(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、ガイド層をコア層とする受動導波路部と、前記受動導波路部から延在する前記ガイド層と光吸収層とを有する光電変換部と、が形成されてなる装荷型半導体受光素子であって、前記受動導波路部における前記ガイド層および光電変換部における前記ガイド層は、共に屈折率が前記基板側で低く前記光吸収層側で高くなるように変化する半導体層で構成され、かつ、層厚方向に複数の導波モードが存在するマルチモード導波路を構成することを特徴とする装荷型半導体受光素子。
【請求項２】
前記ガイド層を構成する半導体層は、互いに屈折率の異なる複数の半導体層の積層構造であることを特徴とする請求項１記載の装荷型半導体受光素子。
【請求項３】
前記ガイド層を構成する半導体層は、層厚方向に連続的に変化する組成を有する構造のものであることを特徴とする請求項１又は２記載の装荷型半導体受光素子。
【請求項４】
前記ガイド層内の層厚方向光強度分布の極大位置が、前記光吸収層から最も離れる位置の近傍において前記光電変換部が開始するように構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１に記載の装荷型半導体受光素子。
【請求項５】
前記光吸収層で生成されたキャリアが注入されアバランシェ増倍を起こす増倍層を前記光吸収層の上層又は下層に設けたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１に記載の装荷型半導体受光素子。
【請求項６】
前記光吸収層がｐ型にドーピングされていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１に記載の装荷型半導体受光素子。
【請求項７】
前記ガイド層の不純物濃度が低濃度であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１に記載の装荷型半導体受光素子。
【請求項８】
前記光吸収層の上部にｐ＋ −ＩｎＧａＡｓ光吸収層、前記光吸収層の下部にｉ−ＩｎＡｌＧａＡｓガイド層が設けられていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１に記載の装荷型半導体受光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光通信システムの受信モジュールに用いられる装荷型半導体受光素子に係わり、詳しくは、クラッド層上にガイド層、光吸収層を積層して装荷型導波路を構成した装荷型半導体受光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光通信システムの受信モジュールに用いられる半導体受光素子として、導波路型素子が一般に知られている。この種の導波路型素子として、例えば、特開平１１−１１２０１３号公報には、光吸収層のまわりに光ガイド層を設けた導波路型構造で光を層構造に平行に入射する形態とした半導体受光素子が開示されている。また、特開平７−２６３７４０号公報には、窓領域を有する高結合効率の端面入射型半導体光電変換装置が開示されている。
前者の特開平１１−１１２０１３号公報に記載の導波路型素子では、素子に光を入射したときに、光電流密度分布がこの入射端面近傍にかたよってしまい、強い光を入射したときに入射端近傍で発生したキャリアを充分に引き抜くことができず、応答速度が低下したり、発生した熱により入射端面近傍が破壊されたりすることがある。また、後者の特開平７−２６３７４０号公報に記載の導波路型素子では、光吸収用ノンドープ半導体層（光吸収層）の前方に、窓領域用ノンドープ半導体層が形成されており、光ビーム（入射光）を入射する位置としては、光吸収用ノンドープ半導体層と同じ高さから光を入射する。したがって光ビームの一部は光吸収用ノンドープ半導体層の側方から入射されるため、光電流密度分布がこの入射端面近傍にかたよってしまい、前者と同様の問題が発生する。
【０００３】
上述のように、従来の導波路型素子では、入射光を入射端面の光吸収層に直接照射する形態であり、入射端面近傍に光電流が集中しやすい。したがって、例えばエルビウムドープファイバーアンプからの出射光のように強度の高い光を入射した場合に入射端面が破壊されやすいという問題点があった。
これに対して装荷型受光素子（あるいはエバネッシェント波結合型受光素子とも呼ばれる）は、まず入射光に対して透明な半導体層であるガイド層に光を入射し、その入射部から数十ミクロン以上離れた位置に形成された光電変換部まで光を導波させ、光電変換部においてはガイド層から層厚方向に染み出した光（エバネッシェント波）を光吸収層で光電変換する。したがって、光電変換の形態が、いわば間接的であり、導波路型素子と比較して光電流の集中が緩和され、強度の高い光を入射した場合にも素子が破壊されにくいという利点がある。
【０００４】
このような耐高光入力特性に着目して作製された装荷型半導体受光素子としては、例えば、「１９９９年秋季、第６０回応用物理学会学術講演会講演予稿集第３分冊、９８５頁、講演番号１ｐ−ＺＣ−８」にその一例が報告されている。この装荷型半導体受光素子の基本構造を図７に示している。
図７に示すように、この装荷型半導体受光素子は、半絶縁性ＩｎＰ基板１０１上にｎ＋ −ＩｎＰクラッド層１０２、ｎ＋ −ＩｎＡｌＧａＡｓガイド層（波長組成１．３μｍ、層厚１μｍ）１０３、ｉ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層１０４（層厚０．５μｍ）、ｐ＋ −ＩｎＰクラッド層１０５からなる層構造を有し、入射端面から長さ２０μｍにわたって、ｎ＋ −ＩｎＡｌＧａＡｓガイド層１０３をコア層とする光導波路である受動導波路部１１１が形成され、その後方に光電変換部１１２が形成されている。素子の上面及び側面に窒化シリコン膜１０６、素子の入射端面に反射防止膜として窒化シリコン膜１１０が形成され、入射端面と反対側に電極起因の寄生容量低減のためのポリイミド層１０７が形成され、上部にはアロイ電極１０８が形成され、これに電極１０９が形成されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図７に示すような従来の装荷型半導体受光素子は、導波路型受光素子と比較して量子効率が低いという問題があった。その理由は、ガイド層１０３と光吸収層１０４との光学的結合が弱く、充分に光電変換が行われないためと考えられる。
この発明は、上述の事情に鑑みなされたもので、ガイド層と光吸収層との光学的結合を高め、高い量子効率を有し、高光入力時にも劣化、破壊しにくい装荷型半導体受光素子及びその製造方法を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１記載の発明は、基板上に、ガイド層をコア層とする受動導波路部と、前記受動導波路部から延在する前記ガイド層と光吸収層とを有する光電変換部と、が形成されてなる装荷型半導体受光素子であって、前記受動導波路部における前記ガイド層および光電変換部における前記ガイド層は、共に屈折率が前記基板側で低く前記光吸収層側で高くなるように変化する半導体層で構成され、かつ、層厚方向に複数の導波モードが存在するマルチモード導波路を構成することを特徴とする。
【０００７】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の装荷型半導体受光素子に係り、前記ガイド層を構成する半導体層は、互いに屈折率の異なる複数の半導体層の積層構造であることを特徴としている。
【０００８】
また、請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の装荷型半導体受光素子に係り、前記ガイド層を構成する半導体層は、層厚方向に連続的に変化する組成を有する構造のものであることを特徴としている。
【０００９】
また、請求項４記載の発明は、請求項１、２又は３記載の装荷型半導体受光素子に係り、前記ガイド層内の層厚方向光強度分布の極大位置が、前記光吸収層から最も離れる位置の近傍において前記光電変換部が開始するように構成されていることを特徴としている。
【００１０】
また、請求項５記載の発明は、請求項１乃至４のいずれか１に記載の装荷型半導体受光素子に係り、前記光吸収層で生成されたキャリアが注入されアバランシェ増倍を起こす増倍層を前記光吸収層の上層又は下層に設けたことを特徴としている。
【００１１】
また、請求項６記載の発明は、請求項１乃至５のいずれか１に記載の装荷型半導体受光素子に係り、前記光吸収層の一部あるいは全部を空乏化させずに用いることを特徴としている。
【００１２】
また、請求項７記載の発明は、請求項１乃至６のいずれか１に記載の装荷型半導体受光素子に係り、前記ガイド層の一部あるいは全部を空乏化させて用いることを特徴としている。
【００１３】
また、請求項８記載の発明は、請求項１乃至７のいずれか１に記載の装荷型半導体受光素子に係り、前記光吸収層の上部にｐ＋ −ＩｎＧａＡｓ光吸収層、前記光吸収層の下部にｉ−ＩｎＡｌＧａＡｓガイド層が設けられていることを特徴としている。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明の実施の形態について説明する。説明は、実施例を用いて具体的に行う。
図１は、この発明の第１実施例である装荷型半導体受光素子の上面図、図２は図１のＩＩ−ＩＩ線断面図、図３は図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図、図４（ａ）は第１実施例の動作を説明する図、図４（ｂ）は従来の装荷型半導体受光素子の動作を説明する図である。
【００１６】
◇第１実施例
図１、図２及び図３に示すように、第１実施例の装荷型半導体受光素子の結晶層構造は、半絶縁性の半導体基板１上に、クラッド層２、その上に第１のガイド層３、その上に第２のガイド層４、その上に第３のガイド層５、その上に光吸収層６、その上にクラッド層７が順次積層された構造である。
前記ガイド層２、３、４は、バンドギャップ波長が入射光波長よりも短く、かつ半導体基板１よりも屈折率が大きい材質のものが使用される。このガイド層２、３、４の図２における左端面が、半導体基板１と平行な方向から入射光１６を入射する入射端面３１となっている。このガイド層３、４、５は、互いに屈折率の異なる複数の半導体層から形成され、かつ、その複数の半導体層の屈折率は光吸収層６に近い程高くなっている。ガイド層５上の一部領域で、かつ、この入射端面３１から距離９Ｌだけ離れた位置に上記光吸収層６が形成されている。この光吸収層６は、バンドギャップ波長が入射光波長と等しいか、あるいは長い半導体からなるものである。
【００１７】
次に、第１実施例の装荷型半導体受光素子の製造工程を具体例で説明する。なお、各層の材料、組成、寸法等は、単なる例示であって、これに限定するものではない。
半絶縁性ＩｎＰ基板１上に、ｎ＋ −ＩｎＰクラッド層２（層厚０．５μｍ）、第１のｎ＋ −ＩｎＡｌＧａＡｓガイド層３（波長組成１．１μｍ、層厚０．７μｍ）、第２のｎ＋ −ＩｎＡｌＧａＡｓガイド層４（波長組成１．２μｍ、層厚０．７μｍ）、第３のｎ＋ −ＩｎＡｌＧａＡｓガイド層５（波長組成１．３μｍ、層厚０．７μｍ層厚）、ｉ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層６（層厚０．５μｍ）、ｐ+−ＩｎＰクラッド層７（層厚１μｍ）を順次積層する。
次いで、深さの異なる複数回のエッチング工程により、半絶縁性ＩｎＰ基板１が露出するまでエッチングした第１領域２１（図３）と、ｎ＋−ＩｎＰクラッド層２が露出するまでエッチングした第２領域２２（図３）と、第３のｎ＋−ＩｎＡｌＧａＡｓガイド層５が露出するまでエッチングした第３領域２５（図２）、およびエッチングを施さず、ｐ＋ −ＩｎＰクラッド層７が残った第４領域２７（図２）とを形成する。このｐ＋ −ＩｎＰクラッド層７が残った第４領域２７が、入射光を光電変換する光電変換部８となる領域である。そして、第３のｎ＋−ＩｎＡｌＧａＡｓガイド層５が露出するまでエッチングした第３領域２５は、入射光を光電変換部８に導波させるための受動導波路部９となる領域である。光電変換部８及び受動導波路部９の長さ（図２で示した矢印方向の寸法８Ｌ及び９Ｌ）は、それぞれ３０μｍ、２０μｍとした。
【００１８】
これらのエッチング工程後、素子の上面及び側面（入射側においては、第３のガイド層５の上面、光吸収層６、クラッド層７の左側面）に窒化シリコン膜１０を形成する。そして、素子の入射端面３１、すなわち、基板１、クラッド層２、及びガイド層３、４、５の側面にも、反射防止膜として窒化シリコン膜１５を形成する。また、受動導波路部９と反対側の側面領域であってシリコン膜１０の外側に、電極起因の寄生容量低減のためのポリイミド層１１を形成する。
次に、ｐ＋ −ＩｎＰクラッド層７が残った領域２７上にはｐ電極としてのＡｎＺｎアロイ電極１２を形成し、さらに、ｎ＋ −ＩｎＰクラッド層２が露出した領域２２上にはｎ電極としてのＡｕＧｅＮｉアロイ電極１３、１３を形成する。そして、ＡｕＺｎアロイ電極１２を拡大、延長する形でＴｉＰｔＡｕ電極１４Ａを形成する。このＴｉＰｔＡｕ電極１４Ａは、領域２７からポリイミド層１１の上面から後面を通り、後端の幅広部１５（図１参照）がシリコン膜１０上に積層された構成となっている。また、ＡｕＧｅＮｉアロイ電極１３、１３を拡大、延長する形でＴｉＰｔＡｕ電極１４Ｂ、１４Ｃを形成する。
【００１９】
次に、上記第１実施例の装荷型半導体受光素子の作用について説明する。
この第１実施例の装荷型半導体受光素では、図１、図２に矢印１６で示した位置から信号光を入射する。この入射光３０の波長は、光通信で通常用いられる波長帯である１．５５μｍ帯としている。入射された光は、第１のガイド層３、第２のガイド層４、及び第３のガイド層５を光導波のためのコア層として伝播し、光電変換部８で光電変換され、電極１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃに接続された外部の電気回路（図示せず）で電気信号が取り出される。この第１実施例では、光電変換部８が入射光３０が入射する端面（窒化シリコン膜１５の面）から離れた位置に形成されており、かつ、光吸収層６の前方（入射端面方向）には半導体層が存在しない構造となっているので、導波路型受光素子と異なり、光吸収層６の入射端面方向の側面からはほとんど光が入射しない。したがって、光吸収層６の側面近傍の光電流密度は極めて低く、高光入力に対しても素子が劣化、破壊しにくくなる。
【００２０】
第１実施例の装荷型半導体受光素子が、図７に示した従来の装荷型半導体受光素子と異なる点は、従来の素子がガイド層１０３は単一の組成のＩｎＡｌＧａＡｓ層の１層のみであるのに対し、この第１実施例では、それぞれ波長組成の異なる（したがって屈折率も異なる）３層のガイド層３、４、５を積層した装荷構造となっている点である。この構造の違いにより、図７の従来例と第１実施例とでは、ガイド層中の光の伝播の仕方が異なってくる。図４（ａ）に、第１実施例の装荷型半導体受光素子の各々のガイド層中での光の伝播の様子を、ビーム伝播法によりシミュレーションした結果を模式的に示している。比較のため、図４（ｂ）に、図７に示す従来例の素子のガイド層中での光の伝播の様子を、同様にビーム伝播法によりシミュレーションした結果を模式的に示す。
【００２１】
図４（ａ）及び（ｂ）は、各々図２及び図７に対応している。図４（ｂ）の従来例では、入射光はガイド層１０３中を略直進するのに対し、図４（ａ）の第１実施例では、上下方向の蛇行が著しく、かつ、その蛇行は上側に強度が偏った状態となる。したがって、光電変換部８において光が上側（光吸収層６に近い側）に偏ったときに、効率よく光電変換を行うことができるため、高い量子効率が得られる。一方、図４（ｂ）の従来例では、光吸収層１０４に到達せず、光電流に寄与しない光の成分が大きく、結果として量子効率が低下する。
また、第１実施例では、第１のガイド層３、第２のガイド層４、第３のガイド層５の、３層全てのガイド層が入射端面内に含まれており、このことが入射光１６との高い結合効率に寄与し、量子効率を一層高めている。図７の従来例の素子の量子効率は、前記した「第６０回応用物理学会学術講演会講演予稿集、第３分冊、９８５頁、講演番号１ｐ−ＺＣ−８」の記述によれば、４６％であるのに対し、この第１実施例の装荷型半導体受光素子では、従来例と同様の光学系を用いた測定で５７％という高い値が得られることが実験で確かめられた。
【００２２】
前述のように、装荷型受光素子は、光電変換部８の入射側端面（導波路型素子での入射端面に対応する部位）への光電流の集中がなく、高光入力状態でも素子が破壊されにくいという利点がある。第１実施例ではこの利点が最大限生かされるように受動導波路部９の長さ、ガイド層３、４、５の層厚が最適設計されている。すなわち、図４（ａ）で示すように、前記ガイド層３、４、５内の層厚方向光強度分布の極大位置、言い換えると、光が下方向（光吸収層６側から遠い第１ガイド層３側）に偏った部位Ｐが、前記光吸収層６から最も離れる位置において光電変換部８が始まるように設計されている。したがって、光電変換部８の開始部（入射側端面）８ａにおける光電流密度が極めて低く、高光入力状態でも素子が破壊されにくいという装荷型素子の特徴を最大限に生かすことができる。
【００２３】
以上、第１実施例の装荷型半導体受光素子においては、ガイド層３、４、５がそれぞれ波長組成の異なる３層のＩｎＡｌＧａＡｓ層の積層構造である場合について述べたが、２層であっても、あるいは４層以上であっても同様の効果が得られる。また、ガイド層３、４、５は、積層構造に限らず、その組成が層厚方向に連続的に変化する構造の半導体層であっても同様の効果が得られる。また、ガイド層の材料としてはＩｎＡｌＧａＡｓに限らず、ＩｎＧａＡｓＰなど他の材料系であっても同様の効果が得られる。
【００２４】
◇第２の実施例
次に、この発明の第２実施例の装荷型半導体受光素子について説明する。図５は、この発明の第２実施例を説明する図で、第１実施例における図２に対応する図である。
第２実施例が第１実施例と異なる点は、図５に示すように、光吸収層６の下部に、ｐ＋ −ＩｎＡｌＡｓ電界緩和層１７（層厚０．０２μｍ）、ｉ−ＩｎＡｌＡｓ増倍層１６（層厚０．２μｍ）が挿入されている点である。その他、素子の基本的な構造は第１実施例と同様である。
第２実施例では、光吸収層６での光電変換により発生した電子が電界緩和層１７を経て増倍層１６に注入され、そこでアバランシェ増倍をおこすので、高感度な光検出が可能となる。すなわち、第２実施例における光電変換部８は、いわゆるアバランシェフォトダイオードとして動作する。この他、ガイド層３、４、５中での光の導波の仕方、並びに従来の装荷型素子と比較して高い量子効率が得られるという効果、及び光電変換部８の開始部（入射側端面３１）における光電流密度が低く、素子が破壊されにくいという効果等は第１実施例と同様である。
なお、上記実施例においては、増倍層の材料としてｉ−ＩｎＡ１Ａｓを用いた例を示しているが、ｉ−ＩｎＡ１Ａｓに限らずｉ−ＩｎＰなど他の材料系も用いることができる。この時、増倍層を挿入する位置としては、増倍層材料の増倍特性によって、光吸収層６の下部に限らず、上部も選ぶことが出来る。
【００２５】
◇第３実施例
次に、この発明の第３実施例の装荷型半導体受光素子について説明する。図６は、この発明の第３実施例を説明する図で、第１実施例における図２に対応する図である。
第３実施例が第１実施例と異なる点は、図６に示すように、光吸収層６の上部に、ｐ＋ −ＩｎＧａＡｓ光吸収層１８（層厚０．５μｍ）が、また、光吸収層６の下部にｉ−ＩｎＡｌＧａＡｓガイド層１９（波長組成１．３μｍ、層厚０．２μｍ）が形成されている点である。その他、素子の基本的な構造は第１実施例と同様である。
【００２６】
次に、第３実施例の動作を説明する。第３実施例では、光吸収層６の上部に光吸収層１８が形成されているので、第１実施例と比較してトータルの光吸収層厚が厚くなっており、より高い量子効率が得られる。このとき、第１実施例において単に光吸収層６の層厚を厚くした場合よりも、より速い素子の応答速度が得られる。これは、ｐ＋ −ＩｎＧａＡｓ光吸収層１８はｐ型にドーピングされているので、この層内での光吸収で生成した電子は少数キャリア拡散によりｉ−ＩｎＧＡｓ光吸収層６に流れ込み、また、生成した正孔と同数の正孔がｐ＋ −ＩｎＧａＡｓ光吸収層１８から第２のクラッド層７へと抜けるが、この過程に要する時間が極めて短いことに起因する。
【００２７】
また、第３実施例ではｉ−ＩｎＡｌＧａＡｓガイド層１９が形成されているので、第１実施例と比較してより空乏層が広がり、接合容量が低減され、高速な応答が得られる。このとき、ｉ−ＩｎＡｌＧａＡｓガイド層１９中を走行するキャリアは電子のみであり、電子の走行速度は正孔の走行速度と比較し極めて速いため、ｉ−ＩｎＡｌＧａＡｓガイド層１９が挿入されてもキャリアの走行時間で律速される応答速度はほとんど低下しない。さらに、ｉ−ＩｎＡｌＧａＡｓガイド層１９は低不純物濃度であることにより、受動導波路部９での光の吸収損失が低減され、より高感度の素子が得られる。さらに、ｉ−ＩｎＡｌＧａＡｓガイド層１９が形成されていることにより、前述のｐ＋ −ＩｎＧａＡｓ光吸収層１８、及び光吸収層６の層厚を、より自由に設計できるという効果もある。すなわち、例えば、ｐ＋ −ＩｎＧａＡｓ光吸収層１８をより厚く、光吸収層６をより薄く設計したい場合、通常だと接合容量増大により応答速度が低下してしまうが、ここで同時にｉ−ＩｎＡｌＧａＡｓガイド層１９の層厚を厚くすることで接合容量が低減され、応答速度の低下を避けることができる。
以上、この発明の実施例を図面により詳述してきたが、具体的な構成はこの実施例に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があってもこの発明に含まれる。
例えば、光電変換部８の構造が、第１実施例では、いわゆるｐｉｎフォトダイオード構造、また、第２実施例では、アバランシェフォトダイオード構造である場合を各々説明したが、これらに限らず、いわゆるＭＳＭフォトダイオード構造など他のフォトダイオード構造であっても同様の効果が得られる。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明による装荷型半導体受光素子は、ガイド層が、屈折率が変化する半導体層で構成され、その屈折率は光吸収層に近いほど高くなっているため、ガイド層と光吸収層との光学的結合が高くなり、光電変換部において効率よく光電変換を行うことができ、高い量子効率が得られる。また、この発明の装荷型半導体受光素子では、入射光がガイド層中を伝播するときに上下方向に蛇行し、光が光吸収層から遠い側に偏った部位において、光電変換部が開始するよう受動導波路部の長さ、ガイド層の層厚を設計することにより、光電変換部の開始部（入射側端面）における光電流密度が低くなり、高光入力状態でも素子が破壊されにくい。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の装荷型半導体受光素子の第１実施例を示す平面図である。
【図２】  図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【図３】  図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。
【図４】  装荷型半導体受光素子の動作を従来の技術による素子の動作を説明する図であって、（ａ）は第１実施例、（ｂ）は比較のための従来例を示している。
【図５】  この発明の第２実施例の図２に対応する縦断側面図である。
【図６】  この発明の第３実施例の図２に対応する縦断側面図である。
【図７】  従来の装荷型半導体受光素子の一例を示す構造図である。
【符号の説明】
１      半絶縁性基板
２      第１のクラッド層
３      第１のガイド層
４      第２のガイド層
５      第３のガイド層
６      光吸収層
７      第２のクラッド層
８      光電変換部
９      受動導波路部
１０      窒化シリコン腹
１１      ポリイミド腹
１２      アロイ電極
１３      アロイ電極
１４      電極
１５      窒化シリコン腹
１６      増倍層
１７      電界緩和層
１８      ｐ＋ −ＩｎＧａＡｓ光吸収層
１９      ｉ−ＩｎＡｌＧａＡｓガイド層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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