JPH0260175A - 10-15-second three-terminal switch and vertical tunnel junction - Google Patents
10-15-second three-terminal switch and vertical tunnel junctionInfo
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- JPH0260175A JPH0260175A JP63193564A JP19356488A JPH0260175A JP H0260175 A JPH0260175 A JP H0260175A JP 63193564 A JP63193564 A JP 63193564A JP 19356488 A JP19356488 A JP 19356488A JP H0260175 A JPH0260175 A JP H0260175A
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は、超電導菓Wt回路技術に関し、特にそのよう
な技術と共に用いるための新規な回路素子に関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to superconducting Wt circuit technology, and in particular to novel circuit elements for use with such technology.
超電導技術に関する背景になる情報は、ファリス(P
aris)によるrVLsI超電導技術+(VLSI
SuperconducLing Technolo
gies)(1983)のVLSIにおけるハードウェ
アー及びソフトウェア7 (llardwarc an
d Software Can+cel+ts in
VLSI>の第9章(177〜238頁)(以下、゛ノ
アリス1983”と呼ぶ)、及びザッペ(Z appe
)の[ジョセフソンコンピューター技術J(Josep
hson Co+aputer Teehnology
)に見ることができる。ファリス1983には多くの既
知の超電導回路構造体の他によく知られたジョセフソン
接合が記載されている。それは、次のことを含めた既知
の超電導装置及び回路の問題点及び限界の多くを指摘し
ている。Background information on superconducting technology is available from Faris (P.
rVLsI superconducting technology + (VLSI
SuperconducLing Technolo
(1983) Hardware and Software in VLSI 7 (llardwarc an
d Software Can+cel+ts in
VLSI> Chapter 9 (pp. 177-238) (hereinafter referred to as “Noalis 1983”) and Zappe (Zappe
) [Josephson Computer Technology J (Josep
hson Co+aputer Teehnology
) can be seen. Faris 1983 describes many known superconducting circuit structures as well as the well-known Josephson junction. It points out many of the problems and limitations of known superconducting devices and circuits, including:
1) のスイッ ゛・(匪堺
ジョセフソン接合を用いた殆んどの超電導回路は、第1
(a)図、第1 (b)図、第1(c)図に示されてい
る三つの等価な回路の一つとして設計することができる
。第1(d)図は、接合自体に等価な回路を示している
。そのような回路の各々の接合が非電圧状君から電圧状
態ヘスイッチすると、ゲート電流1gの一部は、第1(
a)図、第1(、b)図、第1(c)1夫々に対し、次
のトランスファ時間をもって負荷へ伝達される:
τ oe RL C
J
(R,た7:0)
上式中、Cjは接合キャパシタンス、Vgは接合のギャ
ップ電圧、V outは接合を横切る電圧、RL及びL
t、は夫々負荷抵抗及びインダクタンスである。勿論目
的は、できるだけ多くの電流をできるだけ速く負荷へ伝
達することである。これらの時間は、接合キャパシタン
ス0の限界で、次の式によって与えられる真性ジョセフ
ソン接合の応答時間よりもはるかに大きく、はるかに制
約されているのが典型的である:
、、 −i−
+ntr 2Δ
式中、Δは超電導エネルギーギャップである。その限界
は、速度及び密度が極端に重要になるメモリー用途では
、最も厳しく感じられる。典型的なメモリー形状ははハ
リス1983の208〜229頁;ファリスその他、「
ジョセフソン技術キャッシュメモリーの基本的設計J
(Ba5ic Design or a Joseph
son Technology Cacbc Me++
ory) (t D M J 、 ofReS、 &
DevclopmenL、Vo、1.24 (198
0) pp、14:(〜154) (以F、°°ファリ
スその他1980”と呼ぶ);−及びゲレ(G uer
et)その他、[単一フラックス1子セルをもつジョセ
フソンコ ンピューター主メモリーについての研究](
InvestigaLions for a Jose
phson Computer Main Memor
y wiLlt Single−Flux−Quant
um Ce1ls) (I B M J 、 of
Res、 & Development、Vol、24
(1980) pp、155〜1661に記載されて
いる。これらの文献から、典型的なメモリーは、高イン
ピーダンス電流路(第1(a)図のような設計)及び(
又は)長いメモリーアクセスループ〔(第1 (b)図
のような設計〕に出入りする電流の伝達によって作動す
ることがわかる。速度を改善するため、ファリスその他
1980論文の149頁には。1) Switch ゛・(Most superconducting circuits using Inosakai Josephson junctions
It can be designed as one of the three equivalent circuits shown in FIG. 1(a), FIG. 1(b), and FIG. 1(c). Figure 1(d) shows the equivalent circuit for the junction itself. When each junction in such a circuit switches from a non-voltage state to a voltage state, a portion of the gate current 1g is
For each of Figure a), Figure 1 (, b), and Figure 1 (c) 1, it is transmitted to the load with the following transfer time: τ oe RL C J (R, 7:0) In the above equation, Cj is the junction capacitance, Vg is the gap voltage of the junction, V out is the voltage across the junction, RL and L
t is the load resistance and inductance, respectively. The objective, of course, is to transfer as much current as possible to the load as quickly as possible. These times, in the limit of zero junction capacitance, are typically much larger and much more constrained than the response time of an intrinsic Josephson junction given by: ,, −i− +ntr 2Δ where Δ is the superconducting energy gap. The limitations are most acutely felt in memory applications where speed and density are extremely important. Typical memory shapes are described in Harris 1983, pp. 208-229; Faris et al.
Basic design of Josephson technology cache memory J
(Ba5ic Design or a Joseph
son Technology Cacbc Me++
ory) (tDMJ, ofReS, &
DevclopmenL, Vo, 1.24 (198
0) pp, 14: (~154) (hereinafter referred to as F, °°Faris et al. 1980");- and Guerre
et) Others, [Study on Josephson computer main memory with single flux single child cell] (
InvestigaLions for a Jose
phson Computer Main Memory
Single-Flux-Quant
um Ce1ls) (I B M J, of
Res, & Development, Vol, 24
(1980) pp. 155-1661. From these references, a typical memory has a high impedance current path (a design like that in Figure 1(a)) and a (
149 of the Faris et al. 1980 paper to improve speed.
つの代わりに二つの直列結合された駆動ゲート(インタ
ーフェロメーター)を用いるのが望ましいことが認識さ
れている。伝送線がそれらの特性インピーダンスをもっ
て終わっている回路(第1 (a)図)では、二つの直
列結合されたキャパシタCjがCj/2の全キャパシタ
ンスを有するので改良がみられる。誘導特性をもつ回路
(第1(b)図)では、有効ギャップ電圧が2倍になっ
て2Vgになるので改良がみちれる0両方の状況とも、
関連ある電a l・ランスファ時間を半分にする結果に
なる。全キャパシタンスを半分にすることも、第1(C
)図の回路で5QR(1/2)の係数に相当してスイッ
チング時間を減少する。It has been recognized that it is desirable to use two series coupled drive gates (interferometers) instead of one. In the circuit where the transmission lines terminate with their characteristic impedance (FIG. 1(a)), an improvement is seen since the two series-coupled capacitors Cj have a total capacitance of Cj/2. In the circuit with inductive characteristics (Figure 1(b)), the effective gap voltage is doubled to 2Vg, so there is a lot of improvement.0 In both situations,
This results in the associated electrical transfer time being halved. Halving the total capacitance is also the first (C
) reduces the switching time by a factor of 5QR (1/2) in the circuit shown.
電流伝送速度を上げるためのこの案は、幾つかの理由か
ら3又は4以上の直列ゲートには拡張できない、先ず第
一に、速度の利点は、全てのゲートが同時にスイッチす
る場合だけ、即ち負荷へエネルギーを伝達させるのに必
要な時間が、最初と最後のゲートをスイッチするの時間
間隔よりも、はるかに大きい場合にのみ得られる。ゲー
トは物理的に離れており、一つのゲートと別のゲートと
の間Q距離を制御電流が横切るのにある長さの時間が必
要なので同時性は達成するのが困難である。This proposal for increasing the current transfer speed cannot be extended to three or more gates in series for several reasons. First of all, the speed advantage only occurs if all gates switch simultaneously, i.e. when the load This is only possible if the time required to transfer energy to is much larger than the time interval between switching the first and last gates. Simultaneity is difficult to achieve because the gates are physically separated and it takes a certain amount of time for the control current to traverse the Q distance between one gate and another.
製造上の不整合の影響を最小にし、接合がスイ・ノチし
てもしなくてもよい中間的領域にある時間の長さを最小
にするために、幾つかのゲートを非常に速いバッファに
よって駆動しなければならない。Some gates are driven by very fast buffers to minimize the effects of manufacturing mismatches and the amount of time the junction is in the intermediate region where it may or may not cross. Must.
そのようなバッファは、チップ上かなりの場所を占め、
従って、メモリーの全密度を減少する。更に、幾つかの
ゲートは、それらが制御信号に同じ用に応答するように
、それらの構造が実質的に同じでなければならない、こ
のことは、極めて狭い製造許容誤差を必要とし、それは
達成するのが困難である。更に、駆動ゲートはメモリー
アクセスループ伝導体の間のピッチでも通常整合してい
なければならない、何故なら駆動ゲートは、通常メモリ
ーセルアレーの二つの隣接した端(一つはX、一つはY
に対するもの)に沿って置かれているからである。もし
一つの駆動回路がそのピッチを越えると、それは、次の
駆動回路の場所と重なり始めるであろう。従って、直列
駆動ゲートを追加すると、メモリーセルアレー自身の密
度に望ましくない制限を課すことになる。Such buffers take up considerable space on the chip and
Therefore, reducing the overall memory density. Furthermore, the several gates must be substantially the same in their structure so that they respond in the same way to control signals, which requires extremely tight manufacturing tolerances, which are difficult to achieve. It is difficult to Furthermore, the drive gates must also typically be matched in pitch between the memory access loop conductors, since the drive gates typically must be aligned at two adjacent ends of the memory cell array (one in the X and one in the Y).
This is because it is placed along the lines of If one drive circuit exceeds its pitch, it will begin to overlap the location of the next drive circuit. Therefore, adding a series drive gate imposes undesirable limitations on the density of the memory cell array itself.
2) 共振U
ジョセフソン接合の電圧−電流関係は次の二つの式によ
って律せられることが示されて0る:(1)I、=
I (Δ)sin(φ −φ2)j 0
1
(2> v 、 == Oo d (φ −φ2)J
2π dt を
式中、φ、及びφ2は二つの超電導体の超電導オーダー
パラメーターの位相であり、■jは接合を横切る電圧で
あり、Φ。は単位フラ・yクス量子(2,07×10〜
+ s W 1. )である。もし式(2)を積分し、
φφ2について解き、その結果を式(1)へ入れると、
接合を通る電流■jは、それを通る電圧に従って振動す
るであろうということが分かる。D、C,電圧V j
= V dCの場合、ジョセフソン振動周波数は、約f
j/ V de= 483G Hz/ +aVである。2) It has been shown that the voltage-current relationship of the resonant U Josephson junction is governed by the following two equations: (1) I, =
I (Δ)sin(φ −φ2)j 0
1 (2> v, == Ood (φ −φ2)J
2π dt where φ and φ2 are the phases of the superconducting order parameters of the two superconductors, ■j is the voltage across the junction, and φ. is the unit frac-yx quantum (2,07×10~
+ s W 1. ). If we integrate equation (2),
Solving for φφ2 and inserting the result into equation (1), we get
It can be seen that the current ■j through the junction will oscillate according to the voltage across it. D, C, voltage V j
= V dC, the Josephson vibrational frequency is approximately f
j/V de=483 GHz/+aV.
これは所謂ACCジョセフソン果である。This is the so-called ACC Josephson result.
多くの実際的超電導回路は、単な、るジョセフソン接合
の代わりにスイッチ素子としてインターフェロメーター
を用いている。2接合インターフェロメーターの例は、
第2(a)図に示されている1図から判るように二つの
接合がインダクタによって一緒に結合されており、各々
のジョセフソン振動は、互いに影響を与えると考えるこ
とができる。Many practical superconducting circuits use interferometers as switching elements instead of simple Josephson junctions. An example of a two-junction interferometer is
As can be seen from Figure 1 shown in Figure 2(a), the two junctions are coupled together by an inductor, and the Josephson vibrations of each can be considered to affect the other.
第一近似として、各接合を通る電圧は次のようになる。As a first approximation, the voltage across each junction is:
Vj= Vdc+ v 5in(ωrf1)これを上
記式(1)及び(2)へ入れ、インターフェロメーター
の他の成分を代入すると、インターフェロメーターを通
る電流の振動は、(2n+ 1)Vrの別々の共振電圧
で表れるであろう、この場合、である。ここでLは主イ
ンダクタンスの値であり、Cjは二つの接合の各々のキ
ャパシタンスである(この例の目的からは同じであると
考えられる)、インター7エロメーター共振は、ザッペ
及びランドマン(Landman)による「ジョセフソ
ン インターフェロメーター装置の共振現象の解析」(
^nn1ysisof Re5onance Phen
omena in Josephson Interf
eromeLer Devices)(J 、Ap
pl、Phys、、Vol、49. pp。Vj = Vdc + v 5in (ωrf1) Putting this into equations (1) and (2) above and substituting the other components of the interferometer, the oscillations of the current through the interferometer will be In this case, it will appear at the resonant voltage of . where L is the value of the principal inductance and Cj is the capacitance of each of the two junctions (considered to be the same for the purposes of this example). “Analysis of Resonance Phenomena of Josephson Interferometer Devices” by (
^nn1ysisof Re5onance Phen
omena in Josephson Interf
EromeLer Devices) (J, Ap
pl, Phys,, Vol. 49. pp.
344−350 (1978))に記載されている。344-350 (1978)).
インターフェロメーターの電流ステップの振幅は、回路
中のスイッチング素子として装置を使用するのを妨害す
るほど充分大きくなることがあや。The amplitude of the interferometer's current steps can be large enough to preclude use of the device as a switching element in a circuit.
この妨害は、インターフェロメーター I−V特性10
を、その上に重ねて示された抵抗負荷線12と共に示し
ている第2(b)図を参照することにより理解すること
ができるであろう、第1(a)図の如き回路(接合がイ
ンターフェロメーターによって置き換えられている)は
、この種の特性を生ずるであろう、インターフェロメー
ター曲線10は、V−〇の時流れる0でないジョセフソ
ン ゲート電流Tgを示す部分14、及び基本波及び第
一高調波電圧Vr及び2Vrの所に位置する二つの電流
ステップ16を含んでいる。This interference is caused by interferometer IV characteristic 10
can be understood by referring to FIG. 2(b), which shows a resistive load line 12 superimposed thereon. (replaced by an interferometer) would give rise to this type of characteristic, the interferometer curve 10 has a portion 14 showing a non-zero Josephson gate current Tg flowing when V-0, and a fundamental wave and It includes two current steps 16 located at the first harmonic voltages Vr and 2Vr.
スイッチ素子は、印加された磁場を変えることにより、
インターフェロメーターの最大ジョセフソン電流レベル
が!鏑から■1へ減少するように操作されるものと仮定
する。亦、印加したゲート電流■「は、大きさが■−と
■1の間にあると仮定する。最大ジョセフソン電流レベ
ルがIsである時、全ゲート電流Igは接合を通って流
れ、接合は、非電圧状層のままになっている。最大ジョ
セフソン電流レベルがIn’へ低下すると、接合は理想
的には第2(b)図の18で示した電圧状態へスイッチ
するであろう、その時装置を通る電圧Vvは、IgRに
よって与えられるであろう。ここでRは、負荷抵抗RL
の並列組み合わせであり〔第2(a)図には示されてい
ない〕、電圧は、接合抵抗Rj(V )に依存する。By changing the applied magnetic field, the switch element
The maximum Josephson current level of the interferometer! Assume that the operation is performed so that the number decreases from Kabura to ■1. Assume that the applied gate current `` is between ``-'' and ``1'' in magnitude. When the maximum Josephson current level is Is, the total gate current Ig flows through the junction and the junction , remains in the non-voltage state layer.As the maximum Josephson current level decreases to In', the junction would ideally switch to the voltage state shown at 18 in FIG. 2(b). The voltage Vv across the device will then be given by IgR, where R is the load resistance RL
[not shown in FIG. 2(a)], the voltage depends on the junction resistance Rj (V).
しかし、第2(b)図に見られるように、共振電流ステ
ップの幾つかの振幅は、負荷線12に°交わる程充分大
きい、従って、V=OからV=Vvヘスイッチする代わ
りに装置は電流ステップ16によって表される共振モー
ドに飛び込むであろう、装置はこれらのモードでは、非
常に低い抵抗をもっているので、それによって負荷への
希望の電流供給を妨げる。更に、装置は誤ったやり方で
一つの共振モードから他のモードへ飛び込むことがある
。However, as seen in Figure 2(b), the amplitude of some of the resonant current steps is large enough to cross the load line 12, so instead of switching from V=O to V=Vv, the device The device will jump into the resonant modes represented by step 16, as the device has very low resistance in these modes, thereby preventing the desired current delivery to the load. Furthermore, the device may erroneously jump from one resonant mode to another.
どの場合でも、接合が直ちにVvヘスイッチできないと
、接合の論理装置としての有用性を妨げることは認めら
れるであろう。In any case, it will be appreciated that the inability of the junction to immediately switch to Vv impedes the usefulness of the junction as a logic device.
共振問題に対する一つの回答は、ザツペによる米国特許
筒4.117,503号に記載されている。それは、共
振を吸収させるため、インターフェロメーターの主イン
ダクタンスを通るダンパ抵抗FLdを接続することを含
んでいる。この解決法は、低インダクタンスのダンパ抵
抗を用いる必要性が、その特許の第5図に示されている
ような形態を使用することを必要とするので、限界をも
っている。One answer to the resonance problem is described in US Pat. No. 4,117,503 to Zatzpe. It includes connecting a damper resistor FLd through the main inductance of the interferometer to absorb the resonance. This solution has limitations because the need to use a low inductance damper resistor necessitates the use of a configuration such as that shown in FIG. 5 of that patent.
これは、ある情況下では、望ましくないか又は不便であ
ろうし、従って、回路設計の融通性に不当な制約を課す
ことになる。その形態は、達成できる回路密度にも制約
を与える。更にハリス(Harris)による「ジョセ
フソン インターフェロメーター論理装置の作動遅延」
(Turn−on Delay of Josephs
on 1nterferoaeLer Logic D
evices)[I E E ETrans、 on
Magnet’ics、 Vol、 MAG−15,p
p。This may be undesirable or inconvenient under some circumstances, and thus imposes undue constraints on circuit design flexibility. The topology also limits the circuit density that can be achieved. Furthermore, "Josephson Interferometer Logic Device Actuation Delay" by Harris
(Turn-on Delay of Josephs
on 1nterferoaeLer Logic D
evices) [IE E Trans, on
Magnet'ics, Vol, MAG-15, p
p.
562−565 (1979))に報告されているよう
に、ダンパ抵抗を付加することは、前に存在していなか
つた作動遅延因子を導入することになる。562-565 (1979), adding a damper resistance introduces an actuation delay factor that was not previously present.
共振現象は、単なるジョセフソンでも、もしそれらの接
合が゛°点゛′接合として取り扱うには余りにも大きく
作られている場合にも見られる。これらは、ザッペの「
ナノ秒未満の範囲でのジョセフソン トンネル接合の動
的挙動」(Dynamic 1lchaviorof
Josephson Tu++ncl June
Lions in Llte 5ubnan。Resonance phenomena can also be seen in simple Josephsons, if the junctions are made too large to be treated as point junctions. These are Zappe's
Dynamic Behavior of Josephson Tunnel Junctions in the Subnanosecond Range”
Josephson Tu++ncl June
Lions in Llte 5ubnan.
5econd Range) (J 、Appl、Ph
ys、、 Vol、44. pp865−874 (1
9〕3)〕に記載されており、その中で適用されている
一つの解決法がマチソ(M Bjisoo)及びザッペ
による米国特許筒3,906,538号に与えられてい
る。5econd Range) (J, Appl, Ph
ys,, Vol, 44. pp865-874 (1
9]3)] and one solution applied therein is given in US Pat. No. 3,906,538 by M Bjisoo and Zappe.
3) 久工±zj上 ジョセフソン接合は通常ラッチング装置である。3) Kyuko±zj top Josephson junctions are typically latching devices.
それが非電圧状態から電圧状態ヘスイッチした時、それ
は、ゲー1− を流がOに減少されるまでS眼にそのま
まになっているであろう、これは論理用としては不便で
ある。何故ならそれはACゲート電流が装置を周期的に
再設定するために用いられなければならないことを意味
するからである。組合わせ回路がその機能を果たし、−
層多くのデーターに対し直ちに使用される速度は、この
ACCゲート型流の周波数によって限定される。ラッチ
ング論理回路は、特別な電力供給及び電力分布計画も必
要とし、例えば、そのようなことは、アーネッ)・(A
rnett)及びヘレル(1−1errell)によ
る「ジョセフソン インターフェロメーター ラッチン
グ論理回路のための制御されたAC電力」(Regul
ated ACl’ower for Josephs
on InLer4eroaeLer Latelyi
ng Logic C1rcuit!り[I E E
E Trans、 on MagneLics、 Vo
l、 MAG−15,pp、554−557 (197
9))に記載されている。When it switches from the non-voltage state to the voltage state, it will remain in the S eye until the current is reduced to O, which is inconvenient for logic purposes. This is because it means that an AC gate current must be used to periodically reconfigure the device. The combinational circuit performs its function, −
The speed of immediate use for layer-rich data is limited by the frequency of this ACC gated flow. Latching logic circuits also require special power supply and power distribution planning, such as
“Controlled AC Power for Josephson Interferometer Latching Logic Circuits” (Regul
ated ACl'ower for Josephs
on InLer4eroaeLer Latelyi
ng Logic C1rcuit! [I E E
E Trans, on MagneLics, Vo
l, MAG-15, pp, 554-557 (197
9)).
これらの問題を避けるため、非ラッチングモードで作動
する多くの回路が設計されている。そのようなモードは
、もし装置を横切る電圧Vjが次式で午えられる自動再
設定電圧Vain(Ic)を決して越えないならば達成
される。To avoid these problems, many circuits are designed to operate in a non-latching mode. Such a mode is achieved if the voltage Vj across the device never exceeds the automatic reset voltage Vain(Ic), which is given by:
一!−c、v ラ =上バユ1目1
2 」 +un 2π
第3(a)図は印加制御電流rcの関数として典型的な
V winの変動を示している。それはIcについて周
期的であり、夫々V頂inh及びV m1nlの最大及
び最小値を有する。これらの値は0.4mV位である。one! -c, v la = 上bayu 1st 1 2 '' +un 2π Figure 3(a) shows a typical variation of V win as a function of the applied control current rc. It is periodic with respect to Ic and has maximum and minimum values of V inh and V m1nl, respectively. These values are around 0.4 mV.
曲線の下の影をつけた領域は、接合の非電圧状態を表し
、曲線の上の領域は、電圧状態を表す。もし負荷を、電
圧状態のViが常に曲線より下にあるように選択すると
、どの菫の制御電流でも接合を電圧状態ヘスイッチさせ
られないであろう0反対に、もしVjが常に曲線より上
にあると、仮えIeが0になっても接合は電圧状態にな
っているであろう、vjがVminlとV+m1nhと
の間に留とまっている場合にのみ、適当なreを印加す
ると接合は、電圧状態ヘスイッチし、Icを除くとスイ
ッチして非電圧状態へ戻る(即ちそれ自体再設定される
)、このことは、第3(b)図に示されている。The shaded area below the curve represents the non-voltage state of the junction, and the area above the curve represents the voltage state. If the load is chosen such that the voltage state Vi is always below the curve, no violet control current will be able to switch the junction to the voltage state.On the contrary, if Vj is always above the curve Even if Ie becomes 0, the junction will be in a voltage state.Only if vj remains between Vminl and V+m1nh, applying an appropriate re will cause the junction to become a voltage state. When Ic is removed, it switches back to the non-voltage state (i.e., resets itself), as shown in FIG. 3(b).
非ラッチング操作を達成するためには、負荷は、接合が
電圧状態にある時、その接合を通る電圧VvがVmin
lとVminhとの間にあるように選択されなければな
らない、これは非常に狭い範囲であり、満足しにくい狭
い処理許容度を必要とする。やはり第3(b)図に示さ
れているように制御電流1cの有用な範囲も制限される
。負荷が末端伝送線である回路では、伝送線インピーダ
ンスは、希望の負荷線傾斜を得るためには、10位で非
常に小さくなければならない、そのような伝送線は非常
に幅広く作られなければならず、それは低密度、低速及
び低収率をもたらす。To achieve non-latching operation, the load must be such that the voltage Vv across the junction is Vmin when the junction is in the voltage state.
must be chosen to be between l and Vminh, which is a very narrow range and requires narrow processing tolerances that are difficult to satisfy. Again, the useful range of control current 1c is limited, as shown in FIG. 3(b). In circuits where the load is a terminal transmission line, the transmission line impedance must be very small in the order of 10 to obtain the desired load line slope; such transmission lines must be made very wide. First, it results in low density, low speed and low yield.
4、乞不Z
ジョセフソン接合は、Ig/Icとして定義されるゲイ
ンを有する2電流装置である。その閾値に近いバイアス
をかけると、この、ゲインは原理的には大きくすること
ができる二しかし実際には、屡々1より小さい、何故な
ら接合は、ノイズ源による意図しないスイッチングを避
け、LSI環境で、必然的なパラメーター変動に順応す
るように、その閾値より充分低くバイアスされるからで
ある。4. A Josephson junction is a two-current device with a gain defined as Ig/Ic. By biasing close to its threshold, this gain can theoretically be increased to 2, but in practice it is often less than 1, since the junction avoids unintentional switching due to noise sources and is useful in an LSI environment. , is biased well below its threshold to accommodate the inevitable parameter variations.
誘導ネットワーク(インターフェロメーター回路)又は
抵抗ネットワーク(電流注入回路)の形に複数の接合を
配列することにより、1より大きなゲインを得ることが
できる1例えば、インターフェロメーターの如き、トラ
ンスフォーマ−でカップルされた装置では、電流ゲイン
は、制御巻き線に大きなインダクタンスを用いるか、或
は一つより多くの制御巻き線を用いることにより達成さ
れることができる。しかし、そのようなゲインは、常に
一層広い領域を犠牲にしており、大きなチップ収率を得
るためには、パラメーター許容度に厳しい制御を必要と
する0重要なパラメーターは、閾値電流I m(I e
)、電力調節、抵抗、及び接合キャパシタンスである。Gains greater than 1 can be obtained by arranging multiple junctions in the form of an inductive network (interferometer circuit) or a resistive network (current injection circuit). In such devices, current gain can be achieved by using a large inductance in the control winding or by using more than one control winding. However, such gains always come at the expense of larger areas, and in order to obtain large chip yields, the key parameter is the threshold current I m (I e
), power regulation, resistance, and junction capacitance.
閾値電流変動は、それらが領域及び電流密度の変動に依
存するので、10%より低い許容度で制御するのに最も
考えさせられるもののである。後者は、トンネルバリア
の厚さに依存する。バリアの厚さは、数十人しかないの
で、トンネル確率の指数関数的厚さ依存性の結果として
、1人の何分の−かの変動内で均一でなければならない
。更に電流ゲインを得るためにインターフェロメーター
構造に頼ることは、上で述べた如く共振を生ずるので望
ましくない、今日まで提案されてきた超電導装置で、大
きな信号に対し、電圧ゲインを得ることができるものは
一つもない。Threshold current variations are the most challenging to control with tolerances of less than 10% since they depend on area and current density variations. The latter depends on the thickness of the tunnel barrier. Since the thickness of the barrier is only a few tens of people, it must be uniform within a fraction of a person's variation as a result of the exponential thickness dependence of the tunneling probability. Furthermore, relying on the interferometer structure to obtain current gain is undesirable because it causes resonance as mentioned above.The superconducting devices that have been proposed to date are capable of obtaining voltage gain for large signals. There isn't a single thing.
ゲインを得ることが困難なため多段階回路は設計し、製
造するのが困難である。それは低温環境から室温環境へ
の伝達も困難にしている。何故なら、超電導回路に用い
られる電圧振れは、s+Vの単位であり、室温技術で用
いられる電圧振れは■の単位であるからである。効果的
な伝達のなめには大きな電圧が必要になるであろう。Multi-stage circuits are difficult to design and manufacture because gain is difficult to obtain. It also makes transfer from a low temperature environment to a room temperature environment difficult. This is because the voltage swings used in superconducting circuits are in units of s+V, and the voltage swings used in room temperature technology are in units of ■. Effective transmission licks will require large voltages.
5)Ll!
スイッチ素子を最も有用にするため、出力信号を入力信
号から絶縁するのが望ましい、即ち、入力信号の適当な
変化は、出力信号に影響を与えるべきであるが、出力信
号のどんな変化も、仮え外部からの影響によるのでも、
入力信号にはせいぜい無視できる影響しかもたないのが
よい、2電流装置である単なるジョセフソン回路は、こ
の条件は満足しない、四電流受動素子であるトランスフ
ォーマ−は、ジョセフソン回路に絶縁を与えるために用
いられる。−次は、入力Icが流れ、二次は接合自体(
この場合l・ランスフォーマ−の磁場は直接臨界電流レ
ベルを低下させる働きをする)、又は接合に接続された
別のループ(この場合、電流が誘導され、igに付加さ
れ、その臨界電流を越えると接合をスイッチする)であ
る、 1に者は第2(a)図に示されている。トランス
フォーマ−カップリングは、絶縁を達成するための人工
的手段に過ぎず、ジョセフソン装:6自体の微視的レベ
ルでの作動はしない、従って、それは、接合に用いられ
るフィルム及びバリアの物理的大きさよりもはるかに大
きい。回路密度は、能動素子によってではなく、絶縁を
与えるのに必要な受動素子によって限定される。5) Ll! To make the switch element most useful, it is desirable to isolate the output signal from the input signal, i.e., any change in the input signal should affect the output signal, but any change in the output signal Even if it is due to external influences,
A simple Josephson circuit, which is a two-current device that should have at most a negligible effect on the input signal, does not satisfy this condition; a transformer, a four-current passive element, provides isolation to the Josephson circuit. used for. - Next, the input Ic flows, and the second order is the junction itself (
In this case the magnetic field of the l transformer acts directly to reduce the critical current level) or in another loop connected to the junction (in this case a current is induced and added to the ig and exceeds its critical current level). 1) is shown in Figure 2(a). Transformer coupling is only an artificial means of achieving insulation and does not operate at the microscopic level of the Josephson device itself; therefore, it Much bigger than size. Circuit density is limited not by the active components, but by the passive components required to provide isolation.
3電流超電導トランジスターはグレイ(Gray)によ
る米国特許第4,15フ、555号に記載されている。A three-current superconducting transistor is described in Gray, US Pat. No. 4,155,555.
この装置は、絶縁を与えるが、多くの池の点で、ひどく
制限される。特にそれは、超電導の観点から次善の材料
を用いて作られなければならず、その出力レベルは、デ
ジタル用途で用いるには小さすぎる。Although this device provides insulation, it is severely limited in terms of water retention. In particular, it must be made with suboptimal materials from a superconducting point of view, and its power level is too low to be used in digital applications.
米国特許第4,334,158号には、上述の問題の多
くを解決するか又は回避するクイテロン(Quiver
on)と呼ばれている別の超電導装置が記載されている
。クイテロンは、ファリスの1クイテロンJ〔P by
siea、 Vol、126B pp、165−
175(1984)) に更に記載されている。それ
は、閾値電力密度を有するトンネル接合を具え、その密
度より高いと超電導電極の超電導ギャップが消える。そ
の装置は、準粒子を超電導体へ多景に注入することによ
り作動し、ジョセフソン効果を用いていない、しかし、
クイテロンは充分な電圧ゲインをもたず、大きな充分な
電圧の振れを示さない。クイテロンは、比較的遅い装置
であり、ジョセフソン接合より一層遅い。U.S. Pat. No. 4,334,158 discloses a Quiteron (Quiveron) solution that solves or avoids many of the problems mentioned above.
Another superconducting device has been described, which is referred to as a superconductor. Quiteron is Faris's 1 Quiteron J [P by
siea, Vol, 126B pp, 165-
175 (1984)). It comprises a tunnel junction with a threshold power density above which the superconducting gap of the superconducting electrode disappears. The device works by injecting quasiparticles into a superconductor multi-dimensionally and does not use the Josephson effect, but
Quitelons do not have sufficient voltage gain and do not exhibit large enough voltage swings. Quitelons are relatively slow devices, even slower than Josephson junctions.
〔本発明が解決しようとしている課題〕従って、本発明
の目的は、]二記聞題点の幾つか又は全てを回避する手
段を与えることである。[Problems to be Solved by the Invention] Therefore, it is an object of the present invention to provide means for avoiding some or all of the problems mentioned above.
本発明の別の目的は、複数の接合を同時にスイッチする
新規なスイッチ素子を与えることである。Another object of the invention is to provide a novel switching element that switches multiple junctions simultaneously.
本発明の更に別な目的は、非常に緻密な構造で作ること
ができる3電流超電導装置を与えることである。Yet another object of the invention is to provide a three-current superconducting device that can be made with a very compact structure.
本発明の更に別の目的は、電圧ゲインを有し、非ラッチ
ング操作を示すことができる超電導スイッチを与えるこ
とである。Yet another object of the invention is to provide a superconducting switch that has voltage gain and can exhibit non-latching operation.
本発明の更に別の目的は、共振を示さないように設計す
ることができる超電導スイッチを与えることである。Yet another object of the invention is to provide a superconducting switch that can be designed not to exhibit resonance.
本発明の更に別の目的は、一つのスイッチの出力を用い
て、第二のスイッチの入力を駆動し、その第二スイッチ
の状態を、そのような入力が存在する時、変化させるこ
とができる、識別可能な出力状態を有する超電導スイッ
チを与えることである。Yet another object of the invention is that the output of one switch can be used to drive the input of a second switch and change the state of the second switch when such input is present. , to provide a superconducting switch with distinguishable output states.
本発明の更に他の目的は、極めて速いスイッチを与える
ことである。Yet another object of the invention is to provide an extremely fast switch.
本発明の更に別の目的は、非ラッチングモードで作動す
る回路素子を与えることである。Yet another object of the invention is to provide a circuit element that operates in a non-latching mode.
本発明の更に別の目的は、絶縁を示す回路素子を与える
ことである。Yet another object of the invention is to provide a circuit element that exhibits isolation.
本発明の更に別の目的は、デジタル及び非デジタル用途
でジョセフソン接合に置き換えることができる回路素子
を与えることである。Yet another object of the invention is to provide a circuit element that can replace Josephson junctions in digital and non-digital applications.
これら及び他の目的は、本発明番こ従い、隣接した接合
の超電導電極が共有されるように、緊密にカップルされ
たやり方で垂直に積み重ねられた接合を有するスイッチ
を与えることにより達成される。装置の物理的状態のた
め、一つの接合を電圧状態ヘスイッチさせるのに充分な
外部からの影響でも、ドミノ効果により、その積層体中
の他の接合全てをスイッチさせ、m層体全体が一つの接
合として働くことになるであろう、そのようなスイッチ
は、接合を横に配置しても作ることができるであろうが
、そのような接合は緊密(Light)なカップリング
を達成するためには約1000人より短い間隔で作られ
なければならないであろう、垂直トンネル接合構造は、
緊密なカップリングが必須にはならない非デジタル的用
途でも有用であろう、しかしこれらの用途でも緊密なカ
ップリングは有利であろう。These and other objects are achieved in accordance with the present invention by providing a switch having vertically stacked junctions in a tightly coupled manner such that the superconducting electrodes of adjacent junctions are shared. Because of the physical state of the device, an external influence sufficient to switch one junction to a voltage state will have a domino effect, causing all other junctions in the stack to switch, causing the entire m-layer to switch to one voltage state. Such a switch, which would act as a junction, could also be made by placing the junction laterally, but such a junction would be difficult to achieve in order to achieve a light coupling. vertical tunnel junction structures would have to be made with spacings shorter than about 1000.
It may also be useful in non-digital applications where tight coupling is not essential, but tight coupling may be advantageous in these applications as well.
本発明を、その特別な実施例に関して記述する。The invention will be described with respect to particular embodiments thereof.
図面を参考にするが、図中、同様な部材は同じ番号で示
されている。Reference is made to the drawings, in which like parts are designated by the same numbers.
第4(a)図には、本発明による3電流垂直トンネル接
合(VTJ)が示されている。そ・れは頂部超電導体2
2及び底部超電導体24を有し、それらの間に四つの超
電導体層28.32.36及び40、及び五つの非常に
薄いバリア層26.30.34.38及び42が挟まれ
ている。超電導体及びバリア層は、超電導体層の各対の
間にバリア層が存在するように交互に積み重ねられてい
る。頂部超電導体22は出力電流であり、底部24は共
通で、底部超電導体24に最も近い超電導体40は入力
電流である。N=5のバリア層を有するVTJが示され
ているが、N=1より大きなどんな数の層でも満足でき
るであろう。FIG. 4(a) shows a three current vertical tunnel junction (VTJ) according to the present invention. That is the top superconductor 2
2 and a bottom superconductor 24 between which are sandwiched four superconductor layers 28, 32, 36 and 40 and five very thin barrier layers 26, 30, 34, 38 and 42. The superconductor and barrier layers are alternately stacked such that there is a barrier layer between each pair of superconductor layers. The top superconductor 22 is the output current and the bottom 24 is common and the superconductor 40 closest to the bottom superconductor 24 is the input current. Although a VTJ with N=5 barrier layers is shown, any number of layers greater than N=1 would be satisfactory.
バリア層は、各バリア層がその二つの隣接した超電導体
と共に接合を形成する・きをするように充分薄く作られ
ている。各接合が隣のものに緊密にカップルされている
限り、全積層体は、ドミノ効果により単一の接合として
スイッチするであろう。The barrier layers are made thin enough to allow each barrier layer to form a junction with its two adjacent superconductors. As long as each junction is tightly coupled to its neighbor, the entire stack will switch as a single junction due to the domino effect.
操作上装置は、積層体を垂直に通過するゲート電流1.
でバイアスされ、この場合、ゲート電流は、積層体中の
どの接合の最低閾値電流レベルよりもわずかに低い、制
御電流Icが適用されていない場合、積層体中の接合は
全て電圧0の状態にあるであろう、接合を分離する層は
全て超電導体なので、WI層体を通る全電圧降下は0で
あり、負荷44へ送られる電流はOである。充分な制御
電流Icを入力電流40へ注入し、底部接合を電圧状態
へスイッチさせると、直ちに積層体中の全ての接合が実
質的に同時にスイッチする。それによってゲート電流は
、負荷へ伝送される。Operationally, the device uses a gate current 1. passed vertically through the stack.
, in which case the gate current is slightly lower than the lowest threshold current level of any junction in the stack; all junctions in the stack are at zero voltage if no control current Ic is applied. Since all of the layers separating the junctions that may be present are superconductors, the total voltage drop across the WI layers is 0 and the current delivered to load 44 is 0. As soon as enough control current Ic is injected into the input current 40 to switch the bottom junctions to the voltage state, all junctions in the stack switch substantially simultaneously. The gate current is thereby transferred to the load.
本発明による垂直トンネル接合は、従来のジョセフソン
接合よりも少なくとも三つの主たる利点を有する。一つ
は、VTJは、直列結合されたN個の接合を有するので
、全キャパシタンスCvtjは1/Nに減少する。それ
らは、緊密にカップルされているので、VTJ中の第一
の接合から最後の接合までのスイッチ時間は、負荷へエ
ネルギーを伝達するのに必要な時間よりも本質的にはる
かに短い。制御電流が空間的に離れたゲート間の距離を
横切る必要はなく、制御電流が非常に速いバッファーに
よって駆動される必要もなく、全ての接合が同じに作ら
れている必要もない、VTJは、単一のジョセフソン接
合より大きな面積をチップ上で占めることはない。何故
ならVTJを構成する接合は垂直に積み重ねられている
からである。The vertical tunnel junction according to the present invention has at least three major advantages over conventional Josephson junctions. First, since the VTJ has N junctions coupled in series, the total capacitance Cvtj is reduced by 1/N. Because they are tightly coupled, the switching time from the first junction to the last junction in a VTJ is essentially much shorter than the time required to transfer energy to the load. There is no need for the control current to traverse the distance between spatially separated gates, no need for the control current to be driven by a very fast buffer, and no need for all junctions to be made equal. It does not occupy more area on a chip than a single Josephson junction. This is because the junctions that make up the VTJ are vertically stacked.
キャパシタンスの減少は、それに相応してスイッチ速度
に改良をもたらす、第1(a)図のような回路では、ス
イッチ時間定数は1/Nに減少する。The reduction in capacitance results in a corresponding improvement in switching speed; in a circuit such as that of FIG. 1(a), the switching time constant is reduced by a factor of N.
第1〈c)図のような回路では、それはl / N 1
72に減少する。上で定義した真性応答時間もそれに従
って減少する。もし選択された超電導体がNbNで、N
= 100であるならば、スイッチの真性応答時間は
、キャパシタンス0の限界で約IQ−I 5秒へ減少す
る。In a circuit like Fig. 1(c), it is l/N 1
It decreases to 72. The intrinsic response time defined above is also reduced accordingly. If the selected superconductor is NbN and N
= 100, the intrinsic response time of the switch decreases to about IQ-I 5 seconds in the limit of zero capacitance.
キャパシタンスの減少も、従来の回路でそのような問題
を起こす共振を厳しくダンプさせるのに用いることがで
きる。前に述べた如く、2接合インターフェロメーター
の共振は、例えば(2n+1)Vrの電圧段階で起きる
。ここで、(例として、その二つの接合は同一のキャパ
シタンスCjをもつものと仮定する。)もし装置を、ギ
ャップ電圧Vgの1/2より高くこれらの段階を押し」
二げるように作ることが出来るならば、接合の厳しい自
然的ダンピング作用によって、共振が回路繰作を妨害し
ないようにできるであろう、この技術は、前に言及した
マチソ及びザッペによる米国特許第3,906,538
号ノ第4 m、第16行〜32行ニ言及されている。し
かし上記式によれば、これは、接合キャパシタンスCj
又はインターフェロメーター インダクタンスLの減少
を必要としたであろう。両方とも、ゲイン、インターフ
ェロメーター操作窓、及び雑音不感性に関連した種々の
要件に絡らんでいる。接合キャパシタンスの減少は、接
合領域を縮小することによって達成できたであろうが、
それは同時にI−を雑音領域へ減少することになったで
あろう、同様に、インターフェロメーター ゲイン及び
操作窓の要件は、Lをほぼ0.25Φ。/Ia+に固定
する。しかし、本発明によりて作られたVTJをジョセ
フソン接合の代わりに用いると、キャパシタンスは、共
振をギャップ電圧の半分より高く押し上げるのに必要な
どんな因子によっても減少させることができる。VTJ
は単なるジョセフソン接合の問題の多くを回避し、それ
によってインターフェロメーター型構造に顆る必要をな
くしていることに注意すべきである。Reducing capacitance can also be used to severely dampen the resonances that cause such problems in conventional circuits. As mentioned earlier, resonance in a two-junction interferometer occurs at a voltage step of, for example, (2n+1)Vr. Now (assuming, for example, that the two junctions have the same capacitance Cj), if the device pushes these steps higher than 1/2 the gap voltage Vg.
If it could be made so that the resonance would not interfere with circuit operation, the severe natural damping action of the bond would be able to prevent resonance from interfering with circuit operation. No. 3,906,538
It is mentioned in No. 4m, lines 16 to 32. However, according to the above formula, this means that the junction capacitance Cj
Or it would have required a reduction in the interferometer inductance L. Both involve various requirements related to gain, interferometer operating window, and noise insensitivity. Although a reduction in junction capacitance could have been achieved by reducing the junction area,
Similarly, the interferometer gain and operating window requirements would have reduced I to approximately 0.25Φ. /Ia+. However, when a VTJ made in accordance with the present invention is used in place of a Josephson junction, the capacitance can be reduced by whatever factor is necessary to push the resonance above half the gap voltage. VTJ
It should be noted that this avoids many of the problems of a simple Josephson junction, thereby eliminating the need for an interferometer-type structure.
共振に関する目的から、前述したようにV T 、Jの
各接合を点接合として処理することができるので、VT
J自体はは問題を起こす共振問題をもたない。For the purpose of resonance, each junction of VT and J can be treated as a point junction as described above, so VT
J itself does not have the resonance problem that causes problems.
装置キャパシタンスの減少によって得られる他の利点は
、自動再設定電圧Vainの増加である。Another benefit obtained from the reduction in device capacitance is an increase in the auto-resetting voltage Vain.
前に論じた如く、V+minは次の式で与えられる。As previously discussed, V+min is given by:
CjV2min = ImO。CjV2min = ImO.
2 2π
従って、キャパシタンスをその1/Nに減少させると、
VainがそのN1′2倍に増大するであろう。2 2π Therefore, if we reduce the capacitance to 1/N of that, we get
Vain will increase by a factor of N1'2.
従って、従来の接合を非ラッチング操作するために必要
な低水準に負荷抵抗を保つことは、もはや重要ではなく
なり、それによって出力電流を送るのに一層狭く、−層
緻密に詰まった伝送線を用いることができる0個々の負
荷抵抗器は積層体中の各接合にとって不必要であること
に注意すべきである。全積層体は単一の積層体として働
くので、全積層体を分流する単一の抵抗器で充分である
。Therefore, keeping the load resistance at the low level required for non-latching operation of conventional junctions is no longer important, thereby using narrower, densely packed transmission lines to deliver the output current. It should be noted that individual load resistors, which can be 0, are unnecessary for each junction in the stack. Since the entire stack acts as a single stack, a single resistor shunting the entire stack is sufficient.
更に、Vmin −Vminlで与えられる非ラッチン
グ操作を可能にする電圧状態の電圧Vvの範囲も、N1
″倍大きくなるであろう。これは負荷抵抗の許容誤差の
条件を緩める0両方の改良によって、非ラッチング式の
操作のための一層密な回路は一層製造し易くなるであろ
う。Furthermore, the range of voltage Vv in the voltage state that enables non-latching operation given by Vmin - Vminl is also N1
This is because both improvements in loosening load resistance tolerance requirements will make denser circuits for non-latching operation easier to manufacture.
本発明によって与えられる従来技術に勝る第二の主な利
点は、電圧ゲインである@N層のVTJは一つのジョセ
フソン接合によるより多くの制御電流をスイッチする必
要はないが、負荷のない電圧出力はN倍に増加し、NV
gになる。従って、第1(b)図に示されているような
回路にとっては、ス、イッチ時間定数τ、はその1/N
に減少する。The second major advantage over the prior art provided by the present invention is the voltage gain @N-layer VTJ does not need to switch more control current than one Josephson junction, but the unloaded voltage The output increases by N times, NV
becomes g. Therefore, for the circuit shown in FIG. 1(b), the switch time constant τ is 1/N
decreases to
これはループへ電流を送るのに必要な時間をかなり減少
させ、従って、超電導メモリーのためのアクセス時間の
かなりの減少をもたらすであろう。This would significantly reduce the time required to deliver current to the loop, thus resulting in a significant reduction in access time for superconducting memories.
亦、出力電圧振れは希望するだけ大きく作ることができ
るので、それは他のVTJを直接駆動するのに用いるこ
とができる。別の問題として、垂直トンネル接合の電圧
ゲイン能力は、超電導と非超電導の論理回路の間の通信
を著しく簡単にするはずである。Also, since the output voltage swing can be made as large as desired, it can be used to directly drive other VTJs. As another matter, the voltage gain capability of vertical tunnel junctions should greatly simplify communication between superconducting and non-superconducting logic circuits.
本発明の第三の主な利点として、上述のVTJは、真の
3電流装置である。出力は、カップリング変成器の如き
人工的絶縁手段を付は加えることなく入力から分離され
ている。従って、カップリング変成器は、VTJを使っ
て作ることができる回路の密度を限定する役割はもたな
い、更に絶縁は、第4(b)図に示されている構造を用
いることにより更に改良されてもよい、この場合、電極
の底部の対の機能は、交換されている。頂部から底部へ
、この構造は、出力型ff150、バリア7152、積
層電[254、バリア層56、積層電極58、バリア層
6o、積層電極62、バリア層64、接地電極66、バ
リア層68及び入力電極70を有する。負荷44は、出
力電流50と接地電流66との間に結合されている。こ
の横遺体の操作は第4(a)図のものと殆んど同じであ
る。ゲート電流1.を出力電流50に供給し、その電流
は出力電流50と接地電流66との間にある接合〈出力
段階接合と呼ぶ)のいずれの最低閾値電流よりも低い。As a third major advantage of the present invention, the VTJ described above is a true three current device. The output is isolated from the input without the addition of artificial isolation means such as coupling transformers. Therefore, the coupling transformer has no role in limiting the density of circuits that can be made using VTJs, and the isolation is further improved by using the structure shown in Figure 4(b). In this case, the functions of the bottom pair of electrodes have been exchanged. From top to bottom, this structure includes output type ff150, barrier 7152, stacked electrode 254, barrier layer 56, stacked electrode 58, barrier layer 6o, stacked electrode 62, barrier layer 64, ground electrode 66, barrier layer 68 and input It has an electrode 70. Load 44 is coupled between output current 50 and ground current 66. The operation of this horizontal corpse is almost the same as that of FIG. 4(a). Gate current 1. is provided to the output current 50, which current is lower than the lowest threshold current of any junction between the output current 50 and the ground current 66 (referred to as the output stage junction).
しかし、接地電流66と入力電流70の間の接合(入力
段階接合)の閾値電流レベルより低くなる必要はない、
何故ならゲート電流は、積層体から、それがそこに達す
る前に取り出されるからである。制御電流Ieが入力接
合の閾値即ち臨界電流レベルより低いと仮定すると、8
1体中の全ての接合は、それらの電圧0の状態になり、
負荷を通る電圧は0になるであろう、もし制御電流が入
力段階接合臨界電流より高いレベルまで増大すると、入
力接合は電圧状態ヘスイッチするであろう、出力段階接
合も、順次入力段階接合まで緊密にカップリングされて
いるため、殆んど直ちにそれらの電圧状態へ、スイッチ
し、それによって負荷44へ電流を送るであろう。この
構造は、スイッチングがIeとIgの合計の代わりに制
御電流レベルのみに依存するので、第4(a)図の場合
より、尚−層よい絶縁を有する。従って、1.の小さな
変化が第4(a)図の構造のスイッチ特性に影響を与え
るのに対し、第4(b)図の構造では、与えないであろ
う。(勿論、rgの変化が出方段階接合の一つ以上の接
合をスイッチさせるのに充分ではない限り)、この改良
は、一つの出力段階接合をわずかに犠牲にして達成され
る;第4(b)図ではN=4、第4(a)図ではN=5
ここで用いられているように、一つの接合は、外部から
の影響により一つのスイッチングが同様に他をスイッチ
させるので、他の接合に“緊密にカップル°′されてい
る。緊密なカップリングの現象は、次のことからもたら
されると考えられている。積層体又は横の配列のに番目
の接合では、スイッチ閾値は次の式で与えられる:
1、−I。(Δ) 5in(φ、−φ、、)式中、φ1
はに番目の電極の位相であり、又φ。However, it need not be lower than the threshold current level of the junction between ground current 66 and input current 70 (input stage junction).
This is because the gate current is extracted from the stack before it reaches it. Assuming that the control current Ie is below the input junction threshold or critical current level, 8
All the junctions in one body are in their zero voltage state,
The voltage across the load will be zero; if the control current increases to a level higher than the input stage junction critical current, the input junction will switch to the voltage state; the output stage junction will also be tightened sequentially up to the input stage junction. , it will almost immediately switch to those voltage states, thereby sending current to load 44. This structure has even better isolation than that of FIG. 4(a) since the switching depends only on the control current level instead of the sum of Ie and Ig. Therefore, 1. Small changes in will affect the switching characteristics of the structure of FIG. 4(a), whereas they will not for the structure of FIG. 4(b). This improvement is achieved at the slight sacrifice of one output stage junction (unless, of course, the change in rg is sufficient to switch one or more of the output stage junctions; the fourth ( b) N=4 in figure 4(a), N=5 in figure 4(a) As used here, one junction is connected to the other because the switching of one causes the others to switch as well due to external influences. The phenomenon of tight coupling is believed to result from the following: For the second junction of a stack or lateral array, the switch threshold is Given by the formula: 1, −I.(Δ) 5in(φ, −φ, ,) where φ1
is the phase of the second electrode, and is also φ.
は、1番目の電極からそのに番目の接合を直ぐ横切った
(k+1)番目の電極の位相である。もしφ、が前の(
(k−1)番目〕接合のスイッチング等により乱される
と、上記式の相差φ1−φ5+、は変化してスイッチ閾
値1.を減少する。積層体がゲート電流Igでバイアス
され、φ1の乱れが充分であると仮定すると、■1はI
gより低く低下し、接合をスイッチさせるであろう、に
番目の接合のスイッチングは、順次電磁気的に(k+1
)番目の電極の位相φ。、に影響を与える。しかしくk
+1)番目の電極は、積層体中広の接置と共有されてい
るのでそれ自体は、次の式によって与えられるスイッチ
閾値を有する;
1−−1= I 0(Δ) 5in(φ、+1−φ、+
2)従って、もしくk+1)番目の接合かに番目の接合
に充分近く、電磁的影響が充分強ければ、φ、+1の乱
れは(k+1 )番目の接合をスイッチさせ、そのよう
にして順次全積層体又はアレーを通っていくであろう、
この過程は“ドミノ効果”としてここでは言及する。is the phase of the (k+1)th electrode just across the second junction from the first electrode. If φ, is the previous (
(k-1)th] When disturbed by junction switching, etc., the phase difference φ1−φ5+ in the above equation changes and the switch threshold value 1. decrease. Assuming that the stack is biased with gate current Ig and the disturbance of φ1 is sufficient, ■1 becomes I
The switching of the th junction will be sequentially electromagnetically (k+1
)-th electrode phase φ. , affect. However, k
The +1)th electrode is shared with the abutment of the laminate medium so that it itself has a switch threshold given by the following equation; −φ, +
2) Therefore, if the k+1)th junction is close enough to the (k+1)th junction and the electromagnetic influence is strong enough, a disturbance in φ,+1 will switch the (k+1)th junction, thus sequentially will pass through the stack or array,
This process is referred to here as the "domino effect."
設り
本発明に従い、どのようにして垂直トンネル接合を製造
することができるかについて次に記述する。第5(a)
図に示されている回路部分を、この例のために用いるこ
とにする。それは入力導線90、接地導線92、及び出
力導線94を有する第−VTJスイッチSlを具えてい
るsslの出力導線94は、同じく接地導線98及び出
力導線100を有する第二VTJスイッチS2の入力導
線96に接続されている。S2の出力導線100は、今
度は負荷102へ接続されており、その負荷は抵抗器で
もよい。Sl及びS2のそれぞれ接地導線92及び98
は、アースへ接続されている。出力導線94及び100
は、それぞれゲート電流Ig+及びIg2の源へ更に接
続されており、スイッチSlの入力導線90は制御電流
Iclの源へ接続されている。成る閾値より低いIc+
では、両方のスイッチ共それらの電圧0状態にあり、電
流は負荷102へは供給されないように回路は設計され
、電流が選択されている。Tc+がその閾値を越えると
、S、は電圧状態ヘスイッチし、それによってゲート電
流Ig+を82の入力導線96へ伝送し、S2を電圧状
態ヘスイッチさせ、それが今度はゲート電流Ig2を負
荷102へ伝送することになる。DESCRIPTION The following describes how a vertical tunnel junction can be manufactured in accordance with the present invention. Section 5(a)
The circuit portion shown in the figure will be used for this example. It comprises a first VTJ switch Sl having an input conductor 90, a ground conductor 92, and an output conductor 94. It is connected to the. The output conductor 100 of S2 is in turn connected to a load 102, which may be a resistor. Ground conductors 92 and 98 for Sl and S2, respectively.
is connected to ground. Output conductors 94 and 100
are further connected to the sources of gate currents Ig+ and Ig2, respectively, and the input conductor 90 of switch Sl is connected to the source of control current Icl. Ic+ lower than the threshold of
, the circuit is designed and the current is selected such that both switches are in their zero voltage state and no current is delivered to the load 102 . When Tc+ exceeds its threshold, S switches to the voltage state, thereby transmitting the gate current Ig+ to the input conductor 96 of 82, causing S2 to switch to the voltage state, which in turn transmits the gate current Ig2 to the load 102. I will do it.
簡単にするため、各スイッチが第4(b)図に示されて
いる型のものであると仮定するが、異なった型のスイッ
チを、それが本発明を具体化したものであれ或はそうで
なくても、同じ回路で用いてもよいことは分かるであろ
う。亦、両方のスイッチに対しN=50であると仮定す
るが、もし望むなら、同じ回路で異なったNの数を用い
てもよいことは分かるであろう。更に、両方のスイッチ
共、接地電極の下に唯一つの接合が配置されているもの
と仮定するが、ある場合には一つより多くもっことが望
ましいこともあろう0回路は、基本的には既知の薄膜付
着及び食刻法を用いて製造されるが、工程順序及び得ら
れる構造は新規なものである。最初に、珪素から作られ
ていてもよいウェハーを用意する0mつかの予備的な層
を付着させた後、超電導体(例えば、Nb)の1000
人層M1を全ウェハー上に付着させる0次にこの層を既
知の食刻法によりパターン化し、それがスイッチS1及
びS2の夫々入力電極90及び96として山くようにす
る。そのようにパターン化されたMlの断面及び平面図
は夫々第5(b)図及び第(c)図に示されており、予
備層で被覆されたウェハーの関連した部分は、[04と
して示されている0次に非常に薄い(20人)バリア層
をMlの上に付着させ、約1000人の厚さをもつ第二
の超電導性層M2を全ウェハー上に付着させ、接地面と
して働らかせる。次に、更に食刻を行なう前に、N=5
0の付加的接合を、全ウェハー上に交互にzO人バリア
層と続<500人超電導体層を付着させることにより形
成する。次にこれらの層をM2層まで食刻し、VTJの
ための積層体を定める0次にM2パターン化し、第5(
d)図及び第5(c)図に示されている構造を生じさせ
る。これらの図では、それらの層の厚さはそれらの幅に
対する比率から著しく外れて描かれていることが分かる
であろう、積層体の幅は2μ位であるが、N=50の場
合、全高さはわずか約2.5μである。For simplicity, it is assumed that each switch is of the type shown in FIG. 4(b), but different types of switches, whether embodying the present invention or It will be appreciated that it may be used in the same circuit even if it is not. We will also assume that N=50 for both switches, but it will be appreciated that different numbers of N may be used in the same circuit if desired. Furthermore, it is assumed that both switches have only one junction placed below the ground electrode, although in some cases more than one may be desirable. Although fabricated using known thin film deposition and etching techniques, the process sequence and resulting structure are novel. First, prepare a wafer that may be made of silicon, deposit some preliminary layers, and then 1000 m of superconductor (e.g. Nb).
A layer M1 is deposited over the entire wafer. This layer is patterned by known etching techniques so that it is deposited as input electrodes 90 and 96 of switches S1 and S2, respectively. The cross-section and top view of the Ml so patterned are shown in FIGS. 5(b) and 5(c), respectively, and the relevant portion of the wafer coated with the preliminary layer is designated as [04]. A very thin (20 nm) barrier layer of order 0 is deposited on top of Ml, and a second superconducting layer M2 with a thickness of approximately 1000 nm is deposited over the entire wafer, serving as a ground plane. Make it easier. Then, before further etching, N=5
0 additional junctions are formed by depositing alternating ZO barrier layers followed by <500 superconductor layers over the entire wafer. These layers are then etched down to the M2 layer and patterned into a 0th order M2 pattern that defines the stack for the VTJ.
d) Produce the structure shown in Figure and Figure 5(c). It will be seen that in these figures the thickness of the layers is drawn significantly out of proportion to their width, the width of the stack is around 2μ, but for N=50 the total height The diameter is only about 2.5μ.
次に、既知の平面化法を用いて全ウェハー上にS i
O2絶縁体を付着させ、積層体の頂部の超電導性層の上
約3000人の高さに平らな頂部をもつようにする。入
力電極90及び96の直ぐ上のMl層まで絶縁体中に路
(vias)をあけ、超電導体をそのような電極から絶
縁体の頂部まで付着させるかメツキする0次に他の銘を
積層体の出力電極94及び100の上にあけ、4000
人超電導体HIM3を付着させ、連携線用にパターン化
する。得られた構造体は、第5(f)図及び第5(g)
図に示されている。これらの図でS i O2絶縁体は
106として示されており、超電導体充填路は108で
示されている。Then, using a known planarization method, Si
The O2 insulator is deposited with a flat top approximately 3000 m above the top superconducting layer of the stack. Drill a via in the insulator up to the Ml layer just above the input electrodes 90 and 96 and deposit or plate the superconductor from such electrode to the top of the insulator. 4000 on the output electrodes 94 and 100 of
Attach the human superconductor HIM3 and pattern it for a link line. The obtained structure is shown in FIGS. 5(f) and 5(g).
As shown in the figure. In these figures the S i O2 insulator is shown as 106 and the superconductor fill path is shown as 108.
接地面M2は、第5図ではウニ′バーの表面の殆んどを
覆うものとして示されており、穴がVTJ横遺体を取り
巻いている6層M2を連携線だけのために用いる為、別
の構造を用いてもよいであろう、第5(a)図の例では
、M2は、第1スイツチSlの接地導線92を(1)第
二スイッチS2の接地導線98、(2)負荷102の接
地された端部、及び(3)電力戻り電流(図示されてい
ない)へ接続するのに用いられるであろう、しかしこの
構造は、接地面がないと信号伝送連携線の性能を劣化し
、ある場合にはそれらからエネルギーを放射させること
があるので不利である。この問題を避けるため、Mの下
に別の付加的接地面を形成してもよいが、これは不必要
な付加的処理工程がいることを意味する。第二の別の構
造は、Ml層の下に接地面を形成し、望むならM2層か
ら直接接地面への接続をつくることであろう。この構造
もその接地面を形成するなめ付加的処理工程を必要とす
る。第5図に示された構造は、付加的な処理工程を用い
ることなく、実質的に完全な接地面を与える。被覆が完
全になればなるほど、−層良くなるが、連携線の性能を
改善するためには、接地面が信号伝送連携線に平行であ
りさえすればよいことは認められるであろう。金属化層
(Ml)が接地面の下に配置されているという事は、通
常のやり方と反対になるが、それが与える性能改善を否
定するものではないであろう。The ground plane M2 is shown in Figure 5 as covering most of the surface of the uni'bar, and the hole is separate because the 6-layer M2 surrounding the VTJ lateral body is used only for the connection line. In the example of FIG. 5(a), M2 connects the grounding conductor 92 of the first switch S1 to (1) the grounding conductor 98 of the second switch S2, and (2) the grounding conductor 98 of the load 102. a grounded end, and (3) would be used to connect to a power return current (not shown); however, this structure degrades the performance of the signal transmission link in the absence of a ground plane; This is disadvantageous in some cases because they can radiate energy. To avoid this problem, another additional ground plane may be formed under M, but this means that there is an unnecessary additional processing step. A second alternative structure would be to form the ground plane below the Ml layer and make a connection to the ground plane directly from the M2 layer if desired. This structure also requires additional processing steps to form the ground plane. The structure shown in FIG. 5 provides a substantially complete ground plane without additional processing steps. The more complete the coating, the better the layer, but it will be appreciated that in order to improve the performance of the link, the ground plane only needs to be parallel to the signal carrying link. The fact that the metallization layer (M1) is placed below the ground plane is contrary to conventional practice, but would not negate the performance improvement it provides.
■
本発明によるスイッチは、アナログ又はデジタル用に以
前からジョセフソン接合又はインターフェロメーターを
用いていた実際上どんな従来法による回路にでも有用で
ある。例えば、駆動ゲート120を含む第6(a)図に
示されているような従来法のメモリー アクセス ルー
プを、第6(b)図に示されているように駆動ゲート1
20を■TJトランジスター122で置き浚えることに
より、性能と密度の両方で著しく改良することができる
。メモリー アクセス ループがカップルされる個々の
メモリーセル(図示されていない)は、誘導的にそれに
カップルされるように続けてもよく、又は他のVTJを
経てカップルされてもよい。後者を選択すると、前に述
べた如く、更に速度及び密度の両方が改善されるであろ
う。■ The switch according to the invention is useful in virtually any conventional circuit that has previously used Josephson junctions or interferometers for analog or digital applications. For example, a conventional memory access loop as shown in FIG. 6(a) including drive gate 120 may be replaced with drive gate 1 as shown in FIG. 6(b).
20 with TJ transistors 122, significant improvements can be made in both performance and density. The individual memory cells (not shown) to which the memory access loop is coupled may continue to be inductively coupled to it or may be coupled via other VTJs. Choosing the latter would further improve both speed and density, as mentioned above.
VTJスイッチは、前に開発された論理系でジョセフソ
ン接合スイッチに置き換えることができ、それによって
速度と密度の両方で改良を与えることができる。更に、
電流はそのどのレベルでもVTJへ供給し、又そこから
取り出すことができ、どの接合又は接合群を通る電圧で
も出力信号として用いることができる。予備的指示とし
て、積層体中の異なった接合の閾gl電流レベルは同じ
である必要はないが、むしろそれらは単一の接合として
働く積層体の能力に影響を与えることなく、10〜20
%程の大きさの差をもっことができる。この融通性によ
り、本発明による単一のスイッチを、種々の組合わせ論
理関数を遂行させるのに用いることができる。VTJ switches can be replaced with Josephson junction switches in previously developed logic systems, thereby providing improvements in both speed and density. Furthermore,
Current can be supplied to or extracted from the VTJ at any level thereof, and any voltage across any junction or group of junctions can be used as an output signal. As a preliminary indication, the threshold gl current levels of different junctions in a stack do not need to be the same, but rather they can range from 10 to 20 without affecting the stack's ability to work as a single junction.
It is possible to have a difference as large as %. This flexibility allows a single switch according to the invention to be used to perform a variety of combinatorial logic functions.
一例として、第7図は関数Y −A 十B + (C+
・C2)を遂行するように接続した本発明にょるVTJ
を示している。それは、頂部から底部へ、N個の接合(
個々には示されていない)からなる出力段階130、接
地電極132、A人カ電11i 134、B人カ電極1
36、及びC入力電極138を具えている。電極A13
4及び電極B136を、夫々A及びB信号源(図示され
ていない)に接続し、C人カ電f!138を節140に
接続する。C1及びc2信号源(図示されてぃない)を
節140に接続する。頂層体130の頂部電極は出力電
極142であり、それは負荷144の一端と、ゲート電
流源(図示されていない)の両方に接続されている。負
荷144の他端は、接地電極132及びアースに接続す
る。A及びBの信号レベルは、論理0に対しては本質的
に電流0、論理1に対しては接合閾値電流の1.5倍に
なるように規定されている。As an example, FIG. 7 shows the function Y −A + B + (C+
・VTJ according to the present invention connected to perform C2)
It shows. It consists of N junctions (from top to bottom)
output stage 130 (not individually shown), ground electrode 132, A power source 11i 134, B person power electrode 1
36, and a C input electrode 138. Electrode A13
4 and electrode B 136 are connected to A and B signal sources (not shown), respectively, and C person power f! Connect 138 to node 140. C1 and c2 signal sources (not shown) are connected to node 140. The top electrode of top layer 130 is an output electrode 142, which is connected to both one end of a load 144 and a gate current source (not shown). The other end of load 144 is connected to ground electrode 132 and earth. The A and B signal levels are defined to be essentially zero current for a logic 0 and 1.5 times the junction threshold current for a logic 1.
C1及びC2のための信号レベルは、論Fl!Oに対し
ては本質的に電流0、論理1に対しては接合閾値″:r
、流の067倍になるように規定されている。出力信号
レベルは、論理Oに対しては電圧0、論理1に対しては
電圧V、(!1荷に依存する)になるように規定されて
いる。ゲート電流Igは出力段階のどの接合の最低閾値
より低く、負荷144は、出力段階130の操作を非ラ
ッチングにするように選択されている。操作上、全ての
入力が論理Oにある限り、積層体中の全ての接合がそれ
らの電圧0状態にある。負荷144を通る電圧がOとい
うのは、論理0に対応する6入力A又はBの一方又は両
方がそれらの論理ルベルヘスイッチするやいなや、その
電極から少なくとも一つの接合を通って接地電極132
へ、少なくとも一つの接合を電圧状態へスイッチさせる
のに充分な電流が供給される。前に述べたドミノ効果に
より、積層体中の全ての接合もスイッチし、それによっ
て非零電圧又は論理1を負荷144に与える。入力Cに
対しては、信号自体では接合をスイッチさせるのに不充
分であり、むしろC5と02の両方が、負荷144を通
って論理1が現れるように、それらの論理ルベルになけ
ればならない、これによって論理ANDII!能が達成
される。更に、入力がそれらの論理0状態へ戻されるや
いなや、装置が非ラッチングになるように設計されてい
るので、出力もそのように作動する。The signal levels for C1 and C2 are F1! Essentially current 0 for O, junction threshold ″:r for logic 1
, is specified to be 067 times the current. The output signal level is defined to be voltage 0 for logic O and voltage V for logic 1 (!1 depending on the load). The gate current Ig is below the lowest threshold of any junction of the output stage and the load 144 is selected to render the operation of the output stage 130 non-latching. Operationally, as long as all inputs are at logic O, all junctions in the stack are in their zero voltage state. The voltage across the load 144 is O as soon as one or both of the six inputs A or B corresponding to a logic 0 switch to their logic level from that electrode through at least one junction to the ground electrode 132.
Sufficient current is provided to switch at least one junction to a voltage state. Due to the previously mentioned domino effect, all junctions in the stack also switch, thereby providing a non-zero voltage or logic one to load 144. For input C, the signal itself is not sufficient to switch the junction; rather, both C5 and 02 must be at their logic level so that a logic 1 appears through load 144. This allows logical ANDII! ability is achieved. Furthermore, since the device is designed to become non-latching as soon as the inputs are returned to their logic zero state, the outputs will do so as well.
第8図は更に別のVTJ論理ゲートを示し、このゲート
は、付加的に又は交互に互いに積み重ねられた積層体状
の電極が、横に並べて配置されていてもよいという利点
を有する。この構造体は、頂部から底部へ、N個の接合
(個々には示されていない)からなる出力段階160、
接地型1ii 162、左から右へ、へ入力電Fi16
4、B入力電子166、及びC入力電極168からなる
入力電極の層を具えている。A、B及びC入力電極16
4,166及び168は、夫々A、B及びC信号源(図
示されていない)に接続されている。積層体160の頂
部電極は出力電極170であり、それは負荷174の一
端と、ゲート電流源(図示されていない)の両方に接続
されている。FIG. 8 shows a further VTJ logic gate, which has the advantage that stack-like electrodes, additionally or alternately stacked on one another, may be arranged side by side. The structure consists of, from top to bottom, an output stage 160 consisting of N junctions (not individually shown);
Grounded type 1ii 162, from left to right, input power to Fi16
4, a layer of input electrodes consisting of a B input electrode 166, and a C input electrode 168. A, B and C input electrodes 16
4, 166 and 168 are connected to A, B and C signal sources (not shown), respectively. The top electrode of stack 160 is output electrode 170, which is connected to both one end of load 174 and a gate current source (not shown).
負荷174の他端は、接地電極162及びアースに接続
されている。第7図の入力A及びBのように、第8図の
A、B及びCの信号レベルは、全て論理0に対しては本
質的に電流0.論理lに対しては接合閾値の約1.5倍
になるように規定されている。The other end of the load 174 is connected to the ground electrode 162 and the ground. Like inputs A and B of FIG. 7, the signal levels of A, B, and C of FIG. 8 are all essentially zero current for a logic zero. For logic I, it is specified to be approximately 1.5 times the junction threshold.
出力信号レベルは、論理0に対しては電圧0、論理1に
対しては電圧V+(負荷に依存する)になるように規定
されている。ゲート電流Igは出力段階のどの接合の最
低閾値より低く、負荷174は、出力段階160の操作
を非ラッチングにするように選択されている。第8図の
VTJは論理間数Y;(A + B + C)を遂行す
るのに第7図のそれと同様に作動する。もし、全ての入
力A、B及びCが論理Oにあると、積層体中の全ての接
合がそれらの電圧0状態になり、論理Oは負荷174へ
送られるであろう、もし全ての三つの入力のどれか一つ
がその論理ルベルへスイッチすると、接合間の緊密なカ
ップリングにより積層体中の全ての接合(他の二つの入
力段階接合を含む)が、実質上同時にそれらの電圧状態
ヘスイッチするであろう、論理1はそれによって負荷1
74へ送られるであろう、入力信号を取り除くと、全て
の接合は、それらの電圧0状態へ戻るであろう二入力段
階接合は、それらを通る電流はないため、出力段階接合
は、負荷174が出力段階接合を非ラッチングにするた
めである。The output signal level is defined to be voltage 0 for a logic 0 and voltage V+ (load dependent) for a logic 1. The gate current Ig is lower than the lowest threshold of any junction of the output stage and the load 174 is selected to make the operation of the output stage 160 non-latching. The VTJ of FIG. 8 operates similarly to that of FIG. 7 to perform the logical interval Y; (A + B + C). If all inputs A, B and C are at a logic O, all junctions in the stack will be in their zero voltage state and a logic O will be sent to the load 174, if all three When any one of the inputs switches to its logic level, all junctions in the stack (including the other two input stage junctions) switch to their voltage state virtually simultaneously due to the tight coupling between the junctions. , the logic 1 will thereby load 1
When removing the input signal, which would be sent to load 174, all the junctions would return to their zero voltage state, the output stage junctions would pass the load 174 because there would be no current through them. This is to make the output stage junction non-latching.
横に且つ垂直に配置された入力段階接合はどんな希望の
組合わせ及び数で用いてもよい。横に配置された入力段
階接合の一つの制約は、VT、Jを点接合の積層体と考
えることができるように、そのような入力段階接合のど
の二つの間の最大水平距離も約1000人のジョセフソ
ン貫通深さより小さくなければならないと言うことであ
る。更に、第8図の装置の出力段階160は全ての入力
段階接合を覆うのに充分な広さで示されているが、この
必要性はない、出力段階160は、用いられた製造技術
に一致して、希望に従い更に狭く作られてもよい。Laterally and vertically arranged input stage junctions may be used in any desired combination and number. One constraint on horizontally placed input stage junctions is that the maximum horizontal distance between any two of such input stage junctions is approximately 1000 so that VT,J can be considered as a stack of point junctions. This means that it must be smaller than the Josephson penetration depth. Furthermore, although the output stage 160 of the apparatus of FIG. 8 is shown as being wide enough to cover all input stage junctions, there is no need for this; the output stage 160 is consistent with the manufacturing technique used. Accordingly, it may be made narrower if desired.
影上3ヨし色ヶ
VTJの垂直構造を、同様に緊密なカップリングが必須
でない他の非デジタル用途で有利に用いることができる
。そのような用途では、垂直構造は密度を増し、バラシ
チックを減することができ、それによって性能を改善す
ることができる。これらの用途では、緊密なカップリン
グは、必須ではないかも知れないが、デジタルモードで
用いた場合、緊密なカップリングを示す構造体の構造特
性は、アナログモードで用いられた装置の性能を更に改
良することができるであろう、タッカ−(Tucker
)の「M電導体・絶縁体・超電導体準粒子における予想
変換ゲインJ (Predicted Convers
ionGain ’+n 5uperconducto
r−1nsulator−Supereonducta
r QuasiparLicle Mixers) (
Appl、 Pbys。The vertical structure of the VTJ can be advantageously used in other non-digital applications where tight coupling is not essential as well. In such applications, vertical structures can increase density and reduce varacity, thereby improving performance. Although tight coupling may not be essential in these applications, the structural properties of structures that exhibit tight coupling when used in digital mode can further enhance the performance of devices used in analog mode. Tucker, who could be improved
)'s ``Predicted conversion gain J in conductors, insulators, and superconductor quasiparticles''
ionGain '+n 5upperconducto
r-1nsulator-Supereonducta
r Quasipar Licle Mixers) (
Appl, Pbys.
Lett、、 Vol、 36. pp、477−47
9(1980) )には、非直線素子として超電導体・
絶縁体・超電導体(SIS)横遺体を用いたアナログミ
クサが記載されている。この横遺体は、基本的にはギャ
ップ電圧Vgでバイアスされるジョセフソン接合である
。Lett, Vol. 36. pp, 477-47
9 (1980)), superconductors and superconductors were used as nonlinear elements.
An analog mixer using an insulator/superconductor (SIS) horizontal body is described. This lateral body is essentially a Josephson junction biased with a gap voltage Vg.
この点でのI−V特性の極端な非直線性はミクシングの
原因になり、ジョセフソン電流自体は装置の動作に何の
役割も果たさない、SISミクサは、l及び1未満の波
長範囲で作動し、非常に高い変換ゲインをもつことがで
き、既知のミクサの最低ノイズ温度をもつので有利であ
る。しかし、−接合SISミクサは、限定されたダイナ
ミックレンジをもち、典型的な有用な負荷へ全電力を送
るのに必要なインピーダンスをもって作ることは困難で
ある。The extreme nonlinearity of the I-V characteristic at this point causes mixing, and the Josephson current itself plays no role in the operation of the device. SIS mixers operate in the wavelength range below 1 and 1. Advantageously, it can have a very high conversion gain and has the lowest noise temperature of any known mixer. However, -junction SIS mixers have a limited dynamic range and are difficult to make with the impedance necessary to deliver full power to a typical useful load.
ケル(Kerr)その他は、N=14の接合の横直列ア
レーを具えたSISミクサの構成を報告している。ケル
その他によるrl15GHz S I Sミクサにお
ける無限有効ゲイン」(Infi++iLe Avai
lableGain in a 115 G11z S
IS Mixer)、 Physica、 Vol。Kerr et al. reported a SIS mixer configuration with a lateral series array of N=14 junctions. Infi++iLe Avai
lableGain in a 115 G11z S
IS Mixer), Physica, Vol.
108B 、 pp、1369−1370. 6接合ア
レーミクサにっいて行なわれた実験を報告したラドナー
(Rudner)その他による「アンテナ・コンプレッ
クスSIS準粒子アレーミクサ」(The Anten
na−Coausplex 5ISQuasiparL
icle Array Mixer)、I E E E
Trans。108B, pp, 1369-1370. ``Antenna Complex SIS Quasiparticle Array Mixer'' by Rudner et al. who reported experiments performed on a six-junction array mixer.
na-Coausplex 5ISQuasiparL
icle Array Mixer), I E E E
Trans.
on Magneties、 Vol、MAG−17,
pp、690−693(1981)も参照されたい。S
IS準粒子ミクシングの目的にとって、これらのN接合
横アレーは、NVgの有効全ギャップ電圧を有する。こ
のことは、それらが本発明に従って、構成されているな
らば、横(又は垂直)アレーでスイッチングする目的で
達成されるであろう。緊密なカップリングを達成してい
なくても当てはまるこの有効ギャップ電圧の増加は、著
しく改良されたダイナミックレンジ及びミクサ出力を負
荷へ整合する設計の融通性を増大する結果になる。ミク
サの全直列キャパシタンスは、Nの係数だけ減少し、そ
れによって−層高い周波数での操作も可能にする。しが
し、ラドナーの論文に言及されているように横アレーは
、それらが占める面積の割合が大きいので、単一接合ミ
クサの場合よりはるかに高いパラシチック キャパシタ
ンス及びインダクタンスを有する。on Magneties, Vol, MAG-17,
See also, pp. 690-693 (1981). S
For IS quasiparticle mixing purposes, these N-junction lateral arrays have an effective total gap voltage of NVg. This will be achieved for purposes of switching in horizontal (or vertical) arrays if they are configured according to the invention. This increase in effective gap voltage, which is true even without achieving tight coupling, results in significantly improved dynamic range and increased design flexibility for matching the mixer output to the load. The total series capacitance of the mixer is reduced by a factor of N, thereby also allowing operation at higher frequencies. However, as mentioned in the Ladner article, lateral arrays have much higher parasitic capacitance and inductance than single junction mixers because they occupy a larger proportion of the area.
ミクサをそのように大きな面積へ広げると、回路密度を
減少し、高周波エネルギーの分布も複雑にする。Spreading the mixer over such a large area reduces circuit density and also complicates the distribution of high frequency energy.
本発明によれば、上記問題を、垂直に積み重ねられた接
合アレーとしてミクサ素子を構成することにより避ける
ことができる。そのようなミクサは第9図に示されてお
り、N〜接合V T J 200を備え、その頂部層は
節202に接合され、その底部層は共通部へ接続される
。節202は信号源(図示されていない)、局部オシレ
ーター204の出力及びフイジョセフソン効果電流を抑
制するための磁場発生器の場合のように、適当なバイア
ス回路(U5!U示されていない)も含まれている。According to the present invention, the above problems can be avoided by configuring the mixer elements as vertically stacked junction arrays. Such a mixer is shown in FIG. 9 and comprises an N~junction V T J 200, the top layer of which is joined to node 202 and the bottom layer of which is connected to the common part. Node 202 includes a signal source (not shown), the output of local oscillator 204 and a suitable biasing circuit (U5!U, not shown), as in the case of a magnetic field generator for suppressing the Josephson effect currents. is also included.
第9図の構造は、パラシチックの増大、密度の減少及び
分布高周波電力に対する複雑な手段を招くといった欠点
を起こすことなく、アレーミクサを構成する利点を有す
る。更に用いられる接合の数のNは、パラシチックが装
置の有用性を損なう前に、横型の場合に用いられてもよ
い数よりもかなり大きくすることができる。VTJミク
サ中の接合間の間隔も、今日まで横アレーのための製造
技術によって可能になる間隔よりもはるかに狭くするこ
とができるが、このことは非デジタル用途では必ずしも
必要ではない。The structure of FIG. 9 has the advantage of constructing an array mixer without the disadvantages of increased parasitics, reduced density and complicated measures for distributed RF power. Furthermore, the number of junctions used, N, can be considerably larger than the number that may be used in the horizontal case before parasitics impair the usefulness of the device. The spacing between junctions in a VTJ mixer can also be much narrower than the spacing allowed by manufacturing techniques for lateral arrays to date, although this is not necessarily necessary in non-digital applications.
IWへ交叉
デジタルスイッチとしてVTJを用いた上記回路tM成
をらつらのの場合、直接カップルされた電流供給が第一
接合をスイッチするために用いられている。(“第一°
″とはここでは時間的意味で用いられている)。しかし
、その目的のために既知の方法を用いてもよいことは分
かるであろう0例えば、VTJは、光子、フォノン、準
粒子(例えば、クワイテロンから)、マイクロ波又は他
の粒子を超電導層のいずれかへ注入することにより、ス
イッチし、そのようなJlNの超電導ギャップを低下す
るようにしてもよい、従来法による誘導的にカップルさ
れた制御信号を用いることもできる。同様に、これらの
手段は、横に配置された緊密にカップルされた接合をも
つスイッチへ等しく適用することができる。In the case of the above circuit configuration using VTJ as a crossed digital switch to IW, a directly coupled current supply is used to switch the first junction. (“First °
'' is used here in a temporal sense). However, it will be appreciated that known methods may be used for that purpose. For example, VTJ may be , from Quiteron), by injecting microwaves or other particles into either the superconducting layer, the superconducting gap of such JINs may be switched and lowered by conventional methods. Similarly, these measures are equally applicable to switches with side-by-side closely coupled junctions.
第10図には、本発明によりVTJスイッチの例を示し
ている。この場合、第一接合は、直接電流注入による代
わりに超電導ギャップ減少手段によりスイッチされる。FIG. 10 shows an example of a VTJ switch according to the present invention. In this case, the first junction is switched by superconducting gap reduction means instead of by direct current injection.
それは、N出力段階接合(個々には示されていない)か
らなる出力段階220及び出力段階220の底部にある
接地電極222を具えている。前に記述した実施例の場
合のように頂部電極は、出力電極224であり、それは
バイアス電流1gの源(図示されていない)及び負荷2
26に接続されている。負荷226の他の端は接地型f
!222及びアースに接続されている。第10図の回路
図は更にギャップ低下手段228を示している。ギャッ
プ低下手段228は、積層体中のどの電極(単数又は複
数)の超電導性ギャップを低下する手段を具えていても
よく、例えば、粒子又は準粒子注入手段(’$子ビーム
隘極の如きもの);光子注入手段〈レーザーの如きもの
);又はフォノン(高周波結晶振動子の如きもの)を具
えていてもよい。操作上積層体中の全ての接合は、ギャ
ップ低下手段228が働いていない場合、それらの電圧
0状態にある。ギャップ低下手段が働いている時、それ
は影響される電極のギャップを低下する。前に言及した
如く、積層体中のに番目の接合のrIJ値電流電流次の
式によってり、えられる。It comprises an output stage 220 consisting of N output stage junctions (not individually shown) and a ground electrode 222 at the bottom of the output stage 220. The top electrode, as in the previously described embodiment, is the output electrode 224, which has a source of bias current 1g (not shown) and a load 2
26. The other end of the load 226 is a grounded type f
! 222 and ground. The circuit diagram of FIG. 10 further shows gap reduction means 228. Gap reduction means 228 may comprise means for reducing the superconducting gap of any electrode(s) in the stack, such as particle or quasi-particle injection means (such as a '$ion beam pole'). ); photon injection means (such as a laser); or phonons (such as a high frequency crystal oscillator). Operationally, all junctions in the stack are in their zero voltage state when the gap reduction means 228 is not activated. When the gap lowering means is working, it lowers the gap of the affected electrodes. As mentioned earlier, the rIJ value of the second junction in the stack is given by the following equation:
T、=To(Δ) 5in(φ、−φ1+1)ギャップ
Δの充分な減少は最大臨界電流Ioを減少し、従って、
閾値電流1.を減少さ仕るであろう。■ヶはバイアス電
流[gより低く低下されると、接合がスイッチし、ドミ
ノ効果により、積層体中の他の全ての接合を同様にスイ
ッチさせるであろう、異なったギャップ低下手段を互い
に組合わせて用いるか且つ又は電流供給手段と組合わせ
て、用いてもよいことは明らかであろう。更に、接合を
スイッチするための異なった手段をla層体の異なった
水準の異なった接合に適用してもよいことは明らかであ
ろう、何故なら積層体中の接合は全て、どれが最初にす
るか又は何が第一のものをスイッチさせるかには無関係
にスイッチする(緊密なカップリングを仮定する)であ
ろうからである。T, = To(Δ) 5in(φ, −φ1+1) A sufficient reduction in the gap Δ reduces the maximum critical current Io, thus
Threshold current 1. will serve as a decrease. The combination of different gap reduction means with each other will cause the junction to switch and, by a domino effect, to switch all other junctions in the stack as well when the bias current [g] is lowered below. It will be clear that it may be used in conjunction with and/or in combination with current supply means. Furthermore, it will be clear that different means for switching the bonds may be applied to different bonds at different levels of the la laminate, since all the bonds in the laminate may be (assuming tight coupling) regardless of what causes the first one to switch.
本発明をその特別な態様に関して記述してきたが、数多
くの変更を、全て本発明の範囲以内で行なえることは分
かるであろう。Although the invention has been described in terms of particular embodiments thereof, it will be appreciated that many modifications may be made, all within the scope of the invention.
第1(a)図〜第1(c)図は、ジョセフソン接合を用
いた従来技術の回路についてのモデルを示す図である。
第1(d)図はジョセフソン接合についての等価回路モ
デルを示す図である。
第2(a)図は、従来法のインターフェロメーター回路
を示し、第2(b)図は、そのI−V特性を示す図であ
る。
第3(a)図及び第3(b)図は、非ラッチング動作を
説明するために有用なジョセフソン接合に適用できる曲
線を示す図である。
第4(a)図、第4(b)図、第7図、第8図及び第1
0図は、本発明を具体化した垂直トンネル接合構造体を
示す図である。
第5(a)図、第6(a)図、第6(b)図及び第9図
は本発明による構造を用いた回路の実施例を示す図であ
る。
第5(b)図〜第5(g)図は、製造の種々の段階での
第5(a)図の回路を示す図である622−頂部超電導
体(出力電流)、
28.32.36−超電導層、
24−底部超電導体
2G、30.34.38.42−バリア薄層40−一超
電導体く入力電流)
44− 負荷。1(a) to 1(c) are diagrams showing models of prior art circuits using Josephson junctions. FIG. 1(d) is a diagram showing an equivalent circuit model for a Josephson junction. FIG. 2(a) shows a conventional interferometer circuit, and FIG. 2(b) shows its IV characteristics. Figures 3(a) and 3(b) illustrate curves applicable to Josephson junctions useful for illustrating non-latching behavior. Figure 4(a), Figure 4(b), Figure 7, Figure 8 and Figure 1
FIG. 0 shows a vertical tunnel junction structure embodying the invention. 5(a), 6(a), 6(b) and 9 are diagrams showing embodiments of circuits using the structure according to the present invention. 5(b) to 5(g) are diagrams illustrating the circuit of FIG. 5(a) at various stages of manufacture. 622 - Top Superconductor (Output Current), 28.32.36 - superconducting layer, 24-bottom superconductor 2G, 30.34.38.42-barrier thin layer 40-one superconductor input current) 44-load.
Claims (43)
一接合を電圧状態へスイッチさせるための手段:及び 前記第一接合のスイッチングが、前記第二接合をスイッ
チさせるように前記第二接合を前記第一接合へ緊密にカ
ップルするための手段; を具えたことを特徴とする超電導集積回路のためのスイ
ッチ。(1) first and second Josephson tunnel junctions; means for switching said first junction to a voltage state; and means for switching said first junction to switch said second junction; A switch for a superconducting integrated circuit, comprising: means for tightly coupling to the first junction.
接合の電極にもなっている前記第一接合の電極を具えて
いることを特徴とする請求項1に記載のスイッチ。2. The switch of claim 1, wherein the means for tightly coupling comprises an electrode of the first junction that is also an electrode of the second junction.
れていることを特徴とする請求項2に記載のスイッチ。3. The switch of claim 2, wherein the first junction and the second junction are vertically stacked.
合を前記第二接合へ緊密にカップルするための手段; を更に具えていることを特徴とする請求項1に記載のス
イッチ。The switch of claim 1, further comprising: (4) a third Josephson tunnel junction; and means for tightly coupling the third junction to the second junction.
れていることを特徴とする請求項4に記載のスイッチ。5. The switch of claim 4, wherein the first, second and third junctions are vertically stacked.
合を前記第一接合へ緊密にカップルするための手段; を更に具えていることを特徴とする請求項1に記載のス
イッチ。The switch of claim 1, further comprising: (6) a third Josephson tunnel junction; and means for tightly coupling the third junction to the first junction.
、前記第一接合の臨界電流を越える電流を前記第一接合
に注入するための手段を具えている請求項1に記載のス
イッチ。7. The switch of claim 1, wherein said means for switching said first junction comprises means for injecting a current into said first junction that exceeds a critical current of said first junction.
、前記第一接合の臨界電流を越える電流を前記第一接合
を通して注入するための手段を具えていることを特徴と
する請求項2に記載のスイッチ。8. The means for switching the first junction comprises means for injecting a current through the first junction that exceeds the critical current of the first junction. The switch mentioned.
、前記第一接合へ光子を注入するための手段を具えてい
ることを特徴とする請求項1に記載のスイッチ。9. The switch of claim 1, wherein said means for switching said first junction comprises means for injecting photons into said first junction.
が、前記第一接合へ光子を注入するための手段を具えて
いることを特徴とする請求項1に記載のスイッチ。10. The switch of claim 1, wherein said means for switching said first junction comprises means for injecting photons into said first junction.
が、前記第一接合へ準粒子を注入するための手段を具え
ていることを特徴とする請求項1に記載のスイッチ。11. The switch of claim 1, wherein said means for switching said first junction comprises means for injecting quasiparticles into said first junction.
が、前記第一接合へ準粒子を注入するための手段を具え
ていることを特徴とする請求項2に記載のスイッチ。12. The switch of claim 2, wherein said means for switching said first junction comprises means for injecting quasiparticles into said first junction.
が、 前記第一接合の臨界電流レベルより低いレベルの第一電
流を前記第一接合を通して注入するための手段;及び 前記第一接合の前記臨界電流レベルを、前記第一電流レ
ベルより低く低下させるための手段;を具えていること
を特徴とする請求項1に記載のスイッチ。(13) the means for switching the first junction includes means for injecting a first current through the first junction at a level lower than a critical current level of the first junction; and 2. The switch of claim 1, further comprising: means for reducing a critical current level below said first current level.
が、 前記第一接合の前記臨界電流レベルより低いレベルの第
一電流を、前記第一接合を通して注入するための手段;
及び 前記第一接合の前記臨界電流レベルよりも高いレベルへ
前記第一電流を増大するため、前記第一電流を注入する
ための前記手段へ磁気的にカップルされた手段; を具えていることを特徴とする請求項1に記載のスイッ
チ。(14) the means for switching the first junction: means for injecting a first current through the first junction at a level lower than the critical current level of the first junction;
and means magnetically coupled to the means for injecting the first current to increase the first current to a level above the critical current level of the first junction. A switch according to claim 1, characterized in that:
その少なくとも二つの接合に直ぐ隣接した接合に直列結
合で緊密にカップルされている少なくとも二つのジョセ
フソン接合を有するスイッチを具え、更に、 前記少なくとも二つの接合を通してバイアス電流を流す
ための手段;及び 前記少なくとも二つの接合の全てよりも少ない部分を構
成する入力部分を通して、前記バイアス電流に追加され
た時、前記入力部分の全ての接合の臨界電流の最低値よ
りも小さい第一レベル、及び前記バイアス電流に追加さ
れた時、前記入力部分の全ての接合の臨界電流の最低値
より大きい第二レベルにすることができる入力電流を流
すための手段;及び 前記入力電流を前記第一レベルから前記第二レベルへス
イッチするための手段; を具えたことを特徴とする超電導集積回路。(15) Each of at least two Josephson junctions is
a switch having at least two Josephson junctions closely coupled in series connection to junctions immediately adjacent to the at least two junctions, further comprising means for passing a bias current through the at least two junctions; a first level that, when added to said bias current, is less than the lowest value of the critical current of all junctions of said input section, and said bias current, when added to said bias current, through an input section constituting less than all of said input sections; means for passing said input current from said first level to said second level; A superconducting integrated circuit comprising: means for switching to a level;
、然も、 前記入力段階は、少なくとも一つの直列結合された入力
段階ジョセフソン接合を具え、各直列結合された入力段
階接合は、該直列結合された入力段階接合にすぐ隣接し
た全ての接合と緊密にカップルされており、 前記出力段階は、少なくとも一つの直列結合された出力
段階ジョセフソン接合を具え、各直列結合された出力段
階接合は、該直列結合された出力段階接合にすぐ隣接し
た全ての接合と緊密にカップルされており、 前記直列結合された出力段階接合の全てが前記直列結合
された入力段階接合の全てと区別されており、 前記直列結合された入力段階接合の一つは、前記直列結
合された出力段階接合の一つと緊密にカップルされてお
り、更に、 前記直列結合された出力段階接合の第一群を通して、該
第一群中のどの接合の最低閾値電流レベルより低いレベ
ルのバイアス電流を流すための手段; 前記直列結合された入力段階接合の第二群を通して、該
第二群中のどの接合の最低閾値電流レベルより低い第一
レベル、及び前記第二群中のどの接合の最低閾値電流レ
ベルよりも高い第二レベルにすることができる入力電流
を流すための手段;及び 前記入力電流を前記第一レベルから前記第二レベルへス
イッチするための手段; を具えたことを特徴とする超電導集積回路。(16) a switch having an input stage and an output stage, wherein the input stage comprises at least one series-coupled input stage Josephson junction, and each series-coupled input stage junction is configured such that the series-coupled input stage the output stage comprises at least one series-coupled output stage Josephson junction, each series-coupled output stage junction having a all of the series-coupled output stage junctions are closely coupled to all the junctions immediately adjacent to the series-coupled output stage junctions, and all of the series-coupled output stage junctions are distinct from all of the series-coupled input stage junctions; one of the series-coupled input stage junctions is tightly coupled to one of the series-coupled output stage junctions; means for passing a bias current through the second group of series-coupled input stage junctions at a level lower than the lowest threshold current level of any junction in the group; a first level that is low, and a second level that is higher than the lowest threshold current level of any junction in said second group; and means for passing said input current from said first level to said first level; A superconducting integrated circuit comprising: means for switching between two levels;
た入力段階接合を具えていることを特徴とする請求項1
6に記載の回路。17. The input stage comprises at least two series-coupled input stage junctions.
6. The circuit described in 6.
の全てを具えていることを特徴とする請求項17に記載
の回路。18. The circuit of claim 17, wherein said first group comprises all of said series-coupled output stage junctions.
、然も、 前記入力段階は、第一入力段階ジョセフソン接合を具え
、 前記出力段階は、少なくとも一つの直列結合された出力
段階ジョセフソン接合を具え、各直列結合された出力段
階接合は、該出力段階接合にすぐ隣接した直列結合され
た全ての接合と緊密にカップルされており、 前記第一入力段階接合は、前記直列結合された出力段階
接合の全てと区別されており、前記直列結合された出力
段階接合の第一のものと緊密にカップルされており、更
に、 前記直列結合された出力段階接合の第一群を通して、該
第一群中のどの接合の最低閾値電流レベルより低いレベ
ルのバイアス電流を流すための手段; 前記第一入力段階接合を通して、該第一入力段階接合の
閾値電流レベルより低い第一レベル、及び前記第一入力
段階接合の前記閾値電流レベルよりも高い第二レベルに
することができる第一入力電流を流すための手段;及び 前記第一入力電流を前記第一レベルから前記第二レベル
へスイッチするための手段; を具えたことを特徴とする超電導集積回路。(19) A switch having an input stage and an output stage, wherein the input stage comprises a first input stage Josephson junction, and the output stage comprises at least one series-coupled output stage Josephson junction. each series-coupled output stage junction is tightly coupled to all series-coupled junctions immediately adjacent to said output stage junction, and said first input stage junction is connected to said series-coupled output stage junction. the first group of series coupled output stage junctions; means for passing a bias current at a level lower than the lowest threshold current level of any of the junctions in the first input stage junction; and a first level lower than the threshold current level of the first input stage junction; means for flowing a first input current that can be at a second level higher than the threshold current level of the stepped junction; and means for switching the first input current from the first level to the second level. A superconducting integrated circuit characterized by comprising;
接合の全てから区別され且つ前記直列結合された出力段
階接合の第一のものと緊密にカップルされている第二入
力段階ジョセフソン接合を更に具え、更に、 前記第二入力段階接合を通して、前記第二入力段階接合
の閾値電流レベルより低い第三レベル、及び前記第二入
力段階接合の前記閾値電流より高い第四レベルにするこ
とができる第二入力電流を流すための手段;及び 前記第二入力電流を前記第三レベルから第四レベルへス
イッチするための手段; を具えていることを特徴とする請求項19に記載の回路
。(20) a second input stage Josephson junction, the input stage being distinct from all of the series coupled output stage junctions and closely coupled to the first of the series coupled output stage junctions; Further, the second input stage junction can have a third level lower than the threshold current level of the second input stage junction, and a fourth level higher than the threshold current level of the second input stage junction. 20. The circuit of claim 19, comprising: means for passing a second input current; and means for switching the second input current from the third level to the fourth level.
の全てを具えていることを特徴とする請求項20に記載
の回路。21. The circuit of claim 20, wherein said first group comprises all of said series coupled output stage junctions.
グモードで操作するため前記出力段階へ接続された負荷
手段を更に具えていることを特徴とする請求項19に記
載の回路。22. The circuit of claim 19 further comprising load means connected to said output stage for operating said series coupled output stage junction in a non-latching mode.
られていることを特徴とする請求項19に記載の回路。23. The circuit of claim 19, wherein the series-coupled output stage junctions are vertically stacked.
加的スイッチを具え、然も、 前記付加的入力段階は付加的入力段階ジョセフソン接合
を具え、 前記付加的出力段階は、少なくとも一つの直列結合され
た付加的出力段階ジョセフソン接合を具え、各直列結合
された付加的出力段階ジョセフソン接合は、該付加的出
力段階接合にすぐ隣接した直列結合された全ての接合と
緊密にカップルされており、 前記付加的入力段階接合は、前記直列結合された付加的
出力段階接合の全てから区別され、前記直列結合された
付加的出力段階接合の一つと緊密にカップルされており
;更に、 前記付加的入力段階接合を通して、前記付加的入力段階
接合の閾値電流レベルより低い第一付加的レベル、及び
前記付加的入力段階接合の前記閾値電流レベルより高い
第二付加的レベルにすることができる付加的入力電流を
流すための手段;及前記付加的入力電流を前記第一付加
的レベルから第二付加的レベルへスイッチするための、
前記直列結合された出力段階接合の状態に呼応する手段
; を具えたことを特徴とする請求項19に記載の回路。(24) an additional switch having an additional input stage and an additional output stage, wherein the additional input stage comprises an additional input stage Josephson junction, and the additional output stage comprises at least one series additional output stage Josephson junctions, each series coupled additional output stage Josephson junction being tightly coupled to all series coupled junctions immediately adjacent to the additional output stage junction; the additional input stage junction is distinct from all of the series coupled additional output stage junctions and is tightly coupled to one of the series coupled additional output stage junctions; a first additional level that is lower than a threshold current level of said additional input stage junction, and a second additional level that is higher than said threshold current level of said additional input stage junction through said additional input stage junction; means for passing an input current; and for switching the additional input current from the first additional level to the second additional level;
20. The circuit of claim 19, further comprising: means responsive to the state of the series-coupled output stage junction.
、前記第一バリア薄層及び該第二超電導電極が前記第一
超電導電極と共に第一ジョセフソン接合を形成するよう
に適用されている第二超電導電極;更に、 前記第二超電導電極の上に形成された第二バリア薄層;
及び 前記第二バリア薄層の上に形成された第三超電導電極で
、前記第二バリア薄層と該第三超電導電極が前記第二超
電導電極と共に第二ジョセフソン接合を形成するように
適用されている第三超電導を具えていることを特徴とす
る垂直トンネル接合。(25) a first superconducting electrode; a first barrier thin layer formed on the first superconducting electrode; a second superconducting electrode formed on the first barrier thin layer; a second superconducting electrode adapted to form a first Josephson junction with the first superconducting electrode; further, a second barrier layer formed on the second superconducting electrode;
and a third superconducting electrode formed on the second barrier thin layer, wherein the second barrier thin layer and the third superconducting electrode are adapted to form a second Josephson junction with the second superconducting electrode. A vertical tunnel junction characterized by comprising a third superconductor.
ソン接合に緊密にカップルされていることを特徴とする
請求項25に記載の垂直トンネル接合。26. The vertical tunnel junction of claim 25, wherein the first Josephson junction is tightly coupled to the second Josephson junction.
た垂直に積み重ねられた複数の層の対を有する垂直トン
ネル構造体を具え、該層の対の各々がバリア薄層の上に
形成された超電導電極を具え、該超電導電極と前記バリ
ア層が、前記層の対の各々がその準隣接超電導電極と共
にジョセフソン接合を形成するように適用されているこ
とを特徴とする装置。(27) a vertical tunnel structure having a bottom superconducting electrode and a plurality of pairs of vertically stacked layers formed on the bottom electrode, each pair of layers formed on a thin barrier layer; 2. A device comprising a superconducting electrode, said superconducting electrode and said barrier layer being adapted such that each pair of said layers forms a Josephson junction with its quasi-adjacent superconducting electrode.
シレーター; 共通導線; 前記局部的オシレーター、前記フィルターの入力部及び
信号源を、前記垂直トンネル構造体中の第一電極にカッ
プルするための手段;及び 前記共通導線を前記垂直トンネル構造体中の第二電極に
カップルするための手段; を更に具え、前記第一電極は少なくとも一つの付加的電
極によつて前記第二電極から分離されていることを特徴
とするを請求項27に記載の装置。(28) a filter having an input and an output; a local oscillator; a common conductor; means for coupling the local oscillator, the filter input and a signal source to a first electrode in the vertical tunnel structure; and means for coupling the common conductor to a second electrode in the vertical tunnel structure, the first electrode being separated from the second electrode by at least one additional electrode. 28. A device according to claim 27, characterized in that.
するための手段を更に具えている請求項28に記載の装
置。29. The apparatus of claim 28, further comprising means for applying a voltage bias to the vertical tunnel structure.
造体中の各接合を、該垂直トンネル構造体中のその隣接
した接合全てへ緊密にカップルするための手段を具えて
いることを特徴とする請求項27に記載の装置。(30) The vertical tunnel structure includes means for tightly coupling each junction in the vertical tunnel structure to all of its adjacent junctions in the vertical tunnel structure. 28. Apparatus according to claim 27.
状態へスイッチするための手段を更に具えていることを
特徴とする請求項30に記載の装置。31. The apparatus of claim 30, further comprising means for switching the first one of the junctions from a zero voltage state to a voltage state.
記手段が、 前記接合の第一のものを通して入力電流を流すための手
段を具え、前記装置は、前記入力電流が前記接合の第一
のものの閾値電流レベルよりも低い第一状態、及び前記
入力電流が前記接合の第一のものの閾値電流レベルより
も高い第二状態になることができ;更に、 前記装置が第一状態から第二状態へスイッチするように
前記入力電流を変えるための手段;を具えていることを
特徴とする請求項31に記載の装置。(32) said means for switching said first one of said junctions comprises means for passing an input current through said first one of said junctions; a first state where the input current is lower than a threshold current level of the first one of the junctions; and a second state where the input current is higher than the threshold current level of the first one of the junctions; 32. The apparatus of claim 31, comprising: means for varying the input current to switch to a state.
の超電導ギャップが第一レベルにある時、前記接合の第
一のものの前記閾値電流レベルよりも低いレベルのバイ
アス電流を、前記接合の第一のものを通して流すための
手段;及び 前記電極の第一のものの超電導ギャップを、前記接合の
第一のものの前記閾値電流レベルが前記バイアス電流レ
ベルより低くなるレベルへ抑制するための手段; を更に具えた請求項31に記載の装置。(33) When the superconducting gap at the first electrode of the first one of the junctions is at a first level, a bias current of a level lower than the threshold current level of the first one of the junctions is applied to the junction. and means for constraining the superconducting gap of the first of the electrodes to a level such that the threshold current level of the first of the junctions is lower than the bias current level; 32. The apparatus of claim 31, further comprising:
前記電極の第一のものへ光子を注入するための手段を具
えている請求項33に記載の装置。(34) The means for suppressing the superconducting gap,
34. The apparatus of claim 33, comprising means for injecting photons into the first one of the electrodes.
前記電極の第一のものへ光子を注入するための手段を具
えている請求項33に記載の装置。(35) The means for suppressing the superconducting gap,
34. The apparatus of claim 33, comprising means for injecting photons into the first one of the electrodes.
前記電極の第一のものへ粒子を注入するための手段を具
えている請求項33に記載の装置。(36) The means for suppressing the superconducting gap,
34. The apparatus of claim 33, comprising means for injecting particles into the first one of the electrodes.
つの接合を有する第一群を通して入力電流を注入するた
めの手段; 前記構造体中の隣接した接合の、前記第一群に入らない
少なくとも一つの接合を有する第二群を通してバイアス
電流を注入するための手段;を更に具え、然も、 前記入力電流が第一論埋レベルに相当する第一レベル、
及び第二輪理レベルに相当する前記第一レベルより高い
第二レベルになることができ;前記第一レベルは、前記
第一群中のどの接合も電圧0の状態から電圧状態へスイ
ッチさせるのには低すぎるように選択され; 前記第二レベルは、前記第一群中の少なくとも一つの接
合が、前記入力電流が前記第一レベルから第二レベルへ
変化した時、電圧0状態から電圧状態へスイッチするよ
うに選択されている;請求項30に記載の装置。(37) means for injecting an input current through a first group of adjacent junctions in the structure having at least one junction; at least one of the adjacent junctions in the structure not falling in the first group; means for injecting a bias current through a second group having one junction, wherein the input current corresponds to a first logic level;
and a second level higher than the first level corresponding to a second ring level; the first level is capable of causing any junction in the first group to switch from a zero voltage state to a voltage state. the second level is selected such that at least one junction in the first group changes from a zero voltage state to a voltage state when the input current changes from the first level to a second level; 31. The apparatus of claim 30, wherein the apparatus is selected to switch to.
スイッチすると、該複数の他の接合の全てが電圧0状態
から電圧状態へドミノ効果によりスイッチされるように
近接して互いに配置され、互いに直列に結合された複数
のジョセフソン接合を具えた超電導集積回路用スイッチ
。(38) When one of the plurality of junctions is switched from a zero voltage state to a voltage state, all of the other junctions of the plurality are placed in close proximity to each other such that they are switched from a zero voltage state to a voltage state by a domino effect. , a switch for a superconducting integrated circuit comprising a plurality of Josephson junctions coupled in series with each other.
38に記載のスイッチ。39. The switch of claim 38, wherein the plurality of junctions are vertically stacked.
電極、及び少なくとも一つの出力段階超電導電極を、各
電極をバリア薄層によってその隣接した電極から分離し
て有する垂直トンネル接合;入力信号を発生するための
手段; 出力信号を受けるための手段; 前記入力信号を発生するための前記手段を前記入力電極
へ接続するための入力導線;及び 前記出力信号を受けるための前記手段を前記少なくとも
一つの出力段階電極の第一のものへ接続する出力導線; を具えた超電導回路を具備する装置において、支持体; 前記支持体上に形成された、前記導入電極を具えるよう
にパターン化されたM1超電導層;前記M1層及び前記
支持体の上に形成された、前記接地電極を具えるように
パターン化されたM2超電導層; 前記M2層、前記M1層及び前記支持体の上に形成され
た、前記出力段階電極の第一のものを具えるようにパタ
ーン化されたM3超電導層;前記入力導線を具えるよう
に適用された入力超電導連携線;及び 前記出力導線を具えるように適用された出力超電導連携
線; を具え、然も 前記M2層は、更に前記入力超電導連携線の前記M2層
への突出部と実質的に一致した第一部分、及び前記出力
超電導連携線の前記M2層への突出部と実質的に一致し
た第二部分を具えるようにパターン化されている、 装置。(40) Vertical tunnel junction having, from bottom to top, an input superconducting electrode, a ground superconducting electrode, and at least one output stage superconducting electrode, each electrode separated from its adjacent electrode by a thin barrier layer; generating an input signal; means for receiving an output signal; an input conductor for connecting said means for generating said input signal to said input electrode; and said means for receiving said output signal connected to said at least one an output conductor connecting to a first of the output stage electrodes; a support; an M1 patterned to include the introduction electrode formed on the support; a superconducting layer; an M2 superconducting layer formed on the M1 layer and the support and patterned to include the ground electrode; a superconducting layer formed on the M2 layer, the M1 layer and the support; , an M3 superconducting layer patterned to include a first of said output stage electrodes; an input superconducting link adapted to include said input conductor; and an M3 superconducting layer adapted to include said output conductor; an output superconducting link line; wherein the M2 layer further includes a first portion that substantially coincides with a protrusion of the input superconducting link line into the M2 layer, and a first portion of the output superconducting link line into the M2 layer. the second portion substantially corresponding to the protrusion of the device.
電極、及び少なくとも一つの出力段階超電導電極を、各
電極をバリア薄層によってその隣接した電極から分離し
て有する垂直トンネル接合;入力信号を発生するための
手段;及び 前記入力信号を発生するための前記手段を前記入力電極
へ接続する入力導線; を具えた超電導回路を具備する装置において、支持体; 前記支持体上に形成された、前記導入電極を具えるよう
にパターン化されたM1超電導層;前記M1層及び前記
支持体の上に形成された、前記接地電極を具えるように
パターン化されたM2超電導層; 前記M2層、前記M1層及び前記支持体の上に形成され
た、前記出力段階電極の第一のものを具えるようにパタ
ーン化されたM3超電導層;及び前記入力導線を具える
ように適用された入力超電導連携線; を具え、然も 前記M2層は、更に前記入力超電導連携線の前記M2層
への突出部と実質的に一致した第一部分を具えるように
パターン化されている、 装置。(41) Vertical tunnel junction having, from bottom to top, an input superconducting electrode, a ground superconducting electrode, and at least one output stage superconducting electrode, each electrode separated from its adjacent electrode by a thin barrier layer; generating an input signal; and an input lead connecting the means for generating an input signal to the input electrode; a support; an M1 superconducting layer patterned to include an introduction electrode; an M2 superconducting layer formed on the M1 layer and the support and patterned to include the ground electrode; an M3 superconducting layer formed on the M1 layer and the support and patterned to include a first of the output stage electrodes; and an input superconducting link applied to include the input conductor. a line; wherein the M2 layer is further patterned to include a first portion that substantially coincides with a projection of the input superconducting link into the M2 layer.
電極、及び少なくとも一つの出力段階超電導電極を、各
電極をバリア薄層によってその隣接した電極から分離し
て有する垂直トンネル接合;出力信号を受けるための手
段; 前記出力信号を受けるための前記手段を前記少なくとも
一つの出力段階電極の第一のものへ接続する出力導線; を具えた超電導回路を具備する装置において、支持体; 前記支持体上に形成された、前記導入電極を具えるよう
にパターン化されたM1超電導層;前記M1層及び前記
支持体の上に形成された、前記接地電極を具えるように
パターン化されたM2超電導層; 前記M2層、前記M1層及び前記支持体の上に形成され
た、前記出力段階電極の第一のものを具えるようにパタ
ーン化されたM3超電導層;前記出力導線を具えるよう
に適用された出力超電導連携線; を具え、然も 前記M2層は、更に前記出力超電導連携線の前記M2層
への突出部と実質的に一致した第二部分を具えるように
パターン化されている、 装置。(42) Vertical tunnel junction having, from bottom to top, an input superconducting electrode, a ground superconducting electrode, and at least one output stage superconducting electrode, each electrode separated from its adjacent electrode by a thin barrier layer; receiving an output signal. means for receiving the output signal; an output lead connecting the means for receiving the output signal to a first of the at least one output stage electrode; a support; an M1 superconducting layer formed on the M1 layer and patterned to include the introduction electrode; an M2 superconducting layer formed on the M1 layer and the support and patterned to include the ground electrode; an M3 superconducting layer formed on the M2 layer, the M1 layer and the support and patterned to include a first of the output stage electrodes; applied to include the output conductor; an output superconducting link line; wherein the M2 layer is further patterned to include a second portion that substantially coincides with a protrusion of the output superconducting link line into the M2 layer. , Device.
電極、及び少なくとも一つの出力段階超電導電極を、各
電極をバリア薄層によってその隣接した電極から分離し
て有する垂直トンネル接合を具えた超電導回路を具備す
る装置において、支持体; 前記支持体上に形成された、前記導入電極を具えるよう
にパターン化されたM1超電導層;前記M1層及び前記
支持体の上に形成された、前記接地電極を具えるように
パターン化されたM2超電導層; 前記M2層、前記M1層及び前記支持体の上に形成され
た、前記出力段階電極の第一のものを具えるようにパタ
ーン化されたM3超電導層;を具え、然も 前記M2層は、更に、前記支持体の実質的に全体を覆う
接地面を具えるようにパターン化されている、装置。(43) A superconducting circuit with a vertical tunnel junction having, from bottom to top, an input superconducting electrode, a ground superconducting electrode, and at least one output stage superconducting electrode, each electrode separated from its adjacent electrode by a thin barrier layer. a support; an M1 superconducting layer formed on the support and patterned to include the introduction electrode; a ground layer formed on the M1 layer and the support; an M2 superconducting layer patterned to include an electrode; a first of the output stage electrodes formed on the M2 layer, the M1 layer and the support; an M3 superconducting layer; wherein the M2 layer is further patterned to include a ground plane covering substantially the entire support.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP63193564A JPH0260175A (en) | 1988-08-04 | 1988-08-04 | 10-15-second three-terminal switch and vertical tunnel junction |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP63193564A JPH0260175A (en) | 1988-08-04 | 1988-08-04 | 10-15-second three-terminal switch and vertical tunnel junction |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0260175A true JPH0260175A (en) | 1990-02-28 |
Family
ID=16310123
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP63193564A Pending JPH0260175A (en) | 1988-08-04 | 1988-08-04 | 10-15-second three-terminal switch and vertical tunnel junction |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH0260175A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006196741A (en) * | 2005-01-14 | 2006-07-27 | National Institute For Materials Science | Three-terminal inherent josephson junction stack |
-
1988
- 1988-08-04 JP JP63193564A patent/JPH0260175A/en active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006196741A (en) * | 2005-01-14 | 2006-07-27 | National Institute For Materials Science | Three-terminal inherent josephson junction stack |
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