CN101345221A - GaN衬底、带外延层的衬底、半导体器件及GaN衬底制造方法 - Google Patents

Abstract

GaN衬底、带外延层的衬底、半导体器件及GaN衬底制造方法。提供一种GaN衬底，由该GaN衬底可以制造增强发射效率的发光及半导体器件，提供其中在GaN衬底主表面上形成外延层的外延衬底、半导体器件以及制造GaN衬底的方法。该GaN衬底是具有主表面的衬底，相对于其法线矢量，[0001]平面取向在两个不同的离轴方向上倾斜。

Description

GaN衬底、带外延层的衬底、半导体器件及GaN衬底制造方法

技术领域

本发明涉及GaN衬底、具有外延层的衬底、半导体器件及制造GaN衬底的方法，更具体地说涉及具有可利用的半极性表面的GaN衬底、具有外延层的这种衬底以及半导体器件以及制造这种GaN衬底的方法。

背景技术

通常，GaN激光二极管(LD)和发光二极管(LED)是众所周知的。GaN LD和LED通过在蓝宝石、SiC或GaN衬底的(0001)表面上淀积外延层而形成。这样形成的LD和LED的问题是，因为GaN或其他衬底的(0001)面是极面，对于长于500nm波长的发射波长范围，LED发射效率降低。

″Press Release：Success in Developing LEDs on Semipolar Bulk GaNSubstrates，″[online]，June 30，2006，Kyoto University，[searched Junel，2007]，Internet，http://www.kyoto-u.ac.jp/notice/05_news/documents/060630_1.htm，报道为了解决该问题，不在GaN晶体中的常规(0001)面上形成量子阱结构，而是在(11-22)面上形成，(11-22)面是半极性晶面，这样以增强刚刚提到的较长波长范围的发射效率。此外，日本未审查专利申请公开号2005-298319提出了一种制造GaN衬底的方法，其中在主表面上露出半极性晶面。

Kyoto University新闻稿公开的LED利用自然地形成为微晶面的半极性晶面，该晶面被固定为(11-22)面，且因此是小规模的。但是，考虑到LED和LD的有效制造，利用2英寸或更大的大直径跨度GaN衬底制造这种发光器件将是有利的，该GaN衬底具有在主表面上露出的半极性晶面(亦即，具有所谓的离轴角，其中相对于主表面法线矢量，预定的平面取向——例如，[0001]方向——以预定角度在预定方向上倾斜)。此外，调整平面取向相对于主表面法线矢量倾斜的角度(亦即，改变衬底主表面上露出的晶面)可以提高LED和LD性能的可能性是可以想象到的。

发明内容

本发明的一个目的可用来解决上述问题：具有2英寸或更大的大直径的GaN衬底，由该GaN衬底可以以产业上的低成本制造增强其发射效率的半导体器件如发光器件；具有外延层的这种衬底，其中外延层形成在GaN衬底的主表面上；半导体器件；以及制造GaN衬底的方法。

利用日本未审查专利申请公开号2005-298319中公开的上述衬底制造方法，本发明的发明人制备具有不同离轴角的GaN衬底，以及在GaN衬底主表面上形成外延层，试验性地制造LED。作为检查它们性能的结果，本发明人发现，相对于GaN衬底的主表面的法线，使[0001]平面取向在一个平面取向(一个离轴方向)上倾斜，使GaN衬底表面上露出的晶面成半极性，以及进一步使[0001]平面取向在不同的平面取向(在不同的离轴方向)上倾斜，允许控制(减小)沿GaN衬底主表面的波长分布。更确切地说，本发明的一个方面中的GaN衬底是具有主表面的GaN衬底，相对于其法线矢量，[0001]平面取向在两个不同的离轴方向上倾斜。

这种GaN允许，通过使[0001]平面取向在第一离轴方向上倾斜，在主表面上形成外延层，使衬底主表面成半极性。因此，在已成为半极性的主表面上形成外延层，提高其发射波长被包括在500nm或更大的长波长范围中的发光器件的发射效率，以及与在GaN衬底极面如(0001)面上形成外延层以制造LED及其他发光器件相比较，使得由施加的电流量变化而引起的波长偏移量较小。附加地，使[0001]平面取向在第二离角方向上倾斜，允许控制GaN衬底主表面中的面内波长。结果，通过采用这种GaN衬底，优越地实现LED等，以及可以稳定地制造半导体器件。

本发明的另一方面中的具有外延层的衬底设有GaN衬底和在GaN衬底主表面上形成的外延生长层。在GaN衬底主表面上形成外延生长层意味着，在GaN衬底的半极性表面上形成外延生长层，使之可以提供具有外延层的衬底，由该衬底可以稳定地制造其发射波长被归入500nm或更大的长波长范围以及其发射效率已被增强的半导体器件如发光器件。

在本发明的再一方面中的半导体器件中，采用具有外延层的衬底。采用该具有外延层的衬底允许获得其发射波长被归入500nm以上的较长波长范围和其发射效率被增强的半导体器件如发光器件，根据施加的电流量，具有少量波长偏移。

本发明的另一方面中的GaN衬底制造方法设有以下步骤。亦即，第一，进行制备底衬底(undersubstrate)的步骤，相对于其主表面法线矢量，参考或基准面朝向该底衬底，在两个不同的倾斜方向上倾斜。在该底衬底主表面上生长GaN晶体层的步骤。从GaN晶体层去除该底衬底，以制造由GaN晶体层构成的GaN衬底的步骤。该GaN衬底具有主表面，[0001]平面取向相对于衬底主表面法线矢量以两个不同的离轴角倾斜。改变该底衬底基准平面取向朝向底衬底在倾斜方向上倾斜的角度，调整GaN衬底[0001]平面取向以该离轴角倾斜的角度。结果，本发明的GaN衬底可以被容易地制造。此外，该底衬底基准取向朝向底衬底在倾斜方向上倾斜的这种角度的改变便于制造其中离轴方向上的倾斜角被改变至任意角度的GaN衬底。

本发明提供一种GaN衬底，由该GaN衬底，可以稳定地制造半导体器件，如在长于500nm的波长范围中其发射效率被增强的发光器件，具有外延层的衬底，半导体器件及制造GaN衬底的方法。

从下面结合附图的详细描述，所属领域的技术人员将容易明白本发明的上述及其他目的、特点、方面和优点。

附图说明

图1示出了本发明的GaN衬底的示意性透视图。

图2是用于说明图1中的GaN衬底的晶体结构的示意图；

图3是用于说明图2所示的GaN衬底晶体结构中的平面取向和晶面的示意图。

图4是用于说明在离轴方向上图1中的本发明GaN衬底中的倾斜角的示意图。

图5是用于表示图1所示的GaN衬底的制造方法的流程图。

图6是用于详细说明图5表示的准备步骤的流程图。

图7图示了在底衬底主表面上形成的掩模层的掩模图形的示意性平面图。

图8图示了在底衬底主表面上形成的另一掩模层的掩模图形的示意性平面图。

图9图示了薄膜淀积步骤(S20)中采用的薄膜淀积装置的示意图。

图10图示了具有外延层的衬底的示意性透视图，其中采用图1所示的本发明的GaN衬底。

图11图示了包含本发明的GaN衬底的发光器件的示意性剖面图。

图12绘制了施加到发光器件的电流和该器件发射的光波长之间的关系曲线。

具体实施方式

下面，参考附图，将描述本发明的实施例。应当理解，在本说明书所附的附图中，相同的或等效的特征用相同的附图标记来标注，并且其说明将不被重复。

图1示出了本发明的GaN衬底的透视图。图2是用于说明图1所示的GaN衬底的晶体结构的示意图。图3是用于说明图2所示的GaN衬底晶体结构中的平面取向和晶面的示意图。图4是用于说明图1所示的本发明GaN衬底在离轴方向上倾斜的角度的示意图。参考图1至4，将描述本发明的GaN衬底。

参考图1至4，在本发明的GaN衬底中，给定的平面取向(这里，[0001]平面取向)相对于GaN衬底1的主表面的法线矢量2(参见图1)，在两个不同的方向上(在两个离轴方向上)倾斜。更具体地说，GaN衬底1是具有离轴角的衬底，以及其[0001]平面取向在两个不同的方向上倾斜。

如图2所示，GaN晶体具有所谓的六方晶系结构。为了更全面地描述GaN六方晶系结构的对称性，图2图示了包括具有多个单元的GaN晶体结构。在图2中，大的白色圆圈表示氮原子元素(N原子元素)，以及小的圆圈表示镓原子元素(Ga原子元素)。在图2中的晶体结构的底面上，在中心存在一个氮原子元素，以及在中心氮原子元素的上居中的正六边形的每个顶点，定位一个氮原子元素。从底面上的中心存在的GaN原子元素到围绕中心原子元素的六个原子元素建立链接的方向分别是逆时针方向[2-1-10]、[11-20]、[-12-10]、[-2110]、[-1-120]、[1-210]。这些方向是建立Ga-Ga链接的方向。从底面上的中心Ga原子元素看，不存在Ga原子元素的方向是[1-100]及其他方向。在图2和3所示的晶体结构中，被认为是规则柱体的六边形晶体的顶面被称作c-面，以及该规则柱体的横向面被称作m-面。

在图1所示的本发明的GaN衬底1中，相对于法线矢量2(参见图1)，[0001]平面取向在两个不同的离轴方向倾斜，亦即，[1-100]和[11-20]平面取向方向。参考图4，将说明GaN衬底1中的[0001]平面取向相对于其主表面法线矢量倾斜的状态。

首先，用矢量AB表示的方向被认为是对应于GaN衬底主表面的法线矢量2(参见图1)。接下来，根据GaN衬底[0001]平面取向与矢量AB一致的状态，GaN晶体被倾斜，以便[0001]平面取向仅仅以θ₁的倾斜角在对应于[1-100]平面取向的矢量AE方向上倾斜。结果，GaN[0001]平面取向指向矢量AC。接着，在矢量AC表示的方向上倾斜的GaN晶体结构以仅仅θ₂的倾斜角在对应于[11-20]平面取向的矢量AF的方向上进一步倾斜。因此，在GaN晶体中，在图4中，[0001]平面取向指向矢量AD。

正如刚才所述，在本发明的GaN衬底1中，相对于用矢量AB表示的主表面法线矢量2(参见图1)，[0001]平面取向的方向在用矢量AD表示的方向上倾斜(亦即，[0001]平面取向相对于主表面法线矢量2分别仅仅以θ₁和θ₂的倾斜角在[1-100]和[11-20]平面取向方向上倾斜)。

在本发明的GaN衬底1中，以此方式倾斜[0001]平面取向，使得GaN衬底1的主表面成为所谓的半极性表面。在该GaN衬底1的主表面上外延生长GaN、InGaN或其他层，以形成作为半导体器件的发光器件，如与在GaN c-面上形成外延层从而制造发光器件相比较，更有效地防止在有源层中产生内部电场。结果，由于内部电场的发生，注入电子和空穴将重新结合的可能性被减小，以及可以减轻在诸如发射效率的顺势降低，或发射波长根据施加电流变化而改变的问题影响。因此，可以制造具有恒定的发射波长以及其发射效率被提高的发光器件。

图5是用于说明制造图1所示的GaN衬底的方法的流程图。图6是用于详细说明图5表示的流程图中的准备步骤的流程图。参考图5和6，将描述本发明的GaN衬底制造方法。

首先，参考图5和6进行准备步骤(S10)。在准备步骤(S10)中，制备用作基体的底衬底，用于形成用作GaN衬底的GaN外延层。具体地说，在制备步骤(S10)中(参见图5)，如图6所示，首先执行底衬底制备步骤(S11)。在底衬底制备步骤(S11)中，制备在其表面上可以外延地生长GaN的衬底，以及相对于其主表面法线矢量，给定的平面取向在两个不同的方向上倾斜(倾斜方向朝向底衬底)。

在此，该底衬底可以由任意材料构成，只要GaN可以被淀积在底衬底表面上。作为底衬底，可以利用，例如，砷化镓(GaAs)、蓝宝石、氧化锌(ZnO)、碳化硅(SiC)或GaN衬底。以及，使底衬底成为具有所谓的离轴角的衬底，以便在下面将要描述的薄膜淀积步骤中，进行GaN外延层生长，相对于其上形成GaN外延层的底衬底主表面的法线矢量，形成的GaN外延层的[0001]平面取向在两个预定方向(两个离轴方向)上倾斜。具体地说，在该底衬底中，相对于其上形成外延层的底衬底主表面的法线矢量，预定参考或基准平面取向在预定方向上倾斜。因而，制备衬底，例如，其主表面是给定晶面(c-面，例如，如果该衬底是六方晶体)的衬底，以下述方式形成底衬底，所述方式为：相对于衬底主表面以一角度在预定方向上倾斜研磨该衬底主表面，或者，以预定角度切割体衬底，其中相对于主表面，该体衬底的晶平面取向是已知的。

接下来，如图6所示，执行掩膜构图步骤(S12)。在掩模图形形成步骤(S12)中，在其上形成GaN外延层的底衬底主表面上构图掩模。更确切地说，形成具有如图7或图8所示图形的掩模层10。图7和8示出了在底衬底主表面上形成的掩模层的掩膜图形的示意性平面图。

首先，将说明图7所示的掩模图形。作为在底衬底主表面上形成的掩模层10，可以线性地构图掩模，以便具有W1宽度的多个线条以间距P平行延伸，如图7所示。在这种掩模图形中，间距P可以是8μm，线宽W1可以是6μm，以及线间间隔W2(这些线之间形成的槽状开口11的宽度)可以是2μm。此外，线性图形厚度是0.1μm。

作为另一掩模图形，例如，如图8所示，可以利用具有周期性地形成的开口12构图的掩模的掩模层10。具体地说，如图8所示，其中在底衬底主表面上形成其中在互相隔开预定空间的分布布置中形成矩形平面形状的开口12的掩模层10。开口12可以是，例如，正方形形状，如图8所示，具有间距L，该间距L是连接正方形中心的线段，是4μm。此外，正方形开口12的侧边长度W1和W2每个可以是2μm。此外，该多个开口12以所谓的犬齿布局布置。在这种布局中，开口12可以被布置为：相邻开口12的中心的连接是正三角形的形式，其侧面是间距L。

其上形成这种掩模层10的底衬底经受薄膜淀积步骤(S20)。具体地说，通过汽相处延，在其上已经形成掩模层的底衬底主表面上形成GaN薄膜。用于GaN薄膜的汽相处延的例子包括氢化物汽相处延(HVPE)、升华、金属有机氯化物(MOC)、金属有机化学气相淀积(MOCVD)。在薄膜淀积步骤(S20)中，主要采用HVPE。图9图示了薄膜淀积步骤(S20)中使用的薄膜淀积装置的示意图。参考图9，将描述通过HVPE淀积薄膜的装置。

如图9所示，薄膜淀积装置20设有：反应管22；布置在反应管22内的Ga舟23；用于在反应管22中支撑底衬底的基座24；以及用于加热反应管22的内部的加热器26。在Ga舟23中，放置Ga金属。此外，布置用于馈送用氢气、氮气或氩气稀释的氯化氢(HCl)的供应管线27，以便头部朝向Ga舟23。用于提供用氢气、氮气或氩气稀释的氨气(NH₃)气体的供应管线28被布置在基座24上面。用于加热反应管22的加热器26被布置在与反应管22的外周边相对的位置。底衬底5被放置在基座24上。在底衬底5上形成GaN晶体层3，如下面将描述。

接下来，将描述怎样采用图9所示的薄膜淀积装置20形成GaN晶体层3。首先，在图9所示的薄膜淀积装置20中的反应管22内部的基座24上放置底衬底5。接着，在基座24上面布置Ga舟23，Ga舟23是在内部包含Ga金属的容器。连续地，利用加热器26完全加热薄膜淀积装置20，用氢气、氮气或氩气稀释的氯化氢(HCl)气体经由供应管线27向外喷射到Ga舟23中。结果，发生2Ga+2HCl→2GaCl+H₂的反应。由该反应产生的气体GaCl被提供给底衬底5。

同时，用氢气、氮气或氩气稀释的氨气(NH₃)气体经由供应管线28被提供到基座24的附近。因此，在底衬底5附近发生2GaCl+2NH₃→2GaN+3H₂的反应。由这种反应形成的GaN作为GaN晶体被层叠在加热的底衬底5的表面上。如刚才所述，在底衬底5的表面上形成GaN晶体层3。在形成GaN晶体层3中，在底衬底表面上，在图7和8所示的掩模层10上形成GaN晶体层3。结果，可以减小形成的GaN晶体层3的位错密度。

此外，因为底衬底5是具有离轴角的衬底，还在形成GaN晶体层3中，预定的平面取向相对于与底衬底5的主表面相对的晶体层表面的法线矢量倾斜。此外，GaN晶体层3中的预定平面取向相对于上面的法线矢量的倾斜方向和角度可取决于底衬底中的基准取向倾斜的方向和角度而改变。

在此，形成足够厚的GaN晶体层3，以在去除底衬底5之后被独立地均匀处理，如下面将描述。GaN晶体层3的厚度可以是10mm的程度，例如。

接下来，如图5所示，进行底衬底去除步骤(S30)。在底衬底去除步骤(S30)中，从形成的GaN晶体层3去除底衬底5。至于如何去除底衬底5的方法，可以利用任意的机械方法如切片、化学方法如刻蚀以及电化学方法如电解蚀刻。去除底衬底5后，制造出由GaN晶体层3构成的GaN衬底。取决于在底衬底中，基准面在两个方向上倾斜的事实，在制造的GaN衬底1中(参见图1)，[0001]平面取向相对于底衬底基准面在两个不同的离轴方向上倾斜。

接着，进行后处理步骤(S40)。作为后处理步骤(S40)，可以执行抛光衬底表面的工序、将GaN衬底1切为预定厚度的工序或其他工序。

如图10所示，通过在用以上方法制造的GaN衬底1的表面上形成外延层40如GaN，可以获得具有外延层的衬底(外延衬底41)。图10图示了其中采用本发明的GaN衬底的外延衬底的透视示意图。此外，利用这种外延衬底41，可以形成如图11所示的发光器件。图11示出了采用本发明的GaN衬底的发光器件的示意性剖面图。参考图11，将说明采用本发明的GaN衬底的发光器件。

如图11所示，在作为半导体器件的发光器件30中，在GaN衬底1上形成n-型AlGaN中间层31。在n-型MGaN中间层31上，形成n-型GaN缓冲层32。在n-GaN缓冲层32上，形成发射层33。发射层33是，例如，InGaN/InGaN-MQW(多量子阱)层。在发射层33上形成p-型AlGaN层34。在p-型AlGaN层34上，形成p-型GaN缓冲层35。此外，在GaN衬底1的背面上(在与其上形成n-型AlGaN中间层31的衬底前侧面相反的表面上)形成n-电极36。以及，在p-型GaN缓冲层35上形成p-电极37。

采用本发明的GaN衬底1形成发光器件，减小了发射层中的压电场，因为在GaN衬底1的所谓半极性表面上形成发射层33。因此，在这种发光器件中，与在GaN衬底极性表面上形成发射层的常规发光器件相比，发射层中的发射效率较高，以及由施加电流量的变化引起的发射波长改变量较小。

尽管与上述实施例部分地重叠，但是在说明本发明的其他实施例之后将引用一个例子。

本发明的一个方面中的GaN衬底1(参见图1)具有主表面，[0001]平面取向相对于主表面法线矢量2在两个不同的离轴方向上倾斜。

这种GaN衬底1允许在主表面上形成外延层40，通过在第一离轴方向上倾斜[0001]平面取向，使GaN衬底1的主表面成半极性。因此，在其发射波长处于500nm或更大的长波长范围的发光器件中，与在诸如GaN衬底1的(0001)面的极性表面上形成外延层以制造LED及其他发光器件相比较，这种外延层形成使发射效率较高，以及使由施加电流量的变化引起的发射波长改变量较小。附加地，进一步使[0001]平面取向在第二离轴方向上倾斜，使之可以控制离轴角分布的波动，以及控制GaN衬底1的主表面的面内波长分布的波动。此外，GaN衬底背面具有与衬底前侧面几乎相同的离轴角。因此，前后侧面上形成的电极的导电性被提高，以及从开始工作的工作电压的增加被减轻。结果，采用GaN衬底1允许稳定制造发光器件及具有突出性能的其他半导体器件。

在GaN衬底1中，[0001]平面取向相对于主表面法线矢量2倾斜的两个离轴角可以是[1-100]和[11-20]方向。两个离轴角是[1-100]和[11-20]方向，GaN衬底1的主表面制成半极性，允许制造其长波长范围的发射效率被增强的发光器件(半导体器件)，以及允许可靠地控制在GaN衬底主表面上形成外延层时引起的面内波长波动。

在GaN衬底1中，[0001]平面取向相对于衬底主表面的法线矢量在[1-100]和[11-20]方向上倾斜的一个角度可以在10°和40°之间，包含10°和40°，另一角度是0.02°至40°，包含0.02°和40°。此外，两个倾斜角之一是10°至40°，包含10°和40°，另一倾斜角可以是0.02°和10°，包含0.02°和10°。这种倾斜角使GaN衬底主表面成半极性，允许制造其长波长范围的发射效率被增强的发光器件(半导体器件)，以及允许可靠地控制在GaN衬底主表面上形成外延层时引起的面内波长波动。

根据本发明的具有外延层的衬底(外延衬底41)设有GaN衬底1和外延生长层(外延层40)。在这种衬底中，在GaN衬底1的半极性表面上形成外延层，因此利用该外延衬底41，可以稳定地制造诸如下述发光器件的半导体衬底，所述发光器件的发射波长被归入500nm或更大的长波长范围且其发射效率被增强。

根据本发明的半导体器件(发光器件)采用外延衬底41来制造。采用外延衬底41使之可以获得其发射波长被归入500nm或更大的长波长范围以及其发射效率被增强的发光器件，其中施加电流的变化引起微量波长偏移。

根据本发明的GaN衬底制造方法设有以下步骤。亦即，开始，制备其中基准面相对于底衬底主表面在两个不同的倾斜方向上倾斜的底衬底的步骤(底衬底制备步骤(S11))。在底衬底5的主表面上生长GaN晶体层3的步骤(薄膜淀积步骤(S20))。从GaN晶体层3去除底衬底5，以制造由GaN晶体层3构成的GaN衬底1的步骤(底衬底去除步骤(S30))。GaN衬底1具有主表面，[0001]平面取向相对于衬底主表面法线矢量在两个不同的离轴方向上倾斜。通过改变基准取向在朝向底衬底的倾斜方向上倾斜的一个角度，调整GaN衬底中[0001]平面取向在离轴角上倾斜的角度。朝向底衬底的倾斜方向可以在底衬底中互相垂直交叉。此外，两个离轴方向可以互相垂直交叉。这种调整使之可以容易地获得根据本发明的GaN衬底1。此外，通过改变底衬底5的基准面在朝向底衬底的倾斜方向上倾斜的角度，可以容易地制造其中离轴方向上的倾斜角转变为任意角度的GaN衬底1。

在上面的GaN衬底制造方法中，底衬底5可以是GaAs衬底，以及基准平面取向可以是[111]。朝向底衬底的两个倾斜方向可以是<1-10>和<11-2>方向。沿GaN衬底中的失向角度的两个方向可以是[1-100]和[11-20]方向。在这种制造方法中，因为，通过采用比较容易利用的GaAs衬底，可以制造本发明的GaN衬底1，尝试减小GaN衬底制造成本。

在GaN衬底制造方法中，底衬底5可以是蓝宝石衬底和基准平面取向可以是[0001]。朝向底衬底的两个倾斜方向可以是[11-20]和[1-100]方向。GaN衬底的两个离轴方向可以是[1-100]和[11-20]方向。在这种制造方法中，因为通过采用比较容易利用的蓝宝石衬底，可以制造本发明的GaN蓝宝石衬底1，尝试减小GaN蓝宝石衬底制造成本。

在上面的GaN衬底制造方法中，底衬底5可以是氧化锌衬底和基准平面取向可以是[0001]。朝向底衬底的两个倾斜方向可以是[1-100]和[11-20]方向。GaN衬底的两个离轴方向可以是[1-100]和[11-20]方向。在这种制造方法中，因为通过使用比较容易利用的ZnO衬底作为底衬底5，可以制造本发明的GaN衬底1，尝试减小GaN衬底制造成本。

在GaN衬底制造方法中，底衬底5可以是SiC衬底和基准平面取向可以是[0001]。朝向底衬底的两个倾斜方向可以是[1-100]和[11-20]方向。GaN衬底的两个离轴方向可以是[1-100]和[11-20]方向。在这种制造方法中，因为通过使用比较容易利用的SiC衬底作为底衬底5，可以制造本发明的GaN衬底1，尝试减小GaN衬底制造成本。

在GaN衬底制造方法中，底衬底5可以是由GaN构成的衬底和基准平面取向可以是[0001]。朝向底衬底的两个倾斜方向可以是[1-100]和[11-20]方向。GaN衬底的两个离轴方向可以是[1-100]和[11-20]方向。在这种制造方法中，通过利用用于形成将是GaN衬底1的GaN晶体层作为底衬底5，该衬底由与用于GaN晶体层的相同材料构成，可以提高GaN晶体层3的膜质。可以获得充分膜状的GaN衬底1。

GaN衬底制造方法还可以设有，在生长GaN晶体层的薄膜淀积步骤(S20))之前，在底衬底5的主表面上形成具有多个窗口的掩模层的步骤(掩模图形形成步骤(S12))。在这种制造方法中，GaN晶体生长在从掩模层10的窗口(开口12)露出的底衬底5的部分主表面上，然后GaN晶体横向地生长在掩模层10上。此外，从相邻开口12上面横向地生长的GaN晶体互相碰撞，然后在与掩模层10的表面垂直的(向上)方向中生长，以减小GaN衬底1的位错密度。因此，减小了GaN衬底1的位错密度，以及可以制造产业上有效的GaN衬底，其具有2英寸或更大的没有裂缝的大直径。

在该GaN衬底制造方法中，在底衬底5中，朝向底衬底的两个倾斜方向上的一个倾斜角在10°和40°之间，包含10°和40°，另一倾斜角在0.02°和40°之间，包含0.02°和40°。在该情况中，在GaN衬底1中，两个离轴方向上的倾斜角可被调整为10°和40°之间，包含10°和40°，以及可被调整为0.02°和40°之间，包含0.02°和40°。

实施例1

接下来，为了证实本发明的效果，进行以下实验。即，制备根据本发明的GaN衬底，以及制造利用该GaN衬底的发光器件。接着，对于GaN衬底和发光器件，测量发射光波长和提供的电流量之间的关系，如下面将描述。此外，为了比较，制备其主表面是c-面的第一GaN衬底和其主表面是m-面的第二GaN衬底，以及利用这些GaN衬底形成作为比较例子的发光器件。接着，对于这些比较用的发光器件，测量类似于第一和第二GaN衬底的性能。下面将详细描述该实验。

1.GaN衬底的制备

1-1.本发明的GaN衬底的制备

底衬底：

作为底衬底，利用GaAs衬底。但是，使用具有2英寸直径以及其[111]平面取向相对于衬底表面在<1-10>方向上倾斜18°以及在<11-2>方向倾斜0.03°的GaAs衬底。以及，在底衬底表面上形成具有如图7所示的条纹图形的掩模层。该掩模层由二氧化硅(SiO₂)构成。在掩模层10中，线性图形的条纹宽度W是6μm，开口的宽度W是2μm，以及线性图形中的条纹间距P是8μm。此外，掩模层10的厚度是0.1μm。

用于薄膜淀积的条件

在如上所述的底衬底的表面上，在以下条件下形成GaN晶体层。即，利用图9所示的薄膜淀积装置，通过HVPE，在底衬底表面上形成GaN晶体层。在底衬底表面上生长GaN晶体的工序过程中，首先，在较低温度下生长薄缓冲层。接着，在较高温度下生长厚GaN外延层。用于缓冲层淀积的条件是：淀积薄膜时的温度是500℃；HCl分压是1×10^-3atm(100Pa)；NH₃分压是0.1atm(10000Pa)；薄膜淀积需要的时间是60分钟；以及淀积的缓冲层的厚度是60nm。此外，用于淀积缓冲层上形成的GaN外延层的条件是：执行薄膜淀积时的温度是1030℃；HCl分压是3×10^-2atm(3000Pa)；NH₃分压是0.2atm(20000Pa)；在Si掺杂作为n-型掺杂剂的同时执行薄膜淀积需要的时间是100小时；以及淀积的外延层厚度是10mm。

连续地，利用机械研磨机从淀积的GaN膜去除GaAs衬底。结果，制造10mm-厚度的独立GaN衬底。GaN衬底被切为400μm厚度，并经受表面抛光，以获得10个直径为2英寸的GaN衬底2。

1-2.比较衬底的制备

其主表面是c-面的GaN衬底：

尽管基本上用和如上所述的制造本发明GaN衬底的方法相同的方法来制造，但是其主表面是c-面的GaN衬底不同于本发明的GaN衬底，其中用作底衬底的GaAs衬底的[111]平面取向平行于GaAs衬底的法线矢量。由于采用这种底衬底，在获得独立GaN衬底中，主表面法线矢量平行[0001]平面取向，以及主表面平行于(0001)面(c-面)。

其主表面是m-面的GaN衬底：

垂直于其主表面是c-面的GaN衬底的主表面，从GaN衬底切割掉400μm厚度的衬底，以制备其主表面是m-面的GaN衬底。

2.发光器件的形成

通过在由本发明的本实施例和通过比较例子获得的GaN衬底上表面地淀积外延层，以及此外通过形成电极和将衬底分为器件，形成图11所示的发光器件。在此，在该发光器件中，n-型AlGaN中间层31的厚度是50nm，n-型GaN缓冲层32的厚度是2μm，发射层33的厚度是50nm，p-型AlGaN层34的厚度是20nm，以及p-型GaN接触层35的厚度是50nm。此外，对于n-电极36，利用Al/Ti，以及Al和Ti分别被制成500nm和50nm厚度。此外，对于p-型电极37，利用Pt/Ti作为材料，以及Pt和Ti分别制成500nm和50nm厚度。n-型电极附加地可以是Au/Ge/Ni(分别是500nm、100nm和50nm的厚度)、Pt/Ti(分别是500nm和50nm的厚度)或Au/Ti(分别是500nm和50nm的厚度)以及p-电极可以是Pt(500nm的厚度)或Ni(500nm的厚度)。这些发光器件在其中波长长于绿色区域的绿色区域中发光，因为它们包括InGaN作为发射层33。

3.测量

对于用上面方法制造的GaN衬底，测量它们的离轴角([0001]平面取向相对于GaN衬底主-表面法线矢量的倾斜方向和角度)。此外，测量离轴角的面内分布。附加地，测量GaN衬底的位错密度。此外，测量形成的发光器件中的发射波长和电流量之间的关系。

3-1.测量方法

GaN衬底离轴角的测量及其分布：

用两个晶体X射线衍射(XRD)系统，在200平方μm的缝隙中测量GaN衬底离轴角。此外，在测量离轴角分布中，对于GaN衬底主表面，在总共5个点测量离轴角，亦即，衬底中心点和在<1-100>和<11-20>方向远离该中心点20mm的四个点。中心点的角度和远离该中心点20mm的四个点的角度之间差值的最大绝对值是离轴角分布值。通过XRD的测量精度是±0.01。

GaN衬底位错密度的测量：

至于GaN衬底，利用采用SEM的阴极发光(CL)，如XRD一样，通过计算相同的5点处的100平方μm形内的暗点执行测量。

由提供给发光器件的电流量进行发射波长的测量：

当提供给制备的发光器件的电流级别改变时，同时测量从器件输出的光波长。具体地说，在室温下，脉冲电流被施加到发光器件，以及发射光谱被测量。

4.测量结果

GaN衬底离轴角：

至于GaN衬底离轴角，测量结果表明[0001]平面取向相对于衬底表面法线矢量在[11-20]方向上倾斜时的离轴角近似18°。该结果还表明在[1-100]方向上倾斜的离轴角约0.05°。此外，在衬底表面中，[11-20]方向上离轴角的面内分布在±0.5°(-17.5至18.5°)的范围内。此外，在衬底表面中，[1-100]方向上的离轴角的面内分布在±0.3°的范围内。

GaN衬底位错密度：

作为测量GaN衬底位错密度的结果，所有测试样品表明1×10⁷(/cm₂)或更低的位错密度。

来自发光器件的发光波长和施加电流量之间的关系：

在图12中阐述了结果。图12是绘制提供给发光器件的电流和发光波长之间的关系曲线。如由图12可以明显看出，本发明实施例的发光器件的发射波长和电流量之间的关系是，尽管随着提供给发光器件的电流量增长越大，发出的光波长朝向短波长偏移，但是偏移的程度约7nm级别。与常规GaN衬底中的波长偏移程度的事实相比较，亦即，采用其表面平行于GaN c-面的c-面衬底制造的比较GaN衬底偏移约20nm，本发明实施例的发光器件中的偏移程度被减轻。在此，在采用图12中表示的m-面衬底制造的比较发光器件中，仅仅略微地发生波长偏移。可能的原因是由于m-面是非极性的，在发射层中没有产生内部电场。

实施例2

为了证实本发明的效果，进行以下实验。具体地说，GaN衬底：制备测试样品ID号1至70，对于这些GaN测试样品，离轴方向、离轴角，以及此外离轴角面内分布和位错密度被测量。此外，采用GaN衬底形成发光器件，以测量由改变施加到发光器件的电流引起的发射波长变化量(蓝移：Δλ)、经过1000小时时的工作电压的增加量(ΔV_op)以及GaN衬底表面中的发射波长分布(σ)。下面，将详细描述该实验。

1.GaN衬底制备

至于所有测试样品(测试样品ID号1至70)，通过采用与上述实施例1基本上相同的方法制备GaN衬底。

底衬底：

至于测试样品ID号1至65，利用GaAs衬底作为用于形成GaN衬底的底衬底，另一方面，至于测试样品ID号66至70，利用由除GaAs以外的材料构成的衬底作为底衬底。具体地说，作为底衬底，测试样品ID号66和67使用蓝宝石衬底，以及测试样品：ID号68和70，使用ZnO、SiC和GaN衬底。在底衬底中，[0001]平面取向相对于其上形成GaN晶体薄膜的衬底主表面的法线矢量在两个方向上倾斜时的(离轴)角度被适当地布置，以便形成的GaN衬底的离轴方向是两个方向。

更确切地说，在GaAs衬底中，[111]平面取向相对于衬底主表面法线矢量在<1-10>和<11-2>方向倾斜，以便GaN[0001]平面取向相对于将形成的GaN晶体薄膜的表面在[11-20]和[1-100]方向上倾斜。(离轴)方向上的倾斜角(<1-10>中的离轴角θ₁和<11-2>方向上的离轴角θ₂)取决于测试样品而改变。

此外，在蓝宝石衬底中，[0001]平面取向相对于衬底主表面法线矢量在<11-20>和<1-100>方向上倾斜，以便GaN[0001]平面取向相对于将形成的GaN晶体薄膜的表面在[1-100]和[11-20]方向上倾斜。对于测试样品：ID号66，(离轴)方向上的倾斜角([11-20]方向中的离轴角θ₁和[1-100]方向中的θ₂被布置为θ₁＝θ₂＝26°，对于测试样品ID号67，θ₁＝θ₂＝40°。

此外，在ZnO衬底中，[0001]平面取向相对于衬底主表面法线矢量在[1-100]和[11-20]方向上倾斜。(离轴)方向上的倾斜角([1-100]方向中的离轴角θ₁和[11-20]方向上的离轴角θ₂)被布置为θ₁＝θ₂＝26°。

此外，在SiC衬底中，[0001]平面取向相对于衬底主表面法线矢量在[1-100]和[11-20]方向上倾斜。(离轴)方向上的倾斜角([1-100]方向上的离轴角θ₁和[11-20]方向上的离轴角θ₂)被布置为θ₁＝θ₂＝26°。

附加地，在GaN衬底中，[0001]平面取向相对于衬底主表面法线矢量在[1-100]和[11-20]方向上倾斜。(离轴)方向上的倾斜角([1-100]方向中的离轴角θ₁和[11-20]方向上的离轴角θ₂)被布置为θ₁＝θ₂＝26°。

此外，对于所有测试样品：ID号1至70，在底衬底主表面上形成具有图7所示的条纹图形的掩模层，如实施例1。掩模层厚度和条状图形尺寸与实施例1中的掩模层的相同。

用于薄膜淀积的条件

在如上所述的底衬底的表面上，在表I至XIV表示的条件下形成GaN晶体层。亦即，利用图9所示的薄膜淀积装置20，通过HVPE，在底衬底表面上形成GaN晶体层。在底衬底表面上生长GaN晶体的工序过程中，首先，在较低温度下生长薄缓冲层。接着，在缓冲层上，在较高温度下生长厚的GaN外延层。淀积缓冲层的条件如下面将描述的表I至XIV表示。在此，在测试样品：ID号70中，其中由GaN构成的衬底被用作底衬底，缓冲层生长被省略，以及在底衬底上直接生长GaN外延层。

在薄膜淀积之后，通过从淀积的GaN薄膜研磨去除GaAs及其他底下的衬底。在该过程中，制造10mm厚度的独立GaN衬底。连续地，利用线状锯切掉GaN衬底400μm的厚度，以及表面抛光，以获得具有2英寸直径的10个GaN衬底。

2.发光器件形成

通过在获得的GaN衬底测试样品ID号1至70上表面地淀积外延层，此外，通过形成电极并将衬底分为器件，形成图11所示的发光器件。在此，发光器件中的每个层的组分和厚度与实施例1的发光器件相同。

3.测量

对于用以上方法制造的GaN衬底，测量衬底离轴角，亦即，相对于GaN衬底表面法线矢量，[0001]平面取向在[1-100]方向上倾斜时的角度(离轴角θ_a)和[0001]平面取向在[11-20]方向上倾斜时的角度(离轴角θ_b)。此外，测量离轴角的面内分布。此外，至于GaN衬底，测量位错密度。此外，至于形成的发光器件，测量发射波长和电流量之间的关系。下面，将描述怎样测量该数据。

GaN衬底离轴角的测量及它们的分布：

用和实施例1相同的方法，利用XRD系统测量GaN衬底离轴角。此外用和实施例1一样的方法测量GaN衬底离轴角的面内分布。

GaN衬底位错密度的测量：

至于GaN衬底，用与实施例1相同的测量方法，利用装备到SEM的CL测量位错密度。

发光器件的发射波长变化量的测量(蓝移：Δλ)：

至于制造的发光器件，在改变施加的电流时，同时测量从发光器件发射的光波长。具体测量方法与实施例1相同。以及，提供给发光器件的电流足够大(具体地说，200mA)时发射的光波长和10mA电流时发射的光波长之间的差值为蓝移Δλ(单元：nm)。

当1000小时过去时测量发光器件工作电压的增加量(ΔV_op)。

至于制造的发光器件，80℃的温度下通过该发光器件分布100mA电流需要的电压被测量为开始工作时的和1000小时工作之后时的工作电压，以及工作电压的增加量为ΔV_op(单元：V)。

GaN衬底表面中的发射波长分布的测量：

至于其表面上形成外延层以便形成发光器件的GaN衬底，测量面内波长分布。在具体测量方法中，在GaN衬底背面上形成n-电极，以及在外延层上形成p-电极之后，由总共五个点的每一个取10个500平方μm的发光器件，所述五个点中，一个是衬底中心点以及其四个的每个为在<1-100>和<11-20>方向上远离中心点20mm的点。脉冲电流被施加到50个所得的发光器件，以测量发射光谱，以及计算每个点的平均发射波长。接着，在中心点和其他四个点的发射波长平均值(5个数据)当中，使5个数据之间的差值的最大绝对值成为波长分布(单元：nm)。

4.测量结果

下面示出了测量结果。

在测试样品的底衬底中：ID号1至18，[111]平面取向相对于主表面法线矢量仅仅在一个方向(<1-10>或<11-2>方向)上倾斜。结果，在形成的GaN衬底中，[0001]平面取向相对于主表面法线矢量基本上在[11-20]或[1-100]方向上倾斜。

如表I和II表示，使底衬底离轴角θ₁或θ₂在10°至40°之间，包含10°和40°，(亦即，使GaN衬底离轴角θ_a或θ_b在10°至40°之间，包含10°和40°)减轻蓝移。

表III

表IV

表III和IV表示其中底衬底离轴角θ₁和θ₂之一被固定为10°和另一离轴角被固定为0.03°至10°，包含0.03°和10°(亦即，GaN衬底离轴角θ_a和θ_b之一被固定为约10°和另一离轴角被固定为0.02°或0.03°至10°，包含0.02°或0.03°和10°)的测量结果。在表III和IV表示的测试样品中，与表I和II中表示情况的比较例子和参考例子的测试样品相比较，GaN衬底离轴角(Δθ_a和Δθ_b)的面内分布、工作电压增加量(ΔV_op)，以及附加地，面内波长分布(σ)较小。尽管该原因不清楚，但是可能的原因是采用在两个方向上具有离轴角的底衬底(GaAs衬底)生长GaN晶体层，以保持底衬底成分部分地从底衬底释放(As，例如，如果底衬底是GaAs)，因而防止形成的GaN晶体层翘曲。因此，人们相信，制造的GaN衬底的离轴角面内分布(Δθ_a和Δθ_b)以及面内波长分布(σ)被减轻。

表V

表VI

表V和VI表示下述测量的结果，其中底衬底离轴角θ₁和θ₂之一被固定为18°以及另一离轴角被固定在0.02°或0.03°和10°之间，包含0.02°或0.03°和10°(亦即，GaN衬底离轴角θ_a和θ_b之一被固定为约18°以及另一离轴角被固定在0.02°或0.03°和10°之间，包含0.02°或0.03°和10°)。

表VII

表VIII

表VII和VIII表示下述测量的结果，其中底衬底离轴角θ₁和θ₂之一被固定为25°以及另一离轴角被固定在0.03°和10°之间，包含0.03°和10°(亦即，GaN衬底离轴角θ_a和θ_b之一被固定为约25°和另一离轴角被固定在0.02°和10°之间，包含0.02°和10°)。

表IX

表X

表IX和X表示下述测量的结果，其中底衬底离轴角θ₁和θ₂之一被固定为28°以及另一离轴角被固定在0.03°和10°之间，包含0.03°和10°(亦即，GaN衬底离轴角θ_a和θ_b之一被固定为约28°和另一离轴角被固定在0.02°或0.03°和10°之间，包含0.02°或0.03°和10°)。

表XI

表XII

表XI和XII表示下述测量的结果，其中底衬底离轴角θ₁和θ₂之一被固定为40°以及另一离轴角被固定在0.03°和10°之间，包含0.03°和10°(亦即，GaN衬底离轴角θ_a和θ_b之一被固定为约40°和另一离轴角被固定在0.02°或0.03°和10°之间，包含0.02°或0.03°和10°)。

表XIII

表XIII示出下述测量的结果，其中底衬底离轴角θ₁和θ₂在26°至45°的范围内改变，包含26°和45°(具体地，26°，40°和45°)，亦即，GaN衬底离轴角θ_a和θ_b在从26°至45°的范围内改变，包含26°和45°。如由表XIII明白，使底衬底离轴角θ₁和θ₂的任意一个为40°或以上(具体地，45°)，不能形成GaN晶体层。另一方面，在GaN衬底中，使底衬底离轴角θ₁和θ₂为40°或以下(亦即，GaN衬底离轴角θ_a和θ_b为40°或以下)，与表I和II表示的比较和参考例子相比较，GaN衬底离轴角(Δθ_a和Δθ_b)的面内分布，工作电压增加量，以及面内波长分布全都较小。

在实施例的测试样品中，表III至XIII表示(具体地，在其中GaN衬底离轴角θ_a和θ_b之一在10°和40°之间，包含10°和40°，另一离轴角在0.02°和40°之间，包含0.02°和40°)的测试样品中，与表I和II表示的比较和参考例子的测试样品相比较，GaN衬底离轴角(Δθ_a和Δθ_b)的面内分布、工作电压增加量(ΔVop)以及面内波长分布(σ)较小。

表XIV

表XIV表示用于GaN薄膜淀积的条件和测量结果，至于测试样品，其中采用由除GaAs以外的材料构成的衬底作为底衬底。如由测量该测试样品：ID号66至70的结果可以明白，即使使用GaAs衬底以外的衬底(蓝宝石、ZnO、SiC和GaN衬底)用作底衬底，也可以制造其中[0001]平面取向在两个离轴方向倾斜的GaN衬底，与利用GaAs衬底作为底衬底时一样。所得的GaN衬底和由所得的GaN衬底制造的发光器件显示出与通过利用GaAs衬底作为底衬底制造的GaN衬底相同的性能，以及与利用GaAs底衬底由GaN衬底制造的发光器件相同的性能。在此，在通过采用具有与GaAs相同的离轴角的、蓝宝石、ZnO、SiC和GaN衬底制造的表中未表示的GaN衬底，以及通过采用这种GaN衬底制造的发光器件显示出与图I至XIII的器件相同的性能。

当前公开的实施例和执行例子应该在所有方面被认为是说明性的和不被限制。本发明的范围不被上述说明书阐述，而是通过专利权利要求的范围阐述，以及希望包括与专利权利要求的范围等效的含义和该范围内的所有改进。

本发明被有利地应用于发光器件中采用的GaN衬底、其中在GaN衬底表面上形成外延层的外延衬底以及其中利用该GaN衬底的半导体器件，该发光器件发射具有较长波长(在500nm或以上的长波长范围内)的光。

仅仅选择的实施例被选择来说明本发明。但是，所属领域的技术人员从上述公开内容将明白，在不脱离附加权利要求限定的本发明范围的条件下，可以进行各种改变和改进。此外，根据本发明的实施例的上述描述仅仅用于例示，而不是限制由附加权利要求和它们的等效权利限定的发明。

Claims (13)

1.一种具有主表面的GaN衬底，其中：

相对于垂直于所述主表面的矢量，[0001]平面取向在彼此不同的两个离轴方向上倾斜。

2.如权利要求1所述的GaN衬底，其中，所述两个离轴方向是[1-100]和[11-20]方向，在这两个方向上，所述[0001]平面取向相对于所述主表面的法线矢量倾斜。

3.如权利要求2所述的GaN衬底，其中，相对于所述主表面的法线矢量，所述[0001]平面取向在[1-100]方向上倾斜的角度和在[11-20]方向上倾斜的角度中的任意一个角度是10°至40°，其中包含10°和40°，而另一角度是0.02°至40°，其中包含0.02°和40°。

4.一种外延衬底，包括：

如权利要求1所述的GaN衬底；以及

在所述GaN衬底的主表面之上形成的外延生长层。

5.一种利用如权利要求4所述的外延衬底的半导体器件。

6.一种制造具有主表面的GaN衬底的方法，包括：

制备底衬底的步骤，其中相对于垂直于所述主表面的矢量，基准平面的取向在彼此不同的两个倾斜方向上朝向所述底衬底倾斜；

在所述底衬底的主表面上生长GaN晶体层的步骤；以及

从所述GaN晶体层去除所述底衬底，以获得由所述GaN晶体层构成的GaN衬底的步骤；其中

相对于所述主表面的法线，[0001]平面取向在彼此不同的两个离轴方向上倾斜，以及

通过改变所述基准平面取向在所述底衬底中在倾斜方向上朝向底衬底倾斜的倾斜角，调整所述[0001]平面取向在所述GaN衬底中在离轴方向上倾斜的倾斜角。

7.如权利要求6所述的GaN衬底制造方法，其中

所述底衬底是GaAs衬底；

所述基准平面取向是[111]；

朝向所述底衬底倾斜的两个方向是<1-10>和<11-2>方向；以及

所述GaN衬底中的两个离轴方向是[11-20]和[1-100]方向。

8.如权利要求6所述的GaN衬底制造方法，其中：

所述底衬底是蓝宝石衬底；

所述基准平面取向是[0001]；

朝向所述底衬底倾斜的两个倾斜方向是[11-20]和[1-100]方向；以及

所述GaN衬底中的两个离轴方向是[1-100]和[11-20]方向。

9.如权利要求6所述的GaN衬底制造方法，其中：

所述底衬底是ZnO衬底；

所述基准平面取向是[0001]；

朝向所述底衬底倾斜的两个倾斜方向是[1-100]和[11-20]方向；以及

所述GaN衬底中的两个离轴角是[1-100]和[11-20]方向。

10.如权利要求6所述的GaN衬底制造方法，其中：

所述底衬底是SiC衬底；

所述基准平面取向是[0001]；

朝向所述底衬底倾斜的两个倾斜方向是[1-100]和[11-20]方向；以及

所述GaN衬底中的两个离轴方向是[1-100]和[11-20]方向。

11.如权利要求6所述的GaN衬底制造方法，其中：

所述底衬底是由GaN构成的衬底；

所述基准平面取向是[0001]；

朝向所述底衬底倾斜的两个倾斜方向是[1-100]和[11-20]方向；以及

所述GaN衬底中的两个离轴角是[1-100]和[11-20]方向。

12.如权利要求6所述的GaN衬底制造方法，还包括步骤：在所述的生长GaN晶体层的步骤之前，在所述底衬底的主表面上形成具有多个窗口的掩模层。

13.如权利要求6所述的GaN衬底制造方法，其中，在所述底衬底中，朝向所述底衬底倾斜的两个倾斜方向上的倾斜角之一是10°至40°，其中包含10°和40°，另一倾斜角是0.02°至40°，其中包含0.02°和40°。

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