Slide_2020_06_24 by Yoshiaki Hagiwara

(1) 1975年10月の出願特許1975-124746が世界初のPPDの発明となります。
これはN+NP+NP接合型サイリスタ―型PPD受光素子です。そのPUNCH 
THRU動作により、埋め込みN層から半導体表面に存在するMOS電荷蓄積部
への光信号電荷が転送される動作の様子をその特許の実施図に明示しています。
http://www.aiplab.com/JP1975-127646_A.jpg


(2) 同時に1975年10月の出願特許1975-124747では、N+NP+N接合型の
裏面照射を採用し、かつCMOS Image Sensorに不可欠な、Global Shutter
機能を世界で初めて提案しています。N+NP+N接合トランジスタ型受光素子
です。残像のない完全空乏化電荷転送動作を特許の実施図に明示しています。
http://www.aiplab.com/image14.jpg


(3) 1975年11月考案の出願特許1975-134985(特許第121501号)では、縦型
オーバーフロードレーン機能を持つ、PNP接合型トランジスタ構造のPPD
を世界で初めて考案しています。これは1987年にSONYがHole Accumulation
Diode(HAD)と商標登録された受光素子です。
http://www.aiplab.com/image7.jpg


(4) 1978年にはさらにSONYはイオン打ち込み技術により濃いP+のチャンネルストップ
領域をその受光部近傍に形成したP+NP接合型のPPD技術を開発し、その技術をフレーム
トランスファー型CCDイメージセンサー に世界で初めて採用し、その原理試作に成功して
1978年のSSDM1978の学会で論文を発表した※。1980年にはSONYはこのPNP接合型PPD
を採用した ワンチップのフレームトランスファーCCDイメージセンサーを使ったビデオカメラ
一体化VTRの 8 mm Video Movie の試作に成功し、東京では岩間社長が、NYでは盛田会長
が同日記者会見をして世界を驚かせた。


http://www.aiplab.com/1_Chip_CCD_Camera_Fcx008.jpg



http://www.aiplab.com/SSDM1978_A_Pinned_Photodiode.jpg



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   「Pinned Photodiode」と「埋め込みフォトダイオード」の相違点
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●世界の多くの技術者はこの2つが同じものだと誤解しています。

●「Pinned Photodiode」 は表面の半導体層が電圧固定、すなわち、
  ピン止めされた 「埋め込みフォトダイオード」と定義されます。

● 一方、「埋め込みフォトダイオード」は PNP接合または
   NPN接合型のフォトダイオードと定義されます。
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●「埋め込みフォトダイオード」には

(1)表面の半導体層が電圧固定(ピン止め)されたものと
(2)されていないものの2種類があります。

●「Pinned Photodiode」 は必ず「埋め込みフォトダイオード」です。

●しかし「埋め込みフォトダイオード」は必ずしも
  「Pinned Photodiode」 ではありません。

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(1)出願特許(1975-127646) は、 MOS容量型Global Shutter機能付きの
   裏面照射型 N+NP+N接合型Pinned Photodiodeの発明です。

(2)出願特許(1975-127647)は、MOS容量型 Global Shutter機能付きの
裏面照射型のN+NP+NP接合型Pinned Photodiodeの発明です。

(3)出願特許(1975-134985)は、垂直 Oveflow Drain(VOD)機能付きの
   基板(N or P) にPNP接合型Pinned Photodiodeの発明です。

(4)SSDM1978の論文は 世界で初めての「イオン打ち込み技術により
   濃いP+のチャンネルストップ領域をその受光部近傍に形成した
   P+NP接合型のPinned Photodiodeを FT CCD Image Sensor
   に採用し原理試作に成功しました。

(a)超光高感度(b)低暗電流雑音(c)残像のない特性を報告したものです。

   この論文が世界の脚光の的となり萩原は1979年には 
   1979年9月に、英国 ScotlandのEdinburghで開催の
    国際会議CCD79で招待論文を発表しました。

   さらに1980年には米国 St. Luisで開催の 
   IEEE Elecro Chemical Society主催の
   ESC1980でも招待講演を受けました。
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●「Pinned Photodiode」 は表面の半導体層が電圧固定、すなわち、
  ピン止めされた 「埋め込みフォトダイオード」と定義されます。

 一方、「埋め込みフォトダイオード」は PNP接合または
   NPN接合型のフォトダイオードと定義されます。
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「埋め込みフォトダイオード」には(1)表面の半導体層が電圧固定
 (ピン止め)されたものと(2)されていないものの2種類があります。

「Pinned Photodiode」 は必ず「埋め込みフォトダイオード」です。

●しかし「埋め込みフォトダイオード」は必ずしも
  「Pinned Photodiode」 ではありません。


●表面の半導体層が電圧固定(ピン止め)されることにより、
  埋め込みN層の空乏化電位もピン止め固定化が可能となります。
 
●埋込み型CCDは表面の金属電極により電極電圧が固定(ピン止め)されています。

●埋め込み Channel のN層の空乏化電位も電圧固定(ピン止め)されますので、
  完全電荷転送が実現し埋込み型CCD転送には残像がありません。

●「Pinned Photodiode」の場合も埋込み型CCDと同様に残像がありません。
  

「Pinned Photodiode」の場合も表面P層の電位が電圧固定(ピン止め)されますので、
  埋込み型CCD電荷転送と同様に埋め込み 電荷蓄積部のN層が完全電荷転送となり、
  残像がありません。

「Pinned Photodiode」の場合も埋め込み 型の電荷蓄積部の
  N層
が完全電荷転送が実現し、残像がありません。

●「Pinned Photodiode」には残像がありません。

●残像のあるPhotodiodeは「Pinned Photodiode」ではありません。


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●「埋め込みフォトダイオード」はPNP構造または
  NPN構造を取るフォトダイオードと定義されます。
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「埋め込みフォトダイオード」には(1)表面の半導体層が電圧固定
 (ピン止め)されたものと(2)されていないものの2種類があります。

「埋め込みフォトダイオード」の場合、その表面のP層は必ずしも
  電圧固定(ピン止め)されていません。
の表面のP層が電圧固定(ピン止め)されていない場合、
  RC遅延により表面のP層は浮遊状態になります。
の表面のP層が電圧固定(ピン止め)されていない場合、
 その為に、電荷蓄積部の
埋め込みN層も浮遊状態となります。
●「埋め込みフォトダイオード」の場合はその表面電位が浮遊状態
 の場合もあり、その場合は、完全電荷転送とはなりません。従って
 表面がピン止めされていない「埋め込みフォトダイオード」の場合
 は
残像を観察する場合となります。

過剰電荷を基板側にはき出す垂直オーバーフロードレーン(VOD)機能
 においても、
表面が浮遊状態では過剰電荷の電荷転送残りが生じ、
 正常なVODとして機能しません。

●表面がピン止めされていない「埋め込みフォトダイオード」の場合
 表面が浮遊状態となり、過剰電荷の電荷転送残りが生じ、正常な
 VODとして機能しません。


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●1975年初頭はまだPMOS技術でした。萩原が1975年10月に
 考案の世界最初のPinned PhotodiodeはPMOS技術のものです。
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 N+NP+NP接合型(特許1975-127646)のPinned Photodiodeと
 N+NP+N接合型(特許1975-127647)のPinned Photodiodeでした。
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 この2つの特許出願は裏面照射型の提案でした。しかし、
 裏面照射型はまだ実現性がないとの上司の判断で権利化
 されることはありませんでした。しかし現在では、裏面照射の
 CMOS型電荷転送装置 ( CMOS Image Sensor )として
 実現・実用化されています。上記の2つの特許がその世界初の
 「Global Shutter 機能付裏面型PPDの発明の証拠」になります。
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●その1か月後1975年11月にNMOS技術をベースとしたPPDを
萩原は考案しました。この特許では、世界最初の縦型オーバー
フロードレイン(VOD)機能を持つPNPN接合型のPinned
Photodiode(特許1975-134985)を萩原は考案しました。
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●さらに萩原はイオン打ち込み技術により濃いP+のチャンネル
 ストップ領域をその受光部近傍に形成したP+NP接合型の
 Pinned Photodiode技術を1978年に萩原は開発しました。

●その技術をフレームトランスファー型CCDイメージセンサー に
世界で初めて萩原は採用し、その原理試作に成功して、1978年の
SSDM1978の学会で萩原・阿部・岡田の連名で論文を発表しました。
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http://www.aiplab.com/Pinned_Photodiode_must_have_a_heavy_doped_Channel_Stops.pdf





The first Image Lag free FT CCD image sensor

with the PNP junction type Pinned Photodiode was

reported at SSDM1978 by Yoshiaki Hagiwara at Sony.




The first Image Lag free ILT CCD image sensor

with the PNPN junction type Pinned Photodiode

and the VOD electrical shutter function was

reported in the Journal of Nikkei Microdevices,

October 1987 Issue by Masao Hamazaki at Sony.



NEC 1982 paper and Kodak 1984 paper had no P+ Channel Stops ???

NEC 1982 ILT CCD Image sensor did have the image lag.

Maybe SONY built the first time in the world,

the Image Lag free ILT CCD image sensor

with the PNPN junction type Pinned Photodiode

and the VOD electrical shutter function as reported

in the Journal of Nikkei Microdevices, October 1987 Issue

by Masao Hamazaki and his group at Sony ?????




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Pinned Photodiode must have the heavily doped channel stops nearby
and also completely buried signal charge collection and storage N region.
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In 1975, Sony proposed the Pinned surface PNP and PNPN junction type
dynamic phototransistor with the in pixel vertical overflow drain (VOD)
function for light detecting devices.

In 1978, Sony introduced one chip FT CCD image sensor with the Pinned
surface PNP junction type dynamic phototransistor which then became
the primary photodetector for CCD image sensors.

In 1984 Kodak called the Sony original Pinned surface PNP junction type
dynamic phototransistor simply as Pinnned Photodiode.

In 1987, Sony introduced a 2/3 inch, 380,000-pixel CCD image sensor
(ICX022) with the Pinned surface NPNP junction type dynamic Photo
Thryristor with VOD function which Sony then called simply as Hole
Accumulation Diode (HAD).

In the 1990s, the era of passport size video cameras demands compact
CCD image sensors with large numbers of pixels (1/2 inch or smaller
with 400,000 pixels or more).

In 1995, Kodak adopted Pinned Photodiode for CMOS image sensors.

Pinned Photodiodes, since invention by Sony in 1975, are still
the primary photodetector for CCD and CMOS image sensors now.

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

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

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