JP2006202935A - 半導体レーザ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
高コヒーレンス性を持ち、短波長発振するという両方の条件を兼ね備えた半導体レーザを歩留まり良く、さらに容易な方法で提供する。
【解決手段】
III族窒化物半導体から構成される活性層１５と、活性層１５からの光を一対の鏡によって反射することによって、レーザ発振を誘起する共振器と、６００℃以下の低温で成長したIII族窒化物半導体からなり、活性層１５からの光の波長を選択する回折格子２４を有するIII族窒化物半導体レーザ。高コヒーレンス性を持ち、短波長発振するという両方の条件を兼ね備えた半導体レーザを歩留まり良く、さらに容易な方法で作成することが可能になる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体レーザ及びその製造方法に関し、特に、高コヒーレント性を有し、例えばホログラム方式光メモリに適用可能な半導体レーザ及びその製造方法に関する。

光ディスクは、これまでＣＤからＤＶＤへ、ＤＶＤから次世代ＤＶＤへと移行するたびに、記録容量が向上してきた。主にレーザ光源の短波長化とレンズの高ＮＡ化（Numerical Aperture、開口数）により記録容量の向上が達成されてきたが、どちらも次世代ＤＶＤで限界を迎えようとしている。なお、ここでいう次世代ＤＶＤとは、青紫色半導体レーザを用いたＤＶＤであり、ＨＤ−ＤＶＤ方式とＢｌｕ−ｒａｙ方式の２方式に大別される。

また、転送レートに関していえば、従来の方式の光ディスクは１ｂｉｔ毎に書き込み・読み出しを行っているため、光ディスクの回転速度向上とレーザの高出力化により転送レートを向上させてきた。しかしながら、これらの手法にも限界があり、数十Ｍｂｐｓ程度が上限といわれている。

さらなる容量向上のため、近年、次々世代以降の光ディスクとして注目を集めているのが、ホログラフィックメモリである。ホログラフィックメモリは、今までのＣＤやＤＶＤがデータを平面ディスク上に二次元的に記録していたのに対し、メディア全体に三次元的に記録することによって、大容量と高速な読み書きを可能にする。ホログラフィックメモリを使用することによって、転送レートとして１Ｇｂｐｓ、記録密度として１ＴＢクラスのメモリが実現可能になる。

上述のホログラフィックメモリを用いた光ディスク装置の光源としては、三つの特性が必要不可欠である。第１の条件は、光源の波長が短波長であることである。これは、ＤＶＤや次世代ＤＶＤと同様に、書き込みや読み取りにおいて、短波長の光を用いることによって容量を増大させるためである。第２の条件は、連続発振動作時に１００ｍＷ以上の出力を持つことである。これは、信号ノイズ比を大きくするためである。第３の条件は、光源から出射される光が高コヒーレント性を持つことである。ホログラフィックメモリは光の干渉効果を利用するものであり、光学系のサイズを考慮すると、コヒーレンス長としては数ｍｍ程度以上あることが望ましい。

しかしながら、上述の三つの条件すべてを満たす半導体レーザは未だ存在せず、従来のホログラフィックメモリシステムには、主に波長５３２ｎｍの固体レーザが用いられている。一般的に固体レーザは非常に高価であり、ホログラフィックメモリシステムのコストの大部分が、固体レーザの価格で占められているのが現状である。

そこで、上述の固体レーザを半導体レーザで置き換えることが可能であるならば、システム全体の大幅な低コスト化が期待でき、市場に大きなインパクトを与えることができると考えられる。また、現在使用されている５３２ｎｍより短波長の半導体レーザを適用することが可能であるならば、ホログラフィックメモリシステムの容量を増大させることが可能と考えられる。

短波長レーザの作成には、III族窒化物半導体を用いることによって解決される。また、半導体レーザが活性層周辺に回折格子構造を持つ分布帰還型（DFB : Distuributed FeedBack）半導体レーザを用いることによって高コヒーレント性をもつことができる。（例えば非特許文献１）
Hofstetter, D, Thornton, R. L., Romano, L. T., Bour, D. P., Kneissl, M., Donaldson, R. M., Applied Physics Letters, vol. 73, no. 15, p.2158-60,1998

しかしながら、III族窒化物半導体結晶はエッチング困難であり、非特許文献１においては、ドライエッチングによって回折格子を生成している。回折格子は、活性層の近傍層に形成することが必要であるが、ドライエッチングを活性層の近傍で用いると、活性層がダメージを受け、レーザ特性に大きく影響を及ぼすことがある。そのため、高コヒーレンス性を持ち、短波長発振するという両方の条件を兼ね備えた半導体レーザを歩留まり良く作成することは困難であった。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、短波長の光源で、高コヒーレンス性を有する半導体レーザを容易な方法で歩留まり良く提供することを目的とする。

本発明の一つの態様に係るIII族窒化物半導体レーザは、III族窒化物半導体から構成される活性層と、前記活性層からの光を一対の鏡で反射することによって、レーザ発振を誘起する共振器と、６００℃以下の低温で成長したIII族窒化物半導体からなり、前記活性層からの光の波長を選択する回折格子を有するものである。低温成長したIII族窒化物半導体を用いることによって、回折格子における周期的な凹凸の加工が容易になり、高コヒーレンス性を有する短波長半導体レーザの作成が可能になる。III族窒化物半導体から構成される活性層と、

また、本発明の一つの態様に係るIII族窒化物半導体レーザは、１×１０^１８ｃｍ^−３以上の酸素を含むIII族窒化物半導体からなり、前記活性層からの光の波長を選択する回折格子を有するものでも良い。さらに、１×１０^１０ｃｍ^−２以上の転位を含むIII族窒化物半導体からなり、前記活性層からの光の波長を選択する回折格子を有するものでも、容易な方法において高コヒーレンス性を有する短波長半導体レーザを作成することが出来る。

本発明の他の態様に関わるIII族窒化物半導体レーザの製造方法は、活性層を形成する工程と、前記活性層からの光の波長を選択する回折格子を形成する工程と、を含むIII族窒化物半導体レ−ザの製造方法であって、前記回折格子をIII族窒化物半導体の非結晶層によって堆積し、ウェットエッチングによって凹凸を形成する工程を含むIII族窒化物半導体レーザの製造方法である。

本発明に係る半導体レーザによれば、高コヒーレンス性を持ち、短波長発振するという両方の条件を兼ね備えた半導体レーザを歩留まり良く、さらに容易な方法で作成することが可能になる。

第１の実施の形態.
以下、発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本実施形態に係る半導体レーザ１の共振器面の概略断面図を示している。

本実施形態に関わる半導体レーザ１における構造は、ｎ型ＧａＮ基板１１上にｎ電極１０が形成されている。さらに、ｎ電極１０の反対側において、ｎ型ＧａＮ基板１１上に、ｎ型ＧａＮ層１２、ｎ型Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎクラッド層１３、ｎ型ＧａＮ光閉じ込め層１４が下から順番に重なって形成されている。これらの半導体層における組成の一例は、Ｓｉ濃度が４×１０^１７ｃｍ^−３であり、厚みは、ｎ型ＧａＮ層１２が１μｍ、ｎ型Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎクラッド層１３が２μｍ、ｎ型ＧａＮ光閉じ込め層１４が０．１μｍとするとよい。

ｎ型ＧａＮ光閉じ込め層１４の上には、活性層１５が形成されている。活性層１５は、Ｉｎ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎ井戸層（例えば、厚さ３ｎｍ）とＩｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎバリア層（例えば、Ｓｉ濃度１×１０^１８ｃｍ^−３、厚さ４ｎｍ）からなる３周期多重量子井戸（ＭＱＷ）で構成されている。

また、活性層１５の上に、ｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎキャップ層１６、ｐ型ＧａＮ光閉じ込め層１７が形成されている。ｐ型ＧａＮ光閉じ込め層１７の上には、電流狭窄層１８がＡｌＮによって形成され、電流狭窄層１８には、電流が流れるための開口部１９が形成される。

さらに、電流狭窄層１８を含む全面の上に、ｐ型Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎクラッド層２０（例えば、Ｍｇ濃度１×１０^１９ｃｍ^−３、厚さ０．５μｍ）、ｐ型ＧａＮコンタクト層２１（例えば、Ｍｇ濃度１×１０^２０ｃｍ^−３、厚さ０．０２μｍ）が積層されている。このコンタクト層２１の上には、ｐ型電極２２が形成されている。本実施の形態で用いられている半導体レーザの発振波長は４０５ｎｍである。

本実施の形態の半導体レーザ１では、ｎ電極１０とｐ電極２２に電圧が印加されることによって、活性層１５から光が発生する。半導体レーザ１の端面（図１における紙面表面と奥行き方向に存在する紙面表面に平行な端面）が一対の鏡になり、共振器を形成する。図１において紙面に垂直な方向（共振器方向）に上述の活性層１５からの光が伝達し、共振面に反射することによって、共振がおこり、レーザ発振する。

また、電流狭窄層１８上部から流れてくる電流が電流狭窄層１８でブロックされることによって、ｎ電極１０からｐ電極２２に流れる電流は開口部１９のみに狭窄される。また、ｎ型ＧａＮ光閉じ込め層１４とｐ型ＧａＮ光閉じ込め層１７によって、活性層１５から発振する光が閉じ込められ、さらにｎ型Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎクラッド層１３、ｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎキャップ層１６、ｐ型Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎクラッド層２０によって漏れる光をなくしている。

ここで、電流狭窄層１８上に回折格子２４を作成した工程までの本実施形態に係る半導体レーザ１を、斜め上方から見た概略図を図２に示す。図２において、Ａが積層方向であり、Ｂが共振器方向であり、Ｃは積層方向Ａと共振器方向Ｂに垂直な方向である。レーザは発光部分２３から発振している。

本実施形態に係る半導体レーザ１において、回折格子２４は、電流狭窄層１８の開口内面に形成されている。この回折格子２４は、共振器方向Ｂに凹凸が周期的に形成されており、この凹凸は、積層方向Ａと共振器方向Ｂに垂直な方向Ｃに凹凸している。

図２においては、開口部１９を挟んで、電流狭窄層１８の両側面に回折格子２４が作成されているが、片側に作成するだけでもよい。また、電流狭窄層１８は、ＡｌＮだけではなく、III族窒化物半導体であればよい。例えば、ＧａやＩｎやＡｌを含む窒化物半導体などである。

回折格子２４によって、凹凸部分のピッチにおける２倍の長さをもつ波長の光のみが干渉によって強めあうため、凹凸部分のピッチにおける２倍の長さをもつ波長の光のみが選択され、レーザ発振されることになる。これは、回折格子２４をもつ半導体レーザからは、１波長のみが発振されることになるので、通信時に信号の波がずれることがなく、高速・遠距離通信が可能となる。

つまり、電流狭窄層１８の凹凸部分のピッチは、発振させる光の波長の半分にすればよい。また、半導体内での光の波長は、空気中での光の波長を屈折率で割った値となる。例えば、空気中に発振させる波長を４０５ｎｍとして、ＧａＮ内で凹凸部分を作成すると考えると、屈折率が２．５であるので、およそ８０ｎｍのピッチで作成すればよいことになる。

また、凹凸部分における凸部分から凹部分へのへこみの大きさＤは、光の凹凸部分への結合係数に関係してくる。しかしながら、凹凸部分における凸部分から凹部分へのへこみの大きさＤは、あまり精密に制御することが可能ではない。そのため、ピッチと同程度としておいて、光の凹凸部分への結合係数は回折格子と活性層との距離で制御している。

さらに、活性層はIII族窒化物半導体によって作成されている。これは、III族窒化物半導体レーザを用いることによって幅広い波長帯域を使用することが可能であるからである。ホログラフィックメモリシステムにおいて、従来は５３２ｎｍの波長のレーザを用いている。しかし、より短波長で動作するホログラフィックメモリシステムのためには、活性層に帯域の広い材料が必要であり、III族窒化物半導体を適用することで実現が可能となる。

上述の電流狭窄層は、ＡｌＮとＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮを含むＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）により構成されるとよい。これは、四元組成によって作成されるＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎを用いることによって、格子定数や結晶構造を変化させることが可能であり、電流狭窄層近傍における格子整合した高抵抗の組成を選択でき、クラックが入る可能性を低減できる。

しかしながら、元素の種類が増えることによって、結晶作成が困難になるため、好ましくはその電流狭窄層がＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）により構成されるとよい。また、より好ましくは、電流狭窄層がＡｌＮにより構成される。

ここで、本実施の形態に係る半導体レーザ１の製造方法を説明する。電流狭窄層１８は、有機金属気相成長法（MOVPE法 : Metal Organic Vapor Phase Epitaxy）により６００℃以下の低温で堆積させる。このときの電流狭窄層１８はアモルファス状のIII族窒化物半導体で形成され、高温成長させたときに生じる、格子定数の違いからおこるクラックの発生を防ぐことができる。

また、アモルファス状のIII族窒化物半導体においては、５０℃以上２００℃以下、望ましくは８０℃から１２０℃に加熱されたリン酸を含む溶液を用いることによって、ＧａＮ単結晶もしくはＡｌＧａＮ単結晶との良好な選択エッチングが可能である。そのため、電流狭窄層１８に、回折格子２４のような微細な構造が形成されるようにエッチングすることが可能となる。

さらに、本発明に係る半導体レーザの製造方法においては、通常のIII族窒化物半導体に用いるドライエッチングを使用しないため、活性層にダメージを与えることがなくなり、レーザ特性に影響を及ぼさずに、歩留まり良く素子形成を行うことが可能となる。

また、電流狭窄層１８の開口内部に回折格子２４を形成することによって、開口部１９を作成するときと同時に回折格子２４を作成することができ、工程の増加がなく半導体レーザ内に回折格子２４を作成することが可能になる。

この後、電流狭窄層１８より上の層をＭＯＶＰＥ法によって１０８０℃で成長させることによって、電流狭窄層１８は結晶化される。低温成長を行った後に上述の方法によって、結晶化を行うと、電流狭窄層１８は１×１０^１８ｃｍ^−３以上の酸素を含む。または、１×１０^１０ｃｍ^−２以上の転位を含むようになる。

本実施形態に関わる半導体レーザ１において、電流狭窄層１８以外の部分の層成長は、例えばＭＯＶＰＥ法を用いて行う。層成長のときの基板温度は、７００℃〜１３００℃であるとよい。さらに、９００℃〜１１００℃（例えば１０８０℃）であることがのぞましい。例えば、ｐド−パントにはＭｇを用い、ｎド−パントにはＳｉを用いるとよい。

本実施の形態に関わる半導体レーザ１はＤＦＢ（DFB : Distuributed FeedBack）半導体レーザとなり、単一波長で動作する高コヒーレント性を有する光源となる。このため、通常のファブリーペロー型の青紫色半導体レーザのコヒーレンス長に比べて非常に長い１ｃｍ程度のコヒーレンス長が得られる。

以上のことから、本実施の形態に関わる半導体レーザ１においては、III族窒化物半導体が有するエッチング困難性を、低温成長によって作成されてアモルファス状のIII族窒化物半導体を用いることによって克服し、微細構造である回折格子を容易に作成することが可能になり、非常にコヒーレンス長の長い半導体レーザを作成することが可能となる。

上述のウェットエッチングに用いられる溶液は、８０℃以上に加熱された硝酸などでも良好な選択エッチングが可能である。また、凹凸部分を作成する場所は、電流狭窄層でなくても良い。活性層からの光が届く範囲であれば可能である。ｐ型半導体層だけでなく、ｎ型半導体層でも光が届く範囲であれば可能である。また、図２においては、作図上凹凸部分は単調に描いたが、数箇所に分割する、周期を変調する、位相シフト部を導入する、などを行うことも可能である。

第２の実施の形態．
本実施形態に関わる半導体レーザ２における電流狭窄層２５を作成した工程までの構造を、斜め上方から見た概略図を図３に示す。動作原理や作成方法は第１の実施の形態と同様なので省略する。

本実施形態に係る半導体レーザ２において、電流狭窄層２５の積層方向Ａ側の表面に、回折格子２８を配置している。回折格子２８は、共振器方向Ｂに並んだ周期的な凹凸から形成されている。また、この凹凸部分は、積層方向Ａに凹凸している。また、回折格子２８は、積層方向Ａと共振器方向Ｂに垂直な方向Ｃに延在している。本実施形態に係る半導体レーザ２において、レーザ発振は発光部分２７で行われている。また、図３において、開口部２６を挟んで両側の電流狭窄層２５に作成されているが、片側に作成してもよい。

電流狭窄層２５は、実施の形態１と同様に、ＭＯＶＰＥ法により６００℃以下の低温で堆積させ、選択エッチングをすることによって、積層方向に凹凸のある回折格子を作成し、開口部２６を作成している。

本実施の形態により、容易な方法を用いて、III族窒化物半導体を用いたＤＦＢ半導体レーザを作成することが可能である。このことから、コヒーレント長の非常に長い半導体レーザを作成することが可能になる。

第３の実施の形態．
本実施形態に関わる半導体レーザ３の概略断面図を図４に示す。動作原理や作成方法は第１の実施の形態と同様なので省略する。層構造は略図１と同様であるが、活性層３１がＩｎＧａＮ量子ドット（QD: Quantum Dot）で形成されている点が相違する。本実施の形態に関わる半導体レーザの発振波長は、５００ｎｍである。

本実施形態に係る半導体レーザ３においては、第１の実施の形態に係る半導体レーザ１と同様に、電流狭窄層１８の開口内面に回折格子が形成されている。この回折格子は、共振器方向Ｂに凹凸が周期的に形成されており、この凹凸は、積層方向Ａと共振器方向Ｂに垂直な方向Ｃに凹凸している。

電流狭窄層１８は、実施の形態１と同様に、ＭＯＶＰＥ法により６００℃以下の低温で堆積させ、選択エッチングをすることによって、回折格子を作成し、同時に開口部１９を作成している。

III族窒化物半導体レーザの場合、５００ｎｍという比較的長い発振波長を実現するのが、ＩｎＧａＮ−ＭＱＷ活性層とＧａＮ層の間の格子歪から、容易ではない。しかしながら、活性層をＩｎＧａＮ−ＱＤを適用することによって、平均的な歪量を低減することができ、容易に発振波長の長波長化が可能となる。

本実施の形態により、容易な方法を用いて、III族窒化物半導体を用いた、結晶歪みの少ないＤＦＢ半導体レーザを作成することが可能である。このことから、コヒーレント長の非常に長く比較的長波長の半導体レーザを作成することが可能になる。

なお、本発明は上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることは勿論である。

実施の形態１の半導体レーザ１の概略断面図 実施の形態１の半導体レーザ１の電流狭窄層作成の工程までの構造の概略図 実施の形態２の半導体レーザ２の電流狭窄層作成の工程までの構造の概略図 実施の形態３の半導体レーザ３の概略断面図

符号の説明

１０ ｎ電極 １１ ｎ型ＧａＮ基板 １２ ｎ型ＧａＮ層
１３ ｎ型Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎクラッド層 １４ ｎ型ＧａＮ光閉じ込め層
１５ ＭＱＷ活性層 １６ ｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎキャップ層
１７ ｐ型ＧａＮ光閉じ込め層 １８ ＡｌＮ電流狭窄層 １９ 開口部
２０ ｐ型Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎクラッド層 ２１ ｐ型ＧａＮコンタクト層
２２ ｐ型電極 ２３ 発光部分 ２４ 回折格子 ２５ ＡｌＮ電流狭窄層
２６ 開口部 ２７ 発光部分 ２８ 回折格子 ３１ ＱＤ活性層

Claims (16)

1. III族窒化物半導体から構成される活性層と、
   ６００℃以下の低温で成長したIII族窒化物半導体からなり、前記活性層からの光の波長を選択する回折格子と、
   を有するIII族窒化物半導体レーザ。
2. III族窒化物半導体から構成される活性層と、
   １×１０^１８ｃｍ^−３以上の酸素を含むIII族窒化物半導体からなり、前記活性層から発振する光の波長を選択する回折格子と、
   を有するIII族窒化物半導体レーザ。
3. III族窒化物半導体から構成される活性層と、
   １×１０^１０ｃｍ^−２以上の転位を含むIII族窒化物半導体からなり、前記活性層から発振する光の波長を選択する回折格子と、
   を有するIII族窒化物半導体レーザ。
4. 請求項１乃至請求項３に記載のIII族窒化物半導体レーザであって、
   前記回折格子が、電極間に電圧が印加されたときに前記活性層に流れる電流を狭窄する電流狭窄層に作成されているIII族窒化物半導体レーザ。
5. 請求項１乃至請求項４に記載のIII族窒化物半導体レーザであって、
   前記III族窒化物半導体レーザはさらに共振器を有し、
   前記回折格子が、積層方向と共振器方向とに垂直な方向に向かって凹凸している凹凸部であるIII族窒化物半導体レーザ。
6. 請求項１乃至請求項４に記載のIII族窒化物半導体レーザであって、
   前記回折格子が、積層方向に向かって凹凸している凹凸部であるIII族窒化物半導体レーザ。
7. 請求項１乃至請求項６のいずれかに記載のIII族窒化物半導体レーザであって、
   前記電流狭窄層がＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）により構成されるIII族窒化物半導体レーザ。
8. 請求項７に記載のIII族窒化物半導体レーザであって、
   前記電流狭窄層が好ましくは、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）により構成されるIII族窒化物半導体レーザ。
9. 請求項８に記載のIII族窒化物半導体レーザであって、
   前記電流狭窄層がＡｌＮにより構成されるIII族窒化物半導体レーザ。
10. 請求項１乃至請求項９のいずれかに記載のIII族窒化物半導体レーザであって、
    基板上に前記活性層と前記電流狭窄層が形成され、前記活性層が前記電流狭窄層の前記基板側に位置するIII族窒化物半導体レーザ。
11. 請求項１乃至請求項１０のいずれかに記載のIII族窒化物半導体レーザであって、
    前記活性層が量子井戸超格子構造で構成されるIII族窒化物半導体レーザ。
12. 請求項１乃至請求項１０のいずれかに記載のIII族窒化物半導体レーザであって、
    前記活性層が量子ドットから構成されるIII族窒化物半導体レーザ。
13. 活性層を形成する工程と、
    前記活性層からの光の波長を選択する回折格子を形成する工程と、
    を含むIII族窒化物半導体レ−ザの製造方法であって、
    前記回折格子をIII族窒化物半導体の非結晶層によって堆積し、ウェットエッチングによって凹凸を形成する工程を含むIII族窒化物半導体レーザの製造方法。
14. 請求項１３に記載のIII族窒化物半導体レ−ザの製造方法であって、
    前記非結晶層は、６００℃以下の温度で成長するIII族窒化物半導体レ−ザの製造方法。
15. 請求項１３または請求項１４に記載のIII族窒化物半導体レーザの製造方法であって、
    前記回折格子を形成する工程は、前記ウェットエッチングの後に、前記回折格子の形成温度より高い温度で熱処理し、前記非結晶層を結晶層に変換する工程を含むIII族窒化物半導体レーザの製造方法。
16. 請求項１３乃至請求項１５に記載のIII族窒化物半導体レーザの製造方法であって、
    前記回折格子を、電流狭窄層に作成するIII族窒化物半導体レーザの製造方法。

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