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Nanodrahtdiode wandelt Mikrowellen in Elektrizität um: Ausgabe 01-02/2020, 30.01.2020

Energie aus Umweltfunkwellen gewinnen

Die Japan Science and Technology Agency (JST), Fujitsu Limited und die Tokyo Metropolitan University haben ein hochempfindliches Gleichrichterelement in Form einer Nanodraht- Backward-Diode entwickelt. Die Diode kann Mikrowellen geringer Leistung in Elektrizität umwandeln.

Autor: Henning Wriedt, USA-Korrespondent

Bilder: Fujitsu

Im Rahmen der strategischen Grundlagenforschungsprogramme der JST wurde diese Technologie von einem Forscherteam unter der Leitung von Kenichi Kawaguchi von Fujitsu Limited und Professor Michihiko Suhara von der Tokyo Metropolitan University realisiert. Es wird erwartet, dass die neue Technologie eine Rolle bei der Gewinnung von Energie aus Funkwellen aus der Umwelt spielen wird, wie sie beispielsweise von Mobilfunk-Basisstationen emittiert werden.

Es ist eine hochempfindliche Diode notwendig
Um den Beginn einer sehr realen IoT-Ära zu erleichtern, wird die Energiegewinnung aus Umweltfunkwellen als Mittel zum Aufbau von Sensornetzen, die keine Batterien benötigen, besonders intensiv untersucht. Herkömmliche Gleichrichterelemente hatten jedoch aufgrund ihrer Niederspannungsgleichrichtereigenschaften und Elementgrössen Schwierigkeiten, Mikrowellen mit geringer Leistung, die schwächer als 1 Mikrowatt (μW) sind, die viele der Umgebungsradiowellen ausmachen, in Elektrizität umzuwandeln.

Daher war eine hochempfindliche Diode erforderlich.
Dieser Forschungsgruppe gelang nunmehr die Entwicklung einer neuen Backward-Diode (https://de.wikipedia.org/wiki/Backward-Diode), die auch im Niederspannungsbereich in einem Nanodraht, der auf eine Breite von etwa einem Tausendstel der Dicke eines Haares miniaturisiert wurde, hervorragende Gleichrichtereigenschaften aufweist. Die neu entwickelte Nanodraht-Backward-Diode erreichte eine mehr als 10-fach höhere Empfindlichkeit als herkömmliche Schottky-Barrier-Dioden.

Hohe Erwartungen an diese Technologie
Mit dieser Technologie lassen sich Mikrowellen mit einer Leistung von 100 nW in Elektrizität umwandeln. Da die Forschungsgruppe das Dioden-Design und die Funkwellen-Sammelantenne optimiert und gleichzeitig die Leistungsregelung für eine konstante Spannung hinzufügte, bestehen hohe Erwartungen an die Realisierung der Energiegewinnung aus Umweltfunkwellen. Die Ergebnisse dieser Forschung wurden Ende September 2019 auf der European Solid State Device Research Conference (ESSDERC), einer internationalen Konferenz in Krakau, Polen, vorgestellt.
Im genannten Bereich zielt die JST auf die Entwicklung innovativer Basistechnologien ab, die die ungenutzte und winzige Energie aus Wärme, Licht, Vibrationen, Radiowellen und lebenden Organismen, die in verschiedenen Umgebungen vorhanden sind, in Elektrizität (Energy Harvesting) umwandeln, um sie in Sensoren, Informationsverarbeitungsgeräten und anderen Geräten zu nutzen.
In dem genannten Forschungsprojekt wurde eine hochempfindliche Backward-Diode, die einen Tunnelstrom verwendet, durch submikrongrosse, winzige Halbleiter-Nanodrähte in ihrer Kapazität verkleinert. Dies erlaubt die Entwicklung von Empfangsgeräten mit einer deutlich verbesserten Empfindlichkeit. Durch die Einbettung einer optimierten LeistungsÜbersichtsdiagramm umwandlungsschaltung in die Nanodraht-Backward-Diode wird die Forschungsgruppe Machbarkeitstests zur Leistungsumwandlung von niederenergetischen Umgebungsradiowellen durchführen.

Zunehmender Bedarf an Dioden mit erhöhter Empfindlichkeit
In Vorbereitung auf den Beginn der eigentlichen IoT-Ära standen in den letzten Jahren Energiegewinnungstechnologien im Vordergrund, die die winzige Energie in der Umgebung in Elektrizität umwandeln, um Sensornetze zu schaffen, die ohne Batterien funktionieren. Die Reaktionsfähigkeit (Empfindlichkeit) einer Diode auf Mikrowellen hängt stark von der Steilheit der Gleichrichtereigenschaften und von der Diodengrösse (Kapazität) ab. Im Allgemeinen werden Schottky-Barrier-Dioden, die die Gleichrichtung an der zwischen einem Metall und einem Halbleiter gebildeten Verbindung nutzen, als Dioden für die Leistungsumwandlung verwendet.
Da die Gleichrichtereigenschaften bei extrem niedrigen Spannungen unzureichend werden und die Grösse der Elemente mehrere Mikrometer ist, war die Empfindlichkeit gegenüber Mikrowellen mit niedriger Leistung, die schwächer als eine Mikrowatt (μW) sind, unzureichend. Damit war es schwierig, Umgebungsradiowellen in Elektrizität umzuwandeln. Dies führte zu einem Bedarf an Dioden mit erhöhter Empfindlichkeit.

Interessante Forschungsdetails
Die Forscher verringerten die Kapazität und Abmessungen der empfindlichen Backward-Diode, die steile Gleichrichteroperationen ohne Vorspannung bietet. Die Gleichrichtung erfolgt durch die Verbindung zweier verschiedener Halbleitertypen, wobei der Strom nach einem anderen Prinzip (Tunneleffekt) fliesst als bei herkömmlichen Schottky-Barrier-Dioden. Herkömmliche Rückwärtsdioden werden durch die Verarbeitung und Ätzen des Dünnfilms eines geschichteten Verbindungshalbleiters in Scheibenform gebildet. Da die Materialien bei der Verarbeitung jedoch anfällig für Schäden sind, war es schwierig, Dioden bis zu einer Submikrongrösse hinunter zu verarbeiten und zu betreiben.
Durch Anpassung des Verhältnisses (Zusammensetzung) der Bestandteile der verbundenen Halbleitermaterialien und, auf einem winzigen Niveau, der Dichte der zugesetzten Verunreinigungen gelang es den Forschern, Nanokristalle mit einem Durchmesser von 150 nm zu züchten, die aus n-Indiumarsenid (n-InAs) und p-Galliumarsenid-Antimonid (p-GaAsSb) für eine erforderliche Tunnelverbindungsstruktur bestehen. Darüber hinaus wurde bei der Implantierung von Isoliermaterial um den Nanodraht herum und bei der Bildung eines Elektrodenfilms mit Metall an beiden Enden des Drahtes eine neue Montagetechnologie eingesetzt, die den Nanodraht nicht beschädigt.

Zigfach höhere Empfindlichkeit
Dadurch konnten die Forscher eine Diode im Submikrometerbereich fertigen, was mit der konventionellen Miniaturisierungsprozesstechnik für Verbindungshalbleiter schwierig war. Und es ist damit erstmals weltweit gelungen, eine Nanodraht-Backward-Diode mit einer mehr als 10-fachen Empfindlichkeit gegenüber herkömmlichen Schottky-Barrier-Dioden zu entwickeln. Beim Testen der neuen Technologie mit der Mikrowellenfrequenz von 2,4 GHz, die derzeit in den 4G LTE- und WiFi-Kommunikationsstandards für Mobiltelefone verwendet wird, betrug die Empfindlichkeit 700 kV/W, etwa das 11-fache der herkömmlichen Schottky-Barrier-Diode, mit ihrer Empfindlichkeit von 60 kV/W.

Diode kann als Energiequelle für Sensoren genutzt werden
Somit kann die Technologie die 100-nW-Klasse von Funkwellen effizient in Elektrizität umwandeln. Damit gelingt die Umwandlung von Mikrowellen, die von Mobilfunk-Basisstationen in einem Bereich ausgestrahlt werden, der dann mehr als zehnmal grösser ist als bisher (was 10 Prozent des Mobilbereichs entspricht). Dies hat zu der Erwartung geführt, dass die neue Diode als Energiequelle für Sensoren genutzt werden kann. In Zukunft will die Forschungsgruppe die Empfindlichkeit der Diode weiter erhöhen, die diodenintegrierte Antenne optimieren und eine Leistungsregelung für die Spannungskonstanz hinzufügen.

Infoservice
Fujitsu Limited – www.fujitsu.com
Japan Science and Technology Agency, JST - www.jst.go.jp
Tokyo Metropolitan University – www.tmu.ac.jp



Übersichtsdiagramm der Stromerzeugung mit Funkwellen aus der Umgebung


Gleichrichtereigenschaften einer Schottky-Barrier-Diode und einer Backward-Diode


Querschnitte der Nanodraht-Backward-Diode und der Nanodraht-Kristalle


Empfindlichkeitseigenschaften der Diode


Wirkung der neu entwickelten Nanodraht-Rückwärtsdiode