DE10322705B4 - Herstellverfahren für eine LED mit dicker Epitaxieschicht auf III-V-Halbleiterbasis und derartige LED - Google Patents

Herstellverfahren für eine LED mit dicker Epitaxieschicht auf III-V-Halbleiterbasis und derartige LED Download PDF

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Abstract

Herstellverfahren für eine LED, mit den folgenden Schritten:
– Bereitstellen eines Substrats;
– Herstellen eines Musters auf einer Fläche des Substrats für epitaktische Züchtung in einem selektiven Gebiet;
– Herstellen eines GaN-Dickfilms mit einer schrägen Fläche auf dem Muster unter Verwendung eines Epitaxiezüchtungsverfahrens, wobei sich die schräge Fläche in natürlicher Weise als Ergebnis der Eigenschaften von GaN bildet, und wobei die Oberfläche des GaN-Dickfilms eine Ebene mit einer für die Zwecke von Bauelementen geeigneten Fläche ist; und
– Herstellen einer LED-Struktur auf dem GaN-Dickfilm, wobei die LED-Struktur über eine III-V-Verbindung der n-GaN-Reihe und eine III-V-Verbindung der p-GaN-Reihe verfügt und wobei die III-V-Verbindung der p-GaN-Reihe mit einer p-Elektrode mit niedrigem Ohmschem Kontaktwiderstand in elektrischer Verbindung steht und die III-V-Verbindung der n-GaN-Reihe mit einer n-Elektrode mit niedrigem Ohmschem Kontaktwiderstand in elektrischer Verbindung steht, um für eine Durchlass-Vorspannung zu sorgen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer LED (Licht emittierende Diode) mit dicker Epitaxieschicht auf III-V-Halbleiterbasis und eine derartige LED.
  • LEDs verwenden charakteristische Eigenschaften von Halbleitern zum Emittieren von Licht, und ihr Betriebsprinzip unterscheidet sich von dem einer normalen Lampe. Daher wird eine LED als kalte Lichtquelle bezeichnet. Darüber hinaus zeigt eine LED die Vorteile langer Lebensdauer, geringen Gewichts, guter Energieeinsparung und Freiheit von Quecksilber. Daher ziehen LEDs in der Beleuchtungsindustrie große Aufmerksamkeit auf sich.
  • LEDs werden im Allgemeinen epitaktisch aus III-V-Mischkristallverbindungen, wie GaP und GaN, hergestellt. Da der Bre chungsindex von LEDs größer als der der Umgebung ist und da herkömmliche LEDs hauptsächlich Würfelform aufweisen, werden durch eine LED mit einem Einfallswinkel über dem Schwellenwinkel erzeugte Lichtstrahlen an der Diode/Luft-Grenzfläche zurück in die Diode totalreflektiert. Die vier Grenzflächen eines Diodenkristalls mit kubischer Symmetrie sind zueinander parallel, was bewirkt, dass die oben genannten Lichtstrahlen innerhalb der LED totalreflektiert werden. Im Ergebnis ist der Lichtemissions-Wirkungsgrad einer LED viel kleiner als der interne Quantenwirkungsgrad. Eine Lösung hinsichtlich dieses Mangels besteht im Ändern der Kristallform der LED.
  • Betreffend die aktuelle Halbleiter-Bearbeitungstechnologie ist ein erstes Beispiel mit erfolgreicher Anwendung dieses Verfahrens in US 6 229 160 B1 TIP(Truncated Inverted Pyramid = umgekehrter Pyramidenstumpf)=LED offenbart. Gemäß diesem Patent werden die Seitenflächen eines AlGaInP/GaP-LED-Kristalls zu Pyramidenform ausgebildet, so dass die vier Grenzflächen nicht parallel zueinander sind. Diese Konfiguration kann die Strahlen wirkungsvoll nach außen führen, was den Lichtemissions-Wirkungsgrad um den Faktor Zwei erhöht. Jedoch werden TIP-LEDs durch direkte mechanische Bearbeitung hergestellt. Dieses Verfahren kann nur bei roten AlGaInP/GaP-Dioden angewandt werden. Es nutzt das Merkmal, dass ein Material aus vier Elementen geschickt bearbeitet werden kann, um eine TIP-LED zu erzeugen. Andererseits werden GaN-LEDs meistens epitaktisch auf Saphir aufgewachsen. Da Saphir sehr hart ist, ist eine mechanische Bearbeitung beinahe unmöglich. In dieser Richtung bestand praktisch keinerlei Durchbruch.
  • Die Firma U.S. Cree, Inc. ist bei der Herstellung von TIP-LEDs unter Verwendung von GaN erfolgreich. Dabei wird die Eigenschaft genutzt, dass die Bearbeitung von SiC viel ein facher als die von Saphir ist, um ein SiC-Substrat zu polieren. Unter Verwendung dieses Verfahrens kann eine GaN-LED mit TIP-Form ausgebildet werden. Jedoch absorbieren die Kristallgitter von GaN und SiC sowie das SiC-Substrat ultraviolettes (UV) Licht, was den Lichtemissions-Wirkungsgrad einer UV-GaN-LED beeinträchtigt. Jedoch wird davon ausgegangen, dass eine Weißlicht-LED auf Grundlage einer UV-GaN-LED in der nächsten Generation ein ideales Beleuchtungsmaterial bilden wird.
  • Obwohl ein GaN-Substrat direkt dazu verwendet werden kann, eine InGaN/GaN-LED unter Verwendung mechanischer Bearbeitung mit TIP-Form auszubilden, enthalten die durch mechanische Bearbeitung erzeugten schrägen Flächen eine Schicht mit Rechtsspannungen, nachdem das InGaN/GaN epitaktisch auf ein GaN-Substrat aufgewachsen wurde. Eine derartige Schicht absorbiert Licht und kann nicht leicht entfernt werden. Daher schadet dies der LED. Ferner zeigen GaN-Substrate niedrige Ausbeute und hohe Kosten. Der Marktpreis ist viel höher als der von SiC- und Saphirsubstraten. Daher ist die Kommerzialisierung schwierig.
  • Die US 6,229,160 B1 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen einer Leuchtdiode (LED) mit einer epitaktischen Fensterschicht mit schrägen Seitenflächen zur Erhöhung der Lichtauskopplung aus der Leuchtdiode. Die schrägen Seitenflächen werden durch mechanische Bearbeitung der epitaktischen Schichten erhalten.
  • Aus der DE 100 17 757 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen einer Leuchtdiode (LED) mit einer epitaktischen Fensterschicht aus GaN zur Erhöhung der Lichtauskopplung aus der Leuchtdiode bekannt. Hierbei erhöht die dicke mehrschichtige Epitaxiestruktur den Betrag des emittierten Lichts, das das Bauelement durch die Seiten der dicken mehrschichtigen Epitaxistruktur verläßt. Diese Fensterschicht weist keine schrägen Seiten auf.
  • Die DE 199 11 717 A1 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen einer Leuchtdiode (LED), bei welcher Strahlungsauskoppelelemente in Form von Kegelstümpfen oder anderen Formen epitaktisch auf eine aktive, lichtemittierende Region aufgewachsen werden, wobei das Auskoppelelement auf eine lichtemittierende Region aufgewachsen wird.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine LED mit hohem Lichtemissions-Wirkungsrad sowie ein Herstellverfahren für eine solche zu schaffen. Diese Aufgabe ist hinsichtlich der LED durch die Lehre des beigefügten Anspruchs 11 und hinsichtlich des Verfahrens durch die Lehre des beigefügten Anspruchs 1 gelöst.
  • Gemäß der Erfindung wird ein GaN-Dickfilm mit schräger Fläche auf einer Substratfläche hergestellt. Eine derartige schräge Fläche kann unter Ausnutzung spezieller Eigenschaften der GaN-Epitaxie auf natürliche Weise hergestellt werden. Auf den GaN-Dickfilm wird ferner eine LED-Struktur aufgewachsen, um einen LED-Kristall zu bilden. Daher ist es nicht erforderlich, eine zusätzliche mechanische Bearbeitung zu verwenden, um eine LED-Struktur mit schräger Fläche herzustellen.
  • Eine unter Verwendung des obigen Verfahrens hergestellte LED verfügt über ein Substrat mit einem auf dessen Oberfläche hergestellten GaN-Dickfilms und einer auf diesem hergestellten Diodenstruktur. Die Seitenfläche des GaN-Dickfilms und die Substratfläche verfügen über einen Winkel, der sich aufgrund spezieller Kristalleigenschaften von GaN auf natürliche Weise bildet, Der GaN-Dickfilm ist eine Mischung aus mehreren III-V-Verbindungen. Zum Beispiel gelten für einen AlXGa(1-X1-Y)InYN-Film 0 ≤ X, Y < 1 und 0 ≤ X + Y < 1. Die auf dem GaN-Dickfilm hergestellte Diodenstruktur besteht aus einer III-V-Verbindung aus der n-GaN-Reihe und einer III-V-Verbindung aus der p-GaN-Reihe. Insbesondere stehen die III-V-Verbindung der n-GaN-Reihe und die III-V-Verbindung der p--GaN-Reihe mit Elektroden mit niedrigem Ohmschem Kontakt in elektrischer Verbindung, um für eine Durchlass-Vorspannung zu sorgen. Die Diodenstruktur enthält ferner als Lichtemissionsbereich eine aktive Schicht zwischen der III-V-Verbindung der n--GaN-Reihe und der III-V-Verbindung der p-GaN-Reihe.
  • Darüber hinaus können, gemäß dem offenbarten Verfahren, die Elektroden mit niedrigem Ohmschem Kontaktwiderstand für die III-V-Verbindung der n-GaN-Reihe, die aktive Schicht und die III-V-Verbindung der p-GaN-Reihe auf der Oberseite und der Unterseite der LED hergestellt werden. Dies bedeutet, dass die Größe des Bauteils verringert werden kann, wodurch der Lichtemissions-Wirkungsgrad und die Ausbeute verbessert werden.
    •
  • Die Erfindung wird aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung, die nur zur Veranschaulichung dient und demgemäß für die Erfindung nicht beschränkend ist, vollständiger zu verstehen sein.
  • 1 ist ein Flussdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen LED-Herstellverfahrens; und
  • 2 bis 4 sind schematische Ansichten einer ersten, zweiten bzw. dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen LED.
  • Die offenbarte LED und das Herstellverfahren für diese nutzen die Eigenschaften von GaN bei epitaktischer Züchtung zum Herstellen von LEDs. Dadurch können verschiedene Arten von LEDs mit mehreren schrägen Seiten, verschiedenen Strukturen und besserem Lichtemissions-Wirkungsgrad hergestellt werden.
  • Anhand der 1 wird nun eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Herstellverfahrens erläutert. Als Erstes wird ein Substrat bereitgestellt (Schritt 410). Danach wird die Oberfläche des Substrats mit einem Muster für epitaktisches Wachstum in selektiven Gebieten versehen. Das Mustergebiet ist geringfügig größer als die Größe des gewünschten Bauelements (Schritt 420). Auf dem Substratmuster wird ein AlGaInN-Dickfilm mit schräger Fläche hergestellt (Schritt 430). Eine derartige schräge Fläche bildet sich auf natürliche Weise als Ergebnis spezieller Eigenschaften der GaN-Epitaxie. Der AlGaInN-Dickfilm wird mit einer LED-Struktur aus einer III-V-Verbindung der n-GaN-Reihe und einer III-V-Verbindung der p-GaN-Reihe hergestellt (Schritt 440). Abschließend wird auf der Oberfläche der III-V-Verbindung der p-GaN-Reihe eine p-Elektrode mit niedrigem Ohmschem Kontaktwiderstand hergestellt, und auf der Oberfläche der III-V-Verbindung der n-GaN-Reihe wird eine n-Elektrode mit niedrigem Ohmschem Kontaktwiderstand hergestellt, um so einen LED-Chip fertig zu stellen (Schritt 450). Insbesondere enthält die LED-Struktur ferner eine aktive Schicht als Lichtemissionsbereich. Die Oberflächen der III-V-Verbindung der n-GaN-Reihe und der III-V-Verbindung der p-GaN-Reihe stehen mit den Elektroden mit niedrigem Ohmschem Kontaktwiderstand in elektrischer Verbindung, um für eine Durchlass-Vorspannung zu sorgen. Die Erfindung beinhaltet auch den Schritt des Entfernens des Substrats unter Verwendung eines Lasers, wodurch der Chipzerschneidprozess mit einem Zerschneiden des Kristalls vereinfacht wird. So wird die Ausbeute erhöht, und die Herstellkosten werden gesenkt.
  • Erfindungsgemäße LEDs können verschiedene Strukturen zeigen. Gemäß der 2 verfügt eine erste Ausführungsform über ein Substrat 100, einen AlGaInN-Dickfilm mit schräger Fläche sowie eine LED-Struktur. Der AlGaInN-Dickfilm 110 wird auf der Oberfläche des Substrats 100 auf epitaktische Weise hergestellt. Die LED-Struktur besteht aus einer III-V-Verbindung 130 der n-GaN-Reihe, einer aktiven Schicht 150 und einer III-V-Verbindung 140 der p-GaN-Reihe. Die Oberfläche der III-V-Verbindung 140 der p-GaN-Reihe verfügt über eine Kombination aus einer transparenten Kontaktschicht (TCL) und einer p-Elektrode 141 mit niedrigem Ohmschem Kontaktwiderstand. Die Oberfläche der III-V-Verbindung 130 der n-GaN-Reihe verfügt über eine n-Elektrode 131 mit niedrigem Ohmschem Kontaktwiderstand. Die III-V-Verbindung 130 der n-GaN-Reihe, die aktive Schicht 150 und die III-V-Verbindung 140 der p-GaN-Reihe sind in dieser Reihenfolge auf der Oberfläche des AlGaInN-Dickfilms 110 hergestellt.
  • Bei der Erfindung kann auch ein transparentes, leitendes Substrat zum Herstellen einer LED verwendet werden. Bei einer solchen Ausführungsform können die Elektroden mit niedrigem Ohmschem Kontaktwiderstand, die III-V-Verbindung der n-GaN-Reihe, die aktive Schicht und die III-V-Verbindung der p-GaN-Reihe auf der Ober- und der Unterseite der LED herge stellt werden. Dadurch kann die Größe des Bauteils minimiert werden, während gleichzeitig der Lichtemissions-Wirkungsgrad und die Ausbeute erhöht werden. Dazu wird auf die 3 Bezug genommen, gemäß der die Struktur Folgendes aufweist: ein transparentes, n-leitendes Substrat 200, einen AlGaInN-Dickfilm 210 mit schräger Fläche und eine LED-Struktur. Eine Fläche des transparenten, n-leitenden Substrats 200 verfügt über eine Kombination aus einer TCL 220 und einer n-Elektrode 231 mit niedrigem Ohmschem Kontaktwiderstand. Der AlGaInN-Dickfilm 210 ist auf der anderen Fläche des transparenten, n-leitenden Substrats 200 epitaktisch hergestellt. Die LED-Struktur besteht aus einer III-V-Verbindung 230 der n-GaN-Reihe, einer aktiven Schicht 250 und einer III-V-Verbindung 240 der p-GaN-Reihe. Die Oberfläche der III-V-Verbindung 240 der p-GaN-Reihe verfügt über eine Kombination aus einer p-Elektrode 241 mit niedrigem Ohmschem Kontaktwiderstand und einer reflektierenden Metallelektrode 260.
  • Bei einer Struktur gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist das Substrat entfernt, um den Zerschneidprozess für den LED-Chip zu vereinfachen. Dies kann gleichzeitig die Ausbeute erhöhen und die Kosten senken. Eine diesbezügliche dritte Ausführungsform der Erfindung ist in der 4 dargestellt. Diese verfügt über Folgendes: einen AlGaInN-Dickfilm 310 mit schräger Fläche sowie eine LED-Struktur. Die LED-Struktur besteht aus einer III-V-Verbindung 330 der n-GaN-Reihe, einer aktiven Schicht 350 und einer III-V-Verbindung 340 der p-GaN-Reihe. Die Oberfläche der III-V-Verbindung 330 der n-GaN-Reihe verfügt über eine n-Elektrode 331 mit niedrigem Ohmschem Kontaktwiderstand. Die Oberfläche der III-V-Verbindung 340 der p-GaN-Reihe verfügt über eine Kombination aus einer p-Elektrode 341 mit niedrigem Ohmschem Kontaktwiderstand und einer TCL 320.
  • Wie oben beschrieben, kann das Substrat für die epitaktische Züchtung eines AlGaInN-Dickfilms mit schräger Fläche gemäß der Erfindung aus Saphir, SiC, Si, GaAs, AlN, LiAlO2 oder LiGaO2 bestehen. Das transparente n-leitende Substrat kann aus n-GaN, n-ZnO oder n-SiC bestehen. Das Verfahren für die epitaktische Züchtung eines AlGaInN-Dickfilms mit schräger Fläche ist eine Hydrid-Dampfphasenepitaxie (HVPE). Der Innendurchmesser des Musters für epitaktische Züchtung in einem selektiven Gebiet ist größer als 150 μm. Die Form des Musters kann viereckig, sechseckig oder kreisförmig sein, was die Form der natürlichen schrägen Fläche des Dickfilms bestimmt. Die Dicke des AlGaInN-Dickfilms mit schräger Fläche beträgt mehr als 20 μm. Aufgrund der Eigenschaften der GaN-Epitaxie schließen die Unterseite des GaN-Dickfilms und seine Seitenfläche einen Winkel α ein, wobei 43° ≤ α ≤ 62° gilt. Die p-Elektrode mit niedrigem Ohmschem Kontaktwiderstand und die n-Elektrode mit niedrigem Ohmschem Kontaktwiderstand können transparente Elektroden mit niedrigem Ohmschem Kontaktwiderstand sein. Die p-Elektrode mit niedrigem Ohmschem Kontaktwiderstand kann aus einem p-Übergangsmetalloxidhalbleiter oder einem Gemisch aus einem solchen und Schwermetallen bestehen. Die LED-Struktur verfügt ferner über eine aktive Schicht als Lichtemissionsbereich zwischen der III-V-Verbindung der n-GaN-Reihe und der III-V-Verbindung der p-GaN-Reihe. Die aktive Schicht kann von Doppelheterostruktur (DH), Einzelquantentrog(SQW)-Struktur oder Mehrfachquantentrog(MQW)-Struktur sein.

Claims (19)

  1. Herstellverfahren für eine LED, mit den folgenden Schritten: – Bereitstellen eines Substrats; – Herstellen eines Musters auf einer Fläche des Substrats für epitaktische Züchtung in einem selektiven Gebiet; – Herstellen eines GaN-Dickfilms mit einer schrägen Fläche auf dem Muster unter Verwendung eines Epitaxiezüchtungsverfahrens, wobei sich die schräge Fläche in natürlicher Weise als Ergebnis der Eigenschaften von GaN bildet, und wobei die Oberfläche des GaN-Dickfilms eine Ebene mit einer für die Zwecke von Bauelementen geeigneten Fläche ist; und – Herstellen einer LED-Struktur auf dem GaN-Dickfilm, wobei die LED-Struktur über eine III-V-Verbindung der n-GaN-Reihe und eine III-V-Verbindung der p-GaN-Reihe verfügt und wobei die III-V-Verbindung der p-GaN-Reihe mit einer p-Elektrode mit niedrigem Ohmschem Kontaktwiderstand in elektrischer Verbindung steht und die III-V-Verbindung der n-GaN-Reihe mit einer n-Elektrode mit niedrigem Ohmschem Kontaktwiderstand in elektrischer Verbindung steht, um für eine Durchlass-Vorspannung zu sorgen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der GaN-Dickfilm ein AlXGa(1-X-Y)InYN-Film mit 0 ≤ X, Y < 1 und 0 ≤ X + Y < 1 ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den Schritt des Entfernens des Substrats.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zum Herstellen des GaN-Dickfilms mit schräger Fläche die Hydrid-Dampfphasenepitaxie (HVPE) ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat aus der aus Saphir, SiC, Si, GaAs und AlN bestehenden Gruppe ausgewählt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat ein transparentes, leitendes Substrat ist.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des GaN-Dickfilms mehr als 20 μm beträgt.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser des Musters größer als 150 μm ist.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Muster eine aus der viereckig, sechseckig und kreisförmig bestehenden Gruppe ausgewählte Form aufweist.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterseite und die Seitenfläche des GaN-Dickfilms einen Winkel α, mit 43° ≤ α ≤ 62° einschließen.
  11. LED mit: – einem GaN-Dickfilm mit einer schrägen Fläche, die sich unter Ausnutzung epitaktischer Eigenschaften gebildet hat; und – einer LED-Struktur, die eine III-V-Verbindung der n-GaN-Reihe und eine III-V-Verbindung der p-GaN-Reihe enthält; – wobei die III-V-Verbindung der n-GaN-Reihe auf die Oberfläche des GaN-Dickfilms aufgeschichtet ist und sie mit einer n-Elektrode mit niedrigem Ohmschem Kontaktwiderstand in elektrischer Verbindung steht, und die III-V-Verbindung der p-GaN-Reihe mit einer p-Elektrode mit niedrigem Ohmschem Kontaktwiderstand in elektrischer Verbindung steht, um eine Durchlass-Vorspannung zu bilden.
  12. LED nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der GaN-Dickfilm auf einer Fläche eines Substrats ausgebildet ist, das aus der aus Saphir, SiC, Si, GaAs, AlN, LiGaO2 und LiAlO2 bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
  13. LED nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der GaN-Dickfilm ein AlXGa(1-X-Y)InYN-Film mit 0 ≤ X, Y < 1 und 0 ≤ X + Y < 1 ist.
  14. LED nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des GaN-Dickfilms über 20 μm beträgt und der Innendurchmesser seines Musters größer als 150 μm ist.
  15. LED nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Muster eine aus der aus viereckig, sechseckig und kreisförmig bestehenden Gruppe ausgewählte Form aufweist.
  16. LED nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterseite und die Seitenfläche des GaN-Dickfilms einen Winkel α mit 43° ≤ α ≤ 62° einschließen.
  17. LED nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die n-Elektrode mit niedrigem Ohmschem Kontaktwiderstand und die p-Elektrode mit niedrigem Ohmschem Kontaktwiderstand auf derselben Seite des GaN-Dickfilms ausgebildet sind, wobei die p-Elektrode mit niedrigem Ohmschem Kontaktwiderstand auf dem GaN-Dickfilm aus der III-V-Verbindung der p-GaN-Reihe ausgebildet ist und die n-Elektrode mit niedrigem Ohmschem Kontaktwiderstand auf der Oberfläche der III-V-Verbindung der p-GaN-Reihe ausgebildet ist.
  18. LED nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die LED-Struktur ferner eine aktive Schicht als Lichtemissionsbereich zwischen der III-V-Verbindung der n-GaN-Reihe und der III-V-Verbindung der p-GaN-Reihe aufweist.
  19. LED nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Schicht aus der aus Doppelheterostruktur (DH), Einfachquantentrog (SQW) und Mehrfachquantentrog (MQW) bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
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