JP2838979B2 - 超伝導回路 - Google Patents

超伝導回路

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JP2838979B2 JP7057855A JP5785595A JP2838979B2 JP 2838979 B2 JP2838979 B2 JP 2838979B2 JP 7057855 A JP7057855 A JP 7057855A JP 5785595 A JP5785595 A JP 5785595A JP 2838979 B2 JP2838979 B2 JP 2838979B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は磁場の影響を受けるよう
な超伝導回路に関し、特に回路の動作に障害を与える磁
束トラップを完全に防止することができる超伝導回路に
関する。
【0002】
【従来の技術】超伝導回路は、超伝導体の超伝導臨界温
度以下の極低温で動作する回路である。超伝導回路を超
伝導臨界温度以下の極低温に冷却する際に外部磁界が超
伝導回路内に磁束量子を単位として取り込まれる現象が
ある。この現象は、磁束トラップと呼ばれ、トラップさ
れた磁束量子が作る磁場により回路の特性が変化し、回
路の誤動作につながる。
【0003】特に、ジョセフソン接合やジョセフソン接
合を含んだ超伝導ループから構成されるジョセフソン回
路素子は磁場に敏感なため、この様な磁束トラップを完
全に防止することが非常に重要である。
【0004】磁束トラップをさける従来の技術として、
第一に外部磁場自体を小さくして磁束トラップを少なく
する方法がある。これは、パーマロイ等の高速磁率の材
料からなる磁気シールドやマイスナー効果を利用した超
伝導磁気シールドを利用して外部磁場をかなりの程度遮
蔽する方法である。
【0005】第二の方法は、ジョセフソン集積回路自体
の構造を工夫して磁束トラップの影響を少なくする方法
である。これには、例えば磁場に影響されやすい素子の
周辺部の超伝導グランド面に溝(これをモートと呼ぶ)
を開け、この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磁場に影響されやすい素子の直
下のグランド面に磁束がトラップされにくくする方法で
ある。
【0006】図4に、この従来のモート構造を説明する
ための概略図を示す。詳しくは、特開昭57−1142
94号公報に記載されている。図4は、超伝導グランド
面1と磁場に影響されやすい素子として2つのジョセフ
ソン素子と超伝導ループと制御配線から構成される超伝
導量子干渉素子(SQUID)3と、その周辺部の超伝
導グランド面に形成されたモート4とから構成される。
【0007】モート4は、超伝導量子干渉素子3の周辺
部に超伝導量子干渉素子3を取り囲む様に配置されてい
るが、モート4の内と外での超伝導グランド面の電流の
連続性を得るために部分的にモートは切断されている。
この様に超伝導量子干渉素子3の周辺の超伝導グランド
面にモート構造を形成することで、このモートに磁束ト
ラップを集中させることで、超伝導量子干渉素子3の直
下の超伝導グランド面に磁束がトラップしにくくするこ
とができる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の技術の第一の方法では、例えば集積回路の一般
的な大きさである1cm角の大きさのチップに一個の磁束
量子もトラップしないようにするには、外部磁場を約
0.1マイクロガウス以下にする必要がある。しかし、
この様な低磁場環境を作ることはどのような磁気シール
ドを用いても非常に困難である。
【0009】また、従来の技術の第二の方法では、モー
トを磁束トラップを集中させるために用いているため、
モートを磁場に影響されやすい素子から一定の距離隔て
る必要がある。このため、高密度の配置を必要とする大
規模集積回路には使用することが困難であった。さら
に、この方式のモート構造では、モートに集中しない磁
束トラップもあるため完全に磁束トラップをなくすこと
が困難であった。
【0010】本発明の目的は、素子の高密度の配置を可
能にし、且つ磁束トラップを完全に防止することができ
る超伝導回路を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】 本発明の超伝導回路
は、超伝導グランド面と、超伝導グランド面の上方に配
置された磁場に敏感なジョセフソン回路素子とを含む超
伝導回路において、超伝導グランド面とジョセフソン回
路素子との間に超伝導グランド面と電気的に絶縁された
超伝導体を挿入し、超伝導体の面積が磁束量子を超伝導
体が常伝導状態にあったとき貫いていた全磁束量で除し
た値以下に設定されていることを特徴とする。また、ジ
ョセフソン回路素子のグランド端子は、超伝導グランド
面に接続されていることを特徴とする。
【0012】
【0013】
【作用】外部磁場の磁束密度をB、超伝導グランド面の
面積をS、磁束量子をΦ0 とすると、トラップされる磁
束の数はほぼBS/Φ0 に比例する。従って、外部磁場
Bのもとでは、一個のグランド面の面積をΦ0 /2B以
下に分割することで磁束トラップを完全に排除すること
ができる。このように一個のグランド面が常伝導状態の
時に、そのグランド面を貫く全磁束量をΦ0 /2以下に
することで、グランド面が超伝導に転移した時、磁束の
量子化条件から磁場は量子化されず、即ちトラップされ
ずにマイスナー効果により超伝導グランド面から完全に
排除される。
【0014】しかし、超伝導グランド面を完全に分割す
ると超伝導グランド面の電流の連続性が維持できなくな
る。従って、本発明の超伝導回路では、電流の連続性を
必要とする超伝導グランド面とマイスナー効果により磁
気シールドとして用いる超伝導グランド面を完全に分離
して、共に利用することで完全に磁束トラップを防ぎ且
つ電流の連続性も得られる超伝導回路を実現することが
できる。
【0015】本発明の第1の超伝導回路では、1つの超
伝導グランド面を部分的に完全に分離することで、超伝
導グランド面の電流の連続性と磁気シールドという2つ
の役割を実現している。
【0016】本発明の第2の超伝導回路では、超伝導グ
ランド面の上方に磁気シールドのための超伝導体を新た
に挿入することで、超伝導グランド面の電流の連続性と
磁気シールドという2つの役割を実現している。
【0017】この様に分離した超伝導グランド面または
超伝導体には、磁束はトラップしないため、これらを高
密度に配置することができる。この際、分離した超伝導
グランド面または超伝導体間は超伝導体のコヒーレンス
長程度と非常に小さな距離だけ離しておけば良いので素
子を高密度に配置することができる。
【0018】
【実施例】次に、本発明について図面を参照して説明す
る。図1は本発明の第1の超伝導回路の第1の実施例を
説明するための概略図である。
【0019】本実施例は、超伝導グランド面1と電気的
に分離された超伝導グランド面2とその上方にSiO2
絶縁層を介して配置された超伝導量子干渉素子3から構
成される。超伝導量子干渉素子3は、2個のジョセフソ
ン接合と超伝導ループと制御配線とバイアス電流入力端
子とグランド端子とから形成されている。グランド端子
は、超伝導グランド面1に電気的に接続されている。
【0020】超伝導量子干渉素子自体は、IBM Jo
urnal of Research and Dev
elopment(アイビーエム ジャーナル オブ
リサーチ アンド デベロップメント)、vol.2
4,no.2,p.130,1980に詳細に記載され
ている。
【0021】本実施例では、外部磁場Bの大きさが1m
G(ミリガウス)であると想定して、BS<Φ0 /2よ
り電気的に分離された超伝導グランド面2の面積Sは約
1×10-6m 2 (100μm 角)以下に設計されてい
る。1mG程度の外部磁場は1重のパーマロイの磁気シ
ールドを使用すれば容易に実現することができる。超伝
導量子干渉素子3のジョセフソン接合と超伝導ループか
らなる磁場に敏感な領域は電気的に分離された超伝導グ
ランド面2の内側の上方に配置されている。超伝導グラ
ンド面1と超伝導グランド面2は、幅0.5μm の溝5
により電気的に完全に分離されている。
【0022】本実施例によれば、磁場に敏感なジョセフ
ソン接合と超伝導ループは電気的に分離された超伝導グ
ランド面2の上方に配置され、超伝導グランド面2は1
mG程度の外部磁場に対しては完全に磁束トラップを防
ぐことができるように設計されているため、超伝導量子
干渉素子3は完全に磁束トラップの影響を受けず、且つ
超伝導量子干渉素子3のグランド端子は超伝導グランド
面1に電気的に接続されているため、超伝導グランド面
1をバイアス電流の復路として利用することができると
いう効果がある。
【0023】本実施例では、磁場に敏感なジョセフソン
回路素子として超伝導量子干渉素子を用いたが、ジョセ
フソン接合又は超伝導ループ等から構成される任意のジ
ョセフソン回路素子を用いても同様の効果を得ることが
できる。また、本実施例では、外部磁場の大きさを1m
Gとして設計したが、任意の外部磁場の大きさBに対し
て電気的に分離された超伝導グランド面2の面積SをS
<Φ0 /2Bできまる値以下に設計しておけば、任意の
外部磁場の大きさに対して同様の効果がある。
【0024】本実施例では、溝の幅は、現在のリソグラ
フィ技術により容易に実現できる値として0.5μm を
用いたが、コヒーレンス長以上の値であれば同様の効果
を得ることができる。コヒーレンス長は、種々の物質に
ついて知られており、例えばNb(ニオブ)のコヒーレ
ンス長は約0.038μm である。
【0025】図2は本発明の第1の超伝導回路の第2の
実施例を説明するための概略図である。本実施例は、超
伝導グランド面1と電気的に分離された複数個の超伝導
グランド面2とその上方にSiO2 絶縁層を介して配置
されたジョセフソン記憶セルアレイ6と記憶セルアレイ
を駆動する4個のドライバ回路7とから構成される。記
憶セルアレイ6は4個の磁束量子転移型記憶セル8から
構成されている。磁束量子転移型記憶セルは、複数個の
ジョセフソン接合と超伝導ループから構成されるが、詳
しくはJournal of Applied Phy
sics(ジャーナル オブ アプライド フィジック
ス),vol.65,p.851,1989に記載され
ている。ドライバ回路7は、複数個のジョセフソン接合
と抵抗から構成される抵抗結合型極性切換型ドライバ回
路で、詳しくはIEICE Transactions
on Electronics(アイイーアイシーイ
ートランザクションス オン エレクトロニクス),v
ol.E77−c,p.1176,1994に記載され
ている。
【0026】本実施例では、記憶セルアレイ6の直下の
超伝導グランド面2は格子状の溝により完全に4つに分
割されている。個々の磁束量子転移型記憶セル8は超伝
導グランド面への電気的な接続を必要としないため、こ
の様に超伝導グランド面を完全に分割することができ
る。
【0027】本実施例では、記憶セルアレイ6として磁
束量子転移型記憶セル8を用いたが、記憶セル自体が超
伝導グランド面への電気的な接続を必要としないもので
あれば、どのような構造の記憶セルでも用いることがで
きる。また、本実施例ではドライバ回路を用いたが、任
意の論理回路を用いることもできる。
【0028】本実施例においても、電気的に分離された
超伝導グランド面2の個々の面積S及び溝の幅を実施例
1と同様に設計することで、実施例1の効果と同様の効
果を得ることができる。また、本実施例では、記憶セル
を4個配置してその直下の超伝導グランド面2も4個に
分割したが、多数の記憶セルを配置した大規模記憶回路
に於いても、個々の記憶セルに対応して直下の超伝導グ
ランド面を分割すれば同様の効果を得ることができる。
本実施例の記憶セルアレイ6の直下の超伝導グランド面
2及び溝4には磁束はトラップしないため記憶セルを高
密度に配置することができるという効果がある。
【0029】図3は本発明の第2の超伝導回路の第1の
実施例を説明するための断面概略図である。本実施例
は、超伝導グランド面1と超伝導グランド面1の上方に
配置された磁場に敏感な超伝導量子干渉素子3と、超伝
導グランド面1と超伝導量子干渉素子3との間に超伝導
グランド面1とは電気的に絶縁された所定の面積を有す
る超伝導体9が挿入されている。また超伝導量子干渉素
子3と超伝導体9の間及び超伝導体9と超伝導グランド
面1の間には絶縁層が形成されている。超伝導量子干渉
素子3のグランド端子は、超伝導グランド面1に電気的
に接続されている。従って、電流の連続性は超伝導グラ
ンド面1により得られ、マイスナー効果による完全な磁
気シールドは超伝導体9により実現されている。
【0030】本実施例においても、電気的に分離された
超伝導体9の面積Sを実施例1と同様に設計すること
で、実施例1の効果と同様の効果を得ることができる。
さらに、本実施例では、超伝導グランド面1は全く分割
されていないため、インダクタンスのより低い良好な超
伝導グランド面を実現することができるという効果があ
る。
【0031】
【発明の効果】以上説明した様に本発明により、電流の
連続性といったグランド面本来の役割を持つ超伝導グラ
ンド面と、マイスナー効果により磁気シールドとして役
割を持つ超伝導グランド面を完全に分離して共に利用す
ることで、素子の高密度の配置を可能にし、且つ磁束ト
ラップを完全に防止することができる超伝導回路を実現
することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の超伝導回路の第1の実施例を説
明するための概略図。
【図2】本発明の第1の超伝導回路の第2の実施例を説
明するための概略図。
【図3】本発明の第2の超伝導回路の第1の実施例を説
明するための断面概略図。
【図4】従来の技術を説明するための概略図。
【符号の説明】
1 超伝導グランド面 2 電気的に分離された超伝導グランド面 3 超伝導量子干渉素子 4 モート 5 溝 6 記憶セルアレイ 7 抵抗結合型極性切換型ドライバ回路 8 磁束量子転移型記憶セル 9 超伝導体
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 39/00 H01L 39/22 - 39/24 H01L 27/18

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】超伝導グランド面と、前記超伝導グランド
    面の上方に配置された磁場に敏感なジョセフソン回路素
    子とを含む超伝導回路において、前記超伝導グランド面
    と前記ジョセフソン回路素子との間に前記超伝導グラン
    ド面と電気的に絶縁された超伝導体を挿入し、前記超伝
    導体の面積が磁束量子を前記超伝導体が常伝導状態にあ
    ったとき貫いていた全磁束量で除した値以下に設定され
    ていることを特徴とする超伝導回路。
  2. 【請求項2】前記ジョセフソン回路素子のグランド端子
    は、超伝導グランド面に接続されていることを特徴とす
    る請求項1記載の超伝導回路。
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