JPH0642316B2

JPH0642316B2 - 超伝導記憶装置

Info

Publication number: JPH0642316B2
Application number: JP60258316A
Authority: JP
Inventors: 一紀宮原; 昌志向田; 幸司宝川
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1985-11-18
Filing date: 1985-11-18
Publication date: 1994-06-01
Anticipated expiration: 2009-06-01
Also published as: JPS62117194A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、情報をアブリコソフ磁束量子の形で超伝導体
内に記憶する超伝導記憶装置に関するものである。

〔従来の技術〕

アブリコソフ磁束量子を記憶情報として用いた装置は、
特公昭60-34194号公報やアプライドフィジックスレター
誌(Applied Physics Letters,Vol.39 NO.12 Desember 1
981,pp.992〜993)に既に開示されている。

第７図はアブリコソフ磁束量子記憶装置の従来例のひと
つを示す概略斜視図である。アブリコソフ磁束量子を保
持するための膜厚の薄い超伝導体膜５１と、超伝導体膜
５１の一部を下部電極とし超伝導体膜５２を上部電極と
する磁束量子検出用ジョセフソン接合５３と、超伝導体
膜５１の端５５近くに設けられた磁束量子書込線５４
と、超伝導体膜５１の端５５を除く周辺を囲む超伝導体
膜５１よりも膜厚の厚い超伝導体膜５１′とで構成され
ている。なお、Ｂは超伝導体膜５１内に保持されている
アブリコソフ磁束量子を概念的に表しているものであ
る。

このアブリコソフ磁束量子記憶装置は、超伝導体膜５１
内に保持されているアブリコソフ磁束量子の有無を記憶
状態の「１」「０」に対応させている。すなわち、超伝
導体膜５１内にアブリコソフ磁束量子が保持されると、
その磁束量子がジョセフソン接合５３に影響を与えてジ
ョセフソン接合５３における閾値電流を低下させること
を利用しており、閾値電流の変化を記憶状態の「１」
「０」に対応させているのである。

情報の読み出しは、適当な値のバイアス電流をジョセフ
ソン接合５３に与えることにより行う。すなわち、アブ
リコソフ磁束量子が超伝導体膜５１内に保持された場合
の閾値電流と保持されていない場合のそれとの間の値を
持つバイアス電流をジョセフソン接合５３に与えると、
アブリコソフ磁束量子が保持されていればジョセフソン
接合５３に電圧が発生（有電圧状態）し、保持されてい
なければ電圧は零（零電圧状態）となるのである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところが、この従来のアブリコソフ磁束量子記憶装置
は、書き込みに非常に大きな問題点をもっていた。

記憶状態「１」の書き込みは、書込線５４に所定の方向
の電流を流して磁界を発生させ、超伝導体膜５１に端５
５から所定の向き（たとえば、上向き）のアブリコソフ
磁束量子を内部発生させることにより達成する。一方、
記憶状態「０」の書き込みは、そのときの記憶状態に応
じて異なる手順を用いて行わなければならない。すなわ
ち、書込前の記憶状態が「１」であれば、書込線５４に
逆向きの電流を流して下向きの磁束量子を超伝導体膜５
１に内部発生させ、上向きの磁束量子と対消滅させるこ
とによってアブリコソフ磁束量子数を零にする。また、
記憶状態が「０」であれば書込線５４に何等電流を流さ
ないことによりそのままの状態を維持し、実質的に
「０」書き込みとする。

このように、従来のアブリコソフ磁束量子記憶装置で
は、書き込み前にそのつど必ず記憶状態を読み出す必要
があり、書き込みのアクセス時間を無用に長くし、この
記憶セルを用いて計算機を構成するとマシンサイクル時
間が長くなるという問題点があった。

また、記憶状態「１」から「０」書き込みを行う場合
に、磁束量子を正確に対消滅させることは非常に困難で
ある。対消滅が不十分であれば上向きのアブリコソフ磁
束量子が一部残留してしまい、対消滅を過剰に行えば下
向きのアブリコソフ磁束量子が保持されてしまう。した
がって、アブリコソフ磁束量子を過不足なく対消滅させ
る必要性から書込動作マージンが非常に狭くなり、安定
動作が困難であった。また、書込動作を繰り返し行うう
ちに、完全対消滅し損なった残留アブリコソフ磁束量子
が徐々に蓄積していき、誤動作を生じるに至るという問
題点があった。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の超伝導記憶装置は上記問題点に鑑みてなされた
ものであり、磁場が印加されることによってアブリコソ
フ磁束量子を内部発生しそのアブリコソフ磁束量子を前
記磁場を取り除いた状態でも自己保持する超伝導体層を
有する情報記憶手段と、情報に対応している電流が通電
されることによって前記情報記憶手段の超伝導体層に与
える磁場を発生する超伝導体層を有する情報書込手段
と、前記情報記憶手段の超伝導体層に自己保持されてい
るアブリコソフ磁束量子のつくる磁場に感応する少なく
ともひとつ以上のジョセフソン接合素子および前記ジョ
セフソン接合素子におけるアブリコソフ磁束量子による
磁場に影響を与えることができる磁場を発生する制御線
を有する情報読出手段とを具備する超伝導記憶装置であ
って、前記情報記憶手段を構成する超伝導体層のジョセ
フソン接合素子の近傍に超伝導性が弱いかまたは無い領
域が設けられているものである。

〔作用〕

情報書込手段を構成する超伝導体層に与える電流の向き
によって情報記憶手段の超伝導体層に記憶情報の「０」
または「１」に対応する上向きまたは下向きのアブリコ
ソフ磁束量子が選択的に保持される。そして、制御線に
制御電流Ｉｃｓを与えると共にジョセフソン接合素子に
バイアス電流Ｉｓを与えると、アブリコソフ磁束量子の
向きに対応してジョセフソン接合素子が有電圧状態また
は零電圧状態のいずれかとなる。なお、情報記憶手段の
超伝導体層中には超伝導性が弱いかまたは無い領域にア
ブリコソフ磁束量子が高精度で保持される。

〔実施例〕

以下、実施例と共に本発明を詳細に説明する。

第１図は本発明の一実施例を示す平面図であり、第２図
はそのＡ−Ａ′断面図である。情報記憶手段１は、磁場
が印加されることによってアブリコソフ磁束量子αを内
部発生し、そのアブリコソフ磁束量子を該磁場が除去さ
れた後も自己保持する超伝導体層２を情報記憶要素とし
て有する。超伝導体層２は例えば方形または長方形に形
成されており、相対する一対の辺をそれぞれ３ａおよび
３ｂとし、また、相対する他の一対の辺をそれぞれ３ｃ
および３ｄとするとき、辺３ａおよび３ｂの辺３ｃ側か
らそれと一体にそれぞれ外方にストライプ状の超伝導体
層４ａおよび４ｂを延長させている。また、超伝導体層
２内であって後述するジョセフソン接合素子２２の近傍
には超伝導性の弱いあるいは無い領域４１が設けられて
いる。なお、この超伝導体層２は、超伝導体層４ａおよ
び４ｂと共に第２種の超伝導体からなる。

情報書込手段１１は、電流が通電されることによって、
情報記憶手段１の超伝導体層２に与える磁場を発生する
ストライプ状の超伝導体層１２を情報書込用要素として
有する。この場合、超伝導体層１２は情報記憶手段１の
超伝導体層２と並置するために、超伝導体層２の辺３ｃ
に沿って延長している。

情報読出手段２１は、情報記憶手段１の超伝導体層２が
自己保持しているアブリコソフ磁束量子に感応するジョ
セフソン接合素子２２およびこのジョセフソン接合素子
２２に所定の磁界を与える制御線３４を情報読出用要素
として有する。ジョセフソン接合素子２２は、下部電極
としての超伝導体層３２と上部電極としての超伝導体層
２６との間にトンネル障壁層２５を介在させることによ
って構成されている。すなわち、情報記憶手段１の超伝
導体層２上に絶縁層３１を介して超伝導体層３２が下部
電極として形成され、超伝導体層３２上に窓２３が穿設
された絶縁層２４が形成され、超伝導体層３２の窓２３
に臨む領域に例えば超伝導体層３２の材料の酸化物でな
るトンネル障壁層２５が形成され、さらに、絶縁層２４
上に窓２３を覆うように超伝導体層２６が上部電極とし
て形成されている。制御線３４はストライプ状の超伝導
体層からなり、トンネル障壁層２５の上方を横切るよう
に、超伝導体層２６上に絶縁層３３を介して形成されて
いる。

つぎに、本実施例の動作を説明する。

情報の「１」に対応する電流ＩＡを情報書込手段１１の
超伝導体層１２に第１の方向に流すと、これに応じて超
伝導体層１２から情報「１」に対応する磁場が発生し、
その磁場が情報記憶手段１の超伝導体層２に印加され
る。このため、情報記憶手段１の超伝導体層２の辺３ｃ
部に情報「１」に対応するアブリコソフ磁束量子αが第
１の向き（上向き「↑」）に内部発生する。そして、磁
場の印加を続けると、アブリコソフ磁束量子が辺３ｃ部
において次々と発生し、先に内部発生したアブリコソフ
磁束量子を互いに働く斥力により情報読出手段２１側に
押し込んでゆく。

なお、このとき、情報記憶手段１の超伝導体層２に、電
流ＩＤを超伝導体層４ｂ側から超伝導体層４ａ側に向か
って（第２の方向）に流すと、情報記憶手段１の超伝導
体層２の辺３ｃ部に保持されているアブリコソフ磁束量
子が電流ＩＤとのローレンツ相互作用により力を受け
て、情報読出手段２１側に速やかに移動するので、書込
時間の短縮を図ることができる。

情報読出手段２１側に移動してきたアブリコソフ磁束量
子はジョセフソン接合素子２２の下部電極である比較的
厚い超伝導体層３２の存在によりそれ以上の移動が妨げ
られる。このようにして、情報記憶手段１にアブリコソ
フ磁束量子が侵入していき、ある程度以上のアブリコソ
フ磁束量子が侵入してしまうと、こんどはアブリコソフ
磁束量子の互いの斥力により侵入が困難となり飽和状態
となる。すなわち、アブリコソフ磁束量子は電流ＩＡお
よびＩＤが除かれたときには、超伝導体層２のピン止め
力（アブリコソフ磁束量子を捕獲する力）により自己保
持される。

ところで、情報記憶手段１の超伝導体層２のジョセフソ
ン接合素子２２近傍には超伝導性が弱いかあるいは無い
領域４１が設けられている。この領域４１はアブリコソ
フ磁束量子にとって極端にピン止め力の強い領域となっ
ている。換言すると、アブリコソフ磁束量子はこの領域
４１内に存在するときにエネルギが最も低くなる。した
がって、情報記憶手段１に保持されているアブリコソフ
磁束量子の大部分は領域４１内に集まる。すなわち、情
報記憶手段１の超伝導体層２のうち、ジョセフソン接合
素子２２の近傍にアブリコソフ磁束量子が集中し、アブ
リコソフ磁束量子に基づく磁束がこの領域４１を設けな
い場合に比べて遥かに多くジョセフソン接合素子２２と
鎖交する。したがって、アブリコソフ磁束量子がジョセ
フソン接合素子２２に与える影響力が非常に大きくな
り、検出感度の増大が図れるのである。このことは、別
な見方をすれば、保持すべきアブリコソフ磁束量子の全
体の量を増大させることなく十分な検出感度が得られる
ということでもある。すなわち、書込時の動作電流レベ
ルが低くとも、また、情報記憶手段１の面積が小さくと
も十分な検出感度が得られることを意味しており、消費
電力を低くし、しかも、装置面積を小さくすることがで
きる。また、超伝導体層２がアブリコソフ磁束量子を保
持するためには、超伝導体層２にピン止め力を有するピ
ンセンタの存在が不可欠であるが、領域４１が超伝導体
層２内で最も強いピン止め力を持ったピンセンタとして
働くので、この領域４１以外の超伝導体層２のピン止め
力を弱いものとすることができる。そのため、書込時の
アブリコソフ磁束量子の移動が高速化でき、情報書込時
間を短くすることができる。

つぎに、情報の「０」に対応する電流ＩＢを、情報書込
手段１１の超伝導体層１２に、上述した電流ＩＡとは逆
の第２の方向に流すと超伝導体層１２から上述の情報
「１」に対応する磁場とは逆向きの磁場が発生し、この
磁場によって情報記憶手段１の超伝導体層２に、情報
「０」に対応するアブリコソフ磁束量子が情報「１」に
対応するアブリコソフ磁束量子とは逆の第２の向き（下
向き「↓」）に内部発生する。この内部発生した情報
「０」に対応するアブリコソフ磁束量子は前述した上向
きのアブリコソフ磁束量子と同様に侵入していき、既に
自己保持されている情報「１」に対応する上向きのアブ
リコソフ磁束量子と結合して対消滅する。そしてさら
に、情報「０」に対応するアブリコソフ磁束量子が侵入
することによって最終的には情報「０」に対応するアブ
リコソフ磁束量子のみが情報記憶手段１の超伝導体層２
に残留し保持される。これが情報「０」の保持状態であ
る。この情報「０」の書き込みにおいて、情報記憶手段
１の超伝導体層２に電流ＩＣを超伝導体層４ａ側から超
伝導体層４ｂ側に向かって第１の方向に流すことによ
り、情報「１」書き込みの場合と同様にローレンツ相互
作用によってアブリコソフ磁束量子を辺３ｃ側からジョ
セフソン接合素子２２側に速やかに移動させることがで
きる。

つぎに、情報の読み出しについて説明する。記憶状態の
検出は、制御電流Ｉｃｓを情報読出手段２１の超伝導体
層３４に流すと共に、所定のバイアス領域Ｉｓを情報読
出手段２１のジョセフソン接合素子２２に超伝導体層２
６とトンネル障壁層２５と超伝導体層３２を通じて流す
ことにより行う。第３図はジョセフソン接合素子２２の
閾値特性を示す図であり、横軸は制御線３４に流す制御
電流値、縦横はジョセフソン接合素子２２に流すバイア
ス電流値である。同図において、破線７はアブリコソフ
磁束量子が情報記憶手段１に保持されていないときの閾
値特性曲線、実線８は「０」状態に相当するアブリコソ
フ磁束量子が保持されているときの閾値特性曲線、実線
９は「１」状態に相当するアブリコソフ磁束量子が保持
されているときの閾値特性曲線である。このように、記
憶状態によって閾値特性が横軸に沿って遷移するのは、
情報記憶手段１の超伝導体層２に保持されたアブリコソ
フ磁束量子が作る磁界の影響によるものである。

いま、ジョセフソン接合素子２２にバイアス電流Ｉｓを
流すと共に、制御線３４に第１の方向に制御電流Ｉｃｓ
を流すことによって動作点をＡの位置に移動させること
ができる。同図から、「０」状態であれば動作点Ａが閾
値特性曲線８の内側にあるためジョセフソン接合素子２
２は零電圧状態が維持され、「１」状態であれば動作点
Ａは閾値特性曲線９の外側に出てしまうことから有電圧
状態に転移することが判る。この現象は、「０」状態の
ときには下向きのアブリコソフ磁束量子が作る磁界と制
御電流Ｉｃｓが作る磁界とがトンネル障壁層２５部にお
いて互いに打ち消しあい、「１」状態にあるときには上
向きのアブリコソフ磁束量子の磁界と制御電流Ｉｃｓの
磁界とが相互に加わることにより生じる。このような作
用によって、所定のバイアス電流Ｉｓと制御電流Ｉｃｓ
とを同時に流したときのジョセフソン接合素子２２の電
圧状態により記憶状態が「１」であるか「０」であるか
を読み出すことができる。

第４図は本発明の他の実施例を示す平面図であり、第５
図はそのＡ−Ａ′断面図である。本実施例は第１図およ
び第２図に示した第１の実施例とその基本構造は同一で
あるが、情報記憶手段１の超伝導体層２内に設けられた
超伝導性の弱いあるいは無い領域４１の形状が異なる。
なお、第４図および第５図において第１図および第２図
と同一若しくは相当部分には同一の符号を付してある。
領域４１がジョセフソン接合素子２２の近傍に設けられ
ている点は第１実施例と同様であるが、さらに、この領
域４１がその中央部から辺３ｃ部に向かって細く延長さ
れており、突出部４２を形成している点が異なる。領域
４１をこのような形状とすることによって、情報書込時
に超伝導体層２の辺３ｃ近辺で内部発生したアブリコソ
フ磁束量子の多くがジョセフソン接合素子２２側に移動
する際に、領域４１の突出部４２を通るのである。アブ
リコソフ磁束量子が超伝導体の中を移動するときの移動
速度の最大値（飽和速度）は超伝導性が強い程小さいた
め、アブリコソフ磁束量子が突出部４２中を高速で移動
することができる。したがって、情報書込時間を更に短
縮することができ、記憶装置としての動作サイクル時間
を短くできる。なお、突出部４２は必ずしも単一である
必要はなく、２以上設けてもよい。

なお、上記２つの実施例における領域４１の構成法とし
ては、第１にリフトオフあるいはエッチング等のパター
ン加工技術を用いて超伝導体層２のうち領域４１の超伝
導体層を除去するかあるいは極薄膜化する方法、第２に
イオン打ち込み等の技術を用いて超伝導体層２の内の領
域４１にダメージを与えるかあるいは領域４１の超伝導
体層の組成を変えてその部分の超伝導性を弱める方法、
第３図に超伝導体層２の領域４１の真上あるいは真下に
常伝導金属を設けて両者間の近接効果を用いて領域４１
に超伝導体性を弱める方法等がある。

また、上記２つの実施例ではジョセフソン接合素子とし
て第６図（Ａ）の概念図に示すように単一のトンネル障
壁層２５を持つものを用いているが、同図（Ｂ）に示す
よにトンネル障壁層を２つ持ついわゆるスクイド(SQUI
D)形のものを用いてもよい。同図において２６，２６′
は上部電極、２５，２５′はトンネル障壁層、３２，３
２′は下部電極であり、スクイド形を用いる場合にはア
ブリコソフ磁束量子による磁束（破線矢印）が中央の空
間を横切るように構成することにより、閾値特性を変化
させることができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明の超伝導記憶装置によれば、
情報書込手段を構成する超伝導体層に与える電流の向き
によって情報記憶手段の超伝導体層に記憶情報の「１」
または「０」に対応する上向きまたは下向きのアブリコ
ソフ磁束量子を選択的に保持させるものであり、上向き
のアブリコソフ磁束量子を保持する場合であっても下向
きのアブリコソフ磁束量子を保持する場合であっても書
込前の記憶状態のアブリコソフ磁束量子を対消滅させた
うえでさらに飽和状態となるまで書き込むので、アブリ
コソフ磁束量子の有無を情報要素とする従来のアブリコ
ソフ磁束量子記憶装置のように書込時に記憶内容をその
つど確認したうえで磁束量子を過不足なく正確に対消滅
させることは不要である。したがって、書込操作が簡単
となるばかりでなく、書込動作マージンを広くとること
ができる。そのうえ、残留するアブリコソフ磁束量子の
蓄積による誤動作もない。

さらに、情報記憶手段の超伝導体層中には超伝導性が弱
いかまたは無い領域が設けられているので、この領域に
アブリコソフ磁束量子が高密度で保持されることにな
り、低電力、小面積で非常に高い検出感度を得ることが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す平面図、第２図はその
Ａ−Ａ′断面図、第３図はジョセフソン接合素子２２の
閾値特性を示す図、第４図は本発明の他の実施例を示す
平面図、第５図はそのＡ−Ａ′断面図、第６図はジョセ
フソン接合素子の概念を示す斜視図、第７図は従来のア
ブリコソフ磁束量子記憶装置を示す斜視図である。１……情報記憶手段、２……超伝導体層、１１……情報
書込手段、２１……情報読出手段、２２……ジョセフソ
ン接合素子、３４……制御線、４１……超伝導性が弱い
かまたは無い領域。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】磁場が印加されることによってアブリコソ
フ磁束量子を内部発生しそのアブリコソフ磁束量子を前
記磁場を取り除いた状態でも自己保持する超伝導体層を
有する情報記憶手段と、情報に対応している電流が通電
されることによって前記情報記憶手段の超伝導体層に与
える磁場を発生する超伝導体層を有する情報書込手段
と、前記情報記憶手段の超伝導体層に自己保持されてい
るアブリコソフ磁束量子のつくる磁場に感応する少なく
ともひとつ以上のジョセフソン接合素子および前記ジョ
セフソン接合素子におけるアブリコソフ磁束量子による
磁場に平行な成分を有する磁場を発生する制御線を有す
る情報読出手段とを具備する超伝導記憶装置であって、
前記情報記憶手段を構成する超伝導体層の前記ジョセフ
ソン接合素子の近傍に超伝導性が弱いかまたは無い領域
が設けられていることを特徴とする超伝導記憶装置。
【請求項２】情報記憶手段を構成する超伝導体層のジョ
セフソン接合素子の近傍に設けられている超伝導性が弱
いかまたは無い領域の一部を情報書込手段側に延長した
特許請求の範囲第１項記載の超伝導記憶装置。