(57)【要約】      （修正有）【課題】小さく軽い浄化装置を提供する。【解決手段】浄化装置１４は、空間１１を挟んで対向して設けられた光源部７と光触媒部１０とを備え、前記光源部７は、第１基体１と、第１基体１の前記光触媒部１０側に設けられた第１電極３と、第１電極３上に設けられ、かつ、発光体を内部に有する誘電体層５と、前記誘電体層５の上に設けられた透光性電極６とを備え、前記光触媒部１０は、第２基体８と、第２基体８の前記光源部７側に設けられ、かつ、前記空間１１と接する光触媒層９とを備え、第１電極３と前記透光性電極６の間に電圧を印加することにより前記発光体を発光させ、前記発光体が発した光を前記光触媒層９が受光することにより前記空間１１に存在する気体または液体を浄化することを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
空間を挟んで対向して設けられた光源部と光触媒部とを備え、
前記光源部は、第１基体と、第１基体の前記光触媒部側に設けられた第１電極と、第１電極上に設けられ、かつ、発光体を内部に有する誘電体層と、前記誘電体層の上に設けられた透光性電極とを備え、
前記光触媒部は、第２基体と、第２基体の前記光源部側に設けられ、かつ、前記空間と接する光触媒層とを備え、
第１電極と前記透光性電極の間に電圧を印加することにより前記発光体を発光させ、前記発光体が発した光を前記光触媒層が受光することにより前記空間に存在する気体または液体を浄化することを特徴とする浄化装置。
【請求項２】
前記発光体は、ゲルマニウム原子を含む微粒子である請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記発光体は、ゲルマニウム原子を前記誘電体層にイオン注入し、熱処理することにより形成される請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記発光体は、酸化ゲルマニウムを含み、
前記酸化ゲルマニウムは、＋２価のゲルマニウム原子と＋４価のゲルマニウム原子を含む請求項２または３に記載の装置。
【請求項５】
前記発光体は、前記酸化ゲルマニウムに含まれる＋２価のゲルマニウム原子と＋４価のゲルマニウム原子の合計を１００％としたとき、＋２価のゲルマニウム原子を１０％以上含む請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記発光体は、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下の最大粒径を有する請求項２〜５のいずれか１つに記載の装置。
【請求項７】
前記発光体は、第１電極と前記透光性電極の間に電圧を印加することにより３４０ｎｍ〜４４０ｎｍの範囲内に発光波長のピークを有するエレクトロルミネッセンスを示す請求項２〜６のいずれか１つに記載の装置。
【請求項８】
２つ以上の開口をさらに備え、
２つ以上の開口は、それぞれ前記空間と前記浄化装置の外部とを通じさせ、
前記空間に存在する気体または液体は、それぞれ前記浄化装置の外部に存在する気体または液体と置換可能である請求項１〜７のいずれか１つに記載の装置。
【請求項９】
前記透光性電極の上に防水層をさらに備える請求項１〜８のいずれか１つに記載の装置。
【請求項１０】
前記光源部と前記光触媒部は、前記空間を挟んで対向するように接合された請求項１〜９のいずれか１つに記載の装置。
【請求項１１】
第１基体は、半導体基板であり、
第１電極は、前記半導体基板にｎ型不純物が拡散した部分である請求項１〜１０のいずれか１つに記載の装置。
【請求項１２】
前記半導体基板は、シリコン基板、ゲルマニウム基板、シリコン化合物基板またはゲルマニウム化合物基板である請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記誘電体層は、前記半導体基板の表面酸化膜である請求項１１または１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記透光性電極は、３００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の波長を有する光の透過率が６０％以上９９．９９％以下である請求項１〜１３のいずれか１つに記載の装置。
【請求項１５】
前記光触媒層は、酸化チタンからなる請求項１〜１４のいずれか１つに記載の装置。
【請求項１６】
前記光触媒層は、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｇｅ、ＩｎおよびＳｎのうち少なくとも１つの金属が担持された酸化チタンからなる請求項１〜１５のいずれか１つに記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、酸化チタンなどの光触媒に紫外線光源（ブラックライト、水銀灯など）を照射することにより、光触媒の表面に接触する有機物をＣＯ2などに酸化する浄化装置が知られている（例えば、特許文献１）。これらの浄化装置により、例えば、光触媒の表面に水などを接触させると、水中の汚染物質の分解や殺菌を行うことができる。また、例えば、光触媒の表面に空気を接触させると、空気中の有機物質などを酸化することができる。
【０００３】
光触媒による有機物の酸化分解機構は、光触媒が受光することにより、光触媒の価電子帯の電子が励起され、伝導帯に電子が、価電子帯に正孔が形成され、この正孔が光触媒の表面に吸着するＯＨ−と反応し、ＯＨラジカルが生成するためと考えられている。
ＯＨラジカルは活性種の中でも強い酸化力を有するため（酸化電位：OHラジカル：約3.0eV、塩素：1.36eV、オゾン：2.07eV）、水中や空気中の有機物や細菌、真菌、ウイルスなどの有機性不純物を酸化分解することができる。また、光触媒が受光することにより発生するＯＨラジカルは、従来殺菌のために使われてきたオゾン、塩素などと違い残留性がないという利点も有している。
【０００４】
光触媒としては、酸化チタン（ＴｉＯ2）が一般的に使われている。酸化チタンは、一般に入手容易であるとともに、約388nm以下の波長の光を受光することにより光触媒活性を有する。また、酸化チタンは、バンドギャップが3.2eV であり、電子と正孔の再結合が起こりにくく、再結合による失活率が小さいという利点も有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２１１８５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、従来の光触媒を利用した浄化装置では、光触媒を活性化させる光源として水銀ランプなどの比較的大きいものを用いるため、より小型化した浄化装置が望まれている。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、小さく軽い浄化装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、空間を挟んで対向して設けられた光源部と光触媒部とを備え、前記光源部は、第１基体と、第１基体の前記光触媒部側に設けられた第１電極と、第１電極上に設けられ、かつ、発光体を内部に有する誘電体層と、前記誘電体層の上に設けられた透光性電極とを備え、前記光触媒部は、第２基体と、第２基体の前記光源部側に設けられ、かつ、前記空間と接する光触媒層とを備え、第１電極と前記透光性電極の間に電圧を印加することにより前記発光体を発光させ、前記発光体が発した光を前記光触媒層が受光することにより前記空間に存在する気体または液体を浄化することを特徴とする浄化装置を提供する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、第１電極と透光性電極との間に電圧を印加することにより、誘電体層の内部の発光体を発光させることができ、発光体から発せられた光を光触媒層に照射することができる。このことにより、光触媒の表面の光触媒活性を高くすることができ、光触媒の表面に接触する有機物などを酸化することができる。従って、気体や液体を光源部と光触媒部との間の空間に存在させることにより、気体や液体を光触媒の表面に接触させることができ、気体や液体を浄化することができる。
【０００９】
本発明によれば、第１基体と、第１電極と、発光体を内部に有する誘電体層と、透光性電極とからなる光源部により光触媒に光を照射するため、光源部の厚さを１ｍｍ以下とすることができ、小さく軽い浄化装置を提供することができる。また、このため、携帯用の浄化装置とすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態の浄化装置の構成を示す概略平面図である。
【図２】図１の一点鎖線Ｂ−Ｂ’における浄化装置の概略断面図である。
【図３】図１の点線Ａ−Ａ’における浄化装置の概略断面図である。
【図４】図３の点線Ｃで囲んだ範囲の拡大図である。
【図５】本発明の一実施形態の浄化装置の構成を示す概略断面図である。
【図６】本発明の一実施形態の浄化装置の構成を示す概略断面図である。
【図７】ＥＬ測定実験のために作製した発光素子の発光スペクトルを示したグラフである。
【図８】種々の温度で熱処理を行って作製した発光素子についてのＥＬ波長測定結果を示したグラフである。
【図９】種々のＧｅ濃度の発光素子についてのＥＬ波長測定結果を示したグラフである。
【図１０】（ａ）は種々の深さで測定したＸＰＳスペクトルを示す。（ｂ）は、種々の深さでのＧｅ、Ｇｅ2+、Ｇｅ4+の割合を示すグラフである。
【図１１】種々の深さでの酸化ゲルマニウム全体（Ｇｅ4+＋Ｇｅ2+）に対するＧｅ2+、Ｇｅ4+の割合を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の浄化装置は、空間を挟んで対向して設けられた光源部と光触媒部とを備え、前記光源部は、第１基体と、第１基体の前記光触媒部側に設けられた第１電極と、第１電極上に設けられ、かつ、発光体を内部に有する誘電体層と、前記誘電体層の上に設けられた透光性電極とを備え、前記光触媒部は、第２基体と、第２基体の前記光源部側に設けられ、かつ、前記空間と接する光触媒層とを備え、第１電極と前記透光性電極の間に電圧を印加することにより前記発光体を発光させ、前記発光体が発した光を前記光触媒層が受光することにより前記空間に存在する気体または液体を浄化することを特徴とする。
【００１２】
本発明の浄化装置において、前記発光体は、ゲルマニウム原子を含む微粒子であることが好ましい。
このような構成によれば、第１電極と透光性電極の間に電圧を印加することにより発光体から３８８ｎｍ以下の発光波長を有する光を発光させることができる。このことにより、光触媒層の光触媒に酸化チタンなどの紫外線を受光して光触媒活性を示す材料を使用することができ、光触媒の酸化活性を高くすることができる。
本発明の浄化装置において、前記発光体は、ゲルマニウム原子を前記誘電体層にイオン注入し、熱処理することにより形成されることが好ましい。
このような構成によれば、誘電体層の内部にゲルマニウム原子を含む微粒子を形成することができる。
【００１３】
本発明の浄化装置において、前記発光体は、酸化ゲルマニウムを含み、前記酸化ゲルマニウムは、＋２価のゲルマニウム原子と＋４価のゲルマニウム原子を含むことが好ましい。
このような構成によれば、発光体の発光強度を大きくすることができる。
本発明の浄化装置において、前記発光体は、前記酸化ゲルマニウムに含まれる＋２価のゲルマニウム原子と＋４価のゲルマニウム原子の合計を１００％としたとき、＋２価のゲルマニウム原子を１０％以上含むことが好ましい。
このような構成によれば、発光体の発光強度をより大きくすることができる。
【００１４】
本発明の浄化装置において、前記発光体は、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下の最大粒径を有することが好ましい。
このような構成によれば、発光体の発光強度をより大きくことができる。
本発明の浄化装置において、前記発光体は、第１電極と前記透光性電極の間に電圧を印加することにより３４０ｎｍ〜４４０ｎｍの範囲内に発光波長のピークを有するエレクトロルミネッセンスを示すことが好ましい。
このような構成によれば、光触媒層の光触媒に酸化チタンなどの紫外線を受光して光触媒活性を示す材料を使用することができ、光触媒の酸化活性を高くすることができる。
【００１５】
本発明の浄化装置において、２つ以上の開口をさらに備えることが好ましく、２つ以上の開口は、それぞれ前記空間と前記浄化装置の外部とを通じさせ、前記空間に存在する気体または液体は、それぞれ前記浄化装置の外部に存在する気体または液体と置換可能であることが好ましい。
このような構成によれば、光源部と光触媒部との間の空間に存在する気体または液体と、浄化装置の外部に存在する気体または液体とを置換することができ、浄化装置を設置した場所の気体または液体を連続して浄化することができる。
本発明の浄化装置において、前記透光性電極の上に防水層をさらに備えることが好ましい。
このような構成によれば、光源部と光触媒部との間に水を導入したても、水による透光性電極の腐食やリーク電流の発生を防止することができる。
本発明の浄化装置において、前記光源部と前記光触媒部は、前記空間を挟んで対向するように接合されることが好ましい。
このような構成によれば、光源部と光触媒部との間の空間を確保でき、本発明の浄化装置を小型化することができる。
【００１６】
本発明の浄化装置において、第１基体は、半導体基板であり、第１電極は、前記半導体基板にｎ型不純物が拡散した部分であることが好ましい。
このような構成によれば、誘電体層を半導体基板の表面を酸化することにより容易に形成することができ、また、ｎ型不純物を拡散させることにより第１電極を容易に形成することができる。また、光源部の厚さを１ｍｍ以下とすることができる。
本発明の浄化装置において、前記半導体基板は、シリコン基板、ゲルマニウム基板、シリコン化合物基板またはゲルマニウム化合物基板であることが好ましい。
このような構成によれば、誘電体層および第１電極を容易に形成することができる。
【００１７】
本発明の浄化装置において、前記誘電体層は、前記半導体基板の表面酸化膜であることが好ましい。
このような構成によれば、誘電体層、例えば、酸化絶縁体層を半導体基板の表面を酸化することにより容易に形成することができる。
本発明の浄化装置において、前記透光性電極は、３００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の波長を有する光の透過率が６０％以上９９．９９％以下であることが好ましい。
このような構成によれば、発光体が発した光を効率よく光触媒層に照射することができる。
【００１８】
本発明の浄化装置において、前記光触媒層は、酸化チタンからなることが好ましい。
このような構成によれば、光触媒である酸化チタンの表面で有機物を酸化させることができ、気体または液体を浄化することができる。
本発明の浄化装置において、前記光触媒層は、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｇｅ、ＩｎおよびＳｎのうち少なくとも１つの金属が担持された酸化チタンからなることが好ましい。
このような構成によれば、光触媒層の浄化能力を高くすることができる。
【００１９】
以下、本発明の一実施形態を図面を用いて説明する。図面や以下の記述中で示す構成は、例示であって、本発明の範囲は、図面や以下の記述中で示すものに限定されない。
【００２０】
浄化装置の構成
図１は本発明の一実施形態の浄化装置の構成を示す概略平面図であり、図２は図１の一点鎖線Ｂ−Ｂ’における浄化装置の概略断面図であり、図３は図１の点線Ａ−Ａ’における浄化装置の概略断面図であり、図４は図３の点線Ｃで囲んだ範囲の拡大図である。また、図５、６は本発明の一実施形態の浄化装置の構成を示す概略断面図である。
【００２１】
本実施形態の浄化装置１４は、空間１１を挟んで対向して設けられた光源部７と光触媒部１０とを備え、光源部７は、第１基体１と、第１基体１の光触媒部１０側に設けられた第１電極３と、第１電極３上に設けられ、かつ、発光体１５を内部に有する誘電体層５と、誘電体層５の上に設けられた透光性電極６とを備え、光触媒部１０は、第２基体８と、第２基体８の光源部７側に設けられ、かつ、空間１１と接する光触媒層９とを備え、第１電極３と透光性電極６の間に電圧を印加することにより発光体１５を発光させ、発光体１５が発した光を光触媒層９が受光することにより空間１１に存在する気体または液体を浄化することを特徴とする。
【００２２】
また、本実施形態の浄化装置１４は、防水層１８さらに有してもよい。
以下、本実施形態の浄化装置１４について説明する。
【００２３】
浄化装置
１．浄化装置
浄化装置１４は、空間１１に存在する気体または液体を浄化する装置である。気体を浄化する場合、浄化装置１４は、気体中に設置され、例えば、室内の空気を浄化する場合、室内に設置される。液体を浄化する場合、浄化装置１４は、液体中に設置され、例えば、水槽内の水を浄化する場合、浄化装置１４は、水槽中に設置される。
【００２４】
２．空間
空間１１は、光源部７と光触媒部１０との間に形成され、浄化する液体や気体が存在する。また、空間１１は、光触媒層９に接する。このことにより、空間１１に存在する液体や気体は、光触媒の表面に接触することができ、液体や気体に含まれる有機物を光触媒により酸化することにより、液体や気体を浄化することができる。
また、空間１１は、２つ以上の開口１２を介してそれぞれ浄化装置１４の外部と通じていてもよい。このことにより、浄化装置１４の外部の浄化したい気体や液体を交換して空間１１に存在させ浄化することができ、浄化装置１４を設置した場所の気体や液体を浄化することができる。
また、空間１１に存在させる液体または気体の置換は、自然対流により置換してもよく、液体または気体の温度分布を形成することにより対流させてもよく、ファンやポンプなどにより強制的に置換してもよい。
【００２５】
３．光源部
光源部７は、光触媒部１０に照射する光を発光する部分であり、第１基体１と、第１電極３と、誘電体層５と、透光性電極６とを備える。また、光源部７は、浄化する気体または液体を存在させる空間１１を挟んで光触媒部１０と対向する。また、光源部７は、空間１１を形成するように光触媒部１０と接合部材１３などで接合されてもよい。また、光源部７が発する光は、光触媒層９に照射され光触媒の酸化活性を高くするために用いられるが、照明として利用することもできる。
【００２６】
光源部７は、第１電極３と透光性電極６との間に電圧を印加することができるように形成され、第１電極３と透光性電極６との間に電圧を印加することにより誘電体層５に含まれる発光体１５が発光する。この発光体１５が発光する原理は、第１電極３と透光性電極６との間に電圧を印加することにより誘電体層５に電流が流れ、この電流により発光体１５が発光すると考えられる。
【００２７】
光源部７が発する光の波長は、光触媒層９に含まれる光触媒の酸化活性を高くすることができる波長であれば特に限定されないが、例えば、波長のピークが３４０〜４４０ｎｍ（より厳密には、３５０〜４３０ｎｍ，３６０〜４２０ｎｍ，３７０〜４１０ｎｍ，３８０〜４００ｎｍ又は３８５〜３９５ｎｍ）の範囲内である。
光源部７は、透光性電極６と第１電極３との間に電圧を印加することにより発光することができる。例えば、透光性電極６に負の電圧を印加し、第１電極３に正の電圧を印加することにより、発光させることができる。
【００２８】
透光性電極６と第１電極３との間に印加する電圧の大きさは、発光体１５を発光させることができれば特に限定されないが、例えば、誘電体層５に電界強度が5MV/cm 〜 12MV/cmの電界を形成することができる電圧を透光性電極６と第１電極３との間に印加することができる。
【００２９】
３．第１基体
第１基体１は、第１電極３と、誘電体層５と、透光性電極６を形成するための基体となるものであれば、特に限定されない。第１基体１は、例えば、半導体基板、ＳｉＯ2基板、ガラス板などとすることができる。特に、第１基体１を半導体基板とすることにより、第１電極３を半導体基板に不純物が拡散した部分とすることができ、誘電体層５を半導体基板の表面酸化膜とすることができる。このような構成により、光源部７の厚さを１ｍｍ以下とすることができる。
【００３０】
半導体基板としては、例えば、ｐ型シリコン基板、ｎ型シリコン基板、ゲルマニウム基板、シリコン化合物基板、ゲルマニウム化合物基板などを用いることができる。また、第１電極３が形成された第１基体１としては、例えば、ｐ型のシリコン基板の上部にｎ型領域が形成されたものでもよく、ｎ型のシリコン基板の上部にｐ型領域が形成されたものでもよい。また、ＳｉＯ2基板などの上にｐ型シリコン層またはｎ型シリコン層を形成したものでもよく、Ｓｉ基板の上にＳｉＯ2などの誘電体層を形成し、その上にｐ型シリコン層またはｎ型シリコン層を形成したものでもよく、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板であってもよい。
【００３１】
４．第１電極
第１電極３は、第１基体１の光触媒部１０側に設けられる。また、第１電極３は、誘電体層５に電圧を印加することができるように形成される。第１電極３は、例えば、第１基体１上に形成された金属膜、ＩＴＯ電極などであり、また、第１基体１を半導体基板の場合、半導体基板の一部にｎ型不純物またはｐ型不純物が拡散した部分であってもよい。このことにより、第１基体１の光触媒部１０側に第１電極３を形成することができる。
【００３２】
例えば、第１電極３が第１基体１である半導体基体にｎ型不純物を拡散させた部分である場合、第１電極３は第１基体１であるｐ型シリコン基板に所望の形状でマスクを形成し、ｎ型不純物であるリンをイオン注入し、アニールすることによって、第１電極３を形成することができる。この場合、第１電極に含まれるｎ型不純物の濃度は、特に限定されないが、例えば１×１０14〜１×１０18／ｃｍ3である。
【００３３】
５．誘電体層
誘電体層５は、第１電極３の上に設けられ、内部に発光体１５を有する。誘電体層５は、第１電極３と透光性電極６との間に電圧を印加することにより発光する発光体１５を内部に有する誘電体であれば特に限定されないが、例えば、酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコンまたは酸化ゲルマニウムなどからなる。また、誘電体層５は透光性を有することができる。このことにより、発光体１５が発した光を光触媒層９に照射することができる。
【００３４】
また、誘電体層５は、例えば、第１基体１が半導体基板であり、第１電極３が半導体基板に不純物が拡散した部分である場合、半導体基板の表面に形成される表面酸化膜であってもよい。この場合、半導体基板に表面酸化膜を形成することにより誘電体層５を形成することができるため、容易に誘電体層５を形成することができる。
【００３５】
また、誘電体層５を酸化シリコン、窒化シリコン又は酸窒化シリコンとした場合、これらは通常のシリコン半導体プロセスで製膜可能であるので量産性に優れる上、他の電子回路と組み合わせることが可能である。また、誘電体層５が酸化シリコン、窒化シリコン又は酸窒化シリコンであり、発光体１５がゲルマニウム原子を含む微粒子の場合、熱処理によりゲルマニウム原子を凝集させ微粒子を形成する工程において、この微粒子に含まれるＧｅ2+の割合を調節しやすくなる。つまり、シリコンはゲルマニウムよりも酸素と結合しやすいためゲルマニウム原子が不必要に酸素と結合することを抑制することができる。また酸化シリコン、窒化シリコン又は酸窒化シリコンは比較的酸素を透過しにくいのでゲルマニウム原子が外気の浸透によって酸化されないので、発光体の発光が安定し劣化も少なくすることができる。
【００３６】
誘電体層５の厚さは、例えば１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下（例えば１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０及び１００ｎｍのうちいずれか２つの間の範囲）である。
【００３７】
なお、誘電体層５の光透過率は、例えば波長３００〜５００ｎｍの光の透過率が８０％以上であることが好ましい。発光体１５がゲルマニウム原子を含む微粒子の場合、発光体１５から放出される光のピーク波長は３９０ｎｍ前後であるので、波長３００〜５００ｎｍでの光透過率が高ければその分だけ光取り出し効率が高くなるからである。
また、誘電体層５は、酸化シリコンや窒化シリコンをＣＶＤやスパッタリングで第１電極３の上に堆積し形成することもできる。
【００３８】
６．発光体
発光体１５は、誘電体層５の内部に形成され、第１電極３と透光性電極６との間に電圧を印加することにより発光するものであれば特に限定されないが、例えば、例えば微粒子、金属原子、金属イオンであり、また、例えば、ゲルマニウム、シリコン又はスズの微粒子である。また、発光体１５は、ゲルマニウム原子を含む微粒子であることが好ましい。このことにより発光体１５を発光させることができる。また、発光体１５が発光する光は、紫外線であってもよい。このことにより、光触媒層９を形成する光触媒に酸化チタンなどの紫外線を受光することにより光触媒活性を有する材料を用いることができる。
【００３９】
発光体１５は、ゲルマニウム原子を誘電体層５にイオン注入し、熱処理することにより形成されてもよい。熱処理により誘電体層５にイオン注入されたゲルマニウム原子が凝集しゲルマニウム原子を含む微粒子を誘電体層５の内部に形成することができる。
発光体１５は、酸化ゲルマニウムを含み、この酸化ゲルマニウムは、+２価のゲルマニウム原子と+４価のゲルマニウム原子を含んでもよい。また、この場合、発光体１５は、ゲルマニウム単体を含んでいてもよい。ここで、+２価のゲルマニウム原子とは、一酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ）の結晶構造を構成するゲルマニウム原子であってもよく、二酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ2）が酸素欠損を有するためにＧｅＯ2の結晶構造中に存在するゲルマニウム原子であってもよい。また、+４価のゲルマニウム原子とはＧｅＯ2の結晶構造を構成するゲルマニウム原子である。
【００４０】
なお、発光体１５は、誘電体層５がＳｉＯ2などの酸化物の場合、ゲルマニウム原子を誘電体層５にイオン注入し熱処理することにより、ゲルマニウム原子がＳｉＯ2に含まれる酸素などとゲルマニウム原子が反応し酸化ゲルマニウムを形成することができる。また、イオン注入後の熱処理において酸素を含む雰囲気ガスを用いることによっても、酸化ゲルマニウムを形成することができる。
【００４１】
また、酸化ゲルマニウムを含む発光体１５は、酸化ゲルマニウムに含まれる+２価のゲルマニウム原子（Ｇｅ2+と略す）と+４価のゲルマニウム原子（Ｇｅ4+と略す）の合計を１００％としたとき、+２価のゲルマニウム原子を１０％以上含むことができる。このことにより、発光体１５の発光強度を大きくすることができる。Ｇｅ2+の割合が小さすぎると発光しなかったり発光強度が小さくなりすぎる可能性がある。Ｇｅ2+の割合は、具体的には例えば１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、９５、９９、１００％である。Ｇｅ2+の割合は、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。
【００４２】
酸化ゲルマニウムに含まれる（Ｇｅ4+＋Ｇｅ2+）に対するＧｅ2+の割合は、ＸＰＳスペクトルのＧｅの３ｄピーク付近のスペクトルにおいて、Ｇｅ4+に起因するピークの面積ＳGe4+と、Ｇｅ2+に起因するピークの面積ＳGe2+を求め、ＳGe2+／（ＳGe4+＋ＳGe2+）を算出することによって求めることができる。ＸＰＳ測定のためのＸ線源には、例えば単色化したＡｌ、Ｋα線（１４８６．６ｅＶ）を用いることができる。Ｇｅ4+に起因するピークとＧｅ2+に起因するピークは、裾野が重なるが、ガウスフィッティングを行ってＳGe4+に起因するピークとＧｅ2+に起因するピークとを波形分離することによって面積ＳGe4+及びＳGe2+を求めることができる。Ｇｅ4+及びＧｅ2+のピークエネルギーは、それぞれ約３３．５，３２ｅＶである。
【００４３】
ところで、ＸＰＳスペクトルのＧｅの２ｐピーク付近のスペクトルにおいて、ゲルマニウム単体（Ｇｅ）に起因するピークの面積ＳGeと、酸化ゲルマニウム（Ｇｅ2+＋Ｇｅ4+）に起因するピークの面積Ｓ酸化Geを求め、Ｓ酸化Ge／（ＳGe＋Ｓ酸化Ge）を算出することによってＧｅの酸化率を求めることができる。この酸化率の平均値は、特に限定されないが、例えば、１，５，１０，１５，２０，２５，３０，３４．９，３５，４０，４５，５０，５５，６０，６０．１，６５，７０，７０．１，７５，８０，８５，９０，９５，９９，１００％である。この酸化率の平均値は、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。
【００４４】
発光体１５は、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下の最大粒径を有する微粒子であってもよい。このことにより、発光体１５の発光強度を大きくすることができる。本発明において、「最大粒径」とは、誘電体層５の任意の断面の１００ｎｍ角の範囲をＴＥＭ観察した場合に観察できた微粒子のうち粒径が最も大きいものの粒径を意味する。また、本発明において「粒径」とは、断面ＴＥＭ写真で見た場合に、ＴＥＭ写真に射影され微粒子の平面像が含むことのできる最も長い線分の長さを意味する。微粒子の最大粒径は、例えば、１，２，３，４，５，６，７，８，９、１０、１２、１４、１６、１８又は２０ｎｍである。微粒子の最大粒径は、ここで例示した何れか２つの数値の間の範囲内であってもよく、何れか１つの数値以下であってもよい。
【００４５】
また、発光体１５は、第１電極３と透光性電極６の間に電圧を印加することにより３４０ｎｍ〜４４０ｎｍの範囲内に発光波長のピークを有するエレクトロルミネッセンスを示すことができる。このことにより、紫外線を光触媒層９に照射することができ、光触媒層９の浄化効果を高くすることができる。
誘電体層５中の発光体１５の数密度は、特に限定されないが例えば、１×１０16個／ｃｍ3〜１×１０21個／ｃｍ3である。
【００４６】
誘電体層５の内部に発光体１５を形成する方法は、特に限定されないが、発光体１５がゲルマニウム原子を含む微粒子の場合、誘電体層５に対してゲルマニウムをイオン注入し、その後、熱処理を行う方法が考えられる。イオン注入後の熱処理によってイオンが凝集して多数の微粒子が誘電体層４中に形成されるとともにイオン注入したゲルマニウム原子が酸化されて酸化ゲルマニウムが形成される。ゲルマニウムのイオン注入は、例えば、注入エネルギー５〜５００ｋｅＶで注入量１×１０14〜１×１０17ｉｏｎｓ／ｃｍ2の条件で行うことができる。
【００４７】
発光体１５である微粒子が酸化ゲルマニウムを含む場合、Ｇｅ2+とＧｅ4+の割合は、ゲルマニウムの注入量、熱処理時間、熱処理温度、熱処理雰囲気等を変化させることによって適宜調節することができる。具体的には熱処理雰囲気中の酸素の分圧や流量を調整することによってＧｅ2+の割合を高めることができる。例えば膜厚１００ｎｍの酸化シリコン中のイオン注入したゲルマニウム原子の濃度が１０％以下の誘電体層５を、真空ポンプによる吸引と不活性ガスの供給（毎分５０ミリリットル）をしながら１時間、８００℃の熱処理をした場合、イオン注入したゲルマニウム原子は凝集し微粒子となり、微粒子に含まれる一部のゲルマニウム原子が酸化シリコンに含まれる酸素により酸化され、少しの酸化ゲルマニウムが形成される。この酸化ゲルマニウムの形成は酸素が不足した状態で行われるため、酸化ゲルマニウムにはＧｅ2+とＧｅ4+とが含まれる。
【００４８】
また、ゲルマニウムのイオン注入を行った誘電体層５の熱処理を不活性ガスに体積２０％の酸素を混合した１気圧の雰囲気中で行った場合、イオン注入したゲルマニウム原子は、凝集し微粒子となり、ゲルマニウム原子の大部分が雰囲気中の酸素により酸化され酸化ゲルマニウムが形成される。この酸化ゲルマニウムの形成は酸素が十分にある状態で行われるため、酸化ゲルマニウム中のＧｅ4+の割合が増加し、Ｇｅ2+の割合が減少する。
【００４９】
誘電体層５に含まれる発光体１５である微粒子中のＧｅ2+の割合を高めるのに適した熱処理中の雰囲気は、ゲルマニウムの注入条件や熱処理時間、温度など他のパラメーターにも左右されるが、一例では、イオン注入するゲルマニウムの原子濃度を比較的高くし、不活性ガスに酸素を混合したガスの供給と真空引きとを行いながら熱処理を行うことによってＧｅ2+の割合を高めることができる。
【００５０】
また、ゲルマニウムは、誘電体層５中のゲルマニウム濃度が０．１〜１０．０原子％になるようにイオン注入することが好ましい。１時間、６００℃の熱処理において、真空引きしながら不活性ガスを供給（毎分５０ミリリットル）した場合は、この範囲であれば発光効率が比較的高くなるからである。誘電体層５中のゲルマニウム濃度は、具体的には例えば０．１，０．２，０．３，０．４，０．５，０．６，０．７，０．８，０．９，１．０，２．０，３．０，４．０，５．０，６．０，７．０，８．０，９．０，１０．０原子％である。この濃度は、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。誘電体層５中のゲルマニウム濃度は、例えば高分解能ＲＢＳ（ラザフォード後方散乱）法によって測定することができる。その他、ＳＩＭＳ（二次イオン質量分析法）等の様々な分析法によって測定することが可能である。なお、誘電体層５中ゲルマニウム濃度の測定は、誘電体層５中ゲルマニウム濃度がピーク値の１／１００以上となる範囲で行う。熱処理の温度は、４００〜９００℃が好ましく５００〜８００℃がさらに好ましい。この範囲であれば発光効率が比較的高くなるからである。
【００５１】
７．透光性電極
透光性電極６は、誘電体層５の上に設けられ、誘電体層５に電圧を印加できるように形成される。透光性電極６は、例えば、ＩＴＯなどの金属酸化物薄膜またはＡｌ、Ｔｉ、Ｔａなどの金属薄膜またはＳｉ、ＳｉＣ、ＧａＮなどの半導体薄膜である。また、透光性電極６は、Ａｇなどの金属のフィンガー電極であってもよい。
透光性電極６は、３００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の波長を有する光の透過率が６０％以上９９．９９％以上であってもよい。このことにより、発光体１５が発光した光をより効率よく光触媒層９に照射することができる。
透光性電極６は、例えば、塗布法、スパッタリング法などにより形成することができる。
【００５２】
透光性電極６は、誘電体層５の上に形成した金属酸化物薄膜、金属薄膜または半導体薄膜を図６のように絶縁部２２で並列に分割し、分割した金属酸化物薄膜の上にそれぞれ金属配線２０を形成したものであってもよい。
本実施形態の浄化装置１４が図１に示した点線Ａ−Ａ’方向の長さが長い場合、透光性電極６の電気抵抗によって誘電体層５にかかる電界が均一にならない可能性が生じる。透光性電極６よりも電気抵抗が低い金属配線２０を用いることによって、誘電体層５に形成される電界の強度の不均一性を少なくすることができる。このことにより、誘電体層５の電流が流れる部分のむらを少なくすることができ、光源部７を均一に発光させることができる。金属配線２０は、例えば、アルミニウム、銀または銅などにより形成することができる。
【００５３】
８．光触媒部
光触媒部１０は、光源部７から照射された光を光触媒が受光し、光触媒の表面で気体または液体の浄化を行う部分であり、第２基体８と、光触媒層９を備える。また、光触媒部１０は、浄化する気体または液体を存在させる空間１１を挟んで光源部７と対向する。
【００５４】
９．第２基体
第２基体８は、光触媒層９を形成するための基体となるものであれば特に限定されない。第２基体８は、例えば、金属、ガラス、セラミックスなどにより形成することができる。また、第２基体８の形状は、光触媒層９を形成することができれば特に限定されないが、板状であってもよい。
【００５５】
１０．光触媒層
光触媒層９は、第２基体８の光源部７側に設けられ、かつ、空間１１に接する。また、光触媒層９は、発光体１５の発する光を受光することができ、受光することにより光触媒層に接する空間に存在する気体や液体を浄化することができる。光触媒層９は、光触媒を含み、例えば、ＴｉＯ2、ＺｎＯ、ＣｄＳ、Ｎａ2Ｔｉ6Ｏ13、Ｋ2Ｔｉ6Ｏ13、ＫＴｉＮｂＯ5などを含むことができる。特にＴｉＯ2が好ましい。酸化チタンは一般に入手容易であるとともに、388nmより短波長の励起光を照射することにより光触媒活性を有するからである。
【００５６】
例えば、光触媒層９に含まれる酸化チタンにバンドギャップ以上のエネルギーを有する光を照射すると、価電子帯の電子が伝導帯へ励起され、伝導帯に電子が価電子帯に正孔が生じる。また、酸化チタンは、バンドギャップが3.2eV であり、光励起により生じた電子と正孔の再結合が起こりにくいため、この再結合による失活率が小さいという特性を有する。酸化チタンはルチル型よりアナターゼ型であることが好ましい。これは、アナターゼ型の酸化チタンは、バンドギャップは3.23eVであり、ルチル型の酸化チタンのバンドギャップ3.02 eVよりバンドギャップが大きいため、光励起により生じた電子と正孔のエネルギーが大きく、光触媒活性が高いためである。
【００５７】
また、光触媒層９は、光触媒を含む薄膜であってもよく、厚膜であってもよい。光触媒層９が薄膜の場合、例えば、ＣＶＤ法やスパッタ法などにより第２基体８上に光触媒層９を形成することができる。また、光触媒層９が厚膜の場合、光触媒の粉末のペーストを第２基体８上に塗布し、乾燥後焼成することにより光触媒層９を形成することができる。
【００５８】
光触媒層９は、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、ガリウム（Ｇａ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、インジウム（Ｉｎ）およびスズ（Ｓｎ）のうち少なくとも１つの金属が担持された光触媒を含んでもよい。このことにより、光触媒の酸化活性を高くすることができる。また、上記の金属を少量含有することによって、励起波長帯が拡大したり、電子と正孔の発生効率が向上するという効果が期待できるからである。
【００５９】
１１．防水層
本実施形態では、図５に示すように、防水層１８を光源部７の透光性電極６の上に形成することができる。空間１１に水を存在させ光触媒層９により水を浄化する場合、防水層１８を設けることにより、水と透光性電極６とが接触することを防止することができる。このことにより、水が原因によるリーク電流を防止することができ、また、透光性電極６の腐食を防止することができる。
防水層１８は、透光性電極６と空間１１に存在する水との接触を防止することができれば、特に限定されないが、例えば、光源部７全体を覆うように形成されていてもよい。このことにより、光源部７の腐食を防止することができ、リーク電流が流れることを防止することができる。
【００６０】
防水層１８は、透光性を有することが好ましい。このことにより、発光体１５が発する光を効率よく光触媒層に形成することができる。
防水層１８を形成する材料は、特に限定されないが、例えば、ＳｉＯ2により形成することができる。ＳｉＯ2からなる防水層１８は、例えば、ＣＶＤ法により透光性電極６の上に形成することができる。
【００６１】
１２．接合部材
接合部材１３により、光源部７と光触媒部１０とを接合することができる。このことにより、光源部７と光触媒部１０とを空間１１を挟んで対向して設けることができる。
【００６２】
ＥＬ実験
以下の方法で本発明の浄化装置に含まれる光源部であって、発光体にゲルマニウム原子を含む微粒子としたときの、光源部から発光する光の発光波長特性および発光原因を確認するための参考実験としてＥＬ実験を行った。
【００６３】
まず酸素雰囲気中において、１０５０℃でシリコン基板を１００分間熱処理することによってシリコン基板の表面にシリコン熱酸化膜を形成した。
次に、このシリコン熱酸化膜中にＧｅイオンを５０ｋｅＶで１．４×１０16ｉｏｎｓ／ｃｍ2、２０ｋｅＶで３．２×１０15ｉｏｎｓ／ｃｍ2、１０ｋｅＶで２．２×１０15ｉｏｎｓ／ｃｍ2の条件でこの順番で多重に注入した。
【００６４】
次に、得られたシリコン基板を、真空ポンプによる吸引と、窒素ガスの導入とを同時に行っている雰囲気下において、８００℃で１時間熱処理した。この熱処理により、イオン注入したゲルマニウム原子は、凝集し微粒子が形成し、一部が酸化ゲルマニウムに酸化される。なおこの酸化ゲルマニウム中には、+２価のゲルマニウム原子（以下Ｇｅ2+と略す）、+４価のゲルマニウム原子（以下Ｇｅ4+と略す）が含まれていると考えられる。なお、単体で存在するゲルマニウム原子はＧｅと略す。
【００６５】
次に、シリコン熱酸化膜上にＩＴＯ電極を形成し、シリコン基板側にアルミニウム電極を形成し、ＥＬ実験に用いる発光素子を得た。
この発光素子のＩＴＯ電極とアルミニウム電極の間に３０Ｖ程度の電圧を印加したところ青色の発光が確認された。
また、この青色の発光の発光スペクトルを図７に示す。図７を参照すると、確認された青色の発光は、３４０ｎｍから５５０ｎｍの波長の光であり、３４０ｎｍから４４０ｎｍの間にピークを有するエレクトロルミネッセンス発光であることが分かった。
【００６６】
発光体に含まれる酸化ゲルマニウム（Ｇｅ2+及びＧｅ4+を含む）と発光との関係
以下に示す方法によって、発光体に含まれる酸化ゲルマニウム（Ｇｅ2+及びＧｅ4+を含む）が本発明の浄化装置に含まれる発光部の発光に関与していることを確認した。
【００６７】
まず、発光機構について２つの仮説を考えた。第１の仮説は、Ｇｅナノ粒子が量子サイズ効果によって発光が起こっているというものである。この発光機構は、通常のナノ粒子の発光機構と同じであり、発光波長が粒子サイズに依存する。第２の仮説は、酸化ゲルマニウム（Ｇｅ2+及びＧｅ4+を含む）が発光に関与するというものである。ＧｅＯの励起状態と基底状態のエネルギー準位差は、２．９〜３．２ｅＶ（３８７〜４２７ｎｍ）であるので（L. Skuja, J. Non-Cryst. Solids, 239 (1998) 16-48.を参照）、第２の仮説によれば、発光波長は、３８７〜４２７ｎｍ程度になり、この波長は粒子サイズに依存しないと考えられる。
【００６８】
これらの仮説のどちらが正しいのかを検証するために、互いに異なる種々の温度条件と注入条件で発光素子を作製し、この素子に上記の方法で電圧を印加したときのＥＬ波長を測定した。ＥＬ波長の測定には、「島津製作所製  分光蛍光光度計ＲＦ−５３００ＰＣ」を用いた。発光素子の作製方法は、熱処理温度やＧｅ注入量を適宜変化させた以外は上記の発光素子の作製方法と同様である。
【００６９】
得られた結果を図８，図９に示す。図８中の温度は、熱処理温度（時間は１時間）を示す。図９中の「原子％」は、Ｇｅ注入後のシリコン酸化膜内でのＧｅ濃度を示す。図８でのＧｅ濃度は５．０原子％であり、図９での熱処理温度は７００℃（時間は１時間）である。
【００７０】
図８、図９を参照すると、熱処理温度やＧｅ濃度が変わってもＥＬのピーク波長は、ほぼ３９０ｎｍで一定であることが分かる。熱処理温度やＧｅ濃度が変わると、形成されるナノ粒子のサイズも変化するので、発光機構が第１の仮説に従うのであればＥＬのピーク波長がずれるはずである。従って、図８、図９で確認されたＥＬの波長は、第１の仮説では説明ができない。一方、波長３９０ｎｍは、第２の仮説で予測された発光波長（３８７〜４２７ｎｍ）の範囲内である。
【００７１】
以上より、本発明の発光素子からのＥＬ波長は、第１の仮説では説明できず、第２の仮説で説明できることが分かる。従って、本発明の発光素子の発光には、酸化ゲルマニウム（Ｇｅ2+及びＧｅ4+を含む）が関与していることが確認できた。
【００７２】
ところで、図８を参照すると、熱処理温度は、６００〜７００℃が好ましいことが分かる。また、図９を参照すると、Ｇｅ濃度は、３．０原子％以上が好ましく、３．０〜５．０原子％がさらに好ましいことが分かる。
【００７３】
Ｇｅ、Ｇｅ2+、Ｇｅ4+の割合の深さ方向分布
Ｇｅ濃度を５．０原子％とし、熱処理温度を８００℃（時間は１時間）として発光素子を作製し、シリコン酸化膜内でのＧｅ、Ｇｅ2+、Ｇｅ4+の割合の深さ方向分布を調べた。
ＸＰＳは通常試料表面から深さ数ｎｍの範囲の分析ができるので、アルゴンイオンビームによるエッチングとＸＰＳ測定を交互に行うことによって、深さ５０ｎｍまでの領域においてＧｅ、Ｇｅ2+、Ｇｅ4+の割合の深さ方向の変化を調べた。アルゴンイオンビームのエネルギーは４ｋＶ，ビーム電流は１５ｍＡで、１回当り３００秒照射した。その時のＸＰＳ測定結果を各深さについて、分かり易いように縦方向にグラフを平行移動して並べたものを図１０（ａ）に示す。また、各深さに含まれるＧｅ原子の状態を、Ｇｅ、Ｇｅ2+、Ｇｅ4+の割合で示したグラフを図１０（ｂ）に示す。
【００７４】
これによると、イオン注入したＧｅの濃度が比較的高い深さ１０〜５０ｎｍの領域では、単体Ｇｅの割合は３０〜７０％である。Ｇｅ4+は０〜２０％の間で、およそ１０％である。Ｇｅ2+は１０〜５０％の間である。
【００７５】
各深さでのＧｅ、Ｇｅ2+、Ｇｅ4+の割合は、スペクトルのＧｅの３ｄピーク付近のＸＰＳスペクトルにおいて、Ｇｅに起因するピークの面積ＳGeと、Ｇｅ2+に起因するピークの面積ＳGe2+と、Ｇｅ4+に起因するピークの面積ＳGe4+とを求め、ＳGe／（ＳGe＋ＳGe2+＋ＳGe4+）、ＳGe2+／（ＳGe＋ＳGe2+＋ＳGe4+）、ＳGe4+／（ＳGe＋ＳGe2+＋ＳGe4+）を各深さで算出することによって求めた。
また、各深さでの、酸化ゲルマニウムに含まれるゲルマニウム原子全体（Ｇｅ4+＋Ｇｅ2+）に対するＧｅ2+、Ｇｅ4+の割合を図１１のグラフに示す。
【００７６】
これによると、酸化ゲルマニウムの内、完全に酸化されてＧｅ4+となっている割合は、ゲルマニウムの濃度が低く、雰囲気の影響を強く受けてゲルマニウムが完全に酸化されやすい表面近傍を除いて、およそ２０〜６０％の間で、Ｇｅが完全に酸化されず一部酸化したＧｅ2+はおよそ４０〜８０％の間である。ゲルマニウムのイオン注入方法でＧｅの注入濃度が比較的高い深さ１０〜４０ｎｍの領域では、酸化ゲルマニウムの内、完全に酸化されてＧｅ4+となっている割合はおよそ５０％以下で、およそ２０〜３０％である。Ｇｅが完全に酸化されず一部酸化したＧｅ2+はおよそ５０％以上で７０〜８０％である。各深さでのＧｅ2+、Ｇｅ4+の割合は、スペクトルのＧｅの３ｄピーク付近のＸＰＳスペクトルにおいて、Ｇｅ2+に起因するピークの面積ＳGe2+と、Ｇｅ4+に起因するピークの面積ＳGe4+とを求め、（ＳGe2+,ＳGe4+）／（ＳGe2+＋ＳGe4+）を各深さで算出することによって求めた。ＸＰＳスペクトルは、Ｘ線源として単色化したＡｌ、Ｋα線（１４８６．６ｅＶ）を用いて測定した。
【符号の説明】
【００７７】
１： 第１基体    ３：第１電極    ４：電源    ５：誘電体層    ６：透光性電極    ７：光源部    ８：第２基体    ９：光触媒層    １０：光触媒部    １１：空間    １２：開口    １３：接合部材    １４：浄化装置    １５：微粒子    １８：防水層    ２０：金属配線    ２２：絶縁部
【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５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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