(57)【要約】  薄膜やバルクの半導体に光を照射して生成したキャリアの再結合を抑止して電極へ取り出し易くすることを可能にする構造を提供することを目的とする。そのために、基板上に半導体膜を形成し、圧電体の電気分極軸を半導体の膜厚方向に揃えた状態で、半導体膜を貫通するように配置する。
2012098647.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板と第１の面で接して形成され、光照射によりキャリアを生成する半導体膜と、
前記半導体膜中に配置される圧電体と、を有し、
前記圧電体は、前記半導体膜の前記第１の面と前記第１の面に対向する第２の面との間に、連続的に分布するように配置され、
前記圧電体の電気分極軸が前記半導体膜の膜厚方向に対して揃っている半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置において、
前記圧電体は前記半導体膜を貫くように配置される半導体装置。
【請求項３】
請求項１に記載の半導体装置において、
前記圧電体が水晶、リン酸カリウム、チタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸亜鉛、ロッシェル塩、酸化亜鉛、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、リチウムテトラボレート、ランガサイト、窒化アルミニウム、トルマリン、亜硝酸ナトリウムのいずれかからなる半導体装置。
【請求項４】
請求項１に記載の半導体装置において、
前記半導体膜は、ＴｉＯ２、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＣｄＳｅ、ＣｄＳ、Ｆｅ２Ｏ３、ＳｒＴｉＯ３、Ｂｉ２Ｏ３、ＦｅＴｉＯ３、ＭｎＴｉＯ３、ＢａＴｉＯ３、ＫＴａＯ３、ＷＯ３、ＳｎＯ２、ＮｂＯ２、Ｎｂ２Ｏ３のいずれかからなる半導体装置。
【請求項５】
請求項１に記載の半導体装置において、
複数の前記圧電体がそれぞれ独立して、前記半導体膜中に配置される半導体装置。
【請求項６】
請求項５に記載の半導体装置において、
前記半導体膜の面内方向における前記圧電体の断面形状が、円形または四角の形状である半導体装置。
【請求項７】
請求項１に記載の半導体装置において、
前記圧電体は、前記半導体膜の面内で一方向に線状に伸びた構造を有する半導体装置。
【請求項８】
請求項１に記載の半導体装置において、
前記圧電体は、前記半導体膜を格子状に分割するように配置される半導体装置。
【請求項９】
基板と、
前記基板と第１の面で接して形成され、光照射によりキャリアを生成する半導体膜と、
前記半導体膜中に配置される圧電体と、を有し、
前記圧電体に歪みが印加された場合、前記圧電体の周囲であって前記半導体膜の前記第１の面と前記第１の面に対向する第２の面との間に発生する電場の向きが、前記半導体膜の膜厚方向となる半導体装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の半導体装置において、
前記圧電体が水晶、リン酸カリウム、チタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸亜鉛、ロッシェル塩、酸化亜鉛、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、リチウムテトラボレート、ランガサイト、窒化アルミニウム、トルマリン、亜硝酸ナトリウムのいずれかからなる半導体装置。
【請求項１１】
請求項９に記載の半導体装置において、
前記半導体膜は、ＴｉＯ２、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＣｄＳｅ、ＣｄＳ、Ｆｅ２Ｏ３、ＳｒＴｉＯ３、Ｂｉ２Ｏ３、ＦｅＴｉＯ３、ＭｎＴｉＯ３、ＢａＴｉＯ３、ＫＴａＯ３、ＷＯ３、ＳｎＯ２、ＮｂＯ２、Ｎｂ２Ｏ３のいずれかからなる半導体装置。
【請求項１２】
請求項９に記載の半導体装置において、
複数の前記圧電体がそれぞれ独立して前記半導体膜中に配置され、
前記半導体膜の面内方向における前記圧電体の断面形状が、円形または四角の形状である半導体装置。
【請求項１３】
請求項９に記載の半導体装置において、
前記圧電体は、前記半導体膜の面内で一方向に線状に伸びた構造を有する半導体装置。
【請求項１４】
請求項９に記載の半導体装置において、
前記圧電体は、前記半導体膜を格子状に分割するように配置される半導体装置。
【請求項１５】
光照射によりキャリアを生成する半導体装置と、透光性を有し前記半導体装置の周囲を流体で満たす構造を有する容器とを備え、前記キャリアによる酸化還元反応により生成される生成物を取り出すシステムであって、
前記半導体装置は、
基板と、
前記基板と第１の面で接して形成され、前記キャリアを生成する半導体膜と、
前記半導体膜中に配置される圧電体と、を有し、
前記圧電体は、前記半導体膜の前記第１の面と前記第１の面に対向する第２の面との間に、連続的に分布するように配置され、
前記圧電体の電気分極軸が前記半導体膜の膜厚方向に対して揃っている、半導体装置を用いたシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池や、水、二酸化炭素などの酸化・還元反応を応用したエネルギーの生成や物質の分解、合成に関わる光生成キャリアの電荷分離に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体物質に光が入射すると、光が半導体物質中を通過する距離及び入射した光のエネルギーに対する物質固有の吸収率に応じて、光は半導体に吸収される。光を吸収する実態は半導体の電子やフォノンである。太陽から発せられる光を電気として利用する場合、電気エネルギーの生成には電子による光の吸収が重要となる。太陽光の持つエネルギースケールでは、光は価電子帯の電子によって吸収され、伝導帯へと電子を励起する。価電子帯には電子が抜けた為に正孔が形成される。電子はマイナス符号、正孔はプラス符号の電荷を持っており、結晶の誘電定数によってスクリーニングされたクーロン力により緩やかに束縛された状態をとる(励起子)。通常の無機半導体ではこの束縛エネルギーが小さく、室温において励起子は解離する。この場合、光の照射により発生した励起電子と正孔は、光照射された領域内で拡散し均等に分布する。その後、半導体の種類や欠陥密度、不純物の種類と濃度及びそのエネルギー準位、表面の状態などに応じて決まる寿命以内に電子と正孔は再結合し、電子は価電子帯に落ち、正孔は消滅する。【０００３】
太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換する場合、電子と正孔が再結合する前に空間的に異なる領域に分離して外部に取出す必要がある。一般的な太陽電池は、色素増感型を除き、ｐｎ接合により電子と正孔（キャリア）の分布に偏りを持たせる。光吸収により生成した少数キャリア（ｐ型領域内の電子とｎ型領域内の正孔）を電気化学ポテンシャルの勾配によりｐｎ接合方向へ拡散させ、上記の寿命時間以内に多数キャリア領域まで到達したキャリアを電気として取り出して利用する。【０００４】
水や二酸化炭素などを酸化・還元反応により分解して水素やメタン、アルコールなどエネルギー源となる物質を得る場合、まず、半導体の光吸収により発生した電子・正孔を分離し、各々異なる電極に取り出す。夫々の電極は還元電極及び酸化電極として働くよう準備しておき、各電極上で酸化・還元反応を起こしてエネルギー源となる物質を得る。従って、光エネルギーを電気エネルギーに変換するところまでは太陽電池と同様である。太陽電池との違いは光エネルギーを変換して得た電気エネルギーを化学反応に用いて化学的エネルギーを物質の形態として得ることにある。【０００５】
光エネルギーを電気エネルギーに変換する部分は太陽電池の構造をそのまま用いることが可能である。太陽電池を用いる方法は光から電気への変換に関して最も効率のよい方法であり、大きな利点を有する。しかし、太陽電池構造を作ること自体が複雑なプロセスを必要としコストのかかる方法である。このため、光を用いてエネルギー源となる化学物質を生成する場合は、より単純な方法で光を電気エネルギーに変換する方法が用いられることが多い。例えば半導体単層と金属を接合し、夫々を酸化・還元電極として用いて光の電気エネルギーへの変換は半導体単層で行うこともできる。この場合、光によって生成したキャリアが拡散により夫々酸化・還元電極へ到達するまでの間に再結合する確率は、ｐｎ接合に比較して高くなる。即ち、光により生成したキャリアが酸化・還元反応に使われず、失われてしまうという課題がある。この課題により光エネルギーの、酸化・還元反応による生成物への転換効率が悪くなる。【０００６】
一つの解決方法は、キャリアが再結合する前に電極に取り込まれるよう、拡散長が短くて済むような構造を採用することである。最も代表的な例は半導体微粒子を用いる方法である。半導体微粒子の表面に金属微粒子を接合し、半導体部分と金属部分を夫々酸化・還元電極とすることにより、光によって生成したキャリアの拡散長が高々微粒子径程度で済む。例えば特許文献１でこうした方法の例が開示されている。【０００７】
また、特許文献２には圧電体と半導体の複合体を用いて有機物分解等を行うことが開示されている。【０００８】
また、特許文献３には光生成した電子及び正孔の再結合速度を低下させる効果を狙って酸化チタン上に酸化マンガン粒子を配置した構成について開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００９−０６２３２１号公報
【特許文献２】特開２００２−０７９０６８号公報
【特許文献３】特開２００６−５２８０５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明では、キャリアの生成に薄膜やバルクの半導体を用いる。一方で、特許文献１に開示される微粒子を用いる方法は、薄膜やバルクの半導体を用いる場合に比べて、体積当たりの表面積を大きくできるため、酸化・還元反応が生じる頻度を上げやすい。また、水中に分散させて用いることが多く、光の乱反射による吸収確率を上げられる利点を持つ。しかしながら、本発明のように半導体膜表面と基板界面にキャリアを分離するものではなく、微粒子同士の接触による微粒子間を跨ったキャリアの再結合が起きやすく、その防止が難しい。また、酸化・還元反応を維持できる期間も短い。【００１１】
また、特許文献２に開示される複合体は、粉体を焼結して形成されており、圧電体の電気分極軸はランダムな方向を向く。そのため、局所的な電荷分離効果しか期待できず、キャリアの再結合が生じやすくなってしまう。【００１２】
さらに、特許文献３に開示される構成は、特許文献１と同様、半導体膜表面と基板界面にキャリアを分離するものではなく、キャリアの再結合抑止効果が局所的にしか及ばない。【００１３】
このような事情に鑑み、本願は、薄膜やバルクの半導体に光を照射して生成したキャリアの再結合を抑止して電極へ取り出し易くすることを可能にする構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本願において開示される発明のうち代表的なものを簡単に説明すれば、次のとおりである。すなわち、基板と、基板と第１の面で接して形成され光照射によりキャリアを生成する半導体膜と、半導体膜中に配置される圧電体とを有し、圧電体は、半導体膜の第１の面と第１の面に対向する第２の面との間に、連続的に分布するように配置され、圧電体の電気分極軸が半導体膜の膜厚方向に対して揃っている半導体装置である。【００１５】
また、基板と、基板と第１の面で接して形成され光照射によりキャリアを生成する半導体膜と、半導体膜中に配置される圧電体とを有し、圧電体に歪みが印加された場合、圧電体の周囲であって半導体膜の第１の面と第１の面に対向する第２の面との間に発生する電場の向きが、半導体膜の膜厚方向となる半導体装置である。【００１６】
また、光照射によりキャリアを生成する半導体装置と、透光性を有し半導体装置の周囲を流体で満たす構造を有する容器とを備え、キャリアによる酸化還元反応により生成される生成物を取り出す、半導体装置を用いたシステムである。半導体装置は、基板と、基板と第１の面で接して形成されキャリアを生成する半導体膜と、半導体膜中に配置される圧電体とを有し、圧電体は半導体膜の第１の面と第１の面に対向する第２の面との間に、連続的に分布するように配置され、圧電体の電気分極軸は半導体膜の膜厚方向に対して揃っている。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、薄膜やバルクの半導体に光を照射して生成したキャリアの再結合を抑止して電極へ取り出し易くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１（ａ）】実施例１に係る半導体装置の一例を示す図である。
【図１（ｂ）】図１（ａ）の断面構造を示す図である。
【図２】実施例２に係る半導体装置の一例を示す図である。
【図３（ａ）】実施例３に係る半導体装置の一例を示す図である。
【図３（ｂ）】実施例３に係る半導体装置の一例を示す図である。
【図４（ａ）】歪が印加されている状態での、半導体内部（図１（ｂ）中Ａの位置）における膜厚方向でのエネルギーバンドの模式図である。
【図４（ｂ）】歪が印加されていない状態での、半導体内部（図１（ｂ）中Ａの位置）における膜厚方向でのエネルギーバンドの模式図である。
【図５（ａ）】圧電体が存在する場合の半導体内部（図１（ｂ）中Ａの位置）における膜面内平行方向のエネルギーバンドの模式図である。
【図５（ｂ）】圧電体がない場合の半導体内部（図１（ｂ）中Ｂの位置）における膜面内平行方向のエネルギーバンドの模式図である。
【図６（ａ）】基板上に圧電体薄膜を成膜した状態の一例を示す図である。
【図６（ｂ）】圧電体薄膜上に圧電体を成長させた状態の一例を示す図である。
【図６（ｃ）】圧電体上に、圧電体をパターニングする為のレジストを塗布した状態の一例を示す図である。
【図６（ｄ）】レジストをパターニングした状態の一例を示す図である。
【図６（ｅ）】エッチングにより圧電体をパターニングした状態の一例を示す図である。
【図６（ｆ）】基板上に半導体を成膜した状態の一例を示す図である。
【図６（ｇ）】レジストをエッチングし、柱状圧電体上に残る半導体をリフトオフした状態の一例を示す図である。
【図７（ａ）】実施例３に係る半導体装置を実現するフォトマスクパターンの概略図である。
【図７（ｂ）】実施例３に係る半導体装置を実現するフォトマスクパターンの概略図である。
【図８】本実施例の半導体装置を利用したシステムの一例を示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
（実施例１）
本実施例では本発明の一形態である一次元柱状圧電体を、光キャリア生成を担う半導体中に埋め込んだ構成について述べる。
【００２０】
本実施例は光照射によりキャリアを生成する半導体に、自発的に静電ポテンシャルが印加されるような構成を付加することにより、正負のキャリア夫々がお互いに対向する方向へドリフトする機構を付与することができる構造を主要な特徴とする。尚、ここで「自発的」とは、外部から意識的にエネルギーの供給をすることなしに、という意味で用いる。
【００２１】
図１（ａ）は、基板１０上に柱状の圧電体１２が光キャリアを生成する半導体膜１１に埋め込まれた状態を示す図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）の、圧電体を含む面での断面図である。
【００２２】
柱状の圧電体１２は、半導体膜１１をほぼ貫く様に配置されていることが特徴の一つである。この圧電体１２は半導体膜１１を完全に貫いた形状になっていても良く、また、圧電体１２の表面と半導体膜１１の表面が一致した状態でもよい。更に、圧電体１２の表面が半導体膜１１の内部にある程度埋もれた状態になっていても良い。ここで「ある程度」とは、表面が半導体膜１１の内部に影響を及ぼす程度の距離を言い、半導体のエネルギーバンドが表面の影響により曲がる範囲として特徴づけられる。
【００２３】
また、柱状の圧電体は、電気分極軸がそろっていることが特徴の一つである。このような状態で基板に歪が印加されると、基板や薄膜を介して柱状の圧電体に歪が印加され、柱状の圧電体の端面に正負の電荷が発生する。電荷が発生する端面が半導体膜１１の表面と基板界面に相当するよう圧電体を配置しておくことにより、圧電体周辺では膜の表面と基板界面間に電場が印加される。半導体薄膜に印加される圧力が膜内で同種（引っ張り若しくは圧縮応力のいずれか）であれば、圧電体の電気分極軸を揃えておくことにより、半導体薄膜の表面と界面の間で電場の向きを統一することができる。強度に時間的変動はあるものの、電場が半導体膜の膜厚方向に発生し、電子と正孔は夫々が決まった方向にドリフトするため、正負のキャリアをそれぞれ決まった電極で取出し易くなる。
【００２４】
図４（ａ）は、この状況を説明する図で、図１（ｂ）中Ａの位置での歪が印加された状態での半導体膜１１のエネルギーバンドを示している。横軸は図１（ｂ）のＡで示される深さ方向の位置を表し、縦軸がエネルギーを示す。歪が印加された状態では柱状の圧電体の両端に発生する正負の電荷により、伝導帯１３及び価電子帯１５が曲がり、伝導帯の底２０及び価電子帯の上端２１が膜の深さ方向に対して傾くため、光により生成したキャリアである電子１６及び正孔１７はバンドの傾きに応じて図中左右に夫々が分離される。なお、図中の符号１４は半導体中の禁制帯を示す。
【００２５】
一方、歪が印加されていない状態では、エネルギーバンドは半導体膜表面の影響のみにより表面近傍だけが曲がる。その結果、図４（ｂ）に示されるように半導体膜表面１８近傍で吸収された光により生成した電子１６、正孔１７はバンドの曲がりにより分離されるが、その効果は半導体膜表面１８の近傍に限定される。
【００２６】
また、半導体内部では、歪が印加されていなくとも、半導体と圧電体のフェルミエネルギーが一致しない限り半導体と圧電体の界面でエネルギーバンドの曲がりが生じる。その結果、半導体と圧電体の界面近傍では、光の吸収により生成された電子・正孔対は、お互いに異なる方向に力を受けるようエネルギーバンドの曲がりの影響を受け、夫々空間的に距離を持つようドリフト運動を生ずる。その結果、電子と正孔は空間的に異なる分布を持ち易くなり、再結合頻度が低下する。
【００２７】
図５（ａ）はこの状況を説明した図で、図１（ｂ）中Ｂの位置でのエネルギーバンドを示したものである。縦軸はエネルギーを示し、横軸は横方向の位置を示す。半導体膜１１と圧電体１２の界面１９近傍で、伝導帯１３及び価電子帯１５が曲がるため、この付近で生成した電子１６及び正孔１７は電荷の正負に応じてお互いに逆向きの方向に力を受けることになる。
【００２８】
図５（ｂ）は、仮に圧電体がない場合の同じ場所でのエネルギーバンドを描いたもので、均一な半導体層が続くため、伝導帯１３及び価電子帯１５の曲がりは生じない。
【００２９】
以上のように、半導体膜の表面と基板界面との間で圧電体が連続的に分布するように配置され、電気分極軸が膜厚方向に対して揃っていることにより、歪が印加されている場合と緩和している状態で程度の差はあるものの、光の吸収で発生した電子と正孔は、各々逆向きの方向に力を受けることになり、空間的に分離した状態へと分布する。これにより、キャリアの再結合を抑制して電極へ取り出しやすくなる。
【００３０】
なお、後述するが、圧電体の形態は柱状に限るものではない。電気分極軸が揃っており、光生成を担う半導体薄膜の表面と基板界面間に連続的に存在する構造であればよい。
【００３１】
本構造を実現するプロセスの一例を、図６を用いて説明する。まずシリコン（Ｓｉ）からなる基板１０上に圧電体として酸化亜鉛（ＺｎＯ）薄膜２２を成膜する（図６（ａ））。例えば、Ｚｎをターゲットとし、酸素とアルゴンの混合雰囲気中で反応性ＲＦマグネトロンスパッターにより膜厚およそ１００ｎｍのＺｎＯを成膜できる。この薄膜上に水熱合成法によりｃ軸方向に配向したＺｎＯ膜１２を形成する（図６（ｂ））。２０ｍＭの塩化亜鉛（ＺｎＣｌ２）と２０ｍＭのヘキサメチレンテトラミンを溶かした水溶液に４ｗｔ％のアンモニア水溶液を加え９５℃に保持する。そこに先ほどの基板をＺｎＯ面を下向きにして接触させ、１時間ほど保持することにより膜厚およそ１μｍのｃ軸に配向したＺｎＯ薄膜を得る。
【００３２】
次に、フォトリソグラフィによりＺｎＯ膜のパターニングを行い、基板に垂直方向に直立した一次元円柱状ＺｎＯを形成する。上記基板にレジスト薄膜２３をスピンコートにより塗布し、ホットプレートによりベークする（図６（ｃ））。円形のレジストが周期的に残るようなパターンを持つフォトマスクで露光し、適宜現像する。その結果、図６（ｄ）に示す様にＺｎＯ膜上に円形の島状のレジスト薄膜２３のパターンが残る。この基板をリン酸（Ｈ３ＰＯ４）によりエッチングすることにより、図６（ｅ）に示すような円柱状のＺｎＯを基板１０上に形成する。その後、図６（ｆ）に示すように二酸化チタン（ＴｉＯ２）２８をスパッタし、円柱状ＺｎＯをＴｉＯ２中に埋め込む。残存するレジストをウェットエッチングで除去することにより、円柱状ＺｎＯ上に成膜されたＴｉＯ２をリフトオフする。こうして図６（ｇ）に示すような所望の構造を得る。この状態で更にＴｉＯ２を成膜することにより、円柱状ＺｎＯを完全に埋め込んでも良い。
【００３３】
ここでは、パターニングの詳細は省き概要のみ記したが、成膜やエッチング、レジストの塗布・ベーク条件やレジストのネガポジに応じたマスクの反転パターンの選択の必要性などを始めとしたフォトリソグラフィの詳細など、当業者には明らかであろう。
【００３４】
こうして構成した基板の裏面にアルミを蒸着し、表面に透明電極として錫ドープした酸化インジウム（ＩＴＯ）を成膜した状態で、ＴｉＯ２には吸収されるがＩＴＯに対する吸収は小さい３６５ｎｍの光を照射して光電流を計測した。比較の為、円柱状ＺｎＯがないことを除き、膜厚等を同じにして構成した基板に光をあてて光電流を計測したところ、同じ強度の光に対して前者の方が光電流を多く取り出せることを確認した。
【００３５】
また、圧電体が円柱状の構造は、圧電体がナノワイヤー状に結晶成長するようなものに対して適している。そのような例としてＧａＮやサファイア基板上でのＺｎＯ結晶成長などがあげられる。この場合、格子定数が整合するため、スパッタ成膜せず直接水熱合成により膜を成長させることができる。さらには、フォトリソグラフィによる成形が不要となる大きな利点がある。
【００３６】
本実施例では圧電体としてＺｎＯを用いたが、水晶、リン酸カリウム、チタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸亜鉛、ロッシェル塩、酸化亜鉛、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、リチウムテトラボレート、ランガサイト、窒化アルミニウム、トルマリン、亜硝酸ナトリウムなど、その他の圧電体を用いても構わない。
【００３７】
また、基板はＳｉを用いたが、それに限るものではない。ガラスや可塑性をもつプラスチック基板、金属基板でも同様にして必要な構造を構成することができる。
【００３８】
更に、光キャリアを生成する半導体についても、ＴｉＯ２に限るものでなく、ＳｉＣやＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＣｄＳｅ、ＣｄＳ、Ｆｅ２Ｏ３、ＳｒＴｉＯ３、Ｂｉ２Ｏ３、ＦｅＴｉＯ３、ＭｎＴｉＯ３、ＢａＴｉＯ３、ＫＴａＯ３、ＷＯ３、ＳｎＯ２、ＮｂＯ２、Ｎｂ２Ｏ３など、可視光付近に吸収を持つ半導体であれば種類を問わない。
【００３９】
（実施例２）
図２は、本発明の実施例２に係る半導体装置を示すものである。本実施例では、角柱状の圧電体構造を有することを特徴とする。本実施例では、実施例１で説明した半導体装置の製造方法に対して、フォトマスクのパターンを変更することにより角柱状の圧電体構造を得ることができる。
【００４０】
（実施例３）
実施例１では圧電体を柱状構造とした例をあげたが、本実施例では図３に示すような板状構造の圧電体を用いた例について記載する。本実施例の半導体装置の製造方法は、圧電体ＺｎＯを水熱合成法により成長させ、レジストを塗布するところまでは、実施例１に開示した方法と全く同様である。
【００４１】
その後、図７（ａ）に示すような、スリットが周期的に並んだパターンを持つフォトマスクを用いて露光する。以降実施例１と同様にしてエッチング、半導体の成膜、リフトオフ、必要であれば再度成膜し、図３（ａ）に示すような構造、圧電体１２が半導体膜１１の面内で一方向に線状に伸びた構造を得る。この構造は圧電体が連続的に分布しているため、柱状と比較し、同じ周期で圧電体を配置した場合、歪によるポテンシャルの影響が広く及ぶ利点がある。更に、半導体と圧電体の界面の面積が広くなるため、界面によるエネルギーバンドの曲がりの効果がより広く及ぶ利点もある。
【００４２】
連続的な圧電体の配置も図３（ａ）に限るものではない。例えば図７（ｂ）に示すようなフォトマスクを用いて、実施例１に開示した方法と同様にして図３（ｂ）のような構造、圧電体１２が半導体膜１１を格子状に分割するように配置される構造を得ることができる。このような構造は、図３（ａ）に比べて、歪により発生する電荷の影響がより強く半導体層に及ぶ利点を有する。更に、界面の影響もより広い領域に及ぶ利点がある。一方、図３（ａ）の構成は、図３（ｂ）に比べ光が広範囲に当たり易くなる利点を有する。この利点は図３（ａ）、（ｂ）の構成に比べた場合の図１（ａ）、図２の構成についてより顕著である。
【００４３】
（実施例４）
本実施例では実施例１から３に記載した光生成キャリアを効率的に取り出す半導体装置を用いたシステムについて、図８を用いて記述する。
【００４４】
実施例１から３に記載したような半導体装置２４を設置箱２５の内部に固定する。設置箱２５は気体もしくは液体の様な流体を導入し、半導体装置２４の周囲を満たす構造を持つ。図中の符号２６は流体を導入する導入口で、符号２７は流体を設置箱から導出する為の導出口である。設置箱２５の少なくとも上面は光を内部に取り込めるよう、透明な面で構成される。半導体装置２４は、設置箱内に機械的に固定される。その結果、太陽光照射による熱に起因した熱歪、機械的ストレスを印加した状態で設置することによる機械的歪、薄膜成膜時の膜歪などによる歪が導入される。
【００４５】
導入口２６から、例えば二酸化炭素を高濃度に溶解させた溶液を導入して設置箱２５内を満たし、上面から太陽光を照射する。半導体装置２４の表面から入射した光は半導体中で吸収され光キャリア（電子と正孔のペア）を生成する。圧電体に上述の歪みが印加されることにより、生成された光キャリアは、実施例１で記載したように電子と正孔が効率的に分離して夫々半導体装置２４の表面と裏面に到達する。それらのキャリアは半導体装置２４の夫々の表面で二酸化炭素若しくはその溶解生成物の酸化と還元を行い、分解物を生成する。生成物が気体の場合、設置箱の上面にガス取出し口を設けておいて外部へ取り出す。液体の場合、導出口から搬出される。
【００４６】
以上のように、実施例１から３において説明した半導体装置を用いることにより、キャリアの再結合を抑止して取り出しやすくなり、その結果、キャリアによる酸化還元反応による分解物を効率的に生成し取り出すことが可能となる。
【００４７】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、種々変形実施可能であり、上述した各実施形態を適宜組み合わせることが可能であることは当業者に理解されよう。
【符号の説明】
【００４８】
１０  基板
１１  半導体膜
１２  圧電体
１３  伝導帯
１４  禁制帯
１５  価電子帯
１６  電子
１７  正孔
１８  半導体膜表面
１９  界面
２０  伝導帯の底
２１  価電子帯の上端
２２  酸化亜鉛薄膜
２３  レジスト薄膜
２４  半導体装置
２５  設置箱
２６  導入口
２７  導出口
２８  二酸化チタン
【図１（ａ）】
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【図１（ｂ）】
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【図２】
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【図３（ａ）】
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【図３（ｂ）】
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【図４（ａ）】
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【図４（ｂ）】
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【図５（ａ）】
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【図５（ｂ）】
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【図６（ａ）】
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【図６（ｂ）】
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【図６（ｃ）】
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【図６（ｄ）】
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【図６（ｅ）】
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【図６（ｆ）】
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【図６（ｇ）】
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【図７（ａ）】
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【図７（ｂ）】
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【図８】
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【国際調査報告】
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