JPH1084141A - Oxide superconductor device - Google Patents
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Landscapes
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- Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、酸化物超電導体の
基板技術およびその素子応用技術に関するもので、特に
表面の凹凸が膜厚において極めて少ない、平担でかつ膜
質劣化の少ない酸化物超電導体基板を実現できる酸化物
超電導体装置に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a substrate technology of an oxide superconductor and an application technology of the device, and more particularly to an oxide superconductor in which surface irregularities are extremely small in film thickness, flat and film quality is hardly deteriorated. The present invention relates to an oxide superconductor device that can realize a substrate.
【０００２】[0002]
【従来の技術】酸化物超電導体の素子応用を考える場
合、その基本が薄膜技術であることは半導体技術の場合
と同じである。酸化物超電導体の薄膜技術としては、基
板材料と薄膜材料が異なる物質である場合（以後、ヘテ
ロエピと呼ぶ）が主たる研究対象であり、例えばＳＱＵ
ＩＤやフィルター等の実際の商品にも応用されてきた。
しかしながら、ヘテロエピの場合、次のような問題があ
る。 （１）基板と薄膜の格子定数の違いにより、原子間に強
い応力が発生するため、バルク材料に比べて超電導転移
温度Ｔｃが劣化する。しかも、薄膜を薄くすると、急速
に超電導転移温度Ｔｃが劣化し、逆に薄膜を厚くするこ
とでも超電導転移温度Ｔｃをバルクの値にすることは難
しい。 （２）表面の凹凸が大きくなり易く（例えば、膜厚３０
０ｎｍで２０ｎｍの凹凸が発生する（例えば、Ｍ．Ｎan
toh他6名による『Ｐhysica Ｃ 242巻』277ページ、199
5年刊参照)、実用的な表面の凹凸にするためには、膜厚
を大略１０ｎｍから２０ｎｍ程度にすることが必要であ
る。 （３）基板の転移やクラックの影響を大きく受けてしま
う。特に、表面の凹凸を小さくしようとして、膜厚を薄
くすると、格子定数の違いに由来するストレスや転移、
クラック等の影響を強く受けるため、膜質が大幅に劣化
するという問題があった。さらに、超電導体のグランド
プレーンを形成する場合、この表面凹凸の大きさのため
に、グランドプレーン上に形成した、絶縁膜とその上の
酸化物超電導体が大幅に劣化するという問題があった。
また、酸化物超電導体自身を用いてウェーハ状に切り出
した基板は、表面近傍に多数のマイクロクラックが存在
するため、このマイクロクラックに磁束がトラップされ
たりすると、ＳＱＵＩＤや接合の磁場特性に多大な影響
を与えるという問題も生じていた。2. Description of the Related Art When an oxide superconductor is to be applied to a device, it is based on a thin film technology as in the case of a semiconductor technology. As a thin film technology of an oxide superconductor, a case where a substrate material and a thin film material are different substances (hereinafter referred to as heteroepitaxy) is a main research target.
It has been applied to actual products such as IDs and filters.
However, in the case of hetero epi, there are the following problems. (1) Since a strong stress is generated between atoms due to a difference in lattice constant between the substrate and the thin film, the superconducting transition temperature Tc is deteriorated as compared with a bulk material. In addition, when the thin film is made thin, the superconducting transition temperature Tc is rapidly deteriorated. Conversely, it is difficult to make the superconducting transition temperature Tc a bulk value by making the thin film thick. (2) Surface irregularities tend to be large (for example, a film thickness of 30
20 nm unevenness occurs at 0 nm (for example, M. Nan
"Physica C Volume 242" by toh and 6 others, p. 277, 199
In order to make practical surface irregularities, the film thickness needs to be approximately 10 nm to 20 nm. (3) It is greatly affected by the displacement and crack of the substrate. In particular, when trying to reduce surface irregularities and reducing the film thickness, stresses and transitions resulting from differences in lattice constants,
There is a problem that the film quality is greatly deteriorated due to the strong influence of cracks and the like. Furthermore, when a ground plane of a superconductor is formed, there is a problem that the insulating film formed on the ground plane and the oxide superconductor thereon are significantly deteriorated due to the size of the surface irregularities.
In addition, a substrate cut into a wafer using the oxide superconductor itself has a large number of microcracks near the surface. If a magnetic flux is trapped in these microcracks, the SQUID and the magnetic field characteristics of the junction will be greatly affected. There was also the problem of affecting.
【０００３】[0003]
【発明が解決しようとする課題】このように、ヘテロエ
ピの場合には、（１）バルク材料に比べて超電導転移温
度Ｔｃが劣化すること、（２）表面の凹凸が大きくなり
易いこと、（３）基板の転移やクラックの影響を大きく
受けて、膜質が大幅に劣化すること、等の問題点が生じ
ていた。そこで、本発明の目的は、これら従来の課題を
解決し、表面の凹凸が極めて小さく、膜質劣化の少ない
酸化物超電導体装置を提供することにある。また、本発
明の他の目的は、従来のヘテロエピでは実現できなかっ
たＳＩＳ構造や平担な超電導グランドプレーン構造を実
現でき、酸化物超電導体を用いた各種の接合構造が信頼
性よく実現できる酸化物超電導体装置を提供することに
ある。As described above, in the case of heteroepitaxy, (1) the superconducting transition temperature Tc is deteriorated as compared with the bulk material, (2) the surface irregularities are easily increased, and (3) ) The film quality is greatly degraded due to the influence of the substrate displacement and the cracks. Accordingly, an object of the present invention is to solve these conventional problems and to provide an oxide superconductor device having extremely small surface irregularities and little deterioration in film quality. Another object of the present invention is to realize an SIS structure and a flat superconducting ground plane structure that could not be realized by the conventional heteroepi, and to realize various bonding structures using an oxide superconductor with high reliability. An object of the present invention is to provide a superconductor device.
【０００４】[0004]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の酸化物超電導体装置では、酸化物超電導体
単結晶基板上にホモエピタキシャル薄膜を形成して、こ
れを基板として用い、その基板上に酸化物絶縁体や酸化
物超電導体をヘテロエピすることを特徴としている。こ
れにより、表面の凹凸が厚膜においても極めて少ない平
担な酸化物超電導体基板を実現でき、また基板の不完全
性（マイクロクラックや転移（ディスロケーション）
等）を引き継ぐことなく、膜質劣化の少ない酸化物超電
導体基板を実現できる。さらに、基板上に酸化物絶縁体
や酸化物超電導体をヘテロエピすることにより、ヘテロ
エピでは実現できなかったＳＩＳ構造や平担な超電導グ
ランドプレーン構造を実現でき、酸化物電導体を用いた
各種の接合構造が信頼性よく実現できる。In order to achieve the above object, in the oxide superconductor device of the present invention, a homoepitaxial thin film is formed on an oxide superconductor single crystal substrate, and this is used as a substrate. It is characterized by heteroepitaxy of an oxide insulator or an oxide superconductor on a substrate. This makes it possible to realize a flat oxide superconductor substrate having very few surface irregularities even in a thick film, and to realize substrate imperfections (microcracks and dislocations).
, Etc.), and an oxide superconductor substrate with little deterioration in film quality can be realized. In addition, hetero-epitaxy of an oxide insulator and an oxide superconductor on a substrate can realize an SIS structure and a flat superconducting ground plane structure that cannot be realized by heteroepitaxy. The structure can be realized with high reliability.
【０００５】[0005]
【発明の実施の形態】以下、本発明の原理ならびに実施
例を、図面により詳細に説明する。本発明においては、
酸化物超電導体の単結晶を用い、（１１０）方向を持つ
表面をウェハ状に切り出しホモエピタキシャル結晶成長
させることにより、表面の凹凸が極めて小さく、基板の
不完全性（マイクロクラックや転移（ディスロケーショ
ン）等）を引き継ぐことなく、膜質劣化の少ない酸化物
超電導板基板を実現できることに着目した。その上に酸
化物絶縁体や酸化物超電導体をヘテロエピすることによ
り、表面の凹凸が厚膜においても極めて少ない平担な酸
化物超電導体基体を実現する。（１１０）面を持つ酸化
物超電導体の単結晶を基板の母材に使用することで、従
来の問題を解決することができた理由を以下に説明す
る。比較的高温で結晶成長させるので、基板中のディス
ロケーションは表面近くで消失する。マイクロクラック
は基板表面で止まった状態にあり、エピタキシャル膜に
は引き継がれない。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the principle and embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the present invention,
Using a single crystal of an oxide superconductor, a surface having the (110) direction is cut into a wafer shape and homoepitaxially grown, so that the surface irregularities are extremely small, and the imperfections of the substrate (such as microcracks and dislocations (dislocation) ), Etc., and attention was paid to the fact that an oxide superconducting plate substrate with little deterioration in film quality could be realized without taking over. By hetero-epitaxially forming an oxide insulator or an oxide superconductor thereon, a flat oxide superconductor substrate having very few surface irregularities even in a thick film is realized. The reason why the conventional problem can be solved by using a single crystal of an oxide superconductor having a (110) plane as a base material of a substrate will be described below. Due to crystal growth at relatively high temperatures, dislocations in the substrate disappear near the surface. The microcracks are stopped on the substrate surface and are not inherited by the epitaxial film.
【０００６】図２は、本発明の原理を説明するためのＹ
Ｂａ2Ｃｕ3Ｏｘ単結晶基板表面の原子層の図である。以
下、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏｘ単結晶を用いて、本発明の根幹を
なす（１１０）面方位を有する基板が何故平担なエピタ
キシャル膜を形成できるかを、その特有な単位胞構造に
よる表面に現われる原子層の違いから説明する。通例の
ｃ軸配向膜の場合、（００１）面方位を有するＹＢａ2
Ｃｕ3Ｏｘ基板を考える。実際の基板表面に現われる面
は、図２（ａ）に示すように、Ｂａを含む面、Ｃｕを含
む面、Ｙを含む面の三種類がテラス状に存在する。ま
た、ａ軸配向膜の場合、（１００）面方位を有するＹＢ
ａ2Ｃｕ3Ｏｘ基板を考える。実際の基板表面に現われる
面は、図２（ｂ）に示すように、ＢａとＹを含む面とＣ
ｕを含む面の二種類がテラス状に存在する。このよう
に、複数の種類の面が現実に存在すると、それぞれの面
で成長速度が異なるために、膜厚が厚くなるに従って表
面の凹凸が大きくなる。一方、（１１０）面方位を有す
るＹＢａ2Ｃｕ3Ｏｘ基板を考える。実際の基板表面に現
われる面は、図２（ｃ）に示すように、ＢａとＣｕとＹ
を含む面の一種類しか存在しないので、最初平担な基板
であれば、厚膜になっても二次元成長し、表面は平担な
ままである。このようなホモエピタキシーの形成は、Ｙ
Ｂａ2Ｃｕ3Ｏｘだけでなく、ＮｄＢａ2Ｃｕ3Ｏｘ（６≦
ｘ≦７）、あるいはＳｍＢａ2Ｃｕ3Ｏｘ等の酸化物超電
導体の他、ＰｒＢａ2Ｃｕ3Ｏｘ等の酸化物半導体におい
ても見出された。[0006] FIG. 2 is a diagram showing Y for explaining the principle of the present invention.
FIG. 3 is a diagram of an atomic layer on the surface of a Ba 2 Cu 3 Ox single crystal substrate. Hereinafter, the reason why a substrate having a (110) plane orientation, which is the basis of the present invention, can form a flat epitaxial film using a YBa 2 Cu 3 Ox single crystal will appear on the surface of a unique unit cell structure. Explanation will be given based on the difference between atomic layers. In the case of a usual c-axis oriented film, YBa 2 having a (001) plane orientation is used.
Consider a Cu 3 Ox substrate. As shown in FIG. 2A, three types of surfaces appearing on the actual substrate surface are terraces including a surface including Ba, a surface including Cu, and a surface including Y. In the case of an a-axis oriented film, YB having a (100) plane orientation is used.
Consider an a 2 Cu 3 Ox substrate. As shown in FIG. 2 (b), the surface appearing on the actual substrate surface is the surface including Ba and Y
Two types of surfaces including u exist in a terrace shape. As described above, when a plurality of types of surfaces actually exist, since the growth speeds of the respective surfaces are different, the unevenness of the surface increases as the film thickness increases. On the other hand, consider a YBa 2 Cu 3 Ox substrate having a (110) plane orientation. The surface appearing on the actual substrate surface is composed of Ba, Cu and Y as shown in FIG.
Since there is only one type of surface including the above, if the substrate is initially a flat substrate, it grows two-dimensionally even if it becomes a thick film, and the surface remains flat. The formation of such homoepitaxy is based on Y
Not only Ba 2 Cu 3 Ox, but also NdBa 2 Cu 3 Ox (6 ≦
x ≦ 7), or SmBa 2 Cu 3 other oxide superconductor Ox such, it was also found in the oxide semiconductor such as PrBa 2 Cu 3 Ox.
【０００７】図３は、本発明による基板の表面凹凸のＡ
ＦＭ測定図である。以下、（１１０）面方位を有するＹ
Ｂａ2Ｃｕ3Ｏｘ基板を用いて実際に実験を行い、得た結
果について説明する。図３（ａ）（ｂ）は、いずれも原
子間力顕微鏡（以下、ＡＦＭと略記する）を用いて表面
の凹凸を観察した例を示している。図３（ａ）（ｂ）
は、それぞれ（１１０）面方位を有するＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ
ｘ基板ウェーハと３２０ｎｍＹＢａ2Ｃｕ3Ｏｘをエピタ
キシャル成長させたウェーハのＡＦＭ像である。このよ
うに、１μｍ平方で１ｎｍ以下の極めて優れた平担性を
実現している。図４は、本発明による基板の電気測定結
果を示す図である。図４では、この薄膜の電気抵抗の温
度依存性を示している。超電導転移温度Ｔｃは、９０Ｋ
を越えた優れた特性を得ている。図１は、本発明の酸化
物超電導体装置の概念図である。本発明の酸化物超電導
体装置は、図１（ａ）に示すように、（１１０）面方位
を有する酸化物超電導体単結晶１０上に（１１０）面方
位を有するホモエピタキシャル膜１１を形成した酸化物
超電導体基板（図１（ａ））と、図１（ｂ）に示すよう
に、この酸化物超電導体基板上に絶縁体１２と一層以上
からなる酸化物構造体１３を含むことを特徴としてい
る。本発明は、さらに（１１０）面方位を有するＰｒＢ
ａ2Ｃｕ3Ｏｘのような酸化物半導体結晶上に（１１０）
面方位を有するＰｒＢａ2Ｃｕ3Ｏｘをホモエピタキシー
した基板（図１の１０，１１に対応）と該酸化物基板上
に絶縁体１２と一層以上から成る酸化物構造体１３の積
層構造を特徴とした酸化物超電導体装置である。FIG. 3 is a graph showing A of surface unevenness of a substrate according to the present invention.
It is an FM measurement figure. Hereinafter, Y having a (110) plane orientation
An experiment was actually performed using a Ba 2 Cu 3 Ox substrate, and the results obtained will be described. FIGS. 3A and 3B show examples in which surface irregularities are observed using an atomic force microscope (hereinafter abbreviated as AFM). FIGS. 3A and 3B
Are YBa 2 Cu 3 O each having a (110) plane orientation.
3 is an AFM image of an x substrate wafer and a wafer on which 320 nm YBa 2 Cu 3 Ox is epitaxially grown. As described above, an extremely excellent flatness of 1 nm or less in 1 μm square is realized. FIG. 4 is a diagram showing a result of electric measurement of the substrate according to the present invention. FIG. 4 shows the temperature dependence of the electric resistance of the thin film. The superconducting transition temperature Tc is 90K
It has excellent characteristics that surpass. FIG. 1 is a conceptual diagram of the oxide superconductor device of the present invention. In the oxide superconductor device of the present invention, as shown in FIG. 1A, a homoepitaxial film 11 having a (110) plane orientation was formed on an oxide superconductor single crystal 10 having a (110) plane orientation. An oxide superconductor substrate (FIG. 1A) and, as shown in FIG. 1B, an insulator 12 and an oxide structure 13 composed of one or more layers are provided on the oxide superconductor substrate. And The present invention further provides PrB having a (110) plane orientation.
(110) on an oxide semiconductor crystal such as a 2 Cu 3 Ox
It is characterized by a laminated structure of a substrate (corresponding to 10 and 11 in FIG. 1) obtained by homoepitaxially growing PrBa 2 Cu 3 Ox having a plane orientation, and an insulator 12 and an oxide structure 13 composed of one or more layers on the oxide substrate. Oxide superconductor device.
【０００８】以下、本発明の実施例を説明する。 （第１の実施例）図５は、本発明の第１の実施例を示す
酸化物超電導体装置の断面図である。図５（ａ）（ｂ）
では、ＳＩＳ（超電導体／絶縁体／超電導体）構造を形
成した例を示している。基板上に直接ＳＩＳ構造を形成
した例を図５（ａ）に示す。（１１０）面方位を有する
ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏｘ単結晶基板ウェーハ１００上に、マグ
ネトロン高周波スパッタ装置により基板温度６５０℃、
酸素／アルゴン比９／１で８０ｍｔｏｒｒの雰囲気中で
４０Ｗのプラズマ出力でＹＢａ2Ｃｕ3Ｏｘ薄膜１１０を
５時間結晶成長した。この時の膜厚は３２０ｎｍであっ
た。さらに、ＬａＧａＯ３ １４を１．５ｎｍ形成した
後、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏｘ薄膜１５を５時間結晶成長した。
酸素／アルゴン比１／３で４００ｔｏｒｒ雰囲気中で２
時間かけて室温まで冷却した。次に、通例のリソグラフ
ィー技術によりパターニングしてＡｕ電極１６，１７を
形成した。この接合の特性としては、臨界超電導電流密
度Ｊｃは４×１０5Ａ／ｃｍ2で接合抵抗Ｒｎとの積は液
体窒素温度で１０ｍＶであった。Hereinafter, embodiments of the present invention will be described. (First Embodiment) FIG. 5 is a sectional view of an oxide superconductor device showing a first embodiment of the present invention. FIGS. 5A and 5B
Shows an example in which an SIS (superconductor / insulator / superconductor) structure is formed. FIG. 5A shows an example in which the SIS structure is formed directly on the substrate. A substrate temperature of 650 ° C. was applied on a YBa 2 Cu 3 Ox single crystal substrate wafer 100 having a (110) plane orientation by a magnetron high-frequency sputtering apparatus.
The YBa 2 Cu 3 Ox thin film 110 was crystal-grown for 5 hours at a plasma output of 40 W in an atmosphere of 80 mtorr at an oxygen / argon ratio of 9/1. At this time, the film thickness was 320 nm. Furthermore, after 1.5nm form LaGaO3 14, and 5 hours crystal growth YBa 2 Cu 3 Ox thin film 15.
2 in an atmosphere of 400 torr with an oxygen / argon ratio of 1/3
Cooled to room temperature over time. Next, the Au electrodes 16 and 17 were formed by patterning using a usual lithography technique. As the characteristics of this junction, the critical superconducting current density Jc was 4 × 10 5 A / cm 2 and the product of the junction resistance Rn was 10 mV at the temperature of liquid nitrogen.
【０００９】次に、図５（ｂ）の場合を説明する。上と
同じ条件でＹＢａ2Ｃｕ3Ｏｘ薄膜１１０を５時間結晶成
長して超電導グランドプレーンを形成した後、ＬａＧａ
Ｏ３１２０を１５０ｎｍ、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏｘ薄膜１３０
を５時間結晶成長した。次に、ＬａＧａＯ３ １８を
１．５ｎｍ形成した後、基板温度を７４０℃に上げ、Ｙ
Ｂａ2Ｃｕ3Ｏｘ薄膜１９を５時間結晶成長した。酸素／
アルゴン比１／３で４００ｔｏｒｒの雰囲気中で２時間
かけて室温まで冷却した。次に、通例のリソグラフィー
技術によりパターニングし、Ａｕ電極１６，１７を形成
した。この接合の特性としては、臨界超電導電流密度Ｊ
ｃは１×１０5Ａ／ｃｍ2で接合抵抗Ｒｎとの積は液体窒
素温度で５ｍＶであった。本構造では、素子間分離が容
易であり、インダクタンス等の受動素子の設計が超電導
グランドプレーンを形成したことにより、極めて容易に
なった。Next, the case of FIG. 5B will be described. After a YBa 2 Cu 3 Ox thin film 110 is crystal-grown for 5 hours under the same conditions as above to form a superconducting ground plane,
O3120 is 150 nm, YBa 2 Cu 3 Ox thin film 130
For 5 hours. Next, after forming 1.5 nm of LaGaO3 18, the substrate temperature was raised to 740 ° C.
A Ba 2 Cu 3 Ox thin film 19 was crystal-grown for 5 hours. oxygen/
The mixture was cooled to room temperature in an atmosphere of 400 torr at an argon ratio of 1/3 over 2 hours. Next, Au electrodes 16 and 17 were formed by patterning by a usual lithography technique. The characteristics of this junction include the critical superconducting current density J
c was 1 × 10 5 A / cm 2 , and the product with the junction resistance Rn was 5 mV at the temperature of liquid nitrogen. In this structure, separation between elements is easy, and designing of passive elements such as inductance has become extremely easy due to the formation of the superconducting ground plane.
【００１０】（第２の実施例）図６（ａ）は、本発明の
第２の実施例を示す酸化物超電導体装置の断面図であ
る。図６（ａ）では、超電導グランドプレーン上にマイ
クロストリップラインを形成した例を示している。（１
１０）面方位を有するＹＢａ2Ｃｕ3Ｏｘ単結晶基板ウェ
ーハ１００上に、第１の実施例と同じようにＹＢａ2Ｃ
ｕ3Ｏｘ薄膜１１０を形成した後、同じ条件でＬａＧａ
Ｏ３ ２２を１５ｎｍ形成した。さらに、基板温度を７
４０℃に上げＹＢａ2Ｃｕ3Ｏｘ薄膜２３，２３′を５時
間結晶成長した。この時、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏｘ薄膜２３，
２３′はｃ軸配向であった。酸素／アルゴン比１／３で
４００ｔｏｒｒの雰囲気中で２時間かけて室温まで冷却
した。次に、通例のリソグラフィー技術により、パター
ニングしてマイクロストリップライン２３，２３′を形
成した。本構造を用いて、所望の値を有するインダクタ
ンスを設計することも可能になった。(Second Embodiment) FIG. 6A is a sectional view of an oxide superconductor device according to a second embodiment of the present invention. FIG. 6A shows an example in which a microstrip line is formed on a superconducting ground plane. (1
10) On the YBa 2 Cu 3 Ox single crystal substrate wafer 100 having the plane orientation, YBa 2 C is formed in the same manner as in the first embodiment.
After forming the u 3 Ox thin film 110, the LaGa
O3 22 was formed to a thickness of 15 nm. Further, when the substrate temperature is 7
The temperature was raised to 40 ° C., and YBa 2 Cu 3 Ox thin films 23 and 23 ′ were crystal-grown for 5 hours. At this time, the YBa 2 Cu 3 Ox thin film 23,
23 'was c-axis oriented. It was cooled to room temperature over 2 hours in an atmosphere of 400 torr at an oxygen / argon ratio of 1/3. Next, microstrip lines 23 and 23 'were formed by patterning using a conventional lithography technique. Using this structure, it has become possible to design an inductance having a desired value.
【００１１】（第３の実施例）図６（ｂ）は、本発明の
第３の実施例を示す酸化物超電導体装置の断面図であ
る。図６（ｂ）では、超電導グランドプレーン上にステ
ップエッジ接合を形成した例を示している。（１１０）
面方位を有するＹＢａ2Ｃｕ3Ｏｘ単結晶基板ウェーハ１
００上に第１の実施例と同じようにＹＢａ2Ｃｕ3Ｏｘ薄
膜１１０を形成した後、同じ条件でＬａＧａＯ３ ２２
を４５ｎｍ形成した。次に、通例のリソグラフィー技術
によりパターニングし、絶縁膜ＬａＧａＯ３ ２２を２
５ｎｍウェットエッチングで削除し、ステップ３０を形
成した。さらに、基板温度を７４０℃に上げ、ＹＢａ2
Ｃｕ3Ｏｘ薄膜２４を５時間結晶成長した。この時、Ｙ
Ｂａ2Ｃｕ3Ｏｘ薄膜２４はｃ軸配向であった。酸素／ア
ルゴン比１／３で４００ｔｏｒｒの雰囲気中で２時間か
けて室温まで冷却した。次に、通例のリソグラフィー技
術によりパターニングし、Ａｕ電却２５，２５′を形成
し、ステップエッジ接合によるＳＮＳ（超電導体／金属
／超電導体）構造を実現した。この接合の特性として
は、臨界超電導電流密度Ｊｃは４×１０5Ａ／ｃｍ2で接
合抵抗Ｒｎとの積は液体窒素温度で１０ｍＶであった。(Third Embodiment) FIG. 6B is a sectional view of an oxide superconductor device showing a third embodiment of the present invention. FIG. 6B shows an example in which a step edge junction is formed on a superconducting ground plane. (110)
YBa 2 Cu 3 Ox single crystal substrate wafer 1 having plane orientation
After forming a YBa 2 Cu 3 Ox thin film 110 on the same as in the first embodiment, LaGaO 3 22
Was formed to a thickness of 45 nm. Next, the insulating film LaGaO3 22 is patterned by a usual lithography technique.
Step 30 was formed by removing by 5 nm wet etching. Further, the substrate temperature is increased to 740 ° C., and YBa 2
The Cu 3 Ox thin film 24 was crystal-grown for 5 hours. At this time, Y
The Ba 2 Cu 3 Ox thin film 24 was c-axis oriented. It was cooled to room temperature over 2 hours in an atmosphere of 400 torr at an oxygen / argon ratio of 1/3. Next, patterning was performed by a usual lithography technique to form Au conductors 25 and 25 ', and an SNS (superconductor / metal / superconductor) structure by step edge junction was realized. As the characteristics of this junction, the critical superconducting current density Jc was 4 × 10 5 A / cm 2 and the product of the junction resistance Rn was 10 mV at the temperature of liquid nitrogen.
【００１２】（第４の実施例）図７は、本発明の第４の
実施例を示す酸化物超電導体装置の断面図である。図７
では、超電導グランドプレーン上にＦＩＢ（収束イオン
ビーム法）接合を形成した例を示している。（１１０）
面方位を有するＹＢａ2Ｃｕ3Ｏｘ単結晶基板ウェーハ１
００上に第１の実施例と同じようにＹＢａ2Ｃｕ3Ｏｘ薄
膜１１０を形成した後、同じ条件でＬａＧａＯ３ ２２
０を４５ｎｍ形成した。次に、ＦＩＢ技術により４０ｎ
ｍ程度の溝２７をパターニングした。さらに、基板温度
を７４０℃に上げ、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏｘ薄膜２６を５時間
結晶成長した。この時、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏｘ薄膜２６はｃ
配向であった。酸素／アルゴン比１／３で４００ｔｏｒ
ｒの雰囲気中で２時間かけて室温まで冷却した。次に、
通例のリソグラフィー技術によりパターニングし、Ａｕ
電極２８，２８′を形成し、ＦＩＢ接合によるＳＮＳ
（超電導体／金属／超電導体）構造を実現した。この接
合の特性としては、臨界超電導電流密度Ｊｃは４×１０
4Ａ／ｃｍ2で接合抵抗Ｒｎとの積は液体窒素温度で２ｍ
Ｖであった。(Fourth Embodiment) FIG. 7 is a sectional view of an oxide superconductor device showing a fourth embodiment of the present invention. FIG.
Shows an example in which a FIB (focused ion beam method) junction is formed on a superconducting ground plane. (110)
YBa 2 Cu 3 Ox single crystal substrate wafer 1 having plane orientation
After forming a YBa 2 Cu 3 Ox thin film 110 on the same as in the first embodiment, LaGaO 3 22
0 was formed to a thickness of 45 nm. Next, 40n by FIB technology
A groove 27 of about m was patterned. Further, the substrate temperature was raised to 740 ° C., and a YBa 2 Cu 3 Ox thin film 26 was crystal-grown for 5 hours. At this time, the YBa 2 Cu 3 Ox thin film 26 becomes c
Orientation. 400 torr with 1/3 oxygen / argon ratio
The mixture was cooled to room temperature over 2 hours in an atmosphere of r. next,
Patterned by customary lithography technology, Au
The electrodes 28 and 28 'are formed, and the SNS by FIB junction is formed.
(Superconductor / metal / superconductor) structure was realized. The characteristic of this junction is that the critical superconducting current density Jc is 4 × 10
The product of 4 A / cm 2 and the junction resistance Rn is 2 m at the temperature of liquid nitrogen.
V.
【００１３】以上の実施例では、絶縁膜としてＬａＧａ
Ｏ３の例を示したが、ＬａｘＳｒｌ−ｘ（０≦ｘ≦１）
ＧａＯ３、ＮｄＧａＯ３、ＰｒＧａＯ３等の絶縁膜も有
効である。酸化物超電導体としては、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏｘ
の場合も示したが、ＮｄＢａ2Ｃｕ3ＯｘやＳｍＢａ2Ｃ
ｕ3Ｏｘの場合も有効である。酸化物単結晶基板として
は、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏｘの場合も示したが、ＮｄＢａ2Ｃ
ｕ3ＯｘやＳｍＢａ2Ｃｕ3Ｏｘ等の超電導体やＰｒＢａ2
Ｃｕ3Ｏｘのような酸化物半導体の場合も有効である。In the above embodiment, LaGa is used as the insulating film.
Although the example of O3 was shown, LaxSrl-x (0 ≦ x ≦ 1)
An insulating film of GaO3, NdGaO3, PrGaO3 or the like is also effective. As the oxide superconductor, YBa 2 Cu 3 Ox
The case of NdBa 2 Cu 3 Ox or SmBa 2 C
The case of u 3 Ox is also effective. As the oxide single crystal substrate, the case of YBa 2 Cu 3 Ox is also shown, but NdBa 2 C
u 3 Ox and SmBa 2 Cu 3 superconductors and PrBa 2 of the Ox, etc.
It is also effective for an oxide semiconductor such as Cu 3 Ox.
【００１４】[0014]
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
（１１０）酸化物超電導体単結晶基板上にホモエピタキ
シャル薄膜を形成し、これを基板として用いたので、
表面の凹凸が厚膜においても極めて少ない平担な基板を
得ることができ、また基板の不完全性（マイクロクラ
ックや転移等）を引き継ぐことなく、膜質劣化の少ない
酸化物超電導体基板を得ることができ、さらにこの基
板上に酸化物絶縁体や酸化物超電導体をヘテロエピする
ことにより、ヘテロエピでは実現できなかったＳＩＳ構
造や平担な超電導グランドプレーン構造を得ることがで
き、酸化物超電導体を用いた各種の接合構造を信頼性よ
く実現できるようになった。As described above, according to the present invention,
Since a homoepitaxial thin film was formed on a (110) oxide superconductor single crystal substrate and used as a substrate,
Obtain a flat substrate with very little surface irregularities even in a thick film, and obtain an oxide superconductor substrate with little film quality degradation without inheriting substrate imperfections (microcracks, transitions, etc.) Further, by heteroepitaxy of an oxide insulator or an oxide superconductor on this substrate, it is possible to obtain an SIS structure or a flat superconducting ground plane structure which cannot be realized by the heteroepitaxy. Various bonding structures used can be realized with high reliability.
【図１】本発明の酸化物超電導体装置の概念図である。FIG. 1 is a conceptual diagram of an oxide superconductor device of the present invention.
【図２】本発明の原理を説明するための基板表面の原子
層を示す図である。FIG. 2 is a view showing an atomic layer on a substrate surface for explaining the principle of the present invention.
【図３】本発明による基板の表面凹凸のＡＦＭ測定図で
ある。FIG. 3 is an AFM measurement diagram of surface irregularities of a substrate according to the present invention.
【図４】本発明による基板の電気測定結果を示す図であ
る。FIG. 4 is a view showing a result of electric measurement of a substrate according to the present invention.
【図５】本発明の第１の実施例を示す酸化物超電導体装
置の断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view of the oxide superconductor device according to the first embodiment of the present invention.
【図６】本発明の第２および第３の実施例を示す酸化物
超電導体装置の断面図である。FIG. 6 is a sectional view of an oxide superconductor device according to a second and a third embodiment of the present invention.
【図７】本発明の第４の実施例を示す酸化物超電導体装
置の断面図である。FIG. 7 is a sectional view of an oxide superconductor device according to a fourth embodiment of the present invention.
１０…（１１０）酸化物超電導体単結晶基板、 １１…（１１０）酸化物超電導体ホモエピタキシャル
膜、 １２…絶縁物、１３…酸化物構造体、 １００…（１１０）ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏｘ単結晶基板、 １１０，１３０…（１１０）ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏｘホモエピ
タキシャル薄膜、 １５，１９…（１１０）ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏｘホモエピタキ
シャル薄膜、 １４，１８，１２０，２２…ＬａＧａＯ３、 ２３，２３′…（１１０）ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏｘホモエピタ
キシャル薄膜、 ２４，２６…（１１０）ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏｘホモエピタキ
シャル薄膜、 １６，１７，２５，２５′，２８，２８′…Ａｕ電極、
３０…ステップ、 ２７…ＦＩＢ溝。10 ... (110) oxide superconductor single crystalline substrate, 11 ... (110) oxide superconducting homoepitaxial film, 12 ... insulator, 13 ... oxide structure, 100 ... (110) YBa 2 Cu 3 Ox single crystal substrate, 110,130 ... (110) YBa 2 Cu 3 Ox homoepitaxial films, 15,19 ... (110) YBa 2 Cu 3 Ox homoepitaxial film, 14,18,120,22 ... LaGaO3, 23,23 '... ( 110) YBa 2 Cu 3 Ox homoepitaxial films, 24,26 ... (110) YBa 2 Cu 3 Ox homoepitaxial film, 16,17,25,25 ', 28,28' ... Au electrode,
30 ... step, 27 ... FIB groove.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宇佐川 利幸 東京都江東区東雲１丁目14番３号 財団法 人 国際超電導産業技術研究センター 超 電導工学研究所内 (72)発明者 石丸 喜康 東京都江東区東雲１丁目14番３号 財団法 人 国際超電導産業技術研究センター 超 電導工学研究所内 (72)発明者 文 建国 東京都江東区東雲１丁目14番３号 財団法 人 国際超電導産業技術研究センター 超 電導工学研究所内 (72)発明者 小山 敏 東京都江東区東雲１丁目14番３号 財団法 人 国際超電導産業技術研究センター 超 電導工学研究所内 (72)発明者 榎本 陽一 東京都江東区東雲１丁目14番３号 財団法 人 国際超電導産業技術研究センター 超 電導工学研究所内 (72)発明者 塩原 融 東京都江東区東雲１丁目14番３号 財団法 人 国際超電導産業技術研究センター 超 電導工学研究所内 (72)発明者 腰塚 直己 東京都江東区東雲１丁目14番３号 財団法 人 国際超電導産業技術研究センター 超 電導工学研究所内 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Toshiyuki Usagawa 1-14-3 Shinonome, Koto-ku, Tokyo Foundation International Research Institute of Superconducting Technology, Superconductivity Engineering Laboratory (72) Inventor Yoshiyasu Ishimaru Koto, Tokyo 1-14-3 Shinonome-ku, Tokyo International Superconducting Technology Research Center, Superconductivity Engineering Laboratory (72) Inventor: Founder, Japan 1-14-3 Shinonome, Koto-ku, Tokyo Foundation International Superconducting Technology Research Center Inside the Conducting Technology Research Laboratory (72) Inventor Satoshi Koyama 1-14-3 Shinonome, Koto-ku, Tokyo Foundation International Research Institute of Superconducting Technology Superconducting Technology Research Laboratory (72) Inventor Yoichi Enomoto 1-chome, Shinonome, Koto-ku, Tokyo No. 14-3 Foundation Superconductivity Engineering Research Center, International Superconducting Technology Research Center ( 72) Inventor, Shigeru Shiohara, 1-14-3, Shinonome, Koto-ku, Tokyo Foundation International Research Institute of Superconducting Technology, Superconductivity Engineering Laboratory (72) Inventor, Naoki Koshizuka 1-1-14, Shinonome, Koto-ku, Tokyo Foundation International Superconducting Technology Research Center
Claims (4)
板上に、（１１０）面方位を有する酸化物ホモエピタキ
シャル薄膜が形成されている基板を有することを特徴と
する酸化物超電導体装置。1. An oxide superconductor device comprising a substrate on which an oxide homoepitaxial thin film having a (110) plane orientation is formed on an oxide single crystal substrate having a (110) plane orientation. .
いて、前記ホモエピタキシャル薄膜基板上に、絶縁膜と
酸化物超電導体薄膜とが積層して形成されていることを
特徴とする酸化物超電導体装置。2. The oxide superconductor device according to claim 1, wherein an insulating film and an oxide superconductor thin film are formed on the homoepitaxial thin film substrate. Superconductor device.
装置において、前記酸化物単結晶がＹＢａ2Ｃｕ3Ｏｘ、
あるいはＮｄＢａ2Ｃｕ3Ｏｘ（６≦ｘ≦７）、あるいは
ＳｍＢａ2Ｃｕ3Ｏｘ、あるいはＰｒＢａ2Ｃｕ3Ｏｘであ
ることを特徴とする酸化物超電導体装置。3. The oxide superconductor device according to claim 1, wherein the oxide single crystal is YBa 2 Cu 3 Ox,
Alternatively NdBa 2 Cu 3 Ox (6 ≦ x ≦ 7), or SmBa 2 Cu 3 Ox, or PrBa 2 Cu 3 oxide superconductor device, characterized in that the Ox.
導体装置において、前記絶縁膜がＬａＧａＯ３、あるい
はＬａｘＳｒｌ−ｘ（０≦ｘ≦１）ＧａＯ３、あるいは
ＮｄＧａＯ３、あるいはＰｒＧａＯ３であることを特徴
とする酸化物超電導体装置。4. The oxide superconductor device according to claim 1, wherein said insulating film is LaGaO3, LaxSrl-x (0 ≦ x ≦ 1) GaO3, NdGaO3, or PrGaO3. Characteristic oxide superconductor device.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8236384A JPH1084141A (en) | 1996-09-06 | 1996-09-06 | Oxide superconductor device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8236384A JPH1084141A (en) | 1996-09-06 | 1996-09-06 | Oxide superconductor device |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1084141A true JPH1084141A (en) | 1998-03-31 |
Family
ID=16999989
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8236384A Withdrawn JPH1084141A (en) | 1996-09-06 | 1996-09-06 | Oxide superconductor device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH1084141A (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2003002483A1 (en) * | 2001-06-29 | 2003-01-09 | International Superconductivity Technology Center, The Juridical Foundation | Method of joining oxide superconductor and oxide superconductor joiner |
| JP2007324180A (en) * | 2006-05-30 | 2007-12-13 | Fujitsu Ltd | Superconducting element and manufacturing method thereof |
-
1996
- 1996-09-06 JP JP8236384A patent/JPH1084141A/en not_active Withdrawn
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2003002483A1 (en) * | 2001-06-29 | 2003-01-09 | International Superconductivity Technology Center, The Juridical Foundation | Method of joining oxide superconductor and oxide superconductor joiner |
| US7001870B2 (en) | 2001-06-29 | 2006-02-21 | International Superconductivity Technology Center, The Juridical Foundation | Method for joining oxide superconductors and joined oxide superconductor |
| JP2007324180A (en) * | 2006-05-30 | 2007-12-13 | Fujitsu Ltd | Superconducting element and manufacturing method thereof |
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