科学研究 - 日本开发出将微波转换为电力的高灵敏度二极管，有望实现无需电源的传感器网络

在日本科学技术振兴机构（JST）的战略性创造研究推进项目中，富士通公司与首都大学东京的须原理彦教授等人，开发出了可以将微弱的微波转换成电力的高灵敏度纳米线反向二极管整流元件。作为利用手机基站等发射的环境电波生成电力的环境电波发电技术备受期待。

为实现无需电池的传感器网络，以应对物联网（IoT）时代的全面到来，将身边的微小能量转换成电力的能量采集技术近年来备受关注。其中之一是，把手机基站为进行通信而发射的、普遍存在于空间中的微弱电波（微波）作为电力再利用的环境电波发电。环境电波发电使用的装置包括收集电波的天线，以及由对电波进行整流的整流元件（二极管）构成的电波发电元件（图1）。

图1：环境电波发电概略图

二极管对微波的响应性能（灵敏度）很大程度上取决于整流特性的陡度和二极管的尺寸（容量）。用于电力转换用途的二极管一般使用肖特基势垒二极管，这种二极管利用金属与半导体的接合结构形成的整流性。不过，在微弱电压下的整流特性比较缓慢，而且元件尺寸为几微米（μｍ）以上，容量较大，因此对微瓦（μW）以下的微弱微波灵敏度不足，很难将环境电波转换为电力，所以需要提高二极管的灵敏度。

此次，研究小组通过接合两种不同类型的半导体形成整流性，并利用与以往的肖特基势垒二极管不同的原理（隧道效应）进行通电，削减了能以零偏压急剧整流的反向二极管的尺寸和容量，由此实现了具有更高灵敏度的二极管（图2）。

图2：肖特基势垒二极管和反向二极管的整流特性

此前，反向二极管是利用蚀刻法将层叠的化合物半导体薄膜加工成盘状制作而成的，但由于材料容易在加工中受损，因此难以将二极管微细加工至亚微米尺寸使用。

此次，研究小组通过精确调整接合的半导体材料的构成元素比例（组成）及所添加杂质的浓度，在由n型砷化铟（InAs）和p型锑砷化镓（GaAsSb）构成的直径150nm的纳米线内，使反向二极管特性所需的隧道结结构成功进行了结晶生长。另外，还在用绝缘材料填埋纳米线周边的加工以及用金属在线两端形成电极膜的加工中，应用了能在不损坏纳米线的情况下进行安装的新技术。由此，可以形成利用以往的化合物半导体微细加工技术难以实现的亚微米尺寸的二极管，全球首次成功开发了与以往的肖特基势垒二极管相比具有10倍以上灵敏度的纳米线反向二极管（图3）。

图3：纳米线反向二极管的截面结构与纳米线晶体

利用目前的手机用通信线路标准4G LTE/Wi-Fi使用的微波频率2.4GHz进行验证时的灵敏度，约为以往的肖特基势垒二极管（60kV/W）的11倍（700kV/W）（图4）。由此，可以将100nW级的微弱电波高效转换为电力，有望在比原来大10倍以上的区域（相当于手机通信范围的10％）内，把从手机基站发射到环境中的微波转换成电力，作为传感器电源使用（图5）。