(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＭｇＯ、Ａｌ2Ｏ3及びＳｒＴｉＯ3から選ばれた材料からなる基板上に、ＲＥＢａ2ＴａＯ6（ＲＥ：Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｄｙから選ばれた少なくとも一種）の薄膜をエピタキシャル成長させてなる複合基板。
【請求項２】
前記ＲＥＢａ2ＴａＯ6がＮｄＢａ2ＴａＯ6であり、基板がＭｇＯ又はＡｌ2Ｏ3であることを特徴とする請求項１に記載の複合基板。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の複合基板上にＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-d からなる超電導薄膜（ＲＥ：Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｄｙから選ばれた少なくとも１種）をエピタキシャル成長させてなる超電導体。
【請求項４】
前記ＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-d がＮｄＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-d であることを特徴とする請求項３に記載の超電導体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高温超電導薄膜をエピタキシャル成長させるための基板及び該基板上に高温超電導薄膜をエピタキシャル成長させてなる超電導体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
基板上に高温超電導薄膜を形成してなる超電導体は、電子デバイスとして、ジョセフソン接合素子、超電導量子干渉デバイス（ＳＱＵＩＤ）、超電導トランジスター（電界効果型トランジスター、超電導ベーストランジスタ、磁束量子フロートランジスター等）、単一磁束量子素子、マイクロ波受動素子（フィルター、局部発信器、アンテナ）等への応用が期待されている。
【０００３】
ＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-δ系酸化物超電導材料（ここで、ＲＥは希土類元素であって、Ｙ，Ｌａ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ、Ｇｄ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ、Ｙｂ及びＬｕの一種または２種以上）は、高い臨界温度を有することに加えて、その製造技術の開発や改良により磁場中で高い臨界電流密度を達成できるようになってきており、最近では最も注目されている超電導材料の一つとなっている。
【０００４】
一般に、この種の酸化物薄膜を基板上に形成する方法としては、真空蒸着法、スパッタリング法、レーザアブレーション法（パルスレーザーデポジション法）、分子線エピタキシー法及び化学的気相成長法（ＣＶＤ法）等が知られている。
【０００５】
上記酸化物超伝導材料はその超電導特性に大きな異方性があるため、超電導特性を十分発揮させた状態で利用するためには、単結晶基板上にエピタキシャル成長させることが望ましい。そして、酸化物薄膜を単結晶基板上にエピタキシャル成長させるためには、基板の結晶の対称性、格子定数が酸化物薄膜のそれに近いこと、更に、両者の界面において化学的な反応や構成元素の拡散などがないことが必要である。
【０００６】
もし、基板（例えば、ＭｇＯ、Ａｌ2Ｏ3、ＳｒＴｉＯ3等）と基板の上に成長する酸化物薄膜の結晶との結晶学的整合性が取れないと、酸化物薄膜のエピタキシャル成長が生じず、成長する酸化物薄膜の結晶性が劣ったものとなり、十分な超電導特性を発揮できない。
【０００７】
ＳｒＴｉＯ3からなる基板はＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-δ系酸化物薄膜のエピタキシャル成長を可能にする基板であるが、ＳｒＴｉＯ3の単結晶がベルヌーイ法で製作されており、大きなサイズの単結晶を得ることができない。また、誘電率が大きいため、マイクロ波素子用の基板としては不適当である。
一方、ＭｇＯ、Ａｌ2Ｏ3は誘電率が小さいためマイクロ波素子用の超電導体の基板材料としては好適な材料であるが、ＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-δ酸化物薄膜との格子整合性が悪い上に、基板中のＭｇ、Ａｌが酸化物薄膜中に拡散して抵抗値が０となる温度Ｔｃ(０)の低下を引き起こすという問題がある。
【０００８】
そこで、上記した問題を解決するために、基板と酸化物超電導薄膜との間に、熱膨張率や格子定数等の物理的特性値が上記基板と酸化物超電導薄膜との中間の値を示す材料の単結晶からなる中間層を介在させるようにした超電導体が提案されている。
【０００９】
このような方法を開示している文献としては、例えば、特開昭６３−２７４０１８号公報、特開昭６３−３０７１９７号公報、特開昭６３−２７９５１５号公報及び特開平９−２５５３３６号公報等を挙げることができる。
【００１０】
上記特開昭６３−２７４０１８号公報では、中間層の材料としてＣｕ2Ｏ、ＢａＯ等の酸化物、ＭｇＦ2、ＣａＦ2、ＢａＦ2等のフッ化物が提案されている。上記特開昭６３−３０７１９７号公報では、中間層の材料として、ＢａＯ、ＳｒＯ、ＣａＯ等のアルカリ土類金属の酸化物が提案されている。
上記特開昭６３−２７９５１５号公報では、基板材料と超電導体層を構成する材料の少なくとも一方を含む材料からなる超格子層を中間層とすることが提案されている。
上記特開平９−２５５３３６号公報では、ＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-δの（ＲＥはＹ以外の希土類元素）超電導薄膜を直接ＭｇＯ等の基板上に成長させると格子不整合等によりＴｃ(０)が低下することから、中間層の材料としてＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-δ系を基板上に成長させた後、この上にＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-δの超電導薄膜を形成することによってＴｃ(０)の低下を防ぐことを提案している。
しかしながら、上記のような中間層を形成することによっても、酸化物薄膜の超電導特性の低下は避けられなかった。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、酸化物超電導薄膜との間の格子不整合に伴う超電導特性の劣化を緩和し、酸化物超電導薄膜中への基板構成元素の拡散を抑える中間層を形成した基板を提供すること及び、前記基板上に酸化物超電導薄膜が形成された超電導特性の劣化のない超電導体を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記の課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、基板と酸化物薄膜との間に介在させる中間層の材料として、ＲＥＢａ2ＴａＯ6が適していることを見出して本件発明を完成したものである。
【００１３】
すなわち、本件発明は次の態様からなる。
（１）ＭｇＯ、Ａｌ2Ｏ3及びＳｒＴｉＯ3から選ばれた材料からなる基板上に、ＲＥＢａ2ＴａＯ6（ＲＥ：Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｄｙから選ばれた少なくとも一種）の薄膜をエピタキシャル成長させてなる複合基板。
（２）前記ＲＥＢａ2ＴａＯ6がＮｄＢａ2ＴａＯ6であり、基板がＭｇＯ又はＡｌ2Ｏ3であることを特徴とする上記（１）に記載の複合基板。
（３）上記（１）又は（２）に記載の複合基板上にＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-d からなる超電導薄膜（ＲＥ：Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｄｙから選ばれた少なくとも１種）をエピタキシャル成長させてなる超電導体。
（４）前記ＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-d がＮｄＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-d であることを特徴とする上記（３）に記載の超電導体。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の複合基板に用いる基板としては、ＭｇＯ、Ａｌ2Ｏ3又はＳｒＴｉＯ3の単結晶基板を用いる。特にＭｇＯ及びＡｌ2Ｏ3は大面積の結晶が得られると共に、誘電率が小さいため、マイクロ波素子用の基板として好適である。
【００１５】
前記基板の上に中間層としてＲＥＢａ2ＴａＯ6の薄膜をエピタキシャル成長させる。ここで、ＲＥはＮｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｄｙから選ばれた少なくとも一種である。このＲＥＢａ2ＴａＯ6は好適な絶縁特性を有しており、また、使用温度範囲での転移もなく、高温でも超電導酸化物薄膜と反応しないため、中間層材料として好適である。このＲＥＢａ2ＴａＯ6は、ＭｇＯ、Ａｌ2Ｏ3又はＳｒＴｉＯ3のいずれの基板に対しても良好な中間層材料となる。
【００１６】
図１にＲＥＢａ2ＴａＯ6の結晶構造を示す。図１において、○はＢａ原子であり、八面体は、その中心にＲＥ原子又はＴａ原子が存在し、８個の頂点に酸素原子が存在する様子を表している。この結晶は、ＲＥを中心原子とする八面体構造とＴａを中心原子とする八面体構造とが交互に存在する二重ペロブスカイト構造となっている。
【００１７】
中間層の上に超電導層として高温超電導特性に優れた材料であるＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-δ系酸化物をエピタキシャル成長させる。ここで、ＲＥはＮｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｄｙから選ばれた少なくとも一種である。
上記基板の上に中間層及び超電層を形成する方法としては、気相成長法が適しており、真空蒸着法、スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法（ＰＬＤ法）、分子線エピタキシー法及び化学的気相成長法（ＣＶＤ法）等を採用することができる。
【００１８】
【実施例】
下記の実施例においては、基板材料としてＭｇＯ及びＳｒＴｉＯ3を、中間層材料としてＮｄＢａ2ＴａＯ6を、ＲＥＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-δとしてＮｄＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-δをそれぞれ用い、気相成長法としてパルスレーザーデポジション法（ＰＬＤ法）を採用して超電導体を作製したが、本願発明はこれらの実施例に限定されるものではない。なお、以下では、「ＳｒＴｉＯ3」を「ＳＴＯ」と、「ＮｄＢａ2ＴａＯ6」を「ＮＢＴＯ」と、「ＮｄＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-δ」を「ＮＢＣＯ」とそれぞれ表記する。
【００１９】
＜実施例１＞
本実施例では、[ＭｇＯ／ＮＢＴＯ／ＮＢＣＯ]の層構造の超電導体を作製した。
基板としてＭｇＯの単結晶基板を用いた。
ＮＢＴＯをＰＬＤ法で成長するためのターゲット材を次のようにして調製した。
まず、高純度のＮｄ2Ｏ3、ＢａＣＯ3及びＴａ2Ｏ5の化学量論比の混合物を、焼結後に粉砕するという操作を３回行って、１３５０℃で延べ４８時間焼成した。この焼成物の相純度をＸ線回折によって検査し、高純度相からなる材料を微粉砕したのち、約３００ＭＰａの圧力で２１ｍｍφ×約５ｍｍｔの円板状ディスクにペレット化した。このディスクを１６００℃・１５時間で焼結してターゲット材を得た。以上のプロセスは大気雰囲気下で行った。
【００２０】
ＰＬＤ法のための装置としてはLambda Physik(Compex 201)KrF248nm Excimer laserを使用した。レーザービームの照射角度はターゲット面の垂線に対して４５°とし、エキシマレーザーパルスの周期は１０Ｈｚとした。この場合、ターゲット上でのレーザーエネルギー密度は２．０Ｊ／ｃｍ2と推定される。
ＭｇＯ（１００）の単結晶基板（１０ｍｍ×１０ｍｍ×０．５ｍｍ）をランプヒータによって加熱される回転式金属製基板ホルダーに銀ろう付けにより取り付けた。
【００２１】
成長室内を１０-6Torrに真空引きし、基板温度を７３０℃に加熱したのち、酸素ガスを導入した。次いで、ＮＢＴＯのエピタキシャル成長を開始して、１８０ｎｍの膜厚のＮＢＴＯ薄膜をエピタキシャル成長させた。成長の間は、酸素ガス圧は２００mTorrに維持した。次いで、ターゲット材をＮＢＣＯとし、基板温度を７２０℃とした以外は前記と同様にして、上記ＮＢＴＯ薄膜の上に、ＮＢＣＯをエピタキシャル成長させて、２００ｎｍの膜厚ＮＢＣＯ層が形成された超電導体を得た。
【００２２】
＜実施例２＞
本実施例では、[ＳＴＯ／ＮＢＴＯ／ＮＢＣＯ]の層構造の超電導体を作製した。
基板としてＳｒＴｉＯ3（ＳＴＯ）を使用したことを除いては、実施例１と同様にして、ＮＢＴＯ層及びＮＢＣＯ層を形成して超電導体を作製した。
【００２３】
＜比較例１＞
本比較例では、[ＭｇＯ／ＮＢＣＯ]の層構造の超電導体を作製した。
中間層であるＮＢＴＯを形成しないことを除いては、実施例１と同様にしてＭｇＯ基板上にＮＢＣＯ層を形成して超電導体を作製した。
【００２４】
＜実験例１＞
次に、本発明の複合基板の中間層として用いるＮＢＴＯ薄膜の低周波数領域での誘電特性を調べるための試料を次のようにして作製した。
ＭｇＯ(１００)面上に液相エピタキシャル法によってＣ軸に配向したＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-δの厚膜を形成し、この上に２００ｎｍの膜厚のＮＢＴＯ薄膜をＰＬＤ法により形成した。ＭｇＯは誘電測定のための一方の電極として用いる。このＮＢＴＯ薄膜に、フォトリソグラフィーとイオンミリングによって所定のキャパシタ構造のパターンを形成した。このキャパシタ構造の上に、誘電測定のための第２の電極となる金の薄膜を６００ｎｍの膜厚となるようにスパッタリングによって形成し、これをＮＢＴＯ薄膜の誘電特性を評価するための試料とした。
【００２５】
次に、上記実験例１，実施例１、実施例２及び比較例１で作製した試料についての評価方法及び評価結果について述べる。
【００２６】
（１）実験例１で得たＮＢＴＯ薄膜の誘電特性についての評価
ＮＢＴＯ膜の誘電特性をＨＰ４１９４Ａインピーダンス・アナライザーを用いて評価した。図２及び図３は、２００ｎｍ厚のＮＢＴＯ膜の周波数変化に対する比誘電率(ε')及び誘電損失率(tanδ)の変化を示す図である。図２及び図３から明らかなように、周波数が変化してもＮＢＴＯの比誘電率及び誘電損失率が安定しており、エレクトロニクス素子として用いられた場合に、素子特性に悪影響を与えないことが分かる。
【００２７】
図４及び図５は、２００ｎｍ厚のＮＢＴＯ膜の、１ＭＨｚにおける温度変化に対する比誘電率(ε')及び誘電損失率(tanδ)の変化を示す図である。図４及び図５から明らかなように、温度変化に対しても比誘電率及び誘電損失率が安定しており、ＮＢＴＯ膜には結晶転移等の大きな構造的変化がなく、広い温度範囲で素子特性に悪影響を与えないことが分かる。
【００２８】
（２）実施例１の［ＭｇＯ／ＮＢＴＯ／ＮＢＣＯ］超電導体の評価
結晶性の評価
図６は超電導体に、４軸Ｘ線回折装置（ＭＡＣ１８）を用いてＣｕ-Ｋα線を照射して得たＸ線回折データである。このＸ線回折図から、ＮＢＴＯ膜及びＮＢＣＯ膜がいずれもエピタキシャル成長していることが分かる。
【００２９】
超電導特性の評価
図７は、実施例１で得た超電導体の抵抗温度曲線を示したものであり、図８は、９０Ｋ〜９５Ｋまでの抵抗温度曲線の詳細図である。
図７から明らかなように、本実施例の超電導体は超電導転移開始温度Ｔｃ(onset)が９４Ｋ未満であり、Ｔｃ(０)が９３Ｋであって、転移温度幅ΔＴｃが狭い。このことから、得られた超電導体薄膜が組成的にも構造的にも均質なものであることが分かる。また、この超電導特性はバルク体の超電導特性に近いものである。
【００３０】
（３）実施例２の［ＳＴＯ／ＮＢＴＯ／ＮＢＣＯ］超電導体の評価
実施例２の超電導体についても、実施例１の超電導体について行ったと同様の評価手法を用いて結晶性及び超電導特性についての評価を行った。
【００３１】
結晶性の評価
図９は実施例２の超電導体についてのＸ線回折データである。このＸ線回折図から、ＮＢＴＯ膜及びＮＢＣＯ膜がいずれもエピタキシャル成長していることが分かる。
【００３２】
超電導特性の評価
図１０は、実施例２の超電導体の抵抗温度曲線を示したものであり、図１１は９０Ｋ〜９５Ｋまでの抵抗温度曲線の詳細図である。
図１１から明らかなように、この超電導体はＴｃ(onset)が９４Ｋ付近であり、Ｔｃ(０)が９２．５Ｋ付近であって、ΔＴｃが狭いことから、得られた超電導体薄膜が組成的にも構造的にも均質なものであることが分かる。また、この超電導特性はバルク体の超電導特性に近いものである。
【００３３】
（４）比較例１の［ＭｇＯ／ＮＢＣＯ］超電導体の評価
図１２は、比較例１の超電導体の抵抗温度曲線を示したものであり、図１３は８８Ｋ〜９４Ｋまでの抵抗温度曲線の詳細図である。
図１３から明らかなように、この超電導体はＴｃ(０)が９０Ｋよりも低く、ΔＴｃが広くなっていることから、得られた超電導体薄膜は、実施例１の超電導体に比して、組成的及び構造的に均質性が劣っていることがわかる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明のように、ＮＢＴＯを中間層とすることにより、コスト的にも供給のし易さの点でも優れた基板材料であるＭｇＯ及びＡｌ2Ｏ3が超電導デバイスの実用基板材として採用することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の複合基板を構成するＮＢＴＯの結晶構造を示す図である。
【図２】ＮＢＴＯ薄膜の周波数−比誘電率曲線を示す図である。
【図３】ＮＢＴＯ薄膜の周波数−誘電損失率曲線を示す図である。
【図４】ＮＢＴＯ薄膜の温度−比誘電率曲線を示す図である。
【図５】ＮＢＴＯ薄膜の温度−誘電損失率曲線を示す図である。
【図６】［ＭｇＯ／ＮＢＴＯ／ＮＢＣＯ］超電導体のＸ線回折パターンを示す図である。
【図７】［ＭｇＯ／ＮＢＴＯ／ＮＢＣＯ］超電導体の温度−抵抗曲線を示す図である。
【図８】［ＭｇＯ／ＮＢＴＯ／ＮＢＣＯ］超電導体の温度−抵抗曲線を示す図である。
【図９】［ＳＴＯ／ＮＢＴＯ／ＮＢＣＯ]超電導体のＸ線回折パターンを示す図である。
【図１０】［ＳＴＯ／ＮＢＴＯ／ＮＢＣＯ］超電導体の温度−抵抗曲線を示す図である。
【図１１】［ＳＴＯ／ＮＢＴＯ／ＮＢＣＯ］超電導体の温度−抵抗曲線を示す図である。
【図１２】［ＭｇＯ／ＮＢＣＯ］超電導体の温度−抵抗曲線を示す図である。
【図１３】［ＭｇＯ／ＮＢＣＯ］超電導体の温度−抵抗曲線を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
0003813493.tif 000010
【図１０】
0003813493.tif 000011
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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