2025. 11. 30. 15:12ㆍRadiation Hardness
Ani Khachatrian, Member, IEEE, Stephen J. Pearton, Fellow, IEEE, Fan Ren, Life Fellow, IEEE, Adrian Ildefonso, Member, IEEE, Joel Hales, Member, IEEE, and Dale McMorrow , Fellow, IEEE
Manuscript received 21 February 2024; revised 27 March 2024; accepted 2 April 2024. Date of publication 5 April 2024; date of current version 16 August 2024. This work was supported in part by Office of Naval Research and in part by the Defense Threat Reduction Agency (DTRA) as part of the Interaction of Ionizing Radiation with Matter University Research Alliance (IIRM-URA) under Award HDTRA1-20-2-0002. (Corresponding author: Ani Khachatrian.) Ani Khachatrian, Adrian Ildefonso, and Dale McMorrow are with U.S. Naval Research Laboratory, Washington, DC 20375 USA (e-mail: ani.khachatrian@nrl.navy.mil; adrian.ildefonsorosa@nrl.navy.mil; dale.mcmorrow@nrl.navy.mil). Stephen J. Pearton is with the Department of Materials Science and Engineering, University of Florida, Gainesville, FL 32606 USA (e-mail: spear@mse.ufl.edu). Fan Ren is with the Department of Chemical Engineering, University of Florida, Gainesville, FL 32611 USA (e-mail: fren@che.ufl.edu). Joel Hales is with Jacobs Inc., Herndon, VA 20171 USA, and also with the U.S. Naval Research Laboratory, Washington, DC 20375 USA (e-mail: joel.hales.ctr@nrl.navy.mil). Color versions of one or more figures in this article are available at https://doi.org/10.1109/TNS.2024.3385708. Digital Object Identifier 10.1109/TNS.2024.3385708
IEEE TRANSACTIONS ON NUCLEAR SCIENCE, VOL. 71, NO. 8, AUGUST 2024
Abstract
갈륨 산화물(Ga₂O₃) 수직 정류기에 대해 초고속 레이저 펄스를 이용한 단일 사건 효과(Single-Event Effects, SEEs) 연구를 수행했다. 두 광자 흡수(Two-Photon Absorption, TPA) 기법을 350 nm 레이저 파장에서 적용하여, 기기에 주입된 전하, 바이어스, 그리고 결함 존재 여부에 따라 과도 응답이 어떻게 변화하는지를 규명했다. 펄스 레이저 기반 단일 사건 측정을 통해 Ga₂O₃ 소자에서 역바이어스가 증가하고 성장 과정에서 발생한 결함이 존재할 경우 단일 사건 과도 응답(Single-Event Transients, SETs)이 더욱 증대됨을 확인했다.
I. INTRODUCTION
와이드 밴드갭 반도체 소재 기반 소자는 고출력 및 고주파 응용을 위해 우주 환경에서 점차 널리 사용되고 있다. 그러나 이러한 소자는 변위 손상(Displacement Damage, DD)과 총 이온화 선량(Total Ionizing Dose, TID) [1]과 같은 방사선 효과에 취약하며, 특히 단일 사건 효과(Single-Event Effects, SEEs)에 민감했다 [2], [3], [4], [5].
방사선 환경에서, 광대역 밴드갭 재료의 격자 결함은 문턱 전압 이동, 캐리어 이동도 감소, 이동 캐리어 포획에 따른 스위칭 지연, 온 저항 증가 등을 통해 소자 성능에 큰 영향을 미치는 것으로 알려졌다 [6], [7], [8]. 또한 성장 과정에서 발생하거나 방사선에 의해 유도된 결함은 전하 집적이 강화되는 영역을 형성할 수 있었다 [2], [3], [4], [5]. 이러한 고밀도 결함 영역은 SEEs에 가장 민감하며, 방사선에 의해 유도되는 파괴적 고장에 가장 취약한 영역이 될 수 있었다 [9].
가장 유망한 광대역 밴드갭 반도체 중 하나는 갈륨 산화물(Ga₂O₃)로, 최근 전력 전자 [10], [11], [12], [13], [14], [15], [16] 및 자외선(UV) 검출 [17] 응용 분야에서 독특한 장점으로 인해 큰 주목을 받았다. Ga₂O₃의 주요 장점 중 하나는 기존 반도체 재료인 Si와 SiC보다 훨씬 넓은 밴드갭을 가진다는 점이었다. Ga₂O₃는 결정상에 따라 4.5–5.3 eV 범위의 밴드갭을 가지며, 이는 높은 항복 전압에서 동작하고 고출력 수준을 효율적으로 처리할 수 있게 했다. 안정된 다형태는 β-Ga₂O₃(밴드갭 4.8 eV)로, 용융 성장법을 통해 대면적, 고품질 기판을 저비용으로 벌크 단결정 형태로 성장시킬 수 있었다. 이러한 넓은 밴드갭은 낮은 누설 전류, 전력 손실 감소, 전력 밀도 향상으로 이어져, Ga₂O₃를 전력 변환기 및 인버터와 같은 고출력 응용에 이상적인 후보로 만들었다.
더 나아가 Ga₂O₃는 우수한 열적 안정성을 보여 고온에서 동작할 수 있었으며, 이는 전력 전자 소자에서 복잡하고 비용이 많이 드는 냉각 시스템의 필요성을 줄였다. 또한 우수한 전자 이동도와 포화 속도는 향상된 스위칭 성능에 기여하여, 스위칭 손실을 줄이고 전체 효율을 개선했다. 전력 전자 분야에서의 우수한 성능 외에도, Ga₂O₃는 고유한 광대역 밴드갭 덕분에 뛰어난 자외선 검출 능력을 보여주었다 [18]. 이 특성은 Ga₂O₃ 기반 광검출기가 자외선에 대해 높은 감도를 가지면서 가시광 간섭에는 최소한으로 영향을 받도록 했다. 따라서 Ga₂O₃ 기반 자외선 검출기는 환경 모니터링, 항공우주, 반도체 리소그래피 등 정밀한 자외선 검출이 필수적인 다양한 분야에 응용될 수 있었다. 요약하면, Ga₂O₃는 광대역 밴드갭, 고온 내성, 우수한 전자적 특성의 독특한 조합을 제공하여 전력 전자 및 자외선 검출 모두에 매우 유망한 소재로 부상했다.
Ga₂O₃ 기반 소자는 고온 및 가혹한 환경 응용을 위한 차세대 마이크로전자 소자의 매력적인 후보이므로, SEE 메커니즘에 대한 이해가 필수적이었다. 그러나 Ga₂O₃에서의 SEE 연구는 거의 발표되지 않았다. 대부분의 기존 연구는 금속-산화물-반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET) 구조에서 단일 이온 충돌에 의한 잠재적 파괴에 대한 시뮬레이션 연구 [18], [19], [20] 또는 바이어스된 필드 링을 이용한 전하 추출 향상 [21]에 집중했다. 한편, 알파 입자, Cf-252, 산소 또는 염소 이온 조사 중 쇼트키 다이오드에서 발생하는 이온 유도 단일 사건 소손에 대한 실험적 연구가 한 차례 수행되었다 [22]. 해당 연구는 서로 다른 형태의 방사선에 대해 다이오드의 응답 차이를 보여주었다. 보다 최근의 연구 [23]에서는 필드 플레이트가 구조 내 최대 전기장 강도를 줄이고 SEB 내성을 개선하는 데 유익함을 보여주었다.
초고속 펄스 레이저를 이용한 SEE 연구는 여러 장점을 가졌다. 첫째, 실험실 조건에서 SEE 특성화를 위한 이온 유도 전하 주입을 모사할 수 있었다. 둘째, 시험 소자(Device Under Test, DUT)를 따라 레이저를 주사하고 결과로 나타나는 SET 특성을 모니터링함으로써 시간적 및 공간적 정보를 모두 추출할 수 있었다. 셋째, 레이저 펄스 에너지, 레이저 펄스 지속 시간, 초점에서의 레이저 빔 반경과 같은 중요한 레이저 매개변수가 알려진 완전히 보정된 레이저 시스템을 활용함으로써, 주입된 전하 프로파일의 정확한 3차원 모델링이 가능했다.
본 논문의 목표는 Ga₂O₃ 소자에 대한 펄스 레이저 SEE(PL SEE) 연구였다. 우리는 레이저 펄스에 의해 주입된 전하를 수치적으로 결정하고 전하 집적 효율(Charge Collection Efficiency, CCE)을 산출할 수 있음을 입증했다. Ga₂O₃ 소자에 대한 PL SEE 측정은 레이저 펄스 에너지 증가, 인가된 바이어스, 성장 관련 결함이 SET를 증대시킴을 보여주었다. Ga₂O₃ 소자의 SET 응답에 대한 이해는 우주 응용을 위한 차세대 소재 시스템 개발에 매우 중요했다.
II. EXPERIMENTAL SETUP
본 연구는 미국 해군 연구소(U.S. Naval Research Laboratory)의 광대역 밴드갭 소재 PL SEE 빔 라인을 이용하여 수행했다. PL SEE 빔 라인(Fig. 1)은 Coherent Monaco 1035-40-Opera-HP 광학 매개 증폭기(Optical Parametric Amplifier, OPA) 초고속 레이저와 고해상도 자외선–가시광(UV–VIS) 이미징 시스템으로 구성되어 있었다. 광대역 밴드갭 소재 PL SEE 빔 라인은 완전히 보정되어 있으며, 레이저 펄스 에너지와 입력 레이저 빔 스폿 크기를 제어하는 온라인 모니터 및 컨트롤러를 포함했다. 레이저 펄스는 반치폭(full width at half maximum, FWHM) 250 fs의 펄스폭을 가지며, 반복률은 1 kHz로 설정했다. 레이저 빔은 장거리 작업 거리 무한 보정 현미경 대물렌즈를 사용하여 소자에 집속했다. 본 연구에서는 레이저 시스템을 350 nm 파장으로 조정하고 두 광자 흡수(Two-Photon Absorption, TPA) 기법을 적용했다. 빠른 과도 응답은 Tektronix 16 GHz 50 GS/s 디지털 포스포러스 오실로스코프로 기록했다.
Ga₂O₃ 수직 정류기는 전면 Ni/Au 접촉과 후면 인듐 주석 산화물(Indium Tin Oxide, ITO) 또는 후면 접촉이 없는 구조, 혹은 Ga₂O₃/ITO 다이오드 구조를 사용하여 Ga₂O₃ 소재 기반 소자의 단일 사건 과도 응답(Single-Event Transient, SET)을 규명했다(Fig. 1). 이러한 소자는 두꺼운(650 µm) Ga₂O₃ 기판(Ni/Au 또는 ITO 후면 오믹 접촉)과 약하게 Si 도핑된(∼10¹⁶ cm⁻³) 10 µm 에피택셜 층으로 구성되었으며, 이는 도전성 기판 위에 성장했다. 수직 정류기의 전면은 직경 200 µm의 Ni/Au 쇼트키 접촉을 가졌다. 가장자리 종단은 정류 접촉 가장자리에 유전체 SiNx 오버레이어를 통해 구현했다. 또한 동일한 구조를 가지면서 전면 및 후면에 ITO 접촉을 적용하여 드리프트 영역으로 직접 조사할 수 있는 정류기도 검토했다. 소자 제작에 대한 세부 사항은 [24]에 기술되어 있다. 각 소자는 맞춤 설계된 40 GHz 테스트 보드에 와이어 본딩되었다. 우리는 26 GHz 엔드 런치 SMA 커넥터와 8 ps 상승 시간을 가지는 26 GHz 바이어스 티를 사용했다.
III. RESULTS AND DISCUSSION
우리는 두 종류의 Ga₂O₃ 소자에 대해 PL SEE 연구를 수행했고, 서로 다른 레이저 펄스 에너지 조건에서 이들 소자의 과도 응답을 측정했으며, 소자 구조와 바이어스에 초점을 맞추었다.
A. Charge Deposition and Charge Collection
SET 측정을 위한 레이저 파장의 선택은 소자 구조, 반도체의 밴드갭, 레이저 펄스의 침투 깊이 등 여러 요인에 따라 달라졌다. 우리는 350 nm 레이저 펄스를 사용했으며, 이는 3.54 eV의 광자 에너지를 가졌다. 단일 광자의 에너지는 β-Ga₂O₃의 4.85 eV 밴드갭을 넘기에 충분하지 않았다. 가전자대에서 전도대로 전자를 여기시키기 위해서는 두 광자의 동시 흡수(Fig. 1)가 필요했다. 또한 레이저에 의한 전자 여기 과정은 결함 준위에서 전도대로도 일어날 수 있었다. SET 민감 영역에 접근하기 위해, 우리는 Ga₂O₃ 수직 정류기에 대해 웨이퍼 관통형 TPA 기법을, Ga₂O₃/ITO 다이오드에 대해서는 상부 조사형 TPA 기법을 적용했다.
레이저 펄스의 축 방향 및 시간 의존성은 가우시안 함수로 기술될 수 있었다. 우리는 레이저 펄스 에너지, 레이저 펄스 지속 시간, 초점에서의 레이저 스폿 크기, 문헌에서 인용한 광학 상수 [25], [26], [28], 그리고 [29]에 기술된 해석적 방정식을 포함한 레이저 매개변수를 이용하여 TPA 과정에 의해 주입된 전하를 계산했다. [29]와 [30]에서 제시된 방법을 이용한 광학 시뮬레이션은 주요 실험 레이저 매개변수, 집속 기하학, 재료 특성에 기반하여 레이저 유도 전하 캐리어 밀도 프로파일과 주입 전하를 결정하는 편리한 방법이었으며, 별도의 상용 전하 시뮬레이션 프로그램에 접근할 필요가 없었다. TPA를 통한 총 주입 전하는 레이저 펄스 에너지의 제곱에 비례했다. 에너지 의존 측정은 레이저 유도 소자 열화나 파괴적 고장 현상이 관찰되지 않는 범위의 레이저 펄스 에너지 구간에서 수행했다.
집적 전하를 결정하기 위해, 레이저 펄스에 의해 발생한 SET를 오실로스코프의 50 Ω 입력 임피던스를 고려하여 시간에 따라 적분했다. CCE(Charge Collection Efficiency)는 집적 전하와 주입 전하의 비율이었다. 수직 Ga₂O₃ 정류기와 Ga₂O₃/ITO 다이오드의 CCE는 Fig. 2에 나타냈다. 집적 전하가 주입 전하와 동일할 때, 집적 전하 효율은 100%였다. Fig. 2에 제시된 집적 전하 측정 결과는 서로 다른 소자, 서로 다른 바이어스, 그리고 서로 다른 집속 기하학 조건에 대한 것이었다. 집적 전하는 실험적으로 결정했으며, 주입 전하는 레이저 매개변수, 소자 구조, 연구 대상 재료의 특성에 기반하여 계산했다. 모든 경우에서 실험 결과는 전하 집적 효율이 약 100%에 근접함을 보여주었다.
Fig. 3의 공간적 SET 주사 결과로부터, 역바이어스가 증가함에 따라 횡방향의 전하 집적 영역이 Ni/Au 쇼트키 접촉 외부로 약 20 µm 확장됨을 확인할 수 있었다. 공간 주사 결과는 높은 역바이어스에서 전하 집적 단면적이 증가함을 나타냈다.
축 방향에서의 전하 집적은 소자의 민감 부피 깊이에만 의존하는 것이 아니라, 실험의 집속 기하학에도 크게 영향을 받았다. 서로 다른 현미경 대물렌즈로 집속했을 때의 전하 밀도 프로파일에 대한 광학 시뮬레이션 [Fig. 4(a)–(c)]에서는, 소자의 SET 응답이 동일한 피크 진폭을 나타내도록 해당 레이저 펄스 에너지를 선택했다. 레이저 펄스 에너지는 소자의 표면에서 측정했다. 웨이퍼 관통 측정의 경우, 레이저 전파 경로의 상부 표면은 벌크 Ga₂O₃ 층이었다. 상부 조사 측정의 경우, 상부 표면은 Ga₂O₃ 에피택셜 층이었다. 민감 부피 내로 전파되는 레이저 펄스에 의해 주입된 전하를 정확히 결정하기 위해, 각 층에서의 반사 및 흡수 손실을 고려했다.
Fig. 3의 공간 주사 결과는 레이저가 쇼트키 접촉 근처 및 하부의 에피택셜 층에 집속되었을 때 가장 큰 레이저 유도 SET가 관찰됨을 보여주었다. 동일한 설계의 Ga₂O₃ 정류기에 대해 Sharma 등 [24]이 수행한 TCAD 시뮬레이션은 접촉 가장자리 근처의 전기장이 가장 높으며, 소자 고장은 일반적으로 이 위치에서 발생함을 보여주었다. 이온 충돌 범위가 에피택셜 층 두께보다 길면 전하 생성이 가속되지만 전하 제거 시간에는 변화가 없었다. 반면, 이온 침투 깊이가 에피택셜 층보다 짧으면 누설 전류에만 영향을 주었다.
보다 강한 집속 기하학(80× 대물렌즈)에서는 350 nm TPA 과정에 의해 생성된 전하 분포 프로파일의 깊이가 약 10 µm였다. 전하 분포 시뮬레이션은 보다 약한 레이저 빔 집속 조건(5× 및 10× 대물렌즈)에서 주입 전하 분포가 수백 µm까지 확장될 수 있음을 보여주었다(Fig. 4). 그러나 약한 집속(5×)에서의 피크 캐리어 밀도는 80× 대물렌즈로 집속했을 때 생성된 피크 캐리어 밀도보다 거의 세 자릿수 낮았다. 모든 소자의 Ga₂O₃ 에피택셜 층은 10 µm였다. 광학 시뮬레이션에서는 민감 부피 깊이를 10 µm로 설정했다. 서로 다른 민감 부피 깊이를 적용한 시뮬레이션은 실험 데이터를 잘 추적하지 못했다. 향후 중이온 연구와 펄스 레이저 측정과의 상관관계는 방사선원의 범위와 민감 부피 깊이가 소자의 SET 응답에 어떻게 영향을 미치는지에 대한 이해를 제공할 수 있을 것이다.
B. Through-Wafer TPA in Ga₂O₃ Rectifier
Ga₂O₃ 수직 정류기의 상부에 위치한 대면적 Ni/Au 쇼트키 접촉은 소자의 상부 레이저 탐침을 방해했다. 우리는 650 µm 두께의 벌크 Ga₂O₃를 통과하여 레이저 펄스가 소자의 민감 부피에 영향을 받지 않고 도달할 수 있는 웨이퍼 관통 방식(through-wafer approach)을 선택했다. 네 개의 소자를 시험했으며, 그 중 하나는 벌크 Ga₂O₃ 상부에 ITO 층을 포함했다. ITO의 존재는 10% 미만의 추가 반사 손실을 유발했다.
Ga₂O₃ 정류기의 과도 응답은 서로 다른 레이저 펄스 에너지에서 기록되었으며, 바이어스는 −40 V에서 +2 V까지 변화시켰다. 바이어스와 레이저 펄스 에너지에 따른 SET 피크 진폭은 Fig. 5에 나타냈다. SET 피크 진폭은 레이저 펄스 에너지와 인가된 역바이어스가 증가함에 따라 크게 증가했다. 모든 바이어스 조건에서, SET 피크 진폭은 레이저 펄스 에너지 증가에 따라 선형적으로 변화했으나, 집적 전하의 레이저 펄스 에너지 의존성은 이차적이었다. 두 가지 바이어스 조건과 45–250 pJ 범위의 레이저 에너지에 대한 SET는 Fig. 6에 제시했다. 우리는 현재 [30]에서 기술된 실리콘 기반 소자에 대한 방법론을 확장하여, 광대역 밴드갭 소재 기반 소자에 대해서도 레이저 등가 선형 에너지 전달(Linear Energy Transfer, LET)을 결정할 수 있도록 연구를 진행하고 있다. 후면 접촉은 과도 응답에 영향을 주지 않는 것으로 확인되었으므로, 우리는 Fig. 1의 구조에 집중하여 ITO를 사용하지 않고 기판을 통한 후면 조사(backside illumination)를 적용했다.
레이저 펄스에 의해 주입된 전하는 전자-정공 쌍을 생성했으며, 역바이어스가 인가되면 정공은 금속 접촉으로 이동했고, 집적 전하는 양의 SET 신호로 나타났다. 깊은 준위 결함 상태—Ga 공석 수용체 상태 [13]—의 존재는 정공을 포획하여 표면 근처의 전하 밀도를 증가시키고, 쇼트키 장벽을 낮추며, 그 결과 SET를 증대시켰다. SET의 감쇠율은 쇼트키 접촉 금속에서 포획된 정공으로 채워진 깊은 수용체 상태로 전자가 터널링하는 과정과 깊은 수용체 상태에서 정공의 열 방출에 의해 영향을 받았다. 동일한 메커니즘은 [31]에서 제안되었으며, 해당 연구에서는 259 nm LED 조사 하에서 광전류 측정 시 Ga₂O₃ 쇼트키 다이오드의 감광도가 크게 증가함을 관찰했다.
C. Top-Side TPA in Ga₂O₃/ITO Diode
Ga₂O₃/ITO 다이오드(Fig. 1)의 금속 쇼트키 접촉은 다이오드의 활성 영역에 비해 훨씬 작았다. 금속화가 적어 상부 조사형 TPA 기법을 사용할 수 있었다. Fig. 7의 소자 마이크로그래프 이미지는 투명한 에피택셜 Ga₂O₃, 벌크 Ga₂O₃, 그리고 Ga₂O₃ 층을 통해 관찰되는 ITO의 사각 윤곽을 보여주었다.
Ga₂O₃/ITO 다이오드의 SET 매핑 [Fig. 7(a)]은 SET가 강화된 영역인 핫 스팟을 나타냈다. 핫 스팟의 위치는 Fig. 7(b)의 Ga₂O₃/ITO 다이오드 마이크로그래프 이미지에 표시했다. 측정은 두 가지 집속 기하학을 사용하여 수행했으며, 두 현미경 대물렌즈(10× 및 80×)를 이용했다. 각각의 집속 빔 1/e² 반경은 1.9 µm와 0.5 µm였다. 두 기하학 조건에서 SET 피크 진폭이 동일하도록 레이저 펄스 에너지를 조정했다. 서로 다른 레이저 빔 집속 조건은 매우 다른 전하 주입 프로파일을 초래했다(Fig. 4). 높은 배율 대물렌즈(80×)에 의해 형성된 더 작은 초점 빔 반경은 훨씬 더 국소화된 전하 주입 프로파일과 한 자릿수 이상 높은 피크 전하 밀도를 생성했다. 두 집속 기하학에서 얻은 SET를 비교했을 때, 국소화된 고밀도 주입 전하는 더 길고 느리게 감쇠하는 SET [Fig. 7(b)]를 생성했으며, 더 큰 SET FWHM 폭을 나타냈다.
콜드 스팟은 핫 스팟의 결함 밀도에 비해 훨씬 낮은 결함 밀도를 가진 영역이었다. 그 결과, 콜드 스팟에서의 SET는 더 빠르게 감쇠했고 SET 피크 진폭도 훨씬 작았다 [Fig. 7(c)].
SET는 두 개의 시간 상수를 가진 이중 지수 감쇠 함수(double exponential decay function)에 적합할 수 있었다. SET의 상승 시간은 50 ps 미만이었다. 지수 함수의 빠른 감쇠 성분은 약 0.2–0.6 ns였다. 핫 스팟 SET의 느린 감쇠 성분은 약 15 ns 이상이었으며, 콜드 스팟 SET의 느린 성분은 10 ns 미만이었다. [31]의 저자들은 짧은 감쇠 시간이 포획된 정공으로 채워진 수용체 상태로 전자가 터널링하기 때문이라고 제안했다. 긴 감쇠는 정공의 열 방출에 기인했다.
IV. CONCLUSION
본 연구에서는 350 nm 초고속 레이저 펄스를 이용하여 Ga₂O₃ 소자에 대한 PL SEE 연구를 제시했다. 레이저에 의해 유도된 SET의 형태는 레이저 펄스 에너지, 주입 전하 분포 프로파일, 바이어스, 그리고 성장 관련 결함의 존재에 크게 의존했다. SET 감쇠 시간은 정공으로 채워진 깊은 준위 결함 상태로의 전자 터널링과 정공의 열 방출 모두에 의해 영향을 받는 것으로 판단되었다. 우리는 TPA 과정을 통해 레이저 펄스에 의해 주입된 전하를 정확히 결정했다. 또한 수직 Ga₂O₃ 정류기와 Ga₂O₃/ITO 다이오드에서의 CCE가 거의 100%에 근접함을 입증했다. 향후 연구에서는 펄스 레이저에 의해 생성된 SET와 중이온에 의해 생성된 SET를 상관 분석 및 비교할 계획이다.
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