JP2664491B2 - 積層ペロブスカイト銅酸化物超電導体の薄膜のためのサブストレート、このサブストレートからなる超電導マイクロ波回路素子、及びそれを製造する方法 - Google Patents

積層ペロブスカイト銅酸化物超電導体の薄膜のためのサブストレート、このサブストレートからなる超電導マイクロ波回路素子、及びそれを製造する方法

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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の分野〕 本発明は、一般的には積層(layered:層状)ペロブス
カイト銅酸化物超電導体に関し、より特定的には積層ペ
ロブスカイト銅酸化物超電導体を沈積(deposit:堆積)
せしめて高周波電子デバイス及び回路を形成させるため
のサブストレートに関する。
〔発明の背景〕
77゜Kの液体窒素温度以上の温度において超電導性を
呈する材料は極く最近発見されたばかりであり、この発
見は科学及び技術研究の世界的な爆発の引金となった。
液体窒素温度以上の温度において超電導性を呈した最初
の材料は、Y1Ba2Cu3O7で表わされる酸素が不足したイッ
トリウム、バリウム、銅及び酸素の積層ペロブスカイト
化合物であった。この発見以降、R1Ba2Cu3O7(Rは希土
類元素)で表わされる他の類似の積層ペロブスカイト銅
酸化物化合物も液体窒素温度以上の温度において超電導
となることが発見された。この特定群の積層ペロブスカ
イト銅酸化物超電導体は、銅酸化物内の各金属元素の原
子の数から、一般に“1−2−3"化合物と呼ばれてい
る。
更に最近に至って、より高い臨界温度(超電導が発生
する温度)を有する他の積層ペロスブカイト銅酸化物化
合物も発見された。これらの新しい化合物は、“1−2
−3"化合物が3つの金属元素を含むのに対して4つの金
属元素を包含し、希土類元素は含まない。これらの新化
合物は希土類元素の代りにビスマス或はタリウムのよう
な金属を含む。
積層ペロブスカイト銅酸化物超電導体の主長所は、従
来必要とされた液体ヘリウムを使用するよりも遥かに安
価で厄介ではない液体窒素を使用して超電導温度を維持
できることである。従って、これらの超電導体は多くの
新しい応用を見出すことが期待できる。既に研究されて
いる1つの主要な応用は集積回路であり、これらの新超
電導体の薄膜をサブストレート上に沈積せしめて例えば
ジョセフソン接合、導波器及びマイクロ波伝送ラインを
形成させるものである。これらの超電導回路素子を組合
わせて比肩するもの無き性能を有する高速、高周波数及
び低電力集積回路を形成することができる。
しかしながら、積層ペロブスカイト銅酸化物超電導体
の薄膜に最適特性を与えるためには、これらの超電導体
の結晶構造及び格子定数に精密に整合した結晶構造及び
格子定数を有するサブストレート上にしか成長させ得な
い。チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)はかかる材料の
1つであり、現在サブストレートとして使用されてい
る。不幸にもチタン酸ストロンチウムは、超電導温度に
おいて損失が大きく誘電定数が極めて高いために、高周
波数には不適である。従って良好な高周波特性を有し、
積層ペロブスカイト銅酸化物超電導体の結晶構造及び格
子定数に精密に整合する結晶構造及び格子定数を有する
サブストレート材料が要望されて来た。本発明はこの要
望を満たすものである。
〔発明の概要〕
本発明は積層ペロブスカイト銅酸化物超電導体の薄膜
を形成させるためのアルミン酸ランタン(LaAlO3)のサ
ブストレートに関する。擬立方ペロブスカイト結晶構造
を有するアルミン酸ランタンは、積層ペロブスカイト銅
酸化物超電導体の結晶構造及び格子定数に精密に整合す
る結晶構造及び格子定数を有している。従って、この材
料は超電導体のエピタキシャル膜成長を助長し、結晶は
高い臨界電流密度のような良き超電導電気特性のための
適切な方向に配向される。更にLaAlO3は、超電導温度に
おいて低損失正接及び低誘電定数のような良好な高周波
特性を有している。最後に、LaAlO3は超電導体と重大な
相互作用を起すことがない。LaAlO3は超電導層間の絶縁
用薄膜を形成するのにも使用可能であり、それによって
種々の超電導回路素子の製造を可能ならしめる。
以上の説明から本発明が超電導体の分野に重大な前進
をもたらすことが理解されよう。本発明の他の特色及び
長所は以下の添付図面に基く説明から明白になるであろ
う。
〔実施例〕
図示の如く、本発明は積層ペロブスカイト銅酸化物超
電導体の薄膜を形成させるためのアルミン酸ランタン
(LaAlO3)のサブストレートに実現される。擬立方ペロ
ブスカイト結晶構造を有するアルミン酸ランタンは、積
層超電導体の結晶構造及び格子定数に精密に整合する結
晶構造及び格子定数を有している。従って、アルミン酸
ランタンは超電導体のエピタキシャル膜の成長を助長
し、結晶は高い臨界電流密度のような良き超電導電気特
性のための適切な方向に配向される。更に、アルミン酸
ランタンは、超電導温度において低損失正接及び低誘電
定数のような良好な高周波特性を有している。最後に、
アルミン酸ランタンは超電導体と重大な相互作用を起す
ことがない。アルミン酸ランタンは超電導層間の絶縁用
薄膜を形成するのにも使用可能であり、それによって種
々の超電導回路素子の製造を可能ならしめる。
第1図はアルミン酸ランタンサブストレート10と、そ
の上に沈積せしめられたY1Ba2Cu3O7なる式を有する積層
(層状)ペロブスカイト銅酸化物電導体12の薄膜との構
造を示す。第1図及び第2図に示すように、アルミン酸
ランタンの各単位セルは、1原子のランタン14、1原子
のアルミニウム16、3原子の酸素18を含む。図には単位
セルがより多くのアルミニウム及び酸素原子を含んでい
るように示されているが、これらのアルミニウム及び酸
素原子は実際には隣接する単位セルに共有されているの
である。第1図に示すように、積層ペロブスカイト銅酸
化物超電導体の各単位セルは、1原子のイットリウム2
0、2原子のバリウム22、3原子の銅24、及び7原子の
酸素18を含む。LaAlO3の格子定数が約3.80Åであり積層
ペロブスカイト銅酸化物超電導体の格子定数が約3.85Å
であるために、及び2つの化合物の結晶構造が精密に整
合しているために、積層ペロブスカイト銅酸化物超電導
体の結晶はアルミン酸ランタンの結晶に順応し、大きい
超電導電流を第1図に示す矢印26の方向に流す。
第1図に示すように、積層ペロブスカイト銅酸化物超
電導体は、銅24の原子及び酸素18の原子の層が、化合物
内の他の元素を含む層の間に挟まれている。若干の銅・
酸素層は原子の面を含み、他の層は銅及び酸素原子が交
互する連鎖を含む。銅及び酸素原子を含む層は、この化
合物の超電導電気特性を決定する重要な層である。銅・
酸素層が単位セル内で非対称的に位置しているために、
この化合物はその電気的特性の全てにおいて異方性であ
る。これが、この超電導体の電流輸送能力がその配向が
強く依存する所以である。
積層ペロブスカイト銅酸化物超電導体の異方性だけが
これらの化合物の複雑な化学及び構造によって生ずる問
題ではない。各化合物は化学的に反応性の成分、特定的
にはバリウムを含み、これは他の物質と強く反応する。
更にこれらの化合物は、銅・酸素層内に充分な酸素を取
り入れて適切な結晶構造を得るために、700乃至950℃の
範囲の極めて高い温度で形成しなければならない。これ
らの高温は、薄膜を沈積せしめる時にサブストレートと
の化学反応問題を悪化させる。サブストレート材料とし
てのLaAlO3の主な長所の1つは、LaAlO3が超電導体と重
大な相互作用を起さないことである。更に、LaAlO3は、
その絶縁特性を失うまでに大量の化学的置換を受けなけ
ればならない。
LaAlO3の別の長所は、LaAlO3の高周波特性である。La
AlO3の誘電定数は20より小さく、SrTiO3の誘電定数が室
温で300、4.2゜K(液体ヘリウム温度)において18,000
であるのと対照的である。LaAlO3の損失正接は77゜Kに
おいて8×10-5であり、また4.2゜Kにおいて5×10-6
あって、これはサファイアの損失正接に比肩し得る。
第3図、第4図及び第5図は、積層ペロブスカイト銅
酸化物超電導体の薄膜で製造された若干のマイクロ波回
路素子のサブストレートとして、及び絶縁層としてのLa
AlO3の使用を示す。第3図はジョセフソン接合30を示
し、第4図は共面導波器32を示し、そして第5図はマイ
クロストリップ伝送ライン34を示す。第3図に示すよう
に、超電導エレクトロニクスの基本的ビルディングブロ
ックであるジョセフソン接合30は、LaAlO3サブストレー
ト36、サブストレート36上に沈積せしめた積層ペロブス
カイト銅酸化物超電導体の薄膜38、超電導体膜38上に沈
積せしめたLaAlO3の極めて薄い絶縁膜40、及び絶縁膜40
上に沈積せしめた積層プロブスカイト銅酸化物超電導体
の別の薄膜42を含む。2つの超電導膜38、42はジョセフ
ソン接合30の電極であり、絶縁膜40はトンネル効果を生
じせめるための障壁である。トンネル効果を発生させる
ためには、絶縁膜40は20乃至30Å程度に極めて薄くしな
ければならない。
第4図に示す共面導波器32はLaAlO3サブストレート44
を含み、このサブストレート44上に、巾の狭い積層プロ
ブスカイト銅酸化物超電導体の薄膜46と、この薄膜46の
両側に巾の広い2つの積層プロブスカイト銅酸化物超電
導体の薄膜48とが沈積せしめられている。狭い超電導膜
46は導波器32の導体であり、2つの広い超電導膜48は導
波器32の壁である。
第5図に示すマイクロストリップ伝送ライン34はLaAl
O3サブストレート50を含み、このサブストレート50上に
積層プロブスカイト銅酸化物超電導体の薄膜52が沈積せ
しめられ、この超電導膜52上にLaAlO3の絶縁用薄膜54が
沈積せしめられ、更に絶縁膜54上に積層ペロブスカイト
超電導体の巾の狭い薄膜56が沈積せしめられている。超
電導体膜52はマイクロストリップ伝送ライン34のグラウ
ンドプレーンであり、絶縁膜54は誘電体であり、超電導
体膜56は導体である。このデバイスにおいては、絶縁膜
54は、ジョセフソン接合30の場合の数十Åとは異なり、
数千Å厚である。マイクロストリップ伝送ライン34は殆
んど分散されず、低損失で高周波電気信号を輸送する。
アルミン酸ランタンの絶縁用薄膜及び積層プロブスカ
イト銅酸化物超電導体の薄膜は、2つの基本プロセス
(両者共周知である)の一方によってLaAlO3サブストレ
ート上に沈積せしめることができる。プロセスの一方は
超電導体化合物から開始され、次でこの化合物を若干の
方法の1つによってサブストレート上に沈積せしめる。
他方のプロセスは構成元素から開始され、実際の化合物
をサブストレート上に形成させる。前者のプロセスは遂
行するのが最も容易であり、化合物のペレットから開始
される。ペレットは遊離した超電導体材料がサブストレ
ート上に着床し、薄膜の被膜を形成するように霧化され
る。ペレットは、例えばレーザ(レーザアブレーショ
ン)、アルゴンのような非反応性ガスのイオン流(スパ
ッタ沈積)、或は蒸気噴霧ノズルを使用して霧化でき
る。
以上の説明から、本発明が超電導体の分野に重要な前
進をもたらすことが理解されよう。本発明の若干の好ま
しい実施例を説明したが、本発明の思想及び範囲から逸
脱することなく他の適用及び変更が可能であることが明
白であろう。例えば、積層ペロブスカイト銅酸化物超電
導体の格子定数の数%以内の格子定数を有するクロム酸
希土類及び他のアルミン酸希土類も、これらの化合物が
超電導体と重大な相互作用を起さず、良好な高周波特性
を有し、また非強磁性及び非強誘電性であれば、適当な
サブストレートである。
【図面の簡単な説明】
第1図はY1Ba2Cu3O7で表わされる積層ペロブスカイト銅
酸化物超電導体の薄膜を沈積せしめたアルミン酸ランタ
ン(LaAlO3)の結晶構造を示す図であり、 第2図はアルミン酸ランタンの単位セル構造を示す図で
あり、 第3図は本発明によるジョセフソン接合の部分断面図で
あり、 第4図は本発明による共面導波器の部分断面図であり、 第5図は本発明によるマイクロストリップ伝送ラインの
部分断面図である。 10,36,44,50……サブストレート、 12,38,42,46,48,52,56……積層ペロブスカイト銅酸化物
超電導体、14……ランタン、16……アルミニウム、18…
…酸素、20……イットリウム、22……バリウム、24……
銅、26……超電導電流方向、30……ジョセフソン接合、
32……共面導波器、34……マイクロストリップ伝送ライ
ン、40,54……絶縁膜。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 クリスチン エリザベス プラット アメリカ合衆国 カリフォルニア州 エ ルゼグンド ピーオーボックス 161 (72)発明者 アルフレッド ユイナム リー アメリカ合衆国 カリフォルニア州 90505 トランス マカフィー ロード 4612 (72)発明者 グレゴリー スティーヴン リー アメリカ合衆国 カリフォルニア州 90025 ウェスト ロサンゼルス フェ デラル アベニュー 17‐1517 (56)参考文献 特開 平2−275685(JP,A) 特開 昭64−17314(JP,A)

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】アルミン酸ランタン(LaAlO3)のウェーハ
    からなる、積層ペロブスカイト銅酸化物超電導体の薄膜
    を沈積させるためのサブストレート。
  2. 【請求項2】アルミン酸ランタン(LaAlO3)のサブスト
    レート上に積層ペロブスカイト銅酸化物超電導体の薄膜
    を沈積せしめる段階からなるサブストレート上に該超電
    導体の薄膜を形成する方法。
  3. 【請求項3】アルミン酸ランタン(LaAlO3)のサブスト
    レート、及び LaAlO3のサブストレート上に沈積せしめた1或いはそれ
    以上の、積層ペロブスカイト銅酸化物超電導体を含む薄
    膜 からなる超電導マイクロ波回路素子。
  4. 【請求項4】超電導体を含む薄膜が: サブストレート上に沈積せしめた第1の積層ペロブスカ
    イト銅酸化物超電導体の薄膜; 第1の超電導体薄膜上に沈積せしめたLaAlO3の絶縁用薄
    膜;及び 絶縁用薄膜上に沈積せしめた第2の積層ペロブスカイト
    銅酸化物超電導体の薄膜を含み; 第1、第2の2つの超電導体の薄膜をジョセフソン接合
    の電極とし、絶縁用薄膜をトンネル効果を生ぜしめるた
    めの障壁とした 請求項3記載の超電導マイクロ波回路素子。
  5. 【請求項5】超電導体を含む薄膜が: サブストレート上に沈積せしめた積層ペロブスカイト銅
    酸化物超電導体の狭い薄膜;及び 超電導体の狭い薄膜の両側のサブストレート上に沈積せ
    しめた積層ペロブスカイト銅酸化物超電導体の2つの巾
    広い薄膜 を含み; 超電導体の狭い薄膜を共面導波器を導体とし、超電導体
    の2つの巾広い薄膜を導波器の壁とした請求項3記載の
    超電導マイクロ波回路素子。
  6. 【請求項6】超電導体を含む薄膜が: サブストレート上に沈積せしめた第1の積層ペロブスカ
    イト銅酸化物超電導体の薄膜; 第1の超電導体の薄膜上に沈積せしめたLaAlO3の絶縁用
    薄膜;及び 絶縁用薄膜上に沈積せしめた第2の積層ペロブスカイト
    銅酸化物超電導体の狭い薄膜 を含み; 第1の超電導体の薄膜をマイクロストリップ伝送ライン
    のグラウンドプレーンとし、絶縁用薄膜を誘電体とし、
    第2の超電導体の狭い薄膜を導体とした請求項3記載の
    超電導マイクロ波回路素子。
  7. 【請求項7】アルミン酸ランタン(LaAlO3)のサブスト
    レートを形成し; LaAlO3のサブストレート上に1或いはそれ以上の、積層
    ペロブスカイト銅酸化物超電導体の薄膜を沈積せしめる 諸段階からなる超電導マイクロ波回路素子を製造する方
    法。
  8. 【請求項8】沈積段階が: サブストレート上に第1の積層ペロブスカイト銅酸化物
    超電導体の薄膜を沈積せしめ; 第1の超電導体の薄膜上にLaAlO3の絶縁用薄膜を沈積せ
    しめ; 絶縁用薄膜上に第2の積層ペロブスカイト銅酸化物超電
    導体の薄膜を沈積せしめる 諸段階を含み; 第1、第2の2つの超電導体の薄膜をジョセフソン接合
    の電極とし、絶縁用薄膜をトンネル効果を生ぜしめるた
    めの障壁とする 請求項7記載の超電導マイクロ波回路素子を製造する方
    法。
  9. 【請求項9】沈積段階が: サブストレート上に積層ペロブスカイト銅酸化物超電導
    体の狭い薄膜を沈積せしめ; 超電導体の狭い薄膜の両側のサブストレート上に積層ペ
    ロブスカイト銅酸化物超電導体の2つの巾広い薄膜を沈
    積せしめる 諸段を含み; 超電導体の狭い薄膜を共面導波器の導体とし、超電導体
    の2つの巾広い薄膜を導波器の壁とする 請求項7記載の超電導マイクロ波回路素子を製造する方
    法。
  10. 【請求項10】沈積段階が: サブストレート上に第1の積層ペロブスカイト銅酸化物
    超電導体の薄膜を沈積せしめ; 第1の超電導体の薄膜上にLaAlO3の絶縁用薄膜を沈積せ
    しめ; 絶縁用薄膜上に第2の積層ペロブスカイト銅酸化物超電
    導体の狭い薄膜を沈積せしめる 諸段階を含み; 第1の超電導の薄膜をマイクロストリップ伝送ラインを
    グラウンドプレーンとし、絶縁用薄膜を誘電体とし、第
    2の超電導体の狭い薄膜を導体とする 請求項7記載の超電導マイクロ波回路素子を製造する方
    法。
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