JPH07309700A - Oxide thin film, its production and superconducting element using the same - Google Patents
Oxide thin film, its production and superconducting element using the sameInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、酸化物超電導体のバッ
ファ層やバリア層に好適な酸化物薄膜とその製造方法、
さらにはそれらを利用した超電導素子に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an oxide thin film suitable for a buffer layer or a barrier layer of an oxide superconductor and a method for producing the same.
Furthermore, it relates to a superconducting element using them.
【0002】[0002]
【従来の技術】高温酸化物超電導体は、ジョセフソン素
子、超電導トランジスタ、LSI配線等への応用が検討
されている。これらに応用する際には、いずれも高温酸
化物超電導体を薄膜化することが必須となる。しかし、
従来の高温酸化物超電導体を用いた薄膜技術において
は、以下に示すような問題があった。2. Description of the Related Art The application of high-temperature oxide superconductors to Josephson devices, superconducting transistors, LSI wiring, etc. is under study. In any of these applications, it is essential to make the high temperature oxide superconductor into a thin film. But,
The conventional thin film technology using a high temperature oxide superconductor has the following problems.
【0003】例えば、デバイス用酸化物超電導体として
は、 Y-Ba-Cu-O系、 Bi-Sr-Ca-Cu-O系、 Tl-Ba-Ca-Cu-O
系等が用いられている。これら酸化物超電導体を成膜す
る際の基板としては、 SrTiO3 、 MgO、 LaAlO3 等の基
板が通常頻繁に用いられているが、スパッタ法、レーザ
ーアブレーション法、CVD法、真空蒸着法等の成膜方
法によらず、基板と酸化物超電導体薄膜の界面での格子
不整合により、配向性が乱れた層や異なる配向性を持っ
た凹凸の激しい層が発生しやすいという問題がある。こ
のため、バリア層との界面や上部超電導電極にモフォロ
ジーの乱れを招き、ひいては超電導特性やデバイスの動
作特性の劣化に繋っていた。For example, as oxide superconductors for devices, Y-Ba-Cu-O system, Bi-Sr-Ca-Cu-O system, Tl-Ba-Ca-Cu-O system.
The system etc. are used. As a substrate for forming these oxide superconductors, substrates such as SrTiO 3 , MgO, and LaAlO 3 are often used, but sputtering, laser ablation, CVD, vacuum deposition, etc. Regardless of the film formation method, there is a problem in that a layer with a disordered orientation or a layer with a large irregularity having a different orientation is likely to occur due to lattice mismatch at the interface between the substrate and the oxide superconductor thin film. As a result, the morphology is disturbed at the interface with the barrier layer and at the upper superconducting electrode, which leads to deterioration of superconducting characteristics and device operating characteristics.
【0004】また、酸化物超電導体層/バリア層/酸化
物超電導体層の 3層積層構造を有するジョセフソン素子
の特性に関しては、上述したような凹凸の激しい超電導
電極を用いて作製した場合に、リーク電流、フラックス
フロー特性、磁束トラップ等のように、下部超電導電極
とバリア層の界面での不純物や異配向粒の介在、凹凸に
よる膜厚の不均一、上下電極間のショートが原因になっ
ていると思われる現象が非常に頻繁にみられ、特性低下
を招いている。Regarding the characteristics of the Josephson element having a three-layer structure of oxide superconductor layer / barrier layer / oxide superconductor layer, the characteristics of the Josephson device produced when the superconducting conductive electrode having the above-mentioned rough surface are used. , Leak current, flux flow characteristics, magnetic flux traps, etc. may be caused by the presence of impurities or differently oriented grains at the interface between the lower superconducting electrode and the barrier layer, uneven film thickness due to unevenness, and short circuit between the upper and lower electrodes. The phenomenon that seems to occur is very frequently observed, which causes deterioration of characteristics.
【0005】[0005]
【発明が解決しようとする課題】上述したように、基板
と酸化物超電導体層の界面におけるモフォロジーの乱れ
が、酸化物超電導体層あるいは酸化物超電導体層とバリ
ア層の界面の配向性や凹凸等のモフォロジーを劣化させ
る要因となっている。従来の薄膜技術では、上記したよ
うなモフォロジーの劣化要因を十分に抑制することがで
きず、よって超電導特性やデバイス特性等の向上を図る
上で、基板界面での異相や異配向粒等の発生を抑えるこ
とが最大の課題とされている。また、このような問題に
起因して、積層型ジョセフソン素子のような超電導素子
は、依然として十分な高性能化が実現されていない。As described above, the disorder of the morphology at the interface between the substrate and the oxide superconductor layer causes the orientation or unevenness at the interface between the oxide superconductor layer or the oxide superconductor layer and the barrier layer. It is a factor that deteriorates morphology such as. With the conventional thin film technology, it is not possible to sufficiently suppress the above-mentioned factors of deterioration of morphology, and therefore, in order to improve superconducting characteristics and device characteristics, generation of different phases or differently oriented grains at the substrate interface is generated. It is said that suppressing the above is the biggest issue. Further, due to such a problem, a superconducting element such as a laminated Josephson element has not yet achieved sufficient performance.
【0006】本発明は、このような課題に対処するため
になされたもので、基板と酸化物超電導体層、あるいは
酸化物超電導体層とバリア層の界面の配向性や凹凸等の
モフォロジーを原子層レベルまで高めることを可能にし
た酸化物薄膜およびその製造方法を提供することを目的
としている。また、界面でのモフォロジーを改善するこ
とによって、実用的なレベルにまで性能を向上させた超
電導素子を提供することを目的としている。The present invention has been made in order to solve such a problem, and it is possible to obtain the morphology such as the orientation and unevenness of the interface between the substrate and the oxide superconductor layer, or the interface between the oxide superconductor layer and the barrier layer. It is an object of the present invention to provide an oxide thin film that can be increased to the layer level and a method for manufacturing the oxide thin film. Another object of the present invention is to provide a superconducting device whose performance is improved to a practical level by improving the morphology at the interface.
【0007】[0007]
【課題を解決するための手段と作用】上述した課題を解
決するためには、酸化物超電導体層のバッファ層やバリ
ア層となり得る平滑性や配向性に優れた酸化物材料が必
要となる。構造的には、異方性を持った結晶粒の成長を
抑えるために、できるだけ結晶構造に異方性がない酸化
物が好ましい。また、上部に形成される酸化物超電導体
と構成元素が共通しているものの方が、界面制御にはよ
り好ましい。これらの事項を考慮して、酸化物超電導体
と共通の構造的単位であるペロブスカイト型の結晶構造
を持つ酸化物を見出した。本発明は、このような知見に
基いて成されたものであり、上記酸化物の薄膜を基板と
酸化物超電導体層間のバッファ層や酸化物超電導体層間
のバリア層として用いたものである。Means and Actions for Solving the Problems In order to solve the above problems, an oxide material having excellent smoothness and orientation which can be a buffer layer or a barrier layer of an oxide superconductor layer is required. Structurally, in order to suppress the growth of crystal grains having anisotropy, an oxide whose crystal structure is as anisotropic as possible is preferable. Further, it is more preferable for interface control that the constituent elements are common to the oxide superconductor formed on the upper portion. In consideration of these matters, an oxide having a perovskite type crystal structure, which is a structural unit common to oxide superconductors, was found. The present invention has been made based on such findings, and uses the above oxide thin film as a buffer layer between the substrate and the oxide superconductor layer or as a barrier layer between the oxide superconductor layers.
【0008】すなわち、本発明の酸化物薄膜において、
請求項1記載の酸化物薄膜は、 組成式: (RE1-x AEx )CuO3-d ……(1) (式中、REは Y、La、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、H
o、Er、TmおよびYbから選ばれる少なくとも 1種の元素
を、AEはCa、SrおよびBaから選ばれる少なくとも 1種の
元素を示し、かつREとAEとは混晶系をなすものであり、
xは 0≦ x≦ 1を満足する数、 dは 0≦ d≦ 1を満足す
る数である)で実質的に表される組成を有し、かつ立方
晶または正方晶のペロブスカイト型または酸素欠損ペロ
ブスカイト型の結晶構造、あるいは超電導特性を示すRE
AE2Cu3 O y (yは 6.3≦ y≦ 7.0を満足する数である)
の結晶構造に比べてRE元素とAE元素との固溶により c軸
方向の 3倍周期構造が弱く、立方晶または正方晶のペロ
ブスカイト型に近い対称性を持つ結晶構造を有する酸化
物薄膜であって、酸化物超電導体層のバッファ層、ある
いは 2つの酸化物超電導体層間のバリア層として用いら
れることを特徴としている。That is, in the oxide thin film of the present invention,
The oxide thin film according to claim 1 has a composition formula: (RE 1-x AE x ) CuO 3-d (1) (wherein RE is Y, La, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, H
at least one element selected from o, Er, Tm and Yb, AE represents at least one element selected from Ca, Sr and Ba, and RE and AE form a mixed crystal system,
x is a number satisfying 0 ≤ x ≤ 1, d is a number satisfying 0 ≤ d ≤ 1, and has a cubic or tetragonal perovskite type or oxygen deficiency. RE showing perovskite type crystal structure or superconducting property
AE 2 Cu 3 O y (y is a number that satisfies 6.3 ≦ y ≦ 7.0)
The oxide thin film has a crystal structure with a symmetry similar to that of a cubic or tetragonal perovskite type, which has a weaker triple-periodic structure in the c-axis direction due to the solid solution of RE element and AE element than that of It is characterized by being used as a buffer layer of an oxide superconductor layer or as a barrier layer between two oxide superconductor layers.
【0009】請求項2記載の酸化物薄膜は、 組成式:(Y1-x Bax )CuO3-d ……(2) (式中、 xは 0≦ x≦ 1を満足する数、 dは 0≦ d≦ 1
を満足する数である)で実質的に表される組成を有し、
かつ立方晶または正方晶のペロブスカイト型または酸素
欠損ペロブスカイト型の結晶構造、あるいは超電導特性
を示す YBa2Cu3 O y (yは 6.3≦ y≦ 7.0を満足する数
である)の結晶構造に比べて Y元素とBa元素との固溶に
より c軸方向の 3倍周期構造が弱く、立方晶または正方
晶のペロブスカイト型に近い対称性を持つ結晶構造を有
すると共に、 SrTiO3 (100) 基板または SrTiO3 (110)
基板上に形成された酸化物薄膜であって、前記 SrTiO
3(100) 基板または SrTiO3 (110) 基板の (100)方向に
平行な格子定数が0.3830nm以上0.3890nm以下の範囲であ
ることを特徴としている。The oxide thin film according to claim 2 has a composition formula: (Y 1-x Ba x ) CuO 3-d (2) (where x is a number satisfying 0 ≦ x ≦ 1; d Is 0 ≤ d ≤ 1
Is a number that satisfies
And a cubic or tetragonal perovskite-type or oxygen-deficient perovskite-type crystal structure, or a superconducting YBa 2 Cu 3 O y (y is a number satisfying 6.3 ≤ y ≤ 7.0) crystal structure. Due to the solid solution of Y element and Ba element, the triple periodic structure in the c-axis direction is weak, and it has a crystal structure with a symmetry close to that of a cubic or tetragonal perovskite type, and it also has a SrTiO 3 (100) substrate or SrTiO 3 (110)
An oxide thin film formed on a substrate, the SrTiO 3
The lattice constant parallel to the (100) direction of the 3 (100) substrate or the SrTiO 3 (110) substrate is in the range of 0.3830 nm to 0.3890 nm.
【0010】また、本発明の酸化物薄膜の製造方法にお
いて、請求項3記載の酸化物薄膜の製造方法は、請求項
2記載の酸化物薄膜を形成するにあたり、超電導特性を
示すYBa2 Cu3 O y がそれぞれ (100)配向または (110)
配向する温度より20〜100K低い基板温度にて、前記 SrT
iO3 (100) 基板または SrTiO3 (110) 基板上に前記酸化
物薄膜をエピタキシャル成長させることを特徴としてい
る。In the method for producing an oxide thin film according to the present invention, the method for producing an oxide thin film according to claim 3 forms YBa 2 Cu 3 which exhibits superconducting properties when forming the oxide thin film according to claim 2. O y is (100) orientation or (110) respectively
At a substrate temperature 20 to 100 K lower than the orientation temperature, the SrT
The oxide thin film is epitaxially grown on an iO 3 (100) substrate or a SrTiO 3 (110) substrate.
【0011】請求項4記載の酸化物薄膜の製造方法は、
請求項3記載の酸化物薄膜の製造方法において、前記酸
化物薄膜を前記 SrTiO3 (100) 基板上に 1〜 100nmの膜
厚で成膜し、成膜を続けながら基板温度を超電導特性を
示す YBa2 Cu3 O y が a軸配向または c軸配向する温度
まで昇温した後、その温度にて前記 YBa2 Cu3 O y のa
軸配向膜または c軸配向膜を成膜することを特徴として
いる。A method for manufacturing an oxide thin film according to claim 4 is
The method for producing an oxide thin film according to claim 3, wherein the oxide thin film is formed on the SrTiO 3 (100) substrate to a film thickness of 1 to 100 nm, and the substrate temperature shows a superconducting property while the film formation is continued. YBa 2 Cu 3 O y is the temperature is raised to the a-axis oriented orientation or c-axis, a of the YBa 2 Cu 3 O y at that temperature
The feature is that an axial alignment film or a c-axis alignment film is formed.
【0012】さらに、本発明の超電導素子において、請
求項5記載の超電導素子は、基板上に形成された下部酸
化物超電導体層と、この下部酸化物超電導体層上にバリ
ア層を介して形成された上部酸化物超電導体層とを具備
する超電導素子において、前記基板と下部酸化物超電導
体層間のバッファ層および前記バリア層の少なくとも一
方として、請求項1または請求項2記載の酸化物薄膜を
用いたことを特徴としている。Further, in the superconducting element of the present invention, the superconducting element according to claim 5 is formed by forming a lower oxide superconductor layer on the substrate and a barrier layer on the lower oxide superconductor layer. 3. An oxide thin film according to claim 1 or 2 in at least one of the buffer layer and the barrier layer between the substrate and the lower oxide superconductor layer in a superconducting device comprising the upper oxide superconductor layer. It is characterized by using it.
【0013】請求項6記載の超電導素子は、請求項1ま
たは請求項2記載の酸化物薄膜と、酸化物超電導体薄膜
とが交互に多数積層された積層部を有し、前記酸化物薄
膜と酸化物超電導体薄膜とは、それぞれの一単位格子以
上の膜厚で積層形成されていることを特徴としている。A superconducting device according to a sixth aspect of the present invention has a laminated portion in which a large number of the oxide thin film according to the first or second aspect and the oxide superconducting thin film are alternately laminated. The oxide superconductor thin films are characterized in that they are laminated to have a film thickness of one unit lattice or more.
【0014】本発明の酸化物薄膜は、基本的には上記
(1)式で実質的に表される組成を有すると共に、基板面
に平行な 2つの格子定数が等しい立方晶または正方晶の
ペロブスカイト型または酸素欠損ペロブスカイト型結晶
構造、あるいは部分的にREサイトとAEサイトのサイトミ
キシングが起った結果として、超電導特性を示すREAE2C
u3 O y の結晶構造に比べ、 c軸方向の 3倍周期構造が
弱く、立方晶または正方晶に近い対称性を持った結晶構
造を有するものである。上記 (1)式および (2)式中の x
の値は、 0〜 1の範囲(0および 1を含む)の任意の数を
選択することができ、必要とされる格子定数等に応じて
選択すればよい。また、 dの値は、 0以上1以下の範囲
の任意の数を選択することができる。 dの値が 1を超え
ると、ペロブスカイト型結晶構造を維持することが困難
となる。The oxide thin film of the present invention basically has the above structure.
A cubic or tetragonal perovskite-type or oxygen-deficient perovskite-type crystal structure having a composition substantially represented by the formula (1) and having two lattice constants parallel to the substrate surface, or partially having a RE site REAE 2 C exhibits superconducting properties as a result of site mixing of AE sites
Compared with the crystal structure of u 3 O y , it has a weaker triple-periodic structure in the c-axis direction, and has a crystal structure with symmetry close to that of cubic or tetragonal. X in equations (1) and (2) above
The value of can be selected from any number in the range of 0 to 1 (including 0 and 1), and can be selected according to the required lattice constant and the like. Further, as the value of d, any number in the range of 0 or more and 1 or less can be selected. When the value of d exceeds 1, it becomes difficult to maintain the perovskite type crystal structure.
【0015】このような本発明の酸化物薄膜は、構造的
に異方性が少なく、平坦性、配向性、結晶性に優れ、か
つ SrTiO3 、 MgO、 LaAlO3 、 NdGaO3 、サファイア、
YSZ(Y安定化 ZrO2 )、 YAG、 Y2 O 3 等の基板材料と
格子整合性に優れると共に、電気的には半導体的な挙動
を示すものである。Such an oxide thin film of the present invention has little structural anisotropy, is excellent in flatness, orientation, and crystallinity, and is SrTiO 3 , MgO, LaAlO 3 , NdGaO 3 , sapphire,
It excels in lattice matching with substrate materials such as YSZ (Y-stabilized ZrO 2 ), YAG, and Y 2 O 3 , and at the same time, it behaves electrically like a semiconductor.
【0016】例えば、上記 (1)式においてRE元素が Yで
かつAE元素がBaである酸化物薄膜、すなわち上記 (2)式
で表される組成を有する酸化物薄膜を、 SrTiO3 (100)
基板または SrTiO3 (110) 基板上に形成した場合、上記
酸化物薄膜の基板 (100)方向に平行な格子定数は0.3830
nm〜0.3890nmの範囲となる。今後最も利用価値の高いと
思われる YBa2 Cu3 O y の a軸長は0.382nm であり、こ
れよりも上記酸化物薄膜は SrTiO3 (a軸長=0.3905nm)と
格子整合性に優れるものである。For example, an oxide thin film in which the RE element is Y and the AE element is Ba in the above formula (1), that is, an oxide thin film having the composition represented by the above formula (2), is prepared by using SrTiO 3 (100)
When formed on a substrate or SrTiO 3 (110) substrate, the lattice constant of the above oxide thin film parallel to the substrate (100) direction is 0.3830.
The range is from nm to 0.3890 nm. The a-axis length of YBa 2 Cu 3 O y , which is considered to have the highest utility value in the future, is 0.382 nm, and the above oxide thin film has excellent lattice matching with SrTiO 3 (a-axis length = 0.3905 nm). Is.
【0017】また、本発明の酸化物薄膜の格子定数は、
上記 (1)式中のRE元素およびAE元素の種類や組成比を制
御することにより変化させることができるため、上記 S
rTiO3 基板に限らず、 MgO基板、 LaAlO3 基板、 NdGaO
3 基板、サファイア基板、YSZ基板、 YAG基板、 Y2 O
3 基板等と格子整合性を高めた酸化物薄膜を得ることが
できる。例えば、RE元素を La,Pr,Nd,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,
Y,Ho,Er,Tm,Ybの配列においてLa側の元素を選択するほ
ど、AE元素をCa,Sr,Baの配列においてBa側の元素を選択
するほど、格子定数を増大させることができる。また、
RE元素やAE元素の種類、組成比を制御することによっ
て、電気伝導度を変化させることも可能であるため、電
子デバイス用として広範囲に使用し得る酸化物材料を提
供することができる。The lattice constant of the oxide thin film of the present invention is
Since it can be changed by controlling the type and composition ratio of RE element and AE element in the above formula (1),
Not limited to rTiO 3 substrate, MgO substrate, LaAlO 3 substrate, NdGaO substrate
3 substrates, sapphire substrate, YSZ substrate, YAG substrate, Y 2 O
3 It is possible to obtain an oxide thin film with improved lattice matching with a substrate or the like. For example, RE element is La, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy,
The lattice constant can be increased as the La-side element is selected in the Y, Ho, Er, Tm, Yb array and the Ba-side element is selected as the AE element in the Ca, Sr, Ba array. Also,
It is also possible to change the electric conductivity by controlling the types and composition ratios of the RE element and the AE element, so that it is possible to provide an oxide material that can be widely used for electronic devices.
【0018】本発明の酸化物薄膜は、基板と酸化物超電
導体層間のバッファ層として、あるいは 2つの酸化物超
電導体層間のバリア層として用いられる。本発明の酸化
物薄膜をバッファ層として用いることにより、基板との
界面や酸化物薄膜の上部に形成される酸化物超電導体層
との界面、あるいは酸化物超電導体層に異相や異配向粒
が発生することを防止でき、基板上に直接形成した酸化
物超電導体層に比べて、結晶性、配向性、表面平坦性、
電気特性に優れた酸化物超電導体層が得られる。また、
本発明の酸化物薄膜をバリア層として用いることによ
り、その下部および上部の酸化物超電導体との界面での
平坦性が改善され、上部酸化物超電導体層の結晶性、配
向性、平坦性等が著しく向上する。The oxide thin film of the present invention is used as a buffer layer between a substrate and an oxide superconductor layer or as a barrier layer between two oxide superconductor layers. By using the oxide thin film of the present invention as a buffer layer, different phases or differently oriented grains are formed in the interface with the substrate, the interface with the oxide superconductor layer formed on the oxide thin film, or the oxide superconductor layer. It can be prevented from occurring, and has crystallinity, orientation, surface flatness, compared to the oxide superconductor layer formed directly on the substrate.
An oxide superconductor layer having excellent electrical characteristics can be obtained. Also,
By using the oxide thin film of the present invention as a barrier layer, the flatness at the interface between the lower and upper oxide superconductors is improved, and the crystallinity, orientation, flatness, etc. of the upper oxide superconductor layer are improved. Is significantly improved.
【0019】本発明の酸化物薄膜において、立方晶また
は正方晶のペロブスカイト型または酸素欠損ペロブスカ
イト型結晶構造を有する酸化物薄膜と、超電導相の結晶
構造に比べて c軸方向の 3倍周期構造が弱い立方晶また
は正方晶に近い対称性を持った結晶構造を有する酸化物
薄膜とは、いずれも上記バッファ層やバリア層として好
適である。In the oxide thin film of the present invention, an oxide thin film having a cubic or tetragonal perovskite-type or oxygen-deficient perovskite-type crystal structure and a three-fold periodic structure in the c-axis direction compared to the crystal structure of the superconducting phase are formed. The oxide thin film having a crystal structure having a symmetry close to that of a weak cubic crystal or a tetragonal crystal is suitable for the buffer layer and the barrier layer.
【0020】本発明の酸化物薄膜上に形成する酸化物超
電導体層は、 YBa2 Cu3 O y ( yは6.3≦ y≦ 7.0を満
足する数である)系に限らず、他のREBa2 Cu3 O y 系
(ここでのREはLa、Nd、Pm、Sm、Bu、Gd、Tb、Dy、Ho、
Er、Tm、YbおよびLuから選ばれる少なくとも 1種の元素
で混晶系をなすものであり、 yは 6.3≦ y≦ 7.0を満た
す数である)、 Bi-Sr-Ca-Cu-O系、Tl-Ba-Ca -Cu-O系、
Hg-AE-Ca-Cu-O系(AEはCa、SrおよびBaから選ばれる少
なくとも 1種の元素で混晶系をなすものである)、(Ba,
AM)BiO3 系(AMは KおよびRbから選ばれる少なくとも 1
種の元素である)等、他の高温酸化物超電導体を適用す
ることも可能である。特に、界面の制御や成膜の容易さ
等から、本発明の酸化物薄膜と構成元素が共通する酸化
物超電導体層を適用することが好ましい。例えば、請求
項2記載の酸化物薄膜においては、YBa2 Cu3 O y 系酸
化物超電導体層のバッファ層やバリア層として用いるこ
とが好ましい。The oxide superconductor layer formed on the oxide thin film of the present invention is not limited to the YBa 2 Cu 3 O y (y is a number satisfying 6.3 ≦ y ≦ 7.0) system and other REBa 2 Cu 3 O y system (RE here is La, Nd, Pm, Sm, Bu, Gd, Tb, Dy, Ho,
Er, Tm, Yb and Lu form a mixed crystal system of at least one element, y is a number satisfying 6.3 ≤ y ≤ 7.0), Bi-Sr-Ca-Cu-O system, Tl-Ba-Ca -Cu-O system,
Hg-AE-Ca-Cu-O system (AE is a mixed crystal system of at least one element selected from Ca, Sr and Ba), (Ba,
AM) BiO 3 system (AM is at least 1 selected from K and Rb)
It is also possible to apply other high temperature oxide superconductors, such as (which is a seed element). In particular, it is preferable to apply an oxide superconductor layer having the same constituent element as that of the oxide thin film of the present invention, from the viewpoint of controlling the interface and easiness of film formation. For example, in the oxide thin film according to the second aspect , it is preferably used as a buffer layer or a barrier layer of the YBa 2 Cu 3 O y based oxide superconductor layer.
【0021】上述したような本発明の酸化物薄膜は、簡
単な基板温度の制御により得ることができる。すなわ
ち、超電導特性を示すREAE2 Cu3 O y の成膜温度より低
い基板温度で、上記 (1)式で実質的に組成が表される酸
化物薄膜を成膜することにより、立方晶または正方晶の
ペロブスカイト型または酸素欠損ペロブスカイト型の結
晶構造、あるいは超電導特性を示すREAE2 Cu3 O y の結
晶構造に比べて c軸方向の 3倍周期構造が弱く、立方晶
または正方晶に近い対称性を持った結晶構造が得られ
る。これらの結晶構造は、基板の種類や基板温度等によ
りいずれかが得られるものであり、成膜時の基板温度が
低い場合にはペロブスカイト型または酸素欠損ペロブス
カイト型の結晶構造が得られやすく、またそれより多少
高めに基板温度を設定した場合に、 c軸方向の 3倍周期
構造が弱い立方晶または正方晶に近い対称性を持った結
晶構造が得られやすい。The oxide thin film of the present invention as described above can be obtained by simply controlling the substrate temperature. That is, by depositing an oxide thin film whose composition is substantially represented by the above formula (1) at a substrate temperature lower than the deposition temperature of REAE 2 Cu 3 O y exhibiting superconducting properties, cubic or tetragonal The perovskite-type or oxygen-deficient perovskite-type crystal structure or the crystal structure of REAE 2 Cu 3 O y , which exhibits superconducting properties, has a weaker triple-periodic structure in the c-axis direction and a symmetry close to cubic or tetragonal. A crystal structure having is obtained. Any of these crystal structures can be obtained depending on the type of the substrate, the substrate temperature, etc., and if the substrate temperature during film formation is low, a perovskite type or oxygen deficient perovskite type crystal structure is easily obtained, and When the substrate temperature is set slightly higher than that, it is easy to obtain a crystal structure with a symmetry close to that of a cubic crystal or a tetragonal crystal in which the triple-periodic structure in the c-axis direction is weak.
【0022】特に、上記 (1)式中のRE元素が Yで、かつ
AE元素がBaである場合、この酸化物薄膜は YBa2 Cu3 O
y が a軸配向または c軸配向する温度より20〜100K低い
基板温度で作製することができる。酸化物薄膜の成膜時
の基板温度が YBa2 Cu3 O yが a軸配向または c軸配向
する温度より 20K低い温度より高いと、上述したような
結晶構造を得ることができず、また YBa2 Cu3 O y が a
軸配向または c軸配向する温度より100K低い温度より低
いと、十分に結晶化させることが困難となる。従って、
上記酸化物薄膜をバッファ層として 1〜 100nmの膜厚で
成膜した後、成膜を続けながら徐々に YBa2 Cu3 O y が
a軸配向または c軸配向する温度にまで昇温し、 YBa2
Cu3 O y 薄膜を成膜することにより、著しく優れた結晶
性、配向性、平坦性等を有する YBa2 Cu3 O y の a軸配
向膜または c軸配向膜を容易に得ることができる。ま
た、上記酸化物薄膜をバリア層として形成する場合にも
同様である。なお、 (Y,Ba)CuO3-d 以外の酸化物薄膜を
成膜する場合には、上記基板温度に準じると共に、酸化
物薄膜の組成等に応じて基板温度を設定することが好ま
しい。In particular, the RE element in the above formula (1) is Y, and
When the AE element is Ba, this oxide thin film is YBa 2 Cu 3 O.
It can be fabricated at a substrate temperature 20 to 100 K lower than the temperature at which y is a-axis oriented or c-axis oriented. If the substrate temperature during the formation of the oxide thin film is higher than the temperature 20 K lower than the temperature at which YBa 2 Cu 3 O y is a-axis oriented or c-axis oriented, the crystal structure as described above cannot be obtained, and YBa 2 Cu 3 O y is a
If the temperature is lower than 100 K lower than the temperature for axial or c-axis orientation, it will be difficult to crystallize sufficiently. Therefore,
After forming a film with a thickness of 1 to 100 nm using the above oxide thin film as a buffer layer, YBa 2 Cu 3 O y was gradually formed while the film formation was continued.
heated to a temperature of a-axis oriented orientation or c-axis, YBa 2
By forming a Cu 3 O y thin film, an a-axis oriented film or a c-axis oriented film of YBa 2 Cu 3 O y having remarkably excellent crystallinity, orientation, and flatness can be easily obtained. The same applies when the oxide thin film is formed as a barrier layer. When forming an oxide thin film other than (Y, Ba) CuO 3-d , it is preferable to set the substrate temperature according to the composition of the oxide thin film and the like in addition to the above substrate temperature.
【0023】本発明の酸化物薄膜、さらにはその上部に
形成する酸化物超電導体薄膜の成膜方法は、特に限定さ
れるものではなく、スパッタ法、真空蒸着法、レーザー
アブレーション法、CVD法等の各種薄膜成膜方法を適
用することができる。The method for forming the oxide thin film of the present invention and the oxide superconductor thin film formed on the oxide thin film is not particularly limited, and the sputtering method, the vacuum deposition method, the laser ablation method, the CVD method, etc. Various thin film forming methods can be applied.
【0024】また、請求項5記載の超電導素子は、下部
酸化物超電導体層/バリア層/上部酸化物超電導体層の
3層積層構造の素子において、基板と下部酸化物超電導
体層間のバッファ層およびバリア層の少なくとも一方と
して、前述した本発明の酸化物薄膜を用いたものであ
る。The superconducting device according to claim 5 is composed of a lower oxide superconductor layer / barrier layer / upper oxide superconductor layer.
In an element having a three-layer laminated structure, the above-mentioned oxide thin film of the present invention is used as at least one of a buffer layer and a barrier layer between a substrate and a lower oxide superconductor layer.
【0025】バッファ層に本発明の酸化物薄膜を適用す
ることにより、その上部に形成する酸化物超電導体層の
結晶性、配向性、平坦性、電気的特性等の改善を図るこ
とができる。このような酸化物超電導体層を、例えばジ
ョセフソン素子の電極として用いることによって、リー
ク電流、磁束トラック等の悪影響を排除したRSJ(Re
sistively Shunted Junction)特性を持つ高品質のジョ
セフソン素子が実現できる。バッファ層の厚さは特に限
定されるものではないが、 1〜 100nm程度とすることが
好ましい。バッファ層の厚さが 1nm未満では、上記平坦
化等の効果を十分に得ることができず、また 100nmを超
えて形成してもそれ以上の効果は得られない。By applying the oxide thin film of the present invention to the buffer layer, the crystallinity, orientation, flatness, electrical characteristics and the like of the oxide superconductor layer formed on the buffer layer can be improved. By using such an oxide superconductor layer as an electrode of a Josephson element, for example, RSJ (Re
High quality Josephson devices with sistively shunted junction) characteristics can be realized. The thickness of the buffer layer is not particularly limited, but it is preferably about 1 to 100 nm. If the thickness of the buffer layer is less than 1 nm, the above-mentioned effects such as flattening cannot be sufficiently obtained, and if the thickness exceeds 100 nm, no further effect can be obtained.
【0026】また、本発明の酸化物薄膜は、電気的に半
導体的な性質を持つため、バリア層として用いることに
より、いわゆるS/N/S型のジョセフソン接合が実現
できる。バリア層の厚さは、接合特性が得られる範囲で
設定するものとし、例えば 1〜 100nm程度とすることが
好ましい。そして、本発明の酸化物薄膜をバリア層とし
て用いることによって、その下部および上部の酸化物超
電導体層との界面での平坦性が改善され、上部酸化物超
電導体層の結晶性、配向性、平坦性等が著しく向上し、
Tc やJc 等の電気特性の低下を抑制することが可能と
なる。従って、デバイス応用上、界面での電子状態制御
を再現性よく行うことができ、ジョセフソン素子等に用
いた場合に、著しく特性の向上を図ったデバイスが作製
できる。さらに、請求項6記載の超電導素子は、本発明
の酸化物薄膜と他の酸化物超電導体薄膜とが交互に多数
積層された積層部を有するものである。本発明の酸化物
薄膜は、バッファ層とバリア層の役割を兼ね備えたもの
であるため、多重積層構造膜に用いた場合に、従来より
も厚い膜厚にわたって均一な積層が可能となる。これに
より、多重ジョセフソン素子等を簡便に作製することが
できる。酸化物薄膜と酸化物超電導体薄膜とは、各々の
機能を得るために、それぞれ一単位格子以上の膜厚で積
層形成するものとする。Since the oxide thin film of the present invention has an electrically semiconductive property, a so-called S / N / S type Josephson junction can be realized by using it as a barrier layer. The thickness of the barrier layer is set within a range in which bonding characteristics can be obtained, and is preferably about 1 to 100 nm, for example. Then, by using the oxide thin film of the present invention as a barrier layer, the flatness at the interface between the lower and upper oxide superconductor layers is improved, and the crystallinity and orientation of the upper oxide superconductor layer, The flatness etc. has improved remarkably,
It is possible to suppress deterioration of electrical characteristics such as T c and J c . Therefore, in device application, electronic state control at the interface can be performed with good reproducibility, and when used in a Josephson element or the like, a device with significantly improved characteristics can be manufactured. Further, the superconducting element according to claim 6 has a laminated portion in which a large number of the oxide thin film of the present invention and other oxide superconductor thin films are alternately laminated. Since the oxide thin film of the present invention has the functions of both a buffer layer and a barrier layer, when used in a multi-layered structure film, it is possible to achieve a uniform stacking over a thicker film than before. As a result, a multiple Josephson device or the like can be easily manufactured. The oxide thin film and the oxide superconductor thin film are formed to have a thickness of one unit lattice or more in order to obtain their respective functions.
【0027】[0027]
【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。EXAMPLES Examples of the present invention will be described below.
【0028】実施例1 まず、 (Y,Ba)CuO3-d 系の立方晶および正方晶の酸化物
薄膜を、スパッタ法を用いて成膜した。スパッタ装置
は、多元メタルターゲットを装着したRFマグネトロンス
パッタ装置を用いた。ターゲットとしては、金属Cu、金
属Y 、 Ba-Cu合金を用い、それぞれにRF電源が装着され
ている。また、成膜基板としては、 SrTiO3 、 MgO、 L
aAlO3 、 NdGaO3 、サファイア、 YSZ、 YAG、 Y2 O 3
の各基板を用いた。Example 1 First, a (Y, Ba) CuO 3-d type cubic and tetragonal oxide thin film was formed by a sputtering method. An RF magnetron sputtering device equipped with a multi-source metal target was used as the sputtering device. As targets, metal Cu, metal Y, and Ba-Cu alloys were used, and RF power supplies were mounted on them. In addition, as the deposition substrate, SrTiO 3 , MgO, L
aAlO 3 , NdGaO 3 , sapphire, YSZ, YAG, Y 2 O 3
Each of the substrates was used.
【0029】特に、 SrTiO3 (100) 基板上に成膜した際
の成膜条件および得られた膜の構造、物性を、表1およ
び図1に示す。なお、図1は基板温度843Kで成膜した際
の正方晶 (Y,Ba)CuO3-d の結晶構造を模式的に示す図で
ある。構造解析により、表1に示す各相は YとBaがラン
ダムに固溶し、かつ酸素欠損が存在する立方晶または正
方晶のペロブスカイト型結晶構造を有し、電気的にも半
導体的な挙動を示すことが分かった。この実施例では、
823Kで成膜した酸化物薄膜は立方晶の酸素欠損ペロブス
カイト型結晶構造を有し、843Kで成膜した酸化物薄膜は
c軸方向の 3倍周期構造が弱い正方晶に近い対称性を持
った結晶構造を有していた。In particular, Table 1 and FIG. 1 show the film forming conditions when the film was formed on the SrTiO 3 (100) substrate and the structure and physical properties of the obtained film. Note that FIG. 1 is a diagram schematically showing the crystal structure of tetragonal (Y, Ba) CuO 3-d when a film is formed at a substrate temperature of 843K. Structural analysis shows that each phase shown in Table 1 has a cubic or tetragonal perovskite type crystal structure in which Y and Ba are randomly solid-dissolved and oxygen deficiency exists, and behaves electrically and semiconductingly. Turned out to show. In this example,
The oxide thin film formed at 823K has a cubic oxygen-deficient perovskite crystal structure, and the oxide thin film formed at 843K is
The triple-periodic structure in the c-axis direction had a crystal structure with a symmetry similar to that of a weak tetragonal structure.
【0030】[0030]
【表1】 なお、立方晶と正方晶の生成条件は、基板の種類や基板
温度等によって異なることが分かった。[Table 1] It was found that the cubic crystal and tetragonal crystal formation conditions differ depending on the substrate type, substrate temperature, and the like.
【0031】実施例2 実施例1と同様のスパッタ装置を用いて、図2に示すよ
うな条件によって、SrTiO3 (100) 基板上に (Y,Ba)CuO
3-d 系酸化物薄膜を成膜し、さらにその上にYBa2 Cu3 O
y 系酸化物超電導体の a軸配向膜を成膜した。Example 2 (Y, Ba) CuO was formed on a SrTiO 3 (100) substrate under the conditions shown in FIG. 2 using the same sputtering apparatus as in Example 1.
A 3-d type oxide thin film is formed, and YBa 2 Cu 3 O is further formed on it.
An a-axis oriented film of y- based oxide superconductor was formed.
【0032】まず、843Kの基板温度で、バッファ層とし
て(Y1 Ba2 )CuO3-d 組成の正方晶薄膜を約50nmの膜厚で
成膜した後、成膜を継続しながら 3〜4K/minで893Kまで
基板温度を昇温し、その後893Kの基板温度で YBa2 Cu3
O y の a軸配向膜を約 300nmの膜厚で形成した。First, a tetragonal thin film of (Y 1 Ba 2 ) CuO 3-d composition was formed as a buffer layer at a substrate temperature of 843 K to a film thickness of about 50 nm, and then 3-4 K while continuing film formation. The substrate temperature is raised to 893K at 1 / min, and then YBa 2 Cu 3 at the substrate temperature of 893K.
An O y a-axis alignment film was formed with a thickness of about 300 nm.
【0033】また、本発明との比較例として、バッファ
層として (Y,Ba)CuO3-d 系酸化物薄膜を形成しない以外
は、上記実施例と同様にして、 SrTiO3 (100) 基板上に
YBa2 Cu3 O y の a軸配向膜を形成した。As a comparative example with the present invention, a SrTiO 3 (100) substrate was prepared in the same manner as in the above example except that the (Y, Ba) CuO 3-d oxide thin film was not formed as the buffer layer. To
An a-axis oriented film of YBa 2 Cu 3 O y was formed.
【0034】実施例により得られた YBa2 Cu3 O y の a
軸配向膜は、XRDによる (200)ピークの半値幅として
0.06°を持ち、非常に結晶性および配向性に優れた膜
で、かつ 90Kのゼロ抵抗を持ち、超電導特性においても
バッファ層を用いない膜に比べて格段に改善がみられ
た。これらの結果を表2に示す。A of YBa 2 Cu 3 O y obtained by the example
The axial alignment film has a half width of the (200) peak by XRD.
The film has an excellent crystallinity and orientation with 0.06 °, has a zero resistance of 90K, and shows a marked improvement in superconducting properties as compared with the film without a buffer layer. The results are shown in Table 2.
【0035】[0035]
【表2】 また図3に、AFMにより表面の凹凸を観察した結果を
示す。バッファ層を用いていない比較例1による YBa2
Cu3 O y 膜では約20nmの凹凸があるのに対し、バッファ
層を採用した実施例2による YBa2 Cu3 O y 膜では 1nm
以下の凹凸しかなく、表面性にも著しい改善がみられ
た。[Table 2] Further, FIG. 3 shows the results of observing the surface irregularities by AFM. YBa 2 according to Comparative Example 1 using no buffer layer
The Cu 3 O y film has irregularities of about 20 nm, while the YBa 2 Cu 3 O y film according to Example 2 employing the buffer layer has a thickness of 1 nm.
There were only the following irregularities, and the surface properties were also markedly improved.
【0036】実施例3 実施例1と同様のスパッタ装置を用いて、図4に示すよ
うな条件によって、SrTiO3 (100) 基板上に (Y,Ba)CuO
3-d 系酸化物薄膜を成膜し、さらにその上にYBa2 Cu3 O
y 系酸化物超電導体の c軸配向膜を成膜した。Example 3 (Y, Ba) CuO was formed on a SrTiO 3 (100) substrate under the conditions shown in FIG. 4 using the same sputtering apparatus as in Example 1.
A 3-d type oxide thin film is formed, and YBa 2 Cu 3 O is further formed on it.
A c-axis oriented film of y- based oxide superconductor was formed.
【0037】まず、843Kの基板温度で、バッファ層とし
て(Y1 Ba2 )CuO3-d 組成の正方晶薄膜を約50nmの膜厚で
成膜した後、成膜を継続しながら973Kまで基板温度を昇
温し、その後973Kの基板温度で YBa2 Cu3 O y の c軸配
向膜を約 300nmの膜厚で形成した。得られた膜の特性を
表3に示す。なお、表3中の比較例2は、バッファ層を
形成することなく、形成した YBa2 Cu3 O y の c軸配向
膜である。First, a tetragonal thin film of (Y 1 Ba 2 ) CuO 3-d composition was formed as a buffer layer at a substrate temperature of 843 K to a film thickness of about 50 nm, and then the substrate was grown to 973 K while continuing film formation. After raising the temperature, a c-axis alignment film of YBa 2 Cu 3 O y was formed with a film thickness of about 300 nm at a substrate temperature of 973K. The characteristics of the obtained film are shown in Table 3. In addition, Comparative Example 2 in Table 3 is a c-axis oriented film of YBa 2 Cu 3 O y formed without forming a buffer layer.
【0038】[0038]
【表3】 表3から明らかなように、 YBa2 Cu3 O y の c軸配向膜
についても、(Y,Ba)CuO3-d 系酸化物薄膜をバッファ層
として形成することにより、バッファ層を用いずに基板
上に直接成膜したものに比べて、配向性、結晶性、電気
特性に格段に改善がみられた。図5にAFMにより表面
凹凸を観察した結果を示す。バッファ層を用いていない
比較例2による YBa2 Cu3 O y 膜は約20nmの凹凸を有す
るのに対し、バッファ層を採用した実施例3による YBa
2 Cu3 O y 膜では 1nm程度の凹凸しかなく、表面性にも
著しい改善がみられた。[Table 3] As is clear from Table 3, the c-axis oriented film of YBa 2 Cu 3 O y can also be formed without using the buffer layer by forming the (Y, Ba) CuO 3-d oxide thin film as the buffer layer. The orientation, crystallinity, and electrical properties were markedly improved compared to those directly formed on the substrate. FIG. 5 shows the results of observing surface irregularities by AFM. The YBa 2 Cu 3 O y film according to Comparative Example 2 which does not use the buffer layer has irregularities of about 20 nm, while the YBa 2 Cu 3 O y film according to Example 3 which uses the buffer layer.
The 2 Cu 3 O y film had irregularities of about 1 nm, and the surface properties were significantly improved.
【0039】実施例4 実施例2と同様に、 (Y,Ba)CuO3-d 系酸化物の正方晶薄
膜をバッファ層として形成した SrTiO3 (100) 基板上
に、下部超電導電極として YBa2 Cu3 O y の a軸配向膜
(膜厚=200nm)成膜し、同様なスパッタ装置によりバリ
ア層としてPrBa2Cu3 O y 膜の a軸配向膜(膜厚=50nm)
を成膜し、さらに YBa2 Cu3 O y の a軸配向膜を上部超
電導電極として 100nmの膜厚で成膜して積層構造膜を作
製した。その結果、バッファ層を用いずに直接成膜した
積層構造膜に比べて、各界面や上部超電導電極表面での
平坦性が大幅に改善され、空隙等をほとんど含まない積
層構造膜を得ることができた。Example 4 Similar to Example 2, YBa 2 was used as a lower superconducting electrode on a SrTiO 3 (100) substrate on which a tetragonal thin film of (Y, Ba) CuO 3-d oxide was formed as a buffer layer. Cu 3 O y a-axis alignment film (film thickness = 200 nm) was formed, and a similar sputtering device was used as a barrier layer for PrBa 2 Cu 3 O y a-axis alignment film (film thickness = 50 nm).
Was formed, and an a-axis oriented film of YBa 2 Cu 3 O y was formed as an upper superconducting electrode to a film thickness of 100 nm to form a laminated structure film. As a result, the flatness at each interface and the surface of the upper superconducting electrode is significantly improved compared to the laminated structure film formed directly without using a buffer layer, and a laminated structure film containing almost no voids can be obtained. did it.
【0040】次に、上記積層構造膜をフォトリソグラフ
ィ技術を用いて加工することにより、図6に示すよう積
層型ジョセフソン素子を作製した。図6に示す積層型ジ
ョセフソン素子は、 SrTiO3 (100)基板1上に (Y,Ba)C
uO3-d 系正方晶酸化物薄膜2がバッファ層として形成さ
れており、このバッファ層2上には下部超電導電極とし
て YBa2 Cu3 O y の a軸配向膜3、バリア層としてPrBa
2 Cu3 O y 膜4、上部超電導電極として YBa2 Cu3 O y
の a軸配向膜5が順に積層形成されている。この積層構
造膜は、接合面積が20×20μm となるようにパターニン
グされており、上部超電導電極5上には、絶縁膜6を介
して配線層7が設けられており、上部超電導電極5と配
線層7とは金電極8を介して接続されている。Next, the laminated structure film was processed by using a photolithography technique to manufacture a laminated Josephson element as shown in FIG. The stacked Josephson device shown in FIG. 6 is composed of (Y, Ba) C on the SrTiO 3 (100) substrate 1.
A uO 3-d type tetragonal oxide thin film 2 is formed as a buffer layer, and on this buffer layer 2, an a-axis oriented film 3 of YBa 2 Cu 3 O y is formed as a lower superconducting electrode, and PrBa is formed as a barrier layer.
2 Cu 3 O y film 4, YBa 2 Cu 3 O y as upper superconducting electrode
The a-axis alignment film 5 is sequentially laminated. This laminated structure film is patterned so that the junction area is 20 × 20 μm, and the wiring layer 7 is provided on the upper superconducting electrode 5 with the insulating film 6 interposed therebetween. It is connected to the layer 7 via a gold electrode 8.
【0041】上記積層型ジョセフソン素子の特性評価結
果を表4に示す。素子構造作製時に、 (Y,Ba)CuO3-d 系
正方晶酸化物薄膜からなるバッファ層を用いることによ
り、従来の酸化物超電導体を用いたジョセフソン素子に
頻繁にみられた電極間のショート、フラックスフロー特
性等が全く観測されない良質なジョセフソン素子が得ら
れた。Table 4 shows the evaluation results of the characteristics of the above-mentioned laminated Josephson device. By using a buffer layer composed of a (Y, Ba) CuO 3-d tetragonal oxide thin film during device structure fabrication, the interelectrode gap often seen in Josephson devices using conventional oxide superconductors A good quality Josephson device was obtained in which no short circuit or flux flow characteristics were observed.
【0042】[0042]
【表4】 実施例5 実施例2と同様に、 (Y,Ba)CuO3-d 系酸化物の正方晶薄
膜をバッファ層として有する SrTiO3 (100) 基板上に成
膜した YBa2 Cu3 O y の a軸配向膜(膜厚=250nm)を下
部超電導電極とし、その上に実施例1と同様な立方晶ま
たは正方晶の(Y,Ba)CuO3-d 系酸化物薄膜をバリア層と
して形成し、さらに YBa2 Cu3 O y のa軸配向膜(膜厚=
100nm)を上部超電導電極として成膜して、実施例4と
同様な構造の積層型ジョセフソン素子を作製した。表5
および図7に、正方晶の(Y,Ba)CuO3-d 系酸化物薄膜を
バリア層として用いた場合の基板温度条件をいくつか示
す。図7に示す全ての基板温度条件において、ジョセフ
ソン特性が得られた。また、立方晶の (Y,Ba)CuO3-d 系
酸化物薄膜をバリア層として用いた場合にもジョセフソ
ン特性が得られた。[Table 4] Example 5 As in Example 2, a YBa 2 Cu 3 O y film formed on a SrTiO 3 (100) substrate having a tetragonal thin film of (Y, Ba) CuO 3-d oxide as a buffer layer was used. An axial alignment film (film thickness = 250 nm) was used as a lower superconducting electrode, and a cubic or tetragonal (Y, Ba) CuO 3 -d oxide thin film similar to that of Example 1 was formed thereon as a barrier layer. Furthermore, a Y- axis oriented film of YBa 2 Cu 3 O y (film thickness =
A film having a thickness of 100 nm) was formed as an upper superconducting electrode to form a laminated Josephson device having the same structure as in Example 4. Table 5
And FIG. 7 shows some substrate temperature conditions when a tetragonal (Y, Ba) CuO 3-d oxide thin film is used as a barrier layer. Josephson characteristics were obtained under all the substrate temperature conditions shown in FIG. Also, Josephson characteristics were obtained when a cubic (Y, Ba) CuO 3-d oxide thin film was used as a barrier layer.
【0043】[0043]
【表5】 図7(a)に示す温度条件で作製したジョセフソン素子
の特性を図8および図9に示す。得られたジョセフソン
素子はRSJ的な特性を示し、また図9に示す臨界電流
の磁場依存性から、より高品質のジョセフソン素子が得
られていることが分かる。また、良好な表面性のため
に、バリア層の厚さを 1nm程度まで薄くすることがで
き、Ic ・Rn 値を従来の積層型ジョセフソン素子に比
べて約10倍程度まで高めることができた。[Table 5] The characteristics of the Josephson device manufactured under the temperature conditions shown in FIG. 7A are shown in FIGS. 8 and 9. The obtained Josephson element exhibits RSJ-like characteristics, and it can be seen from the magnetic field dependence of the critical current shown in FIG. 9 that a higher quality Josephson element is obtained. In addition, because of the good surface property, the thickness of the barrier layer can be reduced to about 1 nm, and the I c · R n value can be increased to about 10 times that of the conventional stacked Josephson element. did it.
【0044】実施例6 図10に示すように、 SrTiO3 (100) 基板11上に、実
施例1と同様な立方晶または正方晶の (Y,Ba)CuO3-d 系
酸化物薄膜12と、 YBa2 Cu3 O y の a軸配向膜13と
の多重積層膜を、実施例1と同様なスパッタ装置を用い
て作製した。各層間の切り替えは、ターゲット直上に位
置したシャッタのシャッタリングにより行った。各層1
2、13は、約0.39nmの単位格子程度のオーダーで平坦
性を保っており、多重ジョセフソン接合の特性を示し
た。Example 6 As shown in FIG. 10, on a SrTiO 3 (100) substrate 11, a cubic or tetragonal (Y, Ba) CuO 3 -d oxide thin film 12 similar to that of Example 1 was formed. , A multi-layered film of YBa 2 Cu 3 O y and the a-axis alignment film 13 was prepared using the same sputtering apparatus as in Example 1. Switching between the layers was performed by shuttering of a shutter located immediately above the target. Each layer 1
Nos. 2 and 13 maintained flatness on the order of a unit cell of about 0.39 nm, and exhibited characteristics of a multiple Josephson junction.
【0045】なお、上記各実施例においては、 (Y,Ba)C
uO3-d 系酸化物薄膜をバッファ層やバリア層として用い
た例について説明したが、他の(RE,AE)CuO3-d 系酸化物
薄膜をバッファ層やバリア層として用いた場合にも同様
な効果が得られた。また、酸化物超電導体層について
も、 YBa2 Cu3 O y 系酸化物超電導体薄膜に限らず、他
のREBa2 Cu3 O y 系、 Bi-Sr-Ca-Cu-O系、Tl-Ba-Ca -Cu
-O系、 Hg-AE-Ca-Cu-O系、(Ba,AM)BiO3 系等の高温酸化
物超電導体を適用することも可能であった。In each of the above embodiments, (Y, Ba) C
Although the example of using the uO 3-d oxide thin film as the buffer layer or the barrier layer has been described, the case where other (RE, AE) CuO 3-d oxide thin films are used as the buffer layer or the barrier layer is also described. A similar effect was obtained. The oxide superconductor layer is not limited to YBa 2 Cu 3 O y -based oxide superconductor thin films, but other REBa 2 Cu 3 O y -based, Bi-Sr-Ca-Cu-O-based, Tl-Ba -Ca -Cu
It was also possible to apply high-temperature oxide superconductors such as -O system, Hg-AE-Ca-Cu-O system, (Ba, AM) BiO 3 system.
【0046】[0046]
【発明の効果】以上説明したように、本発明の酸化物薄
膜によれば、基板と酸化物超電導体層や酸化物超電導体
層とバリア層の界面の配向性や平坦性等を原子層レベル
まで高めることができる。よって、このような本発明の
酸化物薄膜をバッファ層やバリア層として用いた本発明
の超電導素子によれば、従来からデバイス応用上問題と
されてきた酸化物超電導体薄膜の界面や表面の問題が解
決され、著しく特性の優れた素子を提供することができ
る。また、本発明の酸化物薄膜の製造方法は、比較的コ
ストが安価であり、単純な作業で酸化物薄膜の作製が可
能である。よって、特にエレクトロニクス応用を目的と
した酸化物超電導体薄膜の利用価値の向上に大きく寄与
する。As described above, according to the oxide thin film of the present invention, the orientation and flatness of the interface between the substrate and the oxide superconductor layer or the interface between the oxide superconductor layer and the barrier layer are at the atomic layer level. Can be increased up to. Therefore, according to the superconducting element of the present invention using such an oxide thin film of the present invention as a buffer layer or a barrier layer, the problem of the interface or the surface of the oxide superconductor thin film, which has been a problem in device application from the past, It is possible to provide an element having remarkably excellent characteristics. Further, the method for producing an oxide thin film of the present invention has a relatively low cost, and the oxide thin film can be produced by a simple operation. Therefore, it greatly contributes to the improvement of the utility value of the oxide superconductor thin film particularly for the purpose of electronics application.
【図1】 本発明の実施例1による酸化物薄膜の結晶構
造の一例を模式的に示す図である。FIG. 1 is a diagram schematically showing an example of a crystal structure of an oxide thin film according to Example 1 of the present invention.
【図2】 本発明の実施例2による酸化物薄膜および酸
化物超電導体薄膜の作製条件を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing production conditions of an oxide thin film and an oxide superconductor thin film according to Example 2 of the present invention.
【図3】 本発明の実施例2により得られた酸化物超電
導体薄膜の表面状態をバッファ層を用いずに形成した酸
化物超電導体薄膜と比較して示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a surface state of an oxide superconductor thin film obtained in Example 2 of the present invention in comparison with an oxide superconductor thin film formed without using a buffer layer.
【図4】 本発明の実施例3による酸化物薄膜および酸
化物超電導体薄膜の作製条件を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing production conditions of an oxide thin film and an oxide superconductor thin film according to Example 3 of the present invention.
【図5】 本発明の実施例3により得られた酸化物超電
導体薄膜の表面状態をバッファ層を用いずに形成した酸
化物超電導体薄膜と比較して示す図である。FIG. 5 is a diagram showing a surface state of an oxide superconductor thin film obtained in Example 3 of the present invention in comparison with an oxide superconductor thin film formed without using a buffer layer.
【図6】 本発明の実施例4で作製した積層型ジョセフ
ソン素子の構造を示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view showing the structure of a stacked Josephson device manufactured in Example 4 of the present invention.
【図7】 本発明の実施例5で作製した積層型ジョセフ
ソン素子の作製条件を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing manufacturing conditions of a laminated Josephson element manufactured in Example 5 of the present invention.
【図8】 本発明の実施例5で作製した積層型ジョセフ
ソン素子の電流−電圧条件の一例を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing an example of current-voltage conditions of a laminated Josephson element manufactured in Example 5 of the present invention.
【図9】 本発明の実施例5で作製した積層型ジョセフ
ソン素子の臨界電流の磁場依存性の一例を示す図であ
る。FIG. 9 is a diagram showing an example of the magnetic field dependence of the critical current of the stacked Josephson element manufactured in Example 5 of the present invention.
【図10】 本発明の実施例6で作製した多重積層型超
電導素子の構造を示す断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view showing the structure of a multi-layer superconducting element manufactured in Example 6 of the present invention.
1、11…… SrTiO3 (100)基板 2…… (Y,Ba)CuO3-d 系正方晶酸化物薄膜からなるバッ
ファ層 3……下部超電導電極 4……バリア層 5……上部超電導電極 12…… (Y,Ba)CuO3-d 系酸化物薄膜 13…… YBa2 Cu3 O y の a軸配向膜1, 11 …… SrTiO 3 (100) substrate 2 …… (Y, Ba) CuO 3-d type tetragonal oxide thin film buffer layer 3 …… Lower superconducting electrode 4 …… Barrier layer 5 …… Upper superconducting electrode 12 …… (Y, Ba) CuO 3-d oxide thin film 13 …… YBa 2 Cu 3 O y a-axis oriented film
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 39/22 ZAA A H05K 1/09 ZAA A 7726−4E ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 6 Identification number Office reference number FI Technical indication location H01L 39/22 ZAA A H05K 1/09 ZAA A 7726-4E
Claims (6)
o、Er、TmおよびYbから選ばれる少なくとも 1種の元素
を、AEはCa、SrおよびBaから選ばれる少なくとも 1種の
元素を示し、かつREとAEとは混晶系をなすものであり、
xは 0≦ x≦ 1を満足する数、 dは 0≦ d≦ 1を満足す
る数である)で実質的に表される組成を有し、かつ立方
晶または正方晶のペロブスカイト型または酸素欠損ペロ
ブスカイト型の結晶構造、あるいは超電導特性を示すRE
AE2Cu3 O y (yは 6.3≦ y≦ 7.0を満足する数である)
の結晶構造に比べてRE元素とAE元素との固溶により c軸
方向の 3倍周期構造が弱く、立方晶または正方晶のペロ
ブスカイト型に近い対称性を持つ結晶構造を有する酸化
物薄膜であって、酸化物超電導体層のバッファ層、ある
いは 2つの酸化物超電導体層間のバリア層として用いら
れることを特徴とする酸化物薄膜。1. A composition formula: (RE 1-x AE x ) CuO 3-d (where RE is Y, La, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, H).
at least one element selected from o, Er, Tm and Yb, AE represents at least one element selected from Ca, Sr and Ba, and RE and AE form a mixed crystal system,
x is a number satisfying 0 ≤ x ≤ 1, d is a number satisfying 0 ≤ d ≤ 1, and has a cubic or tetragonal perovskite type or oxygen deficiency. RE showing perovskite type crystal structure or superconducting property
AE 2 Cu 3 O y (y is a number that satisfies 6.3 ≦ y ≦ 7.0)
The oxide thin film has a crystal structure with a symmetry similar to that of a cubic or tetragonal perovskite type, which has a weaker triple-periodic structure in the c-axis direction due to the solid solution of RE element and AE element than that of An oxide thin film characterized by being used as a buffer layer of an oxide superconductor layer or a barrier layer between two oxide superconductor layers.
を満足する数である)で実質的に表される組成を有し、
かつ立方晶または正方晶のペロブスカイト型または酸素
欠損ペロブスカイト型の結晶構造、あるいは超電導特性
を示す YBa2Cu3 O y (yは 6.3≦ y≦ 7.0を満足する数
である)の結晶構造に比べて Y元素とBa元素との固溶に
より c軸方向の 3倍周期構造が弱く、立方晶または正方
晶のペロブスカイト型に近い対称性を持つ結晶構造を有
すると共に、 SrTiO3 (100) 基板または SrTiO3 (110)
基板上に形成された酸化物薄膜であって、前記 SrTiO
3(100) 基板または SrTiO3 (110) 基板の (100)方向に
平行な格子定数が0.3830nm以上0.3890nm以下の範囲であ
ることを特徴とする酸化物薄膜。2. A composition formula: (Y 1-x Ba x ) CuO 3-d (where x is a number satisfying 0 ≦ x ≦ 1 and d is 0 ≦ d ≦ 1
Is a number that satisfies
And a cubic or tetragonal perovskite-type or oxygen-deficient perovskite-type crystal structure, or a superconducting YBa 2 Cu 3 O y (y is a number satisfying 6.3 ≤ y ≤ 7.0) crystal structure. Y element and Ba element weakly three times periodic structure of c-axis direction by the solid solution of which has a crystal structure having a near symmetric cubic or tetragonal perovskite, SrTiO 3 (100) substrate or SrTiO 3 (110)
An oxide thin film formed on a substrate, the SrTiO 3
3 An oxide thin film characterized in that the lattice constant parallel to the (100) direction of the (100) substrate or the SrTiO 3 (110) substrate is in the range of 0.3830 nm to 0.3890 nm.
あたり、 超電導特性を示す YBa2 Cu3 O y がそれぞれ (100)配向
または (110)配向する温度より20〜100K低い基板温度に
て、前記 SrTiO3 (100) 基板または SrTiO3 (110) 基板
上に前記酸化物薄膜をエピタキシャル成長させることを
特徴とする酸化物薄膜の製造方法。3. When forming the oxide thin film according to claim 2, at a substrate temperature 20 to 100 K lower than the temperature at which YBa 2 Cu 3 O y exhibiting superconducting properties is (100) oriented or (110) oriented, respectively. A method for producing an oxide thin film, which comprises epitaxially growing the oxide thin film on the SrTiO 3 (100) substrate or the SrTiO 3 (110) substrate.
おいて、 前記酸化物薄膜を前記 SrTiO3 (100) 基板上に 1〜 100
nmの膜厚で成膜し、成膜を続けながら基板温度を超電導
特性を示す YBa2 Cu3 O y が a軸配向または c軸配向す
る温度まで昇温した後、その温度にて前記 YBa2 Cu3 O
y の a軸配向膜または c軸配向膜を成膜することを特徴
とする酸化物薄膜の製造方法。4. The method for producing an oxide thin film according to claim 3, wherein the oxide thin film is formed on the SrTiO 3 (100) substrate in an amount of 1 to 100.
It was formed into a film having a thickness of nm, after the YBa 2 Cu 3 O y where the substrate temperature indicating superconductivity was heated to a temperature of a-axis oriented orientation or c-axis while continuing the deposition, the at that temperature YBa 2 Cu 3 O
A method for producing an oxide thin film, which comprises depositing an a-axis oriented film or a c-axis oriented film of y .
層と、この下部酸化物超電導体層上にバリア層を介して
形成された上部酸化物超電導体層とを具備する超電導素
子において、 前記基板と下部酸化物超電導体層間のバッファ層および
前記バリア層の少なくとも一方として、請求項1または
請求項2記載の酸化物薄膜を用いたことを特徴とする超
電導素子。5. A superconducting device comprising a lower oxide superconductor layer formed on a substrate and an upper oxide superconductor layer formed on the lower oxide superconductor layer with a barrier layer interposed therebetween. A superconducting element, wherein the oxide thin film according to claim 1 or 2 is used as at least one of a buffer layer and a barrier layer between the substrate and a lower oxide superconductor layer.
膜と、酸化物超電導体薄膜とが交互に多数積層された積
層部を有し、前記酸化物薄膜と酸化物超電導体薄膜と
は、それぞれの一単位格子以上の膜厚で積層形成されて
いることを特徴とする超電導素子。6. An oxide thin film according to claim 1 or 2, and a laminated portion in which a large number of oxide superconductor thin films are alternately laminated, and the oxide thin film and the oxide superconductor thin film are A superconducting element, each of which has a film thickness of one unit lattice or more.
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE19634645A1 (en) * | 1996-08-27 | 1998-03-05 | Forschungszentrum Juelich Gmbh | Superconductive and non-superconductive layer sequence |
US6541789B1 (en) | 1998-09-01 | 2003-04-01 | Nec Corporation | High temperature superconductor Josephson junction element and manufacturing method for the same |
JP2006216831A (en) * | 2005-02-04 | 2006-08-17 | Japan Science & Technology Agency | Josephson junction and manufacturing method thereof |
JP2010215467A (en) * | 2009-03-18 | 2010-09-30 | Institute Of National Colleges Of Technology Japan | Method for producing oxide superconductive thin film |
-
1994
- 1994-05-11 JP JP6097457A patent/JP2902939B2/en not_active Expired - Fee Related
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DE19634645C2 (en) * | 1996-08-27 | 1999-11-11 | Forschungszentrum Juelich Gmbh | Layer sequence with a high-temperature superconducting material and their use |
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