JP2004207482A

JP2004207482A - 酸化物超電導薄膜

Info

Publication number: JP2004207482A
Application number: JP2002374683A
Authority: JP
Inventors: Keitaro Harada; 啓太郎原田; Masayoshi Yokoo; 政好横尾; Yoshinobu Takano; 祥暢高野
Original assignee: Tohoku Seiki Ind Ltd
Current assignee: Tohoku Seiki Ind Ltd
Priority date: 2002-12-25
Filing date: 2002-12-25
Publication date: 2004-07-22
Also published as: WO2004059753A1

Abstract

【課題】サファイア基板上に超伝導薄膜を作製する条件を容易にする。
【解決手段】サファイア基板（Ｒ-Ａｌ_２Ｏ_３）上にバッファー層を介して堆積された酸化物超電導薄膜において、前記バッファー層は、斜方晶のＬｎＡｌＯ_３からなり、Ｌｎは元素Ｅｕ、Ｓｍ、Ｙのいずれかであることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸化物超電導薄膜及びその製造方法に適用して有効な技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、酸化物単結晶材料がエピタキシャル膜用基板として数多く用いられるようになった。超伝導体膜の応用の一つとして、低い表面抵抗を利用した高周波マイクロ波受動素子の研究開発が国内外共に盛んである。この高精度なマイクロ波デバイス作成に用いられる酸化物単結晶基板には、適度な誘電率と低誘電損失等、様々な基板特性が要求される。そのため、数多くの基板結晶が試され、新しい基板結晶の開発等が行われ、多くの基板結晶が市販されるようになった。
【０００３】
マイクロ波パッシブデバイスを高性能化する要因は導体損の他に、基板の誘電損失がある。誘電損失を小さくするためには、誘電正接（ｔａｎδ）の小さい基板が要求される。現在マイクロ波応用の基板の中で最も誘電損失が小さい基板はサファイア基板（Ｒ-Ａｌ_２Ｏ_３基板）である。更に、デバイスの多段化、集積化に伴い、安価に大面積基板が得られる材料・結晶育成法が要求される。
【０００４】
酸化物超伝導薄膜、例えば、ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−δ（以下、ＹＢＣＯと呼ぶ）膜をサファイア基板上に堆積させる場合、ＹＢＣＯ膜とサファイア基板間で原子の相互拡散が生じ、ＹＢＣＯの超伝導特性を悪化させるという欠点を持っているにも関わらず、サファイア基板を採用したいという強い要求があり、当初は基板として多く用いられていた。
【０００５】
そこで、この欠点を克服するために原子の相互拡散を抑制するバッファー層（中間層）をサファイア基板上に形成することが検討された。そのバッファー層としては、へテロエピタキシャル成長したセリア（ＣｅＯ_２）膜が用いられた。その結果、ＣｅＯ_２膜の有効性が明らかとなった。ＣｅＯ_２バッファー層の他の長所としては、ＹＢＣＯとＣｅＯ_２間の格子定数が比較的近いため、ＹＢＣＯ膜とサファイア基板間の格子ミスマッチを緩和させる働きを有することである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
酸化物超伝導薄膜をサファイア基板上に堆積させる場合、バッファー層を用いる必要があるが、サファイア基板上のバッファー層としては従来から多く用いられているセリア（ＣｅＯ_２）が挙げられる。これ以外の報告の例は非常に少ない。
【０００７】
しかしながら、前記ＣｅＯ_２バッファー層上に超伝導薄膜を作製する場合の問題点としては通常の成膜法（物理的蒸着法）において完全なｃ軸配向薄膜作製条件は容易ではない。これは、ＣｅＯ_２バッファー層上にはａ軸配向膜が成長しやすいためである。
【０００８】
通常ｃ軸配向膜中、ａ軸配向粒が混在する場合、基板温度を上げる、酸素ガス圧力雰囲気を下げる、酸素ガス流量を上げる等を行えば、ａ軸配向粒は少なくすることができる。中でも、最も効果のある条件は基板温度である。
【０００９】
しかし、基板温度を上げ高温にした場合、ＹＢＣＯ薄膜に表面荒れ、又は一部分解が生じることを確認している。このため物理的蒸着法におけるＣｅＯ_２薄膜上ＹＢＣＯの最適基板温度（Ｔｓ）は７４Ｏ±５℃と他の基板と比べて成膜温度が高く、その温度範囲が非常に狭い。この理由として、物理的蒸着法では、飛来する粒子のエネルギーが化学的蒸着法等に比べ低いこと、ＣｅＯ_２上ではぬれ性が悪いこと、ＹＢＣＯと結晶構造が違うこと等によるものであると考えられる。これは応用の面で、作製の容易さから見ればマイナス要因となり得る。
【００１０】
つまり、前記従来の技術では、以下の問題点があった。
（１）サファイア基板上に直接超伝導膜を堆積させるとサファイア基板のＡｌ原子が拡散するという問題があった。
（２）バッファー層と超伝導体の結晶構造が違うため、良好なエピタキシャル成長が得られにくいという問題があった。
（３）従来のサファイア基板用のバッファー層であるＣｅＯ_２上に良質な超伝導膜を作製するのは困難であるという問題があった。
【００１１】
本発明の目的は、サファイア基板上に超伝導薄膜を作製する条件を容易にすることが可能な技術を提供することにある。
【００１２】
本発明の他の目的は、サファイア基板用のバッファー層上に超伝導膜を容易に作製することが可能な技術を提供することにある。
【００１３】
本発明の前記目的以外の目的及び特徴は、明細書の記述及び図面によって明らかにする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明の概要を簡単に説明すれば、下記のとおりである。
【００１５】
第１の発明は、サファイア（Ｒ-Ａｌ_２Ｏ_３）基板上にバッファー層を介して堆積された酸化物超電導薄膜において、前記バッファー層は、斜方晶のＬｎＡｌＯ_３からなり、Ｌｎは元素Ｅｕ、Ｓｍ、Ｙのいずれかであることを特徴とする。
【００１６】
第２の発明は、前記第１の発明の酸化物超電導薄膜において、堆積された酸化物超電導薄膜はＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−δ（ＹＢＣＯ）であることを特徴とする。
【００１７】
本発明者らは、酸化物超伝導薄膜の作製条件を容易にするために、ＣｅＯ_２バッファー層のかわりの新しいバッファー層の探索を行った。このバッファー層の探索において以下に検討した結果を示す。
（１）サファイア（Ｒ-Ａｌ_２Ｏ_３）基板を用いた場合、アルミニウム（Ａｌ）又は３価の電荷を含むものが望ましい。
（２）ＹＢＣＯ中に含むものが望ましい。
（３）ペロブスカイト類似の構造を持つものが望ましい。
（４）サファイア基板とＹＢＣＯの格子定数に近いものが望ましい。
（５）強誘電体転移をしないものが望ましい。
【００１８】
そこで、前記の条件を満たす材料をＪＣＰＤＳカードより検討した結果、ＬｎＡｌＯ_３（Ｌｎ：ランタノイド）に注目した。Ｌｎ系それぞれのイオン半径とその格子定数及び結晶構造を図１にプロットした。これから、Ｒ-Ａｌ_２Ｏ_３基板を用いるにあたり、斜方晶のＥｕＡｌＯ_３、ＳｍＡｌＯ_３、ＹＡｌＯ_３をバッファー層として適用した。これら、以下の条件でターゲットの作製を行った。この結果、酸化物超伝導薄膜の作製条件を容易にすることができた。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態（実施例）について図面を参照して詳細に説明する。
【００２０】
図２は本発明の一実施形態（実施例）の酸化物超伝導薄膜の概略構成を断面である。
【００２１】
本実施形態の酸化物超伝導薄膜は、図２に示すように、サファイア（Ｒ-Ａｌ_２Ｏ_３）基板１の上にＬｎＡｌＯ_３バッファー層２を設け、その上に酸化物超伝導薄膜３を堆積されたものである。
【００２２】
前記酸化物超伝導薄膜３としてはＹＢＣＯを用いた。また、ＬｎＡｌＯ_３バッファー層２のＬｎ（ランタノイド）としては元素Ｅｕ、Ｓｍ、Ｙのいずれかを用いた。
【００２３】
前記Ｌｎ（ランタノイド）のイオン半径とＬｎＡｌＯ_３の格子定数を表１に示す。
【００２４】
【表１】

【００２５】
以下に、前記ＬｎＡｌＯ_３バッファー層２の作製方法について説明する。
【００２６】
まず、Ｌｎ_２Ｏ_３（Ｌｎ：Ｅｕ、Ｓｍ、Ｙ）、Ａｌ_２Ｏ_３を目的の組成比（ＬｎＡｌＯ_３）になるように秤量・混合を行う。
【００２７】
次に、この混合物を化学反応させてＬｎＡｌＯ_３を生成し（化学反応式Ｌｎ_２Ｏ_３＋Ａｌ_２Ｏ_３→２ＬｎＡｌＯ_３）、この生成物Ｌｎ_２ＡｌＯ_３をプレス成形してターゲット（ψ：〜５０ｍｍ、ｔ：０．５ｍｍ）を形成する。
【００２８】
次に、図３に示す温度パラメータで電気炉を用いて１０００℃、１２時間程度焼結する。目的の材料になるまで仮焼、本焼を繰り返す。
【００２９】
本実施形態では、これらＬｎＡｌＯ_３のターゲットを用いＬｎＡｌＯ_３バッファー層の作製及びＹＢＣＯ薄膜の作製を試みた。この結果を図４、図５に示す。図４は本実施例のＳｍＡｌＯ_３／Ｒ-Ａｌ_２Ｏ_３構造上のＹＢＣＯ膜のＸ線回折パターンであり、図５は本実施例のＳｍＡｌＯ_３／Ｒ-Ａｌ_２Ｏ_３構造上のＹＢＣＯ膜の面内配向を示す図である。前記結果からＳｍＡｌＯ_３／Ｒ-Ａｌ_２Ｏ_３構造上のＹＢＣＯ膜はｃ軸配向を示し、また、面内配向性においても容易に制御できＣｅＯ_２上のＹＢＣＯと同じ四回対称性を示している。ＥｕＡｌＯ_３、ＹＡｌＯ_３を用いた場合でも同様の結果が得られた。
【００３０】
しかしながら、ＹＢＣＯとの格子整合性から見れば、ＣＯ_２（＋０．７％）に比べ若干大きい（ＳｍＡｌＯ_３：−１．６％）ことがマイナス要因となり得る。
【００３１】
ＹＢＣＯ作製条件としては、ＬａＡｌＯ_３基板とほぼ同一条件で作製が可能である。特に基板温度に注目するとＣｅＯ_２に比べ、十分に低い基板温度である７２０℃程度で作製できるため、その作製の容易さから見れば非常に魅力的なバッファー層材料である。
【００３２】
本実施形態の酸化物超電導薄膜は、サファイアのＲ面を基板面とするサファイア単結晶基板を成膜用基板として使用し、ｃ軸配向かつ基板面内方向のＹＢＣＯ結晶粒の方位の揃った膜である。前記基板は、Ｒ面を基板面に平行に出したサファイア単結晶基板で、通常用いられている研磨方法で研磨したものでよい。ＹＢＣＯ膜被覆体におけるＹＢＣＯ膜被覆体のうちのＹＢＣＯ膜は、全てである必要はないが、大部分の結晶粒のｃ軸がサファイア基板面に垂直でなければならない。すべての結晶粒がｃ軸配向することが望ましいのは言うまでもない。ｃ軸配向の度合いが減少するほど、超伝導の臨界電流密度がいちじるしく低下するからである。更に面内配向についても同様に、一方向に揃えることが望ましい。
【００３３】
作製条件の一例として、ＬｎＡｌＯ_３バッファー層は、圧力５Ｐａ、基板温度７２０度、Ａｒ＋Ｏ_２流量３０ｃｃｍで作製し、その後の超伝導薄膜は圧力３０Ｐａ、基板温度７２０度、Ａｒ＋Ｏ_２流量は５０ｃｃｍで作製した。現在、超伝導膜の成膜条件の最適化は不十分ではあるが、その時の超伝導特性は、図６に示すように、ＹＢＣＯ／ＳｍＡｌＯ_２／Ｒ-Ａｌ_２Ｏ_３構造でＴｃ（Ｒ＝０）＝８６．８Ｋ程度を示している。
【００３４】
また、本実施例の各々のバッファー層と超伝導薄膜を用いた場合の特性を表２に示す。
【００３５】
【表２】

【００３６】
なお、超伝導体としては、ＹＢＣＯに限定されるものではなく、ＹＢＣＯの置換型のＭＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−ｄ化合物（但し、該ＭはＣｅ、Ｐｒ、Ｐｍ、Ｔｂを除くランタノイド系元素並びにＹのうちの少なくとも１種）でも同様の結果が得られるのは明らかである。また、この他の超伝導体としてＢｉ系、Ｈｇ系、Ｔｌ系を用いても良い。
【００３７】
前記Ｒ-Ａｌ_２Ｏ_３中Ｒの表記ついて
サファイア（α-アルミナ）の結晶構造は、図７に示すように、六方晶をしており、目的の上部形成層により、使用する面が異なる。それぞれの呼び名として、Ｃ面、Ａ面、Ｒ面と呼ばれる。上部に酸化物等の超伝導膜を形成する場合は、Ｒ面を使用することになる。このため、通常の基板の表記、例えば半導体産業などで用いるシリコン基板のような場合はＳｉ（１００）やＳｉ（１１１）と同等の基板の面方位を表す表記法（Ｒ-Ａｌ_２Ｏ_３）となる。
【００３８】
以上、本発明者によってなされた発明を、前記実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。
【００３９】
【発明の効果】
本願において開示される発明によって得られる効果を簡単に説明すれば、下記のとおりである。
【００４０】
本発明によれば、サファイア基板上に超伝導薄膜を作製する条件を容易にすることができる。
【００４１】
また、サファイア基板の上にＬｎＡｌＯ_３バッファー層を設け、その上に酸化物超伝導薄膜を堆積することにより、サファイア基板用のバッファー層上に超伝導膜を容易に作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るＬｎ系それぞれのイオン半径とその格子定数及び結晶構造を示す図である。
【図２】本発明の実施例１の酸化物超伝導薄膜の概略構成を示す図である。
【図３】本実施例のＬｎＡｌＯ_３バッファー層の作製方法を説明するための図である。
【図４】本実施例のＳｍＡｌＯ_３／Ｒ-Ａｌ_２Ｏ_３構造上のＹＢＣＯ膜のＸ線回折パターンである。
【図５】本実施例のＳｍＡｌＯ_３／Ｒ-Ａｌ_２Ｏ_３構造上のＹＢＣＯ膜の面内配向を示す図である。
【図６】本実施例のＳｍＡｌＯ_３／Ｒ-Ａｌ_２Ｏ_３構造上のＹＢＣＯ膜の超伝導特性示す図である。
【図７】本実施例のサファイア（α-アルミナ）の結晶構造を示す図である。
【符号の説明】
１…Ｒ-Ａｌ_２Ｏ_３基板
２…ＬｎＡｌＯ_３バッファー層
３…酸化物超伝導薄膜

Claims

サファイア（Ｒ-Ａｌ_２Ｏ_３）基板上にバッファー層を介して堆積された酸化物超電導薄膜において、前記バッファー層は、斜方晶のＬｎＡｌＯ_３からなり、Ｌｎは元素、Ｅｕ、Ｓｍ、Ｙのいずれかであることを特徴とする酸化物超電導薄膜。