2017 Fiscal Year Annual Research Report
高温超伝導薄膜を用いたテラヘルツ光センサーアレイの開発
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17H02809
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| Research Institution | Toyohashi University of Technology |
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Principal Investigator |
有吉 誠一郎 豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (20391849)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
田中 三郎 豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (10271602)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | テラヘルツ/赤外材料・素子 / 超伝導材料・素子 / 超精密計測 / 高分子構造・物性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、高分子材料などのソフトマテリアルの基礎物性研究分野に新たな分析手法を提案し確立すべく、高感度・広帯域・大規模アレイ性能を兼ね備えたテラヘルツ光検出器を創成することにある。具体的には、従来の金属系超伝導体に比べて約１桁高い転移温度をもつ銅酸化物系高温超伝導体（YBCO）を導入することで、新たな力学インダクタンス検出器を開発し、1000画素クラス同時読出し回路を構築して冷却から計測制御に至る全自動化の達成を目指している。
１年目はMKID構成要素の最適化（設計と材料開発）を重点的に進めた。具体的な研究項目は以下の２点である。
(1) 高感度・広帯域MKIDの設計最適化
高感度・広帯域・省スペースという３つの問題を克服するために、2.5次元の電磁界解析ソフト（ソネット技研社SONNET）を用いてスパイラル型MKIDの設計解析を行った。その結果、5 GHz帯における動作温度10 Kでの負荷Q値は3800、ディップ深さは40 dBという良好なマイクロ波共振特性が期待できることが判った。
(2) YBCO薄膜の作製条件最適化
申請者らが所有するRFマグネトロンスパッタ装置を用い、基板温度や酸素濃度をコントロールすることで結晶軸配向や超伝導特性を制御した結果、MgO基板上のYBCO薄膜（200 nm厚）の超伝導転移温度（Tc）は84 Kという高品質薄膜を実現した。現在、既有のフォトマスクを用いてYBCO製MKIDの試作を進めており、２年目以降に行うMKIDの本作製と性能評価に備えている。
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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
１年目終了時にはMKID１画素の設計解析と試作版の冷却評価によって比較的良好なマイクロ波共振特性を確認し、かつ、YBCO膜の成膜条件最適化によって高品質薄膜の形成を可能にしており、２年目以降に行うMKIDの本作製と性能評価の準備が整っているため。
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| Strategy for Future Research Activity |
２年目は１画素の本作製と評価、アレイ設計と試作を行う予定である。
まず、設計に関しては、前年度までに得られた１画素設計の知見をもとに、今後は１画素の詳細解析とともにアレイ設計も視野に入れた研究を進める。具体的には、アレイ化の際の画素間クロストークを防ぐために検出器アレイ間隔の電磁界解析を行う。この解析には、2.5次元や3次元の電磁界解析ソフトを駆使することで最適化設計を目指す。
次に、作製に関しては、YBCOの成膜条件や加工条件が確立した時点でMKIDの本作製に取り掛かる。具体的には、異なるマイクロ波共振線路長をもつMKIDパターンを１枚のフォトマスク上に並べて設計・配置し、豊橋技科大の超伝導素子作製用プロセスライン（露光・現像装置、 エッチング装置等）を用いて行う。また、単層膜というシンプル構造をもつMKIDの高い作製歩留まりを活かし、加工条件を確立次第、一足先にアレイ試作へ移行する。
最後に、MKIDの冷却とマイクロ波共振特性の評価に関しては、ヘリウム４冷凍機（最低到達温度10 K）を用い、10 Kステージに温調を掛けることで任意の温度で使用する。また、MKIDの光学特性（検出感度や応答速度等）を明らかにする。なお、検出感度や応答速度の測定に際しては前年度に導入した黒体炉を用いる。1200 Kに高温加熱した黒体炉はテラヘルツ帯を含む広帯域放射特性に優れ、雑音等価電力の精密測定、および高速回転する光学チョッパーと組み合わせることで光応答速度の評価が可能である。
以上のように、MKIDの設計から作製・性能評価に至る一連の過程を繰り返して検出素子の最適化を図る。また同時並行して、PC制御の読出し回路を設計・構築する。これと冷凍機システムを組み合わせることで、冷却から計測に至る全自動化の達成を目指す（本項目は次年度も継続する）。
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