2017 Fiscal Year Research-status Report
高温動作を実現する局部発振器内蔵型テラヘルツ帯超伝導ヘテロダイン受信機の開発
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16K06291
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| Research Institution | Ibaraki University |
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Principal Investigator |
島影 尚 茨城大学, 工学部, 教授 (80359091)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
川上 彰 国立研究開発法人情報通信研究機構, 未来ICT研究所フロンティア創造総合研究室, 主任研究員 (90359092)
武田 正典 静岡大学, 工学部, 准教授 (80470061)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 超伝導デバイス / テラヘルツ / 受信機 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題では、高温超伝導体を用いて、簡便な冷凍機で動作する、発振器を内蔵した高性能テラヘルツ帯ヘテロダイン受信機実現のための研究を行うものである。平成29年度の研究概要を以下に述べる。まず、BSCCOのIJJジョセフソン接合に対して作製する素子性能の歩留まりを上げるため、真空蒸着を用いた薄膜作製をスパッタリング法に改良し、薄膜の付着力の高い接合を作製することを目指した。完全な歩留まり性能の達成までにはまだ至っていないが、徐々にプロセスの精度を向上させている現状である。次に、BSCCOのIJJ接合からの電磁波放射に関しては、検出器もBSCCOのIJJ接合により作製し、冷凍機内で照射実験を行えるように、測定系の構築を行った。その測定系が適切に構築されていることを確認するためにIJJ発振器からテラヘルツ波を発振させ、IJJ検出器を用いて検出を行うことを目標とし、IJJを用いた発振器と検出器を作製し、テラヘルツ波放射実験を行った。放射実験では、IJJ発振器とIJJ検出器を冷凍機内で4cm離して配置した。IJJ発振器では発振周波数が0.5THzになるように設計した。作製したIJJ発振器に対し、4Kにおいての電流電圧特性から複数の電圧ジャンプを観測し、多接合であることを観測し、接合数は約40個と見積もった。次にIJJ検出器に対しても、電流電圧特性から、ジョセフソン接合として動作していることを確認した。テラヘルツ波放射実験に関する結果としては、IJJ発振器に対する電圧バイアス値を0から500mVまで変化させ、設計の電圧値で検出器の反応の確認実験を行ったが、測定系のノイズなどの影響で、まだ確認までには至っていない。現在、測定系などの改善を行っている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
最終的な、受信機の実験に向けての測定系に関しては、現在その整備を進めている状況であるが、冷凍機内で効率の良いBSCCOのIJJからの電磁波放射の体系を保ちながら、その特性評価が可能となるような測定系の構築は、ほぼ出来上がりつつあると考えている。次に、テラヘルツ波検出器としてのYBCO接合の作製についてであるが、28年度はYAGレーザの不調があり、YBCO薄膜の作製自身が滞っていた。しかし、29年度中にYAGレーザのメンテナンスが完了し、YBCO薄膜自身は定常的に作製することができるようになってきた。そのYBCO薄膜を用いて、YBCOジョセフソン接合の作製を現在行っているが、その方法としては、エッチングにより基板に段差を形成しその上に最膜されるYBCO薄膜が段差上で弱結合になることを利用し、接合作製を行うように予定していた。しかし、基板に段差を作製するときに使用しているエッチングは、現在、スパッタエッチングで行っていることから、基板への段差作製において、急峻な段差作製ができていない。そのために、その上に製膜したYBCO薄膜自身が、段差上で弱結合のように振る舞うことなく、ジョセフソン接合としての特性が得られていないのが現状である。現在は、共同研究先により、他のエッチング方法で、急峻な基板の段差が得られるように検討を行っており、その基板が出来上がったら、YBCOジョセフソン接合の作製ができるものと見込んでいる。また、YBCOジョセフソン接合が作製できるまでは、BSCCOのIJJにより、検出実験は進めている。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究課題は最終年度であるので、YBCOジョセフソン接合を検出器とし、また、BSCCOのIJJ接合を局部発振器として、体系を整えることを目指す。BSCCOのIIJ接合に関しては、局部発振器として、十分な出力が得られるように、接合数の多い素子の作製を目指す。BSCCOのIJJ接合は、本質的に、多くのジョセフソン接合が多段化されている構造となるが、高出力を得るためには、数100個程度の接合数があるべきと予想している。現在のところ、作製した素子の直列数は80個程度であり、この接合数を増やすことを試みる。接合の作製方法としては、現在までに、エッチング法と、希塩酸改質法の二つを確立してきた。これらの二つの方法に対して、より多くの接合数が得られる方法を研究する。エッチング法に関しては、現在のスパッタエッチング法においては、エッチング中のチャージアップの影響と思われる、エッチング深さの飽和現象が見られている。それを回避するための電荷中和の方法を模索する。また、希塩酸改質に関しては、塩酸の濃度などを変えて、それによる接合数の制御ができないかの検討を行う。YBCOジョセフソン接合に関しては、共同研究先において基板の段差付けを行い、本年度の早い時期にYBCOジョセフソン接合の作製が完了するように取り組んでいく。YBCOジョセフソン接合の作製後は、アンテナなどとの集積化を行い、BSCCOのIJJ発振器からの電磁波検出実験により、ヘテロダインミキシング素子としての動作を確認することを目指す。
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| Causes of Carryover |
情報通信研究機構において、ジョセフソン接合のアンテナ形状を考慮したマスク作製のためのマスクブランクの購入に当てる予定であったが、29年度までで、アンテナの形状の決定まではいかずに30年度にその作製をすることとなったために、一部の予算執行が遅れた。
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