光器件、光电转换装置以及燃料生成装置的制作方法

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1.本技术涉及光器件、光电转换装置以及燃料生成装置。

背景技术：

2.在半导体上配置有金属纳米结构体的肖特基结构中的利用了表面等离激元共振的光电转换技术现在受到注目。通过表面等离激元共振而暂时变成了高能量状态的电子被称为热电子。通过热电子越过金属与半导体之间的肖特基势垒而被电荷分离来实现光电转换。在半导体上形成有金属纳米结构体的元件在光催化剂的领域也受到注目。
3.专利文献1及专利文献2公开了一种光电转换方法的例子，其使用了在n型半导体上配置有具有表面等离激元共振吸收性的金属纳米颗粒的元件。
4.非专利文献1公开了一种光电转换方法，其利用在n型半导体上形成有功函数小的金属膜和具有表面等离激元共振吸收性的金属膜而成的肖特基元件。
5.非专利文献2公开了一种使用了对于红外区域的光显示出表面等离激元共振的锡掺杂氧化铟(ito)的纳米颗粒的光电转换器件。
6.现有技术文献
7.专利文献
8.专利文献1：日本特开2016
‑
162890号公报
9.专利文献2：日本特开2014
‑
67988号公报
10.非专利文献
11.非专利文献1：mark w.knight，heidar sobhani，peter nordlander，naomi j.halas，“photodetection with active optical antennas”，science，2011，vol.332p.702
‑
704
12.非专利文献2：masanori sakamoto et al.，“clear and transparent nanocrystals for infrared
‑
responsive carrier transfer”，nature communications，2019，10，406

技术实现要素：

13.发明所要解决的问题
14.本技术的一个方案提供能够提高光电转换效率的光器件。
15.用于解决问题的手段
16.本技术的一个实施方式的光器件具备纳米结构体、合金层和n型半导体，上述纳米结构体被光照射时诱发表面等离激元共振，上述合金层与上述纳米结构体，并且功函数比上述纳米结构体低，上述n型半导体与上述合金层进行肖特基接合。上述纳米结构体由选自单金属、合金、金属氮化物以及导电性氧化物中的一种构成。上述合金层由至少两种金属构成。
17.本技术的广泛的或具体的方式也可以通过器件、装置、系统、方法或者它们的任意
的组合来实现。
18.发明效果
19.根据本技术的实施方式，能够提高光电转换效率。
附图说明
20.图1a是示意性地表示本技术的实施方式的肖特基器件的一个例子的示意图。
21.图1b是示意性地表示变形例的肖特基器件的图。
22.图1c是示意性地表示其他变形例的肖特基器件的图。
23.图1d是示意性地表示另一变形例的肖特基器件的图。
24.图1e是示意性地表示另一变形例的肖特基器件的图。
25.图1f是示意性地表示另一变形例的肖特基器件的图。
26.图1g是示意性地表示另一变形例的肖特基器件的图。
27.图1h是示意性地表示另一变形例的肖特基器件的图。
28.图2a是表示图1a所示的肖特基器件中的多个纳米颗粒的配置例的俯视图。
29.图2b是表示图1a所示的肖特基器件中的多个纳米颗粒的配置的其他例子的俯视图。
30.图2c是表示具备具有梳形结构的纳米结构体的肖特基器件的例子的俯视图。
31.图2d是放大示出图2c中的虚线框内的结构的图。
32.图3a是示意性地表示具备图1a所示的肖特基器件的光电转换装置的构成的图。
33.图3b是示意性地表示光电转换装置的变形例的构成的图。
34.图3c是示意性地表示具备图1a所示的肖特基器件的燃料生成装置的一个例子的图。
具体实施方式
35.在对本技术的实施方式进行说明之前，对由发明人们所发现的见解进行说明。
36.现在正在普及的半导体光检测器利用了基于由能带间跃迁引发的光吸收的光电转换。因此，无法检测具有比半导体的带隙能低的能量的光。期待以比现有的半导体光检测器更宽的波长区域实现光电转换。
37.例如，期待廉价地实现能够以高灵敏度检测近红外区域的光(以下称为“近红外光”)的光检测器。通过利用近红外光，使不分昼夜地高灵敏度成像成为可能。进而，近红外光对于眼睛的安全性高。因此，近红外区域的光检测器被期待利用于用于汽车的自动驾驶的传感器。
38.关于可见区域的光，基于硅(si)的光检测器是比较廉价并且正在广泛普及的。然而，近红外区域的光的能量比可见光低，因此如果不使用带隙能更小的半导体就无法进行检测。带隙能小的半导体中例如存在铟镓砷(ingaas)。
39.另一方面，如专利文献1、2所公开的那样的具备在半导体上配置有金属纳米结构体的肖特基结构的光电转换技术受到注目。通过金属纳米结构体中的由表面等离激元共振所产生的热电子越过肖特基势垒而被电荷分离，实现光电转换。该技术能够将迄今为止难以利用的包含长波长的光的宽波长区域的光有效利用，因此不仅在光电转换的领域，就算
在光催化剂的领域也受到注目。
40.就金属纳米结构来说，例如可以使用金(au)之类的等离子特性优异的金属。但是，等离子特性优异的金属的功函数大，在与半导体的界面所产生的肖特基势垒变高。因此，热电子变得难以越过肖特基势垒。
41.在非专利文献1中，设法通过在半导体基板与作为等离子特性优异的金属的au之间设置作为功函数相对小的金属的钛(ti)来降低肖特基势垒。
42.就非专利文献1的技术来说，由于ti膜的等离子特性低，因此半导体基板上的金属纳米结构的等离子吸收特性降低而灵敏度及光电转换效率降低。
43.为了提高对于红外区域的光的光电转换效率，例如也考虑了利用如非专利文献2中公开那样的使ito等导电性氧化物的纳米结构体与sno2、tio2或si等半导体接触而成的结构。然而，就算利用这样的结构，也难以实现适当的肖特基势垒。在典型的应用例中，适当的肖特基势垒的大小例如为0.3ev～0.5ev左右。与此相对，在ito纳米颗粒与sno2接触的结构中，肖特基势垒低至0.2ev左右。另一方面，在ito纳米颗粒与tio2或与si接触而成的结构中，肖特基势垒高至0.7ev左右。
44.本发明人们发现以上的问题，并想到了用于解决该问题的新型光器件。以下，对本技术的实施方式的概要进行说明。
45.本技术的实施方式中的光器件具备纳米结构体、合金层和n型半导体，上述纳米结构体被光照射时诱发表面等离激元共振，上述合金层与上述纳米结构体相接，并且功函数比上述纳米结构体低，上述n型半导体与上述合金层进行肖特基接合。上述纳米结构体可以由选自单金属、合金、金属氮化物以及导电性氧化物中的一种构成。上述合金层由至少两种金属构成。
46.根据上述的光器件，在纳米结构体与n型半导体之间设置有功函数比纳米结构体低的合金层。由此，与n型半导体和纳米结构体相接的构成相比，能够降低肖特基势垒而提高热电子的传输效率。
47.纳米结构体例如可以包含选自金(au)、银(ag)、铜(cu)、铝(al)以及钯(pd)中的至少一种单金属。通过由具有优异的等离激元特性并且离子化倾向小的上述任意金属构成纳米结构体，能够实现高效率的热电子生成。另外，通过设置功函数比这些单金属低的合金层，能够兼顾高效率的热电子生成和由低肖特基势垒带来的电流取出。由此，能够提高光电转换效率。
48.纳米结构体例如可以包含选自氮化钛(tin)、氮化锆(zrn)、氮化钽(tan)以及氮化铪(hfn)中的至少一种金属氮化物。在使用了由这些金属氮化物形成的纳米结构体的情况下，在可见区域的长波长区域至近红外区域，等离激元吸收的效率变高而能够提高光电转换效率。
49.纳米结构体例如可以包含选自锡掺杂氧化铟(ito)、铝掺杂氧化锌(azo)以及镓掺杂氧化锌(gzo)中的至少一种导电性氧化物。在使用基于这些导电性氧化物的纳米结构体的情况下，等离激元吸收的效率及热电子的传输效率在波长更长的近红外区域变高而能够提高光电转换效率。
50.纳米结构体可以由具有比合金层高的功函数的合金构成。在该情况下，纳米结构体例如可以是包含选自金(au)、银(ag)、铜(cu)、铝(al)以及钯(pd)中的第一金属以及选自
钛(ti)、铬(cr)、镍(ni)、锰(mn)、铁(fe)、锌(zn)、镓(ga)以及钽(ta)中的第二金属的金属间化合物或固溶体合金。
51.合金层例如可以是包含选自金(au)、银(ag)、铜(cu)、铝(al)、钯(pd)、钛(ti)、铬(cr)、镍(ni)、锰(mn)、铁(fe)、锌(zn)、镓(ga)以及钽(ta)中的至少两种金属的金属间化合物或固溶体合金。然而，构成合金层的金属材料的组合以合金层具有比纳米结构体的功函数低的功函数的方式进行选择。作为一个例子，在纳米结构体由具有高等离激元特性的第一金属的单质构成的情况下，合金层可以是第一金属及第二金属的金属间化合物或固溶体合金。
52.在此，“第一金属及第二金属的金属间化合物或固溶体合金”是指以第一金属及第二金属为主成分的金属间化合物或固溶体合金。该金属间化合物或固溶体合金可以包含除了第一金属及第二金属以外的元素例如杂质。作为第二金属，可选择具有比第一金属的功函数低的功函数的金属。
53.以下，参照附图对本技术的例示的实施方式进行说明。此外，有时会省略过于详细的说明。例如，有时会省略已经为人所知的事项的详细说明。另外，有时会对于实质上相同的构成标注相同符号并省略重复说明。这是为了避免以下的说明变得过于冗长，使本领域技术人员容易理解。本发明的发明者们为了本领域技术人员充分地理解本技术而提供所附附图及以下的说明。它们并不是为了对权利要求书所记载的主题进行限定。
54.(实施方式1：肖特基器件)
55.作为光器件的一个例子，对肖特基器件的实施方式进行说明。
56.图1a是示意性地表示本技术的示例性的实施方式的肖特基器件100a的一个例子的示意图。肖特基器件100a具备分别为纳米结构体的多个纳米颗粒11、合金层12、和n型半导体13。多个纳米颗粒11与合金层12接触。合金层12与n型半导体13接触。该例子中的各纳米颗粒11由具有优异的等离激元特性的金属单质构成。合金层12由包含功函数比纳米颗粒11低的金属的合金构成。合金层12可以由电阻小的金属材料构成。图1a所示的合金层12具备均匀的膜状的结构。不限于这样的结构，合金层12例如可以具备斑点状的结构。
57.根据上述的构成，通过使合金层12与n型半导体13以广的面积接合，能够实现肖特基势垒的降低及热电子的传输效率的提高。另外，通过使用单金属的纳米颗粒11，与使用了基于合金的纳米颗粒的情况相比能够以高效率实现等离激元吸收。因此，可以以较低的成本实现能够以高效率进行光电转换的光器件。
58.以下，对各构成要素进行更具体说明。
59.纳米颗粒11可以由导电性高且具有优异的等离激元特性并且离子化倾向小的金属单质构成。该金属例如可以是选自金(au)、银(ag)、铜(cu)、钯(pd)以及铝(al)中的一种的金属。
60.纳米颗粒11具有表面等离激元共振吸收性。纳米颗粒11中的表面等离激元共振波长可以通过改变纳米颗粒11的粒径、形状、结构以及合金的组成而进行调整。
61.本技术中，“粒径”是指包含颗粒的图像的显微镜图像中的与该颗粒外接的圆的直径。以下，有时将粒径称为“尺寸”。另外，本技术中，“纳米颗粒”是指具有比所利用的光(典型的是可见光或近红外线)的波长足够小的纳米(nm)级的尺寸的颗粒。即，“纳米颗粒”是指粒径为1nm以上且低于1μm左右的颗粒。纳米颗粒11的尺寸例如可以为1nm～200nm。纳米颗
粒11的尺寸在某个例子中为1nm～50nm，在其他例子中为5nm～20nm。通过将纳米颗粒11的尺寸设定为200nm以下，能够提高等离子吸收。另外，例如也可以取得包含至少10个纳米颗粒11的图像的显微镜图像并基于该显微镜图像求出该至少10个纳米颗粒11的尺寸的算术平均。该算术平均可以为1nm～200nm，也可以为1nm～50nm，还可以为5nm～20nm。纳米颗粒11的尺寸例如可以通过透射型电子显微镜(tem)或扫描型电子显微镜(sem)等电子显微镜来进行测定。
62.纳米结构体除了图1a所示的球状的纳米颗粒11的结构以外，例如还可以采取沿某个方向长的线结构或者接近于立方体的形状即立方体(cube)结构等各种结构或形状。以下，对使用球状的纳米颗粒11的例子进行说明，但纳米结构体的形状不限于纳米颗粒。例如也可以参照图2c而像后所述那样由与纳米颗粒11相同的材料构成并且具有梳形结构的纳米结构体11b来代替纳米颗粒11与合金层12接触地配置。图1a的例子中，纳米颗粒11整体由相同的单金属构成。不限于这样的例子，多个纳米颗粒11的材料也可以互不相同。
63.合金层12是两种以上金属的金属间化合物或两种以上金属的固溶体合金。构成合金层12的各金属可以例如是选自金(au)、银(ag)、铜(cu)、铝(al)、钯(pd)、钛(ti)、铬(cr)、镍(ni)、锰(mn)、铁(fe)、锌(zn)、镓(ga)以及钽(ta)中的任意金属。这些金属以合金层12的功函数比纳米颗粒11的功函数低的方式选择。
[0064]“金属间化合物”是指两种以上金属以简单的整数比键合而成的化合物，并且该化合物是原子遍及较长距离(例如1nm以上)保持秩序而规律地排列而成的合金。“固溶体合金”是指多个金属元素在晶体内均匀并且无秩序地分布的单相的合金，该合金是指保持任意金属的结构并且具有其他金属侵入或置换的结构的合金。
[0065]
某物质是否为合金例如可以通过使用了扫描型透射电子显微镜(stem)的元素映射来确认。只要该物质不分离成作为其构成要素的多个金属元素的相，就可以判断为合金。更具体来说，例如只要满足以下的(1)及(2)的条件，就可以说合金层12是第一金属及第二金属的合金。(1)使用stem以1nm
×
1nm的分解能进行元素映射测定时，在合金层12所占的整个区域之中80％以上的区域中检测到第一金属及第二金属。(2)由能量分散型x射线分析(edx)及线分析，在颗粒的剖面也以反映了组成比的比例检测到第一金属及第二金属。
[0066]
某物质是否为固溶体合金例如可以基于通过x射线衍射法得到的衍射图案来确认。就该衍射图案来说，只要基于维加德(vegard)定律反映组成比并观测到从第一金属单质及第二金属单质的峰位置的峰值漂移，就可以判断合金层12为第一金属及第二金属的固溶体合金。
[0067]
另一方面，合金层12是否为金属间化合物例如可以通过基于电子束衍射法或x射线衍射法的分析来确认。由电子束衍射法或x射线衍射法得到的衍射图案只要与技术书籍等文献中公开的第一金属及第二金属的金属间化合物的衍射图案一致，就可以判断合金层12为第一金属及第二金属的金属间化合物。
[0068]
在金属间化合物的组成比与文献所公开的组成比不同的情况下，有时会根据面间隔的偏差而稍微观察到衍射斑(在x射线衍射的情况下为峰)的间隔的偏差。在该情况下，可以根据由使用了stem的颗粒的结构解析得到的晶格图像来求出晶格间隔，并基于根据该晶格间隔算出的峰位置与文献所公开的峰位置是否一致来判断是否包含金属间化合物。或者，也可以通过edx求出颗粒的组成比并根据维加德(vegard)定律算出晶格间隔，可以基于
该晶格间隔算出的峰位置与文献所公开的峰位置是否一致来判断是否包含金属间化合物。
[0069]
合金层12具有比纳米颗粒11的功函数低的功函数。因此，与纳米颗粒11直接与n型半导体13相接的结构相比，能够使肖特基势垒降低而提高电流的取出效率。由此，与不存在合金层12的情况相比能够实现飞跃性的性能提高。
[0070]
n型半导体13的电子亲和力比合金层12的功函数低，在n型半导体13与合金层12之间实现了肖特基接合。由此，肖特基器件100a显示出整流特性。
[0071]
本实施方式中，与n型半导体13的带隙能相当的波长可以比纳米颗粒11的表面等离激元共振波长短。换言之，产生纳米颗粒11中的表面等离激元共振的光的能量即照射光的能量也可以比n型半导体13的带隙能低。就算是在照射光的能量比n型半导体13的带隙能低的情况下，只要所生成的热电子越过肖特基势垒，就会被电荷分离。
[0072]
n型半导体13例如也可以包含选自硅(si)半导体、锗(ge)半导体以及镓砷(gaas)半导体中的至少一种。n型半导体13可以是si半导体、ge半导体或gaas半导体。在该情况下，纳米颗粒11中的表面等离激元共振波长例如可以为900nm以上。n型半导体13也可以为宽禁带半导体。该宽禁带半导体可以包含选自氧化钛(tio2)半导体、氮化镓(gan)半导体以及钛酸锶(srtio3)半导体中的至少一种。宽禁带半导体可以是氧化钛(tio2)半导体、氮化镓(gan)半导体或钛酸锶(srtio3)半导体。在n型半导体13为宽禁带半导体的情况下，纳米颗粒11中的表面等离激元共振波长例如可以为400nm以上。这样一来，n型半导体13例如可以为无机半导体。
[0073]
以往，对于波长为900nm以下的光，使用确立了高品质的晶体制作技术的si半导体并实现了高灵敏度的光检测。对于具有比si半导体的带隙能低的能量的近红外光，使用在inp单晶基板外延生长的ingaas半导体并实现了高灵敏度。然而，对于ingaas半导体的制作，需要尖端的薄膜形成技术。根据本实施方式，即使是在使用了si半导体、ge半导体、gaas半导体或者宽禁带半导体的情况下，也能够检测近红外区域的光。这些半导体由于在制造中不需要尖端的薄膜形成技术，所以能够降低成本。特别是，在使用了si半导体的情况下，与ingaas半导体相比能够减小暗电流。
[0074]
另外，如非专利文献1所公开的那样，以往已知有在n型半导体基板与产生表面等离激元共振的金属之间设置有功函数低的金属膜的结构。但是，没有进行如本实施方式那样将产生表面等离激元共振的纳米颗粒11与n型半导体13之间设置使等离激元势垒降低的合金层12的尝试。通过采用本实施方式那样的结构，能够以纳米油墨涂布工艺之类的简便的方法来制作高效率的光电转换器件。
[0075]
此外，根据用于肖特基器件100a的制作的成膜工艺，有时会在n型半导体13的基板的表面或合金层12的表面形成氧化膜。在该情况下，根据需要，也可以在制造工序中包含将氧化膜除去的工序。
[0076]
图1b是示意性地表示本实施方式的变形例的肖特基器件100b的图。该例子中的肖特基器件100b在作为金属氮化物的纳米结构体的纳米颗粒14被配置于合金层12上的方面与图1a的构成不同。
[0077]
本变形例中的纳米颗粒14例如可以由选自氮化钛(tin)、氮化锆(zrn)、氮化钽(tan)以及氮化铪(hfn)中的至少一种金属氮化物。
[0078]
这些金属氮化物对于可见区域的长波长区域至近红外区域的光具有高等离激元
吸收特性。因此，等离激元对于可见区域的长波长区域至近红外区域的光的吸收效率及热电子的传输效率变高而能够提高光电转换效率。
[0079]
图1c是示意性地表示本实施方式的其他变形例的肖特基器件100c的图。肖特基器件100c在作为导电性氧化物的纳米结构体的纳米颗粒15被配置于合金层12上的方面与图1a及图1b的构成不同。
[0080]
本变形例中的纳米颗粒15例如可以由选自锡掺杂氧化铟(ito)、铝掺杂氧化锌(azo)以及镓掺杂氧化锌(gzo)中的至少一种导电性氧化物构成。
[0081]
这些导电性氧化物对于波长更长的近红外区域的光具有高等离激元吸收特性。因此，等离激元对于波长更长的近红外区域的光的吸收效率及热电子传输效率变高而能够提高光电转换效率。
[0082]
图1d是示意性地表示本实施方式的另一变形例的肖特基器件100d的图。肖特基器件100d在作为合金的纳米结构体的纳米颗粒11a被配置于合金层12上的方面与图1a～图1c的构成不同。
[0083]
本变形例中的纳米颗粒11a是包含第一金属11a1和第二金属11a2的金属间化合物或固溶体合金。第一金属11a1具有优异的等离激元特性，并且离子化倾向小。第二金属11a2具有比第一金属11a1低的功函数。纳米颗粒11a的组成与合金层12的组成不同。
[0084]
第一金属11a1可以由导电性高、具有优异的等离激元特性并且离子化倾向小的材料构成。第一金属11a1例如可以是选自金(au)、银(ag)、铜(cu)、钯(pd)以及铝(al)中的一种或两种以上的金属。
[0085]
第二金属11a2可以由具有比第一金属11a1的功函数低的功函数的材料构成。第二金属11a2例如可以是选自钛(ti)、铬(cr)、银(ag)、铜(cu)、铝(al)、镍(ni)、锰(mn)、铁(fe)、锌(zn)、镓(ga)以及钽(ta)中的一种或两种以上的金属。
[0086]
这样一来，纳米结构体可以由具有比合金层12高的功函数的合金构成。
[0087]
图1e是示意性地表示本实施方式的另一变形例的肖特基器件100e的图。就该例子中的肖特基器件100e来说，n型半导体13具有沟槽结构或纹理结构。其上部被合金层12和单金属层11覆盖。在该例子中，在肖特基器件100e的表面存在多个凹部或凸部。这些凹部或凸部中相邻的两个的中心间距可以为纳米级即1nm以上且小于1μm。就这样的结构来说，最表面的单金属层11作为诱发表面等离激元共振的纳米结构体发挥功能。根据图1e所示的构成，通过纳米天线结构，等离激元吸收的效率变高而能够提高光电转换效率。
[0088]
图1f是示意性地表示本实施方式的另一变形例的肖特基器件100f的图。就该例子中的肖特基器件100f来说，n型半导体13具有沟槽结构或纹理结构，其上部被合金层12和金属氮化物层14覆盖。就这样的结构来说，最表面的金属氮化物层14作为诱发表面等离激元共振的纳米结构体发挥功能。根据图1f所示的构成，等离激元对于可见区域的长波长区域至近红外区域的光的吸收效率变高而能够提高光电转换效率。金属层氮化物层14例如可以由选自氮化钛(tin)、氮化锆(zrn)、氮化钽(tan)以及氮化铪(hfn)中的至少一种金属氮化物形成。
[0089]
图1g是示意性地表示本实施方式的另一变形例的肖特基器件100g的图。就该例子中的肖特基器件100g来说，n型半导体13具有沟槽结构或纹理结构，其上部被合金层12和导电性氧化物层15覆盖。就这样的结构来说，最表面的导电性氧化物层15作为诱发表面等离
激元共振的纳米结构体发挥功能。根据图1g所示的构成，等离激元对于波长更长的近红外区域的光的吸收效率变高而能够提高光电转换效率。导电性氧化物层15例如可以由选自锡掺杂氧化铟(ito)、铝掺杂氧化锌(azo)以及镓掺杂氧化锌(gzo)中的至少一种导电性氧化物形成。
[0090]
图1h是示意性地表示本实施方式的另一变形例的肖特基器件100h的图。肖特基器件100h在用与合金层12不同的组成的合金层11a覆盖在合金层12上的方面与图1e～图1g的构成不同。合金层11a具有比合金层12的功函数高的功函数。就这样的结构来说，最表面的合金层11a作为诱发表面等离激元共振的纳米结构体发挥功能。这样一来，合金层12能够被具有更高的功函数的合金层11a覆盖。
[0091]
接下来，参照图2a～图2c，对纳米结构体的配置例进行说明。
[0092]
图2a是表示图1a所示的肖特基器件100a中的多个纳米颗粒11的配置例的俯视图。如该例子那样，多个纳米颗粒11可以二维地周期性配置。多个纳米颗粒11也可以一维地排列。多个纳米颗粒11的排列周期没有特别限定。例如，可以设定为颗粒的尺寸的两倍左右的周期。
[0093]
图2b是表示图1a所示的肖特基器件100a中的多个纳米颗粒11的配置的其他例子的俯视图。该例子中的多个纳米颗粒11不具有明确的周期性，随机或伪随机地配置。就算是这样的配置也能够没有问题地得到本实施方式的效果。
[0094]
并不限于图1a，在图1b～图1d中的任意图所示的构成中也可以同样地采用图2a及图2b所示那样的配置。
[0095]
此外，多个纳米颗粒的结构并不必须是均匀的，大小、形状以及材料可以互不相同。进而，不限于多个，在仅设置单个纳米颗粒的情况下也能够得到本实施方式的效果。
[0096]
就图1e～1h中分别表示的结构来说，纳米结构体可以具备一维或二维的周期结构或非周期结构。
[0097]
图2c是表示肖特基器件的另一变形例的俯视图。该例子中的肖特基器件具备具有梳形结构的纳米结构体11b。该例子中的纳米结构体11b具备沿着一个方向延伸的多个部分11ba和将这些部分11ba的端部彼此连接的部分11bb。沿着一个方向延伸的多个部分11ba分别具有纳米级的直径并且作为纳米线而发挥功能。通过这样的结构，纳米结构体11b的各部分11ba通过部分11bb而相互电连接。
[0098]
图2d是示意性地表示图2c中的被虚线圆包围的区域中的结构的例子的图。图2d中，各金属原子以球来表示。如图2d所示，由金属单质形成纳米结构体11b。此外，纳米结构体11b也可以具有整体比纳米规模大的尺寸。在该情况下，梳形状的纳米结构体11b的各纳米线部分也作为天线发挥作用，因此能够得到由表面等离激元共振带来的效果。如图2c所示那样的纳米线结构的材料不限于单金属，如图1b～图1d中分别表示的例子那样，可以为金属氮化物、导电性氧化物或合金。
[0099]
(实施方式2：光电转换装置)
[0100]
接下来，对具备肖特基器件的光电转换装置的实施方式进行说明。
[0101]
图3a是示意性地表示具备图1a所示的肖特基器件100a的光电转换装置200a的构成的图。通过由光源19向光电转换装置200a照射光而产生电流。
[0102]
光电转换装置200a具备作为光器件的肖特基器件100a、在和纳米颗粒11所在的一
侧的相反侧与n型半导体1相接的欧姆电极17(也称为第一电极)以及将欧姆电极17与纳米颗粒11电连接的导线18。光电转换装置200a在合金层12上进一步具备设置于配置有纳米颗粒11的一面的透明导电膜16。透明导电膜16将纳米颗粒11内包。透明导电膜16不与n型半导体13相接触。导线18将欧姆电极17与透明导电膜16电连接。
[0103]
光电转换装置200a通过在肖特基器件100a中形成透明导电膜16、欧姆电极17以及导线18来制作。
[0104]
就透明导电膜16来说，可以使用在由光源19照射的光的波长中透射率高的材料。尤其是在从可见至近红外的区域中，例如可以使用锡掺杂氧化铟(ito)、镓掺杂氧化锌(gzo)或铝掺杂氧化锌(azo)等。
[0105]
光源19朝向肖特基器件100a中的多个纳米颗粒11射出光。光源19的具体例子可以为激光器、氙气灯、汞灯或卤素灯。光源19射出光，该光具有n型半导体13的带隙能以下并且相当于纳米颗粒11的等离激元共振波长的能量。光源19也可以射出比较宽的波长范围的光。该波长范围以包含纳米颗粒11处的表面等离激元共振波长的方式确定。光源19可以是光电转换装置200a的构成要素，也可以是光电转换装置200a的外部的要素。如果由光源19向肖特基器件100a照射光，则电流会通过导线18流动。
[0106]
根据以上的构成，能够以较低的成本降低肖特基势垒。其结果是能够实现以更高的效率进行光电转换的器件。
[0107]
图3b是示意性地表示实施方式2的变形例的光电转换装置200b的图。该例子中的光电转换装置200b不具备图3a所示的透明导电膜16。合金层12和欧姆电极17通过导线18电连接。如果由光源19向肖特基器件100a照射光，则电流通过导线18流动。
[0108]
根据以上的构成，也能够以较低的成本抑制功函数低的金属的自然氧化并且降低肖特基势垒。其结果是能够实现以更高的效率进行光电转换的器件。
[0109]
图3a、3b所示的例子中，通过向肖特基器件的照射光而产生电流。所产生的电流可以通过导线18被取出至外部。通过对纳米颗粒11的结构进行调整来控制表面等离激元共振波长，也能够控制可利用的光的波长。
[0110]
本实施方式中，对具备图1a所示的肖特基器件100a的例子进行了说明。不限于这些构成，例如也可以构成具备图1b～图2d所示的肖特基器件中的任意肖特基器件的光电转换装置。
[0111]
(实施方式3：燃料生成装置)
[0112]
接下来，作为光器件的另一个例子，对具备肖特基器件的燃料生成装置的实施方式进行说明。
[0113]
图3c是示意性地表示具备图1a所示的肖特基器件100a的燃料生成装置200c的一个例子的图。该燃料生成装置200c如果由光源19照射光，则进行光电转换，进一步通过光化学反应而生成燃料。燃料生成装置200c具备氧化反应槽20、还原反应槽21、质子透过膜22、肖特基器件100a、还原电极25、欧姆电极17、导线18和石英玻璃窗26。在氧化反应槽20的内部保持有第一电解液23。在还原反应槽21的内部保持有第二电解液24。氧化反应槽20及还原反应槽21被质子透过膜22隔开。肖特基器件100a至少部分地浸渍于第一电解液23。还原电极25至少部分地浸渍于第二电解液24。在n型半导体13的端部设置有欧姆电极17(也称为第一电极)。第一电极17通过导线18与还原电极25(也称为第二电极)电连接。
[0114]
氧化反应槽20内的第一电解液23的例子是包含选自碳酸氢钾(khco3)、碳酸氢钠(nahco3)、氢氧化钾(koh)以及氢氧化钠(naoh)中的至少一种的水溶液。第一电解液23中的电解质的浓度例如可以设定为0.1摩尔/l以上。第一电解液23例如可以为碱性。还原反应槽21内的第二电解液24中可以使用一般的电解液。第二电解液24中例如可以使用包含选自碳酸氢钾(khco3)、碳酸氢钠(nahco3)、氯化钾(kcl)以及氯化钠(nacl)中的至少一种的水溶液。在第二电解液包含任意电解质的情况下，第二电解液中的电解质的浓度例如也可以设定为0.1摩尔/l以上。第二电解液24例如可以为酸性。
[0115]
石英玻璃窗26设置于氧化反应槽20的侧面。光从石英玻璃窗26通过而由光源19向肖特基器件100a的照射光面侧处的浸渍于第一电解液23的区域照射。质子透过膜22被夹持于氧化反应槽20及还原反应槽21之间，因此第一电解液23及第二电解液24不会相互混合。质子透过膜22的结构只要是质子(h
+
)可透过并且其他物质的通过得以抑制的结构就行，没有特别限定。质子透过膜22的具体例子为nafion(注册商标)膜。
[0116]
第一电极17例如可以是铂、包含铂的合金或铂化合物。在与表面等离激元共振波长相当的能量的光射入纳米颗粒11时，在第二电极25产生氢。
[0117]
根据以上的构成，能够以较低的成本降低肖特基势垒。因此，可以实现能够以更高的效率进行光电转换及燃料生成的器件。
[0118]
图3c所示的例子中，通过将适当的还原电极25配置于还原反应槽21内并对肖特基器件100a照射光而生成燃料。其结果是例如作为还原产物可生成氢(h2)等。通过选择所使用的催化剂层材料的材料种类，也可以变换产物的种类。
[0119]
本实施方式中的燃料生成装置200c可以具备图1b～图2d所分别示出的肖特基器件中的任意肖特基器件来代替图1a所示的肖特基器件100a。
[0120]
如上所述，本技术的一个实施方式的光器件具备纳米结构体、合金层和n型半导体，上述纳米结构体被光照射时诱发表面等离激元共振并且由选自单金属、合金、金属氮化物以及导电性氧化物中的一种构成，上述合金层与上述纳米结构体相接，并且功函数比上述纳米结构体低，上述n型半导体与上述合金层进行肖特基接合。
[0121]
根据上述构成，功函数比纳米结构体低的合金层配置于纳米结构体与n型半导体之间。由此，能够降低肖特基势垒，因此能够提高由纳米结构体产生的热电子的传输效率而提高光电转换效率。
[0122]
上述纳米结构体可以包含选自金(au)、银(ag)、铜(cu)、铝(al)以及钯(pd)中的至少一种单金属。
[0123]
根据该构成，由于使用等离激元特性优异的金属，因此能够提高纳米结构体的等离激元特性而提高光电转换效率。
[0124]
上述纳米结构体可以包含选自氮化钛(tin)、氮化锆(zrn)、氮化钽(tan)以及氮化铪(hfn)中的至少一种金属氮化物。
[0125]
根据该构成，等离激元对于可见区域的长波长区域至近红外区域的光的吸收效率及热电子的传输效率变高而能够提高光电转换效率。
[0126]
上述纳米结构体可以包含选自锡掺杂氧化铟(ito)、铝掺杂氧化锌(azo)以及镓掺杂氧化锌(gzo)中的至少一种导电性氧化物。
[0127]
根据该构成，等离激元对于波长更长的近红外区域的光的吸收效率及热电子传输
效率变高而能够提高光电转换效率。
[0128]
上述合金层可以是包含选自金(au)、银(ag)、铜(cu)、铝(al)、钯(pd)、钛(ti)、铬(cr)、镍(ni)、锰(mn)、铁(fe)、锌(zn)、镓(ga)以及钽(ta)中的至少两种金属的金属间化合物或固溶体合金。
[0129]
上述n型半导体可以是无机半导体。
[0130]
上述纳米结构体可以具有梳形结构。
[0131]
上述纳米结构体可以包含至少一个纳米颗粒。上述至少一个纳米颗粒的粒径可以为1nm～200nm。
[0132]
根据该构成，例如通过设置多个纳米颗粒，能够进一步提高光电转换效率。
[0133]
上述光器件可以进一步具备射出光的光源，上述光具有上述n型半导体的带隙能以下并且与上述至少一个纳米结构体的等离激元共振波长相当的能量。
[0134]
上述n型半导体可以包含选自硅半导体、锗半导体以及镓砷半导体中的至少一种。上述纳米结构体的表面等离激元共振波长可以为900nm以上。
[0135]
上述n型半导体可以包含选自氧化钛(tio2)半导体、氮化镓(gan)半导体、钛酸锶(srtio3)半导体中的至少一种。上述至少一个纳米结构体中的表面等离激元共振波长可以为400nm以上。
[0136]
本技术的一个实施方式的光电转换装置具备上述的任意光器件、电极和导线，上述导线将上述电极与上述纳米结构体电连接。上述n型半导体具有与上述合金层相接的第一表面以及与上述第一表面相反侧的第二表面。上述电极与上述n型半导体的上述第二表面相接。
[0137]
上述光电转换装置可以进一步具备覆盖上述纳米结构体的透明导电膜。上述透明导膜可以不与上述n型半导体可以相接。上述导线可以将上述电极与上述透明导电膜电连接。
[0138]
本技术的一个实施方式的燃料生成装置具备上述的任意光器件、第一电极、氧化反应槽、还原反应槽、质子透过膜和导线，上述第一电极与上述光器件中的上述n型半导体相接，上述氧化反应槽收纳第一电解液及上述光器件，上述还原反应槽收纳第二电解液及第二电极，上述质子透过膜位于上述氧化反应槽与上述还原反应槽的边界，上述导线将上述第一电极及上述第二电极连接。上述光器件与上述第一电解液相接。上述还原电极与上述第二电解液相接。
[0139]
上述第一电极可以是铂、包含铂的合金或者铂化合物。与上述第一金属的表面等离激元共振波长相当的能量的光射入上述光器件中的上述金属间化合物或上述固溶体合金时，可以在上述第二电极产生氢。
[0140]
根据该构成，能够通过使用了包含铂的第一电极的水分解而得到氢。
[0141]
上述第一电解液可以是包含选自碳酸氢钾(khco3)、碳酸氢钠(nahco3)、氢氧化钾(koh)以及氢氧化钠(naoh)中的至少一种水溶液。
[0142]
上述第二电解液可以是包含选自碳酸氢钾(khco3)、碳酸氢钠(nahco3)、氯化钾(kcl)以及氯化钠(nacl)中的至少一种水溶液。
[0143]
产业上的可利用性
[0144]
本技术的技术可以利用于进行光电转换的任意的用途。例如，可以利用于图像传
感器之类的光检测器及燃料生成装置等。
[0145]
符号说明
[0146]
11 纳米颗粒
[0147]
11a 基于合金的纳米结构体
[0148]
11b 梳形结构的纳米结构体
[0149]
12 合金层
[0150]
13 n型半导体
[0151]
14 基于金属氮化物的纳米结构体
[0152]
15 基于导电性氧化物的纳米结构体
[0153]
16 透明导电膜
[0154]
17 欧姆电极
[0155]
18 导线
[0156]
19 光源
[0157]
20 氧化反应槽
[0158]
21 还原反应槽
[0159]
22 质子透过膜
[0160]
23 第一电解液
[0161]
24 第二电解液
[0162]
25 还原电极
[0163]
26 石英玻璃窗
[0164]
100a、100b、100c、100d、100e、100f，100g、100h 肖特基器件
[0165]
200a、200b 光电转换装置
[0166]
200c 燃料生成装置

技术特征：

1.一种光器件，其具备纳米结构体、合金层和n型半导体，所述纳米结构体被光照射时诱发表面等离激元共振，并且由选自单金属、合金、金属氮化物以及导电性氧化物中的一种构成，所述合金层与所述纳米结构体相接，并且由功函数比所述纳米结构体小的至少两种金属构成，所述n型半导体与所述合金层进行肖特基接合。2.根据权利要求1所述的光器件，其中，所述纳米结构体包含选自金(au)、银(ag)、铜(cu)、铝(al)以及钯(pd)中的至少一种单金属。3.根据权利要求1或2所述的光器件，其中，所述纳米结构体包含选自氮化钛(tin)、氮化锆(zrn)、氮化钽(tan)以及氮化铪(hfn)中的至少一种金属氮化物。4.根据权利要求1～3中任一项所述的光器件，其中，所述纳米结构体包含选自锡掺杂氧化铟(ito)、铝掺杂氧化锌(azo)以及镓掺杂氧化锌(gzo)中的至少一种导电性氧化物。5.根据权利要求1～4中任一项所述的光器件，其中，所述合金层为包含选自金(au)、银(ag)、铜(cu)、铝(al)、钯(pd)、钛(ti)、铬(cr)、镍(ni)、锰(mn)、铁(fe)、锌(zn)、镓(ga)以及钽(ta)中的至少两种金属的金属间化合物或固溶体合金。6.根据权利要求1～5中任一项所述的光器件，其中，所述n型半导体为无机半导体。7.根据权利要求1～6中任一项所述的光器件，其中，所述纳米结构体具有梳形结构。8.根据权利要求1～7中任一项所述的光器件，其中，所述纳米结构体包含至少一个纳米颗粒，所述至少一个纳米颗粒的粒径为1nm～200nm。9.根据权利要求1～8中任一项所述的光器件，其进一步具备射出光的光源，所述光具有所述n型半导体的带隙能以下并且与所述纳米结构体的等离激元共振波长相当的能量。10.根据权利要求1～9中任一项所述的光器件，其中，所述n型半导体包含选自硅半导体、锗半导体以及镓砷半导体中的至少一种，所述纳米结构体的表面等离激元共振波长为900nm以上。11.根据权利要求1～10中任一项所述的光器件，其中，所述n型半导体包含选自氧化钛(tio2)半导体、氮化镓(gan)半导体、钛酸锶(srtio3)半导体中的至少一种，所述纳米结构体处的表面等离激元共振波长为400nm以上。12.一种光电转换装置，其具备权利要求1～11中任一项所述的光器件、电极和导线，所述导线将所述电极与所述纳米结构体电连接，其中，所述n型半导体具有与所述合金层相接的第一表面和与所述第一表面相反侧的第二表面，所述电极与所述n型半导体的所述第二表面相接。13.根据权利要求12所述的光电转换装置，其进一步具备透明导电膜，所述透明导电膜覆盖所述纳米结构体，所述透明导电膜不与所述n型半导体相接，所述导线将所述电极与所述透明导电膜电连接。14.一种燃料生成装置，其具备权利要求1～11中任一项所述的光器件、第一电极、氧化反应槽、还原反应槽、质子透过膜和导线，
所述第一电极与所述光器件中的所述n型半导体相接，所述氧化反应槽收纳第一电解液及所述光器件，所述还原反应槽收纳第二电解液及第二电极，所述质子透过膜位于所述氧化反应槽与所述还原反应槽的边界，所述导线将所述第一电极及所述第二电极连接，其中，所述光器件与所述第一电解液相接，所述还原电极与所述第二电解液相接。15.根据权利要求14所述的燃料生成装置，其中，当与所述纳米结构体的表面等离激元共振波长相当的能量的光射入所述光器件中的所述纳米结构体时，在所述第二电极产生氢。16.根据权利要求14或15所述的燃料生成装置，其中，所述第一电解液是包含选自碳酸氢钾(khco3)、碳酸氢钠(nahco3)、氢氧化钾(koh)以及氢氧化钠(naoh)中的至少一种的水溶液。17.根据权利要求14～16中任一项所述的燃料生成装置，其中，所述第二电解液为包含选自碳酸氢钾(khco3)、碳酸氢钠(nahco3)、氯化钾(kcl)以及氯化钠(nacl)中的至少一种的水溶液。

技术总结

本申请的光器件(100A)具备纳米结构体(11)、合金层(12)和n型半导体(13)，上述纳米结构体(11)被光照射时诱发表面等离激元共振，上述合金层(12)与上述纳米结构体(11)相接，并且功函数比上述纳米结构体(11)低，上述n型半导体(13)与上述合金层(12)进行肖特基接合。上述纳米结构体(11)由选自单金属、合金、金属氮化物以及导电性氧化物中的一种构成。上述合金层(12)由至少两种金属构成。(12)由至少两种金属构成。(12)由至少两种金属构成。