JP2740460B2 - 超電導回路 - Google Patents
超電導回路Info
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- JP2740460B2 JP2740460B2 JP6303769A JP30376994A JP2740460B2 JP 2740460 B2 JP2740460 B2 JP 2740460B2 JP 6303769 A JP6303769 A JP 6303769A JP 30376994 A JP30376994 A JP 30376994A JP 2740460 B2 JP2740460 B2 JP 2740460B2
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- Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、段差部を有する絶縁体
上に超電導薄膜を形成し、この段差部が超電導弱結合部
として機能する段差型ジョセフソン接合を用いた超電導
回路の構成に関する。
上に超電導薄膜を形成し、この段差部が超電導弱結合部
として機能する段差型ジョセフソン接合を用いた超電導
回路の構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】段差型ジョセフソン接合を用いた応用に
ついては，たとえばアップライド フィズィックス レ
ターズ 第６０巻 １９９２年 第３０４８頁から第３
０５０頁（Applied Physics Letters 60 (1992) 3048-3
050）等に記載されている。
ついては，たとえばアップライド フィズィックス レ
ターズ 第６０巻 １９９２年 第３０４８頁から第３
０５０頁（Applied Physics Letters 60 (1992) 3048-3
050）等に記載されている。
【０００３】この文献に示された技術は段差型ジョセフ
ソン接合を用いてｄｃ−ＳＱＵＩＤ（Superconducting
Quantum Interference Device；超電導量子干渉素子）
を作製した例が開示されている。
ソン接合を用いてｄｃ−ＳＱＵＩＤ（Superconducting
Quantum Interference Device；超電導量子干渉素子）
を作製した例が開示されている。
【０００４】すなわち、ＳｒＴｉＯ3またはＬａＡｌＯ3
からなる絶縁性基板上に高さ０．３〜０．４μｍの段差
が形成され、この基板上に前記段差高さより低い値の膜
厚１５０ｎｍでＹＢａ2Ｃｕ3Ｏxからなる酸化物超電導
体の超電導薄膜が形成され、この超電導薄膜は環状のパ
ターンからなり前記段差部を２箇所で乗り越えている。
これらは前記段差部において超電導弱結合部、すなわち
ジョセフソン接合として機能している。
からなる絶縁性基板上に高さ０．３〜０．４μｍの段差
が形成され、この基板上に前記段差高さより低い値の膜
厚１５０ｎｍでＹＢａ2Ｃｕ3Ｏxからなる酸化物超電導
体の超電導薄膜が形成され、この超電導薄膜は環状のパ
ターンからなり前記段差部を２箇所で乗り越えている。
これらは前記段差部において超電導弱結合部、すなわち
ジョセフソン接合として機能している。
【０００５】この従来例はジョセフソン接合を２つ含む
例を示すものであり、しかも超電導薄膜はこれらのジョ
セフソン接合を通る直線により２つの領域に分けられる
が、これ以上の多くのジョセフソン接合を用いたりある
いはこれら２つの超電導薄膜の領域をジョセフソン接合
を介さずに接続するという、より複雑な超電導回路を作
製する試みはなされていない。従って多数のジョセフソ
ン接合を含む超電導回路を作製する際の問題点が考察さ
れていなかった。
例を示すものであり、しかも超電導薄膜はこれらのジョ
セフソン接合を通る直線により２つの領域に分けられる
が、これ以上の多くのジョセフソン接合を用いたりある
いはこれら２つの超電導薄膜の領域をジョセフソン接合
を介さずに接続するという、より複雑な超電導回路を作
製する試みはなされていない。従って多数のジョセフソ
ン接合を含む超電導回路を作製する際の問題点が考察さ
れていなかった。
【０００６】すなわち、段差型ジョセフソン接合を用い
た超電導回路では、段差部は高さの異なる２つの半平
面、上面と下面の境界に形成されるため、元々任意の位
置にジョセフソン接合を配置することが困難であるとい
う問題を有するが、さらに超電導薄膜が段差部を乗り越
えるときに常にジョセフソン接合が形成されるため段差
部を形成する上面と下面とをジョセフソン接合を含まな
い超電導配線で接続することがむずかしく、従って段差
型ジョセフソン接合を用いた複雑な超電導回路を実現す
るためにはレイアウト設計上大きな制約を受けるという
問題を有する。
た超電導回路では、段差部は高さの異なる２つの半平
面、上面と下面の境界に形成されるため、元々任意の位
置にジョセフソン接合を配置することが困難であるとい
う問題を有するが、さらに超電導薄膜が段差部を乗り越
えるときに常にジョセフソン接合が形成されるため段差
部を形成する上面と下面とをジョセフソン接合を含まな
い超電導配線で接続することがむずかしく、従って段差
型ジョセフソン接合を用いた複雑な超電導回路を実現す
るためにはレイアウト設計上大きな制約を受けるという
問題を有する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】段差部を境界として絶
縁体表面は高さの高い上面と高さの低い下面の２つの領
域に分けられるが、段差部を乗り越える超電導薄膜の性
質は、段差の高さ、段差の角度に依存する。すなわち、
段差の高さが高く、角度が急峻であるほどその超電導性
は弱められ、超電導弱結合部が形成され、従ってこの箇
所はジョセフソン接合として機能する。一方、２つの超
電導領域間を超電導配線で接続するためには、接合部の
超電導性を強める必要がある。従って段差部で分けられ
た上面、下面の２つの領域をある箇所ではジョセフソン
接合として、また、ある箇所では超電導配線として接続
するためには、段差の高さ、段差の角度を接続箇所によ
って変え、結合の強さを調整しなければならないが、こ
のようにした場合、段差作製のために多数の工程を要し
てしまうことになる。
縁体表面は高さの高い上面と高さの低い下面の２つの領
域に分けられるが、段差部を乗り越える超電導薄膜の性
質は、段差の高さ、段差の角度に依存する。すなわち、
段差の高さが高く、角度が急峻であるほどその超電導性
は弱められ、超電導弱結合部が形成され、従ってこの箇
所はジョセフソン接合として機能する。一方、２つの超
電導領域間を超電導配線で接続するためには、接合部の
超電導性を強める必要がある。従って段差部で分けられ
た上面、下面の２つの領域をある箇所ではジョセフソン
接合として、また、ある箇所では超電導配線として接続
するためには、段差の高さ、段差の角度を接続箇所によ
って変え、結合の強さを調整しなければならないが、こ
のようにした場合、段差作製のために多数の工程を要し
てしまうことになる。
【０００８】段差部を境界として形成された上面、下面
の領域を超電導配線として接続する他の方法は、接続の
配線幅を広くし、最大超電導電流値を他のジョセフソン
接合部よりも大きくし、これより弱結合特性が現れない
ようにすることであるが、このようにした場合、配線の
占める面積が大きくなり、集積性が劣化するという問題
が生じることになる。
の領域を超電導配線として接続する他の方法は、接続の
配線幅を広くし、最大超電導電流値を他のジョセフソン
接合部よりも大きくし、これより弱結合特性が現れない
ようにすることであるが、このようにした場合、配線の
占める面積が大きくなり、集積性が劣化するという問題
が生じることになる。
【０００９】本発明はこのような事情に基づいてなされ
たものであり、その目的は、レイアウト設計上の制約を
緩和し、かつ工程数や集積性を著しく損なわずに、多数
の段差型ジョセフソン接合を用いた回路構成の複雑な超
電導回路を提供することにある。
たものであり、その目的は、レイアウト設計上の制約を
緩和し、かつ工程数や集積性を著しく損なわずに、多数
の段差型ジョセフソン接合を用いた回路構成の複雑な超
電導回路を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、
以下のとおりである。
発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、
以下のとおりである。
【００１１】手段１． 段差が形成された絶縁基板面に該段差を跨って被着され
た超電導薄膜によって超電導素子が形成されたものであ
って、前記段差とその段差角度が同一の他の段差に跨っ
て被着された超電導薄膜によって超電導配線が形成さ
れ、この超電導配線は、少なくとも前記他の段差に、そ
の段差の高さ以上の膜厚を有して被着されていることを
特徴とするものである。
た超電導薄膜によって超電導素子が形成されたものであ
って、前記段差とその段差角度が同一の他の段差に跨っ
て被着された超電導薄膜によって超電導配線が形成さ
れ、この超電導配線は、少なくとも前記他の段差に、そ
の段差の高さ以上の膜厚を有して被着されていることを
特徴とするものである。
【００１２】手段２．前記手段１において、前記超電導
素子を含む超電導薄膜と前記配線層を含む超電導薄膜と
をそれぞれ別工程で膜厚を異ならしめて形成することを
特徴とするものである。
素子を含む超電導薄膜と前記配線層を含む超電導薄膜と
をそれぞれ別工程で膜厚を異ならしめて形成することを
特徴とするものである。
【００１３】手段３． 前記手段１において、絶縁基板面に形成された段差は複
数備えるとともに、それらの各段差は全て同一の段差角
を有して構成されていることを特徴とするものである。
数備えるとともに、それらの各段差は全て同一の段差角
を有して構成されていることを特徴とするものである。
【００１４】
【作用】手段１のように構成した場合、超電導素子の形
成のために構成した段差の個所に拘らず自由に配線層と
して機能させることのできる超電導薄膜を形成すること
ができるようになる。
成のために構成した段差の個所に拘らず自由に配線層と
して機能させることのできる超電導薄膜を形成すること
ができるようになる。
【００１５】このように段差の個所に拘束されることな
く配線層を形成できることによって、多数の段差型ジョ
セフソン接合を含む複雑な回路構成を採用することがで
きるようになる。
く配線層を形成できることによって、多数の段差型ジョ
セフソン接合を含む複雑な回路構成を採用することがで
きるようになる。
【００１６】手段２のように構成した場合、その製造と
してわずか一工程分増加するだけで、上述した複雑な回
路構成を達成することができるようになる。
してわずか一工程分増加するだけで、上述した複雑な回
路構成を達成することができるようになる。
【００１７】手段３のように構成した場合、回路構成の
複雑化にともない段差の数も多くしなければならなくな
るが、それらの段差角は同一であることから、基板の表
面形状を複雑にする必要がなくなるという効果を奏す
る。
複雑化にともない段差の数も多くしなければならなくな
るが、それらの段差角は同一であることから、基板の表
面形状を複雑にする必要がなくなるという効果を奏す
る。
【００１８】
【実施例】以下本発明を実施例を用いて詳細に説明す
る。まず図１ないし図３を用いて一実施例を説明する。
本実施例は、超電導回路としてＱＦＰ（Quantum Flux P
arametron；量子磁束パラメトロン）を用いて多数決論
理回路を作製した例である。
る。まず図１ないし図３を用いて一実施例を説明する。
本実施例は、超電導回路としてＱＦＰ（Quantum Flux P
arametron；量子磁束パラメトロン）を用いて多数決論
理回路を作製した例である。
【００１９】図１は平面図である。ＳｒＴｉＯ3基板か
らなる絶縁体１の主表面に半直線Ｏ−Ａ、Ｏ−Ａ’、Ｏ
−Ｂ、Ｏ−Ｂ’に沿って高さｈ＝０．３μｍの段差が形
成されている。段差は通常の有機レジスト、光リソグラ
フィ、Ａｒイオンビームエッチングを用いて作製した。
図中、半平面Ａ−Ｏ−Ｂ’、Ａ’−Ｏ−Ｂが段差の上面
であり、半平面Ａ−Ｏ−Ｂ、Ａ’−Ｏ−Ｂ’が段差の下
面である。
らなる絶縁体１の主表面に半直線Ｏ−Ａ、Ｏ−Ａ’、Ｏ
−Ｂ、Ｏ−Ｂ’に沿って高さｈ＝０．３μｍの段差が形
成されている。段差は通常の有機レジスト、光リソグラ
フィ、Ａｒイオンビームエッチングを用いて作製した。
図中、半平面Ａ−Ｏ−Ｂ’、Ａ’−Ｏ−Ｂが段差の上面
であり、半平面Ａ−Ｏ−Ｂ、Ａ’−Ｏ−Ｂ’が段差の下
面である。
【００２０】この絶縁体１の上に酸化物超電導体ＹＢａ
2Ｃｕ3Ｏxからなる超電導薄膜２が形成されている。こ
の超電導膜２の形成方法としては、まず、段差高さ以上
（たとえば０．４μｍ）の厚さの超電導薄膜を全面に成
膜後、選択エッチングにより加工してジョセフソン接合
部以外の超電導配線部を形成した。次に、段差高さの１
／２の厚さ（たとえば０．１５μｍ）の超電導薄膜を全
面に成膜後、同様に選択エッチングにより加工してジョ
セフソン接合部のパターンを形成した。
2Ｃｕ3Ｏxからなる超電導薄膜２が形成されている。こ
の超電導膜２の形成方法としては、まず、段差高さ以上
（たとえば０．４μｍ）の厚さの超電導薄膜を全面に成
膜後、選択エッチングにより加工してジョセフソン接合
部以外の超電導配線部を形成した。次に、段差高さの１
／２の厚さ（たとえば０．１５μｍ）の超電導薄膜を全
面に成膜後、同様に選択エッチングにより加工してジョ
セフソン接合部のパターンを形成した。
【００２１】このような形成方法ではジョセフソン接合
部のパターンを後の工程で作製したので、エッチング加
工の際の膜質の損傷を抑えることができ、これよりバラ
ツキの少ない特性の優れたジョセフソン接合が得られる
ことが判った。
部のパターンを後の工程で作製したので、エッチング加
工の際の膜質の損傷を抑えることができ、これよりバラ
ツキの少ない特性の優れたジョセフソン接合が得られる
ことが判った。
【００２２】超電導薄膜２は乗り越え部分３ないし８で
段差を乗り越える。そのうちの乗り越え部分３における
図中ａ−ａ’に沿った断面図を図２に示す。同図におい
て段差から離れたところでは膜厚ｔ’＝０．４５μｍと
段差高さより厚いが、段差の近傍では超電導薄膜の膜厚
ｔ＝０．１５μｍと段差高さの１／２であり、また段差
の角度θ＝６０°と十分急峻な角度であるので、この箇
所は超電導弱結合部，すなわちジョセフソン接合として
機能する。同様に、乗り越え部分４、６、７もジョセフ
ソン接合として機能するようになっている。
段差を乗り越える。そのうちの乗り越え部分３における
図中ａ−ａ’に沿った断面図を図２に示す。同図におい
て段差から離れたところでは膜厚ｔ’＝０．４５μｍと
段差高さより厚いが、段差の近傍では超電導薄膜の膜厚
ｔ＝０．１５μｍと段差高さの１／２であり、また段差
の角度θ＝６０°と十分急峻な角度であるので、この箇
所は超電導弱結合部，すなわちジョセフソン接合として
機能する。同様に、乗り越え部分４、６、７もジョセフ
ソン接合として機能するようになっている。
【００２３】そして、乗り越え部分５における図中ｂ−
ｂ’に沿った断面図を図３に示す。超電導薄膜の膜厚は
ｔ’＝０．４５μｍと段差高さよりも厚いのでジョセフ
ソン接合は形成されず、超電導配線として機能する。
ｂ’に沿った断面図を図３に示す。超電導薄膜の膜厚は
ｔ’＝０．４５μｍと段差高さよりも厚いのでジョセフ
ソン接合は形成されず、超電導配線として機能する。
【００２４】超電導薄膜の膜厚を段差以上とすることに
よって配線層としての機能を有する理由としては以下の
ように考えられる。
よって配線層としての機能を有する理由としては以下の
ように考えられる。
【００２５】図４に示すように、超電導素子が段差部に
おいて粒界２０がその厚さ方向全てに形成されてしまう
ことに対して、超電導配線層の場合は、図５に示すよう
に、厚さ方向の一部にしか形成されないことにある。
おいて粒界２０がその厚さ方向全てに形成されてしまう
ことに対して、超電導配線層の場合は、図５に示すよう
に、厚さ方向の一部にしか形成されないことにある。
【００２６】そして、酸化物超電導体ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏx
の磁場侵入長はλ＝０．１４μｍであるので、条件ｔ’
＞２λが満足され，十分な磁場遮蔽効果が得られること
になる。けだし、超電導薄膜の膜厚に関し、十分な磁場
遮蔽効果を得るという立場からは膜厚は磁場侵入長以
上、表面と裏面の２面を考慮すれば磁場侵入長の２倍以
上とすることが望ましいことが判明しているからであ
る。
の磁場侵入長はλ＝０．１４μｍであるので、条件ｔ’
＞２λが満足され，十分な磁場遮蔽効果が得られること
になる。けだし、超電導薄膜の膜厚に関し、十分な磁場
遮蔽効果を得るという立場からは膜厚は磁場侵入長以
上、表面と裏面の２面を考慮すれば磁場侵入長の２倍以
上とすることが望ましいことが判明しているからであ
る。
【００２７】このように構成された超電導回路は、その
乗り越え部分３、４、５と、絶縁膜を介して形成された
酸化物超電導薄膜ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏxからなる励振線１４
とともにＱＦＰを形成するようになっている。
乗り越え部分３、４、５と、絶縁膜を介して形成された
酸化物超電導薄膜ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏxからなる励振線１４
とともにＱＦＰを形成するようになっている。
【００２８】入力端子９、９’、入力端子１０、１
０’、入力端子１１、１１’には電流の向きで論理値"
０"、"１"を表す入力電流Ａ、入力電流Ｂ、入力電流Ｃ
がそれぞれ入力されるようになっており、ＱＦＰはこれ
ら３入力信号の多数決を演算するようになっている。
０’、入力端子１１、１１’には電流の向きで論理値"
０"、"１"を表す入力電流Ａ、入力電流Ｂ、入力電流Ｃ
がそれぞれ入力されるようになっており、ＱＦＰはこれ
ら３入力信号の多数決を演算するようになっている。
【００２９】乗り越え部分６、５、８、７は２つのジョ
セフソン接合を含む超電導閉ループでありｄｃ−ＳＱＵ
ＩＤが形成されている。出力端子１２、１２’間には直
流定電流が印加されるようになっており、前記ＱＦＰに
おける出力を出力端子１３、１３’間の電圧として取り
出せるようになっている。
セフソン接合を含む超電導閉ループでありｄｃ−ＳＱＵ
ＩＤが形成されている。出力端子１２、１２’間には直
流定電流が印加されるようになっており、前記ＱＦＰに
おける出力を出力端子１３、１３’間の電圧として取り
出せるようになっている。
【００３０】なお、上述した実施例では、段差は半直線
Ｏ−Ａ、Ｏ−Ａ’、Ｏ−Ｂ、Ｏ−Ｂ’に沿って形成さ
れ、これにより領域において異なる２つの凹陥部が形成
された構成になる。すなわち、回路構成の複雑化にとも
ない段差の数も多くしなければならなくなるが、このよ
うに高さの異なる２つの面のみで構成することによっ
て、基板の表面形状を複雑にする必要がなくなるという
効果を奏する。
Ｏ−Ａ、Ｏ−Ａ’、Ｏ−Ｂ、Ｏ−Ｂ’に沿って形成さ
れ、これにより領域において異なる２つの凹陥部が形成
された構成になる。すなわち、回路構成の複雑化にとも
ない段差の数も多くしなければならなくなるが、このよ
うに高さの異なる２つの面のみで構成することによっ
て、基板の表面形状を複雑にする必要がなくなるという
効果を奏する。
【００３１】以上、説明したことから明らかとなるよう
に、本実施例のように多数のジョセフソン接合を含む複
雑な超電導回路では、レイアウト設計上、超電導配線部
が段差を乗り越えることが起こり得る。従来の段差型ジ
ョセフソン接合を用いた超電導回路では段差を乗り越え
る時必ずジョセフソン接合が形成されてしまうので、こ
のような場合、段差部の乗り越え部分の配線幅を広くす
る等の必要があり、集積性を損ねたりレイアウト設計上
問題が生じることになる。しかし本実施例に示したよう
に乗り越え部の超電導薄膜の膜厚を厚くすることによ
り、ジョセフソン接合としてではなく超電導配線として
機能できるので、レイアウト設計上の制約を緩和して複
雑な超電導回路を実現できることになる。
に、本実施例のように多数のジョセフソン接合を含む複
雑な超電導回路では、レイアウト設計上、超電導配線部
が段差を乗り越えることが起こり得る。従来の段差型ジ
ョセフソン接合を用いた超電導回路では段差を乗り越え
る時必ずジョセフソン接合が形成されてしまうので、こ
のような場合、段差部の乗り越え部分の配線幅を広くす
る等の必要があり、集積性を損ねたりレイアウト設計上
問題が生じることになる。しかし本実施例に示したよう
に乗り越え部の超電導薄膜の膜厚を厚くすることによ
り、ジョセフソン接合としてではなく超電導配線として
機能できるので、レイアウト設計上の制約を緩和して複
雑な超電導回路を実現できることになる。
【００３２】
【発明の効果】以上説明したように本発明の段差型ジョ
セフソン接合を用いた超電導回路は、膜厚の異なる超電
導薄膜を用いることにより、超電導薄膜の段差乗り越え
部分をジョセフソン接合としても超電導配線としても活
用できる。したがって、レイアウト設計上の制約を緩和
し、集積性や工程数を著しく損ねることなく、多数のジ
ョセフソン接合を含む複雑な超電導回路を提供できる。
セフソン接合を用いた超電導回路は、膜厚の異なる超電
導薄膜を用いることにより、超電導薄膜の段差乗り越え
部分をジョセフソン接合としても超電導配線としても活
用できる。したがって、レイアウト設計上の制約を緩和
し、集積性や工程数を著しく損ねることなく、多数のジ
ョセフソン接合を含む複雑な超電導回路を提供できる。
【図１】本発明による超電導回路の一実施例を示す平面
図である。
図である。
【図２】図１のａ−ａ’線における断面図である。
【図３】図１のｂ−ｂ’線における断面図である。
【図４】超電導素子としての機能を有する理由を示す図
である。
である。
【図５】超電導配線としての機能を有する理由を示す図
である。
である。
１…絶縁体、２…超電導薄膜、３〜８…乗り越え部分、
９〜１１，９’〜１１’…入力端子、１２〜１３，１
２’〜１３’…出力端子、１４…励振線。
９〜１１，９’〜１１’…入力端子、１２〜１３，１
２’〜１３’…出力端子、１４…励振線。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 深沢 徳海 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所 中央研究所内 (72)発明者 杉井 信之 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所 中央研究所内 (72)発明者 ▲高▼木 一正 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所 中央研究所内 (56)参考文献 特開 平５−251769（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−160448（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−297177（ＪＰ，Ａ)
Claims (3)
- 【請求項１】 段差が形成された絶縁基板面に該段差を
跨って被着された超電導薄膜によって超電導素子が形成
されたものであって、 前記段差とその段差角度が同一の他の段差に跨って被着
された超電導薄膜によって超電導配線が形成され、 この超電導配線は、少なくとも前記他の段差に、その段
差の高さ以上の膜厚を有して被着されていることを特徴
とする超電導回路。 - 【請求項２】 前記超電導素子を含む超電導薄膜と前記
配線層を含む超電導薄膜とをそれぞれ別工程で膜厚を異
ならしめて形成することを特徴とする請求項１記載の超
電導回路の製造方法。 - 【請求項３】 絶縁基板面に形成された段差は複数備え
るとともに、それらの各段差は全て同一の段差角を有し
て構成されていることを特徴とする請求項１記載の超電
導回路。
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Applications Claiming Priority (1)
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| JP6303769A JP2740460B2 (ja) | 1994-12-07 | 1994-12-07 | 超電導回路 |
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| JP6303769A Expired - Fee Related JP2740460B2 (ja) | 1994-12-07 | 1994-12-07 | 超電導回路 |
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- 1994-12-07 JP JP6303769A patent/JP2740460B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| JPH08162681A (ja) | 1996-06-21 |
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