2015 Fiscal Year Research-status Report
ａ軸/非ｃ軸配向のBi-2223単結晶薄膜によるプラナー型新構造ＴＨｚ素子の作製
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15K05997
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| Research Institution | Kanazawa Institute of Technology |
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Principal Investigator |
遠藤 和弘 金沢工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (50356606)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
有沢 俊一 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 超伝導位相エンジニアリンググループ, グループリーダー (00354340)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | テラヘルツ発振 / ビスマス系超伝導体 / プラナー型新構造素子 / 薄膜 / 非c軸配向膜 / 配向制御 / MOCVD法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
Bi系超伝導体の非c軸配向の単結晶膜を用いると、表面に電極を設けるだけの極めて簡単な構造で、実用化に向けてブレークスルーするべき最大の課題、高出力THz波発振が可能な新しい素子ができることを着想した。これは、バルク結晶やc軸配向膜では不可能である。
そこで、実用レベルの高出力THz波の発振が可能な、新素子構造を設計した。始めに素子の基本形状を検討した結果、非c軸配向のBi-2212単結晶薄膜を使い、固有ジョセフソン接合(IJJ)の接合方向を長辺方向とする長方形で、その両端に電極を持つだけの、プラナー型の構造を基本形状とした。THz波の発振強度は、IJJの接合数の２乗に比例するため、実用化に最適なmWオーダーの発振出力が得られるよう、素子寸法を設計した。また、長方形素子の素子幅、厚さの最適寸法は、理論からは予見できないので、実験的に求めることとした。
このため、有機金属化学気相法(MOCVD)を用いて、低誘電率を持つ(110)LaAlO3単結晶上に、膜厚の異なる(117)Bi-2212膜を様々な条件で作製した。一方、薄膜の配向性評価のために開発したψ-φスキャンのX線回折法により、作製した薄膜は２回対称の空間対称性を持つ双晶の膜であること、さらに、薄膜の高品質化の視点から、薄膜に僅かに含まれる不純物相についても明らかにし、論文として纏め、IEEE Trans.Appl.Super.に投稿した。
本研究で目的とするプラナー型の新構造デバイスは、電極間がc面で繋がっているとTHz発振しないため、低誘電率を持つ傾斜基板を用いて、双晶のない(117)Bi-2212の非c軸配向の単結晶薄膜を作製した。傾斜基板のオフ角度は10度が最適であった。これらの成果について、「Bi系酸化物超伝導薄膜の製造方法とBi系酸化物超伝導薄膜構造体」として特許に纏め、特許出願（特願2015-107188）を行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
新構造の高出力THzデバイスの実現に向けて不可欠とされる、膜厚が異なり、双晶の無い高品質な非c軸配向Bi-2212単結晶膜を作製するなど、クリアーすべき課題が順次解決されている。
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| Strategy for Future Research Activity |
設計した素子構造を、既存の半導体化工プロセスを用いて作製する。目的のプラナー型の素子は、絶縁層の形成も不要で工程も少なく、構造と加工プロセスが簡単かつ微細なため、高集積化に適している。一枚の試料に様々な寸法のパターンを描画して、効率的に最適な形状や寸法、および各素子のスループットを調べることができるかを検討する。
従来のc軸配向のメサ構造は、素子表面が絶縁（I)層のBiO層で覆われており、電極のオーミックが困難だと予想されるが、新構造のプラナー型素子では、電気伝導(S)層のCuO層を通して、電極のオーミック接合が取りやすいと想定される。
作製した素子について固有ジョセフソン接合(IJJ)の電流・電圧 (IV) 特性を測定するとともに、THz波の発振特性の測定を行う。また、非c軸配向の薄膜を走査SQUID顕微鏡で観察することにより、理論的に予測される発振のメカニズムの検証を行う。
目的とする素子作製は、素材となる薄膜作製と密接に関係があるため、素子設計・作製や特性測定で得られる情報は、適宜、薄膜作製にフィードバックして、より素子に適した薄膜の作製を進める。
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| Causes of Carryover |
次年度の新構造のデバイスの作製及び評価実験の進展に伴い、その結果を薄膜作製にフィードバックすると、例えば、より厚い膜厚を得るために長時間成膜が必要など、多様な条件での薄膜作製が要求される場合がある。これを事前に予測することを試みた結果、次年度に繰越して、単結晶基板や原料などの薄膜作製に必要な消耗品代に充当することが良いと判断した。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
主として、MOCVD法によるBi系超伝導薄膜の作製に使用する有機金属・金属錯体原料、高純度アルゴン・酸素のガス原料、単結晶基板、およびデバイス構造作製用材料・部品の購入に使用する。その他、真空ポンプ用フォンブリンオイル、ガスケット、サセプター、石英トレイ等、装置のメンテナンス材料の購入に使用する。
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[Presentation] MOCVD Growth of High-Quality c-Axis and non-c-Axis Oriented Thin Films of Bi2Sr2CaCu2O8 Superconductor2015
Author(s)
K. Endo, S. Arisawa, T. Tsuchiya, Y.Tateno, P. Badica, S. Kawai, M. Wada, I. Tsuyumoto, T. Kaneko, H. Kezuka, and T. Endo
Organizer
25th MRS-J, A1: Functional Oxide Materials Symposium
Place of Presentation
横浜情報文化センター （横浜市）
Year and Date
2015-12-08 – 2015-12-10
Int'l Joint Research
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