(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
素子を透明基板上に作製した可視光域で素子と基板全体が透明な光半導体素子であって、亜鉛酸化物または亜鉛酸化物混晶薄膜を量子井戸とし、ＳｉＯｘ、ＳｉＮｘ、ＺｎＭｇＯ、一般式ＲＭＯ３（ＡＯ）ｍ（Ｒ＝Ｓｃ、Ｆｅ、またはＩｎ；Ｍ＝Ｉｎ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｇａ、またはＡｌ；Ａ＝Ｚｎ、Ｍｇ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、またはＣｄ；ｍ＝自然数）で表されるホモロガス化合物、または（Ｌｉ，Ｎａ）（Ｇａ，Ａｌ）Ｏ２からなる絶縁体を障壁層とし、井戸幅が２．５ｎｍ以下である量子井戸構造を有し、量子井戸構造内の同一のバンドに属するサブバンドのサブバンド間光学遷移を利用して、ＺｎＯ超格子構造による発光及び受光、サブバンド間光吸収による受光、またはサブバンド間吸収の吸収飽和を用いた光制御光スイッチを可能としたことを特徴とする光半導体素子。
【請求項２】
素子を可塑性基板上に作製した請求項１記載の光半導体素子。
【請求項３】
素子を温度２００℃以下で非耐熱性基板上に堆積して成膜することにより作製した請求項１記載の光半導体素子。
【請求項４】
請求項１記載の光半導体素子において、量子井戸構造とＺｎＯ超格子構造が一層または複数層積層したヘテロ構造を有し、量子井戸構造内に存在し、同一のバンドに属するサブバンドの、隣接したＺｎＯ超格子構造のミニバンドから亜鉛酸化物または亜鉛酸化物混晶量子井戸内のサブバンドに注入されたキャリアによるサブバンド間光学遷移を利用した半導体発光素子または受光素子。
【請求項５】
請求項１記載の光半導体素子の量子井戸構造の伝導帯の１つのサブバンド間の遷移エネルギーに相当する光を制御光とし、同じサブバンド間遷移のエネルギーに相当する光、または量子井戸構造の伝導帯の他のサブバンド間遷移エネルギーに相当する光を信号光とすることを特徴とする半導体光スイッチまたは光変調器。
【請求項６】
請求項１記載の光半導体素子の量子井戸構造の価電子帯の１つのサブバンド間の遷移エネルギーに相当する光を制御光とし、同じサブバンド間遷移のエネルギーに相当する光、または量子井戸構造の価電子帯の他のサブバンド間遷移エネルギーに相当する光を信号光とすることを特徴とする半導体光スイッチまたは光変調器。
【請求項７】
請求項１記載の光半導体素子の量子井戸構造の伝導帯の一つのサブバンド間の遷移エネルギーに相当する光を制御光とし、その伝導帯のサブバンドと価電子帯のサブバンドに共鳴するバンド光を信号光とすることを特徴とする半導体光スイッチまたは光変調器。
【請求項８】
請求項１記載の光半導体素子の量子井戸構造の価電子帯の一つのサブバンド間の遷移エネルギーに相当する光を制御光とし、その価電子帯のサブバンドと伝導帯のサブバンドに共鳴するバンド光を信号光とすることを特徴とする半導体光スイッチまたは光変調器。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、高効率、広帯域発光素子または受光素子および超高速光制御光スイッチまたは光変調器を実現するためのサブバンド間光学遷移を用いた光半導体素子に関する。
背景技術
量子井戸構造サブバンド間光半導体素子は、サブバンド間光学遷移における遷移確率が大きいこと、構造により遷移波長を広範囲に制御可能であることなどから、近赤外からテラヘルツ帯まで動作可能な素子として注目されている。
例えば、特開平８−１７９３８７号公報には、単結晶（化合物半導体またはサファイヤ）基板上に形成したＧａＮ井戸層とＡｌＮ障壁層とからなる量子井戸構造を有する光スイッチであって、ＧａＮ井戸層のバンド端エネルギーＥＥＤＧＥがＧａＮ井戸層のサブバンド間隔の相当する動作波長のエネルギーＥＯＰの２倍よりも大きいものが開示されている。
また、特許２９９１７０７号公報には、幅の等しい２つの第１の量子井戸層間に該井戸層とは幅の異なる第２の量子井戸層を配置し、且つ第１および第２の量子井戸層間にこれらの井戸層よりも幅の狭い量子障壁層を配置してなる結合量子井戸構造をインジウム・リン（ＩｎＰ）などの単結晶基板上に設けたものであり、第１および第２の量子井戸層はＩｎＧａＡｓからなり、前記量子障壁層はＡｌＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＡｓＳｂ、またはＡｌＧａＡｓＳｂからなり、結合量子井戸構造の伝導帯における全てのサブバンド間のエネルギー差が３６ｍｅＶ以上であるものが開示されている。
さらに、「電子情報通信学会論文誌」（浅野  卓、野田  進「サブバンド間遷移を用いた超高速光制御光変調」、’９９／６，Ｖｏｌ．Ｊ８２−Ｃ−１，Ｎｏ．６，ｐｐ２９１〜３００）には、ＧａＡｓ基板に形成したＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ量子井戸における中赤外サブバンド間遷移を用いたデバイスで、１パルス当たり１ｐＪ程度の低エネルギーで半値幅１ｐｓ程度の超高速光制御光変調が実現できる可能性が開示されている。
さらに、この論文には、ＧａＡｓ基板上のＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ量子井戸の井戸層にＩｎを加えて禁制帯幅を小さくし、障壁層のＡｌ組成を増やして禁制帯幅を大きくしたＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓ量子構造での井戸の深さは１．１ｅＶ以上と、従来のＧａＡｓ／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ量子井戸における約０．３ｅＶに比べてかなり大きく、波長１．９μｍという近赤外域までの短波長化を達成したことも報告されている。
発明の開示
従来のサブバンド間光半導体素子は、主に、ＧａＡｓ、ＩｎＰのような不透明基板上に製作されていたために、ディスプレーなどのデバイス応用に関して制限があった。また、サブバンド間遷移の短波長化には、井戸層の幅を数原子層程度と狭くし、かつエネルギー的に深い量子井戸が必要になる。特に、光通信の波長帯である１．５５μｍ以下の波長でサブバンド間遷移を実現するためには極めて深い量子井戸（１．５ｅＶ以上）が要求される。
本発明は、基板として透明基板を使用できる高効率、広帯域発光素子または受光素子および超高速で光変調または光スイッチを行うことができ、テラビット／秒以上の光通信システムに対応し得る量子井戸のサブバンド間光学遷移を用いた光半導体素子を提供することを目的とする。
（課題を解決するための手段）
本発明は、透明基板上に作成したＺｎＯヘテロ構造を用いて、（ａ）ＺｎＯヘテロ構造サブバンド間光学遷移を用いた高効率、広帯域発光素子または受光素子、（ｂ）ＺｎＯヘテロ構造サブバンド間光学遷移を用いた超高速光制御光スイッチまたは光変調器を実現するものである。
すなわち、本発明は、素子を透明基板上に作製した可視光域で素子と基板全体が透明な光半導体素子であって、亜鉛酸化物または亜鉛酸化物混晶薄膜を量子井戸とし、ＳｉＯｘ、ＳｉＮｘ、ＺｎＭｇＯ、一般式ＲＭＯ３（ＡＯ）ｍ（Ｒ＝Ｓｃ、Ｆｅ、またはＩｎ；Ｍ＝Ｉｎ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｇａ、またはＡｌ；Ａ＝Ｚｎ、Ｍｇ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、またはＣｄ；ｍ＝自然数）で表されるホモロガス化合物、または（Ｌｉ，Ｎａ）（Ｇａ，Ａｌ）Ｏ２からなる絶縁体を障壁層とし、井戸幅が２．５ｎｍ以下である量子井戸構造を有し、量子井戸構造内の同一のバンドに属するサブバンドのサブバンド間光学遷移を利用して、ＺｎＯ超格子構造による発光及び受光、サブバンド間光吸収による受光、またはサブバンド間吸収の吸収飽和を用いた光制御光スイッチを可能としたことを特徴とする光半導体素子である。
また、本発明は、素子を可塑性基板上に作製した上記の光半導体素子である。
また、本発明は、素子を温度２００℃以下で非耐熱性基板上に堆積して成膜することにより作製した上記の光半導体素子である。
また、本発明は、上記の光半導体素子の量子井戸構造とＺｎＯ超格子構造が一層または複数層積層したヘテロ構造を有し、量子井戸構造内に存在し、同一のバンドに属するサブバンドの、隣接したＺｎＯ超格子構造のミニバンドから亜鉛酸化物または亜鉛酸化物混晶量子井戸内のサブバンドに注入されたキャリアによるサブバンド間光学遷移を利用した半導体発光素子または受光素子である。
また、本発明は、上記の光半導体素子の量子井戸構造の伝導帯の１つのサブバンド間の遷移エネルギーに相当する光を制御光とし、同じサブバンド間遷移のエネルギーに相当する光、または量子井戸構造の伝導帯の他のサブバンド間遷移エネルギーに相当する光を信号光とすることを特徴とする半導体光スイッチまたは光変調器である。
また、本発明は、上記の光半導体素子の量子井戸構造の価電子帯の１つのサブバンド間の遷移エネルギーに相当する光を制御光とし、同じサブバンド間遷移のエネルギーに相当する光、または量子井戸構造の価電子帯の他のサブバンド間遷移エネルギーに相当する光を信号光とすることを特徴とする半導体光スイッチまたは光変調器である。
また、本発明は、上記の光半導体素子の量子井戸構造の伝導帯の一つのサブバンド間の遷移エネルギーに相当する光を制御光とし、その伝導帯のサブバンドと価電子帯のサブバンドに共鳴するバンド光を信号光とすることを特徴とする半導体光スイッチまたは光変調器である。
また、本発明は、上記の光半導体素子の量子井戸構造の価電子帯の一つのサブバンド間の遷移エネルギーに相当する光を制御光とし、その価電子帯のサブバンドと伝導帯のサブバンドに共鳴するバンド光を信号光とすることを特徴とする半導体光スイッチまたは光変調器である。
従来、青色・紫外領域の発光素子としてＩＩＩ族−窒化物、ＩＩ族−セレン化物、ＩＩ族−酸化物の化合物半導体が知られている。ＩＩ族−酸化物としてのＺｎＯは、透明導電性物質であり、室温におけるバンドギャップが、３．３７ｅＶのＩＩ−ＶＩ族半導体であり、同じウルツ鉱に属するＧａＮとバンドギャップや格子定数などの点で類似するが、励起子の結合エネルギー（ＥＢｅｘ）が６０ｍｅＶと極めて大きい。本発明のＺｎＯヘテロ構造サブバンド間光半導体素子は、量子構造の井戸層の幅は数原子層程度と狭くできる。
障壁層はＺｎＯと格子整合してかつ非常にバンドオフセットが大きい物質であるＳｉＯｘ、ＳｉＮｘ、ホモロガス化合物、（Ｌｉ，Ｎａ）（Ｇａ，Ａｌ）Ｏ２などの絶縁体を用いる。第１図は、ＺｎＯとホモロガス化合物の格子定数の関係を示している。横軸は、酸化物中のＣＮ：６におけるＡサイトのイオン半径であり、縦軸はセルパラメータ（ｎｍ）である。第２図は、ＺｎＯ量子井戸の井戸幅とサブバンド間遷移エネルギーの関係（計算結果）を示している。横軸は、ＺｎＯ量子井戸の井戸幅（ｎｍ）である。縦軸はサブバンド間遷移エネルギー（ｅＶ）である。
ＺｎＯは、第１図に示すように、ホモロガス化合物に代表されるような絶縁体ＲＭＯ３（ＡＯ）ｍ（Ｒ＝Ｓｃ、Ｆｅ、またはＩｎ；Ｍ＝Ｉｎ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｇａ、またはＡｌ；Ａ＝Ｚｎ、Ｍｇ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、またはＣｄ；ｍ＝自然数）または（Ｌｉ，Ｎａ）（Ｇａ，Ａｌ）Ｏ２との格子整合性が良く、これらを障壁層にもつヘテロ構造は、非常に大きなバンド不連続量を持つので、近赤外からテラヘルツ帯までの広い波長範囲で動作可能である。
また、第２図に示すように、井戸層であるＺｎＯと障壁層であるホモロガス化合物に代表される絶縁体ＲＭＯ３（ＡＯ）ｍ（Ｒ＝Ｓｃ、Ｆｅ、またはＩｎ；Ｍ＝Ｉｎ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｇａ、またはＡｌ；Ａ＝Ｚｎ、Ｍｇ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、またはＣｄ；ｍ＝自然数または（Ｌｉ，Ｎａ）（Ｇａ，Ａｌ）Ｏ２）の間には数ｅＶ程度の大きなバンド不連続量が存在するので波長可変性が非常に大きい。
さらに、ＺｎＯは、ＩＴＯなどの非耐熱性の透明ガラス基板上やプラスチックスフィルムのような可塑性基板上に２００℃以下の低温で膜を堆積可能であり、本発明のＺｎＯヘテロ構造サブバンド間光半導体素子は、近年報告されているＺｎＯをベースとしたトランジスタやレーザなどと集積が可能である。基板としては、従来と同様に化合物半導体基板、サファイヤ基板も使用できるが、ＩＴＯなど透明なガラス基板を使用することによって、ディスプレーなどのデバイス応用が可能となる。
第３図は、サブバンド間エネルギーとサブバンド間緩和時間の関係（計算結果）を示す。横軸は遷移エネルギーであり、縦軸はサブバンド緩和時間（ピコ秒）である。光制御光スイッチにおいて、超高速に信号光のスイッチングを行うためには、励起されたキャリアが超高速な緩和時間を持つことが必要であるが、ＺｎＯはＧａＮと比べて２倍程度早い緩和時間をもち、繰り返しテラビットの動作が可能である。また、光変調器において、変調周波数は、サブバンド間緩和時間で決まるが、本発明のＺｎＯヘテロ構造サブバンド間光半導体素子は、テラヘルツ帯〜近赤外の光を用い、紫外線（青、紫）領域の光を高速に変調できる。
発明を実施するための最良の形態
（ａ）ＺｎＯヘテロ構造を用いたサブバンド間発光・受光素子の構造
第４図は、本発明のＺｎＯ超格子構造で両側を挟まれたＺｎＯ量子井戸構造の単層および多層構造を有する発光素子を模式的に示す図である。また、第５図は、本発明のＺｎＯ超格子構造で両側を挟まれたＺｎＯ量子井戸構造の単層および多層構造を有する受光素子を模式的に示す図である。
発光・受光素子は、第４図および第５図に示されるように、基板上にＺｎＯ量子井戸構造１とＺｎＯ超格子構造２、３が一層または複数層積層した構造からなる。ＺｎＯ量子井戸構造および超格子構造はＺｎＯとＺｎＯ混晶（例えば、Ｍｇなどを固溶した固溶体）、ホモロガス化合物または（Ｌｉ，Ｎａ）（Ｇａ，Ａｌ）Ｏ２を交互に一層または複数層積層させた構造からなる。受光素子は、第６図に示すような、井戸層または障壁層にドーピングされたＺｎＯ量子井戸構造４の単層および多層構造でもよい。
第７図は、本発明の光半導体素子構造の一例を示す断面図である。基板１１上にＺｎＯ混晶またはホモロガス化合物のクラッド層１２を介して、ＺｎＯとＺｎＯの混晶、ホモロガス化合物または（Ｌｉ，Ｎａ）（Ｇａ，Ａｌ）Ｏ２１３を交互に一層または複数層積層させた量子井戸構造が形成されている。この量子井戸構造上にはＺｎＯ混晶またはホモロガス化合物のクラッド層１４が形成されている。
井戸層および障壁層はそれぞれ数ｎｍから数１０ｎｍ程度の厚さとする。これらの各層は有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法やレーザー分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法により形成することができる。ここで、超格子並びに量子井戸構造における障壁層はＺｎＭｇＯやホモロガス化合物に代表されるような絶縁体ＲＭＯ３（ＡＯ）ｍ（Ｒ＝Ｓｃ、Ｆｅ、またはＩｎ；Ｍ＝Ｉｎ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｇａ、またはＡｌ；Ａ＝Ｚｎ、Ｍｇ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、またはＣｄ；ｍ＝自然数）または（Ｌｉ，Ｎａ）（Ｇａ，Ａｌ）Ｏ２が好ましい。
（Ｌｉ，Ｎａ）（Ｇａ，Ａｌ）Ｏ２、例えばＬｉＧａＯ２はウルツ鉱型の結晶構造をもち、ＺｎＯに対する格子ミスマッチが３％であり、ＰＬＤ法によりＬｉＧａＯ２単結晶をターゲットとして用いて、成長温度４５０〜７５０℃、酸素分圧１×１０−４Ｔｏｒｒ程度でＺｎＯ上に薄膜を作成できる。
ＺｎＯヘテロ構造サブバンド間発光は、隣接したＺｎＯ超格子構造のミニバンドからＺｎＯ量子井戸内の第２サブバンドに注入されたキャリアがＺｎＯ量子井戸内の同一のバンドに属するサブバンドに緩和する際に起こる。ＺｎＯヘテロ構造サブバンド間受光は、隣接したＺｎＯ超格子構造のミニバンドからＺｎＯ量子井戸構造の第１サブバンドに注入されたキャリアが光を吸収してＺｎＯ量子井戸内の同一のバンドに属するサブバンドへ励起される際に起こる。
また、ＺｎＯヘテロ構造サブバンド間受光に関しては、井戸または障壁層にドプされたＺｎＯ量子井戸構造のサブバンド間光吸収を用いることもできる。受光の場合、いずれも、サブバンド間光吸収電流により検出する。第１図に示されるように、ＺｎＯとホモロガス化合物または（Ｌｉ，Ｎａ）（Ｇａ，Ａｌ）Ｏ２は、格子整合性がよく、第２図に示されるように、赤外からテラヘルツ帯という広帯域で発光および受光が可能となる。
発光および受光するためには、特定のサブバンドにキャリアを注入したり、またサブバンドからキャリアを取り除かなくてはならない。この超格子構造は、つまり、特定のサブバンドへキャリアを入れたり、出したりするためのブリッジの役目をする。第４図に示されているように、超格子構造中に形成されるミニバンドと呼ばれる同程度のエネルギーを持つサブバンドが複数集まったバンドを利用すれば、注入および引き抜きを容易に行うことができる。電極層からキャリアを直接注入しようとすれば、非常に大きな電界が構造にかかることになり素子はブレークダウンしてしまう。
（ｂ）ＺｎＯヘテロ構造を用いたサブバンド間光制御光スイッチ・変調器の構造  第８図は、本発明のサブバンド間光制御光スイッチの動作原理を模式的に示す。同一のバンドに属するサブバンドのサブバンド間エネルギーに共鳴した光（制御光Ｃとする）が入射するとサブバンド間光吸収によりキャリアが基底準位（Ｅ１）から励起準位（Ｅ２）に全て遷移し、サブバンド間吸収がなくなる。その際、同じまたは別のサブバンド間エネルギーに共鳴した光（信号光Ｓとする）は制御光Ｃにより基底準位（Ｅ１）にキャリアが存在しなくなることによって全て透過する。
また、第９図は、サブバンド間光制御光変調器の動作原理を模式的に示す。同一のバンドに属するサブバンドのサブバンド間エネルギーに共鳴した光（制御光Ｃとする）が入射するとサブバンド間光吸収によりキャリアが全て基底準位（Ｅ１）から励起準位（Ｅ２）に遷移する。制御光Ｃが入射することによって基底準位（Ｅ１）のサブバンドにキャリアが存在しなくなるので、バンド間エネルギーに共鳴した光（信号光Ｓとする）が入射するとバンド間吸収が起こり信号光Ｓの透過率がゼロとなる。
ＺｎＯヘテロ構造を用いたサブバンド間光制御光スイッチはサブバンド間吸収の吸収飽和を用いる。しかしながら、従来のＧａＡｓのような材料ではサブバンド間緩和時間が遅く、高速動作が困難である。ＺｎＯは、大きなＦｒｏｈｌｉｃｈ相互作用のために、第３図に示すように、ＧａＡｓ、ＧａＮと比較してサブバンド間緩和時間が非常に速く、また、ホモロガス化合物に代表される絶縁体ＲＭＯ３（ＡＯ）ｍ（Ｒ＝Ｓｃ、Ｆｅ、またはＩｎ；Ｍ＝Ｉｎ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｇａ、またはＡｌ；Ａ＝Ｚｎ、Ｍｇ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、またはＣｄ；ｍ＝自然数）または（Ｌｉ，Ｎａ）（Ｇａ，Ａｌ）Ｏ２との間のバンド不連続量が非常に大きいので、光通信に重要な１．３μｍおよび１．５５μｍ帯で超高速動作が可能となる。
ＺｎＯヘテロ構造ではサブバンド間緩和時間が超高速であることに加え、サブバンド間光をゲート光に用いて紫外領域にあるバンド間光を超高速に変調することが可能である。
産業上の利用可能性
本発明によれば、幅広いデバイス応用が可能な透明基板、可塑性基板上に作製できるＺｎＯヘテロ構造サブバンド間広帯域・超高速光半導体素子を提供できる。本発明の光半導体素子は、近赤外からテラヘルツ領域で動作する発光ダイオード、レーザーダイオード、フォトディテクタ、光スイッチ、光変調器などの製品に適用できる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、ＺｎＯとホモロガス化合物の格子定数の関係を示すグラフである。
第２図は、無限障壁ポテンシャルを仮定した場合のＺｎＯ量子井戸の井戸幅とサブバンド間遷移エネルギーの関係（計算結果）を示すグラフである。
第３図は、サブバンド間エネルギーとサブバンド間緩和時間の関係（計算結果）を示すグラフである。
第４図は、本発明のＺｎＯ超格子構造で両側を挟まれたＺｎＯ量子井戸構造の単層および多層構造を有する発光素子を模式的に示す図である。
第５図は、本発明のＺｎＯ超格子構造で両側を挟まれたＺｎＯ量子井戸構造の単層および多層構造を有する受光素子を模式的に示す図である。
第６図は、本発明の井戸層または障壁層にドーピングされたＺｎＯ量子井戸構造の単層および多層構造を有する受光素子を模式的に示す図である。
第７図は、本発明の発光素子または受光素子からなる光半導体素子構造の一例を示す断面図である。
第８図は、本発明のＺｎＯ量子井戸構造の単層および多層構造からなる光スイッチの動作原理を模式的に示す図である。
第９図は、本発明のＺｎＯ量子井戸構造の単層および多層構造からなる光変調器の動作原理を模式的に示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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