Modeling and application of phase transition VO2 devices for high speed modulation of Terahertz wave

本研究は68℃付近で絶縁体－金属転移(Insulator-metal transition: IMT)を示す二酸化バナジウム(VO2)薄膜をパターニングしたメタ表面を用いてテラヘルツ波の透過偏光制御に繋がる基礎研究として実施するものである。3年間の研究実施期間において、パターニング電極を持つVO2薄膜の電圧印加スイッチング及び自励発振の実現を探索する。研究初年度の2021年度は、スパッタ成膜したVO2薄膜に対して研究分担者が所属する京都大学においてTi/Au電極を堆積し、微細加工によって電極幅5000μm, 電極間ギャップ10μmの対向電極を有するプレーナ型素子を作製し電気的特性を評価した。その結果11 V, 200 mAにおいて電圧印加スイッチングが発現したが、電極間の抵抗値が低くジュール発熱が大きいため自励発振には至らなかった。そこで、2年目の2022年度は導電層であるITO上へVO2薄膜を堆積したVO2/ITO積層膜へプローバー電極を接触させて垂直方向動作を試みた。その結果、2V, 30 μA程度の低電圧、低電流でスイッチングが生じ、適切な直列抵抗を接続したとき200 kHz以上の自励発振が発現した。また、VO2に並列キャパシタンスを接続することでより安定な発振が実現でき、発振周波数も幅広く制御できた。この成果を2022年9月に札幌で開催された国際真空会議(IVC22)において発表した。また、並行して2021年度の結果を踏まえて、VO2薄膜の膜厚を薄くして抵抗値を高めたプレーナー型構造を京都大学において作製したところ、スイッチング時の電流は10 mA程度に抑制され、その結果自励発振に至ることが判明した。2023年度はこのプレーナー型素子を用いて自励発振の測定を進めていく。研究の最終段階においてテラヘルツ波に対して本素子の適用を検討する。

本研究は68℃付近で絶縁体－金属転移(Insulator-metal transition: IMT)を示す二酸化バナジウム(VO2)薄膜をパターニングしたメタ表面を用いてテラヘルツ波の透過偏光制御に繋がる基礎研究として実施するものである。3年間の研究実施期間において、パターニング電極を持つVO2薄膜の電圧印加スイッチング及び自励発振の実現を探索する。研究初年度の2021年度は、スパッタ成膜したVO2薄膜に対して研究分担者が所属する京都大学においてTi/Au電極を堆積し、微細加工によって電極幅5000μm, 電極間ギャップ10μmの対向電極を有するプレーナ型素子を作製し電気的特性を評価した。その結果11 V, 200 mAにおいて電圧印加スイッチングが発現したが、電極間の抵抗値が低くジュール発熱が大きいため自励発振には至らなかった。そこで、2年目の2022年度は導電層であるITO上へVO2薄膜を堆積したVO2/ITO積層膜へプローバー電極を接触させて垂直方向動作を試みた。その結果、2V, 30 μA程度の低電圧、低電流でスイッチングが生じ、適切な直列抵抗を接続したとき200 kHz以上の自励発振が発現した。また、VO2に並列キャパシタンスを接続することでより安定な発振が実現でき、発振周波数も幅広く制御できた。この成果を2022年9月に札幌で開催された国際真空会議(IVC22)において発表した。また、並行して2021年度の結果を踏まえて、VO2薄膜の膜厚を薄くして抵抗値を高めたプレーナー型構造を京都大学において作製したところ、スイッチング時の電流は10 mA程度に抑制され、その結果自励発振に至ることが判明した。2023年度はこのプレーナー型素子を用いて自励発振の測定を進めていく。研究の最終段階においてテラヘルツ波に対して本素子の適用を検討する。