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hagiwara-yoshiaki@aiplab.com
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Story of Pinned Photo Diode
Hagiwara at SONY is the true inventor of Pinned Photo Diode
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毎朝６時前から１時間ほど、お天気がいい日は、
自宅のそばの小川沿いや野道を Walking。
毎朝、健康のために、妻と萩原は歩いています。
その時に萩原が撮った写真と妻の絵手紙です。
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●荻野中学校の10月の絵手紙はこちらをclick してください。
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賢い電子の目 ( pinned photo diode ) が、その発明者である、もと ＳＯＮＹ の萩原良昭
を見ています。光を電気信号に変換する、人間の目の網膜細胞に相当する発明のお話です。
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70歳のじじいのつぶやきです（笑顔）。
Story of Pinned Photo Diode
Pinned Photo Diode Patent by Hagiwara in 1975
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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
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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。
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Yoshiaki Hagiwara, Ph.D. IEEE Life Fellow、
the inventor of Pinned Photo Diode ( SONY HAD sensor )
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(1) 萩原良昭の自己紹介です。
(2) Pinned Photo Diode とは？
(3) デジカメは何でできているのか？
(4) Pinned Photo Diode はもとSONYが萩原が1975年に発明しました。
(5) 半導体まめ知識 ＰＰＤとは？
(6) 1975年萩原考案の２つの日本語特許の詳細を説明します。
(7) 1975年萩原考案の２つの日本語特許の意義を説明します。
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(8) 半導体産業の発展と特許の役割について
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萩原1975年特許 ( pinned photo diode Patent 1975) の解説
萩原1975年特許 ( pinned photo diode Patent 1975) の原文
萩原1975年特許( pinned photo diode Patnet 1975 )の画像
https://patents.justia.com/inventor/yoshiaki-hagiwara
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半導体物理学の豆知識 Pinned Photo Diode とは？
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血液型には大きくわけて、Ａ型、Ｂ型、ＡＢ型とＯ型の４つがありますが、
一般には他の人に緊急時輸血できる血液型の種類として分類されます。
輸血できるかできないかだけが重要でほかの性質やそれが何なのかなど、
細かい知識は、私の様な医療関係には全く知識のない人間にはわかりません。
難しい医療関係の知識がなくてもこの程度の血液型のお話は一般常識でしょう。
ここで説明する半導体物理学のお話も本当はたいへん専門的で複雑なお話です。
しかし一般常識程度にお話しを単純化して説明できるかどうかこれから挑戦します。
さて、同様に一般の物質も電気を通すか通さないかで４つの型に分類できます。
具体的には、まず、電気を簡単に通す性質を持つ物質をＭ型といいます。
逆に、電気を人間がどう扱っても全く通さない物質をＯ型といいます。この
２つの種類の物質は人間がどうこうできない、一般に自然界にある物質です。
電流を少し通す物質もありますが、それは人間がどう使うかで、時には使う
応用目的から見ると電気を通すＭ型と解釈されたり、別の応用では流れる
電流が少ないのでＯ型と解釈されるもので一般にＲ型と呼びます。炭素の
粉を固く棒状に固めると電圧に比例して電流を流すことができます。これを
電気抵抗体( resistor ) と言いますが、Ｒ型の物質の典型的な例です。
このＭ型とＯ型と、その中間のＲ型は人間がどうしようもない物質です。
それに対して、人間の力で思うがままに自由に電気の流れを制御できる
物質が２つあります。その物質をＮ型物質とＰ型物質といいます。この２つ
をあわせて半導体( semiconductor ) ともいいます。半導体の典型的な
物質にシリコン結晶体があります。地球上の岩成分としてシリコン原子は
豊富に自然界に存在します。
電流が全く通さない物質を絶縁体とも言いますが、それはＯ型の物質です。
ガラスやビニールや紙などがあります。これらはすべてＯ型の物質です。
また非常に電気を通しやすい物質に金属があります。それはＭ型の
物質です。金、銅、銀、鉄、アルミなどがその仲間です。
パン（Ｍ）の間に卵（Ｏ）をはさんだ卵サンド（ＭＯＭ構造）を連想して
ください。この卵サンド型のＭＯＭ構造を電気容量（コンデンサー）と
呼びます。電気を蓄積できる電池構造になっています。
またＮ型の物質とＰ型の物質を接合させたＰＮ接合構造はダイオード
と呼ばれる電気部品になります。
このＰＮ接合構造に光を照射しますと、光エネルギーを電気エネルギー
に変換することができます。これを太陽電池といいます。光の強度に
従い、、強度に比例して電流が取り出せます。
もしこの太陽電池を横に４０００個、縦に３０００個並べて合計１２００万
個の太陽電池の集合体とすると、レンズを使って結像すれば、平面画像
を検知する平面画像センサーとして使うことができます。
いわゆる１２００万画素の固体撮像装置 ( Soild State Image Sensor ）
と呼ばれるものになります。
また、P型の「パン」にＮ型の「卵」をはさんだ卵サンド（ＰＮＰ構造）と
しますと、このＰＮＰ接合構造はＰＮＰトランジスタ―と呼ばれる電気
部品になります。真ん中のＮ領域に横から少しの電流を流し込むと
ＰＮＰ接合構造を縦に貫通する大電流（約100倍）の電流を流すこと
が可能となり、トランジスターの電流増幅作用と呼ばれるものです。
1975年当時、これらの物理現象は周知でした。当時ＳＯＮＹに勤務
していた萩原は、それではこのＰＮＰ構造に光を照射したらどうなる
かなあと思いました。当時は既に真ん中のＮ領域を固定電圧、ピン
とめ ( pinned ) とせず、すなわち浮遊( floating )として、この Ｎ領
域に光を照射して、結果として少しの電流を光電変換で生じさせて
その小電流の変化分を、ＰＮＰ接合構造を縦に貫通する大電流に
増幅して光電変換信号をＰＮＰ接合構造の縦（上下）から取り出す
光センサー素子として、photo PNP transistor と呼ばれるものが
存在しました。この構造は太陽電池であるNP接合の上にもう一層
のＰ領域を接合してＰＮＰ接合としたものです。真ん中にＮ層が光電
変換された信号電荷の蓄積部となります。上層の新たに追加された
Ｐ層の電圧は固定（ピンとめ）された状態となっています。英語の
pinned の意味は、単純にピン(pin)でピンとめされた状態の事です。
萩原がまだ母校( ＣａｌＴｅｃｈ）での学生であった頃、米国ベル研で
電荷転送装置（ＣＴＤ）の一種で、電荷結合装置（ＣＣＤ）という、
すばらしい発明のことを知りました。この電荷結合装置（ＣＣＤ）は
その頃知られていた電荷転送装置（ＣＴＤ）の特徴を更に改良した
もので、完全空乏化電荷転送を可能とした半導体素子でした。
完全空乏化電荷転送とは、電荷を水に例えますと、バケツに入った
水を隣のバケツに移す時、すなわち電荷転送てするとき、バケツに
残る水を完全に空（から）にして、バケツの水を全部完全に隣の
バケツに移すことができることを意味します。水の取り残しが完全に
ない転送方式です。これがＣＣＤという電荷転送装置のすばらしい
特徴で、この発明者はノーベル賞を受賞しています。
この完全空乏化電荷転送とは、残像のない、高速アクション映像を
可能とする、すばらし固体撮像装置( Soild State Image Sensor ）
の発明であることを意味します。
萩原の1975年の着想は、この Photo ＰＮＰ transistor ぼ受光構造
すなわち、人間の目で言うと、網膜細胞に相当するものに光を照射し
電気信号を取り出す際に、その電気信号を網膜細胞から脳まで
伝達する必要が生じますが、その手段に電荷転送装置（ＣＴＤ）を
使ってはどうかと考えました。さらに、新しく発明された電荷結合
装置（ＣＣＤ）の特徴である、残像のない、高速アクション映像を
可能とする、完全空乏化電荷転送機能が、このPhoto ＰＮＰ
transistoｒ構造でも実現可能であると世界で初めて考えました。
従来の、このPhoto ＰＮＰ transistoｒ は、単純にＰＮＰ接合を縦に
貫通する電流を出力とする Static 型の Photo ＰＮＰ transistoｒ
増幅動作でした。
しかし、本来のＰＮＰ transistoｒの増幅動作とは関係なく、単純に
光電変換で生じた信号電流を増幅せず、そのままの電流量（電荷）
を隣接する電荷転送装置（ＣＴＤ）に信号電荷として横方向に吸い
取ることが可能であると萩原は見抜き、萩原はＳＯＮＹに入社して
すぐ、世界で初めて、その着想をまとめ、1975年にそれを日本特許
として申請しました。
萩原の発明の以前までは、単純なＮＰ接合構造のPhoto Diodeの
電流量、すなわち、光電変換された信号電荷を、隣接する電荷転送
装置（ＣＴＤ）に転送することは周知でした。
しかし、萩原は、世界で初めて、Photo ＰＮＰ transistoｒ型の接合
構造型の受光構造から 電流量、すなわち、光電変換された信号
電荷を、隣接する電荷転送装置（ＣＴＤ）に転送することを世界で
初めて提案しました。
当時１９７５年ではまだ pinned photo diode という名称は生まれて
いませんでしたが、これは現在では世界一般にpinned photo diode
と呼ばれるものです。
また、ＳＯＮＹでは、商標を登録し、SONY original HAD sensor 搭載の
image sensor と呼んでいるもので、世界のすべてのビデオカメラや、
デジカメやスマフォ搭載の小型カメラに起用された、まさに鉄腕アトムの
「賢い電子の目」の発明です。それが Pinned Photo Diode です。
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萩原1975年特許 ( pinned photo diode Patent 1975) の解説
萩原1975年特許 ( pinned photo diode Patent 1975) の原文
萩原1975年特許( pinned photo diode Patnet 1975 )の画像
https://patents.justia.com/inventor/yoshiaki-hagiwara
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半導体産業の発展と特許の役割について
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日本の家電の大手のPanasonic(松下電機産業）の源点は創設者の
松下幸之助さんが「ふたまた電球」の発明特許を出願しその事業化
に成功したことがはじまりと言われています。世界の高級家電大手
のSONY（東京通信工業）の源点は創設者の井深大さんが米国の
ベル研究所で発明されたトランジスタの潜在価値を世界でいち早く
見抜きその特許使用権を購入し小型トランジスタラジオの事業化に
成功したことがはじまりと言われています。SONYはさらにカラーＴＶ
のトランジスター化にいち早く取り組み、米国のＴＩ社から Bipolar
transistor の集積化技術（キルビー特許）の潜在価値を、これも、
世界でいち早く見抜き、その特許使用権を購入し、小型カラＴＶの
事業化に成功しました。さらにSONYの創設者の盛田昭夫さんの
義理の弟だった岩間和夫さんが、米国のベル研究所で発明された
ＣＣＤの潜在価値を世界でいち早く見抜き、その特許使用権を購入し
ＣＣＤビデオカメラの実用化にいち早く取り組み、それが源点となり
基礎となり、SONYは世界で現在 CMOS image sensor の市場を
制覇する勢いとなりました。世界の高級家電メーカとしてSONYを
長い間支えてきたのは、まずこれらの産業特許の権利化に取り
組んだ技術系の経営者の存在があり、さらにその事業化に貢献
した多くの勤勉な半導体開発・生産技術者の存在があります。
世界の半導体 TOP の Ｉｎｔｅｌ 社の源点は、MOS トランジスタの
製造技術特許 ( イオン打ち込み技術による Polysilicon 電極
との self-sligning による Source と Drain 領域の形成技術)
にあります。それを武器に、MOS トランジスタによる小型半導体
メモリ（DRAM）の事業化に成功し Ｉｎｔｅｌ は発展しました。さらに、
Iｎｔｅｌ 社の創設者の Gordon Moore 氏は、MOS 集積回路の
微細化技術の進化を見通し、MOS トランジスタの scaling 則を
基本とする、Intel Processorの事業化に関する将来 vision を
確実なものとしました。この MOS トランジスタの scaling 則は
強力で、最終的には、CCD image sensor 市場をも奪い、現在、
CMOS image sensor が市場を制覇する勢いとなりました。
世界の半導体産業の発展を長い間支えてきたのは、これらの
産業特許の権利化に取り組み、その将来 vison を持ち、強い
指導力 ( leadership ) を発揮した、技術系の経営者の存在が
あり、さらにその事業化に貢献した多くの勤勉な半導体開発と
生産を担った技術者の存在があります。創造力と勤勉努力の
２つの力の結晶が産業の発展の源点です。どちらが欠如しても
産業の発展は実現しません。
将来の日本の産業、半導体産業の発展の鍵は人工知能です。
人工知能には、まず 第１ に、外の世界を感知す為にセンサー技術
の発展が必要です。第２ に、感知した情報を一時記憶する半導体
メモリー技術の発展が必要です。 第３ に、その記憶情報を高速に
並列処理するプロセッサ技術の発展が必要です。そして、最後に、
その強力なプロセッサーの演算を効率よく実行する手順 algorithm
を定義した software 技術の発展が必要です。
人間が知能を持つのは、まず物理的に高度に進化した頭脳という
hardware を保有し、この世に誕生してから いろいろと教育を受け、
学習し、知能（知識と知恵）という software 持つことが必要です。
人工知能も、まずしっかりした hardware を保有し、その上で効率よく
実行する手順 algorithm を定義した software 技術の発展が必要です。
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萩原良昭 ( pinned photo diode の発明者） の略歴
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1948年7月4日京都市生まれ。1961年京都市洛星中学入学。
1965年京都市洛星中学を渡米の為中退(17歳）。米国の
カリフォルニア州 Riverside市の市立技術工業高校である
Riverside Polytechnic High School に高校２年生で編入。
高校３年生の時、飛び級で、Riverside City College の
大学２年生の数学の授業を受ける。1967年 Pasadena市の
California Institute of Technology ( CalTech ）に入学。
1971年BS、1972年MS、1975年PhD博士の学位を受ける。
1971年の夏と1973年の夏に一時帰国し、その時に大学院の
留学生（前田さんと樋口さん）の紹介でＳＯＮＹの厚木工場で
実習生として勤務し、当時カラーＴＶ用の信号処理 Bipolar
ＩＣの信頼性技術と Bipolar Transistorのプロセス技術を学ぶ。
博士論文のテーマは当時脚光を浴びていた「埋め込みchannel
型CCDの完全空乏化電荷転送のメカニズムの関する解析」に
ついてであった。その研究成果は、computer simulation 動画
の形に、母校 CalTechのジェット推進研究所(JPL)のコンピュータ
システムを使い computer animation として仕上げ、1974年の
2月に 米国 Philadelphiaで開催の半導体集積回路の国際学会の、
ISSCC1974で発表した。その１年後、母校Caltechで博士課程を
終了し、博士課程の最終口頭論文試験に合格してすぐ、6月の
卒業式を待たず帰国。当時、ＳＯＮＹの技術担当副社長で、米国の
SONY America の会長を兼務していたの岩間和夫氏は、未来の
家庭用ビデオカメラの研究開発を会社の重要テーマとして位置づけ
していた。その開発部隊の技術者として期待され、岩間和夫氏との
個人面談のもと、入社試験も受けず、岩間和夫氏の一言で入社が
決定され、1975年2月20日SONYに途中入社し、横浜中央研究所の
情報処理研究室に配属され image sensor とそのビデオカメラ
システムの開発研究部隊の一員として勤務することになった。
入社後すぐ image sensor の半導体受光構造に関する特許を
出願した。1975年11月10日その日本国特許が公式登録された。
社内での出願当時は、萩原はまだ母校( Caltech ）の学生でも
あり、かつSONYの社員でもあった。従って、この特許は正確には、
SONYと母校のCalTechの両者が工業権を主張できる性質のもの
であるが、当時は、今ほど特許の醜い利害関係をどうこうすることは
ほとんどまだなかった時代であった。特許が防御特許として登録され、
発明者の名誉が守られ、また特許権保有の企業としても、特許が
出願され申請登録されることにより、自社の、その特許を使った製品
の事業化が、他社からの攻撃を受けず保護されれば、それだけで、
特許出願の役割を果たすことになると考えられていた時代だった。
当時、ＣＣＤは完全空乏化電荷転送装置として脚光を浴び、
その成果は、高性能 ＣＣＤ image sensor の実現により、
そのＣＣＤの発明者のノーベル賞の受賞となった。
萩原は、このＣＣＤを学生時代の博士論文のテーマとしていた事もあり、
このＣＣＤの完全空乏化電荷転送のすばらしい特徴に注目していた。
しかし、ＣＣＤは本来ＭＯＳ構造で金属電極を持ち、金属は光を遮断し
反射するので光感度がよくなかった。ビデオカメラは感度が命だった。
そこで、超感度のビデオカメラの開発を担当していた萩原は、ＳＯＮＹ
での過去の実習経験をヒントに、ＣＣＤだけでなく、従来の bipolar 型でも、
このＣＣＤだけだと思われていた完全空乏化電荷転送が可能である
ことに気づいた。そして、それをすぐに発明特許にまとめ出願した。
さらに、より超感度の受光素子構造としては、ＣＣＤ受光構造よりも、
むしろ、この bipolar 型の受光構造が有利であることに着目した。
それが 1975年萩原考案の pinned photo diode の発明特許である。
萩原は1971年と1973年の夏にSONY厚木工場のカラーＴＶ用の
信号処理 Biploar トランジスタの製造ラインで信頼性技術の
実習生として指導を受けていた。その経験をヒントに特許を考案。
Biploar トランジスタの信頼性問題（サイリスタ動作による latch-up
誤動作）を学んだ時のBiploar トランジスタの構造をそのまま半導体
受光構造としても、完全空乏化電荷転送が可能であることに気づいた。
さらに、より超感度の受光素子構造としては、ＣＣＤ受光構造よりも、
むしろ、この bipolar 型の受光構造が有利であることに気づいた。
ＣＣＤ構造ではＭＯＳ容量型で上部に金属性の電極が必要で、金属は
光を遮断・反射するので超高感度の受光素子には絶対になり得ない。
従来型の Ｎ+Ｐ接合型の photo diodeの受光素子の方が感度の良い事は
当時ではすでに周知だったが、N+層は、NMOS トランジスタの Source
とDrain 領域の拡散層の濃度で、金属コンタクトを取るために濃い濃度N+
が採用され、それをそのまま受光構造としていたので残像がひどかった。
受光部を、すなわち光電変換された光電子の蓄積部を、バケツにたとえ、
かつ、光を光電変換して発生した光電子を、水にたとえると、そのバケツに
たまった水を完全に転送し、バケツを、完全には空にはできなくて、転送
残りが生じ、それが残像の原理となっていました。
しかし、萩原は Biploar の ＩＣ 技術に少し手直しすることで、転送残り
のない受光部が実現できると気づいた。
萩原は、基板ＮsubにＰ+ＮＰ接合型のBiploar トランジスタを形成した
プロセス技術、ＳＯＮＹ厚木工場で製造していたBiploar の ＩＣ 技術に、
少し手直しすることで、転送残りのない受光部が実現できると気づいた。
そうすることにより、より超感度でかつ完全空乏化電荷転送が可能と
なることに気づいた。すこしの手直しとは、当時のＰ+ＮＰ接合型の
Biploar トランジスタの base領域の濃度をうすくすることでした。
当時すでに周知の埋め込みチャネル型ＣＣＤの埋め込みＮ層の濃度と
同じ程度に薄くすることでした。
埋め込み型チャネルのＣＣＤと同様に埋め込みＮ層と同じ濃度にして、
その結果、Ｐ+ＮＰ接合型のBiploar トランジスタのbase領域のＮ層の
濃度を薄めることにより、Ｐ+ＮＰＮsub 接合型の受光素子構造でも、
受光層Ｎの完全空乏化電荷転送が可能であることに萩原は着目した。
萩原は、1975年SONY入社して間もなく、発明特許出願し、その特許は
1975年11月10日に公式に日本国特許して申請登録された。そして、
その時、SONYの pinned photo diodeの工業特許権利が確立した。
SONYは、その後生産技術の確立に合わせて、商標を登録し、生産展開し、
SONY original HAD 搭載の超感度 image sensor の brand が誕生した。
SONYは、萩原の特許に守られ、ビデオカメラの世界市場制覇することとなった。
そしてその勢いは今でも続き、超感度、低雑音、低暗電流、残像なしで、
高速アクション画像を提供する、SONY original HAD sensor 技術搭載の
CMOS digital image sensor 技術として、後進技術者に継承されている。
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これは、その image sensor の基本となる萩原発明の半導体受光構造のお話です。
すなわち一般に pinned photo diode と呼ばれる半導体の受光構造です。
また、SONYでは Sony original HAD sensor として商標登録されました。
pinned photo diode とSONYの Sony original HAD sensor は同じものです。
CCD image sensor の事業化に大きく貢献しました。そして、現在も、
Sony original の HAD sensor 搭載の CMOS imagesensor として貢献しています。
これは、超感度・低雑音・低暗電流で、残像のなく、高速 action 映像を可能とする、
高性能 image sensor の基本となる、萩原1975年発明の半導体受光構造のお話です。
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●萩原良昭 著の 技術書籍の紹介です。
人工知能パートナー（ＡＩＰＳ）を支える 「デジタル回路の世界」
https://www.seizansha.co.jp/ISBN/ISBN978-4-88359-339-2.html
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ISBN 978-4-88359-339-2 C3055 本体 9000円＋税
Ｂ５サイズ 上製 475ページ （ハードカバー）
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書籍の出版社の紹介 青山社
TEL: 042-765-6460(代)
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補足資料（Ａｐｐｅｎｄｉｘ）
（おまけ） 高校生数学でわかる雑学相対性理論
頭の体操（１） つるかめ算
頭の体操（２） 油わけ算
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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
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Yoshiaki Hagiwara, Ph.D. IEEE Life Fellow、
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