2013 Fiscal Year Research-status Report
室温熱輻射から微弱電力を抽出するための分布定数型MIMトンネルダイオードの研究
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25630156
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Grant-in-Aid for Challenging Exploratory Research
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| Research Institution | National Institute of Information and Communications Technology |
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Principal Investigator |
川上 彰 独立行政法人情報通信研究機構, 未来ICT研究所ナノICT研究室, 主任研究員 (90359092)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | MIM / 中赤外 / トンネルダイオード / 光アンテナ / 微細加工技術 |
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| Research Abstract |
平成24年度からの基盤B「極限的微細加工技術による高速化・高効率化を目指したナノアンテナ結合型赤外検出器」により、既に波長7 um付近の中赤外光アンテナの設計・作製が可能であることを報告している。本研究課題は、分布定数型Metal-Insulator-Metal (MIM)トンネルダイオードの研究を行い、この中赤外光アンテナ構造と組み合わせることで、室温300 K放射からの微弱電力の抽出を目指している。
まず、MIMダイオードの作製プロセスの検討を進めた。同ダイオードは仕事関数が異なる二種類の金属でトンネルバリアを挟んだ構造で、対向面間には大きな接合容量が存在する。そこでトンネル構造を分布定数線路と見なし、赤外電磁波が伝送する間に徐々に整流する分布定数型ダイオードを想定した。しかし極端に薄い(1 nm程度)トンネルバリアゆえ線路特性インピーダンスは必然的に低くなり、線路幅を狭くして入力インピーダンスを確保する必要がある。それには電子線描画が必須で、上部電極である窒化ニオブ(NbN)薄膜の微細加工法を検討した。電子線レジストにはポジ型ZEP-520Aを用い、MIMダイオードにあたる部分にリフトオフにより極薄(2 nm)の酸化マグネシウム(MgO)薄膜の細線パターンを形成。次にMgOの高耐フッ素性を利用し無機レジストとして使用、反応性エッチングにより幅200 nmのNbN細線(膜厚200 nm)の形成に成功した。
次に中赤外光アンテナとMIMダイオードとのインピーダンス整合器に必要なマイクロストリップ線路の設計・基礎特性評価を行った。中赤外光スロットアンテナの給電点に幅200 nmのマイクロストリップ線路共振器を接続、フーリエ分光光度計にて線路共振による吸収スペクトルを観測することで，中赤外マイクロストリップ線路の線路内波長，位相速度など整合回路構築に必要な基礎特性を評価した。
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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
本課題研究計画における平成25年度達成目標において、研究遂行上、アンテナとトンネルダイオードとを接続する中赤外光マイクロストリップ線路の特性評価を先行実施した関係で、MIMトンネルダイオードの直流特性測定までは至っていないが、MgO無機レジストを用いた電子線描画によるパターニングプロセスの確立や、中赤外領域でのマイクロストリップ線路の特性評価など、研究課題全体としてはおおむね順調に進展している。現状の研究状況を鑑みて区分(2)が妥当であると考える。
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| Strategy for Future Research Activity |
分布定数型MIMトンネルダイオードの直流特性評価を実施、また中赤外光アンテナ、インピーダンス整合器等要素技術の開発を進め、本課題目的である中赤外光から直流電力を抽出する技術の可能性を明らかにする。
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
研究遂行上、平成25年度に予定していたMIMトンネルダイオードの直流特性評価系の構築を平成26年度実施に変更、先行してインピーダンス整合機設計のための中赤外光マイクロストリップ線路の特性評価を実施したため、直流特性評価系構築に必要な測定機器の整備を行わなかったため。
平成26年度にMIMトンネルダイオードの直流特性評価系の構築を実施、平成26年度購入を予定していた微小電流計、微小電圧計他とともにに、評価系構築に必要な測定機器の整備を行う予定である。
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