2021 Fiscal Year Research-status Report
Modeling and application of phase transition VO2 devices for high speed modulation of Terahertz wave
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21K04868
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| Research Institution | Tokai University |
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Principal Investigator |
沖村 邦雄 東海大学, 工学部, 教授 (00194473)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
中西 俊博 京都大学, 工学研究科, 講師 (30362461)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 相転移VO2素子 / 絶縁体－金属転移 / 電圧印加スイッチング / 自発発振現象 / ヒステリシス幅 / テラヘルツ波の透過偏光制御 / メタマテリアル / ポリイミド膜 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は比較的低温の68℃付近で巨大抵抗値変化、即ち絶縁体－金属転移(Insulator-metal transition: IMT)を示す二酸化バナジウム(VO2)薄膜をパターニングしたメタ表面において、テラヘルツ波の透過や偏光の制御を試みる研究として実施するものである。目標として、パターニングしたVO2薄膜の電圧印加スイッチングによってVO2の高速なメタル化を実現すること及びIMTが自発的に繰り返される自励発振の可能性を探索することにある。
研究初年度の2021年度は、東海大学で作製したサファイア基板上のVO2薄膜に対して、研究分担者の京都大学においてTi/Au電極を堆積し、微細加工によって電極幅500μm, 電極間ギャップ10μmの対向電極を有するプレーナ型素子を作製した。この素子に対して電圧印加スイッチングを行い、11 V, 200 mAにおいて電圧印加スイチングを得た。この電流ジャンプはしきい値電圧においてジュール加熱によってVO2薄膜が金属化して低抵抗化するために生じる現象であり、VO2薄膜をテラヘルツ波制御へ応用するために必要となる機能である。一方、本素子に直流電圧を印加しても自励発振は得られなかった。LTSpiceによるシミュレーションより、本素子ではスイッチング電圧と低温相へ復帰する電圧の差が大きく、ヒステリシス幅が広いことが自励発振に至らない理由と判明した。LTSpiceによるVO2スイッチングのモデリング解析は、VO2の電圧－電流(V-I)特性を基礎として、発振動作もシミュレートすることが可能である。今後、モデリング解析の予測を踏まえてプレーナ型素子を作製することで効率よくスイッチング及び発振現象を発現できるようになると期待できる。
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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
研究初年度の2021年度は、東海大学で作製したサイファイア基板上のVO2薄膜に対して、Ti/Auの積送電極を堆積し、微細加工によって電極幅500μm, 電極間ギャップ10μmの対向電極を有するプレーナ型素子を作製した。この素子に対して電圧印加スイッチングを調べた結果、11 V, 200 mAにおいて電流ジャンプを得た。この電流ジャンプはしきい値電圧においてジュール加熱によってVO2薄膜が金属化して低抵抗化するために生じる現象であり、VO2薄膜をテラヘルツ波制御へ応用するために必要となる機能である。本素子では電極幅が500μmと広いことから、VO2上を流れる電流値が200 mAと高い値を示した。更に、本素子に直流電圧を印加した時に金属化による電流ジャンプと絶縁相への復帰による電流の急減を繰り返す自励発振現象の発現について実験を行ったが、発振現象は生じなかった。発振現象が生じればテラヘルツ波の制御に対して時間的な変調を加えることができ、応用性が高まることが期待される。本素子の電圧印加に対する動作をLTSpiceによってシミュレートした結果、電流が大きいために低温へ復帰する電圧が低く、M相からI相へとスイッチできるヒステリシス幅が広いことが自励発振に至らない理由と判明した。LTSpiceによるVO2スイッチングのシミュレーション解析は、VO2への電圧－電流(V-I)特性を基礎として、発振動作もシミュレートすることが可能である。今後、シミュレーションの予測を踏まえてプレーナ型素子を作製することでスイッチング及び発振現象を効率的に発現できるようになると期待できる。また、テラヘルツ波の透過、偏光制御に有用なポリイミド膜上へのVO2成長を行い、3桁近い大きな抵抗変化を伴うIMTを達成した。テラヘルツ波へのVO2膜の応用を進めるために基礎となる成果である。
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| Strategy for Future Research Activity |
上記のようにプレーナ型素子において電圧印加スイッチングを実現できたが、スイッチング時の電流値が高いために、低温相への復帰に要する電圧幅が広く、電圧印加スイッチングの高速化を阻む結果となった。また、広いヒステリシス幅は自励発振現象を阻害することもモデリング解析によって明らかにされた。
したがって、研究２年目となる2022年度は、プレーナ型素子の電極構造を変えることで高速な電圧印加スイッチングと自励発振を実現する。それらが実現できれば、テラヘルツ波の透過・変更制御への応用においてもより高速な電圧印加制御と、新規な変調の可能性を探索することができる。2021年度同様に8～9月までの素子作製、10～12月の評価実験を予定する。また、LTSpiceによるモデリング解析を積極的に利用し、素子構造へ反映していく。
また、より高速且つ低電圧、低電流でのスイッチングの実現を目指して、導電層をVO2薄膜の下層として、VO2上部に設置した電極との間で積層型のスイッチング動作を誘起することを目指す。このような積層型素子でのスイッチングはTiN層及びITO層を用いて研究実績があり、今回もITOを下層として形成する予定である。高導電性である0.0001Ωcmオーダーの抵抗率を有するITO膜を利用する。石英やガラス基板上へ堆積したITOを利用することでテラヘルツ波の透過実験に適したサンプルとなる。
上記のようにプレーナ型及び積層型の２種類のVO2薄膜素子を用いて、本研究の目標であるテラヘルツ波の高速な透過、偏向制御及び高速変調の実現を目指して研究を進める。
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| Causes of Carryover |
コロナの影響を受けて予定していた購入希望物品の製造ができない事態となったため次年度購入とした。
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