【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.04.15】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
24AT0180
利用課題名 / Title
超伝導マイクロ波共振器を高性能化する超伝導体材料の探索
利用した実施機関 / Support Institute
産業技術総合研究所 / AIST
機関外・機関内の利用 / External or Internal Use
内部利用（ARIM事業参画者以外）/Internal Use (by non ARIM members)
技術領域 / Technology Area
【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication（副 / Sub）計測・分析/Advanced Characterization
【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）量子・電子制御により革新的な機能を発現するマテリアル/Materials using quantum and electronic control to perform innovative functions（副 / Sub）高度なデバイス機能の発現を可能とするマテリアル/Materials allowing high-level device functions to be performed
キーワード / Keywords
蒸着・成膜/ Vapor deposition/film formation,光リソグラフィ/ Photolithgraphy,電子分光/ Electron spectroscopy,量子コンピューター/ Quantum computer,表面・界面・粒界制御/ Surface/interface/grain boundary control,超伝導/ Superconductivity,高品質プロセス材料/技術/ High quality process materials/technique,量子効果デバイス/ Quantum effect device
利用者と利用形態 / User and Support Type
利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)
藤田 裕一
所属名 / Affiliation
国立研究開発法人産業技術総合研究所
共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
大塚 照久
利用形態 / Support Type
（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）-
利用した主な設備 / Equipment Used in This Project
AT-074：エックス線光電子分光分析装置(XPS)
AT-085：物理特性測定装置（PPMS）
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
大規模超伝導量子プロセッサの実現に向けて，超伝導体ベースの量子ビット集積回路の研究開発が国内外で活発に行われている[1,2]．超伝導量子ビットの高集積化のためには，低損失量子デバイスを実現する高品位超伝導体薄膜形成技術およびデバイスプロセス技術の開発が必須である．昨年度は，均一かつ高配向の薄膜構造の形成に有利な純金属としてVに注目し，Si(100)ウェハ上のNbバッファ/V構造の高配向膜の電気伝導特性を測定し，構成材料の超伝導特性を反映した特性を得たことを報告した[3]．今回，低損失薄膜材料系の実デバイス応用に向けて，Si(100)ウェハ/Nbバッファ/V高配向膜をフォトリソグラフィーと反応性ドライエッチングを含む標準プロセスで量子デバイスへ加工し，デバイス構造中における電気伝導特性や損失因子となる表面酸化について，国立研 究開発法人産業技術総合研究所のナノプロセシング施設の装置を利用して検証し，プロセス開発の指針を得たので報告する．
実験 / Experimental
4インチSi(100)ウェハ表面の自然酸化膜層をバッファードフッ酸を用いて除去した後，スパッタリング法により，Si/Nbバッファ(5 nm)/V(200 nm)構造を形成した．フォトリソグラフィーと反応性ドライイオンエッチングを含む標準的なプロセス(120℃以下)により，作製した薄膜構造をコプレーナ導波路(CPW)共振器と電気伝導測定用のホールバー構造に微細加工した．国立研究開 発法人産業技術総合研究所のナノプロセシング施設の装置群を用いて，ホールバー構造における電気伝導特性と，CPW共振器構造中において露出したVとSiの表面酸化層の存在について検証した．ホールバー構造を物理特性測定システム(PPMS)専用の試料ホルダーに取り付け，ワイヤーボンダーを用いてAlワイヤを配線した．試料ホルダーをPPMSに投入した後，直流4端子測定によって電気抵抗の温度依存性を測定した．CPW共振器構造については，構造中のV表面とSi表面についてX線光電子分光(XPS)測定を行った．
結果と考察 / Results and Discussion
図1(a)に作製したホールバー構造の電気抵抗(R)の温度(T)に対する変化を示す．超伝導転移を示す電気抵抗変化が確認された．図1(a)の挿入図に，Rの各Tにおける変化量(dR/dT)の温度に対する変化を示す．dR/dTは明瞭なピークを有しており，ピークにおけるTを超伝導転移温度(Tc)と定義すると，Tcは~5.2 Kとなった．これはデバイス加工を施していないSi(100)/Nbバッファ(5 nm)/V(200 nm)薄膜と整合しており[3]，標準的な微細加工プロセスが本薄膜構造の超伝導特性に影響を与えないことが確認された．図1(b)および(c)に，作製した超伝導マイクロ波共振器構造中のV表面とSi表面におけるV 2pおよびSi 2pのXPSスペクトルをそれぞれ示す．V 2pのスペクトルにおいて，V0+およびV5+のピークが見られ，V表面におけるV2O5，V2O3，VO2，および低級酸化物の存在が示唆された．またSi 2pスペクトルにおいては，Si0+およびSi4+のピークが観測され，SiO2やSiOxが存在していると考えられる．低損失な超伝導量子デバイスの実現のためには，損失要因となるこれら表面酸化物を除去するプロセスの開発が必要であるという指針を得た．
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
図1. (a) 作製したホールバー構造のR vs T . 挿入図はdR/dT vs Tである．Si(100)/Nb/V構造の超伝導マイクロ波共振器中の(b)V表面におけるV 2p，および(c)Si表面におけるSi 2pのXPSスペクトル．
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)
Reference
[1] A. Megrant et al., Appl. Phys. Lett. 100, 113510 (2012).
[2] C. J. K. Richardson et al., Supercond. Sci. Technol. 29, 064003 (2016).
[3] 2023年度ARIM利用報告書，超伝導マイクロ波共振器を高性能化する超伝導体材料の探索，23AT0327 (2023).
Acknowledgements
本研究(の一部)は，文部科学省「マテリアル先端リサーチインフラ」事業(課題
番号: JPMXP1224AT0180)の支援を受けた.
成果発表・成果利用 / Publication and Patents
論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
- Yuichi Fujita, Yoshiro Urade, Yuki Hibino, Manabu Tsujimoto, Kunihiro Inomata, and Wataru Mizubayashi, "Fabrication and Microwave Characterization of Epitaxial Vanadium- Based Superconducting Resonators on Silicon Wafers", 2024 MRS Fall Meeting & Exihibit (Boston, USA), December 4th, 2024.
特許 / Patents
特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件