DE2457552B2 - Gedämpfte supraleitende Speicherzelle mit Josephson-Kontakten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Speicherzelle nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Im Stand der Technik sind supraleitende Speicher wohlbekannt, die aus einer Vielzahl von Speicherzellen bestehen, deren jede mindestens einen Josephson-Tunnel-Kontakt enthält. Ein derartiger Speicher ist beispielsweise im US-Patent Nummer 37 05 393 beschrieben.

Speicher mit in supraleitende Schleifen eingebauten Josephson-Kontakten bieten im Vergleich mit anderen Speichereinrichtungen eine Reihe von Vorteilen, so beispielsweise außerordentlich schnelle Umschaltgeschwindigkeiten und eine hohe Packungsdichte infolge der sehr geringen Wärmedissipation. Das Ersatzschaltbild einer derartigen Speicherzelle kann aus einer Parallelschaltung einer verlustlosen Induktivität L, eines Widerstandes Rj und einer Kapazität C aufgebaut sein.

ίο Die Induktivität L weißt keine Verluste auf, da die Schleife supraleitend ist; ihr Induktivitätswert ist durch die Geometrie der Schleife gegeben. Der Widerstand Rj hängt vom Josephson-Kontakt ab und wird durch dessen Geometrie bestimmt Die Kapazität C ist eine Funktion der Größe des Josephson-Kontakts. Der Stand der Technik lehrt daß zur Vermeidung einer fehlerhaften Arbeitsweise der Speicherzelle die Gesamtanordnung kritisch gedämpft sein muß. In der genannten US-Patentschrift sind hierzu nähere Erläute rangen gegeben.

Man hat festgestellt daß durch geeignete Wahl der Kontaktgröße Josephson-Elemente aufgebaut werden können, die eine kritisch gedämpfte Schleife ergeben, wenn sie in eine supraleitende Schleife eingebaut werden. Diese Forderung bedeutet jedoch für den Konstrukteur eine beträchtliche Einschränkung. Außerdem ist zu berücksichtigen, daß die geringe Leistungsdissipation eines Josephson-Kontakts die Herstellung von Speichermatrizen erlaubt in denen die einzelnen

jo Elemente in miniaturisierter Form enthalten sind. Bei diesen Dimensionen im Bereich von einigen Mikrons können aber keine kritisch gedämpften Schleifen mehr hergestellt werden, da der Widerstand Rj des Tunnelkontakts größer ist als der für die kritische Dämpfung

J5 erforderliche Widerstand. In der genannten Patentschrift wird auch die Möglichkeit besprochen, parallel zum Josephson-Kontakt einen äußeren Widerstandskreis anzuschließen und mit der damit entstehenden Parallelkombination aus äußerem Widerstand und dem

Widerstand Rj des Kontakts eine kritisch gedämpfte Speicherschleife zu erzeugen. Dieses Verfahren ist zwar

anwendbar, doch führt es zu einer Reihe von Nachteilen.

Diese Schwierigkeiten rühren daher, daß bei der Verwendung von miniaturisierten Schaltkreiselementen

der zur kritischen Dämpfung einer supraleitenden Schleife mit einem Josephson-Kontakt erforderliche Widerstand im Gebiet von ungefähr einem bis zehn Ohm liegt. Der Widerstand des Josephson-Kontakts selbst liegt aber in der Größenordnung von drei bis hundert Ohm. Zur kritischen Dämpfung muß also ein äußerer Widerstand von ungefähr einem bis zehn Ohm parallel zum Josephson-Kontakt angeschlossen werden. Mit den zur Herstellung eines solchen externen Widerstandes derzeit vorhandenen Materialien wäre

Y) der Platzbedarf für diese widerstandsbehaftete Schaltung größer als die Speicherzelle selbst. Bei derartig großen Dimensionen wird offensichtlich die für Speicherzellen erreichbare Packungsdichte stark beeinträchtigt Dies steht nun in direktem Gegensatz zu den

bo Überlegungen, aus denen heraus ein supraleitender Speicher mit Josephson-Kontakten angestrebt wird. Aus alledem ergibt sich, daß im Stand der Technik keine Lehre enthalten ist die angibt, wie die Dämpfung einer supraleitenden Speicherzelle mit einem Josephson- Kontakt den jeweiligen Bedingungen angepaßt werden kann. Ebenso wenig kann dem Stand der Technik entnommen werden, wie eine derartige Anpassung der Dämpfungsvorrichtung in einer praktisch verwertbaren

Weise erfolgen kann, ohne daß damit zusätzlich zur Speicherschleife selbst Platz benötigt würde.

Die vorliegende Erfindung stellt sich dementsprechend die-Aufgabe, eine supraleitende Speicherschleife mit mindestens einem Josephson-Kcytakt anzugeben, deren Dämpfung so eingestellt werden kann, daß die Schleife kritisch oder überkritisch gedämpft ist ohne durch die Dämpfungseinrichtung die Packungsdichte der Speicherzellen zu verringern.

Diese Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch gekennzeichnete Erfindung gelöst Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Neben dem geringen Platzbedarf und der Einstellbarkeit der Dämpfung bringt diese Erfindung den Vorteil, daß die Umschaltgeschwindigkeit der Speicherzelle selbst nicht beeinträchtigt wird. Die Dämpfungseinrichtung ist auch für Speicherschleifen mit mehreren Josephson-Kontakten anwendbar; ihre Herstellung erfolgt ohne Schwierigkeiten mit den bekannten Methoden der Planartechnik. Die gewünschte Dämpfung kann bei der Herstellung ohne Schwierigkeit wählbar eingestellt werden, unterkritisch gedämpfte Zellen lassen sich damit vermeiden.

Die wesentlichen Merkmale der Erfindung lassen sich wie folgt zusammenfassen: zur Anpassung der Dämpfung einer supraleitenden Speicherzellen mit mindestens einem Josephson-Tunnel-Kontakt wird eine widerstandsbehaftete Dämpfungseinrichtung vorgesehen, die mit der Speicherzelle induktiv gekoppelt ist Die Dämpfungseinrichtung besteht beispielsweise aus einer widerstandsbehafteten Schleife, die in einer von der Ebene der Speicherzelle verschiedenen Ebene angeordnet ist Vorzugsweise wird die Widerstandsschleife in einer Ebene hergestellt die in einem bestimmten vertikalen Abstand parallel zur Ebene der Speicherschleife liegt

Die Auswirkungen der Widerstandsschleife auf die Speicherschleife hängen von einer Anzahl Faktoren ab. Einer dieser Faktoren besteht im Material der Widerstandsschleife. Bekanntlich werden die Komponenten einer supraleitenden Speicherzelle mit den Herstellungsmethoden für integrierte Schaltkreise erzeugt wie z. B. dem Niederschlag von Materialien in verschiedenen Schichten auf einem Substrat. Das Material der Schleife selbst wird so gewählt, daß es bei der Betriebstemperatur supraleitend is;. Da die Widerstandsschleife in derselben Umgebung wie die supraleitende Schleife angeordnet ist muß die Widerstandsschleife aus einem normalleitenden Material bestehen. Das verwendete Material und die Größe der Schleife bestimmen deren Widerstand. Die Einwirkung der Widerstandsschleife auf die Speicherschleife wird weiterhin durch die Kopplung zwischen beiden bestimmt Die gewünschte Kopplung kann durch entsprechende Wahl des Abstandes zwischen den beiden Schleifen erzielt werden. Ein weiterer Faktor, der den Koppelgrad zwischen diesen beiden Schleifen bestimmt ist das Maß, in dem beide sich überlappen. Wird ein geringer Kopplungsgrad gewünscht, so wird die Fläche der Widerstandsschleife kleiner gemacht als die der Speicherschleife. Umgekehrt kann zur Erhöhung der Kopplung die Fläche der Widerstandsschleife maximal bis zur Größe der Speicherschleife vergrößert werden.

In der vorerwähnten Patentschrift wird angegeben, daß die bevorzugten Wene der Schleifenparameter eine kritisch gedämpfte Schleife ergeben. In dem auf einer Parallelkombination von Widerstand, Induktivität und Kapazität beruhenden Ersatzschaltbild ist dieser

Widerstandswert gleich ^hy-^. In einigen Fällen kann

es aber auch wünschenswert sein, eine überkritisch gedämpfte Schleife zu erhalten; der äquivalente Widerstand ist in diesem Fall dann kleiner als der Widerstand für die kritische Dämpfung.

Bei der Herstellung von konventionellen supraleiter to den Speicherschleifen mit Josephson-Kontakten wird zuerst auf einem Substrat eine Grundplatte niedergeschlagen, auf dieser eine Isolierschicht aufgebracht und danach die Komponenten der Speicherschleife auf dieser Isolationsschicht erzeugt Zur Verwirklichung der is vorliegenden Erfindung kann die Widerstandsschleife über oder unter der Speicherschleife auf dem Substrat angeordnet sein. Die Widerstandsschleife kann also beispielsweise direkt über der Grundplatte niedergeschlagen werden. Auf der Widerstandsschleife wird dann eine zweite Isolierschicht aufgebracht und die Speicherzelle auf dieser hergestellt

Die zweite Isolationsschicht ist jedoch nicht unbedingt notwendig; die Speicherschleife kann nämlich auch direkt auf der Widerstandsschleife niedergeschla-2^r> gen werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Widerstandsschleife über der Speicherschleife anzuordnen, entweder mit einer oder ohne eine dazwischenliegende Isolationsschicht

In manchen Falten enthalten supraleitende Speicherjo zellen mit Josephson-Kontakten mehr als einen Kontakt pro Schleife. Würde man der im Stand der Technik genannten Vorschrift folgen und einen externen Widerstand zur Dämpfung verwenden, so wäre natürlich für jeden Josephson-Kontakt ein eigener j^r> externer Widerstand notwendig. Diese Widerstände benötigen jedoch, wie oben geschildert Substratplatz und sind deshalb sehr unerwünscht. Dieser Nachteil ist im Falle von mehreren Josephson-Kontakten pro Schleife natürlich noch viel ausgeprägter. Bei der vorliegenden Erfindung tritt dieser Nachteil nicht auf, da hier nur eine einzige Widerstandsschleife für jede Speicherschleife erforderlich ist, dies gilt auch für den Fall, daß mehrere Josephson-Kontakte in der Schleife enthalten sind.

4> Im folgenden soll ein Ausführungsbeispiel im einzelnen anhand von Zeichnungen näher beschrieben werden. Es zeigt

Fig. IA eine schematische Darstellung einer Speicherschleife,

F i g. 1B die Strom-Spannungs-Charakteristik eines Josephson-Kontakts in linearer Näherung,

F i g. 2 den Ersatzschaltkreis der erfindungsgemäßen Speicherzelle mit der Dämpfungsvorrichtung,

F i g. 2A den Ersatzschaltkreis einer konventionellen v> Speicherzelle,

F i g. 3 die schematische Darstellung einer Speicherzelle mit der Dämpfungsvorrichtung entsprechend der Erfindung.

In Fig. IA bezeichnet 10 eine supraleitende

bo Speicherschleife mit einem Josephson-Kontakt 11. Die in der Schleife 10 gespeicherte Information-kann mit

Hilfe der Abfühlleitung 12 ausgelesen werden, in die ein

weiterer Josephson-Kontakt 13 eingebaut ist. Während eines Lese- oder eines Schreibvorgangs in der

b5 Speicherschleife 10, durchläuft der Josephson-Kontakt 11 einen vollständigen Zyklus. Ursprünglich befindet sich der Kontakt 11 in seinem supraleitenden Zustand,

d. h. der Strom durchfließt den Kontakt 11 und damit die

Schleife 10, ohne daß ein Spannungsabfall am Kontakt 11 entsteht. Da die Schleife 10 supraleitend ist, tritt in diesem Kreis kein Spannungsabfall auf. Der Strom hat eine obere Grenze Im- Übersteigt der Strom diesen Wert, so wird der Kontakt 11 widerstandsbehaftet und es erscheint an ihm eine Spannung. F i g. 1B illustriert die Charakteristik des josephson-Kontakts, wobei auf der Ordinate der Strom /durch den Kontakt und auf der Abszisse, die am Kontakt liegende Spannung V aufgetragen ist Daraus ist ersichtlich, daß der Strom im Kontakt bis zu einem Wert I_m ansteigt und daß an diesem Punkt sehr schnell ein Spannungsabfall am Kontakt in Höhe der Lückenspannung 2Δ aufgebaut wird. Fließt der Strom durch den Kontakt dann ab, bleibt dieser in dem widerstandsbehafteten Zustand. Die Darstellung in F i g. 1B entspricht einer linearen Näherung der Charakteristik eines Josephson-Kontakts. Insbesondere ist der Widerstand Rj der für das Umschalten des Kontakts wichtige Parameter.

In F i g. 2 ist der Ersatzschaltkreis für die Speicherschleife mit dem Josephson-Kontakt angegeben. Die einzelnen Elemente sind ein Josephson-Kontakt /, eine parallele Kapazität Q ein Parallelwiderstand Äyund eine Parallelinduktivität L Die Induktivität L wird hauptsächlich durch die Geometrie der supraleitenden Schleife bestimmt. Da es sich um eine supraleitende Schleife handelt, ist die Induktivität im wesentlichen verlustlos. Die Kapazität der Speicherzelle entspricht der Kombination der Kapazität der supraleitenden Schleife und des Josephson-Kontakts. Diese Kapazität liegen parallel und da die Kapazität der Schleife sehr gering im Vergleich zu der des Josephson-Kontakts ist, kann sie vernachläßigt werden; die Kapazität C im Ersatzschaltbild ist dementsprechend im wesentlichen gleich der Kapazität des Josephson-Kontakts. Ebenso ist der Widerstand Rj der Speicherschleife im Ersatzschaltbild gleich dem Widerstand des Josephson-Kontakts.

In der vorerwähnten US-Patentschrift wird auf die Notwendigkeit eingegangen, die Speicherzelle entsprechend zu dämpfen, um eine zufriedenstellende und wirksame Betriebsweise zu garantieren. Für den parallelen Ersatzschaltkreis in Fig.2A ist der für die kritische Dämpfung erforderliche Widerstand gleich V₂ \/ψ ■ Für miniaturisierte Speicherzellen, die mit ⁴⁾ Dünnfilmtechniken mit Abmessungen von einigen Mikron hergestellt werden, erfordert die Induktivität der Speicherzelle und die Kapazität des Josephson-Kontakts einen Widerstand, dessen Wert für kritische Dämpfung zwischen eins und zehn Ohm liegt Der Widerstand Rj des Josephson-Kontakts liegt jedoch in der Größenordnung von drei bis hundert Ohm. Um eine kritische Dämpfung zu erhalten, ist ein zusätzlicher parallel zu Rj liegender Widerstand erforderlich, um den effektiven Widerstand im parallelen Ersatzschaltbild zu reduzieren. Ohne eine solche Anpassung des Widerstandes im Ersatzschaltbild ergibt sich ein unterkritisch gedämpfter Ä-L-C-Kreis. Unter diesen Bedingungen ist der Betrieb der Speicherzelle ungenau und Zufällen unterworfen. Man hat diese Schwierigkeit erkannt und daraufhin in der erwähnten US-Patentschrift vorgeschlagen, einen externen Widerstand zu verwenden, der parallel zum Josephson-Kontakt angeordnet ist Wie weiter oben schon aufgeführt wurde, ist hier bei den heute in der Dünnschichttechnologie verfügbaren Materialien ein unverhältnismäßig großer Platzbedarf auf dem Substrat für den externen Widerstand erforderlich.

F i g. 3 zeigt in schematischer Weise eine Speicherzelle mit einer Dämpfungsvorrichtung in Form einer widerstandsbehafteten Schleife, die induktiv mit der Speicherzelle gekoppelt ist In F i g. 3 ist mit 15 eine supraleitende Grundplatte bezeichnet. Das Substrat auf dem die Grundplatte niedergeschlagen wurde, ist der Einfachheit halber nicht gezeichnet. Der Durchschnittsfachmann erkennt aus der Darstellung in F i g. 3, wie die hier erwähnten verschiedenen Komponenten in übereinanderliegenden Schichten niedergeschlagen werden. Über der supraleitenden Grundplatte 15 liegt eine supraleitende Speicherschleife 16. Die Schleife 16 enthält einen oder mehrere Josephson-Kontakte, die der Einfachheit halber nicht gezeichnet wurden.

Im Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Fig.3 liegt eine widerstandsbehaftete Schleife 17 zwischen der Grundplatte 15 und der Speicherschleife 16. Bekanntlich sind die Speicherschleife 16 und die Grundplatte 15 nur in einem bestimmten Bereich der Betriebstemperaturen supraleitend. Da sich die Widerstandsschleife 17 in der gleichen Umgebung wie die anderen Komponenten befindet, wird sie aus normalleitendem Material hergestellt In der Darstellung von F i g. 3 sind weiterhin Isolierschichten 18 enthalten, wobei eine zwischen der supraleitenden Grundplatte 15 und der Widerstandsleiter 17 liegt, die andere zwischen der Widerstandsschleife 17 und der Speicherschleife 16.

Der Effekt der Widerstandsschleife 17 ist in Fig.2 durch den aus L' und R' bestehenden Schaltkreis veranschaulicht, welcher induktiv mit der Speicherzelle gekoppelt ist. Die Induktivität der Widerstandsschleife 17 hängt von der Geometrie der Schleife ab. Der Widerstand Λ'der Schleife 17 ist nicht nur eine Funktion der Geometrie der Schleife, sondern auch des widerstandsbehafteten Materials. Außer der Induktivität und dem Widerstand der Widerstandsschleife 17 bestimmt der Kopplungskoeffizient zwischen den Schleifen 17 und 16 die Auswirkungen der Widerstandsschleife 17 auf die Speicherschleife 16. Der Kopplungskoeffizient ist eine ausschließliche Funktion der Geometrie der Widerstandsschleife 17 und der Speicherschleife 16. Besonders wichtig hierbei ist die Fläche der Speicherschleife 16, die Fläche der Widerstandsschleife 17 und der Abstand zwischen beiden. Im allgemeinen legt man vorzugsweise die Widerstandsschleife 17 in eine Ebene, die von der Ebene der Speicherschleife 16 verschieden, doch zu dieser parallel ist Durch Anpassung dieser Faktoren kann die Auswirkung der Widerstandsleiter 17 auf die Speicherschleife 16 wählbar gestaltet werden. In einem Ausführungsbeispiel dieser Erfindung wird die Anpassung so vorgenommen, daß der gesamte effektive Widerstand der Speicherschleife gleich dem für eine kritische Dämpfung notwendigen Widerstand ist

Verschiedene andere Ausführungsformen der Erfindung sind möglich; so kann die Speicherschleife 16 zwischen die Grundplatte 15 und die Widerstandsschleife gelegt werden. Es ist auch möglich, die Isolationsschicht 18, die zwischen der Speicherschleife 16 und dei Widerstandsschleife 17 liegt, wegzulassen. Die Widerstandsschleife 17 kann auch so ausgelegt werden, da£ der gesamte effektive Widerstand der Speicherschleife kleiner ist als der zu einer kritischen Dämpfung notwendige Widerstand. Damit ergibt sich ein überkri tisch gedämpfter paralleler Ä-L-C-Kreis, dh

Bei der Herstellung einer supraleitenden Speicherschleife entsprechend der Lehre der vorliegenden Erfindung wird zuerst in konventioneller Weise eine supraleitende Grundplatte auf einem Substrat hergestellt. Darauf wird eine Isolierschicht niedergeschlagen, und (in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung) auf dieser Isolierschicht eine Widerstandsschleife aus passendem Material und mit entsprechender Dimension hergestellt. Auf diese Widerstandsschleife kann eine weitere Isolierschicht aufgebracht werden und schließlich auf dieser die Speicherschleife erzeugt werden. Die Herstellung von erfindungsgemäßen supraleitenden Speicherschleifen kann mit den konventionellen Herstellungsmethoden erfolgen. Eine ausführliche Beschreibung des Herstellungsverfahrens ist infolgedessen nicht notwendig.

Im Betrieb verhält sich die Speicherschleife im wesentlichen gleich der im erwähnten US-Patent beschriebenen Schleife. Das Einschreiben und das Auslesen von Information erfolgt in genau derselben Weise. Durch das Einbauen einer Widerstandsschleife, die mit der Speicherschleife eine induktive Kopplung aufweist, ergibt sich eine Speicherschleife, deren Dimensionen im Mikronbereich liegen und die zur Erzielung eines störungsfreien und wirkungsvollen Betriebs richtig gedämpft ist. Wenn der Strom in der Speicherschleife zunimmt, wird ein Strom in der widerstandsbehafteten Schleife induziert. Infolge des induzierten Stroms wird in der widerstandsbehafteten Schleife Energie dissipiert und damit die gewünschte Dämpfung der Speicherschleife erzieit.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Supraleitende Speicherzelle mit einer Ober einer vorzugsweise supraleitenden Grundplatte angeordneten supraleitenden ersten Schleife zur Speicherung eines Ringstroms und mindestens einem darin enthaltenen Josephson-Tunnel-Kontakt, dadurch gekennzeichnet, daß die Zelle eine mit der Speicherschleife induktiv gekoppelte widerstandsbehaftete zweite Stromschleife enthält

2. Speicherschleife nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Schleife in verschiedenen benachbart liegenden Ebenen mit vertikalem Abstand angeordnet sind.

3. Speicherzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ebenen der ersten und zweiten Schleife durch Isolationsschichten voneinander getrennt sind.

4. Speicherzelle nach Anspruch 2 und/oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ebene mit der widerstandsbehafteten Schleife zwischen der Grundplatte und der Speicherschleife angeordnet ist

5. Speicherzelle nach Anspruch 2 und/oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ebene mit der widerstandsbehafteten Schleife vertikal über der Speicherschleife angeordnet ist.

6. Speicherzelle nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die widerstandsbehaftete Schleife aus bei der Betriebstemperatur der Zelle normalleitendem Material besteht

7. Speicherzelle nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet daß die Dämpfung der Speicherzelle bei deren Herstellung wählbar ist wobei als variierbare Parameter der Abstand zwischen erster und zweiter Schleife, das Verhältnis der von beiden Schleifen eingeschlossenen Flächen und das Material der widerstandsbehafteten Schleife zur Verfügung stehen.

8. Speicherzelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, mit einer ersten (Speicher-)Schleife, deren elektrisches Ersatzschaltbild aus einer Parallelschaltung einer Induktivität L, einer Kapazität C und eines Widerstands Rj>ⁱ/i\/-=- besteht, kombiniert mit einer widerstandsbehafteten zweiten Schleife nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet daß der effektive Widerstand der ersten Schleife infolge der indutiv angekoppelten zweiten Schleife den Wert

erhält, wobei

-^ eine kritisch

gedämpfte Zelle ergibt der Wert R<*hy-Q eine überkritisch gedämpfte.