*********************************************************
The AIPS image sensor watching at its inventor, Yoshiaki Hagiwara.
           Full English Version

                    Hagiwara Work List

*********************************************************

hagiwara-yoshiaki@aiplab.com ( http://www.aiplab.com/ )

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

*********************************************************

     


*********************************************************




Today's E_Tegami













Top Homepage of Ogino Junior High School in Atsugi-city

2020年2月の荻野中学校の絵手紙 

Monthly E_Tegami Posters (今までの記録です):


20.01 20.02

19.01 19.02 19.03 19.04
19.05 19.06

19.07 19.08 19.09 19.10 19.10x 19.11 19.12

18.12 18.11 18.10 18.08 18.06 18.05 18.03 18.01 
************************************************




*********************************************





*********************************************



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


*********************************************************

   萩原良昭の著書の紹介です。
*********************************************************
"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



萩原良昭の活動紹介です。




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


******************************







Hagiwara Important Publication Works


固体撮像素子が開発される前は撮像管が実用化されていました。

SONYは残像もない焼き付けもない高性能な撮像管を開発し
商品化していました。しかし、SONYは ALL SOLID STATE
の半導体デバイスにSONYの未来をかけました。




それがヒントで萩原の1975年のPPDの発明につながりました。

http://www.aiplab.com/image_021.jpg



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



http://www.aiplab.com/image_029.jpg




I think FOSSUM and TERANISHI did a very good job.

FOSSUM developed a very good CMOS image sensor
with CDS and active pixel.

FORSSUM deserve recognitions.

But FOSSUM was not the inventor of Active Pixel nor CDS.

Peter-san is the inventor of Active Pixel.

Prof. M. White invented CDS.

SONY developed a very good FT CCD image sensor with PPD.

NEC developed a very good ILT CCD image sensor with PPD.

KODAK developed a very good ILT CCD image sensor with PPD.

But NEC and KODAK are not the inventor of PPD.

SONY is the true inventor of PPD in 1975 and
SONY developed PPD in 1978 for the first time in the world.


Teranishi was not the inventor of PPD.

Hagiwara is the inventor of the dynamic double junction type
P+NP Hole Accumulation Photodiode in 1975 which was named
later in 1982 as the Buried photodiode by NEC and in 1984 as the
pinned photodiode by KODAK.

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

The evidence is shown in Fig. 7 and Fig. 6 of Hagiwara 1975 patents.


SONY(Hagiwara) developed Image Lag Free PPD FT CCD image
Sensor in 1978.

http://www.aiplab.com/004_FCX018_One_Chip_CCD.jpg


Theoretically the charge transfer efficiency of PPD is 99.999% level
which is similar to the buried channel CCD. And we have no way
to measure the theoretical value of 0.001 % image lag data.

http://www.aiplab.com/image9_08_FCX018_Pinned_Empty_Potential_Well.jpg


Hagiwara never claimed that Hagiwara invented Virtual Phase CCD with the
directional barrier. Fossum was accusing incorrectly Hagiwara in his 2014
paper. But Hagiwara is the inventor of the dynamic double junction type
photodiode which has the 99.999% charge transfer efficiency.



Hagiwara also invented the vertical overflow drain VOD in 1975.

http://www.aiplab.com/image208.jpg

In 1987 SONY named the dynamic triple junction type photodiode
of Hagiwara 1975 invention as the SONY HOLE Accumulation Diode
(SONY HAD). This dynamic PNPN junction type photodiode became
the world standard of the all image sensors produced in the world.


http://www.aiplab.com/image9_11_My_Life_Long_Effort_on_AI_Vision_Chip.jpg



http://www.aiplab.com/image208.jpg

http://www.aiplab.com/image77.jpg

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

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

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

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

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

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

http://www.aiplab.com/3DIC2019_Conference_at_Sendai_Paper4017_on_3D_Pinned_Phtoodiode.pdf


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


The world has the right to know the truth.




The world has the right to know the truth.



******************************

真空管に代わって、トランジスタ―が発明されてからも
長い間、放送局用のビデオカメラは大型の撮像管を
使っていました。残像があり、感度も悪いでした。

放送局では強い照明を必要として、汗をだくだくかき
ながらの大仕事でした。1970年代になり、CCDの
発明は大きな革新を招きました。

CCDは完全空乏層電荷転送を実現し、残像がなく、
また、配線(clock)雑音や熱(CKT)雑音がありません。、
CCD カメラの S/N 比は一段と向上しました。

しかし、CCDは本来 金属MOS電極構造であり、
金属は光を反射して、透過しません。CCDは光
感度が非常に悪いでした。多くの企業はCCDを
受光部として採用することをあきらめました。

その代わり、N+P接合型の受光素子を採用しました。

しかし、N+P接合型の受光素子にも残像がありました。

選択は2つありました。

(1)N+P接合型受光素子で我慢し、あえて、残像には目をつむり、
  適度な光感度を確保するか、または、




PhotodiodeはこのN+P接合から (1)PNP接合型の埋め込み Photodiodeと
改良されていきましたが(2)残像のない、完全空乏層化・埋め込みPhotodiode、
そして(3)表面暗電流のない、また残像もない、完全空乏化・埋め込み型の
Pinned Photodiodeと改良されたと社会認知されていますが、表面のP層が
固定されないと、受光部のN層は、(2)の構造でも Floatingとなり、(1)と
同様に完全空乏化は実は不可能です。この事実を理解するにはたいへん
難しいです。(3)の構造、すなわち、表面が固定、ピン止めされてはじめて
残像も完全になくなり、かつ、表面暗電流がなくなります。





(2)CCDと同様なMOS容量型の受光素子を使い、
   残像のない特性を保持しつつも、青色感度
   向上のために、金属電極でなく、薄型の
   Polysilicon 膜を電極に採用するか



の2つの選択がありました。


SONYのみが(2)を選択しました。


そして、SONYは1978年には、残像なしの特長を持つ、
CCD・MOS型受光素子を採用した、Interline (ILT) 電荷
転送方式CCD Image Sensor Chip、ICX-008(萩原設計)
の試作に成功しました。

1980年には Two-chip 構成の ILT 方式のCCDカメラ
の商品化に成功しました。




しかし、MOS型の受光素子には、表面に強い電界が常にかかり、
表面が空乏化してしまい、表面暗電流が多発し、白点や暗電流
ムラが生じ、たいへん生産性に問題があり、また、暗い画面では
すりガラスを通して見る様な映像になりました。

そこで1975年2月にSONYに入社して間もなく、その問題を
どうすれば解決できるか思案を始めました。

ヒントになったのは、萩原が1971年の夏にSONY厚木工場の
品質保証部で学んだ、SONYの Bipolar プロセス技術でした。



******************************

金属電極がだめなら、それを使わず、表面が透明な酸化膜で覆われた、
受光素子でなければありません。N+P接合には残像の問題がありました。
N+層が濃い濃度であるのが問題でした。すぐに、N+を薄くして、埋込み
型のCCDのN層と同様に薄い濃度のすればどうかと考えました。しかし、
それでは表面が不安定になります。そので表面にP+層を形成に、その
結果、P+NP接合とすることを萩原は考えました。当時すでに、Bipolar
トランジスタのプロセス技術はSONYでは確立し、P+NP接合トランジスタ
を Nsub に形成していました。それで萩原は、このP+NPNsub接合型
の受光素子で、受光部のN層を、埋め込み Channel CCD なみの薄い
N層の濃度にして、完全空乏化電荷転送をすることにより、残像がない、
かつ、青色感度が確保され、かつ、表面に電界がなく、表面暗電流が
抑圧できる受光構造となると思いました。

萩原は、短波長青色光が、シリコン結晶の中を 表面から 0.1 ミクロ
程度の深さまでしか透過しないことをたいへん重要視しました。

シリコン結晶の表面近傍、それも 0.1 ミクロ程度以内にPN接合の
空乏層を形成するのはほぼ不可能であると気づきました。

当時の萩原は、光電変換は PN接合の狭い空乏層内の電界により、
電子と Holeが効率よく分離されることが可能であると理解していました。

シリコン基板内で電子と Holeが効率よく分離される電界を形成する
手段は、PN接合だけでなく、P+P構造や、N+N構造のバリア電界の
中でも可能ではないかと萩原は考えました。

萩原が最初に考案した、表面のP+層の Hole Accumulation Diodeは
(1)青色光の感度向上が最大の目的でした。(2)の表面の暗電流の
抑圧でもなく、(3)の残像のない特長でもありませんでした。

この(2)と、(3)の特長もこのP+NP接合型の受光素子は保持しているが
Image Sensorで一番重要なのは感度で(1)の青色光の感度向上が最大
のメリットであると考えました。さらに萩原は、ほどほどに光感度を保持
するN+P接合型の受光素子も、実は青色感度に関してはあまり良くない
はずだとも考えました。表面に濃いN+層があり、そこには電子とHOLEを
分離する電界が存在しない、N+P接合型受光素子のN+層は Floating
状態であり、電界が存在しないと考えました。



●萩原は1975年の10月から11月にかけて、
このP+NP接合型のPinned Photodiode (PPD)
に関する、3つの基本特許を出願しました。

 1975-127646   1975-127647   1975-134985



******************************
萩原の1975年発明のPPDの、本当の重要な特長は、残像だけでは
ありません。他にも重要な特長があり、これからも期待されます。
******************************


(1)シリコン結晶表面近傍での光電変換を効率よく実行する
   P+P表面濃度勾配によるバリア電界を利用して可能となる、
   短波長青色光感度特性が優れていることが注目されます。

(2)また、表面高濃度のP+の Hole Accumutation 層による
   表面電位の固定化(ピン止め)による、低表面暗電流特性
   による生産性へのメリットがあります。

(3)それに、1975年にもとSONYの萩原が発明した、PPDは
   裏面照射型を想定した構造となっていたことも注目されます。

たいへん古い歴史あるものですが、これから期待される、
Multi Stacked Chip の3次元集積回路システム、すなわち、
Real Time 性を重視した、人工知能(AI)を駆使した、人間
にやさしい、人間のパートナーシステム(PS)としての
応用、AIPSへの応用がたいへん期待されています。

******************************




******************************
   Pinned Photodiode の発明者はもとSONYの萩原良昭です。
******************************

A.J.P. Theuwissenは 世界的な Image Sensorの権威者です。

https://harvestimaging.com/index.php

A.J.P. Theuwissenは多数の論文を発表しています。

https://harvestimaging.com/publications.php


A.J.P. Theuwissen は、その中で、下記の論文番号101 で、

[101] A.J.P. Theuwissen, "The Hole Role in Solid-State Imagers"”,

IEEE Transac. Electron Devices, Vol. ED-53, no. 12, pp. 2972-2980, 2006


https://harvestimaging.com/pubdocs/101_2006_dec_TED_hole_role.pdf


萩原がSSDM1978で発表した論文[8] を下記の様に引用しています。


[8] Y. Hagiwara, M. Abe, and C. Okada,

“A 380H×488V CCD imager with narrow channel transfer gates,”

in Proc. 10th Conf. Solid-State Devices, Tokyo, Japan, 1978, pp. 335–340.

以下の様に、萩原の1978年の仕事が、Pinned Photodiode(PPD),
Buried Photodide, SONYの Hole Accumulation Device(HAD)
のすべての母(原型)ではないかとコメントしています。

1978年当時は単純に P+NP接合型受光素子として萩原は発表した。
当時まだ特別な名称はついておらず、後に、

(1)残像のない Buired Photodiode とNECがIEDM1982が命名

(2)表面暗電流の少ないPPD とKODAKがIEDM1984が命名

(3)縦型OFD機能のある Hole Accumultion Diodeと SONYが命名したもの、

この3つのすべては、P+NP接合型の受光素子そのものです。

その受光素子は、萩原が1978年にSSDM1978で発表した P+NP接合
型受光素子そのものであると指摘しています。








1978年当時 Pinned Photodiodeの概念を理解していた人は世界で
SONYの萩原良昭ただ1人だったと思います。当時、東京で開催
された、日本応用物理学会主催の第10回固体素子コンフェレンス、
SSDM 1978 ( Solid State Device Conference ) で萩原は、あまり
その詳細を説明することができませんでしたが、発表した Slideが
後に Proceeding に図2として掲載されました。

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



図2をよく見ると、このP+NP接合素子が CCDの電荷転送装置(CTD)の 
Charge Transfer 領域の一部として描かれています。蓄積部ではなく、
電荷のTransfer 領域ということです。CCDの電荷転送では、Charge
Transfer 領域には電荷は蓄積されません。電荷を移動(Transfer)する
領域として機能します。

この意味するところは、信号電荷はその場に蓄積される、電荷転送され、
隣接する ChargeTransfer 領域に蓄積される事を意味します。

図から、信号電荷がTransfer 領域に留まることは絶対にありえません。

従って、電子が1個、1個、光電変換されるたびに、電子が1個、1個、
順に、受光領域から、電荷転送領域へ移動し、さらに、電荷蓄積部に
移動して、最終的に、電荷蓄積部に蓄えられることを、この図2が描いて
いることになります。

そのデバイスの動作のイメージはなかなか半導体デバイス物理の知識を
持つ技術者でも、当時としては大変新規なアイデアでしたので、なかなか
理解できなかったと思います。また、萩原もなかなかうまく説明できて
いなかったと記憶します。

しかし、図2は、電荷転送領域へ一時的に移動する様子を描いた図
になります。この図2の解釈が非常に重要になります。

この図は、P+NP接合型受光素子の光電変換現象を描いた図です。
その埋め込みN層の電位がピン止めされることは周知です。

その埋め込みN層の電位は一定値(Vpin) に固定されています。

その固定電位(Vpin) よりも、このCCDの狭チャネルの電荷転送領域
の電位はより深いことを図2は明示しています。図2において、電子
の移動していく様子を示した、電子の矢印がその証拠になります。

当然、電荷蓄積部の電位は 電荷転送部の電位より、さらに深いですので、
最終的に信号電荷は、電荷転送部に留まることなく、電荷蓄積部に
蓄えられる事になります。

これは、1978年のSSDM1978で、萩原が世界で初めて、残像のない
P+NP接合型の Pinned Photodiodeの試作に成功し、世界で初めて
学会で発表したという、重要な証拠(実験形式知)になります。




当時 A.J.P. Theuwissenは、萩原が1975年に出願した3件の特許(理論形式知)
の存在を知りませんでしたが、萩原が 残像のない、P+NP接合型の、表面が
濃い濃度で Hole Accumuation 状態であり、表面電位が固定(ピン止め)され、
かつ、光を集める、埋め込みN層の電位も固定(ピン止め)されることにない、
超感度で低表面暗電流で、かつ残像のない、Pinned Photodiodeを世界で
はじめて開発した事を示す証拠になります。

萩原は、超感度で低表面暗電流で、かつ残像のない、Pinned Photodiodeを
1975年に発明し、1978年にはその原理試作に成功し、SSDM1978で世界
ではじめて発表した功労者です。

Prof. Albert Theuwissenの IEDM2006 発表の論文は、萩原の1978年の、
このSSDM1978の発表論文が「世界初」と賞賛したものになっています。

実際に以下の様に論文でコメントして賞賛しています。

The result after this selfaligned implant is shown in Fig. 4.
The presence of enough holes plays a crucial role in fixing
the potential for the regions normally “beyond control”
of the gates. [Is this structure the mother of the PPD or  
buried diode or hole-accumulation device (HAD)?]


A.J.P. Theuwissen はまた2006年9月にドイツで開催の 
Image Sensorの国際会議でも同じ内容を報告しました。

http://www.aiplab.com/image208.jpg

A.J.P. Theuwissen はこの学会でも、「萩原の1978年のSSDM1978の論文
がすべての超感度 Image Sensorの源 (Mother)である」と賞賛しています。





この発表の中でも、A.J.P. Theuwissenは、萩原の1978年の
SSDM1978の論文がすべての超感度 Image Sensorの源
(Mother)であると賞賛しています。


しかし世界は、「残像のない特性が PPDの最大の特長」と解釈しました。

そして、IEDM1982で NECが発表した論文が、世界で初めて残像のない
特性を発表した論文だと解釈しました。

さらに「残像のないPPDはNECの寺西の発明」であると誤解しました。

萩原の1975年出願の3つの特許の存在が世界的には全く知られて
いないことが最大の問題でした。


実は、萩原の1975年のPPDの発明特許には明確に
このPPD構造に残像のないことが明示されています。

下記の特許1975-127647の図7に明示されています。
また、特許1975-134985の図6にも明示されています。

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





******************************
   Pinned Photodiode の発明者はもとSONYの萩原良昭です。
******************************

P+NP接合型受光素子である Pinned Photodiode は 1975年に
もと萩原が特許出願(理論形式知)したものです。その証拠は、次の
3つの日本国特許です。

3つの日本国特許 1975-127646   1975-127647   1975-134985

1975年のたいへん古い、萩原の特許出願ですが、
今でも特許庁のホームページに掲載されています。

https://www.j-platpat.inpit.go.jp/



その3つの特許の中に明示された実施図には、Pinned Photodiodeの
重要な3つの特長が明示されています。

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



(1A)もと SONYの萩原は、埋め込み型の Photodiodeの発明者です。

   特許1975-127647の図7では、光電変換された信号電荷は、
     正孔(e+)となり、NPN接合型の埋め込み Photodiodeの
      電荷蓄積部 (P+) に集められる様子を描いています。

   これは、もと SONYの萩原が 埋め込み Photodiodeの発明者
       である証拠となります。1975年の発明です。


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





(A2) もと SONYの萩原は、埋め込み型の Photodiodeの発明者です。

 また、特許1975-134985の図6でも、光電変換された信号電荷は、
 この場合は、電子(e-)となり、PNP接合型の埋め込み 型の
 Photodiodeの電荷蓄積部(N)に集められる様子を描いています。

 これも、もと SONYの萩原が 埋め込み Photodiodeの発明者
     である証拠となります。1975年の発明です。

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



(B1) もと SONYの萩原は、残像のない、埋め込みPhotodiodeの発明者です。

特許1975-127647 の図7では、 Reset時、信号電荷の正孔(e+)が蓄積部(P+)から、
表面 MOS容量部へ電荷転送される様子を描いています。また、蓄積部(P+)が 
完全空乏化されている様子を、 Empty Potential Wellの電位図として描かれて
います。これは CCD動作と同じく、残像のない映像を提供する事を意味します。

この萩原の1975年発明の、NPN接合型埋め込み型 Photodiode構造は、
残像のない映像を提供する事を明示しています。SONYの萩原が、残像のない、
埋め込み型の Photodiodeの発明者である証拠です。1975年の発明です。

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




(B2) もと SONYの萩原は、残像のない、埋め込みPhotodiodeの発明者です

特許1975-134985の図6では、 Reset時、信号電荷の電子(e-)が蓄積部(N)から、
外部出力部へ電荷転送された時の蓄積部が、完全空乏化されている様子を
この図6でも、Empty Potential Wellの電位図として描かれています。
これは CCD 動作と同じく、残像のない映像を提供することを意味します。

この萩原発明のこの PNP接合型埋め込みPhotodiode構造でも、残像のない
映像を提供する事を明示しています。もとSONYの萩原が、残像のない、
埋め込み型の Photodiodeの発明者である証拠です。1975年の発明です。

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


    
(C1) もとSONYの萩原は、表面に濃い濃度を持ちで電圧が固定(ピン止め)
  された、表面暗電流の少ない、Pinned Photodiode ( PPD ) の発明者です。

特許1975-127647 の図7は、表面に濃い N+N 濃度勾配を持ち、
また表面電圧が固定(ピン止め)された Pinned Photodiode ( PPD )
である事を明示しています。萩原の1975年の発明の証拠です。

表面が N+になっていることは、金属外部端子との オーミックコンタクトが
可能な事を意味します。また表面は空乏化されておらず、表面には電界が
かからず、表面の再結合による、表面暗電流がないことを意味します。 

これはもとSony の萩原が、表面がピン止めされ、表面暗電流がない、
Pinned Photodiodeの発明者である事を意味します。

これは Pinned Photodiode が、萩原の1975年の発明である証拠です。

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



(C2) もとSONYの萩原は、表面に濃い濃度を持ちで電圧が固定(ピン止め)
された、表面暗電流の少ない、Pinned Photodiode ( PPD ) の発明者です。

特許1975-134985 の図6では、表面が金属外部端子との オーミックコンタクト
が可能な事を描いています。これは、実際は 表面濃度が P+の濃度である事を
意味します。また表面は濃い Hole Accumulation 層となり、空乏化されておらず、
表面には電界が存在しないので、表面の再結合による、表面暗電流がないことを
意味します。 これはもと Sony の萩原が、表面がピン止めされ表面暗電流が
ない、Pinned Photodiodeの発明者である事を意味します。

これは Pinned Photodiodeが、萩原の1975年の発明である証拠です。

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



もと SONYの萩原が Pinned Photodiodeの発明者である証拠は次の

3つの日本国特許 1975-127646   1975-127647   1975-134985

から明らかな事実です。


また、この3つの特許から、もとSONYの萩原が Pinned Photodiodeの

発明者である事だけでなく、 PNPN接合型の SONY の HAD、

Hole Accumulation Diode の発明者である事を意味します。SONYの

HADは、各絵素ごとに、 In Pixel Vertical Overflow Drain (VOD)機能

を持つ、Pinned Photodiodeと定義されますが、これも萩原の1975年

の発明です。特許 1975-134985 がその証拠になります。

また、CMOS  Image Sensorには Rolling Shutter効果による、画像の

歪みを防止するために、各絵素ごとに、 In Pixel Buffer Memoryを

持つ、Global Shutter 機能が不可欠です。 この CMOS Image

Sensorに不可欠な、 In Pixel Buffer Memoryを装備した、Global

Shutter 機能も、萩原の1975年の発明です。 その証拠は、

特許 1975-127647 の実施例図7に明示されています。

 
1975年のたいへん古い、萩原の特許出願ですが、
今でも特許庁のホームページに掲載されています。

https://www.j-platpat.inpit.go.jp/

発明は特許出願(理論形式知)だけでなく、実際に原理試作してそのアイデアが
正しいことを実証し論文(実験形式知)に発表する必要があります。理論と実験
でアイデアが正しいことを実証する必要があります。

萩原は1975年に3つの特許(理論形式知)だけでなく、世界で初めて国際学会
SSDM1978で実際にこのP+NP接合型の Pinned Photodiodeを原理試作し、
その実験結果の詳細を論文(実験形式知)にして発表しました。


http://www.aiplab.com/Pinned_Photodiode_1978_Paper_by_Hagiwara.pdf

"A 380H x 488V CCD Imager with Narrow Channel Transfer Gates"
Proceeding of the 10th Conference on Solid State Devices, Tokyo 1978;
Japanese Journal of Applied Physics, Vol 18 (1979) Supplement 18-1,pp.335-340


また萩原はその翌年1979年にはその成果が評価され、
CCD Image Sensorの専門技術が Scotland , UKの
Edinburgh で開催の 国際会議 CCD79 Conference 
で招待講演を受けています。

CCD’79 Conference @ Edinburgh, Scotland UK


”ADVANCES in CCD IMAGERS ” by Yoshiaki Daimon Hagihara at Sony


萩原のその論文(実験形式知)の中で、世界ではじめて、
PNP接合型の Pinned Photodiodeの原理試作に成功
したことを報告しています。また Pinned Photodiodeの
重要な特長である、(1)短波長青色光の光感度が非常
に優れていること(2)表面の濃いP+濃度により表面の
電位が固定(ピン止め)されていて暗電流がないことを
報告しています。この論文に明示されているPNP接合
型のPinned Photodiodeの受光素子の構造図とその
原理試作に成功し、その実験結果を報告した写真と
測定 Dataの図がその証拠となります。

萩原は理論だけでなく実験でもこのPinned Photodiode
を世界で最初に1975年に考案し特許出願(理論形式知)し、
1978年には実験検証して国際学会で論文発表(実験
形式知)しました。

この時、萩原は残像がないことに関してはないのであえて
発表していません。理論でも原理的に明らかです。それを
理解するには高度な半導体デバイス物理と動作原理の
基礎知識が必要です。

実際に試作した、SONYのCCDカメラには残像はなく、
SONYは一度もSONYのCCDカメラに残像があることを
一度も学会で発表していませんでした。SONYは一度も
N+P接合型の残像のある受光素子を採用したことが
ないからです。SONYのカメラ事業部の要求は撮像管の
最大の欠点だった残像特性をなくすためにCCDカメラに
期待をかけたのが最初でした。しかし、従来のN+P接合
型を Interline 電荷転送方式の CCD Image Sensor
に採用すると、結局残像が残ることになり、絶対に、
N+P接合型受光素子をSONYのカメラに採用することは
できませんでした。そのため、SONYの CCD Image
Sensorの開発技術者はいろいろSONY独自の工夫を
して考案したのが、(1)薄膜ポリシリコン電極のMOS
型受光素子、その次に(2)1975年萩原の発明した、
P+NP接合型の Pinned Photodiode でした。








******************************
   Pinned Photodiode の発明者はもとSONYの萩原良昭です。
******************************


以上の考察から、もとSONYの萩原が、Pinned Photodiodeの発明者
であることは自明です。また、その最初の開発者である事も自明です。


しかし、この事実はいまだに社会認知されていません(大涙)。

その理由は発明者の萩原良昭自身が長い間自分が1975年に
発明していたことを忘れていたからです。萩原はこれが自分の
発明だと広く世界にPRすることはありませんでした。

またその詳細な発明の記述(理論形式知)である特許は日本語の
特許であり、世界に広く読まれることは一度もありませんでした。
萩原の3つの特許の詳細を知る見識者は世界に誰も存在しません
でした。また、萩原が1978年に試作したのは、Frame Transfer
方式のCCD Image Sensorに採用された、 Pinned Photodiode
であり、その発表も日本での、日本物理学会が主催する国際
学会であり、なかなか、日本物理学会の会員でないと、萩原の
論文を簡単にアクセスすることは不可能でした。萩原の重要な
発明特許(理論形式知)とその原理試作の論文発表(実験形式知)
は国際社会においては、いまだにあまり知られていないままでした。

残念ながら、萩原は、1975年から1980年の5年間しか、実際は 
Image Sensorの研究開発を担当していませんでした。そのことも
この大きな誤解を置き去りに長い間されたままになる原因でした。


その後1980年から1990年にかけては、デジカメの開発に従事
しました。特に、デジカメに不可欠な、用の高速 Cache SRAMの
開発研究を担当し、1989年には ISSCC1989で 世界で最高速の
アクセスタイム 25 nanosec の 4Mega SRAM の開発に成功し国際
学会で発表しています。当時は、日本の各社が 4MegaDRAMの
ビジネスで世界市場を制覇していた時代でしたが、SONYだけは
格安量産ビジネスには参画せず、高性能で高付加価値の路線を
ただ一社だけで独自性を保ち、推し進めていました。

http://www.aiplab.com/SONY_4MSRAM_1989.pdf


SONYの SRAMの事業化に貢献し、Intelのマイコンボードにも 
SONY の Cache SRAMが採用されるまでになりました。

SONYとIntelの友好関係はさらに深くなり、SONYのVAIOパソコン
につながる道を築きました。


その後、1990年から2000年にかけては萩原はSONY社内の内製
マイコンの開発事業化を担当し、2000年から2008に定年退職する
までは、PS2とPS3の開発事業化を半導体技術企画室長の立場
で技術指導していました。

萩原はSONYの最後の仕事として、再び、国際会議ESSCIRC2008 で
" SOI Design in Cell Processor and Beyond" 題して、ヨーロッパ
最大の国際半導体集積回路の国際学会で基調講演をしています。


http://www.aiplab.com/0-ESSCIRC2008Hagiwara.pdf
    
萩原はその後熊本にある崇城大学の情報学科の教授として勤務し、
2017年3月に定年退職するまで、SONYの熊本テックが成長する
様子をそばでずっと観ていました。現在は厚木の戻り、半導体
産業人協会の教育委員会の運営委員として奉仕しつつ、また
自分でも AIPS (Artificial Intelligent Partner System)の看板
を広げて、個人活動を続けています。

******************************
   Pinned Photodiode の発明者はもとSONYの萩原良昭です。
******************************

しかし、この事実はいまだに社会認知されていません。その理由は
発明者の萩原良昭自身が長い間自分が1975年に発明していたこと
を忘れていたからです。萩原は1975年から1980年の5年間しか
実際は Image Sensorの研究開発を担当していませんでした。

それが現在になって、大問題を起こしていることに最近(2018年6月
より)気づきました(大涙)。萩原の Pinned Photodiodeの発明が
別の人の発明とされていることに気付きました。また、SONYのHAD
はもともと、PNPN接合型の Photodiodeと定義されますが、これは
PNP接合型の Pinned Photodiodeを Nsubに形成したもので、
動作的には、 Pinned Phtotodiodeに 縦型 Overflow Drain(VOD)
機能を持ったもので、SONYはそれを HAD、すなわち、 SONY
独自考案の、 Hole Accumulation Diode と商標登録し呼んでいますが
これも 萩原の1975年特許 1975-134985 で定義される構造ですが
このVOD機能も別の人の発明とされていることに萩原は最近気づき
ました。たいへんそれで現在萩原は驚いて、困惑を隠せない状態です。

何事も被害に会えば、被害者が警察に届ける必要があります。

泥棒にあっても被害者は警察に届ける必要があります。

詐欺にあっても被害者は警察に届ける必要があります。


しかし、まちがった人が、発明者として公式に社会認知されている現状で
どうすれば、本当の発明者が、だれにその被害を届ければいいのか
萩原にはまったくその方法がわからない状態です。


以上の説明から、萩原が 1975年に発明した、Pinned Photodiodeの
発明者であることはご理解いただけたと思いますが、現実には、社会的
には別の方が5年後の1980年に発明したことになっています????

******************************



******************************
ここからは、「賢い電子の目、イメージセンサー」のお話しです。
******************************

みなさんがお使いのスマホやデジカメや放送局の高級ビデオカメラや
街中の防犯カメラや、自動走行車やロボットの電子の目として、今では
イメージセンサーはたいへん重要な役割を社会で担っています。

これからイメージセンサーの特長とその開発背景と現状と、そして、
人類の将来に向けて、さらなる応用について考えてみたいと思います。

******************************

●Image Sensor は主に、

(1)光を電気信号に変換する受光素子、Photo Electron Collecting Device (PECD) と

(2)その電気信号を伝達する電荷転送装置、Charge Transfer Device (CTD)

の2つの主要部品で構成されます。




●イメージセンサーは、トランジスタと同じく半導体で造られています。
  半導体の材料として、シリコン結晶が現在主流です。

●トランジスタが1947年に発明される前は、真空管を使って、電流の
  増幅回路が構成されていましたが、トランジスタが登場してから、
  手のひらに乗る、小型トランジスタ・ラジオが普及しました。



●イメージセンサーも同様で、昔は、真空管を使った、撮像管という物で
  放送局の大型ビデオカメラが製造されていました。

●当時の撮像管には、残像の問題がありました。速く動く物体を撮影すると、
  はっきり物体が映らなくなることでした。高速アクション映像を撮ることが
  できませんでした。飛行機の離着陸の滑走路の様子などでは、ひとコマ、
  ひとコマの映像がぼやけて映り、はっきりしませんでした。

●今までの Bipolar Transistorに代わり、1960年代になると、MOS 型の
 Field Effect Transistor (FET) が開発され、One Transistor One Capacitor
 ( 1 T 1 C ) 型の DRAM が商品化されました。それと同時に 従来の残像
 のある撮像管に代わって、MOS Image Sensor が発明されました。

●ComputerにはこのDRAMが一時記憶として使用された。




●  民生用のデジカメには一時記憶として Cache SRAMが
  使用され、書き込みに時間がかかる、大容量不揮発性
  メモリ(NVRAM)が、USBメモリカードなどの形で大量に
  使用される時代となった。

そのNVRAMの発明は Prof. Simon Sze の発明である。



●1967年、萩原はカリフォルニア工科大学に入学し、Feynman Physicsで、古典物理
  から入り、固体物理学、量子力学の授業の中で学、大学2年生の時に 初めて、
  PN 接合 diode と Bipolar Transistorの動作原理を学びました。




大学3年生の時に恩師の Prof. James McCaldin から 後に Intel社の社長も
歴任された、Andy Groveの教科書を使い、半導体基礎物理学から半導体デバイス
工学では、特に、MOS Transistor の構造と製造方法やその動作原理を学びました。


その影響を受けて、大学院に進むと、恩師 Prof. Caver Mead を指導を受けて、
母校 Caltech と Intel 社の産学共同プロジェクトに参加しました。 Fairchild社と 
Intel 社の創設者のDr. Gordon MooreはCaltechの卒業生である事を知りました。
Caltechの卒業生には、当時Intel社とFairchild社に入社する先輩が多数いました。

また、母校 Caltech と Intel 社の間では、産学共同プロジェクトが存在しました。
その時萩原も 128 bit 幅の digital data stream を 瞬時に比較判定する、並列
プロセッサーを設計してみました。 

Intel社に入社していた、母校 Caltechの先輩の支援を受けて、Intel 社の生産ラインの、
E-D MOS Digital 回路の Process Line で、萩原が設計した chipも一緒に試作される
ことになりました。たいへん不安でしたが、それが一発完動しました。その時の萩原の
感激は言葉に表せないものでした。



萩原は恩師の Prof. Carver Mead と Prof. James McCaldin からいろいろなことを
学びました。また、PhDの論文では、恩師の Prof. Tom C. McGill が PhD 論文の
指導官に加わり、3人の恩師から1975年にCaltech卒業し、SONYに入社するまで
ずっと半導体基礎物理学から、半導体デバイス工学、そして複雑な MOSデジタル
回路の設計とその設計手法(CAD技術)まで学びました。




Bipolar Transistor の動作 (action) には 電子(男の子)と正孔(女の子)の
共同作業で動作することを学びました。

Emitter 領域の、元気な電子(男の子)が丘(base)の上にいる正孔(女の子)を
捕まえようと、丘(base)に向かって、飛び上がります。

しかし、その丘(base)は非常に狭い領域です。そのすぐ先には、Collector 領域
と Base 領域の接合領域があります。そこは空乏層領域となっていて、その中
は、強い電界地帯(絶壁)となっています。

そのために、元気あまった、多くの電子(男の子)のほとんどが、哀れにも、
正孔(女の子)を捕まえることなく、絶壁に突き落とされます。たとえば、100個の
電子(男の子)のうち、ほとんどが正孔(女の子)を捕まえることなく、絶壁に突き
落とされ、谷底のCollector 領域 に落ちてしまいます。

その中で運よく、正孔(女の子)と結ばれる電子(男の子)は100個のうち、1個か
2個程度です。1個か2個の正孔(女の子)が、98個から99個の電子(男の子)を
谷底のCollector 領域に誘導したことになります。その結果、base 電流に対して
Collector 電流の増幅率は50倍から100倍近くになるということになります。

これが直観的に見た、Bipolar Transistorの動作原理となります。




  大学3年生になり、後に Intel の副社長になったAndy Groveの著書を使って、
  恩師の Prof. James McCaldin から 半導体固体物理学と MOS Transistorの
  動作原理を学びました。




萩原はもともと鉄腕アトムのマンガに感化され、将来は電子頭脳を造ることが
将来の夢でした。その部品となるのが、トランジスタ―であることを知りました。
そして、人間の目も、もともとは脳の細胞が進化し、脳から飛び出して、光を
感知する神経細胞(網膜細胞)の集まりであるということを理解しました。

それなら、電子の目も、コンピュータの基本部品である、トランジスタで構成
できるのはないかと考えました。当時は、すでに 古典的な MOS Image
Sensorが開発されて実用化されていました。






●従来の真空管より、はるかに信頼性が高く、小型の MOS Image Sensorでしたが
  それでも、まだまだ完全ではなく、いろいろな問題がありました。まず、残像の問題
  があることを知りました。MOS トランジスタの Reset 時に、最初は電流がたくさん
  流れますが、水源( Source)のレベルが、水門のチャネル電位に近くなると、電流の
  流れが弱まり、ちょろちょろと流れるだけで、なかなか水門のチャネル電位に水源
  の電圧が正しく reset されないことを知りました。また、MOS Image Sesnorの信号
  の伝送路には、熱雑音や Clock 雑音が多い事も理解しました。当時はまだまだ、
  MOS Transistor プロセスの微細化技術が進んでいませんでした。画素数の多い、
  高解像度 Image Sensor を造るには、ひとつひとつの画素の面積を小さくする
  必要があり、各絵素に、信号増幅回路を組み込むことができませんでした。

●Image Sensor は主に、(1)受光素子と(2)電荷転送装置 ( Charge Transfer
  Device ) で構成されますが、MOS型の電荷転送装置(CTD)では、信号の
  転送配線が長く、配線容量の熱雑音( CkT Noise )が無視できませんでした。
  MOS型の電荷転送装置(CTD)は、撮像管に比べて、小型で省エネでしたが、
  電荷転送路の配線容量の熱雑音( CkT Noise )が無視できませんでした。


 


●そこで、1970年に米国ベル研でCCD型の電荷転送装置が発明されました。

CCDは、多数の小さなMOS型の容量が一列に並んだ簡単な構造をしています。

その隣同士のMOS型容量がすきまなく隣接し、隣接する容量の電位がお互いに
影響し合い、容量電極の電圧の影響を受け、両方の容量の電荷が総合結合して、
片方の容量から、もう一方の容量に、結合して吸い込まれる様に、完全電荷転送
が可能となり、電荷結合素子(Charge Couple Device)と呼ばれる様になりました。

しかし、表面型のCCDは転送効率が 99.9% しかなく、全く実用化に耐えることが
できません。 Intel社の最初は大容量メモリーへの応用を検討していましたが、
大容量を充放電する必要があり、CCDは役に立たないとの結論を出しました。

萩原はしかし埋め込み型のCCDなら転送効率が 99.999%にもなるので、充分、
消費電力が大きいが、 CCD Image Sensorとしての応用は可能ではないかと
考え、自分の PhD の論文のテーマとして研究を始めました。そして、1974年
の2月、Philadelphia で開催の、ISSCC1974で、PhD学生論文を発表しました。




萩原が1975年2月にSONYに入社するころには、もうCCDには将来性がない
のではと疑う企業が増加しました。日立は完全にCCDには未来がないと、MOS
型のImage Sensorの改良に尽力しました。松下は、CCDだけでなく、MOS 型
の改良版などいろいろな構造を考案し学会発表していました。CCDには金属
電極があり、CCD構造自体は光を反射し、光感度、特に短波長青色光の感度
がたいへん悪いでした。まだ、N+P接合型の MOS Image Sensorの方が従来
の デジタル MOS トランジスタ回路のプロセスの延長上で製造が可能であり
魅力的でした。そして、酸化膜が露出しておりおり、N+P接合でも充分に長波長
側の感度は充分とれるので注目されていました。

しかし、1978年になり、事態が変貌しました。萩原がSONYに1975年入社して
すぐに特許出願した、Bipolar Transistor型の、P+NP接合型の受光素子の原理
試作の成功し、萩原が SSDM1978で、P+NP接合型の受光素子を Frame
Transfer (FT) 転送方式のCCD Image Sensor に採用し、その優れた特性を
学会発表してから事態が変貌しました。1982年には、この萩原発明の、この
P+NP接合型受光素子を採用した、 Interline Transfer (ILT) 転送方式の
CCD Image Sensor を、IEDM1982の学会で、NECが発表し、この受光素子
構造を埋め込みPhotodiodeと命名しました。1984年には米国 KODAK社
が、同じく このP+NP接合型受光素子を採用した、 Interline Transfer (ILT) 
転送方式のCCD Image Sensor を、IEDM1984の学会で発表し、Pinned
Photodiode (PPD)と命名しました。

それとほぼ同時に、同じ年の1984年には、SONYは 縦型の Overflow
Drain (VOD) 機能と持つ、P+NPNsub接合型の受光素子を開発商品化して、
SONY Hole Accumulation Diode (HAD)という名前で商標登録し、SONYは
あっという間に、Image Sensorの市場を制覇しました。

CCD Image Sensor は Super Star となり、小型ビデオカメラの市場を制覇しました。
従来の撮像管と比べ、固体であるCCDは小型で、かつ、MOS Image Sensorと比べ、
電荷転送路の雑音が少なく、CCD Image Sensor は、世界市場を制覇しました。


当時、「CCDカメラは超感度である」と評価され、超感度はCCDだから超感度と
言われるようになりました。

しかし、実は、超感度とCCDは全く関係ありませんでした。

超感度なのは、実は、光を電気信号に変換する、P+NP接合型の受光素子でした。

萩原が1975年に発明(理論形式知)して、1978年に世界で初めて、
このP+NP接合型の受光素子を原理試作し、萩原がSSDM1978で学会で
論文(実験形式知)発表したものでした。

この萩原発明のP+NP接合型受光素子がビデオカメラを超感度にしていたのでした。

しかし、世界はCCDだらか超感度だと誤解していました。

しかし、今では CCDは消えてました。

すべては CMOS Image Sensorになってしまいました。

しかし、今でも、萩原が1975年に発明した、P+NP接合型の受光素子は
現在のCMOS Image Sensorにも世界中で採用され続けています。



●「CCDだから超感度です。」と良く言われるいました。しかしこれは誤解でした。

CCD自体は超感度とは全く関係ありません。CCDは単純に電荷を転送する、
電荷転送装置 ( Charge Transfer Device ) です。本当の超感度の特長を
持つのは、光を電気信号に変換する、受光素子なのですが、世界はその事を
理解していませんでした。


原点にもう一度戻ります。Image Sensor は主に、

(1)光を電気信号に変換する受光素子、Photo Electron Collecting Device (PECD) と

(2)その電気信号を伝達する電荷転送装置、Charge Transfer Device (CTD)

の2つの主要部品で構成されます。



●「CCDだから超感度です。」と良く言われる程になりました。しかし、実はこれは
誤解でした。その証拠に、現在では、CCD Image Sensor は 市場からほとんど
消えてしまいました。今では、CMOS型の電荷転送装置が主流となっています。

CCD Image Sensor では容量が大きく、その充放電にかかる消費電流が無視
できません。21世紀になり、CMOS Transistorの微細加工技術が飛躍的に
進歩し、現在では、1966年に Peter Noble 氏が発明していた、In Pixel Active
Current Source Amplifier 回路がやっと、Image Sensorの各絵素に組み込む事
が可能となりました。これで、電荷転送路の雑音を心配せず、大きく増幅した、
受光素子の信号電流を出力することが可能となりました。



●「CCDだから超感度です。」と良く言われる程になりました。しかし、実はこれは
誤解でした。その証拠に、現在では、CCD Image Sensor は 市場からほとんど
消えてしまいました。今では、CMOS型の電荷転送装置が主流となっています。

結論として、超感度は、CCDでも CMOSでもありません。

超感度はあくまで、光を電気信号に変換する、受光素子の特長です。

では、その受光素子の構造はどの様な進化の道をたどったのでしょうか?

本当の超感度の役者は、縁の下の力もちで、全く、今まで世の中の脚光を
浴びることもなく、Image Sensorの超感度の特長を支えてきました。

Image Sensorの超感度の特長を支えてきた、受光素子の構造の構造は
どのようなものなのでしょうか?

受光素子は、人間の目の網膜細胞の相当します。それを1975年に
もとSONYの萩原良昭は発明し、特許出願(理論形式知)ました。そして、
その受光素子の原理試作に成功し、1978年に東京で開催された、
国際学会、固体素子コンファレンス (SSDM1978)で、その受光素子を
採用した、超感度 FT 型 CCD Image Sensorの特長を世界で初めて、
論文(実験形式知)にまとめ、学会発表しました。




そして、1980年7月1日には、SONYはこの受光素子を採用した、
One Chip FT 型 CCD Image Sensorを使って、VTRとビデオ
カメラの、一体型小型Video Movieを新聞発表しました。東京と、
New Yorkでの、2ヶ所の、同日の記者会見でした。東京では、
SONYの岩間和夫社長が、New Yorkでは、盛田昭夫会長による
同日の記者会見でした。萩原良昭も東京での岩間社長の記者
会見に出席してその様子を見て感激していました。




この受光素子の構造は、P+NPsub接合型の受光素子です。後に
学会では、Pinned Photodiode(PPD)と呼ばれる様になりました。
また、SONYは、その後、萩原が1975年に出願特許(理論形式知)
していた、P+NPNsub接合型の受光素子の開発商品化に成功し、
SONY Hole Accumultion Diode (HAD)と商標登録し、世界の
ビデオカメラ市場を制覇することになりました。ライバル企業との
特許戦争も長期に渡り続き、萩原もその攻防でたいへん苦労の
日々が続きましたが、最終的にSONYを勝利に導き、萩原はその
功労で、SONY社内で、発明表彰を受けることができました。




このPPD(SONY HAD)に関する基本特許は、また、縦型OFD(VOD)の発明も
含む強力な基本特許となっています。このVOD構造を使って、機械的なメカの
シャッターが不要な、電子シャッターが現在では実用化され普及していますが、
その基本特許の発明者でもあります。




●SONYは長い間、撮像管でビデオカメラの市場を占有していましたが、
撮像管には、残像という問題があり、それを解決すべく、いろいろな、
改善工夫をしてきました。CCD Image Sensorになっても、実は受光部
には、CCD型の受光素子は採用される事はありませんでした。

CCDは本質的にMOS容量のかたまりです。金属性の電極は光を反射し、
特に短波長青色光の感度がたいへん悪いでした。それで、受光素子は、
古典的な MOS Image Sensor に採用されていた、従来のN+P 接合型
の受光素子が、CCD Image Sensorにも採用され、それが主流でした。


●しかし、従来のN+P 接合型の受光素子にも残像がありました。

●そこで、SONYは、あえて難しい方法に挑戦して、この薄いPolysilicon
電極(SIPOS)による、MOS型の受光素子を採用した、 ILT 方式の CCD 
Image Sensorも同時に開発検討していました。そしてその努力が実り、
1980年には、薄いPolysilicon 電極(SIPOS)型の受光素子を採用した、 
ILT 方式の 2 Chip CCD Image Sensor の開発商品化に成功しました。




●SONYは、優れた製品を市場に提供すべく、ビデオカメラでも
その性能に対するこだわりは特別なものでした。次の4つの
ビデオカメラに絶対必要な特長を実現するためにたいへん
努力しました。


(1)超感度であること
(2)低表面暗電流雑音であること
(3)残像のない、高速アクション映像を可能にすること
(4)過剰な光量に対して、過剰信号電荷を取り去る機能をもつこと

現在、この4つの機能を持つ、受光素子が実用化されています。
この受光素子の正体は、単純なN+P接合型の受光素子から、
複雑な、サイリスタ―型の、 P+NPNsub接合型の受光素子に
進化したものです。

この超感度受光素子の発明は、1975年の萩原出願の3つの
基本特許(理論形式知)で定義される構造であり、それは、
1978年にSSDM1978の国際学会で、論文(実験形式知)として
世界ではじめて萩原が発表したのがすべてのはじまりでした。

しかし、このP+NPNsub接合型の受光素子は CCD Image
Sensorの受光素子として長い間採用されていただけでなく、
現在でも、CMOS Image Sensorの受光素子としても採用され
CMOS Image Sensorの光超感度性に貢献しています。

また、現在、3次元集積回路の開発研究が活発化していますが
将来の、3次元の Stacked Multi Chip への応用では、裏面
照射型の 受光素子構造は不可欠となっていますが、その
先駆者的な位置になるのも、1975年に萩原が発明した、
裏面照射型の Buried Pinned Photodiode 型の受光素子です。





1975年出願のこの特許 1975-127647 の実施例図7からも
明らかですが、萩原は次の3つの重要な特長で定義される、
Buried Depletion Pinned Photodiodeの発明者です。

(1) Buried Photodiodeの発明

  光電変換された信号電荷(e+) を集め蓄積する領域(P)が
  受光面から遠く、シリコン結晶内に埋め込まていて、
  これは 埋め込み型の Buried Photodiodeの発明である。

(2) Depletion Photodiodeの発明

  シリコン表面に沿って形成された、受け取り側のMOS電極容量に、
  埋め込み層(P)に蓄積された信号電荷(e+) が、完全空乏化電荷
  転送により、完全に吸い取られる様子が描かれている。これは、
  完全空乏化型の Depletion Photodiodeの発明である。

(3) Pinned Photodiodeの発明

  シリコン裏面には、濃いN+層が形成されている。このN+N 層の
  不純物勾配により、バリア電界が生じ、シリコン表面近傍での
  光電変換により発生した、電子とHoleのPairの電界分離を助長
  する効果がある。シリコン結晶内を 0.2 ミクロン程度しか透過
  しない、短波長青色光の光電変換にたいへん有利な構造となる。
  
  表面のP+領域の電圧は Flatとなり、電界がなく、表面暗電流
  雑音を抑圧する効果がある。この表面のN+は、また金属による
  オーミックコンタクトが可能な濃度であり、表面の電圧は固定、
  すなわち、ピン止めされる事から、シリコン表面がピン止めされた
  構造をもつ、 Pinned Photodiodeの発明である。

以上の考察から、1975年出願のこの特許 1975-127647 の
実施例図7 (理論形式知)からも明らかですが、もとSONYの、
萩原良昭は Buried Depletion Pinned Photodiodeの発明者です。

******************************

また、おまけとなるりますが、

(4)この特許 1975-127647 に実施例図7(理論形式知)からも
明らかな様に、萩原良昭は、CMOS Image Sensorには不可欠な
Global Shutter 構造の発明者でもあります。信号電荷を一時的に
まず、表面のMOS電極に強い電圧①をかけて吸い取り、その電極
容量に一時的に、MOS Buffer Memoryとして保存し、後は外部
Clock 電圧に合わせて、順次、隣接する電荷転送装置に別の
Clockで電圧②&③を印加することにより転送動作をさせています。

(5)またその後出願した特許 1975-134985 の特許請求文から
この特許では、P+NPNsub接合サイリスタ型で、縦型OFD(VOD)
が組み込まれて、Pinned Photodiode、後に SONYが命名した、
Sony Hole Accumulation Diode (HAD)の基本特許となります。




特許 1975-134985 の特許請求範囲の定義文を参照してください。

定義文は単純に基体(Nsub)に バイポーラ―トランジスタ構造(PNP)
を形成するという単純構造特許となります。結果として、P+NPNsub
構造の発明特許となります。

当然、バイポーラ―トランジスタ構造(PNP)にはPN接合とNP接合が
存在します。PNPsub接合型の受光素子も、NPNsub接合型の受光
素子も特許請求範囲に含みます。

すなわちこの特許は、基体(Psub)に PN接合を形成した、PNPsub
接合型の埋込みPhotodiodeの構造特許も含みます。これは萩原が
SSDM1978で学会発表した受光素子構造がこの構造となります。

また、基体(Nsub)にNP接合を形成し、NPNSub接合型の受光素子で、
縦型 OFD(VOD)を持つ表面型のPhotodiodeも、この萩原が1975年
に出願した特許 1975-124985 に含まれます。





萩原は1975年に上記5つの構造特許の発明者であります。


(1)埋め込み型の Buried Phtodiode

(2)残像のない、 Depletion Photodiode

(3)表面暗電流雑音が少ない、 Pinned Photodiode

(4)縦型 Overflow Drain (VOD)機能ともつ Photodiode

(5)絵素ごとに、Global Shutter 機能をもつ、MOS容量型の 
  In Pixel  Buffer Memoryをもつ Photodiode

(6)またそれだけでなく、表面の N+N 層、または、P+P層による、
濃度勾配を利用した、表面バリア電界による、Electron Holeの
電界分離動作による、短波長青色光の光電変換の実現も
萩原の発明となります。この(6)の萩原良昭の1975年の発明が
一番重要です。これがImage Sensorの超感度性を実現する要因
となっている事はまったく現在でも、世界に理解されていないまま
となっています(大涙)。またこの萩原の1975年発明の受光素子
には、(1)残像のない高速アクション映像を可能にする特長と、
(2)また、各絵素ごとに縦型 Oveflow Drain(VOD)機能が組み
込まれた受光素子となっていますが、実際には別の方々の発明
として社会認知されたままになっています(大々涙)。





以上をまとめます。Image Sensorは、N+P接合型の受光素子で当初開発
が進みましたが、残像があり、高速アクション映像の実現がたいへん困難
でした。SONYは歴史的に残像をなくした映像を実現するために、わざわざ
製造技術が難しく、白点が多発し歩留まりも非常に悪かった、薄型のSIPOS、
ポリシリコン電極を採用した、MOS型の受光素子を採用した、 ILT転送方式
の CCD Image Sensorを開発し、商品化しました。日本ではじめて商品化
された ICX-008 CCD Image Sensor  Chipとなりました。萩原が1978年に
設計開発したものです。同時に1978年の国際学会 SSDM1978において
萩原は、念願の P+NP接合型の受光素子の Pinned Photodiode を
FT CCD Image Sensorに採用し、原理試作に成功し、その結果を論文
発表しました。Pinned Photodiode が(1)短波長青色光に対して超感度
特性を持つこと、(2)表面がP+層の Hole Accumulation 層となり、電圧
が固定され、ピン止めされ、表面暗電流雑音が非常に少ない事を報告
しました。また、この1975年の基本特許には(3)残像のない特性が
あることが明示されていましたが、1978年に萩原が原理試作した、
このP+NP接合型の受光素子を採用した、FT 型 CCD Image Sensorに
おいても、残像があることは報告されませんでした。当時はすでに、
CCD には、完全空乏層電荷転送が可能で、基本的に残像がないことは
周知情報でした。それで、SONY製のCCD Image Sensorには、残像が
ないのが当然とされていました。しかし、他社は当時まだN+P接合型の
受光素子をCCD Image Sensorに採用しており、残像がありました。
歴史的にSONYは 薄型ポリシリコン SIPOS透明電極を採用する事に
より、残像のない映像を、SONY製の Interline 電荷転送方式の CCD
Image Sensor では実現していました。






******************************

Hagiwara Important Patent Works

(1) 1975-127646 patent (2) 1975-127647 patent (3) 1975-134985 patent

Hagiwara Important Publication Works

(1) 1973 Paper

"The Influence of Interface States on Incomplete Charge Transfer
in Overlapping Gate Charge Coupled Devices",
IEEE Journal of Solid State Circuits, Vol. SC 8, No.2, April 1973


(2) 1974 Paper ( Hagiwara PhD student Paper )

"Charge Transfer of Buried Channel Charge Coupled Devices"
Proceeding of International Solid State Circuit Conference (ISSCC),
San Francisco, Februrary 1974.

(3) 1974 Paper

"Final Stage of the Charge Transfer Process in Charge Coupled Devices"
IEEE Transactions on Electrron Devices, VOl. ED-21, No.4, April 1974

(4) 1976 Paper

http://www.aiplab.com/128_bit_Comparator.pdf


(5) 1977 Paper

"Two Phase CCD with Narrow Channel Transfer Regions"
Proceeding of the 9th Conference on Solid State Devices, Tokyo 1977;
Japanese Journal of Applied Physics, Vol 17 (1978) Supplement 17-1,pp.255-261

(6) 1978 Paper

http://www.aiplab.com/Pinned_Photodiode_1978_Paper_by_Hagiwara.pdf

"A 380H x 488V CCD Imager with Narrow Channel Transfer Gates"
Proceeding of the 10th Conference on Solid State Devices, Tokyo 1978;
Japanese Journal of Applied Physics, Vol 18 (1979) Supplement 18-1,pp.335-340

(7) 1979 Paper

http://www.aiplab.com/0-CCD79_1979Hagiwara.pdf


(8) 1989 Paper

http://www.aiplab.com/SONY_4MSRAM_1989.pdf


(9) 2001 Paper

http://www.aiplab.com/ESSCIRC2001.pdf

(10) 2008 Paper

http://www.aiplab.com/0-ESSCIRC2008Hagiwara.pdf

(11) 2013 Paper

http://www.aiplab.com/ISSCC2013PanelTalk.pdf

(12) 2019 Paper

http://www.aiplab.com/3DIC2019_Conference_at_Sendai_Paper4017_on_3D_Pinned_Phtoodiode.pdf




Hagiwara_Awards_and_Publication_List

****************************
 Physics of Pinned Photodidoe invented by Hagiwara in 1975
****************************

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


******************************


(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 ).





Fossum insulted SONY and Hagiwara by making many
false statements about SONY HAD and Hagiwara's
invention and pains-taking dilligent works. Fossum
did not invent the in-pixel active sensor not the
Global Shutter Scheme. Peter Noble invented
the in^pixel active sensor and Hagiwara invented
Global Shutter Scheme.
















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













*********************************************************
The AIPS image sensor watching at its inventor, Yoshiaki Hagiwara.
*********************************************************

hagiwara-yoshiaki@aiplab.com ( http://www.aiplab.com/ )

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

*********************************************************
           return to the TOP Page
*********************************************************