JP3355371B2 - 超電導体多層構造体およびその製造方法ならびに超電導体装置 - Google Patents
超電導体多層構造体およびその製造方法ならびに超電導体装置Info
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Landscapes
- Physical Vapour Deposition (AREA)
- Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
- Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)
- Superconductors And Manufacturing Methods Therefor (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は，超電導体多層構造
体およびその製造方法ならびに超電導体装置に関するも
のである。
体およびその製造方法ならびに超電導体装置に関するも
のである。
【０００２】地球環境計測や電波天文学の分野におい
て，ＴＨｚ周波数領域での受信機および発振器の開発が
望まれている。これらの装置は入出力部とＴＨｚ素子と
の結合回路を低損失材料で構成する必要があるため、低
損失である超電導材料の導入が求められている。
て，ＴＨｚ周波数領域での受信機および発振器の開発が
望まれている。これらの装置は入出力部とＴＨｚ素子と
の結合回路を低損失材料で構成する必要があるため、低
損失である超電導材料の導入が求められている。
【０００３】
【従来の技術】ＴＨｚ周波数領域での発振器もしくは検
出器の材料として窒化ニオブ（ＮｂＮ）がある。単結晶
ＮｂＮは良好な超電導特性が得られるが（Ｔｃ＝１６
Ｋ，ρ＝６０μΩｃｍ，ｆｇ＝１．３ＴＨｚ），Ｓｉ
Ｏ，ＳｉＯ2 等に結晶成長させた時，多結晶化し，損失
が増大する。
出器の材料として窒化ニオブ（ＮｂＮ）がある。単結晶
ＮｂＮは良好な超電導特性が得られるが（Ｔｃ＝１６
Ｋ，ρ＝６０μΩｃｍ，ｆｇ＝１．３ＴＨｚ），Ｓｉ
Ｏ，ＳｉＯ2 等に結晶成長させた時，多結晶化し，損失
が増大する。
【０００４】これに対して，ＮｂＮは酸化マグネシウム
（ＭｇＯ）基板上では良好な単結晶の超電導体層が得ら
れるので，中間層に薄いＭｇＯ層を介したＮｂＮ／Ｍｇ
Ｏ／ＮｂＮのヘテロエピタキシャル成長した三層構造体
が知られている。
（ＭｇＯ）基板上では良好な単結晶の超電導体層が得ら
れるので，中間層に薄いＭｇＯ層を介したＮｂＮ／Ｍｇ
Ｏ／ＮｂＮのヘテロエピタキシャル成長した三層構造体
が知られている。
【０００５】図９は従来のＮｂＮ／ＭｇＯ／ＮｂＮの三
層構造体を示す。
層構造体を示す。
【０００６】図９は誘電体層（ＭｇＯ）を高周波スパッ
タリング（ＲＦスパッタリング）により形成した例を示
す。
タリング（ＲＦスパッタリング）により形成した例を示
す。
【０００７】図９において，１０はＭｇＯの単結晶基板
である。１１は単結晶のＮｂＮ層（厚さ数百ｎｍ）であ
る。１２は高周波スパッタリングで形成した単結晶の薄
いＭｇＯ層（厚さ１〜３ｎｍ）である。１３は単結晶の
ＮｂＮ層（厚さ１８０ｎｍ）である。
である。１１は単結晶のＮｂＮ層（厚さ数百ｎｍ）であ
る。１２は高周波スパッタリングで形成した単結晶の薄
いＭｇＯ層（厚さ１〜３ｎｍ）である。１３は単結晶の
ＮｂＮ層（厚さ１８０ｎｍ）である。
【０００８】図９のように，ＮｂＮ／ＭｇＯ／ＮｂＮの
三層構造のＭｇＯ層を高周波スパッタリングにより薄い
層で構成した場合には，その上のＮｂＮも良好な単結晶
層が得られ，ＮｂＮ／ＭｇＯ／ＮｂＮの三層構造のヘテ
ロエピタキシャル単結晶の多層構造体を得ることができ
る。
三層構造のＭｇＯ層を高周波スパッタリングにより薄い
層で構成した場合には，その上のＮｂＮも良好な単結晶
層が得られ，ＮｂＮ／ＭｇＯ／ＮｂＮの三層構造のヘテ
ロエピタキシャル単結晶の多層構造体を得ることができ
る。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】ＳＩＳ等の超電導素子
をＴＨｚ領域の発振素子，ＴＨｚ領域の電磁波の検出素
子として使用するためには低損失のストリップラインに
よるインピーダンス整合器を用いて信号の入出力をはか
る方法があるが，ＮｂＮ／ＭｇＯ／ＮｂＮ等の超電導体
／誘電体／超電導体の多層構造体をストリップラインに
使用することができる（図８（ａ）参照）。
をＴＨｚ領域の発振素子，ＴＨｚ領域の電磁波の検出素
子として使用するためには低損失のストリップラインに
よるインピーダンス整合器を用いて信号の入出力をはか
る方法があるが，ＮｂＮ／ＭｇＯ／ＮｂＮ等の超電導体
／誘電体／超電導体の多層構造体をストリップラインに
使用することができる（図８（ａ）参照）。
【００１０】しかし，実際には，図９に示すようにヘテ
ロエピタキシャル構造の超電導体／誘電体／超電導体の
多層構造を作成しようとすると，ＭｇＯの誘電体層１２
は高周波スパッタリングにより数ｎｍの薄い層でしか形
成することができなかった。そのため，三層構造のスト
リップラインの容量成分が大きくなり，ＳＩＳ素子の出
力インピーダンスとストリップラインのインピーダンス
整合をとることができなかった。
ロエピタキシャル構造の超電導体／誘電体／超電導体の
多層構造を作成しようとすると，ＭｇＯの誘電体層１２
は高周波スパッタリングにより数ｎｍの薄い層でしか形
成することができなかった。そのため，三層構造のスト
リップラインの容量成分が大きくなり，ＳＩＳ素子の出
力インピーダンスとストリップラインのインピーダンス
整合をとることができなかった。
【００１１】超電導素子との整合をとるためには，超電
導体多層構造体で構成したストリップラインの誘電体層
の厚さを厚くして，容量成分を小さくする必要がある。
導体多層構造体で構成したストリップラインの誘電体層
の厚さを厚くして，容量成分を小さくする必要がある。
【００１２】図１を説明する前に，図２，図３により発
明が解決しようとする課題を説明する。
明が解決しようとする課題を説明する。
【００１３】図２は発明が解決しようとする課題の説明
図（１）である。
図（１）である。
【００１４】そこで，本発明者等は，図２（ａ）に示す
ように，ＭｇＯ層を直流反応性スパッタリングにより厚
く形成した場合に，その上に形成した誘電体層の厚さと
その上の超電導体層（ＮｂＮ）の臨界温度と抵抗率との
関係を実験により測定した。
ように，ＭｇＯ層を直流反応性スパッタリングにより厚
く形成した場合に，その上に形成した誘電体層の厚さと
その上の超電導体層（ＮｂＮ）の臨界温度と抵抗率との
関係を実験により測定した。
【００１５】図２（ａ）は測定した多層構造体を示す。
図２（ａ）において，２１はＭｇＯ（１００）基板であ
る。２２は直流反応性スパッタリングにより形成したＭ
ｇＯ層である（厚さをｔとする）。２３は直流反応性ス
パッタリングより生成したＭｇＯ層の上に形成したＮｂ
Ｎ層（厚さ１８０ｎｍ）である。
図２（ａ）において，２１はＭｇＯ（１００）基板であ
る。２２は直流反応性スパッタリングにより形成したＭ
ｇＯ層である（厚さをｔとする）。２３は直流反応性ス
パッタリングより生成したＭｇＯ層の上に形成したＮｂ
Ｎ層（厚さ１８０ｎｍ）である。
【００１６】図２（ｂ）は，ＭｇＯ層を直流反応性スパ
ッタリングにより層厚を変化させた時と，高周波スパッ
タリングにより層厚を変化させた時とで，その上に形成
した誘電体層の厚さと超電導体層（ＮｂＮ）の臨界温度
と抵抗率がどのように変化するかを表わす。
ッタリングにより層厚を変化させた時と，高周波スパッ
タリングにより層厚を変化させた時とで，その上に形成
した誘電体層の厚さと超電導体層（ＮｂＮ）の臨界温度
と抵抗率がどのように変化するかを表わす。
【００１７】図２（ｂ）に示されるように，直流反応性
スパッタリングによりＭｇＯを生成した場合には，その
層厚を厚くしてもその上に生成したＮｂＮ層の臨界温度
と抵抗率がほぼ一定で良好なＮｂＮの単結晶層が得られ
ることが確認された。
スパッタリングによりＭｇＯを生成した場合には，その
層厚を厚くしてもその上に生成したＮｂＮ層の臨界温度
と抵抗率がほぼ一定で良好なＮｂＮの単結晶層が得られ
ることが確認された。
【００１８】これに対して，高周波スパッタリングより
ＭｇＯを生成した場合には，その層を厚くすると，その
上に生成したＮｂＮの臨界温度は低くなり，抵抗率は大
きくなり，ストリップラインを形成するためには好まし
くないものであることが実験的に確認できた。
ＭｇＯを生成した場合には，その層を厚くすると，その
上に生成したＮｂＮの臨界温度は低くなり，抵抗率は大
きくなり，ストリップラインを形成するためには好まし
くないものであることが実験的に確認できた。
【００１９】このことから，直流反応性スパッタリング
により形成した厚い誘電体層をもつ超電導体層／誘電体
層／超電導体層の多層構造体を誘電体層を直流反応性ス
パッタリングにより形成することにより誘電体層が厚く
ても，その上に良好な臨界温度，抵抗率の特性をもつ超
電導体多層構造体が得られ，図８（ａ）に示されるよう
に超電導体装置（後述する）のインピーダンス整合器を
構成するためのストリップラインに使用できることが示
された。
により形成した厚い誘電体層をもつ超電導体層／誘電体
層／超電導体層の多層構造体を誘電体層を直流反応性ス
パッタリングにより形成することにより誘電体層が厚く
ても，その上に良好な臨界温度，抵抗率の特性をもつ超
電導体多層構造体が得られ，図８（ａ）に示されるよう
に超電導体装置（後述する）のインピーダンス整合器を
構成するためのストリップラインに使用できることが示
された。
【００２０】図３は発明が解決しようとする課題の説明
図（２）である。
図（２）である。
【００２１】図３（ａ）は単結晶の誘電体層（ＭｇＯ）
を直流反応性スパッタリング（ＤＣスパッタリング）で
形成したものである。図３（ａ）において，３０はＭｇ
Ｏの単結晶基板である。３１は単結晶のＮｂＮ層（厚さ
１１ｎｍ）である（実際に装置に応用する超電導体多層
構造にする場合には，第一超電導体層３１の厚さは数百
ｎｍ程度に厚く形成するが，本実施の形態では，Ｘ線回
折測定において第二超電導体層の回折結果が明瞭にあら
われるように薄く形成した）。３２は直流反応性スパッ
タリングで形成した単結晶の厚いＭｇＯ層（厚さ９０ｎ
ｍ）である。３３は単結晶のＮｂＮ層（厚さ１８０ｎ
ｍ）である。
を直流反応性スパッタリング（ＤＣスパッタリング）で
形成したものである。図３（ａ）において，３０はＭｇ
Ｏの単結晶基板である。３１は単結晶のＮｂＮ層（厚さ
１１ｎｍ）である（実際に装置に応用する超電導体多層
構造にする場合には，第一超電導体層３１の厚さは数百
ｎｍ程度に厚く形成するが，本実施の形態では，Ｘ線回
折測定において第二超電導体層の回折結果が明瞭にあら
われるように薄く形成した）。３２は直流反応性スパッ
タリングで形成した単結晶の厚いＭｇＯ層（厚さ９０ｎ
ｍ）である。３３は単結晶のＮｂＮ層（厚さ１８０ｎ
ｍ）である。
【００２２】図３（ｂ）は図３（ａ）の多層構造体のＸ
線回折スペクトルのパターンである。図示のようにＭｇ
Ｏ基板の（２００）面におけるＸ線回折スペクトルのピ
ークと下層のＮｂＮの（２００）面におけるＸ線回折ス
ペクトルのピークが認められる。これに対して，上層の
ＮｂＮ層は（１１１）面におけるＸ線回折スペクトルの
ピークが認められる。このＸ線回折スペクトルのパター
ンからわかるように，下層のＮｂＮ層は完全にヘテロエ
ピタキシャル結晶成長していることが確認されたが，上
層のＮｂＮ層はＭｇＯ基板に対して完全なヘテロエピタ
キシャル層として成長していないことが確認された。こ
れは中間層であるＭｇＯ層が，下層のＮｂＮ層にヘテロ
エピタキシャル成長していないためと考えられる。
線回折スペクトルのパターンである。図示のようにＭｇ
Ｏ基板の（２００）面におけるＸ線回折スペクトルのピ
ークと下層のＮｂＮの（２００）面におけるＸ線回折ス
ペクトルのピークが認められる。これに対して，上層の
ＮｂＮ層は（１１１）面におけるＸ線回折スペクトルの
ピークが認められる。このＸ線回折スペクトルのパター
ンからわかるように，下層のＮｂＮ層は完全にヘテロエ
ピタキシャル結晶成長していることが確認されたが，上
層のＮｂＮ層はＭｇＯ基板に対して完全なヘテロエピタ
キシャル層として成長していないことが確認された。こ
れは中間層であるＭｇＯ層が，下層のＮｂＮ層にヘテロ
エピタキシャル成長していないためと考えられる。
【００２３】
【課題を解決するための手段】そこで，本発明者等は，
この点を改良するため，下層超電導体層の上に形成する
誘電体層を高周波スパッタリングにより形成するヘテロ
エピタキシャル単結晶層と第一誘電体層の上に直流反応
性スパッタリングにより成長させた第二誘電体層の単結
晶層で構成することにより，超電導体層／誘電体層／超
電導体層の多層構造体の全体に渡って，良好なヘテロエ
ピタキシャル単結晶層が得られることを見いだした。
この点を改良するため，下層超電導体層の上に形成する
誘電体層を高周波スパッタリングにより形成するヘテロ
エピタキシャル単結晶層と第一誘電体層の上に直流反応
性スパッタリングにより成長させた第二誘電体層の単結
晶層で構成することにより，超電導体層／誘電体層／超
電導体層の多層構造体の全体に渡って，良好なヘテロエ
ピタキシャル単結晶層が得られることを見いだした。
【００２４】図１は本発明の基本構成を示す。
【００２５】図１は本発明の超電導体多層構造体の基本
構成を示す。
構成を示す。
【００２６】図１において，１は誘電体の基板であっ
て，ＭｇＯ等の単結晶である。２は第一超電導体層であ
って，ＮｂＮ等の単結晶層である。３は第一誘電体層で
あって，ＭｇＯ等の単結晶層であり，高周波スパッタリ
ングにより薄く形成したものである。４は第二誘電体層
であって，高周波スパッタリングで形成した第一誘電体
層３と同じ材料であり，直流反応性スパッタリングによ
り厚く形成したものである。５は第二超電導体層であっ
て，例えばＮｂＮの単結晶層である。
て，ＭｇＯ等の単結晶である。２は第一超電導体層であ
って，ＮｂＮ等の単結晶層である。３は第一誘電体層で
あって，ＭｇＯ等の単結晶層であり，高周波スパッタリ
ングにより薄く形成したものである。４は第二誘電体層
であって，高周波スパッタリングで形成した第一誘電体
層３と同じ材料であり，直流反応性スパッタリングによ
り厚く形成したものである。５は第二超電導体層であっ
て，例えばＮｂＮの単結晶層である。
【００２７】図１の超電導体の多層構造は，単結晶の基
板１に，第一超電導体層２をヘテロエピタキシャル結晶
成長で成長させる。さらに第一超電導体層２に高周波ス
パッタリングにより第一誘電体層である薄い単結晶のヘ
テロエピタキシャル結晶層を成長させる。その第一誘電
体層３の上に，単結晶の第二誘電体層４を直流反応性ス
パッタリングによりヘテロエピタキシャル結晶成長させ
る。さらに，第二誘電体層４の上に単結晶の第二超電導
体層５をヘテロエピタキシャル結晶成長させる。
板１に，第一超電導体層２をヘテロエピタキシャル結晶
成長で成長させる。さらに第一超電導体層２に高周波ス
パッタリングにより第一誘電体層である薄い単結晶のヘ
テロエピタキシャル結晶層を成長させる。その第一誘電
体層３の上に，単結晶の第二誘電体層４を直流反応性ス
パッタリングによりヘテロエピタキシャル結晶成長させ
る。さらに，第二誘電体層４の上に単結晶の第二超電導
体層５をヘテロエピタキシャル結晶成長させる。
【００２８】一般的に，ＮｂＮ単結晶層の上に，直流反
応性スパッタリングによりＭｇＯの誘電体層を形成しよ
うとすると，反応ガスに含まれる酸素のために単結晶Ｎ
ｂＮ層の表面が酸化し，結晶の表面状態が変化する。そ
のため，ＮｂＮの上にＭｇＯをヘテロエピタキシャル成
長させようとしてもＮｂＮの表面が完全でないために，
ヘテロエピタキシャル結晶成長ができず，良い良好な単
結晶をもつ超電導体多層構造体を得ることは不可能であ
った。
応性スパッタリングによりＭｇＯの誘電体層を形成しよ
うとすると，反応ガスに含まれる酸素のために単結晶Ｎ
ｂＮ層の表面が酸化し，結晶の表面状態が変化する。そ
のため，ＮｂＮの上にＭｇＯをヘテロエピタキシャル成
長させようとしてもＮｂＮの表面が完全でないために，
ヘテロエピタキシャル結晶成長ができず，良い良好な単
結晶をもつ超電導体多層構造体を得ることは不可能であ
った。
【００２９】これに対して，ＮｂＮ層の上に高周波スパ
ッタリングによりＭｇＯ層をヘテロエピタキシャル結晶
成長させることは，高周波スパッタリングさせるＭｇＯ
層をスパッタのターゲットとして使用するので，ＮｂＮ
層の表面が酸化されて結晶の表面状態が変化することが
ない。しかし，高周波スパッタリングだけで，厚いＭｇ
Ｏの単結晶層を結晶成長させることは，結晶成長の過程
でＭｇＯの単結晶の状態が変化し，良好なヘテロエピタ
キシャル結晶が得られない。しかし，図２(b)の実験結
果に示されるように，直流反応性スパッタリングにより
ＭｇＯを厚く結晶成長させても，その上に設けた超電導
体層の抵抗率，臨界温度の双方がともに特性の良い超電
導体多層構造体を得ることができる。これらのことか
ら，本発明の基本構成のように，単結晶の第一超電導体
層の上に高周波スパッタリングにより誘電体層を設ける
ことにより，第一超電導体層の上に薄い良好なヘテロエ
ピタキシャル層をバッファ層として形成し，その上に直
流反応性スパッタリングにより厚い誘電体層を形成する
ことにより，結晶構造の良いヘテロエピタキシャル結晶
を成長させることができる。さらに，その上に第二超電
導体層をヘテロエピタキシャル単結晶成長させても，そ
の第二超電導体の結晶成長がそこなわれることなく良好
なヘテロエピタキシャル単結晶層を得ることができる。
ッタリングによりＭｇＯ層をヘテロエピタキシャル結晶
成長させることは，高周波スパッタリングさせるＭｇＯ
層をスパッタのターゲットとして使用するので，ＮｂＮ
層の表面が酸化されて結晶の表面状態が変化することが
ない。しかし，高周波スパッタリングだけで，厚いＭｇ
Ｏの単結晶層を結晶成長させることは，結晶成長の過程
でＭｇＯの単結晶の状態が変化し，良好なヘテロエピタ
キシャル結晶が得られない。しかし，図２(b)の実験結
果に示されるように，直流反応性スパッタリングにより
ＭｇＯを厚く結晶成長させても，その上に設けた超電導
体層の抵抗率，臨界温度の双方がともに特性の良い超電
導体多層構造体を得ることができる。これらのことか
ら，本発明の基本構成のように，単結晶の第一超電導体
層の上に高周波スパッタリングにより誘電体層を設ける
ことにより，第一超電導体層の上に薄い良好なヘテロエ
ピタキシャル層をバッファ層として形成し，その上に直
流反応性スパッタリングにより厚い誘電体層を形成する
ことにより，結晶構造の良いヘテロエピタキシャル結晶
を成長させることができる。さらに，その上に第二超電
導体層をヘテロエピタキシャル単結晶成長させても，そ
の第二超電導体の結晶成長がそこなわれることなく良好
なヘテロエピタキシャル単結晶層を得ることができる。
【００３０】以上のように，本発明の超電導体多層構造
体を超電導体集積回路等のストリップライン等に使用す
ることにより，すぐれた特性の超電導体集積回路を構成
することが可能になる。
体を超電導体集積回路等のストリップライン等に使用す
ることにより，すぐれた特性の超電導体集積回路を構成
することが可能になる。
【００３１】
【発明の実施の形態】図４は，本発明の実施の形態１を
示すものである。
示すものである。
【００３２】図４において，４１は基板であって，単結
晶のＭｇＯ（１００）である。４２は第一超電導体層で
あって，厚さ１１ｎｍのＮｂＮの単結晶層である。４３
は第一誘電体層であり，高周波スパッタリングによりＮ
ｂＮ層４２の上にヘテロエピタキシャル成長させた厚さ
１．３ｎｍのＭｇＯの単結晶層である（実際に超電導体
多層構造にする場合には，第一超電導体層４２は数百ｎ
ｍ程度に厚く形成するが，本実施の形態では，Ｘ線回折
測定において第二超電導体層の回折結果が明瞭にあらわ
れるように薄く形成した）。４４は直流反応性スパッタ
リングにより，第一誘電体層４３の上にヘテロエピタキ
シャル結晶成長させた厚さ９０ｎｍの第二誘電体層であ
る。４５は単結晶の第二誘電体層４４の上にヘテロエピ
タキシャル結晶成長させた厚さ１８０ｎｍのＮｂＮの単
結晶層である。なお，図示されてはいないが，高周波ス
パッタリングは，ターゲットとしてＭｇＯを使用し，キ
ャリアガスとして窒素を使用する。そのため，高周波ス
パッタリングにより，試料のＮｂＮの表面が酸化される
ことがない。そのため，高周波スパッタリングで表面に
誘電体層を結晶成長している過程でＮｂＮの表面の結晶
構造が変化することがなく，ＮｂＮの上に良好なＭｇＯ
の単結晶層がヘテロエピタキシャル結晶成長させること
ができる。
晶のＭｇＯ（１００）である。４２は第一超電導体層で
あって，厚さ１１ｎｍのＮｂＮの単結晶層である。４３
は第一誘電体層であり，高周波スパッタリングによりＮ
ｂＮ層４２の上にヘテロエピタキシャル成長させた厚さ
１．３ｎｍのＭｇＯの単結晶層である（実際に超電導体
多層構造にする場合には，第一超電導体層４２は数百ｎ
ｍ程度に厚く形成するが，本実施の形態では，Ｘ線回折
測定において第二超電導体層の回折結果が明瞭にあらわ
れるように薄く形成した）。４４は直流反応性スパッタ
リングにより，第一誘電体層４３の上にヘテロエピタキ
シャル結晶成長させた厚さ９０ｎｍの第二誘電体層であ
る。４５は単結晶の第二誘電体層４４の上にヘテロエピ
タキシャル結晶成長させた厚さ１８０ｎｍのＮｂＮの単
結晶層である。なお，図示されてはいないが，高周波ス
パッタリングは，ターゲットとしてＭｇＯを使用し，キ
ャリアガスとして窒素を使用する。そのため，高周波ス
パッタリングにより，試料のＮｂＮの表面が酸化される
ことがない。そのため，高周波スパッタリングで表面に
誘電体層を結晶成長している過程でＮｂＮの表面の結晶
構造が変化することがなく，ＮｂＮの上に良好なＭｇＯ
の単結晶層がヘテロエピタキシャル結晶成長させること
ができる。
【００３３】図４（ｂ）は図４（ａ）の超電導体の多層
構造のＸ線回折スペクトルのパターンを示す。
構造のＸ線回折スペクトルのパターンを示す。
【００３４】この実験結果からもわかるように，ＭｇＯ
の（２００）面におけるＸ線回折スペクトルのピークと
ＮｂＮの（２００）面におけるＸ線回折スペクトルのピ
ークが認められ，図３(b) のように（１１１）面でのＸ
線回折スペクトルのピークは認められず，ＭｇＯ基板か
らＮｂＮ／ＭｇＯ／ＮｂＮの多層構造体において，各層
の結晶界面で結晶が連続して成長，しかも方向がそろっ
ているヘテロエピタキシャル単結晶成長層が得られてい
ることが推定できる。
の（２００）面におけるＸ線回折スペクトルのピークと
ＮｂＮの（２００）面におけるＸ線回折スペクトルのピ
ークが認められ，図３(b) のように（１１１）面でのＸ
線回折スペクトルのピークは認められず，ＭｇＯ基板か
らＮｂＮ／ＭｇＯ／ＮｂＮの多層構造体において，各層
の結晶界面で結晶が連続して成長，しかも方向がそろっ
ているヘテロエピタキシャル単結晶成長層が得られてい
ることが推定できる。
【００３５】図５はＭｇＯ層の形成方法の実施の形態１
である。直流反応性スパッタリングにより厚い単結晶誘
電体層を成長させる方法の説明図である。
である。直流反応性スパッタリングにより厚い単結晶誘
電体層を成長させる方法の説明図である。
【００３６】図５（ａ）において，５１は直流反応性ス
パッタリング装置である。５２は支持体であって試料を
支持する台である。５３は試料であって，直流反応性ス
パッタリングによりＭｇＯ単結晶層をヘテロエピタキシ
ャル成長させるものである。５４はターゲットであっ
て，マグネシウムである。５５は直流電源である。
パッタリング装置である。５２は支持体であって試料を
支持する台である。５３は試料であって，直流反応性ス
パッタリングによりＭｇＯ単結晶層をヘテロエピタキシ
ャル成長させるものである。５４はターゲットであっ
て，マグネシウムである。５５は直流電源である。
【００３７】図５（ａ）において，アルゴン，窒素、酸
素の混合ガスが直流反応性スパッタリング装置５１の左
から導入される。支持体５２とターゲット５４を電極と
して，その間に導入されたガスは放電してアルゴンイオ
ン，酸素イオン等を生成する。主に，アルゴンイオンが
ターゲットに衝突してＭｇをスパッタリングし，導入ガ
スの酸素と反応してＭｇＯを生成する。そして，試料５
３に堆積して，ＭｇＯの単結晶層がヘテロエピタキシャ
ル成長される。
素の混合ガスが直流反応性スパッタリング装置５１の左
から導入される。支持体５２とターゲット５４を電極と
して，その間に導入されたガスは放電してアルゴンイオ
ン，酸素イオン等を生成する。主に，アルゴンイオンが
ターゲットに衝突してＭｇをスパッタリングし，導入ガ
スの酸素と反応してＭｇＯを生成する。そして，試料５
３に堆積して，ＭｇＯの単結晶層がヘテロエピタキシャ
ル成長される。
【００３８】図５（ｂ）は本発明の実施の形態１の厚い
誘電体層の単結晶層の成長方法の説明図である。
誘電体層の単結晶層の成長方法の説明図である。
【００３９】図５（ｂ）は，単結晶の誘電体層を形成す
るための放電特性を示す。
るための放電特性を示す。
【００４０】黒丸でバイアス点として示した条件が図４
（ａ）の第二誘電体層４４を形成した時の堆積条件であ
る。具体的には，ターゲットは純度９９．９９の直径６
インチのＭｇである。導入ガスは，Ａｒ：Ｎ2 ：Ｏ2 ＝
５０：１０：５ｓｃｃｍ，気体の全圧力は５ｍＴｏｒ
ｒ，パワーは１．５Ａ×１４５Ｖ（≒２２０Ｗ），基板
温度は室温，成長率は４ｎｍ／ｍｉｎである。
（ａ）の第二誘電体層４４を形成した時の堆積条件であ
る。具体的には，ターゲットは純度９９．９９の直径６
インチのＭｇである。導入ガスは，Ａｒ：Ｎ2 ：Ｏ2 ＝
５０：１０：５ｓｃｃｍ，気体の全圧力は５ｍＴｏｒ
ｒ，パワーは１．５Ａ×１４５Ｖ（≒２２０Ｗ），基板
温度は室温，成長率は４ｎｍ／ｍｉｎである。
【００４１】図６は，本発明における多層構造体の高周
波スパッタリング層の厚さと臨界温度，抵抗率の関係の
例を示したものである。
波スパッタリング層の厚さと臨界温度，抵抗率の関係の
例を示したものである。
【００４２】図６の超電導体多層構造体の第一超電導体
は厚さ１０．５ｎｍのＮｂＮであり，第二誘電体層の厚
さは９０ｎｍであり，第二超電導体の厚さは１８０ｎｍ
である。
は厚さ１０．５ｎｍのＮｂＮであり，第二誘電体層の厚
さは９０ｎｍであり，第二超電導体の厚さは１８０ｎｍ
である。
【００４３】横軸は高周波スパッタリングにより形成し
たＭｇＯ層の厚さである。縦軸は臨界温度，抵抗率であ
る。
たＭｇＯ層の厚さである。縦軸は臨界温度，抵抗率であ
る。
【００４４】図６に示すように，高周波スパッタリング
層の厚さが変化しても臨界温度はほぼ一定であり，高周
波スパッタリング層の厚さが０．５〜数ｎｍの範囲で抵
抗率は小さく，良好な特性が得られることがわかる。
層の厚さが変化しても臨界温度はほぼ一定であり，高周
波スパッタリング層の厚さが０．５〜数ｎｍの範囲で抵
抗率は小さく，良好な特性が得られることがわかる。
【００４５】図７は，本発明の実施の形態２を示すもの
である。
である。
【００４６】図７(a) は，本発明の超電導体多層構造体
である（実際に装置に応用する超電導体多層構造にする
場合には，数百ｎｍ程度に厚く形成するが，本実施の形
態では，Ｘ線回折測定において第二超電導体層の回折結
果が明瞭にあらわれるように薄く形成した）。
である（実際に装置に応用する超電導体多層構造にする
場合には，数百ｎｍ程度に厚く形成するが，本実施の形
態では，Ｘ線回折測定において第二超電導体層の回折結
果が明瞭にあらわれるように薄く形成した）。
【００４７】図７(b) は，図７(a) の超電導体多層構造
体の誘電体層（ＭｇＯ）の全体の厚さを変化させた時の
第二超電導体の臨界温度，抵抗率の関係を示すものであ
る。
体の誘電体層（ＭｇＯ）の全体の厚さを変化させた時の
第二超電導体の臨界温度，抵抗率の関係を示すものであ
る。
【００４８】誘電体層（ＭｇＯ）を変化させ，厚く形成
しても上部超電導体の臨界温度，抵抗率（ρ20K ）に大
きな変化はなく，Ｔｃ＝１５．７Ｋ，抵抗率（ρ20K ）
≒６０μΩｃｍと良好な結果を示している。
しても上部超電導体の臨界温度，抵抗率（ρ20K ）に大
きな変化はなく，Ｔｃ＝１５．７Ｋ，抵抗率（ρ20K ）
≒６０μΩｃｍと良好な結果を示している。
【００４９】図８は本発明の超電導集積回路装置の実施
の形態を示す図である。ＳＩＳ素子を備える超電導集積
回路装置において，ＳＩＳ素子の整合回路として使用さ
れる超電導ストリップラインに本発明の超電導体多層構
造体を適用した場合を示す。
の形態を示す図である。ＳＩＳ素子を備える超電導集積
回路装置において，ＳＩＳ素子の整合回路として使用さ
れる超電導ストリップラインに本発明の超電導体多層構
造体を適用した場合を示す。
【００５０】図８(a) において，７３は基板であった，
ＭｇＯの単結晶である。７４は厚さ１８０ｎｍのＮｂＮ
層である。７５は厚さ１３５ｎｍの厚いＭｇＯ層であ
る。７６はＳＩＳ素子である。７７は厚さ３１０ｎｍの
ＮｂＮ層であり，長さ１ｍｍのオープンスタブ構造であ
る。オープンスタブＮｂＮ層７７の長さは１ｍｍ，孔部
の直径６μｍである。オープンスタブを構成するＮｂＮ
層７７の臨界温度Ｔｃは１５．８Ｋであり，抵抗率（ρ
20K ）≒６０μΩｃｍである。
ＭｇＯの単結晶である。７４は厚さ１８０ｎｍのＮｂＮ
層である。７５は厚さ１３５ｎｍの厚いＭｇＯ層であ
る。７６はＳＩＳ素子である。７７は厚さ３１０ｎｍの
ＮｂＮ層であり，長さ１ｍｍのオープンスタブ構造であ
る。オープンスタブＮｂＮ層７７の長さは１ｍｍ，孔部
の直径６μｍである。オープンスタブを構成するＮｂＮ
層７７の臨界温度Ｔｃは１５．８Ｋであり，抵抗率（ρ
20K ）≒６０μΩｃｍである。
【００５１】ＳＩＳ素子７６は，ＮｂＮ層７４の上でＭ
ｇＯ誘電体層７５の孔部に設けられたものである。ＳＩ
Ｓ素子７６は，下部超電導層７４と０．８ｎｍのごく薄
いＭｇＯ層７９，ＮｂＮ超電導電極７８の積層構造によ
り形成されている。ＳＩＳ素子７６の三層構造のうち，
上下の超電導体材料，構成，中間の誘電体等の材料，構
成は発振特性，電磁波の検出器等の用途して使用できる
接合特性を有するものであればどのようなものでも良
い。
ｇＯ誘電体層７５の孔部に設けられたものである。ＳＩ
Ｓ素子７６は，下部超電導層７４と０．８ｎｍのごく薄
いＭｇＯ層７９，ＮｂＮ超電導電極７８の積層構造によ
り形成されている。ＳＩＳ素子７６の三層構造のうち，
上下の超電導体材料，構成，中間の誘電体等の材料，構
成は発振特性，電磁波の検出器等の用途して使用できる
接合特性を有するものであればどのようなものでも良
い。
【００５２】図８(b) は，図８(a) の電圧─電流特性を
示すものである。Ｘ方向は１ｍＶ／ｄｉｖ．であり，Ｙ
方向は０．５ｍＡ／ｄｉｖ．である。ゼロ磁場での測定
である。
示すものである。Ｘ方向は１ｍＶ／ｄｉｖ．であり，Ｙ
方向は０．５ｍＡ／ｄｉｖ．である。ゼロ磁場での測定
である。
【００５３】上部ＮｂＮ層の臨界温度Ｔｃは１５．７Ｋ
であり，抵抗率（ρ20K ) ≒６６μΩｃｍである。下部
ＮｂＮ層の臨界温度Ｔｃは１５．８Ｋであり，抵抗率
（ρ20 K ）≒５８μｃｍである。ＮｂＮのギャップ周波
数に相当する約２．７ｍＶ（１．３ＴＨｚ）で，オープ
ンスタブでの共振を示す電流Ａが観測され，１．３ＴＨ
ｚまで低損失な超電導体のストリップラインが得られた
ことが示されている。
であり，抵抗率（ρ20K ) ≒６６μΩｃｍである。下部
ＮｂＮ層の臨界温度Ｔｃは１５．８Ｋであり，抵抗率
（ρ20 K ）≒５８μｃｍである。ＮｂＮのギャップ周波
数に相当する約２．７ｍＶ（１．３ＴＨｚ）で，オープ
ンスタブでの共振を示す電流Ａが観測され，１．３ＴＨ
ｚまで低損失な超電導体のストリップラインが得られた
ことが示されている。
【００５４】
【発明の効果】本発明によれば，超電導集積回路装置等
でストリッスプライン等に使用できる，特性の良い超電
導体多層構造体を実現できる。本発明の超電導体多層構
造体は，ＴＨｚ発振素子，ＴＨｚの電磁波検出素子等に
応用した時，インピーダンス整合をとりやすくなる。
でストリッスプライン等に使用できる，特性の良い超電
導体多層構造体を実現できる。本発明の超電導体多層構
造体は，ＴＨｚ発振素子，ＴＨｚの電磁波検出素子等に
応用した時，インピーダンス整合をとりやすくなる。
【図１】本発明の基本構成を示す図である。
【図２】発明が解決しようとする課題の説明図(1) であ
る。
る。
【図３】発明が解決しようとする課題の説明図(2) であ
る。
る。
【図４】本発明の実施の形態１を示す図である。
【図５】本発明のＭｇＯ層の形成方法の実施の形態を示
す図である。
す図である。
【図６】本発明における多層構造体の高周波スパッタリ
ング層の厚さと臨界温度，抵抗率の関係の例を示す図で
ある。
ング層の厚さと臨界温度，抵抗率の関係の例を示す図で
ある。
【図７】本発明の実施の形態２を示す図である。
【図８】本発明の超電導集積回路装置の実施の形態を示
す図である。
す図である。
【図９】従来の技術を示す図である。
１：基板 ２：第一超電導体層 ３：第一誘電体層 ４：第二誘電体層 ５：第二超電導体層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 王 鎮 兵庫県神戸市西区岩岡町岩岡588−２ 郵政省通信研合研究所 関西先端研究セ ンター内 (56)参考文献 特開 平１−94681（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−118022（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 39/00 - 39/24 C23C 14/06 C23C 14/34 H01B 12/06
Claims (8)
- 【請求項１】 単結晶の第一超電導体層と， 該第一超電導体層に高周波スパッタリングにより形成し
た単結晶の第一誘電体層と該第一誘電体層に直流反応性
スパッタリングにより形成した単結晶の第二誘電体層
と， 該第二誘電体層に形成した単結晶の第二超電導体層とを
備え， 該第二誘電体層は第一誘電体層に対して相対的に厚く形
成されたものであることを特徴とする超電導体多層構造
体。 - 【請求項２】 第一超電導体層は基板に形成され，第一
超電導体層および第二超電導体層は窒化ニオブであるこ
とを特徴とする請求項１に記載の超電導体多層構造体。 - 【請求項３】 第一誘電体層と第二誘電体層は酸化マグ
ネシウムであることを特徴とする請求項１もしくは２に
記載の超電導体多層構造体。 - 【請求項４】 基板上に単結晶の第一超電導体層を形成
し，該第一超電導体層に単結晶の誘電体層を形成し，該
誘電体層に単結晶の第二超電導体層を形成する超電導体
多層構造体の製造方法において， 該誘電体層は，高周波スパッタリングにより単結晶の第
一誘電体層を形成し，該第一誘電体層に直流反応性スパ
ッタリングにより第二誘電体層を形成するものであり， 該第二誘電体層は第一誘電体層に対して相対的に厚く形
成することを特徴とする超電導体多層構造体の製造方
法。 - 【請求項５】 第一超電導体層は基板に形成され，第一
超電導体層および第二超電導体層は窒化ニオブであるこ
とを特徴とする請求項４に記載の超電導体多層構造体の
製造方法。 - 【請求項６】 第一誘電体層と第二誘電体層は酸化マグ
ネシウムであることを特徴とする請求項４もしくは５に
記載の超電導体多層構造体の製造方法。 - 【請求項７】 単結晶の第一超電導体層に高周波スパッ
タリングにより形成した単結晶の第一誘電体層と該第一
誘電体層に直流反応性スパッタリングにより形成した単
結晶の第二誘電体層と，該第一超電導体層と該第一およ
び第二誘電体層に形成した孔部と， 該孔部に，該第一超電導体に電気的に接続された超電導
体−誘電体−超電導体の三層構造素子が配置され，該三
層構造素子の上部の超電導体に電気的に接続されるとと
もに該第二誘電体層の上に形成した単結晶の第二超電導
体層を備え， 該第一超電導体層と，該第一および第二誘電体層と，該
第二超電導体層とは該三層構造素子の信号の入力もしく
は出力のためのストリップ線路を構成することを特徴と
する超電導体装置。 - 【請求項８】 第一超電導体層は窒化ニオブであり，第
一誘電体層および第二誘電体層は酸化マグネシウムであ
り，第二超電導体層は窒化ニオブであることを特徴とす
る請求項７に記載の超電導体装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000172320A JP3355371B2 (ja) | 2000-06-08 | 2000-06-08 | 超電導体多層構造体およびその製造方法ならびに超電導体装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000172320A JP3355371B2 (ja) | 2000-06-08 | 2000-06-08 | 超電導体多層構造体およびその製造方法ならびに超電導体装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001352109A JP2001352109A (ja) | 2001-12-21 |
| JP3355371B2 true JP3355371B2 (ja) | 2002-12-09 |
Family
ID=18674736
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000172320A Expired - Lifetime JP3355371B2 (ja) | 2000-06-08 | 2000-06-08 | 超電導体多層構造体およびその製造方法ならびに超電導体装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3355371B2 (ja) |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4741805B2 (ja) * | 2004-03-04 | 2011-08-10 | シャープ株式会社 | 超電導素子 |
| JP2007180492A (ja) * | 2005-12-01 | 2007-07-12 | National Institute Of Information & Communication Technology | 薄層デバイスの作成方法 |
| US7544964B2 (en) | 2005-12-01 | 2009-06-09 | National Institute Of Information And Communications Technology, Incorporated Administrative Agency | Method for fabricating thin layer device |
| JP5177482B2 (ja) * | 2007-08-01 | 2013-04-03 | 独立行政法人情報通信研究機構 | 超伝導単一光子検出素子の製造方法 |
| JP5297770B2 (ja) * | 2008-11-21 | 2013-09-25 | 株式会社フジクラ | 酸化物超電導導体用基材の製造方法と酸化物超電導導体の製造方法及び酸化物超電導導体用キャップ層の形成装置 |
| CN103687977B (zh) * | 2011-07-01 | 2016-08-17 | 宇部材料工业株式会社 | 溅射用MgO靶材 |
-
2000
- 2000-06-08 JP JP2000172320A patent/JP3355371B2/ja not_active Expired - Lifetime
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2001352109A (ja) | 2001-12-21 |
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