JP4955232B2 - 超伝導記憶セル - Google Patents

Description

本発明は、極低温で動作する超伝導集積回路で使用される記憶回路に関する。本発明は特に、超低消費電力で且つ超高速動作可能な超伝導ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）の超伝導記憶セルに関するものである。

超伝導記憶セルは、従来様々な回路が提案されているが、一般的にジョセフソン接合を含んだ超伝導ループを基本にして構成されている。この超伝導ループに流れる循環電流の有無あるいは循環電流の流れる方向を２進数の“０”“１”に対応させて、ＬＩ積がｎФ_０という量子化条件で情報を蓄えるという特徴をもっている。ここで、ｎは整数、Φ_０は磁束量子（2.07×10^-15 Wb）、Ｌは超伝導ループのインダクタンス値、Ｉは超伝導ループを流れる循環電流値である。

超伝導ループを流れる循環電流は、抵抗が零で流れ続けるため（超伝導電流）、情報の保持に対しては電力を消費しないという特徴がある。また、“０”“１”の状態の遷移は、ｎФ_０程度の磁束が超伝導ループにジョセフソン接合を介して出入りすることによって引き起こされる。この状態遷移に要する時間は、ジョセフソン接合のギャップ電圧をＶ_ｇとするとｎФ_０／Ｖ_ｇで評価でき、蓄える磁束量子の数ｎが小さいほど状態遷移に要する時間は短くなる。通常、ｎは１個または数個で設計され、Ｖ_ｇは数ミリボルト（ｍＶ）であるので、この状態遷移に要する時間は数ピコ秒（ｐｓ）程度となり、超高速の動作が可能なことが解る。この様に超伝導記憶セルは、その動作の基本原理から考えて超低消費電力性と超高速性という特徴を持っている。

ランダムアクセスメモリの構成では、多数の記憶セルは２次元のマトリックスアレイ状に配置される。この構成では、このマトリックスアレイの行方向（横）と列方向（縦）の２方向から信号を加えて、これら２つの信号が同時に印加された記憶セルが選択される（これを一致論理と呼ぶこともある）。この選択された記憶セルに対して情報の書き込みや読み出しが行われる。

しかしながら、この２次元のマトリックスアレイの中で特定の記憶セルを選択するために行方向（横）及び列方向（縦）の信号が印加されると、行方向（横）又は列方向（縦）の一方の信号のみが加えられた状態（これを半選択状態と呼ぶ）の選択されない記憶セルがランダムアクセスメモリの構成でおいては必ず存在する。この半選択状態の記憶セルに対して情報の書き込みや読み出しが行われることは全て誤動作になる。このため、ランダムアクセスメモリの記憶セルは、この半選択状態に対しても広い動作マージンを有する必要がある。

従来、この様なランダムアクセスメモリの超伝導記憶セルの代表的なものの一つとして、下記の非特許文献１に報告されている超伝導記憶セルがある。この超伝導記憶セルは、一般的にヘンケル型記憶セルとも呼ばれている（以降、ヘンケル型記憶セルと呼称する）。他の一つは、特開昭６２−３３３９５号公報（特許文献１）に開示されている超伝導記憶セルである。この超伝導記憶セルも、一般的に磁束量子転移型記憶セルと呼ばれている（以降、磁束量子転移型記憶セルと呼称する）。

図４は、従来技術の一例であるヘンケル型記憶セルの等価回路図である。この超伝導記憶セルは、３個のジョセフソン接合で構成された超伝導量子干渉素子からなる書き込みゲート（Ｇ_１）と、この書き込みゲートを含んだ超伝導ループ（ＳＬ）と、この超伝導ループに磁気的に結合した２個のジョセフソン接合で構成された超伝導量子干渉素子からなる読み出しゲート（Ｇ_２）とダンピング抵抗（Ｒ_ｄ１）とから構成されている。

このヘンケル型記憶セルの動作を簡単に述べる。データ“１”の書き込み（“１”Ｗ）は、行方向書き込み信号（Ｉ_ＷＸ）と列方向書き込み信号（Ｉ_ＷＹ）及びデータ信号（Ｉ_Ｄ）の入力により行われる。この時、書き込みゲート（Ｇ_１）が一時的に電圧状態にスイッチすることで、超伝導ループ（ＳＬ）に少なくとも１個以上の単一磁束量子（ＳＦＱ）が保持され、データ“１”の書き込みが完了する。

データ“０”の書き込み（“０”Ｗ）は、行方向書き込み信号（Ｉ_ＷＸ）と列方向書き込み信号（Ｉ_ＷＹ）の入力により行われる。データ“１”を保持している状態で、行方向書き込み信号（Ｉ_ＷＸ）と列方向書き込み信号（Ｉ_ＷＹ）を入力すると、書き込みゲート（Ｇ_１）が一時的に電圧状態にスイッチし、超伝導ループ（ＳＬ）に保持していた単一磁束量子（ＳＦＱ）が排除され、データ“０”の書き込みが完了する。

データの読み出し（Ｒ）は、データ信号（Ｉ_Ｄ）と読み出し信号（Ｉ_Ｓ）の入力により行われる。データ“１”を保持している状態で、データ信号（Ｉ_Ｄ）が入力されると、保持していた単一磁束量子に起因した超伝導電流に加えてデータ信号（Ｉ_Ｄ）が加わるため、超伝導ループ（ＳＬ）に流れる電流が増大する。その結果、この超伝導ループ（ＳＬ）に磁気的に結合している読み出しゲート（Ｇ_２）が電圧状態にスイッチすることで、データ“１”の読み出しが完了する。一方、データ“０”を保持している状態で、データ信号（Ｉ_Ｄ）が入力されても、超伝導ループ（ＳＬ）にはデータ信号（Ｉ_Ｄ）の一部が流れるだけであるため、読み出しゲート（Ｇ_２）は電圧状態にスイッチしない。これにより、データ“０”の読み出しが完了する。

この様に、ヘンケル型記憶セルでは、行方向書き込み信号（Ｉ_ＷＸ）と列方向書き込み信号（Ｉ_ＷＹ）の２つの信号が同時に印加（一致論理）された時に書き込み動作を行い、データ信号（Ｉ_Ｄ）と読み出し信号（Ｉ_Ｓ）の２つの信号が同時に印加（一致論理）された時に読み出し動作を行うように設定されている。言い換えれば、一方の信号のみが印加された半選択状態では、書き込みや読み出し動作が行われないよう設定されている。また、上記全ての入力信号は、単極性の信号で動作するように設定されている。従って、ヘンケル型記憶セルを用いることで、単極性の信号で動作可能なランダムアクセスメモリの記憶セルを実現することができる。

しかしながら、超伝導ループ（ＳＬ）にデータ“１”が保持されているヘンケル型記憶セルでは、これに起因した超伝導電流が常に読み出しゲート（Ｇ２）に印加されているため、読み出し時の半選択状態に対する動作マージンがあまり広く取れないという問題点があった。この問題点を解決するために、情報を保持する超伝導ループと読み出しのための超伝導ループを分離して、２個の超伝導ループを具備する磁束量子転移型記憶セルが提案された。

図５は、この従来技術の他の一例である磁束量子転移型記憶セルの等価回路図である。磁束量子転移型記憶セルは、ジョセフソン接合（Ｊ_１）とダンピング抵抗（Ｒ_１）を含む第１の超伝導ループ（ＳＬ_１）と、ジョセフソン接合（Ｊ_２）とダンピング抵抗（Ｒ_２）を含む第２の超伝導ループ（ＳＬ_２）と、第１の超伝導ループ（ＳＬ_１）に直結された制御配線（Ｉ_Ｙ)と、第１の超伝導ループ（ＳＬ_１）に磁気的に結合するように配置された二つの制御配線（Ｉ_Ｘ,Ｉ_ＤＣ)と、第２の超伝導ループ（ＳＬ_２）に磁気的に結合するように配置された読み出しゲート（Ｇ_２）とから構成されている。

この磁束量子転移型記憶セルの動作を簡単に述べる。第１の超伝導ループ（ＳＬ_１）で情報（磁束量子）を蓄え、読み出し動作時には第１の超伝導ループ（ＳＬ_１）の状態に応じて第２の超伝導ループ（ＳＬ_２）が磁束量子転移を起こして、第２の超伝導ループ（ＳＬ_２）に磁気的に結合した読み出しゲート（Ｇ_２）に情報を伝達する。この様に、磁束量子転移型記憶セルでは情報の保持は第１の超伝導ループ（ＳＬ_１）で行われ、読み出しゲート（Ｇ_２）は第１の超伝導ループ（ＳＬ_１）に直接結合していないため、保持しているデータに起因した磁場の影響をほとんど受けない。このため、上記従来のヘンケル型記憶セルで問題となった読み出し時の半選択状態に対する動作マージンの低下という問題を除去できる。従って、磁束量子転移型記憶セルは、ランダムアクセスメモリを構成した場合に読み出し時の半選択状態に対しても動作マージンを広くとれるという利点がある。

しかしながら、この磁束量子転移型記憶セルで記憶動作を行うためには２つの制御信号Ｉ_ＸとＩ_Ｙの電流の流れる方向（極性）を変化させる必要がある。即ち、データ“１”を書き込む時にはＩ_ＸとＩ_Ｙに共に負の電流を流し、データ“０”を書き込む時にはＩ_ＸとＩ_Ｙに共に正の電流を流し、読み出し時にはＩ_Ｘに正Ｉ_Ｙに負の電流を流す（図５の等価回路でＩ_Ｘでは左から右に向かう方向、Ｉ_Ｙでは上から下に向かう方向を電流の正の方向とした）。

磁束量子転移型記憶セルでは、データ“１”の書き込みにより、第１の超伝導ループに反時計回りの方向の超伝導電流（磁束量子）が保持され、データ“０”の書き込みにより、第１の超伝導ループに時計回りの方向の超伝導電流（磁束量子）が保持される。即ち、データの“１”と“０”を超伝導電流の流れる向きに対応させて保存している（直流の入力電流（Ｉ_ＤＣ）が入力されているため、時計回りの方向の電流が打ち消されて、見かけ上は超伝導電流の有無に対応させて保存しているように見える）。

この様に、磁束量子転移型記憶セルでは２つの制御信号Ｉ_ＸとＩ_Ｙの極性の組み合わせでデータ“１”と“０”の書き込みや読み出しを行う。正と負の二つの極性を有する信号を両極性の信号と呼ぶ。従って、磁束量子転移型記憶セルは、入力信号として両極性の信号を必要とするが、ランダムアクセスメモリの半選択状態に対しても広い動作マージンが得られるという特徴がある。

特開昭６２−３３３９５号公報 「J. Appl. Phys.」, vol.50, no. 12, pp. 8143-8168, Dec. 1979

上記したように従来のヘンケル型記憶セルは、ランダムアクセスメモリを構成した際の半選択状態に対して読み動作の動作マージンが狭いという問題点がある。また、従来の磁束量子転移型記憶セルは、この半選択状態に対しても広い動作マージンを有するが、両極性の入力信号が必要であるという問題点がある。両極性の信号を発生させる回路（ドライバ回路）は、単極性の信号を発生させる回路に比べて複雑になり、そのために動作マージンが低下する、或いは回路方式によっては両極性の信号を発生することができないといった問題点がある。

本発明の目的は、読み出し時の半選択状態に対しても動作マージンが広く、且つ単極性の入力信号で動作可能な超伝導記憶セル及びこれらを備えた超伝導集積回路を提供することにある。

本発明の超伝導記憶セルは、上記目的を達成するために、下記の構成及び特徴を有する。

第１に、書き込みゲートと第１のジョセフソン接合を含む第１の超伝導ループと、前記第１のジョセフソン接合を含む第２の超伝導ループと、前記第２の超伝導ループに磁気的に結合するように配置された読み出しゲートと、前記第１の超伝導ループに磁気的に結合するように配置された少なくとも１本の制御配線とから構成される。第１の超伝導ループの全インダクタンス値と書き込みゲートの超伝導臨界電流値の積が単一磁束量子Φ_０以上になるように第１の超伝導ループの全インダクタンス及び書き込みゲートの超伝導臨界電流値が所望の値に設定され、第２の超伝導ループの全インダクタンス値と第１のジョセフソン接合の超伝導臨界電流値の積が単一磁束量子Φ_０以下になるように第２の超伝導ループの全インダクタンス及び第１のジョセフソン接合の超伝導臨界電流値が所望の値に設定されたことを特徴とする。

また、書き込みゲートは、磁気的に結合した２本の制御配線を有する超伝導量子干渉ゲートで構成され、読み出しゲートは、磁気的に結合した１本の制御配線を有する超伝導量子干渉ゲートで構成され、書き込みゲートと並列に第１のダンピング抵抗が接続され、第１のジョセフソン接合と並列に第２のダンピング抵抗が接続され、読み出しゲートの１本の制御配線が第２の超伝導ループの一部分で構成されていることを特徴とする。

第２に、書き込みゲートの２本の制御配線の内のいずれか一方の制御配線に行方向の書き込み信号が入力され、他方の制御配線に列方向の書き込み信号が入力され、第１の超伝導ループに磁気的に結合するように配置された少なくとも１本の制御配線に列方向の読み出し信号が入力され、読み出しゲートに行方向の読み出し信号が入力され、書き込みゲートを含む第１の超伝導ループにデータ信号が入力され、これらの書き込み信号、読み出し信号、及びデータ信号は全て単極性の信号であることを特徴とする。

第３に、本発明の超伝導記憶セルにおいて、行方向及び列方向の書き込み信号とデータ信号が入力された時にデータ“１”が書き込まれ、行方向及び列方向の書き込み信号が入力された時にデータ“０”が書き込まれ、列方向の読み出し信号と行方向の読み出し信号が入力された時に超伝導ループに保持されたデータの読み出しが行われることを特徴とする。

本発明の超伝導集積回路は、上記記載の超伝導記憶セルを備えたことを特徴とする。

本発明の超伝導記憶セルの構成は、情報（データ）を保持するための第１の超伝導ループと読み出しの際に使用する第２の超伝導ループの２個の超伝導ループを具備する点は従来の磁束量子転移型記憶セルと類似しているが、第１の超伝導ループへの情報の書き込みは、ヘンケル型記憶セルで使用されている超伝導量子干渉素子で構成された書き込みゲートを使用している点が異なっている。このため、情報（データ）の書き込み動作は、磁束量子転移型記憶セルの動作とは異なり、ヘンケル型記憶セルと類似した動作になっている。

具体的には、データ“１”の書き込みは、データ信号が入力された状態で書き込みゲートを電圧状態にスイッチさせることで、少なくとも１個の単一磁束量子が第１の超伝導ループに保持されることで完了する。

一方、データ“０”の書き込みは、データ信号が入力されていない状態で書き込みゲートを電圧状態にスイッチさせることで、第１の超伝導ループに保持されていた単一磁束量子が全て第１の超伝導ループから排除されることで完了する。

また、情報の読み出し動作は、第１の超伝導ループに保存したデータの量子状態（単一磁束量子の有無）に応じて、第１のジョセフソン接合がスイッチすることで、情報を第２の超伝導ループに伝播し、第２の超伝導ループに磁気的に結合した読み出しゲートがこの情報を受け取ることで達成される。この読み出し動作は、従来の磁束量子転移型記憶セルの読み出し動作と類似しているが、読み出し信号の入力方法において根本的に異なっている。即ち、従来の磁束量子転移型記憶セルでは両極性の信号の組み合わせで読み出し動作を行うが、本発明の超伝導記憶セルでは、第１の超伝導ループに磁気的に結合するように配置された少なくとも１本の制御配線を用いて行う点が異なっている。

具体的には、第１の超伝導ループにデータ“１”が保持された状態で、第１の超伝導ループに磁気的に結合した制御配線に列方向の読み出し信号が入力されると、保持していた磁束量子に起因した超伝導電流に加えて列方向の読み出し信号に起因した電流が第１のジョセフソン接合に入力されるため、第１のジョセフソン接合は一時的に電圧状態にスイッチする。このため、第１のジョセフソン接合を介して流れていた電流は、第２の超伝導ループを介して流れるようになる（別の言い方をすると、第１の超伝導ループに保持されていた磁束量子が第２の超伝導ループに一時的に転移されたと考えることもできる）。この時、同時に読み出しゲートに行方向の読み出し信号が入力されていると、読み出しゲートが電圧状態にスイッチして、データ“１”の読み出しが行われる。

一方、第１の超伝導ループにデータ“０”が保持された状態で、第１の超伝導ループに磁気的に結合した制御配線に列方向の読み出し信号が入力されても、この列方向の読み出し信号に起因した電流だけが第１のジョセフソン接合に入力されるため、第１のジョセフソン接合は電圧状態にスイッチしない。このため、第１のジョセフソン接合を介して流れていた電流は変化せず、第２の超伝導ループに電流は流れない。従って、読み出しゲートに行方向の読み出し信号が入力されても、読み出しゲートは電圧状態にスイッチせず、データ“０”の読み出しが行われる。

なお、第１の超伝導ループの全インダクタンス値と書き込みゲートの超伝導臨界電流値の積が単一磁束量子Φ_０以上になるように第１の超伝導ループの全インダクタンス及び書き込みゲートの超伝導臨界電流値を所望の値に設定することで、少なくとも１個の単一磁束量子を第１の超伝導ループに保持することを可能にしている。

また、第２の超伝導ループの全インダクタンス値と第１のジョセフソン接合の超伝導臨界電流値の積が単一磁束量子Φ_０以下になるように第２の超伝導ループの全インダクタンス及び第１のジョセフソン接合の超伝導臨界電流値を所望の値に設定することで、読み出し時に第２の超伝導ループに転移された磁束量子が保持されずに、読み出しが終了した時には、元の第１の超伝導ループに戻ることを可能にしている。

この様に、本発明の超伝導記憶セルは、従来の磁束量子転移型記憶セルとヘンケル型記憶セルの特徴を部分的には具備しているが、全体としての回路構成および信号の入力方式において根本的に異なっている。

この様な構成と取ることで、単極性の入力信号で動作可能であるというヘンケル型記憶セルの利点と、読み出し時の半選択状態に対する動作マージンが広いという磁束量子転移型記憶セルの利点を併せ持つ超伝導記憶セルを構成できるという効果がある。

次に、本発明について図面を参照して説明する。

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態について、図１を参照して説明する。図１は、本発明による超伝導記憶セルの第１の実施の形態を示す等価回路図である。まず、本超伝導記憶セルの構成と機能について説明する。

第１の実施形態は、２本の制御配線を有する書き込みゲート（Ｇ_１）、１本の制御配線を有する読み出しゲート（Ｇ_２）、ジョセフソン接合（Ｊ_１）、インダクタンス（Ｌ_１、Ｌ_２、Ｌ_３、Ｌ_４）、ダンピング抵抗（Ｒ_ｄ１、Ｒ_ｄ２）、インダクタンス（Ｌ_５）を含む制御配線とから構成されている。

書き込みゲート（Ｇ_１）、インダクタンス（Ｌ_１）、インダクタンス（Ｌ_２）、ジョセフソン接合（Ｊ_１）、インダクタンス（Ｌ_３）、インダクタンス（Ｌ_４）とで第１の超伝導ループ（ＳＬ_１）が構成されている。

インダクタンス（Ｌ_２）、ジョセフソン接合（Ｊ_１）、インダクタンス（Ｌ_Ｓ３）、インダクタンス（Ｌ_Ｓ４）とで第２の超伝導ループ（ＳＬ_２）が構成されている。第２の超伝導ループ（ＳＬ_２）の一部分であるインダクタンス（Ｌ_Ｓ３）とインダクタンス（Ｌ_Ｓ４）が、読み出しゲート（Ｇ_２）の制御配線になっている。

書き込みゲート（Ｇ_１）は、ジョセフソン接合（Ｊ_Ｗ１、Ｊ_Ｗ２）とインダクタンス（Ｌ_Ｗ１、Ｌ_Ｗ２）を含む書き込みゲート内の超伝導ループと、行方向の書き込み信号（Ｉ_ＷＸ）の入力端に接続されたインダクタンス（Ｌ_Ｗ３、Ｌ_Ｗ４）を含む制御配線と、列方向の書き込み信号（Ｉ_ＷＹ）の入力端に接続されたインダクタンス（Ｌ_Ｗ５、Ｌ_Ｗ６）を含む制御配線とで構成され、これら２つの制御配線は書き込みゲート内の超伝導ループに対して磁気的に結合するように配置されている。

読み出しゲート（Ｇ_２）は、ジョセフソン接合（Ｊ_Ｓ１、Ｊ_Ｓ２）とインダクタンス（Ｌ_Ｓ１、Ｌ_Ｓ２）を含む読み出しゲート内の超伝導ループと、インダクタンス（Ｌ_Ｓ３、Ｌ_Ｓ４）を含む制御配線とで構成され、この制御配線は読み出しゲート内の超伝導ループに対して磁気的に結合するように配置されている。また、読み出しゲート（Ｇ_２）は、行方向読み出し信号（Ｉ_ＳＸ）の入力端に接続されている。

列方向読み出し信号（Ｉ_ＳＹ）の入力端に接続されているインダクタンス（Ｌ_５）を含む制御配線は、第１の超伝導ループ（ＳＬ_１）に含まれるインダクタンス（Ｌ_１）と磁気的に結合するように配置されている。

ダンピング抵抗（Ｒ_ｄ１）は、書き込みゲート（Ｇ_１）の直列接続されたジョセフソン接合（Ｊ_Ｗ１）とインダクタンス（Ｌ_Ｗ１）、ジョセフソン接合（Ｊ_Ｗ２）とインダクタンス（Ｌ_Ｗ２）とに並列接続されている。さらにダンピング抵抗（Ｒ_ｄ２）は、ジョセフソン接合（Ｊ_１）に並列接続されている。

次に、本実施の形態の超伝導記憶セルの動作について説明する。

表１にデータ“１”又は“０”の書き込みと読み出し動作に対する入力信号の組み合わせを示す。各動作を行うために必要な入力信号を矢印（↓)で示した。この超伝導記憶セルへのデータ“１”の書き込みは、データ信号（Ｉ_Ｄ）、行方向書き込み信号（Ｉ_ＷＸ）、列方向書き込み信号（Ｉ_ＷＹ）の入力により行われる。データ“０”書き込みは、行方向書き込み信号（Ｉ_ＷＸ）、列方向書き込み信号（Ｉ_ＷＹ）の入力により行われる。読み出しは、列方向読み出し信号（Ｉ_ＳＹ）、行方向読み出し信号（Ｉ_ＳＸ）の入力により行うことができる。これら入力信号は、全て矢印の方向に入力される単極性の信号である。

図２に、本実施の形態の超伝導記憶セルの動作波形の概略図を示す。この動作波形に基づいて、本実施の形態の回路動作を詳細に説明する。図２において、縦軸は電流値（ｍＡ）又は電圧値（ｍＶ）であり、横軸は時間（ｐｓ）である。上から、データ信号（Ｉ_Ｄ）、行方向書き込み信号（Ｉ_ＷＸ）、列方向書き込み信号（Ｉ_ＷＹ）、列方向読み出し信号（Ｉ_ＳＹ）、行方向読み出し信号（Ｉ_ＳＸ）、第１の超伝導ループ（ＳＬ_１）を流れる電流（Ｉ_ＳＬ１）、第２の超伝導ループ（ＳＬ_２）を流れる電流（Ｉ_ＳＬ２）、読み出しゲート（Ｇ_２）の発生電圧（Ｖ_ＯＵＴ）の波形を示す。

図２には、６つのクロック周期の動作波形を示している。具体的には、第１のクロック周期（Ｔ_１）でデータ“１”の書き込み動作（“１”Ｗ）、第２のクロック周期（Ｔ_２）でデータ“１”の読み出し動作（“１”Ｒ）、第３のクロック周期（Ｔ_３）で半選択状態の読み出し動作（ＨＳ）、第４のクロック周期（Ｔ_４）でデータ“０”の書き込み動作（“０”Ｗ）、第５のクロック周期（Ｔ_５）でデータ“０”の読み出し動作（“０”Ｒ）、第６のクロック周期（Ｔ_６）で半選択状態の読み出し動作（ＨＳ）を行った場合の動作波形を示している。

第１のクロック周期（Ｔ_１）では、行方向書き込み信号（Ｉ_ＷＸ）と列方向書き込み信号（Ｉ_ＷＹ）及びデータ信号（Ｉ_Ｄ）が入力され、データ“１”の書き込み動作（“１”Ｗ）が行われている。この時、書き込みゲート（Ｇ_１）が一時的に電圧状態にスイッチし、データ信号（Ｉ_Ｄ）を第１の超伝導ループ（ＳＬ_１）に注入することで、第１の超伝導ループ（ＳＬ_１）に単一磁束量子（ＳＦＱ）が保持される。このため、第１の超伝導ループ（ＳＬ_１）を流れる電流（Ｉ_ＳＬ１）が増大し、次のクロック周期に渡って流れ続ける。

この時、第２の超伝導ループ（ＳＬ_２）にも僅かに電流（Ｉ_ＳＬ２）が流れる。この値は、第１のジョセフソン接合（Ｊ_１）の分岐に含まれるインダクタンス（Ｌ_２）と第２の超伝導ループのインダクタンス（Ｌ_Ｓ３＋Ｌ_Ｓ４）の比で流れるもので、インダクタンスＬ_２は、インダクタンスＬ_Ｓ３＋Ｌ_Ｓ４に比べて十分に小さく設定されているので、大部分の電流は第１のジョセフソン接合（Ｊ_１）を介してながれ、第２の超伝導ループにはほとんど流れない様に設定されている。

第２のクロック周期（Ｔ_２）では、列方向読み出し信号（Ｉ_ＳＹ）と行方向読み出し信号（Ｉ_ＳＸ）が入力され、読み出し動作（Ｒ）が行われている。データ“１”を保持している状態で、行方向読み出し信号（Ｉ_ＳＸ）と列方向読み出し信号（Ｉ_ＳＹ）が入力されると、ジョセフソン接合（Ｊ_１）には保持していた単一磁束量子に起因した超伝導電流に加えて列方向読み出し信号（Ｉ_ＳＹ）が加わるため、ジョセフソン接合（Ｊ_１）が一時的に電圧状態にスイッチする。このため、第２の超伝導ループ（ＳＬ_２）に電流（Ｉ_ＳＬ２）が注入され、第２の超伝導ループ（ＳＬ_２）に磁気的に結合している読み出しゲート（Ｇ_２）が電圧状態にスイッチする（Ｖ_ＯＵＴ）。列方向読み出し信号（Ｉ_ＳＹ）が零になると、第２の超伝導ループ（ＳＬ_２）に流れていた電流の大部分は、第１の超伝導ループに戻る。これにより、データ“１”の非破壊読み出しが完了する。

第３のクロック周期（Ｔ_３）では、行方向読み出し信号（Ｉ_ＳＸ）のみが入力され、半選択状態に対する読み出し動作（Ｒ）が行われている。ここでは、列方向読み出し信号（Ｉ_ＳＹ）が入力されていないため、データ“１”が保持されていても、ジョセフソン接合（Ｊ_１）は電圧状態にスイッチしない。このため、第２の超伝導ループ（ＳＬ_２）にはほとんど電流が流れず、読み出しゲート（Ｇ_２）は電圧状態にスイッチしない。この様に、第１の超伝導ループにデータ“１”が保持されている状態でも、それに起因した電流が読み出しゲート（Ｇ_２）にほとんど印加されないため、行方向読み出し信号（Ｉ_ＳＸ）だけが入力されていても読み出しゲート（Ｇ_２）は影響をほとんど受けない。これにより、半選択状態に対する読み出し動作の動作マージンが広がるという効果がある。

第４のクロック周期（Ｔ_４）では、行方向書き込み信号（Ｉ_ＷＸ）と列方向書き込み信号（Ｉ_ＷＹ）が入力され、データ“０”の書き込み動作（“０”Ｗ）が行われている。データ“１”を保持している状態で、行方向書き込み信号（Ｉ_ＷＸ）と列方向書き込み信号（Ｉ_ＷＹ）が入力されると、書き込みゲート（Ｇ_１）が一時的に電圧状態にスイッチし、第１の超伝導ループ（ＳＬ_１）に保持していた単一磁束量子（ＳＦＱ）が排除され、データ“０”の書き込みが完了する。これにより、第１の超伝導ループ（ＳＬ_１）に流れていた電流（Ｉ_ＳＬ１）が零になる。

第５のクロック周期（Ｔ_５）では、再び、列方向読み出し信号（Ｉ_ＳＹ）と行方向読み出し信号（Ｉ_ＳＸ）が入力され、読み出し（Ｒ）動作が行われている。第１の超伝導ループ（ＳＬ_１）に流れていた電流（Ｉ_ＳＬ１）が零、即ち、データ“０”を保持している状態で、行方向読み出し信号（Ｉ_ＳＸ）と列方向読み出し信号（Ｉ_ＳＹ）が入力されても、ジョセフソン接合（Ｊ_１）には列方向読み出し信号（Ｉ_ＳＹ）だけが印加されるだけであるため、ジョセフソン接合（Ｊ_１）は電圧状態にスイッチしない。従って、第２の超伝導ループ（ＳＬ_２）に電流が注入されないため、読み出しゲート（Ｇ_２）は電圧状態にスイッチしない。これにより、データ“０”の読み出しが完了する。

第６のクロック周期（Ｔ_６）では、行方向読み出し信号（Ｉ_ＳＸ）のみが入力され、データ“０”の状態での半選択状態に対する読み出し動作（Ｒ）が行われている。ここでは、データ“０”の状態に加えて列方向読み出し信号（Ｉ_ＳＹ）も入力されないため、第２の超伝導ループ（ＳＬ_２）には全く電流が流れない。このため、行方向読み出し信号（Ｉ_ＳＸ）だけが入力されても、読み出しゲート（Ｇ_２）は全く影響を受けない。

また、図１において、具体的な回路定数は例えば以下のように設定することが出来る。

Ｊ_Ｗ１＝０．１０ｍＡ，Ｊ_Ｗ２＝０．１０ｍＡ，Ｊ_Ｓ１＝０．０８ｍＡ，Ｊ_Ｓ２＝０．０８ｍＡ，Ｊ_１＝０．０６ｍＡ，Ｌ_１＝１０ｐＨ，Ｌ_２＝０．５ｐＨ，Ｌ_３＝２ｐＨ，Ｌ_４＝１ｐＨ，Ｌ_５＝１５ｐＨ，Ｌ_Ｗ１＝５ｐＨ，Ｌ_Ｗ２＝５ｐＨ，Ｌ_Ｗ３＝８ｐＨ，Ｌ_Ｗ４＝８ｐＨ，Ｌ_Ｗ５＝８ｐＨ，Ｌ_Ｗ６＝８ｐＨ，Ｌ_Ｓ１＝４ｐＨ，Ｌ_Ｓ２＝４ｐＨ，Ｌ_Ｓ３＝６ｐＨ，Ｌ_Ｓ４＝６ｐＨ，Ｍ_１＝８ｐＨ，Ｍ_Ｗ１＝４ｐＨ，Ｍ_Ｗ２＝４ｐＨ，Ｍ_Ｗ３＝４ｐＨ，Ｍ_Ｗ４＝４ｐＨ，Ｍ_Ｓ１＝２．６ｐＨ，Ｍ_Ｓ２＝２．６ｐＨ，Ｒ_ｄ１＝２Ω，Ｒ_ｄ２＝６Ω，Ｉ_Ｄ＝０．１５ｍＡ、Ｉ_ＷＸ＝０．１５ｍＡ，Ｉ_ＷＹ＝０．１５ｍＡ、Ｉ_ＳＸ＝０．１ｍＡ，Ｉ_ＳＹ＝０．２５ｍＡ
ここで、Ｍ_１はインダクタンスＬ_１とインダクタンスＬ_５の間の相互インダクタンス、Ｍ_Ｗ１はインダクタンスＬ_Ｗ１とインダクタンスＬ_Ｗ３の間の相互インダクタンス、Ｍ_Ｗ２はインダクタンスＬ_Ｗ２とインダクタンスＬ_Ｗ４の間の相互インダクタンス、Ｍ_Ｗ３はインダクタンスＬ_Ｗ１とインダクタンスＬ_Ｗ５の間の相互インダクタンス、Ｍ_Ｗ４はインダクタンスＬ_Ｗ２とインダクタンスＬ_Ｗ６の間の相互インダクタンス、Ｍ_Ｓ１はインダクタンスＬ_Ｓ１とインダクタンスＬ_Ｓ３の間の相互インダクタンス、Ｍ_Ｓ２はインダクタンスＬ_Ｓ２とインダクタンスＬ_Ｓ４の間の相互インダクタンスである。また、全てのジョセフソン接合は臨界電流密度Ｊ_Ｃ＝２．５ｋＡ／ｃｍ^２、接合特性のクオリティファクタ（臨界電流値とサブギャップ抵抗の積）Ｖ_ｍ＝５０ｍＶのＮｂ／ＡｌＯｘ／Ｎｂ接合を想定した。

これらの定数は、上記定数に限定されることなく、自由に設定できる。例えば、第１の超伝導ループの全インダクタンス値と書き込みゲートの超伝導臨界電流値の積が単一磁束量子Φ_０以上になるように第１の超伝導ループの全インダクタンス及び書き込みゲートの超伝導臨界電流値を所望の値に設定する。このように設定することで、少なくとも１個の単一磁束量子を第１の超伝導ループに保持することを可能にする。

また、第２の超伝導ループの全インダクタンス値と第１のジョセフソン接合の超伝導臨界電流値の積が単一磁束量子Φ_０以下になるように第２の超伝導ループの全インダクタンス及び第１のジョセフソン接合の超伝導臨界電流値を所望の値に設定する。このように設定することで、読み出し時に第２の超伝導ループに転移された磁束量子が保持されずに、読み出しが終了した時には、元の第１の超伝導ループに戻ることを可能にする。

以上説明したように、本発明の超伝導記憶セルにより、データ“１”又は“０”の書き込みと読み出し動作を単極性の信号により行うことができる。また、読み出しゲート（Ｇ_２）がデータを保持する超伝導ループに直接結合していないため、データの読み出しに対して動作マージンが広いという特徴がある。

本実施の形態の超伝導記憶セルにより、半選択に対しても動作マージンが広く、且つ単極性の制御信号で動作可能な超伝導記憶セルを実現できるという効果がある。

本実施の形態では、書き込みゲート（Ｇ_１）及び読み出しゲート（Ｇ_２）を２個のジョセフソン接合で構成された磁気結合型量子干渉ゲートを使用したが、３個のジョセフソン接合で構成された磁気結合型量子干渉ゲートを用いても同様の効果を得ることができる。

（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態について、図３を参照して説明する。図３には、本発明による超伝導記憶セルの第２の実施の形態を示す等価回路図である。本第２の実施の形態は、第１の実施の形態の構成において、第１の超伝導ループに磁気的に結合するように配置された制御配線が２本で構成されたことを特徴とする。列方向読み出し信号（Ｉ_ＳＹ）の入力端に接続されているインダクタンス（Ｌ_５）を含む制御配線に加えて、行方向の第２の読み出し信号（Ｉ_ＳＸ２）の入力端に接続されているインダクタンス（Ｌ_６）を含む制御配線が追加されている。インダクタンス（Ｌ_５）及びインダクタンス（Ｌ_６）は、第１の超伝導ループ（ＳＬ_１）に含まれるインダクタンス（Ｌ_１）とそれぞれ磁気的に結合するように配置されている。図１に示された要素と同じ要素には同一参照番号あるいは同一符号を付している。

次に、本実施の形態の超伝導記憶セルの動作について説明する。表２に、本実施の形態の超伝導記憶セルの“１”又は“０”の書き込みと読み出し動作に対する入力信号の組み合わせを示す。各動作に対する入力する信号を矢印（↓）で示した。これらの入力信号は、全て単極性の信号である。

本実施例の超伝導記憶セルへのデータの書き込みは、第１の実施の形態の超伝導記憶セルと同様である。即ち、データ“１”の書き込みは、データ信号（Ｉ_Ｄ）、行方向書き込み信号（Ｉ_ＷＸ）、列方向書き込み信号（Ｉ_ＷＹ）の入力により行われる。データ“０”書き込みは、行方向書き込み信号（Ｉ_ＷＸ）、列方向書き込み信号（Ｉ_ＷＹ）の入力により行われる。

読み出しは、第１の実施の形態の超伝導記憶セルの動作と異なり、列方向読み出し信号（Ｉ_ＳＹ）と行方向の第２の読み出し信号（Ｉ_ＳＸ２）及び行方向読み出し信号（Ｉ_ＳＸ）の入力により行うことができる。

具体的には、データ“１”を保持している状態で、行方向読み出し信号（Ｉ_ＳＸ）と行方向の第２の読み出し信号（Ｉ_ＳＸ２）及び列方向読み出し信号（Ｉ_ＳＹ）が入力されると、ジョセフソン接合（Ｊ_１）には保持していた単一磁束量子に起因した超伝導電流に加えて列方向読み出し信号（Ｉ_ＳＹ）と行方向の第２の読み出し信号（Ｉ_ＳＸ２）の二つの信号が加わるため、ジョセフソン接合（Ｊ_１）が一時的に電圧状態にスイッチする。このため、第２の超伝導ループ（ＳＬ_２）に電流（Ｉ_ＳＬ２）が注入され、第２の超伝導ループ（ＳＬ_２）に磁気的に結合している読み出しゲート（Ｇ_２）が電圧状態にスイッチする（Ｖ_ＯＵＴ）。列方向読み出し信号（Ｉ_ＳＹ）と行方向の第２の読み出し信号（Ｉ_ＳＸ２）が零になると、第２の超伝導ループ（ＳＬ_２）に流れていた電流の大部分は、第１の超伝導ループに戻る。これにより、データ“１”の非破壊読み出しが完了する。

一方、データ“０”を保持している状態では、行方向読み出し信号（Ｉ_ＳＸ）と列方向読み出し信号（Ｉ_ＳＹ）及び行方向の第２の読み出し信号（Ｉ_ＳＸ２）が入力されても、ジョセフソン接合（Ｊ_１）は、列方向読み出し信号（Ｉ_ＳＹ）と行方向の第２の読み出し信号（Ｉ_ＳＸ２）の二つの信号だけでは電圧状態にスイッチしないように設定されている。従って、第２の超伝導ループ（ＳＬ_２）に電流が注入されないため、読み出しゲート（Ｇ_２）は電圧状態にスイッチしない。これにより、データ“０”の読み出しが完了する。

この様に、第１の超伝導ループに保持している単一磁束量子に起因した超伝導電流と列方向読み出し信号（Ｉ_ＳＹ）及び行方向の第２の読み出し信号（Ｉ_ＳＸ２）の三つ信号が印加された時にジョセフソン接合（Ｊ_１）が電圧状態にスイッチし、これらの信号のいずれか二つ以下の信号だけが印加された時にはジョセフソン接合（Ｊ_１）は電圧状態にスイッチしないように、列方向読み出し信号（Ｉ_ＳＹ）及び行方向の第２の読み出し信号（Ｉ_ＳＸ２）の値が設定されている。

具体的には、図３において、上記に関連した回路定数は例えば以下のように設定することが出来る。その他の回路定数は、全て図１の第１の実施の形態の回路定数と同じである。

Ｌ_５＝１５ｐＨ，Ｌ_６＝１５ｐＨ，Ｉ_ＳＹ＝０．１２５ｍＡ，Ｉ_ＳＸ２＝０．１２５ｍＡ，Ｍ_１＝８ｐＨ，Ｍ_２＝８ｐＨ
ここで、Ｍ_１はインダクタンスＬ_１とインダクタンスＬ_５の間の相互インダクタンス、Ｍ_２はインダクタンスＬ_１とインダクタンスＬ_６の間の相互インダクタンスである。

本実施の形態の超伝導記憶セルも第１の実施の形態と同様の動作が可能であり、同様の効果を有する。

以上説明した様に、本実施の形態の超伝導記憶セルのデータ“１”又は“０”の書き込み動作は、第１の実施の形態のものと全く同じであり、異なる点は読み出し動作にある。第１の実施の形態では、列方向読み出し信号（Ｉ_ＳＹ）と行方向の読み出し信号（Ｉ_ＳＸ）の一致論理により、セルが選択されて読み出し動作が行われる。これに対して、本実施の形態では、列方向読み出し信号（Ｉ_ＳＹ）と行方向の第２の読み出し信号（Ｉ_ＳＸ２）との一致論理によりセルが選択されて読み出し動作が行われる。従って、本実施の形態では、上記入力信号により選択されたセルでのみ、第２の超伝導ループに磁束量子を転移させて読み出し動作を行う。

従って、セルの選択は列方向読み出し信号（Ｉ_ＳＹ）と行方向の第２の読み出し信号（Ｉ_ＳＸ２）により行われるので、読み出しゲート（Ｇ_２）に直接接続された行方向の読み出し信号（Ｉ_ＳＸ）で一致論理を取る必要はなくなる。このため、例えば、行方向の読み出し信号（Ｉ_ＳＸ）は、常時流れている状態、即ち、直流電流でバイアスされている状態であっても良い。読み出しゲート（Ｇ_２）を常時、直流電流でバイアスされた状態で使用することで、読み出しゲート（Ｇ_２）に関しては入力信号のタイミングマージンを設定する必要がなくなるため、第１の実施の形態の超伝導記憶セルに比べてさらに高速動作が可能になるという効果がある。

以上本願発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本願発明は前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

本発明による超伝導記憶セルの第１の実施の形態を説明するための等価回路図である。 本発明による超伝導記憶セルの第１の実施の形態の動作波形の概略図である。 本発明による超伝導記憶セルの第２の実施の形態を説明するための等価回路図である。 従来技術の超伝導記憶セルの一例を説明するための等価回路図である。 従来技術の超伝導記憶セルの他の一例を説明するための等価回路図である。

符号の説明

Ｇ_１ 書き込みゲート
Ｇ_２ 読み出しゲート
ＳＬ_１ 第１の超伝導ループ
ＳＬ_２ 第２の超伝導ループ
Ｊ_Ｗ１、Ｊ_Ｗ２、Ｊ_Ｓ１、Ｊ_Ｓ２、Ｊ_１ ジョセフソン接合
Ｌ_１、Ｌ_２、Ｌ_３、Ｌ_４、Ｌ_５、Ｌ_６、Ｌ_Ｗ１、Ｌ_Ｗ２、Ｌ_Ｗ３、Ｌ_Ｗ４、Ｌ_Ｗ５、Ｌ_Ｗ６、Ｌ_Ｓ１、Ｌ_Ｓ２、Ｌ_Ｓ３、Ｌ_Ｓ４ インダクタンス
Ｒ_ｄ１、Ｒ_ｄ２ ダンピング抵抗
Ｉ_Ｄ データ信号
Ｉ_ＷＸ 行方向書き込み信号
Ｉ_ＷＹ 列方向書き込み信号
Ｉ_ＳＸ 行方向読み出し信号
Ｉ_ＳＸ２ 第２の行方向読み出し信号
Ｉ_ＳＹ 列方向読み出し信号
Ｉ_ＳＬ１ 第１の超伝導ループを流れる電流
Ｉ_ＳＬ２ 第２の超伝導ループを流れる電流
Ｖ_ＯＵＴ 読み出しゲートの出力電圧
“１”Ｗ データ“１”の書き込み動作
“０”Ｗ データ“０”の書き込み動作
Ｒ 読み出し動作
ＨＳ 半選択状態に対する読み出し動作
Ｔ_１ 第１のクロック周期
Ｔ_２ 第２のクロック周期
Ｔ_３ 第３のクロック周期
Ｔ_４ 第４のクロック周期
Ｔ_５ 第５のクロック周期
Ｔ_６ 第６のクロック周期

Claims (13)

1. 書き込みゲートと第１のジョセフソン接合を含む第１の超伝導ループと、前記第１のジョセフソン接合を含む第２の超伝導ループと、前記第２の超伝導ループに磁気的に結合するように配置された読み出しゲートと、少なくとも１本の読出し信号用の制御配線とを備え、
   前記書き込みゲートは、前記書き込みゲート内の超伝導ループと、前記書き込みゲート内の超伝導ループと磁気的に結合するように配置された単極性信号用の制御配線を有し、少なくとも１本の前記読出し信号用の制御配線は、前記第１の超伝導ループと磁気的に結合されるように配置されている単極性信号用の制御配線であることを特徴とする超伝導記憶セル。
2. 請求項１記載の第１の超伝導ループにおいて、前記第１の超伝導ループの全インダクタンス値と前記書き込みゲートの超伝導臨界電流値の積が単一磁束量子Φ０以上になるように前記第１の超伝導ループの全インダクタンス及び前記書き込みゲートの超伝導臨界電流値が所望の値に設定されたことを特徴とする超伝導記憶セル。
3. 請求項１記載の第２の超伝導ループにおいて、前記第２の超伝導ループの全インダクタンス値と前記第１のジョセフソン接合の超伝導臨界電流値の積が単一磁束量子Φ０以下になるように前記第２の超伝導ループの全インダクタンス及び前記第１のジョセフソン接合の超伝導臨界電流値が所望の値に設定されたことを特徴とする超伝導記憶セル。
4. 請求項１記載の書き込みゲートが、磁気的に結合した２本の単極性信号用の制御配線を有する超伝導量子干渉ゲートで構成されたことを特徴とする超伝導記憶セル。
5. 請求項１記載の読み出しゲートが、磁気的に結合した１本の読出し信号用の制御配線を有する超伝導量子干渉ゲートで構成されていることを特徴とする超伝導記憶セル。
6. 請求項１記載の超伝導記憶セルにおいて、前記書き込みゲートと並列に第１のダンピング抵抗が接続され、前記第１のジョセフソン接合と並列に第２のダンピング抵抗が接続されたことを特徴とする超伝導記憶セル。
7. 請求項１記載の読み出しゲートは、１本の読出し信号用の制御配線を備え、前記１本の読出し信号用の制御配線は第２の超伝導ループの一部分で構成されていることを特徴とする超伝導記憶セル。
8. 請求項１記載の書き込みゲートは、２本の単極性信号用の制御配線を備え、前記２本の単極性信号用の制御配線の内のいずれか一方の制御配線に行方向の書き込み信号が入力され、他方の制御配線に列方向の書き込み信号が入力されることを特徴とする超伝導記憶セル。
9. 請求項１記載の第１の超伝導ループに磁気的に結合するように配置された少なくとも１本の前記読出し信号用の制御配線に列方向の読み出し信号が入力されることを特徴とする超伝導記憶セル。
10. 請求項１記載の読み出しゲートに行方向の読み出し信号が入力されることを特徴とする超伝導記憶セル。
11. 請求項１記載の書き込みゲートを含む第１の超伝導ループにデータ信号が入力されることを特徴とする超伝導記憶セル。
12. 請求項１〜１１のいずれかに一項に記載の超伝導記憶セルにおいて、行方向及び列方向の書き込み信号とデータ信号が入力された時にデータ“１”が書き込まれ、行方向及び列方向の書き込み信号が入力された時にデータ“０”が書き込まれ、列方向の読み出し信号と行方向の読み出し信号が入力された時に超伝導ループに保持されたデータの読み出しが行われることを特徴とする超伝導記憶セル。
13. 請求項１〜１２のいずれかに一項に記載の超伝導記憶セルを備えたことを特徴とする超伝導集積回路。

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