JPH0529673A - 積層超伝導薄膜 - Google Patents
積層超伝導薄膜Info
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- JPH0529673A JPH0529673A JP3238803A JP23880391A JPH0529673A JP H0529673 A JPH0529673 A JP H0529673A JP 3238803 A JP3238803 A JP 3238803A JP 23880391 A JP23880391 A JP 23880391A JP H0529673 A JPH0529673 A JP H0529673A
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Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【構成】 基板上に酸化物超伝導体層を形成後、磁場を
基板に対し垂直に作用させながらＡＦｅ2Ｏ4（式中Ａ
は、ＹあるいはＹｂを表わす。）反強磁性体層を形成
し、そのうえに再び前記酸化物超伝導体層を形成するこ
とにより、基板上に酸化物系超伝導体層、ＡＦｅ2Ｏ4反
強磁性体層、前記酸化物系超伝導体層よりなる積層超伝
導薄膜。 【効果】 抵抗ゼロと有限抵抗の状態の間をオフ・オン
できる新しいスイッチング素子等として有用。
基板に対し垂直に作用させながらＡＦｅ2Ｏ4（式中Ａ
は、ＹあるいはＹｂを表わす。）反強磁性体層を形成
し、そのうえに再び前記酸化物超伝導体層を形成するこ
とにより、基板上に酸化物系超伝導体層、ＡＦｅ2Ｏ4反
強磁性体層、前記酸化物系超伝導体層よりなる積層超伝
導薄膜。 【効果】 抵抗ゼロと有限抵抗の状態の間をオフ・オン
できる新しいスイッチング素子等として有用。
Description
【０００１】
【技術分野】本発明は、ジョセフソン（トンネル）接合
素子、特に磁場制御によるスイッチ素子として応用でき
る積層超伝導薄膜に関する。
素子、特に磁場制御によるスイッチ素子として応用でき
る積層超伝導薄膜に関する。
【０００２】
【従来技術】本発明に関係する従来技術としては、Ｍｇ
Ｏ単結晶基板上あるいは石英基板上にＹ系超伝導薄膜Ｙ
1Ｂａ2Ｃｕ3Ｏｘを基板温度６００℃〜６４０℃で対向
ターゲットスパッタ法により作製した後、さらにその上
に強磁性ＢａＦｅ12Ｏ19薄膜を同様の方法で積層させ、
両膜ともＣ軸配向している積層膜の例（日刊工業新聞：
１９９０年９月）と単結晶ＭｇＯ基板上にＹ1Ｂａ2Ｃｕ
3Ｏｘ薄膜をイオンビームスパッタ法により作製し、そ
の上に酸化物磁性膜ＬａαＣａβＭｎＯｙ（α＝0.7、
β＝0.3）、Ｙ1Ｂａ2Ｃｕ3Ｏｘの順に膜を積層させた三
層構造膜をエピタキシャル成長させた例がある。いずれ
も界面での元素の相互拡散が見られず、Ｃ軸配向した膜
になっている〔T.Ohno，M.Kasa，Y.Kanke，Y.Kozono，
M.Hanazono and Y.sugita；Jpn.J.Appl.Phys.29（199
0）L607〕。これまでのジョセフソン接合素子に代表さ
れる、トンネル接合素子は超伝導薄膜上に絶縁性薄膜あ
るいは金属薄膜を積層し、さらにその上に超伝導薄膜を
積層した構造を有するが、最近では絶縁層の部分を半導
体層に変えた超伝導／半導体／超伝導構成の薄膜によ
る、トランジスタの試作といった従来の応用にはない新
しい素子への動きがある。さらに金属、合金系超伝導体
を酸化物系超伝導体に置き変えたトンネル接合素子の作
製が盛んに行なわれている。このように酸化物超伝導体
の出現により従来にはない素子に対する新しいアイデア
が提案されている。
Ｏ単結晶基板上あるいは石英基板上にＹ系超伝導薄膜Ｙ
1Ｂａ2Ｃｕ3Ｏｘを基板温度６００℃〜６４０℃で対向
ターゲットスパッタ法により作製した後、さらにその上
に強磁性ＢａＦｅ12Ｏ19薄膜を同様の方法で積層させ、
両膜ともＣ軸配向している積層膜の例（日刊工業新聞：
１９９０年９月）と単結晶ＭｇＯ基板上にＹ1Ｂａ2Ｃｕ
3Ｏｘ薄膜をイオンビームスパッタ法により作製し、そ
の上に酸化物磁性膜ＬａαＣａβＭｎＯｙ（α＝0.7、
β＝0.3）、Ｙ1Ｂａ2Ｃｕ3Ｏｘの順に膜を積層させた三
層構造膜をエピタキシャル成長させた例がある。いずれ
も界面での元素の相互拡散が見られず、Ｃ軸配向した膜
になっている〔T.Ohno，M.Kasa，Y.Kanke，Y.Kozono，
M.Hanazono and Y.sugita；Jpn.J.Appl.Phys.29（199
0）L607〕。これまでのジョセフソン接合素子に代表さ
れる、トンネル接合素子は超伝導薄膜上に絶縁性薄膜あ
るいは金属薄膜を積層し、さらにその上に超伝導薄膜を
積層した構造を有するが、最近では絶縁層の部分を半導
体層に変えた超伝導／半導体／超伝導構成の薄膜によ
る、トランジスタの試作といった従来の応用にはない新
しい素子への動きがある。さらに金属、合金系超伝導体
を酸化物系超伝導体に置き変えたトンネル接合素子の作
製が盛んに行なわれている。このように酸化物超伝導体
の出現により従来にはない素子に対する新しいアイデア
が提案されている。
【０００３】
【目的】本発明の目的は、新しいタイプの積層超伝導薄
膜を提供する点にある。
膜を提供する点にある。
【０００４】
【構成】本発明は、超伝導体を特に酸化物系超伝導薄膜
に限定した積層超伝導薄膜である。従来からある金属・
合金系超伝導体においては、磁性元素が不純物として入
ると超伝導性が消失したり、臨界温度が減少してしまう
が、最近のＲＢａ2Ｃｕ3Ｏγ（γ＝7-Xであり、Ｒは
Ｙ，Ｙｂ，Ｅｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｈｏ，Ｄｙ，Ｔｂ
などである。）超伝導体は臨界温度が約９０Ｋである
が、Ｎｄ等のように磁性をもつ元素が結晶格子に規則的
に位置していても臨界温度を特に下げることなく超伝導
を示すことから本発明者はこれらの材料に着目した。そ
の結果ジョセフソン接合素子に代表される超伝導電流の
トンネル効果が、超伝導／非磁性絶縁体／超伝導型の接
合でも起こるが、真中の絶縁体層が磁性層であってもト
ンネル効果を起こすことが可能であることが判明した。
本発明の第１は、基板上に酸化物系超伝導体層を、その
上にＡＦｅ2Ｏ4（式中Ａは、前記に同じ。）反強磁性体
層を、さらにその上に前記酸化物系超伝導体層を積層さ
せたことを特徴とする積層超伝導薄膜に関する。本発明
の第２は、基板上に酸化物超伝導体層を形成後、磁場を
基板に対し垂直に作用させながらＡＦｅ2Ｏ4（式中Ａ
は、前記に同じ。）反強磁性体層を形成し、そのうえ
に、再び前記酸化物超伝導体層を形成することを特徴と
する積層超伝導薄膜の製法に関する。前記製法は、１つ
の密室内で一度も大気中にとり出すことなく実施するこ
とが好ましい。この結果、膜の各層の界面が全く汚染さ
れることがない。本発明の膜構成について以下に述べ
る。用いる基板はセラミックス基板、ＭｇＯ（１０
０）、ＳｒＴｉＯ（１００）単結晶基板が望ましい。そ
の他としては、ガラス基板、Ｓｉ基板などが考えらるが
これらの場合は超伝導膜と基板間に下地層（Ｓｉの拡散
抑制層）を設ける必要がある。酸化物超伝導薄膜として
は、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ、Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−
Ｏ、Ｔｌ−Ｂａ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏが代表的であるが、Ｂ
ｉ2Ｓｒ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏ8、Ｂｉ2Ｓｒ2Ｃａ1Ｃｕ2Ｏ10ま
たはＭ1Ｂａ2Ｃｕ3Ｏｙ〔ｙ＝７−ｘ（０＜ｘ＜０．
１）、ＭはＹ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｙｂ、Ｓｍよりなる
群から選ばれる〕が好ましい。本発明においてはＹ−Ｂ
ａ−Ｃｕ−Ｏ系が特に有効である。Ｙ系超伝導体は、Ｙ
1Ｂａ2Ｃｕ3Ｏｘ（ｘ＝６．５〜７）組成の材料を用い
る。格子定数はａ＝３．８８Å、ｂ＝３．８２Å、ｃ＝
１１．６８Åであり、臨界温度は約９０Ｋである。この
材料の場合、薄膜作製法にもよるが蒸着法、スパッタ法
に代表されるＰＶＤ法では基板温度５００℃、ａｓ−ｄ
ｅｐｏ状態で臨界温度が９０Ｋに近い値が得られてお
り、超伝導特性も良い。一方、ＡＦｅ2Ｏｙ（式中Ａ
は、前記に同じ。ｙ＝４付近）は格子定数ａ＝ｂ＝〜
３．６Å、ｃ＝〜２４．８Åを持つ六方晶系である。Ｆ
ｅイオンは三角格子上に位置しており、Ｆｅは二価と三
価のイオンの両方が存在する。この系の特徴は、磁性と
しては三角格子に位置するＦｅイオンによる反強磁性的
なスピン構造を持っているのが特徴である。抵抗率は、
室温で約数１０Ω・cm程度であり磁化はほぼゼロであ
る。しかし、低温側へ冷却していく時に磁場をかけなが
ら行なうと約１５０Ｋから自発磁化が現れる。また、冷
却時に磁場ゼロの場合約１５０Ｋで最も大きな磁化を持
ち（〜５emu/g）、９０Ｋ近くでは約１ｅｍｕ／ｇ未満
になる。ただし、これらは磁化測定時には１０ＫＯｅの
磁場をＣ軸方向にかけていて、冷却時にもＣ軸にかけて
いる。このＣ軸は磁気的異方性を持ち、Ｃ面内では自発
磁化はほとんど現れない。ＡＦｅ2Ｏｙ（式中Ａ及びｙ
は、前記に同じ。）酸化物超伝導体の特徴は、第二種超
伝導体であることと、ＹあるいはＹｂの代わりに磁性を
持つイオン例えばＥｒなどに置換した場合でも、金属合
金系超伝導体では磁性イオンは超伝導性に悪い影響（臨
界温度が著しく下がる）を与えたが、この系ではそうで
はない。従って、磁性イオンの存在するＹ−Ｆｅ−Ｏ系
あるいはＹｂ−Ｆｅ−Ｏ系でもこの物質中に超伝導電流
が流れることが可能である。すなわちこれを超伝導体で
挾んだＳＩ（Ｎ）Ｓ型素子にした場合、超伝導電流が流
れることが可能になる。次に、図１により、本発明に使
用する薄膜形成装置について説明する。ベースプレート
１とベルジャー２とは、パッキング15を介して一体化さ
れ真空槽を形成している。ベースプレート１は、支持体
兼用の電極４，６，８により貫通されているが、これら
支持体兼用電極４等の貫通部はもちろん気密状態であ
り、さらにこれら支持体兼用電極４，６，８とベースプ
レート１とは電気的に絶縁されている。またベースプレ
ート１の中央部に穿設された孔１Ａは図示されていない
真空排気系へ連結されている。蒸発源３は電子ビーム蒸
発源あるいは抵抗加熱蒸発源が用いられる。作製する材
料が三元素からなる場合は、三台の電子蒸発源を用いた
り、一台を抵抗加熱する等の方法がある。一対の支持体
兼用電極４の間にはタングステン等による熱電子発生用
のフィラメント５が支持されている。このフィラメント
５の形状は、複数本のフィラメントを平行に配列した
り、あるいは網目状にしたりするなどして蒸発源から蒸
発した蒸発物質の粒子の拡がりをカバーするように定め
られている。支持体兼用電極６には、グリッド７が支持
されている。このグリッドは蒸発物質を蒸発させうる形
状に定められているが、この例では網目状である。支持
体８には対電極１０が支持され、その下位には、基板が
保持される。支持体兼用電極４，６，８は導電体であっ
て、それらの真空槽外へ突出した端部間は図示したよう
に種々の電源に接続されている。蒸発源の電源は省略し
てある。支持体兼用電極６が、直流の正電極に接続され
支持体兼用電極８が接地されている。以下、この装置例
による酸化物超伝導薄膜形成について説明する。基板１
１を図のようにセットして、蒸着物質を保持させる。こ
のとき、蒸発源としては電子銃、クヌーセンセル、抵抗
加熱方式があり安定に蒸発するように蒸発源を選ぶ。真
空槽内はあらかじめ、１／１０3〜１／１０5Ｐａの圧力
にしておき、酸素ガスを導入し１０0〜１／１０2Ｐａの
圧力にする。この状態において電源を作用させグリッド
７に正の電位が印加され、対電極１０は接地されフィラ
メント５には電流が流される。ここでは例えばグリッド
は網目上であり100Ｖ印加され、フィラメントはタング
ステンワイヤーで400Ｗの電力がかかっている。フィラ
メント５は抵抗加熱により加熱され、熱電子を放射す
る。真空槽内の酸素分子は、フィラメント５より放出さ
れた熱電子との衝突によってイオン化される。蒸発した
Ｂｉ，Ｓｒ，Ｃａ，Ｃｕの粒子は拡がりを持って基板の
側へ向かって飛行するが、その一部及び前記導入ガスは
フィラメント５より放出された熱電子との衝突によって
イオン化される。このように、一部イオン化させた上記
各元素はグリッド７を通過するが、その際前記のように
グリッド近傍において上下に振動運動する熱電子及び前
記イオン化された導入ガスの衝突により、さらにイオン
化が促進される。グリッド７を通過した蒸発物質中いま
だイオン化されていない部分は更にグリッドと基板の間
に於いて前記イオン化された導入ガスとの衝突により正
イオンにイオン化される。このようにしてイオン化され
た各元素は、グリッド７から対電極１０に向かう電界の
作用により基板１１に向かって加速され、基板に高エネ
ルギーを持って向かう。更にその途中及び基板表面に於
いて酸素と結合し、Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ酸化物
が基板に形成される。熱電子は最終的にはその大部分が
グリッド７に吸収され一部の熱電子はグリッドを通過す
るがグリッド７と基板１１との間で前記電界の作用によ
って減速されるので仮に基板１１に達しても、同基板１
１を加熱するには到らない。本発明は、上記に示したよ
うな酸化物作製に有効な方法を原子層レベルで成長させ
る薄膜作製法を提供するものである。蒸発源には電子銃
を用い、蒸発材料としては、例えばＢｉ金属、Ｃｕ金属
およびＳｒＣａ合金等を用い三台の電子銃にこれらの材
料を入れる。なお、ＳｒＣａ合金は、例えばＳｒ40Ｃａ
60合金として使用する。あるいは、Ｂｉ金属の代わりに
Ｂｉ酸化物を用いることもできる。蒸発源の直上にはシ
ャッターが設置され、これは個個の蒸発源に設置する
か、蒸発源全体を覆うような大きな一枚の円板の１ケ所
に穴を開けたシャッターを用いたりする。
に限定した積層超伝導薄膜である。従来からある金属・
合金系超伝導体においては、磁性元素が不純物として入
ると超伝導性が消失したり、臨界温度が減少してしまう
が、最近のＲＢａ2Ｃｕ3Ｏγ（γ＝7-Xであり、Ｒは
Ｙ，Ｙｂ，Ｅｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｈｏ，Ｄｙ，Ｔｂ
などである。）超伝導体は臨界温度が約９０Ｋである
が、Ｎｄ等のように磁性をもつ元素が結晶格子に規則的
に位置していても臨界温度を特に下げることなく超伝導
を示すことから本発明者はこれらの材料に着目した。そ
の結果ジョセフソン接合素子に代表される超伝導電流の
トンネル効果が、超伝導／非磁性絶縁体／超伝導型の接
合でも起こるが、真中の絶縁体層が磁性層であってもト
ンネル効果を起こすことが可能であることが判明した。
本発明の第１は、基板上に酸化物系超伝導体層を、その
上にＡＦｅ2Ｏ4（式中Ａは、前記に同じ。）反強磁性体
層を、さらにその上に前記酸化物系超伝導体層を積層さ
せたことを特徴とする積層超伝導薄膜に関する。本発明
の第２は、基板上に酸化物超伝導体層を形成後、磁場を
基板に対し垂直に作用させながらＡＦｅ2Ｏ4（式中Ａ
は、前記に同じ。）反強磁性体層を形成し、そのうえ
に、再び前記酸化物超伝導体層を形成することを特徴と
する積層超伝導薄膜の製法に関する。前記製法は、１つ
の密室内で一度も大気中にとり出すことなく実施するこ
とが好ましい。この結果、膜の各層の界面が全く汚染さ
れることがない。本発明の膜構成について以下に述べ
る。用いる基板はセラミックス基板、ＭｇＯ（１０
０）、ＳｒＴｉＯ（１００）単結晶基板が望ましい。そ
の他としては、ガラス基板、Ｓｉ基板などが考えらるが
これらの場合は超伝導膜と基板間に下地層（Ｓｉの拡散
抑制層）を設ける必要がある。酸化物超伝導薄膜として
は、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ、Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−
Ｏ、Ｔｌ−Ｂａ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏが代表的であるが、Ｂ
ｉ2Ｓｒ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏ8、Ｂｉ2Ｓｒ2Ｃａ1Ｃｕ2Ｏ10ま
たはＭ1Ｂａ2Ｃｕ3Ｏｙ〔ｙ＝７−ｘ（０＜ｘ＜０．
１）、ＭはＹ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｙｂ、Ｓｍよりなる
群から選ばれる〕が好ましい。本発明においてはＹ−Ｂ
ａ−Ｃｕ−Ｏ系が特に有効である。Ｙ系超伝導体は、Ｙ
1Ｂａ2Ｃｕ3Ｏｘ（ｘ＝６．５〜７）組成の材料を用い
る。格子定数はａ＝３．８８Å、ｂ＝３．８２Å、ｃ＝
１１．６８Åであり、臨界温度は約９０Ｋである。この
材料の場合、薄膜作製法にもよるが蒸着法、スパッタ法
に代表されるＰＶＤ法では基板温度５００℃、ａｓ−ｄ
ｅｐｏ状態で臨界温度が９０Ｋに近い値が得られてお
り、超伝導特性も良い。一方、ＡＦｅ2Ｏｙ（式中Ａ
は、前記に同じ。ｙ＝４付近）は格子定数ａ＝ｂ＝〜
３．６Å、ｃ＝〜２４．８Åを持つ六方晶系である。Ｆ
ｅイオンは三角格子上に位置しており、Ｆｅは二価と三
価のイオンの両方が存在する。この系の特徴は、磁性と
しては三角格子に位置するＦｅイオンによる反強磁性的
なスピン構造を持っているのが特徴である。抵抗率は、
室温で約数１０Ω・cm程度であり磁化はほぼゼロであ
る。しかし、低温側へ冷却していく時に磁場をかけなが
ら行なうと約１５０Ｋから自発磁化が現れる。また、冷
却時に磁場ゼロの場合約１５０Ｋで最も大きな磁化を持
ち（〜５emu/g）、９０Ｋ近くでは約１ｅｍｕ／ｇ未満
になる。ただし、これらは磁化測定時には１０ＫＯｅの
磁場をＣ軸方向にかけていて、冷却時にもＣ軸にかけて
いる。このＣ軸は磁気的異方性を持ち、Ｃ面内では自発
磁化はほとんど現れない。ＡＦｅ2Ｏｙ（式中Ａ及びｙ
は、前記に同じ。）酸化物超伝導体の特徴は、第二種超
伝導体であることと、ＹあるいはＹｂの代わりに磁性を
持つイオン例えばＥｒなどに置換した場合でも、金属合
金系超伝導体では磁性イオンは超伝導性に悪い影響（臨
界温度が著しく下がる）を与えたが、この系ではそうで
はない。従って、磁性イオンの存在するＹ−Ｆｅ−Ｏ系
あるいはＹｂ−Ｆｅ−Ｏ系でもこの物質中に超伝導電流
が流れることが可能である。すなわちこれを超伝導体で
挾んだＳＩ（Ｎ）Ｓ型素子にした場合、超伝導電流が流
れることが可能になる。次に、図１により、本発明に使
用する薄膜形成装置について説明する。ベースプレート
１とベルジャー２とは、パッキング15を介して一体化さ
れ真空槽を形成している。ベースプレート１は、支持体
兼用の電極４，６，８により貫通されているが、これら
支持体兼用電極４等の貫通部はもちろん気密状態であ
り、さらにこれら支持体兼用電極４，６，８とベースプ
レート１とは電気的に絶縁されている。またベースプレ
ート１の中央部に穿設された孔１Ａは図示されていない
真空排気系へ連結されている。蒸発源３は電子ビーム蒸
発源あるいは抵抗加熱蒸発源が用いられる。作製する材
料が三元素からなる場合は、三台の電子蒸発源を用いた
り、一台を抵抗加熱する等の方法がある。一対の支持体
兼用電極４の間にはタングステン等による熱電子発生用
のフィラメント５が支持されている。このフィラメント
５の形状は、複数本のフィラメントを平行に配列した
り、あるいは網目状にしたりするなどして蒸発源から蒸
発した蒸発物質の粒子の拡がりをカバーするように定め
られている。支持体兼用電極６には、グリッド７が支持
されている。このグリッドは蒸発物質を蒸発させうる形
状に定められているが、この例では網目状である。支持
体８には対電極１０が支持され、その下位には、基板が
保持される。支持体兼用電極４，６，８は導電体であっ
て、それらの真空槽外へ突出した端部間は図示したよう
に種々の電源に接続されている。蒸発源の電源は省略し
てある。支持体兼用電極６が、直流の正電極に接続され
支持体兼用電極８が接地されている。以下、この装置例
による酸化物超伝導薄膜形成について説明する。基板１
１を図のようにセットして、蒸着物質を保持させる。こ
のとき、蒸発源としては電子銃、クヌーセンセル、抵抗
加熱方式があり安定に蒸発するように蒸発源を選ぶ。真
空槽内はあらかじめ、１／１０3〜１／１０5Ｐａの圧力
にしておき、酸素ガスを導入し１０0〜１／１０2Ｐａの
圧力にする。この状態において電源を作用させグリッド
７に正の電位が印加され、対電極１０は接地されフィラ
メント５には電流が流される。ここでは例えばグリッド
は網目上であり100Ｖ印加され、フィラメントはタング
ステンワイヤーで400Ｗの電力がかかっている。フィラ
メント５は抵抗加熱により加熱され、熱電子を放射す
る。真空槽内の酸素分子は、フィラメント５より放出さ
れた熱電子との衝突によってイオン化される。蒸発した
Ｂｉ，Ｓｒ，Ｃａ，Ｃｕの粒子は拡がりを持って基板の
側へ向かって飛行するが、その一部及び前記導入ガスは
フィラメント５より放出された熱電子との衝突によって
イオン化される。このように、一部イオン化させた上記
各元素はグリッド７を通過するが、その際前記のように
グリッド近傍において上下に振動運動する熱電子及び前
記イオン化された導入ガスの衝突により、さらにイオン
化が促進される。グリッド７を通過した蒸発物質中いま
だイオン化されていない部分は更にグリッドと基板の間
に於いて前記イオン化された導入ガスとの衝突により正
イオンにイオン化される。このようにしてイオン化され
た各元素は、グリッド７から対電極１０に向かう電界の
作用により基板１１に向かって加速され、基板に高エネ
ルギーを持って向かう。更にその途中及び基板表面に於
いて酸素と結合し、Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ酸化物
が基板に形成される。熱電子は最終的にはその大部分が
グリッド７に吸収され一部の熱電子はグリッドを通過す
るがグリッド７と基板１１との間で前記電界の作用によ
って減速されるので仮に基板１１に達しても、同基板１
１を加熱するには到らない。本発明は、上記に示したよ
うな酸化物作製に有効な方法を原子層レベルで成長させ
る薄膜作製法を提供するものである。蒸発源には電子銃
を用い、蒸発材料としては、例えばＢｉ金属、Ｃｕ金属
およびＳｒＣａ合金等を用い三台の電子銃にこれらの材
料を入れる。なお、ＳｒＣａ合金は、例えばＳｒ40Ｃａ
60合金として使用する。あるいは、Ｂｉ金属の代わりに
Ｂｉ酸化物を用いることもできる。蒸発源の直上にはシ
ャッターが設置され、これは個個の蒸発源に設置する
か、蒸発源全体を覆うような大きな一枚の円板の１ケ所
に穴を開けたシャッターを用いたりする。
【０００５】
【実施例】薄膜作製法はスパッタ法、蒸着法で行なう。
スパッタ法としては対向ターゲットスパッタ法、蒸着法
としては多元素を同時に蒸着させる多元同時蒸着法で行
なうが同時蒸着法の例について述べる。Ｙ，Ｂａ，Ｃｕ
金属を電子ビーム加熱により蒸発させる。成膜速度は
Ｙ，Ｂａ，Ｃｕそれぞれ０．５Å／ｓ、０．３Å／ｓ、
０．１Å／ｓで行ないＹ：Ｂａ：Ｃｕ＝１：２：３組成
に合わせるため、各電子銃の蒸発速度をコントロールし
ながらこの組成になるように調節する。導入ガスは酸素
を用い、圧力は１〜４×１／１０2Ｐａにし酸素はプラ
ズマ状態にする。プラズマ発生法としては蒸発源上にＷ
フィラメント、すなわち直径0.2から0.5mm程度のＷワイ
ヤーを数本設け、４００Ｗの電力で熱電子を放出させ
る。この熱電子が酸素ガスに衝突し、酸素はイオン化し
プラズマ状態になる。このとき蒸発金属も一部イオン化
する。熱電子が基板へ到達しないようにさらにフィラメ
ントの上にステンレス製網状電極を用い、この電極は
（＋）である。そして基板を固定する基板ホルダ（−）
の電極として用いる。こうして熱電子が網状電極に捕ら
えられ、金属イオンと酸素イオンが基板へ到達し、基板
付近で反応し酸化する。基板はＭｇＯ（１００）単結晶
基板を用いる。基板温度は５００℃から５５０℃に加熱
し、結晶化させ膜をＣ軸に配向させる。網状電極と基板
間には50Ｖから100Ｖの電圧（グリッド電圧と言う）を
かけておく。この網状電極に流れる電流をグリッド電流
と言い、この値を０．５Ａから１．０Ａにする。所定の
膜厚に達した後、数Ｐａの酸素圧力にし基板を冷す。あ
るいは導入ガスにオゾンを数％混ぜて酸化力を大きくす
る。次にＹｂＦｅ2Ｏ4薄膜をつける。同じベルジャー内
にはもう一台電子銃を設置し、これでＦｅを蒸発させ
る。先に用いたＹｂ金属を再び用いこの２元素を同時に
蒸発させる。この場合も、Ｙｂ：Ｆｅ＝１：２になるよ
うに各蒸発源の蒸発速度をコントロールし成膜速度を
０．５Å／ｓ未満で行なう。酸素圧を１×１／１０2Ｐ
ａにし、超伝導膜と同様のプラズマ条件（グリッド電
流：０．５Ａ、グリッド電圧：１００Ｖ）にして、基板
温度４００℃から５００℃にする。膜厚は５０から１０
０Åにする。この場合もＣ軸配向膜にする。この膜をつ
くる場合、基板に垂直に数百Ｏｅから数千Ｏｅの大きさ
の磁場をかけながら成膜し配向性を高める方法も有効で
ある。この膜の場合には、基板冷却中に酸素ガスを流し
ながら行なう必要は無い。そして、再びＹ系超伝導膜を
同様に積層する。これら一連の膜は一度も大気中に取り
出すこと無く作製するので、膜の各層の界面を汚染する
ことが無いため、このｉｎ−ｓｉｔｕ法を使用すること
が重要である。
スパッタ法としては対向ターゲットスパッタ法、蒸着法
としては多元素を同時に蒸着させる多元同時蒸着法で行
なうが同時蒸着法の例について述べる。Ｙ，Ｂａ，Ｃｕ
金属を電子ビーム加熱により蒸発させる。成膜速度は
Ｙ，Ｂａ，Ｃｕそれぞれ０．５Å／ｓ、０．３Å／ｓ、
０．１Å／ｓで行ないＹ：Ｂａ：Ｃｕ＝１：２：３組成
に合わせるため、各電子銃の蒸発速度をコントロールし
ながらこの組成になるように調節する。導入ガスは酸素
を用い、圧力は１〜４×１／１０2Ｐａにし酸素はプラ
ズマ状態にする。プラズマ発生法としては蒸発源上にＷ
フィラメント、すなわち直径0.2から0.5mm程度のＷワイ
ヤーを数本設け、４００Ｗの電力で熱電子を放出させ
る。この熱電子が酸素ガスに衝突し、酸素はイオン化し
プラズマ状態になる。このとき蒸発金属も一部イオン化
する。熱電子が基板へ到達しないようにさらにフィラメ
ントの上にステンレス製網状電極を用い、この電極は
（＋）である。そして基板を固定する基板ホルダ（−）
の電極として用いる。こうして熱電子が網状電極に捕ら
えられ、金属イオンと酸素イオンが基板へ到達し、基板
付近で反応し酸化する。基板はＭｇＯ（１００）単結晶
基板を用いる。基板温度は５００℃から５５０℃に加熱
し、結晶化させ膜をＣ軸に配向させる。網状電極と基板
間には50Ｖから100Ｖの電圧（グリッド電圧と言う）を
かけておく。この網状電極に流れる電流をグリッド電流
と言い、この値を０．５Ａから１．０Ａにする。所定の
膜厚に達した後、数Ｐａの酸素圧力にし基板を冷す。あ
るいは導入ガスにオゾンを数％混ぜて酸化力を大きくす
る。次にＹｂＦｅ2Ｏ4薄膜をつける。同じベルジャー内
にはもう一台電子銃を設置し、これでＦｅを蒸発させ
る。先に用いたＹｂ金属を再び用いこの２元素を同時に
蒸発させる。この場合も、Ｙｂ：Ｆｅ＝１：２になるよ
うに各蒸発源の蒸発速度をコントロールし成膜速度を
０．５Å／ｓ未満で行なう。酸素圧を１×１／１０2Ｐ
ａにし、超伝導膜と同様のプラズマ条件（グリッド電
流：０．５Ａ、グリッド電圧：１００Ｖ）にして、基板
温度４００℃から５００℃にする。膜厚は５０から１０
０Åにする。この場合もＣ軸配向膜にする。この膜をつ
くる場合、基板に垂直に数百Ｏｅから数千Ｏｅの大きさ
の磁場をかけながら成膜し配向性を高める方法も有効で
ある。この膜の場合には、基板冷却中に酸素ガスを流し
ながら行なう必要は無い。そして、再びＹ系超伝導膜を
同様に積層する。これら一連の膜は一度も大気中に取り
出すこと無く作製するので、膜の各層の界面を汚染する
ことが無いため、このｉｎ−ｓｉｔｕ法を使用すること
が重要である。
【０００６】
【効果】得られた積層膜に上層の超伝導体から下層の超
伝導体に超伝導電流を反強磁性体を介して流す時、反強
磁性体が金属あるいは半導体であれば、臨界温度は下が
るが磁性イオンが規則的に配列していても超伝導電流が
流れる。しかも反強磁性膜をジョセフソン素子のように
絶縁膜を数１０Åと非常に薄くすること無く、これより
も厚くても流れる。さらに反強磁性体は、三角格子反強
磁性体の特有のスピンフラストレーションという性質が
あることから、磁性イオンによる電子対の破壊を起こす
確率が小さいので電流密度もより大きくなる。このよう
に従来考えられている接合構造とは異なるものである。
この新らしい構造の応用例としてはスイッチング素子が
ある。先に述べたこの反強磁性体は低温で磁場をかける
と自発磁化を持つようになる。これは超伝導電流に対し
電子対の破壊を起こす原因になり、有限抵抗を生ずる。
逆にこれを利用して、この素子に磁場発生用回路を設け
てやることにより磁場のスイッチングで、抵抗ゼロと有
限抵抗の状態をオン・オフに相当させることでスイッチ
ングを行なうことができる。一方、発生させた磁場によ
る超伝導膜自身は、その超伝導性を失うことは無い。こ
の超伝導体は第二種超伝導体であるため数１０００ｅの
磁場では超伝導性は失われないからである。また、本発
明の方法によれば、一度も大気中にさらされることなく
製造工程を実施するので、各層の界面が全く汚染される
ことがない。
伝導体に超伝導電流を反強磁性体を介して流す時、反強
磁性体が金属あるいは半導体であれば、臨界温度は下が
るが磁性イオンが規則的に配列していても超伝導電流が
流れる。しかも反強磁性膜をジョセフソン素子のように
絶縁膜を数１０Åと非常に薄くすること無く、これより
も厚くても流れる。さらに反強磁性体は、三角格子反強
磁性体の特有のスピンフラストレーションという性質が
あることから、磁性イオンによる電子対の破壊を起こす
確率が小さいので電流密度もより大きくなる。このよう
に従来考えられている接合構造とは異なるものである。
この新らしい構造の応用例としてはスイッチング素子が
ある。先に述べたこの反強磁性体は低温で磁場をかける
と自発磁化を持つようになる。これは超伝導電流に対し
電子対の破壊を起こす原因になり、有限抵抗を生ずる。
逆にこれを利用して、この素子に磁場発生用回路を設け
てやることにより磁場のスイッチングで、抵抗ゼロと有
限抵抗の状態をオン・オフに相当させることでスイッチ
ングを行なうことができる。一方、発生させた磁場によ
る超伝導膜自身は、その超伝導性を失うことは無い。こ
の超伝導体は第二種超伝導体であるため数１０００ｅの
磁場では超伝導性は失われないからである。また、本発
明の方法によれば、一度も大気中にさらされることなく
製造工程を実施するので、各層の界面が全く汚染される
ことがない。
【図１】本発明に用いる薄膜形成装置の一例を示す断面
図である。
図である。
【図２】本発明実施例で得られた積層超伝導薄膜を示
す。
す。
１ ベースプレート
２ ベルジャー
３ 蒸発源
４ 支持体兼用電極
５ フィラメント
６ 支持体兼用電極
７ グリッド
８ 支持体兼用電極
９ 基板加熱用ヒーター
10 対電極
11 基板
13 電流計
14 電源
15 パッキング
点線 電子線
２１ 基板
２２ 超伝導層
２３ 反強磁性体層
２４ 超伝導層
Claims (3)
- 【請求項１】 基板上に酸化物系超伝導体層を、その上
にＡＦｅ2Ｏ4（式中Ａは、ＹあるいはＹｂを表わす。）
反強磁性体層を、さらにその上に前記酸化物系超伝導体
層を積層させたことを特徴とする積層超伝導薄膜。 - 【請求項２】 基板上に酸化物超伝導体層を形成後、磁
場を基板に対し垂直に作用させながらＡＦｅ2Ｏ4（式中
Ａは、前記に同じ。）反強磁性体層を形成し、そのうえ
に、再び前記酸化物超伝導体層を形成することを特徴と
する積層超伝導薄膜の製法。 - 【請求項３】 前記製法を１つの密室内で一度も大気中
にとり出すことなく実施する請求項２記載の積層超伝導
薄膜の製法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3238803A JPH0529673A (ja) | 1991-05-09 | 1991-08-26 | 積層超伝導薄膜 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3-133432 | 1991-05-09 | ||
| JP13343291 | 1991-05-09 | ||
| JP3238803A JPH0529673A (ja) | 1991-05-09 | 1991-08-26 | 積層超伝導薄膜 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0529673A true JPH0529673A (ja) | 1993-02-05 |
Family
ID=26467796
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3238803A Pending JPH0529673A (ja) | 1991-05-09 | 1991-08-26 | 積層超伝導薄膜 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0529673A (ja) |
-
1991
- 1991-08-26 JP JP3238803A patent/JPH0529673A/ja active Pending
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