JPS63259980A - 酸化物超電導体膜 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は液体窒素温度以上の温度において超電導性を発
揮するペロブスカイト型、あるいはこの変形型結晶構造
を有する酸化物超電導体膜の構造および製造方法に関す
るものである。

Ｃ従来の技術］ （５ｒＯ００７６Ｌ　ａ（１，１２６）２Ｃｕ０４ある
いは（ＹＢａ２）Ｃｕ　３０７等のプロブスカイト型の
変形結晶構造を有する酸化物超電導体材料は超電導臨界
温度が４０に−１００にであり、とくに（ＹＢａ２）Ｃ
ｕ３０７は液体窒素温度（７７Ｋ）において完全な超電
導体を示す。Ｎｂ、Ｐｂ合金あるいはＮｂ３Ｓｎ。

Ｎｂ３Ｇｅ等従来の超電導体材料はその臨界温度が２５
に以下であるため、従用するに当って冷媒としての液体
ヘリウムの使用を余儀無くされて来た。

したがって超電導体材料の応用分野は超電導マグネット
や超電導体素子等超電導体材料で閉じた領域に限られた
狭いものであった。上記酸化物超電導体材料を用いれば
、価格的に安価で、操作性の容易な液体窒素を冷媒とし
て超電導状能を実現できる。このことは超電導体材料を
半導体回路や信号伝送装置、電力送電装置等広い分野へ
の応用を可能ならしめる。

ところで、（Ｓｒ。、０７５　Ｌ　ａｏ、　９２５）２
　Ｃｕ○４あるいは（ＹＢａ２）Ｃｕ３０ｙ等の酸化物
超電導体材料は作製の容易さから、焼結法で作製されて
来た。焼結体は原料となるＳｒ、Ｌａ、Ｃｕ等の酸化物
粉末を所定の配合比で混合し、加熱処理して相互に反応
させ、プレス成形した後、再度加熱処理を行うことによ
り所望の結晶構造を得るものである。焼結材料の製造方
法についてはフィジカル・レビュー・レターズ５８巻（
１９８７年）第４０８頁から第４１０頁（Ｐｈｙｓ、　
Ｒｅｖ、　Ｌｅｔｔｅｒｓ、　Ｖｏ１５８（１９８７）
ρｐ４０８−４１０）において述べられている。

［発明が解決しようとする問題点］ 従来の焼結体酸化物超電導体材料はバルクであり気孔の
存在するものである。したがって、とくに微小な形状を
必要とするエレクトロニクス分野への応用には適さない
。超電導体素子あるいは半導体素子等エレクトロニクス
への応用を実現するためには薄膜形状の酸化物超電導体
材料が必要である。酸化物超電導体材料の薄膜化を行う
にあたって以下の点が問題となる。

（１）酸化物超電導体材料はペロブスカイト型の結晶構
造を基本としているが、この変形であるに２ＮｉＦ４型
結晶構造等は正方品であり、臨界磁界、臨界電流密度等
の超電導特性に異方性を生じる。

（２）酸化物超電導体膜と常電導体金属膜、あるいは他
の超電導体金属膜との接続を行う場合、たとえばＮｂ、
Ｔｉ等はペロブスカイト型結晶を構成し易い元素である
から、相互の拡散反応による超電導特性の劣化を来たす
。

（３）酸化物超電導体膜と常電導体金属膜、あるいは他
の金属膜との接続を行う場合、両者の接着力の弱さから
剥離を生じる。この理由はイオン結合性の強い酸化物と
金属結合性の強い金属あるいは合金との界面において、
結合対が不定し、両者はファンデアワールスカによって
緩く結合しているからである。

本発明の目的は、超電導特性が方向に依存せず均一であ
り、金属膜との接着力も強固で剥離等の問題を生じない
酸化物超電導体膜を得ることを目的とする。

［問題点を解決するための手段］ 上記目的は以下のごとく技術的手段を用いることにより
達成される。

すなわち前記問題点１に関してペロブスカイト型結晶構
造の変形であるに２ＮｉＦ４型結晶構造を有する（　Ｓ
　ｒ□、　０７５　Ｌ　ａ□、　９２５）２　Ｃｕ　Ｏ
４等において臨界磁界や臨界電流密度に異方性の存在し
ない膜を得るために、多結晶体でかつ基板面あるいは膜
面に対して一定の結晶方位を有さない膜形成を行う。

前記問題点２あるいは３に関して、ペロブスカイト型結
晶の構成元素とはなり得す、かつ酸化物に対して金属に
対しても共有性の結合対を有する半導体層を酸化物と金
属膜との間に挿入する。このような半導体としては熱的
に安定なり、Ｃ。

ＳｉあるいはＧｅ等が望ましいなお酸化物超電導体膜と
しては前記（Ｓｒｏ、０７５Ｌａ（１，９２５）２Ｃｕ
０４を含めて、（Ａ１−ｘ　Ｂ　ｘ）Ｃｙ　Ｏｚで表記
され、ペロブスカイト型を基本とする結晶構造を有する
酸化物を含む。ここでＡ元素はＳｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ。

Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｙｂの中より選択され、Ｂ元
素はＣａ、５ｒＢａの中より選択され、Ｃ元素はＣｕあ
るいはＡｇであり、かつ組成比を表わすＸが０．２から
０．９５の範囲であり、ｙが０．４５より２の範囲であ
り、かつ２が１．５より３，５の範囲にあるものとする
。

［作用］ 超電導体の代表的な特性である臨界電流密度や臨界磁界
は結晶の方位や膜構造に強く依存する。

酸化物超電導体等の高臨界温度超電導体材料は一般に超
電導体内部に磁束が侵入し得る第二種超電導体である。

第二種超電導体において、臨界磁場λ Ｈ０２は、Ｈ０２ＣｃＴ−Ｈｏ　で与えられる。ここで
与えられる。ここでλは磁場侵入深さ、ξはコヒーレン
ス長さ、およびＨｏは熱力学的な臨界磁場である。λは
超電導電子の密度に依存する量であり、少なくとも１０
ｎｍ以上の広がりを有するから結晶の方位には依存しな
い。但しＨｏおよびξはエネルギーギャップに依存する
。エネルギーギャップは結晶構造あるいは電子エネルギ
ーバンドを反映した量であるから結晶方位によって異な
る。

したがって臨界磁界は結晶の方位に依存する。

臨界電流密度は結晶方位のみでなく、結晶粒径等膜構造
にも依存する。多結晶体の粒界等が磁束のピン止め点と
なり、電流が超電導体内部に発生する磁束を固定するか
らである。以上述べた理由により、臨界電流密度あるい
は臨界磁界の大きさが方向性を持たない酸化物超電導体
膜を得るためには、膜構造が多結晶体でかつ基板面ある
いは膜面に対して一定の結晶方位を有さないことが必要
である。

ＮｂあるいはＴｉ等はペロブスカイト型結晶を構成する
代表的な元素である。したがってＮｂ膜上に（Ｓ　ｒ（
１，０７６Ｌ　ａｏ、　６２５）２　Ｃｕ　Ｏ４等の酸
化物超電導膜を５００℃以上の基板温度で形成した場合
、相互拡散により超電導特性の劣化をもたらす。Ｂ。

Ｃ，Ｓｉ、Ｇｅ等はペロブスカイト型結晶に対する構成
元素とはなり得ないから、酸化物超電導体膜と金属ある
いは合金膜間の拡散防止膜となり得る。

さらにこれら半導体膜は表面に相手を持たないいわゆる
ダングリングボンドを有するため、金属に対しても酸化
物に対しても剥離を防止するのに十分な接着力を有する
。

［実施例］ 本発明を以下に述べる実施例にもとづいて説明す椿。第
１図に示すごとく半導体Ｓｉウェハー上に（Ｓ　ｒＱ、
　０７６　Ｌ　８３１ｇ２Ｂ）２　Ｃｕ　Ｏ４膜２の形
成を行う。

酸化膜の形成はＡｒと０２雰囲気中での高周波放電によ
るスパッタリングによって行う。スパッタリングターゲ
ットはあらかじめ （Ｓ　Ｌ”ｏ、　、＋７５　Ｌ　ａｏ、　ｇ２５）２　
Ｃｕ　Ｏ４材を焼結法により形成したものを用いる。ス
パッタリング時の全ガス圧力は４Ｐａであり、０２分圧
はＩＰａとする。基板温度は７００℃である。投入した
高周波パワー１５０Ｗに対し、１時間のスパッタリング
時間で膜厚２００ｎｍの（Ｓｒｏ、。７５Ｌａ（１，１
２５）２Ｃｕ○４膜が得られる。この上に膜厚２止のＳ
ｉ膜３を電子ビーム蒸着法により形成した後、膜厚５０
０ｎｍのＭｏ膜４を直料マグネトロンスパッタリング法
により形成する。Ｍｏ膜は超電導体スイッチング回路に
おいては抵抗膜として用いるものである。

以上のごとく形成した（　Ｓ　ｒＱ、　０７５　Ｌ　ａ
Ｑ、９２５）２Ｃｕ　Ｏ４膜２の超電導臨界温度は３５
にであり、バルク値に対して遜色のない特性を示す。Ｘ
線回折測定の結果によれば（Ｓｒ、）、０．．５ＬａＯ
，ｇ２５）２ＣｕＯ４膜２はに２ＮｉＦ４型結晶祷造を
示す。反射電子線回測定によればに２ＮｉＦｓ型結晶は
ａ軸、およびＣ軸等特定の方位を持たない多結晶体の集
合であることを示すリング状パタンを示す。なお、特定
の結晶方位を持たない（Ｓ　ｒｏ、　０７５　Ｌ　ａｏ
、　９２５）２　Ｃ１１０４膜を得るためには膜形成時
の全ガス圧力を１．３１’ａ以上にする必要がある。

（Ｓｒ□、、）７５Ｌａ□、９２５）２Ｃｕ０４膜に５
Ｔまでの磁束密度に相当する磁界を印加した状態で臨界
温度の測定を行った。磁界の印加方向が膜面内方向ある
いは膜面に対して垂直方向の場合で、同一強度の磁界を
印加することによる臨界温度の低下割合は差異を生じな
かった。すなわち５Ｔの印加磁束密度に対して臨界温度
の低下は１．７にであった。

このことは臨界磁界が低力的であることを示すものであ
る。Ｓｉ膜３を介して形成したＭｏ膜４の抵抗特性は直
接Ｓｉウェハ上に形成した場合と同一であり、液体ヘリ
ウム温度において８ＸＩＯ−８Ωｍであった。この値は
２００℃での加熱に対しても変化を示さず、剥離も生じ
なかった。

以上述べた超電導特性の等方性に関しては他の酸化物超
電導体膜すなわち、（ＹＢａ２）Ｃｕ３０７等において
も、本実施例と同様の製造方法を採用することにより実
現できる。

酸化物超電導体膜と金属あるいは合金との接続に関して
、他の半導体薄膜すなわちＢ、Ｃ，Ｇｅ等を用いた場合
も同様の接着性能が得られる。金属、あるいは合金膜と
してＭＯ以外の他にＣｕ。

Ａｕ、Ｎｂ、Ｖ、Ｗあるいはこれらの元素を含む合金等
を酸化物膜と接触させた場合も同様である。

なお実施例においては酸化物超電導体膜上に金属あるい
は合金膜を接触させた場合について述べたが、金属ある
いは合金膜上に酸化物超電導体膜を接触させた場合も結
晶は同様である。

［発明の効果コ 本発明によれば高臨界温度を有する （　Ｓｒ□、ｏ７ｙ、Ｌａｏ、９２＋５）２Ｃｕ０４等
の酸化物超電導体膜において臨界磁界や臨界電流密度等
の超電導特性が異方性を持たず、膜面内あるいは膜面に
対して垂直方向を問わず等しい値が得られる。

さらに酸化物超電導体膜と金属あるいは合金膜との接続
部において超電導特性の劣化や膜の剥離の問題の生じな
い超電導体素子あるいは回路等に好適な酸化物超電導体
膜が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の酸化物超電導体膜の断面図
である。 １・・・Ｓｉウェハ、２・・・酸化物超電導体膜、３・
・・Ｓｉ膜、４・・・金属膜。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ペロブスカイト型を基本とする結晶構造を有する酸
   化物超電導体膜とＮｂ等の金属元素より構成される超電
   導体膜あるいはＷ、Ｍｏ等の常電導金属との接続部が共
   有結合的性質を有する半導体薄膜層を介して成ることを
   特徴とする酸化物超電導体膜。 ２、特許請求の範囲第１項において、前記酸化物超電導
   体材料が（Ａ＿１＿−＿ｘＢ＿ｘ）Ｃ＿ｙＯ＿ｚで表わ
   され、上記Ａ元素はＳｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｓｍ
   、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｙｂの中より選択された少なくとも１つ
   の元素であり、上記Ｂ元素はＣａ、Ｓｒ、Ｂａの中より
   選択された少なくとも１つの元素であり、上記Ｃ元素は
   ＣｕあるいはＡｇであり、かつ組成比を表わす上記ｘが
   ０．２から０．９５の範囲であり、上記ｙが０．４５よ
   り２の範囲にあり、かつ上記Ｚが１．５より３．５の範
   囲にあり、かつペロブスカイト型を基本とする結晶構造
   を有することを特徴とする酸化物超電導体薄膜。 ３、特許請求の範囲第１項において、前記半導体薄膜層
   がＢ、Ｃ、ＳｉあるいはＧｅより成ることを特徴とする
   酸化物超電導体膜。 ４、特許請求の範囲第１項において、前記酸化物超電導
   体膜が多結晶体より構成され、基板面あるいは膜面に対
   して一定の方位を有さないことを特徴とする酸化物超電
   導体膜。