JP2016086135A - 超伝導集積回路 - Google Patents

Abstract

【課題】単一磁束量子を情報媒体とする超伝導集積回路において、磁束トラップの影響を大幅に削減でき、外来磁気ノイズに対する耐性の向上した構造を提供する。【解決手段】単一磁束量子を情報媒体とする超伝導集積回路において、回路平面上にある超伝導リングの一部を常伝導体で置換して、超伝導リングの断線された回路を有する構造とする。少なくとも超伝導配線と超伝導グランドプレーンから構成される超伝導リングであり、かつ超伝導リングのインダクタンスと超伝導リング中に含まれる最小ジョセフソン接合の臨界電流値の積が単一磁束量子の値より大きくリング中に単一磁束量子を保持できる超伝導リングにおいて、少なくとも超伝導配線の直下を含む領域を囲むグランドプレーンの超伝導体を一部常伝導体で置換して、領域を領域外と超伝導的に分離する。グランドプレーンを下層常伝導層と上層超伝導層の二層として上層超伝導層が存在しない溝を形成する。【選択図】図４

Description

本発明は、単一磁束量子を情報媒体とする超伝導集積回路に関する。

近年、超伝導体の中でだけ存在する量子化された磁束の最小単位である単一磁束量子（Ｓｉｎｇｌｅ Ｆｌｕｘ Ｑｕａｎｔｕｍ：ＳＦＱ）を情報媒体として用いるＳＦＱ回路などの超伝導デジタル回路は、超高速かつ低消費電力デバイスであり、半導体を凌駕する電子デバイスとして期待されている。ＳＦＱ回路では、超伝導リング中にＳＦＱが１個ある場合を論理”１”、１個もない場合を論理”０”として各種論理演算を行う。超伝導リング中へのＳＦＱの出し入れは、超伝導リングに挿入されたジョセフソン接合のスイッチにより行う。

ジョセフソン接合素子は、基本構造として、超伝導体（下部超伝導体）／トンネルバリア（常伝導体又は絶縁体）／超伝導体（上部超伝導体）の３層構造からなる。ジョセフソン接合素子が集積した超伝導集積回路では、バイアス電流リターンパスの確保とインダクタンスを精密に制御するために、通常、基板の上に、超伝導グランドプレーンを設け、さらに絶縁層を設けて、その上に下部配線層、上部配線層、抵抗層、ジョセフソン素子などを形成している。

図８に、ＳＦＱ回路の一例としてシフトレジスタ回路の２ビット分を示す（本発明者等による非特許文献１参照）。図中、Ｒ_b1、・・・・Ｒ_b6は、それぞれバイアス抵抗を示し、Ｌ₁、・・・・Ｌ₈は、それぞれインダクタンスを示し、ｒ₁、・・・ｒ₈は、それぞれダンピング抵抗を示し、Ｊ₁、・・・Ｊ₈は、それぞれジョセフソン接合を示す。図示するように、回路中には、超伝導配線からなる「第１タイプの超伝導リング」、超伝導配線と超伝導グランドプレーンから構成される超伝導リングでありかつ超伝導リングのインダクタンスＬと超伝導リング中に含まれる最小ジョセフソン接合の臨界電流値Ｉ_cの積がＳＦＱの値Φ₀より小さくリング中にＳＦＱを保持できない「第２タイプの超伝導リング」（例：Ｌ₂Ｉ_c（Ｊ₁）＜Φ₀）と、超伝導配線と超伝導グランドプレーンから構成される超伝導リングでありかつ超伝導リングのインダクタンスＬと超伝導リング中に含まれる最小ジョセフソン接合の臨界電流値Ｉ_cの積がＳＦＱの値Φ₀より大きくリング中にＳＦＱを保持できる「第３タイプの超伝導リング」（例：Ｌ₃Ｉ_c（Ｊ₃）＞Φ₀）が含まれている。

先行技術を調査したところ次のような技術が知られている。

超伝導回路内に生じる磁束トラップを避けるために、外部磁場を遮蔽する超伝導磁気シールドを設ける手法がある。

また、ＳＦＱ回路内に生じる磁束トラップを防止するために、ＳＦＱ回路の構造を工夫して、磁場の影響されやすい素子の周辺部において、超伝導グランド面（超伝導グランドプレーンとも呼ぶ。）にモート（溝とも呼ぶ。）を開けて、モートに磁束トラップを集中させることで、中心部に配置された素子の直下のグランド面に磁束がトラップされにくくする手法がある（特許文献１、２参照）。

また、超伝導グランドプレーンを切り取り、超伝導回路が含まれる超伝導グランドプレーンの面積を磁気シールドを施した磁場環境における単一磁束量子以下にすることにより、磁束トラップを防止する手法が提案されている（特許文献１参照）。

また、超伝導グランドプレーン膜に貫通孔を開けることなく、超伝導グランドプレーン膜の膜厚方向の一部に、非超伝導領域（凹部、組成変化、ドープ剤の拡散、イオン照射、異材料の充填等による）を形成することにより、磁束トラップ効果を奏する手法が報告されている（特許文献２参照）。

また、大規模な回路において、ＳＦＱを用いた論理回路を複数有する回路ブロック間を抵抗接続する手法が報告されている（特許文献３参照）。

また、大規模な回路において、ＳＦＱを用いた論理回路を複数有する回路ブロック周辺の超伝導グランドプレーンを切り取り、回路ブロックを周辺の超伝導グランドプレーンから分離する手法が紹介されている（特許文献４参照）。

特開平８−２５５９３７号公報 特開２００４−７２０２３号公報 特開２００７−１０４３３２号公報 特開２０１３−５８７０５号公報

Ｓ．Ｎａｇａｓａｗａ他，"Ｎｅｗ Ｎｂ ｍｕｌｔｉ−ｌａｙｅｒ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ Ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ Ｌａｒｇｅ−Ｓｃａｌｅ ＳＦＱ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ，" Ｐｈｙｓｉｃａ Ｃ，ｖｏｌ．４６９，ｐｐ．１５７８−１５８４，２００９．

従来、ＳＦＱ回路に限らず全ての超伝導回路では、超伝導転移温度以下に冷却する際に希望しない磁束が保持（トラップ）され、その磁束が作る磁場や電流が回路動作に悪影響を与える磁束トラップと呼ばれる現象が知られている。図１は、磁束トラップの影響を説明する模式図である。図１では、超伝導グランドプレーン１上に、超伝導配線（図示ではコの字状）３と、超伝導配線の両端に、下部超伝導配線とジョセフソン接合７と超伝導グランドプレーンへのコンタクト８とが設けられている。図１の左図は、磁束トラップが超伝導配線のコの字の内側にある場合、右図は、磁束トラップがコの字外側にある場合を示す。図１に示すように、ＳＦＱ回路では、ＸＹ平面（回路平面（紙面））にトラップされた磁束により超伝導配線と超伝導グランドプレーンが作る超伝導リングに循環電流が流れる。図中の矢印は、トラップされた磁束が作る循環電流の流れを模式的に示している。この循環電流はジョセフソン接合を通って流れるため、実効的にジョセフソン接合のＩ_ｃを減少させ、ＳＦＱ回路動作の妨げとなる（図１参照）。

磁束トラップを排除するために、超伝導回路を高価な磁気シールドの中に入れ、磁場をできるだけ小さくした状態で超伝導転移温度以下に冷却する手法が一般に用いられている。しかし、この方法は完全ではなく、磁束トラップの影響が残ってしまうことが問題であった。特に、回路規模の大きなＳＦＱ回路では、トラップする箇所が多いため、深刻な問題であった。さらに、ＳＦＱ回路中にある多くの超伝導リングは、外来磁気ノイズによって超伝導体の反磁性効果による遮蔽電流が誘起されるため、ＳＦＱ回路は外来磁気ノイズに弱いという問題点もあった。

特許文献１では、モートを設けてそこに磁束トラップを意図的に誘導することにより、超伝導回路への磁束トラップ低減を図っている。しかし、この方法で一定の効果は得られるが、全ての磁束をモートにトラップできるわけではないため大規模超伝導集積回路を動作させるには十分でなく、さらに、磁束トラップの影響を除去するさらに効果が高い方法が望まれる。

特許文献２では、超伝導グランドプレーン膜の膜厚方向の一部に、非超伝導領域を設けることによりモートと同様の効果を期待しているが、グランドプレーンによる超伝導接続が途切れるわけではないため、効果は限定的であった。

特許文献３では、抵抗接続される回路ブロックはジョセフソン接合の総接合数が５０００程度であり、各回路ブロックは超伝導ループを複数有すると共にブロック内の電流は超伝導電流であり、回路ブロック間は超伝導電流を分断して接続されている。しかし、個々の超伝導ループの超伝導を切断するわけではないので、磁束トラップに対する効果は期待できない。さらに、磁束トラップに対する効果が高い手法が望まれる。

特許文献４では、回路ブロックの超伝導グランドプレーンを周辺から分離している。しかし、個々の超伝導ループを分離しているわけではないので、磁束トラップに対する効果は期待できない。

本発明は、これらの問題を解決しようとするものであり、単一磁束量子を情報媒体とする超伝導集積回路において、磁束トラップが作る循環電流の流れがジョセフソン接合に影響を与えない構造を提供することを目的とする。

本発明は、前記目的を達成するために、以下の特徴を有する。

本発明の超伝導集積回路は、単一磁束量子を情報媒体とする超伝導集積回路であって、回路平面上にある超伝導リングの一部を常伝導体で置換した、超伝導リングの断線された回路を有することを特徴とする。

本発明の超伝導集積回路は、単一磁束量子を情報媒体とする超伝導集積回路であって、超伝導配線だけで超伝導リングを構成する超伝導リングにおいて、前記超伝導配線の一部を常伝導体で置換した、超伝導リングの断線された回路を有することを特徴とする。

本発明の超伝導集積回路は、単一磁束量子を情報媒体とする超伝導集積回路であって、超伝導グランドプレーンと、前記超伝導グランドプレーンと別層に配置された超伝導配線とジョセフソン接合と超伝導グランドプレーンへのコンタクトを備え、少なくとも前記超伝導配線と前記超伝導グランドプレーンから構成される超伝導リングであり、かつ超伝導リングのインダクタンスと超伝導リング中に含まれる最小ジョセフソン接合の臨界電流値の積が単一磁束量子の値より小さくリング中に単一磁束量子を保持できない超伝導リングにおいて、前記超伝導配線の一部を常伝導体で置換した、超伝導リングの断線された回路を有することを特徴とする。

本発明の超伝導集積回路は、単一磁束量子を情報媒体とする超伝導集積回路であって、超伝導グランドプレーンと、前記超伝導グランドプレーンと別層に配置された超伝導配線とジョセフソン接合と超伝導グランドプレーンへのコンタクトを備え、少なくとも前記超伝導配線と前記超伝導グランドプレーンから構成される超伝導リングであり、かつ超伝導リングのインダクタンスと超伝導リング中に含まれる最小ジョセフソン接合の臨界電流値の積が単一磁束量子の値より小さくリング中に単一磁束量子を保持できない超伝導リングにおいて、少なくとも前記コンタクトを含む領域を囲むグランドプレーンの超伝導体を一部常伝導体で置換することにより、前記領域を領域外と超伝導的に分離することを特徴とする。

本発明の超伝導集積回路は、単一磁束量子を情報媒体とする超伝導集積回路であって、超伝導グランドプレーンと、前記超伝導グランドプレーンと別層に配置された超伝導配線とジョセフソン接合と超伝導グランドプレーンへのコンタクトを備え、少なくとも前記超伝導配線と前記超伝導グランドプレーンから構成される超伝導リングであり、かつ超伝導リングのインダクタンスと超伝導リング中に含まれる最小ジョセフソン接合の臨界電流値の積が単一磁束量子の値より大きくリング中に単一磁束量子を保持できる超伝導リングにおいて、少なくとも前記超伝導配線の直下を含む領域を囲むグランドプレーンの超伝導体を一部常伝導体で置換することにより、前記領域を領域外と超伝導的に分離することを特徴とする。

本発明の超伝導集積回路は、単一磁束量子を情報媒体とする超伝導集積回路であって、少なくとも超伝導配線と超伝導グランドプレーンから構成される超伝導リングが複数個連結された構造において、少なくとも前記超伝導配線の直下を含む領域を囲むグランドプレーンの超伝導体を一部常伝導体で構成することにより、前記領域を領域外と超伝導的に分離することを特徴とする。また、少なくとも前記超伝導配線と前記超伝導グランドプレーンから構成される超伝導リングが複数個連結された構造において、前記連結部分の超伝導配線の一部を常伝導体で構成することにより超伝導が途切れ超伝導リングが消失する領域で、前記グランドプレーンの超伝導体を一部常伝導体で構成する構造を閉じることを特徴とする。

本発明の超伝導集積回路は、前記グランドプレーンを下層常伝導層と上層超伝導層の二層とし、上層超伝導層が存在せずかつ下層常伝導層により電気的導通が取れた溝が形成されたグランドプレーンを有することを特徴とする。

本発明によれば、ＳＦＱ回路において圧倒的に高い確率で発生する回路平面上の磁束トラップの影響を大幅に削減することができるので、ＳＦＱ回路の信頼性が飛躍的に向上する。また、外来磁気ノイズに対するＳＦＱ回路の耐性を大幅に向上することができる。本発明では、高価な磁気シールドが不要である。

本発明のように、超伝導配線から構成される超伝導リングの一部を常伝導体で置き換えた構造により、超伝導リングは超伝導リングでなくなるため、磁束トラップや外部磁場の影響を除外できる。

本発明のように、グランドコンタクトを囲むように、超伝導グランドプレーンを一部除去して、常伝導グランドプレーンで電気的導通を確保しつつ超伝導体で接続されない溝を配置するので、磁束トラップや外来磁気ノイズによる超伝導電流がジョセフソン接合に流れ込むことが無くなり、回路平面への磁束トラップや外来磁気ノイズの影響が排除されたＳＦＱ回路が構成できる。

本発明のように、少なくとも超伝導配線を囲む領域のグランドプレーンの超伝導体を一部常伝導体で置き換えた構造にすることにより、溝で囲まれた領域の外側のグランドプレーンにトラップされた磁束が作る超伝導電流がジョセフソン接合を流れる経路が存在しなくなり、磁束トラップによるＳＦＱ回路への影響を大幅に低減できる。一方、ＳＦＱが保持される超伝導ループは影響を受けないことから、ＳＦＱ回路の動作が阻害されることはない。

本発明のように、ジョセフソン接合とグランドコンタクトを含む全ての超伝導配線を、グランドプレーンに設けた超伝導グランドプレーンを除去して常伝導グランドプレーンで電気的導通を確保した溝で囲っている構造とすることにより、ＳＦＱが伝搬する経路に一切抵抗体が入らない構造とすることができるため、磁束トラップや外来磁気ノイズの影響を軽減しつつ、ＳＦＱ回路をより安定して動作させることが可能となる。

本発明のように、超伝導配線の一部を常伝導体配線で置き換えた構造とすることにより、ＳＦＱを伝搬する経路の超伝導配線が途切れ超伝導リングが消失する領域でグランドプレーンの超伝導体を一部常伝導体で置換する構造を閉じることができ、回路をブロックに分けて設計できるなど設計上の利便性が向上する。

本発明のように、グランドプレーンを下層常伝導層と上層超伝導層の二層とし、上層超伝導層が存在せずかつ下層常伝導層により電気的導通が取れた溝を形成することにより、前記グランドプレーンの超伝導体を一部常伝導体で置き換えた構造が容易に構成でき、かつ前記グランドプレーンの超伝導体を一部常伝導体で置き換えた構造の構造的、電気的な影響を最小化できる。

磁束トラップの影響を説明する模式図である。左図は磁束トラップが超伝導配線のコの字の内側にある場合、右図は磁束トラップがコの字外側にある場合を示す。 第１の実施の形態の、超伝導配線を常伝導体で置き換えた構造を模式的に示す図である。上段は、ＳＦＱ回路の一例、下段は、上段のＡ−Ａ’断面図を示す模式図である。 第２の実施の形態の、超伝導コンタクトを囲む領域のグランドプレーンの超伝導体を一部常伝導体で置き換えた構造を模式的に示す図である。上段は、第２タイプの超伝導リングの例、下段は、上段のＡ−Ａ’断面図を示す模式図である。 第３の実施の形態の、少なくとも超伝導配線を囲む領域のグランドプレーンの超伝導体を一部常伝導体で置き換えた構造を模式的に示した図である。上段は、第３のタイプの超伝導リングの例、下段は、上段のＡ−Ａ’断面図を示す模式図である。 第３の実施の形態の、超伝導配線と超伝導グランドプレーンが作る超伝導リングを説明するための図である。 第４の実施の形態の、グランドプレーンの超伝導体を一部常伝導体で置き換えた構造を模式的に示す図である。上段は、第２タイプや第３のタイプの超伝導リングが複数個連結された例で、下段は上段のＡ−Ａ’断面図を示す模式図である。 第５の実施の形態の、ＳＦＱを伝搬する経路の超伝導配線の一部に常伝導体配線を用いた配線構造を模式的に示した図である。上段は、第２タイプや第３のタイプの超伝導リングが複数個連結された例で、下段は、上段のＡ−Ａ’断面図を示す模式図である。 従来のＳＦＱ回路を説明する図である。

本発明の実施の形態について以下説明する。

本発明では、単一磁束量子を複数備える超伝導集積回路において、従来は超伝導リングであったが超伝導リングである必要のない超伝導リングの超伝導体に、断線部分や溝を設けて、常伝導体で置き換える。超伝導体としては、超伝導配線や超伝導グランドプレーンが挙げられ、超伝導配線に断線部分を設けて常伝導体で置き換えたり、超伝導グランドプレーンに、ジョセフソン接合及びグランドコンタクトの周囲を取り囲む溝部、又は超伝導配線の真下（直下）のグランドプレーンを取り囲む溝部を設けて常伝導体で置き換えたりする。ここで、置き換えるとは、超伝導体を取り除いた箇所に常伝導体を形成することや、超伝導体を除去した箇所には絶縁物などを形成し常伝導体を超伝導体に接する構造で形成することや、超伝導体に接する層として常伝導体からなる層を設けておき超伝導体を一部除去することを含み、超伝導体による超伝導的接続に代えて常伝導体による電気的接続をとることを含む。

本発明では、単一磁束量子が保持される必要のない一部又は全部の超伝導リングにおいて、電気的導通がとれた状態で超伝導を断線する（第１、２の実施の形態参照）。また、本発明では、単一磁束量子が保持される超伝導リングにおいては、電気的導通がとれた状態で、超伝導リングを囲むグランドプレーンの超伝導体に欠如部を設け、超伝導リングの領域と領域外とを超伝導的に分離する（第３、４の実施の形態参照）。

本発明では、ＳＦＱ回路においてＸＹ平面上にある一部あるいは全部の超伝導リングの一部を常伝導体で置換し、ＸＹ平面上にある超伝導リングの数を減じた。

本発明では、超伝導配線だけで超伝導リングを構成する超伝導リングにおいて、超伝導配線の一部を常伝導体で置き換えた。

本発明では、超伝導配線と超伝導グランドプレーンから構成される超伝導リングであり、かつ超伝導リングのインダクタンスＬと超伝導リング中に含まれる最小ジョセフソン接合の臨界電流値Ｉ_cの積がＳＦＱの値Φ₀より小さくリング中にＳＦＱを保持できない超伝導リングにおいて、超伝導配線の一部を常伝導体で置き換えた。また、リング中にＳＦＱを保持できない超伝導リングにおいて、超伝導配線と超伝導グランドプレーン間の超伝導コンタクトを行うコンタクトホールを含む領域を囲むグランドプレーンの超伝導体を一部常伝導体で置き換えた。

本発明では、超伝導配線と超伝導グランドプレーンから構成される超伝導リングであり、かつ超伝導リングのインダクタンスＬと超伝導リング中に含まれる最小ジョセフソン接合の臨界電流値Ｉ_cの積が、ＳＦＱの値Φ₀より大きくリング中にＳＦＱを保持できる超伝導リングにおいて、少なくとも超伝導配線を囲む領域のグランドプレーンの超伝導体を一部常伝導体で置き換えた。

本発明では、超伝導配線と超伝導グランドプレーンから構成される超伝導リングが複数個連結された構造において、少なくとも超伝導配線を囲む領域のグランドプレーンの超伝導体を一部常伝導体で置き換えたまた、ＳＦＱを伝搬する経路の超伝導配線が途切れ超伝導リングが消失する領域でグランドプレーンの超伝導体を一部常伝導体で置換する構造を閉じた。ここで「超伝導リングが消失する領域」とは前記常伝導体で置き換えた部分の両端のジョセフソン接合の間の領域をいう。

グランドプレーンの超伝導体を一部常伝導体で置き換えた構造を実現するために、グランドプレーンを下層常伝導層と上層超伝導層の二層とし、一部の上層超伝導層を除去することにより、超伝導体が存在せずかつ電気的導通が取れた溝が形成されたグランドプレーンを設けることができる。

グランドプレーンとは、超伝導集積回路のほぼ全面に設けられ、ここにコンタクトを取ることにより接地機能を有する面のことをいう。

（第１の実施の形態）
本発明の実施の形態を図２を参照して説明する。本実施の形態は、超伝導リングが超伝導配線のみで構成される第１のタイプの超伝導リングの一部を常伝導体で置き換えた構造に関する。図２は、本実施の形態の、超伝導配線を常伝導体で置き換えた構造を模式的に示した図である。図２の上段は、図８のＳＦＱ回路の一例としてのシフトレジスタ回路の２ビット分に対応し、点線で囲った回路は、第１タイプの超伝導リングに対応する。下段は、上段のＡ−Ａ’断面図を模式的に示したものであり、上段のクロック入力の超伝導配線の一部を、常伝導配線を置き換えた具体的構造を示したものである。図中、黒い太線で、常伝導体で置き換えた位置を示す。具体的構造は、超伝導グランドプレーン１１／絶縁膜１２／超伝導配線１３／絶縁膜１４からなる構造の超伝導配線１３の一部を断線し（図中では絶縁膜で充填されている）、断線された超伝導配線を常伝導配線で接続するように、絶縁膜の貫通孔を介して常伝導配線を設けている。

具体的には、厚さ２００ｎｍの超伝導体Ｎｂで超伝導配線を形成し、その一部例えば長さ２μｍをエッチング除去し、超伝導を切断する。層間絶縁膜のＳｉＯ₂を２００ｎｍ成膜した後、エッチングでコンタクトホールを設ける。その上に常伝導体としてＭｏを３００ｎｍ成膜、加工することにより、前記Ｎｂの除去部分をＭｏで置き換える。これにより超伝導配線から構成される超伝導リングの一部を常伝導体で置き換えた本実施の形態の構造を形成する。この構造により、本リングは超伝導リングでなくなるため、磁束トラップや外部磁場の影響を除外できる。

常伝導体の材料として、Ｍｏに限らず、Ｐｄ、Ａｕなどを用いることができる。Ｍｏはフッ素系ガスを用いた反応性イオンエッチングで容易に加工できるため、作製の容易さの点でより好ましい。

（第２の実施の形態）
本発明の実施の形態を図３を参照して説明する。本実施の形態は、超伝導配線と超伝導グランドプレーンから構成される超伝導リングでありかつ超伝導リングのインダクタンスＬと超伝導リング中に含まれる最小ジョセフソン接合の臨界電流値Ｉ_cの積がＳＦＱの値Φ₀より小さくリング中にＳＦＱを保持できない「第２タイプの超伝導リング」（例：Ｌ₂Ｉ_c（Ｊ₁）＜Φ₀）に適用される。

図３は、超伝導配線と超伝導グランドプレーン間の超伝導コンタクトを行うコンタクトホールを含む領域を囲むグランドプレーンの超伝導体を一部常伝導体で置き換えた構造を模式的に示した図である。

図３の上段は、第２タイプの超伝導リング（図８参照）に対応する。図３では、超伝導グランドプレーン２１上に、上部超伝導配線（図示ではコの字状）２３と、上部超伝導配線２３の両端に、下部超伝導配線２４とジョセフソン接合７と、超伝導グランドプレーン２１へのコンタクト８とが設けられている。図３の下段は、上段のＡ−Ａ’断面図の構造を模式的に示したものである。断面の構造は、常伝導グランドプレーン２５／超伝導グランドプレーン２１／絶縁膜２２／上部超伝導配線２３からなる構造である。図３に示すように、上部超伝導配線２３と超伝導グランドプレーン２１間の超伝導コンタクト８を行うコンタクトホールを含む領域を囲むグランドプレーンの超伝導体を一部常伝導体で置き換えた構造である。図中、黒い太線で、常伝導体で置き換えた位置を示す。具体的構造は、常伝導グランドプレーン２５／超伝導グランドプレーン２１からなる２層構造のグランドプレーンのうちの超伝導グランドプレーン２１の一部を断線し（図中では絶縁膜で充填されている）、断線された超伝導グランドプレーンを常伝導グランドプレーンで接続している。

具体的には、超伝導リングは、膜厚２００ｎｍの常伝導体Ｍｏからなる常伝導グランドプレーンと２００ｎｍの超伝導体Ｎｂからなる超伝導グランドプレーンが積層された構造のグランドプレーンと、層間絶縁膜ＳｉＯ₂２２を介して超伝導グランドプレーン上に配置された２００ｎｍのＮｂからなる下部超伝導配線２４と、下部超伝導配線２４上に絶縁膜ＳｉＯ₂２２を介して積層された３００ｎｍのＮｂからなる上部超伝導配線２３から構成される。超伝導グランドプレーン２１と下部超伝導配線２４間は、層間絶縁膜ＳｉＯ₂２２を除去したコンタクトホールで接続を行う。また、下部超伝導配線２４と上部超伝導配線２３はＮｂ／ＡｌＯ_x／Ｎｂジョセフソン接合を用いて接続を行う。

上部超伝導配線である入力端から入力される電流は、ジョセフソン接合７、下部超伝導配線２４、グランドプレーンへのコンタクトを通ってグランドプレーンへ流れる。ここでジョセフソン接合７を流れる電流がジョセフソン接合の臨界電流値を越えるとジョセフソン接合がスイッチし、抵抗が発生するため、電流は上部超伝導配線の方に流れる。ここで、上部超伝導配線２３と超伝導グランドプレーン２１で構成される超伝導リングはＳＦＱを保持できない第２タイプの超伝導リングであるため、上部超伝導配線２３を通った電流は出力端にあるジョセフソン接合７をスイッチさせ、出力端から流れ出ていく。

この構造では、上部超伝導配線２３、ジョセフソン接合７、グランドコンタクト８、超伝導グランドプレーン２１を通ってＸＹ平面上に超伝導リングが形成されているため、超伝導グランドプレーン２１にトラップされた磁束が存在すると、この磁束が作る超伝導循環電流が前記超伝導リングを通って流れ、ジョセフソン接合７の臨界電流が実質的に小さくなり、ＳＦＱ回路の誤動作が発生する。

本実施の形態では、グランドコンタクト８のまわりのグランドプレーンの超伝導グランドプレーン２１のみを、例えば幅１μｍの領域で完全に除去することにより、常伝導グランドプレーン２５で電気的導通を確保しつつ超伝導体で接続されない溝が配置できる。この溝はグランドコンタクト８を囲っているため、ジョセフソン接合７を通る超伝導リングがＸＹ平面に存在しなくなる。これにより、磁束トラップや外来磁気ノイズによる超伝導電流がジョセフソン接合に流れ込むことが無くなり、ＸＹ平面への磁束トラップや外来磁気ノイズの影響が排除されたＳＦＱ回路が構成できる。

グランドプレーンの超伝導体を一部常伝導体で置き換える構造を実現するために、グランドプレーンを下層常伝導層と上層超伝導層の二層とし、一部の上層超伝導層を除去することにより超伝導体が存在せずかつ電気的導通が取れた溝が形成されたグランドプレーンを用いた。グランドプレーンを形成する常伝導層として、Ｍｏ膜の他、Ｐｄ、Ａｕなどを用いることができる。超伝導層として、Ｎｂの他、ＮｂＮ、ＮｂＴｉＮ、Ａｌ、Ｐｂ、Ｓｎ、ＭｇＢ₂、ＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_xなどの酸化物超伝導体などを用いることができる。そのうち、Ｎｂは加工性や安定性の点でより好ましい。

グランドプレーンの超伝導体を一部常伝導体で置き換えた構造を実現するためには、次のような方法を採用することもできる。例えば、基材上の超伝導グランドプレーンの一部に断線や溝を形成した後、常伝導体を充填したり、常伝導体の層を新たに設けたりして、電気的導通をとることもできる。また、基材上の超伝導グランドプレーンの一部に断線や溝を形成した後、一部または全部に常伝導体を含む超伝導配線とグランドコンタクトを用いて前記断線や溝をまたぐ配線を形成することにより、電気的導通をとることもできる。

本実施の形態では、超伝導リングを排除するためにグランドプレーンの超伝導グランドプレーンに形成する溝を利用したが、第１の実施の形態と同じく、上部超伝導配線２３の一部を常伝導体と置き換えることもできる。

（第３の実施の形態）
本発明の実施の形態を図４を参照して説明する。本実施の形態は、超伝導配線と超伝導グランドプレーンから構成される超伝導リングであり、かつ超伝導リングのインダクタンスＬと超伝導リング中に含まれる最小ジョセフソン接合の臨界電流値Ｉ_cの積がＳＦＱの値Φ₀より大きくリング中にＳＦＱを保持できる「第３のタイプの超伝導リング」（例：Ｌ₃Ｉ_c（Ｊ₃）＞Φ₀）に適用される。

図４は、本実施の形態の、少なくとも超伝導配線を囲む領域のグランドプレーンの超伝導体を一部常伝導体で置き換えた構造を模式的に示した図である。

図４の上段は、第３のタイプの超伝導リング（図８参照）に対応する。図４では、超伝導グランドプレーン３１上に、上部超伝導配線（図示ではコの字状）３３と、上部超伝導配線３３の両端に、下部超伝導配線３４とジョセフソン接合７と、超伝導グランドプレーン３１へのコンタクト８とが設けられている。図４の下段は、上段のＡ−Ａ’断面図を模式的に示したものであり、具体的構造は、常伝導グランドプレーン３５／超伝導グランドプレーン３１／絶縁膜３２／上部超伝導配線３３からなる構造であり、ＸＹ面で、上部超伝導配線３３を囲む位置に対応する超伝導グランドプレーン３１の超伝導を一部常伝導体で置き換えた構造を示したものである。図中、黒い太線で、常伝導体で置き換えた位置を示す。具体的構造は、常伝導グランドプレーン３５／超伝導グランドプレーン３１からなる２層構造のグランドプレーンのうちの超伝導グランドプレーン３１の一部を断線し（図中では絶縁膜で充填されている）、断線された超伝導グランドプレーン３１を常伝導グランドプレーン３５で接続している。

本実施の形態では、リング中にＳＦＱを保持するための超伝導リングであり、ＬＩ_c＞Φ₀の条件を満たしているので、ジョセフソン接合に流れる電流が臨界電流値を越えジョセフソン接合７がスイッチし抵抗が発生すると、電流は上部超伝導配線３３の方に流れる。この電流では出力端のジョセフソン接合はスイッチできないため、入力端のジョセフソン接合が超伝導状態にリセットされた後、上部超伝導配線３３、ジョセフソン接合７、下部超伝導配線３４、コンタクト８と超伝導グランドプレーン３１から構成される超伝導リングにＳＦＱが１個保持される。

図５は、保持されたＳＦＱが作る電流が流れる経路を示している。上部超伝導配線３３直下の超伝導グランドプレーン３１にはミラーカレントが流れるため、上部超伝導配線３３からジョセフソン接合７、下部超伝導配線３４、グランドコンタクト８を介して超伝導グランドプレーン３１に流れ込んだ電流は、図５に示されるように上部超伝導配線３３直下の超伝導グランドプレーンを通る超伝導リングを流れる時が最もエネルギー的に有利である。つまり、この場合の超伝導リングはＸＹ平面だけでなくＺ方向を含む３次元的な構造をとる。また、この３次元的な超伝導リングにより保持されるＳＦＱの向きは、トラップされた大半の磁束のＺ方向とは異なり、Ｘ方向もしくはＹ方向となる。

第２の実施の形態と同様、常伝導グランドプレーン３５と超伝導グランドプレーン３１が積層された構造の二層のグランドプレーンのうち、上層の超伝導グランドプレーン３１だけを除去した溝をグランドプレーンに設け、図４に示されるように、溝で、ジョセフソン接合７やグランドコンタクト８を含む上部超伝導配線３３及び下部超伝導配線３４を全て囲むことにより、ジョセフソン接合を流れる電流が通る超伝導リングを、ＳＦＱが保持される経路に限定することができる。これにより、溝で囲まれた領域の外側のグランドプレーンにトラップされた磁束が作る超伝導電流がジョセフソン接合を流れる経路が存在しなくなり、磁束トラップによるＳＦＱ回路への影響を大幅に低減できる。一方、ＳＦＱが保持される超伝導ループは影響を受けないことから、ＳＦＱ回路の動作が阻害されることはない。磁束トラップは、ＸＹ平面だけでなく、それと直行する方向にも生じる可能性があり、その場合、本構造は影響を受けるが、ＸＹ平面と比べてその直行する方向の断面積は著しく小さいため、そのような磁束トラップが生じる可能性は非常に小さい。

（第４の実施の形態）
本発明の実施の形態を図６を参照して説明する。

本実施の形態は、第２のタイプ及び第３のタイプの超伝導リングうちのいずれかが複数個連結された場合に適用される。

図６は、ジョセフソン接合とグランドコンタクトを含む全ての超伝導配線を囲むように、グランドプレーンの超伝導体を一部常伝導体で置き換えた構造を模式的に示した図である。

図６の上段は、第２タイプや第３のタイプの超伝導リングが複数個連結された模式図である。点線４０は複数個が連結されていることを省略したことを示している。図６では、グランドプレーンとして常伝導グランドプレーン４５の上に超伝導グランドプレーン４１を設け、超伝導グランドプレーン４１上に、上部超伝導配線（図示ではコの字状）４３と、上部超伝導配線４３の両端に、下部超伝導配線４４とジョセフソン接合７と、超伝導グランドプレーン４１へのコンタクト８とが設けられている。図６の下段は、上段のＡ−Ａ’断面図の構造を模式的に示したものであり、具体的構造は、常伝導グランドプレーン４５／超伝導グランドプレーン４１／絶縁膜４２／上部超伝導配線４３からなる構造である。図６に示すように、ジョセフソン接合７と、上部超伝導配線４３と超伝導グランドプレーン４１間の超伝導コンタクト８と、上部超伝導配線４３とを含む全ての超伝導配線を囲む位置で、グランドプレーンの超伝導体を常伝導体で置き換えた構造である。図中、黒い太線で、常伝導体で置き換えた位置を示す。具体的構造は、常伝導グランドプレーン４５／超伝導グランドプレーン４１からなる２層構造のグランドプレーンのうちの超伝導グランドプレーン４１の一部を断線し（図中では絶縁膜で充填されている）、断線された超伝導グランドプレーンを常伝導グランドプレーンで接続している。

本実施の形態のように、ジョセフソン接合とグランドコンタクトを含む全ての超伝導配線を、グランドプレーンに設けた超伝導グランドプレーンを除去し、常伝導グランドプレーンで電気的導通を確保した溝で囲っている構造とすることにより、ＳＦＱが伝搬する経路に一切抵抗体が入らない構造とすることができるため、磁束トラップや外来磁気ノイズの影響を軽減しつつ、ＳＦＱ回路をより安定して動作させることが可能となる。

（第５の実施の形態）
本発明の実施の形態を図７を参照して説明する。

本実施の形態は、第２のタイプ及び第３のタイプの超伝導リングうちのいずれかが複数個連結された場合に適用される。本実施の形態は第４の実施の形態と同様であるが、ＳＦＱを伝搬する経路の一部に常伝導体を用いた配線を配している。

図７は、ジョセフソン接合とグランドコンタクトと上部超伝導配線からなる複数の超伝導リングを囲むように、グランドプレーンの超伝導体を一部常伝導体で置き換えた構造、及びＳＦＱを伝搬する経路の超伝導配線の一部に常伝導体配線５０を用いた配線構造を模式的に示した図である。図７の上段は、第２タイプや第３のタイプの超伝導リングが複数個連結された模式図である。図７では、グランドプレーンとして常伝導グランドプレーン５５の上に超伝導グランドプレーン５１を設け、超伝導グランドプレーン５１上に、上部超伝導配線（図示ではコの字状）５３と、上部超伝導配線５３の両端に、下部超伝導配線とジョセフソン接合７と、超伝導グランドプレーン５１へのコンタクト８とが設けられている。図７の下段は、上段のＡ−Ａ’断面図の構造を模式的に示したものであり、具体的構造は、常伝導グランドプレーン５５／超伝導グランドプレーン５１／絶縁膜５２／上部超伝導配線５３からなる構造である。図７に示すように、ジョセフソン接合７と、上部超伝導配線５３と超伝導グランドプレーン５１間の超伝導コンタクト８と、上部超伝導配線５３とを含む超伝導リングを囲む位置で、グランドプレーンの超伝導体を常伝導体で置き換えた構造である。図中、黒い太線で、常伝導体で置き換えた位置を示す。具体的構造は、常伝導グランドプレーン５５／超伝導グランドプレーン５１からなる２層構造のグランドプレーンのうちの超伝導グランドプレーン５１の一部を断線し（図中では絶縁膜で充填されている）、断線された超伝導グランドプレーンを常伝導グランドプレーンで接続している。ＳＦＱを伝搬する経路である超伝導配線を、常伝導体配線５０で置き換えた構造で、超伝導リングを接続しているので、この常伝導体配線両端のジョセフソン接合７の間の領域が、ＳＦＱを伝搬する経路の超伝導配線が途切れ超伝導リングが消失する領域となる。本実施の形態では、ＳＦＱを伝搬する経路の超伝導配線が途切れ超伝導リングが消失する領域で、グランドプレーンの超伝導体を一部常伝導体で置換する構造を閉じている。

本実施の形態では、ＳＦＱを伝搬する経路の超伝導配線の一部を常伝導体配線で置き換えた構造を備えるので、超伝導配線が途切れる個所では、グランドプレーンに設けた超伝導グランドプレーンのみを除去した溝を閉じて、グランドプレーンを超伝導的に切断しても、ＳＦＱ回路動作は影響を受けない。このような個所を適宜配置することで、回路をブロックに分けて設計できるなど設計上の利便性が向上する。

なお、上記実施の形態等で示した例は、発明を理解しやすくするために記載したものであり、この形態に限定されるものではない。

本発明によれば、トラップされた磁束から影響を受けない信頼性の高いＳＦＱ回路を提供できるので、超高速かつ低消費電力デバイスとして、産業上有用である。

１、１１、２１、３１、４１、５１ 超伝導グランドプレーン
３、１３ 超伝導配線
７ ジョセフソン接合
８ グランドプレーンへのコンタクト
１２、１４、２２、３２、４２、５２ 絶縁膜
１５、５０ 常伝導配線
２３、３３、４３、５３ 上部超伝導配線
２４、３４、４４、５４ 下部超伝導配線
２５、３５、４５、５５ 常伝導グランドプレーン
４０ 複数接続の省略

Claims (8)

1. 単一磁束量子を情報媒体とする超伝導集積回路であって、回路平面上にある超伝導リングの一部を常伝導体で置換した、超伝導リングの断線された回路を有することを特徴とする超伝導集積回路。
2. 単一磁束量子を情報媒体とする超伝導集積回路であって、超伝導配線だけで超伝導リングを構成する超伝導リングにおいて、前記超伝導配線の一部を常伝導体で置換した、超伝導リングの断線された回路を有することを特徴とする超伝導集積回路。
3. 単一磁束量子を情報媒体とする超伝導集積回路であって、
   超伝導グランドプレーンと、前記超伝導グランドプレーンと別層に配置された超伝導配線とジョセフソン接合と超伝導グランドプレーンへのコンタクトを備え、
   少なくとも前記超伝導配線と前記超伝導グランドプレーンから構成される超伝導リングであり、かつ超伝導リングのインダクタンスと超伝導リング中に含まれる最小ジョセフソン接合の臨界電流値の積が単一磁束量子の値より小さくリング中に単一磁束量子を保持できない超伝導リングにおいて、前記超伝導配線の一部を常伝導体で置換した、超伝導リングの断線された回路を有することを特徴とする超伝導集積回路。
4. 単一磁束量子を情報媒体とする超伝導集積回路であって、
   超伝導グランドプレーンと、前記超伝導グランドプレーンと別層に配置された超伝導配線とジョセフソン接合と超伝導グランドプレーンへのコンタクトを備え、
   少なくとも前記超伝導配線と前記超伝導グランドプレーンから構成される超伝導リングであり、かつ超伝導リングのインダクタンスと超伝導リング中に含まれる最小ジョセフソン接合の臨界電流値の積が単一磁束量子の値より小さくリング中に単一磁束量子を保持できない超伝導リングにおいて、少なくとも前記コンタクトを含む領域を囲むグランドプレーンの超伝導体を一部常伝導体で置換することにより、前記領域を領域外と超伝導的に分離することを特徴とする超伝導集積回路。
5. 単一磁束量子を情報媒体とする超伝導集積回路であって、
   超伝導グランドプレーンと、前記超伝導グランドプレーンと別層に配置された超伝導配線とジョセフソン接合と超伝導グランドプレーンへのコンタクトを備え、
   少なくとも前記超伝導配線と前記超伝導グランドプレーンから構成される超伝導リングであり、かつ超伝導リングのインダクタンスと超伝導リング中に含まれる最小ジョセフソン接合の臨界電流値の積が単一磁束量子の値より大きくリング中に単一磁束量子を保持できる超伝導リングにおいて、少なくとも前記超伝導配線の直下を含む領域を囲むグランドプレーンの超伝導体を一部常伝導体で置換することにより、前記領域を領域外と超伝導的に分離することを特徴とする超伝導集積回路。
6. 単一磁束量子を情報媒体とする超伝導集積回路であって、
   少なくとも超伝導配線と超伝導グランドプレーンから構成される超伝導リングが複数個連結された構造において、少なくとも前記超伝導配線の直下を含む領域を囲むグランドプレーンの超伝導体を一部常伝導体で構成することにより、前記領域を領域外と超伝導的に分離することを特徴とする超伝導集積回路。
7. 少なくとも前記超伝導配線と前記超伝導グランドプレーンから構成される超伝導リングが複数個連結された構造において、前記連結部分の超伝導配線の一部を常伝導体で構成することにより超伝導が途切れ超伝導リングが消失する領域で、前記グランドプレーンの超伝導体を一部常伝導体で構成する構造を閉じることを特徴とする請求項６記載の超伝導集積回路。
8. 前記グランドプレーンを下層常伝導層と上層超伝導層の二層とし、上層超伝導層が存在せずかつ下層常伝導層により電気的導通が取れた溝が形成されたグランドプレーンを有することを特徴とする請求項４乃至７のいずれか１項記載の超伝導集積回路。

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