CN103337516A - 增强型开关器件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种增强型开关器件及其制造方法，通过在氮化物沟道层中嵌入p型氮化物层，使得位于栅极区的p型氮化物层被氮化物包围，源极和漏极之间导电沟道处的二维电子气被p型氮化物层阻断。同时利用形成于栅极区的半极性面和非极性面进一步降低二维电子气的浓度，而且p型掺杂的氮化物也会耗尽其周围的二维电子气。在栅极电压增加的时候，p型氮化物的侧面以及上方的第二氮化物沟道层中形成了反型层，导电沟道被开启，从而实现了器件的增强型操作。

Description

增强型开关器件及其制造方法

技术领域

本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种增强型开关器件及其制造方法。

背景技术

半导体材料氮化镓具有禁带宽度大、电子饱和漂移速度高、击穿场强高、导热性能好等特点，在电子器件方面，氮化镓材料比硅和砷化镓更适合于制作高温、高频、高压和大功率的半导体器件。

由于AlGaN/GaN异质结构中存在较强的二维电子气，通常AlGaN/GaNHEMT是耗尽型器件，使得增强型器件不易实现。而在许多地方耗尽型器件的应用又具有一定的局限性，比如在功率开关器件的应用中，需要增强型（常关型）开关器件。增强型氮化镓开关器件主要用于高频器件、功率开关器件和数字电路等，它的研究具有十分重要的意义。

实现增强型氮化镓开关器件，需要找到合适的方法来降低零栅压时栅极下方的沟道载流子浓度。参图1所示，一种方法是在栅极1处采用刻蚀结构，局部减薄栅极下面的铝镓氮层2的厚度，达到控制或降低栅极1下二维电子气浓度的目的。参图2所示，另外一种办法是在栅极3下面选择性保留p型(Al)GaN4，通过p型(Al)GaN4来提拉铝镓氮5/氮化镓6异质结处的费米能级，形成耗尽区，从而实现增强型器件。参图3所示，还有一种办法是氟化物等离子处理技术，在势垒层7中注入氟离子等带负电的离子8，控制注入离子浓度可以耗尽导电沟道中的二维电子气。

但是，这些办法都有一定的不足之处。在第一种方法中，阈值电压一般在0V-1V左右，而且栅极的工作电压不能超过2V，未达到应用的阈值电压3V-5V。为了达到较高的工作电压，还需要增加额外的介质层，如原子层沉积的三氧化二铝，但是，这个介质层与铝镓氮表面的界面态如何控制，是一个悬而未决的大问题。在第二种方法中，需要选择性刻蚀掉除了栅极下面以外的所有区域，如何实现刻蚀厚度的精确控制，也是非常具有挑战性的，另外，由于刻蚀中带来的缺陷，以及p型铝镓氮中残余的镁原子，会引起严重的电流崩塌效应。还有就是由于空穴密度的不足（一般而言，p型氮化镓中空穴的浓度不会超过1E18/cm³），AlGaN/GaN异质结中的二维电子气的密度会受到很大的限制。如果二维电子气中电子的密度过高，就无法实现增强型的器件了，所以增强型器件的AlGaN/GaN异质结中，铝的含量通常低于20%，如15%左右。在第三种方法中，氟化物等离子处理会破坏晶格结构，工艺重复控制性也较差，对器件的稳定性和可靠性造成了比较大的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种增强型开关器件及其制造方法，所获得增强型开关器件的阈值电压得到了精确控制，另外，器件的制造工艺简单，与常规的耗尽型器件的制造工艺兼容性好。

正如背景技术中所述，氮化镓材料在运用到增强型器件中的时候，需要控制零栅压时沟道中的载流子浓度。然而现有的工艺中，无论是减薄栅极下方的氮化物势垒层的厚度，还是在栅极下方保留一层p型氮化物，或者在势垒层中注入负离子，都会因为工艺问题对器件的稳定性和可靠性产生比较大的影响。另外，增强型器件的阈值电压也受到很大限制。

因此，本发明设计了一种增强型器件及该增强型器件的制作方法，该增强型器件实现夹断二维电子气的原理是根据III族氮化物是一种极性半导体的特点，请参见图4和图5，同传统的III-V族半导体不同，III族氮化物中存在很强的内建电场。如果在C(0002)平面形成AlInGaN/GaN异质结，即使在AlInGaN层不进行n型掺杂，在所述异质结当中也会产生浓度很高的二维电子气。其原因就是III族氮化物内的自发极化电场和由于应力引起的压电电场。此二维电子气的浓度可以超过1E13/cm²。但是，III族氮化物中的自发极化电场和压电电场只存在于<0002>方向，而非极性方向，即与<0002>方向垂直的方向，包括<1-100>、<11-20>等则不存在自建电场。对于半极性方向来说，例如在<0002>与<1-100>或者<11-20>之间的方向，该方向上的内建电场强度也远远小于<0002>方向。

在本发明中，栅极处的二维电子气被非极性面/半极性面和p型氮化物共同作用下产生中断，器件的阈值电压可以大大提高，可以与现有的功率系统匹配。

为了实现上述目的，本申请提供的技术方案如下：

本发明公开了一种增强型开关器件，包括衬底以及形成于所述衬底上的外延多层结构，所述增强型开关器件上定义有栅极区以及分别位于所述栅极区两侧的源极区和漏极区，所述栅极区、源极区和漏极区分别设有栅极、源极和漏极，其中，所述外延多层结构包括依次形成于所述衬底上的氮化物成核层、氮化物缓冲层、氮化物沟道层和氮化物势垒层，所述氮化物沟道层包括第一氮化物沟道层及位于所述第一氮化物沟道层上方的第二氮化物沟道层，所述第一氮化物沟道层和第二氮化物沟道层之间设有p型氮化物层，所述p型氮化物层位于栅极区且形成于所述栅极的正下方，栅极区的宽度超过p型氮化物层的宽度，所述栅极位于所述氮化物势垒层的上方，所述栅极下方的所述氮化物沟道层中的沟道被夹断

作为本发明的进一步改进，所述第二氮化物沟道层包括第一外夹层、第二外夹层以及位于所述第一外夹层和第二外夹层之间的中间层，所述第二外夹层位于所述第一外夹层的上方，所述第一外夹层为氮化铝、铝镓氮或铝铟镓氮，所述中间层为氮化镓，所述第二外夹层为铝镓氮或铝铟镓氮。

作为本发明的进一步改进，所述第二氮化物沟道层包括第一外夹层、第二外夹层以及位于所述第一外夹层和第二外夹层之间的中间层，所述第一外夹层和第二外夹层为氮化镓，所述中间层为含有铝元素的半导体。

作为本发明的进一步改进，所述氮化物势垒层上还设有介质层。

作为本发明的进一步改进，所述介质层选自SiN、SiO₂、SiAlN、SiON、Al₂O₃、HfO₂、HfAlO中的一种或多种的组合。

作为本发明的进一步改进，所述氮化物沟道层和氮化物势垒层之间还设有氮化铝层。

作为本发明的进一步改进，所述氮化物势垒层上还设有氮化物过渡层。

作为本发明的进一步改进，所述氮化物过渡层为氮化镓、铝镓氮、铝铟氮或铝铟镓氮。

作为本发明的进一步改进，所述p型氮化物层为氮化镓、铝镓氮、铟镓氮或铝铟镓氮。

作为本发明的进一步改进，所述p型氮化物层的厚度大于等于5纳米。

作为本发明的进一步改进，所述p型氮化物层的截面的形状可以是矩形、三角形、梯形或多边形，也可以为其他非规则形状。

作为本发明的进一步改进，所述氮化物沟道层为非掺杂或n型掺杂或部分n型掺杂。

作为本发明的进一步改进，所述栅极为金属-半导体、或金属-绝缘体-半导体或金属-氧化物-半导体。

相应地，本发明还公开了一种增强型开关器件的制造方法，包括：

（1）提供一衬底；

（2）在所述衬底上依次形成氮化物成核层、氮化物缓冲层、第一氮化物沟道层和p型氮化物层；

（3）保留栅极区的p型氮化物层，去掉栅极区外的p型氮化物层；

（4）生长第二氮化物沟道层；

（5）在所述第二氮化物沟道层上生长氮化物势垒层；

（6）在无氢的氛围内退火，以激活p型氮化物层中的掺杂元素；

（7）在栅极区、源极区以及漏极区分别形成栅极、源极和漏极。

与现有技术相比，本发明的优点如下：本发明增强型开关器件中，位于栅极区的p型氮化物层被非故意掺杂的氮化物包围，源极和漏极之间导电沟道处的二维电子气被p型氮化物层阻断。同时利用形成于栅极区的半极性面和非极性面进一步降低二维电子气的浓度，而且p型掺杂的氮化物也会耗尽其周围的二维电子气。在栅极电压增加的时候，在氮化物沟道层中形成反型层，导电沟道被顺利的开启了，从而实现了器件的增强型。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1所示为现有技术一中增强型开关器件的结构示意图；

图2所示为现有技术二中增强型开关器件的结构示意图；

图3所示为现有技术三中增强型开关器件的结构示意图；

图4所示为氮化物晶格结构的示意图；

图5所示为氮化物中不同方向上的内建电场分布示意图；

图6所示为本发明第一实施例中增强型开关器件的结构示意图；

图7a～7e所示为本发明第一实施例中增强型开关器件一系列制程的结构示意图；

图8所示为本发明第二实施例中增强型开关器件的结构示意图；

图9所示为本发明第三实施例中增强型开关器件的结构示意图；

图10所示为本发明第四实施例中增强型开关器件的结构示意图；

图11所示为本发明第五实施例中增强型开关器件的结构示意图；

图12所示为本发明第六实施例中增强型开关器件的结构示意图；

图13所示为本发明第七实施例中增强型开关器件的结构示意图；

图14所示为本发明第八实施例中增强型开关器件的结构示意图。

具体实施方式

由于自发极化和压电效应，氮化镓是一种具有极强自建电场的半导体材料。因此，在极化方向生长的氮化镓异质结结构中，不需要故意掺杂就可以生成电子浓度很高的二维电子气。但是，对于氮化镓材料的非极性面或者半极性面，由于极化场强几乎没有或者很低，在没有掺杂的情况下就不会生成二维电子气。利用氮化镓材料的此特点，在本发明中，我们在氮化物沟道层中嵌入p型氮化物，并产生非极性面或半极性面，源极和漏极之间导电沟道处的二维电子气被p型氮化物阻断，同时利用位于栅极区域的半极性面和非极性面进一步降低二维电子气的浓度，而且p型掺杂的氮化物也会耗尽其周围的二维电子气，从而实现了增强型器件。

本发明实施例公开了一种增强型开关器件，包括衬底以及形成于所述衬底上的外延多层结构，所述增强型开关器件上定义有栅极区以及分别位于所述栅极区两侧的源极区和漏极区，所述栅极区、源极区和漏极区分别设有栅极、源极和漏极，所述外延多层结构包括依次形成于所述衬底上的氮化物成核层、氮化物缓冲层、氮化物沟道层和氮化物势垒层，所述氮化物沟道层包括第一氮化物沟道层及位于所述第一氮化物沟道层上方的第二氮化物沟道层，所述第一氮化物沟道层和第二氮化物沟道层之间设有p型氮化物层，所述p型氮化物层位于栅极区且形成于所述栅极的正下方，栅极区的宽度超过p型氮化物层的宽度，所述栅极位于所述氮化物势垒层的上方，所述栅极下方的所述氮化物沟道层中的沟道被夹断

相应地，本发明实施例还公开了一种增强型开关器件的制造方法，包括：

（1）提供一衬底；

（2）在所述衬底上依次形成氮化物成核层、氮化物缓冲层、第一氮化物沟道层和p型氮化物层；

（3）保留栅极区的p型氮化物层，去掉栅极区外的p型氮化物层；

（4）生长第二氮化物沟道层；

（5）在所述第二氮化物沟道层上生长氮化物势垒层；

（6）在无氢的氛围内退火，以激活p型氮化物层中的掺杂元素；

（7）在栅极区、源极区以及漏极区分别形成栅极、源极和漏极。

以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

图6所示为本发明第一实施例中增强型开关器件的结构示意图。

增强型开关器件10包括衬底11以及形成于衬底11上的外延多层结构12，增强型开关器件10上定义有栅极区以及分别位于栅极区两侧的源极区和漏极区，栅极区、源极区和漏极区分别设有栅极13、源极14和漏极15。

外延多层结构12包括依次形成于衬底11上的氮化物成核层121、氮化物缓冲层122、氮化物沟道层123、氮化物势垒层124和介质层17。氮化物沟道层123包括第一氮化物沟道层1231及位于第一氮化物沟道层1231上方的第二氮化物沟道层1232；氮化物沟道层123为非掺杂或n型掺杂。

第一氮化物沟道层1231和第二氮化物沟道层1232之间设有p型氮化物层16，p型氮化物层16位于栅极区且形成于栅极13的正下方，栅极13位于氮化物势垒层124的上方，且栅极13的宽度大于p型氮化物层16的宽度，以满足栅极13遮盖在p型氮化物层16的正上方，以便栅极13上加适当的正电压时，栅极13侧壁能形成了反型层，或者在p型氮化物层16的侧面的第二氮化物沟道层处形成了反型层，p型氮化物上方的第二氮化物沟道层中产生了二维电子气，使导电沟道能够顺利的开启。p型氮化物层16为氮化镓、铝镓氮、铟镓氮或铝铟镓氮，p型氮化物层16的厚度大于等于5纳米。p型氮化物层16截面的形状可以是矩形、三角形、梯形或多边形，也可以为其他非规则形状。栅极13的结构为金属-半导体（MES）、或金属-绝缘体-半导体（MIS）、或金属-氧化物-半导体（MOS）。衬底11可以选自蓝宝石、碳化硅、硅、铌酸锂、绝缘衬底硅、氮化镓或氮化铝中的一种。

氮化物成核层121、氮化物缓冲层122、氮化物沟道层123以及氮化物势垒层124中的氮化物可以是任意一种三族氮化物的组合，成分包括整个范围。

氮化物成核层121影响上方异质结材料的晶体质量、表面形貌以及电学性质等参数。该氮化物成核层121随着不同的衬底11的材料而变化，主要起到匹配衬底11的材料和异质结结构中的半导体材料层的作用。

氮化物沟道层123和位于其上方的氮化物势垒层124形成异质结结构，该氮化物沟道层123用以提供器件的导电沟道。p型氮化物层16的存在，耗尽了其上方的二维电子气，阻断了二维电子气运动的沟道。

介质层17设于氮化物势垒层124的上表面，栅极13形成于介质层17的上表面。介质层17一方面起钝化层的作用，另一方面也可用来作为MIS/MOS栅极结构的栅介质。介质层17选自SiN、SiO₂、SiAlN、SiON、Al₂O₃、HfO₂、HfAlOx中的一种或多种的组合。该介质层17可以在MOCVD腔内进行原位生长，也可以通过LPCVD或者PECVD生长。

图7a～7e所示为本发明第一实施例中增强型开关器件一系列制程的结构示意图。

增强型器件10的制造方法包括如下步骤：

（1）提供衬底11。

（2）参图7a所示，在衬底11上依次形成氮化物成核层121、氮化物缓冲层122、第一氮化物沟道层1231和p型氮化物层16。

（3）参图7b所示，采用湿法刻蚀或者干法刻蚀对p型氮化物层16进行刻蚀，刻蚀可以停止在第一氮化物沟道层1231上，也可以停止在第一氮化物沟道层1231中，仅保留位于栅极区的p型氮化物层16，去掉栅极区以外的p型氮化物层16。

（4）参图7c所示，再继续生长第二氮化物沟道层1232和生长氮化物势垒层124。

（5）在非氢氛围退火，如氮气、氧气、氮氧混合气体、惰性气体、空气等等，激活p型氮化物层16中的掺杂元素。

（6）如图7d所示，在氮化物势垒层124上生长介质层17，在源极区和漏极区分别形成欧姆接触的源极14和漏极15。

（7）如图7e所示，在栅极区形成MIS结构的栅极13。

上述步骤（4）中，生长第二氮化物沟道层1232，以恢复在步骤（3）刻蚀中损伤的表面，另外也使得保留的p型氮化物层16完全嵌入在了氮化物沟道层123内，此外三层结构的第二氮化物沟道层1232的主要作用是阻止p型氮化物层16中的杂质（如：Mg原子等）向沟道的扩散，提高电流密度，降低电流崩塌。

图8所示为本发明第二实施例中增强型开关器件的结构示意图。

在第二实施例中，p型氮化物层截面的形状为梯形，其余结构与原理同第一实施方式相同，在此不再赘述。

图9所示为本发明第三实施例中增强型开关器件的结构示意图。

在第三实施例中，p型氮化物层截面的形状为弧形，其余结构与原理同第一实施方式相同，在此不再赘述。

图10所示为本发明第四实施例中增强型开关器件的结构示意图。

在第四实施方式中，氮化物沟道层423包括第一氮化物沟道层4231及位于第一氮化物沟道层4231上方的第二氮化物沟道层4232；第二氮化物沟道层4232包括第一外夹层4233、第二外夹层4234以及位于第一外夹层4233和第二外夹层4234之间的中间层4235，第二外夹层4234位于第一外夹层4233的上方。第一外夹层4233为氮化铝、铝镓氮或铝铟镓氮，中间层4235为氮化镓，第二外夹层4234为铝镓氮或铝铟镓氮。在其他实施例中，第一外夹层4233和第二外夹层4234还可以为氮化镓，此时，中间层4235为含有铝元素的半导体。氮化物沟道层423为非故意掺杂或n型掺杂或部分n型掺杂。

氮化物势垒层424上无介质层，其余结构与原理同第一实施方式相同，在此不再赘述。

图11所示为本发明第五实施例中增强型开关器件的结构示意图。

在第五实施例中，增强型开关器件50还包括一介质层57，介质层57设于氮化物势垒层524的上表面，栅极53形成于介质层57的上表面。

介质层57一方面起钝化层的作用，另一方面也可用来作为MIS/MOS栅极结构的栅介质。介质层57选自SiN、SiO₂、SiAlN、SiON、Al₂O₃、HfO₂、HfAlO中的一种或多种的组合。该介质层57可以在MOCVD腔内进行原位生长，也可以通过ALD、LPCVD或者PECVD生长。

其余结构与原理同第二实施方式相同，在此不再赘述。

图12所示为本发明第六实施例中增强型开关器件的结构示意图。

与第一实施例相比，本发明第六实施例的增强型开关器件60中，在氮化物势垒层624和第二氮化物沟道层6232之间，增加了一层氮化铝层68，在氮化物势垒层624和介质层67之间增加了一层氮化物过渡层69。

氮化物过渡层69可以是氮化镓或铝镓氮或铝铟氮或铝铟镓氮层，起到匹配后续表面材料层的作用。

其余结构与原理同第一实施方式相同，在此不再赘述。

图13所示为本发明第七实施例中增强型开关器件的结构示意图。

与第二实施例相比，本发明第七实施例的增强型开关器件70中，在氮化物势垒层724和第二外夹层7234之间，增加了一层氮化铝层78。

其余结构与原理同第一实施方式相同，在此不再赘述。

图14所示为本发明第八实施例中增强型开关器件的结构示意图。

与第二实施例相比，本发明第八实施例的增强型开关器件80中，在氮化物势垒层824上方增加了一层氮化铝层89。

其余结构与原理同第一实施方式相同，在此不再赘述。

综上所述，本发明增强型开关器件中，位于栅极区的p型氮化物层被非故意掺杂或n型的氮化物包围，源极和漏极之间导电沟道处的二维电子气被p型氮化物层阻断。同时利用形成于栅极区的半极性面和非极性面进一步降低二维电子气的浓度，而且p型掺杂的氮化物也会耗尽其周围的二维电子气。在栅极电压增加的时候，在p型氮化物层的侧面以及上方的第二氮化物沟道层处形成了反型层，导电沟道被顺利的开启了，从而实现了器件的增强型。。

应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种增强型开关器件，包括衬底以及形成于所述衬底上的外延多层结构，所述增强型开关器件上定义有栅极区以及分别位于所述栅极区两侧的源极区和漏极区，所述栅极区、源极区和漏极区分别设有栅极、源极和漏极，其特征在于：所述外延多层结构包括依次形成于所述衬底上的氮化物成核层、氮化物缓冲层、氮化物沟道层和氮化物势垒层，所述氮化物沟道层包括第一氮化物沟道层及位于所述第一氮化物沟道层上方的第二氮化物沟道层，所述第一氮化物沟道层和第二氮化物沟道层之间设有p型氮化物层，所述p型氮化物层位于栅极区且形成于所述栅极的正下方，栅极区的宽度超过p型氮化物层的宽度，所述栅极位于所述氮化物势垒层的上方，所述栅极下方的所述氮化物沟道层中的沟道被夹断。 

2.根据权利要求1所述的增强型开关器件，其特征在于：所述第二氮化物沟道层包括第一外夹层、第二外夹层以及位于所述第一外夹层和第二外夹层之间的中间层，所述第二外夹层位于所述第一外夹层的上方，所述第一外夹层为氮化铝、铝镓氮或铝铟镓氮，所述中间层为氮化镓，所述第二外夹层为铝镓氮或铝铟镓氮。 

3.根据权利要求1所述的增强型开关器件，其特征在于：所述第二氮化物沟道层包括第一外夹层、第二外夹层以及位于所述第一外夹层和第二外夹层之间的中间层，所述第一外夹层和第二外夹层为氮化镓，所述中间层为含有铝元素的半导体。 

4.根据权利要求1所述的增强型开关器件，其特征在于：所述氮化物势垒层上还设有介质层。 

5.根据权利要求4所述的增强型开关器件，其特征在于：所述介质层选自SiN、SiO₂、SiAlN、SiON、Al₂O₃、HfO₂、HfAlO中的一种或多种的组合。 

6.根据权利要求1所述的增强型开关器件，其特征在于：所述氮化物沟道层和氮化物势垒层之间还设有氮化铝层。 

7.根据权利要求1所述的增强型开关器件，其特征在于：所述氮化物势垒层上还设有氮化物过渡层。 

8.根据权利要求7所述的增强型开关器件，其特征在于：所述氮化物过渡层为氮化镓、铝镓氮、铝铟氮或铝铟镓氮。 

9.根据权利要求1所述的增强型开关器件，其特征在于：所述p型氮化物层为氮化镓、铝镓氮、铟镓氮或铝铟镓氮。 

10.根据权利要求1所述的增强型开关器件，其特征在于：所述p型氮化物层的厚度大于等于5纳米。 

11.根据权利要求1所述的增强型开关器件，其特征在于：所述p型氮化物层的截面的形状可以是矩形、三角形、梯形或多边形，也可以为其他非规则形状。 

12.根据权利要求1所述的增强型开关器件，其特征在于：所述氮化物沟道层为非掺杂或n型掺杂。 

13.根据权利要求1所述的增强型开关器件，其特征在于：所述栅极为金属-半导体、或金属-绝缘体-半导体或金属-氧化物-半导体。 

14.一种如权利要求1所述的增强型开关器件的制造方法，其特征在于，包括： 

（1）提供一衬底； 

（2）在所述衬底上依次形成氮化物成核层、氮化物缓冲层、第一氮化物沟道层和p型氮化物层； 

（3）保留栅极区的p型氮化物层，去掉栅极区外的p型氮化物层； 

（4）生长第二氮化物沟道层； 

（5）在所述第二氮化物沟道层上生长氮化物势垒层； 

（6）在无氢的氛围内退火，以激活p型氮化物层中的掺杂元素； 

（7）在栅极区、源极区以及漏极区分别形成栅极、源极和漏极。 

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