超导元件及其制造方法
【专利说明】超导元件及其制造方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请基于在2014年3月17日提交的日本专利申请N0.2014-053268，并主张其优先权，所述专利申请的全文内容援引并入本申请中。
技术领域
[0003]本申请所描述的实施方案主要涉及超导元件及其制造方法。
技术背景
[0004]例如，期望将超导元件应用于微波装置等。改善这种超导元件的特性是适宜的。为了改善特性，期望提高该超导元件的结晶性。
【附图说明】
[0005]图1是示出根据第一实施方案的超导元件的示意性横截面视图；
[0006]图2是根据第一实施方案的超导元件的特性的图；
[0007]图3A和图3B是根据第一实施方案的超导元件的特性的图；
[0008]图4是示出根据第一实施方案的超导元件的示意性横截面视图；
[0009]图5是示出根据第二实施方案的超导元件的示意性横截面视图；
[0010]图6A和图6B是根据第二实施方案的超导元件的特性的图；
[0011]图7是示出根据第三实施方案的用于制造超导元件的方法的流程图；并且
[0012]图8是示出采用根据该实施方案的超导元件的电子装置的示意图。
【发明内容】
[0013]根据一个实施方案，超导元件包括超导层、基础层和中间层。超导层由包含Cu和Ba的氧化物制成。基础层由二氧化钟(cerium oxide)制成。中间层设置在基础层和超导层之间，并且由 BaxCayCeO3(0.6〈χ〈0.8 且 0.2〈y〈0.4)制成。
[0014]根据一个实施方案，超导元件包括基板、超导层和中间层。基板由氧化镁制成。超导层由包含Cu和Ba的氧化物制成。中间层设置在基板和超导层之间，并且由BaxCayCeO3 (0.6〈χ〈0.8 且 0.2<y<0.4)制成。
[0015]根据一个实施方案，公开了用于制造超导元件的方法。该方法可以包括在介电性的基板上形成二氧化铈的基础层，以及在基础层上形成BaxCayCeO3(0.6<x<0.8且0.2〈y〈0.4)的中间层。此外，该方法可以包括在中间层上形成含有Cu和Ba的氧化物的超
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[0016]现在，将参照附图在下文中描述各种实施方案。
[0017]附图是示意性或概念性的；并且各部分的厚度和宽度之间的关系、部分之间的尺寸比例等并不一定与其实际值相同。此外，规格和/或比例在附图中的说明可以不同，即使在相同的部分被示出的情况下也如此。
[0018]在本申请的附图和说明书中，类似于参照上述附图描述的部件标有类似的附图标号，其详细描述被适当地省略。
[0019]第一实施方案
[0020]图1是示出根据第一实施方案的超导元件的示意性横截面视图。
[0021]如图1所示，根据本实施方案的超导元件110包括基础层10、超导层20和中间层30 (例如中间区域)。中间层30设置在基础层10和超导层20之间。
[0022]基础层10包括例如二氧化铈(铈土)。超导层20包括例如包含Cu和Ba的氧化物。
[0023]例如，超导层20是CuBa2Ca3Cu4012_z(0〈z〈I)层。换言之，超导层20包括Cul234。
[0024]超导层20 可以是 ReBa2Cu3O" (0〈 δ〈0.5)层。Re 是选自 La、Y、Sm、Eu、Gd、Dy、Yb、NcUHc^PEr中的不超过三种。换言之，超导层20包括Rel23。
[0025]中间层30 包括 BaxCayCeO3 (0.6〈χ〈0.8 且 0.2<y<0.4)。x+y = I。
[0026]中间层30具有例如分层结构。中间层30是连续的。通过中间层30，超导层20与基础层10分隔开。例如，超导层20不接触基础层10。中间层30接触基础层10。中间层30接触超导层20。
[0027]超导元件110还可以包括基板40。基板40是介电性的。例如，基板40是蓝宝石基板。
[0028]基础层10形成在基板40上，中间层30形成在基础层10上，并且超导层20形成在中间层30上。换言之，基础层10被布置在基板40与中间层30之间。
[0029]采用从基础层10到超导层20的方向作为层叠方向(Z轴方向)。基板40、基础层
10、中间层30和超导层20在Z轴方向上依次层叠。
[0030]基板40的厚度是，例如，不小于200微米(μπι)且不大于600 μ m。
[0031]基础层10的厚度是，例如，不小于50nm并且不大于200nm。
[0032]中间层30的厚度是，例如，不小于50nm并且不大于500nm。中间层30的厚度是，例如，不小于基础层10厚度的0.5倍但不超过其3倍。基础层10与中间层30的总厚度是，例如，不小于10nm并且不大于500nm。
[0033]超导层20的厚度是，例如，不小于300nm并不大于10 μ m。
[0034]在本实施方案中，BaxCayCeO3 (0.62<x<0.72且0.28〈y〈0.38)的中间层30设置在基础层10和超导层20之间。中间层30具有妈钛矿(perovskite)结构。中间层30的晶体结构是稳定的。因此，在中间层30上形成超导层20时，由超导层20的组成的波动所导致的超导层20的性能劣化可以被抑制。
[0035]例如，有这样的参考例:其中，包括Ba的超导层20直接形成于二氧化铈基础层10上，而不设置中间层30。在该参考例中，在超导层20的形成温度高的情况下，Ba和二氧化铈之间发生反应，易于产生化合物(例如，铈酸钡)。这样的化合物的晶格常数与二氧化铈的晶格常数有很大不同。该化合物的晶格常数与具有c轴取向的超导层20的晶格常数也有很大不同。因此，该化合物以粒状构造生长，并妨碍超导层20的层叠生长。该化合物在超导层20内同化(assimilate)钡。超导层20的组成改变(shift)。因此，超导层20的特性降低。
[0036]在低温下形成超导层20来抑制这种问题的情况下，难以获得超导层20的良好结晶性。
[0037]由于晶体结构之间的差异，在直接在二氧化铈的基础层10的(100)平面上进行超导层20的c轴取向生长的情况下，超导层20的单位晶格的a轴方向相对于二氧化铈层(其为基础层10)的单位晶格的a轴方向旋转45°。在这种情况下，a轴的晶格的长度2"2倍的值被用作研宄晶格匹配时超导层20的晶格常数。这个值被称为“21/2倍的晶格常数”。a轴的晶格长度的2_V2倍的值被称为“2 _1/2倍的晶格常数”。
[0038]考虑到这一方面，在二氧化铈的晶格常数和超导层20的2V2倍的晶格常数之间存在差异。即，超导层20的21/2倍的晶格常数大于二氧化铈的晶格常数。因此，在超导层20直接在二氧化铈基础层10上形成的参考例中，由于基础层10和超导层20的晶格失配，改善超导层20的结晶性受到限制。在参考例中，难以获得对应于整体状态(bulk state)的超导体的结晶性。
[0039]通过使用本实施方案的中间层30，即使在高温下形成超导层20的情况下，基础层10和超导层20内的Ba之间的反应也可以被抑制。诸如上述的那些化合物的产生可以被抑制。获得超导层20的高结晶性。
[0040]所述中间层30的晶格常数介于二氧化铈的晶格常数和超导层20的晶格常数之间。晶格常数之间的失配被抑制。由此，获得超导层20的高结晶性。由此，超导层20的特性可以得到改善。
[0041]图2是根据第一实施方案的超导元件的特性的图。
[0042]图2示出在中间层30的Ba和Ca的组成比率被改变时的中间层30的晶格常数。横轴是中间层30中Ca浓度与Ba浓度的比率Re。纵轴是中间层30的晶格常数Lc。
[0043]如图2所示，中间层30的晶格常数Lc随中间层30中Ca浓度与Ba浓度的比率Re的改变而改变。比率Re高时，中间层30的晶格常数Lc较大。当比率Re为I时，晶格常数Lal为0.600nm。比率Re为O时，晶格常数LaO为0.440nm。
[0044]在该实施方案中，例如，中间层30中Ca浓度与Ba浓度的比率Re不小于0.43并且不大于0.50。在这种情况下，中间层30的晶格常数Lc不小于约0.538nm且不大于0.548nm。
[0045]另一方面，二氧化铈的晶格常数是0.541nm。在CuBa2Ca3Cu4012_z (0〈ζ〈1)被用作超导层20的情况下，超导层20的21/2倍的晶格常数是0.546nm。在ReBa 2Cu30" (0〈 δ〈0.5)被用作超导层20的情况下，超导层20的21/2倍的晶格常数是0.545nm。
[0046]相应地，通过将中间层30中Ca浓度与Ba浓度的比率Re设定为不小于0.43并