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The AIPS image sensor watching at its inventor, Yoshiaki Hagiwara.
　　　　　　　　　　Full English Version
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hagiwara-yoshiaki@aiplab.com ( http://www.aiplab.com/ )

hagiwara@ssis.or.jp ( http://www.ssis.or.jp/en/index.html )

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Today's E_Tegami

Top Homepage of Ogino Junior High School in Atsugi-city

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http://www.aiplab.com/Study_Korean.html

"the World of Artificial Intelligent Digital Circuits"

Yoshiaki Hagiwara wrote a book on "the World of Artificial Intelligent Digital Circuits",

which is important and needed to built the intelligent image sensor systems.

Please visit https://www.seizasha.co.jp/ if you are interestied in the book.

ISBM978-4-88359-339-2 ( Hard Cover, 460 page, 9000 Japanese Yen + tax )

https://www.seizansha.co.jp/ISBN/ISBN978-4-88359-339-2.html

Mail Order FORM : https://www.seizansha.co.jp/mailorder_eng.html

Introduction to the World of Artificial Intellignet Digital Circuits

Introduction to Special Relativity Theory for Middle School Students

Introduction to Elementary School Puzzle of Oil Pot Problem

The official homepage of Society of Semiconductor Industry Specialists

Annual Semicondutor Tutorial Programs in Spring and Fall.

Introduction to the artificial intelligent electric eye, the smart image sensor

Lecture Memo on Semiconductor Quality Insurance

SSIS2019Fall.Hagiwara01.html

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Hagiwara Important Publication & Patent Works

(1) 1976 Paper (2) 1978 paper (3)1979 paper (4) 1989 paper

(5) 2001 paper (6) 2008 paper (7) 2013 paper(8) 2019 paper

(9) 1975-127646 patent (10) 1975-127647 patent (11) 1975-134985 patent

Hagiwara_Awards_and_Publication_List

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　Physics of Pinned Photodidoe invented by Hagiwara in 1975
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Visit for full Englsih version

http://www.aiplab.com/index_001.html .

and for full Japanese version

http://www.aiplab.com/index_Hagiwara_invented_Pinned_Photodiode_in_1975.html

“The first Pinned PD was invented by Hagiwara at Sony and
is used in ILT CCD PD's, these same PD's and the principles
behind this complete transfer of charge are used in most CMOS
imagers built today.“ commented by Place Holer in the Electrical
Engineering WEB site Q/A cimmunications.

https://electronics.stackexchange.com/questions/83018/difference-between-buried-photodiode-and-pinned-photodiode

＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊

（１）昔はCCDだから超感度と言われていたが
　　　　どうしてCCDがなくなったのか？

（２）CMOS　Image 　Sensorがなぜ　高解像で
　　　CCDより性能がよくなったのか？

（３）超感度の本体はなにか？

（４）太陽電池も　CMOS Image Sensorも
　　　光をエネルギーに変換するものです。
　　　原理は同じはずでは？

http://www.aiplab.com/Pinned_Photodiode_Drift_Field_Trasistor.jpg

（５）超感度　CMOS　Image　Sensorが
　　　できるのなら、超感度太陽電池も
　　　造れるはずでは、その原理は？

http://www.aiplab.com/Pinned_Photodiode_Solar_Cell_invented_by_Hagiwara.jpg

＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊

（１）東芝の1978年特許は　基板にNP接合を形成した構造です。
　　　　VOD機能を目的とする構造の発明です。

　　　http://www.aiplab.com/JP1978-1971.pdf

（２） NECの1980年特許は　基板にPN接合を形成した構造です。
　　　完全空乏化転送をする埋め込みPhotodiodeの発明です。

　　　http://www.aiplab.com/JP1980-123259.pdf

（３）萩原の1975年特許は　基板にPNP接合を形成した構造です。

　　　http://www.aiplab.com/JP1975-134985.pdf

　　構造的には、PNP接合は、東芝のNP接合もNECのPN接合も含む複合構造です。

　　したがって両方のいろいろな機能が期待できる複雑構造の発明です。

（１）まず表面のP+の　Hole Accumulation領域を利用して
　　　表面酸化膜の露出により青色感度の向上が期待できます。

　　　Image Sensor は　超感度が命でこれが一番重要な特徴です。

　　　「CCDだから超感度」とよくテレビなどで話題になりましたが
　　　今はCCDはまったく存在しません。どうしてなのか世界は
　　　その理由をいまだに知りません。いつの間にか　CMOSが
　　　出てきて、今は　CMOSが超感度ですばらしいということに
　　　なっています。実は　CCDも　CMOSも　電荷転送装置で
　　　信号電荷の「運び屋」さんです。超感度なのは「目」の機能
　　　をするこのPhotodiode です。それは　1975年の萩原の発明
　　　から今まで　CCDの時代も　CMOSの時代も活用され今も
　　　未来も「賢い電子の目」として愛用されるものです。

http://www.aiplab.com/004_FCX018_Pinned_Photodiode.jpg
　

（２）かつ実施図にも明示しているが、表面のP層はピン止めが可能で、
　　　その結果表面電位を固定することが可能で表面暗電流を抑止します。
　　　白点や暗電流を抑止し、生産歩留まりが向上し、企業に利益をもた
　　　らします。シリコン界面の不完全な原子構造の問題を解決します。

http://www.aiplab.com/image71.jpg

（３）また、実施図にも明示していますが、PNP接合の電位図は、
　　　Reset直後には、　信号電荷が完全転送されはき出され、
　　　電荷蓄積部（N）は　完全空乏化されていますが、その
　　　Empty Potential Well　の　図を　特許に実施図は明示しています。

http://www.aiplab.com/Pinned_Photodiode_Drift_Field_Trasistor.jpg

　　　このEmpty Potential Well　の　図は、信号電荷が
　　　完全転送され、取り残しのない事を示す、「残像なし」
　　　の性質があることを意味する。Empty Potential Well　は
　　　「残像なし」を意味する、学術専門用語です。　

（４）また実施図で　VOD機能が期待できる事例を明示しています。

　　　これはあくまで事例です。垂直電荷転送動作によるVOD機能は
　　　ほかにもいろいろこの複雑構造体では可能です。

　　　http://www.aiplab.com/image136.jpg

Photodiodeは歴史的にいろいろな構造があります。

まず、単純な　N+P 接合型の　Photodiodeがありました。
残像があり、かつ表面はN+の浮遊電圧であり、バリア電界
がなく、せっかく表面で光電変換され生まれた　電子とHole
のペアは離れることなく、すぐに再結合し、青色感度が非常
に悪いでした。　光電変換は　N+P接合の空乏層領域の
バリア電界の中でしか、効率良く実行できません。電子と
Holeのペアの瞬間分離にはバリア電界の存在が不可欠
でした。バリア電界は　PN接合の空乏層領域だけでなく
P+Pの濃度勾配を利用しても、バリア電界をつくる事は
可能です。萩原は1975年にその物理原理に着目しました。

シリコン表面にP+Pの濃度勾配を利用し、空乏層の存在
なしでもバリア電界がシリコン表面で形成可能な事に
着目し、シリコン結晶内を　0.3 ミクロン以上透過しない
青色光を効率よくシリコン表面で光電変換し、電子と
Hole を瞬間電界分離し、信号電荷（電子）を効率よく
抽出することを考案発明しました。　
　　　
(1) PNP 接合型　埋め込みの Buried Photodiode 　の定義構造

http://www.aiplab.com/image_020.jpg

(2) PNP 接合型　完全空乏化した　Depletion Photodiode の定義構造

埋め込み　N　層は完全空乏化しているが、表面はまだ濃度が
　充分濃くはなく、PN接合の空乏層が表面に到達する場合もあり、
　その場合は、まだ　致命的な　表面暗電流が発生する。

NEC1980年特許は実はこの構造特許です。

http://www.aiplab.com/image_022.jpg

NEC1980年特許はPPDの発明ではない。

(3) P+NP 接合型　表面がピン止めされた　　Pinned Photodiode の定義構造

http://www.aiplab.com/image_024.jpg

(4) P+NPNsub 接合型　VOD機能をも持つ持つPinned Photodiode の定義構造

http://www.aiplab.com/image_028.jpg

　　　　　結論として　萩原は　1975年特許　1975-134985 で　
　　　　　基板にPNP接合を形成する構造を発明しました。

　　　　（１）超青色感度（２）低表面暗電流（３）残像なしの性質
　　　　　を持つ　Pinned Photodiodeを萩原は1975年に発明しました。

　　　　　かつ、（４）VOD機能をもつ受光素子も発明しました。

　　　　　（１）から（４）の機能を持つ受光素子をSONYはHADと命名しました。

　　　　　　萩原はこの　HAD =　PPD+ VOD　構造の発明者です。

http://www.aiplab.com/HAD_photo_PNP_transistor.jpg

　　　　　SONYはこの事実を認めています。
　
　　　　　問題は、1991年から10年以上にもわたり、SONYは、
　　　　　萩原発明のHADに対して、他社から特許攻撃を受けました。
　
　　　　FAIRCHILD、KODAK、NEC,　CALTEC/JPL　の各社から受け、
　　　　そのいいがかりの対応に萩原自身も発明者として時間を取られ
　　　　本業が妨げられ、昇進の機会を失くし、苦労していました。

SONYの特許部やImage Sensor の社内の専門家は
この事実を理解し、2001年にSONYは　萩原を
　受光素子　HAD =　PPD+ VOD　構造の発明者
と認め、SONY社内で萩原は特許1級を受賞しました。

しかしその時でも社内では　「SONY　HADは過去のものだ」と
「よくもまあ、わかりにくい特許を萩原は書いたものだ」と
萩原の努力を冷視する当時のTOP（森尾副社長や越智さんたち）が
いました。彼らが当時の　SONYのImage SensorのTOPでした。

彼らが、萩原のこのすばらしい発明を発明協会に推薦することは
ありませんでした。萩原が大賀会長や安藤社長と親しくする姿を
見て、それを不快と感じているのは萩原にも理解できていました。

http://www.aiplab.com/SONY_Ohga_Chairman_and_Hagiwara_1996.jpg

http://www.aiplab.com/SONY_Ando_President_and_Hagiwara_2003.jpg

SSISのWEB記述は完全に当時のSONY社内の判断（萩原に社内特許発明賞）
と矛盾する内容になります。特に　NEC（寺西）が「残像なし」の性質を
発明したとの記述は完全に間違いです。　NEC（寺西）の1980年特許は
埋め込みPhotodiodeの製法特許であり、残像という言葉は一度も特許に
なかで使われていません。この特許が「残像なし」の発明というのは嘘です。

発明協会のWEBサイトも、女王賞の受賞CITATIONも完全に
SONY社内の判断と矛盾する内容になっています。

これに対していまだにSONYからは公式な抗議表明はありません。

今のSONYのTOPは世代交代で、昔のことをご存知ありませんでした。

当時はSONY常務の清水さんも、SONY知的財産センサーの
小池さんも、まだかけだしの、現役若手社員でした。　

もう萩原は71歳で人生の締めに入る時期となりました。
おわった人間です。しかし、何が事実で何が嘘だった
かについては後世に伝える義務があると思っています。

＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊
SONY　HAD　（　PPD＋　VOD　)　の　発明と、その
開発背景について正確な歴史認識をお願い申し上げます。
＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊

SONY HAD is by definition Pinned Photodiode with the vertical OFD (VOD) function.

Invention of Pinned Photodiode in 1975 by Hagiwara ( in Japanese Text )

Fossum did not understand the difference of

the Buried Photodiode ( PNP junction ) and

the True Pinned Photodiode (P+NP junction ) !

The classical MOS image sensor had the N+P junction type photodoide
with the serious image lag problem.

Sony developed the CCD/MOS photo capacitor with no image lag problem.

But the CCD/MOS capacitor has the serious dark current problem.

SONY hole accumulation diode (HAD), which is identical to
the Pinned Photodiode with the vertical overflow drain (VOD)
function, was invented originally by Yoshiaki Hagiwara at Sony.

See the three Japanese patents, 1975-127646, 1975-127647
and 1975-134985 invented by Yoshiaki Hagiwara at Sony in 1975.

In 1978, Hagiwara at Sony developed the P+NPNsub junction type
Pinned Photodiode with the very good blue light sensitivity,
the very low surface dark current and no image lag problem.

The details were disclosed and explained first in the SSDM1978 paper
of the international conference of Solid State Devices and Materials
( http://www.ssdm.jp/ ) and now also in the IEEE 3DIC2019 paper
published at the IEEE international conference of the three Dimensional
Integrated Circuits held at Sendai in Japan. ( https://3dic-conf.org/ )

Hagiwara invented Global Shutter scheme with the MOS Capacitor type Buffer Memory
for Modern CMOS Image Sensors to solve the classic rolling shutter distortion errors.

See for the details the Japanese Patents 1975-127646 and 1975-127647

A Long, Long Story of Pinned Photodiode and Sony Hole Accumualtion Diode (HAD).html

Difference-between-buried-photodiode-and-pinned-photodiode

"I've edited this Answer to acknowledge Hagiwara-san's contribution.
It has been incorrectly attributed to Teranishi and Fossum ( in CMOS
image sensors ).

It is important that this replay stand for context and correct for a
historical error and misreporting. One cannot understate the
importance of how significant his ( Hagiwara's ) techniques and
efforts have been.

It has been incorrectly attributed to Teranishi
and Fossum ( in CMOS image sensors ).

It has been incorrectly attributed to Teranishi
and Fossum ( in CMOS image sensors ).

Difference between Buried Photodiode and Pinned Photodiode

>So what is the buried Photodiode?

A buried Photodiode is a PNP junction type photodiode, with the charge
collecting N layer being buied in the silicon scystal. The signal charge
in the buierd N storage region is to be completely transfered to the
adjacent charge transfer device (CTD) which is either CCD type CTD
or CMOS type CTD.

>What is the difference between Buried Photodiode and Pinned Photodiode?

Pinned Photodiode is a Buried Photodiode with the surface hole accumulation
P+ lyaer with the surface potential being fixed (pinned) with no surface electric
field. The surface electric field is very bad generating the surface dark current,
degrading very imaging quality and creating chip yield problems.

Pinned Photodiode is always a Buired Phtoodiode. But Buried Photodiode is not
by necessity Pinned Photodiode. Hagiwara at SONY invented P+NPNsub junction
type Pinned Photodiode in his Japanese 1975-134985 patent with (1) very high
blue sensitivity, (2) pinned surface P+ hole accumulation layer with no surface
dark current, (3)complete charge transfer of the buried N layer to the adjacent
charge transfer device (CTD) and (4) Vertical Ovefleo Drain Fucntion (VOD).

SONY HAD is PPD + VOD. Hagiwara invented in 1975 the Buied Photodiode,
Pinned Photodiode and Hole Accumulation Diode (HAD).

>I understand that the P+/N/P structure where the P+ and P layers
>have the same potential is the Pinned Photodiode.

Hagiwara at SONY reported in his SSDM 1978 paper the P+NP juntion type
Pinned Phtoodiode (PPD) where the P+ and P layers have the same potential.
SONY used this PPD in Frame Trandfer CCD image sensor in SSDM1978 paper.

NEC used the PPD in interline transfer CCD in IEDM1982 paper, and named
Buried Photodiode while Kodak used also this PPD in interline transfer CCD
in IEDM1984 paper and named this P+PN structure as Pinned Photodiode.

Sony developed the P+NPwellNsub structure and used it in interline transfer CCD
and named this PPD + VOD structure the SONY Hole Accumulation Diode (HAD).

PPD has the pinned surface potentail as well as the pinned empty potential well
of the complete charge transfer operation resulting the no image lag picture quality
for fast action pictures. Hagiwara invented Buried Photodiode, Pinned Photodiode
and SONY Hole Accumulation Diode (HAD).

The evidence are give in Japanese 1975-127647 and 1975-134985 patents and
Hagiwara SSDM1978 paper on the P+NP junction type Pinned Photodidoe (PPD)
used in Frame Trandfer CCD image sensor.

Hagiwara recently published in the IEEE 3DIC2019 conference held in Sendai, Japan,
also a paper on the three dimensional back light illuminated Pinned Phtotodiode.

http;//www.aiplab.com/E-mail_communication_with_Albert_and_Yoshi.pdf

Hagiwara invented Pinned Photodiode in 1975 ( in Japanese ).html

Hagiwara was on Japanese Television ( Fuji TV ) , March 2013 ,
explaining his vision on the future self-driving automatic car
controlled by with the artificial intelligent partner system (AIPS).

Hagiwara_Yoshiaki_CaltechDiploma_PhD1975.pdf

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The AIPS image sensor watching at its inventor, Yoshiaki Hagiwara.
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hagiwara-yoshiaki@aiplab.com ( http://www.aiplab.com/ )

hagiwara@ssis.or.jp ( http://www.ssis.or.jp/en/index.html )

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