HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Vorliegende Erfindung betrifft ein Substratmaterial zur
Herstellung eines auf diesem befindlichen Oxidsupraleiters, ein Substrat
zur Herstellung eines auf diesem befindlichen Halbleiters, ein
Substrat zur Herstellung eines auf diesem befindlichen
Oxidsupraleiters, umfassend ein Halbleitersubstrat und eine
Zwischenschicht eines auf dem Halbleitersubstrat gebildeten
Mischkristallmaterials sowie ein Substrat zur Herstellung eines auf
diesem befindlichen Halbleiters, umfassend ein
Oxidsupraleitersubstrat und eine Zwischenschicht eines auf dem
Oxidsupraleitersubstrat gebildeten Mischkristallmaterials.
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Vorliegende Erfindung betrifft Verfahren, die bei Anwendung auf
dem Elektronikgebiet, einschließlich Bauteile unter Anwendung des
Josephson-Übergangs, sowie auf dem Gebiet des elektrischen
Stroms, einschließlich Stromspeicherung und -übertragung,
brauchbar sind. Zur Herstellung von Oxidsupraleitern wurden
verschiedene Verfahren bekannt, einschließlich ein Verfahren der
Filmablagerung unter Verwendung eines Aufwachsens einer Epitaxieschicht
aus einem Oxidsupraleiter auf einem Substrat. Zur Filmbildung
sind auch verschiedene Verfahren bekannt, wie z.B. die
Molekularbündelepitaxie (abgekürzt als M.B.E.) und die
Hochfrequenzzerstäubung. Eine Atmosphäre, in der ein Film gebildet wird, umfaßt
fast immer Sauerstoff. Wenn ein Film eines Oxidsupraleiters gemäß
diesen Verfahren gebildet wird, ist ein Substratmaterial
erforderlich, das mit dem Oxidsupraleiter nicht reagiert. Als diese
Bedingung erfüllende Substratmaterialien werden MgO, ZrO&sub2;,
MgAl&sub2;O&sub4;, LaAlO&sub3;, SrTiO&sub3;, LaGaO&sub3; usw. benutzt. Diese Materialien
sind mit Oxidsupraleitern weniger reaktiv als Si oder Al&sub2;O&sub3;.
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Jedoch ist es aufgrund von Untersuchungen, die auf dem Gebiet der
Supraleitfähigkeit vorgenommen wurden, bekannt, daß
Substratmaterialien,
wie z.B. SrTiO&sub3; und LaGaO&sub3; im Vergleich zu MgO, ZrO&sub2;,
MgAl&sub2;O&sub4;, oder LaAlO&sub3; überlegenere
Supraleitfähigkeitseigenschaften aufweisen, wenn sie in Bauteilen verwendet werden.
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Tabelle 1 zeigt die Gitterkonstanten der Substratmaterialien und
der zuvor genannten Oxidsupraleiter sowie von Si und GaAs. In der
Tabelle 1 sind die Werte der Gitterkonstanten von SrTiO&sub3; und
YBa&sub2;Cu&sub3;Oy (wobei y annähernd 7 ist), welche mit dem Zeichen "*"
versehen sind, diejenigen, welche mit der Quadratwurzel von 2
multipliziert sind, um die Gitterfehlanpassung hervorzuheben. Wie
schon aus der Tabelle 1 zu ersehen ist, weisen SrTiO&sub3;, LaGaO&sub3; und
dergl. eine geringere Fehlanpassung der Gitterkonstanten mit den
Oxidsupraleitern auf. Je geringer die Unterschiede in den
Gitterkonstanten zwischen den Substratmaterialien und den
Oxidsupraleitern sind, desto leichter wird das Aufwachsen einer
Epitaxieschicht, so daß es leicht wird, einen Oxidsupraleiterfilm aus
einem Einkristall zu erhalten, und so die
Supraleitfähigkeitseigenschaften der Oxidsupraleiter in Form eines Films zu
verbessern.
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Als Materialien, die eine geringere Fehlanpassung mit
Oxidsupraleitern besitzen, wurden Verbindungen vom Perovskittyp, wie z.B.
LaGaO&sub3;, verwendet. Fig. 3 zeigt die Kristallstruktureinheit von
LaGaO&sub3; und einem Oxidsupraleiter YBa&sub2;Cu&sub3;Oy. Es wird darauf
hingewiesen, daß Sauerstoff in Fig. 3 nicht gezeigt wird. Wie aus
Fig. 3 zu ersehen ist, haben viele Verbindungen vom Perovskittyp
bekanntlich Gitterkonstanten, die nahezu ein Vielfaches der
Gitterkonstanten von Oxidsupraleitern oder nahezu das 2n-fache
des Vielfachen sind (wobei n eine ganze Zahl bedeutet).
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Aus der E.P. 345 441 A2 ist bekannt, daß supraleitende Strukturen
mit hohem Tc-Wert auf Gallatschichten gebildet werden können,
wobei die Gallatschichten ein Seltene Erden-Element oder ein
Seltene Erden ähnliches Element umfassen.
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Ans D.E. 3906499 A1 kann auf ein supraleitendes Filmmaterial auf
einem Lanthanorthogallert-Einkristallsubstrat geschlossen werden.
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Die Erfinder vorliegender Erfindung untersuchten den zuvor
beschriebenen Stand der Technik und stießen auffolgende
Probleme.
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Die Gitterkonstanten eines Oxidsupraleiterfilms, hergestellt nach
den zuvor beschriebenen M.B.E. - oder
Hochfrequenzzerstäubungsverfahren variieren in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration
in der Atmosphäre während der Filmbildung oder in einem
Kühlverfahren.
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Normalerweise ist auch die Temperatur während der Bildung eines
Oxidsupraleiterfilms durch M.B.E. oder Hochfrequenzzerstäubung so
hoch wie 600º bis 800ºC. Infolgedessen tritt zwischen einem
Substratmaterial und einem Oxidsupraleiter eine Fehlanpassung
auf, die durch Unterschiede in der thermischen Ausdehnung der
Materialien bedingt ist. Infolgedessen kann aufgrund der
Fehlanpassung infolge thermischer Ausdehnung sowie infolge der
Unterschiede in den Gitterkonstanten kein Oxidsupraleiter mit
überlegeneren Supraleitfähigkeitseigenschaften erhalten werden,
wenn die zuvor beschriebenen herkömmlichen Substratmaterialien
verwendet werden.
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Ferner ist, um ein Bauteil, bei dem ein Oxidsupraleiter und
Halbleiterelemente nebeneinander vorliegen, zu erhalten, ein
oxidsupraleiterfilm auf beispielsweise einem Si-Substrat
herzustellen. Wenn jedoch ein Film eines Oxidsupraleiters nach dem
M.B.E.-Verfahren oder durch Hochfrequenzzerstäubung, wie zuvor
erwähnt, hergestellt wird, reagieren, weil die Temperatur der
Filmbildung hoch ist, der Oxidsupraleiter und das Si-Substrat
miteinander, und die Supraleitfähigkeitseigenschaften des
Oxidsupraleiters können niemals zustandekommen.
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Gemäß Appl. Phys. Lett, Bd 51, Nr. 24, Juni 1988, 5. 2068 dient
eine Zirkondioxidpufferschicht, gebildet unter Verwendung von
ZrO&sub2;, zur Verhinderung von starken Grenzschichtreaktionen und
einer Diffusion zwischen dem Halbleiter und YBaCuO und führt zu
einem unorientierten polykristallinen YBaCuO-Film. In dieser
Veröffentlichung ist die Zirkondioxid-Pufferschicht eine
einfache
Diffusionsschranke.
Kurze Zusamenfassung der Erfindung
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Vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die zuvor genannten
Probleme zu lösen.
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Ein Ziel vorliegender Erfindung ist hinsichtlich eines bei der
Herstellung eines Oxidsupraleiters verwendeten Substratmaterials
die Bereitstellung einer Technologie, die es möglich macht, die
supraleitfähigkeitseigenschaften eines auf einem derartigen
Substratmaterial hergestellten Oxidsupraleiters zu verbessern.
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Ein anderes Ziel vorliegender Erfindung ist hinsichtlich der
Herstellung eines Halbleiters auf einem Substratmaterial die
Bereitstellung einer Technologie, die es möglich macht, auf dem
Substratmaterial einen guten Halbleiter herzustellen. Ein
weiteres Ziel vorliegender Erfindung ist hinsichtlich der Herstellung
eines Halbleiters auf einem Oxidsupraleiter mit einer
Zwischenschicht zwischen denselben die Bereitstellung einer Technologie,
die es möglich macht, die Supraleitfähigkeitseigenschaften des
Oxidsupraleiters zu verbessern.
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Noch ein weiteres Ziel vorliegender Erfindung ist hinsichtlich
der Herstellung eines Halbleiters auf einem Oxidsupraleiter mit
einer Zwischenschicht zwischen denselben die Bereitstellung einer
Technologie, die es möglich macht, auf der Zwischenschicht einen
guten Halbleiter herzustellen.
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Die zuvor genannten Ziele und andere Ziele sowie die neuen
Eigenschaften vorliegender Erfindung werden durch die Offenbarung
aus vorliegender Beschreibung und den Zeichnungen klar gemacht.
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Um die zuvor genannten Ziele zu erreichen, ist das
Substratmaterial zur Herstellung eines Oxidsupraleiters gemäß vorliegender
Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß das Substratmaterial durch
die chemische Formel La1-xNdxGaO&sub3; ausgedrückt wird, worin x= oder
mehr als 0,3 und weniger als 1,0 ist, und ein Mischkristall ist,
das eine Struktur vom Perovskittyp der Zusammensetzung AGaO&sub3;
bildet, wobei Aentweder Nd oder La ist. Der Oxidsupraleiterfilm
kann entweder dick oder dünn sein.
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Vorliegende Erfindung zeichnet sich auch durch die Herstellung
eines Halbleiters auf dem genannten Substratmaterial aus.
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Überdies ist vorliegende Erfindung durch die Bildung einer
Zwischenschicht aus einem Mischkristallmaterial gekennzeichnet,
das durch die chemische Formel La1-xNdxGaO&sub3; ausgedrückt wird,
worin x gleich oder mehr als 0,3 und weniger als 1,0 ist, und das
ein Mischkristall ist, welches eine Struktur vom Perovskittyp
bildet, der die Zusammensetzung AGaO&sub3; aufweist, wobei Aentweder
Nd oder La ist.
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Ferner ist vorliegende Erfindung durch die Bildung einer
Zwischenschicht aus einem Mischkristallmaterial gekennzeichnet, das
durch die chemische Formel La1-xNdxGaO&sub3; ausgedrückt wird, wobei x
gleich oder mehr als 0,3 und weniger als 1,0 ist, und das ein
Mischkristall ist, welches eine Struktur vom Perovskittyp der
Zusammensetzung AGaO&sub3; bildet, wobei Aentweder Nd oder La ist,
sowie durch die Herstellung eines Halbleiters auf der
Zwischenschicht.
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Das erfindungsgemäße Substrat zur Herstellung eines auf diesem
befindlichen Oxidsupraleiters, umfassend ein Halbleitersubstrat
und eine Zwischenschicht aus einem Mischkristallmaterial,
gebildet auf diesem Halbleitersubstrat, ist dadurch gekennzeichnet,
daß das Mischkristallmaterial durch die chemische Formel
La1-xNdxGaO&sub3; ausgedrückt wird, wobei x gleich oder mehr als 0,3
und weniger als 1,0 ist, und das ein Mischkristall ist, das eine
Struktur vom Perovskittyp der Zusammensetzung AGaO&sub3; bildet, wobei
A entweder Nd oder La ist. Das erfindungsgemäße Substrat zur
Herstellung eines auf diesem befindlichen Halbleiters, umfassend
ein Oxidsupraleitersubstrat und eine Zwischenschicht aus einem
Mischkristallmaterial, gebildet auf diesem
Oxidsupraleitersubstrat, ist dadurch gekennzeichnet, daß das Mischkristallmaterial
das zuvor genannte Substratmaterial ist.
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Gemäß diesen Merkmalen vorliegender Erfindung, wie zuvor
zusammengefaßt, kann ein Substratmaterial mit unterschiedlichen
Gitterkonstanten erhalten werden, während seine Kristallstruktur
beibehalten wird, weil es scheint, daß die Seltene Erden-Elemente
der Gruppe IIIa an den La-Stellen in Fig. 3 ähnliche
Eigenschaften besitzen und durch ein unterschiedliches Seltene
Erden-Element in der Gruppe IIIa mit unterschiedlichem Ionenradius ersetzt
werden können. Infolgedessen können die normalerweise einem
Material inhärenten Gitterkonstanten künstlich variiert werden,
um die Fehlanpassung zwischen einem Oxidsupraleiter und einem
Substratmaterial infolge der Unterschiede zwischen ihren
Gitterkonstanten zu vermindern und die Supraleitfähigkeitseigenschaften
eines Oxidsupraleiters zu verbessern.
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Ferner ist es möglich, die Gitterkonstanten eines
Substratmaterials zur Herstellung eines Oxidsupraleiters unter
Berücksichtigung der thermischen Ausdehnung auszuwählen, um die Fehlanpassung
zwischen einem Oxidsupraleiter und einem Substrat auch unter den
hohen Temperaturbedingungen für die Bildung eines
Oxidsupraleiterfilms nach dem M.B.E-Verfahren oder der
Hochfrequenzzerstäubung zu vermindern. Auf diese Weise kann ein Oxidsupraleiter mit
überlegeneren Supraleitfähigkeitseigenschaften hergestellt
werden.
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Ferner kann, weil bestimmte Vielfache der Gitterkonstanten einer
Zelleinheit der Substratmaterialien oder die Vielfachen der
Quadratwurzel von 2 den Gitterkonstanten von Si und GaAs nahe
sind, durch Bildung eines Isolatorsubstrats für Si auf dem
Isolator (abgekürzt als S.O.I. bezeichnet) unter Verwendung des
zuvor genannten Substratmaterials ein guter Film von Si oder GaAs
auf der Isolatorschicht gebildet werden.
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Überdies können durch Bildung einer Zwischenschicht aus dem zuvor
genannten Substratmaterial zwischen einem Oxidsupraleiter und
einem Si- oder GaAs-Substrat die Supraleitfähigkeitseigenschaften
des auf der Zwischenschicht hergestellten Oxidsupraleiters
verbessert werden.
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Weil das Substratmaterial zwischen einem Oxidsupraleiter und
einem Halbleitersubstrat vorliegt, reagieren auch unter den
hohen Temperaturbedingungen für die Bildung eines
Oxidsupraleiterfilms nach dem M.B.E.-Verfahren oder durch
Hochfrequenzzerstäubung der Oxidsupraleiterfilm und das Si-Substrat nicht
miteinander, und der erhaltene Oxidsupraleiter auf dem
Substratmaterial wird bessere Supraleitfähigkeitseigenschaften aufweisen.
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Ferner ist es unter Verwendung des zuvor genannten
Substratmaterials für die Zwischenschicht zwischen einem Oxidsupraleiter und
einem Halbleiter möglich, einen guten Halbleiter auf der
Zwischenschicht herzustellen.
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Da die Zwischenschicht zwischen einem Oxidsupraleiter und einem
Halbleiter vorliegt, reagieren auch der Oxidsupraleiter und der
Halbleiter nicht miteinander, und es kann auf der zuvor genannten
Zwischenschicht ein guter Halbleiter hergestellt werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
detailliert beschrieben, von denen:
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Fig. 1 eine grafische Darstellung der
Pulver-Röntgenbeugungsbilder des Substratmaterials La0,7Nd0,3GaO&sub3; zur Herstellung eines
Oxidsupraleiters und des Oxidsupraleiters YBa&sub2;Cu&sub3;Oy der
Ausführungsform 1 der Erfindung zeigt;
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Fig. 2 eine grafische Darstellung ist, welche die Röntgen
beugungsbilder eines Pulvergemischs des Substratmaterials
La0,7Nd0,3GaO&sub3; und des Oxidsupraleiters YBa&sub2;Cu&sub3;Oy vor und nach
dem Erwärmen zeigt; und
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Fig. 3 ein Diagramm einer Kristallstruktureinheit des
Oxidsupraleiters YBa&sub2;Cu&sub3;Oy und der Verbindung LaGaO&sub3; vom
Perovskittyp ist.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
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Bei der Beschreibung dieser Ausführungsform werden für Teile
gleicher Funktion gleiche Bezugsziffern verwendet, um eine
Wiederholung der Zifferbeschreibung zu vermeiden.
Ausführungsform 1
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Zuerst wurde als Doppeloxid, das Bestandteil eines
Oxidsupraleitersubstrats ist, ein Mischkristallmaterial La1-xNdxGaO&sub3; durch
Vermischen der Pulver hergestellt. Bei der Herstellung dieses
Mischkristallmaterials La1-xNdxGaO&sub3; wurden als Bestandteile
La&sub2;O&sub3;, Nd&sub2;O&sub3; und Ga&sub2;O&sub3; verwendet.
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Sodann wurden das wie zuvor beschrieben hergestellte
Mischkristallpulver La1-xNdxGaO&sub3; und ein Oxidsupraleiter-Pulver vom Typ
YBaCuO im Gewichtsverhältnis von 1:1 miteinander vermischt, und
die Reaktivität zwischen dem Mischkristallpulver La1-xNdxGaO&sub3; und
dem Oxidsupraleiterpulver YBaCuO wurde unter hohen Temperaturen
bestimmt. Dieser Oxidsupraleiter vom Typ YBaCuO kann
beispielsweise YBa&sub2;Cu&sub3;Oy (wobei y annähernd 7 ist), YBa&sub2;Cu&sub4;Ow (wobei w
annähernd 8 ist), LnBa&sub2;Cu&sub3;Oy (wobei Ln Nd, Pm, Gd, Dy, Ho, Er, Tm
ist) o. dgl. sein). Fig. 1 zeigt ein Pulver-Röntgenbeugungsbild
jeweils von YBa&sub2;Cu&sub3;Oy und La0,7Nd0,3GaO&sub3; was Beispiele für das
zuvor beschriebene Mischkristallpulver La1-xNdxGaO&sub3; sind.
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Als ein Beispiel für die Reaktivitätsbestimmung zeigt Fig. 2 die
Ergebnisse, die erhalten wurden, wenn ein Pulvergemisch von
YBa&sub2;Cu&sub3;Oy und einem Mischkristallpulver von La0,7Nd0,3GaO&sub3; eine
Stunde auf 900ºC erwärmt wurde. Fig. 2 zeigt
Röntgenbeugungsbilder eines Pulvergemischs vor und nach Erwärmen bei 900ºC. Weil
die Verteilung der Stellungen von Beugungspeaks die gleiche
blieb, und keine neuen Peaks vor und nach dem Erwärmen beobachtet
wurden, erwies es sich, daß das Mischkristallpulver
La0,7Nd0,3GaO&sub3; und das YBa&sub2;CuOy nicht miteinander reagieren. Die gleichen
Ergebnisse wurden mit Mischkristallpulvern unterschiedlicher
Zusammensetzungen erhalten.
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Tabelle 2 zeigt auch die Gitterkonstanten jedes
Mischkristallpulvers, erhalten durch Pulver-Röntgenbeugung.
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Aus Tabelle 2 ist zu ersehen, daß die Zusammensetzungen 3 und 4
Mischkristalle zwischen den Zusammensetzungen 1 und 2 sind und
aus einer einzigen Phase bestehen. Auch fallen die Werte der
Gitterkonstanten dieser Zusammensetzungen 3 und 4 zwischen
diejenigen der zuvor genannten Zusammensetzung 1 und 2.
Infolgedessen ist es möglich, durch Auswahl einer geeigneten
Zusammensetzung nach Belieben Gitterkonstanten in einem Bereich von
5,43-5,50 Å für a, 5,50 bis 5,53 Å für b, und 7,72-7,78 Å für c,
so daß sie für einen gegebenen Zweck passend sind, einzustellen.
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Wie sich aus Tabelle 2 und der zuvor genannten Tabelle 1 ergibt,
nähern sich die Gitterkonstanten des Substratmaterials der
Ausführungsform 1 vorliegender Erfindung mehr den
Gitterkonstanten des Oxidsupraleiters als diejenigen des herkömmlichen
Substratmaterials.
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Wie sich aus der vorhergehenden Beschreibung ergibt, können gemäß
Ausführungsform 1 vorliegender Erfindung die La-Stellen in der
zuvor erwähnten Fig. 3 durch Nd ersetzt werden, das ähnliche
Eigenschaften, jedoch einen unterschiedlichen Ionenradius
besitzt. Auf diese Weise können unter Beibehaltung der
Kristallstruktur Substratmaterialien mit unterschiedlichen
Gitterkonstanten erhalten werden. So können die
Supraleitfähigkeitseigenschaften eines Oxidssupraleiters durch künstliche Veränderung
der Gitterkonstanten, die normalerweise jedem Material inhärent
sind, verbessert werden, um die Fehlanpassung infolge
Unterschieden in den Gitterkonstanten eines Oxidsupraleiters und eines
Substratsmaterials zu vermindern.
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Obgleich vorliegende Erfindung anhand der Ausführungsform
beschrieben wurde, wird jedoch darauf hingewiesen, daß vorliegende
Erfindung keineswegs durch diese Ausführungsform beschränkt wird.
Innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung, wie in den Ansprüchen
dargelegt, sind Veränderungen und Modifikationen möglich.
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Wie zu zuvor beschrieben, ist es gemäß dem Substratmaterial zur
Herstellung eines Oxidsupraleiters gemäß vorliegender Erfindung
möglich, die Supraleitfähigkeitseigenschaften eines auf einem
Substratmaterials hergestellten Oxidsupraleiters zu verbessern.
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Auch kann gemäß vorliegender Erfindung auf dem Substratmaterial
ein guter Halbleiter hergestellt werden.
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Überdies ist es gemäß der erfindungsgemäßen Herstellung eines
Oxidsupraleiters auf einem Halbleitersubstrat mit einer
Zwischenschicht dazwischen möglich, die Supraleitfähigkeitseigenschaften
des zuvor genannten Oxidsupraleiters zu verbessern.
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Ferner kann gemäß der erfindungsgemäßen Herstellung eines
Oxidsupraleiters auf einem Halbleitersubstrat mit einer
dazwischenliegenden Zwischenschicht ein guter Halbleiter auf der
Zwischenschicht hergestellt werden.
TABELLE 1
Material
Kristallsystem und Typ
Gitterkonstanten (Å)
Substrat
Oxid-Supra-Leiter
Halbleiter
Kubisch/Steinsalztyp
Kubisch/Fluorittyp
Kubisch/Spinelltyp
Kubisch/Perovskittyp
Hexagonal/Perovskittyp
Orthorhombisch/Perovskittyp
Kubisch/Diamanttyp
TABELLE 2
Zusammensetzung (Moverhältnis)
Gitterkonstanten (Å)
Vergleichsbeispiel
Ausführungsform 1