シリコンを基板とする高温超伝導ミリ波サブミリ波帯検出器

1997 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 07555410
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 中島 健介 東北大学, 電気通信研究所, 助教授 (70198084)
• 研究分担者: 明連 広昭 埼玉大学, 工学部, 助教授 (20219827) ; 陳 健 東北大学, 電気通信研究所, 助手 (90241588) ; 山下 努 東北大学, 電気通信研究所, 教授 (30006259)
• キーワード: 高温超伝導 / ジョセフソン接合 / 粒界接合 / ミリ波 / サブミリ波 / テラヘルツ

研究概要

高温超電導体を利用した超低損失伝送線路、超高感度検出器などミリ波・サブミリ波デバイスは、比較的簡便な冷却システムで利用可能であり、情報通信量の増大に対処するための超高速通信システムへの応用が期待される。また、従来の超電導体にない層状構造に由来する特徴的な高周波特性を利用した新しい高周波デバイスへの応用も可能である。本研究では、シリコン単結晶を基板とするYBCO高温超電導薄膜粒界ジョセフソン接合をミリ波・サブミリ波帯の電磁波検出器に応用するための基盤技術の開発を目的とした。その結果、YBCO粒界ジョセフソン接合(GBJJ)の臨界温度T_C,I_CR_N積の向上により高温(70K)動作で初めて2.525THz信号のビデオ検波に成功した。さらに、GBJJに微弱な直流磁界を印加することによりマイクロ波からミリ波・サブミリ波にわたる極めて広い周波数領域の高周波信号に対する応答(シャピロステップ)が強調されることを見出した。これは、GBJJを用いた広帯域スペクトロメータを実現する上で極めて有用な知見である。また、GBJJを用いてハ-モニック・ヘテロダインミキシング実験を用い、f_S=2.525THzのサブミリ波信号とf_<LO>=19.4176268GHzのマイクロ波局部信号に対して130次のハ-モニックミキシング出力(中間周波出力)を得た。このときIF信号対雑音信号比(S/N)は約20dB、スペクトル分解能は100KHzであった。S/Nは、高周波回路の最適化により更に改善が見込まれる。GBJJを用いたミリ波・サブミリ波ハ-モニック・ヘテロダインミキシングの高スペクトル分解能が確認され、ビデオ検波による広帯域スペクトロスコピーと併せ、高精度スペクトル測定に有用であることを明らかにした。

研究成果

• [文献書誌] K.Nakajima: "Terahertz Response for Bicrystal YBCO Josephson Junctions" IEEE Transactions on Applied Superconductivity. 7. 2607-2610 (1997)
• [文献書誌] K.Nakajima: "Odd-gap spikes observed by tunneling spectroscopy for La-Sr-Cu-O single crystal" Physica C. 293. 292-295 (1997)
• [文献書誌] S.-J.Kim: "High Frequency Response of YBa_2Cu_3O_<7-y> Josephson Junctions on Si Substrates Fabricated by Focused Electron Beam Irradiation" Japanese Journal of Applied Physics. 36. L1096-L1099 (1997)
• [文献書誌] S.-J.Kim: "Josephson junction arrays on Si membrane using focused electron beam irradiation" Physica C. 282-287. 2467-2468 (1997)
• [文献書誌] J.Chen: "Mixing of terahertz frequency band using YBa_2Cu_3O_<7-□> bicrystal Josephson junctions" Applied Physics Letter. 71. 707-709 (1997)
• [文献書誌] J.chen, H.Myoren: "THz mixing propertities of YBa_2Cu_3O_<7-□> grain boundary Josephson juncytions on bicrystal substrates" Physica C. 293. 288-291 (1997)
• [文献書誌] J.Chen: "Intrinsic noise temperature of YBa_2Cu_3O_<7-□> Josephson devices on bicrystal substrates and the upper frequency limit for their operation" Journal of Applied Physics. 80. 6235-6537 (1996)
• [文献書誌] S.J.Kim,: "Successful fabrication of bicrystal Si substrates for YBa2Cu307-y Josephson junctions" Cryogenics. 35. 901-903 (1995)
• [文献書誌] G.Oya: "Atomic oxygen effect on the in situ growth of stoichioemetric YBa_2Cu_3O_<7-δ> epitaxial films by facing targets 90°off-axis radiofrequency magnetron sputtering" Journal of Applied Physics. 77. 5809-5818 (1995)