CN111987814B - 医疗用微波供电系统、受电电路、肖特基势垒二极管 - Google Patents

医疗用微波供电系统、受电电路、肖特基势垒二极管 Download PDF

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Abstract

本发明提供适于向医疗设备无线供电的供电系统等。医疗用微波供电系统(1000)具备：供电装置(200)，其具备供电电路(220)；以及受电电路(100)，其从供电电路(220)接收以无线方式提供的电力，并具备用于整流的肖特基势垒二极管(113)。肖特基势垒二极管(113)利用氮化镍来构成其电极。通过上述构成，在高温时也能够降低肖特基势垒二极管的反向漏电流，并且能够抑制发热。尤其在必须考虑发热对人体、设备造成的影响的医疗设备中，抑制发热量是极其重要的，能够实现安全且稳定地向医疗设备无线供电。

Description

医疗用微波供电系统、受电电路、肖特基势垒二极管
技术领域
本发明涉及医疗用微波供电系统、医疗用受电电路、肖特基势垒二极管以及医疗用微波供电方法。
背景技术
作为以无线方式进行供电的无线供电方式，提出了各种方式。其中，虽然提出了使用微波的微波供电系统，但尚未实际应用(例如专利文献1～5以及非专利文献1～2)。作为期待这种微波供电的领域可举出医疗领域。尤其是在手术室中使用的医疗设备以及给患者佩戴的医疗设备、例如便携式心电图仪、脉搏血氧仪、起搏器等是需要供给驱动电力的，利用二次电池来驱动。然而，二次电池的电池容量是受限的，一般越为大容量，尺寸就越大。另一方面，对于给患者佩戴的医疗设备，由于要求小型、轻量化，所以必须使装置本身小型轻量化，不得不使二次电池也小型化，因而其容量变小。又一方面，为了掌握患者的状态，还要求24小时驱动医疗设备，无论如何都需要进行供电。
若要在将医疗设备佩戴给患者的状态下进行供电，则可考虑将供电用的电缆连接到医疗设备而对医疗设备侧的二次电池进行充电。然而，由于充电需要某一程度的时间，所以需要患者在佩戴电缆的状态下移动，此时有可能导致电缆被缠住或者绊住。这样在宅医疗、住院中的患者的行动范围由于电缆而受到限制是事实。又一方面，在手术室中使用的医疗设备由于也使用较多的电源电缆，所以同样会产生缠住或绊住的问题。尤其是医疗人员或患者被电缆绊倒会导致点滴管或人工呼吸管等脱落，从而有可能导致重大医疗事故发生。
在这种状况下，若实现向医疗设备的无线供电，则电缆连接的工夫、电缆缠住或绊住等风险也得以降低甚至消除，期待大幅度改进处理。另外，还能够有助于因不需要电缆所带来的成本削减、资源节约。而且，由于忘记给医疗设备更换电池或忘记插充电用插头而引起的未充电的问题也得以消除。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特公表2009-513098号公报
专利文献2：日本专利4811405号公报
专利文献3：日本特开2018-191501号公报
专利文献4：日本特开2014-175865号公报
专利文献5：日本特开2013-094228号公报
非专利文献
非专利文献1：「ワイヤレス給電の技术概容」特許庁技术懇話会(“无线供电的技术概要”日本特许厅技术会议)(2015年11月30日)第279号
非专利文献2：平成26年度特許出願技术動向調査「非接触給電関連技术」(平成26年专利申请技术动向检索“非接触供电相关技术”)
发明内容
本发明的目的之一在于，提供适于向医疗设备进行无线供电的医疗用微波供电系统、医疗用受电电路、肖特基势垒二极管以及医疗用微波供电方法。
根据本发明的第1方面所涉及的医疗用微波供电系统，是向医疗设备以无线方式进行供电的医疗用微波供电系统，具备：供电装置，其具备供电电路；受电电路，其从所述供电电路接受以无线方式提供的电力，并具备用于整流的肖特基势垒二极管，所述肖特基势垒二极管的电极可以由氮化镍构成。通过上述构成，即使在高温时也能够降低肖特基势垒二极管的反向漏电流，并抑制发热。尤其在必须考虑发热对人体、设备造成的影响的医疗设备中，抑制发热量是极其重要的，能够实现安全且稳定地向医疗设备进行无线供电。
另外，根据第2方面所涉及的医疗用微波供电系统，在上述构成的基础上，可以将所述电极由NixN电极(1≤X＜5)构成。
进一步地，根据第3方面所涉及的医疗用微波供电系统，在上述任意一种构成的基础上，可以利用规定的图案将导通孔形成于基板。通过上述构成，能够提高散热性。
进一步地，根据第4方面所涉及的医疗用微波供电系统，在上述任意一种构成的基础上，可以使所述肖特基势垒二极管为氮化镓系二极管。
进一步地，根据第5方面所涉及的医疗用微波供电系统，在上述任意一种构成的基础上，所述受电电路可以具备整流天线电路，所述整流天线电路可以具备配置有多个柔性天线的柔性天线阵列。通过上述构成，能够扩大工作距离。
进一步地，根据第6方面所涉及的医疗用微波供电系统，在上述任意一种构成的基础上，可以使所述受电电路为双二极管类型。
进一步地，根据第7方面所涉及的医疗用微波供电系统，在上述任意一种构成的基础上，可以使所述受电电路为单分流类型。
进一步地，根据第8方面所涉及的医疗用微波供电系统，在上述任意一种构成的基础上，可以进行作为医疗设备的脉搏血氧仪或心电图仪的供电。
进一步地，根据第9方面所涉及的医疗用微波受电电路，从具备供电电路的供电装置以无线方式接受电力并对医疗设备进行供电，具备：
整流天线电路，其进行从供电装置接受的电波的整流；以及具备电极的肖特基势垒二极管，所述肖特基势垒二极管的电极可以由氮化镍构成。通过上述构成，在高温时也能够降低肖特基势垒二极管的反向漏电流，并抑制发热。尤其在必须考虑发热对人体、设备造成的影响的医疗设备中，抑制发热量是极其重要的，能够实现安全且稳定地向医疗设备无线供电。
进一步地，根据第10方面所涉及的肖特基势垒二极管，使用于从具备供电电路的供电装置以无线方式接受电力并对医疗设备进行供电的医疗用受电电路，该肖特基势垒二极管的电极可以由氮化镍构成。通过上述构成，在高温时也能够降低肖特基势垒二极管的反向漏电流，并抑制发热。尤其在必须考虑发热对人体、设备造成的影响的医疗设备中，抑制发热量是极其重要的，能够实现安全且稳定地向医疗设备无线供电。
进一步地，根据第11方面所涉及的医疗用微波供电方法，对医疗设备以无线方式进行供电，可以包括：在封闭空间内的壁面上设置具备供电电路的供电装置的步骤；以及利用受电电路从所述供电电路接收以无线方式提供的电力，并利用具备电极的肖特基势垒二极管进行整流的步骤。由此，在高温时也能够降低肖特基势垒二极管的反向漏电流，并抑制发热。尤其在必须考虑发热对人体、设备造成的影响的医疗设备中，抑制发热量是极其重要的，能够实现安全且稳定地向医疗设备无线供电。
附图说明
图1是示出实施方式1所涉及的医疗用微波供电系统的示意图。
图2是示出医疗用微波供电系统的供电电路和受电电路的电路图。
图3是示出单分流型整流天线电路的电路图。
图4是示出双二极管型的受电电路的电路图。
图5是示出通常的整流天线电路的转换效率与输入功率依存性的关系的图表。
图6A、图6B是示出阳极电极使用Ni的SBD的与温度变化相关的电流-电压特性的图表。
图7A、图7B是示出阳极电极使用TiN的SBD的与温度变化有关的电流-电压特性的图表。
图8是示出肖特基势垒二极管的一例的示意性剖视图。
图9是示出图8的肖特基势垒二极管的制造方法的流程图。
图10是示出NixN电极GaN系SBD的I-V特性的图表。
图11是示出NixN电极GaN系SBD的正向的对数表示、线性表示的I-V特性的图表。
图12是示出理想因子n和SBH的N2气体流量依存性的图表。
图13是示出Ni和NixN电极SBD的C-V特性的图表。
图14A是示出Ni电极SBD的杂质分布的图表，图14B是示出NixN电极SBD的杂质分布的图表。
图15是示出比较例所涉及的Ni电极SBD的温度依存性(I-V特性)的图表。
图16是示出比较例所涉及的Ni电极SBD的温度依存性(n值，SBH)的图表。
图17A、图17B是示出实施例所涉及的NixN电极SBD的温度依存性(I-V特性)的图表。
图18是示出实施例所涉及的NixN电极SBD的温度依存性(n值，SBH)的图表。
图19是受电电路的基板的剖视图。
图20是受电电路的基板的俯视图。
图21是示出柔性天线阵列的例子的立体图。
附图标记说明
11…绝缘基板；11B…缓冲层；12…存取层；13…活性层；14…阳极电极；15…阴极电极；16…架空桥式布线；20…基板；21…基材；22…第一金属；23…第二金属；24…导通孔；1000…医疗用微波供电系统；100…受电电路；100A…单分流型整流天线电路；100B…双二极管型整流天线电路；110、110B…受电天线；111…前级低通滤波器电路；112…前级匹配电路；113…整流元件；113A、113B、113C…肖特基势垒二极管(SBD)；114…后级匹配电路；115…后级低通滤波器电路；116…传输线路；117、117B…平滑用电容器；118…柔性天线阵列；200…供电装置；210…供电天线；220…供电电路；221…振荡电路；222…放大电路；230…供电用直流电源；MD…医疗设备；RM…房间；ST…结构物
具体实施方式
下面，基于附图对实施方式进行详细说明。此外，在以下说明中，根据需要使用表示特定的方向或位置的用语(例如，“上”、“下”以及包括这些用语的其他用语)，但使用这些用语是为了便于理解参照附图说明的发明，本发明的技术范围不受这些用语的含义限制。另外，在多个图中标出的同一附图标记的部分表示同一个或等同的部分或部件。此外，在本说明书中，所谓“具备”是以将作为单独部件而具备的情况和作为一体的部件来构成的情况都包括在内的含义来使用的。
进一步地，以下示出的实施方式是举例示出用于将本发明的技术构思具体实现的位置确定系统、位置确定装置、位置确定方法、位置确定程序以及可利用计算机来读取的记录介质、还有进行记录的设备，本发明并不限定于下述内容。另外，只要没有明确的记载，则以下记载的构成部件的尺寸、材质、形状、其相对配置等便不将本发明的范围仅限定于这些，而用于例示。另外，在一实施方式、实施例中说明的内容还能够适用于其他实施方式、实施例。另外，图中所示的部件的大小、位置关系等为了清楚地说明，有时会夸大示出。
在图1中示出本发明的实施方式1所涉及的医疗用微波供电系统。该医疗用微波供电系统1000对配置在房间RM的内部的一个以上的医疗设备MD以无线方式进行供电。图1所示的医疗用微波供电系统由供电装置200和从该供电装置200以电波被供电而被驱动的医疗设备MD构成。作为医疗设备MD，优选列出给患者佩戴的便携式医疗设备，例如脉搏血氧仪、便携式心电图仪等。另外，也可以对固定型的医疗设备的供电使用本实施方式所涉及的医疗用微波供电系统。进一步地，医疗设备是以除了佩戴给人以外、还包括佩戴给其他动物例如老鼠、猫、狗、猴子、鸟等的设备在内的含义使用的。
医疗设备的供电方式能够利用远程非接触供电方式(Contactless remotemethod:Wireless power transmission(WPT)system in a shield box(屏蔽盒中的无线电力传输系统))和接近式非接触供电方式(Contactless proximity method(ORS:Open-ring system(开环系统)))。在本实施方式中，利用的是作为前者的远程非接触供电方式。该供电方式有时也被称为无源RFID等。这里，将手术室、诊察室、观察室、住院室等配置医疗设备的房间RM设为屏蔽电磁波及电波的封闭空间。例如将房间的墙壁、地板、顶板由屏蔽或吸收电磁波的材质构成，或者在表面涂覆电磁波吸收材料、电磁波屏蔽材料等，以使电磁波不会泄露到室外。在图1的例子中，使用的是相对而言不容易受到来自其他电波的干扰的频带亦即2.4GHz。另外，作为模拟了房间RM的试验，在金属制的箱子内部配置实施例所涉及的医疗用微波供电系统，并进行无线供电的试验，确认到在1～15cm的范围内从供电装置200向医疗设备MD进行了供电。
供电装置200具备供电天线210和供电电路220。另外，供电装置200除了将用于供电的电磁波、电波发送到室内之外，还可以具备接收来自医疗设备的信号的接收电路。或者，也可以将接收并收集来自医疗设备的信号的接收装置与供电装置单独设置。
医疗设备MD具备接收从供电装置200提供的电力的受电电路100。这里，在图2中示出医疗用微波供电系统的供电电路220和受电电路100。该医疗用微波供电系统由与直流电源71连接的供电电路220和与需要直流电源的医疗设备MD连接的受电电路100构成。在供电电路220中，从供电用直流电源230向振荡电路221供给直流电源，振荡电路221的输出被放大电路222放大，电力从与放大电路222连接的供电天线210作为微波传输。在受电电路100中，从供电电路220的供电天线210传输来的微波被受电天线110接收，并被受电电路100整流而输出直流电源，并供给到医疗设备MD。
在图2的医疗用微波供电系统1000的例子中，将从供电电路220经由供电天线210供给的电力利用受电天线110接收并利用受电电路100来转换，而对作为负载的医疗设备MD进行驱动。此外，作为负载，还可以使用驱动医疗设备的二次电池。在该情况下，将电力充电给二次电池并使二次电池放电，由此驱动医疗设备。天线具有辐射单元。
图2所示的受电电路100具备：前级低通滤波器电路111、前级匹配电路112、整流元件113、后级匹配电路114和后级低通滤波器电路115。受电电路100由整流天线(RectifyingAntenna)电路构成。整流天线电路是将微波等电波、电磁波转换为直流电流的电路。该整流天线电路将从供电电路220经由供电天线210发送的电波利用受电天线110来接受，并具备肖特基势垒二极管(SBD)来作为用于对该电波进行整流的整流元件113。SBD的电极由氮化镍构成。由此，在高温时也能够降低SBD的反向漏电流，抑制发热。尤其在必须考虑发热对人体、设备造成的影响的医疗设备中，抑制发热量是极其重要的，能够实现安全且稳定地向医疗设备无线供电。该医疗用微波供电方法包括：在房间RM的封闭空间内的壁面设置具备供电电路220的供电装置200的步骤；以及利用受电电路100从供电电路220接收以无线方式提供的电力并利用具备电极的SBD进行整流的步骤。
在本实施方式中，是向医疗器设备无线供电即以无线方式进行供电的供电系统，对于供电方式则使用微波供电。作为以无线方式传输电力的技术，已知的主要有电磁感应型、谐振型、电波接收型。其中，电波接收型将电波、电磁波作为输电的介质来利用。在电波接收型的输电方式中，将从输电侧发送的电波利用接收侧的天线来接收，并整流为直流电力。作为该方式的优点可举出能够在允许输电效率下降的情况下使输电距离为几十米左右，从而与其他的电磁感应型、谐振型的输电方式相比能够显著拉长距离。另一方面，其缺点为：由于电波在输电过程中扩散所以导致输电效率降低，能够输电的功率也随之变成几mW左右的微小值。其用途一般是RF标签、FeliCa等IC卡之类的小功率方面的利用，大功率方面的电力传输则尚未普及。然而，为了发挥能够进行长距离输电这一最大优点，正在致力于研究通过使用能够抑制电波扩散的GHz频段以上的频率高的电波，并且对于收发天线还使用能够控制相位的相控阵天线而将电力集中到一点上，实现高效的长距离电力输电。这里，在电波接收型中也使用期待高效的长距离传输的微波来传输电力。通过使用作为高频段的电波的微波，能够抑制电波的扩散。另外，通过使用微波，还能够减小系统整体的大小。
在供电侧若要使用电波来供给电力，则利用使用了异质结场效应晶体管(Hetero-junction Field Effect Transistor：HFET)、磁控管的发送电路将直流电流(DC)转换为高频电流，并使用天线来转换为电波(RF)，由此有效地向空间释放。对于微波波段中较低的几GHz频段的频率且为几百W以下的小功率用的振荡电路，使用了高迁移率晶体管(high-electron-mobility transistor：HEMT)。半导体设备系统由于能够小型化，所以其特点为适合集成。从90年代后半段开始以氮化镓(GaN)为代表的宽带隙半导体的研究变得很热门，期待应用在更高频段且几百W以上的高输出范围。另一方面，在需要大输出、几十GHz以上的高频率时，如今依旧使用磁控管。真空管系统的优点在于，能够使要求大输出的发送电路的成本比半导体的成本低。
另一方面在受电侧，使用接受电波的被称为整流天线电路的在天线上组装整流电路的电路。天线由于接收RF，所以容易由于集肤效应等发生损耗。另外，若要将多个天线的输出组合来获得大功率，则产需要使来自各天线的电流的相位一致，从而设计及制造变复杂。整流天线电路通过利用设置在离天线很近处的整流器来进行RF/DC转换，能够将由于RF传输产生的损耗降到最低程度。对于整流器，使用不存在由少数在载流子注入引起的惰性效应的SBD来进行整流是主流。
作为整流天线电路的整流电路方式，能够利用图3所示的单分流(Single Shunt)型的整流天线电路100A或图4所示的双二极管型整流天线电路100B。另一方面，在图3所示的单分流型整流天线电路100A中，具备SBD113A、传输线路116以及平滑用电容器117。图4的双二极管型整流天线电路100B具备SBD113B、113C和平滑用电容器117B。在将双二极管型整流天线电路实现在印刷基板上时，通过使用SBD而不需要λ/4线路等传输路径，因此能够比单分流型整流天线电路更加小型化。
此外，在供电电路220中，通过使用例如由AlGaN/GaN HFET构成的F级放大器，能够实现80％以上的高效率，该供电电路220也由晶体管芯片和λ/4以下的数根短截线来构成。由于电力能够穿过塑料板进行供电，所以能够在供电侧和受电侧都由塑料膜等完全覆盖，从而能够实现防水、防尘的连接器。
在单分流型的整流天线电路中，能够利用一个SBD进行全波整流。一般由于二极管发挥接通/断开开关的作用，所以用一个的话只能成为半波整流电路，无法期望100％的转换效率，但是在单分流电路中将SBD与负载并联地插入，并使用后级匹配电路114来达到匹配，由此成为能够实现高效率的RF/DC转换效率的电路。后级匹配电路114由λ/4线路等传输路径116、平滑用电容器117来构成。但在实际上，由于二极管的内部参数的影响，转换效率达不到100％。作为二极管的内部参数较为重要的是上升电压(VJ)、击穿电压(Vbr)、串联电阻、反向漏电流、寄生电容。这里，在图5的图表中示出一般的整流天线电路的转换效率与输入功率依存性的关系。能够确认到整流天线电路的最大的最大转换效率因VJ、Vbr、高次谐波的影响而确定。串联电阻的增加影响到VJ，反向漏电流的增加影响到Vbr，使得降低转换效率，如同加了水一样。在后述的本实施例中，利用5.8GHz就实现了73％的高效率。
接下来，对构成SBD的半导体进行探讨。近年来，以氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)为代表的宽带隙半导体作为下一代功率器件材料而备受瞩目。宽带隙半导体由于高绝缘击穿电场、高电子迁移率这样的物理参数而能够实现高耐压、低电阻、低电容、高温动作，由于这样的特点，作为超越硅(Si)半导体器件的性能的器件材料而受到期待。除了宽带隙半导体之外，作为超越Si器件的性能的材料还有砷化镓(GaAs)。利用GaAs形成异质结(异种半导体结)这一情况而开发的HFET的电子迁移率大且能够实现高频动作。使用了该GaAs的HFET器件对于普及光通信、无线通信做出了很大贡献，构建了现今的信息化社会。但现在正寻求一种同时具有半导体的高寿命的优点和真空管程度的高输出、高频的器件，所以宽带隙半导体的研究开发盛行起来。
(针对氮化物半导体的氮化物电极的稳定性)
GaN由于带隙大，因此作为在难以利用Si半导体的高温环境下也能够使用的器件而备受瞩目。因此，假定GaN器件在电动汽车的车载部件、太空火箭、高温传感器等高温环境下使用。作为能够在这样的高温环境下使用的优点，可以举出相对于不是面向高温环境下使用的Si器件等为了保证稳定的动作需要准备冷却装置，能够将冷却装置简化或省略。
然而，在将GaN使用在高温环境下的情况下，以及由于器件的电阻产生的焦耳热较大的情况下，在动作过程中有可能由于器件温度的变化而引起电特性的变化、劣化。作为针对该问题的解决方案，可以举出具有对于温度变化稳定的金属/GaN界面的电极的实现。因此，本申请发明人使用金属氮化物作为电极而开发了在温度方面稳定的界面，该金属氮化物被认为具有相比于现有的纯金属，抑制了在与GaN的界面上发生反应的作用。
图6A、图6B是与阳极电极使用了Ni的最一般的SBD的温度变化相关的电流-电压特性(I-V特性)，图7A、图7B是阳极电极使用了作为氮化物的氮化钛(TiN)的SBD的I-V特性。在I-V测定中，使基板温度以室温(RT)→75℃→RT→125℃→RT→175℃→RT的方式变化。相对于使用了Ni电极的SBD的正向电气特性(RT时)逐渐变化，TiN的正向在RT时一直表现出相同的特性。这示出了TiN与Ni相比，有可能抑制温度变化所引起的电极的变化劣化现象。另外，关于反向的I-V特性，TiN电极也呈现出反向漏电流依存于温度而增大的趋势，可以看出Ni电极时对温度变化的依存较小。由此推测出，TiN电极相比Ni电极，不仅肖特基势垒高度(schottky barrier height：SBH)更低，而且TiN/GaN界面与Ni/GaN界面相比不容易创建能级，从而形成了比较良好的界面，因而是遵循热电子发射模型的。根据这些结果，可以认为使用了氮化物金属的电极对于给氮化物半导体带来热稳定性是有效的。另外，TiN电极由于低SBH，因此还能够降低上升电压。另一方面，在以高温环境下的使用为前提的情况下，由于TiN电极的漏电流非常大，所以谋求即使在高温下漏电流也低且对于温度变化稳定的电极。
通常的使用了Ni电极的GaN系SBD已经被报道过电气特性由于高温环境下的器件动作而发生变化，不能说是热稳定。另外，将在高温环境下的使用作为前提的情况下，可以认为TiN电极的漏电流非常大，从而导致损耗、器件的低寿命。相对于此，在本实施方式所涉及的医疗用微波供电系统中，通过对SBD的电极使用作为氮化物金属的氮化镍，实现了相对于现有的Ni电极，热稳定且反向漏电流小的低损耗器件。
相对于一般的二极管通过PN结而具有二极管特性，SBD利用了通过金属与半导体的接合而产生的肖特基势垒。SBD与PN结的二极管相比，一般正向电压(VF)特性低，开关特性快。但是存在漏电流(IR)大，从而在散热设计不充分时引起热失控的缺点。相对于此，在本实施方式所涉及的SBD中，通过使用氮化镍电极，与现有的使用了镍电极的SBD相比，即使在高温时也能够将反向漏电流抑制得较小，能够实现低损耗。氮化镍优选使用NixN(1≤X＜5)。在X小于1的电极中，特性并不稳定。另外，X为5以上的电极则难以制作。由此，通过将1≤X＜5的范围内的氮化镍作为电极来使用，能够实现特性更稳定的SBD。
SBD采用氮化镓(GaN)系二极管。GaN系二极管具有低损耗、高耐压这样的优点，并且高频特性优异。另外，GaN不同于SiC，晶格常数接近蓝宝石基板、Si基板之类的廉价基板，所以能够将这些基板作为生长基板来利用，与SiC相比，能够期待降低成本。另外，GaN由于并没有硬到SiC的程度，所以还得到容易加工的优点。进一步地，GaN系二极管与GaAs等同样，能够实现以AlGaN/GaN HEFT为代表的异质结构的高迁移率的器件。另外，GaN的带隙较大，为3.39eV，其绝缘击穿电场为3.3×106V/cm,比Si、GaAs大8～10倍。另外，电子饱和速度为2.5×107cm/s，与其他半导体材料相比也较大。作为高频特性的指标之一的截止频率是由电子饱和速度和沟道长度来决定的，GaN由于呈现出高于其他半导体的值，所以作为高频器件也是很受期待的。在微波无线电力传输上，为了实现高频动作且供给大功率也要求进行功率器件动作。因此，使用GaN系二极管的好处非常大。
在图8的示意性剖视图示出SBD的一例。该SBD用于从具备供电电路的供电装置以无线方式接受电力并向医疗设备进行供电的医疗用受电电路。图8是具有架空桥式(air-bridge)布线结构的GaN系SBD的示意性剖视图。该SBD在绝缘基板11上，根据需要依次外延生长了缓冲层11B、存取层12、活性层13。另外，利用蚀刻等使缓冲层11B与存取层12分离，在一侧设置阳极电极14并在另一侧设置阴极电极15。阳极电极14与活性层13肖特基接触。阴极电极15与存取层12欧姆接触。阴极电极15的接触电阻是低电阻欧姆电阻。另外，各阳极电极14之间通过作为金属布线的架空桥式布线16连接。在图8的例子中，架空桥式布线16采用在Au/Ni/Au层的上表面形成了Au层的多层结构。
绝缘基板11并无特别限定，可以根据需要来选择，例如为蓝宝石基板、半绝缘性SiC基板、半绝缘性GaAs基板等。
构成存取层12和活性层13的半导体并无特别限定，例如为GaN系半导体(AlGaN、GaN、GaInN等)、GaAs系半导体(AlGaAs、GaAs等)、AlGaInP系半导体(AlGaInP、GaInP等)、ZnSe系半导体(ZnMgSSe、ZnSSe、ZnCdSe等)、ZnO系半导体、SiC系半导体等。优选使用带隙宽且能够实现高耐压的GaN系半导体。
存取层12为了实现存取电阻的降低，优选由施主浓度足够高的低电阻的n+型半导体。在图8的例子中，存取层12采用n+-GaN层。
另一方面，活性层13为阳极电极14能够进行肖特基接触的层，典型的是由n型半导体构成，其施主浓度根据所期望的二极管特性来确定。在图8的例子中，活性层13由n--GaN层来构成。
阳极电极14由能够与活性层13进行肖特基接触的肖特基金属构成。肖特基金属根据构成活性层13的半导体来选择。在该例子中，如上所述构成阳极电极14的肖特基金属采用氮化镍。在实施例中，生长了耐压为20V、40V、100V这三种的GaN系SBD的外延结构。这里，设计GaN系SBD的光掩模并使用三种GaN系SBD外延结构来试作了器件。
阴极电极15由能够与存取层12进行欧姆接触的欧姆金属构成。欧姆金属根据构成存取层12的半导体而从现有公知的欧姆金属中适当选择。
此外，在图8的例子中示出了一个SBD，但也可以使用多个SBD。例如也可以采用SBD的阵列结构。另外，也可以采用多点(multi dot)型SBD。进一步地，可以将阳极电极分割为多个。被分割为多个的各阳极电极之间通过构成金属布线的架空桥式布线来连接。将一列的各阳极电极之间连接起来的各架空桥式布线在其一端上相互连接。被分割的阳极电极可以在整体上形成为梳子形。或者，也可以将阴极电极在整体上设为细长的长方形形状，并沿着阴极电极的长边将阴极金属布线与阴极电极电连接。
在安装SBD的受电电路的基板上，可以利用规定的图案来形成导通孔。由此，能够提高散热性。在图19的剖视图以及图20的俯视图中示出这样的基板的例子。该图所示的基板20由板状的基材21构成，在该基材21的上表面包覆了第一金属22，在基材21的下表面包覆了第二金属23。进一步地，在基材21上，以规定的间隔形成有多个导通孔24。通过像这样将多个导通孔24设置为阵列状而不是设置单个导通孔，提高了冷却性能。各导通孔24形成为圆锥状。优选形成为锥状。形成为圆锥状或锥状的导通孔24能够通过上部的微小区域来降低寄生参数。另一方面，在导通孔24的下方的较宽区域上能够改善散热性，从而提高安装在基板20的受电电路的电路特性。在图20的例子中，对于导通孔24示出了以等间隔配置为矩阵状的构成，但本发明并不将导通孔的图案限定为该构成。导通孔的形状、阵列的图案可以根据规格等适当变更。
进一步地，构成受电电路的整流天线电路还可以具备配置有多个柔性天线的柔性天线阵列。天线阵列可以由具有挠性的部件构成。另外，也可以添加弯曲或者弯折的部分而构成。相应地，天线的散热单元不限定于现有的三角形状，可调整为特定的形状。通过像这样设计辐射单元的形状，能够可靠地包含弯曲部分的天线的辐射范围而不降低电气特性。由此，能够扩大工作距离和受电电路与天线的倾斜角度范围。图21中示出由配置有多个柔性天线的柔性天线阵列来构成受电天线110B的例子。该图所示的受电天线110B在圆筒状的结构物ST的周围配置有柔性天线阵列118。通过像这样在圆筒状或圆锥状、多面体状等等角结构物的外周配置柔性天线阵列118，能够实现全向天线、定向天线的特性。
(GaN系SBD的制造方法)
为了确认NixN电极的肖特基特性，试作实施例1所涉及的GaN系SBD并测定了其特性。下面，基于图9的流程图对在这里使用了实施例1所涉及的NixN电极的GaN系SBD的制造方法进行说明。
首先，将GaN晶片最开始利用切片机切割为1cm2并用于器件制造。在开始制造时首先进行样品清洗。就清洗而言，进行SPM清洗(H2SO4：H2O2＝4：1)，然后使用丙酮、甲醇、纯水充分清洗。清洗之后，利用光学显微镜以20倍左右的倍率来确认有没有较大污渍。接下来，将欧姆电极形成在n-GaN上。欧姆电极通过光学曝光(粘着法)而图案化，通过磁控管溅射来堆积Ti/Al/Ti/Au(50/200/40/40nm)。在剥离(lift off)之后，在N2气体气氛中以850℃进行3分钟退火而形成了欧姆电极。这里的退火是为了实现金属(Ti/Al：50/200nm)在半导体侧进行金属扩散而使密着性良好。最后将肖特基电极形成在n-GaN上。肖特基电极也与欧姆电极同样，通过光学曝光进行对准而图案化的。图案化之后，将由于欧姆退火、O2等离子灰化而有可能形成在晶片表面上的氧化物层在稀盐酸(HCl)中浸渍5分钟而除去。然后，利用上述的反应性溅射，通过改变N2气体流量而将NixN(Ni)堆积100nm，并且作为其覆盖层而堆积40nm的Au。另外，为了提高肖特基电极/GaN界面的接触质量和均匀性，将样品在N2气体气氛中以300℃进行了10分钟退火。由此，得到在直径为200μm的圆形肖特基电极和包围该圆形肖特基电极这样的欧姆电极分离了5μm后形成的SBD。
(使用了NixN电极的GaN系SBD的电气特性评价)
对于通过上述方式得到的实施例1所涉及的GaN系SBD的电气特性评价，在下文中进行说明。作为在实施例1中利用各N2气体流量制造的NixN电极的肖特基特性评价，求出理想因子n和肖特基势垒高度(SBH)，并根据反向漏电流进行了评价。理想因子n和SBH是能够从正向的I-V测定(DC)导出来的。在实施例1中进行I-V测定时，使用Agilent(安捷伦)公司的半导体参数分析仪(4155C)进行了测定。在图10中示出利用各N2气体流量(0、1、3、5、10、15、25、40sccm)制造的8种NixN电极GaN系SBD的典型的I-V特性(测定器件分别在20处以上进行了测定)。另外，在图11中示出该正向的对数表示、线性表示的I-V特性。
若将N2气体流量分成低(0、1、3sccm)、中间(5、10、15sccm)、高(25、40sccm)，则NixN电极GaN系SBD的上升电压随着流量的增加而增加，若进一步增加则表现出下降的趋势。另外，使用热电子发射模型，根据正向的对数表示的线性区域来求出理想因子n与SBH的N2气体流量的依存性的图示为图12。另外，理想因子n和SBH是根据随机选择的20个器件的I-V特性来求出的，将其平均值和标准误差图表化。
Ni电极SBD的n值为1.12，SBH为1.03eV。对此，得知了n值相对于流量变化收敛在1.04～1.27之间，并且载流子的输送现象由热电子发射模型主导。另外，在15sccm时SBH为最大值，n值为1.09，SBH为1.21eV。另外，在除Ni电极SBD以外的所有SBD中，SBH示出了比Ni电极SBD的SBH更高的值。另一方面，随着成为高N2气体流量，n值上升，SBH减少。由AFM、XPS、SIMS、EDS可知，这可以认为是，由于表面粗糙度的增加、以及O、C的混入而使得电气特性发生了变化。接下来，对反向漏电流进行评价。反向漏电流并不是单纯地依存于SBH。然而，在N2气体流量为5～15sccm时，示出了比Ni小的漏电流。该结果启示了纯粹的NixN膜的形成有助于降低反向漏电流的可能性。另外，根据XRD的结果，在15sccm时主导性的Ni3N相改善了n值并提高了SBH，可以认为是对反向漏电流的降低有效的电极。另外，以15sccm制造的NixN电极GaN系SBD与Ni相比，SBH高0.18eV，反向漏电流降低了2个数量级。
(使用了NixN电极的GaN系SBD的C-V特性)
通过进行电容-电压测定(C-V测定)来调查实施例中使用的GaN晶片的n-GaN层的杂质浓度，并且为了确认在本实施例中使用的NixN电极或NixN电极与GaN的界面是否捕获电荷而进行了C-V测定。另外，还根据C-V测定求出SBH并确认了I-V测定的可靠性。对于C-V测定，使用LCR计(Agilent4284A)，以1MHz的频率进行。测定的试样是Ni电极SBD和对反向漏电流的降低有效的以N2气体流量为15sccm制造的NixN电极SBD这两个样品，测定结果在图13中示出。
若比较静电电容(V＝0)，则Ni电极SBD为11.5pF，NixN电极SBD为10.2pF。这表示在V＝0时NixN电极的耗尽层宽度更宽，表明针对GaN形成了SBH高的电极。另外，根据就容量成为0的电压(上升电压)而言NixN电极更大这一情况，也能够确认到上述内容。另外，C-V测定是利用双模式来进行的，但在去(2V→-10V)和回(-10V→2V)过程中Ni、NixN电极SBD都没有确认到容易得知的磁滞现象。这是NixN电极在电气特性方面是稳定的的证据之一。
图14A、图14B示出根据该C-V特性求出的杂质分布的图表。该结果表示，根据Ni、NixN电极的C-V测定都确认到按照1.6×1019(cm-3)程度的外延结构的杂质浓度，并且在深度方向上杂质也几乎恒定地进行了分布。另外，对于根据C-V测定求出的SBH而言，Ni电极SBD是1.03eV，NixN电极SBD是1.19eV，利用I-V测定导出的Ni电极SBD为1.03eV，NixN电极SBD为1.21eV，呈现出同等的SBH。这些结果表示，通过以15sccm的N2气体流量对NixN电极进行成膜，与Ni电极相比，使SBH提高0.17eV左右，并且随着SBH的提高，反向漏电流降低2个数量级。
(使用了NixN电极的GaNSBD的温度特性评价)
在如上所述使用了Ni电极的GaN系SBD中，已报告了电气特性由于高温环境下的器件动作而发生变化，不能说是热稳定。另外，被报告为热稳定的使用了TiN电极的GaN系SBD在高温时的反向漏电流也大，高温环境下的使用在能量损耗、器件寿命方面并不充分。相对于此，对于本实施方式所涉及的使用了NixN电极的GaNSBD而言，与Ni电极SBD相比，能够将反向漏电流降低2个数量级，并且与TiN同样采用了金属氮化物。下面，对NixN电极SBD的温度特性的评价进行说明。
(GaN系SBD的温度特性的评价方法)
测定试样按照与上述的工艺流程同样的步骤来制造。另外，测定器件也使用直径为200μm的圆形SBD进行了测定。I-V测定是使用Agilent公司的半导体参数分析仪(4155C)进行的。另外，器件温度是通过利用由VBA程序控制的硅橡胶加热器来改变样品台的温度而加以变化的。另外，温度是按照室温(RT)→75℃→RT→125℃→RT→175℃→RT这一变化来变化的。在测定了高于RT的温度之后，再次测定RT下的I-V特性是为了确认SBD的特性是否相对于温度上升的变化而发生了变化。
(比较例所涉及的Ni电极SBD的温度特性)
首先，在图15中示出比较例所涉及的Ni电极SBD的温度特性，在图16中示出其理想因子n和SBH的温度的依存性。其中，图15表示了Ni电极SBD的反向的I-V特性(左)和正向的对数表示、线性表示的I-V特性(右)。观察Ni电极SBD的正向的I-V特性可知，在第4次的RT(25℃)时，在低电压下I-V特性发生了变化。另外，观察反向的I-V特性，在175℃时的低电压下也有大电流流动。进一步地，即使在-10V时进行比较，第3次、第4次的RT(25℃)时的反向漏电流也与75℃时的反向漏电流以同等程度流动，反向漏电流与初期相比，变大。这些现象表示Ni电极SBD微弱劣化。该劣化的原因被认为是：由于温度变化，Ni/GaN界面的Ni金属与GaN的N发生反应而形成Ni-N合金，在GaN界面产生了N空穴。接下来，对n值和SBH进行评价。观察图16，n值随着温度的上升而减少，另一方面SBH则随着温度增加。该现象是由SBH的不均匀性引起的。SBH的不均匀性是指SBH的变化，该SBH的变化是由于在低温时电子优先穿过低势垒而流动的电流占主导，在高温时电子具有足以越过势垒的能量而越过势垒的电流占主导产生的。
(NixN电极SBD的温度特性)
接下来，在图17A、图17B中示出实施例所涉及的NixN电极SBD的温度特性，在图18中示出其理想因子n和SBH的温度的依存性。其中，图17A、图17B表示NixN电极SBD的反向的I-V特性(左)和正向的对数表示、线性表示的I-V特性(右)。NixN电极SBD的反向漏电流在所有温度下都比Ni电极SBD的RT下的反向漏电流小，表现出了良好的整流特性。另外，在所有的温度变化之后正向I-V特性观察不到在Ni电极SBD中观察到的I-V特性的变化，上升电压也依存于温度而改变。关于反向I-V特性，在所有RT下也都为3.6×10-10A程度的反向漏电流。该结果表示在Ni电极SBD中观察到的温度变化所引起的微弱劣化在NixN电极SBD中得到了抑制。进一步地，-10V时的反向漏电流的由温度所引起的增加在NixN电极SBD中为从3.8×10-10A(RT第1次)成为6.8×10-9A(175℃)，从而增加了18倍，与此相对，在Ni电极SBD中从6.0×10-8A(RT第1次)成为3.5×10-7A(175℃)，从而只增加了6倍。根据该结果可知SBH的不均匀性有可能通过使用NixN电极来减小。该考察也可从SBH的上升状况来证明。观察图18，关于NixN电极SBD，也是n值随着温度的上升而减少，SBH增加，Ni电极SBD同样确认到SBH的不均匀性。然而，温度变化所引起的SBH的上升值在NixN电极中从1.19eV(RT第1次)成为1.25eV(175℃)，从而增加了0.06eV，与此相对，在Ni电极中从1.03eV(RT第1次)成为1.13eV(175℃)，从而增加了0.10eV。可以认为该增加量的不同也表示NixN电极抑制了SBH的不均匀性。这些SBH的不均匀性一般是由金属材料、表面形状、表面缺陷、金属堆积中的工艺等许多因素引起的。在本实施例中，通过使NixN膜的堆积速度变慢，减小RF功率，进一步减小对试样的损伤，并且将NixN膜比较均匀地成膜。由此可以认为，对Ni、NixN电极的SBD双方确认到SBH的不均匀性的最重要的因素是由蓝宝石基板和GaN材料的晶格失配所引起的高位错密度所产生的。这些结果表示：NixN电极SBD是高温时也比Ni电极SBD的反向漏电流小的高温时为低损耗的器件，且为抑制I-V特性相对于温度变化而变化的热稳定器件。
如上所述，通过使用NixN电极来作为SBD的电极，与Ni电极、TiN电极相比在高温环境下反向漏电流小，且能得到热稳定的SBD的动作。
产业上的可利用性
根据本发明的实施方式、实施例所涉及的医疗用微波供电系统、医疗用受电电路、肖特基势垒二极管以及医疗用微波供电方法，例如能够良好地用于患者所佩戴的脉搏血氧仪或心电图仪、或者设置在手术室治疗室的器具的供电。

Claims (18)

1.一种医疗用微波供电系统，以无线方式对医疗设备进行供电，其具备：
供电装置，其具备供电电路；以及
受电电路，其从所述供电电路接收以无线方式提供的电力，并具备用于整流的肖特基势垒二极管，
所述肖特基势垒二极管为氮化镓系二极管，其电极由利用氮气流量5～15sccm而制造的氮化镍构成。
2.权利要求1所述的医疗用微波供电系统，其特征在于，
所述电极由NixN电极构成，其中1≤X＜5。
3.根据权利要求1所述的医疗用微波供电系统，其特征在于，
利用规定的图案将导通孔在基板形成为圆锥状。
4.根据权利要求2所述的医疗用微波供电系统，其特征在于，
利用规定的图案将导通孔在基板形成为圆锥状。
5.根据权利要求1所述的医疗用微波供电系统，其特征在于，
所述受电电路具备整流天线电路，
所述整流天线电路具备配置有多个柔性天线的柔性天线阵列。
6.根据权利要求2所述的医疗用微波供电系统，其特征在于，
所述受电电路具备整流天线电路，
所述整流天线电路具备配置有多个柔性天线的柔性天线阵列。
7.根据权利要求3所述的医疗用微波供电系统，其特征在于，
所述受电电路具备整流天线电路，
所述整流天线电路具备配置有多个柔性天线的柔性天线阵列。
8.根据权利要求4所述的医疗用微波供电系统，其特征在于，
所述受电电路具备整流天线电路，
所述整流天线电路具备配置有多个柔性天线的柔性天线阵列。
9.根据权利要求1～8中的任意一项所述的医疗用微波供电系统，其特征在于，
所述受电电路为双二极管类型。
10.根据权利要求1～8中的任意一项所述的医疗用微波供电系统，其特征在于，
所述受电电路为单分流类型。
11.根据权利要求9所述的医疗用微波供电系统，其特征在于，
所述受电电路为单分流类型。
12.根据权利要求1～8中的任意一项所述的医疗用微波供电系统，其特征在于，
所述医疗用微波供电系统进行脉搏血氧仪的供电。
13.根据权利要求9所述的医疗用微波供电系统，其特征在于，
所述医疗用微波供电系统进行脉搏血氧仪的供电。
14.根据权利要求10所述的医疗用微波供电系统，其特征在于，
所述医疗用微波供电系统进行脉搏血氧仪的供电。
15.根据权利要求11所述的医疗用微波供电系统，其特征在于，
所述医疗用微波供电系统进行脉搏血氧仪的供电。
16.一种医疗用受电电路，从具备供电电路的供电装置以无线方式接受电力并对医疗设备进行供电，具备：
整流天线电路，其进行从供电装置接受的电波的整流；以及
肖特基势垒二极管，其具备电极，
所述肖特基势垒二极管为氮化镓系二极管，其电极由利用氮气流量5～15sccm而制造的氮化镍构成。
17.一种肖特基势垒二极管，使用于从具备供电电路的供电装置以无线方式接受电力并对医疗设备进行供电的医疗用受电电路，
所述肖特基势垒二极管为氮化镓系二极管，其电极由利用氮气流量5～15sccm而制造的氮化镍构成。
18.一种医疗用微波供电方法，对医疗设备以无线方式进行供电，包括：
在封闭空间内的壁面上设置具备供电电路的供电装置的步骤；以及
利用受电电路从所述供电电路接收以无线方式提供的电力，并利用具备电极的肖特基势垒二极管进行整流的步骤，
所述肖特基势垒二极管为氮化镓系二极管，其电极由利用氮气流量5～15sccm而制造的氮化镍构成。
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