JP2002094370A - Superconducting semiconductor hybrid integrated circuit - Google Patents

Superconducting semiconductor hybrid integrated circuit

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JP2002094370A
JP2002094370A JP2000279137A JP2000279137A JP2002094370A JP 2002094370 A JP2002094370 A JP 2002094370A JP 2000279137 A JP2000279137 A JP 2000279137A JP 2000279137 A JP2000279137 A JP 2000279137A JP 2002094370 A JP2002094370 A JP 2002094370A
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JP
Japan
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superconducting
circuit
semiconductor
integrated circuit
hybrid integrated
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Application number
JP2000279137A
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Japanese (ja)
Inventor
Shuichi Nagasawa
秀一 永沢
Kazunori Miyahara
一紀 宮原
Yoichi Enomoto
陽一 榎本
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International Superconductivity Technology Center
NEC Corp
Original Assignee
International Superconductivity Technology Center
NEC Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a superconducting semiconductor hybrid integrated circuit that attains an ultra-high speed operation of several GHz or higher with low power consumption, by effectively combining the advantages of a superconducting circuit with the advantages of a semiconductor circuit. SOLUTION: The hybrid integrated circuit includes a circuit 13 consisting of a superconducting element, a circuit 12 consisting of a semiconductor element and a DC power supply line 11, the circuit 12 consisting of the semiconductor element is inserted between a bias line of the circuit 13 consisting of the superconducting element and the DC power supply line 11 and the circuit 12 consisting of the semiconductor element acts as a switch to supply bias current to the circuit 13 consisting of the superconducting element.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、極低温で動作する
超伝導素子で構成された回路と半導体素子で構成された
回路を含むハイブリッド集積回路に関する。特に、超伝
導集積回路へのバイアス電流供給技術に関するものであ
る。
[0001] 1. Field of the Invention [0002] The present invention relates to a hybrid integrated circuit including a circuit composed of a superconducting element operating at a very low temperature and a circuit composed of a semiconductor element. In particular, the present invention relates to a technique for supplying a bias current to a superconducting integrated circuit.

【0002】[0002]

【従来の技術】超伝導集積回路には、大きく分けて2つ
の種類がある。1つは、ジョセフソン素子の電流電圧特
性に現れる強い非線形性を利用したもので、電圧型論理
と呼ばれている方式に基づいた超伝導集積回路である。
電圧型論理は、半導体の集積回路で使用されている論理
と同じ論理形式である。
2. Description of the Related Art Superconducting integrated circuits are roughly classified into two types. One is a superconducting integrated circuit based on a method called voltage-type logic, which utilizes a strong nonlinearity appearing in the current-voltage characteristics of a Josephson element.
The voltage type logic has the same logic type as the logic used in a semiconductor integrated circuit.

【0003】もう1つは、ジョセフソン素子の電流位相
特性の非線形性を利用したものでフラクソイド型論理と
呼ばれている方式に基づいた超伝導集積回路である。
The other is a superconducting integrated circuit utilizing a nonlinearity of a current phase characteristic of a Josephson element and based on a method called a fluxoid type logic.

【0004】電圧型論理の超伝導集積回路は、一定の時
間(例えばクロック周期の間)一定の電圧(通常、状態
“0”を零電圧レベル、状態“1”を所望の出力電圧レ
ベルに設定する)を出力することを特徴とする回路であ
り、この電圧レベルに応じて論理動作を行う回路であ
る。
A voltage-based logic superconducting integrated circuit sets a constant voltage (usually, a state "0" to a zero voltage level and a state "1" to a desired output voltage level for a fixed time (for example, during a clock cycle). Is a circuit that performs a logical operation according to this voltage level.

【0005】電圧型論理の超伝導集積回路は、一度電圧
状態にスイッチするとバイアス電流を零に戻さない限
り、初期状態(超伝導状態)に戻らないという特性があ
る(このことから、ラッチング素子とも呼ばれてい
る)。
[0005] A voltage-type logic superconducting integrated circuit has the characteristic that once it switches to the voltage state, it does not return to the initial state (superconducting state) unless the bias current is returned to zero (therefore, both latching elements). being called).

【0006】従って、ラッチング素子で構成された超伝
導集積回路は、論理動作の終了後に初期状態に戻すため
に、交流のバイアス電流(単極性の矩形波パルスでもよ
い)が必要になる。よって、ラッチング素子で構成され
た超伝導集積回路では、交流の高周波電流をバイアスす
る必要がある。
Therefore, a superconducting integrated circuit composed of latching elements requires an AC bias current (or a unipolar rectangular wave pulse) in order to return to the initial state after the completion of the logic operation. Therefore, in a superconducting integrated circuit constituted by a latching element, it is necessary to bias an AC high-frequency current.

【0007】また、近年、直流(DC)バイアスで動作
し、より高速動作が可能なフラクソイド型論理の超伝導
単一磁束量子素子(SFQ素子)が盛んに研究されてい
る。フラクソイド型論理の超伝導集積回路は、全て直流
(DC)でバイアスされるので、交流(AC)電源を必
要とせず、より高速で動作可能という特徴がある。
In recent years, a fluxoid type superconducting single flux quantum device (SFQ device) which operates with a direct current (DC) bias and can operate at a higher speed has been actively studied. Since all superconducting integrated circuits of the fluxoid type are biased by direct current (DC), they do not require an alternating current (AC) power supply and can operate at higher speed.

【0008】電圧型論理の超伝導集積回路或いはフラク
ソイド型論理の超伝導集積回路のどちらの回路において
も、常時、ジョセフソン素子にその超伝導臨界電流値以
下の一定のバイアス電流を流して使用する。この時、ジ
ョセフソン素子は超伝導状態を維持しているため、電流
はジョセフソン素子を通してグランドに流れる。
In both the voltage-type superconducting integrated circuit and the fluxoid-type superconducting integrated circuit, a constant bias current equal to or less than the superconducting critical current value is applied to the Josephson element at all times. . At this time, the current flows to the ground through the Josephson element because the Josephson element maintains the superconducting state.

【0009】これが、超伝導素子の初期状態であり、入
力信号が入らない限りこの状態が維持される。この状態
の時に、入力信号が入ると、バイアス電流に加えて、入
力信号電流がジョセフソン素子に流れ込むため、合わせ
た電流はジョセフソン素子の超伝導臨界電流値を越える
ため、ジョセフソン素子は電圧状態にスイッチする。
This is the initial state of the superconducting element, and this state is maintained unless an input signal is input. In this state, if an input signal is input, the input signal current flows into the Josephson element in addition to the bias current. Switch to state.

【0010】このように、常時ある一定のバイアス電流
を流しておくために、通常、電源線路とジョセフソン素
子の間にバイアス抵抗を挿入するが、消費電力の大部分
はこの一定の電流を流すために挿入されたバイアス抵抗
で消費される。これは、電圧型論理のラッチング素子で
あれ、フラクソイド型論理のSFQ素子であれ同じであ
る。
As described above, a bias resistor is usually inserted between the power supply line and the Josephson element in order to keep a certain bias current flowing at all times. Is consumed by the inserted bias resistor. This is the same whether it is a voltage-type logic latching element or a fluxoid-type SFQ element.

【0011】このように超伝導素子は、常時、電流を流
しておく状態が初期状態(素子に電流が流れている状態
が、定常状態なので”常時オン”と呼ぶこともある)で
ある。
As described above, in the superconducting element, a state in which a current always flows is an initial state (a state in which a current is flowing through the element is a steady state, and is sometimes referred to as "always on").

【0012】ジョセフソン素子を通して電流が常時流れ
ているが、ジョセフソン素子自体は超伝導状態にあるの
で電力は消費しない。しかしながら、一定の電流を流す
ために挿入されたバイアス抵抗で常時、電力が消費さ
れ、これが超伝導集積回路の消費電力の大部分を占めて
いる。
Although a current always flows through the Josephson element, no power is consumed because the Josephson element itself is in a superconducting state. However, power is always consumed by the bias resistor inserted to flow a constant current, which accounts for a large part of the power consumption of the superconducting integrated circuit.

【0013】また、超伝導集積回路の電源線路は、10
mV程度の一定の定電圧に設定されるので、素子数の増
加とともに必要とされるバイアス電流が増大し、その結
果、電源線路のインピーダンスは減少する。
The power supply line of the superconducting integrated circuit has a capacity of 10
Since a constant voltage of about mV is set, the required bias current increases as the number of elements increases, and as a result, the impedance of the power supply line decreases.

【0014】例えば、1個のジョセフソン素子の超伝導
臨界電流値が0.2mAで、10000個のジョセフソ
ン素子を集積した超伝導集積回路では、全電流は、約2
Aになり、電源線路の電圧を10mVとすると、電源線
路のインピーダンスは5mΩと非常に小さくなる。
For example, in a superconducting integrated circuit in which one Josephson element has a superconducting critical current value of 0.2 mA and 10,000 Josephson elements are integrated, the total current is about 2
A, and when the voltage of the power supply line is 10 mV, the impedance of the power supply line is very small, 5 mΩ.

【0015】従来は、高周波のバイアス電流は室温環境
下の信号発生器で発生して、超伝導チップ内でインピー
ダンス変換を行って超伝導素子で構成された回路に供給
していた。
Conventionally, a high-frequency bias current is generated by a signal generator in a room temperature environment, impedance-converted in a superconducting chip, and supplied to a circuit composed of superconducting elements.

【0016】このように、超伝導集積回路を動作させる
ためには、低インピーダンスの超伝導集積回路の電源線
路に大きなバイアス電流を供給する必要がある。
As described above, in order to operate the superconducting integrated circuit, it is necessary to supply a large bias current to the power supply line of the low-impedance superconducting integrated circuit.

【0017】従来、超伝導集積回路に大きなバイアス電
流を供給する方法として、薄膜のトランスフォーマやイ
ンダクターとキャパシターを用いた共振回路を使った技
術がある。これらは、共に超伝導集積回路に高周波の大
電流を供給する技術である。
Conventionally, as a method of supplying a large bias current to a superconducting integrated circuit, there is a technique using a thin-film transformer or a resonance circuit using an inductor and a capacitor. These are both techniques for supplying a high-frequency large current to a superconducting integrated circuit.

【0018】図7に、トランスフォーマを用いた従来の
電源供給回路のブロック図を示す。
FIG. 7 shows a block diagram of a conventional power supply circuit using a transformer.

【0019】室温環境下に置かれた信号発生器71と低温
環境下に置かれたトランスフォーマ72と超伝導集積回路
73とで構成されている。低温環境下にあるトランスフォ
ーマ72は、薄膜で形成され、通常、超伝導集積回路73と
同一チップ上に形成される。
A signal generator 71 placed in a room temperature environment, a transformer 72 placed in a low temperature environment, and a superconducting integrated circuit
It consists of 73. The transformer 72 in a low-temperature environment is formed of a thin film, and is usually formed on the same chip as the superconducting integrated circuit 73.

【0020】室温環境下にある信号発生器71は、内部イ
ンピーダンス50Ωで数ボルトの電圧振幅を持つ正弦波
信号を発生する。超伝導集積回路73の電源線路の電圧
は、通常、10mV程度であるので、トランスフォーマ
72を使用することで、数100倍以上の電流増幅を行う
ことも可能である。
The signal generator 71 in a room temperature environment generates a sine wave signal having an internal impedance of 50Ω and a voltage amplitude of several volts. Since the voltage of the power supply line of the superconducting integrated circuit 73 is usually about 10 mV, the transformer
By using 72, current amplification of several hundred times or more is possible.

【0021】図8には、インダクターとキャパシターを
用いたLC共振回路を使用した電源供給回路のブロック
図を示す。
FIG. 8 shows a block diagram of a power supply circuit using an LC resonance circuit using an inductor and a capacitor.

【0022】室温環境下に置かれた信号発生器81と低温
環境下に置かれたLC共振回路82と超伝導集積回路83と
で構成されている。LC共振により、共振周波数におい
て、室温環境下の信号発生器81の50Ωのインピーダン
スと超伝導集積回路83の電源線路の数mΩのインピーダ
ンスを整合させて、電流増幅を行う方法である。
It comprises a signal generator 81 placed in a room temperature environment, an LC resonance circuit 82 placed in a low temperature environment, and a superconducting integrated circuit 83. In this method, the current is amplified by matching the impedance of 50 Ω of the signal generator 81 and the impedance of several mΩ of the power supply line of the superconducting integrated circuit 83 in a room temperature environment by the LC resonance at the resonance frequency.

【0023】これらは、電圧型論理のラッチング素子を
含む超伝導集積回路に交流のバイアス電流を供給する方
法である。これに対して、フラクソイド型論理の単一磁
束量子を含む超伝導集積回路のバイアス電流は、直流電
流であるので、この様な電流増幅を行う方法を直接使用
することはできないので、これまでは全ての素子に直流
のバイアス電流を直接供給する方法が取られてきた。
These are methods for supplying an AC bias current to a superconducting integrated circuit including a voltage-type logic latching element. On the other hand, since the bias current of a superconducting integrated circuit containing a single flux quantum of the fluxoid type logic is a DC current, such a method of performing current amplification cannot be directly used. A method of directly supplying a DC bias current to all devices has been adopted.

【0024】しかしながら、上記従来の技術の超伝導集
積回路への電源供給方法には、次の様な問題点がある。
However, the above-described conventional power supply method for a superconducting integrated circuit has the following problems.

【0025】まず、第1に、超伝導集積回路自体のバイ
アス電流を減少させる工夫が何もなされていないので、
超伝導集積回路の規模の増大と共に比例して、超伝導集
積回路自体の消費電力が増大するという問題点があっ
た。
First, since no measure has been taken to reduce the bias current of the superconducting integrated circuit itself,
There is a problem that the power consumption of the superconducting integrated circuit itself increases in proportion to the increase in the scale of the superconducting integrated circuit.

【0026】さらに、回路規模の増大に比例してどこま
でもバイアス電流が増大するため、フラクソイド型論理
の超伝導集積回路の場合のように、バイアス電流がたと
え直流電流であっても、10Aを越えるような大きな電
流を供給することは容易なことではなかった。
Further, since the bias current increases in proportion to the increase in the circuit scale, even if the bias current is a direct current, as in the case of a superconducting integrated circuit of a fluxoid type logic, it exceeds 10 A. It was not easy to supply a large current.

【0027】第2に、トランスフォーマを用いた方法で
は、トランスフォーマ内での位相のずれや寄生容量の影
響で、1GHz以上の高周波の交流のバイアス電流を供
給することは非常に困難であるという問題点があった。
Second, in the method using the transformer, it is very difficult to supply a high-frequency AC bias current of 1 GHz or more due to the phase shift and the parasitic capacitance in the transformer. was there.

【0028】第3に、LC共振回路を用いた方法では、
周波数の増大と共にインダクタンスとキャパシタンスの
値が相対的に小さくなり、集積回路のパッドやボンディ
ング部分の寄生のインダクタンスやキャパシタンスの影
響が大きくなり、やはり高周波の電流を供給することが
困難になるという問題点があった。
Third, in the method using the LC resonance circuit,
As the frequency increases, the inductance and capacitance values become relatively small, and the influence of parasitic inductance and capacitance on the pads and bonding parts of the integrated circuit increases, which also makes it difficult to supply high-frequency current. was there.

【0029】さらに、このLC共振の方法では、共振周
波数でのみ整合がとれるため、複数個のLC共振回路を
用いると、素子のパラメータのバラツキにより全体回路
の共振周波数が合わなくなり、インピーダンス整合がと
れなくなるという問題点もあった。
Further, in this LC resonance method, matching can be achieved only at the resonance frequency. Therefore, if a plurality of LC resonance circuits are used, the resonance frequency of the entire circuit will not match due to variations in the parameters of the elements, and impedance matching will be achieved. There was also a problem that it disappeared.

【0030】従来の技術では、数Aを越えるような直流
の大電流或いは数GHzを越えるような高周波の大電流
を超伝導集積回路に供給することは非常に困難であっ
た。
In the prior art, it was very difficult to supply a large DC current exceeding several A or a large high frequency current exceeding several GHz to the superconducting integrated circuit.

【0031】[0031]

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明は、上
記従来技術の問題点に鑑みて成されたものであり、その
目的は、超伝導回路の利点と半導体回路の利点を効果的
に組み合わせることで、数GHz以上の超高速動作が可
能でかつ消費電力の小さな超伝導半導体ハイブリッド集
積回路を提供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the prior art, and has as its object to effectively combine the advantages of a superconducting circuit with those of a semiconductor circuit. Accordingly, it is an object of the present invention to provide a superconducting semiconductor hybrid integrated circuit which can operate at an ultra-high speed of several GHz or more and consumes less power.

【0032】[0032]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では、超伝導素子で構成された回路と半導体
素子で構成された回路及び直流電源線路とを含むハイブ
リッド集積回路において、前記半導体素子で構成された
回路が、前記超伝導素子で構成された回路のバイアス線
路と前記直流電源線路間に挿入され、前記半導体素子で
構成された回路が、前記超伝導素子で構成された回路に
バイアス電流を供給するための開閉スイッチとして機能
するようにした。
According to the present invention, there is provided a hybrid integrated circuit including a circuit formed of a superconducting element, a circuit formed of a semiconductor element, and a DC power supply line. A circuit composed of a semiconductor element is inserted between a bias line and a DC power supply line of a circuit composed of the superconducting element, and a circuit composed of the semiconductor element is a circuit composed of the superconducting element. Function as an open / close switch for supplying a bias current to the switch.

【0033】ここで、前記半導体素子で構成された回路
は、第1のバイアス入力端子と信号入力端子と出力端子
とを有し、前記超伝導素子で構成された回路は、第2の
バイアス入力端子を有し、第1のバイアス入力端子は、
前記直流電源線路に接続され、かつ上記出力端子は第2
のバイアス入力端子に接続されている。
Here, the circuit composed of the semiconductor element has a first bias input terminal, a signal input terminal, and an output terminal, and the circuit composed of the superconducting element has a second bias input terminal. A first bias input terminal.
The output terminal is connected to the DC power supply line, and
Connected to the bias input terminal of

【0034】また、前記半導体素子で構成された回路
は、常時はOFF状態にあり、前記信号入力端子から与
えられる入力信号が所定のしきい値を超えているときに
のみON状態になって、前記超伝導素子で構成された回
路に第2のバイアス入力端子を介して前記バイアス電流
を供給する。
Further, the circuit constituted by the semiconductor element is normally in an OFF state, and is turned ON only when an input signal supplied from the signal input terminal exceeds a predetermined threshold value. The bias current is supplied to a circuit including the superconducting element via a second bias input terminal.

【0035】前記半導体素子で構成された回路は、電界
効果トランジスタあるいは前記超伝導素子で構成された
回路と同じ低温環境下で使用される高電子移動度トラン
ジスタであることが好ましい。
The circuit formed by the semiconductor element is preferably a field-effect transistor or a high electron mobility transistor used under the same low temperature environment as the circuit formed by the superconducting element.

【0036】また、前記超伝導素子で構成された回路
が、直流電流でバイアスされる超伝導単一磁束量子素子
又は交流電流でバイアスされる超伝導ラッチング素子を
含むことが望ましい。
Preferably, the circuit constituted by the superconducting element includes a superconducting single flux quantum element biased by a direct current or a superconducting latching element biased by an alternating current.

【0037】また、前記超伝導素子で構成された回路と
前記半導体素子で構成された回路とは、同一の半導体基
板上に形成され、前記超伝導素子で構成された回路は、
絶縁層を介して前記半導体素子で構成された回路上に形
成され、前記超伝導素子で構成された回路と前記半導体
素子で構成された回路とは、コンタクトホールを介して
接続されている。
Further, the circuit constituted by the superconducting element and the circuit constituted by the semiconductor element are formed on the same semiconductor substrate, and the circuit constituted by the superconducting element is
A circuit formed of the superconducting element and a circuit formed of the semiconductor element are formed on a circuit formed of the semiconductor element via an insulating layer, and are connected through a contact hole.

【0038】あるいは、前記超伝導素子で構成された回
路は、第1の基板上に形成され、前記半導体素子で構成
た回路は、上記第1の基板とは異なる第2の基板上に形
成され、第1の基板と第2の基板とは、バンブを介して
フリップチップボンディングにより接続しても良い。
Alternatively, the circuit constituted by the superconducting element is formed on a first substrate, and the circuit constituted by the semiconductor element is formed on a second substrate different from the first substrate. The first substrate and the second substrate may be connected by flip chip bonding via bumps.

【0039】前記半導体素子で構成された回路は、好ま
しくは、前記超伝導素子で構成された回路の近傍で、か
つ前記超伝導素子で構成された回路の動作周波数の波長
以下の距離内に配置されている。
Preferably, the circuit constituted by the semiconductor element is disposed near the circuit constituted by the superconducting element and within a distance equal to or less than the wavelength of the operating frequency of the circuit constituted by the superconducting element. Have been.

【0040】また、本発明では、複数個の半導体素子で
構成された回路ブロックと複数個の超伝導素子で構成さ
れた回路ブロック及び直流電源線路とを含むハイブリッ
ド集積回路において、各半導体素子で構成された回路ブ
ロックが、各超伝導素子で構成された回路ブロックのバ
イアス線路と前記直流電源線路間に挿入され、前記複数
個の半導体素子で構成された回路ブロックが、前記複数
個の超伝導素子で構成された回路ブロックの任意のブロ
ックに選択的にバイアス電流を供給するための開閉スイ
ッチとして機能するようにした。
Further, according to the present invention, in a hybrid integrated circuit including a circuit block composed of a plurality of semiconductor elements, a circuit block composed of a plurality of superconducting elements, and a DC power supply line, Circuit block is inserted between the bias line of the circuit block composed of each superconducting element and the DC power supply line, and the circuit block composed of the plurality of semiconductor elements is connected to the plurality of superconducting elements. Function as an open / close switch for selectively supplying a bias current to an arbitrary block of the circuit block configured by the above.

【0041】この場合、前記超伝導素子で構成された回
路ブロックが、アレイ状に複数個配置され、前記半導体
素子で構成された回路ブロックが、任意の超伝導回路ブ
ロックに対して選択的にバイアス電流を供給するように
するのが望ましい。
In this case, a plurality of circuit blocks composed of the superconducting elements are arranged in an array, and the circuit blocks composed of the semiconductor elements are selectively biased with respect to an arbitrary superconducting circuit block. It is desirable to supply current.

【0042】また、前記超伝導回路ブロックは、好まし
くは、超伝導ランダムアクセスメモリで構成されてい
る。
The superconducting circuit block is preferably constituted by a superconducting random access memory.

【0043】[0043]

【作用】本発明では、超伝導集積回路の近傍(ほぼ動作
周波数の波長以下の距離)に半導体素子で構成された電
源供給回路を配置することで、従来の技術の問題点を除
去することを可能にしている。
According to the present invention, it is possible to eliminate the problems of the prior art by arranging a power supply circuit composed of semiconductor elements in the vicinity of a superconducting integrated circuit (almost a distance less than the wavelength of the operating frequency). Making it possible.

【0044】より具体的には、本発明の超伝導半導体ハ
イブリッド集積回路は、超伝導素子で構成された回路と
半導体素子で構成された回路及び直流電源線路を含むハ
イブリッド集積回路において、前記半導体素子で構成さ
れた回路が前記超伝導素子で構成された回路のバイアス
線路と前記直流電源線路間に挿入され、前記半導体素子
で構成された回路が前記超伝導素子で構成された回路に
バイアス電流を供給するための開閉スイッチとしての機
能を有する。
More specifically, the superconducting semiconductor hybrid integrated circuit of the present invention is a hybrid integrated circuit including a circuit constituted by a superconducting element, a circuit constituted by a semiconductor element, and a DC power supply line. Is inserted between the bias line of the circuit constituted by the superconducting element and the DC power supply line, and the circuit constituted by the semiconductor element applies a bias current to the circuit constituted by the superconducting element. It has a function as an open / close switch for supplying.

【0045】本発明の特徴は、常時オフ状態の半導体回
路と常時オン状態で、かつ不揮発性という特性を有する
超伝導回路を組み合わせることで、超高速で且つ消費電
力を大幅に削減できるデジタル集積回路を実現できると
いう点にある。
A feature of the present invention is that a digital integrated circuit which is ultra-high speed and can greatly reduce power consumption by combining a semiconductor circuit which is always off and a superconducting circuit which is always on and has the property of non-volatility. The point is that it can be realized.

【0046】より詳しく述べると、ジョセフソン素子
は、先にも記載したように、常時、電流を流しておく状
態が初期状態(常時オン)であるため、常時、ジョセフ
ソン素子を通して電流が流れているが、ジョセフソン素
子自体は超伝導状態にあるので電力は消費しない。
More specifically, as described above, in the Josephson element, the state in which current always flows is the initial state (always on), so that current always flows through the Josephson element. However, the Josephson element itself is in a superconducting state and does not consume power.

【0047】しかしながら、一定の電流を流すために挿
入されたバイアス抵抗で常時、電力が消費され、これが
超伝導集積回路の消費電力の大部分を占めている。一
方、半導体素子は、特にNMOSトランジスタや電界効
果トランジスタ(FET)では、常時、高インピーダン
ス状態にあり、半導体素子を通して電流はほとんど流れ
ない(常時オフ)。
However, power is always consumed by the bias resistor inserted for flowing a constant current, and this power accounts for a large part of the power consumption of the superconducting integrated circuit. On the other hand, a semiconductor element, especially an NMOS transistor or a field effect transistor (FET), is always in a high impedance state, and almost no current flows through the semiconductor element (always off).

【0048】半導体素子のゲートに入力信号が入ってい
る時だけ、電源線路から電流が流れる。このため、常
時、電力をほとんど消費しないという特徴がある。
Current flows from the power supply line only when an input signal is input to the gate of the semiconductor element. Therefore, there is a feature that almost no power is consumed at all times.

【0049】従って、この様な特性の半導体回路を通し
て、超伝導素子にバイアス電流を供給するように構成し
ておくことで、常時は、超伝導素子にはバイアス電流は
流れておらず、超伝導素子が動作するときのみ、前もっ
て半導体回路に入力信号を加えて、半導体回路をオン状
態にして、超伝導素子にバイアス電流を流しておくこと
ができる。
Therefore, by supplying a bias current to the superconducting element through a semiconductor circuit having such characteristics, the bias current does not always flow in the superconducting element, Only when the device operates, an input signal can be applied to the semiconductor circuit in advance, the semiconductor circuit can be turned on, and a bias current can be supplied to the superconducting device.

【0050】これにより、超伝導集積回路のバイアス抵
抗で消費される電力を大幅に削減することができる。ま
た、このように超伝導回路が不活性な時(スイッチング
動作をしていない時)は、バイアス電流を切断(オフ)
しても問題が生じないのは、超伝導回路が不揮発性素子
であるということに起因している。
Thus, the power consumed by the bias resistor of the superconducting integrated circuit can be significantly reduced. When the superconducting circuit is inactive (when the switching operation is not performed), the bias current is cut off (off).
The problem does not arise even if the superconducting circuit is a nonvolatile element.

【0051】即ち、超伝導回路は、インダクタンスとジ
ョセフソン素子からなる超伝導ループに情報を蓄えるた
め、超伝導環境が維持されるかぎり不揮発性素子であ
る。即ち、電源を切っても、保存している情報が消える
ことはない。
That is, the superconducting circuit is a nonvolatile element as long as a superconducting environment is maintained because information is stored in a superconducting loop composed of an inductance and a Josephson element. That is, even if the power is turned off, the stored information does not disappear.

【0052】従って、超伝導回路がスイッチング動作を
していないときは、その時だけ電源を切っておけば電力
を全く消費せず、低消費電力化を図ることができる。
Therefore, when the superconducting circuit is not performing a switching operation, the power is turned off only at that time, so that no power is consumed and power consumption can be reduced.

【0053】上記の方法は、ランダムアクセスメモリ
(RAM)において、効果的に用いることがでる。ラン
ダムアクセスメモリでは、回路規模(記憶容量)が増大
しても、ある時刻にアクセスしているのは特定のセルに
対してだけであり、その記憶セルを選択するためのデコ
ーダ回路、ドライバ回路、及びセンス回路等の一部分の
ゲート回路だけが動作しており、その他の多くのゲート
回路は不活性状態にある。
The above method can be effectively used in a random access memory (RAM). In the random access memory, even when the circuit scale (storage capacity) increases, only a specific cell is accessed at a certain time, and a decoder circuit, a driver circuit, And only a part of the gate circuits such as the sense circuit is operating, and many other gate circuits are in an inactive state.

【0054】従って、RAMをブロックにわけて構成す
ることで、分割した1個のRAMブロックのみにバイア
ス電流を供給すれば良いため、RAMの構成においては
大幅な消費電力の削減を行うことができる。
Therefore, by constructing the RAM in blocks, it is only necessary to supply the bias current to one divided RAM block, so that the power consumption of the RAM can be significantly reduced. .

【0055】また、直流バイアスされた半導体回路の開
閉機能により、超伝導集積回路に単極性の矩形波パルス
信号を供給できるので、直流バイアスで動作するフラク
ソイド型論理の単一磁束量子素子を含む超伝導集積回路
だけでなく電圧型論理のラッチング素子を含む超伝導集
積回路にもバイアス電流を供給することができる。従っ
て、電源としては、外部からは直流電源だけを用意して
おけば良いことになる。
Further, since the unipolar rectangular wave pulse signal can be supplied to the superconducting integrated circuit by the opening / closing function of the DC-biased semiconductor circuit, the superconducting integrated circuit includes a fluxoid type single flux quantum element operated by a DC bias. A bias current can be supplied not only to a conductive integrated circuit but also to a superconductive integrated circuit including a voltage-type logic latching element. Therefore, it is sufficient to prepare only a DC power supply from the outside as a power supply.

【0056】さらに、半導体回路を超伝導集積回路の極
近傍(約動作周波数の波長以下の距離)に配置すること
で、高周波のバイアス信号を長い伝送線路を介さずに直
接、超伝導集積回路に伝えることが可能であるため、数
GHzを越える高周波のバイアス電流を容易に供給する
ことができる。
Further, by disposing the semiconductor circuit very close to the superconducting integrated circuit (a distance less than the wavelength of the operating frequency), a high-frequency bias signal can be directly transmitted to the superconducting integrated circuit without passing through a long transmission line. Since the transmission is possible, a high-frequency bias current exceeding several GHz can be easily supplied.

【0057】[0057]

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

【0058】(第1の実施の形態)図1は、本発明の超
伝導半導体ハイブリッド集積回路の第1の実施の形態を
示すブロック構成図である。
(First Embodiment) FIG. 1 is a block diagram showing a superconducting semiconductor hybrid integrated circuit according to a first embodiment of the present invention.

【0059】本実施例の超伝導半導体ハイブリッド集積
回路は、直流電源線路(DC)11と半導体素子で構成
された回路(SW)12と超伝導集積回路(SIC)1
3とで構成される。
The superconducting semiconductor hybrid integrated circuit of the present embodiment has a DC power supply line (DC) 11, a circuit (SW) 12 composed of semiconductor elements, and a superconducting integrated circuit (SIC) 1.
And 3.

【0060】半導体素子で構成された回路(SW)12
は、バイアス入力端子(B1)と信号入力端子(I1)
及び出力端子(O1)を有し、バイアス入力端子(B
1)が抵抗(Rb)14を介して直流電源線路(DC)
11に接続され、出力端子(O1)が超伝導集積回路
(SIC)13のバイアス入力端子(P1)に接続され
ている。
Circuit (SW) 12 composed of semiconductor elements
Are the bias input terminal (B1) and the signal input terminal (I1)
And an output terminal (O1), and a bias input terminal (B
1) is a DC power supply line (DC) via a resistor (Rb) 14
The output terminal (O1) is connected to the bias input terminal (P1) of the superconducting integrated circuit (SIC) 13.

【0061】半導体素子で構成された回路(SW)12
は、常時はOFF状態即ち高インピーダンス状態にあ
り、入力信号(In)があるしきい値を越えている時の
みON状態即ち低インピーダンス状態になり、超伝導集
積回路(SIC)13にバイアス電流を供給するという
スイッチとしての機能を有する。
Circuit (SW) 12 composed of semiconductor elements
Is normally in an OFF state, that is, in a high impedance state, and becomes an ON state, that is, in a low impedance state only when the input signal (In) exceeds a certain threshold value, and applies a bias current to the superconducting integrated circuit (SIC) 13. It has a function as a switch to supply.

【0062】本実施の形態では、この半導体素子で構成
された回路(SW)12として、1個の電界効果トラン
ジスタ(FET)が用いられている。より具体的には、
このFETトランジスタとしては、例えば、高電子移動
度トランジスタ(HEMT)を用いることで、超伝導集
積回路と同じ低温環境で、かつ10GHz程度の高速で
動作させることが可能である。
In the present embodiment, one field effect transistor (FET) is used as the circuit (SW) 12 composed of the semiconductor element. More specifically,
By using, for example, a high electron mobility transistor (HEMT) as the FET transistor, it is possible to operate in the same low temperature environment as the superconducting integrated circuit and at a high speed of about 10 GHz.

【0063】図2は、本発明の超伝導半導体ハイブリッ
ド集積回路の第1の実施の形態の動作をさらに詳しく説
明するための入出力信号波形を示す概略図である。
FIG. 2 is a schematic diagram showing input / output signal waveforms for explaining the operation of the first embodiment of the superconducting semiconductor hybrid integrated circuit of the present invention in further detail.

【0064】図2(a)は、直流電源線路(DC)11
の電圧波形、半導体素子で構成された回路(SW)12
に加える入力信号(In)の電圧波形、出力端(O1)
を流れる出力電流波形(Out)を示す。
FIG. 2A shows a DC power supply line (DC) 11.
Voltage waveform, circuit (SW) 12 composed of semiconductor elements
Voltage waveform of input signal (In) to be applied to output terminal (O1)
5 shows an output current waveform (Out) flowing through.

【0065】半導体素子で構成された回路(SW)12
は、通常は高インピーダンス状態にあるので、直流電源
線路(DC)11から超伝導集積回路(SIC)13に
は電流はほとんど流れないが、半導体素子で構成された
回路(SW)12に加える入力信号波形(In)が、あ
るしきい値を越えている時だけ、ON状態即ち低インピ
ーダンス状態になり、直流電源線路(DC)11から超
伝導集積回路(SIC)13に一定の電流が流れるよう
になる。
Circuit (SW) 12 composed of semiconductor elements
Usually has almost no current flowing from the DC power supply line (DC) 11 to the superconducting integrated circuit (SIC) 13 because it is in a high impedance state, but has an input applied to a circuit (SW) 12 composed of semiconductor elements. Only when the signal waveform (In) exceeds a certain threshold value is turned on, that is, in a low impedance state, and a constant current flows from the DC power supply line (DC) 11 to the superconducting integrated circuit (SIC) 13. become.

【0066】図2(b)では、入力信号波形(In)と
して図のような正弦波を入力した場合が示されており、
この入力信号波形の電圧が点線で示したしきい値を越え
た時のみ半導体素子で構成された回路(SW)12は、
低インピーダンス状態になり、その結果として、図2
(c)に示した様な矩形波の出力電流(Out)が直流
電源線路(DC)11から半導体素子で構成された回路
(SW)12を通して超伝導集積回路(SIC)13に
供給される。
FIG. 2B shows a case where a sine wave as shown in the figure is input as the input signal waveform (In).
Only when the voltage of the input signal waveform exceeds the threshold value shown by the dotted line, the circuit (SW)
A low impedance state results, resulting in FIG.
An output current (Out) of a rectangular wave as shown in (c) is supplied from a DC power supply line (DC) 11 to a superconducting integrated circuit (SIC) 13 through a circuit (SW) 12 composed of semiconductor elements.

【0067】以上の動作により、超伝導集積回路(SI
C)13に単極性の矩形波パルス電流を供給することが
できる。言い換えれば、半導体素子で構成された回路
(SW)12のスイッチとしての開閉機能により、それ
に接続された超伝導集積回路13にバイアス電流を、入
力信号に応じたある時間領域で選択的に供給できる。
By the above operation, the superconducting integrated circuit (SI
C) A unipolar rectangular wave pulse current can be supplied to 13. In other words, the open / close function as a switch of the circuit (SW) 12 composed of a semiconductor element allows a bias current to be selectively supplied to the superconducting integrated circuit 13 connected thereto in a certain time region according to an input signal. .

【0068】図3は、本発明の超伝導半導体ハイブリッ
ド集積回路の第1の実施の形態の第1のデバイス構造を
説明するための断面概略図である。
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view for explaining a first device structure of the first embodiment of the superconducting semiconductor hybrid integrated circuit of the present invention.

【0069】通常の半導体の製造工程により、半導体基
板上に半導体トランジスタ36を有する半導体素子31
を成膜形成したのち、その上部にSiO2等の絶縁層を
介して超伝導集積回路(超伝導素子)32を成膜形成す
る。
The semiconductor device 31 having the semiconductor transistor 36 on the semiconductor substrate is manufactured by the usual semiconductor manufacturing process.
Is formed thereon, and then a superconducting integrated circuit (superconducting element) 32 is formed thereon via an insulating layer such as SiO2.

【0070】半導体素子31と超伝導集積回路32と
は、コンタクトホール33を介して接続されている。こ
こで、超伝導集積回路32は、超伝導グランド面34と
ジョセフソン接合35とを有する。
The semiconductor element 31 and the superconducting integrated circuit 32 are connected via a contact hole 33. Here, the superconducting integrated circuit 32 has a superconducting ground plane 34 and a Josephson junction 35.

【0071】このデバイス構造では、微細なコンタクト
ホール33を形成することができるため、高密度に半導
体素子31と超伝導素子32を接続できるという効果が
ある。
In this device structure, since fine contact holes 33 can be formed, there is an effect that the semiconductor element 31 and the superconducting element 32 can be connected at a high density.

【0072】さらに、超伝導集積回路(超伝導素子)3
2と半導体素子31を近接して配置することができるた
め、両素子間の配線のインダクタンスを最小限にするこ
とができ、高周波での動作を可能にするという効果があ
る。
Further, a superconducting integrated circuit (superconducting element) 3
2 and the semiconductor element 31 can be arranged close to each other, so that the inductance of the wiring between the two elements can be minimized, and there is an effect that high-frequency operation is enabled.

【0073】図4は、本発明の超伝導半導体ハイブリッ
ド集積回路の第1の実施の形態の第2のデバイス構造を
説明するための断面概略図である。
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view for explaining a second device structure of the first embodiment of the superconducting semiconductor hybrid integrated circuit of the present invention.

【0074】この第2のデバイス構造は、半導体素子が
形成された基板41と超伝導素子が形成された基板42
をバンプ43によりフリップチップボンディングした構
造である。
The second device structure comprises a substrate 41 on which a semiconductor element is formed and a substrate 42 on which a superconducting element is formed.
Are flip-chip bonded by bumps 43.

【0075】このデバイス構造では、半導体素子と超伝
導素子をそれぞれ個別の製造プロセスにより製作するこ
とができるので、従来からの製造プロセスを利用できる
という利点がある。
In this device structure, since the semiconductor element and the superconducting element can be manufactured by separate manufacturing processes, there is an advantage that a conventional manufacturing process can be used.

【0076】以上説明したように、本実施の形態の超伝
導半導体ハイブリッド集積回路により、入力信号に応じ
て必要な時だけ超伝導集積回路(SIC)にバイアス電
流を供給することが可能になる。これにより、常時バイ
アス電流を超伝導集積回路に供給している場合に比べて
消費電力を少なくすることが可能になるという効果があ
る。
As described above, the superconducting semiconductor hybrid integrated circuit of this embodiment makes it possible to supply a bias current to a superconducting integrated circuit (SIC) only when necessary according to an input signal. Thus, there is an effect that power consumption can be reduced as compared with a case where a bias current is constantly supplied to the superconducting integrated circuit.

【0077】さらに、単極性の矩形波パルス電流を供給
することができるため、超伝導素子で構成された回路
(超伝導集積回路(SIC))が、直流電流のバイアス
で動作する超伝導単一磁束量子素子(SFQ素子)のみ
ならず交流電流のバイアスで動作する超伝導ラッチング
素子を含むことも可能になるという効果がある。
Further, since a unipolar rectangular wave pulse current can be supplied, a circuit composed of superconducting elements (superconducting integrated circuit (SIC)) can operate in a superconducting single circuit operated with a DC bias. There is an effect that it becomes possible to include not only a flux quantum element (SFQ element) but also a superconducting latching element that operates with a bias of an alternating current.

【0078】本実施の形態では、半導体素子で構成され
た回路(SW)として、最も簡単な場合として1個の電
界効果トランジスタ(FET)を用いたが、通常は高イ
ンピーダンス状態にあり、入力信号に応じて低インピー
ダンス状態に転移して出力電流が変化する機能を有する
回路であれば同様の効果を得ることができる。
In this embodiment, one field effect transistor (FET) is used as a circuit (SW) composed of semiconductor elements in the simplest case. The same effect can be obtained as long as the circuit has a function of transitioning to a low impedance state and changing the output current according to the above.

【0079】例えば、NMOSトランジスタ、CMOS
トランジスタ、あるいはこれらで構成したフリップフロ
ップ回路などを使用することも可能である。ただ、これ
らの半導体回路も超伝導集積回路と同じ低温環境で動作
するように、回路定数を最適化したものを使用する必要
がある。
For example, NMOS transistors, CMOS
It is also possible to use a transistor or a flip-flop circuit formed with these. However, it is necessary to use those semiconductor circuits whose circuit constants are optimized so as to operate in the same low-temperature environment as the superconducting integrated circuit.

【0080】また、本実施の形態では、入力信号として
正弦波信号を用いたが、半導体素子で構成された回路
(SW)の特性により最適な入力信号を加える必要があ
る。例えば、半導体素子で構成された回路(SW)とし
て、フリップフロップを使用した場合には、この回路に
必要なセット、リセットといったトリガー信号を加える
ことで、同様の効果を得ることができる。
In this embodiment, a sine wave signal is used as an input signal. However, it is necessary to add an optimum input signal depending on the characteristics of a circuit (SW) composed of semiconductor elements. For example, when a flip-flop is used as a circuit (SW) including a semiconductor element, a similar effect can be obtained by adding a trigger signal such as set and reset necessary for the circuit.

【0081】さらに、ここでは正弦波の入力信号は、外
部から加えることを想定しているが、上記のようなセッ
ト、リセット信号は、チップ内部の別の半導体回路から
の出力信号であっても良い。
Further, here, it is assumed that the sine wave input signal is applied from the outside, but the set and reset signals as described above may be output signals from another semiconductor circuit inside the chip. good.

【0082】あるいは、超伝導回路からの信号であって
も良い。この場合には、ジョセフソン素子の出力信号レ
ベルは、Nb/AlOx/Nb接合の場合、約3mV程
度であるので、半導体回路の入力信号レベルまで電圧増
幅を行う必要がある。
Alternatively, a signal from a superconducting circuit may be used. In this case, the output signal level of the Josephson element is about 3 mV in the case of the Nb / AlOx / Nb junction, so it is necessary to amplify the voltage to the input signal level of the semiconductor circuit.

【0083】電圧増幅を行う超伝導半導体インターフェ
イス回路は、文献(Cryogenics, vol.30, pp.1005-100
8, Dec. 1990)に報告されている。この様なインターフ
ェイス回路を使用することで、超伝導回路の出力に応じ
てバイアス電流を制御することも可能になる。
A superconducting semiconductor interface circuit for performing voltage amplification is described in the literature (Cryogenics, vol. 30, pp. 1005-100).
8, Dec. 1990). By using such an interface circuit, the bias current can be controlled according to the output of the superconducting circuit.

【0084】(第2の実施の形態)図5は、本発明の超
伝導半導体ハイブリッド集積回路の第2の実施の形態を
示すブロック構成図である。
(Second Embodiment) FIG. 5 is a block diagram showing a superconducting semiconductor hybrid integrated circuit according to a second embodiment of the present invention.

【0085】本実施の形態の超伝導半導体ハイブリッド
集積回路は、直流電源線路(DC)51と2個の半導体
素子で構成された回路(SW1とSW2)52a,52
bと2個の超伝導集積回路(SIC1とSIC2)53
a,53bとで構成される。
The superconducting semiconductor hybrid integrated circuit of the present embodiment has circuits (SW1 and SW2) 52a, 52 each composed of a DC power supply line (DC) 51 and two semiconductor elements.
b and two superconducting integrated circuits (SIC1 and SIC2) 53
a, 53b.

【0086】各半導体素子で構成された回路52a,5
2bと各超伝導素子で構成された回路53a,53b
は、第1の実施の形態と同じ回路構成を持つ。本実施の
形態は、直流電源線路(DC)51に対して、第1の実
施の形態の回路を2個並列に配置した回路構成を持つ。
Circuits 52a, 52 composed of respective semiconductor elements
2b and circuits 53a and 53b composed of superconducting elements
Has the same circuit configuration as the first embodiment. This embodiment has a circuit configuration in which two circuits of the first embodiment are arranged in parallel with a DC power supply line (DC) 51.

【0087】本実施の形態の各構成回路の動作は、第1
の実施の形態の動作と同様であるが、入力信号1(I
n)と入力信号2(In)により、半導体素子で構成さ
れた回路(SW1とSW2)52a,52bが任意に選
択され、その選択された回路に接続された超伝導集積回
路(53aあるいは53b)のみにバイアス電流(出力
電流Out1あるいはOut2)が供給される。
The operation of each constituent circuit of the present embodiment is described in the first
Is the same as that of the first embodiment except that the input signal 1 (I
n) and the input signal 2 (In), the circuits (SW1 and SW2) 52a, 52b composed of semiconductor elements are arbitrarily selected, and the superconducting integrated circuit (53a or 53b) connected to the selected circuit. Only the bias current (output current Out1 or Out2) is supplied.

【0088】これにより、必要な場所(回路)に、必要
な時間だけ超伝導集積回路(53aあるいは53b)に
バイアス電流を供給することが可能になり、第1の実施
の形態に比べて、さらに大幅に消費電力を削減できると
いう効果がある。
As a result, it becomes possible to supply a bias current to a superconducting integrated circuit (53a or 53b) to a necessary place (circuit) for a necessary time, which is further different from that of the first embodiment. This has the effect of significantly reducing power consumption.

【0089】本実施の形態は、第1の実施の形態の図3
と図4に示したデバイス構造と同様のデバイス構造によ
り実現することができる。
This embodiment is different from the first embodiment shown in FIG.
And a device structure similar to the device structure shown in FIG.

【0090】また、本実施の形態では、直流電源線路
(DC)51に対して、第1の実施の形態の回路を2個
並列に配置した回路構成を示したが、2個以上の回路を
配置しても同様の効果を得ることができる。
Further, in this embodiment, the circuit configuration in which the two circuits of the first embodiment are arranged in parallel with the DC power supply line (DC) 51 is shown. The same effect can be obtained even if they are arranged.

【0091】(第3の実施の形態)図6は、本発明の超
伝導半導体ハイブリッド集積回路の第3の実施の形態を
示すブロック構成図である。
(Third Embodiment) FIG. 6 is a block diagram showing a superconducting semiconductor hybrid integrated circuit according to a third embodiment of the present invention.

【0092】本実施の形態は、半導体素子で構成された
回路(SW)62とそれに接続された超伝導素子で構成
された回路(SIC)63が複数個存在し、これらがア
レイ状に配置されている。
In the present embodiment, there are a plurality of circuits (SW) 62 composed of semiconductor elements and a plurality of circuits (SIC) 63 composed of superconductive elements connected thereto, which are arranged in an array. ing.

【0093】本実施の形態では、超伝導素子で構成され
た回路(SIC)63として超伝導ランダムアクセスメ
モリを用いた。より詳しくは、直流電源線路(DC)6
1に接続された半導体素子で構成された回路(SW)6
2と、その半導体素子で構成された回路(SW)62に
接続されたラッチング素子を含む超伝導RAMブロック
63が4行4列のマトリックスアレイ状に配置され、1
つの半導体素子で構成された回路62を選択するための
ブロック行デコーダ回路64とブロック列デコーダ回路
65とから構成されている。
In this embodiment, a superconducting random access memory is used as the circuit (SIC) 63 composed of superconducting elements. More specifically, a DC power supply line (DC) 6
Circuit (SW) 6 composed of semiconductor elements connected to 1
2 and a superconducting RAM block 63 including a latching element connected to a circuit (SW) 62 composed of the semiconductor element are arranged in a matrix array of 4 rows and 4 columns, and
It is composed of a block row decoder circuit 64 and a block column decoder circuit 65 for selecting a circuit 62 composed of two semiconductor elements.

【0094】例えば、1個の超伝導RAMブロック63
を、1kビットの記憶容量を持つ記憶セルアレイとドラ
イバ回路とデコーダ回路及びセンス回路等から構成すれ
ば、図6のような4行4列のマトリックスアレイ構成に
より16kビットの記憶容量を持つランダムアクセスメ
モリを構成することができる。
For example, one superconducting RAM block 63
Is composed of a storage cell array having a storage capacity of 1 kbits, a driver circuit, a decoder circuit, a sense circuit, and the like. Can be configured.

【0095】半導体素子で構成された回路(SW)63
は、ブロック行デコーダ回路64及びブロック列デコー
ダ回路65からの信号のAND論理をとる機能も有し、
AND論理により選択されている時のみ、オン状態即ち
低インピーダンス状態になり、その半導体素子で構成さ
れた回路(SW)62に接続された1つの超伝導RAM
ブロック63のみに選択的に電源電流を供給することが
可能である。
Circuit (SW) 63 composed of semiconductor elements
Also has a function of taking AND logic of signals from the block row decoder circuit 64 and the block column decoder circuit 65,
Only when selected by AND logic, it is turned on, that is, in a low impedance state, and one superconducting RAM connected to a circuit (SW) 62 composed of the semiconductor element.
The power supply current can be selectively supplied only to the block 63.

【0096】図6では、2行3列目の半導体素子で構成
された回路(SW)62が選択され(図6では、斜線で
示されている)、それに接続された超伝導RAMブロッ
ク63にのみバイアス電流が供給されている。
In FIG. 6, a circuit (SW) 62 composed of a semiconductor element in the second row and third column is selected (in FIG. 6, indicated by oblique lines), and a superconducting RAM block 63 connected thereto is selected. Only the bias current is supplied.

【0097】この様なブロック構成の記憶回路の場合、
記憶容量の増大と共に、アレイ状に配置された超伝導R
AMブロック63の数が増大するが、書き込み時又は読
み出し時には、基本的に1つの記憶セルのみが選択され
れば良いため、書き込み時又は読み出し時に1つの超伝
導RAMブロック63のみにバイアス電流を供給するだ
けで良い。
In the case of the storage circuit having such a block configuration,
With increasing storage capacity, superconducting R arranged in an array
Although the number of AM blocks 63 increases, at the time of writing or reading, basically only one memory cell needs to be selected, so that a bias current is supplied to only one superconducting RAM block 63 at the time of writing or reading. Just do it.

【0098】言い換えれば、大部分のアクセスしていな
い超伝導RAMブロック63には、バイアス電流を流す
必要はないので、大幅な消費電力の削減を行うことが可
能になる。
In other words, since it is not necessary to supply a bias current to most of the superconducting RAM blocks 63 that are not accessed, it is possible to greatly reduce power consumption.

【0099】従って、記憶容量の増大と共に、アレイ状
に配置された超伝導RAMブロック63の数が増大する
ので、これらの超伝導RAMブロック63を選択するた
めの半導体素子で構成された回路62も多少増大し、半
導体回路部分で消費される電力はわずかに増大するが、
超伝導素子で消費する電力は、基本的に1個の超伝導R
AMブロック63の消費電力以上には増大しない。
Therefore, the number of superconducting RAM blocks 63 arranged in an array increases as the storage capacity increases. Therefore, the circuit 62 composed of semiconductor elements for selecting these superconducting RAM blocks 63 is also required. Although it increases somewhat, the power consumed in the semiconductor circuit part increases slightly,
The power consumed by a superconducting element is basically one superconducting R
It does not increase beyond the power consumption of the AM block 63.

【0100】即ち、本実施例は16kビットの記憶容量
を持つランダムアクセスメモリであるが、1kビットの
RAMブロックのみにバイアス電流を供給するだけて良
く、全体にバイアス電流を供給した場合に比べて16分
の1の消費電力ですむ。
That is, although the present embodiment is a random access memory having a storage capacity of 16 kbits, it is only necessary to supply a bias current to only a 1 kbit RAM block, as compared with a case where a bias current is supplied to the whole. Only 1 / 16th the power consumption is required.

【0101】また、本実施の形態では、4行4列のマト
リックスアレイ状に配置された16kビットのランダム
アクセスメモリを構成したが、さらに大きなマトリック
スアレイを持つランダムアクセスメモリを構成しても、
超伝導回路部分の消費電力は基本的に1kビットの超伝
導RAMブロックのみの消費電力だけで済む。
In this embodiment, a 16 kbit random access memory arranged in a matrix array of 4 rows and 4 columns is constructed. However, even if a random access memory having a larger matrix array is constructed,
The power consumption of the superconducting circuit portion is basically only the power consumption of the 1 kbit superconducting RAM block.

【0102】以上説明したように、本実施の形態の超伝
導半導体ハイブリッド集積回路により、大規模なランダ
ムアクセスメモリを構成した場合においても、わずかな
消費電力で数GHz以上の高速で動作可能なランダムア
クセスメモリを実現することができるという効果があ
る。
As described above, even when a large-scale random access memory is formed by the superconducting semiconductor hybrid integrated circuit of the present embodiment, a random operation memory capable of operating at a high speed of several GHz or more with a small power consumption can be obtained. There is an effect that an access memory can be realized.

【0103】[0103]

【発明の効果】本発明によれば、超伝導回路の利点と半
導体回路の利点を効果的に組み合わせることで、数GH
z以上の超高速動作が可能でかつ極めて消費電力の小さ
な超伝導半導体ハイブリッド集積回路を実現することが
できる。
According to the present invention, by combining the advantages of the superconducting circuit and the advantages of the semiconductor circuit effectively, several GHs can be obtained.
It is possible to realize a superconducting semiconductor hybrid integrated circuit capable of operating at an ultra-high speed of z or more and having extremely low power consumption.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の超伝導半導体ハイブリッド集積回路の
第1の実施の形態を説明するためのブロック構成図であ
る。
FIG. 1 is a block diagram illustrating a superconducting semiconductor hybrid integrated circuit according to a first embodiment of the present invention;

【図2】本発明の超伝導半導体ハイブリッド集積回路の
第1の実施の形態を説明するための入出力信号波形の概
略図で、(a)は直流電源線路(DC)の電圧波形、
(b)は入力信号(In)の電圧波形、(c)は出力電
流(Out)である。
FIGS. 2A and 2B are schematic diagrams of input / output signal waveforms for describing a first embodiment of a superconducting semiconductor hybrid integrated circuit according to the present invention, wherein FIG. 2A shows a voltage waveform of a DC power supply line (DC);
(B) is a voltage waveform of the input signal (In), and (c) is an output current (Out).

【図3】本発明の超伝導半導体ハイブリッド集積回路の
第1の実施の形態の第1のデバイス構造を説明するため
の断面概略図である。
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view for explaining a first device structure of the first embodiment of the superconducting semiconductor hybrid integrated circuit of the present invention.

【図4】本発明の超伝導半導体ハイブリッド集積回路の
第1の実施の形態の第2のデバイス構造を説明するため
の断面概略図である。
FIG. 4 is a schematic sectional view for explaining a second device structure of the first embodiment of the superconducting semiconductor hybrid integrated circuit of the present invention.

【図5】本発明の超伝導半導体ハイブリッド集積回路の
第2の実施の形態を説明するためのブロック構成図であ
る。
FIG. 5 is a block diagram illustrating a superconducting semiconductor hybrid integrated circuit according to a second embodiment of the present invention;

【図6】本発明の超伝導半導体ハイブリッド集積回路の
第3の実施の形態を説明するためのブロック構成図であ
る。
FIG. 6 is a block diagram illustrating a superconducting semiconductor hybrid integrated circuit according to a third embodiment of the present invention;

【図7】従来の技術のトランスフォーマを用いた電源供
給回路を説明するためのブロック図である。
FIG. 7 is a block diagram for explaining a power supply circuit using a conventional transformer.

【図8】従来の技術のLC共振回路を用いた電源供給回
路を説明するためのブロック図である。
FIG. 8 is a block diagram for explaining a power supply circuit using a conventional LC resonance circuit.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11,51,61 直流電源線路(DC) 12,52a,52b,62 半導体素子で構成された
回路(SW) 13,53a,53b 超伝導素子で構成された回路
(超伝導集積回路) 31 半導体素子 32 超伝導素子 33 コンタクトホール 41 半導体が形成された基板 42 超伝導素子が形成された基板 63 超伝導RAMブロック I1、I2 半導体素子で構成された回路の入力信号端
子 B1,B2 半導体素子で構成された回路のバイアス入
力端子 O1,O2 半導体素子で構成された回路の出力端子 P1,P2 超伝導素子で構成された回路のバイアス電
流入力端子 Rb,Rb1、Rb2 バイアス抵抗 Out 出力電流 In 入力信号
11, 51, 61 DC power supply line (DC) 12, 52a, 52b, 62 Circuit composed of semiconductor elements (SW) 13, 53a, 53b Circuit composed of superconducting elements (superconducting integrated circuit) 31 Semiconductor element Reference Signs List 32 superconducting element 33 contact hole 41 substrate on which semiconductor is formed 42 substrate on which superconducting element is formed 63 superconducting RAM block I1, I2 input signal terminal of circuit composed of semiconductor elements B1, B2 composed of semiconductor elements Input terminals O1, O2 of the circuit composed of semiconductor elements P1, P2 Bias current input terminals Rb, Rb1, Rb2 of the circuit composed of superconducting elements Bias resistance Out Output current In Input signal

フロントページの続き (72)発明者 宮原 一紀 東京都江東区東雲一丁目14番3号 財団法 人 国際超電導産業技術研究センター 超 電導工学研究所内 (72)発明者 榎本 陽一 東京都江東区東雲一丁目14番3号 財団法 人 国際超電導産業技術研究センター 超 電導工学研究所内 Fターム(参考) 4M113 AA04 AA14 AA25 AA44 AC01 AC44 AC45 AD22 AD24 AD42 AD62 CA13 4M114 AA29 AA40 BB05 CC09 5J042 AA01 BA00 BA02 CA07 CA08 CA15 CA20 CA22 CA29 DA02 DA03 Continued on the front page (72) Inventor Kazuki Miyahara 1-14-3 Shinonome, Koto-ku, Tokyo Foundation International Research Institute for Superconducting Technology, Superconductivity Engineering Laboratory (72) Inventor Yoichi Enomoto 1-chome, Shinonome, Koto-ku, Tokyo No. 14-3 F-term in the Superconductivity Engineering Research Center, International Superconducting Technology Research Center (Reference) 4M113 AA04 AA14 AA25 AA44 AC01 AC44 AC45 AD22 AD24 AD42 AD62 CA13 4M114 AA29 AA40 BB05 CC09 5J042 AA01 BA00 BA02 CA07 CA08 CA15 CA20 CA22 CA29 DA02 DA03

Claims (12)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 超伝導素子で構成された回路と半導体素
子で構成された回路及び直流電源線路とを含むハイブリ
ッド集積回路において、 前記半導体素子で構成された回路が、前記超伝導素子で
構成された回路のバイアス線路と前記直流電源線路間に
挿入され、 前記半導体素子で構成された回路が、前記超伝導素子で
構成された回路にバイアス電流を供給するための開閉ス
イッチとして機能することを特徴とする超伝導半導体ハ
イブリッド集積回路。
1. A hybrid integrated circuit including a circuit constituted by a superconducting element, a circuit constituted by a semiconductor element, and a DC power supply line, wherein the circuit constituted by the semiconductor element is constituted by the superconducting element. Wherein the circuit formed of the semiconductor element is inserted between the bias line of the circuit and the DC power supply line, and functions as an on / off switch for supplying a bias current to the circuit formed of the superconducting element. Superconducting semiconductor hybrid integrated circuit.
【請求項2】 前記半導体素子で構成された回路は、第
1のバイアス入力端子と信号入力端子と出力端子とを有
し、 前記超伝導素子で構成された回路は、第2のバイアス入
力端子を有し、 第1のバイアス入力端子は、前記直流電源線路に接続さ
れ、かつ上記出力端子は第2のバイアス入力端子に接続
されていることを特徴とする請求項1の超伝導半導体ハ
イブリッド集積回路。
2. The circuit constituted by the semiconductor element has a first bias input terminal, a signal input terminal, and an output terminal, and the circuit constituted by the superconducting element has a second bias input terminal. 2. The superconducting semiconductor hybrid integrated circuit according to claim 1, wherein a first bias input terminal is connected to the DC power supply line, and the output terminal is connected to a second bias input terminal. circuit.
【請求項3】 前記半導体素子で構成された回路は、常
時はOFF状態にあり、前記信号入力端子から与えられ
る入力信号が所定のしきい値を超えているときにのみO
N状態になって、前記超伝導素子で構成された回路に第
2のバイアス入力端子を介して前記バイアス電流を供給
することを特徴とする請求項2の超伝導半導体ハイブリ
ッド集積回路。
3. A circuit constituted by the semiconductor element is normally in an OFF state, and is turned on only when an input signal supplied from the signal input terminal exceeds a predetermined threshold value.
3. The superconducting semiconductor hybrid integrated circuit according to claim 2, wherein said bias current is supplied to a circuit constituted by said superconducting element via a second bias input terminal in an N state.
【請求項4】 前記半導体素子で構成された回路は、電
界効果トランジスタであることを特徴とする請求項1の
超伝導半導体ハイブリッド集積回路。
4. The superconducting semiconductor hybrid integrated circuit according to claim 1, wherein the circuit including the semiconductor element is a field effect transistor.
【請求項5】 前記半導体素子で構成された回路は、前
記超伝導素子で構成された回路と同じ低温環境下で使用
される高電子移動度トランジスタであることを特徴とす
る請求項1の超伝導半導体ハイブリッド集積回路。
5. The circuit according to claim 1, wherein the circuit constituted by the semiconductor element is a high electron mobility transistor used in the same low-temperature environment as the circuit constituted by the superconducting element. Conductive semiconductor hybrid integrated circuit.
【請求項6】 前記超伝導素子で構成された回路が、直
流電流でバイアスされる超伝導単一磁束量子素子又は交
流電流でバイアスされる超伝導ラッチング素子を含むこ
とを特徴とする請求項1の超伝導半導体ハイブリッド集
積回路。
6. A circuit comprising a superconducting single flux quantum device biased by a direct current or a superconducting latching device biased by an alternating current. Superconducting semiconductor hybrid integrated circuit.
【請求項7】 前記超伝導素子で構成された回路と前記
半導体素子で構成された回路とは、同一の半導体基板上
に形成され、 前記超伝導素子で構成された回路は、絶縁層を介して前
記半導体素子で構成された回路上に形成され、 前記超伝導素子で構成された回路と前記半導体素子で構
成された回路とは、コンタクトホールを介して接続され
ていることを特徴とする請求項1の超伝導半導体ハイブ
リッド集積回路。
7. A circuit constituted by the superconducting element and a circuit constituted by the semiconductor element are formed on the same semiconductor substrate, and the circuit constituted by the superconducting element is provided via an insulating layer. And a circuit formed by the superconducting element and a circuit formed by the semiconductor element are connected to each other through a contact hole. Item 3. A superconducting semiconductor hybrid integrated circuit according to item 1.
【請求項8】 前記超伝導素子で構成された回路は、第
1の基板上に形成され、 前記半導体素子で構成た回路は、上記第1の基板とは異
なる第2の基板上に形成され、 第1の基板と第2の基板とは、バンブを介してフリップ
チップボンディングにより接続されていることを特徴と
する請求項1の超伝導半導体ハイブリッド集積回路。
8. A circuit constituted by the superconducting element is formed on a first substrate, and a circuit constituted by the semiconductor element is formed on a second substrate different from the first substrate. The superconducting semiconductor hybrid integrated circuit according to claim 1, wherein the first substrate and the second substrate are connected by flip chip bonding via bumps.
【請求項9】 前記半導体素子で構成された回路は、前
記超伝導素子で構成された回路の近傍で、かつ前記超伝
導素子で構成された回路の動作周波数の波長以下の距離
内に配置されていることを特徴とする請求項1の超伝導
半導体ハイブリッド集積回路。
9. A circuit constituted by the semiconductor element is arranged near a circuit constituted by the superconducting element and within a distance equal to or less than a wavelength of an operating frequency of the circuit constituted by the superconducting element. The superconducting semiconductor hybrid integrated circuit according to claim 1, wherein
【請求項10】 複数個の半導体素子で構成された回路
ブロックと複数個の超伝導素子で構成された回路ブロッ
ク及び直流電源線路とを含むハイブリッド集積回路にお
いて、各半導体素子で構成された回路ブロックが、各超
伝導素子で構成された回路ブロックのバイアス線路と前
記直流電源線路間に挿入され、 前記複数個の半導体素子で構成された回路ブロックが、
前記複数個の超伝導素子で構成された回路ブロックの任
意のブロックに選択的にバイアス電流を供給するための
開閉スイッチとして機能することを特徴とする超伝導半
導体ハイブリッド集積回路。
10. A hybrid integrated circuit including a circuit block composed of a plurality of semiconductor elements, a circuit block composed of a plurality of superconducting elements, and a DC power supply line, a circuit block composed of each semiconductor element. Is inserted between the bias line of the circuit block composed of each superconducting element and the DC power supply line, and the circuit block composed of the plurality of semiconductor elements is
A superconducting semiconductor hybrid integrated circuit, which functions as an on / off switch for selectively supplying a bias current to an arbitrary block of the circuit block including the plurality of superconducting elements.
【請求項11】 前記超伝導素子で構成された回路ブロ
ックが、アレイ状に複数個配置され、 前記半導体素子で構成された回路ブロックが、任意の超
伝導回路ブロックに対して選択的にバイアス電流を供給
することを特徴とする請求項10の超伝導半導体ハイブ
リッド集積回路。
11. A circuit block comprising a plurality of said superconducting elements is arranged in an array, and a circuit block comprising said semiconductor element is provided with a bias current selectively with respect to an arbitrary superconducting circuit block. 11. The superconducting semiconductor hybrid integrated circuit according to claim 10, wherein:
【請求項12】 前記超伝導回路ブロックが、超伝導ラ
ンダムアクセスメモリで構成されていることを特徴とす
る請求項11の超伝導半導体ハイブリッド集積回路。
12. The superconducting semiconductor hybrid integrated circuit according to claim 11, wherein said superconducting circuit block comprises a superconducting random access memory.
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