JP6256598B2 - 光合成装置 - Google Patents
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Description
本発明は、光合成装置に関するものである。
現在、温室効果ガスである二酸化炭素（ＣＯ２）は、年に２ｐｐｍのペースで増加しており、地球温暖化は深刻な状況にあるとされている。このまま二酸化炭素の濃度が増え続けると、西暦２０５０年には、１５％〜３４％の生物種が絶滅することが予測されている。このような地球温暖化に影響を及ぼす二酸化炭素の増加は、主に、北米、ＥＵ、日本等の先進国及び中国等において発生しており、二酸化炭素を大量に発生させている国の責任は、重いとされている。このような状況においては、二酸化炭素の排出量の低減を行うとともに、排出された二酸化炭素を吸収するためには、地球の陸地の１／３程度の面積を緑化しないと、２０５０年までに、二酸化炭素の濃度を現状のレベルまでにすることは困難とされている。
この問題を解決する方法として、人工光合成が期待されている。図１は、このような人工光合成を行うための光合成装置である人工光合成システムを示す。この人工光合成システムは、二酸化炭素を含む水９１０の入れられた水槽９２０内に、Ｈ２Ｏ酸化電極９３０とＣＯ２還元電極９４０とが設置されており、Ｈ２Ｏ酸化電極９３０とＣＯ２還元電極９４０との間にはプロトン隔壁膜９５０が設けられている。Ｈ２Ｏ酸化電極９３０及びＣＯ２還元電極９４０に、太陽光等の光を照射することにより、Ｈ２Ｏ酸化電極９３０において、Ｈ２ＯよりＯ２とＨ＋（水素イオン）が生成される。生成されたＨ＋は、プロトン隔壁膜０５０を通り、ＣＯ２還元電極９４０において、ＣＯ２と反応してギ酸（ＨＣＯＯＨ）が生成される。尚、ＣＯ２還元電極９４０において、ＣＯ２を還元するためには、高エネルギーの電子が必要となるため、ＣＯ２還元電極９４０における伝導帯は、Ｈ２Ｏ酸化電極９３０における伝導帯よりも高くなる材料により形成されていることが必須となる。
例えば、非特許文献１においては、Ｈ２Ｏ酸化電極９３０が白金担持二酸化チタン（ＴｉＯ２／Ｐｔ）、ＣＯ２還元電極９４０がＩｎＰ、ＧａＰ、窒素ドープＴａ２Ｏ５等のｐ型半導体材料とルテニウム複合ポリマーにより形成されているものが開示されている。また、プロトン隔壁膜９５０は、Nafion117（DuPont社製）により形成されている。一方、非特許文献２においては、Ｈ２Ｏ酸化電極９３０をＮｉＯ／ＡｌＧａＮ／ｎ＋−ＧａＮ、ＣＯ２還元電極９４０をＣｕプレートにより形成されているものが開示されている。この場合、ＣＯ２還元電極９４０自身は光により励起されないが、Ｈ２Ｏ酸化電極９３０において光励起された電子が、ＣＯ２還元電極９４０に輸送される仕組みとなっている。
Sato他 J. Am. Chem. Soc. 133 (2011) 15240-15243.
Yotsuhashi他 Appl. Phys. Lett. 100 (2012) 243904.
しかしながら、図１に示される人工光合成システムでは、照射される太陽光等の光が水槽９２０のガラスや水槽９２０内に入れられている水９１０により吸収され、光の強度が減衰し、効率が悪いという問題があった。また、図１に示される人工光合成システムは、重量が重く、面積当たりの効率も低く、設置場所も限定される等の問題があった。
図２（ａ）に示されるように、図１に示される人工光合成システムにおける水槽９２０を複数設置した場合について考える。水槽９２０は厚さが１０ｍｍのガラスにより形成されており、水が入れられる内側の幅が７２．５ｍｍとなるように形成されており、Ｈ２Ｏ酸化電極９３０及びＣＯ２還元電極９４０は水槽９２０の壁から１０ｍｍ離れた位置に配置されている。よって、Ｈ２Ｏ酸化電極９３０とＣＯ２還元電極９４０との間隔は、約５２．５ｍｍとなるように配置されている。
水槽９２０の中央におけるＨ２Ｏ酸化電極９３０とＣＯ２還元電極９４０との間には、プロトン隔壁膜９５０が形成されている。複数の水槽９２０は、隣接する水槽９２０において水が入れられている領域の間隔が、約５２．５ｍｍとなるように設置されており、水槽９２０と水槽９２０との間は空間になっている。Ｈ２Ｏ酸化電極９３０及びＣＯ２還元電極９４０は、３インチウェハにより形成されており、５５°の角度で太陽光が入射した場合であっても、Ｈ２Ｏ酸化電極９３０及びＣＯ２還元電極９４０が相互の影にならないように配置されている。
図２（ｂ）は、光の波長と水の透過率との関係を示すものであり、具体的には、光の波長と、厚さ１０ｍｍの石英ガラスと１０ｍｍの水を透過した光の透過率及び厚さ１０ｍｍの石英ガラスと１００ｍｍの水を透過した光の透過率との関係を示すものである。図２（ｂ）に示されるように、光の波長が０．７μｍよりも長波長領域においては、急激に透過率が低下している。尚、図２（ｃ）は、太陽光スペクトルであり、地上で検出される太陽光の波長と強度の関係を示す。
図２（ｂ）に基づき、図２（ａ）に示すように水槽９２０を配置した場合において、波長が０．３μｍ〜１．１μｍの光が、５５°の角度で入射した場合におけるＨ２Ｏ酸化電極９３０及びＣＯ２還元電極９４０に到達する光の強度を計算した。この結果、Ｈ２Ｏ酸化電極９３０の受光領域においては４６％まで光が減衰し、ＣＯ２還元電極９４０においては３５％〜５０％まで光が減衰し、平均で約４４％まで光が減衰する。更に、Ｈ２Ｏ酸化電極９３０及びＣＯ２還元電極９４０の大きさが大きくなると、Ｈ２Ｏ酸化電極９３０及びＣＯ２還元電極９４０の水槽９２０の底面の近傍の領域に到達する光は更に減衰し、水槽９２０を配置する間隔も広くする必要がある。よって、図１に示される構造の人工光合成システムにおいては、設置面積が広くなってしまう。
このため、人工光合成を行う光合成装置において、太陽光を効率よく用いることができ、設置面積を狭くすることのできる光合成装置が求められている。
本実施の形態の一観点によれば、半導体基板に形成された溝部と、前記半導体基板において、前記溝部の一方の側面に形成された第１の導電型領域と、前記半導体基板において、前記溝部の他方の側面に形成された第２の導電型領域と、前記溝部の一方の側面における前記第１の導電型領域に接して形成された酸化電極と、前記溝部の他方の側面における前記第２の導電型領域に接して形成された還元電極と、前記溝部の中央部分に形成されるプロトン隔壁膜と、を有し、前記酸化電極及び前記還元電極は、前記溝部の深さと同じ高さで形成されており、前記溝部には二酸化炭素の含まれた水が供給されており、前記酸化電極または前記還元電極に光を照射することにより、前記酸化電極において、水より酸素と水素イオンが生成され、生成された水素イオンは、前記プロトン隔壁膜を透過し、前記還元電極において、二酸化炭素と反応してギ酸を生成することを特徴とする。
開示の光合成装置によれば、人工光合成を行う光合成装置において、太陽光を効率よく用いることができ、設置面積を狭くすることができる。
実施するための形態について、以下に説明する。尚、同じ部材等については、同一の符号を付して説明を省略する。
〔第１の実施の形態〕
ところで、図２（ｃ）に示されるように、太陽光スペクトルでは、波長が０．３μｍ〜１．１μｍの光の強度が高い。この波長領域は、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＧａＮ等の半導体材料のバンドギャップと一致する領域であるため、これらの半導体材料を用いて光合成装置を作製することが可能である。
ところで、図２（ｃ）に示されるように、太陽光スペクトルでは、波長が０．３μｍ〜１．１μｍの光の強度が高い。この波長領域は、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＧａＮ等の半導体材料のバンドギャップと一致する領域であるため、これらの半導体材料を用いて光合成装置を作製することが可能である。
（光合成装置）
次に、本実施の形態における光合成装置について、図３に基づき説明する。図３は、本実施の形態における光合成装置の断面図である。本実施の形態における光合成装置は、Ｓｉ（シリコン）により形成された半導体基板１０の表面に、溝部２０が形成されている。溝部２０には、二酸化炭素を含む水１００が供給されており、溝部２０は、二酸化炭素を含む水１００を流す流路となるマイクロチャネル水槽となっている。本実施の形態においては、溝部２０は、幅が約９５μｍ、深さが約１０μｍとなる溝により形成されている。溝部２０は、溝部２０の底面と両側の側面２０ａ、２０ｂに囲まれた領域であり、溝部２０における一方の側面２０ａと他方の側面２０ｂは対向している。
次に、本実施の形態における光合成装置について、図３に基づき説明する。図３は、本実施の形態における光合成装置の断面図である。本実施の形態における光合成装置は、Ｓｉ（シリコン）により形成された半導体基板１０の表面に、溝部２０が形成されている。溝部２０には、二酸化炭素を含む水１００が供給されており、溝部２０は、二酸化炭素を含む水１００を流す流路となるマイクロチャネル水槽となっている。本実施の形態においては、溝部２０は、幅が約９５μｍ、深さが約１０μｍとなる溝により形成されている。溝部２０は、溝部２０の底面と両側の側面２０ａ、２０ｂに囲まれた領域であり、溝部２０における一方の側面２０ａと他方の側面２０ｂは対向している。
溝部２０における一方の側面２０ａには、半導体材料にｎ型となる不純物元素であるＰ（リン）をドープすることにより、ｎ型領域１１が形成されており、溝部２０の一方の側面２０ａにおけるｎ型領域１１に接してＨ２Ｏ酸化電極３０が形成されている。溝部２０における他方の側面２０ｂには、半導体材料にｐ型となる不純物元素であるＡｌ（アルミニウム）をドープすることにより、ｐ型領域１２が形成されており、溝部２０の他方の側面２０ｂにおけるｐ型領域１２に接してＣＯ２還元電極４０が形成されている。尚、ｎ型領域１１の上には一方の配線電極６０ａが形成されており、ｐ型領域１２の上には他方の配線電極６０ｂが形成されている。
プロトン隔壁膜５０は、プロトンを透過する膜であり、溝部２０の中央部分に形成されており、Ｈ２Ｏ酸化電極３０とＣＯ２還元電極４０との間に、溝部２０に沿って溝部２０を２分するように形成されている。従って、プロトン隔壁膜５０は、二酸化炭素を含む水１００が流れる方向に沿って形成されている。また、溝部２０には、溝部２０を覆うように表面カバー膜７０が形成されており、溝部２０に供給される二酸化炭素を含む水１００は、表面カバー膜７０に覆われている溝部２０を流れる。尚、Ｈ２Ｏ酸化電極３０またはＣＯ２還元電極４０のうちのいずれか一方には、太陽光等の光が照射されるように形成されている。
本実施の形態における光合成装置においては、Ｈ２Ｏ酸化電極３０に、太陽光等の光を照射することにより、Ｈ２Ｏ酸化電極３０において、Ｈ２ＯからＯ２とＨ＋（水素イオン）生成される。生成されたＨ＋は、プロトン隔壁膜５０を通り、ＣＯ２還元電極４０において、ＣＯ２と反応してギ酸（ＨＣＯＯＨ）が生成される。
図４は、半導体基板１０であるＳｉの３インチウェハの表面に、本実施の形態における光合成装置を形成するための溝部２０を複数形成した構造のものである。図４に示される光合成装置においては、半導体基板１０の表面に形成される溝部２０は、溝部２０が形成される領域と形成されない領域とが、１：１になるように形成されている。尚、図４に示される光合成装置においては、ｎ型領域１１、ｐ型領域１２、一方の配線電極６０ａ、他方の配線電極６０ｂ等は省略されている。
本実施の形態における光合成装置は、太陽光等の光が半導体基板１０の表面照射されるが、太陽光等の光は、減衰することなく、半導体基板１０の表面に１００％の強度で到達する。しかしながら、図４に示されるように、半導体基板１０における太陽光等の光の受光面は、約半分となるため、受光率としては実質的には５０％となる。従って、本実施の形態における光合成装置においては、複数の光合成装置が形成されている半導体基板１０を密に並べて配置した場合であっても、相互に太陽光等の光を遮ることはなく、高密度に配置することが可能である。また、本実施の形態における光合成装置は、薄く、軽量であるため、設置場所の選択肢を広げることができる。
図５（ａ）に基づき、図１に示す構造の光合成装置及び図３に示す構造の本実施の形態における光合成装置における受光率について説明する。前述したように、図１に示す構造の光合成装置においては、Ｈ２Ｏ酸化電極９３０及びＣＯ２還元電極９４０を３インチウェハにより形成した場合の受光率は約４４％である。これに対し、図３に示す構造の本実施の形態における光合成装置においては、Ｓｉの３インチウェハに複数の溝部２０を形成した場合の受光率は約５０％である。従って、図３に示す構造の本実施の形態における光合成装置は、図１に示す構造の光合成装置に比べて、受光率を約６％向上させることができる。
次に、図５（ｂ）に基づき、図１に示す構造の光合成装置と図３に示す構造の本実施の形態における光合成装置における長さについて説明する。前述したように、図１に示す構造の光合成装置において、複数の水槽９２０を設置する場合、水槽９２０同士を所定の間隔以上の間隔で設置しないと、Ｈ２Ｏ酸化電極９３０及びＣＯ２還元電極９４０が相互に影となり、効率が低下してしまう。例えば、太陽光等の光が５５°の角度で入射した場合において、Ｈ２Ｏ酸化電極９３０及びＣＯ２還元電極９４０が相互に影となることなく、一列に水槽９２０を１００機設置した場合の長さは、約１２．５ｍとなる。これに対し、図３に示す構造の本実施の形態における光合成装置においては、３インチウェハに形成されているものを一列に１００枚設置した場合の長さは、約７．５ｍとなる。よって、図３に示す構造の本実施の形態における光合成装置は、図１に示す構造の光合成装置よりも、複数の光合成装置を設置した場合の長さを約４０％短くすることができ、光合成装置を高密度に設置することができる。
（光合成装置の製造方法）
次に、本実施の形態における光合成装置の製造方法について、図６〜図１６に基づき説明する。本実施の形態における光合成装置は、ｐｎ接合型の光合成装置である。
次に、本実施の形態における光合成装置の製造方法について、図６〜図１６に基づき説明する。本実施の形態における光合成装置は、ｐｎ接合型の光合成装置である。
最初に、図６（ａ）に示すように、Ｓｉにより形成された半導体基板１０の上に、溝部２０が形成される領域に開口部８１ａを有するレジストパターン８１を形成する。具体的には、半導体基板１０の表面にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、溝部２０が形成される領域に開口部８１ａを有するレジストパターン８１を形成する。この際、溝部２０の中央部分において、後述するプロトン隔壁膜５０を支持するためのプロトン隔壁支持部５１が形成される領域の上にも、レジストパターン８１を形成する。
次に、図６（ｂ）に示すように、レジストパターン８１の開口部８１ａにおける半導体基板１０の一部を除去することにより、溝部２０を形成する。具体的には、レジストパターン８１の開口部８１ａにおける半導体基板１０の一部をＲＩＥ（Reactive Ion Etching）等により除去することにより、溝部２０を形成する。この際、このように形成された溝部２０の中央部分には、溝部２０に沿ってプロトン隔壁膜５０を支持するためのプロトン隔壁支持部５１も形成される。このように形成される溝部２０は、幅Ｗ１が９５μｍ、深さＤ１が１０μｍである。また、プロトン隔壁支持部５１は、溝部２０の中央部分に、幅Ｗ２が１０μｍで、溝部２０に沿って形成されている。隣接するプロトン隔壁支持部５１は、プロトン隔壁支持部５１における溝部２０に沿った方向の長さは３０μｍであり、隣接するプロトン隔壁支持部５１同士の間隔が１０μｍとなるように形成されている。
次に、図７（ａ）に示すように、レジストパターン８１を有機溶剤等により除去した後、半導体基板１０において、ｎ型領域１１が形成される部分に開口部８２ａを有するレジストパターン８２を形成し、開口部８２ａにおける半導体基板にＰをイオン注入する。具体的には、レジストパターン８１を有機溶剤等により除去した後、再びフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、半導体基板１０において、ｎ型領域１１が形成される部分に開口部８２ａを有するレジストパターン８２を形成する。この後、レジストパターン８２の開口部８２ａにおける半導体基板１０に、ｎ型となる不純物元素であるＰをイオン注入する。本実施の形態においては、溝部２０の一方の側面２０ａの全体においてｎ型領域１１が形成されるように、半導体基板１０にＰをイオン注入する際には、斜め方向よりイオン注入する。
次に、図７（ｂ）に示すように、レジストパターン８２を有機溶剤等により除去した後、半導体基板１０において、ｐ型領域１２が形成される部分に開口部８３ａを有するレジストパターン８３を形成し、開口部８３ａにおける半導体基板にＡｌをイオン注入する。具体的には、レジストパターン８２を有機溶剤等により除去した後、再びフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、半導体基板１０において、ｐ型領域１２が形成される部分に開口部８３ａを有するレジストパターン８３を形成する。この後、レジストパターン８３の開口部８３ａにおける半導体基板１０に、ｐ型となる不純物元素であるＡｌをイオン注入する。本実施の形態においては、溝部２０の他方の側面２０ｂの全体においてｐ型領域１２が形成されるように、半導体基板１０にＡｌをイオン注入する際には、斜め方向よりイオン注入する。
次に、図８に示すように、レジストパターン８３を除去し活性化アニールを行うことにより、ｎ型領域１１及びｐ型領域１２を活性化させる。これにより、半導体基板１０に溝部２０が形成され、溝部２０の一方の側面２０ａにはｎ型領域１１が形成され、他方の側面２０ｂにはｐ型領域１２が形成される。また、溝部２０の中央部分には、溝部２０に沿って、プロトン隔壁支持部５１が形成される。尚、図８（ａ）は、この工程における上面図であり、図８（ｂ）は、図８（ａ）における一点鎖線８Ａ−８Ｂにおいて切断した断面図である。
次に、図９（ａ）に示すように、配線電極６０ａ、６０ｂが形成される領域に開口部８４ａを有するレジストパターン８４を形成した後、真空蒸着によりＡｌ膜６０ｆを成膜する。具体的には、溝部２０が形成されている面にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、配線電極６０ａ、６０ｂが形成される領域に開口部８４ａを有するレジストパターン８４を形成する。この後、真空蒸着によりＡｌ膜６０ｆを成膜する。
次に、図９（ｂ）に示すように、有機溶剤等に浸漬させることにより、レジストパターン８４の上に成膜されているＡｌ膜６０ｆをレジストパターン８４とともにリフトオフにより除去する。これにより、レジストパターン８４の開口部８４ａにおいて残存するＡｌ膜６０ｆにより配線電極６０ａ、６０ｂが形成される。配線電極６０ａ、６０ｂは、隣接するｎ型領域１１とｐ型領域１２とを接続するように、隣接するｎ型領域１１とｐ型領域１２との上に一体に形成してもよい。
次に、図１０（ａ）に示すように、Ｈ２Ｏ酸化電極３０が形成される領域に開口部８５ａを有するレジストパターン８５を形成した後、スパッタリングによりＴｉＯ２／Ｐｔ膜３０ｆを成膜する。具体的には、溝部２０が形成されている面にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、Ｈ２Ｏ酸化電極３０が形成される領域に開口部８５ａを有するレジストパターン８５を形成する。この後、スパッタリングによりＴｉＯ２／Ｐｔ膜３０ｆを成膜する。
次に、図１０（ｂ）に示すように、リフトオフによってＴｉＯ２／Ｐｔ膜３０ｆによりＨ２Ｏ酸化電極３０を形成し、ＣＯ２還元電極４０が形成される領域に開口部８６ａを有するレジストパターン８６を形成した後、スパッタリングによりＣｕ膜４０ｆを成膜する。具体的には、ＴｉＯ２／Ｐｔ膜３０ｆが成膜されたものを有機溶剤等に浸漬させることにより、レジストパターン８５の上に成膜されたＴｉＯ２／Ｐｔ膜３０ｆをレジストパターン８５とともにリフトオフにより除去する。これにより、残存するＴｉＯ２／Ｐｔ膜３０ｆにより、Ｈ２Ｏ酸化電極３０が形成される。このように形成されるＨ２Ｏ酸化電極３０は、溝部２０の一方の側面２０ａにおいて、ｎ型領域１１と接するように形成される。この後、再び溝部２０が形成されている面にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、ＣＯ２還元電極４０が形成される領域に開口部８６ａを有するレジストパターン８６を形成する。この後、スパッタリングによりＣｕ膜４０ｆを成膜する。
次に、図１１（ａ）に示すように、有機溶剤等に浸漬させることにより、レジストパターン８６の上に成膜されたＣｕ膜４０ｆをレジストパターン８６とともにリフトオフにより除去する。これにより、残存するＣｕ膜４０ｆにより、ＣＯ２還元電極４０が形成される。このように形成されるＣＯ２還元電極４０は、溝部２０の他方の側面２０ｂにおいて、ｐ型領域１２と接するように形成される。
次に、図１１（ｂ）に示すように、溝部２０が形成されている面に、スプレーコーティング等による塗布とキュアを繰り返し行うことにより、プロトン隔壁膜５０を成膜する。このように、プロトン隔壁膜５０を成膜することにより、隣接するプロトン隔壁支持部５１とプロトン隔壁支持部５１との間は、プロトン隔壁膜５０により埋められる。プロトン隔壁膜５０を形成する材料としては、ＳｉＯ２−Ｐ２Ｏ５やNafion117（DuPont社製）等を用いることができる。また、プロトン隔壁膜５０の成膜方法は、スプレーコーティング以外の方法であってもよく、例えば、ＣＶＤ（chemical vapor deposition）等であってもよい。
次に、図１２（ａ）に示すように、プロトン隔壁支持部５１の上、及びプロトン隔壁支持部５１とプロトン隔壁支持部５１との間のプロトン隔壁膜５０の上に、レジストパターン８７を形成する。具体的には、プロトン隔壁膜５０の上にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行う。これにより、プロトン隔壁支持部５１の上、及びプロトン隔壁支持部５１とプロトン隔壁支持部５１との間のプロトン隔壁膜５０の上に、レジストパターン８７を形成する。
次に、図１２（ｂ）に示すように、レジストパターン８７が形成されていない領域におけるプロトン隔壁膜５０をＲＩＥ等により除去する。これにより、Ｈ２Ｏ酸化電極３０及びＣＯ２還元電極４０の表面を露出させる。
次に、図１３に示すように、レジストパターン８７を有機溶剤等により除去する。これにより、プロトン隔壁支持部５１とプロトン隔壁支持部５１との間、及び、プロトン隔壁支持部５１の周囲においてプロトン隔壁膜５０が形成される。尚、図１３（ａ）は、この工程における上面図であり、図１３（ｂ）は、図１３（ａ）における一点鎖線１３Ａ−１３Ｂにおいて切断した断面図である。
次に、図１４（ａ）に示すように、溶解性ポリマー８８をスピンコート等により塗布することにより、溝部２０を溶解性ポリマー８８により埋める。溶解性ポリマー８８としては、ＰＭＧＩ（Polymethylglutarimide）、ＰＶＡ（polyvinyl alcohol）等を用いてもよい。
次に、図１４（ｂ）に示すように、酸素アッシングに半導体基板１０の表面が露出するまで、エッチバックすることにより、溶解性ポリマー８８の一部を除去する。
次に、図１５（ａ）に示すように、半導体基板１０及び溶解性ポリマー８８の上に、表面カバー膜７０を形成する。表面カバー膜７０は、ＳｉＯ２膜、ＳｉＮ膜、シリカ系ポーラス膜により形成されており、スピンコートによる塗布とキュアを繰り返し行う方法、または、ＣＶＤにより形成する。
次に、図１５（ｂ）に示すように、残存している溶解性ポリマー８８を溶解することにより除去する。具体的には、溶解性ポリマー８８がＰＭＧＩにより形成されている場合には、ピロリドン等の有機溶剤により、ＰＶＡにより形成されている場合には、温水により溶かし除去する。これにより本実施の形態における光合成装置が作製される。
このように作製された本実施の形態における光合成装置は、図１６に示されるように、半導体基板１０に形成された溝部２０に、二酸化炭素を含む水１００を供給し流し、太陽光等の光を照射することにより、光合成装置として機能させることができる。尚、図１６（ａ）は、本実施の形態における光合成装置における表面カバー膜７０を透過した上面図であり、図１６（ｂ）は、図１６（ａ）における一点鎖線１６Ａ−１６Ｂにおいて切断した断面図である。
〔第２の実施の形態〕
次に、第２の実施の形態について説明する。ところで、第１の実施の形態における光合成装置は、半導体材料としてＳｉを用いたが、太陽電池等と同様に、Ｓｉは間接遷移型半導体のため太陽光エネルギー変換効率が悪い。これに対し、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮ等の直接遷移型半導体は、太陽光エネルギー変換効率が、Ｓｉよりも優れている。半導体材料としてＳｉを用いた場合には、ｐｎ接合を形成する際にイオン注入を用いたが、半導体材料としてＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮ等を用いる場合には、再成長によりｐｎ接合を形成する。
次に、第２の実施の形態について説明する。ところで、第１の実施の形態における光合成装置は、半導体材料としてＳｉを用いたが、太陽電池等と同様に、Ｓｉは間接遷移型半導体のため太陽光エネルギー変換効率が悪い。これに対し、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮ等の直接遷移型半導体は、太陽光エネルギー変換効率が、Ｓｉよりも優れている。半導体材料としてＳｉを用いた場合には、ｐｎ接合を形成する際にイオン注入を用いたが、半導体材料としてＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮ等を用いる場合には、再成長によりｐｎ接合を形成する。
（光合成装置の製造方法）
次に、本実施の形態における光合成装置の製造方法について、図１７〜図２４に基づき説明する。本実施の形態における光合成装置は、一例として、半導体材料としてＧａＮを用いたｐｎ接合型の光合成装置である。
次に、本実施の形態における光合成装置の製造方法について、図１７〜図２４に基づき説明する。本実施の形態における光合成装置は、一例として、半導体材料としてＧａＮを用いたｐｎ接合型の光合成装置である。
最初に、図１７（ａ）に示すように、Ｓｉにより形成された半導体基板１１０の上に、ＧａＮ層１１１、ｐ−ＧａＮ層１１２をエピタキシャル成長させることにより順次積層して形成する。エピタキシャル成長法としては、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属気相成長）またはＰＡＭＢＥ（Plasma assisted molecular beam epitaxy：プラズマアシスト分子線エピタキシー）等が挙げられる。本実施の形態においては、形成されるＧａＮ層１１１の膜厚は約１μｍであり、ｐ−ＧａＮ層１１２の膜厚は約１０μｍである。
次に、図１７（ｂ）に示すように、ｐ−ＧａＮ層１１２の上に、ハードマスク１８１を形成する。このハードマスク１８１は、ＳｉＮにより形成されており、ｐ−ＧａＮ領域としてｐ−ＧａＮ層１１２が残る領域の上に形成される。具体的には、ｐ−ＧａＮ層１１２の上に、プラズマＣＶＤによりＳｉＮ膜を成膜し、成膜されたＳｉＮ膜の上にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行う。これにより、ハードマスク１８１が形成される領域の上に、不図示のレジストパターンを形成する。この後、不図示のレジストパターンが形成されていない領域におけるＳｉＮ膜をドライエッチングにより除去することにより、ＳｉＮからなるハードマスク１８１を形成する。この後、不図示のレジストパターンは、有機溶剤等により除去する。
次に、図１８（ａ）に示すように、ハードマスク１８１が形成されていない領域におけるｐ−ＧａＮ層１１２をＲＩＥ等により除去し、ＧａＮ層１１１の表面を露出させることにより、開口部１１２ａを形成する。
次に、図１８（ｂ）に示すように、ｐ−ＧａＮ層１１２の開口部１１２ａにおけるＧａＮ層１１１の上に、ｎ−ＧａＮをエピタキシャル成長させることによりｎ−ＧａＮ層１１３を形成する。ｎ−ＧａＮ層１１３を形成する際のエピタキシャル成長させる方法としては、ＭＯＣＶＤまたはＰＡＭＢＥ等が挙げられる。尚、ＳｉＮにより形成されているハードマスク１８１は、アモルファスであるため、ＳｉＮにより形成されたハードマスク１８１の上に、ｎ−ＧａＮが堆積することはない。
次に、図１９（ａ）に示すように、ハードマスク１８１を除去した後、ｐ−ＧａＮ層１１２及びｎ−ＧａＮ層１１３の上に、溝部１２０が形成される領域に開口部１８２ａを有するレジストパターン１８２を形成する。具体的には、ＳｉＮにより形成されているハードマスク１８１をフッ酸等を用いてウェットエッチングにより除去した後、ｐ−ＧａＮ層１１２及びｎ−ＧａＮ層１１３の上に、フォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行う。これにより、溝部１２０が形成される領域に開口部１８２ａを有するレジストパターン１８２を形成する。この際、溝部１２０の中央部分において、後述するプロトン隔壁膜１５０を支持するためのプロトン隔壁支持部１５１が形成される領域の上にも、レジストパターン１８２が形成される。
次に、図１９（ｂ）に示すように、レジストパターン１８２の開口部１８２ａにおけるｎ−ＧａＮ層１１３を除去し、ＧａＮ層１１１の表面を露出させることにより、溝部１２０を形成する。具体的には、レジストパターン１８２の開口部１８２ａにおけるｎ−ＧａＮ層１１３をＲＩＥ等によるドライエッチングにより除去することにより、溝部１２０を形成する。更に、このように形成された溝部１２０の中央部分には、溝部１２０に沿ってプロトン隔壁膜１５０を支持するためのプロトン隔壁支持部１５１が形成される。このように形成される溝部１２０は、幅Ｗ１が９５μｍ、深さＤ１が１０μｍである。また、プロトン隔壁支持部１５１は、溝部１２０の中央に、幅Ｗ２が１０μｍで、溝部２０に沿って形成されている。プロトン隔壁支持部１５１は、プロトン隔壁支持部１５１における溝部１２０に沿った方向の長さは３０μｍであり、隣接するプロトン隔壁支持部１５１同士の間隔が１０μｍとなるように形成されている。尚、本実施の形態においては、溝部１２０の一方の側面１２０ａにおいて残存しているｎ−ＧａＮ層１１３によりｎ型領域が形成され、他方の側面１２０ｂにおいて残存しているｐ−ＧａＮ層１１２によりｐ型領域が形成される。
次に、図２０（ａ）に示すように、レジストパターン１８２を有機溶剤等により除去した後、第１の配線電極１６１が形成される領域に開口部１８３ａを有するレジストパターン１８３を形成し、Ｔｉ／Ａｌ膜１６１ｆを成膜する。具体的には、レジストパターン１８２を有機溶剤等により除去した後、再びフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、第１の配線電極１６１が形成される領域に開口部１８３ａを有するレジストパターン１８３を形成する。この後、第１の配線電極１６１を形成するためのＴｉ／Ａｌ膜１６１ｆを真空蒸着により成膜する。
次に、図２０（ｂ）に示すように、Ｔｉ／Ａｌ膜１６１ｆにより第１の配線電極１６１を形成した後、第２の配線電極１６２が形成される領域に開口部１８４ａを有するレジストパターン１８４を形成し、Ｎｉ／Ａｕ膜１６２ｆを成膜する。具体的には、Ｔｉ／Ａｌ膜１６１ｆを成膜した後、有機溶剤等に浸漬させることにより、レジストパターン１８３の上に成膜されたＴｉ／Ａｌ膜１６１ｆをレジストパターン１８３とともにリフトオフにより除去する。これにより、残存するＴｉ／Ａｌ膜１６１ｆにより、第１の配線電極１６１が形成される。このように形成される第１の配線電極１６１は、ｎ型領域となるｎ−ＧａＮ層１１３の上に形成される。この後、再びフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、第２の配線電極１６２が形成される領域に開口部１８４ａを有するレジストパターン１８４を形成する。この後、第２の配線電極１６２を形成するためのＮｉ／Ａｕ膜１６２ｆを真空蒸着により成膜する。
次に、図２１（ａ）に示すように、有機溶剤等に浸漬させることにより、レジストパターン１８４の上に成膜されたＮｉ／Ａｕ膜１６２ｆをレジストパターン１８４とともにリフトオフにより除去する。これにより、残存するＮｉ／Ａｕ膜１６２ｆにより、第２の配線電極１６２が形成される。このように形成される第２の配線電極１６２は、ｐ−ＧａＮ層１１２及び第１の配線電極１６１の上に形成される。この後、オーミックコンタクトをとるために、ラピッドサーマルアニール（ＲＴＡ）を行う。
次に、図２１（ｂ）に示すように、溝部１２０の一方の側面１２０ａにおけるｎ型領域となるｎ−ＧａＮ層１１３に接するＨ２Ｏ酸化電極１３０を形成する。具体的には、溝部１２０が形成されている面にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、Ｈ２Ｏ酸化電極１３０が形成される領域に開口部を有する不図示のレジストパターンを形成する。この後、スパッタリングによりＴｉＯ２／Ｐｔ膜を成膜した後、有機溶剤等に浸漬させることにより、レジストパターンの上に成膜されたＴｉＯ２／Ｐｔ膜をレジストパターンとともにリフトオフにより除去する。これにより、残存するＴｉＯ２／Ｐｔ膜により、Ｈ２Ｏ酸化電極１３０が形成される。このように形成されるＨ２Ｏ酸化電極１３０は、溝部１２０の一方の側面１２０ａにおいて、ｎ型領域となるｎ−ＧａＮ層１１３と接するように形成される。
次に、図２２（ａ）に示すように、溝部１２０の他方の側面１２０ｂにおけるｐ型領域となるｐ−ＧａＮ層１１２に接するＣＯ２還元電極１４０を形成する。具体的には、溝部１２０が形成されている面にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、ＣＯ２還元電極１４０が形成される領域に開口部を有する不図示のレジストパターンを形成する。この後、スパッタリングによりＣｕ膜を成膜した後、有機溶剤等に浸漬させることにより、レジストパターンの上に成膜されたＣｕ膜をレジストパターンとともにリフトオフにより除去する。これにより、残存するＣｕ膜により、ＣＯ２還元電極１４０が形成される。このように形成されるＣＯ２還元電極１４０は、溝部１２０の他方の側面１２０ｂにおいて、ｐ型領域となるｐ−ＧａＮ層１１２と接するように形成される。
次に、図２２（ｂ）に示すように、溝部１２０が形成されている面に、スプレーコーティング等による塗布とキュアを繰り返し行うことにより、プロトン隔壁膜１５０を成膜する。このように、プロトン隔壁膜１５０を成膜することにより、隣接するプロトン隔壁支持部１５１とプロトン隔壁支持部１５１との間は、プロトン隔壁膜１５０により埋められる。プロトン隔壁膜１５０を形成する材料としては、ＳｉＯ２−Ｐ２Ｏ５やNafion117（DuPont社製）等を用いることができる。また、プロトン隔壁膜１５０の成膜方法は、スプレーコーティング以外の方法であってもよく、例えば、ＣＶＤ等であってもよい。
次に、図２３（ａ）に示すように、プロトン隔壁支持部１５１とプロトン隔壁支持部１５１との間、及び、プロトン隔壁支持部１５１の周囲にプロトン隔壁膜１５０を形成する。具体的には、プロトン隔壁膜１５０の上にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行う。これにより、プロトン隔壁支持部１５１の上及びプロトン隔壁支持部１５１とプロトン隔壁支持部１５１との間のプロトン隔壁膜１５０の上に、不図示のレジストパターンを形成する。この後、不図示のレジストパターンが形成されていない領域におけるプロトン隔壁膜１５０をＲＩＥ等により除去し、Ｈ２Ｏ酸化電極１３０及びＣＯ２還元電極１４０の表面を露出させる。この後、不図示のレジストパターンを有機溶剤等により除去する。これにより、プロトン隔壁支持部１５１とプロトン隔壁支持部１５１との間、及び、プロトン隔壁支持部１５１の周囲にプロトン隔壁膜１５０が形成される。
次に、図２３（ｂ）に示すように、溝部１２０を覆う表面カバー膜１７０を形成する。具体的には、溶解性ポリマーをスピンコート等により塗布することにより、溝部１２０を不図示の溶解性ポリマーにより埋める。溶解性ポリマーとしては、ＰＭＧＩ、ＰＶＡ等を用いてもよい。この後、酸素アッシングにより、エッチバックすることにより、溶解性ポリマーを一部除去した後、ｐ−ＧａＮ層１１２、ｎ−ＧａＮ層１１３及び溶解性ポリマーの上に、表面カバー膜１７０を形成する。表面カバー膜１７０は、ＳｉＯ２膜、ＳｉＮ膜、シリカ系ポーラス膜により形成されており、スピンコートによる塗布とキュアを繰り返し行う方法、または、ＣＶＤにより形成する。この後、残存している不図示の溶解性ポリマーを溶解して除去する。具体的には、溶解性ポリマーがＰＭＧＩにより形成されている場合には、ピロリドン等の有機溶剤により、ＰＶＡにより形成されている場合には、温水により溶かし除去する。これにより本実施の形態における光合成装置が作製される。
このように作製された本実施の形態における光合成装置は、図２４に示されるように、溝部１２０に、二酸化炭素を含む水１００を供給し流し、太陽光等の光を照射することにより、光合成装置として機能させることができる。尚、図２４（ａ）は、本実施の形態における光合成装置における表面カバー膜１７０を透過した上面図であり、図２４（ｂ）は、図２４（ａ）における一点鎖線２４Ａ−２４Ｂにおいて切断した断面図である。
本実施の形態における光合成装置は、太陽光エネルギー変換効率を一層高めることができる。
〔第３の実施の形態〕
次に、第３の実施の形態について説明する。本実施の形態における光合成装置は、タンデム接合型の光合成装置であり、ｎ型領域及びｐ型領域が、バンドギャップの異なる複数の半導体層を積層することにより形成されている光合成装置である。
次に、第３の実施の形態について説明する。本実施の形態における光合成装置は、タンデム接合型の光合成装置であり、ｎ型領域及びｐ型領域が、バンドギャップの異なる複数の半導体層を積層することにより形成されている光合成装置である。
図２５に基づき、本実施の形態における光合成装置について説明する。尚、図２５（ａ）は、本実施の形態における光合成装置における表面カバー膜１７０を透過した上面図であり、図２５（ｂ）は、図２５（ａ）における一点鎖線２５Ａ−２５Ｂにおいて切断した断面図である。
（光合成装置）
本実施の形態は、半導体基板１１０の上にＧａＮ層１１１を形成し、ＧａＮ層１１１の上に形成される溝部１２０の両側に、バンドギャップの異なる材料を積層することにより形成されたｎ型領域２１０とｐ型領域２２０とが形成されている光合成装置である。具体的には、ｎ型領域２１０は積層されたｎ−ＩｎＧａＮ層２１１、ｎ−ＧａＮ層２１２、ｎ−ＡｌＧａＮ層２１３により形成されており、ｐ型領域２２０は積層されたｐ−ＩｎＧａＮ層２２１、ｐ−ＧａＮ層２２２、ｐ−ＡｌＧａＮ層２２３により形成されている。
本実施の形態は、半導体基板１１０の上にＧａＮ層１１１を形成し、ＧａＮ層１１１の上に形成される溝部１２０の両側に、バンドギャップの異なる材料を積層することにより形成されたｎ型領域２１０とｐ型領域２２０とが形成されている光合成装置である。具体的には、ｎ型領域２１０は積層されたｎ−ＩｎＧａＮ層２１１、ｎ−ＧａＮ層２１２、ｎ−ＡｌＧａＮ層２１３により形成されており、ｐ型領域２２０は積層されたｐ−ＩｎＧａＮ層２２１、ｐ−ＧａＮ層２２２、ｐ−ＡｌＧａＮ層２２３により形成されている。
溝部１２０の一方の側面１２０ａに形成されるＨ２Ｏ酸化電極１３０は、溝部１２０の一方の側面１２０ａにおいてｎ型領域２１０を形成しているｎ−ＩｎＧａＮ層２１１、ｎ−ＧａＮ層２１２、ｎ−ＡｌＧａＮ層２１３と接して形成されている。また、溝部１２０の他方の側面１２０ｂに形成されるＣＯ２還元電極１４０は、溝部１２０の他方の側面１２０ｂにおいてｐ型領域２２０を形成しているｐ−ＩｎＧａＮ層２２１、ｐ−ＧａＮ層２２２、ｐ−ＡｌＧａＮ層２２３と接して形成されている。
（光合成装置の製造方法）
本実施の形態の製造方法は、ＧａＮ層１１１の上に、ｎ−ＩｎＧａＮ層２１１、ｎ−ＧａＮ層２１２、ｎ−ＡｌＧａＮ層２１３及びｐ−ＩｎＧａＮ層２２１、ｐ−ＧａＮ層２２２、ｐ−ＡｌＧａＮ層２２３を形成することを除き、第２の実施の形態と同様である。
本実施の形態の製造方法は、ＧａＮ層１１１の上に、ｎ−ＩｎＧａＮ層２１１、ｎ−ＧａＮ層２１２、ｎ−ＡｌＧａＮ層２１３及びｐ−ＩｎＧａＮ層２２１、ｐ−ＧａＮ層２２２、ｐ−ＡｌＧａＮ層２２３を形成することを除き、第２の実施の形態と同様である。
具体的には、最初に、図２６（ａ）に示すように、半導体基板１１０の上に、ＧａＮ層１１１、ｐ−ＩｎＧａＮ層２２１、ｐ−ＧａＮ層２２２、ｐ−ＡｌＧａＮ層２２３をエピタキシャル成長により順次積層して形成する。尚、半導体基板１１０はＳｉにより形成されている。エピタキシャル成長させる方法としては、ＭＯＣＶＤまたはＰＡＭＢＥ等が挙げられる。本実施の形態においては、形成されるＧａＮ層１１１の膜厚は約１μｍであり、ｐ−ＩｎＧａＮ層２２１の膜厚は約３．３μｍであり、ｐ−ＧａＮ層２２２の膜厚は約３．３μｍであり、ｐ−ＡｌＧａＮ層２２３の膜厚は約３．３μｍである。
次に、図２６（ｂ）に示すように、ｐ−ＡｌＧａＮ層２２３の上に、ハードマスク１８１を形成する。このハードマスク１８１は、ＳｉＮにより形成されており、ｐ−ＩｎＧａＮ層２２１、ｐ−ＧａＮ層２２２、ｐ−ＡｌＧａＮ層２２３によりｐ型領域２２０が形成される領域の上に形成される。具体的には、ｐ−ＡｌＧａＮ層２２３の上に、プラズマＣＶＤによりＳｉＮ膜を成膜し、成膜されたＳｉＮ膜の上にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行う。これにより、ハードマスク１８１が形成される領域の上に、不図示のレジストパターンを形成する。この後、不図示のレジストパターンが形成されていない領域におけるＳｉＮ膜をドライエッチングにより除去することにより、ＳｉＮからなるハードマスク１８１を形成する。この後、不図示のレジストパターンは、有機溶剤等により除去する。
次に、図２７（ａ）に示すように、ハードマスク１８１が形成されていない領域におけるｐ−ＩｎＧａＮ層２２１、ｐ−ＧａＮ層２２２、ｐ−ＡｌＧａＮ層２２３をＲＩＥ等により除去する。これにより、ＧａＮ層１１１の表面を露出させることにより、開口部２２０ａを形成し、残存するｐ−ＩｎＧａＮ層２２１、ｐ−ＧａＮ層２２２、ｐ−ＡｌＧａＮ層２２３によりｐ型領域２２０が形成される。
次に、図２７（ｂ）に示すように、開口部２２０ａにおけるＧａＮ層１１１の上に、エピタキシャル成長により、ｎ−ＩｎＧａＮ層２１１、ｎ−ＧａＮ層２１２、ｎ−ＡｌＧａＮ層２１３を形成する。ｎ−ＩｎＧａＮ層２１１、ｎ−ＧａＮ層２１２、ｎ−ＡｌＧａＮ層２１３をエピタキシャル成長させる方法としては、ＭＯＣＶＤまたはＰＡＭＢＥ等が挙げられる。尚、ＳｉＮにより形成されているハードマスク１８１は、アモルファスであるため、ＳｉＮにより形成されたハードマスク１８１の上においてエピタキシャル成長することはない。
この後、第２の実施の形態と同様の方法により、ハードマスク１８１を除去した後、ｎ−ＩｎＧａＮ層２１１、ｎ−ＧａＮ層２１２、ｎ−ＡｌＧａＮ層２１３の一部を除去することにより、溝部１２０を形成する。これにより、残存するｎ−ＩｎＧａＮ層２１１、ｎ−ＧａＮ層２１２、ｎ−ＡｌＧａＮ層２１３によりｎ型領域２１０を形成する。これ以降、第２の実施の形態と同様の工程を行うことにより、本実施の形態における光合成装置を製造することができる。
本実施の形態における光合成装置は、ｎ型領域２１０及びｐ型領域２２０がバンドギャップの異なる複数の半導体層を積層することにより形成されているため、太陽光エネルギー変換効率を高めることができる。
尚、本実施の形態においては、ｎ型領域２１０及びｐ型領域２２０が、ｎ型及びｐ型のＩｎＧａＮ層、ＧａＮ層、ＡｌＧａＮ層の３層を積層することにより形成されている光合成装置について説明した。しかしながら、本実施の形態における光合成装置は、ｎ型領域２１０及びｐ型領域２２０が、ｎ型及びｐ型のＩｎＧａＡｓ層、ＧａＡｓ層、ＩｎＧａＰ層の３層を積層することにより形成した光合成装置であってもよい。また、ｎ型領域２１０及びｐ型領域２２０が、バンドギャップの異なる２層の半導体層と積層したものであってもよく、更には、バンドギャップの異なる４層以上の半導体層を積層したものであってもよい。
尚、上記以外の内容については、第２の実施の形態と同様である。
〔第４の実施の形態〕
次に、第４の実施の形態について説明する。ところで、ＧａＮ系窒化物半導体においては、ｐ型にするために不純物元素として、Ｍｇ（マグネシウム）をドープしているが、活性化率が数％て極めて低く、不活性なＭｇは再結合中心となるため、太陽光等の光のエネルギーの変換効率が低下する場合がある。よって、本実施の形態における光合成装置は、ｐ型領域を形成することなく、ＧａＮにおける分極効果を利用した光合成装置である。
次に、第４の実施の形態について説明する。ところで、ＧａＮ系窒化物半導体においては、ｐ型にするために不純物元素として、Ｍｇ（マグネシウム）をドープしているが、活性化率が数％て極めて低く、不活性なＭｇは再結合中心となるため、太陽光等の光のエネルギーの変換効率が低下する場合がある。よって、本実施の形態における光合成装置は、ｐ型領域を形成することなく、ＧａＮにおける分極効果を利用した光合成装置である。
（光合成装置）
本実施の形態における光合成装置を図２８及び図２９に基づき説明する。尚、図２８（ａ）は、本実施の形態における光合成装置における表面カバー膜１７０を透過した上面図であり、図２８（ｂ）は、図２８（ａ）における一点鎖線２８Ａ−２８Ｂにおいて切断した断面図である。
本実施の形態における光合成装置を図２８及び図２９に基づき説明する。尚、図２８（ａ）は、本実施の形態における光合成装置における表面カバー膜１７０を透過した上面図であり、図２８（ｂ）は、図２８（ａ）における一点鎖線２８Ａ−２８Ｂにおいて切断した断面図である。
本実施の形態は、基板３０１としてＧａＮ基板が用いられており、基板３０１の上にＧａＮ層３０２が形成されており、ＧａＮ層３０２の上には、ＧａＮ層３０２の上に形成されたＧａＮ層の一部を除去することにより、溝部１２０が形成されている。また、溝部１２０の両側は、ＧａＮにより、第１の半導体領域３１０となる第１のＧａＮ領域及び第２の半導体領域３２０となる第２のＧａＮ領域が形成されている。
溝部１２０の一方の側面１２０ａには、溝部１２０の一方の側面１２０ａにおける第１の半導体領域３１０となる第１のＧａＮ領域に接するＨ２Ｏ酸化電極１３０が形成されている。溝部１２０の他方の側面１２０ｂには、溝部１２０の他方の側面１２０ｂにおける第２の半導体領域３２０となる第２のＧａＮ領域に接するＣＯ２還元電極１４０が形成されている。また、溝部１２０を形成している側面とは反対側の側面となる第１の半導体領域３１０となる第１のＧａＮ領域と第２の半導体領域３２０となる第２のＧａＮ領域の間には、第３の半導体領域３３０となるＡｌＧａＮ領域が形成されている。本実施の形態においては、第３の半導体領域３３０は、第１の半導体領域３１０及び第２の半導体領域３２０を形成している半導体材料よりもバンドギャップの広い半導体材料により形成されている。これにより、第１の半導体領域３１０と第３の半導体領域３３０の界面近傍における第１の半導体領域３１０に２ＤＥＧ（two-dimensional electron gas：２次元電子ガス）が生成される。また、第２の半導体領域３２０と第３の半導体領域３３０の界面近傍における第２の半導体領域３２０に２ＤＨＧ（two dimensional hole gas：２次元ホールガス）が生成される。尚、本実施の形態においては、第１の半導体領域３１０及び第２の半導体領域３２０、第３の半導体領域３３０はＧａＮを含む材料におり形成されている。
本実施の形態においては、溝部１２０の一方の側面１２０ａは、Ｃ軸方向に沿って成長した第３の半導体領域３３０と第１の半導体領域３１０によるＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ構造が形成されており、第１の半導体領域３１０の（０００−１）Ｎ極性面となっている。よって、Ｈ２Ｏ酸化電極１３０は、ＧａＮの（０００−１）Ｎ極性面に接して形成されている。また、溝部１２０の他方の側面１２０ｂは、Ｃ軸方向に沿って成長した第３の半導体領域３３０と第２の半導体領域３２０によるＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ構造が形成されており、第２の半導体領域３２０の（０００１）Ｇａ極性面となっている。よって、ＣＯ２還元電極１４０は、ＧａＮの（０００１）Ｇａ極性面に接して形成されている。
ウルツ鉱型ＧａＮ結晶は、自発分極、ピエゾ分極の特性を有している。従って、図２９に示されるように、この分極電荷により、第３の半導体領域３３０と第１の半導体領域３１０との界面となる（０００１）Ｇａ極性面上に成長したＡｌＧａＮ／ＧａＮ界面には正の固定電荷が発生する。また、第３の半導体領域３３０と第２の半導体領域３２０との界面となる（０００−１）Ｎ極性面上に成長したＡｌＧａＮ／ＧａＮ界面には負の固定電荷が発生する。このため、（０００−１）Ｎ極性面上に成長したＡｌＧａＮ／ＧａＮにおけるエネルギーレベルは、（０００１）Ｇａ極性面上に成長したＡｌＧａＮ／ＧａＮよりも高くすることができる。これにより、高エネルギーの電子を発生させることができ、二酸化炭素の還元効率を高めることができる。
尚、本実施の形態においては、第１の半導体領域３１０となる第１のＧａＮ領域及び第２の半導体領域３２０となる第２のＧａＮ領域は、後述するように、溝部１２０を形成する際に、残存しているＧａＮ層３０３により形成されている。また、プロトン隔壁膜１５０を支持するためのプロトン隔壁支持部１５１も溝部１２０の中央部分において残存しているＧａＮ層３０３により形成されている。
（光合成装置の製造方法）
次に、本実施の形態における光合成装置の製造方法について説明する。
次に、本実施の形態における光合成装置の製造方法について説明する。
最初に、図３０（ａ）に示すように、基板３０１となるＧａＮ基板の上に、ＧａＮ層３０２及びＧａＮ層３０３を順にエピタキシャル成長により形成する。本実施の形態においては、基板３０１には、ｍ面（１−１００）ＧａＮ基板を用いる。エピタキシャル成長させる方法としては、ＭＯＣＶＤまたはＰＡＭＢＥ等が挙げられる。本実施の形態においては、形成されるＧａＮ層３０２の膜厚は約１μｍであり、ＧａＮ層３０３の膜厚は約１０μｍである。尚、本実施の形態においては、ＧａＮ層３０２を第１の半導体層と記載し、ＧａＮ層３０３を第２の半導体層と記載する場合がある。
次に、図３０（ｂ）に示すように、ＧａＮ層３０３の上に、ハードマスク３８１を形成する。このハードマスク３８１は、ＳｉＮにより形成されており、ＡｌＧａＮ領域が形成される領域に開口部３８１ａを有している。具体的には、ＧａＮ層３０３の上に、プラズマＣＶＤによりＳｉＮ膜を成膜し、成膜されたＳｉＮ膜の上にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、ハードマスク３８１が形成される領域の上に、不図示のレジストパターンを形成する。この後、レジストパターンが形成されていない領域におけるＳｉＮ膜をドライエッチングにより除去することにより、ＳｉＮからなるハードマスク３８１を形成する。この後、不図示のレジストパターンは、有機溶剤等により除去する。
次に、図３１（ａ）に示すように、ハードマスク３８１の開口部３８１ａにおける第２のＧａＮ層３０３をＲＩＥ等により除去する。これにより、ＧａＮ層１１１の表面を露出させることにより、開口部３０３ａを形成する。
次に、図３１（ｂ）に示すように、開口部３０３ａにおけるＧａＮ層３０２の上に、第３の半導体領域３３０となるＡｌＧａＮ領域をエピタキシャル成長により形成する。これにより、開口部３０３ａにおけるＧａＮ層３０３のＧａ極性面領域には、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ界面に２ＤＥＧが発生し、ＧａＮ層３０３のＮ極性面領域には、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ界面に２ＤＨＧが発生する。
この後、第２の実施の形態と同様の方法により、ハードマスク３８１を除去した後、ＧａＮ層３０３の一部を除去し、溝部１２０を形成する。これにより、残存するＧａＮ層３０３により、第１の半導体領域３１０となる第１のＧａＮ領域及び第２の半導体領域３２０となる第２のＧａＮ領域を形成する。このようにして、図２８に示されるように、溝部１２０の一方の側面１２０ａには、第１の半導体領域３１０となる第１のＧａＮ領域が形成され、溝部１２０の他方の側面１２０ｂには、第２の半導体領域３２０となる第２のＧａＮ領域が形成される。溝部１２０を形成する際には、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ界面と溝部１２０の一方の側面１２０ａとの距離、及び、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ界面と溝部１２０の他方の側面１２０ｂとの距離が１μｍ以下となるように形成する。
この後、第２の実施の形態と同様の工程を行うことにより、本実施の形態における光合成装置を製造することができる。尚、Ｔｉ／Ａｌにより形成される第１の配線電極１６１は、第１の半導体領域３１０となる第１のＧａＮ領域と第３の半導体領域３３０となるＡｌＧａＮ領域との界面に形成する。また、Ｎｉ／Ａｕにより形成される第２の配線電極１６２は、第２の半導体領域３２０となる第２のＧａＮ領域と第３の半導体領域３３０となるＡｌＧａＮ領域との界面に形成する。第１の配線電極１６１及び第２の配線電極１６２は、成膜した後、オーミックコンタクトさせるためにラピッドサーマルアニールを行う。
本実施の形態における光合成装置は、ｐ型の不純物元素として活性化しにくいＭｇを用いることなく、ＧａＮ系窒化物半導体材料を用いて光合成装置を作製することができるため、太陽光エネルギー変換効率を高めることができる。
本実施の形態における説明では、基板３０１に、ｍ面ＧａＮ基板を用いた場合について説明したが、ＧａＮ基板は高価であるため、安価な基板、例えば、Ｓｉ基板の上に、ｍ面またはａ面ＧａＮエピタキシャル層が形成された基板を用いてもよい。また、基板３０１には、ｍ面ＳｉＣ、γ−ＬｉＡｌＯ２（１００）、ｍ面ＺｎＯ、ｍ面サファイア、パターン加工されたａ面サファイア基板、パターン加工されたＳｉ（１１２）等を用いてもよい。また、同じIII−Ｖ化合物半導体により形成されたｍ面ＡｌＮ基板を用いてもよい。
更に、表面がｍ面となるＧａＮエピタキシャル層以外にも、ｍ面と同じ非極性ａ面ＧａＮエピタキシャル層もｃ面と直交関係にあるため、表面にａ面ＧａＮエピタキシャル層が形成されている基板を用いても、本実施の形態と同様の効果を得ることができる。尚、ａ面ＧａＮエピタキシャル層を成長させることのできる基板としては、例えば、ｒ面サファイア、ＬｉＧａＯ２（０１０）、ａ面ＳｉＣ、ａ面ＧａＮ、ａ面ＡｌＮ、ａ面ＺｎＯ等が挙げられる。
また、基板３０１の表面が、ｍ面、ａ面の非極性面となる場合だけではなく、その他の面も利用することが可能であり、このため、基板３０１にオフ角をつけたものを用いてもよい。
〔第５の実施の形態〕
次に、第５の実施の形態について説明する。本実施の形態は、第４の実施の形態における第１の半導体領域及び第２の半導体領域がバンドギャップの異なる複数の半導体層を積層することにより形成した構造の光合成装置である。
次に、第５の実施の形態について説明する。本実施の形態は、第４の実施の形態における第１の半導体領域及び第２の半導体領域がバンドギャップの異なる複数の半導体層を積層することにより形成した構造の光合成装置である。
（光合成装置）
本実施の形態における光合成装置について、図３２に基づき説明する。尚、図３２（ａ）は、本実施の形態における光合成装置における表面カバー膜１７０を透過した上面図であり、図３２（ｂ）は、図３２（ａ）における一点鎖線３２Ａ−３２Ｂにおいて切断した断面図である。
本実施の形態における光合成装置について、図３２に基づき説明する。尚、図３２（ａ）は、本実施の形態における光合成装置における表面カバー膜１７０を透過した上面図であり、図３２（ｂ）は、図３２（ａ）における一点鎖線３２Ａ−３２Ｂにおいて切断した断面図である。
本実施の形態における光合成装置は、基板３０１としてＧａＮ基板が用いられており、基板３０１の上にＧａＮ層３０２が形成されており、ＧａＮ層３０２の上には、溝部１２０が形成されている。溝部１２０の一方の側面１２０ａには、ＩｎＧａＮ層４１１、ＧａＮ層４１２、ＡｌＧａＮ層４１３が積層された第１の半導体領域４１０が形成されている。Ｈ２Ｏ酸化電極１３０は、溝部１２０の一方の側面１２０ａにおける第１の半導体領域４１０に接して形成されている。また、溝部１２０の他方の側面１２０ｂには、ＩｎＧａＮ層４２１、ＧａＮ層４２２、ＡｌＧａＮ層４２３が積層された第２の半導体領域４２０が形成されている。ＣＯ２還元電極１４０は、溝部１２０の他方の側面１２０ｂにおける第２の半導体領域４２０に接して形成されている。また、溝部１２０を除く第１の半導体領域４１０と第２の半導体領域４２０の間には、ＡｌＧａＮにより第３の半導体領域３３０が形成されている。本実施の形態においては、第３の半導体領域３３０は、第１の半導体領域４１０及び第２の半導体領域４２０を形成している半導体材料よりもバンドギャップの広い半導体材料により形成されている。
本実施の形態においては、第３の半導体領域３３０を形成しているＡｌＧａＮにおけるＡｌ組成比は、第１の半導体領域４１０におけるＡｌＧａＮ層４１３、第２の半導体領域４２０におけるＡｌＧａＮ層４２３におけるＡｌ組成比よりも高い。例えば、第３の半導体領域３３０はＡｌ０．３Ｇａ０．７Ｎにより形成されており、第１の半導体領域４１０におけるＡｌＧａＮ層４１３及び第２の半導体領域４２０におけるＡｌＧａＮ層４２３はＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎにより形成されている。これにより、第１の半導体領域４１０と第３の半導体領域３３０の界面近傍における第１の半導体領域４１０に２ＤＨＧが生成され、第２の半導体領域４２０と第３の半導体領域３３０の界面近傍における第２の半導体領域４２０に２ＤＥＧが生成される。尚、本実施の形態においては、第１の半導体領域４１０及び第２の半導体領域４２０、第３の半導体領域３３０はＧａＮを含む材料におり形成されている。
尚、本実施の形態においては、プロトン隔壁膜１５０を支持するためのプロトン隔壁支持部１５１は、後述するように、溝部１２０を形成する際に、残存しているＩｎＧａＮ層４０１、ＧａＮ層４０２、ＡｌＧａＮ層４０３により形成されている。
（光合成装置の製造方法）
次に、本実施の形態における光合成装置の製造方法について説明する。
次に、本実施の形態における光合成装置の製造方法について説明する。
最初に、図３３（ａ）に示すように、基板３０１であるＧａＮ基板の上に、ＧａＮ層３０２、ＩｎＧａＮ層４０１、ＧａＮ層４０２、ＡｌＧａＮ層４０３をエピタキシャル成長により形成する。本実施の形態においては、基板３０１には、ｍ面（１−１００）ＧａＮ基板を用いる。エピタキシャル成長させる方法としては、ＭＯＣＶＤまたはＰＡＭＢＥ等が挙げられる。本実施の形態においては、ＧａＮ層３０２の膜厚は約１μｍであり、ＩｎＧａＮ層４０１の膜厚は約３．３μｍであり、ＧａＮ層４０２の膜厚は約３．３μｍであり、ＡｌＧａＮ層４０３の膜厚は約３．３μｍである。
次に、図３３（ｂ）に示すように、ＡｌＧａＮ層４０３の上に、ハードマスク３８１を形成する。このハードマスク３８１は、ＳｉＮにより形成されており、第３の半導体領域３３０となるＡｌＧａＮ領域が形成される領域に開口部３８１ａを有している。具体的には、ＡｌＧａＮ層４０３の上に、プラズマＣＶＤによりＳｉＮ膜を成膜し、成膜されたＳｉＮ膜の上にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行う。これにより、ハードマスク３８１が形成される領域の上に、不図示のレジストパターンを形成する。この後、不図示のレジストパターンが形成されていない領域におけるＳｉＮ膜をドライエッチングにより除去することにより、ＳｉＮからなるハードマスク３８１を形成する。この後、不図示のレジストパターンは、有機溶剤等により除去する。
次に、図３４（ａ）に示すように、ハードマスク３８１の開口部３８１ａにおけるＩｎＧａＮ層４０１、ＧａＮ層４０２、ＡｌＧａＮ層４０３をＲＩＥ等により除去する。これにより、ＧａＮ層３０２の表面を露出させて、開口部４０３ａを形成する。
次に、図３４（ｂ）に示すように、開口部４０３ａにおけるＧａＮ層３０２の上に、ＡｌＧａＮをエピタキシャル成長させることにより、第３の半導体領域３３０となるＡｌＧａＮ領域を形成する。これにより、開口部４０３ａにおけるＩｎＧａＮ層４０１、ＧａＮ層４０２、ＡｌＧａＮ層４０３のＧａ極性面領域には、第３の半導体領域３３０となるＡｌＧａＮ領域との界面近傍に２ＤＥＧが生成される。開口部４０３ａにおけるＩｎＧａＮ層４０１、ＧａＮ層４０２、ＡｌＧａＮ層４０３のＮ極性面領域には、第３の半導体領域３３０となるＡｌＧａＮ領域との界面近傍に２ＤＨＧが生成される。
この後、第２の実施の形態等と同様の方法により、ハードマスク３８１を除去した後、ＩｎＧａＮ層４０１、ＧａＮ層４０２、ＡｌＧａＮ層４０３に溝部１２０を形成することにより、第１の半導体領域４１０及び第２の半導体領域４２０が形成される。このように形成される第１の半導体領域４１０は、ＩｎＧａＮ層４１１、ＧａＮ層４１２、ＡｌＧａＮ層４１３により形成されており、第２の半導体領域４２０は、ＩｎＧａＮ層４２１、ＧａＮ層４２２、ＡｌＧａＮ層４２３により形成されている。尚、ＩｎＧａＮ層４１１、ＧａＮ層４１２、ＡｌＧａＮ層４１３、ＩｎＧａＮ層４２１、ＧａＮ層４２２、ＡｌＧａＮ層４２３は、溝部１２０を形成する際に、残存しているＩｎＧａＮ層４０１、ＧａＮ層４０２、ＡｌＧａＮ層４０３により形成される。
本実施の形態においては、図３２に示されるように、溝部１２０の一方の側面１２０ａは、第１の半導体領域４１０により形成されており、他方の側面１２０ｂは、第２の半導体領域４２０により形成されている。更に、第１の半導体領域４１０と第２の半導体領域４２０との間には、第３の半導体領域３３０となるＡｌＧａＮ領域が形成されている。溝部１２０を形成する際には、第１の半導体領域４１０と第３の半導体領域３３０の界面、及び第２の半導体領域４２０と第３の半導体領域３３０の界面と、溝部１２０の一方の側面１２０ａ及び他方の側面１２０ｂとの距離が１μｍ以下となるように形成する。
この後、第４の実施の形態と同様の工程を行うことにより、本実施の形態における光合成装置を製造することができる。尚、Ｔｉ／Ａｌにより形成される第１の配線電極１６１は、第１の半導体領域４１０と第３の半導体領域３３０との界面に形成し、Ｎｉ／Ａｕにより形成される第２の配線電極１６２は、第２の半導体領域４２０と第３の半導体領域３３０との界面に形成する。第１の配線電極１６１及び第２の配線電極１６２は、成膜した後、オーミックコンタクトさせるためにラピッドサーマルアニールを行う。
尚、上記以外の内容については、第４の実施の形態と同様である。
〔第６の実施の形態〕
次に、第６の実施の形態について説明する。本実施の形態は、図３５に示されるように、第２の実施の形態における光合成装置において、溝部１２０と半導体基板１１０の裏面を接続する貫通孔１２１が形成されいる構造の光合成装置である。尚、図３５（ａ）は、本実施の形態における光合成装置における表面カバー膜１７０を透過した上面図であり、図３５（ｂ）は、図３５（ａ）における一点鎖線３５Ａ−３５Ｂにおいて切断した断面図である。
次に、第６の実施の形態について説明する。本実施の形態は、図３５に示されるように、第２の実施の形態における光合成装置において、溝部１２０と半導体基板１１０の裏面を接続する貫通孔１２１が形成されいる構造の光合成装置である。尚、図３５（ａ）は、本実施の形態における光合成装置における表面カバー膜１７０を透過した上面図であり、図３５（ｂ）は、図３５（ａ）における一点鎖線３５Ａ−３５Ｂにおいて切断した断面図である。
貫通孔１２１は、ドライエッチングまたはウェットエッチングにより、溝部１２０が形成されている領域における半導体基板１１０及びＧａＮ層１１１を除去し、貫通させることにより形成する。このように、半導体基板１１０の裏面と溝部１２０とを接続する貫通孔１２１を形成することにより、二酸化炭素を含んだ水１００を半導体基板１１０の裏面から溝部１２０に、貫通孔１２１における毛細管現象等により、供給することができる。
また、本実施の形態においては、表面カバー膜１７０は、シリカ系ポーラス膜により形成されている。シリカ系ポーラス膜は膜質が粗であるため、溝部１２０を流れる水の一部をシリカ系ポーラス膜を介し蒸発させることができる。よって、本実施の形態における光合成装置は、二酸化炭素の吸収のみならず、冷却機能も有している。
尚、上記以外の内容については、第２の実施の形態と同様である。また、本実施の形態は、第１、第３から第５の実施の形態にも適用することが可能である。
〔第７の実施の形態〕
次に、第７の実施の形態について説明する。本実施の形態は、第１〜第６の実施の形態における光合成装置がユニット化されている光合成ユニットを用いた二酸化炭素吸収システムである。本実施の形態における二酸化炭素吸収システムは、図３６に示されるように、第１〜第６の実施の形態における光合成装置がユニット化されている光合成ユニット５１０、二酸化炭素溶解槽５２０、送水ポンプ５３０、炭素固定化装置５４０等を有している。
次に、第７の実施の形態について説明する。本実施の形態は、第１〜第６の実施の形態における光合成装置がユニット化されている光合成ユニットを用いた二酸化炭素吸収システムである。本実施の形態における二酸化炭素吸収システムは、図３６に示されるように、第１〜第６の実施の形態における光合成装置がユニット化されている光合成ユニット５１０、二酸化炭素溶解槽５２０、送水ポンプ５３０、炭素固定化装置５４０等を有している。
本実施の形態における二酸化炭素吸収システムでは、水が入れられている二酸化炭素溶解槽５２０に、大気導入口５２２より大気を導入し、大気中に含まれる二酸化炭素を二酸化炭素溶解槽５２０に入れられている水に溶解させる。この際、二酸化炭素溶解槽５２０における余分な大気は、排気口５２３より二酸化炭素溶解槽５２０の外に排気される。尚、室温における二酸化炭素の溶解度は、１ｃｍ３の水に対し約０．０８ｃｍ３である。
二酸化炭素溶解槽５２０において二酸化炭素が溶解された水は、二酸化炭素溶解槽５２０に接続されている送水ポンプ５３０により、光合成ユニット５１０に送られる。本実施の形態においては、送水ポンプ５３０により、二酸化炭素吸収システム内における水を循環させることができる。また、本実施の形態においては、送水ポンプ５３０と光合成ユニット５１０との間には、ｐｈメータ５３１が設置されており、光合成ユニット５１０に供給される水のｐｈを測定することにより、水に含まれる二酸化炭素の濃度を測定することができる。
光合成ユニット５１０においては、供給された水に含まれる二酸化炭素よりギ酸が生成され、ギ酸の含まれた水が炭素固定化装置５４０に送られる。本実施の形態においては、光合成ユニット５１０と炭素固定化装置５４０との間には、ｐｈメータ５３２が設置されており、炭素固定化装置５４０に供給される水のｐｈを測定することにより、水に含まれるギ酸の濃度を測定することができる。炭素固定化装置５４０の内部には、例えば、ギ酸をメタン、エタノール等の貯蔵可能な化学物質に変換することのできる触媒や薬品が設置されており、ギ酸の含まれた水よりギ酸を除去することができる。炭素固定化装置５４０における触媒や薬品により、ギ酸から変換されたメタン、エタノール等の貯蔵可能な化学物質は、炭素固定化装置５４０の内部に蓄えられる。炭素固定化装置５４０においてギ酸が除去された水は、炭素固定化装置５４０より、二酸化炭素溶解槽５２０に送られる。
本実施の形態における二酸化炭素吸収システムにおいては、上記のように、大気中に含まれる二酸化炭素を吸収することができる。
〔第８の実施の形態〕
次に、第８の実施の形態について説明する。本実施の形態は、第１〜第６の実施の形態における光合成装置がユニット化されている光合成ユニット５１０を用いた冷却システムである。第１〜第６の実施の形態における光合成装置は、植物と同様の水の蒸散作用があるため、蒸発熱による冷却効果を有している。よって、本実施の形態における冷却システムは、第１〜第６の実施の形態における光合成装置がユニット化されている光合成ユニット５１０と太陽電池がユニット化されている太陽光パネル５５０とを有しており、住居の屋根等に設置されている。本実施の形態においては、光合成ユニット５１０に水を供給する際に必要な不図示の送水ポンプを駆動するための電力は、太陽光パネル５５０において発電された電力が用いられる。このため、本実施の形態における冷却システムは、他のエネルギー源を頼ることのない自立したシステムである。本実施の形態における冷却システムは、住居のみならず、自然や冷却を必要とする施設等においても用いることができる。
次に、第８の実施の形態について説明する。本実施の形態は、第１〜第６の実施の形態における光合成装置がユニット化されている光合成ユニット５１０を用いた冷却システムである。第１〜第６の実施の形態における光合成装置は、植物と同様の水の蒸散作用があるため、蒸発熱による冷却効果を有している。よって、本実施の形態における冷却システムは、第１〜第６の実施の形態における光合成装置がユニット化されている光合成ユニット５１０と太陽電池がユニット化されている太陽光パネル５５０とを有しており、住居の屋根等に設置されている。本実施の形態においては、光合成ユニット５１０に水を供給する際に必要な不図示の送水ポンプを駆動するための電力は、太陽光パネル５５０において発電された電力が用いられる。このため、本実施の形態における冷却システムは、他のエネルギー源を頼ることのない自立したシステムである。本実施の形態における冷却システムは、住居のみならず、自然や冷却を必要とする施設等においても用いることができる。
〔第９の実施の形態〕
次に、第９の実施の形態について説明する。本実施の形態は、第１〜第６の実施の形態における光合成装置がユニット化されている光合成ユニット５１０を工場やデータセンタに設置したものである。本実施の形態においては、図３８に示すように、光合成ユニット５１０と太陽電池がユニット化されている太陽光パネル５５０をデータセンタの屋上に設置することにより、ゼロエミッション型データセンタにすることができる。
次に、第９の実施の形態について説明する。本実施の形態は、第１〜第６の実施の形態における光合成装置がユニット化されている光合成ユニット５１０を工場やデータセンタに設置したものである。本実施の形態においては、図３８に示すように、光合成ユニット５１０と太陽電池がユニット化されている太陽光パネル５５０をデータセンタの屋上に設置することにより、ゼロエミッション型データセンタにすることができる。
ビッグデータを取り扱うデータセンタにおいては、大量の電力を使用することから、高効率電源や空調システムの改善などを行うことにより、二酸化炭素の排出量をできる限り削減することの検討がなされている。しかしながら、完全に二酸化炭素の排出量をゼロにすることは極めて困難である。
このため、本実施の形態においては、光合成ユニット５１０と太陽光パネル５５０をデータセンタの屋上に設置する。本実施の形態においては、光合成ユニット５１０に水を供給する際に必要な不図示の送水ポンプを駆動するための電力は、太陽光パネル５５０において発電された電力が用いられる。このため、他のエネルギー源を頼ることのない自立したシステムとなる。これにより、データセンタにおいて使用した電力に相当する分の二酸化炭素を光合成ユニット５１０で吸収することにより、ゼロエミッション型データセンタにすることができる。本実施の形態においては、データセンタについて説明したが、本実施の形態は、データセンタ以外にも電力を使用するあらゆる産業施設に適用することができる。
〔第１０の実施の形態〕
次に、第１０の実施の形態について説明する。本実施の形態は、第１〜第６の実施の形態における光合成装置がユニット化されている光合成ユニット５１０を地球の地面等に設置した地球冷却システムである。
次に、第１０の実施の形態について説明する。本実施の形態は、第１〜第６の実施の形態における光合成装置がユニット化されている光合成ユニット５１０を地球の地面等に設置した地球冷却システムである。
本実施の形態は、図３９に示すように、地球の地面等に第１〜第６の実施の形態における光合成装置がユニット化されている光合成ユニット５１０と太陽光パネル５５０を多数設置したものである。本実施の形態においては、光合成ユニット５１０に水を供給する際に必要な不図示の送水ポンプを駆動するための電力は、太陽光パネル５５０において発電された電力が用いられる。このため、本実施の形態における冷却システムは、他のエネルギー源を頼ることなく自立したシステムである。これにより、地球規模での二酸化炭素の削減することができ、地球温暖化を抑制することができる。
〔第１１の実施の形態〕
次に、第１１の実施の形態について説明する。本実施の形態は、密閉された空間における二酸化炭素濃度の制御システムである。具体的には、満員電車や体育館等の密閉空間に人が存在していると、人の呼吸により密閉空間における二酸化炭素の濃度が高くなり、気分が悪くなったり、熱中症や過呼吸を発症する場合がある。
次に、第１１の実施の形態について説明する。本実施の形態は、密閉された空間における二酸化炭素濃度の制御システムである。具体的には、満員電車や体育館等の密閉空間に人が存在していると、人の呼吸により密閉空間における二酸化炭素の濃度が高くなり、気分が悪くなったり、熱中症や過呼吸を発症する場合がある。
本実施の形態は、例えば、図４０に示すように、第１〜第６の実施の形態における光合成装置がユニット化されている光合成ユニット５１０と太陽光パネル５５０を電車の屋根に設置し、電車の車内に二酸化炭素濃度センサ５６０を設置したものである。これにより、二酸化炭素濃度センサ５６０において検出された電車の車内の二酸化炭素濃度に応じて、光合成ユニット５１０により電車の車内の空気より二酸化炭素を除去し酸素を供給することにより、電車の車内の二酸化炭素濃度を所定の値に保つことができる。このようにして、電車の車内の空間を快適にすることができる。
また、本実施の形態は、図４１に示すように、光合成ユニット５１０と太陽光パネル５５０を体育館の屋根に設置し、体育館内に二酸化炭素濃度センサ５６０を設置したものであってもよい。これにより、二酸化炭素濃度センサ５６０において検出された体育館内の二酸化炭素濃度に応じて、光合成ユニット５１０により体育館内の空気より二酸化炭素を除去し酸素を供給することにより、体育館内の二酸化炭素濃度を所定の値に保つことができる。このようにして、体育館内の空間を快適にすることができる。
本実施の形態においては、光合成ユニット５１０に水を供給する際に必要な不図示の送水ポンプを駆動するための電力は、太陽光パネル５５０において発電された電力が用いられる。このため、本実施の形態における冷却システムは、他のエネルギー源を頼ることのない自立したシステムである。
〔第１２の実施の形態〕
次に、第１２の実施の形態について説明する。本実施の形態は、第１〜第６の実施の形態における光合成装置がユニット化されている光合成ユニット５１０を用いた都市環境ネットワークシステムである。都市部における二酸化炭素の濃度は農村部と比べて高く、このことを一つの要因としてヒートアイランド現象によるゲリラ豪雨等の異常気象がもたらされている。また、都市部は緑化についても面積が限られている。
次に、第１２の実施の形態について説明する。本実施の形態は、第１〜第６の実施の形態における光合成装置がユニット化されている光合成ユニット５１０を用いた都市環境ネットワークシステムである。都市部における二酸化炭素の濃度は農村部と比べて高く、このことを一つの要因としてヒートアイランド現象によるゲリラ豪雨等の異常気象がもたらされている。また、都市部は緑化についても面積が限られている。
本実施の形態においては、図４２に示されるように、光合成ユニット５１０と二酸化炭素濃度センサとを装備した環境測定局５７０をビル、工場、住居に配置し、環境測定局５７０を破線で示されるような無線ネットワークで繋ぐ。これにより、都市部における二酸化炭素濃度を低減することや、制御することができる。環境測定局５７０には、ＰＭ２．５等の大気汚染物質やＮＯＸ等を測定するセンサーを含んでもよい。これにより、都市部における二酸化炭素濃度を削減し、異常気象を抑制することができる。
以上、実施の形態について詳述したが、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。
１０ 半導体基板
１１ ｎ型領域
１２ ｐ型領域
２０ 溝部
２０ａ 一方の側面
２０ｂ 他方の側面
３０ Ｈ２Ｏ酸化電極
４０ ＣＯ２還元電極
５０ プロトン隔壁膜
５１ プロトン隔壁支持部
６０ａ 配線電極
６０ｂ 配線電極
７０ 表面カバー膜
１００ 水
１１０ 半導体基板
１１１ ＧａＮ層
１１２ ｐ−ＧａＮ層（ｐ型領域）
１１３ ｎ−ＧａＮ層（ｎ型領域）
１２０ 溝部
１２０ａ 一方の側面
１２０ｂ 他方の側面
１２１ 貫通孔
１３０ Ｈ２Ｏ酸化電極
１４０ ＣＯ２還元電極
１５０ プロトン隔壁膜
１５１ プロトン隔壁支持部
１６１ 第１の配線電極
１６２ 第２の配線電極
１７０ 表面カバー膜
２１０ ｎ型領域
２１１ ｎ−ＩｎＧａＮ層
２１２ ｎ−ＧａＮ層
２１３ ｎ−ＡｌＧａＮ層
２２０ ｐ型領域
２２１ ｐ−ＩｎＧａＮ層
２２２ ｐ−ＧａＮ層
２２３ ｐ−ＡｌＧａＮ層
３１０ 第１の半導体領域（第１のＧａＮ領域）
３２０ 第２の半導体領域（第２のＧａＮ領域）
３３０ 第３の半導体領域（ＡｌＧａＮ領域）
４１０ 第１の半導体領域
４１１ ＩｎＧａＮ層
４１２ ＧａＮ層
４１３ ＡｌＧａＮ層
４２０ 第２の半導体領域
４２１ ＩｎＧａＮ層
４２２ ＧａＮ層
４２３ ＡｌＧａＮ層
１１ ｎ型領域
１２ ｐ型領域
２０ 溝部
２０ａ 一方の側面
２０ｂ 他方の側面
３０ Ｈ２Ｏ酸化電極
４０ ＣＯ２還元電極
５０ プロトン隔壁膜
５１ プロトン隔壁支持部
６０ａ 配線電極
６０ｂ 配線電極
７０ 表面カバー膜
１００ 水
１１０ 半導体基板
１１１ ＧａＮ層
１１２ ｐ−ＧａＮ層（ｐ型領域）
１１３ ｎ−ＧａＮ層（ｎ型領域）
１２０ 溝部
１２０ａ 一方の側面
１２０ｂ 他方の側面
１２１ 貫通孔
１３０ Ｈ２Ｏ酸化電極
１４０ ＣＯ２還元電極
１５０ プロトン隔壁膜
１５１ プロトン隔壁支持部
１６１ 第１の配線電極
１６２ 第２の配線電極
１７０ 表面カバー膜
２１０ ｎ型領域
２１１ ｎ−ＩｎＧａＮ層
２１２ ｎ−ＧａＮ層
２１３ ｎ−ＡｌＧａＮ層
２２０ ｐ型領域
２２１ ｐ−ＩｎＧａＮ層
２２２ ｐ−ＧａＮ層
２２３ ｐ−ＡｌＧａＮ層
３１０ 第１の半導体領域（第１のＧａＮ領域）
３２０ 第２の半導体領域（第２のＧａＮ領域）
３３０ 第３の半導体領域（ＡｌＧａＮ領域）
４１０ 第１の半導体領域
４１１ ＩｎＧａＮ層
４１２ ＧａＮ層
４１３ ＡｌＧａＮ層
４２０ 第２の半導体領域
４２１ ＩｎＧａＮ層
４２２ ＧａＮ層
４２３ ＡｌＧａＮ層
Claims (10)
- 半導体基板に形成された溝部と、
前記半導体基板において、前記溝部の一方の側面に形成された第１の導電型領域と、
前記半導体基板において、前記溝部の他方の側面に形成された第２の導電型領域と、
前記溝部の一方の側面における前記第１の導電型領域に接して形成された酸化電極と、
前記溝部の他方の側面における前記第２の導電型領域に接して形成された還元電極と、
前記溝部の中央部分に形成されるプロトン隔壁膜と、
を有し、
前記酸化電極及び前記還元電極は、前記溝部の深さと同じ高さで形成されており、
前記溝部には二酸化炭素の含まれた水が供給されており、
前記酸化電極または前記還元電極に光を照射することにより、前記酸化電極において、水より酸素と水素イオンが生成され、生成された水素イオンは、前記プロトン隔壁膜を透過し、前記還元電極において、二酸化炭素と反応してギ酸を生成することを特徴とする光合成装置。 - 前記半導体基板はシリコン基板であることを特徴とする請求項１に記載の光合成装置。
- 基板の上に形成された半導体層と、
前記半導体層に形成された溝部と、
前記溝部の一方の側面に形成された第１の導電型領域と、
前記溝部の他方の側面に形成された第２の導電型領域と、
前記溝部の一方の側面における前記第１の導電型領域に接して形成された酸化電極と、
前記溝部の他方の側面における前記第２の導電型領域に接して形成された還元電極と、
前記溝部の中央部分に形成されるプロトン隔壁膜と、
を有し、
前記酸化電極及び前記還元電極は、前記溝部の深さと同じ高さで形成されており、
前記溝部には二酸化炭素の含まれた水が供給されており、
前記酸化電極または前記還元電極に光を照射することにより、前記酸化電極において、水より酸素と水素イオンが生成され、生成された水素イオンは、前記プロトン隔壁膜を透過し、前記還元電極において、二酸化炭素と反応してギ酸を生成することを特徴とする光合成装置。 - 前記第１の導電型領域及び前記第２の導電型領域は、ＧａＮを含む材料により形成されていることを特徴とする請求項３に記載の光合成装置。
- 前記第１の導電型領域は、バンドギャップの異なる複数の半導体層を積層することにより形成されており、
前記第２の導電型領域は、バンドギャップの異なる複数の半導体層を積層することにより形成されていることを特徴とする請求項３または４に記載の光合成装置。 - 前記第１の導電型はｎ型であって、前記第２の導電型はｐ型であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の光合成装置。
- 基板の上の半導体層に形成された溝部と、
前記溝部の一方の側面に形成された第１の半導体領域と、
前記溝部の他方の側面に形成された第２の半導体領域と、
前記第１の半導体領域及び前記第２の半導体領域に接して形成された第３の半導体領域と、
前記溝部の一方の側面における前記第１の半導体領域に接して形成される酸化電極と、
前記溝部の他方の側面における前記第２の半導体領域に接して形成される還元電極と、
前記溝部の中央部分に形成されるプロトン隔壁膜と、
を有し、
前記第３の半導体領域は、前記第１の半導体領域及び前記第２の半導体領域を形成している半導体材料よりもバンドギャップの広い半導体材料により形成されており、
前記第１の半導体領域と前記第３の半導体領域との界面には、２次元電子ガスが生成され、
前記第２の半導体領域と前記第３の半導体領域との界面には、２次元ホールガスが生成されるものであって、
前記酸化電極及び前記還元電極は、前記溝部の深さと同じ高さで形成されており、
前記溝部には二酸化炭素の含まれた水が供給されており、
前記酸化電極または前記還元電極に光を照射することにより、前記酸化電極において、水より酸素と水素イオンが生成され、生成された水素イオンは、前記プロトン隔壁膜を透過し、前記還元電極において、二酸化炭素と反応してギ酸を生成することを特徴とする光合成装置。 - 前記第１の半導体領域は、バンドギャップの異なる複数の半導体層を積層することにより形成されており、
前記第２の半導体領域は、バンドギャップの異なる複数の半導体層を積層することにより形成されていることを特徴とする請求項７に記載の光合成装置。 - 前記第１の半導体領域及び前記第２の半導体領域は、ＧａＮを含む材料により形成されており、
前記第３の半導体領域は、ＡｌＧａＮを含む材料により形成されていることを特徴とする請求項７または８に記載の光合成装置。 - 前記溝部と前記基板の裏面との間には、前記基板を貫通する貫通孔が設けられており、
前記二酸化炭素の含まれた水は、前記基板の裏面より、前記貫通孔を介し、前記溝部に供給されることを特徴とする請求項７から９のいずれかに記載の光合成装置。
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