JPH03288483A - InAsホール効果素子 - Google Patents

InAsホール効果素子

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JPH03288483A
JPH03288483A JP2088190A JP8819090A JPH03288483A JP H03288483 A JPH03288483 A JP H03288483A JP 2088190 A JP2088190 A JP 2088190A JP 8819090 A JP8819090 A JP 8819090A JP H03288483 A JPH03288483 A JP H03288483A
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inas
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Yuichi Kanayama
裕一 金山
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    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10N52/00Hall-effect devices
    • H10N52/101Semiconductor Hall-effect devices

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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。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、抵抗値の温度変化の極めてyJ\さし)新規
な二層構造をもつInAsホール効果素子(以、下“”
 InAsホール素子“という)に関する。
〔従来の技術〕
従来、InAsホール素子を作る方法としてるよ、単M
 晶のInAsをつくりこれをスライスし、次0で研磨
により清<シた材料を用いる方法、マイカ基板上に蒸着
したInAs多結晶薄膜を剥離してフェライト等の基板
上に接着したものを用いる方法、GaAs基板上に成長
させたInAs薄膜を用いる方法等があった。
しかし、上に述べた第一の方法では、工業的に一定の厚
さでInAs1膜!膜を製作することや、それを1μm
またはそれ以下の厚さにすることが非常に難しく量産に
適していなかった。第二の方法では、InAs薄膜の厚
さは一定にそろえられるが、薄膜と基板の間に接着剤と
して有機物の絶縁層が形成されるため、100″Cをこ
える高温で動作させるInAsホール素子としては好ま
しいものでなかった。
第三の方法によるものは、InAs1膜と基板との界面
には有機層のようなものはなく高温度までの使用に耐え
うる。しかしInAsと基板とは異種材料であるため、
基板との界面付近のInAs単結晶は基板との格子不整
合のために多くの格子欠陥を有し、かつ結晶格子も乱れ
ていることは知られている9このためInAsの薄膜を
ホール素子として利用すると抵抗値の温度変化が大きく
、すなわち60°C付近から抵抗値が温度の上昇ととも
に低下してゆく特性をもっている。このためこの材料を
用いたホール素子は100℃をこえて一定電圧の入力で
使用すると、上述の抵抗値の低下により発熱量が増大し
素子温度が上昇し更に抵抗値を下げるという自己暴走的
なモードが生ずるというホール素子駆動上の大きな欠点
をもっている。したがって100°C以上で負である抵
抗値の温度係数をほとんど零もしくは正にすることによ
りこの欠点を改善する必要がある。
一方キャリアー濃度(ilt子濃度)を増やして抵抗値
の温度変化を少なくすることが可能であるが、実用素子
としてキャリアー濃度nには上限があり、キャリアー濃
度を大きくすることによってだけでは室温から100″
C付近までしか抵抗値の温度変化を少なくすることは期
待できない。なぜならホール素子の駆動条件から決まる
シート抵抗値に上限があるためである。しかも電子濃度
の温度変化のほかに電子移動度の温度変化が100°C
以上ではかなり大きく、抵抗値の温度変化を後者が支配
するようになる。このため従来の技術では厚さ1.4μ
m以下のInAs1膜の温度変化を100℃以上におい
ても小さくする技術は見いだされていない。すなわち実
用的なホール素子を製作するのに好都合の厚さ1.4μ
m以下のInAs薄膜において、100°C以上での抵
抗値の温度変化を小さくすることや、温度の上昇にとも
なう抵抗値の低下をなくすことは従来未踏の技術であっ
た。その理由の一つは、このように薄いInAs薄膜を
単純に基板上に形成した場合は、電子移動度の温度変化
はバルクの状態とは異なっており、その温度変化の様子
も十分理解されていないことによる。
また実用ホール素子の製作において、利用上の便利さや
コストの要求から微小な(0,411m角以下の)ホー
ル素子チップを作製しようとすると、消費電力による発
熱が微小な部位に集中する。このため抵抗値の温度変化
をできるだけおさえ、理想的には温度上昇とともに抵抗
値が下がらなくする必要があるが、いまだ実現されてい
ない。
〔本発明が解決しようとする課題〕
本発明は以上に説明した問題点を解消し、100℃以上
で150℃付近の温度まで使用できるInAsホール素
子を提供することにある。特にこの素子は抵抗値が温度
とともに低下しない特性をもち、厚さ1.4μm以下で
、かつ電子移動度が二層構造を有するInAs薄膜を感
磁部としたInAsボール素子である。
〔課題を解決するための手段] このような問題点を解決するために本発明者は、基板上
にエピタキシャル成長させたInAs薄膜に対して、電
子輸送現象の解析と不純物原子のドーピングによる特性
改善を試みた。すなわち基板とInAs層との界面の格
子不整合によって界面に近い部分のInAsの格子が乱
れるが、この部分の電気伝導に関する寄与が少なくなる
ような素子構造を検討した。
実際には本発明者はGaAs上に成長させた厚さ1.4
μm以下のInAs1膜I膜に、InAsのドナー不純
物として作用するSiのドープを試みた。その結果、S
iのドープ量の増大とともにInAs1膜中の電子濃度
が当然のこととして大きくなったが、さらに、電子移動
度の値が同一の結晶成長条件にも関わらず電子濃度とと
もに大きくなるという現象(参照第1表)と電子移動度
の温度変化が大きくかわるという現象を見いだした。
第1表 InAs1膜l膜の電子濃度と電子移動度の関係膜厚 
0.4μ即 ”電子濃度はホール測定から求めた (以下余白) 第2表にInAs中のSiがドープされた位置と電子移
動度の関係を示す。
第2表 Stのドープ部位とInAs11膜の電子移動度の関係
は厚さ方向で電子移動度の値が大きく変化することが明
らかである。つまり、基板との界面近くはSiをドーピ
ングしても低い電子移動度を示すが、基板との界面から
ある程度以上離れた部分にSiをドープすると大きな電
子移動度を示すことから、SiのドーピングによりIn
As薄膜が、高い電子移動度をもつ部分と低い電子移動
度をもつ部分の二層の構造をもつことがわかる。
第3表 SiをドープしたInAs薄膜の特性と膜厚の関係第2
表によれば、表面近くにSiをドープしたInAs薄膜
(阻4)は高い電子移動度を示しており、Siのドーピ
ングによりInAs1膜の電子移動度が大きく向上して
いることがわかる。一方Siを基板との界面付近にドー
プした場合(Na2)は、電子移動度の向上はみられて
いない。さらに、全体に均一にSiをドープした場合(
k3)は電子移動度の大きな向上がみられる。このこと
から、InAs1i膜中A層電子移動度が3.000c
gn”/VsのときB層の電子移動度を各層内で電子移
動度一定として求めた この事実をさらに確かめるために第3表にはSiをドー
プしたInAs薄膜の膜厚と電子移動度の関係及び基板
の界面に近い低い電子移動度部(A層)の電子移動度が
膜厚に関係なく 3.000cm”/Vsとしたときの
高い電子移動度部(B層)の電子移動度を示す。第3表
より、SiをドープしたrnAsfl[膜の膜厚が厚く
なるにしたがい電子移動度が大きくなることがわかるが
、その値は0.1μmと0.2μmの間で急激に変化し
ており、変化量はこのとき最大である。これにより基板
の界面近くは電子移動度が小さく、界面よりはなれた部
分(表面も含む)は電子移動度が極めて大きい構造とな
っていることがわかる。すなわち界面より0.1μ卸ま
では電子移動度の低い層(A層と呼ぶ)で、0.1μ町
を境界として表面までは電子移動度の極めて大きい層(
B層と呼ぶ)があり二層の電子移動度部が形成されてい
る。
本発明者はこのように二層の電子移動度部をもつ構造の
InAs薄膜をつくり、高い電子移動度を実現し、この
薄膜を用いてホール素子を製作した。
すなわちドナー不純物のドーピングにより、高い電子移
動度をもち、かつ電子濃度の大きいB層部と低い電子移
動部のA層をもつrnAsfl膜を作製し、これを用い
てホール素子を作製した。本発明者が作製した二層構造
のInAs1[膜のB層部はホール効果に寄与する割合
が大きく、ドナー不純物のドーピングにより電子移動度
が向上しており、かつこの部分を走る電子数も従来のI
nAs薄膜に比べて増大しており、薄膜の電気伝導はこ
の部分が主である。この結果、InAsff膜の特性を
大幅に改善することとなった。すなわちこのInAs1
膜において、電子移動度の温度変化が低温から150℃
まで極めて小さくなった。したがってドナー不純物をド
ープすることにより電子濃度を大きくし、InAs薄膜
の電子濃度の温度変化に依存する抵抗率の温度係数βρ
を室温付近で小さくするとともに、100°C〜150
°Cにおける移動度の温度変化も大幅に小さくなり、こ
の温度における抵抗率の温度係数βρも大幅に小さくな
り、かつβρ≧0となった。
第4図には本発明のrnAsfl膜の電子移動度の温度
変化をグラフにより示し従来例と比較した。また、第5
図には本発明のInAs薄膜の抵抗率の温度特性をグラ
フにより示し従来例と比較した。従来技術のInAs1
1膜に比べ、高温部において電子移動度、抵抗率とも大
幅に温度変化が小さくなっている。
しかも150℃という高温まで抵抗率がほぼ一定である
という従来にない特性を示している。この結果、低温部
から高温部まで抵抗率の温度係数を正にするとともに、
その値も大幅に小さくなり、室温から150℃まで実質
的にβρ≧0のホール素子を実現した。すなわち厚さ1
.4μm以下のInAs薄膜の抵抗値(正しくは抵抗率
)の温度係数をほとんど零もしくは非負の値にならしめ
ることを達成した。
これらのことにより、GaAs半絶縁性基板上に成長さ
せた厚さ184μm以下で、二層構造の電子移動度部を
有するInAsエピタキシャル薄膜を用いて、温度領域
−40℃から+150℃まで入力抵抗値の温度による低
下がほとんどないInAsホール素子を実現した。
〔作 用〕
この結果、InAsホール素子は、従来のように60°
Cを越えると入力抵抗値が温度の上昇とともに低下する
という現象がなくなり、定電圧駆動上での大きな問題が
解決した。さらに微小素子を作っても温度の上昇にとも
なって抵抗値が下がらないため電流が増大せず、消費す
る電力が増大しないため余分な発熱もなく、安定に高温
まで動作することが明かとなった。このため、汎用性の
高い高感度InAsホール素子の信頼性が大きくア・ノ
ブするとともに駆動電圧も大きくでき、大きな出力を得
ることも可能となった。その結果、InAsホール素子
の実用上の特性を大幅に向上できた。
〔実施例〕
第3図は、基板の界面近くの低い電子移動度部と界面よ
りはなれた高い電子移動度部の二層構造を有するInA
s薄膜を示す。1は基板を示し、2はInAs薄膜で二
層の構造をしており、21は低い電子移動度のA層、2
2は高い電子移動度のB層を示す。
また3はドナー不純物を示す。第1図は、本発明の基板
上に成長させた二層の電子移動度層を有するInAs1
l膜を感磁部としたホール素子の構造を示す。(a)は
上面図であり、(b)は断面図である。4はホール素子
の電極を示し、5はホール素子の感磁部を示す。第2図
は、このホール素子がボンディングされ、パッケージさ
れた一例を示す。6はモールド樹脂、7はAuワイヤー
、8はリード線を示す。
このような本発明で重要な役割を果たす不純物原子とし
ては一般にInAsにドナー不純物として作用するもの
がよ<、St、  S、 Ge、 Sn等がある。その
ドーピング量は少なくともInAs薄膜の高い電子移動
度のB層において、キャリア濃度として4×101th
個/cm’以上が必要であるが、それぞれの元素のドー
ピング量に限界があるため8X10”個/C−がキャリ
ア濃度の上限である。ホール素子として好ましく用いら
れる1、4μ鋼以下の薄膜ではドーパントとしてSi、
  SまたはGeは特に好ましい原子である。
シート抵抗は、ホール素子設計の実使用範囲から下限は
50膜程度である。またホール素子の人力抵抗値は通常
1にΩ以下が用いられており、本発明のInAsm膜で
はシート抵抗は400Ω以下が好ましい。
InAs薄膜の抵抗率をρ、電子の電荷をe<電子濃度
をn、電子のホール移動度をμ8とすると1/ρ=le
lnμmの式より抵抗率ρの温度係数βρは次式により
表わすことができる。
βρ=(1/ρ)(dρ/dT) = −(1/n) (dn/dT) + (−1/ u
 H) (d u H/dT)電子濃度nを十分大きく
なるようにすると、(dn/dT)の変化は大きくない
ので、第1項の寄与は極めて少なくなる。つまりnが十
分大きければこの項は抵抗率の温度変化に寄与しなくな
る。このような状況は高温でnが大きくなった場合また
はドナー不純物のドーピング等により電子濃度nを大き
くした場合に実現される。このときは、βρ=(1/ρ
)(dρ/dT) ξ−(1/μH)(dμ+</dr) という関係が成立し、βρζ−βμ8が戒り立つ。
すなわち、βρの温度変化はβμ工によって支配される
。したがって、抵抗率の温度変化を小さくするには電子
移動度の温度変化を小さくすること、また高温部でβρ
≧0とするにはβμ工≦Oとすることが必要であり、そ
れを実現するのが二層構造の電子移動度部を有するIn
As¥VIMである。したがってこの薄膜を用いた本発
明のInAsホール素子は抵抗値の温度変化がなく、高
温で抵抗値が低下することがない。
第6図は、本発明のInAsホール素子の入力抵抗値の
温度変化の様子を示す。第6図は、第5図の薄膜での特
性を反映しており、大幅に温度変化が小さくなっている
ことを示している。ここで、(イ)の線は本発明のIn
Asホール素子の抵抗値の温度特性を示し、(ロ)は従
来技術のそれを示している。100°C以上において大
幅にβρが小さくなり、かつβρ≧0である。これは、
第3図および第4図に示した二層構造の電子移動度部を
有するInAs薄膜のμ8の温度変化を反映したもので
ある。
試作例1 半絶縁性で厚さ0.3a+、片面を鏡面研磨した直径2
インチのGaAs基板を12枚セットしたホルダーを基
板導入室より準備室を通して大型の分子線エピタキシー
装置の超高真空である成長室ヘセットした。この基板ホ
ルダーを水平回転させるとともにGaAs基板を基板加
熱ヒーターにより輻射加熱し、基板の鏡面側に対向して
装置されているIn。
AsおよびSiの蒸発源、すなわちにセルより前記3元
素を超高真空中で20分間蒸発させ、Siをドープした
InAs単結晶で、0.4μ騙厚さの薄膜をGaAsの
基板の鏡面側に成長させた。基板の冷却後、この基板を
分子線エピタキシー装置より取り出して特性を測定した
ところ、シート抵抗120Ω、電子移動度14.000
cm”/Vsであった。
このようにして、第3図(a)に示したInAs薄膜を
試作した。基板の界面近くは低電子移動度であり、表面
近くは高電子移動度であった、Siがドナー不純物とし
てドープされている。
次にこのGaAs基板上に成長したInAs薄膜の表面
にフォトリソグラフィーの手法によりレジストパターン
を所要の形状で形威したのち、電極となる金属層を形威
し、しかるのちレジストを除去した。
次いで表面に第2回目のレジストパターンをフォトリソ
グラフィーの手法により形威した。このレジストをマス
クとして、ウェットエツチングにより、InAs上に形
威した電極層の一部とInAs薄膜をメサエッチングし
た。さらに全面に絶縁層としてSi3N4をプラズマC
VD法により基板加熱温度300°Cで形威した。前述
のフォトリソグラフィー法によりレジストパターンを形
威し、電極部上のSi、N、を反応性イオンエツチング
により除去した。これらの工程により、1枚の基板上に
約8.700個の第1図に示したようなホール素子を作
製した。
次に、この基板上のホール素子をダイシングソーにより
個々のホール素子チップに切断し、自動ダイボンダーに
よりリード上にこのチップをダイボンドし、次いで自動
ワイヤーボンダーでリードとホール素子の電極部をAu
ワイヤーで接続した。
次にホール素子のチップ表面にシリコン樹脂を付着させ
保護したあと、トランスファーモールダーによりエポキ
シモールドした。このモールドされた素子のダイパーカ
ット、リードカットを行い、個々の樹脂モールドされた
第2図に示したようなホール素子に仕上げた。
こうして製作したホール素子の代表的な特性を第4表に
示す。
(以下余白) また、その温度特性を示したのが、第6図、第7図およ
び第8図である。第6図から、本発明のホール素子の入
力抵抗値は150°Cまで低下することなく、第7図お
よび第8図から、ホール出力電圧の温度変化も150℃
まで定電圧駆動で−0,12%、定電流駆動で−0,1
1%であり、極めて小さな値を示すことが明かとなった
。さらに第5表に、こうして作製したホール素子の代表
的な信頼性テストの結果を示す。
第5表 同−サイズのホール素子での最大入力 電圧値比較データ 室温の最大入力電圧は、従来素子に比べ約50%向上し
ており、熱的に大幅に強化されたことを示しており、自
己暴走的な高温でのトラブルモードもなくなった。
さらに温度による抵抗値の変化が小さく、はぼ一定値の
ままであるため、不平衡電圧の温度変化も従来のホール
素子に比べ極めて小さくなった。
第9図および第10図は、本発明のI nAsホール素
子のホール出力電圧の磁場依存性を示すが、磁束密度に
対するホール出力電圧の直線性も良好である。
これらのことは、異なるいくつかの樹脂モールドでおこ
なってもかわらなかった。
試作例2 試作例1に示した素子の作製工程の途中であるホール素
子パターン形成後のウェハーに対して、基板のバックポ
リッシングを行い、基板の厚みを約120μ■とした後
ダイシングソーにかけ、前述のダイボンド、ワイヤーボ
ンド、シリコン樹脂付着、トランスファーモールドを行
ったエポキシモールドされた厚さ0.60mmの薄型ご
ニモールド素子を試作した。この場合も、ホール素子の
特性は前記試作例1と同様であった。また信頼性も同等
の結果を示した。
試作例3 試作例1において、SiのかわりにSをドーパントとし
て同様にInAsホール素子を試作した。この場合もS
iのドーパントを用いた試作例1と同様の結果を示した
。さらにGeをドーパントとした場合も同様であった。
このように、本発明のホール素子は入力抵抗値の温度変
化が極めて小さく、さらにホール出力電圧の温度変化も
小さく、InAs!膜に特有の高電子移動度を利用でき
るためホール出力電圧は大きい。
試作例4 半絶縁性で厚さ0.3mm、片面を鏡面研磨した直径2
インチのGaAs基板を12枚セットしたホルダーを基
板導入室より準備室を通して大型の分子線エピタキシー
装置の超高真空である成長室ヘセットした。この基板ホ
ルダーを水平回転させるとともにGaAs基板を基板加
熱ヒーターにより輻射加熱する。また基板の鏡面側には
、In、 AsおよびStの蒸発源、すなわちにセルが
対向して装着されている。にセルよりIn、 Asを5
分間蒸発させ、その後In、 As、 Siを155分
間分間上、StをドープしたInAs単結晶で、0.4
μm厚さの薄膜をGaAsの基板の鏡面側に成長させた
。基板の冷却後、この基板を分子線エピタキシー装置よ
り取り出して特性を測定したところ、シート抵抗130
Ω、電子移動度14.000cm”/Vsであった。
このようにして、第3図(ロ)に示したInAs111
1を試作した。基板の界面近くは低電子移動度であり、
表面近くは高電子移動度であってSiがドナー不純物と
してドープされている。
このInAs1膜膜を用いて試作例1と同様の方法でI
nAsホール素子を試作した。この場合も、ホール素子
の特性は前記試作例1と同様であり、また信頼性も同等
の結果を示した。
試作例5 半絶縁性で厚さ0.3+n+n、片面を鏡面研磨した直
径2インチのGaAs基板を12枚セットしたホルダー
を基板導入室より準備室を通して大型の分子線エピタキ
シー装置の超高真空である成長室ヘセットした。この基
板ホルダーを水平回転させるとともにGaAs基板を基
板加熱ヒーターにより輻射加熱する。また、基板の鏡面
側にはIn、 AsおよびSiの蒸発源、すなわちにセ
ルが対向して装着されている。にセルよりIn、 As
およびStを5分間蒸発させ、その後、結晶表面平坦化
のため2分間Asのみ蒸発させ結晶成長を中断した。2
分間の成長中断後、前記3元素を155分間分間上、S
iをドープしたInAs単結晶で、0.4μ■厚さの薄
膜をGaAsの基板の鏡面側に成長させた。基板の冷却
後、この基板を分子線エピタキシー装置より取り出して
特性を測定したところ、シート抵抗130Ω、電子移動
度14,500cm”/Vsであった。
このようにして、第3図(a)に示したInAs1膜を
試作した。基板の界面近くは低電子移動度であり、表面
近くは高電子移動度であって、Stがドナー不純物とし
てドープされている。
このInAs1膜膜を用いて試作例1と同様の方法でI
nAsホール素子を試作した。この場合もホール素子の
特性は前記試作例1と同様であり、また信頼性も同等の
結果を示した。
試作例6 GaAs基板の変わりに片面鏡面研磨した厚さ0.12
開のサファイア基板上に、Stをドーピングした厚さ1
.0μmのInAs1i膜を試作例1と同様の方法によ
り成長させた。このInAs11膜を用いて、試作例1
と同様のプロセスによりInAsホール素子を作製した
。このホール素子の入力抵抗の温度特性は、100″C
以上150″Cまで試作例1と同様の特性を示した。こ
の結果、本発明は基板がGaAsの場合以外でも威り立
っていることが明かであり、本発明に用いる基板は、一
般に分子線エピタキシー法によりInAs11膜を成長
できる基板であればGaAs 。
InP+ サファイア、表面に絶縁層を形成したSi基
板等いずれでもよい。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明によれば室温だけでなく、
100℃から150℃という高温まで安定に動作する高
感度InAsホール素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の基板上に成長させた二層の電子移動度
層を有するInAs薄膜を感磁部としたホール素子の構
造図を示し、(a)は上面図、(ロ)は断面図を示す。 第2図はホール素子がボンディングされパッケージされ
た一例を示し、第3図は、基板の界面近くの低い電子移
動度部(A層)と界面より離れた高い電子移動度部(B
層)の二層構造を有するInAs薄膜を示し、(a)は
A層、B層とも不純物をドープしたもの、(b)はB層
のみ不純物をドープしたものを示す。第4図は本発明の
InAsil膜の電子移動度の温度変化を示すグラフ、
第5図は本発明のInAs薄膜の抵抗率の温度変化を示
すグラフ、第6図は、本発明のInAsホール素子の抵
抗値の温度変化を示すグラフ、第7図および第8図は、
本発明のInAsホール素子のホール出力電圧の温度変
化を定電圧駆動と定電流駆動でそれぞれ示したグラフ、
第9図および第10図は、本発明のInAsホール素子
のホール出力電圧の磁場依存性を定電圧駆動と定電流駆
動でそれぞれ示したグラフである。 1・・・基板、2・・・InAs薄膜、21・・・A層
、22・・・B層、3・・・ドナー不純物、4・・・電
極、5・・・ホール素子感磁部、6・・・モールド樹脂
、7・・・Auワイヤー8・・・リード線。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)絶縁性の基板上に形成され、厚さ0.2〜1.4
    μmで、かつ低い電子移動度部と高い電子移動度部から
    成る二層の電子移動度構造を有し、少なくとも該高い電
    子移動度部は、キャリア濃度(電子濃度)4×10^1
    ^6〜8×10^1^7個/cm^3の範囲でドナー不
    純物がドープされているInAs薄膜を感磁部とするI
    nAsホール効果素子
JP2088190A 1990-04-04 1990-04-04 InAsホール効果素子 Expired - Lifetime JP2557998B2 (ja)

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