JP2009099774A - Hetero-junction field effect transistor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、分極性を有する化合物半導体を利用したヘテロ接合電界効果型トランジスタ(HFET)に関し、特にノーマリオフ型HFETの改善に関するものである。 The present invention relates to a heterojunction field effect transistor (HFET) using a compound semiconductor having polarizability, and more particularly to improvement of a normally-off type HFET.
従来において、窒化物系III−V族化合物半導体を利用したAlGaN/GaNへテロ接合電界効果型トランジスタ(HFET)では、ウルツ鉱型結晶構造(六方晶構造)を有するAlGaN層とGaN層の(0001)面が基板表面と並行になるように形成されている。したがって、AlGaN層とGaN層のピエゾ効果や自発分極によって電子が誘起され、AlGaN/GaN界面に2次元電子ガス(2DEG)が形成される。 Conventionally, in an AlGaN / GaN heterojunction field effect transistor (HFET) using a nitride III-V compound semiconductor, an AlGaN layer having a wurtzite crystal structure (hexagonal structure) and (0001) ) Surface is parallel to the substrate surface. Therefore, electrons are induced by the piezoelectric effect and spontaneous polarization of the AlGaN layer and the GaN layer, and a two-dimensional electron gas (2DEG) is formed at the AlGaN / GaN interface.
図4の模式的な断面図は、そのような2DEGが形成される様子を視覚的に図解している。なお、本願の図面において、長さ、幅、厚さなどの寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜に変更されており、実際の寸法関係を表してはいない。特に、厚さは相対的に拡大されて示されている。また、図面における同一の参照符号は同一部分または相当部分を表している。 The schematic cross-sectional view of FIG. 4 visually illustrates how such 2DEG is formed. In the drawings of the present application, dimensional relationships such as length, width, and thickness are appropriately changed for clarity and simplification of the drawings, and do not represent actual dimensional relationships. In particular, the thickness is shown relatively enlarged. The same reference numerals in the drawings represent the same or corresponding parts.
図4(A)に示されているように、GaN層11に比べてAlGaN層12は小さな結晶格子定数を有している。したがって、GaN層11上にAlGaN層12をエピタキシャル結晶成長させた場合、図4(A)中の矢印で示されているように、GaN層11はAlGaN層12から圧縮応力を受け、逆にAlGaN層12はGaN層11から引張応力を受けることになる。そして、これらの応力が、ピエゾ効果を生じる原因となり得る。
As shown in FIG. 4A, the AlGaN
また、図4(B)中の矢印で示されているように、AlGaN/GaN界面はc軸([0001]方向軸)に対して垂直な関係にある。GaN層11のc軸方向においては、N原子面とGa原子面とが交互に積層されている。そして、Ga原子面とN原子面との電気陰性度の相違に起因して、GaN層11内においてc軸方向に自発分極が生じ得る。 Further, as indicated by an arrow in FIG. 4B, the AlGaN / GaN interface is in a relationship perpendicular to the c-axis ([0001] direction axis). In the c-axis direction of the GaN layer 11, N atomic planes and Ga atomic planes are alternately stacked. Then, spontaneous polarization can occur in the c-axis direction in the GaN layer 11 due to the difference in electronegativity between the Ga atom plane and the N atom plane.
以上のようなピエゾ効果や自発分極で生じた電子は、AlGaNに比べてGaNが小さなエネルギバンドギャップを有するので、AlGaN/GaN界面においてGaN層11側に蓄積されて2DEGを形成する。 The electrons generated by the piezo effect and spontaneous polarization as described above are accumulated on the GaN layer 11 side at the AlGaN / GaN interface to form 2DEG because GaN has a smaller energy band gap than AlGaN.
図5は、従来のAlGaN/GaNへテロ接合FETの一例を模式的断面図で図解している。このヘテロ接合FETにおいては、GaN層130の(0001)表面上にAlGaN層131がエピタキシャルに積層されている。AlGaN層131上においては、一対のソース・ドレイン電極2a、2bが形成されている。また、それらのソース・ドレイン電極2a、2b間において、ゲート電極30が形成されている。このゲート電極30はショットキ電極であり、その下のAlGaN層131内には空乏層400が生成している。
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view illustrating an example of a conventional AlGaN / GaN heterojunction FET. In this heterojunction FET, an AlGaN
このように構成されている図5のへテロ接合FETにおいては、AlGaN/GaN界面に2次元電子ガス260が存在するので、ソース・ドレイン電極2a、2b間に電圧を印加すれば、ゲート電圧がゼロの場合でもドレイン電流が流れる。したがって、このようなHFETは、ノーマリオン型のHFETと呼ばれている。
In the heterojunction FET of FIG. 5 configured as described above, since the two-dimensional electron gas 260 exists at the AlGaN / GaN interface, if a voltage is applied between the source /
ところで、一般的な回路へHFETを応用する場合、ゲート電圧がゼロの時にドレイン電流が流れることのないノーマリオフ型のHFETが望ましい。したがって、先行技術においては、種々のノーマリオフ型HFETの作製が試みられている。 By the way, when applying an HFET to a general circuit, a normally-off type HFET in which a drain current does not flow when the gate voltage is zero is desirable. Therefore, in the prior art, production of various normally-off HFETs has been attempted.
図6では、先行技術によるノーマリオフ型のHFETの一例が模式的断面図で図解されている。図5に比べて、図6のHFETは、AlGaN層131の表面に凹部131aが形成され、その凹部にショットキゲート電極40が形成されていることにおいて異なっている。この図6のHFETにおいては、ショットキゲート電極40がAlGaN層131の表面の凹部131a内に形成されているので、その下の空乏層410が深い位置まで到達し得る。そして、その空乏層410の底面がAlGaN/GaN界面に至れば、そこにおいて2次元電子ガス260aが途切れることになる。すなわち、ゲート電極40下には2次元電子ガス260aが存在しておらず、図6のHFETのノーマリオフ動作が可能となる。
In FIG. 6, an example of a normally-off type HFET according to the prior art is illustrated in a schematic cross-sectional view. Compared to FIG. 5, the HFET of FIG. 6 differs in that a recess 131 a is formed on the surface of the
他方、非特許文献1の信学技報、ED2005−205、pp.35−39においては、ウルツ鉱型結晶構造においてピエゾ効果や自発分極によって深さ方向に分極電界を生じない無極性面を利用してノーマリオフ型HFETを作製する方法が開示されている。より具体的には、非特許文献1のノーマリオフ型HFETにおいては、GaN層の無極性面である(11−20)表面上にAlGaN層をエピタキシャルに積層し、そのAlGaN層の(11−20)表面上に一対のソース・ドレイン電極とそれらの間のショットキゲート電極が形成される。
図6のHFETを作製する場合、AlGaN層131の表面における凹部131aは、ドライエッチングによって形成される。その場合、凹部131aの底面近傍において半導体がダメージを受ける恐れがある。凹部131aの底面近傍で半導体がダメージを受けることは、ゲート電極40下のチャネル領域がダメージを受けることを意味し、HFETの特性に悪影響を及ぼすことが明らかである。
When the HFET of FIG. 6 is manufactured, the recess 131a on the surface of the AlGaN
また、ショットキゲート電極40下の空乏層410の深さをヘテロ接合界面近傍に至るように、凹部131aの深さをドライエッチングによって高い精度で制御することは困難である。その結果、図6のHFETにおいては、その安定した良好な特性と高い生産歩留まりを達成することが困難である。 In addition, it is difficult to control the depth of the recess 131a with high accuracy by dry etching so that the depth of the depletion layer 410 under the Schottky gate electrode 40 reaches the vicinity of the heterojunction interface. As a result, in the HFET of FIG. 6, it is difficult to achieve stable and good characteristics and a high production yield.
他方、非特許文献1におけるように無極性の(11−20)表面上にソース・ドレイン電極を形成する場合、極性面(0001)に平行なAlGaN/GaN界面を利用する場合と同様にソース・ドレイン電極下にキャリアを生じさせるためには、AlGaN層にドーピングを行なう必要がある。なぜならば、無極性(11−20)表面に平行なAlGaN/GaN界面には2次元電子ガスが生成していないからである。したがって、ソース・ドレイン電極のコンタクト抵抗を低減させるためには、AlGaN層のドーピング濃度を増やさなければならない。
On the other hand, when the source / drain electrodes are formed on the nonpolar (11-20) surface as in
しかし、そのドーピング濃度を増やし過ぎれば、ショットキゲート電極のリーク電流が増大するという問題がある。すなわち、ウルツ鉱型結晶構造の無極性面上にソース・ドレイン電極形成して得られるHFETにおいては、ゲートリーク電流を増大させることなく、ソース・ドレイン電極のコンタクト抵抗を低減させることが困難である。 However, if the doping concentration is increased too much, there is a problem that the leakage current of the Schottky gate electrode increases. That is, in the HFET obtained by forming the source / drain electrodes on the nonpolar surface of the wurtzite crystal structure, it is difficult to reduce the contact resistance of the source / drain electrodes without increasing the gate leakage current. .
以上のような先行技術における状況に鑑み、本発明は、コンタクト抵抗が小さくかつゲートリーク電流が少なくて安定した特性を有するノーマリオフ型HFETを高い歩留まりで提供することを目的とする。 In view of the situation in the prior art as described above, an object of the present invention is to provide a normally-off HFET having a stable characteristic with a small contact resistance and a small gate leakage current at a high yield.
本発明によれば、分極性を有する化合物半導体を用いて作製されたヘテロ接合電界効果型トランジスタにおいて、そのトランジスタに含まれるヘテロ接合界面は化合物半導体の極性面に平行な第1と第2の領域とそれらの間の段差領域とを含み、それらの第1と第2の領域に平行な化合物半導体表面上に一対のソース・ドレイン電極が設けられ、それらのソース・ドレイン電極間において段差領域に平行な化合物半導体表面上にゲート電極が設けられており、段差領域は極性面に対して角度を有する無極性面または半極性面を含んでいることを特徴としている。 According to the present invention, in a heterojunction field effect transistor fabricated using a polarizable compound semiconductor, the heterojunction interface included in the transistor is first and second regions parallel to the polar plane of the compound semiconductor. And a step region between them, a pair of source / drain electrodes are provided on the surface of the compound semiconductor parallel to the first and second regions, and parallel to the step region between the source / drain electrodes A gate electrode is provided on the surface of the compound semiconductor, and the step region includes a nonpolar surface or a semipolar surface having an angle with respect to the polar surface.
なお、そのゲート電極は、ショトキ電極であり得る。また、化合物半導体は、ウルツ鉱型結晶構造を有する窒化物系III‐V族化合物半導体であり得る。その窒化物系III‐V族化合物半導体の極性面は(0001)面であって、(11−20)面または(10−10)面は無極性面であり、(01−12)面または(01−11)面は半極性面である。 The gate electrode can be a shot electrode. The compound semiconductor may be a nitride III-V compound semiconductor having a wurtzite crystal structure. The polar face of the nitride III-V compound semiconductor is the (0001) face, the (11-20) face or the (10-10) face is a nonpolar face, and the (01-12) face or ( The 01-11) plane is a semipolar plane.
以上のような本発明によれば、極性面に平行なヘテロ界面に沿った化合物半導体表面に一対のソース・ドレイン電極が形成されかつそれらの間に設けられた段差部において無極性面または半極性面に平行な化合物半導体表面にゲート電極が形成されるので、コンタクト抵抗が小さくかつゲートリーク電流が少なくて安定した特性を有するノーマリオフ型HFETを高い歩留まりで提供することができる。 According to the present invention as described above, the pair of source / drain electrodes are formed on the surface of the compound semiconductor along the heterointerface parallel to the polar face, and the nonpolar face or the semipolar face is provided in the step portion provided therebetween. Since the gate electrode is formed on the surface of the compound semiconductor parallel to the surface, a normally-off type HFET having a stable characteristic with a small contact resistance and a small gate leakage current can be provided with a high yield.
本発明者が鋭意検討を重ねた結果として、窒化物系III−V族化合物半導体の無極性面を部分的に利用することによって、ゲートリーク電流が少なくかつソース・ドレイン電極のコンタクト抵抗が小さいノーマリオフ型のHFETを実現し得ることが見出された。 As a result of extensive studies by the inventor, the non-polar surface of the nitride-based III-V compound semiconductor is partially used so that the gate leakage current is small and the contact resistance of the source / drain electrodes is small. It has been found that a type of HFET can be realized.
すなわち、本発明では、上述のように極性面に平行なヘテロ界面に沿った化合物半導体表面に一対のソース・ドレイン電極が形成されかつそれらの間に設けられた段差部において無極性面または半極性面に平行な化合物半導体表面にゲート電極が形成されることを特徴としている。 That is, in the present invention, as described above, a pair of source / drain electrodes are formed on the surface of the compound semiconductor along the heterointerface parallel to the polar surface, and a nonpolar surface or semipolar surface is formed in the step portion provided therebetween. A gate electrode is formed on the surface of the compound semiconductor parallel to the surface.
より具体的には、分極性を有する化合物半導体において、極性面に平行にヘテロ接合を形成した場合、ピエゾ効果および自発分極によってそのヘテロ界面に1013cm-2程度のシートキャリア密度を有する2DEGが形成され、この2DEGに近接してソース・ドレイン電極を形成することによって、接触抵抗の小さいオーミックのソース・ドレイン電極を実現することができる。他方、極性面に対して角度をなす無極性面または半極性面に平行にヘテロ接合を形成した場合、そのヘテロ接合においてピエゾ分極や自発分極が生じないかまたは不十分であるので、そのヘテロ接合に沿って高密度の2DEG(キャリア)が存在しない。その結果、リーク電流が少なくて優れた特性を有するゲート電極を形成することが可能となる。 More specifically, in a compound semiconductor having polarizability, when a heterojunction is formed parallel to the polar surface, 2DEG having a sheet carrier density of about 10 13 cm −2 at the heterointerface due to the piezoelectric effect and spontaneous polarization By forming the source / drain electrodes in the vicinity of the 2DEG, ohmic source / drain electrodes with low contact resistance can be realized. On the other hand, when a heterojunction is formed parallel to a nonpolar or semipolar plane that forms an angle with respect to the polar plane, piezoelectric polarization or spontaneous polarization does not occur or is insufficient at the heterojunction. There is no high density 2DEG (carrier) along. As a result, it is possible to form a gate electrode having excellent characteristics with little leakage current.
(実施形態1)
図1においては、本発明の実施形態1によるHFETが模式的断面図で図解されている。このHFETに含まれるGaN層100は、(0001)面に平行な主表面100aとその主表面に直交する(11−20)面または(10−10)面からなる段差表面100bを有している。このような段差部は、例えば段差部を有するサファイア基板やSiC基板上にGaN層を結晶成長させることによって形成し得るし、平坦なGaN層表面にRIE(反応性イオンエッチング)などを施すことによって形成してもよい。
(Embodiment 1)
In FIG. 1, an HFET according to
例えば、SiC基板上において、Cl2やSiCl4などの塩素系のガスまたはCF4やSF6などのフッ素系のガスを用いたRIEまたはICP(誘導結合プラズマ)によって、その基板表面に段差部を形成することができる。また、GaN層上においては、Cl2やSiCl4などの塩素系のガスまたはCF4やSF6などのフッ素系のガスを用いたRIEまたはICPによって、その表面に段差部を形成することができる。なお、このような異方性エッチングによって形成される段差部の側面はイオンやプラズマによるダメージを受けにくく、完成後のHFETのチャネル領域におけるダメージとなる恐れが少ない。 For example, a step portion is formed on the surface of a SiC substrate by RIE or ICP (inductively coupled plasma) using a chlorine-based gas such as Cl 2 or SiCl 4 or a fluorine-based gas such as CF 4 or SF 6. Can be formed. On the GaN layer, a stepped portion can be formed on the surface by RIE or ICP using a chlorine-based gas such as Cl 2 or SiCl 4 or a fluorine-based gas such as CF 4 or SF 6. . Note that the side surface of the stepped portion formed by such anisotropic etching is less likely to be damaged by ions or plasma, and is less likely to be damaged in the channel region of the completed HFET.
GaN層100上には、エピタキシャル結晶成長によって、AlGaN層101が積層される。したがって、そのAlGaN層101も、(0001)面に平行な主表面101aとその主表面に直交する無極性の(11−20)面または(10−10)面からなる段差表面101bを有している。
An
このAlGaN層101の主表面101a上では、段差部の右側と左側に配置された一対のソース・ドレイン電極2a、2bとしてオーミック電極が形成される。そして、それらのソース・ドレイン電極2a、2b間の段差表面101b上に、ゲート電極1としてショットキ電極が形成される。
On the main surface 101a of the
なお、ゲート電極としては、例えば複数種の材料が積層されたWN(窒化タングステン)/Au電極、Ptを主原料とするTi/Pt/Au電極、Ti/Au電極などを利用することができる。また、ソース・ドレイン電極としては、例えばTi/Al/Au電極を利用することができる。 As the gate electrode, for example, a WN (tungsten nitride) / Au electrode in which a plurality of kinds of materials are stacked, a Ti / Pt / Au electrode using Pt as a main material, a Ti / Au electrode, or the like can be used. As source / drain electrodes, for example, Ti / Al / Au electrodes can be used.
以上のように構成されている図1のHFETでは、ソース・ドレイン電極2a、2b下において極性面(0001)に平行なAlGaN/GaN界面100aに2次元電子ガス200が生成しており、この2次元電子ガスはソース・ドレイン電極のコンタクト抵抗の低減に寄与し得る。したがって、ソース・ドレイン電極2a、2bのコンタクト抵抗を低減させるために、AlGaN層101に高濃度の不純物をドープする必要がない。
In the HFET of FIG. 1 configured as described above, the two-
他方、ショットキゲート電極1下においては、無極性面(11−20)または(10−10)に平行なAlGaN/GaN界面100bに2次元電子ガス200が生成しない。したがって、本実施形態1による図1のHFETにおいては、ノーマリオフ動作が可能である。
On the other hand, under the
また、上述のようにAlGaN層101のドーピング濃度が低くてもよいことと、ショットキゲート電極1下に2次元電子ガス200が生成しないこととの効果として、ショットキゲート電極1においてはリーク電流が効果的に抑制され得る。すなわち、本実施形態1による図1のトランジスタは、優れたゲート耐圧を有するノーマルオフ型HFETであり得る。
In addition, as described above, a leakage current is effective in the
(実施形態2)
図2では、本発明の実施形態2によるHFETが模式的断面図で図解されている。図1に比べて、この図2のHFETにおいては、GaN層100が(0001)面に平行な主表面100aに対して90度未満の角度で交差する半極性の(01−12)面または(01−11)面からなる傾斜段差表面100cを有していることにおいて異なっている。これに伴って、AlGaN層101も半極性の(01−12)面または(01−11)面からなる傾斜段差表面101cを有しており、この傾斜段差表面101c上にショットキゲート電極10が形成されている。
(Embodiment 2)
In FIG. 2, an HFET according to
このように構成されている図2のHFETにおいても、ソース・ドレイン電極2a、2b下における極性面(0001)に平行なAlGaN/GaN界面100aに2次元電子ガス200が生成しており、この2次元電子ガスはソース・ドレイン電極のコンタクト抵抗の低減に寄与し得る。したがって、ソース・ドレイン電極2a、2bのコンタクト抵抗を低減させるために、AlGaN層101に高濃度の不純物をドープする必要がない。
In the HFET of FIG. 2 configured as described above, the two-
また、ショットキゲート電極10下においては、半極性面(01−12)または(01−11)に平行なAlGaN/GaN界面100cに2次元電子ガスが発生してもその濃度が希薄である。したがって、図2のHFETにおいても、ノーマリオフ動作が可能である。
Also, under the
また、実施形態1の場合と同様に、本実施形態2においてもAlGaN層101のドーピング濃度が低くてよいことと、ショットキゲート電極10下に2次元電子ガスが生成してもその濃度が希薄なこととの効果として、ショットキ電極10においてもゲートリーク電流が効果的に抑制され得る。すなわち、本実施形態2による図2のトランジスタも、優れたゲート耐圧を有するノーマルオフ型HFETであり得る。
As in the case of the first embodiment, the doping concentration of the
(実施形態3)
図3では、本発明の実施形態3によるHFETが模式的断面図で図解されている。図1に比べて、この図3のHFETにおいては、GaN層100が無極性の(11−20)面または(10−10)面からなる表面101bおよび半極性の(01−12)面または(01−11)面からなる表面101cを有する段差部を含んでいることにおいて異なっている。これに伴って、AlGaN層101も無極性の(11−20)面または(10−10)面からなる表面101bおよび半極性の(01−12)面または(01−11)面からなる表面101cを有する段差部を含んでおり、この段差部上にショットキゲート電極20が形成されている。
(Embodiment 3)
In FIG. 3, an HFET according to
このように構成されている図3のHFETは、図1と図2に示されたHFETの両者の特徴を含んでおり、それらの中間的特性を有していると言える。すなわち、本実施形態3による図3のトランジスタも、優れたゲート耐圧を有するノーマルオフ型HFETであり得る。 The HFET of FIG. 3 configured as described above includes the characteristics of both the HFETs shown in FIGS. 1 and 2 and can be said to have an intermediate characteristic between them. That is, the transistor of FIG. 3 according to the third embodiment can also be a normally-off HFET having an excellent gate breakdown voltage.
なお、上述の実施形態1−3ではAlGaN/GaNヘテロ接合を含むHFETが例示されたが、本発明は分極性を有する他の種々の化合物半導体によるヘテロ接合を含むHFETにも適用され得ることが明らかであろう。 In the above-described Embodiments 1-3, the HFET including the AlGaN / GaN heterojunction is illustrated. However, the present invention can also be applied to an HFET including a heterojunction of various other compound semiconductors having polarizability. It will be clear.
また、上述の実施形態では、段差部を構成する結晶面として無極性の(11−20)面と(10−10)面および半極性の(01−12)面と(01−11)面が例示されたが、(11−20)面と(10−10)面に限らず(0001)面に直交するその他の面も無極性であって、(0001)面に対して傾斜しているその他の面も半極性面であり得ることが理解されよう。 In the above-described embodiment, the nonpolar (11-20) plane and (10-10) plane and the semipolar (01-12) plane and (01-11) plane are the crystal planes constituting the stepped portion. Although illustrated, not only the (11-20) plane and the (10-10) plane, but other planes orthogonal to the (0001) plane are also nonpolar and are inclined with respect to the (0001) plane. It will be appreciated that this plane can also be a semipolar plane.
以上のように、本発明によって、コンタクト抵抗が小さくかつゲートリーク電流の少ないノーマリオフ型HFETを高い生産歩留まりで提供することができる。 As described above, according to the present invention, a normally-off HFET having a small contact resistance and a small gate leakage current can be provided with a high production yield.
1、10、20、30、40 ゲート電極、2a、2b ソース・ドレイン電極、11、100、130 GaN層、12、101、131 AlGaN層、131a AlGaN層表面の凹部、100a GaN層の極性主面、101a AlGaN層の極性主面、100b GaN層における無極性の段差面、101b AlGaN層における無極性の段差面、100c GaN層における半極性の傾斜段差面、101c AlGaN層における半極性の傾斜段差面、200、260、260a 2次元電子ガス、400、410 空乏層。
1, 10, 20, 30, 40 Gate electrode, 2a, 2b Source / drain electrode, 11, 100, 130 GaN layer, 12, 101, 131 AlGaN layer, 131a Recessed surface of AlGaN layer, Polar main surface of 100a GaN layer , 101a Polar main surface of the AlGaN layer, nonpolar step surface in the 100b GaN layer, nonpolar step surface in the 101b AlGaN layer, semipolar inclined step surface in the 100c GaN layer, semipolar inclined step surface in the
Claims (5)
前記トランジスタに含まれるヘテロ接合界面は前記化合物半導体の極性面に平行な第1と第2の領域とそれらの間の段差領域とを含み、
前記第1と第2の領域に平行な化合物半導体表面上に一対のソース・ドレイン電極が設けられ、
前記ソース・ドレイン電極間において前記段差領域に平行な化合物半導体表面上にゲート電極が設けられており、
前記段差領域は前記極性面に対して角度を有する無極性面または半極性面を含んでいることを特徴とするトランジスタ。 A heterojunction field-effect transistor manufactured using a compound semiconductor having a polarity,
The heterojunction interface included in the transistor includes first and second regions parallel to the polar surface of the compound semiconductor and a step region therebetween.
A pair of source / drain electrodes is provided on the surface of the compound semiconductor parallel to the first and second regions;
A gate electrode is provided on the surface of the compound semiconductor parallel to the step region between the source / drain electrodes,
The transistor is characterized in that the step region includes a nonpolar surface or a semipolar surface having an angle with respect to the polar surface.
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