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See also ElectronicsStackExchangeSite on "What is Pinned Photo Diode
? "
Pinned Photo Diode was invented by Hagiwara of Sony in 1975 (PDF)
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................. a story of the intelligent AIPS image sensor..............
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Corrections Rquested in Fossum 2014 Fake Paper
Fossum 2014 Fake Paper.html
i
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ＳＯＮＹ HAD sensor の秘話
ＳＯＮＹ HAD sensor の特許戦争の秘話
The evience of the fact that Hagiwara invented pinned photo diode
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Sony に1975年に入社し、すぐに萩原は受光素子の構造特許
を出しました。 ＨＡＤ＋ＣＴＤ の構造特許です。すなわち、
ＨＡＤで光電変換してＨＡＤに蓄積した信号電荷（電子）をＣＴＤ
にＣＣＤ転送の様に完全空乏化・完全電荷転送（ complete
charge transfer from completed depleted empty potential well )
して、隣接する ＣＴＤ ( CCDも, BBDも, MOS type CTD もＣＴＤ
です、ＣＴＤはどれでもよい）に転送を可能とする構造特許です。
萩原が考案し、構造特許として、1975年に特許申請し、その特許
請求範囲で定義された受光素子構造図を下図に示します。
簡単なP+NPNsub接合(thyristor)の構造体で、
この図を特許に添付しなかったのが今問題になっています。
この図では PNP Tr の emitter 端子(P+ 領域）には
Anode 端子が接続され、外部電圧で、P+領域の電圧は
外部から固定（ピンとめ）されています。
これが pinned photo diode の言葉の由来です。
Thyrisor defined in wikipedia
Hagiwara at Sony invented the pinned photo diode in 1975
Hagiwara at Sony filed a Japanese patent in 1975.
The world does not know the empty potential well
Hagiwara drew for the first time in the wotld
in his 1975 patent
which implies the complete charge transfer mode
of the pinned photo diode,
the evidence of the fact that
Hagiwara at Sony
invented in 1975
the pinned photo diode.
Fossum was not aware of
Hagiwara's empty potential well,
Fossum led to a false conclusion
that confused the world
by his irresponsible paper
" A Review of the Pinned Photodiode for CCD and CMOS Image Sensors"
by Eric R. Fossum and Donald B. Hondongwa , which was published in
IEEE JOURNAL OF THE ELECTRON DEVICES SOCIETY, VOL. 2, NO. 3, MAY 2014
Corrections are requested in his paper..
The world does not know that
the pinned photo diode
and
Sony original HAD sensor
are the same thing
Yoshiaki Hagiwar of Sony
invented in 1975.
Sony に1975年に入社してすぐ、萩原は受光素子の構造特許
を出しました。P+NPNsub接合(thyristor)の構造体です。Ｎ層を
浮遊状態(floating)として光信号電荷（電子）を蓄積し、それを
隣接するＣＴＤ（ＣＣＤやＢＢＢ，ＭＯＳ imagerなど）に電荷転送
する半導体固体撮像装置です。固体撮像装置の未来像がどな
ものかと萩原は思案していました。そして、次の５つ特徴を満足
する半導体受光素子でないといけないと考えました。（１）低残像
( low image lag )（２）低熱雑音 (low ＣkT noise) 、（３）低界面
準位雑音 ( low trap noise)、（４）超光感度( high quantum
efficiency) （５）過剰電荷放流機能（built-in ＯＦＤ function）
の５つの特徴を持たねばならないと考えました。
学生時代にＢＣＣＤ（埋め込みチャネル型ＣＣＤ）の動作解析を
博士論文の研究テーマとしていました。ＳＣＣＤ（表面型ＣＣＤ）
よりＢＣＣＤの方が電荷転送効率が９９．９９９％以上と期待でき、
将来、 信号雑音比（Ｓ/N比）の良い、すなわち感度のいい
固体撮像装置として有望視されていた時代でした。
そのＢＣＣＤの動作解析で、1974年2月に自分の博士論文を
ISSCC1974で発表し、翌年1975年2月にSONYに入社し横浜
中央研究所のCCD image sensorの研究開発チームに配属
されました。
ソニー厚木工場からプロセス開発チームが研究棟の４階に
集結し、萩原の所属する設計評価チームは５階に集結して
連携をとり、仕事を進めていました。萩原の所属する情報処
理研究所ではCCD image sensorの設計と評価のチームだけ
でなく、そのCCD image sensorを使ってカメラシステムを組み
立て商品化に耐える性能があるかを評価確認するチームも
ありました。
実はＳＯＮＹに入社してすぐ気がついたことですが、ＣＣＤに
には致命的な欠点がありました。最終的にはあまり未来の撮
像素子としては、実用的でないと萩原はすぐに感じるように
なりました。
なぜなら、初めからMOS imagerを開発ターゲットをしていた、
日立などの会社がありました。ＭＯＳ imager はＣＣＤより製造
プロセス工程が単純でした。
従来のＭＯＳ transistor のプロセスで製造可能で、その
MOS transistor のsource 領域のN+層をfloatingとして
N+Psub接合を受光素子としたものです。
しかし、受光部であり、光電変換された光信号電荷（電子）を
受光時に蓄積するN+領域は、底なし井戸の様に、電子を
水にたとえると、水がいっぱい入った、底なし井戸の水をくみ
出す様なもので、いくらくみ出しても、そこは深く、人が底なし
井戸の水をくみ出すには、限界があり、いつまでたっても、
底なし井戸を空っぽにはできません。
そこで、光が照射されると、井戸の水は光の量に比例して、
井戸の水が増加する仕組みになっています。その比例した
増加ぶんだけの水量、すなわち光信号電荷（電子）を
くみ出すことが可能な受光素子でした。しかし、N+領域は
たいへん濃い濃度をした領域（底なし井戸）で光信号電荷
（電子）を全部くみ出せず、特に光量が多い場合、くみ出し
残りが生じ、それが残像という現象で、撮影した動画に
現れました。せっかく溜まった井戸の水、すなわち光信号
電荷（電子）を井戸から完全にくみ出せないという、不完全
電荷転送装置でした。
●ＭＯＳ imager の欠点の１つは不完全電荷転送（残像あり）です。
MOS imagerは光信号電荷（電子）の個数に比例したアナログ情報
を取り扱う、典型的なアナログ情報処理回路です。一方、ＤＲＡＭは
信号電荷（電子）があるかないか、すなわち、１ か ０ を判定する
デジタル情報を処理する回路です。そのアナログまたはデジタルの
信号情報を信号情報蓄積部から読み出す手法は、両者ともほぼ、
同じで、金属または濃い濃度の拡散層Ｎ＋で形成され、濃い濃度
の拡散層Ｎ+も、ほぼ金属と同じような、抵抗値が小さく、電子を導通
される能力のある、垂直読み出し金属信号線と、水平読み出し金属
信号線を装備しています。
しかし、半導体の微細化がまだ十分進歩していなかった
1970年代では、この金属配線間の容量Ｃが大きく、この容量
Ｃに起因する熱雑音 ( ＣkT noise ) が大きくなります。
●ＭＯＳ imager のもう １ つの欠点は熱雑音 (ＣkT noise) です。
しかし、１９６９年に米国ベル研究所で発明されたＣＣＤは、
濃い濃度のN+領域を必要とせず、ただ単純にMOS容量を、
電荷転送方向に多数並べただけのものでした。
金属電極下の半導体結晶表面（界面）に、浅い電位井戸を
形成することが可能になりました。また、受光時に、ＭＯＳ容量に
蓄積された、照射光量に比例した、光信号電荷（電子）を、隣接
する受け取り側の容量に、効率良く転送することが、２つの容量の
総合連携結合効果により、実行可能となりました。
蓄積していたＭＯＳ容量、すなわち、受光部であり、かつ同時に、
蓄積部の電位井戸から、電子（水）を、受け取り側のＭＯＳ容量に、
完全にはき出すことが可能となりました。
すなわち、完全にＭＯＳ容量の井戸の水を完全に空(empty)にでき、
すなわち井戸(well)を完全空乏化 (complete majority carrier
depletion) でき、つまり、完全にはき出す （ complete charge
transfer )ことができ、すなわち、完全電荷転送ができることが
できることになりました。
完全蓄積部の空乏化および完全電荷転送 (complete charge
transfer that results in comolete charge-depleted empty
potential well )が可能な固体撮像装置（solid state image sensor )
が、ＣＣＤの到来で実現したということで、ＣＣＤは脚光を浴びることに
なりました。
この最初に発明されたＣＣＤは、酸化膜と半導体結晶の接触平面
（界面）に光信号電荷（電子）が転送されるので表面型ＣＣＤ、
すなわち簡単にＳＣＣＤと呼ばれました。
（１）ＳＣＣＤは残像なしの特徴を持っています。
ＳＣＣＤの発明により蓄積部の完全空乏化と完全電荷転送が可能
となり、その結果、残像のない動画が実現し、高速撮影、action
picture の撮影が可能となりました。
（２）ＳＣＣＤはさらに、熱雑音 (ＣkT noise) なしの特徴を持っています。
さらに、長い金属信号配線が必要でないので MOS imager の場合の
金属配間容量に比例した熱雑音がありません。ＳＣＣＤは、MOS imageｒ
の致命的な２つの短所、すなわち、残像と熱雑音のない、優れたものとして、
脚光を浴びることになりました。
しかし本来、ＳＣＣＤの中の信号電荷(電子)は、酸化膜と半導体結晶の接触
面（界面）に存在し、移動転送します。その酸化膜と半導体結晶の接触
面（界面）には、電子を捕獲する（trap)界面準位というものがあります。
一種の落し穴です。電子がその落し穴に落ちると、完全転送が出来ず、
不完全転送となります。またこの落し穴に落ちる様子が、毎回一定でなく、
ランダムに起こり、落ちたり、落ちなかたりが無規則に起こり、目的地（隣接
する受け取り側のＭＯＳ容量）には、到達する」電子の数がランダム無秩序
となり、映像でその結果、映像に雑音が入っている様に見え、その雑音を
界面準位雑音といいます。
●ＳＣＣＤには界面準位雑音がある。
ＳＣＣＤの発明の後、その派生品種、改良型が発明されました。
埋め込みチャネル型のＣＣＤ、すなわち、ＢＣＣＤと呼ばれました。
ＳＣＣＤよりさらに転送効率がよく、学会では９９．９９９％（five nine)
の電荷転送が可能で、完全電荷転送が実現したと期待されて
いました。
ＢＣＣＤもＭＯＳ容量を単純に並べたもので、濃いＮ+拡散層が
不要です。ＭＯＳ容量により、このＢＣＣＤでは、埋め込みＮ層に
浅い井戸を形成することが可能です。蓄積部の完全空乏化が
可能で、かつ完全電荷転送が可能です。
従って、ＳＣＣＤ の良さを兼ね備え、さらに、ＳＣＣＤ と違って、
光信号電荷（電子）は半導体結晶体の表面下に埋め込まれた
薄い濃度のＮ層の真ん中に形成される通路（channel)、まるで
地下鉄の電車の様に、地下の通路(buried channel)を地上の
落し穴に落ちる事なく、安全に移動することが可能です。
地上のさわがしい交通量（界面準位雑音）からも解放され、
地下鉄（埋め込みチャネル）転送方式は静かで雑音のない
環境（no trap noise )が実現しました。。
ばかばか、地下鉄は騒音が多く、実はやかましいよ（笑）
その雑音ではありません（笑）。
電車が予定通り遅れず目的地に時刻表通りに到着する
どうかのお話です。
ほぼかっきりと予定通りの時間に到着するのが地下鉄です。
いや通勤時はそうでもないよ（笑）。
しかし、地上の乗り物はもっとひどく、渋滞状態が日ごとに
異なり、ランダムとなり、ＳＣＣＤのランダム雑音となります。
テレビの映像を見ると、何かもやもやした雑音の多い、きた
ない映像に感じる、ＳＣＣＤのランダム雑音ものになります。
そのＳＣＣＤのランダム雑音、界面準位雑音( trap noise )
がＢＣＣＤではなくなります。
（３）界面準位雑音 (trap noise) なしの特徴
このBCCD の３つの特徴で未来の固体撮像装置と期待される
ＢＣＣＤを博士論文テーマに萩原は選択しました。
1972年の秋から1975年の冬迄の間、萩原は母校米国 CalTech
( CaliforniaInstitute of Technology) で、３人 の 指導教官、
Prof.C.A.Mead 。Prof.James McCaldinと Prof.T.C.McGill の
指導のもと、研究。25歳にして、ＩＳＳＣＣ１９７４で学生論文（PhD
paper)を発表。
論文の内容は、ＢＣＣＤを使った固体撮像装置がどのくらい高速
に動作するかの可能性について解析した結果報告でした。
すなわち、BCCDの埋め込み層の転送通路（buried channel )
に生まれる電界強度、すなわち、ボールが下り坂をどのくらい
はやくころげ落ちるか、下り坂の傾斜の関係で、どのくらい早く
ぼーるが落ちることかの解析報告でした。
半導体内の光信号電荷（電子）の二次元動作解析を。大学
にあったＩＢＭ３６０を使って Fortran 言語で program して
computer simulation をして、さらに、 CalTech所属の ＪＰＬ
（ジェット推進研究所、鉄腕アトムのジェット推進百万馬力を
連想する研究所で、月面、火星へで自動走行する探索機と
地球への通信システム技術を開発する研究所）にある、特殊
なＮＡＳＡの装置を使い、その計算結果を３６ミリフィルムに焼き
付け、お隣のHolywood では、映画撮影関連会社で １６ミリフィ
ルムに焼き付けて、あらかじめ、ISSCC1974の会場で用意して
もらっいた１６ミリフィルム映写機を使って、数分のアニメーション
動画としてＩＳＳＣＣ７４の学会で1000人以上いる半導体集積回路
の技術者の前で映写しました。
発明されたＢＣＣＤの有望性を明らかにするために、この埋め
込み層型ＣＣＤの埋め込みＮ層の中を、界面準位から守られた
光信号電荷（電子）のかたまり(packet)が流れる様子をアニ
メーション動画として再現しました。世界で初めてで、多分また、
最後のＢＣＣＤの完全電荷転送をコンピュータアニメーション
化したものでしょう。それも当時最新のＩＢＭ３６０コンピュータを
使って、さらにＪＰＬのＮＡＳＡの film 描画装置を使って、さら
に Holywood の会社で16mmにして、コンピュータアニメー
ション動画にしました。
BCCD の３つの特徴、すなわち、（１）低残像（２）低熱雑音 (ＣkT
noise) （３）低界面準位雑音 (trap noise) の特徴を兼ねてもつ、
極めて有望な未来の固体撮像装置として期待されるものでした。
学生時代にＢＣＣＤ（埋め込みチャネル型ＣＣＤ）の動作解析を
博士論文の研究テーマとしていました。ＳＣＣＤ（表面型ＣＣＤ）
よりＢＣＣＤの方が電荷転送効率が９９．９９９％以上と期待でき、
将来、 信号雑音比（Ｓ/N比）の良い、すなわち感度のいい
固体撮像装置としてＢＣＣＤ有望視されていました。
そのＢＣＣＤの動作解析で、1974年2月に自分の博士論文を
ISSCC1974で発表し、翌年1975年2月にSONYに入社し横浜
中央研究所のCCD image sensorの研究開発チームに配属
されました。未来の固体撮像装置の性能を満足する為には
次の５つ特徴を満足するこが必要だと職場の先輩に教えて
もらいました。（１）低残像( low image lag )（２）低熱雑音
(low ＣkT noise) 、（３）低界面準位雑音 ( low trap noise)、
（４）超光感度( high quantumefficiency) （５）過剰電荷放
流機能（built-in ＯＦＤ function）の５つの特徴があります。
なるほど、ＢＣＣＤは（１）、（２）、（３）の特徴があるが、（４）の
感度に関しては今いちで、（５）のＯＦＤ機能はＢＣＣＤで実現
できるとは全く思われませんでした。それにＢＣＣＤ感度も金属
電極を持つＭＯＳ容量構造を受光部としてもつＢＣＣＤは、
金属が光を反射するして光を通過させないのでまったく感度
を考えるとＭＯＳ容量構造を受光素子ともつ固体撮像装置
には未来がない、ＣＣＤでは未来がない、と不安になりました。
せっかく、ＣＣＤをスーパスターと信じ、学生時代、自分の青春
時代を過ごしてきたのに、他にスーパスター、自分の夢になっ
てくれるものがあるはずと思うようになりました。日立の技術者も
同じことにすでに気づいていて、早期にＣＣＤを未来の固体
撮像装置としての候補から外していました。
当時 Intel社は ＭＯＳ transistor 技術で ＭＯＳ ＩＣを商品
化し、ＩＢＭという大型顧客をつかみ Intel のＭＯＳ transistor
技術で製造された ＤＲＡＭ chip がバカ売れしていました。
その創設者の Gordon Moore 社長が会社に経営ビジョンとして
半導体の微細化構造のscaling則を根拠に、３年ごとに2倍の
集積度を持つ、すなわち同じ大きさで2倍の数の MOS transistor
が組み込まれて MOS IC chip を市場に提供すると宣言して
いました。
すなわち、ＭＯＳ imager の致命的な欠点は熱雑音 (ＣkT noise)
は、いずれ、ＭＯＳ transistor の微細化努力で ＣＣＤより
MOS imager が勝つと信じているようでした。事実、ＳＯＮＹが
ＣＣＤ imager を世に出すより、はるか前に、日立はきれいな
MOS imager を試作を世に発表し、学会でもその詳細を報告
していました。しかし、ソニーのカメラ事業部の要求は厳しく、５つ
の特徴をもつ撮像素子でソニーは高性能カメラを市場提供し
販売すべきと譲りませんでした。
ソニーのカメラ事業部とそのために固体撮像素子を開発すべく
模索している開発部隊の見解としては、不完全電荷転送（残像）
と熱雑音 (ＣkT noise) を持つ ＭＯＳimager は当然使い物に
ならないという見解でした。
その頃、ＩＳＳＣＣ１９74で ＢＣＣＤの動作解析を博士論文として
学生論文を発表しました。彼の博士論文は ３つの特徴、（１）低
残像( low image lag )（２）低熱雑音 (low ＣkT noise) 、（３）低
界面準位雑音 ( low trap noise)を兼ね備えたＢＣＣＤをテーマ
にしており、ＩＳＳＣＣ１９７４の学会でＢＣＣＤが将来有望で、論文
の中に萩原が使った正確な言葉を言うと、 low light imaging
の応用でＢＣＣＤは最適であると論じていました。
それを信じて萩原は1975年1月最終博士論文の論文発表会で
合格した、その足で6月の卒後式も待たず、すぐ帰国し、1975年
2月20日にソニーに入社し、横浜中央研究所に配属され、未来
の固体撮像装置の開発研究に挑戦しました。
Sony に1975年に入社してすぐ、萩原は受光素子の構造特許
を出しました。P+NPNsub接合(thyristor)の構造体です。Ｎ層を
浮遊状態(floating)として光信号電荷（電子）を蓄積し、それを
隣接するＣＴＤ（ＣＣＤやＢＢＢ，ＭＯＳ imagerなど）に完全空乏
化電荷転送する半導体固体撮像装置です。未来の固体撮像
装置の性能を満足する次の５つ特徴を満足します。（１）低残像
( low image lag )（２）低熱雑音 (low ＣkT noise) 、（３）低界面
準位雑音 ( low trap noise)、（４）超光感度( high quantum
efficiency) （５）過剰電荷放流機能（built-in ＯＦＤ function）
の５つの特徴があります。
この特請求範囲で定義・提案する構造体は、特徴（１）から（３）
の特徴は構造を見ただけでだれでも理解できるものでさらに
この構造体は酸化膜の上に金属電極がない構造なので、そ
の構造を見るだけで特徴（４）超光感度( high quantum
efficiency) も、言葉しして説明することもないもので、特徴（１）
から（４）の説明はいらないだろう。図を1枚描けば素人さんに
は読み取れないが、固体撮像素子の実践開発担当従事して
いる技術者には簡単に認識できるはず、と萩原は考えた。会社の
特許関係者も、見る人ぞ見るで、あまり素人さんや後発メーカ
の教材になるような説明の詳細は必要ないので省略してもよい
のでは、それに時間をかけるより早く職場に戻ってこれを造って
下さい。との話で、実はあまり会社の特許弁理士が私の説明を
口頭で聞いた（録音機つき）を文章化して清書して特許に説明
文は２～３分で棒読みだけで、しかし、特許の請求範囲を定義
する文書は、単語１つ１つしっかりチェックし、図もしっかり考えて
実施例として、すなわち、特許請求範囲の有効性を示す具体
的な特殊例、1例を示す図として提示しました。
しかし、この実施例を、特許の本質の特許請求範囲の定義する
ものと誤解する技術者も多く、社外でもかなり笑われ、私の書いた
特許請求文をまじめに読まずに、ほんの 1 例の実施図 ５ を見て
これが私の特許に意味するところすべてだと誤解し、この実施
図 ５ を見た社内の上司や同僚からは 「受光絵素部に1個づつ
金属コンタクトをつける構造などものになるかよ、お前ばかか？」
とよく笑われました。
別に金属コンタクトの存在は特許請求範囲の定義には記述されて
いないよ、実際金属配線は受光絵素部以外でもいいんだけよ。この
時はどうするかまでは考えれおらず、どででもいいことで、特許は
あくまで 受光部のたて構造（ P+NPNsub Vertically Stacked
Junction ）のみに請求範囲を限定するものだよ。 とにかく受光
蓄積部のＮ層の上にP+領域をとり、このＰ+層がなにかの外部端子
で固定されていて、浮遊状態（floating)でない、一定ので電圧に
固定(ピンどめ）されるべきものであることを明示するための実施例
にすぎないと主張したが、どれだけ私の説明を理解されたか不明
である。しかし、百聞は一見にしかず、でこの道の実践専門家なら
いろいろなことが見て認識できるはずと思っていました。
結局、社内だけでなく、この特許は日本国にしか申請しておらず、
日本語で記載された特許範囲請求文をしっかり読み理解してい
る人間は、おそらく社内でもこの特許を目にした人は特許関係の
数人だけで、日本国内の他社でも特許をしかり調査をして目を
ひからせる数人の優秀な技術者だけで、外国の技術者は当然
目にしていなくて当然です。この特許は国内での商売の時のみ
特許請求権が発生するもので、外国の技術者には読む必要も
ないものです。外国の技術者は萩原の特許を見たこともなく、
時々萩原が学会に招待講演で紹介するこの1975年の萩原特許
の内容しか外国では公表されていないことになります。
実際、2013年にISSCC2013で説明した時にもこの特許の構造体が
潜在的に完全空乏化電荷転送が可能で残像なしという重要な
ことをコメントしませんでした。しかし、図には埋め込みチャネルの
N-層と同じ濃度のＮ-が使われていることが明示されていています。
これが完全空乏化電荷転送の存在のヒントになり、ここに提示した
受光構造はすべて残像なしの映像を提供することは自明と萩原
は考えていて、あえて、残像の話はこのＩＥＥＥ ＳＳＣＳ出版の技術
マガジンの記事には説明文を入れませんでした。
いずれにせよ、1975年の萩原特許の１つの実施例の示す図５と
図６は、必ずしも、特許請求範囲を、限定制限するものではないが、
（１）低残像( low image lag )、（２）低熱雑音(low ＣkT noise) 、
（３）低界面準位雑音 ( low trap noise)、（４）超光感度( high
quantumefficiency) 、（５）過剰電荷放流機能（ vertical built-in
ＯＦＤ function、VOD ）の５つの特徴がもつことを示している。
これが今のＳＯＮＹのＨＡＤ技術搭載の固体撮像素子の特徴です。
ＳＯＮＹのＨＡＤ技術搭載の固体撮像素子は1975年に発明考案し
た萩原特から生まれました。当時のＭＯＳ構造をもつＣＣＤの受光
構造よりはるかに超感度の特徴を持ち、残像 free であることを
1978年、ＳＯＮＹは初めてＳＯＮＹ original ＨＡＤ技術搭載の
FT ＣＣＤ image sensor video camera に原理試作に成功しました。
そのすばらしい感度を持つ ＳＯＮＹ original のＨＡＤ技術搭載の
固体撮像素子を採用した FT CCD image sensor video camera
をＶＴＲとカメラの一体化 8mm ムービーとして SONYは 1978年、
盛田会長と木原さんが New York で 、岩間社長と森尾さんが
東京で、同時記者会見し、その超感度 ＳＯＮＹ original のＨＡＤ
技術搭載のFT ＣＣＤ image sensor video cameraを世の中に公開
しました。
その受光構造構造を発明し、sensor chiｐ 全体を一人で設計した
萩原と、ＣＣＤプロセスを担当した阿部と、評価を担当した岡田の、
３人で東京で開催の固体素子コンファランスで技術の詳細を報告。
ここで世界は誤解しました。
ＳＯＮＹが強調した超高感度は、萩原が考案しＳＯＮＹ original の
ＨＡＤ技術による試作・原理実証された受光構造構造であるのに、
ＣＣＤ そのものが超感度の性能を持つと世界は誤解しました。
ＣＣＤは単純にアナログ信号伝達線として採用されているだけです。
ＣＣＤは単純にアナログ信号伝達線の役割しかなく、将来ＭＯＳの
transisor 技術に負ける運命にあることを誰も予想しませんでした。
従来のＭＯＳ transistorの金属信号伝送線の配線間容量が格段
に少なくなると、熱雑音が小さくなり、実用に耐えるレベルになると、
プロセス工程の単純なＭＯＳ transistor のプロセス技術がＣＣＤ
を置き換え、ＣＣＤを市場から排除するのではないかと萩原は不安
でした。最後はデジタルが勝つ。そう思って萩原はＣＣＤの開発部
から完全に離れ、社内のＳＲＡＭ、ＤＲＡＭ、ＡＤＣ，Sony マイコン、
そして ＰＳ２ および ＰＳ３の Cell Processor を見るようになりました。
固体撮像受光素子構造 (Solid State Image Sensing Element
Structure )は 1975年の基本構造で未来像が見えた。人間でいうと
目の網膜細胞にあたる「電子の目」はこれで多くの技術者の努力
（diligence）で完成する。しかし「賢い電子の目」、「人工知能を
搭載した賢い電子の目」を造るには、まだまだ勉強することが多い。
母校 CalTechの Richard Feynman も、一生研究を続け、癌で
たおれ死ぬ直前まで、物理の授業を学生に講義し、自分の知識
を後進に伝承する努力に惜しまなかった。1967年に CalTechに
入学し、最初に手にしたのは赤い分厚い３冊のFeymann Physics
の教科書だった。萩原は電子工学を major専攻、物理を minor
専攻として両方の電子工学と物理で博士号を取得してが、大学
院生として物理学部の学生に量子力学の教える授業の授業補助
(Teaching Assistant)として量子力学の宿題の模範解答や中間
試験問題、期末試験の模範解答と採点などを講義する偉い教授
のアシスタントもしており、Richard Feynmanの授業も何度も聴講
し、彼の研究室で話を聞いたこともある。その時の話題の１つが、
bipolar PNP transistor の動作原理である。Feymannの３冊の本
は1冊目が古典物理、２冊目が電磁気学３冊目が量子力学となって
いるが、３冊目の後半の 第14章に Semiconductor と題して半導
物理の紹介があった。大学２年生だった萩原、当時19歳にして、
はじめて Section 16-4 に紹介されたbipolar taransisor の構造
すなわち ＰＮＰ接合型 bipolar transistor の構造とその動作
原理を学んだ。図 16-１1には、３つの外部端子（Emiiter, Base,
Collector 端子）が同じ電圧、すなわちバイアスなし( no bias)の図
であった。ＰＮＰ接合型 bipolar transistor の内の正孔(hole)が
見る正電位( positive charge hole potential )の図である。これを
上下さまさまにすると負電位( negtive charge electron potential )
の図となる。現在の業界で良く使われるなじみの図となる。
２年生の時に授業で説明された時は早口の英語でまったくこの図の
意味するところが理解できなかった。３年生になって Prof.McCaldin
の Physics of Semiconductor の教科書で半導体物理だけの授業を
受けた。そして 大学２年で学んだ図は半導体の Band 図であること
を知った。さらに、そして大学院になるとＣＣＤの新しい原理で動く
半導体素子の話を聞き、ＣＣＤ potential wellの図を良く見るよう
になったが、これも半導体の Band 図であり、大学２年で学んだ図
とおなじものとわかった。
Feynmanの物理の教科書で大学２年の時学んだ図が、萩原が初めて
学んだ potential well の概念図だった。
バイアスなし( no bias )状態でも、すなわち、このＰＮＰ接合型
transistor の電流 off 状態でも、両方の emitter-base 接合と、
base-collector 接合の両方の、majority carrier が存在できない
空乏層領域ができる。そこに生じる電界で、P領域の正孔(hole)と
N領域の電子(electron)が分離し、再結合することなく、それぞれ
自分の陣営（領域）でじっとしているとのイメージがＣＣＤの動作
原理を勉強している時、同じ potential well を見て気がついた。
電位で水平になっているのはそこにmajority carrier がたっぷり
集まっている（accumulation mode) 状態で、あたかも池に水が
たまると、水面は水平になっているのに似ているということになる。
ＰＮ接合の接合面付近の空乏層には電界があり、それがこの電位
の電位の勾配となり、そこは水平でなくなる。
また、Ｎ層（池）の電子（水）が空っぽになると、すなわち、完全空乏
化すると、Ｎ層(池)の底の形 （potentail profilel) が見えるはずだ。
もしＰＮＰ transistor のbase Ｎ層の電子が完全空乏化したら、もし、
濃度が均一なら単純な二次曲線となり、完全空乏化したＮ層内の
電位曲線はN層の中央付近に極小点を持つことになる。これをよく
ＣＣＤの文献で見るようになったが、ＰＮＰ transisorの Ｎ層でも
同じ様な極小点を持つ曲線になるはず。
これは今話題のＢＣＣＤの埋め込みＮ層の empty potential well と
同じはずだ。Bipolar Transisor base Ｎ 層も CCD の埋め込み層
の Ｎ層も、完全空乏化して電荷が空っぽにすると電位曲線はflat
にはならない。Ｎ層は極小点を持つ曲線、empty potial wellとなる。
そのことを明示するために萩原は特許の図６ＢのＰＮＰ transisor の
base N 層の中の電位図として、empty potial wellの曲線を描いた。
幼年期にお寺の池で水亀を盗んで家に持ちかえり近所の子供と遊ん
でいたが、その池の水を抜いたら、ほぼ平らな底が出てくるが、それ
とは違うことになる。半導体物理は古典物理ではない、電磁気学の
世界で、さらに、量子力学の世界にも首を突っ込んでいる。
萩原はこの大学時代の時に学習した CCDのpotential wellと
ＰＮＰのpotential wellの共通関係を思い出し、1975年出願の
特許の図６Ｂに empty potial well 図を描いた。
未来の固体撮像装置の性能を満足する５つ特徴、（１）低残像
( low image lag )（２）低熱雑音 (low ＣkT noise) 、（３）低界面
準位雑音 ( low trap noise)、（４）超光感度( high quantum
efficiency) （５）過剰電荷放流機能（built-in ＯＦＤ function）
のうち、（１）低残像( low image lag )の特徴をこの萩原特許でも
期待されることを明示するためにempty potential well を図6B
に明示した。また、（２）はＣＣＤ転送回路を使えば１９７５年のプロ
技術でも実現可能であった。（３）低界面準位雑音 ( low trap
noise)は、受光・電荷蓄積部のＮ層が emitter P+N 接合で
守られているので問題ない。（４）超光感度( high quantum
efficiency)の特性も、P+層の上は酸化膜（ガラス）だけで保護
されているので要求される感度を満足している。
ただ、 （５）過剰電荷放流機能（built-in ＯＦＤ function）も
この萩原特許では実現可能な構造となっており、その有効性を
図６ＢのPNPtransistor の動作事例で emmiter 接合で順方向
電流が放流電流として流れる様子を 電子(e-)が1個だあるが、
base領域から流し(drain)となる P+ emiiter 領域へ移動する
様子を示しており、これで 萩原特許１９７５は、未来の固体撮像
装置が保有すべき５つの特徴をすべて兼ね備えた受光素子構
造体であることが理解できる。
かなり長い論評文になりましたが、以上の説明で、
ＳＯＮＹ ＨＡＤ Technology 搭載の solid state imager は、
（１）低残像( low image lag )
（２）低熱雑音 (low ＣkT noise)
（３）低界面準位雑音 ( low trap noise)
（４）超光感度( high quantumefficiency)
（５）過剰電荷放流機能（built-in ＯＦＤ function）
の特徴を持っていることをお理解いただけたでしょうか？
いずれそれは、Intel の創設者Gordon Mooreが提唱した
半導体ＭＯＳ transistorの微細化技術による進歩のおかげで、
金属配線間容量が極端に減少し、単純に ＣＭＯＳ transistor
と微細化された金属信号線で構成されるアナログ信号電荷
転送回路が、ＣＣＤをカメラ市場から完全に排除しました。
しかし、1975年に萩原が発明した超感度超低雑音残像なしの
Sony original ＨＡＤ sensor 技術は今も生き残っています。
1978年の Sony original ＨＡＤ sensor 技術搭載の ＦＴ
image sennsor で世界は ＣＣＤ image sensor は感度が
いいんだ、雑音もないのだ、色再現もすごいのだと騒がれて
ＣＣＤがちやほやされたいて萩原はさびしい思いになりました。
萩原は実はSony original ＨＡＤ sensor 技術がすごいの
だと世界に理解してほしかったです。1978年にはじめて
ＨＡＤ技術を世界に紹介し、それから40年がたちました。
今ではＣＣＤはどこかに消え、Sony original ＨＡＤ sensor
技術 と 超微細化された CMOS transistor 技術の融合
に現在の固体撮像素子が完成しました。
Sony original のＨＡＤ技術搭載の CMOS image sensorが、
今では、世界に カメラ市場の５０％以上をＳｏｎｙが占め、
その単体image sensor chip としての売り上げは1兆円以上と
なっています。
これもすべて、萩原が26歳の若い技術者が考案した未来の
固体撮像素子の構造体特許があっての Sony original
ＨＡＤ sensor 技術と言えるものです。
先日、半導体産業人協会主催の若手社員向けの半導体講座で
「賢い電子の目, solid state image sensor 」の題目で講義を担当し、
春の講座が先日終了し、秋の講座では資料を最近版にして補充
する必要があります。
丁度、今、世の中で騒がれている pinned photo diode sensor
の発明者として注目されるもとＮＥＣの寺西さんの内容を秋の講座
資料に取り込もうと思い、寺西さんが、1983年にＩＥＤＭで発表した
「世界で初めての残像なしの ILT型ＣＣＤ imager の原理試作
とその特性の詳しい発表」の論文内容と、pinned diode sennsorの
構造とその特徴を勉強し、秋の講座の教材に使用しようと、その
内容を詳細に学習しました。
すると、びっくり、Sony originalの Sonyの商標 HAD sensor
（私の1975年の発明もの）とまったく同じ構造体で、またその特
徴（１）から特徴（５）まですべてほぼ同じことに気がつきました。
一体なにが原因でこうなったのかをこの２週間調査して、やっと
その原因が解明されました。
（１）すべとの世界の誤解は 2014年に投稿された Fossum 論文
の萩原の過去の仕事に対する評論コメントが、事実誤認で
バイアスされていて、ＳＯＮＹをも敵対する姿が見える論文でした。
その中で、ＳＯＮＹのＨＡＤ technology と 萩原の 1975年
特許ともに今の pinned photo diode ではないとの結論でした。
彼の論評は、
（１）1975年の萩原特許には 完全電荷転送に関する記述がない
（２）受光部に金属コンタクトがある
（３）従って、pinned photo diode の条件を満たしていない。
(4) 従って、1983年に IEDM で発表した ＮＥＣの寺西氏が
pinned photo diode の発明者である。
となっているが、彼は萩原の日本語特許を直接見ておらず、
理解していないのが原因のようだ。
彼の論評の（１）と（２）は真っ赤な嘘である：
彼の論評（１）が真っ赤な嘘である証拠：
萩原1975特許の実施例の図６Ｂに描かれている、
完全電荷転送を示唆する empty potential well の存在を
彼は把握していない。
彼の論文ではこのempty potential well の存在の
記述が全くない。この結論は都合の悪いものを隠している。
事実誤認で、彼の論文を読む読者をだます結果となった。
彼の論評（２）が真っ赤な嘘である証拠：
萩原1975特許の実施例の図５、金属コンタクトが描かれた
図５はあくまで実施例である。
萩原1975特許の特許請求範囲を制限するものではない。
萩原1975特許の特許請求範囲には金属コンタクトの記述
はない、金属コンタクトありなしに関わらず、このP+NPNsub
接合 type、すなわち dynamic thyrister type の受光
素子構造は萩原1975特許の特許請求範囲に含まれる。
結論として、以下の論理が成立する。
（１）1975年の萩原特許には 完全電荷転送の記述がある。
（２）1975年の萩原特許の受光素子構造体は５つの重要な
今の固体撮像装置の特徴を兼ね備えている。
（３）1975年の萩原特許の受光素子構造体は、
今話題のpinned photo diode そのものである。
(4) 従って萩原が 1975年にpinned photo diode を発明したことになる。
(５) 従って、萩原が 1975年に発明したpinned photo diode を
原理試作し、ＮＥＣの寺西氏の1983年に IEDM で発表しが、
ＮＥＣの寺西氏は、 pinned photo diode の発明者ではない。
(6）世界初めての pinned photo diode の原理試作は 1978年に
新聞発表の形で、ＳＯＮＹの盛田と岩間が、
学会では 萩原、阿部、岡田が、 FT image sensor の形で
発表している。
(7)1975年の萩原特許に添付に実施例の図には、萩原発明の
受光素子構造体、すなわち、pinned photo diode を
ＩＬＴ ＣＣＤ image sensor の形で事例として明示している。
(8) これとまったく同じ構造をＮＥＣの寺西氏の1983年に IEDM で
発表したが、ＳＯＮＹでは 197５年の発明から萩原を中心に原理
試作の努力は続けている。会社としては学会発表より、生産立ち
上げに注力した。そのおかげで社外にKnowhowが流れることも
なく、ＳＯＮＹが萩原が生んだ HAD 技術を武器に世界の image
senser 市場をほぼ独占するまでに至った。
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人工知能搭載の「賢い電子の目」
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をやさしく 紹介しています。
将来への展望を語っています。
若い技術者、大学の学生諸君には、
是非、読んでもらいたいです。
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そして、勉強してください。
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Ｎｅｗ Ｔｏｐｉｃ June 7, 2018
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今回の課題はかなり technical です。 意欲ある若者には、
半導体産業人協会主催（ＳＳＩＳ）の半導体講座を受講すること
をお勧めします。 その中で 「賢い電子の目」 、the intelligent
AIPS image sennsor の講義を講師として担当しています。
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.............SONY HAD sensor is the origin of our AIPS sensor................
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Please visit the following sites to learn about Sony HAD Sensor.
https://en.wikipedia.org/wiki/HAD_CCD
https://www.ptgrey.com/exview-had-ccd-ii-sensor-technology
https://en.wikipedia.org/wiki/Hole_accumulation_diode
https://www.sony.net/SonyInfo/News/Press_Archive/200002/00-007/
"HAD" technology for CTD (charge transfer device) sensor
that includes CCD,BBD,MOS and many kinds of other applications,
was invented by Yoshiaki Hagiwara at Sony in 1975.
****************************************************
Dear college students, professors and friend,
please judge for yourself.
Who is the inventor of the pinned photo diode
which has the light sensing P+N junction
with complete charge transfer operation mode like CCD ?
And also, who is the true inventor of the virtual phase CCD ?
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The following figures may give a hint to answer the above questions.
Please study the figures drawn by Yoshiaki Hagiwara at SONY
for the first time in the world in 1975.
**********************************************************
See The 1975 patent claim of Hagiwara Photo Diode
The 1975 patent claim of Hagiwara Photo Diode
was on the (2) structure.
Hagiwara drew the Fig.5 as an example
which shows a combined structure
of the following four parts.
(1) the pinned photo diode by a metal contact
(2) the surface exposed, not shown but protected
by SiO2 layer over , the pinned photo diode
which can be pinned somewhere outside.
(3) The buried channel CCD transfer Gate
with the lightly doped N- layer
(4) The read-out buried channel CCD
to transfer the signal charge (electons)
to the output buffer circuts.
Image sensor experts can easily recognize these four parts
and their operations of complete charge transfer
(1) and (2) for the pinned photo diode charge transfer modes,
as claimed in Hagiwara 1975 patent claim.
So it is concluded that Hagiwara is the inventor of
the pinned photo pinned diode.
the combination of (2) and (3) is now known and named as
the virtual phase CCD charge transfer mode,
which is shown in ig. 5 drawn by Hagiwara in 1975.
So it is concluded that Hagiwara is the inventor of
the virtual phase CCD .
(3) and (4) are for the buried channel CCD charge transfer mode
invented by Bell Lab in 1969,
which was studied intensively when he was a PhD student
under the lederships of Prof. C. A. Mead ,
Prof. Tom McGill and Prof. James McCaldin.
Hagiwara also drew Fg.6 in his patent in 1975.
Fig.6 shows many important features of pinned photo diode.
And Hagiwara phtoto diode defined in his 1975 patent
may be identical to the pinned diode ?
Please judge by yourself.
By just looking at Fig.6, image sensor experts
may be easily led to obesrve the following facts:
(1) Empty Potential Well impolying the N region
is completely depleted, so there is no photo-electrons left.
All the electrons have been transfered complete;y
to the adjacent to the CCD
which is the most important feature
of the pinned diode
(2) pinned photo diode with the P+ region
connnected to the metal wiring.
This is just an exmample which
does not limit the scope clained in the patent
(3) P+N VOD mode as an example.
NP VOD is not shown, but by symmetricity arguments
P+N VOD leads to NP VOD.
Furthermore, one can exxpect P+NPNsub VOD modes.
(4) the dashed line to show the flat potential (surface)
of the photo electrons packet in the potential well
(5) At the full storage level , over-flowing electrons
are draining to the P+ region in this P+N VOD mode
Ｔｈｉｓ empty potential well (1) shown above
was drawn by Yoshiaki Hagiwara at Sony in 1975
for the first time in the world.
This fact may prove that Hagiwara is the inventor of
the pinned photo diode
****************************************************
The world did not know the empty potential well ,
drawn by Yoshiaki Hagiwara at Sony in 1975,
which is the evidence
of the complete charge transfer operation mode
of the pinned photo diode.
****************************************************
.
Image sensor device experts may be convinced that
Hagiwara is the true inventor of the pinned diode,.
the the pinned P+N junction photo sensing device,
which was revealed as the photo sensitive emitter junction
of a PNP transistor on the N type substrate,
that was defined clearly in the short Japanese paragraph
in the Japanese patent claim written by Hagiwara in 1975.
Unfortuantely the world did not know this fact
simply because the Japanese patent filed
by Hagiwara in 1975 was described in Japanese.
Moreover, the world was confused
because Hagiwara did NOT in his patent draw a figure
of the simple PNP transistor on the N type substrate
which is well known by bipolar process and device engineers.
An expert can easily picture himself in his mind, however,
and quickly can draw on a sheet of paper
the structure of the PNP transitor on the N type substrate
which also can function as a pinned photo diode.
As a matter of fact, Hagiwara worked at SONY
in the summers of 1971 and 1973
as a part-time student engineer in the bipolar process lines
in the SONY Atsugi Plant, Kanaggawa Japan,
where the bipolar transistors and ICs were
in full production for SONY color televisions in 1970s.
In either way, it is a true fact that
the empty potential was drawn by Hagiwara in 1975
which is the evidence of the complete charge transfer
in the pinned diode with the completely empty N storage region.
In 1970s, it was widely known that ＣＣＤ is important
becuase of the built-in complete charge transfer mode
which results in a low lag picture of high quality.
Hagiwara did NOT describe anything
about the low imager lag effect
in his 1975 patent claimed structure
but image sensor experts can see easily that
the empty potential well drawn by Hagiwara,
in 1975 for the first time in the world
implies the low image lag effect
in high speed action pictures.
Hagiwara gave a hint by showing the empty potential well
that explains one usefulness aspect of the pinned diode structure,
that is, the low image lag effect in high speed action pictures.
As claimed and defined clearly Hagiwara 1975 patent,
the N storage region of the dynamic PNP tansistor
is directly conneted to CTD near by.
CTD, that is charge tranfer device in short,
does not have to be CCD, it can be a type
of CMOS imagers in full production these days.
However, Hagiwara chose CCD as an example
in the figure in his 1975 patent
to explain another useful aspect
which is now called virtual charge transfer opeation.
As seen in the figure given as an example structure,
the floating dynamically operationable N layer
has a smooth transition
from the left structure of
the vertical stack of the exposed SiO2 on the pinned P+layer
over the N layer in the P type substrate
to the left structure of
the vertical stack of the exposed SiO2 on the CCD metal gate
over the N - and N layer in the P type substrate.
It is now clear that this protion of the structure was
revealed for the first time in the world in 1975
in a figure drawn by Hagiwara, in Sony, 1975.
Experts can easily see that this is the structure of ,
the virtual phase CCD charge transfer,
that is, the combination of two complete transfer modes.
One transfer mode is the pinned diode charge trasfer mode,
and the other is the buried channel charge transfer mode.
In short , by drawing the figure of two structures
next to each other, along the line of the semiconducter surface,
Yoshiaki Hagiwara in 1975 disclosed
for the first time in the world
the device structure of the vertual phase CCD.
From the combinational structure revealed in the figure
which was drawn by Hagiwara in 1978,
image sensor device experts can be convinced that
Hagiwara was the true inventor of the virtula phase CCD.
Hagiwara 1975 patent does not care about
how the proposed dynamic photo sensing structure operates.
That is , any company can use the structure,
whatever way they wish as long as
the company pays the patent fee to SONY.
Sony as the patent holder comapny has the right to claim
the patent fee to any company using the structure.
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A story of １９７５ Hagiwara Photo Diode
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Does the Hagiwara photo diode
described in his 1975 patent
differ from the pinned diode ?
Please study the difference if any.
Hagiwara thinks they are the same.
Is he wrong ?
****************************************************
The original PPD structure, while invented in 1975
by Yoshiaki Hagiwara in the
form of P+NPNsub junction photo seinsing element,
the 1978 FT CCD application by Hagiwara, and
the Teranishi's 1983 low lag ILT CCD application,
shares a strong resemblance
to the Hynecek virtualphase CCD structure,
with the exception of the VOD
The two inventions
were solving different problems
with essentially the same device structure
and operating principles.
In 1975, Hagiwara at Sony filed a patent application
on bipolar structures for CCDs
in which a pnp vertical structure was disclosed,
among several structures [24].
In 1975, Hagiwara at Sony filed a patent application
on a photo sensing vertically stacked P+NPNsub structure
with the floating N base region
as the storage for the photo electrons
from which the photo electrons are to be transfered
to a charge transfer device[24].
.
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Dear college students, professors and friends,
please read the following very interesting review paper.
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" A Review of the Pinned Photodiode for CCD and CMOS Image Sensors"
by Eric R. Fossum and Donald B. Hondongwa , which was published in
IEEE JOURNAL OF THE ELECTRON DEVICES SOCIETY, VOL. 2, NO. 3, MAY 2014
****************************************************************************
There are many false descriptions in this paper,
maybe simply because of lack of information ?
But it is a very good educational paper for college students
if the false descriptions are all corrected.
I belive poeple can say anything,
but the false comments shoud be corrected.
The truth shall make you free.
Yoshiaki Hagiwara in CalTech from 1967 to 1975.
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The following is the quoations from the paper
by Eric R. Fossum and Donald B. Hondongwa.
Corrections are requested as followed.
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C. Other Contributions to the PPD Invention
The PPD structure, while invented for low lag ILT CCD application,
shares a strong resemblance to the Hynecek virtualphase CCD structure,
with the exception of the VOD.
*******************************************************************
(1) This comment is WRONG. Correctioms are requested as followed
*******************************************************************
The original PPD structure, while invented in 1975 by Yoshiaki Hagiwara in the
form of P+NPNsub junction photo seinsing element, the 1978 FT CCD application
by Hagiwara, and the Teranishi's 1983 low lag ILT CCD application,
shares a strong resemblance to the Hynecek virtualphase CCD structure,
with the exception of the VOD
The two inventions
were solving different problems with essentially the same device structure
and operating principles.
*******************************************************************
*******************************************************************
In 1975, Hagiwara at Sony filed a patent application
on bipolar structures for CCDs
in which a pnp vertical structure was disclosed, among several structures [24].
*******************************************************************
(2) This comment is WRONG. Correctioms are requested as followed
*******************************************************************
In 1975, Hagiwara at Sony filed a patent application
on a photo sensing vertically stacked P+NPNsub structure
with the floating N base region as the storage for the photo electrons
from which the photo electrons are to be transfered to a charge transfer device[24].
*******************************************************************
*******************************************************************
The top p layer was connected by metal to a bias used
to control full-well capacity
*******************************************************************
(3) This comment is WRONG. Correctioms are requested as followed
*******************************************************************
An example case is depicted in a figure in which
the top P+ layer was connected by metal to a bias used
to control not only full-well capacity but gamma corection
and high beam action picture-acquisition for highly intelligent
AIPS camera Hagiwara had been dreaming of.
Therefore from the figure, the P+ layer can be set, or pinned
to any external voltage value. Hagiwara had already in his mind
the concept of the pinned diode now universally ell known.
It should be noted that the patent claim does not say
any comments on the metal connection.
Therefore the p layer can be connected to anything anywhere.
In 1978, another example of a P+NPsub photo sensing structure
with the P+ layer connected to the Psub substrate
was demonstrated in one-chip FT CCD imager for 8 mm video camera
*******************************************************************
*******************************************************************
In an unusual paper,
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(4) This comment is WRONG. Correctioms are requested as followed
*******************************************************************
In a review paper,
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*******************************************************************
Hagiwara, in 1996, revisited the 1975 invention and claimed
it was essentially the invention of both the virtual phase CCD
and the NEC low-lag structures, as well as the basis
of the Sony so-called “Hole Accumulation Diode,” or
HAD structure [25].
*******************************************************************
(5) This comment is WRONG. Correctioms are requested as followed
*******************************************************************
Hagiwara, in 1996, revisited the 1975 invention and claimed
it was exaclty the same semiconductor photo sensing structure
vertical stacked picture element of both the virtual phase CCD
and the NEC low-lag structures, as well as the basis
of the Sony so-called “Hole Accumulation Diode,” or
HAD structure [25].
*******************************************************************
*******************************************************************
However, the 1975 application
did not address complete charge transfer, lag or anti-blooming
properties found in the NEC low-lag device, and does not seem
to contain the built-in potential step and charge transfer device
aspects of the virtual-phase CCD.
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(6) This comment is WRONG. Correctioms are requested as followed
******************************************************************
Hagiwara's 1975 patent claim was intended only to claim rights
on the device structure. His patent does not restrict any applications
with any operational modes on his application. Howevee, for the
first time in the world he drew the electrically empty potential
well of the floating N base storage region for majrity charge
photo electrons in one of the patent figures.
This is the evidence that Hagiwara did address the complete
charge transfer by drawing in the N base photo electrons storage
an empty potential well which results no lag action picture.
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Hagiwara repeats these claims
in a 2001 paper [26] and shows a VOD structure that is not
found in the 1975 patent application.
*******************************************************************
(7) This comment is WRONG. Correctioms are requested as followed
*******************************************************************
Hagiwara repeats these claims
in a 2001 paper [26] and shows a VOD structure
of the P+NPNsub vertically stacked one
which is not shown in the figures in the patent
becuse of its simplicity, but definedexactly
in the patent claim in Japanese.
Sony did not seem
to pursue the HAD structure until well after the
NEC paper was published.
*******************************************************************
(8) This comment is WRONG. Correctioms are requested as followed
*******************************************************************
Sony did pursue the HAD structure,
first in the 1978 demosntration of FT CCD imagers
with the SiO2 exposed P+NPsub photo senising elemnt
with the P+ and Psub connected without VOD.
then in the production model of ILT CCD iamgers
with conventioanl lateral
with the SiO2 exposed P+NPsub photo senising elemnt
with the P+ and Psub connected without VOD.
This product is called HAD sensor camera !
hen in the production model of ILT CCD iamgers
with the SiO2 exposed P+NPsub photo senising elemnt
with the P+ and Psub connected without VOD.
This product is called super HAD sensor camera !
*******************************************************************
*******************************************************************
until well after the
NEC paper was published.
*******************************************************************
(9) This comment is WRONG. Correctioms are requested as followed
******************************************************************
It is easy to publish a proto type in the technical
company, but HARD to produce as the product !
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]
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However, the “narrow-gate” CCD
with an open p-type surface region for improved QE also
disclosed in the 1975 application was reported in more detail
by Hagiwara et al. at Sony in 1978 [27].
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(10) This comment is too short. Correctioms are requested as followed
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However, the “narrow-gate” CCD
with an open p-type surface region for improved QE also
disclosed in the 1975 application was reported in more detail
by Hagiwara et al. at Sony in 1978 [27].
It is not open P type surface, it it pinned to the substrate volatage
like the one in ILT aplication.
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A similar structure was used extensively by Philips [28].
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(11) This comment is too short.. Correctioms are requested as followed
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A similar structure was used extensively by Philips [28]
in 1983, five years after .....
28] G. Beck et al.,
“High density frame transfer image sensor,”
Japanese J. Appl. Phys., vol. 22 supplement 22?1,
pp. 109?112, 1983.
The PPD, as it is most commonly used today, bears
the strongest resemblance to the Teranishi et al. ILT CCD device.
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Thus, these days Teranishi is considered as the primary
inventor of the modern PPD [29].
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(12) This is a wrong conclusion. Correctioms are requested as followed
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Since the 1975 Hagiwara photo diode is idenical to the modern PPD,
Thus, these days Hagiwara is considered as the primary
inventor of the modern PPD[29]..
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萩原良昭の出版図書の紹介
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人工知能パートナー（ＡＩＰＳ）を支える
デジタル回路の世界
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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）
TEL: 042-765-6460(代) 青山社
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この 賢い ＡＩＰＳ image sensor は、
萩原が ソニー時代にその技術開拓に挑戦した
ソニーのＨＡＤセンサー と Ｐlay Ｓtation Processor
の 融合技術から生まれます。
その展望と夢（vision)について、
2008年7月にソニーを定年退社後、
ヨーロッパの国際集積回路技術の学会で
招待講演を受けて説明しています。
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まずは、ＳＯＮＹ の ＨＡＤ sensor のご紹介です。
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.............SONY HAD sensor is the origin of our AIPS sensor................
*********************************************************
Please visit the following sites to learn about Sony HAD Sensor.
https://en.wikipedia.org/wiki/HAD_CCD
https://www.ptgrey.com/exview-had-ccd-ii-sensor-technology
https://en.wikipedia.org/wiki/Hole_accumulation_diode
https://www.sony.net/SonyInfo/News/Press_Archive/200002/00-007/
"HAD" technology for CTD (charge transfer device) sensor
that includes CCD,BBD,MOS and many kinds of other applications,
was invented by Yoshiaki Hagiwara at Sony in 1975
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実は、ここには、
ＳＯＮＹ の ＨＡＤ sensor に深く関係し、
萩原良昭が 1975年に 出願した
半導体受光素子の構造特許
の存在があります。
1975年萩原良昭申請のＨＡＤsensor基本特許
に深く関係するお話です。
＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊
ＳＯＮＹは ＨＡＤ sensor を
自社ブランドとして 世界に紹介し、
超高感度、低雑音、残像なしで、
かつ 高速 action pictureも誠実に撮りこむ
超高性能のＨＡＤ sensor 搭載カメラ
を世界中に提供しています。
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.............SONY HAD sensor is the origin of our AIPS sensor................
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Please visit the following sites to learn about Sony HAD Sensor.
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https://en.wikipedia.org/wiki/Hole_accumulation_diode
https://www.sony.net/SonyInfo/News/Press_Archive/200002/00-007/
"HAD" technology for CTD (charge transfer device) sensor
that includes CCD,BBD,MOS and many kinds of other applications,
was invented by Yoshiaki Hagiwara at Sony in 1975
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ＳＯＮＹの ＨＡＤ sensor 誕生にまつわる
米国 Fairchild 社と SONY との特許紛争のお話
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この紙面にも記載されていますが、米国 Fairchild 社は自社が保有
する２つの基本特許でＳonyを訴えていました。Sonyはそれに対抗し
て、Sony 社員保有の 「神戸 ＣＣＤ process 基本特許」と 「萩原
image sensor 基本構造特許」で対抗しました。その請求額は当時で
600億円～800億との話でした。 負けていたら、ＳＯＮＹの年間売り
上げが1兆円近くなる今ですから、その１％としても、毎年膨大な額の
特許料の支払いとなるところでした。
ＩＬＴ ＣＣＤ imager の技術開発では ＮＥＣは ＳＯＮＹを抜き、学会
発表にも積極的に発表し、外国の技術者と情報シェアに努力してい
ました。当時、 ＤＲＡＭで一人勝ちしていた日本の代表企業として、
ＮＥＣは、勝ち負けの苦い感情を残す半導体戦争の経験を２度とす
ることのない道を探っていました。
一方、ＳＯＮＹは、ILT方式のＣＣＤの量産立ち上げに、開発部隊総力
をあげて全力努力集中していました。暗黙を続けていました。。。
Ｓｏｎｙは早くから Type(1)は生産候補からはずしました。
Type(1)構造は、 従来構造のＣＣＤのＭＯＳ容量型受光素子構造です。
低残像で、低雑音の映像を提供してくれますが、上部に金属端子があり
光感度が悪い構造となっています。
Sony は、1975年に萩原が考案した受光素子構造をまずは FT CCD image
sensor に採用しました。ＳＯＮＹはまず、 (2) と (3) の構造はchip全面に
ボロンイオンを打ち込み、その濃度と注入エネルギーを調整しならが条件
出しをしながら、感度と雑音で最適値を求めました。
受光部に P+NPsub 構造（３）を採用した ＦＴ 型 imager では、 P+ 層を
基板（Ｐｓｕｂ）と導通形としました。 萩原が１９７５年に申請した構造特許
では、その実施例では 上部のＰ+に金属コンタクトがあり、このＰ+領域が
受光素子の外部電圧に固定（pinning)されていることを提案する図ですが、
ＳＯＮＹで １９７８年試作の ＦＴ 型 imager では、このP+を基板Ｐと導通
させることにより、Ｐ+層を基板（Ｐ）電圧に固定(pinning)した構造になってい
ます。1975年に萩原により考案されたこの構造は、まずプロセスが単純な
ＦＴ 型 CCD imager で 条件出しを実行し、 最適条件を見つけ出して
続いて、ＩＬＴ型 ＣＣＤ imager の受光部にも適用され開発を進めました。
最終的には、まず構造（３）の受光構造で、横型ＯＦＤ機能を採用して
ＨＡＤ sensor 採用の ＩＬＴ型 ＣＣＤ imageの生産を開始し、まず、
生産・販売・信頼性評価に注力し世界発のパスポートサイズのビデオ
カメラを商品化することに成功しました。
構造（３）で充分生産実績を進めて、ＫＮＯＷＨＯＷを積み、慎重に構造（４）の
生産に入りました。
その効果が出て、早期に、1975年の萩原構造特許で提案する構造（４）の受光
構造で、かつ、縦型ＯＦＤ機能を採用して ＨＡＤ sensor 採用の ＩＬＴ型 ＣＣＤ
image搭載のカメラを商品化することに成功しました。
萩原の１９７５年特許において、特許請求範囲本文では、その提案構造を
bipolar tranistor 構造と呼んでいます。 ここで bipolar transitorには
通常の電流増幅に static 動作をするのは周知です。しかし、この特許の
非常に短く簡潔な請求文を読んで、「これは bipolar transitor じゃない、
萩原は半導体物理とデバイス物理を理解していないでは？」と先輩に意見
されたことがあります。その時、bipolar transitor でも 電流 ON modeも
あれば、 電流 OFF mode もあり、 static mode もあり、 ＤＲＡＭの
dynamic mode の様な、すなわち、 source 領域を floating 動作させる
dynamic mode があります。
この萩原特許で提案する P+NPNsub 構造特許の実施例を示す図５の
中には、萩原が わざと base 領域と呼ぶ領域があります。すなわち、
図の中のＮ層のことになります。このＮ層は ＤＲＡＭの読み書きする
NMOS プロセスの NMOS transistor で、souece 領域（Ｎ+) と基板(P)
の間にできる N+Pｓ接合容量において 通常 N+ を floating 状態に
して dynamic mode で 動作させます。 従来の MOS imager も、
同様で、受光構造として N+P 接合容量を使ってＮ+ に信号電荷を
蓄積します。 埋め込み channel CCD では、埋め込み channel を
floating 状態にして、 daynamic mode で、 charge transfer 動作を
させます。 そういう周知情報の延長思考で容易に萩原提案の受光
構造、P+NPNsub junction capacitance type の 光電子（ＨＡＤ電子）
の蓄積領域であるＮ層は floating であると連想できます。実際、
萩原特許の図６Ｂには、この dynaimic 動作を明示する為 Ｎ層には、
完全に空乏化した時の empty potenrtial well を示す電位曲線が
描かれています。 これが この構造が、今の学会用語では、pinned
diode sensor であることの必要条件である Low Lag 効果を実現する
半導体素子となっています。
、
ＮＥＣが試作発表した センサー部にP+NPNsub構造でNPNsub接合
の、つまり bult-in NPNsub transistor の punch-thru mode で、
すなわち、 この寄生 NPNsub transistor の base Ｎ 領域の電荷
を、完全空乏化転送 mode で、すなわち、結果的にbase Ｎ 領域
が完全に空乏化し、majority carrier の光信号電子がすべて取り除
かれ、その結果、base Ｎ 領域には 電子の電位曲線が、埋め込み
チャネルのＣＣＤのＮ層が完全空乏化する時に生じる曲線と同じ様
な形状、すなわち empty potential well の曲線形状ととなることを
特徴としていました。
これは日本とアメリカの貿易摩擦という大きな問題、今でもかかえて
いますが、その貿易摩擦問題のいう大きな戦争(war)の中の１つの
戦場（batle)でのほんの一瞬の出来事(incident) のお話です。半導体
戦争がまだ激しかった時代の話です。今は ＨＡＤ sensor のブランド
名でＳＯＮＹが一人勝ちしています。世界のビデオ市場の半分近くを
占める時代になりました。
1975年に萩原良昭は 半導体受光素子の構造特許を申請しました。
これは 半導体受光素子 （ image sensor element )
の製造技術・KnowHow にも かかわる
基本構造特許（特許料請求権利が生じる部分）です。
特許内の具体的な実施例には特許権は主張していませんが、
この基本構造の有効性を証明するために
いろいろ新規な応用例や、
この構造の新規な動作 modeなどの説明図が
具体的な実施例として提示されています。
この半導体受光素子の製造を助けるヒントとなる情報が含まれます。
それらは、公開情報となり、各社自由に使用することが可能です。
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TEL: 042-765-6460(代) 青山社
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1975年萩原良昭申請のＨＡＤsensor基本特許について
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1975年に萩原良昭は 半導体受光素子の構造特許を申請しました。
上の図の1975年に特許出願した萩原考案の構造
と、下の図に示す、
寺西さんが1983年にＩＥＤＭで発表した受光構造
は同じものではないでしょうか？？？？
Ｄｅａｒ ｃｏｌｌｅｇｅ ｓｔｕｄｅｎｔｓ， ｐｒｏｆｅｓｓｏｒｓ ａｎｄ ｆｒｉｅｎｄｓ，
please judge for yourself. The truth shall make you free.
Yoshiaki Hagiwara
この上の図は 寺西さんが発明したことになっていますが、
彼はその構造特許を出しているのでしょうか？
この受光構造は pinned diode sensor と世間では
呼ばれていますが、1975年の萩原考案の構造特許と
同じではないでしょうか？？？？
＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊
誰が本当の pinned photo diode ( HAD sensor ) の発明者でしょうか？
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（１） Ｓｏｎｙ全体の開発部隊が総力をかけて本命である
Interline Transfer 方式 ＣＣＤ one chip image sensor
の試作開発に専念する中、なかなかプロセスが複雑で、
きずが多く、完成 chip ができない状況が続いていました。
その頃、同時に Ｓｏｎｙのセット部門は、
次の 8mm ビデオの商品化プロジェクトが進んでいました。
ＣＣＤの試作品の完成がずるずると遅れる中、
ＩＬＴ ＣＣＤの設計・評価も萩原が担当でしたが、
自発的に ＦＴ ＣＣＤの設計・試作・評価作業に挑戦し、
ＦＴ ＣＣＤは比較的工程数の少ないプロセスで
試作が可能なこともあり、早期に完成 chipができました。
1978年には、ＨＡＤ 受光素子を採用した
ＦＴ ＣＣＤ one chip image sensor の試作に成功し
ＶＴＲカメラ一体化8mmビデオをＳＯＮＹは発表しました。
.
1978年の ＦＴ ＣＣＤでの ＨＡＤ sensor の原理試作の成功から、
1980年に入り ＩＴ ＣＣＤでの ＨＡＤ sensor の原理試作に成功
していましたが、Overflow 構造は絵素部の横につく方式でした。
なかなか、1975年の日本国特許の請求文通りに書かれた
HAD sensor搭載の Ｉｎｔｅｒline Line 方式 image sensor
の試作は難しかったと記憶します。
この一番下の 基板の Sub は 実施図にはありませんが、
特許請求文には P+NPNsub junction 構造を受光素子と
する固体撮像装置としています。この縦型ＶＯＤがＳＯＮＹ
は遅れて試作・生産に成功し、ＨＡＤ sennsor で1990年
になると市場を独占する勢いで事業化が進みました。
このＨＡＤ sensor の技術は学会発表よりも、開発・生産
と信頼性技術の構築を優先したことが幸いして高品質
高信頼性でかつこの図に見られる構造とその派生構造
改良構想で現在でも ＨＡＤ sensor の brand で
世にいいものを送り出しています。
（１）実施例の図５には、 半導体基体（Nsub)は描かれていませんが、
この図はあくまで実施例の１つの特許の請求範囲を制限するものでは
ありません。 特許請求文には明確に 基体（Ｎsub), 第１領域（Ｐ）、
第２領域（Ｎ）、それに emitter 接合 （Ｐ+N接合）をつけるとあり
ます。図5図から、光信号電荷を蓄積する領域を第２領域としています。
また、Ｎ層の完全空乏化転送を示す Empty Potential Well の曲線図も
この特許の図６Ｂに挿入しています。この機能がこの ＨＡＤ sensor
にはあることになります。
図６の事例ではNsub の存在はありまんが、請求文では
はっきりと基体（Ｎｓｕｎ）と明記してＮｓｕｂの存在が特許
請求文に記載しています。
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ＳＯＮＹ厚木工場の半導体部門に１９７１年の夏と
１９７３年の夏に自習生として訪問、品質評価室
の宇野主任が指導官となり当時のＳＯＮＹ半導体
特に、 Bipolar Transistor のプロセス flow を
学びました。 その時に学んだことを土台として
特許が ＰＮＰ transistor の dynamic 動作、
すなわち、 base 領域の完全空乏化による、
ＣＣＤ like の、隣接する ＣＴＤへの転送を
特徴とする固体撮像装置となっています。
ＣＴＤは ＭＯＳでも ＣＣＤでいいことは周知
としています。また ＰＮＰＮsub 構造は本来
thyrister 構造となり、構造が複雑になること
に比例して期待されるそのoperation mode
も多様化することは簡単に理解できます。
構造だけ明確に特許請求文で定義すれば、
その構造に関係する動作 mode のほんどは
どんなに複雑なものでも新規なものでないの
なら 大学生が学ぶ教科書に掲載されています。
実際、 thyrister の動作原理は多様で受光時は
dynamic junction capacitor の sandwich と
機能し、過剰電荷の放流（drain)の場合は
P+N接合, NP接合、NPNsub のpunch thru
などの ＶＯＤ 機能も 構造特許を取得して
いれば、他社から 動作特許を請求されても
高い特許料を支払わなくても逃げ切れること
になります。そういう意味で、Sony の ＨＡＤ
sensor 技術が この Ｈａｇｉｗａｒａ1975特許
に基づくものなら ＨＡＤ構造でＳＯＮＹは
他社に特許料を支払うことはないはずです。
*******************************************************
最後に 1975年に出願した特許請求文 を
ここにそのまま掲示します。
*******************************************************
1975年11月10日特許申請
発明の名称 固体撮像装置
発明者 萩原良昭
******************************************************
特許請求の範囲
（１）半導体基体(Nsub)に、
（２）第 １ 誘電型（Ｐ）の第半導体領域（Ｐregion)と、
（３）之の上に形成された第２の誘電型（N）の
第２半導体領域（Nregion)が形成されて
（４）光感知部（Nregion)と
之よりの電荷を転送する電荷転送部（ＣＴＤ）とが
上記半導体基体の主面に沿う如く配置されて成る
固体撮像装置に於いて、
（５）上記光感知部の上記第２半導体領域(Negion)に
整流性接合(junction)が形成され、
該接合をエミッタ―接合(emiiter junction)とし、
上記第 1 及び第２半導体領域の接合を
コレクタ接合（collector junction)とする
トランジスタ（transistor)を形成し、
（６）該トランジスタ―のベース(base)となる
上記第２半導体領域(Ｎ)に光学像に応じた
電荷（ＨＡＤ electron)を蓄積し、
ここに蓄積された電荷を
（７）上記転送部（ＣＴＤ）に移行させて、
その転送（charge transfer action)を行うようにしたことを
特徴とする固体撮像装置 （ solid state image sensor )。
としています。
******************************************************
******************************************************
現在、Sony の HAD sensor と 一般に pinned diode sensor とは
次のような構造上の共通点があります。それが同一のものである
ことを判定するには詳細に両者の構造に精通する必要があります。
（１） 構造が HAD sensor は P+NPNsub 構造としている。
P+NP構造の受光部を採用して IT CCDの ＣＴＤを
具体的に使った実施例を提示している。
pinned photo diode は P+NPsub 構造をしている。
P+ の電圧は固定化 ( pinned ) 状態であること。
pinned photo diode では、P+領域は Ｐ type substrateと
導通しているが、ＨＡＤsensor では、P+NPNsubのP+端子は
自由な外部電圧で固定化（pinned) してもよいことを
実施図で提示しているが、これは特許請求範囲を
狭め、制限するものではない。特許請求範囲には
金属コンタクトの言及はなくい。
また、P+NP の受光構造を ＳＯＮＹは 1978年に
frame transfer 方式 CCDの 受光部の構造に
採用し、この P+NP構造を受光構造として、
P+と基板Ｐとを導通させている、
（２） HAD sensor も pinned photo diode もともに、
CCD 転送の様に image lag free を可能とする
「完全空乏化転送」が可能となる構造をしている。
萩原のＨＡＤ特許１９７５には図６Ｂに中に
電荷蓄積領域Ｎ層内の完全空乏化状態を意味する
empty potential well の曲線図がある。
この図６Ｂが その evidence となり、ＨＡＤ sensorは
image lag free を提供する受光構造であることが確認できる。
、
（３） 信号電荷の蓄積部のＮ領域が
外部金属コンタクトがない floating 領域であること。
（４） 信号電荷のＮ層の濃度が完全空乏化可能な濃度であること。
ＨＡＤ sensor では、特許の実施例から見てとれる様に、
光電子を蓄積するＮ層の濃度は埋め込みチャネルＣＣＤの
埋め込み層の濃度と同等の濃度としている。
蓄積部のＮ層と、埋め込みチャンネルＣＣＤの埋め込みＮ層は、
同一層で、同一濃度としている。
埋め込みチャンネルＣＣＤの埋め込みＮと同様に
低い濃度のＮ層を蓄積部とするとしている。
完全空乏化可能となる低い濃度にすると言う意味になる。
（５） 以上のことから、 上記転送部（ＣＴＤ）に移行させて、
その完全転送（ complete charge transfer action)をを
行うようにしたことを特徴とする固体撮像装置
（ solid state image sensor ) となる。
＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊**
以上の考察から 1975年に萩原が発明した image sensor の
構造とすの重要動作 mode は、 pinned photo diodeを
定義する 動作 mode と 構造特徴を満たすことになる。
従って、1975年に萩原が発明した image sensorは、
pinned photo sensor そのものであると結論する。
*********************************************************
結論として、 現在 世界的に話題になっている
pinned photo diode と言われる半導体受光素子は
1975年にＳＯＮＹの萩原が発明しＳＯＮＹが申請した日本特許で
記述定義される半導体受光素子と、
構造面でも、その重要動作の特徴 modeにおいても
同一の半導体受光素子であると判断できる。
*********************************************************
従って、もとＳＯＮＹの萩原良昭が
pinned photo diode の本当の発明者であり、
ＳＯＮＹはその pinned photo diode
は 1978年に frame transfer 方式の
ＣＣＤ方式ですでに原理証明し、ＳＯＮＹでは、
萩原特許を武器に、ＨＡＤ sensor ブランド名で
慎重にその製品の完成度と品質を保証するたまに
ＮＥＣに試作発表では先を越されたが ＮＥＣ以上に
ＩＴ 方式ＣＣＤでも 全日空ジャンボでの搭載など
世界で初めての商品化に成功している。
まだ、その受光部には 萩原考案のＨＡＤ sensorあ
構造は採用されていないが、当時、すべて同時に学会
活動しているが、 fram transfer 方式 CCD imager も
interline 方式 ＣＣＤ imager 両方を 萩原が主体となり
設計開発したもので、その先には 1975年ni
萩原が構想し SONY original 特許の 萩原考案の
受光構造を interline 方式 ＣＣＤに採用するのは
時間の問題であった。
現在世の中で話題になっている pinned photo sensor は
萩原は観察します。
その特許の中にある empty potential well の曲線を
見たことのない技術者の誤解によるものであると信じます。
以下の内容は、上記の日本語記述の内容をもとに
より詳しく英文で記述したものです。
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Please visit the following sites to learn about Sony HAD Sensor.
https://en.wikipedia.org/wiki/HAD_CCD
https://www.ptgrey.com/exview-had-ccd-ii-sensor-technology
https://en.wikipedia.org/wiki/Hole_accumulation_diode
https://www.sony.net/SonyInfo/News/Press_Archive/200002/00-007/
"HAD" technology for CTD (charge transfer device) sensor
that includes CCD,BBD,MOS and many kinds of other applications,
was invented by Yoshiaki Hagiwara at Sony in 1975.
Sony revealed a one-chip frame transfer CCD imager
with "HAD" technology in 1978 for the first time in the world.
Hagiwara's "HAD" technology , applied from original CCD
and back-illuminated CMOS image sensors, suppresses
fixed pattern noise that results from unwanted dark current
that occurs regardless of the amount of absorbed light.
By fabricating a hole-accumulation layer below the surface
of the image sensor, dark current can be suppressed at source.
By combining these two technologies, fixed pattern noise
can be substantially suppressed to improve signal-to-noise level
by 25 times and more.
In addition to improving image quality, image lag has also been
suppressed by optimizing pixel construction.
By adopting L-shaped gate for "HAD", electrons in the pixel
can be effectively transferred for lag-free image.
All of these achievements could not be possible without
Hagiwara's invention and his personal engineering efforts at Sony.
"HAD"means "Hole Accumulation Diode" officially,
but it also means "Hagiwara diode ",
honoring his invention in 1975.
"HAD" technology, invented in 1975 and developed
by Hagiwara at Sony is Sony's original creation.
Yoshiaki Hagiwara is the inventor of Sony HAD sensor.
Sony never paid any patent fees
to any other competing companies
for this "HAD" technology.
Confusingly, since HAD is a trade make of Sony,
the HAD technology has another name, that is,
the PPD ( pinned photo diode ) technoloy.
The name PPD is now more widely used,
specially in the technical world.
Confusingly, it is not well understood that
HAD and PPD are the same structure
originally invented by Hagiwara in 1975.
Yoshiaki Hagiwara is the inventor of pinned photo diode sensor.
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What is HAD/PPD? How does it work ?
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Sony HAD ( Hole Accumulation Diode ) sensor
is based on the dynamically operated P+NPNsub junction
photo sensing structure invented by Yoshiaki Hagiwara
and revealed in his patent in November 10, 1975
SONY HAD Sensor and
pinned photo diode are
the same thing.
Hagiwara invented in 1975
the pinned photo diode
widely used now.
Sony P+NPNsub (HAD) sensor
was also named later as
the pinned photo diode (PPD)
because the accumulated
majority carrier holes in the P+ layer
pins the P+ layer
voltage
at a fixed value by
some external voltage,
such as the substrate voltage
or any voltage from external metal wiring
by the metal contact on the P+ layer..
*********************************************************
***************************************************
Dear college students, professors and friends,
please read the following very interesting review paper.
***************************************************
***************************************************
" A Review of the Pinned Photodiode for CCD and CMOS Image Sensors"
by Eric R. Fossum and Donald B. Hondongwa , which was published in
IEEE JOURNAL OF THE ELECTRON DEVICES SOCIETY, VOL. 2, NO. 3, MAY 2014
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There are many false descriptions in this paper,
maybe simply because of lack of information ?
But it is a very good educational paper for college students
if the false descriptions are all corrected.
I belive poeple can say anything,
but the false comments shoud be corrected.
The truth shall make you free.
Yoshiaki Hagiwara in CalTech from 1967 to 1975.
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" A Review of the Pinned Photodiode for CCD and CMOS Image Sensors"
by Eric R. Fossum and Donald B. Hondongwa , which was published in
IEEE JOURNAL OF THE ELECTRON DEVICES SOCIETY, VOL. 2, NO. 3, MAY 2014
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This paper does not describe about the potentile well
which was revealed by Yoshiaki Haiwara in Sony at age 26
in his Japansese patent in 1975.
Hagiwara drew an Empty Potential Well
in his patent in November 10, 1975 ,
which may be the evidence to prove the fact that
Hagiwara is the inventer of the pinned diode.
Dear college students, professors and friends,
please judge for yourself.
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Hagiwara at Sony in 1975 conceived the idea
of a photo sensitive dynamic device structure,
filed a Japanese patent in November 10, 1975 ,
explained in Japanese in the official patent claim paragraphs
and disclosed the PNP transistor structure on N substrate,
with the floating photo sensitive base N region ,
serving also as the the photo electons storage area,
with the empty potential well
waiting for the majority carrrier photo electrons,
with the built-in complete charge transfer operation mode
which results the final completely depleted empty potential well
in the N photo sensive floating base N region
of the dynamically operated PNP transistor on N substrate,
which is the origin of the pinned photo diode sensor.
Yoshiaki Hagiwara revealed ,
in his 1975 Japanese patent ,
this photo sensitive dynamic PNP transistor structure
with the floating photo sensitive N base region.
The structure for this unique operation mode
is now called as
the pinned diode as shown below.
.
Please compare the above picture with the figures below.
The Fig.5 and Fig.6 shown above
are included in Hagiwara's 1975 patent.
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The evidence of the fact is explained as below:
(1) In Fig.5 shown above is just one example of
the dynamic P+NPNsub structure described in Japanese
in Hagiwara 1975 Japanese patent claim,
Fig.5 shows a photo sensetive dynamic PNP transistor structure
with the floating N type base region
which serves as the majority carrier photo electrons storage area.
This observation alone may lead to the conclusion that
Yoshiaki Hagiwara in Sony at age 26 in 1975,
convieved for the first time in the world,
the photo sensetive dynamic PNP transistor structure
with the floating N type base region,
which is exactly the same structure
of the pinned photo diode,
now widely used in image sensors.
Dear college students , professors and friends,
please jude for yourself.
(2) Fig.5 also shows the CCD structure
with the lightly doped region
under the charge transfer gate.
This portion of the N-/N region
is intended to give a potential diectionality
for the photo electrons
to move in the right direction under the transfer gate.
The structure is made so that
the photo electrons can be transferred smoothly
to the left buried channel N layor storage area
under the same buried channel CCD gate.
Dear college students, professors and friends
please jude for yourself.
(3) Furthermore, Fig. 6B in his patent shows
an empty potential well,
which implies the potential well ,
being completely depleted
of the majory carrier photo electrons
in the floating N storage area in dynamic operation.
This may be considered as the evidence of
the complete-depletion-mode charge transfer operation
of the SiO2 exposed and dynamically operated base N region
of a photo-sensing P+NP transistor in the curent-cut off mode
with the floating N layer storage
for the majority carrier electrons.
CCD is important because of
its dynamic operation mode of
the empty potential well
which is the evidence of
the complete charge transfer of
CCD capacitor structure.
The pinned diode (P+NP structure) is important because of
its dynamic operation mode of
the empty potential well
which is the evidence of
the complete charge transfer of
the floating transistor base N of
the emiiter junction capacitor structure.
The P+NP structure on the N substrate with base N floating
was originally invented by Yoshiaki Hagiwa of Sony in 1975
So it may be concluded that
Yoshiaki Hagiwara is the inventor of the pinned diode.
Dear college students , professors and friends,
please judge for yourself.
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The first Pinned PD , in the form of P+NP sensor element
on Nsub strruncture with the floating N layer for complete
charge transfer , was invented and filed in a Japanese patent
by Hagiwara at Sony in 1975, and was used in his FT CCD
imager in 1978 with P+NPsub sensor element, in which
both P+ and P are connected.
Later Teranish in NEC disclosed his ILT CCD PD's .
Soon after, Sony introduced on the market,
the HAD sensor video camera
with the P+NPNsub image sensing structure.
HAD is Hole Acumulation Diode in brief,
which was first revealed in the form of
the emitter junction (diode) of
a photo sensitive dynamic PNP transistor structure
invented by Haiwara in the 1975 patent.
Sony now enjoying the big sensor business with the back
illuminated CMOS imager with the HAD sensing element
which was Hagiwara's invention.
Confusingly enough, HAD sensor and the pinned PD,
Teranish's ITL CCD PD's, and
Haiwara's P+NP transistor structure on the Nsub
are all the same thing.
The VOD punch thru mode operation
of the P+NPNsub structure
was well understood in 1975 in public.
However , the well known P+NPNsub structurre,
this time with the floating base N region
in the complete depletion mode built-in,
resulting in the complete charge transfer of
the majority carrier photo electrons
from the floating base N region
was revealed by Hagiwara, in his 1975 patent.
The pinned diode and the HAD sensor are
the same thing which is a P+NPNsub structure
with the floating N base region.
So who is the true inventor of the pinned diode ?
Dear college students , professors and friends,
please judge for yourself.
And what is the truth ?
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I belive poeple can say anything,
but the false comments shoud be corrected.
The truth shall make you free.
Yoshiaki Hagiwara from 1967 to 1975 in CalTech.
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Hagiwara of Sony invented the pinned diode sensor in 1975
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テレビがアナログからデジタルハイビジョンテレビになり、
高画質で高精彩な画像を家庭に提供しています。
さらに、家庭のデジタルテレビはますます賢くなります。
家庭用の小型ゲーム機感覚で、たとえば、
任天堂のＤＳやＳＯＮＹのPlayStationの感覚で、
家庭ごとに、人工知能搭載のコンピュータが、
もうすぐ、近い将来、登場することでしょう。
それを萩原は ＡＩＰＳ ＢＯＸ と呼びました。
萩原は、２００８年にＳＯＮＹを６０歳で退社したのと同時に、
神奈川県に、 ＮＰＯ法人
「特定非営利活動法人AIPSコンソーシアム」
を設立しました。 その活動目標は、家庭で使う、人工知能搭載の、
高速並列処理コンピュータと、それに従って、 real timeで、
敏速に動く、ロボットの実現のための技術開発に貢献することです。
老人を集め、ほそぼそと活動して来ましたが、
もう活動仲間が、私を含め７０歳～８０歳となり、
いつポックリ行くかもしれませんので、
「葬式」だけは生きている間に、
後始末で若者にも迷惑にならない為にもと考え、
１０周記念を最後に、このＮＰＯ法人を
閉鎖することにしました。
しかし、みんな元気なうちは続けようと、
個人グループ同好会の形で、楽しく活動を続けています。
この人工知能搭載の家庭用 ＡＩＰＳ ＢＯＸと、それで動く
ロボットの目（電子の目）には、 固体撮像素子、すなわち、
Ｉｍａｇｅ Sensor なる半導体部品が不可欠です。人間の
目よりも感度がいい、「賢い電子の目」です。
それを実現すべく、萩原はＳＯＮＹに１９７５年２月に米国の
大学、 ＣａｌＴｅｃｈを 卒業して、入社しました。
入社後、数か月で出願した特許があります。
図１ （萩原特許１９７５の実施図）
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まず、当時は特許はあまり今ほど注目されるものでは
ありいませんでした。この２つの図は１９７５年の時代では
特許請求した内容以外にも、新規的なほかのデバイス構造
要素が見てとれます。今なら各社確実に特許にする内容です。
（１） センサー部のＴＯＰのＰ層に金属コンタクトがある。
実際はこれは実施例の１つで、特許の請求文には含まれません。
金属コンタクトの構造の内容はまったく請求文には触れておらず、
したがって、金属コンタクトはなくてもいいことになります。
ただこのＰ領域が floating になってはこまります。
この特許は その下の Ｎ層が floating 動作されることを意図しています。
当初、センサーに金属コンタクトがあり、この構造で
センサーを造るのは難しいのではと思い、素子分離
のＰ＋の拡散とつないでプロセスを簡素化して
Interline 方式ではなく、FT方式で、ＳＯＮＹでは
最初に試作し、新聞発表しました。
別にＰＮＰ構造で PNP transistor にたとえて、
emitter 側のPを、collector側のＰにつないでも
十分、 受光素子として使えることを確認しましした。
当然、この構造なら Interline 方式でも試作可能です。
この萩原特許を知っている技術者なら、すぐこの構造を
Inerline 方式でも使えること確信できます。
このＨＡＤセンサー搭載の ＩＴ方式のＣＣＤ imager も、、
このＦＴ型のCCD imagerの受光部分と同じ、ＰＮＰ構造で 、
ＨＡＤセンサーの名前は後でつけたものです。
ＩＴ方式のＣＣＤ imager でも、ＨＡＤセンサーの、
ＰNP transistor の emitter 側に対応する P層を、
collector側のＰ層に直接つないでいます。
t
しかし、最終裏面構造のＨＡＤセンサーにしますと、裏面から光を
受けるので、この金属コンタクトを、 製造に採用されるかは別ですが、
つけることは可能です。でも 1978年発表の ＦＴ CCＤ の時と同様に
やはり金属コンタクトは取ったほうがいいか。。。
1975年の萩原特許では金属特許をつけることは特許請求範囲では
まったく言及していませんでした。
特許請求範囲と特許の本文はわかりにく日本語になっているので、
実施図を見るだけで、本文の正確な文章を読まず、
「萩原さんの特許の実施例ではセンサー部に金属コンタクトがある。
こんなもの造れるかよ。やはり、まだ入社そこそこの新米技術者で
実践経験が少ないので無理ないけどね。」と同僚や先輩に
言われたことが何度もありました（涙）。
本当は P+NPNsub サイリスタ―構造を 有効に活用して、
Nsub に流す方法もあるのは知っていたけど、これも Bipolar
技術で punch thru の怖さを 実感していたので正直あまり
関心を持てませんでした。
ＣＣＤが本格量産に入り、私は その後、ＤＲＡＭ，ＳＲＡＭを
Ｓｏｎｙ内での事業化に挑戦しましたが、ＤＲＡＭは試作開発に
とどまり、社外発表はできませんでしたが、 ISSCCの学会で、
世界発の ８ Ｍ bit の DRAMを 設計担当の 宮司さんが
考案のアイデアでしたが、この ＣＭＯＳ imager でも 使える
bit line 信号線を読み出し時に floatingにすることにより、
高速にデジタル情報ですが高速増幅できる原理を使って
他社にさきがけて発表できました。この宣伝効果は大きく、
intel社からも cache memory 用のＳＲＡＭの受注を受け、
多くの日本の会社がＤＲＡＭの生産でおおもうけしている中、
ＳＯＮＹでもうけていました。
その後、ソニーのマイコン事業の設計の仕事を手伝いました。
ソニーは 8 bit と 16 bit マイコンを生産していました。
日立のＨ８マイコンの性能が良く、ソニー内のユーザ＾も、
日立のマイコンなどを採用することになり、商売は先細りに
なりました。
その頃、ＳＯＮＹが ゲーム機 ＰＳ１ の事業を始めました。
へえ、誰が？ すごい、 という感じで友達に聞くと、
久夛良木さんだよ、とのことでした（拍手）。
彼は1975年の入社同期でした。入社時の配属は違いましたが、
私が入社時からお世話になっていた吉田室長の情報処理研究室に
私が ＣＣＤの開発生産のため移動して出た後、すぐ情報処理研究室
に配属になりました。同じソニー厚木テックの中にあり、時々古巣の
情報処理研究室に遊びに行っていましたが、そこで 彼がやっていた
joystick などを使って テレビに映った顔を自由に real time で
動かすデモを見せてもらったことがあります。
コンピュータを使って 映像を自由に操作し楽しめるものを造りたい
との夢を話していました。私はその半導体チップ側の人間で、ビデオ
カメラやデジタル処理用のプロセッサーやメモリーチップの開発者
でしたが、映像を使って、カメラを使って、デジタル回路を使って、
人間にやさしいコンピュータ支援システム ＡＩＰＳと今は呼びますが
久夛良木さんの話を聞いて、俺も頑張らなきゃと感じました。
2000年に初孫が生まれ、私も50歳を過ぎたころには、
もう現役で仕事は難しく、技術管理系や技術研修係の
仕事を担当しながら、半導体技術企画室長などの立場で、
2000年に入り、2008年定年まで、 東芝の斎藤さん、
日本ＩＢＭの西原さん立ちと私は久夛良木さんの半導体
関係をサポートする仕事を最後にＳＯＮＹを定年退職しました。
私が現役技術者として image sensor を 担当したのは、
まだ中研時代の吉田さんが率いる情報処理研究室のメンバーで
ほんの数人で CCD imager の設計・評価測定部隊でした。
1980年代になり、厚木テックで本格的な量産実験の時期となり、
1990年になるとソニー国分工場で生産が本格化するまでは、
ＳＲＡＭ事業やマイコン事業を担当していた私でしたが、
たいへん気になり、もとのＣＣＤの職場の仲良し仲間から
話を聞き、いろいろアドバイスをできる範囲でしたがしていました。
考案してから40年が過ぎることになります。
この構造でも表面のＰ+ 接合領域は重要な役目をはたしています。
上部酸化膜と半導体基板の接触界面の原子レベルの結晶体の
乱れによる dark 電流を低減できます。
話がそれました。
ごめんなさい、もとの話にもどします。
1975年の特許出願の話でしたよね？
この２つの図は、１９７５年の時代では
特許請求範囲に入っていないが、新規的なデバイス構造要素が、
今なら、各社確実に特許にする内容があります。
（１） センサー部のＴＯＰのＰ層に金属コンタクトがある。
実際はこれは実施例の１つの特許の請求文には
金属コンタクトの構造の内容はまったく触れておらず、
特許請求していません。
つまり金属コンタクトでなくてもいいということです。
ただし、 floating で あってはならないのが条件ですので、
言葉で説明しないであえて入れています。
（２）センサー部のＮ層が 左側の転送部の埋め込み
チャネル側のＮ層と同一プロセスで製造可能な
構造になっていること。
（３）センサー部から、左の埋め込み型ＣＣＤへ
光電変換された信号電荷を転送する
ＭＯＳ型の転送ゲート構造が
従来のＮＭＯＳトランジスターでなく、
Source側は Ｎ＋層でなく、
そのままの受光部Ｎ層となっていること
（４）その転送ゲート構造の電極下がＮ－とさらに
濃度勾配を持ち、埋め込みＣＣＤ側には
埋め込みＣＣＤの転送ＭＯＤＥで
電荷を完全空乏化転送ができること。
（５）下の第6図では、受光素子であるＰＮＰ接合の
Ｎ層を ＣＣＤの埋め込みチャネルＣＣＤの
埋め込み層のＮ層と同じぐらいなので
完全空乏化が可能であることを
意味する図になっています。
（６）さらに複雑になりますが、専門家なら
理解可能なことですが、
この転送ゲートのポリシリコン電極と
埋め込みチャネルＣＣＤの電極が
同一電極になっている構造の意味です。
ここで、埋め込みチャンネルのＣＣＤの電極にプラスの
電圧をかけることにより、信号電荷は埋め込みチャネル
のＣＣＤ側に引き付けられます。
左のＮ層の受光部のＰＮＰ層に保存された電荷は、
そのまま、自然に図では左から右へと方向性が生じ、
転送ゲート下の埋め込みチャネルの (N-/Ｎ)層を通った
電荷はさらに深い谷になっている、右の埋め込みＮ層に
完全空乏化転送の形で流れることになる構造になっています。
実は、この転送ゲート部分も埋め込み型のＣＣＤ動作
をするゲートです。同じＣＣＤ用電極で、濃度をN-にして
垂直転送領域の埋め込みＣＣＤのＮ層に対して、
方向性（図では左から右へ流れる傾向バイアス）を
つけるということです。
専門家には構造を見ただけで、その動作は自明です。
従ってこの図は電荷が左の受光構造（ＰＮＰ）から
転送ゲート下に移動し、さらに埋め込み型ＣＣＤ側に
「完全信号電荷の空乏化転送」 mode で移動する
ことが可能な構造となっています。
図はあくまで実施例の１つですが、
トランジスタに光を照射する、
単純な ＰＮＰ transistor 構造を
受光部素子とする特許です。
ただし、base領域の N 層に蓄積される電子を完全に引き抜き
空にする機能（完全空乏化転送機能）を備えた半導体装置の
構造の提案特許となっています。あくまで構造特許で特許請求
には、当時、単純な構造特許として出す方が特許審査官にも
理解が用意だという判断で会社は構造特許としてのみ権利
主張するとして、その特許の価値は実施例でできるだけ、
ＫＮＯＷＨＯＷになるので、素人には気が付かない形で、しかし、
その筋の世界の権威ある技術者には見えとってすぐ理解できる
様にということで、考えて当時２６歳の萩原が描いた図です。
このＮＰＮ構造で、Ｎ層が完全空乏化転送が可能でないと、
特許の意味がありませんよね！ 光を電気信号（電荷）として
せっかく貯めたものを テレビに映像信号として描画したいわけ
ですから、瞬時にそのためたお金を銀行からあり金全部すっきり
とはでに使いたい気持ちで、そういう気持ちですので、せっかく
N層（銀行）に蓄積した信号電荷（お金）の全部をＣＣＤ（お店）に
もって行かないと気がすみません。これを学術用語では、信号
電荷の完全空乏化転送といいます。この受光部 Ｎ層からそこに
たまった信号電荷をすべて転送し、そのＮ層を完全にからっぽに
するということを説明しないとこの特許の価値がありません。
特許を簡単に通すために難しい原理の説明は特許に入れるなと
言われたが、満足できるこっそり、この完全空乏化状態のＮ層の
様子を電子の電位曲線 ( potential curve ) をこっそりと挿入し
ました。 また、光が照射した時に、光電変換で電子が発生し、
Ｎ層に蓄積されると言いましたが、特許は構造特許ですので、
そんなことも特許文には記載されていませんが、図６には、
光から 電子（e-) と ホール(e+) が発生する様子んも描かれて
います。わかるかな？ また、光があたり、どんどん電子が
たまったとき、過剰電子（e-)が Ｎ層の上のＰ層側に流れる様子も
図には描かれています。また、あたかも器に水がたまって行くように
器に水がたまるとその水面は平になりますので、その水面を点線で
ちょこっと描いてその様子を示しています。多分、特許の審査官には
気づかれないだろう、これは動作説明のさし絵ですので、特許請求
範囲には入っていませんので、お気遣いなく、、、と逃げることが
できるかも？ 構造特許では可能かも？しかし、これは構造と関係
ないので、余分な ＫＮＯＷＨＯＷにかかわる説明図の絵を描き
加えるなと言われれかとドキドキでしたが、すんなり通って、社内の
上司の目も、特許出願審査官にも注文が出ず、胸をなでおろし
ました（笑顔）。萩原は、このＮ層の信号電荷をＣＣＤ読み出し側に
Ｎ層から完全空乏化転送することを、ＫＮＯＷＨＯＷと考えてあえて
それを特許にすることはないかと思っていましたが、ＫＮＯＷＨＯＷ
を会社に出すということは、他社がそのＫＮＯＷＨＯＷ情報を見て、
技術競争で追従をうけ、自分の会社が不利になる危険があり、
それが心配でした（涙）。
このＰＮＰ受光構造に、光電変換された電子が、そのＮ層に、
受光時間にゆっくり時間をかけて蓄積された信号電荷（電子）が、
読み出し時に、瞬時に、右側にあるＣＣＤに 転送されます。
本当にこの特許の価値は 器の水をからにする「完全空乏化
転送」にあります。しかし、その部分は、実施例として動作の
ほんの一例ですと、しています。
信号電荷（電子）の電位のカーブとしてＰＮＰ構造のＮ層が
信号電荷が「完全空乏化転送」された結果Ｎ層が完全空乏化
していう様子を電位図のカーブで描いています。
これは何かと図を見て尋ねられたら、「器の水（信号電荷）が
空になっている図」ですと上司にも特許弁理士にも同僚にも
説明していました。
構造特許にして、早くこの構造のものをまずは、製造したい
気持ちが会社にはありました。萩原は構造特許と動作特許
の違いもまだわからない、初めて会社で書いた特許でした。
この実施例は、ほんのこの特許に実施例構造の１つですが、
当時、学会で脚光と浴びていたＣＣＤに、信号電荷を転送する
構造になっています。
しかし、この構造特許の正確な短い公式特許請求文ではＣＣＤと
せず、もっと広い意味で ＣＴＤ＝電荷転送装置としています。
当時、ＣＣＤは日本語では 電荷結合装置と訳されています。
ＣＴＤは、文字どおり、電荷を転送する装置です。
ＣＣＤだけでなく、ＢＢＤ なども含む文字どおり、
通常の電気回路では、電流が流れますが、
電流を、水道管に流す様な水の流し方とは違い、
ＣＴＤは、電荷のかたまり、 charge packet を
転送する装置の総称です。
ＢＢＤなど他の装置は転送残りがあります。
原因は ＮＭＯＳ トランジスタ―の drainとsource領域の
拡散層の不純物濃度を濃くして、金属との相性を良くして、
拡散層と金属端子のコンタクトをとるためです。
ＣＣＤは転送効率が９９．９９９％にもなり、
それを完全空乏化転送と言いて私の学生時代、
ＣＣＤは大変脚光を浴びていました。
拡散層の不純物濃度を濃くして、金属との相性を良くして、
拡散層と金属端子のコンタクトをとれるのは上部のＰ＋層、
すなわち、ＰＮＰトランジスタでは emiiter 端子でけでいい
のでは、ＰＮＰの baseと collector は 薄くしも 金属
コンタクトをとらなきゃいいんだ。その代わり、横の
特別な 転送電極（従来のＮＭＯＳ トランジスタ―とは
異なる構造で、ＣＣＤやＢＢＤ，ＭＯＳ imager の bit
line （垂直信号転送部）に信号を転送すればいいと
考えました。
ＣＣＤの完全空乏化転送が話題になっていた時代でした。
濃度の薄い拡散層（Ｎ層）の完全空乏化転送の原理は
だれでも簡単に連想できるものと思っていました。
まだ、萩原は２６歳で会社に入ってばかりで、あまり、
半導体業界や半導体専門技術にかかわる学会の
情報など知る余地がない歳でした。
今、この「完全空乏化転送機能」を持つ「賢い電子の目」が
今世の中で普及しています。高感度で、雑音が少なく、
かつ 高速 shutter 機能や、高速 action picuture の
高品質映像を可能にしています・
近年、学会でも大きく取り上げられ、話題になり、世界中の
半導体技術者の注目のまととなりました。多くの技術者が
この「完全空乏化転送機能」を持つpinned diode 構造に
ついて多数論文を発表しています。その論文の１つに掲載
された図が下の図２（現在学会で話題になっている図）です。
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わあ、この図２（現在学会で話題になっている図） と、はじめに
説明した 図１ （萩原特許１９７５の実施図）を比較してください。
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図２ （現在学会で話題になっている図）
Ｓｅｅ " A Review of the Pinned Photodiode for CCD and CMOS Image Sensors"
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わあ、この図２（現在学会で話題になっている図） と、はじめに
説明した 図１ （萩原特許１９７５の実施図）を比較してください。
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図１ （萩原特許１９７５の実施図）
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わあ、この図２（現在学会で話題になっている図） と、はじめに
説明した 図１ （萩原特許１９７５の実施図）を比較してください。
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両方の図の中に、同じ構造の、すなわち、酸化膜（ガラス）に
保護されたＰＮＰ構造が存在することがを誰でもわかりますね？
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どうしてかというと、ＣＣＤカメラという用語が現在世間一般に
いますが、実は今普及しいるカメラはもうＣＣＤカメラではあり
ません。この構造をもつカメラなのです。それで学会で大きく
取り上げられているわけです。
萩原が１９７５年の考案した特許の実施例の図の中の
ＰＮＰ構造と同一です。萩原の図では金属端子がＴＯＰ
のＰ層 （ＰＮＰ トランジスタ―構造の 高濃度 emitter
領域）とコンタクトを取っています。金属配線と相性を
よくするにはこのＰ層は比較的濃度を濃くする必要が
あることは周知です。図ではＰと描いていますが、
現在学会で話題になっている図２では、P+ となって
いますが同じ濃度のものです。いずれにせよ、図１
ではＰＮＰ構造、図２ではＰ+NP 構想としています。
これは同じ PNP junction 構造を 受光素子として
つかうという画期的なことを提案している図になります。
萩原の１９７５年の特許の一番法的に効力ある構造
特許は、もっと請求範囲を会社ですのでがめつく
請求権を主張するために、 PNP bipolar 接合
トランジスタの emitter 端子に相当する端子、
すなわちＰ+濃度を解釈できる請求文になっています。
（１）半導体来基体(Nsub領域）に
（２）第１の半導体領域（Ｐ層）があり、
（３）その上に電荷蓄積領域の第２の半導体領域（Ｐ層）があり、
（４）そのＰ層に（どこでもいい） ＰＮＰトランジスタの
emitter 接合を形成するとあります。
当然、 emitter は 濃度を濃く造りますので、P+ のことです。
従って、 萩原特許１９７５は、 P+NPNsu junction 構造を
「賢い電子の目」の網膜細胞に相当する、半導体受光素子として
採用するといく特許です。それが、１９７５年、今から５０年以上
前に萩原が２６歳の時に考案した構造が今実現したということです。
また、図１ （萩原特許１９７５の実施図）から、この構造を使って
P+NPNsub junction 構造の 電荷蓄積領域のＮ層から隣接する
ＣＣＤに信号電荷を「完全空乏化転送」をする実現できる構造で
あることを明示した具体例となっています（笑）。
残念なことに、この特許は日本だけに出願し、この特許の実際に
目で見た人はあまりいません。出願した私もきれいなものを持って
おらず、１９７５年に 「萩原さん、特許のdraftができたよ」と
特許担当者から送られたコピーでかなり落書きしてあるものしか
自分は保存していないのが現状です。
１９７５年に萩原出願のＨＡＤ Sensor 基本特許
添付の図５と図６は、ほかにもいろいろあるが、特許を理解
する上で助けになるなるかと、補助的な目的で、特許に
描かれた補助図です、特許の有効性を説明しても、請求
の請求範囲を制限するものではありません。
（１）実施例が ＣＣＤ構造だが、
請求文では 広く ＣＴＤ として言及、今の裏面型も含みます。。
（２）実施例が ＰＮＰ transistor 構造だが、
請求文では P+NPNsub の thyrister 構造特許しており、
特許請求範囲は、ＶＯＤの一例のみしか言及していませんが、
P+NPNsub の thyrister 構造のすべての動作 modeを
期待した構造特許で、過剰電荷を上に流しだす例を
説明しているだけですが、特許請求によくやる、
「対象倫理」で、 上なら、その反対の下は容易に連想できる
としていますのです。だから、後で、ＶＯＤの動作に
関わる特許が出願されても その特許をいじわるして、
もう１９７５年の時の ＶＯＤの提案の容易に連想できる
派生動作 ＭＯＤＥであると主張し、
その特許の無効性を主張できます。
あくまで、この構造で 動作特許を後で出願した会社から
特許料を請求された場合の話です。
Ｎ層にある信号電荷から見ると特許の図からは
Ｐ＋ＮＰＮ 構造がたてに積み重なっているので、
逆トランジスター動作も対称論理であるわけで、
ＶＯＤの道は上にも下にもあることになります。
この構造は１９７５年に２６歳の若い技術者だった萩原が考えた
構造です（笑顔）。彼の頭脳には、すでに難しい専門用語ですが、
ＣＣＤ転送、すなわちＭＯＳ capacitorの下での、光から電子信号
に変換して生じた信号電荷を効率よく半導体の中を移動する技術、
それを「ＣＣＤ完全空乏化転送」と呼びますが、そのすばらしい
発見のことが、彼の頭脳の中にはありました。 まだ、ＣＣＤが
発明されたことで、ＣＣＤのよさは世界は知りませんでしたが、
ＣＣＤが発明されたのは１９６９年でしたが、２０１０年代になって
そのＣＣＤの考案者はノーベル賞を受賞しています。
まさか、ＣＣＤの発明で、発明者も自分がノーベル賞が
もらえるとは思っていなかったでしょう。
でも、自分が学生時代勉強したＣＣＤです。
自分が学習したものがそんな重要なものだと
再認識にたいへん幸せ気分でした。
その時に 東大の池田先生から、
「来年、２０１３年は ＩＥＥＥ主催のＩＳＳＣＣの学会が、
６０年前に創設され、ちょうど創立６０周年になるので
その基調講演パネルに出席してください。」
との依頼を受けました。
しかし、回路の勉強はさぼってどういう話をしようかと
ぎりぎりまで思案していました。結局は自分が担当した
分野のテーマでしかないかと、 imager についての
昔話をすることにしました。
ＩＳＳＣＣ２０１３の創立６０周年の時の記録です。
ＣＣＤの発明は魅力的でした。
ＣＣＤの「完全空乏化転送」は、原理的に
元来 ＣＣＤは ＭＯＳ 容量の結合素子ですで、
ＭＯＳ電極下にできた potential well に電荷を蓄積し、
それを理想的には 電子１個も取り残ることなく
転送移動することができる半導体素子です。
たいへん難しい概念を ＩＳＳＣＣ２０１３に出席の
回路設計の専門家にどう説明するか苦労しました。
その時の様子が記載されています。
実は、私はそれを、この「ＣＣＤ完全空乏化転送」のＣＣＤ構造を
大学の博士課程の論文のテーマとして研究し、１９７４年には、
米国 Philadelpha で開催の、 IEEE 主催の ISSCCで PhD論文を、
「埋め込みチャネル方のＣＣＤ構造の電荷転送について」と題して、
発表し、高感度 CCD イメジャーとして、表面型ＣＣＤの発明の後、
その派生品種として考案された 埋め込み型ＣＣＤがより最適で
あると報告しています。
表面型 ＳＣＣＤと 埋め込み型 ＢＣＣＤの動作原理を勉強し、
１９７４年のＩＳＳＣＣでＣＣＤに関する博士論文の内容を発表、
ＢＣＣＤの埋め込みチャネルのＮ層の信号電荷の
「完全空乏化転送」の動作の computer simulation 結果を発表、
大学(母校CalTech)にある ＩＢＭ３６０ と
CalTechのＪＰＬの 36mmFilm描画機を使って、
動画ムービーにして発表しました。
、 ( T, X, Y ) の ３次元変数問題として
当時の ＩＢＮ３６０のコンピュータを使い、
ＦＯＲＴＲＡＮ言語で program code しました。
そして、大学を卒業し、１９７５年ＳＯＮＹに入り、
ＣＣＤの「完全電荷転送原理」をもとに、
ＣＣＤには、金属電があり、鏡の様に光を通過できないので、
最終的な高感度の受光素子には不向きであるので、、
P+NPNsub junctio 構造を受光素子として考案し、
入社してすぐこの構造特許を出願、
その構造価値の実施例の図６では、
こういうもので使いものなるよと言う説明で、
その受光電荷の蓄積領域Ｎ層がＣＣＤと同様に
埋め込みチャネルと同じ濃度、同一層のＮ層にしておき、、
ＣＣＤだけでなく、普通のＮ層でも、こうすれば、
「完全電荷転送」が実現できるよと説明するために、
図６Ｂに Ｎ層の完全空乏状態を示す曲線を描きました。
図１ （萩原特許１９７５の実施図）
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萩原良昭の出版図書の紹介
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人工知能パートナー（ＡＩＰＳ）を支える
デジタル回路の世界
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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）
TEL: 042-765-6460(代) 青山社
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テレビがアナログからデジタルハイビジョンテレビになり、
高画質で高精彩な画像を家庭に提供していますが、
その映像はビデオカメラ（撮像装置）が撮ります。
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そのビデオカメラ「賢い電子の目」を人間の目にたとえると、
光を感じる人間の網膜細胞の構造に相当するのが
この特許で記載されている固体撮像素子構造です。
と言っても、難しい話ではありません。
人間の頭脳には脳細胞がありますが、
人間の頭をコンピュータにたとえると、
人間に脳細胞に相当するのが、トランジスターという半導体素子です。
人間の目は、脳が進化して、外の世界をもっとよく知るために、
脳細胞が、脳の神経細胞が胞から飛び出し、
同時に皮膚が進化してレンズとなったものです。
従って、脳の神経細胞も、目の網膜細胞も、
もとは同じ神経細胞なのです。
脳の神経細胞に相当するのがトランジスターで、
その神経細胞が進化してできたのが脳細胞なら、
トランジスターの構造を進化させれば、そのまま、
「賢い電子の目」の網膜細胞構造になるはずです。
その着想で 考案されたのが この１９７５に出願した特許構造です。
図から見てもわかりますが、同じトランジスタ構造に光を照射する、
単純な ＰＮＰ transistor 構造を受光部構造としている特許です。
今では、放送局用から家庭用小型ビデオカメラや、
スマフォに搭載のカメラまで、高感度で高精細な映像を
提供しています。
固体撮像装置（ Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Image Sensor ) と呼ばれる
半導体の chip ( ポテトチップの様なもの）です。
Intel の Processer が人間の頭脳に相当するなら、
Sonyの Image Sensorは人間の目に相当します。
その Image Sensor の構造は 太陽電池と同じ原理で、
光を電気エネルギーに変換する装置で、それも映像として
レンズに入った光をのImager と呼ばれる半導体 chip の
上に 昔のカメラの film の様に、投影して そのchipの
表面に移った映像を、半導体素子は 電気信号に変換し、
時系列、すなわち、時間の関数として、デジタル回路で
高速処理して、最終的に放送局から電波で各家庭に
送られます。
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次に、 現在スマフォやデジカメ用に実用化され広く採用されているもので、
CCD/MOS イメージセンサー共通の基本受光構造でもあり、
つまり、人間の目の網膜構造に対応したもので、
ＨＡＤセンサー( Hole Accumulated Diode) と呼ばれる構造に関する、
低雑音高感度センサーの基本構造特許を紹介します。
a Japanese Patent by Sony on Nov 10, 1975
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その技術内容を簡単に図を使って説明します。
簡単と言っても、余談も入り、かなりの長文です。
軽い読み物形式を取っていますので、
時間あるときに スマフォでも使ってでも、
気楽に読んでください。
多くの勤勉な技術者の努力によりますが、
どの様な歴史的な背景があって、いろいろな最新技術が現在に至るのか
ご理解いただければ幸いです。
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（１） この特許の提案のあった1975年より以前の
従来型の ＭＯＳ imager は
簡単なＭＯＳ transistor のプロセスを使用しており、
受光部の ＮＰ diode の Ｎ 層は
one transistor DRAM と同じいように、このＮ層に
信号電荷（ 光電子 = photo electrons ) を蓄積していました。
しかし、この構造では、 受光部のＮ層は ＭＯＳ transistor の
source と drain の様に、実際は かなり濃く doping されており、
光信号電荷（電子）を完全に Ｎ層の蓄積部から完全に引き抜けません。
その結果、transfer gate を通って、出力部分につながっている bit line
read out 出力部に出てくる信号電荷の量は、Ｎ層に取り残されたぶん
だけ、少なくなっていることになります。
つまり、N 層を完全空乏化(complete majority carrier depletion ) する
ことは不可能となり、画像に残像が発生し、画像の劣化を招き、特に
action picture 、高速で変化する映像を忠実に再現できなくなり、
質のいい映像が得ることができません。
（２） その頃、 1975年の頃です。 ソニーに入社して最初に出願した特許でした。
まだ、特許の書き方も未経験で、特許の弁理士は、特許請求範囲の最初の文章
だけは、しっかり読んで作文してください。その後につく、詳細な解説文は後からでも
誤字脱字を含めて、変更追加が可能ですと説明を受けました。それを聞いて安心して
実は、特許担当の弁理士が私が口頭で説明した内容を文章にして私にチェックする
するようにと依頼がありましたが、時間をかけず、かなりいい加減だったと記憶します。
ＮＰ接合の頭に P+ 層をつけて、 P+NP transistor と同じ構造にすることを考えました。
1975年当時は ＳＯＮＹでは カラーテレビの製品化が本格化しており、
ソニーの厚木工場は もともと ソニーのトランジスターラジオの製造販売で
大きくなりましたが、そのそのトランジスターを製造していた量産工場でした。
萩原は 1971年6月に母校（ＣａｌＴｅｃｈ、Pasadena California USA ）を卒業し、
その夏休みに日本に一時帰国しました。その夏休みの間（6月～9月）の
3 か月間、ソニー厚木工場の半導体事業部門の品質保証室で実習生として
いろいろな実践技術を、宇野主任から学びました。カラーテレビの映像処理用の
Bipolar IC の量産を半導体事業部門は担当していました。そこで Bipolar IC の
製造プロセス技術と ＩＣの測定評価技術を勉強しました。その後 1975年1月に
博士課程の最終論文発表会を終了して、すぐ帰国し、ソニーに入社し、当時、
横浜にあった、ソニー中央研究所に配属されました。 川名部長、吉田室長、
越智課長、山崎係長、橋本係長代理から温かい歓迎を受けました。 当時、
会社の最優先開発研究テーマの１つと位置づけられた、民生用のビデオカメラ
の為の固体撮像素子の開発研究とそのカメラシステムの構築の担当する部隊
の一員として参画しました。 多くの先輩にいろいろ教えてもらいました。特に、
同じ職場にいた、同じ年の粂沢さんにも仲良くしてもらい、あまり経験ない私で
したが、 ＣＣＤ イメジャーのデバイスの電気特性や出力信号波形の測定に
使う米国テクトロ社の最新オシロスコープの使い方などを教えてもらいました。
その頃のＣＣＤは、元来 ＭＯＳ Ｃａｐａｃｉｔｏｒ 構造で top に 金属性の濃く
dope された polysilicon 電極があり、元来 金属は 鏡の様に、光を通さず、
反射するので、受光構造には不向きで、ＣＣＤ imager の光感度が期待して
いたほど高くはできないものでした。特に 短波長の、青色の色再現は大変
悪いものでした。
電荷転送素子としては ＣＣＤ、特に埋め込み型ＣＣＤは、完全空乏化転送が
可能で、残像なしの質のいい action pictures が期待されました。
しかし、受光構造としては 金属性の電極を持つ ＣＣＤ capacitor 構造は
全く 使いものにはなりませんでした。
そこで 従来の ＴＯＰが SiO2 の酸化膜（ガラス）で保護された、従来型の
ＭＯＳ プロセスの Ｎ+Ｐ junction type sensor に再度注目しました。
ＭＯＳでなく、受光部は 本来の diode 素子や bipolar transistorの様な
表面が SiO2 のかたいガラス製の膜で保護されたデバイスがいいのでは
となんとなく感じるようになりました。
その時に頭に浮かんだのが、 1971年と1973年の夏にソニーの厚木工場に
実習に行ったときに教えてもらった bipolar process でした。
idea は単純でした。
DRAM や MOS imager で、 ＭＯＳ transistor の N 層が floating mode に
なっており、 そこに ＤＲＡＭでは デジタル情報として、 imager では アナログ
情報として 信号電荷（電子）を蓄積します。
では、 bipolar transistor でも、 base 領域を floating にすれば、 一時的に
dynamic に、 ＰＮＰ bipolar transistor の場合なら、 base 領域に 信号電荷（電子）
を蓄積できるはずです。 この場合、bipolar transsitor なら、いろいろな動作 mode
があります。つまり、 ２つの接合動作動作の組み合えだけでなく、２つが接合する
ことによる特有な動作が生まれ、それが新しい 動作 mode として自由度が増えます。
その動作を imager の受光部としてはどうか？
そのメリットは後からゆっくり考えるとして、どうでもいいから、とりあえず、
PNP transistor を センサー構造として採用することは、構造特許として価値
があるはず。
動作のことは、わからないが、難しい半導体の教科書、当時勉強していた本が
ある。まず、動作よりも、形になる構造特許が重要だと考えました。
構造さえ、正確に考案し記述しておけばいいのでは？
その基本動作モードは全部半導体の本に書いてある。
当時 Intel 社の副社長で、カリフォルニア州立大学の Andy Grove 教授が
書いたPhysics of Semiconductor と題する教科書もある。この本は、特に
ＭＯＳ トラジスター動作とそれに関係する半導体物理の本で、その教科書を
使って授業を、ＣａｌＴｅｃｈの大学３年生の時に 恩師 James McCaldin 教授
から教えてもらったことを思い出しました。
また、 Ｂｉｐｏｌａｒ トランジスターの動作とそれに関係するデバイスの構造と
動作にかかわる物性に関する詳細な内容は、当時 Stanford 大学の教授
だった John Luis Moll 教授 (1911～2011) が書いた、膨大な量の本があります。
生前 Hawaii で開催の VLSI Symposium の会場などで、よくお会いしました。
昼の立食パーティなどで、がやがやと親しく話す人の間を、お皿を持ち歩き、
立ち止まっては、若い技術者の話を笑顔で聞いているお姿を思い出しました。
彼の本を開いて、彼が説明する PNP/NPN bipolar transistor や、
複雑な PNPN/NPNP thyrister の基本動作 mode を ゆっくり
復習しながら、中研の自分の仕事デスクで コーヒー片手に、
職場の外の景色を眺めていました。
彼の本を読みながら、何かイメージセンサーに応用できないかと
ページをいろいろめくりながら、自分の無能感・絶望感を意識しながら、
気持ちが沈んでいきました。
と言うのも、学生時代、彼が説明するＮＰＮＰサイリスタ―の動作原理、
特に punch-thru mode の大電流動作 mode や、 まったく電流が
流れない超高抵抗の current cut-off mode の動作原理を、 学生
時代に何度か学習し理解に挑戦していたものの、今だに理解して
いない自分にがっかりして、気持ちが沈んでいった時でした。
このＰＮＰＮ構造のＨＡＤセンサーの特許が私の頭に浮かびました。
構造は ４つの部分で構成されます。
（１） 半導体基体 （Nsub) と
（２） Ｐ+ＮＰ transistor 受光センサー構造の collector となる Ｐ層
（３） そのＰ層の上に位置し、ＮＰ接合を形成する Ｎ層、
このＮ層は、このＰ+NP transistor 構造のbase 領域のＮ層でもあり、
ＮＰ junction photo sensorの 受光信号電荷（電子）の蓄積領域でもあります。
その濃度に関しては基本となる請求範囲の本文には記述がありません。
しかし、ＣＴＤ側に 電荷転送すると請求範囲の本文に記述しています。
ＣＣＤが発明されてから、電荷転送は、電流転送とは区別されます。
電荷転送の場合は、電荷は packet ( 電荷のかたまり）として転送されることを
意味します。ＣＣＤが発明されてからは、電荷の転送残りのない完全転送
が期待されます。そこで、従来のＮＰ型の受光構造の、このＮ層の濃度を
図の具体例では 埋め込み型ＣＣＤのＮ層と同じぐらい薄い濃度として、
図では、同一Ｎ層としています。
（４） この受光ＮＰ junction の Ｎ層に P+N 接合を造ります。
このＰ+層は このＰ+NP transistor 構造の P+ emitter 領域に対応します。
このP+層は、P+NP transistor の P+ emitter 領域の様に高濃度となり
majority carrier の hole が 多数存在する領域で、 P+領域とその上の
酸化膜との界面には電界勾配がなく、界面は電気的に安定となり、界面の
結晶不完全性から生じる界面準位よるＮ層がＣＣＤ転送 mode で 完全
空乏化していても、その電界勾配は 酸化膜界面には届かないことになります。
この構造特許では ＣＴＤとして ＣＣＤを採用した具体例を 添付の図
として挿入しました。その出願していた時に、萩原は 受光 NP diode の
Ｎ層を ＣＣＤ転送部を 埋め込み型にすることにより必要となった
埋め込みＮ層が 濃度のうすいＮ層であるのに注目し、この薄い
濃度のＮ層をそのまま、受光ＮＰ diode に使うことにしました。
当時は、あまり、がつがつと、特許を細かく書いて他社との競争で相手の足を
引っ張るなんてことをする時代ではなく、この部分の特許権利を主張せず、
具体例としてそのまま、萩原は公開しました。当然、ＣＣＤは電荷を完全転送
できるので残像が生じません。雑音も少なく、すごい感度のいい imager に
なります。 その効果が評価され、1969年にこのＣＣＤを発明した米国のＢｅｌｌ
研究所の 、1948年には bipolar transistor が 発明されました研究所の、
Boyle さんと Smith さんが 後に ノーベル賞をもらいました （拍手）。
そこで、このすばらしいＣＣＤの発明の派生構造である 埋め込み型
ＣＣＤのlightly doped 埋め込み層を採用するという考えを そのまま
このNP 接合の photo diode に使えると考えました。
従来構造の interline transfer 方式のＣＣＤ imager の構成図（図１）
と、細かい絵素の詳細を 上から見たTOP Viewとして図２に描きました。
よく見ると、図２は、1975年の従来構造の Ｉｎｔｅｒｌｉｎｅ Transfer 方式の
CCD image sensor とは、すこし違うところがあります。
受光部 (N)も埋め込み型ＣＣＤのＮ層も同じ層で、従って同じ濃度です。
また、受光部からに隣接する transfer gate の下の基板濃度は 従来
のＮＭＯＳトランジスターなら P 基板のはずだか、Ｎ－層となっています。
垂直方向に電荷を転送する埋め込み型ＣＣＤの埋め込み層（Ｎ）の濃度
より低い濃度（Ｎ－）ということです。
右側の四角の 受光 ＮＰ diode 部分を N と 記載しています。
transfer 部の電極下の表面層の濃度は、受光部ののＮ層より
さらに 薄くして、Ｎ- としています。バリアをつけて 電荷が左から
右に流れ落ちるようにしています。ここにも、ＣＣＤの 完全空乏化
電荷転送の原理を使っています。信号電荷は、左の受光部分から
右の埋め込みchannel 型 CCD で形成される 垂直に信号を転送
する analog shift register があります。
今の感覚では、この構造も新規性があり、特許性があることになります。
しかし、特許にはしませんでした。当時は、そういう意識もありませんでした。
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萩原良昭の出版図書の紹介
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TEL: 042-765-6460(代) 青山社
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人工知能パートナーシステム(AIPS)の実現努力のお話（３）
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Pinned Diode (HAD sensor) に関わる 日電ソニー特許紛争
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しかし、１９８０年になって、10年以上たってからの話ですが、
この transfer gate 下のN- 層の idea や、 受光部の ＮＰ 層の
N 層自身を薄くして完全転送動作を実現することを、後になって、
詳細に 具体的に細かく、その濃度と数値と詳細動作を特許に記載し、
工業権利を主張する会社、日本を代表する大手出来会社の日本電気
さんが出現しました（涙）。
ＳＯＮＹは 逆に 当時既に、イメジャーでいいビジネスをしており、
儲かれば儲かるほど、他社からは、当然ことあるこですが、、高額
な特許料を請求される危険にさらせれます。
ＳＯＮＹは、この特許でつらい立場に立たされたことになりました（大涙）。
しかし、特許紛争は各社水面下で極秘に進めるのが常で、この時も、
秘密会議を各社の担当者と何度も持ち、 水面下で 「技術の戦い」 する
ことに時間がさかれ、実際の技術開発や商品開発や製品の立ち上げに
従事できず、苦労しました。
結局、私が申請した特許に、具体例として図５と図６には、 埋め込み型
ＣＣＤの埋め込みchannel の Ｎ層濃度と ＮＰ junction のＮ層が同一
層で形成され、従って、同じ濃度であることことがその図から見てとれる
と主張し、日本電気さんからの特許請求を拒むことができました。
それは、1975年のＨＡＤセンサー特許に、特許性もなにも感じず、
まだ入社数か月しかたっていない新人技術者が初めて出した
特許に何げなく追加した、具体例を示した第５図と第６図でした。
第5図からは、 埋め込み型ＣＣＤの埋め込みＮ層の濃度が完全
空乏化できるぐらいの濃度であることが理解でき、
第6図からは、信号電荷（電子）が完全空乏化していることが
見るだけで読みとれます。
One picture says more than a thousand words.
図６の電位の曲線から、デバイス物理を理解している技術者なら、
説明文がなくても、図６のスケッチ絵だけで、容易に、
受光部のＮ層が完全空乏化していると理解できるということです。
構造特許とは言え、電位図は 一種の動作 mode を示す図とも
解釈できるということです。
ソニー入社してまだ数ヶ月の萩原が、気まぐれに、従来構造の
interline transfer 方式の構成図を 図１と図２に示すつもりが、
ちょっと違う風味を図２にも付けたことになります。 第２図と
第６図を具体例として入れていたことで、日本電気さんから
億単位の特許料を支払う危険から、ＳＯＮＹは逃げることが
できたことになります（汗）。
この萩原特許は P+ 層で 過剰電荷の overflow を防ぐことを
主目的とした特許でした。しかし、日電さんの特許は 残像を
なくす完全空乏化転送 mode を 強く主張する動作特許でした。
しかし、あまり残像効果に関しては、萩原は認識はありませんでした。
ＣＣＤの完全空乏化転送は、すなわち、残像なしのことであり、
あえて 言及するほどのことでもないとの見解でした。
しかし、この受光部分の完全空乏化転送は、ＣＣＤの完全空乏化
転送とは、ちょっと違うなあと意識で、受光部のＮ層の完全化転送
については理解しており、当然の情報だったのですが、今から思うと、
このＮ層を完全空乏化するという概念は 世界で初めて 26歳の
萩原が無意識に動作 mode として理解し、この特許の第6図に
おまけに追加しただけでした。
表面型のＣＣＤは、ＮＭＯＳ gate 下の 酸化膜と Ｐ型シリコン結晶
との界面の反転層にたまる信号電荷を移動し、移動した後を完全
空乏化として信号電荷（電子）を皆無にしたものです。その動作の
転送動作が ＣＣＤ転送が、完全空乏化転送と呼ぶ理由になります。
1975年当時は、 ＮＭＯＳ トランジスターの source 領域のＮ層の
濃度を薄くして、source 領域の majority carrier を 全部その
ＭＯＳ トランジスターで吸い取るという考えは誰も思いつかなかった
ことになります。26歳の萩原が世界で最初にその動作modeを無意識
に理解し、図６に描いたことになります。
別の言い方をすると、1975年の頃は、 通常の Ｐ+ＮＰ transistor で
base 領域を完全空乏化することには、何の価値もないと、無視されて
いた時代でした。また、そんなことができるとは、だれも思っていなかった
時代でした。あえて、ベース領域の濃度を薄くしても Ｎ領域の majority
carrier を 完全には除去できると主張した科学者は誰もいなかったの
かも知れません。そう考えても無理のない時代でした。ＰＮＰ型のトランジスター
を使おうとは考える人は世界に1人もいなかった時代でした。
しかし、萩原はこのＰＮＰ型の junction transistor を受光素子、
image sensor として使くことに注目しました。
しかし、萩原は ＣＣＤ動作は完全空乏化転送であることを
しっかりと頭に入れていて、埋め込みチャネルの場合は、その埋め
込みチャネルとなるＮ層の信号電荷（電子）を、そのＮ層から完全に
抜きとることがです。
と同意義とＣＣＤの動作原理を勉強し、
その動作解析で 博士論文を書き、その内容を ISSCC1974 で
PHD 論文として発表していた私は、「残像がないのは当然」という
認識があり、１９７５年のこの萩原特許ではあえて言及する必要の
ない周知情報と自分では思っていました。
日本電気さんの Interline Transfer 方式の
N- photo sensor 基本特許から ひやひやしながら逃げることが
できました（油汗）。
日本電気の特許担当者からは、「Ｎ層がどうして完全空乏するほど低い
濃度になっているか、定量的な数字がこの萩原特許にはない」と攻撃
されましたが、
（１） 第5図からは、受光部のＮＰ層と 埋め込みＣＣＤの埋め込み
チャネル層のＮ層が両方同じ濃度であるので、埋め込みＣＣＤ
動作と同じ様に完全空乏化が可能である低濃度Ｎ層であること
は自明である、反論しました。
（２） 図6図からは、 電子が見る電位 potential の曲線が、完全空乏化
した場合は、 放物線などの曲線の様に、極小点が存在するはずで、
この図を見て、明らかな様に、極小点が1点となり、完全空乏化の
証拠となると、反論しました。
その後、日本電気さんの特許担当者からは、この特許に関する
内容では、日本電気から特許料を請求される事はなく、ほっとして、
胸をなでおろした経験があります。本当に、ひやひやでした（油汗）。
日電さんとＳＯＮＹの水面下の特許交渉で 秘密会議でこの特許の存在を
日電さんに強く主張したおかげで、日電特許それも私よりずっと若い技術者が
出した特許で おおもうけをしていた ＳＯＮＹが 特許料を日電さんから
請求されていたのです。その特許額はすごい額でしょう。
多分、日電さんはほかの ＩＴＬ imager の生産会社にも水面下で
特許料を請求していたの個人的には 私は思っています。
どんか会社とやっているのかは大金がかかる話で、超極秘です。
しかし、この萩原特許があることに知らないために高額の特許料を
支払わされることになったでしょう。情報をシェアしていないつけです。
しかし萩原が考案した こうＮＰＮＰ構造のセンサーは あくまで構造特許です。
当時の特許担当の弁理の説明では、私が動作の記述は必要ないのですがと
尋ねたら、構造の動作は、ＣＣＤの charge couple 原理の様な、ノーベル賞
ものの新規動作なら、特許記述は必要ですが、一般に許可書に書いてある
floating ＰＮ接合の動作や、 PNP transistor の base が floating 状態に
なる動作や、 ＰＮＰＮ 構造なので、 Bipolar ＩＣ の製造で いつも ＰＮＰＮ
サイリスタ―構造で punch thru の問題がある話や、1975 年からもっと時間
がたち、ＣＭＯＳ プロセスの製造技術が確立してからも 寄生的に発生する
ＰＮＰＮ構造の punch thru 現象なども新規性がなく、構造特許だけで十分
ですとの話でした。
しかし、今では、 computer soft や、 半導体ＬＳＩの回路図だけでなく、
layout 図までが特許として価値があり、半導体デバイスをどう動作させるかも、
半導体動作特許として正確に記述して特許請求する時代になっています。
そういう意味で、まったく、先行特許を書いたからと安心できません。
逆にその構造特許を参考にして、先行特許を出した会社が攻撃される場合もあります。
あまり動作記述を細かく記述しなかったのが原因です。
構造特許だけで安心と思い、その構造の意味する動作まですべてをカバーする形で
その特許に記載しなかったために、その後に出願したた会社から、より細かい動作を
記述した特許が提出されて攻撃される危険があり、今はたいへんな時代になったなあ
と、ため息が出ます。
上記の説明で この1975年の萩原特許はあまり動作の記述がありません。
特にＰ+NP transistor 構造もどきものを image sensor 構造にしていて、
実際に 特許では 半導体来基体、すなわち、Ｎ type substrate の silicon die
に造ることになるので、実際は P+NPNsub 構造となり、当時は Bipolar transistor
の製造技術はまだまだ未熟で、この P+NPNsub 構造が thyrister 動作をしてしまい、
この thyrister の punch thru 効果は 垂直方向に流れる垂直横断大電流が流れる
ことは周知公開知識でした。ＳＯＮＹは日本を代表する bipolar LSI を製造する会社でした。
punch thru があり電流が垂直に P+NPNsub を 垂直に 流れることは周知です。
その P+NPNsub 構造を 萩原は 1975年に image sensor として採用しています。
その長所は、 この Ｐ＋ＮＰＮsub 構造に流れる垂直電流、実際は 定常電流でなく、
ＣＣＤの転送のような、 charge packet の電荷のかたまりですが、それを垂直転送・移動にも
ＶＯＤ ( vertical overflow drain ) という動作 mode にも 使えると期待しました。
実際の特許の実施例では、単純に P+N 接合の ＶＯＤ動作だけを記述していますが、
ＶＯＤ動作は 上にも下にも、 特許出願の時に使う「対称」論理で、用意に類推できる
こととして、当時1975年の技術では一番簡単に実現する方法で実施例として図６に
提示しています。 これは、図６を見れば、半導体物理の専門家ならすぐＣＣＤ転送の
様な完全空乏化転送であることが理解できます。少なくとも、私やＳＯＮＹの技術者には
図から明らかなように原理的に可能ですが、 punch thru 現象で苦労していて、そう
簡単には実現しないだろうと 思っていましたが、いつか造りたいとの気持ちは、せっかく
自分が特許を出願したのだらか、当時 26歳の若い技術者でしたが夢をすてないで
いました。
しかし、その構造をソニーより、日電さんが先に試作に成功しました。
1982年12月のことです。ＩＥＥＥ主催のＩＥＤＭの寺西さんたちが発表しました。
それを見て、びっくりしました。しかし、うれしいでした。
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N. Teranishi, A. Kohono, Y. Ishihara, E. Oda, and K. Arai,
“No image lag photodiode structure in the interline CCD image sensor,”
in Proc. IEDM, Dec. 1982, pp. 324–327.
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しかし、このＩＥＤＭに記載している ＩＬＴ ＣＣＤ 特許が日電産から
出願されました。 1975年から8年がたち、またことあることに、
ＨＡＤ sensor 構造を ＦＴ CCD 構造で発表していたこともあり、
ＳＯＮＹとしては、 ＨＡＤセンサーの技術追従は覚悟していましたが、
まさか 萩原の「親特許１９７５」を寺西さんの「子ども特許1990」などの
後発特許を武器に 日電さんが 1990 年になってから、ＳＯＮＹに
特許請求をするとは夢にも思いませんでした。
当然 １９７５年の特許はまだ技術が未熟な時代の特許です。
１９９０年代の特許は、いろいろな情報を参考にして
より完成度が高くなって細かく記載されていても当然です。
それでも親は子供に足台にされるのは
親の運命なのでしょうか（寂しい涙）。。。
●萩原の「特許1975]
Y. Hagiwara, Japanese Patent App 50-134985, 1975.
●寺西さんの「特許1990」
N. Teranishi, Y. Ishihara, and H. Shiraki, Japanese Patent JP 1,728,783,
1990.
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寺西さんと萩原は昔からＣＣＤの開発仲間で
学会で顔を合わすと、 仲良く食事をしたりしてバカな話で
たのしい時間をすごします。
ＩＥＤＭと言い学会は半導体デバイスの
国際オリンピック大会の様なもので、技術を純粋にフェアに競い合い、
誰が ＮＯ．１ かを 世界に 問う 場所です。寺西さんも萩原も
その技術の国際競技場で競う選手です。
1975年の特許は構造特許のみで、短い日本語ですが、特許弁理士さんが
書いた特許請求文は、わざとわかりにくい言い回しになっており、専門技術家が、
真剣にゆっくり読んで、やっと 「P+NPNsub 構造を受光素子とする構造特許」であると、
わかるもので、さらに、その実施例を注意深く見て、やっと、「ＶＯＤ動作や完全電荷転送で
Ｎ層を完全空乏化した形」で描かれいる特許だと理解できます。
最終的に日電社の担当技術者が誰かかわかりませんでしたが、日電さんから特許請求が
このＨＡＤ sensor で ソニーにはなかったので、SONYは 大きな顔をして ＨＡＤセンサー
の商標で この HAGIWARA diode(冗談）の ＣＣＤ imager を 大々的に販売できたのです。
さらに、今の裏面型のＣＭＯＳ imagerでも このP+層で 蓄積部の Ｎ層を酸化膜界面から
保護しつつ、高感度で、低雑音で、残像のない 画像を 提供することができています。
しかし、特許公開・論争はあくまで純粋技術の競争で、世界文明の
進歩と人類の幸福に最終的につながるものと信じます。若い世代の技術者にはどんな
ことでも特許申請してどんどん情報公開、他社の競争相手の技術者と情報シェアして
社会の発展と技術の進歩に貢献してほしいです。
Ｌｏｖｅ is Sharing .....
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The pinned diode （ＨＡＤ）に関わる 米国Fairchild社・ソニー特許紛争
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「ソニー特許紛争で逆転勝利」と 大きく新聞に記載されたことがあります。
これも 萩原考案の ＨＡＤ sensor の特許と、たいへん関係ある特許紛争でした。
Ｆａｉｒｃｈｉｌｄ社からは2件の製造特許でＳＯＮＹは訴えられていました。
そのうちの1件が、このＣＣＤ sensor 構造の 垂直 overflow drain にかかわる
ＨＡＤ 構造の ＰＮＰＮセンサー構造特許でした。
米国のFairchild 社から SONYは CCD imager の構造特許料として 当時の
お金で、６００億円相当とも言われる特許料を 請求されていました。
この ＨＡＤ sensor の特許と、もう１つの特許で、ソニーでイメジャーの
デバイス・プロセス開発技術者の神戸さんが保有する特許の２つで勝ちました。
その後、ソニーは このdiode を HAD = hole accumulation diode として 商標登録し、
ソニーのデジカメや撮像機器に HAD sensor 搭載機器として 広くビジネスを広げる
ことができました (笑顔）。
この萩原特許は、19751年に、まだ特許出願がそれほど日本国内では重要視されて
いなかった時代に、日本国内だけに出願された特許です。外国出願は全くありません。
その為、海外では今だにまったく知られておらず、古すぎて日本国内でも母体である
ソニーの中でも知っている人は、みんな定年を迎え、どんどんいなくなっている状態です。
社内で昔出願された特許があるのにも関わらず、また存在を知っていてもその内容を
深く理解できる技術者が老齢化し退職して全くいなくなり、他社からの理不尽な特許の
請求に応じて、多額の特許を支払う危険がいつもあり、心配な世の中になりました（涙）。
さて、今までのところをまとめます。
（１） 従来の N+P junction type MOS imager は 次の様になります。
（２） 1975年に出願した ＨＡＤ センサー構造は次のような構造になります。
これは、ＣＴＤ（ charge transfer device ) として ＣＣＤを具体例にした図です。
受光部の P+NPNsub の Ｎ層が ＣＣＤ転送部の埋め込みチャネルの
低濃度のＮ層と同一層です。これは特許請求にはありませんが、たいへん
新規なアイデアでした。
また、P+NPNsub の punch thru に関わる垂直 overflow 動作に関しては
全く言及していません。 この特許が構造特許だけを抑えていたため、
この構造のデバイス動作で他社が特許を申請し、特許を請求した時はどう
対処するかの問題があります。それも、自分の会社が出した特許は古くて
もう効力がなく、自分の会社が提案したデバイスなのに、他の会社からその
動作に関する特許で、多額の特許料を請求される危険ができきます。
その動作は 半導体の教科書に記述され用意若い学生でも理解できることでも
特許に記載しなかったので、逆に請求されるのは たいへん理不尽なことです（大涙）。
実際に、サイリスタ動作 mode の１つの、ＰNPNsub 構造のうち、ＮＰＮsub の部分で
構成される ＮＰＮsub transistor の punch thru mode 使って、、 Ｎ領域から、
大きくプラスにバイアスされたＮｓｕｂの方向に余剰信号電荷（電子）を抜くけることは
Prof. John Luis Moll の本など、今ではいろいろな半導体の本に記述されていて用意に
理解できること (dilligence 行為がないもの）に 特許性があるとはまったく考えられない
とは正直に感じますが、何事も第3者の中立な技術の専門の方々に判断をゆだねる必要
があるでしょう。
（３） ＣＴＤに ＭＯＳ型の 電荷転送部を装備した、いわゆる今のＣＭＯＳ imagerに
萩原特許の ＨＡＤ センサーを受光部とした場合は、次の構成になります。
この具体例では transfer gate は、 従来の MOS transistor 構造ではありません。
従来のＮＭＯＳ transistor では、 source 領域と drain 領域は高濃度の N+ 層で、
gate 下は P 領域となります。しかし、 1975 年出願のの萩原特許の第５図に記載の
transfer gate の構造では、source 側領域は、 薄い N 層のままでした。
また、 gate 下は、 Ｐ type 領域でなく、N- 層となり、source 側の N層よりさらに
薄くなっています。これで、完全な電荷パケット転送を可能にしています。今回の
応用例でも同じ transfer gate を 使って、 drain 側は 従来の ＮＭＯＳの drain
領域と同じ Ｎ+ 層となっています。
（４） この構造はそのまま、ＴＯＰ上部の表面構造を保護膜でカバーして、 裏面の
厚い Nsub の substrate を、 薄い ＫＯＨ液を使って ゆっくり裏面から、溶かして、
図の様な 裏面照射型の CMOS imager のセンサー部分が完成します。
こうすることにより、P+ 上層部に金属信号配線などを走らせることが可能となり、
かつ、裏面からの光の採光効率が格段に向上します。
（５） ＨＡＤ sensor 構造を初めて採用したのは、萩原特許で
具体例として記載されている Interline Ｔransfer 方式の
ＣＣＤ image snsor ではありませんでした。製造プロセス的に
単純な Frame Transfer 方式のでした。しかし、このＦＴ型ＣＣＤ
の受光部には ＨＡＤセンサを採用し、感度とたいへんよく、
高品質画像を実現した、 8mm ＶＴＲと一体化の video camera
でした。そのの試作品を 1978年に新聞発表しました。
米国 New York では、盛田会長が、東京では岩間社長が
同時に新聞発表しました。
あれから今年で、40年になります。当時30歳であった若い
技術者でしたが、さらに感度を向上させるために外国の裏面
照射型のＣＣＤの論文をもとに、 Frame Transfer 方式の
ＣＣＤ imager で 裏面照射型を挑戦しました。
しかし、この frame transfer 方式では 受光領域(1)と、信号電荷を瞬時に
受光領域から転送して、その信号電荷を外部回路にテレビ受像器の
走査線の動きと同期させて、出力転送する 信号電荷の保存領域(2) の
２つの領域が必要で、 chip size は Interline Transfer 方式の2倍に
なります。かつ、実は、 受光領域（１）から信号を一時保存する領域（２）に
瞬時に転送することは不可能で、転送時も光の照射を受けており、
画像情報の混合がたて方向に生じ、特に high beam の spot light が
入ると 、たてに強い白線となり、画像の極端な劣化 (smear)となりました。
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このテーマに関係して平成３０年の
文部科学大臣表彰 （科学技術部門）受賞ニュースを紹介します。
「積層型多機能CMOSイメージセンサー構造」
の開発で ソニーの３人の献身的な技術者が受賞したニュースです。
https://www.sony.co.jp/SonyInfo/News/Press/201804/18-029/index.html
この技術のブレークスルーは未来の「かしこい電子の目」の実現と密接に関連があります。
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Solid State Image Sensor (固体撮像素子）の背景と展望
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● ＦＴ型のimage sensor では smear による画像劣化が激しく、最終商品化の
候補からは除外されることになりました。
● やがて、プロセス技術が進歩し、より複雑な Interline Ｔｒａｎｓｆｅｒ 方式の
ＣＣＤ型の image sensor が製造可能となりました。
しかし、この構造でも smear による画像劣化が、
太陽などに直接カメラを向けた時には生じました。
まだまだ、 ＭＯＳ 技術の 微細化技術は未熟でした。
民生機器の事業化を進む ＳＯＮＹは SMEAR がまだまだ問題でしたが、
まずは、 Interline Transfer 方式の CCD imager
の商品化に着手しました。
ＭＯＳ imager の 読み出し配線まわりの配線容量の低減は見込まれず、
1980年後半から1990年後半にかけては、放送局仕様の高性能・高感度
video camera と言えば、 Ｉｎｔｅｒｌｉｎｅ Ｔｒａｎｓｆｅｒ 方式 の ＣＣＤ video
camera が定番でした。
●中研時代の私の上司だった越智課長は、CCDのsmear をさらに低減すべく
Interline-Frame transfer 方式なるもののCCD imager 搭載のを開発
商品化しました。この構造は、受光部は Interline 方式のものと同一構造
をしていて、かつ Frame Transfer 方式の 蓄積 領域を持っていて、
信号電荷を、受光部から蓄積部に瞬時転送する時、 受光部に隣接する
垂直ＣＣＤ register の上部は、金属でカバーされているので光が通過しない
ので、smear がさら減少することになり、放送局用のビデオカメラとして
高く評価されることになりました。
●時代は、アナログテレビからデジタルテレビで画素数も急激に ４Ｋテレビ、
８Ｋテレビと言われる時代となりましたが、ＣＣＤには転送効率と言って
信号の取り残しが必ず生じ、深刻化するのは時間の問題となりました。
●その理由は 単純です。 ＣＣＤ 転送には 転送効率の限界があります。
たとえば、 水平方向に ８０００回転送する CCD analog shift register 、
１つの受光部（絵素）に、最大1０万個の信号電子が蓄積できても、もし、
1回の電荷転送で1個の信号電子が取り残されると、99.999 ％の転送
効率があっても、8000個の信号電荷が失われ、信号電荷が 9.2万個に
減少し、1割以上の信号電荷が失われ、混色雑音となり画像の劣化が
激しく劣化することになり、原理的に未来の高性能 固体撮像素子の
候補からは CCD imager は除外される運命となりました（大涙）。
●結局、デジタルテレビがアナログテレビに代わったのと同様に、
デジタルシステムに強い ＣＭＯＳ image sensor が
ＣＣＤ analog shift register を排除することになりました。
●今では、 Intel 社の Gordon Moore 会長が 1960 年に予測していた様に、
MOS プロセスの scaling 則に従い、CMOS image sensor の金属信号配線が
さらに微細化され、その結果 配線の表面面積に比例する 信号線容量が
極単に微細し、十分実用化に耐える時代となり、ＣＭＯＳ技術の天下となりました。
●1980年代、若い技術者だった私は、ＣＭＯＳ imager は ＣｋＴ雑音が大きく、
いつになれば、結婚式の candle sevice の映像など暗い画像を撮ることが
可能になるかわかりませんでした。 いくら、ＭＯＳの 微細化が進んでもと。
●White教授の double sampling 法により、ＣＭＯＳ imager に入る clock
noise が 激減し、さらでは、裏面照射型が、ＣＭＯＳ imager に相性がいいことが
確認され、今では、低雑音高感度のＣＭＯＳ imager が完成して実用化され、ＣＣＤ
image sensor を 市場から排除するほどになりました。
そんな攻防戦の中でも、いつもセンサーの受光部には、ＨＡＤ sensor 構造が
ＣＣＤとＭＯＳ両方の構造で、いまだに採用されて 高感度低雑音に貢献しています。
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以下の内容も 動揺に、 ＨＡＤ sensor の歴史背景に関しての技術解説と
なりますが、 英文での記述となります。（大涙）。。。
内容的に、上記の日本語文と重複し、図も再度何度も出てきます。
Reader が あちこち関連図を 探しまわることが内容に
その絵がそれぞれの分節のそばにあると理解を助けると
思われるときは、ためらわず、同じ絵をそばにつけます。
実は、どうしてここまで PUBLIC DOMAIN でやるかというと、今は国の大統領までが
いろいろＷＥＢでつぶやく時代です。これも一人の70歳になる老人のつぶやきとして
特にこれからモノづくりに挑戦する若い技術者に読んでももらいたいと思っています。
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この7月で70歳になる、神奈川県厚木在住の老人です。
毎日パチンコして遊んだり、近くにいる ７人の孫と
食事したり楽しくやっています。
昔は会社でＣＣＤ イメジャーの開発をしていて、
今私の後輩でソニーの役員のＣＣＤで上田くんや、ＰＳ３で清水くんと、
仕事をした仲です。
今回、ＳＯＮＹ ＨＡＤ商標の威信にもかかわり、
ＳＯＮＹと、ＳＯＮＹで開発者であった
私自身の名誉を傷つける事件がおきました。
私個人にとっては大事件です。
もう勘弁してほしいと思いました。
その一連の事件は 下記の論文がＩＥＥＥに掲載されたことによります。
先日、ＳＳＩＳ（半導体産業人協会）主催の半導体の技術講座の講師を
担当する時に資料準備をしていた時に偶然ＷＥＢで見つけました。
かなり前の2014年に発表された論文です。
私個人としては、事実無根で かなりバイアスある
純粋の技術論文とはとうてい感じない内容があり、
私の１９７５年の発明である、
この pinned diode = HAD sensor の origin に関わる問題です。
" A Review of the Pinned Photodiode for CCD and CMOS Image Sensors"
もう70歳にもなり この不当な技術論文に対抗して、
今さら技術論文を書いて、 ＩＥＥＥの学会に投稿する元気はありません。
ほかの若い技術者がこれをヒントにいい仕事をして、その時にコメントでも
入れてもらえれば うれしいです（涙）。。。
どう公開論争にもっていくかをご相談したく、
私も新聞の読者の一人ですが、
私の、老人の悩み事を茶番話程度に
とりあげてほしいと思いました。
このＷＥＢの読者や、いろいろな大学や研究機関の
専門家の方々からも、 ご意見を聞き、
私個人では客観性がありませんから、
客観的な見解をお聞かせもらえれば幸いです。
萩原良昭 ( hagiwara-yoshiaki@aiplab.com )
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人工知能パートナーシステム(AIPS)の実現努力のお話（４）
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Story of HAD image sensor
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Please read the following very interesting review paper.
There are many false descriptions in this paper,
however, maybe simply because of lack of information ?
But it is a very good educational paper for college students
if the false descriptions are all corrected.
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" A Review of the Pinned Photodiode for CCD and CMOS Image Sensors"
by Eric R. Fossum and Donald B. Hondongwa , which was published in
IEEE JOURNAL OF THE ELECTRON DEVICES SOCIETY, VOL. 2, NO. 3, MAY 2014
This paper is very much related with Hagiwara's early image sensor works.
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In this paper the authors does not disclose the existence of the Fig.6.
,which shows the most important pinned diode operation mode
of the complete charge transfer operation, which is clearly implied
by the potential profile indeicating the n storage area is
completely depleted of the majority carrier photo electrons.
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Fig 6 shows the most important pinned diode operation mode
In Fig.6 we see the completely majority carrier depleted potentilal profile
curve
which is in the CCD-like dynamic operation of complete-depletion mode ,
for the first time introduced in the world by Yoshiaki Hagiwara
in his 1975 Sony patent shown below:
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The PPD structure was originally invented in 1975 by Hagiwara
in a photo sensing structure of a P+NPNsub junction type
for low lag , low noise and high sensitive CTD applications.
The photoelectron storage area of N layer can be in the
complete majority carrier depletion mode, resulting no lag.
This no image lag operation mode is clearly seen in Fig.6 .
Experts can see that the n layer is completely depleted
by observing the poential curve of the N layer storage area
shown in Fig,6 above..
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[19] N. Teranishi, Y. Ishihara, and H. Shiraki,
Japanese Patent JP 1,728,783, 1990.
[20] N. Teranishi, A. Kohono, Y. Ishihara, E. Oda, and K. Arai,
“No image lag photodiode structure in the interline CCD image sensor,”
in Proc. IEDM, Dec. 1982, pp. 324?327.
[21] B. C. Burkey et al.,
“The pinned photodiode for an interline-transfer CCD image sensor,”
in Proc. IEDM, Dec. 1984, pp. 28?31.
[22] N. Teranishi, Private communication, Dec. 2013.
[23] T. H. Lee and B. C. Burkey,
“A review of photo detector elements for interline CCD,”
in Prog. IEEE Charge-Coupled Devices Workshop, Jun. 1991.
[24] Y. Hagiwara, Japanese Patent App 50-134985, 1975.
[25] Y. Hagiwara, “High-density and high-quality frame transfer
CCD imager with very low smear, low dark current and very high
blue sensitivity,” IEEE Trans. Electron Devices,
vol. 43, no. 12, pp. 2122?2130, Dec. 1996.
[26] Y. Hagiwara, “Microelectronics for home entertainment,”
in Proc. ESSCIRC, Sep. 2001, pp. 153?161.
[27] Y. Daimon-Hagiwara, M. Abe, and C. Okada,
“A 380Hx488V CCD imager with narrow channel transfer gates,”
Japanese J. Appl. Phys., vol. 18, supplement 18?1,
pp. 335?340, 1979.
[28] G. Beck et al.,
“High density frame transfer image sensor,”
Japanese J. Appl. Phys., vol. 22 supplement 22?1,
pp. 109?112, 1983.
[29] IEEE EDS J.J. Ebers Award citation for N. Teranishi, 2013.
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Actually , as filed in a Japanese Patent by Sony on Nov 10, 1975 , this Pinned
Photo diode sensor was invented by Yoshiaki Haiwara. However, this patent
was filed only in Japanese patent and no Englsih version was available.
Therefore,
very few people were exposed to its details. So, the details are explained
below.
The P+ＮＰＮsub junction type photo sensor was first named as "HAD sensor"
in SONY, a long time before the name "Pinned Photo Diode", was
introduced
in public in 1984. Actually, Sony's HAD sensor proposed in 1975 and the pinned
diode sensor named of 1984 are the same thing, which has the P+ＮＰＮsub junction
type photo sensor structure as shown below.
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This is the original HAD photo sensor structure of 1975, widely
applied now in many digital still cameras and smart mobile phones.
HAD sensor stands for "hole accumulation diode sensor"
This HAD sensor structure is sometimes called also as P+/NP
diode sensor. But this P+/NP diode does not behave like a regular
diode of the static current rectifying mode.
And also this HAD sensor structure is sometimes called as P+NP
transistor sensor. But this P+NP transistor sensor does not behave
like a regular P+NP transistor of the static current amplification mode.
Ref： JP 1215101 ( JP 58-46905 )
The conventional NP junction time sensor structure was used
with the conventional Interline Transfer buried channel CCD shift
registers for the image sensor shown in Fig.1 and Fig.2 below.
The patent proposed a basic semiconductor photo sensor
sturucture of P+/NP junction type, now also called as the
pinned diode. It is also called as the HAD sensor since
the top P+ layer is in the accumulation mode of the majority
(plus charge) hole carriers.
This top P+ layer stabilizes the oxide/semiconductor interface.
As claimed in this Japanese patent, the P+/N-/P junction sensor
has a similar structure of a P+NP junction transister which is
normally fabricated in the N type semidonductor substrate.
It has a highly doped P+ emitter layer, which is pinned to the
voltage level of ΦG ,which can be set at any level, not only
at the GND (Vss) level. So the P+/N junction can externally
to drain out the extra electron charge at high beam spot images.
The figure shows just an example case of the patent claim.
By symmetry arguments, other operational modes can be
possible, but not included in the figures, since the patent
claim is only about the P+/N-/P structure. No explation
on the device operation modes are included in the statements
of the patent claim, since this is a patent on a new semicondutor
device structure, even though some important operation modes
were clearly undestood from the figures above, such as ..
(1) The lightly doped N- type base layer can be completely
depleted of majority carrier photo electrons in the dynamic
P+/N-/P transistor off-current mode.
(2) To achieve the dynamic P+/N-/P transistor off-current
mode, the N-layer must be floating , like the floating N-layer
of the normal MOS NP photo sensor. Therefore, the base
contact of the proposed P+N-P transistor like sensor must
be eliminated in actual photo sensing operations.
(3) As claimed in the 1975 patent, the charge transfer deive
(CTD) , which includes not only CCD but also MOS imager
types as clearly stated in the 1975 patent claims. was used
to transfer the photo electrons from the floating N-layer
As long as the semiconductor structure is clearly stated,
the patent claim is complete , because other details of
the PN, NPN, and PNPN junction physics , CTDs such
as CCD and MOS imagers and their electical operation
modes were clearly understood in the public documents
and the related device physics textbooks which were
easily obtained in public in 1975s.
Right after the invention of the PNP&NPN type junction
bipolar transistors, a natural extention structure of the
PNPN&NPNP type junction physics and their operation
modes were intensively studied and understood in 1950s,
which include the punch-thru, the break down and others.
As explained in any device physics textook, to fabricate
a P+NP bipolar IC chip, many P+NP transistors are formed
in the same N type substrate, in order to isolate each N+NP
transistors electically.
So, the actual imaging photo sensing structure is implied, by
natural extended arguments, possibly to be a P+NPNsub
structure. The P+NP sensor structure of the patent is very
similar to the widely known basic bipolar transistor P+NPNsub
process used for bipolar ICs for color televison sets in 1970s.
The 1975 patent claims a slight difference in the N base doping
level. That is, the base photo sensing layer is lightly doped
so that the base N layer is formed in order to achieve the
completely depleted N layer ( completely emty charge ) mode.
CCD is a dynamic operation of MOS capacitors.
The lightly doped base N layer of the 1975 is similar
to the N buried layer of the buried channel CCD ,
which was widely known in 1970s.
The 1975 patent propsed a new and dynamic off-current
operational mode of the P+/N-/P transistor structure.
This patent proposed for the first time in the world the dynamic
operation of a PNP transistor-like structure with the lightly doped
floating base region, which can be completely depleted of the
majority carrier photo electrons..
From these two figures shown in the 1975 patent, with some
semicondutor physic background, these important dynamic operations
of this P+NP stransistor like structure, that is also known as a
P+/NP diode sturucture or a HAD sensor structure can be easily
understood by semiconductor device engineers even in 1970s.
With this understanding, the patent claim is only about the P+NP
sturctural claims and no detailed operational claims were included
in the patent.
But a picture speaks more than a thousand words.
So these two important figures were included in this1975 patent.
(1) Buried Channel CCD sensor proposed in 1969.
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The buried channel CCD sensor invented in 1969 is also a typical
MOS capacitor type sensor with the polysilicon-metal gate on the top.
The actual sensor structure is the metal/oxide/N-/Psub sturcture.
The buried channel is the lightly doped N- layer which can be completely
depleted so that the completely image-lag free picture became possible.
However, like a mirror, the metal gate reflects light and prevents light
beam
from reaching the N-/Psub junction charge storage layer.
Therefore, the buried channel CCD sensor has a very low light sensitivity
,
and was not really suited for imaging.
So, more sensitive photo sensing sturucture was desired.
(2) N-/P junction photo sensor after 1969
＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊
Before the invention of the buried channal CCD in 1969,
the original diode photo sensor was an oxide-exposed N+/Psub
type junction sensor with the light-transperant oxide on the top.
The N+ layer was normally highly doped and could not completely
be depleted of the majority carrier electrons, which results in
very serious image-lag pictures.
But after the invention of the buried channel CCD in 1969,
it was easily expected that the N+ layer could be changed to
the lightly doped N- layer, which is similar to the N- layer of
the buried channel CCD, to achieve the completely image-lag
free picture quality of the buried channel CCD sensors.
(3) P+/N-/P junction photo sensor proposed in 1975
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In 1975, Yoshiaki Hagiwara of Sony proposed the oxide exposed
P+/N-/Psub type junction sensor structure, which is now known as
the pinned diode or the HAD sensor, with the P+ layer on the top.
The P+ layer is similar to the P+ emitter of a P+NP transistor,
since the operation modes of a P+NP transistor include
many different operation modes, more than the normal
bipolar current amplification mode.
That is, a P+NP transistor can also be in the current-off
mode with both the P+N and NP junctions on reverse bias.
This oxide exposed P+/N-/Psub type junction sensor has a similar
process flow of the PNP bipolar transistors IC chips with a slight
modification of the lightly doped N- base doping level to achieve
the same completely image-lag free picture quality of the buried
channel CCD sensors of type (1) shown above.
The device physics ( operations such as punch-thru and brake-down)
of the N+/P-/N junction devices, are well explained in semidonductor
device textbooks, so not included in the patent claims.
(4) P+/N-/P junction photo sensor on N sub after 1975
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In 1970s, the PNP bipolar transistor ICs were on produltion lines.
In order to isolate the emitter/base/collector terminals of each PNP
bipolar tansistors, each PNP bipolar transistor was normally formed
separately on the N-substrate. So the actual cross section of the
PNP bipolar transitor was the PNPNsub junction structure in 1970s.
So, the actual photo sensor sturcture became P+/N-/P junction
photo sensor on the N type substrate.
The device physics ( operations such as punch-thru and brake-down)
of the N+/P-/N junction devices, on the N type substrate , are well
explained in semidonductor device textbooks, so not included in the
patent claims.
This patent claims only on the formation of the P+N-P junction
photo sensor structure, although the figures in the patent
implies some essential operation modes of the P+N-P
junction type sensing operations. The detailed operation
modes could be easily understood from the figures and
were not included in the patent claims.
This patent is such an old patent and now has no money value.
However, having been modified and improved by a lot of delligent
engineering efforts , the pinned diode, that is, the original P+NP
sensing structre is still very important for realizing the low-noise
and highly sensitive imager sensors.
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Summary Comments on the Pinned diode sensor
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The P+/N/P junction sensor structure of the type(3) above was
first reported by Hagiwara of Sony in his paper on the narrow
channel frame transfer type image sensor at the 1979 CCD
conference in Edinburgh.
ADVANCES IN CCD IMAGERS
In the original Hagiwara's 1975 patent of the P+/N/P junction
sensor structure, P+ layer (Emiiter) and P layer (collector) have
different contact pins with extra operational freedom as shown below.
Ｂｕｔ in the P+/N/P junction sensor structure of the type(3)
reported at the 1979 CCD conference in Edinburgh, both the
contact pin for the P+ layer (Emiiter) and the contact pin for
the P layer (collector) are connected together and set at the
P type substrate GND voltage level.
The same scheme is also possible in Interline transfer CCD
image sensors..
In late 1980s, the engineering technology has improved drastically,
and the P+/N/P junction senseor structure of the type(3) was
applied on the interline CCD image sensor as exactly depicted in
Hagiwara's 1975 patent figure above.
Later on, with further pains-taking enginering dilligence, the
P+/N/P junction with N-sub sensor structure became possible
for the interline transfer type CCD imagers in many companies.
In 1990's many companys, including Sony and NEC successfully
reported the interline transfer type CCD imager with the
P+/N/P junction sensor structure on the N-sub of the type(4)
above , with detailed and clear explations on the P+NP type
transistor off-current mode (Hagiwara's invention) and the
NPNsub type transistor punch-thru mode operation ( see
Prof.Moll's PhD thesis work in 1954s and expalined in details
in Prof. Moll's famous semidonductor physics textbooks.) .
The original P+/N/P junction image sensor, which is now
known as the pinned diode sensor is Hagiwara's invention
in 1975 and the structure was clearly shown in the figures
in his patent.
A picture says more than a thousand words.
Pinned Photo diode sensor was invented by Yoshiaki Haiwara,
and filed in Japanese Patent by Sony in Nov 1975 :.
This is the original pinned (P+) NP diode photo sensor structure ,
widely now applied in digital still cameras and smart mobile phones.
Ref： JP 1215101 ( JP 58-46905 )
The natural extention of the original P+/N/P junction image
sensore was the P+/N/P image sensor on the Nsub of type(4).
This argument is strongly supported by the observation
of the bipolar PNP transistors fabrication flows adopted
in the 1970's actual production lines in many companies.
That is, each PNP transistors must be isolated from
each other electrically to have a working PNP transistor
ICs. For this reason, these PNP transistors were actually
fabricated on the N-type substrate base in the 1970's
actual production lines in many companies.
The PNPN structure was already well known in 1950's .
Prof.Moll himself , as a young PhD student, was working
delligently on the many different operational modes of
the PNPN thryster structures in 1954 for his PHD thesis.
Later, he published many famous semicondutor device and
circuits textbooks which many young students have studied.
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In ISSCC2013 plenary panel presentation and in the following
IEEE solid-state circuit magazine of 2013 summer issue,
Hagiwara explained the basic image sensor structures of the
CCD type, NP type, P+N-P type and P+/N-P/Nsub type.
ISSCC2013 the 60th Birthday Anniversary Plenary Panel Talk Memo
Idea was simple, but to transform the idea into a working
useful device, many years of efforts and delligence of many
hard working enginners were needed. They are the ones to
be recognized and encouraged for their future delligence.
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萩原良昭の出版図書の紹介
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人工知能パートナー（ＡＩＰＳ）を支える
デジタル回路の世界
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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）
TEL: 042-765-6460(代) 青山社
補足資料（Ａｐｐｅｎｄｉｘ）
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