JP5449764B2 - 高周波用超電導部材、高周波伝送線路 - Google Patents

Description

本発明は、ＭＨｚ以上の高周波を伝送する線路を形成するための高周波用超電導部材、これを用いた高周波伝送線路、および高周波用超電導部材の製造方法に関する。

超電導部材を用いれば、材料の損失が小さく高いＱ値を持つ共振器を小型に作ることが可能である。このような共振器を用いた超電導フィルタは、従来のフィルタでは実現できなかった急峻なスカート特性の実現できる。このため、ＭＨｚ以上の高周波フィルタの分野では、超電導フィルタの実用化が進められている。

超電導フィルタに用いられる超電導材料の中で、超電導転移温度が約９０Ｋで、高い臨界電流値を示すＲｅＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−δ（Ｒｅは、Ｌａ，Ｙ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｄｙ，Ｙｂ，Ｎｄ，Ｈｏ，Ｅｒから選ばれる少なくともいずれか一種の元素）が有望な材料として期待されている。以下、ＲｅＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−δをＲｅＢＣＯとも表記する。

また、サファイア基板は、大面積単結晶基板として安価であること、ＭＨｚ以上の高周波回路を作製する上で必要となる適当な誘電率をもつこと、機械的強度が大きいこと、低温における熱伝導性が大きいことなどから、高周波フィルタ回路を作製する際に超電導材料を形成する基板として最適である。

しかし、サファイア基板の上に、直接、高周波特性に優れたＲｅＢＣＯを成膜することは非常に難しく、現段階で成功例が報告されていない。この解決策として、現在、サファイア基板の上にバッファ層を成長し、その上に超電導薄膜を成長するという手法が広く用いられている。

この場合、超電導材料との格子整合性から、サファイア基板のＲ面（１１０２）またはＡ面（１１２０）の上に、セリア（ＣｅＯ_２：酸化セリウム）やＹＳＺのような超電導材料と近い格子定数を持つバッファ層を成膜した上で、ＲｅＢＣＯ薄膜を成膜するという手法が一般的である（特許文献１、特許文献２）。このバッファ層は、上部に積層する超電導層の土台として機能するために、その結晶構造や表面形状が、上部超電導層へ大きな影響を与えることは容易に推測できる。

従来、高周波特性に優れたＲｅＢＣＯ薄膜を成膜するには、ＲｅＢＣＯが持つ超電導特性を損なわないように、ＲｅＢＣＯ超電導体の超電導特性を担うと考えられているＣｕとＯで構成するＣｕＯ二次元ネットワーク構造が良好に保たれた状態を実現する必要があると考えられてきた。この二次元ネットワーク構造を良好に保つために、下地となるバッファ層には表面が平坦で、結晶欠陥の少ない結晶性の良い構造が必要であると考えられていた。そして、そういった構造を実現する工夫が進められてきた。（特許文献１、特許文献３）
特開２００４−３０３８４６号公報 特開２００４−１８０２０３号公報 特開２００４−２４４２６３号公報

本発明は、上記事情を考慮してなされたものであり、その目的とするところは、サファイア基板上に、ＭＨｚ以上の高周波帯域において、高い表面導電率を実現する超電導層を備える高周波用超電導部材、これを用いた高周波伝送線路、および高周波用超電導部材の製造方法を提供することにある。

本発明の第１の態様の高周波用超電導部材は、Ｒ面サファイア基板と、前記基板の片面または両面に形成され、ＸＲＤを用いた（００２）ピークのロッキングカーブ測定において半値幅０．８以上１．０以下であるセリアのバッファ層と、前記バッファ層上の超電導層と、を有することを特徴とする。

第１の態様の高周波用超電導部材において、前記超電導層がＲｅＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−δ（ＲｅはＹ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｙｂから選ばれる少なくともいずれか一種の元素）で形成されていることが望ましい。

第１の態様の高周波用超電導部材において、前記超電導層の厚さが３５０ｎｍ以上１１００ｎｍ以下であることが望ましい。

第１の態様の高周波用超電導部材において、前記バッファ層の厚さが５０ｎｍ以上１８０ｎｍ以下であることが望ましい。

本発明の第１の態様の高周波用超電導部材は、Ｒ面サファイア基板と、前記基板の片面または両面に形成され、ＸＲＤを用いた（００２）ピークのロッキングカーブ測定において半値幅０．８以上１．０以下であるセリアのバッファ層と、前記バッファ層上の超電導層と、を有することを特徴とする。

第２の態様の高周波伝送線路において、前記超電導層がＲｅＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−δ（ＲｅはＹ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｙｂから選ばれる少なくともいずれか一種の元素）で形成されていることが望ましい。

第２の態様の高周波伝送線路において、前記超電導層の厚さが３５０ｎｍ以上１１００ｎｍ以下であることが望ましい。

本発明によれば、サファイア基板上に、ＭＨｚ以上の高周波帯域において、高い表面導電率を実現する超電導層を備える高周波用超電導部材、これを用いた高周波伝送線路、および高周波用超電導部材の製造方法を提供することが可能となる。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。

（第１の実施の形態）

本実施の形態の高周波用超電導部材は、Ｒ面サファイア基板と、この基板の片面または両面に形成され、ＸＲＤ（Ｘ−ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）を用いた（００２）ピークのロッキングカーブ測定において半値幅０．７以上１．１以下であるセリアのバッファ層と、このバッファ層上の超電導層とを有する。

図１は、本実施の形態の高周波用超電導部材の断面図である。この高周波用超電導部材１０は、Ｒ面サファイア基板１２の両面に、バッファ層１４が形成されている。

このバッファ層１４はセリア（ＣｅＯ_２：酸化セリウム）を材料としている。そして、バッファ層１４のセリアは、ＸＲＤを用いた（００２）ピークのロッキングカーブ測定において半値幅０．７以上１．１以下である。

バッファ層１４上には、超電導層１６が形成される。この超電導層１６は、銅酸化物超電導体、例えば、ＲｅＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−δ（ＲｅはＹ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｙｂから選ばれる少なくともいずれか一種の元素）で形成されている。

高周波用超電導部材を用いた超電導共振器で高いＱ値を実現するためには、高周波用超電導部材が高い表面導電率を有することが必要である。本実施の形態の高周波用超電導部材１０は、ＸＲＤを用いた（００２）ピークのロッキングカーブ測定において半値幅０．７以上１．１以下であるセリアをバッファ層１４として用いることで、高い表面導電率を実現することが可能となる。

図２は、表面導電率とセリアの半値幅との関係を示す図である。半値幅は、ＸＲＤを用いた（００２）ピークのロッキングカーブ測定による。

表面導電率は、本実施の形態の高周波用超電導部材１０を用いて２ＧＨｚで共振する共振器を作成し、その共振器のＱ値を測定することによって算出する。

バッファ層１４の厚さは１２０ｎｍであり。超電導層１６は厚さ５００ｎｍのＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−δとする。

超電導共振器が、常電導共振器よりも十分に優れた特性を占めすためには、表面導電率σ_ｓが、１×１０^１３（Ｓ）以上であることが求められる。図２に示すように、半値幅０．７以上１．１以下の領域において、表面導電率σ_ｓが高い値を有し、１×１０^１３（Ｓ）以上となる。

そして、半値幅が０．８以上１．０以下であることがより望ましい。安定して高い表面導電率σ_ｓが得られるためである。

図３は、表面導電率とセリアのバッファ層の厚さとの関係を示す図である。超電導層１６は厚さ５００ｎｍのＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−δとする。また、セリアのバッファ層１４の半値幅は０．７以上１．１以下の範囲としている。

図３から明らかなように、表面導電率はセリアのバッファ層１４の厚さに依存し、バッファ層１４の厚さが、５０ｎｍ以上１８０ｎｍ以下の範囲で、表面導電率σ_ｓが高い値を有する。よって、高い表面導電率を実現する観点から、バッファ層１４の厚さが、５０ｎｍ以上１８０ｎｍ以下であることが望ましい。

さらに、３×１０^１３（Ｓ）以上の高い表面導電率を実現する観点から、バッファ層１４の厚さが、８０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であることがより望ましい。厚さを１２０ｎｍとすると、表面導電率σ_ｓを５×１０^１３（Ｓ）以上にすることが可能となる。

図４は、表面導電率と超電導層の厚さとの関係を示す図である。バッファ層１４の厚さは１２０ｎｍとする。また、超電導層１６はＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−δである。また、セリアのバッファ層１４の半値幅は０．７以上１．１以下の範囲としている。

図４から明らかなように、表面導電率は超電導層１６の厚さに依存し、超電導層１６の厚さが、３５０ｎｍ以上１１００ｎｍ以下の範囲で、表面導電率σ_ｓが高い値を有する。よって、高い表面導電率を実現する観点から、超電導層１６の厚さが、３５０ｎｍ以上１１００ｎｍ以下であることが望ましい。

さらに、安定して４×１０^１３（Ｓ）以上の高い表面導電率を実現する観点から、超電導層１６の厚さが、５００ｎｍ以上８００ｎｍ以下であることがより望ましい。厚さを６００ｎｍとすると、表面導電率σ_ｓを５×１０^１３（Ｓ）以上にすることが可能となる。

次に、図１に示す本実施の形態の高周波用超電導部材の製造方法について説明する。この製造方法は、Ｒ面サファイア基板上を準備する工程と、この基板上に、基板の表面温度が７１０℃以上８２０℃以下、酸素分圧が２０Ｐａ以下、平均成膜速度が５０ｎｍ／ｍｉｎ以上１５０ｎｍ／ｍｉｎ以下の条件でセリアのバッファ層を成膜する工程と、このバッファ層上に超電導層を形成する工程とを有する。

まず、Ｒ面でカットされたサファイア基板、すなわちＲ面サファイア基板１２を準備する。Ｒ面サファイア基板１２は、一般的に安価に入手可能である。

このＲ面サファイア基板１２の一面に、例えば、レーザーアブレーション法によりセリアのバッファ層１４を成膜する。この時、成膜開始直後の基板の表面温度を７１０℃以上８２０℃以下とする。

また、成膜チャンバー内の酸素分圧を２０Ｐａ以下とする。さらに、平均成膜速度が５０ｎｍ／ｍｉｎ以上１５０ｎｍ／ｍｉｎ以下とする。成膜時のレーザーパルスの繰り返し周波数を５０Ｈｚ以上１５０Ｈｚ以下と制御することにより、上記平均成膜速度を実現することが可能となる。

ここで、基板の表面温度が７１０℃以上８２０℃以下の範囲を下回ると、セリアの半値幅が１．１より大きくなるため好ましくない。また、上記範囲を上回ると、セリアの半値幅が０．７より小さくなるため好ましくない。

また、酸素分圧が２０Ｐａより大きくなると、セリアの半値幅が０．７より小さくなり好ましくない。

また、平均成膜速度が５０ｎｍ／ｍｉｎ以上１５０ｎｍ／ｍｉｎ以下の範囲を下回ると、セリアの半値幅が０．７より小さくなるため好ましくない。また、上記範囲を上回ると、セリアの半値幅が１．１より大きくなるため好ましくない。

Ｒ面サファイア基板１２の一面にセリアを成膜した後、他方の面にも同様の条件で、セリアを成膜し、Ｒ面サファイア基板１２の両面にバッファ層１４が形成される。

その後、バッファ層１４上に超電導層１６を例えば、スパッタ法にて形成する。

なお、この製造方法において、超電導層がＲｅＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−δ（ＲｅはＹ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｙｂから選ばれる少なくともいずれか一種の元素）で形成されていることが高い伝導特性を得る観点から好ましい。

また、上述のように高い表面導電率σ_ｓを実現する観点から、セリアのバッファ層１４の厚さが、５０ｎｍ以上１８０ｎｍ以下であることが望ましく、８０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であることがより望ましい。

また、上述のように高い表面導電率σ_ｓを実現する観点から、超電導層１６の厚さが３５０ｎｍ以上１１００ｎｍ以下であることが望ましく、５００ｎｍ以上８００ｎｍ以下であることがより望ましい。

なお、本実施の形態の高周波用超電導部材１０において、超電導層１６を特に、ＲｅＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−δ（ＲｅはＹ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｙｂから選ばれる少なくともいずれか一種の元素）とすることで、４×１０^１３（Ｓ）以上の、高い表面導電率σ_ｓが実現できる。さらに、Ｒｅ＝Ｙ、または、Ｒｅ＝Ｄｙとした場合に表面導電率σ_ｓを５×１０^１３（Ｓ）以上とすることが可能となる。

また、ここではＲ面サファイア基板１２の両面にバッファ層１４および超電導層１６が形成される場合を例に説明した。マイクロストリップ構造のデバイスを形成する上では、バッファ層１４および超電導層１６が基板の両面に形成されている必要がある。しかし、コプレーナー構造のデバイスを形成する上では、バッファ層１４および超電導層１６がＲ面サファイア基板１２の片面のみに形成されていればよい。したがって、バッファ層１４および超電導層１６がＲ面サファイア基板１２の片面のみに形成される構成であっても構わない。

（第２の実施の形態）

本実施の形態の高周波伝送線路は、Ｒ面サファイア基板と、この基板の片面または両面に形成され、ＸＲＤを用いた（００２）ピークのロッキングカーブ測定において半値幅０．７以上１．１以下であるセリアのバッファ層と、このバッファ層上の超電導層で形成される線路とを有する。この高周波伝送線路は、第１の実施の形態の高周波用超電導部材を加工して形成される高周波伝送線路である。したがって、高周波用超電導部材について第１の実施の形態と重複する内容については記載を省略する。

図５は、本実施の形態の高周波伝送線路の上面図である。この高周波伝送線路２０は、複数の共振器を接続して形成される帯域通過フィルタである。

この帯域通過フィルタは、１０個の共振器２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、２２ｅ、２２ｆ、２２ｇ、２２ｈ、２２ｉ、２２ｊが直列に接続されて共振器群を形成している。共振器群の両側には、Ｌ字型の線路が共振器に近接して配置され、基板端部まで延伸されて入出力線路２４ａ、２４ｂとなっている。また、とびこし線路２６ａ、２６ｂが設けられている。

図６は、図５のＡ−Ａ’断面図である。図６に示すように、高周波伝送線路２０は図１で示した高周波用超電導部材１０のＲ面サファイア基板１２上面の超電導層１６およびバッファ層１４を、パターン形成することで製造されている。

パターン形成は、例えば、公知のフォットエッチングプロセスとアルゴンイオンミリングにより行うことが可能である。なお、Ｒ面サファイア基板１２下面の超電導層１６は、グランドプレーンとして機能する。

本実施の形態のように高い表面導電率σ_ｓを有する高周波用超電導部材を用いた高いＱ値を有する共振器を用いることで、急峻なスカート特性を備え、かつ、伝送損失の小さい帯域通過フィルタの実現が可能である。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。実施の形態の説明においては、高周波用超電導部材、高周波伝送線路、および高周波用超電導部材の製造方法等で、本発明の説明に直接必要としない部分等については記載を省略したが、必要とされる高周波用超電導部材、高周波伝送線路、および高周波用超電導部材の製造方法等に関わる要素を適宜選択して用いることができる。

その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全ての高周波用超電導部材、高周波伝送線路、および高周波用超電導部材の製造方法は、本発明の範囲に包含される。本発明の範囲は、特許請求の範囲およびその均等物の範囲によって定義されるものである。

第２の実施の形態で説明した構造の帯域通過フィルタを作成した。まず、Ｒ面サファイア基板の両面にレーザーアブレーション法を用いて、セリアのバッファ層を成膜した。

バッファ層の成長条件は、基板の表面温度を７４０℃、成長時の成膜チャンバー内の酸素分圧を１５Ｐａ、そして、レーザーパルスの繰り返し周波数を６０Ｈｚに設定した。また、基板上の平均成膜速度を６０ｎｍ／ｍｉｎとした。これにより、高い高周波表面導電率が得られるように、半値幅が０．８から１．０の範囲に入るようにした。

バッファ層の膜厚は１２０ｎｍとした。これらのセリアのバッファ層の上にＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−δ薄膜を６００ｎｍ積層させた。

次に、入出力線路の接続部とグランドプレーン層となる片面全面にＡｕ電極を３００ｎｍ程度蒸着した。その後、図５に示す帯域通過フィルタの回路パターンをグランドプレーン層と反対側の面に作製した。帯域通過フィルタの回路パターンの加工には、フォトエッチングプロセスとアルゴンイオンミリングプロセスを用いた。

図７は、試作した帯域通過フィルタの通過特性（Ｓ２１）と反射特性（Ｓ１１）を示す図である。このように、急峻なスカート特性を備え、かつ、伝送損失の小さい帯域通過フィルタが実現された。

第１の実施の形態の高周波用超電導部材の断面図である。 第１の実施の形態の表面導電率とセリアの半値幅との関係を示す図である。 第１の実施の形態の表面導電率とセリアのバッファ層の厚さとの関係を示す図である。 第１の実施の形態の表面導電率と超電導層の厚さとの関係を示す図である。 第２の実施の形態の高周波伝送線路の上面図である。 図５のＡ−Ａ’断面図である。 実施例の帯域通過フィルタの通過特性と反射特性を示す図である。

符号の説明

１０ 高周波用超電導部材
１２ Ｒ面サファイア基板
１４ バッファ層
１６ 超電導層
２０ 高周波伝送線路
２２ａ〜ｊ 共振器
２４ａ，ｂ 入出力線路
２６ａ，ｂ とびこし線路

Claims (7)

1. Ｒ面サファイア基板と、
   前記基板の片面または両面に形成され、ＸＲＤを用いた（００２）ピークのロッキングカーブ測定において半値幅０．８以上１．０以下であるセリアのバッファ層と、
   前記バッファ層上の超電導層と、
   を有することを特徴とする高周波用超電導部材。
2. 前記超電導層がＲｅＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−δ（ＲｅはＹ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｙｂから選ばれる少なくともいずれか一種の元素）で形成されていることを特徴とする請求項１記載の高周波用超電導部材。
3. 前記超電導層の厚さが３５０ｎｍ以上１１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の高周波用超電導部材。
4. 前記バッファ層の厚さが５０ｎｍ以上１８０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項３いずれか一項に記載の高周波用超電導部材。
5. Ｒ面サファイア基板と、
   前記基板の片面または両面に形成され、ＸＲＤを用いた（００２）ピークのロッキングカーブ測定において半値幅０．８以上１．０以下であるセリアのバッファ層と、
   前記バッファ層上の超電導層で形成される線路と、
   を有することを特徴とする高周波伝送線路。
6. 前記超電導層がＲｅＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−δ（ＲｅはＹ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｙｂから選ばれる少なくともいずれか一種の元素）で形成されていることを特徴とする請求項５記載の高周波伝送線路。
7. 前記超電導層の厚さが３５０ｎｍ以上１１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項５または請求項６記載の高周波伝送線路。

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