| 研究課題/領域番号 |
26420330
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| 研究機関 | 国立研究開発法人情報通信研究機構 |
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研究代表者 |
鵜澤 佳徳 国立研究開発法人情報通信研究機構, テラヘルツ研究センター テラヘルツ連携研究室, 室長 (00359093)
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| 研究分担者 |
小嶋 崇文 国立天文台, 先端技術センター, 助教 (00617417)
牧瀬 圭正 国立研究開発法人情報通信研究機構, 未来ICT研究所 ナノICT研究室, 専門推進員 (60363321)
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| 研究期間 (年度) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| キーワード | テラヘルツ / 超伝導 / 窒化ニオブチタン |
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| 研究実績の概要 |
本研究は、我々がこれまで開発してきたテラヘルツ帯における世界最高性能の超伝導SISミキサをさらに改良し、検出器としてSIS接合自身が潜在的に有する量子力学的極限の雑音性能まで高めることを目指している。課題としている改良は以下の2点である。（１）ミキサの高周波回路の一部に用いている常伝導金属(Al)を、高品質な超伝導材料(NbTiN)で置き換えることにより回路を無損失化する。（２）このNbTiNとSIS接合材料のNbを接続した際のエネルギーギャップ差によって、過剰準粒子がNb電極中にトラップされるために生ずるSIS接合の電流―電圧特性の劣化を新たなデバイス構造で低減する。2014年度は課題（１）を解決した。2015年度は、課題（２）のために、SIS接合電極のNbと配線のNbTiNの間に常伝導金属(Al)を挿入することで、エネルギーギャップ差を解消させることを検討した。しかし、NbとAlを接続した場合、近接効果によってNbのエネルギーギャップがAlに染み出し、Alの厚さと共にそのエネルギーギャップは減少するものの、デバイス作製を想定した~100 nm厚程度では十分に解消することは困難であると結論付けた。そこで、SIS接合のNb電極を一般的な100 nm以下程度より厚くし、体積を増大することで、過剰準粒子数に対する超伝導電子対数の比を上げ、実効的な接合温度を低下させる効果を検証した。具体的には、Nb/AlN/Nb接合の上部電極を50 nm、200 nmの2種類の接合にNbTiN配線を施したデバイスを作製し、それらの電流―電圧特性を比較した。その結果、Nb電極の厚い接合のギャップ電圧は、薄いNb電極の接合のものより大きく、接合温度上昇が抑圧されているという知見を得た。これにより課題（２）を完了し、実際のテラヘルツ帯SISミキサの低雑音動作の実証に向けたデバイス作製の準備が整った。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
テラヘルツ帯SISミキサの雑音性能の高性能化を目指して研究を進めてきており、2014年度には、低雑音動作に必須の高周波回路に用いる全NbTiNマクロストリップ線路の実現可能性を検証し、我々のNbTiN薄膜がそのギャップ周波数以下で良好な高周波特性を有していることを明らかにした。2015年度には、Nb接合とNbTiN配線の組み合わせで発生する接合温度上昇の抑圧方法を検証し、接合電極の膜厚を増大させることがSIS接合の電流―電圧特性劣化の改善に有効であるという知見を得た。これら2つの課題を着実に解決し、実際のデバイス作製への見通しを得たことからおおむね順調に進展しているといえる。なお、2015年度の成果の一部は、2016年スペーステラヘルツ技術国際シンポジウム（ISSTT 2016）で発表を行い、これを発展させた内容について2016年応用超伝導国際会議（ASC2016）にて発表を予定している。
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| 今後の研究の推進方策 |
2014年度に低雑音テラヘルツ帯SISミキサの同調回路に用いるNbTiN薄膜を獲得し、2015年度には、過剰準粒子によるSIS接合のI-V特性劣化を抑圧するデバイス構造を確立したことで、2016年度は低雑音動作実証のためのデバイス設計と作製、高周波特性評価を実施する。デバイス設計には、2014年度に測定して得られたNbTiN薄膜の高周波複素導電率やNb/AlN/Nb接合の単位面積当たりの静電容量の情報を用いて同調回路の構造パラメータを導出する。デバイス作製は、これまで獲得した知見、技術を用いてプロセスの最適化を行う。国立天文台の有するSISミキサブロックおよび評価装置を用いて、高周波特性評価を行い、従来型に対する本研究の有効性を明らかにする。得られた成果を順次取りまとめ、国内外の学会発表や論文発表を行う。
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