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AIPS ( Artificial Intelligent Partner System ) Homepage A007
hagiwara-yoshiaki@aiplab.com
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なぜ CCD Image Sensor が消えたのか？
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なぜ CCD Image Sensor が消えたのか？
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現在 CCD Image Sesnor はもはやイメージセンサーの市場から消えて
しまいました。CMOS Image Sensor が主流となりました。その理由を
知っていますか？ もともと超感度で低暗電流雑音の特性を持っていた
のは、実は CCD Image Sensorではありませんでした。
萩原が１９７５年に発明した SONY HADセンサーが超感度で低案電流
雑音特性を持っていたからです。このHADセンサーの発明はCCD以上の
発明だと萩原は持っています。それがあってこそ、超感度低暗電流の
デジカメや今の高解像度のCMOS Image Sensor なのです。
世界を大きく変えて、世界に１９７５年から大きく貢献してきたのはCCD
ではなく、実は萩原が１９７５年に発明した SONY HAD センサーだった
のです。その事をみなさんにご理解していただきたいと萩原は今懸命に
その詳細をご説明している状態です。
CCD型のMOS容量電極が不要となりました。萩原は電子の目としては、
CCD型の受光素子は不向きであると判断しました。CCDはあくまで、
電荷転送装置（CTD)として活用し、電子の目としては役に立たない事
を萩原は見抜き、CCDの代わりとなる受光素子を発明しました。
こうして、萩原が考案した「電子の目」が、SONYが特許所有する独自
受光構造のSONY HADとなりました。CCDの受光素子よりもはるかに
短波長青色光感度があり、色再現が良好で、また表面には濃いP+層が
形成され、 Hole Accumulation 状態 (SONY HADの語源）となっており、
また、表面電圧が固定、すなわち、ピン留め（ Pinned Photodiodeの
語源）されていて、表面暗電流を抑圧し白点も発生しなくなりました。
また、萩原は基板（Nsub)にこのP+NP接合型の Pinned Photodiodeを
形成することにより、縦型 Oveflow Drain としても機能することに
気づき、それを日本国特許 (1975-134985）として特許出願しました。
また同時に、日本国特許 (1975-127647）では裏面照射型の N+NP+N
接合型の Pinned Photodiode を考案し、特許出願しました。表面型の
電荷転送電極（CTG)を一時的なBuffery蓄積容量として活用した受光
素子構造でした。
裏面照射型のイメージセンサーの場合、シリコン結晶を研磨して非常
に薄くする必要があります。萩原の中央研究時代（1975年～1979年）、
すでにKOH液を使ってシリコンの裏面を極小的に極めて薄くして裏面
照射型の Frame Transfer 方式の CCD Image Sensorの試作技術
は米国RCA社なが報しており、周知でした。
萩原はまた、 Prof. Simon Sze の古典的な半導体デバイス物理の
著書などの参考文献から、「可視光線はシリコン結晶の中を 10 um
以上深くは透過しない」ことを知っていました。
そこで、シリコンの主面には従来通り、電荷転送装置（CTD)を形成
します。そして、埋め込み型の Photodiode をシリコン結晶内に形成し、
裏面を薄く研磨して、シリコン結晶の膜厚を、ほぼ 10 um 程度の厚さに
します。シリコン結晶の膜厚を、ほぼ 10 um 以上にすると、裏面から
照射される可視光線は、シリコン結晶の主面側には届きません。裏面
からの光は、完全にblock されます。
シリコンの主面側に形成された、電荷転送装置（CTD)には届かないこと
になります。従って、シリコンの主面側に形成された、表面型CCD型の
電荷転送電極（CTG)を一時的な one timeMOS容量型 Buffer Memory
として使用可能となります。
埋め込み型の Pinned Photodiode 構造の受光部に蓄積された信号電荷を、
まず、電荷転送電極（CTG)に強い電圧をかけて、光信号電荷を引きつけて、
完全空乏化電荷転送を実行します。
電荷転送電極（CTG)に強い電圧をかけて、この完全空乏化電荷転送により、
信号電荷を、まず表面型CCD型の電荷転送電極（CTG)下に移動しています。
この状態では、一時的な one timeMOS容量型 Buffer Memory として、
表面型CCD型の電荷転送電極（CTG)が機能していることになります。
そして、別の Clock 電圧をかけて、表面型CCD型の電荷転送電極
（CTG）下に蓄積された信号電荷を、再度、CCD型電荷転送方式による
完全空乏化電荷転送を実行して、隣接する電荷転送装置（CTD)に、
信号電荷を移動させます。
萩原は 裏面照射型 Pinned Photodiodeの発明者だけなく、すでに
この時点で、CMOS Image sensor には不可欠な、One Time Buffer
Memoryを各絵素ごとに備えるというアイデアを特許にしています。
萩原は、CMOS Imager のGlobal Shutter の発明者でもあります。
CCDは、本来MOS容量で構成され、それ自体が一時的な Buffer Memory
として活用し、Global Shutter 機能が既に備わっている事は周知でした。
しかし、CMOS Image Sesnor に、Global Shutter 機能を持たせるには、
各絵素に、受光素子容量以外に、別途、もうひとつ、信号電荷を一時的に
蓄積する容量が必要でした。一時記憶容量は、浮遊状態のPN接合容量
か、または、CCD型のMOS容量で構成できる事は周知情報でした。
萩原はその一時蓄積する容量として、表面型の電荷転送電極（CTG)、
そのものが活用できる事に気づきました。そして、萩原は、Global
Shutter 機能付きの Pinned Photodiode の受光素子を発明しました。
構造を立体化することにより、絵素の受光面積を最大限にすることが
可能となり、縦型 overflow drain だけでなく、Global Shutter の必要な、
余分な Buffer Memory も、絵素の受光面積を犠牲にすることなく、形成
することが可能であることを、萩原はこの特許で示唆しています。
萩原発明の日本国特許 (1975-127647）は、裏面照射型の N+NP+N
接合型の Pinned Photodiode を考案しているだけでなく、隣接する
電荷転送装置（CTD)が、CCD型でなくても、CMOS型の電荷転送装置
（CTD)であっても、Global Shutter 機能を持たせる事が可能である
事を、その特許請求範囲に明示しました。「Global Shutter 用の一時
記憶用に、表面型の電荷転送電極（CTG)を使う」という事を特許の
請求範囲としました。これは世界最初のCMOS image sensor 等に
不可欠な、Global Shutter 機能付き受光素子の発明でもありました。
この特許( 1975-134985 )には
（１）特許請求範囲にP+NPNsub接合型受光素子を定義しています。
（２）特許の実施例の図５にピン留めされたP+NP型構造の
受光素子 ( Pinned Photodiode ) を考案し図示しています。
（３）実施例図６Bの構造は縦型overflow drain ( VOD ) 機能を
持つことを示唆しています。
この例では、emitter 接合型が VODとして機能していますが、
対象論により、反対側の collector型も VODとして機能します。
（４）また、図６Bに於いて、信号電荷の蓄積部であるbase領域のN層は、
隣接する電荷転送装置（CTD）に信号電荷が完全空乏化電荷転送
された後は、残像のない、完全空乏化 Photodiode となります。
もうひとつの萩原1975年出願特許 ( 1975-127647 )の実施例の図７では、
裏面照射型の N+NPN型のPinned Photodiodeを図示しています。
埋め込みチャネル型CCDの発明当時は、埋め込みチャネル型CCD
自体に光を照射して、従来は受光素子としても活用していました。
この場合埋め込み層は、完全空乏化電荷転送されますので、この
埋め込み層は、「空乏化Photodiode」そのものです。
従って、CCDの発明当時から、一般に、この残像のない「空乏化
Photodiode」の概念はCCDの発明の時から知られていたことに
なります。
従って、NECの1980年の発明はPNP接合型の「空乏化Photodiode」
の発明にはなんの新規性もありません。PNP接合では不十分です。
表面が濃いP+層となり、電界が抑圧され、表面電位が固定、すな
わち、ピン留めされる必要があります。さもなくば、表面電界が生じ、
表面暗電流が発生することになり大問題となります。
NECの1980年の発明は表面暗電流の抑圧の解決にはなっていま
せん。NECの発明は単純に残像がないという特徴を持つ、「空乏化
Photodiode」である、PNP接合型受光素子の発明にすぎません。
しかし、P+NP接合型の「空乏化Photodiode」も、SONYの萩原が
1975年に既にP+NP接合トランジスタ型の受光素子として発明して
おり、NECの特許は重複特許となり、無効です。
また、萩原の1975年の特許は、まず、
（１）基体にすなわち、たとえば、N-type シリコン結晶体（Nsub）に、
（２）第１の領域、たとえば、P-well 領域と設け、
（３）その上に、第２の領域、光信号電荷の蓄積部のN層を設け、
（４）その第２の領域に整流接合の emitter 接合、すなわち、
emiiter 端子を P+ 領域とする、P+N 型のemitter 接合
を設けるとしています。
すなわち、萩原が1975年に発明した受光素子構造は、
P+NPNsub接合型サイリスタ構造となります。
そして、この特許の実施例でこの構造の動作には自由度が豊かで、
たて型の overflow drain としてもVOD機能することを実施図の
例図６で明示しています。萩原は1975年にすでに、VOD機能を
もつ、Pinned Photodiodeを発明していることになります。
従った、東芝の山田さんの1978年特許も、萩原1975年特許の
重複特許となり無効です。
以上の考察から、萩原が（１）Pinned Photodiodeの発明者であり
（２）埋め込みPhotodiodeの発明者であり（３）たて型OFD(VOD)の
発明者であり（４）裏面照射型 Pinned Photodiodeの発明者である
ことになります。当時、1975年当時27歳のSONYの萩原の発明です。
NECの白井氏と寺西氏の1980年の発明特許の埋め込みPhotodiode
( PNP接合型受光素子)の実施例にある図２は、表面電位が固定され
ておらずピン留めされていません。Pinned Photodiodeではありません。
いずれにせよ、萩原1975年特許が先行特許であり、NECの1980年の
寺西さんの特許は無効です。Pinned Photodiodeの発明もありません。
Pinned Phoodiode、埋め込みPhotodiode、縦型OFD（VOD）機能、
それに、裏面照射型のすべてが、SONYの萩原の1975年の発明です。
1978年、萩原は東京で開催の国際固体素子コンフェレンス(CSSD)で、
P+NP接合型の受光素子、後に SONY HAD ( Pinned Photodiode )
と呼ばれる、「電子の目」 を採用して、高感度で暗電流を抑圧した、
380H x 490V 絵素の Frame Transfer 型CCD電荷転送方式の、
Image Sensor の原理試作に成功し、技術詳細を学会発表しました。
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P+NP_junction_type_Pinned_Photodiode_1978_Paper_by_Hagiwara (PDF)
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SONYは1980年7月1日に岩間社長が東京で盛田会長がNew York で
同日に発表した Video Movie （仮称）です。これは 2/3 inch の工学系
の One Chip ( 570 H x 490 V = 27.73 万画素）の P+NP接合型 の
Pinned Photodiode 構造の受光素子を採用したビデオカメラでした。
暗電流がなく、超感度で、かつ残像がないという優れた特徴をもつ受光
素子を採用していました。テープ幅 8 mm ( 5/16 inch ) のビデオカセット
テープと一緒にひとつにまとめたもので、録画時間 20 分というものでした。
萩原は、この Frame Transfer 転送方式の CCD image sensor も、一人で
自前の CAD システム（名称 DSPLAY ）を駆使して設計しました。その知識
と基礎技術は、萩原が留学中、母校の米国 CalTech に在学中に、恩師で、
萩原の PhD 論文の指導官だった、Prof. C. A. Mead と 研究室の先輩から、
Intel 社との産学共同プロジェクトを通して、学んだものでした。
Dr. Albert Theuwissen は 2006年の国際会議での論文で、
このSONYの萩原が1978年報告の、FT方式の電荷転送装置
による CCD image sensor に採用された、 P+NPNsub接合
の、すなわち、表面にP+層を設けたPhotodiodeが、現在の
半導体受光素子(Pinned Photodiode)の世界最初の事例で
あると、紹介しています。彼は Pinned Photodiode の発明
者はSONYの萩原だと明言しています。
A.J.P. Theuwissen、“The Hole Role in Solid-State Imagers“
IEEE Transaction. Electron Devices, Vol. ED-53, no. 12, pp. 2972-2980, 2006.
http://www.harvestimaging.com/pubdocs/101_2006_dec_TED_hole_role.pdf
Dr. Albert Theuwissen は 2006年の国際会議での論文で、
このSONYの萩原が1978年報告の、FT方式の電荷転送装置
によるCCD image sensor に採用された、 P+NPNsub接合の
半導体受光素子(Pinned Photodiode)がすべての母体(mother)
ではないかと指摘しています。それに反論する人はいません。
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P+NP_junction_type_Pinned_Photodiode_1978_Paper_by_Hagiwara (PDF)
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Ref (1) Mother Paper on the P+NP junction Pinned
Photodiode on FT CCD image sensor.
Yoshiaki Daimon-Hagiwara, Motoaki. Abe, and Chikao Okada,
“A 380Hx488V CCD imager with narrow channel transfer gates,”
Proceedings of the 10th Conference on Solid State Devices,
Tokyo, 1978; Japanese J. Appl. Phys., vol. 18, supplement 18–1,
pp. 335–340, 1979.
Ref (2) Fisrt Child Paper on the PNP buried Pinned
Photodiode on ILT CCD image sensor
N. Teranishi, A. Kohno, Y. Ishihara, E. Oda, and K. Arai,
“No Image Lag Photodiode Structure in the Interline
CCD Image Sensor,”IEDM1982, Dig.Tech. Papers,
pp.324-327, 1982.
Ref(3) Second Child Paper on the P+NP junction
Pinne Photodiode on ILT CCD image sensor
B.C. Burkey et al, "The Pinned Photo Diode for an Interline
Transfer Image Sensor", IEDM1984, Dig.Tech. Papers,
pp.28-31, December 1984.
以上の考察から、萩原が（１）Pinned Photodiodeの発明者であり
（２）埋め込みPhotodiodeの発明者であり（３）たて型OFD(VOD)の
発明者であり（４）裏面照射型 Pinned Photodiodeの発明者である
ことになります。当時、1975年当時27歳のSONYの萩原の発明です。
萩原が真の発明者である証拠は、
萩原による２つの日本国特許出願です。
（１）特許公報昭58-4605, 特願：昭50-134985 と
（２）公開特許公報：昭52-51816, 特願：昭50-127647
そして、1978年の学会発表論文です。
Mother Paper on the P+NP junction Pinned Photodiode on FT CCD image sensor.
Yoshiaki Daimon-Hagiwara, Motoaki. Abe, and Chikao Okada,
“A 380Hx488V CCD imager with narrow channel transfer gates,”
Proceedings of the 10th Conference on Solid State Devices, Tokyo, 1978;
Japanese J. Appl. Phys., vol. 18, supplement 18–1, pp. 335–340, 1979.
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P+NP_junction_type_Pinned_Photodiode_1978_Paper_by_Hagiwara (PDF)
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シリコン結晶と酸化膜の界面にあるFixed Surface Positive Charge (+Qss) の
存在は、表面に微妙に電界を発生され、再結合媒介準位となり、暗電流の原因
になります。シリコン結晶表面を濃いP+層を形成する為にイオン打ち込みを
必要としています。萩原はその技術内容を1978年の固体素子コンフェレンスで
詳細に報告しています。その結果暗電流が抑圧されることを報告しています。
NECの寺西さんの1980年特許は、単純に、残像のない特徴を強調したものです。
単純な、埋め込み型の「空乏化Photodiode」特許です。暗電流を抑圧する
Pinned Photodiodeの特許ではありません。NECの寺西さんの1980年特許は、
また、重複特許で、萩原が1975年出願した 特許 ( 1975-134985 ) の重複特許
であり、無効です。寺西さんは Pinned Photodiode の発明者ではありません。
このNECの1980年出願特許の実施例図２は、「この特許が Pinned Photodiode
の特許でない」ことの証拠になります。このNECの1980年出願特許は単純に
電荷の蓄積部が Reset 時に完全空乏化する Photodiode、空乏化Photodiode
を示唆した特許です。しかし、空乏化 Photodiodeは、萩原が1975年に既に、
Pinned Photodiode 構造特許として出願しています。Pinned Photodiode は、
空乏化Photodiode でもあり、埋め込みPhotodiodeでもあります。従った、既に、
1975年時点で、空乏化Photodiode も、埋め込みPhotodiodeも、1975年の
萩原の発明です。Pinned Photodiodeの発明がこの２つの発明をも含みます。
また以下の公開文書があります。
https://electronics.stackexchange.com/questions/83018/difference-between-buried-photodiode-and-pinned-photodiode/83025
The first Pinned PD was invented by Hagiwara at Sony
and is used in ILT CCD PD’s. It has long been incorrectly
attributed to Teranishi and to Fossum ( in CMOS image sensors ).
It is important that this reply stand for context and to correct
for a historical error and misreporting. One cannot understate
the importance of how significant his techniques and efforts
have been. Attribution is very important.
Do you know the difference of Buried and Pinned Photodiode ?
また、もとオランダPhillips社のイメージセンサーの世界的な
権威者で現在 Delft大学の教授でもある Prof. Albert Theuwissen
http://www.harvestimaging.com/bio.php
からも萩原の主張が正しいことをご支援いただいています。
Prof_Albert_Theuwissen_said_that_Hagiwara_invented_Pinned_Photodiode
萩原はこの仕事が評価され、以下の国際学会で招待講演や基調講演を
受けました。萩原にとって青春時代の思い出であり、大切な宝物です。
(1) International Conference CCD79 in Edinburgh, Scotland UK
(2) International Conference ESSCIRC2001 in Vilach, Austria.
(3) International Conference ESSCIRC2008 in Edinburgh, Scotland UK
(4) International Conference of Solid State Circuits ISSCC2013
in San Francisco, California, USA , February 2013
「NECの寺西さんをPinned Photodidoeの発明者」とする、現在の一部
の社会認識は完全に間違っています。社会評価は完全に間違って受け
取られています。この事実誤認は重大な問題を起こす要因でもあります。
社会評価はいつにおいても必ずしも真理ではありません。たくさんの
方々が風評被害を受けているのもその例です。萩原も、現在たいへん
「間違った社会評価」のために、たいへん、苦しんでいます。
上記の説明から、「SONYの萩原が Pinned Photodiode の発明者」
である事は明らかです。この事実をご理解いただきたいところです。
真理はいつも一つです。発明者が誰かを、その真理を伝える使命と
義務と責任が日本発明協会にあります。社会評価は必ずしも真では
ありません。発明協会の判断は、間違った社会評価に惑わされては
なりません。日本発明協会が間違った人間を発明者だと誤認認定
してしまうと、真の発明者の名誉を汚すだけでなく、多大な金銭的な
損害までも、真の発明者は被ることになります。決して許されません。
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The AIPS image sensor watching at its inventor, Yoshiaki Hagiwara.
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