JPH0648738A - 超伝導積層薄膜およびその製造方法 - Google Patents
超伝導積層薄膜およびその製造方法Info
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- JPH0648738A JPH0648738A JP4201651A JP20165192A JPH0648738A JP H0648738 A JPH0648738 A JP H0648738A JP 4201651 A JP4201651 A JP 4201651A JP 20165192 A JP20165192 A JP 20165192A JP H0648738 A JPH0648738 A JP H0648738A
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Classifications
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- Y—GENERAL 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
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
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- Y02E40/60—Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment
Landscapes
- Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)
- Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
- Superconductors And Manufacturing Methods Therefor (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 Ｂｉ系酸化物超伝導体の超伝導特性劣化の原
因となる相互拡散や配向性の乱れ等を少なくするととも
に、ジョセフソン接合形成を容易とする。 【構成】 ＳｒＴｉＯ3 （１００）単結晶基板面に対
し、その法線から（１１１）方向に傾けて研磨すること
により＜１−１０＞方向にステップを形成した基板１上
において、Ｂｉ2 Ｓｒ2 ＣｕＯz 系酸化物をヘテロエピ
タキシャル成長させたバッファー層２を形成し、その上
部に、中間層であるＢｉ2 Ｓｒ2 ＣｕＯz 系酸化物層４
の両側を挟んだＢｉ2 （Ｓｒ1-x Ｃａx ）3 Ｃｕ2 Ｏy
系超伝導体層３，５を形成する。
因となる相互拡散や配向性の乱れ等を少なくするととも
に、ジョセフソン接合形成を容易とする。 【構成】 ＳｒＴｉＯ3 （１００）単結晶基板面に対
し、その法線から（１１１）方向に傾けて研磨すること
により＜１−１０＞方向にステップを形成した基板１上
において、Ｂｉ2 Ｓｒ2 ＣｕＯz 系酸化物をヘテロエピ
タキシャル成長させたバッファー層２を形成し、その上
部に、中間層であるＢｉ2 Ｓｒ2 ＣｕＯz 系酸化物層４
の両側を挟んだＢｉ2 （Ｓｒ1-x Ｃａx ）3 Ｃｕ2 Ｏy
系超伝導体層３，５を形成する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、高い臨界温度（ＴC ）
を有するＢｉ系超伝導積層薄膜およびその製造方法に関
するものである。
を有するＢｉ系超伝導積層薄膜およびその製造方法に関
するものである。
【０００２】
【従来の技術】高いＴC を持つＢｉ系酸化物超伝導体の
発見以来、その高いＴC をもたらす超伝導機構の解明の
ための基礎研究や電子素子等への応用研究が活発に行わ
れている。Ｂｉ系酸化物超伝導体は、８５Ｋという高い
ＴC を持つため、その使用に際しては、７７Ｋの沸点を
持つ安価な液体窒素を冷媒として使用でき、また、その
低温の維持のための設備も簡単なものですむという長所
を持っている。このため、従来の低いＴC を持つ物質を
用いて実現した超伝導磁石や超伝導電子素子等を、高い
ＴC を持つＢｉ系酸化物超伝導体を用いて実現すること
は産業上大きな貢献となる。
発見以来、その高いＴC をもたらす超伝導機構の解明の
ための基礎研究や電子素子等への応用研究が活発に行わ
れている。Ｂｉ系酸化物超伝導体は、８５Ｋという高い
ＴC を持つため、その使用に際しては、７７Ｋの沸点を
持つ安価な液体窒素を冷媒として使用でき、また、その
低温の維持のための設備も簡単なものですむという長所
を持っている。このため、従来の低いＴC を持つ物質を
用いて実現した超伝導磁石や超伝導電子素子等を、高い
ＴC を持つＢｉ系酸化物超伝導体を用いて実現すること
は産業上大きな貢献となる。
【０００３】このＢｉ系酸化物超伝導体を用いて超伝導
電子素子を製造する際、この素子の重要な構成部分であ
るジョセフソントンネル接合やジョセフソン弱接合を制
御性よく作製する必要がある。このための方法として、
非超伝導体中間層を超伝導体ではさんだ積層構造を作製
する技術が一般的である。
電子素子を製造する際、この素子の重要な構成部分であ
るジョセフソントンネル接合やジョセフソン弱接合を制
御性よく作製する必要がある。このための方法として、
非超伝導体中間層を超伝導体ではさんだ積層構造を作製
する技術が一般的である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上述した中間層を構成
する非超伝導物質としては、Ｂｉ系酸化物超伝導体と結
晶構造が似ていること、Ｂｉ系酸化物超伝導体との相互
拡散が小さいこと、低温で比抵抗が充分高いことなどの
条件を満足する必要があるが、Ｂｉ系超伝導積層薄膜の
中間層として、従来の低ＴC 超伝導積層構造で用いられ
ていたＡｌ酸化物等の非超伝導物質をそのまま用いる
と、相互拡散やＢｉ系超伝導積層薄膜の結晶配向性の乱
れ等の問題が発生し、超伝導積層薄膜の作製が不可能と
なる。
する非超伝導物質としては、Ｂｉ系酸化物超伝導体と結
晶構造が似ていること、Ｂｉ系酸化物超伝導体との相互
拡散が小さいこと、低温で比抵抗が充分高いことなどの
条件を満足する必要があるが、Ｂｉ系超伝導積層薄膜の
中間層として、従来の低ＴC 超伝導積層構造で用いられ
ていたＡｌ酸化物等の非超伝導物質をそのまま用いる
と、相互拡散やＢｉ系超伝導積層薄膜の結晶配向性の乱
れ等の問題が発生し、超伝導積層薄膜の作製が不可能と
なる。
【０００５】このような問題を解決するために、Ｂｉ系
酸化物超伝導体に適した中間層として、Ｂｉ系酸化物超
伝導体と同族の半導体酸化物であるＢｉ2 Ｓｒ2 ＣｕＯ
x が選択された。この酸化物は、Ｂｉ系酸化物超伝導体
とｃ軸長以外は同じ構造をしており、ヘテロエピタキシ
ャル成長すること、および、相互の反応がない等の理由
から、Ｂｉ系酸化物超伝導体の中間層として有望である
と期待された。実際に、ＭｇＯ（１００）単結晶基板上
において、Ｂｉ系酸化物超伝導体とＢｉ2 Ｓｒ2 ＣｕＯ
x 中間層からなるｃ軸配向した積層薄膜が非常に良好な
界面を持って製造できることが既に報告されている。
酸化物超伝導体に適した中間層として、Ｂｉ系酸化物超
伝導体と同族の半導体酸化物であるＢｉ2 Ｓｒ2 ＣｕＯ
x が選択された。この酸化物は、Ｂｉ系酸化物超伝導体
とｃ軸長以外は同じ構造をしており、ヘテロエピタキシ
ャル成長すること、および、相互の反応がない等の理由
から、Ｂｉ系酸化物超伝導体の中間層として有望である
と期待された。実際に、ＭｇＯ（１００）単結晶基板上
において、Ｂｉ系酸化物超伝導体とＢｉ2 Ｓｒ2 ＣｕＯ
x 中間層からなるｃ軸配向した積層薄膜が非常に良好な
界面を持って製造できることが既に報告されている。
【０００６】しかしながら、Ｂｉ系酸化物超伝導体に
は、その結晶構造から由来する大きな異方性が存在し、
ｃ軸方向ではコヒーレンス長が短くジョセフソン接合が
作りにくいのに対して、ＣｕＯ2 面内方向ではコヒーレ
ンス長が長くジョセフソン接合を作り易いという特徴が
あるため、このようにＭｇＯ（１００）基板上に作製さ
れたｃ軸配向性を示すＢｉ系超伝導積層薄膜は、ジョセ
フソン接合形成に不利であるという問題点を抱えてい
た。
は、その結晶構造から由来する大きな異方性が存在し、
ｃ軸方向ではコヒーレンス長が短くジョセフソン接合が
作りにくいのに対して、ＣｕＯ2 面内方向ではコヒーレ
ンス長が長くジョセフソン接合を作り易いという特徴が
あるため、このようにＭｇＯ（１００）基板上に作製さ
れたｃ軸配向性を示すＢｉ系超伝導積層薄膜は、ジョセ
フソン接合形成に不利であるという問題点を抱えてい
た。
【０００７】一方、この問題点を解決することを目的と
して、ＳｒＴｉＯ3 （１１０）単結晶基板上にＢｉ系超
伝導積層薄膜を形成することにより、ｃ軸を基板面から
４５°傾けてＣｕＯ2 面に基板垂直成分を持たせるよう
な試みも行われている。実際に、このような試みにおい
ては、目的とする構造形成には成功しているものの、Ｂ
ｉ系酸化物超伝導体を直接にＳｒＴｉＯ3 単結晶基板上
に成長させているため、薄膜と基板間に反応が起こっ
て、超伝導特性が劣化していること、および、（１１
０）面基板上の特徴である薄膜表面の平滑性が著しく悪
い等のためデバイス形成の目的には問題があった。
して、ＳｒＴｉＯ3 （１１０）単結晶基板上にＢｉ系超
伝導積層薄膜を形成することにより、ｃ軸を基板面から
４５°傾けてＣｕＯ2 面に基板垂直成分を持たせるよう
な試みも行われている。実際に、このような試みにおい
ては、目的とする構造形成には成功しているものの、Ｂ
ｉ系酸化物超伝導体を直接にＳｒＴｉＯ3 単結晶基板上
に成長させているため、薄膜と基板間に反応が起こっ
て、超伝導特性が劣化していること、および、（１１
０）面基板上の特徴である薄膜表面の平滑性が著しく悪
い等のためデバイス形成の目的には問題があった。
【０００８】本発明の目的は、相互拡散および結晶配向
性の乱れ等を生じさせない中間層を持ち、ジョセフソン
接合形成に有利な超伝導積層薄膜およびその製造方法を
提供することにある。
性の乱れ等を生じさせない中間層を持ち、ジョセフソン
接合形成に有利な超伝導積層薄膜およびその製造方法を
提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】第１の発明の超伝導積層
薄膜は、ＳｒＴｉＯ3 （１００）単結晶基板面の法線か
ら（１１１）方向に傾けて研磨することにより＜１−１
０＞方向にステップを形成した単結晶基板と、単結晶基
板上に形成されたＢｉ2 Ｓｒ2 ＣｕＯz 系酸化物よりな
るバッファー層と、バッファー層の上面に形成されたＢ
ｉ2 （Ｓｒ1-x Ｃａx ）3 Ｃｕ2 Ｏy 系超伝導体よりな
る第１の超伝導体層と、第１の超伝導体層の上面に形成
されたＢｉ2 Ｓｒ2 ＣｕＯz 系酸化物よりなる中間層
と、中間層の上面に形成されたＢｉ2 （Ｓｒ1-x Ｃ
ａ1 ）3 Ｃｕ2 Ｏy 系超伝導体よりなる第２の超伝導体
層を有することを特徴としている。
薄膜は、ＳｒＴｉＯ3 （１００）単結晶基板面の法線か
ら（１１１）方向に傾けて研磨することにより＜１−１
０＞方向にステップを形成した単結晶基板と、単結晶基
板上に形成されたＢｉ2 Ｓｒ2 ＣｕＯz 系酸化物よりな
るバッファー層と、バッファー層の上面に形成されたＢ
ｉ2 （Ｓｒ1-x Ｃａx ）3 Ｃｕ2 Ｏy 系超伝導体よりな
る第１の超伝導体層と、第１の超伝導体層の上面に形成
されたＢｉ2 Ｓｒ2 ＣｕＯz 系酸化物よりなる中間層
と、中間層の上面に形成されたＢｉ2 （Ｓｒ1-x Ｃ
ａ1 ）3 Ｃｕ2 Ｏy 系超伝導体よりなる第２の超伝導体
層を有することを特徴としている。
【００１０】第２の発明は、第１の発明において、中間
層が、Ｂｉ2 Ｓｒ2 （Ｃｕ1-a Ｍa）Ｏz なる式で表さ
れ、ＭがＡｌ、Ｆｅ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｐｔの中の少なくと
も１つであり、ａが０＜ａ≦０．１である組成の非超伝
導酸化物よりなることを特徴としている。
層が、Ｂｉ2 Ｓｒ2 （Ｃｕ1-a Ｍa）Ｏz なる式で表さ
れ、ＭがＡｌ、Ｆｅ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｐｔの中の少なくと
も１つであり、ａが０＜ａ≦０．１である組成の非超伝
導酸化物よりなることを特徴としている。
【００１１】第３の発明は、第１の発明において、中間
層が、Ｂｉ2 （Ｓｒ1-b Ｌb ）2 ＣｕＯz なる式で表さ
れ、ＬがＰｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ、
Ｅｒ、Ｙの中の少なくとも１つであり、ｂが０＜ｂ≦
０．５である組成の非超伝導酸化物よりなることを特徴
としている。
層が、Ｂｉ2 （Ｓｒ1-b Ｌb ）2 ＣｕＯz なる式で表さ
れ、ＬがＰｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ、
Ｅｒ、Ｙの中の少なくとも１つであり、ｂが０＜ｂ≦
０．５である組成の非超伝導酸化物よりなることを特徴
としている。
【００１２】第４の発明は、第１〜第３の発明の超伝導
積層薄膜の製造方法であって、膜成長温度を５５０〜６
５０℃に設定して、バッファー層としてのＢｉ2 Ｓｒ2
ＣｕＯz を単結晶基板上にヘテロエピタキシャル成長さ
せ、バッファー層の形成後に、基板温度を超伝導薄膜合
成温度である６８０〜７５０℃まで上げて、第１の超伝
導体層としてのＢｉ2 （Ｓｒ1-x Ｃａx ）3 Ｃｕ2 Ｏy
と、中間層としてのＢｉＳｒ2 ＣｕＯy と、第２の超伝
導層としてのＢｉ2 （Ｓｒ1-x Ｃａx ）3 Ｃｕ2 Ｏy と
を順にヘテロエピタキシャル成長させることを特徴とし
ている。
積層薄膜の製造方法であって、膜成長温度を５５０〜６
５０℃に設定して、バッファー層としてのＢｉ2 Ｓｒ2
ＣｕＯz を単結晶基板上にヘテロエピタキシャル成長さ
せ、バッファー層の形成後に、基板温度を超伝導薄膜合
成温度である６８０〜７５０℃まで上げて、第１の超伝
導体層としてのＢｉ2 （Ｓｒ1-x Ｃａx ）3 Ｃｕ2 Ｏy
と、中間層としてのＢｉＳｒ2 ＣｕＯy と、第２の超伝
導層としてのＢｉ2 （Ｓｒ1-x Ｃａx ）3 Ｃｕ2 Ｏy と
を順にヘテロエピタキシャル成長させることを特徴とし
ている。
【００１３】
【作用】Ｂｉ系酸化物超伝導体の積層薄膜の構造におい
て、基板として通常のＳｒＴｉＯ3 （１００）単結晶基
板ではなく、ＳｒＴｉＯ3 （１００）単結晶基板面に対
し、その法線から（１１１）方向に傾けて研磨すること
により＜１−１０＞方向にステップを形成した傾斜単結
晶基板を用いたのは、Ｂｉ系酸化物超伝導体やＢｉ2 Ｓ
ｒ2 ＣｕＯz 系酸化物がＳｒＴｉＯ3 単結晶基板の（１
００）面にエピタキシャル成長するため、傾斜基板上に
おいては、Ｂｉ系酸化物超伝導体のｃ軸が基板表面の法
線方向から基板の傾斜角度だけ傾き、コヒーレンス長の
長いＣｕＯ2 面が法線方向成分を持つようになるので、
ジョセフソン接合作製上有利となるからである。
て、基板として通常のＳｒＴｉＯ3 （１００）単結晶基
板ではなく、ＳｒＴｉＯ3 （１００）単結晶基板面に対
し、その法線から（１１１）方向に傾けて研磨すること
により＜１−１０＞方向にステップを形成した傾斜単結
晶基板を用いたのは、Ｂｉ系酸化物超伝導体やＢｉ2 Ｓ
ｒ2 ＣｕＯz 系酸化物がＳｒＴｉＯ3 単結晶基板の（１
００）面にエピタキシャル成長するため、傾斜基板上に
おいては、Ｂｉ系酸化物超伝導体のｃ軸が基板表面の法
線方向から基板の傾斜角度だけ傾き、コヒーレンス長の
長いＣｕＯ2 面が法線方向成分を持つようになるので、
ジョセフソン接合作製上有利となるからである。
【００１４】また、通常、Ｂｉ系酸化物超伝導体をＳｒ
ＴｉＯ3 （１００）単結晶基板上に形成すると、基板の
＜１１０＞および＜１−１０＞両方向にＢｉ系酸化物超
伝導体のｂ軸が観察され、膜は互いに直行する２種類の
ドメイン構造からなっており、厳密には単結晶薄膜には
ならない。これに対して、前記の傾斜ＳｒＴｉＯ3 単結
晶基板上にＢｉ系超伝導積層薄膜を形成した場合には、
基板表面にできるステップに垂直方向にｂ軸が、また、
ステップと平行方向にａ軸がそろうため、薄膜は完全な
単結晶となる。このような単結晶薄膜を用いてジョセフ
ソン接合等を作ると、結晶粒界の影響を受けることがな
いのでデバイス作成上有利となる。
ＴｉＯ3 （１００）単結晶基板上に形成すると、基板の
＜１１０＞および＜１−１０＞両方向にＢｉ系酸化物超
伝導体のｂ軸が観察され、膜は互いに直行する２種類の
ドメイン構造からなっており、厳密には単結晶薄膜には
ならない。これに対して、前記の傾斜ＳｒＴｉＯ3 単結
晶基板上にＢｉ系超伝導積層薄膜を形成した場合には、
基板表面にできるステップに垂直方向にｂ軸が、また、
ステップと平行方向にａ軸がそろうため、薄膜は完全な
単結晶となる。このような単結晶薄膜を用いてジョセフ
ソン接合等を作ると、結晶粒界の影響を受けることがな
いのでデバイス作成上有利となる。
【００１５】傾斜ＳｒＴｉＯ3 単結晶基板上にバッファ
ー層として、Ｂｉ2 Ｓｒ2 ＣｕＯz系酸化物を用いたの
は、このバッファー層が基板とＢｉ系超伝導積層薄膜の
反応を防ぐとともに、両者の格子のミスフィットを緩和
することにより、Ｂｉ系超伝導積層薄膜のエピタキシャ
ル性を高め、結晶の不完全さを低減することができ、薄
膜表面の平滑性を高めることができるからである。
ー層として、Ｂｉ2 Ｓｒ2 ＣｕＯz系酸化物を用いたの
は、このバッファー層が基板とＢｉ系超伝導積層薄膜の
反応を防ぐとともに、両者の格子のミスフィットを緩和
することにより、Ｂｉ系超伝導積層薄膜のエピタキシャ
ル性を高め、結晶の不完全さを低減することができ、薄
膜表面の平滑性を高めることができるからである。
【００１６】次に、Ｂｉ2 Ｓｒ2 ＣｕＯz 系酸化物を中
間層として用いたのは、本物質がＢｉ系酸化物超伝導体
とｃ軸の格子定数のみが異なる同族の物質で、ＣｕＯ2
面の格子の整合性もよいため、Ｂｉ2 （Ｓｒ1-x Ｃ
ａx ）3 Ｃｕ2 Ｏy 系超伝導体層の上にＢｉ2 Ｓｒ2 Ｃ
ｕＯz 系酸化物層をエピタキシャル成長させること、お
よび、逆にＢｉ2 Ｓｒ2 ＣｕＯz 系酸化物層の上にＢｉ
2 （Ｓｒ1-x Ｃａx ）3 Ｃｕ2 Ｏy 系超伝導体層をエピ
タキシャル成長させることが可能であることが理由であ
る。また、Ｂｉ2 （Ｓｒ1-x Ｃａx ）3 Ｃｕ2 Ｏy 系超
伝導体層との間の相互拡散が小さいことが理由である。
この中間層物質のＣｕをＡｌ等で、またはＳｒをＰｒ等
で一部置換すれば、Ｂｉ2 Ｓｒ2 ＣｕＯz 系酸化物の比
抵抗を高めることができ、ジョセフソントンネル接合へ
の応用を考えると、より好ましい。
間層として用いたのは、本物質がＢｉ系酸化物超伝導体
とｃ軸の格子定数のみが異なる同族の物質で、ＣｕＯ2
面の格子の整合性もよいため、Ｂｉ2 （Ｓｒ1-x Ｃ
ａx ）3 Ｃｕ2 Ｏy 系超伝導体層の上にＢｉ2 Ｓｒ2 Ｃ
ｕＯz 系酸化物層をエピタキシャル成長させること、お
よび、逆にＢｉ2 Ｓｒ2 ＣｕＯz 系酸化物層の上にＢｉ
2 （Ｓｒ1-x Ｃａx ）3 Ｃｕ2 Ｏy 系超伝導体層をエピ
タキシャル成長させることが可能であることが理由であ
る。また、Ｂｉ2 （Ｓｒ1-x Ｃａx ）3 Ｃｕ2 Ｏy 系超
伝導体層との間の相互拡散が小さいことが理由である。
この中間層物質のＣｕをＡｌ等で、またはＳｒをＰｒ等
で一部置換すれば、Ｂｉ2 Ｓｒ2 ＣｕＯz 系酸化物の比
抵抗を高めることができ、ジョセフソントンネル接合へ
の応用を考えると、より好ましい。
【００１７】良好な超伝導特性を有するＢｉ系超伝導積
層薄膜を合成するためには６８０〜７５０℃の基板温度
で成膜することが望ましい。しかし、この良好な超伝導
特性の得られる基板温度で、いきなりＳｒＴｉＯ3 単結
晶基板上に成膜を開始した場合、成膜初期にＳｒＴｉＯ
3 単結晶基板と薄膜が反応して異相の発生や島状成長が
起こり、これが原因となって最終的に薄膜の表面平滑性
がかなり悪くなってしまうという問題がある。これに対
して、成膜初期にバッファー層としてＢｉ2 Ｓｒ2 Ｃｕ
Ｏz 系酸化物を基板温度５５０〜６５０℃で２４オング
ストローム以上、例えば７２オングストローム程度形成
すると、この層が基板界面において緩衝層となり、基板
と薄膜との反応を防ぐことが可能となる。そして、この
バッファー層形成後に、基板温度をＢｉ系超伝導積層薄
膜の成長温度６８０〜７５０℃に上げて成膜することに
より、表面平滑性に優れ、かつ、超伝導特性の良好なＢ
ｉ系酸化物超伝導体の積層薄膜を得ることができる。
層薄膜を合成するためには６８０〜７５０℃の基板温度
で成膜することが望ましい。しかし、この良好な超伝導
特性の得られる基板温度で、いきなりＳｒＴｉＯ3 単結
晶基板上に成膜を開始した場合、成膜初期にＳｒＴｉＯ
3 単結晶基板と薄膜が反応して異相の発生や島状成長が
起こり、これが原因となって最終的に薄膜の表面平滑性
がかなり悪くなってしまうという問題がある。これに対
して、成膜初期にバッファー層としてＢｉ2 Ｓｒ2 Ｃｕ
Ｏz 系酸化物を基板温度５５０〜６５０℃で２４オング
ストローム以上、例えば７２オングストローム程度形成
すると、この層が基板界面において緩衝層となり、基板
と薄膜との反応を防ぐことが可能となる。そして、この
バッファー層形成後に、基板温度をＢｉ系超伝導積層薄
膜の成長温度６８０〜７５０℃に上げて成膜することに
より、表面平滑性に優れ、かつ、超伝導特性の良好なＢ
ｉ系酸化物超伝導体の積層薄膜を得ることができる。
【００１８】
【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。
て説明する。
【００１９】図１は、本発明のＢｉ系超伝導積層薄膜の
斜視断面図である。本実施例は、基板１と、バッファー
層２と、非超伝導体中間層であるＢｉ2 Ｓｒ2 ＣｕＯz
系酸化物層４と、Ｂｉ2 Ｓｒ2 ＣｕＯz 系酸化物層４の
両側を挟んだＢｉ2 （Ｓｒ1-x Ｃａx ）3 Ｃｕ2 Ｏy 系
超伝導体層３，５とにより構成されている。
斜視断面図である。本実施例は、基板１と、バッファー
層２と、非超伝導体中間層であるＢｉ2 Ｓｒ2 ＣｕＯz
系酸化物層４と、Ｂｉ2 Ｓｒ2 ＣｕＯz 系酸化物層４の
両側を挟んだＢｉ2 （Ｓｒ1-x Ｃａx ）3 Ｃｕ2 Ｏy 系
超伝導体層３，５とにより構成されている。
【００２０】本実施例においては、Ｂｉ系超伝導積層薄
膜を製造するためにイオンビームスパッタ装置を用い
た。この装置では、マイクロ波励起による原子状酸素を
薄膜の酸化源として利用しており、基板１付近の酸素分
圧は約１０-3Ｔｏｒｒであった。薄膜成長温度は約４０
０オングストローム／Ｈである。薄膜製造においては、
チャンバー中にＢｉ2 Ｏ3 、Ｂｉ2 Ｓｒ2 ＣｕＯz 、お
よび、Ｓｒ2 ＣａＣｕ2Ｏx'のターゲットを設けて、３
つのスパッタソースを独立に制御することにより、積層
薄膜形成時のバッファー層２、Ｂｉ2 （Ｓｒ1-x Ｃ
ａx ）3 Ｃｕ2 Ｏy 系超伝導体層３，５、Ｂｉ2 Ｓｒ2
ＣｕＯz 系酸化物層４の作り分けを行っている。
膜を製造するためにイオンビームスパッタ装置を用い
た。この装置では、マイクロ波励起による原子状酸素を
薄膜の酸化源として利用しており、基板１付近の酸素分
圧は約１０-3Ｔｏｒｒであった。薄膜成長温度は約４０
０オングストローム／Ｈである。薄膜製造においては、
チャンバー中にＢｉ2 Ｏ3 、Ｂｉ2 Ｓｒ2 ＣｕＯz 、お
よび、Ｓｒ2 ＣａＣｕ2Ｏx'のターゲットを設けて、３
つのスパッタソースを独立に制御することにより、積層
薄膜形成時のバッファー層２、Ｂｉ2 （Ｓｒ1-x Ｃ
ａx ）3 Ｃｕ2 Ｏy 系超伝導体層３，５、Ｂｉ2 Ｓｒ2
ＣｕＯz 系酸化物層４の作り分けを行っている。
【００２１】基板１には、ＳｒＴｉＯ3 （１００）単結
晶基板面に対し、その法線から（１１１）方向に８°傾
けて研磨することにより＜１−１０＞方向にステップを
形成した傾斜単結晶基板を用いた。基板１の大きさは１
５ｍｍ角で、厚さは０．５ｍｍである。基板１上に、ま
ずバッファー層２として、Ｂｉ2 Ｓｒ2 ＣｕＯz 系酸化
物を２〜３ユニット層（約４８〜７２オングストロー
ム）成長させる。バッファー層２の厚さは１ユニット層
以上あればさしつかえない。このバッファー層２を形成
する場合には、基板温度を５５０℃〜６５０℃とやや低
い温度で形成する。これは、基板１と薄膜との反応を押
さえることが目的である。このバッファー層２がない場
合には、その後に形成するＢｉ2 （Ｓｒ1-x Ｃａx ）3
Ｃｕ2 Ｏy系超伝導体層３，５が基板１と反応して、結
晶性、薄膜表面平滑性、超伝導特性が悪くなるのに対し
て、バッファー層２を形成することにより、結晶性、表
面平滑性ともに優れ、かつ、超伝導特性の優れた薄膜を
得ることができる。
晶基板面に対し、その法線から（１１１）方向に８°傾
けて研磨することにより＜１−１０＞方向にステップを
形成した傾斜単結晶基板を用いた。基板１の大きさは１
５ｍｍ角で、厚さは０．５ｍｍである。基板１上に、ま
ずバッファー層２として、Ｂｉ2 Ｓｒ2 ＣｕＯz 系酸化
物を２〜３ユニット層（約４８〜７２オングストロー
ム）成長させる。バッファー層２の厚さは１ユニット層
以上あればさしつかえない。このバッファー層２を形成
する場合には、基板温度を５５０℃〜６５０℃とやや低
い温度で形成する。これは、基板１と薄膜との反応を押
さえることが目的である。このバッファー層２がない場
合には、その後に形成するＢｉ2 （Ｓｒ1-x Ｃａx ）3
Ｃｕ2 Ｏy系超伝導体層３，５が基板１と反応して、結
晶性、薄膜表面平滑性、超伝導特性が悪くなるのに対し
て、バッファー層２を形成することにより、結晶性、表
面平滑性ともに優れ、かつ、超伝導特性の優れた薄膜を
得ることができる。
【００２２】バッファー層２の形成後、基板温度を約７
００℃まで上昇させてＢｉ2 （Ｓｒ1-x Ｃａx ）3 Ｃｕ
2 Ｏy 系超伝導体層３を堆積させ、その上にＢｉ2 Ｓｒ
2 ＣｕＯz 系酸化物層４を堆積させ、最後に、その上に
Ｂｉ2 （Ｓｒ1-x Ｃａx ）3Ｃｕ2 Ｏy 系超伝導体層５
を堆積させて積層薄膜を作製する。
００℃まで上昇させてＢｉ2 （Ｓｒ1-x Ｃａx ）3 Ｃｕ
2 Ｏy 系超伝導体層３を堆積させ、その上にＢｉ2 Ｓｒ
2 ＣｕＯz 系酸化物層４を堆積させ、最後に、その上に
Ｂｉ2 （Ｓｒ1-x Ｃａx ）3Ｃｕ2 Ｏy 系超伝導体層５
を堆積させて積層薄膜を作製する。
【００２３】こうして作製したＢｉ系超伝導積層薄膜を
２次イオン質量分析装置（ＳＩＭＳ）で分析すると、各
層は相互拡散せず堆積されており、良質の積層薄膜が作
製されていることが確認された。
２次イオン質量分析装置（ＳＩＭＳ）で分析すると、各
層は相互拡散せず堆積されており、良質の積層薄膜が作
製されていることが確認された。
【００２４】また、この積層薄膜の構造をＸ線回折法に
よって評価すると、Ｂｉ2 （Ｓｒ1-x Ｃａx ）3 Ｃｕ2
Ｏy 系酸化物相およびＢｉ2 Ｓｒ2 ＣｕＯz 系酸化物相
のみの回折のピークが観察され、異相はまったく見られ
なかった。
よって評価すると、Ｂｉ2 （Ｓｒ1-x Ｃａx ）3 Ｃｕ2
Ｏy 系酸化物相およびＢｉ2 Ｓｒ2 ＣｕＯz 系酸化物相
のみの回折のピークが観察され、異相はまったく見られ
なかった。
【００２５】さらに、この積層薄膜の表面および同条件
で作製した各単層薄膜の表面を走査型電子顕微鏡で観察
したところ、表面は５０Ａ以下の精度で平坦であり、非
常に良好な積層薄膜が形成されていることが確認され
た。
で作製した各単層薄膜の表面を走査型電子顕微鏡で観察
したところ、表面は５０Ａ以下の精度で平坦であり、非
常に良好な積層薄膜が形成されていることが確認され
た。
【００２６】この積層薄膜と傾斜ＳｒＴｉＯ3 単結晶基
板の結晶方位関係をＲＨＥＥＤ（ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ
ｈｉｇｈ ｅｎｅｒｇｙ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｄｉｆ
ｆｒａｃｔｉｏｎ）および透過型電子顕微鏡によって調
べると、図２の積層薄膜の断面構造の詳細図に示すよう
に、各層のｃ軸はＳｒＴｉＯ3 単結晶基板の（００１）
面に垂直に成長しており、このため、基板表面の法線方
向とは基板の傾斜角度である８°だけずれているのが確
認された。従って、Ｂｉ系酸化物超伝導体においてコヒ
ーレンス長の長いＣｕＯ2 面も基板表面と８°の角度を
持つようになる。この結果、図２にみられるごとく、Ｂ
ｉ2 （Ｓｒ1-x Ｃａx ）3 Ｃｕ2 Ｏy 系超伝導体層５と
Ｂｉ2 （Ｓｒ1-x Ｃａx ）3 Ｃｕ2 Ｏy 系超伝導体層３
のＣｕＯ2 面は、中間層であるＢｉ2 Ｓｒ2 ＣｕＯz 系
酸化物層４を挟んで連続的につながるようになる。従来
のＢｉ系超伝導積層薄膜がコヒーレンス長の短いｃ軸方
向でしかつながらなかったのに比べると、本発明による
積層薄膜は、上部超伝導体と下部超伝導体がコヒーレン
ス長の長いＣｕＯ2 面でつながっており、ジョセフソン
接合作製の目的のためには非常に有利な構造になってい
るのがわかった。
板の結晶方位関係をＲＨＥＥＤ（ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ
ｈｉｇｈ ｅｎｅｒｇｙ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｄｉｆ
ｆｒａｃｔｉｏｎ）および透過型電子顕微鏡によって調
べると、図２の積層薄膜の断面構造の詳細図に示すよう
に、各層のｃ軸はＳｒＴｉＯ3 単結晶基板の（００１）
面に垂直に成長しており、このため、基板表面の法線方
向とは基板の傾斜角度である８°だけずれているのが確
認された。従って、Ｂｉ系酸化物超伝導体においてコヒ
ーレンス長の長いＣｕＯ2 面も基板表面と８°の角度を
持つようになる。この結果、図２にみられるごとく、Ｂ
ｉ2 （Ｓｒ1-x Ｃａx ）3 Ｃｕ2 Ｏy 系超伝導体層５と
Ｂｉ2 （Ｓｒ1-x Ｃａx ）3 Ｃｕ2 Ｏy 系超伝導体層３
のＣｕＯ2 面は、中間層であるＢｉ2 Ｓｒ2 ＣｕＯz 系
酸化物層４を挟んで連続的につながるようになる。従来
のＢｉ系超伝導積層薄膜がコヒーレンス長の短いｃ軸方
向でしかつながらなかったのに比べると、本発明による
積層薄膜は、上部超伝導体と下部超伝導体がコヒーレン
ス長の長いＣｕＯ2 面でつながっており、ジョセフソン
接合作製の目的のためには非常に有利な構造になってい
るのがわかった。
【００２７】さらに、基板面内のエピタキシャル関係に
おいては、Ｂｉ系酸化物超伝導体に特有のｂ軸方向の変
調構造が、基板上に形成されたステップと常に垂直にな
っており、このため、ａ軸は必然的にステップと平行に
そろうようになる。従って、本発明による積層薄膜は、
ドメイン構造のない、完全な単結晶薄膜になっており、
結晶粒界の影響等がない良質の積層薄膜になっているの
が確認された。
おいては、Ｂｉ系酸化物超伝導体に特有のｂ軸方向の変
調構造が、基板上に形成されたステップと常に垂直にな
っており、このため、ａ軸は必然的にステップと平行に
そろうようになる。従って、本発明による積層薄膜は、
ドメイン構造のない、完全な単結晶薄膜になっており、
結晶粒界の影響等がない良質の積層薄膜になっているの
が確認された。
【００２８】４端子電気抵抗測定法でＢｉ2 （Ｓｒ1-x
Ｃａx ）3 Ｃｕ2 Ｏy 系超伝導体層３，５の電気抵抗の
温度変化を測定したところ、いずれの層も８５Ｋ程度の
ＴCを持つことが確認され、超伝導特性の優れた良質の
Ｂｉ2 （Ｓｒ1-x Ｃａx ）3Ｃｕ2 Ｏy 系超伝導体層
３，５が作製されていることがわかった。また、Ｂｉ2
Ｓｒ2 ＣｕＯz 系酸化物層４の上下Ｂｉ2 （Ｓｒ1-x Ｃ
ａx ）3 Ｃｕ2 Ｏy 系超伝導体層間の抵抗値は充分に高
く、ｃ軸方向の抵抗値から予想される値に近いことか
ら、Ｂｉ2 Ｓｒ2 ＣｕＯz 系酸化物層４がＢｉ2 （Ｓｒ
1-x Ｃａx ）3 Ｃｕ2 Ｏy 系超伝導体層間に均一に形成
されていることが確認された。さらに、Ｂｉ2 Ｓｒ2 Ｃ
ｕＯz 系酸化物４のｃ軸方向の比抵抗を、Ａｌ等による
Ｃｕの一部置換およびＰｒ等によるＳｒの一部置換によ
り、置換なしの場合に比べて２倍以上高くすることがで
きた。
Ｃａx ）3 Ｃｕ2 Ｏy 系超伝導体層３，５の電気抵抗の
温度変化を測定したところ、いずれの層も８５Ｋ程度の
ＴCを持つことが確認され、超伝導特性の優れた良質の
Ｂｉ2 （Ｓｒ1-x Ｃａx ）3Ｃｕ2 Ｏy 系超伝導体層
３，５が作製されていることがわかった。また、Ｂｉ2
Ｓｒ2 ＣｕＯz 系酸化物層４の上下Ｂｉ2 （Ｓｒ1-x Ｃ
ａx ）3 Ｃｕ2 Ｏy 系超伝導体層間の抵抗値は充分に高
く、ｃ軸方向の抵抗値から予想される値に近いことか
ら、Ｂｉ2 Ｓｒ2 ＣｕＯz 系酸化物層４がＢｉ2 （Ｓｒ
1-x Ｃａx ）3 Ｃｕ2 Ｏy 系超伝導体層間に均一に形成
されていることが確認された。さらに、Ｂｉ2 Ｓｒ2 Ｃ
ｕＯz 系酸化物４のｃ軸方向の比抵抗を、Ａｌ等による
Ｃｕの一部置換およびＰｒ等によるＳｒの一部置換によ
り、置換なしの場合に比べて２倍以上高くすることがで
きた。
【００２９】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明は、
相互拡散および結晶配向性の乱れ等を生じさせない中間
層を持ち、コヒーレンス長の長いＣｕＯ2 面が法線方向
成分を持つようになるためジョセフソン接合作製上有利
となる良質のＢｉ系超伝導積層薄膜を提供するものであ
り、Ｂｉ系超伝導体の超伝導電子素子への応用上効果が
大きい。
相互拡散および結晶配向性の乱れ等を生じさせない中間
層を持ち、コヒーレンス長の長いＣｕＯ2 面が法線方向
成分を持つようになるためジョセフソン接合作製上有利
となる良質のＢｉ系超伝導積層薄膜を提供するものであ
り、Ｂｉ系超伝導体の超伝導電子素子への応用上効果が
大きい。
【図１】本発明のＢｉ系超伝導積層薄膜の斜視断面図で
ある。
ある。
【図２】本発明のＢｉ系超伝導積層薄膜の構造を示す断
面図である。
面図である。
１ 基板 ２ バッファー層 ３，５ Ｂｉ2 （Ｓｒ1-x Ｃａx ）3 Ｃｕ2 Ｏy 系超伝
導体層 ４ Ｂｉ2 Ｓｒ2 ＣｕＯz 系酸化物層 ６ ＳｒＴｉＯ3 単結晶基板表面のステップ ｂ Ｂｉ系超伝導積層薄膜のｂ軸方向 ｃ Ｂｉ系超伝導積層薄膜のｃ軸方向
導体層 ４ Ｂｉ2 Ｓｒ2 ＣｕＯz 系酸化物層 ６ ＳｒＴｉＯ3 単結晶基板表面のステップ ｂ Ｂｉ系超伝導積層薄膜のｂ軸方向 ｃ Ｂｉ系超伝導積層薄膜のｃ軸方向
Claims (4)
- 【請求項１】ＳｒＴｉＯ3 （１００）単結晶基板面の法
線から（１１１）方向に傾けて研磨することにより＜１
−１０＞方向にステップを形成した単結晶基板と、 単結晶基板上に形成されたＢｉ2 Ｓｒ2 ＣｕＯz 系酸化
物よりなるバッファー層と、 バッファー層の上面に形成されたＢｉ2 （Ｓｒ1-x Ｃａ
x ）3 Ｃｕ2 Ｏy 系超伝導体よりなる第１の超伝導体層
と、 第１の超伝導体層の上面に形成されたＢｉ2 Ｓｒ2 Ｃｕ
Ｏz 系酸化物よりなる中間層と、 中間層の上面に形成されたＢｉ2 （Ｓｒ1-x Ｃａ1 ）3
Ｃｕ2 Ｏy 系超伝導体よりなる第２の超伝導体層を有す
ることを特徴とする超伝導積層薄膜。 - 【請求項２】請求項１記載の超伝導積層薄膜において、
中間層は、Ｂｉ2 Ｓｒ2 （Ｃｕ1-aＭa ）Ｏz なる式で
表され、ＭがＡｌ、Ｆｅ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｐｔの中の少な
くとも１つであり、ａが０＜ａ≦０．１である組成の非
超伝導酸化物よりなることを特徴とする超伝導積層薄
膜。 - 【請求項３】請求項１記載の超伝導積層薄膜において、
中間層は、Ｂｉ2 （Ｓｒ1-b Ｌb ）2 ＣｕＯz なる式で
表され、ＬがＰｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈ
ｏ、Ｅｒ、Ｙの中の少なくとも１つであり、ｂが０＜ｂ
≦０．５である組成の非超伝導酸化物よりなることを特
徴とする超伝導積層薄膜。 - 【請求項４】請求項１，２または３記載の超伝導積層薄
膜の製造方法であって、膜成長温度を５５０〜６５０℃
に設定して、バッファー層としてのＢｉ2 Ｓｒ2 ＣｕＯ
z を単結晶基板上にヘテロエピタキシャル成長させ、バ
ッファー層の形成後に、基板温度を超伝導薄膜合成温度
である６８０〜７５０℃まで上げて、第１の超伝導体層
としてのＢｉ2 （Ｓｒ1-x Ｃａx ）3 Ｃｕ2 Ｏy と、中
間層としてのＢｉＳｒ2 ＣｕＯy と、第２の超伝導層と
してのＢｉ2 （Ｓｒ1-x Ｃａx ）3 Ｃｕ2 Ｏyとを順に
ヘテロエピタキシャル成長させることを特徴とする超伝
導積層薄膜の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4201651A JP2959290B2 (ja) | 1992-07-29 | 1992-07-29 | 超伝導積層薄膜およびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4201651A JP2959290B2 (ja) | 1992-07-29 | 1992-07-29 | 超伝導積層薄膜およびその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0648738A true JPH0648738A (ja) | 1994-02-22 |
| JP2959290B2 JP2959290B2 (ja) | 1999-10-06 |
Family
ID=16444628
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4201651A Expired - Fee Related JP2959290B2 (ja) | 1992-07-29 | 1992-07-29 | 超伝導積層薄膜およびその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2959290B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008251564A (ja) * | 2007-03-29 | 2008-10-16 | Kyushu Univ | 高温超伝導電流リードと臨界電流密度増加方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003158766A (ja) * | 2002-11-07 | 2003-05-30 | Sharp Corp | 無線局 |
| WO2012006446A1 (en) * | 2010-07-07 | 2012-01-12 | Qualcomm Incorporated | Hybrid modes for peer discovery |
| JP2014517784A (ja) * | 2011-05-20 | 2014-07-24 | ザ プロクター アンド ギャンブル カンパニー | 低一定圧力での射出成形のための装置及び方法 |
-
1992
- 1992-07-29 JP JP4201651A patent/JP2959290B2/ja not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003158766A (ja) * | 2002-11-07 | 2003-05-30 | Sharp Corp | 無線局 |
| WO2012006446A1 (en) * | 2010-07-07 | 2012-01-12 | Qualcomm Incorporated | Hybrid modes for peer discovery |
| JP2014517784A (ja) * | 2011-05-20 | 2014-07-24 | ザ プロクター アンド ギャンブル カンパニー | 低一定圧力での射出成形のための装置及び方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| JPN6016041749; Ｇｅｎｅｒａｌ Ｄｙｎａｍｉｃｓ Ｂｒｏａｄｂａｎｄ ＵＫ: 'Ｋｅｙ ｉｓｓｕｅ ａｎｄ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｓｏｌｕｔｉｏｎ： Ｐｒｏｓｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｏｕｔ ｏｆ ｎｅｔｗｏｒｋ ｃｏｖｅｒａｇｅ［ｏｎｌｉｎｅ］' ３ＧＰＰ ＴＳＧ-ＳＡ ＷＧ２＃９６ Ｓ２-１３０８４６ , 20130412, インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．３ｇｐｐ．ｏｒｇ／ｆｔｐ／ｔｓｇ＿ｓａ * |
| JPN6017019459; ＬＧ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ: 'Ｒｅｍａｉｎｉｎｇ Ｉｓｓｕｅｓ ｏｎ Ｄ２Ｄ Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ Ｓｃｅｎａｒｉｏｓ［ｏｎｌｉｎｅ］' ３ＧＰＰ ＴＳＧ-ＲＡＮ ＷＧ１＃７３ Ｒ１-１３２２４５ , 20130524, インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．３ｇｐｐ．ｏｒｇ／ｆｔｐ／ｔｓｇ＿ｒａ * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008251564A (ja) * | 2007-03-29 | 2008-10-16 | Kyushu Univ | 高温超伝導電流リードと臨界電流密度増加方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2959290B2 (ja) | 1999-10-06 |
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