(57)【要約】【課題】小さいキャリア密度を有するニオブ酸窒化物層を成長させる方法を提供すること。【解決手段】本発明は、ニオブ酸窒化物層を成長させる方法であって、以下の工程を具備する。（ａ）結晶性酸化チタン基板の温度が摂氏６００度以上摂氏７５０度以下に維持されながら、第１ニオブ酸窒化物膜を前記結晶性酸化チタン基板上に成長させる工程、かつ（ｂ）前記工程（ａ）の後、前記結晶性酸化チタン基板の温度が摂氏３５０度以上に維持されながら、前記第１ニオブ酸窒化物膜上に、第２ニオブ酸窒化物膜を成長させる工程。ここで、前記ニオブ酸窒化物層は、前記第１ニオブ酸窒化物膜および前記第２ニオブ酸窒化物膜を具備する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ニオブ酸窒化物層を成長させる方法であって、以下の工程を具備する：
（ａ）  結晶性酸化チタン基板の温度が摂氏６００度以上摂氏７５０度以下に維持されながら、第１ニオブ酸窒化物膜を前記結晶性酸化チタン基板上に成長させる工程、かつ
（ｂ）  前記工程（ａ）の後、前記結晶性酸化チタン基板の温度が摂氏３５０度以上に維持されながら、前記第１ニオブ酸窒化物膜上に、第２ニオブ酸窒化物膜を成長させる工程、
ここで、前記ニオブ酸窒化物層は、前記第１ニオブ酸窒化物膜および前記第２ニオブ酸窒化物膜を具備する。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、
前記基板は、（１０１）面の主面を有する。
【請求項３】
請求項１に記載の方法であって、
前記第１ニオブ酸窒化物膜および前記第２ニオブ酸窒化物膜は、いずれも、（１００）面の主面を有する。
【請求項４】
請求項１に記載の方法であって、
前記第２ニオブ酸窒化物膜は、前記第１ニオブ酸窒化物膜よりも厚い。
【請求項５】
請求項１に記載の方法であって、
前記第１ニオブ酸窒化物膜は、５ナノメートル以上３０ナノメートル以下の厚みを有する。
【請求項６】
請求項１に記載の方法であって、
前記ニオブ酸窒化物層は、１．０×１０２０ｃｍ−３未満のキャリア密度を有する。
【請求項７】
請求項１に記載の方法であって、
前記第１ニオブ酸窒化物膜は、スパッタリング法により成長される。
【請求項８】
請求項７に記載の方法であって、
前記スパッタリング法において用いられるスパッタリングターゲットは、化学式Ｎｂ２Ｏ５により表される酸化ニオブから形成され、かつ
前記第１ニオブ酸窒化物膜は、酸素および窒素の混合雰囲気中で成長される。
【請求項９】
請求項１に記載の方法であって、
前記第２ニオブ酸窒化物膜は、スパッタリング法により成長される。
【請求項１０】
請求項９に記載の方法であって、
前記スパッタリング法におけるスパッタリングターゲットは、化学式Ｎｂ２Ｏ５により表される酸化ニオブから形成され、かつ
前記第２ニオブ酸窒化物膜は、酸素および窒素の混合雰囲気中で成長される。
【請求項１１】
請求項１に記載の方法であって、
前記工程（ｂ）において、前記結晶性酸化チタン基板の温度は摂氏５００度以下に維持される。
【請求項１２】
ニオブ酸窒化物層であって、
前記ニオブ酸窒化物層は、１．０×１０２０ｃｍ−３未満のキャリア密度を有する。
【請求項１３】
請求項１２に記載のニオブ酸窒化物層であって、
前記ニオブ酸窒化物層は光半導体層である。
【請求項１４】
光半導体電極であって、以下を具備する：
請求項１３に記載の光半導体層、および
前記光半導体層を支持する基板。
【請求項１５】
請求項１４に記載の光半導体電極であって、
前記基板が結晶性酸化チタンから形成されている。
【請求項１６】
請求項１２に記載のニオブ酸窒化物層であって、
前記ニオブ酸窒化物層は光触媒層である。
【請求項１７】
光触媒電極であって、以下を具備する：
請求項１６に記載の光触媒層、および
前記光触媒層を支持する基板。
【請求項１８】
請求項１７に記載の光触媒電極であって、
前記基板が結晶性酸化チタンから形成されている。
【請求項１９】
水素生成デバイスであって、以下を具備する：
請求項１７に記載の光触媒電極、
前記光触媒電極と電気的に接続された対極、
前記ニオブ酸窒化物層および前記対極に接する液体、および
前記光触媒電極、前記対極、および前記液体を収容する容器、ここで、
前記液体は水または電解質水溶液であり、
前記ニオブ酸窒化物層に光が照射されることによって、水素が前記対極の表面上で発生する。
【請求項２０】
水素を生成する方法であって、以下の工程を具備する：
（ａ）  以下を具備する水素生成デバイスを用意する工程、
請求項１７に記載の光触媒電極、
前記光触媒電極と電気的に接続された対極、
前記ニオブ酸窒化物層および前記対極に接する液体、および
前記光触媒電極、前記対極、および前記液体を収容する容器、ここで、
前記液体は水または電解質水溶液であり、および
（ｂ）  前記ニオブ酸窒化物層に光を照射させ、前記対極の表面上で水素を発生させる工程。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ニオブ酸窒化物層を成長させる方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、段落番号００７４において、摂氏７００度の温度に維持された石英基板上にＮｂＯＮ薄膜をスパッタ法により成長させる方法を開示している。さらに、特許文献１は、当該ＮｂＯＮ薄膜を具備する板状の光半導体電極に光を照射して水素を発生させることを開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２０１３／０３５２９１号
【特許文献２】国際公開第２０１３／０１８３６６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、小さいキャリア密度を有するニオブ酸窒化物層を成長させる方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、ニオブ酸窒化物層を成長させる方法であって、以下の工程を具備する：
（ａ）  結晶性酸化チタン基板の温度が摂氏６００度以上摂氏７５０度以下に維持されながら、第１ニオブ酸窒化物膜を前記結晶性酸化チタン基板上に成長させる工程、かつ
（ｂ）  前記工程（ａ）の後、前記結晶性酸化チタン基板の温度が摂氏３５０度以上に維持されながら、前記第１ニオブ酸窒化物膜上に、第２ニオブ酸窒化物膜を成長させる工程、
ここで、前記ニオブ酸窒化物層は、前記第１ニオブ酸窒化物膜および前記第２ニオブ酸窒化物膜を具備する。
【発明の効果】
【０００６】
本発明は、小さいキャリア密度を有するニオブ酸窒化物層を成長させる方法を提供する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、実施形態による光半導体電極１００の断面図を示す。
【図２】図２は、実施例１による光半導体電極１００のＸ線回折分析の結果を示す。
【図３】図３は、実施例１による光半導体電極１００の断面ＳＥＭ像を示す。
【図４】図４は、実施例２による光半導体電極１００のＸ線回折分析の結果を示す。
【図５】図５は、実施例３による光半導体電極１００のＸ線回折分析の結果を示す。
【図６】図６は、実施例４による光半導体電極１００のＸ線回折分析の結果を示す。
【図７】図７は、実施例５による光半導体電極１００のＸ線回折分析の結果を示す。
【図８】図８は、比較例１による光半導体電極のＸ線回折分析の結果を示す。
【図９】図９は、比較例１による光半導体電極の断面ＳＥＭ像を示す。
【図１０】図１０は、実施形態による水素生成デバイスの断面図を示す。
【図１１】図１１は、第１変形例による光半導体電極１００の断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、本発明の実施形態が、図面を参照しながら詳細に説明される。
【０００９】
（実施形態）
図１は、実施形態による光半導体電極１００の断面図を示す。光半導体電極１００は、結晶性酸化チタン基板１１０（以下、単に「基板１１０」という）、第１ニオブ酸窒化物膜１２０、および第２ニオブ酸窒化物膜１３０を具備している。基板１１０の表面が結晶性酸化チタンから形成されている限り、基板１１０は他の層を含み得る。望ましくは、基板１１０は、単結晶性である。
【００１０】
第１ニオブ酸窒化物膜１２０は、基板１１０の表面に形成されている。望ましくは、第１ニオブ酸窒化物膜１２０は、（１００）面の主面を有する。第２ニオブ酸窒化物膜１３０は、第１ニオブ酸窒化物膜１２０の表面に形成されている。望ましくは、（１００）面の主面を有する。
【００１１】
ニオブ酸窒化物層は、第１ニオブ酸窒化物膜１２０および第２ニオブ酸窒化物膜１３０を具備している。望ましくは、ニオブ酸窒化物層は、第１ニオブ酸窒化物膜１２０および第２ニオブ酸窒化物膜１３０からなる。後述される実施例においても実証されているように、第１ニオブ酸窒化物膜１２０は、第２ニオブ酸窒化物膜１３０から区別できない。従って、本発明においては、１層のニオブ酸窒化物層が基板１１０上に形成されているように見える。
【００１２】
ニオブ酸窒化物は、化学式ＮｂＯＮにより表される。ニオブ酸窒化物は、ｎ型半導体の１種である。第１ニオブ酸窒化物膜１２０および第２ニオブ酸窒化物膜１３０は、いずれも、化学式ＮｂＯＮにより表されるニオブ酸窒化物から形成されている。
【００１３】
（製造方法）
以下、本発明による成長方法が詳細に説明される。
【００１４】
（工程（ａ））
まず、工程（ａ）では、基板１１０の温度が摂氏６００度以上摂氏７５０度以下に維持されながら、基板１１０上に第１ニオブ酸窒化物膜１２０が成長される。上述したように、基板１１０は、結晶性酸化チタンから形成されている。基板１１０は、単結晶性酸化チタンから形成されていることが望ましい。言うまでもないが、酸化チタンは化学式ＴｉＯ２により表される。成長された第１ニオブ酸窒化物膜１２０は、（１００）面の主面を有することが望ましい。
【００１５】
基板１１０は、（１０１）面の主面を有することが望ましい。言い換えれば、結晶性酸化チタンから形成されている基板１１０の表面は、［１０１］方向に配向していることが望ましい。基板１１０は、（１０１）配向のみを有する結晶性酸化チタン膜を表面に具備することがより望ましい。
【００１６】
本明細書において用いられる用語「成長」とは、エピタキシャル法による成長を意味する。エピタキシャル成長法の例は、スパッタリング法、分子線エピタキシ法、パルスレーザー堆積法、または有機金属気相成長法である。スパッタリング法が望ましい。
【００１７】
スパッタリング法においては、化学式Ｎｂ２Ｏ５により表される酸化ニオブから形成されたターゲットが用いられる。酸素および窒素の混合雰囲気下でスパッタリングが行われる。このようにして、化学式ＮｂＯＮにより表される第１ニオブ酸窒化物膜１２０および第２ニオブ酸窒化物膜１３０が成長される。
【００１８】
基板１１０が（１０１）面の主面を有する場合、第１ニオブ酸窒化物膜１２０は（１００）面の主面を有する。第１ニオブ酸窒化物膜１２０は、（１００）配向のみを有することがより望ましい。
【００１９】
工程（ａ）において基板１１０の温度が摂氏６００度未満である場合、第１ニオブ酸窒化物膜１２０は、（１００）面の主面を有しない。言い換えれば、この場合、第１ニオブ酸窒化物膜１２０は、（１００）面以外の配向面を有し得る。
【００２０】
第１ニオブ酸窒化物膜１２０は、５ナノメートル以上３０ナノメートル以下の厚みを有し得る。
【００２１】
（工程（ｂ））
工程（ｂ）は、工程（ａ）の後に行われる。工程（ｂ）では、結晶性酸化チタン基板１１０の温度が摂氏３５０度以上に維持されながら、第１ニオブ酸窒化物膜１２０上に、第２ニオブ酸窒化物膜１３０が成長させる。
【００２２】
第２ニオブ酸窒化物膜１３０は、第１ニオブ酸窒化物膜１２０上に成長されるので、基板１１０が（１０１）面の主面を有する場合、第２ニオブ酸窒化物膜１３０もまた、（１００）面の主面を有する。第２ニオブ酸窒化物膜１３０は、（１００）配向のみを有することがより望ましい。
【００２３】
工程（ｂ）において基板１１０の温度が摂氏３５０度未満である場合、第２ニオブ酸窒化物膜１３０を成長させることが困難となる。工程（ｂ）において、基板１１０の温度は摂氏５００度以下であり得る。
【００２４】
第２ニオブ酸窒化物膜１３０は、７０ナノメートル以上１２０ナノメートル以下の厚みを有し得る。望ましくは、第２ニオブ酸窒化物膜１３０は、第１ニオブ酸窒化物膜１２０よりも厚い。
【００２５】
このようにして成長されたニオブ酸窒化物層は、１．０×１０２０ｃｍ−３未満の低いキャリア密度を有する。一方、工程（ｂ）が実施されない場合、比較例１において実証されているように、得られるニオブ酸窒化物層は、１．０×１０２０ｃｍ−３以上の高いキャリア密度を有する。
【００２６】
図１０は、第１ニオブ酸窒化物膜１２０および第２ニオブ酸窒化物膜１３０を具備する光触媒電極１００を用いた水素生成デバイスの断面図を示す。ニオブ酸窒化物は光半導体であり、かつ、光触媒として使用され得る。図１０に示される水素生成デバイスは、光触媒電極１００、対極６３０、液体６４０、および容器６１０を具備する。上述されたように、光触媒電極１００は、基板１１０、第１ニオブ酸窒化物膜１２０、および第２ニオブ酸窒化物膜１３０を具備する。オーミック電極１１１が第２ニオブ酸窒化膜１３０上に形成され、対極６３０は、導線６５０を介してオーミック電極１１１と電気的に接続されている。詳細は、特許文献２を参照せよ。特許文献２は、本明細書に参照として援用される。
【００２７】
図１１は、第１変形例による光触媒電極１００の断面図を示す。第１変形例では、ニオブがドープされた酸化チタン基板１１０が用いられる。酸化チタン基板にニオブがドープされると、酸化チタン基板に導電性が付与される。次に、図１１に示されるように、導電性が付与された酸化チタン基板１１０にオーミック電極１１１が形成される。オーミック電極１１１は、導線６５０に電気的に接続される。
【００２８】
対極６３０は、小さい過電圧を有する材料から形成されることが望ましい。具体的には、対極６３０の材料の例は、白金、金、銀、ニッケル、化学式ＲｕＯ２により表される酸化ルテニウム、または化学式ＩｒＯ２により表される酸化イリジウムである。
【００２９】
液体６４０は、水または電解質水溶液である。電解質水溶液は、酸性またはアルカリ性である。電解質水溶液の例は、硫酸水溶液、硫酸ナトリウム水溶液、炭酸ナトリウム水溶液、リン酸緩衝液、またはホウ酸緩衝液である。液体６４０は、常時容器６１０内に蓄えられていても良いし、使用時にのみ供給されてもよい。
【００３０】
容器６１０は、光触媒電極１００、対極６３０、および液体６４０を収容する。容器６１０は、透明であることが望ましい。具体的には、光が容器６１０の外部から容器６１０の内部に伝わるように、容器６１０の少なくとも一部分が透明であることが望ましい。
【００３１】
第１ニオブ酸窒化物膜１２０および第２ニオブ酸窒化物膜１３０からなるニオブ酸窒化物層に光が照射されると、第２ニオブ酸窒化物膜１３０上で酸素が発生する。太陽光のような光が容器６１０を通って、ニオブ酸窒化物層に到達する。光を吸収したニオブ酸窒化物層の部分の伝導帯および価電子帯にそれぞれ電子およびホールが生じる。ニオブ酸窒化物層はｎ型半導体であるので、ホールは、第２ニオブ酸窒化物膜１３０の表面に移動する。
【００３２】
第２ニオブ酸窒化膜１３０の表面上で、下記反応式（１）に示されるように水が分解されて、酸素が発生する。一方、電子は、ニオブ酸窒化物層から導線６５０を介して対極６３０に移動する。対極６３０の表面上で、下記反応式（２）に示されるように、水素が発生する。
（化１）
４ｈ＋  ＋  ２Ｈ２Ｏ  →  Ｏ２↑  ＋  ４Ｈ＋      （１）
（ｈ＋はホールを表す）
（化２）
４ｅ−  ＋  ４Ｈ＋  →  ２Ｈ２↑      （２）
【００３３】
固液界面における第２ニオブ酸窒化物膜１３０表面にはバンドベンディングを伴った空乏層が存在する。理論上、キャリア密度が低いと空乏層が拡がる。従って、キャリア密度が低いと空乏層の内部電場により、伝導帯および価電子帯に励起された電子および正孔が電荷分離されやすくなる。実施形態による光触媒電極１００は、１．０×１０２０ｃｍ−３未満の低いキャリア密度を有するので、実施形態による光触媒電極１００を具備する水素生成デバイスは、高い水素生成効率を有する。
【００３４】
（実施例）
以下、本発明が、以下の実施例を参照しながらより詳細に説明される。
【００３５】
（実施例１）
実施例１では、図１に示される光半導体電極１００が以下のように製造された。
【００３６】
まず、（１０１）配向のみを有する酸化チタン基板１１０上に、反応性スパッタリング法により、２０ナノメートルの厚みを有する第１ニオブ酸窒化物膜１２０が成長された。反応性スパッタリング法においては、酸化チタン基板１１０の温度が摂氏６５０度に維持された。スパッタリングターゲットの材料は、化学式Ｎｂ２Ｏ５により表される酸化ニオブであった。酸素および窒素の混合雰囲気中でスパッタリングが行われた。スパッタリングのために用いられたチャンバー内の全圧は０．５Ｐａであった。酸素分圧は０．０１７Ｐａであり、かつ窒素分圧は０．４８Ｐａであった。このようにして、第１ニオブ酸窒化物膜１２０が成長された。
【００３７】
次に、酸化チタン基板１１０の温度が摂氏５００度に維持されながら、第１ニオブ酸窒化物膜１２０上に、反応性スパッタリング法により、１２０ナノメートルの厚みを有する第２ニオブ酸窒化物膜１３０が成長された。スパッタリングターゲットの材料は、化学式Ｎｂ２Ｏ５により表される酸化ニオブであった。酸素および窒素の混合雰囲気中でスパッタリングが行われた。スパッタリングのために用いられたチャンバー内の全圧は０．５Ｐａであった。酸素分圧は０．０１１Ｐａであり、かつ窒素分圧は０．４９Ｐａであった。このようにして、第２ニオブ酸窒化物膜１３０が成長された。
【００３８】
図３は、実施例１による光半導体電極１００の断面ＳＥＭ像を示す。図３から明らかなように、１層のニオブ酸窒化物層が基板１１０上に形成された。言い換えれば、第１ニオブ酸窒化物膜１２０は、第２ニオブ酸窒化物膜１３０から区別できない。１層のニオブ酸窒化物層は平坦かつ緻密である。図３に示されるように、空隙もピンホールもニオブ酸窒化物層には形成されていなかった。
【００３９】
次に、光半導体電極１００のキャリア密度が、Van der Pauw法に基づいたホール効果測定を介して算出された。その結果、実施例１によるニオブ酸窒化物層は、１．０×１０１８ｃｍ−３のキャリア密度を有していた。
【００４０】
光半導体電極１００は、Ｘ線回折分析に供された。図２は、その結果を示す。図２から明らかなように、６つのピークが観察された。その中でも、２つのピークは、ＴｉＯ２の（１０１）面および（２０２）面に由来する。４つのピークは、ＮｂＯＮの（１００）面、（２００）面、（３００）面、および（４００）面に由来する。このように、ＮｂＯＮの（ｈ００）面のピークのみが観察された。これは、（１０１）配向を有する結晶性酸化チタン基板１１０上に、（１００）配向のみを有するニオブ酸窒化物層が形成されたことを意味する。
【００４１】
（実施例２）
実施例２においては、酸化チタン基板１１０の温度が摂氏６００度に維持されながら第１ニオブ酸窒化物膜１２０が成長されたこと、および第２ニオブ酸窒化物膜１３０の厚みが７０ナノメートルであったことを除き、実施例１と同様の実験が行われた。図４は、実施例２におけるＸ線回折分析の結果を示す。実施例２によるニオブ酸窒化物層は、３．１×１０１９ｃｍ−３のキャリア密度を有していた。
【００４２】
（実施例３）
実施例３においては、以下の（Ｉ）〜（ＩＩＩ）を除き、実施例１と同様の実験が行われた。
（Ｉ）  酸化チタン基板１１０の温度が摂氏７５０度に維持されながら、第１ニオブ酸窒化物膜１２０が成長されたこと
（ＩＩ）  第２ニオブ酸窒化物膜１３０の厚みが７０ナノメートルであったこと
（ＩＩＩ）  第１ニオブ酸窒化物膜１２０を成長するためのスパッタリングにおいては、酸素分圧が０．０２３Ｐａであり、かつ窒素分圧が０．４８Ｐａであったこと
【００４３】
図５は、実施例３におけるＸ線回折分析の結果を示す。実施例３によるニオブ酸窒化物層は、４．２×１０１９ｃｍ−３のキャリア密度を有していた。
【００４４】
（実施例４）
実施例４においては、以下の（Ｉ）〜（ＩＶ）を除き、実施例１と同様の実験が行われた。
（Ｉ）  酸化チタン基板１１０の温度が摂氏６００度に維持されながら、第１ニオブ酸窒化物膜１２０が成長されたこと
（ＩＩ）  第２ニオブ酸窒化物膜１３０の厚みが７０ナノメートルであったこと
（ＩＩＩ）  酸化チタン基板１１０の温度が摂氏３５０度に維持されながら、第２ニオブ酸窒化物膜１３０が成長されたこと
（ＩＶ）  第２ニオブ酸窒化物膜１３０を成長するためのスパッタリングにおいては、酸素分圧が０．００７４Ｐａであり、かつ窒素分圧が０．４９Ｐａであったこと
【００４５】
図６は、実施例４におけるＸ線回折分析の結果を示す。実施例４によるニオブ酸窒化物層は、３．０×１０１９ｃｍ−３のキャリア密度を有していた。
【００４６】
（実施例５）
実施例５においては、以下の（Ｉ）〜（Ｖ）を除き、実施例１と同様の実験が行われた。
（Ｉ）  酸化チタン基板１１０の温度が摂氏７５０度に維持されながら、第１ニオブ酸窒化物膜１２０が成長されたこと
（ＩＩ）  第１ニオブ酸窒化物膜１２０を成長するためのスパッタリングにおいては、酸素分圧が０．０２３Ｐａであり、かつ窒素分圧が０．４８Ｐａであったこと
（ＩＩＩ）  第２ニオブ酸窒化物膜１３０の厚みが７０ナノメートルであったこと
（ＩＶ）  酸化チタン基板１１０の温度が摂氏３５０度に維持されながら、第２ニオブ酸窒化物膜１３０が成長されたこと
（Ｖ）  第２ニオブ酸窒化物膜１３０を成長するためのスパッタリングにおいては、酸素分圧が０．００７４Ｐａであり、かつ窒素分圧が０．４９Ｐａであったこと
【００４７】
図７は、実施例５におけるＸ線回折分析の結果を示す。実施例５によるニオブ酸窒化物層は、２．８×１０１９ｃｍ−３のキャリア密度を有していた。
【００４８】
（比較例１）
比較例１においては、以下の（Ｉ）〜（ＩＶ）を除き、実施例１と同様の実験が行われた。
（Ｉ）  酸化チタン基板１１０の温度が摂氏６５０度に維持されながら、第１ニオブ酸窒化物膜１２０が成長されたこと
（ＩＩ）  第１ニオブ酸窒化物膜１２０を成長するためのスパッタリングにおいては、酸素分圧が０．０８５Ｐａであり、かつ窒素分圧が０．４９Ｐａであったこと
（ＩＩＩ）  第１ニオブ酸窒化物膜１２０が７０ナノメートルの厚みを有していたこと
（ＩＶ）  第２ニオブ酸窒化物膜１３０が成長されなかったこと
【００４９】
言い換えれば、比較例１では、（１０１）配向を有するＴｉＯ２基板上に、反応性スパッタリング法により７０ナノメートルの厚みを有するニオブ酸窒化物層が形成された。反応性スパッタリング法においては、ＴｉＯ２基板は摂氏６５０度に維持された。スパッタリングのために用いられたチャンバー内の全圧は０．５Ｐａであった。酸素分圧は０．０８５Ｐａであり、かつ窒素分圧は０．４９Ｐａであった。
【００５０】
図８は、比較例１におけるＸ線回折分析の結果を示す。図２の場合と同様に、比較例１によるニオブ酸窒化物層は、ＮｂＯＮの（ｈ００）面のピークのみを有していることが観察された。これは、（１０１）配向を有する結晶性酸化チタン基板１１０上に、（１００）面のみを有するニオブ酸窒化物層が形成されたことを意味する。
【００５１】
図９は、比較例１による光半導体電極１００の断面ＳＥＭ像を示す。図９から明らかなように、比較例１において得られたニオブ酸窒化物層は、平坦ではなく、歪んでいた。さらに、比較例１によるニオブ酸窒化物層においては、空隙がＴｉＯ２基板およびニオブ酸窒化物層の間に形成されていた。比較例１によるニオブ酸窒化物層は、およそ１．００×１０２０ｃｍ−３のキャリア密度を有していた。
【００５２】
以下の表１〜表２は、実施例１〜実施例５および比較例１の結果を示す。表１および表２において、第１膜および第２膜とは、それぞれ、第１ニオブ酸窒化物膜１２０および第２ニオブ酸窒化物膜１３０を意味する。
【００５３】
【表１】
2017145498.tif 000003
【００５４】
【表２】
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【００５５】
表１および表２から明らかなように、以下の要件（Ｉ）〜（ＩＩ）が満たされた場合には、得られたニオブ酸窒化物層は、１．０×１０２０ｃｍ−３未満の低いキャリア密度を有する。
（Ｉ）  結晶性酸化チタン基板１１０の温度が摂氏６００度以上摂氏７５０度以下に維持されながら、第１ニオブ酸窒化物膜１２０が結晶性酸化チタン基板１１０上に成長されること、および
（ＩＩ）  結晶性酸化チタン基板１１０の温度を摂氏３５０度以上に維持しながら（望ましくは、摂氏５００度以下に維持しながら）、第１ニオブ酸窒化物膜１２０上に、第２ニオブ酸窒化物膜１２０が成長されること
【００５６】
比較例１から明らかなように、ニオブ酸窒化物層が単一配向（すなわち、（１００）配向のみ）を有している場合であっても、そのキャリア密度は低いとは限らない。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明によるニオブ酸窒化物層は、光照射により水素を発生させる光半導体として用いられ得る。
【符号の説明】
【００５８】
１１０  結晶性酸化チタン基板
１２０  第１ニオブ酸窒化物膜
１３０  第２ニオブ酸窒化物膜
【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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