CN106133198A - 光合成装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光合成装置。该光合成装置具有：槽部，其被形成于半导体基板；第1导电型区域，其在上述半导体基板中被形成于上述槽部的一方的侧面；第2导电型区域，其在上述半导体基板中被形成于上述槽部的另一方的侧面；氧化电极，其以与上述槽部的一方的侧面中的上述第1导电型区域接触的方式形成；还原电极，其以与上述槽部的另一方的侧面中的上述第2导电型区域接触的方式形成；以及质子隔壁膜，其被形成于上述槽部的中央部分，向上述槽部供给含有二氧化碳的水，通过向上述氧化电极或者上述还原电极照射光，在上述氧化电极从水生成氧与氢离子，被生成的氢离子透过上述质子隔壁膜，在上述还原电极与二氧化碳反应生成甲酸。

Description

光合成装置
技术领域
本发明涉及光合成装置。
背景技术
现在，作为温室效果气体的二氧化碳(CO2)每年以2ppm的速度增加，地球变暖处于严峻的状况。若二氧化碳的浓度保持这样继续增加，则预测到公元2050年15％～34％的生物物种灭绝。这样对地球变暖造成影响的二氧化碳的增加主要产生于北美、EU、日本等先进国家以及中国等，大量产生二氧化碳的国家的责任很重。在这种状况下，为了减少二氧化碳的排出量，并且吸收被排出的二氧化碳，若不对地球陆地的1/3左右的面积进行绿化，则至2050年为止难以使二氧化碳的浓度达到现状的水平。
作为解决该问题的方法，人工光合成被期待。图1示出用于进行这样的人工光合成的光合成装置亦即人工光合成系统。该人工光合成系统在输入有含有二氧化碳的水910的水槽920内设置有H2O氧化电极930与CO2还原电极940，在H2O氧化电极930与CO2还原电极940之间设置有质子隔壁膜950。通过向H2O氧化电极930以及CO2还原电极940照射太阳光等光，在H2O氧化电极930从H2O生成O2与H+(氢离子)。被生成的H+通过质子隔壁膜950在CO2还原电极940与CO2反应生成甲酸(HCOOH)。此外，为了在CO2还原电极940还原CO2，需要高能量的电子，因此CO2还原电极940中的传导带必须由与H2O氧化电极930中的传导带相比变高的材料形成。
例如，在非专利文献1中，公开了H2O氧化电极930由载铂的二氧化钛(TiO2/Pt)形成并且CO2还原电极940由InP、GaP、氮掺杂的Ta2O5等的p型半导体材料与钌配合物聚合物形成的内容。另外，质子隔壁膜950由Nafion117(DuPont公司制)形成。另一方面，在非专利文献2中，公开了将H2O氧化电极930由NiO/AlGaN/n+－GaN形成并且将CO2还原电极940由Cu板形成的内容。在该情况下构成为，CO2还原电极940自身未被光激励，但在H2O氧化电极930被光激励的电子被输送至CO2还原电极940的结构。
非专利文献1：Sato等J.Am.Chem.Soc.133(2011)15240-15243.
非专利文献2：Yotsuhashi等Appl.Phys.Lett.100(2012)243904.
然而，在图1所示的人工光合成系统中，存在被照射的太阳光等光被水槽920的玻璃、输入水槽920内的水910吸收，光的强度衰减，效率降低这一问题。另外，图1所示的人工光合成系统存在重量重、单位面积的效率也低、设置场所也被限定等问题。
如图2(a)所示，考虑设置有多个图1所示的人工光合成系统中的水槽920的情况。水槽920由厚度10mm的玻璃形成，以水被输入的内侧的宽度成为72.5mm的方式形成，H2O氧化电极930以及CO2还原电极940被配置于从水槽920的壁离开10mm的位置。因此，H2O氧化电极930与CO2还原电极940的间隔以成为约52.5mm的方式被配置。
在水槽920的中央中的H2O氧化电极930与CO2还原电极940之间形成有质子隔壁膜950。对于多个水槽920而言，邻接的水槽920中的输入有水的区域的间隔以成为约52.5mm的方式设置，水槽920与水槽920之间成为空间。H2O氧化电极930以及CO2还原电极940由3英寸晶圆形成，即便在以55°的角度入射有太阳光的情况下，也以H2O氧化电极930以及CO2还原电极940不会成为相互的影子的方式配置。
图2(b)是表示光的波长与水的透过率的关系的图，具体而言，是表示光的波长、与透过厚度10mm的石英玻璃与10mm的水的光的透过率以及透过厚度10mm的石英玻璃与100mm的水的光的透过率的关系的图。如图2(b)所示，在光的波长比0.7μm长的波长区域中，透过率急剧降低。此外，图2(c)是太阳光谱，表示在地上检测出的太阳光的波长与强度的关系。
基于图2(b)，在如图2(a)所示那样配置有水槽920的情况下，针对波长0.3μm～1.1μm的光，对以55°的角度入射的情况下的到达H2O氧化电极930以及CO2还原电极940的光的强度进行了计算。其结果是，在H2O氧化电极930的受光区域中，光衰减至46％，在CO2还原电极940中，光衰减至35％～50％，光平均衰减至约44％。并且，若H2O氧化电极930以及CO2还原电极940的大小变大，则到达H2O氧化电极930以及CO2还原电极940的水槽920的底面的附近的区域的光进一步衰减，需要配置水槽920的间隔也变宽。因此，在图1所示的构造的人工光合成系统中，设置面积变宽。
发明内容
因此，在进行人工光合成的光合成装置中，谋求能够高效地使用太阳光并且能够使设置面积变窄的光合成装置。
根据本实施方式的一个观点，光合成装置的特征在于，具有：槽部，其被形成于半导体基板；第1导电型区域，其在上述半导体基板中被形成于上述槽部的一方的侧面；第2导电型区域，其在上述半导体基板中被形成于上述槽部的另一方的侧面；氧化电极，其以与上述槽部的一方的侧面中的上述第1导电型区域接触的方式形成；还原电极，其以与上述槽部的另一方的侧面中的上述第2导电型区域接触的方式形成；以及质子隔壁膜，其被形成于上述槽部的中央部分，向上述槽部供给含有二氧化碳的水，通过向上述氧化电极或者上述还原电极照射光，在上述氧化电极从水生成氧与氢离子，被生成的氢离子透过上述质子隔壁膜，在上述还原电极与二氧化碳反应生成甲酸。
发明的效果
根据公开的光合成装置，在进行人工光合成的光合成装置中，能够高效地使用太阳光并且能够使设置面积变窄。
附图说明
图1是光合成装置的构造图。
图2是图1所示的光合成装置的说明图。
图3是第1实施方式中的光合成装置的构造图。
图4是第1实施方式中的光合成装置的说明图。
图5是图1所示的光合成装置与第1实施方式中的光合成装置的特性比较图。
图6是第1实施方式中的光合成装置的制造方法的工序图(1)。
图7是第1实施方式中的光合成装置的制造方法的工序图(2)。
图8是第1实施方式中的光合成装置的制造方法的工序图(3)。
图9是第1实施方式中的光合成装置的制造方法的工序图(4)。
图10是第1实施方式中的光合成装置的制造方法的工序图(5)。
图11是第1实施方式中的光合成装置的制造方法的工序图(6)。
图12是第1实施方式中的光合成装置的制造方法的工序图(7)。
图13是第1实施方式中的光合成装置的制造方法的工序图(8)。
图14是第1实施方式中的光合成装置的制造方法的工序图(9)。
图15是第1实施方式中的光合成装置的制造方法的工序图(10)。
图16是第1实施方式中的光合成装置的制造方法的工序图(11)。
图17是第2实施方式中的光合成装置的制造方法的工序图(1)。
图18是第2实施方式中的光合成装置的制造方法的工序图(2)。
图19是第2实施方式中的光合成装置的制造方法的工序图(3)。
图20是第2实施方式中的光合成装置的制造方法的工序图(4)。
图21是第2实施方式中的光合成装置的制造方法的工序图(5)。
图22是第2实施方式中的光合成装置的制造方法的工序图(6)。
图23是第2实施方式中的光合成装置的制造方法的工序图(7)。
图24是第2实施方式中的光合成装置的构造图。
图25是第3实施方式中的光合成装置的构造图。
图26是第3实施方式中的光合成装置的制造方法的工序图(1)。
图27是第3实施方式中的光合成装置的制造方法的工序图(2)。
图28是第4实施方式中的光合成装置的构造图。
图29是第4实施方式中的光合成装置的说明图。
图30是第4实施方式中的光合成装置的制造方法的工序图(1)。
图31是第4实施方式中的光合成装置的制造方法的工序图(2)。
图32是第5实施方式中的光合成装置的构造图。
图33是第5实施方式中的光合成装置的制造方法的工序图(1)。
图34是第5实施方式中的光合成装置的制造方法的工序图(2)。
图35是第6实施方式中的光合成装置的构造图。
图36是第7实施方式中的二氧化碳吸收系统的说明图。
图37是第8实施方式中的冷却系统的说明图。
图38是第9实施方式中的零排放型数据中心的说明图。
图39是第10实施方式中的地球冷却系统的说明图。
图40是第11实施方式中的二氧化碳浓度的控制系统的说明图。
图41是第11实施方式中的其他的二氧化碳浓度的控制系统的说明图。
图42是第12实施方式中的城市环境网络系统的说明图。
具体实施方式
针对用于实施的方式，以下进行说明。此外，针对相同的部件等，标注相同的附图标记并省略说明。
〔第1实施方式〕
顺便提一下，如图2(c)所示，在太阳光谱中，波长0.3μm～1.1μm的光的强度高。由于该波长区域是与Si、GaAs、GaN等的半导体材料的带隙一致的区域，所以能够使用这些半导体材料制成光合成装置。
(光合成装置)
接下来，针对本实施方式中的光合成装置，基于图3进行说明。图3是本实施方式中的光合成装置的剖视图。本实施方式中的光合成装置在由Si(硅)形成的半导体基板10的表面形成有槽部20。向槽部20供给有含有二氧化碳的水100，槽部20为成为供含有二氧化碳的水100流动的流路的微通道水槽。在本实施方式中，槽部20由宽度约95μm深度约10μm的槽形成。槽部20是被槽部20的底面与两侧的侧面20a、20b围起的区域，槽部20中的一方的侧面20a与另一方的侧面20b对置。
通过对半导体材料掺杂成为n型的杂质元素亦即P(磷)，在槽部20中的一方的侧面20a形成有n型区域11，以与槽部20的一方的侧面20a中的n型区域11接触的方式形成有H2O氧化电极30。通过对半导体材料掺杂成为p型的杂质元素亦即Al(铝)，在槽部20中的另一方的侧面20b形成有p型区域12，以与槽部20的另一方的侧面20b中的p型区域12接触的方式形成有CO2还原电极40。此外，在n型区域11上形成有一方的布线电极60a，在p型区域12上形成有另一方的布线电极60b。
质子隔壁膜50是供质子透过的膜，被形成于槽部20的中央部分，在H2O氧化电极30与CO2还原电极40之间以沿槽部20将槽部20分成两份的方式形成。因此，质子隔壁膜50沿含有二氧化碳的水100流动的方向形成。另外，在槽部20以覆盖槽部20的方式形成有表面覆盖膜70，含有向槽部20供给的二氧化碳的水100在被表面覆盖膜70覆盖的槽部20中流动。此外，在H2O氧化电极30或者CO2还原电极40中的任意一方被形成为照射太阳光等光。
在本实施方式中的光合成装置中，通过向H2O氧化电极30照射太阳光等光，在H2O氧化电极30中，从H2O生成O2与H+(氢离子)。被生成的H+通过质子隔壁膜50，在CO2还原电极40中，与CO2反应生成甲酸(HCOOH)。
图4是在半导体基板10亦即Si的3英寸晶圆的表面形成有多个用于形成本实施方式中的光合成装置的槽部20的构造的光合成装置。在图4所示的光合成装置中，在半导体基板10的表面形成的槽部20以形成槽部20的区域与未形成槽部20的区域成为1：1的方式形成。此外，在图4所示的光合成装置中，n型区域11、p型区域12、一方的布线电极60a以及另一方的布线电极60b等被省略。
对于本实施方式中的光合成装置而言，太阳光等光被照射于半导体基板10的表面，但太阳光等光不会衰减地以100％的强度到达半导体基板10的表面。但是，如图4所示，由于半导体基板10中的太阳光等光的受光面成为约一半，所以作为受光率，实际上为50％。因此，在本实施方式中的光合成装置中，即便在密集地排列配置有形成有多个光合成装置的半导体基板10的情况下，也能够不会相互遮挡太阳光等光地高密度地进行配置。另外，本实施方式中的光合成装置由于薄且轻型，所以能够扩展设置场所的选择。
基于图5(a)，对图1所示的构造的光合成装置以及图3所示的构造的本实施方式中的光合成装置中的受光率进行说明。如上所述，在图1所示的构造的光合成装置中，由3英寸晶圆形成有H2O氧化电极930以及CO2还原电极940的情况下的受光率约为44％。与此相对，在图3所示的构造的本实施方式中的光合成装置中，在Si的3英寸晶圆形成有多个槽部20的情况下的受光率约为50％。因此，图3所示的构造的本实施方式中的光合成装置与图1所示的构造的光合成装置相比，能够使受光率提高约6％。
接下来，基于图5(b)，对图1所示的构造的光合成装置与图3所示的构造的本实施方式中的光合成装置中的长度进行说明。如上所述，在图1所示的构造的光合成装置中，在设置多个水槽920的情况下，若未将水槽920彼此以规定的间隔以上的间隔设置，则H2O氧化电极930以及CO2还原电极940相互成为影子，效率降低。例如，在太阳光等光以55°的角度入射的情况下，H2O氧化电极930以及CO2还原电极940相互不会成为影子，在沿一列设置有100个水槽920的情况下的长度约为12.5m。与此相对，在图3所示的构造的本实施方式中的光合成装置中，在沿一列设置有100个在3英寸晶圆形成的水槽的情况下的长度约为7.5m。因此，图3所示的构造的本实施方式中的光合成装置与图1所示的构造的光合成装置相比，能够将设置有多个光合成装置的情况下的长度缩短约40％，能够高密度地设置光合成装置。
(光合成装置的制造方法)
接下来，针对本实施方式中的光合成装置的制造方法，基于图6～图16进行说明。本实施方式中的光合成装置是pn接合型的光合成装置。
最初，如图6(a)所示，在由Si形成的半导体基板10上，且在形成槽部20的区域，形成具有开口部81a的抗蚀剂图案81。具体而言，通过对半导体基板10的表面涂覆光致抗蚀剂，进行基于曝光装置的曝光、显影，在形成槽部20的区域形成具有开口部81a的抗蚀剂图案81。此时，在槽部20的中央部分，在形成用于支承后述的质子隔壁膜50的质子隔壁支承部51的区域上也形成抗蚀剂图案81。
接下来，如图6(b)所示，通过除去抗蚀剂图案81的开口部81a中的半导体基板10的一部分形成槽部20。具体而言，通过利用RIE(Reactive Ion Etching：反应离子蚀刻)等除去抗蚀剂图案81的开口部81a中的半导体基板10的一部分形成槽部20。此时，在这样形成的槽部20的中央部分，也形成用于沿槽部20支承质子隔壁膜50的质子隔壁支承部51。这样形成的槽部20的宽度W1为95μm，深度D1为10μm。另外，质子隔壁支承部51在槽部20的中央部分以宽度W2为10μm且沿着槽部20的方式形成。对于邻接的质子隔壁支承部51而言，质子隔壁支承部51中的沿槽部20的方向的长度为30μm，邻接的质子隔壁支承部51彼此的间隔以成为10μm的方式形成。
接下来，如图7(a)所示，在通过有机溶剂等除去抗蚀剂图案81之后，在半导体基板10中，在形成n型区域11的部分形成具有开口部82a的抗蚀剂图案82，向开口部82a中的半导体基板对P进行离子注入。具体而言，在通过有机溶剂等除去抗蚀剂图案81之后，再次涂覆光致抗蚀剂，进行基于曝光装置的曝光、显影，在半导体基板10中，在形成n型区域11的部分形成具有开口部82a的抗蚀剂图案82。然后，向抗蚀剂图案82的开口部82a中的半导体基板10，对成为n型的杂质元素亦即P进行离子注入。在本实施方式中，在以在槽部20的一方的侧面20a的整体形成n型区域11的方式向半导体基板10离子注入P时，从倾斜方向进行离子注入。
接下来，如图7(b)所示，在通过有机溶剂等除去抗蚀剂图案82之后，在半导体基板10中，在形成p型区域12的部分形成具有开口部83a的抗蚀剂图案83，向开口部83a中的半导体基板离子注入Al。具体而言，在通过有机溶剂等除去抗蚀剂图案82之后，再次涂覆光致抗蚀剂，进行基于曝光装置的曝光、显影，在半导体基板10中，在形成p型区域12的部分形成具有开口部83a的抗蚀剂图案83。然后，向抗蚀剂图案83的开口部83a中的半导体基板10，对成为p型的杂质元素亦即Al进行离子注入。在本实施方式中，在以在槽部20的另一方的侧面20b的整体形成p型区域12的方式向半导体基板10离子注入Al时，从倾斜方向进行离子注入。
接下来，如图8所示，通过除去抗蚀剂图案83并进行活性化退火，使n型区域11以及p型区域12活性化。由此，在半导体基板10形成槽部20，在槽部20的一方的侧面20a形成n型区域11，在另一方的侧面20b形成p型区域12。另外，在槽部20的中央部分沿槽部20形成质子隔壁支承部51。此外，图8(a)是该工序中的俯视图，图8(b)是在图8(a)中的点划线8A－8B进行了切断的剖视图。
接下来，如图9(a)所示，在形成布线电极60a、60b的区域形成有具有开口部84a的抗蚀剂图案84之后，通过真空蒸镀对Al膜60f进行成膜。具体而言，通过在形成有槽部20的面涂覆光致抗蚀剂，进行基于曝光装置的曝光、显影，在形成布线电极60a、60b的区域形成具有开口部84a的抗蚀剂图案84。然后，通过真空蒸镀对Al膜60f进行成膜。
接下来，如图9(b)所示，通过浸渍于有机溶剂等，将在抗蚀剂图案84上成膜的Al膜60f与抗蚀剂图案84一起通过剥离进行除去。由此，由在抗蚀剂图案84的开口部84a残存的Al膜60f形成布线电极60a、60b。布线电极60a、60b也可以以连接邻接的n型区域11与p型区域12的方式在邻接的n型区域11与p型区域12上一体地形成。
接下来，如图10(a)所示，在形成H2O氧化电极30的区域形成有具有开口部85a的抗蚀剂图案85之后，通过溅射对TiO2/Pt膜30f进行成膜。具体而言，通过在形成有槽部20的面涂覆光致抗蚀剂，进行基于曝光装置的曝光、显影，在形成H2O氧化电极30的区域形成具有开口部85a的抗蚀剂图案85。然后，通过溅射对TiO2/Pt膜30f进行成膜。
接下来，如图10(b)所示，在通过剥离利用TiO2/Pt膜30f形成H2O氧化电极30并且在形成CO2还原电极40的区域形成有具有开口部86a的抗蚀剂图案86之后，通过溅射对Cu膜40f进行成膜。具体而言，通过使对TiO2/Pt膜30f进行了成膜的部件浸渍于有机溶剂等，将在抗蚀剂图案85上成膜的TiO2/Pt膜30f与抗蚀剂图案85一起通过剥离除去。由此，由残存的TiO2/Pt膜30f形成H2O氧化电极30。这样形成的H2O氧化电极30在槽部20的一方的侧面20a以与n型区域11接触的方式形成。然后，通过再次在形成有槽部20的面涂覆光致抗蚀剂，进行基于曝光装置的曝光、显影，在形成CO2还原电极40的区域形成具有开口部86a的抗蚀剂图案86。然后，通过溅射对Cu膜40f进行成膜。
接下来，如图11(a)所示，通过浸渍于有机溶剂等，将在抗蚀剂图案86上成膜的Cu膜40f与抗蚀剂图案86一起通过剥离除去。由此，由残存的Cu膜40f形成CO2还原电极40。这样形成的CO2还原电极40在槽部20的另一方的侧面20b以与p型区域12接触的方式形成。
接下来，如图11(b)所示，通过在形成有槽部20的面反复进行基于喷涂等的涂覆与固化，对质子隔壁膜50进行成膜。这样，通过对质子隔壁膜50进行成膜，邻接的质子隔壁支承部51与质子隔壁支承部51之间被质子隔壁膜50填充。作为形成质子隔壁膜50的材料，能够使用SiO2－P2O5、Nafion117(DuPont公司制)等。另外，质子隔壁膜50的成膜方法可以是喷涂以外的方法，例如也可以是CVD(chemical vapor deposition：化学气相沉积)等。
接下来，如图12(a)所示，在质子隔壁支承部51上以及质子隔壁支承部51与质子隔壁支承部51之间的质子隔壁膜50上形成抗蚀剂图案87。具体而言，在质子隔壁膜50上涂覆光致抗蚀剂，进行基于曝光装置的曝光、显影。由此，在质子隔壁支承部51上以及质子隔壁支承部51与质子隔壁支承部51之间的质子隔壁膜50上形成抗蚀剂图案87。
接下来，如图12(b)所示，将未形成有抗蚀剂图案87的区域中的质子隔壁膜50通过RIE等除去。由此，使H2O氧化电极30以及CO2还原电极40的表面露出。
接下来，如图13所示，将抗蚀剂图案87通过有机溶剂等除去。由此，在质子隔壁支承部51与质子隔壁支承部51之间以及质子隔壁支承部51的周围形成质子隔壁膜50。此外，图13(a)是该工序中的俯视图，图13(b)是在图13(a)中的点划线13A－13B进行了切断的剖视图。
接下来，如图14(a)所示，通过将溶解性聚合物88利用旋涂等进行涂覆，将槽部20通过溶解性聚合物88填充。作为溶解性聚合物88，也可以使用PMGI(Polymethylglutarimide：聚甲基戊二)、PVA(polyvinyl alcohol：聚乙烯醇)等。
接下来，如图14(b)所示，通过直至半导体基板10的表面氧灰化地露出进行蚀刻，除去溶解性聚合物88的一部分。
接下来，如图15(a)所示，在半导体基板10以及溶解性聚合物88上形成表面覆盖膜70。表面覆盖膜70由SiO2膜、SiN膜、二氧化硅基多孔膜形成，由反复进行基于旋涂的涂覆与固化的方法或者CVD形成。
接下来，如图15(b)所示，将残存的溶解性聚合物88通过溶解除去。具体而言，在溶解性聚合物88由PMGI形成的情况下，通过吡咯烷酮等的有机溶剂除去，在由PVA形成的情况下，通过热水溶解除去。由此，制成本实施方式中的光合成装置。
如图16所示，这样制成的本实施方式中的光合成装置通过向在半导体基板10形成的槽部20供给并流动含有二氧化碳的水100，并且照射太阳光等光，能够作为光合成装置发挥功能。此外，图16(a)是本实施方式中的光合成装置中的透过表面覆盖膜70的俯视图，图16(b)是在图16(a)中的点划线16A－16B进行了切断的剖视图。
〔第2实施方式〕
接下来，对第2实施方式进行说明。顺便说一下，对于第1实施方式中的光合成装置而言，使用Si作为半导体材料，但与太阳能电池等相同，由于Si是间接迁移型半导体，所以太阳光能变换效率降低。与此相对，GaAs、InP、GaN等直接迁移型半导体的太阳光能变换效率比Si优异。在使用Si作为半导体材料的情况下，在形成pn接合时，使用离子注入，但在使用GaAs、InP、GaN等作为半导体材料的情况下，通过再生长形成pn接合。
(光合成装置的制造方法)
接下来，针对本实施方式中的光合成装置的制造方法，基于图17～图24进行说明。作为一个例子，本实施方式中的光合成装置是作为半导体材料使用了GaN的pn接合型的光合成装置。
最初，如图17(a)所示，通过在由Si形成的半导体基板110上，使GaN层111、p－GaN层112外延生长，依次层叠地形成。作为外延生长法，举出MOCVD(Metal Organic ChemicalVapor Deposition：有机金属气相生长)或者PAMBE(Plasma assisted molecular beamepitaxy：等离子体辅助分子线外延)等。在本实施方式中，被形成的GaN层111的膜厚约为1μm，p－GaN层112的膜厚约为10μm。
接下来，如图17(b)所示，在p－GaN层112上形成硬掩模181。该硬掩模181由SiN形成，在作为p－GaN区域p－GaN层112残留的区域上形成。具体而言，在p－GaN层112上，通过等离子体CVD对SiN膜进行成膜，在被成膜的SiN膜上涂覆光致抗蚀剂，进行基于曝光装置的曝光、显影。由此，在形成硬掩模181的区域上，形成未图示的抗蚀剂图案。然后，通过将未形成有未图示的抗蚀剂图案的区域中的SiN膜通过干式蚀刻除去，形成由SiN构成的硬掩模181。然后，未图示的抗蚀剂图案通过有机溶剂等除去。
接下来，如图18(a)所示，通过将未形成有硬掩模181的区域中的p－GaN层112通过RIE等除去，使GaN层111的表面露出，形成开口部112a。
接下来，如图18(b)所示，通过在p－GaN层112的开口部112a中的GaN层111上，使n－GaN外延生长，形成n－GaN层113。作为形成n－GaN层113时的外延生长的方法，举出MOCVD或者PAMBE等。此外，由于由SiN形成的硬掩模181是非晶体，所以在由SiN形成的硬掩模181上，不会堆积n－GaN。
接下来，如图19(a)所示，在除去硬掩模181之后，在p－GaN层112以及n－GaN层113上，在形成槽部120的区域，形成具有开口部182a的抗蚀剂图案182。具体而言，在将由SiN形成的硬掩模181使用氟酸等通过湿式蚀刻除去之后，在p－GaN层112以及n－GaN层113上，涂覆光致抗蚀剂，进行基于曝光装置的曝光、显影。由此，在形成槽部120的区域，形成具有开口部182a的抗蚀剂图案182。此时，在槽部120的中央部分，在形成用于支承后述的质子隔壁膜150的质子隔壁支承部151的区域上，也形成抗蚀剂图案182。
接下来，如图19(b)所示，通过除去抗蚀剂图案182的开口部182a中的n－GaN层113，使GaN层111的表面露出，形成槽部120。具体而言，将抗蚀剂图案182的开口部182a中的n－GaN层113，通过基于RIE等的干式蚀刻除去，从而形成槽部120。并且，在这样形成的槽部120的中央部分，形成用于沿槽部120支承质子隔壁膜150的质子隔壁支承部151。这样形成的槽部120的宽度W1为95μm，深度D1为10μm。另外，质子隔壁支承部151在槽部120的中央以宽度W2为10μm且沿着槽部20的方式形成。对于质子隔壁支承部151而言，质子隔壁支承部151中的沿槽部120的方向的长度为30μm，邻接的质子隔壁支承部151彼此的间隔以成为10μm的方式形成。此外，在本实施方式中，由在槽部120的一方的侧面120a残存的n－GaN层113形成n型区域，由在另一方的侧面120b残存的p－GaN层112形成p型区域。
接下来，如图20(a)所示，在将抗蚀剂图案182通过有机溶剂等除去之后，在形成第1布线电极161的区域形成具有开口部183a的抗蚀剂图案183，对Ti/Al膜161f进行成膜。具体而言，在将抗蚀剂图案182通过有机溶剂等除去之后，再次涂覆光致抗蚀剂，进行基于曝光装置的曝光、显影，在形成第1布线电极161的区域形成具有开口部183a的抗蚀剂图案183。然后，将用于形成第1布线电极161的Ti/Al膜161f通过真空蒸镀成膜。
接下来，如图20(b)所示，在通过Ti/Al膜161f形成有第1布线电极161之后，在形成第2布线电极162的区域形成具有开口部184a的抗蚀剂图案184，对Ni/Au膜162f进行成膜。具体而言，在对Ti/Al膜161f进行成膜之后，通过浸渍于有机溶剂等，将在抗蚀剂图案183上成膜的Ti/Al膜161f，与抗蚀剂图案183一起通过剥离除去。由此，通过残存的Ti/Al膜161f形成第1布线电极161。这样形成的第1布线电极161被形成于成为n型区域的n－GaN层113上。然后，再次涂覆光致抗蚀剂，进行基于曝光装置的曝光、显影，在形成第2布线电极162的区域形成具有开口部184a的抗蚀剂图案184。然后，将用于形成第2布线电极162的Ni/Au膜162f通过真空蒸镀成膜。
接下来，如图21(a)所示，通过浸渍于有机溶剂等，将在抗蚀剂图案184上成膜的Ni/Au膜162f与抗蚀剂图案184一起通过剥离除去。由此，通过残存的Ni/Au膜162f形成第2布线电极162。这样形成的第2布线电极162被形成于p－GaN层112以及第1布线电极161上。然后，为了获得欧姆接触，进行快速热退火(RTA)。
接下来，如图21(b)所示，形成与槽部120的一方的侧面120a中的成为n型区域的n－GaN层113接触的H2O氧化电极130。具体而言，在形成有槽部120的面涂覆光致抗蚀剂，进行基于曝光装置的曝光、显影，在形成H2O氧化电极130的区域，形成具有开口部的未图示的抗蚀剂图案。然后，在通过溅射对TiO2/Pt膜进行了成膜之后，通过浸渍于有机溶剂等，将在抗蚀剂图案上成膜的TiO2/Pt膜与抗蚀剂图案一起通过剥离除去。由此，通过残存的TiO2/Pt膜，形成H2O氧化电极130。这样形成的H2O氧化电极130在槽部120的一方的侧面120a，以与成为n型区域的n－GaN层113接触的方式形成。
接下来，如图22(a)所示，形成与槽部120的另一方的侧面120b中的成为p型区域的p－GaN层112接触的CO2还原电极140。具体而言，在形成有槽部120的面涂覆光致抗蚀剂，进行基于曝光装置的曝光、显影，在形成CO2还原电极140的区域形成具有开口部的未图示的抗蚀剂图案。然后，在通过溅射对Cu膜进行了成膜之后，通过浸渍于有机溶剂等，将在抗蚀剂图案上成膜的Cu膜与抗蚀剂图案一起通过剥离除去。由此，通过残存的Cu膜形成CO2还原电极140。这样形成的CO2还原电极140在槽部120的另一方的侧面120b，以与成为p型区域的p－GaN层112接触的方式形成。
接下来，如图22(b)所示，在形成有槽部120的面反复进行基于喷涂等的涂覆与固化，对质子隔壁膜150进行成膜。这样，通过对质子隔壁膜150进行成膜，邻接的质子隔壁支承部151与质子隔壁支承部151之间被质子隔壁膜150填充。作为形成质子隔壁膜150的材料，能够使用SiO2－P2O5、Nafion117(DuPont公司制)等。另外，质子隔壁膜150的成膜方法可以是喷涂以外的方法，例如也可以是CVD等。
接下来，如图23(a)所示，在质子隔壁支承部151与质子隔壁支承部151之间以及质子隔壁支承部151的周围形成质子隔壁膜150。具体而言，在质子隔壁膜150上涂覆光致抗蚀剂，进行基于曝光装置的曝光、显影。由此，在质子隔壁支承部151上以及质子隔壁支承部151与质子隔壁支承部151之间的质子隔壁膜150上，形成未图示的抗蚀剂图案。然后，将未形成有未图示的抗蚀剂图案的区域中的质子隔壁膜150通过RIE等除去，使H2O氧化电极130以及CO2还原电极140的表面露出。然后，将未图示的抗蚀剂图案通过有机溶剂等除去。由此，在质子隔壁支承部151与质子隔壁支承部151之间以及质子隔壁支承部151的周围形成质子隔壁膜150。
接下来，如图23(b)所示，形成覆盖槽部120的表面覆盖膜170。具体而言，通过将溶解性聚合物通过旋涂等进行涂覆，将槽部120通过未图示的溶解性聚合物填充。作为溶解性聚合物，也可以使用PMGI、PVA等。然后，通过氧灰化进行蚀刻，在将溶解性聚合物一部分除去之后，在p－GaN层112、n－GaN层113以及溶解性聚合物上形成表面覆盖膜170。表面覆盖膜170由SiO2膜、SiN膜、二氧化硅基多孔膜形成，通过反复进行基于旋涂的涂覆与固化的方法或者通过CVD形成。然后，将残存的未图示的溶解性聚合物溶解除去。具体而言，在溶解性聚合物由PMGI形成的情况下，通过吡咯烷酮等的有机溶剂除去，在由PVA形成的情况下，通过热水溶解除去。由此，制成本实施方式中的光合成装置。
如图24所示，这样制成的本实施方式中的光合成装置向槽部120供给并流有含有二氧化碳的水100，并且照射太阳光等光，从而能够作为光合成装置发挥功能。此外，图24(a)是本实施方式中的光合成装置中的透过表面覆盖膜170的俯视图，图24(b)是在图24(a)中的点划线24A－24B进行了切断的剖视图。
本实施方式中的光合成装置能够进一步提高太阳光能变换效率。
〔第3实施方式〕
接下来，对第3实施方式进行说明。本实施方式中的光合成装置是串联接合型的光合成装置，是n型区域以及p型区域由将带隙不同的多个半导体层层叠而形成的光合成装置。
基于图25对本实施方式中的光合成装置进行说明。此外，图25(a)是本实施方式中的光合成装置中的透过表面覆盖膜170的俯视图，图25(b)是在图25(a)中的点划线25A－25B进行了切断的剖视图。
(光合成装置)
本实施方式是在半导体基板110上形成GaN层111并且在被形成于GaN层111上的槽部120的两侧形成有通过将带隙不同的材料层叠从而形成的n型区域210与p型区域220的光合成装置。具体而言，n型区域210由被层叠的n－InGaN层211、n－GaN层212、n－AlGaN层213形成，p型区域220由被层叠的p－InGaN层221、p－GaN层222、p－AlGaN层223形成。
在槽部120的一方的侧面120a形成的H2O氧化电极130，在槽部120的一方的侧面120a，以与形成有n型区域210的n－InGaN层211、n－GaN层212、n－AlGaN层213接触的方式形成。另外，在槽部120的另一方的侧面120b形成的CO2还原电极140，在槽部120的另一方的侧面120b，以与形成有p型区域220的p－InGaN层221、p－GaN层222、p－AlGaN层223接触的方式形成。
(光合成装置的制造方法)
除在GaN层111上形成n－InGaN层211、n－GaN层212、n－AlGaN层213以及p－InGaN层221、p－GaN层222、p－AlGaN层223之外，本实施方式的制造方法与第2实施方式相同。
具体而言，最初，如图26(a)所示，在半导体基板110上通过外延生长依次层叠地形成GaN层111、p－InGaN层221、p－GaN层222、p－AlGaN层223。此外，半导体基板110由Si形成。作为外延生长的方法，举出MOCVD或者PAMBE等。在本实施方式中，被形成的GaN层111的膜厚约为1μm，p－InGaN层221的膜厚约为3.3μm，p－GaN层222的膜厚约为3.3μm，p－AlGaN层223的膜厚约为3.3μm。
接下来，如图26(b)所示，在p－AlGaN层223上形成硬掩模181。该硬掩模181由SiN形成，被形成于由p－InGaN层221、p－GaN层222、p－AlGaN层223形成p型区域220的区域上。具体而言，在p－AlGaN层223上，通过等离子体CVD对SiN膜成膜，在被成膜的SiN膜上涂覆光致抗蚀剂，进行基于曝光装置的曝光、显影。由此，在形成硬掩模181的区域上，形成未图示的抗蚀剂图案。然后，将未形成有未图示的抗蚀剂图案的区域中的SiN膜通过干式蚀刻除去，形成由SiN构成的硬掩模181。然后，未图示的抗蚀剂图案通过有机溶剂等除去。
接下来，如图27(a)所示，将未形成有硬掩模181的区域中的p－InGaN层221、p－GaN层222、p－AlGaN层223通过RIE等除去。由此，通过使GaN层111的表面露出，形成开口部220a，通过残存的p－InGaN层221、p－GaN层222、p－AlGaN层223形成p型区域220。
接下来，如图27(b)所示，通过在开口部220a中的GaN层111上，利用外延生长形成n－InGaN层211、n－GaN层212、n－AlGaN层213。作为使n－InGaN层211、n－GaN层212、n－AlGaN层213外延生长的方法，举出MOCVD或者PAMBE等。此外，由于由SiN形成的硬掩模181是非晶体，所以在由SiN形成的硬掩模181上，不会外延生长。
然后，通过与第2实施方式相同的方法，在将硬掩模181除去之后，将n－InGaN层211、n－GaN层212、n－AlGaN层213的一部分除去，形成槽部120。由此，通过残存的n－InGaN层211、n－GaN层212、n－AlGaN层213形成n型区域210。这之后，通过进行与第2实施方式相同的工序，能够制造本实施方式中的光合成装置。
本实施方式中的光合成装置由于通过层叠带隙不同的多个半导体层形成有n型区域210以及p型区域220，所以能够提高太阳光能变换效率。
此外，在本实施方式中，对通过将n型以及p型的InGaN层、GaN层、AlGaN层的3层进行层叠从而形成有n型区域210以及p型区域220的光合成装置进行了说明。但是，本实施方式中的光合成装置也可以是n型区域210以及p型区域220通过将n型以及p型的InGaAs层、GaAs层、InGaP层的3层进行层叠从而形成的光合成装置。另外，n型区域210以及p型区域220可以是与带隙不同的双层的半导体层进行了层叠的部件，还可以是将带隙不同的4层以上的半导体层进行了层叠的部件。
此外，上述以外的内容与第2实施方式相同。
〔第4实施方式〕
接下来，对第4实施方式进行说明。顺便说一下，在GaN系氮化物半导体中，为了成为p型，作为杂质元素，掺杂有Mg(镁)，但由于活性率是百分之几极低，不活性的Mg成为再结合中心，所以存在太阳光等光的能量的变换效率降低的情况。因此，本实施方式中的光合成装置是不形成p型区域地利用了GaN中的极化效果的光合成装置。
(光合成装置)
基于图28以及图29对本实施方式中的光合成装置进行说明。此外，图28(a)是本实施方式中的光合成装置中的透过表面覆盖膜170的俯视图，图28(b)是在图28(a)中的点划线28A－28B进行了切断的剖视图。
对于本实施方式而言，作为基板301，使用GaN基板，在基板301上形成有GaN层302，在GaN层302上，通过除去在GaN层302上形成的GaN层的一部分，形成有槽部120。另外，槽部120的两侧通过GaN形成有成为第1半导体区域310的第1GaN区域以及成为第2半导体区域320的第2GaN区域。
在槽部120的一方的侧面120a，形成有与槽部120的一方的侧面120a中的成为第1半导体区域310的第1GaN区域接触的H2O氧化电极130。在槽部120的另一方的侧面120b，形成有与槽部120的另一方的侧面120b中的成为第2半导体区域320的第2GaN区域接触的CO2还原电极140。另外，在成为与形成有槽部120的侧面相反一侧的侧面的、成为第1半导体区域310的第1GaN区域、与成为第2半导体区域320的第2GaN区域之间，形成有成为第3半导体区域330的AlGaN区域。在本实施方式中，第3半导体区域330由与形成有第1半导体区域310以及第2半导体区域320的半导体材料相比带隙较宽的半导体材料形成。由此，在第1半导体区域310与第3半导体区域330的界面附近中的第1半导体区域310，生成2DEG(two-dimensional electron gas：二维电子气体)。另外，在第2半导体区域320与第3半导体区域330的界面附近中的第2半导体区域320，生成2DHG(two dimensional hole gas：二维空穴气)。此外，在本实施方式中，第1半导体区域310以及第2半导体区域320、第3半导体区域330由含有GaN的材料形成。
在本实施方式中，槽部120的一方的侧面120a形成有沿C轴方向生长的基于第3半导体区域330与第1半导体区域310的AlGaN/GaN异质构造，成为第1半导体区域310的(000－1)N极性面。因此，H2O氧化电极130以与GaN的(000－1)N极性面接触的方式形成。另外，槽部120的另一方的侧面120b形成有沿C轴方向生长的基于第3半导体区域330与第2半导体区域320的AlGaN/GaN异质构造，成为第2半导体区域320的(0001)Ga极性面。因此，CO2还原电极140以与GaN的(0001)Ga极性面接触的方式形成。
纤锌矿型GaN结晶具有自发极化、压电极化的特性。因此，如图29所示，通过该极化电荷，在成为第3半导体区域330与第1半导体区域310的界面的(0001)Ga极性面上生长的AlGaN/GaN界面，产生正的固定电荷。另外，在成为第3半导体区域330与第2半导体区域320的界面的(000－1)N极性面上生长的AlGaN/GaN界面，产生负的固定电荷。因此，在(000－1)N极性面上生长的AlGaN/GaN中的能量等级能够比在(0001)Ga极性面上生长的AlGaN/GaN高。由此，能够产生高能量的电子，能够提高二氧化碳的还原效率。
此外，在本实施方式中，如后所述，成为第1半导体区域310的第1GaN区域以及成为第2半导体区域320的第2GaN区域由在形成槽部120时残存的GaN层303形成。另外，用于支承质子隔壁膜150的质子隔壁支承部151也由在槽部120的中央部分残存的GaN层303形成。
(光合成装置的制造方法)
接下来，对本实施方式中的光合成装置的制造方法进行说明。
最初，如图30(a)所示，在成为基板301的GaN基板上，按顺序地通过外延生长形成GaN层302以及GaN层303。在本实施方式中，将m面(1－100)GaN基板用作基板301。作为外延生长的方法，举出MOCVD或者PAMBE等。在本实施方式中，被形成的GaN层302的膜厚约为1μm，GaN层303的膜厚约为10μm。此外，在本实施方式中，存在将GaN层302记载为第1半导体层并且将GaN层303记载为第2半导体层的情况。
接下来，如图30(b)所示，在GaN层303上形成硬掩模381。该硬掩模381由SiN形成，在形成AlGaN区域的区域具有开口部381a。具体而言，在GaN层303上，通过等离子体CVD对SiN膜成膜，在被成膜的SiN膜上涂覆光致抗蚀剂，进行基于曝光装置的曝光、显影，在形成硬掩模381的区域上，形成未图示的抗蚀剂图案。然后，通过将未形成有抗蚀剂图案的区域中的SiN膜通过干式蚀刻除去，形成由SiN构成的硬掩模381。然后，未图示的抗蚀剂图案通过有机溶剂等除去。
接下来，如图31(a)所示，将硬掩模381的开口部381a中的第2GaN层303通过RIE等除去。由此，通过使GaN层111的表面露出形成开口部303a。
接下来，如图31(b)所示，在开口部303a中的GaN层302上，通过外延生长形成成为第3半导体区域330的AlGaN区域。由此，在开口部303a中的GaN层303的Ga极性面区域，且在AlGaN/GaN界面产生2DEG，在GaN层303的N极性面区域，且在AlGaN/GaN界面产生2DHG。
然后，在通过与第2实施方式相同的方法将硬掩模381除去之后，除去GaN层303的一部分形成槽部120。由此，通过残存的GaN层303形成成为第1半导体区域310的第1GaN区域以及成为第2半导体区域320的第2GaN区域。这样，如图28所示，在槽部120的一方的侧面120a形成有成为第1半导体区域310的第1GaN区域，在槽部120的另一方的侧面120b形成有成为第2半导体区域320的第2GaN区域。在形成槽部120时，AlGaN/GaN界面与槽部120的一方的侧面120a的距离、以及AlGaN/GaN界面与槽部120的另一方的侧面120b的距离以成为1μm以下的方式形成。
然后，通过进行与第2实施方式相同的工序，能够制造本实施方式中的光合成装置。此外，由Ti/Al形成的第1布线电极161在成为第1半导体区域310的第1GaN区域与成为第3半导体区域330的AlGaN区域的界面形成。另外，由Ni/Au形成的第2布线电极162在成为第2半导体区域320的第2GaN区域与成为第3半导体区域330的AlGaN区域的界面形成。第1布线电极161以及第2布线电极162在进行了成膜之后，为了欧姆接触，进行快速热退火。
本实施方式中的光合成装置能够不使用作为p型的杂质元素难以活性化的Mg而使用GaN系氮化物半导体材料制成光合成装置，因此能够提高太阳光能变换效率。
在本实施方式中的说明中，对将m面GaN基板用作基板301的情况进行了说明，但由于GaN基板高价，所以也可以使用廉价的基板，例如使用在Si基板上形成有m面或者a面GaN外延层的基板。另外，作为基板301，也可以使用m面SiC、γ－LiAlO2(100)、m面ZnO、m面蓝宝石、被图案加工的a面蓝宝石基板、被图案加工的Si(112)等。另外，也可以使用由相同的III－V化合物半导体形成的m面AlN基板。
并且，除表面成为m面的GaN外延层以外，由于与m面相同的非极性a面GaN外延层也与c面处于正交关系，所以使用在表面形成有a面GaN外延层的基板，也能够获得与本实施方式相同的效果。此外，作为能够使a面GaN外延层生长的基板，例举有r面蓝宝石、LiGaO2(010)、a面SiC、a面GaN、a面AlN、a面ZnO等。
另外，基板301的表面不仅在成为m面、a面的非极性面的情况下能够利用，其他面也能够利用，因此，也可以使用在基板301带有偏离角的面。
〔第5实施方式〕
接下来，对第5实施方式进行说明。本实施方式是通过将带隙不同的多个半导体层层叠从而形成有第4实施方式中的第1半导体区域以及第2半导体区域的构造的光合成装置。
(光合成装置)
针对本实施方式中的光合成装置，基于图32进行说明。此外，图32(a)是本实施方式中的光合成装置中的透过表面覆盖膜170的俯视图，图32(b)是在图32(a)中的点划线32A－32B进行了切断的剖视图。
对于本实施方式中的光合成装置而言，作为基板301，使用GaN基板，在基板301上形成有GaN层302，在GaN层302上形成有槽部120。在槽部120的一方的侧面120a形成有层叠有InGaN层411、GaN层412、AlGaN层413的第1半导体区域410。H2O氧化电极130以与槽部120的一方的侧面120a中的第1半导体区域410接触的方式形成。另外，在槽部120的另一方的侧面120b形成有层叠有InGaN层421、GaN层422、AlGaN层423的第2半导体区域420。CO2还原电极140以与槽部120的另一方的侧面120b中的第2半导体区域420接触的方式形成。另外，在除槽部120以外的第1半导体区域410与第2半导体区域420之间，通过AlGaN形成有第3半导体区域330。在本实施方式中，第3半导体区域330由与形成有第1半导体区域410以及第2半导体区域420的半导体材料相比带隙较宽的半导体材料形成。
在本实施方式中，形成有第3半导体区域330的AlGaN中的Al组成比比第1半导体区域410中的AlGaN层413、第2半导体区域420中的AlGaN层423中的Al组成比高。例如，第3半导体区域330由Al0.3Ga0.7N形成，第1半导体区域410中的AlGaN层413以及第2半导体区域420中的AlGaN层423由Al0.2Ga0.8N形成。由此，在第1半导体区域410与第3半导体区域330的界面附近中的第1半导体区域410，生成2DHG，在第2半导体区域420与第3半导体区域330的界面附近中的第2半导体区域420，生成2DEG。此外，在本实施方式中，第1半导体区域410以及第2半导体区域420、第3半导体区域330由含有GaN的材料形成。
此外，在本实施方式中，用于支承质子隔壁膜150的质子隔壁支承部151如后所述，由在形成槽部120时残存的InGaN层401、GaN层402、AlGaN层403形成。
(光合成装置的制造方法)
接下来，对本实施方式中的光合成装置的制造方法进行说明。
最初，如图33(a)所示，在基板301亦即GaN基板上，通过外延生长形成GaN层302、InGaN层401、GaN层402、AlGaN层403。在本实施方式中，将m面(1－100)GaN基板用作基板301。作为外延生长的方法，举出MOCVD或者PAMBE等。在本实施方式中，GaN层302的膜厚约为1μm，InGaN层401的膜厚约为3.3μm，GaN层402的膜厚约为3.3μm，AlGaN层403的膜厚约为3.3μm。
接下来，如图33(b)所示，在AlGaN层403上形成硬掩模381。该硬掩模381由SiN形成，在形成成为第3半导体区域330的AlGaN区域的区域具有开口部381a。具体而言，在AlGaN层403上，通过等离子体CVD对SiN膜成膜，在被成膜的SiN膜上涂覆光致抗蚀剂，进行基于曝光装置的曝光、显影。由此，在形成硬掩模381的区域上，形成未图示的抗蚀剂图案。然后，通过将未形成有未图示的抗蚀剂图案的区域中的SiN膜通过干式蚀刻除去，形成由SiN构成的硬掩模381。然后，未图示的抗蚀剂图案通过有机溶剂等除去。
接下来，如图34(a)所示，将硬掩模381的开口部381a中的InGaN层401、GaN层402、AlGaN层403通过RIE等除去。由此，使GaN层302的表面露出，形成开口部403a。
接下来，如图34(b)所示，通过使AlGaN在开口部403a中的GaN层302上外延生长，形成成为第3半导体区域330的AlGaN区域。由此，在开口部403a中的InGaN层401、GaN层402、AlGaN层403的Ga极性面区域，且在与成为第3半导体区域330的AlGaN区域的界面附近，生成2DEG。在开口部403a中的InGaN层401、GaN层402、AlGaN层403的N极性面区域，且在与成为第3半导体区域330的AlGaN区域的界面附近，生成2DHG。
然后，通过与第2实施方式等相同的方法，在除去硬掩模381之后，在InGaN层401、GaN层402、AlGaN层403形成槽部120，形成第1半导体区域410以及第2半导体区域420。这样形成的第1半导体区域410由InGaN层411、GaN层412、AlGaN层413形成，第2半导体区域420由InGaN层421、GaN层422、AlGaN层423形成。此外，InGaN层411、GaN层412、AlGaN层413、InGaN层421、GaN层422、AlGaN层423由在形成槽部120时残存的InGaN层401、GaN层402、AlGaN层403形成。
在本实施方式中，如图32所示，槽部120的一方的侧面120a由第1半导体区域410形成，另一方的侧面120b由第2半导体区域420形成。并且，在第1半导体区域410与第2半导体区域420之间，形成有成为第3半导体区域330的AlGaN区域。在形成槽部120时，第1半导体区域410与第3半导体区域330的界面、以及第2半导体区域420与第3半导体区域330的界面、槽部120的一方的侧面120a以及另一方的侧面120b的距离以成为1μm以下的方式形成。
然后，通过进行与第4实施方式相同的工序，能够制造本实施方式中的光合成装置。此外，由Ti/Al形成的第1布线电极161在第1半导体区域410与第3半导体区域330的界面形成，由Ni/Au形成的第2布线电极162在第2半导体区域420与第3半导体区域330的界面形成。第1布线电极161以及第2布线电极162在进行了成膜之后，为了欧姆接触，进行快速热退火。
此外，除上述以外的内容与第4实施方式相同。
〔第6实施方式〕
接下来，对第6实施方式进行说明。如图35所示，本实施方式是在第2实施方式中的光合成装置中形成有连接槽部120与半导体基板110的背面的贯通孔121的构造的光合成装置。此外，图35(a)是本实施方式中的光合成装置中的透过表面覆盖膜170的俯视图，图35(b)是在图35(a)中的点划线35A－35B进行了切断的剖视图。
贯通孔121通过干式蚀刻或者湿式蚀刻除去形成有槽部120的区域中的半导体基板110以及GaN层111使其贯通而形成。这样，通过形成连接半导体基板110的背面与槽部120的贯通孔121，能够将含有二氧化碳的水100从半导体基板110的背面向槽部120利用贯通孔121中的毛细管现象等进行供给。
另外，在本实施方式中，表面覆盖膜170由二氧化硅基多孔膜形成。由于二氧化硅基多孔膜的膜质较粗，所以能够使在槽部120流动的水的一部分经由二氧化硅基多孔膜蒸发。因此，本实施方式中的光合成装置不仅吸收二氧化碳，还具有冷却功能。
此外，除上述以外的内容与第2实施方式相同。另外，本实施方式也能够应用于第1、第3至第5实施方式。
〔第7实施方式〕
接下来，对第7实施方式进行说明。本实施方式是使用第1～第6实施方式中的光合成装置被单元化的光合成单元的二氧化碳吸收系统。本实施方式中的二氧化碳吸收系统如图36所示具有第1～第6实施方式中的光合成装置被单元化的光合成单元510、二氧化碳溶解槽520、送水泵530以及碳固定化装置540等。
在本实施方式中的二氧化碳吸收系统中，通过大气导入口522将大气导入被输入有水的二氧化碳溶解槽520，使大气中所含有的二氧化碳溶解于向二氧化碳溶解槽520输入的水。此时，二氧化碳溶解槽520中的多余大气通过排气口523向二氧化碳溶解槽520之外排出。此外，室温中的二氧化碳的溶解度相对于1cm3的水约为0.08cm3。
在二氧化碳溶解槽520中溶解有二氧化碳的水通过与二氧化碳溶解槽520连接的送水泵530，向光合成单元510输送。在本实施方式中，能够通过送水泵530使二氧化碳吸收系统内中的水循环。另外，在本实施方式中，在送水泵530与光合成单元510之间设置有ph测量计531，通过测定向光合成单元510供给的水的ph，能够测定水所含有的二氧化碳的浓度。
在光合成单元510中，通过被供给的水所含有的二氧化碳生成甲酸，含有甲酸的水被输送至碳固定化装置540。在本实施方式中，通过在光合成单元510与碳固定化装置540之间设置有ph测量计532，对向碳固定化装置540供给的水的ph进行测定，能够对水所含有的甲酸的浓度进行测定。在碳固定化装置540的内部，例如设置有能够将甲酸变换为甲烷、乙醇等的能够储藏的化学物质的催化剂、药品，能够从含有甲酸的水中除去甲酸。通过碳固定化装置540中的催化剂、药品，从甲酸变换来的甲烷、乙醇等的能够储藏的化学物质被存积于碳固定化装置540的内部。在碳固定化装置540中将甲酸除去的水通过碳固定化装置540被输送至二氧化碳溶解槽520。
在本实施方式中的二氧化碳吸收系统中，能够如上述那样吸收在大气中含有的二氧化碳。
〔第8实施方式〕
接下来，对第8实施方式进行说明。本实施方式是使用第1～第6实施方式中的光合成装置被单元化的光合成单元510的冷却系统。第1～第6实施方式中的光合成装置由于具有与植物相同的水的蒸散作用，所以具有基于蒸发热的冷却效果。因此，本实施方式中的冷却系统具有第1～第6实施方式中的光合成装置被单元化的光合成单元510、与太阳能电池被单元化的太阳光面板550，并且被设置于住宅的屋顶等。在本实施方式中，用于驱动在向光合成单元510供给水时所需要的未图示的送水泵的电力使用在太阳光面板550被发电的电力。因此，本实施方式中的冷却系统是没有依赖其他能量源的独立的系统。本实施方式中的冷却系统不仅能够用于住宅，也能够在自然、需要冷却的施设等中使用。
〔第9实施方式〕
接下来，对第9实施方式进行说明。本实施方式将第1～第6实施方式中的光合成装置被单元化的光合成单元510设置于工厂、数据中心。在本实施方式中，如图38所示，通过将光合成单元510与太阳能电池被单元化的太阳光面板550设置于数据中心的屋上，能够成为零排放型数据中心。
在处理大数据的数据中心中，因为使用大量的电力，所以进行了通过进行高效率电源、空调系统的改善等从而尽可能减少二氧化碳的排出量的研究。然而，完全使二氧化碳的排出量为零极其困难。
因此，在本实施方式中，将光合成单元510与太阳光面板550设置于数据中心的屋上。在本实施方式中，用于驱动在向光合成单元510供给水时所需要的未图示的送水泵的电力使用在太阳光面板550被发电的电力。因此，成为不会依赖其他能量源的独立的系统。由此，通过利用光合成单元510吸收与在数据中心使用的电力相当的量的二氧化碳，能够成为零排放型数据中心。在本实施方式中，对数据中心进行了说明，但本实施方式除数据中心以外也能够应用于使用电力的所谓的工业设施。
〔第10实施方式〕
接下来，对第10实施方式进行说明。本实施方式是将第1～第6实施方式中的光合成装置被单元化的光合成单元510设置于地球的地面等的地球冷却系统。
如图39所示，本实施方式在地球的地面等，设置有多个第1～第6实施方式中的光合成装置被单元化的光合成单元510与太阳光面板550。在本实施方式中，用于驱动在向光合成单元510供给水时所需要的未图示的送水泵的电力使用在太阳光面板550被发电的电力。因此，本实施方式中的冷却系统是不用依赖其他能量源的独立的系统。由此，能够减少地球规模的二氧化碳，能够抑制地球变暖。
〔第11实施方式〕
接下来，对第11实施方式进行说明。本实施方式是被密闭的空间中的二氧化碳浓度的控制系统。具体而言，若人存在于满员电车、体育馆等的密闭空间，则存在因人的呼吸从而密闭空间中的二氧化碳的浓度变高而感觉变差或者发生中暑、过呼吸的情况。
例如，如图40所示，本实施方式将第1～第6实施方式中的光合成装置被单元化的光合成单元510与太阳光面板550，设置于电车的屋顶，并且在电车的车内设置有二氧化碳浓度传感器560。由此，根据在二氧化碳浓度传感器560中检测出的电车的车内的二氧化碳浓度，通过光合成单元510从电车的车内的空气除去二氧化碳，并供给氧，能够将电车的车内的二氧化碳浓度保持为规定的值。这样，能够使电车的车内的空间舒适。
另外，如图41所示，本实施方式也可以将光合成单元510与太阳光面板550设置于体育馆的屋顶，并且在体育馆内设置有二氧化碳浓度传感器560。由此，根据在二氧化碳浓度传感器560中检测出的体育馆内的二氧化碳浓度，通过光合成单元510从体育馆内的空气除去二氧化碳并供给氧，能够将体育馆内的二氧化碳浓度保持为规定的值。这样，能够使体育馆内的空间舒适。
在本实施方式中，用于驱动在向光合成单元510供给水时所需要的未图示的送水泵的电力使用在太阳光面板550被发电的电力。因此，本实施方式中的冷却系统是不会依赖其他能量源的独立的系统。
〔第12实施方式〕
接下来，对第12实施方式进行说明。本实施方式是使用第1～第6实施方式中的光合成装置被单元化的光合成单元510的城市环境网络系统。城市地区中的二氧化碳的浓度比农村地区高，该情况作为一个重要因素，带来了基于热岛现象的倾盆大雨等的异常气象。另外，城市地区针对绿化面积也受到限制。
在本实施方式中，如图42所示，将装备有光合成单元510与二氧化碳浓度传感器的环境监测站570配置于高楼、工厂、住宅并且将环境监测站570通过用虚线所示那样的无线网络连接。由此，能够减少城市地区中的二氧化碳浓度并且进行控制。在环境监测站570中也可以包含对PM2.5等的大气污染物质、NOX等进行测定的传感器。由此，能够减少城市地区中的二氧化碳浓度，抑制异常气象。
以上，对实施方式进行了详述，但并不限定于特定的实施方式，在技术方案所记载的范围内，能够进行各种变形以及变更。
附图标记说明：
10…半导体基板；11…n型区域；12…p型区域；20…槽部；20a…一方的侧面；20b…另一方的侧面；30…H2O氧化电极；40…CO2还原电极；50…质子隔壁膜；51…质子隔壁支承部；60a…布线电极；60b…布线电极；70…表面覆盖膜；100…水；110…半导体基板；111…GaN层；112…p－GaN层(p型区域)；113…n－GaN层(n型区域)；120…槽部；120a…一方的侧面；120b…另一方的侧面；121…贯通孔；130…H2O氧化电极；140…CO2还原电极；150…质子隔壁膜；151…质子隔壁支承部；161…第1布线电极；162…第2布线电极；170…表面覆盖膜；210…n型区域；211…n－InGaN层；212…n－GaN层；213…n－AlGaN层；220…p型区域；221…p－InGaN层；222…p－GaN层；223…p－AlGaN层；310…第1半导体区域(第1GaN区域)；320…第2半导体区域(第2GaN区域)；330…第3半导体区域(AlGaN区域)；410…第1半导体区域；411…InGaN层；412…GaN层；413…AlGaN层；420…第2半导体区域；421…InGaN层；422…GaN层；423…AlGaN层。

Claims (10)

1.一种光合成装置，其特征在于，具有：
槽部，其被形成于半导体基板；
第1导电型区域，其在所述半导体基板中被形成于所述槽部的一方的侧面；
第2导电型区域，其在所述半导体基板中被形成于所述槽部的另一方的侧面；
氧化电极，其以与所述槽部的一方的侧面中的所述第1导电型区域接触的方式形成；
还原电极，其以与所述槽部的另一方的侧面中的所述第2导电型区域接触的方式形成；以及
质子隔壁膜，其被形成于所述槽部的中央部分，
向所述槽部供给含有二氧化碳的水，
通过向所述氧化电极或者所述还原电极照射光，在所述氧化电极从水生成氧与氢离子，被生成的氢离子透过所述质子隔壁膜，在所述还原电极与二氧化碳反应生成甲酸。
2.根据权利要求1所述的光合成装置，其特征在于，
所述半导体基板是硅基板。
3.一种光合成装置，其特征在于，具有：
半导体层，其被形成于基板上；
槽部，其被形成于所述半导体层；
第1导电型区域，其被形成于所述槽部的一方的侧面；
第2导电型区域，其被形成于所述槽部的另一方的侧面；
氧化电极，其以与所述槽部的一方的侧面中的所述第1导电型区域接触的方式形成；
还原电极，其以与所述槽部的另一方的侧面中的所述第2导电型区域接触的方式形成；以及
质子隔壁膜，其被形成于所述槽部的中央部分，
向所述槽部供给含有二氧化碳的水，
通过向所述氧化电极或者所述还原电极照射光，在所述氧化电极从水生成氧与氢离子，被生成的氢离子透过所述质子隔壁膜，在所述还原电极与二氧化碳反应生成甲酸。
4.根据权利要求3所述的光合成装置，其特征在于，
所述第1导电型区域以及所述第2导电型区域由含有GaN的材料形成。
5.根据权利要求3或4所述的光合成装置，其特征在于，
所述第1导电型区域通过层叠带隙不同的多个半导体层形成，
所述第2导电型区域通过层叠带隙不同的多个半导体层形成。
6.根据权利要求1～5中的任一项所述的光合成装置，其特征在于，
所述第1导电型是n型，所述第2导电型是p型。
7.一种光合成装置，其特征在于，具有：
槽部，其被形成于基板上的半导体层；
第1半导体区域，其被形成于所述槽部的一方的侧面；
第2半导体区域，其被形成于所述槽部的另一方的侧面；
第3半导体区域，其以与所述第1半导体区域以及所述第2半导体区域接触的方式形成；
氧化电极，其以与所述槽部的一方的侧面中的所述第1半导体区域接触的方式形成；
还原电极，其以与所述槽部的另一方的侧面中的所述第2半导体区域接触的方式形成；以及
质子隔壁膜，其被形成于所述槽部的中央部分，
所述第3半导体区域由与形成有所述第1半导体区域以及所述第2半导体区域的半导体材料相比带隙宽的半导体材料形成，
在所述第1半导体区域与所述第3半导体区域的界面，生成二维电子气体，
在所述第2半导体区域与所述第3半导体区域的界面，生成二维空穴气，
向所述槽部供给含有二氧化碳的水，
通过向所述氧化电极或者所述还原电极照射光，在所述氧化电极从水生成氧与氢离子，被生成的氢离子透过所述质子隔壁膜，在所述还原电极与二氧化碳反应生成甲酸。
8.根据权利要求7所述的光合成装置，其特征在于，
所述第1半导体区域通过层叠带隙不同的多个半导体层形成，
所述第2半导体区域通过层叠带隙不同的多个半导体层形成。
9.根据权利要求7或8所述的光合成装置，其特征在于，
所述第1半导体区域以及所述第2半导体区域由含有GaN的材料形成，
所述第3半导体区域由含有AlGaN的材料形成。
10.根据权利要求7～9中的任一项所述的光合成装置，其特征在于，
在所述槽部与所述基板的背面之间设置有贯通所述基板的贯通孔，
含有所述二氧化碳的水从所述基板的背面经由所述贯通孔被供给至所述槽部。
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