JPH07106883B2 - 超伝導体構造体 - Google Patents
超伝導体構造体Info
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- JPH07106883B2 JPH07106883B2 JP1096574A JP9657489A JPH07106883B2 JP H07106883 B2 JPH07106883 B2 JP H07106883B2 JP 1096574 A JP1096574 A JP 1096574A JP 9657489 A JP9657489 A JP 9657489A JP H07106883 B2 JPH07106883 B2 JP H07106883B2
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Description
【発明の詳細な説明】 A.産業上の利用分野 本発明は、ガリウム酸塩の基板上に付着させた高Tc超伝
導膜に関し、より具体的には、77゜Ｋを越える温度でデ
バイス構造に適するような薄膜と基板の組合せに関す
る。
導膜に関し、より具体的には、77゜Ｋを越える温度でデ
バイス構造に適するような薄膜と基板の組合せに関す
る。
B.従来技術 1986年のミュラー（Mueller）及びベドノルツ（Bednor
z）による、酸化銅を主体とする物質での高温超伝導現
象の発見に続いて、それに基づいて多くの進歩が行なわ
れてきた。すなわち、タリウム系酸化銅で、超伝導転移
温度が約125゜Ｋまで上がった（1988年３月11日にPhys.
Rev.Lett.に提出されたS.S.A.パーキン（Parkin）等の
論文）。1988年２月22〜24日に、米国テキサス州ヒュー
ストンで開催された世界超伝導会議で、米国アーカンソ
ー大学の研究者によるタリウム超伝導体の発見が発表さ
れた。この直前に、日本の筑波にある国立金属研究所の
H.前田が率いる研究者等が、約105゜Ｋで超伝導の証拠
を示す、ビスマス、カルシウム、ストロンチウム、銅、
酸素の超伝導化合物を発表している。この数日後、もう
一つの元素すなわちアルミニウムを含む点を除いて、ほ
ぼ同じ化合物を、ヒューストン大学のポール・チュー
（Paul Chu）が発表した。
z）による、酸化銅を主体とする物質での高温超伝導現
象の発見に続いて、それに基づいて多くの進歩が行なわ
れてきた。すなわち、タリウム系酸化銅で、超伝導転移
温度が約125゜Ｋまで上がった（1988年３月11日にPhys.
Rev.Lett.に提出されたS.S.A.パーキン（Parkin）等の
論文）。1988年２月22〜24日に、米国テキサス州ヒュー
ストンで開催された世界超伝導会議で、米国アーカンソ
ー大学の研究者によるタリウム超伝導体の発見が発表さ
れた。この直前に、日本の筑波にある国立金属研究所の
H.前田が率いる研究者等が、約105゜Ｋで超伝導の証拠
を示す、ビスマス、カルシウム、ストロンチウム、銅、
酸素の超伝導化合物を発表している。この数日後、もう
一つの元素すなわちアルミニウムを含む点を除いて、ほ
ぼ同じ化合物を、ヒューストン大学のポール・チュー
（Paul Chu）が発表した。
ビスマス系酸化銅及びタリウム系酸化銅の発見以前は、
この技術における大部分の研究は、希土類・銅酸化物、
特に約95゜Ｋの転移温度を有するイットリウム・バリウ
ム・銅酸化物に集中していた。これらの物質は、その超
伝導相でのＹ−Ba−Cuの原子比から、ふつう、１−２−
３化合物と呼ばれてきた。
この技術における大部分の研究は、希土類・銅酸化物、
特に約95゜Ｋの転移温度を有するイットリウム・バリウ
ム・銅酸化物に集中していた。これらの物質は、その超
伝導相でのＹ−Ba−Cuの原子比から、ふつう、１−２−
３化合物と呼ばれてきた。
これらの酸化銅を主体とする超伝導体は、すべて超伝導
電流を運ぶ役割を荷っていると思われる酸化銅のシート
または面を含んでいる。ただし、ビスマス系及びタリウ
ム系化合物は、希土類・銅酸化物超伝導体及びイットリ
ウム１−２−３化合物には存在する酸化銅鎖を有してい
ないと思われる。ビスマス系酸化物中の超伝導相の１つ
は、２−１−２−２（ビスマス２原子、カリウム１原
子、ストロンチウム２原子、銅２原子）であるのに対
し、タリウム系超伝導体は、タリウム、カルシウム、バ
リウム、銅、酸素を含んでおり、恐らくこの超伝導物質
は２−１−２−２超伝導相ならびに２−２−２−３超伝
導相を有するものと思われる。
電流を運ぶ役割を荷っていると思われる酸化銅のシート
または面を含んでいる。ただし、ビスマス系及びタリウ
ム系化合物は、希土類・銅酸化物超伝導体及びイットリ
ウム１−２−３化合物には存在する酸化銅鎖を有してい
ないと思われる。ビスマス系酸化物中の超伝導相の１つ
は、２−１−２−２（ビスマス２原子、カリウム１原
子、ストロンチウム２原子、銅２原子）であるのに対
し、タリウム系超伝導体は、タリウム、カルシウム、バ
リウム、銅、酸素を含んでおり、恐らくこの超伝導物質
は２−１−２−２超伝導相ならびに２−２−２−３超伝
導相を有するものと思われる。
当技術分野では、高いTcをもつ超伝導物質の薄膜、具体
的にはエピタキシャル超伝導膜を作成する方法が知られ
ている。このような薄膜は、電子線蒸着、スパッタリン
グ、溶液熱分解などのいくつかの技法で製造されてき
た。特に、SrTiO3、Si、Ｙ安定化ZrO2、MgO、Al2O3及び
様々なアルミン酸塩を含むいくつかの基板上で、高温酸
化銅超伝導体の薄膜が製造されてきた。現在までのとこ
ろ、最良の薄膜は、SrTiO3上に付着させたものであり、
これらの薄膜はエピタキシャル法によって作成され、最
高の臨界電流密度をもつ。酸化物超伝導体の薄膜付着を
全般的に記載した論文には、次のものがある。
的にはエピタキシャル超伝導膜を作成する方法が知られ
ている。このような薄膜は、電子線蒸着、スパッタリン
グ、溶液熱分解などのいくつかの技法で製造されてき
た。特に、SrTiO3、Si、Ｙ安定化ZrO2、MgO、Al2O3及び
様々なアルミン酸塩を含むいくつかの基板上で、高温酸
化銅超伝導体の薄膜が製造されてきた。現在までのとこ
ろ、最良の薄膜は、SrTiO3上に付着させたものであり、
これらの薄膜はエピタキシャル法によって作成され、最
高の臨界電流密度をもつ。酸化物超伝導体の薄膜付着を
全般的に記載した論文には、次のものがある。
1.J.Mater.Res.第２巻（第６号）、1987年11月/12月、
p.726に所載の、M.ナスターシ（Nastasi）等の論文。
p.726に所載の、M.ナスターシ（Nastasi）等の論文。
2.同書p.713に所載の、M.内藤等の論文。
3.Phys.Rev.B第35巻、1987年、P.8821に所載の、R.B.ラ
イボヴィッツ（Laibowitz）等の論文。
イボヴィッツ（Laibowitz）等の論文。
4.Phys.Rev.Lett.第58巻、1987年、p.2684に所載の、P.
チョーダリ（Chaudhari）等の論文。
チョーダリ（Chaudhari）等の論文。
5.Appl.Phys.Lett.第52巻、1988年、p.163に所載の、A.
グプタ（Gupta）等の論文。
グプタ（Gupta）等の論文。
高Tc酸化物超伝導膜を調製するため多くの基板の採用が
試みられてきたものの、現在までの結果はすべての点で
すぐれているものではない。たとえば、付着させたまま
の状態で超伝導である高品質のエピタキシャル膜を付着
させることは、不可能であった。一般に、薄膜は付着さ
せたとき非晶質または微粒子の他結晶質であり、高温の
事後アニール・ステップで結晶化するという状況であっ
た。この方法が、最高品質のエピタキシャル、高電流密
度薄膜を得るのに用いられてきた。薄膜を正方晶系から
斜方晶系に変換するのに、アニール・ステップを利用す
ることがある。これら２つの結晶構造の結晶定数は、か
なりかけ離れているので、必要とされる構造変化を行な
わせると、双晶、微小亀裂、及び混入物を含む超伝導膜
が生成することが多かった。すなわち、現在知られてい
る基板のどれも、処理段階を追加せずに直接、高品質、
高電流密度、高Tcの超伝導膜を付着させる可能性を供給
していない。入手し易いMgO、SrTiO3基板のような、４
回面対称を持たず、斜方晶系である１−２−３膜の場
合、特にそうである。
試みられてきたものの、現在までの結果はすべての点で
すぐれているものではない。たとえば、付着させたまま
の状態で超伝導である高品質のエピタキシャル膜を付着
させることは、不可能であった。一般に、薄膜は付着さ
せたとき非晶質または微粒子の他結晶質であり、高温の
事後アニール・ステップで結晶化するという状況であっ
た。この方法が、最高品質のエピタキシャル、高電流密
度薄膜を得るのに用いられてきた。薄膜を正方晶系から
斜方晶系に変換するのに、アニール・ステップを利用す
ることがある。これら２つの結晶構造の結晶定数は、か
なりかけ離れているので、必要とされる構造変化を行な
わせると、双晶、微小亀裂、及び混入物を含む超伝導膜
が生成することが多かった。すなわち、現在知られてい
る基板のどれも、処理段階を追加せずに直接、高品質、
高電流密度、高Tcの超伝導膜を付着させる可能性を供給
していない。入手し易いMgO、SrTiO3基板のような、４
回面対称を持たず、斜方晶系である１−２−３膜の場
合、特にそうである。
上記のように、これまで、SrTiO3が最良の超伝導酸化銅
膜を生成している。この基板は、超伝導膜に対する適度
な格子整合をもたらし、高温アニール・ステップに耐え
ることができる。ただし、高温処理ステップ中に、超伝
導膜に大量のSrが入りこみ、このため、この基板の反応
性はきわめて高い。さらに、しかも、より重要なことで
あるが、SrTiO3は、基板の配向と温度に応じてサンプル
ごとに変動する、きわめて高い誘電定数を有し、かつこ
の物質は非常に誘電損失の大きな誘電体である。これ
は、チョクラルスキー（Czochralski）法やブリッジマ
ン（Bridgman）法など好ましい従来の結晶成長法を使っ
て製造するのが難しく、ヴェルヌーイ（Verneuil）法で
製造するとコストが高くつく。製造コストの他に、大面
積のSrTiO3基板を得るのは非常に困難である。
膜を生成している。この基板は、超伝導膜に対する適度
な格子整合をもたらし、高温アニール・ステップに耐え
ることができる。ただし、高温処理ステップ中に、超伝
導膜に大量のSrが入りこみ、このため、この基板の反応
性はきわめて高い。さらに、しかも、より重要なことで
あるが、SrTiO3は、基板の配向と温度に応じてサンプル
ごとに変動する、きわめて高い誘電定数を有し、かつこ
の物質は非常に誘電損失の大きな誘電体である。これ
は、チョクラルスキー（Czochralski）法やブリッジマ
ン（Bridgman）法など好ましい従来の結晶成長法を使っ
て製造するのが難しく、ヴェルヌーイ（Verneuil）法で
製造するとコストが高くつく。製造コストの他に、大面
積のSrTiO3基板を得るのは非常に困難である。
Siは、有用な半導体用材料であるが、一般に、高Tc酸化
物半導体の形成に先立って、薄膜で不動態化しておかな
ければならないという欠点がある。なぜなら、Si原子
は、超伝導体中に拡散し、その高Tc超伝導性に悪影響を
与える傾向があるためである。
物半導体の形成に先立って、薄膜で不動態化しておかな
ければならないという欠点がある。なぜなら、Si原子
は、超伝導体中に拡散し、その高Tc超伝導性に悪影響を
与える傾向があるためである。
MgOは、誘電定数がSrTiO3よりもはるかに小さな基板材
料である。しかし、Mgが相互拡散するために、高温アニ
ール・ステップには都合が悪く、その上に超伝導膜を付
着させるための準備が困難かつ高価になる可能性があ
る。より重要なことであるが、その格子定数が超伝導酸
化銅膜とあまり良く整合せず、したがってグラフォエピ
タキシなど他の技法を用いないとエピタキシに好都合で
ない。
料である。しかし、Mgが相互拡散するために、高温アニ
ール・ステップには都合が悪く、その上に超伝導膜を付
着させるための準備が困難かつ高価になる可能性があ
る。より重要なことであるが、その格子定数が超伝導酸
化銅膜とあまり良く整合せず、したがってグラフォエピ
タキシなど他の技法を用いないとエピタキシに好都合で
ない。
イットリウム安定化ジルコニアは、高温ではMgOよりも
化学的にすぐれているが、誘電損失の点では劣ってい
る。その上、酸化銅超伝導膜に対する格子整合が好都合
でない。
化学的にすぐれているが、誘電損失の点では劣ってい
る。その上、酸化銅超伝導膜に対する格子整合が好都合
でない。
アルミン酸塩も、基板材料として使用されてきたが、こ
れらの基板は、非常に反応性が高く、しかも処理温度の
上昇につれて、反応性が増大する。超伝導膜でCuの代わ
りにAlを使うのは有害であり、超伝導特性に悪影響を与
えることが発見されている。さらに、アルミン酸塩中の
原子間隔が小さ過ぎて、処理温度に関係なく、超伝導膜
に対する良好な格子整合をもたらすことができない。
れらの基板は、非常に反応性が高く、しかも処理温度の
上昇につれて、反応性が増大する。超伝導膜でCuの代わ
りにAlを使うのは有害であり、超伝導特性に悪影響を与
えることが発見されている。さらに、アルミン酸塩中の
原子間隔が小さ過ぎて、処理温度に関係なく、超伝導膜
に対する良好な格子整合をもたらすことができない。
C.発明が解決しようとする問題点 すなわち、非常に高い臨界電流を与えることもある高Tc
酸化物超伝導体の薄膜が作られてきたが、現在知られて
いる基板はすべて、デバイス構造に超伝導膜を使えなく
する恐れのある欠点を有する。したがって、本発明の主
目的は、改善された特性をもつ高Tc酸化物超伝導体膜を
成長させるための基板及び中間層として使用できる、一
群の物質を提供することにある。
酸化物超伝導体の薄膜が作られてきたが、現在知られて
いる基板はすべて、デバイス構造に超伝導膜を使えなく
する恐れのある欠点を有する。したがって、本発明の主
目的は、改善された特性をもつ高Tc酸化物超伝導体膜を
成長させるための基板及び中間層として使用できる、一
群の物質を提供することにある。
本発明の第２の目的は、高品質、単結晶のエピタキシャ
ル超伝導膜をもたらす、高Tc酸化銅超伝導体と基板の組
合せを提供することにある。
ル超伝導膜をもたらす、高Tc酸化銅超伝導体と基板の組
合せを提供することにある。
本発明の第３の目的は、電気デバイスでの使用に適し
た、高Tc酸化物超伝導膜と基板の組合せを提供すること
にある。
た、高Tc酸化物超伝導膜と基板の組合せを提供すること
にある。
本発明の第４の目的は、アナログ及びディジタル信号処
理デバイスに特に良く適した、高Tc酸化銅超伝導膜と基
板の組合せを提供することにある。
理デバイスに特に良く適した、高Tc酸化銅超伝導膜と基
板の組合せを提供することにある。
本発明の第５の目的は、基板材料の多層高Tc超伝導デバ
イスにおける中間層絶縁体として有利に使用できる、高
Tc酸化物超伝導体用の改善された一群の基板材料を提供
することにある。
イスにおける中間層絶縁体として有利に使用できる、高
Tc酸化物超伝導体用の改善された一群の基板材料を提供
することにある。
本発明の第６の目的は、デバイス構造に適した良好な格
子整合及び良好な電子特性を有する基板上における高Tc
酸化銅超伝導体をエピタキシャル膜を提供することにあ
る。
子整合及び良好な電子特性を有する基板上における高Tc
酸化銅超伝導体をエピタキシャル膜を提供することにあ
る。
本発明の第７の目的は、ペロブスカイト型高Tc超伝導体
に好都合な基板及び中間層絶縁体を提供することにあ
る。
に好都合な基板及び中間層絶縁体を提供することにあ
る。
本発明の第８の目的は、改善されたペロブスカイト型超
伝導体と基板の組合せを提供することにある。
伝導体と基板の組合せを提供することにある。
本発明の第９の目的は、超伝導性電気デバイスで使用で
きる超伝導ペロブスカイトとガリウム酸塩との組合せを
提供することにある。
きる超伝導ペロブスカイトとガリウム酸塩との組合せを
提供することにある。
本発明の第10の目的は、ガリウム酸塩基板上における高
配向超伝導酸化薄膜を提供することにある。
配向超伝導酸化薄膜を提供することにある。
本発明の第11の目的は、かなり整合した原子間隔を有す
る酸化物超伝導体とガリウム酸塩基板の組合せを提供す
ることにある。
る酸化物超伝導体とガリウム酸塩基板の組合せを提供す
ることにある。
D.問題点を解決するための手段 本発明は、超伝導物質中で超伝導電流を運ぶ役割を荷う
Cu−Ｏ面を有する超伝導物質のような、ペロブスカイト
型高Tc超伝導物質用の改善された一群の基板及び中間層
に関するものである。ガリウム酸希土類塩及びガリウム
酸希土類類似金属塩等のガリウム酸塩基板上に、これら
の高Tc超伝導体のエピタキシャル薄膜を付着することが
できる。これらの超伝導体と基板の組合せは、とりわ
け、整合フィルタ、相関回路、フーリエ変換器、スペク
トル解析装置、サンプリング回路、アナログ・ディジタ
ル変換器などのアナログ及びディジタル信号処理装置に
適している。
Cu−Ｏ面を有する超伝導物質のような、ペロブスカイト
型高Tc超伝導物質用の改善された一群の基板及び中間層
に関するものである。ガリウム酸希土類塩及びガリウム
酸希土類類似金属塩等のガリウム酸塩基板上に、これら
の高Tc超伝導体のエピタキシャル薄膜を付着することが
できる。これらの超伝導体と基板の組合せは、とりわ
け、整合フィルタ、相関回路、フーリエ変換器、スペク
トル解析装置、サンプリング回路、アナログ・ディジタ
ル変換器などのアナログ及びディジタル信号処理装置に
適している。
一般に、ガリウム酸塩基板材料は、チョクラルスキー法
やブリッジマン法など通常の方法によって成長させるこ
とができ、切断すると表面が基本立方形ペロブスカイト
の（001）面に近似したウェハが残る。これは、酸化銅
超伝導薄膜のCu−Ｏ面における銅原子及び酸素原子に対
するすぐれた格子整合をもたらす。これらのガリウム酸
塩材料は、蒸着及びスパッタリングにより、高Tc超伝導
体と組み合わせて絶縁界面層、トンネル障壁などとして
使用でき、薄膜として付着させることもできる。
やブリッジマン法など通常の方法によって成長させるこ
とができ、切断すると表面が基本立方形ペロブスカイト
の（001）面に近似したウェハが残る。これは、酸化銅
超伝導薄膜のCu−Ｏ面における銅原子及び酸素原子に対
するすぐれた格子整合をもたらす。これらのガリウム酸
塩材料は、蒸着及びスパッタリングにより、高Tc超伝導
体と組み合わせて絶縁界面層、トンネル障壁などとして
使用でき、薄膜として付着させることもできる。
これらのガリウム酸塩基板と共に使用する高Tc超伝導体
は、Cu−Ｏ及びCu−Ｏ類似の電流運搬面を備え、かつ希
土類元素及び希土類類似元素ならびにこれらの元素の組
合せを含入できるものが好ましい。Bi−Sr−Ca−Cu−Ｏ
組成体やTl−Ba−Ca−Cu−Ｏ組成体など、非希土類高Tc
超伝導体も含まれる。銅を含有する酸化物超伝導体を使
用する場合よりも格子合致の度合が少ないこともある
が、ガリウム酸塩の銅を含有しない酸化物超伝導体と共
に用いてもよい。特に、これらのガリウム酸塩と独特な
組合せを形成する酸化銅超伝導体では、Ga−Ｏ面に対す
る超伝導対原子間隔の格子合致がとくに良好である。
は、Cu−Ｏ及びCu−Ｏ類似の電流運搬面を備え、かつ希
土類元素及び希土類類似元素ならびにこれらの元素の組
合せを含入できるものが好ましい。Bi−Sr−Ca−Cu−Ｏ
組成体やTl−Ba−Ca−Cu−Ｏ組成体など、非希土類高Tc
超伝導体も含まれる。銅を含有する酸化物超伝導体を使
用する場合よりも格子合致の度合が少ないこともある
が、ガリウム酸塩の銅を含有しない酸化物超伝導体と共
に用いてもよい。特に、これらのガリウム酸塩と独特な
組合せを形成する酸化銅超伝導体では、Ga−Ｏ面に対す
る超伝導対原子間隔の格子合致がとくに良好である。
これらのガリウム酸塩の希土類及び希土類類似金属の基
板は、高品質結晶の形で調製することができ、Cu−Ｏを
主体とする超伝導ペロブスカイトに対するすぐれた格子
合致をもたらす。酸化物材料では合致不良による歪みが
極めて重大なので、デバイス応用分野でこのことは重要
である。さらに、最良品質の超伝導薄膜の成長に必要な
場合、これらのガリウム酸塩は高温に耐えることがで
き、かつ誘電定数及び誘電損失が比較的小さい。さら
に、標準的結晶成長法により、大きなサイズにまで成長
させることが可能である。基板から超伝導体薄膜への相
互拡散はほとんどないものと思われ、高い処理温度でも
超伝導体の特性が損なわれない。基板材料にも超伝導薄
膜にもドーピングを施して、その特性または格子定数あ
るいはその両方を修正することができる。
板は、高品質結晶の形で調製することができ、Cu−Ｏを
主体とする超伝導ペロブスカイトに対するすぐれた格子
合致をもたらす。酸化物材料では合致不良による歪みが
極めて重大なので、デバイス応用分野でこのことは重要
である。さらに、最良品質の超伝導薄膜の成長に必要な
場合、これらのガリウム酸塩は高温に耐えることがで
き、かつ誘電定数及び誘電損失が比較的小さい。さら
に、標準的結晶成長法により、大きなサイズにまで成長
させることが可能である。基板から超伝導体薄膜への相
互拡散はほとんどないものと思われ、高い処理温度でも
超伝導体の特性が損なわれない。基板材料にも超伝導薄
膜にもドーピングを施して、その特性または格子定数あ
るいはその両方を修正することができる。
E.実施例 第１図は、結晶基板12上に超伝導膜（層）10を付着させ
た高Tc超伝導膜と基板の組合せを示す。必要に応じて設
けられる冷却手段は、図示していないが、当技術分野で
は周知である。
た高Tc超伝導膜と基板の組合せを示す。必要に応じて設
けられる冷却手段は、図示していないが、当技術分野で
は周知である。
基板12は、希土類元素または希土類類似元素とガリウム
及び酸素から構成されているガリウム酸塩基板である。
その例としては、LaCaO3やNdGaO3などがある。La−Ｙ固
溶体から調製したもののような、混合ガリウム酸塩も使
用できる。この技法を使用して、異なる格子定数を実現
し、基板に異なる特性を導入する。基板で使用するのに
適した希土類元素は、周期律表の原子番号58ないし71の
元素、特にCe、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、
Tm、Yb、Luなどである。ガリウム酸塩基板で使用するの
に適した希土類類似元素は、Ｙ、La、Bi、Scなどであ
る。前述のように、これらの希土類元素及び希土類類似
元素の組合せも使用できる。
及び酸素から構成されているガリウム酸塩基板である。
その例としては、LaCaO3やNdGaO3などがある。La−Ｙ固
溶体から調製したもののような、混合ガリウム酸塩も使
用できる。この技法を使用して、異なる格子定数を実現
し、基板に異なる特性を導入する。基板で使用するのに
適した希土類元素は、周期律表の原子番号58ないし71の
元素、特にCe、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、
Tm、Yb、Luなどである。ガリウム酸塩基板で使用するの
に適した希土類類似元素は、Ｙ、La、Bi、Scなどであ
る。前述のように、これらの希土類元素及び希土類類似
元素の組合せも使用できる。
酸化銅超伝導体では、希土類元素Tb、Dy、Ho、Er、Tm、
Yb、Luは、希土類Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gdを組み込んだ
ガリウム酸塩ほど好ましい格子整合を与える原子間隔を
もたらさないことがある。
Yb、Luは、希土類Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gdを組み込んだ
ガリウム酸塩ほど好ましい格子整合を与える原子間隔を
もたらさないことがある。
高Tc超伝導膜10は、Cu−Ｏ面がこれらの物質中で超伝導
電流を運搬する主役を荷うことを特徴とする薄膜とする
ことが好ましい。一般に、これらの物質は、ペロブスカ
イト関連構造を有し、希土類元素または希土類類似元素
あるいはその両方を含む。これらの物質はCa、Ba、Sr、
Mgなどのアルカリ土類元素を含むことが多い。92゜Ｋ超
伝導体の一例は、いわゆる「１−２−３」相にある周知
のYBa2Cu3O7-xである。
電流を運搬する主役を荷うことを特徴とする薄膜とする
ことが好ましい。一般に、これらの物質は、ペロブスカ
イト関連構造を有し、希土類元素または希土類類似元素
あるいはその両方を含む。これらの物質はCa、Ba、Sr、
Mgなどのアルカリ土類元素を含むことが多い。92゜Ｋ超
伝導体の一例は、いわゆる「１−２−３」相にある周知
のYBa2Cu3O7-xである。
超伝導膜10は、希土類元素を含まず、その代わりにBiな
どの元素を含む酸化銅組成体でもよい。代表例は、Bi−
Sr−Ca−Cu−Ｏ系で、約115゜Ｋで電気抵抗の降下、85
゜Ｋでゼロ抵抗への遷移を示すものである。最近、C.ミ
シェル（Michel）等が、Bi−Sr−Cu−Ｏ系を含む非希土
類元素で超伝導現象を報告した（Z.Phys.B−Condensed
Matter、第68巻、（1987年）、p.412に所載のC.ミシェ
ル等の論文）。
どの元素を含む酸化銅組成体でもよい。代表例は、Bi−
Sr−Ca−Cu−Ｏ系で、約115゜Ｋで電気抵抗の降下、85
゜Ｋでゼロ抵抗への遷移を示すものである。最近、C.ミ
シェル（Michel）等が、Bi−Sr−Cu−Ｏ系を含む非希土
類元素で超伝導現象を報告した（Z.Phys.B−Condensed
Matter、第68巻、（1987年）、p.412に所載のC.ミシェ
ル等の論文）。
次いで、前田及び田中が、80゜Ｋ範囲で抵抗がゼロにな
り約115゜Ｋではっきりした抵抗の減少を示す高い転移
温度を示す、新しい組成物BiSrCaCuOxを発見した。この
研究は、日本物理学雑誌、第27巻、（1988年）、p.L209
に発表されている。前田、田中等の研究は、C.W.チュー
（Chu）等、さらにハゼン（Hazen）等によって確認さ
れ、これらの研究者は、酸化銅系を含めて、このビスマ
スの構造及び相識別に注目している。Physical Review
Letters、第60巻、（1988年）、p.1174に所載のR.M.ハ
ゼン（Hazen）等の論文を参照されたい。
り約115゜Ｋではっきりした抵抗の減少を示す高い転移
温度を示す、新しい組成物BiSrCaCuOxを発見した。この
研究は、日本物理学雑誌、第27巻、（1988年）、p.L209
に発表されている。前田、田中等の研究は、C.W.チュー
（Chu）等、さらにハゼン（Hazen）等によって確認さ
れ、これらの研究者は、酸化銅系を含めて、このビスマ
スの構造及び相識別に注目している。Physical Review
Letters、第60巻、（1988年）、p.1174に所載のR.M.ハ
ゼン（Hazen）等の論文を参照されたい。
新しいタリウム系超伝導体も超伝導膜10用に使用でき
る。通常、これらの物質は２−２−１−２相または２−
２−２−３相あるいはその両方になっている。この相表
示は、Tl−Ba−Ca−Cu−Ｏの相対量に対応している。こ
れらの物質についてのさらに詳しい検討は、Nature、第
332巻、1988年３月31日、p.420に所載のM.A.サブラマニ
アン（Subramanian）等の論文を参照されたい。
る。通常、これらの物質は２−２−１−２相または２−
２−２−３相あるいはその両方になっている。この相表
示は、Tl−Ba−Ca−Cu−Ｏの相対量に対応している。こ
れらの物質についてのさらに詳しい検討は、Nature、第
332巻、1988年３月31日、p.420に所載のM.A.サブラマニ
アン（Subramanian）等の論文を参照されたい。
チョクラルスキー法、ならびにブリッジマン法を含めた
周知の結晶成長法により基板を調製する。蒸気運搬（電
子線共蒸着など）、単一ターゲットまたは複数ターゲッ
ト・スパッタリング、様々な溶液前駆物質（硝酸塩な
ど）を用いる溶液熱分解を含めて、多くの薄膜付着法で
超伝導薄膜を調製できる。一般に、真空蒸着法は、酸素
不足の薄膜を生じる傾向にある。正確な化学量論通りの
原子数比を得るため、酸素雰囲気中で薄膜をアニールす
る。タリウム系及びビスマス系超伝導体は、酸素の正確
な化学量論通りの原子数比を実現するために、酸素雰囲
気中でゆっくりと冷却する必要がない。これらの技法の
どれを使っても、当技術分野で周知の出発材料を用いて
適当な超伝導体のエピタキシャル（配向）薄膜を付着さ
せることができる。薄膜の付着前に、基板の表面を機械
的及び化学的方法で研磨またはアニールし、あるいはそ
の両方を行なって清浄な結晶面を得る。これらの研磨技
術も当技術分野で周知であり、シリコンなどその他の基
板材料に適用されている。
周知の結晶成長法により基板を調製する。蒸気運搬（電
子線共蒸着など）、単一ターゲットまたは複数ターゲッ
ト・スパッタリング、様々な溶液前駆物質（硝酸塩な
ど）を用いる溶液熱分解を含めて、多くの薄膜付着法で
超伝導薄膜を調製できる。一般に、真空蒸着法は、酸素
不足の薄膜を生じる傾向にある。正確な化学量論通りの
原子数比を得るため、酸素雰囲気中で薄膜をアニールす
る。タリウム系及びビスマス系超伝導体は、酸素の正確
な化学量論通りの原子数比を実現するために、酸素雰囲
気中でゆっくりと冷却する必要がない。これらの技法の
どれを使っても、当技術分野で周知の出発材料を用いて
適当な超伝導体のエピタキシャル（配向）薄膜を付着さ
せることができる。薄膜の付着前に、基板の表面を機械
的及び化学的方法で研磨またはアニールし、あるいはそ
の両方を行なって清浄な結晶面を得る。これらの研磨技
術も当技術分野で周知であり、シリコンなどその他の基
板材料に適用されている。
第２図は、超伝導アナログまたはディジタル信号処理デ
バイスでの使用に適したタイプのストリップ線構造を示
す。このタイプのデバイスは、たとえば、下記の文献に
記載されている。IEEE Trans.Mag.、Vol.Mag−19、No.
3、1983年５月、p.475に所載のS.A.レイブル（Reible）
等の論文、同誌p.480に所載のR.S.ウィザース（Wither
s）等の論文、同誌p.485に所載のA.C.アンダーソン（An
derson）等の論文。
バイスでの使用に適したタイプのストリップ線構造を示
す。このタイプのデバイスは、たとえば、下記の文献に
記載されている。IEEE Trans.Mag.、Vol.Mag−19、No.
3、1983年５月、p.475に所載のS.A.レイブル（Reible）
等の論文、同誌p.480に所載のR.S.ウィザース（Wither
s）等の論文、同誌p.485に所載のA.C.アンダーソン（An
derson）等の論文。
この構造では、超伝導ストリップ線は、パターン付けし
た高Tc超伝導線16A及び16Bから構成されている。これら
の線は、ガリウム酸塩絶縁体18及び20に囲まれ、絶縁体
18及び20は高Tc超伝導体22及び24と接触している。超伝
導体22及び24は、電流源26に接続された信号線（超伝導
体線）16A及び16B用の接地面として機能する。この構造
を作成するには、上半部（ガリウム酸塩層18及び超伝導
体22）を下半部（層16A、16B、20、24）に押し付けて接
触させ、加熱して複合材とする。エッチングを用いて、
線16A、16Bをあとで付着させるための溝を設けることが
できる。
た高Tc超伝導線16A及び16Bから構成されている。これら
の線は、ガリウム酸塩絶縁体18及び20に囲まれ、絶縁体
18及び20は高Tc超伝導体22及び24と接触している。超伝
導体22及び24は、電流源26に接続された信号線（超伝導
体線）16A及び16B用の接地面として機能する。この構造
を作成するには、上半部（ガリウム酸塩層18及び超伝導
体22）を下半部（層16A、16B、20、24）に押し付けて接
触させ、加熱して複合材とする。エッチングを用いて、
線16A、16Bをあとで付着させるための溝を設けることが
できる。
超伝導ストリップ線及び関連する接地面を用いた第２図
の構造は、アナログ信号処理デバイスで使用されている
タイプの通常の構造である。本発明では、信号線16A及
び16Bは、誘電定数及び誘電損失が小さなガリウム酸塩
基板上に形成された、パターン付けされた高Tc酸化物超
伝導体である。このため、液体窒素温度の77゜Ｋ付近ま
たはそれより高い温度でこの構造を動作させるとき、利
点がもたらされる。もちろん、77゜Ｋより低い温度で
も、デバイス構造は動作可能である。
の構造は、アナログ信号処理デバイスで使用されている
タイプの通常の構造である。本発明では、信号線16A及
び16Bは、誘電定数及び誘電損失が小さなガリウム酸塩
基板上に形成された、パターン付けされた高Tc酸化物超
伝導体である。このため、液体窒素温度の77゜Ｋ付近ま
たはそれより高い温度でこの構造を動作させるとき、利
点がもたらされる。もちろん、77゜Ｋより低い温度で
も、デバイス構造は動作可能である。
ガリウム酸塩を用いるもう一つのデバイス構造は、高Tc
超伝導体上に薄いガリウム酸塩層を蒸着またはスパッタ
させたトンネル素子またはジョセフソン原子である。ガ
リウム酸塩層は、非常に薄く（20ないし50オングストロ
ーム程度）でき、トンネル障壁として機能する。
超伝導体上に薄いガリウム酸塩層を蒸着またはスパッタ
させたトンネル素子またはジョセフソン原子である。ガ
リウム酸塩層は、非常に薄く（20ないし50オングストロ
ーム程度）でき、トンネル障壁として機能する。
第１表は、いくつかの希土類ガリウム酸塩の格子定数を
示し、第２表は、いくつかの高Tc超伝導体の格子定数を
示す。これらの表は、それぞれ斜方晶セル定数ならびに
近似的に等価な基本ペロブスカイト・セル定数を考慮し
て別々の欄に分割してある。第１表の下の注に、定数
ａ、ｂ、ｃ、a0、b0、c0がどのようにして得られるかを
記載する。基板のａ−ｂ面（ｃ軸に直交する面）におけ
るGa−Ga間隔をaCで示す。この間隔は、その上に重なる
超伝導膜の関連面におけるCu−Cu間隔と合うべきであ
る。
示し、第２表は、いくつかの高Tc超伝導体の格子定数を
示す。これらの表は、それぞれ斜方晶セル定数ならびに
近似的に等価な基本ペロブスカイト・セル定数を考慮し
て別々の欄に分割してある。第１表の下の注に、定数
ａ、ｂ、ｃ、a0、b0、c0がどのようにして得られるかを
記載する。基板のａ−ｂ面（ｃ軸に直交する面）におけ
るGa−Ga間隔をaCで示す。この間隔は、その上に重なる
超伝導膜の関連面におけるCu−Cu間隔と合うべきであ
る。
第１表及び第２表における格子定数のデータは、公表さ
れている参考文献から取ったものである。第２表のデー
タ用に用いた参考文献は、下記のものがある。
れている参考文献から取ったものである。第２表のデー
タ用に用いた参考文献は、下記のものがある。
Phys.Rev.、B36巻、（1987年）、p.226に所載のJ.M.タ
ラスコン（Tarascon）等の論文。
ラスコン（Tarascon）等の論文。
Phys.Rev.Lett.、1988年３月11日号に提出済みのS.S.P.
パーキン（Parkin）等の論文。
パーキン（Parkin）等の論文。
Nature、Vol.323、（1988年）、p.420に所載のM.A.サブ
ラマニアン（Subramanian）等の論文。
ラマニアン（Subramanian）等の論文。
Science、第240巻、（1988年）、p.631に所載のC.C.ト
ラルディ（Torardi）等の論文。
ラルディ（Torardi）等の論文。
Phys.Rev.Lett.、第60巻、（1988年）、p.1174に所載の
R.M.ハゼン（Hazen）等の論文。
R.M.ハゼン（Hazen）等の論文。
Phys.Rev.Lett.、1988年２月号に提出済みのS.A.サンシ
ャイン（Sunshine）等の論文。
ャイン（Sunshine）等の論文。
たとえば、超伝導体EuBa2Cu3O7-x及びGdBa2Cu3O7-xのａ
−ｂ面をNdGaO3基板のａ−ｂ面上と合致させることによ
り、特に良好な格子整合を得ることができる。基板NdGa
O3のあるカットは、Tl系超伝導体にもよく適していると
思われる。
−ｂ面をNdGaO3基板のａ−ｂ面上と合致させることによ
り、特に良好な格子整合を得ることができる。基板NdGa
O3のあるカットは、Tl系超伝導体にもよく適していると
思われる。
ｃ軸に垂直なカットだけでなく、希土類ガリウム酸塩結
晶の他のカットも、酸化銅面を有する高Tc超伝導体への
良好な格子整合を与える。重要なことは、高Tc超伝導物
質中のCu−Ｏシートの正方格子に近似する基板の表面を
露出させることである。たとえば、希土類斜方晶の110
面に沿った基板カットで、好適な表面が露出される。特
に好適なこのカットの一例は、Tl−Ba−Ca−Cu−Ｏ超伝
導体の２−２−２−３相と２−２−１−２相の両方に対
する良好な格子合致をもたらす、NdGaO3の110面に平行
なカットである。
晶の他のカットも、酸化銅面を有する高Tc超伝導体への
良好な格子整合を与える。重要なことは、高Tc超伝導物
質中のCu−Ｏシートの正方格子に近似する基板の表面を
露出させることである。たとえば、希土類斜方晶の110
面に沿った基板カットで、好適な表面が露出される。特
に好適なこのカットの一例は、Tl−Ba−Ca−Cu−Ｏ超伝
導体の２−２−２−３相と２−２−１−２相の両方に対
する良好な格子合致をもたらす、NdGaO3の110面に平行
なカットである。
Bi−Sr−Ca−Cu−Ｏ超伝導体のほぼ110゜Ｋの超伝導相
は、安定化させるのが難しいことが、証明されている。
ただし、希土類元素または希土類類似元素を含む一連の
ガリウム酸塩から選んだ好適なエピタキシャル基板は、
この超伝導相及びその他の高Tc相を安定化させる助けと
なる。GdGaO3の［110］斜方晶単位セルに沿ったカット
では、好適な格子合致を示す表面が露出され、安定化さ
れる。
は、安定化させるのが難しいことが、証明されている。
ただし、希土類元素または希土類類似元素を含む一連の
ガリウム酸塩から選んだ好適なエピタキシャル基板は、
この超伝導相及びその他の高Tc相を安定化させる助けと
なる。GdGaO3の［110］斜方晶単位セルに沿ったカット
では、好適な格子合致を示す表面が露出され、安定化さ
れる。
これらガリウム酸塩基板を使用しても、Gaのエピタキシ
ャル超伝導体中への逆拡散は起こらなかった。高温では
拡散がいくらか起こり得るが、これらのエピタキシャル
膜の特性は、純粋な超伝導物質の特性と大体同じであ
る。
ャル超伝導体中への逆拡散は起こらなかった。高温では
拡散がいくらか起こり得るが、これらのエピタキシャル
膜の特性は、純粋な超伝導物質の特性と大体同じであ
る。
上述のように、エピタキシャル超伝導膜に対する良好な
格子合致を与えるように、基板を選ぶ。ａ軸とｂ軸が基
板面内にある基板を用いるのが普通であるが、当業者な
ら認めるように、ｂ−ｃ軸とａ−ｃ軸が基板面内にあっ
てもよい。一例として、１−２−３相を有するGd−Ba−
Cu−Ｏ超伝導エピタキシャル膜用の基板として、NdGaO3
のブールのａ−ｂカットを使用することができる。上記
で触れたもう一つの例は、NdGaO3材料のブールのａ−ｃ
カットで、Tl系超伝導体に適した基板となる。
格子合致を与えるように、基板を選ぶ。ａ軸とｂ軸が基
板面内にある基板を用いるのが普通であるが、当業者な
ら認めるように、ｂ−ｃ軸とａ−ｃ軸が基板面内にあっ
てもよい。一例として、１−２−３相を有するGd−Ba−
Cu−Ｏ超伝導エピタキシャル膜用の基板として、NdGaO3
のブールのａ−ｂカットを使用することができる。上記
で触れたもう一つの例は、NdGaO3材料のブールのａ−ｃ
カットで、Tl系超伝導体に適した基板となる。
第３図は、代表的な超伝導膜の単位セルの希土類酸化ガ
リウム基板上での相対配置を示す。この例では、超伝導
膜は、ペロブスカイト型希土類（RE）ガリウム酸塩REGa
O3上に付着させたYBa2Cu3O7-xである。このエピタキシ
ャル配向では超伝導膜の単位セルをREGaO3基板の単位セ
ルに関して45度回転させてある。
リウム基板上での相対配置を示す。この例では、超伝導
膜は、ペロブスカイト型希土類（RE）ガリウム酸塩REGa
O3上に付着させたYBa2Cu3O7-xである。このエピタキシ
ャル配向では超伝導膜の単位セルをREGaO3基板の単位セ
ルに関して45度回転させてある。
第３図には、結晶軸が斜方晶セル定数a0、b0、c0と共に
示されている。等価立方晶ペロブスカイト定数ａ、ｂ、
ｃとGa−Ga間隔c0も示されている。これらの量は、すべ
て、上記の表の同じラベルの付いた定数と対応してい
る。
示されている。等価立方晶ペロブスカイト定数ａ、ｂ、
ｃとGa−Ga間隔c0も示されている。これらの量は、すべ
て、上記の表の同じラベルの付いた定数と対応してい
る。
この超伝導薄膜の単位セルは、ペロブスカイト型基板に
関して45度回転されているが、異なる超伝導体を希土類
元素及び希土類類似元素ガリウム酸塩基板に対してエピ
タキシャル整合させるのに、このような回転は不要であ
る。当分野における技術の一つは、選んだ超伝導膜との
間で良好なエピタキシャル整合及び格子整合が生じるよ
うな基板の配向を使用することである。この例では、ａ
軸とｂ軸が基板面内にあり、ｃ軸は基板面に垂直であ
る。ただし、たとえばｂ軸とｃ軸またはａ軸とｃ軸が面
内にある場合に、エピタキシで一部の格子整合が向上す
ることもある。格子系を記載するのに使われる通常の表
記法にかかわらず、（100）立方晶ペロブスカイト表面
に近似する基板表面に原子を配列させることが好まし
い。これを指針として、所望の配向が得られるように基
板ブール材料をカットする。
関して45度回転されているが、異なる超伝導体を希土類
元素及び希土類類似元素ガリウム酸塩基板に対してエピ
タキシャル整合させるのに、このような回転は不要であ
る。当分野における技術の一つは、選んだ超伝導膜との
間で良好なエピタキシャル整合及び格子整合が生じるよ
うな基板の配向を使用することである。この例では、ａ
軸とｂ軸が基板面内にあり、ｃ軸は基板面に垂直であ
る。ただし、たとえばｂ軸とｃ軸またはａ軸とｃ軸が面
内にある場合に、エピタキシで一部の格子整合が向上す
ることもある。格子系を記載するのに使われる通常の表
記法にかかわらず、（100）立方晶ペロブスカイト表面
に近似する基板表面に原子を配列させることが好まし
い。これを指針として、所望の配向が得られるように基
板ブール材料をカットする。
希土類元素または希土類類似元素を含むガリウム酸塩基
板が、良好な硬度及び高温耐性を示すことが注目されて
きた。ただし、基板の僅かな斜方晶性を維持するには、
基板の菱面体晶−斜方晶転移温度よりも低い温度で超伝
導膜を処理することが好ましい。LaGaO3では、この温度
は約875℃である。
板が、良好な硬度及び高温耐性を示すことが注目されて
きた。ただし、基板の僅かな斜方晶性を維持するには、
基板の菱面体晶−斜方晶転移温度よりも低い温度で超伝
導膜を処理することが好ましい。LaGaO3では、この温度
は約875℃である。
古典的ペロブスカイト型結晶構造では、天然に存在する
鉱物であるCaTiO3では、単位セル中では、Caの周りに通
常12個の酸素があり、Tiの周りに６個の酸素がある原子
位置になっている。現在知られているすべての超伝導酸
化銅化合物は、CuイオンがCaTiO3ペロブスカイトのTiイ
オンと置換し、Caが主として希土類元素、ＹまたはBaと
Srで置換されたペロブスカイト型セルを、構成単位とし
て含んでいる。１−２−３相中のYBa2Cu3O7-xは、第３
図に示すように、２個の銅酸バリウム・ペロブスカイト
・セルが横方向に延びて垂直のｃ軸に垂直な層中に入
り、２つのセルの間に銅酸イットリウム・セル層が含ま
れている基本単位セルを有する。この３層がｃ軸に沿っ
て繰り返され、結晶を形成する。既知のすべての超伝導
銅酸塩は、超伝導の通路となる連続したCuO2シートを備
えた面内にペロブスカイト構成単位が配列されている。
第３図に示した１−２−３材料では、Ｙ銅酸塩セルとBa
銅酸塩セルの間の隣接するCuO2シートが超伝導を支持す
る。
鉱物であるCaTiO3では、単位セル中では、Caの周りに通
常12個の酸素があり、Tiの周りに６個の酸素がある原子
位置になっている。現在知られているすべての超伝導酸
化銅化合物は、CuイオンがCaTiO3ペロブスカイトのTiイ
オンと置換し、Caが主として希土類元素、ＹまたはBaと
Srで置換されたペロブスカイト型セルを、構成単位とし
て含んでいる。１−２−３相中のYBa2Cu3O7-xは、第３
図に示すように、２個の銅酸バリウム・ペロブスカイト
・セルが横方向に延びて垂直のｃ軸に垂直な層中に入
り、２つのセルの間に銅酸イットリウム・セル層が含ま
れている基本単位セルを有する。この３層がｃ軸に沿っ
て繰り返され、結晶を形成する。既知のすべての超伝導
銅酸塩は、超伝導の通路となる連続したCuO2シートを備
えた面内にペロブスカイト構成単位が配列されている。
第３図に示した１−２−３材料では、Ｙ銅酸塩セルとBa
銅酸塩セルの間の隣接するCuO2シートが超伝導を支持す
る。
したがって、所望の超伝導特性を有するエピタキシャル
膜を成長させるには、（001）配向ペロブスカイト・セ
ル陽イオン配列、すなわち超伝導層原子がそうしたもの
であると解釈する原子列を含むことになる基板界面に対
してｃ軸が垂直であることが好ましい。別の言い方をす
ると、良好な表面基板層はａ軸とｂ軸を含む単純なペロ
ブスカイト面を有する。
膜を成長させるには、（001）配向ペロブスカイト・セ
ル陽イオン配列、すなわち超伝導層原子がそうしたもの
であると解釈する原子列を含むことになる基板界面に対
してｃ軸が垂直であることが好ましい。別の言い方をす
ると、良好な表面基板層はａ軸とｂ軸を含む単純なペロ
ブスカイト面を有する。
銅酸塩超伝導酸化物は、格子定数が約0.39nmの基本ペロ
ブスカイト・セルを含み、したがって、好ましい基板は
その構造中にそれと合致するペロブスカイト・セルを含
む。希土類ガリウム酸塩ペロブスカイト、特にLa及びNd
というより軽い希土類ガリウム酸塩が、この要件を満足
する。Laは、希土類系列の最初にあり、Gdは中央にあ
る。La3+イオンは、Gd3+イオンよりも大きい。Laないし
Gdの希土類元素のガリウム酸塩が、超伝導酸化物基板と
して有用となる可能性がある。RE:Gaの比が1:1のペロブ
スカイト相で、より重い希土類のガリウム酸塩は、より
不安定となる傾向がある。たとえば、GdGaO3ペロブスカ
イトは分解して、他の形の酸化物になる傾向がある。た
だし、特別な公知のアニール処理手順を用いて、これら
の傾向をもつガリウム酸塩を安定化させることが可能で
ある。
ブスカイト・セルを含み、したがって、好ましい基板は
その構造中にそれと合致するペロブスカイト・セルを含
む。希土類ガリウム酸塩ペロブスカイト、特にLa及びNd
というより軽い希土類ガリウム酸塩が、この要件を満足
する。Laは、希土類系列の最初にあり、Gdは中央にあ
る。La3+イオンは、Gd3+イオンよりも大きい。Laないし
Gdの希土類元素のガリウム酸塩が、超伝導酸化物基板と
して有用となる可能性がある。RE:Gaの比が1:1のペロブ
スカイト相で、より重い希土類のガリウム酸塩は、より
不安定となる傾向がある。たとえば、GdGaO3ペロブスカ
イトは分解して、他の形の酸化物になる傾向がある。た
だし、特別な公知のアニール処理手順を用いて、これら
の傾向をもつガリウム酸塩を安定化させることが可能で
ある。
一例として、Rfスパッタリング、電子線蒸着、トリフル
オロ酢酸塩加水分解により、化学研磨したLaGaO3結晶ウ
エハ上にYBa2Cu3Ox膜をエピタキシャル付着させ、続い
て1150゜Ｋ未満の温度でアニールさせた。これらの膜
は、そのｃ軸が成長界面に垂直で、エピタキシャルであ
る。膜組織は斜方晶ペロブスカイト基板の影響を受け
る。約90゜Ｋでゼロ抵抗となり、約77゜Ｋで10kA/cm2を
超える高電流密度を有する、膜が付着された。基板は、
室温で、誘電定数が25であり、誘電正接は約0.0001と小
さい。LaGaO3基板は、SrTiO3よりも研磨し易く、1150゜
Ｋ未満の温度で高温アニールを施した場合、もはや超伝
導膜と反応しなかった。Gaが超伝導膜中に拡散した若干
の証拠があったが、Tc値は、純粋なYBa2Cu3O7-xで観察
された値に非常に近かった。
オロ酢酸塩加水分解により、化学研磨したLaGaO3結晶ウ
エハ上にYBa2Cu3Ox膜をエピタキシャル付着させ、続い
て1150゜Ｋ未満の温度でアニールさせた。これらの膜
は、そのｃ軸が成長界面に垂直で、エピタキシャルであ
る。膜組織は斜方晶ペロブスカイト基板の影響を受け
る。約90゜Ｋでゼロ抵抗となり、約77゜Ｋで10kA/cm2を
超える高電流密度を有する、膜が付着された。基板は、
室温で、誘電定数が25であり、誘電正接は約0.0001と小
さい。LaGaO3基板は、SrTiO3よりも研磨し易く、1150゜
Ｋ未満の温度で高温アニールを施した場合、もはや超伝
導膜と反応しなかった。Gaが超伝導膜中に拡散した若干
の証拠があったが、Tc値は、純粋なYBa2Cu3O7-xで観察
された値に非常に近かった。
さらに別の例では、［110］及び［100］配向（基本ペロ
ブスカイト・セル）単結晶を有するLaGaO3基板上に、YB
a2Cu3O7-xを成長させたが、よい再現性があった。３種
の付着法を使用した。
ブスカイト・セル）単結晶を有するLaGaO3基板上に、YB
a2Cu3O7-xを成長させたが、よい再現性があった。３種
の付着法を使用した。
LaGaO3基板は、歪んだペロブスカイト構造を有し、（00
1）面に平行な原子の層を考慮して記述できる。第３図
に概略図で示すように、単位セル中にこのような層が４
層である。２層はLaとＯを含み、ほぼ正方形の層の四隅
と中心にＯイオンが位置し、Laイオンが四隅のＯイオン
の間に位置する。他の２層はGaとＯを含み、この層の四
隅と中心にGaイオンがある。ＯイオンはGaイオンの間、
四隅のGaイオンと中心のGaイオンを結ぶ線上に位置す
る。
1）面に平行な原子の層を考慮して記述できる。第３図
に概略図で示すように、単位セル中にこのような層が４
層である。２層はLaとＯを含み、ほぼ正方形の層の四隅
と中心にＯイオンが位置し、Laイオンが四隅のＯイオン
の間に位置する。他の２層はGaとＯを含み、この層の四
隅と中心にGaイオンがある。ＯイオンはGaイオンの間、
四隅のGaイオンと中心のGaイオンを結ぶ線上に位置す
る。
これらの基板では、直径20mm、［100］成長方向の長さ9
0mmの大きさまで成長させたLaGaO3単結晶ブールを使用
した。このブールのスライスを、［110］、［100］、
［010］の基本セル方向に沿ってカットした。
0mmの大きさまで成長させたLaGaO3単結晶ブールを使用
した。このブールのスライスを、［110］、［100］、
［010］の基本セル方向に沿ってカットした。
３つの技法、すなわち単一ターゲット酸化物高周波マグ
ネトロン・スパッタリング、スピン・オン・トリフルオ
ロ酢酸塩（TFA）熱分解、及び３ポケット電子線蒸着に
より、これらの基板上にYBa2Cu3O7-x超伝導膜を付着さ
せた。それぞれの付着法で、成長法に応じて厚さの異な
る滑らかな超伝導膜が得られた。スパッタ膜では、超伝
導膜の厚さは0.4から0.92ミクロンで、90.6゜Ｋまで完
全な超伝導になっていた。これらの超伝導膜の５゜Ｋで
の臨界電流は、５×105A/cm2である。
ネトロン・スパッタリング、スピン・オン・トリフルオ
ロ酢酸塩（TFA）熱分解、及び３ポケット電子線蒸着に
より、これらの基板上にYBa2Cu3O7-x超伝導膜を付着さ
せた。それぞれの付着法で、成長法に応じて厚さの異な
る滑らかな超伝導膜が得られた。スパッタ膜では、超伝
導膜の厚さは0.4から0.92ミクロンで、90.6゜Ｋまで完
全な超伝導になっていた。これらの超伝導膜の５゜Ｋで
の臨界電流は、５×105A/cm2である。
第２の技法は、TFA溶液を用いてYBa2Cu3O7-xの弗化物前
駆体膜を作成し、それをヘリウム／水中で約1100゜Ｋま
で加熱し、酸素中でゆっくり冷却させて所望の酸化物に
変換した。得られた薄膜は、厚さ１から３ミクロンであ
り、90゜Ｋでゼロ抵抗を示した。
駆体膜を作成し、それをヘリウム／水中で約1100゜Ｋま
で加熱し、酸素中でゆっくり冷却させて所望の酸化物に
変換した。得られた薄膜は、厚さ１から３ミクロンであ
り、90゜Ｋでゼロ抵抗を示した。
電子線蒸着システムで作成した超伝導膜は、厚さ0.8か
ら１ミクロンであり、ヘリウム及び酸素中で950゜でア
ニールし、酸素中でゆっくり室温まで冷却させた。この
膜では、87゜ＫまでにTcは完全であった。
ら１ミクロンであり、ヘリウム及び酸素中で950゜でア
ニールし、酸素中でゆっくり室温まで冷却させた。この
膜では、87゜ＫまでにTcは完全であった。
単一ターゲット・スパッタリング法は、Appl.Phys.Let
t.、1988年に提出済みの、R.L.サンドストローム（Sand
strom）等の論文に記載されている。スピン・オン熱分
解法は、Appl.Phys.Lett.、第52巻、（1988年）、p.163
に所載のA.グプタ（Gupta）等の論文に記載されてい
る。３ポケット電子ビーム・システムは、Phys.Rev.、B
35号、（1987年）、p.8821及びPhys.Rev、Lett.、第58
号、（1987年）、p.2684に所載のR.B.ライボビッツ（La
ibowitz）等の論文に記載されている。
t.、1988年に提出済みの、R.L.サンドストローム（Sand
strom）等の論文に記載されている。スピン・オン熱分
解法は、Appl.Phys.Lett.、第52巻、（1988年）、p.163
に所載のA.グプタ（Gupta）等の論文に記載されてい
る。３ポケット電子ビーム・システムは、Phys.Rev.、B
35号、（1987年）、p.8821及びPhys.Rev、Lett.、第58
号、（1987年）、p.2684に所載のR.B.ライボビッツ（La
ibowitz）等の論文に記載されている。
本発明の実施に当って、ガリウム酸塩基板上に、配向性
の高い高Tcの酸化物超伝導膜を付着させた。これらの基
板は、少なくとも一種の希土類元素または希土類類似元
素を含むものである。超伝導エピタキシャル膜は、高度
の配向性があり、単結晶に近似することができる。
の高い高Tcの酸化物超伝導膜を付着させた。これらの基
板は、少なくとも一種の希土類元素または希土類類似元
素を含むものである。超伝導エピタキシャル膜は、高度
の配向性があり、単結晶に近似することができる。
本発明の別の実施では、これらの高Tcの酸化物超伝導膜
とガリウム酸塩基板の組合せは、特に、アナログ信号処
理装置、ディジタル・デバイス、アナログ・ディジタル
変換装置、サンプリング回路、ジョセフソン素子などの
電子デバイスでの使用に適している。
とガリウム酸塩基板の組合せは、特に、アナログ信号処
理装置、ディジタル・デバイス、アナログ・ディジタル
変換装置、サンプリング回路、ジョセフソン素子などの
電子デバイスでの使用に適している。
このガリウム酸塩基板は通常使用されるSrTiO3よりも硬
く、機械的及び化学的方法による研磨が容易なことも判
明している。さらに、その熱膨張係数は、酸化物高Tc超
伝導体とよく合致している。
く、機械的及び化学的方法による研磨が容易なことも判
明している。さらに、その熱膨張係数は、酸化物高Tc超
伝導体とよく合致している。
以上、本発明をその特定の実施例に関連して説明してき
たが、当業者には自明の如く、本発明の精神及び範囲か
ら逸脱せずに、それに変更を加えることができる。たと
えば、ガリウム酸塩基板材料は、希土類元素と希土類類
似元素の組合せを含んでもよく、ドープして格子定数を
僅かに変化させてもよい。さらに、これらの基板上に付
着させる超伝導膜は、酸化銅を主体とする超伝導体であ
ることが好ましいが、希土類元素、希土類類似元素、ア
ルカリ土類元素を含んでもよい。さらに、これらの元素
の組合せが存在してもよく、また、超伝導膜中に希土類
元素が存在しなくてもよい。
たが、当業者には自明の如く、本発明の精神及び範囲か
ら逸脱せずに、それに変更を加えることができる。たと
えば、ガリウム酸塩基板材料は、希土類元素と希土類類
似元素の組合せを含んでもよく、ドープして格子定数を
僅かに変化させてもよい。さらに、これらの基板上に付
着させる超伝導膜は、酸化銅を主体とする超伝導体であ
ることが好ましいが、希土類元素、希土類類似元素、ア
ルカリ土類元素を含んでもよい。さらに、これらの元素
の組合せが存在してもよく、また、超伝導膜中に希土類
元素が存在しなくてもよい。
超伝導膜がCu−Cu間隔が基板中のGa−Ga間隔にほぼ合致
する酸化銅を主体とする膜の場合、最良のエピタキシャ
ル合致が得られる。これらの酸化銅超伝導体とガリウム
酸塩の組合せは、これらの良好な格子合致に基づく特別
な利点を有し、多くのタイプのデバイス構成に適した独
自な組合せであると考えられる。配向性の高い超伝導層
をこれらのガリウム酸塩上に形成させるか、あるいはそ
れをガリウム酸塩に対してエピタキシャルにすることが
できる。単結晶のガリウム酸塩及び超伝導膜が好ましい
ものの、当業者なら理解できるように、本発明は、これ
らのガリウム酸塩層を酸化物及び酸化銅を主体とする超
伝導膜と組み合わせて使用することを包含し、結晶また
はエピタキシャルの超伝導膜とガリウム酸塩の組合せだ
けに限定されるものではない。
する酸化銅を主体とする膜の場合、最良のエピタキシャ
ル合致が得られる。これらの酸化銅超伝導体とガリウム
酸塩の組合せは、これらの良好な格子合致に基づく特別
な利点を有し、多くのタイプのデバイス構成に適した独
自な組合せであると考えられる。配向性の高い超伝導層
をこれらのガリウム酸塩上に形成させるか、あるいはそ
れをガリウム酸塩に対してエピタキシャルにすることが
できる。単結晶のガリウム酸塩及び超伝導膜が好ましい
ものの、当業者なら理解できるように、本発明は、これ
らのガリウム酸塩層を酸化物及び酸化銅を主体とする超
伝導膜と組み合わせて使用することを包含し、結晶また
はエピタキシャルの超伝導膜とガリウム酸塩の組合せだ
けに限定されるものではない。
F.発明の効果 上述のように本発明によれば、電気デバイスでの使用に
適した高Tc酸化物超伝導体と基格との組合せを提供でき
る。
適した高Tc酸化物超伝導体と基格との組合せを提供でき
る。
第１図は、希土類または希土類類似元素のガリウム酸塩
の基板上にエピタキシャル付着させた高Tc超伝導膜の断
面図である。 第２図は、ガリウム酸塩の格子合致絶縁体で囲まれた高
Tc超伝導ストリップ線を含み、さらに構造中に電子デバ
イスに適した高Tc超伝導接地面を含む構造体の断面図で
ある。 第３図は、原子の相対的配列及びその結果生じる良好な
格子整合を示す、希土類ガリウム酸塩基板における原
子、及びＹ−Ba−Cu−Ｏを付着された配向超伝導膜にお
ける原子の配列図である。 10……超伝導膜、12……基板、16A、16B……パターン付
けした高Tc超伝導線、18、20……ガリウム酸塩絶縁体、
20、24……高Tc超伝導体。
の基板上にエピタキシャル付着させた高Tc超伝導膜の断
面図である。 第２図は、ガリウム酸塩の格子合致絶縁体で囲まれた高
Tc超伝導ストリップ線を含み、さらに構造中に電子デバ
イスに適した高Tc超伝導接地面を含む構造体の断面図で
ある。 第３図は、原子の相対的配列及びその結果生じる良好な
格子整合を示す、希土類ガリウム酸塩基板における原
子、及びＹ−Ba−Cu−Ｏを付着された配向超伝導膜にお
ける原子の配列図である。 10……超伝導膜、12……基板、16A、16B……パターン付
けした高Tc超伝導線、18、20……ガリウム酸塩絶縁体、
20、24……高Tc超伝導体。
フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｂ 13/00 ５６５ Ｄ Ｈ０１Ｌ 39/22 ＺＡＡ Ａ (72)発明者 ロバート・ベンジヤミン・レイボイツ アメリカ合衆国ニーヨーク州ピイークスキ ル、フアーネス・ドツク・ロード407番地 (72)発明者 ユージン・ジエン エム・オーサリヴアン アメリカ合衆国ニユーヨーク州ピイークス キル、３シイー、ビイーチエー・レーン３ 番地 (72)発明者 ロバート・リイ・サンドストローム アメリカ合衆国ニユーヨーク州チヤパツ ク、ミル・リバー・ロード177番地 (56)参考文献 特開 昭64−48316（ＪＰ，Ａ) Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，53 （19），Ｐ．1874−1876（1988−11−７)
Claims (6)
- 【請求項１】Ｙ、La、Bi、Sc、Pr、Nd、Sm、Eu及びGdか
らなる群から選択された希土類あるいは希土類類似元素
を少なくとも１つ含む結晶性ガリウム酸塩基板層と、 前記結晶性ガリウム酸塩基板層の上の超伝導体層と、 を含み、 前記超伝導体層は77゜Ｋを越える転移温度を有し且つ前
記結晶性ガリウム酸塩基板層中のGa原子及びＯ原子と整
合するCu原子及びＯ原子を含むCu−Ｏ平面を有するよう
な酸化物材料であることを特徴とする、 超伝導体構造体。 - 【請求項２】Ｙ、La、Bi、Sc、Pr、Nd、Sm、Eu及びGdか
らなる群から選択された希土類あるいは希土類類似元素
を少なくとも１つ含む結晶性ガリウム酸塩基板層と、 前記結晶性ガリウム酸塩基板層に接触して、これと格子
整合する酸化物化合物からなる超伝導体層と、 を有する超伝導体構造体。 - 【請求項３】Ｙ、La、Bi、Sc、Pr、Nd、Sm、Eu及びGdか
らなる群から選択された希土類あるいは希土類類似元素
を少なくとも１つ含む結晶性ガリウム酸塩からなる基板
層と、 前記基板層上に配向された高Tc超伝導体層であって、Cu
−Cuの間隔が前記基板のGa−Ga間隔に近似しているCu−
Ｏ平面を含んでいる高Tc超伝導体層と、 を有する超伝導体構造体。 - 【請求項４】前記結晶性ガリウム酸塩基板層は単結晶で
あることを特徴とする、請求項（１）乃至（３）のいず
れか１つに記載の超伝導体構造体。 - 【請求項５】Ｙ、La、Bi、Sc、Pr、Nd、Sm、Eu及びGdか
らなる群から選択された希土類あるいは希土類類似元素
を少なくとも１つ含む結晶性ガリウム酸塩層と、 前記結晶性ガリウム酸塩層と接触し、30゜Ｋを越える転
移温度を有し、超電流を移送することのできる超伝導体
層と、 前記超伝導体層に超電流を供給するためのソースと、 を有する超伝導電子装置。 - 【請求項６】前記結晶性ガリウム酸塩層は単結晶である
ことを特徴とする、請求項（５）に記載の超伝導電子装
置。
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|---|---|---|---|
| US07/204,066 US4962086A (en) | 1988-06-08 | 1988-06-08 | High Tc superconductor - gallate crystal structures |
| US204066 | 1988-06-08 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01320224A JPH01320224A (ja) | 1989-12-26 |
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|---|---|---|---|
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| JP (1) | JPH07106883B2 (ja) |
| CA (1) | CA1335955C (ja) |
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| US5523282A (en) * | 1988-08-18 | 1996-06-04 | Trw Inc. | High-frequency substrate material for thin-film layered perovskite superconductors |
| US4996187A (en) * | 1988-10-17 | 1991-02-26 | Allied-Signal Inc. | Epitaxial Ba-Y-Cu-O superconductor film |
| JPH0824200B2 (ja) * | 1988-11-18 | 1996-03-06 | 日本電信電話株式会社 | トンネル接合素子 |
| US5256897A (en) * | 1988-11-28 | 1993-10-26 | Hitachi, Ltd. | Oxide superconducting device |
| JPH0319382A (ja) * | 1989-06-16 | 1991-01-28 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | トンネル接合形ジョセフソン素子 |
| JP2790494B2 (ja) * | 1989-10-13 | 1998-08-27 | 松下電器産業株式会社 | 超伝導素子 |
| DE69030365T2 (de) * | 1989-12-22 | 1997-10-23 | Sumitomo Electric Industries | Verfahren zur Herstellung eines supraleitfähigen Mikrowellenbauelements |
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| JP2519337B2 (ja) * | 1990-03-28 | 1996-07-31 | 財団法人国際超電導産業技術研究センター | 酸化物超電導体作製用の基板材料及び酸化物超電導体の作製方法 |
| US5358927A (en) * | 1990-05-31 | 1994-10-25 | Bell Communications Research, Inc. | Growth of a,b-axis oriented pervoskite thin films |
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| US7192661B1 (en) * | 1994-11-03 | 2007-03-20 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army | Rare earth metal compounds for use in high critical temperature thin film super-conducting antennas |
| US6610633B1 (en) | 1995-05-04 | 2003-08-26 | Trw Inc. | Superconductor device |
| WO1997044850A1 (en) * | 1996-05-22 | 1997-11-27 | E.I. Du Pont De Nemours And Company | Open ground transmission line circuits |
| DE19634118A1 (de) | 1996-08-23 | 1998-02-26 | Forschungszentrum Juelich Gmbh | Schichtenfolge sowie eine solche enthaltendes Bauelement |
| CA2295194A1 (en) * | 1997-06-18 | 1998-12-23 | John A. Smith | Controlled conversion of metal oxyfluorides into superconducting oxides |
| US6004688A (en) * | 1997-07-16 | 1999-12-21 | The Board Of Regents Of The University Of Texas System | Solid oxide fuel cell and doped perovskite lanthanum gallate electrolyte therefor |
| JP3556586B2 (ja) | 2000-09-05 | 2004-08-18 | 株式会社東芝 | 酸化物超電導体の製造方法、酸化物超電導体用原料、および酸化物超電導体用原料の製造方法 |
| US8734708B2 (en) | 2007-10-29 | 2014-05-27 | Dow Corning Corporation | Polar polydimethysiloxane molds, methods of making the molds, and methods of using the molds for pattern transfer |
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| JPS6448316A (en) * | 1987-08-19 | 1989-02-22 | Asahi Chemical Ind | Orientation type superconductive compound oxide material |
| JP3365672B2 (ja) * | 1993-03-08 | 2003-01-14 | 住友ゴム工業株式会社 | 空気入りラジアルタイヤ |
-
1988
- 1988-06-08 US US07/204,066 patent/US4962086A/en not_active Expired - Lifetime
-
1989
- 1989-03-31 CA CA000595451A patent/CA1335955C/en not_active Expired - Fee Related
- 1989-04-15 EP EP89106765A patent/EP0345441B1/en not_active Expired - Lifetime
- 1989-04-15 DE DE89106765T patent/DE68908480T2/de not_active Expired - Fee Related
- 1989-04-18 JP JP1096574A patent/JPH07106883B2/ja not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，５３（１９），Ｐ．１８７４−１８７６（１９８８−１１−７） |
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|---|---|
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| DE68908480T2 (de) | 1994-03-17 |
| EP0345441B1 (en) | 1993-08-18 |
| US4962086A (en) | 1990-10-09 |
| CA1335955C (en) | 1995-06-20 |
| JPH01320224A (ja) | 1989-12-26 |
| EP0345441A2 (en) | 1989-12-13 |
| DE68908480D1 (de) | 1993-09-23 |
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |