JP2017147423A - ショットキー型デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】高い変換効率を有するショットキー型デバイスを提供する。
【解決手段】ショットキー型デバイスは、基材１１と、基材１１の一方の面上に設けられた第１電極１２および第２電極１３と、第１、第２電極上に設けられたＴＭＤ（遷移金属ダイカルコゲナイド）１４とを備える。第１電極とＴＭＤとの接合はショットキー接合であり、第２電極とＴＭＤとの接合はオーミック接合である。第１電極と第２電極との仕事関数の差が、０．４ｅＶ以上である。
【選択図】図１

Description

本発明は、ショットキー型デバイスに関する。詳しくは、遷移金属ダイカルコゲナイドを用いるショットキー型デバイスに関する。

遷移金属ダイカルコゲナイド（Transition Metal Dichalcogenide、以下「ＴＭＤ」という。）は遷移金属とカルコゲン原子がサンドイッチした構造をとるナノ材料であり、グラフェンと類似の原子層物質として分類される。原子オーダーの厚み（一層１ｎｍ以下）をもつ二次元シートという構造的特徴に加え、グラフェンには無いバンドギャップを持つことから、次世代半導体デバイス材料として大きな注目を集めている。

ところで、最もシンプルな構造をもつ半導体デバイスとして、ショットキー型デバイスが古くから知られている。ショットキー型デバイスでは、金属の種類を適切に選択するだけで、金属と半導体との接合領域において発電や発光が可能である。ＴＭＤを用いたショットキー型デバイスとしては、５０ｎｍ以上の厚さを持つバルクＴＭＤを用いたものが提案されている（非特許文献１参照）。

Marcio Fontana et al. Electron-hole transport and photovoltaic effect in gated MoS2 Schottky junctions. Scientific Reports 3, Article number:1634(2013) doi:10.1038/srep01634

本発明の目的は、高い変換効率を有するショットキー型デバイスを提供することにある。

上述の課題を解決するために、本発明は、ＴＭＤと、ＴＭＤと接合された第１電極および第２電極とを備え、第１電極と第２電極との仕事関数の差が、０．４ｅＶ以上であるショットキー型デバイスである。

以上説明したように、本発明によれば、高い変換効率が得られる。

図１Ａは、本発明の一実施形態に係る光電変換素子の構成を示す平面図である。図１Ｂは、図１ＡのＩＢ−ＩＢ線に沿った断面図である。 図２Ａは、３層構造のＷＳｅ₂のバンド構造を示す図である。図２Ｂは、Ａ、Ｂ、Ｃ励起子の遷移モデルを示す概略図である。 図３Ａは、７５０ｎｍ程度の光が照射されたときの光電変換の動作を説明するための模式図である。図３Ｂは、波長４００ｎｍ程度の光が照射されたときの光電変換の動作を説明するための模式図である。 図４Ａ、図４Ｂはそれぞれ、本発明の一実施形態の変形例に係る光電変換素子の構成を示す断面図である。 図５Ａは、実施例１−１の光電変換素子の構成を示す斜視図である。図５Ｂは、実施例１−１の光電変換素子の構成を示す側面図である。 図６Ａは、実施例１−１、１−２、比較例１−１の光電変換素子のＩ−Ｖ曲線の評価結果を示すグラフである。図６Ｂは、実施例１−１、１−２、比較例１−１、１−２の光電変換素子のエネルギー変換効率の評価結果を示すグラフである。 図７Ａは、各種金属の仕事関関数の評価結果を示すグラフである。図７Ｂは、第１、第２電極の電極材料とＷＳｅ₂のエネルギーダイアグラムを示す概略図である。 図８Ａは、実施例１−２の光電変換素子のＩ−Ｖ曲線の評価結果を示すグラフである。図８Ｂは、実施例１−２の光電変換素子の開放電圧Ｖ_OCおよび短絡電流Ｉ_SCの評価結果を示すグラフである。 図９Ａは、実施例２−１〜２−５の光電変換素子の短絡電流Ｉ_scの評価結果を示すグラフである。図９Ｂは、実施例２−１〜２−５の光電変換素子のエネルギー変換効率（ＰＣＥ）の評価結果を示すグラフである。 図１０Ａは、実施例２−５の光電変換素子の光電流のマッピング像を示す図である。図１０Ｂは、実施例２−５の光電変換素子の光電流のラインスキャンの結果を示すグラフである。 図１１Ａは、実施例２−５の光電変換素子の外部量子効率（ＥＱＥ）の評価結果を示すグラフである。図１１Ｂは、実施例２−５の光電変換素子の微分反射スペクトル（ΔＲ／Ｒ）の評価結果を示すグラフである。 図１２Ａは、波長６００ｎｍ、７５０ｎｍのレーザ光を照射したときの実施例２−１〜２−５の光電変換素子の外部量子効率（ＥＱＥ）の評価結果を示すグラフである。図１２Ｂは、波長４００ｎｍのレーザ光を照射したときの実施例２−１〜２−５の光電変換素子の外部量子効率（ＥＱＥ）の評価結果を示すグラフである。図１２Ｃは、実施例２−５の光電変換素子の電極からの実効的光電流生成領域長さの評価結果を示す。 図１３Ａは、実施例３−５の光電変換素子の構成を示す斜視図である。図１３Ｂは、実施例３−５の光電変換素子の構成を示す側面図である。 図１４Ａは、実施例３−５の光電変換素子のＩ−Ｖ曲線の評価結果を示すグラフである。図１４Ｂは、実施例３−１〜３−５、比較例３−１、３−２の光電変換素子のエネルギー変換効率（ＰＣＥ）の評価結果を示すグラフである。図１４Ｃは、比較例３−１の光電変換素子のエネルギー変換効率（ＰＣＥ_(i)）に対する、実施例３−２、３−４、３−５の光電変換素子のエネルギー変換効率（ＰＣＥ_(X)）の割合を示すグラフである。 図１５Ａは、実施例４−１の光電変換素子の光電流のマッピング像を示す図である。図１５Ｂは、実施例４−１の光電変換素子の光電流のラインスキャンの結果を示すグラフである。図１５Ｃは、実施例４−１の光電変換素子のバンドダイアグラムの模式図である。 図１６Ａは、比較例４−１の光電変換素子の光電流のマッピング像を示す図である。図１６Ｂは、比較例４−１の光電変換素子の光電流のラインスキャンの結果を示すグラフである。図１６Ｃは、比較例４−１の光電変換素子のバンドダイアグラムの模式図である。 図１７Ａは、１Ｖの電圧が印加された状態における比較例４−１の光電変換素子の光電流のマッピング像を示す図である。図１７Ｂは、１Ｖの電圧が印加された状態における比較例４−１の光電変換素子の光電流のラインスキャンの結果を示すグラフである。図１７Ｃは、１Ｖの電圧が印加された状態における比較例４−１の光電変換素子のバンドダイアグラムの模式図である。

［光電変換素子の構成］
本発明の一実施形態に係る光電変換素子１０は、図１Ａ、図１Ｂに示すように、基材１１と、基材１１の一方の面上に設けられた第１、第２電極１２、１３と、第１、第２電極１２、１３上に設けられたＴＭＤ１４とを備える。光電変換素子１０は、いわゆるショットキー型光電変換素子（ショットキー型太陽電池）であり、フレキシブル性を有していてもよいし、可視光に対して透明性を有していてもよい。

第１、第２電極１２、１３により基材１１とＴＭＤ１３との間が離されている。これにより、ＴＭＤ１３が基材１１と反応することを抑制して、光電変換素子１０の変換効率の低下を抑制できる。第１電極１２とＴＭＤ１４との接合はショットキー接合であり、第２電極１３とＴＭＤ１４との接合はオーミック接合である。

（基材）
基材１１は、可視光に対して透明性を有するものであってもよいし、可視光に対して不透明性を有するものであってもよい。基材１１の形状としては、例えば、フィルム状、プレート状、ブロック状を挙げることができるが、特にこれらの形状に限定されるものではない。基材１１は、剛性を有するものであってもよいし、フレキシブル性を有するものであってもよい。

基材１１の材料としては、例えば、例えば、高分子樹脂またはガラスを用いることができる。高分子樹脂としては、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、アクリル樹脂（ＰＭＭＡ）ポリイミド（ＰＩ）、トリアセチルセルロース（ＴＡＣ）、ポリエステル、ポリアミド（ＰＡ）、アラミド、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリアクリレート、ポリエーテルスルフォン、ポリスルフォン、ポリプロピレン（ＰＰ）、ジアセチルセルロース、ポリ塩化ビニル、エポキシ樹脂、尿素樹脂、ウレタン樹脂、メラミン樹脂、環状オレフィンポリマー（ＣＯＰ）、ノルボルネン系熱可塑性樹脂などが挙げられる。ガラスとしては、例えば、ソーダガラス、無アルカリガラスまたは石英ガラスなどが挙げられる。

（第１、第２電極）
第１、第２電極１２、１３は、基材１１の一方の面に垂直な方向から見ると、櫛歯状の形状を有し、互いに噛み合わされるようにして配置されている。第１電極１２の一端には第１出力端子１２ａが設けられ、第２電極１３の一端には第２出力端子１３ａが設けられている。第１、第２出力端子１２ａ、１３ａは図示しない発電制御装置などの外部装置に接続されている。第１、第２電極１２、１３は可視光に対して透明性を有するものであってもよいし、不透明性を有するものであってもよい。

第１、第２電極１２、１３の仕事関数の差は、０．４ｅＶ以上、より好ましくは０．４８ｅＶ、更により好ましくは０．５６ｅＶ以上である。仕事関数の差が０．４ｅＶ以上であると、高い変換効率が得られる。第１、第２電極１２、１３間は所定の間隔離されている。第１、第２電極１２、１３間の距離Ｌ_eleは、好ましくは１μｍ以上５μｍ以下、より好ましくは２μｍ以上４μｍ以下、更により好ましくは約２μｍである。第１、第２電極１２、１３間の距離Ｌ_eleが１μｍ未満であると、短チャネル効果（Short Channel Effect：ＳＣＥ）により変換効率が低下する虞がある。一方、第１、第２電極１２、１３間の距離Ｌ_eleが５μｍを超えると、キャリアロスにより変換効率が低下する虞がある。

第１、第２電極１２、１３は、良好な電気的導電性を有し、かつ第１、第２電極１２、１３の仕事関数の差が０．４ｅＶ以上であるものであればよく、例えば、無機系導電材料を含む無機導電層、有機系導電材料を含む有機導電層、無機系導電材料および有機系導電材料の両方を含む有機−無機導電層などを用いることができる。

無機系導電材料としては、例えば、金属または金属酸化物などが挙げられる。ここで、金属には、半金属が含まれるものと定義する。有機系導電材料としては、例えば、炭素材料、導電性ポリマーなどが挙げられる。第１、第２電極１２、１３は、ＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）法またはＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により得られる薄膜であってもよいし、印刷法などの塗布法により得られる薄膜であってもよい。

（ＴＭＤ）
ＴＭＤ１４は、単結晶および多結晶のいずれであってもよいが、光電変換素子１０の電気伝導性や光学特性の向上の観点からすると、単結晶のものが好ましい。ＴＭＤ１４は、可視光に対して透明性を有するものであってもよいし、不透明性を有するものであってもよい。なお、本発明において、「可視光」とは３６０ｎｍ以上８３０ｎｍ以下の波長帯域の光をいう。また、「可視光に対して透明性を有する」とは、分光光度計により測定した可視光の平均透過率が７０％以上であることを意味する。ＴＭＤ１４を可視光に対して透明性を有するものとする場合、ＴＭＤ１４の層数は、好ましくは６層以下、より好ましくは３層以下である。ＴＭＤ１４の層数が６層以下であると、ＴＭＤ１４の可視光の平均光吸収率を３０％以下に抑える、すなわち可視光の平均光透過率を７０％以上にできるため、ＴＭＤ１４を目視で透明と認識できる。

ＴＭＤ１４がｐ型の半導体特性を有する場合、第１電極１２の材料としては、できるだけ小さい仕事関数を持つものが好ましい。具体的には、第１電極１２の仕事関数とＴＭＤ１４のフェルミエネルギーとの差が５．０ｅＶ以上となるものを用いることが好ましい。変換効率を向上できるからである。

ＴＭＤ１４がｎ型の半導体特性を有する場合、第１電極１２の材料としては、できるだけ大きい仕事関数を持つものが好ましい。具体的には、第１電極１２の仕事関数とＴＭＤ１４のフェルミエネルギーとの差が、５．０ｅＶ以下であることが好ましい。変換効率を向上できるからである。

ＴＭＤ１３は、一般式ＭＣｈ₂で表される。但し、Ｍは遷移金属元素、具体的にはＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、ＭｏまたはＷなどである。Ｃｈ₂はカルコゲナイド、具体的にはＳ、ＳｅまたはＴｅなどである。

図２Ａに、３層構造のＷＳｅ₂のバンド構造を示す。数層のＷＳｅ₂では、図２Ａに示すように、光が吸収されると、Ａ、Ｂ、Ｃ励起子が生成されることが知られている。本発明者らは、ＴＭＤ１４を用いた光電変換素子１０の高効率化を実現するために、詳細な発電機構について実験により鋭意検討を行った。その結果、各励起子吸収により生成されるキャリアの拡散ダイナミクスが異なる可能性を見出した。具体的には、Ａ、Ｂ励起子は励起子構造を維持したままショットキー接合の強電場領域まで拡散し電荷分離するのに対し、Ｃ励起子は励起直後に電荷分離して拡散するため比較的長い拡散長が得られることを見出した（図２Ｂ参照）。

上記拡散ダイナミクスの観点からすると、入射光のうちのどの波長成分の光の変換効率を向上するかに応じて、第１、第２電極１２、１３間の距離Ｌ_eleを設定することが好ましい。６００ｎｍ程度または７５０ｎｍ程度の光の変換効率を向上する観点からすると、第１、第２電極１２、１３間の距離Ｌ_eleは、好ましくは１μｍ以上５μｍ以下、より好ましくは２μｍ以上４μｍ以下、更により好ましくは約２μｍである。４００ｎｍ程度の光の変換効率を向上する観点からすると、第１、第２電極１２、１３間の距離Ｌ_eleは、好ましくは５μｍ以上１０μｍ以下、より好ましくは６μｍ以上９μｍ以下、更により好ましくは約８μｍである。

なお、図１Ａ、図１Ｂでは、第１、第２電極１２、１３間の距離Ｌ_eleが一定である例を示しているが、距離Ｌ_eleが変化するようにしてもよい。例えば、６００ｎｍ程度または７５０ｎｍ程度の光の変換効率を向上する第１、第２電極１２、１３間の距離Ｌ_eleと、４００ｎｍ程度の光の変換効率を向上する第１、第２電極１２、１３間の距離Ｌ_eleとが１つの光電変換素子１０内において混在していてもよい。

［光電変換時の動作］
以下、上述の構成を有する光電変換素子１０の光電変換時の動作について説明する。

波長７５０ｎｍ程度の光２０ＬがＴＭＤ１４に対して照射されると、図３Ａに示すように、Ａ励起子２１が生成される。生成されたＡ励起子２１Ａは、ショットキー接合の強電場領域まで拡散すると電子２１ｅと正孔２１ｈに分離される。分離された電子２１ｅ、正孔２１ｈがそれぞれ第１、第２電極１２、１３に到達すると電流が流れる。

波長６００ｎｍ程度の光２０ＬがＴＭＤ１４に対して照射されたときには、Ｂ励起子が生成される。生成されたＢ励起子が上記のＡ励起子２１Ａの場合と同様の過程を経て、電流が流れる。

波長４００ｎｍ程度の光２０ＬがＴＭＤ１４に対して照射されると、図３Ｂに示すように、Ｃ励起子２１Ｃが生成される。Ｃ励起子２１Ｃは生成直後に電子２１ｅ、正孔２１ｈに電荷分離し、分離された電子２１ｅ、正孔２１ｈがそれぞれ第１、第２電極１２、１３に到達すると電流が流れる。

［効果］
本発明の一実施形態に係る光電変換素子１０では、第１、第２電極１２、１３がＴＭＤ１４に接合され、第１、第２電極１２、１３の仕事関数の差が０．４ｅＶ以上である。これにより、高い変換効率を得ることができる。

［変形例］
図４Ａに示すように、基材１１上にＴＭＤ１４を設け、ＴＭＤ１４上に第１、第２電極１２、１３を設ける構成を採用してもよい。但し、光電変換素子１０の変換効率の低下を抑制する観点からすると、上述の一実施形態における構成を採用することが好ましい。

図４Ｂに示すように、ＴＭＤ１４の一方の面に第１電極１２が設けられ、ＴＭＤ１４の他方の面に第２電極１３が設けられていてもよい。ＴＭＤ１４がフレキシブルである場合には、ＴＭＤ１４の断面は波状の形状を有し、波が最も高くなる位置を第１電極１２が支持し、波が最も低くなる位置に第２電極１３が載置されるようにしてもよい。

第１、第２電極１２、１３は、ストライプ状、同心状または螺旋状を有していてもよい。基材１１の両方の面上に第１、第２電極１２、１３およびＴＭＤ１４が設けられていてもよい。

上述の一実施形態では、本発明を光電変換素子に適用した例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、トランジスタ、光受光素子、センサなどの種々のショットキーデバイスにも適用可能である。

以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。

＜電極材料の種類とエネルギー変換効率との関係＞
［実施例１−１］
図５Ａ、５Ｂは、実施例１−１の光電変換素子の構成を示す。以下では、図５Ａ、５Ｂに示す光電変換素子の構造を「密着構造」という。この光電変換素子を以下の手順で作製した。まず、数層のＷＳｅ₂を準備し、片面酸化膜（ＳｉＯ₂：３００ｎｍ）付Ｓｉ基板（Ｓｉをゲート電極として利用）のＳｉＯ₂面に載置した。次に、フォトリソグラフィ法によりＷＳｅ₂の一端に第１電極（ドレイン電極）を形成した後、同様にフォトリソグラフィ法によりＷＳｅ₂の他端に第２電極（ソース電極）を形成した。なお、第１電極としてはＮｉ電極を用い、第２電極としてはＴｉ電極を用い、第１、第２電極間の距離Ｌ_eleを８μｍとした。以上により、目的とする光電変換素子が得られた。

［実施例１−２］
第１電極としてＮｉ電極を用い、第２電極としてＰｄ電極を用いたこと以外は実施例１−１と同様にして光電変換素子を得た。

［比較例１−１］
第１電極としてＴｉ電極を用い、第２電極としてＴｉ電極を用いたこと以外は実施例１−１と同様にして光電変換素子を得た。

［比較例１−２］
第１電極としてＡｇ電極を用い、第２電極としてＴｉ電極を用いたこと以外は実施例１−１と同様にして光電変換素子を得た。

（Ｉ−Ｖ特性の評価（１））
上述のようにして得られた実施例１−１、１−２、比較例１−１、１−２の光電変換素子に対してソーラーシミュレーターにより擬似太陽光を照射してＩ−Ｖ曲線を測定し、開放電圧Ｖ_OC、短絡電流Ｉ_SCおよびエネルギー変換効率を求めた。

（Ｉ−Ｖ特性の評価（２））
上述のようにして得られた実施例１−２の光電変換素子に対してアークランプにより波長６００ｎｍの光を照射してＩ−Ｖ曲線を測定し、開放電圧Ｖ_OCおよび短絡電流Ｉ_SCを求めた。この操作を入射光強度を変化させて繰り返し行った。

（仕事関数の評価）
理研計器株式会社製の光電子収量分光装置(ＡＣ−３)により、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、ＴｉおよびＰｄの仕事関数を測定した。

（結果）
図６ＡにＩ−Ｖ特性の評価（１）の結果を示し、図６Ｂに仕事関数の差ΔＷに対する光電変換効率の依存性を示す。図７Ａに仕事関数の評価結果を示し、図７Ｂに第１、第２電極の電極材料とＷＳｅ₂のエネルギーダイアグラムを示す。これらの結果から以下のことがわかる。ＴＭＤとしてｐ型の半導体特性を示すＷＳｅ₂を用いた場合、第１電極としてＷＳｅ₂のフェルミエネルギーよりもできるだけ仕事関数が小さい金属材料を用い、第２電極としてＷＳｅ₂のフェルミエネルギーに近い仕事関数を有する金属材料を用いることで、高いエネルギー変換効率が得られる。具体的には、第１、第２電極の仕事関数の差ΔＷが、０．４以上であると高いエネルギー変換効率が得られる。エネルギー変換効率を更に向上する観点からすると、第１、第２電極の仕事関数の差ΔＷが好ましくは０．４８ｅＶ以上、より好ましくは０．５６ｅＶ以上である。

図８Ａ、図８Ｂに、Ｉ−Ｖ特性の評価（２）の結果を示す。この結果から、発電が熱によるものではなく、光によるものであることがわかる。

＜エネルギー変換効率の電極間距離依存性など＞
［実施例２−１〜２−５］
Ｎｉ、Ｔｉ電極間の距離Ｌ_eleを０．５μｍ、２μｍ、５μｍ、８μｍ、１４μｍとしたこと以外は実施例１−１と同様にして光電変換素子を得た。

（短絡電流Ｉ_scおよびエネルギー変換効率の電極間距離依存性の評価）
上述のようにして得られた実施例２−１〜２−５の光電変換素子にソーラーシミュレーターにより擬似太陽光を照射してＩ−Ｖ曲線を測定し、短絡電流Ｉ_scおよびエネルギー変換効率を求めた。

（光電流の評価）
実施例２−５（Ｌ_ele＝１４μｍ）の光電変換素子のＷＳｅ₂表面をレーザ光（波長６３０ｎｍ：１．９６ｅＶ）によりスキャンして、光電流Ｉｐ_Cを測定した。

（外部量子効率および抵抗変化率のフォトンエネルギー依存性の評価）
実施例２−５（Ｌ_ele＝１４μｍ）の光電変換素子に異なる波長の単色光を照射して、外部量子効率および微分反射率のフォトンエネルギー依存性を評価した。

（外部量子効率の電極間距離依存性の評価）
実施例２−１〜２−５の光電変換素子に波長４００ｎｍ（３．１ｅＶ）、６００ｎｍ（２．１ｅＶ）、７５０ｎｍ（１．６５ｅＶ）の単色光を照射して、外部量子効率の電極間距離依存性を評価した。

（励起子の拡散距離のフォトンエネルギー依存性の評価）
実施例２−５（Ｌ_ele＝１４μｍ）の光電変換素子に異なる波長のレーザ光を照射して、電極からの実効的光電流生成領域長さＬ_dのフォトンエネルギー依存性を評価した。

［結果］
図９Ａに、短絡電流Ｉ_scの電極間距離依存性の評価結果を示す。図９Ｂに、エネルギー変換効率の電極間距離依存性の評価結果を示す。これらの結果から、第１、第２電極間の距離Ｌ_eleが１μｍ以上５μｍ以下である場合に、高いエネルギー変換効率が得られることがわかる。第１、第２電極間の距離Ｌ_eleが狭くなりすぎるとエネルギー変換効率が低下するのは、短チャネル効果（ＳＣＥ）によるものである。一方、第１、第２電極間の距離Ｌ_eleが広くなりすぎるとエネルギー変換効率が低下するのは、キャリアロスによるものである。

図１０Ａ、１０Ｂに、光電流の評価結果を示す。図１０Ａ、１０Ｂから、ショットキー接合部を中心として広い範囲で光電流が生じていることがわかる。

図１１Ａ、１１Ｂにそれぞれ、外部量子効率および抵抗変化率のフォトンエネルギー依存性の評価結果を示す。図１１Ａ、１１Ｂ中において領域Ａ、Ｂ、Ｃはそれぞれ、励起子Ａ、Ｂ、Ｃが励起されるフォトンエネルギーの範囲を示している。図１１Ａ、１１Ｂから、照射光の波長によって外部量子効率、抵抗変化率が変化することがわかる。

図１２Ａ、１２Ｂに、外部量子効率の電極間距離依存性の評価結果を示す。図１２Ａ、１２Ｂから、照射光の波長によって外部量子効率が最大となる第１、第２電極間の距離Ｌ_eleが異なることがわかる。波長６００ｎｍおよび７５０ｎｍの光に対しては第１、第２電極間の距離Ｌ_eleが１μｍ以上５μｍ以下である場合に、高いエネルギー変換効率が得られることがわかる。一方、波長４００ｎｍの光に対しては第１、第２電極間の距離Ｌ_eleが５μｍ以上１０μｍ以下である場合に、高いエネルギー変換効率が得られることがわかる。

図１２Ｃに、励起子の拡散距離のフォトンエネルギー依存性の評価結果を示す。図１２Ｃから、Ａ、Ｂ、Ｃ励起子により生成されるキャリアの拡散ダイナミクスが異なることがわかる。Ａ、Ｂ励起子は励起子構造を維持したままショットキー領域の強電場領域まで拡散し電荷分離するのに対し、Ｃ励起子は励起直後に電荷分離して拡散するため比較的長い拡散長が得られる。

＜光電変換素子の構造とエネルギー変換効率との関係＞
［実施例３−１］
実施例１−１と同様にして光電変換素子を得た。すなわち、Ｎｉ、Ｔｉ電極間の距離Ｌ_eleを８μｍとした。

［実施例３−２］
Ｎｉ、Ｐｄ電極間の距離Ｌ_eleを７μｍとしたこと以外は実施例１−２と同様にして光電変換素子を得た。

［実施例３−３］
Ｎｉ、Ｔｉ電極間の距離Ｌ_eleを２．２μｍとしたこと以外は実施例１−１と同様にして光電変換素子を得た。

［実施例３−４］
Ｎｉ、Ｐｄ電極間の距離Ｌ_eleを２．５μｍとしたこと以外は実施例１−２と同様にして光電変換素子を得た。

［実施例３−５］
図１３Ａ、１３Ｂは、実施例３−５の光電変換素子の構成を示す。以下では、図１３Ａ、１３Ｂに示す光電変換素子の構造を「架橋構造」という。この光電変換素子を以下の手順で作製した。まず、フォトリソグラフィ法により片面酸化膜（ＳｉＯ₂：３００ｎｍ）付Ｓｉ基板（Ｓｉをゲート電極として利用）のＳｉＯ₂面に第１、第２電極（ドレイン、ソース電極）を離間して形成した。なお、第１電極としてはＮｉ電極を用い、第２電極としてはＰｄ電極を用い、第１、第２電極間の距離Ｌ_eleを５μｍとした。次に、第１、第２電極間にＷＳｅ₂が橋架けされるようにして、第１、第２電極上にＷＳｅ₂を載置した。以上により、目的とする光電変換素子が得られた。

［比較例３−１］
Ｔｉ、Ｔｉ電極間の距離Ｌ_eleを１０μｍとしたこと以外は比較例１−１と同様にして光電変換素子を得た。

［比較例３−２］
比較例１−２と同様にして光電変換素子を得た。すなわち、Ａｇ、Ｔｉ電極間の距離Ｌ_eleを８μｍとした。

（エネルギー変換効率の評価（１））
上述のようにして得られた実施例３−１〜３−５、比較例３−１、３−２の光電変換素子にソーラーシミュレーターにより擬似太陽光を照射してＩ−Ｖ曲線を測定し、エネルギー変換効率を求めた。

（エネルギー変換効率の評価（２））
上述のようにして得られた実施例３−３〜３−５の光電変換素子にアークランプにより波長４００ｎｍの光を照射してＩ−Ｖ曲線を測定し、エネルギー変換効率を求めた。

（結果）
図１４Ａに実施例３−５の光電変換素子（架橋構造）のＩ−Ｖ曲線を示す。図１４Ｂにエネルギー変換効率の評価（１）、（２）の結果を示す。なお、横軸の仕事関数の差ΔＷ_Fは、実施例１−１などと同様にして求められたものである。また、図１４Ｂ中に示したΔＷ_F＝０ｅＶ、０．２４ｅＶ、０．４８ｅＶ、０．５６ｅＶはそれぞれＴｉ−Ｔｉ電極、Ａｇ−Ｔｉ電極、Ｎｉ−Ｔｉ電極、Ｎｉ−Ｐｄ電極の仕事関数の差に対応している。

図１４Ｃは、エネルギー変換効率ＰＣＥ_(i)に対するエネルギー変換効率ＰＣＥ_(X)の比率（ＰＣＥ_(X)／ＰＣＥ_(i)、但し、Ｘ＝ii、iii、ivである。）を示す。ここで、ＰＣＥ_(i)、ＰＣＥ_(ii)、ＰＣＥ_(iii)、ＰＣＥ_(iv)はそれぞれ比較例３−１、実施例３−２、３−４、３−５のエネルギー変換効率を示す。上記評価結果から、架橋構造の光電変換素子のエネルギー変換効率は、密着構造の光電変換素子のエネルギー変換効率に比べて高いことがわかる。

＜電極材料の種類と光電流との関係＞
［実施例４−１］
Ｎｉ−Ｔｉ電極間の距離Ｌ_eleを１４μｍとしたこと以外は実施例１−１と同様にして光電変換素子を得た。

［比較例４−１］
Ｔｉ−Ｔｉ電極間の距離Ｌ_eleを９μｍとしたこと以外は比較例１−１と同様にして光電変換素子を得た。

（光電流の評価）
上述のようにして得られた実施例４−１、比較例４−１の光電変換素子のＷＳｅ₂表面をレーザ光によりスキャンして、光電流Ｉｐ_Cを測定した。また、比較例４−１のＴｉ−Ｔｉ電極間に１Ｖの電圧を印加してバンド構造を変化させた状態（具体的には、電圧を印加した側の電極の真空準位に対する電位を変化させた状態）で、上記と同様の手順で光電流Ｉｐ_Cを測定した。

（結果）
図１５Ａ、図１５Ｂに実施例４−１の光電変換素子の光電流の評価結果を示し、図１５Ｃに実施例４−１の光電変換素子のバンドダイアグラムの模式図を示す。図１６Ａ、図１６Ｂに比較例４−１の光電変換素子の光電流の評価結果を示し、図１６Ｃに比較例４−１の光電変換素子のバンドダイアグラムの模式図を示す。図１７Ａ、図１７Ｂに、１Ｖの電圧が印加された状態における比較例４−１の光電変換素子の光電流の評価結果を示し、図１７Ｃに、１Ｖの電圧が印加された状態における比較例４−１の光電変換素子のバンドダイアグラムの模式図を示す。

上記評価結果から、実施例４−１では、ショットキー接合部を中心として広い範囲で光電流が生じていることがわかる。一方、比較例４−１では、ショットキー接合部近傍でのみ光電流が生じていることがわかる。

以上、本発明の実施形態について具体的に説明したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。

例えば、上述の実施形態において挙げた構成、方法、工程、形状、材料および数値などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる構成、方法、工程、形状、材料および数値などを用いてもよい。

また、上述の実施形態の構成、方法、工程、形状、材料および数値などは、本発明の主旨を逸脱しない限り、互いに組み合わせることが可能である。

１０ 光電変換素子
１１ 基材
１２ 第１電極
１２ａ 第１出力端子
１３ 第２電極
１３ａ 第２出力端子
１４ ＴＭＤ（遷移金属ダイカルコゲナイド）

Claims (10)

1. 遷移金属ダイカルコゲナイドと、
   前記遷移金属ダイカルコゲナイドと接合された第１電極および第２電極と
   を備え、
   前記第１電極と前記第２電極との仕事関数の差が、０．４ｅＶ以上であるショットキー型デバイス。
2. 前記第１電極と前記第２電極との間の距離が、１μｍ以上５μｍ以下である請求項１に記載のショットキー型デバイス。
3. 前記第１電極と前記遷移金属ダイカルコゲナイドとの接合は、ショットキー接合であり、
   前記第２電極と前記遷移金属ダイカルコゲナイドとの接合は、オーミック接合である請求項１に記載のショットキー型デバイス。
4. 前記遷移金属ダイカルコゲナイドがｐ型の半導体特性を有し、
   前記第１電極の仕事関数と前記遷移金属ダイカルコゲナイドのフェルミエネルギーとの差が、５．０ｅＶ以上である請求項１に記載のショットキー型デバイス。
5. 前記遷移金属ダイカルコゲナイドがｎ型の半導体特性を有し、
   前記第１電極の仕事関数と前記遷移金属ダイカルコゲナイドのフェルミエネルギーとの差が、５．０ｅＶ以下である請求項１に記載のショットキー型デバイス。
6. 基材をさらに備え、
   前記第１電極および前記第２電極により、前記遷移金属ダイカルコゲナイドと前記基板との間が離されている請求項１に記載のショットキー型デバイス。
7. 前記遷移金属ダイカルコゲナイドが、ＷＳｅ₂を含み、
   前記第１電極がＮｉを含み、
   前記第２電極がＰｄまたはＴｉを含む請求項１に記載のショットキー型デバイス。
8. 前記遷移金属ダイカルコゲナイドの層数は、６層以下である請求項１に記載のショットキー型デバイス。
9. 前記遷移金属ダイカルコゲナイドが、可視光に対して透明性を有する請求項１に記載のショットキー型デバイス。
10. フレキシブル性を有している請求項１に記載のショットキー型デバイス。