JP2005223468A

JP2005223468A - 準平面型マイクロ波伝送線路

Info

Publication number: JP2005223468A
Application number: JP2004027452A
Authority: JP
Inventors: Akira Shoji; 彰東海林; Koki Yamamori; 弘毅山森
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2004-02-04
Filing date: 2004-02-04
Publication date: 2005-08-18

Abstract

【課題】ジョセフソン電圧標準装置のマイクロ波信号配線に用いて好適な準平面型マイクロ波伝送線路を提供する。
【解決手段】準平面型マイクロ波伝送線路は、基板上に形成された信号配線導体と、前記信号配線導体を覆う絶縁体と、前記絶縁体の上部で前記信号配線導体から所定距離を離した位置に形成された一対の接地導体とから構成される。ここにおいて、導体は超伝導体であり、絶縁体は誘電体であり、また、接地導体の間を一部で電気的に接続するエアブリッジが設けられる。
【選択図】図３

Description

本発明は、ジョセフソン電圧標準装置のマイクロ波信号配線に用いて好適な準平面型マイクロ波伝送線路に関する。

従来から、マイクロ波〜ミリ波を扱う集積回路で用いられる伝送線路としては、マイクロストリップ線路、スロット線路、コプレナー線路等が用いられている。例えば、マイクロ波伝送線路として用いられるコプレナー導波路（ＣｏｐｌａｎａｒＷａｖｅｇｕｉｄｅ：ＣＰＷ）は、図１に示すように、誘電体基板１の一面に信号配線導体２と接地導体３ａおよび接地導体３ｂが設けられた配線構造となっているマイクロ波伝送線路である。この特性インピーダンスは、信号配線導体２と接地導体３ａおよび接地導体３ｂの間隔、導体幅により決まる。

コプレナー導波路は、信号配線の信号配線導体２が２つの接地導体３ａおよび接地導体３ｂにはさまれた構造になっており、誘電体基板１において、基板の一面のみを使って信号伝送回路を構成できるため、回路の特性評価や他の回路との接続が容易になる。また、コプレナー導波路においては、曲がっている部分については、図２に示すように、接地導体間（３ａと３ｂ）をつないだ構造のエアブリッジ４を設ける構成としている。これは、マイクロ波伝送線路を曲げると好ましくないモードの電磁波がマイクロ波伝送線路内に発生するため、これを打ち消すために用いられる構造である。なお、図２において、５は絶縁体層、６は絶縁体に開けた貫通孔のビアである。

この種のマイクロ波伝送線路の公知文献としては、例えば、特許文献１に記載されている「マイクロ波伝送線路」が公知である。このマイクロ波伝送線路は、誘電体基板上または半導体基板上に設けた第１の導体膜と第２の導体膜とのそれぞれの端部を絶縁膜を介して重ね合わせた構造となっており、このような構造とすることにより、導体損が小さく、特性インピーダンスの低い線路を誘電体基板上に構成できるものとなっている。
特開昭６０−１７２８０１号公報

ところで、ジョセフソン電圧標準装置は、バイアス電流とマイクロ波の印加により一定電圧を発生するジョセフソン接合の多数個を直列接続したジョセフソン接合アレーで構成される。このため、このジョセフソン電圧標準装置を構成するためには、基板上にジョセフソン接合アレーおよびマイクロ波伝送線路を配置して構成されるものとなる。

ジョセフソン電圧標準装置におけるマイクロ波伝送線路としては、マイクロストリップ線路とコプレナー導波路が利用されてきた。前述したように、コプレナー導波路は、誘電体基板１の一面に信号配線導体２と接地導体３ａおよび接地導体３ｂが設けられた配線構造（図１）であるため、誘電体基板上に信号配線導体２が接地導体３ａおよび接地導体３ｂにはさまれた構造になっており、誘電体基板の一面のみを使ってマイクロ波の信号伝送ができる。

コプレナー導波路を用いると、誘電体基板の一面のみを使って信号伝送することができるため、回路の特性評価や他の回路との接続が容易になるが、しかし、コプレナー導波路は、信号配線導体と接地導体の間の距離が小さいことが、不純物による絶縁性能の減少や、作製中のごみによる短絡故障が発生する確率が大きく、歩留まりを下げるという問題点があるものとなっている。

信号配線導体と接地導体の距離は大きい方が都合がよいが、この距離は伝送線路に必要とされるインピーダンスにより決まるので、簡単には大きくすることができない。更に、回路構成上において、曲がった部分を設ける必要がある場合には、コプレナー導波路を用いるマイクロ波伝送線路では、図２に示すように、曲がっている部分の接地導体間（３ａと３ｂ）をつないだ構造のエアブリッジ４が必要とされ、このエアブリッジ４を設けるため、更に絶縁体層５を設けて、更に、そこに電気的接続のため貫通孔のビア６を設けて接地導体３ａおよび接地導体３ｂの間をエアブリッジ４に対して電気的に接続しなければならない。

つまり、コプレナー導波路を用いるマイクロ波伝送線路では、エアブリッジ４を構成するため、信号配線導体２，接地導体３ａおよび接地導体３ｂの配線層の他に、さらにもう１層の配線層（エアブリッジ４）が必要となり、これら２つの配線層を電気的に分離するための誘電体層または絶縁体層（絶縁体層５）が設けられなければならない。また、配線のため、接地導体３ａ、３ｂとエアブリッジ４を接続するための貫通孔のビア６を作製する必要が生ずるものとなっている。このような複雑な構造が、歩留まりの低下につながる可能性があるという問題が生じている。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、ジョセフソン電圧標準装置のマイクロ波信号配線に用いて好適な準平面型マイクロ波伝送線路を提供することにある。

上記のような目的を達成するため、本発明による準平面型マイクロ波伝送線路は、基本的な構成として、従来、同一層で構成されていたマイクロ波線路の信号配線導体と接地導体の間に、誘電体または絶縁体をはさむことによって、準平面型となるが、信号配線導体と接地導体を分離する。このような構成により、電気的には信号配線と接地導体は完全に分離されるので、不純物による絶縁性能の低下やごみなどによる短絡故障を防ぐことができる。

すなわち、本発明による準平面型マイクロ波伝送線路は、第１の態様として、基板上に形成された信号配線導体と、前記信号配線導体を覆う絶縁体と、前記絶縁体の上部で前記信号配線導体から所定距離を離した位置に形成された一対の接地導体とから構成されることを特徴とするものである。

また、本発明による準平面型マイクロ波伝送線路は、第２の態様として、基板上に形成された一対の接地導体と、前記接地導体を覆う絶縁体と、前記絶縁体の上部で前記接地導体から所定距離を離した位置に形成された信号配線導体とから構成されることを特徴とするものである。

これらの態様において、本発明による準平面型マイクロ波伝送線路においては、上記導体は超伝導体であり、上記絶縁体は誘電体であることを特徴とするものとなっている。また、前記接地導体の間を一部で電気的に接続するエアブリッジが設けられるものとなっている。

本発明による準平面型マイクロ波伝送線路を用いれば、従来、同一層で構成されていたマイクロ波線路の信号配線導体と接地導体の間に、誘電体または絶縁体がはさまれて、信号配線導体と接地導体を分離しているので、ビアを用いることなくエアブリッジが実現でき、作製プロセスが簡略化され歩留まりも改善される。

また、マイクロ波伝送線路の信号配線導体と接地導体の間に、より誘電率の大きな誘電体をはさむほど、同一インピーダンスの場合には中心導体と外部導体の間の距離を大きくすることができるので、小さなインピーダンスのマイクロ波伝送線路も作製が容易になるという利点が得られる。そのため、微細加工の負担、例えば、加工精度やアライメント精度の要求が小さくなる。

以下、本発明を実施する場合の形態について、図面を参照して説明する。図３は、本発明の一実施例にかかる準平面型マイクロ波伝送線路の構成を示す部分断面図である。図３において、１０は絶縁体または誘電体で構成される基板、１１は絶縁体、１２は信号配線導体、１３は一対で設けられる接地導体である。

図３に示されるように、本発明にかかる準平面型マイクロ波伝送線路は、基板上１０に形成された信号配線導体１２と、信号配線導体１２を覆う絶縁体１１と、絶縁体１１の上部で信号配線導体１２から所定距離を離した位置に形成された一対の接地導体１３とから構成される。このような構造とすることにより、従来、同一層で構成されていたマイクロ波線路の信号配線導体と接地導体の間に、誘電体または絶縁体が挟み込まれ、準平面型となるが、信号配線導体と接地導体とが分離され、電気的には信号配線と接地導体は完全に分離される。これにより、不純物による絶縁性能の低下やごみなどによる短絡故障を防ぐことができる。

図４は、本発明の一実施例にかかる準平面型マイクロ波伝送線路のエアブリッジの構造を説明する部分断面図である。図４において、１０は絶縁体または誘電体で構成される基板、１１は絶縁体、１２は信号配線導体、１３は一対で設けられる接地導体、１４はエアブリッジの接続導体、１５はエアブリッジである。エアブリッジ１５の部分を構成する場合、基板１０上に信号配線導体１２を形成し、それを絶縁体１１で覆う。その上に接地導体１３を形成する（図３）。接地導体１３と同じ層の導体１４でつないで、エアブリッジ１５を構成する。このように、エアブリッジ１５を構成するには、単に誘電体または絶縁体に穴（ビア）をあける必要がなく、接続導体１４により接続するだけでよい。

前述した実施例の準平面型マイクロ波伝送線路では、最初に基板１０上に信号配線導体１２のパターンを形成し、絶縁体１１で覆ったあとに、接地導体１３のパターンを形成したが、これを逆にして、最初に基板上に接地導体のパターンを形成し、誘電体または絶縁体で覆ったあとに、信号配線導体を形成しても良い。

図５は、本発明の他の一実施例にかかる準平面型マイクロ波伝送線路の構成を示す部分断面図である。図５において、２０は絶縁体または誘電体で構成される基板、２１は絶縁体、２２は信号配線導体、２３は一対で設けられる接地導体である。

図５に示されるように、他の実施例にかかる準平面型マイクロ波伝送線路においては、基板上２０に形成された一対の接地導体２３と、接地導体２３を覆う絶縁体２１と、絶縁体２１の上部で接地導体２３から所定距離を離した位置に形成された信号配線導体２２とから構成される。このような構造とすることにより、従来、同一層で構成されていたマイクロ波線路の信号配線導体と接地導体の間に、誘電体または絶縁体が挟み込まれ、準平面型となるが、信号配線導体と接地導体とが分離され、電気的には信号配線と接地導体は完全に分離される。これにより、不純物による絶縁性能の低下やごみなどによる短絡故障を防ぐことができる。

また、このような構成となる準平面型マイクロ波伝送線路を用いるとマイクロ波の伝送回路を適切に配線して回路構成することができるので、ジョセフソン電圧標準装置を構成する場合に利用できる。

図６は、準平面型マイクロ波伝送線路を用いてジョセフソン接合の多数個を直列接続したジョセフソン接合アレーによるジョセフソン電圧標準装置の回路構成を説明する図である。ジョセフソン電圧標準装置は、ジョセフソン接合がバイアス電流とマイクロ波の印加により一定電圧を発生するので、そのジョセフソン接合アレーの発生電圧のオンオフを制御することによって、プログラマブルに希望する電圧を発生させる構成としている。ここで入力端子３５からマイクロ波を供給するマイクロ波の信号線路３０として、前述した準平面型マイクロ波伝送線路が用いられる。このジョセフソン電圧標準装置は、
（ａ）多数個の直列接続されたジョセフソン接合を２進数区切り（２の冪乗での区切り）による区間１，２，３，４、…に分けて、
（ｂ）区間ごとにバイアス電流を流すための複数の端子３６を設け、
（ｃ）この端子３６からそれぞれの区間ごとに独立した、正または零、あるいは、負または零の組み合わせのバイアス電流を印加して、
（ｄ）全区間について正のバイアス電流を印加したときの正の最大出力電圧値から、全区間について負のバイアス電流を印加したときの負の最大出力電圧値までの間の任意の出力電圧を、２進数で区切った最小の接合数のジョセフソン接合アレーの出力電圧を最小分解能として出力する。

なお、図６において、３０は準平面型マイクロ波伝送線路、３１から３４は各区間のジョセフソン接合、３５はマイクロ波を印加するためのマイクロ波入力端子、３６はバイアス電流を流すための端子、３７はマイクロ波の印加のためのマイクロ波終端抵抗、３８は出力電圧を得るための出力電圧端子である。また、マイクロ波を印加するための交流回路と、バイアス電流を印加するための直流回路とを分離するためキャパシタンス、ローパスフィルタ等が設けられるが、ここでは図示されていない。

このジョセフソン電圧標準装置は、回路を構成するチップ内に多数個の直接接続したジョセフソン接合、電気信号配線、外部入出力用の端子などがマイクロ波伝送線路を中心として作製され集積化されて、プログラマブル電圧標準素子が作製され、ジョセフソン電圧標準装置とされる。ここでの信号配線には準平面型マイクロ波伝送線路が用いられて、直列接続するジョセフソン接合の多数個が形成される。

ジョセフソン電圧標準装置では、『ジョセフソン接合の両電極に周波数ｆのマイクロ波を加えると、一定の電圧Ｖ＝ｆ（ｈ／２ｅ）の間隔でステップ電流が現れる。ここで、ｈはプランク定数、ｅは単位電荷定数である』という性質を利用して一定電圧を発生させるので、標準電圧とする例えば１ボルトを発生させるためには、チップ内に集積するジョセフソン接合数は非常に多くなる。マイクロ波は、扱いやすさから例えばｆ＝１６ＧＨｚ前後の値を用いる。その場合に、ジョセフソン接合の１つあたりに発生する電圧は約３３μＶとなり、１ボルトの出力電圧を得るには、約３万個の接合を必要とする。具体的には、例えば、全体を８ビットの電圧分解能でプログラマブルに電圧を発生させるとして、最小ビットの電圧を発生させる接合単位を１２８個の接合で構成すると、ジョセフソン接合の全体の接合数は３２，７６８個となる。

図７に、準平面型マイクロ波伝送線路を用いるジョセフソン電圧標準装置の全体の等価回路を示している。４０９６個ずつ８本のアレーに分けて、マイクロ波を８本のアレーに分岐して供給し、５０オームの終端抵抗でターミネートしている。交流的には８本のアレーが並列に、直流的にはキャパシタンスとローパスフィルタ（ＬＰＦ）ですべて結合が直列になるようにする。ここでのマイクロ波を供給する線路４０に、準平面型マイクロ波伝送線路（図３）が用いられ、線路４０が曲がる部分４１にはエアブリッジ（図４）が用いられる。

本発明の準平面型マイクロ波伝送線路は、ジョセフソン電圧発生装置のマイクロ波信号配線に用いて好適なものとなる。例えば、窒化ニオブ（ＮｂＮ）を電極材料とするジョセフソン接合を用いる回路、具体的には、高温（１０Ｋ程度）で動作可能なＳ（超伝導）／Ｎ（常伝導）／Ｓ（超伝導）型超伝導接合アレー集積回路によるジョセフソン電圧発生装置に用いられる。

本発明による準平面型マイクロ波伝送線路を用いれば、信号配線導体と接地導体が電気的に完全に絶縁されるため、ごみや不純物による絶縁性能の劣化または短絡故障の可能性が非常に小さくなり、さらに、マイクロ波ストリップ線路を曲げたときに必要なエアブリッジがビアなしで実現できるため作製が容易になる。以上の効果は、作製の歩留まりを大幅に向上させ、電圧標準チップの製造コストを下げるために有効である。

マイクロ波伝送線路のコプレナー導波路の構成を説明する図である。マイクロ波伝送線路のコプレナー導波路のエアブリッジの構成を説明する図である。本発明の一実施例にかかる準平面型マイクロ波伝送線路の構成を示す部分断面図である。本発明の一実施例にかかる準平面型マイクロ波伝送線路のエアブリッジの構造を説明する部分断面図である。本発明の他の一実施例にかかる準平面型マイクロ波伝送線路の構成を示す部分断面図である。準平面型マイクロ波伝送線路を用いてジョセフソン接合の多数個を直列接続したジョセフソン接合アレーによるジョセフソン電圧標準装置の回路構成を説明する図である。準平面型マイクロ波伝送線路を用いるジョセフソン電圧標準装置の全体の等価回路を示す図である。

符号の説明

１：基板
２：信号配線導体
３ａ，３ｂ：接地導体
４：エアブリッジ
５：絶縁体層
６：ビア（穴）
１０：基板
１１：絶縁体
１２：信号配線導体
１３：接地導体
１４：接続導体
１５：エアブリッジ

Claims

基板上に形成された信号配線導体と、
前記信号配線導体を覆う絶縁体と、
前記絶縁体の上部で前記信号配線導体から所定距離を離した位置に形成された一対の接地導体と
から構成されることを特徴とする準平面型マイクロ波伝送線路。
基板上に形成された一対の接地導体と、
前記接地導体を覆う絶縁体と、
前記絶縁体の上部で前記接地導体から所定距離を離した位置に形成された信号配線導体と
から構成されることを特徴とする準平面型マイクロ波伝送線路。
上記導体は超伝導体である
ことを特徴とする上記請求項１または請求項２に記載の準平面型マイクロ波伝送線路。
上記絶縁体は誘電体である
ことを特徴とする上記請求項１または請求項２に記載の準平面型マイクロ波伝送線路。
基板上に形成された信号配線導体と、
前記信号配線導体を覆う絶縁体と、
前記絶縁体の上部で前記信号配線導体から所定距離を離した位置に形成された一対の接地導体と、
前記接地導体の間を一部で電気的に接続するエアブリッジと
から構成されることを特徴とする準平面型マイクロ波伝送線路。