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The AIPS ( Artificial Intelligent Partner System ) Home Pag
hagiwara-yoshiaki@aiplab.com
index006_Two_1975_Hagiwara_Patents_on_Pinned_Photo_Diode.html
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Story of Pinned Photo Diode
Hagiwara at SONY is the true inventor of Pinned Photo Diode
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毎朝6時前から1時間ほど、お天気がいい日は、
自宅のそばの小川沿いや野道を Walking。
毎朝、健康のために、妻と萩原は歩いています。
その時に萩原が撮った写真と妻の絵手紙です。
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●荻野中学校の10月の絵手紙はこちらをclick してください。
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賢い電子の目 ( pinned photo diode ) が、その発明者である、もと SONY の萩原良昭
を見ています。光を電気信号に変換する、人間の目の網膜細胞に相当する発明のお話です。
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70歳のじじいのつぶやきです(笑顔)。
Story of Pinned Photo Diode
Pinned Photo Diode Patent by Hagiwara in 1975
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半導体産業人協会主催の2つの秋季半導体技術講座の紹介です。
(1)2018年11月1日~2日開催の半導体入門講座の案内
2018年度 秋季入門講座カリキュラム詳細版
(2)2018年11月5日~6日開催の半導体ステップアップ講座の案内
2018年度 秋季ステップアップ講座カリキュラム詳細版
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著書に 「人工知能を支える、デジタル回路の世界」
ISBN 978-4-88359-339-2 C3055 青山社 出版、
ハードカバー 475ページ、\9000 + Tax があります。
是非、購入してお読みください。
半導体素子の基本物理動作からその応用回路まで
やさしく解説しています。文系の方でも読みやすい
ように工夫し、むずしい数学のバックグラウンド知識
がなくても、容易に直観的に誰でも理解できるように
わかりやすい解説図を本書には多く用意しています。
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Yoshiaki Hagiwara, Ph.D. IEEE Life Fellow、
the inventor of Pinned Photo Diode ( SONY HAD sensor )
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(1) 萩原良昭の自己紹介です。
(2) Pinned Photo Diode とは?
(3) デジカメは何でできているのか?
(4) Pinned Photo Diode はもとSONYが萩原が1975年に発明しました。
(5) 半導体まめ知識 PPDとは?
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(6) 1975年萩原考案の2つの日本語特許の詳細を説明します。
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●まず、日本国特許庁のと特許閲覧サイトに入ってください。
https://www4.j-platpat.inpit.go.jp/eng/tokujitsu/tkbs_en/TKBS_EN_GM101_Top.action
検索 window の document number 入力欄に 1975-126747 と入力してください。
次の裏面照射型の現在のCMOS image sensor の原点となる
萩原1975年考案の発明特許の、詳細文書(まず公式特許請求範囲を
定義した文書とその詳細ないろいろ事例を含む説明文)と、
詳細実施図(特許の実施した例を示す具体的な図)が入手できます。
詳細な説明文と詳細な実施図はあくまで例であり、簡潔に記述された
この特許の公式な請求範囲を制限するものではありません。
_______________________
発明の名称 固体撮像装置
発明者 萩原良昭
出願人 ソニー株式会社
特許出願日 1975-10-23
特許出願番号 昭50-127647 ( 1975-126747 )
特許公開日 1977-4-26
特許公開番号 昭52-51816 ( 1977-051816 )
_______________________
特許請求の範囲
_______________________
半導体基体の一方の主面側に、絶縁膜を介して
電荷転送用電極が被着配列される1の導電型の転
送領域が形成され、之より上記半導体基体の他方
の主面側に上記転送領域に接する他の導電型の領
域と該領域に接する1の導電型の領域とより成る
受光領域が形成され、上記転送用電極に所要の電
圧を印加することにより、上記受光領域に蓄積し
た電荷を上記転送領域に転送し、上記電荷転送用
電極に上記所要の電圧とは異るクロック電圧を印
加して上記基体の上記一方の主面に沿って電荷の
転送を行うようにしたことを特徴とする固体撮像
装置。
_______________________
特許請求範囲の公式記述文書の詳細な説明
_______________________
(1) 半導体基体の一方の主面側に、絶縁膜を介して
電荷転送用電極が被着配列される1の導電型の転
送領域が形成され、
_________________________
これは裏面照射型の image sensor を想定しています。
まずシリコン基体を仮にP型とします。基体(Psub)とします。
また、第1の導電型の転送領域をN型とします。領域は
基体ではありません。基体の中にある限られた領域です。
ここで、電荷転送電極に強いマイナスの電圧を印加しますと、
このN型半導体の転送領域とその上の酸化膜(SiO2)との
界面にできる反転層に プラスの信号電荷である hole(e+)が
引きつけられることになります。その結果、このSiO2の酸化膜
とN型Silicon半導体の間の界面を主面(表)とするPMOS型
の電極を使って電荷転送を実行することになります。
昔は PMOSデジタル回路が歴史的に主流でした。
CCDもPMOS型のCCDで製造していたなごりです。
PMOSの方が界面準位を減らすことが容易であり、
PMOSのしきい値電圧の制御の方が容易だったからです。
PMOS技術でCCDも具体的に製造していました。
しかし、特許の請求範囲では別にCCD型のCCD転送
装置でなくてもOKです。CMOS型の転送装置でも
適用できます。特許の請求文には貪欲に将来のために
いろいろな場合を想定して注意深く記述されています。
あくまで、この場合、PMOS型の電荷転送電極、
すなわち、P-type charge transfer gateを意味します。
_________________________
(2) 之より上記半導体基体の他方
の主面側に上記転送領域に接する他の導電型の領
域と該領域に接する1の導電型の領域とより成る
受光領域が形成され、
_________________________
他方の主面側と呼んでいることから表側照射だけでなく、
裏面照射の場合も想定しています。欲張った特許です。
他方の主面側とは裏面側の主面を意味します。
また、上記半導体基体(Nsub)の他方の主面(裏)側に、
すなわち、表側の主面に沿って形成された第1の電導の
転送領域(N)を上部として、下部から接する他の導電型
の領域(P)が形成されることを意味します。これはプラスの
電荷のhole(e+)を信号電荷として蓄積する埋め込みの
領域(P)を意味します。
ここまでが、本文の、「之より上記半導体基体の他方の
主面側に上記転送領域に接する他の導電型の領域」
の部分の説明となります。
すなわち、埋め込み領域(P)の説明です。
本文は、さらに、「該領域に接する1の導電型の領域」と
続きます。該領域とは、埋め込み領域(P)のことです。
その上部には転送領域(N)と接していました。さらに、
1の導電型の領域(N)と接するとあるのは、下部からも
1の導電型の領域(N)と接するという意味です。
すなわち、PNP構造になっています。
之より上記半導体基体の他方の主面側に
(1)上記転送領域(N)に接する
(2)他の導電型の領域(P)と
(3)該領域に接する1の導電型の領域(N)とより成る
PNP構造を受光領域として形成されるという意味です。
_________________________
(3) 上記転送用電極に所要の電
圧を印加することにより、上記受光領域に蓄積し
た電荷を上記転送領域に転送し、
_________________________
すなわち、P領域の信号電荷 hole (e+) を、電荷転送用の
PMOS型電極の下に移行することを意味します。つまり、
PMOS型電極に強いマイナス電圧を印加して、酸化膜に
強い電界を発生され、さらに SiO2/silicon 界面下の半導体
基体(N型)にも強い電界がかかった空乏層領域を広げ、
その空乏層が電荷蓄積領域(P型)の空乏層と密着し、
強い電界が電荷蓄積領域(P型)まで到達し、電荷蓄積
領域(P型)内の信号電荷 hole (e+)を吸い取り、それも
完全空乏化転送の形で吸い取り、最終的に、PMOS型
電極の下に反転層に信号電荷 hole (e+)にすべて移行
することになります。
_________________________
(4) 上記電荷転送用
電極に上記所要の電圧とは異るクロック電圧を印
加して上記基体の上記一方の主面に沿って電荷の
転送を行うようにしたことを特徴とする固体撮像
装置。
_________________________
PMOS型電極に強いマイナス電圧を印加して、
最終的に、PMOS型電極の下に反転層に信号
電荷 hole (e+)にすべて移行しましたが、今度は、
そんなに強い電圧をかける必要はありません。
隣接する電荷転送装置との連携動作で表側の主面
に沿って信号電荷 hole (e+)が転送されることに
なります。ここでまた特許請求範囲を定義する
文には、この埋め込み型の蓄積部(P)が必ずしも
PMOS型電極の直下にあるとは言っていません。
ななめ方向でも特許請求範囲に含みます。
_________________________
最終的に下の図に示す構造もこの特許の示す実施図、
具体的な構造図の1つの例として、可能となります。
萩原の1975年出願の発明特許の請求範囲に含みます。
この下の例では半導体基体をN型として、第1の電導型
領域もN型としています。ただし裏面にはN+層をの主面
に沿って形成した具体例を示しています。この特許が
提案する受光構造の1つの例となります。
●もう一つの特許の説明に入ります。再度、日本国特許庁のと特許閲覧サイトに入ってください。
https://www4.j-platpat.inpit.go.jp/eng/tokujitsu/tkbs_en/TKBS_EN_GM101_Top.action
今度は、検索 window の document number 入力欄に 1975-134985 と入力してください。
下の図に示す、P+NPNsub接合( thyrisor ) 型の pinned photo diode に関する、
萩原1975年考案の発明特許の、詳細文書(まず公式特許請求範囲を定義した文書と
その詳細ないろいろ事例を含む説明文)と、その詳細実施図(特許の実施した例を示す
具体的な図)が入手できます。
詳細な説明文と詳細な実施図はあくまで例であり、簡潔に記述された
この特許の公式な請求範囲を制限するものではありません。
_______________________
発明の名称 固体撮像装置
発明者 萩原良昭
出願人 ソニー株式会社
特許出願日 1975-11-10
特許出願番号 昭50-134985 ( 1975-134985 )
特許公開日 1977-5-23
特許公開番号 昭52-58414 ( 1977-058414 )
特許公告日 1983-10-19
特許公告番号 昭58-46905 ( 1983-046905 )
_______________________
特許請求の範囲
_______________________
半導体基体に、第1の導電型の第1半導体領域
と、之の上に形成された第2導電型の第2半導体
領域とが形成されて光感知部と之よりの電荷を転
送する電荷転送部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、上
記光感知部の上記第2半導体領域に整流性接合が
形成され、該接合をエミッタ接合とし、上記第1
及び第2半導体領域間の接合をコレクタ接合とす
るトランジスタを形成し、該トランジスタのベー
スとなる上記第2半導体領域に光学像に応じた電
荷を蓄積し、ここに蓄積された電荷を上記転送部
に移行させて、その転送を行うようにしたことを
特徴とする固体撮像装置。
_______________________
特許請求範囲の公式記述文書の詳細な説明
_______________________
まず、半導体素子構造の特許ですから、半導体基体から
説明は必ず始まります。実体がないと話になりませんから。
半導体基体(Nsub)の周りは、多くのプロセス工程の結果
によるものですが、固い酸化膜(SiO2)で形成され、通常
保護されているものとします。
(1) 半導体基体に、第1の導電型の第1半導体領域
と、
_______________________
たとえば、半導体基体をNsub とすると、第1の
導電型の第1半導体領域は P領域となります。
_______________________
(2) 之の上に形成された第2導電型の第2半導体
領域とが形成されて光感知部と
_______________________
第2導電型の第2半導体領域は N-領域となります。
この第2半導体領域(N)は、半導体基体のNsubとは
異なり導通していません。
之(第1半導体領域の P領域 )の上に形成された
第2導電型の第2半導体領域(N-)とが接しており
N-P接合が形成されて感知部としています。
___________
下の図の N- 領域が感知部になります。
この N- 領域が感知部になります、光電変換されて発生した信号電荷(電子)を蓄積します。
下の図は感知部 N- 層に蓄積された電荷がシリコン基板の主面に対して垂直方向に
電荷転送されている様子を示します。このPNP構造の埋め込み層により、ここで
萩原は世界で初めてCCDではなく、PNP接合構造で垂直電荷転送が実現することを
思考実験により、1975年(当時26歳)発見しました。そのことは、もう一方の同時に
出願した特許( NPN型 pinn phto diode )構造でさらに詳しく説明しています。
第2導電型の第2半導体領域は N領域となります。
この第2半導体領域(N)は、半導体基体のNsubとは
異なり導通していません。
之(第1半導体領域の P領域 )の上に形成された
第2導電型の第2半導体領域(N)とが接しており
NP接合が形成されて感知部としています。
_______________________
(3) 之よりの電荷を転
送する電荷転送部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、
_______________________
電荷転送部は主面に沿って配置されています。
_______________________
(4) 記光感知部の上記第2半導体領域に整流性接合が
形成され、該接合をエミッタ接合とし、
_______________________
上記第2半導体領域(N-)とエミッタ領域(P+)と
が整流性接合(P+N-接合)を形成することを意味
します。このエミッタ端子が外部電圧から固定されて
いることを示唆しています。すなわち、従来のトラン
ジスタのエミッタ端子と同様に外部固定されています。
つまり、浮遊状態でなく、ピン(pin)留めされていて、
つまり、pinned された状態を意味します。また、
このエミッタ領域(P+)は hole を majority carrier
としますので、この領域は別名、SONYでは商標登録
されていて、Hole Accumation Diode (HAD) と呼んで
います。具体的には、基体(Nsub)にP+NP接合を
形成したもので、構造上、P+NPNsub接合、すなわち、
Thyristor構造となり、非常に複雑な動作をすることは
1950年初頭にPror.Moll により研究され周知の事実です。
_______________________
(5) 上記第1
及び第2半導体領域間の接合をコレクタ接合とす
るトランジスタを形成し、
_______________________
つまり半導体基体内にP+NP トランジスタ型の
感知部が形成されることになります。
_______________________
(6) 該トランジスタのベー
スとなる上記第2半導体領域に光学像に応じた電
荷を蓄積し、
_______________________
上記感知部は主面下の基体の中に存在することに
なります。すなわち、ベースN領域の電荷蓄積部
が埋め込まれていることを意味します。NECは
IEDM1982 の学会発表でこれを buried photo diode
と呼びました。しかしその構造はこの萩原の1975年
発明特許で定義された受光構造そのものです。
______________________
(7) ここに蓄積された電荷を上記転送部
に移行させて、
______________________
ベースN領域は半導体基体に埋め込まれています
のでその信号をまず吸い取る電荷転送電極つまり
NMOS transistorのゲート電極で形成された、
電荷転送用電極Charge Tansfer Gate 下の
SiO2/Silicon 界面の反転層に電荷がまず
吸い込まれ移行されることになります。
これは酸化膜とシリコン結晶体(SiO2/Silicon )の
境界面すなわち界面にそった平面に対してはほぼ
垂直電荷転送( Vetical Charge Transfer )と
なります。
萩原は世界ではじめてこの垂直電荷転送を
考案したことになります。
この原理は、現在では SONYの裏面照射型の
CMOS image sensor で実用化されています。
萩原が26歳の時(1975年)に考案して発明特許を
出願してやっと40年以上が経過しての実現です。。。
______________________
(8) その転送を行うようにしたことを
特徴とする固体撮像装置。
______________________
転送する転送装置はCCD型の転送装置だけでは
ありません。現在ではCMOS型の転送装置が主流
となりました。半導体の微細化技術により、配線
容量が減少し配線雑音(CkT雑音)が減少し、もはや
CCDが不要となりました。CCDは基本的に
クロック容量が大きく、その充放電に消費電力が
無視できない程大きいです。また原理的に転送
効率は99.999%以上は不可能で4000x3000画素、
すなわち 1500万画素の High Visio TV 画像や
4000万画素(4K)や8000万画素(4K)の
High Visio TV 画像には適用が不可です。
配線雑音が半導体の微細化で減少することは
水道管でたとえる理解しやすいです。
つまり、送る水の量が少ない細い水道管の方
が、信号として使用する送る水の量が少なく
てすみます。太い水道管より、送る水の量
(信号)が簡単に調整できることからも理解
できます。細い水道管の方が、忠実に送る側
が出すの水の量(信号)受け取り側の蛇口に
伝達できるからです。半導体の微細技術の進
歩は極端に微細化された水道管を実現したこ
とになります。信号の大きさ(S)は今までの
大きさのままです。配線雑音(N)は水の容量に
比例します。水道管が小さくなると流す水の
量も少なくなり、それに比例した雑音(N)が
極端に減少します。結果として S/N が非常に
向上し、CCDの配線容量とほぼ同等となり
今まで大活躍してきたCCDが省エネの傾向
に負けて、最終的に消える運命となりました。
______________________
最終的に下の図に示す構造もこの特許の示す実施図、
具体的な構造図の1つの例として、可能となります。
萩原の1975年出願の発明特許の請求範囲に含みます。
************************************
萩原1975年特許 ( pinned photo diode Patent 1975) の解説
萩原1975年特許 ( pinned photo diode Patent 1975) の原文
萩原1975年特許( pinned photo diode Patnet 1975 )の画像
https://patents.justia.com/inventor/yoshiaki-hagiwara
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以上を再度まとめます。
日本国特許の検索サイト に、萩原良昭 と入力すると、萩原のSONY時代の
特許リストとその内容が閲覧できます。 「71件ヒット」 と掲示されます。
そこをクリックして 71件のリストの中から、
66番 50-134985 (P+NPNsub接合型のPinned Photo Diode の発明特許) と、
67番 50-127647 (NPNN+ 接合型のPinned Photo Diode の発明特許) を見てください。
また、海外版の日本国特許検索サイト では、 Japanese Patent Number の欄に
(1) 1975-134985 と入力しますと、 萩原がSONY時代に申請した、
P+NPNsub接合型のPinned Photo Diodeの発明特許の詳細が閲覧できます。
(2) 1975-127647 と入力しますと、萩原がSONY時代に申請した、
NPNN+ 接合型のPinned Photo Diodeの発明特許の詳細が閲覧できます。
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Pinned Photo Diode の基本特許
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世界初の裏面照射型のイメージセンサーの基本特許でもあります。
その発明者は当時26歳のSONY勤務だった萩原良昭です。
この構造が今の世界の超感度デジタルカメラの原点です。
この特許の出願日は 1975年10月23日です。
また、世界で最初の残像なし受光部を持つ、pinned photo diodeの発明でもあります。
シリコンチップを薄く削り、裏面を受光面として N+N層として、
受光部で電荷蓄積部を埋め込みのP層として、N+NP接合を形成します。
その結果、N+NPN 型の Pinned Photo Diode となっています。
シリコンチップを薄く削る前に表の表面層に従来のMOSトランジスタ回路
を形成します。CCDもその時に形成できます。今ではCCDは不要になりましたが。
図7は、裏面から照射された光で光電変換された信号電荷( Hole = e + ) を
表側に形成された MOS 型の転送電極下に吸い取られる状態を描いています。
この信号電荷( Hole = e + ) が完全に吸い取られることができることも
図7は明示しています。すなわち、完全空乏化電荷転送が可能であることを
示唆しています。これはたいへん重要なことです。残像なしの高速アクション
撮影が可能なビデオカメラを実現することができます。さらに、CCDの様な
MOS型の受光構造でないので、光が通過できて超感度のビデオカメラを
実現することができます。
この特許の存在を世界は知りません。
1975年当時、萩原がSONYでこの特許を出願した時、
こんなシリコンシップを薄く削って両側に半導体デバイス構造を
形成するなど実現不可能と上司に笑われた記憶があります。
SONYにはまったく pinned photo diodeの良さについて理解して
くれる人は誰もおらず、萩原は孤独でした。
SONYでただ一人の理解者が当時の岩間社長でした。
岩間社長は物理学者であり、SONYでトランジスタを開発した
最高責任者でもあり、半導体物理を理解した唯一の萩原の
相談相手でもありました。
岩間社長の一存で、プロセスがより単純なFT型のCCD imagerに、
この萩原考案の pinned photo diodeが搭載され試作に成功し、
1978年にSONYは東京で岩間社長がNewYorkで盛田会長が
同時に新聞発表をする、SONYではビデオカメラ時代の到来を
示す歴史的なイベントとなりました。
萩原の発明特許 (1975-134985 ) で SONYのビデオカメラの事業が立ち上がりました。
現在SONYは裏面型CMOS image sensor で躍進しています。その原点にあるのは、
やはり1975年の萩原の発明特許 (1975-127647 ) です。萩原が26歳の時に着想した
裏面照射型の image sensor 構造がやっと今花咲きました。40年前はこんな特許は
だれも実現しないということで、特許の権利化もしなかった特許ですが、それでも、
公式技術情報として現在でもWEBで検索すると、日本国の財産である特許の1つとして
誰でも今でも閲覧可能です。
あれからもう40年、、、もう萩原は70歳の老人となりましたが、SONYで着々と若手後進が
がんばっているのを見て心強く感じます。
今年も恒例(高齢)のSONY半導体OB会が、SONY(株)のご厚意により、
SONY厚木テックの社内食堂で開催されました。
SONYOB会の会員~350名のうち、~150名が今年も集いました。10月19日(金)で、
週末を早く仕事を終わらせての時間帯で、15:30~19:30 の短い時間でしたが、
毎年恒例のアルコールありの立食パーティーの形でがやがやおしゃべりしながら、
懇親を深めました。また、SONY(株)の常務の清水さんが今度のSONYのCMOS
image sensor のビジネスの状況と、それを核とした、今後のビデオカメラ関連の
システム商品の展望について語ってくれました。
このPNP型のpinned photo diodeを採用した FT 方式 image sensorの
試作に成功し、SONYは1978年にその内容を新聞発表しました。当時
丁度30歳だった私でしたが、今はもう70歳です。SONYの1978年の発表
から、あれから今年は丁度、40年になりました。
また、賢い電子がものを認識するには、膨大なデジタル情報の高速比較処理が必要となります。
萩原は学生時代、1972年にその高速デジタル比較処理用LSI chip を Intel 社との産学共同
プロジェクトで1972年(当時24歳)で設計試作し成功しています。そして、その試作成果を、
IEEE Journal of Solid State Circuit, VOl.SC-11, vol. 4, October 1976 に発表しています。
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半導体産業人協会主催の2つの秋季半導体技術講座の紹介です。
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