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Slide 21 to 30  は まだ工事中です。
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ベル研の科学者が トランジスタ の生み の親 ( Mother ) とするなら、
Sony の 岩間和夫さんは、トランジスタの育ての親 ( Father ) と 呼べます。

技術の進歩は、発明者(mother) と 開発者(father) の 両方が不可欠です。

物理学の進歩でも、 理論家(mother)  と 実験家(father)  が 不可欠ですが、

人類の文明の進歩でも、 個人のひらめきの発明創造力 だけでなく、 
資金と、人材と、時間をかけた、開発・勤勉・努力 の 両方が不可欠です。


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Slide 21

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1948年にトランジスタが発明された時、
Prof. Mole はまだPhDの学生でした。
彼はすぐに、PN接合が二極管整流特性
をもつ真空管でPNP接合が増幅特性を
持つ三極管真空管に対応する半導体の石
なら、PNPN接合もなにかおもしろい
特性を持つのではと考えそれを自分の
PhDの論文のテーマにしました。

それがとてもON抵抗の小さいPNPN
接合型 SWITCH 素子でした。

OFFの時はすごく高い抵抗値を持ち、
リーク電流がほとんどありません。

またONの時はすごくON抵抗が少なく
電流がぼかすか流れるものです。

この素子に光を照射したのが SONYの
HADです。萩原の1975年の発明
になりますが、その話はあとでさらに
詳細に説明します。
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Slide 22

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在、東京と大阪間で第2新幹線の建設が
注目されていますが、磁気を使って車体を
空中に浮遊させて空気抵抗だけで車体を
移動するする仕組みですが、車体が近づいた
時のみその周辺の磁気浮遊装置を起動する
のに高速に応答する SWITCH回路
が不可欠です。それにこのPNPN接合
のサイリスタまたはそのより進化した
改良半導体デバイスが今たいへん注目
されています。

萩原は学生時代に当時 Stanford大学の
教授だった Prof. Mole の書いた教科書
やそのデバイスを使った電子回路の本を
学習しました。
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Slide 23

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後で川名さんと加藤俊夫さんのアイデア工夫が
あり、SONYの Bipolar Transistorの特性が
世界一の特性を持つことになったと知りました。

それが SONY のトランジスタラジオを世界一の
性能を持つ製品にしたことを知りました。

このSlideはその時の川名さんのアイデアと
加藤俊夫さんの改良工夫のアイデアをまとめた
ものです。そしてその下の図はそれをヒントに
萩原は1975年に発明したものです。

PNPN接合型サイリスタ―素子に光を照射して
Dynamicに動作されるというアイデアでした。

COMPUTER も Image Sensor も Transistorを
基本電子部品としています。

人間の頭脳は神経細胞のかたまりです。その
神経細胞が外の世界を知る為、sensiingする
ために、脳の神経細胞が頭脳から飛び出し、
長い神経伝達線を伸ばして眼球の裏に網膜
細胞として進化したのが、人間の目です。

目の網膜細胞は、脳の神経細胞が進化したもので
目は脳の一部と考えられます。


萩原はそこに着想してこの1975年のSONYの
HAD センサーの特許を考案しました。








母校 Caltechには Los Angeles の郊外で
Holywoodの隣り町の Pasadena にあります。
Los Angeles には Little Tokyo という
日本人町もあり、日本人の家族の集まりも
あり日本人同士の結束は強い存在でした。
Caltechにも日本人同士が集まりいろいろ
と日系日本人の方々とのお付き合いも
活発でした。また萩原は当時 Caltechの
物理学部を志望していました。物理学
の教授にまだ30代の若い助教授がいて
萩原は大学3年の時に古典物理の授業を
受けていました。彼の奥様が日本人だと
知りました。それでその教授の自宅に
よく呼ばれて週末にお食事をごちそう
を受けることが多くなりました。

そこで前田尚利さんと樋口先輩に会いました。

まだ萩原は学部の学生でしたが、前田先輩は
電子工学部の大学院生でした。樋口先輩は
航空機学部の大学院生でした。

よく前田先輩と樋口先輩にくっついて一緒に
Santa Monica や Litttle Tokyo や となり
町の Holywoodに遊びに週末に行く様に
なりました。

萩原が大学を卒業した、1971年6月に3ヶ月間
日本に一時帰国すると話すと、東京見物するの
はどうかと聞かれました。萩原は京都出身で
ですが東京やその周辺の関東地方のことは何も
知らないので興味があると話しました。

しかしホテル代がないので実家の京都で居候に
なるつもりと話ました。「じゃあ、宿屋をだだで
泊まれるところがあればいいのだなあ」と前田
先輩が話してくれました。

「日本にはどこの会社でも申し込めば大学の学生に
対して実習制度があるよ」と前田先輩と樋口先輩は
にこにこしながら説明してくれました。当時は萩原
はSONYはアメリカの横文字の会社だと誤解して
いました。「じゃあ、特に半導体デバイスに興味
があるのなら、厚木でね?」と樋口先輩と前田先輩
はふたりのぶつぶつ話をし出しました。そして
「じゃあ東京に連絡するからちょっと待っててよ」
とのことでした。

それで紹介されたのは、SONYの厚木工場でした。
うまくSONYには大学生を自習生として受け付ける
制度がありました。それにうまく萩原は乗っかること
ができました。6月の中ごろから9月の末までほぼ
三ヶ月間、ソニー厚木工場の成人した男性の社宅の
岡田寮の一回の部屋が2DKの部屋を1人で3ヶ月
間無料で生活することが可能となりました。週末は
東京見物、箱根や丹沢のキャンプなどいろいろ楽しい
経験を味わうことができました。。。


名目は大学卒業生の工場の実習生です。

半導体事業部の品質保証部の木内室長(課長級)
の下の宇野義道主任(係長級)が萩原の実習の
指導官になりました。彼は自習初日に9号館を
案内してくれました。「ここは東洋一の半導体
プロセスラインだよ」と誇らしげに案内して
くれました。宇野さんからその後 SONYの
Bipolar Transistorのプロセスデバイスの特長の
特訓を受けました。




はじめての説明で萩原にはなんの話かまったく
理解できませんでしたが、丁寧に萩原の実験
ノートにはその図がいろいろ記載して記録が
残っています。

後で川名さんと加藤俊夫さんのアイデア工夫が
あり、SONYの Bipolar Transistorの特性が
世界一の特性を持つことになったと知りました。

それが SONY のトランジスタラジオを世界一の
性能を持つ製品にしたことを知りました。



このSlideはその時の川名さんのアイデアと
加藤俊夫さんの改良工夫のアイデアをまとめた
ものです。そしてその下の図はそれをヒントに
萩原は1975年に発明したものです。

PNPN接合型サイリスタ―素子に光を照射して
Dynamicに動作されるというアイデアでした。

COMPUTER も Image Sensor も Transistorを
基本電子部品としています。

人間の頭脳は神経細胞のかたまりです。その
神経細胞が外の世界を知る為、sensiingする
ために、脳の神経細胞が頭脳から飛び出し、
長い神経伝達線を伸ばして眼球の裏に網膜
細胞として進化したのが、人間の目です。

目の網膜細胞は、脳の神経細胞が進化したもので
目は脳の一部と考えられます。


萩原はそこに着想してこの1975年のSONYの
HAD センサーの特許を考案しました。




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Slide 24

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トランジスタが発明されて1948年当時すぐに

トランジスタのBASE領域を Floatingにして
にして、Emitter と Collectorの電流を
変調するアイデアが考案されました。

これは Static Photo Transistorと呼ばれるものです。


萩原は 1975年に初めて、Dyanamic Photodiode Transistor
を発明しました。 Static と Dynamic では動作原理が全く
違います。そこが重要です。

STATIC 回路には メモリ機能がありません。単純に抵抗値の
変調制御による定常状態(Static)電流制御動作をします。

一方の Dynamic 回路は メモリ機能があります。メモリ容量が
あり、信号電荷を蓄積・保存する部分があります。容量に蓄積
された状態により、いろいろと複雑な動作、 Dynamic 動作が
可能となります。ここがSTATIC 回路とは、大きな違いです。





PN接合の Static 動作は 整流特性です。
ON状態では低抵抗素子Rとして機能します。
OFF状態では高抵抗の電流が流れない容量Cとして機能します。

抵抗体Rだけの回路は STATIC 回路ですが、

抵抗体Rと容量Cの組み合わせ回路は RC遅延が生じ
Dynamic回路となるのは周知情報です。

同様に ITICの DRAMの様なものを DYNAMIC回路と呼びます。
ITICとは、蓄積部として PN接合の空乏層容量Cを利用した
非常に単純な Dynamic 回路のことを意味します。


STATIC 回路には メモリ機能がありません。単純に抵抗値の
変調制御による定常状態(Static)電流制御動作をします。

一方の Dynamic 回路は メモリ機能があります。メモリ容量が
あり、信号電荷を蓄積・保存する部分があります。容量に蓄積
された状態により、いろいろと複雑な動作、 Dynamic 動作が
可能となります。ここがSTATIC 回路とは、大きな違いです。



そこで萩原はPN接合で Dyanamic 回路で非常に役に立つ
利用価値のある応用があるのなら、PNP接合でもDynamic
に動作されることにより、たいへん利用価値にある、利用
方法があると考えました。それが Dynamic Photo Transistor
の発明です。かつ、PNPN接合ですのでサイリスタ―
構造となり、Punch Thru Mode動作も期待でき、それで
基板方向に過剰電荷を流す、VOD機能も期待できることに
なります。それで絵素の受光面積が広げることができ
超感度化に非常に有効な受光素子となりました。




萩原は1975年に、同時に

(1)PNP接合型の受光素子、すわなち、
BASEのN層を電荷蓄積部とする受光素子と、

(2)NPN接合型の受光素子で、
EmitterのN層を受光素子とする
受光素子で過剰電荷を基板のN層に流す受光素子

の2つのを同時に発明しています。

(1)を Pinned Photodiodeと後に呼ばれるものです。

(2)は 縦型 overflow drain (VOD)機能をもつ Photodiodeと呼ばれるものです。


萩原は1975年に VOD機能を持つ、Pinned Photodiodeを発明しました。

SONYの HADは VOD + Pinnde Photodiodeのことです。

萩原は SONYの HADの発明者ということですが、

あまりその事実は SONYの中でもまったく知られていませんでした。

その理由は、F社、N社、K社との水面下での特許戦争が2007年まだ
ずっと1975年から、32年間ありました。そのためにあまり大きな声で
SONYのHADが他社から攻撃を受けている間は大声でSONYの
発明だと言えなったという悲しい事実があります。

2007年に決着がついたことは萩原はすでに59歳でした。翌年2008年に
やっとHADがSONYの発明と大きな声で言える時は来ましたが
その時に萩原はさびしく60歳の定年を迎え、1人の兵士としての
SONYでの役割を終えて引退しました。



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Slide 25

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PNPN 接合素子は サイリスタ構造で、PNP接合とNPN接合の
2つのトランジスタの融合体です。萩原はPNPN接合型受光素子
を発明しましたが、この構造の中に、PNP接合型とNPN接合
型の受光素子の融合体であることがこの図から明らかです。




萩原は1975年に、同時に

(1)PNP接合型の受光素子、すわなち、
BASEのN層を電荷蓄積部とする受光素子と、

(2)NPN接合型の受光素子で、
EmitterのN層を受光素子とする
受光素子で過剰電荷を基板のN層に流す受光素子

の2つのを同時に発明しています。

(1)を Pinned Photodiodeと後に呼ばれるものです。

(2)は 縦型 overflow drain (VOD)機能をもつ Photodiodeと呼ばれるものです。


萩原は1975年に VOD機能を持つ、Pinned Photodiodeを発明しました。

SONYの HADは VOD + Pinnde Photodiodeのことです。

萩原は SONYの HADの発明者ということですが、

あまりその事実は SONYの中でもまったく知られていませんでした。





その理由は、F社、N社、K社との水面下での特許戦争が2007年まだ
ずっと1975年から、32年間ありました。そのためにあまり大きな声で
SONYのHADが他社から攻撃を受けている間は大声でSONYの
発明だと言えなったという悲しい事実があります。

2007年に決着がついたことは萩原はすでに59歳でした。翌年2008年に
やっとHADがSONYの発明と大きな声で言える時は来ましたが
その時に萩原はさびしく60歳の定年を迎え、1人の兵士としての
SONYでの役割を終えて引退しました。


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Slide 26

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この図は学会で一般に理解される理想的なPPDの断面図を示したものです。

なにかおかしいと気が付きますか?

これが今 Image sesnorの学会で威張っている 
Fossumの論文で、PPDだと誇らしげに説明する図です。


結論としてこれはPPDの図ではありません。


重要なのでもっと大きく掲示します:



P+濃度がかなり表面近くに存在し深さ方向にとても薄いですね。

しかし、すぐに埋込N層とくっついています。


これはプロセス製造上たいへん難しいですね。。。

N層は、基板の濃度の10倍以上あり、比較的濃い濃度です。

P+層に比較的濃い濃度のN層がありますと、
空乏層が狭くなり、電界がかかりリークが
増加します。

それによく見るとN層の領域の形状が左右で
非対称で不自然です。こんな形状はあり得ません。


またこの断面図は、P+NP接合となりっていますが、

本当のSONYのHADは P+PN+P接合です。

N+層は濃くてもOKです。


P+層とうすいP層で離れていてばOKです。

またP+P層にすることにより、P+Pの濃度勾配により
バリア電界が発生し、シリコン表面での光電変換を助けます。

この構造ではP+の層を 0.1 ミクロン以下に抑える必要があります。

青色短波長は 0.2 ミクロン以上 シリコン結晶を透過しないからです。

また LOCOS下の濃いP+領域と受光部のP+領域の間に
薄いP-領域が存在しますね?

そこに、このP-領域に空乏層が入りこみ、N層の電圧が深くなると
受光部のP+層は孤立し Floating となります。

するとN層の電位も Floating となります。


これが今 Image sesnorの学会で威張っている 
Fossumの論文で、PPDだと誇らしげに説明する図です。


結論としてこれはPPDの図ではありません。


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Slide 27

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この図はどうして表面がピン止めされると
表面暗電流が抑圧されるかを説明しています。



かなり深い半導体デバイス物理の動作原理を
理解する必要がありますので長い説明は省略します。


またPN接合の空乏層にはP層にもN層にも
同じ数のイオン原子が存在するという事実を
使って、PPDを実際にどうプロセスデバイス
を設計するかのKNOWHOWをこの図は
説明しています。






結論として、埋込み層の minimun 電位、
Empty Potentail Wellの電位の値は、
埋込みN層のイオン打ち込み総量Qdを
基板濃度Na で割ったものになります。

N層の濃度 Nd には関係しません。

N層は狭い幅 Wd で濃度をN++の濃い濃度Nd
にしても、 Qd=Wd*Nd であればよい事に
なります。イオン打ち込みのドーズ量と基板の
濃度で決定され、埋込みN層のピーク濃度を
深くしてもOKということになります。


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Slide 28

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このSlideは SSDM1978で萩原阿部岡田の三名で
発表した論文です。






これがSONYのImageSensorの超感度特性、
低暗電流特性と残像のない特性を初めて原理
試作し実証したPPDの世界最初の論文です。

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Slide 29

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1980年、岩間さんと森尾さんが東京で、
盛田さんと木原さんがNYで同日に
記者会見した VTRとVideo Cameraの
一体化 Video Movie の思い出深い発表でした。



問題はこの時、岩間さんが「超感度ビデオカメラが実現した」と
記者会見で発表した時、記者がどうした超感度が実現したかとの
質問に対して、「CCDが残像がなくCLOCK雑音がすくないのが
S/Nを向上させて超感度CCDカメラが実現した」と説明したことに
より、世界は「CCDだから超感度だ」と誤解しました。本当は萩原
が発明したPPD型受光素子が短波長青色感度に優れていて、
また残像がなく、超低表面暗電流雑音特性を持っていたことが
最大の理由でした。




しかし、その事実は、PPDが本当の主役であることは21世紀に
入り、CCD型の電荷転送装置の役割が終わり、CCDが全く不要
な存在となり、その代わりに低消費電力であるCMOS型電荷転送
装置がCCDを排除してからでした。やっとPPDがその重要性が
評価されるようになりました。しかし、ここではPPDの発明を萩原
は他社の技術者の発明だと誤解されることになりました(大涙)。

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Slide 30

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萩原はSONY現役時代には、長い間 ISSCCの運営委員会
のメンバーとして奉仕し、ISSCCのアジア委員長や国際論文
委員会の委員長やISSCC2008の Chair 等を歴任していました。



2013年にISSCC2013は60周年記念に招待され、貴重パネル
講演をして、その後 ISSCCジャーナルの記事に掲載
して論文の解説図です。いろいろなPhotodiodeの進化の
過程を説明した図です。

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More Slides :
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Slide031_to_040

Slide041_to_050

Slide051_to_060

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Slide101_to_110

Slide110_to_119

Slide001_to_010


Slide011_to_020

Slide021_to_030

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いずれは Image Sensor Storyとして 一般の文系の人でも
理解できる内容として、和文で本を一冊出版したいです。
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また、その英文も出版したいと希望しています。

本書にはDVDを教材としてつけたいです。

今回の7月10日に収録した講演の録画内容をもし可能なら
つけたいです。できばえ次第ですが、、

これは日本の半導体産業の再起に対して、人材育成は最重要
課題です。優秀な夢ある半導体技術者を育てることが萩原の
残り少ない人生の最大の使命と感じています。この歳まで
健康でいられて感謝感謝です。一緒に仕事をしてきた仲間や
先輩や萩原を守っていただいた、SONY TOPの方々、
SONY中研時代に萩原の親切に歓迎してくれた岩田三郎さん
や塚本さん、CCDの開発の職場の仲間の粂沢哲郎さん、CCD
のプロセスでたいへんお世話になった、阿部元昭さん、国分工場
立ち上げた小笠原さん、高橋本部長、山田中研所長、河野本部長、
SONYマグネスケールの仕事をいただいた森園副社長をはじめ、
大賀会長、岩間社長や、また、私とSONYの縁をつないでくれた、
大先輩の前田尚利先輩(前田多門の孫)や樋口先輩(樋口工場長
の息子さん)のお顔が浮かびます。

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この講演に関する参考図書
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(1) 人工知能パートナーシステム(AIPS)を支える「デジタル回路の世界」
    萩原良昭著 青山社 ISBN978-4-88359-339-2

(2) 「伝説ソニーの半導体」その栄光の軌跡そして未来への構図
  泉谷渉、川名喜之著 産業タイムズ社 ISBN978-4-88353-290-2 C3055

(3) 「イノベーションの成功と失敗」 武田 立、瀬戸篤著、
   同文館出版 ISBN978-4-495-38571-2

(4) 「技術の系統化調査報告」 国立科学博物館、
   Volume 29, March 2020, ISSN 2187-462X  

(5) 「ソニー初期の半導体開発記録」 企業戦略と発展の原動力
    川名 喜之 著    美研プリンティング株式会社 (非売品)

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この講演のSlideの詳細解説文を掲載しています。

http://www.aiplab.com/Slide_Sony_Atsugi_Tech_2020_07_10.html

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Slide 001 ~Slide 119 まであります。

これから Slideの説明文を用意します。

来週の水曜日には準備できると思いますので、
聴講する方は事前に復習して、質問を1つ用意
してください。講義の間に、居眠り防止用に
聴講者に質問を聞きたいと思っています。。。

予習してください、これは大学の授業の延長です(笑顔)。。。

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hagiwara-yoshiaki@aiplab.com ( http://www.aiplab.com/ )

hagiwara@ssis.or.jp ( http://www.ssis.or.jp/en/index.html )

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