| 研究課題/領域番号 |
15K05997
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| 研究機関 | 金沢工業大学 |
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研究代表者 |
遠藤 和弘 金沢工業大学, 工学研究科, 教授 (50356606)
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| 研究分担者 |
有沢 俊一 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, グループリーダー (00354340)
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| 研究期間 (年度) |
2015-04-01 – 2019-03-31
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| キーワード | テラヘルツ発振 / 固有ジョセフソン接合 / ビスマス系超電導体 / プラナー型新構造素子 / 薄膜 / 非c軸配向 / 配向制御 / MOCVD法 |
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| 研究実績の概要 |
実用レベルの発振強度を持つテラヘルツ（THz）素子を目指し、ビスマス系酸化物超伝導体BSCCO薄膜の高品質化を進めてきた。その過程で、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、実用化に向けブレークスルーするべき最大の課題である、高強度のTHz波を発振する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。薄膜の作製には、我々が独自に開発した固体を原料とする有機金属化学気相成長法（MOCVD)を用い、超伝導薄膜として、c軸が基板に対して傾いた(117)配向の非c軸配向Bi-2212薄膜を作製した。
非c軸配向膜の作製のポイントは、薄膜と格子整合性の良い単結晶基板を用いることにある。そこで、我々はベルヌーイ法を用いて、新たに32mmmφ径のSrTiO3単結晶の有効長を大きくする技術を開発し、高品質な基板結晶を歩留まり良く得ることができた。これらの(110)SrTiO3や(110)LaAlO3単結晶基板を用い、(117)Bi-2212の非c軸配向の単結晶薄膜を作製した。成膜した薄膜は双晶膜であったが、傾斜基板を用いることに拠り、双晶のない(117)Bi-2212の非c軸配向の単結晶薄膜を作製することに成功した。双晶や配向性に係る結晶性の評価はψ-φスキャンのX線回折法を用い、特許として公開した。薄膜の抵抗の温度依存性を測定し、抵抗の温度係数が小さいことを見出した。得られた単結晶薄膜について、プラナー型新構造THz素子の設計を行い、つくばの半導体素子加工ファンドリーで素子を試作し、寸法やパタンの異なる素子について、IV特性を調べた。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
29年度では、ISEC2017の国際会議に参加し、研究成果の発表（アブストラクト提出済み、採択済み）予定であったが、渡航の安全性に配慮して中止した。その後、原料供給システムが不調になり、薄膜作製を中断した。そこで30年度は、原料供給システムを調整して追加実験を行い、これまでに作製に成功した双晶の無い(117)Bi-2212の非c軸単結晶薄膜を作製し、これを用いて、寸法やパタンの異なるプラナー型新構造THz素子を試作し、その結果も併せて、国際会議で発表する。
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| 今後の研究の推進方策 |
設計したプラナー型の素子構造を、既存の半導体加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。一枚の薄膜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で覆われており、電極のオーミック・コンタクトが困難であるが、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・コンタクトが容易である。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(I-V)特性を測定しているが、今後IJJ特性が得られた素子について、THz波の発振特性を調べる。また、走査 SQUID顕微鏡を用いて、(117)配向や(100)配向の非ｃ軸配向のBi系酸化物単結晶薄膜の観察を進めており、これにより理論的に予測されるTHz波の発振メカニズムを検証する。目的とする素子作製は、素材となる薄膜作製と密接な関係があるため、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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| 次年度使用額が生じた理由 |
(理由) 最終年度にはこれまで培った実験結果を基に、新構造の素子作製と評価実験に集中し、得られた結果を薄膜作製にフィードバックして 、THz発振のための最適条件を探す。このために、より厚い膜厚を得るための長時間の連続運転が必要とされる等、多様な条件での薄膜作製が要求される。しかし、11.現在までの進捗状況に記したように、MOCVDの原料供給装置が不調であるため、薄膜作製が中断している。
(使用計画) 薄膜作製に必要なMOCVDの有機金属(MO)原料、基板、キャリアーガスの購入等に使用する。
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