CN108054248A - 新型GaN基LED的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种新型GaN基LED的制备方法。该制备方法包括：在蓝宝石衬底上制备包括GaN的蓝光材料；刻蚀所述蓝光材料形成多个紫外光灯芯槽；在所述多个紫外光灯芯槽中分别制备包括GaN的紫外光材料；在所述蓝光材料和所述紫外光材料表面制备导电衬底；去除所述蓝宝石衬底；分别制备阳极电极和阴极电极，以完成所述新型GaN基LED的制备。本发明将GaN外延片从蓝宝石衬底转移到具有良好电、热导特性的衬底材料上，可以提升器件的散热效率，延长器件的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，特别涉及一种新型GaN基LED的制备方法。
背景技术
LED(Lighting Emitting Diode)即发光二极管，是一种半导体固体发光器件。它是利用固体半导体芯片作为发光材料，在半导体中通过载流子发生复合放出过剩的能量而引起光子发射，直接发出红、黄、蓝、绿色的光。LED为一种新型的固态光源，其具有体积小、发光效率高、能耗低、寿命长、无汞污染、全固态、响应迅速、工作电压低、安全可靠等诸多方面的优点。
利用三基色原理，在LED器件封装时添加荧光粉，可以发出任意颜色的光，因此可以利用LED作为光源进行照明。现有技术中，LED涂敷荧光粉的方式主要有：荧光粉远离芯片、荧光粉均匀分布在封装材料和荧光粉紧贴芯片表面的封装方式。其中荧光粉均匀分布在封装材料的封装方式容易操作，但该封装方式荧光粉的激发效率较低；由于荧光粉远离芯片的工艺繁杂且难以控制至今还未实现工业化生产；荧光粉紧贴芯片的封装方式是借助中介封装材料与芯片粘结在一起，缺陷是中介封装材料的折射率较低，芯片发出的光容易产生全反射而导致热量聚集，反而降低芯片的出光效率并影响荧光粉的激发(荧光粉所处的激发温度相对较高)。将荧光粉直接涂覆已固晶焊线的半成品上，这又会造成荧光粉的大量浪费。因此，如何设计出一种新型的LED，减少荧光粉的涂敷就变得极其重要。
发明内容
因此，为解决现有技术存在的技术缺陷和不足，本发明提出一种新型GaN基LED的制备方法。
具体地，本发明一个实施例提出的一种新型GaN基LED的制备方法，包括：
在蓝宝石衬底上制备包括GaN的蓝光材料；
刻蚀所述蓝光材料形成多个紫外光灯芯槽；
在所述多个紫外光灯芯槽中分别制备包括GaN的紫外光材料；
在所述蓝光材料和所述紫外光材料表面制备导电衬底；
去除所述蓝宝石衬底；
分别制备阳极电极和阴极电极，以完成所述新型GaN基LED的制备。
在本发明的一个实施例中，在蓝宝石衬底上制备包括GaN的蓝光材料，包括：
在所述蓝宝石衬底上生长第一GaN缓冲层；
在所述第一GaN缓冲层上生长第一GaN稳定层；
在所述第一GaN稳定层上生长第一n型GaN层；
在所述第一n型GaN层上生长第一有源层；
在所述第一多量子阱层上生长第一AlGaN阻挡层；
在所述第一AlGaN阻挡层上生长第一p型GaN层，以完成所述蓝光材料的制备。
在本发明的一个实施例中，在所述第一n型GaN层上生长第一有源层，包括：
在所述第一n型GaN层上依次周期层叠生长GaN势垒层和InGaN量子阱层；其中，所述GaN势垒层和InGaN量子阱层的层叠周期为8～30，所述InGaN量子阱层中的In含量为10～20％。
在本发明的一个实施例中，刻蚀所述蓝光材料形成多个紫外光灯芯槽，包括：
利用PECVD工艺在所述蓝光材料表面淀积氧化层；
利用刻蚀工艺在所述氧化层中刻蚀多个矩形窗口；
利用刻蚀工艺刻蚀所述多个矩形窗口下的所述蓝光材料形成所述紫外光灯芯槽。
在本发明的一个实施例中，在所述紫外光灯芯槽中制备包括GaN的紫外光材料，包括：
在所述紫外光灯芯槽中生长第二GaN缓冲层；
在所述第二GaN缓冲层上生长第二GaN稳定层；
在所述第二GaN稳定层上生长第二n型GaN层；
在所述第二n型GaN层上生长第二有源层；
在所述第二多量子阱层上生长第二AlGaN阻挡层；
在所述第二AlGaN阻挡层上生长第二p型GaN层，以完成所述紫外光材料的制备。
在本发明的一个实施例中，在所述第二n型GaN层上生长第二有源层，包括：
在所述第二n型GaN层上依次周期层叠生长Al1-yGayN势垒层和Al1-xGaxN量子阱层；其中，所述Al1-yGayN势垒层和所述Al1-xGaxN量子阱层的层叠周期为8～30，所述Al1-xGaxN量子阱层中的Al含量为10～50％。
在本发明的一个实施例中，在所述蓝光材料和所述紫外光材料表面制备导电衬底之前，还包括：
利用溅射或者蒸发的工艺在所述蓝光材料和所述紫外光材料表面分别制备金属电极层和反光层。
在本发明的一个实施例中，去除所述蓝宝石衬底之后，还包括：
利用光刻工艺在在所述蓝光材料和所述紫外光材料背面进行表面粗化。在本发明的一个实施例中，制备阴极电极，包括：
在表面粗化后的所述蓝光材料上制备第一阴极电极，在表面粗化后的所述紫外光材料上制备第二阴极电极。
在本发明的一个实施例中，制备阳极电极，包括：
利用溅射或者蒸发的工艺在所述导电衬底上制备金属Al或者Ni，刻蚀后形成所述阳极电极。
本发明具有如下有益效果：
1)本发明将多种色彩的材料制备在同一LED器件中，单LED芯片即可产生多种颜色的光，因此极大地减小荧光粉的涂覆；
2)本发明将多种色彩的材料制备在同一LED器件中，器件集成度高，降低LED的生产成本；
3)本发明通过分别制备不同色彩材料的电极控制不同色彩材料的LED发光，可以更加灵活地调节LED的发光颜色；
4)本发明在制造过程中采用衬底片键合与激光剥离技术相结合将GaN外延片从蓝宝石衬底转移到具有良好电、热导特性的衬底材料上，可以提升器件的散热效率，延长器件的使用寿命；
5)本发明提出的器件电极上下垂直分布，彻底解决了正装、倒装结构LED芯片中因为电极平面分布、电流侧向注入导致的诸如散热，电流分布不均匀、可靠性等一系列问题。
通过以下参考附图的详细说明，本发明的其它方面和特征变得明显。但是应当知道，该附图仅仅为解释的目的设计，而不是作为本发明的范围的限定，这是因为其应当参考附加的权利要求。还应当知道，除非另外指出，不必要依比例绘制附图，它们仅仅力图概念地说明此处描述的结构和流程。
附图说明
下面将结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细的说明。
图1为本发明实施例提供的一种新型GaN基LED的制备方法流程图；
图2为本发明实施例提供的一种蓝光材料的生长示意图；
图3为本发明实施例提供的一种第一有源层的生长示意图；
图4为本发明实施例提供的一种紫外光灯芯槽的制备示意图；
图5为本发明实施例提供的一种紫外光材料的生长示意图；
图6为本发明实施例提供的一种第二有源层的生长示意图；
图7为本发明实施例提供的一种导电衬底的制备示意图；
图8为本发明实施例提供的一种电极制作俯视示意图；
图9为本发明实施例提供的一种电极制作剖面示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
实施例一
请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种新型GaN基LED的制备方法流程图。该制备方法包括如下步骤：
步骤1、在蓝宝石衬底上制备包括GaN的蓝光材料；
步骤2、刻蚀所述蓝光材料形成多个紫外光灯芯槽；
步骤3、在所述多个紫外光灯芯槽中分别制备包括GaN的紫外光材料；
步骤4、在所述蓝光材料和所述紫外光材料表面制备导电衬底；
步骤5、去除所述蓝宝石衬底；
步骤6、分别制备阳极电极和阴极电极，以完成所述新型GaN基LED的制备。
其中，对于步骤1可以包括：
在所述蓝宝石衬底上生长第一GaN缓冲层；
在所述第一GaN缓冲层上生长第一GaN稳定层；
在所述第一GaN稳定层上生长第一n型GaN层；
在所述第一n型GaN层上生长第一有源层；
在所述第一多量子阱层上生长第一AlGaN阻挡层；
在所述第一AlGaN阻挡层上生长第一p型GaN层，以完成所述蓝光材料的制备。
进一步地，对于步骤1中在所述第一n型GaN层上生长第一有源层，可以包括：
在所述第一n型GaN层上依次周期层叠生长GaN势垒层和InGaN量子阱层；其中，所述GaN势垒层和InGaN量子阱层的层叠周期为8～30，所述InGaN量子阱层中的In含量为10～20％。
其中，对于步骤2可以包括：
利用PECVD工艺在所述蓝光材料表面淀积氧化层；
利用刻蚀工艺在所述氧化层中刻蚀多个矩形窗口；
利用刻蚀工艺刻蚀所述多个矩形窗口下的所述蓝光材料形成所述紫外光灯芯槽。
其中，对于步骤3可以包括：
在所述紫外光灯芯槽中生长第二GaN缓冲层；
在所述第二GaN缓冲层上生长第二GaN稳定层；
在所述第二GaN稳定层上生长第二n型GaN层；
在所述第二n型GaN层上生长第二有源层；
在所述第二多量子阱层上生长第二AlGaN阻挡层；
在所述第二AlGaN阻挡层上生长第二p型GaN层，以完成所述紫外光材料的制备。
进一步地，对于步骤3中在所述第二n型GaN层上生长第二有源层，可以包括：
在所述第二n型GaN层上依次周期层叠生长Al1-yGayN势垒层和Al1-xGaxN量子阱层；其中，所述Al1-yGayN势垒层和所述Al1-xGaxN量子阱层的层叠周期为8～30，所述Al1-xGaxN量子阱层中的Al含量为10～50％。
其中，在步骤4之前还可以包括：
利用溅射或者蒸发的工艺在所述蓝光材料和所述紫外光材料表面分别制备金属电极层和反光层。
其中，在步骤5之后，还可以包括：
利用光刻工艺在在所述蓝光材料和所述紫外光材料背面进行表面粗化。
其中，对于步骤6中制备阴极电极可以包括：
在表面粗化后的所述蓝光材料上制备第一阴极电极，在表面粗化后的所述紫外光材料上制备第二阴极电极。
其中，对于步骤6中制备阳极电极可以包括：
利用溅射或者蒸发的工艺在所述导电衬底上制备金属Al或者Ni，刻蚀后形成所述阳极电极。
本实施例通过将多种色彩的材料制备在同一LED器件中，产生多种颜色的光，可以解决现有技术中LED封装器件涂覆荧光粉导致LED器件发光效率低、集成度低的缺陷。
实施例二
请参见图2～图9，图2为本发明实施例提供的一种蓝光材料的生长示意图；图3为本发明实施例提供的一种第一有源层的生长示意图；图4为本发明实施例提供的一种紫外光灯芯槽的制备示意图；图5为本发明实施例提供的一种紫外光材料的生长示意图；图6为本发明实施例提供的一种第二有源层的生长示意图；图7为本发明实施例提供的一种导电衬底的制备示意图；图8为本发明实施例提供的一种电极制作俯视示意图；图9为本发明实施例提供的一种电极制作剖面示意图，本实施例将较为详细地对本发明的工艺流程进行介绍。该方法包括：
S10、蓝光材料的生长，如图2和图3所示
S101、选取蓝宝石衬底11，其中蓝宝石的晶面为(0001)，在蓝宝石衬底11上生长第一GaN缓冲层101，第一GaN缓冲层101的厚度为3000～5000纳米，生长温度为400～600℃；
优选地，第一GaN缓冲层101的厚度为4000纳米；
优选地，第一GaN缓冲层101的生长温度为500℃。
S102、将温度升高至900～1050℃，在第一GaN缓冲层101上生长第一GaN稳定层102，第一GaN稳定层102的厚度为500～1500纳米；
优选地，第一GaN稳定层102的厚度为1000纳米；
优选地，第一GaN稳定层102的生长温度为1000℃。
S103、保持S102中的温度不变，在第一GaN稳定层102上生长第一n型GaN层103，第一n型GaN层103的厚度为200～1000纳米，掺杂杂质为Si，掺杂浓度为1×1018～5×1019cm-3；
优选地，第一n型GaN层103的生长温度为1000℃；
优选地，第一n型GaN层103的厚度为400纳米；
优选地，第一n型GaN层103的掺杂浓度为1×1019cm-3。
S104、在第一n型GaN层103上生长第一多量子阱层104，第一多量子阱层104为InGaN/GaN多量子阱结构。具体地，InGaN/GaN多量子阱结构为InGaN量子阱层104b和GaN势垒层104a依次周期层叠形成，层叠周期为8～30。InGaN量子阱层104b的生长温度为650～750℃，厚度为1.5～3.5纳米，其中In的含量约为10～20％，In的含量依据光波长定，含量越高光波波长越长。GaN势垒层104a的生长温度为750～850℃，厚度为5～10纳米；
优选地，InGaN量子阱层104b的生长温度为750℃；
优选地，InGaN量子阱层104b的厚度为2.8纳米；
优选地，GaN势垒层104a的生长温度为850℃；
优选地，GaN势垒层104a的厚度为5纳米；
优选地，InGaN量子阱层104b和GaN势垒层104a的层叠周期为20。
S105、将温度升高至850～950℃，在第一多量子阱层104上生长p型第一AlGaN阻挡层105，第一AlGaN阻挡层105的厚度为10～40纳米；
优选地，第一AlGaN阻挡层105的生长温度为900℃；
优选地，第一AlGaN阻挡层105的生长温度为20纳米。
S106、在第一AlGaN阻挡层105上生长第一p型GaN层106，作为接触用，第一p型GaN层106的厚度为100～300纳米的；
优选地，第一p型GaN层106的生长温度为900℃；
优选地，第一p型GaN层106的厚度为200纳米。
S11、在器件中制作紫外光灯芯槽，如图4所示，紫外光灯芯槽为在蓝光材料中间隔排列的凹槽，其数量根据需求确定，图4以紫外光灯芯槽的数量为3个为例进行描述：
S111、利用PECVD工艺在第一p型GaN 106表面淀积一层氧化层(即SiO2层)，厚度为300～800纳米，优选地SiO2层的厚度为500纳米；
S112、利用湿法刻蚀工艺在SiO2层上刻蚀一个矩形窗口，矩形窗口的长和宽分别大于50微米，小于300微米，优选地，矩形窗口的长和宽为100微米；
S113、利用干法刻蚀工艺刻蚀SiO2矩形窗口下的材料，一直刻蚀到蓝宝石衬底，形成紫外光灯芯槽；
S114、去掉器件表面的SiO2层；
S115、在整个器件上表面重新淀积一层SiO2层，厚度为20～100纳米，优选地SiO2层的厚度为50纳米；
S116、利用干法刻蚀工艺刻蚀器件表面SiO2层，在紫外光灯芯槽四周形成SiO2隔离12。
S12、紫外光材料的生长，如图5和图6所示；
S121、在紫外光灯芯槽中生长第二GaN缓冲层201，第二GaN缓冲层201的厚度为3000～5000纳米，生长温度为400～600℃；
优选地，第二GaN缓冲层301的厚度为4000纳米；
优选地，第二GaN缓冲层301的温度为500℃。
S122、将温度升高至900-1050℃，在第二GaN缓冲层201上生长第二GaN稳定层202，第二GaN稳定层202的厚度为500～1500纳米；
优选地，第二GaN稳定层202的厚度为1000纳米；
优选地，第二GaN稳定层202的生长温度为1000℃。
S123、保持S122中的温度不变，在第二GaN稳定层202上生长第二n型GaN层203，第二n型GaN层203的厚度为200～1000纳米，掺杂杂质为Si，掺杂浓度为1×1018～5×1019cm-3；
优选地，第二n型GaN层203的生长温度为1000℃；
优选地，第二n型GaN层203的厚度为400纳米；
优选地，第二n型GaN层203的掺杂浓度为1×1019cm-3。
S124、在第二n型GaN层203上生长第二有源层204，第二有源层204为Al1-xGaxN/Al1-yGayN多量子阱结构。具体地，Al1-xGaxN/Al1-yGayN多量子阱结构为Al1-xGaxN量子阱层204b和Al1-yGayN势垒层204a依次周期层叠形成，层叠周期为8～30。Al1-xGaxN量子阱层204b的生长温度为850～950℃，厚度均为1.5～3.5纳米，其中Al的含量约为10～50％，Al含量依据光波长定，含量越高光波波长越短。Al1-yGayN势垒204a的生长温度为750～900℃，厚度均为5～10纳米；
优选地，Al1-xGaxN量子阱层204b的生长温度为900℃；
优选地，Al1-xGaxN量子阱层204b的厚度为2.8纳米；
优选地，Al1-yGayN势垒层204a的生长温度为850℃；
优选地，Al1-yGayN势垒层204a的厚度为5纳米；
优选地，Al1-xGaxN量子阱层204b和Al1-yGayN势垒层204a的层叠周期为20。
S125、将温度升高至850～950℃，在第二有源层204上生长p型第二AlGaN阻挡层205，第二AlGaN阻挡层205的厚度为10～40纳米；
优选地，第二AlGaN阻挡层205的生长温度为900℃；
优选地，第二AlGaN阻挡层205的生长温度为20纳米；
优选地，第二AlGaN阻挡层205的Al的组分大于70％。
S126、在第二AlGaN阻挡层205上生长第二p型GaN层206，作为接触用，第二p型GaN层206的厚度为100～300纳米的；
优选地，第二p型GaN层206的生长温度为900℃；
优选地，第二p型GaN层206的厚度为200纳米。
S13、键合、电极制作，如图7、图8和图9所示；
S131、在器件表面，即在第一p型GaN层106和第二p型GaN层206表面采用溅射或者蒸发的工艺制备一层Ni金属层、或者Au金属层、或者Ni/Au与其它金属的合金层，形成金属电极层407，金属电极层407的厚度为100～1000nm；
S132、在金属电极层407表面，采用溅射或者蒸发的工艺制备一层Ni金属层、或者Pb金属层、或者Ni/Pb金属层，或者Al金属层等放光性好的金属或金属合金形成第一反光层408，第一反光层408的厚度为300～1500nm；
S133、选取一个重掺杂Si片或者铝板或者铜板导电衬底410，采用溅射或者蒸发工艺在导电衬底410上制备第二反光层409，第二反光层409的制备工艺参考步骤S182中第一反光层408的制备工艺，第二反光层409厚度为500～2500nm；
S134、将S182、S183中制备的反光层紧贴在一起，即将第一反光层408和第二反光层409紧贴在一起，在300～500℃的环境中，放置15～120分钟，实现两层反光层的键合，即将第一反光层408和第二反光层409键合；
可选地，导电衬底可以通过在反光层表面电镀金属Cu形成，这种方法能有效降低键合工艺中的高温引起的芯片翘曲、应力，增加可靠性。
S135、用准分子激光器去除蓝宝石衬底11，将GaN缓冲层暴露出来，即将第一GaN缓冲层101和第二GaN缓冲层201暴露出来；
S136、在暴露的GaN缓冲层上利用光刻工艺进行表面粗化；
表面粗糙化技术是克服光从光密媒质到光疏媒质的全反射，提高LED发光效率的一项关键技术。对于正面出光的LED，由于p型GaN为高阻层，且比较薄，表面粗化将可能破坏有源层，并使得P型欧姆接触制备更加困难，因此，利用激光剥离，然后进行n型GaN表面粗化，可以较好的解决上述问题。
S137、在粗糙的GaN缓冲层上制备阴极电极，具体为在第一GaN缓冲层101制备第一阴极电极51，在第二GaN缓冲层201制备第二阴极电极52；
S138、在导电衬底410上利用溅射或者蒸发的工艺制备一层金属Al、或者Ni、或者其它导电性好的金属，刻蚀后形成阳极电极53。
本实施例通过分别制备不同色彩材料的电极控制不同色彩材料的LED发光，可以更加灵活地调节LED的发光颜色。
综上所述，本文中应用了具体个例对本发明基于新型GaN基LED的制备方法的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制，本发明的保护范围应以所附的权利要求为准。
Claims (10)
1.一种新型GaN基LED的制备方法，其特征在于，包括：
在蓝宝石衬底上制备包括GaN的蓝光材料；
刻蚀所述蓝光材料形成多个紫外光灯芯槽；
在所述多个紫外光灯芯槽中分别制备包括GaN的紫外光材料；
在所述蓝光材料和所述紫外光材料表面制备导电衬底；
去除所述蓝宝石衬底；
分别制备阳极电极和阴极电极，以完成所述新型GaN基LED的制备。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在蓝宝石衬底上制备包括GaN的蓝光材料，包括：
在所述蓝宝石衬底上生长第一GaN缓冲层；
在所述第一GaN缓冲层上生长第一GaN稳定层；
在所述第一GaN稳定层上生长第一n型GaN层；
在所述第一n型GaN层上生长第一有源层；
在所述第一多量子阱层上生长第一AlGaN阻挡层；
在所述第一AlGaN阻挡层上生长第一p型GaN层，以完成所述蓝光材料的制备。
3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，在所述第一n型GaN层上生长第一有源层，包括：
在所述第一n型GaN层上依次周期层叠生长GaN势垒层和InGaN量子阱层；其中，所述GaN势垒层和InGaN量子阱层的层叠周期为8～30，所述InGaN量子阱层中的In含量为10～20％。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，刻蚀所述蓝光材料形成多个紫外光灯芯槽，包括：
利用PECVD工艺在所述蓝光材料表面淀积氧化层；
利用刻蚀工艺在所述氧化层中刻蚀多个矩形窗口；
利用刻蚀工艺刻蚀所述多个矩形窗口下的所述蓝光材料形成所述紫外光灯芯槽。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述紫外光灯芯槽中制备包括GaN的紫外光材料，包括：
在所述紫外光灯芯槽中生长第二GaN缓冲层；
在所述第二GaN缓冲层上生长第二GaN稳定层；
在所述第二GaN稳定层上生长第二n型GaN层；
在所述第二n型GaN层上生长第二有源层；
在所述第二多量子阱层上生长第二AlGaN阻挡层；
在所述第二AlGaN阻挡层上生长第二p型GaN层，以完成所述紫外光材料的制备。
6.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在所述第二n型GaN层上生长第二有源层，包括：
在所述第二n型GaN层上依次周期层叠生长Al1-yGayN势垒层和Al1-xGaxN量子阱层；其中，所述Al1-yGayN势垒层和所述Al1-xGaxN量子阱层的层叠周期为8～30，所述Al1-xGaxN量子阱层中的Al含量为10～50％。
7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述蓝光材料和所述紫外光材料表面制备导电衬底之前，还包括：
利用溅射或者蒸发的工艺在所述蓝光材料和所述紫外光材料表面分别制备金属电极层和反光层。
8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，去除所述蓝宝石衬底之后，还包括：
利用光刻工艺在在所述蓝光材料和所述紫外光材料背面进行表面粗化。
9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，制备阴极电极，包括：
在表面粗化后的所述蓝光材料上制备第一阴极电极，在表面粗化后的所述紫外光材料上制备第二阴极电极。
10.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，制备阳极电极，包括：
利用溅射或者蒸发的工艺在所述导电衬底上制备金属Al或者Ni，刻蚀后形成所述阳极电极。
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|---|---|---|---|---|
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