for the light emitting diode, the electrode, and the back surface side electrode consisting of the entire surface or the partial electrode on the back side, respectively, are arranged periodically.
An epitaxial wafer for a light-emitting diode, wherein an insulating current blocking region having a center aligned with the front electrode is disposed between the substrate and the rear electrode.
上記基板がGaAsであり、発光部を構成する上記第一導電型クラッド層、活性層及び第二導電型クラッド層が、AlGaInPまたはGaInPから成ることを特徴とする発光ダイオード用エピタキシャルウェハ。The epitaxial wafer for a light emitting diode according to claim 1 or 2,
An epitaxial wafer for a light emitting diode, wherein the substrate is GaAs, and the first conductivity type clad layer, the active layer, and the second conductivity type clad layer constituting the light emitting portion are made of AlGaInP or GaInP.
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Cited By (15)
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