JP4152778B2 - 超伝導システムおよび超伝導回路チップ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超伝導システムおよび超伝導回路チップに関し、特に、超伝導回路から出力される信号を他の回路にインタフェース回路を介して伝送する超伝導システム、および超伝導回路とインタフェース回路を有する超伝導回路チップに関する。
【０００２】
【従来の技術】
超伝導回路のうち、単一磁束量子（Single Flux Quantum，ＳＦＱ）パルスを情報担体として動作するＳＦＱ回路は、超高速、低エネルギーという特徴を有しており、将来の高速情報処理システムの構成要素として期待されている。このようなＳＦＱ回路を利用した高速情報処理システムを構築するためには、ＳＦＱ回路の信号を取り出し、取り出したその信号を高速で室温環境下にある半導体機器に伝送する超伝導システムの開発が必要である。しかし、ＳＦＱ回路は、その動作電圧が数百μＶ程度であり、半導体機器を直接駆動することはできない。そこで、両者の間にインタフェース回路を介在させ、ＳＦＱ回路の信号を、半導体機器を駆動できる数十ｍＶ程度まで増幅する必要がある。
【０００３】
図７は金属系超伝導体を用いた従来の超伝導システムの構成例を示す図である。従来の超伝導システム１００は、例えば、Ｎｂ（ニオブ）超伝導回路およびＮｂラッチインタフェース回路が形成されたチップ１０１を備え、このチップ１０１は、冷凍機によって液体ヘリウム温度（４．２Ｋ）環境下におかれるようになっている。ここで、Ｎｂ超伝導回路は、金属系超伝導体であるＮｂを用いて形成されたジョセフソン接合を有するＳＦＱ回路である。Ｎｂラッチインタフェース回路は、Ｎｂ超伝導回路と同様、Ｎｂを用いて形成されたジョセフソン接合を有するインタフェース回路としてのラッチドライバである。Ｎｂラッチインタフェース回路は、高速半導体アンプ１０２に接続され、さらにこの高速半導体アンプ１０２が半導体回路１０３に接続される。Ｎｂ超伝導回路の信号が通常数百μＶ程度であり、比較的高速で高入力感度の半導体アンプに接続したいため、高速半導体アンプ１０２としては、例えば、６ｍＶ入力で１０Ｇｂｐｓ動作が可能なＧａＡｓ−ＨＢＴ（Heterojunction Bipolar Transistor）などの半導体回路が用いられる。
【０００４】
このような超伝導システムを構成している超伝導回路の回路作製技術として、Ｎｂ超伝導回路について、既に数千接合規模の回路が試作されている。
また、超伝導システムには、上記のような金属系超伝導体のほか、より高温の温度環境下でも超伝導現象を発現する酸化物高温超伝導体を利用する試みもなされている。この場合、超伝導システムを構成する超伝導回路およびインタフェース回路は、酸化物高温超伝導体のジョセフソン接合を用いて形成される（例えば特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−３５３８３１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、酸化物高温超伝導体を用いた超伝導回路よりも回路作製技術が進んでいるＮｂ超伝導回路を用い、半導体回路との間のインタフェース回路として、Ｎｂを用いて形成したジョセフソン接合を有しているＮｂラッチインタフェース回路を用いた場合には、そのジョセフソン接合のパンチスルー確率やＣＲ時定数による制限などによって、超伝導システムの動作速度が制限されてしまうという問題点があった。
【０００７】
例えば、現在主流のＮｂの集積回路プロセスでは、ジョセフソン接合の電流密度は２．５ＫＡ／ｃｍ2であるが、この場合のパンチスルーによるＮｂラッチインタフェース回路の速度限界はおよそ８ＧＨｚである。また、６ｍＶ出力に必要な８段のジョセフソン接合を形成したＮｂラッチインタフェース回路では、ＣＲ時定数による速度限界もおよそ８ＧＨｚである。電流密度を１０ＫＡ／ｃｍ2に上げることも検討されているが、それでもＮｂラッチインタフェース回路の速度は３０ＧＨｚ〜４０ＧＨｚ程度が限界である。高速半導体アンプの１０Ｇｂｐｓ動作などには、インタフェース回路に最低８０ＧＨｚの速度が必要とされる。すなわち、Ｎｂラッチインタフェース回路を、Ｎｂ超伝導回路と高速半導体アンプなどの半導体回路との間に配置しても、超伝導回路および半導体回路の高速性が、このＮｂラッチインタフェース回路によって制限されてしまう。
【０００８】
このように、Ｎｂラッチインタフェース回路は、Ｎｂ超伝導回路と各種半導体回路との間のインタフェース回路としては未だ十分ではなく、ジョセフソン接合の大規模化が実現されつつあるＮｂ超伝導回路の高速性、および半導体回路の高速性を共に活かすことのできるインタフェース回路の実現が望まれている。
【０００９】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、超伝導回路から出力される信号を高速で他の回路に伝送でき、かつ、十分な増幅能力を有し、誤動作の少ないインタフェース回路を備える超伝導システムを提供することを目的とする。
【００１０】
さらに、本発明は、超伝導回路から出力される信号を高速で他の回路へ伝送することができ、かつ、十分な増幅能力を有し、誤動作の少ないインタフェース回路を超伝導回路と混載した超伝導回路チップを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明では上記課題を解決するために、図１に例示する構成によって実現可能な超伝導システムが提供される。本発明の超伝導システムは、超伝導回路から出力される信号を他の回路にインタフェース回路を介して伝送する超伝導システムにおいて、金属系超伝導体を用いて形成されたジョセフソン接合を有する低温超伝導回路と、酸化物高温超伝導体を用いて形成されたジョセフソン接合を有し前記低温超伝導回路に接続されたインタフェース回路と、を有し、前記低温超伝導回路と前記インタフェース回路とが、共に同じ温度環境下に配置されることを特徴とする。
【００１２】
図１に示す超伝導システム１において、Ｎｂ超伝導回路２は、金属系超伝導体であるＮｂを用いて形成されたジョセフソン接合を有する低温超伝導回路であり、酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３は、酸化物高温超伝導体を用いて形成されたジョセフソン接合を有するインタフェース回路である。酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３は、Ｎｂ超伝導回路２に接続され、両回路は、例えば４．２Ｋの低温環境下に配置される。これにより、酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３は、パンチスルーによる速度限界およびＣＲ時定数による速度限界が向上され、Ｎｂ超伝導回路２および高速半導体アンプ４の両方の高速性を活かしたインタフェース回路を備える超伝導システム１が実現される。
【００１３】
また、本発明では、超伝導回路と前記超伝導回路から出力される信号を他の回路に伝送するためのインタフェース回路とを有する超伝導回路チップにおいて、金属系超伝導体を用いて形成されたジョセフソン接合を有する低温超伝導回路と、酸化物高温超伝導体を用いて形成されたジョセフソン接合を有し前記低温超伝導回路に接続されたインタフェース回路と、を有し、前記低温超伝導回路と前記インタフェース回路とが、共に同じ温度環境下に配置されることを特徴とする超伝導回路チップが提供される。
【００１４】
このような構成の超伝導回路チップによれば、インタフェース回路の速度限界が向上され、低温超伝導回路から出力される信号を他の回路に高速で伝送することが可能になる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
まず、第１の実施の形態について説明する。
【００１６】
図１は第１の実施の形態の超伝導システムの構成例を示す図である。図１に示す超伝導システム１は、Ｎｂを用いて形成された低温超伝導回路であるＮｂ超伝導回路２、および酸化物高温超伝導体を用いて形成されたラッチドライバである酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３を備えている。ここで、Ｎｂ超伝導回路２は、Ｎｂを用いて形成されたジョセフソン接合を有するＳＦＱ回路である。酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３は、ＹＢａＣｕＯ，ＹｂＢａＣｕＯ，ＤｙＢａＣｕＯ，ＥｒＢａＣｕＯ，ＨｏＢａＣｕＯ，ＮｄＢａＣｕＯなどの組成を有する酸化物高温超伝導体を用いて形成されたジョセフソン接合を有するインタフェース回路である。Ｎｂ超伝導回路２および酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３は、例えば冷凍機（図示せず）によって、液体ヘリウム温度４．２Ｋといった低温環境下に配置されるようになっている。
【００１７】
さらに、この超伝導システム１は、酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３に接続された室温環境下にある高速半導体アンプ４、およびこの高速半導体アンプ４に接続された室温環境下の半導体回路５を備えている。高速半導体アンプ４には、例えば、６ｍＶ入力で１０Ｇｂｐｓ動作が可能なＧａＡｓ−ＨＢＴを用いることができ、半導体回路５には、機器に搭載される各種半導体回路を用いることができる。
【００１８】
この超伝導システム１において、Ｎｂ超伝導回路２と酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３はそれぞれ別個の基板上に形成され、それぞれチップが構成されている。これらのチップはアッセンブリーチップなどに実装され、Ｎｂ超伝導回路２と酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３とが接続される。これにより、超伝導回路チップであるマルチチップモジュール６が構成される。超伝導システム１では、このマルチチップモジュール６が低温環境下に配置されている。
【００１９】
図２は第１の実施の形態の超伝導システムにおけるマルチチップモジュールの断面模式図の一例である。ただし、図２では、図１に示した要素と同一の要素については同一の符号を付し、その説明の詳細は省略する。
【００２０】
図２に示すようにＮｂ超伝導回路２および酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３は、それぞれ、アッセンブリーチップ７に超伝導ハンダバンプ８を介して実装されている。
【００２１】
ここで、図２に示したＮｂ超伝導回路２は、Ｓｉ基板２ａ上に、Ｎｂからなるグランドプレーン２ｂ、およびＳｉＯ2からなる層間絶縁膜２ｃが順に形成されており、さらに、この層間絶縁膜２ｃ上には、Ｎｂからなるベース電極２ｄが形成されている。グランドプレーン２ｂとベース電極２ｄは、層間絶縁膜２ｃを貫通するグランドコンタクト２ｅによって接続されている。層間絶縁膜２ｃ内部にはＭｏからなるシート状の抵抗２ｆが設けられていて、ベース電極２ｄと接続されている。ベース電極２ｄ上には、Ａｌ−ＡｌＯxからなる接合バリア２ｇを介して、共にＮｂからなるカウンタ電極２ｈおよび保護層２ｉが形成されている。保護層２ｉはグランドコンタクト２ｅが断線するのを防ぐために設けられる。さらにこれらの上層には、ＳｉＯ2からなる層間絶縁膜２ｊおよびＮｂからなるカウンタ電極２ｋが形成されている。このカウンタ電極２ｋとベース電極２ｄとはベースコンタクト２ｍによって接続され、さらに、このカウンタ電極２ｋは、その下層にあるカウンタ電極２ｈと接続されるように形成される。ベース電極２ｄ、接合バリア２ｇおよびカウンタ電極２ｈ，２ｋにより、ジョセフソン接合２ｎが構成されている。
【００２２】
また、図２に示した酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３は、ＭｇＯ基板３ａ上に、２つのホールが形成されたＬａドープＹＢａＣｕＯxからなるベース電極３ｂが形成されている。このベース電極３ｂ上に、ＳｒＳｎＯxからなる層間絶縁膜３ｃを介して、ＹｂＢａＣｕＯxからなるカウンタ電極３ｄが形成されている。ベース電極３ｂのホール部分では、ベース電極３ｂおよびカウンタ電極３ｄとそれらの間に挟まれた層間絶縁膜３ｃにより、ジョセフソン接合３ｅが形成されている。カウンタ電極３ｄには、超伝導ハンダバンプ８と接続されるＡｕからなるパッド３ｆが形成されている。
【００２３】
このようなＮｂ超伝導回路２および酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３が、アッセンブリーチップ７に形成されたＮｂの超伝導配線９に、超伝導ハンダバンプ８を介してそれぞれ接続される。これにより、Ｎｂ超伝導回路２と酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３それぞれの回路のジョセフソントランスミッションライン（Josephson Transmission Line，ＪＴＬ）が、パッシブトランスミッションライン（Passive Transmission Line，ＰＴＬ）で接続されたマルチチップモジュール６が形成される。
【００２４】
第１の実施の形態の超伝導システム１では、Ｎｂ超伝導回路２と酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３とが、マルチチップモジュール方式で接続され、４．２Ｋといった低温環境下に配置される。このように、金属系超伝導体を用いて形成された低温超伝導回路と、酸化物高温超伝導体を用いて形成されたインタフェース回路とを、共に一定の低温環境下に配置する構成とすることにより、超伝導システムにおけるインタフェース回路の速度限界を向上させることができるようになる。
【００２５】
例えば、Ｙ系酸化物高温超伝導体を用いて形成された酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３では、Ｎｂ超伝導回路２の動作温度である４．２Ｋで、パンチスルーによる速度限界は約１３０ＧＨｚになる。また、６ｍＶ出力に必要な３段ラッチドライバでＣＲ時定数による速度限界は約１００ＧＨｚになる。したがって、１０Ｇｂｐｓ動作に必要とされる８０ＧＨｚの速度を十分に達成することができる。このような結果は、Ｎｂを用いたジョセフソン接合と酸化物高温超伝導体を用いたジョセフソン接合との特性の違いに起因する。例えば、Ｙ系酸化物高温超伝導体のジョセフソン接合では、接合キャパシタンスがＮｂのジョセフソン接合の場合に比べて１桁小さい。また、Ｙ系酸化物高温超伝導体を用いることで、ラッチした場合の出力電圧も大きくなり、Ｎｂでは６ｍＶ出力を得るのに８段のジョセフソン接合が必要になるところ、Ｙ系酸化物高温超伝導体では３段のジョセフソン接合で済み、インタフェース回路の回路規模が小さくなることも要因である。
【００２６】
さらに、超伝導システム１において、酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３は、これが通常動作可能な温度よりも更に低温の温度環境下に配置される。一般に、ＳＦＱ回路と半導体回路との間に設けられるインタフェース回路は、その電流−電圧（Ｉ−Ｖ）特性にヒステリシスを有していることが必要となるが、このヒステリシスは低温になるほど顕著になる。したがって、酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３をＮｂ超伝導回路２と共に低温環境下で動作させることは、インタフェース回路の誤動作確率の低減という点から、より好ましい。
【００２７】
以上述べたように、Ｎｂ超伝導回路２と高速半導体アンプ４の両回路の高速性を活かしたインタフェース回路を備える超伝導システム１を実現することができる。また、このようなマルチチップモジュール方式を採用した場合、金属系超伝導体を用いる回路と酸化物高温超伝導体を用いる回路とを個別に形成することができるので、回路作製プロセスへの負担を低減することが可能になる。
【００２８】
なお、Ｎｂ超伝導回路２内のジョセフソン接合は、上記図２に示したもののみに限定されるものではなく、また、図２に示したＮｂ超伝導回路２の構造は単なる例であって、超伝導システム１に別の構造を有するＮｂ超伝導回路を用いることも勿論可能である。さらに、酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３内のジョセフソン接合は、図２に示したもののみに限定されるものではなく、また、図２に示した酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３の構造は単なる例であって、超伝導システム１に別の構造を有する酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３を用いることも勿論可能である。
【００２９】
また、図２では、Ｎｂ超伝導回路２と酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３とを、アッセンブリーチップ７のＮｂの超伝導配線９で接続した場合について述べたが、この超伝導配線９を、Ｎｂを用いたＪＴＬに変更して両回路を接続するようにしてもよい。この場合、Ｎｂ超伝導回路２のＪＴＬ、アッセンブリーチップ７のＪＴＬおよび酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３のＪＴＬが接続されることになる。
【００３０】
次に、第２の実施の形態について説明する。
図３は第２の実施の形態の超伝導システムの構成例を示す図である。ただし、図３では、図１に示した要素と同一の要素については同一の符号を付し、その説明の詳細は省略する。
【００３１】
第２の実施の形態の超伝導システム２０は、Ｎｂ超伝導回路２と酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３を同一基板上に形成し、超伝導回路チップをひとつのチップ２１で構成している点で、第１の実施の形態の超伝導システム１と相違する。その他の構成および作用・効果は第１の実施の形態と同じである。すなわち、Ｎｂ超伝導回路２および酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３が形成されているチップ２１が低温環境下に配置され、インタフェース回路の速度限界が向上される。それにより、Ｎｂ超伝導回路２および高速半導体アンプ４の高速性を活かした酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３を備えた超伝導システム２０が実現される。
【００３２】
なお、Ｎｂ超伝導回路２と酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３を同一基板上に形成する場合には、高温プロセスが必要な酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３を先に基板上に形成しておき、その後、その基板上にＮｂ超伝導回路２を形成するようにすればよい。
【００３３】
次に、第３の実施の形態について説明する。
図４は第３の実施の形態の超伝導システムの構成例を示す図である。ただし、図４では、図１に示した要素と同一の要素については同一の符号を付し、その説明の詳細は省略する。
【００３４】
第３の実施の形態の超伝導システム３０は、Ｎｂ超伝導回路２と酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３との間をＰＴＬやＪＴＬなどの配線で接続するのではなく、両回路のＪＴＬ同士を、超伝導ハンダバンプ３１を介して接続し、これによりマルチチップモジュール３２を構成している。超伝導システム３０では、このようにバンプ接続されたＮｂ超伝導回路２と酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３とが、低温環境下に配置される。その他の構成は、第１の実施の形態の超伝導システム１と同じである。
【００３５】
ここで、図４のＪ１，Ｊ２はＮｂ超伝導回路２のＪＴＬに存在するジョセフソン接合であり、Ｊ３，Ｊ４は酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３のＪＴＬに存在するジョセフソン接合である。Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５はＮｂ超伝導回路２内のインダクタ部を示しており、Ｌ６，Ｌ７，Ｌ８，Ｌ９，Ｌ１０は酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３内のインダクタ部を示している。Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４はそれぞれＪ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４に対するバイアス電流源である。また、超伝導ハンダバンプ３１は、Ｎｂ超伝導回路２から出力されるＳＦＱパルスを酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３側に十分に伝送できるよう、１０Ω以下の抵抗成分と１０ｐＨ以下のインダクタンス成分で構成されるようにすることが望ましい。なお、図４に示した超伝導システム３０の場合、Ｎｂ超伝導回路２のジョセフソン接合Ｊ１，Ｊ２の臨界電流（Ｉｃ）は２５０μＡとし、酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３のジョセフソン接合Ｊ３，Ｊ４のＩｃは３００μＡとしている。
【００３６】
このように超伝導システム３０を構成することにより、マルチチップモジュール３２の構成が簡素化されるとともに、小型化、伝送の高速化、誤動作確率の低減などを図ることができる。
【００３７】
図５は第３の実施の形態の超伝導システムにおけるマルチチップモジュールの断面模式図の一例である。ただし、図５では、図２に示した要素と同一の要素については同一の符号を付し、その説明の詳細は省略する。
【００３８】
図５に示すマルチチップモジュール３２は、Ｎｂ超伝導回路２のカウンタ電極２ｋと、酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３のカウンタ電極３ｄとが、超伝導ハンダバンプ８を介して接続されている。これにより、Ｎｂ超伝導回路２のＪＴＬと酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３のＪＴＬとが結合される。
【００３９】
なお、Ｎｂ超伝導回路２内のジョセフソン接合は、上記図５に示したもののみに限定されるものではなく、また、図５に示したＮｂ超伝導回路２の構造は単なる例であって、超伝導システム１に別の構造を有するＮｂ超伝導回路を用いることも勿論可能である。さらに、酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３内のジョセフソン接合は、図５に示したもののみに限定されるものではなく、また、図５に示した酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３の構造は単なる例であって、超伝導システム１に別の構造を有する酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３を用いることも勿論可能である。
【００４０】
次に、第４の実施の形態の超伝導システムについて説明する。
図６は第４の実施の形態の超伝導システムの構成例を示す図である。ただし、図６では、低温環境領域はその図示を省略し、また、図４に示した要素と同一の要素については同一の符号を付し、その説明の詳細は省略する。
【００４１】
第４の実施の形態の超伝導システム４０は、Ｎｂ超伝導回路２内のジョセフソン接合のうち最も酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３側にあるもののＩｃが、酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３内のジョセフソン接合のうち最もＮｂ超伝導回路２側にあるもののＩｃよりも大きくなるように設定されている点で第３の実施の形態の超伝導システム３０と相違する。すなわち、Ｎｂ超伝導回路２のＪＴＬの中で最も酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３側にある最終段のジョセフソン接合Ｊ２のＩｃが、酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３のＪＴＬの中でＮｂ超伝導回路２からの出力信号が最初に到達する初段のジョセフソン接合Ｊ３のＩｃより大きくなるよう構成されている。その際、ジョセフソン接合Ｊ２のＩｃは、ジョセフソン接合Ｊ３のＩｃの１．１倍〜１．５倍になるよう構成される。その他の構成は第３の実施の形態の超伝導システム３０と同じである。
【００４２】
図６に示した超伝導システム４０の場合、Ｎｂ超伝導回路２内のジョセフソン接合Ｊ１のＩｃを２５０μＡとし、ジョセフソン接合Ｊ２のＩｃを４００μＡとしている。酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３内のジョセフソン接合Ｊ３，Ｊ４のＩｃは共に３００μＡとしている。すなわち、ここでは、ジョセフソン接合Ｊ２のＩｃがジョセフソン接合Ｊ３のＩｃの約１．３倍となるように構成されている。
【００４３】
このようにジョセフソン接合Ｊ２のＩｃを大きく設定しておくことにより、次のような効果が得られる。すなわち、Ｎｂ超伝導回路２からのＳＦＱパルスが酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３へ伝送される際には、酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３からＮｂ超伝導回路２へ弱まったパルスが戻ってくる場合がある。このような場合であっても、ジョセフソン接合Ｊ２のＩｃを大きく設定しておくことで、そのようなパルスのＮｂ超伝導回路２への進入を抑え、そのパルスによってジョセフソン接合Ｊ２がスイッチしてしまうのを抑制し、誤動作確率の低減を図ることができる。
【００４４】
前述のように、Ｎｂ超伝導回路２の最終段のジョセフソン接合Ｊ２のＩｃを設定する場合には、このジョセフソン接合Ｊ２のＩｃが、酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３の初段のジョセフソン接合Ｊ３のＩｃの１．１倍〜１．５倍になるよう設定する。１．１倍より小さいとＮｂ超伝導回路２へ戻ってくるパルスの進入を効果的に防ぐことができず、また、１．５倍より大きいとＮｂ超伝導回路２から酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３へ伝送されるべきＳＦＱパルスが遮断されてしまう可能性があるためである。
【００４５】
このようにジョセフソン接合Ｊ２のＩｃを設定する場合には、Ｎｂ超伝導回路２の設計・作製段階で、ジョセフソン接合Ｊ２の接合の大きさ（面積）がジョセフソン接合Ｊ１のそれよりも大きくなるよう設計・作製される。例えば、図６に示した超伝導システム４０の場合、ジョセフソン接合Ｊ１のＩｃが２５０μＡで、ジョセフソン接合Ｊ３のＩｃが３００μＡであるので、ジョセフソン接合Ｊ２のＩｃを４００μＡとするためには、ジョセフソン接合Ｊ２の面積がジョセフソン接合Ｊ１の面積の１．６倍になるようにＮｂ超伝導回路２を設計・作製する。
【００４６】
なお、Ｎｂ超伝導回路２のＪＴＬには、酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３の初段のジョセフソン接合Ｊ３のＩｃに比べて１．１倍〜１．５倍にしたジョセフソン接合が、最終段のほか、最終段以外にも配置されていてもよい。また、最終段以外にのみ配置することも、Ｎｂ超伝導回路２の要求特性を満足する限り可能である。
【００４７】
また、上記第１，第２の実施の形態の超伝導システム１，２０を、この第４の実施の形態と同様に、Ｎｂ超伝導回路２内の少なくとも最終段のジョセフソン接合のＩｃを酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３の初段のジョセフソン接合のＩｃよりも大きく設定した構成とすることもできる。また、Ｎｂ超伝導回路２と酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３とを、アッセンブリーチップ７のＪＴＬにより接続する場合には、そのＪＴＬ内の少なくとも最終段のジョセフソン接合のＩｃを、酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３の初段のジョセフソン接合のＩｃに対して１．１倍〜１．５倍になるように構成する。
【００４８】
以上説明したように、Ｎｂ超伝導回路２から出力される信号を高速半導体アンプ４などにインタフェース回路を介して伝送する超伝導システム１，２０，３０，４０において、そのインタフェース回路を、酸化物高温超伝導体を用いた酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３とする。そして、Ｎｂ超伝導回路２と酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３とを、４．２Ｋといった低温環境下に配置する。これにより、Ｎｂ超伝導回路２および高速半導体アンプ４の高速性を活かし、かつ、十分な増幅能力を有し、誤動作の非常に少ないインタフェース回路を備えた超伝導システム１，２０，３０，４０を実現できる。
【００４９】
このような超伝導システム１，２０，３０，４０は、超高速のデータ伝送を低エネルギーで実現でき、通信用ルータ、サーバ、ＡＤ変換器、磁束計（ＳＱＵＩＤ）、サンプラーなど、通信、コンピュータ、計測の分野などで広く利用することが可能である。
【００５０】
なお、以上の説明において、金属系超伝導体はＮｂに限定されるものではなく、その他の金属系超伝導体（化合物系材料を含む）や合金系超伝導材料も用いることができる。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明では、超伝導システムを、金属系超伝導体を用いて形成されたジョセフソン接合を有する低温超伝導回路と酸化物高温超伝導体を用いて形成されたジョセフソン接合を有するインタフェース回路とを備えた構成とする。これにより、低温超伝導回路から出力される信号を、インタフェース回路を介して、他の回路へ高速かつ低エネルギーで伝送することのできる超伝導システムを実現できる。
【００５２】
また、金属系超伝導体を用いて形成されたジョセフソン接合を有する低温超伝導回路と酸化物高温超伝導体を用いて形成されたジョセフソン接合を有するインタフェース回路とを備えた超伝導回路チップを構成することにより、低温超伝導回路から出力される信号を他の回路に高速で伝送することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態の超伝導システムの構成例を示す図である。
【図２】第１の実施の形態の超伝導システムにおけるマルチチップモジュールの断面模式図の一例である。
【図３】第２の実施の形態の超伝導システムの構成例を示す図である。
【図４】第３の実施の形態の超伝導システムの構成例を示す図である。
【図５】第３の実施の形態の超伝導システムにおけるマルチチップモジュールの断面模式図の一例である。
【図６】第４の実施の形態の超伝導システムの構成例を示す図である。
【図７】金属系超伝導体を用いた従来の超伝導システムの構成例を示す図である。
【符号の説明】
１，２０，３０，４０ 超伝導システム
２ Ｎｂ超伝導回路
２ａ Ｓｉ基板
２ｂ グランドプレーン
２ｃ，２ｊ 層間絶縁膜
２ｄ ベース電極
２ｅ グランドコンタクト
２ｆ 抵抗
２ｇ 接合バリア
２ｈ，２ｋ カウンタ電極
２ｉ 保護層
２ｍ ベースコンタクト
２ｎ ジョセフソン接合
３ 酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路
３ａ ＭｇＯ基板
３ｂ ベース電極
３ｃ 層間絶縁膜
３ｄ カウンタ電極
３ｅ ジョセフソン接合
３ｆ パッド
４ 高速半導体アンプ
５ 半導体回路
６，３２ マルチチップモジュール
７ アッセンブリーチップ
８，３１ 超伝導ハンダバンプ
９ 超伝導配線
２１ チップ
Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４ ジョセフソン接合
Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４ バイアス電流源
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５，Ｌ６，Ｌ７，Ｌ８，Ｌ９，Ｌ１０ インダクタ部
Ｉｃ 臨界電流
【発明の属する技術分野】
本発明は超伝導システムおよび超伝導回路チップに関し、特に、超伝導回路から出力される信号を他の回路にインタフェース回路を介して伝送する超伝導システム、および超伝導回路とインタフェース回路を有する超伝導回路チップに関する。
【０００２】
【従来の技術】
超伝導回路のうち、単一磁束量子（Single Flux Quantum，ＳＦＱ）パルスを情報担体として動作するＳＦＱ回路は、超高速、低エネルギーという特徴を有しており、将来の高速情報処理システムの構成要素として期待されている。このようなＳＦＱ回路を利用した高速情報処理システムを構築するためには、ＳＦＱ回路の信号を取り出し、取り出したその信号を高速で室温環境下にある半導体機器に伝送する超伝導システムの開発が必要である。しかし、ＳＦＱ回路は、その動作電圧が数百μＶ程度であり、半導体機器を直接駆動することはできない。そこで、両者の間にインタフェース回路を介在させ、ＳＦＱ回路の信号を、半導体機器を駆動できる数十ｍＶ程度まで増幅する必要がある。
【０００３】
図７は金属系超伝導体を用いた従来の超伝導システムの構成例を示す図である。従来の超伝導システム１００は、例えば、Ｎｂ（ニオブ）超伝導回路およびＮｂラッチインタフェース回路が形成されたチップ１０１を備え、このチップ１０１は、冷凍機によって液体ヘリウム温度（４．２Ｋ）環境下におかれるようになっている。ここで、Ｎｂ超伝導回路は、金属系超伝導体であるＮｂを用いて形成されたジョセフソン接合を有するＳＦＱ回路である。Ｎｂラッチインタフェース回路は、Ｎｂ超伝導回路と同様、Ｎｂを用いて形成されたジョセフソン接合を有するインタフェース回路としてのラッチドライバである。Ｎｂラッチインタフェース回路は、高速半導体アンプ１０２に接続され、さらにこの高速半導体アンプ１０２が半導体回路１０３に接続される。Ｎｂ超伝導回路の信号が通常数百μＶ程度であり、比較的高速で高入力感度の半導体アンプに接続したいため、高速半導体アンプ１０２としては、例えば、６ｍＶ入力で１０Ｇｂｐｓ動作が可能なＧａＡｓ−ＨＢＴ（Heterojunction Bipolar Transistor）などの半導体回路が用いられる。
【０００４】
このような超伝導システムを構成している超伝導回路の回路作製技術として、Ｎｂ超伝導回路について、既に数千接合規模の回路が試作されている。
また、超伝導システムには、上記のような金属系超伝導体のほか、より高温の温度環境下でも超伝導現象を発現する酸化物高温超伝導体を利用する試みもなされている。この場合、超伝導システムを構成する超伝導回路およびインタフェース回路は、酸化物高温超伝導体のジョセフソン接合を用いて形成される（例えば特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−３５３８３１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、酸化物高温超伝導体を用いた超伝導回路よりも回路作製技術が進んでいるＮｂ超伝導回路を用い、半導体回路との間のインタフェース回路として、Ｎｂを用いて形成したジョセフソン接合を有しているＮｂラッチインタフェース回路を用いた場合には、そのジョセフソン接合のパンチスルー確率やＣＲ時定数による制限などによって、超伝導システムの動作速度が制限されてしまうという問題点があった。
【０００７】
例えば、現在主流のＮｂの集積回路プロセスでは、ジョセフソン接合の電流密度は２．５ＫＡ／ｃｍ2であるが、この場合のパンチスルーによるＮｂラッチインタフェース回路の速度限界はおよそ８ＧＨｚである。また、６ｍＶ出力に必要な８段のジョセフソン接合を形成したＮｂラッチインタフェース回路では、ＣＲ時定数による速度限界もおよそ８ＧＨｚである。電流密度を１０ＫＡ／ｃｍ2に上げることも検討されているが、それでもＮｂラッチインタフェース回路の速度は３０ＧＨｚ〜４０ＧＨｚ程度が限界である。高速半導体アンプの１０Ｇｂｐｓ動作などには、インタフェース回路に最低８０ＧＨｚの速度が必要とされる。すなわち、Ｎｂラッチインタフェース回路を、Ｎｂ超伝導回路と高速半導体アンプなどの半導体回路との間に配置しても、超伝導回路および半導体回路の高速性が、このＮｂラッチインタフェース回路によって制限されてしまう。
【０００８】
このように、Ｎｂラッチインタフェース回路は、Ｎｂ超伝導回路と各種半導体回路との間のインタフェース回路としては未だ十分ではなく、ジョセフソン接合の大規模化が実現されつつあるＮｂ超伝導回路の高速性、および半導体回路の高速性を共に活かすことのできるインタフェース回路の実現が望まれている。
【０００９】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、超伝導回路から出力される信号を高速で他の回路に伝送でき、かつ、十分な増幅能力を有し、誤動作の少ないインタフェース回路を備える超伝導システムを提供することを目的とする。
【００１０】
さらに、本発明は、超伝導回路から出力される信号を高速で他の回路へ伝送することができ、かつ、十分な増幅能力を有し、誤動作の少ないインタフェース回路を超伝導回路と混載した超伝導回路チップを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明では上記課題を解決するために、図１に例示する構成によって実現可能な超伝導システムが提供される。本発明の超伝導システムは、超伝導回路から出力される信号を他の回路にインタフェース回路を介して伝送する超伝導システムにおいて、金属系超伝導体を用いて形成されたジョセフソン接合を有する低温超伝導回路と、酸化物高温超伝導体を用いて形成されたジョセフソン接合を有し前記低温超伝導回路に接続されたインタフェース回路と、を有し、前記低温超伝導回路と前記インタフェース回路とが、共に同じ温度環境下に配置されることを特徴とする。
【００１２】
図１に示す超伝導システム１において、Ｎｂ超伝導回路２は、金属系超伝導体であるＮｂを用いて形成されたジョセフソン接合を有する低温超伝導回路であり、酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３は、酸化物高温超伝導体を用いて形成されたジョセフソン接合を有するインタフェース回路である。酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３は、Ｎｂ超伝導回路２に接続され、両回路は、例えば４．２Ｋの低温環境下に配置される。これにより、酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３は、パンチスルーによる速度限界およびＣＲ時定数による速度限界が向上され、Ｎｂ超伝導回路２および高速半導体アンプ４の両方の高速性を活かしたインタフェース回路を備える超伝導システム１が実現される。
【００１３】
また、本発明では、超伝導回路と前記超伝導回路から出力される信号を他の回路に伝送するためのインタフェース回路とを有する超伝導回路チップにおいて、金属系超伝導体を用いて形成されたジョセフソン接合を有する低温超伝導回路と、酸化物高温超伝導体を用いて形成されたジョセフソン接合を有し前記低温超伝導回路に接続されたインタフェース回路と、を有し、前記低温超伝導回路と前記インタフェース回路とが、共に同じ温度環境下に配置されることを特徴とする超伝導回路チップが提供される。
【００１４】
このような構成の超伝導回路チップによれば、インタフェース回路の速度限界が向上され、低温超伝導回路から出力される信号を他の回路に高速で伝送することが可能になる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
まず、第１の実施の形態について説明する。
【００１６】
図１は第１の実施の形態の超伝導システムの構成例を示す図である。図１に示す超伝導システム１は、Ｎｂを用いて形成された低温超伝導回路であるＮｂ超伝導回路２、および酸化物高温超伝導体を用いて形成されたラッチドライバである酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３を備えている。ここで、Ｎｂ超伝導回路２は、Ｎｂを用いて形成されたジョセフソン接合を有するＳＦＱ回路である。酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３は、ＹＢａＣｕＯ，ＹｂＢａＣｕＯ，ＤｙＢａＣｕＯ，ＥｒＢａＣｕＯ，ＨｏＢａＣｕＯ，ＮｄＢａＣｕＯなどの組成を有する酸化物高温超伝導体を用いて形成されたジョセフソン接合を有するインタフェース回路である。Ｎｂ超伝導回路２および酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３は、例えば冷凍機（図示せず）によって、液体ヘリウム温度４．２Ｋといった低温環境下に配置されるようになっている。
【００１７】
さらに、この超伝導システム１は、酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３に接続された室温環境下にある高速半導体アンプ４、およびこの高速半導体アンプ４に接続された室温環境下の半導体回路５を備えている。高速半導体アンプ４には、例えば、６ｍＶ入力で１０Ｇｂｐｓ動作が可能なＧａＡｓ−ＨＢＴを用いることができ、半導体回路５には、機器に搭載される各種半導体回路を用いることができる。
【００１８】
この超伝導システム１において、Ｎｂ超伝導回路２と酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３はそれぞれ別個の基板上に形成され、それぞれチップが構成されている。これらのチップはアッセンブリーチップなどに実装され、Ｎｂ超伝導回路２と酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３とが接続される。これにより、超伝導回路チップであるマルチチップモジュール６が構成される。超伝導システム１では、このマルチチップモジュール６が低温環境下に配置されている。
【００１９】
図２は第１の実施の形態の超伝導システムにおけるマルチチップモジュールの断面模式図の一例である。ただし、図２では、図１に示した要素と同一の要素については同一の符号を付し、その説明の詳細は省略する。
【００２０】
図２に示すようにＮｂ超伝導回路２および酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３は、それぞれ、アッセンブリーチップ７に超伝導ハンダバンプ８を介して実装されている。
【００２１】
ここで、図２に示したＮｂ超伝導回路２は、Ｓｉ基板２ａ上に、Ｎｂからなるグランドプレーン２ｂ、およびＳｉＯ2からなる層間絶縁膜２ｃが順に形成されており、さらに、この層間絶縁膜２ｃ上には、Ｎｂからなるベース電極２ｄが形成されている。グランドプレーン２ｂとベース電極２ｄは、層間絶縁膜２ｃを貫通するグランドコンタクト２ｅによって接続されている。層間絶縁膜２ｃ内部にはＭｏからなるシート状の抵抗２ｆが設けられていて、ベース電極２ｄと接続されている。ベース電極２ｄ上には、Ａｌ−ＡｌＯxからなる接合バリア２ｇを介して、共にＮｂからなるカウンタ電極２ｈおよび保護層２ｉが形成されている。保護層２ｉはグランドコンタクト２ｅが断線するのを防ぐために設けられる。さらにこれらの上層には、ＳｉＯ2からなる層間絶縁膜２ｊおよびＮｂからなるカウンタ電極２ｋが形成されている。このカウンタ電極２ｋとベース電極２ｄとはベースコンタクト２ｍによって接続され、さらに、このカウンタ電極２ｋは、その下層にあるカウンタ電極２ｈと接続されるように形成される。ベース電極２ｄ、接合バリア２ｇおよびカウンタ電極２ｈ，２ｋにより、ジョセフソン接合２ｎが構成されている。
【００２２】
また、図２に示した酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３は、ＭｇＯ基板３ａ上に、２つのホールが形成されたＬａドープＹＢａＣｕＯxからなるベース電極３ｂが形成されている。このベース電極３ｂ上に、ＳｒＳｎＯxからなる層間絶縁膜３ｃを介して、ＹｂＢａＣｕＯxからなるカウンタ電極３ｄが形成されている。ベース電極３ｂのホール部分では、ベース電極３ｂおよびカウンタ電極３ｄとそれらの間に挟まれた層間絶縁膜３ｃにより、ジョセフソン接合３ｅが形成されている。カウンタ電極３ｄには、超伝導ハンダバンプ８と接続されるＡｕからなるパッド３ｆが形成されている。
【００２３】
このようなＮｂ超伝導回路２および酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３が、アッセンブリーチップ７に形成されたＮｂの超伝導配線９に、超伝導ハンダバンプ８を介してそれぞれ接続される。これにより、Ｎｂ超伝導回路２と酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３それぞれの回路のジョセフソントランスミッションライン（Josephson Transmission Line，ＪＴＬ）が、パッシブトランスミッションライン（Passive Transmission Line，ＰＴＬ）で接続されたマルチチップモジュール６が形成される。
【００２４】
第１の実施の形態の超伝導システム１では、Ｎｂ超伝導回路２と酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３とが、マルチチップモジュール方式で接続され、４．２Ｋといった低温環境下に配置される。このように、金属系超伝導体を用いて形成された低温超伝導回路と、酸化物高温超伝導体を用いて形成されたインタフェース回路とを、共に一定の低温環境下に配置する構成とすることにより、超伝導システムにおけるインタフェース回路の速度限界を向上させることができるようになる。
【００２５】
例えば、Ｙ系酸化物高温超伝導体を用いて形成された酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３では、Ｎｂ超伝導回路２の動作温度である４．２Ｋで、パンチスルーによる速度限界は約１３０ＧＨｚになる。また、６ｍＶ出力に必要な３段ラッチドライバでＣＲ時定数による速度限界は約１００ＧＨｚになる。したがって、１０Ｇｂｐｓ動作に必要とされる８０ＧＨｚの速度を十分に達成することができる。このような結果は、Ｎｂを用いたジョセフソン接合と酸化物高温超伝導体を用いたジョセフソン接合との特性の違いに起因する。例えば、Ｙ系酸化物高温超伝導体のジョセフソン接合では、接合キャパシタンスがＮｂのジョセフソン接合の場合に比べて１桁小さい。また、Ｙ系酸化物高温超伝導体を用いることで、ラッチした場合の出力電圧も大きくなり、Ｎｂでは６ｍＶ出力を得るのに８段のジョセフソン接合が必要になるところ、Ｙ系酸化物高温超伝導体では３段のジョセフソン接合で済み、インタフェース回路の回路規模が小さくなることも要因である。
【００２６】
さらに、超伝導システム１において、酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３は、これが通常動作可能な温度よりも更に低温の温度環境下に配置される。一般に、ＳＦＱ回路と半導体回路との間に設けられるインタフェース回路は、その電流−電圧（Ｉ−Ｖ）特性にヒステリシスを有していることが必要となるが、このヒステリシスは低温になるほど顕著になる。したがって、酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３をＮｂ超伝導回路２と共に低温環境下で動作させることは、インタフェース回路の誤動作確率の低減という点から、より好ましい。
【００２７】
以上述べたように、Ｎｂ超伝導回路２と高速半導体アンプ４の両回路の高速性を活かしたインタフェース回路を備える超伝導システム１を実現することができる。また、このようなマルチチップモジュール方式を採用した場合、金属系超伝導体を用いる回路と酸化物高温超伝導体を用いる回路とを個別に形成することができるので、回路作製プロセスへの負担を低減することが可能になる。
【００２８】
なお、Ｎｂ超伝導回路２内のジョセフソン接合は、上記図２に示したもののみに限定されるものではなく、また、図２に示したＮｂ超伝導回路２の構造は単なる例であって、超伝導システム１に別の構造を有するＮｂ超伝導回路を用いることも勿論可能である。さらに、酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３内のジョセフソン接合は、図２に示したもののみに限定されるものではなく、また、図２に示した酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３の構造は単なる例であって、超伝導システム１に別の構造を有する酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３を用いることも勿論可能である。
【００２９】
また、図２では、Ｎｂ超伝導回路２と酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３とを、アッセンブリーチップ７のＮｂの超伝導配線９で接続した場合について述べたが、この超伝導配線９を、Ｎｂを用いたＪＴＬに変更して両回路を接続するようにしてもよい。この場合、Ｎｂ超伝導回路２のＪＴＬ、アッセンブリーチップ７のＪＴＬおよび酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３のＪＴＬが接続されることになる。
【００３０】
次に、第２の実施の形態について説明する。
図３は第２の実施の形態の超伝導システムの構成例を示す図である。ただし、図３では、図１に示した要素と同一の要素については同一の符号を付し、その説明の詳細は省略する。
【００３１】
第２の実施の形態の超伝導システム２０は、Ｎｂ超伝導回路２と酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３を同一基板上に形成し、超伝導回路チップをひとつのチップ２１で構成している点で、第１の実施の形態の超伝導システム１と相違する。その他の構成および作用・効果は第１の実施の形態と同じである。すなわち、Ｎｂ超伝導回路２および酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３が形成されているチップ２１が低温環境下に配置され、インタフェース回路の速度限界が向上される。それにより、Ｎｂ超伝導回路２および高速半導体アンプ４の高速性を活かした酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３を備えた超伝導システム２０が実現される。
【００３２】
なお、Ｎｂ超伝導回路２と酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３を同一基板上に形成する場合には、高温プロセスが必要な酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３を先に基板上に形成しておき、その後、その基板上にＮｂ超伝導回路２を形成するようにすればよい。
【００３３】
次に、第３の実施の形態について説明する。
図４は第３の実施の形態の超伝導システムの構成例を示す図である。ただし、図４では、図１に示した要素と同一の要素については同一の符号を付し、その説明の詳細は省略する。
【００３４】
第３の実施の形態の超伝導システム３０は、Ｎｂ超伝導回路２と酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３との間をＰＴＬやＪＴＬなどの配線で接続するのではなく、両回路のＪＴＬ同士を、超伝導ハンダバンプ３１を介して接続し、これによりマルチチップモジュール３２を構成している。超伝導システム３０では、このようにバンプ接続されたＮｂ超伝導回路２と酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３とが、低温環境下に配置される。その他の構成は、第１の実施の形態の超伝導システム１と同じである。
【００３５】
ここで、図４のＪ１，Ｊ２はＮｂ超伝導回路２のＪＴＬに存在するジョセフソン接合であり、Ｊ３，Ｊ４は酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３のＪＴＬに存在するジョセフソン接合である。Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５はＮｂ超伝導回路２内のインダクタ部を示しており、Ｌ６，Ｌ７，Ｌ８，Ｌ９，Ｌ１０は酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３内のインダクタ部を示している。Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４はそれぞれＪ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４に対するバイアス電流源である。また、超伝導ハンダバンプ３１は、Ｎｂ超伝導回路２から出力されるＳＦＱパルスを酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３側に十分に伝送できるよう、１０Ω以下の抵抗成分と１０ｐＨ以下のインダクタンス成分で構成されるようにすることが望ましい。なお、図４に示した超伝導システム３０の場合、Ｎｂ超伝導回路２のジョセフソン接合Ｊ１，Ｊ２の臨界電流（Ｉｃ）は２５０μＡとし、酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３のジョセフソン接合Ｊ３，Ｊ４のＩｃは３００μＡとしている。
【００３６】
このように超伝導システム３０を構成することにより、マルチチップモジュール３２の構成が簡素化されるとともに、小型化、伝送の高速化、誤動作確率の低減などを図ることができる。
【００３７】
図５は第３の実施の形態の超伝導システムにおけるマルチチップモジュールの断面模式図の一例である。ただし、図５では、図２に示した要素と同一の要素については同一の符号を付し、その説明の詳細は省略する。
【００３８】
図５に示すマルチチップモジュール３２は、Ｎｂ超伝導回路２のカウンタ電極２ｋと、酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３のカウンタ電極３ｄとが、超伝導ハンダバンプ８を介して接続されている。これにより、Ｎｂ超伝導回路２のＪＴＬと酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３のＪＴＬとが結合される。
【００３９】
なお、Ｎｂ超伝導回路２内のジョセフソン接合は、上記図５に示したもののみに限定されるものではなく、また、図５に示したＮｂ超伝導回路２の構造は単なる例であって、超伝導システム１に別の構造を有するＮｂ超伝導回路を用いることも勿論可能である。さらに、酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３内のジョセフソン接合は、図５に示したもののみに限定されるものではなく、また、図５に示した酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３の構造は単なる例であって、超伝導システム１に別の構造を有する酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３を用いることも勿論可能である。
【００４０】
次に、第４の実施の形態の超伝導システムについて説明する。
図６は第４の実施の形態の超伝導システムの構成例を示す図である。ただし、図６では、低温環境領域はその図示を省略し、また、図４に示した要素と同一の要素については同一の符号を付し、その説明の詳細は省略する。
【００４１】
第４の実施の形態の超伝導システム４０は、Ｎｂ超伝導回路２内のジョセフソン接合のうち最も酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３側にあるもののＩｃが、酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３内のジョセフソン接合のうち最もＮｂ超伝導回路２側にあるもののＩｃよりも大きくなるように設定されている点で第３の実施の形態の超伝導システム３０と相違する。すなわち、Ｎｂ超伝導回路２のＪＴＬの中で最も酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３側にある最終段のジョセフソン接合Ｊ２のＩｃが、酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３のＪＴＬの中でＮｂ超伝導回路２からの出力信号が最初に到達する初段のジョセフソン接合Ｊ３のＩｃより大きくなるよう構成されている。その際、ジョセフソン接合Ｊ２のＩｃは、ジョセフソン接合Ｊ３のＩｃの１．１倍〜１．５倍になるよう構成される。その他の構成は第３の実施の形態の超伝導システム３０と同じである。
【００４２】
図６に示した超伝導システム４０の場合、Ｎｂ超伝導回路２内のジョセフソン接合Ｊ１のＩｃを２５０μＡとし、ジョセフソン接合Ｊ２のＩｃを４００μＡとしている。酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３内のジョセフソン接合Ｊ３，Ｊ４のＩｃは共に３００μＡとしている。すなわち、ここでは、ジョセフソン接合Ｊ２のＩｃがジョセフソン接合Ｊ３のＩｃの約１．３倍となるように構成されている。
【００４３】
このようにジョセフソン接合Ｊ２のＩｃを大きく設定しておくことにより、次のような効果が得られる。すなわち、Ｎｂ超伝導回路２からのＳＦＱパルスが酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３へ伝送される際には、酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３からＮｂ超伝導回路２へ弱まったパルスが戻ってくる場合がある。このような場合であっても、ジョセフソン接合Ｊ２のＩｃを大きく設定しておくことで、そのようなパルスのＮｂ超伝導回路２への進入を抑え、そのパルスによってジョセフソン接合Ｊ２がスイッチしてしまうのを抑制し、誤動作確率の低減を図ることができる。
【００４４】
前述のように、Ｎｂ超伝導回路２の最終段のジョセフソン接合Ｊ２のＩｃを設定する場合には、このジョセフソン接合Ｊ２のＩｃが、酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３の初段のジョセフソン接合Ｊ３のＩｃの１．１倍〜１．５倍になるよう設定する。１．１倍より小さいとＮｂ超伝導回路２へ戻ってくるパルスの進入を効果的に防ぐことができず、また、１．５倍より大きいとＮｂ超伝導回路２から酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３へ伝送されるべきＳＦＱパルスが遮断されてしまう可能性があるためである。
【００４５】
このようにジョセフソン接合Ｊ２のＩｃを設定する場合には、Ｎｂ超伝導回路２の設計・作製段階で、ジョセフソン接合Ｊ２の接合の大きさ（面積）がジョセフソン接合Ｊ１のそれよりも大きくなるよう設計・作製される。例えば、図６に示した超伝導システム４０の場合、ジョセフソン接合Ｊ１のＩｃが２５０μＡで、ジョセフソン接合Ｊ３のＩｃが３００μＡであるので、ジョセフソン接合Ｊ２のＩｃを４００μＡとするためには、ジョセフソン接合Ｊ２の面積がジョセフソン接合Ｊ１の面積の１．６倍になるようにＮｂ超伝導回路２を設計・作製する。
【００４６】
なお、Ｎｂ超伝導回路２のＪＴＬには、酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３の初段のジョセフソン接合Ｊ３のＩｃに比べて１．１倍〜１．５倍にしたジョセフソン接合が、最終段のほか、最終段以外にも配置されていてもよい。また、最終段以外にのみ配置することも、Ｎｂ超伝導回路２の要求特性を満足する限り可能である。
【００４７】
また、上記第１，第２の実施の形態の超伝導システム１，２０を、この第４の実施の形態と同様に、Ｎｂ超伝導回路２内の少なくとも最終段のジョセフソン接合のＩｃを酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３の初段のジョセフソン接合のＩｃよりも大きく設定した構成とすることもできる。また、Ｎｂ超伝導回路２と酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３とを、アッセンブリーチップ７のＪＴＬにより接続する場合には、そのＪＴＬ内の少なくとも最終段のジョセフソン接合のＩｃを、酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３の初段のジョセフソン接合のＩｃに対して１．１倍〜１．５倍になるように構成する。
【００４８】
以上説明したように、Ｎｂ超伝導回路２から出力される信号を高速半導体アンプ４などにインタフェース回路を介して伝送する超伝導システム１，２０，３０，４０において、そのインタフェース回路を、酸化物高温超伝導体を用いた酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３とする。そして、Ｎｂ超伝導回路２と酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路３とを、４．２Ｋといった低温環境下に配置する。これにより、Ｎｂ超伝導回路２および高速半導体アンプ４の高速性を活かし、かつ、十分な増幅能力を有し、誤動作の非常に少ないインタフェース回路を備えた超伝導システム１，２０，３０，４０を実現できる。
【００４９】
このような超伝導システム１，２０，３０，４０は、超高速のデータ伝送を低エネルギーで実現でき、通信用ルータ、サーバ、ＡＤ変換器、磁束計（ＳＱＵＩＤ）、サンプラーなど、通信、コンピュータ、計測の分野などで広く利用することが可能である。
【００５０】
なお、以上の説明において、金属系超伝導体はＮｂに限定されるものではなく、その他の金属系超伝導体（化合物系材料を含む）や合金系超伝導材料も用いることができる。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明では、超伝導システムを、金属系超伝導体を用いて形成されたジョセフソン接合を有する低温超伝導回路と酸化物高温超伝導体を用いて形成されたジョセフソン接合を有するインタフェース回路とを備えた構成とする。これにより、低温超伝導回路から出力される信号を、インタフェース回路を介して、他の回路へ高速かつ低エネルギーで伝送することのできる超伝導システムを実現できる。
【００５２】
また、金属系超伝導体を用いて形成されたジョセフソン接合を有する低温超伝導回路と酸化物高温超伝導体を用いて形成されたジョセフソン接合を有するインタフェース回路とを備えた超伝導回路チップを構成することにより、低温超伝導回路から出力される信号を他の回路に高速で伝送することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態の超伝導システムの構成例を示す図である。
【図２】第１の実施の形態の超伝導システムにおけるマルチチップモジュールの断面模式図の一例である。
【図３】第２の実施の形態の超伝導システムの構成例を示す図である。
【図４】第３の実施の形態の超伝導システムの構成例を示す図である。
【図５】第３の実施の形態の超伝導システムにおけるマルチチップモジュールの断面模式図の一例である。
【図６】第４の実施の形態の超伝導システムの構成例を示す図である。
【図７】金属系超伝導体を用いた従来の超伝導システムの構成例を示す図である。
【符号の説明】
１，２０，３０，４０ 超伝導システム
２ Ｎｂ超伝導回路
２ａ Ｓｉ基板
２ｂ グランドプレーン
２ｃ，２ｊ 層間絶縁膜
２ｄ ベース電極
２ｅ グランドコンタクト
２ｆ 抵抗
２ｇ 接合バリア
２ｈ，２ｋ カウンタ電極
２ｉ 保護層
２ｍ ベースコンタクト
２ｎ ジョセフソン接合
３ 酸化物高温超伝導ラッチインタフェース回路
３ａ ＭｇＯ基板
３ｂ ベース電極
３ｃ 層間絶縁膜
３ｄ カウンタ電極
３ｅ ジョセフソン接合
３ｆ パッド
４ 高速半導体アンプ
５ 半導体回路
６，３２ マルチチップモジュール
７ アッセンブリーチップ
８，３１ 超伝導ハンダバンプ
９ 超伝導配線
２１ チップ
Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４ ジョセフソン接合
Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４ バイアス電流源
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５，Ｌ６，Ｌ７，Ｌ８，Ｌ９，Ｌ１０ インダクタ部
Ｉｃ 臨界電流
Claims (7)
- 超伝導回路から出力される信号を他の回路にインタフェース回路を介して伝送する超伝導システムにおいて、
金属系超伝導体を用いて形成されたジョセフソン接合を有する低温超伝導回路と、
酸化物高温超伝導体を用いて形成されたジョセフソン接合を有し前記低温超伝導回路に接続されたインタフェース回路と、
を有し、
前記低温超伝導回路と前記インタフェース回路とが、共に同じ温度環境下に配置されることを特徴とする超伝導システム。 - 異なるチップ上に形成された前記低温超伝導回路と前記インタフェース回路とを含むマルチチップモジュールを有していることを特徴とする請求項１記載の超伝導システム。
- 前記低温超伝導回路と前記インタフェース回路とは、前記金属系超伝導体を用いて形成されたジョセフソン接合を含むジョセフソントランスミッションラインと、前記酸化物高温超伝導体を用いて形成されたジョセフソン接合を含むジョセフソントランスミッションラインとを用いて接続されていることを特徴とする請求項１記載の超伝導システム。
- 前記金属系超伝導体を用いて形成されたジョセフソン接合を含むジョセフソントランスミッションラインに、前記酸化物高温超伝導体を用いて形成されたジョセフソン接合を含むジョセフソントランスミッションラインの中で前記低温超伝導回路から出力された信号が最初に到達するジョセフソン接合の臨界電流に対して１．１倍以上１．５倍以下の臨界電流のジョセフソン接合を少なくともひとつ配置したことを特徴とする請求項３記載の超伝導システム。
- 前記低温超伝導回路と前記インタフェース回路とは、共に前記低温超伝導回路の動作温度の温度環境下に配置されることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の超伝導システム。
- 超伝導回路と前記超伝導回路から出力される信号を他の回路に伝送するためのインタフェース回路とを有する超伝導回路チップにおいて、
金属系超伝導体を用いて形成されたジョセフソン接合を有する低温超伝導回路と、
酸化物高温超伝導体を用いて形成されたジョセフソン接合を有し前記低温超伝導回路に接続されたインタフェース回路と、
を有し、
前記低温超伝導回路と前記インタフェース回路とが、共に同じ温度環境下に配置されることを特徴とする超伝導回路チップ。 - 前記低温超伝導回路と前記インタフェース回路とは、共に前記低温超伝導回路の動作温度の温度環境下に配置されることを特徴とする請求項６記載の超伝導回路チップ。
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