JPH01175725A - 半導体結晶の構造 - Google Patents
半導体結晶の構造Info
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- JPH01175725A JPH01175725A JP33604087A JP33604087A JPH01175725A JP H01175725 A JPH01175725 A JP H01175725A JP 33604087 A JP33604087 A JP 33604087A JP 33604087 A JP33604087 A JP 33604087A JP H01175725 A JPH01175725 A JP H01175725A
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Landscapes
- Recrystallisation Techniques (AREA)
- Junction Field-Effect Transistors (AREA)
- Physical Deposition Of Substances That Are Components Of Semiconductor Devices (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
(産業上の利用分野)
半導体結晶の構造に関する。
(従来の技術)
ガリウムひ素(GaAs)、インジウム燐(InP)な
どの閃亜鉛鉱型の結晶構造を有するIILV族化合物半
導体は、シリコン(Si)よりも電子の移動度が大きく
高速スイッチング素子や高周波増幅素子の材料として用
いられ、また、直接遷移型のバンド構造をしているため
発光素子の材料として用いられている。
どの閃亜鉛鉱型の結晶構造を有するIILV族化合物半
導体は、シリコン(Si)よりも電子の移動度が大きく
高速スイッチング素子や高周波増幅素子の材料として用
いられ、また、直接遷移型のバンド構造をしているため
発光素子の材料として用いられている。
例えば、第4図に示すGaAsを用いたショットキー障
壁型電界効果トランジスタ(MESFET)には、引き
上げ法により成長した結晶から切り出した(100)面
の半絶縁性のGaAs基板14が用いられている。この
場合には基板にイオン注入などの方法でn型の動作層2
4を形成し、その上にゲート電極34、ソース電極44
、ドレイン電極54を形成し、さらに5i02などの絶
縁膜を表面保護膜64として被着している。
壁型電界効果トランジスタ(MESFET)には、引き
上げ法により成長した結晶から切り出した(100)面
の半絶縁性のGaAs基板14が用いられている。この
場合には基板にイオン注入などの方法でn型の動作層2
4を形成し、その上にゲート電極34、ソース電極44
、ドレイン電極54を形成し、さらに5i02などの絶
縁膜を表面保護膜64として被着している。
(発明が解決しようとする問題点)
GaAsを基板として用いたGaAs集積回路の基本回
路構成としては、 DCFL (Direct Cou
pled FETLogic) 、BFL (Buff
ered FET Logic) 、5CFL (So
urceCoupled FET Logic)などが
あるが、このうちDCFL、 5CFLではしきい値電
圧の異なったFETを同一基板上に形成する必要がある
。従来は、しきい値電圧の異なるFETを同一基板上に
形成するためには、キャリア密度あるいは厚さの異なる
n型チャネルを形成するが、このためには異なるチャネ
ルを形成するための工程が複数回必要であり、工程が煩
雑であるという問題があった。
路構成としては、 DCFL (Direct Cou
pled FETLogic) 、BFL (Buff
ered FET Logic) 、5CFL (So
urceCoupled FET Logic)などが
あるが、このうちDCFL、 5CFLではしきい値電
圧の異なったFETを同一基板上に形成する必要がある
。従来は、しきい値電圧の異なるFETを同一基板上に
形成するためには、キャリア密度あるいは厚さの異なる
n型チャネルを形成するが、このためには異なるチャネ
ルを形成するための工程が複数回必要であり、工程が煩
雑であるという問題があった。
従来の技術で示したGaAsMESFETの場合には、
ゲート金属とGaAs基板の熱膨張率の差や、表面保護
膜、オーム性電極などの影響でGaAsに歪が生じる。
ゲート金属とGaAs基板の熱膨張率の差や、表面保護
膜、オーム性電極などの影響でGaAsに歪が生じる。
GaAsの様に中心対称性がなく極性を有する結晶にお
いては、この様な歪によって、圧電効果による電荷が誘
起され、ゲート方向によってMESFETのしきい値電
圧が異なるという異方性が生じる。これを集積回路に応
用して、単一の濃度と厚みをもつチャ、謬ルで、ゲート
電極の方向を変えることによって、チャネル形成工程を
増やす事なく、2つの異なるしきい値電圧のFETを同
一基板上に作製するガリウムひ素集積回路が、特開昭6
0−176276号公報、345〜347頁に示されて
いる。
いては、この様な歪によって、圧電効果による電荷が誘
起され、ゲート方向によってMESFETのしきい値電
圧が異なるという異方性が生じる。これを集積回路に応
用して、単一の濃度と厚みをもつチャ、謬ルで、ゲート
電極の方向を変えることによって、チャネル形成工程を
増やす事なく、2つの異なるしきい値電圧のFETを同
一基板上に作製するガリウムひ素集積回路が、特開昭6
0−176276号公報、345〜347頁に示されて
いる。
ところが、前記の公開特許公報の発明では、2つのしき
い値電圧の差を与える圧電電荷の大きさが、基板に加わ
る歪が一定の場合、基板材料固有の圧電定数によって決
ってしまうため、所望のしきい値電圧を制御して得るこ
とができないという問題があった。
い値電圧の差を与える圧電電荷の大きさが、基板に加わ
る歪が一定の場合、基板材料固有の圧電定数によって決
ってしまうため、所望のしきい値電圧を制御して得るこ
とができないという問題があった。
本発明は、結晶自体の持つ圧電定数の大きさを制御して
、所望の異なるしきい値電圧のFETを同一のチャネル
で形成する半導体結晶構造を提供する事を目的とする。
、所望の異なるしきい値電圧のFETを同一のチャネル
で形成する半導体結晶構造を提供する事を目的とする。
(問題点を解決するための手段)
本発明は、基板上に閃亜鉛鉱型結晶を構成するIILV
族化合物半導体のIII族原子層とV族原子層を交互に
[100]軸方向に少なくとも1層積層した第一の半導
体層と、該第一の半導体層上にIII族原子層とV族原
子層を前記第一の半導体層のIII族原子層とV族原子
層の積層順とは逆の順番で交互に少なくとも1層積層し
た第二の半導体層とから成る4層構造の半導体層を単位
層として、該単位層が少なくとも一層以上周期的に積層
してなり、前記第一の半導体層を構成する原子の層数あ
るいは層厚と前記第二の半導体を構成する原子の層数あ
るいは層厚との比が1以外の任意の数であることを特徴
とする半導体結晶の構造である。
族化合物半導体のIII族原子層とV族原子層を交互に
[100]軸方向に少なくとも1層積層した第一の半導
体層と、該第一の半導体層上にIII族原子層とV族原
子層を前記第一の半導体層のIII族原子層とV族原子
層の積層順とは逆の順番で交互に少なくとも1層積層し
た第二の半導体層とから成る4層構造の半導体層を単位
層として、該単位層が少なくとも一層以上周期的に積層
してなり、前記第一の半導体層を構成する原子の層数あ
るいは層厚と前記第二の半導体を構成する原子の層数あ
るいは層厚との比が1以外の任意の数であることを特徴
とする半導体結晶の構造である。
(作用)
本発明の原理は、本発明の単位半導体層において、第一
の半導体層の分極は[111]方向であり、第二の半導
体層の分極方向(iiilと反対で、単位半導体層内で
分極が、等しい厚さ分は、キャンセルしあい、第一の半
導体層と第二の半導体層の厚さの差に相当する量の分極
が残る事に基づく。従って、極性に基づく圧電分極の量
は第一と第二の半導体層の厚さの比を変えることによっ
て、連続的に制御することができるため、所望のしきい
値電圧差をもつFETを形成できるようになる。
の半導体層の分極は[111]方向であり、第二の半導
体層の分極方向(iiilと反対で、単位半導体層内で
分極が、等しい厚さ分は、キャンセルしあい、第一の半
導体層と第二の半導体層の厚さの差に相当する量の分極
が残る事に基づく。従って、極性に基づく圧電分極の量
は第一と第二の半導体層の厚さの比を変えることによっ
て、連続的に制御することができるため、所望のしきい
値電圧差をもつFETを形成できるようになる。
(実施例)
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する
。
。
第1図はGaAsMESFET用基板における本発明の
第一の実施例の結晶構造の断面図である。
第一の実施例の結晶構造の断面図である。
第1図の結晶構造は、例えば、次のようにして成長した
。シャッターの開閉による分子線フラックス制御機構を
有する分子線エピタキシー(MBE)装置を用いて、超
高真空チャンバー内に取り付けられ、基板温度650°
Cに保った半絶縁性(100)GaAs基板11上にG
aのフラックスを1原子層分だけ照射する。続いて、G
aのフラックスをシャッターで止め、Asのフラックス
を1原子層分だけ照射する。これを繰り返す事によりG
aAsを1層づつ制御して成長する原子層エピタキシー
(ALE)が可能であり、ALEにより20層のGa−
Asの順に並んだ層よりなる第一のGaAs層21と、
さらに連続的にGeのフラックスを4層分照射して成長
した第一のGe層31と、さらに連続的に第一の半導体
層21と同様にして成長した10層のAs−Gaの順に
並んだ第二のGaAs層41と、さらに連続的に成長し
た4原子層分の第二のGe層51の4層よりなる計38
原子層の単位半導体層61が、70層分積層しである。
。シャッターの開閉による分子線フラックス制御機構を
有する分子線エピタキシー(MBE)装置を用いて、超
高真空チャンバー内に取り付けられ、基板温度650°
Cに保った半絶縁性(100)GaAs基板11上にG
aのフラックスを1原子層分だけ照射する。続いて、G
aのフラックスをシャッターで止め、Asのフラックス
を1原子層分だけ照射する。これを繰り返す事によりG
aAsを1層づつ制御して成長する原子層エピタキシー
(ALE)が可能であり、ALEにより20層のGa−
Asの順に並んだ層よりなる第一のGaAs層21と、
さらに連続的にGeのフラックスを4層分照射して成長
した第一のGe層31と、さらに連続的に第一の半導体
層21と同様にして成長した10層のAs−Gaの順に
並んだ第二のGaAs層41と、さらに連続的に成長し
た4原子層分の第二のGe層51の4層よりなる計38
原子層の単位半導体層61が、70層分積層しである。
この単位半導体層において、[11月軸方向に引っ張り
応力が加わった場合、第一のGaAs層の分極は(ii
i1方向であり、第二のGaAs層の分極方向[111
]と反対で、単位半導体層内で分極のGaAs10層分
だけキャンセルされる。従って、本発明の第一の実施例
の場合、従来の分極方向が揃った同じ厚さのGaAs(
但し、Geの厚みは無視できるとする)に較べて歪によ
り生じる分極の大きさ、即ち、圧電電荷はキャンセルさ
れた分の厚みだけ減少し3分の1となる。
応力が加わった場合、第一のGaAs層の分極は(ii
i1方向であり、第二のGaAs層の分極方向[111
]と反対で、単位半導体層内で分極のGaAs10層分
だけキャンセルされる。従って、本発明の第一の実施例
の場合、従来の分極方向が揃った同じ厚さのGaAs(
但し、Geの厚みは無視できるとする)に較べて歪によ
り生じる分極の大きさ、即ち、圧電電荷はキャンセルさ
れた分の厚みだけ減少し3分の1となる。
また、第一のGaAs層21上に第二のGaAs層41
を成長するのは困難であるため、第一のGe層31と第
二のGe層51を設けた。従って、Ge層の積層数は少
なくてよい。少数積層する場合には、格子の整合性を考
慮する必要がないため、Ge以外の■族原子も可能であ
る。また、積層数は偶数の方が効果が大きい。というの
は、奇数層では、第一のGaAs層と第二のGaAs層
のGaとAsの周期、従って結晶層の極性が同じとなり
、第一のGaAs層の数層がGeに置き変っただけとみ
ることができるのに対し、偶数層では第一のGaAs層
と第二のGaAs層のGaとAsの周期が逆になるから
である。
を成長するのは困難であるため、第一のGe層31と第
二のGe層51を設けた。従って、Ge層の積層数は少
なくてよい。少数積層する場合には、格子の整合性を考
慮する必要がないため、Ge以外の■族原子も可能であ
る。また、積層数は偶数の方が効果が大きい。というの
は、奇数層では、第一のGaAs層と第二のGaAs層
のGaとAsの周期、従って結晶層の極性が同じとなり
、第一のGaAs層の数層がGeに置き変っただけとみ
ることができるのに対し、偶数層では第一のGaAs層
と第二のGaAs層のGaとAsの周期が逆になるから
である。
更に、第一、第二の半導体層として、GaAs層以外の
例えばInP層、InAs 5GaP 、 InGaA
s、InGaAsPを用いることができる。例えば、I
nGaAs等の3元化合物の場合III族元素であるI
n、Gaの比をGa単独のフラックスのかわりに所望の
7ラツクス比で被着させればよい。この場合にも上記の
Ge層と同様の働きをする■族原子層を設けることが可
能である。
例えばInP層、InAs 5GaP 、 InGaA
s、InGaAsPを用いることができる。例えば、I
nGaAs等の3元化合物の場合III族元素であるI
n、Gaの比をGa単独のフラックスのかわりに所望の
7ラツクス比で被着させればよい。この場合にも上記の
Ge層と同様の働きをする■族原子層を設けることが可
能である。
第2図は、本発明の結晶構造をGaAsMESFETに
用いた一例の断面図である。GaAs(100)基板1
2の上に上記の結晶構造22があり、その表面には不純
物ドーピングにより形成した厚み0.1pm、濃度2X
1017cm’の動作層32があり、その上にゲート電
極42、ソース電極52、ドレイン電極62が設けられ
ている。MESFETの表面は厚み111mのSiO2
表面保護膜72で覆われている。ゲート長0.5pmの
MESFETを、従来のように(100)基板上に第2
図と同じ条件で製作した場合、発明者の実験によれば、
410>方向のFETと<1io>方向の互いにゲート
方向が直交するFETのしきい値電圧が480mV異な
るというFET特性の異方性が観察された。一方で、実
施例で示した場合にはしきい値電圧の差は、150mV
となった。
用いた一例の断面図である。GaAs(100)基板1
2の上に上記の結晶構造22があり、その表面には不純
物ドーピングにより形成した厚み0.1pm、濃度2X
1017cm’の動作層32があり、その上にゲート電
極42、ソース電極52、ドレイン電極62が設けられ
ている。MESFETの表面は厚み111mのSiO2
表面保護膜72で覆われている。ゲート長0.5pmの
MESFETを、従来のように(100)基板上に第2
図と同じ条件で製作した場合、発明者の実験によれば、
410>方向のFETと<1io>方向の互いにゲート
方向が直交するFETのしきい値電圧が480mV異な
るというFET特性の異方性が観察された。一方で、実
施例で示した場合にはしきい値電圧の差は、150mV
となった。
第3図はGaAsMESFET用基板における本発開基
板二の実施例の結晶構造の断面図である。
板二の実施例の結晶構造の断面図である。
第3図の結晶構造は、例えば、次のようにして成長した
。シャッターの開閉による分子線フラックス制御機構を
有する分子線エピタキシー(MBE)装置を用いて、超
高真空チャンバー内に取り付けられ、基板温度650°
Cに保った半絶縁性(100)GaAs基板11上にG
aのフラックスを1原子層分だけ照射する。続いて、G
aのフラックスをシャッターで止め、Asのフラックス
を1原子層分だけ照射する。これを繰り返す事によりG
aAsを1層づつ制御して成長する原子層エピタキシー
(ALE)が可能であり、ALEにより20層のAs−
Gaの順に並んだ層よりなる第一のGaAs層23と、
さらに連続的にGeのフラックスを4層分照射して成長
した第一のGe層33と、さらに連続的に第一の半導体
層23と同様にして成長した10層のGa−Asの順に
並んだ第二のGaAs層43と、さらに連続的に成長し
た4原子層分の第二のGe層53の4層よりなる計38
の原子層の単位半導体層63が、70層分積層しである
。この単位半導体層において、[111]軸方向に引っ
張り応力が加わった場合、第一のGaAs層の分極は[
111]方向であり、第二のGaAs層の分極方向山i
]と反対で、単位半導体層内で分極がGaAs1O層分
だけキャンセルされる。従って、本発明の第二の実施例
の場合、従来の分極方向が揃った同じ厚さのGaAs(
但し、Geの厚みは無視できるとする)に較べて歪によ
り生じる分極の大きさ、即ち、圧電電荷はキャンセルさ
れた分の厚みだけ減少し3分の1となる。
。シャッターの開閉による分子線フラックス制御機構を
有する分子線エピタキシー(MBE)装置を用いて、超
高真空チャンバー内に取り付けられ、基板温度650°
Cに保った半絶縁性(100)GaAs基板11上にG
aのフラックスを1原子層分だけ照射する。続いて、G
aのフラックスをシャッターで止め、Asのフラックス
を1原子層分だけ照射する。これを繰り返す事によりG
aAsを1層づつ制御して成長する原子層エピタキシー
(ALE)が可能であり、ALEにより20層のAs−
Gaの順に並んだ層よりなる第一のGaAs層23と、
さらに連続的にGeのフラックスを4層分照射して成長
した第一のGe層33と、さらに連続的に第一の半導体
層23と同様にして成長した10層のGa−Asの順に
並んだ第二のGaAs層43と、さらに連続的に成長し
た4原子層分の第二のGe層53の4層よりなる計38
の原子層の単位半導体層63が、70層分積層しである
。この単位半導体層において、[111]軸方向に引っ
張り応力が加わった場合、第一のGaAs層の分極は[
111]方向であり、第二のGaAs層の分極方向山i
]と反対で、単位半導体層内で分極がGaAs1O層分
だけキャンセルされる。従って、本発明の第二の実施例
の場合、従来の分極方向が揃った同じ厚さのGaAs(
但し、Geの厚みは無視できるとする)に較べて歪によ
り生じる分極の大きさ、即ち、圧電電荷はキャンセルさ
れた分の厚みだけ減少し3分の1となる。
上記の場合、GaAs(100)基板に積層したGa原
子層、As原子層、Ge原子層の積層構造例を示したが
、GaAs(100)基板の代わりに、Ge(100)
基板を用いる事も可能である。また、格子定数がほぼ等
しいエピタキシャル成長の可能なあらゆる極性結晶(I
nP等)において、極性に基づく特性の異方性を制御し
て応用する事が実現できる。また、本発明の結晶構造は
、実施例で示したGaAsMESFET以外のへテロバ
イポーラトランジスタ(HBT)やレーザーダイオード
などあらゆる化合物半導体素子に用いる事によって、歪
による特性変調に効果があり、応用分野が広い。
子層、As原子層、Ge原子層の積層構造例を示したが
、GaAs(100)基板の代わりに、Ge(100)
基板を用いる事も可能である。また、格子定数がほぼ等
しいエピタキシャル成長の可能なあらゆる極性結晶(I
nP等)において、極性に基づく特性の異方性を制御し
て応用する事が実現できる。また、本発明の結晶構造は
、実施例で示したGaAsMESFET以外のへテロバ
イポーラトランジスタ(HBT)やレーザーダイオード
などあらゆる化合物半導体素子に用いる事によって、歪
による特性変調に効果があり、応用分野が広い。
(発明の効果)
以上の説明から明らかなように、本発明によれば極性に
基づく特性の異方性の大きさを制御し、例えば、GaA
sMESFETの歪により生じた圧電効果のもたらすし
きい値電圧のゲート方向による違いを用いて2種類のし
きい値電圧を得る集積回路において、連続的にしきい値
電圧の差を制御できるため、歪を応用したFET t、
きい値設針の自由度が向上する効果を有する。
基づく特性の異方性の大きさを制御し、例えば、GaA
sMESFETの歪により生じた圧電効果のもたらすし
きい値電圧のゲート方向による違いを用いて2種類のし
きい値電圧を得る集積回路において、連続的にしきい値
電圧の差を制御できるため、歪を応用したFET t、
きい値設針の自由度が向上する効果を有する。
第1図はGaAsにおける本発明の第一の実施例を示す
結晶構造の断面図、第2図は本発明の実施例をGaAs
MESFETに用い〃、時のFETの断面図、第3図は
本発明の第二の実施例を示す結晶構造の断面図、第4図
は従来のGaAsMESFETを示す断面図である。 11、12.13・・・半絶縁性GaAs(100)基
板14・・・半絶縁性GaAs(100)基板21、2
3−・・第一のGaAs層 31.33・・・第一のGe層 41、43−・・第二のGaAs層 51、53・・・第二のGe層 61、63・・・単位半導体層 22・・・本発明の結晶構造 32、24・・・n型動作層 42、34・・・ゲート電極 52.44・・・ソース電極 62、54・・・ドレイン電極 72、64:・・5102保護膜
結晶構造の断面図、第2図は本発明の実施例をGaAs
MESFETに用い〃、時のFETの断面図、第3図は
本発明の第二の実施例を示す結晶構造の断面図、第4図
は従来のGaAsMESFETを示す断面図である。 11、12.13・・・半絶縁性GaAs(100)基
板14・・・半絶縁性GaAs(100)基板21、2
3−・・第一のGaAs層 31.33・・・第一のGe層 41、43−・・第二のGaAs層 51、53・・・第二のGe層 61、63・・・単位半導体層 22・・・本発明の結晶構造 32、24・・・n型動作層 42、34・・・ゲート電極 52.44・・・ソース電極 62、54・・・ドレイン電極 72、64:・・5102保護膜
Claims (1)
- 基板上に閃亜鉛鉱型結晶を構成するIII−V族化合物
半導体のIII族原子層とV族原子層を交互に[100]
軸方向に少なくとも1層積層した第一の半導体層と、該
第一の半導体層上にIII族原子層とV族原子層を前記第
一の半導体層のIII族原子層とV族原子層の積層順とは
逆の順番で交互に少なくとも1層積層した第二の半導体
層とから成る半導体層を単位層として、該単位層が少な
くとも一層以上周期的に積層してなり、前記第一の半導
体層を構成する原子の層数あるいは層厚と前記第二の半
導体を構成する原子の層数あるいは層厚との比が1以外
の任意の数であることを特徴とする半導体結晶の構造。
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP33604087A JPH0748476B2 (ja) | 1987-12-29 | 1987-12-29 | 半導体結晶の構造 |
DE3885436T DE3885436T2 (de) | 1987-12-29 | 1988-12-29 | Halbleiterkristallstruktur und deren Herstellungsverfahren. |
US07/291,646 US4980750A (en) | 1987-12-29 | 1988-12-29 | Semiconductor crystal |
EP88312391A EP0323249B1 (en) | 1987-12-29 | 1988-12-29 | Semiconductor crystal structure and a process for producing the same |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP33604087A JPH0748476B2 (ja) | 1987-12-29 | 1987-12-29 | 半導体結晶の構造 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH01175725A true JPH01175725A (ja) | 1989-07-12 |
JPH0748476B2 JPH0748476B2 (ja) | 1995-05-24 |
Family
ID=18295083
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP33604087A Expired - Lifetime JPH0748476B2 (ja) | 1987-12-29 | 1987-12-29 | 半導体結晶の構造 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH0748476B2 (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20030082212A (ko) * | 2002-04-17 | 2003-10-22 | 조규형 | 이중 벽체형 조리 용기 |
US9299615B1 (en) | 2014-12-22 | 2016-03-29 | International Business Machines Corporation | Multiple VT in III-V FETs |
-
1987
- 1987-12-29 JP JP33604087A patent/JPH0748476B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20030082212A (ko) * | 2002-04-17 | 2003-10-22 | 조규형 | 이중 벽체형 조리 용기 |
US9299615B1 (en) | 2014-12-22 | 2016-03-29 | International Business Machines Corporation | Multiple VT in III-V FETs |
US9437613B2 (en) | 2014-12-22 | 2016-09-06 | International Business Machines Corporation | Multiple VT in III-V FETs |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH0748476B2 (ja) | 1995-05-24 |
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