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

太赫兹波高速调制相变VO2器件建模及应用

基本信息

批准号：
21K04868
负责人：
沖村邦雄
金额：
$ 2.66万
依托单位：
Tokai University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

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。

This study is aimed at the fundamental research on the application of dielectric wave polarization control in the dielectric film VO2 near 68℃ for the demonstration of Insulator-metal transition (IMT). During the three years of research and implementation, we explored the realization of voltage excitation and self-excitation of VO2 thin films. In the initial year of the study, in 2021, the VO2 thin film was formed and the electrical characteristics of Ti/Au electrodes deposited and micromachined at Kyoto University, where the study contributor belongs, were evaluated. The result is 11 V, 200 mA. The resistance between electrodes is low. The voltage is high. The excitation is high. In 2022, the VO2 thin film on the ITO layer was deposited and the electrode was contacted vertically. As a result, low voltage and low current of 2V and 30 μA are generated, and self-excitation vibration above 200 kHz is generated due to appropriate in-line resistance. The frequency of vibration is controlled by the frequency of vibration. The results of the International Vacuum Conference (IVC22) in Sapporo, September 2022 were presented. In 2021, the results showed that the VO2 thin film thickness was thin, the resistance was high, and the structure of the VO2 thin film was controlled by Kyoto University. The current was suppressed to the extent of 10 mA, and the results showed that the VO2 thin film thickness was thin, the resistance was high, and the structure of the VO2 thin film was controlled by Kyoto University. In 2023, the measurement of self-excitation vibration was carried out. The final stage of the study is to discuss the application of this element.