JP4783686B2 - III-V group nitride semiconductor, photocatalytic semiconductor element, photocatalytic oxidation-reduction reaction apparatus, and photoelectrochemical reaction execution method - Google Patents
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Description
本発明は、光を受けて酸化還元反応の触媒作用を発現させるIII −V族窒化物半導体、光触媒半導体素子、光触媒酸化還元反応装置および光電気化学反応実行方法に関する。 The present invention relates to a group III-V nitride semiconductor, a photocatalytic semiconductor element, a photocatalytic oxidation-reduction reaction apparatus, and a photoelectrochemical reaction execution method that receive light to develop a catalytic action of a redox reaction.
近年、光触媒を利用して、例えばエネルギー分野においては光照射によって水を電気分解して水素ガスなどのエネルギーを得たり、また環境分野においては光照射によって有害物質や有機物を分解することが広く行われている。
光触媒として、例えば窒化ガリウム(GaN)などのIII −V族窒化物半導体化合物(以下、「III −V族化合物」ともいう。)は、熱などに対する耐久性、耐ガス性、耐溶剤性が高いことにより、例えば高温の動作環境の光触媒反応において好適に使用することができる。
In recent years, using photocatalysts, in the energy field, for example, water is electrolyzed to obtain energy such as hydrogen gas by light irradiation, and in the environmental field, harmful substances and organic substances are widely decomposed by light irradiation. It has been broken.
As a photocatalyst, for example, a group III-V nitride semiconductor compound such as gallium nitride (GaN) (hereinafter also referred to as “III-V group compound”) has high durability against heat, gas resistance, and solvent resistance. Thus, it can be suitably used in, for example, a photocatalytic reaction in a high-temperature operating environment.
III −V族化合物としては、例えば、それが半導体発光素子として用いられたものが開示されている(例えば、特許文献1および特許文献2参照。)。
そして、半導体発光素子として用いる場合においてはその素子を動作させる目的で、半導体特性が互いに異なる複数の層を積層して用いることが一般的に行われている(例えば、特許文献3,4参照。)。
As the III-V group compound, for example, a compound in which it is used as a semiconductor light emitting device is disclosed (for example, see Patent Document 1 and Patent Document 2).
When used as a semiconductor light emitting device, it is generally performed by using a plurality of layers having different semiconductor characteristics for the purpose of operating the device (see, for example, Patent Documents 3 and 4). ).
然るに、これらの積層構造の半導体は半導体発光素子として用いられるものであり、光触媒効率などのエネルギー変換効率を、連続して積層させた半導体結晶同士の相互作用などによる結晶特性から向上させる試みは今までになかった。 However, these stacked semiconductors are used as semiconductor light-emitting devices, and attempts to improve energy conversion efficiency such as photocatalytic efficiency from the crystal characteristics due to the interaction between stacked semiconductor crystals are now underway. Never before.
また、光触媒による電気分解装置を構成する光触媒半導体素子として酸化還元反応に用いる場合に、半導体特性が互いに異なる複数の層を積層して用いることが行われている(例えば、特許文献5〜8参照。)。 Moreover, when using it for an oxidation reduction reaction as a photocatalyst semiconductor element which comprises the electrolysis apparatus by a photocatalyst, it is performed using several layers from which semiconductor characteristics mutually differ (for example, refer patent documents 5-8). .)
然るに、このような光触媒による電気分解装置に用いられる積層構造の半導体は、単結晶体を連続的に積層した構造ではなく非晶体や多結晶体を積層させたものであり、さらに、この光触媒による電気分解装置に用いる半導体素子においても、光触媒効率などのエネルギー変換効率を結晶構造から向上させる試みは今までになかった。 However, a laminated semiconductor used in such a photocatalytic electrolysis apparatus is not a structure in which single crystals are continuously laminated, but is formed by laminating amorphous or polycrystalline materials. There has never been an attempt to improve energy conversion efficiency such as photocatalytic efficiency from a crystal structure in a semiconductor element used in an electrolysis apparatus.
本発明は、以上のような事情を考慮してなされたものであって、その目的は、光照射により高い光変換効率で酸化還元反応を生じさせる光触媒酸化還元反応用のIII −V族窒化物半導体、およびこれを有する光触媒半導体素子を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、光照射により高い光変換効率で酸化還元反応を生じさせることができる光触媒酸化還元反応装置およびこの装置を用いた光電気化学反応実行方法を提供することにある。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and its object is to make a group III-V nitride for photocatalytic oxidation-reduction reaction that causes oxidation-reduction reaction with high light conversion efficiency by light irradiation. An object is to provide a semiconductor and a photocatalytic semiconductor element having the same.
Another object of the present invention is to provide a photocatalytic oxidation-reduction reaction apparatus capable of causing an oxidation-reduction reaction with high light conversion efficiency by light irradiation, and a photoelectrochemical reaction execution method using this apparatus. .
本発明のIII −V族窒化物半導体は、光触媒酸化還元反応用のものであって、
互いに半導体特性の異なる基層およびこの基層に積層された表層を有し、
前記基層と前記表層とが接触する界面が形成されることにより、少なくとも表層がキャリア移動促進作用を有し、
前記基層および前記表層が、その導電型が互いに異なるものであり、
前記表層の厚さが10〜18nmであることを特徴とする。
The group III-V nitride semiconductor of the present invention is for photocatalytic oxidation-reduction reaction,
Having a base layer having different semiconductor characteristics and a surface layer laminated on the base layer,
By the surface layer and the base layer surface to contact is formed, at least the surface layer have a carrier transfer promoting effect,
The base layer and the surface layer have different conductivity types,
The surface layer has a thickness of 10 to 18 nm .
また、表層を形成する物質のバンドギャップエネルギーEgLが、基層を形成する物質のバンドギャップエネルギーEgHより小さい構成とすることができる。 Further, the band gap energy EgL of the material forming the surface layer may be smaller than the band gap energy EgH of the material forming the base layer.
本発明の光触媒半導体素子は、光触媒酸化還元反応用のものであって、
基板上に上記のIII −V族窒化物半導体が積層されていることを特徴とする。
The photocatalytic semiconductor element of the present invention is for a photocatalytic oxidation-reduction reaction,
The group III-V nitride semiconductor is laminated on a substrate.
本発明の光触媒酸化還元反応装置は、光触媒酸化還元反応用のものであって、
電解液に接触した状態とされて互いに電気的に接続された一対の電気分解用電極のうち一方の電極が上記のIII −V族窒化物半導体よりなり、
当該III −V族窒化物半導体を構成する触媒反応面に光が照射されることにより、酸化反応または還元反応が当該触媒反応面において生じるものであることを特徴とする。
The photocatalytic redox reaction apparatus of the present invention is for a photocatalytic redox reaction,
One of the pair of electrodes for electrolysis that are in contact with the electrolytic solution and electrically connected to each other is made of the above-mentioned group III-V nitride semiconductor,
It is characterized in that an oxidation reaction or a reduction reaction occurs on the catalytic reaction surface by irradiating light to the catalytic reaction surface constituting the group III-V nitride semiconductor.
この光触媒酸化還元反応装置においては、III −V族窒化物半導体における触媒反応面に光が照射されると共に一対の電気分解用電極間に電圧が印加されることにより、酸化反応または還元反応が当該触媒反応面において生じる構成とされることが好ましい。 In this photocatalytic oxidation-reduction reaction device, light is applied to the catalytic reaction surface of the III-V nitride semiconductor and a voltage is applied between a pair of electrodes for electrolysis, whereby the oxidation reaction or reduction reaction is performed. It is preferable that the structure be generated on the catalytic reaction surface.
本発明の光電気化学反応実行方法は、上記のIII −V族窒化物半導体を用い、当該III −V族窒化物半導体における触媒反応面に励起光を照射し、当該触媒反応面において酸化反応または還元反応を生じさせることを特徴とする。 The photoelectrochemical reaction execution method of the present invention uses the above III-V nitride semiconductor, irradiates the catalytic reaction surface in the III-V nitride semiconductor with excitation light, and performs oxidation reaction or It is characterized by causing a reduction reaction.
本発明のIII −V族窒化物半導体および光触媒半導体素子によれば、光照射によって発生されたキャリアが、互いに半導体特性の異なる基層および表層が界面を有するよう連続して積層された結果これらの相互作用などによって得られる新たな半導体特性、具体的には新たなバンド端電位やキャリア移動度の影響を受けることにより、当該光照射によって発生されたキャリアが高い効率で触媒反応面における酸化還元反応に寄与することとなり、結局、光照射により高い光変換効率で酸化還元反応を生じさせることができる。 According to the group III-V nitride semiconductor and the photocatalytic semiconductor element of the present invention, the carriers generated by light irradiation are successively laminated so that the base layer and the surface layer having different semiconductor characteristics have an interface. As a result of the influence of new semiconductor characteristics obtained by the action, specifically the new band edge potential and carrier mobility, the carriers generated by the light irradiation can be efficiently converted into redox reactions on the catalytic reaction surface. In the end, it is possible to cause an oxidation-reduction reaction with high light conversion efficiency by light irradiation.
本発明の光触媒酸化還元反応装置および光電気化学反応実行方法によれば、上記の光触媒半導体素子を有するために、触媒反応面への光照射により高い光変換効率で酸化還元反応を生じさせることができる。 According to the photocatalytic oxidation-reduction reaction apparatus and the photoelectrochemical reaction execution method of the present invention, since the photocatalytic semiconductor element is provided, an oxidation-reduction reaction can be caused with high photoconversion efficiency by light irradiation on the catalytic reaction surface. it can.
以下、本発明について具体的に説明する。 Hereinafter, the present invention will be specifically described.
図1は、本発明のIII −V族窒化物半導体を有する光触媒半導体素子の構成の一例を、集電用部材が設けられた状態で示す模式的断面図、図2は、図1のIII −V族窒化物半導体の構造を模式的に示す説明用図である。 FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of the configuration of a photocatalytic semiconductor element having a III-V group nitride semiconductor of the present invention in a state in which a current collecting member is provided, and FIG. It is explanatory drawing which shows the structure of a group V nitride semiconductor typically.
<III −V族窒化物半導体>
本発明のIII −V族窒化物半導体20は、光触媒酸化還元反応用のものであって、多層状に互いに半導体特性の異なる基層20αおよびこの基層20αに積層された表層20βを有し、前記基層20αと前記表層20βとが接触する界面が形成されることにより、少なくとも表層20βがキャリア移動促進作用を有するものである。以下、表層をキャリア移動促進層ともいう。
<III-V group nitride semiconductor>
The group III-V nitride semiconductor 20 of the present invention is for a photocatalytic oxidation-reduction reaction, and has a base layer 20α having different semiconductor characteristics in a multilayer form and a surface layer 20β laminated on the base layer 20α. By forming an interface where 20α and the surface layer 20β are in contact with each other, at least the surface layer 20β has an effect of promoting carrier movement. Hereinafter, the surface layer is also referred to as a carrier movement promoting layer.
このようなIII −V族窒化物半導体20の基層20αおよびキャリア移動促進層20βを構成するIII −V族化合物としては、例えば下記一般式(1)で表されるものを挙げることができる。
一般式(1):AlyGa1-x-yInxN1-m-nPmAsn
〔上記一般式(1)中、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1、0≦m≦1、0≦n≦1、0≦m+n≦1である。〕
なお、III −V族窒化物半導体20の基層20αおよびキャリア移動促進層20βを構成するIII −V族化合物として上記一般式(1)で表されるIII −V族化合物のうち、m=n=0であってV族原子として窒素しか含まない化合物を用いる場合は、特願2005−025831号に記載されているように、x−y≦0.45、0≦x≦1、0≦y≦1である化合物を用いることにより、高い光変換効率で水の酸化還元反応が行われて水素ガスを発生させることができる。
Examples of the III-V group compound constituting the base layer 20α and the carrier transfer promoting layer 20β of the III-V group nitride semiconductor 20 include those represented by the following general formula (1).
Formula (1): Al y Ga 1 -xy In x N 1-mn P m As n
[In the general formula (1), 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1, 0 ≦ m ≦ 1, 0 ≦ n ≦ 1, 0 ≦ m + n ≦ 1. ]
Of the III-V group compounds represented by the above general formula (1) as the III-V group compounds constituting the base layer 20α and the carrier transfer promoting layer 20β of the III-V group nitride semiconductor 20, m = n = In the case of using a compound that is 0 and contains only nitrogen as a group V atom, as described in Japanese Patent Application No. 2005-025831, xy ≦ 0.45, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ By using the compound which is 1, hydrogen oxidation-reduction reaction can be performed with high light conversion efficiency, and hydrogen gas can be generated.
III −V族窒化物半導体20を構成するIII −V族化合物におけるIII 族原子の供給原料としては、トリメチルガリウム((CH3)3Ga)(以下、「TMGa」ともいう。)、トリエチルガリウム((C2H5)3Ga)などのトリアルキルガリウム類;トリメチルアルミニウム((CH3)3Al)、トリエチルアルミニウム((C2H5)3Al)などのトリアルキルアルミニウム類;トリメチルインジウム((CH3)3In)、トリエチルインジウム((C2H5)3In)などのトリアルキルインジウム類などが挙げられる。これらは、単独でまたは2種以上を組み合わせて用いることができる。 As a feedstock for the group III atom in the group III-V compound constituting the group III-V nitride semiconductor 20, trimethylgallium ((CH 3 ) 3 Ga) (hereinafter also referred to as “TMGa”), triethylgallium ( Trialkylgalliums such as (C 2 H 5 ) 3 Ga); trialkylaluminums such as trimethylaluminum ((CH 3 ) 3 Al) and triethylaluminum ((C 2 H 5 ) 3 Al); trimethylindium (( And trialkylindiums such as CH 3 ) 3 In) and triethylindium ((C 2 H 5 ) 3 In). These can be used alone or in combination of two or more.
III −V族窒化物半導体20のV族原子の供給原料としては、アンモニア、ヒドラジン、メチルヒドラジン、1,1−ジメチルヒドラジン、1,2−ジメチルヒドラジン、t−ブチルアミン、エチレンジアミンなどを用いることができる。これらは単独でまたは2種以上を混合して用いることができる。これらの供給原料のうち、取り扱いやすさから、アンモニアを用いることが好ましい。 As the feedstock for the group V atoms of the group III-V nitride semiconductor 20, ammonia, hydrazine, methyl hydrazine, 1,1-dimethylhydrazine, 1,2-dimethylhydrazine, t-butylamine, ethylenediamine, and the like can be used. . These can be used alone or in admixture of two or more. Of these feedstocks, it is preferable to use ammonia for ease of handling.
また、III −V族窒化物半導体20を構成するIII −V族化合物は、必要に応じて例えばIII 族原子より原子価の大きい不純物であるケイ素原子(Si)などの不純物をドープしたものとすることができる。このようにIII 族原子よりも原子価の多い不純物がドープされることにより、III −V族窒化物半導体20がn型のものとなる。このようなケイ素原子(Si)の供給原料としては、シラン(SiH4)、ジシラン(Si2H6)、モノメチルシラン(Si(CH3)H3)などを用いることができる。
一方、例えばIII 族原子より原子価の少ない不純物である例えばマグネシウム(Mg)などをドープしたものとすることによって、p型のIII −V族窒化物半導体を得ることができる。このようなマグネシウム原子(Mg)の供給原料としてはシクロペンタジエニルマグネシウム((C2H5)2Mg)などを用いることができる。
Further, the group III-V compound constituting the group III-V nitride semiconductor 20 is doped, for example, with an impurity such as a silicon atom (Si), which is an impurity having a higher valence than the group III atom. be able to. Thus, by doping an impurity having a higher valence than the group III atom, the group III-V nitride semiconductor 20 becomes an n-type. Silane (SiH 4 ), disilane (Si 2 H 6 ), monomethylsilane (Si (CH 3 ) H 3 ), or the like can be used as a feedstock for such silicon atoms (Si).
On the other hand, a p-type group III-V nitride semiconductor can be obtained by doping, for example, magnesium (Mg), which is an impurity having a lower valence than group III atoms. Cyclopentadienyl magnesium ((C 2 H 5 ) 2 Mg) or the like can be used as such a feedstock for magnesium atoms (Mg).
このようなIII −V族窒化物半導体20を構成するIII −V族化合物は、単結晶性が高いことが好ましい。III −V族化合物が単結晶性の高いものであることにより、III −V族窒化物半導体20が結晶欠陥密度の低減されたものとなって光照射により生成されたキャリアの再結合が抑制されるので、高い光変換効率で酸化還元反応を生じさせることができる。
ここに、「単結晶性が高い」とは、一の単結晶粒と他の単結晶粒とを隔てる粒界の存在する程度が低いこと、および結晶中に存在する転位、析出物、点欠陥などの結晶欠陥が少ないことを示す。
The group III-V compound constituting such a group III-V nitride semiconductor 20 preferably has high single crystallinity. Since the group III-V compound has high single crystallinity, the group III-V nitride semiconductor 20 has a reduced crystal defect density, and recombination of carriers generated by light irradiation is suppressed. Therefore, the oxidation-reduction reaction can be caused with high light conversion efficiency.
Here, “high single crystallinity” means that the degree of existence of a grain boundary separating one single crystal grain from another single crystal grain is low, and that dislocations, precipitates, and point defects exist in the crystal. It shows that there are few crystal defects such as.
III −V族窒化物半導体20の基層20αおよびキャリア移動促進層20βを形成するIII −V族化合物のp型特性、n型特性、およびキャリア濃度などの半導体特性の測定としては、特に限定されないが、本明細書中においては、van der Pauw法によって、磁場を印加しない場合の電流と電圧の関係が直線的となる電流値に設定して25℃で4000gaussの磁場を印加した状態で行われるものである。なお、多層構造を有する場合など、各層について直接測定することが難しい場合は、目的とする層を形成するIII −V族化合物と同一の化合物により別途作製した単層状のものについてp型特性、n型特性、およびキャリア濃度の測定を行うことにより、各層の半導体特性の類推を行うことができる。 The measurement of semiconductor characteristics such as p-type characteristics, n-type characteristics, and carrier concentration of the III-V group compound forming the base layer 20α and the carrier transfer promoting layer 20β of the III-V nitride semiconductor 20 is not particularly limited. In the present specification, by the van der Pauw method, the current and voltage when the magnetic field is not applied is set to a linear current value, and a magnetic field of 4000 gauss is applied at 25 ° C. It is. When it is difficult to directly measure each layer, such as when it has a multilayer structure, p-type characteristics, n for a single layer separately prepared from the same compound as the III-V group compound forming the target layer By measuring the mold characteristics and the carrier concentration, the semiconductor characteristics of each layer can be analogized.
また、基層20α、キャリア移動促進層20βを形成するIII −V族化合物のIII 族原子組成比、V族原子組成比は、通常の組成比の測定方法によって測定することができる。なお、多層構造を有する場合など、各層について直接測定することが難しい場合は、目的とする層を形成するIII −V族化合物と同一の化合物により別途作製した単層状のものについてそのIII 族原子組成比、V族原子組成比を測定することにより、各層の組成比の類推を行うことができる。
本明細書において各層のIII 族原子組成比、およびV族原子組成比は、X線による格子定数の測定、および、従来公知の室温におけるフォトルミネッセンス測定によって行ったものである。X線による格子定数の測定方法としては、適宜の公知の方法を挙げることができ、例えば、触媒反応面Rである(0001)面の垂直方向に対してそれぞれ入射角、反射角が同じになる(0002)面において反射角度を測定することにより、得ることができる。
In addition, the group III atom composition ratio and the group V atom composition ratio of the group III-V compound forming the base layer 20α and the carrier transfer promoting layer 20β can be measured by an ordinary method for measuring the composition ratio. If it is difficult to directly measure each layer, such as when it has a multilayer structure, the group III atomic composition of a single layer separately prepared from the same compound as the group III-V compound that forms the target layer By measuring the ratio and the V group atomic composition ratio, the composition ratio of each layer can be analogized.
In this specification, the group III atom composition ratio and the group V atom composition ratio of each layer are measured by measurement of lattice constants by X-rays and conventionally known photoluminescence measurement at room temperature. As a method for measuring the lattice constant by X-rays, an appropriate known method can be cited. For example, the incident angle and the reflection angle are the same with respect to the direction perpendicular to the (0001) plane which is the catalytic reaction surface R. It can be obtained by measuring the reflection angle on the (0002) plane.
このIII −V族窒化物半導体20は、触媒反応面Rに連続する光触媒キャリア発生部分Mを有しており、この光触媒キャリア発生部分Mは、触媒反応面Rまたはその反対面に励起光L(図3参照)が照射された場合に、光吸収を生じさせることのできる部分であって、この光吸収により当該光触媒キャリア発生部分M内部においてはキャリアが発生され、この発生されたキャリアが触媒反応面Rに輸送されることによって当該触媒反応面Rにおいて酸化反応または還元反応が生ずる。
この光触媒キャリア発生部分Mは、基層20αおよびキャリア移動促進層20βを構成する物質の種類やキャリア移動促進層20βの厚さ、または照射される光の強度などによって異なるが、キャリア移動促進層の一部、キャリア移動促進層の全部、キャリア移動促進層の全部および基層の一部、またはキャリア移動促進層および基層の全部により、構成されているものである。
図2においては、光触媒キャリア発生部分Mが、キャリア移動促進層20βの全部および基層20αの一部よりなる場合が示されている。
なお、この光触媒キャリア発生部分Mは、触媒反応面Rから励起光Lが入射した場合に有効な光吸収が得られる位置(例えば、図2における深さtの位置)よりも触媒反応面R側の部分とされる。
The group III-V nitride semiconductor 20 has a photocatalyst carrier generation portion M that is continuous with the catalyst reaction surface R. The photocatalyst carrier generation portion M is formed on the catalyst reaction surface R or the opposite surface with excitation light L ( 3), a portion capable of causing light absorption, carriers are generated in the photocatalyst carrier generation portion M due to the light absorption, and the generated carriers are subjected to catalytic reaction. By being transported to the surface R, an oxidation reaction or a reduction reaction occurs on the catalytic reaction surface R.
The photocatalyst carrier generation portion M differs depending on the kind of substances constituting the base layer 20α and the carrier movement promotion layer 20β, the thickness of the carrier movement promotion layer 20β, or the intensity of irradiated light. Part, all of the carrier movement promotion layer, all of the carrier movement promotion layer and a part of the base layer, or all of the carrier movement promotion layer and the base layer.
FIG. 2 shows a case where the photocatalyst carrier generation portion M is composed of the entire carrier movement promoting layer 20β and a part of the base layer 20α.
The photocatalyst carrier generation portion M is located on the side of the catalyst reaction surface R from the position where effective light absorption is obtained when the excitation light L is incident from the catalyst reaction surface R (for example, the position at the depth t in FIG. 2). It is said that part.
III −V族窒化物半導体20を構成する、互いに半導体特性が異なる基層およびキャリア移動促進層の組み合わせとしては、下記〔1〕〜〔3〕を挙げることができる。 Examples of the combination of the base layer and the carrier migration promoting layer that constitute the III-V nitride semiconductor 20 and that have different semiconductor characteristics can include the following [1] to [3].
〔1〕n−p構造
第1の例のn−p構造のIII −V族窒化物半導体20は、基層20αおよびキャリア移動促進層20βとが、その導電型が互いに異なるものとされたものである。
例えば、後記に詳述するように当該III −V族窒化物半導体20を用いた光触媒半導体素子10(図3参照。)を陽極として用いる場合には、基層20αをn型のIII −V族化合物により形成すると共にキャリア移動促進層20βをp型のIII −V族化合物により形成されたものとされる。
ここに、「導電型」とは、n型、p型の区分をいい、電気的キャリアが電子(e-)である半導体をn型のものといい、電気的キャリアが正孔(h+)である半導体をp型のものという。
この例において、キャリア移動促進層20βの厚さは、キャリア移動促進層を構成するIII −V族化合物がp型半導体としての挙動を示さない厚みの範囲のうち、厚みが大きいものであることが好ましく、キャリア移動促進層20βの厚さとしては、当該キャリア移動促進層20βを構成するIII −V族化合物によっても異なるが、p型の半導体として挙動しない、例えば18nm以下であり、より好ましくは10〜18nmである。キャリア移動促進層20βの厚さが18nmよりも大きい場合は、キャリア移動促進層を構成するIII −V族化合物がp型の半導体として挙動してしまう。
このようなn−p構造とすることにより、n型の半導体層のみによるIII −V族窒化物半導体を用いた光触媒半導体素子に比して、伝導帯のバンド端電位がマイナス方向にシフトすることとなり、従って水素発生電位との電位差を増大させることができ、高い光変換効率で水の電気分解を行うことができる。
[1] np structure The III-V group nitride semiconductor 20 having the np structure in the first example is such that the base layer 20α and the carrier transfer promoting layer 20β have different conductivity types. is there.
For example, as will be described in detail later, when the photocatalytic semiconductor element 10 (see FIG. 3) using the group III-V nitride semiconductor 20 is used as an anode, the base layer 20α is an n-type group III-V compound. And the carrier transfer promoting layer 20β is formed of a p-type III-V group compound.
Here, the “conductivity type” refers to n-type and p-type classification, a semiconductor whose electric carrier is an electron (e − ) is called an n-type semiconductor, and an electric carrier is a hole (h + ). This semiconductor is called p-type.
In this example, the thickness of the carrier movement promoting layer 20β is such that the III-V group compound constituting the carrier movement promoting layer has a large thickness within a range where the behavior as a p-type semiconductor is not exhibited. Preferably, the thickness of the carrier movement promoting layer 20β differs depending on the III-V group compound constituting the carrier movement promoting layer 20β, but does not behave as a p-type semiconductor, for example, 18 nm or less, more preferably 10 ~ 18nm. When the thickness of the carrier movement promotion layer 20β is larger than 18 nm, the III-V group compound constituting the carrier movement promotion layer behaves as a p-type semiconductor.
By adopting such an np structure, the band edge potential of the conduction band is shifted in the negative direction as compared with a photocatalytic semiconductor element using a group III-V nitride semiconductor composed only of an n-type semiconductor layer. Therefore, the potential difference from the hydrogen generation potential can be increased, and the water can be electrolyzed with high light conversion efficiency.
また例えば、当該III −V族窒化物半導体20を用いた光触媒半導体素子10を陰極として用いる場合には、基層20αをp型のIII −V族化合物により形成すると共にキャリア移動促進層20βをn型のIII −V族化合物により形成されたものとされる。
この例において、キャリア移動促進層20βの厚さは、キャリア移動促進層を構成するIII −V族化合物がn型半導体としての挙動を示さない厚みの範囲のうち、厚みが大きいものであることが好ましい。
このような構造とすることにより、p型の半導体層のみによるIII −V族窒化物半導体を用いた光触媒半導体素子に比して、価電子帯のバンド端電位がプラス方向にシフトすることとなり、従って酸素発生電位との電位差を増大させることができ、高い光変換効率で水の電気分解を行うことができる。
Further, for example, when the photocatalytic semiconductor element 10 using the III-V group nitride semiconductor 20 is used as a cathode, the base layer 20α is formed of a p-type III-V compound and the carrier movement promoting layer 20β is an n-type. Of the III-V group.
In this example, the thickness of the carrier movement promoting layer 20β is such that the III-V group compound constituting the carrier movement promoting layer has a large thickness within a range where the behavior as an n-type semiconductor is not exhibited. preferable.
By adopting such a structure, the band edge potential of the valence band shifts in the positive direction as compared with the photocatalytic semiconductor element using a group III-V nitride semiconductor composed only of the p-type semiconductor layer. Therefore, the potential difference from the oxygen generation potential can be increased, and water can be electrolyzed with high light conversion efficiency.
なお、このようなn−p構造のIII −V族窒化物半導体20は、そのキャリア移動促進層20βが、基層20αを構成するIII −V族化合物の導電型と異なる導電型を有するが、III −V族窒化物半導体20全体としては、基層20αを構成するIII −V族化合物の導電型を示すとみなされる。 In addition, in the III-V group nitride semiconductor 20 having such an np structure, the carrier transfer promotion layer 20β has a conductivity type different from that of the III-V group compound constituting the base layer 20α. The group −V nitride semiconductor 20 as a whole is considered to exhibit the conductivity type of the group III-V compound constituting the base layer 20α.
〔2〕n+−n-構造
第2の例のn+−n-構造のIII −V族窒化物半導体20は、基層20αおよびキャリア移動促進層20βとが、その導電型が同一であって、基層20αのキャリア濃度が、キャリア移動促進層20βのキャリア濃度よりも高いものとされたものである。
例えば、当該III −V族窒化物半導体20を用いた光触媒半導体素子10を陽極として用いる場合には、基層20αおよびキャリア移動促進層20βをそれぞれn型のIII −V族化合物により形成し、かつ、基層20αのキャリア濃度を例えば8.0×1017cm-3よりも大きくすると共にキャリア移動促進層20βのキャリア濃度を8.0×1017cm-3以下とするものである。基層20αのキャリア濃度は、より好ましくは1.0×1018cm-3以上であり、特に好ましくは2.0×1018cm-3以上である。また、キャリア移動促進層20βのキャリア濃度は、より好ましくは5.0×1017cm-3以下、特に好ましくは1.0×1017cm-3以下である。
基層20αおよびキャリア移動促進層20βのキャリア濃度の差は、有効なキャリア移動度を得るためには、5.0×1017cm-3以上であることが好ましい。
このようなn+−n-構造とすることにより、光触媒キャリア発生部分Mにおいて、濃度勾配が形成されて大きなキャリア移動度を得ることができ、その結果、高い光変換効率を得ることができる。
[2] n + -n - structure n + -n of the second embodiment - III -V nitride semiconductor 20 of the structure includes a base layer 20α and carrier movement promoting layer 20β is, the conductivity types are the same The carrier concentration of the base layer 20α is higher than the carrier concentration of the carrier movement promoting layer 20β.
For example, when the photocatalytic semiconductor element 10 using the III-V group nitride semiconductor 20 is used as an anode, the base layer 20α and the carrier transfer promoting layer 20β are each formed of an n-type III-V group compound, and The carrier concentration of the base layer 20α is set higher than, for example, 8.0 × 10 17 cm −3 and the carrier concentration of the carrier movement promoting layer 20β is set to 8.0 × 10 17 cm −3 or less. The carrier concentration of the base layer 20α is more preferably 1.0 × 10 18 cm −3 or more, and particularly preferably 2.0 × 10 18 cm −3 or more. The carrier concentration of the carrier movement promoting layer 20β is more preferably 5.0 × 10 17 cm −3 or less, and particularly preferably 1.0 × 10 17 cm −3 or less.
The difference in carrier concentration between the base layer 20α and the carrier movement promoting layer 20β is preferably 5.0 × 10 17 cm −3 or more in order to obtain effective carrier mobility.
With such an n + -n − structure, a concentration gradient is formed in the photocatalyst carrier generation portion M, and a large carrier mobility can be obtained. As a result, high photoconversion efficiency can be obtained.
また例えば、当該III −V族窒化物半導体20を用いた光触媒半導体素子10を陰極として用いる場合には、基層20αおよびキャリア移動促進層20βをそれぞれp型のIII −V族化合物により形成し、かつ、基層20αのキャリア濃度が、キャリア移動促進層20βのキャリア濃度よりも高いものとされたものとすればよい。 Further, for example, when the photocatalytic semiconductor element 10 using the III-V group nitride semiconductor 20 is used as a cathode, the base layer 20α and the carrier transfer promoting layer 20β are each formed of a p-type III-V group compound, and The carrier concentration of the base layer 20α may be higher than the carrier concentration of the carrier movement promotion layer 20β.
〔3〕EgH−EgL構造
第3の例のEgH−EgL構造のIII −V族窒化物半導体20は、キャリア移動促進層20βを形成するIII −V族化合物のバンドギャップエネルギーEgLが、基層20αを形成するIII −V族化合物のバンドギャップエネルギーEgHよりも小さいものとされたものである。
例えば、当該III −V族窒化物半導体20を用いた光触媒半導体素子10を陽極として用いる場合には、基層20αおよびキャリア移動促進層20βをそれぞれn型のIII −V族化合物により形成し、かつ、基層20αのバンドギャップエネルギーEgHとキャリア移動促進層20βのバンドギャップエネルギーEgLとの差をIII 族原子組成を調整するなどによって0.1eV以上とする。この基層20αのバンドギャップエネルギーEgHとキャリア移動促進層20βのバンドギャップエネルギーEgLとの差は、0.1eV以上1.5eV以下であることが好ましく、より好ましくは0.2eV以上1.2eV以下、特に好ましくは0.3eV以上1.0eV以下である。
通常、バンドギャップエネルギーEgを小さくするに従って伝導帯のバンド端電位はInGaNよりなる層の特性の影響を強く受けてしまうためにプラス方向にシフトし、水素発生電位との電位差が小さくされ、さらには水素発生電位の位置よりもプラス側に位置してしまうが、基層よりも小さなバンドギャップエネルギーEgを有するキャリア移動促進層として、その層厚を小さいものとすることにより、伝導帯のバンド端電位がプラス方向にシフトすることが抑制される。
この例のIII −V族窒化物半導体20を構成するキャリア移動促進層20βの厚みとしては、そのIII 族原子組成およびV族原子組成によっても異なるが、300nm以下であることが好ましく、より好ましくは200nm以下、特に好ましくは50nm以下である。
このようなEgH−EgL構造とすると、その厚みが規定され、しかもキャリア移動促進層20βとして基層20αよりもバンドギャップエネルギーEgが小さく構成されているために、伝導帯のバンド端電位の水素発生電位との電位差が確保された状態において高い光の利用効率が得られる。
[3] EgH-EgL Structure The III-V group nitride semiconductor 20 having the EgH-EgL structure of the third example has a bandgap energy EgL of a III-V group compound forming the carrier transfer promoting layer 20β. It is supposed to be smaller than the band gap energy EgH of the III-V group compound to be formed.
For example, when the photocatalytic semiconductor element 10 using the III-V group nitride semiconductor 20 is used as an anode, the base layer 20α and the carrier transfer promoting layer 20β are each formed of an n-type III-V group compound, and The difference between the band gap energy EgH of the base layer 20α and the band gap energy EgL of the carrier transfer promoting layer 20β is set to 0.1 eV or more by adjusting the group III atom composition. The difference between the band gap energy EgH of the base layer 20α and the band gap energy EgL of the carrier transfer promotion layer 20β is preferably 0.1 eV or more and 1.5 eV or less, more preferably 0.2 eV or more and 1.2 eV or less. Particularly preferably, it is 0.3 eV or more and 1.0 eV or less.
Usually, as the band gap energy Eg is reduced, the band edge potential of the conduction band is strongly influenced by the characteristics of the layer made of InGaN, and thus shifts in the positive direction, and the potential difference from the hydrogen generation potential is reduced. Although it is located on the plus side from the position of the hydrogen generation potential, the band edge potential of the conduction band is reduced by making the layer thickness small as a carrier movement promoting layer having a band gap energy Eg smaller than that of the base layer. Shifting in the positive direction is suppressed.
The thickness of the carrier movement promoting layer 20β constituting the III-V nitride semiconductor 20 of this example is preferably 300 nm or less, more preferably, although it varies depending on the group III atom composition and the group V atom composition. It is 200 nm or less, and particularly preferably 50 nm or less.
With such an EgH-EgL structure, the thickness is regulated, and the carrier movement promoting layer 20β is configured to have a band gap energy Eg smaller than that of the base layer 20α. High utilization efficiency of light can be obtained in a state in which the potential difference is secured.
また例えば、当該III −V族窒化物半導体20を用いた光触媒半導体素子10を陰極として用いる場合には、基層20αおよびキャリア移動促進層20βをそれぞれp型のIII −V族化合物により形成し、かつ、基層20αのバンドギャップエネルギーEgHよりもキャリア移動促進層20βのバンドギャップエネルギーEgLをIII 族原子組成を調整するなどによって小さいものとするものである。
通常、バンドギャップエネルギーEgを小さくするに従って価電子帯のバンド端電位はマイナス方向にシフトし、酸素発生電位との電位差が小さくされ、さらには酸素発生電位の位置よりもマイナス側に位置してしまうが、基層よりも小さなバンドギャップエネルギーEgを有するキャリア移動促進層として、その層厚を小さいものとすることにより、価電位帯のバンド端電位がマイナス方向にシフトすることが抑制される。
このようなEgH−EgL構造とすると、その厚みが規定され、しかもキャリア移動促進層20βとして基層20αよりもバンドギャップエネルギーEgが小さく構成されているために、価電子帯のバンド端電位の酸素発生電位との電位差が確保された状態において高い光の利用効率が得られる。
Further, for example, when the photocatalytic semiconductor element 10 using the III-V group nitride semiconductor 20 is used as a cathode, the base layer 20α and the carrier transfer promoting layer 20β are each formed of a p-type III-V group compound, and The band gap energy EgL of the carrier transfer promoting layer 20β is made smaller than the band gap energy EgH of the base layer 20α by adjusting the group III atom composition.
Usually, as the band gap energy Eg is decreased, the band edge potential of the valence band shifts in the negative direction, the potential difference from the oxygen generation potential is decreased, and further, the potential difference is positioned on the negative side from the position of the oxygen generation potential. However, as the carrier movement promoting layer having a band gap energy Eg smaller than that of the base layer, the band edge potential of the valence potential band is prevented from shifting in the negative direction by making the layer thickness small.
With such an EgH-EgL structure, the thickness is regulated, and the carrier transfer promoting layer 20β is configured to have a band gap energy Eg smaller than that of the base layer 20α. High light utilization efficiency can be obtained in a state where a potential difference from the potential is secured.
このようなIII −V族窒化物半導体20の基層20αおよびキャリア移動促進層20βにおいては、上記のn−p構造、n+−n-構造、EgH−EgL構造の2以上が組み合わされた積層構造が形成されていてもよい。例えば、基層20αがn型のIII −V族化合物よりなると共にキャリア移動促進層20βがp型のIII −V族化合物よりなり、かつ、基層20αのキャリア濃度が、キャリア移動促進層20βのキャリア濃度よりも低いものとされているものとすることができる。
また、上記のn−p構造、n+−n-構造、EgH−EgL構造によって形成される界面を異種同種問わず2以上有する積層構造が形成されていてもよい。
In the base layer 20α and the carrier transfer promotion layer 20β of the group III-V nitride semiconductor 20 as described above, a laminated structure in which two or more of the np structure, the n + -n - structure, and the EgH-EgL structure are combined. May be formed. For example, the base layer 20α is made of an n-type III-V group compound, the carrier transfer promotion layer 20β is made of a p-type III-V group compound, and the carrier concentration of the base layer 20α is the carrier concentration of the carrier transfer promotion layer 20β. It can be assumed that it is lower.
In addition, a stacked structure having two or more interfaces formed by the np structure, the n + -n − structure, and the EgH—EgL structure may be formed regardless of the same kind.
また、III −V族窒化物半導体20としては、基層20αおよびキャリア移動促進層20βの2層構成に限定されず、基層20αの下層としてさらに単数または複数の半導体層が形成されていてもよい。これらの半導体層としては、例えば、集電作用を有する金属との導通性を向上させるためのコンタクト層や、光の利用効率をより向上させるための通常は複数の層で構成される太陽電池層などを挙げることができる。 Further, the group III-V nitride semiconductor 20 is not limited to the two-layer configuration of the base layer 20α and the carrier transfer promotion layer 20β, and one or more semiconductor layers may be further formed as the lower layer of the base layer 20α. As these semiconductor layers, for example, a contact layer for improving conductivity with a metal having a current collecting action, or a solar cell layer usually composed of a plurality of layers for further improving light utilization efficiency And so on.
III −V族窒化物半導体20における光触媒キャリア発生部分Mの厚み、すなわち光吸収を生じさせることのできる触媒反応面Rからの深さtは、0.01〜0.5μm、好ましくは0.01〜0.2μm、さらに好ましくは0.01〜0.05μmである。
ここに、「光吸収を生じさせることのできる触媒反応面からの深さt」とは、通常光吸収を生じさせることのできる深さは光の強度が光吸収により指数関数的に減少していくが、本発明においては光吸収量が99%となる深さをいう。
この光触媒キャリア発生部分Mの厚み(深さt)は、式(2):I/I0=exp(−x/Q)によって計算することが出来る。ただし、上記式(2)において、Qは、光触媒キャリア発生部分Mを構成するIII −V族化合物の吸収係数、Iは、深さxにおける光の強度、I0は触媒反応面Rに入射する光の強度である。
光触媒キャリア発生部分Mを構成するIII −V族化合物がGaNなどのAlyGa1-x-yInxN1-m-nPmAsnである場合、吸収係数Qは約1×105cm-1であって、光吸収量が99%となる深さは0.46μmとなる。
The thickness of the photocatalytic carrier generation portion M in the III-V nitride semiconductor 20, that is, the depth t from the catalytic reaction surface R capable of causing light absorption is 0.01 to 0.5 μm, preferably 0.01. It is -0.2 micrometer, More preferably, it is 0.01-0.05 micrometer.
Here, “the depth t from the catalytic reaction surface capable of causing light absorption” means that the depth at which normal light absorption can be caused is that the intensity of light decreases exponentially due to light absorption. However, in the present invention, it means the depth at which the light absorption amount is 99%.
The thickness (depth t) of the photocatalyst carrier generation portion M can be calculated by the equation (2): I / I 0 = exp (−x / Q). In the above formula (2), Q is the absorption coefficient of the III-V group compound constituting the photocatalytic carrier generation portion M, I is the light intensity at the depth x, and I 0 is incident on the catalytic reaction surface R. It is the intensity of light.
When the III-V group compound constituting the photocatalytic carrier generation portion M is Al y Ga 1-xy In x N 1-mn P m As n such as GaN, the absorption coefficient Q is about 1 × 10 5 cm −1 . Therefore, the depth at which the light absorption amount is 99% is 0.46 μm.
以上のIII −V族窒化物半導体20において、基層20αよりも下層を構成する半導体層においては、種々の変更を加えることができる。
例えば、半導体層を構成する半導体化合物は、n型、p型のものに限定されるものではなく、pn接合型などのものであってもよく、また、キャリア濃度段差を有するような積層構造や、単結晶性の異なる複数の層の積層構造、あるいは組成の異なるIII −V族化合物よりなる複数の層の積層構造などの多層構造のものであってもよい。また、例えばケイ素(Si)やゲルマニウム(Ge)、他のIII −V族化合物やII−IV族化合物半導体、TiO2などの酸化物よりなるものであってもよい。
In the group III-V nitride semiconductor 20 described above, various changes can be made in the semiconductor layer constituting the lower layer than the base layer 20α.
For example, the semiconductor compound constituting the semiconductor layer is not limited to n-type and p-type, but may be a pn junction type or a laminated structure having a carrier concentration step or Alternatively, it may be of a multilayer structure such as a laminated structure of a plurality of layers having different single crystallinity, or a laminated structure of a plurality of layers made of III-V group compounds having different compositions. Further, for example, silicon (Si), germanium (Ge), other III-V group compounds, II-IV group compound semiconductors, or oxides such as TiO 2 may be used.
<光触媒半導体素子>
本発明の光触媒半導体素子10は、光触媒酸化還元反応用のものであって、例えばサファイア、GaN、Si、SiC、LiAlO3、LiGaO3などよりなる基板25の一面上に例えばバッファ層21を介して上記のIII −V族窒化物半導体20が積層されたものである。
なお、図1において、27は、光触媒半導体素子10の触媒反応面R上にチタン層27bおよび金層27aがこの順に積層されて構成される集電用部材であり、29は、はんだ28などにより集電用部材に接着された導電ワイヤである。これらの集電用部材27などの材質は目的を達することができれば特に限定されない。
<Photocatalytic semiconductor element>
The photocatalytic semiconductor element 10 of the present invention is for a photocatalytic oxidation-reduction reaction. For example, a buffer layer 21 is provided on one surface of a substrate 25 made of sapphire, GaN, Si, SiC, LiAlO 3 , LiGaO 3 or the like. The group III-V nitride semiconductor 20 is laminated.
In FIG. 1, reference numeral 27 denotes a current collecting member formed by laminating a titanium layer 27b and a gold layer 27a in this order on the catalytic reaction surface R of the photocatalytic semiconductor element 10, and 29 is a solder 28 or the like. A conductive wire bonded to a current collecting member. The material of the current collecting member 27 and the like is not particularly limited as long as the purpose can be achieved.
光触媒半導体素子10におけるIII −V族窒化物半導体20の厚さは、好ましくは例えば1.5〜4.0μmとされる。III −V族窒化物半導体20の厚みが上記の範囲にあることにより、光照射によってキャリアを発生させると共にこの発生されたキャリアが確実に触媒反応面Rまで導通される。また、III −V族窒化物半導体20を構成するIII −V族化合物の導通性の大小によっては、さらに薄い層やさらに厚い層を用いても実用上問題ない。 The thickness of the group III-V nitride semiconductor 20 in the photocatalytic semiconductor element 10 is preferably 1.5 to 4.0 μm, for example. When the thickness of the group III-V nitride semiconductor 20 is in the above range, carriers are generated by light irradiation and the generated carriers are reliably conducted to the catalytic reaction surface R. Also, depending on the conductivity of the III-V group compound constituting the III-V nitride semiconductor 20, there is no practical problem even if a thinner layer or a thicker layer is used.
このような光触媒半導体素子10におけるIII −V族窒化物半導体20の基層20αやキャリア移動促進層20βは、例えば有機金属気相成長法(MOVPE法)による常圧結晶成長法や減圧結晶成長法などの公知の結晶成長法を用いて得ることができる。
具体的には、基板25上に、V族原子の供給原料、III 族原子の供給原料および必要に応じてドープすべき不純物の供給原料をガス伏態において水素ガスや窒素ガスなどのキャリアガスと共に加熱下において供給することにより、当該基板25上において熱化学反応が生じてこれらの供給原料が構成元素に分解されると共に構成元素同士が互いに反応して、目的とするIII −V族化合物が基板25上に成長して形成される。
In the photocatalytic semiconductor device 10, the base layer 20α and the carrier transfer promotion layer 20β of the group III-V nitride semiconductor 20 are, for example, an atmospheric pressure crystal growth method or a reduced pressure crystal growth method by a metal organic chemical vapor deposition method (MOVPE method). The known crystal growth method can be used.
Specifically, a group V atom feedstock, a group III atom feedstock, and an impurity feedstock to be doped as necessary together with a carrier gas such as hydrogen gas or nitrogen gas on the substrate 25 in a gas state. By supplying under heating, a thermochemical reaction occurs on the substrate 25, so that these feedstocks are decomposed into constituent elements and the constituent elements react with each other, and the target III-V compound is formed into the substrate. 25 is grown on top.
バッファ層21を構成するIII −V族化合物を成長させる際の加熱温度(以下、「成長温度」ともいう。)は、好ましくは400〜700℃、さらに好ましくは500〜600℃とされる。この成長温度が過小であると、バッファ層を構成するIII −V族化合物を成長させることが困難になることがあり、一方、この成長温度が過大であると、得られるバッファ層が、その表面上にIII −V族窒化物半導体を成長させる際に当該III −V族窒化物半導体の単結晶性を高いものとする作用を発揮することができないものとなるおそれがある。
また、III −V族窒化物半導体20の基層20αやキャリア移動促進層20βを構成するIII −V族化合物の成長温度は、前記バッファ層21の成長温度より高く、例えばIII −V族化合物がInを含まないものである場合は、例えば900〜1400℃、好ましくは950〜1150℃とされる。III −V族化合物がInを含むものである場合はIn原子の取り込みに適した温度などの観点から、例えば700〜800℃とされる。
ここに、バッファ層21およびIII −V族窒化物半導体20の成長温度は、それぞれの工程時における基板の温度である。
The heating temperature (hereinafter also referred to as “growth temperature”) for growing the III-V group compound constituting the buffer layer 21 is preferably 400 to 700 ° C., more preferably 500 to 600 ° C. If the growth temperature is too low, it may be difficult to grow the III-V group compound that constitutes the buffer layer. On the other hand, if the growth temperature is too high, the resulting buffer layer may have its surface. When a group III-V nitride semiconductor is grown thereon, there is a possibility that the effect of increasing the single crystallinity of the group III-V nitride semiconductor cannot be exhibited.
The growth temperature of the III-V group compound constituting the base layer 20α and the carrier transfer promoting layer 20β of the III-V nitride semiconductor 20 is higher than the growth temperature of the buffer layer 21. For example, the III-V group compound is In Is not included, for example, 900 to 1400 ° C, preferably 950 to 1150 ° C. When the III-V group compound contains In, the temperature is set to, for example, 700 to 800 ° C. from the viewpoint of the temperature suitable for the incorporation of In atoms.
Here, the growth temperature of the buffer layer 21 and the group III-V nitride semiconductor 20 is the temperature of the substrate in each step.
以上のIII −V族窒化物半導体20および光触媒半導体素子10によれば、光照射によって発生されたキャリアが、互いに半導体特性の異なる基層20αおよびキャリア移動促進層20βが連続して積層された結果これらの相互作用などによって得られる新たな半導体特性、具体的にはバンド端電位やキャリア移動度の影響を受けることにより、当該光照射によって発生されたキャリアが高い効率で触媒反応面における酸化還元反応に寄与することとなり、結局、光照射により高い光変換効率で酸化還元反応を生じさせることができる。 According to the group III-V nitride semiconductor 20 and the photocatalytic semiconductor element 10 described above, carriers generated by light irradiation are successively laminated by the base layer 20α and the carrier movement promoting layer 20β having different semiconductor characteristics. As a result of new semiconductor characteristics obtained by the interaction of the light, specifically, the influence of the band edge potential and carrier mobility, the carriers generated by the light irradiation can be efficiently converted into the redox reaction on the catalytic reaction surface. In the end, it is possible to cause an oxidation-reduction reaction with high light conversion efficiency by light irradiation.
このように互いに半導体特性の異なる複数層の積層構造によって、全体として別個のバンド端電位やキャリア移動度などの光電気化学特性を得ることができることから、光触媒酸化還元反応用のIII −V族窒化物半導体や光触媒半導体素子を、大きな自由度で設計することができる。 Thus, the multi-layer stacked structure having different semiconductor properties can provide photoelectrochemical properties such as band edge potential and carrier mobility as a whole, so that the group III-V nitridation for photocatalytic oxidation-reduction reaction can be obtained. Physical semiconductors and photocatalytic semiconductor elements can be designed with a large degree of freedom.
<光触媒酸化還元反応装置>
図3は、本発明の光触媒酸化還元反応装置の構成の一例を示す模式的断面図である。
この光触媒酸化還元反応装置11は、電解液に接触した状態とされて互いに電気的に接続された一対の電気分解用電極のうちの一方の電極が、上述のIII −V族窒化物半導体20を有する光触媒半導体素子10よりなるものである。この光触媒半導体素子10は、III −V族窒化物半導体20の触媒反応面Rのみが電解液に接触されている。
以下においては、このIII −V族窒化物半導体20はn型のものであるとして説明する。
<Photocatalytic oxidation-reduction reactor>
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing an example of the configuration of the photocatalytic oxidation-reduction reaction apparatus of the present invention.
In this photocatalytic oxidation-reduction reaction apparatus 11, one of a pair of electrodes for electrolysis that are brought into contact with an electrolytic solution and electrically connected to each other has the above-described group III-V nitride semiconductor 20 in contact therewith. It consists of the photocatalytic semiconductor element 10 which has. In the photocatalytic semiconductor element 10, only the catalytic reaction surface R of the III-V nitride semiconductor 20 is in contact with the electrolytic solution.
In the following description, the III-V group nitride semiconductor 20 is assumed to be n-type.
この光触媒酸化還元反応装置11においては、光触媒半導体素子10に対応する他方の電極が、例えば白金などの金属よりなる金属電極18によって構成されており、これにより、一方の電極である光触媒半導体素子10が、これを構成するIII −V族窒化物半導体20の触媒反応面Rにおいて酸化反応が行われる陽極とされ、他方の電極である金属電極18が、その表面において一方の電極の触媒反応面Rにおける電気化学反応に対応する反応、すなわち還元反応が行われる陰極とされる。 In this photocatalytic oxidation-reduction reaction apparatus 11, the other electrode corresponding to the photocatalytic semiconductor element 10 is configured by a metal electrode 18 made of a metal such as platinum, and thereby the photocatalytic semiconductor element 10 that is one electrode. Is an anode that undergoes an oxidation reaction on the catalytic reaction surface R of the group III-V nitride semiconductor 20 constituting this, and the metal electrode 18 that is the other electrode is the catalytic reaction surface R of one electrode on the surface thereof. The cathode corresponding to the electrochemical reaction in FIG.
この光触媒酸化還元反応装置11においては、III −V族窒化物半導体20の触媒反応面Rに光が照射されることにより、光触媒半導体素子10において酸化反応が生じると共に、金属電極18において還元反応が生じる。
ここに、上述のようなIII −V族窒化物半導体20の触媒反応面Rに光を照射させることに加えて、光触媒半導体素子10および金属電極18の間に適宜の大きさの電圧を印加することにより、光触媒半導体素子10における酸化反応および金属電極18における還元反応が促進される。ここに、光触媒半導体素子10および金属電極18の間に印加する電圧の大きさは、光触媒酸化還元反応に実質的に必要な電圧の大きさ以下とされる。例えば、電解液として水を用いて光触媒酸化還元反応を行う場合、印加する電圧の大きさは過電圧分を考えて実質的には2V以下、好ましくは水の分解の電極電位の差である1.23V以下とすることが好ましい。
In this photocatalytic oxidation-reduction reaction apparatus 11, the catalytic reaction surface R of the III-V nitride semiconductor 20 is irradiated with light, whereby an oxidation reaction occurs in the photocatalytic semiconductor element 10 and a reduction reaction occurs in the metal electrode 18. Arise.
Here, in addition to irradiating the catalytic reaction surface R of the III-V nitride semiconductor 20 as described above with light, an appropriate voltage is applied between the photocatalytic semiconductor element 10 and the metal electrode 18. As a result, the oxidation reaction in the photocatalytic semiconductor element 10 and the reduction reaction in the metal electrode 18 are promoted. Here, the magnitude of the voltage applied between the photocatalytic semiconductor element 10 and the metal electrode 18 is set to be not more than the magnitude of the voltage substantially necessary for the photocatalytic oxidation-reduction reaction. For example, when the photocatalytic oxidation-reduction reaction is performed using water as the electrolytic solution, the magnitude of the applied voltage is substantially 2 V or less in consideration of the overvoltage, preferably the difference in electrode potential of water decomposition. It is preferable to set it to 23 V or less.
光触媒酸化還元反応装置11は、具体的には、酸化槽12Aおよび還元槽12Bが各々の下部において接続チューブ12Cによって連通されると共に、酸化槽12Aおよび還元槽12Bの各々の上部においてこれらと連通した状態に上方に伸びたガス収集管12E,12Fが設けられ、これにより、電解液によって満たされた電解液槽12が構成されている。電解液は、例えば水(H2O)、塩酸/水酸化カリウム/塩化カリウム水溶液(HCl/KOH/KCl)などとすることができる。なお、溶媒として水以外の物質を用いて電解液を形成してもよい。
また、酸化槽12Aにおいては、光触媒半導体素子10が、酸化槽12Aの周壁に形成された開口15が当該光触媒半導体素子10の触媒反応面Rが電解液に接触するよう水密に塞がれた状態にO−リング16を介して設けられていると共に、還元槽12Bにおいては、その底部を貫通して上方に伸びる状態に、金属電極18が挿入されており、この光触媒半導体素子10と金属電極18とは、ポテンショスタッド19を介して電気的に接続されている。さらに、必要に応じて、酸化槽12Aにおいてはその底部を貫通して上方に伸びる状態に、触媒反応面Rの電位を測定するための例えば銀/塩化銀/塩化ナトリウム電極よりなる参照電極17が挿入されている。
この酸化槽12Aの周壁における開口15と対向する部分には、光源(図示せず)からの光Lを電解液を介して触媒反応面Rに照射するための光透過用窓12Dが形成されている。
図3において、19aは、光触媒半導体素子10と金属電極18との間に電圧を印加する場合に用いる電圧印加用電源である。
Specifically, in the photocatalytic oxidation-reduction reaction apparatus 11, the oxidation tank 12A and the reduction tank 12B are communicated with each other through the connection tube 12C at the lower part, and are communicated with these at the upper part of each of the oxidation tank 12A and the reduction tank 12B. Gas collecting pipes 12E and 12F extending upward in the state are provided, and thereby, an electrolytic solution tank 12 filled with the electrolytic solution is configured. The electrolyte can be, for example, water (H 2 O), hydrochloric acid / potassium hydroxide / potassium chloride aqueous solution (HCl / KOH / KCl), or the like. In addition, you may form electrolyte solution using substances other than water as a solvent.
Further, in the oxidation tank 12A, the photocatalytic semiconductor element 10 is in a state where the opening 15 formed in the peripheral wall of the oxidation tank 12A is watertightly closed so that the catalytic reaction surface R of the photocatalytic semiconductor element 10 is in contact with the electrolytic solution. In the reduction tank 12B, a metal electrode 18 is inserted so as to extend through the bottom of the reduction tank 12B. The photocatalytic semiconductor element 10 and the metal electrode 18 are inserted into the reduction tank 12B. Is electrically connected through a potentio stud 19. Furthermore, if necessary, a reference electrode 17 made of, for example, a silver / silver chloride / sodium chloride electrode for measuring the potential of the catalytic reaction surface R is provided so as to extend upward through the bottom of the oxidation tank 12A. Has been inserted.
A light transmitting window 12D for irradiating the catalytic reaction surface R with light L from a light source (not shown) is formed in a portion of the peripheral wall of the oxidation tank 12A facing the opening 15. Yes.
In FIG. 3, reference numeral 19 a denotes a voltage application power source used when a voltage is applied between the photocatalytic semiconductor element 10 and the metal electrode 18.
触媒反応面Rに光Lを照射する光源としては、III −V族窒化物半導体20を構成するIII −V族化合物のバンドギャップより大きいエネルギーを持つ光を放射するものであれば特に限定されず、太陽、水銀ランプ、キセノンランプ、白熱灯、蛍光灯、LED、レーザーなどを用いることができる。
例えば、III −V族窒化物半導体20を構成するIII −V族化合物が窒化ガリウム(GaN)である場合には、バンドギャップが3.4eVであるので、365nm以下の光が照射されればよい。
The light source for irradiating the catalytic reaction surface R with the light L is not particularly limited as long as it emits light having energy larger than the band gap of the III-V group compound constituting the III-V group nitride semiconductor 20. Sun, mercury lamp, xenon lamp, incandescent lamp, fluorescent lamp, LED, laser, and the like can be used.
For example, when the group III-V compound composing the group III-V nitride semiconductor 20 is gallium nitride (GaN), the band gap is 3.4 eV. .
このような光触媒酸化還元反応装置11においては、以下のように光電気化学反応が実行される。すなわち、例えば電解液が水(H2O)である場合には、まず、光源から光Lが光透通用窓12Dを介して光触媒半導体素子10の触媒反応面Rに照射されることによって光触媒キャリア発生部分Mにおいて電子(e-)および正孔(h+)が生成され、この触媒反応面Rの電解液に接触した領域において正孔(h+)によって電解液中の水酸化物イオン(OH-)または水(H2O)が酸化される酸化反応が生じると共に、金属電極18の表面における電解液と接触された領域においてポテンショスタッド19を介して光触媒キャリア発生部分Mから移動した電子(e-)によって電解液中の水素イオン(H+)または水(H20)が還元される還元反応が生じる。
その結果、酸化槽12Aの光触媒半導体素子10においては酸素ガスが、還元槽12Bの金属電極18においては水素ガスが生じ、これらの酸素ガスおよび水素ガスは、各々ガス収集管12E,12Fに収集される。
In such a photocatalytic oxidation-reduction reaction apparatus 11, a photoelectrochemical reaction is performed as follows. That is, for example, when the electrolytic solution is water (H 2 O), first, the photocatalytic carrier is obtained by irradiating the catalytic reaction surface R of the photocatalytic semiconductor element 10 with the light L from the light source through the light transmitting window 12D. electrons in generating moiety M (e -) and holes (h +) are generated, the hydroxide ions (OH in the electrolyte solution by a hole (h +) in the areas in contact with the electrolytic solution of the catalyst reaction surface R − ) Or water (H 2 O) is oxidized and an electron (e) moved from the photocatalyst carrier generation portion M via the potentiostat 19 in a region in contact with the electrolytic solution on the surface of the metal electrode 18 - ) Causes a reduction reaction in which hydrogen ions (H + ) or water (H 2 0) in the electrolyte is reduced.
As a result, oxygen gas is generated in the photocatalytic semiconductor element 10 in the oxidation tank 12A, and hydrogen gas is generated in the metal electrode 18 in the reduction tank 12B. These oxygen gas and hydrogen gas are collected in the gas collection pipes 12E and 12F, respectively. The
本発明の光触媒酸化還元反応装置および光電気化学反応実行方法によれば、光照射によって発生されたキャリアが、互いに半導体特性の異なる基層20αおよびキャリア移動促進層20βが連続して積層された結果これらの相互作用などによって得られる新たな半導体特性、具体的にはバンド端電位やキャリア移動度の影響を受けることにより、当該光照射によって発生されたキャリアが高い効率で触媒反応面における酸化還元反応に寄与することとなり、結局、光照射により高い光変換効率で酸化還元反応を生じさせることができる。 According to the photocatalytic oxidation-reduction reaction apparatus and the photoelectrochemical reaction execution method of the present invention, the base layer 20α and the carrier transfer promoting layer 20β having different semiconductor characteristics are stacked in succession on the carriers generated by light irradiation. As a result of new semiconductor characteristics obtained by the interaction of the light, specifically, the influence of the band edge potential and carrier mobility, the carriers generated by the light irradiation can be efficiently converted into the redox reaction on the catalytic reaction surface. In the end, it is possible to cause an oxidation-reduction reaction with high light conversion efficiency by light irradiation.
また、このように互いに半導体特性の異なる複数層の積層構造によって、全体として別個のバンド端電位やキャリア移動度などの光電気化学特性を得ることができることから、光触媒酸化還元反応装置を大きな自由度で設計することができる。 In addition, the multi-layer stacked structure having different semiconductor characteristics can obtain photoelectrochemical characteristics such as separate band edge potential and carrier mobility as a whole. Can be designed with.
以上の光触媒酸化還元反応装置11においては、種々の変更を加えることができる。
例えば、一対の電気分解用電極としてn型のIII −V族窒化物半導体20を有する光触媒半導体素子10および金属電極18を用いることに限定されず、p型のIII −V族窒化物半導体を有する光触媒半導体素子(以下、「p型光触媒半導体素子」ともいう。)および金属電極を用いることもできる。この場合、p型光触媒半導体素子が陰極として機能すると共に金属電極が陽極として機能することとなる。具体的には、p型光触媒半導体素子における触媒反応面に光が照射されることによって、その光触媒キャリア発生部分において電子(e-)および正孔(h+)が生成され、触媒反応面において電子(e-)によって電解液中の水素イオンまたは水が還元される還元反応が生じると共に、金属電極の表面においてはポテンショスタッド19を介して移動した正孔(h+)によって電解液中の水酸化物イオンまたは水が酸化される酸化反応が生じる。
Various changes can be made in the photocatalytic oxidation-reduction reaction apparatus 11 described above.
For example, the present invention is not limited to using the photocatalytic semiconductor element 10 having the n-type III-V group nitride semiconductor 20 and the metal electrode 18 as a pair of electrodes for electrolysis, but having a p-type group III-V nitride semiconductor. A photocatalytic semiconductor element (hereinafter also referred to as “p-type photocatalytic semiconductor element”) and a metal electrode can be used. In this case, the p-type photocatalytic semiconductor element functions as a cathode and the metal electrode functions as an anode. Specifically, by irradiating light on the catalytic reaction surface of the p-type photocatalytic semiconductor element, electrons (e − ) and holes (h + ) are generated in the photocatalytic carrier generation portion, and electrons are generated on the catalytic reaction surface. (E − ) causes a reduction reaction in which hydrogen ions or water in the electrolytic solution is reduced, and hydroxylation in the electrolytic solution is caused by holes (h + ) transferred through the potentiostat 19 on the surface of the metal electrode. Oxidation reaction occurs in which product ions or water is oxidized.
また例えば、一対の電気分解用電極としてn型のIII −V族窒化物半導体を有する光触媒半導体素子(以下、「n型光触媒半導体素子」ともいう。)およびp型光触媒半導体素子を用いることもできる。この場合、n型光触媒半導体素子が陽極として機能して酸化反応が生じると共にp型光触媒半導体素子が陰極として機能して還元反応が生じる。 For example, a photocatalytic semiconductor element having an n-type III-V nitride semiconductor (hereinafter also referred to as “n-type photocatalytic semiconductor element”) and a p-type photocatalytic semiconductor element can be used as the pair of electrodes for electrolysis. . In this case, the n-type photocatalytic semiconductor element functions as an anode to cause an oxidation reaction, and the p-type photocatalytic semiconductor element functions as a cathode to cause a reduction reaction.
〔光触媒半導体素子の製造例1a〕
図1に従って光触媒半導体素子を作製した。すなわち、まず、100kPaでサファイアよりなる基板を水素ガス中にて1100℃で10分間アニールし、その後基板の温度を520℃まで下げ、この基板の(0001)+c面上に、V族原子とIII 族原子との割合(V/III比)が約5000程度となるようトリメチルガリウム(TMGa)およびアンモニア(NH3)を水素ガスをキャリアガスとして継続的に供給し、10分間、窒化ガリウム(GaN)よりなる50nmの厚みのバッファ層を成長させた。
次に、基板の温度を1040℃まで上昇させ、バッファ層の表面上に、V/III比が約3800程度となるようトリメチルガリウム(TMGa)およびアンモニア(NH3)を水素ガスをキャリアガスとして継続的に供給すると共に10ppmの水素希釈シラン(SiH4)を5sccmの流量で継続的に供給し、60分間、ケイ素原子(Si)をドープした窒化ガリウム(GaN)よりなる厚み1.8μmのIII −V族化合物Aよりなるn型のIII −V族化合物層(基層)Aを成長させた。
さらに、シクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)を供給し、20秒間、マグネシウム原子(Mg)をドープした窒化ガリウム(GaN)よりなる厚み10nmのIII −V族化合物Bよりなるp型のIII −V族化合物層(キャリア移動促進層)Bを成長させ、その後、700℃において20分間窒素中でアニールを行うことにより、n型の基層A上に、p型のキャリア移動促進層Bが積層されたn−p構造の光触媒半導体素子〔1a〕を得た。
この光触媒半導体素子〔1a〕の各層のキャリア濃度は、それぞれ別個に単層を成長させたキャリア測定用のものをvan der Pauw法により測定したところ、シランをドープした基層Aのキャリア濃度は2.0×1018cm-3であり、マグネシウムをドープしたキャリア移動促進層Bのキャリア濃度は1.2×1017cm-3であった。また、(0002)面のX線ロッキングカーブの半値全幅を測定したところ、280arcsecであった。この光触媒半導体素子〔1a〕の表面は鏡面状であった。
[Production Example 1a of Photocatalytic Semiconductor Element]
A photocatalytic semiconductor element was produced according to FIG. That is, first, a substrate made of sapphire at 100 kPa is annealed in hydrogen gas at 1100 ° C. for 10 minutes, and then the temperature of the substrate is lowered to 520 ° C. On the (0001) + c plane of this substrate, group V atoms and III Trimethylgallium (TMGa) and ammonia (NH 3 ) are continuously supplied using hydrogen gas as a carrier gas so that the ratio to the group atoms (V / III ratio) is about 5000, and gallium nitride (GaN) for 10 minutes. A 50 nm thick buffer layer was grown.
Next, the temperature of the substrate is increased to 1040 ° C., and trimethylgallium (TMGa) and ammonia (NH 3 ) are continuously used as hydrogen carrier gas on the surface of the buffer layer so that the V / III ratio is about 3800. 10 ppm of hydrogen-diluted silane (SiH 4 ) is continuously supplied at a flow rate of 5 sccm, and is made of gallium nitride (GaN) doped with silicon atoms (Si) for 60 minutes. An n-type group III-V compound layer (base layer) A made of the group V compound A was grown.
Furthermore, cyclopentadienylmagnesium (Cp 2 Mg) is supplied, and p-type III − made of III-V compound B having a thickness of 10 nm made of gallium nitride (GaN) doped with magnesium atoms (Mg) for 20 seconds. A p-type carrier movement promoting layer B is laminated on the n-type base layer A by growing a group V compound layer (carrier movement promoting layer) B and then annealing in nitrogen at 700 ° C. for 20 minutes. In addition, a photocatalytic semiconductor element [1a] having an np structure was obtained.
The carrier concentration of each layer of the photocatalytic semiconductor element [1a] was measured by the van der Pauw method for a carrier measurement in which a single layer was separately grown. The carrier concentration of the base layer A doped with silane was 2. 0 a × 10 18 cm -3, the carrier concentration of the carrier transfer-promoting layer B doped with magnesium was 1.2 × 10 17 cm -3. Further, when the full width at half maximum of the X-ray rocking curve of the (0002) plane was measured, it was 280 arcsec. The surface of this photocatalytic semiconductor element [1a] was specular.
〔光触媒半導体素子の製造例1b〕
キャリア移動促進層Bの層厚が5nmとなるよう、シクロペンタジエニルマグネシウムを供給する時間を10秒間に変更したことの他は光触媒半導体素子の製造例1aと同様にして光触媒半導体素子〔1b〕を得た。この光触媒半導体素子〔1b〕の基層Aのキャリア濃度、キャリア移動促進層Bのキャリア濃度、(0002)面のX線ロッキングカーブの半値全幅は光触媒半導体素子〔1a〕と同じであり、この光触媒半導体素子〔1b〕の表面は鏡面状であった。
[Production Example 1b of Photocatalytic Semiconductor Element]
The photocatalytic semiconductor element [1b] is the same as the photocatalytic semiconductor element production example 1a except that the time for supplying the cyclopentadienyl magnesium is changed to 10 seconds so that the thickness of the carrier movement promoting layer B is 5 nm. Got. The photocatalytic semiconductor element [1b] has the same carrier concentration in the base layer A, the carrier concentration in the carrier movement promoting layer B, and the full width at half maximum of the (0002) plane X-ray rocking curve as in the photocatalytic semiconductor element [1a]. The surface of the element [1b] was specular.
〔光触媒半導体素子の製造例2〕
図1に従って光触媒半導体素子を作製した。すなわち、まず、100kPaでサファイアよりなる基板を水素ガス中にて1100℃で10分間アニールし、その後基板の温度を520℃まで下げ、この基板の(0001)+c面上に、V族原子とIII 族原子との割合(V/III比)が約5000程度となるようトリメチルガリウム(TMGa)およびアンモニア(NH3)を水素ガスをキャリアガスとして継続的に供給し、10分間、窒化ガリウム(GaN)よりなる50nmの厚みのバッファ層を成長させた。
次に、基板の温度を1040℃まで上昇させ、バッファ層の表面上に、V/III比が約3800程度となるようトリメチルガリウム(TMGa)およびアンモニア(NH3)を水素ガスをキャリアガスとして継続的に供給すると共に10ppmの水素希釈シラン(SiH4)を5sccmの流量で継続的に供給し、60分問、ケイ素原子(Si)をドープした窒化ガリウム(GaN)よりなる厚み1.8μmのIII −V族化合物Aよりなるn+型のIII −V族化合物層(基層)Aを成長させた。
さらに、10ppmの水素希釈シラン(SiH4)を2sccmの流量で継続的に供給し、12分問、ケイ素原子(Si)をドープした窒化ガリウム(GaN)よりなる厚み0.4μmのIII −V族化合物Cよりなるn型のIII −V族化合物層(キャリア移動促進層)Cを成長させることにより、n+型の基層A上にn型のキャリア移動促進層Cが積層されたn+−n-構造の光触媒半導体素子〔2〕を得た。
この光触媒半導体素子〔2〕の各層のキャリア濃度は、それぞれ別個に単層を成長させたキャリア測定用のものをvan der Pauw法により測定したところ、キャリア促進移動層Aのキャリア濃度は2.0×1018cm-3であり、キャリア移動促進層Cのキャリア濃度は1.2×1017cm-3であった。また、(0002)面のX線ロッキングカーブの半値全幅を測定したところ、330arcsecであった。この光触媒半導体素子〔2〕の表面は鏡面状であった。
[Production Example 2 of Photocatalytic Semiconductor Element]
A photocatalytic semiconductor element was produced according to FIG. That is, first, a substrate made of sapphire at 100 kPa is annealed in hydrogen gas at 1100 ° C. for 10 minutes, and then the temperature of the substrate is lowered to 520 ° C. On the (0001) + c plane of this substrate, group V atoms and III Trimethylgallium (TMGa) and ammonia (NH 3 ) are continuously supplied using hydrogen gas as a carrier gas so that the ratio to the group atoms (V / III ratio) is about 5000, and gallium nitride (GaN) for 10 minutes. A 50 nm thick buffer layer was grown.
Next, the temperature of the substrate is increased to 1040 ° C., and trimethylgallium (TMGa) and ammonia (NH 3 ) are continuously used as hydrogen carrier gas on the surface of the buffer layer so that the V / III ratio is about 3800. 10 ppm of hydrogen-diluted silane (SiH 4 ) is continuously supplied at a flow rate of 5 sccm, and is made of gallium nitride (GaN) doped with silicon atoms (Si) for 60 minutes. An n + -type III-V group compound layer (base layer) A made of a −V group compound A was grown.
Further, 10 ppm of hydrogen-diluted silane (SiH 4 ) is continuously supplied at a flow rate of 2 sccm, and the III-V group is made of gallium nitride (GaN) doped with silicon atoms (Si) for 12 minutes and having a thickness of 0.4 μm. By growing an n-type III-V group compound layer (carrier transfer promoting layer) C made of the compound C, an n + -n in which the n-type carrier transfer promoting layer C is laminated on the n + -type base layer A A photocatalytic semiconductor element [2] having a structure was obtained.
The carrier concentration of each layer of the photocatalytic semiconductor element [2] was measured by the van der Pauw method using a carrier measurement in which a single layer was separately grown. The carrier concentration of the carrier-promoting moving layer A was 2.0. × 10 18 cm -3 , and the carrier concentration of the carrier migration promoting layer C was 1.2 × 10 17 cm -3 . The full width at half maximum of the (0002) plane X-ray rocking curve was measured and found to be 330 arcsec. The surface of this photocatalytic semiconductor element [2] was specular.
〔光触媒半導体素子の製造例3a〕
図1に従って光触媒半導体素子を作製した。すなわち、まず、100kPaでサファイアよりなる基板を水素ガス中にて1100℃で10分間アニールし、その後基板の温度を520℃まで下げ、この基板の(0001)+c面上に、V族原子とIII 族原子との割合(V/III比)が約5000程度となるようトリメチルガリウム(TMGa)およびアンモニア(NH3)を水素ガスをキャリアガスとして継続的に供給し、10分間、窒化ガリウム(GaN)よりなる50nmの厚みのバッファ層を成長させた。
次に、基板の温度を1040℃まで上昇させ、バッファ層の表面上に、V/III比が約3800程度となるようトリメチルガリウム(TMGa)およびアンモニア(NH3)を水素ガスをキャリアガスとして継続的に供給すると共に10ppmの水素希釈シラン(SiH4)を5sccmの流量で継続的に供給し、60分間、ケイ素原子(Si)をドープした窒化ガリウム(GaN)よりなる厚み1.8μmのIII −V族化合物Aよりなるn型のIII −V族化合物層(基層)Aを成長させた。
さらに、基板温度を750℃まで低下させ、V/III比が約10000程度となるようトリメチルガリウム(TMGa)、トリメチルインジウム(TMIn)およびアンモニア(NH3)を水素ガスをキャリアガスとして継続的に供給し、10ppmの水素希釈シラン(SiH4)を2sccmの流量で継続的に供給し、180秒間、ケイ素原子(Si)をドープした窒化インジウムガリウム(InGaN)よりなる厚み100nmのIII −V族化合物DよりなるIII −V族化合物層(キャリア移動促進層)Dを成長させることにより、基層A上にキャリア移動促進層Dが積層されたEgH−EgL構造の光触媒半導体素子〔3a〕を得た。
この光触媒半導体素子〔3a〕の各層のキャリア濃度は、それぞれ別個に単層を成長させたキャリア測定用のものをvan der Pauw法により測定したところ、基層Aはn型であってそのキャリア濃度は2.0×1018cm-3であり、キャリア移動促進層DはIn原子組成比xが0.06、n型であってそのキャリア濃度は1.2×1017cm-3であった。また、(0002)面のX線ロッキングカーブの半値全幅を測定したところ、320arcsecであった。この光触媒半導体素子〔3a〕の表面は鏡面状であった。
また、基層Aの原子組成比からバンドギャップエネルギーEgHを算出したところ3.40eVであり、キャリア移動促進層Dの原子組成比からバンドギャップエネルギーEgLを算出したところ3.15eVであった。
[Production Example 3a of Photocatalytic Semiconductor Element]
A photocatalytic semiconductor element was produced according to FIG. That is, first, a substrate made of sapphire at 100 kPa is annealed in hydrogen gas at 1100 ° C. for 10 minutes, and then the temperature of the substrate is lowered to 520 ° C. On the (0001) + c plane of this substrate, group V atoms and III Trimethylgallium (TMGa) and ammonia (NH 3 ) are continuously supplied using hydrogen gas as a carrier gas so that the ratio to the group atoms (V / III ratio) is about 5000, and gallium nitride (GaN) for 10 minutes. A 50 nm thick buffer layer was grown.
Next, the temperature of the substrate is increased to 1040 ° C., and trimethylgallium (TMGa) and ammonia (NH 3 ) are continuously used as hydrogen carrier gas on the surface of the buffer layer so that the V / III ratio is about 3800. 10 ppm of hydrogen-diluted silane (SiH 4 ) is continuously supplied at a flow rate of 5 sccm, and is made of gallium nitride (GaN) doped with silicon atoms (Si) for 60 minutes. An n-type group III-V compound layer (base layer) A made of the group V compound A was grown.
Further, the substrate temperature is lowered to 750 ° C., and trimethylgallium (TMGa), trimethylindium (TMIn), and ammonia (NH 3 ) are continuously supplied using hydrogen gas as a carrier gas so that the V / III ratio is about 10,000. Then, 10 ppm of hydrogen diluted silane (SiH 4 ) is continuously supplied at a flow rate of 2 sccm, and a silicon atom (Si) doped indium gallium nitride (InGaN) doped with silicon atom (Si) for 180 seconds has a thickness of 100 nm III-V group compound D By growing a III-V group compound layer (carrier transfer promoting layer) D, a photocatalytic semiconductor element [3a] having an EgH-EgL structure in which the carrier transfer promoting layer D was laminated on the base layer A was obtained.
The carrier concentration of each layer of this photocatalytic semiconductor element [3a] was measured by the van der Pauw method for a carrier measurement in which a single layer was grown separately. The base layer A was n-type and the carrier concentration was The carrier migration promoting layer D was 2.0 × 10 18 cm −3 , the In atom composition ratio x was 0.06, n-type, and the carrier concentration was 1.2 × 10 17 cm −3 . The full width at half maximum of the (0002) plane X-ray rocking curve was measured and found to be 320 arcsec. The surface of this photocatalytic semiconductor element [3a] was specular.
The band gap energy EgH calculated from the atomic composition ratio of the base layer A was 3.40 eV, and the band gap energy EgL calculated from the atomic composition ratio of the carrier migration promoting layer D was 3.15 eV.
〔光触媒半導体素子の製造例3b〜3d〕
キャリア移動促進層Dの層厚がそれぞれ67nm、201nm、378nmとなるよう、TMGa、TMIn、NH3およびSiH4を供給する時間をそれぞれ120秒間、360秒間、680秒間に変更したことの他は光触媒半導体素子の製造例3aと同様にして光触媒半導体素子〔3b〕〜〔3d〕を得た。この光触媒半導体素子〔3b〕〜〔3d〕の基層Aのキャリア濃度、キャリア移動促進層Dの原子組成比およびキャリア濃度、(0002)面のX線ロッキングカーブの半値全幅は光触媒半導体素子〔3a〕と同じであり、また、この光触媒半導体素子〔3b〕〜〔3d〕の表面は鏡面状であった。
[Production Examples 3b to 3d of Photocatalytic Semiconductor Element]
The photocatalyst except that the time for supplying TMGa, TMIn, NH 3 and SiH 4 was changed to 120 seconds, 360 seconds and 680 seconds, respectively, so that the thickness of the carrier movement promoting layer D was 67 nm, 201 nm and 378 nm, respectively. Photocatalytic semiconductor elements [3b] to [3d] were obtained in the same manner as in Production Example 3a of the semiconductor element. The carrier concentration of the base layer A, the atomic composition ratio and carrier concentration of the carrier movement promoting layer D, and the full width at half maximum of the X-ray rocking curve on the (0002) plane of the photocatalytic semiconductor elements [3b] to [3d] The surfaces of the photocatalytic semiconductor elements [3b] to [3d] were mirror-like.
〔比較用光触媒半導体素子の製造例1,2〕
図1に従って光触媒半導体素子を作製した。すなわち、まず、100kPaでサファイアよりなる基板を水素ガス中にて1100℃で10分間アニールし、その後基板の温度を520℃まで下げ、この基板の(0001)+c面上に、V族原子とIII 族原子との割合(V/III比)が約5000程度となるようトリメチルガリウム(TMGa)およびアンモニア(NH3)を水素ガスをキャリアガスとして継続的に供給し、10分間、窒化ガリウム(GaN)よりなる50nmの厚みのバッファ層を成長させた。
次に、基板の温度を1040℃まで上昇させ、バッファ層の表面上に、V/III比が約3800程度となるようトリメチルガリウム(TMGa)およびアンモニア(NH3)を水素ガスをキャリアガスとして継続的に供給すると共に10ppmの水素希釈シラン(SiH4)を5sccmの流量で継続的に供給し、60分間、ケイ素原子(Si)をドープした窒化ガリウム(GaN)よりなる厚み1.8μmのIII −V族化合物Aよりなるn型のIII −V族化合物層を成長させることにより、比較用光触媒半導体素子〔X〕を得た。
この比較用光触媒半導体素子〔X〕の基層Aのキャリア濃度は、van der Pauw法により測定したところ、2.0×1018cm-3であった。また、(0002)面のX線ロッキングカーブの半値全幅を測定したところ、290arcsecであった。この比較用光触媒半導体素子〔X〕の表面は鏡面状であった。
また、キャリア濃度を1.2×1017cm-3としたことの他は比較用光触媒半導体素子の製造例1と同様にして、比較用光触媒半導体素子〔Y〕を得た。
[Comparative Photocatalytic Semiconductor Element Production Examples 1 and 2]
A photocatalytic semiconductor element was produced according to FIG. That is, first, a substrate made of sapphire at 100 kPa is annealed in hydrogen gas at 1100 ° C. for 10 minutes, and then the temperature of the substrate is lowered to 520 ° C. On the (0001) + c plane of this substrate, group V atoms and III Trimethylgallium (TMGa) and ammonia (NH 3 ) are continuously supplied using hydrogen gas as a carrier gas so that the ratio to the group atoms (V / III ratio) is about 5000, and gallium nitride (GaN) for 10 minutes. A 50 nm thick buffer layer was grown.
Next, the temperature of the substrate is increased to 1040 ° C., and trimethylgallium (TMGa) and ammonia (NH 3 ) are continuously used as hydrogen carrier gas on the surface of the buffer layer so that the V / III ratio is about 3800. 10 ppm of hydrogen-diluted silane (SiH 4 ) is continuously supplied at a flow rate of 5 sccm, and is made of gallium nitride (GaN) doped with silicon atoms (Si) for 60 minutes. By growing an n-type III-V group compound layer made of Group V compound A, a comparative photocatalytic semiconductor element [X] was obtained.
The carrier concentration of the base layer A of this comparative photocatalytic semiconductor element [X] was 2.0 × 10 18 cm −3 as measured by the van der Pauw method. Further, when the full width at half maximum of the X-ray rocking curve of the (0002) plane was measured, it was 290 arcsec. The surface of this comparative photocatalytic semiconductor element [X] was specular.
A comparative photocatalytic semiconductor element [Y] was obtained in the same manner as in Comparative Photocatalytic Semiconductor Element Production Example 1 except that the carrier concentration was 1.2 × 10 17 cm −3 .
<実施例1a,1b,2,3a〜3d,比較例1,2>
図3に従って、光触媒酸化還元反応装置を製造した。
具体的には、この光触媒半導体素子〔1a〕,〔1b〕,〔2〕,〔3a〕〜〔3d〕、比較用光触媒半導体素子〔X〕〔Y〕を陽極として用い、これらの触媒反応面を構成する面の外周部分にチタンおよび金を積層させた集電用部材を設けて導電ワイヤにより陰極に電気的に接続し、陰極としては白金電極を用い、さらに、銀/塩化銀/塩化ナトリウム電極を参照電極として用いると共に、電解液として1mol/LのHClを用い、光触媒酸化還元反応装置〔1a〕,〔1b〕,〔2〕,〔3a〕〜〔3d〕、比較用光触媒酸化還元反応装置〔X〕〔Y〕を製造した。
触媒反応面を構成する面の中央部分における直径10mmの円形領域に150Wのキセノンランプの光源より光が照射される構成とした。
<Examples 1a, 1b, 2, 3a to 3d, Comparative Examples 1 and 2>
A photocatalytic oxidation-reduction reactor was produced according to FIG.
Specifically, the photocatalytic semiconductor elements [1a], [1b], [2], [3a] to [3d], the comparative photocatalytic semiconductor elements [X] and [Y] are used as anodes, and their catalytic reaction surfaces. Is provided with a current collecting member in which titanium and gold are laminated on the outer peripheral portion of the surface, and electrically connected to the cathode by a conductive wire, using a platinum electrode as the cathode, and further silver / silver chloride / sodium chloride The electrode is used as a reference electrode, and 1 mol / L HCl is used as an electrolytic solution. Photocatalytic oxidation-reduction reaction devices [1a], [1b], [2], [3a] to [3d], comparative photocatalytic oxidation-reduction reactions Apparatus [X] [Y] was manufactured.
A circular region having a diameter of 10 mm in the central portion of the surface constituting the catalytic reaction surface was irradiated with light from a light source of a 150 W xenon lamp.
[フラットバンド電位測定テスト]
実施例1a,1b,2,3a〜3dに係る光触媒酸化還元反応装置〔1a〕,〔1b〕,〔2〕,〔3a〕〜〔3d〕、および比較例1に係る比較用光触媒酸化還元反応装置〔X〕を用いてインピーダンス測定を行い、モット・ショットキープロットから計算したフラットバンド電位を求めた。実施例1a,1bおよび比較例1に係る結果を図4に示すと共に、実施例3a〜3dおよび比較例1に係る結果を図5に示す。また、実施例1a,1bおよび比較例1に係る伝導帯のバンド端電位(「■」で示す。)、価電子帯のバンド端電位(「●」で示す。)、水素発生電位(H+/H2)および酸素発生電位(O2/H2O)を図6に示すと共に、実施例3a〜3dおよび比較例1に係る伝導帯のバンド端電位(「■」で示す。)、価電子帯のバンド端電位(「●」で示す。)、水素発生電位(H+/H2)および酸素発生電位(O2/H2O)を図7に示す。
[Flatband potential measurement test]
Photocatalytic oxidation-reduction reaction apparatus [1a], [1b], [2], [3a]-[3d] according to Examples 1a, 1b, 2, 3a-3d, and comparative photocatalytic oxidation-reduction reaction according to Comparative Example 1 The impedance was measured using the apparatus [X], and the flat band potential calculated from the Mott-Schottky plot was obtained. The results according to Examples 1a and 1b and Comparative Example 1 are shown in FIG. 4, and the results according to Examples 3a to 3d and Comparative Example 1 are shown in FIG. Further, the band edge potential (indicated by “■”) of the conduction band, the band edge potential of the valence band (indicated by “●”), and the hydrogen generation potential (H + ) according to Examples 1a and 1b and Comparative Example 1. / H 2 ) and oxygen generation potential (O 2 / H 2 O) are shown in FIG. 6, and the band edge potential (indicated by “■”) and value of the conduction bands according to Examples 3a to 3d and Comparative Example 1. FIG. 7 shows the band edge potential (indicated by “●”), the hydrogen generation potential (H + / H 2 ), and the oxygen generation potential (O 2 / H 2 O) of the electron band.
[光誘起電流密度測定テスト]
また、実施例1aに係る光触媒酸化還元反応装置〔1a〕、および比較例1に係る比較用光触媒酸化還元反応装置〔X〕のそれぞれを用いて、ゼロバイアスにおける対極における水素発生積算量と光誘起電流密度(mA/cm2)を測定した。結果を図8に示す。ただし、図8において、光触媒酸化還元反応装置〔1a〕に係るものを(ア)とし、比較用光触媒酸化還元反応装置〔X〕に係るものを(イ)として示した。
[Photo-induced current density measurement test]
Further, using each of the photocatalytic oxidation-reduction reaction apparatus [1a] according to Example 1a and the comparative photocatalytic oxidation-reduction reaction apparatus [X] according to Comparative Example 1, the hydrogen generation integrated amount and the photo-induction at the counter electrode at zero bias are used. The current density (mA / cm 2 ) was measured. The results are shown in FIG. However, in FIG. 8, the thing related to the photocatalytic oxidation-reduction reaction apparatus [1a] is shown as (a), and the thing related to the comparative photocatalytic oxidation-reduction reaction apparatus [X] is shown as (a).
[光電気化学反応テスト]
また、実施例2に係る光触媒酸化還元反応装置〔2〕、比較例1に係る比較用光触媒酸化還元反応装置〔X〕のそれぞれを用いて、電圧を印加しない状態(ゼロバイアス)で光誘起電流密度(mA/cm2)を測定した。結果を図9に示す。ただし、図9においては、光触媒酸化還元反応装置〔2〕に係る結果を「○」、比較用光触媒酸化還元反応装置〔X〕に係る結果を「▲」で示した。
さらに、実施例3aに係る光触媒酸化還元反応装置〔3a〕、比較例1,2に係る比較用光触媒酸化還元反応装置〔X〕,〔Y〕のそれぞれを用いて、電流密度−電圧特性を測定した。結果を図10に示す。ただし、図10においては、光触媒酸化還元反応装置〔3a〕に係る結果を(ウ)、比較用光触媒酸化還元反応装置〔X〕,〔Y〕に係る結果を(エ),(オ)として示した。
[Photoelectrochemical reaction test]
In addition, using the photocatalytic oxidation-reduction reaction apparatus [2] according to Example 2 and the comparative photocatalytic oxidation-reduction reaction apparatus [X] according to Comparative Example 1, a photo-induced current is applied in a state where no voltage is applied (zero bias). The density (mA / cm 2 ) was measured. The results are shown in FIG. However, in FIG. 9, the result relating to the photocatalytic oxidation-reduction reactor [2] is indicated by “◯”, and the result relating to the comparative photocatalytic oxidation-reduction reactor [X] is indicated by “▲”.
Furthermore, the current density-voltage characteristics were measured using each of the photocatalytic oxidation-reduction reaction apparatus [3a] according to Example 3a and the comparative photocatalytic oxidation-reduction reaction apparatuses [X] and [Y] according to Comparative Examples 1 and 2. did. The results are shown in FIG. However, in FIG. 10, the results relating to the photocatalytic oxidation-reduction reactor [3a] are shown as (c), and the results relating to the comparative photocatalytic oxidation-reduction reactors [X], [Y] are shown as (e), (e). It was.
III −V族窒化物半導体全体としてn型の半導体特性を示すものを用いると、フラットバンド電位は伝導帯電位とほぼ同じ電位なので、このフラットバンド電位がマイナス側にシフトすると、水素発生電位との差が大きくなって水素発生が容易となる、一方、このフラットバンド電位がプラス側にシフトすると水素発生電位との差が小さくなって水素発生が難しく、最終的には伝導帯電位が水素発生電位よりプラス側にシフトしてしまうと水素発生が得られなくなる。
しかしながら、図4および図6の結果から明らかなように、実施例1a,1bに係る光触媒酸化還元反応装置〔1a〕,〔1b〕においては、特定の厚みのp型のIII −V族化合物よりなるキャリア移動促進層が設けられているため、比較例1に係るものに比してフラットバンド電位がマイナス側にシフトされており、水素発生電位との差が大きくなって、結局、高い光変換効率で酸化還元反応を生じさせることができることが確認された。
一方、キャリア移動促進層としてそれぞれ厚み20nm、50nm、100nmのp型の半導体層を設けたものを作製し、フラットバンド電位測定テストを行ったところ、III −V族窒化物半導体全体としてp型半導体の特性を示し、フラットバンド電位を検出できなかった。
また、図8の結果から明らかなように、比較例1に係る基層のみのIII −V族窒化物半導体に比して、実施例1aに係るn−p構造のキャリア移動促進層の設けられたIII −V族窒化物半導体は、大きな積算水素発生量および光誘起電流密度が得られることが確認された。
If a group III-V nitride semiconductor having n-type semiconductor characteristics is used, the flat band potential is almost the same as the conduction charge level. Therefore, if this flat band potential shifts to the negative side, The difference becomes larger and hydrogen generation becomes easier. On the other hand, if this flat band potential shifts to the plus side, the difference from the hydrogen generation potential becomes smaller and hydrogen generation becomes difficult. If it is shifted to the plus side, hydrogen generation cannot be obtained.
However, as is apparent from the results of FIGS. 4 and 6, in the photocatalytic oxidation-reduction reactors [1a] and [1b] according to Examples 1a and 1b, a p-type III-V group compound having a specific thickness is used. Since the carrier movement promoting layer is provided, the flat band potential is shifted to the negative side as compared with that according to Comparative Example 1, and the difference from the hydrogen generation potential is increased, resulting in high light conversion. It was confirmed that an oxidation-reduction reaction can be caused with efficiency.
On the other hand, when a p-type semiconductor layer having a thickness of 20 nm, 50 nm, and 100 nm was prepared as a carrier movement promoting layer, and a flat band potential measurement test was performed, the p-type semiconductor as the entire group III-V nitride semiconductor was obtained. The flat band potential could not be detected.
Further, as is clear from the results of FIG. 8, the np structure carrier transfer promoting layer according to Example 1a is provided as compared with the base layer-only III-V group nitride semiconductor according to Comparative Example 1. It was confirmed that the group III-V nitride semiconductor can obtain a large integrated hydrogen generation amount and photoinduced current density.
また、図5および図7の結果から明らかなように、実施例3a〜3dに係る光触媒酸化還元反応装置〔3b〕〜〔3d〕においては、フラットバンド電位はプラス方向にシフトしている。しかしながら、特定の薄さのバンドギャップエネルギーEgの低いキャリア移動促進層が設けられている場合は、このキャリア移動促進層の光吸収量が増加することとあわせて比較例1に係るものに比して、エネルギー効率が高く、大きな光誘起電流密度が得られることが確認された。このフラットバンド電位と水素発生電位との差は、本実施例の場合、図7から明らかなように、キャリア移動促進層がその厚みが400nmを超えたものであると、伝道帯のバンド端電位が水素発生電位を超えてプラス方向にシフトしてしまうため、水素を発生させることができなくなるため、好ましくない。 As is clear from the results of FIGS. 5 and 7, in the photocatalytic oxidation-reduction reaction devices [3b] to [3d] according to Examples 3a to 3d, the flat band potential is shifted in the positive direction. However, when a carrier migration promoting layer having a specific thickness and a low band gap energy Eg is provided, the amount of light absorption of the carrier migration promoting layer is increased and compared with that according to Comparative Example 1. It was confirmed that the energy efficiency was high and a large photoinduced current density was obtained. In the case of the present example, the difference between the flat band potential and the hydrogen generation potential is, as is apparent from FIG. 7, that the carrier edge potential of the evangelistic band is determined when the carrier movement promoting layer has a thickness exceeding 400 nm. Shifts in the positive direction beyond the hydrogen generation potential, so that hydrogen cannot be generated.
図9から明らかなように、実施例2に係る光触媒酸化還元反応装置〔2〕においては、比較例1に係る光触媒酸化還元反応装置〔X〕に比して大きい光誘起電流密度が得られた。
なお、図9において実線は、光触媒酸化還元反応装置〔2〕と同様の構成であってキャリア移動促進層のキャリア濃度を変化させたものについてゼロバイアスで光誘起電流密度を測定したものであり、点線は、比較用光触媒酸化還元反応装置〔X〕と同様の構成であってキャリア移動促進層のキャリア濃度を変化させたものについてゼロバイアスで光誘起電流密度を測定したものである。
さらに、この光触媒酸化還元反応装置〔2〕を構成するn+−n-構造のIII −V族窒化物半導体のフラットバンド電位は、比較例1に係るn+層のみのIII −V族窒化物半導体のフラットバンド電位と同じであった。
また、図10から明らかなように、n+−n-構造のIII −V族窒化物半導体は、n+層のみのIII −V族窒化物半導体(比較例1)や、n-層のみのIII −V族窒化物半導体(比較例2)に比して、ゼロバイアスの場合の含めてすべての印加電圧の範囲において大きな電流密度が得られることが確認された。
As is clear from FIG. 9, in the photocatalytic oxidation-reduction reaction apparatus [2] according to Example 2, a larger photoinduced current density was obtained than in the photocatalytic oxidation-reduction reaction apparatus [X] according to Comparative Example 1. .
In FIG. 9, the solid line represents the photoinduced current density measured at zero bias for the same structure as that of the photocatalytic oxidation-reduction reactor [2], in which the carrier concentration of the carrier transfer promotion layer was changed, The dotted line shows the photo-induced current density measured with zero bias for the same configuration as that of the comparative photocatalytic oxidation-reduction reactor [X], in which the carrier concentration of the carrier migration promoting layer was changed.
Furthermore, the flat band potential of the n + -n − group III-V nitride semiconductor constituting the photocatalytic oxidation-reduction reactor [2] is III-V group nitride of only the n + layer according to Comparative Example 1. It was the same as the flat band potential of the semiconductor.
Further, as is apparent from FIG. 10, the group III-V nitride semiconductor having an n + -n − structure is composed of a group III-V nitride semiconductor having only an n + layer (Comparative Example 1) or only an n − layer. As compared with the group III-V nitride semiconductor (Comparative Example 2), it was confirmed that a large current density was obtained in the range of all applied voltages including the case of zero bias.
10 光触媒半導体素子
11 光触媒酸化還元反応装置
12 電解液槽
12A 酸化槽
12B 還元槽
12C 接続チューブ
12D 光透過用窓
12E,12F ガス収集管
15 開口
16 O−リング
17 参照電極
18 金属電極
19 ポテンショスタッド
19a 電圧印加用電源
20 III −V族窒化物半導体
20α 基層
20β キャリア移動促進層
21 バッファ層
25 基板
27 集電用部材
27a 金層
27b チタン層
28 はんだ
29 導電ワイヤ
L 光
M 光触媒キャリア発生部分
R 触媒反応面
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Photocatalyst semiconductor element 11 Photocatalytic oxidation-reduction reaction apparatus 12 Electrolyte tank 12A Oxidation tank 12B Reduction tank 12C Connection tube 12D Light transmission window 12E, 12F Gas collection pipe 15 Opening 16 O-ring 17 Reference electrode 18 Metal electrode 19 Potentio stud 19a Voltage application power source 20 III -V group nitride semiconductor 20α Base layer 20β Carrier movement promotion layer 21 Buffer layer 25 Substrate 27 Current collecting member 27a Gold layer 27b Titanium layer 28 Solder 29 Conductive wire L Light M Photocatalyst carrier generation part R Catalytic reaction surface
Claims (6)
互いに半導体特性の異なる基層およびこの基層に積層された表層を有し、
前記基層と前記表層とが接触する界面が形成されることにより、少なくとも表層がキャリア移動促進作用を有し、
前記基層および前記表層が、その導電型が互いに異なるものであり、
前記表層の厚さが10〜18nmであることを特徴とするIII −V族窒化物半導体。 A group III-V nitride semiconductor for photocatalytic oxidation-reduction reaction,
Having a base layer having different semiconductor characteristics and a surface layer laminated on the base layer,
By the surface layer and the base layer surface to contact is formed, at least the surface layer have a carrier transfer promoting effect,
The base layer and the surface layer have different conductivity types,
A III-V nitride semiconductor, wherein the surface layer has a thickness of 10 to 18 nm .
基板上に請求項1または請求項2に記載のIII −V族窒化物半導体が積層されていることを特徴とする光触媒半導体素子。 A photocatalytic semiconductor element, wherein the group III-V nitride semiconductor according to claim 1 or 2 is laminated on a substrate.
電解液に接触した状態とされて互いに電気的に接続された一対の電気分解用電極のうち一方の電極が請求項1または請求項2に記載のIII −V族窒化物半導体よりなり、 One electrode of the pair of electrodes for electrolysis that are brought into contact with the electrolytic solution and electrically connected to each other is made of the III-V group nitride semiconductor according to claim 1 or 2,
当該III −V族窒化物半導体を構成する触媒反応面に光が照射されることにより、酸化反応または還元反応が当該触媒反応面において生じるものであることを特徴とする光触媒酸化還元反応装置。 A photocatalytic oxidation-reduction reaction apparatus characterized in that an oxidation reaction or a reduction reaction occurs on the catalytic reaction surface by irradiating light to the catalytic reaction surface constituting the III-V group nitride semiconductor.
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