Slide_Sony_Atsugi_Tech_2020_07_10_Slide071_to_080.html
by Yoshiaki Daimon Hagiwara
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Slide071_to_080 まだ一部工事中です
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Slide071
この図はＰ＋のChannel Stops領域が隣接していないと、受光部のＰ＋層は
かならず ＲＣ時定数をもち、浮遊状態となることを簡単な手計算で予測した
ものです。これを簡単に計算できるようになるには、かなりの半導体デバイス
物理の知識が必要ですので、まあ、大学の大学院の学生に戻って１年ぐらい
かけて真剣に学習するとだれでも理解できる演習問題、期末試験問題に非常
に適した問題です。よく読んで理解に挑戦してください。
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Slide072
これは ＩＥＤＭ1982のＮＥＣの論文には近傍にＰ＋チャネルＳＴＯＰが見えません。
しかし普通はＬＯＣＯＳの下にはＰ＋のチャネルＳＴＯＰが存在しますので普通は
受光部の表面のＰ＋層とＬＯＣＯＳ下のチャンネルＳＴＯＰは連結していると世界
は誤解しています。実際は、ＬＯＣＯＳ下のチャネルＳＴＯＰと受光部の表面のＰ＋
は、残念ながらよく見ると、埋込みＮ層がその間に入り込み、両者を切断しています。
その事実を世界は理解していません。それに１９７５年ＳＯＮＹはＬＯＣＯＳは結晶
欠陥が多発して白点ダーク電流の原因となるのでＳＯＮＹのＩｍａｇｅ Ｓｅｎｓｏｒの
プロセスでは採用していませんでした。それがＳＯＮＹが他社を引き離した原因
ではないかと萩原は推察しています。実際ＮＥＣは量産できず Ｉｍａｇｅ Ｓｅｎｓｏｒ
にビジネスから撤退したのは、このＬＯＣＯＳを採用して暗電流は白点欠陥を
制御できなかったからではないかと萩原は観察しています。
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ＮＥＣはＩＥＤＭ1982の論文でも1980年の論文でも複雑な数式をいろいろ
並べて埋め込み層の空乏化電位の解析解を明示しています。ＳＯＮＹ
だけでなく、多分ＫＯＤＡＫもすでに1982年には社内ではそのような解析
計算はだれでも計算可能で社内のＫＮＯＷＨＯＷだったと理解します。
1975年にＳＯＮＹでは萩原がその解析を2次元数値計算でも解いて
いましたが、社外秘、社内ＫＮＯＷＨＯＷとして発表していませんが、
そのＰＰＤの製法を ＳＳＤＭ1978で報告しています。一方のＮＥＣは
ＳＳＤＭ1982の論文ではＰＮＰ接合受光素子の製法やその具体的な
濃度には記載がありません。萩原はＳＳＤＭ1978の論文で表面のＰ＋
は 2 x 10 の13乗の ドーズ量のボロン原子をイオン打ち込みする
とＰＮＰ接合型の受光素子が形成できると報告しています。またその
電位で正常に残像のない撮像特性が実現していることを報告して
います。萩原のＳＳＤＭ１９７８の論文では「残像はまったくないので
残像の測定ＤＡＴＡの報告はありません。」しかし、ＩＥＤＭ1982の
論文では 残像を報告しています。これは ＮＥＣのIEDM1982の
論文には残像があることを自分で実証したことになります。これは
ＰＰＤでないと自分で実証していることになります。
結論として ＩＥＤＭ1982の論文は ＰＰＤの論文ではないとなります。
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萩原は1975年の特許で
（a）基体に （b) 電荷転送装置を主面にそって配置し (c)受光面側をピン留めして
ＰＮＰ接合トランジスタを受光部とするＰＰＤを発明しました。
この特許は
（a） P type または N type または Intrinsicの基板の
３通りの場合が可能です。
(b) 電荷転送装置の主面は、図の上面でも下面でも可能です。
２通りの場合が可能です。
(c) 受光面は主面と同一面の場合と、反対の面の、
2通りの場合が可能です。
したがって、 3 x 2 x 2 = 12 通りの構造がすべてこの特許の請求範囲に含まれます。
その中に、1978年の 東芝のＮＰＮ接合型受光素子も、
1980年のＮＥＣのＰＮＰ接合型受光素子が含ませれるのは自明です。
従って、1975年時点で、
1978年の 東芝のＮＰＮ接合型受光素子も、
1980年のＮＥＣのＰＮＰ接合型受光素子が周知情報となります。
従って、
1978年の 東芝のＮＰＮ接合型受光素子の出願特許も
1980年のＮＥＣのＰＮＰ接合型受光素子の出願特許も
両方とも無効特許であると観察されます。
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CCDが発明される前の時代では、MOS Image Sensor が主流だった。
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受光部に N+P接合型のPhotodiodeを採用しており、残像がひどかった。
だけでなく、MOS型の電荷転送装置固有の問題が多数あった。
（１） 信号伝送路と制御用クロック配線との容量結合により、
信号出力にクロック雑音が大きく入ってします。
しかし、CDS方式が考案され、このクロック雑音は低減できた。
（２） 信号伝送路自身に大きな配線容量Cを有し、それに比例する
熱雑音 CkT ノイズが 無視できないほど大きかった。
Peter Noble の発明により、絵素ごとに、 in-pixel の
source follower current Amplifier 回路を組み込む事が
考案され、信号電荷に比例した、大電流を造り、配線容量の
熱雑音 CkT よりはるかに大きな信号電圧を得ることが
可能となったが、各絵素の面積が小さく、1960年のMOSの
プロセス技術では、各絵素に余分なMOS トランジスタ―を
組み込むことは不可能だった。21世紀まで待つことになった。
（３）ローリングシャッター現象は MOS型電荷転送装置が持つ、
特有の好まざる現象だった。これを解決するには各絵素に
Buffer Memoryを必要とした。ローリングシャッター現象は
MOSベースのカメラが持つ特有の現象だった。
電車の窓から見る景色のような、動きの速い被写体の場合、
垂直の線が斜めになってしまうという、Distorsion 映像となる。
もう1つの例は、手ぶれ補正なしで、撮影する場合の、手ぶれに
よる「ゆらぎ」感があった。
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CCDが発明されると CCD Image Sensor の時代となった。
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米国ベル研の Boyle&Smith による、埋め込み型CCDの発明は、
隣接する小さMOS電極容量間で信号電荷がたいへん良好で、
転送効率（９９．９９９％）もあり、かつ雑音の少ない電荷転送を
可能にした。この埋め込み型CCD型の電荷転送装置には、
表面のトラップ準位から信号電荷を守り、かつ、クロック容量雑音
が小さく、また 配線熱雑音 CkTノイズも大変少なかった。
更に、従来のN+P接合型の残像の大きな Photodiode を採用せず、
1975年には、もとSONYの萩原が発明した、P+NP接合の Pinned
Photodiode、別名、SONYの hole accumulation diode (HAD) を
受光素子として採用することにより、非常に青色光の感度が良好で、
暗電流が少なく、かつ残像のない、超感度の受光素子が誕生した。
萩原が発明した、この超感度受光素子を採用したCCD型電荷転送装置
は、当時、超感度CCD Image Sensorと呼ばれるようになった。しかし
世界は、CCDが著感度だと誤解した。著感度なのは実は萩原の発明の
Pinned Photodiode, 別名、 SONY HAD センサーだった。
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CMOSの微細化技術が進歩して、 CMOS Image Sensor の時代となった。
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その後、CMOSの微細化技術が進歩して、MOS トランジスタ―のサイズが
各絵素の面積よりも、はるかに微細となり、複数個のMOS トランジスタ―を
各絵素に組み込めるようになった。したがった、1969年に Peter Nobleが
すでに発明していた、絵素ごとの、 in-pixel の source follower current
Amplifier 回路を組み込む事が可能となった。
また、萩原が1975年にすでに発明していた、各絵素の Buffer Memory
一時記憶用のメモリ容量を持たせることにより、 Global Shutter 機能
が実現し、MOS電荷転送方式に固有の、Rolling Shutter により画像の
distortion 問題も解決した。そして、CCD型電荷転送装置は完全に、
消費電力の少ない、CMOS型電荷転送装置に置き換わった。
現在も、1975年萩原が発明した、Pinned Photodiode 、別名、SONY
HADは世界中の CMOS Image Sensorに採用され続けている。
CCD Image Sensor の時代と同様、現在の CMOS Image Sensorの
時代でも、「超感度 CMOS Image Sensor」 と言えるのは、萩原が
1975年の発明考案した、P+NP接合の、 Pinned Photodiode, 別名、
SONY HAD センサーが今も世界中の Image Sensorに採用されている
からである。CCDもCMOSもあくまで電荷転送装置であり、「信号の運び屋」
であり、光を効率よく電気信号に変換する、超感度の「電子の目」ではない。
超感度の「電子の目」の発明者はもとSONYの萩原良昭である。
1975年の発明で、発明当時は、萩原は26歳の若手技術者だった。
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Slide076 目次
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●まず、この解説内容「賢いイメージセンサ」の目次です。
１．イメージセンサとは
２．イメージセンサの歴史と市場動向
３. イメージセンサの基本構造
４．イメージセンサの動作原理
５. 賢いイメージセンサとは？
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撮像素子（イメージセンサー）には、基本的に２つの部分があります。
（１）もっとも重要なのは人間の目に相当する部分で、半導体受光素子といいます。
光を感知し、電気信号に変換するダイオード、Photodiodeのことです。
超感度の電子の目のことです。
1975年にもとSONYの萩原良昭は、
このは超感度の電子の目の、
Pinned Photodiode を発明しました。
萩原良昭が 1975年に出願発明した3件の日本国特許、
JP 1975-127646 と JP 1975-127647 と JP 1975-134985
を参照してください。（ たいへん難しい内容ですよ。）
（２）もうひとつな大切な部品は、電荷転送装置（ Charge Transfer Device ) と
呼ばれる電子部品で、2つの種類があります。ひとつは、CCD型電荷転送装置
です。もうひとつは、CMOS型電荷転送装置です。昔はCCDが主流でしたが
今はCMOS型の電荷転送装置が主流になっています。
電荷転送装置は、目で電気信号に変換された電荷を、人間の脳に伝達する
神経線の役割をします。信号を忠実にノイズのない状態で脳まで送る役割をします。
いわば、「運び屋」さんです。超感度には全く関係ありません。しかし、一般には
CCDは超感度と誤解されていました。超感度CCDカメラなどと呼ばれていました。
しかし、CCDは超感度とはまったく関係ありません。忠実に電荷を転送している装置です。
超感度はあくまで、（１）の萩原が1975年に発明した電子の目、Pinned Photodiodeです。
昔は CCD型の電荷転送装置と萩原が1975年発明の電子の目の組み合わせで
超感度 CCD Image Sensor が構成されています。もうおわかりと思いますが
超感度なのはCCDではなく、萩原が1975年発明の電子の目（鉄腕アトムの目）です。
現在は CMOS型の電荷転送装置と萩原が1975年発明の電子の目の組み合わせで
超感度 CMOS Image Sensor が構成されています。もうおわかりと思いますが
超感度なのはCMOSではなく、萩原が1975年発明の電子の目（鉄腕アトムの目）です。
これからその詳細を説明します。
撮像素子（イメージセンサー）には、
顧客のニーズに合わせていろいろな特徴があります。
Key Word は、resolution、つまり解像度と、
S/N ratio、信号と雑音の比率と、
frame rate、一秒間にテレビに描写される画面の枚数や.
dynamic range、明暗の深さ、どれだけ gray、つまり灰色の
諧調を写真の様にいかに忠実に表現できるかの指数や、
shutter speed、つまりいかに高速撮影が可能か、などや、
color reality、つまり色再現力などがあります。
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Slide077 １．イメージセンサとは
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●その用途に合わせて、いろいろなサイズ、すなわち、
それぞれに対応する工学系のサイズに合わせて、
いろいろなサイズのイメージセンサーがあります。
●たとえば、対角線の長さが 3.2 分の１ inch である、
すなわち、3.2 分の１ inch 工学系レンズに合わせた、
イメージセンサーでは、その対角線の長さが約 8 mm で、
そのイメージセンサーの面積が 約 14.5 mm２乗のもの、
すなわち、横が約 6.4 mm 縦が約 3.3 mmのものがあります。
●ほかにも、2.3 分の１ inch 系レンズや、
１ inch 系レンズや、APS-C 系レンズや、
●プロが使うデジタルカメラ用の昔のfilmサイズの、
横36mm 縦 24 mm で、面積が 864 mm ２乗の
full size 版までがあります。さらに特注では、
もっと大きなもので one chip が 1000万円以上する、
hollywood の映画会社が特注で撮影するものもあります。
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Slide078 イメージセンサ のレンズ系
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●イメージセンサとは、レンズから入った光を
電気信号に変換する半導体(撮像素子)のことです。
●人間の目でも、人間が造る単純なカメラでも、
レンズにより、目に入った像はさかさまに、さらに
左右反対に結像されます。
●人間の眼でいえば、網膜に相当する部分です。
その性能（感度と解像度）が、
デジタルカメラで撮る写真の画質を大きく左右します。
●人間の網膜細胞組織は、いわば、高速並列システムです。
網膜細胞の数だけ、神経線が脳のつながっています。
●実際、われわれの脳の中では、２次元平面に配列された
脳細胞（nueron) があります。その映像信号を平面画像
として受け取り、経験を積むと、その画像が何の画像な
のかを認識・識別できるようになります。
●イメージセンサーは物理的には網膜細胞の２次元配列に
対応します。その部分で光信号を人間の目でもイメージ
センサーでも、電気信号に変換しています。
ただし、人間の目では、網膜細胞の数だけ、脳につながる
信号伝達用の神経線があります。高速に２次元並列処理を
しています。しかし、イメージセンサーでは、そういう
わけにはいきません。イメージセンサーから出る出力線
は、たったの１本です。
実際には、２次元に配列された網膜細胞と同様に、
イメージセンサーでは、１つの網膜細胞に相当する
絵素という半導体素子構造が２次元平面に配列されて
います。
さらに、人間の目の網膜には、赤、青、緑の色と明るさを
感じる４種類の網膜細胞がありますが、
イメージセンサーでは、R,G,Bの３種類のcolor
filterの膜を使って、赤、青、緑の色だけを通過
させて、それぞれの絵素という半導体素子構造に
光が届くように造られています。
色の識別はカラーフィルターをチップの上に置き、
それぞれの色の光を電気信号に変換します。
この２次元に配列された情報を、それぞれ１つずつ
順番に scan して出力部に伝達して取り出し、
時系列に、時間軸に合わせて、１本の信号線から、
時間に合わせて出る時間関数 として出力変換する
必要があります。
放送局から出るデジタルテレビの信号は、１本だけです。
時間関数の信号ですが、それと同じ形式の時間軸信号に
する必要があります。
また時間の関数の形の信号として、放送局から電波で
家庭のテレビに送られると、テレビの受像器が、再び、
時間軸の１次元信号を並び変えて、再び２次元平面の
映像信号に変換してテレビの画像として再現されます。
ちょっと細かい話になりますが、実際には、この、
２次元に配列された絵素情報は、イメージセンサー
の中では、１つ１つ順にscan転送され、左下の絵素
から順次出力されます。その結果、実際のイメージ
センサーの chip の layout 配置 では 出力
AMP 回路は chipを上から見ると、通常、左下部分
に配置されます。
この２次元空間の絵素情報を１次元の時間関数として
１本の信号線に出力する回路には基本的に２種類が
あります。つまり、CCD scan方式のイメージセンサー
と MOS scan 方式のイメージセンサーです。
２次元に配列した網膜細胞に相当する絵素情報を
どのようにscan するかで、CCD 方式と MOS方式
の scan 方式がありことになります。
CCD とは、 Charge Coupled Device 、つまり、
電荷結合素子のことを言います。また、この場合、
MOS とは、Metal(金属） Oxide （酸化膜）と
Semiconductor（半導体）のことを意味します。
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Slide079 イメージセンサ の歴史と市場動向
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次に、イメージセンサをつかったカメラ市場の歴史と
今後の市場動向について説明します。
２０００年に入り、スマフォが占める割合が
ますます大きくなってきています。
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Slide080 イメージセンサ の歴史について 1978年
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●1969年に、CCDは米国のベル研究所で発明されました。
CCD、つまり、Charge Coupled Device は、
もともと イメージセンサーとしてではなく、
シリコン酸化膜上に多数の転送用電極（MOS容量アレイ）
を配列し、信号電荷 (電子のかたまり) を転送する、
半導体デバイスとして提案されました。
つまり、アナログ信号デンタル回路素子として提案されました。
●1972年には、国内でも、 CCD構造の半導体で文字を撮影する
ことに成功しています。ソニー中研でも、８ｘ８＝64画素で、
Ｓの字をオシロスコープに表示することに成功しています。
●1978年には、Camera と Video Recorderを一体化した
CCD カラーカメラの商品化の動きが本格化しました。
●1980年にはソニーから２チップ構成のカメラが商品化され、
全日空ジャンボ機に離着時の模様を機内スクリーンに
映すことに成功しています。
当時、ソニー国分工場でＣＣＤイメジャーの量産が始まり、
私も、そのＣＣＤイメジャーの開発設計者の１人として
当時従事していて、よく羽田空港と鹿児島空港を生産
立ち上げの為、出張で往復していましたが、その時に、
乗った全日空ジャンボ機の中で離着時の模様を機内の
スクリーンで見かけては、目を大きくしていました。
●1990年に入ると、CMOS半導体技術の微細化技術がさらに
進み、微細化が進むにつれ、CMOS transistorの性能が
さらに向上し、信号線のさらなる微細化は、信号の、
信号対雑音比をさらに向上し、好感度のCMOS imager
の実用化が進み、CMOS imagerの市場独占につながって
います。今では、撮像と演算回路を１チップ化も実現し、
さらに、その上にプロセッサー専用チップやメモリ専用の
チップを重ね張り付けた、多層チップも実現しています。
人工知能搭載の自動運転システムへの応用が期待されます。
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