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AIPS ( Artificial Intelligent Partner System ) Homepage TOP

        hagiwara-yoshiaki@aiplab.com

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これは70歳じじいのぶつぶつぼやきの独り言です。

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Do you know the difference of Buried and Pinned Photodiode ?

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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5月の絵手紙はこちらをclick してください。


2019年 1月、 2月、 3月、 4月、

2018年 12月11月10月8月6月5月 3月 1月 

の荻野中学校の絵手紙です。


日本半導体産業人協会(SSIS)の教育委員会委員として
 奉仕しています。また、春と秋に開催の半導体技術講座で、
  「イメージセンサー賢い目」の講師として奉仕しています。


韓ドラを見ながら、ハングルを学習しはじめました。

中学数学でわかる「特殊相対性理論」

小学校の算数の問題「油わけ算数」

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       萩原良昭著書の紹介です:

「人工知能を支える、デジタル回路の世界」

     萩原1975年特許の画像

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Story of Pinned Photodiode( SONY HAD ) Sensor.pdf

 Japanese Patent 1975-127647.html
 Japanese Patent 1975-134985.html

P+NP_junction_type_Pinned_Photodiode_1978_Paper_by_Hagiwara (PDF)

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もとSONYの萩原は1975年にイメージセンサーの受光素子構造に
関する2つの基本特許を出願しました。その特許に添付された
実施例図を下の図に示します。




イメージセンサーの受光素子構造の特徴には、大きくわけて、
以下の7つの重要な特徴があります。

この2件の特許の請求範囲を定義した定義文と実施例図は、
そのすべての、7つの特徴を持つ受光素子構造が、すべて、
萩原がその発明者であることを明示しています。これは、
ある意味ではたいへん欲張った主張内容となり、萩原自身も
今さらのごとく信じられない状態です。しかしそれが事実です。

この2件の特許とその実施例図が、「萩原が発明者である」
ということの、動かぬ明白な証拠になります。問題は現在
まで、この2つの単純明快な基本特許の存在と技術内容が
社会に周知徹底されていなかった事です。

特許は企業に所属するものとして萩原自身もあまり執着せず
また企業も社員から譲渡された特許であり、釣った魚には
餌を与える必要もないので、社外から特許戦争で攻撃された
時には武器として利用するがそれ以外にはあまり価値のない
ものとして、特許に関してもその発明者に対しても企業は
一般にたいへん冷酷な扱いをします。発明者もあまり執着
せず自己主張をせず素直に企業に対して忠誠を誓い企業に
勤務会社人生を全うする場合が多いです。

しかし、発明者を誤認することとは話は違います。発明者を
誤認することは絶対にあってはならない事です。事実は事実
です。だれが発明者なのかは真実でなければなりません。

日本発明協会の公式WEBサイトはその意味で真実を掲載
していません。事実誤認もはなはだしく、嘘の内容を掲載
しています。これは許される事ではありません。

これらの特許の実施例図が、その証拠となります。まず、
以下の7つの項目に関する萩原の主張をご理解していた
だきたいと希望しております。

(1)萩原は、PNP接合型の埋め込み Photodiode,
   すなわち、Buried Photodiodeの発明者です。
   この特許の実施例図がその証拠になります。

(2)次に、同じPNP接合型の埋め込み Photodiode でありますが、
  さらに特別な特徴を持ち、残像のない映像を提供するもので、
  受光部 ( Charge Collection Region ) が reset する時、
  受光部が、完全空乏化 される事を特徴とする、完全空乏化
  Photodiode、すなわち、Depletion Photodiode の発明者です。
  この特許の実施例図がその証拠になります。

(3)次に、同じPNP接合型の完全空乏化 Photodiode でありますが、
   さらに、暗電流抑圧効果のある、表面に、P+層を持つ構造で、
   その表面の Hole Accumulation層の存在により、表面電位
   が固定され、すなわちピン留めされた Pinned Photodiode
   の発明者です。この特許の実施例図がその証拠になります。

   この Hole Accumulation Diode (HAD) は SONYの商標の
   SONY Original HAD センサーの語源でもあります。

   じつは、「この萩原が SONY HADセンサーの発明者である」
   証拠が、この2件の特許とその実施例図が示しています。


(5)更に、自動的に縦型 Overflow Drain (VOD)機能が組み
   込まれた、P+NPNsub 接合サイリスタ―型の受光素子で
   ある、 Pinned Photodiodeの発明者です。この特許の
   実施例が、萩原がその発明者である証拠となります。

(6)次に、特許の実施例図に裏面照射型の受光構造が明記
   されており、萩原は、また、裏面照射型の Pinned
   Photodiodeの発明者でもあります。この特許の実施例が
   その証拠となります。

(7)最後に、CMOS Image Sensorには不可欠な、Global
   Shutter 用の Buffer Mmeory 用に、電荷転送電極(CTD)
   のMOS容量を使って Image Sensor動作させる事を、特許
   の請求範囲を定義する範囲定義文に明記しています。
   これは萩原が CMOS Image Sensor 用の Global Shutter
   に必要な Buffer Momory の発明者である事の証拠です。


JAP_1975_127647.html

JP1975-127647.pdf








JAP_1975_134985.html

JP1975-134985.pdf







JP1975-127646.pdf

JAP_1975_127647.html
JP1975-127647.pdf

JAP_1975_134985.html
JP1975-134985.pdf

JP1978-1971.pdf
JP1980-123259.pdf





 


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以下の発明協会のWEBサイトを参照してください。

http://koueki.jiii.or.jp/innovation100/innovation_detail.php?eid=00059&test=open&age

Image Sensor の開発歴史に関する記述がありますが、
事実誤認もはなはだしい内容になっています(大涙)。

日本の発明協会がこんな間違った事実でない「嘘」を報じる事は
あってはならない事です。日本の発明協会の見識を疑います。

本当の発明者である萩原良昭がたいへん迷惑を受けています。
非常に金銭的にも多大な損害を被る結果となっています(大涙)。

萩原の主張が正しいかどうか、これからその詳細を説明します。

日本発明協会が即刻WEBサイトの間違った記述を訂正される
ことを切に萩原は希望します。

まず基本的にイメージセンサーの受光素子であるPhotodiode
の構造の種類とその動作の区別を全く技術的にご理解されて
いません。いろいろな構造の区別を理解されず混同されています。

イメージセンサー受光構造(photodiode)には、次に5種類があります。

(1)古典的なN+P接合型の受光素子( photodiode )があります。

     N+層を 完全空乏化する事は不可能です。また隣接する
     電荷転送電極(CTD)とN+の拡散層との間の酸化膜容量
     結合作用により信号電荷量に比例するRESET電圧誤差
     が原因で、映像に残像が生じる事が最大の問題でした。

(2)PNP接合型の埋め込み型受光素子( Buried Photodiode )があります。
 
     この構造自体にはなんのメリットもない問題だらけの構造です。

(3)PNP接合型の空乏化受光素子( Depleted Photodiode )があります。

    信号電荷を蓄積する、埋め込み N層の濃度を薄くすることにより、
    完全空乏化 Photodiode として機能し、残像のない映像が実現します。

(4)P+NP接合型のピン留め受光素子( Pinned Photodiode )があります。

    さらに受光部の表面を濃いP+の Hole Accumulation 層とすることに
    より、金属コンタクト(オーミックコンタクト)が可能な濃度となり、表面
    電位を固定化(ピン留め)が可能となり、表面に強い電界が発生しなく
    なり、表面電界に起因する暗電流雑音が抑止できます。暗電流雑音が
    非常に少ない映像が実現します。これはS/Nを向上し超感度 Image
    Sensorの実現に不可欠な技術です。

(5)P+NPNsub接合型の受光素子で SONYが特許庁で商標登録した
  SONY original Hole Accumulation Diode (HAD)があります。

    この基板(Nsub)にP+NP接合型の受光部(Pinned Photodiode)
    を形成する事により、自動的に、バイポーラトランジスタの製造
    工程と同様に、サイリスタ―構造となり、Punch-thru などの
    動作も期待されます。その1つは、縦型 overflow drain (VOD)
    の動作機能( function) が自動的に組み込まれた構造となります。
 
 
今世界市場を制覇しているのは、このSONYのHADセンサー搭載の
CMOS Image Sensor です。昔、CCDが脚光を浴びていた時代では
SONY HADセンサー搭載の CCD Image Sensor として世界を制覇
してきたことは皆さんもたいへんよくご存じですが、このSONY HADの
記述が Image Sensorの開発歴史の記述には全く記載されていない
ことも、その発明者の萩原としてはたいへん不満に感じています。

大は小を兼ねると言いますが、萩原は1975年にSONYのHADセンサーを
発明しました。このSONY HADは、

(5) P+NPNsub接合型の受光素子であり、それはまた、
(4) P+NP接合型のピン留め受光素子( Pinned Photodiode )でもあり、またそれは、
(3) PNP接合型の空乏化受光 素子( Depleted Photodiode )でもあり、またそれは、
(2) PNP接合型の埋め込み型受光素子( Buried Photodiode )でもあります。

従って、SONYの萩原は、

(2) PNP接合型の埋め込み型受光素子( Buried Photodiode ) の発明者であり、
(3) PNP接合型の空乏化受光素子( Depleted Photodiode ) の発明者でもあり、
(4) P+NP接合型のピン留め受光素子 ( Pinned Photodiode ) の発明者でもあり、
(5) SONY HADセンサの P+NPNsub接合型の受光素子の発明者でもあります。

SONY HADセンサの P+NPNsub接合型の受光素子には
構造上 Built-in Vertical Overflow Drain (VOD) 機能が
組み込まれ います。

従って、萩原はこの縦型 Overflow Drain (VOD) の発明者でもあります。

この事実と全く矛盾する、問題のある日本特許庁のWEBサイトの記述です。




萩原が1975年出願特許した特許の実施例図(下図参照)を
見ていただければ、「萩原が真の発明者である」事は明白だ
とご理解いただけるものと信じていおります。



この2つの特許出願から、その実施例図が意味する内容からも、

(1)萩原は埋め込み Photodiode の発明者である。
(2)萩原は残像のない特徴を持つ、空乏化 Photodiodeの発明者
(3)萩原は暗電流を抑圧した、Pinned Photodiodeの発明者
(4)萩原は縦型overflow drain (VOD)の発明者
(5)萩原は裏面照射型のPinned Photodiodeの発明者
(6)萩原はCMOS Image Sensorには不可欠な
   Global Shutter 用の Buffer Memmoryを持つ
     Pinned Photodiode の発明者である。

この事実を全く発明協会も今の技術専門家も知りませんでした。

単純に、萩原が出願した2つの特許の技術の詳細内容を
理解する能力がないからか、それとも単純に見落としていた
からでしょうか?この2つの特許の図を見れば上記の重要な
6つの発明の発明者は、萩原がその発明者である事を、
ご理解いただけるものと信じております。

いかがでしょうか?????




1978年には、SONYの萩原は、この P+NP接合型の Pinned Photodiode の
原理試作に成功し、380 H x 490 V 絵素の Frame Transfer 型 CCD 転送
方式のimage sensor に採用し、その特性を学会発表しています。



また、1980年には、SONYの萩原は、この P+NP接合型の Pinned Photodiode 
を採用した、570H x 490V 絵素のFrame Transfer 型 CCD 転送方式の image
sensor の原理試作に成功し、SONYの 8 mm VTR と ビデオカメラ一体化の
ビデオムービー(仮称)のSONYは、1980年7月1日に新聞発表を、SONY社長の
岩間和夫氏が東京で、SONY会長の盛田会長が New York で 同日に Press
Conference を開催し、大々的に、新聞発表しています。



また、日本発明協会の公式WEBサイトでは、
「Pinned Photodiode は NECの寺西さん
の発明である」とされていますが、その特許
出願は1980年のものです。しかし、萩原が
1975年に出願特許が先行しています。

従って、NECの寺西さんが1980年に出願
した特許は、重複特許であり、無効です。

さらに、それだけでなく、NECの寺西さんの特許の詳細を見ると、
その実施例図2に示される様に、表面が空乏化しており、強い
電界が生じ、暗電流が生じる構造になっています。

これは、正確には、暗電流を抑圧する Pinned Photodiodeの
特許でないという証拠になります。

NECの寺西さんは、絶対に、Pinned Photodiodeの発明者では
あり得ない、誰も否定できない、証拠となります。

この事を、日本発明協会のみなさんにはしっかりとご理解を
いただき、日本発明協会の公式WEBサイトの偽の発明者の
記載を訂正して、至急に、「萩原が真の発明者だ」と、記載
訂正をしていただきたいと、切に萩原は希望しています。



しかし、発明協会のWEBサイトでは 「1979年にNECの寺西さんが
Pinned Photodiodeを発明した」と記述しています。これは嘘である
事になります。真実ではないということです。もっと、しっかりと、
特許の内容を技術的に精読してから、何が真実なのかを、確認
する必要があると感じます。残念ながらイメージセンサーの学会
の技術者や専門家でも、直截に日本語特許をすべて入手し網羅
する事は不可能です。どこかに抜けが不幸にも生じた結果、学会
で、特に日本国特許を入手し把握できる環境に乏しい国際学会で
たいへんな情報不足による事実誤認が生じたものと観察します。

しかし、日本の社会では、特許庁の公開特許は公式文献であり、
その存在意義は重いもので尊重されるべきものです。

萩原が1975年に出願した、2件の日本国特許、1975-127647 特許
と 1975-134985 特許の詳細を吟味された技術者専門家なら必ず、
萩原の主張が正しいと断定していただけるものと確信しております。

これままでは、真の発明者の名誉と誇りをないがしろにした事になり、
間違った人間を発明者と公言する事は、たいへん遺憾です。

真の発明者に対しての、たいへんな迷惑行為になっています。

こんな事が本当に世の中で許されるものかと、萩原は本当に、
今、驚いています。たいへん悲しい状態です。




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 これから皆さんがお使いのデジカメの構造と
   その動作原理について説明します。
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デジカメ ( デジタル CMOS イメージセンサー) は
大きく分けると、次の5つの部品で構成されます。
Digital Camera ( Digital CMOS image sensor )
is mainly composed of the following five parts.

(1)半導体受光素子 ( Pinne Photodiode )

(3),(4)と(5)の電子部品は後段の後処理半導体集積回路です。
問題は、(1)の半導体受光素子と(2)の電荷転送装置との違い
が全く一般には理解されていないのが現状です。その理由は
CCDが発明された当時は、CCD image sensor は、(1)の半導体
受光素子としても、(2)の電荷転送装置としても機能するものと
大きな期待があったからです。初期の CCD image sensor は
(1)と(2)の機能を兼ね備えていて、(1)と(2)を区別する必要も
あまりなかったからです。それが大きな誤解を招きました。
(2)の電荷転送装置は信号電荷の運び屋さんです。一方の
(1)は光信号を電気信号(電荷)に変換する人間の網膜細胞
に相当する重要な役割り持っているもので、「電子の目」と
呼ばれる半導体電子部品です。この「電子の目」はもはや
CCD Image Sensor ではありません。実は、1975年にSONY
の萩原が「電子の目」を発明して以来、CCDは一度も(1)の
半導体受光素子、すなわち「電子の目」としては機能して
いませんでした。世界は誤解していました。CCDが「電子の目」
だと誤解していました。CCDは単純に信号の運び屋さんだった
ことを理解していませんでした。現在、その運び屋さんの仕事も
CMOS型の電荷転送装置という電子部品が活躍し、CCDは
もはやお役御免になって利用価値のないものになっています。
これからどうしてCCD Image Sensor が消えて、今は CMOS
Image Sensor が主役になっているか、そして本当の縁の下の
力持ちは、CCD でも CMOSでもなく、萩原が1975年に発明した
「電子の目」であることを詳細に説明していきたいと思います。



(1)半導体受光素子 ( Pinne Photodiode )
    まず、目に入った光信号をまず電気信号(電荷)
   に変換する必要があります。その為にはまず、
   人間の目の役割をする半導体受光素子が必要です。

   人間の目にたとえると、正確には、眼球の裏に
   張り巡らされた網膜細胞です。この網膜細胞に
   光を感知する半導体受光素子が対応します。

   網膜細胞は光信号を電気信号に変換する非常に
   重要な役割をする神経細胞です。長い生物の
   進化の歴史の中で、脳細胞が外界を知る為に
   進化し、脳から飛び出したものです。脳細胞と
   同じ神経細胞でできています。
   
   コンピュータを「電子頭脳」とも言いますが、この
   光を電気信号に変換する半導体受光素子は
   人間の網膜細胞の役割をする「電子の目」の
   役割をすることになります。「電子頭脳」である
   コンピュータも、「電子の目」である半導体受光
   素子も、実は同じ電子部品で構成されます。
   トランジスタと呼ばれる同じ電子部品で構成
   されます。トランジスタは基本半導体素子です。

   SONYはそれを小型トランジスタ・ラジオの
   基本電子部品として使いましたが、電子頭脳
   とも呼ばれるコンピュータも、トランジスタ回路
   で構成されます。また「電子の目」と呼ばれる
   この半導体受光素子も、実はこのトランジスタ
   が進化したものです。光を感知し電気信号に
   変換する Photo Transistor と呼ばれるもの
   です。また、トランジスタは、実は、2種類の
   ダイオード、PN接合とNP接合の2つの接合が
   融合し、進化した融合体でもあります。
   
   PN接合とNP接合はそれぞれひとつずつでは
   単純な整流特性しか持っていないダイオードに
   しかすぎませんが、2つが融合しますと、PN接合
   とNP接合とが融合しますと、2つ以上の力を
   発揮することができる融合体となります。

   つまり、トンジスタに電流増幅特性が生まれます。
   光感知ダイオード ( Photodiode ) も、その2種類の、
   PN接合とPN接合が融合し、PNP接合型の光感知
   トランジスタ ( Phototransistor ) となります。また
   さらに、2種類の、PNP接合とNPN接合の光感知
   トランジスタが融合しますと、PNPN型の光感知
   サイリスタ ( Photothyristor ) が誕生します。
   このPNPN型光感知サイリスタが実は、現在、
   世界中のイメージセンサーの受光素子として
   SONY HAD センサー、別名 Pined Photodiode
   と呼ばれ、世界中のイメージセンサーの受光素子
   として採用されています。光を感知し電気信号に
   変換する機能だけなら、光感知ダイオード である
   Photodiode だけで充分ですが、実はそれ以外にも、
   つぎの7つの重要な機能や特性を必要としていて、
   デジカメに採用される「電子の目」は進化しました。

   (1)残像のない映像を提供する為に、
   (2) 1/f 雑音のない映像を提供する為に
   (3)暗電流雑音のない映像を提供する為に
   (5)特に短波長光でも超感度な映像を提供する為に
   (6)強い入射光に対しても映像が乱れない様にする為に
   (7)瞬時にひとコマぶんの映像情報が保存できる様に

   この人間の目の網膜細胞に相当する半導体受光素子、
   すなわち、「電子の目」は、実は太陽電池と同じ構造を
   ています。光を電気信号に変換する、単純な PN接合
   構造、またの名は、ダイオードと呼ばれる半導体素子
   のことです。光エネルギーを電気エネルギーに変換
   する仕事をしています。太陽電池でも、人間の目の
   網膜細胞でも、デジカメ用の半導体受光素子でも、
   同じ役割をしています。

  特に、デジカメ用の半導体受光素子としての特性を
  さらに安定させ、良質の画質を取り出すために、この
  デジカメ用の半導体受光素子の表面は特別加工され、
  その表面電位を外部電源で固定(ピン留め)しています。

  それが語源で、ピン留めされた受光ダイオード ( Pinned
   Photodiode ) と呼ばれています。

   デジカメが超感度で低雑音で高性能であるためには
   何よりもこの人間の網膜細胞に相当する「電子の目」
   の感度と低雑音性がたいへん重要です。その性能を
   Pinned Photodiode という半導体受光素子で実現
   しました。実は、それは、SONYのHADセンサーの
   ことなのです。SONYが、デジカメで世界一を誇るのは
   このPinned Photodiode、別名、SONY HADセンサー
   の基本特許を、SONYが発明し、所有するからです。




(2)電荷転送装置 (Charge Transfer Device = CTD )

  次に必要なのは、人間の目でたとえると、網膜細胞
  で電気信号に変換された信号を脳に伝達するための
  神経線の束が必要です。その信号電荷を転送する
  仕事をする半導体回路を電荷転送装置( CTD ) と
  言います。昔は、CCD型の電荷転送装置でしたが
  今は、半導体の微細化技術が進み、また CCDより
  はるかに省エネ型である、 CMOS型の電荷転送
  装置が主流となり、もはや CCDは使用されていません。
  CCDが使用されていた時は、CCD image sensorの
  名前で、CCDは Super Star の様に脚光を浴びて
  いましたが、もはや、その影もなく、今は、CMOS
  image sensor が主流となっています。
 
  電荷転送装置は信号を転送するのが目的です。

  光を超感度で超低雑音で電気信号に変換する
  受光素子とはまったく違います。

  人間の目の網膜細胞に相当する半導体受光
  素子は、光を信号電荷に変換する仕事をします。
  この半導体受光素子には、超感度特性や低暗
  電流雑音特性という優れた特徴があります。

  電荷転送装置自身は、この超感度特性や低暗
  電流雑音特性とは全く関係ありません。 
  
  しかし、長い間、CCD Image Sensorは、超高感度で
  暗電流雑音がないと誤解されてきました。実は、
  SONYの萩原の発明の、半導体受光素子である、
  Pinned Photodiode が、超感度で、暗電流雑音が
  ない特徴を持っていたのです。CCDの特徴では
  ありませんでした。CCD型の転送装置はもはや
  使用されず消えています。CCDは不要になりました。
  
  本当に超感度で低暗電流雑音の Super デジカメを
  実現したのは、萩原が発明した、SONYのHADセンサー、
  またの名を、 Pinned Photodiodeと呼ばれる、
  「電子の目」の発明があったの話ですが、しかし、
  1975年当時のMOSの微細化技術では、CCDが
  なけらば、その信号電荷を外部回路にClock雑音
  や信号配線の熱雑音(CkT雑音)のない状態で
  転送することは不可能でした。そういう意味で、
  CCD型の電荷転送装置は非常に重要な発明でした。
  しかし、CCDにも電荷転送効率が99.999%以上
  にはなかなかできません。理論的に10000回転送
  すると10%の信号電荷が取り残されることになり
  それ以上の高解像度のイメジャーには使用不可
  であることは知られていましたが、当時のテレビは
   NTSC方式で、最大でも、水平(横)800絵素で、
   垂直(縦)が500絵素程度であり、一番遠い電荷
   転送路でも 1300絵素ぶんしかなく、1300回の
   転送回数で済んでいました。その結果、電荷転送
   残りは最大でも、1.3 % にとどまり、実用上問題ない
   とされていました。

   しかし、現在の high vision digital テレビでは、最低
   水平(横)6000絵素で、垂直(縦)が4000絵素程度
   となり、10000回以上の電荷転送を必要としています。
   これでは信号電荷が10%以上残ることになり、隣接
   する映像信号が混ざり合う事になりもはや使用不可です。
  
  待望の半導体プロセスの微細化技術も、やっと、デジタル
  テレビの時代なり、追いつきました。今は、CMOS型の
  電荷転送装置を採用した、CMOS Image Sensor が
  はるかに CCDより、鮮明でかつ省エネの高性能な
  デジカメを実現しています。

  デジカメには今でも、CCDはなくなっても、萩原が
  1975年発明の半導体受光素子である、SONY HAD、
  別名、 PinnedPhotodiodeが、今も、使われています。

  その超感度特性と低暗電流特性の優れた性能を
  今でも発揮しています。SONYの多くの勤勉な開発
  生産技術者の努と知恵で実現したものです。

  信号の運び屋は、CMOS型の電荷転送装置でも
  充分機能することが証明されました。CCDは単純
  に信号の運び屋だったのです。その主役の電気
  信号を提供していたのは、萩原の発明の半導体
  受光素子、SONY HAD だったのです。



(3)A/D変換器 ( AD Converter )

  萩原はSONY社内で内製で アナログ信号をデジタル信号に
  変換する研究も手がけたことがあります。NTT厚木研究所の
  デルタシグマ型 AD 変換器の開発は、SONYで萩原が当時
  担当していた、 Cache SRAM 用の 標準 CMOS Process
  を使って、SONYとNTTが極秘で技術提携して開発し、NTTは
  その成果を ISSCCで発表しましたが、SONYに対する謝辞は
  ありませんでした(大涙)。しかし、SONYでも、最終的にその
  技術は、SONYの山田隆章さんが MOSプロセス用 AD 変換
  回路を設計し、竹田仁さんが Bipoalor プロセス用 AD 変換
  回路を設計し、浅野勝昭さんとそのチームの技術者陣がその
  プロセス技術を開発し、SONYは、ビデオ信号のデジタル処理
  に不可欠な A/D 変換器を内製して、最初は、業務用に、放送
  局用の高性能CCDビデオカメラに使用しました。その技術は、
  さらに民生用に、SONYのデジカメの開発担当技術陣に継承
  されていきました。


(4)高速瞬間記憶キャッシュ・メモリー(Cache SRAM)

  SONYのセット事業部はもともと富士通製のSRAM chipを購入し
  SONYの製品に使用していましたが、SONY社内でも SRAMを
  内製する方針となり、萩原はその開発担当となり、世界で最初の
  高速アクセス時間 25 nanosec の 8 Mega bit Cache SRAMを
  設計し試作に成功し、ISSCC1989で学会発表しています。この
  高速 Cache SRAM は、デジカメには、一時記憶 buffer memory
  として不可欠なものでした。また、当時のSONYのメモリ事業部の
  SRAM Chip は、米国 San Jose に販売拠点を持ち、広く世界に
  外販されていて、Intel のマイコンボード等にも採用された実績が
  ありました。その技術はもともと、デジカメの Cache Memoryの為
  に萩原が手掛けた技術でした。


(5)低速不揮発性記憶メモリー(NVRAM)

  そして、最後の部品は、みなさんは、 USBメモリーなどでお馴染みの
  不揮発性メモリーです。この基本デバイスは、もと米国ベル研の研究
  者だった、台湾の Prof. Simon Sze の発明です。2 層の Polysilicon
  を 重ねて、 Floating Gate MOS Memory 構造をしたものです。

  当初は、Intel 社が NOR回路構成で商品化していましたが、東芝の
  外岡さんが NAND回路構成の方が chipの集積度が上がることを
  考案して、東芝が世界の Flash Memoryの主力メーカとなりました。

  この Flash Memoryの発明開発には、半導体エネルギー研究所の
  山崎舜平さんの不揮発性メモリーのアレイ構成に関する特許も深い
  関係があります。先行優先特許ではないかとも思います。しかし、
  Intel 社が 東芝の NAND Flashを採用したことで、東芝の NAND 
  Flash として世界的に知られる様になりました。

  ここでも、冷飯めしを食べさせられた本当の先行発明者と、後を
  追って利益を得た、後追い開発者との区別が不明瞭です。発明
  者の当事者とその企業の特許関係者でないと、なかなか、その
  詳細は、萩原を含めて、外部の人間には把握が難しい内容です。



今はもうCCDが不要になりました。それは、半導体素子である、MOS
トランジスタ―の微細化技術が進歩してきた為です。各絵素の受光
素子のそば近くに、電流増幅回路が組み込めるようになったからです。

その電流増幅回路は、CCDの発明より以に、Peter Noble さんにより
発明されていましたが、当時は、MOSトランジスタのサイズが大きくて、
各絵素の面積よりはるかに大きなものでした。しか現在では、各絵素
の大きさより、はるかに微小な程、縮小され、かつ、CMOSデジタル
回路は、CCDより、はるかに省エネ・タイプになりました。

昔はCCD型の電荷転送方式のCCDイメージセンサーが脚光を
浴びて主流でしたが、今は CMOS型の電荷転送方式のCMOS
イメージセンサーが主流となりました。消費電力が大きなCCD
は、もはや不要な存在になりました。

以上の5つがデジカメの基本部品となります。

(1)半導体受光素子 ( Pinne Photodiode )



CCDが消えてCMOS image sensor が今のデジカメの主流と
なった理由は、MOSプロセスに微細化技術の進歩により、
MOS トランジスタのサイズが、イメージセンサーの受光素子
の面積よりはるかに微細加工が可能になったからです。

各受光素子 ( SONY HAD = Pinned Photodiode ) に、
3個のトランジスタで構成可能な電流増幅回路が、組み
込める事ができる様になったことです。この電流増幅
回路は、DRAMの増幅回路と全く同じ構造をしています。
もともと MOS Image Sensorと DRAM の回路構成は
たいへん共通する 2 次元アレイ構造となっています。



再度デジカメの5つの基本部品について説明します!

デジカメ ( デジタル CMOS イメージセンサー) は
大きく分けると、5つの部品で構成されます。まず、

(1)表面電位が固定(ピン留め)された
   受光ダイオード (Pinned Photodiode)

これは人間の目の網膜細胞に相当するものです。
This corresponds to the retina cell of human eye.

光信号を電気信号(電荷)に変換する組織です。
This is a device to convert the light image
signal into the electronic charge signal.

専門用語では Pinned Photodiode といいます。 
In the technical terminology it is called as
the Pinned Photodiode.

Pin とは単純にその受光感知半導体素子である、
P+N接合の表面の電圧を固定(ピン留め)する、
ピン(pin) の事を言います。
"Pin" simply means a pin that fixes or pins the
surface potential of the P+N junction type light
detecting semiconductor device.

安定した外部電圧でピン留めされた、網膜細胞の
様な安定した機能を持つ、P+N 接合型光ダイオード
半導体受光素子の事です。
It is simply a pinned semiconductor light detectiong
P+N junction type photodiode device behaving like a
retina cell with the stable external fixed voltage.

太陽電池は、光を電気エネルギーに変換する半導体素子で、
PN接合型の光ダイオードであることは良く知られています
が、イメージセンサーも太陽電池と実は全く同じ構造です。
It is well known that a solar cell is a PN jucntion
type semiconductor photodiode device. Actually, the
image sensor and the solar cell both have the same
identical semiconductor device sturucture.

イメージセンサーは、単純にこの小さな太陽電池を、
たとえば、横に6000個、縦に4000個並べたもの
です。合計の絵素数は、2400万個にもなり、縦横
平面に並べたものです。
In case of an image sensor, we need to form
many small solar cells ( picture cells = pixels ),
for an example, into a marix formation of 6000
pixels horizontally and by 4000 pixels vertically.
The total pixel number of an image senosr
becomes more than 24 million pixels.



(2)電荷転送装置 ( Charge Transfer Device = CTD )

   そのピン留めされた網膜細胞( Pinned Photodiode )
   でまず、光信号を電気信号(電荷)に変換して、その
   電気信号(電荷)を今度は脳まで伝送する必要があり
   あります。その電荷転送装置(CTD)が昔はCCD型
   電荷転送装置でしたが今はCMOS型電荷転送装置に
   なっています。もう消費電力が大きいCCDは使わなく
   なりました。CMOS Image sensor と呼ばれる理由です。

(3)A/D変換器 ( AD Converter )
   もともとこの電気信号(電荷)はアナログ情報ですが、
   これをコンピュータ処理するためにデジタルに変換する
   装置が必要となります。昔は、アナログ電荷転送装置
   でアナログ信号として脳に信号を送っていましたが、
   今では放送局がすべてデジタルテレビになったのと
   同様に放送局から直接雑音に強いデジタル信号が
   家庭に送られますが、それと同様に、今では、デジカメ
   でも、アナログの電気信号(電荷)を A/D 変換器で
   デジタル信号に変換してから、デジタル電荷転送装置
   で脳に信号を送ります。実際、アナログ電荷転送装置
   もデジタル電荷転送装置も転送装置としては同じもの
   でOKです。取り扱う信号がデジタルかアナログかの
    違いです。ただし、転送速度が各段にデジタル伝送
    では1万倍~100万倍と速くなります。伝送できる
    情報量も格段に大きくできます。

(4)高速瞬間記憶キャッシュメモリー(Cache SRAM)

   高速に送られてきたデジタル情報を急いで高速に
   一時記憶用のキャッシュ・メモリー(Cache SRAM)
   に記憶します。Cache SRAM は 高画質の写真
   一枚分のデジタル信号量を瞬間に保存します。
   ひとつの絵素には、白黒と三原色の4つ色合い
   の明暗の諧調 (250倍)を考慮すると、1000万画素
   では、4 x 250 x 1000 万画素= 10000000000 bit、
    すなわち、10 G bit のデジタル情報となります。

(5)低速不揮発性記憶メモリー(NVRAM)

   この膨大なデジタル情報をdata圧縮処理をゆっくり
   実行処理して、1000分の1程度までに圧縮し、
   10 M bit以下にして、電源が切れてもデジタル情報
   を覚えてくれる、不揮発性メモリー素子(NVRAM)に
   ゆっくり書き込みます。これが皆さんがお使いの
   USBメモリーや MiniDiskの薄い小さななchip です。



さて、本題の「電子の目」を構成する、人間の目の「網膜細胞」
に相当する半導体受光素子である、Pinned Photodiodeの
説明に入ります。ここが一番重要です。光信号を効率良く
電気信号(電荷)に変換する組織のことですから。これに、
ピン留めするという名称がついた、光を感知するダイオード
(PN接合型2極半導体素子)のことですが、受光素子の
表面電位を固定(ピン留め)することからこの名称がつけ
られています。表面電位を固定することが大変重要な事
なのです。それが最終的にこのイメージセンサーの生産
歩留まりにも多く影響しイメージセンサーのビジネスまでも
多く左右する結果になるからです。

具体的には、表面に濃いP+層の 正孔( Hole )がたくさん
集中する領域を形成します。この Hole Accumulation 領域
を表面に形成し、シリコン結晶と酸化膜の界面に存在する、
プラスの電荷を帯びた界面捕獲準位 ( Positively Charged
Surface Interface State Qss ) の悪い影響を抹消(quench)
します。また、表面の電圧が固定(ピン留め)できて、表面に
は暗電流のもととなる強い表面電界がない状態にできます。
これが最大の表面P+層の役割です。SONYはそれを、Hole
Accumulation Diode (HAD)を名前を付けました。世間一般
では、表面がピン留めされた、Pinned Photodiode として
呼ばれるようになりました。

SONY HADと Pinned Photodiodeは同じもので、
SONYの萩原の1975年の発明です。

また、Pinned Photodiodeは、必ず Buried Photodiode
でもあり、これもSONYの萩原の1975年の発明です。




いろいろなタイプの歴史的なフォトダイオードの特徴を比較しました。

Various types of historical photodiode features are compared.





NEC1980年出願の埋め込み型「空乏化フォトダイオード」は
残像のない事を特徴としていますが、表面暗電流が発生する
欠点があり、表面がピン留めされておらず、Pinned Photodiode
ではありません。

NEC 1980 invention is the buried photodiode with the
completely depletion mode of no image lag feature, but
it suffers the serious surface dark current. The surface
potential is not pinned. Hence this is not the Pinned
Photodiode patent.



1978年


1978年の東芝の特許では、基板自体がNPNトランジスタ―のCollector
端子となっている、電導領域が3つの部分で構成される構造特許です。

また、1980年のNECの特許では、基板自体に埋め込み 層を形成する
としている、単純な電導領域が2つの部分で構成される構造特許です。

一方、1975年のSONYの萩原のと特許は、基板(Nsub)に P+NP接合を
形成するとしています。電導領域が4つの部分で構成される複雑な動作
が期待できる構造特許です。大は小を兼ねるの理論で、この萩原特許
は、1978年の東芝の特許も、1980年のNECの特許構造も含む複合構造
特許となっています。従って、萩原がこの3つの特許の発明者です。

すなわち、(1)東芝の1978年出願のVOD特許も、(2)NECの1980年
出願の完全空乏化埋め込みPhotodiodeの特許も、この2つの特許
ともに重複特許で、無効となります。すべて、(3)萩原の1975年出願
特許の構造が持つ機能の一部です。
また、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」
と言うことを証明する証拠になります。

あきらからに、表面がピン留め(Pinned)されておらず、
表面電界の存在により暗電流が発生する問題を
かかえた構造となっています。これは Pinned
Photodiode の特許でないのは明らかです。

従って、正確には、NECの寺西さんは Pinned
Photodiodeの発明者ではありません。

この意味で、世の中のイメージセンサーに対する認識と
その社会評価は完全に間違っている事になります。


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、すなわち、
空乏化Photodiodeを示唆した特許です。

暗電流を抑圧する Pinned Photodiodeの特許ではありません。

また、空乏化 Photodiodも、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でもあるからです。

従って、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。
萩原は1975年SONY時代2つの重要特許を出願しました。そのひとつが昭50-127647
です。N+NP+N接合型のPinned Photodiode 構造をしており、MOS型の電荷転送電極
(CTG)を Global Shutter 用の一時記憶メモリ、Bufffer Memoryとして利用したものです。

もう片方は昭50-134985の日本国特許です。P+NPNsub接合型のPinned Photodiode
構造をしており、構造に自動的に縦型 Overflow Drain(VOD)機能が組み込まれた
構造をしています。また表面はP+層があり、Hole Accumulation 状態となっており、
表面電位はピン留めされています。この表面のP+層は正の電荷を持つ、表面の
固定捕獲準位 Qss を無能化(quench)して、深刻な表面暗電流の発生を防ぎます。


Hagiwara at Sony filed two Japanese Patents in 1975.

One ( JAP 1975-127647 ) is the N+NP+N junction type Pinned Photodiode
with the MOS type CTG used as the Global Shutter Buffer Memory.

And the other (JAP 1975-134985) is the P+NPNsub junction type
Pinned Photodiode with the built-in vertical overflow drain (VOD) and
the hole accumulation surface P+ layer with the pinned surface potential.
This is the original 1975 Japanese Patent of SONY HAD Sensor invented
in 1975 by Yoshiaki Hagiwara at SONY when he was 27 years old...

The P+ layer quenched the positively charged surface fixed trap states Qss
and prevents the serious surface dark current


.




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P+NP_junction_type_Pinned_Photodiode_1978_Paper_by_Hagiwara (PDF)



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SONY developed this One chip FT CCD image sensor with
the simple lateral overflow drain structure of a simple
fabrication process designed for mass imager production..

Hitachi had already developed the One Chip MOS image
sensor with the virtucal oveflow drain (VOD) structure.

SONY was very cautious to apply the VOD structure
for SONY CCD image sensor fabrication process for
mass imager production in mind.

Many problems were to be solved before to apply the
VOD structure for the Interline transfer CCD imager.

SONY developed the P+NPNsub junction type Pinned
Photodiode sensor with the vertical overflow drain (VOD)
in 1984. SONY called the product as the SONY original
Hole Accumulation Diode (HAD) which is Hagiwara 1975
invention. See Japanese Patent 1975-134985. It took
for SONY another three years of time and efforts to
obtain the mass production technology and skill. And
in 1987 Sony finally introduced SONY HAD CCD imagers
in the Video Camera Markets around the world.

SONY HAD, Hagiwara 1975 invention, became strong.


Hagiwara 1975 invention is the origin of the SONY HAD, which has
another name of Pinned Photodiode.

All the modern electronics eyes belong to the Family Tree of
SONY HAD, or the Pinned Photodiode Family Tree.

萩原の1975年の発明は、現在のすべての「電子の目」の 
Pinned Photodiode Family Tree の源となる発明です。



Hagiwara helped SONY for many years in the SONY-Fairchild,
SONY-Kodak, SONY-CalTech and SONY-NEC Patent Wars.
Among them, the SONY-Fairchild Patent War (1991-2000) was
the longest and worst Cold War not only for SONY but also for
Hagiwara, the inventor of SONY HAD sensor. But finally SONY
won the SONY-Fairchild Patent War and Hagiwara became the
hero in Sony, recieving many thankful notes from SONY TOP.







SONY and Hagiwara both were very tired with the worst and
longest Fairchild-SONY Cold Patent War. And Sony made
friendly mutual technical agreements with JPL/CalTech and
KODAK patent issues on the SONY HAD sensor patents while
NEC was very persistant on their claim favoring the NEC 1980
Buried Photodiode patent against the Hagiwara 1975 patent of
the SONY HAD sensor. The result was clear. NEC gave up
image sensor business.




Hagiwara was finally awarded officailly in SONY
as the inventor of the SONY HAD sensor.





NEC Buried Photodiode was not Pinned Photodiode (SONY HAD)
and finally NEC had to give up image sensor business and left
silently as the loser of the cold SONY-NEC patent war.

The Teranishi 1980 Buried Photodiode Patent was only focused
on the completely depleted photodiode feature that provides the
image lag free picture quality. However the NEC Teranish patent
actually did not have the important feature of the P+ layer of
hole accumulation (SONY HAD sensor feature ) to have the pinned
surface potential which is needed to quench the surface electric
field causing the serious dark current and low chip yield problems.

NEC could not produce the image sensor chips with reasonable
yeild since they did not know the knowledge of the positively
charged surface interface states Qss problems and did not know
how to quench the surface electric field problems causing the
serious surface dark current and yeild problems. NEC had to
give up image sensor business and left silently also as the loser
of the cold SONY-NEC patent war.




The First publication of Pinned Photodide by Hagiwara 1975.



P+NP_junction_type_Pinned_Photodiode_1978_Paper_by_Hagiwara (PDF)
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Hagiwara is the inventor of the KODAK Pinned Photodiode,
the NEC buried Photodiode and the SONY HAD sensor.



SONY がどうして世界で image sensor business で世界をリード
し制覇しているかが、この表を見ていただければ明白です。SONY
のHADセンサーは、1975年SONYの萩原の発明ですが、その特性
がほかの種類のセンサーと比較して、抜群の特性を持つことが、
この表から読み取れます。SONYはそのHADセンサーの特許を
所有し、多くのライバル企業からの知的財産問題提起や特許戦争
で勝利し和解してイメージセンサーのビジネスを守ってきました。




**********************
もとSONYの萩原良昭は「電子の目」の発明者です。
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SONY 勤務時代(1975~2008)の仕事が評価され
いろいろな国際学会で招待講演を受けています。

>以下にそのリストを掲載しました。

「電子の目」の実現の為に、その夢の実現の為に、
SONYの技術者仲間と一緒に努力した青春
時代の楽しい思い出がいっぱいあります(笑顔)。

萩原の夢は人間にやさしい人工知能パートナー
システム(AIPS)の実現です。その為には、まず
人工知能が世界を見るための、賢い「電子の目」
が必要です。その情報を楽しくゲーム感覚で
real time で高速処理するデジタル回路システム
を組み込んだ、ロボットの様な体もほしいです。

萩原は PS2/PS3の開発プロジェクトやAIBO用
の半導体電子部品の開発プロジェクトにも従事
しました。そべて、AIPS実現の夢のためです。


>
賢い「電子の目」から得た情報を楽しくゲーム感覚で real time で
高速処理するデジタル回路システムを組み込んだ、人をいやして
くれる、かわいい鉄腕アトムの様なロボットの実現を夢見ています。





萩原は SONYで、PS2/PS3の開発プロジェクトやAIBO用の半導体
電子部品の開発プロジェクトにも従事でき、楽しい思い出をいっぱい
造ることができました。今もそのAIPS実現の夢を追い続けています。


AIPS = Artificial Intelligent Partner System




AIPS搭載の自動走行車も萩原の夢です。

2013年の3月にはフジテレビの番組にも出演しました。



現在SONYは全社をあげて、人工知能搭載の自動走行車の
開発研究とその実用化に取り組んでいます。その実現の為
には、ハードとソフトの両面の融合技術が不可欠です。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
ハード技術と、その回路システムを動かす、ソフトOS技術の
の開発の両方が不可欠です。現在、SONYは、多くの若い夢
ある研究開発技術者だけでなく、実用化の為の生産技術や
信頼性技術にも強い関心を持つ技術者を必要としています。

Yoshiaki Hagiwara was invited in the following four international
conferences because of his contributions to the image sensor
community and related digital system LSI chip design works.

See the four invited talks related to the Pinned Photo Diode
which is also called as SONY original Hole Accumulation
Diode (HAD) image sensor.

(1) International Conference CCD79 in Edinburgh, Scotland UK

See http://www.aiplab.com/0-CCD79_1979Hagiwara.pdf

(2) International Conference ESSCIRC2001 in Vilach, Austria.

See http://www.aiplab.com/ESSCIRC2001.pdf

(3) International Conference ESSCIRC2008 in Edinburgh, Scotland UK

See http://www.aiplab.com/0-ESSCIRC2008Hagiwara.pdf

(4) International Conference ISSCC2013 in San Francisco, California USA

See http://www.aiplab.com/ ISSCC2013PanelTalk.pdf

(5) Pinned Photo Diode (P+NP) and SONY HAD
(P+NPNsub) are the same thing. Both were invented
by Hagiwara at Sony in 1975 in the Japanese Patents

See http://www.aiplab.com/Pinned_Photo_Diode_1975_invented_by_Hagiwara.pdf

For MOS CTG Global Shutter Memory and Back Light Illumination
PP-NP+N-N+ junction Pinned Photodiode Patent,
see http://www.aiplab.com/JP1975-127646.pdf

For MOS CTG Global Shutter Memory and Back Light Illumination
NP+N-N+ junction Pinned Photodiode Patent,
See http://www.aiplab.com/JP1975-127647.pdf

For the built-in Vertical Overflow Drain (VOD) function type
P+NPNsub junction Pinned Photodiode Patent,
http://www.aiplab.com/JP1975-134985.pdf

(6)Hagiwara as a PhD student at CalTech designed
a Fast 128 bit digital data stream parallel comparator
chip, which was fabricated at Intel with the Intel 1101
PMOS process technology.

See
http://www.aiplab.com/128_bit_Comparator.pdf

(7) Hagiwara designed a Fast 25 nanosecond access time
4 M bit Cache SRAM chip for digital camera applications.
Intel used the SONY SRAM chips in the Intel boards.
Sony enjoyed SRAM business while many semiconductor
companies in Japan were focusing on the 4 M bit DRAM
chip business.

See http://www.aiplab.com/SONY_4MSRAM_1989.pdf

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去年久しぶりに、2018年11月19日、SONYのHADセンサー(電子の目)の
発明者の萩原は、イメージセンサー生産拠点のSONY熊本テックを訪問。




現在、日本でSONYだけがただ一社半導体のメーカーとして元気に躍進しています。

みなさんはその理由を理解していますか?企業でビジネスで成功するには3つの
重要な要素がその企業に備わっていなければなりません。

(1)まず、その企業のTOPの熱い思い、夢、Visionが大切する。
(2)そのTOPの夢を具体的に実現するための創造的な工夫と知恵を
   持った技術者集団の存在が不可欠です。
(3)しかし、それだけでは商品ができません。信頼性技術やお客さま

   へのアフターサービスをも考えて使いやすさと信頼性を真剣に
   考え、かつコスト生産性にたいへんな努力と工夫を必要とします。

この3つの要素が備わらなりと企業のビジネスは成功しません。



萩原は、2018年11月19日に懐かしい、イメージセンサー生産拠点の
SONY熊本テックを訪問して、その話をしました。その時の記念写真は、
後輩達との大切な思い出となる、萩原にとって、貴重な宝物です。



1975年当時のソニー中研時代、ほんの10数人の開発研究者の中で、新入りの萩原が
一人で自前で設計CADツールを構築しそのCADを使って設計し、先輩の狩野課長と
松本係長がCCD imagerのプロセスを担当し、安藤課長と粂沢先輩がCCD imagerの
特性測定を担当して、総力をあげて開発した 8番目の ITL 方式のCCD image
sensor chip ( ICX-008 )の写真です。横型Overflow Drain と透明電極を採用しま
した。唯一の未解決問題は、MOS型容量型の受光素子で、シリコン結晶と酸化膜の
界面に強い電界が常に存在する為に、暗電流が発生し、局所的に暗電流が多い
絵素では白点となり画像を劣化させて、chip 歩留まりが良くありませんでしたが、
SONYは世界で初めて残像のない高速アクション可能で色あざやかな映像を可能に
しました。これは、SONYで最初の商品化だけでなく、国産第一号の商品化でした。

日本発明協会公式WEBサイトを参照してください。

http://koueki.jiii.or.jp/innovation100/innovation_detail.php?eid=00059&test=open&age



SONYは世界ではじめて、残像のない高速アクションビデオカメラを商品化。

全日空(ANA)に納入しました。ジャンボ 747 ジェット機のコックピットに
搭載し、世界で初めて鮮明で残像のない離着陸の高速映像を実現しました。

離着陸の衝撃ショックにも強い固体撮像素子の威力を証明しました。

それまでのビデオカメラはN+Psub接合型のPhotodiodeが採用されていて
青色感度は良好でしたが、残像があり高速アクション映像は無理でした。



しかし、CCD型のMOS容量の透明電極を採用した受光素子にも致命的な
問題が山積みでした。まず、CCDは元来、MOS容量型である為に、シリ
コン界面に電界があり暗電流ムラが大きくて白点が多発。量産性乏しく、
生産歩留まりがなかなか向上しませんでした(大涙)。



萩原はまず受光部を埋め込みCCD型のMOS容量型受光素子(Photodiode)に
する事により、信号電荷がシリコン界面の捕獲準位から保護して trap 雑音が
なくなすことを考えました。しかし、これではまだ暗電流は減りませんでした。



そこで、この埋め込み型CCDの薄い拡散層による完全空乏化転送の動作を
保持して残像のない映像特性を維持したまま、表面の暗電流を失くす方法を
どうすればいいのか、考えこみました。そして、一瞬のひらめきでその解を
萩原は見つけました。下の図は萩原が考案した特許の従来の ILT方式の
CCD image sensor の断面図ですが、これにちょっと変化を加えるだけで
解決することを発見しました。



CCD型のMOS電極を採用していては、かならず表面に強い電界が生じ
絶対に暗電流はなくなりません。それで、萩原はCCD型の受光素子を
採用することをあきらめました。その代わりに表面に濃いP+の拡散層
を形成し、Hole Accumulation 領域にして、表面電圧を固定(ピン
留め)することを考案しました。これが ピン留めされた、受光素子の窓、
Pinned window の発明であり、ピン留めされた、受光素子の表面、
Pinned Surface の発明であり、ピン留めされた、受光素子そのもの、
Pinned Photodiodeの発明となりました。このピン留めするためには
表面に 1平方 cm あたり、  2 x 10 の13 乗あたりの濃い boron
原子のイオン打ち込みと適度な高温アニール技術が必要でした。
そうして、表面に Hole Accumulation 領域が形成されることを
萩原は イオン打ち込み技術を開発し、プロセス条件を着き留めて
文字通り、Photodiode をピン留めすることができました。これで、
暗電流の発生も止めることができました。



1978年、萩原は窓あきで、表面電位がピン留めさらた受光素子、
Pinned Photodiode の受光素子の考案発明した事と、その原理
試作に成功した事を報告しました。短波長光感度が良好で、かつ、
暗電流が非常に少ない、 image sesnor として、東京で開催の、
半導体デバイスの国際学会、固体素子コンフェレンス 1978 で
技術発表しました。

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P+NP_junction_type_Pinned_Photodiode_1978_Paper_by_Hagiwara (PDF)

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P+NP_junction_type_Pinned_Photodiode_1978_Paper_by_Hagiwara (PDF)
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その2年後の1980年7月1日には、SONYはこの萩原発明の Pinned Photodiode
を搭載した、 570H x 490V の Frame Transfer 方式 CCD Image sensor を
搭載したビデオムービを、盛田会長が New Yorkで、岩間社長が Tokyo で
Press Conference を開催し、大々的に新聞発表しました。




萩原はSONYに1975年2月20日に入社して、まだ間もないでしたが、職場
の先輩技術者がみんなこの問題で頭を痛めているのを知り、その解決法
を模索し始めました。そしてこのくせ者の暗電流を抑圧する為に、表面
に濃いP+のHole Accumulation層を設けることを、萩原は考案しまた。



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
(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 ( 1975-124985 ) 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。





Do you know the difference of Buried and Pinned Photodiode ?

萩原は1980年にSONYで透明電極を使ったCCD型のMOS容量の受光素子
を開発し、Interline方式のCCD image sensorに採用しました。そして、
高速アクション映像を可能にする、残像のない映像を実現しました。

Hagiwara at Sony developed the transparent CCD type MOS capacitor
photodiode for the interline transfer CCD image sensor in 1980, which
gives the image lag free feature for the fast action picture quality.

埋め込み型とピン留め型の受光素子の違いはたいへん重要です。完全
信号電荷空乏化した受光素子の動作は残像のない映像を提供できます
が、しかしそれ以上の機能はありません。まだまだ問題があります。

The differnce between the buried potodiode and the pinned photodiode
is very important. The buried photodiode with the completed depletetion
mode provides also the image lag free pictures. But that was not enough.

その理由は、シリコン結晶と酸化膜の間の界面に存在する正の電荷を
帯びた界面準位 Qss による表面電界が表面暗電流を発生する為です。

The reason is the positive fixed silicon-oxide interface charge +Qss
that casuses surface electric field and results in serious dark current.

この+Qssの電荷のバラツキが局所的に大きな暗電流の原因となり
多くの白点が最終映像に現れ、深刻な歩留まり量産問題となります。

This +Qss charge fluctuation often causes the local large serious dark
current spots which give many white point defects in the final pictures.

SONYは透明電極のCCD型MOS容量の受光素子を採用した為に常に
シリコン結晶と酸化膜の界面に電界が存在し深刻な暗電流問題を
かかえてしまい、CCDチップの歩留まりはたいへん低いものでした。

Sony suffered this problem with the transparent CCD type MOS capacitor
photodiode which has strong electric field at the silicon surface, always
causing the serious dark current. The chip yield was very, very low.

そこで萩原はシリコン結晶表面に、2 x 10**13/cm**2 程度のイオン
打ち込みを実施する事を考案しました。その結果、表面に形成された
P+層が、表面の正の固定電荷+Qssの効果を抑圧する事ができました。

Hagiwara proposed to apply the 2 x 10**13 /cm**2 ion implantation
at the silicon surface to create the hole accumulation layer of the P+
region which can quench the surface positive fixed interface charge Qss.

こうして萩原は、日本国特許(昭50-134985)を出願し、暗電流の問題
が全くない P+NPNsub接合型の受光素子を発明しました。

Thus Hagiwara proposed P+NPNsub junction type photodiode with
no dark current problem at all. See Patent 1975-134985 by Hagiwara.


このP+NPNsub接合型受光素子には、次の3つの特徴があります。

This P+NPNsub junction photodiode has three important features.



(1)P+NP接合型受光素子で Pinned Photodiode で、(2)残像のない映像
を提供する完全電荷「空乏化photodiode」の埋め込み photodiode で、
(3)構造上、縦型overflow drain (VOD) 機能が組み込まれたものです。

They are, (1) tthe P+NP junction is Pinned Photodiode, (2) the image
-lag-free complete-deplemon-mode photodiode ( Buried Photodiode)
(3) with the vertical overflow drain (VOD) function.


萩原は1975年また同時に、日本国特許( 昭50-127647 ) を出願し2つの
重要な特徴を持つN+NP+N 接合型のPinned Photodiode を発明しました。

In 1975 at the same time Hagiwara also invented the N+NP+N junction
type Pinne Photodiode (1975-127647) with two very important features.


その1つの特徴は、裏面照射型の 埋め込み Photodiode 構造でもある、、
N+NP+N 接合型のPinned Photodiodeであることです。

One of the two important features is the back light illumination scheme
for the N+NP+N junction type Pinned Photodiode, which is also a Buried
Photodiode.

隣接する電荷転送装置(CTD)に、表面型の電荷転送電極(CTG)を
介して、信号電荷を一時的に蓄積する、すなわち、一時メモリ素子
として機能する特別な動作をする構造になっています。

This Hagiwara 1975 invention has a special function mode of one time
memory operation of the sueface type charge transfer gate (CTG) when
the signal photocharge stored in the photodiode is to be transfered
completely to the adjacent charge transfer device (CTD).

裏面照射を実現するには、シリコン結晶ウェーハを薄く研磨する必要
があります。光がシリコン結晶の奥深くまでは透過しないからです。

In order to realize the back light illumination scheme, the silicon wafer
has to be thinned very much because the light cannot penetrate into
the silicon wafer too deeply.

青色の 0.4 um 短波長光では、シリコン結晶を 0.2 um 程度しか
透過しません。0.5 um 波長光では 2 um 程度です。0.6 um の赤色
の波長では 10 um ぐらいまでしか透過しません。従ってシリコン
ウェーハ―を 10um程度に薄く研磨する必要があります。

The blue light of the short light wave length of 0.4 um can penetrate
into the silicon wafer upto the depth of 0.2 um from the silicon wafer
surface. About 2 um depth for the 0.5 um wave length and about
10 um depth for the red light of the 0.6 wave length. Hece silicon
wafer must be thinned upto about the 10 um thickness by polishing.

逆に 10 um 以上程度にしておくと、赤外線カットフィルターを
使用する事により、表側に形成された、電荷転送用電極には裏面
からの照射された光は透過してこない事になり、表側に形成された
一時記憶メモリー容量用の電荷転送用電極は充分 Global Shutter
用の一時メモリーとして機能することになります。

On the contray, by using an infared cut filter, and if the silicon wafer
is kept just about the thickness of above 10 um, the light cannot reach
the fornt side of the silicon wafer, the surface device is completely
blinded and protected form the back light. By doing so, the surface
type charge transfer gate (CTG) MOS capacitor can function properly
as the one time buffer memory for the Global Shutter operation mode.


CCD型電荷転送方式のImage sensor は自動的にCCD容量が一時メモリ
素子機能をもち、Global Shutterの機能が組み込まれることは周知です。

It is well known, and it is also the very imprtant feature of the CCD
invention, that the CCD capacitors can act also as one time buffer
memory for the Global Shutter operation mode.

一方、CMOS型電荷転送方式の image sensor では、Global Shutter の
機能を持たせるには、余分な一時メモリ容量が各絵素に必要です。
まだ微細加工技術が進んでいなかった時代では不可能な事でした。

On the other hand, in case of CMOS charge transfer device (CTD) type
image sensors, an expensive one time buffer memory is needed for
each pixel, which could not be affored at all when the MOS process
shrinking technology was not so much advanced in the past years.


しかし、萩原の1975年発明のこの日本国特許 ( 昭50-127647 ) には
すでに、各絵素の表面型電荷転送電極を一時記憶メモリーとして機能
させて、Global Shutter 機能を可能にすることが、その特許請求範囲
に、明確に記載されています。

However, the patent claim of Hagiwara 1975 invention ( Japanese
Patent 1975-127647 ) clearly defined already the surface type
charge transfer gate (CTG) in each pixel unit to be used as the
one time buffer memory for the Global Shutter operation scheme.

CCD 以外では、CMOS 型の電荷転送方式の Image sensor 等の
場合には、Global Shutter 機能を可能にする為には、必ず、一時
記憶メモリ容量が各絵素ごとに必要となることは、周知でした。

It was well understood that, except CCD type CTDs, all other
types of CTDs, such as CMOS type CTD needs one time buffer
memory in each pixel unit for the Global Shutter operation scheme.

萩原が1975年の特許で考案している、この各絵素ごとの表面型の
電荷転送電極(CTG)は、そのGlobal Shutter 機能に必要な、
メモリー容量として機能する事になります。

As Hagiwara proposed in the 1975 patent, this sureface type charge
transfer gate (CTG) in each pixel can act as the one time buffer
memory which is needed for the Global Shutter operation scheme.

従って、萩原の1975年の特許 (昭50-127647) はまた、CMOS Image
Sensor には不可欠な Global Shutter 機能が組み込まれた、Pinned
Photodiode を発明している事になります。

Hence, this means that Hagiwara invented the Pinned Photodiode
structure with Global Shutter function for CMOS image sensors in
the Hagiwara 1975 patent (1975-127647 ).

萩原は、CMOS image sensorに不可欠な、この Global Shutter
の構造と、その動作機能を考案した発明者でもあります。

Hagiwara is the inventor of the Global Shutter structure
and the operation scheme needed in CMOS image sensors.

これが萩原の1975年の重要な5つ目の発明となります。

This was the fifth invention of Hagiwara 1975 important inventions.

結論として萩原は5つの重要なアイデアの発明者です。

In summary, Hagiwara is the inventor of the five importat ideas.
.
(1)暗電流を抑圧する、 P+NP接合型受光素子、すなわち Pinned Photodiodeの発明です。

The invention of the P+NP junction type Pinned Photodiode with low dark current.

(2)残像のない映像を可能にする、PNP接型受光素子の「空乏化Photodiode」として
 機能する、埋め込みPhotodiodeの発明です。

The invention of the PNP junction type Buried Photodiode with the completely
signal charge depletion that provides the image lag free picture quality.

(3)基体(Nsub)に P+NP接合型受光素子を形成し、P+NPNsu接合構造のサイリスタ構造
 とすることにより、構造上の動作 mode に自由度が増加し、縦型OFD(VOD)として
 も機能することを萩原は特許の中の実施図で明示しています。縦型OFD(VOD)の発明です。

Forming the P+NP junction type Pinned Photodiode on the N-type substrate, the
resulted P+NPNsub junction thysistor type has a variety of opeation mode freedom
that include the vertical overflow drain (VOD) operation mode scheme. This idea
was decribed in the Hagiwara patent figures. This is the invention of the vertical
overflow drain (VOD) by Hagiwara in 1975.

(4)萩原はまた裏面照射型N+NP+N接合型の埋め込みPhotodiodeの発明者でもあり、
 Pinned Photodiodeでもある受光素子の発明者です。表側には表面型の電荷転送
 電極が、MOS 容量型の、Global Shutter 用の一時 Buffer memory として、掲載
 されており実施例には、信号電荷蓄積層から信号電荷が完全空乏化電荷転送
 されることを明示しており、この信号電荷蓄積層が残像のない映像を提供する
 「空乏化Photodiode」であることを明示しており、萩原は、「空乏化Photodiode」
 の発明者でもあります。

Hagiwara is also the inventor of the back light illumination scheme of the
N+NP+N junction type Buried Photodiode, which is also the Pinned Photodiode.
On the front side of the silicon wafer, as shown in the patent figure, the
surface type charge tansfer gate (CTG) recieves the signal charge from the
buried photodiode which is shown clealy in the figure completely depleted
of signal charge at the end of the charge transfer to the charge transfer
gate (CTG) which acts as one time MOS capacitor type buffer memory.
The completely depleted buried photodiode provides the image lag free
picture quality. Hagiwara is also the inventor of the completely depleted
buried photodiode with the image lag free picture quality.


(5)萩原はすでに1975年に、可視光線がシリコン結晶体を10um 以上透過
  しないことを考慮して、シリコン結晶の膜厚を 10 um 以上程度にする
  ことにより、表側の表面電荷転送電極が一時記憶メモリー用容量電極
  として充分機能する事を見抜きました。萩原は裏面照射型のPinned
  Photodiodeの発明者でもありますが、同時にもうひとつの重要な機能
  である、各絵素にBuffer Memoryを持つGlobal Shutter の発明者でも
  あります。萩原は世界で初めて、 CMOS Imagerなどで不可欠な、
  各絵素に一時記憶メモリー用容量電極を装備することを考案しました。
  萩原は、各絵素にBuffer Memoryを持つGlobal Shutter の発明者です。

Hagiwara in 1975 already knew that the visible light cannot penetrate
more than the 10 um silicon wafer depth. So thinning the silicon wafer
just about the thickness of above the 10 um range, the surface type
charge transfer gate (CTG) MOS capacitor can act as the one time
buffer memory for the Global Shutter opertaion scheme. The signal
charge under the one type buffer memory MOS capacitor can be
protected from the back light illumination. Hagiwara is the inventor
of the Global Shutter operation scheme with the one time MOS
capacitor type buffer memory in each pixel unit. One time MOS
capacitor type buffer memory is needed in each pixel unit in case
of CMOS image sensors. Hence , Hagiwara is also the inventor of
the Global Shutter structure and operation sheme for CMOS
image sensors with one time MOS capacitor type buffer memory
for each pixel unit.

萩原がこの重要な5つの発明者である証拠はすべて2つの1975年
出願の萩原の特許の特許請求範囲の定義文とその実施例図から
読み取れます。

The evidence that Hagiwara is the true inventor of these five
important ideas can be understood in the patent claims defining
the patent structures, and in the patent figures explaing the
potential application examples, in the Hagiwara 1975 patents.






結論とまとめとして、このP+NPNsub接合型のPined Photodiodeの最大
の特徴は、暗電流の抑圧となります。これが萩原の発明の最重要点です。
萩原1975年日本国特許を参照してください。

In the conclusion and summary, the P+NPNsub junction type pinned photodiode
does not suffer the dark current problem. This is the most important
feature of this Hagiwara invention. See JAP 1975-134985 by Hagiwara.

このP+NPNsub接合型のPinned Photodiodeは次の3つの融合体です。
(1) 暗電流を抑圧した、P+NP接合型の Pinned Photodiode
(2)残像のない、完全空乏化状態の埋め込みPhotodiode
(3)さらに縦型の Overflow Drain (VOD) 機能が組み込まれた受光素子

This P+NPNsub juction Pinned Photodiode is a combination of
(1) the P+NP junction type Pinned Photodiode with low dark current,
(2) the image-lag-free complete-depletion-mode Buried Photodiode
(3) with the vertical overflow drain (VOD) function.

また萩原は日本国特許 (1975-127647 ) で、次の2つを発明ました。
(4)裏面照射型の N+NP+N 接合型 Pinned Photodiodeでもあり、
(5)表面型の電荷転送電極(CTG)をまたMOS容量型の一時的な
  Buffer 記憶メモリーとしても機能させて、Global Shutter
  動作モードも可能にしている受光素子構造を発明しました。

Hagiwara also proposed in the Japanese Patent JAP 1975-127647
(4) the N+NP+N junction type Pinned Photodioe
  with the back light illumination scheme
(5) Surface type Charge Trasfer Gate(CTD) serving also 
  as the one type MOS capacitor type Buffer Memory
  for Global Shutter Operation Scheme


問題はこの2つの特許をだれも理解せず、学会の論文でも一度も
引用されることがなかったことが最大の悲劇でした。

It was very sad that no one understood the details of these
Hagiwara patents, and that no one ever quoted Hagiwara patents
in their publication papers in the past. That was all tragedy.


萩原が1975年に発明出願した、特許 昭50-127647
の特許請求範囲の定義文は以下のようになっています。

(1)半導体基体(Psub)の一方の主面側に、絶縁膜を介して電荷
転送用電極(CTG)が被着配列される1の導電型(N)の転送
   領域が形成され、

(2)之より上記半導体基体(Psub)の他方の主面側に上記転送
領域(N)に接する他の導電型の領域(P)と該領域に接する
   1の導電型(Nwell)の領域とより成る受光領域(NPNwell
接合型受光素子)が形成され、

(3)上記転送用電極(CTG)に所要の電圧を印加することにより、
   上記受光領域(NPNwell接合型受光素子)に蓄積した電荷を
   上記転送領域(N)に転送し、

   この時点では、信号電荷は一時的にこの転送用電極(CTG)に
   蓄積されたままになっている。従ってこの転送用電極(CTG)
   一時的な one time MOS capacitor 型の buffer memory
   として機能し、CMOS型の電荷転送装置(CTD)では、Global
   Shutter Operation Mode が可能となる。
 
(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。

   そして、最後に異なる電圧を印加して、隣接する電荷転送
   装置( CCD 型 CTD でも CMOS 型 CTD でも OK ) に信号
   電荷が最終的に転送されることになります。この特許の
   実施例図から、この電荷転送が完全空乏化電荷転送である
   ことは明らかです。従って、萩原は埋め込みPhotodiodeの
   発明者でもあり、かつ、「空乏化Photodiode」の発明者
   でもあります。

この萩原1975年特許の簡潔な特許請求範囲で定義された構造は
単純明解な N/P/Nwell/Psub 接合型サイリスター構造です。

この1975年の萩原出願特許は、萩原が、

   (1)裏面照射型の Pinned Photodiode、埋め込み Photodiode、
   そして 空乏化 Photodiode の発明者であり、かつ、

   (2)MOS 容量型 one time buffer memory を使った、Global
     Shutter 機能付き Pinned Photodiode

の発明者である証拠になります。



萩原が1975年に発明出願した、特許 昭50-134985
の特許請求範囲の定義文は以下のようになっています。



(1)半導体基体(Nsub) に、第1電導型の第1半導体領域(Pwell)と、

(2)之の上に形成された第2導電型の第2半導体領域(N)とが形成されて
   光感知部(N/Pwell 接合受光素子)と

(3)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、

(4)上記光感知部の上記第2半導体領域(N)に整流性接合(P+N接合)
   が形成され、該接合をエミッタ接合(Je)とし、

(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(Jc)とする
   トランジスタ( P+/N/Pwell 接合 ) を 形成し、

(6)該トランジスタのベースとなる上記第2半導体領域(N)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(CTD)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。

   特許の添付の実施例図よりこの電荷転送が完全空乏化電荷転送
   であることを意味しています。すなわちこれは「空乏化Photodiode」
   の発明特許でもあり、残像のない映像を提供するものです。

   この最終的な受光素子構造は、P+/N/Pwell/Nsub 接合型サイリスター
   構造をしており、添付の特許実施例図より縦型 overflow drain
   としても機能することを明示したものです。

   従って、萩原はこの特許出願により、(1) 暗電流を抑圧する、
   Pinned Photodiodeの発明者であり、(2)残像のない事を特徴
   とする、埋め込みPhotodode および 空乏化 Photodiodeの
   発明者でもあり、かつ、(3)表面が emitter 端子となり濃い
   P+層 ( Hole Accumulation 領域 )を持つ、P+/N/Pwell/Nsub
   接合型サイリスター構造の様々な自由度ある付属動作のひとつ
   である、縦型のoverflow drain (VOD)の発明者でもあります。


問題はこの2つの特許をだれも理解せず、学会の論文でも一度も
引用されることがなかったことが最大の悲劇でした。

It was very sad that no one understood the details of these
Hagiwara patents, and that no one ever quoted Hagiwara patents
in their publication papers in the past. That was all tragedy.

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P+NP_junction_type_Pinned_Photodiode_1978_Paper_by_Hagiwara (PDF)
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●表面チャネルCCD(完全電荷転送)の電荷転送電極(CTD)を
  MOS容量型Buffer Memory とした、Global Shutter 機能付きで、
  かつ、裏面照射型の、Pinned Photodiode の基本特許です。
  Japanese Patent 1975-127647.html


●P+NPNsub 接合型の SONY Accumulation Diode (HAD) で、
  縦型Overflow Drain (VOD)機能が組み込まれた、
  Pinned Photodiode (SONY HAD)の基本特許です。
 Japanese Patent 1975-134985.html



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Do you know the difference of Buried and Pinned Photodiode ?
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●表面チャネルCCD(完全電荷転送)の電荷転送電極(CTD)を
  MOS容量型Buffer Memory とした、Global Shutter 機能付きで、
  かつ、裏面照射型の、Pinned Photodiode の基本特許です。
  Japanese Patent 1975-127647.html






●P+NPNsub 接合型の SONY Accumulation Diode (HAD) で、
  縦型Overflow Drain (VOD)機能が組み込まれた、
  Pinned Photodiode (SONY HAD)の基本特許です。
 Japanese Patent 1975-134985.html














萩原が1975年に出願した、この2件の特許と、その実施例の図のすべてが、
「萩原がその発明者である」ということの、当然ですが、確実な証拠となります。





PNP接合型または、NPN接合型の、暗電流を抑圧した Pinned  Photodiode
の発明者であり、物理的構造からして、「埋め込み Photodiode 」の発明者
でもあり、また残像のない特徴を示す、「空乏化 Photodiode 」の発明者でも
あり、かつ、SONY original HAD センサーの発明者である事はになります。

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Story of Pinned Photodiode( SONY HAD ) Sensor.pdf

 Japanese Patent 1975-127647.html
 Japanese Patent 1975-134985.html

P+NP_junction_type_Pinned_Photodiode_1978_Paper_by_Hagiwara (PDF)



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Do you know the difference of Buried and Pinned Photodiode ?






































































Hagiwara_Yoshiaki_CaltechDiploma_PhD1975.pdf

128_bit_Comparator.pdf













Do you know the difference of Buried and Pinned Photodiode ?

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The AIPS image sensor watching at its inventor, Yoshiaki Hagiwara.
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Yoshiaki Hagiwara was invited in the following four international
conferences because of his contributions to the image sensor
community and related digital system LSI chip design works.

See the four invited talks related to the Pinned Photo Diode
which is also called as SONY original Hole Accumulation
Diode (HAD) image sensor.

(1) International Conference CCD79 in Edinburgh, Scotland UK

See http://www.aiplab.com/0-CCD79_1979Hagiwara.pdf

(2) International Conference ESSCIRC2001 in Vilach, Austria.

See http://www.aiplab.com/ESSCIRC2001.pdf

(3) International Conference ESSCIRC2008 in Edinburgh, Scotland UK

See http://www.aiplab.com/0-ESSCIRC2008Hagiwara.pdf

(4) International Conference ISSCC2013 in San Francisco, California USA

See http://www.aiplab.com/ ISSCC2013PanelTalk.pdf

(5) Pinned Photo Diode (P+NP) and SONY HAD
(P+NPNsub) are the same thing. Both were invented
by Hagiwara at Sony in 1975 in the Japanese Patents

See http://www.aiplab.com/Pinned_Photo_Diode_1975_invented_by_Hagiwara.pdf

For MOS CTG Global Shutter Memory and Back Light Illumination
PP-NP+N-N+ junction Pinned Photodiode Patent,
see http://www.aiplab.com/JP1975-127646.pdf

For MOS CTG Global Shutter Memory and Back Light Illumination
NP+N-N+ junction Pinned Photodiode Patent,
see http://www.aiplab.com/JP1975-127647.pdf

For the built-in Vertical Overflow Drain (VOD) function type
P+NPNsub junction Pinned Photodiode Patent,
see http://www.aiplab.com/JP1975-134985.pdf

(6) Hagiwara as a PhD student at CalTech designed
a Fast 128 bit digital data stream parallel comparator
chip, which was fabricated at Intel with the Intel 1101
PMOS process technology.

See http://www.aiplab.com/128_bit_Comparator.pdf

(7) Hagiwara designed a Fast 25 nanosecond access time
4 M bit Cache SRAM chip for digital camera applications.
Intel used the SONY SRAM chips in the Intel boards.
Sony enjoyed SRAM business while many semiconductor
companies in Japan were focusing on the 4 M bit DRAM
chip business.

See http://www.aiplab.com/SONY_4MSRAM_1989.pdf

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           Appendix Page List
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 000   001   002   003   004   005   006   007   008   009   010
  011   012   013   014   015   016   017   018(Ref)   019   020
021   022   023   024   025   026   027   028   029   030   031   032  
 033   034   035   036   037   038    039   040   041  042 043
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JP1975-127646.pdf

JAP_1975_127647.html
JP1975-127647.pdf

JAP_1975_134985.html
JP1975-134985.pdf

JP1978-1971.pdf
JP1980-123259.pdf


List.html

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indexA3_What_is_Solid_State_Image_Semsor.html

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indexHADsensor01.html
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index001_introduction.html
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index005_Hagiwara_1975_Patent.html
index005_Semionductor_Device_Physics_for_PPD.html
index006_Sony_Fairchild_Patent_War.html
index006_Two_1975_Hagiwara_Patents_on_Pinned_Photo_Diode.html
index007_Sony_NEC_Patent_War.html
index008_Fossum_2014_Fake_Paper.html
index009_Summary.html



Hagiwara_at_Sony_is_the_true_inventor_of_Pinned_Photo_Diode.html

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Page100.html

Ref1.html
Ref2.html
Ref3.html
Ref4.html
Ref5.html
Ref6.html
Ref7.html

Story_of_Pinned_Photo_Diode.html

Study_Korean.html

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0-CCD79_1979Hagiwara.pdf
0-ESSCIRC2008Hagiwara.pdf
0-HAD_Sensor_Patent_1975Hagiwara.pdf
128_bit_Comparator.pdf
HADsensor_NEC_SONY_Patent.pdf
Hagiwara_invented_pinned_photo_diode_in_1975_01.pdf
JPL_CalTech_Pain.pdf
Pinned_Photo_Diode_1975_invented_by_Hagiwara.pdf
Pinned_Photo_Diode_Patent_by_Hagiwara_at_Sony_in_1975.pdf
Pinned_Photodiode_1978_Paper_by_Hagiwara.pdf
Pinned_Photodiode_Patents_1975.pdf

Hagiwara_Yoshiaki_CaltechDiploma_PhD1975.pdf




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