JP5324525B2 - 化合物半導体エピタキシャル基板 - Google Patents

Description

本発明は、化合物半導体エピタキシャル基板に関し、特に、ヘテロ接合バイポーラトランジスタの製造用として好適な化合物半導体エピタキシャル基板に関するものである。

ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（以下、ＨＢＴと称することがある）は、エミッタ注入効率を高めるため、エミッタ層にベース層よりもバンドギャップの大きい物質を用いてエミッタ−ベース接合をヘテロ接合としたバイポーラトランジスタであり、マイクロ波帯以上の周波数領域で使用する半導体素子として好適である。

例えばＧａＡｓ系ＨＢＴの場合、一般には半絶縁性ＧａＡｓ基板上に有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）を用いてｎ⁺ −ＧａＡｓ層（サブコレクタ層）、ｎ−ＧａＡｓ層（コレクタ層）、ｐ−ＧａＡｓ層（ベース層）、ｎ−ＡｌＧａＡｓ層あるいはｎ−ＩｎＧａＰ層（エミッタ層）、ｎ−ＧａＡｓ層（サブエミッタ層）を次々に結晶成長させることにより、エミッタ−ベース接合であるｐｎ接合がヘテロ接合の構造となっている化合物半導体エピタキシャル基板を形成し、これを用いてＨＢＴが製造されている。このほか、ＩｎＰ基板を用いたＨＢＴ用の化合物半導体エピタキシャル基板も広く用いられている。

図３は、従来における一般的なＧａＡｓ系ＨＢＴの構造を模式的に示す図である。ＨＢＴ１００は、半絶縁性のＧａＡｓ基板１０１上にｎ⁺ −ＧａＡｓから成るサブコレクタ層１０２、ｎ−ＧａＡｓから成るコレクタ層１０３、ｐ−ＧａＡｓから成るベース層１０４、ｎ−ＩｎＧａＰあるいはｎ−ＡｌＧａＡｓから成るエミッタ層１０５及びｎ⁺ −ＧａＡｓから成るサブエミッタ層１０６、ｎ⁺ −ＩｎＧａＡｓから成るエミッタコンタクト層１０７がこの順序でＭＯＣＶＤ法等の適宜の気相成長法を用いて半導体薄膜結晶層として形成されている。サブコレクタ層１０２上にはコレクタ電極１０８が、ベース層１０４上にはベース電極１０９が、そしてエミッタコンタクト層１０７上にはエミッタ電極１１０がそれぞれ形成された構造となっている。

このように形成されるＨＢＴにあっては、その電流増幅率βは、β＝Ｉｃ／Ｉｂ＝（Ｉｎ−Ｉｒ）／（Ｉｐ＋Ｉｓ＋Ｉｒ）で表される。ここで、Ｉｃはコレクタ電流、Ｉｂはベース電流を示し、Ｉｎはエミッタからベースへの電子注入電流、Ｉｐはベースからエミッタへの正孔注入電流、Ｉｓはエミッタ／ベース界面再結合電流、Ｉｒはベース内での再結合電流を示す。

したがって、電流増幅率βを大きくするには、上式より、ベース内での再結合電流Ｉｒを低減させる必要がある。ベース内での再結合電流は、ベース層の結晶性により大きく影響されるが、それ以外にも、サブコレクタ層の結晶性、さらには、成長に使用する基板の結晶性によっても大きく影響を受け、これらの結晶性が低下するにつれ電流増幅率βも低下してしまう。

このため、基板の転位密度によって基板上に形成されるＨＢＴ機能層の電流増幅率βが影響を受けることとなり、同一の製造プロセスを適用しても使用する基板種によってＨＢＴの電気的特性にばらつきを生じさせるという問題が生じる。この問題を解決するため、従来、基板上にバッファ層を設ける方法が提案されている。例えばＧａＡｓ系の基板の場合、ＧａＡｓやＡｌＧａＡｓ、あるいはＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ超格子構造をバッファ層内に設け、これにより基板内に存在する欠陥が基板上に形成されるエピタキシャル層に伝播するのを防ぐようにした構成が提案されている。

特開２０００−３１５６９２号公報 特開２００２−２８０５４５号公報

しかし、上述した超格子構造をバッファ層に設ける構成では基板内の欠陥がその上に形成されるエピタキシャル層に伝播するのを十分に抑制することができないためか、使用する基板の種類によって電流増幅率特性がなおばらつくことから、基板のロットによる振れ、結晶性等に依存せず製造上安定した電気的特性を得ることができる化合物半導体エピタキシャル基板が望まれている。また、基板内の欠陥に影響されずに電流増幅率特性の良好なデバイスを製造できるようにすることも望まれている。

本発明の目的は、従来技術における上述の問題点を解決することができるようにした化合物半導体エピタキシャル基板を提案することにある。

上記課題を解決するために、本発明では、基板上に、バッファ層、サブコレクタ層、コレクタ層、ベース層、エミッタ層が形成されている化合物半導体エピタキシャル基板において、基板とサブコレクタ層との間に酸素を含む層を設け、酸素を含む層により基板に存在する欠陥の伝播を抑制するようにしたもので、ＨＢＴの電流増幅率特性のばらつきを改善し得、該特性を向上することが可能となる。また、基板種に依存しない安定したデバイス特性を得ることができる化合物半導体エピタキシャル基板を提供できる。

請求項１の発明によれば、基板上に、サブコレクタ層、コレクタ層、ベース層、エミッタ層、コンタクト層がこの順序で形成されている化合物半導体エピタキシャル基板において、前記基板と前記サブコレクタ層との間に酸素を含む層を有することを特徴とする化合物半導体エピタキシャル基板が提案される。

請求項２の発明によれば、請求項１の発明において、前記酸素を含む層が、Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ａｓ (０≦ｘ≦１）層である化合物半導体エピタキシャル基板が提案される。

請求項３の発明によれば、請求項２の発明において、前記酸素を含む層の酸素濃度が１×１０¹⁶ｃｍ^-3以上である化合物半導体エピタキシャル基板が提案される。

本発明によれば、上述の如く、基板とサブコレクタ層の間に酸素を含む層を形成することにより、基板に存在する欠陥伝播を抑制し、基板種類に依存せず、良好かつ安定したＨＢＴ特性を得ることができる。また、欠陥伝播の抑制によりその電流増幅率を大きくすることができる。

本発明による化合物半導体エピタキシャル基板の一実施形態を模式的に示す層構造図。 図１に示した化合物半導体エピタキシャル基板を製造するのに使用される気相成長半導体製造装置の要部を概略的に示す図。 従来における一般的なＧａＡｓ系ＨＢＴの層構造を模式的に示す図。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例につき詳細に説明する。

図１は、本発明による実施の形態の一例を模式的に示す層構造図であり、ここでは、ＧａＡｓ系ＨＢＴの製造に用いるＨＢＴ用薄膜結晶ウエーハとして用いられる化合物半導体エピタキシャル基板が示されている。

図１に示した化合物半導体エピタキシャル基板１の構造は次の通りである。化合物半導体エピタキシャル基板１は半絶縁性のＧａＡｓ単結晶から成るＧａＡｓ基板２上にＭＯＣＶＤ法を用いて複数の半導体薄膜結晶成長層を次々と積層させて構成されたものである。なお、本発明による化合物半導体エピタキシャル基板を作製するための方法は、本実施の形態で用いたＭＯＣＶＤ法に限定されるものではなく、液相エピタキシャル成長法、分子線エピタキシャル法、化学ビームエピタキシャル法、原子層エピタキシャル法等を用いることができる。

ＧａＡｓ基板２の上には、酸素を含むバッファ層３が形成されている。バッファ層３は、一般式Ａｌ_x Ｇａ _1-xＡｓ（０≦ｘ≦１）で示される化合物半導体単結晶層としてＭＯＣＶＤ法により形成されている。本実施の形態では、バッファ層３のＡｌ組成値は０．３である。そしてバッファ層３の酸素濃度は原子濃度で約１×１０¹⁹ｃｍ^-3である。バッファ層３への酸素のドーピング方法は、どのような方法であってもよい。例えば、水素や不活性ガスによって希釈された酸素ガスをバッファ層３の成膜時に反応炉内に供給する方法、あるいはその成長前に予めオゾン処理によってＧａＡｓ基板２上に酸化膜を形成した後にバッファ層３を成長させる方法を用いてもよい。また、酸素のドーピング原料としては、酸素ガスの他に、例えばエーテル類、窒素酸化物、アルコール類、二酸化炭素、一酸化炭素等が挙げられるが、これらに限定されるものではなく、酸素を結晶中に取り込むことが可能な酸素をもつ物質ならば使用できる。

酸素を含むＡｌＧａＡｓ層としてのバッファ層３の上に形成されているＨＢＴ機能層４は、該バッファ層３の上に、サブコレクタ層４１として働くｎ⁺ −ＧａＡｓ層及びコレクタ層４２として働くｎ^- −ＧａＡｓ層が、順次化合物半導体エピタキシャル成長結晶層として所定の厚さに形成されている。そして、コレクタ層４２の上にベース層４３として働くｐ⁺ −ＧａＡｓ層が同じく化合物半導体エピタキシャル成長結晶層として形成されている。ベース層４３の上にはエミッタ層４４として働くｎ−ＩｎＧａＰ層が、エミッタ層４４の上にはｎ⁺ −ＧａＡｓ層がサブエミッタ層として、ｎ⁺ −ＧａＡｓ層及びｎ⁺ −ＩｎＧａＡｓ層がそれぞれエミッタコンタクト層４６、４７として形成されている。なお、酸素を含むＡｌＧａＡｓ層のみがバッファ層である必要はなく、例えばＧａＡｓ基板２とサブコレクタ層４１との間に複数のバッファ層が形成されている場合は、複数の層中、酸素を含むＧａＡｓ層、酸素を含むＡｌＧａＡｓ層、酸素がプレーナ添加された層等が少なくとも１層形成されていればよい。

上述した各層をＭＯＣＶＤ法によるエピタキシャル成長半導体薄膜結晶層として形成するための方法について詳しく説明する。

図２には、図１に示した化合物半導体エピタキシャル基板１をＭＯＣＶＤ法により製造するのに使用される気相成長半導体製造装置１０の要部が概略的に示されている。気相成長半導体製造装置１０は、図示しない原料供給系統からの原料ガスが原料供給ライン１１を介して供給される反応器１２を備え、反応器１２内にはＧａＡｓ基板２を載せて加熱するためのサセプタ１３が設けられている。本実施の形態では、サセプタ１３は多角柱体でその表面にはＧａＡｓ基板２が複数枚取り付けられており、サセプタ１３は回転装置１４によって回転できる公知の構成となっている。サセプタ１３内部には、符号１５で示されるサセプタ１３を加熱するための赤外線ランプが備えられている。赤外線ランプ１５に加
熱用電源１６から加熱用の電流を流すことによりＧａＡｓ基板２を所要の成長温度に加熱することができる。この加熱により、原料供給ライン１１を介して反応器１２に供給される原料ガスがＧａＡｓ基板２上で熱分解し、ＧａＡｓ基板２上に所望の化合物半導体薄膜結晶を気相成長させることができるようになっている。使用済みのガスは排気ポート１２Ａより外部に排出され、排ガス処理装置へ送られる。

ここで、ＧａＡｓ基板として用いられるのは半絶縁性ＧａＡｓ単結晶基板であり、ＬＥＣ（Liquid Encapsulated Czochralski ) 法、ＶＢ（Vertical Bridgeman）法、ＶＧＦ（Vertical Gradient Freezing）法等で製造されたＧａＡｓ基板が好適である。いずれの方法で製造された場合であっても、１つの結晶学的面方位から０．０５°乃至１０°程度の傾きをもった基板を用意するのが好ましいが、これに限定されるものではない。

上述の如く用意したＧａＡｓ単結晶基板の表面を、脱脂洗浄、エッチング、水洗、乾燥処理した後、このＧａＡｓ単結晶基板を反応器１２内のサセプタ１３上にＧａＡｓ基板２として載せる。そして、反応炉１２内を高純度水素で充分置換した後加熱を開始する。適度な温度に安定したところで、キャリアガスとして水素を用い、５族原料としてアルシン、３族原料として、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、酸素原料としてエーテルを用い、６４０℃で酸素を添加したＡｌＧａＡｓ層をＧａＡｓ基板２上に３０ｎｍ成長させてバッファ層３を形成する。

そして、酸素を添加したバッファ層３上にサブコレクタ層４１、コレクタ層４２を６４０℃の成長温度で成長させる。さらに、コレクタ層４２上に、ベース層４３、エミッタ層４４、サブエミッタ層４５を６２０℃の成長温度で成長させ、サブエミッタ層４５上にエミッタコンタクト層４６、４７を形成する。

化合物半導体エピタキシャル基板１において、ＧａＡｓ基板２とサブコレクタ層４１との間に、酸素を含むＡｌＧａＡｓ層であるバッファ層３を酸素を含む層として設けたので、ＧａＡｓ基板２上に各化合物半導体単結晶薄膜層をＭＯＣＶＤ法を用いて順次積層する場合に、ＧａＡｓ基板２内に存在する転位等の欠陥がサブコレクタ層４１に伝播するのが酸素を含む層であるバッファ層３により有効に抑えられる。

バッファ層３に含まれる酸素によりＧａＡｓ基板２中の欠陥の伝播が抑制される理由は次の通りであると考えられる。酸素は電子親和力が大きいので電気的にトラップを引き付けるので、バッファ層３の成長時にＧａＡｓ基板２から受け継がれた転位等の欠陥が拡散されるのを有効に抑えることができる。また、酸素はイオン半径が小さいので、これにより酸素を含む層では酸素のまわりに局所歪が生じ、欠陥をトラップしやすいので、バッファ層３の成長時にＧａＡｓ基板２から受け継がれた転位等の欠陥が拡散されるのを有効に抑えることができる。

この結果、バッファ層３内においてＧａＡｓ基板２から受け継がれた欠陥の多くはバッファ層３内で終端してしまい、ＨＢＴ機能層４の形成時にＧａＡｓ基板２内の欠陥の影響を極めて小さくすることができ、ベース層４３の結晶性を著しく良好なものとすることができる。この結果、ベース層内での再結合電流を小さくすることができ、酸素を含まない従来のバッファ層を用いた場合と比べ、ＨＢＴの電流増幅率の振れの大幅改善を図ることができ、該特性を向上し得る。また、ＧａＡｓ基板２内に転位等の欠陥があってもこれがＨＢＴ機能層４内に受け継がれるのを阻止できるので、ＧａＡｓ基板２の基板種に依存しない良好かつ安定なデバイス特性を実現でき、歩留りの向上にも役立つ。

上記実施の形態では、化合物半導体エピタキシャル基板１をＭＯＣＶＤ法によって作製する場合について説明したが、本発明はこの方法による場合に限定されるものではなく、
他の適宜の方法を用いることもできる。例えば、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）等の各種気相成長法を用いることもできる。また、バッファ層３の形成時にＡｌＧａＡｓに酸素を添加するための原料としてエーテルを用いたが酸素添加原料はエーテルに限定されず、この他、酸素を結晶に取り込むことができる原料であれば、前述した他の原料でもよく、それらを単独あるいは併用して使用することができる。また、従来では、ＧａＡｓ基板をエッチングすることにより自然酸化膜を除去した後これを使用していたが、本発明においては、エッチングすること無く、故意に自然酸化膜を酸素原として用い、バッファ層３内に酸素を取り込むこともできる。

ここで、バッファ層３のＡｌ_x Ｇａ_1-x Ａｓ (０≦ｘ≦１）のＡｌ組成値ｘは大きい程酸素を取り込む量が増大するので、Ａｌ組成値を大きくする程ＧａＡｓ基板２の欠陥の影響を低減させることができ、ベース層４３の結晶性を良好なものとすることができる。しかし、Ａｌ組成値が大きすぎると、ＡｌＧａＡｓが酸化されやすく不安定になる。したがって、Ａｌ組成値ｘは０．１＜ｘ＜０．８の範囲が望ましく、より望ましくは、０．２≦ｘ≦０．７である。

また、本発明においては、ＧａＡｓ基板の代わりにＩｎＰ基板を用いることもできる。ＧａＡｓ基板の代わりにＩｎＰ基板を使用したＨＢＴ用化合物半導体エピタキシャル基板の場合には、Ｉｎ_y Ａｌ_1-y Ａｓ (０≦ｙ≦１）層を用いることができる。なかでもＩｎＰ基板に格子整合するＩｎ_0.52Ａｌ_0.48Ａｓ層を使用することが好ましい。

そして、Ｉｎ_y Ａｌ_1-y Ａｓ層から成るバッファ層に酸素を添加することにより、図１に示した実施の形態の場合と同様の作用、効果を得ることができる。この場合においても、酸素を含むＩｎＡｌＡｓ層は必ずしもバッファ層である必要はなく、ＩｎＰ基板とその上に形成されるサブコレクタ層との間に適宜の形態で酸素を含む層が形成されていればよい。この場合の酸素濃度等は前記と略同じである。

ここで、バッファ層３の酸素濃度範囲については、通常１×１０¹⁶ｃｍ^-3以上、望ましくは、１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上、より望ましくは、１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上である。１×１０¹⁶ｃｍ^-3未満では、本発明の奏する効果が低下する傾向にある。一方、上限については、酸素が多すぎると、バッファ層３の上に成長するエピタキシャル層の表面状態を悪化させるので、望ましくは、１×１０²¹ｃｍ^-3以下、より望ましくは、１×１０²⁰ｃｍ^-3以下である。

以下、実施例及び比較例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらにより限定されるものではない。

（実施例１）
図１に示した構造の化合物半導体エピタキシャル基板を次のようにして作製した。欠陥密度が５０００個／ｃｍ² のＡ社製のＧａＡｓ基板を用意し、このＧａＡｓ基板の上にＡｌ_0.3 Ｇａ_0.7 Ａｓのバッファ層を３０ｎｍ成長させた。このとき、酸素供給源としてエーテルを用い、バッファ層の酸素濃度を１×１０¹⁹ｃｍ^-3とした。このバッファ層の上にＨＢＴ機能層をＭＯＣＶＤ法により形成した。

なお、各層の厚み、Ｉｎ組成等は以下の通りであった。エミッタコンタクト層４７はｎ⁺ −ＩｎＧａＡｓ層から成り、Ｉｎ組成が０．５、膜厚が５０ｎｍ、キャリア濃度が２．０×１０¹⁹ｃｍ^-3。エミッタコンタクト層４６はｎ⁺ −ＩｎＧａＡｓ層から成り、Ｉｎ組成がサブエミッタ層４５の境界では０でエミッタコンタクト層４７の境界では０．５となるように連続的に変化しており、膜厚が５０ｎｍ、キャリア濃度が２．０×１０¹⁹ｃｍ^-3
。サブエミッタ層４５はｎ⁺ −ＧａＡｓ層から成り、膜厚が１００ｎｍ、キャリア濃度が３．０×１０¹⁸ｃｍ^-3。エミッタ層４４はｎ−ＩｎＧａＰ層から成り、Ｉｎ組成が０．４８、膜厚が３０ｎｍ、キャリア濃度が３．０×１０¹⁷ｃｍ^-3。ベース層４３はｐ⁺ −ＧａＡｓ層から成り、膜厚が８０ｎｍ、キャリア濃度が４．０×１０¹⁹ｃｍ^-3。コレクタ層４２はｎ^- −ＧａＡｓ層から成り、膜厚が７００ｎｍ、キャリア濃度が５．０×１０¹⁵ｃｍ^-3。サブコレクタ層４１はｎ⁺ −ＧａＡｓ層から成り、膜厚が５００ｎｍ、キャリア濃度が３．０×１０¹⁸ｃｍ^-3。

これにより得られた化合物半導体エピタキシャル基板を用いてＨＢＴ素子を製作した。エミッタサイズは１００μｍ×１００μｍである。このＨＢＴ素子の電流増幅率βを測定したところ１４１であった。ここでは、コレクタ電流１ｋＡ／ｃｍ² 流したときのコレクタ電流／ベース電流を電流増幅率βとした。

（実施例２）
使用するＧａＡｓ基板の欠陥密度が３０００〜４０００個／ｃｍ² のＢ社製であることを除き、実施例１の場合と同様にしてＨＢＴ素子を作製し、その電流増幅率βを測定したところ１４１であった。

（実施例３）
使用するＧａＡｓ基板の欠陥密度が３０００〜４０００個／ｃｍ² のＣ社製であることを除き、実施例１の場合と同様にしてＨＢＴ素子を作製し、その電流増幅率βを測定したところ１４１であった。

（比較例１）
実施例１に用いたＧａＡｓ基板と基板種が同一の基板を用い、該基板の上に酸素を含まないＡｌＧａＡｓから成るバッファ層を３０ｎｍ成長させ、その上に実施例１の場合と同様にして、ＨＢＴ機能層を形成した化合物半導体エピタキシャル基板を作製し、ＨＢＴ素子を作製した。このＨＢＴ素子の電流増幅率βを測定したところ１２８であった。

（比較例２）
実施例２に用いたＧａＡｓ基板と基板種が同一の基板を用い、該基板の上に酸素を含まないＡｌＧａＡｓから成るバッファ層を３０ｎｍ成長させ、その上に実施例２の場合と同様にして、ＨＢＴ機能層を形成した化合物半導体エピタキシャル基板を作製し、ＨＢＴ素子を作製した。このＨＢＴ素子の電流増幅率βを測定したところ１２６であった。

（比較例３）
実施例３に用いたＧａＡｓ基板と基板種が同一の基板を用い、該基板の上に酸素を含まないＡｌＧａＡｓから成るバッファ層を３０ｎｍ成長させ、その上に実施例３の場合と同様にして、ＨＢＴ機能層を形成した化合物半導体エピタキシャル基板を作製し、ＨＢＴ素子を作製した。このＨＢＴ素子の電流増幅率βを測定したところ１１７であった。

実施例１〜３及び比較例１〜３の各結果から、バッファ層が酸素を含まない場合、電流増幅率は低く、また使用する基板によって様々な値となった。このことは、基板の結晶性によってデバイス特性が不安定になることを示している。基板の結晶性はその欠陥密度が最も電流増幅率に影響を及ぼしているものと考えられる。酸素を含む層を形成した場合には、いずれの基板を使用した場合にも、電流増幅率は大きくなり、かつ基板の種類に依存しない結果となった。このことは、酸素を含む層が基板に存在する欠陥がエピタキシャル層に伝播することを抑制する役割を果たしており、その結果ベース層の結晶性が向上し、電流増幅率が大きく改善されたものと考えられる。

以上のように、本発明による化合物半導体エピタキシャル基板は、基板種類に依存せず、良好かつ安定したＨＢＴ特性を得ることができ、基板種に依存しない安定したデバイス特性を得ることができる化合物半導体エピタキシャル基板を製造するのに有用である。

１ 化合物半導体エピタキシャル基板
２ ＧａＡｓ基板
３ バッファ層
４ ＨＢＴ機能層
１０ 気相成長半導体製造装置
４１ サブコレクタ層
４２ コレクタ層
４３ ベース層
４４ エミッタ層
４５ サブエミッタ層
４６、４７ エミッタコンタクト層
１００ ＨＢＴ
１０１ ＧａＡｓ基板
１０２ サブコレクタ層
１０３ コレクタ層
１０４ ベース層
１０５ エミッタ層
１０６ サブエミッタ層
１０７ エミッタコンタクト層
１０８ コレクタ電極
１０９ ベース電極
１１０ エミッタ電極

Claims (2)

1. ＬＥＣ法、ＶＢ法、ＶＧＦ法のいずれか一つの方法により製造されたＧａＡｓ基板上に、サブコレクタ層、コレクタ層、ｐ^＋型ＧａＡｓからなるベース層、ｎ型ＩｎＧａＰからなるエミッタ層、コンタクト層がこの順序で形成されている化合物半導体エピタキシャル基板において、前記基板と前記サブコレクタ層との間に酸素を含む層を有し、前記酸素を含む層の酸素濃度が１×１０ ¹⁸ ｃｍ ^-3 以上１×１０ ²⁰ ｃｍ ^-3 以下であることを特徴とする化合物半導体エピタキシャル基板。
2. 前記酸素を含む層が、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ(０≦ｘ≦１）層である請求項１記載の化合物半導体エピタキシャル基板。

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