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AIPS ( Artificial Intelligent Partner System ) Homepage TOP

        hagiwara-yoshiaki@aiplab.com

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これは70歳じじいのぶつぶつぼやきの独り言です。

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Story_of_Pinned_Photodiode.html

Difference of Buried and Pinned Photodiode.pdf

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毎朝6時前から1時間ほど、お天気がいい日は、

 自宅のそばの小川沿いや野道を Walking。

 毎朝、健康のために、妻と萩原は歩いています。

 その時に萩原が撮った写真と妻の絵手紙です。

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●荻野中学校の6月の絵手紙はこちらをclick してください。


2019年 1月、 2月、 3月、 4月、 5月

2018年 12月11月10月8月6月5月 3月 1月 

の荻野中学校の絵手紙です。


日本半導体産業人協会(SSIS)の教育委員会委員として
 奉仕しています。また、春と秋に開催の半導体技術講座で、
  「イメージセンサー賢い目」の講師として奉仕しています。


韓ドラを見ながら、ハングルを学習しはじめました。

中学数学でわかる「特殊相対性理論」

小学校の算数の問題「油わけ算数」

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       萩原良昭著書の紹介です:

「人工知能を支える、デジタル回路の世界」

     萩原1975年特許の画像

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これは70歳じじいのぶつぶつぼやきの独り言です。
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半導体は現代文明のエンジンとも言われます。

すべての電子機器、人工知能ソフトを含めて
知的情報処理を実行するのは半導体素子です。

もし半導体のことに興味をお持ちでしたら是非
この内容をお読みいただき、同時に半導体の
構造やその動作原理を学習していただければ
幸いです。トランジスタの動作原理や太陽電池
の構造やその動作原理等の理解は、これから
ご説明する「賢い電子の目」のお話には不可欠
な予備知識です。一緒に学習していきましょう。

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Panasonicが生まれた要因は松下幸之助氏が、「ふたまた
ソケット付きの家庭電灯」を発明し、その商品化ビジネスに
成功したからだと言います。

戦後の何もない日本で、SONYがトランジスタ―ラジオの
ビジネスで成功し、大きくなったのも、井深大氏がまだ海
のものとも、山のものとも不明だった、ベル研のトランジスタ
の発明に注目し、SONYが格安で、ベル研のその基本特許
をまず購入できたことが、大きなチャンスをSONYにもたらし
ました。


誰もが不可能だと思っていた事を、最初に成し遂げ、ビジネス
とした企業が、大きな成功を手にします。

小さなベンチャー会社が成功した例は、SONYだけでなく、
他にもあります。米国の大手半導体メーカーの Intel 社が
その例です。萩原は、学生時代から SONYと Intel 社の
両方から、大変大きな影響を受けて、技術者人生を歩んで
きました。その一部始終を身近に目撃してきました。

萩原が学生時代、当時まだ、Bipolar トランジスタ技術が
中心だった時代でしたが、その中で、Intel社は、特性が
大変不安定だった、MOS トランジスタの特性の安定化に
挑戦しました。MOS型半導体素子の実用化に挑戦しました。

そしてIntel社はそれに成功すると同時に、運よく、3個の
MOS トランジスタを使った、DRAMメモリCell の基本特許を
入手し、その生産を立ち上げることに成功し、Intel社は
大きく成長し、始めました。ここでも特許は需要な役割を
果たしました。

企業は、まず特許で、ビジネスがスタートします。「1%の
ひらめき(idea)と99%の努力(dilligence) があってこそ、
企業の夢が実現する」と言いますが、まさにその通りです。


SONYはベル研の Bipolar トランジスタの基本特許を格安で
購入し、SONYの勤勉な当時の若い技術者(川名喜之さんや
加藤俊夫さん達)により、Bipolar トランジスタ生産技術を
SONYは立ち上げる事に成功しました。

萩原が学生時代に半導体物理を学習した教科書の著者でも
あるり、また、Intel社の社長にも兼任した、Dr. Andy Grove や
Intel 社の創設者でもあり、萩原の母校Caltechの先輩卒業生
の、Dr. Gordon Moore の努力で、MOS トランジスタ生産技術
が Intel社で立ち上がりました。 

この米国のIntel 社と日本のSONYの半導体の開発史を身近に
萩原は目撃してきました。これから萩原が見て来た事、感じて
来たことを、いろいろお話できればと思っています。

私も今年で71歳になりますが、自分が今まで何をしてきたのか
と静かに考える時、「自分が20代の若い技術者だった時に、
どんな夢を持っていたか?今もその夢を持ち続けているのか?」
と自分に問いかけます。「人工知能搭載の、人間支援型の、
人間にやさしい、鉄腕アトムの様なものを創ってみたい。」と、
小学校の時にマンガの中で夢見たことがすべての始まりでした。

人工知能が人間の世界を理解するには、人間の世界を感知する、
センサー技術が不可欠です。人工知能にも、人間の目の様な構造
を持たせる事が重要であると思うようになり、SONYに入社して、
すぐに、人間の目の網膜細胞の役割をして、光信号を電気信号に、
変換して、超感度で雑音のない、きれいな映像を提供してくれる、
半導体受光素子の構造について、萩原は考える様になりました。

萩原が、1975年の2月20日にSONYに入社して、すぐの事でした。

職場の先輩の技術者たちは、当時の Image Sensor 構造は、まだ
まだ、不完全で、問題だらけであると、嘆いていました。まず、残像が
あり、感度が悪く、雑音も多かったからです。

SONYは、MOS型の透明電極を使った、光信号を電気信号に変換する
MOS容量型の受光素子を採用していました。受光素子に蓄積された
信号電荷は、CCD動作で転送されるので、残像がありませんでした。

しかし、MOS電極構造なので、MOS電極に強い電界が生じ、また、
シリコン結晶と SiO2の酸化膜の界面の原子レベルの不整合が要因
の結晶の不完全性から、その強い電界により、大きな表面暗電流が
生じ、暗い画面でも、この暗電流でも、画像に白っぽいムラ模様が出て
画質を劣化していました。

そこで萩原はMOS電極では絶対に理論的にこの暗電流が減少しない
事を理解していたので、MOS電極には将来性がないと主張しました。
当時、日立などが中心となり、他社では、CCD型の電荷転送装置(CTD)
を採用した CCD Image Sensor でなく、MOS型の電荷転送装置(CTD)
を採用したMOS Image Sensor を開発していましが、その受光構造は、
MOS電極型の受光素子構造ではなく、従来のN+P接合型のPhotodiode
構造を採用していました。この構造では、MOS型電極ほどの暗電流は
ありませんでした、まだシリコン界面は浮遊状態にあり不安定でした。
さらに、蓄積された信号電荷を隣接する電荷転送装置(CTD)に転送する
時、MOSトランジスタ型の Switch Gate を電荷転送電極(CTG)とします
が、N+層は完全に空乏化できず、電荷転送終了時には、N+層の電位と
Switch Gate として使う電荷転送電極(CTG)のチャネル電位が同じ電位
となり、チャネル抵抗が無限大となり、かならず、最後の少しの受光信号
電荷が、完全に限られた時間では残っていまり、結果として残像が映像
に生じるという問題をかかえていました。

MOS電極もだめ、N+P接合型の受光素子もだめだということになります。

なすすべがありませんでした。そこで、萩原はまず、表面のN+層の濃度
を薄くしてみてはどうかと考えました。たとえば、埋め込み型CCDの埋め
込みチャネル層の濃度と同じぐらいにしてはどうかと考えました。


埋め込み型CCDの埋め込み層と同じ様に、完全空乏化する事を考え
ました。しかし、シリコン界面が浮遊状態となり、正の電荷を帯びた
界面の固定電荷Qssの存在や、トラップ雑音のもととなる、捕獲準位
Nssの影響があることが心配でした。

そこで、表面にP+層を形成し、Hole Accumulation 状態にして、かつ、
受光層のN層の濃度を埋め込みチャネルCCDと同等の濃度にして
空乏化 Photodiode 構造にしてみればどうかと思いました。

P+NP接合型の半導体受光素子、Pinned Photodiodeの誕生です。

SONYの Hole Accumulation Diode、 SONY HAD の誕生です。

これは、P+NP接合型の Bipolar トランジスタ構造そのものでした。
しかし、ベースの濃度は、薄めています。SONYは1974年当時、
学会で Emitter 接合付近の Emitter 側の濃度を薄くすることにより、
Bipolar Transistor の 増幅率が向上することを報告していましたが、
萩原の発明は、ベース領域の濃度を薄めて、完全空乏化 Photodiode
を実現するというアイデアでした。

また、当時のSONYの Bipolar Transistorのプロセスでは、既に、
PNP トランジスタと NPNトランジスタを同時に同じシリコン結晶内
に形成していましたので、萩原は、基板(Nsub)にP+N-P接合を
形成して、P+N-PNsub接合型の受光素子構造とする特許を出願
しました。それが、日本国特許 昭和50-134985 です。

この萩原1975年発明のP+N-PNsub接合型の受光素子構造は、

(1)埋め込み Photodiode の発明です。信号蓄積部が表面から
  P+層で隔離・保護された、埋め込み型のN-層となっています。

(2)蓄積部の濃度が、N-と低く、埋め込みチャネル型CCDの
   埋め込みチャネル層のN-層と同様で、完全空乏化電荷転送
   が可能となります。これは、空乏化 Photodiodeの発明です。

(3)また、受光層の電位は、シリコン界面側は、P+層の Hole
   Accumulation 層で保護され、電圧が固定、Pin 留めされて
   いて、これは、 Pinned Photodiodeの発明でもあります。

(4)さらに、このP+N-PNsub接合型のトランジスタ構造は、
   サイリスタ型の受光素子でもあり、サイリスタ―の動作が
   可能となり、その一つの動作が、縦方向に過剰な電荷を
   流すことで、その動作により、過剰な電荷が垂直方向に
   流し出すことが可能となります。これは縦型 Overflow
   Drain (VOD) の発明でもあります。

以上が、萩原が出願した、特許 昭50-134985 の内容ですが、
その少し以前に、萩原は同じ1975年に、特許 昭和50-127647 
を出願しています。この特許には、次の2の発明が記載されています。

(5)裏面照射型の Pinned Photodiodeの発明
   埋め込み型でもある Pinned Photodiode の
   受光構造です。


(6) さらに、表面側の電荷転送電極(CTG)をそのまま
   一時的に信号電荷蓄積する、 Buffer Memory
   として活用した、、Global Shutter 機能付きの
   埋め込み型でもある、 Pinned Photodiode の
   受光構造です。


萩原が1975年に出願した後、東芝と日電から同様な
特許が遅れて出願されました。

東芝1978年特許 昭53-1971 は NPN接合型の
縦型 overflow drain 機能を持つ Photodiodeの
構造特許ですが、萩原1975年特許に含まれています。

日電1980年特許 昭和55-123259 は PNP接合型
の埋め込み Photodiode でかつ 空乏化 Photodiodeの
構造特許ですが、表面はP型で、P+型ではなく、電圧が
金属コンタクトで、固定できない濃度で、Hole Accumulation
状態ではありません。表面に電界が生じ、その結果、
表面暗電流が発生する問題があります。特許の実施例の
図にその様子を自ら明示しています。従って、この特許は、
Pinned Photodiodeの特許ではありません。この事実は
あまり世間一般には、全く誤解されたままになっています。
世間一般ではこの特許がPinned Photodiodeの特許だと
誤解していますが、大きな過ちです。実は、この特許は 
Pinned Photodiodeの特許ではありません。


東芝の特許も日電の特許も萩原の1975年の特許の存在を
知らないまま、独立して出願されたもの様ですが、この2つの
特許は、1975年に萩原が出願した特許、昭50-134985
の重複特許となり、無効です。




従って、埋め込み Photodiodeの発明者は、
もと、NECの寺西さんではありません。
SONYの萩原がその発明者です。

もとNECの寺西さんの特許は1980年出願で、
遅いものです。これは萩原1975年特許の
重複特許であり、無効です。またこの特許は
正確には、Pinned Photodiodeの特許では
ありません。表面の空乏化が可能です。
そのために表面に電界が存在し、暗電流の
発生が可能となる、不完全な受光構造です。


既に萩原が、1975年に、Pinned Photodiodeの
基本特許を出願しています。Pinned Photodiode
は、空乏化 Photodiode でもあり、埋め込み型
Photodiode でもあります。従って、萩原は、
空乏化 Photodiodeの発明者でもあり、かつ、
埋め込み Photodiodeの発明者でもあります。


日本国特許 昭50-127647 (PDF) または、
日本国特許 昭50-127647(html) を 参照してください。





萩原は (1)埋め込み Photodiode ( Buried Photodiode ) の発明者です

埋め込み Photodiodeは 受光層(N層)が シリコン基板に埋め込まれた
構造をした光感知素子のことです。シリコン酸化膜表面の結晶欠陥による
いろいろな弊害から受光部を守る効果があります。



萩原はまた、(2)空乏化 Photodiode  ( Depletion Photodiode ) の発明者です。

空乏化 Photodiode とは、蓄積されていた光電変換された信号電荷が隣接する
電荷転送装置(CTD)に完全空乏化電荷転送される事により、埋め込み層のN領域
が完全空乏化されます。その結果、信号電荷の取り残しがなくなり、CCD動作と
同様に、残像のない、高速アクション映像を可能にするビデオカメラが実現します。




萩原は、また、(3)ピン留め Photodiode ( Pinned Photodiode)の発明者です。

ピン留めPhotodiodeは、シリコン表面層が濃いP+層となっており、Hole Accumulation
状態になっています。金属コンタクトで電圧を固定(ピン留め)する事が可能な濃度と
なっています。その濃い濃度のために、表面には電界がありません。暗電流のもとと
なる表面の再結合センサーを固定電圧で固定し不活性として暗電流の発生を防ぎます。
その効果で暗電流雑音(Dark Currrent Noise)が現象し、雑音(N)に対する信号(S)
の比(S/N)が増大し、暗電流ムラのない、高感度な画像を提供してくれます。この
ピン留めされた Photodiode が、実は超感度なビデオカメラを提供してくれます。



萩原は、また、(4)縦型のVertical Overflow Drain (VOD)の発明者です。

1971年と1973年に萩原は夏休みに一時帰国し、SONY厚木工場の
Bipolar Transistor の集積回路の製造ラインで、実習生として従事し、
BipolarTransistorの製造と信頼性技術について学びました。その時に
学んだ NPN Transistor 構造を受光素子として応用する事を考案
しました。NPN Transistor には (1) 電流 OFF MODE と
(2) 電流増幅 MODE と (3) Base Punch Thru Mode が
あることは周知情報でした。この動作を持つ、NPN を受光素子として
使う事を考案しました。さらに、表面にP+層 ( Hole Accumulation 層)
を追加して、P+NPN接合構造とすることにより、縦型の Vertical
Overflow Drain (VOD)機能が組み込れた、 Pinned Photodiode 構造の
受光素子となることを考案しました。 




その証拠は1975年に萩原が出願した3つの特許が明示しています。

日本国特許 昭和50-134985(PDF)

日本国特許 昭50-127647 (PDF)

日本国特許 昭和50-127646(PDF)








また萩原は1975年同時に、 Pinned Photodiodeを発明し(PDF)
その基本特許を出願しました。詳細は 昭50-134985 (html)
参照してください。その応用実施例に Interline Transfer 方式
の CCD 型電荷転送装置への応用例を提示しています。

それは SONYのHAD センサーの基本特許となり、SONYのイメージ
センサーのビジネスを長期に渡り、現在も守り続けています。

NECは最終的に Image Sensorのビジネスを断念しましたが、
SONYは萩原の埋め込みPhotodiodeの特許 昭50-127647(PDF)と 
もうひとつの Pinned Photodiodeの基本特許 昭50-134985 (PDF)
に守られてきました。






長期にわたる大手の企業(Fairchild社、KODAK社、NEC)との
水面下での特許戦争や特許に関わる秘密技術提携で有利な
立場を保持してきました。

現在日本で半導体ビジネスで成功している元気な会社はもう
SONY一社になってしまいました。戦後の何もなかった時代に、
日本で初めて、SONYは半導体産業を手がけました。そして、
今もSONYは、「半導体が人類の文明のエンジン」であると深く
認識し、新しいこと(idea)の創出に挑戦し、その実現の為に
社員全員が一丸となって、努力(dilligence)を続けています。









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技術者としての青春時代を1つの会社(SONY)で
すごし、いろいろな電気製品の開発に従事して
きました。将来が見えない時、会社のTOPは、
経済的にすべての可能性に投資する事は困難
です。時には開発テーマをしぼる必要があります。

その時に技術的に先を見る力がないと無駄な
投資となり成果がでない場合があります。

間違った方法に投資している時に赤信号を出す
使命が技術者にはあります。また何が青信号で
有望な投資であるかを明示する使命も技術者に
あります。

私がSONYに入社する前、SONYは既に Bipolar
Transistor の生産技術で世界一でした。米国の
Texas Instrument社の技術者陣にたいへん注目
される存在でした。日本の TI Japan が設立され
た時、このTexas Instrument社の日本支社は
SONYとの合弁会社でした。

萩原が米国留学中(1966年~1975年)のことです。
1971年と1973年に夏休みに日本に一時帰国し、
SONYの厚木工場のBipolar Transistorの生産ライン
で、カラーテレビ用信号処理用
集積回路のチップの
信頼性評価測定業務の実習生として従事していた頃、
Texas Instrument社との技術提携のもと、当時は、
東洋一のSONY厚木工場内の9号館に、半導体の
プロセスの製造ラインがありました。

しかし、その後、電卓用のMOS集積回路の開発は、
電卓ビジネスが採算に合わないということで、中止
され、「SONYはMOS集積回路をやらない」という
経営TOPの判断でした。
しかし、CCD Imager に
特化した形で、当時のMOSデジタル回路の設計者と
プロセス担当技術者は、がまん強く生きのびました。

その後、CCD Imager の開発商品化に成功し、その
CCDのアナログ出力信号を高速にA/D デジタル信号
に変換する AD 変換器や、その後段の高速 Cache
SRAMの開発が、デジカメの商品化には不可欠となり、
再び、 MOSデジタル技術がSONYで育まれる様に
なりました。

そして今や、時代はアナログテレビからデジタルテレビ
の時代となりました。Image Sensorも、高解像度の 
High Vision の時代となりました。そして、低消費電流で
圧倒的に強い CMOSデジタル回路の時代となりました。

Image Sensor に不可欠な、電荷転送装置(CTD)も 
CCD型から CMOS型の電荷転送装置に置き換わり
ました。CCDは、もはや、不要になってしまいました。

しかし、Image Sensorで一番重要なのは、半導体受光
素子
というものでした。CCD型やCMOS型の電荷転送
装置(CTD)ではありません。光信号を直接に電気信号
に、効率良く超感度で、さらに低雑音で色再現鮮やかに、
忠実に変換する半導体受光素子(Photodiode)でした。

人間の目でいうと、光を電気信号に変換する網膜細胞
の機能を持つ、「電子の目」の構造体の発明でした。
これはその「賢い電子の目」のお話です。


(0) まず、はじめに

(1) 萩原1975年出願特許について

(2) 日本発明協会の公式WEBサイトについて

(3) デジカメの構造と動作原理について

(4) 電子の目とは?

(5) NEC1980年出願特許について

(6) 萩原の1978年のPinned Photodiodeの論文

(7) Pinned Photodiode 特許戦争

(8)  AIPS(人工知能パートナーシステム)への夢

(9) SONYのImage Sesnorの開発の歴史

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つい最近のSONYの CMOS Image Sensor の News Release を見てください。

http://www.optronics-media.com/news/20190319/56173/

萩原は、1975年当時、まだ27歳の若手技術者の時に、
人間にやさしい、人工知能パートナーシステム(AIPS)
のために、まず「賢い電子の目」の必要性を感じました。
その時出願した Image Sensor 構造特許が、その後、
44年の歳月を経て、SONYの多くの勤勉な若手技術者
の努力により、完成しました(笑顔)。



もとSONYの萩原が、1975年に出願した、
2つの日本国特許 1975-127647 と 
1975-134985 を参照してください。

萩原は、以下のタイプの受光素子のすべての発明者です。

(1)埋め込みPhotodiodeの発明者です。
(2)空乏化Photodiodeの発明者です。
(3)Pinned Photodiodeの発明者です。
(4)Sony HAD( Hole Accumulation Diode )の発明者です。
(5)縦型 Overfllow Drain(VOD)の発明者です。
   VOD付きの Pinned Photodiodeの発明者です。
(6)裏面照射型の Pinned PHotodiodeの発明者です。
(7)MOS 容量型の Buffer Memory が組み込まれた 
  Global Shutter 機能の発明者です。かつ、その
  Global Shutter 機能が組み込まれ、かつ、
  
裏面照射型の、Pinned Photodiodeの発明者です。

これでGlobal Shutter 機能付きの、CMOS Image Sensor が実現します。

この7つの受光構造すべてが萩原の発明である証拠は、
1975年の萩原出願の、2件の特許の特許請求範囲の
定義文と特許の実施図から、正確に読み取れます。




SONYは自動走行車への応用に今注力しています。




その向こうには、人間支援型の鉄腕アトムの様な、やさしい
人工知能搭載ロボットがあり、また、人間をやさしく包み守る
家庭用総合人間支援システムの実現へと夢は膨らみます。

See the advanced program of VLSI Circuit Conference 2019

to be held in Kyoto on June 9 to 14, 2019


Friday Forum at Suzaku Halls I, II, III, Friday , June 14, 9:00-15:35


Enabling Technologies for Autonomous Driving


Attention to the paper to be presented from 11:45 a.m to 12:30 p.m.

"Automotive Image Sensor for Autonomous Vehicle
and Adaptive Driver Assistance System",  
by H. Matsumoto, Sony Semiconductor Solutions Corp.

ABSTRACT

Human vision is the most essential sensor to drive vehicle.
Instead of human eyes, CMOS image sensor is the best
sensing device to recognize objects and environment
around the vehicle. Image sensors are also used in various
use cases such as driver and passenger monitor in cabin
of vehicle. For these use cases, some special functionalities
and specification are needed. In this session the requirements
for automotive image sensor will be discussed such as high
dynamic range, flicker mitigation and low noise. In the last
part the key technology to utilize image sensor, such as
image recognition and computer vision will be discussed.








つい最近のSONYの CMOS Image Sensor の News Release を見てください。

http://www.optronics-media.com/news/20190319/56173/


固体撮像装置 ( Solid State Image Sensing Device )
は大きくわけて、次の2つの部分で構成されます。

(1)人間の目の網膜細胞に相当する半導体受光素子

(2)電荷転送装置( Charge Transfer Device )




CCDが発明される以前は、MOS型 Image Sensor が
主流でした。日立の技術者の久保さんたちのチームが
世界で最初の MOS Image Sensor を開発しました。

1979年には、縦型 overflow drain を組み込んだ、
大変完成度の高い、MOS Image Sensor の原理
試作に成功し、日立は、学会発表しています。

小池紀雄、竹本一八男、佐藤和弘、笹野晃、長原脩策、久保正治
「単板カラーカメラ用 npn MOS 撮像素子の特性」 
テレビ誌、 33.7, pp.548-553 (1979)


MOS Image Sensor は、従来の DRAM の 比較的
簡単な MOSプロセスで、製造が可能でした。

Honeywell 社の Bill Rigiz が発明した 3TR 型の
電流増幅回路を採用した PMOS プロセスの DRAM 
chip を自社の主力製品として開発して、Intel 社は、
大きく成長した歴史があります。

1967年に、萩原は米国カリフォニア工科大学に入学
して、間もなく、恩師の Prof. James McCaldinから、
萩原は、後に、Intel社の社長を務めた、Dr. Andy Grove
著者の「Physics of Semiconductor Devices ] を
教科書にして、はじめて、半導体デバイスの構造と
その動作原理を学んだ時期でした。

Intel社は、萩原の大学の卒業生で先輩にあたる、
Dr, Gordon Moore が創設した会社で、当時小さな
ベンチャー会社が、IBMの大型顧客を手にして、
この DRAM メモリーチップで事業拡大したいた時
の様子をまじかに目撃していました。





この Intel 社が商品化した、3TR 型のDRAMの回路と、
ほぼ同じ回路を 現在の CMOS Image Sensor は
採用しています。

CMOS プロセスの微細加工技術が進歩し、光感度を
犠牲にすることなく、MOSトランジスタのサイズが
充分に縮小され、各絵素(pixel) に、この 3 TR 型の
電流増幅回路が組み込める時代になったからです。

Image Sensorの開発歴史においては、光感度の
確保は重要です。光感度は犠牲にできず、充分な
受光面積を確保するために、初期の MOS Image
Sensorでは、この3TR型の電流増幅回路を、各絵素
に組み込むことは不可能でした。

日立が初期の時代に開発した MOS Image Sensor は 
1T1C 型のDRAM Cell と同じ回路構成でした。

逆に、Intel 社は、集積度は落ちますが、回路動作が
単純で安定した、この3 TR 型のDRAMの回路を、
まず商品化しました。

また、その後、 回路設計技術も進歩し、DRAMからの
微小信号をラッチ回路で、1 または 0 の値に、瞬間
増幅判定する sense amp 回路の開発に成功して、
1T1C型 DRAMの実用化が可能となりました。

DRAMの世界では、後から、 One Transistor型の 
DRAMが主流になりましたが、Image Sensorの世界では、
最初から、One Transistor 型の受光部が主流でした。
受光部から電荷転送部への橋渡しをする仕事をする、

この One Transistor 回路を電荷転送電極( CTG) と呼びます。

各絵素に不可欠な、電荷を転送する為のゲート
( Charge Transfer Gate ) の機能を持ちます。

電荷転送電極( CTG) というものです。

この One transitor 型トランジスタ型の DRAM Cell の
発明は、国際社会では、IBMの R.H. Dennard の
1966年の発明とされます。

IBMの R.H. Dennard が国際社会で高い社会評価を
受けています。

しかし、実際には、その一年前 1965年に、日電が
世界初のDRAM(1T1C型)の発明を行っていました。

また、1979年には、日本発明協会からその発明者は
発明表彰を受けています。

その事実は交際社会ではあまり知られていません。

これは世界が認識している内容と矛盾する事が
起きている例の一つです。

その情報の不透明さは日本語という言の障壁に
よりなかなか日本国特許が海外の技術者には
アクセスができず、できても言語の障壁で理解
できず世界的な社会認識が間違ったまま置き
去りにされていることが大問題です。

このWEBサイトでこれからご説明する、
萩原の1975年の半導体受光素子の発明も
同様な矛盾を受けることになってしまいました。

SONYが、発明者の本人の萩原が、ともに
自発的なアクション努力をせず、長期間放置して
きたことによる矛盾です。

それも今回のSONYの相手は、日電の特許が
対象です。日電の出願特許とSONYの特許との
関係で、社会認識に矛盾が生じてしまっています。

今の社会認識は事実誤認もはなはだしい状態です。

日電は、DRAMの特許のPR不足という、苦い経験を
教訓に国際社会で積極的に自社の発明者を守り、
その特許とその開発研究をPRする様になりました。

一方、SONYは、あいかわらず、ビジネスに忙しく、
また、発明者の本人の萩原も、「特許は企業が所有
するものである」からと、あまり発明特許に愛着を
持たず、特許を詳細に正確にPRすることなく、会社
での、研究開発に、日常業務に専念してきたつけが
今まわってきた感じがします(大涙)。

外の世界をしっかり観察していなかった事が大問題でした。




(1)DRAM (1T/1C型)の発明

   1966年 NEC 榎本、一条

実用新案:昭44-20094
出願昭和41年(1966)4月27日
登録昭和44年(1969)8月28日
学会発表 昭41年11月電気4学会論文番号 922,929

1978年外岡富士夫氏解説論文「MOSメモリ」、半導体研究15巻:
西澤潤一編に、「1T/1C方式を、メモリに使うアイディアは、
1968年からあった。」と榎本氏の実用新案と Dennard の特許が
引用され、日本では公知だった。ただし、榎本のものは1966年
が正確である。その後、1979年には、日本発明協会から「世界
初の1T/1Cメモリ」として表彰されている。


(2)DRAM (1T/1C型)の発明

   1967年 IBM Dennard

Dennard本人の回想記事によれば、考案したのは1966年で出願が
1967年。考案月日が上記榎本より早い。その記録に承認のサイン
があれば先発明主義の米国ではこれが最初の発明と認められるが
その証拠は示されていない。また、榎本新案は米国出願していな
いが、日本では先願主義なので榎本のものが認められている。

これは米国および世界の常識認識と日本での常識認識との矛盾を
さらけ出した典型的な例となっている。

(3)初の DRAM 製品 (3T/1C 型)

1970年 Intel

DRAM最初の商品は Intel 社が出荷し当時の半導体製品単体出荷
額の世界記録をつくったことが有名である。Intel社はこの特許を
Honeywellから技術者ごと発明の翌日に受けとり、Intel 製品とし
て出荷できた。それ以前から、Siemens, TI, IBM が 1T1C 型を
精力的に開発、1T1C 型は TI 社が初出荷し、その後はすべてが
1T1C 型になっている。

(4)Mooreの法則( Original Story )

1965 Moore

Gordon Moore は雑誌社から10年後の集積回路の予想についての
意見を述べるように頼まれたのがきっかけだった。1959年以来
毎年2倍ずつ集積度が増していることに気づいた。今後も毎年
2倍が続き、1965年の30個が1975年には6万個になると予想。
Mooreは半導体がいかに安くなるかと言いたかった。結局1975
年は 2.8 万個となり、かなり正確だった。Mooreの母校の
同窓生で友人のCaltechの Prof. C. A. Mead が Mooreの法則
と名づけた。

その後1975年に延長予測したがその傾斜を2年で2倍に修正。
今後、年1兆個出荷時代でもこの線に近い発展を期待している。

萩原はその時期の Prof. C. A. Mead を PhDの論文の指導官に
持つ、Caltech在学中の PhD の学生だった。その頃、Caltechと
Intelの産学共同プロジェクトがあり萩原も参加しており、Intelの
当時のPMOS プロセスで128 bit の Multi-comparator LSI chip
を Prof. C.A. Mead の指導の下で設計し、Intel のプロセスライン
で製造し、Caltechにchipを持ち帰り評価していた。一発完動した
のには、Prof. C. A. Meadも一緒にプロジェクトに参加していた
大学院の学生たちもみんな大喜びだった。萩原にとってたいへん
楽しかった思い出のひとつとなりました。





(5)MOSFET Scaling 則の発表

   1972, 1974  Dennard et al

1970年 Dennardの勤務する IBM では SRAMの開発 に注力して
いた。一方の Intel 社では、DRAM の生産を始めようとして
いた。しかし、SRAMのコストは コアメモリの100倍もして
いて価格競争力が全くなかった。まだまだ半導体プロセスの
微細化が進んでいなかった時代の話である。そこで Dennard
は、これを100分の1にする方法としてMOSトランジスタの
微細化を考えた。トランジスタのすべての寸法を比較的に
縮小していけば、その結果、同じ電界の値でも、より高速に
動作する事に気づいた。1ミクロンの寸法で試作で実証した
のが1972年の発表だった。これをもとに本格的な詳細論文を
1974年に発表した。これが有名な MOS Scaling 則の論文で
世界中で非常によく引用され始めた。




いずれにせよ、NECも 多くの日本企業も、この 1T1C型の 
DRAMメモリーチップで、日本の半導体の黄金時代を迎える
ことができました。その裏にには、この1T1C型の DRAM
Cell の特許が深く関係していたのです。

特許は企業のビジネスの存亡に大きな影響がある事を
示して事例です。

この 1T1C型の MOS Image Sensorの開発は、既に、
日立の技術者チームにより、ほぼ完全な形にまで、原理
試作に成功していました。

しかし、Image Sensor として実用化するにはまだまだ
問題がたくさんありました。

その MOS Image Sensor に使用された半導体受光素子は、 
N+P 接合型の受光素子 ( Photodiode )でした。

N+P 接合型の受光素子 ( Photodiode )には残像があり、
また受光部が、光を透過するガラス質の酸化膜を介して、
シリコン界面に露出しており、界面の不規則な原子結合の
影響を受けやすく、いろいろな雑音がありました。

さらに、それには、MOS トランジスタ型の DRAM回路に
似た構成の、電荷転送装置(CTD)が採用されていました。

この単純回路構成では、信号線の容量が大きく、それに
起因する熱雑音、CkT 雑音が大きく、映像の劣化が大変
問題でした。


CCDが発明されてから、MOS Image Sensorは、主役の座を
CCD Image Sensor に奪われました。


そのきっかけを作ったのは、SONYが1980年7月1日に発表した、
萩原発明の受光素子 ( photodiode ) を採用した、
「単板カラーカメラ用 CCD Image Sensor 」の発表でした。




当初、CCDは 受光素子としても、電荷転送装置としても
活用され、2つの役割を果たしました。しかし、それでも
まだまだ問題がありました。

まず、受光素子としての CCD型の MOS Photodiodeは
金属性電極があり、光を反射してしまい、CCD型の受光素子
はたいへん感度が不満足でした。特に、短波長の青色の光
の感度が悪く、色再現がたいへん悪いでした。さらに、MOS
型の受光素子で、金属電極と酸化膜を介してシリコン界面に
強い電界が生じ暗電流し、かつ白点が多発し、シリコンチップ
の歩留まりを下げて大変問題でした。

それでCCD型の受光素子は採用されなくなりました。


CCDは単純に電荷転送装置(CTD)として信号電荷の
「運び屋」さんの役割に徹することになりました。

CCD型の受光素子に代わって台頭してきたので、
PNP接合型のバイポーラトランジスタ構造をした
受光素子(photodiode) でした。

それを発明したのが、もとSONYの萩原でした。

日本国特許  昭50ー127647(html)  と 昭50ー134985(html)です。 





History of Photodiode


(1) N+P junction Photodiode deveoloped
  with the simple DRAM MOS process.

with Serious Image Lag and Surface Large Dark Current,
without Global Shutter Function nor Vertical Overflow Drain


P.K.Wiener, et al
"A self-Scanned Solid State Image Sensor",
in Proc. IEEE,Vol 55, No.9, 1967.

G.P.Weckler,
"Operation of PN Junction Photo Detectors
in a Photon Flux Integrating Mode",
IEEE J. Solid State Circuits. Vol2, pp.65-73,
September 1967.

P.J.W. Noble,
"Self-Scanned Silicon Image Dector Arrys",
IEEE Trans. ElectronDevices, Vol.ED-15, No.4,
pp.202-209,1968.


S.G. Chamberlain,
"Photosensitivity and Scanning of Silicon Image
Detector Arrays" IEEE J.Solid State Circuits,
Vol.SC-4, No.6, pp.333-342, 1969.

F.L.J.Sangster and K.Teer, "Bucket Brigate
Electronics - New Possibilities for Delay
Time-Axis Conversion and Scanning",
IEEE J.Solid-State Circuits, VOL.SC-4, No.3,
pp.131-136, 1969.

W.M.Regitz and J.Karp,
"A Three-transistor-cell, 1024 bit, 500 nsec
MOS RAM", IEEE JSSC, VOl.SC-5, No.5,
pp.181-186, October 1970.


(2) Surface Channel CCD type
  MOSCapacitor Photodioe

with Surface Trap Noise and Large Surface Drak Current
without Global Shutter Function nor Vertical Overflow Drain

W. S. Boyle and G. E. Smith,
“Charge-Coupled Semiconductor Devices,”
Bell Syst. Tech. J., 49, pp.587-593, 1970.

Amelio, G. F., M. F. Tompsett, and G. E. Smith,
“Experimental verification of the charge coupled
device concept,” Bell Syst. Tech. J. 49, 593. , 1970

Michael Francis Tompsett at Bell Lab,
“charge coupled devices,”
U.S. Patent No. 4085456, Aug 30, 1972 .



(3) Buried Channel CCD type
  MOS Ccapacitor Photodioe

with Surface Trap Noise and Large Surface Drak Current
without Global Shutter Function nor Vertical Overflow Drain

R. H. Walden, R. H. Krambeck, R. J. Strain,
J. McKenna, N. L. Schryer, and G. E. Smith,
“The Buried Channel Charge Coupled Devices,”
Bell Syst. Tech. J., no.51, pp.1635-1640, 1972.

Boyle, W. S., and G. E. Smith, 1974,
“Buried channel charge coupled devices,”
U.S. Patent No. 3,792,322 February 12, 1974.



(4) P+NPNsub junction type Photodiode
  invented by Hagiwara 1975

without Surface Trap Noise nor Large Surface Drak Current
with Vertical Overflow Drain (VOD) and Global Shutter Function.




See Japanese Patent 1975-134985 for PDD with VOD Function
and also 1975-127647 for the PPD with Global Shutter Function.

Hagiwara at Sony filed on Oct 22, 1975
a Japanese Patents ( JP 1975-127647 )
on the NPN/Sub junction type Pinned Photodiode ,
with a built-in golobal shutter function using
a charge transfer gate also as the built-in global shutter
gate and also as a temporally MOS buffer capacitorance
next to the output charge tansfer device (CTD)
with the complete charge transfer operation mode
for very low image-lag action picture quality.

The other patent ( JP 1975-134985 ) is the invention of
the Pinned Photodiode with the built-in vertical overflow darin(VOD).

The surface is pinned. The surface is heavily doped and allowed
to have a metal ohmic contact. The heavily doped surface is a
heagily doped majority carrier hole accumulation region (SONY
original HAD senor ) and quenching the surface positively charge
fixed interface charge Qss and the trapping state Nss.

The signalelectron charge is solated from the silicon surface
interface and confined in the buried lightly doped N region for
the charge collection and storage.

So this 1975 Pinned Photodiode invention with no dark current
by Hagiwara in Sony is also the Buried Photodiode invention
with the complete charge transfer mode with no image lag feature.

See the details in the papers by Hagiwara Yoshiaki while
he was a PhD student at Caltech from 1972 to 1975.

"The Influence of Interface States on Incomplete Charge
TRansfer in Overlapping Gate Charge-Coupled Devices"
by Amr M.Mohsen, T.C.McGill, Yoshiaki Daimon Hagiwara,
and Carver A. Mead, IEEE Journal of Soild-State Circuits
Vol. SC.8 , No.2, April 1973

"Buried Channel CCD Charge Transfer" by Yoshiaki Hagiwara,
T.C.McGill, and Carver A. Mead, ISSCC1974 Paper
in Philadelphia, USA, February 1974 

"Final Stage of the Charge-Transfer Process in Charge-Coupled
Devices" by Yoshiaki Daimon Hagiwara, Amr M. Mohsen, and
T.C.McGill, IEEE Transactions on Electron Devices, VOl. ED-21,
No.4, April 1974



(5) NPNsub junction type Photodiode Patent
  with Vertical Oveflow Drain (VOD) function
  by Yamada-san at Toshiba in 1978


This patent is overlapping with Hagiwara 1975-134985 patent
of the Pinned Photodiode with the built-in VOD function.
This patent is invalid. See Japanese Patent 1978-1971
The surface is not pinned. The surface is very unstable.

Yamada-san at Toshiba filed in 1978 a Japanese Patent
( JA 1978-1971 ) on Jan 13, 1978 on an NPNsub junction type
Vertical Overflow Drain (VOD1978) structure, which is
a derivative or duplicate patent of the Hagiwara 1975
invention ( JP 1975-134985 ) of the NPNsub junction type
Vertical Overflow Drain structure.


(6) PNPsub junction type Buried Photodiode Patent
  by Shirai-san and Teranishi-san at NEC in 1980


This patent is overlapping with Hagiwara 1975 patent.
See Japanese Patent 1975-134985 for PDD with VOD Function

This patent is invalid. See Japanese Patent 1980-123259

This patent is about Buried Photodiode structure but
this is NOT a Pinned Photodeode structure, the surface
is not heavily doped and the strong electric field is
at the surface to create the serious dark current.



Teranishi-san at NEC did NOT invent the Pinned Photodiode !!!!










(7) The P+NP junction type Pinned Photodiode

   developed by Hagiwara at Sony in 1978 and
   used in the 380H x 490V FT CCD image sensor.




(8) The P+NP junction type Pinned Photodiode

   developed by Hagiwara at Sony in 1979 and
   used in one chip FT CCD image sensor.





(9) The N+PNsub junction type Photodioe

  with the vertical overflow drain (VOD)
  developped by Hitachi in 1980 and used
  in one chip MOS image sensor.

(10)The PNP junction type Buried Photodiode

  developed by Teranishi-san and his NEC team,
  used in the ILT CCD image sensor and
  published in IEDM1982.


Buried Photodiode in general does not have by necessity
the complete charge transfer mode which is needed for
the image lag free feature for fast camera action pictures.
.


Buried Photodiode has to be operated in the complete charge
transfer mode which is called as the Depletion Photodiode that
has the image lag free feature for fast camera action pictures.




Y. Ishihara, E. Oda, H. Tanigawa, N. Teranishi,
E. Takeuchi, I. Akiyama, K. Arai, M. Nishimura,
and T. Kamata, “Interline CCD Image Sensor
with an Anti Blooming Structure,”
ISSCC Digest of Technical Papers,
pp.168-169, Feb. 1982.

N. Teranishi, A. Kohno, Y. Ishihara, E. Oda,
and K. Arai, “No Image Lag Photodiode
Structure in the Interline CCD Image Sensor,”
IEDM Tech. Dig., pp.324-327, 1982.

Y.Ishihara and K.Tanigaki,"
A High Photosensitivity IL-CCD Image Sensor
with Monolithic Resin Lens Array",
IEDM1983 Tech. Dig, pp.497-500,
December 1983.

B.C. Burkey et al, "The Pinned Photo Diode
for an Interline Transfer Image Sensor",
IEDM1984, Dig.Tech.Papers, pp.28-31, Dec1984.


They all did not know that Hagiwara invented this
Pinned Photodiode in 1975 and filed in Japanese
Patents (1975-127647 and 1975-134985).


(11) The P+NPNsub junction type Pinned Photodiode
 
  with the VOD function invented by Hagiwara in 1975, 
  developed in 1984 by the SONY team, and named
  as SONY original HAD sensor.

SONY HAD ( Pinned Photodiode ) was perfected
by the following two works by Sony Engineers.

K. Ishikawa and T. Iizuka,


"One inch 2M pixel CCD with Hyper HAD sensor
and Camera System for HDTV", SPIE proc.
Vol. 1656, pp.30-40, February 1992.

K. Yonemoto and H. Sumi ,

"A CMOS Image Sensor with a Simple FPN Reduction
Technology and a Hole Accumulation Diode",
ISSCC2000, Dig.Tech.Papers, pp.102-103, February 2000.








その萩原1975年の発明の、種々の
半導体受光素子( Photodiode )
について、その詳細を説明します。



「電子の目」である半導体受光素子(Photodidoe)
の種類は、大きくわけて以下の4つがあります。

(1) まず単純なPNP接合の「埋め込み Photodiode」です。
   萩原の1975年の発明です。特許 昭50-134985参照。



(2) 次に単純なPNP接合の「空乏化 Photodiode」です。
   萩原の1975年の発明です。特許 昭50-134985参照。



(3) 次に、P+NP接合の 「Pinned Photodiode」です。
   萩原の1975年の発明です。特許 昭50-134985参照。



(4) そして最後に、P+NPNsub接合の「SONY HAD センサ」です。
    HAD は Hole Accumulation Diode の意味です。
   萩原の1975年の発明です。特許 昭50-134985参照。



この4つの受光素子(photodiode) の発明者がもとSONYの
萩原であることは、萩原が1975年に出願した2件の特許の
短くて単純明解な特許請求範囲の定義文とその特許の
実施例図が証拠となります。下図を参照してください。



萩原が考案した1975年の特許は今も裏面照射型のイメージセンサーで活躍しています。

MOSプロセスの微細化が進歩し、現在では各絵素に3TR型の電流増幅回路が組み込める
様になりました。受光素子のそばで、直に電流増幅することにより、S/N比の大きな信号が
形成され、CCD型の電荷転送装置はもはや不要になりました。しかし、萩原考案の受光
素子は今でも活躍しています。本当のSuper Starは 萩原が1975年に発明した受光
素子でした。その事を長い年月誰も気がつきませんでした。

超高感度で低雑音の特性はCCD型のMOS容量型受光素子では実現できませんでした。

CCD型の受光素子では不可能なすばらしい特性を萩原の発明は実現しました。









萩原が発明したのは、人間の目でいうと、目の網膜細胞の構造です。

萩原が本当の「電子の目」の発明者だったのです。

これは本当にたいへんな世の中に大きな影響を与えた発明だったと萩原は思っています。

皆さんはどう考えになりますか???



萩原はSONYに1975年2月20日に入社して、まだ間もない時でしたが、
職場の先輩技術者がみんなCCD Image Sesnor の暗電流に起因する
白点欠陥の画像の傷の問題で頭を痛めているのを知り、その解決法
を模索し始めました。そしてその解決方を萩原は見つけました。

このくせ者の暗電流を抑圧する為に、表面に濃いP+を設けて、表面の
電圧を固定、ピン留めすることを考案しました。その結果、表面の
Hole Accumulation層を設けることになり、これがSONYのHADセンサ
の始まりです。SONY HAD とは、萩原が1975年に発明した、
Hole Accumulation Diode の略称です。

今では、Pinned Photodiodeと社会一般では認知され社会評価を
受けているものですが、これがSONY HADと同じもので、萩原が
その発明者であることは全くSONY社内でも社会一般でも知られて
いません。


実際にSONYのHADとNECの埋め込みPhotodiodeとの
水面下の特許戦争にかかわる文書が残っています。

NEC1980年特許とSONY1975年萩原特許との間の特許戦争

NECは負けてSONYが勝ち、その結果、敵対していたNECは特許
戦争に負けてビジネスが傾く、image sesnor のビジネスから撤退
したという醜い冷酷なお金の亡者の特許戦争が裏にありました。

萩原はNECとの特許戦争と米国 Fairchild社の特許戦争で、その
特許の発明者として、特許戦争の兵隊として戦場で戦う悲しい立場
になりました。その為、萩原は会社でたいへん長い間1991年から
2000年までの10年間にもおよぶ間、不安な会社人生を送っていま
した。戦争でいつも被害を受けるのは、戦争で戦うことを強制された
両方の兵隊さん(技術者)です。利益追求主義の企業の犠牲者です。

特許戦争の被害を受けたのは勤勉に仕事をしていた技術者でした。

SONYと敵対するNECの勤勉な技術者(兵隊)も犠牲者でした。

萩原もSONYも特許戦争の勝者として敗者のNECの傷をなめるのを
しませんでした。それ以上はNECを攻撃することはしませんでした。


NECの寺西さんは1980年に埋め込みPhododiodeの特許を出願
しました。そして、世界で初めて埋め込みPhotodiodeを搭載した 
Interline転送方式のCCD転送型 Image Sesnorを国際学会の
IEDM1982年で発表しました。それが社会的に認知され評価される
ことになりました。

しかし、実際は、埋め込みPhotodiodeの発明は、1975年の萩原の
Pinned Photodiode (SONY HAD)の発明と構造的に重複するもので、
萩原の1975年の発明でした。

しかし、NECの発明を攻撃せず、沈黙を続けていました。

そ事実は全く社会的に知られていません。その技術の詳細も社会的
には全く理解されていません。その結果、萩原の発明は、社会的に
認知も評価も受けることはありませんでした。


その証拠が、この1975年に萩原が発明した2つの特許の特許請求
範囲の定義文と特許の実施例図がすべてを語っています。




特許には特許使用料といお金の話がいつも伴います。

企業で働く勤勉な技術者が発明した特許ですが、
特許は企業に属し、技術者はわずかな補償で満足
している場合が多いです。仕事の報酬はお金より
仕事であると信じ、技術者はより勤勉に自分の仕事
に打ち込みます。

しかし、醜い企業間の特許使用料に関する特許戦争が
勃発します。するとその特許の発明者は、その特許戦争
の兵隊として駆り出され、通常の業務ができなくなる状態
が生じ、その特許の発明者はたいへんな悲惨で不安な
会社人生を歩むことになります。

そして、企業がその特許戦争に勝利しても、兵隊に駆り出
された技術者は、静かにもとの職場に戻って行くだけです。
そして、何もなかった様に通常業務を遂行します。

特許戦争の中でも、自社特許に対して、他社から攻撃を
うける特許戦争では、勝利しても自社には何のメリットも
ありません。他社の言いがかりをはらいのけただけです
が、そのはらいのけるのに多大な労力とお金が浪費され
るだけです。萩原発明のHADセンサに関する特許戦争は
その戦争の兵隊に過ぎなった萩原にとっては、それは、
たいへん卑劣な戦争経験でした。

また、企業も敗者となった相手側の企業への配慮もあり、
あまり、その特許の詳細に関してはPRすることはしません。

せっせと、沈黙を続け、その自社特許を使ってビジネスを
展開するのみに専念します。発明者はやがて忘れ去られ
てしまいます。これでは、こつこつと勤勉に仕事をしてきた
特許の発明者は、いつも、たまったものではありません。

世間で技術者が自己主張し、企業に対して訴える場合
も生じています。そうならないように、企業はできるだけ
その発明が、社外に社会に目立たないように工作して
自社の、己の利益を守ろうとします姿は醜いです。


そういう世の中の悲しい現実がある中で、SONYは、
HADセンサの発明者の萩原に対して、SONYのTOP
はまだまだ、他社と比較して、発明者の萩原を、非常
に大切にしてきてくれました。

萩原は、亡き岩間社長の Head Hunting を受けて、
SONYに入社し、CCD Imagerの開発研究に従事
しました。岩間社長の死後、大賀社長がそのCCDの
開発研究プロジェクトを引き継ぎ、萩原は大賀社長に
守られ、より自由な立場で仕事を継続していました。




また当時安藤社長をはじめ、木原さん、牧本さん、
青木さん、太田さんの皆様にも、たいへん親しく、
お付き合いさせていただきました。




中村末廣さんが SONY の副社長になられ、半導体の TOP を兼任
された時は、中村末廣さんに守られて、萩原は仕事を続けました。

久夛良木さんと萩原は1975年入社同期です。入社当時、萩原は
中研の情報処理研究室に配属され、CCD Image Sensorの開発
研究に従事していましたが、久夛良木さんも、その後、同じ情報
処理研究室で、金巻先輩と一緒に、Joystick を使って、自由に
コンピュータを使って、画像を瞬間的に、real time で変形処理
できるソフトウェア・システムの開発研究をしていました。





萩原はSONYでの仕事が評価され、萩原はいろいろな
国際学会で基調講演や招待講演を受けました。

(1) International Conference CCD79 in Edinburgh, Scotland UK

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

(2) International Conference ESSCIRC2001 in Vilach, Austria.

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

(3) International Conference ESSCIRC2008 in Edinburgh, Scotland UK

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

(4) International Conference ISSCC2013 in San Francisco, California USA

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

(5) IEEE Computer Society 主催の Coolchips 2017 at Yokohama, Japan

See http://www.coolchips.org/2017/?page_id=10#panel



1975年にSONYに入社に、2008年に60歳で定年退職
するまで本当にSONYでの楽しい会社人生を過ごす事
ができました。



去年の11月19日には、もと萩原現役時代の後輩で、
現在SONY常務の清水さんのご厚意で現在イメージ
センサの生産拠点であるSONY熊本テックを久しぶり
に訪問する機会をいただきました。



若手社員と後輩技術者と楽しい時間を過ごす事ができました。





この写真は、萩原のSONYでの会社人生の中での最高の宝物です。


現在 CCD Image Sesnor はもはやイメージセンサーの市場から消えて
しまいました。CMOS Image Sensor が主流となりました。その理由を
知っていますか? もともと超感度で低暗電流雑音の特性を持っていた
のは、実は CCD Image Sensorではありませんでした。

萩原が1975年に発明した SONY HADセンサーが超感度で低案電流
雑音特性を持っていたからです。このHADセンサーの発明はCCD以上の
発明だと萩原は持っています。それがあってこそ、超感度低暗電流の
デジカメや今の高解像度のCMOS Image Sensor なのです。

世界を大きく変えて、世界に1975年から大きく貢献してきたのはCCD
ではなく、実は萩原が1975年に発明した SONY HAD センサーだった
のです。その事をみなさんにご理解していただきたいと萩原は今懸命に
その詳細をご説明している状態です。


CCD型のMOS容量電極が不要となりました。萩原は電子の目としては、
CCD型の受光素子は不向きであると判断しました。CCDはあくまで、
電荷転送装置(CTD)として活用し、電子の目としては役に立たない事
を萩原は見抜き、CCDの代わりとなる受光素子を発明しました。

こうして、萩原が考案した「電子の目」が、SONYが特許所有する独自
受光構造のSONY HADとなりました。CCDの受光素子よりもはるかに
短波長青色光感度があり、色再現が良好で、また表面には濃いP+層が
形成され、 Hole Accumulation 状態 (SONY HADの語源)となっており、
また、表面電圧が固定、すなわち、ピン留め( Pinned Photodiodeの
語源)されていて、表面暗電流を抑圧し白点も発生しなくなりました。
また、萩原は基板(Nsub)にこのP+NP接合型の Pinned Photodiodeを
形成することにより、縦型 Oveflow Drain としても機能することに
気づき、それを日本国特許 (1975-134985)として特許出願しました。

また同時に、日本国特許 (1975-127647)では裏面照射型の N+NP+N
接合型の Pinned Photodiode を考案し、特許出願しました。表面型の
電荷転送電極(CTG)を一時的なBuffery蓄積容量として活用した受光
素子構造でした。

裏面照射型のイメージセンサーの場合、シリコン結晶を研磨して非常
に薄くする必要があります。萩原の中央研究時代(1975年~1979年)、
すでにKOH液を使ってシリコンの裏面を極小的に極めて薄くして裏面
照射型の Frame Transfer 方式の CCD Image Sensorの試作技術
は米国RCA社なが報しており、周知でした。

萩原はまた、 Prof. Simon Sze の古典的な半導体デバイス物理の
著書などの参考文献から、「可視光線はシリコン結晶の中を 10 um
以上深くは透過しない」ことを知っていました。

そこで、シリコンの主面には従来通り、電荷転送装置(CTD)を形成
します。そして、埋め込み型の Photodiode をシリコン結晶内に形成し、
裏面を薄く研磨して、シリコン結晶の膜厚を、ほぼ 10 um 程度の厚さに
します。シリコン結晶の膜厚を、ほぼ 10 um 以上にすると、裏面から
照射される可視光線は、シリコン結晶の主面側には届きません。裏面
からの光は、完全にblock されます。

シリコンの主面側に形成された、電荷転送装置(CTD)には届かないこと
になります。従って、シリコンの主面側に形成された、表面型CCD型の
電荷転送電極(CTG)を一時的な one timeMOS容量型 Buffer Memory
として使用可能となります。

埋め込み型の Pinned Photodiode 構造の受光部に蓄積された信号電荷を、
まず、電荷転送電極(CTG)に強い電圧をかけて、光信号電荷を引きつけて、
完全空乏化電荷転送を実行します。

電荷転送電極(CTG)に強い電圧をかけて、この完全空乏化電荷転送により、
信号電荷を、まず表面型CCD型の電荷転送電極(CTG)下に移動しています。

この状態では、一時的な one timeMOS容量型 Buffer Memory として、
表面型CCD型の電荷転送電極(CTG)が機能していることになります。

そして、別の Clock 電圧をかけて、表面型CCD型の電荷転送電極
(CTG)下に蓄積された信号電荷を、再度、CCD型電荷転送方式による
完全空乏化電荷転送を実行して、隣接する電荷転送装置(CTD)に、
信号電荷を移動させます。

萩原は 裏面照射型 Pinned Photodiodeの発明者だけなく、すでに
この時点で、CMOS Image sensor には不可欠な、One Time Buffer
Memoryを各絵素ごとに備えるというアイデアを特許にしています。

萩原は、CMOS Imager のGlobal Shutter の発明者でもあります。





CCDは、本来MOS容量で構成され、それ自体が一時的な Buffer Memory
として活用し、Global Shutter 機能が既に備わっている事は周知でした。

しかし、CMOS Image Sesnor に、Global Shutter 機能を持たせるには、
各絵素に、受光素子容量以外に、別途、もうひとつ、信号電荷を一時的に
蓄積する容量が必要でした。一時記憶容量は、浮遊状態のPN接合容量
か、または、CCD型のMOS容量で構成できる事は周知情報でした。

萩原はその一時蓄積する容量として、表面型の電荷転送電極(CTG)、
そのものが活用できる事に気づきました。そして、萩原は、Global
Shutter 機能付きの Pinned Photodiode の受光素子を発明しました。

構造を立体化することにより、絵素の受光面積を最大限にすることが
可能となり、縦型 overflow drain だけでなく、Global Shutter の必要な、
余分な Buffer Memory も、絵素の受光面積を犠牲にすることなく、形成
することが可能であることを、萩原はこの特許で示唆しています。

萩原発明の日本国特許 (1975-127647)は、裏面照射型の N+NP+N
接合型の Pinned Photodiode を考案しているだけでなく、隣接する
電荷転送装置(CTD)が、CCD型でなくても、CMOS型の電荷転送装置
(CTD)であっても、Global Shutter 機能を持たせる事が可能である
事を、その特許請求範囲に明示しました。「Global Shutter 用の一時
記憶用に、表面型の電荷転送電極(CTG)を使う」という事を特許の
請求範囲としました。これは世界最初のCMOS image sensor 等に
不可欠な、Global Shutter 機能付き受光素子の発明でもありました。




この特許( 1975-134985 )には

(1)特許請求範囲にP+NPNsub接合型受光素子を定義しています。

(2)特許の実施例の図5にピン留めされたP+NP型構造の
   受光素子 ( Pinned Photodiode ) を考案し図示しています。
(3)実施例図6Bの構造は縦型overflow drain ( VOD ) 機能を
   持つことを示唆しています。

   この例では、emitter 接合型が VODとして機能していますが、
   対象論により、反対側の collector型も VODとして機能します。

(4)また、図6Bに於いて、信号電荷の蓄積部であるbase領域のN層は、
   隣接する電荷転送装置(CTD)に信号電荷が完全空乏化電荷転送
   された後は、残像のない、完全空乏化 Photodiode となります。

もうひとつの萩原1975年出願特許 ( 1975-127647 )の実施例の図7では、
裏面照射型の N+NPN型のPinned Photodiodeを図示しています。

埋め込みチャネル型CCDの発明当時は、埋め込みチャネル型CCD
自体に光を照射して、従来は受光素子としても活用していました。

この場合埋め込み層は、完全空乏化電荷転送されますので、この
埋め込み層は、「空乏化Photodiode」そのものです。

従って、CCDの発明当時から、一般に、この残像のない「空乏化
Photodiode」の概念はCCDの発明の時から知られていたことに
なります。

従って、NECの1980年の発明はPNP接合型の「空乏化Photodiode」
の発明にはなんの新規性もありません。PNP接合では不十分です。

表面が濃いP+層となり、電界が抑圧され、表面電位が固定、すな
わち、ピン留めされる必要があります。さもなくば、表面電界が生じ、
表面暗電流が発生することになり大問題となります。

NECの1980年の発明は表面暗電流の抑圧の解決にはなっていま
せん。NECの発明は単純に残像がないという特徴を持つ、「空乏化
Photodiode」である、PNP接合型受光素子の発明にすぎません。

しかし、P+NP接合型の「空乏化Photodiode」も、SONYの萩原が
1975年に既にP+NP接合トランジスタ型の受光素子として発明して
おり、NECの特許は重複特許となり、無効です。

また、萩原の1975年の特許は、まず、

(1)基体にすなわち、たとえば、N-type シリコン結晶体(Nsub)に、
(2)第1の領域、たとえば、P-well 領域と設け、
(3)その上に、第2の領域、光信号電荷の蓄積部のN層を設け、
(4)その第2の領域に整流接合の emitter 接合、すなわち、
   emiiter 端子を P+ 領域とする、P+N 型のemitter 接合

を設けるとしています。

すなわち、萩原が1975年に発明した受光素子構造は、
P+NPNsub接合型サイリスタ構造となります。

そして、この特許の実施例でこの構造の動作には自由度が豊かで、
たて型の overflow drain としてもVOD機能することを実施図の
例図6で明示しています。萩原は1975年にすでに、VOD機能を
もつ、Pinned Photodiodeを発明していることになります。

従った、東芝の山田さんの1978年特許も、萩原1975年特許の
重複特許となり無効です。

以上の考察から、萩原が(1)Pinned Photodiodeの発明者であり
(2)埋め込みPhotodiodeの発明者であり(3)たて型OFD(VOD)の
発明者であり(4)裏面照射型 Pinned Photodiodeの発明者である
ことになります。当時、1975年当時27歳のSONYの萩原の発明です。




NECの白井氏と寺西氏の1980年の発明特許の埋め込みPhotodiode
( PNP接合型受光素子)の実施例にある図2は、表面電位が固定され
ておらずピン留めされていません。Pinned Photodiodeではありません。

いずれにせよ、萩原1975年特許が先行特許であり、NECの1980年の
寺西さんの特許は無効です。Pinned Photodiodeの発明もありません。

Pinned Phoodiode、埋め込みPhotodiode、縦型OFD(VOD)機能、
それに、裏面照射型のすべてが、SONYの萩原の1975年の発明です。

1978年、萩原は東京で開催の国際固体素子コンフェレンス(CSSD)で、
P+NP接合型の受光素子、後に SONY HAD ( Pinned Photodiode )
と呼ばれる、「電子の目」 を採用して、高感度で暗電流を抑圧した、
380H x 490V 絵素の Frame Transfer 型CCD電荷転送方式の、
Image Sensor の原理試作に成功し、技術詳細を学会発表しました。



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P+NP_junction_type_Pinned_Photodiode_1978_Paper_by_Hagiwara (PDF)
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SONYは1980年7月1日に岩間社長が東京で盛田会長がNew York で
同日に発表した Video Movie (仮称)です。これは 2/3 inch の工学系
の One Chip ( 570 H x 490 V = 27.73 万画素)の P+NP接合型 の
Pinned Photodiode 構造の受光素子を採用したビデオカメラでした。

暗電流がなく、超感度で、かつ残像がないという優れた特徴をもつ受光
素子を採用していました。テープ幅 8 mm ( 5/16 inch ) のビデオカセット
テープと一緒にひとつにまとめたもので、録画時間 20 分というものでした。

萩原は、この Frame Transfer 転送方式の CCD image sensor も、一人で
自前の CAD システム(名称 DSPLAY )を駆使して設計しました。その知識
と基礎技術は、萩原が留学中、母校の米国 CalTech に在学中に、恩師で、
萩原の PhD 論文の指導官だった、Prof. C. A. Mead と 研究室の先輩から、
Intel 社との産学共同プロジェクトを通して、学んだものでした。
 
Dr. Albert Theuwissen は 2006年の国際会議での論文で、
このSONYの萩原が1978年報告の、FT方式の電荷転送装置
による CCD image sensor に採用された、 P+NPNsub接合
の、すなわち、表面にP+層を設けたPhotodiodeが、現在の
半導体受光素子(Pinned Photodiode)の世界最初の事例で
あると、紹介しています。彼は Pinned Photodiode の発明
者はSONYの萩原だと明言しています。

A.J.P. Theuwissen、“The Hole Role in Solid-State Imagers“
IEEE Transaction. Electron Devices, Vol. ED-53, no. 12, pp. 2972-2980, 2006.

http://www.harvestimaging.com/pubdocs/101_2006_dec_TED_hole_role.pdf




Dr. Albert Theuwissen は 2006年の国際会議での論文で、
このSONYの萩原が1978年報告の、FT方式の電荷転送装置
によるCCD image sensor に採用された、 P+NPNsub接合の
半導体受光素子(Pinned Photodiode)がすべての母体(mother)
ではないかと指摘しています。それに反論する人はいません。






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P+NP_junction_type_Pinned_Photodiode_1978_Paper_by_Hagiwara (PDF)
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Ref (1) Mother Paper on the P+NP junction Pinned Photodiode on FT CCD image sensor.

Yoshiaki Daimon-Hagiwara, Motoaki. Abe, and Chikao Okada,
“A 380Hx488V CCD imager with narrow channel transfer gates,”
Proceedings of the 10th Conference on Solid State Devices, Tokyo, 1978;
Japanese J. Appl. Phys., vol. 18, supplement 18–1, pp. 335–340, 1979.


Ref (2) Fisrt Child Paper on the PNP buried Pinned Photodiode on ILT CCD image sensor

N. Teranishi, A. Kohno, Y. Ishihara, E. Oda, and K. Arai,
“No Image Lag Photodiode Structure in the Interline CCD Image Sensor,”
IEDM1982, Dig.Tech. Papers, pp.324-327, 1982.


Ref(3) Second Child Paper on the P+NP junction Pinne Photodiode on ILT CCD image sensor

B.C. Burkey et al, "The Pinned Photo Diode for an Interline Transfer Image Sensor",
IEDM1984, Dig.Tech. Papers, pp.28-31, December 1984.




以上の考察から、萩原が(1)Pinned Photodiodeの発明者であり
(2)埋め込みPhotodiodeの発明者であり(3)たて型OFD(VOD)の
発明者であり(4)裏面照射型 Pinned Photodiodeの発明者である
ことになります。当時、1975年当時27歳のSONYの萩原の発明です。


萩原が真の発明者である証拠は、
萩原による2つの日本国特許出願です。

(1)特許公報昭58-4605, 特願:昭50-134985
(2)公開特許公報:昭52-51816, 特願:昭50-127647

そして、1978年の学会発表論文です。

Mother Paper on the P+NP junction Pinned Photodiode on FT CCD image sensor.

Yoshiaki Daimon-Hagiwara, Motoaki. Abe, and Chikao Okada,
“A 380Hx488V CCD imager with narrow channel transfer gates,”
Proceedings of the 10th Conference on Solid State Devices, Tokyo, 1978;
Japanese J. Appl. Phys., vol. 18, supplement 18–1, pp. 335–340, 1979.



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P+NP_junction_type_Pinned_Photodiode_1978_Paper_by_Hagiwara (PDF)
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シリコン結晶と酸化膜の界面にあるFixed Surface Positive Charge (+Qss) の
存在は、表面に微妙に電界を発生され、再結合媒介準位となり、暗電流の原因
になります。シリコン結晶表面を濃いP+層を形成する為にイオン打ち込みを
必要としています。萩原はその技術内容を1978年の固体素子コンフェレンスで
詳細に報告しています。その結果暗電流が抑圧されることを報告しています。

NECの寺西さんの1980年特許は、単純に、残像のない特徴を強調したものです。

単純な、埋め込み型の「空乏化Photodiode」特許です。暗電流を抑圧する 
Pinned Photodiodeの特許ではありません。NECの寺西さんの1980年特許は、
また、重複特許で、萩原が1975年出願した 特許 ( 1975-134985 ) の重複特許
であり、無効です。寺西さんは Pinned Photodiode の発明者ではありません。




このNECの1980年出願特許の実施例図2は、「この特許が Pinned Photodiode
の特許でない」ことの証拠になります。このNECの1980年出願特許は単純に
電荷の蓄積部が Reset 時に完全空乏化する Photodiode、空乏化Photodiode
を示唆した特許です。しかし、空乏化 Photodiodeは、萩原が1975年に既に、
Pinned Photodiode 構造特許として出願しています。Pinned Photodiode は、
空乏化Photodiode でもあり、埋め込みPhotodiodeでもあります。従った、既に、
1975年時点で、空乏化Photodiode も、埋め込みPhotodiodeも、1975年の
萩原の発明です。Pinned Photodiodeの発明がこの2つの発明をも含みます。

また以下の公開文書があります。

https://electronics.stackexchange.com/questions/83018/difference-between-buried-photodiode-and-pinned-photodiode/83025

The first Pinned PD was invented by Hagiwara at Sony
and is used in ILT CCD PD’s. It has long been incorrectly
attributed to Teranishi and to Fossum ( in CMOS image sensors ).
It is important that this reply stand for context and to correct
for a historical error and misreporting. One cannot understate
the importance of how significant his techniques and efforts
have been. Attribution is very important.


Do you know the difference of Buried and Pinned Photodiode ?



また、もとオランダPhillips社のイメージセンサーの世界的な
権威者で現在 Delft大学の教授でもある Prof. Albert Theuwissen

http://www.harvestimaging.com/bio.php

からも萩原の主張が正しいことをご支援いただいています。

Prof_Albert_Theuwissen_said_that_Hagiwara_invented_Pinned_Photodiode


萩原はこの仕事が評価され、以下の国際学会で招待講演や基調講演を
受けました。萩原にとって青春時代の思い出であり、大切な宝物です。

(1) International Conference CCD79 in Edinburgh, Scotland UK

(2) International Conference ESSCIRC2001 in Vilach, Austria.

(3) International Conference ESSCIRC2008 in Edinburgh, Scotland UK

(4) International Conference of Solid State Circuits ISSCC2013
in San Francisco, California, USA , February 2013

「NECの寺西さんをPinned Photodidoeの発明者」とする、現在の一部
の社会認識は完全に間違っています。社会評価は完全に間違って受け
取られています。この事実誤認は重大な問題を起こす要因でもあります。

社会評価はいつにおいても必ずしも真理ではありません。たくさんの
方々が風評被害を受けているのもその例です。萩原も、現在たいへん
「間違った社会評価」のために、たいへん、苦しんでいます。

上記の説明から、「SONYの萩原が Pinned Photodiode の発明者」
である事は明らかです。この事実をご理解いただきたいところです。

真理はいつも一つです。発明者が誰かを、その真理を伝える使命と
義務と責任が日本発明協会にあります。社会評価は必ずしも真では
ありません。発明協会の判断は、間違った社会評価に惑わされては
なりません。日本発明協会が間違った人間を発明者だと誤認認定
してしまうと、真の発明者の名誉を汚すだけでなく、多大な金銭的な
損害までも、真の発明者は被ることになります。決して許されません。





Do you know the difference of Buried and Pinned Photodiode ?

萩原は1980年にSONYで透明電極を使ったCCD型のMOS容量の受光素子
を開発し、Interline方式のCCD image sensorに採用しました。そして、
高速アクション映像を可能にする、残像のない映像を実現しました。

Hagiwara at Sony developed the transparent CCD type MOS capacitor
photodiode for the interline transfer CCD image sensor in 1980, which
gives the image lag free feature for the fast action picture quality.

埋め込み型とピン留め型の受光素子の違いはたいへん重要です。完全
信号電荷空乏化した受光素子の動作は残像のない映像を提供できます
が、しかしそれ以上の機能はありません。まだまだ問題があります。

The differnce between the buried potodiode and the pinned photodiode
is very important. The buried photodiode with the completed depletetion
mode provides also the image lag free pictures. But that was not enough.

その理由は、シリコン結晶と酸化膜の間の界面に存在する正の電荷を
帯びた界面準位 Qss による表面電界が表面暗電流を発生する為です。

The reason is the positive fixed silicon-oxide interface charge +Qss
that casuses surface electric field and results in serious dark current.

この+Qssの電荷のバラツキが局所的に大きな暗電流の原因となり
多くの白点が最終映像に現れ、深刻な歩留まり量産問題となります。

This +Qss charge fluctuation often causes the local large serious dark
current spots which give many white point defects in the final pictures.

SONYは透明電極のCCD型MOS容量の受光素子を採用した為に常に
シリコン結晶と酸化膜の界面に電界が存在し深刻な暗電流問題を
かかえてしまい、CCDチップの歩留まりはたいへん低いものでした。

Sony suffered this problem with the transparent CCD type MOS capacitor
photodiode which has strong electric field at the silicon surface, always
causing the serious dark current. The chip yield was very, very low.

そこで萩原はシリコン結晶表面に、2 x 10**13/cm**2 程度のイオン
打ち込みを実施する事を考案しました。その結果、表面に形成された
P+層が、表面の正の固定電荷+Qssの効果を抑圧する事ができました。

Hagiwara proposed to apply the 2 x 10**13 /cm**2 ion implantation
at the silicon surface to create the hole accumulation layer of the P+
region which can quench the surface positive fixed interface charge Qss.

こうして萩原は、日本国特許(昭50-134985)を出願し、暗電流の問題
が全くない P+NPNsub接合型の受光素子を発明しました。

Thus Hagiwara proposed P+NPNsub junction type photodiode with
no dark current problem at all. See Patent 1975-134985 by Hagiwara.


このP+NPNsub接合型受光素子には、次の3つの特徴があります。

This P+NPNsub junction photodiode has three important features.



(1)P+NP接合型受光素子で Pinned Photodiode で、(2)残像のない映像
を提供する完全電荷「空乏化photodiode」の埋め込み photodiode で、
(3)構造上、縦型overflow drain (VOD) 機能が組み込まれたものです。

They are, (1) tthe P+NP junction is Pinned Photodiode, (2) the image
-lag-free complete-deplemon-mode photodiode ( Buried Photodiode)
(3) with the vertical overflow drain (VOD) function.


萩原は1975年また同時に、日本国特許( 昭50-127647 ) を出願し2つの
重要な特徴を持つN+NP+N 接合型のPinned Photodiode を発明しました。

In 1975 at the same time Hagiwara also invented the N+NP+N junction
type Pinne Photodiode (1975-127647) with two very important features.


その1つの特徴は、裏面照射型の 埋め込み Photodiode 構造でもある、、
N+NP+N 接合型のPinned Photodiodeであることです。

One of the two important features is the back light illumination scheme
for the N+NP+N junction type Pinned Photodiode, which is also a Buried
Photodiode.

隣接する電荷転送装置(CTD)に、表面型の電荷転送電極(CTG)を
介して、信号電荷を一時的に蓄積する、すなわち、一時メモリ素子
として機能する特別な動作をする構造になっています。

This Hagiwara 1975 invention has a special function mode of one time
memory operation of the sueface type charge transfer gate (CTG) when
the signal photocharge stored in the photodiode is to be transfered
completely to the adjacent charge transfer device (CTD).

裏面照射を実現するには、シリコン結晶ウェーハを薄く研磨する必要
があります。光がシリコン結晶の奥深くまでは透過しないからです。

In order to realize the back light illumination scheme, the silicon wafer
has to be thinned very much because the light cannot penetrate into
the silicon wafer too deeply.

青色の 0.4 um 短波長光では、シリコン結晶を 0.2 um 程度しか
透過しません。0.5 um 波長光では 2 um 程度です。0.6 um の赤色
の波長では 10 um ぐらいまでしか透過しません。従ってシリコン
ウェーハ―を 10um程度に薄く研磨する必要があります。

The blue light of the short light wave length of 0.4 um can penetrate
into the silicon wafer upto the depth of 0.2 um from the silicon wafer
surface. About 2 um depth for the 0.5 um wave length and about
10 um depth for the red light of the 0.6 wave length. Hece silicon
wafer must be thinned upto about the 10 um thickness by polishing.

逆に 10 um 以上程度にしておくと、赤外線カットフィルターを
使用する事により、表側に形成された、電荷転送用電極には裏面
からの照射された光は透過してこない事になり、表側に形成された
一時記憶メモリー容量用の電荷転送用電極は充分 Global Shutter
用の一時メモリーとして機能することになります。

On the contray, by using an infared cut filter, and if the silicon wafer
is kept just about the thickness of above 10 um, the light cannot reach
the fornt side of the silicon wafer, the surface device is completely
blinded and protected form the back light. By doing so, the surface
type charge transfer gate (CTG) MOS capacitor can function properly
as the one time buffer memory for the Global Shutter operation mode.


CCD型電荷転送方式のImage sensor は自動的にCCD容量が一時メモリ
素子機能をもち、Global Shutterの機能が組み込まれることは周知です。

It is well known, and it is also the very imprtant feature of the CCD
invention, that the CCD capacitors can act also as one time buffer
memory for the Global Shutter operation mode.

一方、CMOS型電荷転送方式の image sensor では、Global Shutter の
機能を持たせるには、余分な一時メモリ容量が各絵素に必要です。
まだ微細加工技術が進んでいなかった時代では不可能な事でした。

On the other hand, in case of CMOS charge transfer device (CTD) type
image sensors, an expensive one time buffer memory is needed for
each pixel, which could not be affored at all when the MOS process
shrinking technology was not so much advanced in the past years.


しかし、萩原の1975年発明のこの日本国特許 ( 昭50-127647 ) には
すでに、各絵素の表面型電荷転送電極を一時記憶メモリーとして機能
させて、Global Shutter 機能を可能にすることが、その特許請求範囲
に、明確に記載されています。

However, the patent claim of Hagiwara 1975 invention ( Japanese
Patent 1975-127647 ) clearly defined already the surface type
charge transfer gate (CTG) in each pixel unit to be used as the
one time buffer memory for the Global Shutter operation scheme.

CCD 以外では、CMOS 型の電荷転送方式の Image sensor 等の
場合には、Global Shutter 機能を可能にする為には、必ず、一時
記憶メモリ容量が各絵素ごとに必要となることは、周知でした。

It was well understood that, except CCD type CTDs, all other
types of CTDs, such as CMOS type CTD needs one time buffer
memory in each pixel unit for the Global Shutter operation scheme.

萩原が1975年の特許で考案している、この各絵素ごとの表面型の
電荷転送電極(CTG)は、そのGlobal Shutter 機能に必要な、
メモリー容量として機能する事になります。

As Hagiwara proposed in the 1975 patent, this sureface type charge
transfer gate (CTG) in each pixel can act as the one time buffer
memory which is needed for the Global Shutter operation scheme.

従って、萩原の1975年の特許 (昭50-127647) はまた、CMOS Image
Sensor には不可欠な Global Shutter 機能が組み込まれた、Pinned
Photodiode を発明している事になります。

Hence, this means that Hagiwara invented the Pinned Photodiode
structure with Global Shutter function for CMOS image sensors in
the Hagiwara 1975 patent (1975-127647 ).

萩原は、CMOS image sensorに不可欠な、この Global Shutter
の構造と、その動作機能を考案した発明者でもあります。

Hagiwara is the inventor of the Global Shutter structure
and the operation scheme needed in CMOS image sensors.

これが萩原の1975年の重要な5つ目の発明となります。

This was the fifth invention of Hagiwara 1975 important inventions.

結論として萩原は5つの重要なアイデアの発明者です。

In summary, Hagiwara is the inventor of the five importat ideas.
.
(1)暗電流を抑圧する、 P+NP接合型受光素子、すなわち Pinned Photodiodeの発明です。

The invention of the P+NP junction type Pinned Photodiode with low dark current.

(2)残像のない映像を可能にする、PNP接型受光素子の「空乏化Photodiode」として
 機能する、埋め込みPhotodiodeの発明です。

The invention of the PNP junction type Buried Photodiode with the completely
signal charge depletion that provides the image lag free picture quality.

(3)基体(Nsub)に P+NP接合型受光素子を形成し、P+NPNsu接合構造のサイリスタ構造
 とすることにより、構造上の動作 mode に自由度が増加し、縦型OFD(VOD)として
 も機能することを萩原は特許の中の実施図で明示しています。縦型OFD(VOD)の発明です。

Forming the P+NP junction type Pinned Photodiode on the N-type substrate, the
resulted P+NPNsub junction thysistor type has a variety of opeation mode freedom
that include the vertical overflow drain (VOD) operation mode scheme. This idea
was decribed in the Hagiwara patent figures. This is the invention of the vertical
overflow drain (VOD) by Hagiwara in 1975.

(4)萩原はまた裏面照射型N+NP+N接合型の埋め込みPhotodiodeの発明者でもあり、
 Pinned Photodiodeでもある受光素子の発明者です。表側には表面型の電荷転送
 電極が、MOS 容量型の、Global Shutter 用の一時 Buffer memory として、掲載
 されており実施例には、信号電荷蓄積層から信号電荷が完全空乏化電荷転送
 されることを明示しており、この信号電荷蓄積層が残像のない映像を提供する
 「空乏化Photodiode」であることを明示しており、萩原は、「空乏化Photodiode」
 の発明者でもあります。

Hagiwara is also the inventor of the back light illumination scheme of the
N+NP+N junction type Buried Photodiode, which is also the Pinned Photodiode.
On the front side of the silicon wafer, as shown in the patent figure, the
surface type charge tansfer gate (CTG) recieves the signal charge from the
buried photodiode which is shown clealy in the figure completely depleted
of signal charge at the end of the charge transfer to the charge transfer
gate (CTG) which acts as one time MOS capacitor type buffer memory.
The completely depleted buried photodiode provides the image lag free
picture quality. Hagiwara is also the inventor of the completely depleted
buried photodiode with the image lag free picture quality.


(5)萩原はすでに1975年に、可視光線がシリコン結晶体を10um 以上透過
  しないことを考慮して、シリコン結晶の膜厚を 10 um 以上程度にする
  ことにより、表側の表面電荷転送電極が一時記憶メモリー用容量電極
  として充分機能する事を見抜きました。萩原は裏面照射型のPinned
  Photodiodeの発明者でもありますが、同時にもうひとつの重要な機能
  である、各絵素にBuffer Memoryを持つGlobal Shutter の発明者でも
  あります。萩原は世界で初めて、 CMOS Imagerなどで不可欠な、
  各絵素に一時記憶メモリー用容量電極を装備することを考案しました。
  萩原は、各絵素にBuffer Memoryを持つGlobal Shutter の発明者です。

Hagiwara in 1975 already knew that the visible light cannot penetrate
more than the 10 um silicon wafer depth. So thinning the silicon wafer
just about the thickness of above the 10 um range, the surface type
charge transfer gate (CTG) MOS capacitor can act as the one time
buffer memory for the Global Shutter opertaion scheme. The signal
charge under the one type buffer memory MOS capacitor can be
protected from the back light illumination. Hagiwara is the inventor
of the Global Shutter operation scheme with the one time MOS
capacitor type buffer memory in each pixel unit. One time MOS
capacitor type buffer memory is needed in each pixel unit in case
of CMOS image sensors. Hence , Hagiwara is also the inventor of
the Global Shutter structure and operation sheme for CMOS
image sensors with one time MOS capacitor type buffer memory
for each pixel unit.

萩原がこの重要な5つの発明者である証拠はすべて2つの1975年
出願の萩原の特許の特許請求範囲の定義文とその実施例図から
読み取れます。

The evidence that Hagiwara is the true inventor of these five
important ideas can be understood in the patent claims defining
the patent structures, and in the patent figures explaing the
potential application examples, in the Hagiwara 1975 patents.






結論とまとめとして、このP+NPNsub接合型のPined Photodiodeの最大
の特徴は、暗電流の抑圧となります。これが萩原の発明の最重要点です。
萩原1975年日本国特許を参照してください。

In the conclusion and summary, the P+NPNsub junction type pinned photodiode
does not suffer the dark current problem. This is the most important
feature of this Hagiwara invention. See JAP 1975-134985 by Hagiwara.

このP+NPNsub接合型のPinned Photodiodeは次の3つの融合体です。
(1) 暗電流を抑圧した、P+NP接合型の Pinned Photodiode
(2)残像のない、完全空乏化状態の埋め込みPhotodiode
(3)さらに縦型の Overflow Drain (VOD) 機能が組み込まれた受光素子

This P+NPNsub juction Pinned Photodiode is a combination of
(1) the P+NP junction type Pinned Photodiode with low dark current,
(2) the image-lag-free complete-depletion-mode Buried Photodiode
(3) with the vertical overflow drain (VOD) function.

また萩原は日本国特許 (1975-127647 ) で、次の2つを発明ました。
(4)裏面照射型の N+NP+N 接合型 Pinned Photodiodeでもあり、
(5)表面型の電荷転送電極(CTG)をまたMOS容量型の一時的な
  Buffer 記憶メモリーとしても機能させて、Global Shutter
  動作モードも可能にしている受光素子構造を発明しました。

Hagiwara also proposed in the Japanese Patent JAP 1975-127647
(4) the N+NP+N junction type Pinned Photodioe
  with the back light illumination scheme
(5) Surface type Charge Trasfer Gate(CTD) serving also 
  as the one type MOS capacitor type Buffer Memory
  for Global Shutter Operation Scheme


問題はこの2つの特許をだれも理解せず、学会の論文でも一度も
引用されることがなかったことが最大の悲劇でした。

It was very sad that no one understood the details of these
Hagiwara patents, and that no one ever quoted Hagiwara patents
in their publication papers in the past. That was all tragedy.


萩原が1975年に発明出願した、特許 昭50-127647
の特許請求範囲の定義文は以下のようになっています。

(1)半導体基体(Psub)の一方の主面側に、絶縁膜を介して電荷
転送用電極(CTG)が被着配列される1の導電型(N)の転送
   領域が形成され、

(2)之より上記半導体基体(Psub)の他方の主面側に上記転送
領域(N)に接する他の導電型の領域(P)と該領域に接する
   1の導電型(Nwell)の領域とより成る受光領域(NPNwell
接合型受光素子)が形成され、

(3)上記転送用電極(CTG)に所要の電圧を印加することにより、
   上記受光領域(NPNwell接合型受光素子)に蓄積した電荷を
   上記転送領域(N)に転送し、

   この時点では、信号電荷は一時的にこの転送用電極(CTG)に
   蓄積されたままになっている。従ってこの転送用電極(CTG)
   一時的な one time MOS capacitor 型の buffer memory
   として機能し、CMOS型の電荷転送装置(CTD)では、Global
   Shutter Operation Mode が可能となる。
 
(4)上記電荷転送用電極に上記所要の電圧とは異るクロック
   電圧を印加して上記基体の上記一方の主面に沿って電荷の
   転送を行うようにしたことを特徴とする固体撮像装置。

   そして、最後に異なる電圧を印加して、隣接する電荷転送
   装置( CCD 型 CTD でも CMOS 型 CTD でも OK ) に信号
   電荷が最終的に転送されることになります。この特許の
   実施例図から、この電荷転送が完全空乏化電荷転送である
   ことは明らかです。従って、萩原は埋め込みPhotodiodeの
   発明者でもあり、かつ、「空乏化Photodiode」の発明者
   でもあります。

この萩原1975年特許の簡潔な特許請求範囲で定義された構造は
単純明解な N/P/Nwell/Psub 接合型サイリスター構造です。

この1975年の萩原出願特許は、萩原が、

   (1)裏面照射型の Pinned Photodiode、埋め込み Photodiode、
   そして 空乏化 Photodiode の発明者であり、かつ、

   (2)MOS 容量型 one time buffer memory を使った、Global
     Shutter 機能付き Pinned Photodiode

の発明者である証拠になります。



萩原が1975年に発明出願した、特許 昭50-134985
の特許請求範囲の定義文は以下のようになっています。



(1)半導体基体(Nsub) に、第1電導型の第1半導体領域(Pwell)と、

(2)之の上に形成された第2導電型の第2半導体領域(N)とが形成されて
   光感知部(N/Pwell 接合受光素子)と

(3)之よりの電荷を転送する電荷転送部(CTD) とが上記半導体基体の
   主面に沿う如く配置されて成る固体撮像装置に於いて、

(4)上記光感知部の上記第2半導体領域(N)に整流性接合(P+N接合)
   が形成され、該接合をエミッタ接合(Je)とし、

(5)上記第1及び第2半導体領域間の接合をコレクタ接合(Jc)とする
   トランジスタ( P+/N/Pwell 接合 ) を 形成し、

(6)該トランジスタのベースとなる上記第2半導体領域(N)に 光学像に
   応じた電荷 を蓄積し、ここに蓄積された電荷を上記転送部(CTD)に
   移行させて、その転送を行うよう にしたことを特徴とする固体
   撮像装置。

   特許の添付の実施例図よりこの電荷転送が完全空乏化電荷転送
   であることを意味しています。すなわちこれは「空乏化Photodiode」
   の発明特許でもあり、残像のない映像を提供するものです。

   この最終的な受光素子構造は、P+/N/Pwell/Nsub 接合型サイリスター
   構造をしており、添付の特許実施例図より縦型 overflow drain
   としても機能することを明示したものです。

   従って、萩原はこの特許出願により、(1) 暗電流を抑圧する、
   Pinned Photodiodeの発明者であり、(2)残像のない事を特徴
   とする、埋め込みPhotodode および 空乏化 Photodiodeの
   発明者でもあり、かつ、(3)表面が emitter 端子となり濃い
   P+層 ( Hole Accumulation 領域 )を持つ、P+/N/Pwell/Nsub
   接合型サイリスター構造の様々な自由度ある付属動作のひとつ
   である、縦型のoverflow drain (VOD)の発明者でもあります。


問題はこの2つの特許をだれも理解せず、学会の論文でも一度も
引用されることがなかったことが最大の悲劇でした。

It was very sad that no one understood the details of these
Hagiwara patents, and that no one ever quoted Hagiwara patents
in their publication papers in the past. That was all tragedy.

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P+NP_junction_type_Pinned_Photodiode_1978_Paper_by_Hagiwara (PDF)
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●表面チャネルCCD(完全電荷転送)の電荷転送電極(CTD)を
  MOS容量型Buffer Memory とした、Global Shutter 機能付きで、
  かつ、裏面照射型の、Pinned Photodiode の基本特許です。
  Japanese Patent 1975-127647.html


●P+NPNsub 接合型の SONY Accumulation Diode (HAD) で、
  縦型Overflow Drain (VOD)機能が組み込まれた、
  Pinned Photodiode (SONY HAD)の基本特許です。
 Japanese Patent 1975-134985.html



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Do you know the difference of Buried and Pinned Photodiode ?
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●表面チャネルCCD(完全電荷転送)の電荷転送電極(CTD)を
  MOS容量型Buffer Memory とした、Global Shutter 機能付きで、
  かつ、裏面照射型の、Pinned Photodiode の基本特許です。
  Japanese Patent 1975-127647.html






●P+NPNsub 接合型の SONY Accumulation Diode (HAD) で、
  縦型Overflow Drain (VOD)機能が組み込まれた、
  Pinned Photodiode (SONY HAD)の基本特許です。
 Japanese Patent 1975-134985.html














萩原が1975年に出願した、この2件の特許と、その実施例の図のすべてが、
「萩原がその発明者である」ということの、当然ですが、確実な証拠となります。





PNP接合型または、NPN接合型の、暗電流を抑圧した Pinned  Photodiode
の発明者であり、物理的構造からして、「埋め込み Photodiode 」の発明者
でもあり、また残像のない特徴を示す、「空乏化 Photodiode 」の発明者でも
あり、かつ、SONY original HAD センサーの発明者である事はになります。

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Story of Pinned Photodiode( SONY HAD ) Sensor.pdf

 Japanese Patent 1975-127647.html
 Japanese Patent 1975-134985.html

P+NP_junction_type_Pinned_Photodiode_1978_Paper_by_Hagiwara (PDF)



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Do you know the difference of Buried and Pinned Photodiode ?






































































Hagiwara_Yoshiaki_CaltechDiploma_PhD1975.pdf

128_bit_Comparator.pdf











Pinned Photodiodeの発明が、NEC1980年特許を根拠に、
NECの寺西さんの発明と社会的に認知され評価されていますが
これは全くの事実誤認です。SONYの萩原の1975年特許が
先行特許で存在します。


真実はいつもひとつです。

Pinned Photodiodeの真の発明者は萩原です。

実際にSONYのHADとNECの埋め込みPhotodiodeとの
水面下の特許戦争にかかわる文書が残っています。

NEC1980年特許とSONY1975年萩原特許との間の特許戦争

NECは負けてSONYが勝ち、その結果、敵対していたNECは特許
戦争に負けてビジネスが傾く、image sesnor のビジネスから撤退
したという醜い冷酷なお金の亡者の特許戦争が裏にありました。



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Yoshiaki Hagiwara was invited in the following four international
conferences because of his contributions to the image sensor
community and related digital system LSI chip design works.

See the four invited talks related to the Pinned Photo Diode
which is also called as SONY original Hole Accumulation
Diode (HAD) image sensor.

(1) International Conference CCD79 in Edinburgh, Scotland UK

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

(2) International Conference ESSCIRC2001 in Vilach, Austria.

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

(3) International Conference ESSCIRC2008 in Edinburgh, Scotland UK

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

(4) International Conference ISSCC2013 in San Francisco, California USA

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

(5) IEEE Computer Society 主催の Coolchips 2017 at Yokohama, Japan

See http://www.coolchips.org/2017/?page_id=10#panel


Related Works by Hagiwara

Pinned Photo Diode (P+NP) and SONY HAD
(P+NPNsub) are the same thing. Both were invented
by Hagiwara at Sony in 1975 in the Japanese Patents

See http://www.aiplab.com/Pinned_Photo_Diode_1975_invented_by_Hagiwara.pdf

For MOS CTG Global Shutter Memory and Back Light Illumination
PP-NP+N-N+ junction Pinned Photodiode Patent,
see http://www.aiplab.com/JP1975-127646.pdf

For MOS CTG Global Shutter Memory and Back Light Illumination
NP+N-N+ junction Pinned Photodiode Patent,
see http://www.aiplab.com/JP1975-127647.pdf

For the built-in Vertical Overflow Drain (VOD) function type
P+NPNsub junction Pinned Photodiode Patent,
see http://www.aiplab.com/JP1975-134985.pdf

Hagiwara as a PhD student at CalTech designed
a Fast 128 bit digital data stream parallel comparator
chip, which was fabricated at Intel with the Intel 1101
PMOS process technology.

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

Hagiwara designed a Fast 25 nanosecond access time
4 M bit Cache SRAM chip for digital camera applications.
Intel used the SONY SRAM chips in the Intel boards.
Sony enjoyed SRAM business while many semiconductor
companies in Japan were focusing on the 4 M bit DRAM
chip business.

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

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           Appendix Page List
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 000   001   002   003   004   005   006   007   008   009   010
  011   012   013   014   015   016   017   018(Ref)   019   020
021   022   023   024   025   026   027   028   029   030   031   032  
 033   034   035   036   037   038    039   040   041  042 043
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JP 1978-1971.pdf

JP 1980-123259.pdf

JP 1975-127646.pfd

JAP 1975-127647.html
JP 1975-127647.pdf

JAP 1975-134985.html
JP 1975-134985.pdf




List.html

index000.html
index000_ImageSensor.html

index_000_introduction.html
index_001_Sony_HAD_senosor.html

indexAIPS.html
indexAIPS01.html

indexA1_What_is_Semiconductor.html
indexA2_What_is_Solar_Cell.html
indexA3_What_is_Solid_State_Image_Semsor.html

indexHADsensor.html
indexHADsensor01.html
index_Hagiwara_Diode.html
index_Fossum_is_a_liar.html

index001_introduction.html
index001_Introduction_of_Hagiwara.html
index002_SONY_original_HAD_sensor.html
index002_What_is_Pinned_Photo_Diode.html
index003_PPD_and_HAD_are_the_same_thing.html
index004_Hagiwara_invented_Pinned_Photo_Diode.html
index004_Hagiwara_Works.html
index005_Hagiwara_1975_Patent.html
index005_Semionductor_Device_Physics_for_PPD.html
index006_Sony_Fairchild_Patent_War.html
index006_Two_1975_Hagiwara_Patents_on_Pinned_Photo_Diode.html
index007_Sony_NEC_Patent_War.html
index008_Fossum_2014_Fake_Paper.html
index009_Summary.html



Hagiwara_at_Sony_is_the_true_inventor_of_Pinned_Photo_Diode.html

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Page009.html
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Page012.html
Page013.html
Page100.html

Ref1.html
Ref2.html
Ref3.html
Ref4.html
Ref5.html
Ref6.html
Ref7.html

Story_of_Pinned_Photo_Diode.html

Study_Korean.html

index_A3_1_2_Special_Relativity.html
index_Abura_Wake_Zan.html
index_TsuruKameZan.html

index_01_KisoJouhoSuugaku.html
index_02_OuyouJouhoSuugaku.html
index_03_SuuchiKeisanHou.html
index_04_DigitalCIrcuits.html
index_05_SemiconductorLSI.html
index_06_RobotKougakuKiso.html

index0-1-1.html
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index000_KAIT01.html
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0-CCD79_1979Hagiwara.pdf
0-ESSCIRC2008Hagiwara.pdf
0-HAD_Sensor_Patent_1975Hagiwara.pdf
128_bit_Comparator.pdf
HADsensor_NEC_SONY_Patent.pdf
Hagiwara_invented_pinned_photo_diode_in_1975_01.pdf
JPL_CalTech_Pain.pdf
Pinned_Photo_Diode_1975_invented_by_Hagiwara.pdf
Pinned_Photo_Diode_Patent_by_Hagiwara_at_Sony_in_1975.pdf
Pinned_Photodiode_1978_Paper_by_Hagiwara.pdf
Pinned_Photodiode_Patents_1975.pdf

Hagiwara_Yoshiaki_CaltechDiploma_PhD1975.pdf





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