JP2014123593A

JP2014123593A - Infrared sensor

Info

Publication number: JP2014123593A
Application number: JP2012277782A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Korechika; 哲広是近; Masatoshi Kitagawa; 雅俊北川
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2012-12-20
Filing date: 2012-12-20
Publication date: 2014-07-03

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an infrared sensor which need not be cooled and has high sensitivity even at normal temperature.SOLUTION: The infrared sensor of the present invention comprises: an N-type InSb semiconductor layer 22 formed on a substrate 21; a π(P)-type InSb semiconductor layer 23 formed on the semiconductor layer 22; and an insulating layer 24 with a thickness of 5-20 nm through which a tunnel current flows and a metal layer 25 on the semiconductor layer 23.

Description

本発明は、赤外線を電気信号に変換するための赤外線センサに関し、特に液体窒素やペルチェ素子等による冷却を行なう必要のない量子型赤外線センサに関する。 The present invention relates to an infrared sensor for converting infrared light into an electrical signal, and more particularly to a quantum infrared sensor that does not require cooling with liquid nitrogen or a Peltier element.

近年、赤外線センサは防犯・セキュリティのための人体検出や、非接触温度検出あるいはガス検出等の幅広い範囲で使用されている。これらの赤外線センサは、物体から放出される熱エネルギーによる素子の温度変化を電気信号に変換する熱型赤外線センサと、素子が受けた赤外線エネルギーを直接電気信号に変換する量子型赤外線センサとに大別される。熱型赤外線センサは焦電効果やゼーベック効果を利用するもので波長依存性が小さく、構造が簡単で安価という利点を有するが、感度が低く、応答速度が遅いという欠点がある。一方、量子型赤外線センサはＰＮ接合部またはＰＩＮ接合部を有する半導体からなり、半導体に入射した光量子エネルギー１．２４／λ［ｅＶ］（λ［μｍ］：光波長）が半導体のバンドギャップＥｇより大きい時に、価電子帯にある電子が伝導帯に励起されることにより光起電力を発生するものであり、高感度、高速応答性、さらに静止あるいは温度変化のない物体も検知可能といったすぐれた特長を有するものである。 In recent years, infrared sensors have been used in a wide range of areas such as human body detection for crime prevention and security, non-contact temperature detection, and gas detection. These infrared sensors are largely divided into thermal infrared sensors that convert the temperature change of the element due to thermal energy emitted from the object into electrical signals, and quantum infrared sensors that directly convert the infrared energy received by the elements into electrical signals. Separated. A thermal infrared sensor uses the pyroelectric effect or the Seebeck effect and has the advantages of low wavelength dependence, simple structure, and low cost, but has the disadvantage of low sensitivity and slow response speed. On the other hand, the quantum infrared sensor is made of a semiconductor having a PN junction or a PIN junction, and the photon energy 1.24 / λ [eV] (λ [μm]: light wavelength) incident on the semiconductor is less than the band gap Eg of the semiconductor. When it is large, electrons in the valence band are excited into the conduction band to generate photovoltaic power, and have excellent features such as high sensitivity, high speed response, and detection of objects that are stationary or have no temperature change. It is what has.

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。 As prior art document information related to the invention of this application, for example, Patent Document 1 is known.

特表２００７−５１５６２１号公報Special table 2007-515621

ＩｎＳｂは室温（３００Ｋ）において０．１７［ｅＶ］という小さいバンドギャップＥｇと、７８０００［ｃｍ²／Ｖｓ］という半導体中で最大の電子移動度μ_eを有するため、ＩｎＳｂを用いたＰＮまたはＰＩＮ接合構造の量子型赤外線センサは波長７．３μｍ以下、特に波長２．５〜４μｍの中赤外線をきわめて効率よく検出できるとされている。しかしながら、このようにバンドギャップＥｇが小さく電子移動度μ_eが大きいために、価電子帯にある電子が熱エネルギーにより伝導帯に大量に励起される結果、ＩｎＳｂの真性半導体は常温（３００Ｋ）において、４〜５×１０^-5［Ωｍ］という、洋白の抵抗率に匹敵するようなきわめて小さい抵抗率ρを示す。このためＩｎＳｂを用いたＰＮまたはＰＩＮ接合構造の量子型赤外線センサの電流−電圧特性は常温においてはダイオード特性を示さず、単なる抵抗体としてふるまうことになり、常温においてＩｎＳｂを用いたＰＮまたはＰＩＮ接合構造の量子型赤外線センサに赤外線を照射しても光起電力を検知できないことになる。そのため、ＩｎＳｂを用いたＰＮまたはＰＩＮ接合構造の量子型赤外線センサは、液体窒素（沸点温度：７７Ｋ）等で冷却しなければ使用できないという問題点があった。 Since InSb has a small band gap Eg of 0.17 [eV] at room temperature (300 K) and the maximum electron mobility μ _e in a semiconductor of 78000 [cm ² / Vs], a PN or PIN junction using InSb The quantum infrared sensor having the structure is said to be capable of very efficiently detecting mid-infrared light having a wavelength of 7.3 μm or less, particularly 2.5 to 4 μm. However, since the band gap Eg is small and the electron mobility μ _e is large as described above, electrons in the valence band are excited in the conduction band by thermal energy, and as a result, the intrinsic semiconductor of InSb is at room temperature (300K). 4-5 × 10 ⁻⁵ [Ωm], which is a very small resistivity ρ that is comparable to the resistivity of white and white. For this reason, the current-voltage characteristic of a quantum infrared sensor having a PN or PIN junction structure using InSb does not exhibit diode characteristics at room temperature, but acts as a simple resistor, and a PN or PIN junction using InSb at room temperature. Even if the quantum type infrared sensor having the structure is irradiated with infrared rays, the photovoltaic force cannot be detected. Therefore, the quantum infrared sensor having a PN or PIN junction structure using InSb has a problem that it cannot be used unless it is cooled with liquid nitrogen (boiling point temperature: 77K) or the like.

ＰＮ接合構造の量子型赤外線センサを液体窒素等で冷却すると、熱エネルギーにより価電子帯から伝導帯に励起される電子数が常温時より４桁低下するため、順方向バイアス印加でオン、逆方向バイアス印加でオフとなるダイオード特性を示すようになる。逆方向バイアスを印加した状態で、この量子型赤外線センサに赤外線を照射すると、Ｐ層、Ｎ層に電子−正孔対が生成され、Ｐ、Ｎ層間の空乏層内の電界により電子はＮ層伝導帯側に集められるとともに、正孔はＰ層価電子帯側に集められる。これにより、Ｐ層は正に、Ｎ層は負に帯電しＰ層、Ｎ層間に光起電力が生ずることになる。しかしながら、ＩｎＳｂはバンドギャップＥｇが小さいためにＮ層の伝導帯に生成された電子はＰＮ接合間のエネルギー差を乗り越えてＰ層伝導帯側にも拡散するとともに、Ｐ層の価電子帯側に生成された正孔もＰＮ接合間のエネルギー差を乗り越えてＮ層価電子帯側に拡散する結果、Ｐ層、Ｎ層間に発生する光起電力が小さくなり光感度が低下するという問題点があった。同様にして、ＰＩＮ接合構造の量子型赤外線センサにおいても、Ｐ層、Ｎ層、Ｉ層に励起された電子はＮ層伝導帯側だけでなく、Ｐ層伝導帯側にも拡散し、正孔はＰ層価電子帯側とＮ層価電子帯側の両方に拡散する結果、Ｐ層、Ｎ層間に発生する光起電力が小さくなり光感度が低下するという問題点があった。 When a quantum infrared sensor with a PN junction structure is cooled with liquid nitrogen or the like, the number of electrons excited from the valence band to the conduction band by thermal energy is reduced by four orders of magnitude from room temperature. A diode characteristic which is turned off by applying a bias is exhibited. When this quantum type infrared sensor is irradiated with infrared rays with a reverse bias applied, electron-hole pairs are generated in the P layer and the N layer, and electrons are generated in the N layer by the electric field in the depletion layer between the P and N layers. While being collected on the conduction band side, holes are collected on the P-layer valence band side. As a result, the P layer is positively charged, the N layer is negatively charged, and a photovoltaic force is generated between the P layer and the N layer. However, since InSb has a small band gap Eg, electrons generated in the conduction band of the N layer overcome the energy difference between the PN junctions and diffuse to the P layer conduction band side, and to the valence band side of the P layer. The generated holes overcome the energy difference between the PN junctions and diffuse to the N-layer valence band side. As a result, the photoelectromotive force generated between the P-layer and the N-layer decreases, and the photosensitivity decreases. It was. Similarly, in the quantum infrared sensor having a PIN junction structure, electrons excited in the P layer, the N layer, and the I layer are diffused not only in the N layer conduction band side but also in the P layer conduction band side. As a result of diffusion to both the P-layer valence band side and the N-layer valence band side, the photovoltaic power generated between the P-layer and the N-layer is reduced, and the photosensitivity is lowered.

本発明は、上記従来の問題点を解決するもので、冷却が不要であるとともに、光起電力の大きい高感度の量子型赤外線センサを提供することを目的とするものである。 The present invention solves the above-described conventional problems, and an object thereof is to provide a high-sensitivity quantum infrared sensor that does not require cooling and has a large photovoltaic power.

上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有する。 In order to achieve the above object, the present invention has the following configuration.

請求項１に記載の発明は、基板と、該基板上に形成されたＮ型ＩｎＳｂからなる第１の半導体層と、前記第１の半導体層上に形成されたπ型（Ｐ^-）ＩｎＳｂ層からなる第２の半導体層とを有する赤外線センサであって、前記第２の半導体層上にトンネル電流が流れる５〜２０ｎｍの厚さを有する絶縁層と、前記絶縁層の上に金属層とを有するもので、この構成によれば、赤外線センサに逆方向バイアス電圧を印加した場合、すなわち基板に対して金属層を負電位とした場合には、この逆方向バイアス電圧は前記第１の半導体層と前記第２の半導体層との接合部の抵抗が逆バイアスにより空乏層が拡がるため、増大（高抵抗化）し、前記絶縁層抵抗と前記接合部抵抗で電圧分配されるため、前記絶縁層に印加される電界強度が小さくなるため、前記絶縁層には、トンネル電流が流れない。これにより、常温においても、逆方向電流はきわめて小さい値に留まることになる。そして、この赤外線センサに逆方向バイアス電圧を印加した状態で赤外線を照射すると、第１の半導体層、第２の半導体層に電子−正孔対が生成され、第１、第２の半導体層間の空乏層内の電界により電子は第１の半導体層の伝導帯に集められるとともに、正孔は第２の半導体層の価電子帯に集められる。第２の半導体層の伝導帯に励起された電子あるいは第１、第２の半導体層間のエネルギー差を乗り越えて第２の半導体層の伝導帯に拡散した電子は前記絶縁層にバリアされ、金属層に拡散しないため、基板と金属層間に光起電力が発生して、赤外線を電気信号として出力できることになる。一方、この赤外線センサに順方向バイアス電圧を印加した場合、すなわち基板に対して金属層を正電位とした場合には、この順方向バイアス電圧の大部分は前記絶縁層間に印加され、前記第１の半導体層と前記第２の半導体層との間の接合部間電圧は小さくなるため、前記絶縁層にトンネル電流が流れるようになる。これにより、この赤外線センサは常温において、順方向はオン、逆方向にはオフとなるダイオード特性を示すようになり、冷却が不要となるという作用効果を有するものである。 The invention according to claim 1 is a substrate, a first semiconductor layer made of N-type InSb formed on the substrate, and a π-type (P ⁻ ) InSb layer formed on the first semiconductor layer. An infrared sensor having a second semiconductor layer comprising: an insulating layer having a thickness of 5 to 20 nm through which a tunnel current flows on the second semiconductor layer; and a metal layer on the insulating layer. According to this configuration, when a reverse bias voltage is applied to the infrared sensor, that is, when the metal layer has a negative potential with respect to the substrate, the reverse bias voltage is applied to the first semiconductor layer. Since the depletion layer expands due to the reverse bias, the resistance of the junction between the second semiconductor layer and the second semiconductor layer increases (high resistance), and voltage is distributed between the insulation layer resistance and the junction resistance. Because the electric field strength applied to the Wherein the insulating layer does not flow a tunnel current. As a result, the reverse current remains at a very small value even at room temperature. When infrared rays are applied to the infrared sensor with a reverse bias voltage applied, electron-hole pairs are generated in the first semiconductor layer and the second semiconductor layer. Electrons are collected in the conduction band of the first semiconductor layer by the electric field in the depletion layer, and holes are collected in the valence band of the second semiconductor layer. Electrons excited in the conduction band of the second semiconductor layer or electrons diffused into the conduction band of the second semiconductor layer over the energy difference between the first and second semiconductor layers are blocked by the insulating layer, and the metal layer Therefore, a photoelectromotive force is generated between the substrate and the metal layer, and infrared light can be output as an electric signal. On the other hand, when a forward bias voltage is applied to the infrared sensor, that is, when the metal layer is set to a positive potential with respect to the substrate, most of the forward bias voltage is applied between the insulating layers, and Since the junction voltage between the semiconductor layer and the second semiconductor layer becomes small, a tunnel current flows through the insulating layer. As a result, the infrared sensor has a diode characteristic in which the forward direction is on and the reverse direction is off at room temperature, and the cooling effect is unnecessary.

請求項２に記載の発明は、基板と、該基板上に形成されたＮ型ＩｎＳｂからなる第１の半導体層と、前記第１の半導体層上に形成されたπ（Ｐ^-）型ＩｎＳｂ層からなる第２の半導体層と、前記第２の半導体層上に形成されたＰ型ＩｎＳｂ層からなる第３の半導体層とを有する赤外線センサであって、前記第３の半導体層上にトンネル電流が流れる５〜２０ｎｍの厚さを有する絶縁層と、前記絶縁層の上に金属層とを有するもので、この構成によれば、赤外線センサに逆方向バイアス電圧を印加した場合、すなわち基板に対して金属層を負電位とした場合には、この逆方向バイアス電圧は実質的に前記第１の半導体層と前記第２の半導体層との接合部が逆バイアスにより空乏層が拡がり高抵抗化すると共に、元々、前記第２の半導体層は、高抵抗であり、前記第１の半導体層、第２の半導体層、第３の半導体層並びに前記絶縁層も含め、一様になだらかな電界が印加された状態になり、前記絶縁層に印加される電界強度が小さくなるため、前記絶縁層には、トンネル電流が流れない。これにより、常温においても、逆方向電流はきわめて小さい値に留まることになる。そして、この赤外線センサに逆方向バイアス電圧を印加した状態で赤外線を照射すると、第１の半導体層、第２の半導体層、第３の半導体層に電子−正孔対が生成され、第１、第２の半導体層間の空乏層および第２、第３の半導体層間の空乏層内の電界により電子は第１の半導体層側へ、正孔は第３の半導体層へ集められるため、きわめて効率よく赤外線を検知できるという作用効果を有する。さらに、第３の半導体層の伝導帯に励起された電子あるいは第２、第３の半導体層間のエネルギー差を乗り越えて第３の半導体層の伝導帯に拡散した電子は前記絶縁層にバリアされ、金属層に拡散しないため、基板と金属層間に光起電力が発生して、赤外線を電気信号として出力できることになる。一方、この赤外線センサに順方向バイアス電圧を印加した場合、すなわち基板に対して金属層を正電位とした場合には、この順方向バイアス電圧の大部分は前記絶縁層間に印加され、前記第１、第２の半導体層間の接合部間電圧および前記第２、第３の半導体層間の接合部電圧は小さくなるため、前記絶縁層にトンネル電流が流れるようになる。これにより、この赤外線センサは常温において、順方向はオン、逆方向にはオフとなるダイオード特性を示すようになり、冷却が不要となるという作用効果を有するものである。 According to a second aspect of the present invention, there is provided a substrate, a first semiconductor layer made of N-type InSb formed on the substrate, and a π (P ⁻ ) -type InSb layer formed on the first semiconductor layer. An infrared sensor having a second semiconductor layer comprising: a third semiconductor layer comprising a P-type InSb layer formed on the second semiconductor layer, wherein a tunnel current is formed on the third semiconductor layer. And a metal layer on the insulating layer. According to this configuration, when a reverse bias voltage is applied to the infrared sensor, that is, with respect to the substrate When the metal layer has a negative potential, the reverse bias voltage substantially increases the depletion layer at the junction between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer due to the reverse bias and increases the resistance. In addition, originally, the second semiconductor layer is high. The first and second semiconductor layers including the first semiconductor layer, the second semiconductor layer, the third semiconductor layer, and the insulating layer are uniformly applied with a gentle electric field and applied to the insulating layer. Since the electric field strength is small, no tunnel current flows through the insulating layer. As a result, the reverse current remains at a very small value even at room temperature. When infrared rays are applied to the infrared sensor with a reverse bias voltage applied, electron-hole pairs are generated in the first semiconductor layer, the second semiconductor layer, and the third semiconductor layer, and the first, Electrons are collected to the first semiconductor layer side and holes are collected to the third semiconductor layer by the electric field in the depletion layer between the second semiconductor layers and the depletion layers between the second and third semiconductor layers, so that it is very efficient. It has the effect that infrared rays can be detected. Further, electrons excited in the conduction band of the third semiconductor layer or electrons diffused into the conduction band of the third semiconductor layer over the energy difference between the second and third semiconductor layers are blocked by the insulating layer, Since it does not diffuse into the metal layer, a photovoltaic force is generated between the substrate and the metal layer, and infrared light can be output as an electric signal. On the other hand, when a forward bias voltage is applied to the infrared sensor, that is, when the metal layer is set to a positive potential with respect to the substrate, most of the forward bias voltage is applied between the insulating layers, and Since the junction voltage between the second semiconductor layers and the junction voltage between the second and third semiconductor layers are reduced, a tunnel current flows through the insulating layer. As a result, the infrared sensor has a diode characteristic in which the forward direction is on and the reverse direction is off at room temperature, and the cooling effect is unnecessary.

請求項３に記載の発明は、特に、前記基板の、少なくとも前記第１の半導体層と接する表層部はＰ型シリコンであることを特徴とするもので、この構成によれば、基板表層部を高抵抗化でき、基板に流れるリーク電流を低減できるという作用効果を有するものである。 The invention according to claim 3 is characterized in that, in particular, at least a surface layer portion in contact with the first semiconductor layer of the substrate is P-type silicon. The resistance can be increased and the leakage current flowing through the substrate can be reduced.

請求項４に記載の発明は、特に、前記表層部のＰ型シリコンの面方位が（１１１）面であることを特徴とするもので、この構成によれば、この面方位がＩｎＳｂの稠密面である（１１１）と一致するため、ＩｎＳｂ薄膜が成長し易いという作用効果を有するものである。 The invention according to claim 4 is characterized in that, in particular, the surface orientation of the P-type silicon of the surface layer portion is a (111) plane, and according to this configuration, the surface orientation is a dense surface of InSb. Therefore, the InSb thin film is easy to grow.

請求項５に記載の発明は、特に、前記基板の裏面に赤外線に対する反射防止膜を有することを特徴とするもので、この構成によれば、基板裏面における赤外線の反射が抑止されるため、赤外線が効率よく半導体層に到達するため高感度の赤外線センサを提供できるという作用効果を有するものである。 The invention according to claim 5 is characterized in that, in particular, the back surface of the substrate has an antireflection film for infrared rays. According to this configuration, since infrared light reflection on the back surface of the substrate is suppressed, Has the effect of providing a highly sensitive infrared sensor because it efficiently reaches the semiconductor layer.

請求項６に記載の発明は、特に、前記基板の裏面にフレネルレンズを有することを特徴とするもので、この構成によれば、赤外線を半導体層内に集中させることができるため、さらに高感度の赤外線センサを提供できるという作用効果を有するものである。 The invention described in claim 6 is characterized in that a Fresnel lens is particularly provided on the back surface of the substrate. According to this configuration, since infrared rays can be concentrated in the semiconductor layer, the sensitivity is further increased. It has the effect that an infrared sensor can be provided.

以上のように本発明は、基板と、該基板上に形成されたＮ型ＩｎＳｂからなる第１の半導体層と、前記第１の半導体層上に形成されたπ型（Ｐ^-）ＩｎＳｂ層からなる第２の半導体層とを有する赤外線センサであって、前記第２の半導体層上にトンネル電流が流れる５〜２０ｎｍの厚さを有する絶縁層と、前記絶縁層の上に金属層とを有するように構成したもので、冷却が不要であるとともに、光起電力の大きい高感度の量子型赤外線センサを提供できるという優れた効果を奏するものである。 As described above, the present invention includes a substrate, a first semiconductor layer made of N-type InSb formed on the substrate, and a π-type (P ⁻ ) InSb layer formed on the first semiconductor layer. An infrared sensor having a second semiconductor layer comprising: an insulating layer having a thickness of 5 to 20 nm through which a tunnel current flows on the second semiconductor layer; and a metal layer on the insulating layer. With such a configuration, it is possible to provide a high-sensitivity quantum infrared sensor that does not require cooling and that has a large photovoltaic power, and has an excellent effect.

本発明の実施の形態１における赤外線センサの断面図Sectional drawing of the infrared sensor in Embodiment 1 of this invention （ａ）同センサの無バイアス時におけるエネルギーバンドを表わす模式図、(ｂ) 同センサの逆バイアス時におけるエネルギーバンドを表わす模式図、（ｃ）同センサの順バイアス時におけるエネルギーバンドを表わす模式図(A) Schematic diagram showing energy band when the sensor is not biased, (b) Schematic diagram showing energy band when the sensor is reverse biased, (c) Schematic diagram showing energy band when the sensor is forward biased 本発明の実施の形態２における赤外線センサの断面図Sectional drawing of the infrared sensor in Embodiment 2 of this invention 本発明の実施の形態３における赤外線センサの断面図Sectional drawing of the infrared sensor in Embodiment 3 of this invention 本発明の実施の形態４における赤外線センサの断面図Sectional drawing of the infrared sensor in Embodiment 4 of this invention

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における赤外線センサ２０の断面図である。図１において、２１は基板、２２は該基板２１上に形成されたＮ型ＩｎＳｂからなる第１の半導体層、２３は前記第１の半導体層２２上に形成されたπ型（Ｐ^-）ＩｎＳｂ層からなる第２の半導体層、２４は前記第２の半導体層２３上に形成された絶縁層、２５は前記絶縁層２４の上に形成された金属層、２６は第１の半導体層２２上に設けられた電極である。 (Embodiment 1)
FIG. 1 is a cross-sectional view of an infrared sensor 20 according to Embodiment 1 of the present invention. In FIG. 1, 21 is a substrate, 22 is a first semiconductor layer made of N-type InSb formed on the substrate 21, and 23 is a π-type (P ⁻ ) InSb formed on the first semiconductor layer 22. A second semiconductor layer composed of layers, 24 is an insulating layer formed on the second semiconductor layer 23, 25 is a metal layer formed on the insulating layer 24, and 26 is on the first semiconductor layer 22. It is the electrode provided in.

基板２１は抵抗率ρが１０００Ω・ｃｍ以上のＰ型シリコン、または前記第１の半導体層２２と接する表層部が抵抗率ρ１０００Ω・ｃｍ以上のＰ型シリコンからなるＳＯＩ（Ｓｉ／ＳｉＯ₂／Ｓｉ）基板、ＳＯＳ（Ｓｉ／サファイア）基板とすることが望ましい。これは基板表層部を高抵抗化でき、基板に流れるリーク電流を低減できるためである。さらに、前記Ｐ型シリコンの面方位を（１１１）とすることが望ましい。これはこの面方位がＩｎＳｂの稠密面である（１１１）と一致し、ＩｎＳｂ薄膜が成長し易いためである。第１の半導体層２２は前記基板２１上にＭＢＥ法により形成した厚み１〜３μｍのＮ型ＩｎＳｂで、ＩｎＳｂにはＳｎが高濃度、たとえば７×１０¹⁸原子／ｃｍ³ドープされている。第２の半導体層２３は前記第１の半導体層２２上にＭＢＥ法により形成した厚み１〜３μｍのπ型（Ｐ^-）ＩｎＳｂ層で、ＩｎＳｂにＺｎが低濃度、たとえば７×１０¹⁶原子／ｃｍ³ドープされている。絶縁層２４としてはＡｌＯ_x、ＳｉＯ₂等の一般的な絶縁材料を用いることができるが、バンドギャップが３．１ｅＶ以上のいわゆるワイドギャップ半導体であるＧａＮ、ＳｉＣ、ＺｎＯ等も、赤外線および可視光に対して透明となるとともに、その抵抗率が絶縁材料と等価であるために本発明の絶縁層２４として選択することができる。絶縁層２４は前記第２の半導体層２３上にＡＬＤ（原子層堆積）法、プラズマＣＶＤ法などにより形成が可能で、その厚みは前記第２の半導体層２３／絶縁層２４／金属層２５間にトンネル電流が流れる、いわゆるトンネルＭＩＳ接合を形成するように、５〜２０ｎｍとしている。これは絶縁層２４の厚みが５ｎｍ以下となると、ＡｌＯ_x、ＳｉＯ₂等の絶縁物が前記第２の半導体層２３の表面上に島状に点在して堆積するため、前記第２の半導体層２３と金属層２５が直接接触したり、耐圧が低いなどの問題を生じる。絶縁層２４の厚みが２０ｎｍ以上になると、後述のトンネル電流が流れにくくなるためである。金属層２５は前記絶縁層２４を介して前記第２の半導体層２３との間にショットキーバリアが形成されないよう、金属層２５の仕事関数φＭが前記第２の半導体層２３の仕事関数φｓである略４．６８ｅＶより大きいまたは、仕事関数差が小さいことが望ましく、Ｃｒ、Ｎｉ、ＮｉＣｒ、Ｐｔ等が使用できる。また、電極２６は前記第１の半導体層２２上に形成されたオーミック電極であり、電極２６の仕事関数φＭが前記第１の半導体層２２の仕事関数φｓである略４．５ｅＶより小さいか差が小さい程望ましく、Ｃｒ、Ｎｉ、ＮｉＣｒ、Ｔｉ、Ａｇ、Ａｌ等が使用できる。なお、前記金属層２５の上にさらにＡｕ、Ｃｕ等の導電性の良好な金属層を設けてもよい。 The substrate 21 is SOI (Si / SiO ₂ / Si) made of P-type silicon having a resistivity ρ of 1000 Ω · cm or more, or a surface layer portion in contact with the first semiconductor layer 22 made of P-type silicon having a resistivity ρ 1000 Ω · cm or more. It is desirable to use a substrate or an SOS (Si / sapphire) substrate. This is because the surface layer portion of the substrate can be increased in resistance and the leakage current flowing through the substrate can be reduced. Furthermore, it is desirable that the plane orientation of the P-type silicon is (111). This is because this plane orientation coincides with (111) which is a dense surface of InSb, and the InSb thin film is easy to grow. The first semiconductor layer 22 is an N-type InSb having a thickness of 1 to 3 μm formed on the substrate 21 by the MBE method. InSb is highly doped with Sn, for example, 7 × 10 ¹⁸ atoms / cm ³ . The second semiconductor layer 23 is a π-type (P ⁻ ) InSb layer having a thickness of 1 to 3 μm formed on the first semiconductor layer 22 by the MBE method. InSb has a low Zn concentration, for example, 7 × 10 ¹⁶ atoms / cm ³ doped. As the insulating layer 24, a general insulating material such as AlO _x and SiO ₂ can be used, but GaN, SiC, ZnO, etc., which are so-called wide gap semiconductors having a band gap of 3.1 eV or more, are also infrared and visible light. Therefore, it can be selected as the insulating layer 24 of the present invention because its resistivity is equivalent to that of the insulating material. The insulating layer 24 can be formed on the second semiconductor layer 23 by ALD (atomic layer deposition) method, plasma CVD method or the like, and the thickness thereof is between the second semiconductor layer 23 / insulating layer 24 / metal layer 25. 5 to 20 nm so as to form a so-called tunnel MIS junction in which a tunnel current flows. This is because when the thickness of the insulating layer 24 is 5 nm or less, insulators such as AlO _x and SiO ₂ are scattered in the form of islands on the surface of the second semiconductor layer 23, so that the second semiconductor There arises a problem that the layer 23 and the metal layer 25 are in direct contact with each other or the breakdown voltage is low. This is because when the thickness of the insulating layer 24 is 20 nm or more, a tunnel current described later hardly flows. The work function φM of the metal layer 25 is the work function φs of the second semiconductor layer 23 so that no Schottky barrier is formed between the metal layer 25 and the second semiconductor layer 23 via the insulating layer 24. It is desirable that it is larger than a certain approximately 4.68 eV or a work function difference is small, and Cr, Ni, NiCr, Pt, etc. can be used. The electrode 26 is an ohmic electrode formed on the first semiconductor layer 22, and the work function φM of the electrode 26 is less than about 4.5 eV which is the work function φs of the first semiconductor layer 22. Is smaller, and Cr, Ni, NiCr, Ti, Ag, Al, etc. can be used. Note that a metal layer with good conductivity such as Au or Cu may be further provided on the metal layer 25.

図２（ａ）は赤外線センサ２０の無バイアス時、すなわちバイアス電圧０におけるエネルギーバンドを示す模式図、図２（ｂ）は赤外線センサ２０に逆バイアスを印加したときのエネルギーバンドを示す模式図、図２（ｃ）は赤外線センサ２０に順バイアスを印加したときのエネルギーバンドを示す模式図である。図２（ａ）において、赤外線センサ２０にはバイアス電圧が印加されていないため、フェルミ電位Ｅ_Fは第１の半導体層２２、第２の半導体層２３、金属層２５において同一レベルにあり、絶縁層２４の両側にも電位差は生じていない。図２（ｂ）において、赤外線センサ２０に印加された逆バイアスＶｒは実質的に前記第１の半導体層２２と前記第２の半導体層２３との接合部（空乏層）と前記絶縁層２４の双方に印加されるため、実質上、前記絶縁層２４に印加される電界強度が低下するため、前記絶縁層２４にはトンネル電流が流れない。これにより、常温においても、逆方向電流はきわめて小さい値に留まることになる。そして、この赤外線センサ２０に逆方向バイアス電圧を印加した状態で図１に示す矢印の方向に赤外線を照射すると、前記第１の半導体層２２、第２の半導体層２３に電子−正孔対が生成され、前記第１の半導体層２２と前記第２の半導体層２３との接合部（空乏層）内の電界により電子は第１の半導体層２２の伝導帯に集められるとともに、正孔は第２の半導体層２３の価電子帯に集められる。また、第２の半導体層２３の伝導帯に励起された電子あるいは前記第１の半導体層２２と前記第２の半導体層２３間のエネルギー差を乗り越えて第２の半導体層２３の伝導帯に拡散した電子は前記絶縁層にバリアされ、金属層に拡散しないため、基板と金属層間に光起電力が発生して、赤外線を電気信号として出力できることになる。図２（ｃ）において、赤外線センサ２０に印加された順方向バイアス電圧は前記第１の半導体層２２と前記第２の半導体層２３との間の接合部間電圧Ｖ１と、前記絶縁層２４間電圧Ｖ２とに分割して印加されるが、順方向バイアスの場合には前記Ｖ１は前記Ｖ２に比べて小さくなるため、絶縁層２４間に大きな電界が印加される結果、絶縁層２４にトンネル電流が流れるようになる。これにより、この赤外線センサ２０は常温において、順方向はオン、逆方向にはオフとなるダイオード特性を示すようになり、冷却を不要とすることができるという効果が得られるものである。 2A is a schematic diagram illustrating an energy band when the infrared sensor 20 is not biased, that is, a bias voltage of 0, and FIG. 2B is a schematic diagram illustrating an energy band when a reverse bias is applied to the infrared sensor 20. FIG. 2C is a schematic diagram showing an energy band when a forward bias is applied to the infrared sensor 20. In FIG. 2 (a), since the infrared sensor 20 does not bias voltage is applied, the Fermi potential E _F is at the same level in the first semiconductor layer 22, second semiconductor layer 23, the metal layer 25, insulating There is no potential difference on both sides of the layer 24. In FIG. 2B, the reverse bias Vr applied to the infrared sensor 20 is substantially equal to the junction (depletion layer) between the first semiconductor layer 22 and the second semiconductor layer 23 and the insulating layer 24. Since it is applied to both, the electric field strength applied to the insulating layer 24 substantially decreases, so that no tunnel current flows through the insulating layer 24. As a result, the reverse current remains at a very small value even at room temperature. When infrared rays are irradiated in the direction of the arrow shown in FIG. 1 with a reverse bias voltage applied to the infrared sensor 20, electron-hole pairs are formed on the first semiconductor layer 22 and the second semiconductor layer 23. The generated electric field in the junction (depletion layer) between the first semiconductor layer 22 and the second semiconductor layer 23 causes electrons to be collected in the conduction band of the first semiconductor layer 22 and holes to 2 is collected in the valence band of the semiconductor layer 23. Further, the electrons excited in the conduction band of the second semiconductor layer 23 or the energy difference between the first semiconductor layer 22 and the second semiconductor layer 23 are overcome and diffused into the conduction band of the second semiconductor layer 23. Since the electrons are barriered by the insulating layer and do not diffuse into the metal layer, a photovoltaic force is generated between the substrate and the metal layer, and infrared light can be output as an electric signal. In FIG. 2C, the forward bias voltage applied to the infrared sensor 20 is a voltage V1 between the junction between the first semiconductor layer 22 and the second semiconductor layer 23 and between the insulating layer 24. The voltage V2 is divided and applied, but in the case of forward bias, the voltage V1 is smaller than the voltage V2, so that a large electric field is applied between the insulating layers 24. As a result, a tunnel current is applied to the insulating layer 24. Begins to flow. As a result, the infrared sensor 20 exhibits a diode characteristic in which the forward direction is on and the reverse direction is off at room temperature, and the effect that cooling is unnecessary can be obtained.

（実施の形態２）
図３は本発明の実施の形態２における赤外線センサ３０の断面図である。なお、本発明の実施の形態２における赤外線センサ３０においては、上記した本発明の実施の形態１における赤外線センサ２０の構成と同様の構成を有するものについては、同一符号を付しており、その説明は省略する。図３において、本発明の実施の形態２における赤外線センサ３０が上記した本発明の実施の形態１における赤外線センサ２０と相違する点は、前記第２の半導体層２３上にＰ型ＩｎＳｂ層からなる第３の半導体層３１とを有し、該第３の半導体層３１上にトンネル電流が流れる５〜２０ｎｍの厚さを有する絶縁層２４と、前記絶縁層の上に金属層３２とを有する点である。前記第３の半導体層３１は前記第２の半導体層２３上にＭＢＥ法により形成した厚み１〜３μｍのＰ型ＩｎＳｂ層で、ＩｎＳｂにＺｎが高濃度、たとえば３×１０¹⁸原子／ｃｍ³ドープされている。金属層３２は前記絶縁層２４を介して前記第３の半導体層３１との間にショットキーバリアが形成されないよう、金属層３２の仕事関数φＭが前記第３の半導体層３１の仕事関数φｓである略４．７２ｅＶより大きいことが望ましく、Ｎｉ、Ｐｔ、Ａｕ等が使用できる。なお、前記金属層３２の上にさらにＡｕ、Ｃｕ等の導電性の良好な金属層を設けてもよい。 (Embodiment 2)
FIG. 3 is a cross-sectional view of the infrared sensor 30 according to Embodiment 2 of the present invention. In addition, in the infrared sensor 30 in Embodiment 2 of this invention, what has the structure similar to the structure of the infrared sensor 20 in Embodiment 1 of the above-mentioned this invention is attached | subjected the same code | symbol, The Description is omitted. In FIG. 3, the infrared sensor 30 according to the second embodiment of the present invention is different from the infrared sensor 20 according to the first embodiment of the present invention described above in that a P-type InSb layer is formed on the second semiconductor layer 23. A third semiconductor layer 31, an insulating layer 24 having a thickness of 5 to 20 nm through which a tunnel current flows, and a metal layer 32 on the insulating layer. It is. The third semiconductor layer 31 is a P-type InSb layer having a thickness of 1 to 3 μm formed on the second semiconductor layer 23 by the MBE method. InSb is doped with Zn at a high concentration, for example, 3 × 10 ¹⁸ atoms / cm ^3. Has been. The work function φM of the metal layer 32 is the work function φs of the third semiconductor layer 31 so that no Schottky barrier is formed between the metal layer 32 and the third semiconductor layer 31 via the insulating layer 24. It is desirable that it is larger than some 4.72 eV, and Ni, Pt, Au, etc. can be used. Note that a metal layer with good conductivity such as Au and Cu may be further provided on the metal layer 32.

赤外線センサ３０に印加された逆バイアス電圧を印加したとき、このバイアス電圧は実質的に前記第１の半導体層２２と前記第２の半導体層２３との接合部（空乏層）と、前記第２の半導体層２３と前記第３の半導体層３１との接合部（空乏層）および、高抵抗な前記第２の半導体層２３、前記絶縁層２４に一様になだらかに掛かる状態となり、前記絶縁層２４に印加される電界強度が小さくなるため、前記絶縁層２４にはトンネル電流が流れない。これにより、常温においても、逆方向電流はきわめて小さい値に留まることになる。そして、この赤外線センサ３０に逆方向バイアス電圧を印加した状態で図１に示す矢印の方向に赤外線を照射すると、前記第１の半導体層２２、第２の半導体層２３、第３の半導体層３１に電子−正孔対が生成され、第１の半導体層２２と第２の半導体層２３間の空乏層および第２の半導体層２３と第３の半導体層３１間の空乏層内の電界により電子は第１の半導体層側へ、正孔は第３の半導体層へ集められるため、きわめて効率よく赤外線を検知できる。さらに、第３の半導体層３１の伝導帯に励起された電子あるいは第２の半導体層２３と第３の半導体層３１間のエネルギー差を乗り越えて第３の半導体層３１の伝導帯に拡散した電子は前記絶縁層２４にバリアされ、金属層３２に拡散しないため、電極２６と金属層３２間に光起電力が発生して、赤外線を電気信号として出力できることになる。赤外線センサ３０に印加された順方向バイアス電圧は前記第１の半導体層２２と前記第２の半導体層２３との接合部間電圧Ｖ１と、前記第２の半導体層２３と前記第３の半導体層３１との接合部間電圧Ｖ２と、前記絶縁層２４間電圧Ｖ３とに分割して印加されるが、順方向バイアスの場合には前記Ｖ１、Ｖ２は前記Ｖ３に比べて小さくなるため、絶縁層２４間に大きな電界が印加される結果、絶縁層２４にトンネル電流が流れるようになる。これにより、この赤外線センサ３０は常温において、順方向はオン、逆方向にはオフとなるダイオード特性を示すようになり、冷却を不要とすることができるという効果が得られる。 When the reverse bias voltage applied to the infrared sensor 30 is applied, the bias voltage substantially includes the junction (depletion layer) between the first semiconductor layer 22 and the second semiconductor layer 23, and the second The semiconductor layer 23 and the third semiconductor layer 31 are uniformly and smoothly applied to the junction (depletion layer), the high-resistance second semiconductor layer 23, and the insulating layer 24. Since the electric field strength applied to 24 is reduced, no tunnel current flows through the insulating layer 24. As a result, the reverse current remains at a very small value even at room temperature. When infrared rays are irradiated in the direction of the arrow shown in FIG. 1 with a reverse bias voltage applied to the infrared sensor 30, the first semiconductor layer 22, the second semiconductor layer 23, and the third semiconductor layer 31. Electron-hole pairs are generated in the electrons, and electrons are generated by electric fields in the depletion layer between the first semiconductor layer 22 and the second semiconductor layer 23 and in the depletion layer between the second semiconductor layer 23 and the third semiconductor layer 31. Since the holes are collected on the first semiconductor layer side and the holes are collected on the third semiconductor layer, infrared rays can be detected very efficiently. Further, electrons excited in the conduction band of the third semiconductor layer 31 or electrons diffused into the conduction band of the third semiconductor layer 31 overcoming the energy difference between the second semiconductor layer 23 and the third semiconductor layer 31. Since it is barriered by the insulating layer 24 and does not diffuse into the metal layer 32, a photovoltaic force is generated between the electrode 26 and the metal layer 32, and infrared rays can be output as an electric signal. The forward bias voltage applied to the infrared sensor 30 includes the junction voltage V1 between the first semiconductor layer 22 and the second semiconductor layer 23, the second semiconductor layer 23, and the third semiconductor layer. The voltage V2 between the junctions to 31 and the voltage V3 between the insulating layers 24 are divided and applied. However, in the case of forward bias, V1 and V2 are smaller than V3. As a result of applying a large electric field between 24, a tunnel current flows through the insulating layer 24. As a result, the infrared sensor 30 exhibits diode characteristics in which the forward direction is on and the reverse direction is off at room temperature, and the effect that cooling is unnecessary can be obtained.

（実施の形態３）
図４は本発明の実施の形態３における赤外線センサ４０の断面図である。なお、本発明の実施の形態３における赤外線センサ４０においては、上記した本発明の実施の形態１における赤外線センサ２０の構成と同様の構成を有するものについては、同一符号を付しており、その説明は省略する。図４において、本発明の実施の形態３における赤外線センサ４０が上記した本発明の実施の形態１における赤外線センサ２０と相違する点は、基板２１の裏面に赤外線に対する反射防止膜４１を有する点である。 (Embodiment 3)
FIG. 4 is a cross-sectional view of the infrared sensor 40 according to Embodiment 3 of the present invention. In addition, in the infrared sensor 40 in Embodiment 3 of this invention, what has the same structure as the structure of the infrared sensor 20 in Embodiment 1 of this invention mentioned above is attached | subjected the same code | symbol, Description is omitted. In FIG. 4, the infrared sensor 40 in the third embodiment of the present invention is different from the infrared sensor 20 in the first embodiment of the present invention described above in that an antireflection film 41 for infrared rays is provided on the back surface of the substrate 21. is there.

反射防止膜４１を単層で構成する場合には、反射防止膜の厚みをｄ、光波長λにおける屈折率をｎ₁、基板２１の光波長λにおける屈折率をｎ₂としたとき、ｎ₁ｄ＝λ／４、ｎ₁＝（ｎ₂）^1/2を満たすことが望ましく、ＳｉＯやＤＬＣ（硬質炭素膜）等が適用可能である。また、反射防止膜４１を多層で構成する場合には、ＳｉＯ₂／Ｔａ₂Ｏ₅やＳｉＯ₂／ＴｉＯ₅等が適用可能である。本発明の実施の形態３における赤外線センサ４０においては、基板２１の裏面に反射防止膜を有するため、基板２１の裏面における赤外線の反射が防止され、第１の半導体層２２と第２の半導体層２３に効率よく赤外線が到達するため、高感度の赤外線センサが構成できるという効果が得られるものである。なお、反射防止膜４１を本発明の実施の形態２における赤外線センサ３０の基板２１の裏面に設けても同様の効果が得られるものである。 When the antireflection film 41 is composed of a single layer, when the thickness of the antireflection film is d, the refractive index at the light wavelength λ is n ₁ , and the refractive index at the light wavelength λ of the substrate 21 is n ₂ , n ₁ It is desirable to satisfy d = λ / 4 and n ₁ = (n ₂ ) ^1/2 , and SiO, DLC (hard carbon film), or the like is applicable. Further, when the antireflection film 41 is composed of multiple layers, SiO ₂ / Ta ₂ O ₅ , SiO ₂ / TiO ₅ or the like can be applied. In the infrared sensor 40 according to the third embodiment of the present invention, since the antireflection film is provided on the back surface of the substrate 21, the reflection of infrared light on the back surface of the substrate 21 is prevented, and the first semiconductor layer 22 and the second semiconductor layer. Since infrared rays efficiently reach 23, an effect that a highly sensitive infrared sensor can be configured is obtained. The same effect can be obtained by providing the antireflection film 41 on the back surface of the substrate 21 of the infrared sensor 30 in the second embodiment of the present invention.

（実施の形態４）
図５は本発明の実施の形態４における赤外線センサ５０の断面図である。なお、本発明の実施の形態４における赤外線センサ５０においては、上記した本発明の実施の形態１における赤外線センサ２０の構成と同様の構成を有するものについては、同一符号を付しており、その説明は省略する。図５において、本発明の実施の形態４における赤外線センサ５０が上記した本発明の実施の形態１における赤外線センサ２０と相違する点は、基板２１の裏面にフレネルレンズ５１を有する点である。特に基板２１がシリコンからなる場合には、このフレネルレンズ５１は公知のフォトリソグラフィー技術を用いて形成することができる。本発明の実施の形態４における赤外線センサ５０においては、基板２１の裏面に形成したフレネルレンズ５１により基板２１に入射した赤外線が第１の半導体層２２と第２の半導体層２３に集束されるため、さらに高感度の赤外線センサが構成できるという効果が得られるものである。なお、フレネルレンズ５１を本発明の実施の形態２における赤外線センサ３０の基板２１の裏面に設けても同様の効果が得られるものである。また、本発明の実施の形態４における赤外線センサ５０のフレネルレンズ５１の表面に反射防止膜を形成すれば、フレネルレンズ５１の表面における赤外線の反射が防止され、さらに高感度の赤外線センサが構成できる。また、本発明の実施の形態２における赤外線センサ３０の基板２１の裏面にフレネルレンズ５１を形成し、このフレネルレンズ５１の表面に反射防止膜を形成すれば、さらに高感度の赤外線センサが構成できる。 (Embodiment 4)
FIG. 5 is a cross-sectional view of infrared sensor 50 according to Embodiment 4 of the present invention. In addition, in the infrared sensor 50 in Embodiment 4 of this invention, what has the structure similar to the structure of the infrared sensor 20 in Embodiment 1 of the above-mentioned this invention is attached | subjected the same code | symbol, Description is omitted. In FIG. 5, the infrared sensor 50 according to the fourth embodiment of the present invention is different from the infrared sensor 20 according to the first embodiment of the present invention described above in that a Fresnel lens 51 is provided on the back surface of the substrate 21. In particular, when the substrate 21 is made of silicon, the Fresnel lens 51 can be formed using a known photolithography technique. In the infrared sensor 50 according to the fourth embodiment of the present invention, infrared light incident on the substrate 21 is focused on the first semiconductor layer 22 and the second semiconductor layer 23 by the Fresnel lens 51 formed on the back surface of the substrate 21. In addition, an effect that a highly sensitive infrared sensor can be configured can be obtained. The same effect can be obtained even if the Fresnel lens 51 is provided on the back surface of the substrate 21 of the infrared sensor 30 in the second embodiment of the present invention. In addition, if an antireflection film is formed on the surface of the Fresnel lens 51 of the infrared sensor 50 according to Embodiment 4 of the present invention, reflection of infrared light on the surface of the Fresnel lens 51 is prevented, and a highly sensitive infrared sensor can be configured. . Further, if a Fresnel lens 51 is formed on the back surface of the substrate 21 of the infrared sensor 30 in Embodiment 2 of the present invention, and an antireflection film is formed on the surface of the Fresnel lens 51, a more sensitive infrared sensor can be configured. .

本発明に係る赤外線センサは冷却が不要であるとともに、光起電力の大きい高感度の量子型赤外線センサを提供できるという効果を有するものであり、特に、人体検出装置や、非接触温度検出装置あるいはガス検出装置等で赤外線を検出する赤外線センサとして有用なものである。 The infrared sensor according to the present invention does not require cooling, and has the effect of providing a high-sensitivity quantum infrared sensor having a large photovoltaic power, and in particular, a human body detection device, a non-contact temperature detection device, It is useful as an infrared sensor that detects infrared rays with a gas detection device or the like.

２０、３０、４０、５０赤外線センサ
２１基板
２２第１の半導体層
２３第２の半導体層
２４絶縁層
２５金属層
３１第３の半導体層
３２金属層 20, 30, 40, 50 Infrared sensor 21 Substrate 22 First semiconductor layer 23 Second semiconductor layer 24 Insulating layer 25 Metal layer 31 Third semiconductor layer 32 Metal layer

Claims

A substrate, a first semiconductor layer made of N-type InSb formed on the substrate, and a second semiconductor layer made of π (P ⁻ ) InSb layer formed on the first semiconductor layer. An infrared sensor having an insulating layer having a thickness of 5 to 20 nm through which a tunnel current flows on the second semiconductor layer, and a metal layer on the insulating layer.

A substrate, a first semiconductor layer made of N-type InSb formed on the substrate, and a second semiconductor layer made of π (P ⁻ ) -type InSb layer formed on the first semiconductor layer; An infrared sensor having a third semiconductor layer made of a P-type InSb layer formed on the second semiconductor layer, and having a thickness of 5 to 20 nm through which a tunnel current flows on the third semiconductor layer. An infrared sensor having an insulating layer having a metal layer on the insulating layer.

The infrared sensor according to claim 1, wherein at least a surface layer portion in contact with the first semiconductor layer of the substrate is P-type silicon.

4. The infrared sensor according to claim 3, wherein the surface orientation of the surface layer portion is a (111) plane.

The infrared sensor according to claim 1, further comprising an antireflection film for infrared rays on a back surface of the substrate.

6. The infrared sensor according to claim 1, further comprising a Fresnel lens on the back surface of the substrate.