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The AIPS ( Artificial Intelligent Partner System ) Home Page 004

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萩原の母校のCaltech での在学時代、萩原は教授から　

The truth shall you make you free.

という言葉を良く授業で聴かされました。

その意味が、萩原は、この歳、70歳になり、しみじみと感じています。

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Pinned Photo Diode was invented by Hagiwara of Sony in 1975

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　　　　　 　　Story of Pinned Photo Diode

Hagiwara at SONY is the true inventor of Pinned Photo Diode

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See ElectronicsStackExchangeSite on What is Pinned Photo Diode ?

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See the four invited talks related to SONY HAD sensor now called also as Pinned Photo Diode.

(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 ISSCC2013 in San Francisco, California USA

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Hagiwara was invited in these international conferences because of his contributions

to the image sensor community and related digital system LSI chip design works.

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半導体産業人協会主催の２つの秋季半導体技術講座の紹介です。



（１）2018年11月1日～2日開催の半導体入門講座の案内

　 　　　2018年度 秋季入門講座カリキュラム詳細版


（２）2018年11月5日～6日開催の半導体ステップアップ講座の案内

　　　　2018年度 秋季ステップアップ講座カリキュラム詳細版

●半導体ステップアップ講座の中で萩原が担当する講座

　　　「イメージセンサー賢い電子の目」の補足資料　です。


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著書に　「人工知能を支える、デジタル回路の世界」　


ISBN 978-4-88359-339-2 C3055　　青山社　出版、

ハードカバー　475ページ、\9000 + Tax があります。

是非、購入してお読みください。


半導体素子の基本物理動作からその応用回路まで

やさしく解説しています。文系の方でも読みやすい

ように工夫し、むずしい数学のバックグラウンド知識

がなくても、容易に直観的に誰でも理解できるように

わかりやすい解説図を本書には多く用意しています。



この書籍の付録（１）　小学生の油わけ算の問題の解法例です。

　　　　　　　付録（２）　中学生数学で解ける特殊相対性理論の解説です。

　　　　　　　付録（３）　半導体まめ知識　[1] 半導体とは？

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　[2] 太陽電池とは？
　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　[3] 固体撮像装置とは？





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●日本国特許の検索サイトに入ってください。　

　https://www.j-platpat.inpit.go.jp/web/all/top/BTmTopPage


検索欄に　Key Word　を入力しますが、 例)　人工知能　とあります。

その欄に　萩原良昭 と入力してください。萩原のＳＯＮＹ時代の
特許リストとその内容が閲覧できます。


上部に　「７１件ヒット」　と掲示されます。そこをクリックしてください。
萩原　ＳＯＮＹ時代の主な特許の　71件のリストが表示されます。
その中で古い方で、次の２つの日本国特許が出てきます。

66番　50-134985 　

(垂直OFD機能付のP+NPNsub接合型のPinned Photo Diode の基本発明特許）　

67番　50-127647　

(裏面照射型のNPNN+ 接合型のPinned Photo Diode の基本発明特許)　




66番　50-134985 　

(垂直OFD機能付のP+NPNsub接合型のPinned Photo Diode の基本発明特許）　

この特許は世界ではじめて　Bipolar Transistor　(P+NP 接合）
およびその寄生素子としての　Thyristor (P+NPNsub 接合）の
Base 領域(N) を浮遊状態( floating base )とした、まったく新規
なBipolar Transistor　(P+NP 接合）の　dynamic 動作を提案
したものです。従来のBipolar Transistor　(P+NP 接合）の信号
電流増幅動作以外にも、光感知素子として需要な応用例が
あることを提案した、全く新規な光感知構造を持つ固体撮像
装置に関する基本構造特許となります。







67番　50-127647　

(裏面照射型のNPNN+ 接合型のPinned Photo Diode の基本発明特許)　


この特許は世界ではじめて　Bipolar Transistor　(NPN接合）の
Base 領域(P) を浮遊状態( floating base )とした、まったく新規
なBipolar Transistor　(NPN接合）の　dynamic 動作を提案
したものです。従来のBipolar Transistor　(NPN接合）の信号
電流増幅動作以外にも、光感知素子として需要な応用例が
あることを提案した、全く新規な光感知構造を持つ固体撮像
装置に関する基本構造特許となります。





●海外版の日本国特許検索サイトでは、

https://www4.j-platpat.inpit.go.jp/eng/tokujitsu/tkbs_en/TKBS_EN_GM101_Top.action


Japanese Patent Number の欄に　Document Number を　入力してください。


(1) 1975-134985 と入力しますと、　

萩原がＳＯＮＹ時代に申請した、1975年日本国特許の、

垂直OFD機能付の、P+NPNsub接合型のPinned Photo Diodeの

発明特許の詳細が閲覧できます。


この特許は世界ではじめて　Bipolar Transistor　(P+NP 接合）
およびその寄生素子としての　Thyristor (P+NPNsub 接合）の
Base 領域(N) を浮遊状態( floating base )とした、まったく新規
なBipolar Transistor　(P+NP 接合）の　dynamic 動作を提案
したものです。従来のBipolar Transistor　(P+NP 接合）の信号
電流増幅動作以外にも、光感知素子として需要な応用例が
あることを提案した、全く新規な光感知構造を持つ固体撮像
装置に関する基本構造特許となります。














Japanese Patent 1975-134985 日本国特許　1975-134985

この特許は世界ではじめて　Bipolar Transistor　(P+NP 接合）
およびその寄生素子としての　Thyristor (P+NPNsub 接合）の
Base 領域(N) を浮遊状態( floating base )とした、まったく新規
なBipolar Transistor　(P+NP 接合）の　dynamic 動作を提案
したものです。従来のBipolar Transistor　(P+NP 接合）の信号
電流増幅動作以外にも、光感知素子として需要な応用例が
あることを提案した、全く新規な光感知構造を持つ固体撮像
装置に関する基本構造特許となります。


Japanese Patent 1975-134985 日本国特許　1975-134985

Scope of Patent Claim in the original Japanese Text

特許請求範囲の日本語での定義文



(1) 半導体基体(A)に第１伝導型の第１半導体領域(B)と
この上に形成された第２伝導型の第２半導体領域(C)とが形成されて

(2) 光感知部(D)とこれ(D)よりの電荷を転送する電荷転送部(E)とが
上記半導体基体(A)の主面に沿う如く配置されて

(3) 固体撮像装置(F)において上記光感知部(D)の
上記第２半導体領域(C)に整流性接合(G)が形成され、

(4) 該接合(G)をエミッタ接合(H)とし、

(5) 上記第１(B)及び第２半導体(C)間の接合を
コレクター(I)とするトランジスタ(J)が形成し、

(6) 該トランジスタ(J)のベース(K)となる
上記第２半導体領域(C)に光学像に応じた電荷を蓄積し、

(7) ここに蓄積された電荷を上記転送部(E)に移行させて、

(8) 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(F)


この特許の特許請求範囲の定義文は比較的短い文で構成されて
いますが、それでも、なかなか簡単には理解できません。それで
まず、定義文に出てくる重要語句（Key Word)を抜きだし列記して
みます。この特許は、基本構造体を定義しています。この定義文
の各重要語句（Key Word)は、その構造体の要素となるものです。

Salient Key Words are defined as 　　　重要語句の略字定義

A = the semiconductor substrate (半導体基体)

B = the first region of the first conducting type (第１伝導型の第１半導体領域)

C = the second region of the second conducting type(第２伝導型の第２半導体領域)

D = the light detecting part(光感知部)

E = the charge transferring part(電荷転送部)

F = the solid state image sensor(固体撮像装置)

G = the rectifying junction(整流性接合)

H = the emitter junction(エミッタ接合)

I = the collector junction(コレクター接合)

J = the transistor structure(トランジスタ)

K = the base region(ベース)



●すると、この特許請求範囲の定義文は以下の様になります。

Scope of Patent Claim in the English Translation　　　　

特許請求範囲の英語訳


(1) In A, B and C are formed. C is formed upon B.
(1) A に B とこの上に形成された C とが形成されて

A = the semiconductor substrate (半導体基体)
B = the first region of the first conducting type (第１伝導型の第１半導体領域)
C = the second region of the second conducting type (第２伝導型の第２半導体領域)



(2) E transfers the electric charge from D.　
　　D and E are placed along the main surface of the said A.
(2) D とこれ(D)よりの電荷を転送する E とが上記 A の主面に沿う如く配置されて

A = the semiconductor substrate (半導体基体)
D = the light detecting part (光感知部)
E = the charge transferring part (電荷転送部)



(3) In F, G is formed in C of the so-said D.
(3) F において上記 D の C に G が形成され、

C = the second region of the second conducting type(第２伝導型の第２半導体領域)
D = the light detecting part (光感知部)
F = the solid state image sensor (固体撮像装置)
G = the rectifying junction (整流性接合)



(4) The so-defined G is named as H.
(4) 該 G を H とし、

G = the rectifying junction (整流性接合)
H = the emitter junction (エミッタ接合)



(5) The junction between the so-said B and C is named as I. So J is formed.
(5) 上記 B 及び C 間の接合を I とする J が形成し

B = the first region of the first conducting type (第１伝導型の第１半導体領域)
C = the second region of the second conducting type(第２伝導型の第２半導体領域)
I = the collector junction (コレクター接合)
J = the transistor structure (トランジスタ)



(6) In the so-said C, which becomes K of the so-defined J,
　　the signal charge is stored according to the light image.
(6) 該 J の K となる上記 C に光学像に応じた電荷を蓄積し、

C = the second region of the second conducting type(第２伝導型の第２半導体領域)
J = the transistor structure (トランジスタ)
K = the base region(ベース)



(7) The charge stored in here is to be moved to the so-said E.
(7) ここに蓄積された電荷を上記 E に移行させて、

E = the charge transferring part (電荷転送部)



(8) So-defined F with the features of the charge transfer operation.
(8) その転送を行うようにしたことを特徴とする F。

F = the solid state image sensor (固体撮像装置)



以上をまとめますと、特許請求範囲のの定義文の英語訳は以下の様になります。




●この形なら、何とか私でも英文に訳すことは可能です。


以上をまとめますと、英文訳は以下の様になります。


Japanese Patent 1975-134985

English Translation of the Patent Claims.


Japanese Patent 1975-134985

Scope of Patent Claim in English Translation



(1) In A, B and C are formed. C is formed upon B.

(2) E transfers the electric charge from D.　
　　 D and E are placed along the main surface of the said A.

(3) In F, G is formed in C of the so-said D.

(4) The so-defined G is named as H.

(5) The junction between the so-said B and C is named as I.
　　So J is formed.

(6) In the so-said C, which becomes K of the so-defined J,

　　the signal charge is stored according to the light image.

(7) The charge stored in here is to be moved to the so-said E.

(8) So-defined F with the features of the charge transfer operation.



●海外版の日本国特許検索サイトでは、

https://www4.j-platpat.inpit.go.jp/eng/tokujitsu/tkbs_en/TKBS_EN_GM101_Top.action


Japanese Patent Number の欄に　Document Number を　入力してください。　　




(2) つぎに、1975-127647 と入力しますと、

萩原がＳＯＮＹ時代に申請した、1975年日本国特許の、
　
裏面照射型の、NPNN+ 接合型のPinned Photo Diodeの

発明特許の詳細が閲覧できます。


この特許は世界ではじめて　Bipolar Transistor　(NPN接合）の
Base 領域(P) を浮遊状態( floating base )とした、まったく新規
なBipolar Transistor　(NPN接合）の　dynamic 動作を提案
したものです。従来のBipolar Transistor　(NPN接合）の信号
電流増幅動作以外にも、光感知素子として需要な応用例が
あることを提案した、全く新規な光感知構造を持つ固体撮像
装置に関する基本構造特許となります。




















この 萩原1975年特許の中で提示した実施例では　CCD Image sensor としていました。

しかし、特許はあくまで受光部構造に関する特許です。外部出力部につながる電荷

転送部はどの方式を採用しようが自由です。今なら、CMOS　Image Sensor方式にも

採用可能です。上の図はその場合の実施例の１つを提案したものです。


現在のの半導体製造技術では実現可能でしょう(笑顔）。


今の半導体微細化技術では、１つの画素面積( One Pixel Unit)

の中に、1975年代でCCD 出力部で既に採用されていた、Source　

Follower 型の　従来の電流増幅出力回路がそのまま入ります。


もともとこの特許はそういうものも入ればいいなあと思いながら

申請した特許でしたが、まさか本当に入るとは当時の27歳だった

萩原は自分が生きている間に実現するとは思っていませんでした。


この裏面照射型の　CMOS　Image Sensor が実現可能となりました。


上の図の例では　Snap Shot 機能を持たせる為に　CCD 構造の

電荷一時蓄積電極（VST）を採用してみました。このVST電極

から電荷転送用電極（VTG)に電荷が転送されるところのみ、

CCD転送方式を採用した実施例になります。電荷一時蓄積

電極（VST）下のN+領域は便宜上、相対濃度としてN+と表記されて

いますが、比較的薄い濃度にすることは可能です。完全空乏化

が可能です。周辺の「お城の堀」のN+ 領域は、もっともっと濃度の

濃いN+領域です。ここでは、Junction FET　の原理を使っています。

受光部のN層と、その周りのN-層は、完全空亡化されています。


この大きな　Silicon Chip １枚全体が、大きな　Dynamic Junction　

FET 型の　Image Sensor　構造でもあります。



上図では、単純にひとつの絵素単位(one pixel unit ）しか描いていませんが、

水平方向に　H 画素で、垂直方向に　V 画素　を　行列形式に　並べて　高解

像度の　image sensor 構造とします。


昔は　NTSC方式のアナログテレビの時代でした。画素数も少なく、

35 万画素＝(720H x 480V =　345600 pixels）で、水平解像度

の目安すとなる水平画素数も　720H～ 0.7 Ｋ画素程度でした。


当時、CCDは埋め込みチャネル方式を採用すると　99.999％もの

転送効率が期待できました。



すなわち、最大でも、0.001 x ( 720 + 480 ) = 1.2 % の電荷の

転送残りしかありません。絵素情報の混入（混色）問題は実用範囲

であるとのカメラシステム開発技術者からもサポートが得られた

時代でした。


萩原はこの埋め込みチャネル型CCDの動作原理を学生時代、自分の

PhDの論文テーマとしました。Prof. C.A.Meadと　Prof.T.C.McGill

の指導のもと、ISSCC1974 のPhD 論文を発表しました。そしてその後

SONYに1975年2月に入社しました。その秋には、この　Pinned Photo

Diodeに関する基本構造特許を出願しました。



萩原は1975年当時すでにCCDの限界を理解していました。


CCDには、

（１）金属性電極構造のため光が透過できず感度が悪い、

（２）受光部はMOS電極でSiO2界面に強い電界があり、表面暗電流が大きい

（３）構造的に縦型　overflow drain 構造が不可である。


横型OFDを採用する必要があった。CCD構造にはない、この３つの機能を

実現するために、萩原は　Pinned　Photo Diode の構造を提案しました。


もちろん（４）Pinned Photo　Diode は、完全空亡化転送も可能であり、

残像のない優れた映像を提供してくれることも、萩原は理解していました。


しかし、この（４）の、残像のない映像は、CCD構造でも既に完全空乏化

電荷転送が可能でした。CCD構造はすでに、残像がない、優れた特徴を

提供していました。残像のない映像の提供は、Pinned Photo Diodeより

以前にすでに、CCD構造で実現していた特徴であり、萩原はこの残像の

ないという特徴には新規性はありませんでした。しかし、萩原1975年特許

の実施例の図にはあきらかに完全空亡化転送の動作を示す図を提示して

いました。Fossum 2014 paper で「完全空亡化転送の記述が萩原1975年

特許にはない。」との記載がありますが、これは完全なる事実誤認の嘘

の発言です。Fossum 2014 fake paper が image sensor の学会の技術陣

だけでなく、多くの一般社会人の誤解を招くことになりました。これは

萩原良昭の発明者としての誇りと自尊心を汚し、完全にないがしろにする、

嘘の供述であり、Fossum 2014 fake paper は決して許されるものでは

ありません。


　


現在、デジタルテレビになりました。この３つの、萩原1975年基本特許が

提案する究極のimage sensor 構造を実現する時代にやっとなりました。


　　3300 万画素＝(7680H x 4320V = 33177600 pixels 7680H～８Ｋ画素)の配列





200 万画素＝(1920H x 1080V =　2073600 pixels 　1920H～２Ｋ画素)

800 万画素＝(3840H x 2160V =　8294400 pixels 　3840H～４Ｋ画素)

3300 万画素＝(7680H x 4320V = 33177600 pixels 7680H～８Ｋ画素)

となります。転送効率が　99.999％ あっても、CCD転送方式では電荷の

転送残りが必ずあります。最大　7680H ＋ 4320V　= 12000回の電荷転送

動作が必要となります。0.001 x 12000 = 12 % もの絵素情報の混入（混色）

問題があります。また、CCD電荷転送方式では、大容量電極の充放電にかかる

消費電力も大きくなります。CCD転送方式はもはや魅力的な存在ではありません。


しかし、それでも場合によっては、この実施例に示す様に、このSnap Shot　

機能の実現のための、電荷一時記憶容量素子として、また隣接する電荷転送

用電極への信号電荷のCCD転送方式として、充分立派に今でも機能します。




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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した。

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