科學研究 - 日本開發出將微波轉換爲電力的高靈敏度二極體，有望實施無需電流源的感測網路

在日本科學技術振興機構（JST）的戰略性創造研究推進項目中，富士通公司與首都大學東京的須原理彥教授等人，開發出了可以將微弱的微波轉換成電力的高靈敏度奈米線反向二極體整流元件。作爲利用手機基地台等發射的環境電波生成電力的環境電波發電技術備受期待。

爲實施無需電池的感測網路，以因應物聯網（IoT）時代的全面到來，將身邊的微小能量轉換成電力的能量採集技術近年來備受關注。其中之一是，把手機基地台爲進行通訊而發射的、普遍存在於空間中的微弱電波（微波）作爲電力再利用的環境電波發電。環境電波發電使用的裝置包括收集電波的天線，以及由對電波進行整流的整流元件（二極體）構成的電波發電元件（圖1）。

圖1：環境電波發電概略圖

二極體對微波的響應性能（靈敏度）很大程度上取決於整流特性的陡度和二極體的尺寸（容量）。用於電力轉換用途的二極體一般使用肖特基阻障二極體，這種二極體利用金屬與半導體的接合結構形成的整流性。不過，在微弱電壓下的整流特性比較緩慢，而且元件尺寸爲幾微米（μｍ）以上，容量較大，因此對微瓦（μW）以下的微弱微波靈敏度不足，很難將環境電波轉換爲電力，所以需要提高二極體的靈敏度。

此次，研究小組透過接合兩種不同類型的半導體形成整流性，並利用與以往的肖特基阻障二極體不同的原理（穿隧效應）進行通電，削減了能以零偏壓急劇整流的反向二極體的尺寸和容量，由此實施了具有更高靈敏度的二極體（圖2）。

圖2：肖特基阻障二極體和反向二極體的整流特性

此前，反向二極體是利用蝕刻法將層疊的化合物半導體薄膜加工成盤狀製作而成的，但由於材料容易在加工中受損，因此難以將二極體微細加工至亞微米尺寸使用。

此次，研究小組透過精確調整接合的半導體材料的構成元素比例（組成）及所添加雜質的濃度，在由n型砷化銦（InAs）和p型銻砷化鎵（GaAsSb）構成的直徑150nm的奈米線内，使反向二極體特性所需的隧道結結構成功進行了結晶成長。另外，還在用絕緣材料填埋奈米線周邊的加工以及用金屬線上兩端形成電極膜的加工中，應用了能在不損壞奈米線的情況下進行安裝的新技術。由此，可以形成利用以往的化合物半導體微細加工技術難以實施的亞微米尺寸的二極體，全球首次成功開發了與以往的肖特基阻障二極體相比具有10倍以上靈敏度的奈米線反向二極體（圖3）。

圖3：奈米線反向二極體的截面結構與奈米線晶體

利用目前的手機用通訊線路標準4G LTE/Wi-Fi使用的微波頻率2.4GHz進行驗證時的靈敏度，約爲以往的肖特基阻障二極體（60kV/W）的11倍（700kV/W）（圖4）。由此，可以將100nW級的微弱電波高效轉換爲電力，有望在比原來大10倍以上的區域（相當於手機通訊範圍的10％）内，把從手機基地台發射到環境中的微波轉換成電力，作爲感測器電流源使用（圖5）。