JP7137070B2 - 窒化物半導体光電極の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、光照射により触媒機能を発揮して酸化ターゲット物質または還元ターゲット物質の化学反応を引き起こす光触媒機能を有する窒化物半導体光電極の製造方法に関する。
従来例として、図3に半導体光電極による水の分解装置を示す。光触媒を用いた水の分解反応は、水の酸化反応とプロトンの還元反応からなり、それぞれ下記のとおりである。n型の光触媒材料に光を照射した場合、光触媒中で電子と正孔が生成分離する。正孔は光触媒材料の表面に移動し、水の酸化反応に寄与する。一方、電子は還元電極に移動し、プロトンの還元反応に寄与する。理想的には、このような酸化還元反応が進行し、水分解反応が生じる。
酸化反応:2H2O + 4h+→ O2 + 4H+ (1)
還元反応:4H+ + 4e- → 2H2 (2)
具体的には、図3に示すように、酸化槽110は水溶液111と酸化電極112を具備している。酸化電極112は水溶液111に接している。水溶液111は例えば、水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カリウム水溶液、塩酸である。酸化電極112は窒化物半導体や酸化チタン、アモルファスシリコンである。還元槽120は水溶液121と還元電極122を具備している。還元電極122は水溶液121に接している。水溶液121は例えば、炭酸水素カリウム水溶液、炭酸水素ナトリウム水溶液、塩化カリウム水溶液、塩化ナトリウム水溶液である。還元電極122は金属や金属化合物であり、例えば、ニッケル、鉄、金、白金、銀、銅、インジウム、チタンである。酸化槽110と還元槽120の間には、プロトン膜130が挟まれており、酸化槽110で生成したプロトンがプロトン膜130を介し、還元槽120へ拡散していく。プロトン膜130は例えば、ナフィオン(登録商標)であり、炭素-フッ素からなる疎水性テフロン骨格とスルホン酸基を持つパーフルオロ側鎖から構成されるパーフルオロカーボン材料である。酸化電極112と還元電極122は導線132で電気的に接続されており、酸化電極112から還元電極122へ電子の移動がなされている。光源140は例えば、キセノンランプ、水銀ランプ、ハロゲンランプ、疑似太陽光源、太陽光又はこれらの組み合わせである。酸化電極112を構成する材料が吸収可能な波長の光が照射される。例えば、窒化ガリウムで構成される電極では、吸収可能な波長は365nm以下の波長である。
図4に従来の酸化電極112の構成(断面)を示す。図4のような従来例では、酸化電極112は半導体薄膜であり、例えば、サファイア基板11上に成長した窒化ガリウム薄膜12が用いられる。また、窒化ガリウム薄膜12上には、酸素発生用の助触媒として酸化ニッケル13が形成されている。従来は、窒化ガリウム薄膜12上にニッケル薄膜(1nm程度)を蒸着し、約300℃に設定されたホットプレート上で約1時間程度空気中で熱処理することで酸化ニッケル13を形成している。
S. Yotsuhashi, et al., "CO2Conversion with Light and Water by GaN Photoelectrode", Japanese Journal of Applied Physics, The Japan Society of Applied Physics, 2012, Volume 51, pp. 02BP07-1-02BP07-3 小野陽子ら、「窒化物半導体電極上に形成したNiO薄膜の光電流特性への効果」、2017年電気化学秋季大会、1L31.
図4のような酸化電極112を用いた場合、窒化ガリウム薄膜12で生じた電子・正孔のうち、正孔は窒化ガリウム薄膜12中から酸化ニッケル13へ移動し、酸化ニッケル13の表面で水の酸化反応が進行する。正孔がスムーズに移動するためには、窒化ガリウム半導体の価電子帯が酸化ニッケルの価電子帯よりも低い準位にある必要がある。しかし、例えば、窒化インジウムガリウムのように光吸収率向上が期待できる可視応答化半導体光触媒薄膜の場合、バンドギャップが狭くなるに従い、価電子帯の準位が高くなる。従来の手法で作製された酸化ニッケル13の価電子帯は、可視応答化半導体光触媒薄膜の価電子帯よりも低い準位に位置してしまい、正孔が移動できない障壁が生成されるため、光吸収率を向上しても、生成する障壁により正孔が移動できず、光エネルギー変換効率が低下する問題がある。
本発明は、上述した従来の技術に鑑み、光エネルギー変換効率の向上を図ることが可能な窒化物半導体光電極の製造方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、第1の態様に係る発明は、窒化物半導体光電極の製造方法であって、絶縁性または導電性の基板上にn型窒化ガリウム層を形成する第1工程と、前記n型窒化ガリウム層上に窒化インジウムガリウム層を形成する第2工程と、前記窒化インジウムガリウム層上にニッケル層を形成する第3工程と、酸素雰囲気中において前記ニッケル層を熱処理する第4工程とを含むことを要旨とする。
第2の態様に係る発明は、第1の態様に係る発明において、前記第1工程および前記第2工程で、有機金属気相成長法(MOCVD)を用いることを要旨とする。
第3の態様に係る発明は、第1または第2の態様に係る発明において、前記第3工程で、電子ビーム(EB)蒸着法を用いることを要旨とする。
第4の態様に係る発明は、第1から第3のいずれか1つの態様に係る発明において、前記第4工程が、250℃以上400℃以下の温度であり、保持時間が30分以上2時間以下で行われることを要旨とする。
第5の態様に係る発明は、第1から第4のいずれか1つの態様に係る発明において、前記第4工程後の前記ニッケル層が、酸素過剰の酸化ニッケル層となり、p型の半導体としての特性を示すことを要旨とする。
本発明によれば、光エネルギー変換効率の向上を図ることが可能な窒化物半導体光電極の製造方法を提供することが可能である。
本発明の実施例における窒化物半導体光電極の製造工程を示す図である。 本発明の実施例における窒化物半導体光電極の断面図である。 半導体光電極による水の分解装置の構成図である。 従来の酸化電極の断面図である。
以下に、実施例によって本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において変更を加えても構わない。
<概要>
本発明は、窒化物半導体薄膜で生成した電荷を酸素発生用助触媒に受け渡す際の価電子帯に生じる障壁を低減するため、酸素発生用助触媒を酸素雰囲気中で熱処理することにより、酸素過剰の酸化物材料とすることで、p型半導体とし、酸素発生用助触媒の価電子帯が窒化物半導体薄膜の価電子帯よりも高い準位に位置する界面を持つ窒化物半導体光電極を用いることで、光エネルギー変換効率の向上を図る。
<実施例1>
(窒化物半導体光電極の作製)
図1に、実施例1における窒化物半導体光電極の製造工程を示す。
基板としてはサファイア基板を用いた。2インチのサファイア基板上に、シリコンをドープしたn-GaN半導体薄膜をMOCVD法によりエピタキシャル成長させた(第1工程)。成長原料には、アンモニアガス、トリメチルガリウムを用い、n型不純物源にはシランガスを、成長炉内に送るキャリアガスには水素を用いた。n-GaNの膜厚は光を吸収するに十分足る2μmとした。キャリア密度は3×1018cm-3であった。その後、インジウムの組成比を5%とした窒化インジウムガリウムInGaNを成長した(第2工程)。成長原料には、アンモニアガス、トリメチルガリウム、トリメチルインジウムを、成長炉内に送るキャリアガスには水素を用いた。膜厚は光を十分に吸収するに足る100nmとした。その後、2インチの半導体薄膜を4等分にへき開し、そのうちの1枚を電極作製に使用した。次に、InGaN表面に膜厚約1nmのNiをEB蒸着した(第3工程)。その後、この半導体薄膜を電気炉に入れ、酸素雰囲気中、200℃、15分間熱処理した(第4工程)。
断面の元素分析を行った結果、NiとOが検出されたことから、NiOが形成されていることがわかった。断面のTEM観察結果から、NiOの膜厚は約2nmであった。また、形成したNiOを滴定することで、OがNiに対して過剰に含まれていることがわかった。
(窒化物半導体光電極の構成)
図2は、実施例1における窒化物半導体光電極の構成を示す断面図である。実施例1における窒化物半導体光電極は、図2に示すように、絶縁性または導電性の基板(サファイア基板)1と、基板1上に配置されたn型窒化ガリウム(n-GaN)層2と、n型窒化ガリウム層2上に配置された窒化インジウムガリウム(InGaN)層3と、窒化インジウムガリウム層3上に配置された酸素過剰の酸化ニッケル(NiO)層4とを備える。
酸素発生用の助触媒である酸化ニッケルは酸素過剰の組成となった場合、p型の半導体としての特性を示す。これにより、窒化インジウムガリウム半導体薄膜上に酸素過剰の酸化ニッケルを形成した窒化物半導体光電極を製造することで、光照射によって窒化インジウムガリウム半導体薄膜中で生じる正孔が酸化ニッケルへ移動できるようになる。このように、半導体電極での電荷分離(電子・正孔の生成と分離)を促進することによって光エネルギー変換効率の向上を図ることが可能となる。
(酸化還元反応試験)
次に、実施例1における酸化還元反応試験について説明する。ここでも、水の分解装置の構成図(図3)を用いるが、既に説明した点については詳しい説明を省略する。
酸化還元反応試験では、InGaN表面をけがき、n-GaN表面を露出した。露出したn-GaN表面の一部に導線を接続し、Inを用いてはんだ付けした。その後、インジウム表面が露出しないようにエポキシ樹脂で被覆した。これを図3の酸化電極112として設置した。水溶液111は1mol/lの水酸化ナトリウム水溶液とした。ここで、水溶液121は0.5mol/lの炭酸水素カリウム水溶液とした。還元電極122は白金(ニラコ製)、プロトン膜130はナフィオン(登録商標)を用いた。各反応槽110・120において窒素ガスを10ml/min.で流し、サンプルの光照射面積を1cmとし、水溶液111・121の攪拌は撹拌子とスターラーを用いて250rpmの回転速度で各反応槽110・120の底の中心位置で攪拌した。反応槽110・120内が窒素ガスに十分に置換された後、光源140を上述の手順で作製した半導体光電極のNiOが形成されている面に向くように固定した。光源140には300Wの高圧キセノンランプ(照度5mW/cm)を用いて、半導体光電極に均一に光を照射した。光照射中任意の時間に、各反応槽110・120内のガスを採取し、ガスクロマトグラフにて反応生成物を分析した。その結果、酸化槽110では酸素が、還元槽120では水素が生成されていることを確認した。
<実施例2>
実施例2では、実施例1の熱処理工程(第4工程)を200℃、30分間とした窒化物半導体電極を作製した。その他の点においては実施例1と同様である。
<実施例3>
実施例3では、実施例1の熱処理工程を200℃、1時間とした窒化物半導体電極を作製した。その他の点においては実施例1と同様である。
<実施例4>
実施例4では、実施例1の熱処理工程を200℃、2時間とした窒化物半導体電極を作製した。その他の点においては実施例1と同様である。
<実施例5>
実施例5では、実施例1の熱処理工程を200℃、3時間とした窒化物半導体電極を作製した。その他の点においては実施例1と同様である。
<実施例6>
実施例6では、実施例1の熱処理工程を200℃、4時間とした窒化物半導体電極を作製した。その他の点においては実施例1と同様である。
<実施例7>
実施例7では、実施例1の熱処理工程を250℃、15分間とした窒化物半導体電極を作製した。その他の点においては実施例1と同様である。
<実施例8>
実施例8では、実施例1の熱処理工程を250℃、30分間とした窒化物半導体電極を作製した。その他の点においては実施例1と同様である。
<実施例9>
実施例9では、実施例1の熱処理工程を250℃、1時間とした窒化物半導体電極を作製した。その他の点においては実施例1と同様である。
<実施例10>
実施例10では、実施例1の熱処理工程を250℃、2時間とした窒化物半導体電極を作製した。その他の点においては実施例1と同様である。
<実施例11>
実施例11では、実施例1の熱処理工程を250℃、3時間とした窒化物半導体電極を作製した。その他の点においては実施例1と同様である。
<実施例12>
実施例12では、実施例1の熱処理工程を250℃、4時間とした窒化物半導体電極を作製した。その他の点においては実施例1と同様である。
<実施例13>
実施例13では、実施例1の熱処理工程を300℃、15分間とした窒化物半導体電極を作製した。その他の点においては実施例1と同様である。
<実施例14>
実施例14では、実施例1の熱処理工程を300℃、30分間とした窒化物半導体電極を作製した。その他の点においては実施例1と同様である。
<実施例15>
実施例15では、実施例1の熱処理工程を300℃、1時間とした窒化物半導体電極を作製した。その他の点においては実施例1と同様である。
<実施例16>
実施例16では、実施例1の熱処理工程を300℃、2時間とした窒化物半導体電極を作製した。その他の点においては実施例1と同様である。
<実施例17>
実施例17では、実施例1の熱処理工程を300℃、3時間とした窒化物半導体電極を作製した。その他の点においては実施例1と同様である。
<実施例18>
実施例18では、実施例1の熱処理工程を300℃、4時間とした窒化物半導体電極を作製した。その他の点においては実施例1と同様である。
<実施例19>
実施例19では、実施例1の熱処理工程を400℃、15分間とした窒化物半導体電極を作製した。その他の点においては実施例1と同様である。
<実施例20>
実施例20では、実施例1の熱処理工程を400℃、30分間とした窒化物半導体電極を作製した。その他の点においては実施例1と同様である。
<実施例21>
実施例21では、実施例1の熱処理工程を400℃、1時間とした窒化物半導体電極を作製した。その他の点においては実施例1と同様である。
<実施例22>
実施例22では、実施例1の熱処理工程を400℃、2時間とした窒化物半導体電極を作製した。その他の点においては実施例1と同様である。
<実施例23>
実施例23では、実施例1の熱処理工程を400℃、3時間とした窒化物半導体電極を作製した。その他の点においては実施例1と同様である。
<実施例24>
実施例24では、実施例1の熱処理工程を400℃、4時間とした窒化物半導体電極を作製した。その他の点においては実施例1と同様である。
<実施例25>
実施例25では、実施例1の熱処理工程を500℃、15分間とした窒化物半導体電極を作製した。その他の点においては実施例1と同様である。
<実施例26>
実施例26では、実施例1の熱処理工程を500℃、30分間とした窒化物半導体電極を作製した。その他の点においては実施例1と同様である。
<実施例27>
実施例27では、実施例1の熱処理工程を500℃、1時間とした窒化物半導体電極を作製した。その他の点においては実施例1と同様である。
<実施例28>
実施例28では、実施例1の熱処理工程を500℃、2時間とした窒化物半導体電極を作製した。その他の点においては実施例1と同様である。
<実施例29>
実施例29では、実施例1の熱処理工程を500℃、3時間とした窒化物半導体電極を作製した。その他の点においては実施例1と同様である。
<実施例30>
実施例30では、実施例1の熱処理工程を500℃、4時間とした窒化物半導体電極を作製した。その他の点においては実施例1と同様である。
<比較対象事例1>
比較対象事例1では、実施例8の熱処理工程を空気雰囲気として窒化物半導体電極を作製した。その他の点においては実施例1と同様である。
<比較対象事例2>
比較対象事例2では、実施例9の熱処理工程を空気雰囲気として窒化物半導体電極を作製した。その他の点においては実施例1と同様である。
<比較対象事例3>
比較対象事例3では、実施例10の熱処理工程を空気雰囲気として窒化物半導体電極を作製した。その他の点においては実施例1と同様である。
<比較対象事例4>
比較対象事例4では、実施例14の熱処理工程を空気雰囲気として窒化物半導体電極を作製した。その他の点においては実施例1と同様である。
<比較対象事例5>
比較対象事例5では、実施例15の熱処理工程を空気雰囲気として窒化物半導体電極を作製した。その他の点においては実施例1と同様である。
<比較対象事例6>
比較対象事例6では、実施例16の熱処理工程を空気雰囲気として窒化物半導体電極を作製した。その他の点においては実施例1と同様である。
<比較対象事例7>
比較対象事例7では、実施例20の熱処理工程を空気雰囲気として窒化物半導体電極を作製した。その他の点においては実施例1と同様である。
<比較対象事例8>
比較対象事例8では、実施例21の熱処理工程を空気雰囲気として窒化物半導体電極を作製した。その他の点においては実施例1と同様である。
<比較対象事例9>
比較対象事例9では、実施例22の熱処理工程を空気雰囲気として窒化物半導体電極を作製した。その他の点においては実施例1と同様である。
<実施の効果>
実施例および比較対象例における、光照射から10時間後の酸素・水素ガスの生成量を表1に示す。各ガスの生成量は、半導体光電極の表面積で規格化して示した。どの例でも光照射時に、酸素と水素が生成されていることがわかった。
実施例8、9、10、14、15、16、20、21、22の水素・酸素生成量は、その他の実施例に比べて、10倍であることがわかった。
実施例1、2、3、4、5、6では、いずれの熱処理保持時間でも水素・酸素の生成量が低かった。熱処理温度が200℃以下の場合は、Niが十分に酸化されていないこと、あるいはNiOが酸素過剰となっていないためと考えられる。
実施例25、26、27、28、29、30では、いずれの熱処理保持時間でも水素・酸素の生成量が低かった。熱処理温度が500℃以上の場合は、Niが高温熱処理によって急激にNiOへと酸化・熱膨張し、光触媒薄膜との界面に空隙が生成されたことで、空隙を起点とした電極性能劣化が進行し10時間後にはおおよそ触媒として失活したためと考えられる。
実施例7、13、19では、いずれの熱処理温度でも水素・酸素の生成量が低かった。熱処理保持時間が15分以下の場合は、Niが十分に酸化されていないこと、あるいはNiOが酸素過剰となっていないためと考えられる。
実施例11、12、17、18、23、24では、いずれの熱処理温度でも水素・酸素の生成量が低かった。熱処理保持時間が3時間以上の場合は、Niが長時間の熱処理によってNiOへと酸化・熱膨張した際、光触媒薄膜との界面に空隙が生成されたことで、空隙を起点とした電極性能劣化が進行し10時間後にはおおよそ触媒として失活したためと考えられる。
これら結果より、NiO形成の熱処理条件は、温度が250℃以上400℃以下、保持時間が30分以上2時間以下ということを抽出した。また、実施例8、9、10、14、15、16、20、21、22の水素・酸素生成量は、比較対象事例1、3、4、5、6、7、8、9に比べていずれも10倍であり、熱処理の際の雰囲気が酸素雰囲気である必要が分かった。雰囲気が空気の場合、NiOが酸素過剰NiOとならず、NiOとInGaN界面の障壁を正孔が移動できないことが影響していると考えられる。
以上から、熱処理工程を酸素雰囲気で250℃以上400℃以下の温度、保持時間が30分以上2時間以下とすることで、水分解反応による水素・酸素生成量の増加(光エネルギー変換効率の高効率化)を図ることができた。
Figure 0007137070000001
<変形例>
上記では幾つかの実施例について記載したが、開示の一部をなす論述および図面は例示的なものであり、限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施例および運用技術が明らかとなろう。
例えば、第4工程は、実施例では電気炉中で実施したが、酸素雰囲気のグルーブボックス内に設置したホットプレート上での熱処理でも構わない。酸化還元反応試験に用いる水溶液111は水酸化ナトリウム以外に、水酸化カリウム水溶液、塩酸でも構わない。水溶液121は炭酸水素カリウム以外に炭酸水素ナトリウム水溶液、塩化カリウム水溶液、塩化ナトリウム水溶液でも構わない。実施例では目的生成物を水素としたが、還元電極122(例えば、Ni、Fe、Au、Pt、Ag、Cu、In、Ti、Co、Ru)やセル内の雰囲気を変えることで、二酸化炭素の還元反応による炭素化合物の生成や、窒素の還元反応によるアンモニアの生成も可能である。
<まとめ>
以上説明したように、本発明の実施例における窒化物半導体光電極の製造方法は、絶縁性または導電性の基板1上にn型窒化ガリウム層2を形成する第1工程と、n型窒化ガリウム層2上に窒化インジウムガリウム層3を形成する第2工程と、窒化インジウムガリウム層3上にニッケル層4を形成する第3工程と、酸素雰囲気中においてニッケル層4を熱処理する第4工程とを含む。このように、窒化インジウムガリウム半導体薄膜上にニッケルを形成した後、酸素雰囲気で熱処理し、酸素過剰の酸化ニッケルを形成した窒化物半導体光電極を製造することで、光吸収率の高い半導体薄膜に対して、正孔が移動できない障壁を生成しない酸素発生用の助触媒を形成し、光エネルギー変換効率の向上を図ることが可能となる。
また、第1工程および第2工程では、有機金属気相成長法(MOCVD)を用いるのが望ましい。これにより、他の方法と比べて膜厚の偏差が少なく、高速成長が可能であるため、電荷の移動障壁を低減した半導体光電極を効率よく作製することが可能となる。
また、第3工程では、電子ビーム(EB)蒸着法を用いるのが望ましい。これにより、他の方法と比べて高純度の薄膜を形成できるため、電荷の移動障壁を低減した半導体光電極を効率よく作製することが可能となる。
また、第4工程は、250℃以上400℃以下の温度であり、保持時間が30分以上2時間以下で行われるのが望ましい。これにより、光エネルギー変換効率を高効率で長時間維持できる窒化物半導体光電極を実現することが可能となる。
また、第4工程後のニッケル層4は、酸素過剰の酸化ニッケル層4となり、p型の半導体としての特性を示す。これにより、光照射によって窒化インジウムガリウム半導体薄膜中で生じる正孔が酸化ニッケルへ移動できるようになる。
1…基板
2…n型窒化ガリウム層
3…窒化インジウムガリウム層
4…酸化ニッケル層(ニッケル層)
110…酸化槽
111…水溶液
112…酸化電極
120…還元槽
121…水溶液
122…還元電極
130…プロトン膜
132…導線
140…光源

Claims (4)

  1. 絶縁性または導電性の基板上にn型窒化ガリウム層を形成する第1工程と、
    前記n型窒化ガリウム層上に窒化インジウムガリウム層を形成する第2工程と、
    前記窒化インジウムガリウム層上にニッケル層を形成する第3工程と、
    酸素雰囲気中において前記ニッケル層を熱処理する第4工程と、を含み、
    前記第4工程は、250℃以上400℃以下の温度であり、保持時間が30分以上2時間以下で行われること
    を特徴とする窒化物半導体光電極の製造方法。
  2. 前記第1工程および前記第2工程では、有機金属気相成長法(MOCVD)を用いることを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体光電極の製造方法。
  3. 前記第3工程では、電子ビーム(EB)蒸着法を用いることを特徴とする請求項1または2に記載の窒化物半導体光電極の製造方法。
  4. 前記第4工程後の前記ニッケル層は、酸素過剰の酸化ニッケル層となり、p型の半導体としての特性を示すことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の窒化物半導体光電極の製造方法。
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