ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНАЯ СВЕРХПРОВОДЯЩАЯ ЭПИТАКСИАЛЬНАЯ СТРУКТУРА Российский патент 1995 года по МПК H01L39/12 

Изобретение относится к технологии производства высокотемпературных сверхпроводящих материалов, а именно пленок высокотемпературных свеpхпроводников (ВТСП) на основе Bi-Sr-Ca-Cu-O, которые могут быть использованы при изготовлении приборов электронной техники.

Важнейшими характеристиками ВТСП-структур являются температура сверхпроводящего перехода (Т_с.п.) и ширина перехода ( ΔТ_с), значения которых во многом определяются фазовым и стехиометрическим составом, а также степенью структурного совершенства пленки, что, в свою очередь, существенно зависит от используемой подложки.

В технологии получения ВТСП-структур наряду с другими используется метод жидкофазной эпитаксии.

В качестве подложки при выращивании структур ВТСП применяются материалы с параметрами кристаллической решетки, близкими к параметрам решетки пленки, такие как MgO, SrTiO₃, LaAlO₃, LaCuO₃ [1, 2] а также традиционные для микроэлектроники подложки из Gd₃Ga₅O₁₂ (ГГГ) [3]
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является решение [4] в соответствии с которым методом жидкофазной эпитаксии получают пленки состава Bi-Sr-Ca-Cu-O на подложке LaGaO₃, ростовая поверхность которой строго ориентирована по кристаллографической плоскости (001). Применение данной подложки обусловлено близостью параметров ее кристаллической решетки (а 5,519 ; b 5,494 ; с 7,770 ) параметрам решетки ВТСП cостава Bi₂Sr₂CaCu₂O₈. В результате были получены эпитаксиальные поликристаллические пленки с температурой перехода Т_с.п. 78 К и шириной перехода ΔT_c≥ 7 К.

К недостаткам структур, получаемых на таких подложках, можно отнести несплошность пленки, немонофазность и неравномерность стехиометрического состава по поверхности и, как следствие, большую ширину и низкую температуру перехода, что существенно сужает область применения рассмотренных структур.

Целью данного изобретения является улучшение физических параметров структур за счет повышения однородности фазового и стехиометрического состава пленки, а также улучшения структуры.

Поставленная цель достигается тем, что для жидкофазного наращивания высокотемпературных сверхпроводящих структур используется подложка, плоскость ростовой поверхности которой отклонена от кристаллографической плоскости на 1-5^о. Однородность фазового и стехиометрического состава пленки обеспечивается лучшим соответствием параметров решетки подложки и наращиваемого слоя. При углах отклонения ≅ 1^о и ≥5^о несоответствия параметров решетки становятся существенными, что приводит к несплошности растущей пленки и ее немонофазности.

Нами были опробованы подложки MgO ориентаций (100), LaGaO₃ориентации (001) и NdGaO₃ ориентации (001) с углами отклонения ростовой плоскости от кристаллографической в пределах 0,5-10^о, взятыми в последовательности 0,5; 1, 2, 3:10^о. Выбор материала подложек обуславливался кристаллографическим соответствием его материалу ВТСП с целью получения высококачественных пленок, имеющих высокую текстуру и стехиометрический состав. Исходя из этих соображений, не использовались подложки ГГГ.

Использовался процесс жидкофазного наращивания пленок ВТСП состава Bi₂Sr₂CaCu₂O₈, который проходил следующим образом. Приготавливали шихту из растворителя на основе хлоридов щелочных металлов и предварительно синтезированного порошка ВТСП в соотношении, мас. растворитель: ВТСП 100:5. Исходную смесь загружали в платиновый тигель и помещали в печь, где смесь нагревалась до 900-910^оС и выдерживалась при этой температуре в течение 5-8 ч с целью гомогенизации раствора-расплава. Затем температуру понижали до 845^оС и проводили наращивание эпитаксиальной пленки ВТСП на медленно вращающуюся подложку при постоянной температуре в течение 120-180 мин. Затем структуру извлекали из расплава и охлаждали с печью.

Полученные структуры исследовались с помощью рентгенофазного, рентгеноструктурного и микроанализа. Было установлено, что при использовании подложек с углами отклонения в пределах 1-5^о пленки получались однофазными, стехиометрического состава, сплошными с хорошей текстурой и высоким структурным совершенством. Структуры, выращенные на подложках с углами отклонения ростовой плоскости от кристаллографической, выходящими за пределы указанного интервала (≅1; ≥5) обладали существенно худшими структурными свойствами. Пленки были немонофазными, несплошными, состав отклонялся от стехиометрического.

Физические параметры полученных структур (T_с.п., ΔТ_с) исследовали с помощью стандартного 4-зондового и бесконтактного методов в интервале температуре 300-4,2 К. Результаты измерений представлены в таблице.

Из таблицы видно, что оптимальный угол отклонения ростовой плоскости используемых подложек от кристаллографической составляет 1-5о, так как этот интервал обеспечивает получение структур, обладающих максимальной температурой перехода Т_с.п 80-86 К и минимальной шириной перехода ΔТ_с 2-4 К.

По сравнению с прототипом пленки ВТСП, выращиваемые на подложках с указанным отклонением ростовой поверхности от кристаллографической плоскости, обладают существенно более высокими физическими параметрами Т_с.п. и ΔТ_с, вследствие чего получаемые структуры ВТСП могут с успехом применяться для изготовления приборов электронной техники: высокочувствительных болометров, приборов на эффекте Джозефсона, СКВИД, элементов межсоединений интегральных схем и т.д.

Использование: технология производства высокотемпературных сверхпроводящих материалов, а именно пленок высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) на основе Bi - Sr - Ca - Cu - O, которые могут быть необходимы при изготовлении приборов электронной техники. Сущность изобретения: для жидкофазного наращивания высокотемпературных сверхпроводящих структур используется подложка, плоскость ростовой поверхности которой отклонена от кристаллографической плоскости на 1 - 5°. Однородность фазового и стехиометричекого состава пленки обеспечивается лучшим соответствием параметров решетки подложки и наращиваемого слоя. В качестве подложки использовались LaGaO₃ (001), MgO(100), NdGaO₃ (001). Пленки, выращиваемые на подложках с указанным отклонением ростовой поверхности от кристаллической плоскости, обладают высокими физическими параметрами (температура перехода T_сп = 80 - 86 К, ширина перехода ΔT_c = 2 - 4 К), вследствие чего получаемые структуры могут с успехом применяться для изготовления приборов электронной техники. 1 табл.

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНАЯ СВЕРХПРОВОДЯЩАЯ ЭПИТАКСИАЛЬНАЯ СТРУКТУРА, состоящая из соответствующих по кристаллической решетке высокотемпературного сверхпроводника системы Bi Sr Ca Cu O и подложки, ростовая поверхность которой ориентирована по кристаллографической плоскости (001), отличающаяся тем, что плоскость ростовой поверхности подложки изготовлена с отклонением от кристаллографической плоскости на угол 1 5^o.