(57)【要約】【課題】医療機器へのワイヤレス給電に適した給電システム等を提供する。【解決手段】医療用マイクロ波給電システム１０００は、給電回路２２０を備える給電装置２００と、給電回路２２０からワイヤレスで給電される電力を受信し、整流するためのショットキーバリアダイオード１１３を備える受電回路１００とを備える。ショットキーバリアダイオード１１３は、その電極を窒化ニッケルで構成される。上記構成により、高温時においてもショットキーバリアダイオードの逆リーク電流を低減して、発熱を抑制することが可能となる。特に、発熱による人体や機器への影響を考慮しなければならない医療機器において、発熱量を抑制することは極めて重要であり、安全かつ安定的に医療機器へのワイヤレス給電を実現することができる。【選択図】図１
2020191425.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
医療機器にワイヤレスで給電を行う医療用マイクロ波給電システムであって、
給電回路を備える給電装置と、
前記給電回路からワイヤレスで給電される電力を受信し、整流するためのショットキーバリアダイオードを備える受電回路と、
を備え、
前記ショットキーバリアダイオードは、その電極を窒化ニッケルで構成してなる医療用マイクロ波給電システム。
【請求項２】
請求項１に記載の医療用マイクロ波給電システムであって、
前記電極がＮｉxＮ電極（１≦Ｘ＜５）で構成されてなる医療用マイクロ波給電システム。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の医療用マイクロ波給電システムであって、
基板にビアホールを所定のパターンで形成してなる医療用マイクロ波給電システム。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の医療用マイクロ波給電システムであって、
前記ショットキーバリアダイオードが、窒化ガリウム系ダイオードである医療用マイクロ波給電システム。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の医療用マイクロ波給電システムであって、
前記受電回路がレクテナ回路を備え、
前記レクテナ回路が、複数のフレキシブルアンテナを配置したフレキシブルアンテナアレイを備えてなる医療用マイクロ波給電システム。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の医療用マイクロ波給電システムであって、
前記受電回路が、デュアルダイオードタイプである医療用マイクロ波給電システム。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の医療用マイクロ波給電システムであって、
前記受電回路が、シングルシャントタイプである医療用マイクロ波給電システム。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項に記載の医療用マイクロ波給電システムであって、
パルスオキシメータ又は心電計の給電を行う医療用マイクロ波給電システム。
【請求項９】
給電回路を備える給電装置からワイヤレスで電力を受けて医療機器に給電を行う医療用受電回路であって、
給電装置から受けた電波の整流を行うレクテナ回路と、
電極を備えるショットキーバリアダイオードと、
を備え、
前記ショットキーバリアダイオードは、その電極を窒化ニッケルで構成してなる医療用給電回路。
【請求項１０】
給電回路を備える給電装置からワイヤレスで電力を受けて医療機器に給電を行う医療用受電回路に用いられるショットキーバリアダイオードであって、
その電極を窒化ニッケルで構成してなるショットキーバリアダイオード。
【請求項１１】
医療機器にワイヤレスで給電を行う医療用マイクロ波給電方法であって、
閉塞空間内の壁面に、給電回路を備える給電装置を設置する工程と、
前記給電回路から、ワイヤレスで給電される電力を受電回路で受信し、電極を備えるショットキーバリアダイオードで整流する工程と、
を含み、
前記ショットキーバリアダイオードは、その電極を窒化ニッケルで構成してなる医療用マイクロ波給電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、医療用マイクロ波給電システム、医療用受電回路、ショットキーバリアダイオード及び医療用マイクロ波給電方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
無線で給電を行うワイヤレス給電方式として、各種の方式が提案されている。この内、マイクロ波を用いたマイクロ波給電システムが提案されているが、未だ実用化には至っていない（例えば特許文献１〜５及び非特許文献１〜２）。このようなマイクロ波給電が期待される分野として、医療分野が挙げられる。特に手術室で使用される医療機器や、患者に装着した医療機器、例えばホルター心電計やパルスオキシメータ、ペースメーカ等は、駆動電力を供給する必要があり、二次電池で駆動されている。しかしながら、二次電池の電池容量は制限があり、一般に大容量にするほどサイズが大きくなる。その一方で、患者に装着する医療機器においては小型、軽量化が求められるため、装置自体を小型軽量化しなければならず、いきおい二次電池も小型化せざるを得ないため、その容量は小さくなる。また一方では患者の状態を把握するため医療機器を２４時間駆動させる要求もあり、どうしても給電が必要となる。
【０００３】
医療機器を患者に装着したまま給電するには、医療機器に給電用のケーブルを接続して、医療機器側の二次電池を充電することが考えられる。しかしながら、充電にはある程度の時間がかかるため、ケーブルを装着したまま患者が移動する必要が生じ、この際ケーブルが絡まったり引っかかったりするおそれが懸念される。このように在宅医療や入院中の患者の行動範囲が、ケーブルによって制約を受けるのが実情である。また一方で、手術室で用いられる医療機器においても、多くの電源ケーブルが用いられているため、同様に絡まったり引っかかったりする問題が生じる。特に、医療スタッフや患者がケーブルにつまずいたはずみで、点滴や人工呼吸管などが外れ、重大な医療事故につながるおそれが懸念されている。
【０００４】
このような状況において、医療機器へのワイヤレス給電が実現されれば、ケーブル接続の手間やケーブルが絡まる、引っ掛かる等のリスクも低減、解消されて、取り回しが大きく改善されるものと期待される。また、ケーブルを不要とすることによるコスト削減や資源の節約にも寄与し得る。さらに医療機器への電池交換の失念や、充電用コンセントプラグの差し忘れによる未充電の問題も解消される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特公表２００９−５１３０９８号公報
【特許文献２】特許４８１１４０５号公報
【特許文献３】特開２０１８−１９１５０１号公報
【特許文献４】特開２０１４−１７５８６５号公報
【特許文献５】特開２０１３−０９４２２８号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】「ワイヤレス給電の技術概容」特許得技術懇話会（２０１５年１１月３０日）ｎｏ．２７９
【非特許文献２】平成２６年度特許出願技術動向調査「非接触給電関連技術」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的の一は、医療機器へのワイヤレス給電に適した医療用マイクロ波給電システム、医療用受電回路、ショットキーバリアダイオード及び医療用マイクロ波給電方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
【０００８】
本発明の第１の側面に係る医療用マイクロ波給電システムによれば、医療機器にワイヤレスで給電を行う医療用マイクロ波給電システムであって、給電回路を備える給電装置と、前記給電回路からワイヤレスで給電される電力を受信し、整流するためのショットキーバリアダイオードを備える受電回路と、を備え、前記ショットキーバリアダイオードは、その電極を窒化ニッケルで構成できる。上記構成により、高温時においてもショットキーバリアダイオードの逆リーク電流を低減して、発熱を抑制することが可能となる。特に、発熱による人体や機器への影響を考慮しなければならない医療機器において、発熱量を抑制することは極めて重要であり、安全かつ安定的に医療機器へのワイヤレス給電を実現することができる。
【０００９】
また、第２の側面に係る医療用マイクロ波給電システムによれば、上記構成に加えて、前記電極をＮｉxＮ電極（１≦Ｘ＜５）で構成できる。
【００１０】
さらに、第３の側面に係る医療用マイクロ波給電システムによれば、上記いずれかの構成に加えて、基板にビアホールを所定のパターンで形成することができる。上記構成により放熱性を向上できる。
【００１１】
さらにまた、第４の側面に係る医療用マイクロ波給電システムによれば、上記いずれかの構成に加えて、前記ショットキーバリアダイオードを窒化ガリウム系ダイオードとすることができる。
【００１２】
さらにまた、第５の側面に係る医療用マイクロ波給電システムによれば、上記いずれかの構成に加えて、前記受電回路がレクテナ回路を備え、前記レクテナ回路が、複数のフレキシブルアンテナを配置したフレキシブルアンテナアレイを備えることができる。上記構成により、ワーキングディスタンスを拡大できる。
【００１３】
さらにまた、第６の側面に係る医療用マイクロ波給電システムによれば、上記いずれかの構成に加えて、前記受電回路をデュアルダイオードタイプとすることができる。
【００１４】
さらにまた、第７の側面に係る医療用マイクロ波給電システムによれば、上記いずれかの構成に加えて、前記受電回路をシングルシャントタイプとすることができる。
【００１５】
さらにまた、第８の側面に係る医療用マイクロ波給電システムによれば、上記いずれかの構成に加えて、医療機器としてパルスオキシメータ又は心電計の給電を行うことができる。
【００１６】
さらにまた、第９の側面に係る医療用マイクロ波受電回路によれば、給電回路を備える給電装置からワイヤレスで電力を受けて医療機器に給電を行う医療用受電回路であって、
給電装置から受けた電波の整流を行うレクテナ回路と、電極を備えるショットキーバリアダイオードとを備え、前記ショットキーバリアダイオードは、その電極を窒化ニッケルで構成できる。上記構成により、高温時においてもショットキーバリアダイオードの逆リーク電流を低減して、発熱を抑制することが可能となる。特に、発熱による人体や機器への影響を考慮しなければならない医療機器において、発熱量を抑制することは極めて重要であり、安全かつ安定的に医療機器へのワイヤレス給電を実現することができる。
【００１７】
さらにまた、第１０の側面に係るショットキーバリアダイオードによれば、給電回路を備える給電装置からワイヤレスで電力を受けて医療機器に給電を行う医療用受電回路に用いられるショットキーバリアダイオードであって、その電極を窒化ニッケルで構成することができる。上記構成により、高温時においてもショットキーバリアダイオードの逆リーク電流を低減して、発熱を抑制することが可能となる。特に、発熱による人体や機器への影響を考慮しなければならない医療機器において、発熱量を抑制することは極めて重要であり、安全かつ安定的に医療機器へのワイヤレス給電を実現することができる。
【００１８】
さらにまた、第１１の側面に係る医療用マイクロ波給電方法によれば、医療機器にワイヤレスで給電を行う医療用マイクロ波給電方法であって、閉塞空間内の壁面に、給電回路を備える給電装置を設置する工程と、前記給電回路から、ワイヤレスで給電される電力を受電回路で受信し、電極を備えるショットキーバリアダイオードで整流する工程とを含むことができる。これにより、高温時においてもショットキーバリアダイオードの逆リーク電流を低減して、発熱を抑制することが可能となる。特に、発熱による人体や機器への影響を考慮しなければならない医療機器において、発熱量を抑制することは極めて重要であり、安全かつ安定的に医療機器へのワイヤレス給電を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施形態１に係る医療用マイクロ波給電システムを示す模式図である。
【図２】医療用マイクロ波給電システムの給電回路と給電回路を示す回路図である。
【図３】シングルシャント型レクテナ回路を示す回路図である。
【図４】デュアルダイオード型の受電回路を示す回路図である。
【図５】一般的なレクテナ回路の変換効率と入力電力依存性の関係を示すグラフである。
【図６】図６Ａ、図６Ｂはアノード電極にＮｉを用いたＳＢＤの温度変化に関する電流−電圧特性を示すグラフである。
【図７】図７Ａ、図７Ｂはアノード電極にＴｉＮを用いたＳＢＤの温度変化に関する電流−電圧特性を示すグラフである。
【図８】ショットキーバリアダイオードを一例を示す模式断面図である。
【図９】図８のショットキーバリアダイオードの製造方法を示すフローチャートである。
【図１０】ＮｉxＮ電極ＧａＮ系ＳＢＤのＩ−Ｖ特性を示すグラフである。
【図１１】ＮｉxＮ電極ＧａＮ系ＳＢＤの順方向の対数、線形表示のＩ−Ｖ特性を示すグラフである。
【図１２】理想因子ｎとＳＢＨのＮ2ガス流量依存性を示すグラフである。
【図１３】ＮｉとＮｉxＮ電極ＳＢＤのＣ−Ｖ特性を示すグラフである。
【図１４】図１４ＡはＮｉ電極ＳＢＤの不純物分布を示すグラフ、図１４ＢはＮｉxＮ電極ＳＢＤの不純物分布を示すグラフである。
【図１５】比較例に係るＮｉ電極ＳＢＤの温度依存性（Ｉ−Ｖ特性）を示すグラフである。
【図１６】比較例に係るＮｉ電極ＳＢＤの温度依存性（ｎ値，ＳＢＨ）を示すグラフである。
【図１７】図１７Ａ、図１７Ｂは実施例に係るＮｉxＮ電極ＳＢＤの温度依存性（Ｉ−Ｖ特性）を示すグラフである。
【図１８】実施例に係るＮｉxＮ電極ＳＢＤの温度依存性（ｎ値，ＳＢＨ）を示すグラフである。
【図１９】受電回路の基板の断面図である。
【図２０】受電回路の基板の平面図である。
【図２１】フレキシブルアンテナアレイの例を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面に基づいて実施形態を詳細に説明する。なお、以下の説明では、必要に応じて特定の方向や位置を示す用語（例えば、「上」、「下」、及びそれらの用語を含む別の用語）を用いるが、それらの用語の使用は図面を参照した発明の理解を容易にするためであって、それらの用語の意味によって本発明の技術的範囲が制限されるものではない。また、複数の図面に表れる同一符号の部分は同一もしくは同等の部分又は部材を示す。なお、本明細書において「備える」とは、別部材として備えるもの、一体の部材として構成するものの何れをも含む意味で使用する。
【００２１】
さらに以下に示す実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための位置特定システム、位置特定装置、位置特定方法、位置特定プログラム及びコンピュータで読み取り可能な記録媒体並びに記録した機器を例示するものであって、本発明を以下に限定するものではない。また、以下に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、例示することを意図したものである。また、一の実施の形態、実施例において説明する内容は、他の実施の形態、実施例にも適用可能である。また、図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため、誇張していることがある。
【００２２】
本発明の実施形態１に係る医療用マイクロ波給電システムを、図１に示す。この医療用マイクロ波給電システム１０００は、部屋ＲＭの内部配置された一以上の医療機器ＭＤに対し、ワイヤレスで給電を行う。図１に示す医療用マイクロ波給電システムは、給電装置２００と、この給電装置２００から電波で給電されて駆動される医療機器ＭＤで構成される。医療機器ＭＤとしては、患者に装着される携行型の医療機器、例えばパルスオキシメータやホルター心電計等が好適に挙げられる。また、据え置き型の医療機器の給電に本実施形態に係る医療用マイクロ波給電システムを用いてもよい。さらに医療機器は、人間に装着するものの他、他の動物、例えばマウス、猫、犬、サル、鳥などに装着する機器も含む意味で使用する。
【００２３】
医療機器への給電方式には、遠非接触給電方式（Contactless remote method: Wireless power transmission (WPT) system in a shield box））と、近非接触給電方式（Contactless proximity method (ORS: Open-ring system)）が利用できる。本実施形態では、この内前者の遠非接触給電方式を利用している。この給電方式は、パッシブＲＦＩＤ等と呼ばれることもある。ここでは、手術室や診察室、観察室、入院室など、医療機器を配置する部屋ＲＭを、電磁波や電波を遮蔽する閉塞空間としている。例えば部屋の壁や床、天井を、電磁波を遮蔽、あるいは吸収する材質で構成したり、表面に電磁波吸収材や電磁波遮蔽材を塗布する等して、室外に電磁波が漏洩しないようにしている。図１の例では、他の電波からの干渉を比較的を受けにくい帯域である２．４ＧＨｚを用いている。また、部屋ＲＭを模した試験として、金属製の箱の内部に実施例に係る医療用マイクロ波給電システムを配置して、ワイヤレス給電の試験を行い、１〜１５ｃｍの範囲内で給電装置２００から医療機器ＭＤへの給電がなされていることを確認した。
【００２４】
給電装置２００は、給電アンテナ２１０と、給電回路２２０を備える。また給電装置２００は、給電のための電磁波や電波を室内に送信する他、医療機器からの信号を受信する受信回路を備えてもよい。あるいは、医療機器からの信号を受信し収集する受信装置を、給電装置とは別途設けてもよい。
【００２５】
医療機器ＭＤは、給電装置２００から給電される電力を受信する受電回路１００を備えている。ここで、医療用マイクロ波給電システムの給電回路２２０と受電回路１００を示す回路図を、図２に示す。この医療用マイクロ波給電システムは、直流電源７１に接続される給電回路２２０と、直流電源を必要とする医療機器ＭＤに接続される受電回路１００とにより構成される。給電回路２２０においては、給電用直流電源２３０から発振回路２２１に直流電源が供給され、発振回路２２１の出力が増幅回路２２２で増幅され、増幅回路２２２に接続された給電アンテナ２１０から電力がマイクロ波として伝送される。受電回路１００においては、給電回路２２０の給電アンテナ２１０から伝送されたマイクロ波が受電アンテナ１１０で受信され、受電回路１００で整流されて直流電源が出力され、医療機器ＭＤに供給される。
【００２６】
図２の医療用マイクロ波給電システム１０００の例では、給電回路２２０から給電アンテナ２１０を介して給電された電力を、受電アンテナ１１０で受信し、受電回路１００で変換して、負荷である医療機器ＭＤを駆動している。なお負荷として、医療機器を駆動する二次電池を用いてもよい。この場合は、電力を二次電池に充電し、二次電池を放電させることで医療機器を駆動する。アンテナは放射ユニットを有する。
【００２７】
図２に示す受電回路１００は、前段ローパスフィルタ回路１１１と、前段整合回路１１２と、整流素子１１３と、後段整合回路１１４と、後段ローパスフィルタ回路１１５を備える。受電回路１００は、レクテナ（Rectifying Antenna）回路で構成される。レクテナ回路は、マイクロ波等の電波や電磁波を直流電流に変換する回路である。このレクテナ回路は、給電回路２２０から給電アンテナ２１０を介して送信された電波を受電アンテナ１１０で受け、整流するための整流素子１１３として、ショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）を備える。ＳＢＤは、その電極を窒化ニッケルで構成している。これにより、高温時においてもＳＢＤの逆リーク電流を低減して、発熱を抑制することが可能となる。特に、発熱による人体や機器への影響を考慮しなければならない医療機器において、発熱量を抑制することは極めて重要であり、安全かつ安定的に医療機器へのワイヤレス給電を実現することができる。この医療用マイクロ波給電方法は、部屋ＲＭの閉塞空間内の壁面に、給電回路２２０を備える給電装置２００を設置する工程と、給電回路２２０から、ワイヤレスで給電される電力を受電回路１００で受信し、電極を備えるＳＢＤで整流する工程とを含む。
【００２８】
本実施形態においては、医療器機器に無線すなわちワイヤレスで給電を行う給電システムであり、給電方式にはマイクロ波給電を用いている。ワイヤレスで電力を伝送する技術としては、主に電磁誘導型、共鳴型、電波受信型が知られている。この内電波受信型は、電波や電磁波を送電の媒体として利用する。電波受信型の送電方式においては、送電側から発信した電波を受信側のアンテナで受信し、直流電力に整流する。この方式の利点は、送電効率の低下を許容した場合、送電距離を数十ｍ程度とでき、他の電磁誘導型や共鳴型の送電方式に比べて格段に距離を伸ばすことができることが挙げられる。一方で、電波が送電中に拡散してしまうため送電効率が低くなり、これに伴い送電可能な電力も数ｍＷ程度と微小になることがデメリットである。用途としてはＲＦタグやＦｅｌｉＣａ等のＩＣカードといった小電力での利用が一般的で、大電力での電力伝送はまだ普及していない。しかし、長距離送電が可能であるという最大の利点を生かすため、電波拡散が抑制できるＧＨｚ帯以上の周波数の高い電波を用い、さらに送受信アンテナには位相をコントロールできるフェイズドアレイアンテナを使用し電力を一点に集めることで高効率な長距離電力送電を可能にしようと研究されている。ここでは、電波受信型の中でも高効率な長距離の伝送が期待されているマイクロ波を用いて電力を伝送する。高い周波数帯の電波であるマイクロ波を用いることで、電波の拡散を抑制できる。またマイクロ波を用いることで、システム全体の大きさを小さくすることもできる。
【００２９】
給電側において、電波を用いて電力給電するには、ヘテロ構造電界効果型トランジスタ（Hetero-junction Field Effect Transistor：ＨＦＥＴ）やマグネトロンを用いた発信回路で直流電流（ＤＣ）を高周波電流に変換し、アンテナを使って電波（ＲＦ）にすることで空間に効率よく放出させる。マイクロ波帯の中では低い数ＧＨｚ帯の周波数で数百Ｗ以下の小電力用の発振回路には高移動度トランジスタ（high-electron-mobility transistor：ＨＥＭＴ）が使われている。半導体デバイス系は小型化が可能なため集積に向いていることが特長である。９０年代後半からは窒化ガリウム（ＧａＮ）を初めとしたワイドバンドギャップ半導体の研究が盛んになり、更なる高周波帯かつ数百Ｗ以上の高出力帯での応用が期待されている。一方、大きな出力や数十ＧＨｚ以上の高い周波数が必要な場合には今でもマグネトロンが使われている。真空管系の利点は、大きな出力が求められる発信回路のコストを半導体より安くすることができることである。
【００３０】
一方受電側では、電波を受け取るレクテナ回路と呼ばれる、アンテナに整流回路が組みこまれた回路を用いる。アンテナはＲＦを受信するため、表皮効果などによって損失が発生しやすくなる。また複数のアンテナの出力を組み合わせて大きな電力を取り出そうとすると各アンテナからの電流の位相を合わす必要性が生まれ設計及び製造が複雑になる。レクテナ回路はアンテナの直近に設けた整流器でＲＦ／ＤＣ変換することで、ＲＦ伝送によって発生する損失を最低限にすることが可能とする。整流器には少数キャリア注入が引き起こす不活性効果がないＳＢＤを使い整流することが主流である。
【００３１】
レクテナ回路の整流回路方式としては、図３に示すシングルシャント型のレクテナ回路１００Ａや、図４に示すデュアルダイオード型レクテナ回路１００Ｂが利用できる。一方、図３に示すシングルシャント型レクテナ回路１００Ａでは、ＳＢＤ１１３Ａ、伝送線路１１６、および平滑用キャパシタ１１７を備える。図４のデュアルダイオード型レクテナ回路１００Ｂは、ＳＢＤ１１３Ｂ、１１３Ｃ、平滑用キャパシタ１１７Ｂを備える。デュアルダイオード型レクテナ回路をプリント基板上に実現する場合には、ＳＢＤを用いることによりλ／４線路等の伝送経路が不要となるので、シングルシャント型レクテナ回路よりも小型化が可能である。
【００３２】
なお給電回路２２０では、例えばＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＨＦＥＴからなるＦ級増幅器を用いることにより８０％以上の高効率を実現することができ、この給電回路２２０もトランジスタチップとλ／４以下のスタブ数本で構成することができる。電力はプラスチック板を通して給電できるので、給電側、受電側共に、完全にプラスチック膜などで覆うことができ、防水、防塵のコネクタを実現することができる。
【００３３】
シングルシャント型のレクテナ回路では、一のＳＢＤで全波整流が可能である。一般にダイオードはＯＮ／ＯＦＦスイッチの働きをするため、一個つでは半波整流回路にしかならず１００％の変換効率は望めないが、シングルシャント回路ではＳＢＤを負荷に対して並列に挿入し、後段整合回路１１４を用い整合をとることで、高効率のＲＦ／ＤＣ変換効率が実現可能な回路となっている。後段整合回路１１４は、λ／４線路等の伝送経路１１６や平滑用コンデンサ１１７で構成される。ただ、実際にはダイオードの内部パラメータの影響によって変換効率は１００％にはならない。ダイオードの内部パラメータとして重要になるのは立ち上がり電圧（ＶＪ）、ブレークダウン電圧（Ｖｂｒ）、直列抵抗、逆方向リーク電流、寄生容量である。ここで、一般的なレクテナ回路の変換効率と入力電力依存性の関係を図５のグラフに示す。レクテナ回路の最大の最大変換効率はＶＪ，Ｖｂｒ，高調波の影響によって決まることが確認できる。直列抵抗の増加はＶＪに、逆方向リーク電流の増加はＶｂｒに影響し、下駄をはかせたように変換効率を低下させる。後述する本実施例においては、５．８ＧＨｚで７３％の高効率を実現した。
【００３４】
次に、ＳＢＤを構成する半導体について検討する。近年、窒化ガリウム（ＧａＮ）や炭化ケイ素（ＳｉＣ）を代表とするワイドバンドギャップ半導体が次世代パワーデバイス材料として注目されている。ワイドバンドギャップ半導体は、高絶縁破壊電界、高電子移動度という物性値から高耐圧、低抵抗、低容量、高温動作が可能という特長からシリコン（Ｓｉ）半導体デバイスの性能を超えるデバイス材料として期待されている。ワイドバンドギャップ半導体以外にもＳｉデバイスの性能を上回る材料としてガリウム砒素（ＧａＡｓ）がある。ＧａＡｓがヘテロ接合（異種半導体接合）を形成することを利用し開発されたＨＦＥＴは、電子移動度が大きく高周波動作が可能である。このＧａＡｓを用いたＨＦＥＴデバイスは光通信や無線通信の普及に大きく貢献し、今日の情報化社会を築き上げてきた。ただ、現在では半導体の高寿命である利点と真空管程度の高出力、高周波をあわせ持ったデバイスが求められており、ワイドバンドギャップ半導体の研究開発が盛んになっている。
（窒化物半導体に対する窒化物電極の安定性）
【００３５】
ＧａＮはバンドギャップが大きいことからＳｉ半導体では応用が困難な高温環境でも使えるデバイスとして注目されている。そのため、ＧａＮデバイスは電気自動車の車載部品や宇宙ロケット、高温センサーなどの高温環境下での使用が想定されている。このような高温環境下で使用できる利点としては、高温環境での使用に不向きなＳｉデバイスなどは安定な動作を保証するために冷却装置を用意する必要があったのに対し、冷却装置を簡略化又は省略できることが挙げられる。
【００３６】
しかしながら、ＧａＮを高温環境下で用いる場合やデバイスの抵抗によって発生するジュール熱が大きい場合は、動作中にデバイス温度の変化によって電気特性の変化や劣化を引き起こす可能性がある。この問題に対しての解決策としては温度変化に安定な金属／ＧａＮ界面をもつ電極の実現が挙げられる。そこで本発明者らは、電極として、ＧａＮとの界面での反応を従来の純金属に比較して抑制する働きがあると考えられる窒化金属を用いて、温度的に安定的な界面を開発した。
【００３７】
図６Ａ、図６Ｂは、アノード電極にＮｉ用いた最も一般的なＳＢＤの温度変化に関する電流−電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）であり、図７Ａ、図７Ｂはアノード電極に窒化物である窒化チタン（ＴｉＮ）を用いたＳＢＤのＩ−Ｖ特性である。Ｉ−Ｖ測定では基板温度を室温（ＲＴ）→７５℃→ＲＴ→１２５℃→ＲＴ→１７５℃→ＲＴと変化させている。Ｎｉ電極を用いたＳＢＤの順方向電気特性（ＲＴ時）が徐々に変化しているのに対し、ＴｉＮの順方向はＲＴ時において常に同じ特性を示している。これはＴｉＮがＮｉに比べ温度変化による電極の変化劣化現象を抑制する可能性を示している。また、逆方向のＩ−Ｖ特性に関してもＴｉＮ電極は温度に依存して逆方向リーク電流が増大する傾向を示し、Ｎｉ電極では温度変化への依存が小さいように読み取れる。これは、ＴｉＮ電極の方がＮｉ電極よりもショットキー障壁高さ（schottky barrier height：ＳＢＨ）が低いことはもちろん、ＴｉＮ／ＧａＮ界面がＮｉ／ＧａＮ界面に比べ準位を作りにくく比較的、良好な界面を形成したため熱電子放出モデルに従ったものだと推測される。これらの結果から窒化物金属を用いた電極は窒化物半導体に対して熱的な安定性をもたらすのに有効であると考えられる。また、ＴｉＮ電極は低いＳＢＨから立ち上がり電圧を低減させることも可能にしている。一方で、高温環境下での使用を前提とした場合、ＴｉＮ電極のリーク電流は非常に大きいため、高温でもリーク電流が低く温度変化に対して安定的な電極が求められる。
【００３８】
通常のＮｉ電極を用いたＧａＮ系ＳＢＤは高温環境下でのデバイス動作によって電気的特性が変化することが報告されており、熱的に安定とは言えない。また、高温環境下での使用を前提とした場合、ＴｉＮ電極のリーク電流は非常に大きく損失やデバイスの低寿命につながると考えられる。これに対し本実施形態に係る医療用マイクロ波給電システムでは、ＳＢＤの電極に窒化物金属である窒化ニッケルを用いることで、従来のＮｉ電極に対して熱的に安定であり、逆方向リーク電流の小さい低損失なデバイスを実現している。
【００３９】
一般的なダイオードはＰＮ接合でダイオード特性を有するのに対して、ＳＢＤは金属と半導体との接合によって生じるショットキー障壁を利用している。ＳＢＤは、ＰＮ接合のダイオードと比較して一般に順方向電圧（ＶＦ）特性が低く、スイッチング特性が速い。ただしリーク電流（ＩＲ）が大きく、熱設計が不十分な場合は熱暴走を起こしてしまう欠点があった。これに対して本実施形態に係るＳＢＤでは、窒化ニッケル電極を用いることで、従来のニッケル電極を用いたＳＢＤに比べ、高温時でも逆リーク電流を小さく抑えることができ、低損失とすることが可能となる。窒化ニッケルは、ＮｉxＮ（１≦Ｘ＜５）を用いることが好ましい。Ｘが１より小さい電極では、特性が安定しない。またＸが５以上のものは作成が困難であった。よって１≦Ｘ＜５の範囲の窒化ニッケルを電極として用いることで、特性がより安定したＳＢＤを実現できる。
【００４０】
ＳＢＤは、窒化ガリウム（ＧａＮ）系ダイオードとしている。ＧａＮ系ダイオードは低損失、高耐圧という利点を有しつつ、高周波特性が優れる。またＧａＮは、ＳｉＣと違い、サファイア基板やＳｉ基板といった安価な基板と格子定数が近いため、これらを成長基板として利用でき、ＳｉＣと比べコスト低減が期待できる。またＧａＮは、ＳｉＣ程硬くないため、加工し易い利点も得られる。さらにＧａＮ系ダイオードはＧａＡｓ等と同様にＡｌＧａＮ／ＧａＮ  ＨＥＦＴをはじめとするヘテロ構造の高移動度のデバイスを実現できる。またＧａＮはバンドギャップが３．３９ｅＶと大きく、絶縁破壊電界は３．３×１０６Ｖ／ｃｍとＳｉやＧａＡｓよりも８〜１０倍大きい。また電子飽和速度も、２．５×１０７ｃｍ／ｓと他の半導体材料と比較して大きい。高周波特性の指標の一である遮断周波数は、電子飽和速度とチャネル長で決まり、ＧａＮは他の半導体より高い値を示すため、高周波デバイスとしても期待できる。マイクロ波無線電力伝送においても高周波動作かつ大電力を給電するためにパワーデバイス動作が求められる。そのため、ＧａＮ系ダイオードを用いることのメリットは非常に大きい。
【００４１】
ＳＢＤの一例を、図８の模式断面図に示す。このＳＢＤは、給電回路を備える給電装置からワイヤレスで電力を受けて医療機器に給電を行う医療用受電回路に用いられる。図８は、エアブリッジ配線構造を有するＧａＮ系ＳＢＤの模式断面図である。このＳＢＤは、絶縁基板１１上に、必要に応じてバッファ層１１Ｂと、アクセス層１２と、活性層１３を順にエピタキシャル成長させている。またバッファ層１１Ｂとアクセス層１２をエッチング等で分離させ、一方にアノード電極１４を、他方にカソード電極１５を、それぞれ設けている。アノード電極１４は、活性層１３にショットキー接触している。カソード電極１５は、アクセス層１２にオーミック接触している。カソード電極１５のコンタクト抵抗は、低抵抗オーミック抵抗である。また各アノード電極１４間は金属配線であるエアブリッジ配線１６により接続されている。図８の例ではエアブリッジ配線１６は、Ａｕ／Ｎｉ／Ａｕ層の上面にＡｕ層を形成した多層構造としている。
【００４２】
絶縁基板１１は、特に限定されず、必要に応じて選ぶことができるが、例えば、サファイア基板、半絶縁性ＳｉＣ基板、半絶縁性ＧａＡｓ基板などである。
【００４３】
アクセス層１２および活性層１３を構成する半導体は、特に限定されないが、例えば、ＧａＮ系半導体（ＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＧａＩｎＮなど）、ＧａＡｓ系半導体（ＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓなど）、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体（ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＰなど）、ＺｎＳｅ系半導体（ＺｎＭｇＳＳｅ、ＺｎＳＳｅ、ＺｎＣｄＳｅなど）、ＺｎＯ系半導体、ＳｉＣ系半導体などである。好適にはバンドギャップが広く高耐圧を実現できるＧａＮ系半導体を用いる。
【００４４】
アクセス層１２は、アクセス抵抗の低減を図るため、好適には、ドナー濃度が十分に高い低抵抗のｎ+型半導体からなる。図８の例では、アクセス層１２はｎ+−ＧａＮ層としている。
【００４５】
一方活性層１３は、アノード電極１４がショットキー接触することができるものであり、典型的にはｎ型半導体からなり、そのドナー濃度は所望のダイオード特性によって決まる。図８の例では、活性層１３はｎ-−ＧａＮ層で構成している。
【００４６】
アノード電極１４は、活性層１３とショットキー接触することができるショットキー金属で構成される。ショットキー金属は、活性層１３を構成する半導体に応じて選択される。この例では、上述の通りアノード電極１４を構成するショットキー金属を窒化ニッケルとしている。実施例においては、耐圧２０Ｖ、４０Ｖ、１００Ｖの三種類のＧａＮ系ＳＢＤのエピタキシャル構造を成長させた。ここではＧａＮ系ＳＢＤのフォトマスクを設計し、三種類のＧａＮ系ＳＢＤエピタキシャル構造を用いて、デバイスを試作した。
【００４７】
カソード電極１５は、アクセス層１２とオーミック接触することができるオーミック金属からなる。オーミック金属は、アクセス層１２を構成する半導体に応じて、従来公知のものの中から適宜選ばれる。
【００４８】
なお図８の例では、一のＳＢＤを示しているが、複数のＳＢＤを用いてもよい。例えばＳＢＤのアレイ構造としてもよい。またマルチドット型ＳＢＤとしてもよい。さらにアノード電極を複数に分割してもよい。複数に分割された各アノード電極間は、金属配線を構成するエアブリッジ配線により接続される。一列の各アノード電極間を接続する各エアブリッジ配線はその一端で互いに接続される。分割されたアノード電極は全体としてくし形としてもよい。あるいはカソード電極を全体として細長い長方形の形状とし、カソード電極の長辺に沿ってカソード金属配線をカソード電極に電気的に接続してもよい。
【００４９】
ＳＢＤを実装する受電回路の基板には、ビアホールを所定のパターンで形成することができる。これにより、放熱性を向上できる。このような基板の例を、図１９の断面図及び図２０の平面図に示す。この図に示す基板２０は、板状の基材２１で構成し、この基材２１の上面に第一金属２２を、基材２１の下面に第二金属２３を、それぞれ被覆している。さらに基材２１には、複数のビアホール２４を所定の間隔で形成している。このように単一のビアホールでなく複数のビアホール２４をアレイ状に設けたことで、冷却性能を向上させている。各ビアホール２４は円錐状に形成されている。好ましくは、テーパー状に形成される。円錐状やテーパー状に形成されたビアホール２４は、上部の微小な領域によって寄生パラメータを低減できる。一方でビアホール２４の下方の広い領域で放熱性を改善し、基板２０に実装された受電回路の回路特性を向上できる。図２０の例では、ビアホール２４はマトリックス状に等間隔で配置した構成を示しているが、本発明はビアホールのパターンをこの構成に限定するものでない。ビアホールの形状やアレイのパターンは、仕様等に応じて適宜変更できる。
【００５０】
さらに受電回路を構成するレクテナ回路は、複数のフレキシブルアンテナを配置したフレキシブルアンテナアレイを備えることもできる。アンテナアレイは可撓性のある部材で構成できる。また湾曲乃至折曲させた部分を加えて構成してもよい。これに応じてアンテナの放射ユニットは従来の三角形状に限らず特定の形状に調整される。このように放射ユニットの形状を設計することで、電気的特性を低下させることなく湾曲部分のアンテナの放射範囲を確実に包含できる。これにより、ワーキングディスタンスと受電回路及びアンテナの傾斜角度範囲を拡大することが可能となる。図２１に、複数のフレキシブルアンテナを配置したフレキシブルアンテナアレイで受電アンテナ１１０Ｂを構成した例を示す。この図に示す受電アンテナ１１０Ｂは、円筒状の構造物ＳＴの周囲にフレキシブルアンテナアレイ１１８を配置している。このように円筒状や円錐状、多面体状等の等角構造物の外周にフレキシブルアンテナアレイ１１８を配置することで、無指向アンテナや指向性アンテナの特性を実現できるようになる。
（ＧａＮ系ＳＢＤの製造方法）
【００５１】
ＮｉxＮ電極のショットキー特性を確認するため、実施例１に係るＧａＮ系ＳＢＤを試作してその特性を測定した。ここで実施例１に係るＮｉxＮ電極を用いたＧａＮ系ＳＢＤの製造方法を、図９のフローチャートに基づいて以下説明する。
【００５２】
まずＧａＮウエハを最初にダイサーで１ｃｍ角にカットしデバイス作製に用いた。作製開始時にまずサンプル洗浄を行う。洗浄はＳＰＭ洗浄（Ｈ２ＳＯ４：Ｈ２Ｏ２＝４：１）を行い、その後アセトン，メタノール，純水を用いて十分に洗浄する。洗浄後、光学顕微鏡で２０倍程度の倍率で大きな汚れがないか確認している。次にオーミック電極をｎ−ＧａＮ上に形成する。オーミック電極は光学露光（密着法）によってパターニングし、マグネトロンスパッタによってＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ（５０／２００／４０／４０ｎｍ）堆積した。リフトオフの後、Ｎ2ガス雰囲気中で８５０℃３分間アニールを行いオーミック電極を形成した。ここでのアニールは金属（Ｔｉ／Ａｌ：５０／２００ｎｍ）が半導体側に金属拡散し密着性を良くすることを狙っている。最後にショットキー電極をｎ−ＧａＮ上に形成する。ショットキー電極もオーミック電極と同様に光学露光によって目合わせを行いパターニングされる。パターニング後、オーミックアニールやＯ２プラズマアッシングによってウエハ表面に形成される可能性のある酸化物層を希塩酸（ＨＣｌ）に５分間浸けることで除去する。そして上述した反応性スパッタによってＮ2ガス流量を変えることでＮｉxＮ（Ｎｉ）を１００ｎｍ堆積し、そのカバー層としてＡｕを４０ｎｍ堆積させた。また、ショットキー電極／ＧａＮ界面の接触品質と均一性を上げるために試料をＮ2ガス雰囲気中で３００℃１０分間アニールを行った。これによりｍ直径が２００μｍの円形ショットキー電極とそれを囲むようなオーミック電極が５μｍ離れたところに形成されたＳＢＤが得られた。
（ＮｉxＮ電極を用いたＧａＮ系ＳＢＤの電気特性評価）
【００５３】
以上のようにして得られた実施例１に係るＧａＮ系ＳＢＤの電気特性評価について、以下説明する。実施例１では各Ｎ2ガス流量で作製したＮｉxＮ電極のショットキー特性評価として理想因子ｎと、ショットキー障壁高さ（ＳＢＨ）を求め、また逆方向リーク電流から評価した。理想因子ｎとＳＢＨは順方向のＩ−Ｖ測定（ＤＣ）から導くことができる。実施例１ではＩ−Ｖ測定時にはＡｇｉｌｅｎｔ社の半導体パラメータアナライザ（４１５５Ｃ）を用いて測定した。各Ｎ2ガス流量（０，１，３，５，１０，１５，２５，４０ｓｃｃｍ）で作製した８種のＮｉxＮ電極ＧａＮ系ＳＢＤの典型的なＩ−Ｖ特性を図１０に示す（測定デバイスは各２０ヶ所以上測定した）。また、この順方向の対数、線形表示のＩ−Ｖ特性を図１１に示す。
【００５４】
ＮｉxＮ電極ＧａＮ系ＳＢＤの立ち上がり電圧はＮ2ガス流量を低い（０，１，３ｓｃｃｍ）中間（５，１０，１５ｓｃｃｍ）高い（２５，４０ｓｃｃｍ）と分類すると流量の増加にともない増加し、さらに増加すると低下する傾向を示した。また熱電子放出モデルを用いて順方向の対数表示の線形領域から理想因子ｎとＳＢＨのＮ2ガス流量依存性について求めたのが図１２になる。また理想因子ｎとＳＢＨは無作為に選んだ２０のデバイスのＩ−Ｖ特性から求めておりその平均値と標準誤差をグラフ化した。
【００５５】
Ｎｉ電極ＳＢＤのｎ値は１．１２でありＳＢＨは１．０３ｅＶであった。これに対しｎ値は流量変化に対して１．０４〜１．２７の間に収まっており、キャリアの輸送現象が熱電子放出モデルに支配されていることが分かった。またＳＢＨは１５ｓｃｃｍのとき最大になりｎ値は１．０９でありＳＢＨは１．２１ｅＶであった。また、Ｎｉ電極ＳＢＤ以外の全てのＳＢＤにおいてＳＢＨはＮｉ電極ＳＢＤのＳＢＨよりも高い値を示した。一方で高いＮ2ガス流量になるにつれてｎ値が上昇しＳＢＨは減少した。これはＡＦＭやＸＰＳ，ＳＩＭＳ，ＥＤＳから分かるように表面粗さの増加やＯ，Ｃの混入が原因で電気特性が変化したと考えられる。次に逆方向リーク電流について評価する。逆方向リーク電流は単純にＳＢＨに依存しているわけではなかった。しかし、Ｎ2ガス流量が５〜１５ｓｃｃｍにおいてＮｉよりも小さいリーク電流を示した。この結果は純水なＮｉxＮ膜の形成が逆方向リーク電流の低減に寄与している可能性を示唆している。またＸＲＤの結果より１５ｓｃｃｍのときに支配的なＮｉ3Ｎの相がｎ値を改善しＳＢＨを向上させ逆方向リーク電流の低減に有効な電極であると考えられる。また１５ｓｃｃｍで作製されたＮｉxＮ電極ＧａＮ系ＳＢＤはＮｉと比較してＳＢＨが０．１８ｅＶ高く、逆方向リーク電流が２桁低減させた。
（ＮｉxＮ電極を用いたＧａＮ系ＳＢＤのＣ−Ｖ特性）
【００５６】
容量−電圧測定（Ｃ−Ｖ測定）を行うことで、実施例で用いたＧａＮウエハのｎ−ＧａＮ層の不純物濃度を調べると共に、本実施例で用いたＮｉxＮ電極またはそのＧａＮとの界面に電荷が捕獲されるかを確認するためにＣ−Ｖ測定を行った。また、Ｃ−Ｖ測定からもＳＢＨを求めＩ−Ｖ測定の信憑性を確認した。Ｃ−Ｖ測定にはＬＣＲメータ（Ａｇｉｌｅｎｔ４２８４Ａ）を用いて、周波数は１ＭＨｚで行った。測定した試料はＮｉ電極ＳＢＤと逆方向リーク電流の低減に有効であったＮ2ガス流量が１５ｓｃｃｍで作製したＮｉxＮ電極ＳＢＤの２サンプルであり、測定結果を図１３に示す。
【００５７】
静電容量（Ｖ＝０）を比較するとＮｉ電極ＳＢＤは１１．５ｐＦでＮｉxＮ電極ＳＢＤで１０．２ｐＦであった。このことはＮｉxＮ電極の方がよりＶ＝０のときに空乏層幅が広がっていることを示し、ＧａＮに対してＳＢＨの高い電極の形成を意味している。また容量が０になる電圧（立ち上がり電圧）がＮｉxＮ電極の方が大きいことからもこのことは確認できる。またＣ−Ｖ測定はダブルモードで行っているが、行き（２Ｖ→−１０Ｖ）と帰り（−１０Ｖ→２Ｖ）においてＮｉ，ＮｉxＮ電極ＳＢＤ共に容易に分かるヒステリシスは確認されなかった。このことは、ＮｉxＮ電極が電気的特性においての安定的であることの１つの証拠となる。
【００５８】
このＣ−Ｖ特性から求めた不純物分布のグラフを図１４Ａ、図１４Ｂに示す。この結果はＮｉ，ＮｉxＮ電極のＣ−Ｖ測定から共に１．６×１０１９（ｃｍ-3）程度のエピ構造通りの不純物濃度が確認され、また深さ方向に関してもおおよそ一定に不純物が分布していることを示す。またＣ−Ｖ測定から求めたＳＢＨはＮｉ電極ＳＢＤで１．０３ｅＶ、ＮｉxＮ電極ＳＢＤで１．１９ｅＶとなりＩ−Ｖ測定で導いたＮｉ電極ＳＢＤで１．０３ｅＶ、ＮｉxＮ電極ＳＢＤで１．２１ｅＶと同等のＳＢＨを示した。これらの結果はＮ2ガス流量１５ｓｃｃｍでＮｉxＮ電極を成膜することで、Ｎｉ電極に比べＳＢＨを０．１７ｅＶ前後向上させ、またＳＢＨの向上と共に逆方向リーク電流を２桁低減することを示した。
（ＮｉxＮ電極を用いたＧａＮＳＢＤの温度特性評価）
【００５９】
上述の通りＮｉ電極を用いたＧａＮ系ＳＢＤでは、高温環境下でのデバイス動作によって電気的特性が変化することが報告されており、熱的に安定とは言えない。また、熱的に安定的であると報告されたＴｉＮ電極を用いたＧａＮ系ＳＢＤも、高温時の逆方向リーク電流が大きく、高温環境下での使用はエネルギー損失やデバイス寿命の面で不十分である。これに対して本実施形態に係るＮｉxＮ電極を用いたＧａＮＳＢＤでは、Ｎｉ電極ＳＢＤより２桁の逆方向リーク電流低減を可能にし、かつＴｉＮと同様に窒化金属としている。以下、ＮｉxＮ電極ＳＢＤの温度特性の評価について説明する。
（ＧａＮ系ＳＢＤの温度特性の評価方法）
【００６０】
測定試料は上述したプロセスフローと同じ手順で作製している。また、測定デバイスも直径が２００μｍの円形ＳＢＤを用いて測定を行った。Ｉ−Ｖ測定はＡｇｉｌｅｎｔ社の半導体パラメータアナライザ（４１５５Ｃ）を用いて行った。またデバイス温度は、ＶＢＡプログラムによって制御されたシリコンラバーヒータでサンプルステージの温度を変えることで変化させた。また温度は、室温（ＲＴ）→７５℃→ＲＴ→１２５℃→ＲＴ→１７５℃→ＲＴと変化と変化させた。ＲＴより高い温度の測定後に、再びＲＴでのＩ−Ｖ特性を測定したのは、温度上昇の変化に対してＳＢＤの特性が変化していないかを確認するためである。
（比較例に係るＮｉ電極ＳＢＤの温度特性）
【００６１】
まず比較例に係るＮｉ電極ＳＢＤの温度特性を図１５に、その理想因子ｎとＳＢＨの温度依存性を図１６に、それぞれ示す。この内図１５は、Ｎｉ電極ＳＢＤの逆方向のＩ−Ｖ特性（左）と順方向の対数，線形表示のＩ−Ｖ特性（右）を表している。Ｎｉ電極ＳＢＤの順方向のＩ−Ｖ特性を見ると、４回目のＲＴ（２５℃）のとき、低い電圧においてＩ−Ｖ特性が変化していることが分かる。また逆方向のＩ−Ｖ特性を見ても、１７５℃時の低い電圧において大きな電流が流れている。さらに、−１０Ｖ時で比較しても３，４回目のＲＴ（２５℃）時の逆方向リーク電流は、７５℃のそれと同等程度流れており、逆方向リーク電流は初期に比べ大きくなっている。これらの現象はＮｉ電極ＳＢＤの弱い劣化を示している。この劣化は、温度変化によってＮｉ／ＧａＮ界面のＮｉ金属とＧａＮのＮが反応することでＮｉ−Ｎ合金を形成させ、ＧａＮ界面にＮ空孔を生じさせたことが原因と思われる。次に、ｎ値とＳＢＨについて評価する。図１６を見ると、ｎ値は温度の上昇と共に減少し、一方でＳＢＨは増加している。この現象はＳＢＨの不均一性によるものである。ＳＢＨの不均一性は、低温時に電子が低い障壁を優先的に通り流れる電流が支配的であり、高温時には電子が障壁を越えるのに十分なエネルギーを持つことで障壁を越える電流が支配的になることより生じるＳＢＨの変化のことである。
（ＮｉxＮ電極ＳＢＤの温度特性）
【００６２】
次に実施例に係るＮｉxＮ電極ＳＢＤの温度特性を図１７Ａ、図１７Ｂに、その理想因子ｎとＳＢＨの温度依存性を図１８に、それぞれ示す。この内図１７Ａ、図１７Ｂは、ＮｉxＮ電極ＳＢＤの逆方向のＩ−Ｖ特性（左）と順方向の対数，線形表示のＩ−Ｖ特性（右）のを表している。ＮｉxＮ電極ＳＢＤの逆方向リーク電流は全ての温度においてＮｉ電極ＳＢＤのＲＴでの逆方向リーク電流より小さく良好な整流特性を示した。また、全ての温度変化後で順方向Ｉ−Ｖ特性はＮｉ電極ＳＢＤで見られたＩ−Ｖ特性の変化は見られず、立ち上がり電圧も温度に依存してシフトした。逆方向Ｉ−Ｖ特性に関しても全てのＲＴで３．６×１０−１０Ａ程度の逆方向リーク電流であった。この結果はＮｉ電極ＳＢＤで見られた温度変化による弱い劣化がＮｉxＮ電極ＳＢＤでは抑制されたことを示している。さらに−１０Ｖ時の逆方向リーク電流の温度による増加は、ＮｉxＮ電極ＳＢＤで３．８×１０−１０Ａ（ＲＴ１回目）が６．８×１０−９Ａ（１７５℃）となり１８倍増加しているのに対し、Ｎｉ電極ＳＢＤでは６．０×１０−８Ａ（ＲＴ１回目）が３．５×１０−７Ａ（１７５℃）となり６倍しか増加しなかった。この結果から、ＳＢＨの不均一性はＮｉxＮ電極を用いることで小さくできる可能性があることが判る。この考察は、ＳＢＨの上昇具合からも裏付けられる。図１８を見ると、ＮｉxＮ電極ＳＢＤに関してもｎ値は温度の上昇と共に減少しＳＢＨは増加しており、Ｎｉ電極ＳＢＤ同様ＳＢＨの不均一性が確認された。しかし、温度変化によるＳＢＨの上昇値は、ＮｉxＮ電極では１．１９ｅＶ（ＲＴ１回目）から１．２５ｅＶ（１７５℃）になり０．０６ｅＶ増加したのに対し、Ｎｉ電極では１．０３ｅＶ（ＲＴ１回目）から１．１３ｅＶ（１７５℃）になり０．１０ｅＶ増加している。この増加量の違いもＮｉxＮ電極のＳＢＨの不均一性の抑制を示していると考えられる。これらのＳＢＨの不均一性は、一般的に金属材料、表面形状、表面欠陥、金属堆積中のプロセスなど多くの要因によって引き起こされる。本実施例では、ＮｉxＮ膜の堆積速度を遅くすることでＲＦパワーを小さくし、試料へのダメージをより小さく、またＮｉxＮ膜を比較的均一に成膜した。このことから、Ｎｉ，ＮｉxＮ電極ＳＢＤの両方にＳＢＨの不均一性が確認された一番の要因は、サファイア基板とＧａＮ材料の格子不整合による高い転位密度によるものと考えられる。これらの結果は、ＮｉxＮ電極ＳＢＤが高温時でもＮｉ電極ＳＢＤの逆方向リーク電流より小さい高温時において低損失なデバイスであり、かつ温度変化に対してＩ−Ｖ特性の変化を抑制する熱的に安定なデバイスであることを示している。
【００６３】
以上の通り、ＳＢＤの電極としてＮｉxＮ電極を用いることで、Ｎｉ電極やＴｉＮ電極よりも高温環境下で逆方向リーク電流が小さく、かつ熱的に安定的なＳＢＤの動作が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明の実施形態や実施例に係る医療用マイクロ波給電システム、医療用受電回路、ショットキーバリアダイオード及び医療用マイクロ波給電方法によれば、例えば患者が装着するパルスオキシメータや心電計、あるいは手術室や治療室に設置された器具の給電に好適に利用できる。
【符号の説明】
【００６５】
１１…絶縁基板
１１Ｂ…バッファ層
１２…アクセス層
１３…活性層
１４…アノード電極
１５…カソード電極
１６…エアブリッジ配線
２０…基板
２１…基材
２２…第一金属
２３…第二金属
２４…ビアホール
１０００…医療用マイクロ波給電システム
１００…受電回路
１００Ａ…シングルシャント型レクテナ回路
１００Ｂ…デュアルダイオード型レクテナ回路
１１０、１１０Ｂ…受電アンテナ
１１１…前段ローパスフィルタ回路
１１２…前段整合回路
１１３…整流素子
１１３Ａ、１１３Ｂ、１１３Ｃ…ショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）
１１４…後段整合回路
１１５…後段ローパスフィルタ回路
１１６…伝送線路
１１７、１１７Ｂ…平滑用キャパシタ
１１８…フレキシブルアンテナアレイ
２００…給電装置
２１０…給電アンテナ
２２０…給電回路
２２１…発振回路
２２２…増幅回路
２３０…給電用直流電源
ＭＤ…医療機器
ＲＭ…部屋
ＳＴ…構造物
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【手続補正書】
【提出日】令和1年11月26日(2019.11.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
医療機器にワイヤレスで給電を行う医療用マイクロ波給電システムであって、
給電回路を備える給電装置と、
前記給電回路からワイヤレスで給電される電力を受信し、整流するためのショットキーバリアダイオードを備える受電回路と、
を備え、
前記ショットキーバリアダイオードは、窒化ガリウム系ダイオードであり、その電極を窒化ニッケルで構成してなる医療用マイクロ波給電システム。
【請求項２】
請求項１に記載の医療用マイクロ波給電システムであって、
前記電極がＮｉxＮ電極（１≦Ｘ＜５）で構成されてなる医療用マイクロ波給電システム。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の医療用マイクロ波給電システムであって、
基板にビアホールを所定のパターンで形成してなる医療用マイクロ波給電システム。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の医療用マイクロ波給電システムであって、
前記受電回路がレクテナ回路を備え、
前記レクテナ回路が、複数のフレキシブルアンテナを配置したフレキシブルアンテナアレイを備えてなる医療用マイクロ波給電システム。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の医療用マイクロ波給電システムであって、
前記受電回路が、デュアルダイオードタイプである医療用マイクロ波給電システム。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の医療用マイクロ波給電システムであって、
前記受電回路が、シングルシャントタイプである医療用マイクロ波給電システム。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の医療用マイクロ波給電システムであって、
パルスオキシメータ又は心電計の給電を行う医療用マイクロ波給電システム。
【請求項８】
給電回路を備える給電装置からワイヤレスで電力を受けて医療機器に給電を行う医療用受電回路であって、
給電装置から受けた電波の整流を行うレクテナ回路と、
電極を備えるショットキーバリアダイオードと、
を備え、
前記ショットキーバリアダイオードは、窒化ガリウム系ダイオードであり、その電極を窒化ニッケルで構成してなる医療用受電回路。
【請求項９】
給電回路を備える給電装置からワイヤレスで電力を受けて医療機器に給電を行う医療用受電回路に用いられるショットキーバリアダイオードであって、
前記ショットキーバリアダイオードが、窒化ガリウム系ダイオードであり、
その電極を窒化ニッケルで構成してなるショットキーバリアダイオード。
【請求項１０】
医療機器にワイヤレスで給電を行う医療用マイクロ波給電方法であって、
閉塞空間内の壁面に、給電回路を備える給電装置を設置する工程と、
前記給電回路から、ワイヤレスで給電される電力を受電回路で受信し、電極を備えるショットキーバリアダイオードで整流する工程と、
を含み、
前記ショットキーバリアダイオードは、窒化ガリウム系ダイオードであり、その電極を窒化ニッケルで構成してなる医療用マイクロ波給電方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、医療用マイクロ波給電システム、医療用受電回路、ショットキーバリアダイオード及び医療用マイクロ波給電方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
無線で給電を行うワイヤレス給電方式として、各種の方式が提案されている。この内、マイクロ波を用いたマイクロ波給電システムが提案されているが、未だ実用化には至っていない（例えば特許文献１〜５及び非特許文献１〜２）。このようなマイクロ波給電が期待される分野として、医療分野が挙げられる。特に手術室で使用される医療機器や、患者に装着した医療機器、例えばホルター心電計やパルスオキシメータ、ペースメーカ等は、駆動電力を供給する必要があり、二次電池で駆動されている。しかしながら、二次電池の電池容量は制限があり、一般に大容量にするほどサイズが大きくなる。その一方で、患者に装着する医療機器においては小型、軽量化が求められるため、装置自体を小型軽量化しなければならず、いきおい二次電池も小型化せざるを得ないため、その容量は小さくなる。また一方では患者の状態を把握するため医療機器を２４時間駆動させる要求もあり、どうしても給電が必要となる。
【０００３】
医療機器を患者に装着したまま給電するには、医療機器に給電用のケーブルを接続して、医療機器側の二次電池を充電することが考えられる。しかしながら、充電にはある程度の時間がかかるため、ケーブルを装着したまま患者が移動する必要が生じ、この際ケーブルが絡まったり引っかかったりするおそれが懸念される。このように在宅医療や入院中の患者の行動範囲が、ケーブルによって制約を受けるのが実情である。また一方で、手術室で用いられる医療機器においても、多くの電源ケーブルが用いられているため、同様に絡まったり引っかかったりする問題が生じる。特に、医療スタッフや患者がケーブルにつまずいたはずみで、点滴や人工呼吸管などが外れ、重大な医療事故につながるおそれが懸念されている。
【０００４】
このような状況において、医療機器へのワイヤレス給電が実現されれば、ケーブル接続の手間やケーブルが絡まる、引っ掛かる等のリスクも低減、解消されて、取り回しが大きく改善されるものと期待される。また、ケーブルを不要とすることによるコスト削減や資源の節約にも寄与し得る。さらに医療機器への電池交換の失念や、充電用コンセントプラグの差し忘れによる未充電の問題も解消される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特公表２００９−５１３０９８号公報
【特許文献２】特許４８１１４０５号公報
【特許文献３】特開２０１８−１９１５０１号公報
【特許文献４】特開２０１４−１７５８６５号公報
【特許文献５】特開２０１３−０９４２２８号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】「ワイヤレス給電の技術概容」特許庁技術懇話会（２０１５年１１月３０日）ｎｏ．２７９
【非特許文献２】平成２６年度特許出願技術動向調査「非接触給電関連技術」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的の一は、医療機器へのワイヤレス給電に適した医療用マイクロ波給電システム、医療用受電回路、ショットキーバリアダイオード及び医療用マイクロ波給電方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
【０００８】
本発明の第１の側面に係る医療用マイクロ波給電システムによれば、医療機器にワイヤレスで給電を行う医療用マイクロ波給電システムであって、給電回路を備える給電装置と、前記給電回路からワイヤレスで給電される電力を受信し、整流するためのショットキーバリアダイオードを備える受電回路と、を備え、前記ショットキーバリアダイオードは、窒化ガリウム系ダイオードであり、その電極を窒化ニッケルで構成できる。上記構成により、高温時においてもショットキーバリアダイオードの逆リーク電流を低減して、発熱を抑制することが可能となる。特に、発熱による人体や機器への影響を考慮しなければならない医療機器において、発熱量を抑制することは極めて重要であり、安全かつ安定的に医療機器へのワイヤレス給電を実現することができる。
【０００９】
また、第２の側面に係る医療用マイクロ波給電システムによれば、上記構成に加えて、前記電極をＮｉxＮ電極（１≦Ｘ＜５）で構成できる。
【００１０】
さらに、第３の側面に係る医療用マイクロ波給電システムによれば、上記いずれかの構成に加えて、基板にビアホールを所定のパターンで形成することができる。上記構成により放熱性を向上できる。
【００１１】
【００１２】
さらにまた、第５の側面に係る医療用マイクロ波給電システムによれば、上記いずれかの構成に加えて、前記受電回路がレクテナ回路を備え、前記レクテナ回路が、複数のフレキシブルアンテナを配置したフレキシブルアンテナアレイを備えることができる。上記構成により、ワーキングディスタンスを拡大できる。
【００１３】
さらにまた、第６の側面に係る医療用マイクロ波給電システムによれば、上記いずれかの構成に加えて、前記受電回路をデュアルダイオードタイプとすることができる。
【００１４】
さらにまた、第７の側面に係る医療用マイクロ波給電システムによれば、上記いずれかの構成に加えて、前記受電回路をシングルシャントタイプとすることができる。
【００１５】
さらにまた、第８の側面に係る医療用マイクロ波給電システムによれば、上記いずれかの構成に加えて、医療機器としてパルスオキシメータ又は心電計の給電を行うことができる。
【００１６】
さらにまた、第９の側面に係る医療用マイクロ波受電回路によれば、給電回路を備える給電装置からワイヤレスで電力を受けて医療機器に給電を行う医療用受電回路であって、給電装置から受けた電波の整流を行うレクテナ回路と、電極を備えるショットキーバリアダイオードとを備え、前記ショットキーバリアダイオードは、窒化ガリウム系ダイオードであり、その電極を窒化ニッケルで構成できる。上記構成により、高温時においてもショットキーバリアダイオードの逆リーク電流を低減して、発熱を抑制することが可能となる。特に、発熱による人体や機器への影響を考慮しなければならない医療機器において、発熱量を抑制することは極めて重要であり、安全かつ安定的に医療機器へのワイヤレス給電を実現することができる。
【００１７】
さらにまた、第１０の側面に係るショットキーバリアダイオードによれば、給電回路を備える給電装置からワイヤレスで電力を受けて医療機器に給電を行う医療用受電回路に用いられるショットキーバリアダイオードであって、前記ショットキーバリアダイオードが、窒化ガリウム系ダイオードであり、その電極を窒化ニッケルで構成することができる。上記構成により、高温時においてもショットキーバリアダイオードの逆リーク電流を低減して、発熱を抑制することが可能となる。特に、発熱による人体や機器への影響を考慮しなければならない医療機器において、発熱量を抑制することは極めて重要であり、安全かつ安定的に医療機器へのワイヤレス給電を実現することができる。
【００１８】
さらにまた、第１１の側面に係る医療用マイクロ波給電方法によれば、医療機器にワイヤレスで給電を行う医療用マイクロ波給電方法であって、閉塞空間内の壁面に、給電回路を備える給電装置を設置する工程と、前記給電回路から、ワイヤレスで給電される電力を受電回路で受信し、電極を備えるショットキーバリアダイオードで整流する工程とを含み、前記ショットキーバリアダイオードは、窒化ガリウム系ダイオードであり、その電極を窒化ニッケルで構成することができる。これにより、高温時においてもショットキーバリアダイオードの逆リーク電流を低減して、発熱を抑制することが可能となる。特に、発熱による人体や機器への影響を考慮しなければならない医療機器において、発熱量を抑制することは極めて重要であり、安全かつ安定的に医療機器へのワイヤレス給電を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施形態１に係る医療用マイクロ波給電システムを示す模式図である。
【図２】医療用マイクロ波給電システムの給電回路と受電回路を示す回路図である。
【図３】シングルシャント型レクテナ回路を示す回路図である。
【図４】デュアルダイオード型の受電回路を示す回路図である。
【図５】一般的なレクテナ回路の変換効率と入力電力依存性の関係を示すグラフである。
【図６】図６Ａ、図６Ｂはアノード電極にＮｉを用いたＳＢＤの温度変化に関する電流−電圧特性を示すグラフである。
【図７】図７Ａ、図７Ｂはアノード電極にＴｉＮを用いたＳＢＤの温度変化に関する電流−電圧特性を示すグラフである。
【図８】ショットキーバリアダイオードを一例を示す模式断面図である。
【図９】図８のショットキーバリアダイオードの製造方法を示すフローチャートである。
【図１０】ＮｉxＮ電極ＧａＮ系ＳＢＤのＩ−Ｖ特性を示すグラフである。
【図１１】ＮｉxＮ電極ＧａＮ系ＳＢＤの順方向の対数、線形表示のＩ−Ｖ特性を示すグラフである。
【図１２】理想因子ｎとＳＢＨのＮ2ガス流量依存性を示すグラフである。
【図１３】ＮｉとＮｉxＮ電極ＳＢＤのＣ−Ｖ特性を示すグラフである。
【図１４】図１４ＡはＮｉ電極ＳＢＤの不純物分布を示すグラフ、図１４ＢはＮｉxＮ電極ＳＢＤの不純物分布を示すグラフである。
【図１５】比較例に係るＮｉ電極ＳＢＤの温度依存性（Ｉ−Ｖ特性）を示すグラフである。
【図１６】比較例に係るＮｉ電極ＳＢＤの温度依存性（ｎ値，ＳＢＨ）を示すグラフである。
【図１７】図１７Ａ、図１７Ｂは実施例に係るＮｉxＮ電極ＳＢＤの温度依存性（Ｉ−Ｖ特性）を示すグラフである。
【図１８】実施例に係るＮｉxＮ電極ＳＢＤの温度依存性（ｎ値，ＳＢＨ）を示すグラフである。
【図１９】受電回路の基板の断面図である。
【図２０】受電回路の基板の平面図である。
【図２１】フレキシブルアンテナアレイの例を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面に基づいて実施形態を詳細に説明する。なお、以下の説明では、必要に応じて特定の方向や位置を示す用語（例えば、「上」、「下」、及びそれらの用語を含む別の用語）を用いるが、それらの用語の使用は図面を参照した発明の理解を容易にするためであって、それらの用語の意味によって本発明の技術的範囲が制限されるものではない。また、複数の図面に表れる同一符号の部分は同一もしくは同等の部分又は部材を示す。なお、本明細書において「備える」とは、別部材として備えるもの、一体の部材として構成するものの何れをも含む意味で使用する。
【００２１】
さらに以下に示す実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための位置特定システム、位置特定装置、位置特定方法、位置特定プログラム及びコンピュータで読み取り可能な記録媒体並びに記録した機器を例示するものであって、本発明を以下に限定するものではない。また、以下に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、例示することを意図したものである。また、一の実施の形態、実施例において説明する内容は、他の実施の形態、実施例にも適用可能である。また、図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため、誇張していることがある。
【００２２】
本発明の実施形態１に係る医療用マイクロ波給電システムを、図１に示す。この医療用マイクロ波給電システム１０００は、部屋ＲＭの内部配置された一以上の医療機器ＭＤに対し、ワイヤレスで給電を行う。図１に示す医療用マイクロ波給電システムは、給電装置２００と、この給電装置２００から電波で給電されて駆動される医療機器ＭＤで構成される。医療機器ＭＤとしては、患者に装着される携行型の医療機器、例えばパルスオキシメータやホルター心電計等が好適に挙げられる。また、据え置き型の医療機器の給電に本実施形態に係る医療用マイクロ波給電システムを用いてもよい。さらに医療機器は、人間に装着するものの他、他の動物、例えばマウス、猫、犬、サル、鳥などに装着する機器も含む意味で使用する。
【００２３】
医療機器への給電方式には、遠非接触給電方式（Contactless remote method: Wireless power transmission (WPT) system in a shield box））と、近非接触給電方式（Contactless proximity method (ORS: Open-ring system)）が利用できる。本実施形態では、この内前者の遠非接触給電方式を利用している。この給電方式は、パッシブＲＦＩＤ等と呼ばれることもある。ここでは、手術室や診察室、観察室、入院室など、医療機器を配置する部屋ＲＭを、電磁波や電波を遮蔽する閉塞空間としている。例えば部屋の壁や床、天井を、電磁波を遮蔽、あるいは吸収する材質で構成したり、表面に電磁波吸収材や電磁波遮蔽材を塗布する等して、室外に電磁波が漏洩しないようにしている。図１の例では、他の電波からの干渉を比較的を受けにくい帯域である２．４ＧＨｚを用いている。また、部屋ＲＭを模した試験として、金属製の箱の内部に実施例に係る医療用マイクロ波給電システムを配置して、ワイヤレス給電の試験を行い、１〜１５ｃｍの範囲内で給電装置２００から医療機器ＭＤへの給電がなされていることを確認した。
【００２４】
給電装置２００は、給電アンテナ２１０と、給電回路２２０を備える。また給電装置２００は、給電のための電磁波や電波を室内に送信する他、医療機器からの信号を受信する受信回路を備えてもよい。あるいは、医療機器からの信号を受信し収集する受信装置を、給電装置とは別途設けてもよい。
【００２５】
医療機器ＭＤは、給電装置２００から給電される電力を受信する受電回路１００を備えている。ここで、医療用マイクロ波給電システムの給電回路２２０と受電回路１００を示す回路図を、図２に示す。この医療用マイクロ波給電システムは、直流電源７１に接続される給電回路２２０と、直流電源を必要とする医療機器ＭＤに接続される受電回路１００とにより構成される。給電回路２２０においては、給電用直流電源２３０から発振回路２２１に直流電源が供給され、発振回路２２１の出力が増幅回路２２２で増幅され、増幅回路２２２に接続された給電アンテナ２１０から電力がマイクロ波として伝送される。受電回路１００においては、給電回路２２０の給電アンテナ２１０から伝送されたマイクロ波が受電アンテナ１１０で受信され、受電回路１００で整流されて直流電源が出力され、医療機器ＭＤに供給される。
【００２６】
図２の医療用マイクロ波給電システム１０００の例では、給電回路２２０から給電アンテナ２１０を介して給電された電力を、受電アンテナ１１０で受信し、受電回路１００で変換して、負荷である医療機器ＭＤを駆動している。なお負荷として、医療機器を駆動する二次電池を用いてもよい。この場合は、電力を二次電池に充電し、二次電池を放電させることで医療機器を駆動する。アンテナは放射ユニットを有する。
【００２７】
図２に示す受電回路１００は、前段ローパスフィルタ回路１１１と、前段整合回路１１２と、整流素子１１３と、後段整合回路１１４と、後段ローパスフィルタ回路１１５を備える。受電回路１００は、レクテナ（Rectifying Antenna）回路で構成される。レクテナ回路は、マイクロ波等の電波や電磁波を直流電流に変換する回路である。このレクテナ回路は、給電回路２２０から給電アンテナ２１０を介して送信された電波を受電アンテナ１１０で受け、整流するための整流素子１１３として、ショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）を備える。ＳＢＤは、その電極を窒化ニッケルで構成している。これにより、高温時においてもＳＢＤの逆リーク電流を低減して、発熱を抑制することが可能となる。特に、発熱による人体や機器への影響を考慮しなければならない医療機器において、発熱量を抑制することは極めて重要であり、安全かつ安定的に医療機器へのワイヤレス給電を実現することができる。この医療用マイクロ波給電方法は、部屋ＲＭの閉塞空間内の壁面に、給電回路２２０を備える給電装置２００を設置する工程と、給電回路２２０から、ワイヤレスで給電される電力を受電回路１００で受信し、電極を備えるＳＢＤで整流する工程とを含む。
【００２８】
本実施形態においては、医療器機器に無線すなわちワイヤレスで給電を行う給電システムであり、給電方式にはマイクロ波給電を用いている。ワイヤレスで電力を伝送する技術としては、主に電磁誘導型、共鳴型、電波受信型が知られている。この内電波受信型は、電波や電磁波を送電の媒体として利用する。電波受信型の送電方式においては、送電側から発信した電波を受信側のアンテナで受信し、直流電力に整流する。この方式の利点は、送電効率の低下を許容した場合、送電距離を数十ｍ程度とでき、他の電磁誘導型や共鳴型の送電方式に比べて格段に距離を伸ばすことができることが挙げられる。一方で、電波が送電中に拡散してしまうため送電効率が低くなり、これに伴い送電可能な電力も数ｍＷ程度と微小になることがデメリットである。用途としてはＲＦタグやＦｅｌｉＣａ等のＩＣカードといった小電力での利用が一般的で、大電力での電力伝送はまだ普及していない。しかし、長距離送電が可能であるという最大の利点を生かすため、電波拡散が抑制できるＧＨｚ帯以上の周波数の高い電波を用い、さらに送受信アンテナには位相をコントロールできるフェイズドアレイアンテナを使用し電力を一点に集めることで高効率な長距離電力送電を可能にしようと研究されている。ここでは、電波受信型の中でも高効率な長距離の伝送が期待されているマイクロ波を用いて電力を伝送する。高い周波数帯の電波であるマイクロ波を用いることで、電波の拡散を抑制できる。またマイクロ波を用いることで、システム全体の大きさを小さくすることもできる。
【００２９】
給電側において、電波を用いて電力給電するには、ヘテロ構造電界効果型トランジスタ（Hetero-junction Field Effect Transistor：ＨＦＥＴ）やマグネトロンを用いた発信回路で直流電流（ＤＣ）を高周波電流に変換し、アンテナを使って電波（ＲＦ）にすることで空間に効率よく放出させる。マイクロ波帯の中では低い数ＧＨｚ帯の周波数で数百Ｗ以下の小電力用の発振回路には高移動度トランジスタ（high-electron-mobility transistor：ＨＥＭＴ）が使われている。半導体デバイス系は小型化が可能なため集積に向いていることが特長である。９０年代後半からは窒化ガリウム（ＧａＮ）を初めとしたワイドバンドギャップ半導体の研究が盛んになり、更なる高周波帯かつ数百Ｗ以上の高出力帯での応用が期待されている。一方、大きな出力や数十ＧＨｚ以上の高い周波数が必要な場合には今でもマグネトロンが使われている。真空管系の利点は、大きな出力が求められる発信回路のコストを半導体より安くすることができることである。
【００３０】
一方受電側では、電波を受け取るレクテナ回路と呼ばれる、アンテナに整流回路が組みこまれた回路を用いる。アンテナはＲＦを受信するため、表皮効果などによって損失が発生しやすくなる。また複数のアンテナの出力を組み合わせて大きな電力を取り出そうとすると各アンテナからの電流の位相を合わす必要性が生まれ設計及び製造が複雑になる。レクテナ回路はアンテナの直近に設けた整流器でＲＦ／ＤＣ変換することで、ＲＦ伝送によって発生する損失を最低限にすることが可能とする。整流器には少数キャリア注入が引き起こす不活性効果がないＳＢＤを使い整流することが主流である。
【００３１】
レクテナ回路の整流回路方式としては、図３に示すシングルシャント型のレクテナ回路１００Ａや、図４に示すデュアルダイオード型レクテナ回路１００Ｂが利用できる。一方、図３に示すシングルシャント型レクテナ回路１００Ａでは、ＳＢＤ１１３Ａ、伝送線路１１６、および平滑用キャパシタ１１７を備える。図４のデュアルダイオード型レクテナ回路１００Ｂは、ＳＢＤ１１３Ｂ、１１３Ｃ、平滑用キャパシタ１１７Ｂを備える。デュアルダイオード型レクテナ回路をプリント基板上に実現する場合には、ＳＢＤを用いることによりλ／４線路等の伝送経路が不要となるので、シングルシャント型レクテナ回路よりも小型化が可能である。
【００３２】
なお給電回路２２０では、例えばＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＨＦＥＴからなるＦ級増幅器を用いることにより８０％以上の高効率を実現することができ、この給電回路２２０もトランジスタチップとλ／４以下のスタブ数本で構成することができる。電力はプラスチック板を通して給電できるので、給電側、受電側共に、完全にプラスチック膜などで覆うことができ、防水、防塵のコネクタを実現することができる。
【００３３】
シングルシャント型のレクテナ回路では、一のＳＢＤで全波整流が可能である。一般にダイオードはＯＮ／ＯＦＦスイッチの働きをするため、一個つでは半波整流回路にしかならず１００％の変換効率は望めないが、シングルシャント回路ではＳＢＤを負荷に対して並列に挿入し、後段整合回路１１４を用い整合をとることで、高効率のＲＦ／ＤＣ変換効率が実現可能な回路となっている。後段整合回路１１４は、λ／４線路等の伝送経路１１６や平滑用コンデンサ１１７で構成される。ただ、実際にはダイオードの内部パラメータの影響によって変換効率は１００％にはならない。ダイオードの内部パラメータとして重要になるのは立ち上がり電圧（ＶＪ）、ブレークダウン電圧（Ｖｂｒ）、直列抵抗、逆方向リーク電流、寄生容量である。ここで、一般的なレクテナ回路の変換効率と入力電力依存性の関係を図５のグラフに示す。レクテナ回路の最大の最大変換効率はＶＪ，Ｖｂｒ，高調波の影響によって決まることが確認できる。直列抵抗の増加はＶＪに、逆方向リーク電流の増加はＶｂｒに影響し、下駄をはかせたように変換効率を低下させる。後述する本実施例においては、５．８ＧＨｚで７３％の高効率を実現した。
【００３４】
次に、ＳＢＤを構成する半導体について検討する。近年、窒化ガリウム（ＧａＮ）や炭化ケイ素（ＳｉＣ）を代表とするワイドバンドギャップ半導体が次世代パワーデバイス材料として注目されている。ワイドバンドギャップ半導体は、高絶縁破壊電界、高電子移動度という物性値から高耐圧、低抵抗、低容量、高温動作が可能という特長からシリコン（Ｓｉ）半導体デバイスの性能を超えるデバイス材料として期待されている。ワイドバンドギャップ半導体以外にもＳｉデバイスの性能を上回る材料としてガリウム砒素（ＧａＡｓ）がある。ＧａＡｓがヘテロ接合（異種半導体接合）を形成することを利用し開発されたＨＦＥＴは、電子移動度が大きく高周波動作が可能である。このＧａＡｓを用いたＨＦＥＴデバイスは光通信や無線通信の普及に大きく貢献し、今日の情報化社会を築き上げてきた。ただ、現在では半導体の高寿命である利点と真空管程度の高出力、高周波をあわせ持ったデバイスが求められており、ワイドバンドギャップ半導体の研究開発が盛んになっている。
（窒化物半導体に対する窒化物電極の安定性）
【００３５】
ＧａＮはバンドギャップが大きいことからＳｉ半導体では応用が困難な高温環境でも使えるデバイスとして注目されている。そのため、ＧａＮデバイスは電気自動車の車載部品や宇宙ロケット、高温センサーなどの高温環境下での使用が想定されている。このような高温環境下で使用できる利点としては、高温環境での使用に不向きなＳｉデバイスなどは安定な動作を保証するために冷却装置を用意する必要があったのに対し、冷却装置を簡略化又は省略できることが挙げられる。
【００３６】
しかしながら、ＧａＮを高温環境下で用いる場合やデバイスの抵抗によって発生するジュール熱が大きい場合は、動作中にデバイス温度の変化によって電気特性の変化や劣化を引き起こす可能性がある。この問題に対しての解決策としては温度変化に安定な金属／ＧａＮ界面をもつ電極の実現が挙げられる。そこで本発明者らは、電極として、ＧａＮとの界面での反応を従来の純金属に比較して抑制する働きがあると考えられる窒化金属を用いて、温度的に安定的な界面を開発した。
【００３７】
図６Ａ、図６Ｂは、アノード電極にＮｉ用いた最も一般的なＳＢＤの温度変化に関する電流−電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）であり、図７Ａ、図７Ｂはアノード電極に窒化物である窒化チタン（ＴｉＮ）を用いたＳＢＤのＩ−Ｖ特性である。Ｉ−Ｖ測定では基板温度を室温（ＲＴ）→７５℃→ＲＴ→１２５℃→ＲＴ→１７５℃→ＲＴと変化させている。Ｎｉ電極を用いたＳＢＤの順方向電気特性（ＲＴ時）が徐々に変化しているのに対し、ＴｉＮの順方向はＲＴ時において常に同じ特性を示している。これはＴｉＮがＮｉに比べ温度変化による電極の変化劣化現象を抑制する可能性を示している。また、逆方向のＩ−Ｖ特性に関してもＴｉＮ電極は温度に依存して逆方向リーク電流が増大する傾向を示し、Ｎｉ電極では温度変化への依存が小さいように読み取れる。これは、ＴｉＮ電極の方がＮｉ電極よりもショットキー障壁高さ（schottky barrier height：ＳＢＨ）が低いことはもちろん、ＴｉＮ／ＧａＮ界面がＮｉ／ＧａＮ界面に比べ準位を作りにくく比較的、良好な界面を形成したため熱電子放出モデルに従ったものだと推測される。これらの結果から窒化物金属を用いた電極は窒化物半導体に対して熱的な安定性をもたらすのに有効であると考えられる。また、ＴｉＮ電極は低いＳＢＨから立ち上がり電圧を低減させることも可能にしている。一方で、高温環境下での使用を前提とした場合、ＴｉＮ電極のリーク電流は非常に大きいため、高温でもリーク電流が低く温度変化に対して安定的な電極が求められる。
【００３８】
通常のＮｉ電極を用いたＧａＮ系ＳＢＤは高温環境下でのデバイス動作によって電気的特性が変化することが報告されており、熱的に安定とは言えない。また、高温環境下での使用を前提とした場合、ＴｉＮ電極のリーク電流は非常に大きく損失やデバイスの低寿命につながると考えられる。これに対し本実施形態に係る医療用マイクロ波給電システムでは、ＳＢＤの電極に窒化物金属である窒化ニッケルを用いることで、従来のＮｉ電極に対して熱的に安定であり、逆方向リーク電流の小さい低損失なデバイスを実現している。
【００３９】
一般的なダイオードはＰＮ接合でダイオード特性を有するのに対して、ＳＢＤは金属と半導体との接合によって生じるショットキー障壁を利用している。ＳＢＤは、ＰＮ接合のダイオードと比較して一般に順方向電圧（ＶＦ）特性が低く、スイッチング特性が速い。ただしリーク電流（ＩＲ）が大きく、熱設計が不十分な場合は熱暴走を起こしてしまう欠点があった。これに対して本実施形態に係るＳＢＤでは、窒化ニッケル電極を用いることで、従来のニッケル電極を用いたＳＢＤに比べ、高温時でも逆リーク電流を小さく抑えることができ、低損失とすることが可能となる。窒化ニッケルは、ＮｉxＮ（１≦Ｘ＜５）を用いることが好ましい。Ｘが１より小さい電極では、特性が安定しない。またＸが５以上のものは作成が困難であった。よって１≦Ｘ＜５の範囲の窒化ニッケルを電極として用いることで、特性がより安定したＳＢＤを実現できる。
【００４０】
ＳＢＤは、窒化ガリウム（ＧａＮ）系ダイオードとしている。ＧａＮ系ダイオードは低損失、高耐圧という利点を有しつつ、高周波特性が優れる。またＧａＮは、ＳｉＣと違い、サファイア基板やＳｉ基板といった安価な基板と格子定数が近いため、これらを成長基板として利用でき、ＳｉＣと比べコスト低減が期待できる。またＧａＮは、ＳｉＣ程硬くないため、加工し易い利点も得られる。さらにＧａＮ系ダイオードはＧａＡｓ等と同様にＡｌＧａＮ／ＧａＮ  ＨＥＦＴをはじめとするヘテロ構造の高移動度のデバイスを実現できる。またＧａＮはバンドギャップが３．３９ｅＶと大きく、絶縁破壊電界は３．３×１０６Ｖ／ｃｍとＳｉやＧａＡｓよりも８〜１０倍大きい。また電子飽和速度も、２．５×１０７ｃｍ／ｓと他の半導体材料と比較して大きい。高周波特性の指標の一である遮断周波数は、電子飽和速度とチャネル長で決まり、ＧａＮは他の半導体より高い値を示すため、高周波デバイスとしても期待できる。マイクロ波無線電力伝送においても高周波動作かつ大電力を給電するためにパワーデバイス動作が求められる。そのため、ＧａＮ系ダイオードを用いることのメリットは非常に大きい。
【００４１】
ＳＢＤの一例を、図８の模式断面図に示す。このＳＢＤは、給電回路を備える給電装置からワイヤレスで電力を受けて医療機器に給電を行う医療用受電回路に用いられる。図８は、エアブリッジ配線構造を有するＧａＮ系ＳＢＤの模式断面図である。このＳＢＤは、絶縁基板１１上に、必要に応じてバッファ層１１Ｂと、アクセス層１２と、活性層１３を順にエピタキシャル成長させている。またバッファ層１１Ｂとアクセス層１２をエッチング等で分離させ、一方にアノード電極１４を、他方にカソード電極１５を、それぞれ設けている。アノード電極１４は、活性層１３にショットキー接触している。カソード電極１５は、アクセス層１２にオーミック接触している。カソード電極１５のコンタクト抵抗は、低抵抗オーミック抵抗である。また各アノード電極１４間は金属配線であるエアブリッジ配線１６により接続されている。図８の例ではエアブリッジ配線１６は、Ａｕ／Ｎｉ／Ａｕ層の上面にＡｕ層を形成した多層構造としている。
【００４２】
絶縁基板１１は、特に限定されず、必要に応じて選ぶことができるが、例えば、サファイア基板、半絶縁性ＳｉＣ基板、半絶縁性ＧａＡｓ基板などである。
【００４３】
アクセス層１２および活性層１３を構成する半導体は、特に限定されないが、例えば、ＧａＮ系半導体（ＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＧａＩｎＮなど）、ＧａＡｓ系半導体（ＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓなど）、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体（ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＰなど）、ＺｎＳｅ系半導体（ＺｎＭｇＳＳｅ、ＺｎＳＳｅ、ＺｎＣｄＳｅなど）、ＺｎＯ系半導体、ＳｉＣ系半導体などである。好適にはバンドギャップが広く高耐圧を実現できるＧａＮ系半導体を用いる。
【００４４】
アクセス層１２は、アクセス抵抗の低減を図るため、好適には、ドナー濃度が十分に高い低抵抗のｎ+型半導体からなる。図８の例では、アクセス層１２はｎ+−ＧａＮ層としている。
【００４５】
一方活性層１３は、アノード電極１４がショットキー接触することができるものであり、典型的にはｎ型半導体からなり、そのドナー濃度は所望のダイオード特性によって決まる。図８の例では、活性層１３はｎ-−ＧａＮ層で構成している。
【００４６】
アノード電極１４は、活性層１３とショットキー接触することができるショットキー金属で構成される。ショットキー金属は、活性層１３を構成する半導体に応じて選択される。この例では、上述の通りアノード電極１４を構成するショットキー金属を窒化ニッケルとしている。実施例においては、耐圧２０Ｖ、４０Ｖ、１００Ｖの三種類のＧａＮ系ＳＢＤのエピタキシャル構造を成長させた。ここではＧａＮ系ＳＢＤのフォトマスクを設計し、三種類のＧａＮ系ＳＢＤエピタキシャル構造を用いて、デバイスを試作した。
【００４７】
カソード電極１５は、アクセス層１２とオーミック接触することができるオーミック金属からなる。オーミック金属は、アクセス層１２を構成する半導体に応じて、従来公知のものの中から適宜選ばれる。
【００４８】
なお図８の例では、一のＳＢＤを示しているが、複数のＳＢＤを用いてもよい。例えばＳＢＤのアレイ構造としてもよい。またマルチドット型ＳＢＤとしてもよい。さらにアノード電極を複数に分割してもよい。複数に分割された各アノード電極間は、金属配線を構成するエアブリッジ配線により接続される。一列の各アノード電極間を接続する各エアブリッジ配線はその一端で互いに接続される。分割されたアノード電極は全体としてくし形としてもよい。あるいはカソード電極を全体として細長い長方形の形状とし、カソード電極の長辺に沿ってカソード金属配線をカソード電極に電気的に接続してもよい。
【００４９】
ＳＢＤを実装する受電回路の基板には、ビアホールを所定のパターンで形成することができる。これにより、放熱性を向上できる。このような基板の例を、図１９の断面図及び図２０の平面図に示す。この図に示す基板２０は、板状の基材２１で構成し、この基材２１の上面に第一金属２２を、基材２１の下面に第二金属２３を、それぞれ被覆している。さらに基材２１には、複数のビアホール２４を所定の間隔で形成している。このように単一のビアホールでなく複数のビアホール２４をアレイ状に設けたことで、冷却性能を向上させている。各ビアホール２４は円錐状に形成されている。好ましくは、テーパー状に形成される。円錐状やテーパー状に形成されたビアホール２４は、上部の微小な領域によって寄生パラメータを低減できる。一方でビアホール２４の下方の広い領域で放熱性を改善し、基板２０に実装された受電回路の回路特性を向上できる。図２０の例では、ビアホール２４はマトリックス状に等間隔で配置した構成を示しているが、本発明はビアホールのパターンをこの構成に限定するものでない。ビアホールの形状やアレイのパターンは、仕様等に応じて適宜変更できる。
【００５０】
さらに受電回路を構成するレクテナ回路は、複数のフレキシブルアンテナを配置したフレキシブルアンテナアレイを備えることもできる。アンテナアレイは可撓性のある部材で構成できる。また湾曲乃至折曲させた部分を加えて構成してもよい。これに応じてアンテナの放射ユニットは従来の三角形状に限らず特定の形状に調整される。このように放射ユニットの形状を設計することで、電気的特性を低下させることなく湾曲部分のアンテナの放射範囲を確実に包含できる。これにより、ワーキングディスタンスと受電回路及びアンテナの傾斜角度範囲を拡大することが可能となる。図２１に、複数のフレキシブルアンテナを配置したフレキシブルアンテナアレイで受電アンテナ１１０Ｂを構成した例を示す。この図に示す受電アンテナ１１０Ｂは、円筒状の構造物ＳＴの周囲にフレキシブルアンテナアレイ１１８を配置している。このように円筒状や円錐状、多面体状等の等角構造物の外周にフレキシブルアンテナアレイ１１８を配置することで、無指向アンテナや指向性アンテナの特性を実現できるようになる。
（ＧａＮ系ＳＢＤの製造方法）
【００５１】
ＮｉxＮ電極のショットキー特性を確認するため、実施例１に係るＧａＮ系ＳＢＤを試作してその特性を測定した。ここで実施例１に係るＮｉxＮ電極を用いたＧａＮ系ＳＢＤの製造方法を、図９のフローチャートに基づいて以下説明する。
【００５２】
まずＧａＮウエハを最初にダイサーで１ｃｍ角にカットしデバイス作製に用いた。作製開始時にまずサンプル洗浄を行う。洗浄はＳＰＭ洗浄（Ｈ２ＳＯ４：Ｈ２Ｏ２＝４：１）を行い、その後アセトン，メタノール，純水を用いて十分に洗浄する。洗浄後、光学顕微鏡で２０倍程度の倍率で大きな汚れがないか確認している。次にオーミック電極をｎ−ＧａＮ上に形成する。オーミック電極は光学露光（密着法）によってパターニングし、マグネトロンスパッタによってＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ（５０／２００／４０／４０ｎｍ）堆積した。リフトオフの後、Ｎ2ガス雰囲気中で８５０℃３分間アニールを行いオーミック電極を形成した。ここでのアニールは金属（Ｔｉ／Ａｌ：５０／２００ｎｍ）が半導体側に金属拡散し密着性を良くすることを狙っている。最後にショットキー電極をｎ−ＧａＮ上に形成する。ショットキー電極もオーミック電極と同様に光学露光によって目合わせを行いパターニングされる。パターニング後、オーミックアニールやＯ２プラズマアッシングによってウエハ表面に形成される可能性のある酸化物層を希塩酸（ＨＣｌ）に５分間浸けることで除去する。そして上述した反応性スパッタによってＮ2ガス流量を変えることでＮｉxＮ（Ｎｉ）を１００ｎｍ堆積し、そのカバー層としてＡｕを４０ｎｍ堆積させた。また、ショットキー電極／ＧａＮ界面の接触品質と均一性を上げるために試料をＮ2ガス雰囲気中で３００℃１０分間アニールを行った。これにより直径が２００μｍの円形ショットキー電極とそれを囲むようなオーミック電極が５μｍ離れたところに形成されたＳＢＤが得られた。
（ＮｉxＮ電極を用いたＧａＮ系ＳＢＤの電気特性評価）
【００５３】
以上のようにして得られた実施例１に係るＧａＮ系ＳＢＤの電気特性評価について、以下説明する。実施例１では各Ｎ2ガス流量で作製したＮｉxＮ電極のショットキー特性評価として理想因子ｎと、ショットキー障壁高さ（ＳＢＨ）を求め、また逆方向リーク電流から評価した。理想因子ｎとＳＢＨは順方向のＩ−Ｖ測定（ＤＣ）から導くことができる。実施例１ではＩ−Ｖ測定時にはＡｇｉｌｅｎｔ社の半導体パラメータアナライザ（４１５５Ｃ）を用いて測定した。各Ｎ2ガス流量（０，１，３，５，１０，１５，２５，４０ｓｃｃｍ）で作製した８種のＮｉxＮ電極ＧａＮ系ＳＢＤの典型的なＩ−Ｖ特性を図１０に示す（測定デバイスは各２０ヶ所以上測定した）。また、この順方向の対数、線形表示のＩ−Ｖ特性を図１１に示す。
【００５４】
ＮｉxＮ電極ＧａＮ系ＳＢＤの立ち上がり電圧はＮ2ガス流量を低い（０，１，３ｓｃｃｍ）中間（５，１０，１５ｓｃｃｍ）高い（２５，４０ｓｃｃｍ）と分類すると流量の増加にともない増加し、さらに増加すると低下する傾向を示した。また熱電子放出モデルを用いて順方向の対数表示の線形領域から理想因子ｎとＳＢＨのＮ2ガス流量依存性について求めたのが図１２になる。また理想因子ｎとＳＢＨは無作為に選んだ２０のデバイスのＩ−Ｖ特性から求めておりその平均値と標準誤差をグラフ化した。
【００５５】
Ｎｉ電極ＳＢＤのｎ値は１．１２でありＳＢＨは１．０３ｅＶであった。これに対しｎ値は流量変化に対して１．０４〜１．２７の間に収まっており、キャリアの輸送現象が熱電子放出モデルに支配されていることが分かった。またＳＢＨは１５ｓｃｃｍのとき最大になりｎ値は１．０９でありＳＢＨは１．２１ｅＶであった。また、Ｎｉ電極ＳＢＤ以外の全てのＳＢＤにおいてＳＢＨはＮｉ電極ＳＢＤのＳＢＨよりも高い値を示した。一方で高いＮ2ガス流量になるにつれてｎ値が上昇しＳＢＨは減少した。これはＡＦＭやＸＰＳ，ＳＩＭＳ，ＥＤＳから分かるように表面粗さの増加やＯ，Ｃの混入が原因で電気特性が変化したと考えられる。次に逆方向リーク電流について評価する。逆方向リーク電流は単純にＳＢＨに依存しているわけではなかった。しかし、Ｎ2ガス流量が５〜１５ｓｃｃｍにおいてＮｉよりも小さいリーク電流を示した。この結果は純粋なＮｉxＮ膜の形成が逆方向リーク電流の低減に寄与している可能性を示唆している。またＸＲＤの結果より１５ｓｃｃｍのときに支配的なＮｉ3Ｎの相がｎ値を改善しＳＢＨを向上させ逆方向リーク電流の低減に有効な電極であると考えられる。また１５ｓｃｃｍで作製されたＮｉxＮ電極ＧａＮ系ＳＢＤはＮｉと比較してＳＢＨが０．１８ｅＶ高く、逆方向リーク電流が２桁低減させた。
（ＮｉxＮ電極を用いたＧａＮ系ＳＢＤのＣ−Ｖ特性）
【００５６】
容量−電圧測定（Ｃ−Ｖ測定）を行うことで、実施例で用いたＧａＮウエハのｎ−ＧａＮ層の不純物濃度を調べると共に、本実施例で用いたＮｉxＮ電極またはそのＧａＮとの界面に電荷が捕獲されるかを確認するためにＣ−Ｖ測定を行った。また、Ｃ−Ｖ測定からもＳＢＨを求めＩ−Ｖ測定の信憑性を確認した。Ｃ−Ｖ測定にはＬＣＲメータ（Ａｇｉｌｅｎｔ４２８４Ａ）を用いて、周波数は１ＭＨｚで行った。測定した試料はＮｉ電極ＳＢＤと逆方向リーク電流の低減に有効であったＮ2ガス流量が１５ｓｃｃｍで作製したＮｉxＮ電極ＳＢＤの２サンプルであり、測定結果を図１３に示す。
【００５７】
静電容量（Ｖ＝０）を比較するとＮｉ電極ＳＢＤは１１．５ｐＦでＮｉxＮ電極ＳＢＤで１０．２ｐＦであった。このことはＮｉxＮ電極の方がよりＶ＝０のときに空乏層幅が広がっていることを示し、ＧａＮに対してＳＢＨの高い電極の形成を意味している。また容量が０になる電圧（立ち上がり電圧）がＮｉxＮ電極の方が大きいことからもこのことは確認できる。またＣ−Ｖ測定はダブルモードで行っているが、行き（２Ｖ→−１０Ｖ）と帰り（−１０Ｖ→２Ｖ）においてＮｉ，ＮｉxＮ電極ＳＢＤ共に容易に分かるヒステリシスは確認されなかった。このことは、ＮｉxＮ電極が電気的特性においての安定的であることの１つの証拠となる。
【００５８】
このＣ−Ｖ特性から求めた不純物分布のグラフを図１４Ａ、図１４Ｂに示す。この結果はＮｉ，ＮｉxＮ電極のＣ−Ｖ測定から共に１．６×１０１９（ｃｍ-3）程度のエピ構造通りの不純物濃度が確認され、また深さ方向に関してもおおよそ一定に不純物が分布していることを示す。またＣ−Ｖ測定から求めたＳＢＨはＮｉ電極ＳＢＤで１．０３ｅＶ、ＮｉxＮ電極ＳＢＤで１．１９ｅＶとなりＩ−Ｖ測定で導いたＮｉ電極ＳＢＤで１．０３ｅＶ、ＮｉxＮ電極ＳＢＤで１．２１ｅＶと同等のＳＢＨを示した。これらの結果はＮ2ガス流量１５ｓｃｃｍでＮｉxＮ電極を成膜することで、Ｎｉ電極に比べＳＢＨを０．１７ｅＶ前後向上させ、またＳＢＨの向上と共に逆方向リーク電流を２桁低減することを示した。
（ＮｉxＮ電極を用いたＧａＮＳＢＤの温度特性評価）
【００５９】
上述の通りＮｉ電極を用いたＧａＮ系ＳＢＤでは、高温環境下でのデバイス動作によって電気的特性が変化することが報告されており、熱的に安定とは言えない。また、熱的に安定的であると報告されたＴｉＮ電極を用いたＧａＮ系ＳＢＤも、高温時の逆方向リーク電流が大きく、高温環境下での使用はエネルギー損失やデバイス寿命の面で不十分である。これに対して本実施形態に係るＮｉxＮ電極を用いたＧａＮＳＢＤでは、Ｎｉ電極ＳＢＤより２桁の逆方向リーク電流低減を可能にし、かつＴｉＮと同様に窒化金属としている。以下、ＮｉxＮ電極ＳＢＤの温度特性の評価について説明する。
（ＧａＮ系ＳＢＤの温度特性の評価方法）
【００６０】
測定試料は上述したプロセスフローと同じ手順で作製している。また、測定デバイスも直径が２００μｍの円形ＳＢＤを用いて測定を行った。Ｉ−Ｖ測定はＡｇｉｌｅｎｔ社の半導体パラメータアナライザ（４１５５Ｃ）を用いて行った。またデバイス温度は、ＶＢＡプログラムによって制御されたシリコンラバーヒータでサンプルステージの温度を変えることで変化させた。また温度は、室温（ＲＴ）→７５℃→ＲＴ→１２５℃→ＲＴ→１７５℃→ＲＴと変化と変化させた。ＲＴより高い温度の測定後に、再びＲＴでのＩ−Ｖ特性を測定したのは、温度上昇の変化に対してＳＢＤの特性が変化していないかを確認するためである。
（比較例に係るＮｉ電極ＳＢＤの温度特性）
【００６１】
まず比較例に係るＮｉ電極ＳＢＤの温度特性を図１５に、その理想因子ｎとＳＢＨの温度依存性を図１６に、それぞれ示す。この内図１５は、Ｎｉ電極ＳＢＤの逆方向のＩ−Ｖ特性（左）と順方向の対数，線形表示のＩ−Ｖ特性（右）を表している。Ｎｉ電極ＳＢＤの順方向のＩ−Ｖ特性を見ると、４回目のＲＴ（２５℃）のとき、低い電圧においてＩ−Ｖ特性が変化していることが分かる。また逆方向のＩ−Ｖ特性を見ても、１７５℃時の低い電圧において大きな電流が流れている。さらに、−１０Ｖ時で比較しても３，４回目のＲＴ（２５℃）時の逆方向リーク電流は、７５℃のそれと同等程度流れており、逆方向リーク電流は初期に比べ大きくなっている。これらの現象はＮｉ電極ＳＢＤの弱い劣化を示している。この劣化は、温度変化によってＮｉ／ＧａＮ界面のＮｉ金属とＧａＮのＮが反応することでＮｉ−Ｎ合金を形成させ、ＧａＮ界面にＮ空孔を生じさせたことが原因と思われる。次に、ｎ値とＳＢＨについて評価する。図１６を見ると、ｎ値は温度の上昇と共に減少し、一方でＳＢＨは増加している。この現象はＳＢＨの不均一性によるものである。ＳＢＨの不均一性は、低温時に電子が低い障壁を優先的に通り流れる電流が支配的であり、高温時には電子が障壁を越えるのに十分なエネルギーを持つことで障壁を越える電流が支配的になることより生じるＳＢＨの変化のことである。
（ＮｉxＮ電極ＳＢＤの温度特性）
【００６２】
次に実施例に係るＮｉxＮ電極ＳＢＤの温度特性を図１７Ａ、図１７Ｂに、その理想因子ｎとＳＢＨの温度依存性を図１８に、それぞれ示す。この内図１７Ａ、図１７Ｂは、ＮｉxＮ電極ＳＢＤの逆方向のＩ−Ｖ特性（左）と順方向の対数，線形表示のＩ−Ｖ特性（右）のを表している。ＮｉxＮ電極ＳＢＤの逆方向リーク電流は全ての温度においてＮｉ電極ＳＢＤのＲＴでの逆方向リーク電流より小さく良好な整流特性を示した。また、全ての温度変化後で順方向Ｉ−Ｖ特性はＮｉ電極ＳＢＤで見られたＩ−Ｖ特性の変化は見られず、立ち上がり電圧も温度に依存してシフトした。逆方向Ｉ−Ｖ特性に関しても全てのＲＴで３．６×１０−１０Ａ程度の逆方向リーク電流であった。この結果はＮｉ電極ＳＢＤで見られた温度変化による弱い劣化がＮｉxＮ電極ＳＢＤでは抑制されたことを示している。さらに−１０Ｖ時の逆方向リーク電流の温度による増加は、ＮｉxＮ電極ＳＢＤで３．８×１０−１０Ａ（ＲＴ１回目）が６．８×１０−９Ａ（１７５℃）となり１８倍増加しているのに対し、Ｎｉ電極ＳＢＤでは６．０×１０−８Ａ（ＲＴ１回目）が３．５×１０−７Ａ（１７５℃）となり６倍しか増加しなかった。この結果から、ＳＢＨの不均一性はＮｉxＮ電極を用いることで小さくできる可能性があることが判る。この考察は、ＳＢＨの上昇具合からも裏付けられる。図１８を見ると、ＮｉxＮ電極ＳＢＤに関してもｎ値は温度の上昇と共に減少しＳＢＨは増加しており、Ｎｉ電極ＳＢＤ同様ＳＢＨの不均一性が確認された。しかし、温度変化によるＳＢＨの上昇値は、ＮｉxＮ電極では１．１９ｅＶ（ＲＴ１回目）から１．２５ｅＶ（１７５℃）になり０．０６ｅＶ増加したのに対し、Ｎｉ電極では１．０３ｅＶ（ＲＴ１回目）から１．１３ｅＶ（１７５℃）になり０．１０ｅＶ増加している。この増加量の違いもＮｉxＮ電極のＳＢＨの不均一性の抑制を示していると考えられる。これらのＳＢＨの不均一性は、一般的に金属材料、表面形状、表面欠陥、金属堆積中のプロセスなど多くの要因によって引き起こされる。本実施例では、ＮｉxＮ膜の堆積速度を遅くすることでＲＦパワーを小さくし、試料へのダメージをより小さく、またＮｉxＮ膜を比較的均一に成膜した。このことから、Ｎｉ，ＮｉxＮ電極ＳＢＤの両方にＳＢＨの不均一性が確認された一番の要因は、サファイア基板とＧａＮ材料の格子不整合による高い転位密度によるものと考えられる。これらの結果は、ＮｉxＮ電極ＳＢＤが高温時でもＮｉ電極ＳＢＤの逆方向リーク電流より小さい高温時において低損失なデバイスであり、かつ温度変化に対してＩ−Ｖ特性の変化を抑制する熱的に安定なデバイスであることを示している。
【００６３】
以上の通り、ＳＢＤの電極としてＮｉxＮ電極を用いることで、Ｎｉ電極やＴｉＮ電極よりも高温環境下で逆方向リーク電流が小さく、かつ熱的に安定的なＳＢＤの動作が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明の実施形態や実施例に係る医療用マイクロ波給電システム、医療用受電回路、ショットキーバリアダイオード及び医療用マイクロ波給電方法によれば、例えば患者が装着するパルスオキシメータや心電計、あるいは手術室や治療室に設置された器具の給電に好適に利用できる。
【符号の説明】
【００６５】
１１…絶縁基板
１１Ｂ…バッファ層
１２…アクセス層
１３…活性層
１４…アノード電極
１５…カソード電極
１６…エアブリッジ配線
２０…基板
２１…基材
２２…第一金属
２３…第二金属
２４…ビアホール
１０００…医療用マイクロ波給電システム
１００…受電回路
１００Ａ…シングルシャント型レクテナ回路
１００Ｂ…デュアルダイオード型レクテナ回路
１１０、１１０Ｂ…受電アンテナ
１１１…前段ローパスフィルタ回路
１１２…前段整合回路
１１３…整流素子
１１３Ａ、１１３Ｂ、１１３Ｃ…ショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）
１１４…後段整合回路
１１５…後段ローパスフィルタ回路
１１６…伝送線路
１１７、１１７Ｂ…平滑用キャパシタ
１１８…フレキシブルアンテナアレイ
２００…給電装置
２１０…給電アンテナ
２２０…給電回路
２２１…発振回路
２２２…増幅回路
２３０…給電用直流電源
ＭＤ…医療機器
ＲＭ…部屋
ＳＴ…構造物