Development of fundamental technologies for practical superconducting terahertz oscillation devices

本研究では、Ｂｉ２２１２高温超伝導体の超伝導臨界温度以下で動作する固有ジョセフソン接合（Intrinsic Josephson Junction:ＩＪＪ）テラヘルツ波発振デバイスを実用化する上で接合を最適な動作温度に制御する必要性から発振動作時のＩＪＪの実温度とＩＪＪから熱浴への放熱性をＩＪＪの電圧－電流特性から評価する手法を提案した。これまでの研究から、Ｂｉ２２１２‐ＩＪＪから持続したテラヘルツ波を発振させるためには、接合電圧を所望テラヘルツ波の周波数に対応する値に安定に保つ必要がある一方で、接合の電圧－電流特性を人為的に制御することの難しいＢｉ２２１２‐ＩＪＪでは、発振周波数に適した電圧－電流特性を得るための最適な接合温度が存在することが明らかになってきた。また、バルクメサ型ＩＪＪと本研究で提案している薄膜段差型／薄膜メサ型ＩＪＪの接合温度と放熱特性とを比較検討した結果、薄膜型の両者には大きな放熱性の違いは見られず、令和４年度に着手したＢｉ２２１２‐ＩＪＪテラヘルツ発振デバイスの一次元熱伝導はモデルを用いた熱伝導解析によっても，放熱性を妨げている要因がデバイスの基材となる材料（基板）とＢｉ－２２１２の間の接着層にあることを明らかにした。このことはメサ型であっても接着層の改善やそもそも接着層の無い薄膜メサ型によるＢｉ２２１２‐ＩＪＪテラヘルツ波発振デバイスが実現可能であることを示唆している。さらに熱解析によって、接着層を持たない薄膜型デバイスの優位性だけでなく、Ｂｉ－２２１２単結晶片を基材に接着する必要のあるバルクメサ型ＩＪＪであっても接着層の熱伝導性を改善することで液体窒素温度でのテラヘルツ発振動作の可能性を示した。

本研究では、Ｂｉ２２１２高温超伝導体の超伝導臨界温度以下で動作する固有ジョセフソン接合（Intrinsic Josephson Junction:ＩＪＪ）テラヘルツ波発振デバイスを実用化する上で接合を最適な動作温度に制御する必要性から発振動作時のＩＪＪの実温度とＩＪＪから熱浴への放熱性をＩＪＪの電圧－電流特性から評価する手法を提案した。これまでの研究から、Ｂｉ２２１２‐ＩＪＪから持続したテラヘルツ波を発振させるためには、接合電圧を所望テラヘルツ波の周波数に対応する値に安定に保つ必要がある一方で、接合の電圧－電流特性を人為的に制御することの難しいＢｉ２２１２‐ＩＪＪでは、発振周波数に適した電圧－電流特性を得るための最適な接合温度が存在することが明らかになってきた。また、バルクメサ型ＩＪＪと本研究で提案している薄膜段差型／薄膜メサ型ＩＪＪの接合温度と放熱特性とを比較検討した結果、薄膜型の両者には大きな放熱性の違いは見られず、令和４年度に着手したＢｉ２２１２‐ＩＪＪテラヘルツ発振デバイスの一次元熱伝導はモデルを用いた熱伝導解析によっても，放熱性を妨げている要因がデバイスの基材となる材料（基板）とＢｉ－２２１２の間の接着層にあることを明らかにした。このことはメサ型であっても接着層の改善やそもそも接着層の無い薄膜メサ型によるＢｉ２２１２‐ＩＪＪテラヘルツ波発振デバイスが実現可能であることを示唆している。さらに熱解析によって、接着層を持たない薄膜型デバイスの優位性だけでなく、Ｂｉ－２２１２単結晶片を基材に接着する必要のあるバルクメサ型ＩＪＪであっても接着層の熱伝導性を改善することで液体窒素温度でのテラヘルツ発振動作の可能性を示した。