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III-V族窒化物半導体、光触媒半導体素子、光触媒酸化還元反応装置および光電気化学反応実行方法

国内特許コード P110003765
整理番号 E067P29
掲載日 2011年6月29日
出願番号 特願2006-188221
公開番号 特開2008-012478
登録番号 特許第4783686号
出願日 平成18年7月7日(2006.7.7)
公開日 平成20年1月24日(2008.1.24)
登録日 平成23年7月15日(2011.7.15)
発明者
  • 藤井 克司
  • 大川 和宏
  • 小野 雅人
  • 岩城 安浩
出願人
  • 国立研究開発法人科学技術振興機構
  • 学校法人東京理科大学
発明の名称 III-V族窒化物半導体、光触媒半導体素子、光触媒酸化還元反応装置および光電気化学反応実行方法
発明の概要 【課題】 光照射により高い光変換効率で酸化還元反応を生じさせるIII -V族窒化物半導体、光触媒半導体素子、光触媒酸化還元反応装置および光電気化学反応実行方法の提供。
【解決手段】 III -V族窒化物半導体は、光触媒酸化還元反応用のIII -V族窒化物半導体であって、互いに半導体特性の異なる基層およびこの基層に積層された表層を有し、前記基層と前記表層とが接触する界面が形成されることにより、少なくとも表層がキャリア移動促進作用を有することを特徴とする。基層および表層とは、その導電型が互いに異なる構成、その導電型が同一であって、基層のキャリア濃度が、表層のキャリア濃度よりも高い構成、表層を形成する物質のバンドギャップエネルギーEgLが、基層を形成する物質のバンドギャップエネルギーEgHより小さい構成とすることができる。
【選択図】 図2
従来技術、競合技術の概要


近年、光触媒を利用して、例えばエネルギー分野においては光照射によって水を電気分解して水素ガスなどのエネルギーを得たり、また環境分野においては光照射によって有害物質や有機物を分解することが広く行われている。
光触媒として、例えば窒化ガリウム(GaN)などのIII -V族窒化物半導体化合物(以下、「III -V族化合物」ともいう。)は、熱などに対する耐久性、耐ガス性、耐溶剤性が高いことにより、例えば高温の動作環境の光触媒反応において好適に使用することができる。



III -V族化合物としては、例えば、それが半導体発光素子として用いられたものが開示されている(例えば、特許文献1および特許文献2参照。)。
そして、半導体発光素子として用いる場合においてはその素子を動作させる目的で、半導体特性が互いに異なる複数の層を積層して用いることが一般的に行われている(例えば、特許文献3,4参照。)。



然るに、これらの積層構造の半導体は半導体発光素子として用いられるものであり、光触媒効率などのエネルギー変換効率を、連続して積層させた半導体結晶同士の相互作用などによる結晶特性から向上させる試みは今までになかった。



また、光触媒による電気分解装置を構成する光触媒半導体素子として酸化還元反応に用いる場合に、半導体特性が互いに異なる複数の層を積層して用いることが行われている(例えば、特許文献5~8参照。)。



然るに、このような光触媒による電気分解装置に用いられる積層構造の半導体は、単結晶体を連続的に積層した構造ではなく非晶体や多結晶体を積層させたものであり、さらに、この光触媒による電気分解装置に用いる半導体素子においても、光触媒効率などのエネルギー変換効率を結晶構造から向上させる試みは今までになかった。



【特許文献1】
特開2001-135575号公報
【特許文献2】
特開2003-63898号公報
【特許文献3】
特開2003-047859号公報
【特許文献4】
特公平06-028737号公報
【特許文献5】
特開2005-133174号公報
【特許文献6】
米国特許出願公開第2004/0195564号明細書
【特許文献7】
米国特許出願公開第2005/0156205号明細書
【特許文献8】
特開2005-028225号公報

産業上の利用分野


本発明は、光を受けて酸化還元反応の触媒作用を発現させるIII -V族窒化物半導体、光触媒半導体素子、光触媒酸化還元反応装置および光電気化学反応実行方法に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
光触媒酸化還元反応用のIII -V族窒化物半導体であって、
互いに半導体特性の異なる基層およびこの基層に積層された表層を有し、
前記基層と前記表層とが接触する界面が形成されることにより、少なくとも表層がキャリア移動促進作用を有し、
前記基層および前記表層が、その導電型が互いに異なるものであり、
前記表層の厚さが10~18nmであることを特徴とするIII -V族窒化物半導体。

【請求項2】
表層を形成する物質のバンドギャップエネルギーEgLが、基層を形成する物質のバンドギャップエネルギーEgHより小さいことを特徴とする請求項1に記載のIII -V族窒化物半導体。

【請求項3】
光触媒酸化還元反応用の光触媒半導体素子であって、
基板上に請求項1または請求項2に記載のIII -V族窒化物半導体が積層されていることを特徴とする光触媒半導体素子。

【請求項4】
光触媒酸化還元反応用の光触媒酸化還元反応装置であって、
電解液に接触した状態とされて互いに電気的に接続された一対の電気分解用電極のうち一方の電極が請求項1または請求項2に記載のIII -V族窒化物半導体よりなり、
当該III -V族窒化物半導体を構成する触媒反応面に光が照射されることにより、酸化反応または還元反応が当該触媒反応面において生じるものであることを特徴とする光触媒酸化還元反応装置。

【請求項5】
III -V族窒化物半導体における触媒反応面に光が照射されると共に一対の電気分解用電極間に電圧が印加されることにより、酸化反応または還元反応が当該触媒反応面において生じることを特徴とする請求項4に記載の光触媒酸化還元反応装置。

【請求項6】
請求項1または請求項2に記載のIII -V族窒化物半導体を用い、当該III -V族窒化物半導体における触媒反応面に励起光を照射し、当該触媒反応面において酸化反応または還元反応を生じさせることを特徴とする光電気化学反応実行方法。
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2006188221thum.jpg
出願権利状態 登録
参考情報 (研究プロジェクト等) ERATO 中村不均一結晶プロジェクト 領域
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