JPH04271183A - 超電導体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超電導電子デバイスに
利用される超電導体、特に酸化物超電導薄膜を有するも
のに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、液体窒素温度以上の高い臨界温度
で超電導状態になる酸化物超電導体（例えばＹ（イット
リウム）系、Ｂｉ（ビスマス）系、Ｔｌ（タリウム）系
等）が発見され、超電導電子デバイス（例えば、超電導
トランジスタ、ＳＱＵＩＤ（超電導量子干渉デバイス）
等）への応用研究が盛んに行われている。

【０００３】このような超電導電子デバイスを作製する
場合には、超電導体（Ｓ）、常電導体（Ｎ）、超電導体
（Ｓ）からなるＳＮＳ接合がよく利用される。このため
、絶縁体あるいは半導体基板上に酸化物超電導薄膜を形
成し、更にその上に異種（例えば超電導体、半導体、絶
縁体）の薄膜を積層する必要がある。そこで、基板上に
高品位の酸化物超電導薄膜を形成することが非常に重要
となる。

【０００４】そして、従来は結晶面に平行な表面を有す
るｊｕｓｔ基板上に酸化物超電導薄膜を蒸着、スパッタ
等により積層形成するが、このｊｕｓｔ基板の表面に凹
凸があると、その上に形成された酸化物超電導薄膜にピ
ンホールや結晶性の乱れなどの欠陥が生じ良好な接合特
性が得られなくなってしまう。このため、ｊｕｓｔ基板
の表面を十分に研磨し、できるだけ平坦な表面を得、こ
こに酸化物超電導薄膜を積層形成している。なお、絶縁
体基板としては、ＳｒＴｉＯ３基板や、ＭｇＯ基板など
が用いられ、これらの（１００）面上などに酸化物超電
導薄膜が積層形成される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、十分に
研磨した場合においても、広い表面全体を完全に平坦に
することは不可能であり、図１１に示すように、通常２
〜３ｎｍ程度の凹凸がｊｕｓｔ基板の表面に残留してし
まう。そこで、高品位の酸化物超電導薄膜を形成するの
が困難であるという課題があった。

【０００６】さらに、ｊｕｓｔ基板の表面が平坦である
と仮定しても、その表面上には十分高品位の酸化物超電
導薄膜を形成することができない。すなわち、酸化物超
電導薄膜、特に希土類系のものにあってはその結晶構造
がｏｒｔｈｏｒｈｏｍｂｉｃ（斜方晶系）である。この
ため、基板１上に酸化物超電導薄膜２が形成される際に
、双晶が形成され、図１２に示すように、２つの結晶の
結合部において双晶欠陥が生じてしまう。そして、双晶
欠陥が生じると、この欠陥が原因で酸化物超電導薄膜の
特性が劣化するという課題があった。

【０００７】本発明は、上記課題を解決するためになさ
れたものであり、高品位の超電導薄膜を有する超電導体
を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明に係る超電導体は
、結晶面に対し傾斜した表面を有するｏｆｆ基板上に酸
化物超電導薄膜を形成したことを特徴とする。

【０００９】

【作用】ｏｆｆ基板においては、その表面が結晶面に平
行なステップ面とこれに直角な段面から形成される。そ
こで、このｏｆｆ基板上に形成された酸化物超電導薄膜
はその結晶軸がステップ面の方向と整合して成長するこ
とになる。このため、薄膜に双晶欠陥が入ることがなく
、結晶性を改善することができ、酸化物超電導薄膜の特
性を改善することができる。ｏｆｆ基板の表面はｊｕｓ
ｔ基板に比較して欠陥の少ないものとできるため、酸化
物超電導薄膜を高品位なものとできる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明に係る超電導体について、図面
に基づいて説明する。

【００１１】図１は、本発明に係る超電導体の構成図で
あり、ｏｆｆ基板３上に酸化物超電導薄膜４が形成され
ている。

【００１２】ｏｆｆ基板３はＳｒＴｉＯ３　の結晶の（
１００）面に対し、４°傾斜して研磨されて作製されて
いる。このため、その表面に結晶面と直角な段面３ａと
結晶面に平行なステップ面３ｂとが形成されている。こ
の例では、傾斜角度が４°の基板３を利用しているため
、段面３ａの長さをＡ、ステップ面３ｂの長さをＢとす
れば、 Ａ／Ｂ＝ｔａｎ４°＝１／１４ となる。

【００１３】また、ＳｒＴｉＯ３　の結晶は立方晶系（
格子定数ａ＝ｂ＝ｃ＝０．３９０５ｎｍ）であり、側面
側の段面３ａの長さＡは０．３９０５ｎｍとなり、上面
側のステップ面３ｂに１４個のＳｒＴｉＯ３　の結晶が
並ぶことによって、表面状態が均質な４°ｏｆｆ基板３
が得られる。

【００１４】一方、４°ｏｆｆ基板３上に形成された酸
化物超電導薄膜４は、Ｅｒ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ（Ｅｒ１　
Ｂａ２　Ｃｕ３　Ｏ７−δ（６．５＜７−δ＜６．９）
）で形成されており、このＥｒ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏは斜方
晶系（格子定数ａ≠ｂ≠ｃ、ａ＝０．３８８１５ｎｍ，
ｂ＝０．３８１４４ｎｍ，ｃ＝１．１６７４９ｎｍ）で
ある。

【００１５】そして、ＳｒＴｉＯ３　の４°ｏｆｆ基板
３上にＥｒ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏの酸化物超電導薄膜４を形
成すると、Ｅｒ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏのａ，ｂ，ｃと図にお
けるｘ，ｙ，ｚは次のように対応して、酸化物超電導薄
膜が形成されることになる。

【００１６】ａ→ｙ，ｂ→ｘ，ｃ→ｚ このため、図１に示すように、結晶軸が揃った（ｃ軸配
向）双晶欠陥のない酸化物超電導薄膜を得ることができ
る。

【００１７】次に、この超電導体の作製方法について説
明する。図２は、ＭＢＥ（分子線エピタキシー）法によ
る超電導体作製装置の概略構成図であり、気密容器５の
内部が成長室６とされている。この成長室６内の基板ホ
ルダ７には、基板８が装着される。なお、ヒ―タ９は基
板８を所定温度に加熱するものであり、その酸化防止の
ため白金−ロジウム合金（Ｐｔ−Ｒｈ（２０％））から
形成されている。

【００１８】一方、この基板８に対向する位置には、複
数の蒸発源１０ａ〜１０ｃが設けられており、ここより
、酸化物超電導薄膜４の作製に必要な金属エルビウム（
Ｅｒ）、銅（Ｃｕ）、金属バリウム（Ｂａ）が、それぞ
れ独立に原子あるいは分子状態で蒸発される。なお、蒸
発源１０ａ，１０ｂはＥｒ，Ｃｕ用の電子ビーム蒸発源
であり、１０ｃはＢａ用のるつぼ蒸発源である。

【００１９】また、基板８の近傍には、酸素源１１に接
続されている酸素噴出口１２が配置されており、ここよ
りＯ２　またはラジカルＯが基板８に向けて供給される
。 なお、バルブ１３は酸素の供給量を制御するためのもの
である。

【００２０】各蒸発源１０の前面には、蒸発物の照射を
制御するために開閉可能なシャッタ１４が設けられてお
り、このシャッタ１４の開閉は薄膜堆積コントロ―ラ１
５によって行われる。この薄膜堆積コントロ―ラ１５に
は、膜厚検出器１６が接続されており、これによって基
板８上に堆積された膜厚を検出し、膜厚に応じてシャッ
タ１４の開閉を制御する。なお、薄膜堆積コントロ―ラ
１５は蒸発源１０ａ〜１０ｃの加熱制御による蒸発量の
制御も行う。

【００２１】ここで、膜厚検出器１６としては、例えば
水晶振動子式のものが採用される。この水晶振動子式の
膜厚検出器１６は、６ＭＨｚで発振する水晶板上への蒸
着量によって、発振周波数が変化することを利用するも
のである。なお、膜厚検出器１６としては、発光式のも
の等を適宜採用することができる。

【００２２】また、成長室６には、真空ポンプ１７が接
続されており、成長室６内の圧力を所定のものに調整で
きるようになっている。

【００２３】更に、この装置においては、成長室６に反
射型高速電子線回折用電子銃１８及びスクリ―ン１９、
４重極質量分析器２０が設けられていると共に、試料準
備室２１が接続されている。

【００２４】成長室６内の反射型高速電子線回折用電子
銃１８及びスクリ―ン１９は薄膜形成前の基板８の表面
における結晶性や成膜中の薄膜の表面の結晶性をモニタ
するものであり、また４重極質量分析器２０は成膜中の
成長室６内の残留ガスをモニタするものである。これら
によって成膜の条件を監視し、これを常に好適なものに
維持することにより、高品質の成膜を可能としている。 試料準備室２１は試料交換の際に、成長室６内が大気に
さらされるのを防止し、成長室６内を高真空に保持する
ためのものである。

【００２５】このような装置において、基板８を基板ホ
ルダ７にセットすると共に、基板８の温度をヒ―タ９に
よって制御する。そして、蒸発源１０よりＥｒ，Ｂａ，
Ｃｕを蒸発させると共に、所定量の酸素（Ｏ２　または
ラジカルＯ）を酸素噴出口１２より成長室６内に供給す
る。

【００２６】また、薄膜堆積コントロ―ラ１５によりシ
ャッタ１４の開閉を制御し、Ｅｒ，Ｃｕ，Ｂａの順で非
常にゆっくり（０．０１〜０．１ｎｍ／ｓｅｃ程度）と
基板８上に膜を堆積することを何度も繰返して、薄膜を
形成する。このときに、基板８の近傍には、酸素噴出口
１２より酸素が供給されているため、薄膜は酸化されな
がら形成され、Ｅｒ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏからなる酸化物超
電導薄膜（厚さ＝１０〜１００ｎｍ程度）が基板８上に
形成されることになる。

【００２７】このようにして、酸化物超電導薄膜が形成
された超電導体は、薄膜中から酸素が脱離しないように
、酸素噴出口１２からＯ２　またはラジカルＯの供給を
受けながら、基板８の温度を下げて、気密容器５から取
り出される。

【００２８】次に、実際に蒸着を行った例について説明
する。この際の条件は、次のようなものである。

【００２９】 蒸発量 Ｅｒ：０．０１　　ｎｍ／ｓｅｃ Ｂａ：０．０４３ｎｍ／ｓｅｃ Ｃｕ：０．０６４ｎｍ／ｓｅｃ Ｏ２　：１×１０−３Ｐａ（＝１０−５Ｔｏｒｒ）膜厚
：１００〜２００ｎｍ 基板温度：６５０℃ 図３に、ＳｒＴｉＯ３　（１００）ｊｕｓｔ基板及びＳ
ｒＴｉＯ３（１００）４°ｏｆｆ基板の２種類の基板上
に形成したＥｒ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ薄膜の電気抵抗特性の
測定結果を示す。図から明らかなように、４°ｏｆｆ基
板を利用することによって、ゼロ抵抗温度Ｔｃｅｎｄ　
が２Ｋ上昇している。また、２つの薄膜の４．５Ｋにお
ける臨界電流密度を測定したところ、４°ｏｆｆ基板の
方が３倍大きかった。

【００３０】これより、４°ｏｆｆ基板を利用すること
により、特性の改善された酸化物超電導薄膜が得られる
ことが理解される。

【００３１】なお、上述の実施例においては、４°ｏｆ
ｆ基板を利用したが、これ以外に２°〜７°のｏｆｆ基
板等も使用可能である。また、酸化物超電導薄膜の形成
には、ＲＦマグネトロンスパッタ等他の方法を利用して
もよい。

【００３２】次に、本発明に係る超電導体の作製方法に
おける他の例について説明する。この例ではＲＦマグネ
トロンスパッタにより、酸化物超電導薄膜を形成する。

【００３３】図４は、ＲＦマグネトロンスパッタによる
超電導体作製装置の概略構成図であり、気密容器３０の
内部が成長室３１とされている。この成長室３１内の基
板ホルダ３２には、基板３３が装着される。なお、ヒ―
タ３４は基板３３を所定温度に加熱するものであり、ま
た基板ホルダ３２はアースされている。

【００３４】一方、この基板３３に対向する位置には、
ターゲットホルダ３５に装着されたターゲット３６が配
置されている。そして、このターゲットホルダ３５の内
部にはマグネット３７が内蔵されており、このマグネッ
ト３７はマッチングボックス３８を介し、ＲＦ電源３９
に接続されている。また、ターゲット３６は、形成した
い酸化物超電導薄膜と同様の組成の材料からなっている
。

【００３５】また、成長室３１には、ガス源４０に接続
されているガス供給出口４１が配置されており、ここよ
りスパッタガスであるアルゴンＡｒおよび反応ガスであ
る酸素Ｏ２　ガスが供給される。なお、バルブ４２はガ
スの供給量を制御するためのものである。また、基板３
３とターゲット３６の間には、基板３３上へのターゲッ
ト３６の飛散物の到来を制御するシャッタ４３が設けら
れている。

【００３６】さらに、成長室３１には、真空ポンプ４４
が接続されており、成長室３１内の圧力を所定のものに
調整できるようになっている。また、成長室３１内の圧
力は、圧力計４５によって計測される。

【００３７】このような装置において、所定のｏｆｆ基
板３３（例えば４°ｏｆｆ基板）を基板ホルダ３２にセ
ットすると共に、ヒータ３４により基板３３を所定の温
度に制御する。ガス源４０からのガス供給および真空ポ
ンプ４４を制御して成長室３１内を所定のガス状態に維
持する。そして、ＲＦ電源３９によってターゲット３６
と基板３３の間に所定の電圧を印加して、ターゲット３
６から各成分を叩き出し、これを基板３３表面上に堆積
し、超電導薄膜を形成する。なお、シャッタ４３の開閉
の制御により、スパッタの状態が安定してから基板３３
上への堆積を開始する。

【００３８】次に、上述の装置により、実際に薄膜形成
を行った例について説明する。

【００３９】 条件 ターゲット組成：ＹＢａ２　Ｃｕ４−５　Ｏｘスパッタ
ガス：Ａｒ，Ｏ２　 ガス圧力：４０ｍＴｏｒｒ ＲＦ電力：１００Ｗ 基板３３−ターゲット３６間距離：３５ｍｍ基板３３温
度：６３０，６５０℃ このような条件において、ＳｒＴｉＯ３　（１００）の
ｊｕｓｔ基板および４°ｏｆｆ基板の両方について、Ｙ
Ｂａ２　Ｃｕ３　Ｏ７−δの超電導薄膜を形成した。そ
して、形成された薄膜についてのＲＨＥＥＤ（Ｒｅｆｌ
ｅｃｔｉｏｎ　　ＨｉｇｈＥｎｅｒｇｙ　　Ｅｌｅｃｔ
ｒｏｎ　　Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）の測定結果を図５
（ｊｕｓｔ基板）および図６（ｏｆｆ基板）に示す。こ
れより、ｊｕｓｔ基板においては、基板温度６３０℃に
おいて、Ｉ−（１００），ＩＩ−（２００），ＩＶ−（
４００）のピークが見られ、ａ軸配向の結晶が得られて
いることが分かる。また、６５０℃においては、Ｉ−（
１００），ＩＩ−（２００），ＩＶ−（４００）のピー
クの他に、１−（００１），２−（００２），３−（０
０３），５−（００５），６−（００６），７−（００
７）のピークが見られる。これより６５０℃においては
、ａ軸配向の結晶とｃ軸配向の結晶が混在し結晶性が悪
いことが分かる。

【００４０】一方、４°ｏｆｆ基板においては、基板温
度６３０℃および６５０℃の両方ににおいて、２−（０
０２），３−（００３），５−（００５）のピークが見
られる。従って、４°ｏｆｆ基板においては、６３０℃
および６５０℃のいずれにおいてもｃ軸配向の結晶が得
られていることが分かる。これは、上述のようにｏｆｆ
基板においては、必ずステップ側面から結晶が成長し（
ステップフロー成長）、ＳｒＴｉＯ３　（１００）の４
°ｏｆｆ基板においては、ｃ軸配向するためと考えられ
る。このようにｏｆｆ基板を用いることにより、比較的
低温（この例では６３０℃）においてｃ軸配向した薄膜
を得ることができ、高品位の酸化物超電導薄膜を得るこ
とができる。また、両図においては、・印により基板の
ピークを示している。このように、基板のピークと薄膜
のピークの関係は、ｊｕｓｔ基板および４°ｏｆｆ基板
において同一である。従って、４°ｏｆｆ基板において
も基板上に形成される薄膜は図１に示すように、基板の
結晶面と同一の方向に揃って成長していることが分かる
。

【００４１】さらに、図７および図８に、４°ｏｆｆ基
板上に形成した薄膜についてのＲＢＳ（ラザフォード後
方散乱）の結果を示す。図７はラザフォード散乱された
Ｈｅ＋　のエネルギーの分布を示したものであり、本実
施例で得られた下側のカーブ（ａｌｉｎｇｎｅｄ　　ｃ
ａｓｅ）は角度を結晶方位からずらした場合の上側のデ
ータ（ｒａｎｄｏｍ　　ｃａｓｅ）と比べ十分に小さく
、薄膜において結晶配列が揃っていることを示している
。また、図８は、Ｈｅ＋　の照射方向に対する試料の角
度を変化させて、散乱量を見たものであり、本実施例の
試料においても基板と同様に薄膜も０°に十分な落ち込
みがあり、結晶が揃っていることが分かる。

【００４２】図９および１０には、ｊｕｓｔ基板と４°
ｏｆｆ基板のＲＨＥＥＤパターンを示す。このようにｊ
ｕｓｔ基板の場合には、パターンがスポット状となり、
４°ｏｆｆ基板の場合にはストリーク状となっている。 表面が平坦であればパターンはストリーク状となり、表
面に凹凸があれば、バルクの場合と同様に三次元的な回
折になりスポット状となる。従って、本実施例により形
成された薄膜の表面はｊｕｓｔ基板に形成された薄膜に
比較し、表面が平坦であることが分かる。

【００４３】このように、ｏｆｆ基板を用いることによ
り、結晶の方向が揃った超電導薄膜を得ることができ、
これを利用して各種のデバイスを得ることができる。

【００４４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ｏｆｆ基板を利用しているため、酸化物超電導薄膜の結
晶を一定の方向に揃えることができ、双晶欠陥の発生を
防止することができる。また、ｏｆｆ基板を用いること
により、表面状態も改善することができる。従って、ｊ
ｕｓｔ基板を利用する場合に比べ高品位の薄膜を得るこ
とができ、高い臨界温度、臨界電流密度を有する超電導
体を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の超電導体の構造を示す説明図。

【図２】薄膜作製装置の構成を示す説明図。

【図３】従来例と実施例の酸化物超電導薄膜の抵抗−温
度特性を示す特性図。

【図４】他の実施例の薄膜作製装置の構成を示す説明図
。

【図５】ｊｕｓｔ基板上に作製した薄膜のＸ線回折パタ
ーン。

【図６】４°ｏｆｆ基板上に作製した薄膜のＸ線回折パ
ターン。

【図７】４°ｏｆｆ基板上に作製した薄膜のＲＢＳによ
るエネルギー分布図。

【図８】４°ｏｆｆ基板および薄膜のＲＢＳにおける散
乱粒子の角度分布図。

【図９】ｊｕｓｔ基板上に作製した薄膜のＲＨＥＥＤパ
ターンによる薄膜表面の結晶構造を示す写真。

【図１０】４°ｏｆｆ基板上に作製した薄膜のＲＨＥＥ
Ｄパターンによる薄膜表面の結晶構造を示す写真。

【図１１】ｊｕｓｔ基板の表面状態を示す模式図。

【図１２】従来例のｊｕｓｔ基板を利用した超電導体の
構造を示す説明図。

【符号の説明】

３　　基板 ４　　酸化物超電導薄膜

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】単結晶からなり、その結晶面に対し所定角
   度傾斜した表面を有する基板と、この基板の前記表面上
   に形成された酸化物超電導薄膜と、を有することを特徴
   とする超電導体。