JPH0362303B2 - - Google Patents
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- JPH0362303B2 JPH0362303B2 JP62063026A JP6302687A JPH0362303B2 JP H0362303 B2 JPH0362303 B2 JP H0362303B2 JP 62063026 A JP62063026 A JP 62063026A JP 6302687 A JP6302687 A JP 6302687A JP H0362303 B2 JPH0362303 B2 JP H0362303B2
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- JP
- Japan
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- semiconductor layer
- layer
- compound semiconductor
- indium gallium
- gallium arsenide
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-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
- H10D30/00—Field-effect transistors [FET]
- H10D30/40—FETs having zero-dimensional [0D], one-dimensional [1D] or two-dimensional [2D] charge carrier gas channels
- H10D30/47—FETs having zero-dimensional [0D], one-dimensional [1D] or two-dimensional [2D] charge carrier gas channels having two-dimensional [2D] charge carrier gas channels, e.g. nanoribbon FETs or high electron mobility transistors [HEMT]
- H10D30/471—High electron mobility transistors [HEMT] or high hole mobility transistors [HHMT]
- H10D30/473—High electron mobility transistors [HEMT] or high hole mobility transistors [HHMT] having confinement of carriers by multiple heterojunctions, e.g. quantum well HEMT
Landscapes
- Junction Field-Effect Transistors (AREA)
Description
〔概要〕
この発明は、界面量子化されたキヤリアを利用
する半導体装置において、 InxGa1-xAs半導体層とInxGa1-xP半導体層と
でヘテロ接合を形成し、該InxGa1-xP半導体層を
キヤリア供給層、該InxGa1-xAs半導体層をキヤ
リアのチヤネルとすることにより、 キヤリア濃度の増大、安定化の向上などを実現
するものである。 〔産業上の利用分野〕 本発明は半導体装置、特に界面量子化されたキ
ヤリアを利用する高電子移動度電界効果トランジ
スタ(HEMT)等の化合物半導体装置の改善に
関する。 例えばHEMTでは空間分離ドーピングとヘテ
ロ接合界面による量子化によつて電子の移動度を
高めており、高速デバイスとして強い期待が寄せ
られているが、なお後述の如く改善が要望されて
いる。 〔従来の技術〕 ヘテロ接合界面によるキヤリアの量子化と空間
分離ドーピングにより高いキヤリア移動度を実現
している半導体装置の例として、HEMTの一例
の模式断面図及びエネルギーバンド図を第4図
a,bに示す。 その半導体装置は半絶縁性砒化ガリウム
(GaAs)基板21上に、バツフア層とチヤネル
層を兼ねるノンドープのi型GaAsチヤネル層2
3と、これより電子親和力が小さい砒化アルミニ
ウムガリウム(AlxGa1-xAs)からなるn型電子
供給層24が積層され、このAlGaAs電子供給層
24からGaAs層23へ遷移した電子によつてヘ
テロ接合界面近傍に2次元電子ガス26が形成さ
れる。この2次元電子ガス26は不純物散乱によ
る移動度低下が殆どなく、格子散乱が減少する例
えば77K程度以下の低温において最も高い移動度
が得られる。 この半導体基体上にソース、ドレイン電極28
とゲート電極29を設け、ゲート電極29による
シヨツトキ空乏層で2次元電子ガス26の面濃度
を制御してトランジスタ動作が行われる。 このHEMTの電子供給層であるAlxGa1-xAs層
24のAlAsとGaAsの混晶比xは、2次元電子ガ
ス26の移動度μn及び面濃度Nsを比較検討して
選択されるが、移動度μnはx=0.2〜0.3程度で最
大となり、また面濃度Nsからはi形GaAs層23
との伝導帯のエネルギー準位差を0.24eV程度以
上、従つてx=0.30程度以上とすることが望まし
い。 しかしながら他方において、AlxGa1-xAsの混
晶比xを0.25程度より大きくすればドープしたSi
等がDXセンターと呼ばれる深いドナー準位を形
成する。このためにドーピング量を増加してもこ
れに見合つて2次元電子ガス26の面濃度Nsが
増大せず、更に200K程度以下で赤外線が入射す
ればDXセンターから伝導帯に電子が励起され、
光照射を停止してこの伝導電子がドナー準位に落
ちないPPC(persistent photo conductivity)等
の現象を示す。 従つて上述の如きGaAs/AlGaAs系HEMTで
は、ドレイン電流、伝達コンダグタンスgm等が
制約され、更にこれらの特性及び閾値電圧Vth等
に大きい温度依存性が現れて動作の安定性が低下
している。 この様な問題点のあるGaAs/AlGaAs系
HEMTを改善するために、本出願人は先に特願
昭58−195579号により第4図cにエネルギーバン
ド図を示す下記の構造を提供している。 該発明による半導体装置は、電子供給層24A
を燐化インジウムガリウム(In0.48Ga0.52P)によ
つて形成する。InGapはDXセンターが形成され
ないために、2次元電子ガス26の面濃度Nsの
増大、動作の安定性の改善を実現するのみなら
ず、その構成元素にアルミニウム(Al)を含ま
ないために、有機金属熱分解気相成長(MO−
CVD)法などの気相成長プロセス中及び成長後
の化学安定性が向上する効果も得ている。 〔発明が解決しようとする問題点〕 前記先願発明は上述の如き効果を与えている
が、その利点を損なうことなく2次元電子ガスの
面濃度Nsを更に増加するなどの改善を推進して、
高速デバイスとして期待が大きいHEMT等の性
能を向上することを目的とする。 〔問題点を解決するための手段〕 前記問題点は、インジウムガリウム砒素化合物
(InxGa1-xAs)半導体層と、不純物をドープした
インジウムガリウム燐化合物(InxGa1-xP)半導
体層とのヘテロ接合を備えて、該InxGa1-xAs半
導体層を界面量子化されたキヤリアのチヤネルと
する本発明による半導体装置により解決される。 〔作用〕 本発明に用いるInxGa1-xAsのヘテロ接合は、
例えば前者をGaAsに格子整合するIn0.48Ga0.52P
とし後者をIn0.15Ga0.85Asとした場合にΔEc=
0.32eVとなり、先願発明のIn0.48Ga0.52P/GaAs
ヘテロ接合のΔEc=0.2eVより大きい伝導帯エネ
ルギー準位差が得られ、2次元電子ガスの面濃度
Nsの増大が達成される。 なおInxGa1-xAsをチヤネル層に用いることは、
例えばインジウム燐(InP)基板上でx=0.53程
度のInxGa1-xAsをチヤネル層とし、InPを電子供
給層とする例(例えば特開昭58−196057号、特開
昭59−5675号)等で従来知られているが、この様
な従来例でもΔEc=0.2eV程度である。 ただしInxGa1-xAsは、半導体装置の基板とし
て多く用いられるGaAsに対して格子定数に差が
あり、本半導体装置をGaAs基板を用いて実現す
るには、例えばこのInxGa1-xAs半導体層を量子
化されたキヤリアのチヤネルとして必要な数10mm
程度以下の厚さに止めて格子不整合による転位の
発生を防止するか、或いはGaAs半導体基板上に
格子定数差を調和するバツフア層を介して、Inx
Ga1-xAs半導体層及びInxGa1-xP半導体層を相互
に格子整合させて成長するなどの構造を用いる。 〔実施例〕 以下本発明を実施例により具体的に説明する。 第1図a,bは本発明の第1の実施例を示す模
式断面図及びエネルギーバンド図である。 本実施例の半導体基体は半絶縁性GaAs基板1
上に、AlGaAsバツフア層2、InGaAsチヤネル
層3、InGaP電子供給層4、GaAs層5が例えば
下記の如くMO−CVD法により形成されている。
する半導体装置において、 InxGa1-xAs半導体層とInxGa1-xP半導体層と
でヘテロ接合を形成し、該InxGa1-xP半導体層を
キヤリア供給層、該InxGa1-xAs半導体層をキヤ
リアのチヤネルとすることにより、 キヤリア濃度の増大、安定化の向上などを実現
するものである。 〔産業上の利用分野〕 本発明は半導体装置、特に界面量子化されたキ
ヤリアを利用する高電子移動度電界効果トランジ
スタ(HEMT)等の化合物半導体装置の改善に
関する。 例えばHEMTでは空間分離ドーピングとヘテ
ロ接合界面による量子化によつて電子の移動度を
高めており、高速デバイスとして強い期待が寄せ
られているが、なお後述の如く改善が要望されて
いる。 〔従来の技術〕 ヘテロ接合界面によるキヤリアの量子化と空間
分離ドーピングにより高いキヤリア移動度を実現
している半導体装置の例として、HEMTの一例
の模式断面図及びエネルギーバンド図を第4図
a,bに示す。 その半導体装置は半絶縁性砒化ガリウム
(GaAs)基板21上に、バツフア層とチヤネル
層を兼ねるノンドープのi型GaAsチヤネル層2
3と、これより電子親和力が小さい砒化アルミニ
ウムガリウム(AlxGa1-xAs)からなるn型電子
供給層24が積層され、このAlGaAs電子供給層
24からGaAs層23へ遷移した電子によつてヘ
テロ接合界面近傍に2次元電子ガス26が形成さ
れる。この2次元電子ガス26は不純物散乱によ
る移動度低下が殆どなく、格子散乱が減少する例
えば77K程度以下の低温において最も高い移動度
が得られる。 この半導体基体上にソース、ドレイン電極28
とゲート電極29を設け、ゲート電極29による
シヨツトキ空乏層で2次元電子ガス26の面濃度
を制御してトランジスタ動作が行われる。 このHEMTの電子供給層であるAlxGa1-xAs層
24のAlAsとGaAsの混晶比xは、2次元電子ガ
ス26の移動度μn及び面濃度Nsを比較検討して
選択されるが、移動度μnはx=0.2〜0.3程度で最
大となり、また面濃度Nsからはi形GaAs層23
との伝導帯のエネルギー準位差を0.24eV程度以
上、従つてx=0.30程度以上とすることが望まし
い。 しかしながら他方において、AlxGa1-xAsの混
晶比xを0.25程度より大きくすればドープしたSi
等がDXセンターと呼ばれる深いドナー準位を形
成する。このためにドーピング量を増加してもこ
れに見合つて2次元電子ガス26の面濃度Nsが
増大せず、更に200K程度以下で赤外線が入射す
ればDXセンターから伝導帯に電子が励起され、
光照射を停止してこの伝導電子がドナー準位に落
ちないPPC(persistent photo conductivity)等
の現象を示す。 従つて上述の如きGaAs/AlGaAs系HEMTで
は、ドレイン電流、伝達コンダグタンスgm等が
制約され、更にこれらの特性及び閾値電圧Vth等
に大きい温度依存性が現れて動作の安定性が低下
している。 この様な問題点のあるGaAs/AlGaAs系
HEMTを改善するために、本出願人は先に特願
昭58−195579号により第4図cにエネルギーバン
ド図を示す下記の構造を提供している。 該発明による半導体装置は、電子供給層24A
を燐化インジウムガリウム(In0.48Ga0.52P)によ
つて形成する。InGapはDXセンターが形成され
ないために、2次元電子ガス26の面濃度Nsの
増大、動作の安定性の改善を実現するのみなら
ず、その構成元素にアルミニウム(Al)を含ま
ないために、有機金属熱分解気相成長(MO−
CVD)法などの気相成長プロセス中及び成長後
の化学安定性が向上する効果も得ている。 〔発明が解決しようとする問題点〕 前記先願発明は上述の如き効果を与えている
が、その利点を損なうことなく2次元電子ガスの
面濃度Nsを更に増加するなどの改善を推進して、
高速デバイスとして期待が大きいHEMT等の性
能を向上することを目的とする。 〔問題点を解決するための手段〕 前記問題点は、インジウムガリウム砒素化合物
(InxGa1-xAs)半導体層と、不純物をドープした
インジウムガリウム燐化合物(InxGa1-xP)半導
体層とのヘテロ接合を備えて、該InxGa1-xAs半
導体層を界面量子化されたキヤリアのチヤネルと
する本発明による半導体装置により解決される。 〔作用〕 本発明に用いるInxGa1-xAsのヘテロ接合は、
例えば前者をGaAsに格子整合するIn0.48Ga0.52P
とし後者をIn0.15Ga0.85Asとした場合にΔEc=
0.32eVとなり、先願発明のIn0.48Ga0.52P/GaAs
ヘテロ接合のΔEc=0.2eVより大きい伝導帯エネ
ルギー準位差が得られ、2次元電子ガスの面濃度
Nsの増大が達成される。 なおInxGa1-xAsをチヤネル層に用いることは、
例えばインジウム燐(InP)基板上でx=0.53程
度のInxGa1-xAsをチヤネル層とし、InPを電子供
給層とする例(例えば特開昭58−196057号、特開
昭59−5675号)等で従来知られているが、この様
な従来例でもΔEc=0.2eV程度である。 ただしInxGa1-xAsは、半導体装置の基板とし
て多く用いられるGaAsに対して格子定数に差が
あり、本半導体装置をGaAs基板を用いて実現す
るには、例えばこのInxGa1-xAs半導体層を量子
化されたキヤリアのチヤネルとして必要な数10mm
程度以下の厚さに止めて格子不整合による転位の
発生を防止するか、或いはGaAs半導体基板上に
格子定数差を調和するバツフア層を介して、Inx
Ga1-xAs半導体層及びInxGa1-xP半導体層を相互
に格子整合させて成長するなどの構造を用いる。 〔実施例〕 以下本発明を実施例により具体的に説明する。 第1図a,bは本発明の第1の実施例を示す模
式断面図及びエネルギーバンド図である。 本実施例の半導体基体は半絶縁性GaAs基板1
上に、AlGaAsバツフア層2、InGaAsチヤネル
層3、InGaP電子供給層4、GaAs層5が例えば
下記の如くMO−CVD法により形成されている。
【表】
本実施例ではバツフア層2をx=0.2〜0.3程度
のAlxGa1-xAs層としているが、これは例えば
1011Ωcm程度以上の高い抵抗率を得るためであ
る。なおこのバツフア層2にAlGaAsを用いても
ノンドープの高抵抗層であるために前記の問題は
生じない。またバツフア層2をGaAs或いはIn0.48
Ga0.52Pなどとすることも可能であり、この場合
にはそのエネルギーバンドが第1図bに破線で例
示する形状となる。 本実施例の構成では結晶欠陥の発生も考慮し
て、InxGa1-xAsチヤネル層3の混晶比xを例え
ば0.15〜0.20、厚さを例えば10〜15mm程度に選択
する。xを大きくすればIn0.48Ga0.52P電子供給層
4との間のΔEcが大きくなるが、GaAsとの格子
定数差も大きく厚さが制限される。本実施例では
これらを例えば下記データ例に示す値としてい
る。 この半導体基体上にソース,ドレイン電極8を
例えば金ゲルマニウム/金(AuGe/Au)を用
いてパターニングし、熱処理を行つてInGaAsチ
ヤネル層3に達する深さに合金領域8Aを形成す
る。 またゲート電極9をGaAs層5上に例えばAlを
用いて配設する。この様にゲート電極9をGaAs
層5上に設けることにより、In0.48Ga0.52P電子供
給層4上に設けるより大きいシヨツトキバリア高
さが得られる。 第2図は本実施例と前記先願発明の半導体基体
について、温度300K及び77Kにおける2次元電
子ガス6の面濃度Ns及び移動度μnの平均値を示
す図であり、MO−CVD法によつて成長した各
試料のIn0.48Ga0.52P電子供給層4は不純物濃度1
×1018cm-3、厚さ37mmとしている。 ▲と△で示す本発明の実施例はInxGa1-xAsチ
ヤネル層3の混晶比xを0.15、厚さを8.7mm、■
と□で示す実施例はInGaAsチヤネル層3の混晶
比xを0.15、厚さを17mmとしている。また先願発
明の試料は●と○で示し、▲、■、●は300K、
△、□、○は77Kを示す。 本データ例から2次元電子ガス6の面濃度Ns
が本発明により顕著に増大することが明らかであ
り、In0.48Ga0.52P電子供給層4の不純物濃度を本
実施例の1×1018cm-3より高くすれば、面濃度Ns
を更に増加させることができる。 なお移動度μnは常温300Kにおいては同等と見
做される。低温では従来知られている事実と同様
に面濃度Nsの増加に伴う移動度μnの減少傾向が
見られて、使用目的に即して両者の兼ね合いを
InxGa1-xAsチヤネル層3の厚さ等により選択す
ることとなる。 また第3図は本発明の第2の実施例を示す模式
断面図である。 本実施例の半導体基体は半絶縁性GaAs基板1
1上に、超格子構造のバツフア層とチヤネル層を
兼ねるInGaAs層13、InGaP電子供給層14を
例えば下記の如くMO−CVD法により形成し、
ソース、ドレイン電極18、ゲート電極19を設
けている。
のAlxGa1-xAs層としているが、これは例えば
1011Ωcm程度以上の高い抵抗率を得るためであ
る。なおこのバツフア層2にAlGaAsを用いても
ノンドープの高抵抗層であるために前記の問題は
生じない。またバツフア層2をGaAs或いはIn0.48
Ga0.52Pなどとすることも可能であり、この場合
にはそのエネルギーバンドが第1図bに破線で例
示する形状となる。 本実施例の構成では結晶欠陥の発生も考慮し
て、InxGa1-xAsチヤネル層3の混晶比xを例え
ば0.15〜0.20、厚さを例えば10〜15mm程度に選択
する。xを大きくすればIn0.48Ga0.52P電子供給層
4との間のΔEcが大きくなるが、GaAsとの格子
定数差も大きく厚さが制限される。本実施例では
これらを例えば下記データ例に示す値としてい
る。 この半導体基体上にソース,ドレイン電極8を
例えば金ゲルマニウム/金(AuGe/Au)を用
いてパターニングし、熱処理を行つてInGaAsチ
ヤネル層3に達する深さに合金領域8Aを形成す
る。 またゲート電極9をGaAs層5上に例えばAlを
用いて配設する。この様にゲート電極9をGaAs
層5上に設けることにより、In0.48Ga0.52P電子供
給層4上に設けるより大きいシヨツトキバリア高
さが得られる。 第2図は本実施例と前記先願発明の半導体基体
について、温度300K及び77Kにおける2次元電
子ガス6の面濃度Ns及び移動度μnの平均値を示
す図であり、MO−CVD法によつて成長した各
試料のIn0.48Ga0.52P電子供給層4は不純物濃度1
×1018cm-3、厚さ37mmとしている。 ▲と△で示す本発明の実施例はInxGa1-xAsチ
ヤネル層3の混晶比xを0.15、厚さを8.7mm、■
と□で示す実施例はInGaAsチヤネル層3の混晶
比xを0.15、厚さを17mmとしている。また先願発
明の試料は●と○で示し、▲、■、●は300K、
△、□、○は77Kを示す。 本データ例から2次元電子ガス6の面濃度Ns
が本発明により顕著に増大することが明らかであ
り、In0.48Ga0.52P電子供給層4の不純物濃度を本
実施例の1×1018cm-3より高くすれば、面濃度Ns
を更に増加させることができる。 なお移動度μnは常温300Kにおいては同等と見
做される。低温では従来知られている事実と同様
に面濃度Nsの増加に伴う移動度μnの減少傾向が
見られて、使用目的に即して両者の兼ね合いを
InxGa1-xAsチヤネル層3の厚さ等により選択す
ることとなる。 また第3図は本発明の第2の実施例を示す模式
断面図である。 本実施例の半導体基体は半絶縁性GaAs基板1
1上に、超格子構造のバツフア層とチヤネル層を
兼ねるInGaAs層13、InGaP電子供給層14を
例えば下記の如くMO−CVD法により形成し、
ソース、ドレイン電極18、ゲート電極19を設
けている。
以上説明した如く本発明によれば、ヘテロ接合
により界面量子化されたキヤリアをチヤネルとす
る半導体装置において、動作の不安定性の排除、
キヤリア濃度の増大などが更に推積され、高速デ
バイスとして期待されるHEMT等に大きい効果
が得られる。
により界面量子化されたキヤリアをチヤネルとす
る半導体装置において、動作の不安定性の排除、
キヤリア濃度の増大などが更に推積され、高速デ
バイスとして期待されるHEMT等に大きい効果
が得られる。
第1図は第1の実施例の模式断面図及びエネル
ギーバンド図、第2図は2次元電子ガスの面濃度
と移動度の例を示す図、第3図は第2の実施例の
模式断面図、第4図は従来例の模式断面図及びエ
ネルギーバンド図である。 図において、1,11は半絶縁性GaAs基板、
2はノンドープのAlGaAsバツフア層、12は
GaAs/InAs超格子構造のバツフア層、3,13
はInxGa1-xAsチヤネル層、4,14はInxGa1-x
P電子供給層、5はノンドープのGaAs層、6,
16は2次元電子ガス、8,18はソース、ドレ
イン電極、9,19はゲート電極を示す。
ギーバンド図、第2図は2次元電子ガスの面濃度
と移動度の例を示す図、第3図は第2の実施例の
模式断面図、第4図は従来例の模式断面図及びエ
ネルギーバンド図である。 図において、1,11は半絶縁性GaAs基板、
2はノンドープのAlGaAsバツフア層、12は
GaAs/InAs超格子構造のバツフア層、3,13
はInxGa1-xAsチヤネル層、4,14はInxGa1-x
P電子供給層、5はノンドープのGaAs層、6,
16は2次元電子ガス、8,18はソース、ドレ
イン電極、9,19はゲート電極を示す。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1 インジウムガリウム砒素化合物半導体層と不
純物をドーブしたインジウムガリウム燐化合物半
導体層とのヘテロ接合を備えて、該インジウムガ
リウム砒素化合物半導体層を界面量子化されたキ
ヤリアのチヤネルとすることを特徴とする半導体
装置。 2 前記インジウムガリウム砒素化合物半導体層
が、何れもガリウム砒素化合物単結晶に格子整合
する第3の化合物半導体層と前記インジウムガリ
ウム燐化合物半導体層との間に設けられてなるこ
とを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の半導
体装置。 3 前記インジウムガリウム砒素化合物半導体層
及び前記インジウムガリウム燐化合物半導体層
が、ガリウム砒素化合物半導体基板上に格子定数
差を緩和する半導体置を介して形成され、該イン
ジウムガリウム砒素化合物半導体層と該インジウ
ムガリウム燐化合物半導体層とが相互に格子整合
することを特徴とする特許請求の範囲第1項記載
の半導体装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62063026A JPS63228763A (ja) | 1987-03-18 | 1987-03-18 | 半導体装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62063026A JPS63228763A (ja) | 1987-03-18 | 1987-03-18 | 半導体装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63228763A JPS63228763A (ja) | 1988-09-22 |
| JPH0362303B2 true JPH0362303B2 (ja) | 1991-09-25 |
Family
ID=13217406
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62063026A Granted JPS63228763A (ja) | 1987-03-18 | 1987-03-18 | 半導体装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS63228763A (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0452054B1 (en) * | 1990-04-11 | 1995-07-12 | Hughes Aircraft Company | HEMT structure with passivated structure |
| JP3086748B2 (ja) * | 1991-07-26 | 2000-09-11 | 株式会社東芝 | 高電子移動度トランジスタ |
| JP2581452B2 (ja) * | 1994-06-06 | 1997-02-12 | 日本電気株式会社 | 電界効果トランジスタ |
| US6933542B2 (en) | 2003-02-10 | 2005-08-23 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Field-effect transistor, and integrated circuit device and switching circuit using the same |
-
1987
- 1987-03-18 JP JP62063026A patent/JPS63228763A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS63228763A (ja) | 1988-09-22 |
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