JP2879010B2 - 超電導素子 - Google Patents
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03K—PULSE TECHNIQUE
- H03K19/00—Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits
- H03K19/02—Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits using specified components
- H03K19/195—Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits using specified components using superconductive devices
- H03K19/1952—Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits using specified components using superconductive devices with electro-magnetic coupling of the control current
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は超電導素子に関し、
より詳しくは単一磁束量子を情報媒体とし高速動作が可
能で低消費電力の超電導論理回路の基本となる超電導素
子に関する。
より詳しくは単一磁束量子を情報媒体とし高速動作が可
能で低消費電力の超電導論理回路の基本となる超電導素
子に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来より、超電導論理回路を構成する各
種の超電導素子が提案されている。特に、単一磁束量子
を情報単位とする超電導素子は高速動作が可能でかつ低
消費電力であり、現在多用されている半導体論理回路の
性能を大幅に上回るものとして期待されている。単一磁
束量子を論理回路における情報単位とする場合、単一磁
束量子の制御性の観点から、超電導素子として少なくと
も１個のジョセフソン接合を含む超電導ループ（超電導
量子干渉素子、以下ＳＱＵＩＤという）がしばしば用い
られる。そして、ＳＱＵＩＤを形成する超電導ループ内
に保持される単一磁束量子の有無を論理値の“１”また
は“０”に対応させる。
種の超電導素子が提案されている。特に、単一磁束量子
を情報単位とする超電導素子は高速動作が可能でかつ低
消費電力であり、現在多用されている半導体論理回路の
性能を大幅に上回るものとして期待されている。単一磁
束量子を論理回路における情報単位とする場合、単一磁
束量子の制御性の観点から、超電導素子として少なくと
も１個のジョセフソン接合を含む超電導ループ（超電導
量子干渉素子、以下ＳＱＵＩＤという）がしばしば用い
られる。そして、ＳＱＵＩＤを形成する超電導ループ内
に保持される単一磁束量子の有無を論理値の“１”また
は“０”に対応させる。
【０００３】このような超電導論理回路素子の例として
は、以下のようなものが知られている。例えば、ＩＥＥ
Ｅ ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ ＯＮ ＡＰＰＬＩＥＤ
ＳＵＰＥＲＣＯＮＤＵＣＴＩＶＩＴＹ 第１巻（１９
９１年），第１号，第３〜２８頁には、金属系の超電導
体を用いてジョセフソン接合を２個含む超電導ループ
（以下ｄｃ−ＳＱＵＩＤという）を作製し、論理値を規
定する基本要素素子として機能することが報告されてい
る。また、ＩＥＥＥ ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳＯＮ
ＡＰＰＬＩＥＤ ＳＵＰＥＲＣＯＮＤＵＣＴＩＶＩＴＹ
第５巻（１９９５年），第２号，第３４０１〜３４０
４頁にも、酸化物高温超電導体を用いてｄｃ−ＳＱＵＩ
Ｄを作製し、論理値を規定する基本要素素子として機能
することが報告されている。
は、以下のようなものが知られている。例えば、ＩＥＥ
Ｅ ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ ＯＮ ＡＰＰＬＩＥＤ
ＳＵＰＥＲＣＯＮＤＵＣＴＩＶＩＴＹ 第１巻（１９
９１年），第１号，第３〜２８頁には、金属系の超電導
体を用いてジョセフソン接合を２個含む超電導ループ
（以下ｄｃ−ＳＱＵＩＤという）を作製し、論理値を規
定する基本要素素子として機能することが報告されてい
る。また、ＩＥＥＥ ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳＯＮ
ＡＰＰＬＩＥＤ ＳＵＰＥＲＣＯＮＤＵＣＴＩＶＩＴＹ
第５巻（１９９５年），第２号，第３４０１〜３４０
４頁にも、酸化物高温超電導体を用いてｄｃ−ＳＱＵＩ
Ｄを作製し、論理値を規定する基本要素素子として機能
することが報告されている。
【０００４】上述した従来技術では、素子の安定動作を
得るためには、以下のような条件が要求される。（１）
論理値を規定するｄｃ−ＳＱＵＩＤを構成する２個のジ
ョセフソン接合の臨界電流がほぼ同じである必要があ
る。（２）論理値を規定するｄｃ−ＳＱＵＩＤにおける
外部磁場と内部磁場との関係を定めるパラメータである
インダクティブパラメータβL の最適範囲は３〜１０で
あり、通常、ｄｃ−ＳＱＵＩＤのループインダクタンス
は１０〜３０ｐＨ程度の小さな値である必要がある。
得るためには、以下のような条件が要求される。（１）
論理値を規定するｄｃ−ＳＱＵＩＤを構成する２個のジ
ョセフソン接合の臨界電流がほぼ同じである必要があ
る。（２）論理値を規定するｄｃ−ＳＱＵＩＤにおける
外部磁場と内部磁場との関係を定めるパラメータである
インダクティブパラメータβL の最適範囲は３〜１０で
あり、通常、ｄｃ−ＳＱＵＩＤのループインダクタンス
は１０〜３０ｐＨ程度の小さな値である必要がある。
【０００５】これらの条件に関して、第１の公知例のよ
うに金属系の超電導体を用いた超電導論理回路では、２
つのジョセフソン接合の臨界電流値をほぼ同じに作製す
る技術が確立されており、しかも超電導の積層化により
ループインダクタンスを小さくすることも比較的容易で
ある。しかし、金属系超電導体は、臨界温度が低いため
に、４．２Ｋという極低温でしか動作できないという問
題があった。
うに金属系の超電導体を用いた超電導論理回路では、２
つのジョセフソン接合の臨界電流値をほぼ同じに作製す
る技術が確立されており、しかも超電導の積層化により
ループインダクタンスを小さくすることも比較的容易で
ある。しかし、金属系超電導体は、臨界温度が低いため
に、４．２Ｋという極低温でしか動作できないという問
題があった。
【０００６】一方、第２の公知例のように酸化物高温超
電導体を用いた超電導論理回路では、金属系超電導体と
比較して臨界温度が高いため、動作温度の制限は少な
い。しかし、酸化物高温超電導体を用いた場合には、上
記の（１）および（２）の条件を満たすことは困難であ
る。すなわち、２つのジョセフソン接合について臨界電
流値などの素子特性が同一になるように作製する技術が
確立していないため、超電導論理素子を再現性よく作製
し、安定動作せることは困難であった。しかも、外部入
力手段と超電導素子とのインピーダンスの整合がとれて
おらず、高速動作をさせることが困難であった。また、
酸化物からなる超電導層の積層化技術は完全には確立し
ていないため１層の超電導層で素子を構成せざるを得な
いが、この場合に小さなループインダクタンス値を容易
に実現する手段が求められていた。
電導体を用いた超電導論理回路では、金属系超電導体と
比較して臨界温度が高いため、動作温度の制限は少な
い。しかし、酸化物高温超電導体を用いた場合には、上
記の（１）および（２）の条件を満たすことは困難であ
る。すなわち、２つのジョセフソン接合について臨界電
流値などの素子特性が同一になるように作製する技術が
確立していないため、超電導論理素子を再現性よく作製
し、安定動作せることは困難であった。しかも、外部入
力手段と超電導素子とのインピーダンスの整合がとれて
おらず、高速動作をさせることが困難であった。また、
酸化物からなる超電導層の積層化技術は完全には確立し
ていないため１層の超電導層で素子を構成せざるを得な
いが、この場合に小さなループインダクタンス値を容易
に実現する手段が求められていた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、１層
の超電導層を用いて、論理ＳＱＵＩＤに含まれる２個の
ジョセフソン接合の素子特性（臨界電流値または常伝導
抵抗値）の異なる場合であっても動作に支障がなく、か
つループインダクタンスを十分に低減することができ、
超電導ループに保持される単一磁束量子の有無をもとに
論理値を安定的に規定でき、高速動作が可能で低消費電
力の超電導論理回路の基本となる超電導素子を容易に提
供することにある。さらに、酸化物超電導体を用いるこ
とで４．２Ｋ以上の高温でも動作する上記のような超電
導素子を提供することにある。
の超電導層を用いて、論理ＳＱＵＩＤに含まれる２個の
ジョセフソン接合の素子特性（臨界電流値または常伝導
抵抗値）の異なる場合であっても動作に支障がなく、か
つループインダクタンスを十分に低減することができ、
超電導ループに保持される単一磁束量子の有無をもとに
論理値を安定的に規定でき、高速動作が可能で低消費電
力の超電導論理回路の基本となる超電導素子を容易に提
供することにある。さらに、酸化物超電導体を用いるこ
とで４．２Ｋ以上の高温でも動作する上記のような超電
導素子を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明の超電導素子は、
同一平面上に形成された、論理ＳＱＵＩＤとこの論理Ｓ
ＱＵＩＤに磁気的に結合する読み出しＳＱＵＩＤとを有
し、論理ＳＱＵＩＤは、第１の超電導線、第１の超電導
線に平行に配置された第２の超電導線、並びにこれらの
超電導線の間を接続する第３及び第４の超電導線からな
る超電導ループを構成するとともに、第３及び第４の超
電導線の少なくとも一方にジョセフソン接合を含み、読
み出しＳＱＵＩＤは、第１の超電導線の少なくとも一
部、第１の超電導線に平行に配置された第５の超電導
線、並びにこれらの超電導線の間を接続する第６及び第
７の超電導線からなる超電導ループを構成するととも
に、第１の超電導線以外の部分に少なくとも２個のジョ
セフソン接合を含む超電導素子であって、第１および第
２の超電導線の線幅Ｗ1 、Ｗ2 は両者の間隔ｄよりも大
きく、第２の超電導線の線幅Ｗ2 は第１の超電導線の線
幅Ｗ1 よりも大きく、第１および第２の超電導線の線幅
Ｗ1 、Ｗ2 は第３および第４の超電導線の線幅Ｗ3、Ｗ4
よりも大きいことを特徴とするものである。なお、第
２の超電導線の線幅Ｗ2 は第１の超電導線の線幅Ｗ1 の
５倍以上であることが好ましく、できるだけ大きいこと
が好ましい。
同一平面上に形成された、論理ＳＱＵＩＤとこの論理Ｓ
ＱＵＩＤに磁気的に結合する読み出しＳＱＵＩＤとを有
し、論理ＳＱＵＩＤは、第１の超電導線、第１の超電導
線に平行に配置された第２の超電導線、並びにこれらの
超電導線の間を接続する第３及び第４の超電導線からな
る超電導ループを構成するとともに、第３及び第４の超
電導線の少なくとも一方にジョセフソン接合を含み、読
み出しＳＱＵＩＤは、第１の超電導線の少なくとも一
部、第１の超電導線に平行に配置された第５の超電導
線、並びにこれらの超電導線の間を接続する第６及び第
７の超電導線からなる超電導ループを構成するととも
に、第１の超電導線以外の部分に少なくとも２個のジョ
セフソン接合を含む超電導素子であって、第１および第
２の超電導線の線幅Ｗ1 、Ｗ2 は両者の間隔ｄよりも大
きく、第２の超電導線の線幅Ｗ2 は第１の超電導線の線
幅Ｗ1 よりも大きく、第１および第２の超電導線の線幅
Ｗ1 、Ｗ2 は第３および第４の超電導線の線幅Ｗ3、Ｗ4
よりも大きいことを特徴とするものである。なお、第
２の超電導線の線幅Ｗ2 は第１の超電導線の線幅Ｗ1 の
５倍以上であることが好ましく、できるだけ大きいこと
が好ましい。
【０００９】
【発明の実施の態様】本発明の超電導素子は、１層の超
電導層により上記のように同一平面上に形成され、ジョ
セフソン接合は超電導線中に導入された結晶粒界を挟む
超電導線により構成される。本発明の超電導素子におい
ては、通常、論理ＳＱＵＩＤおよび読み出しＳＱＵＩＤ
を構成する超電導ループに含まれるジョセフソン接合が
それぞれ２個である。ただし、論理ＳＱＵＩＤを構成す
る超電導ループに含まれる２個のジョセフソン接合の素
子特性が異なっていてもよく、場合によっては実質的に
１つのジョセフソン接合のみが含まれるとみなせる程度
に２つのジョセフソン接合の素子特性が大幅に異なって
いてもよい。
電導層により上記のように同一平面上に形成され、ジョ
セフソン接合は超電導線中に導入された結晶粒界を挟む
超電導線により構成される。本発明の超電導素子におい
ては、通常、論理ＳＱＵＩＤおよび読み出しＳＱＵＩＤ
を構成する超電導ループに含まれるジョセフソン接合が
それぞれ２個である。ただし、論理ＳＱＵＩＤを構成す
る超電導ループに含まれる２個のジョセフソン接合の素
子特性が異なっていてもよく、場合によっては実質的に
１つのジョセフソン接合のみが含まれるとみなせる程度
に２つのジョセフソン接合の素子特性が大幅に異なって
いてもよい。
【００１０】本発明の超電導素子においては、論理ＳＱ
ＵＩＤを構成する第１および第２の超電導線の両端部に
超電導配線を接続し、読み出しＳＱＵＩＤを構成する第
５の超電導線に少なくとも１本の超電導配線を接続して
信号の入出力を行うことが好ましい。
ＵＩＤを構成する第１および第２の超電導線の両端部に
超電導配線を接続し、読み出しＳＱＵＩＤを構成する第
５の超電導線に少なくとも１本の超電導配線を接続して
信号の入出力を行うことが好ましい。
【００１１】本発明の超電導素子においては、さらに、
第１の超電導線の両端部に接続された超電導配線に対し
て第２の超電導線の両端部に接続された超電導配線と対
称的な位置であって読み出しＳＱＵＩＤの領域を除く領
域に、第２の超電導線と同電位の超電導線を形成するこ
とが好ましい。
第１の超電導線の両端部に接続された超電導配線に対し
て第２の超電導線の両端部に接続された超電導配線と対
称的な位置であって読み出しＳＱＵＩＤの領域を除く領
域に、第２の超電導線と同電位の超電導線を形成するこ
とが好ましい。
【００１２】本発明の超電導素子は、酸化物超電導体で
構成することができ、例えば一般式ＲＢａ2 Ｃｕ3 Ｏy
（式中、ＲはＹ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｄｙ，Ｈ
ｏ，Ｅｒ，ＴｍおよびＹｂからなる群より選択させる少
なくとも１種、６＜ｙ≦７）で表される酸化物超電導体
を用いることができる。
構成することができ、例えば一般式ＲＢａ2 Ｃｕ3 Ｏy
（式中、ＲはＹ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｄｙ，Ｈ
ｏ，Ｅｒ，ＴｍおよびＹｂからなる群より選択させる少
なくとも１種、６＜ｙ≦７）で表される酸化物超電導体
を用いることができる。
【００１３】本発明の超電導素子は、論理ＳＱＵＩＤへ
一極性（例えば正）のパルス電圧を入力して磁束量子を
注入し、逆極性（例えば負）のパルス電圧を入力して磁
束量子を放出することにより動作する。この場合、論理
ＳＱＵＩＤに含まれる２個のジョセフソン接合の素子特
性（臨界電流値または常伝導抵抗値）が異なっていて
も、超電導ループに保持される単一磁束量子の有無をも
とに論理値を安定的に規定する超電導素子を実現するこ
とができる。
一極性（例えば正）のパルス電圧を入力して磁束量子を
注入し、逆極性（例えば負）のパルス電圧を入力して磁
束量子を放出することにより動作する。この場合、論理
ＳＱＵＩＤに含まれる２個のジョセフソン接合の素子特
性（臨界電流値または常伝導抵抗値）が異なっていて
も、超電導ループに保持される単一磁束量子の有無をも
とに論理値を安定的に規定する超電導素子を実現するこ
とができる。
【００１４】一般に超電導ループの内法（内側の寸法）
が小さく、かつ外法（外側の寸法）が大きいほどループ
インダクタンスは低減する。また、外部入力手段と超電
導素子とのインピーダンス整合は、第１および第２の超
電導線の線幅Ｗ1 、Ｗ2 および両者の間隔ｄを規定する
ことにより制御される。
が小さく、かつ外法（外側の寸法）が大きいほどループ
インダクタンスは低減する。また、外部入力手段と超電
導素子とのインピーダンス整合は、第１および第２の超
電導線の線幅Ｗ1 、Ｗ2 および両者の間隔ｄを規定する
ことにより制御される。
【００１５】したがって、第１および第２の超電導線の
線幅Ｗ1 、Ｗ2 を第３および第４の超電導線の線幅Ｗ
3 、Ｗ4 より大きくすることにより、超電導素子の動作
条件を満たすようにジョセフソン接合の特性を制御しつ
つ、ループインダクタンスを低減することが可能とな
り、超電導層が１層でも安定動作を実現できる。また、
第１および第２の超電導線の線幅Ｗ1 、Ｗ2 および両者
の間隔ｄを規定することにより、外部入力手段と超電導
素子とのインピーダンスの整合がなされ、高速動作が可
能となる。この結果、酸化物超電導体を用い、４．２Ｋ
以上の高温でも動作する単一磁束量子を情報媒体とする
高速動作が可能で低消費電力の超電導論理回路の基本と
なる超電導素子を提供できる。
線幅Ｗ1 、Ｗ2 を第３および第４の超電導線の線幅Ｗ
3 、Ｗ4 より大きくすることにより、超電導素子の動作
条件を満たすようにジョセフソン接合の特性を制御しつ
つ、ループインダクタンスを低減することが可能とな
り、超電導層が１層でも安定動作を実現できる。また、
第１および第２の超電導線の線幅Ｗ1 、Ｗ2 および両者
の間隔ｄを規定することにより、外部入力手段と超電導
素子とのインピーダンスの整合がなされ、高速動作が可
能となる。この結果、酸化物超電導体を用い、４．２Ｋ
以上の高温でも動作する単一磁束量子を情報媒体とする
高速動作が可能で低消費電力の超電導論理回路の基本と
なる超電導素子を提供できる。
【００１６】
【実施例】本発明の実施例について説明する。以下のよ
うにして図１および図２に示す本発明の超電導素子を作
製した。ここで、図１は本発明の超電導素子の平面図、
図２は図１のII−II線に沿う断面図である。
うにして図１および図２に示す本発明の超電導素子を作
製した。ここで、図１は本発明の超電導素子の平面図、
図２は図１のII−II線に沿う断面図である。
【００１７】まず、ＭｇＯ基板１の４個所に集束イオン
ビーム（ＦＩＢ）により線状にダメージ２を与えた。具
体的には、照射イオンとしてＧａ+ を用い、加速電圧３
０ｋＶ、ビーム径５０ｎｍ、電流密度２．５×１０17ｃ
ｍ-2、照射時間３２０秒の条件で行った。このような条
件により大きさが約２０μｍ×０．２μｍであるダメー
ジ２を形成した。
ビーム（ＦＩＢ）により線状にダメージ２を与えた。具
体的には、照射イオンとしてＧａ+ を用い、加速電圧３
０ｋＶ、ビーム径５０ｎｍ、電流密度２．５×１０17ｃ
ｍ-2、照射時間３２０秒の条件で行った。このような条
件により大きさが約２０μｍ×０．２μｍであるダメー
ジ２を形成した。
【００１８】このＭｇＯ基板１の全面にＮｄＢａ2 Ｃｕ
3 Ｏy からなる膜厚１００ｎｍの超電導薄膜３を成膜し
た。具体的には、ｏｆｆ−ａｘｉｓＲＦマグネトロンス
パッタリング法により、基板温度を８４０℃とし、Ａｒ
／Ｏ2 ＝４／１の雰囲気で全圧を７０ｍＴｏｒｒに設定
して成膜した。この超電導薄膜３の臨界温度は８０Ｋで
あった。この際、ＭｇＯ基板１のダメージ２上に対応す
る部分には結晶粒界が生じて超電導弱結合となり、この
結果ジョセフソン接合が形成される。
3 Ｏy からなる膜厚１００ｎｍの超電導薄膜３を成膜し
た。具体的には、ｏｆｆ−ａｘｉｓＲＦマグネトロンス
パッタリング法により、基板温度を８４０℃とし、Ａｒ
／Ｏ2 ＝４／１の雰囲気で全圧を７０ｍＴｏｒｒに設定
して成膜した。この超電導薄膜３の臨界温度は８０Ｋで
あった。この際、ＭｇＯ基板１のダメージ２上に対応す
る部分には結晶粒界が生じて超電導弱結合となり、この
結果ジョセフソン接合が形成される。
【００１９】以上のようにして成膜した超電導薄膜３上
にレジスト（ＯＭＲ８３）を塗布し、Ａｒ+ ドライエッ
チングによりパターニングして図１に示す素子構造を形
成した。この素子はインダクタンスの低減化と高速動作
のためのインピーダンスの整合を図るためにコプレーナ
型線路構造となっている。
にレジスト（ＯＭＲ８３）を塗布し、Ａｒ+ ドライエッ
チングによりパターニングして図１に示す素子構造を形
成した。この素子はインダクタンスの低減化と高速動作
のためのインピーダンスの整合を図るためにコプレーナ
型線路構造となっている。
【００２０】次に、図１を参照してこの超電導素子の具
体的な構造を説明する。論理ｄｃ−ＳＱＵＩＤ１０の構
成は以下の通りである。コプレーナ型線路の中心導体と
なる第１の超電導線１１の線幅Ｗ1 は５０μｍに形成さ
れている。この第１の超電導線１１と平行にグラウンド
となる第２の超電導線１２が形成されており、この第２
の超電導線１２の一部は第１の超電導線１１側に突出し
ている。第２の超電導線１２の線幅Ｗ2 は２ｍｍ以上で
ある。第１の超電導線１１と第２の超電導線１２との間
隔ｄは、突出部で１０μｍ、突出部以外で２０μｍとな
っている。第２の超電導線１２の突出部の両端と第１の
超電導線１１との間は、それぞれ線幅Ｗ3 、Ｗ4 が５μ
ｍの第３および第４の超電導線１３、１４で接続されて
いる。これらの第３および第４の超電導線１３、１４は
ＭｇＯ基板１に形成されたダメージ２上にあるので、そ
れぞれジョセフソン接合を形成している。これらの第１
〜第４の超電導線からなり、２つのジョセフソン接合を
含む超電導ループにより論理ｄｃ−ＳＱＵＩＤ１０が構
成されている。この超電導ループの内側の寸法は横が５
０μｍ、縦１０μｍである。なお、第１および第２の超
伝導線１１、１２のうち、論理ｄｃ−ＳＱＵＩＤ１０を
構成する超電導ループに含まれる部分の両端から延長し
ている部分は、信号入出力のための超電導配線として用
いられる。
体的な構造を説明する。論理ｄｃ−ＳＱＵＩＤ１０の構
成は以下の通りである。コプレーナ型線路の中心導体と
なる第１の超電導線１１の線幅Ｗ1 は５０μｍに形成さ
れている。この第１の超電導線１１と平行にグラウンド
となる第２の超電導線１２が形成されており、この第２
の超電導線１２の一部は第１の超電導線１１側に突出し
ている。第２の超電導線１２の線幅Ｗ2 は２ｍｍ以上で
ある。第１の超電導線１１と第２の超電導線１２との間
隔ｄは、突出部で１０μｍ、突出部以外で２０μｍとな
っている。第２の超電導線１２の突出部の両端と第１の
超電導線１１との間は、それぞれ線幅Ｗ3 、Ｗ4 が５μ
ｍの第３および第４の超電導線１３、１４で接続されて
いる。これらの第３および第４の超電導線１３、１４は
ＭｇＯ基板１に形成されたダメージ２上にあるので、そ
れぞれジョセフソン接合を形成している。これらの第１
〜第４の超電導線からなり、２つのジョセフソン接合を
含む超電導ループにより論理ｄｃ−ＳＱＵＩＤ１０が構
成されている。この超電導ループの内側の寸法は横が５
０μｍ、縦１０μｍである。なお、第１および第２の超
伝導線１１、１２のうち、論理ｄｃ−ＳＱＵＩＤ１０を
構成する超電導ループに含まれる部分の両端から延長し
ている部分は、信号入出力のための超電導配線として用
いられる。
【００２１】一方、読み出しｄｃ−ＳＱＵＩＤ２０の構
成は以下の通りである。論理ｄｃ−ＳＱＵＩＤ１０を構
成する第１の超電導線１１と平行に第５の超電導線２２
が形成されている。第５の超電導線２２の両端と第１の
超電導線１１との間は、それぞれ線幅が５μｍの第６お
よび第７の超電導線２３、２４で接続されている。これ
らの第６および第７の超電導線２３、２４はＭｇＯ基板
１に形成されたダメージ２上にあるので、それぞれジョ
セフソン接合を形成している。これらの第１および第５
〜第７の超電導線からなり２つのジョセフソン接合を含
む超電導ループにより読み出しｄｃ−ＳＱＵＩＤ２０が
構成されている。このように、読み出しｄｃ−ＳＱＵＩ
Ｄ２０はループの一部を論理ｄｃ−ＳＱＵＩＤ１０と共
有するように配置されている。また、第５の超電導線２
２には超電導配線２５が、第１の超電導線１１には第５
の超電導線２２を挟むように２本の超電導配線２６、２
７が接続されている。これらの超電導配線２５、２６、
２７は論理ｄｃ−ＳＱＵＩＤ１０および読み出しｄｃ−
ＳＱＵＩＤ２０に制御電流（バイアス電流）を流すため
に用いられる。
成は以下の通りである。論理ｄｃ−ＳＱＵＩＤ１０を構
成する第１の超電導線１１と平行に第５の超電導線２２
が形成されている。第５の超電導線２２の両端と第１の
超電導線１１との間は、それぞれ線幅が５μｍの第６お
よび第７の超電導線２３、２４で接続されている。これ
らの第６および第７の超電導線２３、２４はＭｇＯ基板
１に形成されたダメージ２上にあるので、それぞれジョ
セフソン接合を形成している。これらの第１および第５
〜第７の超電導線からなり２つのジョセフソン接合を含
む超電導ループにより読み出しｄｃ−ＳＱＵＩＤ２０が
構成されている。このように、読み出しｄｃ−ＳＱＵＩ
Ｄ２０はループの一部を論理ｄｃ−ＳＱＵＩＤ１０と共
有するように配置されている。また、第５の超電導線２
２には超電導配線２５が、第１の超電導線１１には第５
の超電導線２２を挟むように２本の超電導配線２６、２
７が接続されている。これらの超電導配線２５、２６、
２７は論理ｄｃ−ＳＱＵＩＤ１０および読み出しｄｃ−
ＳＱＵＩＤ２０に制御電流（バイアス電流）を流すため
に用いられる。
【００２２】なお、第１の超電導線１１両端の超電導配
線部分に対して第２の超電導線１２両端の超電導配線部
分と対称的な位置であって読み出しｄｃ−ＳＱＵＩＤ２
０の領域を除く領域に、第２の超電導線と同電位でグラ
ウンドとなる超電導線１５が形成されている。また、各
超電導配線の末端に膜厚１００ｎｍの金を蒸着すること
により素子特性を測定するための電極（図示せず）が形
成されている。
線部分に対して第２の超電導線１２両端の超電導配線部
分と対称的な位置であって読み出しｄｃ−ＳＱＵＩＤ２
０の領域を除く領域に、第２の超電導線と同電位でグラ
ウンドとなる超電導線１５が形成されている。また、各
超電導配線の末端に膜厚１００ｎｍの金を蒸着すること
により素子特性を測定するための電極（図示せず）が形
成されている。
【００２３】以上のような方法を採用し全く同一の条件
で数種類の超電導素子を作製した。ここで、酸化物超電
導体を用いた作製されたジョセフソン接合では、製造条
件が全く同一であったとしても、その特性は種々変化す
る場合が多い。
で数種類の超電導素子を作製した。ここで、酸化物超電
導体を用いた作製されたジョセフソン接合では、製造条
件が全く同一であったとしても、その特性は種々変化す
る場合が多い。
【００２４】これらの超電導素子を液体ヘリウム温度に
冷却し、以下のようにして諸特性測定した。まず、試料
１についての測定結果を説明する。
冷却し、以下のようにして諸特性測定した。まず、試料
１についての測定結果を説明する。
【００２５】図３（ａ）に論理ｄｃ−ＳＱＵＩＤ１０の
電流電圧特性、図３（ｂ）に論理ｄｃ−ＳＱＵＩＤ１０
の磁場応答特性をそれぞれ示す。図４（ａ）に読み出し
ｄｃ−ＳＱＵＩＤ２０の電流電圧特性、図４（ｂ）に読
み出しｄｃ−ＳＱＵＩＤ２０の磁場応答特性をそれぞれ
示す。
電流電圧特性、図３（ｂ）に論理ｄｃ−ＳＱＵＩＤ１０
の磁場応答特性をそれぞれ示す。図４（ａ）に読み出し
ｄｃ−ＳＱＵＩＤ２０の電流電圧特性、図４（ｂ）に読
み出しｄｃ−ＳＱＵＩＤ２０の磁場応答特性をそれぞれ
示す。
【００２６】図３（ａ）と図４（ａ）との比較から、論
理ｄｃ−ＳＱＵＩＤ１０の電流電圧特性には折れ曲がり
があり、２個のジョセフソン接合の臨界電流値が異なっ
ていることを示している。図３（ｂ）と図４（ｂ）との
比較から、論理ｄｃ−ＳＱＵＩＤ１０の磁場応答は歪ん
だ形をしており、臨界電流値が異なっていることを示し
ている。詳細な検討の結果、論理ｄｃ−ＳＱＵＩＤ１０
の２個のジョセフソン接合の臨界電流値は５０％異なっ
ていることがわかった。また、論理ｄｃ−ＳＱＵＩＤ１
０のインダクティブパラメータβL ＝２πＬＩc ／Φ0
は２０であった。
理ｄｃ−ＳＱＵＩＤ１０の電流電圧特性には折れ曲がり
があり、２個のジョセフソン接合の臨界電流値が異なっ
ていることを示している。図３（ｂ）と図４（ｂ）との
比較から、論理ｄｃ−ＳＱＵＩＤ１０の磁場応答は歪ん
だ形をしており、臨界電流値が異なっていることを示し
ている。詳細な検討の結果、論理ｄｃ−ＳＱＵＩＤ１０
の２個のジョセフソン接合の臨界電流値は５０％異なっ
ていることがわかった。また、論理ｄｃ−ＳＱＵＩＤ１
０のインダクティブパラメータβL ＝２πＬＩc ／Φ0
は２０であった。
【００２７】この超電導素子の基本的論理動作となる論
理値“０”と“１”の制御を試験した。具体的には、第
２の超電導線１２をグラウンドとして、第１の超電導線
１１の両端の超電導配線１１ａ、１１ｂからパルス幅
０．１４ｍｓｅｃ、パルス高さ３ｍＶの三角パルス波を
入力し、読み出しｄｃ−ＳＱＵＩＤ２０の出力電圧を観
察した。この測定においては、論理ｄｃ−ＳＱＵＩＤ１
０の超電導ループに保持される単一磁束量子の有無の変
化をｄｃ−ＳＱＵＩＤ２０の電圧レベルで読み取ること
ができる。
理値“０”と“１”の制御を試験した。具体的には、第
２の超電導線１２をグラウンドとして、第１の超電導線
１１の両端の超電導配線１１ａ、１１ｂからパルス幅
０．１４ｍｓｅｃ、パルス高さ３ｍＶの三角パルス波を
入力し、読み出しｄｃ−ＳＱＵＩＤ２０の出力電圧を観
察した。この測定においては、論理ｄｃ−ＳＱＵＩＤ１
０の超電導ループに保持される単一磁束量子の有無の変
化をｄｃ−ＳＱＵＩＤ２０の電圧レベルで読み取ること
ができる。
【００２８】図５に試料１の入出力特性を示す。図５の
下側の波形はパルス入力のタイミングとパルスの符号と
を表している。ここでは、Ｓのタイミングで超電導配線
１１ａから正のパルスを入力し、Ｒのタイミングで超電
導配線１１ｂから向きは同じで極性が負のパルスを入力
した。図５からわかるように、正のパルスに続く負のパ
ルスの入力、またはその逆に負のパルスに続く正のパル
スの入力によって読み出しｄｃ−ＳＱＵＩＤ２０の出力
電圧がスイッチし、パルス通過後もその電圧を保持して
いる。一方、正のパルスに続く正のパルスの入力、また
は負のパルスに続く負のパルスの入力によっては電圧に
変化がない。これは正のパルスによって論理ｄｃ−ＳＱ
ＵＩＤ１０に磁束量子が注入され、その後も磁束量子は
保持され、負のパルスによって磁束量子が放出されてい
ることを示している。このように、パルス入力によって
２つの論理値が安定的に規定されている。
下側の波形はパルス入力のタイミングとパルスの符号と
を表している。ここでは、Ｓのタイミングで超電導配線
１１ａから正のパルスを入力し、Ｒのタイミングで超電
導配線１１ｂから向きは同じで極性が負のパルスを入力
した。図５からわかるように、正のパルスに続く負のパ
ルスの入力、またはその逆に負のパルスに続く正のパル
スの入力によって読み出しｄｃ−ＳＱＵＩＤ２０の出力
電圧がスイッチし、パルス通過後もその電圧を保持して
いる。一方、正のパルスに続く正のパルスの入力、また
は負のパルスに続く負のパルスの入力によっては電圧に
変化がない。これは正のパルスによって論理ｄｃ−ＳＱ
ＵＩＤ１０に磁束量子が注入され、その後も磁束量子は
保持され、負のパルスによって磁束量子が放出されてい
ることを示している。このように、パルス入力によって
２つの論理値が安定的に規定されている。
【００２９】なお、第２の超電導線１２をグラウンドと
し、超電導配線１１ａのみまたは超電導配線１１ｂのみ
を用いて、正及び負のパルスを入力しても全く同じ動作
をした。
し、超電導配線１１ａのみまたは超電導配線１１ｂのみ
を用いて、正及び負のパルスを入力しても全く同じ動作
をした。
【００３０】次に、試料２について測定結果を示す。こ
の試料２に関しては、論理ｄｃ−ＳＱＵＩＤ１０の電流
電圧特性と磁場応答特性の結果から、論理値ｄｃ−ＳＱ
ＵＩＤ１０に含まれる２個のジョセフソン接合の臨界電
流値はほぼ同じであることがわかった。
の試料２に関しては、論理ｄｃ−ＳＱＵＩＤ１０の電流
電圧特性と磁場応答特性の結果から、論理値ｄｃ−ＳＱ
ＵＩＤ１０に含まれる２個のジョセフソン接合の臨界電
流値はほぼ同じであることがわかった。
【００３１】図６に試料２の入出力特性を示す。ここで
は超電導配線１１ａからのみＳのタイミングで正のパル
スを、Ｒのタイミングで負のパルスを入力した。この場
合も図５の場合と同様な結果が得られている。すなわ
ち、入力パルスの極性の逆転によって読み出しｄｃ−Ｓ
ＱＵＩＤ２０の出力電圧がスイッチし、パルス入力によ
って２つの論理値が安定的に規定されている。
は超電導配線１１ａからのみＳのタイミングで正のパル
スを、Ｒのタイミングで負のパルスを入力した。この場
合も図５の場合と同様な結果が得られている。すなわ
ち、入力パルスの極性の逆転によって読み出しｄｃ−Ｓ
ＱＵＩＤ２０の出力電圧がスイッチし、パルス入力によ
って２つの論理値が安定的に規定されている。
【００３２】なお、第２の超電導線１２をグラウンドと
して、超電導配線１１ｂのみを用いて正および負のパル
スを入力しても全く同様に動作した。ここで、試料１で
は論理ｄｃ−ＳＱＵＩＤの２個のジョセフソン接合の臨
界電流値の違いは５０％であったが、最低でも１０％以
上の違いがあれば試料１と全く同様に動作した。また、
極限的な例として一方のジョセフソン接合の臨界電流値
が十分大きく見掛け上１個のジョセフソン接合のみを含
んでいるように見える素子も試料１と全く同様に動作し
た。
して、超電導配線１１ｂのみを用いて正および負のパル
スを入力しても全く同様に動作した。ここで、試料１で
は論理ｄｃ−ＳＱＵＩＤの２個のジョセフソン接合の臨
界電流値の違いは５０％であったが、最低でも１０％以
上の違いがあれば試料１と全く同様に動作した。また、
極限的な例として一方のジョセフソン接合の臨界電流値
が十分大きく見掛け上１個のジョセフソン接合のみを含
んでいるように見える素子も試料１と全く同様に動作し
た。
【００３３】一方、試料２では論理ｄｃ−ＳＱＵＩＤの
２個のジョセフソン接合の臨界電流値の違いはほとんど
同じであったが、臨界電流値の違いが１０％未満であれ
ば試料２と全く同様に動作した。
２個のジョセフソン接合の臨界電流値の違いはほとんど
同じであったが、臨界電流値の違いが１０％未満であれ
ば試料２と全く同様に動作した。
【００３４】このように論理ｄｃ−ＳＱＵＩＤの２個の
ジョセフソン接合の臨界電流値などの素子特性の差の大
小にかかわらず、２つの論理値を安定的に規定すること
ができる。なお、以上の測定は４．２Ｋで行なったが、
使用した酸化物超電導体の臨界温度以下の温度領域にお
ける動作が可能であることはいうまでもない。
ジョセフソン接合の臨界電流値などの素子特性の差の大
小にかかわらず、２つの論理値を安定的に規定すること
ができる。なお、以上の測定は４．２Ｋで行なったが、
使用した酸化物超電導体の臨界温度以下の温度領域にお
ける動作が可能であることはいうまでもない。
【００３５】
【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、１
層の超電導層を用いて、論理ＳＱＵＩＤに含まれる２個
のジョセフソン接合の素子特性の異なる場合であっても
動作に支障がなく、かつループインダクタンスを十分に
低減することができ、超電導ループに保持される単一磁
束量子の有無をもとに論理値を安定的に規定でき、高速
動作が可能で低消費電力の超電導論理回路の基本となる
超電導素子を容易に提供することができ、ひいては酸化
物超電導体を用いることで４．２Ｋ以上の高温でも動作
する上記のような超電導素子を提供することができる。
層の超電導層を用いて、論理ＳＱＵＩＤに含まれる２個
のジョセフソン接合の素子特性の異なる場合であっても
動作に支障がなく、かつループインダクタンスを十分に
低減することができ、超電導ループに保持される単一磁
束量子の有無をもとに論理値を安定的に規定でき、高速
動作が可能で低消費電力の超電導論理回路の基本となる
超電導素子を容易に提供することができ、ひいては酸化
物超電導体を用いることで４．２Ｋ以上の高温でも動作
する上記のような超電導素子を提供することができる。
【図１】本発明の実施例における超電導素子の平面図。
【図２】本発明の実施例における超電導素子の断面図。
【図３】本発明の実施例における超電導素子を構成する
論理ｄｃ−ＳＱＵＩＤの電流電圧特性および磁場応答特
性を示す特性図。
論理ｄｃ−ＳＱＵＩＤの電流電圧特性および磁場応答特
性を示す特性図。
【図４】本発明の実施例における超電導素子を構成する
読み出しｄｃ−ＳＱＵＩＤの電流電圧特性および磁場応
答特性を示す特性図。
読み出しｄｃ−ＳＱＵＩＤの電流電圧特性および磁場応
答特性を示す特性図。
【図５】本発明の実施例における超電導素子（試料１）
の入出力特性を示す特性図。
の入出力特性を示す特性図。
【図６】本発明の実施例における超電導素子（試料２）
の入出力特性を示す特性図。
の入出力特性を示す特性図。
１…ＭｇＯ基板 ２…ダメージ ３…超電導薄膜 １０…論理ｄｃ−ＳＱＵＩＤ １１…第１の超電導線 １２…第２の超電導線 １３…第３の超電導線 １４…第４の超電導線 ２０…読み出しｄｃ−ＳＱＵＩＤ ２２…第５の超電導線 ２３…第６の超電導線 ２４…第７の超電導線 ２５、２６、２７…超電導配線
フロントページの続き (72)発明者 福家 浩之 東京都江東区東雲一丁目14番３ 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 斉藤 和夫 東京都江東区東雲一丁目14番３ 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 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 (56)参考文献 特開 平８−316537（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−162681（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−190922（ＪＰ，Ａ) ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ａｐｐｌ．Ｓ ｕｐｅｒ．ｖｏｌ．５ ｎｏ．２ ｐ. 3401（1995) ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ａｐｐｌ．Ｓ ｕｐｅｒ．ｖｏｌ．１ ｎｏ．１ ｐ. ３（1991) ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｍｉｃｒｏｗ ａｖｅ Ｔｈｅｏｒ．Ｔｅｃｈ．ＭＴＴ 17 ｎｏ．12 ｐ．1087（1969) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01L 39/00 H01L 39/22 - 39/24
Claims (7)
- 【請求項１】同一平面上に形成された、論理ＳＱＵＩＤ
とこの論理ＳＱＵＩＤに磁気的に結合する読み出しＳＱ
ＵＩＤとを有し、論理ＳＱＵＩＤは、第１の超電導線、
第１の超電導線に平行に配置された第２の超電導線、並
びにこれらの超電導線の間を接続する第３及び第４の超
電導線からなる超電導ループを構成するとともに、第３
及び第４の超電導線の少なくとも一方にジョセフソン接
合を含み、読み出しＳＱＵＩＤは、第１の超電導線の少
なくとも一部、第１の超電導線に平行に配置された第５
の超電導線、並びにこれらの超電導線の間を接続する第
６及び第７の超電導線からなる超電導ループを構成する
とともに、第１の超電導線以外の部分に少なくとも２個
のジョセフソン接合を含む超電導素子であって、第１お
よび第２の超電導線の線幅Ｗ1 、Ｗ2 は両者の間隔ｄよ
りも大きく、第２の超電導線の線幅Ｗ2 は第１の超電導
線の線幅Ｗ1 よりも大きく、第１および第２の超電導線
の線幅Ｗ1 、Ｗ2 は第３および第４の超電導線の線幅Ｗ
3 、Ｗ4 よりも大きいことを特徴とする超電導素子。 - 【請求項２】ジョセフソン接合が、超電導線中に導入さ
れた結晶粒界を挟む超電導線により構成されることを特
徴とする請求項１記載の超電導素子。 - 【請求項３】論理ＳＱＵＩＤおよび読み出しＳＱＵＩＤ
を構成する超電導ループに含まれるジョセフソン接合が
それぞれ２個であることを特徴とする請求項１記載の超
電導素子。 - 【請求項４】論理ＳＱＵＩＤを構成する超電導ループに
含まれる２個のジョセフソン接合の素子特性が異なるこ
とを特徴とする請求項３記載の超電導素子。 - 【請求項５】論理ＳＱＵＩＤを構成する第１および第２
の超電導線の両端部に信号入出力のための超電導配線が
接続され、読み出しＳＱＵＩＤを構成する第５の超電導
線に信号入出力のための少なくとも１本の超電導配線が
接続されていることを特徴とする請求項１記載の超電導
素子。 - 【請求項６】第１の超電導線の両端部に接続された超電
導配線に対して第２の超電導線の両端部に接続された超
電導配線と対称的な位置であって読み出しＳＱＵＩＤの
領域を除く領域に、第２の超電導線と同電位の超電導線
が形成されていることを特徴とする請求項５記載の超電
導素子。 - 【請求項７】各超電導線が、一般式 ＲＢａ2 Ｃｕ3 Ｏy （式中、ＲはＹ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｄｙ，Ｈ
ｏ，Ｅｒ，ＴｍおよびＹｂからなる群より選択させる少
なくとも１種、６＜ｙ≦７）で表される酸化物超電導体
からなることを特徴とする請求項１乃至６いずれか記載
の超電導素子。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8109664A JP2879010B2 (ja) | 1996-04-30 | 1996-04-30 | 超電導素子 |
| US08/848,268 US5834794A (en) | 1996-04-30 | 1997-04-29 | Superconducting device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8109664A JP2879010B2 (ja) | 1996-04-30 | 1996-04-30 | 超電導素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09298321A JPH09298321A (ja) | 1997-11-18 |
| JP2879010B2 true JP2879010B2 (ja) | 1999-04-05 |
Family
ID=14516042
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8109664A Expired - Fee Related JP2879010B2 (ja) | 1996-04-30 | 1996-04-30 | 超電導素子 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5834794A (ja) |
| JP (1) | JP2879010B2 (ja) |
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|---|---|---|---|---|
| US8571614B1 (en) | 2009-10-12 | 2013-10-29 | Hypres, Inc. | Low-power biasing networks for superconducting integrated circuits |
| JP5622778B2 (ja) * | 2012-03-23 | 2014-11-12 | 株式会社東芝 | 酸化物超電導体、及び、配向酸化物薄膜 |
| US10222416B1 (en) | 2015-04-14 | 2019-03-05 | Hypres, Inc. | System and method for array diagnostics in superconducting integrated circuit |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CA1145820A (en) * | 1979-07-25 | 1983-05-03 | Hajime Yamada | Logic circuit with asymmetrical quantum interferometric circuits |
| US5218297A (en) * | 1988-02-05 | 1993-06-08 | Hitachi, Ltd. | Superconductive quantum interference device in high temperature environments having reduced inductance and improved thermal noise response |
| US5365476A (en) * | 1993-02-26 | 1994-11-15 | Digital Equipment Corporation | Three-port Josephson memory cell for superconducting digital computer |
| US5443567A (en) * | 1994-10-20 | 1995-08-22 | Pruett; Kearney L. | Tire carcass shredding method and apparatus |
-
1996
- 1996-04-30 JP JP8109664A patent/JP2879010B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
1997
- 1997-04-29 US US08/848,268 patent/US5834794A/en not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ａｐｐｌ．Ｓｕｐｅｒ．ｖｏｌ．１ ｎｏ．１ ｐ．３（１９９１） |
| ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ａｐｐｌ．Ｓｕｐｅｒ．ｖｏｌ．５ ｎｏ．２ ｐ．３４０１（１９９５） |
| ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｔｈｅｏｒ．Ｔｅｃｈ．ＭＴＴ１７ ｎｏ．１２ ｐ．１０８７（１９６９） |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH09298321A (ja) | 1997-11-18 |
| US5834794A (en) | 1998-11-10 |
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