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JP6470190B2 - Semiconductor photocatalyst - Google Patents
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Description

本発明は、窒化物半導体から構成されて光触媒機能を有する半導体光触媒に関する。   The present invention relates to a semiconductor photocatalyst composed of a nitride semiconductor and having a photocatalytic function.

光触媒を用いた技術が多数開発されている。例えば、酸化電極と還元電極とを用いる技術がある(非特許文献1参照)。例えば、図4に示すように、酸化槽401と還元槽402と、酸化槽401に収容された酸またはアルカリの水溶液403と、還元槽402に収容された塩の水溶液404と、水溶液403および水溶液404の間でプロトンを移動させるプロトン膜405と、水溶液403に浸漬された酸化電極406と、水溶液404に浸漬された還元電極407と、酸化電極406および還元電極407を接続する導線408とを用いて電気分解を行う。   Many technologies using photocatalysts have been developed. For example, there is a technique using an oxidation electrode and a reduction electrode (see Non-Patent Document 1). For example, as shown in FIG. 4, an oxidation tank 401, a reduction tank 402, an acid or alkali aqueous solution 403 stored in the oxidation tank 401, an aqueous salt solution 404 stored in the reduction tank 402, an aqueous solution 403, and an aqueous solution. A proton membrane 405 that moves protons between 404, an oxidation electrode 406 immersed in an aqueous solution 403, a reduction electrode 407 immersed in an aqueous solution 404, and a conductive wire 408 connecting the oxidation electrode 406 and the reduction electrode 407 are used. Electrolysis.

水溶液403は、例えば、水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カリウム水溶液、塩酸であり、水溶液404は、例えば、炭酸水素カリウム水溶液、炭酸水素ナトリウム水溶液、塩化カリウム水溶液、塩化ナトリウム水溶液である。酸化電極406は、例えば、窒化物半導体,酸化チタン、またはアモルファスシリコンから構成され、還元電極407は、例えば、ニッケル、鉄、金、白金、銀、銅、インジウム、チタン、またはこれらの合金や金属化合物から構成されている。 The aqueous solution 403 is, for example, an aqueous sodium hydroxide solution, an aqueous potassium hydroxide solution, and hydrochloric acid, and the aqueous solution 404 is, for example, an aqueous potassium hydrogen carbonate solution, an aqueous sodium hydrogen carbonate solution, an aqueous potassium chloride solution, and an aqueous sodium chloride solution. Oxidizing electrode 406 is, for example, nitrogen compound semiconductor is composed of titanium oxide or amorphous silicon, the reduction electrode 407, for example, nickel, iron, gold, platinum, silver, copper, indium, titanium, or an alloy or a metal, It is composed of compounds.

酸化槽401と還元槽402との間にプロトン膜405が配置され、水溶液403で生成したプロトンが、プロトン膜405を介して水溶液404へ拡散していく。プロトン膜405は例えば、ナフィオン(登録商標)である。ナフィオン(登録商標)は、炭素−フッ素からなる疎水性テトラフルオロエチレン骨格とスルホン酸基を持つパーフルオロ側鎖から構成されたパーフルオロカーボン材料である。   A proton membrane 405 is disposed between the oxidation tank 401 and the reduction tank 402, and protons generated in the aqueous solution 403 diffuse into the aqueous solution 404 through the proton membrane 405. The proton membrane 405 is, for example, Nafion (registered trademark). Nafion (registered trademark) is a perfluorocarbon material composed of a hydrophobic tetrafluoroethylene skeleton composed of carbon-fluorine and a perfluoro side chain having a sulfonic acid group.

酸化電極406と還元電極407とは、導線408で電気的に接続されており、酸化電極406から還元電極407へ電子が移動可能とされている。光源410は、例えば、キセノンランプ、水銀ランプ、ハロゲンランプ、疑似太陽光源、太陽光またはこれらの組み合わせである。酸化電極406を構成する材料の吸収可能な波長の光が照射される。例えば、窒化ガリウムで構成される酸化電極406では、365nm以下の波長の光が吸収可能である。   The oxidation electrode 406 and the reduction electrode 407 are electrically connected by a conductive wire 408, and electrons can move from the oxidation electrode 406 to the reduction electrode 407. The light source 410 is, for example, a xenon lamp, a mercury lamp, a halogen lamp, a pseudo solar light source, sunlight, or a combination thereof. Light having a wavelength that can be absorbed by the material constituting the oxidation electrode 406 is irradiated. For example, the oxidation electrode 406 made of gallium nitride can absorb light having a wavelength of 365 nm or less.

S. Yotsuhashi et al. , "CO2 Conversion with Light and Water by GaN Photoelectrode", Japanese Journal of Applied Physics, vol.51, 02BP07, 2012.S. Yotsuhashi et al., "CO2 Conversion with Light and Water by GaN Photoelectrode", Japanese Journal of Applied Physics, vol.51, 02BP07, 2012. S. Y. Reece et al. , "Wireless Solar Water Splitting Using Silicon-Based Semiconductors and Earth-Abundant Catalysts", Science, vol.334, pp.645-648, 2011.S. Y. Reece et al., "Wireless Solar Water Splitting Using Silicon-Based Semiconductors and Earth-Abundant Catalysts", Science, vol.334, pp.645-648, 2011.

しかしながら、上述した技術では、構成要素が多く、反応系が複雑なことから、より簡易な反応系および小型化が課題である。これに対し、より簡便な構成で小型が可能な技術として、配線構造を必要とせずに1つの光触媒で構成する技術がある(非特許文献2参照)。   However, in the above-described technique, since there are many components and the reaction system is complicated, a simpler reaction system and miniaturization are problems. On the other hand, as a technique that can be reduced in size with a simpler configuration, there is a technique that includes a single photocatalyst without requiring a wiring structure (see Non-Patent Document 2).

例えば、図5に示すように、光触媒槽501に収容された酸やアルカリなどの水溶液502と、水溶液502に浸漬した光触媒503とを備える。光触媒503は、窒化物半導体、酸化チタン、またはアモルファスシリコンなどから構成されている。なお、光触媒503の表面には、例えば水の分解反応を促進する金属助触媒が担持されている。光源510からの光が光触媒503に照射されると、水素および酸素が生成される。   For example, as shown in FIG. 5, an aqueous solution 502 such as an acid or an alkali accommodated in a photocatalyst tank 501 and a photocatalyst 503 immersed in the aqueous solution 502 are provided. The photocatalyst 503 is made of a nitride semiconductor, titanium oxide, amorphous silicon, or the like. Note that, on the surface of the photocatalyst 503, for example, a metal promoter that promotes the decomposition reaction of water is supported. When light from the light source 510 is irradiated onto the photocatalyst 503, hydrogen and oxygen are generated.

この構成は、前述した光触媒の反応系に比べて簡易であり、系の低コスト化および小型化が可能である点で期待されている。しかしながら、この反応系では、光エネルギー変換効率が低いという問題がある。   This configuration is simpler than the above-described photocatalytic reaction system, and is expected in that the system can be reduced in cost and size. However, this reaction system has a problem that the light energy conversion efficiency is low.

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、簡素な構成で光触媒反応の効率をより向上させることを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to further improve the efficiency of the photocatalytic reaction with a simple configuration.

本発明に係る半導体光触媒は、基板の主表面上に形成され、Gaを含むn型の窒化物半導体からなり主表面を極性の(0001)面とされた第1半導体層と、第1半導体層の主表面上に接触して形成され、Gaを含む窒化物半導体からなり主表面をIII族極性の(0001)面とされた第2半導体層と、第2半導体層の主表面上にショットキー接合して形成されたショットキー金属層とを備える。 A semiconductor photocatalyst according to the present invention includes a first semiconductor layer formed on a main surface of a substrate, made of an n-type nitride semiconductor containing Ga, and having a main surface of an N- polar (0001) plane , and a first semiconductor is formed on and in contact with the main surface of the layer, the result main surface of a nitride semiconductor containing Ga and second semiconductor layer which is a (0001) plane of the group III polarity, on the main surface of the second semiconductor layer A Schottky metal layer formed by Schottky bonding.

上記半導体光触媒において、第2半導体層は、第1半導体層より基板平面方向の格子定数が小さい状態とされているIn the semiconductor photocatalyst, the second semiconductor layer, the lattice constant of the substrate planar direction than the first semiconductor layer is smaller state.

上記半導体光触媒において、第1半導体層は、n型とされているとよい。   In the semiconductor photocatalyst, the first semiconductor layer may be n-type.

上記半導体光触媒において、第2半導体層、および第2半導体層とショットキー金属層との接触領域は、露出する部分を備える。   In the semiconductor photocatalyst, the second semiconductor layer and the contact region between the second semiconductor layer and the Schottky metal layer include exposed portions.

上記半導体光触媒において、島状とされた複数のショットキー金属層を備えるようにするとよい。   The semiconductor photocatalyst may be provided with a plurality of island-shaped Schottky metal layers.

上記半導体光触媒において、第1半導体層に電気的に接続したオーミック金属層を備えるようにしてもよい。この場合、オーミック金属層は、第2半導体層の主表面上にオーミック接合して形成されて第1半導体層と電気的に接続されているようにしてもよい。例えば、島状とされた複数のオーミック金属層が、第2半導体層主表面上に形成されていればよい。 The semiconductor photocatalyst may include an ohmic metal layer electrically connected to the first semiconductor layer. In this case, the ohmic metal layer may be formed in ohmic contact with the main surface of the second semiconductor layer and electrically connected to the first semiconductor layer. For example, a plurality of island-like ohmic metal layers may be formed on the main surface of the second semiconductor layer.

以上説明したように、本発明によれば、窒化物半導体からなり主表面をV族極性とした第1半導体層の主表面上に、窒化物半導体からなり主表面をIII族極性とした第2半導体層を形成したので、簡素な構成で光触媒反応の効率がより向上するという優れた効果が得られる。   As described above, according to the present invention, on the main surface of the first semiconductor layer made of a nitride semiconductor and having a main surface with group V polarity, the second surface made of a nitride semiconductor and having the main surface with group III polarity. Since the semiconductor layer is formed, it is possible to obtain an excellent effect that the efficiency of the photocatalytic reaction is further improved with a simple configuration.

図1Aは、本発明の実施の形態1における半導体光触媒の構成を示す断面図である。FIG. 1A is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor photocatalyst according to Embodiment 1 of the present invention. 図1Bは、本発明の実施の形態1における半導体光触媒の一部構成を示す平面図である。FIG. 1B is a plan view showing a partial configuration of the semiconductor photocatalyst according to Embodiment 1 of the present invention. 図2は、半導体光電極が用いられる実験装置の構成を示す構成図である。FIG. 2 is a configuration diagram showing the configuration of an experimental apparatus in which a semiconductor photoelectrode is used. 図3Aは、本発明の実施の形態2における半導体光触媒の構成を示す断面図である。FIG. 3A is a cross-sectional view showing the configuration of the semiconductor photocatalyst according to Embodiment 2 of the present invention. 図3Bは、本発明の実施の形態2における半導体光触媒の一部構成を示す平面図である。FIG. 3B is a plan view showing a partial configuration of the semiconductor photocatalyst according to Embodiment 2 of the present invention. 図4は、酸化電極と還元電極とを用いる光触媒技術の構成を示す構成図である。FIG. 4 is a configuration diagram showing a configuration of a photocatalytic technique using an oxidation electrode and a reduction electrode. 図5は、1つの光触媒を用いる光触媒技術の構成を示す構成図である。FIG. 5 is a configuration diagram showing a configuration of a photocatalytic technique using one photocatalyst.

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

[実施の形態1]
はじめに、本発明の実施の形態1について図1A、図1Bを用いて説明する。図1Aは、本発明の実施の形態1における半導体光触媒の構成を示す断面図である。図1Bは、本発明の実施の形態1における半導体光触媒の構成を示す平面図である。
[Embodiment 1]
First, Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to FIGS. 1A and 1B. FIG. 1A is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor photocatalyst according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 1B is a plan view showing the configuration of the semiconductor photocatalyst according to Embodiment 1 of the present invention.

この半導体光触媒は、第1半導体層101、および第1半導体層101の主表面上に形成された第2半導体層102を備える。第1半導体層101は、窒化物半導体からなり主表面をV族極性(N極性)とされている。第2半導体層102は、窒化物半導体からなり主表面をIII族極性(Ga極性)とされている。例えば、第1半導体層101は、GaNから構成し、第2半導体層102は、AlGaNから構成すればよい。   The semiconductor photocatalyst includes a first semiconductor layer 101 and a second semiconductor layer 102 formed on the main surface of the first semiconductor layer 101. The first semiconductor layer 101 is made of a nitride semiconductor and has a main surface with group V polarity (N polarity). The second semiconductor layer 102 is made of a nitride semiconductor and has a main surface with group III polarity (Ga polarity). For example, the first semiconductor layer 101 may be made of GaN, and the second semiconductor layer 102 may be made of AlGaN.

例えば、主表面の面方位を(0001)面としたサファイアからなる基板111の上に、GaNおよびAlGaNを結晶成長させることで、第1半導体層101および第2半導体層102とすればよい。また、異なる基板に各々の成長面をV族極性とした状態で第1半導体層および第2半導体層を形成し(−C軸方向への成長)、両者のV族極性面を貼り合わせ、この後、第2半導体層より基板を除去してもよい。基板を除去することで得られる第2半導体層の主表面は、III族極性となっている。   For example, the first semiconductor layer 101 and the second semiconductor layer 102 may be formed by crystal growth of GaN and AlGaN on a substrate 111 made of sapphire having a (0001) plane as the main surface. In addition, the first semiconductor layer and the second semiconductor layer are formed on different substrates in a state where each growth surface has a group V polarity (growth in the −C axis direction), and both the group V polarity surfaces are bonded together. Thereafter, the substrate may be removed from the second semiconductor layer. The main surface of the second semiconductor layer obtained by removing the substrate has Group III polarity.

また、半導体光触媒は、第2半導体層102の主表面上にショットキー接合(接触)して形成されたショットキー金属層103を備える。また、実施の形態1では、第1半導体層103に電気的に接続したオーミック金属層104を備える。例えば、オーミック金属層104は、第1半導体層101にオーミック接合(接触)して形成されている。オーミック金属層104は、例えば第1半導体層101の側部にオーミック接合していればよい。また、オーミック金属層104は、第2半導体層102にオーミック接合していてもよい。なお、オーミック金属層104は無くてもよい。   The semiconductor photocatalyst includes a Schottky metal layer 103 formed on the main surface of the second semiconductor layer 102 by Schottky junction (contact). In the first embodiment, the ohmic metal layer 104 electrically connected to the first semiconductor layer 103 is provided. For example, the ohmic metal layer 104 is formed in ohmic contact (contact) with the first semiconductor layer 101. For example, the ohmic metal layer 104 may be in ohmic contact with the side portion of the first semiconductor layer 101. The ohmic metal layer 104 may be in ohmic contact with the second semiconductor layer 102. Note that the ohmic metal layer 104 may be omitted.

ここで、第2半導体層102、ショットキー金属層103、および第2半導体層102とショットキー金属層103との接触領域は、露出する部分を備えていることが重要となる。   Here, it is important that the second semiconductor layer 102, the Schottky metal layer 103, and the contact region between the second semiconductor layer 102 and the Schottky metal layer 103 have exposed portions.

上述した実施の形態における半導体光触媒によれば、第1半導体層101は主表面をV族極性とし、第2半導体層102は主表面をIII族極性としているので、窒化物半導体の自然分極による電界で、光を受けたことにより発生した正孔は、第2半導体層102の主表面側に移動し、ショットキー接合するショットキー金属層103に到達して捕集される。また、光を受けたことにより発生した電子は、第1半導体層101と第2半導体層102との界面の側に移動してオーミック金属層104に到達して捕集される。   According to the semiconductor photocatalyst in the above-described embodiment, the first semiconductor layer 101 has a main surface having group V polarity, and the second semiconductor layer 102 has a main surface having group III polarity. Thus, the holes generated by receiving the light move to the main surface side of the second semiconductor layer 102 and reach the Schottky metal layer 103 that is in Schottky junction to be collected. Further, electrons generated by receiving light move to the interface side between the first semiconductor layer 101 and the second semiconductor layer 102, reach the ohmic metal layer 104, and are collected.

上述した状態において、図2に示すように、実施の形態1における半導体光触媒100が、光触媒槽201に収容された電解質の水溶液202中に配置(浸漬)されていれば、正孔が捕集されたショットキー金属層103において、酸化反応が発生し、電子が捕集されているオーミック金属層104で還元反応が発生する。この結果、水が電気分解できる(水の酸化反応による酸素生成、水の酸化により生じたプロトンの還元による水素生成)。   In the state described above, as shown in FIG. 2, if the semiconductor photocatalyst 100 according to the first embodiment is placed (immersed) in the aqueous solution 202 of the electrolyte accommodated in the photocatalyst tank 201, holes are collected. In addition, an oxidation reaction occurs in the Schottky metal layer 103, and a reduction reaction occurs in the ohmic metal layer 104 in which electrons are collected. As a result, water can be electrolyzed (oxygen generation by water oxidation reaction, hydrogen generation by reduction of protons generated by water oxidation).

ショットキー金属層103、第2半導体層102、オーミック金属層104、および第2半導体層102とショットキー金属層103との接触領域は、露出する部分を備えているので、これらは水溶液202に接触することになり、上述した反応が起こる状態とされている。なお、光は、光が透過する光触媒槽201の外部に配置した光源204から照射すればよい。   Since the Schottky metal layer 103, the second semiconductor layer 102, the ohmic metal layer 104, and the contact region between the second semiconductor layer 102 and the Schottky metal layer 103 have exposed portions, they contact the aqueous solution 202. As a result, the above-described reaction occurs. Note that light may be emitted from a light source 204 disposed outside the photocatalyst tank 201 through which light passes.

また、ショットキー金属層103の金属種や、光触媒槽201内部の雰囲気を変えることで、二酸化炭素の還元反応による一酸化炭素、ギ散、メタノール、メタンの炭化水素類の生成、または、窒素の還元反応によるアンモニアの生成も可能である。   In addition, by changing the metal species of the Schottky metal layer 103 and the atmosphere inside the photocatalyst tank 201, the generation of hydrocarbons such as carbon monoxide, ginsan, methanol, methane by the reduction reaction of carbon dioxide, or nitrogen It is also possible to produce ammonia by a reduction reaction.

実施の形態によれば、V族極性とした第1半導体層101と、III族極性とした第2半導体層102とを積層することで、光反応により生成した電子および正孔を分離させ、ショットキー接合するショットキー金属層103で分離した正孔を捕集し、オーミック接合するオーミック金属層104で電子を捕集するようにしたので、上述した触媒反応の効率をより向上させることができる。また、実施の形態によれば、1つの溶液、1つの半導体光触媒で構成できるので、複雑な構成とする必要がない。   According to the embodiment, by stacking the first semiconductor layer 101 having the group V polarity and the second semiconductor layer 102 having the group III polarity, the electrons and holes generated by the photoreaction are separated and shot. Since the holes separated by the Schottky metal layer 103 to be key-joined are collected and the electrons are collected by the ohmic metal layer 104 to be ohmic-joined, the above-described catalytic reaction efficiency can be further improved. In addition, according to the embodiment, since it can be configured with one solution and one semiconductor photocatalyst, it is not necessary to have a complicated configuration.

また、ショットキー金属層103は、例えば複数の島部131から構成して第2半導体層102の上に形成するとよい。例えば、図1Bの平面図に示すように、平面視で直径10μmの円形とされた複数の島部131を、中心間の距離を110μmとして正方配列された状態とすればよい。このように構成することで、第2半導体層102、ショットキー金属層103、および第2半導体層102とショットキー金属層103との接触領域を、より広い面積で露出させることができる。また、各島部131を規則的に配列させることで、局所的な正孔の捕集による、例えば材料を劣化させる目的外の反応が抑制できるようになる。   In addition, the Schottky metal layer 103 is preferably formed on the second semiconductor layer 102 by including a plurality of island portions 131, for example. For example, as shown in the plan view of FIG. 1B, a plurality of islands 131 having a diameter of 10 μm in plan view may be arranged in a square array with a distance between centers of 110 μm. With this configuration, the second semiconductor layer 102, the Schottky metal layer 103, and the contact region between the second semiconductor layer 102 and the Schottky metal layer 103 can be exposed in a wider area. In addition, by arranging the islands 131 regularly, it is possible to suppress an unintended reaction that deteriorates the material, for example, due to local collection of holes.

また、上述したように、第1半導体層101をn型のGaNから構成し、第2半導体層102をAlGaNから構成し、第2半導体層102が、第1半導体層101より格子定数が小さい状態とすると、これら材料間の格子定数差により発生するピエゾ電解により、上述した電子および正孔の移動がより効率的に起こるようになる。また、第1半導体層101をn型とすることで、上述した電子および正孔の移動をより効率的に起こさせることができるようになる。   Further, as described above, the first semiconductor layer 101 is composed of n-type GaN, the second semiconductor layer 102 is composed of AlGaN, and the second semiconductor layer 102 has a smaller lattice constant than the first semiconductor layer 101. Then, the above-described movement of electrons and holes occurs more efficiently by piezoelectrolysis generated by the difference in lattice constant between these materials. In addition, by making the first semiconductor layer 101 n-type, the above-described movement of electrons and holes can be caused more efficiently.

[実施の形態2]
次に、本発明の実施の形態2について図3A、図3Bを用いて説明する。図3Aは、本発明の実施の形態1における半導体光触媒の構成を示す断面図である。図3Bは、本発明の実施の形態1における半導体光触媒の構成を示す平面図である。
[Embodiment 2]
Next, Embodiment 2 of the present invention will be described with reference to FIGS. 3A and 3B. FIG. 3A is a cross-sectional view showing the configuration of the semiconductor photocatalyst according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 3B is a plan view showing the configuration of the semiconductor photocatalyst according to Embodiment 1 of the present invention.

この半導体光触媒は、第1半導体層301、および第1半導体層301の主表面上に形成された第2半導体層302を備える。第1半導体層301は、窒化物半導体からなり主表面をV族極性(N極性)とされている。第2半導体層302は、窒化物半導体からなり主表面をIII族極性(Ga極性)とされている。例えば、第1半導体層301は、GaNから構成し、第2半導体層302は、AlGaNから構成すればよい。例えば、主表面の面方位を(0001)面としたサファイアからなる基板311の上に、GaNおよびAlGaNを結晶成長させることで、第1半導体層301および第2半導体層302とすればよい。   The semiconductor photocatalyst includes a first semiconductor layer 301 and a second semiconductor layer 302 formed on the main surface of the first semiconductor layer 301. The first semiconductor layer 301 is made of a nitride semiconductor and has a main surface with group V polarity (N polarity). The second semiconductor layer 302 is made of a nitride semiconductor and has a main surface with group III polarity (Ga polarity). For example, the first semiconductor layer 301 may be made of GaN, and the second semiconductor layer 302 may be made of AlGaN. For example, the first semiconductor layer 301 and the second semiconductor layer 302 may be formed by crystal growth of GaN and AlGaN on a substrate 311 made of sapphire whose main surface has a (0001) plane orientation.

また、半導体光触媒は、第2半導体層302の主表面上にショットキー接合(接触)して形成されたショットキー金属層303、および第2半導体層302の主表面上にオーミック接合(接触)して形成され、第1半導体層301と電気的に接続されたオーミック金属層304を備える。例えば、オーミック金属層304を構成する金属が拡散して形成された合金領域341により、オーミック金属層304が半導体層101に電気的に接続している。ショットキー金属層303とオーミック金属層304とは、電気的に分離されている。なお、オーミック金属層304は無くてもよい。この場合においても、第2半導体層302、ショットキー金属層303、および第2半導体層302とショットキー金属層303との接触領域は、露出する部分を備えていることが重要となる。   In addition, the semiconductor photocatalyst has an ohmic junction (contact) with the Schottky metal layer 303 formed on the main surface of the second semiconductor layer 302 and a Schottky metal layer 303 formed on the main surface of the second semiconductor layer 302. And an ohmic metal layer 304 that is electrically connected to the first semiconductor layer 301. For example, the ohmic metal layer 304 is electrically connected to the semiconductor layer 101 by an alloy region 341 formed by diffusing the metal constituting the ohmic metal layer 304. The Schottky metal layer 303 and the ohmic metal layer 304 are electrically separated. Note that the ohmic metal layer 304 may be omitted. Even in this case, it is important that the second semiconductor layer 302, the Schottky metal layer 303, and the contact region between the second semiconductor layer 302 and the Schottky metal layer 303 have exposed portions.

例えば、第2半導体層302の主表面上に、島状とされた複数のショットキー金属層303が形成されている。言い換えると、ショットキー金属層は、複数の島部から構成されていてもよい。同様に、第2半導体層302の主表面上に、島状とされた複数のオーミック金属層304が形成されている。例えば、図3Bの平面図に示すように、平面視で直径10μmの円形とされた複数のショットキー金属層303、および平面視で直径10μmの円形とされた複数のオーミック金属層304が、各々1つおきに正方配列された状態とすればよい。隣り合う島部分の中心間の距離は110μmとすればよい。   For example, a plurality of island-shaped Schottky metal layers 303 are formed on the main surface of the second semiconductor layer 302. In other words, the Schottky metal layer may be composed of a plurality of islands. Similarly, a plurality of ohmic metal layers 304 having an island shape are formed on the main surface of the second semiconductor layer 302. For example, as shown in the plan view of FIG. 3B, a plurality of Schottky metal layers 303 having a diameter of 10 μm in a plan view and a plurality of ohmic metal layers 304 having a diameter of 10 μm in a plan view, respectively. It suffices to make every other square array. The distance between the centers of adjacent island portions may be 110 μm.

このように構成することで、第2半導体層302、ショットキー金属層303、および第2半導体層302とショットキー金属層303との接触領域を、より広い面積で露出させることができる。また、各々の島状の部分(オーミック金属層304)を規則的に配列させることで、局所的な正孔の捕集による、例えば材料を劣化させる目的外の反応が抑制できるようになる。   With this configuration, the second semiconductor layer 302, the Schottky metal layer 303, and the contact region between the second semiconductor layer 302 and the Schottky metal layer 303 can be exposed in a wider area. In addition, by regularly arranging the island-shaped portions (ohmic metal layer 304), it is possible to suppress unintended reactions that cause, for example, material degradation due to local hole collection.

上述した実施の形態における半導体光触媒によれば、第1半導体層301は主表面をV族極性とし、第2半導体層302は主表面をIII族極性としているので、窒化物半導体の自然分極による電界で、光を受けたことにより発生した正孔は、第2半導体層302の主表面側に移動し、ショットキー接合するショットキー金属層303に到達して捕集される。また、光を受けたことにより発生した電子は、第1半導体層301と第2半導体層302との界面の側に移動し、第1半導体層301に電気的に接続するオーミック金属層304に到達して捕集される。   According to the semiconductor photocatalyst in the above-described embodiment, the first semiconductor layer 301 has a main surface with group V polarity, and the second semiconductor layer 302 has a main surface with group III polarity. Thus, the holes generated by receiving the light move to the main surface side of the second semiconductor layer 302, reach the Schottky metal layer 303 that is in Schottky junction, and are collected. Further, electrons generated by receiving light move to the interface side between the first semiconductor layer 301 and the second semiconductor layer 302 and reach the ohmic metal layer 304 that is electrically connected to the first semiconductor layer 301. To be collected.

上述した実施の形態2においても、前述した実施の形態1と同様に、実施の形態2における半導体光触媒が、電解質の水溶液中に配置(浸漬)されていれば、正孔が捕集されたショットキー金属層303において、酸化反応が発生し、電子が捕集されているオーミック金属層304で還元反応が発生する。この結果、水が電気分解できる(水の酸化反応による酸素生成、水の酸化により生じたプロトンの還元による水素生成)。   Also in the second embodiment described above, as in the first embodiment described above, if the semiconductor photocatalyst in the second embodiment is disposed (immersed) in an aqueous electrolyte solution, a shot in which holes are collected. An oxidation reaction occurs in the key metal layer 303, and a reduction reaction occurs in the ohmic metal layer 304 in which electrons are collected. As a result, water can be electrolyzed (oxygen generation by water oxidation reaction, hydrogen generation by reduction of protons generated by water oxidation).

ショットキー金属層303、第2半導体層302、オーミック金属層304、および第2半導体層302とショットキー金属層303との接触領域は、露出する部分を備えているので、これらは上記水溶液に接触することになり、上述した反応が起こる状態とされている。なお、光は、水溶液を収容する光触媒槽の外部に配置した光源から照射すればよい。   Since the contact region between the Schottky metal layer 303, the second semiconductor layer 302, the ohmic metal layer 304, and the contact region between the second semiconductor layer 302 and the Schottky metal layer 303 includes an exposed portion, these contact with the aqueous solution. As a result, the above-described reaction occurs. In addition, what is necessary is just to irradiate light from the light source arrange | positioned outside the photocatalyst tank which accommodates aqueous solution.

また、ショットキー金属層303の金属種や、水溶液の雰囲気を変えることで、二酸化炭素の還元反応による一酸化炭素、ギ散、メタノール、メタンの炭化水素類の生成、または、窒素の還元反応によるアンモニアの生成も可能である。   In addition, by changing the metal species of the Schottky metal layer 303 and the atmosphere of the aqueous solution, it is possible to generate hydrocarbons such as carbon monoxide, mist, methanol, and methane by the reduction reaction of carbon dioxide, or by the reduction reaction of nitrogen. Ammonia can also be produced.

実施の形態2によれば、V族極性とした第1半導体層301と、III族極性とした第2半導体層302とを積層することで光反応により生成した電子および正孔を分離させ、ショットキー接合するショットキー金属層303で分離した正孔を捕集するようにした。電子は、第1半導体層301に電気的に接続するオーミック金属層304で捕集する。この結果、上述した触媒反応の効率をより向上させることができる。また、実施の形態2によれば、1つの溶液、1つの半導体光触媒で構成できるので、複雑な構成とする必要がない。   According to the second embodiment, by stacking the first semiconductor layer 301 having the group V polarity and the second semiconductor layer 302 having the group III polarity, the electrons and holes generated by the photoreaction are separated, and the shot is performed. The holes separated by the Schottky metal layer 303 to be key-joined are collected. Electrons are collected by the ohmic metal layer 304 that is electrically connected to the first semiconductor layer 301. As a result, the above-described catalytic reaction efficiency can be further improved. Moreover, according to Embodiment 2, since it can be comprised with one solution and one semiconductor photocatalyst, it is not necessary to set it as a complicated structure.

また、上述したように、第1半導体層301をn型のGaNから構成し、第2半導体層302をAlGaNから構成すると、これら材料間の格子定数差により発生するピエゾ電解により、上述した電子および正孔の移動がより効率的に起こるようになる。また、第1半導体層301をn型とすることで、上述した電子および正孔の移動をより効率的に起こさせることができるようになる。   Further, as described above, when the first semiconductor layer 301 is made of n-type GaN and the second semiconductor layer 302 is made of AlGaN, the above-described electrons and electrons are generated by piezoelectrolysis generated by a lattice constant difference between these materials. Hole movement will occur more efficiently. In addition, by making the first semiconductor layer 301 n-type, the above-described movement of electrons and holes can be caused more efficiently.

次に、実施例を用いてより詳細に説明する。   Next, it demonstrates in detail using an Example.

[実施例1]
はじめに、実施例1における半導体光触媒の作製について説明する。実施例1の半導体光触媒は、実施の形態1で説明した構成である。まず、主表面を(0001)面としたサファイア基板を用意する。次に、サファイア基板の上に、よく知られた有機金属気相成長法により、シリコンをドープしてn型としたGaNをV族極性の状態で結晶成長させて第1半導体層を形成する。次に、Al0.05Ga0.95NをIII族極性の状態でエピタキシャル成長させて第2半導体層を形成する。
[Example 1]
First, production of a semiconductor photocatalyst in Example 1 will be described. The semiconductor photocatalyst of Example 1 has the configuration described in Embodiment 1. First, a sapphire substrate having a main surface of (0001) plane is prepared. Next, on the sapphire substrate, by well-known metal organic vapor phase epitaxy, GaN which is doped with silicon and made n-type is crystal-grown in a state of group V polarity to form a first semiconductor layer. Next, Al 0.05 Ga 0.95 N is epitaxially grown in a group III polarity state to form a second semiconductor layer.

以上のことにより、サファイア基板の上に、厚さ2μmのn−GaNからなるV族極性の第1半導体層を形成し、第1半導体層の上に、厚さ100nmのAl0.05Ga0.95NからなるIII族極性の第2半導体層を形成した。第1半導体層は、キャリア密度を3×1018cm-3とした。第2半導体層の層厚100nmは、第2半導体層における主表面方向からの、第2半導体層で吸収される波長の光の侵入長さと同程度となる。なお、第2半導体層で吸収されない波長の光が第1半導体層で効率よく吸収されるように、第1半導体層の層厚を2μmとしている。 As described above, a V group polarity first semiconductor layer made of n-GaN having a thickness of 2 μm is formed on the sapphire substrate, and Al 0.05 Ga 0.95 N having a thickness of 100 nm is formed on the first semiconductor layer. A Group III polar second semiconductor layer was formed. The first semiconductor layer had a carrier density of 3 × 10 18 cm −3 . The layer thickness of 100 nm of the second semiconductor layer is approximately the same as the penetration length of light having a wavelength absorbed by the second semiconductor layer from the main surface direction in the second semiconductor layer. The thickness of the first semiconductor layer is set to 2 μm so that light having a wavelength that is not absorbed by the second semiconductor layer is efficiently absorbed by the first semiconductor layer.

なお、n−GaNからなる第1半導体層は、基板平面方向の格子定数が0.3189nmである。また、Al0.05Ga0.95Nからなる第2半導体層は、基板平面方向の格子定数が0.3185nmである。この場合、第2半導体層は、第1半導体層より格子定数が小さいものとなる。 Note that the first semiconductor layer made of n-GaN has a lattice constant of 0.3189 nm in the substrate plane direction. The second semiconductor layer made of Al 0.05 Ga 0.95 N has a lattice constant of 0.3185 nm in the substrate plane direction. In this case, the second semiconductor layer has a smaller lattice constant than the first semiconductor layer.

次に、第1半導体層および第2半導体層の積層構造側面に、オーミック金属層を形成した。例えば、まず、厚さ25nmのチタン層を堆積し、続いて厚さ50nmのアルミニウム層を堆積し、続いて厚さ25nmのチタン層を堆積し、続いて厚さ100nmの白金層を堆積し、これら積層構造によりオーミック金属層とした。オーミック金属層の最表面は白金層となる。各層は、例えば真空蒸着法により形成(堆積)すればよい。なお、白金の代わりに、金、銀、銅、ニッケル、タングステン、タンタル、パラジウム、ルテニウムを用いてもよい。   Next, an ohmic metal layer was formed on the side surface of the stacked structure of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer. For example, first a 25 nm thick titanium layer is deposited, followed by a 50 nm thick aluminum layer, followed by a 25 nm thick titanium layer, followed by a 100 nm thick platinum layer, An ohmic metal layer was formed by these laminated structures. The outermost surface of the ohmic metal layer is a platinum layer. Each layer may be formed (deposited) by, for example, a vacuum evaporation method. Note that gold, silver, copper, nickel, tungsten, tantalum, palladium, or ruthenium may be used instead of platinum.

以上ようにして、第1半導体層および第2半導体層の積層構造側面にオーミック金属層を形成した後、窒素雰囲気において、800℃・30秒の条件で加熱処理を実施し、オーミック金属層と、第1半導体層,第2半導体層との間にオーミック接合を形成させた。なお、この熱処理は、各半導体層の組成が変化しない条件であれば、大気,不活性ガス,酸素ガス,水素ガス,真空減圧下などの雰囲気で実施してもよい。 As described above , after forming the ohmic metal layer on the side surface of the stacked structure of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer, heat treatment is performed in a nitrogen atmosphere under conditions of 800 ° C. and 30 seconds, The ohmic junction was formed between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer. Note that this heat treatment may be performed in an atmosphere such as air, inert gas, oxygen gas, hydrogen gas, or vacuum under reduced pressure as long as the composition of each semiconductor layer does not change.

次に、第2半導体層の主表面上に、白金から構成した複数の島部を形成してショットキー金属層とした。例えば、公知のフォトリソグラフィ技術により島部に開口部を有するレジストパターンを形成し、このレジストパターンの上から真空蒸着法により白金を堆積する。厚さ100nm程度に形成する。この後、レジストパターンを除去(リフトオフ)することで、開口部に堆積された白金が残り、島部となる。各島部は、直径10μmの平面視円形とし、また、基板平面方向における各島部の中心間の距離は、110μmとした。また、複数の島部は、正方配列させた。形成された島部は、第2半導体層とショットキー接合した状態となる。   Next, a plurality of island parts made of platinum were formed on the main surface of the second semiconductor layer to form a Schottky metal layer. For example, a resist pattern having an opening on the island is formed by a known photolithography technique, and platinum is deposited on the resist pattern by vacuum evaporation. It is formed to a thickness of about 100 nm. Thereafter, by removing (lifting off) the resist pattern, the platinum deposited in the opening remains and becomes an island. Each island portion has a circular shape in plan view with a diameter of 10 μm, and the distance between the centers of the island portions in the substrate plane direction is 110 μm. The plurality of islands were arranged in a square pattern. The formed island portion is in a Schottky junction with the second semiconductor layer.

次に、上述したことにより作製した積層構造を切断することで半導体光触媒チップ(試料1)を形成した。チップは、光触媒機能が発現される実効的な面積が1cm2となるサイズに形成した。 Next, the semiconductor photocatalyst chip (sample 1) was formed by cutting the laminated structure produced as described above. The chip was formed in such a size that the effective area where the photocatalytic function is expressed is 1 cm 2 .

上述した実施例1における試料1に対し、比較のための比較試料1を作製した。比較試料1は、第1半導体層および第2半導体層ともにIII族極性として形成した。他の構成は、試料1と同様にした。   Comparative sample 1 for comparison with sample 1 in Example 1 described above was prepared. In Comparative Sample 1, both the first semiconductor layer and the second semiconductor layer were formed with Group III polarity. Other configurations were the same as those of Sample 1.

[実施例2]
次に、実施例2における半導体光触媒の作製について説明する。実施例2の半導体光触媒は、実施の形態2で説明した構成である。まず、主表面を(0001)面としたサファイア基板を用意する。次に、サファイア基板の上に、よく知られた有機金属気相成長法により、シリコンをドープしてn型としたGaNをV族極性の状態で結晶成長させて第1半導体層を形成する。次に、Al0.05Ga0.95NをIII族極性の状態でエピタキシャル成長させて第2半導体層を形成する。
[Example 2]
Next, production of a semiconductor photocatalyst in Example 2 will be described. The semiconductor photocatalyst of Example 2 has the configuration described in Embodiment 2. First, a sapphire substrate having a main surface of (0001) plane is prepared. Next, on the sapphire substrate, by well-known metal organic vapor phase epitaxy, GaN which is doped with silicon and made n-type is crystal-grown in a state of group V polarity to form a first semiconductor layer. Next, Al 0.05 Ga 0.95 N is epitaxially grown in a group III polarity state to form a second semiconductor layer.

以上のことにより、サファイア基板の上に、厚さ2μmのn−GaNからなるV族極性の第1半導体層を形成し、第1半導体層の上に、厚さ100nmのAl0.05Ga0.95NからなるIII族極性の第2半導体層を形成した。第1半導体層は、キャリア密度を3×1018cm-3とした。第2半導体層の層厚100nmは、第2半導体層における主表面方向からの、第2半導体層で吸収される波長の光の侵入長さと同程度となる。なお、第2半導体層で吸収されない波長の光が第1半導体層で効率よく吸収されるように、第1半導体層の層厚を2μmとしている。 As described above, a V group polarity first semiconductor layer made of n-GaN having a thickness of 2 μm is formed on the sapphire substrate, and Al 0.05 Ga 0.95 N having a thickness of 100 nm is formed on the first semiconductor layer. A Group III polar second semiconductor layer was formed. The first semiconductor layer had a carrier density of 3 × 10 18 cm −3 . The layer thickness of 100 nm of the second semiconductor layer is approximately the same as the penetration length of light having a wavelength absorbed by the second semiconductor layer from the main surface direction in the second semiconductor layer. The thickness of the first semiconductor layer is set to 2 μm so that light having a wavelength that is not absorbed by the second semiconductor layer is efficiently absorbed by the first semiconductor layer.

なお、n−GaNからなる第1半導体層は、基板平面方向の格子定数が0.3189nmである。また、Al0.05Ga0.95Nからなる第2半導体層は、基板平面方向の格子定数が0.3185nmである。この場合、第2半導体層は、第1半導体層より格子定数が小さいものとなる。 Note that the first semiconductor layer made of n-GaN has a lattice constant of 0.3189 nm in the substrate plane direction. The second semiconductor layer made of Al 0.05 Ga 0.95 N has a lattice constant of 0.3185 nm in the substrate plane direction. In this case, the second semiconductor layer has a smaller lattice constant than the first semiconductor layer.

次に、第2半導体層の主表面上に、オーミック金属層を形成した。例えば、公知のフォトリソグラフィ技術により島部に開口部を有するレジストパターンを形成し、このレジストパターンの上から真空蒸着法により以下に示す各金属を堆積する。例えば、まず、厚さ25nmのチタン層を堆積し、続いて厚さ50nmのアルミニウム層を堆積し、続いて厚さ25nmのチタン層を堆積し、続いて厚さ100nmの白金層を堆積した。最表面は白金層となる。なお、白金の代わりに、金、銀、銅、ニッケル、タングステン、タンタル、パラジウム、ルテニウムを用いてもよい。   Next, an ohmic metal layer was formed on the main surface of the second semiconductor layer. For example, a resist pattern having an opening on the island is formed by a known photolithography technique, and the following metals are deposited on the resist pattern by vacuum deposition. For example, a 25 nm thick titanium layer was first deposited, followed by a 50 nm thick aluminum layer, followed by a 25 nm thick titanium layer, followed by a 100 nm thick platinum layer. The outermost surface is a platinum layer. Note that gold, silver, copper, nickel, tungsten, tantalum, palladium, or ruthenium may be used instead of platinum.

この後、レジストパターンをリフトオフすることで、開口部に堆積された白金が残り、島状のオーミック金属層となる。各々のオーミック金属層は、直径10μmの平面視円形とし、また、基板平面方向における各々のオーミック金属層の中心間の距離は、220μmとした。また、複数のオーミック金属層は、正方配列させた。   Thereafter, the resist pattern is lifted off, so that platinum deposited in the opening remains and becomes an island-shaped ohmic metal layer. Each ohmic metal layer was circular in plan view with a diameter of 10 μm, and the distance between the centers of each ohmic metal layer in the substrate plane direction was 220 μm. Further, the plurality of ohmic metal layers were arranged in a square.

以上ようにして、第2半導体層の主表面上に島状とした複数のオーミック金属層を形成した後、窒素雰囲気において、800℃・30秒の条件で加熱処理を実施し、オーミック金属層と第2半導体層(第1半導体層)との間にオーミック接合を形成させた。加熱処理により、オーミック金属層を構成する金属が半導体層中に拡散して合金領域を形成する。この合金領域が第1半導体層に到達することで、オーミック金属層と第1半導体層とが電気的に接続した状態とすることができる。なお、この熱処理は、各半導体層の組成が変化しない条件であれば、大気,不活性ガス,酸素ガス,水素ガス,真空減圧下などの雰囲気で実施してもよい。 As described above, after forming a plurality of ohmic metal layer and islands on the main surface of the second semiconductor layer, in a nitrogen atmosphere, it was carried out heat treatment under conditions of 800 ° C. · 30 seconds, ohmic metal layer An ohmic junction was formed between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer. By the heat treatment, the metal constituting the ohmic metal layer diffuses into the semiconductor layer to form an alloy region. When the alloy region reaches the first semiconductor layer, the ohmic metal layer and the first semiconductor layer can be in an electrically connected state. Note that this heat treatment may be performed in an atmosphere such as air, inert gas, oxygen gas, hydrogen gas, or vacuum under reduced pressure as long as the composition of each semiconductor layer does not change.

次に、第2半導体層の主表面上に、白金から構成した複数の島状のショットキー金属層を形成した。例えば、公知のフォトリソグラフィ技術により島部に開口部を有するレジストパターンを形成し、このレジストパターンの上から真空蒸着法により白金を堆積する。厚さ100nm程度に形成する。この後、レジストパターンをリフトオフすることで、開口部に堆積された白金が残り、複数の島状のショットキー金属層となる。ショットキー金属層は、第2半導体層にショットキー接合した状態となる。ショットキー金属層は、直径10μmの平面視円形とした。また、基板平面方向における各ショットキー金属層の中心間の距離は、220μmとした。また、複数の島状のショットキー金属層は、複数の島状のオーミック金属層と、各々1つおきに配列されている状態とした。   Next, a plurality of island-shaped Schottky metal layers made of platinum were formed on the main surface of the second semiconductor layer. For example, a resist pattern having an opening on the island is formed by a known photolithography technique, and platinum is deposited on the resist pattern by vacuum evaporation. It is formed to a thickness of about 100 nm. Thereafter, the resist pattern is lifted off, whereby platinum deposited in the opening remains and becomes a plurality of island-shaped Schottky metal layers. The Schottky metal layer is in a Schottky junction with the second semiconductor layer. The Schottky metal layer was circular in plan view with a diameter of 10 μm. The distance between the centers of the respective Schottky metal layers in the substrate plane direction was 220 μm. In addition, the plurality of island-shaped Schottky metal layers are arranged alternately with the plurality of island-shaped ohmic metal layers.

次に、上述したことにより作製した積層構造を切断することで半導体光触媒チップ(試料2)を形成した。チップは、光触媒機能が発現される実効的な面積が1cm2となるサイズに形成した。 Next, the semiconductor photocatalyst chip (sample 2) was formed by cutting the laminated structure produced as described above. The chip was formed in such a size that the effective area where the photocatalytic function is expressed is 1 cm 2 .

上述した実施例2における試料2に対し、比較のための比較試料2を作製した。比較試料2は、第1半導体層および第2半導体層ともにIII族極性として形成した。他の構成は、試料2と同様にした。   Comparative sample 2 for comparison was prepared with respect to sample 2 in Example 2 described above. In Comparative Sample 2, both the first semiconductor layer and the second semiconductor layer were formed with Group III polarity. Other configurations were the same as those of Sample 2.

[実施例3]
次に、実施例3における半導体光触媒の作製について説明する。実施例3は、オーミック金属層を備えない構成である。まず、主表面を(0001)面としたサファイア基板を用意する。次に、サファイア基板の上に、よく知られた有機金属気相成長法により、シリコンをドープしてn型としたGaNをV族極性の状態で結晶成長させて第1半導体層を形成する。次に、Al0.05Ga0.95NをIII族極性の状態でエピタキシャル成長させて第2半導体層を形成する。
[Example 3]
Next, preparation of the semiconductor photocatalyst in Example 3 will be described. Example 3 has a configuration without an ohmic metal layer. First, a sapphire substrate having a main surface of (0001) plane is prepared. Next, on the sapphire substrate, by well-known metal organic vapor phase epitaxy, GaN which is doped with silicon and made n-type is crystal-grown in a state of group V polarity to form a first semiconductor layer. Next, Al 0.05 Ga 0.95 N is epitaxially grown in a group III polarity state to form a second semiconductor layer.

以上のことにより、サファイア基板の上に、厚さ2μmのn−GaNからなるV族極性の第1半導体層を形成し、第1半導体層の上に、厚さ100nmのAl0.05Ga0.95NからなるIII族極性の第2半導体層を形成した。第1半導体層は、キャリア密度を3×1018cm-3とした。第2半導体層の層厚100nmは、第2半導体層における主表面方向からの、第2半導体層で吸収される波長の光の侵入長さと同程度となる。なお、第2半導体層で吸収されない波長の光が第1半導体層で効率よく吸収されるように、第1半導体層の層厚を2μmとしている。 As described above, a V group polarity first semiconductor layer made of n-GaN having a thickness of 2 μm is formed on the sapphire substrate, and Al 0.05 Ga 0.95 N having a thickness of 100 nm is formed on the first semiconductor layer. A Group III polar second semiconductor layer was formed. The first semiconductor layer had a carrier density of 3 × 10 18 cm −3 . The layer thickness of 100 nm of the second semiconductor layer is approximately the same as the penetration length of light having a wavelength absorbed by the second semiconductor layer from the main surface direction in the second semiconductor layer. The thickness of the first semiconductor layer is set to 2 μm so that light having a wavelength that is not absorbed by the second semiconductor layer is efficiently absorbed by the first semiconductor layer.

なお、n−GaNからなる第1半導体層は、基板平面方向の格子定数が0.3189nmである。また、Al0.05Ga0.95Nからなる第2半導体層は、基板平面方向の格子定数が0.3185nmである。この場合、第2半導体層は、第1半導体層より格子定数が小さいものとなる。 Note that the first semiconductor layer made of n-GaN has a lattice constant of 0.3189 nm in the substrate plane direction. The second semiconductor layer made of Al 0.05 Ga 0.95 N has a lattice constant of 0.3185 nm in the substrate plane direction. In this case, the second semiconductor layer has a smaller lattice constant than the first semiconductor layer.

次に、第2半導体層の主表面上に、白金から構成した複数の島状のショットキー金属層を形成した。例えば、公知のフォトリソグラフィ技術により島部に開口部を有するレジストパターンを形成し、このレジストパターンの上から真空蒸着法により白金を堆積する。厚さ100nm程度に形成する。この後、レジストパターンをリフトオフすることで、開口部に堆積された白金が残り、複数の島状のショットキー金属層となる。ショットキー金属層は、第2半導体層にショットキー接合した状態となる。ショットキー金属層は、直径10μmの平面視円形とした。また、基板平面方向における各ショットキー金属層の中心間の距離は、110μmとした。   Next, a plurality of island-shaped Schottky metal layers made of platinum were formed on the main surface of the second semiconductor layer. For example, a resist pattern having an opening on the island is formed by a known photolithography technique, and platinum is deposited on the resist pattern by vacuum evaporation. It is formed to a thickness of about 100 nm. Thereafter, the resist pattern is lifted off, whereby platinum deposited in the opening remains and becomes a plurality of island-shaped Schottky metal layers. The Schottky metal layer is in a Schottky junction with the second semiconductor layer. The Schottky metal layer was circular in plan view with a diameter of 10 μm. The distance between the centers of the respective Schottky metal layers in the substrate plane direction was 110 μm.

次に、上述したことにより作製した積層構造を切断することで半導体光触媒チップ(試料3)を形成した。チップは、光触媒機能が発現される実効的な面積が1cm2となるサイズに形成した。実施例3は、実施例1よりオーミック金属層を除いた構成となっている。 Next, the semiconductor photocatalyst chip (sample 3) was formed by cutting the laminated structure produced as described above. The chip was formed in such a size that the effective area where the photocatalytic function is expressed is 1 cm 2 . Example 3 has a configuration in which the ohmic metal layer is removed from Example 1.

上述した実施例3における試料3に対し、比較のための比較試料3を作製した。比較試料3は、第1半導体層および第2半導体層ともにIII族極性として形成した。他の構成は、試料3と同様にした。   A comparative sample 3 for comparison was prepared with respect to the sample 3 in Example 3 described above. In Comparative Sample 3, both the first semiconductor layer and the second semiconductor layer were formed with Group III polarity. Other configurations were the same as those of Sample 3.

[実施例4]
次に、実施例4における半導体光触媒の作製について説明する。実施例4は、実施例3と同じ構成であり、第1半導体層をV族極性としたIn0.05Ga0.95Nから構成し、第2半導体層をIII族極性としたGaNから構成し、他の構成は、実施例3と同様にして試料4を作製した。In0.05Ga0.95Nからなる第1半導体層は、基板平面方向の格子定数が0.3207nmである。また、GaNからなる第2半導体層は、基板平面方向の格子定数が0.3189nmである。
[Example 4]
Next, production of a semiconductor photocatalyst in Example 4 will be described. Example 4 has the same configuration as that of Example 3. The first semiconductor layer is composed of In 0.05 Ga 0.95 N with group V polarity, the second semiconductor layer is composed of GaN with group III polarity, Sample 4 was prepared in the same manner as in Example 3. The first semiconductor layer made of In 0.05 Ga 0.95 N has a lattice constant of 0.3207 nm in the substrate plane direction. The second semiconductor layer made of GaN has a lattice constant of 0.3189 nm in the substrate plane direction.

[実施例5]
次に、実施例5における半導体光触媒の作製について説明する。実施例5は、実施例3と同じ構成であり、第1半導体層をV族極性としたIn0.05Ga0.95Nから構成し、第2半導体層をIII族極性としたAl0.05Ga0.95Nから構成し、他の構成は、実施例3と同様にして試料5を作製した。Al0.05Ga0.95Nからなる第2半導体層は、基板平面方向の格子定数が0.3185nmである。
[Example 5]
Next, preparation of the semiconductor photocatalyst in Example 5 will be described. Example 5 has the same configuration as Example 3, and is composed of In 0.05 Ga 0.95 N with the first semiconductor layer having group V polarity, and Al 0.05 Ga 0.95 N with the second semiconductor layer having group III polarity. However, Sample 5 was produced in the same manner as Example 3 except for the other configurations. The second semiconductor layer made of Al 0.05 Ga 0.95 N has a lattice constant in the substrate plane direction of 0.3185 nm.

[実施例6]
次に、実施例6における半導体光触媒の作製について説明する。実施例6は、実施例3と同じ構成であり、第1半導体層をV族極性としたIn0.05Ga0.95Nから構成し、第2半導体層をIII族極性としたIn0.01Ga0.99Nから構成し、他の構成は、実施例3と同様にして試料6を作製した。In0.01Ga0.99Nからなる第2半導体層は、基板平面方向の格子定数が0.3193nmである。
[Example 6]
Next, preparation of the semiconductor photocatalyst in Example 6 will be described. Example 6 has the same configuration as that of Example 3, and is composed of In 0.05 Ga 0.95 N with the first semiconductor layer having group V polarity, and In 0.01 Ga 0.99 N with the second semiconductor layer having group III polarity. However, the sample 6 was fabricated in the same manner as in Example 3 except for the other configurations. The second semiconductor layer made of In 0.01 Ga 0.99 N has a lattice constant of 0.3193 nm in the substrate plane direction.

[実施例7]
次に、実施例7における半導体光触媒の作製について説明する。実施例7は、実施例3と同じ構成であり、第1半導体層をV族極性としたAl0.05Ga0.95Nから構成し、第2半導体層をIII族極性としたAl0.1Ga0.9Nから構成し、他の構成は、実施例3と同様にして試料7を作製した。Al0.1Ga0.9Nからなる第2半導体層は、基板平面方向の格子定数が0.3183nmである。
[Example 7]
Next, preparation of the semiconductor photocatalyst in Example 7 will be described. Example 7 has the same configuration as Example 3, and is composed of Al 0.05 Ga 0.95 N with the first semiconductor layer having Group V polarity and Al 0.1 Ga 0.9 N with the second semiconductor layer having Group III polarity. However, Sample 7 was prepared in the same manner as Example 3 except for the other configuration. The second semiconductor layer made of Al 0.1 Ga 0.9 N has a lattice constant in the substrate plane direction of 0.3183 nm.

なお、ショットキー金属層およびオーミック金属層のいずれも形成しない比較試料4,比較試料5を作製した。比較試料4は、実施例1よりショットキー金属層およびオーミック金属層を除いた構成であり、V族極性とした第1半導体層の上にIII族極性とした第2半導体層を形成している。比較試料5は、比較例1よりショットキー金属層およびオーミック金属層を除いた構成であり、III族極性とした第1半導体層の上にIII族極性とした第2半導体層を形成している。   In addition, Comparative Sample 4 and Comparative Sample 5 in which neither a Schottky metal layer nor an ohmic metal layer was formed were produced. Comparative sample 4 has a configuration in which the Schottky metal layer and the ohmic metal layer are removed from Example 1, and the second semiconductor layer having the Group III polarity is formed on the first semiconductor layer having the Group V polarity. . The comparative sample 5 has a configuration in which the Schottky metal layer and the ohmic metal layer are removed from the comparative example 1, and the second semiconductor layer having the III group polarity is formed on the first semiconductor layer having the III group polarity. .

[酸化還元反応試験]
次に、試料1,比較試料1,試料2,比較試料2,試料3,比較試料3,試料4,試料5,試料6,試料7,比較試料4,比較試料5を用いた酸化還元反応試験の結果について説明する。この試験では、図2を用いて説明した光触媒槽201をセルとして用い、水溶液202として濃度1mol/リットルの水酸化カリウム水溶液(125mリットル)を用いた。半導体光触媒100として、試料1,比較試料1,試料2,比較試料2,試料3,比較試料3,試料4,試料5,試料6,試料7,比較試料4,比較試料5を用いた。
[Redox reaction test]
Next, oxidation-reduction reaction test using sample 1, comparative sample 1, sample 2, comparative sample 2, sample 3, comparative sample 3, sample 4, sample 5, sample 6, sample 7, comparative sample 4 and comparative sample 5 The results will be described. In this test, the photocatalyst tank 201 described with reference to FIG. 2 was used as a cell, and a 1 mol / liter potassium hydroxide aqueous solution (125 ml) was used as the aqueous solution 202. As the semiconductor photocatalyst 100, Sample 1, Comparative Sample 1, Sample 2, Comparative Sample 2, Sample 3, Comparative Sample 3, Sample 4, Sample 5, Sample 6, Sample 7, Comparative Sample 4, and Comparative Sample 5 were used.

試験においては、水溶液202に窒素ガスを200mリットル/minで30分間バブリングして脱泡・置換した後、光触媒槽201を、シリコーンとフッ素樹脂との2層構造のセプタムで密閉した。光触媒槽201内の圧力は大気圧とした。また、光源204として、300Wの高圧キセノンランプ(400nm以上をカット、照度5mW/cm2)を用いた。光源204からの光は、光触媒槽201の外側から、半導体光触媒100に均一に照射した。ショットキー金属素、オーミック金属層の形成面に照射される状態とした。また、水溶液202の攪拌は、光触媒槽201の底部中心に配置した攪拌子205を、図示しないスターラを用いて250rpmの回転速度で回転させて実施した。 In the test, nitrogen gas was bubbled through the aqueous solution 202 at 200 ml / min for 30 minutes to defoam and replace, and then the photocatalyst tank 201 was sealed with a two-layered septum of silicone and fluororesin. The pressure in the photocatalyst tank 201 was atmospheric pressure. As the light source 204, a 300 W high-pressure xenon lamp (400 nm or more cut, illuminance 5 mW / cm 2 ) was used. The light from the light source 204 was uniformly applied to the semiconductor photocatalyst 100 from the outside of the photocatalyst tank 201. The formation surface of the Schottky metal element and the ohmic metal layer was irradiated. The aqueous solution 202 was stirred by rotating the stirring bar 205 disposed at the center of the bottom of the photocatalyst tank 201 at a rotational speed of 250 rpm using a stirrer (not shown).

任意の時間が経過した時点で、光触媒槽201内のガスをセプタム部分からシリンジで採取し、ガスクロマトグラフ質量分析計にて反応生成物を分析した。この分析では、水素と酸素が生成していることが確認された。   When an arbitrary time passed, the gas in the photocatalyst tank 201 was collected from the septum portion with a syringe, and the reaction product was analyzed with a gas chromatograph mass spectrometer. This analysis confirmed the generation of hydrogen and oxygen.

また、試料1,比較試料1,試料2,比較試料2,試料3,比較試料3,比較試料4,比較試料5,試料4,試料5,試料6,試料7における、光照射時間に対する水素ガスの生成量を以下の表1、表2に示す。水素ガスの生成量は、チップの面積で規格化して示した。   In addition, hydrogen gas with respect to light irradiation time in sample 1, comparative sample 1, sample 2, comparative sample 2, sample 3, comparative sample 3, comparative sample 4, comparative sample 5, sample 4, sample 5, sample 6 and sample 7 Table 1 and Table 2 below show the production amount. The amount of hydrogen gas produced is shown normalized by the chip area.

表1、表2に示すように、いずれの試料も、光照射時間の経過とともにセル内の水素量が増加した。一方、実施例1における試料1は、比較試料1に比較して水素生成量が多いことが確認された。また、実施例2における試料2は、比較試料2に比較して水素生成量が多いことが確認された。実施例3における試料3は、比較試料3に比較して水素生成量が多いことが確認された。なお、比較試料4は、比較試料5に比較して水素生成量が多いことが確認された。   As shown in Tables 1 and 2, the amount of hydrogen in the cell increased with the lapse of light irradiation time in any sample. On the other hand, it was confirmed that Sample 1 in Example 1 has a larger amount of hydrogen generation than Comparative Sample 1. In addition, it was confirmed that Sample 2 in Example 2 has a larger amount of hydrogen generation than Comparative Sample 2. Sample 3 in Example 3 was confirmed to have a larger amount of hydrogen generation than Comparative Sample 3. In addition, it was confirmed that the comparative sample 4 has a larger amount of hydrogen generation than the comparative sample 5.

これらの比較から明らかなように、V族極性の第1半導体層の上にIII族極性の第2半導体層を積層することで、両者を同一の極性とする場合に比較して、水素の生成量が大幅に増加していることが確認された。また、試料4〜7の結果に示すように、試料1の窒化物半導体の組み合わせに限らず、InGaNなど他の窒化物半導体の組み合わせであっても同様に効果が得られることが分かる。また、例えば3元系の場合、組成が異なっていても同様の効果が得られることが分かる。   As is clear from these comparisons, by stacking the group III polarity second semiconductor layer on the group V polarity first semiconductor layer, hydrogen is generated compared to the case where both have the same polarity. The amount was confirmed to increase significantly. Further, as shown in the results of Samples 4 to 7, it can be seen that the same effect can be obtained not only by the combination of nitride semiconductors of Sample 1 but also by combinations of other nitride semiconductors such as InGaN. For example, in the case of a ternary system, it can be seen that the same effect can be obtained even if the composition is different.

以上に説明したように、本発明によれば、窒化物半導体からなり主表面をV族極性とした第1半導体層の主表面上に、窒化物半導体からなり主表面をIII族極性とした第2半導体層を形成したので、簡素な構成で光触媒反応の効率をより向上させることができるようになる。   As described above, according to the present invention, the main surface of the first semiconductor layer made of a nitride semiconductor and having the main surface of Group V polarity is formed on the main surface of the first semiconductor layer made of the nitride semiconductor and having the Group III polarity. Since the two semiconductor layers are formed, the efficiency of the photocatalytic reaction can be further improved with a simple configuration.

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、実施の形態1では、ショットキー金属素を複数の島部から構成するようにしたが、これに限るものではない。   The present invention is not limited to the embodiment described above, and many modifications and combinations can be implemented by those having ordinary knowledge in the art within the technical idea of the present invention. It is obvious. For example, in Embodiment 1, the Schottky metal element is composed of a plurality of island parts, but the present invention is not limited to this.

例えば、ショットキー金属素は、第2半導体層まで貫通する複数の貫通孔を備える構成としてもよい。この構成としても、ショットキー金属素とオーミック金属層との接触領域をより広い面積として露出した状態とすることができる。また、この場合においても、複数の貫通孔を、正方配列させるなど、各々の間隔を均等にして配置するとよい。   For example, the Schottky metal element may be configured to include a plurality of through holes that penetrate to the second semiconductor layer. Also with this configuration, the contact region between the Schottky metal element and the ohmic metal layer can be exposed as a wider area. Also in this case, it is preferable to arrange the plurality of through holes at equal intervals, for example, in a square arrangement.

また、オーミック金属層は、第1半導体層の側部に形成したが、これに限るものではない。例えば、第1半導体層の上に、第1半導体層より平面視で小さい面積として第2半導体層を形成することで、第2半導体層の側方に第1半導体層の一部の主表面が露出した状態とすることができる。この領域にオーミック金属層を形成してもよい。また、第1半導体層の裏面にオーミック金属層を形成してもよい。この場合、オーミック金属層を複数の島部から構成してもよく、オーミック金属層に複数の貫通孔を形成する構成としてもよい。   Moreover, although the ohmic metal layer was formed in the side part of the 1st semiconductor layer, it does not restrict to this. For example, by forming the second semiconductor layer on the first semiconductor layer so as to have a smaller area in plan view than the first semiconductor layer, a part of the main surface of the first semiconductor layer is formed on the side of the second semiconductor layer. It can be in an exposed state. An ohmic metal layer may be formed in this region. An ohmic metal layer may be formed on the back surface of the first semiconductor layer. In this case, the ohmic metal layer may be composed of a plurality of islands, or a plurality of through holes may be formed in the ohmic metal layer.

101…第1半導体層、102…第2半導体層、103…第1金属層、104…第2金属層、131…島部。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... 1st semiconductor layer, 102 ... 2nd semiconductor layer, 103 ... 1st metal layer, 104 ... 2nd metal layer, 131 ... Island part.

Claims (7)

基板の主表面上に形成され、Gaを含むn型の窒化物半導体からなり主表面を極性の(0001)面とされた第1半導体層と、
前記第1半導体層の主表面上に接触して形成され、基板平面方向の格子定数が前記第1半導体層より小さいGaを含む窒化物半導体からなり主表面をIII族極性の(0001)面とされた第2半導体層と、
前記第2半導体層の主表面上にショットキー接合して形成されたショットキー金属層と
を備えることを特徴とする半導体光触媒。
A first semiconductor layer formed on the main surface of the substrate and made of an n-type nitride semiconductor containing Ga, the main surface of which is an N- polar (0001) plane ;
A main surface of the first semiconductor layer is made of a nitride semiconductor containing Ga having a lattice constant smaller than that of the first semiconductor layer, the main surface of the first semiconductor layer being a group ( III ) polarity (0001) plane A second semiconductor layer formed;
And a Schottky metal layer formed by Schottky junction on the main surface of the second semiconductor layer.
請求項1記載の半導体光触媒において、
前記第1半導体層は、n型とされていることを特徴とする半導体光触媒。
The semiconductor photocatalyst of claim 1 Symbol placement,
The semiconductor photocatalyst, wherein the first semiconductor layer is an n-type.
請求項1または2記載の半導体光触媒において、
前記第2半導体層、および前記第2半導体層と前記ショットキー金属層との接触領域は、露出する部分を備えることを特徴とする半導体光触媒。
The semiconductor photocatalyst according to claim 1 or 2 ,
The semiconductor photocatalyst comprising the exposed portion of the second semiconductor layer and the contact region between the second semiconductor layer and the Schottky metal layer.
請求項1〜のいずれか1項に記載の半導体光触媒において、
島状とされた複数の前記ショットキー金属層を備えることを特徴とする半導体光触媒。
In the semiconductor photocatalyst according to any one of claims 1 to 3 ,
A semiconductor photocatalyst comprising a plurality of the Schottky metal layers in an island shape.
請求項1〜いずれか1項に記載の半導体光触媒において、
前記第1半導体層に電気的に接続したオーミック金属層を備えることを特徴とする半導体光触媒。
In the semiconductor photocatalyst according to any one of claims 1 to 4 ,
A semiconductor photocatalyst comprising an ohmic metal layer electrically connected to the first semiconductor layer.
請求項記載の半導体光触媒において、
前記オーミック金属層は、前記第2半導体層の主表面上にオーミック接合して形成されて前記第1半導体層と電気的に接続されている
ことを特徴とする半導体光触媒。
The semiconductor photocatalyst according to claim 5 ,
The ohmic metal layer is formed on the main surface of the second semiconductor layer by ohmic junction and is electrically connected to the first semiconductor layer.
請求項記載の半導体光触媒において、
島状とされた複数の前記オーミック金属層が、前記第2半導体層主表面上に形成されていることを特徴とする半導体光触媒。
The semiconductor photocatalyst according to claim 6 ,
A semiconductor photocatalyst characterized in that a plurality of island-shaped ohmic metal layers are formed on a main surface of the second semiconductor layer.
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