JP2023042124A - Light-emitting device and light-measuring apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、発光装置及び光測定装置に関する。 The present invention relates to a light emitting device and a light measuring device.
特許文献1は、第1の半導体積層体上に、トンネル接合層又は金属的な導電性を有するIII-V族化合物層を介して、第2の半導体積層体を成長させた基板と、前記第1の半導体積層体により構成される複数の発光素子と、前記第2の半導体積層体により、サイリスタを含んで構成され、複数の前記発光素子を順にオン状態への移行が可能な状態に駆動する駆動部とを備える発光部品を開示している。
特許文献2は、複数の発光素子をそれぞれが有する複数の発光素子群が配列された発光部を備え、前記発光部は、前記配列に沿って、前記複数の発光素子群毎に、当該発光素子群に含まれる複数の発光素子が並列して発光又は非発光の状態に順に設定される発光装置を開示している。 Patent Document 2 includes a light-emitting portion in which a plurality of light-emitting element groups each having a plurality of light-emitting elements are arranged, and the light-emitting portion includes the light-emitting element for each of the plurality of light-emitting element groups along the arrangement. A light-emitting device is disclosed in which a plurality of light-emitting elements included in a group are arranged in parallel and sequentially set to a light-emitting or non-light-emitting state.
発光素子と発光素子へ信号を伝える信号線とが同一基板内に構成された、いわゆるモノリシックな発光基板で、発光素子部からの漏れ電流が信号線に伝わると信号線が誤点灯する。 In a so-called monolithic light-emitting substrate in which a light-emitting element and a signal line for transmitting a signal to the light-emitting element are formed on the same substrate, if a leakage current from the light-emitting element portion is transmitted to the signal line, the signal line erroneously lights up.
本発明は、発光素子部からの漏れ電流が信号線に伝わることによる信号線の誤点灯を防ぐ発光装置及び光測定装置を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a light-emitting device and a light measuring device that prevent erroneous lighting of a signal line due to leakage current from a light-emitting element portion being transmitted to the signal line.
本発明の第1態様に係る発光装置は、半導体基板と、前記半導体基板の一部の領域に形成され、光を照射する複数の発光素子からなる発光素子部と、前記半導体基板上に形成され、前記発光素子へ信号を伝達する信号線と、前記信号線の発光しうる領域において前記信号線と前記半導体基板との間に形成される絶縁層と、を備える。 A light-emitting device according to a first aspect of the present invention comprises a semiconductor substrate, a light-emitting element section formed in a partial region of the semiconductor substrate and configured of a plurality of light-emitting elements that emit light, and a light-emitting element section formed on the semiconductor substrate. a signal line for transmitting a signal to the light emitting element; and an insulating layer formed between the signal line and the semiconductor substrate in a region where the signal line can emit light.
本発明の第2態様に係る発光装置は、第1態様に係る発光装置であって、前記信号線の前記発光しうる領域に形成され、前記発光素子への電流を制限する抵抗器を備え、前記絶縁層は前記抵抗器の領域に形成されている。 A light-emitting device according to a second aspect of the present invention is the light-emitting device according to the first aspect, further comprising a resistor formed in the region of the signal line capable of emitting light and limiting current to the light-emitting element, The insulating layer is formed in the area of the resistor.
本発明の第3態様に係る発光装置は、第2態様に係る発光装置であって、前記絶縁層は、さらに、前記抵抗器の領域の周囲の所定の領域に形成されている。 A light-emitting device according to a third aspect of the present invention is the light-emitting device according to the second aspect, wherein the insulating layer is further formed in a predetermined area around the area of the resistor.
本発明の第4態様に係る発光装置は、第1態様に係る発光装置であって、前記半導体基板上に形成され、前記発光素子に伝達する信号が入力される端子をさらに備える。 A light-emitting device according to a fourth aspect of the present invention is the light-emitting device according to the first aspect, further comprising a terminal formed on the semiconductor substrate and receiving a signal to be transmitted to the light-emitting element.
本発明の第5態様に係る発光装置は、第4態様に係る発光装置であって、前記発光素子を発光させる信号が前記端子から前記信号線へ伝達される。 A light emitting device according to a fifth aspect of the present invention is the light emitting device according to the fourth aspect, wherein a signal for causing the light emitting element to emit light is transmitted from the terminal to the signal line.
本発明の第6態様に係る発光装置は、第1態様に係る発光装置であって、前記発光素子部は複数のエリアからなり、前記発光素子は複数のエリア毎に前記信号線と繋がっている。 A light-emitting device according to a sixth aspect of the present invention is the light-emitting device according to the first aspect, wherein the light-emitting element portion is composed of a plurality of areas, and the light-emitting element is connected to the signal line for each of the plurality of areas. .
本発明の第7態様に係る発光装置は、第6態様に係る発光装置であって、前記信号線は前記エリア間に配線される。 A light-emitting device according to a seventh aspect of the present invention is the light-emitting device according to the sixth aspect, wherein the signal line is wired between the areas.
本発明の第8態様に係る光測定装置は、第1態様から第7態様のいずれかに係る発光装置と、前記発光装置から発光され、物体で反射した光を受光する受光部と、前記発光装置から発光され前記受光部が受光した光の飛距離に基づいて、前記物体までの距離を計測する計測部と、を備える。 A light measuring device according to an eighth aspect of the present invention comprises a light emitting device according to any one of the first to seventh aspects, a light receiving unit that receives light emitted from the light emitting device and reflected by an object, and the light emitting device. a measuring unit that measures the distance to the object based on the flight distance of the light emitted from the device and received by the light receiving unit.
本発明の第1態様によれば、発光素子部からの漏れ電流が生じた場合であっても、発光素子部からの漏れ電流が信号線に伝わることによる信号線の誤点灯を防ぐことができる。 According to the first aspect of the present invention, even when a leakage current is generated from the light emitting element portion, it is possible to prevent erroneous lighting of the signal line due to transmission of the leakage current from the light emitting element portion to the signal line. .
本発明の第2態様によれば、漏れ電流が抵抗器に伝わることを絶縁層で防ぐことで、発光素子部からの漏れ電流が抵抗器に伝わることによる抵抗器の誤点灯を防ぐことができる。 According to the second aspect of the present invention, by preventing leakage current from being transmitted to the resistor with the insulating layer, it is possible to prevent erroneous lighting of the resistor due to leakage current from the light emitting element section being transmitted to the resistor. .
本発明の第3態様によれば、抵抗器の領域のみを絶縁層で防ぐ場合と比べ、発光素子部からの漏れ電流が抵抗器に伝わることによる抵抗器の誤点灯をより確実に防ぐことができる。 According to the third aspect of the present invention, it is possible to more reliably prevent erroneous lighting of the resistor due to leakage current from the light emitting element section being transmitted to the resistor, compared to the case where only the resistor region is protected by the insulating layer. can.
本発明の第4態様によれば、端子から発光素子部へ信号を伝達できる。 According to the fourth aspect of the present invention, signals can be transmitted from the terminal to the light emitting element section.
本発明の第5態様によれば、発光素子を発光させる信号を伝達できる。 According to the fifth aspect of the present invention, a signal for causing the light emitting element to emit light can be transmitted.
本発明の第6態様によれば、エリア単位で発光素子を発光させることが出来る。 According to the sixth aspect of the present invention, it is possible to cause the light emitting element to emit light in area units.
本発明の第7態様によれば、配線面積を抑えることが出来る。 According to the seventh aspect of the present invention, the wiring area can be suppressed.
本発明の第8態様に係る光測定装置によれば、発光素子部からの漏れ電流が生じた場合であっても、発光素子部からの漏れ電流が信号線で基板方向に流れることを防止した発光装置を用いて、物体までの距離を計測することができる。 According to the light measuring device according to the eighth aspect of the present invention, even when leakage current occurs from the light emitting element, the leakage current from the light emitting element is prevented from flowing in the direction of the substrate through the signal line. A light emitting device can be used to measure the distance to an object.
以下、本開示の実施形態の一例を、図面を参照しつつ説明する。なお、各図面において同一または等価な構成要素および部分には同一の参照符号を付与している。また、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。 An example of an embodiment of the present disclosure will be described below with reference to the drawings. In each drawing, the same or equivalent components and portions are given the same reference numerals. Also, the dimensional ratios in the drawings are exaggerated for convenience of explanation, and may differ from the actual ratios.
以下においては、本発明の実施形態に係る発光素子としてVCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)を適用した形態を例示して説明するが、これに限られず、LED(Light Emitting Diode)等に適用した形態としてもよい。 In the following, a form in which a VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) is applied as a light emitting element according to an embodiment of the present invention will be described as an example. may be
図1は、本発明の実施形態に係る発光チップを平面視で示した説明図である。図1に示した発光チップ10は、アノード電極11、ゲート電極12、発光素子部30を含む。発光素子部30は、複数の発光素子40を有する。
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a light-emitting chip according to an embodiment of the present invention in plan view. The light-emitting
アノード電極11は、発光素子部30に形成されたアノード電極から延伸された配線の一部に形成されたアノード側の電極である。アノード電極11は、所定の電圧VLDを発光素子部30に印加する。本実施の形態では、発光チップ10の両端にアノード電極11を設ける形態を例示して説明するが、これに限られず、発光チップ10の実装等を勘案して適切な個数設けてよい。
The
ゲート電極12は、本発明の発光素子に伝達する信号が入力される端子の一例であり、信号線41を通じて発光素子部30を発光させるための信号を発光素子部30へ供給する電極である。本実施形態では、後述するように、発光素子部30は、図1に示したように12個のエリア35からなる。そのため、図1に示した発光チップ10は、各エリアの発光素子40を独立して発光させるために12個のゲート電極12を備える。アノード電極11に供給される電流によって、発光素子40が発光するため、アノード電極11には発光のために必要なパワーが供給される。対して、ゲート電極12には、発光させるための信号を供給すればよいため、ゲート電極12に供給される電圧は、アノード電極11に供給される電圧よりも小さい。具体的には、ゲート電極12に供給される電圧は5Vから10V程度でもよい。なお、ゲート電極12の配置パターンは図1に示した例に限定されるものではない。またエリア35の数も12個に限定されるものではない。
The
発光素子部30は、複数の発光素子40を備える。本実施形態において、発光素子部30は、発光チップ10に形成される全ての発光素子40を囲む領域に対応する。本実施形態では、図1の上下方向を列とした場合に、各列に並ぶ発光素子40は、予め定められた間隔に並んでいる。その一方で、図1の左右方向で見ると、一列飛ばしで発光素子40が予め定められた間隔に並んでいる。隣り合う列同士は、発光素子40の半分の大きさだけ、上下方向にずれており、いわゆる千鳥状に発光素子40が配置されている。しかし、発送素子40の配置は、千鳥状に限られず、例えば、各列に並ぶ発光素子40は、予め定められた間隔に並び、隣り合う列同士で、発光素子40の位置が上下方向にずれていない、いわゆるアレイ状に配置してもよい。また、発光素子40の個数は、発光チップ10に要求される出力パワー等を勘案して適切な数としてよい。また本実施形態では、発光素子部30は、図1に示したように12個のエリア35からなる。
The light
また、本実施形態では、図1に示すように、信号線41は、発光素子部30におけるエリア35間に配線され得る。換言すると、発光素子部30を平面視して、信号線41は、ゲート電極12から伸延する部分が、エリア35で発光素子40と接続される部分を除いて、エリア35と重ならず、エリア35同士を区画するための間隔内に配線される。そして、信号線41の短手方向の幅は、発光素子部30のそれぞれのエリア35の幅よりも平面視で細く形成され得る。本実施形態に係る発光チップ10は、発光素子40と信号線41とが、同一基板内に形成されている、いわゆるモノリシックな構造を有する。
Further, in the present embodiment, the signal line 41 can be wired between the
図2は、発光素子40の断面構造を示す断面図である。 FIG. 2 is a cross-sectional view showing the cross-sectional structure of the light emitting element 40. As shown in FIG.
発光素子40は、GaAsを用いたn型基板70、n型基板70上に形成された下部DBR(Distributed Bragg Reflector、分布ブラッグ反射)層71、下部DBR層71上に形成された共振器72、共振器72上に形成された上部DBR層73、上部DBR層73上に形成されたトンネル結合層75、トンネル結合層75上に形成されたカソード層76、カソード層76上に形成されたpゲート層77、pゲート層77上に形成されたnゲート層78、nゲート層78上に形成されたアノード層79からなる。また、n型基板70の裏面にはカソード電極90(裏面電極)が形成される。さらに、アノード層79上にゲート電極12が形成される。
The light emitting element 40 includes an n-
下部DBR層71は、発光素子40の発振波長をλ、媒質(半導体層)の屈折率をnとした場合に、膜厚が所定の厚さ、例えば0.25λ/nとされ、かつ屈折率の互いに異なる2つの半導体層を交互に繰り返し積層して構成される多層膜反射鏡である。本実施形態では、下部DBR層71はn型である。
The
上部DBR層73は、膜厚が所定の厚さ、例えば0.25λ/nとされ、かつ屈折率の互いに異なる2つの半導体層を交互に繰り返し積層して構成される多層膜反射鏡である。本実施形態では、上部DBR層73はn型である。
The
共振器72は、発光素子40が出射する光を共振、増幅させる。共振器72によって共振、増幅された光は、発光素子40の開口部83から出射される。
The
カソード層76はカソード、pゲート層77、nゲート層78はゲート、アノード層79はアノードとして機能する。
The
また、発光素子40の領域では、pゲート層77、nゲート層78、アノード層79がエッチングにより取り除かれて開口部93が形成される。また開口部83に隣接してアノード層79上にアノード電極92が形成される。
In the region of the light emitting element 40, the
発光素子40の領域では、上部DBR層73に酸化領域74が形成される。酸化領域74は、本発明の絶縁層の一例、特に酸化膜の一例であり、電流を阻止する機能を有する。すなわち、発光素子40の領域で酸化領域74が形成されることで、アノード電極82からカソード電極90に向かって流れる電流を絞ることができる。アノード電極82からカソード電極90に向かって流れる電流を絞ることで、発光チップ10は、酸化領域74が形成されない場合と比較して消費電力が低下する。
An oxidized
本実施形態では、少なくとも酸化領域74を形成する領域までエッチングで露出し、上部DBR層73の一部を酸化させることで、酸化領域74を形成している。
In this embodiment, the oxidized
ゲート電極12からの信号を発光素子部30に伝える信号線41の途中には、ゲート電極12から発光素子部30に流れる電流を制限する抵抗器50が形成されている。抵抗器50が形成される場所は、ゲート電極12と発光素子部30との間であればよい。図3は、抵抗器50を拡大して示す図である。そして図4は、図3のX-X’線の断面構造を示す断面図である。
A
発光チップ10は、GaAsを用いたn型基板70、n型基板70上に形成された下部DBR(Distributed Bragg Reflector、分布ブラッグ反射)層71、下部DBR層71上に形成された共振器72、共振器72上に形成された上部DBR層73、上部DBR層73上に形成されたトンネル結合層75、トンネル結合層75上に形成されたカソード層76、カソード層76上に形成されたpゲート層77、pゲート層77上に形成されたnゲート層78、nゲート層78上に形成されたアノード層79を含んでいる。また、n型基板70の裏面にはカソード電極90(裏面電極)が形成される。
The light-emitting
また、アノード層79には、電極82が形成され、電極82には接続配線81が接続されている。また接続配線81とnゲート層78との間には絶縁膜80が形成される。抵抗器50では、アノード層79、接続配線81、電極82が信号線として機能している。そして、アノード層79は、ゲート電極12から発光素子部30に流れる電流を制限する抵抗の役割を果たしている。
An
抵抗器50の領域に酸化領域74が形成されていない状態で、発光素子40からの漏れ電流が下部DBR層71を通じて流れ込むと、抵抗器50の領域が誤って点灯してしまう。抵抗器50がサイリスタ構造を有するからである。抵抗器50の領域は、少なくともアノード層79が形成される領域を含むものである。すなわち、本発明の発光しうる領域は、少なくともアノード層79が形成される領域を含むものである。そこで本実施形態に係る発光チップ10には、抵抗器50が形成される領域において、上部DBR層73に酸化領域74が形成される。酸化領域74は、例えば、抵抗器50の領域のX-X’線に直交する側の側面から、上部DBR層73を酸化させることによって形成される。
If the leakage current from the light emitting element 40 flows through the
抵抗器50が形成される領域で上部DBR層73に酸化領域74が形成されることで、抵抗器50が形成される領域のカソード層76、pゲート層77、nゲート層78、及びアノード層79に、発光素子40からの下部DBR層71を通じた漏れ電流が流れることを防ぐことが出来る。
An oxidized
ここで、抵抗器50が形成される領域に発光素子40からの漏れ電流が流れた際に、酸化領域74が無いと、抵抗器50が形成される領域の上部DBR層73と下部DBR層71とで発光してしまう可能性がある。発光すると電流を消費してしまうので、更により多くの漏れ電流が抵抗器50側に流れる。また、上部DBR層73と下部DBR層71とで発光しなかったとしても、n型基板70の下層側に電流が逃げてしまうこともあり得る。n型基板70の下層側に電流が逃げた場合も、逃げていった分、より多くの漏れ電流が抵抗器50の領域に流れてしまう。本実施形態は、抵抗器50が形成される領域に酸化領域74が形成されておらず、抵抗器50が形成される領域で発光したり、抵抗器50が形成される領域を起点に電流が他へ逃げたりする場合よりは、例え漏れ電流が流れたとしても、その電流量が少なくなり、発光に使える電流が多くなる。言い換えると、本実施形態は、抵抗器50が形成される領域に酸化領域74が形成されていない場合と比較して、発光効率が向上する。
Here, when leakage current from the light emitting element 40 flows through the region where the
なお、酸化プロセスによって、又は、発光素子40が形成される領域或いはゲート電極12が形成される領域の大きさによっては、抵抗器50が形成される領域の全てが、発光チップ10を平面視したときに上部DBR層73に形成される酸化領域74と重なるとは限らない。抵抗器50が形成される領域の全面に亘って酸化領域74が重ならなくてもよい。すなわち、抵抗器50が形成される領域の一部に酸化領域74が形成されていてもよい。抵抗器50が形成される領域の一部に重なるように、酸化領域74が形成されていることで、発光素子40からの漏れ電流が流れても抵抗器50が形成される領域に発光素子40からの漏れ電流が流れにくくなる。
Depending on the oxidation process or the size of the region where the light emitting element 40 is formed or the region where the
酸化領域74は、図3に示したnゲート層78の領域に加えて、pゲート層77が形成されている領域に形成されてもよい。pゲート層77が形成されている領域にも酸化領域74が形成されていることで、抵抗器50の領域に発光素子40からの漏れ電流が流れ込むことをより確実に防ぐことができる。
The oxidized
続いて、上記実施形態に係る発光チップが用いられる装置の具体例を説明する。 Next, a specific example of a device using the light-emitting chip according to the above embodiment will be described.
図5は、本発明の実施形態に係る発光チップが用いられるスマートフォン900の概要を示す図である。スマートフォン900は、情報を表示するディスプレイ910及び対象との距離を測定する測距部920を備える。スマートフォン900は、本発明の光測定装置の一例である。
FIG. 5 is a diagram showing an outline of a
測距部920は、Time of Flight(ToF)法によりスマートフォン900と、測距対象の物体との間の距離を測定する。測距部920は、発光部921及び受光部922を備える。発光部921は、測距対象に向けて光を照射する。発光部921には、例えば第1の実施形態に係る発光チップ10、又は第2の実施形態に係る発光チップ100が設けられる。受光部922は、発光部921が発光し、測距対象の物体で反射した光を受光する。受光部922は、例えばCMOSイメージセンサが設けられる。
図6は、スマートフォン900の機能構成例を示す図である。制御部930は、例えばCPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)等を備え、スマートフォン900の動作を制御する。制御部930は、ROMに備えられた制御プログラムを読み出して実行することで、計測部931として動作する。
FIG. 6 is a diagram illustrating a functional configuration example of the
計測部931は、発光部921を制御し、発光部921から短い期間において光を出射させる。つまり発光部921は、計測部931の制御に基づいてパルス状に光を出射する。そして、計測部931は、発光部921から照射され、受光部922が受光した光の飛距離に基づいて、対象物までの距離をTime of Flight法により計測する。より詳細には、計測部931は、発光部921が光を出射した時刻と、受光部922が測距対象の物体からの反射光を受光した時刻との時間差から、発光部921から出射されてから、測距対象の物体に反射して、受光部922に到達するまでの光路長を算出する。発光部921及び受光部922の位置、発光部921と受光部922との間隔は予め定められている。よって、計測部931は、発光部921及び受光部922から、測距対象の物体までの距離を計測することができる。
The
スマートフォン900は、発光部921が発光した光が、測距対象の物体で反射して受光部922で受光するまでの時間を測定することで、測距対象の物体までの距離を得ることができる。
The
上記実施形態では、垂直方向に光を照射する発光チップ10を例示したが、本発明は係る例に限定されるものではない。例えば、図7のように、基板面に対して交差する方向であってかつ伝播光の導波路の伝播方向前方に傾いた方向Lfに光が照射される発光素子1010、及び図8のように、方向Lfに光を照射する発光素子1010が基板1102に複数備えられた発光装置1100に適用可能である。
In the above embodiment, the light-emitting
図7の平面図(a)及びA-A’線の断面図(b)に示した発光素子1010は、光増幅部1050、拡幅部1062、および光結合部1052を備えている。光増幅部1050は、光結合部1052に結合された光(種光)を増幅し、出射する機能を有する。光増幅部1050は、一例としてGaAs系のDBR導波路を用いた面出射型の光増幅部とされている。すなわち、光増幅部1050は、基板1030の裏面に形成されたN電極1040、基板1030上に形成された下部DBR1032、活性領域1034、上部DBR1036、非導電領域1060、導電領域1058、およびP電極1018を含んで構成されている。
The light-emitting
上記実施形態では、抵抗器50の上部DBR層73に酸化領域74を形成して絶縁させることにより、発光素子40での酸化狭窄と同じ工程で酸化狭窄を作れるようにしたが、上部DBR層73ではなく他の層に酸化領域が設けてられてもよい。
In the above embodiment, by forming the oxidized
上記実施形態では、絶縁層として酸化膜が用いられたが、上記実施形態に記載の酸化膜は、絶縁を施せれば、絶縁するようにイオン注入をする等の他の手段に置き換えられてもよい。 In the above embodiments, the oxide film was used as the insulating layer, but the oxide film described in the above embodiments may be replaced by other means such as ion implantation so as to provide insulation, if insulation can be provided. good.
上記実施形態では、抵抗器50が形成される領域に酸化領域74を形成して絶縁させていたが、信号線41が形成される領域にも酸化領域74を形成して絶縁させてもよい。
In the above embodiment, the oxidized
10 発光チップ
11 アノード電極
12 ゲート電極
30 発光素子部
40 発光素子
50 抵抗器
70 n型基板
71 下部DBR層
72 共振器
73 上部DBR層
74 酸化領域
75 トンネル結合層
76 カソード層
77 pゲート層
78 nゲート層
79 アノード層
90 カソード電極
900 スマートフォン
910 ディスプレイ
920 測距部
921 発光部
922 受光部
REFERENCE SIGNS
Claims (8)
前記半導体基板の一部の領域に形成され、光を照射する複数の発光素子からなる発光素子部と、
前記半導体基板上に形成され、前記発光素子へ信号を伝達する信号線と、
前記信号線の発光しうる領域において前記信号線と前記半導体基板との間に形成される絶縁層と、
を備える、発光装置。 a semiconductor substrate;
a light emitting element section formed in a partial region of the semiconductor substrate and composed of a plurality of light emitting elements for emitting light;
a signal line formed on the semiconductor substrate and transmitting a signal to the light emitting element;
an insulating layer formed between the signal line and the semiconductor substrate in a region where the signal line can emit light;
A light emitting device.
前記発光装置から発光され、物体で反射した光を受光する受光部と、
前記発光装置から発光され前記受光部が受光した光の飛距離に基づいて、前記物体までの距離を計測する計測部と、
を備える光測定装置。 a light emitting device according to any one of claims 1 to 7;
a light receiving unit that receives light emitted from the light emitting device and reflected by an object;
a measurement unit that measures the distance to the object based on the flight distance of the light emitted from the light emitting device and received by the light receiving unit;
A light measuring device comprising:
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