JPH067439B2 - 超伝導記憶装置 - Google Patents

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。

〔従来の技術〕

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上記磁場を取
り除いた状態でも自己保持する超伝導体層を情報記憶用
要素として用いて構成された超伝導情報記憶装置とし
て、従来第５図及び第６図に示したような装置が提案さ
れている（特願昭６０−１６１５９）。

この従来例においては、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を内部発生
し、アブリコソフ磁束量子を、上記磁場が除去された後
も自己保持する超伝導体層２を情報記憶用要素として有
する。

アブリコソフ磁束量子は第２種の超伝導体内に発生する
磁束量子であり、第８図にその説明図を示してあり、８
１は第２種の超伝導体層、８２は磁束、８３はシールド
電流であり、アブリコソフ磁束量子の磁束の量はΦ_０＝
2.07×１０^１５Ｗｂ（ウエーバ）である。

そこで第５図及び第６図においては、内部発生したアブ
リコソフ磁束量子を模式的にΦ_０と表している。超伝導
体層２は、例えば方形または長方形を有し、その相対す
る一対の辺をそれぞれ３ａ及び３ｂとし、また相対向す
る他の一辺の辺をそれぞれ３ｃ及び３ｄとするとき、辺
３ａ及び３ｂの辺３ｃ側から、それらと一体に、それぞ
れ外方に、ストライプ状の超伝導体層４ａ及び４ｂを延
長させている。実際上、この超伝導体層２は、超伝導体
層４ａ及び４ｂと共に、第２種の超伝導体からなる。

情報書込み手段１１は、電流が通電されることによっ
て、上述した情報記憶手段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
み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、超伝導体層２の辺３ｃに沿って
延長している。

情報読出し手段２１は、上述した情報記憶手段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として備えられてい
る。第５図及び第６図においてはジョセフソン接合素子
は単一接合ゲートを用いている。このジョセフソン接合
素子２２は、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、また、超伝導体層３２上に窓２３を有する絶縁層２
４が形成され、また、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内を通り、そしてトンネル障壁層２５を介して、
超伝導体層３２と対向しているストライプ状の超伝導体
層２６が上部電極として設けられている。さらに、超伝
導体層２６上に絶縁層３３を介して、ストライプ状の超
伝導体層３４が制御線として形成されている。以上が従
来提案されている超伝導記憶装置の構成である。

このような構成を有する従来の超伝導記憶装置は次に述
べるように動作する。

すなわち、情報の「１」に対応する電流ＩＡを、情報書
込み手段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から情報の「１」に対応
する磁場が発生する。そして、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に、情報の「１」に対応するアブ
リコソフ磁束量子Φ_０が第１の向き（例えば上向き）に
内部発生する。

この場合、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。このようにすると、情報記憶手段１
の超伝導体層２に保持されている磁束量子Φ_０は、電流
ＩＣとのローレンツ相互作用により力を受け、情報書込
み手段１１の超伝導体層１２側から、それとは反対側の
方向（情報読出し手段の方向）に速やかに移動する。

また情報の「０」に対応する電流ＩＢを、情報書込み手
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、情報の
「０」に対応するアブリコソフ磁束量子が、上述した情
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（例えば下向き）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のいく
つかは、上述の情報「１」に対応する磁束量子と結合し
て対消滅し、最終的には、情報「０」に対応する磁束量
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」の書込みにおいて、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４
ａ側に向かって、第２の方向に流すことにより、情報
「１」書込みの場合と同様にローレンツ相互作用によっ
て、磁束量子を超伝導体層１２側から検出接合側に速や
かに移動させることができる。

また、記憶状態の検出は、所定のバイアス電流Ｉｓを、
情報読出し手段２１のジョセフソン接合素子２２に、超
伝導体層２６とトンネル障壁層２５と超伝導体３２を通
じて流し、さらに、制御電流Ｉcsを情報読出し手段２１
の超伝導体層３４に流して行なう。このとき、情報記憶
手段１の超伝導体層２に保持されている磁束量子の発生
する磁束のうち情報読出し手段２１のジョセフソン接合
素子２２に鎖交する磁束が、制御電流Ｉcsの発生する磁
束と加え合される場合に情報読出し手段２１のジョセフ
ソン接合素子２２が有電圧状態に転移するときはセルが
「１」状態であることを読出し、一方、Ｉcsの発生する
磁束から差し引かれる場合に情報読出し手段２１のジョ
セフソン接合素子２２が零電圧状態にとどまることによ
って、セルが「０」状態であることを読出す。

この情報読出し手段２１のジョセフソン接合素子として
は、上記の単一接合ゲートを用いる他に、超伝導量子干
渉計ゲート（ＳＱＵＩＤ）を用いることもできる。

第７図にその場合の構成例を表してある。第７図におい
て、各部の符号は先の第５図及び第６図に示した超伝導
記憶装置の符号と対応させるため、対応部分を同一符号
で指示してある。第７図の場合は、アブリコソフ磁束量
子に基づく磁束の交差する場所は、超伝導量子干渉計ゲ
ートのインダクタンスブリッジを構成する絶縁層７１に
なる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、第５図、第６図、さらには第７図によっ
て説明した従来の超伝導記憶装置の場合、情報記憶装置
における情報記憶手段１の超伝導体層２内に保持された
磁束量子の磁束は超伝導体層２の上側全体に拡がり、そ
の極く一部が、絶縁層２４を通ってジョセフソン接合素
子２２のトンネル障壁層２５又は絶縁層７１に達する。
このジョセフソン接合素子のトンネル障壁層２５や絶縁
層に７１達した磁束のみがジョセフソン接合素子による
磁束量子の極性の検出、即ち、情報読出しに寄与するた
め、検出感度が非常に悪く、大量の磁束量子を情報担体
として情報記憶手段１の超伝導体層２に保持させない
と、充分安定に動作するための検出マージンを確保でき
ない。このため、従来例では、書込み電流ＩＡ及びＩＢ
の値が大きくなり、消費電力が大きくなってしまうとい
う重大な欠点を有していた。

また、書込み電流が大きいと記憶セルを駆動する周辺回
路の動作電流が大きくなるため動作速度も充分に速くな
らないという欠点も生じていた。

そこで、本発明は上述した従来の超伝導記憶装置におけ
るジョセフソン接合素子の磁束量子の極性検出速度の低
さを改善し、上記の消費電力が大きく、動作速度が遅い
という欠点を解決した新規な超伝導記憶装置を提供しよ
うとするものである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、先に第５図及び第６図、さらには第７図で説
明した超伝導記憶装置と同様に、磁場が印加されるとア
ブリコソフ磁束量子を内部発生し、磁場が印加されなく
なっても磁束量子を自己保持する超伝導体層を有する情
報記憶手段と、該情報記憶手段に与える磁場を発生する
超伝導体層を有する情報書込み手段と、上記情報記憶手
段の超伝導体層に自己保持された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を有する情報読出し手
段を有している構成を備えている。

しかしながら、本発明においては、このような超伝導記
憶装置において、さらに、情報記憶手段の超伝導体層又
はその延長方向に沿って配設され、該情報記憶手段の超
伝導体層に自己保持されるアブリコソフ磁束量子の磁束
を前記情報読出し手段に導く超伝導体層を有することを
特徴としている。

また、その一つの実施態様において、情報読出し手段を
構成するジョセフソン接合素子の上部電極を構成する超
伝導体層が下部電極を構成する超伝導体層よりも張り出
して情報記憶手段の超伝導体層上に延長されている構成
を提供する。

また、他の実施態様において、超伝導記憶装置の下側に
超伝導体層からなる接地面を有する構成を備える場合
に、情報読出し手段のジョセフソン接合素子の上部電極
を構成する超伝導体層が下部電極を構成する超伝導体層
及び情報記憶手段を構成する超伝導体層よりも張り出し
て、ジョセフソン接合素子からみて、情報書込み手段の
超伝導体層の存る側とは逆の方向に延長された構成を提
供する。

〔作用〕

上記本発明の超伝導記憶装置は、情報記憶手段の超伝導
体層又はその延長方向に沿って配設され、該情報記憶手
段の超伝導体層に自己保持されるアブリコソフ磁束量子
の磁束を前記情報読出し手段に導く超伝導体層を有する
ことを除いては、先に示した従来例と同様であり、また
その実施態様において、ジョセフソン接合素子の上部電
極の形状及びその下部電極乃至は、情報記憶手段を構成
する超伝導体層との相対的位置が異なることを除いて
は、第５図及び第６図、或いは第７図で上述した従来例
と同様な構成を有している。従って、第５図及び第６
図、或いは第７図で説明したのと同様な情報記憶装置と
しての機能を有する。

しかしながら、上述のように本発明の超伝導記憶装置に
よれば、情報記憶手段の超伝導体層に自己保持されるア
ブリコソフ磁束量子の磁束を前記情報読出し手段に導く
超伝導体層を有するため、磁束のジョセフソン接合素子
の検出接合に鎖交する成分（第６図を採ると、磁束の水
平成分）が増大し、ジョセフソン接合素子の磁束量子検
出感度が大きく向上する。実施態様の構成では、ジョセ
フソン接合素子の上部電極の形状及び下部電極との相対
位置が、情報記憶手段の超伝導体層に保持された磁束量
子の磁束を曲げて、ジョセフソン接合素子と鎖交しやす
くする構造となっている。

本発明においては、ジョセフソン接合端子の磁束量子の
極性検出感度が大幅に増加し、その結果、安定に動作す
るための充分な動作マージンを確保するために必要な書
込み電流値を小さくすることができる。そのため、低消
費電力動作及び周辺回路の高速動作が可能となる。

〔実施例〕

実施例１ 次に、第１図及び第２図を伴って、本発明の第１の実施
例を述べる。

この実施例の構成は第５図及び第６図で述べた従来例の
超伝導記憶装置の構成のうち、その情報読出し手段２１
のジョセフソン接合素子２２の上部電極を構成する超伝
導体層２６が、情報書込み手段１１の超伝導体層１２側
に延長していることを除くと他は全く同様の構成を有し
ている。従って、第１図及び第２図において、第５図及
び第６図と対応する部分には同一符号で指示している。

このような構成を有する本発明の第１の実施例によれ
ば、前述した従来例と以下に詳述する点を除くと全く同
様な機能が得られる。

この実施例が従来例と異なる点は、ジョセフソン接合素
子２２の上部電極の超伝導体層２６が超伝導体層１２側
に延長されているため、超伝導体層２６が情報記憶手段
１の超伝導体層２と広い面積にわたって対向しており、
超伝導体層２６の反磁性効果によって、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
子に基づく磁束を効果的にジョセフソン接合素子２２の
トンネル障壁層２５に導くことができる点である。その
ため、同一の保持磁束量子数に対して、この実施例の構
成の方が従来例の構成に比べて磁束量子保持の影響が情
報読出し手段２１のジョセフソン接合素子２２の特性に
大きく現れるため、検出感度が大幅に増加する。これに
よって、情報読出し時の動作マージンを大幅に拡大する
ことができる。さらに、磁束量子検出感度が増加した分
だけ保持磁束量子数を減少させると、デバイスを小型化
することができるとともに、書込み電流値を低減させる
ことも可能となる。

実施例２ 次に、第３図及び第４図を伴って本発明の第２の実施例
を説明する。

この第２の実施例の構成は、第５図及び第６図に述べた
従来例の超伝導記憶装置の構成と以下の点を除いて全く
同様である。従って、第３図及び第４図において、第５
図及び第６図と対応する部分には同一符号で指示してい
る。

この実施例の構成が従来例と異なる点は、情報記憶手段
１の超伝導体層２の下に絶縁層４１を介して接地面を構
成する超伝導体層５１が存すること、及び、情報読出し
手段２１のジョセフソン接合素子２２の上部電極を構成
する超伝導体層２６が下部電極を構成する超伝導体層３
２及び情報記憶手段１の超伝導体層２を越えて、情報書
込み手段１１の超伝導体層１２のある方向と反対側に延
長されていることである。

このような構成を有する本発明の第２の実施例によれ
ば、前述した従来例と以下に述べる点を除くと全く同様
の機能が得られる。

即ち、従来例と異なる点は、ジョセフソン接合素子の上
部電極を構成する超伝導体層２６が、情報書込み手段の
超伝導体層１２と反対の側に延長されているため、及
び、接地面の超伝導体層５１が存するため、情報記憶手
段１の超伝導体層２に保持された磁束量子に基づく磁束
は、接地面の超伝導体層５１と超伝導体２６の反磁性効
果のために絶縁層４１及び絶縁層２４の内部を通りさら
にジョセフソン接合素子２２のトンネル障壁層２５を通
って閉ループを描くことである。それにより、保持され
た磁束量子に基づく磁束の大部分がジョセフソン接合素
子２２と鎖交するため、ジョセフソン接合素子２２の磁
束量子検出感度は飛躍的に増大する。それは第１の実施
例の場合と同様な理由から、情報読出し時の動作マージ
ンの拡大、デバイスの占有面積の小型化、書込み電流の
低減を可能とする。

なお、この第２の実施例において、第１の実施例と同様
に、ジョセフソン接合素子の上部電極を構成する超伝導
体層２６を情報書込み手段１１の超伝導体層１２の側に
も延長しておくことが可能であり、こうすることにより
上述した第１及び第２の実施例の効果は相加的に働き、
より効果的である。

以上の第１及び第２の実施例では、情報読出し手段のジ
ョセフソン接合素子として、単一接合ゲートを用いてい
るが、この代りに先に第７図に示したように、超伝導量
子干渉計ゲートを用いた場合においても、磁束量子に基
づく磁束の鎖交する場所が、トンネル障壁層から超伝導
量子干渉計ゲートのインダクタンスブリッジを構成する
絶縁層７１になるだけで、本発明の効果は全く同様であ
る。即ち、第７図に矢印２６Ａで指示する方向の上部電
極２６を張り出して形成すれば、第１図及び第２図に関
して説明した第１の実施例と同様になり、これと反対方
向の矢印２６Ｂで指示する方向に上部電極２６を張り出
して形成し、かつ、接地面の超伝導体層を同様に設けれ
ば第３図及び第４図に関して説明した第２の実施例と同
様になり、それぞれ同様な効果が得られる。

なお、第１及び第２の実施例では、絶縁層３１を設け、
ジョセフソン接合素子の下部電極を構成する超伝導体層
３２と情報記憶手段１の超伝導体層２を絶縁する場合に
ついて説明したが、絶縁層３１が無くて、代りにジョセ
フソン接合素子２２の下部電極を構成する超伝導体層３
２が磁束量子が侵入できない程度に厚く形成されている
場合についても本発明の効果は全く同様である。また、
第１及び第２の実施例では、動作時に電流ＩＣ及びＩＤ
によるローレンツ電流を流す構成になっているが、これ
は本発明にとって本質的なものではなく、ローレンツ電
流を流さなくとも（書込み電流でアブリコソフ磁束量子
を押し込む）、本発明の効果は同様に存在する。

さらに、上記各実施例では情報記憶手段の超伝導体層又
はその延長方向に沿って配設され、該情報記憶手段の超
伝導体層に自己保持されるアブリコソフ磁束量子の磁束
を前記情報読出し手段に導く超伝導体層として、情報読
出し手段のジョセフソン接合素子の上部電極を延長して
「ひさし状」構造にする例を示したが、本発明はこれに
限るものでは無い。この磁束量子の磁束を前記情報読出
し手段に導く超伝導体層と、ジョセフソン接合素子の上
部電極を構成する超伝導体層とは、必ずしも一体に形成
する必要はなく、磁束が漏れない程度で互いが分離され
ていてもよい。

その他、本発明は特許請求の範囲の精神を逸脱しない範
囲において種々変更可能である。

〔発明の効果〕

以上で説明したように、本発明によれば、情報記憶手段
の超伝導体層に保持された磁束量子に基づく磁束が、効
率良く情報読出し手段のジョセフソン接合素子の検出部
と鎖交するため、磁束量子の検出感度が増加し、情報読
出し時の動作マージンが拡大するという利点がある。

また、磁束量子の検出感度の増加を利用して、保持磁束
量子数を少なくすることができるので、書込み電流の低
減、従って低消費電力化を実現することを可能とする。
また、書込み電流の低減は、周辺回路の動作レベルの低
減を可能にするため高速動作が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明による超伝導記憶装置の第１
の実施例を示すそれぞれ平面図及びＡ−Ａ′線上の断面
図、第３図及び第４図は本発明による超伝導記憶装置の
第２の実施例を示すそれぞれ平面図及びＡ−Ａ′線上の
断面図、第５図及び第６図は、超伝導記憶装置の従来例
のそれぞれ平面図及びＡ−Ａ′線上の断面図、第７図は
超伝導記憶装置の情報読出し手段に超伝導量子干渉計ゲ
ートを用いた例の斜視図、第８図はアブリコソフ磁束量
子の説明図である。 １……情報記憶手段 ２……情報記憶手段の超伝導体層 ３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ……超伝導体層の辺 ４ａ，４ｂ……ストライプ状の超伝導体層 １１……情報書込み手段 １２……情報書込み手段の超伝導体層 ２１……情報読出し手段 ２２……ジョセフソン接合素子 ２３……絶縁層の窓 ２４……絶縁層 ２５……トンネル障壁層 ２６……ジョセフソン接合素子の超伝導体層 （上部電極） ３１，３３，４１……絶縁層 ３２……ジョセフソン接合素子の超伝導体層 （下部電極） ３４……制御電極の超伝導体層 ５１……接地面の超伝導体層

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【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、該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み手段と、 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に感応するジョセフソン接合素子を
   有する情報読出し手段とを含む超伝導記憶装置におい
   て、 前記情報記憶手段の超伝導体層又はその延長方向に沿っ
   て配設され、該情報記憶手段の超伝導体層に自己保持さ
   れるアブリコソフ磁束量子の磁束を前記情報読出し手段
   に導く超伝導体層を有することを特徴とする超伝導記憶
   装置。
2. 【請求項２】特許請求の範囲第１項記載の超伝導記憶装
   置において、 前記アブリコソフ磁束量子の磁束を前記情報読出し手段
   に導く超伝導体層が、前記情報読出し手段のジョセフソ
   ン接合素子の上部電極を構成する超伝導体層を下部電極
   を構成する超伝導体層よりも前記書込み手段側に張り出
   すことにより形成されている超伝導体層であることを特
   徴とする超伝導記憶装置。
3. 【請求項３】特許請求の範囲第１項記載の超伝導記憶装
   置において、 前記アブリコソフ磁束量子の磁束を前記情報読出し手段
   に導く超伝導体層が、 前記情報読出し手段のジョセフソン接合素子の上部電極
   を構成する超伝導体層を、下部電極を構成する超伝導体
   層及び情報記憶手段の超伝導体層よりも前記書込み手段
   と反対側に張り出すことにより形成されている超伝導体
   層と、 前記情報記憶手段の超伝導体層の情報読出し手段の配置
   された側と反対側に配設された接地面の超伝導体層とか
   らなることを特徴とする超伝導記憶装置。
4. 【請求項４】特許請求の範囲第１項記載の超伝導記憶装
   置において、 前記アブリコソフ磁束量子の磁束を前記情報読出し手段
   に導く超伝導体層が、 前記情報読出し手段のジョセフソン接合素子の上部電極
   を構成する超伝導体層を、下部電極を構成する超伝導体
   層よりも前記書込み手段側に張り出すことにより形成さ
   れている超伝導体層と、 前記情報読出し手段のジョセフソン接合素子の上部電極
   を構成する超伝導体層を、下部電極を構成する超伝導体
   層及び情報記憶手段の超伝導体層よりも前記書込み手段
   と反対側に側に張り出すことにより形成されている超伝
   導体層と、 前記情報記憶手段の超伝導体層の情報読出し手段の配置
   された側と反対側に配設された接地面の超伝導体層とか
   らなることを特徴とする超伝導記憶装置。
5. 【請求項５】特許請求の範囲第第１項乃至第４項のいず
   れかに記載された超伝導記憶装置において、 前記情報読出し手段のジョセフソン接合素子のトンネル
   障壁層に鎖交する前記アブリコソフ磁束量子の磁束が検
   出されることを特徴とする超伝導記憶装置。
6. 【請求項６】特許請求の範囲第１項乃至第４項のいずれ
   かに記載された超伝導記憶装置において、 前記情報読出し手段のジョセフソン接合素子が超伝導量
   子干渉計ゲートであって、そのインダクタンスブリッジ
   を構成する絶縁層に鎖交する前記アブリコソフ磁束量子
   の磁束が検出されることを特徴とする超伝導記憶装置。