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





P+NP 接合型の受光素子、

(1)青色光超感度で
(2)低暗電流雑音、かつ
(3)残像のない、

この、3つの重要な特徴を持つ受光素子、
すなわち、一般に、Pinned Photodiode と呼ばれ、
別称、SONY Hole Accumulation Diode ( HAD)は、

もとSONYの萩原良昭が1975年に発明した。



その根拠として、萩原の 1975年出願の3件の
日本国出願特許と、1978年に萩原が東京で開催の
国際学会SSDM1978で発表した学会論文があります。

特願1975-127646

特願1975-127647

特願1975-134985


“A 380H X 488V CCD Imager with Narrow Channel Transfer Gates “
Proceeding of the 10th Conference on Solid State Devices (SSDM1978),
Tokyo 1978; Japanese Journal of Applied Physics, Volume 18 ,
Sup 18-1, pp.335-340 November 1979


萩原の 1975年出願の3件の日本国出願特許と、
1978年の国際学会SSDM1978での論文と、もう1つ
1979年出願の日本国出願特許(1979-51318) から
以下の6つの事実が結論できます。

(1)青色光超感度特性
(2)低暗電流特性
(3)残像のない映像特性
(4)縦型VOD機能
(5)CMOSに不可欠な Global Shutter用の
in-pixel Buffer Memory機能
(6)電子shutter 機能、および 
γ特性機能 (Dynamic Range向上)

この6つの特徴機能はすべて萩原の発明である。

(1)~(3)の特徴をもつPhotodiodeは 
Pinned Photodiodeと呼ばれるもので、
Pinned Photodiodeは萩原の発明です。

(1)~(4)の特徴をもつPhotodiodeは 
SONY Hole Accumulation Diode (HAD) と
呼ばれるもので、SONY HAD も萩原の
発明です。SONY Hole Accumulation
Diode (HAD) は VOD機能をもつ、
Pinned Photodiode そのものです。


(5)の Global Shutter 機能は CMOS
Image Sensorには不可欠な機能ですが
これも萩原の1975年の発明です。この
事実も世界は知りません。現在、萩原の
母校の Caltechの研究者による発明と
なっていますが、それは萩原の1975年
発明の派生特許です。Buffer Memory
には MOS容量と拡散容量が可能ですが
Caltechの特許は拡散容量を採用した
派生特許です。USP特許に1990年代
になり登録されました。

Buffer Memoryとして1970年代には
すでに MOS容量と拡散容量がある
ことは周知ですので、このCaltechの
特許は当然類推できるものとして
無効特許として攻撃も可能でしたが
SONYは商売で儲かっていたので、
金額も数億円程度なので攻撃しません
でした。萩原の母校でもあり、SONYと
Caltechは友好関係を構築しました。


(6)従来のMOS Image Sensorには Rolling
Shutterによる distortion が生じ、車など
が走行するとき、縦線が横に流れて、車
がひし形に映る欠点があった。それを
各絵素に Buffer Memory を装備し、
Global Shutter 機能を実現する必要が
あった。このCMOS に不可欠な Global
Shutter 機能も 1975年の萩原の発明
です。また、電子shutter や Dynamic
Range の向上のためのガンマ―特性を
映像信号に持たせる、VODの駆動方式
も萩原の発明(特許 1979-51318 ) です。


越智、橋本、萩原の連名での特許出願
でした。アイデアは萩原ですが、セット事
からのカメラの電子shutter の特性要求
に対して、越智さん、橋本さんのニーズに
萩原が半導体デバイスの専門家として
アイデアを提供し、特許にまとめましたが
いつのまにか、越智課長と橋本係長の
あとに萩原が最後に連名で出願した形
になってしまいました。当時のことを
はっきり記憶していません?いずれに
せよ、これも萩原のアイデアで越智さん
と橋本さんが上司として上に乗っかり
ました(涙)。

セットとしては重要な特許だったから
でしょう??

非常に重要な「電子の目」の機能です。

最終目的は、発明協会のWEB掲載の訂正です。

すでに東京工業大学の若林整教授が発明協会の
ドアをたたいてくれましたが、
「萩原は社会認知されていない」という理由で
門前払いを喰らいました(大涙)。

エリザベス女王賞は、日本の発明協会の間違った
WEB掲載が一役からんでいるのかも、と視察します。

すでに寺西さんは Pinned Photodiodeの発明者として
NECの会社の支援もあり、日本国内の賞を総なめして
おりました。それをSONYも、当時の半導体TOPも、
商売が忙しく、萩原も他の分野で仕事しており、
その社外の動向には完全に無知でした。

問題はSONYの態度と萩原自身にありました(大涙)。


「今さら何を?」とお叱りを受けっても仕方のない
状況ですが、どうか、萩原が「社会認知される為」に
ご尽力の程をおねがいもうしあげます。




●image sensor の重要な開発背景



(1)N+P接合型の受光素子を採用した
 MOS型電荷装置のImage sensor は
 1960年代にはすでに考案され実用化
 したいた。


(2) 1969年には英国の Peter Noble が
  N+P接合型の受光素子を採用した
  MOS型電荷装置のImage sensor の
  各画素( pixel )に source follower
  型電流増幅回路( in pixel amp 回路)
  を考案したが、MOSの微細加工
  技術がまだ未熟で各画素にこの3つの
  余分な MOS Transistorを組み込む
  事は不可能だった。



(3)1970年になり表面型のCCDが発明された。
 1974年には 埋め込み型CCDの転送効率が
 99.999%にも近い値を持つことが注目され
 Image Sensorの電荷転送装置として脚光
 を浴びた。当時はまだN+P接合型の受光
 素子が主流であった。

(4) 1975年もとSONYの萩原は基板にP+NP接合
 型の受光素子を発明した。3件の日本国特許
 を発願した。●特許の中ですぐれた青色感
度特性がある事を強調した。そしてまた、
 ●特許の実施例図では、この受光素子が
 完全電荷転送を可能にした、残像のない特性
 を持つ事を明示した。さらに、●縦型 overflow
drain 機能(VOD)が構造上組み込まれている
 事を明示した。また、その実施応用例は、
 当時有望視されたいた、Interline Transfer方式
 のCCD型電荷転送装置への応用だった。










(5) 1978年にはそのP+NP接合型受光素子を
採用した、Frame Transfer型のCCD電荷
転送方式の Image Sensorの原理試作に
 萩原は成功し、国際学会SSDM1978にて
 学会発表した。そこでこの受光素子が、

 ●すぐれた青色光の超感度特性を持つこと
 ●表面のP+層に守られ、暗電流雑音が
   非常に少ない特性を持つ事を報告した。








(6)この構造は後に Hole Accumulation Diodeと
 SONYは命名し、商標登録したが、その開発
 には、たて型 overflow flow drain (VOD)機能
 を持たせた、P+NPNsub構造としており、
 その開発と生産化を優先し、1984年以後と
 遅れた。その間、SONYは量産化を優先し、
 国際学会での技術発表をしていなかった。
 SONYが量産技術を優先したいる間に、NEC
 とKODAKも同様な開発努力をしており、
 NECは IEDM1982で、埋め込みPhotodiode
 の名称で、さらに、IEDM1984では、KODAK
 が、Pinned Phiotodiodeの名称で学会発表
 した。しかし、NECの埋め込みPhotodiodeも
 KODAK社のPinned Phiotodiodeも萩原が
 1975年に特許出願し、1978年にSSDM1978で
 萩原が学会発表した、P+NP接合型の受光
 素子そのものであった。




(7) 1975年の3件の特許と1978年の学会発表で
   萩原発明の基板に P+NP接合を形成した
  受光素子が次の4つの特徴を持つことを
  萩原は明示したことになる。

 (i) すぐれた青色光の超感度特性を持つこと

(ii)表面のP+層に守られ、暗電流雑音が
   非常に少ない特性を持つこと

 (iii)完全空乏化電荷転送を実現した、
   残像のない特性を持つこと

 (iv)縦型 overflow drain 機能(VOD)が構造上
組み込まれている事.


現在、このPNP接合型受光素子は NECの寺西の
IEDM1982年の学会発表以後、別名で、「埋め込み
型Photodiode」と呼ばれるものである。また、
1984年のKODAK社による、EDM1982年の学会発表
以後、別名で、「 Pinned Photodiode」と呼ばれ
るものである。また、その後、SONYはさらに別名
の、SONY Hole Accumualtion Diode(HAD)と
呼ぶものとなった。


しかし、NECの「埋め込み型Photodiode」も、
KODAKの「Pinned Photodiode」も、SONYの 
Hole Accumualtion Diode(HAD)もまったく
同一のもので、すべて萩原が1975年に発明した, 
基板に P+NP接合型の受光素子構造である。

従って、NECの「埋め込み型Photodiode」も、
KODAKの「Pinned Photodiode」も、SONYの 
Hole Accumualtion Diode(HAD)も、すべては、
1975年に特許出願し萩原良昭が発明したものである。










Pinned Photodiode は 表面に濃いP+層を有し、
このP+層は、hole accumualtion でもあり、Sony
の商標の hole accumulation diode (HAD)の語源
でもある。

また、表面のP+層は電圧が固定(ピン留め)されている
ことから、Pinned Photodiodeと一般に呼ばれることになった。

しかし、SONY HADと Pinned Photodiodeは同じ構造で、
1975年にもと SONYの萩原良昭が発明した受光素子構造
である。その構造は、以下の3つの優れれた特徴を持つ。

(1)優れた青色量子効率の特徴
(2)優れた低暗電流雑音の特徴
(3)残像のない映像の特徴


以下にその3つの特徴を説明します。


(1)優れた青色量子効率の特徴

表面近傍のP+層の濃度勾配を利用した、バリア
ポテンシャルにより生じる電界が効率よく電子と
Holeを分離し、量子効率の優れた光電変換を実現する。


(2)優れた低暗電流雑音の特徴

表面の酸化膜とP+層の界面の電位は固定(ピン
留め)されることにより、酸化膜とシリコン結晶
体の界面には電界がなく、界面の原子構造の
不完全性により生じる暗電流が完全に抑止され
非常に暗電流雑音の少ない映像を可能にしている。

(3)残像のない映像の特徴

また、このP+NP型の受光素子は、電荷蓄積部の
N層が埋め込み型をしており、埋め込み型CCDの
完全電荷転送と同様に、このP+NP型の受光素子も
完全電荷転送が実現可能であることを1975年考案の
萩原の3つの日本国特許の実施図に明示している。


この3つの特徴を持つ、受光素子を1975年にもと
SONYの萩原良昭は発明した。


基板にP+NP接合型の光感知ダイオード(photodiode)
をもとSONYの萩原良昭が1975年に発明した。

萩原良昭は1975年に3件の日本国特許、

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

を出願した。

2つの1975年特許の、(1)1975-127646と (2)1975-127647
では、実効的に、タイプ(1)の P+NP接合型の光感知用の
ダイオード (photodiode)を考案発明した。

この受光素子の表面近傍では、実は、P+P型の濃度勾配を
持ち、バリアポテンシャルの電界の存在により、効率よく
電子とHoleの電界分離が実行でき、量子効率に優れた光電
変換を可能している事を萩原は特許の実施図に明示した。


3つ目の特許の (3)1975-134985では、基板に、トランジスタ―
型の、P+NP接合型の光感知ダイオード(photodiode)を
形成すると定義した。


1975年の萩原特許では,基板にPNP接合を形成するとしている。

一方、1978年の東芝の山田特許では、基板にNP接合を形成とし、
また、1980年のNECの白井・寺西特許では、基板にPN接合を
形成するとしている。

この2つは基板にダイオードを形成するとした特許である。

一方の、SONYの萩原の1975年の特許は、基板にトランジスタ―
型のPNP接合を形成するとした特許である。

もとSONYの萩原良昭がの1975年に考案した3件の特許構造が

1978年の山田特許 1980年の白井・寺西特許

両方の構造を含む、複合体の発明であることは自明である。

従って、1978年の山田特許と1980年の白井・寺西特許の構造は
1975年時点ですでに周知構造となる。

従って、1978年の山田特許と1980年の白井・寺西特許は無効である。

しかしながら、SONYは最終的に東芝特許とNEC特許とは、
クロスライセンス関係があり、特許を自由にお互いに利用
できる立場にあり、特許問題は存在しない状態にSONYは
現在ある。SONYはNECに対しても東芝に対しても無効裁判
を起こす必要はない。歴史的にはNECとSONYがクロスライセンス
を持つ以前には、事実、NECからSONYは多額の特許使用料の
請求を、1980年の白井・寺西特許を武器に攻撃を受けていたが
SONYは萩原の1975年の特許を武器に完全にNECの主張を
跳ね飛ばしている。その結果、NECは逆にイメージセンサーの
ビジネスから撤退したという結果が生じている。また、KODAK社
も同様にIEDM1984で世界で初めて Pinned Photodiodeと
命名した受光素子を発表したが、このKODAKのPinned
Photodiode特許もSONYは萩原の1975年特許を武器に無効
であることを主張し、KODAKの主張を完全に跳ね飛ばしている。

SONYはKODAK社とは、萩原の1975年の特許を武器にSONYに
有利な立場でKODAK社ともクロスライセンス関係を勝ち得た。




また、SONYのHADは実際には 縦型OFD構造(VOD)を持つPinned Photodiodeである。


すなわち、VOD付きのHole Accumualtion Diode の、 PNPN接合構造と定義される。

VOD基本特許で、米国 Fairchild社も SONYを相手取り、当時の金額で、600億~800億円
とも言われる多額の特許使用料をSONYに請求していた。

その裁判は1991年にはじまり、米国最高裁の判断が2000年に下されるまで、
10年間におよびSONYとFairchild社は特許戦争を繰り広げることになった。

しかし、これもSONYは萩原の1975年の特許を武器にこの特許戦争でも勝利を得た。







萩原の1975年の特許に守られ、SONYは、image sensorのビジネスの基礎を構築した。


萩原の3つの1975年の特許発明と1978年のSSDMの学会での発表は重要な意義がある。

その詳細は、今回、2019年10月に仙台で開催の3次元集積回路の国際学会 3DIC2019
の中で、萩原は世界に対して、初めて1975年の3つの日本国特許の内容を英文で開示した。


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




今までこの3つの特許の詳細は、国際社会には開示されることがなかった。

そのことが、Pinned Photodiodeの真の発明者が別人として誤解される結果を長年招いたいた。

ここに初めて、萩原は国際社会で、「Pinned Photodiodeの発明者が 萩原である」ことを
開示し、説明することができまた・





萩原の1975年の特許は単純だが基本的な構造特許で強力な普遍的
特許である。どのイメージセンサーの受光素子として、過去には
CCDイメージセンサーに採用され、現在では広くCMOSイメージ
センサーに採用され、今なお、3つの優れた特徴をもつ受光素子
として採用され活躍している。


(1) 優れた青色量子効率の特徴
(2)優れた低暗電流雑音の特徴

一般に基板はNタイプ、Pタイプ、または、Intrinsinc
タイプが可能であることは周知である。

従って、通常、次の2つのタイプの光感知ダイオード
(photodiode)の構造が実現可能である。

すなわち、Type(1)のP+NPsub接合型と、Type(2)の
P+NPNsub接合型の光感知ダイオード(photodiode)が
実現可能である。

1978年に萩原はType(1)のP+NPsub接合型の光感知
ダイオード(photodiode)を採用した、Frame Transfer
型CCD電荷転送方式の Image Sensorを開発し、国際
学会のSSDM1978で発表した。

萩原はSSDM1978で次の2つの重要な特性を報告した。

国際学会SSDM1978の学会で、この受光素子が、

(1)優れた青色光の超感度特性と
(2)暗電流が少ないことを報告した。
(3)残像のない映像の特徴

このtype(1)のP+NPsub接合型の光感知ダイオード
(photodiode)は、受光素子の表面近傍では、実は、
表面のP+層は濃度勾配を持ち、実効的に、P+P層を
形成しており、そのバリアポテンシャルの電界の
存在により、電子とHoleの電界分離が効率よく実行
される。従って、大変、量子効率に優れた光電変換を
可能していることを、1975年の2つの特許の実施図で
示唆していた。そしてその特徴をSSDM1978の国際
学会で世界で初めて萩原は報告した。


この事実はあまり世界で現在理解されていない。

光電変換は通常 PN接合の空乏層領域の電界に
より電子とHOLEが分離されるとされるが実際には
その空乏層領域による光電変換ではない。あくまで
表面近傍のP+層の濃度勾配を利用した光電変換に
より、すぐれた青色光の超感度特性を実現している。

まったく違った物理現象によるものである。

また、表面のP+層は、Hole Accumulation 層であり、
その電圧は固定(Pinned留め)されており、電界が
シリコンと酸化膜の界面近傍では存在せず、酸化膜
界面の原子構造に起因する暗電流が抑止できる効果
が期待され、その事実を検証し、国際学会SSDM1978
の学会で、この受光素子が、(1)優れた青色光の
超感度特性と(2)暗電流が少ないことを報告した。

また3件の1975年出願の萩原の特許の実施例には、
(3)CCDの特徴としては、周知であったが、
完全空乏層電荷転送の特徴をもつ。

その結果、残像のないアクション映像を可能にする
特徴を持つことを明示していた。







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

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