富士通と首都大学東京は2019年9月24日、微弱なマイクロ波を電力に変換する高感度なナノワイヤバックワードダイオードを開発したと発表した。一般的に電力変換に用いられるショットキーバリアダイオードと比べ、約11倍の感度を持つという。
IoTが本格的に普及した将来を見据え、センサーネットワークをバッテリーレスで運用できるようにしようと、携帯電話の基地局から放射された微弱なマイクロ波を電力として再利用する環境電波発電などの研究が進んでいる。環境電波発電に使う装置には、電波を集めるアンテナや、集めた電波を整流するダイオードなどが必要になる。しかし、従来のショットキーバリアダイオードでは、マイクロワット以下の微弱なマイクロ波への感度が不十分なため、基地局から離れると電力変換が困難になってしまう。
環境電波発電の概略図
そこで研究グループは、電圧ゼロの状態から急峻な整流動作が可能なバックワードダイオードに注目。微細化・低容量化することで、より高感度なダイオードを開発しようと考えた。
従来のバックワードダイオードは、積層された化合物半導体薄膜をエッチング加工して形成する。だが、加工時に損傷しやすく、サブミクロンサイズまで微細加工するのが難しいという課題があった。
それに対して研究グループは、接合する半導体材料の構成元素の割合と添加不純物濃度を精緻に調整。n型のインジウム砒素（InAs）とp型のガリウム砒素アンチモン（GaAsSb）を用い、エッチング加工をせずに結晶成長のみで、直径150nmのナノワイヤを半導体基板上に形成することに成功した。ナノワイヤ内には、バックワードダイオードを発現させるトンネル接合が形成されており、ナノワイヤを損傷させずに電極を形成することが可能になった。
ナノワイヤバックワードダイオードの断面構造とナノワイヤ結晶
4G LTEやWi-Fiで利用する2.4GHzのマイクロ波帯で検証したところ、従来のショットキーバリアダイオードに比べて約11倍の感度を達成。従来比で10倍以上の広さのエリアで電力変換できるようになり、センサー電源として活用できるのではないかと期待している。
ダイオードの感度特性
研究グループは引き続き、ダイオードの一層の高感度化と、ダイオードを集積するアンテナの最適化に取り組む。定電圧化のための電源制御を追加することで、環境電波を利用した発電がどこでも可能になる技術の実現を目指すとしている。
