半导体电极及其制造方法、具备该半导体电极的设备技术

本公开提供能够抑制以与水接触的状态使用的情况下的伴随使用时间经过的性能劣化的半导体电极及其制造方法、具备该半导体电极的设备。本公开的半导体电极(100)包括：导电性基材(101)；设置在所述导电性基材上的吸收可见光的半导体层(102)；以及保护层(103)，其作为膜覆盖所述半导体层，由氮氧化物形成，使所述可见光透过，并且具有比所述半导体层的厚度薄的厚度。

【技术实现步骤摘要】
半导体电极及其制造方法、具备该半导体电极的设备
本公开涉及半导体电极及其制造方法、具备该半导体电极的设备。
技术介绍
通过对半导体照射光，在该半导体中产生电子-空穴对。半导体有希望能够应用于取出在该电子-空穴对再结合时产生的光的LED以及激光器、将所述对在空间上分离而取出光电动势来作为电能的太阳能电池、或者从水和太阳光中直接制造氢的光催化剂等的用途。作为吸收或放出的光处于紫外～可见光范围的半导体的一群，有氧化物、氮氧化物以及氮化物。尤其是，作为用于光催化剂的用途的半导体，代表性地使用了氧化钛(TiO2)、氧化锌(ZnO)、氮化镓(GaN)。具备这样的半导体的以往的半导体电极，存在因太阳光的照射而发生的水的分解反应中的氢生成效率低这一问题。这是因为：由于TiO2等半导体材料能够吸收的光的波长短、且只能够吸收大概400nm以下的波长的光，因此可利用的光占全部太阳光的比例在TiO2的情况下非常少，约为4.7％。对于该太阳光的利用效率，若还考虑所吸收的光中的因原理上的热损耗而导致的损失，则会成为约1.7％。因此，以提高因太阳光的照射而发生的水的分解反应中的氢生成效率为目的，正在寻求能够提高可利用的光占全部太阳光的比例、即能够吸收更长波长的可见光范围的光的半导体材料。对于这样的希望，提出了一种以吸收更长波长的可见光并提高太阳光的利用效率为目的的半导体材料。例如在专利文献1中，作为能够吸收可见光的半导体材料，公开了由以组成式NbON表示的铌氮氧化物构成的光催化剂，报告了该铌氮氧化物能够吸收波长560nm以下的光这一情况。这表示铌氮氧化物是可利用的光的比例相当于全部太阳光中的28％、且在考虑了热损耗的情况下能够达到太阳光能量变换效率13％的材料。专利文献2公开了光催化剂装置。现有技术文献专利文献1：专利第5165155号专利文献2：日本特开2012-148250号公报
技术实现思路
专利技术要解决的课题但是，在作为可吸收可见光并分解水的半导体而提出的材料中，也存在如下材料，该材料在以与水接触的状态使用的情况下分解水的性能会伴随使用时间的经过而降低。于是，本公开的目的在于，提供能够抑制以与水接触的状态使用的情况下的伴随使用时间经过的性能劣化的半导体电极。用于解决课题的技术方案本公开提供一种半导体电极，包括：导电性基材；设置在所述导电性基材上的吸收可见光的半导体层；以及保护层，其作为膜覆盖所述半导体层，由氮氧化物形成，使所述可见光透过，并且具有比所述半导体层的厚度薄的厚度。专利技术的效果根据本公开的半导体电极，能够抑制以与水接触的状态使用的情况下的伴随使用时间经过的性能劣化。附图说明图1是表示本公开的一个实施方式的半导体电极的截面图。图2是例示了在本公开的一个实施方式的半导体电极的制造方法中使用的等离子体发生装置的构成例的概略图。图3是示出本公开的一个实施方式的半导体电极的制造方法的一个工序中的导电性基材以及半导体层的层叠体的截面图。图4是示出本公开的一个实施方式的半导体电极的制造方法的一个工序中的导电性基材、半导体层以及氧化物层的层叠体的截面图。图5是示出本公开的一个实施方式的半导体电极被设置为水分解用电极的设备的一个构成例的概略图。图6A表示实施例1的半导体电极以及比较用的层叠体A以及B的Nb3d的XPS谱。图6B表示实施例1的半导体电极以及比较用的层叠体A的N1s的XPS谱。图6C表示实施例1的半导体电极以及比较用的层叠体C的Al2p的XPS谱。标号的说明100半导体电极；101导电性基材；102半导体层；103保护层；200等离子体装置；201上部电极；202等离子体；203下部电极(保持电极)；204加热器；205匹配单元；206高频电源；300氧化物层；400氢生成设备；41容器；41a透光面；42隔离件；43a第1空间；43b第2空间；45对电极；46电解液；47电连接部；48氢气取出口；49氧气取出口具体实施方式<成为本公开的基础的见解>以下，对得到本公开的半导体电极的经过进行说明。如上所述，在作为可吸收可见光并分解水的半导体而提出的材料中，也存在如下材料，该材料在以与水接触的状态使用的情况下分解水的性能会伴随使用时间的经过而降低。因此，在这样的半导体以为了分解水而与水接触的状态使用的情况下，难以长时间地维持高的光电流值。此外，光电流值成为关于半导体的水的分解反应中的氢生成性能评价的指标。于是，作为提高水的分解反应中的半导体的稳定性的手段之一，可考虑设置覆盖包含半导体的半导体层的保护层的构成。作为保护层的材料，需要选择相对于水稳定的材料。例如，可考虑将相对于水稳定的例如氧化铝那样的氧化物用作保护层的材料。但是，在将氧化铝那样的氧化物用作半导体层的保护层的材料的情况下，势垒会过于变高。因此，在半导体层所包含的半导体中进行了电荷分离的空穴，会无法隧穿保护层而失活。其结果，基于水的氧化反应的分解反应会显著地减少。本专利技术人关注设置保护层的情况下的上述那样的问题点，进行了深入研究，结果得到了本公开的半导体电极。具体而言，得到了如下半导体电极，该半导体电极是具有包括半导体层和覆盖该半导体层的保护层的构成的半导体电极，具备能够通过降低保护层的势垒而无损半导体对水的分解特性地保护半导体层的表面的保护层。进而，本专利技术人也得到了那样的半导体电极的制造方法以及具备那样的半导体电极的设备。<本公开涉及的一个技术方案的概要>1.本公开的第1实施方式涉及的半导体电极包括：导电性基材；设置在所述导电性基材上的吸收可见光的半导体层；以及保护层，其作为膜覆盖所述半导体层，由氮氧化物形成，使所述可见光透过，并且具有比所述半导体层的厚度薄的厚度。本公开的第1实施方式涉及的半导体电极包括覆盖半导体层的保护层。因此，第1实施方式涉及的半导体电极能够防止在基于太阳光的水分解过程中半导体层直接与水接触。其结果，能够防止因化学氧化而导致的半导体的劣化。另外，保护层包含氮氧化物。包含氮氧化物的保护层除了相对于水稳定之外，与仅由氧化物构成的保护层相比，还能够降低保护层的势垒。因此，该保护层能够无损半导体的水分解特性而保护半导体层的表面。接着，对势垒详细地进行说明。具体而言，阶梯型势垒的理论式如下表示。[式1][式2][式3]在上述理论式(1)～(3)中，k1、k2、V、E、h、m、T以及d如下。k1：波数k2：波数V：势垒(J)E：运动能量(J)h：普朗克常数(Js)m：质量(kg)T：透过概率d：障壁厚度(m)如上述理论式(1)～(3)表示的那样，少数载流子的透过(即，隧穿)概率取决于势垒的大小而减少。因此，希望势垒较低。第1实施方式涉及的半导体电极的保护层使可见光透过。因此，照射到半导体电极的可见光能够在半导体层优先被吸收。由此，在第1实施方式涉及的半导体电极中，不会产生因在保护层光会被吸收而引起的电荷分离效率的降低，能够抑制因保护层的光吸收而产生的光电动势的降低。根据以上的理由，第1实施方式涉及的半导体电极能够抑制以与水接触的状态使用的情况下的伴随使用时间经过的性能劣化。此外，第1实施方式涉及的半导体电极所包含的导电性基材，无须基材整体具有导电性。即，在第1实施方式中，导电性基材包括基材整体本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种半导体电极，包括：导电性基材；设置在所述导电性基材上的吸收可见光的半导体层；以及保护层，其作为膜覆盖所述半导体层，由氮氧化物形成，使所述可见光透过，并且具有比所述半导体层的厚度薄的厚度。

【技术特征摘要】
2017.06.07 JP 2017-1127041.一种半导体电极，包括：导电性基材；设置在所述导电性基材上的吸收可见光的半导体层；以及保护层，其作为膜覆盖所述半导体层，由氮氧化物形成，使所述可见光透过，并且具有比所述半导体层的厚度薄的厚度。2.根据权利要求1所述的半导体电极，形成所述保护层的所述氮氧化物是从铝、硅以及锆中选择的至少任一种元素的氮氧化物。3.根据权利要求2所述的半导体电极，形成所述保护层的所述氮氧化物是铝氮氧化物。4.根据权利要求1～3中任一项所述的半导体电极，所述半导体层由从氮化物半导体以及氮氧化物半导体中选择的一种来形成。5.根据权利要求4所述的半导体电极，所述半导体层由氮化物半导体形成，并且，所述氮化物半导体是从钒、铌以及钽中选择的过渡金属的氮化物半导体。6.根据权利要求5所述的半导体电极，所述氮化物半导体是铌氮化物半导体。7.根据权利要求4所述的半导体电极，所述半导体层由氮氧化物半导体形成，并且，所述氮氧化物半导体是从钒、铌以及钽中选择的过渡金属的氮氧化物半导体。8.根据权利要求7所述的半导体电极，所述氮氧化物半导体是铌氮氧化物半导体。9.一种气体生成设备，具备：半导体电极，其包括导电性基材、半导体层以及保护层，所述半导体层是设置在所述导电性基材上的吸收可见光的半导体层，所述保护层作为膜覆盖所述半导体层，由氮氧化物形成，使可见光透过，并且具有比所述半导体层的厚度薄的厚度；与所述导电性基材电连接的对电极；与所述半导体电极以及所述对电极接触的电解质水溶液；以及收容所述半导体电极、所述对电极以及所述电解质水溶液的容器。10.一种半导体电极的制造方法，包括：(a)在导电性基材上形成吸收可见光的半导体层的工序；(b)在所述半导体层上以氧化物层覆盖所述半导体层的工序；以及(c)通过以包含氮的气体的等离子体对所述氧化物层进行处理，使所述氧化物层变质为由氮氧化物形成并使可见光透过的氮氧化物层的工序。11.根据权利要求10所述的半导体电极的制造方法，所述半导体层由从氮化物半导体以及氮氧化物半导体中选择的一种来形成。12.根据权利要求11所述的半导体电极的制造方法，所述半导体层由氮化物半导体形成，并且，所述氮化物半导体是从钒、铌以及钽中选择的过渡金属的氮化物半导体。13.根据权利要求12所述的半导体电极的制造方法，所述氮化物半导体是铌氮化物半导体。14.根据权利要求11所述的半导体电极的制造方法，所述半导体层由氮氧化物半导体形成，并且，所述氮氧化物半导体是从钒、铌以及钽中选择的过渡金属的氮氧化物半导体。15.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：村濑英昭，菊地谅介，
申请(专利权)人：松下知识产权经营株式会社，
类型：发明
国别省市：日本,JP