JPS6244714B2 - - Google Patents
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- JPS6244714B2 JPS6244714B2 JP13720678A JP13720678A JPS6244714B2 JP S6244714 B2 JPS6244714 B2 JP S6244714B2 JP 13720678 A JP13720678 A JP 13720678A JP 13720678 A JP13720678 A JP 13720678A JP S6244714 B2 JPS6244714 B2 JP S6244714B2
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04B—TRANSMISSION
- H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
- H04B10/40—Transceivers
- H04B10/43—Transceivers using a single component as both light source and receiver, e.g. using a photoemitter as a photoreceiver
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
- H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
- H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
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- H01L31/109—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier being of the PN heterojunction type
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
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- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
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- H01L31/125—Composite devices with photosensitive elements and electroluminescent elements within one single body
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
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- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/0004—Devices characterised by their operation
- H01L33/002—Devices characterised by their operation having heterojunctions or graded gap
- H01L33/0025—Devices characterised by their operation having heterojunctions or graded gap comprising only AIIIBV compounds
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Description
【発明の詳細な説明】
本発明は同一の所定波長の光を発生し、かつ検
出するダイオードに関するものである。
出するダイオードに関するものである。
エレクトロルミネツセント・ダイオードすなわ
ち発光ダイオードは光学繊維による遠隔通信の分
野においてとくに用いられており、そのダイオー
ドは順バイアスされた時に光を発生するものであ
ることは知られている。それらの光は情報を運
ぶ。受光時にはこのダイオードは逆バイアスされ
て、入射光の強さの関数である電流を発生する。
ち発光ダイオードは光学繊維による遠隔通信の分
野においてとくに用いられており、そのダイオー
ドは順バイアスされた時に光を発生するものであ
ることは知られている。それらの光は情報を運
ぶ。受光時にはこのダイオードは逆バイアスされ
て、入射光の強さの関数である電流を発生する。
発光と光検出との2つの機能を交互に実行させ
るために同じダイオードを用いる試みが以前から
行われている。しかし、発光と受光との効率を最
高にすることを望む場合には、これら2種類の機
能を実行させるのに必要な諸特性が種々の点で衝
突することになる。
るために同じダイオードを用いる試みが以前から
行われている。しかし、発光と受光との効率を最
高にすることを望む場合には、これら2種類の機
能を実行させるのに必要な諸特性が種々の点で衝
突することになる。
実際に発生した光子を吸収しないようにするた
めには発光領域(層)は薄くなければならない。
また、応答時間を十分に短くするためには発光領
域の不純物濃度を十分高くせねばならない。これ
に反して、光子を吸収して電流を発生するために
は受光領域(層)をかなり厚くせねばならず、ま
た逆バイアス電圧をかけられた時に少くとも部分
的に空間電荷領域を形成するためには、受光領域
の不純物濃度をかなり低くせねばならない。更に
これら2つの層は幅の異なる禁制帯を持たなけれ
ばならない。これらの発光領域と受光領域とに対
するこれらの要求は相反するものであることがわ
かるであろう。
めには発光領域(層)は薄くなければならない。
また、応答時間を十分に短くするためには発光領
域の不純物濃度を十分高くせねばならない。これ
に反して、光子を吸収して電流を発生するために
は受光領域(層)をかなり厚くせねばならず、ま
た逆バイアス電圧をかけられた時に少くとも部分
的に空間電荷領域を形成するためには、受光領域
の不純物濃度をかなり低くせねばならない。更に
これら2つの層は幅の異なる禁制帯を持たなけれ
ばならない。これらの発光領域と受光領域とに対
するこれらの要求は相反するものであることがわ
かるであろう。
本発明の発光・光検出ダイオードはこれらの問
題を解決するものである。
題を解決するものである。
本発明のダイオードは、第1の導電形の第1の
発光層と、この発光層に重ね合わされた第1の導
電形とは逆の第2の導電形の第2の光検出層と、
第1の層と第2の層との間にはさまれる第3の光
閉じ込め層とを備え、第2の層の禁制帯の幅は第
1の層の禁制帯の幅より狭く、第3の層の禁制帯
の幅は第1と第2の層との禁制帯の幅よりも十分
に広い。
発光層と、この発光層に重ね合わされた第1の導
電形とは逆の第2の導電形の第2の光検出層と、
第1の層と第2の層との間にはさまれる第3の光
閉じ込め層とを備え、第2の層の禁制帯の幅は第
1の層の禁制帯の幅より狭く、第3の層の禁制帯
の幅は第1と第2の層との禁制帯の幅よりも十分
に広い。
以下、図面を参照して本発明を詳細に説明す
る。
る。
第1図で、化学組成がそれぞれ異なり、したが
つて禁制帯が異なる4つの層、すなわち、N形の
層2と、N-またはN形の層3と、P+形の層1
と、同じくP+形の層4とがこの順序で互いに重
なり合つてN+形の基板10の上に付着されてダ
イオードを構成している。厚さが1ミクロン台の
層4へは、このダイオードが逆バイアスされた時
に検出されるべき光が照射される。このダイオー
ドが順バイアスされた時は、検出光とほぼ同じ波
長の光が層4から放射される。基板10及び層2
はたとえばヒ化ガリウムGaAsで作られ、層1,
2,3,4はGa1-x、Al-x、Asの合金で作られ
る。ここに、xは層ごとに異なる値をとる。
つて禁制帯が異なる4つの層、すなわち、N形の
層2と、N-またはN形の層3と、P+形の層1
と、同じくP+形の層4とがこの順序で互いに重
なり合つてN+形の基板10の上に付着されてダ
イオードを構成している。厚さが1ミクロン台の
層4へは、このダイオードが逆バイアスされた時
に検出されるべき光が照射される。このダイオー
ドが順バイアスされた時は、検出光とほぼ同じ波
長の光が層4から放射される。基板10及び層2
はたとえばヒ化ガリウムGaAsで作られ、層1,
2,3,4はGa1-x、Al-x、Asの合金で作られ
る。ここに、xは層ごとに異なる値をとる。
層4は厚さが1ミクロン台で禁制帯の幅は
0.8eV台であり、層1の禁制帯は1.5eV、厚さが
0.3ミクロン台の層3の禁制帯の幅は1.8eVで、厚
さが2ミクロン台の層2の禁制帯の幅は最小であ
つて1.4eVであり、基板は厚さが10〜200ミクロ
ンで、禁制帯の幅は1.4eV台である。
0.8eV台であり、層1の禁制帯は1.5eV、厚さが
0.3ミクロン台の層3の禁制帯の幅は1.8eVで、厚
さが2ミクロン台の層2の禁制帯の幅は最小であ
つて1.4eVであり、基板は厚さが10〜200ミクロ
ンで、禁制帯の幅は1.4eV台である。
第2図は外部バイアスがかけられていない状態
における、各層すなわち各領域内の伝導帯のエネ
ルギーレベルEvと、価電子帯のエネルギーレベ
ルEcを示す。
における、各層すなわち各領域内の伝導帯のエネ
ルギーレベルEvと、価電子帯のエネルギーレベ
ルEcを示す。
この図で鎖線はフエルミレベルを示す。領域1
と2の間にはさまれている領域3は領域1に対す
る電位障壁を構成していることが明らかにわかる
であろう。領域1と4との価電子帯の中で占めら
れているエネルギーレベルはP形ドーピングに対
応する。
と2の間にはさまれている領域3は領域1に対す
る電位障壁を構成していることが明らかにわかる
であろう。領域1と4との価電子帯の中で占めら
れているエネルギーレベルはP形ドーピングに対
応する。
同様に、領域3と2の伝導帯中で占められてい
るエネルギーレベルはN形ドーピングに対応す
る。これらのエネルギーレベルは接合の片側のみ
において占められているにすぎないから電流は流
れない。
るエネルギーレベルはN形ドーピングに対応す
る。これらのエネルギーレベルは接合の片側のみ
において占められているにすぎないから電流は流
れない。
第3図は順バイアス電位をかけた時のダイオー
ドの各層すなわち各領域におけるエネルギーレベ
ルを示す。
ドの各層すなわち各領域におけるエネルギーレベ
ルを示す。
この図から、領域1の価電子帯と伝導帯とには
それぞれ過剰の正孔と電子が同時に存在すること
が明らかに認められるであろう。これらの正孔と
電子は再結合することにより光子を生じてエレク
トロルミネツセンス現象をひき起す。正孔は領域
3の価電子帯により形成されている障壁をこえる
ことはできない。光の周波数は領域1における禁
制帯の幅に比例する。領域1の厚さ(1ミクロン
台)と、不純物濃度(1018at/cm3台)とは、ダイ
オードの発光効率と変調速度ができるだけ高くな
るように選択される。
それぞれ過剰の正孔と電子が同時に存在すること
が明らかに認められるであろう。これらの正孔と
電子は再結合することにより光子を生じてエレク
トロルミネツセンス現象をひき起す。正孔は領域
3の価電子帯により形成されている障壁をこえる
ことはできない。光の周波数は領域1における禁
制帯の幅に比例する。領域1の厚さ(1ミクロン
台)と、不純物濃度(1018at/cm3台)とは、ダイ
オードの発光効率と変調速度ができるだけ高くな
るように選択される。
第4図は高い逆バイアス電位を与えた時のエネ
ルギーレベルEv,Ecを示す。直流電源の正極と
負極に基板10と領域4がそれぞれ接続される。
第4図から、電位障壁が接合の近くでは高くさ
れ、領域3と2が空間電荷領域となつていること
がわかるであろう。光子は領域4,1,3の禁制
帯の幅が比較的広いためにそれらの領域で吸収さ
れることなしに通過し、禁制帯の幅が最も狭い領
域2では吸収される。各光子は一対の正孔と電子
を生じ、正孔は負極へ向つて動き、電子は正極へ
向つて動く。したがつて、光検出作用が主として
行われるのは領域2においてである。そのため
に、領域2は光子を吸収するのに十分な厚さ(た
とえば2ミクロン)とし、空間電荷状態に容易に
おけるようにするために不純物濃度は低く(たと
えば1015at/cm3)する。領域3の目的は発光と光
検出との2種類の機能を分離するのに必要な電位
障壁を設けることである。この領域3の厚さは、
たとえば0.3ミクロンと薄くできる。この領域3
の禁制帯の幅は広くしなければならず、また空間
電荷領域を層2の中まで延ばすためには、領域3
の不純物濃度を十分に低くしなければならい。
ルギーレベルEv,Ecを示す。直流電源の正極と
負極に基板10と領域4がそれぞれ接続される。
第4図から、電位障壁が接合の近くでは高くさ
れ、領域3と2が空間電荷領域となつていること
がわかるであろう。光子は領域4,1,3の禁制
帯の幅が比較的広いためにそれらの領域で吸収さ
れることなしに通過し、禁制帯の幅が最も狭い領
域2では吸収される。各光子は一対の正孔と電子
を生じ、正孔は負極へ向つて動き、電子は正極へ
向つて動く。したがつて、光検出作用が主として
行われるのは領域2においてである。そのため
に、領域2は光子を吸収するのに十分な厚さ(た
とえば2ミクロン)とし、空間電荷状態に容易に
おけるようにするために不純物濃度は低く(たと
えば1015at/cm3)する。領域3の目的は発光と光
検出との2種類の機能を分離するのに必要な電位
障壁を設けることである。この領域3の厚さは、
たとえば0.3ミクロンと薄くできる。この領域3
の禁制帯の幅は広くしなければならず、また空間
電荷領域を層2の中まで延ばすためには、領域3
の不純物濃度を十分に低くしなければならい。
第5図は、第1図に示す本発明のダイオード
と、各領域の導電形を逆にした本発明のダイオー
ドの別の実施例を示す。各部の記号と不純物濃度
は第1図に示すダイオードのそれと同じである。
と、各領域の導電形を逆にした本発明のダイオー
ドの別の実施例を示す。各部の記号と不純物濃度
は第1図に示すダイオードのそれと同じである。
第6図はメサ形として作つた本発明のダイオー
ドの別の実施例を示す。このダイオードでは、光
にさらされる領域4に環状接点40がとりつけら
れている。基板10の自由表面には接点41が設
けられる。
ドの別の実施例を示す。このダイオードでは、光
にさらされる領域4に環状接点40がとりつけら
れている。基板10の自由表面には接点41が設
けられる。
本発明の更に別の実施例を第7図に示す。この
実施例では基板10は透明であり、その自由表面
に光が照射される。また、その自由表面には環状
接点41が設けられる。この実施例では、層1,
2,3,4は第1,5,6図に示す順序とは逆の
順序で基板10に付着される。層2は金属サポー
ト42にハンダづけされる。このサポート42は
放熱器と接点の2種類の機能を果す。この金属サ
ポート42を設けることによりこのダイオードの
放熱性が改善される。このダイオードはいわゆる
「フリツプ・フロツプ接合」形と呼ばれている。
実施例では基板10は透明であり、その自由表面
に光が照射される。また、その自由表面には環状
接点41が設けられる。この実施例では、層1,
2,3,4は第1,5,6図に示す順序とは逆の
順序で基板10に付着される。層2は金属サポー
ト42にハンダづけされる。このサポート42は
放熱器と接点の2種類の機能を果す。この金属サ
ポート42を設けることによりこのダイオードの
放熱性が改善される。このダイオードはいわゆる
「フリツプ・フロツプ接合」形と呼ばれている。
第8図に示す実施例では、狭い禁制帯を有する
N層5が層2と3の間に設けられる。この層5は
層2の中で発生された電子を増倍する電子なだれ
増倍層として機能する。これと同じ効果は、層3
の不純物濃度を層2の不純物濃度より高くするこ
とによつて得ることができ、その場合には電子な
だれ現象は層3の内部で起る。不純物濃度が過度
に高くなると層2,3を空間電荷状態に置くこと
が困難となることがある。第8図に示すように層
5を設けるとそのような困難は生じない。
N層5が層2と3の間に設けられる。この層5は
層2の中で発生された電子を増倍する電子なだれ
増倍層として機能する。これと同じ効果は、層3
の不純物濃度を層2の不純物濃度より高くするこ
とによつて得ることができ、その場合には電子な
だれ現象は層3の内部で起る。不純物濃度が過度
に高くなると層2,3を空間電荷状態に置くこと
が困難となることがある。第8図に示すように層
5を設けるとそのような困難は生じない。
Ga1-x、Al-x、As形の合金の場合には禁制帯の
幅はxの値の増加関数であることに注意された
い。先に説明した例では、xの値は、層1に対し
ては0.07、層2に対しては0附近、層3,4に対
しては0.3である。このダイオードの自由表面
(領域4または基板10)に既知の4分の1波長
誘電体層を設ける反射防止処理を施すことによ
り、100A/w近い感度を達成できる。
幅はxの値の増加関数であることに注意された
い。先に説明した例では、xの値は、層1に対し
ては0.07、層2に対しては0附近、層3,4に対
しては0.3である。このダイオードの自由表面
(領域4または基板10)に既知の4分の1波長
誘電体層を設ける反射防止処理を施すことによ
り、100A/w近い感度を達成できる。
全てのキヤリヤが空間電荷領域で発生されるか
ら、光検出時の応答時間は短い。したがつて、自
然拡散過程が介在することはない。最後に、厚さ
が2ミクロンの空間電荷領域内で作られたキヤリ
ヤの走行時間は100ピコ秒以下である。
ら、光検出時の応答時間は短い。したがつて、自
然拡散過程が介在することはない。最後に、厚さ
が2ミクロンの空間電荷領域内で作られたキヤリ
ヤの走行時間は100ピコ秒以下である。
以上の説明で示した各種の値は全て単なる例で
ある。また、Ga、Al、As形合金以外の材料も使
用できる。たとえば、周期律表の3、5族に含ま
れる3種類または4種類の元素を基にした材料を
使用できる。
ある。また、Ga、Al、As形合金以外の材料も使
用できる。たとえば、周期律表の3、5族に含ま
れる3種類または4種類の元素を基にした材料を
使用できる。
第9図は本願で上に開示した事項と、1977年10
月18日付のフランス特許出願第7731274号に開示
されている事項とを組合わせたダイオードの構造
を示す。この場合には、ダイオードの中央部分に
おける電流線を伝送に集中できるようにする環状
の絶縁領域45が層4に設けられる。
月18日付のフランス特許出願第7731274号に開示
されている事項とを組合わせたダイオードの構造
を示す。この場合には、ダイオードの中央部分に
おける電流線を伝送に集中できるようにする環状
の絶縁領域45が層4に設けられる。
本発明は半導体レーザにも適用できる(第10
図)。この場合には全体が、2つの側面上でへき
開された単結晶である。光学繊維100が図示の
ように結合され、層2のへき開面から光が受けら
れ、層1のへき開面から光が放射される。
図)。この場合には全体が、2つの側面上でへき
開された単結晶である。光学繊維100が図示の
ように結合され、層2のへき開面から光が受けら
れ、層1のへき開面から光が放射される。
第1図は本発明のダイオードの一実施例を示す
略図、第2図は第1図のダイオードにおける無バ
イアス時のエネルギーレベル図、第3図は第1図
のダイオードにおける順バイアス時のエネルギー
レベル図、第4図は第1図のダイオードにおける
逆バイアス時のエネルギーレベル図、第5図は第
1図のダイオードの各領域の導電形を逆にしたダ
イオードの略図、第6,7,8,9,10図は本
発明のダイオードのそれぞれ異なる実施例を示す
略図である。 1…発光層、2…受光層、3…分離層、4…
P+層、10…基板、40,41…接点。
略図、第2図は第1図のダイオードにおける無バ
イアス時のエネルギーレベル図、第3図は第1図
のダイオードにおける順バイアス時のエネルギー
レベル図、第4図は第1図のダイオードにおける
逆バイアス時のエネルギーレベル図、第5図は第
1図のダイオードの各領域の導電形を逆にしたダ
イオードの略図、第6,7,8,9,10図は本
発明のダイオードのそれぞれ異なる実施例を示す
略図である。 1…発光層、2…受光層、3…分離層、4…
P+層、10…基板、40,41…接点。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1 第1の導電形の半導体基体と、この基体表面
に形成され、禁制帯の幅がE1である、前記第1
の導電形の光検出半導体層と、この光検出層に接
合され、禁制帯の幅がE3である、前記第1導電
型の光閉じ込め半導体層と、この光閉じ込め層に
接合され、禁制帯の幅がE2である、前記第1の
導電形とは反対の第2の導電形の発光半導体層
と、この発光層に接合され、禁制帯の幅がE4で
ある、前記第2の導電形のもう一つの半導体層と
を有し、これら各層の禁制帯の幅が E1<E2<E3≦E4 なる関係を満たしていることを特徴とする所定波
長の光の発生及び検出が可能なダイオード。 2 特許請求の範囲第1項記載のダイオードにお
いて、 E1=1.4ev E2=1.5ev E3=E4=1.8ev であることを特徴とするダイオード。 3 特許請求の範囲第1項記載のダイオードにお
いて、前記基体はGaAsで作られ、その他の前記
半導体層はGa1-xAlxAs形でXがOと1との間の
値である合金で作られていることを特徴とするダ
イオード。 4 特許請求の範囲第2項記載のダイオードにお
いて、前記受光層はGaAsで作られ、前記光閉じ
込め層はGa0.7Al0.3Asで作られ、前記発光層は
Ga0.93Al0.07Asで作られ、前記もう一つの半導体
層はGa0.7Al0.3Asで作られていることを特徴とす
るダイオード。 5 第1の導電形の半導体基体と、この基体表面
に形成され、禁制帯の幅がE4である、前記第1
の導電形の第1の半導体層と、この第1の層に接
合され、禁制帯の幅がE2である、前記第1の導
電形の発光半導体層と、この発光層に接合され、
禁制帯の幅がE3である、前記第1の導電形とは
反対の第2の導電形の光閉じ込め半導体層と、こ
の光閉じ込め層に接合され、禁制帯の幅がE1で
ある、前記第2の導電形の光検出半導体層とを有
し、これら各層の禁制帯の幅が E1<E2<E3≦E4 なる関係を満たしていることを特徴とする所定波
長の光の発生及び検出が可能なダイオード。
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
FR7733354A FR2408222A1 (fr) | 1977-11-07 | 1977-11-07 | Diode emettrice et receptrice de rayons lumineux de meme longueur d'onde predeterminee et dispositif de telecommunication optique utilisant une telle diode |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS5475288A JPS5475288A (en) | 1979-06-15 |
JPS6244714B2 true JPS6244714B2 (ja) | 1987-09-22 |
Family
ID=9197316
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
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Country Status (6)
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JP (1) | JPS5475288A (ja) |
CA (1) | CA1121490A (ja) |
DE (1) | DE2860308D1 (ja) |
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1978
- 1978-10-27 EP EP78400155A patent/EP0001952B1/fr not_active Expired
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- 1978-10-31 CA CA000315358A patent/CA1121490A/en not_active Expired
- 1978-11-02 US US05/957,196 patent/US4217597A/en not_active Expired - Lifetime
- 1978-11-07 JP JP13720678A patent/JPS5475288A/ja active Granted
Patent Citations (2)
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Also Published As
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CA1121490A (en) | 1982-04-06 |
FR2408222A1 (fr) | 1979-06-01 |
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JPS5475288A (en) | 1979-06-15 |
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