JPH069211B2 - バイポ−ラトランジスタ - Google Patents
バイポ−ラトランジスタInfo
- Publication number
- JPH069211B2 JPH069211B2 JP12248087A JP12248087A JPH069211B2 JP H069211 B2 JPH069211 B2 JP H069211B2 JP 12248087 A JP12248087 A JP 12248087A JP 12248087 A JP12248087 A JP 12248087A JP H069211 B2 JPH069211 B2 JP H069211B2
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- collector
- layer
- base
- bipolar transistor
- type
- Prior art date
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- Bipolar Transistors (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は動作速度の速いデジタル回路用のバイポーラト
ランジスタの構造に関するものである。
ランジスタの構造に関するものである。
従来の化合物半導体を用いたバイポーラトランジスタ、
すなわちワイドバンドギャップのエミッタを持つヘテロ
接合バイポーラトランジスタ(以下「HBT」という)
は一般にAlGaAs系の半導体を材料として製作され
ている。この場合、エミッタ層はAlGaAs、ベース
層とコレクタ層はGaAsとなっている。典型的なHB
Tのバンドダイアグラムを第2図に示す。第2図におい
て、1はn形のエミッタ層、2はp形のベース層、3は
n形のコレクタ層である。
すなわちワイドバンドギャップのエミッタを持つヘテロ
接合バイポーラトランジスタ(以下「HBT」という)
は一般にAlGaAs系の半導体を材料として製作され
ている。この場合、エミッタ層はAlGaAs、ベース
層とコレクタ層はGaAsとなっている。典型的なHB
Tのバンドダイアグラムを第2図に示す。第2図におい
て、1はn形のエミッタ層、2はp形のベース層、3は
n形のコレクタ層である。
また、一部のHBTは、第3図のバンドダイアグラムに
示すように、バンドギャップエネルギーをエミッタ層1
1の側からベース層12の側に減少させたAlGaAs
でベース層12を形成した、いわゆる傾斜バンドギャッ
プベース構造(GB構造)を持っている。第3図で、1
3はn形のコレクタ層である。この構造のHBTは、例
えば特願昭62−24761号に記載されている。
示すように、バンドギャップエネルギーをエミッタ層1
1の側からベース層12の側に減少させたAlGaAs
でベース層12を形成した、いわゆる傾斜バンドギャッ
プベース構造(GB構造)を持っている。第3図で、1
3はn形のコレクタ層である。この構造のHBTは、例
えば特願昭62−24761号に記載されている。
後者のAlGaAs/GaAsのGB構造のHBTは、
ベース中を電子がより高速で走ることができ、かつ注入
された電子の横方向への拡散が少ないため、微細な素子
においても電流利得が高い。これらの理由により、高速
デジタル回路へ応用する素子としては極めて優れた特徴
を持っている。
ベース中を電子がより高速で走ることができ、かつ注入
された電子の横方向への拡散が少ないため、微細な素子
においても電流利得が高い。これらの理由により、高速
デジタル回路へ応用する素子としては極めて優れた特徴
を持っている。
従来形のAlGaAsHBTは、第2図および第3図に
示す形のHBTに共通の問題として、大きなコレクタタ
ーンオン電圧Vconが生じることがある。これは、原理
的には、エミッタ/ベース間の電流立上がり電圧がベー
ス/コレクタ間のそれよりも大きく、このため上記立上
がり電圧の分だけコレクタバイアス電圧を高くしてやら
ないとエミッタからの注入すなわちトランジスタ動作が
始まらないことによる。コレクタターンオン電圧Vcon
の値は、通常形では50〜100mV、GB形では20
0〜400mVであり、スイッチング回路を構成する際
には、このコレクタターンオン電圧Vconの分だけ電源
電圧が高くなるため、消費電力が増大するという欠点を
持っている。
示す形のHBTに共通の問題として、大きなコレクタタ
ーンオン電圧Vconが生じることがある。これは、原理
的には、エミッタ/ベース間の電流立上がり電圧がベー
ス/コレクタ間のそれよりも大きく、このため上記立上
がり電圧の分だけコレクタバイアス電圧を高くしてやら
ないとエミッタからの注入すなわちトランジスタ動作が
始まらないことによる。コレクタターンオン電圧Vcon
の値は、通常形では50〜100mV、GB形では20
0〜400mVであり、スイッチング回路を構成する際
には、このコレクタターンオン電圧Vconの分だけ電源
電圧が高くなるため、消費電力が増大するという欠点を
持っている。
一方、エミッタ/ベース間とベース/コレクタ間との立
上がり電圧を等しくする工夫として、コレクタ層にエミ
ッタ層と同程度のバンドギャップを持たせる構造(ダブ
ルヘテロ形)も提案されている。しかし、コレクタ層を
AlGaAsの均一層とした場合、一般に電子移動度が
低くなるため、HBTの動作速度は逆に劣下してしま
う。
上がり電圧を等しくする工夫として、コレクタ層にエミ
ッタ層と同程度のバンドギャップを持たせる構造(ダブ
ルヘテロ形)も提案されている。しかし、コレクタ層を
AlGaAsの均一層とした場合、一般に電子移動度が
低くなるため、HBTの動作速度は逆に劣下してしま
う。
これに対し、最近、コレクタ中の電子の速度オーバシュ
ートを有効に取り入れた構造が提案されている。これ
は、第4図に示すような構造であり、例えば「石橋、第
4回将来電子デバイス国際ワークショップ別刷、91
頁、1987年(T.Ishibashi,Extended Abstract of 4
th Int. Workshop on future Electron Devices,p.91,1
987)」に記載されている。上述した速度オーバシュー
トとは、電子がΓ谷に存在する範囲で、その速度が過渡
的に定常状態の速度よりも大きくなる現象をいう。その
際のピーク速度は電子の移動度と電界強度で与えられ
る。
ートを有効に取り入れた構造が提案されている。これ
は、第4図に示すような構造であり、例えば「石橋、第
4回将来電子デバイス国際ワークショップ別刷、91
頁、1987年(T.Ishibashi,Extended Abstract of 4
th Int. Workshop on future Electron Devices,p.91,1
987)」に記載されている。上述した速度オーバシュー
トとは、電子がΓ谷に存在する範囲で、その速度が過渡
的に定常状態の速度よりも大きくなる現象をいう。その
際のピーク速度は電子の移動度と電界強度で与えられ
る。
第4図の構造では、i形のコレクタ層23をGaAsで
形成しているため、オーバシュートが生じる電子のエネ
ルギーの範囲は0.28eV以下である。この状況を実
現するためには、コレクタ層23とn+形コレクタバッ
ファ層25の間に薄いP+層を第2のコレクタ層として
導入し、コレクタ層の電位を持ち上げている。この構造
の問題は、1つは、依然としてコレクタターンオン電圧
が高いことにある。もう1つの問題は次のようなもので
ある。
形成しているため、オーバシュートが生じる電子のエネ
ルギーの範囲は0.28eV以下である。この状況を実
現するためには、コレクタ層23とn+形コレクタバッ
ファ層25の間に薄いP+層を第2のコレクタ層として
導入し、コレクタ層の電位を持ち上げている。この構造
の問題は、1つは、依然としてコレクタターンオン電圧
が高いことにある。もう1つの問題は次のようなもので
ある。
実際のHBTを製作する上で、外部ベース/コレクタ領
域の容量(外部ベース/コレクタ容量)を下げるため、
このコレクタ層にプロトンイオン等を注入し、半絶縁化
することによって、p−i−nダイオード構造とするこ
とが極めて有効な技術として知られている。これは、例
えば「中島他,エレクトロン レターズ,22巻,13
17頁,1986年(Nakajima et al.,Electron Lett.,
Vol.22,p.1317.1986)」に記載されている。しかしなが
ら、第4図に示した構造では、P+層24とn+層25が
高不純物濃度となっているが故に、プロトン注入で他の
層に影響を与えずに第2のコレクタ層としてのp+層2
4とn+層25をi層化することは容易でない、すなわ
ち構造と製作プロセスとの整合性が良くない。
域の容量(外部ベース/コレクタ容量)を下げるため、
このコレクタ層にプロトンイオン等を注入し、半絶縁化
することによって、p−i−nダイオード構造とするこ
とが極めて有効な技術として知られている。これは、例
えば「中島他,エレクトロン レターズ,22巻,13
17頁,1986年(Nakajima et al.,Electron Lett.,
Vol.22,p.1317.1986)」に記載されている。しかしなが
ら、第4図に示した構造では、P+層24とn+層25が
高不純物濃度となっているが故に、プロトン注入で他の
層に影響を与えずに第2のコレクタ層としてのp+層2
4とn+層25をi層化することは容易でない、すなわ
ち構造と製作プロセスとの整合性が良くない。
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、そ
の目的とするところは、コレクタターンオン電圧の増
加、構造とプロトン注入技術との不整合性を解消し、よ
り高速に動作しうるHBTの構造を提供することにあ
る。なお第4図で、21はn形のエミッタ層、22はp
形のベース層である。
の目的とするところは、コレクタターンオン電圧の増
加、構造とプロトン注入技術との不整合性を解消し、よ
り高速に動作しうるHBTの構造を提供することにあ
る。なお第4図で、21はn形のエミッタ層、22はp
形のベース層である。
このような目的を達成するために本発明は、コレクタ層
のバンドギャップエネルギーをベース層側からコレクタ
バッファ層側へ単調増加させ、動作状態において空間電
荷層を形成するようにコレクタ不純物濃度を十分低いも
のとした。
のバンドギャップエネルギーをベース層側からコレクタ
バッファ層側へ単調増加させ、動作状態において空間電
荷層を形成するようにコレクタ不純物濃度を十分低いも
のとした。
本発明によるバイポーラトランジスタにおいては、コレ
クタターンオン電圧が下がり、消費電力が低下する。ま
た、p+層がなく、プロトン注入構造の適用も可能とな
る。
クタターンオン電圧が下がり、消費電力が低下する。ま
た、p+層がなく、プロトン注入構造の適用も可能とな
る。
第1図は、本発明に係わるバイポーラトランジスタの一
実施例を説明するためのバンドダイアグラムおよびグラ
フである。第1図(a)は傾斜バンドギャップベースAl
GaAs/GaAsHBTのバンドダイアグラムであ
り、第1図(b)は各層中のAlAs組成を示すグラフで
ある。第1図(a)において、31はn形のワイドギャッ
プのエミッタ層、32はp形のベース層、33は本発明
によるバイポーラトランジスタの特徴的部分であるi形
のコレクタ層、34はn+形のコレクタバッファ層であ
り、コレクタ層33においては、動作状態で空間電荷層
を形成するように、その不純物濃度は十分低くされてい
る。第1図(b)の横軸はエミッタ層31表面からの深さ
を示す。
実施例を説明するためのバンドダイアグラムおよびグラ
フである。第1図(a)は傾斜バンドギャップベースAl
GaAs/GaAsHBTのバンドダイアグラムであ
り、第1図(b)は各層中のAlAs組成を示すグラフで
ある。第1図(a)において、31はn形のワイドギャッ
プのエミッタ層、32はp形のベース層、33は本発明
によるバイポーラトランジスタの特徴的部分であるi形
のコレクタ層、34はn+形のコレクタバッファ層であ
り、コレクタ層33においては、動作状態で空間電荷層
を形成するように、その不純物濃度は十分低くされてい
る。第1図(b)の横軸はエミッタ層31表面からの深さ
を示す。
第1図(a)のコレクタ層33のAlxGa1-xAsのAl
As組成は、ベース側からx=0→0.2と変化してお
り、コレクタ層33/コレクタバッファ層34界面にお
ける伝導帯の不連続の値ΔEc(x)は、バンドギャップ
エネルギーの差0.25eVの65%すなわち0.16
eVとなる。このトランジスタを動作させるには、通常
のHBTの場合と同様に、エミッタ,ベース,コレクタ
バッフアの各層31,32,34に接続されたオーミッ
ク電極を通してしかるべきバイアス電圧を与える。ベー
ス層32のエミッタ端のAlxGa1-xAsのAlAs組
成はx=0.1としており、そのときのAl0.1Ga0.9
AsとGaAsとのバンドギャップエネルギーの差は
0.125eVであり、先に述べたコレクタ層33/コ
レクタバッファ層34界面のポテンシャル差0.16e
Vより低い。これは、ベース/エミッタ間の電子注入が
ベース/コレクタ間のそれよりも先に起こり、コレクタ
ターンオン電圧Vconが殆ど生じないことを意味して
いる。これについては後で再度ふれる。
As組成は、ベース側からx=0→0.2と変化してお
り、コレクタ層33/コレクタバッファ層34界面にお
ける伝導帯の不連続の値ΔEc(x)は、バンドギャップ
エネルギーの差0.25eVの65%すなわち0.16
eVとなる。このトランジスタを動作させるには、通常
のHBTの場合と同様に、エミッタ,ベース,コレクタ
バッフアの各層31,32,34に接続されたオーミッ
ク電極を通してしかるべきバイアス電圧を与える。ベー
ス層32のエミッタ端のAlxGa1-xAsのAlAs組
成はx=0.1としており、そのときのAl0.1Ga0.9
AsとGaAsとのバンドギャップエネルギーの差は
0.125eVであり、先に述べたコレクタ層33/コ
レクタバッファ層34界面のポテンシャル差0.16e
Vより低い。これは、ベース/エミッタ間の電子注入が
ベース/コレクタ間のそれよりも先に起こり、コレクタ
ターンオン電圧Vconが殆ど生じないことを意味して
いる。これについては後で再度ふれる。
次に、コレクタ中の電位変化について述べる。
第1図(a)においては、HBTに対して、トランジスタ
の能動領域に入るように、エミッタ/コレクタ電圧VCE
を与えている。動作状態ではエミッタ/ベース電圧は第
1図(a)に示すように1.5Vであるから、ベース/コ
レクタ間には(VCE−1.5)Vかかる。また、Ga
Asの拡散電圧が約1.4Vであることから、i形コレ
クタ層33のポテンシャル変化Φは(VCE−1.5+
1.4−0.16)eVとなり、仮にVCE=0.4Vと
すると、Φ=0.14eVとなる。コレクタ層33のコ
レクタバッファ層34端のAlAs組成は第1図(b)に
示すように0.2であるので、Γ谷とL谷の底のエネル
ギーはそれぞれ1.673eV,1.836eVであ
る。したがって、電子エネルギーが1.836−1.6
73=0.163eV以下の範囲にあれば、電子はΓ谷
に存在し、オーバシュート効果が起こることになり、例
として与えたポテンシャル変化Φ=0.14eVは十分
条件を満足している。
の能動領域に入るように、エミッタ/コレクタ電圧VCE
を与えている。動作状態ではエミッタ/ベース電圧は第
1図(a)に示すように1.5Vであるから、ベース/コ
レクタ間には(VCE−1.5)Vかかる。また、Ga
Asの拡散電圧が約1.4Vであることから、i形コレ
クタ層33のポテンシャル変化Φは(VCE−1.5+
1.4−0.16)eVとなり、仮にVCE=0.4Vと
すると、Φ=0.14eVとなる。コレクタ層33のコ
レクタバッファ層34端のAlAs組成は第1図(b)に
示すように0.2であるので、Γ谷とL谷の底のエネル
ギーはそれぞれ1.673eV,1.836eVであ
る。したがって、電子エネルギーが1.836−1.6
73=0.163eV以下の範囲にあれば、電子はΓ谷
に存在し、オーバシュート効果が起こることになり、例
として与えたポテンシャル変化Φ=0.14eVは十分
条件を満足している。
ここで、コレクタ層33は少なくとも直接形バンドギャ
ップの範囲内にあることが望ましい。間接形となる電子
の移動度が低下し、そのために低コレクタバイアス側で
電子速度低下の影響が出るからである。
ップの範囲内にあることが望ましい。間接形となる電子
の移動度が低下し、そのために低コレクタバイアス側で
電子速度低下の影響が出るからである。
次に、従来構造と比較して可能なエミッタ/コレクタ電
圧VCEがどの程度広がるかについて、コレクタ層33の
端のAlAs組成xの関数として記述する。コレクタ層
33/コレクタバッファ層34界面のポテンシャル差Δ
EC(x)=1.247x×0.65=0.811xであ
り、また、この界面におけるΓ谷/L谷エネルギーの差
はΔEC -L(x)=1.708+0.642x−(1.4
24+1.247x)=0.284−0.605xで与
えられる。従って、電子がΓ谷を走り得るVCEの範囲
は、 qVCE−1.5+1.4−ΔEC(x)≦ΔEC -L(x) で与えられ、VCE≦0.384+0.206xとなる。
よって、コレクタ層33のAlAs組成が大きい程VCE
の最適値は広範囲なものとなる。
圧VCEがどの程度広がるかについて、コレクタ層33の
端のAlAs組成xの関数として記述する。コレクタ層
33/コレクタバッファ層34界面のポテンシャル差Δ
EC(x)=1.247x×0.65=0.811xであ
り、また、この界面におけるΓ谷/L谷エネルギーの差
はΔEC -L(x)=1.708+0.642x−(1.4
24+1.247x)=0.284−0.605xで与
えられる。従って、電子がΓ谷を走り得るVCEの範囲
は、 qVCE−1.5+1.4−ΔEC(x)≦ΔEC -L(x) で与えられ、VCE≦0.384+0.206xとなる。
よって、コレクタ層33のAlAs組成が大きい程VCE
の最適値は広範囲なものとなる。
次に、コレクタターンオン電圧Vconの変化について述
べる。従来構造では、コレクタ層とコレクタバッファ層
の間には何らポテンシャルバリアがないが、本実施例で
は、ベース/コレクタ接合が深く順方向にバイアスされ
ると、伝導帯端と価電子帯端に電子およびホールに対す
る2つのポテンシャルバリアΔEC(x),ΔEv(x)が形成
される。それぞれの値は、 ΔEC(x)=0.811x ΔEv(x)=1.247×0.35=0.437x である。ベース/コレクタ接合の順方向電流はほとんど
電子電流で律則されており、コレクタターンオン電圧V
conは少なくとも0.811xVだけ低くなる。電子の
熱分布は常温で25meVであり、ΔEc(x)が常温の熱
エネルギー25meVより高ければ十分効果が出る。従
って、総合的に見て、可能なVCEの増加分とVconの低
下分を合わせると、0.206x+0.811x=1.
02xVだけ、pnip+nを用いない従来形に比べ、
コレクタ中の速度オーバシュートを起こしうるベース/
コレクタ接合のバイアス電圧をシフトできる。
べる。従来構造では、コレクタ層とコレクタバッファ層
の間には何らポテンシャルバリアがないが、本実施例で
は、ベース/コレクタ接合が深く順方向にバイアスされ
ると、伝導帯端と価電子帯端に電子およびホールに対す
る2つのポテンシャルバリアΔEC(x),ΔEv(x)が形成
される。それぞれの値は、 ΔEC(x)=0.811x ΔEv(x)=1.247×0.35=0.437x である。ベース/コレクタ接合の順方向電流はほとんど
電子電流で律則されており、コレクタターンオン電圧V
conは少なくとも0.811xVだけ低くなる。電子の
熱分布は常温で25meVであり、ΔEc(x)が常温の熱
エネルギー25meVより高ければ十分効果が出る。従
って、総合的に見て、可能なVCEの増加分とVconの低
下分を合わせると、0.206x+0.811x=1.
02xVだけ、pnip+nを用いない従来形に比べ、
コレクタ中の速度オーバシュートを起こしうるベース/
コレクタ接合のバイアス電圧をシフトできる。
また、本実施例では、p+層がないので、外部ベース/
コレクタ領域のプロトン注入構造の適用も可能となる。
コレクタ領域のプロトン注入構造の適用も可能となる。
以上説明したように本発明は、コレクタ層を、バンドギ
ャップエネルギーがベース層側からコレクタバッファ層
側へ単調増加し、動作状態において空間電荷層を形成す
るように不純物濃度が十分低いものとしたことにより、
コレクタ層/コレクタバッファ層界面のポテンシャル差
が生じ、この分コレクタターンオン電圧を下げることが
でき、論理回路の電源電圧を下げることにより消費電力
を低下させることができる効果がある。
ャップエネルギーがベース層側からコレクタバッファ層
側へ単調増加し、動作状態において空間電荷層を形成す
るように不純物濃度が十分低いものとしたことにより、
コレクタ層/コレクタバッファ層界面のポテンシャル差
が生じ、この分コレクタターンオン電圧を下げることが
でき、論理回路の電源電圧を下げることにより消費電力
を低下させることができる効果がある。
また、コレクタ層に高濃度のp+層やn+層を用いること
なく、コレクタ中の電子速度オーバシュートを起こし得
るベース/コレクタ接合のバイアス電圧をシフトでき、
コレクタ中の電子速度オーバシュート効果の出現を容易
とする効果がある。
なく、コレクタ中の電子速度オーバシュートを起こし得
るベース/コレクタ接合のバイアス電圧をシフトでき、
コレクタ中の電子速度オーバシュート効果の出現を容易
とする効果がある。
さらに、p+層がないので、外部ベース/コレクタ領域
のプロトン注入構造の適用も可能となる効果がある。
のプロトン注入構造の適用も可能となる効果がある。
従って、ヘテロ接合バイポーラトランジスタの論理回路
の低電力化、高速化を図ることができる。
の低電力化、高速化を図ることができる。
第1図は本発明に係わるバイポーラトランジスタの一実
施例を説明するためのバンドダイアグラムおよびグラ
フ、第2図および第3図は従来の通常形およびGB形H
BTを説明するためのバンドダイアグラム、第4図はコ
レクタ中の電子の速度オーバシュートを有効に取り入れ
た構造を説明するためのバンドダイアグラムである。 31…エミッタ層、32…ベース層、33…コレクタ
層、34…コレクタバッファ層。
施例を説明するためのバンドダイアグラムおよびグラ
フ、第2図および第3図は従来の通常形およびGB形H
BTを説明するためのバンドダイアグラム、第4図はコ
レクタ中の電子の速度オーバシュートを有効に取り入れ
た構造を説明するためのバンドダイアグラムである。 31…エミッタ層、32…ベース層、33…コレクタ
層、34…コレクタバッファ層。
Claims (2)
- 【請求項1】半導体基板上に形成され、第1伝導形のワ
イドギャップのエミッタ層と、第2伝導形のベース層
と、このベース層に接合されたコレクタ層と、第1伝導
形のコレクタバッファ層とを含む化合物半導体から成る
バイポーラトランジスタにおいて、前記コレクタ層は、
バンドギャップエネルギーが前記ベース層側から前記コ
レクタバッファ層側へ単調増加し、動作状態において空
間電荷層を形成するように不純物濃度が十分低いことを
特徴とするバイポーラトランジスタ。 - 【請求項2】バンドギャップエネルギーの単調増加は、
直接形バンドギャップの範囲内であることを特徴とする
特許請求の範囲第1項記載のバイポーラトランジスタ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP12248087A JPH069211B2 (ja) | 1987-05-21 | 1987-05-21 | バイポ−ラトランジスタ |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP12248087A JPH069211B2 (ja) | 1987-05-21 | 1987-05-21 | バイポ−ラトランジスタ |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS63289860A JPS63289860A (ja) | 1988-11-28 |
JPH069211B2 true JPH069211B2 (ja) | 1994-02-02 |
Family
ID=14836889
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP12248087A Expired - Lifetime JPH069211B2 (ja) | 1987-05-21 | 1987-05-21 | バイポ−ラトランジスタ |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH069211B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4958208A (en) * | 1987-08-12 | 1990-09-18 | Nec Corporation | Bipolar transistor with abrupt potential discontinuity in collector region |
JPS6444064A (en) * | 1987-08-12 | 1989-02-16 | Nec Corp | Hetero-junction bipolar transistor |
JPH0658916B2 (ja) * | 1987-08-31 | 1994-08-03 | 日本電気株式会社 | ヘテロ接合バイポーラトランジスタ |
-
1987
- 1987-05-21 JP JP12248087A patent/JPH069211B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPS63289860A (ja) | 1988-11-28 |
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