(57)【要約】      （修正有）【課題】単一の素子から複数の周波数のテラヘルツ波放射が可能であって、その周波数が制御可能な高温超伝導体テラヘルツ発振器および高温超伝導体テラヘルツ発振器を提供する。【解決手段】固有ジョセフソン接合を有する高温超伝導体ＢＳＣＣＯの単結晶１０で形成され、ファブリペロー共振が励起される矩形メサ構造部１２、および、矩形メサ構造部の上部に形成され、矩形メサ構造部に電力を供給し、メサ構造部から外部への熱拡散量を制御する金属電極２２を備え、金属電極の面積を矩形メサ構造部の面積よりも小さくすることにより温度分布を不均一にし、発振周波数を定める空洞サイズを変化させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固有ジョセフソン接合を有する高温超伝導体ＢＳＣＣＯの単結晶で形成され、ファブリペロー共振が励起される矩形メサ構造部、および、
前記矩形メサ構造部の上部に形成され、前記矩形メサ構造部に電力を供給し、前記メサ構造部から外部への熱拡散量を制御する金属電極を備え、
前記金属電極の面積を前記矩形メサ構造部の面積よりも小さくすることにより、前記矩形メサ構造部内の温度分布を不均一にし、発振周波数を定める空洞サイズを変化させることを特徴とする温度分布型超伝導体テラヘルツ発振器。
【請求項２】
前記矩形メサ構造部のｃ軸と平行な方向への前記金属電極の厚みが、４００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の温度分布型超伝導体テラヘルツ発振器。
【請求項３】
前記矩形メサ構造部のａｂ面と平行な面内における前記金属電極の面積が、前記矩形メサ構造部のａｂ面の面積の３分の１以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の温度分布型超伝導体テラヘルツ発振器。
【請求項４】
前記矩形メサ構造部におけるａｂ面方向の短辺の長さが、５０乃至１００μｍであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の温度分布型超伝導体テラヘルツ発振器。
【請求項５】
前記矩形メサ構造部におけるａｂ面方向の長辺の長さが、短辺の長さの３倍以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の温度分布型超伝導体テラヘルツ発振器。
【請求項６】
前記矩形メサ構造部のｃ軸方向の高さが、０．５乃至２．０μｍであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の温度分布型超伝導体テラヘルツ発振器。
【請求項７】
矩形メサ構造部、および、前記矩形メサ構造部の上部に形成され、上部電極と下部電極とから構成される金属電極を備える温度分布型超伝導体テラヘルツ発振器の製造方法であって、
（ａ）高温超伝導体ＢＳＣＣＯの単結晶を高真空下において劈開面であるＣｕＯ２面と平行に切断して、前記単結晶の清浄表面を露出させるステップと、
（ｂ）前記清浄表面上に金属を蒸着させるステップと、
（ｃ）フォトリソグラフィにより、前記ステップ（ｂ）において蒸着させた金属上に、矩形メサ構造部のａｂ面内の形状を画定するフォトレジストのパターンを形成するステップと、
（ｄ）前記ステップ（ｃ）において形成したフォトレジストのパターンをマスクとして、ドライエッチングにより前記単結晶および前記ステップ（ｂ）において蒸着させた金属のエッチングを行い、前記矩形メサ構造部および下部電極を形成するステップと、
（ｅ）前記ステップ（ｃ）において形成したフォトレジストを除去し、前記下部電極を前記矩形メサ構造部の外側へ延長するための上部電極を前記下部電極上に形成するため、前記単結晶上および前記下部電極上に金属を蒸着させるステップと、
（ｆ）フォトリソグラフィにより、前記ステップ（ｅ）において蒸着させた金属上に、前記上部電極のａｂ面内の形状を画定するフォトレジストのパターンを形成するステップと、および、
（ｇ）前記ステップ（ｆ）において形成したフォトレジストのパターンをマスクとして、前記ステップ（ｅ）において蒸着させた金属のエッチングを行い、前記上部電極を形成するステップと、
を有することを特徴とする温度分布型超伝導体テラヘルツ発振器の製造方法。
【請求項８】
矩形メサ構造部、および、前記矩形メサ構造部の上部に形成され、上部電極と下部電極とから構成される金属電極を備える温度分布型超伝導体テラヘルツ発振器の製造方法であって、
（ａ）高温超伝導体ＢＳＣＣＯの単結晶を高真空下において劈開面であるＣｕＯ２面と平行に切断して、前記単結晶の清浄表面を露出させるステップと、
（ｂ）前記清浄表面上に金属を蒸着させるステップと、
（ｃ）フォトリソグラフィにより、前記ステップ（ｂ）において蒸着させた金属上に、矩形メサ構造部のａｂ面内の形状を画定するフォトレジストのパターンを形成するステップと、
（ｄ）前記ステップ（ｃ）において形成したフォトレジストのパターンをマスクとして、ドライエッチングにより前記単結晶および前記ステップ（ｂ）において蒸着させた金属のエッチングを行い、前記矩形メサ構造部および下部電極を形成するステップと、
（ｅ）前記ステップ（ｃ）において形成したフォトレジストを除去し、前記下部電極を前記矩形メサ構造部の外側へ延長するための上部電極を形成するため、フォトリソグラフィにより、前記単結晶上および前記下部電極上に、前記上部電極のａｂ面内の形状を画定するフォトレジストのパターンを形成するステップと、
（ｆ）前記ステップ（ｅ）において形成したフォトレジストのパターンをマスクとして、前記下部電極上に金属を蒸着し、前記上部電極を形成するステップと、
を有することを特徴とする温度分布型超伝導体テラヘルツ発振器の製造方法。
【請求項９】
前記矩形メサ構造部のｃ軸と平行な方向への上部電極の厚みが、４００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項７又は８に記載の温度分布型超伝導体テラヘルツ発振器の製造方法。
【請求項１０】
前記矩形メサ構造部におけるａｂ面方向の短辺の長さが、５０乃至１００μｍであることを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載の温度分布型超伝導体テラヘルツ発振器の製造方法。
【請求項１１】
前記矩形メサ構造部におけるａｂ面方向の長辺の長さが、短辺の長さの３倍以上であることを特徴とする請求項７〜１０のいずれか１項に記載の温度分布型超伝導体テラヘルツ発振器の製造方法。
【請求項１２】
前記矩形メサ構造部のｃ軸方向の高さが、０．５乃至２．０μｍであることを特徴とする請求項７〜１１のいずれか１項に記載の温度分布型超伝導体テラヘルツ発振器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温超伝導体を用いたテラヘルツ帯域の電磁波発振器および温度分布型超伝導体テラヘルツ発振器の製造方法に関し、特に、素子内部の温度分布を制御することにより発振周波数を調整することが可能であるテラヘルツ帯電磁波発振器および温度分布型超伝導体テラヘルツ発振器の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
テラヘルツ波（０．１〜１０ＴＨｚ程度の周波数を有する電磁波）には、様々な物質を透過するとともに、水や水蒸気によく吸収されるという特徴があり、多くの物質はテラヘルツ波帯に特徴的な吸収スペクトルを有する。このような性質から、テラヘルツ波は、非破壊検査・化学分析・医療診断といった分野での応用が期待されており、テラヘルツ波を利用した情報通信技術の開発も行われている。
【０００３】
このように、テラヘルツ波は非常に有用な電磁波であるが、従来から電波あるいは光の領域で用いられてきた発振源の出力は、テラヘルツ帯域に近づくにつれて急激に低下する傾向があった。そして、テラヘルツ帯域に簡便な発振器や高感度の検出器が存在しない状況は「テラヘルツギャップ」と呼ばれ、これを解消するために様々な側面から技術開発が進められた。従来のテラヘルツ波の発振方法としては、量子カスケードレーザー、後進波管、自由電子レーザー、シンクロトロン放射、フォトミキシング等を利用した発振方法が公知である。しかし、これらの発振方法には、発振効率が悪く低出力である上に、大掛かりな付帯装置が必要であるといった実用上の問題があった。
【０００４】
一方で、高温超伝導体は５０ｍｅＶにおよぶ超伝導ギャップを有しているため、超伝導状態でテラヘルツ波の励起が可能であり、その結晶構造に含まれる固有ジョセフソン接合を用いたテラヘルツ発振器は、コンパクトかつ高効率・大出力の新たなテラヘルツ波源として期待されている。高温超伝導体としてＢＳＣＣＯ（ビスマス・ストロンチウム・カルシウム・銅酸化物）を使用したテラヘルツ発振器が、既に下記の特許文献１乃至３に提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−４３７８７号公報
【特許文献２】特開２００９−２２４４８１号公報
【特許文献３】特開２００９−２２４４８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述の高温超伝導体テラヘルツ発振器は、ＢＳＣＣＯの単結晶上に作製した台形状のメサ構造に電流を印加することにより、テラヘルツ波を放射させるものである。そして、メサ構造の大きさによって決定されるファブリペロー共振だけを取り出すものであるため、原理的に同一の素子において発振周波数を変化させることができず、単一の周波数のテラヘルツ波しか取り出すことができないという問題があった。
【０００７】
また、従来の高温超伝導体テラヘルツ発振器では、メサ構造上への電極形成の工程の再現性が低いために、単結晶の物性パラメーターやメサ構造のサイズが同一であっても、電流電圧特性や発振特性の再現率が悪いという問題があった。
【０００８】
本発明は、上述した従来の高温超伝導体テラヘルツ発振器における課題を解決しようとするものであり、単一の素子から複数の周波数のテラヘルツ波放射が可能であって、その周波数が制御可能な高温超伝導体テラヘルツ発振器の提供を目的とするものである。また、本発明は、再現性の高い電極形成工程を採用することにより、歩留まりが高く、素子特性の再現性が高い高温超伝導体テラヘルツ発振器を製造する方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の温度分布型超伝導体テラヘルツ発振器は、固有ジョセフソン接合を有する高温超伝導体ＢＳＣＣＯの単結晶で形成され、ファブリペロー共振が励起される矩形メサ構造部、および、前記矩形メサ構造部の上部に形成され、前記矩形メサ構造部に電力を供給し、前記メサ構造部から外部への熱拡散量を制御する金属電極を備え、前記金属電極の面積を前記矩形メサ構造部の面積よりも小さくすることにより、前記矩形メサ構造部内の温度分布を不均一にし、発振周波数を定める空洞サイズを変化させることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の温度分布型超伝導体テラヘルツ発振器の製造方法は、矩形メサ構造部、および、前記矩形メサ構造部の上部に形成され、上部電極と下部電極とから構成される金属電極を備え、
（ａ）高温超伝導体ＢＳＣＣＯの単結晶を高真空下において劈開面であるＣｕＯ２面と平行に切断して、前記単結晶の清浄表面を露出させるステップと、
（ｂ）前記清浄表面上に金属を蒸着させるステップと、
（ｃ）フォトリソグラフィにより、前記ステップ（ｂ）において蒸着させた金属上に、矩形メサ構造部のａｂ面内の形状を画定するフォトレジストのパターンを形成するステップと、
（ｄ）前記ステップ（ｃ）において形成したフォトレジストのパターンをマスクとして、ドライエッチングにより前記単結晶および前記ステップ（ｂ）において蒸着させた金属のエッチングを行い、前記矩形メサ構造部および下部電極を形成するステップと、
（ｅ）前記ステップ（ｃ）において形成したフォトレジストを除去し、前記下部電極を前記矩形メサ構造部の外側へ延長するための上部電極を前記下部電極上に形成するため、前記単結晶上および前記下部電極上に金属を蒸着させるステップと、
（ｆ）フォトリソグラフィにより、前記ステップ（ｅ）において蒸着させた金属上に、前記上部電極のａｂ面内の形状を画定するフォトレジストのパターンを形成するステップと、および、
（ｇ）前記ステップ（ｆ）において形成したフォトレジストのパターンをマスクとして、前記ステップ（ｅ）において蒸着させた金属のエッチングを行い、前記上部電極を形成するステップと、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る超伝導体テラヘルツ発振器によれば、従来の構造では単一の周波数しか取り出すことが出来なかったのに対し、発振周波数を１０％以上変化させることができる利点がある。さらに、メサ構造部内の局所的な温度上昇が、積層された１つ１つのジョセフソン接合を同期させるため、テラヘルツ波発振の再現性が高くなるという効果がある。
【００１２】
また、従来の製造方法では、再現性の悪い電極形成プロセスが発振器の性能のばらつきを招来していたが、本発明に係る超伝導体テラヘルツ発振器の製造方法によれば、単結晶の物性パラメーターが同一であれば、電流電圧特性や発振特性をよく再現することができる。その上、本発明の方法を用いることにより、歩留まりが向上するため、全工程を通して効率の良い素子の作製が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る温度分布型超伝導体テラヘルツ発振器の概略図。
【図２】本発明に係る温度分布型超伝導体テラヘルツ発振器の製造方法の概略図。
【図３】メサ構造部に加えられる電圧と熱浴の関係。
【図４】熱浴の温度ごとの発振周波数スペクトル。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明に係る温度分布型超伝導体テラヘルツ発振器及びその製造方法の詳細について説明する。
【００１５】
図１は、本発明に係る温度分布型超伝導体テラヘルツ発振器の概略図である。本発明の温度分布型超伝導体テラヘルツ発振器は、固有ジョセフソン接合を有する高温超伝導体ＢＳＣＣＯの単結晶で形成される矩形メサ構造部１２、および、前記矩形メサ構造部の上部に形成される金属電極２２を備える。
【００１６】
ファブリペロー共振が励起される矩形メサ構造部１２は、ＢＳＣＣＯ単結晶基板１０上に作成され、矩形メサ構造部１２自体もまたＢＳＣＣＯ単結晶からなる。矩形メサ構造部１２とＢＳＣＣＯ単結晶基板１０を構成するＢＳＣＣＯ単結晶は連続しており、ＢＳＣＣＯ単結晶基板１０の表面はＢＳＣＣＯ単結晶のａｂ面と平行である。したがって、矩形メサ構造部１２には、ａｂ面内に広がる超伝導性のＣｕＯ２層および絶縁性のＢｉＯ層からなるジョセフソン接合が多数含まれる。
【００１７】
矩形メサ構造部１２の大きさについては、ａｂ面方向の短辺の長さが５０乃至１００μｍであって、ａｂ面方向の長辺の長さが短辺の長さの３倍以上であることが望ましい。上述したように、矩形メサ構造部１２の短辺の長さは空洞共振周波数と密接に関連するパラメーターであるため、所望する発振周波数から概算される必要な空洞サイズに近い値を選ばなければならない。また、長辺の長さが短辺の長さに近い場合、長辺方向のモードも同時に励起されるので、短辺方向のモードを誘起させるためには、長辺の長さが短辺の長さの３倍程度以上にする必要がある。
【００１８】
矩形メサ構造部１２のｃ軸方向の高さは０．５乃至２．０μｍであることが望ましい。矩形メサ構造部１２のｃ軸方向の高さは、共振器に含まれるジョセフソン接合の数を決定するパラメーターであるところ、高さが０．５μｍ程度以下になると、接合数が少ないために十分な出力が得られなくなる。逆に、高さが２．０μｍ程度以上になると、接合数が多くなりすぎて各接合を同期させることが困難になり、結果的に安定した発振が得られなくなるからである。
【００１９】
矩形メサ構造部１２の上部には、金属電極２２が形成される。金属電極２２を形成する第一の目的は、矩形メサ構造部１２に電力を供給することである。ところで、金属はＢＳＣＣＯに比べて大きな熱伝導率を有するため、矩形メサ構造部で発生する熱は主としてこの金属電極２２を介して拡散される。したがって、金属電極２２は、矩形メサ構造部１２に電力を供給する以外に、メサ構造部１２から外部への熱拡散量を制御する機能がある。
【００２０】
この熱拡散量は、熱が拡散する方向（図１に矢印で示すように、金属電極２２の外部への延伸方向）に垂直な金属電極２２の断面積で決定されると考えられる。金属電極２２の断面積は、ａｂ面方向の幅とｃ軸方向の高さの積で定まるが、ａｂ面方向の幅は矩形メサ構造部１２の短辺の幅によって制限されるため、ｃ軸方向の高さを変化させることで調節することが望ましい。また、発振周波数を効果的に変化させるためには、金属電極２２のｃ軸方向の高さは、４００ｎｍ以下とすることが望ましい。これは、金属電極２２の厚みが４００ｎｍを超えると熱拡散量が大きくなりすぎ、矩形メサ構造部１２で発生した熱を利用して発振の必要条件である超伝導特性の空間変化を与えることができなくなるためである。
【００２１】
さらに、金属電極２２のａｂ面と平行な面内の面積が、矩形メサ構造部１２のａｂ面の面積の３分の１以下であるように構成することが望ましい。矩形メサ構造部１２の面積よりも金属電極２２の面積を小さくすることで、矩形メサ構造部１２内のａｂ面方向における温度勾配を大きくし、空洞サイズの変化を生じやすくするためである。加えて、金属電極２２を矩形メサ構造部１２よりも細く形成するとともに、金属電極２２を矩形メサ構造部１２の中央部に形成することが望ましい。このような構造とすることで、矩形メサ構造部１２の短辺方向の中心において位相の急激な変化が誘発され、安定したテラヘルツ発振が期待できる。
【００２２】
以上のように、ＢＳＣＣＯ単結晶からなる矩形メサ構造部１２上に形成する金属電極２２の形状を工夫することで、矩形メサ構造部１２内の温度分布を不均一にし、超伝導特性の空間変化を調整した結果、本発明に係る温度分布型超伝導体テラヘルツ発振器は、発振周波数を１０％以上変化させることが可能である。
【００２３】
図２は、本発明に係る温度分布型超伝導体テラヘルツ発振器の製造方法の工程の例を示した図である。ここでは、前記金属電極２２を下部電極２２０および上部電極２２２から構成している。
【００２４】
本発明に係る温度分布型超伝導体テラヘルツ発振器の製造方法は、（ａ）高温超伝導体ＢＳＣＣＯの単結晶を高真空下において劈開面（ＣｕＯ２面）と平行に切断することで、ＢＳＣＣＯ単結晶基板１０の清浄表面を露出させるステップと、（ｂ）清浄表面上に金属を蒸着してＢＳＣＣＯ単結晶基板１０上に蒸着金属２０の層を形成するステップと、（ｃ）フォトリソグラフィにより、前記ステップ（ｂ）において蒸着させた蒸着金属２０の層上に、矩形メサ構造部１２のａｂ面内の形状を画定するフォトレジスト３０のパターンを形成するステップと、（ｄ）ステップ（ｃ）において形成したフォトレジスト３０のパターンをマスクとして、ドライエッチングによりＢＳＣＣＯ単結晶基板１０および前記ステップ（ｂ）において蒸着させた蒸着金属２０の層のエッチングを行い、矩形メサ構造部１２および下部電極２２０を形成するステップと、（ｅ）ステップ（ｃ）において形成したフォトレジスト３０を除去し、下部電極２２０を矩形メサ構造部１２の外側へ延長するための上部電極２２２を下部電極２２０上に形成するため、単結晶上および下部電極２２０上に金属を蒸着して新たな蒸着金属２０の層を形成するステップと、（ｆ）フォトリソグラフィにより、前記ステップ（ｅ）において新たに蒸着させた蒸着金属２０の層上に、上部電極２２２のａｂ面内の形状を画定するフォトレジスト３０のパターンを形成するステップと、（ｇ）ステップ（ｆ）において形成したフォトレジスト３０のパターンをマスクとして、ステップ（ｅ）において蒸着した蒸着金属２０の層のエッチングを行い、上部電極２２２を形成するステップと、を有する。
【００２５】
また、上述のステップ（ｅ）〜（ｇ）に代えて、（ｅ）ステップ（ｃ）において形成したフォトレジスト３０を除去し、下部電極２２０を矩形メサ構造部１２の外側へ延長するための上部電極２２２を形成するため、フォトリソグラフィにより、前記単結晶１０上および前記下部電極２２０上に、上部電極２２２のａｂ面内の形状を画定するフォトレジスト３０のパターンを形成するステップと、（ｆ）ステップ（ｅ）において形成したフォトレジスト３０のパターンをマスクとして、前記下部電極２２０上に金属を蒸着し、上部電極２２２を形成するステップと、を含む製造方法としてもよい。
【００２６】
以上のようなステップを含む製造方法とすることにより、本発明に係る温度分布型超伝導体テラヘルツ発振器にとって最も重要である金属電極２２の形状（特に上部電極２２２の断面積）を精密に決定することが可能となる。また、金属電極２２の形成プロセスが再現性の高いものとなる結果、超伝導体テラヘルツ発振器の電流電圧特性や発振特性がよりよく再現されるという点においても、従来の超伝導体テラヘルツ発振器の製造方法に対して有利である。
【００２７】
以下、図２に示す各工程について詳細に説明する。まず、ＢＳＣＣＯ単結晶を高真空下において劈開面（ＣｕＯ２面）と平行に切断して、ＢＳＣＣＯ単結晶基板１０の清浄表面を露出させ、さらに、清浄表面上に金属を蒸着する。この工程の終了段階では、ＢＳＣＣＯ単結晶基板１０上に蒸着金属２０の層が形成されている状態となる。高真空下でＢＳＣＣＯ単結晶基板１０の清浄表面を露出させた後、引き続き高真空下で金属を蒸着するのは、ＢＳＣＣＯ単結晶基板１０と蒸着金属２０との界面に水分子が付着することによって生じる接触抵抗を低減するためである。
【００２８】
次に、フォトリソグラフィにより、蒸着金属２０の層上に、矩形メサ構造部１２のａｂ面内の形状を画定するフォトレジスト３０のパターンを形成する。このとき、矩形メサ構造部１２用のレジストパターン以外に、対向電極２４用のレジストパターンを形成しておけば、次のエッチング工程において、矩形メサ構造部１２の形成と同時に対向電極２４を形成することができる。対向電極２４は、矩形メサ構造部１２への電流注入経路を確保するための電極であり、対向電極２４自体の抵抗値は低いことが望ましいため、対向電極２４の面積は、矩形メサ構造部１２の面積に対して十分に大きく設計すべきである。
【００２９】
続いて、フォトレジスト３０のパターンをマスクとして、ドライエッチングによりＢＳＣＣＯ単結晶基板１０および前記ステップ（ｂ）において蒸着させた蒸着金属２０の層のエッチングを行い、矩形メサ構造部１２と下部電極２２０（および対向電極２４）を形成する。フォトレジスト３０を除去した後、矩形メサ構造部１２の上面とＢＳＣＣＯ単結晶基板１０との間に生じる段差を、絶縁材４０で補填することが望ましい。矩形メサ構造部１２の高さは、典型的には０．５乃至２．０μｍであるため、矩形メサ構造部１２の側面上に沿って上部電極２２２を形成すると、漏れ電流が生じるおそれがあるためである。絶縁材４０の補填方法としては、ＳｉＯ２の蒸着や絶縁性のエポキシ樹脂の塗布等が挙げられる。
【００３０】
次に、下部電極２２０を延長する上部電極２２２を形成するため、矩形メサ構造部１２を含むＢＳＣＣＯ単結晶全体および下部電極２２０上に新たに金属を蒸着する。そして、新たに蒸着させた蒸着金属２０の層上にフォトリソグラフィにより上部電極２２２用のレジストパターンを形成した後、エッチングにより不要な部分の金属を除去して上部電極２２２を形成する。ここで、エッチングの方法は、ドライエッチングでもウェットエッチングでもよい。
【００３１】
また、上部電極２２２の形成工程は、図２に図示した方法によらないで、金属の蒸着前にレジストパターンを形成しておき、蒸着が必要な部分のみに選択的に金属蒸着を行うことによって形成してもよい。このように、フォトリソグラフィを利用して上部電極２２２の形成を行うことで、精密な形状の金属電極２２を形成し、歩留まりの高い素子作製が可能となる。
【００３２】
図３は、矩形メサ構造部１２に加えられる電圧と熱浴との関係を示したグラフである。試料Ｘ１とＸ２は、同一のＢｉ２２１２単結晶（試料Ｘ）の基板上に形成された別々の矩形メサ構造であり、試料Ｙは、試料Ｘとは異なるＢｉ２２１２単結晶を用いて作製した試料である。また、試料ＸおよびＹの矩形メサ構造部１２のサイズは、８０μｍ×４００μｍ×１．２μｍで共通であり、試料ＸとＹの間で異なるのは、金属電極２２の形状のみである。ただし、試料Ｘ、Ｙともに金属電極２２の幅は３０μｍであり、厚みのみが異なっている。具体的には、試料Ｘの金属電極の厚みは６０ｎｍ（下部電極３０ｎｍ＋上部電極３０ｎｍ）であるのに対して、試料Ｙにおける金属電極の厚みは１００ｎｍ（下部電極３０ｎｍ＋上部電極７０ｎｍ）と厚くなっている。
【００３３】
図３を見ると、熱浴の温度が高くなると矩形メサ構造部１２に加えることができる電圧が減少していくことがわかる。ここから、ジョセフソン接合にかかる電圧と発振周波数は比例関係にあるため、熱浴の温度を変更することで発振周波数を調節することが可能である。例えば、試料Ｘでは、電圧が０．７５Ｖから０．３０Ｖまで変化しているため、矩形メサ構造部１２に含まれるジョセフソン接合の数を８００とすると、発振周波数は４５３ＧＨｚから１８１ＧＨｚまで変化している計算となる。試料ＸとＹで電圧の変化率に差があるのは、各試料で上部電極２２２の厚みが異なるためである。試料Xは、試料Yよりも上部電極２２２の断面積が小さいため熱拡散量が少なく、熱浴の上昇に対する矩形メサ構造部１２自体の温度上昇が比較的大きくなる。その結果、ジョセフソン接合内の屈折率が変化して一定の空胴サイズにおいても発振周波数を大きく変化させることができる。このように、上部電極２２２の形状を変化させることで、熱浴の変化に対する周波数変化の敏感さを調節することが可能である。
【００３４】
図４は、試料Ｙにおける熱浴の温度ごとの発振周波数スペクトルを示したグラフである。この周波数スペクトルは、フーリエ変換赤外分光法（ＦＴ−ＩＲ）により測定したものである。分光器の干渉部分はマーチンパプレット型であり、ワイヤーグリッドを用いてテラヘルツ波の干渉を行った。また、発振強度の測定は、液体ヘリウム４を用いて４．２Ｋに冷却したシリコンボロメーターにより行った。なお、各スペクトルは、相対振幅の最大値が１となるように規格化されており、分光器の周波数分解能は０．８ＧＨｚである。
【００３５】
図４を見ると、熱浴が２５Ｋのとき発振周波数は５３０ＧＨｚであり、熱浴が５５Ｋになると周波数は４７０ＧＨｚまで減少する。これは、図３に示した熱浴の上昇に対する電圧の減少と一貫する結果である。
【００３６】
以上に詳述したように、本発明に係る温度分布型超伝導体テラヘルツ発振器は、矩形メサ構造部の上に形成された金属電極の形状を工夫することにより、矩形メサ構造部内の温度分布を制御し、発振周波数を定める実効的な空洞サイズを変化させることにより、周波数を可変とするものである。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明に係る温度分布型超伝導体テラヘルツ発振器は、従来の発振器と同様に、テラヘルツ波の高い透過性を活かした非破壊検査・化学分析・医療診断といった分野での応用が考えられる。これに加えて、本発明に係るテラヘルツ発振器は、動作温度が低いものの小型かつ高効率であるという特徴を有しているため、特にテラヘルツ高速無線通信、宇宙観測用の局部発振器としての応用に有利である。
【符号の説明】
【００３８】
１０  ＢＳＣＣＯ単結晶基板
１２  矩形メサ構造部
２０  蒸着金属
２２  金属電極
２２０  下部電極
２２２  上部電極
２４  対向電極
３０  フォトレジスト
４０  絶縁材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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