JP2720660B2 - 超電導配線 - Google Patents

超電導配線

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JP2720660B2
JP2720660B2 JP3272159A JP27215991A JP2720660B2 JP 2720660 B2 JP2720660 B2 JP 2720660B2 JP 3272159 A JP3272159 A JP 3272159A JP 27215991 A JP27215991 A JP 27215991A JP 2720660 B2 JP2720660 B2 JP 2720660B2
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博史 稲田
道朝 飯山
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Sumitomo Electric Industries Ltd
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02E40/60Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

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  • Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)
  • Superconductors And Manufacturing Methods Therefor (AREA)
  • Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、超電導配線に関する。
より詳細には、c軸配向の酸化物超電導薄膜で構成され
た第1の超電導電線路と、a軸配向の酸化物超電導薄膜
で構成された第2の超電導電線路を具備する超電導電界
効果型素子に関する。
【0002】
【従来の技術】超電導体の電子機器への応用は、大きく
分けて2種類ある。即ち、超電導体を使用し、従来の半
導体素子とは異なる原理で動作する超電導素子と、電子
機器内の電線路に超電導体を使用する超電導配線であ
る。現在使用されている半導体素子を超電導素子に置き
換えることにより、電子機器の飛躍的な高性能化が可能
であると考えられている。超電導素子を、超電導配線と
組み合わせて使用するとより高い効果が得られ、一方、
超電導配線だけでも電子機器を高速化できることがわか
っている。特に、信号線路に超電導電線路を使用する
と、従来よりも高い周波数の信号を伝送することが可能
であり、これが電子機器の高速化につながる。また、信
号の減衰も少なくなるので、増幅器等を減らすことがで
き、消費電力を減少させる効果もある。
【0003】一方、近年、臨界温度が高い酸化物超電導
体の研究が進み、従来の金属超電導体に加えて酸化物超
電導体が実用化されつつある。酸化物超電導体は非常に
種類が多いが、代表的なものとしては、臨界温度が80K
前後のY1Ba2Cu37-X系酸化物超電導体、臨界温度が10
0 K前後のBi2Sr2Ca2Cu3y系酸化物超電導体、臨界温
度が120 K前後のTl2Ba2Ca2Cu3z 系酸化物超電導体等
がある。いずれの酸化物超電導体も金属超電導体の臨界
温度よりもかなり高い臨界温度を有する。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】酸化物超電導体は、超
電導特性に結晶異方性があることが知られており、特
に、臨界電流密度Jc は酸化物超電導体結晶のc軸に垂
直な方向が最大であることが知られている。従って、酸
化物超電導体を超電導配線に使用する場合、電流が流れ
る方向に、酸化物超電導体結晶の臨界電流密度が最大で
ある方向を一致させて、超電導配線を形成している。
【0005】図2に酸化物超電導体を使用した超電導配
線の一例の断面図を示す。図2の超電導配線は、集積回
路等で使用される2層配線を酸化物超電導体で形成した
ものであり、基板10上に形成され、間に絶縁層4が配置
されている下層の超電導電線路1と上層の超電導電線路
2とが超電導層間配線3により接続されている。超電導
電線路1および2には水平方向の超電導電流が流れる。
従って、超電導電線路1および2には水平方向により大
きな電流を流すことができるc軸配向の酸化物超電導薄
膜が使用される。それに対し、超電導層間配線3には、
垂直方向の超電導電流が流れるので、超電導層間配線3
はa軸配向(またはb軸配向、以下本明細書ではより一
般的なa軸配向に代表させて記述する)の酸化物超電導
薄膜で構成されている。
【0006】上記のように超電導電線路1および2と、
超電導層間配線3とで配向性の異なる酸化物超電導薄膜
を使用すると、それぞれの界面11、12、21および22が結
晶粒界となって不具合が生じる。例えば、界面の結晶粒
界が超電導接合となっている場合には、界面にはトンネ
ル電流しか流れないので電流容量が制限される。また、
界面の超電導接合により入出力特性が非線型となる。界
面が超電導接合ではない場合でも、界面の電気抵抗によ
りジュール熱が発生し、超電導配線の超電導性が失われ
たり、超電導電線路と超電導層間配線とが相互に影響し
あって互いの組成が劣化することがある。
【0007】超電導電線路と、超電導層間配線との界面
で上記のような不具合を発生させないために、界面にA
u、Ag等の貴金属層を形成し、界面が酸化物超電導体の
結晶粒界にならないようにすることが提案されている。
しかしながら、Au、Ag等の貴金属層は電気抵抗を有する
ので、やはりジュール熱が発生し、超電導配線の超電導
性が失われることがある。
【0008】そこで本発明の目的は、上記従来技術の問
題点を解決した超電導配線を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明に従うと、c軸配
向の酸化物超電導体結晶からなる酸化物超電導薄膜で構
成された第1の超電導電線路と、該第1の超電導配線に
電気的に接続されたa軸配向の酸化物超電導体結晶から
なる酸化物超電導薄膜で構成された第2の超電導電線路
とを具備する超電導配線において、前記第1の超電導電
線路と前記第2の超電導電線路との間に、酸化物超電導
体が長距離近接効果を示す酸化物半導体で構成されたバ
ッファ層を具備することを特徴とする超電導配線が提供
される。
【0010】
【作用】本発明の超電導配線は、c軸配向の酸化物超電
導薄膜で構成された第1の超電導電線路と、a軸配向の
酸化物超電導薄膜で構成された第2の超電導電線路との
間に酸化物超電導体が長距離近接効果を示す酸化物半導
体で構成されたバッファ層を具備するところにその主要
な特徴がある。本発明の超電導配線は、このバッファ層
によりc軸配向の酸化物超電導薄膜で構成された第1の
超電導電線路と、a軸配向の酸化物超電導薄膜で構成さ
れた第2の超電導電線路との間の界面が、酸化物超電導
体の結晶粒界ではないので、従来の超電導配線の上記界
面における各種の不具合が抑えられる。
【0011】酸化物超電導体の長距離近接効果というの
は、一対の酸化物超電導体の間に特定の絶縁体または半
導体を挟んだ場合には、通常よりもかなり広い間隔の酸
化物超電導体間を超電導電流が流れる現象である。本発
明の超電導配線のバッファ層として使用するのは、上記
の長距離近接効果を示す酸化物半導体であり、例えば、
La1.5Ba1.5Cu37-y、La1.5Ca1.5Mn37-z等が好まし
い。これらの酸化物半導体は、いずれも組成が酸化物超
電導体に近いので、酸化物超電導薄膜中に拡散しても酸
化物超電導薄膜の特性を劣化させることがない。また、
第1の超電導電線路と、第2の超電導電線路との間に上
記の半導体によるバッファ層を形成すると、第1および
第2の超電導電線路の異方性は補償される。また、本発
明の超電導配線において、上記の半導体によるバッファ
層には長距離近接効果により超電導電流が流れる。従っ
て、上記の半導体によるバッファ層を形成しても、超電
導配線の本来の特性はなんら低下しない。
【0012】本発明の超電導配線では、上記のバッファ
層の厚さは50〜500 nm程度が好ましい。バッファ層の厚
さが50nm未満の場合はバッファ層の効果が十分ではな
く、バッファ層の厚さが500 nmを超えるとバッファ層中
に超電導電流が流れ難くなるからである。この場合、上
記のバッファ層の厚さは、第1および第2の超電導配線
の間のバッファ層の厚さを意味している。
【0013】本発明は、任意の酸化物超電導体に適用で
きるが、Y1Ba2Cu37-X系酸化物超電導体は安定的に高
品質の結晶性のよい薄膜が得られるので好ましい。ま
た、Bi2Sr2Ca2Cu3x 系酸化物超電導体は、特にその超
電導臨界温度Tc が高いので好ましい。
【0014】以下、本発明を実施例によりさらに詳しく
説明するが、以下の開示は本発明の単なる実施例に過ぎ
ず、本発明の技術的範囲をなんら制限するものではな
い。
【0015】
【実施例】本発明の超電導配線を作製した。図1を参照
して、その工程を説明する。まず、図1(a)に示すよう
なSrTiO3(110)基板10上に図1(b)に示すようc軸
配向のY1Ba2Cu37-X酸化物超電導薄膜の第1の超電導
電線路1、SrTiO3 絶縁層4およびc軸配向のY1Ba2Cu
37-X酸化物超電導薄膜の第2の超電導電線路2を順に
積層する。c軸配向のY1Ba2Cu37-X酸化物超電導薄膜
の成膜方法としては、各種のスパッタリング法、MBE
法、真空蒸着法、CVD法等任意の方法が使用可能であ
る。スパッタリング法で成膜を行う際の主な成膜条件を
以下に示す。 基板温度 700℃ スパッタリングガス Ar 90 % O2 10 % 圧力 5×10-2Torr 膜厚 400nm また、基板10および絶縁層4には、SrTiO3 に替えてMg
Oを使用することもできる。
【0016】次に、図1(c)に示すよう第1および第2
の超電導電線路を接続する超電導層間配線を形成する部
分30をCl系のガスによる反応性イオンエッチングで加工
し、図1(d)に示すよう、La1.5Ba1.5Cu37-y酸化物半
導体層5をスパッタリング法により積層する。La1.5Ba
1.5Cu37-yに替えて、La1.5Ca1.5Mn37-zを使用して
もよい。スパッタリング法でLa1.5Ba1.5Cu37-y酸化物
半導体層を形成する際の主な条件を以下に示す。 基板温度 700℃ スパッタリングガス Ar 50 % O2 50 % 圧力 5×10-2Torr 膜厚 100nm
【0017】最後に図1(e)に示すようa軸配向Y1Ba2C
u37-X酸化物超電導薄膜により、超電導層間配線3を
形成して、本発明の超電導配線が完成する。a軸配向Y
1Ba2Cu37-X酸化物超電導薄膜をMBE法で成膜する際
の主な成膜条件を以下に示す。 基板温度 630℃ 圧力 5×10-5Torr 膜厚 400nm
【0018】上記本発明の超電導配線では、超電導電線
路1および2と、超電導層間配線3との間にLa1.5Ba1.5
Cu37-y層5が形成されている。La1.5Ba1.5Cu37-y
接する酸化物超電導体は長距離近接効果を示すので、超
電導電線路1および2と、超電導層間配線3との間には
超電導電流が流れる。また、超電導電線路1および2と
La1.5Ba1.5Cu37-y層5との界面および超電導配線3と
La1.5Ba1.5Cu37-y層5との界面はいずれも良好に形成
されており、超電導接合、抵抗成分等は一切存在しな
い。従って、本発明の超電導配線は、良好な特性を有す
る。
【0019】
【発明の効果】以上説明したように、本発明に従えば、
高性能な超電導配線が提供される。本発明の超電導電界
効果型素子は、配向性の異なる酸化物超電導体で構成さ
れた超電導電線路同士が直接接触せず、長距離近接効果
を示す半導体によるバッファ層を介している。従って、
配向性の異なる酸化物超電導体で構成された超電導電線
路間の界面で、超電導接合が生じたり、抵抗成分が発生
する等の不具合がない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の超電導配線を作製する工程を説明する
図である。
【図2】超電導配線の構成を説明する図である。
【符号の説明】
1、2 超電導電線路 3 超電導層間配線 4 絶縁層

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 c軸配向の酸化物超電導体結晶からなる
    酸化物超電導薄膜で構成された第1の超電導電線路と、
    該第1の超電導配線に電気的に接続されたa軸配向の酸
    化物超電導体結晶からなる酸化物超電導薄膜で構成され
    た第2の超電導電線路とを具備する超電導配線におい
    て、前記第1の超電導電線路と前記第2の超電導電線路
    との間に、酸化物超電導体が長距離近接効果を示す酸化
    物半導体で構成されたバッファ層を具備することを特徴
    とする超電導配線。
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