CN105684148A - 具有掺杂剂补偿切换的忆阻器 - Google Patents
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Abstract
具有掺杂剂补偿切换的忆阻器，该忆阻器具有底电极、顶电极、以及夹在所述底电极与顶电极之间的活性区。该活性区由电绝缘材料和导电材料构成。该绝缘材料包含补偿掺杂剂以部分地或完全地补偿在该绝缘材料中的天然掺杂剂。还公开了用于制成该忆阻器的方法。
Description
背景技术
忆阻器是可以通过施加编程能量而被编程到不同电阻状态的器件。在编程之后，该忆阻器的状态可以被读取并且在指定时间段内保持稳定。忆阻元件的大交叉开关阵列可以在多种应用中使用，包括非易失性固态存储器、可编程逻辑、信号处理、控制系统、模式识别以及其他应用。
附图说明
图1A是基于本文中公开的原理的忆阻器器件的示例。
图1B是基于本文中公开的原理的忆阻器器件的另一示例。
图2A-2B，每一个在电流(以μA为单位)和电压(以V为单位)的坐标上，根据本文中公开的原理提供了在不具有受主(图2A)的情况下和在具有受主(图2B)的情况下用于Ta2O5器件的切换电流的比较。
图3是描绘根据本文中公开的示例的用于制备忆阻器的示例方法的流程图。
具体实施方式
现在详细参考所公开的基于氧化物的忆阻器的特定示例以及用于创建所公开的基于氧化物的忆阻器的方式的特定示例。当可应用时，还简要描述了替换示例。
如在本文中的说明书和权利要求中使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”包括多个指示物，除非上下文另有清楚指示。
如在本说明书和所附权利要求中使用的，“近似”和“大约”意指例如由制造过程中的变化引起的±10％的方差。
在下面的详细描述中，参考伴随本公开的附图，所述附图图示了在其中本公开可以被实践的特定示例。所述示例的部件可以被定位在多个不同取向上，并且关于部件的取向所使用的的任何方向术语用于例证目的且决不是限制性的。方向术语包括诸如“顶部”、“底部”、“前部”、“后部”、“头部”、“尾部”等词语。
应理解的是，在其中本公开可以被实践的其他示例存在，并且在不脱离本公开的范围的情况下可以做出结构或逻辑的改变。因此，下面的详细描述不应在限制性意义上被理解。相反，本公开的范围由所附的权利要求限定。
忆阻器是纳米尺度器件，其可以用作在宽范围的电子电路中的部件，诸如存储器、开关以及逻辑电路和系统。在存储器结构中，可以使用忆阻器的交叉开关。当用作用于存储器的基础时，该忆阻器可以用于存储信息的位，1或0。当用作逻辑电路时，该忆阻器可以用作逻辑电路中的开关和配置位，所述逻辑电路类似于现场可编程门阵列，或者可以是用于有线逻辑可编程逻辑阵列的基础。
当用作开关时，该忆阻器可以是交叉点存储器中的接通或断开的开关。在最近几年期间，研究员在找到使这些忆阻器的切换功能有效地运转的方法方面已经做出巨大的进步。例如，基于氧化钽(TaOx)的忆阻器已经被展示为具有优于能够进行电子切换的其它纳米尺度器件的出众的耐久性。在实验室设置中，基于氧化钽的忆阻器能够进行超过100亿个切换周期，而其他忆阻器，诸如基于氧化钨(WOx)或者氧化钛(TiOx)的忆阻器可能要求用于避免过驱动器件的复杂反馈机构或者用更强的电压脉冲刷新该器件的附加步骤，以便获得1千万个切换周期的范围内的耐久性。。
忆阻器器件一般可以包括将绝缘层夹在中间的两个电极。在两个电极之间的绝缘层中可以形成一个或多个导电通道，其能够在两个状态之间切换：一个在其中该导电通道在两个电极之间形成导电路径(“导通”)，以及一个在其中该导电通道在两个电极之间不形成导电路径(“断开”)。
忆阻器可以包括夹在两个电极之间的切换材料，诸如TiO2或TaO2。通过使可移动物质(例如离子或空位)移动到切换材料中或者移动到切换材料外(具体地，在所述两个电极之间形成导电通道(“导通”)或者除去该导电通道(“断开”)来实现忆阻行为。最初，当首先制备该忆阻器时，整个切换材料是不导电的。因此，可以要求电成型过程以在两个电极之间的切换材料中形成导电通道。已知的电成型过程，常常简单地被称为“成型”，包括跨越电极施加足够高(阈值)的电压足够的时间长度，以使在切换材料中的导电通道(或者活性区)形成。电成型过程所要求的阈值电压和时间长度可以取决于用于切换材料、第一电极和第二电极的材料类型。
免电成型器件可以是期望的，并且努力已经进入发展这样的免电成型器件。常规免电成型器件可以由相对厚的导电低价氧化物(例如Ti4O7；在一些示例中从数纳米厚至数百纳米厚而在其他示例中从10至20nm厚)以及相对薄的完全氧化物(例如，TiO2或Ta2O5；在一些示例中大约10nm或更小而在其他示例中大约为5nm或更小)组成。然而，因为这些n型氧化物可以具有太多的天然施主(例如氧空位)并且还因为它们可能需要是薄的以便是免电成型的，所以该器件可能是过于泄漏的，甚至在断开状态(高电阻状态)中。这导致了大切换电流以及更小的断开/导通电阻比，这对于忆阻器的商业化可能变成问题。
根据本文中的教导，在这些氧化物中的掺杂剂，具体地，受主掺杂剂(在天然掺杂剂是施主的地方)可以通过补偿所述施主来减小泄露电流，尤其从包围通道的基质氧化物。通过将受主掺杂剂添加到该薄完全氧化物层中，可以获得较小的切换电流以及较大的断开/导通电阻比。同样，在天然掺杂剂是受主的地方，施主掺杂剂可以用于补偿。下面阐明受主天然掺杂剂的这种情况的进一步描述。
在n型氧化物中氧空位可以用作天然施主，并且在n型氮化物半导体中氮空位可以用作天然施主。例如，添加受主，诸如TiO2中的Al、Fe、Co或Ni或者Ta2O5中的Si、Hf、Al、Fe、Co或Ni，可以补偿这些施主并且使薄完全氧化物半导体电阻性更大几个数量级。
可以通过考虑在氧化物或氮化物中的过渡金属的价态并选择具有更低价态的元素作为受主来确定合适的受主。例如，Ti具有+4的价态。Al(+3)、Fe(+3)、Co(+3)和Ni(+3)全部具有小于4的价态。同样，Ta具有价态+5，并且Si(+4)、Hf(+4)、Al、Fe、Co和Ni全部具有小于5的价态。
图1A描绘了根据本文中的教导的器件结构的示例。器件100可以具有底电极102和顶电极104。活性区106可以被夹在两个电极102，104之间。该活性区106可以由两个层构成：相对更薄的完全氧化物层108和相对更厚的低价氧化物层110。该完全氧化物层108以用来最小化氧不足的方式被制备，但是在实践中，许多切换材料诸如TiO2没有天然掺杂剂是非常困难的。低价氧化物层110可以具有诸如由许多氧空位提供的显著的氧不足。可以在免电成型忆阻器中采用这种结构100。
该底电极102可以是任何导电材料，其非限制性示例包括铂(Pt)、氮化钛(TiN)、氮化钽(TaN)、钨(W)、钽(Ta)、铱(Ir)、钌(Ru)、氧化钌(RuO2)、氧化铱(IrO2)、铝(Al)、铜(Cu)、钛(Ti)、铌(Nb)、钼(Mo)、任何形式的导电碳、以及重掺杂半导体材料诸如硅(Si)。该顶电极104可以选自与该底电极102相同的列表，并且可以是相同或不同的。该底电极102和顶电极104中的每一个的厚度可以在大约5至100nm的范围内。
如上所指示的，受主掺杂剂112可以被添加到该完全氧化物层108。受主掺杂剂112可以减小高泄漏电流、高操作能量，增大断开/导通电阻存储器窗口并且提供非常低成本但高性能(低切换能量和大导通/断开比)和低能量的器件。在示例中，掺杂剂的浓度可以在大约0.1至40at％(原子百分比)的范围内；在另一示例中，该浓度可以从大约5至30at％变动。看来如果过补偿发生不存在有害影响。虽然在图1A中掺杂剂112可以是受主掺杂剂，但它们在下面所描述的天然掺杂剂是受主种类的情况下可以替换地是施主掺杂剂。
图1B描绘了根据本文中的教导的器件结构的另一示例。器件150共享与图1A的器件100相同的许多特征，包括底电极102和顶电极104。在这种情况下，活性区106’可以被夹在两个电极102，104之间并且可以由两个相构成：电阻的、或者非导电的、或者绝缘的第一相108’，其用作绝缘基质，以及导电的或者像金属的第二相110’，其嵌入或者分散在电阻的第一相中。包含非导电的第一相108’的材料可以包括例如过渡金属氧化物或者金属氧化物，所述过渡金属氧化物诸如是氧化钽(Ta2O5)、氧化钛(TiO2)、氧化钇(Y2O3)、氧化铪(HfO2)、氧化锆(ZrO2)等，所述金属氧化物诸如是氧化铝(Al2O3)、氧化钙(CaO)、氧化镁(MgO)等。
如在图1A中，掺杂剂(受主或施主)112可以分散在该非导电的相108’中。
在一个示例中，该活性区106’可以相对大于该第一电极102和该第二电极104。在另一示例中，该活性区106’可以相对小于该第一电极102和该第二电极104。
在示例中，该导电的第二相110’可以包括非导电的氧化物(或氮化物)第一相108’的低价氧化物(或低价氮化物)。在另一示例中，该导电的第二相110’可以包括形成在包括第一相的材料与添加的材料之间的化合物。作为示例，考虑系统TaO2：SiO2。此系统可以分解为Ta2Si：Ta2O5：SiO2。在这种情况下，首先，绝缘的相或基质相108’可以是Ta2O5和SiO2的混合物，而第二、导电的相或分散的相110’可以是Ta2Si，其分散在第一相中并且可以形成导电通道114。应当注意到第一相108’实际上可以是两个(或更多)绝缘相的混合物或者固溶体。为了方便，因为这样材的料是绝缘的，所以术语“相”当应用于相108’时包括单个和多个绝缘的(或电阻的或非导电的或基质)相两者。
可以采用退火操作或者其他热成型操作，诸如通过暴露于高温环境或者通过暴露于电阻加热而加热，以形成该化合物导电通道114。对于许多系统，诸如Ta-O、Hf-O、Y-O等等，生成升高的温度的电阻加热足够在横截面区域内部局部形成该化合物导电通道114。在该器件内部的局部区中的温度可以比材料的其余部分高数百度，并且因此可以增强在该切换材料中的化学反应以形成该化合物导电通道114。。
在图1B所描绘的器件150中，底电极102和顶电极可以是与上面关于在图1A中描绘的器件100描述的相同的材料中的任何材料。如同器件100一样，该顶电极104可以选自与该底电极102相同的列表，并且可以是相同或不同的。该底电极和顶电极中的每一个的厚度可以在大约5至100nm的范围内。
如在图1B中所描绘的，忆阻器150包括定位于第二电极104之下的第一电极102，在其中该第一电极102可以在相对于该第二电极104的交叉布置中，使得第一电极102布置为基本上垂直于该第二电极104。然而，将意识到在其他示例中，根据应用，第一电极102和第二电极104可以相对于彼此以任何角度布置，包括平行。这对在图1A中所示的忆阻器100也是成立的。
在图2A和2B的比较中提供了通过添加受主掺杂剂而提供的改进的示例。该器件是100μm器件(100μm器件指的是器件区域的直径)。两个器件都具有Pt的底电极102和Ta的顶电极104。该底电极102的厚度是100nm并且该顶电极104的厚度是20nm。两个器件都具有在图1B中所描绘的结构，并且包括完全氧化物层108’Ta2O5的活性区106’以及TaO2的低价氧化物110’的通道114。如准备的，该活性区106’是Ta2O5-x。刚一电成型，就获得了TaO2通道114，在该通道中具有10至60at％的氧。这将与在大约71.4at％的完全氧化物中的氧比较。
在图2A中，主曲线200描绘了I-V曲线，其中电流在线性尺度上，而插入曲线202描绘了相同的数据，但是具有在对数尺度上的电流。同样，在图2B中，主曲线250描绘了I-V曲线，其中电流在线性尺度上，而插入曲线252描绘了相同的数据，但是具有在对数尺度上的电流。
图2A描绘了不具有掺杂剂补偿的TaOx器件，而图2B描绘了具有掺杂剂补偿(具体地，Si)的TaOx器件。该掺杂剂补偿是30at％，并且使用来自两个靶(Ta2O5和SiO2)的共沉积形成。
将Si掺杂剂添加到完全氧化物层中，诸如在图2B所示的TaOx器件中的Ta2O5，可以提供如下好处：
1.切换电流减少到1/20(与图2A中的100μA相比在图2B中5μA)；
2.断开/导通电阻比增大到10倍；以及
3.切换能量减小到1/100以下。
如果在双层堆叠中的绝缘层(例如，N1-xO)替代地为“p型”，诸如Ti4O7/N1-xO，那么诸如Ti或Al的施主可以用于补偿该天然受主掺杂剂并且显著地降低通过该N1-xO层的电流水平，从而导致低能量操作。此处，Ni在2+价态中，因此诸如Ti(+4)和Al(+3)的掺杂剂可以用于该补偿。
因此，根据已经存在的天然掺杂剂的性质，相反性质的掺杂剂可以被添加以进行补偿。在p型氧化物(诸如Ni氧化物、Fe氧化物和Co氧化物)中的额外氧离子可以用作受主掺杂剂。在这些半导体中添加施主掺杂剂(诸如Al或Si)可以补偿受主并且也使完全氧化物108，108’更加电阻的。
用于添加补偿掺杂剂(受主或施主)的过程的示例可以包括但不限于：使用两个靶或者使用具有期望浓度的靶用完全氧化物108或158的共沉积；涉及使元素成层的原子层沉积(ALD)；反应溅射；热氧化；或者离子注入。这些过程中的任何过程可以用于形成图1A和1B的器件100，150。
现在转向图3，示出了用于形成具有掺杂剂补偿切换的忆阻器的方法300。该方法300可以包括提供305底电极102。该底电极102可以用作基底或者可以形成在基底(未示出)上。如果该底电极102形成在基底(未示出)上，那么该基底可以是绝缘材料，诸如二氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)、氮化硅(Si3N4)或者其他绝缘材料。该底电极102可以通过许多方法来形成，所述方法包括但不限于：金属的蒸发、溅射或ALD。
紧接着，可以跟随至少两个路径中的一个，这两者都涉及在底电极102上形成活性区106，106’。在第一路径中，可以通过在该底电极102上提供相对薄的绝缘层，诸如完全氧化物或完全氮化物层108，来形成310该活性区106。完全氧化物或完全氮化物层108可以通过许多方法来形成，所述方法包括但不限于：溅射、ALD、蒸发或者化学气相沉积(CVD)。完全氧化物或完全氮化物层108可以形成至在数纳米至数百纳米的范围内的厚度。在完全氧化物或完全氮化物的沉积期间或者之后，该绝缘层108可以诸如通过离子注入来用一个或多个补偿掺杂剂112掺杂。
相对厚的导电层，诸如低价氧化物或低价氮化物层110，可以形成在该绝缘层108上，其中低价氧化物形成在完全氧化物上并且低价氮化物形成在完全氮化物上。低价氧化物或低价氮化物层110可以通过许多方法来形成，所述方法包括用于完全氧化物/完全氮化物层的所列出的那些方法。低价氧化物或低价氮化物层110可以形成至一直到大约10nm的厚度。因此可以意识到的是，相比于低价氧化物或低价氮化物层110，完全氧化物或完全氮化物层108相对薄，以及相比于完全氧化物或完全氮化物层108，低价氧化物或低价氮化物层相对厚。
在第二路径中，可以通过提供包括绝缘层的第一相108’来形成310’该活性区106’，第二相110’分散在所述绝缘层中，所述第二相110’包括导电材料以用于在绝缘层中形成切换通道114。在绝缘层的沉积期间或者之后，该绝缘层108’可以诸如通过离子注入来用一个或多个补偿掺杂剂112掺杂。
在该活性区106，106’上可以形成315顶电极104。该顶电极104可以通过许多方法来形成，所述方法包括上面用于形成底电极102的所列出的那些方法。
前面的论述已经涉及在其中绝缘材料和导电材料可以是金属氧化物，或者替换地，金属氮化物的系统。然而，其他材料可以用于绝缘和导电材料。示例包括但不限于：金属碳化物、金属硫化物、金属磷化物以及混合系统，诸如三元(例如，TaNxOy)及以上(例如，四元)，以及三元氧化物，四元氧化物或者其他复合氧化物，诸如氧化钛酸锶(STO)或氧化镨钙锰(PCMO)。
根据本文中的教导制备的得到的器件显示高性能(低切换能量和大导通/断开比)和低能量。
Claims (15)
1.一种具有掺杂剂补偿切换的忆阻器，所述忆阻器包括：
底电极；
顶电极；以及
活性区，夹在所述底电极与所述顶电极之间，所述活性区包括电绝缘材料和导电材料，
其中所述绝缘材料包括用来部分地或完全地补偿所述绝缘材料中的天然掺杂剂的补偿掺杂剂。
2.根据权利要求1所述的忆阻器，其中所述导电材料包括低价氧化物，并且所述绝缘材料包括完全氧化物，或者其中所述导电材料包括低价氮化物，并且所述绝缘材料包括完全氮化物。
3.根据权利要求2所述的忆阻器，其中所述补偿掺杂剂是受主掺杂剂。
4.根据权利要求3所述的忆阻器，其中所述补偿掺杂剂选自具有低于包括金属氧化物或金属氮化物的金属的化合价的一个或多个化合价的金属。
5.根据权利要求2所述的忆阻器，其中所述补偿掺杂剂是施主掺杂剂。
6.根据权利要求5所述的忆阻器，其中所述补偿掺杂剂选自具有高于包括金属氧化物或金属氮化物的金属的化合价的一个或多个化合价的金属。
7.根据权利要求1所述的忆阻器，其中活性区包括夹在底电极与顶电极之间的相对厚的导电材料和相对薄的绝缘材料。
8.根据权利要求1所述的忆阻器，其中活性区包括绝缘层的基质，导电材料分散在其中以用于在所述绝缘层中形成切换通道。
9.一种用于提供具有掺杂剂补偿切换的忆阻器的方法，所述忆阻器包括：
底电极；
顶电极；以及
活性区，定位在所述底电极与所述顶电极之间，其中所述活性区包括：在所述底电极上的相对薄的绝缘层和在所述绝缘层上的相对厚的导电层，或者包含绝缘层的第一相，包含导电材料的第二相分散在其中以用于在所述绝缘层中形成切换通道，其中在所述绝缘层中的补偿掺杂剂部分地或完全地补偿在所述绝缘材料中的天然掺杂剂，
所述过程包括：
提供所述底电极；
在所述底电极上形成所述活性区；以及
在所述活性区上形成所述顶电极。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述绝缘层包括完全氧化物并且所述导电层包括低价氧化物，或者其中所述绝缘材料包括完全氮化物并且所述导电材料包括低价氮化物。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述补偿掺杂剂是受主掺杂剂。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述补偿掺杂剂选自具有低于包括金属氧化物或金属氮化物的金属的化合价的一个或多个化合价的金属。
13.根据权利要求10所述的方法，其中所述补偿掺杂剂是施主掺杂剂。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述补偿掺杂剂选自具有高于包括金属氧化物或金属氮化物的金属的化合价的一个或多个化合价的金属。
15.根据权利要求9所述的方法，其中所述掺杂剂以及所述薄绝缘层同时形成。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
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Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP7584899B2 (ja) | 2019-06-17 | 2024-11-18 | 三星電子株式会社 | メモリスタ、及びそれを含むニューロモーフィック装置 |
| CN114824072B (zh) * | 2022-05-10 | 2022-09-13 | 山东科技大学 | 一种富氧缺位掺杂二氧化锆的忆阻器及其制备方法 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20100078615A1 (en) * | 2007-02-19 | 2010-04-01 | Kimihiko Ito | Semiconductor memory device |
| KR20110074359A (ko) * | 2009-12-24 | 2011-06-30 | 삼성전자주식회사 | 저항성 메모리 소자 및 그 제조방법 |
| US20110266513A1 (en) * | 2009-01-26 | 2011-11-03 | Williams R Stanley | Superconductor Memristor Devices |
| CN102484127A (zh) * | 2009-09-04 | 2012-05-30 | 惠普开发有限公司 | 基于混合金属价键化合物的记忆电阻 |
| US20130044525A1 (en) * | 2011-08-18 | 2013-02-21 | Minxian Max Zhang | Asymmetric switching rectifier |
Family Cites Families (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8766224B2 (en) * | 2006-10-03 | 2014-07-01 | Hewlett-Packard Development Company, L.P. | Electrically actuated switch |
| WO2009015298A2 (en) * | 2007-07-25 | 2009-01-29 | Intermolecular, Inc. | Nonvolatile memory elements |
| KR20100034635A (ko) * | 2008-09-24 | 2010-04-01 | 삼성전자주식회사 | 저항성 메모리 소자 |
| US7898844B2 (en) * | 2008-10-31 | 2011-03-01 | Seagate Technology, Llc | Magnetic tunnel junction and memristor apparatus |
| WO2010074685A1 (en) * | 2008-12-23 | 2010-07-01 | Hewlett-Packard Development Company, L.P. | Memristive device having a porous dopant diffusion element |
| KR20110118706A (ko) * | 2009-02-02 | 2011-10-31 | 에스알유 바이오시스템즈, 인코포레이티드 | 비표지 바이오센서들의 조명 및 검출을 위한 효율적인 광학 배열 및 비표지 이미징에서 간섭 무늬들을 감소시키기 위한 방법 |
| WO2011093894A1 (en) * | 2010-01-29 | 2011-08-04 | Hewlett-Packard Development Company, L.P. | Electroforming free memristor |
| US8415652B2 (en) * | 2010-06-21 | 2013-04-09 | Hewlett-Packard Development Company, L.P. | Memristors with a switching layer comprising a composite of multiple phases |
| US8866121B2 (en) * | 2011-07-29 | 2014-10-21 | Sandisk 3D Llc | Current-limiting layer and a current-reducing layer in a memory device |
| US8779409B2 (en) * | 2012-09-28 | 2014-07-15 | Hewlett-Packard Development Company, L.P. | Low energy memristors with engineered switching channel materials |
-
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Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20100078615A1 (en) * | 2007-02-19 | 2010-04-01 | Kimihiko Ito | Semiconductor memory device |
| US20110266513A1 (en) * | 2009-01-26 | 2011-11-03 | Williams R Stanley | Superconductor Memristor Devices |
| CN102484127A (zh) * | 2009-09-04 | 2012-05-30 | 惠普开发有限公司 | 基于混合金属价键化合物的记忆电阻 |
| KR20110074359A (ko) * | 2009-12-24 | 2011-06-30 | 삼성전자주식회사 | 저항성 메모리 소자 및 그 제조방법 |
| US20130044525A1 (en) * | 2011-08-18 | 2013-02-21 | Minxian Max Zhang | Asymmetric switching rectifier |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114631160A (zh) * | 2019-09-23 | 2022-06-14 | 西门子能源全球有限公司 | 用于空气扼流线圈和变压器的补偿块 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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| EP2973707A1 (en) | 2016-01-20 |
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