Slide_2020_07_03 by Yoshiaki Daimon Hagiwara


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萩原はすでに 1975-127647 特許の図7に受光表面高濃度P+層を
基板電位にピン留めしたフォトダイオード(埋め込みダイオード:
Buried Photodiodeと呼んだ)のN層の電位と、外部回路への転送
ゲートの電位の関係を詳細に図示し、空乏化したN層の電位を
転送ゲートのチャネル電位より所要値以上に高く保ち、信号電荷
を完全に転送して残像の発生し様子を図7に明示しています。

http://www.aiplab.com/image14.jpg

http://www.aiplab.com/image7.jpg



萩原が1975年出願のアイデアが1980年になり広く理解
されることになりました。そして1978年のSSDM1978年の
萩原のPPDの発表が皮切りとなり、NEC,KODAKが追従しました。

このN層電位に注目したピン留めフォトダイオードの動作原理
に基づく設計指針が広く研究され、今日のCCDやCMOSイメ-ジ
センサ用のピン留めフォトダイオードとして標準化された。

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萩原はまた1975年の1975-127646特許において、サイリスタ―型の
N+N-P+NP接合型受光素子、すなわち、N- 型基板の受光面に
N+NP+接合フォトダイオードを形成し、そのP+層 (エミッター)を
信号電荷の蓄積部として、N層に接続したP層(ベース領域)を
空乏化(パンチスルー状態)にすることで、信号電子をP+層(エミッター)
から電荷転送MOS電荷直下のN型領域にすべ移動する動作原理を、
萩原は日本語特許1975-127646特許の図7に明示しています。

萩原は1975年のこの特許の中で、受光部の空乏化
(パンチスルー状態)の動作原理を考案しています。

http://www.aiplab.com/JP1975-127646_A.jpg

これがヒントとなり、また、PNPN接合型サイリスタ―の
受光素子を考案、発明し、特許1975-134985を出願し、
その受光素子が、縦型OverflowDrain (VOD) 動作
機能を有することを明示しています。

http://www.aiplab.com/image7.jpg

1975年に萩原は、P1/N/P2/Nsub接合サイリスタ―型受光素子、
すなわち、Nsub型基板にP1/N/P2接合の埋込み型のPinned
Photodiodeを形成し、N層の/P2層を空乏化(パンチスルー状態)
にすることで、P2領域の電位を深くし、過剰電子をNから
Nsub基板にすべて掃き出すことが可能な、縦型オーバーフロー
ドレイン(VOD)構造を 提案しました。

それまでの横型オーバーフロードレイン(LOD)が不要となり
画素面積が縮小されるので、イメージセンサに広く適用された。

今日では、ほとんどのCCDイメージセンサ、CMOSイメージ
センサにこのVODとピン留めフォトダイオードが組み合わされて
適用されるようになったのは SONYの萩原の1975-134985特許が
その起爆剤となり世界を刺激し、東芝、NEC、KODAKが追従し
最後にSONYの浜崎チームが SONY HAD = PPD+VODの受光
素子を ILT CCD Image Sensorに採用して 完成となりました。

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

大変難しい文言ですが、この内容を曲げた内容が上記内容に関して、
歴史館のWEB記事には記載されていています。しかし、主語が違い、
NECの寺西さんと東芝の山田さんになって記載されています。

これは事実誤認です。主語は萩原であるべき内容です。

掲載の訂正を強く希望します。

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(1)SONYの1975年当時の Image Sensorの開発背景について
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萩原は、SONYに1975年2月20日に入社し、すぐに横浜にある
SONY中央研究所情報処理研究室(吉田博文室長)に配属されて
CCD Image Sensorの研究開発に従事しました。

SONYは当時撮像管を商品化していましたが撮像管は特に残像
がひどいでした。CCDには残像がなく、SONYには大変魅力でした。

Image Sensor は 主に、(1)光を信号電荷に変換する受光部と
(2)信号電荷を Image Sensor の外部出力端子まで信号電荷を
外部へ転送する電荷転送装置の2つの主要な部分で構成されます。

萩原が1975年SONYに入社した時点では SONYは(1)受光部は
CCDMOS容量型の受光素子を採用し(2)電荷転送装置としても
CCD型を信号電荷転送装置を採用して Image Sensorを本命と
していました。当時受光部はSONY以外はN+P接合容量型の受光
部を採用していました。

萩原は1975年に受光部として P+NPN接合型の受光素子を
発明しましたが、当時SONYはCCDMOS容量型の受光素子を
本命として採用されることはありませんでした。その後1978年
には東芝の山田さんがVOD機能を持つN+PN接合型の受光素子
を提案しました。そして1980年にはNECの寺西さんが残像の
ないPNP接合型の受光素子を提案しました。

しかし、よく考えると、1978年の東芝の山田さん考案のVOD機能
を持つ、N+PN接合型の受光素子も、
1980年のNECの寺西さん
考案のPNP接合型の埋込み型受光素子も、萩原が1975年発明
した、表面がピン止めされ、N層を埋め込み層とする、PNPNsub
接合(サイリスター)型受光素子に含まれる構造です。半導体
デバイス物理を理解している見識者がこの3つの受光構造を
比較吟味してみましょう。

すぐに、すでに1975年時点で、

(1)1978年の東芝の山田さん考案の
   VOD機能を持つN+PN接合型の受光素子
も、

(2)1980年のNECの寺西さん考案の
   PNP接合型の埋込み型受光素子も、

1975年時点では「周知情報」であったと理解が可能です。

しかしそれがなかなか一般の素人さんにはご理解を
まだまだ、いまだにいただけていないのが現実です。

現在多大な誤解が世界に広がっています。






1975年萩原がSONYに入社時は、SONYは、

(1)CCDMOS容量型の受光素子を採用していました。
(2)CCD電荷転送装置を本命としていました。

SONYはこの構造を本命として研究開発が行われていました。

一方、当時日立は、

(1)N+P接合を受光素子として本命としていました。

  残像がひどく、青色感度も実はあまりベストではありません。

(2)またMOS型電荷転送装置を本命としていました。

   配線容量(C)雑音と熱(kT)雑音(CkT雑音)がひどいでした。

一方、当時NEC日電は

(1)N+P接合を受光素子として本命としていました。

  残像がひどく、青色感度も実はあまりベストではありません。

(2)CCD電荷転送装置を本命としていました。

   完全電荷転送が実現し、配線(C)雑音も熱(kT)雑音も小さいでした。
   しかし、CCDの大容量MOSの充放電による消費電力は大きいでした。



日立もNECも良好な画像をすでに実現していましたが
SONYはなかなか良好な良品Chipが完成しません。

SONYは 撮像管をビデオカメラに採用しており、その
残像特性の悪さが問題で、CCDMOS型の受光素子と
電荷転送装置の両方を本命としていました。

そのぶん、目標特性が高く、SONYは 苦労していました。

当時、萩原が1975年に優れた発明をしていることを知り、
それを理解している方は、SONY社内では半導体デバイス
物理を理解した方は皆無でした。

中研の菊池所長も理解していませんでした。
CCD開発TOPの川名さんも、CCDカメラ開発
TOPの越智さんも萩原の発明の良さを理解
していませんでした。

萩原は当時まだ26歳の青年技術者です。
そんな若造の話にSONYはだれも聞く耳を
持ちませんでした。

そこで萩原は当時TOPの岩間和夫氏に
直訴して説明しました。

岩間和夫氏は大学時代物理学を専攻していました。
幸運にも、SONYのトランジスタ開発の最高責任者
でした。トランジスタ―の構造や動作原理を充分に
理解した半導体デバイス物理の最高の見識者です。

岩間さんはすぐに26歳の若造の萩原の説明を理解し、
萩原が発明したP+NPNsub接合型の受光素子の原理
試作がすることが承認されました。

まわりでは「萩原が岩間和夫副社長に直接直訴した」
ということで、中研の菊池所長、CCD開発TOPの越智
さんの権限を無視した行動だと冷ややかな目で萩原
は非難を受けることになりました。SONY社内では大変
萩原はくるしい立場での開発となりました。

しかし、CCDのプロセスラインの仲間の、狩野課長、
阿部元昭係長、松本博行さんたちは、萩原がすでに
1971年と1973年にSONY 厚木工場での Bipolar
製造ラインの自習生でプロセスラインに入って実習
していた経験がある事をご理解しており、たいへん
萩原に協力的で、中研のCCDのプロセスラインに
萩原自身に入り、萩原の発明した受光素子の原理
試作を進めることができました。

そして 1977年と1978年に2回その成果を
SSDMの学会で発表することができました。

(1) Y. Hagiwara "Two Phase CCD with Narrow Channel Transfer Regions"
Japanese Journal of Applied Physics, Vol 17 (1978) Supplement 17-1, pp.255-261

(2) Y. Hagiwara, M. Abe, C. Okada,
"A 380H X 488V CCD Imager with Narrow Channel Transfer Gates"
Japanese Journal of Applied Physics, Volume 18
Sup 18-1, pp.335-340 November 1979


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

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

なかなかSONYが本命としたMOS型は原理的に
シリコン表面に強い電界がかかります。

シリコン表面の結晶性の不整合性が原因で表面
暗電流が発生し、白点は暗電流ムラが多発します。

なかなか良品Chipができませんでした。

他社は、受光部をCCDMOS容量型でなく、
N+P接合型を採用しており、Chipのプロセス
工程も単純にすることが可能でした。

歩留まりも良く、きれいな映像をすでに
手にしていました。

しかし、SONYは残像にこだわり、プロセスが
難しい、CCDMOS容量型の受光素子を受光部
に採用していました。

他社がいい映像を実現している中、SONYは
なかなかいい良品Chipができません。多額の
研究費が重なる中なかなか結果が出ず、社内
からは「金喰い虫」と呼ばれていました。

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(2)これは下記の歴史館のNEC1980年特許と東芝の1978年
  特許に関する記載記事に関する萩原の反論記事です:

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

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以下の歴史館の記載は事実無根で、間違がった歴史認識です。
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1980年にNECは、表面高濃度P⁺層を基板電位にピン留めした
フォトダイオード(埋め込みダイオード:Buried Photodiode
と呼んだ)のN層の電位と、外部回路への転送ゲートの電位
の関係を詳細に解析し、空乏化したN層の電位を転送ゲート
のチャネル電位より所要値以上に高く保ち、信号電荷を
完全に転送して残像の発生しない動作原理を提示した【7】【8】。
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との上記の歴史館の記載は事実無根で、間違がった歴史認識です。

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萩原はすでに 1975-127647 特許の図7に受光表面高濃度P+層を
基板電位にピン留めしたフォトダイオード(埋め込みダイオード:
Buried Photodiodeと呼んだ)のN層の電位と、外部回路への転送
ゲートの電位の関係を詳細に図示し、空乏化したN層の電位を
転送ゲートのチャネル電位より所要値以上に高く保ち、信号電荷
を完全に転送して残像の発生し様子を図7に明示しています。

http://www.aiplab.com/image14.jpg



http://www.aiplab.com/image7.jpg



http://www.aiplab.com/image6.jpg



萩原はすでに 1975-127647 特許の図7に受光表面高濃度P+層を
基板電位にピン留めしたフォトダイオード(埋め込みダイオード:
Buried Photodiodeと呼んだ)のN層の電位と、外部回路への転送
ゲートの電位の関係を詳細に図示し、空乏化したN層の電位を
転送ゲートのチャネル電位より所要値以上に高く保ち、信号電荷
を完全に転送して残像の発生し様子を図7に明示しています。

http://www.aiplab.com/image14.jpg

http://www.aiplab.com/image7.jpg



萩原が1975年出願のアイデアが1980年になり広く理解
されることになりました。そして1978年のSSDM1978年の
萩原のPPDの発表が皮切りとなり、NEC,KODAKが追従しました。

このN層電位に注目したピン留めフォトダイオードの動作原理
に基づく設計指針が広く研究され、今日のCCDやCMOSイメ-ジ
センサ用のピン留めフォトダイオードとして標準化された。


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また、以下の歴史館の記載は事実無根で、間違がった歴史認識です。
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1978年に東芝から、N型基板PウエルにPN接合フォトダイオードを
形成し、N層直下のP層を空乏化(パンチスルー状態)にすることで、
過剰電子をN層からN型基板にすべて掃き出す縦型オーバーフロー
ドレイン(VOD)構造が 提案された【9】。
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との上記の歴史館の記載は事実無根で、間違がった歴史認識です。

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萩原はまた1975年の1975-127646特許において、サイリスタ―型の
N+N-P+NP接合型受光素子、すなわち、N- 型基板の受光面に
N+NP+接合フォトダイオードを形成し、そのP+層 (エミッター)を
信号電荷の蓄積部として、N層に接続したP層(ベース領域)を
空乏化(パンチスルー状態)にすることで、信号電子をP+層(エミッター)
から電荷転送MOS電荷直下のN型領域にすべ移動する動作原理を、
萩原は日本語特許1975-127646特許の図7に明示しています。

萩原は1975年のこの特許の中で、受光部の空乏化
(パンチスルー状態)の動作原理を考案しています。

http://www.aiplab.com/JP1975-127646_A.jpg

これがヒントとなり、また、PNPN接合型サイリスタ―の
受光素子を考案、発明し、特許1975-134985を出願し、
その受光素子が、縦型OverflowDrain (VOD) 動作
機能を有することを明示しています。

http://www.aiplab.com/image7.jpg

1975年に萩原は、P1/N/P2/Nsub接合サイリスタ―型受光素子、
すなわち、Nsub型基板にP1/N/P2接合の埋込み型のPinned
Photodiodeを形成し、N層の/P2層を空乏化(パンチスルー状態)
にすることで、P2領域の電位を深くし、過剰電子をNから
Nsub基板にすべて掃き出すことが可能な、縦型オーバーフロー
ドレイン(VOD)構造を 提案しました。

それまでの横型オーバーフロードレイン(LOD)が不要となり
画素面積が縮小されるので、イメージセンサに広く適用された。

今日では、ほとんどのCCDイメージセンサ、CMOSイメージ
センサにこのVODとピン留めフォトダイオードが組み合わされて
適用されるようになったのは SONYの萩原の1975-134985特許が
その起爆剤となり世界を刺激し、東芝、NEC、KODAKが追従し
最後にSONYの浜崎チームが SONY HAD = PPD+VODの受光
素子を ILT CCD Image Sensorに採用して 完成となりました。

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http://www.aiplab.com/JP1975-127646_A.jpg










それまでの横型オーバーフロードレイン(LOD)が不要となり
画素面積が縮小されるので、イメージセンサに広く適用された。

今日では、ほとんどのCCDイメージセンサ、CMOSイメージ
センサにこのVODとピン留めフォトダイオードが組み合わされて
適用されるようになったのは SONYの萩原の1975-134985特許が
その起爆剤となり世界を刺激し、東芝、NEC、KODAKが追従し
最後にSONYの浜崎チームが SONY HAD = PPD+VODの受光
素子を ILT CCD Image Sensorに採用して 完成となりました。

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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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