JPH04280676A - 増幅型固体撮像装置 - Google Patents
増幅型固体撮像装置Info
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- JPH04280676A JPH04280676A JP3069334A JP6933491A JPH04280676A JP H04280676 A JPH04280676 A JP H04280676A JP 3069334 A JP3069334 A JP 3069334A JP 6933491 A JP6933491 A JP 6933491A JP H04280676 A JPH04280676 A JP H04280676A
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- Japan
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- floating gate
- gate
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Links
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- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 title abstract description 15
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- 108091006146 Channels Proteins 0.000 description 8
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Landscapes
- Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
- Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、増幅型固体撮像装置に
関し、特にフォトセンサ部がJ(ジャンクション)‐F
ET構造からなる増幅型固体撮像装置に関する。
関し、特にフォトセンサ部がJ(ジャンクション)‐F
ET構造からなる増幅型固体撮像装置に関する。
【0002】
【従来の技術】固体撮像装置の1つの開発方向として、
小チップ・多画素化、すなわち小画素化の傾向がある。 例えば、1インチ200万画素のHD(High De
finition) TV用のものでは1画素の大きさ
が7.3×7.6μm、2/3インチ200万画素のも
ので5μm2 、1/2インチ200万画素のもので3
.65μm2 となって行く。この小画素化に伴う基本
的な問題として、配線、レジスタ等の受光に対する無効
領域の割合が増加し、信号電荷が極端に減少し、SN比
が低下する点が挙げられる。
小チップ・多画素化、すなわち小画素化の傾向がある。 例えば、1インチ200万画素のHD(High De
finition) TV用のものでは1画素の大きさ
が7.3×7.6μm、2/3インチ200万画素のも
ので5μm2 、1/2インチ200万画素のもので3
.65μm2 となって行く。この小画素化に伴う基本
的な問題として、配線、レジスタ等の受光に対する無効
領域の割合が増加し、信号電荷が極端に減少し、SN比
が低下する点が挙げられる。
【0003】ところで、固体撮像装置には種々の構成の
ものがあるが、その1つとして、水平及び垂直方向にて
画素単位で2次元的に配列された複数個のフォトセンサ
部の各々に、増幅機能を持たせた構成の増幅型固体撮像
装置がある。この種の固体撮像装置としては、文献IE
EE TRANSACTIONS ONELECTRO
N DEVICES,Vol.35,NO.5,p64
6−p652(MAY 1988) に記載された単位
画素のフォトセンサ部がJ‐FET構造からなる構成の
ものが知られている。
ものがあるが、その1つとして、水平及び垂直方向にて
画素単位で2次元的に配列された複数個のフォトセンサ
部の各々に、増幅機能を持たせた構成の増幅型固体撮像
装置がある。この種の固体撮像装置としては、文献IE
EE TRANSACTIONS ONELECTRO
N DEVICES,Vol.35,NO.5,p64
6−p652(MAY 1988) に記載された単位
画素のフォトセンサ部がJ‐FET構造からなる構成の
ものが知られている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
J‐FET構造の増幅型固体撮像装置では、フォトセン
サ部で光電変換によって得られる信号電荷が半導体基板
の表面に蓄積される構成となっているので、表面準位の
影響を受け易く、ノイズが多くなるという欠点があった
。そこで、本発明は、表面準位の影響を受け難くかつシ
ンプルな構造で、しかも小画素化を可能とした増幅型固
体撮像装置を提供することを目的とする。
J‐FET構造の増幅型固体撮像装置では、フォトセン
サ部で光電変換によって得られる信号電荷が半導体基板
の表面に蓄積される構成となっているので、表面準位の
影響を受け易く、ノイズが多くなるという欠点があった
。そこで、本発明は、表面準位の影響を受け難くかつシ
ンプルな構造で、しかも小画素化を可能とした増幅型固
体撮像装置を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明による増幅型固体
撮像装置は、水平及び垂直方向にて画素単位で2次元的
に配列された複数個のフォトセンサ部を具備し、これら
フォトセンサ部の各々が、周囲から電気的に絶縁されて
入射光に応じた信号電荷を蓄積するフローティングゲー
トと、このフローティングゲートに対してチャネル層を
介して積層されて所定のバイアス電圧が印加されるコン
トロールゲートとを有するジャンクションFET構造か
らなる構成となっている。
撮像装置は、水平及び垂直方向にて画素単位で2次元的
に配列された複数個のフォトセンサ部を具備し、これら
フォトセンサ部の各々が、周囲から電気的に絶縁されて
入射光に応じた信号電荷を蓄積するフローティングゲー
トと、このフローティングゲートに対してチャネル層を
介して積層されて所定のバイアス電圧が印加されるコン
トロールゲートとを有するジャンクションFET構造か
らなる構成となっている。
【0006】
【作用】本発明による増幅型固体撮像装置において、フ
ローティングゲートから蓄積電荷をコントロールゲート
に完全転送してリセットが行われる。これにより、リセ
ットノイズを低減できる。また、フローティングゲート
が埋め込み型であることから、暗電流も殆どない。さら
には、コントロールゲートのバイアス電圧を適当な値に
選定することで、ブルーミングマージンが調整可能とな
る。
ローティングゲートから蓄積電荷をコントロールゲート
に完全転送してリセットが行われる。これにより、リセ
ットノイズを低減できる。また、フローティングゲート
が埋め込み型であることから、暗電流も殆どない。さら
には、コントロールゲートのバイアス電圧を適当な値に
選定することで、ブルーミングマージンが調整可能とな
る。
【0007】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細
に説明する。図1は、本発明による増幅型固体撮像装置
の第1の実施例を示す1フォトセルユニットの断面構造
図であり、図2にその平面図を示す。図において、N+
型のドレイン1の中に、周囲から電気的に絶縁された
P型のフローティングゲート2が形成されている。フロ
ーティングゲート2は、光電変換によって発生するフォ
トキャリアを蓄積する信号電荷蓄積部を構成する。この
フローティングゲート2に対し、N型のチャネル層3を
介して矩形環状のP+ 型のコントロールゲート4が積
層され、このコントロールゲート4の内側にはN+ 型
のソース5が形成される。基板の表面には、ゲート配線
6及びソース配線7がポリシリコンによる2層構造によ
ってXYマトリクス配線されており、このゲート配線6
及びソース配線7に対してコントロールゲート4及びソ
ース5がそれぞれコンタクト8,9を介して接続されて
いる。
に説明する。図1は、本発明による増幅型固体撮像装置
の第1の実施例を示す1フォトセルユニットの断面構造
図であり、図2にその平面図を示す。図において、N+
型のドレイン1の中に、周囲から電気的に絶縁された
P型のフローティングゲート2が形成されている。フロ
ーティングゲート2は、光電変換によって発生するフォ
トキャリアを蓄積する信号電荷蓄積部を構成する。この
フローティングゲート2に対し、N型のチャネル層3を
介して矩形環状のP+ 型のコントロールゲート4が積
層され、このコントロールゲート4の内側にはN+ 型
のソース5が形成される。基板の表面には、ゲート配線
6及びソース配線7がポリシリコンによる2層構造によ
ってXYマトリクス配線されており、このゲート配線6
及びソース配線7に対してコントロールゲート4及びソ
ース5がそれぞれコンタクト8,9を介して接続されて
いる。
【0008】かかる構成のJ‐FET構造のフォトセル
を有する増幅型固体撮像装置では、ゲート配線6及びソ
ース配線7が存在しない基板の裏面側から光を取り込む
いわゆる裏面照射型構造を採り、フローティングゲート
2をセンサとして用い、入射光の強度に応じて発生した
ホールをこのフローティングゲート2に蓄積し、この蓄
積電荷によってチャネル層3の相互コンダクタンスgm
を変化させ、この間に流れる電流によって抵抗の変化
を読み取る動作原理となっている。
を有する増幅型固体撮像装置では、ゲート配線6及びソ
ース配線7が存在しない基板の裏面側から光を取り込む
いわゆる裏面照射型構造を採り、フローティングゲート
2をセンサとして用い、入射光の強度に応じて発生した
ホールをこのフローティングゲート2に蓄積し、この蓄
積電荷によってチャネル層3の相互コンダクタンスgm
を変化させ、この間に流れる電流によって抵抗の変化
を読み取る動作原理となっている。
【0009】次に、上述したJ‐FET構造のフォトセ
ルの具体的な動作について図3のポテンシャル分布図を
参照しつつ説明する。先ず、コントロールゲート4に所
定のバイアス電圧−Vrを印加し、フローティングゲー
ト2に蓄積されたホールをコントロールゲート4に完全
に転送し、空乏化することによってリセットする(リセ
ットモード)。続いて、コントロールゲート4にバイア
ス電圧−Vrよりも絶対値が小なる所定のバイアス電圧
−Vs(|Vr|>|Vs|)を印加することにより、
1フィールド期間に亘ってフローティングゲート2にフ
ォトキャリアを蓄積する(蓄積モード)。ここで、バイ
アス電圧−Vsとしては、チャネル層3がピンチオフす
る電圧値を選定する。その後、コントロールゲート4に
バイアス電圧−Vsよりも絶対値が小なる所定のバイア
ス電圧−Vo(|Vs|>|Vo|)を印加することに
より、チャネル層3をオン状態として信号を読み出す(
読出しモード)。
ルの具体的な動作について図3のポテンシャル分布図を
参照しつつ説明する。先ず、コントロールゲート4に所
定のバイアス電圧−Vrを印加し、フローティングゲー
ト2に蓄積されたホールをコントロールゲート4に完全
に転送し、空乏化することによってリセットする(リセ
ットモード)。続いて、コントロールゲート4にバイア
ス電圧−Vrよりも絶対値が小なる所定のバイアス電圧
−Vs(|Vr|>|Vs|)を印加することにより、
1フィールド期間に亘ってフローティングゲート2にフ
ォトキャリアを蓄積する(蓄積モード)。ここで、バイ
アス電圧−Vsとしては、チャネル層3がピンチオフす
る電圧値を選定する。その後、コントロールゲート4に
バイアス電圧−Vsよりも絶対値が小なる所定のバイア
ス電圧−Vo(|Vs|>|Vo|)を印加することに
より、チャネル層3をオン状態として信号を読み出す(
読出しモード)。
【0010】図4に、駆動系の構成の一例を示す。図に
おいて、J‐FET構造のフォトセル10が水平及び垂
直方向にて2次元的に多数配列されており、ゲート配線
6を介して各フォトセル10のコントロールゲート4に
印加するバイアス電圧は、デバイス内部に設けられた垂
直走査回路11にて3値の電圧出力−Vr,−Vs,−
Voとして生成される。この垂直走査回路11によって
垂直方向の1行が選択されることにより、垂直走査が行
われる。次に、水平走査回路12によって水平方向に左
から右へ順に各画素がスイッチングされることにより、
水平走査が行われる。
おいて、J‐FET構造のフォトセル10が水平及び垂
直方向にて2次元的に多数配列されており、ゲート配線
6を介して各フォトセル10のコントロールゲート4に
印加するバイアス電圧は、デバイス内部に設けられた垂
直走査回路11にて3値の電圧出力−Vr,−Vs,−
Voとして生成される。この垂直走査回路11によって
垂直方向の1行が選択されることにより、垂直走査が行
われる。次に、水平走査回路12によって水平方向に左
から右へ順に各画素がスイッチングされることにより、
水平走査が行われる。
【0011】上述したように、本発明による固体撮像装
置では、増幅型であることに伴い高感度であり、しかも
裏面照射型構造を採ったことにより、開口率を100%
近くとれるため、高開口率・高感度にて1/2インチ光
学系で200万画素のイメージャーレベルの小画素化が
可能となる。また、フローティングゲート2からフォト
キャリアをコントロールゲート4に完全転送してリセッ
トが行われるため、リセットノイズがなく、しかもフロ
ーティングゲート2を埋め込み型にしているので、暗電
流も殆どない。さらには、バイアス電圧−Vsを適当な
値に選定することにより、ブルーミングマージンが調整
可能となる。
置では、増幅型であることに伴い高感度であり、しかも
裏面照射型構造を採ったことにより、開口率を100%
近くとれるため、高開口率・高感度にて1/2インチ光
学系で200万画素のイメージャーレベルの小画素化が
可能となる。また、フローティングゲート2からフォト
キャリアをコントロールゲート4に完全転送してリセッ
トが行われるため、リセットノイズがなく、しかもフロ
ーティングゲート2を埋め込み型にしているので、暗電
流も殆どない。さらには、バイアス電圧−Vsを適当な
値に選定することにより、ブルーミングマージンが調整
可能となる。
【0012】図5は、本発明による増幅型固体撮像装置
の第2の実施例を示す1フォトセルユニットの断面構造
図であり、図中図1と同等部分には同一符号を付して示
してある。本実施例においては、フローティングゲート
2の平面領域内の一部に、フローティングゲート2の蓄
積電荷をリセットするリセットゲート13が設けられた
構成となっている。このリセットゲート13は、フロー
ティングゲート2との間の離間距離が、フローティング
ゲート2とコントロールゲート4の離間距離よりも小と
なるように設定されている。なお、リセットゲート13
は、図6に示すように、矩形環状のコントロールゲート
4の1隅(a)或いは4隅(b)等、フローティングゲ
ート2の平面領域内の一部に位置するように設けられれ
ば良く、又図7に示すように、基板の裏面側に配するよ
うにしても良い。
の第2の実施例を示す1フォトセルユニットの断面構造
図であり、図中図1と同等部分には同一符号を付して示
してある。本実施例においては、フローティングゲート
2の平面領域内の一部に、フローティングゲート2の蓄
積電荷をリセットするリセットゲート13が設けられた
構成となっている。このリセットゲート13は、フロー
ティングゲート2との間の離間距離が、フローティング
ゲート2とコントロールゲート4の離間距離よりも小と
なるように設定されている。なお、リセットゲート13
は、図6に示すように、矩形環状のコントロールゲート
4の1隅(a)或いは4隅(b)等、フローティングゲ
ート2の平面領域内の一部に位置するように設けられれ
ば良く、又図7に示すように、基板の裏面側に配するよ
うにしても良い。
【0013】ここで、センサ(フローティングゲート2
)に蓄積された電荷qをリセットする際にコントロール
ゲート4に印加するゲート電位(バイアス電圧−Vr)
について考えるに、フローティングゲート2の不純物濃
度をNa、チャネル層3の不純物濃度をNdとし、フロ
ーティングゲート2の厚みをW1 、フローティングゲ
ート2とリセットゲート13の離間距離をW3 とする
と、 Vr=(q/2ε)・(NaW12+NdW32)とな
る。ここに、εは誘電率である。一方、第1の実施例の
場合には、フローティングゲート2とコントロールゲー
ト4の離間距離(チャネル層3の厚み)をW2 とする
と、 Vr=(q/2ε)・(NaW12+NdW22)とな
り、W3 <W2 であるから、第2の実施例の場合の
方が第1の実施例の場合よりもリセット電位を低く設定
できる。
)に蓄積された電荷qをリセットする際にコントロール
ゲート4に印加するゲート電位(バイアス電圧−Vr)
について考えるに、フローティングゲート2の不純物濃
度をNa、チャネル層3の不純物濃度をNdとし、フロ
ーティングゲート2の厚みをW1 、フローティングゲ
ート2とリセットゲート13の離間距離をW3 とする
と、 Vr=(q/2ε)・(NaW12+NdW32)とな
る。ここに、εは誘電率である。一方、第1の実施例の
場合には、フローティングゲート2とコントロールゲー
ト4の離間距離(チャネル層3の厚み)をW2 とする
と、 Vr=(q/2ε)・(NaW12+NdW22)とな
り、W3 <W2 であるから、第2の実施例の場合の
方が第1の実施例の場合よりもリセット電位を低く設定
できる。
【0014】具体的な数値例をもって説明するに、分光
感度特性からW1 ≒2μm、蓄積最大電荷(ダイナミ
ックレンジ)からNa≒5×1015cm−3、相互コ
ンダクタンスgm やドレイン‐ソース間電流IDSS
等からNd≒5×1015cm−3,W2 ≒1μm
程度が現実的な値であることから、リセットゲート13
を設けない場合は、20Vのリセット電位Vrが必要と
なる。しかしながら、ゲート‐ソース間耐圧を20V以
上とるのが難しく、またリセット電位Vrを供給する周
辺トランジスタも、例えば1/2インチ200万画素で
は、3.6μm以下の大きさにする必要があることから
、このトランジスタの耐圧を20V以上にするのが難し
い。ところが、第2の実施例の場合のように、フローテ
ィングゲート2との間の離間距離が、フローティングゲ
ート2とコントロールゲート4の離間距離よりも小なる
リセットゲート13を設けることにより、リセット電位
Vrを低く設定できるため、周辺回路の微細化、画素の
より微細化が図れることになる。
感度特性からW1 ≒2μm、蓄積最大電荷(ダイナミ
ックレンジ)からNa≒5×1015cm−3、相互コ
ンダクタンスgm やドレイン‐ソース間電流IDSS
等からNd≒5×1015cm−3,W2 ≒1μm
程度が現実的な値であることから、リセットゲート13
を設けない場合は、20Vのリセット電位Vrが必要と
なる。しかしながら、ゲート‐ソース間耐圧を20V以
上とるのが難しく、またリセット電位Vrを供給する周
辺トランジスタも、例えば1/2インチ200万画素で
は、3.6μm以下の大きさにする必要があることから
、このトランジスタの耐圧を20V以上にするのが難し
い。ところが、第2の実施例の場合のように、フローテ
ィングゲート2との間の離間距離が、フローティングゲ
ート2とコントロールゲート4の離間距離よりも小なる
リセットゲート13を設けることにより、リセット電位
Vrを低く設定できるため、周辺回路の微細化、画素の
より微細化が図れることになる。
【0015】なお、上記各実施例において、P型,N型
の各領域を全て逆導電型にしても良いことは勿論である
。
の各領域を全て逆導電型にしても良いことは勿論である
。
【0016】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
画素単位のフォトセンサ部の各々を、入射光に応じた信
号電荷を蓄積するフローティングゲートと、このフロー
ティングゲートに対しチャネル層を介して積層されて所
定のバイアス電圧が印加されるコントロールゲートとを
有するジャンクションFET構造としたことにより、フ
ローティングゲートから蓄積電荷をコントロールゲート
に完全転送してリセットが行われるためリセットノイズ
がなく、しかもフローティングゲートが埋め込み型であ
ることから暗電流も殆どなく、さらにはコントロールゲ
ートのバイアス電圧を適当な値に選定することで、ブル
ーミングマージンを調整可能となる効果がある。また、
裏面照射型構造を採ることにより、開口率を100%近
くとれるため、高開口率・高感度にて1/2インチ光学
系で200万画素のイメージャーレベルの小画素化が可
能となる。また、フローティングゲートの平面領域内の
一部に、フローティングゲートの蓄積電荷を引き抜くリ
セットゲートを設け、このリセットゲートとフローティ
ングゲートの離間距離を、フローティングゲートとコン
トロールゲートの離間距離よりも小に設定したことによ
り、リセット電位を下げることができるため、周辺回路
の微細化、より小画素化が可能となる効果がある。
画素単位のフォトセンサ部の各々を、入射光に応じた信
号電荷を蓄積するフローティングゲートと、このフロー
ティングゲートに対しチャネル層を介して積層されて所
定のバイアス電圧が印加されるコントロールゲートとを
有するジャンクションFET構造としたことにより、フ
ローティングゲートから蓄積電荷をコントロールゲート
に完全転送してリセットが行われるためリセットノイズ
がなく、しかもフローティングゲートが埋め込み型であ
ることから暗電流も殆どなく、さらにはコントロールゲ
ートのバイアス電圧を適当な値に選定することで、ブル
ーミングマージンを調整可能となる効果がある。また、
裏面照射型構造を採ることにより、開口率を100%近
くとれるため、高開口率・高感度にて1/2インチ光学
系で200万画素のイメージャーレベルの小画素化が可
能となる。また、フローティングゲートの平面領域内の
一部に、フローティングゲートの蓄積電荷を引き抜くリ
セットゲートを設け、このリセットゲートとフローティ
ングゲートの離間距離を、フローティングゲートとコン
トロールゲートの離間距離よりも小に設定したことによ
り、リセット電位を下げることができるため、周辺回路
の微細化、より小画素化が可能となる効果がある。
【図1】本発明による増幅型固体撮像装置の第1の実施
例を示す1フォトセルユニットの断面構造図である。
例を示す1フォトセルユニットの断面構造図である。
【図2】図1の平面図である。
【図3】図1のA−A′線に沿うポテンシャル分布図で
ある。
ある。
【図4】駆動系の一例の回路図である。
【図5】本発明による増幅型固体撮像装置の第2の実施
例を示す1フォトセルユニットの断面構造図である。
例を示す1フォトセルユニットの断面構造図である。
【図6】第2の実施例におけるリセットゲートの平面配
置を示す平面図である。
置を示す平面図である。
【図7】第2の実施例の変形例を示す1フォトセルユニ
ットの断面構造図である。
ットの断面構造図である。
2 フローティングゲート
3 チャネル層
4 コントロールゲート
6 ゲート配線
7 ソース配線
10 フォトセル
13 リセットゲート
Claims (2)
- 【請求項1】 水平及び垂直方向にて画素単位で2次
元的に配列された複数個のフォトセンサ部を具備し、前
記複数個のフォトセンサ部の各々が、周囲から電気的に
絶縁されて入射光に応じた信号電荷を蓄積するフローテ
ィングゲートと、前記フローティングゲートに対しチャ
ネル層を介して積層されて所定のバイアス電圧が印加さ
れるコントロールゲートとを有するジャンクションFE
T構造からなることを特徴とする増幅型固体撮像装置。 - 【請求項2】 前記フローティングゲートの平面領域
内の一部に、前記フローティングゲートの蓄積電荷を引
き抜くリセットゲートを有し、前記フローティングゲー
トと前記リセットゲートの離間距離が、前記フローティ
ングゲートと前記コントロールゲートの離間距離よりも
小に設定されたことを特徴とする増幅型固体撮像装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3069334A JPH04280676A (ja) | 1991-03-08 | 1991-03-08 | 増幅型固体撮像装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3069334A JPH04280676A (ja) | 1991-03-08 | 1991-03-08 | 増幅型固体撮像装置 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH04280676A true JPH04280676A (ja) | 1992-10-06 |
Family
ID=13399551
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP3069334A Pending JPH04280676A (ja) | 1991-03-08 | 1991-03-08 | 増幅型固体撮像装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH04280676A (ja) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008294175A (ja) * | 2007-05-24 | 2008-12-04 | Sony Corp | 固体撮像装置およびカメラ |
US8415725B2 (en) | 2007-05-24 | 2013-04-09 | Sony Corporation | Solid-state imaging device and camera |
JP5283235B2 (ja) * | 2008-05-02 | 2013-09-04 | ユニサンティス エレクトロニクス シンガポール プライベート リミテッド | 固体撮像素子 |
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1991
- 1991-03-08 JP JP3069334A patent/JPH04280676A/ja active Pending
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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