光半导体的制造方法、光半导体及氢制造器件技术

本发明专利技术的课题是提供与现有制造方法相比，可以安全并且简便、以更高生产能力制造包含过渡金属和氮元素的光半导体的光半导体的制造方法。本公开的光半导体的制造方法具备下述工序：用等离子体对含有至少1种过渡金属的金属基材进行处理，从而由上述金属基材的至少一部分获得含有上述过渡金属和氮元素的上述光半导体的工序，所述处理在比大气压低的压力下，并且在比上述压力气氛下的上述过渡金属的挥发温度低的温度条件下进行。其中，上述等离子体通过在第1电极和第2电极之间对气体施加30MHz以上300MHz以下的频带的高频电压而产生，并且上述气体是(i)氮气、(ii)由氮气和氧气构成的混合气体、(iii)由氮气和稀有气体构成的混合气体、或(iv)由氮气、氧气和稀有气体构成的混合气体之中的任一种。

Fabrication of Optical Semiconductors, Optical Semiconductors and Hydrogen Manufacturing Devices

The subject of the invention is to provide a method for manufacturing optical semiconductors containing transition metals and nitrogen elements in a safer and simpler way than the existing manufacturing methods and with a higher production capacity. The manufacturing method of the optical semiconductor of the present disclosure includes the following processes: plasma treatment of a metal substrate containing at least one transition metal, thereby obtaining the process of the optical semiconductor containing the transition metal and nitrogen elements from at least one part of the metal substrate, the process being at a lower pressure than atmospheric pressure and at a higher pressure atmosphere than above. Volatilization of metals occurs at low temperatures. The plasma is produced by applying a high-frequency voltage between the first and second electrodes at a frequency band of over 30MHz and below 300MHz, and the gas is (i) nitrogen, (i i) a mixture of nitrogen and oxygen, (i I i) a mixture of nitrogen and rare gases, or (iv) any mixture of nitrogen, oxygen and rare gases. Species.

【技术实现步骤摘要】
光半导体的制造方法、光半导体及氢制造器件
本公开涉及光半导体的制造方法、光半导体以及氢制造器件。
技术介绍
通过对光半导体照射光，从而该光半导体产生电子-空穴对。光半导体可以应用于将该电子-空穴对再结合时产生的光取出的LED和激光器、将上述电子-空穴对在空间上分离而将光电动势作为电能取出的太阳能电池、或者由水和太阳光直接制造氢的光催化剂等用途，是有希望的。作为吸收或放出的光为紫外～可见光区域的光半导体的群体，有氧化物、氧氮化物和氮化物。特别是，作为用于光催化剂用途的光半导体，代表性地一直使用氧化钛(TiO2)、氧化锌(ZnO)。对于具备这样的光半导体的现有半导体电极，存在由太阳光的照射引起的水的分解反应中的氢生成效率低这样的问题。这是因为TiO2等半导体材料能够吸收的光的波长短，仅可以吸收大致400nm以下的波长的光，因此在TiO2的情况下，能够利用的光在全部太阳光中所占的比例为约4.7％，非常少。进一步，如果考虑到理论上的由热损失引起的损耗，则该太阳光的利用效率为被吸收的光之中的约1.7％。因此，出于提高由太阳光的照射引起的水的分解反应中的氢生成效率的目的，要求能够提高能够利用的光在全部太阳光中所占的比例，即，能够吸收更长波长的可见光区域的光的光半导体材料。针对这样的要求，提出了以吸收更长波长的可见光，并使太阳光的利用效率提高作为目的的光半导体材料。例如专利文献1中，作为能够吸收可见光的半导体材料，公开了由组成式Ta3N5所示的钽氮化物形成的光催化剂，报导了该钽氮化物能够吸收波长600nm以下的光。现有技术文献专利文献专利文献1：日本专利第4064065号[非专利文献]非专利文献1：MoussabHarbet.al.,“Tuningthepropertiesofvisible-light-responsivetantalum(oxy)nitridephotocatalystsbynonstoichiometriccompositions:afirst-principlesviewpoint”,PhysicalChemistryChemicalPhysics,2014,Volume16,Issue38,20548–20560非专利文献2：RogerMarchandet.al.,“Nitridesandoxynitrides:Preparation,crystalchemistryandproperties”,JournaloftheEuropeanCeramicSociety,Volume8,Issue4(1991),Pages197–213非专利文献3：FrancisJDiSalvoet.al.“Ternarynitrides:arapidlygrowingclassofnewmaterials”CurrentOpinioninSolidState&MaterialsScience1996,1,241-249非专利文献4：大気圧プラズマ基礎と応用(2009)164-168
技术实现思路
专利技术所要解决的课题如上所述，出于提高水的分解反应中的氢生成效率的目的，为了提高能够利用的光在全部太阳光中所占的比例，一种解决方法是利用氮化物光半导体。具体而言，氮化物光半导体的价带由N2p轨道的能级构成，N2p轨道的能级比O2p轨道更接近于水的氧化能级，即N2p轨道的能级存在于与由氧化物光半导体的O2p轨道构成的价带相比能级高的位置。因此，氮化物光半导体能够缩窄带隙的宽度，即，可以扩大与光反应的波长区域，能够提高光电流值。氮化物光半导体例如以金属氧化物作为起始原料来制造。作为以金属氧化物作为起始原料的氮化物的现有制造方法，一般为使用了氨气的还原氮化合成反应(非专利文献1)。然而，通过使用了氨气的还原氮化合成反应由金属氧化物制造氮化物的光半导体的现有方法在复杂性、生产能力和安全性方面存在问题。因此，本公开的目的是提供与现有制造方法相比，可以安全并且简便、以更高生产能力制造包含过渡金属和氮元素的光半导体的、光半导体的制造方法。用于解决课题的方法本公开提供一种制造光半导体的方法，其具备下述工序：用等离子体对含有至少1种过渡金属的金属基材进行处理，从而由上述金属基材的至少一部分获得含有上述过渡金属和氮元素的上述光半导体的工序，所述处理在比大气压低的压力下，并且在比上述压力气氛下的上述过渡金属的挥发温度低的温度条件下进行，其中，上述等离子体通过在第1电极和第2电极之间对气体施加30MHz以上300MHz以下的频带的高频电压来产生，并且上述气体是下述(i)～(iv)之中的任一种。(i)氮气、(ii)由氮气和氧气构成的混合气体、(iii)由氮气和稀有气体构成的混合气体、或(iv)由氮气、氧气和稀有气体构成的混合气体专利技术的效果根据本公开的制造方法，可以安全、简便并且以高生产能力制造包含过渡金属和氮元素的光半导体。附图说明图1是例示了本公开的一实施方式的光半导体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2是表示通过本公开的一实施方式的光半导体的制造方法中的一工序例而获得的、等离子体处理前的金属基材的截面图。图3是表示通过作为本公开的一实施方式的光半导体的制造方法中的一工序例的等离子体处理而获得的、光半导体的截面图。图4是表示本公开的一实施方式的氢制造器件的一构成例的概略图。图5A表示通过本公开的实施例1而获得的光半导体的X射线衍射结果。图5B表示通过本公开的实施例1而获得的光半导体的紫外/可见光漫反射测定结果。图6A表示通过本公开的实施例2和3而获得的光半导体的X射线衍射结果。图6B表示通过本公开的实施例2和3而获得的光半导体的紫外/可见光漫反射测定结果。附图标记说明100等离子体装置101上部电极102等离子体103下部电极(保持电极)104加热器105匹配单元106高频电源200金属基材201金属基材(基板)300光半导体301光半导体层400氢制造器件41壳体41a透光面42隔离物43a第1空间43b第2空间44水分解用电极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＜获得本公开涉及的一个方案的经过＞作为能够使水的分解反应中的氢生成效率提高，进一步提高能够利用的光在全部太阳光中所占的比例的光半导体，考虑氮化物光半导体。具体而言，氮化物光半导体的价带由N2p轨道的能级构成，N2p轨道的能级与O2p轨道相比更接近水的氧化能级，即，N2p轨道的能级存在于与由氧化物光半导体的O2p轨道构成的价带相比能级高的位置。因此，氮化物光半导体能够缩窄带隙的宽度，即，能够扩大与光反应的波长区域，从而能够提高光电流值。氮化物光半导体例如以金属氧化物作为起始原料来制造。作为以金属氧化物作为起始原料的氮化物的现有制造方法，一般为使用了氨气的还原氮化合成反应(非专利文献1)。该还原氮化合成反应中，在高温下对作为起始原料的金属氧化物供给氨，在金属氧化物中发生氮与氧的置换，从而进行反应。该反应一般被称为氨气还原氮化法、或氨解反应。例如，与5价的钽的氮化物(Ta3N5)的合成有关的反应式如以下式(A)所述。3Ta2O5+10NH3→2Ta3N5+15H2O↑···(A)具体而言，关于上述式(A)所示的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种制造光半导体的方法，具备下述工序：用等离子体对含有至少1种过渡金属的金属基材进行处理，从而由所述金属基材的至少一部分获得含有所述过渡金属和氮元素的所述光半导体，所述处理在比大气压低的压力下，并且在比所述压力气氛下的所述过渡金属的挥发温度低的温度条件下进行，其中，所述等离子体通过在第1电极和第2电极之间对气体施加30MHz以上300MHz以下的频带的高频电压来产生，并且所述气体是以下(i)～(iv)之中的任一种，(i)氮气、(ii)由氮气和氧气构成的混合气体、(iii)由氮气和稀有气体构成的混合气体、或(iv)由氮气、氧气和稀有气体构成的混合气体。

【技术特征摘要】
2017.08.03 JP 2017-1507951.一种制造光半导体的方法，具备下述工序：用等离子体对含有至少1种过渡金属的金属基材进行处理，从而由所述金属基材的至少一部分获得含有所述过渡金属和氮元素的所述光半导体，所述处理在比大气压低的压力下，并且在比所述压力气氛下的所述过渡金属的挥发温度低的温度条件下进行，其中，所述等离子体通过在第1电极和第2电极之间对气体施加30MHz以上300MHz以下的频带的高频电压来产生，并且所述气体是以下(i)～(iv)之中的任一种，(i)氮气、(ii)由氮气和氧气构成的混合气体、(iii)由氮气和稀有气体构成的混合气体、或(iv)由氮气、氧气和稀有气体构成的混合气体。2.根据权利要求1所述的方法，所述光半导体为可见光响应型光催化剂。3.根据权利要求1或2所述的方法，所述气体是(ii)由氮气和氧气构成的混合气体、或(iv)由氮气、氧气和稀有气体构成的混合气体，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：村濑英昭，万家美纱，
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