JP2022070205A - 光検知素子及び受信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光検知能力が高い光検知素子を提供する。【解決手段】この光検知素子は、光が照射される第１強磁性層と、第２強磁性層と、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層とに挟まれたスペーサ層と、を備え、前記第１強磁性層は、前記スペーサ層に接する第１領域と、前記第１領域より前記スペーサ層から離れた位置にある第２領域とを有し、前記第１領域はＣｏＦｅＢ合金であり、前記第２領域は構成元素としてＦｅとＧｄとを主に含む磁性体である。【選択図】図１

Description

本発明は、光検知素子及び受信装置に関する。

インターネットの普及に伴い通信量は飛躍的に増大しており、光通信の重要性が非常に高まっている。光通信は、電気信号を光信号に変換し、光信号を用いて送受信を行う通信手段である。

例えば、特許文献１には、フォトダイオードを用いて、光信号を受信する受信装置が記載されている。フォトダイオードは、例えば、半導体のｐｎ接合を用いたｐｎ接合ダイオード等である。また例えば、特許文献２には、半導体のｐｎ接合を用いた光センサー及びこの光センサーを用いたイメージセンサーが記載されている。

特開２００１－２９２１０７号公報 米国特許第９８４２８７４号明細書

半導体のｐｎ接合を用いた光検知素子は広く利用されているが、更なる発展のために新たな光検知素子が求められている。また光検知素子は、光を電気信号に変換するものであり、光を電気信号に変換する効率の高い光検知能力の高いものが求められている。

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、光検知能力の高い光検知素子を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。

（１）第１の態様にかかる光検知素子は、光が照射される第１強磁性層と、第２強磁性層と、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層とに挟まれたスペーサ層と、を備え、前記第１強磁性層は、前記スペーサ層に接する第１領域と、前記第１領域より前記スペーサ層から離れた位置にある第２領域とを有し、前記第１領域はＣｏＦｅＢ合金であり、前記第２領域は構成元素としてＦｅとＧｄとを主に含む磁性体である。

（２）上記態様にかかる光検知素子は、前記第１領域と前記第２領域との間に中間層をさらに有し、前記中間層は、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｗ、Ｐｔからなる群から選択されるいずれか１種以上の元素を含んでもよい。

（３）上記態様にかかる光検知素子は、前記第２強磁性層は、前記スペーサ層に接する第３領域と、前記第３領域より前記スペーサ層から離れた位置にありボロンを含む第４領域とを有し、前記第３領域は、前記第４領域よりボロンの濃度が低い、又は、ボロンを含まなくてもよい。

（４）上記態様にかかる光検知素子において、前記第１領域は、前記第２領域よりボロンの濃度が高くてもよい。

（５）上記態様にかかる光検知素子において、前記第３領域は、Ｆｅ又はＣｏＦｅ合金を含み、結晶構造がｂｃｃ構造であってもよい。

（６）第２の態様にかかる受信装置は、上記態様にかかる光検知素子を有する。

上記態様にかかる光検知素子は、光検知能力が高い。

第１実施形態に係る通信システムの概念図である。 第１実施形態に係る送受信装置のブロック図である。 第１実施形態に係る送受信装置の回路図である。 第１実施形態に係る受信装置の断面図である。 第１実施形態に係る光検知素子の断面図である。 第１実施形態に係る光検知素子の動作の第１メカニズムを説明するための模式図である。 第１実施形態に係る光検知素子の動作の第２メカニズムを説明するための模式図である。 第１実施形態に係る光検知素子を用いて多値を出力する場合の光検知素子の動作の第１メカニズムを説明するための模式図である。 第１実施形態に係る光検知素子を用いて多値を出力する場合の光検知素子の動作の第２メカニズムを説明するための模式図である。 通信システムの別の例の概念図である。 通信システムの別の例の概念図である。

以下、実施形態について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲で適宜変更して実施することが可能である。

方向について定義する。光検知素子１０の積層方向をｚ方向とし、ｚ方向と直交する面内の一方向をｘ方向、ｘ方向及びｚ方向と直交する方向をｙ方向とする。ｚ方向は、積層方向の一例である。以下、＋ｚ方向を「上」、－ｚ方向を「下」と表現する場合がある。＋ｚ方向は、基板Ｓｂから光検知素子１０へ向かう方向である。上下は、必ずしも重力が加わる方向とは一致しない。

「第１実施形態」
図１は、第１実施形態に係る通信システム１０００の概念図である。図１に示す通信システム１０００は、複数の送受信装置３００と、送受信装置３００間を繋ぐファイバーＦＢと、を備える。通信システム１０００は、例えば、データセンター内及びデータセンター間のような短、中距離の通信、都市間のような長距離の通信に用いることができる。送受信装置３００は、例えば、データセンター内に設置される。ファイバーＦＢは、例えば、データセンター間を繋ぐ。通信システム１０００は、例えば、ファイバーＦＢを介して送受信装置３００の間の通信を行う。通信システム１０００は、ファイバーＦＢを介さずに、送受信装置３００の間の通信を無線で行ってもよい。

図２は、第１実施形態に係る送受信装置３００のブロック図である。送受信装置３００は、受信装置１００と送信装置２００とを備える。受信装置１００は光信号Ｌ１を受信し、送信装置２００は光信号Ｌ２を送信する。本明細書における光とは、可視光線に限らず、可視光線よりも波長の長い赤外線や、可視光線よりも波長の短い紫外線も含む。

受信装置１００は、例えば、光検知素子１０と信号処理部１１とを備える。光検知素子１０は、光信号Ｌ１を電気信号に変換する。光検知素子１０の詳細は後述する。信号処理部１１は、光検知素子１０で変換した電気信号を処理する。信号処理部１１は、光検知素子１０から生じる電気信号を処理することにより、光信号Ｌ１に含まれる信号を受信する。

送信装置２００は、例えば、光源２０１と電気信号生成素子２０２と光変調素子２０３とを備える。光源２０１は、例えば、レーザー素子である。光源２０１は、送信装置２００の外部にあってもよい。電気信号生成素子２０２は、送信情報に基づき電気信号を生成する。電気信号生成素子２０２は、信号処理部１１の信号変換素子と一体となっていてもよい。光変調素子２０３は、電気信号生成素子２０２で生成された電気信号に基づき、光源２０１から出力された光を変調し、光信号Ｌ２を出力する。

図３は、第１実施形態に係る送受信装置３００の回路図である。図３では、信号処理部１１を省略している。

受信装置１００は、例えば、光検知素子１０と第１電極１５と第２電極１６と入力端子Ｐ_ｉｎと出力端子Ｐ_ｏｕｔと基準電位端子Ｐ_Ｇとを備える。第１電極１５と第２電極１６とは、光検知素子１０を積層方向に挟む。第１電極１５は、例えば、光信号Ｌ１を含む光が照射される側の電極である。光信号Ｌ１に用いる光の波長は例えば、３００ｎｍ以上２μｍ以下であり、光信号Ｌ１に用いる光は、可視光でも、近赤外光でもよい。

第１電極１５は、例えば、入力端子Ｐ_ｉｎ及び出力端子Ｐ_ｏｕｔに接続されている。第２電極１６は、例えば、基準電位端子Ｐ_Ｇに接続されている。入力端子Ｐ_ｉｎは、電源ＰＳに接続されている。電源ＰＳは、受信装置１００の外部にあってもよい。電源ＰＳは、光検知素子１０にセンス電流等を印加する。光検知素子に１０に外部から電流を流す必要が無い場合は、入力端子Ｐ_ｉｎおよび電源ＰＳは無くてもよい。出力端子Ｐ_ｏｕｔは、光検知素子１０を積層方向に挟む第１電極１５と第２電極１６との間の電圧を出力する。光検知素子１０の積層方向の抵抗値は、光検知素子１０の積層方向にセンス電流を流すことでオームの法則から求められる。出力端子Ｐ_ｏｕｔは、信号処理部１１に接続されている。基準電位端子Ｐ_Ｇは基準電位に接続され、受信装置１００の基準電位を決める。図３における基準電位は、グラウンドＧである。グラウンドＧは受信装置１００の外部に設けられてもよい。基準電位は、グラウンドＧ以外でもよい。

受信装置１００と送信装置２００とは、例えば、共通の基準電位（グラウンドＧ）に接続されている。受信装置１００と送信装置２００とは、基準電位が異なってもよい。受信装置１００と送信装置２００との基準電位が同じであると、ノイズの発生を低減できる。

図４は、第１実施形態に係る受信装置１００の断面図である。受信装置１００は、例えば、光検知素子１０と集積回路２０と層間絶縁膜３０と備える。光検知素子１０と集積回路２０と層間絶縁膜３０とは、例えば、同一の基板Ｓｂ上に形成されている。

集積回路２０は、光検知素子１０から出力された信号を処理する信号処理部１１を含む。集積回路２０は、例えば、光検知素子１０からの出力電圧（光検知素子１０のｚ方向の抵抗値）が閾値以上の場合を第１信号（例えば、“１”）とし、閾値未満の場合を第２信号（例えば、“０”）として処理する。送信装置２００が同一の基板Ｓｂ上に形成される場合、集積回路２０は、光源２０１、電気信号生成素子２０２、光変調素子２０３を含んでもよい。集積回路２０と光検知素子１０とは、例えば、層間絶縁膜３０を貫通する貫通配線ｗを介して接続されている。貫通配線ｗに変えてワイヤボンディングで、これらの間を接続してもよい。

層間絶縁膜３０は、多層配線の配線間や素子間を絶縁する絶縁体である。層間絶縁膜３０は、例えば、Ｓｉ、Ａｌ、Ｍｇの酸化物、窒化物、酸窒化物である。層間絶縁膜３０は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ_ｘ）、窒化シリコン（ＳｉＮ_ｘ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、窒化クロム、炭窒化シリコン（ＳｉＣＮ）、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_ｘ）等である。

図５は、第１実施形態に係る光検知素子１０の断面図である。図５では、第１電極１５及び第２電極１６を同時に図示し、強磁性体の初期状態における磁化の向きを矢印で表している。本明細書において、強磁性は、フェリ磁性を含む。

光検知素子１０は、少なくとも第１強磁性層１と第２強磁性層２とスペーサ層３とを有する。スペーサ層３は、第１強磁性層１と第２強磁性層２との間に位置する。光検知素子１０は、これらの他に、第３強磁性層４、磁気結合層５、下地層６、垂直磁化誘起層７、キャップ層８、側壁絶縁層９を有してもよい。

光検知素子１０は、例えば、スペーサ層３が絶縁材料で構成されたＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）素子である。である。この場合、光検知素子１０は、第１強磁性層１の磁化の向きと第２強磁性層２の磁化の向きとの相対角の変化に応じて、ｚ方向の抵抗値（ｚ方向に電流を流した場合の抵抗値）が変化する素子である。このような素子は磁気抵抗効果素子とも呼ばれる。

第１強磁性層１は、外部から光が照射されると磁化方向が変化する光検知層である。第１強磁性層１は、磁化自由層とも呼ばれる。磁化自由層は、所定の外力が印加された際に磁化の向きが変化する磁性体を含む層である。所定の外力は、例えば、外部から照射される光、光検知素子１０のｚ方向に流れる電流、外部磁場である。強磁性体の磁化は、強磁性体に照射される光の強度の高速な変化（高周波の光信号）に追随して方向を変えることができるため、第１強磁性層１を光検知層として利用することで、受信装置１００は高周波の光信号を受信することができ、高速の光通信が可能となる。

第１強磁性層１は、例えば、第１領域１Ａ、第２領域１Ｂ、中間層１Ｃを含む。第１領域１Ａは、スペーサ層３に接する。第２領域１Ｂは、第１領域１Ａよりスペーサ層３から離れた位置にある。中間層１Ｃは、第１領域１Ａと第２領域１Ｂとの間にある。第１領域１Ａ及び第２領域１Ｂのそれぞれは、例えば、ｘ方向及びｙ方向に層状に広がる。

第１領域１Ａは、強磁性体を含む。第１領域１Ａは、例えば、第２領域１Ｂよりボロンの濃度が高くてもよい。第１領域１Ａは、ＣｏＦｅＢ合金である。スペーサ層３に接する第１領域１ＡがＣｏＦｅＢ合金であると、光検知素子１０の磁気抵抗変化率（ＭＲ変化率）が大きくなる。そのため、スペーサ層３に接する第１領域１ＡがＣｏＦｅＢ合金であると、第１領域１Ａの磁化の状態の変化に対する光検知素子１０の出力変化が大きくなる。ＣｏＦｅＢ合金の組成比は適宜変更可能である。ＣｏＦｅＢ合金の元素比は、例えば、ＣｏとＦｅとＢの総和が１００となる条件の下で、Ｃｏ：Ｆｅ：Ｂ＝１５～５５：２５～６５：１５～２５である。

第１領域１Ａの膜厚は、例えば、５Å以上２０Å以下であり、好ましくは８Å以上１５Å以下であり、より好ましくは１０Åである。以下、各層の膜厚及び各領域の膜厚は、ｘｙ面内の異なる１０点におけるｚ方向の厚みの平均値とする。

第１領域１Ａを構成するＣｏＦｅＢ合金の結晶構造は、例えば、ｂｃｃ構造である。

第２領域１Ｂは、構成元素としてＦｅとＧｄとを主に含む磁性体である。第２領域１Ｂは、例えば、ＧｄＦｅ合金、ＧｄＦｅＣｏ合金、ＦｅとＧｄとが積層された積層膜、 又は、ＦｅＣｏ合金とＧｄとが積層された積層膜である。例えば、ＧｄＦｅ合金又はＧｄＦｅＣｏ合金の一例として、Ｇｄ_ｘ（Ｆｅ_１－ｙＣｏ_ｙ）_１－ｘがある。ここでｘは、例えば０．２以上０．３以下であり、ｙは、例えば０以上０．２以下である。また例えば、積層膜の一例として、［Ｆｅ_１－ｙＣｏ_ｙ／Ｇｄ］_ｚがある。ここでｙは、例えば０以上０．２以下で、ｚは積層数であり、例えば４以上１０以下である。それぞれのＦｅ_１－ｙＣｏ_ｙ層の厚さは、例えば３．０Å以上８．０Å以下である。それぞれのＧｄ層の厚さは、例えば、０．５Å以上３．０Å以下である。第２領域１Ｂは、単一の合金でもよく、単一の元素からなる層が複数積層されたものでもよい。第２領域１Ｂは、その構成元素のうちＦｅとＧｄとの合計のモル分率が例えば７０％以上である。

第２領域１Ｂは、例えば、膜面直方向（ｚ方向）に磁化容易軸を有する垂直磁化膜である。第２領域１Ｂの膜厚は、例えば、１０Å以上２００Å以下である。第２領域１Ｂの厚さは、第１領域１Ａより厚くてもよい。

第２領域１Ｂを構成するＦｅとＧｄとを含む磁性体の結晶構造は、例えば、ｂｃｃ構造である。

中間層１Ｃは、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｗ、Ｐｔからなる群から選択されるいずれか１種以上の元素を含む。中間層１Ｃは、非磁性層である。中間層１Ｃは、例えば、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｗ、Ｐｔのいずれかからなる。第１領域１Ａと第２領域１Ｂとは、中間層１Ｃを挟んで、磁気結合している。中間層１Ｃの膜厚は、例えば、１０Å以下である。中間層１Ｃの膜厚は、例えば、１Å以上１０Å以下である。

第１強磁性層１の全体の膜厚は、例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。第１強磁性層１の膜厚は、例えば、１ｎｍ以上５ｎｍ以下であることが好ましい。第１強磁性層１の膜厚が薄いと、第１強磁性層１の垂直磁気異方性が高まる。第１強磁性層１に第１領域１Ａを設けることで、第１強磁性層１が薄い場合でも、光検知素子１０のＭＲ比が向上し、第１強磁性層１の磁化の状態の変化に対する光検知素子１０の出力変化の割合が向上する。

第１強磁性層１が中間層１Ｃを有すると、第１領域１Ａと第２領域１Ｂの結晶構造の違いによる影響を緩和できる。中間層１Ｃが第１領域１Ａと第２領域１Ｂの結晶構造の違いを緩和することで、中間層１Ｃ上に成膜される第２領域１Ｂの結晶性が向上する。

第２領域１Ｂは、Ｆｅ原子の磁気モーメントとＧｄ原子の磁気モーメントとがフェリ磁性的に結合していると考えられる。Ｇｄ原子の磁気モーメントは、光の照射に対して状態が変化しやすい。したがって、第２領域１Ｂの磁化は、第１強磁性層１において第２領域１Ｂが存在しない単独の場合の第１領域１Ａの磁化と比較して、光の照射に対して状態が変化しやすい。第２領域１Ｂの磁化の状態が変化すると、中間層１Ｃを挟んで第２領域１Ｂと磁気結合する第１領域１Ａの磁化の状態も変化する。

第２強磁性層２は、磁化固定層である。磁化固定層は、所定の外力が印加された際に磁化の向きが磁化自由層よりも変化しにくい磁性体からなる層である。第２強磁性層２の保磁力は、例えば、第１強磁性層１の保磁力よりも大きい。第２強磁性層２は、第１強磁性層１と同じ方向に磁化容易軸を有する。第２強磁性層２は、面内磁化膜でも、垂直磁化膜でもよい。

第２強磁性層２は、第３領域２Ａと第４領域２Ｂとを有する。第３領域２Ａは、スペーサ層３に接する。第４領域２Ｂは、第３領域２Ａよりスペーサ層３から離れた位置にある。第３領域２Ａ及び第４領域２Ｂのそれぞれは、例えば、ｘ方向及びｙ方向に層状に広がる。

第３領域２Ａは、強磁性体を含む。第３領域２Ａは、例えば、ボロンを含まない又は第４領域２Ｂよりボロン濃度が低くてもよい。第３領域２Ａは、例えば、Ｆｅ又はＣｏＦｅ合金を含む。第３領域２Ａは、Ｆｅ又はＣｏＦｅ合金からなってもよい。第３領域２Ａの結晶構造は、例えば、ｂｃｃ構造でもよい。第３領域２Ａの膜厚は、例えば、５Å以上１０Å以下である。第２強磁性層２が第３領域２Ａを有すると、光検知素子１０のＭＲ比が向上する。

第４領域２Ｂは、強磁性体を含む。第４領域２Ｂは、単一の合金でもよく、単一の元素からなる層が複数積層されたものでもよい。第４領域２Ｂは、例えば、第３領域２Ａよりボロン濃度が高くてもよい。第４領域２Ｂは、例えば、ＣｏＦｅＢ合金を含む。第４領域２Ｂは、内部に、例えばＷ，Ｔａからなる非磁性の挿入層を有してもよい。第４領域２Ｂは、例えば、スペーサ層３から遠い側から順に、Ｃｏ又はＣｏＦｅ合金、ＣｏとＰｔとの積層膜、Ｍｏ，Ｔａからなる挿入層、ＣｏＦｅＢ合金を有してもよい。第４領域２Ｂの膜厚は、例えば、３０Å以上１００Å以下であり、好ましくは５０Å以上７０Å以下である。

第２強磁性層２の磁化は、例えば、磁気結合層５を介した第３強磁性層４との磁気結合によって固定してもよい。この場合、第２強磁性層２、磁気結合層５及び第３強磁性層４を合わせたものを磁化固定層と称する場合もある。

第３強磁性層４は、例えば、第２強磁性層２と磁気結合する。磁気結合は、例えば、反強磁性的な結合であり、ＲＫＫＹ相互作用により生じる。第３強磁性層４を構成する材料は、例えば、第１強磁性層１と同様である。第３強磁性層４は、例えば、ＣｏとＰｔとが交互に積層された積層膜、ＣｏとＮｉとが交互に積層された積層膜である。磁気結合層５は、例えば、Ｒｕ、Ｉｒ等である。磁気結合層５の膜厚は、例えば、ＲＫＫＹ相互作用によって第２強磁性層２と第３強磁性層４とが反強磁性的に結合する膜厚である。

スペーサ層３は、第１強磁性層１と第２強磁性層２との間に配置される非磁性層である。スペーサ層３は、導電体、絶縁体もしくは半導体によって構成される層、又は、絶縁体中に導体によって構成される通電点を含む層で構成される。スペーサ層３の膜厚は、後述する初期状態における第１強磁性層１の磁化Ｍ１と第２強磁性層２の磁化Ｍ２の配向方向に応じて調整できる。

例えば、スペーサ層３が絶縁体からなる場合は、光検知素子１０は、第１強磁性層１とスペーサ層３と第２強磁性層とからなる磁気トンネル接合（ＭＴＪ：Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｔｕｎｎｅｌ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）を有する。このような素子はＭＴＪ素子と呼ばれる。この場合、光検知素子１０はトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Ｔｕｎｎｅｌ Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）効果を発現することができる。例えば、スペーサ層３が金属からなる場合は、光検知素子１０は、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）効果を発現することができる。このような素子はＧＭＲ素子と呼ばれる。光検知素子１０は、スペーサ層３の構成材料によって、ＭＴＪ素子、ＧＭＲ素子などと呼び名が異なることがあるが、総称して磁気抵抗効果素子とも呼ばれる。

スペーサ層３が絶縁材料で構成される場合、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化チタン又は酸化シリコン等の材料を用いることができる。第１強磁性層１と第２強磁性層２との間に高いＴＭＲ効果が発現するようにスペーサ層３の膜厚を調整することで、高い磁気抵抗変化率が得られる。ＴＭＲ効果を効率よく利用するためには、スペーサ層３の膜厚は、０．５～１０．０ｎｍ程度としてもよい。

スペーサ層３を非磁性導電材料で構成する場合、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ又はＲｕ等の導電材料を用いることができる。ＧＭＲ効果を効率よく利用するためには、スペーサ層３の膜厚は、０．５～３．０ｎｍ程度としてもよい。

スペーサ層３を非磁性半導体材料で構成する場合、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化錫、酸化ゲルマニウム、酸化ガリウム又はＩＴＯ等の材料を用いることができる。この場合、スペーサ層３の膜厚は１．０～４．０ｎｍ程度としてもよい。

スペーサ層３として非磁性絶縁体中の導体によって構成される通電点を含む層を適用する場合、酸化アルミニウムまたは酸化マグネシウムによって構成される非磁性絶縁体中に、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅＳｉ、ＣｏＭｎＧｅ、ＣｏＭｎＳｉ、ＣｏＭｎＡｌ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ａｕ、Ｃｕ、ＡｌまたはＭｇなどの導体によって構成される通電点を含む構造とすることが好ましい。この場合、スペーサ層３の膜厚は、０．５～２．０ｎｍ程度としてもよい。通電点は、例えば、直径が１ｎｍ以上５ｎｍ以下の柱状体である。

図５に示す下地層６は、例えば、第２電極１６上にある。下地層６は、シード層又はバッファ層である。シード層は、シード層上に積層される層の結晶性を高める。シード層は、例えば、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｈｆ、Ｚｒ、ＮｉＦｅＣｒである。シード層の膜厚は、例えば１ｎｍ以上５ｎｍ以下である。バッファ層は、異なる結晶間の格子不整合を緩和する層である。バッファ層は、例えば、Ｔａ、Ｔｉ、Ｗ、Ｚｒ、Ｈｆ又はこれらの元素の窒化物である。バッファ層の膜厚は、例えば、１ｎｍ以上５ｎｍ以下である。

キャップ層８は、第１強磁性層１と第１電極１５との間（第２領域１Ｂと第１電極１５との間）にある。キャップ層８は、第１強磁性層１上に積層されて第１強磁性層１と接する垂直磁化誘起層７を含んでいてもよい。垂直磁化誘起層７は、第１強磁性層１の垂直磁気異方性を誘起する。垂直磁化誘起層７は、例えば酸化マグネシウム、Ｗ、Ｔａ、Ｍｏ等である。垂直磁化誘起層７が酸化マグネシウムの場合は、導電性を高めるために、酸化マグネシウムが酸素欠損していることが好ましい。垂直磁化誘起層７の膜厚は、例えば、０．５ｎｍ以上５．０ｎｍ以下である。一例として、第１強磁性層１の第２領域１Ｂは、Ｍｏ層と中間層１Ｃとの間にある。Ｍｏ層は、キャップ層８の一部であり第２領域１Ｂに接する。この場合、中間層１Ｃの厚みは、キャップ層８の一部であり第２領域１Ｂに接するＭｏ層の厚みよりも薄いことが好ましい。

キャップ層８は、プロセス過程で下層へのダメージを防ぐと共に、アニール時に下層の結晶性を高める。キャップ層８の膜厚は、第１強磁性層１に十分な光が照射されるように、例えば１０ｎｍ以下である。

側壁絶縁層９は、第１強磁性層１及び第２強磁性層２を含む積層体の周囲を覆う。側壁絶縁層９は、例えば、層間絶縁膜３０と同様の材料からなる。

第１電極１５は、例えば、光信号Ｌ１の使用波長域の光に対して透過性を有する。光信号Ｌ１に使用される光の使用波長域は、例えば、３００ｎｍ以上２μｍ以下であり、可視光域、近赤外光域を含む。第１電極１５は、例えば、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、酸化インジウム亜鉛（ＩＺＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化インジウムガリウム亜鉛（ＩＧＺＯ）等の透明電極である。第１電極１５は、透明電極材料の中に複数の柱状金属を有する構成としてもよい。また第１電極１５は、光が照射される照射面に反射防止膜を有してもよい。

第２電極１６は、導電性を有する材料からなる。第２電極１６は、例えば、ＴａとＲｕとＴａの積層膜、ＴａとＣｕとＴａの積層膜、ＴａとＣｕとＴｉの積層膜、ＴａとＣｕとＴａＮの積層膜である。

光検知素子１０は、各層の積層工程、アニール工程、加工工程によって作製される。まず、第２電極１６上に、下地層６、第３強磁性層４、磁気結合層５、第２強磁性層２、スペーサ層３、第１強磁性層１、垂直磁化誘起層７、キャップ層８の順に積層する。各層は、例えば、スパッタリングにより成膜される。

次いで、積層膜をアニールする。アニール温度は、例えば、２５０℃以上４００℃以下である。その後、積層膜をフォトリソグラフィ及びエッチングにより所定の柱状体に加工する。柱状体は、円柱でも角柱でもよい。例えば、柱状体をｚ方向から見た際の最短幅は、１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である。

次いで、柱状体の側面を被覆するように、絶縁層を形成する。絶縁層は、側壁絶縁層９となる。側壁絶縁層９は、複数回に亘って積層してもよい。次いで、化学機械研磨により側壁絶縁層９からキャップ層８の上面を露出し、キャップ層８上に、第１電極１５を作製する。上記工程により、光検知素子１０が得られる。

次いで、第１実施形態に係る光検知素子１０の動作の一例について説明する。第１強磁性層１には、光強度変化を有する光信号Ｌ１を含む光が照射される。光検知素子１０のｚ方向からの出力電圧は、光信号Ｌ１を含む光の第１強磁性層１への照射により変化する。第１強磁性層１に照射される光の強度が、第１強度と第２強度の２段階である場合を例に説明する。第２強度の光の強度は、第１強度の光の強度より大きいものとする。第１強度は、第１強磁性層１に照射される光の強度がゼロの場合でもよい。

図６及び図７は、第１実施形態に係る光検知素子１０の動作の一例を説明するための図である。光検知素子１０の動作のメカニズムとして２つのメカニズムが考えられ、図６は、第１メカニズムを説明するための図であり、図７は、第２メカニズムを説明するための図である。図６及び図７の上のグラフは、縦軸が第１強磁性層１に照射される光の強度であり、横軸が時間である。図６及び図７の下のグラフは、縦軸が光検知素子１０のｚ方向の抵抗値であり、横軸が時間である。

まず第１強磁性層１に第１強度の光が照射された状態（以下、初期状態と称する）において、第１強磁性層１の磁化Ｍ１と第２強磁性層２の磁化Ｍ２とは平行の関係にあり、光検知素子１０のｚ方向の抵抗値は第１抵抗値Ｒ_１を示し、光検知素子１０からの出力電圧の大きさは第１の値を示す。光検知素子１０のｚ方向の抵抗値は、光検知素子１０のｚ方向にセンス電流Ｉｓを流すことで、光検知素子１０のｚ方向の両端に電圧が発生し、その電圧値からオームの法則を用いて求められる。光検知素子１０からの出力電圧は、第１電極１５と第２電極１６との間に発生する。図６に示す例の場合、センス電流Ｉｓを第１強磁性層１から第２強磁性層２に向かって流す。この方向にセンス電流Ｉｓを流すことで、第１強磁性層１の磁化Ｍ１に対して、第２強磁性層２の磁化Ｍ２と同じ方向のスピントランスファートルクが作用し、初期状態において磁化Ｍ１と磁化Ｍ２とが平行になる。また、この方向にセンス電流Ｉｓを流すことで、第１強磁性層１の磁化Ｍ１が動作時に反転することを防止することができる。

次いで、第１強磁性層１に照射される光の強度が第１強度から第２強度に変化する。第２強度は、第１強度より大きく、第１強磁性層１の磁化Ｍ１は初期状態から変化する。磁化Ｍ１の状態とは、例えば、ｚ方向に対する傾き角、大きさ等である。例えば、図６に示すように、第１強磁性層１に照射される光の強度が第１強度から第２強度に変化すると、磁化Ｍ１はｚ方向に対して傾く。第１強磁性層１に光信号Ｌ１を含む光が照射されていない状態における第１強磁性層１の磁化Ｍ１の方向と、第２強度における第１強磁性層１の磁化方向と、の角度は、０°より大きく９０°より小さい。また例えば、図７に示すように、第１強磁性層１に照射される光の強度が第１強度から第２強度に変化すると、磁化Ｍ１の大きさが小さくなる。第１強磁性層１の磁化Ｍ１が初期状態から変化すると、光検知素子１０のｚ方向の抵抗値は第２抵抗値Ｒ_２を示し、光検知素子１０からの出力電圧の大きさは第２の値を示す。第２抵抗値Ｒ_２は、第１抵抗値Ｒ_１より大きい。第２抵抗値Ｒ_２は、磁化Ｍ１と磁化Ｍ２とが平行である場合の抵抗値（第１抵抗値Ｒ_１）と、磁化Ｍ１と磁化Ｍ２とが反平行である場合の抵抗値との間である。

第１強磁性層１の磁化Ｍ１は、第２強磁性層２の磁化Ｍ２と同じ方向のスピントランスファートルクが作用している。したがって、図６に示す場合、初期状態から傾いた磁化Ｍ１は磁化Ｍ２と平行状態に戻ろうとし、第１強磁性層１に照射される光の強度が第２強度から第１強度に変化すると、光検知素子１０は初期状態に戻る。図７に示す場合は、第１強磁性層１に照射される光の強度が第１強度に戻ると、第１強磁性層１の磁化Ｍ１の大きさは元に戻り、光検知素子１０は初期状態に戻る。いずれの場合も磁化Ｍ１が初期状態に戻ると、光検知素子１０のｚ方向の抵抗値は、第１抵抗値Ｒ_１に戻る。つまり、第１強磁性層１に照射される光の強度が第２強度から第１強度に変化した際に、光検知素子１０のｚ方向の抵抗値は、第２抵抗値Ｒ_２から第１抵抗値Ｒ_１へ変化する。

いずれのメカニズムにおいても、光検知素子１０の積層方向の抵抗値は、第１強磁性層１に照射される光の強度の変化に対応して変化し、光信号Ｌ１の強度の変化を光検知素子１０のｚ方向の抵抗値の変化に変換することができる。また第１強磁性層１に照射される光の強度の変化に対応して、光検知素子１０からの出力電圧は変化し、光信号Ｌ１の強度の変化を光検知素子１０からの出力電圧の変化に変換することができる。光検知素子１０からの出力は、信号処理部１１へ送られ、出力が閾値以上の場合は第１信号（例えば、“１”）、閾値未満の場合は第２信号（例えば、“０”）として処理される。

ここまで、第１強磁性層１に照射される光が、第１強度と第２強度の２段階である場合を例に説明したが、第１実施形態に係る光検知素子１０は、第１強磁性層１に照射される光の強度を２段階より多くすることで、光信号Ｌ１から多値の情報を読み出すこともできる。

図８及び図９は、第１実施形態に係る光検知素子１０を用いて多値を出力する場合の光検知素子１０の挙動を示す。図８は、第１メカニズムを説明するための図であり、図９は、第２メカニズムを説明するための図である。図８及び図９は、左から順に第１強度、第２強度、第３強度、第４強度のそれぞれにおける光検知素子１０の磁化状態及びｚ方向の抵抗値を表す。第１強磁性層１に照射される光の強度は、第４強度、第３強度、第２強度、第１強度の順に強い。

図８に示すように、照射される光の強度に応じて磁化Ｍ１が傾く場合、磁化Ｍ１の初期状態からの角度変化は、第１強磁性層１に照射される光の強度が大きいほど大きくなる。第１強磁性層１に光信号Ｌ１を含む光が照射されていない状態における第１強磁性層１の磁化Ｍ１の方向に対する、第２強度、第３強度、第４強度のそれぞれの角度変化は、いずれも０°より大きく９０°より小さい。初期状態に対する光検知素子１０のｚ方向の抵抗値の変化は、磁化Ｍ１の初期状態からの角度変化が大きくなるほど大きくなる。したがって、光検知素子１０のｚ方向の抵抗値は、第１強度、第２強度、第３強度、第４強度のそれぞれで異なる。第１実施形態に係る光検知素子１０は、出力電圧の閾値（抵抗値の閾値）を複数段階に分けて規定しておくことで、例えば“０”、“１”、“２”、“３”の４値の情報を読み出すことができる。ここでは一例として４値を読み出す場合を示したが、出力電圧の閾値（抵抗値の閾値）の設定により読み出す値の数は自由に設計できる。

また図９の場合も同様に、第１強磁性層１に照射される光の強度が大きくなると、光の照射による外部からのエネルギーによって第１強磁性層１の磁化Ｍ１の大きさは初期状態から小さくなる。第１強磁性層１の磁化Ｍ１が初期状態から小さくなると、光検知素子１０のｚ方向の抵抗値は変化する。例えば、第１強磁性層１の磁化Ｍ１の大きさに応じて、光検知素子１０のｚ方向の抵抗値は、第２抵抗値Ｒ_２、第３抵抗値Ｒ_３、第４抵抗値Ｒ_４と変化する。したがって、図８の場合と同様に、光検知素子１０からの出力電圧の違いを、多値又はアナログデータとして出力できる。

上述のように、第１実施形態に係る光検知素子１０は、光信号を電気信号に変換する。

光検知素子１０は、スペーサ層３に接する第１領域１ＡがＣｏＦｅＢ合金であるため、磁気抵抗変化率（ＭＲ変化率）が大きい。そのため、光検知素子１０は、第１領域１Ａの磁化の状態の変化に対する光検知素子１０の出力変化が大きい。

また光検知素子１０は、ＦｅとＧｄとを含む磁性体である第２領域１Ｂを有するため、小さい光量の照射でも第２領域１Ｂの磁化の状態が変化し、第２領域１Ｂと磁気結合する第１領域１Ａの磁化の状態も変化する。

したがって、光検知素子１０は、照射される光の光量の変化に対してその出力変化が大きいものになる。このように、第１実施形態に係る光検知素子１０は、光信号の電気信号への変換効率が大きく、光検知能力が高い。

また第１実施形態において、第１強磁性層１が第１領域１Ａを有することで、光検知素子１０のＭＲ比は向上する。さらに、第２強磁性層２が第３領域２Ａを有すると、光検知素子１０のＭＲ比が向上する。光検知素子１０の光に対する応答特性を高めるために、第１強磁性層１の膜厚を薄くしたい等の要望があるが、光検知素子１０が第１領域１Ａや第３領域２Ａを有するとこれらの制約の中でも光検知素子１０のＭＲ比を高めることができる。その結果、光信号Ｌ１の光の強度の変化に対する光検知素子１０の抵抗値の変化量（光検知素子１０から出力される電圧の変化量）を大きくすることができる。これにより、光検知素子１０の感度を大きくすることができ、光検知素子１０は高速通信を可能とする受信装置１００に用いることができる。

またここまで、送受信装置を図１に示す通信システム１０００に適用する例を示したが、通信システムはこの場合に限られない。

例えば、図１０は、通信システムの別の例の概念図である。図１０に示す通信システム１００１は、２つの携帯端末装置５００間の通信である。携帯端末装置５００は、例えば、スマートフォン、タブレット等である。

携帯端末装置５００のそれぞれは、受信装置１００と送信装置２００とを備える。一方の携帯端末装置５００の送信装置２００から送信された光信号を、他方の携帯端末装置５００の受信装置１００で受信する。携帯端末装置５００間の送受信に使用される光は、例えば可視光である。それぞれの受信装置１００の光検知素子１０として、上述の光検知素子が適用される。

また例えば、図１１は、通信システムの別の例の概念図である。図１１に示す通信システム１００２は、携帯端末装置５００と情報処理装置６００との間の通信である。情報処理装置６００は、例えば、パーソナルコンピュータである。

携帯端末装置５００は送信装置２００を備え、情報処理装置６００は受信装置１００を備える。携帯端末装置５００の送信装置２００から送信された光信号は、情報処理装置６００の受信装置１００で受信される。携帯端末装置５００と情報処理装置６００と間の送受信に使用される光は、例えば可視光である。それぞれの受信装置１００の光検知素子１０として、上述の光検知素子が適用される。

以上、本発明は上記の実施形態及び変形例に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

ここでは光検知素子を受信装置に用いる場合を例示したが、この場合に限られない。例えば、本発明に係る光検知素子は、イメージセンサー等の様々な半導体光検知素子に対して置き換えをすることができる。

（実施例１）
基板上に第２電極、下地層、第２強磁性層を、この順に各材料のターゲットを用いて成膜した。第２電極は、基板側から順に、厚さ５０ÅのＴａ、厚さ６００ÅのＲｕ、厚さ１００ÅのＴａとした。下地層は、基板側から順に、厚さ２０ÅのＴａ、厚さ２０ÅのＰｔとした。第２強磁性層は、基板側から順に、厚さ５ÅのＣｏと厚さ４ÅのＰｔとを交互に４回積層した積層膜、厚さ６ÅのＣｏ、厚さ８ÅのＲｕ、厚さ６ÅのＣｏ、厚さ４ÅのＰｔと厚さ５ÅのＣｏとを交互に３回積層した積層膜、厚さ４ÅのＭｏ、厚さ６ÅのＣｏＦｅＢ、５ÅのＦｅとした。

次いで、Ｍｇを成膜した後に、酸化チャンバーにて酸化処理を行って、厚さ１２ÅのＭｇＯのスペーサ層を作製した。次いで、スペーサ層上に、Ｃｏ_０．６５Ｂ_０．３５のターゲットとＦｅ_０．６５Ｂ_０．３５のターゲットとを用いたコスパッタリング（２元同時スパッタリング）を行い、第１強磁性層の第１領域を１０Åの厚みで成膜した。次いで、中間層として厚さ５ÅのＭｏを成膜した。ついで、中間層上に、ＧｄのターゲットとＦｅのターゲットとを用いたコスパッタリング（２元同時スパッタリング）を行い、第１強磁性層の第２領域を２５Åの厚みで成膜した。

そして、第１強磁性層上に、キャップ層を成膜した。キャップ層は、基板側から順に、厚さ２０ÅのＭｏ、厚さ２０ÅのＴａ、厚さ２０ÅのＲｕとした。その後、真空中で、３０分間、４００℃でアニール処理を行った。そしてアニール処理後の積層体に、第１電極を成膜し、直径３００ｎｍの円柱状に加工して光検知素子を作製した。第１電極は、厚さ５００Åの酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）とした。各層の成膜は、ＤＣマグネトロンスパッタ装置で行った。

実施例１で作製した光検知素子の素子構成を以下にまとめる。
第２電極：Ｔａ（５０Å）／Ｒｕ（６００Å）／Ｔａ（１００Å）
下地層：Ｔａ（２０Å）／Ｐｔ（２０Å）
第２強磁性層：［Ｃｏ（５Å）／Ｐｔ（４Å）］_４／Ｃｏ（６Å）／Ｒｕ（８Å）／Ｃｏ（６Å）／［Ｐｔ（４Å）／Ｃｏ（５Å）］_３／Ｍｏ（４Å）／ＣｏＦｅＢ（６Å）／Ｆｅ（５Å）
スペーサ層：ＭｇＯ（１２Å）
第１強磁性層：Ｃｏ_０．２４Ｆｅ_０．５６Ｂ_０．２０（１０Å）／Ｍｏ（５Å）／Ｇｄ_０．２６Ｆｅ_０．７４（２５Å）
キャップ層：Ｍｏ（２０Å）／Ｔａ（２０Å）／Ｒｕ（２０Å）
第１電極：ＩＴＯ（５００Å）

作製した光検知素子に第１電極側からパルス光を照射した。光源は、５０ｍＷの短パルスレーザー（波長８００ｎｍ）を用いた。光パルス幅は５０ｆｓｅｃ、光スポット径は２ｍｍとし、５０ｍＷのパルス光の強度を１／１０００に減光した後、光検知素子に照射した。光検知素子には０．２５ｍＡの直流電流を印加した。そして、パルス光を光検知素子に照射することで生じる光検知素子からの出力電圧の変化を高速オシロスコープで測定した。実施例１に係る光検知素子は、パルス光照射前後における出力電圧の変化は、５．０ｍＶであった。

（実施例２）
実施例２は、第１強磁性層の第２領域の構成を変えた点が実施例１と異なる。実施例２では、中間層上に、ＧｄのターゲットとＦｅのターゲットとＣｏターゲットとを用いたコスパッタリング（３元同時スパッタリング）を行い、第１強磁性層の第２領域を２５Åの厚みで成膜した。

実施例２における第１強磁性層の層構成は下記であり、その他の層の構成は実施例１と同じとした。
第１強磁性層：Ｃｏ_０．２４Ｆｅ_０．５６Ｂ_０．２０（１０Å）／Ｍｏ（５Å）／Ｇｄ_０．２６（Ｆｅ_０．９０Ｃｏ_０．１０）_０．７４（２５Å）

実施例２においても、実施例１と同様にパルス光を照射し、照射前後における出力電圧の変化を測定した。実施例２に係る光検知素子は、パルス光照射前後における出力電圧の変化は、４．８ｍＶであった。

（実施例３）
実施例３は、第１強磁性層の第２領域の構成を変えた点が実施例１と異なる。実施例３では、中間層上に、厚さ３．７ÅのＦｅと厚さ１．３ÅのＧｄとを交互に５回ずつ積層し、第１強磁性層の第２領域を成膜した。

実施例３における第１強磁性層の層構成は下記であり、その他の層の構成は実施例１と同じとした。
第１強磁性層：Ｃｏ_０．２４Ｆｅ_０．５６Ｂ_０．２０（１０Å）／Ｍｏ（５Å）／［Ｆｅ（３．７Å）／Ｇｄ（１．３Å）］_５

実施例３においても、実施例１と同様にパルス光を照射し、照射前後における出力電圧の変化を測定した。実施例３に係る光検知素子は、パルス光照射前後における出力電圧の変化は、９．８ｍＶであった。

（実施例４）
実施例４は、第１強磁性層の第２領域の構成を変えた点が実施例１と異なる。実施例４では、中間層上に、厚さ３．７ÅのＦｅＣｏの合金膜と厚さ１．３ÅのＧｄとを交互に５回ずつ積層し、第１強磁性層の第２領域を成膜した。ＦｅＣｏ合金膜は、ＦｅのターゲットとＣｏのターゲットとを用いたコスパッタリング（２元同時スパッタリング）で成膜した。

実施例４における第１強磁性層の層構成は下記であり、その他の層の構成は実施例１と同じとした。
第１強磁性層：Ｃｏ_０．２４Ｆｅ_０．５６Ｂ_０．２０（１０Å）／Ｍｏ（５Å）／［Ｆｅ_０．９０Ｃｏ_０．１０（３．７Å）／Ｇｄ（１．３Å）］_５

実施例４においても、実施例１と同様にパルス光を照射し、照射前後における出力電圧の変化を測定した。実施例４に係る光検知素子は、パルス光照射前後における出力電圧の変化は、１０．０ｍＶであった。

（比較例１）
比較例１は、第１強磁性層の構成を変えた点が実施例１と異なる。比較例１では、実施例１に対し、第１強磁性層１の中間層及び第２領域を形成しなかった。

比較例１における第１強磁性層の層構成は下記であり、その他の層の構成は実施例１と同じとした。
第１強磁性層：Ｃｏ_０．２４Ｆｅ_０．５６Ｂ_０．２０（１０Å）

比較例１においても、実施例１と同様にパルス光を照射し、照射前後における出力電圧の変化を測定した。比較例１に係る光検知素子は、パルス光照射前後における出力電圧の変化は、２．５ｍＶであった。

実施例１～４及び比較例１の結果を、以下の表にまとめた。表１に示されるように、実施例１～４の光検知素子は、比較例１の光検知素子と比較して、光信号の電気信号への変換効率が高かった。

１…第１強磁性層、１Ａ…第１領域、１Ｂ…第２領域、１Ｃ…中間層、２…第２強磁性層、２Ａ…第３領域、２Ｂ…第４領域、３…スペーサ層、４…第３強磁性層、５…磁気結合層、６…下地層、７…垂直磁化誘起層、８…キャップ層、９…側壁絶縁層、１０…光検知素子、１１…信号処理部、１５…第１電極、１６…第２電極、２０…集積回路、３０…層間絶縁膜、１００…受信装置、２００…送信装置、２０１…光源、２０２…電気信号生成素子、２０３…光変調素子、３００…送受信装置、５００…携帯端末装置、６００…情報処理装置、１０００，１００１，１００２…通信システム、ＦＢ…ファイバー、Ｇ…グラウンド、Ｉｓ…センス電流、Ｍ１，Ｍ２…磁化、Ｐ_Ｇ…基準電位端子、Ｐ_ｉｎ…入力端子、Ｐ_ｏｕｔ…出力端子、ＰＳ…電源、ｗ…貫通配線

Claims (6)

1. 光が照射される第１強磁性層と、第２強磁性層と、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層とに挟まれたスペーサ層と、を備え、
   前記第１強磁性層は、前記スペーサ層に接する第１領域と、前記第１領域より前記スペーサ層から離れた位置にある第２領域とを有し、
   前記第１領域はＣｏＦｅＢ合金であり、前記第２領域は構成元素としてＦｅとＧｄとを主に含む磁性体である、光検知素子。
2. 前記第１領域と前記第２領域との間に中間層をさらに有し、
   前記中間層は、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｗ、Ｐｔからなる群から選択されるいずれか１種以上の元素を含む、請求項１に記載の光検知素子。
3. 前記第２強磁性層は、前記スペーサ層に接する第３領域と、前記第３領域より前記スペーサ層から離れた位置にありボロンを含む第４領域とを有し、
   前記第３領域は、前記第４領域よりボロンの濃度が低い、又は、ボロンを含まない、請求項１又は２に記載の光検知素子。
4. 前記第１領域は、前記第２領域よりボロンの濃度が高い、請求項１～３のいずれか一項に記載の光検知素子。
5. 前記第３領域は、Ｆｅ又はＣｏＦｅ合金を含み、結晶構造がｂｃｃ構造である、請求項３に記載の光検知素子。
6. 請求項１～５のいずれか一項に記載の光検知素子を有する受信装置。

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