KR100629857B1 - Nitride device and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
질화물 소자 및 그 제조방법이 개시된다. 본 발명은 다음의 단계들로 구성된다. 먼저, 기판을 준비하고 상기 기판 상에 버퍼층을 형성한다. 다음으로, 상기 버퍼층 상에 도핑되지 않는 GaN층을 형성한다. 이어, 상기 도핑되지 않은 GaN층 상에 에피택셜 반도체 구조물을 형성한다. 마지막으로, 상기 에피택셜 반도체 구조물 상에 고농도 GaN층을 형성하는데, 이 때 질소 공급원으로서 비대칭 디메틸하이드라진(UDMHy) 또는 질소와 유기 금속이 사용되며 운반 기체로서 수소 또는 질소와 수소의 혼합 가스가 사용된다. A nitride device and a method of manufacturing the same are disclosed. The present invention consists of the following steps. First, a substrate is prepared and a buffer layer is formed on the substrate. Next, an undoped GaN layer is formed on the buffer layer. An epitaxial semiconductor structure is then formed on the undoped GaN layer. Finally, a high concentration GaN layer is formed on the epitaxial semiconductor structure, where asymmetric dimethylhydrazine (UDMHy) or nitrogen and an organic metal are used as the nitrogen source, and hydrogen or a mixed gas of nitrogen and hydrogen is used as the carrier gas. .
발광다이오드, UDMHy, 발광 소자, 질화물Light Emitting Diodes, UDMHy, Light Emitting Diodes, Nitride
Description
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 p형 GaN의 단면도.1 is a cross-sectional view of a p-type GaN according to a preferred embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발광 소자의 제조 공정을 설명하기 위한 공정 흐름도.2 is a flowchart illustrating a manufacturing process of a light emitting device according to a preferred embodiment of the present invention.
도 3은 고농도 GaN층을 형성하기 위한 질소 공급원 및 운반 기체로서 다양한 가스를 사용한 결과를 나타낸 도면.FIG. 3 shows the results of using various gases as a nitrogen source and carrier gas for forming a high concentration GaN layer. FIG.
도 4는 고농도 GaN층의 형성시 암모니아를 대체하여 비대칭 디메틸하이드라진(UDMHy)이 사용되었을 때 비대칭 디메틸하이드라진(UDMHy)의 사용량 대비 발광 다이오드의 동작 전압(working voltage, Vf))을 나타낸 그래프.4 is a graph showing the working voltage (Vf) of the light emitting diode versus the amount of asymmetric dimethylhydrazine (UDMHy) when asymmetric dimethylhydrazine (UDMHy) was used to replace ammonia in the formation of a high concentration GaN layer.
본 발명은 질화물 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 금속-유기 화학기상증착법을 이용한 질화물 소자에 관한 것이다. The present invention relates to a nitride device and a method for manufacturing the same, and more particularly to a nitride device using a metal-organic chemical vapor deposition method.
발광 다이오드(Light emitting diode)와 같은 반도체 발광소자는 반도체 재료를 사용하여 제조된다. 반도체 발광소자는 전기적 에너지를 빛 에너지로 변환시키는 수많은 고상(solid-state) 광원 중 하나이다. 반도체 발광소자는 체적이 작으며, 응답속도가 빠르고, 외부의 충격에 강하고, 수명이 길며, 구동 전압이 작을 뿐만 아니라, 다양한 적용처의 요구에 따라 경량박형 구현 및 그 크기를 최소화할 수 있다. 이에 따라, 반도체 발광 소자는 일상 생활에 있어서 각광 받는 전기 제품으로 자리잡고 있다.Semiconductor light emitting devices such as light emitting diodes are manufactured using semiconductor materials. Semiconductor light emitting devices are one of many solid-state light sources that convert electrical energy into light energy. The semiconductor light emitting device is small in volume, fast in response, strong in external impact, long in life, and low in driving voltage, and according to the needs of various applications, it is possible to minimize the size and the size of the light weight. Accordingly, the semiconductor light emitting device is becoming an electric product that is in the spotlight in daily life.
최근, GaN, AlGaN, InGaN 및 AlInGaN 등과 같은 질화물계 반도체를 이용한 발광 소자에 큰 관심이 집중되고 있다. 통상, 상기와 같은 발광 소자의 대부분은 전도성 기판을 사용하는 여타의 발광 소자와는 다르게 전기적으로 절연 재질인 사파이어(sapphire) 기판 상에 형성된다. 사파이어 기판은 절연체이고 기판 상에 전극이 직접 형성되지 않을 수도 있다. 상기의 발광 소자가 완성되기 위해 전극은 각각 p형 반도체층과 n형 반도체층에 직접 연결되도록 형성되어야 한다.Recently, great attention has been focused on light emitting devices using nitride semiconductors such as GaN, AlGaN, InGaN, and AlInGaN. In general, most of the light emitting devices as described above are formed on a sapphire substrate made of an electrically insulating material, unlike other light emitting devices using a conductive substrate. The sapphire substrate is an insulator and electrodes may not be directly formed on the substrate. In order to complete the above light emitting device, the electrodes must be formed to be directly connected to the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer, respectively.
에피택셜 공정(epitaxial process)을 진행함에 있어서, 먼저 Ⅲ-질화물 발광 다이오드(LED)의 p형 질화물 반도체 재료는 충분히 도핑된다. 그러나, 대부분의 도판트(dopant)는 수소에 의해 보호된다. 이에 따라, 발광 다이오드 구조물이 형성된 후, Ⅲ-질화물 발광 다이오드를 제조함에 있어서 질화물 반도체 재료의 도핑 농도를 증가시키기 위해 부가적인 활성화-열처리(activation-annealing) 공정이 수행되어야 한다. 일반적으로, 활성화-열처리 공정은 퍼니스 또는 마이크로웨이브 오븐을 이용한 가열 방법에 의해 수행된다. 이 때, 발광 다이오드는 적정한 고온의 온도 조건에 놓여지고 소정의 시간 경과 후 재료 내의 수소 원자는 줄어들게 된다. 이에 따라, 반도체와 금속 전극 사이의 접촉 저항이 낮아진다.In proceeding with the epitaxial process, first, the p-type nitride semiconductor material of the III-nitride light emitting diode (LED) is sufficiently doped. However, most dopants are protected by hydrogen. Accordingly, after the light emitting diode structure is formed, an additional activation-annealing process must be performed to increase the doping concentration of the nitride semiconductor material in manufacturing the III-nitride light emitting diode. In general, the activation-heat treatment process is carried out by a heating method using a furnace or microwave oven. At this time, the light emitting diode is placed at an appropriate high temperature temperature condition and hydrogen atoms in the material are reduced after a predetermined time. As a result, the contact resistance between the semiconductor and the metal electrode is lowered.
종래의 방법은 발광 다이오드 구조물의 GaN층을 형성한 후 공정 챔버로부터 에피택셜 칩을 꺼낸 다음, 에피택셜 웨이퍼를 400∼1000℃의 온도로 가열하기 위해 스토브(stove)에 장입시킨다. 이 때의 열처리는 고저항의 GaN을 저저항의 GaN 즉, 마그네슘이 도핑된 GaN로 만들기 위해 질소 분위기 하에서 진행된다. 이 방법의 단점은 다이(die)의 제조에 있어 열처리 공정이 요구된다는 점이다. 종래의 다른 방법은 에피택셜 구조물을 형성한 후 챔버 내의 가스를 질소로 바꾸고, 전도성이 없는 GaN을 전도성이 있는 p형 GaN 즉, 마그네슘이 도핑된 GaN로 만들기 위해 챔버 내의 온도를 낮추는 속도를 제어하는 것이다. 이 방법의 단점은 챔버 내의 온도를 낮추는 속도를 제어할 필요가 있다는 것이다. 또한, 챔버 내의 온도가 챔버의 노후에 따라 변화되기 때문에 정확하게 온도를 제어하기 어렵다. The conventional method removes the epitaxial chip from the process chamber after forming the GaN layer of the light emitting diode structure and then loads the epitaxial wafer into a stove to heat the temperature to 400-1000 ° C. The heat treatment at this time is performed under a nitrogen atmosphere to make GaN of high resistance into GaN of low resistance, that is, magnesium doped with magnesium. The disadvantage of this method is that a heat treatment process is required for the manufacture of the die. Another conventional method involves changing the gas in the chamber to nitrogen after forming the epitaxial structure and controlling the rate of lowering the temperature in the chamber to make non-conductive GaN into conductive p-type GaN, that is, magnesium doped GaN. will be. The disadvantage of this method is the need to control the rate of lowering the temperature in the chamber. In addition, since the temperature in the chamber changes with the age of the chamber, it is difficult to accurately control the temperature.
본 발명은 열처리 공정(annealing step)을 생략할 수 있는 질화물 소자 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. An object of the present invention is to provide a nitride device and a method of manufacturing the same, which can omit the annealing step.
본 발명의 다른 목적은 온도를 낮추는 속도가 제어될 필요가 없이 곧바로 온도를 낮출 수 있는 질화물 소자 및 그 제조방법을 제공하는데 있다. Another object of the present invention is to provide a nitride device and a method for manufacturing the same, which can immediately lower the temperature without controlling the speed of lowering the temperature.
본 발명의 또 다른 목적은 대량 생산의 안정성을 향상시킬 수 있는 질화물 소자 및 그 제조방법을 제공하는데 있다. Still another object of the present invention is to provide a nitride device and a method of manufacturing the same, which can improve the stability of mass production.
상기의 목적에 따르면, 본 발명은 기판과, 상기 기판 상에 형성된 버퍼층과, 상기 버퍼층 상에 형성된 도핑되지 않은 GaN층과, 상기 도핑되지 않은 GaN층 상에 형성된 에피택셜 반도체 구조물과, 상기 에피택셜 반도체 구조물 상에 형성된 고농도 GaN층을 포함하여 구성되는 질화물 소자를 제공한다.According to the above object, the present invention provides a substrate, a buffer layer formed on the substrate, an undoped GaN layer formed on the buffer layer, an epitaxial semiconductor structure formed on the undoped GaN layer, and the epitaxial Provided is a nitride device including a high concentration GaN layer formed on a semiconductor structure.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 기판의 재료는 사파이어이고, 상기 버퍼층의 재료는 GaN이다. 상기 질화물 소자는 바람직하게는 발광 다이오드와 같은 발광 소자이다. 상기 고농도 GaN층은 p형일 수 있고, 바람직하게는 100∼800Å의 두께를 가지며, 더욱 바람직하게는 500Å 정도의 두께를 갖는다.According to a preferred embodiment of the present invention, the material of the substrate is sapphire and the material of the buffer layer is GaN. The nitride element is preferably a light emitting element such as a light emitting diode. The high concentration GaN layer may be p-type, preferably has a thickness of 100 to 800 kPa, more preferably about 500 kPa.
상기의 본 발명의 목적에 따르면, 본 발명은 기판을 준비하는 단계와, 상기 기판 상에 버퍼층을 형성하는 단계와, 상기 버퍼층 상에 도핑되지 않은 GaN층을 형성하는 단계와, 상기 도핑되지 않은 GaN층 상에 에피택셜 반도체 구조물을 형성하는 단계 및 상기 에피택셜 반도체 구조물 상에 고농도 GaN층을 형성하는 단계를 포함하여 구성되는 질화물 소자의 제조방법을 제공한다.According to the above object of the present invention, the present invention comprises the steps of preparing a substrate, forming a buffer layer on the substrate, forming an undoped GaN layer on the buffer layer, the undoped GaN Forming an epitaxial semiconductor structure on the layer and forming a high concentration GaN layer on the epitaxial semiconductor structure provides a method of manufacturing a nitride device.
상기 에피택셜 반도체 구조물 상에 고농도 GaN층을 형성하는 단계에서, 질소 공급원으로서 비대칭 디메틸하이드라진(UDMHy) 또는 질소와 유기 금속이 사용되며 운반 기체(carrier gas)로서 수소 또는 질소와 수소의 혼합 가스가 사용된다. 여기서, 상기 질소와 수소의 혼합 비율은 1 : 2 정도이다.In the step of forming a high concentration GaN layer on the epitaxial semiconductor structure, asymmetric dimethylhydrazine (UDMHy) or nitrogen and an organic metal are used as a nitrogen source, and hydrogen or a mixed gas of nitrogen and hydrogen is used as a carrier gas. do. Here, the mixing ratio of nitrogen and hydrogen is about 1: 2.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 기판의 재료는 사파이어이고, 상기 버퍼층의 재료는 GaN이다. 상기 질화물 소자는 바람직하게는 발광 다이오드와 같은 발광 소자이다. 상기 고농도 GaN층은 p형일 수 있고, 바람직하게는 100∼800 Å의 두께를 가지며, 더욱 바람직하게는 500Å 정도의 두께를 갖는다.
According to a preferred embodiment of the present invention, the material of the substrate is sapphire and the material of the buffer layer is GaN. The nitride element is preferably a light emitting element such as a light emitting diode. The high concentration GaN layer may be p-type, preferably has a thickness of 100 to 800
본 발명은 질화물 소자 및 그 제조방법을 개시한다. p형 GaN층 상에 고농도 p형 GaN층을 형성하기 위해 암모니아(NH3)를 대체하여 비대칭 디메틸하이드라진(UDMHy) 또는 질소와 유기 금속이 사용된다. 본 발명에 있어서 열처리 공정은 생략될 수 있으며 온도는 곧바로 낮추어 질 수 있다. 이에 따라, 대량 생산시 공정 안정성이 향상된다. 본 발명의 예시를 보다 완전하고 명확하게 하기 위해 다음과 같은 설명이 도 1 내지 도 4의 관련 도면과 함께 제시된다. 상술한 본 발명의 특징 및 다양한 부가적 이점은 첨부된 도면과 함께 이하의 상세한 설명을 참조하여 이해됨에 따라, 상술한 본 발명의 특징 및 다양한 부가적 이점이 보다 용이하게 파악될 것이다.The present invention discloses a nitride device and a method of manufacturing the same. Asymmetric dimethylhydrazine (UDMHy) or nitrogen and an organic metal are used in place of ammonia (NH 3 ) to form a high concentration p-type GaN layer on the p-type GaN layer. In the present invention, the heat treatment process may be omitted and the temperature may be immediately lowered. This improves process stability during mass production. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The following description is presented in conjunction with the associated drawings of FIGS. As the above-described features of the present invention and various additional advantages will be understood with reference to the following detailed description in conjunction with the accompanying drawings, the above-described features and various additional advantages will be more readily understood.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 p형 GaN의 단면도이다. 본 발명의 p형 GaN을 제조함에 있어서, 먼저 기판(100)이 제공된다. 상기 기판(100)은 바람직하게는 투명하며 일 예로, Al2O3일 수 있다. 상기 기판(100)의 재료는 바람직하게는 사파이어이다. 상기 기판(100)에 대한 열 세정 공정(thermal cleaning step)이 수행된다. 상기 열 세정 공정은 상기 기판(100)을 세정하기 위해 바람직하게는 1100℃의 온도에서 수소(H2) 분위기에서 실시된다. 상기 기판(100)에 대한 열 세정 공정이 완료된 상태에서, 상기 기판(100) 상에 버퍼층(102)을 예를 들어, 500℃ 정도의 온도에서 저온 금속-유기 화학기상증착(metal organic chemical vapor deposition) 공정을 통해 성장된다. 상기 버퍼층(102)의 재료는 바람직하게는 GaN이다. 이어, 상기 버퍼층(102) 상에 1050℃의 온도에서 도핑되지 않은 GaN층(104)이 성장된다. 상기 도핑되지 않은 GaN층(104)의 바람직한 두께는 약 1㎛ 정도이다. 상기 도핑되지 않은 GaN층(104) 상에 n형 GaN층(106)이 성장된다. 상기 n형 GaN층(106)은 바람직하게는 실리콘(Si)이 도핑된 것이며, 바람직한 두께는 2㎛ 정도이다. 이어, 780℃ 정도의 온도에서 상기 n형 GaN층(106) 상에 멀티 퀀텀 웰(multi-quantum well) 액티브 층(108)이 성장된다. 다음으로, 상기 멀티 퀀텀 웰 액티브 층(108) 상에 p형 AlGaN층(110)이 형성된다. 상기 p형 AlGaN층(110)은 바람직하게는 마그네슘(Mg)이 도핑된 것이며 바람직한 두께는 약 200Å 정도이다. 이어, 상기 p형 AlGaN층(110) 상에 p형 GaN층(112)이 성장된다. 상기 p형 GaN층(112)은 마그네슘(Mg)이 도핑된 것이며 바람직한 두께는 0.2㎛ 정도이다.1 is a cross-sectional view of a p-type GaN according to a preferred embodiment of the present invention. In manufacturing the p-type GaN of the present invention, a
마지막으로, 상기 p형 GaN층(112) 상에 접촉층 역할을 하는 고농도 GaN층(114)이 형성된다. 상기 고농도 GaN층(114)의 바람직한 두께는 100∼800Å이며 더욱 바람직하게는 500Å 정도이다. 상기 고농도 GaN층(114)을 형성함에 있어서, 질소 공급원으로서 암모니아(NH3)를 대체하여 비대칭 디메틸하이드라진(UDMHy)이 사용된다. 운반 기체로서 수소 또는 질소와 수소의 혼합 가스가 사용되며 상기 질소와 수소의 혼합 비율은 1 : 2가 될 수 있다.Finally, a high
이와 같은 상태에서, 에피택셜 웨이퍼는 챔버 외부로 꺼내지고 별도의 열처 리 공정 없이 곧바로 다이(die)가 형성된다. 먼저, 상기 n형 GaN층(106)의 일부분이 노출될 때까지 상기 고농도 GaN층(114)의 일부, 상기 p형 GaN층(112)의 일부, 상기 p형 AlGaN층(110)의 일부 및 상기 멀티 퀀텀 웰 액티브 층(108)의 일부를 제거하는 유도 결합 플라즈마(Inductive Coupled Plasma, ICP)를 이용한 식각 공정이 진행된다. 이와 같은 상태에서, 증착 공정을 통해 상기 고농도 GaN층(114) 상에 투명 전극층(116)이 형성되고, 이어 상기 투명 전극층 상의 일부에 제 1 접촉 전극(118)이 형성되며, 상기 노출된 n형 GaN층(106) 상의 일부에 제 2 접촉 전극(120)이 형성되어 도 2에 도시한 바와 같이 발광 소자의 제조가 완료된다. 상기 투명 전극층(116) 및 제 1 접촉 전극(118)은 바람직하게는 니켈/금(Ni/Au) 구조이며, 상기 제 2 접촉 전극(120)은 바람직하게는 티타늄/알루미늄/니켈/금(Ti/Al/Ni/Au) 구조이다.In this state, the epitaxial wafer is taken out of the chamber and a die is formed immediately without a separate heat treatment process. First, a portion of the high
도 3은 고농도 GaN층을 형성하기 위한 질소 공급원 및 운반 기체로서 다양한 가스를 사용한 결과이다. 시편 A는 상기 고농도 GaN층을 형성하기 위해 질소 공급원으로서 암모니아를 사용한 것이고, 시편 B는 질소 공급원으로서 상기 암모니아를 대체하여 비대칭 디메틸하이드라진(UDMHy)을 사용한 것이며, 상기 시편 A 및 시편 B 제조에 있어서 운반 기체는 모두 수소 가스이다. 시편 C는 질소 공급원으로서 암모니아를 대체하여 비대칭 디메틸하이드라진(UDMHy)을 사용하고 운반 기체는 질소와 수소의 혼합 가스를 사용하며 상기 질소와 수소의 혼합 비율은 1 : 2 정도이다. 상기 시편 A, B 및 C의 제조에 있어서, 상기 시편 A는 열처리 공정이 필요하고 상 기 시편 B, C는 열처리 공정이 요구되지 않으나, 최종 물성은 세 가지 시편 모두 동일하게 나타난다. 이에 따라, 본 발명에 따른 질화물 소자의 제조방법에 있어서 열처리 공정은 생략될 수 있다. 3 shows the results of using various gases as the nitrogen source and carrier gas for forming the high concentration GaN layer. Specimen A uses ammonia as the nitrogen source to form the high concentration GaN layer, Specimen B replaces the ammonia as the nitrogen source and uses asymmetric dimethylhydrazine (UDMHy), which is transported in the preparation of Specimen A and Specimen B. The gases are all hydrogen gas. Specimen C uses asymmetric dimethylhydrazine (UDMHy) to replace ammonia as the nitrogen source, the carrier gas uses a mixed gas of nitrogen and hydrogen, and the mixing ratio of nitrogen and hydrogen is about 1: 2. In the production of the specimens A, B and C, the specimen A requires a heat treatment process and the specimens B and C do not require a heat treatment process, but the final physical properties of all three specimens are the same. Accordingly, the heat treatment process may be omitted in the method of manufacturing the nitride device according to the present invention.
도 4는 고농도 GaN층의 형성시 암모니아를 대체하여 비대칭 디메틸하이드라진(UDMHy)이 사용되었을 때 비대칭 디메틸하이드라진(UDMHy)의 사용량 대비 발광 다이오드의 동작 전압(working voltage)을 나타낸 그래프이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 비대칭 디메틸하이드라진(UDMHy)의 사용량이 적으면 발광 다이오드의 동작 전압은 높다. 비대칭 디메틸하이드라진(UDMHy)의 사용량이 2000sccm 이상이면 발광 다이오드의 동작 전압은 3.1V로 떨어진다. 이에 따라, 본 발명에 따른 질화물 소자의 제조방법은 높은 발광성 및 고품질의 발광 다이오드를 제공할 수 있게 된다. FIG. 4 is a graph showing a working voltage of a light emitting diode compared to the amount of asymmetric dimethyl hydrazine (UDMHy) used when asymmetric dimethyl hydrazine (UDMHy) was used in place of ammonia in forming a high concentration GaN layer. As shown in FIG. 4, when the amount of asymmetric dimethylhydrazine (UDMHy) is low, the operating voltage of the light emitting diode is high. When the amount of asymmetric dimethyl hydrazine (UDMHy) is more than 2000sccm, the operating voltage of the light emitting diode drops to 3.1V. Accordingly, the method of manufacturing the nitride device according to the present invention can provide a high light emitting diode and a high quality light emitting diode.
당업자에 의해 이해되는 바와 같이, 상술한 본 발명의 바람직한 실시예는 본 발명을 한정하기보다는 본 발명의 예시이다. 첨부된 청구항의 사상 및 영역의 범위에 다양한 변형 및 유사 실시예가 포함되며, 그러한 변형 및 유사 실시예를 포함하기 위해 첨부된 청구항의 광범위한 해석이 인정되어야 한다. As will be appreciated by those skilled in the art, the preferred embodiments of the invention described above are illustrative of the invention rather than limiting the invention. Various modifications and similar embodiments are included in the scope of the spirit and scope of the appended claims, and the broad interpretation of the appended claims should be recognized to cover such modifications and similar embodiments.
상술한 바에 따르면 본 발명은 다음과 같은 효과가 있다. According to the above, the present invention has the following effects.
첫째, 고농도 GaN층을 형성함에 있어 챔버 내의 운반 기체로서 수소 가스 또는 질소와 수소의 혼합 가스를 사용함에 따라, 고농도 GaN층의 형성 후 운반 기체를 질소 가스로 바꿀 필요 없이 곧바로 마그네슘 및 갈륨 공급원이 챔버 내에 투입 될 수 있다. First, in the formation of the high concentration GaN layer, the use of hydrogen gas or a mixture of nitrogen and hydrogen as the carrier gas in the chamber allows the magnesium and gallium source to be immediately transferred to the chamber without the need to change the carrier gas to nitrogen gas after formation of the high concentration GaN layer. Can be put in.
둘째, 암모니아를 대체하여 비대칭 디메틸하이드라진(UDMHy)을 사용하는 것은 마그네슘과 수소의 결합 가능성을 낮출 것이며 궁극적으로, 열처리 공정 단계를 생략할 수 있게 되고 이에 따라, 온도를 곧바로 낮출 수 있게 된다.
Secondly, the use of asymmetric dimethylhydrazine (UDMHy) in place of ammonia will lower the likelihood of bonding magnesium and hydrogen and ultimately eliminate the heat treatment process step, thus allowing the temperature to be immediately lowered.
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