JP5242009B2 - カーボンナノウォールを用いた光起電力素子 - Google Patents
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Description
本発明者は、カーボンナノウォールの所定の接合構造において、光の照射の有無による電圧電流特性の変化を測定したところ、光起電力特性があることを発見した。
本発明は、この発見に基づいて成されたものであり、カーボンナノウォールを用いた光起電力素子を実現することを目的とする。本発明の従来技術は存在しない。
本発明は、p伝導型半導体とn伝導型カーボンナノウォールとによりpn接合を形成して光起電力素子を構成したことが特徴である。
p伝導型半導体は、シリコン、GaAsなどのIII-V 族化合物半導体、III 族窒化物半導体など任意の半導体を用いることができる。また、p伝導型半導体はバルクであっても、基板の一部領域にアクセプタ不純物を添加してp伝導型領域としたものであっても良い。
第1、第2の電極は、n伝導型カーボンナノウォール、p伝導型半導体に直接、接合していても、間に他の導電層が介在していても良い。
本発明は、n伝導型カーボンナノウォールと、そのn伝導型カーボンナノウォールの表面に形成されたp伝導型カーボンナノウォールとにより、pn接合を形成して光起電力素子を構成したことが特徴である。
本発明は、pn接合に特徴があり、n伝導型カーボンナノウォールを支持する物は何であっても良い。
n伝導型カーボンナノウォールを基板上に成長させた場合には、基板は特に限定されない。半導体基板、ガラス基板、金属など任意である。基板は絶縁性でも導電性でも良い。また、基板上の電導性の拡散領域上に形成しても、絶縁基板上の金属などの導電性物質の上に形成しても、良い。
本発明は、p伝導型カーボンナノウォールに第1電極を、n伝導型カーボンナノウォールに接続する第2電極を設けたことが特徴である。
請求項1の発明と同様に、第1、第2の電極は、p伝導型カーボンナノウォール、n伝導型カーボンナノウォールに直接、接合していても、間に他の導電層が介在していても良い。
本発明は、カーボンナノウォールの表面の炭素原子をフッ素原子で終端させることによりp伝導型カーボンナノウォールを形成したことが特徴である。
導電性領域は、金属、不純物を添加した導電性半導体領域など、任意である。
また、請求項7の発明は、導電性領域は、n型半導体から成ることを特徴とする請求項6に記載の光起電力素子である。
本発明は、n伝導型カーボンナノウォールを、窒素プラズマの存在する雰囲気におけるプラズマCVDにより形成したことが特徴である。
また、カーボンナノチューブは、単層、二層以上の多層構造であっても良い。
請求項5においては、カーボンナノウォールの表面をフッ素で終端することにより、p導電型とすることができる。
請求項6の構造においては、整流特性が観測された。すなわち、第1電極がn伝導型カーボンナノウォールに対してショットキー接合するので、整流特性を得ることができ、光照射により光起電力を得ることができる。
請求項8の発明においては、窒素プラズマの存在する雰囲気におけるプラズマCVDにより、n導電型のカーボンナノウォールを製造することができる。
カーボンナノウォールを製造するには金属触媒を必要としないが、カーボンナノチューブを製造する場合には、Co、Co−Tiなどの金属ナノ粒子を基板上に堆積させて形成するのが良い。
特に、Hラジカルのみを供給すると、カーボンナノウォールと、カーボンナノチューブを良好に生成することができる。また、適度にOHラジカルやOラジカルが存在すると、カーボンナノチューブの形成が容易となると思われる。
第二電極(アノード)24は、反応室10内で第一電極22から離して配置される。両電極22,24の間隔は、例えば0.5〜10cm程度とすることができる。本実施例では約5cmとした。第二電極24は接地されている。カーボンナノウォールの製造時には、この第二電極24上に基板(基材)5を配置する。例えば、基材5のうちカーボンナノウォールを製造しようとする面が露出する(第一電極22に対向する)ようにして、第二電極24の表面上に基板70を配置する。第二電極24には、基材温度調節手段としてのヒータ25(例えばカーボンヒータ)が内蔵されている。必要に応じてこのヒータ25を稼動させることによって基板70の温度を調節することができる。
図2に示すように、基板には0.5mmのp型シリコン基板70を用いた。この基板70の上に、n型カーボンナノウォール73を成長させた。本実験例では、原料ガス32としてC2 F6 を使用した。ラジカル源ガス36としては水素ガス(H2 )と窒素ガス(N2 )を使用した。なお、カーボンナノウォールを堆積させる基板表面には、触媒(金属触媒等)を実質的に存在しない。
実施例1において、窒素ラジカルを導入すくことなく、カーボンナノウォールをn型シリコン基板、p型シリコン基板に成長させた。この場合の電圧−電流特性を図9に示す。n型シリコン基板上にカーボンナノウォールを成長させた場合には、図9の曲線Aのような特性を示し、p型シリコン基板上にカーボンナノウォールを成長させた場合には、図9の曲線Bのような特性を示した。前者の抵抗率は、1.5×104 Ω・cmであり、後者の抵抗率は4.1×104 Ω・cmで、高抵抗率を示した。
70…p伝導型シリコン基板
80…n伝導型シリコン基板
73,81,91…n伝導型カーボンナノウォール
82…p伝導型カーボンナノウォール
10…反応室
14…ラジカル導入口
20…プラズマ放電手段
75,85,95…第1電極
76,86,96…第2電極
Claims (8)
- p伝導型半導体と、そのp伝導型半導体上に立設されたグラフェンシートの単層又は多重層から成る壁を有したn伝導型カーボンナノウォールと、
前記n伝導型カーボンナノウォールの上端面に接続する第1電極と、
前記p伝導型半導体に接続する第2電極と
を有することを特徴とする光起電力素子。 - 基板と、
前記基板上に立設されたグラフェンシートの単層又は多重層から成る壁を有したn伝導型カーボンナノウォールと、
前記n伝導型カーボンナノウォールのグラフェンシートから成るそれぞれの壁面の表面に沿って壁面を覆うように形成された、グラフェンシートの単層又は多重層から成る壁を有したp伝導型カーボンナノウォールと
を有する光起電力素子。 - 前記p伝導型カーボンナノウォールの上端面に接続する第1電極と、
前記n伝導型カーボンナノウォールに接続する第2電極と
を有することを特徴とする請求項2に記載の光起電力素子。 - 前記基板は、n伝導型半導体であり、前記第2電極は、前記基板に形成されていることを特徴とする請求項3に記載の光起電力素子。
- 前記p伝導型カーボンナノウォールは、その表面はフッ素原子で終端されていることを特徴とする請求項2乃至請求項4の何れか1項に記載の光起電力素子。
- 導電性領域と、
前記導電性領域上に立設されたグラフェンシートの単層又は多重層から成る壁を有したn伝導型カーボンナノウォールと、
前記n伝導型カーボンナノウォールの上端面に形成された第1電極と、
前記導電性領域に接続する第2電極と
を有する光起電力素子。 - 前記導電性領域は、n型半導体から成ることを特徴とする請求項6に記載の光起電力素子。
- 前記n伝導型カーボンナノウォールは、窒素プラズマの存在する雰囲気におけるプラズマCVDにより形成されたものであることを特徴とする請求項1乃至請求項7の何れか1項に記載の光起電力素子。
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