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JPH01315127A - ガリウムヒ素層の形成方法 - Google Patents

ガリウムヒ素層の形成方法

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Publication number
JPH01315127A
JPH01315127A JP1062309A JP6230989A JPH01315127A JP H01315127 A JPH01315127 A JP H01315127A JP 1062309 A JP1062309 A JP 1062309A JP 6230989 A JP6230989 A JP 6230989A JP H01315127 A JPH01315127 A JP H01315127A
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JP
Japan
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gallium arsenide
single crystal
silicon
temperature
Prior art date
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Pending
Application number
JP1062309A
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English (en)
Inventor
Kazuto Ogasawara
和人 小笠原
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Fujitsu Ltd filed Critical Fujitsu Ltd
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Pending legal-status Critical Current

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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。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 シリコン基板上にガリウムヒ素単結晶層を形成する方法
の改良に関し、 単なる経時的加熱・冷却工程のみをもって、「反り」の
発生をともなうことなく、シリコン基板上に良質のガリ
ウムヒ素単結晶層を形成することが可能なガリウムヒ素
層の形成方法を提供することを目的とし、 シリコン単結晶基板(1)上に単結晶化されたときに1
〜3原子層となる厚さの第1のガリウムヒ素アモルファ
ス層をアモルファス状態となる温度で形成し、前記のシ
リコン単結晶基板(1)の温度を上昇して前記の第1の
ガリウムヒ素アモルファス層を単結晶に転換して第1の
単結晶ガリウムヒ素層(2)を形成し、この第1の単結
晶ガリウムヒ素層(2)上に1〜6原子層となる厚さの
シリコン層(3)を形成し、前記のシリコン単結晶基板
(1)の温度を降下して前記のシリコン層(3)上に前
記の第1のガリウムヒ素アモルファス層とほぼ同じ厚さ
の第2のガリウムヒ素アモルファス層をアモルファス状
態となる温度で形成し、前記のシリコン単結晶基板(1
)の温度を上昇して前記の第2のガリウムヒ素アモルフ
ァス層を単結晶に転換して第2の単結晶ガリウムヒ素N
(4)を形成し、その上に第3のガリウムヒ素単結晶層
(5・6)を形成する工程を有するガリウムヒ素層の形
成方法である。
〔産業上の利用分野〕
本発明はシリコン基板上にガリウムヒ素単結晶層を形成
する方法の改良に関する。
〔従来の技術〕
ガリウムヒ素はキャリアモビリティが高いので、半導体
装置等を製造する材料として穫めて有用であるが、ガリ
ウムヒ素単結晶層は、従来、ガリウムヒ素基板上に形成
していた。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかし、大口径のガリウムヒ素基板を製造することは困
難であり、スルーブツト低下の原因となっていたので、
大口径の基板の製造が容易であるシリコン基板上にガリ
ウムヒ素層を製造する技術の開発が望まれていた。
しかし、シリコンとガリウムヒ素との間には、大きな格
子不整合や熱膨張係数の差が存在するので、シリコン基
板上にガリウムヒ素層を形成しようとすると、その界面
に逆位相界面が発生することを免れない、この逆位相界
面は、オフセット角基板を使用すれば解消しうるが、シ
リコンとガリウムヒ素との熱膨張係数が異なるために、
いわゆる「反り」が発生すると云う欠点は、現在未解決
である。
この[反りJの問題を解消する手法として、シリコン基
板上に、先づシリコンの格子定数と同一の格子定数を有
するガリウムリン層を形成し、次に、ガリウムとリンを
堆積しながら、これにヒ素を添加してガリウムヒ素リン
の混晶を形成しながら、同時に、供給するリンの量を減
少する。要すれば、リンの混晶比を減少すると−もにヒ
素の混晶比を増加し、最後にリンの含有量を0(零)と
してガリウムヒ素層を形成する手法が開発された。
しかし、この手法は分子線気相成長法を使用しては実施
が困難であり、どうしても、高温の有機金属気相成長法
を使用することを必要とすると云う欠点がある。
そこで、「反り」の発生をともなうことなく、シリコン
基板上に良質のガリウムヒ素単結晶層を形成する技術の
開発が望まれていた。
本発明の目的は、この要望に応えることにあり、上記せ
る如き特殊な介在層等を使用する必要がなく、単なる経
時的加熱・冷却工程のみをもって、「反り」の発生をと
もなうことなく、シリコン基板上に良質のガリウムヒ素
単結晶層を形成することが可能なガリウムヒ素層の形成
方法を提供することにある。
〔課題を解決するための手段〕
上記の目的は、シリコン単結晶基板(1)上に単結晶化
されたときに1〜3原子層となる厚さの第1のガリウム
ヒ素アモルファス層をアモルファス状態となる温度で形
成し、前記のシリコン単結晶基板(1)の温度を上昇し
て前記の第1のガリウムヒ素アモルファス層を単結晶に
転換して第1の単結晶ガリウムヒ素層(2)を形成し、
この第1の単結晶ガリウムヒ素層(2)上に1〜6原子
層となる厚さのシリコン層(3)を形成し、前記のシリ
コン単結晶基板(1)の温度を降下して前記のシリコン
層(3)上に前記の第1のガリウムヒ素アモルファス層
とほぼ同じ厚さの第2のガリウムヒ素アモルファス層を
アモルファス状態となる温度で形成し、前記のシリコン
単結晶基板(1)の温度を上昇して前記の第2のガリウ
ムヒ素アモルファス層を単結晶に転換して第2の単結晶
ガリウムヒ素層(4)を形成し、その上に第3のガリウ
ムヒ素単結晶層(5・6)を形成する工程を有するガリ
ウムヒ素層の形成方法によって達成される。
半導体層上に熱膨張係数が異なる半導体層をエピタキシ
ャル成長する場合、「反り」の発生を防止するには低温
における成長が望ましいことは周知であり、一方、形成
される半導体層の膜質を向上するには高温における成長
が望ましいことも周知である。
そこで、上記の構成において、ガリウムヒ素層(6)の
成長温度の最適値(反りが許容値の範囲にある成長温度
)を求めるため、実験を繰り返した。
具体的には、直径が2インチであり、厚さが300nで
あるシリコン単結晶基板(L)上に、上記の工程にした
がって、ガリウムヒ素の単原子層の積層体(5)までを
成長した後、基板温度を100〜800℃程度の範囲に
変化させて、ガリウムヒ素層(6)を成長し、その結果
発生する「反り」量を測定し、第21!lに黒点をもっ
て示す結果を得た。すなわち、温度範囲450〜580
℃においては、上方に凸の場合も下方に凸の場合も、「
反り」の発生範囲がLOn以内となり、十分実用に耐え
ることが確認された。
「反り」の値は、通常の測定方法の他に、格子定数を測
定して、これから換算することも可能である故、確認の
ため、この方法(格子定数を測定して、これから換算す
る方法)を使用して、「反り」を算出し、第2図に×印
をもって加入した。
図より明らかなように、お−むね同一の傾向のあること
が確認された。
以上の実験的根拠にもとづき、ガリウムヒ素層(6)の
成長温度範囲を450〜580℃と決定して、本発明を
完成した。
なお、第1のガリウムヒ素単結晶N(2)・シリコン単
結晶層(3)・第2のガリウムヒ素単結晶層(4)の積
層体は、上記のように1積層体でなく、2〜3積層体と
してもよい。
また、シリコン単結晶基板(1)の面は(100>面が
最適ではあるが、他の面でも、大きな支障はない。
〔作用〕
本発明は、実験の結果にもとづくものであり、その作用
は必ずしも明らかではないが、その作用は以下のように
推定される。
(イ)シリコン基板lを約1,000”Cに加熱する工
程において、もし、シリコン基板lの表面に段差がある
ときは、その段差はシリコンの二原子層に相当する高さ
に統一される。
(ロ)次の60〜90℃におけるガリウムヒ素層2の堆
積工程とシリコン層3の積層工程とにおいては、ガリウ
ムヒ素分子の大きさがシリコン原子の大きさの約2倍で
あり、段差分の2倍であるから、段差を埋める効果があ
る。しかも、成長温度が極めて低く、また、ガリウムヒ
素層2とシリコン層3とが交互に積層されることになる
ので、「反り」に対しては極めて大きな抵抗力となる。
(ハ)第3工程のガリウムヒ素層を単原子層づ一間欠的
に積層してガリウムヒ素の単原子層の積層体5を形成す
る工程においては、成長温度が極めて低いので、「反り
」は殆ど発生しない。
(ニ)以上の効果が相剰的に作用して、大口径のシリコ
ン基板l上に、「反り」の発生をともなうことなく、良
質のガリウムヒ素層6を形成することができる。
さらに補足すれば、本発明の作用は、要するに、1〜3
原子層の第1のガリウムヒ素単結晶層2と1〜6原子層
のシリコン層3と1〜3原子層の第2のガリウムヒ素単
結晶層4との積層体がシリコンとガリウムヒ素との間の
格子定数の相違に起因するストレスを吸収して、「反り
」の発生を防止することにあるものと考えられる。
〔実施例〕
以下、図面を参照して、本発明の一実施例に係るガリウ
ムヒ素層の形成方法について説明する。
第1a図、第1b図参照 第1a図は、本実施例に係る工程のヒートサイクルを示
すタイムチャートであり、第1b図は、本実施例に係る
工程をもって製造されたガリウムヒ素層の層構成図であ
る。
厚さが300nであり、直径が2インチであり、(10
0)面から±1@ずれた面を表面としたシリコン単結晶
基板1を使用する。このシリコン単結晶基板1のオフセ
ット角は、3°に対して0.2゜である、しかし、通常
の基板のオフセット角は満足すべき値であるから、0.
2°以内であろう、この程度のオフセット角を存する基
板は、2原子層に相当する高さの段差をその表面に有す
ることが一般である。シリコン基板の表面に段差が存在
するときは、その高さはシリコンの2原子層に相当する
筈である。ガリウムヒ素の単原子層の高さがシリコンの
2原子層の厚さに相当するからである。
これらの段差は、ガリウムヒ素の単原子層をもって埋め
られることができ、シリコン基板上にガリウムヒ素の単
原子層が形成され−ば、それ以降においては、シリコン
層が露出することはない、しかし、もし、上記の段差が
シリコンの単原子層の厚さに相当するならば、その上に
形成されるガリウムヒ素の単原子層はガリウムとヒ素と
を含む層を有することになり、それ以降に形成されるガ
リウムヒ素層に逆位相界面が発現する原因となる。
そこで、上記のシリコン基板1は熱処理される。
例えばl O−” Torrの高真空の分子線エピタキ
シャル成長装置内において、1.000℃の温度におい
て約20分間表面浄化をなされる(a)。
次に、ヒ素セルのシャッタを開放しておくか、または、
ヒ素原子線を基板l上に照射しておくかしておきながら
、約20分以上の時間をかけて基板1の温度を60〜9
0℃まで低下する(b)。
さらに、ガリウムヒ素の単原子層を形成するに適する時
間(約1秒間)、ガリウムセルシャッタを開放するか、
または、ガリウム原子線を上記の基板1に照射するかし
て、上記の基板1上に第1のガリウムヒ素アモルファス
単原子層を形成する(C)。
この工程中、照射されるガリウム原子線量をモニタする
ために、反射高エネルギー電子回折(RHEED)強度
振動が使用される。このガリウムヒ素単原子層の形成工
程は、60〜90℃の温度においてなされねばならない
、もし、形成時の温度が90℃を超えていると、マイグ
レーションのため、ガリウムヒ素は島状に形成されるか
らである。
換言すれば、60〜90℃においてガリウムヒ素層を形
成すると、ガリウムヒ素層が島状に形成されることがな
く、シリコン層1の全面上に均一にアモルファス状のガ
リウムヒ素層が形成されるからである。このアモルファ
ス状のガリウムヒ素層の厚みは、後の高温工程において
単結晶化されて、単結晶の単原子層になる程度の厚みで
ある。
なお、ガリウム原子線が同時に照射されないときは、ヒ
素原子線が連続的に照射されても、ヒ素層は堆積しない
ヒ素原子線を照射しながら、約20分かけて、基板の温
度を、ガリウムヒ素の固相成長温度(200〜400℃
)に上昇する。すなわち、基板温度を200〜400℃
に上昇して、単結晶シリコン層1上にアモルファス状に
存在していたガリウムヒ素単原子層を、シリコン単結晶
を種結晶として、ガリウムヒ素単結晶N2に転換する。
なお、この工程中、ヒ素原子線を照射しつ一′ける理由
は、高温度における固相成長中にガリウムヒ素層からヒ
素がアウトデイフユーズすることを防止するためである
(d)。
こ\で、ヒ素原子線の照射を中止し、高温状態のま−で
、シリコン原子線を約10〜30秒照射し、単結晶シリ
コンの2原子層3を、第1のガリウムヒ素単結晶層2上
に形成する。上記の約10〜30秒は、シリコンを2原
子層形成するに適当な照射時間である。シリコン原子線
量をモニタするために、RHEED強度振動が使用され
る(e)ことは上記と同様である。
ヒ素原子線を照射しながら、約20分かけて、基板の温
度を60〜90℃まで低下する(f)。
ヒ素原子線の照射は継続しながら、ガリウムヒ素の単原
子層が形成されるに適する時間(約1秒間)、ガリウム
原子線を照射する。この期間にも、ガリウム原子線の照
射量をモニタするために、RHEED強度振動が使用さ
れる。このようにして、第2のガリウムヒ素単原子アモ
ルファス層が形成される(g)。
この工程において形成された第2のガリウムヒ素アモル
ファス単原子層は、第1のガリウムヒ素アモルファス単
原子層と同様、アモルファス状であり、また、この工程
は低温成長であるから、第2のガリウムヒ素単原子層が
島状になることはない、なお、この第2のガリウムヒ素
アモルファス単原子層は第1のガリウムヒ素アモルファ
ス単原子層と実質的に同一の厚さであることが望ましい
次に、ヒ素原子線を照射しながら、約20分かけて、基
板温度を、ガリウムヒ素の固相成長温度(200〜40
0’C)に上昇する。すなわち、基板温度を200〜4
00 ”Cに上昇して、単結晶シリコン層3上にアモル
ファス状に存在していたガリウムヒ素単原子層を、シリ
コン単結晶を種結晶として、ガリウムヒ素単結晶層4に
転換する(h)。
このようにして形成されたガリウムヒ素層・シリコン層
・ガリウムヒ素層の積層体は、シリコンとガリウムヒ素
との熱膨張係数の差に起因する「反り」を吸収する機能
を有する0本発明は、特定の理論に立脚するものではな
く、上記薄層の積層体に固有のフレキシビリティ−が「
反り」を吸収するものと考えられることは、上記〔作用
〕の項に述べたとおりである。
基板温度はガリウムヒ素の固相成長温度(200〜40
0℃)に保持し、ヒ素原子線を照射しながら、ガリウム
原子線を、単原子層分(約1秒間)づ−11分毎に、間
欠的に、複数回(約100回)照射して、ガリウムヒ素
の単原子層の積層体5を形成する(i)。
このガリウムヒ素の単原子層の積層体5は、ガリウムヒ
素の固相成長温度(200〜400℃)において形成さ
れねばならない。エピタキシャル成長を実現するには4
00℃を超える温度において形成工程を実行することが
結晶性の向上のため必要であるが、400℃以上で上記
ガリウムヒ素の単原子層の積層体5の形成工程を実行す
ると、ガリウムヒ素層が島状になるからである。このガ
リウムヒ素の単原子層の積層体5は、ガリウムヒ素層6
がその上にエピタキシャル成長するためのバッファ層と
して機能する。
ヒ素原子線を照射しながら、約60分かけて基板温度を
450℃〜580℃に上昇する(j)。
、基板温度を450〜580℃に保持しながら、ガリウ
ム原子線とヒ素原子線とを連続的に所望の時間照射して
、ガリウムヒ素単結晶層6を所望の厚さに形成する(K
)。
この工程は、少なくとも450℃以上で実行されねばな
らない、さもないと、良質のガリウムヒ素エピタキシャ
ル層が得られないからである。しかし、一方、580℃
以上でこの工程を実行すると、「反り」の原因となるか
ら、580℃以上での実行は避けねばならない、なお、
このガリウムヒ素単結晶層6の厚さには、同等制限はな
い。
このガリウムヒ素単結晶層6を形成した後、ヒ素分子線
を照射しながら、60分かけて基板を常温まで冷却する
(り。
第1a図に示すヒートサイクルのタイムチャートの各工
程を略述する。
(a)は、シリコン基板1を1 、000℃に加熱して
約20分間保持し、その表面を浄化する工程である。
(b)は、第1のガリウムヒ素アモルファス単原子層形
成工程の準備工程であり、シリコン基板1にヒ素線を照
射しながら、約20分かけて、60〜90℃まで降温す
る工程である。
(C)は、アモルファス状の第1のガリウムヒ素単原子
層の形成工程である。
(d)は、アモルファス状の第1のガリウムヒ素単原子
層を単結晶の第1のガリウムヒ素単原子層2に転換する
工程である。
(e)は、単結晶シリコン2原子層3を形成する工程で
ある。
Cf)は、第2のガリウムヒ素アモルファス単原子層形
成工程の準備工程であり、単結晶シリコン2原子層3に
ヒ素線を照射しながら、約20分かけて、60〜90℃
まで降温する工程である。
(g)は、第2のガリウムヒ素アモルファス単原子層の
形成工程である。
(h)は、アモルファス状の第2のガリウムヒ素単原子
層を単結晶の第2のガリウムヒ素単原子層4に転換する
工程である。
(+)は、ガリウムヒ素単原子層の積層体(バッファ層
)5の形成工程である。
(j)は、「反り」のない単結晶ガリウムヒ素層6を形
成する工程の準備工程としての昇温工程である。
(k)は、「反り」のない単結晶ガリウムヒ素層6の形
成工程である。
(I!、)は、常温まで降温する工程である。
以上の工程をもって、シリコン基板l上に形成されたガ
リウムヒ素層6は、結晶状態が良質であり、「反り」を
ともなうこともない。
なお、ガリウムヒ素層上にアルミニウムガリウムヒ素層
を形成することは、混晶比が0.3以下であれば、さほ
ど困難なことではないので、上記の工程をもって、シリ
コン基板1上に製造したガリウムヒ素層6の上にアルミ
ニウムガリウムヒ素層(図示せず)を形成して、HEM
T等を製造することは容易である。
〔発明の効果〕
以上説明せるとおり、本発明に係るガリウムヒ素層の形
成方法は、シリコン単結晶基板(1)上に単結晶化され
たときに1〜3原子層となる厚さの第1のガリウムヒ素
アモルファス層をアモルファス状態となる温度で形成し
、前記のシリコン単結晶基板(1)の温度を上昇して前
記の第1のガリウムヒ素アモルファス層を単結晶に転換
して第1の単結晶ガリウムヒ素層(2)を形成し、この
第1の単結晶ガリウムヒ素層(2)上に1〜6原子層と
なる厚さのシリコン層(3)を形成し、前記のシリコン
単結晶基板(1)の温度を降下して前記のシリコン層(
3)上に前記の第1のガリウムヒ素アモルファス層とほ
ぼ同じ厚さの第2のガリウムヒ素アモルファス層をアモ
ルファス状態となる温度で形成し、前記のシリコン単結
晶基板(1)の温度を上昇して前記の第2のガリウムヒ
素アモルファス層を単結晶に転換して第2の単結晶ガリ
ウムヒ素層(4)を形成し、その上に第3のガリウムヒ
素単結晶層(5・6)を形成すること−されているので
、1〜3原子層の第1のガリウムヒ素層(2)と単原子
層のシリコン層(3)と1〜3原子層の第2のガリウム
ヒ素層(4)との積層体がシリコンとガリウムヒ素との
間の格子定数の相違に起因するストレスを吸収すること
になり、「反り」が発生することがない、さらに、最上
層としてのガリウムヒ素層の成長温度も、上記のように
、実験的に求めた最適値範囲(450〜580℃)とし
であるので、最上層のガリウムヒ素層の結晶性は極めて
優れたものとなる。
これらの効果が相剰的に作用して、大口径のシリコン基
板上に、「反り」の発生をともなうことなく、良質のガ
リウムヒ素層を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
第1a図は、本発明の一実施例に係るガリウムヒ素層の
形成方法のヒートサイクル図である。 第1b図は、本発明の一実施例に係るガリウムヒ素層の
形成方法の層構造図である。 第2図は、直径2インチのシリコン単結晶基板上に、本
発明の一実施例に係るガリウムヒ素層の形成方法のガリ
ウムヒ素の単原子層の積層体までの工程を実施し、その
後、最上層としてのガリウムヒ素層を成長する工程を、
成長温度を広範囲に変化させて実施した場合の成長温度
と反りの発生を示すグラフ(実験結果)である。 1・・・シリコン単結晶基板、 2・・・第1の単結晶ガリウムヒ素単原子層、3・・・
単結晶シリコン層、 4・・・第2の単結晶ガリウムヒ素単原子層、5・・・
ガリウムヒ素単原子層の積層体、6・・・第3のガリウ
ムヒ素準結晶層。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 [1]シリコン単結晶基板(1)上に単結晶化されたと
    きに1〜3原子層となる厚さの第1のガリウムヒ素アモ
    ルファス層を、アモルファス状態となる温度で形成し、 前記シリコン単結晶基板(1)の温度を上昇して、前記
    第1のガリウムヒ素アモルファス層を単結晶に転換して
    、第1の単結晶ガリウムヒ素層(2)を形成し、 該第1の単結晶ガリウムヒ素層(2)上に、1〜6原子
    層となる厚さのシリコン層(3)を形成し、 前記シリコン単結晶基板(1)の温度を降下して、前記
    シリコン層(3)上に前記第1のガリウムヒ素アモルフ
    ァス層とほぼ同じ厚さの第2のガリウムヒ素アモルファ
    ス層を、アモルファス状態となる温度で形成し、 前記シリコン単結晶基板(1)の温度を上昇して、前記
    第2のガリウムヒ素アモルファス層を単結晶に転換して
    、第2の単結晶ガリウムヒ素層(4)を形成し、 その上に第3のガリウムヒ素単結晶層(5・6)を形成
    する 工程を有することを特徴とするガリウムヒ素層の形成方
    法。 [2]前記シリコン単結晶基板(1)は、オフセット角
    が3゜以下である(100)面を有し、1,000℃〜
    1,300℃において熱処理することを特徴とする請求
    項1記載のガリウムヒ素層の形成方法。 [3]前記第1のガリウムヒ素アモルファス層と前記第
    2のガリウムヒ素アモルファス層とを形成する温度は6
    0〜90℃であり、前記第1のガリウムヒ素アモルファ
    ス層の厚さと前記第2のガリウムヒ素アモルファス層と
    の厚さは、いづれも、単結晶層(2)(4)に転換され
    たとき1〜3原子層になる厚さであり、前記シリコン層
    (3)は単原子層であることを特徴とする請求項1また
    は2記載のガリウムヒ素層の形成方法。 [4]前記第1のガリウムヒ素アモルファス層と前記第
    2のガリウムヒ素アモルファス層を単結晶層(2)(4
    )に転換する工程の温度は200〜400℃であること
    を特徴とする請求項1、2、または、3記載のガリウム
    ヒ素層の形成方法。 [5]前記第3のガリウムヒ素単結晶層(5・6)を形
    成する工程の温度は、200〜400℃、または、45
    0〜580℃であることを特徴とする請求項1、2、3
    、または、4記載のガリウムヒ素層の形成方法。
JP1062309A 1988-03-18 1989-03-16 ガリウムヒ素層の形成方法 Pending JPH01315127A (ja)

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