KR20090056319A - 초격자 구조를 가지는 질화물계 반도체 발광소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 발광소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 질화물 반도체층으로 구성되는 질화물계 반도체 발광소자에 있어서, 특히 p형 질화물 반도체층 내에 초격자 구조를 가지는 다층의 p형 질화물 클래드층을 포함하는 반도체 발광소자에 관한 것이다.

본 발명은 질화물계 반도체 발광소자를 제조함에 있어서, p형 반도체층 영역에 초격자(superlattice) 구조를 가지는 다층의 p형 질화물 클래드층을 포함함으로써 발광소자의 전기적 특성을 향상시키는 방법에 관한 것이다.

질화물, 반도체, 발광소자, 클래드층, p형, 활성층, 초격자

Description

초격자 구조를 가지는 질화물계 반도체 발광소자{Nitride Compound Semiconductor Light-emitting Device With A Superlattice Structure}

본 발명은 초격자층을 갖는 화합물 반도체, 이를 이용한 발광소자의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 p형 질화물 반도체층 내에 초격자 구조의 다층의 클래드층을 순차적으로 형성하여 고품질의 도전성 반도체층을 형성할 수 있도록 한 화합물 반도체, 이를 이용한 발광소자 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

발광 다이오드는 N형 반도체와 P형 반도체가 서로 접합된 구조를 가지는 광전 변환 반도체 소자로서, 전자와 정공의 재결합에 의하여 빛을 발산한다. 이러한 발광 다이오드는 표시 소자 및 백라이트로 널리 이용되고 있다.

또한, 발광 다이오드는 기존의 전구 또는 형광등에 비해 소모 전력이 작고 수명이 길어, 백열 전구 및 형광등을 대체하여 일반 조명 용도로서 그 사용 영역을 넓히고 있다.

발광 다이오드에는 베이스를 이루는 기판으로서 안정성이 좋은 사파이어 기판이 많이 사용되며 그 위에는 Al_xIn_yGa_{1 - xy}N(0≤x,y,x+y≤1) 반도체층, 즉 GaN 계 반 도체층이 성장된다. 특히 녹색 및 파란색 발광 다이오드의 경우, 높은 밴드 갭을 갖는 GaN 계 반도체층을 이용한 발광 다이오드가 많다.

발광 소자 중에서 특히 질화물 반도체 발광소자는 풀칼라 LED 디스플레이, 교통신호 및 이미지 스캐너의 광 공급원을 제작하기 위한 높은 야광성 청색 및 순수 녹색 LED의 물질로서 실질적으로 연구되어왔다. 일반적으로 상기 LED 소자는 사파이어 기판상에 GaN으로 이루어진 버퍼층, Si 도핑 GaN으로 이루어진 n형 반도체층, 단일 양자 우물(SQW) 구조의 InGaN 또는 InGaN을 함유하는 다중양자 우물(MQW) 구조의 활성층, Mg 도핑 AlGaN으로 이루어진 p형 반도체층, Mg 도핑 GaN으로 이루어진 p형 반도체층이 차례로 형성된 기본 구조를 갖는다. 상기 LED 소자는 20mA에 있어서, 발광파장 450㎚의 청색 LED에서 5㎽, 외부 양자 효율 9.1%, 520㎚의 녹색 LED에서 3㎽, 외부 양자 효율 6.3%로 우수한 특성을 가진다.

상기 질화물 반도체 발광 디바이스는 InGaN으로 이루어진 우물층(well layer)을 갖는 단일 양자 우물 또는 다중 양자 우물구조의 활성층을 갖는 이중 헤테로 구조를 채용할 수 있다. 또한 상기 질화물 반도체 발광소자에 있어서, 다중 양자 우물 구조는 다수개의 미니 밴드를 갖고 효율이 좋으며, 작은 전류에서도 발광이 가능하므로, 단일 양자 우물 구조보다 발광 출력이 높게 되는 등의 소자특성의 향상이 기대되고 있다.

예를 들면 다중 양자 우물 구조의 활성층을 사용한 LED 소자로서, 발광효율 및 발광광도를 좋게 하기 위하여, 적어도 언도핑 GaN으로 이루어진 장벽층, 언도핑 InGaN으로 이루어진 우물층으로 이루어진 다중 양자 우물 구조의 발광층, 추가하여 발광층의 장벽층보다도 넓은 밴드갭(band gap)을 갖는 클래드층을 포함하는 질화물 반도체 소자가 연구된 바 있다.

또한 발광 소자의 발광효율 및 발광광도를 개선하기 위하여 각 반도체층 간의 전기적 특성을 개선하기 위한 연구가 진행되고 있는데, 밴드갭 에너지 차이에 의한 포텐셜 우물에 의하여 전자 이동도를 증가시키는 방안이 연구되고 있다. 그러나 기존에 일반적으로 많이 사용되고 있는 p형 클래드층의 구조는 AlGaN 성분으로 구성되어 성장하기 위하여 도핑하는 p형 불순물의 도핑 수준에 다소 어려움이 있다. 즉, 발광을 위해 기여할 수 있는 전하량으로써 실제 p형 도전층에 도핑이 되는 양은 약 10²⁰ cm^-3 정도이나 실제 활성층으로 이동하여 발광에 기여하는 수준은 약 10¹⁷ cm^-3 정도이기 때문이다. 또한 각 반도체층간의 문턱전압이 감소되는 것이 아니어서 이로 인해 전기적 특성이 향상되지 않는 어려움이 있다.

본 발명의 목적은 질화물 반도체 발광소자의 제조 시 p-클래드층 내에 p-반도체층의 동일한 성분을 이용한 초격자 구조를 가지는 소자를 제조함으로써 성장층의 결정성 향상 및 전자 이동도의 증가에 따른 작동 전압의 감소를 통하여 전기적 특성이 개선된 발광소자를 제공하는 데 있다.

또한 본 발명의 목적은 p형 반도체층 내에 추가적인 클래드층을 형성하는 비교적 간단한 공정과 기존의 반도체 발광소자의 제작과정을 이용하여 고품질의 발광소자를 경제적인 생산단가로 제작할 수 있는 방법을 제시하는 데 있다.

본 발명은 질화물 반도체발광소자의 전기적 특성을 개선하기 위한 방법으로써, 일반적으로 질화물 반도체발광소자는 질화물 반도체층의 n형 영역과 p형 영역 그리고, n형 영역과 p형 영역사이에 활성층을 가지는 반도체 발광소자를 이용한다. 이러한 질화물 반도체발광소자의 p영역 반도체층에 초격자(superlattice) 구조층을 포함하는 p형 초격자구조 클래드층을 가진 질화물 반도체발광소자를 구성하여 p형 반도체층의 전기적 특성을 향상시키는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 질화물계 반도체 발광소자는 n형 질화물 반도체층, 활성층, p형 질화물 반도체층을 가지는 질화물 반도체 발광소자에 있어서, 상기 p형 질화물 반도체층 내에 초격자(superlattice) 구조를 가지는 다층의 p형 질화물 클래드층을 포함한다. 그러나 반드시 다층의 초격자 p형 질화물 클 래드층이 아니라 단층으로 형성할 수도 있다. 또한 바람직하게는 상기 초격자 p형 질화물 클래드층은 2개 층 내지 50개 층으로 형성될 수 있으며, 이들 초격자층의 전체 적층 두께는 제한되지 않지만 바람직하게 10nm 내지 500nm 일 수 있다. 이러한 상기 p형 질화물 클래드층이 p형 반도체층의 도전층의 전기적 특성을 향상시킬 수 있다.

본 발명에서 상기 p형 질화물 클래드층은 상기 p형 질화물 반도체층과 동일한 물질로 이루어질 수 있다. 상기 p형 질화물 클래드층은 활성층 위 또는 복수 개의 p형 질화물 반도체층 사이에 위치할 수 있는데, 이 때 접촉하고 있는 p형 질화물 반도체층을 구성하는 물질과 동일한 성분의 물질로 이루어질 수 있다. 그러나 반드시 이에 한정하지 않으며, 다층의 p형 질화물 클래드층은 상기 p형 질화물 반도체층의 구성물질과 동일하지 않은 성분으로 구성되는 층을 포함할 수도 있다.

동일한 성분으로 p형 클래드층과 p형 반도체층을 형성하면 성장층 내에서의 결정성이 향상되고 전자 이동도의 증가에 따른 작동 전압이 감소될 수 있어 발광소자의 전기적 특성이 향상될 수 있다.

본 발명에서 상기 p형 질화물 클래드층은 p형 불순물이 도핑되지 않은 언도프(undoped layer)층일 수 있으며, 혹은 또는 상기 p형 질화물 반도체층의 도핑농도의 오차범위 10% 이내로 도핑될 수 있다. 본 발명의 질화물 반도체 발광소자의 p형 질화물 클래드층은 초격자로 이루어진 다층구조를 가지므로 도핑되지 않은 층과 p형 질화물 반도체층의 p형 불순물의 도핑농도 수준 이하에서 동일한 수준에 이르기까지 도핑되는 다양한 도핑 농도를 가질 수 있다. 이때, '도핑되지 않은' 또는 ' 언도프'의 용어는 고의적으로 불순물을 도핑하지 않는 상태를 나타내고 상기 상태는 예를 들면 인접한 질화물 반도체층으로부터 확산에 의하여 혼입되는 불순물도 본 발명은 도핑되지 않은 것으로 한다.

상기 p형 불순물로서는 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 카드뮴(Cd), 베릴륨(Be), 및 칼슘(Ca)과 같은 2족 원소에서 선택될 수 있고 바람직하게 Mg 또는 Be를 사용한다. 또한, 본 발명의 p형 질화물 반도체층의 바람직한 p형 불순물의 도핑 농도는 1×10²²/㎤ 이하, 바람직하게 5×10²⁰/㎤ 이하로 조정될 수 있다. 1×10²² /㎤보다 큰 경우, 질화물 반도체층의 결정성이 나빠지므로 출력이 감소되는 경향이 있다.

따라서 초격자 구조의 p형 질화물 클래드층의 다층 구조 중 일부 층의 최대 도핑농도는 p형 질화물 반도체층의 불순물 도핑 농도 수준과 같거나 작을 수 있다.

본 발명의 p형 질화물 클래드층의 다층구조는 상기 도핑 농도 수준에 따라 도핑농도가 0%인 층부터 p형 질화물 반도체층의 도핑농도±10%로 도핑된 층에 이르기까지 순차로 도핑농도 기울기를 가지면서 적층될 수 있다. 또는 도핑농도가 서로 다르게 랜덤하게 교번하여 적층될 수 있다.

본 발명에서 상기 다층의 p형 질화물 클래드층은 p형 불순물의 도핑농도가 층마다 서로 상이할 수 있어 서로 도핑 농도 수준이 다른 반도체 물질들이 접하게 됨으로써 발생되는 밴드 에너지 차이에 의한 포텐셜 우물구조를 가질 수 있으며, 이로 인해 높은 전자 이동도를 가질 수 있어 전체적으로 전기적 특성이 개선될 수 있다.

본 발명에서, 상기 질화물은 질소원자(N)가 포함된 화합물 반도체 물질로서 본 발명에 대한 분야의 당업자라면 공지된 물질로부터 알 수 있는 것이면 충분할 것이고 특별히 한정되지 않는다. 바람직하게는 질화갈륨(GaN), 질화알루미늄(AlN), 질화인듐(InN), 질화인듐갈륨(In_xGa_{1 - x}N, 0 < x < 1), 질화알루미늄갈륨(Al_yGa_{1 - y}N, 0 < y < 1)로 구성된 그룹 중에서 선택되는 1종 이상의 물질일 수 있다.

이와 같이 하면 초격자층인 질화물 반도체층의 결정성을 양호하게 할 수 있고, 또한 저항값을 낮게 할 수 있다. 또한 특히 p형 질화갈륨층(GaN)과 언도프된 질화갈륨층(u-GaN)의 밴드 오프셋(band offset)에 따른 포텐셜 우물의 형성(2DEG)으로 빠른 이동도를 기대할 수 있다. 일반적으로 반도체 물질의 이종 물질의 접합 경계면에서는 두 구성물질의 밴드 갭 에너지 차이에서 기인한 포텐셜 우물이 형성되는데 이 때 각 물질의 도핑층의 전자가 공간층을 포텐셜 장벽을 넘어 공간층사이에 형성된 포텐셜 우물로 확산됨에 따라 얇은 평면에 구속되는 2차원적 전자계가 형성되면서 높은 전자 이동도를 가지는 특성을 나타내게 된다. 이로 인해 전체적으로 p형 반도체층의 전기적 특성을 향상 시킬 수 있을 것으로 기대한다.

본 발명의 질화물계 반도체 발광소자를 제조하는 방법은 기판 위에 순차적으로 n형 질화물 반도체층, 활성층, p형 질화물 반도체층을 적층하는 것이다. 상기 p형 질화물 반도체층을 적층하기에 앞서 초격자 구조를 가지는 p형 질화물 클래드층을 형성할 수 있다. 상기 p형 질화물 클래드층은 p형 불순물의 도핑 농도를 달리하는 다층 구조로 증착될 수 있거나, 혹은 도핑되지 않은 층을 포함하는 다층 구조로 형성될 수 있다.

또는 상기의 다층의 초격자 구조의 p형 질화물 클래드층은 상기 p형 질화물 반도체층을 적어도 하나 이상의 층으로 형성한 후 그 위에 적층될 수도 있다.

본 발명에서 상기 기판은 특정의 재질에 한정되는 것은 아니며, 바람직하게는 사파이어 기판, 스핀넬(MgAl₂O₄)과 같은 절연성 기판 또는 SiC(6H, 4H, 3C를 포함함), Si ZnO, GaAs, GaN 등의 반도체 기판을 이용할 수 있다.

본 발명에서 상기 질화물계 반도체층, 혹은 질화물계 클래드층의 증착법은 공지된 방법이면 족할 것이고 특별히 제한되지 않지만 유기금속 화학기상증착법(MOCVD)이나 분자선 에피택시(molecular beam epitaxy; MBE)법, 수소화물 기상 성장법(hydride vapor phase epitaxy, HVPE)을 사용하는 것이 바람직하다.

즉, 진공으로 된 통 안에서 가열된 상기 사파이어 기판에 증기압이 높은 화합물 반도체의 결정을 에피택시얼 성장(epitaxial growth)시킬 수 있다.

또한 분자선 에피택시는 증기 증착에 의한 기체상 에피택시법을 말하는데, 초진공 속에서 질화물 반도체 물질의 증착 분자를 세공(細孔) 또는 슬릿을 통해 빔 모양으로 만들어서 사파이어 기판에 부착시키는 것이다.

상기의 방법 이외에 질화물계 반도체 박막을 증착하는 공지의 방법을 사용하여 반도체층을 증착할 수 있으며 반드시 상기의 방법에 제한되는 것은 아니다.

또한 상기 p형 질화물계 클래드층의 초격자 구조는 일반적인 공지의 방법으로 형성할 수 있으며 특별히 제한되지 않는다.

본 발명에 따르면 p형 반도체층 영역에 초격자(superlattice) 구조층을 포함하는 p형 초격자 구조 클래드층을 포함함으로써 전자 이동도 및 결정성의 향상을 통해 발광소자의 전기적 특성을 향상시킬 수 있다.

또한 기존의 반도체 발광소자의 제조공정을 이용하여 p형 초격자 구조의 클래드층을 형성하는 것이므로 복잡한 공정없이 저비용으로 고효율의 전기적 특성을 가지는 반도체 발광소자를 제조할 수 있는 경제적 효과가 있다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 도 1을 참조한 바람직한 일 실시예에 의하면, 본 발명의 반도체 발광소자는 기판(100) 위에 언도프된(undoped) 질화갈륨(GaN) 반도체층(101), n형 질화갈륨(GaN) 반도체층(102), 활성층(103), p형 질화갈륨(GaN) 반도체층(104), 초격자 구조의 다층 p형 질화갈륨 클래드층(105)을 포함할 수 있다. 상기 기판과 언도프된(undoped) 질화갈륨(GaN) 반도체층(101) 사이에는 접합면의 결함과 격자불일치를 감소하기 위한 버퍼층이 추가로 더 형성될 수 있다.

또한, 상기 초격자 구조의 다층 p형 질화갈륨 클래드층(105) 위에는 상기 p형 질화갈륨(GaN) 반도체층(104)보다 더 높은 수준의 도핑농도로 도핑된 p+형 질화갈륨(GaN) 반도체층(106)이 추가로 더 형성될 수 있다.

상기 초격자 구조의 다층 p형 질화갈륨 클래드층(105)은 바람직하게는 2개 층 내지 50개 층으로 형성될 수 있으며 전체 적층 두께가 1㎛ 내지 10㎛로 형성될 수 있다. 다층구조는 p형 불순물이 도핑된 질화갈륨 클래드층과 언도프된 질화갈륨 클래드층이 순차로 교번하여 또는 랜덤하게 적층될 수 있다. 상기 초격자 구조의 다층 p형 질화갈륨 클래드층(105)은 p형 불순물이 도핑된 질화갈륨 클래드층만으로 적층될 수 있으며, 또는 언도프된 질화갈륨 클래드층만으로 적층될 수도 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 반도체 발광 소자의 적층 단면을 간략하게 나타낸 개략도로서, 질화물 반도체 발광소자는 상기의 적층 구조 위에 투명 전극을 더 포함할 수 있으며, n형측과 p형측에 접속될 수 있는 적어도 두 개의 전극 패드를 포함할 수 있다.

상기 기판(100)은 사파이어, 스피넬(spinel), Si, SiC 등과 같은 소재로 이루어질 수 있다.

추가로 형성될 수 있는 버퍼층은 그 상부에 형성될 반도체층들과 상기 기판(100) 사이의 격자 불일치를 완화하기 위해 사용된다. 상기 버퍼층은 예를 들어 AlN 또는 GaN 반도체층일 수 있으며 저온, 예를 들어 약 400 내지 약 700 도(℃)에서 성장될 수 있다. 상기 버퍼층의 두께는, 예를 들어 약 20 nm 내지 약 50 nm일 수 있다.

상기 초격자 구조의 다층 p형 질화갈륨 클래드층(105)은 결함 밀도가 낮고 결정성이 좋은 고품질의 상기 언도프된 GaN 반도체층을 성장시키기 위해 제공되는 반도체층일 수 있다. 즉, 상기 초격자층(105) 위에 두께가 얇으면서도 품질이 좋은 상기 언도프된 GaN 반도체층을 형성할 수도 있다. 상기 다층 p형 질화갈륨 클래드층(105)은 초격자 구조를 가지는 각 질화갈륨층을 2개 이상 50개 이하로 적층할 수 있으며 각 층의 두께는 예를 들어 약 5.5 nm 이하일 수 있다.

상기 초격자 구조의 다층 p형 질화갈륨 클래드층(105)은 그 위에 질화갈륨계 물질로 구성되는 상기 p형 질화갈륨 반도체층(106)을 고품질로 효과적으로 형성시킬 수 있도록 하기 위해 품질이 좋은 언도프된 질화갈륨 초격자층을 포함하여 제공될 수 있다.

초격자 구조의 다층 p형 질화갈륨 클래드층(105) 위에 형성되는 상기 p형 질화갈륨 반도체층(106)은 p형 불순물의 도핑 농도가 p형 질화갈륨 클래드층(105) 아래에 증착된 p형 질화갈륨 반도체층(104)의 불순물 도핑 농도보다 상대적으로 높은 것을 특징으로 한다. 이렇듯 도핑 농도 수준이 다른 반도체 물질들이 접합되면서 발생되는 밴드 에너지 차이에 의한 포텐셜 우물에 의한 높은 전자 이동도로 인해 전체 발광소자의 전기적 특성이 개선될 수 있다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지 다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 설명된 실시형태를 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 범위에 속한다. 또한, 본 명세서에서 설명한 각 구성요소의 물질은 당업자가 공지된 다양한 물질로부터 용이하게 선택하여 대체할 수 있다. 또한 당업자는 본 명세서에서 설명된 구성요소 중 일부를 성능의 열화 없이 생략하거나 성능을 개선하기 위해 구성요소를 추가할 수 있다. 뿐만 아니라, 당업자는 공정 환경이나 장비에 따라 본 명세서에서 설명한 방법 단계의 순서를 변경할 수도 있다. 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시형태가 아니라 특허청구범위 및 그 균등물에 의해 결정되어야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 반도체 발광 소자의 적층 단면을 간략하게 나타낸 개략도.

{도면의 주요부분에 대한 부호의 설명}

100 : 기판

101 : 언도프된(undoped) 질화갈륨(GaN) 반도체층

102 : n형 질화갈륨(GaN) 반도체층

103 : 활성층

104 : p형 질화갈륨(GaN) 반도체층

105 : 초격자 구조의 다층 p형 질화갈륨 클래드층

106 : p+형 질화갈륨(GaN) 반도체층

Claims (5)

1. n형 질화물 반도체층, 활성층, p형 질화물 반도체층을 가지는 질화물 반도체 발광소자에 있어서,

   상기 p형 질화물 반도체층 내에 초격자 구조를 가지는 다층의 p형 질화물 클래드층을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 p형 질화물 클래드층은 상기 p형 질화물 반도체층과 동일한 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 p형 질화물 클래드층은 도핑되지 않거나 또는 상기 p형 질화물 반도체층의 도핑농도의 오차범위 10% 이내로 도핑되는 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 다층의 p형 질화물 클래드층은 p형 불순물의 도핑농도가 층마다 서로 상이한 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자.
5. 제 1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서,

   상기 질화물은 질화갈륨(GaN), 질화알루미늄(AlN), 질화인듐(InN), 질화인듐갈륨(In_xGa_{1 - x}N, 0 < x < 1), 질화알루미늄갈륨(Al_yGa_{1 - y}N, 0 < y < 1)로 구성된 그룹 중에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 질화물계 반도체 발광소자.

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