Development of oxide meta-conductor for low transmission loss in 6G devices

• Project/Area Number: 23K23055
• Project/Area Number (Other): 22H01787 (2022-2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2022-2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 26020:Inorganic materials and properties-related
• Research Institution: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
• Principal Investigator: 鶴田 彰宏 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 主任研究員 (40760319)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 増田 佳丈 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 研究グループ長 (20324460) ; 崔 弼圭 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 研究員 (50899523) ; 加藤 悠人 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 主任研究員 (70635820)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥17,680,000 (Direct Cost: ¥13,600,000、Indirect Cost: ¥4,080,000); Fiscal Year 2024: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2023: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2022: ¥9,360,000 (Direct Cost: ¥7,200,000、Indirect Cost: ¥2,160,000)
• Keywords: 6G / メタコンダクター / 導電性酸化物 / 室温磁性酸化物 / 高周波 / 導体 / 磁性酸化物 / PLD法 / 微細構造制御

Outline of Research at the Start

本研究では、高周波伝送損失の１因である導体損失の起源として知られる表皮効果を抑制する方法として、導体／磁性体複合構造によって構成されるメタコンダクターに着目し、100GHz超の6G周波数帯域で動作可能かつ温度や雰囲気に対する耐環境性に優れた酸化物で構成される、酸化物メタコンダクターの創製を目的として、材料探索や微細構造制御、計測技術開発等を実施している。

Outline of Annual Research Achievements

Beyond 5Gや6Gなどの次世代通信システムにおける導体損失の低減に向け、内部の電磁現象の作用により高周波導電率が向上するメタコンダクターを耐環境性に優れた酸化物で実現することを目的として、本研究では導電性酸化物材料と室温磁性酸化物材料が複合化された酸化物メタコンダクターの開発を行っている。
2023年度は、2022年度の研究実施において判明した課題であるメタコンダクター特性評価に適した計測手法の探索を行った。また、メタコンダクターの高周波動作を実現するための磁性体材料設計に向けた磁気特性評価手法と材料の探索を行った。
具体的には、研究開始時に想定していた平衡型円板共振器法（BCDR）によるメタコンダクターの導電率周波数依存性評価が原理及び材料の基本的な物性の両側面から困難であることが判明したため、伝送線路による伝送損失測定に評価方法を切り替えることとした。それに合わせて、作製した薄膜の伝送線路状への微細加工を実施するとともに、メタコンダクターの動作評価に対する計測の妥当性を既報材料を用いたメタコンダクターを試作し実施した。これまでの検討で、正確な評価のために伝送線路の設計が重要であることが分かっており、現在線路設計の改良に加え微細加工プロセスの最適化を実施している。
また、磁性材料物性とメタコンダクター動作周波数の相関解明に向け、磁性材料特性評価に強磁性共鳴測定を加え、酸化物メタコンダクターの6G周波数帯域対応に向けた磁性材料に関する検討を進めている。

Current Status of Research Progress

4: Progress in research has been delayed.

Reason

研究開始当初にメタコンダクターの性能評価手法として想定していた平衡型円板共振器法（BCDR）が、原理及び導電性酸化物の導電率が当該測定法の対応する導電率域と合致しない点において、評価手法として不適当であることが明らかになった。そのため、2023年度は新たなメタコンダクター性能評価手法を検討するとともに、正確な測定に向けた試料微細加工方法や形状の最適化に多くの時間を要し、現在も検討を続けているところである。
メタコンダクターの基本構造となる導電性材料及び磁性材料の積層構造を、導電性酸化物材料及び室温磁性酸化物材料において実現済みであるが、精細な組成制御や微細構造制御を要する、特性制御や物性解明等の次の研究フェーズへの移行には遅れが生じる。

Strategy for Future Research Activity

伝送線路を用いた伝送損失測定によるメタコンダクターの動作実証及び特性評価技術の確立を優先して進める。具体的には、線路設計の改良に加え微細加工プロセスの最適化を引き続き実施する。
併せて、メタコンダクター動作に相関する磁性材料物性評価を種々の材料に対して実施し、上記の評価方法確立後迅速に酸化物メタコンダクターの6G周波数帯域対応の実現、特性制御・物性解明に移行できるよう研究を進める。