KR100689975B1 - 질화물계 발광 소자의 삼원 질화물계 버퍼층 및 그 제조방법 - Google Patents

질화물계 발광 소자의 삼원 질화물계 버퍼층 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

질화물계 발광 소자의 삼원 질화물계 버퍼층 및 그에 관한 제조방법을 제공한다. 본 발명에 따른 소자는 기판과 상기 기판 상에 삼원 질화물계 버퍼층, 제1 도전형 질화물계 반도체층, 발광층, 및 제2 도전형 질화물계 반도체층의 순서로 형성된 복수개의 층을 포함한다. 본 발명에 따른 제조방법은 제1 온도에서 챔버 안으로 제1 Ⅲ족 원소를 포함하는 제1 반응 소스를 도입하여 상기 기판 면 상에 상기 제1 Ⅲ족 원소를 증착시키는 단계를 포함하는데, 상기 제1 Ⅲ족 원소의 녹는점은 상기 제1 온도보다 낮다. 그리고, 상기 제조방법은 상기 기판 상에 상기 제1 Ⅲ족 원소와 삼원 질화물계 버퍼층을 형성하기 위해서, 상기 제1 Ⅲ족 원소의 녹는점보다 낮지 않은 제2 온도에서 상기 챔버 안으로 제2 Ⅲ족 원소를 포함하는 제2 반응 소스와 질소 원소를 포함하는 제3 반응 소스를 도입하는 단계도 포함한다.

Description

질화물계 발광 소자의 삼원 질화물계 버퍼층 및 그 제조방법{Ternary nitride-based buffer layer of a nitride-based light-emitting device and a method for manufacturing the same}
도 1은 본 발명에 따른 삼원 질화물계 버퍼층을 가지는 질화물계 발광 소자의 실시예의 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 삼원 질화물계 버퍼층을 가지는 질화물계 발광 소자의 실시예의 개략도이다.
도 3, 도 4 및 도 5는 간섭 광학 현미경으로 촬영한 에피 웨이퍼(epi-wafer)의 표면 모폴로지의 사진이다.
도 6은 투과 전자 현미경으로 촬영한 단면을 도시한다.
도 7은 에피택시 공정 동안의 즉석 반사도(instant reflectivity)이다.
도 8은 본 발명 및 2-단계(two-step) 성장법에 의해 제공된 청색광 발광 다이오드의 비교 테이블이다.
본 발명은 질화물계 발광 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 구체 적으로는 삼원 질화물계 버퍼층을 가지는 질화물계 발광 소자에 관한 것이다.
발광 다이오드의 응용분야는 광범위하여, 광(光) 디스플레이 소자, 신호등, 데이터 저장 소자, 통신 소자, 조명 기기 및 의료 기기를 포함한다. 그렇기 때문에, 발광 다이오드의 휘도를 증가시키는 것과, 발광 다이오드의 제조비용을 감소시키기 위해 제조 공정을 단순화하는 것이 중요하다.
일반적으로, 기존의 질화물계 발광 소자는 사파이어 기판 상에 형성된 AlGaInN 그룹의 질화물계 버퍼층을 포함하여, 질화물계 버퍼층 상에 질화물계 에피택시 공정이 진행된다. 결정 격자 상수의 정합에 관련된 문제 때문에, (종래의 질화물계 발광 소자의 품질에 영향을 미치는) 전위 밀도(dislocation density)가 효과적으로 감소될 수 없다. 따라서, 종래의 질화물계 에피택시 공정은 2-단계(two-step) 성장법을 가지고 질화물계 발광 소자의 품질을 증가시키려 한다. 2-단계 성장법은 버퍼층을 형성하기 위해 저온(500-600℃) GaN, 결정화를 유효하게 하는 가열 공정(1000-1200℃ 온도에 도달함), 및 각 에피택시 스택층을 위한 에피택시 공정을 이용한다. 버퍼층의 두께 및 온도, 가열의 회복 및 재결정화 공정은 각 반응을 위한 가스의 비 및 유량과 함께 정확하게 제어되어야만 하고 이로써 생산 공정을 복잡하고 어렵게 만들며, 그러한 결과 생산율이 증가될 수 없다.
따라서, 본 발명의 목적은 삼원 질화물계 버퍼층을 가지는 질화물계 발광 소자를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 질화물계 발광 소자는 기판, 상기 기판 상에 형성된 삼원 질화물계 버퍼층, 및 상기 버퍼층 상에 형성된 질화물계 발광 스택을 포함한다. 상기 삼원 질화물계 버퍼층을 제조하는 방법은, (a) 제1 온도에서 챔버 안으로 제1 Ⅲ족 원소를 포함하는 제1 반응 소스를 도입하여, 과도기층(transient layer)을 형성하기 위해 상기 기판의 표면 상에 상기 제1 Ⅲ족 원소를 증착/흡수시키는 단계를 포함한다. 상기 제1 Ⅲ족 원소와 기판 사이의 강한 결합이 생기지 않도록 하기 위해서 상기 제1 온도는 상기 제1 Ⅲ족 원소의 녹는점보다 높다. 상기 방법은 (b) 상기 제1 Ⅲ족 원소와 반응시켜 상기 기판 상에 삼원 질화물계 버퍼층을 형성하기 위해서, 상기 제1 Ⅲ족 원소의 녹는점보다 낮지 않은 제2 온도에서 상기 챔버 안으로 제2 Ⅲ족 원소를 포함하는 제2 반응 소스와 질소 원소를 포함하는 제3 반응 소스를 도입하는 단계도 포함한다. 상기 제1 온도는 500 ℃ 이상인 것이 바람직하다. 상기 제2 온도는 700 ℃ 이상인 것이 바람직하다. 상기 버퍼층의 두께는 1 nm 내지 500 nm인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 방법은 복잡하고 어려운 제조 공정을 간단하게 만들 수 있고 재결정화 공정뿐만 아니라 가열과 냉각의 공정 시간을 감소시킬 수 있다. 상기 제1 Ⅲ족 원소 과도기층을 형성한 다음에 고온 GaN 층을 성장시키도록, 본 발명은 제조 공정에 따라 상기 제2 Ⅲ족 원소로서 Ga을 선택할 수 있다. 여기서 상기 삼원 질화물계 버퍼층은 어떤 특별한 처리없이 자연적으로 형성될 수 있어, 제조 공정이 간단해질 수 있고 에피택시 박막의 품질이 향상될 수 있다. 그러면서 제조비용을 감소시킬 수 있다.
당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 다음의 다양한 그림과 도면으로 보인 바람직한 실시예의 상세한 설명을 읽은 후에 본 발명의 이와 같은 목적 그리 고 다른 목적이 자명해질 것임에 틀림이 없다.
AlGaN 버퍼층을 가지는 본 발명 질화물계 발광 소자(1)의 개략도인 도 1을 참조하면, 질화물계 발광 소자(1)는 사파이어 기판(10), 상기 사파이어 기판(10) 상에 형성된 AlGaN 버퍼층(11), 상기 AlGaN 버퍼층(11) 상에 형성되고 에피택시 영역(121)과 n형 전극 콘택 영역(122)을 가지는 n형 질화물계 반도체 스택층(12), 에피택시 영역(121) 상에 형성된 GaN/InGaN 다중-양자 우물(multi-quantum well) 발광층(13), 상기 GaN/InGaN 다중-양자 우물 발광층(13) 상에 형성된 p형 질화물계 반도체 스택층(14), 상기 p형 질화물계 반도체 스택층(14) 상에 형성된 금속 투명 전도층(15), 상기 n형 전극 콘택 영역(122) 상에 형성된 n형 전극(16), 및 상기 금속 투명 전도층(15) 상에 형성된 p형 전극(17)을 포함한다.
위에 언급한 질화물계 발광 소자(1)의 AlGaN 버퍼층을 제조하는 방법은 다음의 (a) 알루미늄-풍부 과도기층을 형성하기 위해, 800℃에서 Al-함유 유기 금속 반응 소스 TMAl을 도입하는 단계; (b) 낮은 V/Ⅲ 비 조건(V/Ⅲ<1000) 하에서 Ga-함유 유기 금속 반응 소스 TMGa와 질소 반응 소스 NH3를 도입하는 단계; (c) 성장 온도를 1050℃로 올려 높은 V/Ⅲ 비 조건(V/Ⅲ>2000)으로 고온 GaN층을 성장시키는 단계를 포함한다. GaN층을 성장시키는 동안, 알루미늄-풍부 과도기층의 Al 원자와 상기 과도기층에 가까운 영역 안의 Ga 원자와 N-원자가 재배열된다. Al 원자는 위쪽으로 확산하고 Ga 원자와 N 원자는 아래쪽으로 확산한다. 그러면 Al, Ga 및 N 원자가 서로 결합하여 AlGaN 버퍼층을 형성한다.
위에 언급한 질화물계 발광 소자(1)의 AlGaN 버퍼층을 제조하는 다른 방법은 다음의 (a) 알루미늄-풍부 과도기층을 형성하기 위해, 1020℃에서 Al-함유 유기 금속 반응 소스 TMAl을 도입하는 단계; (b) 단계 (a)에서와 같은 온도에서 Ga-함유 유기 금속 반응 소스 TMGa와 질소 반응 소스 NH3를 도입하여 고온 GaN층을 성장시키는 단계를 포함한다. GaN층을 성장시키는 동안, 알루미늄-풍부 과도기층의 Al 원자와 상기 과도기층에 가까운 영역 안의 Ga 원자와 N-원자가 재배열된다. Al 원자는 위쪽으로 확산하고 Ga 원자와 N 원자는 아래쪽으로 확산한다. 그러면 Al, Ga 및 N 원자가 서로 결합하여 AlGaN 버퍼층을 형성한다.
상기 질화물계 발광 소자(1)에서, 투명 산화물 콘택층의 높은 투과율(transmittance)을 이용해 발광 효율을 증가시키기 위해서, 상기 투명 금속 콘택 전도층을 투명 산화물 콘택층으로 교체할 수 있다.
AlGaN 버퍼층을 가지는 본 발명 질화물계 발광 소자(3)의 다른 실시예의 개략도인 도 2를 참조하면, 질화물계 발광 소자(1)와 질화물계 발광 소자(3)의 핵심적인 차이점은 질화물계 발광 소자(3)의 투명 산화물 콘택층(28)이 질화물계 발광 소자(1)의 투명 금속 콘택층(15)을 대신한다는 것과, 10nm 미만의 두께와 1×1019cm-3보다 큰 캐리어 농도를 가진 질화물계 발광 소자(3)의 고농도 n형 역방향 터널링 콘택층(29)이 p형 질화물계 반도체 스택층(14)과 투명 산화물 콘택층(28) 사이에 형성되어 있어, 고농도 n형 역방향 터널링 콘택층(29)과 투명 산화물 콘택층(28) 사이에 오믹 콘택이 형성된다는 것이다. 상기 질화물계 발광 소자(3)가 순방향 바이어스에서 작동될 때, 고농도 n형 역방향 터널링 콘택층(29) 및 p형 질화물 계 반도체 스택층(14) 사이의 계면은 역방향 바이어스 모드 하에 있게 되고 공핍 영역(depletion region)을 형성한다. 그리고, 투명 산화물 콘택층(28)의 캐리어는 터널링 효과에 의해 p형 질화물계 반도체 스택층(14) 속으로 침투할 수 있는데, 이는 질화물계 발광 소자(3)의 구동 바이어스를 투명 금속 콘택층을 가진 종래 LED와 동일한 수준에 이르게 한다. 뿐만 아니라, 상기 질화물계 발광 소자(1, 3)의 AlGaN 버퍼층은 InGaN 및 InAlN 버퍼층과 같은, 다른 삼원 질화물계 버퍼층으로 교체될 수 있다.
간섭 광학 현미경으로 관찰한 에피 웨이퍼의 표면 모폴로지를 도시하는 사진인 도 3, 도 4 및 도 5를 참조. 도 3은 아무런 버퍼층도 없는 표면을 보여준다. 도 4는 2-단계 성장에 의한 종래의 GaN 버퍼층을 가진 표면을 보여준다. 도 5는 고온 GaN 층 성장 후 본 발명 AlGaN 삼원 질화물계 버퍼층의 표면을 보여준다. 아무런 버퍼층도 없는 표면은 흐릿한 표면(hazy surface)을 형성하는데 이것은 단결정 구조가 아님을 가리키는 것이다. 반면, 본 발명 AlGaN 질화물계 버퍼층을 가진 표면은 종래의 2-단계 성장에서와 유사한 거울면(mirror-like surface)을 형성한다.
뿐만 아니라, 본 발명 방법에 의한 다른 거울면에 대해 버퍼층의 두께가 종래에 비해 작다는 것을 발견하였다. 투과 전자 현미경으로 촬영한 단면 사진인 도 6을 참조하면, 버퍼층의 두께가 20-40nm인 종래의 2-단계 성장법과는 대조적으로, 본 발명에 의한 버퍼층의 전형적인 두께는 단지 약 7nm인 것을 명확하게 볼 수 있다.
약하게 Si-도핑된 GaN층을 성장시키면서 인-시튜 모니터를 이용해 얻은 본 발명의 반사 스펙트럼인 도 7을 참조. 도 7은 과도기층과 후속의 고온 GaN 층을 형성하기 위한 시그널을 도시한다. 결정 품질은 XRC와 홀(Hall) 측정으로 확인하였다. 본 발명으로 제조한 GaN층은 XRC의 반가폭(full width at half maximum : FWHM)이 232 arcsec이었다. 홀 캐리어 이동도는 690cm2/V.s까지 도달할 수 있었다. 1×1017cm-3의 캐리어 농도와 비교하여, 종래의 2-단계 성장법으로 제조된 GaN층은 269 arcsec라는 더 넓은 XRC FWHM과, 1×1017cm-3인 유사한 캐리어 농도에서 620cm2/V.s인 더 낮은 홀 이동도를 가진다. 이것은 본 발명으로 제조한 GaN의 결정 품질이 종래의 2-단계 성장법에 의한 것보다 월등히 향상된다는 것을 강력하게 시사한다.
뿐만 아니라, 본 발명 및 2-단계 성장법에 의해 제조된 청색 발광 다이오드에 대한 비교도 하였다. 본 발명 및 2-단계 성장법에 의해 제조한 청색 발광 다이오드의 비교 테이블(100)인 도 8을 참조. 표(100)로부터, 휘도, 20mA에서의 순방향 전압, -5V에서의 누설전류 및 -10μA에서의 역방향 전압의 관점에서, 본 발명에 의해 제조된 LED가 종래의 2-단계 성장법을 이용하는 경우에 필적할만하다는 것을 볼 수 있다. 뿐만 아니라, 본 발명으로 제조한 청색 LED의 신뢰성도 종래의 2-단계 성장법을 이용하는 경우와 유사하다. 따라서, 본 발명의 방법은 보다 간단한 공정을 이용하면서도, 종래의 소자와 유사한 특성을 가진 소자를 제공한다.
앞서 언급한 실시예에서, 상기 p형 질화물계 반도체 스택층은 p형 질화물계 콘택층 및 p형 질화물계 클래딩층을 더 포함할 수 있고, 상기 n형 질화물계 반도체 스택층은 n형 질화물계 콘택층 및 n형 질화물계 클래딩층을 더 포함할 수 있다. 상기 p형 질화물계 콘택층은 AlN, GaN, AlGaN, InGaN, 및 AlInGaN, 또는 다른 대체 물질들로 구성되는 물질군에서 선택된 물질을 포함한다. 상기 n형 질화물계 콘택층은 AlN, GaN, AlGaN, InGaN, 및 AlInGaN, 또는 다른 대체 물질들로 구성되는 물질군에서 선택된 물질을 포함한다. 상기 p형 또는 n형 질화물계 클래딩층은 AlN, GaN, AlGaN, InGaN, 및 AlInGaN, 또는 다른 대체 물질들로 구성되는 물질군에서 선택된 물질을 포함한다. 상기 사파이어 기판은 SiC, GaAs, GaN, AlN, GaP, Si, ZnO, MgO, 및 유리, 또는 다른 대체 물질들로 구성되는 물질군에서 선택된 물질로 교체될 수 있다. 상기 삼원 질화물계 버퍼층은 InGaN, AlGaN, 및 InAlN, 또는 다른 대체 물질들로 구성되는 물질군에서 선택된 물질을 포함한다. 상기 n형 질화물계 반도체 스택층은 AlN, GaN, AlGaN, InGaN, 및 AlInGaN, 또는 다른 대체 물질들로 구성되는 물질군에서 선택된 물질을 포함한다. 상기 질화물계 다중-양자 우물 발광층은 GaN, InGaN, 및 AlInGaN, 또는 다른 대체 물질들로 구성되는 물질군에서 선택된 물질을 포함한다. 상기 p형 질화물계 반도체 스택층은 AlN, GaN, AlGaN, InGaN, 및 AlInGaN, 또는 다른 대체 물질들로 구성되는 물질군에서 선택된 물질을 포함한다. 상기 투명 금속 콘택층은 Ni/Au, NiO/Au, Ta/Au, TiWN, 및 TiN, 또는 다른 대체 물질들로 구성되는 물질군에서 선택된 물질을 포함한다. 상기 투명 산화물 콘택층은 인듐 주석 산화물, 카드뮴 주석 산화물, 안티몬 주석 산화물, 아연 알루미늄 산화물, 및 아연 주석 산화물, 또는 다른 대체 물질들로 구성되는 물질군에서 선택된 물질을 포함한다.
당 업계에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 교시를 유지하면서, 소자의 수많은 수정과 변경이 이루어질 수 있음을 쉽게 알 것이다. 따라서, 상기의 개시는 첨부된 청구항의 범위에 의해서만 한정되는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명에 따르면 삼원 질화물계 버퍼층이 어떤 특별한 처리없이 자연적으로 형성될 수 있어, 제조 공정이 간단해질 수 있고 에피택시 박막의 품질이 향상될 수 있다. 그러면서 제조비용을 감소시킬 수 있다.

Claims (19)

  1. 기판을 제공하는 단계;
    제1 Ⅲ족 원소의 녹는점보다 높고 1020℃보다 낮거나 같은 제1 온도에서 챔버 안으로 상기 제1 Ⅲ족 원소를 포함하는 제1 반응 소스를 도입하여 상기 기판 상에 상기 제1 Ⅲ족 원소를 증착시키는 단계; 및
    상기 기판 상에 상기 제1 Ⅲ족 원소와 삼원 질화물계 버퍼층을 형성하기 위해서, 상기 제1 Ⅲ족 원소의 녹는점보다 낮지 않고 1050℃보다 낮거나 같은 제2 온도에서 상기 챔버 안으로 제2 Ⅲ족 원소를 포함하는 제2 반응 소스와 질소 원소를 포함하는 제3 반응 소스를 도입하는 단계를 포함하는 질화물계 발광 소자의 삼원 질화물계 버퍼층 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 기판이 사파이어, GaN, AlN, SiC, GaAs, GaP, Si, ZnO, MgO, MgAl2O4 및 유리 등으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자의 삼원 질화물계 버퍼층 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 온도는 500℃ 이상인 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자의 삼원 질화물계 버퍼층 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제2 온도는 700℃ 이상인 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자의 삼원 질화물계 버퍼층 제조 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 Ⅲ족 원소는 Al, Ga 및 In 등으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자의 삼원 질화물계 버퍼층 제조 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 제2 Ⅲ족 원소는 Al, Ga 및 In 등으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자의 삼원 질화물계 버퍼층 제조 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 삼원 질화물계 버퍼층 두께는 1nm와 500nm 사이인 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자의 삼원 질화물계 버퍼층 제조 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 삼원 질화물계 버퍼층이 InGaN, AlGaN 및 InAlN 등으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자의 삼원 질화물계 버퍼층 제조 방법.
  9. 기판, 상기 기판 상에 형성된 삼원 질화물계 버퍼층, 상기 삼원 질화물계 버퍼층 상에 형성된 제1 도전형 질화물계 반도체층, 상기 제1 도전형 질화물계 반도체층 상에 형성된 발광층, 및 상기 발광층 상에 형성된 제2 도전형 질화물계 반도체층을 포함하는 질화물계 발광 소자로서,
    상기 삼원 질화물계 버퍼층은,
    제1 Ⅲ족 원소의 녹는점보다 높고 1020℃보다 낮거나 같은 제1 온도에서 챔버 안으로 상기 제1 Ⅲ족 원소를 포함하는 제1 반응 소스를 도입하여 상기 기판 상에 상기 제1 Ⅲ족 원소를 증착시키는 단계; 및
    상기 기판 상에 상기 제1 Ⅲ족 원소와 삼원 질화물계 버퍼층을 형성하기 위해서, 상기 제1 Ⅲ족 원소의 녹는점보다 낮지 않고 1050℃보다 낮거나 같은 제2 온도에서 상기 챔버 안으로 제2 Ⅲ족 원소를 포함하는 제2 반응 소스와 질소 원소를 포함하는 제3 반응 소스를 도입하는 단계에 의해 형성되는 질화물계 발광 소자.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 기판이 사파이어, GaN, AlN, SiC, GaAs, GaP, Si, ZnO, MgO, MgAl2O4 및 유리 등으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 제1 도전형 질화물계 반도체층이 AlN, GaN, AlGaN, InGaN 및 AlInGaN 등으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
  12. 제 9 항에 있어서, 상기 발광층이 AlN, GaN, AlGaN, InGaN 및 AlInGaN 등으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
  13. 제 9 항에 있어서, 상기 제2 도전형 질화물계 반도체층이 AlN, GaN, AlGaN, InGaN 및 AlInGaN 등으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
  14. 제 9 항에 있어서, 상기 제1 온도는 500℃ 이상인 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
  15. 제 9 항에 있어서, 상기 제2 온도는 700℃ 이상인 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
  16. 제 9 항에 있어서, 상기 제1 Ⅲ족 원소는 Al, Ga 및 In 등으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
  17. 제 9 항에 있어서, 상기 제2 Ⅲ족 원소는 Al, Ga 및 In 등으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
  18. 제 9 항에 있어서, 상기 삼원 질화물계 버퍼층 두께는 1nm와 500nm 사이인 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
  19. 제 9 항에 있어서, 상기 삼원 질화물계 버퍼층이 InGaN, AlGaN 및 InAlN 등으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
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