JP2940503B2 - 超伝導集積回路 - Google Patents
超伝導集積回路Info
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Description
り、特に磁場に敏感なジョセフソン回路素子を含む超伝
導集積回路に関する。
温度以下の極低温で動作する集積回路である。超伝導集
積回路においては、超伝導集積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。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、このような磁束トラップを完全
に防止することが特に重要である。
法として、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。この方法は、パーマロイ等の高透
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
りの程度遮蔽できる。
の方法として、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がある。この
方法は、例えば磁場に影響され易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易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(例えば、特
開昭57−114294号公報)。
伝導集積回路の一例の上面図を示す。この従来の超伝導
集積回路は、超伝導グランド面1と、磁場に影響され易
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(SQUI
D)3と、超伝導量子干渉素子3を囲むように超伝導グ
ランド面1に形成されたモート4とから構成される。
部に超伝導量子干渉素子3を取り囲むように配置されて
いるが、モート4の内と外での超伝導グランド面1の電
流の連続性を得るために部分的にモート4は切断されて
いる。このように、超伝導量子干渉素子3の周辺の超伝
導グランド面1にモート4を形成することで、このモー
ト4に磁束トラップを集中させ、これにより超伝導量子
干渉素子3の直下の超伝導グランド面1に磁束がトラッ
プしにくくすることができる。
従来の第1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、このよ
うな低磁場環境を作ることは、どのような磁気シールド
を用いても極めて困難である。
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易い素子から一定の距離を隔て
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る。更に、こ
の方法のモート構造では、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は困
難である。
素子の高密度の配置を可能にし、かつ、磁束トラップを
完全に防止することができる超伝導集積回路を提供する
ことを目的とする。
め、本発明は、超伝導グランド面と、超伝導グランド面
の下に第1の絶縁層を介して一定の間隔でアレイ状に配
置された複数の超伝導タイルと、超伝導グランド面の上
に第2の絶縁層を介して、かつ、複数の超伝導タイルの
それぞれの中心部の上方に対応して配置された、磁場に
敏感な複数のジョセフソン回路素子とを有し、複数の超
伝導タイルのそれぞれは、超伝導グランド面よりも超伝
導臨界温度が高い超伝導材料で形成されると共に、超伝
導タイルが常伝導状態にあったときに超伝導タイルを貫
いていた全磁束量が単一磁束量子以下になる面積に設定
されている構成としたものである。
は、互いに電気的に分離されているか、複数の超伝導タ
イルのうち隣接する超伝導タイル間は、互いに超伝導線
を介して電気的に接続され、かつ、超伝導線の線幅が超
伝導転移時に隣接する超伝導タイルを貫いていた磁束が
超伝導線を通って移動することがポテンシャル上不可能
な値に設定されている。
の時に、そこを貫いていた磁束が超伝導回路を冷却して
超伝導転移させる際に磁束量子を単位に超伝導回路内に
捕獲される現象である。超伝導集積回路では、超伝導体
の面積の最も大きな超伝導グランド面に主に磁束がトラ
ップされると考えられている。従って、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Φ
0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。そのため、超伝導グランド面を貫く全磁束B
Sが単一磁束量子Φ0以下になるように、超伝導グラン
ド面を分割して面積Sを小さくすることで磁束の量子化
条件から磁束トラップを排除することができる。この分
割された超伝導面を超伝導タイルと呼ぶことにする。
ると、超伝導グランド面の電流の連続性を維持できなく
なる。従って、本発明では、電流の連続性を必要とする
超伝導グランド面とは別に、磁場に敏感なジョセフソン
回路素子に対して超伝導グランド面を介して反対側に超
伝導グランド面よりも超伝導臨界温度の高い超伝導材料
で形成された複数の超伝導タイルを形成することで、磁
場に敏感なジョセフソン回路素子に対して完全に磁束ト
ラップの影響を防ぎ、かつ、超伝導グランド面の電流の
連続性も得られる超伝導集積回路を実現することができ
る。
よりも超伝導臨界温度の高い超伝導材料で形成した理由
は、超伝導集積回路を冷却して超伝導転移させる時、先
に超伝導タイルを超伝導転移させて超伝導集積回路及び
超伝導グランド面が超伝導転移する際の磁気シールドと
して用いるためである。
は、超伝導転移前にそこを貫いていた全磁束が単一磁束
量子Φ0以下になるように、その面積が設定されている
ので、超伝導タイル内には磁束トラップは生じないが、
隣接する超伝導タイルと超伝導タイルの隙間には磁場が
存在するため、超伝導グランド面が超伝導転移する際に
は、この磁場に起因して超伝導グランド面には磁束トラ
ップが生じることになる。しかし、本発明では、この磁
束トラップの位置は、超伝導タイルの隙間の上方にある
超伝導グランド面の位置に限定されるため、超伝導タイ
ルの中心部の上方に配置された、磁場に敏感なジョセフ
ソン回路素子には磁束トラップの影響は全く生じない。
て図面と共に説明する。
集積回路の一実施の形態の断面概略図と平面概略図を示
す。この実施の形態は、図1(a)、(b)に示すよう
に、超伝導グランド面1と、その下部に二酸化シリコン
(SiO2)絶縁層(図示せず)を介して配置された複
数の超伝導タイル2と、超伝導グランド面1の上方にS
iO2絶縁層(図示せず)を介して配置された、磁場に
敏感な複数の超伝導量子干渉素子3とから構成されてい
る。
nal of Research and Development,vol.24,no.2,p.130,
1980)に詳細に記載されている公知の素子であり、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。
超伝導グランド面1と超伝導量子干渉素子3は、超伝導
材料として超伝導臨界温度TCが約9.2Kのニオブ
(Nb)を用いて形成されている。超伝導タイル2は、
超伝導臨界温度TCが約16Kと超伝導グランド面1と
超伝導量子干渉素子3のそれに比べて高い窒化ニオブ
(NbN)を用いて作製されている。
が1mG(ミリガウス)であると想定して、前述したB
S<Φ0の条件より1個の超伝導タイル2の面積Sは約
2×10-8m2(約144μm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
シールドを使用することにより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、図1(a)及び
(b)に示すように超伝導タイル2の中心部の上方に配
置されている。超伝導タイル2は、図1(b)に示すよ
うに、幅1μmの間隔を隔ててアレイ状に配置され、各
超伝導タイル2は互いに電気的に完全に分離されてい
る。
伝導集積回路の動作について説明するに、この超伝導集
積回路を磁気シールドにより生成した約1mG以下の外
部磁場環境下で冷却していくと、超伝導タイル2の超伝
導臨界温度を超伝導グランド面1と超伝導量子干渉素子
3のそれに比べて高くしたことから、まず最初に超伝導
タイル2が超伝導転移する。この常伝導状態時、1個の
超伝導タイル2を貫いていた全磁束量は単一磁束量子以
下になるように上記の面積Sが設定されているので、超
伝導タイル2内への磁束トラップは発生せず、すべての
磁場はマイスナー効果により超伝導タイル2外に押し出
される。
及び超伝導量子干渉素子3が超伝導転移する際には、こ
の押し出された磁場に起因して超伝導グランド面1に磁
束トラップが発生するが、この磁束トラップの発生する
位置は、図1(a)に矢印5で示すように、超伝導タイ
ル2の隙間の上方にある超伝導グランド面1に限定され
るため、超伝導タイル2の中心部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には磁束トラップの
影響は全く生じない。
伝導グランド面1の電流の連続性を損なうことなしに、
完全に磁束トラップの影響を除去することができる超伝
導集積回路を実現できる。
フソン回路素子として超伝導量子干渉素子3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、この実施の形態では、外部磁
場の大きさBを1mG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タイル
2の面積Sを、S<Φ0/Bで決まる値以下に設計して
おくことにより、任意の外部磁場の大きさBに対して同
様の効果を得ることができる。
2の間隔は、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1μmとしたが、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
のコヒーレンス長は約0.038μmである。
説明する。図2は本発明になる超伝導集積回路の第2の
実施の形態の平面概略図を示す。同図中、図1と同一構
成部分には同一符号を付してある。図2に示す第2の実
施の形態は図1に示した第1の実施の形態と基本的な構
成は同じであるが、この実施の形態では、超伝導タイル
2が互いに例えば線幅5μmの超伝導線6により電気的
に接続されている点に特徴がある。この超伝導線6は超
伝導タイル2と同様にNbNから構成されている。
接する超伝導タイル2が電気的に接続されているが、超
伝導転移時に隣接する超伝導タイル2を貫いていた磁束
がこの超伝導線6を通って移動することがポテンシャル
上不可能なように線幅が狭く設定されているため、第1
の実施の形態と同様の磁気シールド効果を得ることがで
きる。更に、この実施の形態では、隣接する超伝導タイ
ル2がそれぞれ超伝導線6により互いに電気的に接続さ
れているので、この超伝導タイル面を電源供給面として
利用することが可能になる。
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
導グランド面とは別に、超伝導グランド面下にマイスナ
ー効果による磁気シールドとしての役割を持つ超伝導タ
イルを設けると共に、超伝導グランド面上で、かつ、超
伝導タイルの中心部の上方に磁場に敏感なジョセフソン
回路素子を配置するようにしたため、超伝導グランド面
の電流の連続性を損なうことなく、磁場に敏感なジョセ
フソン回路素子に対して完全に磁束トラップの影響を除
去することができる。
面概略図である。
る。
Claims (3)
- 【請求項1】 超伝導グランド面と、 前記超伝導グランド面の下に第1の絶縁層を介して一定
の間隔でアレイ状に配置された複数の超伝導タイルと、 前記超伝導グランド面の上に第2の絶縁層を介して、か
つ、前記複数の超伝導タイルのそれぞれの中心部の上方
に対応して配置された、磁場に敏感な複数のジョセフソ
ン回路素子とを有し、前記複数の超伝導タイルのそれぞ
れは、前記超伝導グランド面よりも超伝導臨界温度が高
い超伝導材料で形成されると共に、該超伝導タイルが常
伝導状態にあったときに該超伝導タイルを貫いていた全
磁束量が単一磁束量子以下になる面積に設定されている
ことを特徴とする超伝導集積回路。 - 【請求項2】 前記複数の超伝導タイルのそれぞれは、
互いに電気的に分離されていることを特徴とする請求項
1記載の超伝導集積回路。 - 【請求項3】 前記複数の超伝導タイルのうち隣接する
超伝導タイル間は、互いに超伝導線を介して電気的に接
続され、かつ、該超伝導線の線幅が超伝導転移時に隣接
する前記超伝導タイルを貫いていた磁束が該超伝導線を
通って移動することがポテンシャル上不可能な値に設定
されていることを特徴とする請求項1記載の超伝導集積
回路。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP9004455A JP2940503B2 (ja) | 1997-01-14 | 1997-01-14 | 超伝導集積回路 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP9004455A JP2940503B2 (ja) | 1997-01-14 | 1997-01-14 | 超伝導集積回路 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH10200171A JPH10200171A (ja) | 1998-07-31 |
JP2940503B2 true JP2940503B2 (ja) | 1999-08-25 |
Family
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Family Applications (1)
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---|---|---|---|
JP9004455A Expired - Fee Related JP2940503B2 (ja) | 1997-01-14 | 1997-01-14 | 超伝導集積回路 |
Country Status (1)
Country | Link |
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JP (1) | JP2940503B2 (ja) |
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EP4070392A4 (en) * | 2019-12-05 | 2024-01-03 | D-Wave Systems Inc. | SYSTEMS AND METHODS FOR MANUFACTURING SUPERCONDUCTING INTEGRATED CIRCUITS |
-
1997
- 1997-01-14 JP JP9004455A patent/JP2940503B2/ja not_active Expired - Fee Related
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