(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｂａを組成元素として含む酸化物高温超伝導体薄膜を結晶基板上に形成した酸化物高温超伝導体であって、
上記結晶基板と上記酸化物高温超伝導体薄膜との間に、上記第１のバッファ層と該第１のバッファ層上に第２のバッファ層とを備え、
上記Ｂａを組成元素として含む酸化物高温超伝導体が、組成式：Ｃｕ１−ｘＭｘ（Ｂａ１−ｙＳｒｙ）２（Ｃａ１−ｚＬｚ）ｎ−１（Ｃｕ１−ｑＱｑ）ｎＯ２ｎ＋４−ｗ又は組成式：（Ｃｕ１−ｘＭｘ）２（Ｂａ１−ｙＳｒｙ）２（Ｃａ１−ｚＬｚ）ｎ−１（ＣＵ１−ｑＱｑ）ｎＯ２ｎ＋４−ｗで成り、ＭがＴｌ，Ｈｇ，Ｂｉ，Ｐｂ，Ｉｎ，Ｇａ，Ａｌ，Ｂ，Ｃ，Ｓｉ，Ｓｎ，Ａｇ，Ａｕ，Ｓ，Ｎ，Ｐ，Ｍｏ，Ｒｅ，Ｏｓ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｖ，Ｆｅ，ランタニド系列元素，アルカリ金属元素の一元素又はアルカリ金属元素の複数元素、ＬがＭｇ，Ｙ，ランタニド系列元素の一元素又はランタニド系列元素の複数元素、ＱがＭｇ，Ｚｎ、Ｍｇ又はＺｎであり、上記ｘ，ｙ，ｚ，ｑ，ｗ，ｎがそれぞれ０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１，０≦ｑ＜０．１，０≦ｗ≦４，２≦ｎ≦５
で表され、
上記第１のバッファ層がＣｅＯ２層であり、
上記第２のバッファ層が組成式：Ｃｕ１−ｘＭｘＳｒ２ＣａＣｕ２Ｏ８−ｗで成り、ここで、Ｍが、Ｔｌ，Ｈｇ，Ｂｉ，Ｐｂ，Ｉｎ，Ｇａ，Ａｌ，Ｂ，Ｃ，Ｓｉ，Ｓｎ，Ａｇ，Ａｕ，Ｓ，Ｎ，Ｐ，Ｍｏ，Ｒｅ，Ｏｓ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｖ，Ｆｅ，ランタニド系列元素，アルカリ金属元素の一元素又はアルカリ金属元素の複数元素、上記ｘ，ｗがそれぞれ０≦ｘ≦１，０≦ｗ≦４
で表される、酸化物高温超伝導体。
【請求項２】
前記結晶基板はサファイア基板である、請求項１に記載の酸化物高温超伝導体。
【請求項３】
前記結晶基板はサファイアＲ面（１，−１，０，２）を有する、請求項２に記載の酸化物高温超伝導体。
【請求項４】
前記Ｂａを組成元素として含む酸化物高温超伝導体薄膜は、この酸化物高温超伝導体の組成を有するアモルファス相を前記第２のバッファ層上に堆積し、この堆積したアモルファス相をＡｇ２Ｏ又はＡｇＯと共に１．０〜１０気圧の酸素雰囲気中で熱処理してエピタキシャル成長させてなる、請求項１に記載の酸化物高温超伝導体。
【請求項５】
前記Ｂａを組成元素として含む酸化物高温超伝導体薄膜は、この酸化物高温超伝導体の組成を有するアモルファス相を前記第２のバッファ層上に堆積し、この堆積したアモルファス相をＴｌと共に１．０〜１０気圧の酸素雰囲気中で熱処理してエピタキシャル成長させてなる、請求項１に記載の酸化物高温超伝導体。
【請求項６】
結晶基板上にＢａを組成元素として含む酸化物高温超伝導体薄膜をエピタキシャル成長して作製する酸化物高温超伝導体の作製方法において、
上記結晶基板上に第１のバッファ層を積層するステップと、
上記第１のバッファ層上に第２のバッファ層を積層するステップと、
上記第２のバッファ層上にＢａを組成元素として含む酸化物高温超伝導体薄膜をエピタキシャル成長するステップとを含み、
上記Ｂａを組成元素として含む酸化物高温超伝導体が、組成式：Ｃｕ１−ｘＭｘ（Ｂａ１−ｙＳｒｙ）２（Ｃａ１−ｚＬｚ）ｎ−１（Ｃｕ１−ｑＱｑ）ｎＯ２ｎ＋４−ｗ又は組成式：（Ｃｕ１−ｘＭｘ）２（Ｂａ１−ｙＳｒｙ）２（Ｃａ１−ｚＬｚ）ｎ−１（ＣＵ１−ｑＱｑ）ｎＯ２ｎ＋４−ｗで成り、ＭがＴｌ，Ｈｇ，Ｂｉ，Ｐｂ，Ｉｎ，Ｇａ，Ａｌ，Ｂ，Ｃ，Ｓｉ，Ｓｎ，Ａｇ，Ａｕ，Ｓ，Ｎ，Ｐ，Ｍｏ，Ｒｅ，Ｏｓ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｖ，Ｆｅ，ランタニド系列元素，アルカリ金属元素の一元素又はアルカリ金属元素の複数元素、ＬがＭｇ，Ｙ，ランタニド系列元素の一元素又はランタニド系列元素の複数元素、ＱがＭｇ，Ｚｎ、Ｍｇ又はＺｎであり、上記ｘ，ｙ，ｚ，ｑ，ｗ，ｎがそれぞれ０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１，０≦ｑ＜０．１，０≦ｗ≦４，２≦ｎ≦５
で表され、
上記第１のバッファ層がＣｅＯ２層であり、
上記第２のバッファ層が組成式：Ｃｕ１−ｘＭｘＳｒ２ＣａＣｕ２Ｏ８−ｗで成り、ここで、Ｍが、Ｔｌ，Ｈｇ，Ｂｉ，Ｐｂ，Ｉｎ，Ｇａ，Ａｌ，Ｂ，Ｃ，Ｓｉ，Ｓｎ，Ａｇ，Ａｕ，Ｓ，Ｎ，Ｐ，Ｍｏ，Ｒｅ，Ｏｓ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｖ，Ｆｅ，ランタニド系列元素，アルカリ金属元素の一元素又はアルカリ金属元素の複数元素、上記ｘ，ｗがそれぞれ０≦ｘ≦１，０≦ｗ≦４
で表される、酸化物高温超伝導体の作製方法。
【請求項７】
前記結晶基板はサファイア基板である、請求項６に記載の酸化物高温超伝導体の作製方法。
【請求項８】
前記結晶基板はサファイアＲ面（１，−１，０，２）を有する、請求項６に記載の酸化物高温超伝導体の作製方法。
【請求項９】
前記Ｂａを組成元素として含む酸化物高温超伝導体薄膜のエピタキシャル成長は、
前記第２のバッファ層上に上記酸化物高温超伝導体の組成を有するアモルファス相を堆積し、この堆積したアモルファス相をＡｇ２Ｏ又はＡｇＯと共に１．０〜１０気圧の酸素雰囲気中で熱処理して行う、請求項６に記載の酸化物高温超伝導体の作製方法。
【請求項１０】
前記Ｂａを組成元素として含む酸化物高温超伝導体薄膜のエピタキシャル成長は、
前記バッファ層上に上記酸化物高温超伝導体の組成を有するアモルファス相を堆積し、この堆積したアモルファス相をＴｌと共に１．０〜１０気圧の酸素雰囲気中で熱処理してエピタキシャル成長させてなる、請求項６に記載の酸化物高温超伝導体の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波特性に優れた酸化物高温超伝導体、およびその作製方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
酸化物高温超伝導体のうちでもＣｕ系超伝導薄膜（固体物理 Ｖｏｌ．３５ Ｎｏ．５ ２０００参照）は、優れた超伝導特性を有しており、実用化に向けて様々な研究開発が進められている。Ｃｕ系超伝導薄膜の優れた超伝導特性の一つとして、上記文献にも記載されているように、高周波特性に優れるという特徴がある。マイクロ波デバイスといった高周波デバイスへ応用する超伝導薄膜を作製するためには、超伝導薄膜自体の高周波特性と共に、超伝導薄膜をエピタキシャル成長する基板の高周波特性も重要である。
【０００３】
優れた超伝導特性を有するＣｕ系酸化物高温超伝導体を作製するには、超伝導薄膜の結晶完全性及び結晶配向性が良くなければならない。
【０００４】
従来のＣｕ系超伝導薄膜においては、超伝導薄膜との格子不整合が小さく、その結果、結晶完全性が高く、結晶配向性の優れた超伝導薄膜をエピタキシャル成長できる基板としてＳｒＴｉＯ３基板が用いられてきた。しかしながら、ＳｒＴｉＯ３は誘電率が大きいため（比誘電率：約３００）、高周波デバイス用の超伝導薄膜の基板としては適していない。
【０００５】
このように、酸化物高温超伝導体を高周波デバイスに適用するために、低誘電率基板上に、結晶完全性が高くかつ結晶配向性の優れた酸化物高温超伝導薄膜を有する酸化物高温超伝導体と、これを簡単にエピタキシャル成長させて作製する方法が求められている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記課題に鑑み、低誘電率基板上に結晶完全性が高く結晶配向性の優れた酸化物高温超伝導体を提供することを第１の目的とする。
【０００７】
また、本発明の第２の目的は、低誘電率基板上に結晶完全性が高く結晶配向性の優れた酸化物高温超伝導体を作製する方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記第１の目的を達成するために、本発明の酸化物高温超伝導体は、Ｂａを組成元素として含む酸化物高温超伝導体薄膜を結晶基板上に形成した酸化物高温超伝導体であって、上記結晶基板と上記酸化物高温超伝導体薄膜との間に、上記酸化物高温超伝導体薄膜との格子不整合を緩和する第１のバッファ層と、第１のバッファ層上に、上記酸化物高温超伝導体のＢａをＳｒで置換した酸化物高温超伝導体、又は上記酸化物高温超伝導体と類似の結晶構造及び格子定数を有する酸化物高温超伝導体のＢａをＳｒで置換した酸化物高温超伝導体からなる第２のバッファ層とを備えたことを特徴とするものである。
この構成によれば、第２のバッファ層のＳｒがＢａの拡散を防止するので、第１のバッファ層がＢａと界面反応を起こし易い物質であっても、第２のバッファ層が界面反応を防止し得るので、第１のバッファ層として使用できる物質範囲が広がり、格子不整合の緩和に最適な第１のバッファ層を選択できる。また、第２のバッファ層は酸化物高温超伝導体、又は類似の酸化物超伝導体のＢａをＳｒで置換した薄膜を用いるので、酸化物高温超伝導体と第２のバッファ層が同等の結晶構造及び同程度の格子定数を有し、極めて格子整合性が良いので、酸化物高温超伝導体薄膜の膜厚方向及び面内方向の結晶配向性が極めて優れた酸化物高温超伝導体が形成される。従って、本発明の超伝導体は、基板の種類を選ばずに優れた超伝導特性を示す。
【０００９】
また、本発明の酸化物高温超伝導体は、Ｂａを組成元素として含む酸化物高温超伝導体薄膜を結晶基板上に形成した酸化物高温超伝導体であって、上記結晶基板と上記酸化物高温超伝導体薄膜との間に、上記酸化物高温超伝導体薄膜との格子不整合を緩和する第１のバッファ層と、第１のバッファ層上に、上記酸化物高温超伝導体と類似の結晶構造及び格子定数を有し且つＳｒを含みＢａを含まない酸化物高温超伝導体、または上記酸化物高温超伝導体と類似の結晶構造及び格子定数を有するＳｒ酸化物からなる第２のバッファ層を備えたことを特徴としている。
この構成によれば、第２のバッファ層のＳｒがＢａの拡散を防止するので、第１のバッファ層がＢａと界面反応を起こし易い物質であっても、第２のバッファ層が界面反応を防止し得るので、酸化物高温超伝導体と基板との格子不整合を緩和する第１のバッファ層として使用できる物質範囲が広がり、格子不整合の緩和が最適になる物質を第１のバッファ層として選択できる。また、第２のバッファ層は酸化物高温超伝導体と格子整合性がよいので、酸化物高温超伝導体薄膜の膜厚方向及び面内方向の結晶配向性が極めて優れた酸化物高温超伝導体が形成される。従って、本発明の超伝導体は、基板の種類を選ばずに優れた超伝導特性を示す。
【００１０】
また、本発明の酸化物高温超伝導体は、Ｂａを組成元素として含む酸化物高温超伝導体薄膜を結晶基板上に形成した酸化物高温超伝導体であって、上記酸化物高温超伝導体薄膜と上記基板との格子不整合を緩和する酸化物高温超伝導体のＢａをＳｒで置換した酸化物高温超伝導体、上記酸化物高温超伝導体薄膜と上記基板との格子不整合を緩和し且つＳｒを含みＢａを含まない酸化物高温超伝導体、または上記酸化物高温超伝導体薄膜と上記基板との格子不整合を緩和するＳｒ酸化物からなるバッファ層を備えたことを特徴とする。
この構成によれば、バッファ層のＳｒがＢａの拡散を防止するので、Ｂａと反応しやすい基板を使用することができ、使用できる基板の種類が広がる。また、バッファ層が、酸化物高温超伝導体と基板との格子不整合を緩和するので、酸化物高温超伝導体薄膜と基板の格子整合性が良く、酸化物高温超伝導体薄膜の膜厚方向及び面内方向の結晶配向性が極めて優れた酸化物高温超伝導体が形成される。従って、本発明の超伝導体は基板の種類を選ばずに優れた超伝導特性を示す。
【００１１】
ここで、Ｂａを組成元素として含む酸化物高温超伝導体は、
組成式：Ｃｕ１−ｘＭｘ（Ｂａ１−ｙＳｒｙ）２（Ｃａ１−ｚＬｚ）ｎ−１（Ｃｕ１−ｑＱｑ）ｎＯ２ｎ＋４−ｗ、または、
組成式：（Ｃｕ１−ｘＭｘ）２（Ｂａ１−ｙＳｒｙ）２（Ｃａ１−ｚＬｚ）ｎ−１（Ｃｕ１−ｑＱｑ）ｎＯ２ｎ＋４−ｗ、で成り、
Ｍは、Ｔｌ，Ｈｇ，Ｂｉ，Ｐｂ，Ｉｎ，Ｇａ，Ａｌ，Ｂ，Ｃ，Ｓｉ，Ｓｎ，Ａｇ，Ａｕ，Ｓ，Ｎ，Ｐ，Ｍｏ，Ｒｅ，Ｏｓ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｖ，Ｆｅ，ランタニド系列元素，アルカリ金属元素の一元素またはアルカリ金属元素の複数元素、
Ｌは、Ｍｇ，Ｙ，ランタニド系列元素の一元素またはランタニド系列元素の複数元素、
Ｑは、Ｍｇ，ＺｎまたはＭｇ及びＺｎ、
さらに、上記ｘ，ｙ，ｚ，ｑ，ｗ，ｎは、それぞれ下記式、
０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１，０≦ｑ＜０．１，０≦ｗ≦４，２≦ｎ≦５
で表される。
この構成によれば、低誘電率基板上に、結晶完全性及び結晶配向性の良い、上記組成の酸化物高温超伝導体が提供される。なお、上記組成の酸化物超伝導体には、いわゆるＹＢＣＯ系酸化物高温超伝導体、Ｙ（Ｌｎ）−〔１２３〕系酸化物高温超伝導体、及びＨｇ系酸化物高温超伝導体も含まれる。
【００１２】
前記結晶基板は、好ましくは、サファイアＲ面（１，−１，０，２）を有するサファイア基板である。また、第１のバッファ層は、ＣｅＯ２層であってよく、第２のバッファ層は、組成式：Ｃｕ１−ｘＭｘＳｒ２ＣａＣｕ２Ｏ８−ｗ、で成り、Ｍは、Ｔｌ，Ｈｇ，Ｂｉ，Ｐｂ，Ｉｎ，Ｇａ，Ａｌ，Ｂ，Ｃ，Ｓｉ，Ｓｎ，Ａｇ，Ａｕ，Ｓ，Ｎ，Ｐ，Ｍｏ，Ｒｅ，Ｏｓ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｖ，Ｆｅ，ランタニド系列元素，アルカリ金属元素の一元素またはアルカリ金属元素の複数元素、さらに、上記ｘ，ｗはそれぞれ、０≦ｘ≦１，０≦ｗ≦４で表すことができる。
この構成によれば、低誘電率（比誘電率は約１０）であるサファイアＲ面（１，−１，０，２）基板上の第１のバッファ層であるＣｅＯ２層のＣｅと、エピタキシャル成長する酸化物高温超伝導体薄膜のＢａとの界面化学反応が、第２のバッファ層であるＣｕ１−ｘＭｘＳｒ２ＣａＣｕＯ８−ｗによって防止されるから、結晶完全性及び結晶配向性の優れた酸化物高温超伝導体を提供することができる。
【００１３】
Ｂａを組成元素として含む酸化物高温超伝導体薄膜は、この酸化物高温超伝導体の組成を有するアモルファス相を前記第２のバッファ層上に堆積し、この堆積したアモルファス相を、Ａｇ２Ｏ又はＡｇＯと共に、或いはＴｌと共に、１．０〜１０気圧の酸素雰囲気中で熱処理してエピタキシャル成長させたものであってよい。前記Ｂａを組成元素として含む酸化物高温超伝導体薄膜は、この酸化物高温超伝導体の組成を有するアモルファス相を前記バッファ層上に堆積し、この堆積したアモルファス相を、Ａｇ２Ｏ又はＡｇＯと共に、或いはＴｌと共に、１．０〜１０気圧の酸素雰囲気中で熱処理してエピタキシャル成長させたものであってよい。
【００１４】
さらに、本発明の酸化物高温超伝導薄膜は、Ｂａを組成元素として含む酸化物磁性体、酸化物誘電体、または酸化物導電体のいずれか一つの酸化物をサファイアＲ面（１，−１，０，２）基板上に形成した酸化物薄膜であって、上記サファイア基板上にＣｅＯ２薄膜からなる第１のバッファ層が積層され、上記第１のバッファ層上に上記酸化物のＢａをＳｒに置換した薄膜からなる第２のバッファ層が積層され、さらに、上記第２のバッファ層上に上記酸化物が形成された積層構造で成ることを特徴とするものである。
この構成によれば、Ｂａを組成元素として含む酸化物磁性体、酸化物誘電体、または酸化物導電体を、サファイア基板上のＣｅＯ２バッファ層上にＣｅＯ２バッファ層のＣｅと反応すること無しに形成することができるので、優れた特性をもった酸化物薄膜を提供することができる。
【００１５】
さらに、上記第２の目的を達成するため、本発明は、結晶基板上にＢａを組成元素として含む酸化物高温超伝導体薄膜をエピタキシャル成長して作製する酸化物高温超伝導体の作製方法において、上記結晶基板と上記酸化物高温超伝導体薄膜との格子不整合を緩和する第１のバッファ層を上記結晶基板上に積層し、第１のバッファ層上に上記酸化物高温超伝導体のＢａをＳｒで置換した酸化物高温超伝導体、上記酸化物高温超伝導体と類似の結晶構造及び格子定数を有する酸化物高温超伝導体のＢａをＳｒで置換した酸化物高温超伝導体、上記酸化物高温超伝導体と類似の結晶構造及び格子定数を有し且つＳｒを含みＢａを含まない酸化物高温超伝導体、または上記酸化物高温超伝導体と類似の結晶構造及び格子定数を有するＳｒ酸化物からなる第２のバッファ層を積層し、第２のバッファ層上に上記酸化物高温超伝導体薄膜をエピタキシャル成長することを特徴とする。
この構成によれば、酸化物高温超伝導体薄膜の格子不整合を緩和する第１のバッファ層が酸化物高温超伝導体薄膜のＢａと界面反応を起こし易い物質であっても、第２のバッファ層が界面反応を防止し、結晶完全性及び結晶配向性の優れた酸化物超伝導体薄膜をエピタキシャル成長することができる。
【００１６】
また、上記第２の目的を達成するため、本発明は、結晶基板上にＢａを組成元素として含む酸化物高温超伝導体薄膜をエピタキシャル成長して作製する酸化物高温超伝導体の作製方法において、上記結晶基板と上記酸化物高温超伝導体薄膜との格子不整合を緩和する酸化物高温超伝導体のＢａをＳｒで置換した酸化物高温超伝導体、上記酸化物高温超伝導体薄膜と上記基板との格子不整合を緩和し且つＳｒを含みＢａを含まない酸化物高温超伝導体、または上記酸化物高温超伝導体薄膜と上記基板との格子不整合を緩和するＳｒ酸化物からなるバッファ層を上記結晶基板上に積層し、上記バッファ層上に上記酸化物高温超伝導体薄膜をエピタキシャル成長することを特徴とするものである。
この構成によれば、バッファ層のＳｒがＢａの拡散を防止するので、Ｂａと反応しやすい基板を使用することができ、使用できる基板の種類が広がる。また、バッファ層が、酸化物高温超伝導体と基板との格子不整合を緩和するので、酸化物高温超伝導体薄膜と基板の格子整合性が極めて良く、酸化物高温超伝導体薄膜の膜厚方向及び面内方向の結晶配向性が極めて優れた酸化物高温超伝導体が形成される。従って、本発明の超伝導体は、基板の種類を選ばずに優れた超伝導特性を示す。
【００１７】
ここで、Ｂａを組成元素として含む酸化物高温超伝導体は、
組成式：Ｃｕ１−ｘＭｘ（Ｂａ１−ｙＳｒｙ）２（Ｃａ１−ｚＬｚ）ｎ−１（Ｃｕ１−ｑＱｑ）ｎＯ２ｎ＋４−ｗ、または、
組成式：（Ｃｕ１−ｘＭｘ）２（Ｂａ１−ｙＳｒｙ）２（Ｃａ１−ｚＬｚ）ｎ−１（Ｃｕ１−ｑＱｑ）ｎＯ２ｎ＋４−ｗ、
で成り、
Ｍは、Ｔｌ，Ｈｇ，Ｂｉ，Ｐｂ，Ｉｎ，Ｇａ，Ａｌ，Ｂ，Ｃ，Ｓｉ，Ｓｎ，Ａｇ，Ａｕ，Ｓ，Ｎ，Ｐ，Ｍｏ，Ｒｅ，Ｏｓ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｖ，Ｆｅ，ランタニド系列元素，アルカリ金属元素の一元素またはアルカリ金属元素の複数元素、
Ｌは、Ｍｇ，Ｙ，ランタニド系列元素の一元素またはランタニド系列元素の複数元素、
Ｑは、Ｍｇ，ＺｎまたはＭｇ及びＺｎ、
さらに、上記ｘ，ｙ，ｚ，ｑ，ｗ，ｎは、それぞれ下記式、
０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１，０≦ｑ＜０．１，０≦ｗ≦４，２≦ｎ≦５
で表すことができる。
この構成によれば、上記組成の酸化物超伝導体を、低誘電率基板上に、結晶完全性及び結晶配向性良く、エピタキシャル成長することができる。
上記組成の酸化物超伝導体には、いわゆるＹＢＣＯ系酸化物高温超伝導体、Ｙ（Ｌｎ）−〔１２３〕系酸化物高温超伝導体、及びＨｇ系酸化物高温超伝導体も含まれる。
この構成によれば、エピタキシャル成長する酸化物高温超伝導体薄膜と格子整合性が良く、かつ、エピタキシャル成長する酸化物高温超伝導体薄膜のＢａの拡散バリアとなるバッファ層が容易に得られ、結晶完全性及び結晶配向性の優れた酸化物超伝導体薄膜をエピタキシャル成長することができる。
【００１８】
前記結晶基板は、好ましくは、サファイアＲ面（１，−１，０，２）を有するサファイア基板である。また、第１のバッファ層は、ＣｅＯ２層であってよく、第２のバッファ層は、組成式：Ｃｕ１−ｘＭｘＳｒ２ＣａＣｕ２Ｏ８−ｗ、で成り、Ｍは、Ｔｌ，Ｈｇ，Ｂｉ，Ｐｂ，Ｉｎ，Ｇａ，Ａｌ，Ｂ，Ｃ，Ｓｉ，Ｓｎ，Ａｇ，Ａｕ，Ｓ，Ｎ，Ｐ，Ｍｏ，Ｒｅ，Ｏｓ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｖ，Ｆｅ，ランタニド系列元素，アルカリ金属元素の一元素またはアルカリ金属元素の複数元素、さらに、上記ｘ，ｗはそれぞれ、０≦ｘ≦１，０≦ｗ≦４で表すことができる。
この構成によれば、低誘電率（比誘電率は約１０）であるサファイアＲ面（１，−１，０，２）基板上の第１のバッファ層であるＣｅＯ２層のＣｅと、エピタキシャル成長する酸化物高温超伝導体薄膜のＢａとの界面化学反応が、第２のバッファ層であるＣｕ１−ｘＭｘＳｒ２ＣａＣｕＯ８−ｗによって防止されるから、結晶完全性及び結晶配向性の優れた酸化物超伝導体薄膜をエピタキシャル成長することができる。
【００１９】
前記Ｂａを組成元素として含む酸化物高温超伝導体薄膜のエピタキシャル成長は、この酸化物高温超伝導体の組成を有するアモルファス相を前記第２のバッファ層上に堆積し、この堆積したアモルファス相を、Ａｇ２Ｏ又はＡｇＯと共に、或いはＴｌと共に、１．０〜１０気圧の酸素雰囲気中で熱処理して成長させたものであってよい。
前記Ｂａを組成元素として含む酸化物高温超伝導体薄膜のエピタキシャル成長は、この酸化物高温超伝導体の組成を有するアモルファス相を前記バッファ層上に堆積し、この堆積したアモルファス相を、Ａｇ２Ｏ又はＡｇＯと共に、或いはＴｌと共に、１．０〜１０気圧の酸素雰囲気中で熱処理して成長させたものであってよい。
さらに、サファイアＲ面（１，−１，０，２）基板上にＢａを組成元素として含む酸化物磁性体、酸化物誘電体または酸化物導電体のいずれか一つの酸化物をエピタキシャル成長して作製する酸化物薄膜の作製方法において、ＣｅＯ２薄膜からなる第１のバッファ層を上記基板上に積層し、第１のバッファ層上に上記酸化物のＢａをＳｒに置換した薄膜からなる第２のバッファ層を積層し、第２のバッファ層上に上記酸化物をエピタキシャル成長することを特徴としている。この構成によれば、Ｂａを組成元素として含む酸化物磁性体、酸化物誘電体、または酸化物導電体を、サファイア基板上のＣｅＯ２バッファ層上に、ＣｅＯ２バッファ層のＣｅと反応すること無しにエピタキシャル成長することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明は、以下の詳細な説明及び本発明の幾つかの実施の形態を示す添付図面に基づいて、より良く理解されるものとなろう。なお、添付図面に示す実施の形態は本発明を特定又は限定することを意図するものではなく、単に本発明の説明及び理解を容易とするためだけに記載されたものである。以下、本発明を好適な実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
最初に、本発明の酸化物高温超伝導体の作製方法を具体的な実施例に基づいて説明する。
組成式、Ｃｕ１−ｘＴｌｘＢａ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏ８−ｗ、あるいは、
組成式、Ｃｕ１−ｘＴｌｘＢａ２Ｃａ３Ｃｕ４Ｏ１０−ｗ、
ここで、０≦ｘ≦１，０≦ｗ≦４、
で表される酸化物高温超伝導体、すなわち、ＣｕＴｌ−〔１２２３〕、ＣｕＴｌ−〔１２３４〕Ｃｕ系酸化物高温超伝導体（固体物理 Ｖｏｌ．３５ Ｎｏ．５ ２０００参照）は、７７Ｋ以上の超伝導転移温度を有する超伝導体の中でも、最も低いマイクロ波表面抵抗を有する物質である。優れたマイクロ波デバイスを実現するためには、低誘電率基板を選択する必要があると同時に、超伝導薄膜と基板とが良好な格子整合をする必要がある。
【００２１】
サファイアＲ（１，−１，０，２）面単結晶基板は、低価格、大面積、低誘電率である点で最適な基板であるが、Ｃｕ系酸化物高温超伝導体薄膜とは格子不整合が大きすぎ、このままでは使用できない。
【００２２】
上記の問題を解決するためには、サファイアＲ（１，−１，０，２）面基板上にＣｅＯ２（１００）をバッファ層として用いることが有効であることが知られている。
以下に、サファイア基板上に成長したＣｅＯ２層の具体例を示す。
図１は、サファイアＲ（１，−１，０，２）面基板上に成長したＣｅＯ２（１００）層表面のＡＦＭ（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）による像を示す図である。試料は、５ｍＴｏｒｒのＡｒと１０ｍＴｏｒｒのＮ２Ｏの混合ガス中のマグネトロン・ＲＦスパッタリングにより、５２５℃に保持したサファイアＲ（１，−１，０，２）面基板上にＣｅＯ２を２００ｎｍの厚さに堆積し、１１００℃で熱処理して形成したものである。
図１に見られるように、ＣｅＯ２のグレインは長方形をなし、かつ、サファイアＲ面基板の〈−１，１，０，１〉及び〈１，１，−２，０〉方向に整列していることがわかる。このように、ＣｅＯ２はサファイア基板と酸化物高温超伝導体薄膜との格子整合を図る上で最適な物質である。
【００２３】
しかしながら、上記のＣｅＯ２をバッファ層とするサファイア基板上に酸化物高温超伝導体薄膜をエピタキシャル成長する場合には、さらに、酸化物高温超伝導体薄膜のエピタキシャル成長温度によって、酸化物高温超伝導体薄膜中のＢａがＣｅと反応し、ＢａＣｅＯ３を形成してしまい、酸化物高温超伝導体薄膜の結晶完全性及び結晶配向性を良好にすることができないと言う問題がある。
【００２４】
そこで、本発明者らは、酸化物高温超伝導体薄膜のＢａをＣｅと容易に反応しないＳｒに置換した薄膜を第１のバッファ層であるＣｅＯ２バッファ層上に積層して第２のバッファ層とし、この第２のバッファ層上に酸化物高温超伝導体薄膜をエピタキシャル成長することによって上記問題が解決されることを見いだし、本発明に到ったものである。すなわち、エピタキシャル成長しようとする酸化物高温超伝導体薄膜のＢａをＳｒで置換した薄膜は、酸化物高温超伝導体薄膜と類似結晶構造、及び類似格子定数を有するので、格子整合性が非常に高く、また、ＳｒがＣｅと容易に反応しないので最適なバッファ層として機能し、結晶完全性及び結晶配向性の優れた酸化物高温超伝導体薄膜が得られる。
【００２５】
このようにして得られる、Ｂａを組成元素として含む酸化物高温超伝導体薄膜を結晶基板上に形成した本発明の酸化物高温超伝導体は、上記結晶基板と上記酸化物高温超伝導体薄膜との間に、上記酸化物高温超伝導体薄膜との格子不整合を緩和する第１のバッファ層と、第１のバッファ層上に上記酸化物高温超伝導体薄膜のＢａの拡散バリアとなるＳｒ酸化物からなる第２のバッファ層とを備えたことを特徴とするものであり、酸化物高温超伝導体薄膜の格子不整合を緩和する第１のバッファ層が酸化物高温超伝導体薄膜のＢａと界面反応を起こし易い物質であっても、第２のバッファ層が界面反応を防止し得るので、結晶完全性及び結晶配向性の優れた酸化物高温超伝導体となる。
【００２６】
次に、本発明による第１の実施例を示す。
はじめに、試料の作製方法を示す。サファイアＲ（１，−１，０，２）面基板を１１００℃で２時間熱処理し、表面を平滑、かつ清浄にした。このサファイア基板を６００℃に保持し、５ｍＴｏｒｒのＡｒと１０ｍＴｏｒｒのＮ２Ｏの混合ガス中のマグネトロン・ＲＦスパッタリングにより、ＣｅＯ２を１５ｎｍの厚さに堆積した。
次に、基板温度を５０℃に下げ、酸化物高温超伝導体の組成を有するＣｕ１−ｘＴｌｘＢａ２ＣａＣｕ２Ｏ８−ｗのＢａをＳｒに置換した薄膜として、Ｃｕ１−ｘＴｌｘＳｒ２ＣａＣｕ２Ｏ８−ｗアモルファス膜を２００ｎｍの厚さに、マグネトロン・ＲＦスパッタリングにより堆積した。
続いて、酸化物高温超伝導体組成を有するＣｕ１−ｘＴｌｘＢａ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏ１０−ｗアモルファス膜を７００ｎｍの厚さに、マグネトロン・ＲＦスパッタリングにより堆積した。
その後、上記試料をマグネトロン・ＲＦスパッタリング装置から取り出し、銀製の密封容器（半径：１８ｍｍ、高さ：１０ｍｍの盤型容器）中に、タリウム含有高温超伝導体ディスク（組成：ＣｕＴｌＢａ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏｙ、半径：１７．５ｍｍ、厚さ：４ｍｍ、重量：１０ｇ）、及び、上記のタリウム含有高温超伝導体ディスク上に散布したＴｌ２Ｏ３粉末５０ｍｇと共に封入し、８６０℃で３０分の熱処理を行った。
【００２７】
図２は、本発明の方法によって作製した酸化物高温超伝導体のＸＲＤ（Ｘ−ｒａｙ ｄｉｆｆｒａｃｔｏｍｅｔｅｒ）による回折結果を示す図である。図中、回折パターンのピークに付した数字は対応するミラー面指数、かっこ内の数字は対応する酸化膜高温超伝導体、及びＡｌ２Ｏ３はサファイア基板の回折ピークであることを示す。図から明らかなように、本発明の方法によって作製したＣｕＴｌＢａ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏ１０−ｗ酸化物高温超伝導体、すなわち、ＣｕＴｌ−〔１２２３〕はｃ軸配向してエピタキシャル成長していることがわかる。
【００２８】
図３は、本発明の方法によって作製した酸化物高温超伝導体の面内配向性を示すＸＲＤによる測定結果であり、回折角（２θ）を（１０７）ミラー指数面の回折角に固定し、試料をＸ線入射面に垂直な軸の回りに回転（回転角：φ）させて測定したＸＲＤによる回折結果を示す図である。図から明らかなように、本発明の方法によって作製した酸化物高温超伝導体は面内配向性も良好である。
【００２９】
次に、第２のバッファ層のＳｒと第１のバッファ層のＣｅとが反応していないことを確認した実験結果を示す。試料は、第１の実施例で説明した方法において、酸化物高温超伝導体組成を有するＣｕＴｌＢａ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏ１０−ｗアモルファス膜を堆積しないこと、及び熱処理温度が第１の実施例よりも高い８９０℃であることのみが異なり、他は同一である。
【００３０】
図４は、第２のバッファ層のＳｒと第１のバッファ層のＣｅとが反応していないことを示すＸＲＤによる回折結果を示す図である。図中、回折パターンのピークに付した数字は対応するミラー面指数、かっこ内の数字は対応する酸化膜高温超伝導体、かっこ内の符号はＣｅＯ２、及びＡｌ２Ｏ３はサファイア基板の回折ピークであることを示す。図から明らかなように、ＳｒＣｅＯ３による回折ピークは観測されない。またＣｅＯ２の回折強度は熱処理前とほとんど変わらなかった。これらのことから、酸化物高温超伝導体のＢａをＳｒに置換した第２のバッファ層のＳｒと、ＣｅＯ２である第１のバッファ層のＣｅとが反応していないことが確認できた。
【００３１】
次に、本発明による第２の実施例を示す。
第２の実施例は、第１の実施例と比べて、Ｔｌ２Ｏ３粉末の代わりにＡｇ２Ｏ粉末を使用することだけが異なり、他は第１の実施例と同一である。
この方法を用いてＣｕＴｌＢａ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏ１０−ｗ酸化物高温超伝導体、すなわち、ＣｕＴｌ−〔１２２３〕を作製した。ＸＲＤによる測定結果は図２及び図３と同等な特性を示し、超伝導転移温度Ｔｃは１００Ｋ、臨界電流密度Ｊｃは４×１０４Ａ／ｃｍ２であった。この超伝導特性は、ＳｒＴｉＯ３基板上に作製したＣｕＴｌ−〔１２２３〕酸化物高温超伝導体と比べるとやや劣るものであるが、これはひび割れに起因していることが明らかであり、ひび割れ防止策を講じることで特性改善が望める。
【００３２】
なお、上記実施例では、ＣｕＴｌ−〔１２２３〕酸化物高温超伝導体についての実施例を示したが、下記に示すＢａを組成元素とする酸化物高温超伝導体に適用可能なことは明らかである。すなわち、
組成式 Ｃｕ１−ｘＭｘ（Ｂａ１−ｙＳｒｙ）２（Ｃａ１−ｚＬｚ）ｎ−１（Ｃｕ１−ｑＱｑ）ｎＯ２ｎ＋４−ｗ、または、組成式 （Ｃｕ１−ｘＭｘ）２（Ｂａ１−ｙＳｒｙ）２（Ｃａ１−ｚＬｚ）ｎ−１（Ｃｕ１−ｑＱｑ）ｎＯ２ｎ＋４−ｗ、
ただし、Ｍ＝Ｔｌ，Ｈｇ，Ｂｉ，Ｐｂ，Ｉｎ，Ｇａ，Ａｌ，Ｂ，Ｃ，Ｓｉ，Ｓｎ，Ａｇ，Ａｕ，Ｓ，Ｎ，Ｐ，Ｍｏ，Ｒｅ，Ｏｓ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｖ，Ｆｅ，ランタニド系列元素，アルカリ金属元素の一元素、または、アルカリ金属元素の複数元素、
Ｌ＝Ｍｇ，Ｙ，ランタニド系列元素の一元素、または、ランタニド系列元素の複数元素、
Ｑ＝Ｍｇ，Ｚｎ、または、Ｍｇ及びＺｎ、
０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１，０≦ｑ＜０．１，０≦ｗ≦４，２≦ｎ≦５、
で表される酸化物高温超伝導体に適用可能である。
【００３３】
また、上記実施例では、エピタキシャル成長させる酸化物高温超伝導体と同一の酸化物高温超伝導体のＢａをＳｒで置き換えて第２のバッファ層として使用するが、同一でなくとも類似の酸化物高温超伝導体のＢａをＳｒで置き換えて第２のバッファ層とすることができることは明らかである。
また、上記実施例では、酸化物高温超伝導体と同一の酸化物高温超伝導体のＢａをＳｒで置き換えて第２のバッファ層として使用するが、酸化物高温超伝導体と格子整合性がよいＳｒ酸化膜をバッファ層とできることは明らかである。
従って、本発明の第２の態様による、Ｂａを組成元素として含む酸化物高温超伝導体薄膜を結晶基板上に形成した酸化物高温超伝導体は、上記結晶基板と上記酸化物高温超伝導体薄膜との間に、上記酸化物高温超伝導体薄膜との格子不整合を緩和すると共に、上記酸化物高温超伝導体薄膜のＢａの拡散バリアとなるＳｒ酸化物からなるバッファ層を備えたことを特徴としており、Ｓｒ酸化物が、結晶基板と酸化物高温超伝導体薄膜との格子不整合を緩和すると共に、酸化物高温超伝導体薄膜のＢａと反応し易い結晶基板であっても、Ｓｒ酸化物が結晶基板と酸化物高温超伝導体薄膜のＢａとの界面反応を防止するから、この発明によっても結晶完全性及び結晶配向性の優れた酸化物超伝導体が得られる。
上記実施例では、Ｂａを含む酸化物高温超伝導体をサファイア基板上にエピタキシャル成長する場合について示したが、酸化物高温超伝導体に限らず、Ｂａを含む酸化物磁性体、酸化物誘電体、または酸化物導電体をサファイア基板上にエピタキシャル成長する場合に適用できることは明らかである。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、低誘電率基板上に、結晶完全性が高く、かつ結晶配向性の優れた酸化物高温超伝導体を作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  サファイアＲ（１，−１，０，２）面基板上に成長したＣｅＯ２（１００）層表面のＡＦＭ（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）像を示す図である。
【図２】  本発明の方法によって作製した酸化物高温超伝導体のＸＲＤ（Ｘ−ｒａｙ ｄｉｆｆｒａｃｔｏｍｅｔｅｒ）による回折結果を示す図である。
【図３】  本発明の方法によって作製した酸化物高温超伝導体の面内配向性を示すＸＲＤによる測定結果を示す図である。
【図４】  本発明の方法によって作製した第２のバッファ層のＳｒと第１のバッファ層のＣｅとが反応していないことを示すＸＲＤによる回折結果を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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