超導元件及其制造方法
【專利說明】超導元件及其制造方法
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請基于在2014年3月17日提交的日本專利申請N0.2014-053268，并主張其優先權，所述專利申請的全文內容援引并入本申請中。
技術領域
[0003]本申請所描述的實施方案主要涉及超導元件及其制造方法。
技術背景
[0004]例如，期望將超導元件應用于微波裝置等。改善這種超導元件的特性是適宜的。為了改善特性，期望提高該超導元件的結晶性。
【附圖說明】
[0005]圖1是示出根據第一實施方案的超導元件的示意性橫截面視圖；
[0006]圖2是根據第一實施方案的超導元件的特性的圖；
[0007]圖3A和圖3B是根據第一實施方案的超導元件的特性的圖；
[0008]圖4是示出根據第一實施方案的超導元件的示意性橫截面視圖；
[0009]圖5是示出根據第二實施方案的超導元件的示意性橫截面視圖；
[0010]圖6A和圖6B是根據第二實施方案的超導元件的特性的圖；
[0011]圖7是示出根據第三實施方案的用于制造超導元件的方法的流程圖；并且
[0012]圖8是示出采用根據該實施方案的超導元件的電子裝置的示意圖。
【發明內容】
[0013]根據一個實施方案，超導元件包括超導層、基礎層和中間層。超導層由包含Cu和Ba的氧化物制成。基礎層由二氧化鐘(cerium oxide)制成。中間層設置在基礎層和超導層之間，并且由 BaxCayCeO3(0.6〈χ〈0.8 且 0.2〈y〈0.4)制成。
[0014]根據一個實施方案，超導元件包括基板、超導層和中間層。基板由氧化鎂制成。超導層由包含Cu和Ba的氧化物制成。中間層設置在基板和超導層之間，并且由BaxCayCeO3 (0.6〈χ〈0.8 且 0.2<y<0.4)制成。
[0015]根據一個實施方案，公開了用于制造超導元件的方法。該方法可以包括在介電性的基板上形成二氧化鈰的基礎層，以及在基礎層上形成BaxCayCeO3(0.6<x<0.8且0.2〈y〈0.4)的中間層。此外，該方法可以包括在中間層上形成含有Cu和Ba的氧化物的超
Q B寸 /Ζλ ο
[0016]現在，將參照附圖在下文中描述各種實施方案。
[0017]附圖是示意性或概念性的；并且各部分的厚度和寬度之間的關系、部分之間的尺寸比例等并不一定與其實際值相同。此外，規格和/或比例在附圖中的說明可以不同，即使在相同的部分被示出的情況下也如此。
[0018]在本申請的附圖和說明書中，類似于參照上述附圖描述的部件標有類似的附圖標號，其詳細描述被適當地省略。
[0019]第一實施方案
[0020]圖1是示出根據第一實施方案的超導元件的示意性橫截面視圖。
[0021]如圖1所示，根據本實施方案的超導元件110包括基礎層10、超導層20和中間層30 (例如中間區域)。中間層30設置在基礎層10和超導層20之間。
[0022]基礎層10包括例如二氧化鈰(鈰土)。超導層20包括例如包含Cu和Ba的氧化物。
[0023]例如，超導層20是CuBa2Ca3Cu4012_z(0〈z〈I)層。換言之，超導層20包括Cul234。
[0024]超導層20 可以是 ReBa2Cu3O" (0〈 δ〈0.5)層。Re 是選自 La、Y、Sm、Eu、Gd、Dy、Yb、NcUHc^PEr中的不超過三種。換言之，超導層20包括Rel23。
[0025]中間層30 包括 BaxCayCeO3 (0.6〈χ〈0.8 且 0.2<y<0.4)。x+y = I。
[0026]中間層30具有例如分層結構。中間層30是連續的。通過中間層30，超導層20與基礎層10分隔開。例如，超導層20不接觸基礎層10。中間層30接觸基礎層10。中間層30接觸超導層20。
[0027]超導元件110還可以包括基板40。基板40是介電性的。例如，基板40是藍寶石基板。
[0028]基礎層10形成在基板40上，中間層30形成在基礎層10上，并且超導層20形成在中間層30上。換言之，基礎層10被布置在基板40與中間層30之間。
[0029]采用從基礎層10到超導層20的方向作為層疊方向(Z軸方向)。基板40、基礎層
10、中間層30和超導層20在Z軸方向上依次層疊。
[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]基礎層10的厚度是，例如，不小于50nm并且不大于200nm。
[0032]中間層30的厚度是，例如，不小于50nm并且不大于500nm。中間層30的厚度是，例如，不小于基礎層10厚度的0.5倍但不超過其3倍。基礎層10與中間層30的總厚度是，例如，不小于10nm并且不大于500nm。
[0033]超導層20的厚度是，例如，不小于300nm并不大于10 μ m。
[0034]在本實施方案中，BaxCayCeO3 (0.62<x<0.72且0.28〈y〈0.38)的中間層30設置在基礎層10和超導層20之間。中間層30具有媽鈦礦(perovskite)結構。中間層30的晶體結構是穩定的。因此，在中間層30上形成超導層20時，由超導層20的組成的波動所導致的超導層20的性能劣化可以被抑制。
[0035]例如，有這樣的參考例:其中，包括Ba的超導層20直接形成于二氧化鈰基礎層10上，而不設置中間層30。在該參考例中，在超導層20的形成溫度高的情況下，Ba和二氧化鈰之間發生反應，易于產生化合物(例如，鈰酸鋇)。這樣的化合物的晶格常數與二氧化鈰的晶格常數有很大不同。該化合物的晶格常數與具有c軸取向的超導層20的晶格常數也有很大不同。因此，該化合物以粒狀構造生長，并妨礙超導層20的層疊生長。該化合物在超導層20內同化(assimilate)鋇。超導層20的組成改變(shift)。因此，超導層20的特性降低。
[0036]在低溫下形成超導層20來抑制這種問題的情況下，難以獲得超導層20的良好結晶性。
[0037]由于晶體結構之間的差異，在直接在二氧化鈰的基礎層10的(100)平面上進行超導層20的c軸取向生長的情況下，超導層20的單位晶格的a軸方向相對于二氧化鈰層(其為基礎層10)的單位晶格的a軸方向旋轉45°。在這種情況下，a軸的晶格的長度2"2倍的值被用作研宄晶格匹配時超導層20的晶格常數。這個值被稱為“21/2倍的晶格常數”。a軸的晶格長度的2_V2倍的值被稱為“2 _1/2倍的晶格常數”。
[0038]考慮到這一方面，在二氧化鈰的晶格常數和超導層20的2V2倍的晶格常數之間存在差異。即，超導層20的21/2倍的晶格常數大于二氧化鈰的晶格常數。因此，在超導層20直接在二氧化鈰基礎層10上形成的參考例中，由于基礎層10和超導層20的晶格失配，改善超導層20的結晶性受到限制。在參考例中，難以獲得對應于整體狀態(bulk state)的超導體的結晶性。
[0039]通過使用本實施方案的中間層30，即使在高溫下形成超導層20的情況下，基礎層10和超導層20內的Ba之間的反應也可以被抑制。諸如上述的那些化合物的產生可以被抑制。獲得超導層20的高結晶性。
[0040]所述中間層30的晶格常數介于二氧化鈰的晶格常數和超導層20的晶格常數之間。晶格常數之間的失配被抑制。由此，獲得超導層20的高結晶性。由此，超導層20的特性可以得到改善。
[0041]圖2是根據第一實施方案的超導元件的特性的圖。
[0042]圖2示出在中間層30的Ba和Ca的組成比率被改變時的中間層30的晶格常數。橫軸是中間層30中Ca濃度與Ba濃度的比率Re。縱軸是中間層30的晶格常數Lc。
[0043]如圖2所示，中間層30的晶格常數Lc隨中間層30中Ca濃度與Ba濃度的比率Re的改變而改變。比率Re高時，中間層30的晶格常數Lc較大。當比率Re為I時，晶格常數Lal為0.600nm。比率Re為O時，晶格常數LaO為0.440nm。
[0044]在該實施方案中，例如，中間層30中Ca濃度與Ba濃度的比率Re不小于0.43并且不大于0.50。在這種情況下，中間層30的晶格常數Lc不小于約0.538nm且不大于0.548nm。
[0045]另一方面，二氧化鈰的晶格常數是0.541nm。在CuBa2Ca3Cu4012_z (0〈ζ〈1)被用作超導層20的情況下，超導層20的21/2倍的晶格常數是0.546nm。在ReBa 2Cu30" (0〈 δ〈0.5)被用作超導層20的情況下，超導層20的21/2倍的晶格常數是0.545nm。
[0046]相應地，通過將中間層30中Ca濃度與Ba濃度的比率Re設定為不小于0.43并