Het Japans Agentschap voor Wetenschap en Technologie (JST), Fujitsu Limited, en de Tokyo Metropolitan University kondigden aan dat ze een zeer gevoelig rectificerend element hebben ontwikkeld in de vorm van een nanodraad-achterwaartse diode, die microgolven met een laag vermogen in elektriciteit kan omzetten. Via de strategische basisonderzoeksprogramma's van JST, de technologie is ontwikkeld door onderzoekers onder leiding van Kenichi Kawaguchi van Fujitsu Limited en professor Michihiko Suhara van de Tokyo Metropolitan University. De nieuwe technologie zal naar verwachting een rol spelen bij het oogsten van energie uit radiogolven in het milieu, waarbij elektriciteit wordt opgewekt uit omgevingsradiogolven, zoals die worden uitgezonden door basisstations voor mobiele telefoons.

Onderzoeksachtergrond en omstandigheden

Ter voorbereiding op het begin van het echte IoT-tijdperk, technologieën voor het oogsten van energie, die de minuscule energiebronnen in de omgeving omzetten in elektriciteit, zijn de laatste jaren in de schijnwerpers komen te staan ​​als middel om sensornetwerken te creëren die zonder batterijen functioneren. Een zo'n voorbeeld hergebruikt als elektriciteit low-power radiogolven (microgolven), alomtegenwoordig in de open ruimte, die worden uitgezonden door basisstations voor mobiele telefoons, voor gebruik in communicatie. Apparatuur die wordt gebruikt voor het opwekken van elektriciteit uit radiogolven uit de omgeving, bestaat uit een element voor het opwekken van radiogolven, waaronder een antenne voor het opvangen van radiogolven en een gelijkrichtelement (diode) dat de radiogolven gelijkricht (figuur 1).

Het reactievermogen (gevoeligheid) van een diode op microgolven hangt grotendeels af van de steilheid van de gelijkrichtkarakteristieken en van de diodegrootte (capaciteit). Over het algemeen, Schottky-barrièrediodes, die gebruik maken van de rectificatie die optreedt op de kruising gevormd tussen een metaal en een halfgeleider, worden gebruikt als de diodes voor stroomconversie. Doordat de gelijkrichtkarakteristieken traag worden bij extreem lage spanningen en de afmetingen van de elementen groter zijn dan enkele micrometers (μm), echter, gevoeligheid voor microgolven met een laag vermogen zwakker dan microwatt (μW) was onvoldoende, en het was moeilijk om omringende radiogolven om te zetten in elektriciteit. Dit leidde tot een vraag naar diodes met een verhoogde gevoeligheid.

Onderzoeksdetails

De onderzoekers voerden een ontwikkeling uit om een ​​diode te maken met een hogere gevoeligheid. specifiek, ze hebben de capaciteit verkleind en een achterwaartse diode geminiaturiseerd die in staat is tot steile rectificatiebewerkingen zonder voorspanning, omdat rectificatie plaatsvindt door twee verschillende soorten halfgeleiders samen te voegen en stroom vloeit met een ander principe (tunneleffect) dan conventionele Schottky-barrièrediodes.

Conventionele achterwaartse diodes werden gevormd door de dunne film van een gelaagde samengestelde halfgeleider te verwerken tot een schijfvorm via etsen. Niettemin, omdat de materialen gevoelig zijn voor beschadiging bij verwerking, het was moeilijk om diodes fijn te verwerken tot een submicrongrootte en ze te bedienen.

Door de verhouding (samenstelling) van de samenstellende elementen van de aangesloten halfgeleidermaterialen aan te passen en, op minuutniveau, de dichtheid van de toegevoegde onzuiverheden, de onderzoekers zijn erin geslaagd kristallen te kweken in nanokristallen met een diameter van 150 nm bestaande uit n-type indiumarsenide (n-InAs) en p-type galliumarsenide-antimonide (p-GaAsSb) voor een tunneljunctiestructuur die nodig is voor de kenmerken van de achterwaartse diode .

Bovendien, in het proces voor het implanteren van isolatiemateriaal rond de nanodraad en het proces voor het vormen van elektrodefilm met metaal aan beide uiteinden van de draad, voor de montage is een nieuwe technologie gebruikt die de nanodraad niet beschadigt. Als resultaat, ze waren in staat om een ​​submicron diode te vormen, wat moeilijk te doen was met conventionele miniaturisatieprocestechnologie voor samengestelde halfgeleiders, en daarmee is het gelukt, Voor de eerste keer, bij het ontwikkelen van een nanodraad-achterwaartse diode met meer dan 10 keer de gevoeligheid van conventionele Schottky-barrièrediodes (figuur 2).

Bij het testen van de nieuwe technologie in de microgolffrequentie van 2,4 GHz, die momenteel wordt gebruikt in de 4G LTE- en Wi-Fi-communicatielijnstandaarden voor mobiele telefoons, de gevoeligheid was 700kV/W, ruwweg 11 keer die van de conventionele Schottky-barrièrediode (met een gevoeligheid van 60KV/W) (figuur 3). Daarom, de technologie kan laagvermogen radiogolven van 100nW-klasse efficiënt omzetten in elektriciteit, waardoor de omzetting van microgolven die door basisstations van mobiele telefoons in het milieu worden uitgestoten, mogelijk is in een gebied dat meer dan 10 keer groter is dan voorheen mogelijk was (overeenkomend met 10% van het gebied waarin communicatie via mobiele telefoons mogelijk is). Dit heeft geleid tot de verwachting dat het kan worden gebruikt als stroombron voor sensoren.

Met deze technologie, microgolven met een vermogen van 100 nanowatt (nW) kunnen worden omgezet in elektriciteit. Vooruit gaan, aangezien de onderzoeksgroep het ontwerp van de diode en de antenne voor het verzamelen van radiogolven optimaliseert en tegelijkertijd vermogensregeling toevoegt voor constante spanning, er zijn hoge verwachtingen voor de realisatie van energiewinning uit omgevingsradiogolven.