(57)【要約】【課題】半導体ナノワイヤをＰＥＣ素子として用いた光反応装置において、太陽光を用いて高い効率で分解や合成などの反応に必要な高い電圧を得ることができるようにする。【解決手段】ナノワイヤ１０１と、ナノワイヤ１０１の一端に形成された第１電極１０２と、ナノワイヤ１０１の他端に形成された第２電極１０３とを備える。ナノワイヤ１０１は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成された第１部分１０４と、第１部分１０４に直列に接続されてＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成された第２部分１０５とを備える。第１部分１０４および第２部分１０５は、それぞれ、ｎ型層，ｉ型層，ｐ型層によるｐｉｎ型ダイオード構造を備える。【選択図】  図１
2018130642.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されたｐｉｎ型ダイオード構造の第１部分と、前記第１部分に直列に接続されてＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されたｐｉｎ型ダイオード構造の第２部分とを備えるナノワイヤと、
前記ナノワイヤの一端に形成されて酸化反応を促進する触媒材料から構成された第１電極と、
前記ナノワイヤの他端に形成されて還元反応を促進する触媒材料から構成された第２電極と
を備え、
前記ｐｉｎ型ダイオード構造のｉ型の半導体のバンドギャップエネルギーは、太陽光の可視域および赤外域のいずれかの波長に対応していることを特徴とする光反応装置。
【請求項２】
請求項１記載の光反応装置において、
前記第１電極および前記第２電極以外の前記ナノワイヤを覆う保護層を備えることを特徴とする光反応装置。
【請求項３】
請求項２記載の光反応装置において、
前記保護層は、太陽光を透過する樹脂から構成されて前記ナノワイヤが各々接触することなく複数分散され、
前記複数のナノワイヤの各々の前記第１電極は、前記保護層の一方の面より露出し、
前記複数のナノワイヤの各々の前記第２電極は、前記保護層の前記一方の面に相対する他方の面より露出している
ことを特徴とする光反応装置。
【請求項４】
請求項３記載の光反応装置において、
前記保護層は、一方の面から他方の面に気体は透過せずにプロトンを透過するプロトン透過構造を備える
ことを特徴とする光反応装置。
【請求項５】
請求項４記載の光反応装置において、
前記プロトン透過構造は、プロトンが透過する材料から構成されていることを特徴とする光反応装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の光反応装置において、
隣り合う前記ナノワイヤの前記第１電極同士、および隣り合う前記ナノワイヤの前記第２電極同士の少なくとも一方は、非導通とされている
ことを特徴とする光反応装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽光を用いて分解や合成などの反応を行う光反応装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
持続可能な社会実現のために、水素を利用したエネルギー変換や資源生成の研究および開発が進められている。例えば、太陽光と半導体や光触媒を用いて水を電気化学的に分解し、酸素および水素を生成する技術があり、有望な水素生成技術となっている（非特許文献１参照）。
【０００３】
光電気化学（ＰＥＣ：Photo Electro Chemical）素子として半導体電極を用いるものでは、金属配線で陽極（アノード）と陰極（カソード）とを繋ぐ構成と、陽極と陰極とを繋がずに電極配線の無い一体型のものとで分けられる。後者は、電極配線部の抵抗によるロスがないため、より高い効率が期待され、更に作製が既存の半導体加工技術を用いて簡易化できるため、コストが下げられる。水の分解以外に、水溶液中のＣＯ2を還元して炭水化物を生成しようとする人工光合成もこれらの系で研究は進んでいる。
【０００４】
金属配線を用いない半導体電極を用いるＰＥＣ素子は、薄膜化し、かつ溶液を膜で分離することにより、例えば水の分解では、陽極で生成する酸素と陰極で生成する水素とを分離して収集することが可能である。このようなアイディアは既に報告されてはいるが（非特許文献１）、効率的なデバイスの具体的なものは示されておらず、また、実験的にも報告されていない。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】F. E. Osterloh and B. A. Parkinson, "Recent developments in solar water-splitting photocatalysis", MRS BULLETIN, vol. 36, pp. 17-22, 2011.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、この種の光反応装置は、分解や合成などの反応に必要な高い電圧が得にくいという問題があった。例えば、水の電気分解には、１．２３Ｖと過電圧分を合わせた１．４〜１．９Ｖ程度の電圧が必要となる。しかしながら、このような高い電圧を、太陽光を利用して得ようとすると、例えば、バンドギャップの大きいＧａＮを用いることが考えられる。しかしながら、このように大きなバンドギャップの半導体を用いる場合、紫外域の光が対象となる。紫外域の光は、太陽光の中で光量が少なく、また、到達しにくいことなどから、紫外域の光を利用する場合効率が悪くなる。
【０００７】
一方、より効率の高い可視域の光や赤外域の光を用いる場合、バンドギャップの小さいＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いることになる。このように小さいバンドギャップの半導体を用いる場合、得られる電圧が１．４〜１．９Ｖに達しない。このように、従来では、半導体を用いた光反応素子において、太陽光を用いて高い効率で分解や合成などの反応に必要な高い電圧を得ることが容易ではないという問題があった。
【０００８】
ところで、ダイオード構造をタンデムに積層して高い電圧を得ることは可能であり、既に高効率の太陽電池で知られている。しかしながら、水溶液中の光反応場においては、例えばゴミの付着や表面の凹凸などによって保護膜に欠陥が生じると、この欠陥部分からの溶液の侵入による腐食により素子特性が大きく劣化しやすいため、タンデム構造のような複雑な層構成の素子の適用は難しい。ナノワイヤ構造で独立したダイオードが形成されている場合、一部が劣化しても全体の特性が大きく劣化することはない。しかしながら、このようなダイオード構造のナノワイヤを溶液中の光反応に応用した例はない。
【０００９】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、半導体ナノワイヤをＰＥＣ素子として用いた光反応装置において、太陽光を用いて高い効率で分解や合成などの反応に必要な高い電圧を得ることができるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る光反応装置は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されたｐｉｎ型ダイオード構造の第１部分と、第１部分に直列に接続されてＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されたｐｉｎ型ダイオード構造の第２部分とを備えるナノワイヤと、ナノワイヤの一端に形成されて酸化反応を促進する触媒材料から構成された第１電極と、ナノワイヤの他端に形成されて還元反応を促進する触媒材料から構成された第２電極とを備え、ｐｉｎ型ダイオード構造のｉ型の半導体のバンドギャップエネルギーは、太陽光の可視域および赤外域のいずれかの波長に対応している。
【００１１】
上記光反応装置において、第１電極および第２電極以外のナノワイヤを覆う保護層を備える。
【００１２】
上記光反応装置において、保護層は、太陽光を透過する樹脂から構成されてナノワイヤが各々接触することなく複数分散され、複数のナノワイヤの各々の第１電極は、保護層の一方の面より露出し、複数のナノワイヤの各々の第２電極は、保護層の一方の面に相対する他方の面より露出している。
【００１３】
上記光反応装置において、保護層は、一方の面から他方の面に気体は透過せずにプロトンを透過するプロトン透過構造を備える。
【００１４】
上記光反応装置において、プロトン透過構造は、プロトンが透過する材料から構成されている。
【００１５】
上記光反応装置において、隣り合うナノワイヤの第１電極同士、および隣り合うナノワイヤの第２電極同士の少なくとも一方は、非導通とされている。
【発明の効果】
【００１６】
以上説明したことにより、本発明によれば、半導体ナノワイヤをＰＥＣ素子として用いた光反応装置において、太陽光を用いて高い効率で分解や合成などの反応に必要な高い電圧を得ることができるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１に係る光反応装置の構成を模式的に示す断面図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態２に係る光反応装置の構成を模式的に示す断面図である。
【図３】図３は、実際に作製したナノワイヤを走査型電子顕微鏡で観察した結果を示す写真である。
【図４】図４は、実際に作製したナノワイヤによるサンプルについて、光をＯＮ／ＯＦＦしながら、ポテンショスタットにおいて電圧を変えて電流を測定したリニアスイープボルタモグラムを示す特性図である。
【図５Ａ】図５Ａは、実施の形態２における光反応装置の製造方法を説明するための各工程における状態を示す斜視図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、実施の形態２における光反応装置の製造方法を説明するための説明図である。
【図５Ｃ】図５Ｃは、実施の形態２における光反応装置の製造方法を説明するための各工程における状態を示す斜視図である。
【図５Ｄ】図５Ｄは、実施の形態２における光反応装置の製造方法を説明するための各工程における状態を示す斜視図である。
【図５Ｅ】図５Ｅは、実施の形態２における光反応装置の製造方法を説明するための各工程における状態を示す斜視図である。
【図５Ｆ】図５Ｆは、実施の形態２における光反応装置の製造方法を説明するための各工程における状態を示す斜視図である。
【図５Ｇ】図５Ｇは、実施の形態２における光反応装置の製造方法を説明するための各工程における状態を示す斜視図である。
【図６】図６は、実施の形態２における光反応装置の実施用例を説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【００１９】
［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１に係る光反応装置について、図１の断面図を用いて説明する。この光反応装置は、ナノワイヤ１０１と、ナノワイヤ１０１の一端に形成された第１電極１０２と、ナノワイヤ１０１の他端に形成された第２電極１０３とを備える。また、実施の形態１では、第１電極１０２および第２電極１０３以外のナノワイヤ１０１を覆う保護層１０６を備える。
【００２０】
ナノワイヤ１０１は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成された第１部分１０４と、第１部分１０４に直列に接続されてＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成された第２部分１０５とを備える。第１部分１０４および第２部分１０５は、それぞれ、ｎ型層，ｉ型層，ｐ型層によるｐｉｎ型ダイオード構造を備える。各層は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されている。
【００２１】
少なくともｐｉｎ型ダイオード構造のｉ型の半導体（ｉ型層）のバンドギャップエネルギーは、太陽光の可視域および赤外域のいずれかの波長に対応している。例えば、第１部分１０４，第２部分１０５は、ＧａＰから構成すればよい。ｎ型層は、ｎ型のＧａＰから構成し、ｉ型層は、ノンドープのｉ型のＧａＰから構成し、ｐ型層は、ｐ型のＧａＰから構成すればよい。
【００２２】
第１電極１０２は、ナノワイヤ１０１の一端に形成されている。また、第１電極１０２は、酸化反応を促進する触媒材料から構成されている。第１電極１０２は、例えば、酸化ルテニウム（ＲｕＯ2）から構成すればよい。第２電極１０３は、ナノワイヤ１０１の他端に形成されている。また、第２電極１０３は、還元反応を促進する触媒材料から構成されている。第２電極１０３は、例えば白金（Ｐｔ）から構成すればよい。
【００２３】
保護層１０６は、例えばエポキシ樹脂やアクリル樹脂など、太陽光を透過する樹脂から構成されていればよい。
【００２４】
実施の形態１における光反応装置は、例えば、水の中に浸漬した状態で太陽光を照射することで水の電気分解が行える。太陽光の照射によりナノワイヤ１０１において光電変換が起き、第１電極１０２と第２電極１０３との間で電位差が発生する。これにより、第１電極１０２では、酸化反応「Ｈ2Ｏ→１／２Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-」が起きる。一方、第２電極１０３では還元反応「２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2」が起きる。この結果、第１電極１０２より酸素ガスが発生し、第２電極より水素ガスが発生する。
【００２５】
上述した実施の形態１によれば、ｐｉｎ構造とした第１部分１０４，第２部分１０５によりナノワイヤ１０１で光反応装置を構成しているので、光照射時における第１電極１０２と第２電極１０３との間の電位差をより高くすることができる。実施の形態１では、２つのｐｉｎ構造を直列に接続したが、更に多くのｐｉｎ構造を直列に接続させることで、第１電極１０２と第２電極１０３との間の電位差を更に高くすることができる。このように、実施の形態１によれば、半導体ナノワイヤをＰＥＣ素子として用いた光反応装置において、太陽光を用いて高い効率で分解や合成などの反応に必要な高い電圧を得ることができるようになる。また、保護層１０６を備えることで、光反応環境におけるナノワイヤ１０１の劣化が抑制できるようになる。
【００２６】
［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２に係る光反応装置について図２の断面図を用いて説明する。この光反応装置は、複数のナノワイヤ１０１を保護層２０６に分散させている。また、複数のナノワイヤ１０１の各々の第１電極１０２は、保護層２０６の一方の面２６１より露出している。また、複数のナノワイヤ１０１の各々の第２電極１０３は、保護層２０６の一方の面２６１に相対する他方の面２６２より露出している。
【００２７】
図２に示す例では、複数のナノワイヤ１０１の各々に第１電極１０２を形成し、複数のナノワイヤ１０１に共通して１つの第２電極１０３を形成している。この例では、隣り合うナノワイヤ１０１の第１電極１０２同士が非導通とされている。なお、複数のナノワイヤ１０１の各々に第２電極１０３を形成し、隣り合うナノワイヤ１０１の第２電極１０３同士を非導通としてもよい。また、保護層２０６は、太陽光を透過する樹脂から構成されている。また、複数のナノワイヤ１０１は、各々接触することなく保護層２０６の中に分散されている。
【００２８】
なお、ナノワイヤ１０１，第１電極１０２，第２電極１０３は、前述した実施の形態１と同様であり、詳細は省略する。
【００２９】
上述した実施の形態２によれば、複数のナノワイヤ１０１を備えるので、実効的な光受光面積を拡大することが可能となり、また、ＰＥＣ素子の実効的な反応場を拡大することができる。また、保護層２０６を用いているので、ナノワイヤ１０１を保護するとともに、複数のナノワイヤ１０１を各々接触しない状態で固定することが可能となる。
【００３０】
以下、実験の結果をもとに説明する。はじめに、実施した実験について説明する。
【００３１】
まず、ｐ−ＧａＰ（１１１）Ｂ基板を用意する。次に、電子ビーム（ＥＢ）蒸着装置を用い、用意した基板の上に、厚さ０．７ｎｍ程度にＡｕを蒸着してＡｕ層を形成する。次に、Ａｕ層を形成した基板を、よく知られた有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）装置の処理室内に搬入して設置する。
【００３２】
次に、処理温度を４９０℃とし、処理室内にトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、ターシャリブチルフォスフィン（ＴＢＰ）、ターシャリブチルクロライド（ＴＢＣｌ）、ジエチルジンク（ＤＥＺｎ）を導入し、よく知られた有機金属気相成長法により、基板の上にｐ−ＧａＰナノワイヤを形成した。なお、各原料の導入条件は、ＴＥＧａは、６×１０-6ｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＢＰは、７×１０-5ｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＢＣｌは、１×１０-6ｍｏｌ／ｍｉｎ、ＤＥＺｎは、３×１０-7ｍｏｌ／ｍｉｎとした。また、成長時間を２０分としたサンプル１と、成長時間を４０分としたサンプル２とを作製した。
【００３３】
上述したナノワイヤの成長において、処理温度を上昇させる過程で、蒸着したＡｕ層より、直径が２０−６０ｎｍ程度の金微粒子が生じる。引き続き処理温度を上昇させていくと、Ａｕ微粒子を触媒としｐ−ＧａＰの結晶が、Ａｕ微粒子の下（基板側）へ連続して成長し、ナノワイヤが形成される。
【００３４】
また、比較のために、直径４０ｎｍのＡｕ微粒子を含むコロイド水溶液を基板の上に塗布し、Ａｕ微粒子の密度が低い状態で、上述同様の成長（成長時間２０分）によりナノワイヤを形成したサンプル３を作製した。サンプル１，サンプル２においては、Ａｕ微粒子の密度は、７０−１１０μｍ-2であった。また、サンプル3においては、Ａｕ微粒子の密度は、０．４−０．９μｍ-2であった。
【００３５】
作製したサンプル１，サンプル２について、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した結果を図３に示す。図３の（ａ）は、サンプル１のＳＥＭ写真であり、図３の（ｂ）は、サンプル２のＳＥＭ写真である。図３の（ａ）に示すように、成長時間２０分では、ナノワイヤの長さは３００−６００ｎｍであった。また、図３の（ｂ）に示すように、成長時間４０分では、ナノワイヤの長さは９００−１４００ｎｍであった。この結果より、成長時間でナノワイヤの長さが制御できることがわかる。
【００３６】
なお、サンプル３のナノワイヤの長さは９００ｎｍであった。また、成長したナノワイヤは、いずれもウルツ鉱型であることをＴＥＭで確認した。また、ｐ−ＧａＰからなるナノワイヤのキャリア濃度は、インピーダンス測定により１−６×１０18ｃｍ-3程度であった。
【００３７】
上述した各サンプルについて、基板の裏面にＣｕ導線をＩｎで接合してカソード電極を作製した。また、Ｐｔ板にＣｕ導線を接続してアノード電極を形成した。作製したカソード電極およびアノード電極を、ポテンショスタットに接続し、次に示すように光起電力を測定した。参照電極は、可逆水素電極を用いた。導線や基板裏面は、樹脂で覆って絶縁し、０．５Ｍの硫酸水溶液中において、ソーラシミュレータを用いて太陽光の照射条件ＡＭ１．５Ｇで光を照射した。
【００３８】
図４に、光をＯＮ／ＯＦＦしながら、ポテンショスタットにおいて電圧を変えて電流を測定したリニアスイープボルタモグラムを示す。サンプル３に比較し、サンプル１は、表面積で７．９倍大きく、表面積の増加に対応して光電流が大きくなった。また、サンプル２は、サンプル１よりも光電流が大きいことがわかった。これらの結果より、複数形成したナノワイヤの密度と、形成したナノワイヤの長さとにより、効率を制御できることがわかった。また、Ａｕ微粒子の大きさでナノワイヤの直径を変えることができる。ナノワイヤの直径を大きくすることにより、ナノワイヤでの光吸収量を増やし、効率を上げることが可能である。
【００３９】
次に、実施の形態２における光反応装置の製造方法について図５Ａ〜図５Ｇを用いて説明する。まず、図５Ａに示すように、ｐ型のＧａＡｓ（１１１）Ｂからなる基板３０１上に、複数のナノワイヤ１０１を形成する。図では、ナノワイヤ１０１の成長に用いたＡｕ微粒子３０２がナノワイヤ１０１の上端に配置されている状態を示している。
【００４０】
ナノワイヤ１０１の形成について詳細に説明する。基板３０１上に、直径４０ｎｍのＡｕ微粒子を塗布し、次いで、ＭＯＣＶＤ装置を用い、成長温度条件を５００℃とし、原料としてＴＥＧａ（６×１０-6ｍｏｌ／ｍｉｎ）、ＴＢＰ（７×１０-5ｍｏｌ／ｍｉｎ）、ＴＢＣｌ（１×１０-6ｍｏｌ／ｍｉｎ）、ＤＥＺｎ（３×１０-7ｍｏｌ／ｍｉｎ）を用い、有機金属気相成長法により、ｐ−ＧａＰからなるナノワイヤ状のｐ型層を５分成長させる。
【００４１】
次に、同一装置内で、ＤＥＺｎの供給を停止し、新たにジターシャリブチルサルファイド（ＤＴＢＳ）を用い、ｎ−ＧａＰからなるナノワイヤ状のｎ型層を３分成長する。引き続き、ドーパント無しでｉ−ＧａＰからなるナノワイヤ状のｉ型層を１５分成長する。
【００４２】
引き続き、上述同様にすることで、ｐ−ＧａＰからなるｐ型層（５分成長）、ｎ−ＧａＰからなるｎ型層（３分成長）、ｉ−ＧａＰからなるｉ型層（１５分成長）、ｐ−ＧａＰからなるｐ型層（５分成長）、ｎ−ＧａＰからなるｎ型層（３分成長）を成長する。各層の成長方向は、基板３０１から離れる方向であり、例えば、基板３０１の平面の法線方向である。
【００４３】
作製したｐｉｎ構造が多段のナノワイヤにおけるバンド構造を図５Ｂに示す。図５Ｂの（ａ）は、ナノワイヤに光を照射していない状態のバンド構造である。図５Ｂの（ｂ）は、ナノワイヤに光を照射している状態のバンド構造である。光を照射すると、ｐｉｎ構造を一段とした場合に比較して、電位差が大きくなることが分かる。ｐｉｎ構造の段数を２段より更に増やすことで、両端の電位差を上げることができる。水の分解では１．４−１．９Ｖ程度が必要であり、ｐｉｎ構造が一段では電位が足りない。ｐｉｎ構造を多段として直列に接続することで、水分解に十分な電位を得ることができる。
【００４４】
上述したように、基板３０１の上に複数のナノワイヤ１０１を形成した後、図５Ｃに示すように、複数のナノワイヤ１０１を埋め込む状態に、基板３０１の上に保護層２０６を形成する。例えば、エポキシ樹脂をもとに作られたネガ型のフォトレジストを、複数のナノワイヤ１０１が形成されている基板３０１の上に塗布して塗布膜を形成する。次に、形成した塗布膜に、例えば波長３６５ｎｍの紫外線を照射することで硬化すれば、保護層２０６が形成できる。
【００４５】
次に、保護層２０６をエッチバックすることで、図５Ｄに示すように、保護層２０６の上面よりナノワイヤ１０１のｐ型半導体からなる先端（一端）を露出させる。例えば、ＣＦ4ガスとＯ2ガスとを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により保護層２０６をこの表面側からエッチングすればよい。
【００４６】
次に、図５Ｅに示すように、保護層２０６の上、および露出しているナノワイヤ１０１の先端に、ＲｕＯ2の層３０３を形成した。例えば、蒸着によりＲｕＯ2を厚さ１ｎｍ程度蒸着することで、層３０３を形成する。この蒸着において、処理温度を３００℃程度とすることで、図示していないが、蒸着したＲｕＯ2は部分的に凝集して複数の微粒子が形成される。これにより、層３０３は、複数のＲｕＯ2微粒子から構成されたものとなる。
【００４７】
ＲｕＯ2微粒子は、ナノワイヤ１０１の先端にも形成される。ナノワイヤ１０１の先端に形成されるＲｕＯ2微粒子は、第１電極（アノード電極）となる。このように第１電極を形成することで、隣り合うナノワイヤ１０１の第１電極同士は、非導通となる。なお、電気化学的手法により、ナノワイヤ１０１の先端にＲｕＯ2を選択的にコートすることで、第１電極を形成してもよい。
【００４８】
上述したように層３０３を形成した段階で、まず、ＧａＡｓからなる基板３０１の裏面に、Ｃｕからなる第１導線をＩｎで接合した。また、Ｐｔ板にＣｕからなる第２導線を接続して対極とするカソード電極を形成した。次に、第１導線および第２導線をポテンショスタットに接続した。各導線および基板３０１の裏面は樹脂で覆って絶縁し、０．５Ｍの硫酸水溶液中において、ソーラシミュレータを用いて太陽光の照射条件ＡＭ１．５Ｇで光を照射した。この結果、カソード側から水素が発生し、アノード側から酸素が発生することが確認された。
【００４９】
次に、基板３０１を除去し、図５Ｆに示すように、保護層２０６の裏面を露出させる。例えば、保護層２０６の周囲に樹脂で枠を形成し、この状態で、ＧａＡｓからなる基板３０１を、ＨＮＯ3／Ｈ2Ｏ2水溶液に浸漬する。ＨＮＯ3／Ｈ2Ｏ2水溶液によりＧａＡｓが選択的にエッチングされるので、上記処理により、基板３０１のみが除去される。なお、ＧａＡｓからなる基板３０１の除去には、ＧａＡｓが選択的に除去できるエッチング液を用いればよく、例えば、ピラニア（Ｈ2ＳＯ4／Ｈ2Ｏ2）を用いても良い。このように、基板３０１を除去することで、保護層２０６の裏面には、ナノワイヤ１０１の他端の上面が露出する状態となる。
【００５０】
次に、図５Ｇに示すように、保護層２０６の裏面に、例えば蒸着によりＴｉ層およびＰｔ層を形成し、Ｐｔ／Ｔｉ電極からなる第２電極１０３を形成した。Ｔｉ層およびＰｔ層は、合計で厚さ１０ｎｍ程度蒸着すればよい。これにより薄膜で金属配線することのない一体型の光反応装置が作製される。
【００５１】
ところで、保護層２０６に、一方の面から他方の面に気体は透過せずにプロトンを透過するプロトン透過構造を備えるようにしてもよい。例えば、まず、公知のリソグラフィーおよびエッチング技術により、保護層２０６に一方の面から他方の面に貫通する複数の貫通穴を形成する。次に、形成した貫通穴に、プロトンが透過する材料から構成されたプロトン透過膜を充填すればよい。このように、プロトン透過構造を備えることで、この光反応装置が浸漬される電解液での抵抗を減らすことができる。
【００５２】
また、図６に示すように、実施の形態２における光反応装置の保護層２０６を丸めてチューブ構造３００とすることによって、チューブ構造３００の内側と外側で生成物（水素ガスと酸素ガス）を分離することが可能である。また、カソードの触媒としてＣｕを用い、ＣＯ2を飽和させたアルカリ電解液中で、カソード側でＣＯ2からメタノールやメタンなどを生成させることもできる（光合成）。
【００５３】
以上に説明したように、本発明では、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されたｐｉｎ型ダイオード構造を多段に接続したナノワイヤの一端に、酸化反応を促進する触媒材料から構成された第１電極を形成し、他端に、還元反応を促進する触媒材料から構成された第２電極を形成した。この結果、本発明によれば、半導体ナノワイヤを光触媒とする光反応装置において、太陽光を用いて高い効率で分解や合成などの反応に必要な高い電圧を得ることができるようになる。
【００５４】
本発明によれば、太陽光を利用することで、水を分解して得られる水素や、ＣＯ2の還元で生じるメタン、メタノールなどの有用な資源、原料を分離して収集することが可能であり、更に、システムを軽量、コンパクトにすることが可能であるため、各家庭まで広く普及する可能性がある。
【００５５】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。
【００５６】
例えば、電極材料は本実施例で用いた材料に限らず、酸化、還元反応を促進する触媒として機能し、かつ、半導体ナノワイヤを腐食から保護する材料であればよく、例えば、第１電極は、Ｐｔ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｆｅ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｍｎ，Ｒｈ，Ｃなどから構成してもよい。また、第２電極は、Ｐｔ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｆｅ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｍｎ，Ｒｈ，Ｃ，Ｒｕ，Ｉｒなどから構成してもよい。
【００５７】
また、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、ＧａＰに限らず、ＩｎおよびＡｓなどとの三元混晶、四元混晶とし、より小さいバンドギャップのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体としてもよい。
【符号の説明】
【００５８】
１０１…ナノワイヤ、１０２…第１電極、１０３…第２電極、１０４…第１部分、１０５…第２部分、１０６…保護層。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図５Ｅ】
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【図５Ｆ】
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【図５Ｇ】
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【図６】
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