JPH0738160A - 超電導複合薄膜の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 酸化物超電導薄膜１２上に化合物半導体薄膜
を双方の層に損傷なく形成し、良好な超電導体−半導体
積層構造あるいは超電導体−半導体接合を有する超電導
複合薄膜を提供する。 【構成】 Ｂｉ系酸化物超電導体で構成した薄膜１２上
にこの結晶性を劣化させないIII−Ｖ族化合物半導体で
構成し、０〜２００℃程度の成膜温度で結晶化して第１
の半導体薄膜１３を積層形成し、この上にＩｎＰ等の元
素から構成された第２の半導体薄膜１４を２００〜３５
０℃程度の成膜温度で結晶化して積層形成する。更に薄
膜１２と薄膜１３との間に、バッファ層を介在させる工
程を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、酸化物超電導薄膜を用
いる超電導電子デバイスの作製の中で特に超電導体−半
導体積層構造、あるいは、超電導体−半導体境界の特性
を要求する高品位の酸化物超電導薄膜の製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】酸化物超電導体のデバイス化の研究開発
が進むにつれ、半導体など超電導体とは異なる物性を有
する材料との複合化、中でも、半導体基板上に超電導体
薄膜を積層形成する技術などが試みられている。

【０００３】一般に、シリコン単結晶基板からなる半導
体基板上に酸化物超電導体を成長させる場合、高温処理
の工程が入ることで超電導物質と基板材料であるシリコ
ンとが反応し、良好な超電導体−半導体境界を得ること
が困難となる。この場合、半導体基板上にフッ化物バッ
ファ層を積層し、その上に酸化物超電導薄膜を積層成長
させ、超電導体−半導体間の不必要な反応を抑えること
ができる（特開平２−１７５８６０号公報参照）。

【０００４】一方、酸化物超電導体上に半導体を形成す
る場合、次の方法が知られている。図２に示すガリウム
−ヒ素化合物半導体（以下、ＧａＡｓ）２段階成長法で
は、まず、第１工程（図２（ａ）、（ｂ））で、酸化マ
グネシウム（以下、ＭｇＯ）等の基板２１に形成した酸
化物超電導薄膜２２上に０〜２００℃程度の比較的低温
で第１のＧａＡｓ薄膜２３を積層し、第２工程（図２
（ｃ））で２００〜３５０℃程度の比較的高温で再び第
２のＧａＡｓ薄膜２４を積層する。

【０００５】ＧａＡｓの成膜温度は一般的に４５０〜６
００℃であり、２００〜３５０℃程度の低い成膜温度で
は、結晶性の高いＧａＡｓ薄膜を形成することはできな
い。しかし、真空中で４００℃程度の高温で処理した場
合、下地の酸化物超電導薄膜を劣化させる影響を及ぼ
す。

【０００６】図３（ａ）〜（ｃ）は、ＭｇＯ基板上にそ
れぞれ同じ成膜条件下で積層形成したビスマス系（以
下、Ｂｉ系）酸化物超電導薄膜の２００℃及び４００℃
で熱処理を行った時のＸ線構造解析の結果を示す。図３
（ａ）は、処理前（ａｓ−ｄｅｐｏ）のＸ線回折を示
す。Ｂｉ系の酸化物超電導薄膜の結晶性は、真空中で２
００℃程度で処理を行っても、図３（ｂ）に示す如く、
処理前（図３（ａ））に比べて、Ｂｉ系酸化物超電導薄
膜の反射強度を示すピーク（Ｂｉ）にほとんど変化は見
られない。しかし、真空中で４００℃を越える温度下で
熱処理を行うと、図３（ｃ）に示す如く、ＢｉＢｉ系酸
化物超電導薄膜のピークが減少する。即ち、Ｂｉ系酸化
物超電導薄膜は、真空中での４００℃程度の熱工程によ
り、その結晶性が阻害されてしまうことを示唆する。こ
のように、高温処理を伴う積層工程では、下地の超電導
層の結晶性を損なう危険性を伴う。

【０００７】また、比較的低温で結晶性の高いＧａＡｓ
薄膜を形成する方法として、マイグレイション・エンハ
ンスト・エピタキシー法（ＭＥＥ）があるが、この場
合、ＧａＡｓ薄膜を成長させるために結晶性の高いＧａ
Ａｓからなるイニシャル・ステージを必要とする。

【０００８】さらに、酸化物超電導薄膜上に積層形成す
る化合物半導体膜の材料として、ＧａＡｓの他にインジ
ウム−ヒ素化合物半導体（以下、ＩｎＡｓ）を用いても
同様に２段階成長法を用いることができる。一般にＩｎ
Ａｓの成膜温度は一般的に３００〜５００℃とＧａＡｓ
のそれに比べ低く、２００〜３５０℃程度の成膜温度
で、結晶性の高いＩｎＡｓ薄膜を酸化物超電導体上に積
層できることが期待できる。

【０００９】図４（ｂ）は、Ｂｉ系の酸化物超電導薄膜
上に２００℃の成膜温度でＩｎＡｓ薄膜を積層形成した
時の超電導体層のＸ線構造解析の結果を示す。図４
（ａ）は、図４（ｂ）と同条件で成膜した超電導体層の
み（ａｓ−ｄｅｐｏ）のＸ線回折を示す。図４（ｂ）に
示す如く、ＩｎＡｓ薄膜を比較的低い成膜温度（２００
℃）で積層形成したにもかかわらず、超電導層（Ｂｉ）
の結晶性が著しく劣化している。そのため、ＩｎＡｓ薄
膜を酸化物超電導薄膜上に直接積層することでは高い結
晶性の超電導複合薄膜を得ることは困難である。

【００１０】このように、２段階成長法による酸化物超
電導上に化合物半導体を積層する超電導複合薄膜の製造
方法があったが、下地の超電導薄膜層に悪影響を及ぼす
など、双方の層の結晶性の高い高品位な複合薄膜を作製
することが困難であった。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、以上の問題
を鑑み、酸化物超電導薄膜上に化合物半導体薄膜を双方
の層に損傷なく形成し、良好な超電導体−半導体積層構
造あるいは超電導体−半導体接合を有する超電導複合薄
膜を提供するものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、酸化物超電導
薄膜上に第１の半導体薄膜を積層形成する工程と、前記
第１の半導体薄膜上に第２の半導体薄膜を積層形成する
工程と、を順に備えたことを特徴とする超電導複合薄膜
の製造方法であって、前記第１の半導体薄膜は、前記酸
化物超電導薄膜の結晶性を劣化させない材料から構成さ
れ、０〜２００℃程度の成膜温度で結晶化して積層形成
されること、前記第２の半導体薄膜は、前記第１の半導
体薄膜とは異なる構成元素から構成され、２００〜３５
０℃程度の成膜温度で結晶化して積層形成されること、
を特徴とする。

【００１３】さらに、本発明は、上記酸化物超電導薄膜
と上記第１の半導体薄膜との間に、バッファ層を介在さ
せる工程を設けたこと、また、上記酸化物超電導薄膜を
Ｂｉ系酸化物超電導体で構成すること、また、上記第１
の半導体薄膜をIII−Ｖ族化合物半導体で構成するこ
と、また、上記第２の半導体薄膜をインジウム−リン化
合物半導体（以下、ＩｎＰ）薄膜またはＩｎＡｓ薄膜ま
たはインジウム−アンチモン化合物半導体（以下、Ｉｎ
Ｓｂ）薄膜で構成することを特徴とする。

【００１４】

【作用】本発明によれば、Ｂｉ系等の酸化物超電導薄膜
上に形成する第１の半導体薄膜に、III−Ｖ族化合物半
導体薄膜のうち、ＧａＡｓ等の下地の超電導層の結晶性
を劣化させる影響の少ない材料を、また、第１の半導体
薄膜上に積層形成する第２の半導体薄膜に、比較的低い
成膜温度で結晶化する材料であって、特にＩｎＰまたは
ＩｎＡｓまたはＩｎＳｂのうちいずれか一種を、選択す
るため、第１の半導体薄膜の材料、即ち、III−Ｖ族化
合物半導体薄膜と第２の半導体薄膜の格子整合性が高
く、かつ、下地の酸化物超電導層を劣化させる影響が少
ない条件（積層薄膜の材料種及びその成膜温度）での積
層形成が可能となる。

【００１５】

【実施例】本発明は、基板上の超電導薄膜上に２種の異
なる材料からなる半導体薄膜を順次積層形成する、言わ
ばヘテロ２段階成長による超電導複合薄膜の製造方法で
ある。即ち、超電導薄膜上に超電導層の結晶性を劣化さ
せない第１の半導体材料、さらに、この上に超電導層の
結晶性を劣化させない程度の成膜温度で積層形成できる
第２の半導体材料を順次積層形成することで行うことを
特徴としている。

【００１６】図１は、本発明の超電導複合薄膜の製造方
法の一実施例を示す工程別断面図である。図１において
１１は酸化物超電導薄膜１２を成膜するための基板であ
る。

【００１７】まず、第１工程（図１（ａ））では、基板
１１上に酸化物超電導薄膜１２を形成する。酸化物超電
導薄膜１２は、分子線エピタキシー法（以下、ＭＢＥ）
等によりＭｇＯ基板あるいはチタン酸ストロンチウム
（ＳｒＴｉＯ₃；以下、ＳＴＯ）やチタン酸バリウム
（ＢａＴｉＯ₃）等の基板上に成膜される。酸化物超電
導薄膜１２の成膜方法としては、上記ＭＢＥ等の真空蒸
着の他、化学蒸着（以下、ＣＶＤ）、スパッタ法があ
る。本実施例では、通常の分子線エピタキシー装置に
て、ＭｇＯ基板を基板１１に、また、酸化ビスマス、金
属ストロンチウム、金属カルシウム及び銅をそれぞれ蒸
発源に用いビスマス系（以下、Ｂｉ系）の酸化物超電導
薄膜１２（Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ）を成膜した。
この時、酸化物超電導薄膜１２の膜厚はおよそ１０００
Å程度に制御した。

【００１８】第２工程（図１（ｂ））では、酸化物超電
導薄膜１２上に第１の半導体薄膜１３を成膜する。この
第１の半導体薄膜１３の材料としては、III−Ｖ族化合
物半導体が好ましく、次工程（第３の工程）でこの上に
積層形成される第２の半導体薄膜の材料との格子整合性
の良いもの、また、その成膜時に下地の超電導層の結晶
性を損なわぬよう、比較的低温で積層形成できる材料を
選択しなければならない。

【００１９】図４（ｃ）は、Ｂｉ系酸化物超電導薄膜
（図４（ａ））上に２００℃の成膜温度でＧａＡｓ薄膜
を極薄に積層形成し、下地の超電導層に及ぼすＧａＡｓ
の影響をＩｎＡｓ薄膜を同様に積層した場合（図４
（ｂ））と比較して示したＸ線構造解析の結果である。
この時、図３（ａ）及び（ｂ）に示す如く、２００℃程
度の熱処理では超電導層の結晶性にほとんど劣化は認め
られないことから、成膜時の熱工程の影響はほとんどな
いと考えられる。さらに、図４（ｃ）に示す如く、熱処
理前（図４（ａ））に比べ、Ｂｉ系酸化物超電導薄膜の
結晶性に、ほとんど劣化は認められない。従って、Ｇａ
ＡｓはＩｎＡｓの場合（図４（ｂ））に比べ、Ｂｉ系酸
化物超電導体の結晶性に及ぼす影響は少ないことが示唆
される。

【００２０】本実施例では、この結果を考慮し、第１の
半導体薄膜の材料にＧａＡｓを選択し、通常のＭＢＥに
より成膜した。この時、成膜温度は０〜２００℃の比較
的低温に制御しなければならなく、本実施例では、２０
０℃で行った。また、膜厚は１００Å程度に制御して成
膜した。第１の半導体薄膜１３の成膜は、上記ＭＢＥ等
の真空蒸着の他、ＣＶＤ、スパッタ法により行ってもよ
い。

【００２１】第２工程において、酸化物超電導薄膜１２
と第１の半導体薄膜１３の間にフッ化物薄膜等からなる
バッファ層を介在させてもよい。このバッファ層は、超
電導−半導体境界における原子の拡散を抑制する等、超
電導−半導体境界面における不要な反応を抑制する働き
をする。

【００２２】第３工程（図１（ｃ））では、第１の半導
体薄膜１３上に第２の半導体薄膜１４を成膜する。第２
の半導体薄膜１４の材料としては、下地の超電導層の結
晶性を劣化させない程度の成膜温度で結晶性良く成膜可
能な材料であること、また、第１の半導体薄膜１３の材
料との格子整合性がよいことが条件となる。

【００２３】第１の半導体薄膜１３に使用したＧａＡｓ
とこれに積層形成するいくつかの半導体材料との格子整
合性及びその成膜温度の影響を調べたところ、ＩｎＡｓ
との結果が良好であった。図５（ａ）及び（ｂ）は、Ｇ
ａＡｓ基板にＩｎＡｓ薄膜を２００℃及び３５０℃の成
膜温度で積層形成した時を比較して示したＸ線構造解析
の結果である。図５（ａ）及び（ｂ）に示す如く、２０
０及び３５０℃の成膜温度では、ＩｎＡｓとＧａＡｓの
ピークの比に変化は小さく、ＩｎＡｓは、２００〜３５
０℃という成膜温度で高い結晶性の薄膜として得ること
ができる。

【００２４】本実施例では、この結果を考慮し、第２の
半導体薄膜１４の材料にＩｎＡｓを選択し、通常のＭＢ
Ｅにより成膜した。この時、成膜温度を２００℃とし、
膜厚を１０００Åに制御した。第２の半導体薄膜１４の
成膜方法としては、上記ＭＢＥ等の真空蒸着の他、ＣＶ
Ｄ及びスパッタ法がある。第２の半導体薄膜１４の材料
としては、比較的低温で結晶性良く成膜可能な材料が良
く、ＩｎＡｓの他、ＩｎＰ、ＩｎＳｂがあげられる。

【００２５】以上の工程によりＭｇＯ基板上にＢｉ系酸
化物超電導薄膜、ＧａＡｓ薄膜、ＩｎＡｓ薄膜を順次積
層形成して製造した超電導複合膜の超電導層のＸ線構造
解析の結果を図３（ａ）〜（ｃ）と比較して表示したも
のを図６に示す。図６に示す如く、超電導層の結晶性
は、半導体薄膜の積層形成前、即ち図３（ａ）に示すＭ
ｇＯ基板上にＢｉ系酸化物超電導薄膜のみを積層形成し
た場合の超電導層のＸ線構造解析の結果と比べ、その結
晶性がほとんど劣化していないことがわかる。さらに、
図６において、ＩｎＡｓのピークが観察できることか
ら、結晶性の高いＩｎＡｓからなる半導体層が超電導層
上に積層形成していることが示唆される。

【００２６】このようにして、ＭｇＯ基板上に高い結晶
性を有するＢｉ系酸化物超電導薄膜−ＩｎＡｓ薄膜を主
構造とする超電導複合膜を得ることができる。この結晶
性の高い超電導複合薄膜が得られた結果は、電子顕微鏡
による断面観察によっても確認された。

【００２７】このように、超電導薄膜及び半導体薄膜の
積層構造をヘテロ２段階成長により積層形成する際、超
電導薄膜に積層することで超電導層の結晶性を劣化させ
ない第１の半導体材料、超電導層の結晶性を劣化させな
い程度の成膜温度で積層形成でき、第１の半導体材料と
の格子整合性の良い他の半導体材料、適宜選択し、所望
の成膜温度で積層形成することで、下地の超電導薄膜の
結晶性を劣化させる影響が少なく、かつ結晶性良く積層
形成できる。

【００２８】本発明による高品位な超電導複合薄膜は、
超電導−半導体界面特性を利用した超電導トランジスタ
・デバイスの構築の他、超電導層においてマイクロ波デ
バイスを、半導体層においてＨＥＭＴ等のトランジスタ
・デバイスをそれぞれ複合構築でき、これらのデバイス
の高度集積化に期待できる。

【００２９】

【発明の効果】本発明の超電導複合薄膜の製造方法によ
れば、酸化物超電導薄膜上に直接、あるいは酸化物超電
導薄膜上にバッファ層を介して、超電導層の結晶性を劣
化させない材料からなる第１の半導体薄膜、さらに、第
１の半導体との格子整合性の良く、結晶成長の温度の低
い材料からなる第２の半導体薄膜を順次、それぞれ超電
導層の結晶性を劣化させない程度の成膜温度で積層形成
することで、結晶性の良い超電導薄膜及び半導体薄膜の
複合薄膜を基板上に得ることが可能となる。

【００３０】また、本発明によれば、Ｂｉ系酸化物超電
導薄膜上に半導体薄膜を形成する際、第１の半導体薄膜
にIII−Ｖ族化合物半導体薄膜、特にＧａＡｓを使用す
ることで、下地の超電導層を劣化させる影響を低減で
き、さらに、第２の半導体薄膜に、ＩｎＡｓまたはＩｎ
ＰまたはＩｎＳｂを使用することで、III−Ｖ族化合物
半導体からなる第１の半導体薄膜との格子整合性が高
く、かつ、比較的低温での積層形成を可能にし、下地の
酸化物超電導薄膜を劣化させる影響を低減することがで
きる。

【００３１】このような、結晶性の高い超電導複合薄膜
の製造方法の確立は、この構造あるいは境界面特性を利
用した超電導トランジスタ等、超電導機能素子の構築を
可能にする。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の超電導複合薄膜の製造方法
を示す工程別断面図である。

【図２】従来技術による超電導複合薄膜の製造方法を示
す工程別断面図である。

【図３】ＭｇＯ基板上に形成したＢｉ系の酸化物超電導
薄膜の２００℃及び４００℃の温度下で処理を行った時
のＸ線構造解析の結果を示す図である。

【図４】Ｂｉ系の酸化物超電導薄膜上に真空２００℃の
温度下にて、ＧａＡｓ及びＩｎＡｓ薄膜を積層形成した
時の超電導体層のＸ線構造解析の結果を示す図である。

【図５】ＧａＡｓ膜上にＩｎＡｓ薄膜を２００℃及び３
５０℃の成膜温度で積層形成した時のＸ線構造解析の結
果を示す図である。

【図６】本発明の一実施例の超電導複合薄膜の製造方法
により積層形成した超電導複合薄膜のＸ線構造解析の結
果を示す図である。

【符号の説明】

１１、２１ 基板 １２、２２ 酸化物超電導薄膜 １３ 第１の半導体薄膜 １４ 第２の半導体薄膜 ２３ 第１のＧａＡｓ薄膜 ２４ 第２のＧａＡｓ薄膜

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】酸化物超電導薄膜上に第１の半導体薄膜を
   積層形成する工程と、 前記第１の半導体薄膜上に第２の半導体薄膜を積層形成
   する工程と、 を順に備えたことを特徴とする超電導複合薄膜の製造方
   法であって、 前記第１の半導体薄膜は、前記酸化物超電導薄膜の結晶
   性を劣化させない材料から構成され、０〜２００℃程度
   の成膜温度で結晶化させ積層形成すること、 前記第２の半導体薄膜は、前記第１の半導体薄膜とは異
   なる構成元素から構成され、２００〜３５０℃程度の成
   膜温度で結晶化させ積層形成すること、 を特徴とする超電導複合薄膜の製造方法。
2. 【請求項２】上記酸化物超電導薄膜と上記第１の半導体
   薄膜との間に、バッファ層を介在させる工程を設けたこ
   とを特徴とする請求項１記載の超電導複合薄膜の製造方
   法。
3. 【請求項３】上記酸化物超電導薄膜は、ビスマス系酸化
   物超電導体で構成されることを特徴とする請求項１また
   は２記載の超電導複合薄膜の製造方法。
4. 【請求項４】上記第１の半導体薄膜は、III−Ｖ族化合
   物半導体で構成されることを特徴とする請求項１〜３の
   いずれか１項に記載の超電導複合薄膜の製造方法。
5. 【請求項５】上記第２の半導体薄膜は、上記第１の半導
   体薄膜とは異なる構成元素から構成され、インジウム−
   リン化合物半導体またはインジウム−ヒ素化合物半導体
   またはインジウム−アンチモン化合物半導体で構成され
   ることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載
   の超電導複合薄膜の製造方法。