JPH046106A - 超伝導装置 - Google Patents

超伝導装置

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Publication number
JPH046106A
JPH046106A JP2105933A JP10593390A JPH046106A JP H046106 A JPH046106 A JP H046106A JP 2105933 A JP2105933 A JP 2105933A JP 10593390 A JP10593390 A JP 10593390A JP H046106 A JPH046106 A JP H046106A
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JP
Japan
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thin film
substrate
quartz
orientation
superconducting thin
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Pending
Application number
JP2105933A
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English (en)
Inventor
Ichiro Ueda
一朗 上田
Kenji Iijima
賢二 飯島
Koichi Kugimiya
公一 釘宮
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Publication date
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    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E40/00Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/60Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

Landscapes

  • Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)
  • Superconductors And Manufacturing Methods Therefor (AREA)
  • Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)

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】 (産業上の利用分野) 本発明は、その電気抵抗が零になる性質を利用して、強
力磁場発生装置やマイクロデバイスの配線に、また、ジ
ョセフソン効果を利用した高速トランジスタや微小電磁
場センサなどに使用される超伝導装置に関するものであ
る。
(従来の技術) 超伝導体は、薄膜としての利用価値が大きい。
薄膜の基板には、磁器、単結晶、アモルファス物質、金
属等が用いられるが、酸化物の薄膜を作成した場合、一
般に基板の種類と作成条件によって、結晶の方位が変わ
りやすい。(RE ) B a2Cu3O v −x系
伝電導体[但し、(RE)は、Y、La等の希土類元素
;X=0〜0.5]は、斜方晶系で、[100]と[0
10]方向に電流が流れやすい。
Bi、Sr2Cat cuからなる酸化物超伝導体は、
斜方晶のペロブスカイト構造であり、またTQ。
Ba2Ca、Cuの酸化物超伝導体は、正方晶系で、(
RE)Ba2Cu3Ot−x系超電導体(REは希土類
元素)と類似の結晶構造をもち、[100]と[010
]方向に電流が流れ易いことが容易に推定される〔ヨウ
イチ ェノモト(Y ouichi  E nomot
o)他:ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド
・フィジックス(J 、Appl、Phys、) 26
巻、ページL 1248−1250.1987年6月1
9日受付〕6応用の観点からは、基板に垂直に[001
1軸を並べることが望ましい。石英は耐熱性に優れ熱膨
張係数が非常に小さいので基板としては優れているが、
アモルファス型であり、結晶性酸化物をその上に配向さ
せることは一般に困難である。またSiは半導体集積回
路基板として大量に使用されているが、共有結合の非酸
化物であるので、その上に酸化物をエピタキシャル的に
成長させることは困難である。上記の超伝導材料に関し
ては、石英およびSi上に特定の結晶軸が配向したとい
う報告はない。
(発明が解決しようとする課題) 基板に石英やSiを用いると基板に平行に電気抵抗の低
い超伝導薄膜が容易には得られない。
SrTiO3単結晶を基板に用いると基板に垂直に(R
E )Ba、 Cu3O7−にの[001コ軸がそろっ
た超伝導薄膜が得られる(上記文献)。(RE)Ba2
Cu、07−Xの場合と同様にB 12 S r2 C
a Cu2C)R+x 、 B 12 S r2 Ca
2Cu3Ozo+x r T O−B a−Ca−Cu
−0系の超伝導薄膜が得られるものと推定できる(上記
文献)。しかし、S r T i O,単結晶は高価で
ある上、加工が困難である。石英やSiは安価で加工も
容易である。
本発明は、石英およびSiを用いて、基板に平行に、[
100]あるいは[010]軸が配向した、すなわち、
基体に垂直に[001]軸が配向した組成式(RE )
 B B2Cu3O7−xl B1−8r−Ca−Cu
−0系t Tl22Ba2CuOG+x+ Tl+、B
a2CaCu20s+、、 T6.Ba2Ca2Cu、
○、o*x+ TQBa2 Ca2Cu、O,、S+x
、あるいはTQ B B2 Caa Cu40xa、s
+xの超伝導薄膜を得ることを目的とする。
(課題を解決するための手段) 基板として、石英およびSiの表面にB a T i 
O。
薄膜をスパッタリング法によって成長させたものを用い
る。これは複合基板であるが5rTi○3単結晶に比べ
ると非常に安価である。そのBaTiO3上にスパッタ
リング法により、基板に垂直に(RE ) B B2 
Cua Ot−x系、 B1−3r−Ca−Cu−○系
+ T (1−B a−Ca−Cu−○系超伝導体を成
膜させるものである。
(作 用) 石英およびSi単体の上に成膜した(RE)Ba2Cu
3O、−x薄膜は、B1−8r−Ca−Cu−0系、T
l2−Ba−Ca−Cu−0系超伝導薄膜では、はとん
ど配向せず等方的であるが、石英あるいはSi上に作成
したSrTiO3薄膜を作成すると、BaTiO3の結
晶軸に沿って、エピタキシャル的に結晶軸がそろい、基
板に垂直に[001]軸が配向した(RE)Ba2Cu
3Ot−x薄膜は、B i−S r−Ca−Cu−0系
TO−Ba−Ca−Cu−0系超伝導薄膜が得られる。
(実施例) 石英およびSi基板の大きさはL5X10I1wn”で
厚さは0.5mmである。表面を鏡面研磨したのちB 
a T i O、薄膜をRF−マグネトロンスパッタリ
ング法により作成した。BaTi0:Jのターゲットに
は市販の高純度粉末を用いた。超伝導体の結晶構造から
、基板に垂直に[001]軸を配向させるにはBaTi
O3の[001]軸が基板に垂直に配向していることが
望ましい。基板温度を450〜750℃の範囲で変え、
スパッタリングガスに90%のアルゴン(A r )と
10%の酸素(02)の混合ガスを用い、ガス圧力が4
0mT、入力電力が200 WでB a T i 03
を4時間スパッタリングした。ターゲットの直径は5イ
ンチ(12,7+a++)である。
B a T i O3薄膜の結晶構造をX線回折によっ
てしらべた。650℃以上で作成すると基板に垂直に[
101]軸が優勢に配向した薄膜が得られた。
[001]軸が基板に垂直に配向したB a T i 
Oa薄膜は550℃以下の基板温度で得られた。この結
果は石英、SLで同じであった。超伝導薄膜の作成には
、BaTiO3を500℃で作成した基板を用いた。
超伝導薄膜をB a T i O、が付いた基板と付い
てない基板の両方の表面にRFマグネトロンスノ(ツタ
リング法で作成し、B a T i Oa薄膜の存在の
効果をしらべた。ターゲットの第1の組成は、(RE)
Ba2Cu、07−xである。ただし、(RE)はY、
La、Nd、Sat  Eu、Gdt  Dyy  H
o、Er。
Tm、Yb、Luのうちの一種類以上を含む。原料のY
、O,、La2O3,Nd2O3,Sm2O3,Eu2
O3゜Gd201.Dy2O3,Ha□O,、Er2O
3,Tm2O3゜Yb20.、Lu2O3,BaC0a
、Cub、を所定量。
配合、混合し、900℃で12時間、空気中で焼成した
。ターゲットの第2の組成は、B i2S r2CaC
uO,、Bi、5r2Ca2Cu3O1゜であるa B
12O3゜5rCO,2CaC○、、CuOを所定量、
配合、混合し、800℃で12時間、空気中で焼成した
。これらは焼成後、粉砕、混合しターゲットとした。タ
ーゲットの第3の組成は、Tl2Ba2CubG。
TIE、Ba2CaCu20.、Tl2Ba2Ca2C
u、○xatT Q B a、 Ca2Cu3O6.5
.およびTIH3a2Ca3Cu40 t o 、 s
である。yK料のTc2o3.BaC0,。
CaCO2,CuOを所定量、配合、混合し、ターゲッ
トとした。ターゲット粉末は、銅皿に入れ、200kg
/adの圧力でプレスした。
石英およびSi上に種々のスパッタリング条件で超伝導
薄膜を作成し、X線回折パターンの反射強度から最適な
スパッタリング条件を求めた。試みた条件は、(RE 
) B a2Cu3O7−X系は基板温度が600〜8
00℃、アルゴン/酸素が9515〜50150 。
ガス圧力が4(1−250mT、入力パワーは2 W/
a+fである。最適条件は基板温度が700℃、アルゴ
ン/酸素が90/10.ガス圧力が16On+Tであっ
た。B i−S r−Ca −Cu−〇系は基板温度が
600〜800℃、アルゴン/酸素が95/ 5−50
150.ガス圧力が40〜250m T 。
入力パワーが2 W/carでスパッタリングを行なっ
た。またTIE−Ba−Ca−Cu−○系は基板温度が
400〜600℃、アルゴン/酸素が90/10 、ガ
ス圧力が80〜200mT、入力パワーはI W/cf
でスパッタリングした。時間はすべて6時間である。こ
の条件でS r T i 03の付いていない基板と付
いている基板に超伝導薄膜を成膜して1両者のX線回折
から配向性の比較を行う。なお酸素量は格子定数の値か
らXの値を次のように推定する。すなわち、(RE)B
a、Cu3O.x(X=O〜0.5)、Bi2Sr。
CaCu20ahx (x =o 〜1 )l B 1
2 S r2Caz c u。
○xo+x(X = O−1,5)、 ’12Ba2C
IOs+x(X = 0〜0.5)、TIE2Ba2C
aCu20.+x(x=O〜1)。
T(1,、B a2Ca2Cu、 0.o、x(X =
 O〜1.5) 、 Tff B a2Ca2Cu、○
−,5−(X ” O〜1.5)およびTl2Ba2C
a、Cu、O,o、、x(X:O〜2)となった。
YBa2Cu、O□単結晶の場合、斜方晶系の[010
] 、[100コ方向の電気抵抗が、[001コ方向に
比べて、かなり低いことが報告されている(上記の文献
)。したがって、臨界電流密度も[010] 、[10
01方向で大きいことが容易に推定できる。B1−8r
−Ca−Cu−0系、 Tl2−Ba−Ca−Cu−0
系材料の結晶構造は正方晶であるが、この現象は同様と
考えられる。
成膜は、5maX15wnの形状で行い、XM回折パタ
ーンを観測したのち、RF−マグネトロンスパッタリン
グ法で超伝導薄膜上にPt電極を付けた。
電気抵抗は4端子法で測定した。電気抵抗と帯磁率の測
定から、(RE)Ba2Cu、07−X系は約90 ’
に以下で超伝導現象を示すことを確認した。
B12Sr2CaCu20Il+xは約80 ”K、B
i2Sr2Ca。
Cu3Q1.、xは約110 ’に以下で超伝導状態に
なった。
また、Tl12Ba、CuO,+xは約85 K 、 
T 122B a2CaCu208□は約100X以下
、Tl22Ba2Ca2Cu3O111 + Xは約H
5’に、TlBa2Ca2Cu、○s、s+xは約11
5 ’に、そしてTaBazCa3Cu40.o、s+
xは約120X以下で超伝導状態になった。
Y B a、 Cu3O t−xの粉末のX線回折パタ
ーンを標準として測定し、薄膜の結果と比較した。粉末
の場合、(OO2)反射の20は15.3°にあり、(
110)反射は32.8°にある。その強度比は約9:
100であった。(OO1)方向が基板に垂直に配向し
ている度合を配向率とよび、I(002)/[I(OO
2)+ I (110)]とする。配向率は、粉体のと
きは0.08となり、I (110)がゼロで1となる
、したがって、薄膜の[002]軸が基板に対して垂直
に優勢に配向しているならば、配向率は0.08より大
きくなるはずである。また完全に[001]方向に配向
しているならば、すなわち、基板に垂直に[001]方
向が向いているならば、この値は1になる。B1−5r
−Ca−Cu−0系およびTO−Ba−Ca−Cu−0
系材料の場合は、[001]。
[002] 、[003]・・・・・・方向が、基板に
垂直に配向している度合を表わすために配向率をI(0
03)/ [I(003)+I(100)+I(010
)]とおく。完全に(001)方向に配向しているなら
ば、すなわち、基板に垂直に(001)軸が完全に向い
ているならば、この値はlになる。
第1表に石英についてBaTiO3が付いている場合と
付いていない場合の各組成の超伝導薄膜の配向率の比較
を示す。また第2表にSiを用いた場合の同様の結果を
示す。
石英およびSi表面に直接超伝導薄膜を作成すると、配
向率は0.4以下であるが1石英およびSiにBaTi
O3を作成してその上に超伝導薄膜を作成すると配向率
は著しく増加することがわかる。
配向率が高い試料の室温における比抵抗は、かなり低か
った。たとえば、配向率が0.89の試料の比抵抗は、
配向率が0.15の試料の約50分の1であった。また
液体窒素温度(77’K)での臨界電流密度は、配向率
が0.6以上の試料では60000A/co?以上であ
ったが、配向率が0.2以下の試料では5000 A 
/d以下であった。
第3表に石英について、第4表にSiについてB a 
T i O3が付いている場合と付いていない場合の組
成がBi2Sr2cacu2o8+Xの超伝導薄膜の配
向率の比較を示す。また第5表に石英について、第6表
にSiについてB a T i O、が付いている場合
と付いていない場合の組成がB i2S r2Ca2C
u。
O3゜。8の超伝導薄膜の配向率の比較を示す。表の左
端はスパッタリング条件で、基板温度(℃)、アルゴン
/酸素、ガス圧力(mT)の順に示す。
第3表 石英基板を用いた場合のBB12Sr2caC
u20+、超伝導薄膜の(001)配向率第5表 石英
基板を用いた場合のB i2S rz Ca2Cu、0
1.、、超伝導薄膜の(001)配向率第4表 Si基
板を用いた場合のBi2Sr2CaCu20s+8超伝
導薄膜の(001)配向率第6表 Si基板を用いた場
合のB iz S r2CazCu3O xa *x超
伝導薄膜の(001)配向率配向率はスパッタリング条
件にかなり依存する。
しかし、石英およびSi表面に直接超伝導薄膜を作成す
ると、配向率は0.37以下であるが、石英およびSi
上にBaTiO3を作成してその上に超伝導薄膜を作成
すると配向率は著しく増加することがわかる。配向率が
高い試料の室温における比抵抗は、かなり低い。たとえ
ば、配向率が0.89の試料の比抵抗は、配向率が0.
14の試料の約70分の1であった。また液体窒素温度
(77’K)での臨界電流密度は、配向率が0.6以上
の試料では3O(too A /cx1以上であったが
、配向率が0.2以下の試料では3O00A/a#以下
であった。
第7表に石英とSiについて、BaTiO3が付いてい
る場合と付いていない場合の組成がTl2BazCab
、や、の超伝導薄膜の配向率の比較を示す。第8表はT
(!2Ba2CaCu208+x、第9表はTl22 
B a2 Ca2 Cu3Oxo+x、第10表はTl
Ba2Ca2Cu:J 08.50Xそして第11表は
Tl2BazCa、Cu40、。、、。8についての配
向率の比較を示す。表の左端はスパッタリング条件で、
基板温度(℃)、ガス圧力(mT)の順に示す。
第7表 TQ2Ba2CuO6+x超伝導薄膜の(OO
1)配向率 第8表 Tl22Ba2CaCu20s+x超伝導薄膜
の(001)配向率 第9表 T(1,Ba2Ca、Cu3Oxn+x超伝導
薄膜の(001)配向率 第10表 TJBa2Ca2Cu3Os、s+x超伝導
薄膜の(001)配向率 第11表 TIBazCa3Cu401o、s*x超伝
導薄膜の(001)配向率 配向率はスパッタリング条件にかなり依存する。
しかし、石英およびSi表面に直接超伝導薄膜を作成す
ると、配向率は0.35以下であるが石英およびSi上
にB a T i○3を作成してその上に超伝導薄膜を
作成すると配向率は著しく増加することがわかる。配向
率が高い試料の室温における比抵抗は。
かなり低かった。たとえば、配向率が0.87の試料の
比抵抗は、配向率が0.14の試料の約50分の1であ
った。また液体窒素温度(77’K)での臨界電流密度
は、配向率が0.5以上の試料では100OOA/d以
上であったが、配向率が0.2以下の試料では1000
A/d以下であった。
(発明の効果) 本発明によれば、安価で加工性に優れた石英やSi上に
B a T i O3薄膜を付着させたものを基板とし
て用いることによって、基板面に平行方向の電気抵抗が
低く、臨界電流密度の大きい、基板面に垂直に(001
)配向した臨界温度が80〜125 ’にの酸化物超電
導薄膜を形成できる。この構成に基づいて、種々の超伝
導装置が安価で作製でき、その効果は極めて大である。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)Siあるいは石英(SiO_2)上チタン酸バリ
    ウム(BaTiO_3)薄膜と、前記BaTiO_3薄
    膜上に作成した組成が(RE)Ba_2Cu_3O_7
    _−_X[但し、(RE)はY、La、Nd、Sm、E
    u、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Luのうち
    の一種類以上を含む。X=0〜0.5]からなる部分を
    有することを特徴とする超伝導装置。
  2. (2)Siあるいは石英上のBaTiO_3薄膜と、前
    記BaTiO_3薄膜上に作製した組成がBi_2Sr
    _2CaCu_2O_8_+_X[X=0〜1]あるい
    はBi_2Sr_2Ca_2Cu_3O_1_0_+_
    X[X=0〜1.5]からなる部分を有することを特徴
    とする超伝導装置。
  3. (3)Siあるいは石英上のBaTiO_3薄膜と前記
    BaTiO_3薄膜上に作製した組成が Tl_2Ba_2CuO_5_+_X[X=0〜0.5
    ]、Tl_2Ba_2CaCu_2O_8_+_X[X
    =0〜1]、Tl_2Ba_2Ca_2Cu_3O_1
    _0_+_X[X=0〜1.5]、TlBa_2Ca_
    2Cu_3O_8_._5_+_X[X=0〜1.5]
    あるいはTlBa_2Ca_3Cu_4O_1_0_.
    _5_+_X[X=0〜2]からなる部分を有すること
    を特徴とする超伝導装置。
JP2105933A 1990-04-21 1990-04-21 超伝導装置 Pending JPH046106A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5721444A (en) * 1994-12-22 1998-02-24 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Thin-film transistor having a buried impurity region and method of fabricating the same

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5721444A (en) * 1994-12-22 1998-02-24 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Thin-film transistor having a buried impurity region and method of fabricating the same

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