JPH01246138A - 複合酸化物超電導体薄膜 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は超電導体薄膜に関するものであり、より詳細に
は、高い超電導臨界温度のみならず高い超電導臨界電流
密度を有する複合酸化物超電導体薄膜に関するものであ
る。

従来の技術 電子の相転移であるといわれる超電導現象は、特定の条
件下で導体の電気抵抗が零の状態となり完全な反磁性を
示す現象である。

超電導現象の代表的な応用分野であるエレクトロニクス
の分野では、各種の超電導素子が提案され、また開発さ
れている。代表的なものとしては、超電導材料どうしを
弱く接合した場合に、印加電流によって量子効果が巨視
的に現れるジョセフソン効果を利用した素子が挙げられ
る。また、トンネル接合型ジョセフソン素子は、超電導
材料のエネルギーギャップが小さいことから、極めて高
速な低電力消費のスイッチング素子として期待されてい
る。さらに、電磁波や磁場に対するジョセフソン効果が
正確な量子現象として現れることから、ジョセフソン素
子を磁場、マイクロ波、放射線等の超高感度センサとし
て利用することも期待されている。

超高速電子計算機では、単位面積当たりの消費電力が冷
却能力の限界に達してきているため、超電導素子の開発
が要望されおり、さらに、電子回路の集積度が高くなる
につれて、電流ロスの無い超電導材料を配線材料として
用いることが要望されている。

しかし、様々な努力にもかかわらず、超電導材料の超電
導臨界温度Ｔｃは長期間に亘ってＮｂ３Ｇｅの２３Ｋを
越えることができなかったが、昨年来、（Ｌａ、　Ｂａ
〕２ｃｕ（Ｌまたは（Ｌａ、　Ｓｒ）　２ｃｕＯ＜等の
酸化物の焼結材が高いＴｃをもつ超電導材料として発見
され、非低温超電導を実現する可能性が大きく高まって
いる。これらの物質では、３０乃至５０にという従来に
比べて飛躍的に高いＴ。が観測されている。

また、ＹＢＣＯと称されるＹ　＋Ｂａ２Ｃｕ３Ｃｈ−ｘ
で表される複合酸化物は、９０に級の超電導体である。

従来、上記複合酸化物超電導体薄膜を作製する際には、
焼結等で生成した酸化物を蒸着源としたスパッタリング
法のような物理蒸着によ−って行っていた。

発明が解決しようとする課題 しかしながら、こうして製作された従来の超電導体薄膜
は、臨界電流密度Ｊｃが小さいため、臨界温度Ｔｃが高
くても実際の電子回路として実用化することができなか
った。

そこで、本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解決
し、高い臨界電流密度Ｊｃを有する複合酸化物超電導材
料の薄膜を作製する方法を提供することにある。

課題を解決するための手段 本発明に従うと、Ｌｎ、　ＢａおよびＣｕ（ただし、Ｌ
ｎはＬａ、　Ｎｄ、　Ｓｍ、　Ｂｕ、　ＧｄＸＤｙ、　
Ｈｏ。

Ｙ、８５　Ｙｂの中から選択される少なくとも一つのラ
ンタノイド系元素を表す） を含む複合酸化物を含有する複合酸化物超電導体薄膜に
おいて、上記複合酸化物が、Ａｕを、上記Ｌｎ。

ＤａおよびＣｕの総和に対し、２０乃至４０原子％含有
していることを特徴とする複合酸化物超電導体薄膜が提
供される。

また、本発明においては、上記ＬｎＸＢａおよびＣｕ（
ただし、ＬｎはＬａ、　Ｎｄ５５ｍＸＥｕ、　Ｇｄ、　
Ｄｙ、　Ｈａ、Ｙ、　Ｂｒ、　Ｙｂの中から選択される
少なくとも一つのランクノイド系元素を表す） を含む複合酸化物を含有する複合酸化物超電導体薄膜を
物理蒸着によって作製する方法において、蒸着源として
、上記Ｌｎ、　ＢａおよびＣｕを含む酸化物に、Ａｕを
、上記１ｎ、　１３ａおよびＣｕの総和に対し、２０乃
至４０原子％混合し、焼結したものを用いることが好ま
しい。

本発明の複合酸化物超電導体薄膜の作製には、成膜後さ
らに薄膜を酸化雰囲気下で酸化させることが好ましく、
またＡｕを混合する酸化物としては、以下に挙げるもの
が好ましい。

Ｙ　ｌＢａ２ｃｕ３０７−Ｘ　、　Ｂｒ　ｌ　ＢａＪｕ
３０７−Ｘ　％Ｈｏ＋Ｂａ２Ｃｕ３Ｃｈ−ＸＸＤＹ＋Ｂ
ａ２Ｃｕ３０７−Ｘｌまた、本発明においては、物理蒸
着法としては、スパッタリング法、特にマグネトロンス
パッタリング法が好ましい。

上記物理蒸着をスパッタリングで行う場合には、スパッ
タリングを０．００１〜０．５Ｔｏｒｒの圧力、さらに
好ましくは０．０１〜Ｑ、３Ｔｏｒｒの圧力下でかつ０
２を５〜９５分子％、さらに好ましくは１０〜８０分子
％含む雰囲気で行うのが好ましい。この０２以外と一緒
に用いることが可能な他のスパッタリングガスとしては
不活性ガスであるアルゴンが好ましい。

また、基板を２００〜９５０℃、さらに好ましくは５０
０〜９２０℃に加熱しながらスパッタリングを行うのが
好ましい。

本発明においては、上記の複合酸化物超電導薄膜を形成
する基板としては、ペロブスカイト型結晶の基板、酸化
物基板、またはそれらペロブスカイト型結晶または酸化
物がバッファ層として形成された金属基板や半導体基板
を使用することが可能である。好ましくは、基板として
は、ＭｇＯ単結晶、５ｒＴｉ０３単結晶、２ｒ０２単結
晶、ＹＳＺ単結晶、Ａ　Ｉ　２０３単結晶、または多結
晶Ａｌ２Ｏ３、更には、それら物質で成膜面が形成され
た金属基板や半導体基板が好ましい。特に、ＭｇＯ単結
晶または５ｒＴｉ○３単結晶基板の成膜面を、（００１
）面または（１１０）面とすることが好ましい。

さらに、本発明の態様では、成膜後の薄膜を酸素分圧０
．１〜１０気圧の酸素含有雰囲気で８００〜９６０℃で
０．５〜２０時間、さらに好ましくは８５０〜９５０℃
で１〜１０時間加熱し、１０℃／分以下の冷却速度で冷
却してアニールを行うことが好ましい。

詐」 本発明の複合酸化物超電導体薄膜は、Ｌｎ、　Ｂａおよ
びＣｕを含む複合酸化物に、Ａｕが、上記Ｌｎ、　Ｂａ
およびＣｕの総和に対し、２０乃至４０原子％含有され
ているところにその主要な特徴があり、また、物理蒸着
法により作製されることが好ましい。

例えばＹＢＣＯと称されるＹ　１Ｂａ２Ｃｕｉ　０７−
Ｘに代表される複合酸化物超電導体の薄膜を作製する場
合には、従来Ｙ１ＢａｚＣｕ＋０７等の焼結体をターゲ
ットとして物理蒸着、一般にはスパッタリングを行って
いたが、従来の方法で得られた超電導薄膜は、臨界電流
密度ＪＣが低く、実用にはならなかった。

これは、従来の複合酸化物超電導体は、その臨界電流密
度に結晶異方性を有するためである。すなわち、結晶の
ａ軸およびｂ軸で決定される面に平行な方向に電流が流
れ易いため、従来は、結晶方向を揃える必要があった。

そこで、従来は、結晶方向を揃えるために、基板として
、複合酸化物超電導体結晶の格子間隔に近い格子間隔を
有するＭｇＯ１ＳｒＴＩＣｈおよびｙｓｚ等の単結晶の
特定な面を成膜面として用いていた。

本発明の方法で作製される複合酸化物超電導体は、臨界
電流密度の結晶異方性がほとんどないため、従来のもの
に比較してより大きな臨界電流密度がえられる。

本発明の方法では、上記の条件で、物理蒸着、好ましく
はスパッタリングにより成膜を行うが、この物理蒸着、
好ましくはスパッタリング時に基板温度を２００〜９５
０℃、さらに好ましくは５００〜９２０℃に加熱して物
理蒸着、好ましくはスパッタリングすることが好ましい
。基板温度が２００　℃未満の場合には、複合酸化物の
結晶性が悪くアモルファス状になり、超電導薄膜は得ら
れない。また、基板温度が９５０℃を超えると、結晶構
造が変わってしまい、上記の複合酸化物は超電導体とは
ならない。

本発明の態様に従うと、上記の複合酸化物超電導薄膜を
形成する基板としては、ＭｇＯ単結晶、ＳｒＴｉＯ３単
結晶またはＺｒＣｈ単結晶基板が好ましく、特に、Ｍｇ
Ｏ単結晶基板またはＳｒＴｉＯ３単結晶基板の（００１
）面または（１１０）面を成膜面として用いることが好
ましい。さらには、上記の単結晶相を有する金属基板あ
るいは半導体基板を用いることもできる。

これは、既に説明したように本発明の複合酸化物超電導
体は、その電気抵抗に結晶異方性を有するためで、上記
の基板の上記成膜面上に形成された複合酸化物超電導薄
膜は、その結晶のＣ軸が基板成膜面に対し垂直または垂
直に近い角度となると、臨界電流密度Ｊｃがより大きく
なるものと考えられる。従って、ＭｇＯ単結晶基板また
は５ｒＴｉ’０３単結晶基板の（００１）面を成膜面と
して用いることが好ましい。また、（１１０）面を用い
てＣ軸を基板と平行にし、Ｃ軸と垂直な方向を特定して
用いることもできる。さらに、ＭｇＯ１ＳｒＴｌＯ＋は
、熱膨張率が上記の複合酸化物超電導体と近いため、加
熱、冷却の過程で薄膜に不必要な応力を加えることがな
く、薄膜を破損する恐れもない。

本発明の態様に従うと、成膜後の薄膜を酸素分圧０．１
〜１０気圧の酸素含有雰囲気中で８００〜９６０℃、さ
らに好ましくは８５０〜９５０℃に加熱、１０℃／分以
下の冷却速度で冷却する熱処理を施すアニール処理を行
うことが好ましい。この処理は、上記の複合酸化物中の
酸素欠陥を調整するもので、この処理を経ない薄膜の超
電導特性は悪く、超電導性を示さない場合もある。従っ
て、上記の熱処理を行うことが好ましい。

実施例 以下に本発明を実施例により説明するが、本発明の技術
的範囲は、以下の開示に同等制限されるものではないこ
とは勿論である。

実施例１ 上記で説明した本発明の複合酸化物超電導体薄膜をＲＦ
マグネトロンスパッタリングによって作製した。使用し
たターゲットは、下記の第１表に示すランタノイド系元
素Ｌｎと、Ｂａと、Ｃｕの酸化物粉末を原子比Ｌｎ：Ｂ
ａ：ＣｕＯ比を１　：２．２４　：４．３５となるよう
混合したこれらの元素の酸化物よりなる原料粉末を常法
に従って焼結して作ったＬｎ−Ｂａ　−Ｃｕ−０複合酸
化物のセラミックを粉砕し、さらにＡｕ粉末をＢａ：Ａ
ｕの原子比が１：１となるように混合し、焼結したもの
である。ターゲットは直径が１００　ｍｍφの円板とし
た。各々の場合の成膜条件は同一とし、その成膜条件は
以下の通りであった。

基板　　　　　ＭｇＯ（００１）面 ０２／（０２＋Ａｒ）　　　　２０％ 基板温度　　　７００℃ 圧力　　　　　０．１　Ｔｏｒｒ 高周波電力　　４０Ｗ 時間　　　　　６時間 膜厚　　　　　０．８８μｍ 成膜後、大気圧の０２中で９００℃の温度を１時間保っ
た後、５℃／分の冷却速度で冷却した。なお、比較のた
めに、ランタノイド系元素ＬｎとしてＨｏを用いたター
ゲットの場合のＡｕ粉末を混合しなかったこと以外は、
全く等しい条件でＨｏを含む複合酸化物超電導体薄膜を
作製した場合の結果を第１表に比較例として示しである
。

尚、臨界温度Ｔｃは、常法に従って四端子法によって測
定した。また、臨界電流密度Ｊｃは、７７．０、にで試
料の電気抵抗を測定しつつ電流量を増加し、試料に電気
抵抗が検出されたときの電流量を、電流路の単位面積に
換算したもので記している。

第１表 実施例２ 成膜条件は以下の通りであること以外、実施例１と同様
な条件で複合酸化物超電導体薄膜を作製した。その結果
を第２表に示す。

基板　　　　　ＭｇＯ（００１）面 ｏ２／（ｏ２＋Ａｒ）　　　　５０％ 基板温度　　　７００℃ 圧力　　　　　Ｑ、１Ｔｏｒｒ 高周波電力　　１５０Ｗ 時間　　　　　６時間 膜厚　　　　　０．８８μｍ 第２表 実施例３ 成膜条件は以下の通りであること以外、実施例１と同様
な条件で複合酸化物超電導体薄膜を作製した。その結果
を第３表に示す。

基板　　　　　ＭｇＯ（００１）面 ０２／（０２＋Ａｒ＞　　　　２０％ 基板温度　　　７００℃ 圧力　　　　　０．１５Ｔｏｒｒ 高周波電力　　１５０Ｗ 時間　　　　　６時間 膜厚　　　　　０．８８μｍ 第３表 上記のように本発明の複合酸化物超電導体薄膜は、比較
例より大幅に臨界電流が向上している。

発明の効果 以上詳述のように、本発明の複合酸化物超電導体薄膜は
、従来のものに較べ、高いＪｃを示す。

本発明の複合酸化物超電導体薄膜は、従来のものと較べ
、へ〇粉末が含有されていることだけであり、従来のも
のと比較して作製方法等に大きな変更を要せずに、安定
に高性能な超電導薄膜となる。

特許出願人　　住友電気工業株式会社

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　Ｌｎ、ＢａおよびＣｕ （ただし、ＬｎはＬａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ
   、Ｈｏ、Ｙ、Ｅｒ、Ｙｂの中から選択される少なくとも
   一つのランタノイド系元素を表す） を含む複合酸化物を含有する複合酸化物超電導体薄膜に
   おいて、上記複合酸化物が、Ａｕを、上記Ｌｎ、Ｂａお
   よびＣｕの総和に対し、２０乃至４０原子％含有してい
   ることを特徴とする複合酸化物超電導体薄膜。