JP2871516B2 - 酸化物超伝導薄膜装置 - Google Patents

酸化物超伝導薄膜装置

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JP2871516B2
JP2871516B2 JP7062252A JP6225295A JP2871516B2 JP 2871516 B2 JP2871516 B2 JP 2871516B2 JP 7062252 A JP7062252 A JP 7062252A JP 6225295 A JP6225295 A JP 6225295A JP 2871516 B2 JP2871516 B2 JP 2871516B2
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    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10N60/01Manufacture or treatment
    • H10N60/0268Manufacture or treatment of devices comprising copper oxide
    • H10N60/0296Processes for depositing or forming copper oxide superconductor layers
    • H10N60/0576Processes for depositing or forming copper oxide superconductor layers characterised by the substrate
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  • Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)
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  • Physical Vapour Deposition (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、誘電体基板上に酸化物
超伝導薄膜が形成された酸化物超伝導薄膜装置に関する
ものである。
【0002】
【従来の技術】イットリウム系酸化物超伝導薄膜(以後
YBCO薄膜という)は高臨界電流密度、高臨界温度で
あるためジョセフソン接合素子や高周波用受動素子の材
料として有望視されている。一方、LaAlO3 材料も
比誘電率が高く、且つ誘電正接が低いことから高周波用
誘電材料として実績がある。
【0003】従って、これらを組み合わせたYBCO薄
膜/LaAlO3 単結晶基板は、周波数が数GHzレベ
ルの素子特性を大幅に向上できる可能性がある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、LaA
lO3 単結晶基板上に直接YBCO薄膜を形成した場
合、YBCO薄膜はヘテロエピタキシャル成長して単結
晶膜となるものの、基板との密着性が悪くなったり、Y
BCO中のBaが成膜中に基板に拡散してしまうといっ
た不具合が生ずる。
【0005】基板とYBCO薄膜との密着性の低下は、
デバイス形成プロセス中にYBCO薄膜の剥離を発生さ
せる。また、信頼性の低下を引き起こすことにもなる。
Baの基板中への拡散は、YBCO膜の界面近傍におけ
るBa元素の欠乏を引き起こし結晶欠陥による電気特性
の低下(例えば臨界温度の低下や臨界電流密度の低下な
ど)や最悪の場合結晶構造の変化による超伝導状態の破
壊が発生してしまう。
【0006】本発明は上記問題に鑑みてなされたもの
で、Ba元素を含むイットリウム系酸化物超伝導薄膜と
LaAlO 3 単結晶基板との密着性を高くし、酸化物超
伝導薄膜中のBa元素が誘電体基板に拡散しないように
することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項1に記載の発明においては、LaAlO 3
結晶基板とBa元素を含むイットリウム系酸化物超伝導
薄膜の間に、BaCeO 3 バッファ層を介在させてなる
酸化物超伝導薄膜装置であって、 前記LaAlO 3 単結
晶基板と前記BaCeO 3 バッファ層との界面ならびに
前記BaCeO 3 バッファ層と前記イットリウム系酸化
物超伝導薄膜との界面において形成される結晶面は、
記LaAlO 3 単結晶基板側が擬立方晶の(001)面
であり、 前記イットリウム系酸化物超伝導薄膜側が斜方
晶の(001)面であり、 前記BaCeO 3 バッファ層
側が正方晶の(112)面あるいは(200)面である
ことを特徴としている。また、請求項2に記載の発明に
おいては、前記BaCeO 3 バッファ層の厚さが、25
nm〜100nmであることを特徴としている。
【0008】
【0009】
【発明の作用効果】請求項1、2に記載の発明によれ
ば、BaCeO 3 バッファ層を、LaAlO 3 単結晶基
板と、Ba元素を含むイットリウム系酸化物超伝導薄膜
の間に介在させているから、LaAlO 3 単結晶基板
イットリウム系酸化物超伝導薄膜の密着性を向上させる
ことができ、イットリウム系酸化物超伝導薄膜の剥離を
抑えることができる。また、BaCeO 3 バッファ層が
介在しているため、イットリウム系酸化物超伝導薄膜
らのBaの拡散が抑えられ酸化物超伝導薄膜の品質を高
めることができる。
【0010】
【実施例】以下、本発明の実施例を添付図面に基づき具
体的に説明する。図1は本発明を適用したLaAlO3
基板上のYBCO薄膜の実施例を示す断面図である。図
1において、10はLaAlO3 基板、20はBaCe
3 バッファ層、30はYBCO薄膜である。BaCe
3 バッファ層の厚みは50nmとしている。この厚み
は厚くすれば格子歪みを十分に吸収できるが、厚くしす
ぎると下地のLaAlO3 基板の誘電特性に影響を及ぼ
すために25nm〜100nmが適当である。
【0011】図2は、LaAlO3 及びYBCO薄膜の
結晶の単位胞を示す斜視概略図であり、(a)はLaA
lO3 の単位胞、(b)はYBCOの単位胞を示す。L
aAlO3 は正方晶(擬立方晶)であり、a1 =b1
0.5364nm、c1 =1.311nmであるが、
(001)面はa2 =b2 =a1 /21/2 =0.379
2nmの正方形の格子が存在しているとみなすことがで
きる。一方、YBCOは斜方晶であり、a3 =0.38
20nm、b3 =0.3886nm、c 3 =1.169
nmである。a2 (=b2 )の値はa3 及びb3 と近い
ため(格子不整合率<1%)、LaAlO3 上にYBC
Oがエピタキシャル成長することができる。
【0012】図3は、バッファ層として用いるBaCe
3 結晶の単位胞を示す斜視概略図である。BaCeO
3 は正方晶であり、a4 =b4 =0.6212nm、c
4 =0.8804nmである。図3において、201は
Ba原子、202は酸素原子、203はCe原子であ
り、211は(112)結晶面、212は(200)結
晶面である。この2つの結晶面がLaAlO3 及びYB
COとの界面に形成される面となる。
【0013】図4は、BaCeO3 の(112)面とL
aAlO3 あるいはYBCOの(001)面により形成
される界面における原子配列の相対的な位置関係を示す
模式平面図である。図4において、211はBaCeO
3 の(112)面であり、この面内に201のBa原
子、202の酸素原子、203のCe原子が存在する。
1 及びd2はBaCeO3 の(112)面の基本格子
の寸法を示し、d1 =1.2437nm、d2 =0.4
393nmとなる。
【0014】一方、213がLaAlO3 あるいはYB
COの(001)面であり、204はそれらの構成原子
である。d3 及びd4 はLaAlO3 あるいはYBCO
の格子定数に最も近くなるような基本格子の寸法であ
り、d3 =0.3807nm、d4 =0.3588nm
となる。d4 の値はYBCOの格子定数b3 =0.38
86nmと比較して約7%の格子不整合率となるがエピ
タキシャル成長は可能である。
【0015】図5は、BaCeO3 の(200)面とL
aAlO3 あるいはYBCOの(001)面により形成
される界面における原子配列の相対的な位置関係を示す
模式平面図である。図5において、212はBaCeO
3 の(200)面であり、この面内に201のBa原
子、202の酸素原子、203のCe原子が存在する。
5 及びd6はBaCeO3 の(200)面の基本格子
の寸法を示し、d5 =0.3106nm、d6 =0.4
402nmとなる。
【0016】一方、213がLaAlO3 あるいはYB
COの(001)面であり、204はそれらの構成原子
である。d7 及びd8 はLaAlO3 あるいはYBCO
の格子定数に最も近くなるような基本格子の寸法であ
り、d7 =0.3807nm、d8 =0.3587nm
となる。d8 の値はd4 の場合と同様にYBCOの格子
定数b3 =0.3886nmと比較して約7%の格子不
整合率となるがエピタキシャル成長は可能である。
【0017】従って、BaCeO3 バッファ層20の基
本格子とLaAlO3 基板の基本格子との格子不整合率
およびBaCeO3 バッファ層20の基本格子とYBC
O薄膜の基本格子との格子不整合率がいずれも10%以
下であるため、LaAlO3基板上にBaCeO3 バッ
ファ層20をエピタキシャル成長させ、さらにその上に
YBCO薄膜をエピタキシャル成長させることができ
る。
【0018】また、YBCO薄膜/LaAlO3 基板に
おいてYBCO薄膜30とLaAlO3 基板10の間に
BaCeO3 バッファ層20を介在させることにより、
BaCeO3 バッファ層20の表面の濡れ性が向上し、
YBCOの結晶が膜の面内方向へも十分に成長できるた
めYBCO膜表面のモホロジーが改善される。この膜表
面のモホロジー改善により、デバイス形成におけるフォ
トリソグラフィー時の寸法精度を良好にするとともに、
超伝導材料に電流が流れる場合の電流経路を十分確保し
て十分な電流を流すことができる。
【0019】また、LaAlO3 基板10とYBCO薄
膜30の密着性が向上し、プロセス途中でのYBCO薄
膜30の剥離を抑えることができ、信頼性を向上させる
ことができる。さらに、Baがバッファ層30に存在し
ているためにYBCO薄膜30からのBaの拡散が抑え
られ高品質のYBCO薄膜を形成することが可能とな
る。
【0020】なお、本実施例において誘電体基板材料と
してLaAlO3 を用いるものを示したが、バッファ層
及び酸化物超伝導薄膜がエピタキシャル成長できる材料
であれば他の材料を用いても良い。また、酸化物超伝導
薄膜においてもYBCOに限らず、構成元素にBaを含
む材料であれば他の材料を用いてもよい。さらに、バッ
ファ層としてBaCeO3 を用いるものを示したが、B
a元素が構成元素の1つである他の材料、例えばチタン
酸バリウム(BaTiO3 )、酸化バリウム(BaO)
等を用いるようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【図1】LaAlO3 基板とYBCO薄膜の間にBaC
eO3 バッファ層20を介在させた実施例を示す断面図
である。
【図2】LaAlO3 及びYBCO薄膜の結晶の単位胞
を示す斜視概略図である。
【図3】BaCeO3 結晶の単位胞を示す斜視概略図で
ある。
【図4】BaCeO3 の(112)面とLaAlO3
るいはYBCOの(001)面により形成される界面に
おける原子配列の相対的な位置関係を示す模式平面図で
ある。
【図5】BaCeO3 の(200)面とLaAlO3
るいはYBCOの(001)面により形成される界面に
おける原子配列の相対的な位置関係を示す模式平面図で
ある。
【符号の説明】
10…LaAlO3 基板、20…BaCeO3 バッファ
層、30…YBCO薄膜。
フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI H01L 39/24 ZAA H01L 39/24 ZAAF (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 39/00 H01L 39/02 C30B 29/22 H01L 39/22 H01L 39/24

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 LaAlO 3 単結晶基板とBa元素を含
    イットリウム系酸化物超伝導薄膜の間に、BaCeO
    3 バッファ層を介在させてなる酸化物超伝導薄膜装置で
    あって、 前記LaAlO 3 単結晶基板と前記BaCeO 3 バッフ
    ァ層との界面ならびに前記BaCeO 3 バッファ層と前
    記イットリウム系酸化物超伝導薄膜との界面において形
    成される結晶面は、 前記LaAlO 3 単結晶基板側が擬立方晶の(001)
    面であり、 前記イットリウム系酸化物超伝導薄膜側が斜方晶の(0
    01)面であり、 前記BaCeO 3 バッファ層側が正方晶の(112)面
    あるいは(200)面である ことを特徴とする酸化物超
    伝導薄膜装置。
  2. 【請求項2】 前記BaCeO 3 バッファ層の厚さは、
    25nm〜100nmであることを特徴とする請求項1
    に記載の酸化物超伝導薄膜装置。
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