JPH0353413A - 超伝導配線 - Google Patents

超伝導配線

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JPH0353413A
JPH0353413A JP1187297A JP18729789A JPH0353413A JP H0353413 A JPH0353413 A JP H0353413A JP 1187297 A JP1187297 A JP 1187297A JP 18729789 A JP18729789 A JP 18729789A JP H0353413 A JPH0353413 A JP H0353413A
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JP
Japan
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superconductor
wiring
superconducting
temperature
current value
Prior art date
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JP1187297A
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English (en)
Inventor
Yasuo Tazo
康夫 田雑
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Publication date
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    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E40/00Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/60Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

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

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、高い臨界電流値を持つ超伝導配線、特にその
構造の改良に関するものである。
〔従来の技術〕
超伝導体は直流での電気抵抗が零で、かつ高周波ロスら
金属に比べ格段に小さいので、超伝導体配線は、半導体
・超伝導LSI,光デバイス等のエレクトロニクス分野
のbならず、電力輸送、マグネット等のパワーエレクト
ロニクスの分野でも、大きな期待が寄せられている。超
伝導配線に電流を流していくと、ある電流値以上では超
伝導状態が壊れ常伝導状態に転移する(超伝導状態を維
持できる最大の電流値は、臨界泪流値と呼ばれている。
)。つまり、臨界?If流値以上の電流を配線に流すと
、前記の零直流抵抗、低高周波ロス等の超伝導体の特徴
が消失してしまう。従って、臨界泪流値を増加させるこ
とは、超伝導配線の応用の観点から、非常に重要になっ
てくる。
超伝導配線の応用の形態は数多くあるが、最も基本的構
造は、第2図に示すようなものである。
これは、LSI上の配線として良く用いられる単木的構
造である。Si,Si02等の基板α上に、幅W1厚み
tの超伝導体からなる配線βが形吸される。ここで、こ
の配線β構造における臨界電流値を求めてみる。
簡単化のために、まず、配線βに流れる電流により少じ
る自己磁場と外部印加礒揚との和が超伝導体の第1臨界
Ia場口  より小さい場合を考えC1 でみる。この場合、マイスナー効果のため電流は超伝導
体表面からロンドンの侵入艮λの深さまでの領域を表面
電流として流れる。従って、臨界泪流{直I  (は下
式で与えられる。
C1 1   =2joλ(W+t−2λ> ・< i >0
1 ここで、joは超伝導体の臨界電流密度である。
幅Wが厚みtに比べ1分大きいと、近似的に1    
〜2j  λ C I      C (W 22 ) ・・・ (2) となり、臨界電流値は厚btに無関係になる。
〔発明が解決しようとする課題〕
つまり、従来の配線βにおいては厚btを厚くしても臨
界電流値を増加させることができないという重大な欠点
を持っていることを意味している。
以上の説明は、自己磁場と外部印加磁場との和が超伝導
体の第1臨界磁場口  より小さい場合C1 であったが、口  より大きい場合は温子化磁束C1 が超伝導体中に侵入づる。しかし、串子化磁束は超伝導
体表面から侵入するため表面近傍ほどその密度が高く、
また磁場勾配により電流が流れることを考え併せると、
ロンドンの侵入距1)fi7とは異なるがある特性距離
〈超伝導体のピニングの強さで決定される距Il1l)
の範囲を、電流は同様に表面電流として流れる。従って
、前記欠点は同様に生じる。
こ)において本発明は、前記従来の欠点に鑑み大きい臨
界電流値を持つ超伝導配線を提供することにある。
〔課題を解決するための手段〕
前記課題の解決は、本発明の超伝導配線が、超伝導体と
、配線の使用温度では超伝導を示さない物質とからなる
2重v4層構造を基本単位に、複数回vi層する構成手
段を採用することにより達成される。
(作 用) 本発明が講じた前記手段として、超伝導体薄膜と、配線
の使用温度では超伝導状態を示さない物質(絶縁体、半
ノ鰺休、金属、超伝導転移温度−「。
が使用編度以下の超伝導体〉とから形成された薄膜から
なる2重積層構造を基本単位に、複数回積胴した構造に
より、超伝導体の表面面積を増加させ、これにより、大
ぎな臨界電流値を持つ超伝導配線を実現できる。
〔実施例1〕 本発明の第1実施例を第1図につき説明する。
本実施例は、厚みt の超伝導体1と、厚みtS .の配線の使用温度で【よ超伝導状態を示さない物質2
(絶縁体、半導体、金属、超伝導転移渇度゛「。が使用
温度以下の超伝導体)からなる2重積層体3を、N(>
2)回積層した配線γである。この超伝導配線γの臨界
電流値を求めてみる。使用記度では超伝導状態を示さな
い物質2(絶縁体、半導体、金属、超伝導転移温度「。
が使用温度以下の超伝導体)中には磁場が容易に侵入す
るが、超伝導体1中にはマイスナー効果、あるいはピニ
ング効果により表面からある特性距離のみしか侵入しな
いので、電流は超伝導体1の表面を流れることになる。
従って、臨界電流値I  は各超伝C2 導薄膜の表面電流の和となるので、 1   =2j・。λN (W+tS−2λ)・・・(
3)C2 となる。同様に、幅Wが厚みt8に比べ1分太きいと、
近似的に ■  〜2jo:AN(W−27) C2 ・・・ (4 ) となる。
ここで、 配線γ全休の厚みtは、 t・・N(1   +1   ) S口 ・・・ (5) で与えられる。
(5)式のNを(4) 式に代入す ると、 1  〜2joλ(W−22) t/ (t  +t 
 )C2                     
    S     n一I   t/(t  十t 
 )=NI   ・・・(6〉c1        s
     n        c1となる。つまり、臨
界電流値1  は仝休の膜厚C2 に比例して増加すると共に、同じ厚みでも従来の1ii
層超伝導配線bの臨界電流値I  に比べN倍C1 大きな値を実現できることを意味している。
〔実施例2) 第2実施例としては、超伝導体1として、pb、Nb.
NbN,NbT i ,Pb I n等の、いわゆる低
TC超伝導体(1986年に介見されたl−a1−xM
xCuOy(M:S「、Ba)をきっか(ノに探索が進
められた酸化物系超伝導体は超伍導転移温度T。が従来
超伝導体に比べ著しく高いこどから、高TC酸化物超伝
導体と呼ばれている。
それに対して従来の超伝導体を低下。超伝導体と呼ぶ。
)を用いる場合である。Ai!線の使用温度で超伝導状
態を示さない物質2としては!i場への影響が少ない、
つまり真空の透磁率に近い透磁率を持つ物質で構成する
。これは、基本的には、使用温度で超伝導状態を示す超
伝導体、あるいは磁性体を除く物質であればどのような
ものでも良く、絶縁体、半導体、金属、使用温度に比べ
低い超伝導転移温度TCを持つ超伝導体など多くの材料
系を用いることができる。例えば、SiO2、Mg01
Si.Ge,W,Ti,Bi@どが挙げられる。
ところで、La,−xMXCuOy(M:Sr、Ba)
は超伝導転移温度T。が30〜40Kど従来超伝導体に
比べ著しく高いことから、酸化物超伝導体の探索が進め
られ、転移温度T へ−90KC のL n B a C LJ O y系(1−nはイッ
トリウム(Y)、あるいはランタンイド元素)、同じく
へ・110KのB + S r C a C uO y
系、同じく〜120KのTI BaCaCuO,系の発
見が相次いだ。
〔実施例3〕 第3実施例としては、超伝導体1として、これ等の高T
CII化物超伝導体を用いる場合である。
前記した系の超伝導体、及び関連する酸化物超伝導体を
本実施例として使用できる。本実施例の特徴は、配線γ
の使用湿度を上界させることができることである(例え
ば、従来配線βの超伝導体として、最高の転移温度23
Kを持つNb3Geを適用した鴇合でも使用温度は高々
23K以下であったが、酸化物超伝導体LnBaCuO
,系を用いると90K以下で使用できる。)。特に、■
業的に広く用いられている液体窒素の沸点77Kでも動
作させることかでぎるため、冷用コストの低減化等のた
めに配線の適用領域を拡大できるメリッ1〜がある。
〔実施例4〕 第4実施例としては、前記第3実施例において、超伝導
(A1、及び配掩γの使用温度で超伝導状態を示さない
物′fI2を、両名共に!11帖晶7IIJ膜にするこ
とである。前記第3実塘例において、例えば、T c 
M化物超伝導体どしてLnBaCuOy系を、使用温度
で超伝導状態を示さイエい物質として金属AQを用いた
場合、酸化物超伝導体とACIの格子定数が大きく異な
るため、超伝導体1が微粘晶の集合体、いわゆる多結晶
体になってしまう。酸化物超伝導体のコヒーレンス長は
従来配線βの超伝導体のコヒーレンス長に比べ極めて短
かいため、結晶粒界に存在するバリアにより結晶間を超
伝導電流が流れ難くなり、臨界電流密度値j が桁違C いに小さくなってしまう(単結晶ではj は10C ’A/cd、多結晶体では103A/cIiのオーダど
4桁以上小さいことが報告されている。).これは、酸
化物超伝導体の物性に係わる酸化物超伝導体特有の問題
である。配線γの表面電流パスに6結晶粒界が存在する
ため、4?4層構造による臨界電流の増大効果を打ら消
4稈に、臨界電流値が大さく減少してしまう欠点を持っ
ている。本実施例では、超伝導体1は単結品休であるた
めに結晶粒界は存在せず、結晶粒界による臨界電流密度
の但下を防止することができる。従って、積層hM込に
よる臨界m流値の増加効果を十分発揮させることができ
る。
本実施例で示した配線γ構造、つまり高TC酸化物超伝
導体の単結晶薄膜、使用温度で超伝導状態を示さない物
質から形成された単結晶薄膜からなる積層構造を実現す
るには、おDの上にエビタキシャル(相互エビタキシャ
ルと呼ぶことにする。
〉成長が可能である必要がある。それには、格子定数の
整合がX足されるこどが綴も基本的条件である。ここで
・、酸化物超伝導体の格子定数、および格子整合条件に
ついて考えてみる。La1−xM  CuO  (M:
Sr、Ba)系はK 2 N i Fx       
y 4構造の正方品で格子定数a〜3.78Aである。
Ln1Ba2Cu30y系酸化物超伝導体は基本的には
斜方品形で格子定数はa〜3.82A,b〜3.88Δ
であるが、この結晶構造は格子定数aOの擬正方品とし
て扱ってもよい(la−b/b−1.5%)。従って、
ao 〜3.85Aの擬正方品と考えてよい。また、B
 i S r C a C uOy系は〜80K相も〜
IIOK相もほぼ正方品ra○〜5.4Aである。TI
 BaCaCuOy?は、a■〜3.86Aの正方品系
である。
(実施例5) 次に、単結晶を実現づるための格子の不整合の程度につ
いて説明する。最も、技術的に進んでる半導体の分野で
は、その不整合率は1%以下が許容されている。更には
ヘテ[+エビクギシャルの代表である3i上GaAS単
結晶成長においては、〜4%の格子の不整合が許容され
ている。いずれも現在良質な単結晶が実現され実用化さ
れている。
従って、このような科学技術上の一般観念から、酸化物
超伝導体との相互エビタキシャル成長が可能な(配線γ
の使用温度では超伝導状態を示さない)物質2として、
酸化物超伝導体との格子定数の不整合条件が4%以下の
物質とする。一般に格子構造を考える上で対角線、ある
いは対角線の172を副格子とみなすことができるのは
結晶学上でよく行なわれている。従って、例えば、Bi
Srcacuoy系の場合、対角m副格子としてa1/
2 o/2   〜3.82Aを取ることができる。このよ
うな考え方に基付き、酸化物超伝導体との格子定数の不
整合条件が4%以下の物質の格子定数の範聞を次表1に
示す。同表に、高T。酸化物超伝導体との相互ヘテ[l
エピタキシャルが可能な格子定数の範囲が示されている
表1 酸化物超伝導体との相亙ヘテロエビタキシ1・ルが可能
な物質としては、表1の格子整合条件を満足する材料で
、真空の透磁率に近い透磁率を持つ物質〈使用温度で超
伝導状態を丞す超伝導体、あるいは磁性体を除く物質、
例えば絶縁体、半導体、金属、使用温度に比べ低い超伝
導転移温度T をC 持つ超伝導体など)を用いることができる。この条件を
Il4足する材料系としては数え切れない稈に多くある
が、一例として、物質名、及び格子定数を次表2に示す
。これが第5実施例である。図表に、高TCI!I化物
超伝導体との相互ヘテ[1エピクキシャルが可能な物質
例を示す。
(実施例6) 第6実施例どしては前記第5実施例において配線γの動
作温度では超伝導状態を示さない物賀2の結晶構造を、
ペロウス力イト構造とするものである。超伝導転移温度
T。〜90Kを持っl− n 1Ba2Cu30y(1
−n : Y,あルイハランタノイド元素)はCu原子
を中心にした酸素八面体が四則的に配列したべロウス力
イト構造が基本となっている。また、転移温度〜80K
、〜110Kを持つB isrcacuOy系超伝導体
く転移温度〜80KはB12Sr2Ca1CU2oy、
転移温度〜110Kは812Sr2Ca2cu3o,と
言われている。〉、あるいは転移温度〜120KのT 
I [3aCaCuOy系超伝導体も同様な構造とみな
せる。従って、酸化物超伝導体との相互へテロエビタキ
シャル成長をZえる際、同一の結晶#il造を持つ物質
がより良い選択になることが予想できる。それ故、本実
施例としては、配線γの使用温度では超伝導状態を示さ
ない物質2として、酸化物超伝導体との格子定数不撃合
麿が4%以下で、酸化物超伝導体と同類の結晶4M’>
古であるベロウス力イト構造を持つ物質とすることIc
ある。
〔実施例7〕 更に、前記第4乃至第6実施例に対しての共通の補足的
条件として、配線γの使用温度では超伝導状態を示さな
い物質2として、その物質構成元素の超伝導体中への拡
散による超伝導性の劣化が少ないことが挙げられる。本
実施例としては、前記第4乃至第6実施例で、この条件
を具備したものである。例えば、酸化物超伝導体の構成
元素で、格子定数の不整合度が4%以下の金属として、
La,Ga,Eu,Yb等、及びこれ等ノ合金、酸化物
超伝導体との反応による超伝導性の劣化がないと実験的
に確認されているPt,Pd,Ru,■等の金属、Sr
O,BaO等の酸化物、CaF2等の弗化物等がある。
また、同様の考え方で、酸化物超伝導体の構成元素であ
る希土類を含むペロウス力イト構造の物質が挙げられる
。更にこれ等のべ0ウスカイト構造の内、酸化物超伝導
体と熱的、化学的に反応しにくい材料系の方が更により
適している可能性が高い(従って、出来るだけ高融点材
料が望ましい。〉。この観点から、例えば、LnX03
(X : Fe,Go.N i ),LnA10  L
aGaO3(Ln:イットリウム、3′ 及びランタノイド金属)などがある。
〔発明の効果) かくして本発明は、超伝導体薄膜と、使用温度では超伝
導状態を示さない物質(絶縁体、半導体、金属、超伝導
転移温度一「。が動作@度に比べ低い超伝導体)から形
成された薄膜からなる2重積層構造を基本単位に複数回
積層した構造により、超伝導体表面面積を増加させるこ
とができる。従って、大きな臨界電流値を持つ超伝導配
線を実現でき、エレクトロニクスからパワーエレクトロ
ニクスの分野に渡るまで、幅広い応用が期侍できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の実施例による超伝導配線の基本構造を
示す斜面図、第2図は従来の超伝導配線の基本構造を示
1′斜i′lili図である。 1・・・超伝導体、2・・・配線の使用tA度で超伝導
状態を示さない物質、 3・・・2重積層体、 α・・・基板 β. γ・・・配線、 t, t n′ t 5・・・厚み、 W・・・幅 第1図 第2図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、超伝導体と、配線の使用温度では超伝導を示さない
    物質とからなる2重積層構造を基本単位に、複数回積層
    することを特徴とする超伝導配線。 2、超伝導体は、高T_C酸化物超伝導体であることを
    特徴とする請求項1記載の超伝導配線。 3、超伝導体と、配線の使用温度では超伝導を示さない
    物質とを、単結晶体としたことを特徴とする請求項2記
    載の超伝導配線。 4、配線の使用温度では超伝導を示さない物質は、高T
    _C酸化物超伝導体との格子の不整合率が4%以下であ
    ることを特徴とする請求項2記載の超伝導配線。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH04230912A (ja) * 1990-05-01 1992-08-19 Internatl Business Mach Corp <Ibm> 超電導体送電線
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