JP2018034144A - デバイス及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】水蒸気を容易に捕集して水を造り出すデバイス等を提供する。【解決手段】本開示の一態様に係るデバイスは、ｃ面から０．０５°以上１５°以下の範囲で傾斜した結晶面を有し、かつ窒化ガリウムを含む半導体基板を備え、前記半導体基板は、前記結晶面に凹凸部を有し、前記凹凸部の表面の、比抵抗が１８ＭΩ・ｃｍ以上の純水に対する接触角が１０°以下である。【選択図】図４Ａ

Description

本開示は、窒化ガリウムを含む半導体基板を備えるデバイス及びその製造方法に関する。
現在、世界人口約７０億人の内、約２６億人が環境衛生用水を適切に確保できていないと言われている。水資源が乏しい地域では、海水の淡水化、地下水の不純物除去、雨水の浄化などのように、清浄な水を得る技術が求められている。
この種の技術の一例として、特許文献１には、シリカゲルなどの吸着剤を用いて水分子を捕集する水捕集装置が開示されている。
特開２００４−２３２９９８号公報
しかしながら、特許文献１に記載されている水捕集装置では、吸着剤で捕集した水分子を外部へ取り出すために、大掛かりな装置を必要としている。
本開示は、水蒸気を容易に捕集して水を造り出すことができるデバイス等を提供する。
本開示の一態様に係るデバイスは、ｃ面から０．０５°以上１５°以下の範囲で傾斜した結晶面を有し、かつ窒化ガリウムを含む半導体基板を備え、前記半導体基板は、前記結晶面に凹凸部を有し、前記凹凸部の表面の、比抵抗が１８ＭΩ・ｃｍ以上の純水に対する接触角が１０°以下である。
本開示の一態様に係るデバイス等は、水蒸気を容易に捕集して水を造り出すことができる。
ＧａＮの単位格子を模式的に示す斜視図 ウルツ鉱型結晶構造の基本並進ベクトル（ｐｒｉｍｉｔｉｖｅ ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ ｖｅｃｔｏｒｓ）ａ１、ａ２、ａ３、ｃを示す斜視図 六方晶ウルツ鉱構造の代表的な結晶面方位を示す模式図 六方晶ウルツ鉱構造の代表的な結晶面方位を示す模式図 六方晶ウルツ鉱構造の代表的な結晶面方位を示す模式図 六方晶ウルツ鉱構造の代表的な結晶面方位を示す模式図 ｃ面から０．０５°以上１５°以下の範囲で傾斜した結晶面を説明するための模式図 実施の形態１におけるデバイスの断面の模式図 実施の形態１におけるデバイスにて大気中の水蒸気を捕集する様子を示す図 実施の形態１におけるデバイスの製造方法の一例を示すフローチャート 実施の形態１におけるＧａＮ系半導体（ｃ面から０．０５°以上１５°以下の範囲で傾斜した結晶面を有する窒化ガリウム系半導体）の未処理状態の断面を示す模式図 実施の形態１におけるＧａＮ系半導体の結晶面を有機洗浄した後の断面を示す模式図 実施の形態１におけるＧａＮ系半導体の結晶面に紫外線を照射した後の断面を示す模式図 実施の形態１におけるＧａＮ系半導体の結晶面にコロイド粒子を配置した状態の断面を示す模式図 実施の形態１におけるＧａＮ系半導体の結晶面に凹凸部を形成した状態の断面を示す模式図 実施の形態１におけるＧａＮ系半導体の凹凸部を有機洗浄した後の断面を示す模式図 実施の形態１におけるＧａＮ系半導体の凹凸部に紫外線を照射した後の断面を示す模式図 実施の形態１におけるＧａＮ系半導体を準備し、そのＧａＮ系半導に水を滴下したときの接触角測定結果を示す図 実施の形態１におけるＧａＮ系半導体を準備し、紫外線を照射した後に水を滴下したときの接触角測定結果を示す図 実施の形態におけるＧａＮ系半導体を準備し、有機洗浄及び紫外線照射を施した後に水を滴下したときの接触角測定結果を示す図 実施の形態１におけるＧａＮ系半導体を準備し、有機洗浄及び紫外線照射を施した後、１６時間大気に暴露させた結晶面に対して水を滴下したときの接触角測定結果を示す図 実施の形態１におけるＧａＮ系半導体を準備し、有機洗浄及び紫外線照射を施した後、１６時間大気に暴露させた結晶面に対して、紫外線を再び照射した後に水を滴下したときの接触角測定結果を示す図 実施の形態１におけるＧａＮ系半導体の結晶面に配列した、直径１００ｎｍのＳｉＯ２ナノ粒子の光学顕微鏡像を示す図（倍率：１０００倍） 実施の形態１におけるＧａＮ系半導体の結晶面に配列した、直径１００ｎｍのＳｉＯ２ナノ粒子の走査型電子顕微鏡観察像を示す図（倍率：５０００倍） 図８Ａの拡大図（倍率：１００００倍） 図８Ａの拡大図（倍率：５００００倍） 図８Ａの拡大図（倍率：１０００００倍） 実施の形態１におけるＧａＮ系半導体の結晶面に形成された凹凸部の走査型電子顕微鏡観察像を示す図（倍率：２０００倍、真上からの観察像） 図９Ａを斜め３０°から観察した図 図９Ａの拡大図（倍率：５０００倍、真上からの観察像） 図１０Ａを斜め３０°から観察した図 図９Ａの拡大図（倍率：１００００倍、真上からの観察像） 図１１Ａを斜め３０°から観察した図 図９Ａの拡大図（倍率：２００００倍、真上からの観察像） 図１２Ａを斜め３０°から観察した図 未処理状態のＧａＮ系半導体の結晶面に対して、空気中の水蒸気を捕集して水滴を得る性能を評価した結果を示す図（比較例） 実施の形態１におけるデバイスの結晶面に対して、空気中の水蒸気を捕集して水滴を得る性能を評価した結果を示す図 ＧａＮ系半導体等の試料に滴下された水が滑落する様子を撮像する試験装置の模式図 工程Ｓ２による改質後のＧａＮ基板に２０μＬの水を滴下し、真横から観察した図（比較例） 図１５ＡのＧａＮ基板を４５°傾け、水が滑落する様子を観察した図（比較例） 工程Ｓ２による改質後のＧａＮ基板に１０μＬの水を滴下し、真横から観察した図（比較例） 図１６ＡのＧａＮ基板を９０°傾け、水を観察した図（比較例） 凹凸表面改質後のＧａＮ基板に１０μＬの水を滴下し、真横から観察した図 図１７ＡのＧａＮ基板を３°傾け、水が滑落する様子を観察した図 凹凸表面改質後のＧａＮ基板に３μＬの水を滴下し、真横から観察した図 図１８ＡのＧａＮ基板を４°傾け、水が滑落する様子を観察した図 凹凸表面改質後のＧａＮ基板に１μＬの水を滴下し、真横から観察した図 図１９ＡのＧａＮ基板を３６°傾け、水が滑落する様子を観察した図 ＧａＮ系半導体等の試料に滴下する水の液量と滑落角の関係を示す図 他の実施の形態におけるデバイスの製造方法の一例を示すフローチャート
本開示の一態様に係るデバイスは、例えば、気体状態の水蒸気を水源とし、これを捕集して液体状態の水に変換するデバイスとして用いることができる。本開示の一態様に係るデバイスは、大気中の水蒸気を捕集するために、ＧａＮ系半導体（窒化ガリウム系半導体）である、窒化ガリウムを含む半導体基板を用いる。
ここで、ＧａＮ系半導体の結晶構造について、図１から図３Ｅを参照しながら説明する。
図１は、ＧａＮの単位格子を模式的に示す図である。
ＧａＮ系半導体は、ウルツ鉱型結晶構造を有している。ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ，ｙ，ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）半導体の結晶では、図１に示すＧａの一部がＡｌ及び／又はＩｎに置換され得る。
図２は、ウルツ鉱型結晶構造の基本並進ベクトル（ｐｒｉｍｉｔｉｖｅ ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ ｖｅｃｔｏｒｓ）ａ１、ａ２、ａ３、ｃを示す図である。図３Ａから図３Ｄは、六方晶ウルツ鉱構造の代表的な結晶面方位を示す模式図である。図３Ａの斜線ハッチングはｃ面を示し、図３Ｂの斜線ハッチングはｍ面を示し、図３Ｃの斜線ハッチングはａ面を示し、図３Ｄの斜線ハッチングはｒ面を示す。図３Ｅは、ｃ面から０．０５°以上１５°以下の範囲で傾斜した結晶面を説明するための模式図である。
基本並進ベクトルｃは、［０００１］方向に延びており、この方向は「ｃ軸」と呼ばれる。ｃ軸に垂直な面（ｐｌａｎｅ）は「ｃ面」又は「（０００１）面」と呼ばれる。さらに、ＧａなどのＩＩＩ族元素で終端されている面は「＋ｃ面」又は「（０００１）面」と呼ばれ、窒素などのＶ族元素で終端されている面は「−ｃ面」又は「（０００−１）面」と呼ばれ、区別される。
なお、図２に示されている「ｍ面」は、［１０−１０］方向に垂直な（１０−１０）面を意味する。ｍ面は、ｃ軸に平行な面であり、ｃ面と直交している。また、図３Ｃに示されている「ａ面」は、［１１−２０］方向に垂直な（１１−２０）面を意味する。ａ面は、ｃ軸に平行な面であり、ｃ面と直交している。また、図３Ｄに示されている「ｒ面」は、［１０−１２］方向に垂直な（１０−１２）面を意味する。図３Ｄは、ｒ面の一例である（−１０１２）面を示している。
本開示の一態様に係るデバイスは、ｃ面から０．０５°以上１５°以下の範囲で傾斜した結晶面を有し、かつ窒化ガリウムを含む半導体基板を備え、前記半導体基板は、前記結晶面に凹凸部を有し、前記凹凸部の表面の、比抵抗が１８ＭΩ・ｃｍ以上の純水に対する接触角が１０°以下である。なお、図３Ｅでは、一例として、ｃ面から約４．６°傾斜した結晶面を示している。純水の比抵抗は、例えば、比抵抗計により測定することができる。
本開示の一態様に係るデバイスにおいて、前記純水の全有機体炭素（ＴＯＣ：Ｔｏｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃａｒｂｏｎ）値が５ｐｐｂ以下であってもよい。純水のＴＯＣ値は、例えば、全有機体炭素計により測定することができる。
このデバイスは、結晶面の凹凸部の表面が親水性を有しており、凹凸部に水蒸気が集まりやすい。そのため、大気中の水蒸気を凹凸部に付着させ捕集することができる。また、結晶面が凹凸部を有しているので、結晶面の表面積が大きくなっている。そのため、結晶面上にて多くの水蒸気が捕集される。捕集された水蒸気は、結晶面上で水滴化される。これにより、水蒸気を容易に捕集して、水を得ることが可能となる。
水から水素を生成する用途に、本開示の一態様に係るデバイスを用いてもよい。
また、本開示の一態様に係るデバイスにおいて、結晶面の粗さ曲線要素の平均長さ（ＲＳｍ）が、０．８μｍ以上１０００μｍ以下であってもよい。
これによれば、窒化ガリウム系半導体の結晶面の表面積が大きくなり、より多くの水蒸気を捕集することができる。
また、本開示の一態様に係るデバイスにおいて、結晶面の算術平均粗さ（Ｒａ）は、１０ｎｍ以上８００ｎｍ以下であってもよい。
これによれば、窒化ガリウム系半導体の結晶面の表面積が大きくなり、より多くの水蒸気を捕集することができる。
また、本開示の一態様に係るデバイスにおいて、凹凸部の表面は、超親水性を有していてもよい。
凹凸部の表面が超親水性であれば、より多くの水蒸気を凹凸部に付着させ捕集することができる。
また、本開示の一態様に係るデバイスにおいて、結晶面は、ｃ面から０．４°傾いた面であってもよい。
これによれば、結晶面における、ｃ面のＧａＮに含まれる原子からなるテラスの両端ステップが、化学的に活性となり、より安定な構造（例えば酸化ガリウム等）が形成されやすくなる。そのため、超親水性を有する結晶面が形成されやすくなる。
また、本開示の一態様に係るデバイスにおいて、半導体基板は、ＧａＮ基板であってもよい。
これによれば、結晶面における、ｃ面のＧａＮに含まれる原子からなるテラスの両端ステップが、化学的に活性となり、より安定な構造（例えば酸化ガリウム等）が形成されやすくなる。そのため、超親水性を有する結晶面が形成されやすくなる。
また、本開示の一態様に係るデバイスにおいて、結晶面で水蒸気が捕集され水滴化されてもよい。
このようにすると、このデバイスを用いて水蒸気を水にすることができる。
また、本開示の一態様に係るデバイスの製造方法は、ｃ面に対して傾斜した結晶面を有し、かつ窒化ガリウムを含む半導体基板を準備する工程と、前記結晶面の少なくとも一部をドライエッチングによりエッチングして、前記結晶面に凹凸部を形成する工程と、前記凹凸部の表面を改質する工程と、を含む。
これによれば、窒化ガリウム系半導体の結晶面の凹凸部を効率良く形成することができる。
また、本開示の一態様に係るデバイスの製造方法において、前記凹凸部の前記表面を改質する工程は、酸素原子もしくは酸素分子を含むガス、又は酸素原子もしくは酸素分子を含む液体に、前記結晶面の前記少なくとも一部を暴露した状態で、前記結晶面の前記少なくとも一部に紫外線を照射する工程を含んでいてもよい。
これによれば、結晶面の凹凸部の表面を、水蒸気を捕集するために効率よく改質することができる。
また、本開示の一態様に係るデバイスの製造方法において、前記凹凸部の前記表面を改質する工程は、前記結晶面の前記少なくとも一部に紫外線を照射する工程の前に、前記結晶面の前記少なくとも一部を有機溶媒により洗浄する工程をさらに含んでいてもよい。
これによれば、結晶面の凹凸部の表面を均一に改質することができる。
また、本開示の一態様に係るデバイスの製造方法は、前記凹凸部を形成する工程の前に、前記結晶面を改質する工程と、前記改質された結晶面に複数の粒子を配置する工程と、をさらに含んでいてもよい。
これによれば、凹凸部の形状を不規則な形状とすることができ、水蒸気の水滴化を促進することが可能となる。
また、本開示の一態様に係るデバイスの製造方法において、前記結晶面を改質する工程は、酸素原子もしくは酸素分子を含むガス、又は酸素原子もしくは酸素分子を含む液体に、前記結晶面を暴露した状態で、前記結晶面に紫外線を照射する工程を含んでいてもよい。
これによれば、結晶面を超親水性とすることが可能となる。
また、本開示の一態様に係るデバイスの製造方法において、前記結晶面を改質する工程は、前記結晶面に紫外線を照射する工程の前に、前記結晶面を有機溶媒により洗浄する工程をさらに含んでいてもよい。
これによれば、結晶面を均一に超親水性とすることができる。
また、本開示の一態様に係るデバイスの製造方法において、結晶面は、ｃ面から０．０５°以上１５°以下の範囲で傾斜した面であってもよい。
これによれば、結晶面における、ｃ面のＧａＮに含まれる原子からなるテラスの両端ステップが、化学的に活性となり、より安定な構造（例えば酸化ガリウム等）が形成されやすくなる。そのため、超親水性を有する結晶面が形成されやすくなる。
本開示の水蒸気捕集方法は、ｃ面に対して傾斜した結晶面を有し、結晶面に設けられた凹凸部の表面が超親水性を有し、かつ窒化ガリウムを含む半導体基板を準備する工程、及び半導体基板の結晶面を大気中にさらすことで、結晶面にて大気中の水蒸気を捕集する工程を含む。
このように、結晶面の凹凸部の表面が超親水性を有しているため、凹凸部に水蒸気が集まりやすく、大気中の水蒸気を凹凸部に付着させ捕集することができる。また、結晶面が凹凸部を有しているので、結晶面の表面積が大きくなっている。そのため、結晶面上にて多くの水蒸気を捕集することができる。
また、従来技術のように、電力を利用したり、デバイスを加熱したりすることを必要以上に行わなくても、水蒸気を捕集することが可能となる。
また、本開示の他の一態様に係るデバイスは、ｃ面から傾斜した結晶面を有し、かつ窒化ガリウムを含む半導体基板を備え、前記半導体基板は、前記結晶面に凹凸部を有し、前記凹凸部の表面の、比抵抗が１８ＭΩ・ｃｍ以上の純水に対する接触角が１０°以下であり、前記表面は、前記表面に１０μＬの純水の水滴を滴下し、前記結晶面を水平に対して１５°以上傾けた場合に、前記水滴が前記表面から滑落する特性を有する。
本開示の他の一態様に係るデバイスにおいて、前記純水の全有機体炭素（ＴＯＣ：Ｔｏｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃａｒｂｏｎ）値が５ｐｐｂ以下であってもよい。
本開示は、以下の項目に記載のデバイス及び方法をさらに含む。
［項目１］
本開示の項目１に係る表面改質半導体の製造方法は、
ｃ面から０．０５°以上１５°以下の範囲で傾斜した結晶面を有し、かつ窒化ガリウムを含む半導体基板を準備する工程と、
酸素原子もしくは酸素分子を含むガス、又は酸素原子もしくは酸素分子を含む液体に前記結晶面を暴露した状態で、前記結晶面に紫外線を照射し、前記結晶面を超親水性にする工程と、
を含む。
［項目２］
本開示の項目１に記載の表面改質半導体の製造方法は、
前記結晶面に紫外線を照射する前に、前記半導体基板を有機溶媒で洗浄する工程をさらに含んでいてもよい。
［項目３］
本開示の項目２に記載の表面改質半導体の製造方法において、
前記有機溶媒は、アセトン、メタノール、エタノール及びイソプロピルアルコールからなる群から選択された少なくとも１つを含んでいてもよい。
［項目４］
本開示の項目１から３のいずれかに記載の表面改質半導体の製造方法において、
前記結晶面は、前記ｃ面から０．４°傾斜していてもよい。
［項目５］
本開示の項目１から４のいずれかに記載の表面改質半導体の製造方法において、
前記半導体基板は、ＧａＮ基板であってもよい。
［項目６］
本開示の項目１から５のいずれかに記載の表面改質半導体の製造方法において、
前記紫外線は、水銀ランプから出射されてもよい。
［項目７］
本開示の項目７に係る表面改質半導体は、
ｃ面から０．０５°以上１５°以下の範囲で傾斜した結晶面を有し、かつ窒化ガリウムを含む半導体基板と、
前記結晶面に配置された表面改質層と
を備え、
前記表面改質層の表面の、比抵抗が１８ＭΩ・ｃｍ以上の純水に対する接触角が１０°以下である。
［項目８］
本開示の項目７に記載の表面改質半導体において、
前記結晶面は、前記ｃ面から０．４°傾斜していてもよい。
［項目９］
本開示の項目７にまたは８に記載の表面改質半導体において、
前記半導体基板は、ＧａＮ基板であってもよい。
［項目１０］
本開示の項目１０に係る方法は、
ｃ面から０．０５°以上１５°以下の範囲で傾斜した結晶面を有し、かつ窒化ガリウムを含む半導体基板と、前記結晶面に配置された表面改質層とを備え、前記表面改質層の表面の、比抵抗が１８ＭΩ・ｃｍ以上の純水に対する接触角が１０°以下である表面改質半導体を準備する工程と、
前記表面改質半導体を、複数の粒子を含む親水性の溶液に浸す工程と、
前記溶液に浸された表面改質半導体を、前記溶液から引き上げることにより、前記表面改質層の前記表面に前記複数の粒子を配置する工程と、
を含む。
［項目１１］
本開示の項目１０に記載の方法において、
前記複数の粒子は、親水性であってもよい。
［項目１２］
本開示の項目１１に記載の方法において、
前記複数の粒子の表面が親水性処理されていてもよい。
［項目１３］
本開示の項目１０から１２のいずれかに記載の方法において、
前記複数の粒子は、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＺｎＯ、Ａｕ、Ａｇ、ポリスチレン、ベンゾグアナミン・メラミン・ホルムアルデヒド縮合物及びポリメタクリル酸メチル系架橋物からなる群から選択された少なくとも１つを含んでいてもよい。
［項目１４］
本開示の項目１０から１３のいずれかに記載の方法において、
前記溶液は、水、メタノール、エタノール、フェノール、エチレングリコール及び酢酸からなる群から選択された少なくとも１つを含んでいてもよい。
［項目１５］
本開示の項目１５に係るデバイスは、
ｃ面から０．０５°以上１５°以下の範囲で傾斜した結晶面を有し、かつ窒化ガリウムを含む半導体基板を備え、
前記半導体基板は、前記結晶面に凹凸部を有し、
前記凹凸部における粗さ曲線要素の平均長さ（ＲＳｍ）が０．８μｍ以上１０００μｍ以下であり、
前記凹凸部の少なくとも一部の凸部の頂上部分に、前記凹凸部の他の部分の材料とは異なる材料が存在する。
［項目１６］
本開示の項目１５に記載のデバイスにおいて、
前記凹凸部の表面は、不規則な形状を有していてもよい。
［項目１７］
本開示の項目１５または１６に記載のデバイスにおいて、
前記凸部は、前記結晶面上に不規則に配置されていてもよい。
［項目１８］
本開示の項目１５から１７のいずれかに記載のデバイスにおいて、
前記凹凸部における前記凸部の個数密度は、１個／μｍ２以上１２０個／μｍ２以下の範囲であってもよい。
［項目１９］
本開示の項目１５から１８のいずれかに記載のデバイスにおいて、
前記凹凸部の算術平均粗さ（Ｒａ）は、１０ｎｍ以上８００ｎｍ以下であってもよい。
［項目２０］
本開示の項目１５から１９のいずれかに記載のデバイスにおいて、
前記結晶面は、前記ｃ面から０．４°傾斜していてもよい。
［項目２１］
本開示の項目１５から２０のいずれかに記載のデバイスにおいて、
前記半導体基板は、ＧａＮ基板であってもよい。
［項目２２］
本開示の項目１５から２１のいずれかに記載のデバイスにおいて、
前記凹凸部の他の部分の材料とは異なる材料は、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＺｎＯ、Ａｕ、Ａｇ、ポリスチレン、ベンゾグアナミン・メラミン・ホルムアルデヒド縮合物及びポリメタクリル酸メチル系架橋物からなる群から選択された少なくとも一つであってもよい。
［項目２３］
本開示の項目２３に係るデバイスの製造方法は、
ｃ面から０．０５°以上１５°以下の範囲で傾斜した結晶面を有し、窒化ガリウムを含む半導体基板を準備する工程、
前記結晶面を改質する工程、
前記改質された結晶面に複数の粒子を配置する工程、
前記複数の粒子が配置された結晶面をドライエッチングによりエッチングし、前記結晶面の少なくとも一部に、粗さ曲線要素の平均長さ（ＲＳｍ）が０．８μｍ以上１０００μｍ以下である凹凸部を形成する工程、
を含む。
［項目２４］
本開示の項目２３に記載のデバイスの製造方法において、
前記複数の粒子を配置する工程は、
前記改質された結晶面を前記複数の粒子を含有する溶液に浸す工程と、
前記結晶面を、前記溶液から引き上げる工程と
を含んでいてもよい。
［項目２５］
本開示の項目２４に記載のデバイスの製造方法において、
前記溶液は、親水性であってもよい。
［項目２６］
本開示の項目２４または２５に記載のデバイスの製造方法において、
前記溶液は、水、メタノール、エタノール、フェノール、エチレングリコール、及び酢酸からなる群から選択された少なくとも一つを含んでいてもよい。
［項目２７］
本開示の項目２３から２６のいずれかに記載のデバイスの製造方法において、
前記結晶面を改質する工程は、前記結晶面を、酸素原子を含む雰囲気中に暴露して酸化する工程を含んでいてもよい。
［項目２８］
本開示の項目２３から２７のいずれかに記載のデバイスの製造方法において、
前記複数の粒子の表面は、親水性を有していてもよい。
［項目２９］
本開示の項目２３から２８のいずれかに記載のデバイスの製造方法において、
前記複数の粒子は、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＺｎＯ、Ａｕ、Ａｇ、ポリスチレン、ベンゾグアナミン・メラミン・ホルムアルデヒド縮合物及びポリメタクリル酸メチル系架橋物からなる群から選択された少なくとも一つを含んでいてもよい。
（実施の形態１）
以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明及び実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。
なお、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面及び以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。
［１．１．デバイスの構成］
図４Ａは、実施の形態１におけるデバイス１の断面の模式図である。
デバイス１は、ｃ面に対して傾斜した結晶面１２を有するＧａＮ系半導体１１を備えている。
ＧａＮ系半導体１１は、ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ，ｙ，ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表される窒化物半導体である。ＧａＮ系半導体１１は、例えば、基板全体がＧａＮで形成されたＧａＮ基板であってもよいし、Ａｌ２Ｏ３基板、ＳｉＣ基板またはＳｉ基板などの基板の主面１１ａ全体、もしくは、主面１１ａの一部に窒化物半導体が形成された形態であってもよい。本実施の形態では、ＧａＮ系半導体１１は、ＧａＮ基板である。
ＧａＮ系半導体１１は、基板の主面１１ａに、ｃ面から０．４°傾斜した結晶面１２を有している。なお、ｃ面に対する結晶面１２の傾斜角度は、０．０５°以上１５°以下の範囲から適宜選択可能である（図３Ｅ参照）。
ＧａＮ系半導体１１の結晶面１２には、凹凸部１５が設けられている。すなわち、結晶面１２は、凹凸部１５が形成された凹凸領域を有している。結晶面１２に凹凸部１５が設けられることで、結晶面１２が平坦である場合に比べて、結晶面１２の表面積が大きくなっている。
凹凸部１５における複数の凹部及び複数の凸部のそれぞれは、不規則な形状を有している。また、複数の凹部及び複数の凸部のそれぞれは、結晶面１２上の不規則な位置に形成されている。
例えば、結晶面１２の粗さ曲線要素の平均長さ（ＲＳｍ）は、０．８μｍ以上１０００μｍ以下の範囲である。また、結晶面１２の粗さ曲線要素の算術平均粗さ(Ｒａ)は、１０ｎｍ以上８００ｎｍ以下の範囲である。平均長さＲＳｍは、凹凸のピッチの平均であり、算術平均粗さＲａは、凹凸の高さ（絶対値）の平均であり、いずれも日本工業規格ＪＩＳ
Ｂ ０６０１：２００１で定義されているとおりである。なお、結晶面１２の平均長さ（ＲＳｍ）及び算術平均粗さ（Ｒａ）は、ＧａＮ基板の主面１１ａと平行な線を測定基準線とした場合の測定値である。平均長さ（ＲＳｍ）及び算術平均粗さ（Ｒａ）は、例えばレーザー顕微鏡を用いて測定することができる。
凹凸部１５の表面１５ａは、親水性を有している。親水性と疎水性の境界は、接触角９０°であり、接触角が９０°未満でれば親水性、接触角が９０°より大きければ疎水性である。さらに、凹凸部１５の表面１５ａは、超親水性であってもよい。超親水性とは、純水を用いた接触角の測定において、接触角が１０°以下、又は、接触角が測定限界（０°）であることをいう。
なお、複数の凸部のうちの少なくとも一部の凸部の頂上部分は、凹凸部１５の他の部分の材料とは異なる材料で形成されていてもよい。具体的には、凸部の頂上部分は、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＺｎＯ、Ａｕ、Ａｇ、ポリスチレン、ベンゾグアナミン・メラミン・ホルムアルデヒド縮合物及びポリメタクリル酸メチル系架橋物からなる群から選択された何れか一つ又は複数を組み合わせた材料で形成されていてもよい。
図４Ｂは、デバイス１にて、大気中の水蒸気ｖを捕集する様子を示す図である。
前述したように、デバイス１は、結晶面１２の凹凸部１５の表面１５ａが親水性を有している。そのため、デバイス１を大気中にさらした場合、凹凸部１５に水蒸気ｖが集まりやすく、水蒸気ｖが凹凸部１５の表面１５ａに付着し捕集される。また、デバイス１は、結晶面１２に凹凸部１５を有しているので、結晶面１２の表面積が大きくなっている。そのため、結晶面１２上にて多くの水蒸気ｖが捕集され、捕集された水蒸気ｖは、凹凸部１５すなわち結晶面１２上で水滴化される。これにより、デバイス１により、水を造り出すことが可能となる。
［１．２．デバイスの製造方法］
図４Ｃは、デバイス１の製造方法の一例を示すフローチャートである。
デバイス１の製造方法は、ＧａＮ系半導体１１を準備する準備工程Ｓ０、結晶面を改質する工程（Ｓ１及びＳ２）、粒子を配置する工程Ｓ３、凹凸部を形成する工程Ｓ４、並びに、凹凸部の表面を改質する工程（Ｓ５及びＳ６）を含む。結晶面を改質する工程は、有機洗浄工程Ｓ１及び紫外線照射工程Ｓ２を含む。凹凸部の表面を改質する工程は、有機洗浄工程Ｓ５及び紫外線照射工程Ｓ６を含む。
図５Ａは、ＧａＮ系半導体１１の未処理状態の断面を示す模式図である（工程Ｓ０に対応）。図５Ｂは、ＧａＮ系半導体１１の結晶面１２を有機洗浄した後の断面を示す模式図である（工程Ｓ１に対応）。図５Ｃは、ＧａＮ系半導体１１の結晶面１２に紫外線を照射した後の断面を示す模式図である（工程Ｓ２に対応）。図５Ｄは、ＧａＮ系半導体１１の結晶面１２にコロイド粒子７１を配置した状態の断面を示す模式図である（工程Ｓ３に対応）。図５Ｅは、ＧａＮ系半導体１１の結晶面１２に凹凸部１５を形成した状態の断面を示す模式図である（工程Ｓ４に対応）。図５Ｆは、ＧａＮ系半導体１１の凹凸部１５を有機洗浄した後の断面を示す模式図である（工程Ｓ５に対応）。図５Ｇは、ＧａＮ系半導体１１の凹凸部１５に紫外線を照射した後の断面を示す模式図である（工程Ｓ６に対応）。
まず、ＧａＮ系半導体１１を準備する（工程Ｓ０）。
準備するＧａＮ系半導体１１は、具体的には、ｃ面から０．０５°以上１５°以下の範囲で傾斜した結晶面１２を有しているＧａＮ基板である。
例えば、ｃ面から０．０５°傾斜した結晶面１２の場合、ｃ面ＧａＮの原子からなる幅２９６．２２ｎｍのテラスの両端に１段のステップが存在する。ｃ面から１５°傾斜した結晶面１２の場合、ｃ面ＧａＮの原子からなる幅０．９６ｎｍのテラスの両端に１段のステップが存在する。これらのステップは化学的に活性であることから、より安定な構造、例えば酸化ガリウム等が形成されやすい。また、この結晶面１２を有するＧａＮ系半導体１１では、幅１ｎｍ以上幅３００ｎｍ以下の範囲のテラス構造が周期的に形成され、後述する直径１０−９ｍから１０−６ｍのナノ粒子であるコロイド粒子７１を配列させることに適している。すなわち、ｃ面から０．０５°以上１５°以下の範囲で傾斜した結晶面１２を有するＧａＮ系半導体１１では、直径１０−９ｍ以上１０−６ｍ以下のナノ粒子を規則的に配列することができるので、結晶面１２に周期的な凹凸を形成し、改質処理を施すことで結晶面１２を超親水性とすることが可能となる。
図５Ａに示されるように、準備されたＧａＮ系半導体１１は、その表面にＧａＮ系半導体清浄層４２を有している。なお、図５Ａにおいて、ＧａＮ系半導体清浄層４２は、バルク状のＧａＮ系半導体１１から区別され得るように記載されているが、実際には、ＧａＮ系半導体清浄層４２とＧａＮ系半導体１１との間に明確な境界は存在しない。
ＧａＮ系半導体清浄層４２は、フッ酸、燐酸又は硫酸などの酸溶液を用いた洗浄、あるいは純水を用いた洗浄、あるいはこれらの洗浄を組み合わせた洗浄を施すことで形成される。ＧａＮ系半導体清浄層４２の最表面には、終端層４３が形成されている。終端層４３は、例えばハイドロカーボン、ヒドロキシ基（水酸基：−ＯＨ基）、水素原子（Ｈ）、酸素原子（Ｏ）等によって構成される。このように、洗浄によってＧａＮ系半導体１１の表面を清浄化しても、大気中に暴露されたＧａＮ系半導体１１の表面には、ＧａＮ系半導体１１を構成する原子以外の原子又は分子によって終端された不純物が存在し、Ｇａ及びＮは直接には最表面に露出していない状態にある。
次に、工程Ｓ０で準備したＧａＮ系半導体１１に、有機洗浄を施す（工程Ｓ１）。
有機洗浄を施すことで、ＧａＮ系半導体１１の表面に過剰に付着した有機物が除去される。最表面に形成されていた終端層４３は、この有機洗浄によって、図５Ｂに示されるように有機洗浄層５１に置き換えられる。なお、実際には、有機洗浄層５１とＧａＮ系半導体清浄層４２との間に明確な境界は存在しない。
有機洗浄を行う際の有機溶剤は、例えば、アセトン、メタノール、エタノール及びイソプロピルアルコールからなる群から選択された何れか一つ又は複数の組み合わせを含む。また、有機洗浄後に純水による洗浄を行ってもよい。この有機洗浄により、次工程での紫外線照射による有機物除去を効果的に行うことが可能となる。
次に、有機洗浄を施したＧａＮ系半導体１１に、紫外線を照射する（工程Ｓ２）。
この紫外線の照射により、図５Ｃに示されるように、ＧａＮ系半導体１１の表面に表面改質層６１が形成される。具体的には、紫外線を照射することで、有機洗浄層５１のほとんどが除去され、ＧａＮ系半導体清浄層４２が表面改質層６１に変化する。表面改質層６１は、表面付近から−ＯＨ基、あるいは少なくとも−ＯＨ基を含む不純物層が除去された層である。また、表面改質層６１は、ＧａＮ系半導体１１の表面が酸化された層であってもよい。なお、表面改質層６１の表面は、ｃ面に対して傾斜した結晶面１２である。表面改質層６１の厚さは、例えば０．１ｎｍ以上１０ｎｍ以下であるが、表面改質層６１とＧａＮ系半導体１１との間に明確な境界は存在しない。
紫外線の照射は、少なくとも酸素原子を含む雰囲気中（例えば大気中）、又は、少なくとも酸素原子を含む液体中で行われる。例えば、表面改質を行うＧａＮ系半導体１１の結晶面１２に酸素を供給した状態で、紫外線を照射してもよい。また、純水又は過酸化水素水中で紫外線照射を行ってもよいし、活性化した酸素（例えばオゾン）及び／又は酸素ラジカルを結晶面１２に供給した状態で、紫外線を照射してもよい。酸素ラジカルを結晶面１２に供給する場合には、例えば誘導結合型の酸素ガス放電を用いて酸素ラジカルを形成すればよい。酸素ガス放電により、紫外線を放出するラジカルを生成するために、アルゴン又は水を酸素ガスに添加してもよい。
照射する紫外線の光子が持つエネルギーが、表面改質を行う窒化物半導体の結晶面のバンドギャップよりも大きなエネルギーである場合、結晶面を活性化させて反応を促進することができる。紫外線の光源としては、水銀ランプを用いてもよい。例えば、表面改質を行う表面がＧａＮの場合には、波長３６４ｎｍ以下の波長を用いてもよく、水銀輝線である波長３１３ｎｍ、波長２９７ｎｍ、波長２５４ｎｍ、又は、波長１８５ｎｍなどの紫外線を用いることができる。表面改質を行う表面がＩｎＧａＮの場合には、水銀輝線である波長３６５ｎｍ又は波長４０５ｎｍを用いることもできる。また、紫外線の光源としては、ブラックライトの波長３５２ｎｍを用いることもできる。すなわち、紫外線照射工程で使用する紫外線の波長は、３５２ｎｍ、３１３ｎｍ、２９７ｎｍ、２５４ｎｍ、及び、１８５ｎｍからなる群から選択された何れか一つ又は複数の組み合わせを含む。
本実施の形態では、紫外線の波長は、ＧａＮ自身が光吸収する紫外線の波長である３６２ｎｍ以下の波長であってもよい。また、紫外線の波長は、酸化力の強いヒドロキシラジカルを生成する波長３００ｎｍ以下の短波長であってもよい。また、オゾンを分解するため波長２５４ｎｍの波長域であってもよい。また、１８５ｎｍ以下の極めて短波長の光であってもよい。
以上に示す、ＧａＮ系半導体１１を準備する準備工程Ｓ０、有機洗浄工程Ｓ１、紫外線照射工程Ｓ２が順に実行されることで、結晶面１２が改質された表面改質半導体を得ることができる。
ＧａＮ系半導体１１の表面改質層６１は、純水を用いた接触角の測定において、接触角が１０°以下、又は、接触角が測定限界（０°）である超親水性を示す。表面改質層６１は極めて親水性が高いため、例えば、表面改質層６１の表面に親水性溶液を均一に塗布することができる。
次に、図５Ｄに示されるように、ＧａＮ系半導体１１の表面改質層６１に複数のコロイド粒子７１を配置する（工程Ｓ３）。コロイド粒子７１は、サブミクロン領域の大きさ（１０−９ｍから１０−６ｍ）を有する粒子である。複数のコロイド粒子７１は、表面改質層６１上に、ほぼ最密充填の状態で配置される。
表面改質層６１上にコロイド粒子７１を配置させる方法としては、ディップコーティング法によるコロイド溶液の自己配列プロセスを用いることができる。この工程では、例えば、コロイド溶液の溶媒種、コロイド溶液の溶質種、コロイド溶液の濃度、ディップコーティングの引上げ速度を制御すればよい。
溶媒には、溶解パラメータの大きな極性溶媒、例えば水、メタノール、エタノール、フェノール、エチレングリコール、酢酸等を用いることができる。すなわち、この溶媒は、水、メタノール、エタノール、フェノール、エチレングリコール及び酢酸からなる群から選択された何れか一つ又は複数の組み合わせを含むものであってもよい。これらは親水性でありかつ入手が容易なことから、量産性に優れている。また、溶媒として純水を用いてもよい。
溶質には粒径分布が小さい球形の親水性溶質、例えばＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＺｎＯ、Ａｕ、Ａｇ、ポリスチレン、ベンゾグアナミン・メラミン・ホルムアルデヒド縮合物、ポリメタクリル酸メチル系架橋物等を用いることができる。すなわち、本実施の形態の溶質として溶媒に拡散している複数の粒子は、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＺｎＯ、Ａｕ、Ａｇ、ポリスチレン、ベンゾグアナミン・メラミン・ホルムアルデヒド縮合物及びポリメタクリル酸メチル系架橋物からなる群から選択された何れか一つ又は複数の組み合わせを含む。これら粒子は生産性に優れているため、量産化が容易である。
コロイド溶液の濃度は、例えば１０ｖｏｌ％以下である。また、ディップコーティングの引上げ速度は、例えば１０ｃｍ／ｈ以下である。
表面改質層６１を有するＧａＮ系半導体１１を、親水性を有するコロイド溶液へ浸した後、ＧａＮ系半導体１１をコロイド溶液から引上げることで、コロイド粒子７１を結晶面１２上にほぼ均一に配置することができる。
次に、図５Ｅに示されるように、複数のコロイド粒子７１が配置された結晶面１２に凹凸部１５を形成する（工程Ｓ４）。
凹凸部１５は、結晶面１２上に配置された複数のコロイド粒子７１をマスクとして、ＧａＮ系半導体１１の結晶面１２に対するエッチングを行うことで形成される。その際、ＧａＮ系半導体１１の結晶面１２のみならず、複数のコロイド粒子７１のそれぞれもエッチングされ、コロイド粒子７１の配列パターンに依存した形の凹凸が、ＧａＮ系半導体１１の結晶面１２に形成される。
エッチングは、例えば、塩素系ガス（例えばＣｌ２またはＢＣｌ３）を用いたドライエッチングである。エッチング時間またはエッチング条件を調整することで、凹凸部１５の凸部の寸法及び形状を制御することができる。
凹凸部１５が形成された結晶面１２の粗さ曲線要素の平均長さ（ＲＳｍ）は、０．８μｍ以上１０００μｍ以下の範囲である。また、凹凸部１５が形成された結晶面１２の粗さ曲線要素の算術平均粗さ(Ｒａ)は、１０ｎｍ以上８００ｎｍ以下の範囲である。
凹凸部１５は、不規則な形状を有する複数の凹部又は凸部により構成され、複数の凹部又は凸部のそれぞれは、結晶面１２上の不規則な位置に存在している。これは、複数のコロイド粒子７１で構成されるマスクが、多数の複雑な穴あき形状を有しているためと考えられる。コロイド粒子７１の形状、サイズ、材料、及び粒径分布、ならびにエッチング条件を調整することで、多様な形状の凹凸部１５を形成することが可能である。
なお、結晶面１２上に配置された複数のコロイド粒子７１の一部は、完全にエッチングされずに、凸部の頂上部分に残る場合がある。この場合、複数の凸部のうちの少なくとも一部の凸部の頂上部分は、凹凸部１５の他の部分の材料とは異なる材料で形成される。
また、図５Ｅに示されるように、凹凸部１５は、その表面にＧａＮ系半導体清浄層４２ａを有する。ＧａＮ系半導体清浄層４２ａは、フッ酸、燐酸又は硫酸などの酸溶液を用いた洗浄、あるいは純水を用いた洗浄、あるいはこれらの洗浄を組み合わせた洗浄を施すことで形成される。ＧａＮ系半導体清浄層４２ａの最表面には、終端層４３ａが形成される。終端層４３ａは、例えばハイドロカーボン、ヒドロキシ基（水酸基：−ＯＨ基）、水素原子（Ｈ）、酸素原子（Ｏ）等によって構成される。
次に、凹凸部１５が形成されたＧａＮ系半導体１１に、有機洗浄を施す（工程Ｓ５）。
有機洗浄を施すことで、凹凸部１５の表面に過剰に付着した有機物が除去される。最表面に形成されていた終端層４３ａは、この有機洗浄によって、図５Ｆに示されるように有機洗浄層５１ａに置き換えられる。
有機洗浄を行う際の有機溶剤は、例えば、アセトン、メタノール、エタノール及びイソプロピルアルコールからなる群から選択された何れか一つ又は複数の組み合わせを含む。また、有機洗浄後に純水による洗浄を行ってもよい。
次に、有機洗浄を施した凹凸部１５に、紫外線を照射する（工程Ｓ６）。
この紫外線の照射により、図５Ｇに示されるように、凹凸部１５の表面１５ａに表面改質層６１ａが形成される。具体的には、紫外線を照射することで、有機洗浄層５１ａのほとんどが除去され、ＧａＮ系半導体清浄層４２ａが表面改質層６１ａに変化する。凹凸部１５の表面改質層６１ａは、表面付近から−ＯＨ基、あるいは少なくとも−ＯＨ基を含む不純物層が除去された層である。また、表面改質層６１ａは、ＧａＮ系半導体１１の表面が酸化された層であってもよい。
紫外線の照射は、少なくとも酸素原子を含む雰囲気中（例えば大気中）、又は、少なくとも酸素原子を含む液体中で行われる。紫外線照射工程で使用する紫外線の波長は、３５２ｎｍ、３１３ｎｍ、２９７ｎｍ、２５４ｎｍ、１８５ｎｍ、３６５ｎｍ及び４０５ｎｍからなる群から選択された何れか一つ又は複数の組み合わせを含む。
以上に示すように、ＧａＮ系半導体１１を準備する準備工程Ｓ０、有機洗浄工程Ｓ１、紫外線照射工程Ｓ２、粒子を配置する工程Ｓ３、凹凸部を形成する工程Ｓ４、有機洗浄工程Ｓ５及び紫外線照射工程Ｓ６が順に実行されることで、デバイス１が作製される。デバイス１の結晶面１２の凹凸部１５の表面１５ａは、超親水性である。デバイス１を大気に触れる状態とすることで、大気中の水蒸気ｖを捕集することができる。
なお、前述した結晶面を改質する工程（Ｓ１及びＳ２）、並びに、凹凸部の表面を改質する工程（Ｓ５及びＳ６）における表面改質処理の効果は、以下の作用により発現すると考えられる。
まず、ＧａＮ系半導体１１の禁制帯（バンドギャップ）エネルギーよりも高エネルギーである紫外線が、ＧａＮ系半導体１１を透過し切れずに吸収され、その際に、ＧａＮ系半導体１１内で励起子を発生することで、ＧａＮ系半導体１１の表面での反応性が高まる。この反応性は、ｃ面ＧａＮから傾斜したＧａＮ表面において、表面に存在する有機物等の不純物を離脱するように作用する。また、紫外線の照射により、大気中に含まれる酸素が活性化され、ＧａＮ系半導体１１に対して活性な酸素が供給される。
また、紫外線によって生成したヒドロキシラジカル（ＯＨラジカル）が、ＧａＮ表面の乖離しやすくなった有機物等の不純物を分解し、ＧａＮ系半導体１１の表面の有機成分及びＯＨ成分を減少させる。
このように、紫外線照射の効果は、ＧａＮ系半導体１１の表面の−ＯＨ基を高い酸化力を有するヒドロキシラジカルに変化させる点、大気中に含まれる酸素を活性化させＧａＮ系半導体１１に活性な酸素を供給する点、及び、紫外線吸収によってＧａＮ系半導体１１の表面の反応性を高める点にある。
また、紫外線照射工程の前に実施する有機洗浄工程の効果は、ＧａＮ表面に存在する過剰な有機成分を除去することにあると考えられる。例えば、有機洗浄を行なわずに紫外線照射のみを行った場合は、紫外線照射で発生する活性な酸素は、ＧａＮ表面に存在する過剰な有機物の除去に用いられてしまい、ＧａＮ表面の酸化が十分に促進されないこともある。それに対し、紫外線照射の前に有機洗浄を行うことで、過剰な有機成分を予め除去し、紫外線照射によるＧａＮ表面の酸化を促進することができる。
（実施の形態２）
［２．表面改質半導体、及びその製造方法］
実施の形態２における表面改質半導体は、実施の形態１に示した準備工程Ｓ０、有機洗浄工程Ｓ１、紫外線照射工程Ｓ２を順に行うことで作製される。
表面改質半導体は、ｃ面から０．０５°以上１５°以下の範囲で傾斜した結晶面１２を有するＧａＮ系半導体１１と、結晶面１２に形成された表面改質層６１とを備え、表面改質層６１の表面は、超親水性である。ＧａＮ系半導体１１の結晶面１２は、具体的には、例えばｃ面から０．４°傾いた面である。ＧａＮ系半導体１１は、具体的には、例えばＧａＮ基板である。
表面改質半導体の製造方法は、ｃ面から０．０５°以上１５°以下の範囲で傾斜した結晶面１２を有するＧａＮ系半導体１１を準備する工程Ｓ０と、ＧａＮ系半導体１１に有機洗浄を施す工程Ｓ１と、酸素原子もしくは酸素分子を含むガス、又は酸素原子もしくは酸素分子を含む液体に結晶面１２を暴露した状態で、結晶面１２に紫外線を照射する工程Ｓ３を含む。
これら工程Ｓ０から工程Ｓ３により、ＧａＮ系半導体１１の結晶面１２に表面改質層６１が形成された表面改質半導体を得ることができる。
例えば、ＧａＮ系半導体１１に有機洗浄を施す工程Ｓ０は、アセトン、メタノール、エタノール及びイソプロピルアルコールからなる群から選択された少なくとも１つを含む溶剤を用いて有機洗浄を施す工程であってもよい。また、紫外線を照射する工程Ｓ３における紫外線の光源は、水銀ランプであってもよい。
本実施の形態における表面改質半導体の製造方法によれば、安価で短時間に大面積のＧａＮ系半導体１１の表面状態を改質することができ、容易にＧａＮ系半導体１１の濡れ性の制御をすることができる。
例えば、ＧａＮ系半導体１１に対する溶液処理工程での濡れ性を高めることが可能となり、フォトリソグラフィーによるレジスト塗布においてレジストの膜厚などの均一性を高めることが可能となる。また、粒子を配置する工程において、表面改質層６１の表面に均一にコロイド粒子７１等を配列することが可能になる。
（実施の形態３）
［３．粒子を配置する方法］
実施の形態３における粒子を配置する方法は、実施の形態１に示した準備工程Ｓ０、有機洗浄工程Ｓ１、紫外線照射工程Ｓ２、及び、粒子配置工程Ｓ３により構成される。
この方法は、半導体の表面に複数の粒子を配置する方法であって、ｃ面から０．０５°以上１５°以下の範囲で傾斜した結晶面１２を有するＧａＮ系半導体１１と、結晶面１２に形成された表面改質層６１とを備え、表面改質層６１の表面が超親水性である表面改質半導体を準備する工程と、表面改質半導体を複数の粒子を含有する親水性の溶液に浸す工程と、溶液に浸された表面改質半導体を溶液から引き上げる工程とを含む。
表面改質半導体は、前述した準備工程Ｓ０、有機洗浄工程Ｓ１及び紫外線照射工程Ｓ２により作製することができる。
溶液に含まれる複数の粒子は、具体的にはコロイド粒子７１であり、親水性である。また、溶液に含まれる複数の粒子は、表面が親水性処理されていてもよい。また、この複数の粒子は、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＺｎＯ、Ａｕ、Ａｇ、ポリスチレン、ベンゾグアナミン・メラミン・ホルムアルデヒド縮合物及びポリメタクリル酸メチル系架橋物からなる群から選択された少なくとも１つを含んでいる。
溶液は、水、メタノール、エタノール、フェノール、エチレングリコール及び酢酸からなる群から選択された少なくとも１つを含んでいる。
これらの工程により、半導体の表面に複数のコロイド粒子７１を均一に配置することができる。
（実施の形態４）
［４．窒化ガリウム系半導体デバイス、及びその製造方法］
実施の形態３における窒化ガリウム系半導体デバイスは、実施の形態１に示した準備工程Ｓ０、有機洗浄工程Ｓ１、紫外線照射工程Ｓ２、粒子を配置する工程Ｓ３、凹凸部を形成する工程Ｓ４、有機洗浄工程Ｓ５及び紫外線照射工程Ｓ６を順に行うことで作製される。
ＧａＮ系半導体デバイスは、ｃ面から０．０５°以上１５°以下の範囲で傾斜した結晶面１２の少なくとも一部に凹凸が形成された凹凸領域を有し、凹凸領域における粗さ曲線要素の平均長さ（ＲＳｍ）が０．８μｍ以上１０００μｍ以下であり、凹凸領域の少なくとも一部の凸部の頂上部分に、凹凸領域の他の部分の材料とは異なる材料が存在する。なお、凹凸領域とは、結晶面１２上における凹凸部１５が形成されている領域である。
凹凸領域の凹凸は、不規則な形状である。凹凸領域の凸部は、結晶面１２上の不規則な位置に形成されている。凹凸領域における凸部の個数密度は、１個／μｍ２以上１２０個／μｍ２以下の範囲である。凹凸領域の算術平均粗さ（Ｒａ）は、１０ｎｍ以上８００ｎｍ以下である。
また、結晶面１２は、ｃ面から０．４°傾いた面である。ＧａＮ系半導体１１は、ＧａＮ基板である。凹凸領域の他の部分の材料とは異なる材料は、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＺｎＯ、Ａｕ、Ａｇ、ポリスチレン、ベンゾグアナミン・メラミン・ホルムアルデヒド縮合物及びポリメタクリル酸メチル系架橋物からなる群から選択された少なくとも一つから形成されている。
このＧａＮ系半導体デバイスは、以下の（１）から（４）に示す工程を順に行うことで作製される。
（１）ｃ面から０．０５°以上１５°以下の範囲で傾斜した結晶面１２を有するＧａＮ系半導体１１を準備する工程
（２）結晶面１２を改質する工程
（３）改質された結晶面１２に複数の粒子を配置する工程
（４）複数の粒子が配置された結晶面１２をドライエッチングを用いてエッチングし、エッチングされた結晶面１２の少なくとも一部の領域に、粗さ曲線要素の平均長さ（ＲＳｍ）が０．８μｍ以上１０００μｍ以下である凹凸を形成する工程
複数の粒子を配置する工程は、改質された結晶面１２を複数の粒子を含有する溶液に浸す工程と、溶液に浸された結晶面１２を溶液から引き上げる工程とを含む。
溶液は、親水性であり、水、メタノール、エタノール、フェノール、エチレングリコール、及び酢酸からなる群から選択された少なくとも一つである。
複数の粒子の表面は、親水性を有している。複数の粒子は、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＺｎＯ、Ａｕ、Ａｇ、ポリスチレン、ベンゾグアナミン・メラミン・ホルムアルデヒド縮合物及びポリメタクリル酸メチル系架橋物からなる群から選択された少なくとも一つから形成される。
また、結晶面１２を改質する工程は、改質前の結晶面１２を、酸素原子を含む雰囲気中に暴露して酸化する工程を含んでいる。
このＧａＮ系半導体デバイスは、例えば、湿度制御用の建築壁材、または、熱交換器として用いることができる。ＧａＮ系半導体デバイスを熱交換器として用いた場合、熱交換効率が向上するだけでなく、エアコンの室内機及び除湿機の除湿効率を向上させることができる。
実施例１について、図６Ａから図６Ｅを参照しつつ説明する。実施例１では、ｃ面に対して傾斜した結晶面１２を有するＧａＮ系半導体１１に、様々な加工を施した後、２μＬの水を滴下したときの接触角測定結果を示す。
まず、ｃ面（０００１）からｍ軸［１０−１０］方向に０．４°傾斜したＧａＮ系半導体１１を複数枚準備した。この段階でのＧａＮ系半導体１１の接触角測定結果を、図６Ａに示す。
次に、準備したＧａＮ系半導体１１の１枚に対して、アセトンによる超音波洗浄を３分間行った。次いで、このＧａＮ系半導体１１に対してエタノールによる超音波洗浄を３分間行った。次いで、このＧａＮ系半導体１１に対して純水洗浄を５分間行った。次いで、このＧａＮ系半導体１１に対してＮ２ガスによるブロワ乾燥を行った。このようにして有機洗浄後のＧａＮ系半導体１１を作製した。
次に、有機洗浄後のＧａＮ系半導体１１に対して紫外線（ＵＶ）照射を１５分間行った。紫外線照射は大気中で実施した。紫外線の波長は２５４ｎｍであり、１０１３μＷ／ｃｍ２（９１２ｍＪ／ｃｍ２）の照射強度とした。このようにして、表面改質工程後のＧａＮ系半導体１１を作製した。表面改質処理後のＧａＮ系半導体１１に対する接触角測定結果を、図６Ｃに示す。
なお、有機洗浄工程を実施せず紫外線照射工程のみを実施したＧａＮ系半導体１１を別途準備し、接触角測定を行った。その結果を、図６Ｂに示す。
図６Ａに示すように、未処理状態のＧａＮ系半導体１１（工程Ｓ０後に相当）は、接触角が２８．７°であったのに対し、図６Ｃに示すように、表面改質処理後（工程Ｓ２後に相当）には、接触角が４．２°へと変化した。このように、有機洗浄工程及び紫外線照射工程を行うことで、ＧａＮ系半導体１１が超親水性となっていることがわかる。
なお、図６Ｂに示すように、有機洗浄工程を実施せず紫外線照射工程のみを実施した状態でも、接触角が２２．１°であることから、紫外線照射工程のみを実施した場合であっても、未処理の場合に比べて接触角が小さくなることがわかる。
また、これらの工程で形成された表面改質層を、大気雰囲気で１６時間放置した後に、純水２μＬを滴下させて接触角測定を行った。その結果を図６Ｄに示す。図６Ｄに示すように、超親水性であった表面改質層は、大気からの汚染を受けて接触角が２９．７°となり、親水性が劣化していることが確認された。
そこで、親水性が劣化した表面改質層に対して、大気中で紫外線照射を行った。具体的には、紫外線波長を２５４ｎｍとし、照射強度を１０１３μＷ／ｃｍ２（９１２ｍＪ／ｃｍ２）とし、紫外線を１５分間照射した。その結果を図６Ｅに示す。図６Ｅに示すように、大気中で紫外線を照射した後は、表面改質層の接触角が６．２°となった。
これにより、ＧａＮ系半導体１１は、表面改質処理後に表面が汚染されても、大気中で太陽光などの紫外線が照射されることで、自己修復することが分かる。したがって、実施の形態１におけるデバイス１は、例えば、大気中において太陽光にさらすことで、表面改質処理後の状態を維持することができ、親水性の低下を抑制することが可能である。
実施例２について、図７、図８Ａから図８Ｄ、図９Ａ、図９Ｂ、図１０Ａ、図１０Ｂ、図１１Ａ、図１１Ｂ、図１２Ａ、図１２Ｂ、図１３Ａ及び図１３Ｂを用いて説明する。実施例２は、表面改質後のＧａＮ系半導体１１に複数のコロイド粒子７１を配置した状態と、その状態から形成されたナノオーダーの凹凸構造に関する。
図７は、ＧａＮ系半導体１１の結晶面１２に配列した、直径１００ｎｍのＳｉＯ２ナノ粒子の光学顕微鏡像を示す図である。図８Ａから図８Ｄは、ＧａＮ系半導体１１の結晶面１２に配列した、直径１００ｎｍのＳｉＯ２ナノ粒子の走査型電子顕微鏡観察像を示す図である。図９Ａから図１２Ｂは、ＧａＮ系半導体１１の結晶面１２に形成された凹凸部１５の走査型電子顕微鏡観察像を示す図である。
まず、ｃ面（０００１）からｍ軸［１０−１０］方向に０．４°傾斜したＧａＮ系半導体１１を準備した（工程Ｓ０）。
このＧａＮ系半導体１１に対してアセトンによる超音波洗浄を３分間行った。次いで、このＧａＮ系半導体１１に対してエタノールによる超音波洗浄を３分間行った。次いで、このＧａＮ系半導体１１に対して純水洗浄を５分間行った。次いで、このＧａＮ系半導体１１に対してＮ２ガスによるブロワ乾燥を行った。このようにして、ＧａＮ系半導体１１の有機洗浄を行った（工程Ｓ１）。
次に、有機洗浄を行ったＧａＮ系半導体１１に対して紫外線照射を１５分間行った（工程Ｓ２）。紫外線の波長は２５４ｎｍとした。これら有機洗浄及び紫外線照射により、結晶面１２が改質されたＧａＮ系半導体１１を作製した。
この表面改質後のＧａＮ系半導体１１に対して、ディップコーティング法によるコロイド溶液の自己配列プロセスを応用してコロイド粒子７１を配列し（工程Ｓ３）、直径１００ｎｍのＳｉＯ２ナノ粒子コロイド結晶を成膜した。コロイド溶液には株式会社日本触媒製シリカ球状微粒子（ＫＥ−Ｗ１０）を用い、１．０ｗｔ％の水溶液となるように調製した。ディップコーティングの速度は５．６μｍ／ｓとした。
表面改質を施したＧａＮ系半導体１１に対するコロイド結晶膜の光学顕微鏡観察結果を図７に示す。図７から、倍率１０００倍の光学顕微鏡では直径１００ｎｍの微細構造は確認できないが、目立った欠陥が観察されないことが確認された。また、図７は白黒画像であるが本来はカラー画像であり、茶色の構造色が確認されることから、良質なコロイド結晶膜が成膜されていることが確認された。
次に、このコロイド結晶膜を走査型電子顕微鏡で観察した結果を図８Ａから図８Ｄに示す。図８Ａから図８Ｄにより、直径１００ｎｍのナノ粒子が１層の膜厚で最密充填構造を取りながら大面積に成膜されていることが確認された。
次に、コロイド粒子７１が配列されたＧａＮ系半導体１１に対して、ＳｉＯ２ナノ粒子をエッチングのマスクとしてドライエッチングを行った（工程Ｓ４）。ドライエッチングには、サムコ株式会社製のエッチング装置（ＲＩＥ−１０１ｉＨＳ）を用い、処理条件はＩＣＰパワーを１５０Ｗ、バイアスパワーを５０Ｗ、塩素流量を１０ｓｃｃｍとし、圧力を０．５Ｐａとし、処理時間は１分とした。この条件におけるＳｉＯ２とＧａＮのエッチング速度比は１：８である。例えば、ＳｉＯ２が１００ｎｍエッチングされる間に、ＧａＮは８００ｎｍエッチングされる。
このようにして形成されたナノオーダーの凹凸部１５を走査型電子顕微鏡で観察した結果を図９Ａから図１２Ｂに示す。
直径１００ｎｍのＳｉＯ２ナノ粒子が１層で最密充填構造を持つコロイド結晶をマスクとしてエッチングを行ったので、ＧａＮ系半導体１１の凹凸部１５は、直径１００ｎｍ、最短頂点間距離１００ｎｍという棒体状で形成された。また、その高さは８００ｎｍであり、山（凸部）同士の最短ギャップ長（谷の隙間）は１０ｎｍと観察された。ＧａＮ系半導体１１の凹凸部１５に対して、レーザー顕微鏡で表面粗さを測定したところ、ＲＳｍ＝６２．６５２μｍであった。
凹凸部１５は、モスアイ状の構造を有し、図９Ａから図１２Ｂに示されるように、結晶面１２に立設した複数の棒体により構成されている。複数の棒体のそれぞれのアスペクト比は、２以上１０以下の範囲から適切に選択することができる。なお、棒体のアスペクト比は、７以上９以下であってもよい。
次に、凹凸部１５が形成されたＧａＮ系半導体１１に対して、アセトンによる超音波洗浄を３分間行った。次いで、このＧａＮ系半導体１１に対してエタノールによる超音波洗浄を３分間行った。次いで、このＧａＮ系半導体１１に対して純水洗浄を５分間行った。次いで、このＧａＮ系半導体１１に対してＮ２ガスによるブロワ乾燥を行った。このようにして、ＧａＮ系半導体１１の有機洗浄を行った（工程Ｓ５）。
次に、有機洗浄を行ったＧａＮ系半導体１１に対して、紫外線照射を１５分間行った（工程Ｓ６）。紫外線の波長は２５４ｎｍとした。これら有機洗浄及び紫外線照射により、凹凸部１５の表面１５ａが改質されたＧａＮ系半導体デバイスであるデバイス１を作製した。
このように、図４Ｃに示す工程Ｓ０から工程Ｓ６で作製された、超親水性の表面を持つ凹凸部１５が形成されたデバイス１と、工程Ｓ０で未処理状態のＧａＮ系半導体１１とに対して、空気中の水蒸気を捕集して水滴を得る性能の評価を行った。
図１３Ａは、未処理のＧａＮ系半導体１１に対して性能評価を行った結果を示す図である。図１３Ｂは、実施の形態１におけるデバイス１に対して性能評価を行った結果を示す図である。
評価試験は、ほぼ無風状態で評価するため、デシケーターを改造した恒温恒湿槽の中で実施した。恒温恒湿槽内の環境は２７℃、８５％ＲＨ一定とし、上記２種類のＧａＮ系半導体１１を２７℃一定で駆動しているペルチェモジュール付き試料台にセットし、そのペルチェモジュール付き試料台のみを２０℃まで冷却した。その後、試料温度がまだ降下途中である１分経過時点で、２種類のＧａＮ系半導体１１の表面をマイクロスコープで観察した。
同じ環境に暴露させているにも関わらず、図１３Ａに示す未処理のＧａＮ系半導体１１からは表面に何も観察されなかったのに対し、図１３Ｂに示すデバイス１では、直径約１０μｍの水滴がＧａＮ系半導体１１の主面１１ａ全面に無数に観察された。これらの結果から、本実施の形態によるデバイス１は、空気中の水蒸気を捕集する性能、及びその水蒸気を水滴へと巨大化させる性能に優れていることがわかる。
実施例３について、図１４から図２０を参照しつつ説明する。実施例３では、ＧａＮ系半導体１１等の試料に少量の水を滴下した後、試料を傾け、水が滑落するか否かを調べた。試料は、滴下される水の量が少なくても水が滑落可能であると、デバイス１等により捕集した水を効率的に回収することができる。
図１４は、試料１１１に滴下された水が滑落する様子を撮像する試験装置１００の模式図である。
試験装置１００は、ＧａＮ系半導体１１等の試料１１１が固定されるベース部１０４と、試料１１１上に水を滴下する水供給部１０２と、試料１１１を傾ける角度調節部１０３と、水が滑落する様子を撮像するカメラ１０１とを備える。
水供給部１０２は、所定量の純水を供給する注射器であり、試料１１１の上に配置され、ベース部１０４に固定されている。水供給部１０２を用いて、例えば、試料１１１上に１μＬから７０μＬの水滴を供給することができる。角度調節部１０３は、ベース部１０４に接続され、ベース部１０４を回転させる部分である。試料１１１は、ベース部１０４とともに回転し、水平に対して所定角度傾けられる。その際、試料１１１上の水滴は、試料１１１の回転にともなって試料１１１上に沿って滑落する。カメラ１０１は、試料１１１上を滑落する水滴の様子を撮像する。なお、カメラ１０１は、ベース部１０４に固定され、ベース部１０４と一体的に回転する構造となっている。ここで、水滴が滑落し始める際の試料１１１の水平に対する傾き角を滑落角αと呼ぶ。
本実施の形態の試料１１１としては、凹凸部の表面改質後のＧａＮ基板（工程Ｓ６後に相当）を用いた。すなわち、本実施の形態の試料１１１としては、ｃ面から０．０５°以上１５°以下の範囲で傾斜した結晶面１２を有し、結晶面１２には凹凸部１５が設けられ、結晶面１２は超親水性を有するＧａＮ系半導体デバイスを用いた。また、比較例の試料１１１としては、工程Ｓ２による改質後のＧａＮ基板を用いた。
まず、図１５Ａから図１６Ｂを参照しつつ、工程Ｓ２改質後のＧａＮ基板（比較例）における水の液量と滑落角αについて説明する。図１５Ａは、工程Ｓ２改質後のＧａＮ基板に２０μＬの水を滴下し、真横から観察した図であり、図１５Ｂは、図１５ＡのＧａＮ基板を４５°傾け、水が滑落する様子を観察した図である。図１６Ａは、工程Ｓ２改質後のＧａＮ基板に１０μＬの水を滴下し、真横から観察した図であり、図１６Ｂは、図１６ＡのＧａＮ基板を９０°傾け、水を観察した図である。
図１５Ａ及び図１５Ｂから、２０μＬの水を滑落させるためには、工程Ｓ２改質後のＧａＮ基板を４５°傾ける必要がある。また、図１６Ａ及び図１６Ｂでは、１０μＬの水を滑落させようとして上記ＧａＮ基板を９０°傾けても、滑落しないことが示されている。これらの図から、工程Ｓ２による改質後のＧａＮ基板では、１０μＬ以下の水を滑落させることは困難であることがわかる。
次に、図１７Ａから図１９Ｂを参照しつつ、凹凸部の表面改質後のＧａＮ基板（工程Ｓ６後に相当）における水の液量と滑落角αについて説明する。図１７Ａは、凹凸部の表面改質後のＧａＮ基板に１０μＬの水を滴下し、真横から観察した図であり、図１７Ｂは、図１７ＡのＧａＮ基板を３°傾け、水が滑落する様子を観察した図である。図１８Ａは、凹凸表面改質後のＧａＮ基板に３μＬの水を滴下し、真横から観察した図であり、図１８Ｂは、図１８ＡのＧａＮ基板を４°傾け、水が滑落する様子を観察した図である。図１９Ａは、凹凸部の表面改質後のＧａＮ基板に１μＬの水を滴下し、真横から観察した図であり、図１９Ｂは、図１９ＡのＧａＮ基板を３６°傾け、水が滑落する様子を観察した図である。
図１７Ａ及び図１７Ｂでは、１０μＬの水を滑落させるために、凹凸部の表面改質後のＧａＮ基板を３°傾ければ滑落することが示されている。また、図１８Ａ及び図１８Ｂでは、３μＬの水を滑落させるために、凹凸部の表面改質後のＧａＮ基板を４°傾ければ滑落することが示されている。また、図１９Ａ及び図１９Ｂでは、１μＬの水を滑落させるために、凹凸部の表面改質後のＧａＮ基板を３６°傾ければ滑落することが示されている。すなわち、凹凸部の表面改質後のＧａＮ基板（工程Ｓ６後に相当）では、１０μＬ以下の少量の水でも、４°以下の小さな滑落角αで水を滑落させることができ、また、１μＬという微少量の水でも、上記ＧａＮ基板を３６°傾ければ、水を滑落させることができる。
このような、水の液量と滑落に関する観察を複数の試料について行った。図２０は、複数の試料１１１それぞれにおける水の液量と滑落角の関係を示す図である。
本実施の形態の試料１１１としては、上記と同様に、凹凸部の表面改質後のＧａＮ基板（工程Ｓ６後に相当）を用いた。また、比較例の試料１１１としては、工程Ｓ２による改質後のＧａＮ基板と、その他に、凹凸部の表面改質前のＧａＮ基板（工程Ｓ４後に相当）、スライドガラス、及び、疎水コーティングしたＧａＮ基板を用いた。なお、凹凸部の表面改質後のＧａＮ基板の接触角は４．７°、工程Ｓ２による改質後のＧａＮ基板の接触角は４．２°、凹凸部の表面改質前のＧａＮ基板の接触角は１１８°、スライドガラスの接触角は３３°、疎水コーティングしたＧａＮ基板の接触角は１１２°である。図２０において、凹凸部の表面改質後のＧａＮ基板の結果をひし形、工程Ｓ２による改質後のＧａＮ基板の結果を×字形、凹凸部の表面改質前のＧａＮ基板の結果を四角形、スライドガラスの結果を三角形、疎水コーティングしたＧａＮ基板の結果を白丸でそれぞれ示す。
図２０に示すように、スライドガラスでは、３０μＬの水を滑落させるために４０°以上の滑落角αが必要であった。また、疎水コーティングしたＧａＮ基板では、３０μＬの水を滑落させるために７０°以上の滑落角αが必要であった。また、凹凸部の表面改質前のＧａＮ基板では、２０μＬの水を滑落させるために６０°以上の滑落角αが必要であった。また、前述のように、工程Ｓ２改質後のＧａＮ基板では、２０μＬの水を滑落させるために４５°の滑落角αが必要であり、１０μＬの水を滑落させることができなかった（図１６Ｂ参照）。これら図２０及び図１５Ａから図１６Ｂより、比較例の試料１１１では、１０μＬ以下の水を滑落させることが困難であること考えられる。
それに対し、本実施の形態の試料１１１である凹凸部の表面改質後のＧａＮ基板は、以下に示すような滑落性を有する。図２０に示すように、凹凸部の表面改質後のＧａＮ基板では、試料１１１上に滴下された１０μＬの水が、滑落角１５°以上で滑落している。また、５μＬの水が、滑落角１０°以上で滑落し、１μＬの水が、滑落角５０°以上で滑落している。なお、図２０にて、凹凸部の表面改質後のＧａＮ基板に関して２つの異なる曲線データが示されているが、この違いは試料１１１に滴下された水滴の位置の違いに起因するものである。
一般的に、試料１１１から水を分離するためには、試料１１１が疎水性または撥水性を有することが好ましいと考えられているが、図２０に示すように、１０μＬ以下の少量の水を滑落させることは、疎水性を有する試料１１１でも困難である。それに対し、上記試験により、試料１１１の結晶面１２が凹凸表面を有し、かつ、少なくとも親水性を有する場合は、１０μＬ以下の少量の水であっても滑落可能であることがわかった。
すなわち、凹凸部の表面改質後のＧａＮ基板である本実施の形態のＧａＮ系半導体デバイスは、ｃ面に対して傾斜した結晶面１２を有し、結晶面１２は親水性であり、結晶面１２に１０μＬの水を滴下して結晶面１２を水平に対して１５°以上傾かせた場合に、水が滑落する凹凸表面を有していることになる。このＧａＮ半導体デバイスをデバイス１として用いた場合、少量の水であってもデバイス１を傾けることで、水を滑落させることができる。これにより、デバイス１により捕集した水を効率的に回収することができる。
なお、このＧａＮ系半導体デバイスは、デバイス１に限らず、例えば、湿度制御用の建築壁材、または、熱交換器内のフィンとしても利用することができる。
（他の実施の形態）
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態１、２、３、４を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、適宜、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用可能である。また、上記実施の形態１、２、３、４で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。
そこで、以下、他の実施の形態を例示する。
図２１は、他の実施の形態におけるデバイスの製造方法の一例を示すフローチャートである。この実施の形態では、工程Ｓ１から工程Ｓ３をフォトリソグラフィー工程Ｓ１１に置き換えている。このフォトリソグラフィー工程Ｓ１１では、ＧａＮ系半導体１１の結晶面１２が超親水性に改質され、改質された結晶面１２上にマスク用レジストが形成される。そして、マスク用レジストが形成された結晶面１２をドライエッチングによりエッチングして凹凸部１５を形成（工程Ｓ４）し、その後、有機洗浄し（工程Ｓ５）、その後、紫外線を照射する（工程Ｓ６）ことで、デバイス１を作製することが可能である。
また、実施の形態１では、紫外線照射（工程Ｓ２及び工程Ｓ６）の前に、有機洗浄（工程Ｓ１及び工程Ｓ５）が設けられているが、有機洗浄工程は不可欠な工程ではなく、省略することが可能である。例えば、工程Ｓ２又は工程Ｓ６における紫外線照射の時間を長くする、活性化した酸素の濃度を高める、紫外線の波長を短くする、あるいは、紫外線の出力を高めるなどの手法で、表面改質を進行させることもできる。
また、有機洗浄工程Ｓ１、紫外線照射工程Ｓ２及び粒子を配置する工程Ｓ３は、デバイス１の製造方法において不可欠の工程ではない。例えば、ドライエッチングにより結晶面１２を選択的にエッチングし、凹凸を形成することができれば、工程Ｓ１、Ｓ２及び工程Ｓ３を省略することが可能である。
以上のように、本開示における技術の例示として、実施の形態を説明した。そのために、添付図面及び詳細な説明を提供した。
したがって、添付図面及び詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、上記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面または詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。
また、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲又はその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。
本開示の一態様に係るデバイスは、例えば、水蒸気を捕集するデバイスとして利用可能である。また、本開示の他の一態様に係るデバイスは、湿度制御用の建築壁材として有用である。また、本開示の他の一態様に係るデバイスを熱交換器として利用することもできる。
１ デバイス
１１ ＧａＮ系半導体
１１ａ 基板の主面
１２ 結晶面
１５ 凹凸部
１５ａ 凹凸部の表面
４２、４２ａ ＧａＮ系半導体清浄層
４３、４３ａ 終端層
５１、５１ａ 有機洗浄層
６１、６１ａ 表面改質層
７１ コロイド粒子
ｖ 水蒸気

Claims (15)

  1. ｃ面から０．０５°以上１５°以下の範囲で傾斜した結晶面を有し、かつ窒化ガリウムを含む半導体基板を備え、
    前記半導体基板は、前記結晶面に凹凸部を有し、
    前記凹凸部の表面の、比抵抗が１８ＭΩ・ｃｍ以上の純水に対する接触角が１０°以下である、
    デバイス。
  2. 前記結晶面の粗さ曲線要素の平均長さが、０．８μｍ以上１０００μｍ以下である、
    請求項１に記載のデバイス。
  3. 前記結晶面の算術平均粗さは、１０ｎｍ以上８００ｎｍ以下である、
    請求項１に記載のデバイス。
  4. 前記結晶面は、ｃ面から０．４°傾斜している、
    請求項１から３のいずれかに記載のデバイス。
  5. 前記半導体基板は、ＧａＮ基板である、
    請求項１から４のいずれかに記載のデバイス。
  6. ｃ面に対して傾斜した結晶面を有し、かつ窒化ガリウムを含む半導体基板を準備する工程と、
    前記結晶面の少なくとも一部をドライエッチングによりエッチングして、前記結晶面に凹凸部を形成する工程と、
    前記凹凸部の表面を改質する工程と、
    を含む、デバイスの製造方法。
  7. 前記凹凸部の前記表面を改質する工程は、
    酸素原子もしくは酸素分子を含むガス、又は酸素原子もしくは酸素分子を含む液体に、前記結晶面の前記少なくとも一部を暴露した状態で、前記結晶面の前記少なくとも一部に紫外線を照射する工程を含む、
    請求項６に記載のデバイスの製造方法。
  8. 前記凹凸部の前記表面を改質する工程は、
    前記結晶面の前記少なくとも一部に紫外線を照射する工程の前に、前記結晶面の前記少なくとも一部を有機溶媒により洗浄する工程をさらに含む、
    請求項７に記載のデバイスの製造方法。
  9. 前記凹凸部を形成する工程の前に、
    前記結晶面を改質する工程と、
    前記改質された結晶面に複数の粒子を配置する工程と、
    をさらに含む、
    請求項６から８のいずれかに記載のデバイスの製造方法。
  10. 前記結晶面を改質する工程は、
    酸素原子もしくは酸素分子を含むガス、又は酸素原子もしくは酸素分子を含む液体に、前記結晶面を暴露した状態で、前記結晶面に紫外線を照射する工程を含む、
    請求項９に記載のデバイスの製造方法。
  11. 前記結晶面を改質する工程は、
    前記結晶面に紫外線を照射する工程の前に、前記結晶面を有機溶媒により洗浄する工程をさらに含む、
    請求項１０に記載のデバイスの製造方法。
  12. 前記結晶面は、ｃ面から０．０５°以上１５°以下の範囲で傾斜している、
    請求項６から１１のいずれかに記載のデバイスの製造方法。
  13. ｃ面から傾斜した結晶面を有し、かつ窒化ガリウムを含む半導体基板を備え、
    前記半導体基板は、前記結晶面に凹凸部を有し、
    前記凹凸部の表面の、比抵抗が１８ＭΩ・ｃｍ以上の純水に対する接触角が１０°以下であり、
    前記表面は、前記表面に１０μＬの純水の水滴を滴下し、前記結晶面を水平に対して１５°以上傾けた場合に、前記水滴が前記表面から滑落する特性を有する、
    デバイス。
  14. 前記純水の全有機体炭素値が５ｐｐｂ以下である、
    請求項１から５のいずれかに記載のデバイス。
  15. 前記純水の全有機体炭素値が５ｐｐｂ以下である、
    請求項１３に記載のデバイス。
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