CN1324498A - 发光二极管用磷进行波长转换的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种装置(100),包括一激活区(120)、一磷层(140)和一基片(130)。该激活区可发射第一组波长中第一波段波长的光。该磷层有第一折射率。该磷层包括多个波长转换磷。该磷层可把激活区发射的第一波段波长的光转换成第二波段波长。第二波段波长的中心波长比第一波段波长的中心波长大。该基片位于该激活区与该磷层之间并与它们接触。该基片有第二折射率。该第一折射率大致等于该第二折射率。

Description

发光二极管用磷进行波长转换的方法和装置

相关申请

本发明要求1998年10月21日递交的美国临时申请60/105,056的利益。

发明背景

本发明一般涉及发光二极管，特别涉及发光二极管用磷进行波长转换的方法和装置。

以往，发光波长在紫外光与蓝光之间的发光二极管(LED)的外部效率很低，例如只有发红光AlGaAs LED之类其他装置的百分之一的千分之几。但是，由于InGaN/AlGaN量子阱装置所取得的进展，已可制作发光波长在紫外光与蓝光之间、其效率可与最佳发红光或发黄光的LED相比拟的LED。例如，据报道，室温下发光波长为400-450nm的InGaN/AlGaN LED的外部效率达10％。参见Nakamura等人的Appl.Phys.Lett.67(13),1995,p.1868；也可参见作为参考材料包括在此的Nakamura等人的美国专利5,959,307。由于InGaN/AlGaN的折射率高，因此10％的外部效率与接近100％的内部效率相当。因此，发光波长在紫外光与蓝光之间的这些LED的内部效率比公知的发红光或发黄光的LED高。

由于发光波长在紫外光与蓝光之间的LED的相对效率较高，因此以这些装置为良好基础可设计发光波长从绿光到红光的发光装置。但是，现有系统无法有效地装有发光波长在紫外光与蓝光之间的LED。

发明概述

一装置包括一激活区、一磷层和一基片。该激活区可发射从第一组波长中选出的第一波段波长的光。该磷层具有第一折射率。该磷层包括多个波长转换磷。该磷层可把从该激活区发射的光的第一波段波长转换成第二波段波长。第二波段波长的中心波长比第一波段波长的中心波长大。该基片位于该激活区与该磷层之间并与它们接触。该基片具有第二折射率。第一折射率大致等于第二折射率。

附图的简要说明

图1示出本发明发光装置一实施例。

图2示出本发明发光装置另一实施例。

图3示出本发明发光装置一实施例的外部效率上限与一磷层的折射率之间的关系。

图4示出本发明一实施例的具有三个颜色象素的发光装置的一部分。

图5示出本发明另一实施例的具有至少一个反射层的发光装置。

图6示出本发明另一实施例的具有一反射层的发光装置。

图7示出本发明一实施例的呈台型结构的发光装置。

图8示出本发明该实施例的具有多个象素的发光装置，其中，每一个象素呈台型结构。

详细说明

图1示出本发明发光装置一实施例。发光装置100包括接触点110、激活区120、基片130、磷层140和接触点150。激活区120可进一步包括装置层121、激活层122和装置层123。

激活区120可为任何类型的层，该(这些)层通过受激发光过程生成具有特殊波段波长的光。该特殊波段波长可为一可由一特殊激活层生成的一大组波长的子集。例如，一至少由Al_xGa_1-xN(其中，x为0和1之间的值)构成的激活层122可生成波段波长在约300nm-约500nm的光。波长的这一范围(即300nm-500nm)在紫外光与蓝光之间。换句话说，由激活层122生成的该组可能波长可看成可至少由Al_xGa_1-xN构成的一激活区生成的波长，其中，x为0和1之间的值。

在一实施例中，激活层122可至少由InGaN/Al_xGa_1-xN构成，装置层121可为一与激活层122接触的p型AlGaN层，装置层123可为配置在激活层122与基片130之间并与它们接触的一n型AlGaN层。对这种激活区的说明见上述出版物。激活区120可由接触点110和接触点150激发，其中，接触点150呈围绕装置层123的环形。

应该指出，术语“装置层”和“激活层”可各包括多层，例如具有多层的超晶格结构。例如，一p型装置层可包括总体显示出p型行为的多层。具体到图1，装置层121、激活层122、装置层123可各包括比方说呈超晶格结构的多层。

基片130可为任何类型的基片，例如蓝宝石基片、碳化硅或可与装置层123邻接所适当构成的任何材料。

磷层140可为任何合适类型的涂层，其具有埋置在一接合材料中的一波长转换磷矩阵。术语“磷”指在转换入射光的波长的同时可发光的任何物质。“磷”比方说可包括可发光的聚合物。表1例示出可用来构作磷层140的若干涂层。

涂    层	最大辐射波长(nm)	激发波长下的光子转换效率
							254nm	312nm	365nm	405nm	436nm
		2045中PPO	400	0.49	0.80	-						-	-
2045由Bis-MSB	450						0.74	0.93	0.94	-	-
		“蓝涂层”(p-terph.+2045中PPO+Bis-MSB)	430	0.93	0.92	0.95						-	-
Hostasol 8G	510						0.12	0.21	0.10	0.18	0.17
		2045中激光器燃料#481	490	0.75	0.39	0.83						0.91	0.90
2045中激光器燃料#495	520						0.21	0.10	0.28	0.34	0.36
		“绿涂层”(2045中#481+Hostasol8G)	510	0.80	0.42	0.85						0.95	0.95
2045中BBQ	495						0.78	0.62	0.83	0.87	0.82
		“红涂层”(2045中#481+Hostasol8G & HostasolGG)	610	0.55	0.38	0.76						0.90	0.93

请注意，尽管图1所示接触点110覆盖装置层121整个表面，但接触点110也可构作成经接触点110和150在激活层133中获得合适过量的载流子浓度。例如，接触点110可构作成环形。

图2示出本发明发光装置另一实施例。图2所示发光装置200与图1所示发光装置100类似，只是装置100的基片层130不在激活区与磷层之间，磷层与装置层之一直接接触。确切说，发光装置200包括基片210、接触点250、激活区220、磷层230和接触点240。激活区220包括装置层221、激活层222和装置层223。

本发明各实施例的具体构型可随磷层中的磷的浓度而变。下面讨论两种不同的构型之间的区别并示出这两种构型的发光装置的设计方法。

设激活层(例如图1所示激活层122；图2所示激活层222)中的自发发射为各向同性，在与磷层(例如图1中磷层140；图2中磷层230)相反方向上的辐射忽略不计。在这种情况下，如激活层与磷层之间没有其反射率小于磷层折射率n_c的其他层，则下列方程估计耦合效率η_c，即从激活层发出的光耦合到磷层上的部分： ${\mathrm{\η}}_c=\frac{1}{2}(1-{\sqrt{1-\left[\frac{n_c}{n_e}\right]}}^2)$ (1)

在方程(1)中，n_a为位于激活区的激活层与磷层之间(但不必与之接触)的激活区的装置层的折射率。例如，如图1所示，n_a为装置层123的折射率；如图2所示，n_a为装置层223的折射率。

方程(1)计及传入磷层的激发辐射的全内反射，忽略内部层各交界面上(例如图1中基片130与磷层140的交界面)的菲涅耳反射。如方程(1)所示，从激活区到磷层的耦合效率η_c随磷层折射率n_c的增加而增加；但是，磷层与磷层外部介质(例如空气)之间交界面的耦合效率随n_c的增加而减小。可用方程(2)估计磷层与磷层外部介质之间交界面的耦合效率η_p： ${\mathrm{\η}}_p=\frac{1}{2}(1-{\sqrt{\frac{1}{n_c}}}^2)\frac{{4n}_c}{{(1+n_c)}^2}\≅\frac{1}{n_c{(n_c+1)}^2}$ (2)

在方程(2)中，计及磷层与磷层外部介质交界面上的菲涅耳反射和该交界面上的全内反射。方程(1)与(2)的乘积生成(在一光路发射体的近似下)该发光装置外部效率的上限η_e，η_e为n_c的函数。

图3示出本发明发光装置一实施例的外部效率上限与磷层折射率之间的函数关系。如图3所示，当n_c等于n_a时该装置的外部效率η_e最大。因此该装置交界面上的菲涅耳反射在最佳条件下、例如在折射率匹配的装置中可忽略不计。这些因素是在激活区与磷层之间没有中间层或材料(例如如图2所示激活区与磷层之间没有基片)时用作选择具有特定折射率的磷层的合理基础。

但是，当激活区与磷层之间有基片时，例如在图1所示发光装置100中，这一方法就不适用。这一方法在这里之所以不适用，是因为基片130的折射率一般小于激活区折射率n_a。例如，当基片130用蓝宝石制成时，其折射率约为1.75，大大小于激活区折射率(例如，n_a约等于2.25)。当磷层的折射率大于基片的折射率时，外部效率η_e不提高，因为该效率受到激活区与基片的交界面的限制。换句话说，在n_c＞n_s的范围内增加n_c并不提高磷的抽运效率(即激活区到磷层的耦合效率)。

因此，当基片不位于激活区与磷层之间(例如图2所示发光装置200)时，当磷层的折射率(例如磷层230)大致等于激活区的与磷层邻接的装置层(例如装置层223)的折射率时，发光装置的外部效率最大。相反，当基片位于激活区与磷层之间(例如图1所示发光装置100)时，基片(例如基片130)与磷层(例如磷层140)的折射区的折射率应大致相同。

术语“大致相同”在这里指尽可能接近。换句话说，对于基片不位于激活区与磷层之间的发光装置，磷层中的接合材料和磷可选择成：磷层的折射率尽可能接近激活区的与磷层邻接的装置层的折射率。换句话说，在设计一发光装置时在磷层的两组可能的接合材料与磷中作出选择时，应选择折射率与该邻接装置层更接近的一组接合材料与磷。

或者，对于基片位于激活区与磷层之间的各实施例，在设计一发光装置时在磷层的两组可能的接合材料与磷中作出选择时，应选择折射率与基片更接近的一组接合材料与磷。

当磷层中的磷浓度低、从而磷层的折射率不随光的波长而变时上述讨论是充分的。当磷层的折射率主要决定于磷层的接合材料的折射率时磷浓度低。换句话说，当在由激活区生成的光的波长下的磷层折射率与在由磷层进行波长转换的光的波长下的磷层折射率大致相同时，磷浓度低。换句话说，当磷层的散射相对较低时，磷浓度低。

当磷层在接合材料中的磷浓度高时可使用另一种设计。此时，磷层在由发光装置激活区生成的光的波长下的吸收能力强。因此，磷层在由激活区生成的光的波长下的折射率n_ce与磷层在由磷层进行波长转换的光的波长下的折射率n_cr不同。例如，当使用杂质离子激发的CdS和ZnS磷以及使用有机染料磷时，由于有机材料中的强弗兰克-康登移位，就会发生这种情况。

在磷层折射率随波长而变的情况下，接合材料和磷应选择成：在由激活区生成的光的波长下的磷层折射率n_ce大致等于磷层旁与之接触的层的折射率(例如，图1所示基片130或图2所示装置层223)。如果n_ce约等于n_a，不发生反射损耗且激活区中生成的在磷层方向上传播的所有光都转换成波长转换光。同样，接合材料和磷应选择成：在由磷层进行波长转换的光的波长下的磷层折射率n_cr大致等于磷层外部介质的折射率。该介质比方说可为环氧树脂(其折射率比方说为1.4-1.6)、空气、水、真空或具有其自己相应折射率的其他介质。

术语“大致相同”在这里指尽可能接近。换句话说，对于基片位于激活区与磷层之间的发光装置，接合材料和磷可选择成：在由激活区生成的光的波长下的磷层折射率n_ce尽可能接近基片的折射率。同样，在由磷层进行波长转换的光的波长下的磷层折射率n_cr选择成尽可能接近磷层外部介质的折射率。

由于磷的波长转换的内部效率接近100％，因此磷层折射率n_c的散射可导致该装置的外部辐射效率绝对值提高。使用由方程(2)给出的η_e近似值，波长转换辐射的外部效率与没有磷涂层的紫外光/蓝光发光装置的效率之比等于0.5n_a(n_a+1)²/n_cr(n_cr+1)²。由于波长转换辐射中只有一半在发射表面方向上传播，因此使用0.5因子。尽管如此，如比方说n_a=n_ce=2.5和n_cr=1.5，波长转换辐射的量子效率预期比紫外光/蓝光发光装置的效率高50％，其绝对值甚至在所述一光路模型的框架中高达5％。

图4示出本发明一实施例的一具有三个颜色象素的发光装置的一部分。发光装置400可包括基片410、装置层420、象素430、440和450。每一象素430、440和450可代表用于显示的一种颜色。例如，象素430可生成波长与红色对应的光、象素440可生成波长与绿色对应的光、象素450可生成波长与蓝色对应的光。当然，尽管图4例示出一发光装置的一部分(即该部分有三个象素)，但这类发光装置可包括比方说在一两维阵列中的许多象素。此时，每一象素可被单独地定址以显示一种颜色。

象素430进一步包括接触点431、磷层432、装置层433、激活层434和接触点435。对于象素430，激活区434可被定义为装置层433、激活层434和装置层420的与激活层434邻接并与之接触的部分和接触点435。

象素440进一步包括接触点441、磷层442、装置层443、激活层444和接触点445。对于象素440，激活区444可被定义为装置层443、激活层444和装置层420的与激活层444邻接并与之接触的部分和接触点445。

最后，象素450进一步包括接触点451、磷层452、装置层453、激活层454和接触点455。对于象素450，激活区454可被定义为装置层453、激活层454和装置层420的与激活层454接触的部分和接触点455。

磷层432、442和452可选择成，其对应象素430、440和450分别发出与红色、绿色和蓝色对应的波长的光。确切说，象素450所发出的光的波段波长的中心波长为约400nm-约550nm。象素440所发出的光的波段波长的中心波长为约430nm-约650nm。象素430所发出的光的波段波长的中心波长为约550nm-约750nm。

在另一实施例中，无需有与生成波长为约400nm-约550nm(即蓝色波长)的光的象素有关的磷层。换句话说，与蓝色波长有关的象素的激活层可选择成：激活层生成主要为蓝色波长的光。无需一有关磷层进行波长转换。因此，在该激活层中生成的光可从该象素中直接发射。

一发光装置的外部效率在多路光过程的情况下大大提高。激活层生成的在与波长转换磷层相反方向上传播的光可反射回来，从而激活层到磷层的抽运效率加倍。一反射层比方说可光耦合到激活区上。术语“光耦合”在这里指操作上相关联以使从激活区发出的光受该反射层的反射。例如，激活层旁可有与之接触的反射层，或者，反射层与激活层之间可有一中间层(例如一基片)。

此外，激活区与磷层之间可有另一波长选择反射层。这一波长选择反射层可使在激活区中生成的光通过已被透射且使得磷层生成的光反射回来后朝向该发光装置的发光表面。例如，可在蓝宝石基片上生长波长选择反射GaN/AlGaN滤波器。

图5示出本发明另一实施例的具有至少一个反射层的发光装置。发光装置500包括基片510、接触点560、反射层520、激活区530、反射层540、磷层550和接触点570。激活区530包括装置层531、激活层532和装置层533。在该实施例中，反射层520可反射由激活区530的激活层532生成的波段波长的光以及具有在磷层550中生成的第二波段波长的磷转换光。换句话说，激活层532可生成第一波段波长的光(例如主要为蓝光)向反射层520传播。同样，由磷层550进行波长转换的光可向反射层520传播。在这种情况下，反射层520可同时反射第一波段波长的光和第二波段波长的光(即由磷层500进行波长转换的光)。

反射层540可为一波长选择反射层。换句话说，反射层540可构作成：透射第一波段波长的光(即由激活层532生成的光)，而在磷层550中生成的第二波段波长的光(即波长转换光)在反射层540与磷层550之间交界面上反射。由于波长转换光在该交界面上反射，因此该光更有效地从该发光装置500射出，无需穿过发光装置500的其他各层(例如装置层533、激活层532、装置层531)。

在其他实施例中只有一个反射层。换句话说，在其他实施例中，接触点与装置层之间有反射层，装置层与磷层之间没有反射层。在另一实施例中，也可与此相反，换句话说，装置层与磷层之间有反射层，接触点与装置层之间没有反射层。

图6示出本发明又一实施例的具有一反射层的发光装置。发光装置600包括磷层610、接触点620、激活区630、接触点640、反射层650和基片660。激活区630包括装置层631、激活层632和装置层633。

反射层650可反射第一波段波长的光(例如由激活区630的激活层632生成的光)和第二波段波长的光(例如由磷层610进行波长转换的光)。换句话说，激活层632生成的光可在反射层650的方向上传播，磷层610中通过波长转换生成的光也可在反射层650方向上传播。具有任一这两个波段波长的光都由反射层650反射后引向磷层610，最终从发光装置600射出。

尽管图6中未示出，但装置层631与磷层610之间可有一波长选择反射层。该波长选择反射层可构作成：具有第一波段波长的光(即激活层632生成的光)可透射过它，而在磷层610中生成的具有第二波段波长的光(即波长转换光)在波长选择反射层与磷层620之间的交界面上反射。

图6所示反射层的原理也可用于本发明其他实施例，例如图4所示发光装置400。在该实施例中，装置层420与基片410之间可加入一反射层。在该实施例中，反射层反射激活层434、444和454中生成的光以及磷层432、442和452中生成的波长转换光的所有波长。换句话说，这一反射层可反射例如激活层中生成的主要为紫外光到蓝光波长的光，也可反射与象素450有关的主要为蓝色的波长转换的光、由象素440生成的绿色光和由象素430生成的红色光。同样，磷层432与装置层433之间可有一波长选择反射层。

通过收集与装置层平面接近平行的方向上(即与传播出发光装置的方向接近平行)的光可进一步提高上述发光装置的外部效率。激活区的GaN装置层由于其有效折射率高于基片的折射率而形成一波导。发光装置的倾斜侧壁(例如台型结构)可在发光表面(即磷层的外表面)的方向上传播波导辐射，从而使发光装置的外部效率几乎再次加倍。结合该反射层和一台型结构的上述发光装置的外部效率在整个可见光谱范围内可高达20-30％。

图7示出本发明具有台型结构的发光装置的一实施例。发光装置700包括接触点710、激活区720、接触点730、基片740和磷层750。激活区720包括装置层721、激活层722和装置层723。基片740包括第一面741、第二面742和侧壁743。图7还示出在传播通过发光装置700的一组光760、770和780。

基片740呈台型结构。确切说，基片740的侧壁743与基片740的第二面742斜交成一角度θ。换句话说，由于基片740的第一面741比基片740的第二面742短，因此基片740的侧壁形成一斜面。

基片740的侧壁743外部有一与之接触的介质。该外部介质有其自身的折射率，在图7中用标号790表示。

侧壁743的该斜角取值决定于基片的折射率和外部介质790的折射率。确切说，外部介质790的折射率和基片740的折射率起决定作用是因为在基片740中传播的光按照斯涅耳定律在侧壁743上相互作用。外部介质790比方说可为环氧树脂(其折射率比方说在1.4-1.6之间)、空气、真空或其他有其折射率的介质。基片740的折射率比方说可为1.75-2.0之间。

基片740的折射率和外部介质790的折射率决定着在基片740中传播的光如何按照全内反射进行反射。最佳斜角由下述关系式确定：θ≤90°-ar csin(n₂/n₁)，其中，n₁为基片740的折射率，n₂为外部介质790的折射率。

当然，这一关系式同样可用于发光装置的其他各层，此时n₂为发光装置的该层的折射率，n₁为该层外部介质的折射率。因此，与基片的侧壁可倾斜一样，装置层721、激活层722和装置层723的侧壁也可倾斜。层721、722和723的侧壁的斜角可与基片740侧壁743的斜角相同或也可不同。换句话说，第一装置层、激活层、第二装置层和/或基片中至少一个侧壁可倾斜以使更多光射向发射表面。

举例说，如外部介质为环氧树脂，其折射率为1.4-1.7；基片为蓝宝石，其折射率为约1.75；激活区各层的折射率约为2.0，则发光装置各侧壁的斜角θ约为40°-60°。

通过使诸如光线770、780之类的光线在传播方向上发生改变以在侧壁743上经全内反射而被反射，因此经磷层750射出发光装置700的光更多。

图8示出本发明该实施例的一具有多个象素的发光装置，所有象素都具有台型结构。发光装置800包括基片810、装置层820和象素830、840和850。象素830包括接触点831、磷层832、装置层833、激活层834和接触点835。同样，象素840包括接触点841、磷层842、装置层843、激活层844和接触点845。同样，象素850包括接触点851、磷层852、装置层853、激活层854和接触点855。

与结合图7所示发光装置700所述台型结构一样，图8所示发光装置800的一给定象素或多个象素呈台型结构。下述讨论以象素830为例，尽管象素840、850以及发光装置800的两维象素阵列中的任何其他象素(未示出)也可呈台型结构。

磷层832与激活层834之间的与它们接触的装置层833包括与激活层834邻接的第一面和与磷层832邻接的第二面和一侧壁836。在图8中用标号860表示的侧壁836外部有其自身的折射率的介质。

侧壁的斜角为θ。θ应小于90°，按照θ、外部介质折射率和装置层833的折射率之间的上述关系式如上所述，θ应在40-60°之间变化。请注意，激活层834和装置层820与激活层834邻接的部分的侧壁也可比方说以斜角θ倾斜。

当然，应该指出，尽管以上结合特殊构型说明了本发明，但显然也可使用其他构型。例如，尽管各附图示出发光装置的剖面图，但可使用各种构型，使得发光装置的俯视图比方说呈长方形、圆形或任何其他合适形状。请注意，各附图不以真实比例示出发光装置。以上所示所述各发光装置可呈各层直接相接的整体结构。

Claims (11)

1、一种装置，包括：

具有至少一激活层和第一装置层的一激活区，该第一装置层有一激活区折射率，所述激活区被构成为发射第一组波长中的第一波段波长的光；以及

所述激活区与一外部介质之间、与它们接触的一磷层，所述磷层被构成为把所述激活区发射的第一波段波长的光转换成第二波段波长的光，第二波段波长的中心波长比第一波段波长的中心波长大，所述磷层有与第一波段波长相关的第一折射率和与第二波段波长相关的第二折射率，

所述磷层的第一折射率大致等于该激活区折射率，

所述磷层的第二折射率大致等于外部介质的折射率。

2、按权利要求1所述的装置，其特征在于，该第一组波长在约300nm至约500nm之间。

3、按权利要求1所述的装置，其特征在于：

第一组波长可由至少由Al_xGa_1-xN构成的激活层生成，x为0和1之间的一值。

4、按权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述磷层具有一接合材料和多个波长转换磷，多个波长转换磷在所述磷层中的浓度很高。

5、按权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述激活区包括与该激活层接触的第二装置层。

6、按权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述激活区包括与该激活层接触的第二装置层，

该激活层至少由InGaN/Al_xGa_1-xN构成，x为0和1之间的一值，

第二装置层为一与该激活层接触的p型AlGaN层，以及

第一装置层为该激活层与所述磷层之间配置的并与它们接触的n型AlGaN层。

7、一种设计一发光装置的方法，该发光装置包括一激活区和一波长转换磷层，该激活区至少包括一激活层和第一装置层，该第一装置层位于该激活层与该波长转换磷层之间并与它们接触，所述方法包括：

确定磷层的磷浓度；

当磷层的磷浓度低时，选择第一装置层的折射率，使之与磷层的折射率大致相同；以及

当磷层的磷浓度高时，进行下列步骤：

选择磷层在第一波段波长下的折射率，使之大致等于第一装置层的折射率，该第一波段波长从第一组波长中选出；以及

选择磷层在第二波段波长下的折射率，使之与该磷层相邻的外部介质的折射率大致相同，

第一波段波长与从激活层发射的光相关，第二波段波长与由磷层进行波长转换的光相关，第二波段波长的中心波长比第一波段波长的中心波长大。

8、按权利要求7所述的装置，其特征在于，该第一组波长在约300nm和约500nm之间。

9、按权利要求7所述的装置，其特征在于：

第一组波长可由至少由Al_xGa_1-xN构成的激活层生成，x为0和1之间的一值。

10、按权利要求7所述的装置，其特征在于：

所述激活区包括与该激活层接触的第二装置层。

11、按权利要求7所述的装置，其特征在于：

所述激活区包括与该激活层接触的第二装置层，

该激活层至少由InGaN/Al_xGa_1-xN构成，x为0和1之间的一值，

第二装置层为一与该激活层接触的p型AlGaN层，以及

第一装置层为该激活层与所述磷层之间配置的并与它们接触的n型AlGaN层。

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