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4H-SiC wurde als Material für Leistungshalbleiterbauelemente kommerzialisiert.Allerdings stellt die Langzeitzuverlässigkeit von 4H-SiC-Geräten ein Hindernis für ihre breite Anwendung dar, und das wichtigste Zuverlässigkeitsproblem von 4H-SiC-Geräten ist die bipolare Verschlechterung.Diese Verschlechterung wird durch die Ausbreitung eines einzelnen Shockley-Stapelfehlers (1SSF) von Basalebenenversetzungen in 4H-SiC-Kristallen verursacht.Hier schlagen wir eine Methode zur Unterdrückung der 1SSF-Expansion durch Implantation von Protonen auf epitaktische 4H-SiC-Wafer vor.Auf Wafern hergestellte PiN-Dioden mit Protonenimplantation zeigten die gleichen Strom-Spannungs-Kennlinien wie Dioden ohne Protonenimplantation.Im Gegensatz dazu wird die 1SSF-Expansion in der protonenimplantierten PiN-Diode wirksam unterdrückt.Daher ist die Implantation von Protonen in epitaktische 4H-SiC-Wafer eine wirksame Methode zur Unterdrückung der bipolaren Verschlechterung von 4H-SiC-Leistungshalbleiterbauelementen bei gleichzeitiger Beibehaltung der Geräteleistung.Dieses Ergebnis trägt zur Entwicklung äußerst zuverlässiger 4H-SiC-Geräte bei.
Siliziumkarbid (SiC) ist weithin als Halbleitermaterial für Hochleistungs-Hochfrequenz-Halbleitergeräte anerkannt, die in rauen Umgebungen betrieben werden können1.Es gibt viele SiC-Polytypen, darunter 4H-SiC mit hervorragenden physikalischen Eigenschaften von Halbleiterbauelementen wie hoher Elektronenmobilität und einem starken elektrischen Durchbruchfeld2.4H-SiC-Wafer mit einem Durchmesser von 6 Zoll werden derzeit kommerzialisiert und für die Massenproduktion von Leistungshalbleiterbauelementen verwendet3.Traktionssysteme für Elektrofahrzeuge und Züge wurden unter Verwendung von 4H-SiC4,5-Leistungshalbleiterbauelementen hergestellt.Allerdings leiden 4H-SiC-Geräte immer noch unter langfristigen Zuverlässigkeitsproblemen wie dielektrischem Durchschlag oder Kurzschlusszuverlässigkeit,6,7 wobei eines der wichtigsten Zuverlässigkeitsprobleme die bipolare Verschlechterung ist2,8,9,10,11.Diese bipolare Degradation wurde vor über 20 Jahren entdeckt und stellt seit langem ein Problem bei der Herstellung von SiC-Geräten dar.
Der bipolare Abbau wird durch einen einzelnen Shockley-Stapeldefekt (1SSF) in 4H-SiC-Kristallen mit Basalebenenversetzungen (BPDs) verursacht, die sich durch rekombinationsverstärktes Versetzungsgleiten (REDG) ausbreiten12,13,14,15,16,17,18,19.Wenn die BPD-Ausdehnung auf 1SSF unterdrückt wird, können daher 4H-SiC-Leistungsbauelemente ohne bipolare Verschlechterung hergestellt werden.Es wurden mehrere Methoden zur Unterdrückung der BPD-Ausbreitung beschrieben, beispielsweise die Umwandlung von BPD in Thread Edge Dislocation (TED) 20,21,22,23,24.Bei den neuesten SiC-Epitaxiewafern ist das BPD aufgrund der Umwandlung von BPD in TED während der Anfangsphase des Epitaxiewachstums hauptsächlich im Substrat und nicht in der Epitaxieschicht vorhanden.Das verbleibende Problem des bipolaren Abbaus ist daher die Verteilung von BPD im Substrat 25,26,27.Die Einfügung einer „verstärkten Verbundschicht“ zwischen der Driftschicht und dem Substrat wurde als wirksame Methode zur Unterdrückung der BPD-Ausdehnung im Substrat vorgeschlagen28, 29, 30, 31. Diese Schicht erhöht die Wahrscheinlichkeit einer Rekombination von Elektron-Loch-Paaren im Substrat Epitaxieschicht und SiC-Substrat.Durch die Reduzierung der Anzahl der Elektron-Loch-Paare wird die Antriebskraft von REDG zu BPD im Substrat verringert, sodass die Verbundverstärkungsschicht den bipolaren Abbau unterdrücken kann.Es ist zu beachten, dass das Einfügen einer Schicht zusätzliche Kosten bei der Herstellung von Wafern mit sich bringt und es ohne das Einfügen einer Schicht schwierig ist, die Anzahl der Elektron-Loch-Paare allein durch die Steuerung der Ladungsträgerlebensdauer zu reduzieren.Daher besteht immer noch ein großer Bedarf an der Entwicklung anderer Unterdrückungsmethoden, um ein besseres Gleichgewicht zwischen Herstellungskosten und Ertrag der Vorrichtung zu erreichen.
Da die Erweiterung der BPD auf 1SSF die Bewegung partieller Dislokationen (PDs) erfordert, ist die Fixierung der PD ein vielversprechender Ansatz zur Hemmung der bipolaren Degradation.Obwohl über PD-Pinning durch Metallverunreinigungen berichtet wurde, befinden sich FPDs in 4H-SiC-Substraten in einem Abstand von mehr als 5 μm von der Oberfläche der Epitaxieschicht.Da außerdem der Diffusionskoeffizient jedes Metalls in SiC sehr klein ist, ist es für Metallverunreinigungen schwierig, in das Substrat zu diffundieren34.Aufgrund der relativ großen Atommasse von Metallen ist auch die Ionenimplantation von Metallen schwierig.Im Gegensatz dazu können im Fall von Wasserstoff, dem leichtesten Element, Ionen (Protonen) mit einem Beschleuniger der MeV-Klasse bis zu einer Tiefe von mehr als 10 µm in 4H-SiC implantiert werden.Wenn die Protonenimplantation das PD-Pinning beeinflusst, kann sie daher zur Unterdrückung der BPD-Ausbreitung im Substrat verwendet werden.Allerdings kann die Protonenimplantation 4H-SiC beschädigen und zu einer verminderten Geräteleistung führen37,38,39,40.
Um die Verschlechterung des Geräts aufgrund der Protonenimplantation zu verhindern, wird Hochtemperaturglühen zur Reparatur von Schäden verwendet, ähnlich der Glühmethode, die üblicherweise nach der Akzeptorionenimplantation bei der Geräteverarbeitung verwendet wird1, 40, 41, 42. Obwohl die Sekundärionenmassenspektrometrie (SIMS)43 dies getan hat Wenn wir über eine Wasserstoffdiffusion aufgrund von Hochtemperaturglühen berichten, ist es möglich, dass allein die Dichte der Wasserstoffatome in der Nähe des FD nicht ausreicht, um die Fixierung des PR mithilfe von SIMS zu erkennen.Daher implantierten wir in dieser Studie Protonen in epitaktische 4H-SiC-Wafer vor dem Herstellungsprozess des Geräts, einschließlich Hochtemperaturglühen.Wir verwendeten PiN-Dioden als experimentelle Gerätestrukturen und stellten sie auf protonenimplantierten 4H-SiC-Epitaxiewafern her.Anschließend haben wir die Volt-Ampere-Kennlinien beobachtet, um die Verschlechterung der Geräteleistung aufgrund der Protoneninjektion zu untersuchen.Anschließend beobachteten wir die Ausdehnung von 1SSF in Elektrolumineszenzbildern (EL), nachdem eine elektrische Spannung an die PiN-Diode angelegt wurde.Schließlich haben wir die Wirkung der Protoneninjektion auf die Unterdrückung der 1SSF-Expansion bestätigt.
Auf Abb.Abbildung 1 zeigt die Strom-Spannungs-Kennlinien (CVCs) von PiN-Dioden bei Raumtemperatur in Regionen mit und ohne Protonenimplantation vor dem gepulsten Strom.PiN-Dioden mit Protoneninjektion weisen Gleichrichtungseigenschaften auf, die denen von Dioden ohne Protoneninjektion ähneln, obwohl die IV-Eigenschaften von allen Dioden gemeinsam genutzt werden.Um den Unterschied zwischen den Einspritzbedingungen zu verdeutlichen, haben wir die Spannungsfrequenz bei einer Durchlassstromdichte von 2,5 A/cm2 (entsprechend 100 mA) als statistisches Diagramm aufgetragen, wie in Abbildung 2 dargestellt. Die durch eine Normalverteilung angenäherte Kurve ist ebenfalls dargestellt durch eine gepunktete Linie.Linie.Wie aus den Spitzen der Kurven ersichtlich ist, steigt der Einschaltwiderstand bei Protonendosis von 1014 und 1016 cm-2 leicht an, während die PiN-Diode mit einer Protonendosis von 1012 cm-2 nahezu die gleichen Eigenschaften zeigt wie ohne Protonenimplantation .Wir führten auch eine Protonenimplantation nach der Herstellung von PiN-Dioden durch, die aufgrund von durch die Protonenimplantation verursachten Schäden keine gleichmäßige Elektrolumineszenz aufwiesen, wie in Abbildung S1 dargestellt, wie in früheren Studien beschrieben37,38,39.Daher ist das Tempern bei 1600 °C nach der Implantation von Al-Ionen ein notwendiger Prozess, um Geräte zur Aktivierung des Al-Akzeptors herzustellen, der den durch die Protonenimplantation verursachten Schaden reparieren kann, wodurch die CVCs zwischen implantierten und nicht implantierten Protonen-PiN-Dioden gleich sind .Die Sperrstromfrequenz bei -5 V ist ebenfalls in Abbildung S2 dargestellt, es gibt keinen signifikanten Unterschied zwischen Dioden mit und ohne Protoneninjektion.
Volt-Ampere-Kennlinien von PiN-Dioden mit und ohne injizierte Protonen bei Raumtemperatur.Die Legende gibt die Protonendosis an.
Spannungsfrequenz bei Gleichstrom 2,5 A/cm2 für PiN-Dioden mit injizierten und nicht injizierten Protonen.Die gestrichelte Linie entspricht der Normalverteilung.
Auf Abb.3 zeigt ein EL-Bild einer PiN-Diode mit einer Stromdichte von 25 A/cm2 nach Spannung.Vor dem Anlegen der gepulsten Stromlast waren die dunklen Bereiche der Diode nicht zu erkennen, wie in Abbildung 3. C2 dargestellt.Wie jedoch in Abb.In 3a wurden in einer PiN-Diode ohne Protonenimplantation nach Anlegen einer elektrischen Spannung mehrere dunkel gestreifte Bereiche mit hellen Kanten beobachtet.Solche stäbchenförmigen dunklen Bereiche werden in EL-Bildern für 1SSF beobachtet, die sich vom BPD im Substrat erstrecken28,29.Stattdessen wurden einige ausgedehnte Stapelfehler in PiN-Dioden mit implantierten Protonen beobachtet, wie in Abb. 3b – d dargestellt.Mithilfe der Röntgentopographie haben wir das Vorhandensein von PRs bestätigt, die sich ohne Protoneninjektion vom BPD zum Substrat am Rand der Kontakte in der PiN-Diode bewegen können (Abb. 4: dieses Bild ohne Entfernen der oberen Elektrode (fotografiert, PR). unter den Elektroden ist nicht sichtbar. Daher entspricht der dunkle Bereich im EL-Bild einem erweiterten 1SSF-BPD im Substrat. EL-Bilder anderer geladener PiN-Dioden sind in den Abbildungen 1 und 2 dargestellt. Videos S3–S6 mit und ohne erweitert Dunkle Bereiche (zeitveränderliche EL-Bilder von PiN-Dioden ohne Protoneninjektion und implantiert bei 1014 cm-2) werden auch in den Zusatzinformationen angezeigt.
EL-Bilder von PiN-Dioden bei 25 A/cm2 nach 2 Stunden elektrischer Belastung (a) ohne Protonenimplantation und mit implantierten Dosen von (b) 1012 cm-2, (c) 1014 cm-2 und (d) 1016 cm-2 Protonen.
Wir haben die Dichte von expandiertem 1SSF berechnet, indem wir dunkle Bereiche mit hellen Kanten in drei PiN-Dioden für jede Bedingung berechnet haben, wie in Abbildung 5 dargestellt. Die Dichte von expandiertem 1SSF nimmt mit zunehmender Protonendosis ab, und zwar sogar bei einer Dosis von 1012 cm-2. Die Dichte von expandiertem 1SSF ist deutlich geringer als bei einer nicht implantierten PiN-Diode.
Erhöhte Dichten von SF-PiN-Dioden mit und ohne Protonenimplantation nach Belastung mit einem gepulsten Strom (jeder Zustand umfasste drei geladene Dioden).
Eine Verkürzung der Ladungsträgerlebensdauer wirkt sich auch auf die Unterdrückung der Expansion aus, und die Protoneninjektion verringert die Ladungsträgerlebensdauer32,36.Wir haben Ladungsträgerlebensdauern in einer 60 µm dicken Epitaxieschicht mit injizierten Protonen von 1014 cm-2 beobachtet.Obwohl das Implantat den Wert ab der anfänglichen Lebensdauer des Trägers auf etwa 10 % reduziert, wird er durch nachfolgendes Tempern auf etwa 50 % wiederhergestellt, wie in Abb. S7 dargestellt.Daher wird die durch die Protonenimplantation verkürzte Trägerlebensdauer durch Hochtemperaturglühen wiederhergestellt.Obwohl eine Reduzierung der Trägerlebensdauer um 50 % auch die Ausbreitung von Stapelfehlern unterdrückt, weisen die I–V-Eigenschaften, die typischerweise von der Trägerlebensdauer abhängen, nur geringfügige Unterschiede zwischen injizierten und nicht implantierten Dioden auf.Daher glauben wir, dass die PD-Verankerung eine Rolle bei der Hemmung der 1SSF-Expansion spielt.
Obwohl SIMS nach dem Tempern bei 1600 °C keinen Wasserstoff detektierte, wie in früheren Studien berichtet, beobachteten wir die Auswirkung der Protonenimplantation auf die Unterdrückung der 1SSF-Expansion, wie in den Abbildungen 1 und 4 dargestellt. 3, 4. Daher glauben wir das Die PD wird durch Wasserstoffatome mit einer Dichte unterhalb der Nachweisgrenze von SIMS (2 × 1016 cm-3) oder durch durch Implantation induzierte Punktdefekte verankert.Es ist zu beachten, dass wir keinen Anstieg des Durchlasswiderstands aufgrund der Dehnung von 1SSF nach einer Stoßstrombelastung bestätigt haben.Dies kann auf fehlerhafte ohmsche Kontakte zurückzuführen sein, die mit unserem Verfahren hergestellt wurden und in naher Zukunft beseitigt werden.
Zusammenfassend haben wir eine Löschmethode zur Erweiterung der BPD auf 1SSF in 4H-SiC-PiN-Dioden mithilfe einer Protonenimplantation vor der Geräteherstellung entwickelt.Die Verschlechterung der IV-Charakteristik während der Protonenimplantation ist unbedeutend, insbesondere bei einer Protonendosis von 1012 cm–2, aber der Effekt der Unterdrückung der 1SSF-Expansion ist signifikant.Obwohl wir in dieser Studie 10 µm dicke PiN-Dioden mit Protonenimplantation bis zu einer Tiefe von 10 µm hergestellt haben, ist es dennoch möglich, die Implantationsbedingungen weiter zu optimieren und sie auf die Herstellung anderer Arten von 4H-SiC-Geräten anzuwenden.Zusätzliche Kosten für die Geräteherstellung während der Protonenimplantation sollten berücksichtigt werden, sie werden jedoch denen für die Aluminiumionenimplantation ähneln, dem Hauptherstellungsprozess für 4H-SiC-Leistungsgeräte.Daher ist die Protonenimplantation vor der Geräteverarbeitung eine potenzielle Methode zur Herstellung bipolarer 4H-SiC-Leistungsgeräte ohne Degeneration.
Als Probe wurde ein 4-Zoll-4H-SiC-Wafer vom n-Typ mit einer Epitaxieschichtdicke von 10 µm und einer Donordotierungskonzentration von 1 × 1016 cm–3 verwendet.Vor der Verarbeitung des Geräts wurden H+-Ionen mit einer Beschleunigungsenergie von 0,95 MeV bei Raumtemperatur bis zu einer Tiefe von etwa 10 μm in einem normalen Winkel zur Plattenoberfläche in die Platte implantiert.Bei der Protonenimplantation wurde eine Maske auf einer Platte verwendet, und die Platte hatte Abschnitte ohne und mit einer Protonendosis von 1012, 1014 oder 1016 cm-2.Anschließend wurden Al-Ionen mit Protonendosen von 1020 und 1017 cm–3 über den gesamten Wafer bis zu einer Tiefe von 0–0,2 µm und 0,2–0,5 µm von der Oberfläche implantiert, gefolgt von einem Tempern bei 1600 °C, um eine Kohlenstoffkappe zu bilden Bilden Sie eine ap-Schicht.-Typ.Anschließend wurde ein rückseitiger Ni-Kontakt auf der Substratseite abgeschieden, während ein 2,0 mm × 2,0 mm kammförmiger Ti/Al-Vorderseitenkontakt, der durch Photolithographie und einen Abziehprozess gebildet wurde, auf der Seite der Epitaxieschicht abgeschieden wurde.Abschließend erfolgt die Kontaktglühung bei einer Temperatur von 700 °C.Nachdem wir den Wafer in Chips geschnitten hatten, führten wir eine Spannungscharakterisierung und -anwendung durch.
Die IV-Eigenschaften der hergestellten PiN-Dioden wurden mit einem HP4155B-Halbleiterparameteranalysator beobachtet.Als elektrische Belastung wurde 2 Stunden lang ein 10 Millisekunden dauernder gepulster Strom von 212,5 A/cm2 mit einer Frequenz von 10 Impulsen/Sek. eingeleitet.Als wir eine niedrigere Stromdichte oder Frequenz wählten, beobachteten wir selbst in einer PiN-Diode ohne Protoneninjektion keine 1SSF-Ausdehnung.Während der angelegten elektrischen Spannung beträgt die Temperatur der PiN-Diode ohne absichtliche Erwärmung etwa 70 °C, wie in Abbildung S8 dargestellt.Elektrolumineszenzbilder wurden vor und nach elektrischer Belastung bei einer Stromdichte von 25 A/cm2 aufgenommen.Synchrotronreflexion, streifender Einfall, Röntgentopographie unter Verwendung eines monochromatischen Röntgenstrahls (λ = 0,15 nm) am Aichi Synchrotron Radiation Center, der Ag-Vektor in BL8S2 ist -1-128 oder 11-28 (Einzelheiten siehe Lit. 44) .).
Die Spannungsfrequenz bei einer Durchlassstromdichte von 2,5 A/cm2 wird in einem Intervall von 0,5 V in Abb. extrahiert.2 entsprechend dem CVC jedes Zustands der PiN-Diode.Aus dem Mittelwert der Spannung Vave und der Standardabweichung σ der Spannung zeichnen wir eine Normalverteilungskurve in Form einer gepunkteten Linie in Abbildung 2 unter Verwendung der folgenden Gleichung:
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Zhang, Z. & Sudarshan, TS Versetzungsfreie Basalebenenepitaxie von Siliziumkarbid. Zhang, Z. & Sudarshan, TS Versetzungsfreie Basalebenenepitaxie von Siliziumkarbid.Zhang Z. und Sudarshan TS Versetzungsfreie Epitaxie von Siliziumkarbid in der Basalebene. Zhang, Z. & Sudarshan, TS 碳化硅基面无位错外延. Zhang, Z. & Sudarshan, TSZhang Z. und Sudarshan TS Versetzungsfreie Epitaxie von Siliziumkarbid-Basalebenen.Stellungnahme.Physik.Wright.87, 151913 (2005).
Zhang, Z., Moulton, E. & Sudarshan, TS Mechanismus zur Beseitigung von Basalebenenversetzungen in SiC-Dünnfilmen durch Epitaxie auf einem geätzten Substrat. Zhang, Z., Moulton, E. & Sudarshan, TS Mechanismus zur Beseitigung von Basalebenenversetzungen in SiC-Dünnfilmen durch Epitaxie auf einem geätzten Substrat.Zhang Z., Moulton E. und Sudarshan TS Mechanismus der Beseitigung von Basisebenenversetzungen in SiC-Dünnfilmen durch Epitaxie auf einem geätzten Substrat. Zhang, Z., Moulton, E. & Sudarshan, TS Zhang, Z., Moulton, E. & Sudarshan, TS Der Mechanismus der Beseitigung von SiC-Dünnfilmen durch Ätzen des Substrats.Zhang Z., Moulton E. und Sudarshan TS Mechanismus der Beseitigung von Basisebenenversetzungen in SiC-Dünnfilmen durch Epitaxie auf geätzten Substraten.Anwendungsphysik Wright.89, 081910 (2006).
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Song, H. & Sudarshan, TS Basalebenenversetzungsumwandlung nahe der Epischicht/Substrat-Grenzfläche beim epitaktischen Wachstum von 4° außeraxialem 4H-SiC. Song, H. & Sudarshan, TS Basalebenenversetzungsumwandlung nahe der Epischicht/Substrat-Grenzfläche beim epitaktischen Wachstum von 4° außeraxialem 4H-SiC.Song, H. und Sudarshan, TS Transformation von Basalebenenversetzungen nahe der Grenzfläche zwischen epitaktischer Schicht und Substrat während des außeraxialen epitaktischen Wachstums von 4H-SiC. Song, H. & Sudarshan, TS 4° 离轴4H-SiC Song, H. & Sudarshan, TS 在4° 离轴4H-SiC Song, H. & Sudarshan, TSPlanarer Versetzungsübergang des Substrats nahe der Epitaxieschicht/Substratgrenze während des epitaktischen Wachstums von 4H-SiC außerhalb der 4°-Achse.J. Kristall.Wachstum 371, 94–101 (2013).
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Konishi, K. et al.Entwerfen Sie Epitaxieschichten für bipolare, nicht abbaubare SiC-MOSFETs, indem Sie erweiterte Stapelfehler-Keimbildungsstellen in der operativen topografischen Röntgenanalyse erkennen.AIP Advanced 12, 035310 (2022).
Lin, S. et al.Einfluss der Versetzungsstruktur der Basisebene auf die Ausbreitung eines einzelnen Stapelfehlers vom Shockley-Typ während des Vorwärtsstromabfalls von 4H-SiC-Pin-Dioden.Japan.J. Bewerbung.Physik.57, 04FR07 (2018).
Tahara, T., et al.Die kurze Lebensdauer der Minoritätsträger in stickstoffreichen 4H-SiC-Epischichten wird genutzt, um Stapelfehler in PiN-Dioden zu unterdrücken.J. Bewerbung.Physik.120, 115101 (2016).
Tahara, T. et al.Abhängigkeit der injizierten Ladungsträgerkonzentration von der Ausbreitung einzelner Shockley-Stapelfehler in 4H-SiC-PiN-Dioden.J. Bewerbung.Physik 123, 025707 (2018).
Mae, S., Tawara, T., Tsuchida, H. & Kato, M. Mikroskopisches FCA-System zur tiefenaufgelösten Ladungsträgerlebensdauermessung in SiC. Mae, S., Tawara, T., Tsuchida, H. & Kato, M. Mikroskopisches FCA-System zur tiefenaufgelösten Ladungsträgerlebensdauermessung in SiC.Mei, S., Tawara, T., Tsuchida, H. und Kato, M. FCA-Mikroskopsystem für tiefenaufgelöste Trägerlebensdauermessungen in Siliziumkarbid. Mae, S., Tawara, T., Tsuchida, H. und Kato, M. haben sich für SiC entschieden. Mae, S., Tawara, T., Tsuchida, H. & Kato, M. Für SiC mittlerer Tiefe ist die Lebensdauermessung im FCA-System erforderlich.Mei S., Tawara T., Tsuchida H. und Kato M. Mikro-FCA-System für tiefenaufgelöste Trägerlebensdauermessungen in Siliziumkarbid.Alma Mater Science Forum 924, 269–272 (2018).
Hirayama, T. et al.Die Tiefenverteilung der Ladungsträgerlebensdauern in dicken 4H-SiC-Epitaxieschichten wurde zerstörungsfrei unter Verwendung der Zeitauflösung der Absorption freier Ladungsträger und des gekreuzten Lichts gemessen.Wechseln Sie zur Wissenschaft.Meter.91, 123902 (2020).
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 06.11.2022