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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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もとSONYの萩原良昭がVOD機能付き Pinned Photodiodeを1975年に発明しました。
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Type(0), Type(1) とType(2,3)の受光素子を
下記Slideの図で比較しています。

黄色で示した領域には電界バリアが存在に光電
変換により電子とHOLE のPairが効率よく分離され、
再結合することなく量子効率に貢献します。

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

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●1975年以前はType (0) とType(2,3) が主流でした。

 1975年以前はType (0) のN+P接合型受光素子と
 SONYの一社のみが、Type (2,3)に注力していました。

 Type (0) のN+P接合型受光素子は表面型受光素子で
 N+層が浮遊状態で残像がありました。また短波長青色光
 の感度もあまりよくありませんでした。


 Type (2,3)は、CCD MOS 容量型受光素子です。
 残像がなく、短波長青色感度もほどほどありました。
 しかしMOS型でシリコン表面に強い電界があり、
 表面暗電流が大きく、白点が多発し量産性に乏しい
 受光構造でした。

●1975年11月10日にSONY(萩原)は特許1975-13を出願し、
 Type (1) の、半導体基板に 受光部表面がピン止め電圧
 固定された、PNP接合型の受光素子を考案しました。この
 受光構造は 1978年の萩原のSSDM1978の論文で表面に
 ボロン原子を高濃度に 2 x 10 の 13乗 per 平方 cm
の高濃度をイオン打ち込みすることを考案しました。

●実際のこのイオン打ち込み濃度Profileは ガウス関数
 分布となり、表面が非常に濃きピーク濃度となります。

 このガウス分布関数になることがたいへん重要です。

この事実は、なかなかイメージセンサーの専門家でないと
理解が難しいです。また一般の方々には、関心がなくまた
理解する努力もしていただけないのが萩原にはたいへん
悲しいところです。これが本当は超感度の正体です。


非常に新規な画期的なアイデアなんですが、、、。



 シリコン基板深くになると、P+の濃度が薄くなる濃度
 勾配があり、実際には、P+N-P接合ではなく、実効的に 
 P+NN+P接合型受光素子となります。その為に表面の
 濃度勾配P+Pによるバリア電界が効率良くシリコン表面
 の 0.2 ミクロンまでしか透過しない、短波長青色光も
 非常に効率よく光電変換が実現し、イメージセンサーの
 色再現感度を向上します。これはまったく今までにない
 光電変換原理によるものです。その原理を利用してまず
 萩原は裏面照射型の 受光面がピン止めされたN+NP+NP
 接合型受光素子(特許1975-127646)と受光面がピン止め
 されたN+NP+N接合型受光素子を1975年10月23日に
 出願しています。 この2つの特許が世界ではじめての
 受光面がピン止めされたN+NP+N接合型、すなわち埋め込み
 Photodiodeの発明であり、後に Pinned Photodiodeと
 呼ばれる受光素子の発明となります。


この事実は、なかなか素人さんだけでなく、世界の学識
経験者でも、イメージセンサーの専門家でない人たちには
関心がなく、また理解する努力もしていただけないのが
現状です。萩原にはたいへん悲しいところです。


Type(0), Type(1) とType(2,3)の受光素子を
下記Slideの図で比較しています。黄色で
示した領域には電界バリアが存在に光電
変換により電子とHOLE のPairが効率よく
分離され、再結合することなく量子効率に
貢献します。



●Type(0)の N+P接合型受光素子の欠点はN+層がFloatingのため
  残像があります。またシリコン表面に信号電荷が蓄積しシリコン
  表面には電界がなく電位は Flatです。海の上で蒸発した雨雲から
  雨が降っても海に戻るだけで人間には役に立ちません。それと
  同様に、この場合、シリコン表面で光電変換する、短波長青色光
  で生まれて電子とHoleは、その場に電界がなく、完全分離できず、
  その場にじっとしているだけで、いずれ再結合して熱になります。
  だからType(0)の N+P接合型受光素子は残像があるだけでなく 
  短波長青色光の感度が悪いです。

●Type(1)の P+PN+P接合型の Pinned Photodiodeは短波長青色光の
  受光素子としては最適です。また、N+を極端に濃い濃度 (Nd )にして
  その分布幅 Wd を 極端に狭くすることにより、再結合する領域を最小
  にすることが可能です。しかし、信号電荷量 Qd = Nd*Wd で決定
  されますので、その分布幅 Wd を 極端に狭くしても、イオン打ち込み
  技術で、できるだけ、埋込みN+層を極端に濃い濃度 (Nd ) に保つ
  ことにより、充分な信号電荷量 Qd = Nd*Wd が確保できることが
  理解できます。


●Type(2,3) では、薄い Polysiliocn 電極を採用した MOS容量型の
  受光素子ですが、これもシリコン表面に信号電荷を蓄積します。
  シリコン表面の反転層で蓄積しますので、その反転層の深さ方向
  の幅は狭いです。薄い Polysiliocn 電極を透過した光は効率よく
  光電変換が可能です。しかし、やはり薄い Polysiliocn 電極の形成
  にも限界があります。薄い Polysiliocn 電極の光の透過率は100%
  ではありません。その結果、短波長青色感度はありますがほどほどです。



●太陽光は短波長光の紫外線が豊富です。太陽光電池の効率化のために
  このP+PN+P接合型の Pinned Photodiodeが有望ですね。。。



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Sony これまでの開発の経緯を振り返り、紫綬褒章の受賞理由になった、積層型多機能
CMOSイメージセンサーの技術の説明と、それを支える代表的なソニーの発明について、
説明をしています。その中で 「裏面照射型CMOSイメージセンサーに採用された、
Pinned Photodiode」が紹介され、以下のように詳しく紹介しています。

https://www.sony.co.jp/SonyInfo/News/notice/20200626/

「ソニーのイメージセンサーの発明の歴史は、古くはCCDの時代までさかのぼる。

中でも、Pinned Photodiodeは、裏面照射型CMOSセンサーの性能向上にも
貢献する技術であり、その発明と製品開発の歴史を紐解く。ソニーは1975年、
裏面照射型のN+NP+NP接合型のPinned Photodiode(PPD)を採用したCCD
イメージセンサーを発明した(出願特許1975-127646,1975-127647 萩原良昭)。

同年その構造をヒントにVOD(縦型オーバーフロードレイン)機能を持つ、
PNP接合型PPDを発明した(特許第1215101号 萩原良昭)。

ソニーはその後、イオン打ち込み技術により濃いP+のチャネルストップ領域を
その受光部近傍に形成したPNP接合型のPPD技術を採用したフレーム
トランスファー型CCDイメージセンサーの原理試作に世界で始めて成功し、
1978年の学会で論文を発表した。

Y. Hagiwara, M. Abe, and C. Okada,
“A 380H x 488V CCD imager with narrow channel transfer gates”,
Proc. The 10th Conference on Solid State Devices, Tokyo (1978)。

1980年にはソニーはこの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カメラ一体型
VTRの試作に成功し、東京では当時社長の岩間が、ニューヨークでは
会長の盛田が同日記者会見をして世界を驚かせた。

1987年にはソニーは、VOD(縦型オーバーフロードレイン)機能を持つ
「イオン打込み技術により濃いP+のチャネルストップ領域をその受光部
近傍に形成したPPD」をインターライン転送型CCDイメージセンサーに
採用した8ミリビデオのカムコーダーの開発に成功し、ビデオカメラの
市場を開拓した。このような長い歴史を経て育まれてきたPPDの技術が
今も裏面照射型CMOSイメージセンサーに採用されている。」

また、半導体産業人協会の歴史館も
ソニーの発明について、以下のように
説明をしています。

https://www.shmj.or.jp/museum2010/exhibi1005.html

「1975年、ソニーからPNPトランジスタを受光素子とする提案がなされた【3】。

受光部をP+層(エミッタ)にすることにより従来のフォトダイオードのように
表面電位を制御するセンサー電極で受光面全面を覆う必要がなくなり、
受光感度を大幅に向上させた。受光部をP+層にすることは原理的に
暗電流や残像を低減するピン留めフォトダイオードの基本となる提案
であった。

またソニーは1978年、同じ構造のフォトダイオードを用いたアナログ
TV放送規格(SDTV)対応9.3万画素FT(FrameTransfer)-CCDイメージ
センサを世界で初めて発表した【5】。

それを発展させた2/3インチ型28万画素FT-CCDイメージセンサを用いた、
VTR一体型カラームービカメラの試作に1981年に成功した【6】。

参考文献

【3】萩原 良昭、“個体撮像装置”、
特許公報 昭58-46905 (1975年11月10日出願)

【5】Y. Hagiwara, M. Abe, and C. Okada, 
“A 380H x 488V CCD imager withnarrow channel transfer gates”, 
Proc. The 10th Conference on SolidState Devices, Tokyo, (1978):
Japanese Journal of Applied Physics,vol. 18,
Supplements 18-1, pp. 335-340, (1979)

【6】梶野 功、島田 勝、中田康雄、平田芳美、萩原良昭、
“ナローチャネルCCD単板カラーカメラ”、
テレビジョン学会技術報告、vol.5, no. 29, pp. 32-36, (1981)

また、Delf大学の Prof. Albert Theuwissenは IEED EDS主催の
 IEDM2005の論文でソニーの発明について、以下のように説明し、
この1978年のソニーの論文の受光構造がK社のPPDとN社の
埋込みPDとソニーのHADの生みの親( the mother )と賞賛しています。

もとSONYの萩原はPPDの発明者である事を明確に示唆したものです。

世界的なImage Sensorの著名な研究者が発表した学術論文です。

http://www.harvestimaging.com/pubdocs/089_2005_dec_IEDM_hole_role.pdf

“A simple self-aligned implant of 2x1013 /cm2 boron ions is sufficient to extend
the channel stop areas to the gate edge and consequently fix the potential in the
open areas [2]. The result after this self-aligned implant is shown in Figure 3.
The presence of enough holes plays a crucial role in fixing the potential for the
regions “beyond control” of the gates. (Is this structure the mother of the
pinned-photodiode or buried diode or hole-accumulation device ?)

[2] Y. Daimon-Hagiwara et.al.,
Proc. 10th Conf. on Solid-State Devices,
Tokyo, 1978, pp.335-340,





●すでに MOS容量型受光素子のVOD機能がF社に
より1975年7月22日に USP3896485 特許が出願されて
いました。

●1975年11月10日にはSONY(萩原)は半導体基板に
受光面がピン止めされた PNP接合のPinned Photodiode で、
かつVOD機能がついた受光素子の構造特許1975-134985
を既に出願していました。

●また、1977年9月29日にはSONY(越智・橋本・萩原)は
この1975年発明のVOD機能付きのPinned Photodiodeに
も適応できる、電子shutter駆動手法の特許1977-126885を
既に出願しています。

●1978年出願の東芝の山田さんの、VOD機能を目的とした
NPN接合型の受光素子の特許出願しましたが、1975年と
1977年のSONYのVOD特許が先行します。


●東芝の吉田さんの特許の出願に関してその功績を
たたえるのはたいへん難しいです。しいて言えば、

吉田さんはVODを出願特許の最大の目的と位置
づけて特許を出願したことですが、それでも先行
特許がありますので、無効です。

●寺西さんの1982年の特許は埋め込みN層が完全
に空乏化できる電圧を30 ボルト以下にすることを
特徴とする特許を出願しました。

●SONY(萩原)はSSDM1978の論文ですでにFT CCD
に採用された PNP接合型受光素子(PPD)が20 ボルト
以下で動作していることを報告しました。

●いずれにせよ、寺西さんの1982年の特許は無効と
なります。山田さんの1978年特許も無効となります。

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●1975年以前はType (0) のN+P接合型受光素子と
 SONYの一社のみ注力したType (2,3)のCCD・MOS
 容量型受光素子の2種類したありませんでした。

●1975年11月10日にSONY(萩原)は特許1975-134985を
  出願し、Type (1) の受光素子を発明しました。

 SONY(萩原)は、半導体基板に、受光部表面がピン止め
 電圧固定された、PNP接合型の受光素子を考案しました。
 後に Pinned Photodiodeと呼ばれる受光素子でした。

 この受光構造は 1978年の萩原のSSDM1978の論文では
 表面にボロン原子を高濃度に 2 x 10 の 13乗 per 平方 cm
 の高濃度をイオン打ち込みすることを報告しました。

●実際のこのイオン打ち込み濃度Profileは ガウス関数
 分布となり、表面が非常に濃きピーク濃度となります。

 このガウス分布関数になることがたいへん重要です。

この事実は、なかなか内容が専門的で、一般の世界の
著名な学識経験者でも、イメージセンサーの専門家で
ない人たちには関心がなく、また理解する努力もして
いただけないのが現状です。

萩原にはたいへん悲しいところです。




 シリコン基板深くになると、P+の濃度が薄くなる濃度
 勾配があり、実際には、P+N-P接合ではなく、実効的に 
 P+NN+P接合型受光素子となります。その為に表面の
 濃度勾配P+Pによるバリア電界が効率良くシリコン表面
 の 0.2 ミクロンまでしか透過しない、短波長青色光も
 非常に効率よく光電変換が実現し、イメージセンサーの
 色再現感度を向上します。

 これはまったく今までにない光電変換原理によるものです。


 その原理を利用してまず萩原は裏面照射型の 受光面が
 ピン止めされたN+NP+NP 接合型受光素子構造が1975年
 10月23日にに初めて特許出願しました。

 (出願特許1975-127646 を参照)。

 また、同日には、さらに、受光面がピン止めされたN+NP+N
 接合型受光素子を1975年10月23日に出願しています。

 (出願特許1975-127647 を参照)。

 この2つの出願特許、1975-1276461975-127647が世界で
 はじめての受光面がピン止めされたN+NP+N接合型、すなわち
 NECが1982年のIEDM1982で報告した、埋め込みPhotodiode
 の Original の発明であり、後に KODAKが1984年のIEDM1984     で報告した、Pinned Photodiode の Original の発明です。

 さらに1975年11月10日には、萩原は出願特許 1975-134985 の
 中で、基板の、表面がピン止めされた PNP 接合型の埋込み
 Photodiode、後に Pinned Photodiodeと呼ばれるようになった
 受光素子を発明しています。この特許出願の中で、この受光素子
 の埋込み層が完全に空乏化している電位図を明示し、この受光
 素子が完全電荷転送機能があることを明示しています。この受光
 素子が残像のない映像を実現することを意味します。またこの
 出願特許の中で、この受光素子構造がVOD機能を持つ構造である
 ことを明示しています。

 さらに 1977年9月29日にはもとSonyの越智・橋本・越智はこの
 VOD 機能付きの残像のないPinned Photodiodeにも適応可能な
 電子Shutter 機能を可能にする、VODのDrain 端子電圧を従来は
 一定固定値を取るところに、CLOCK駆動をする手法を考案しました。
 
 特許出願 1977-126885 参照。

 さらに萩原は以下の学会でその詳細を学会発表しています。

 SSDM1978 Paper
 
 IEEE EDS Jounal of Electron Device 1996 Paper
 
 IEEE 3DIC Conferece 2019 Paper
 
 
IEEE EDTM2020 Paper

 1978年のSSDM1978の論文発表の後、萩原はその功績が
 評価され、翌年の1979年には UKの Scotland の Edinburgh
 で開催の、CCD79 Conference で招待講演を受けています。

 CCD79 Conference Paper

 また、世界的な Image Sensorの Prof. Albert Theuwissen
 IEDM2005の論文の中で、萩原の SSDM1978Paper を引用して
 以下の様に 「萩原が NECの埋込み Photodiode、Kodakの
 Pinned Photodiode、SONYのHADの生みの親(Mother)と、
 すなわち、この3つの「子供たち」の発明者だと賞賛しています。



この事実は、なかなか内容が専門的で、一般の世界の
著名な学識経験者でも、イメージセンサーの専門家で
ない人たちには関心がなく、また理解する努力もして
いただけないのが現状です。

萩原にはたいへん悲しいところです。


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Type(0), Type(1) とType(2, 3)の受光素子を
下記Slideの図で比較しています。

黄色で示した領域には電界バリアが存在に光電
変換により電子とHOLE のPairが効率よく分離され、
再結合することなく量子効率に貢献します。

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

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●1975年以前はType (0) とType(2,3) が主流でした。

 1975年以前はType (0) のN+P接合型受光素子と
 SONYの一社のみが、Type (2,3)に注力していました。

 Type (0) のN+P接合型受光素子は表面型受光素子で
 N+層が浮遊状態で残像がありました。また短波長青色光
 の感度もあまりよくありませんでした。


 Type (2,3)は、CCD MOS 容量型受光素子です。
 残像がなく、短波長青色感度もほどほどありました。
 しかしMOS型でシリコン表面に強い電界があり、
 表面暗電流が大きく、白点が多発し量産性に乏しい
 受光構造でした。

●1975年11月10日にSONY(萩原)は特許1975-13を出願し、
 Type (1) の、半導体基板に 受光部表面がピン止め電圧
 固定された、PNP接合型の受光素子を考案しました。この
 受光構造は 1978年の萩原のSSDM1978の論文で表面に
 ボロン原子を高濃度に 2 x 10 の 13乗 per 平方 cm
の高濃度をイオン打ち込みすることを考案しました。

●実際のこのイオン打ち込み濃度Profileは ガウス関数
 分布となり、表面が非常に濃きピーク濃度となります。

 このガウス分布関数になることがたいへん重要です。

この事実は、なかなかイメージセンサーの専門家でないと
理解が難しいです。また一般の方々には、関心がなくまた
理解する努力もしていただけないのが萩原にはたいへん
悲しいところです。これが本当は超感度の正体です。


非常に新規な画期的なアイデアなんですが、、、。



 シリコン基板深くになると、P+の濃度が薄くなる濃度
 勾配があり、実際には、P+N-P接合ではなく、実効的に 
 P+NN+P接合型受光素子となります。その為に表面の
 濃度勾配P+Pによるバリア電界が効率良くシリコン表面
 の 0.2 ミクロンまでしか透過しない、短波長青色光も
 非常に効率よく光電変換が実現し、イメージセンサーの
 色再現感度を向上します。これはまったく今までにない
 光電変換原理によるものです。その原理を利用してまず
 萩原は裏面照射型の 受光面がピン止めされたN+NP+NP
 接合型受光素子(特許1975-127646)と受光面がピン止め
 されたN+NP+N接合型受光素子を1975年10月23日に
 出願しています。 この2つの特許が世界ではじめての
 受光面がピン止めされたN+NP+N接合型、すなわち埋め込み
 Photodiodeの発明であり、後に Pinned Photodiodeと
 呼ばれる受光素子の発明となります。


この事実は、なかなか素人さん(半導体歴史館や発明協会や
世界の学識経験者でイメージセンサーの専門家でない人たち)
には関心がなくまた理解する努力もしていただけないのが
萩原にはたいへん悲しいところです。


Type(0), Type(1) とType(2,3)の受光素子を
下記Slideの図で比較しています。黄色で
示した領域には電界バリアが存在に光電
変換により電子とHOLE のPairが効率よく
分離され、再結合することなく量子効率に
貢献します。



●Type(0)の N+P接合型受光素子の欠点はN+層がFloatingのため
  残像があります。またシリコン表面に信号電荷が蓄積しシリコン
  表面には電界がなく電位は Flatです。海の上で蒸発した雨雲から
  雨が降っても海に戻るだけで人間には役に立ちません。それと
  同様に、この場合、シリコン表面で光電変換する、短波長青色光
  で生まれて電子とHoleは、その場に電界がなく、完全分離できず、
  その場にじっとしているだけで、いずれ再結合して熱になります。
  だからType(0)の N+P接合型受光素子は残像があるだけでなく 
  短波長青色光の感度が悪いです。

●Type(1)の P+PN+P接合型の Pinned Photodiodeは短波長青色光の
  受光素子としては最適です。また、N+を極端に濃い濃度 (Nd )にして
  その分布幅 Wd を 極端に狭くすることにより、再結合する領域を最小
  にすることが可能です。しかし、信号電荷量 Qd = Nd*Wd で決定
  されますので、その分布幅 Wd を 極端に狭くしても、イオン打ち込み
  技術で、できるだけ、埋込みN+層を極端に濃い濃度 (Nd ) に保つ
  ことにより、充分な信号電荷量 Qd = Nd*Wd が確保できることが
  理解できます。


●Type(2,3) では、薄い Polysiliocn 電極を採用した MOS容量型の
  受光素子ですが、これもシリコン表面に信号電荷を蓄積します。
  シリコン表面の反転層で蓄積しますので、その反転層の深さ方向
  の幅は狭いです。薄い Polysiliocn 電極を透過した光は効率よく
  光電変換が可能です。しかし、やはり薄い Polysiliocn 電極の形成
  にも限界があります。薄い Polysiliocn 電極の光の透過率は100%
  ではありません。その結果、短波長青色感度はありますがほどほどです。



●太陽光は短波長光の紫外線が豊富です。太陽光電池の効率化のために
  このP+PN+P接合型の Pinned Photodiodeが有望ですね。。。


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