JPH0974230A - Intrinsic junction flux quantum memory - Google Patents

Intrinsic junction flux quantum memory

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JPH0974230A
JPH0974230A JP7226829A JP22682995A JPH0974230A JP H0974230 A JPH0974230 A JP H0974230A JP 7226829 A JP7226829 A JP 7226829A JP 22682995 A JP22682995 A JP 22682995A JP H0974230 A JPH0974230 A JP H0974230A
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Japan
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junction
flux quantum
magnetic flux
superconducting
memory
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JP7226829A
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Japanese (ja)
Inventor
Kazunori Miyahara
一紀 宮原
Shinichi Karimoto
慎一 狩元
Shugo Kubo
衆伍 久保
Minoru Suzuki
実 鈴木
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Publication date
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  • Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To make the memory operate at the liquid nitrogen temperature exceeding 77K by a method wherein one of a tunnel type Josephson junction connected to a laminated structure made of a weak superconducting layer held by upper and lower superconducting electrodes is used as a memory state detecting element. SOLUTION: In the parts 1, 2 of laminated intrinsic junction, the strong superconducting electrode in Josephson layer structure works as the superconducting electrode of Josephson junction while the weak supercondicting layer works as the tunnel barrier layer of Josephson junction. That is, in these parts, the tunnel type SIS Josephson junction is laminated in multiple film thickness direction to be formed as so-called series connected intrinsic junction. At this time, the reading-out operation is performed by feeding reading-out control current to the reading-out control line 11. Since the laminated layer intrinsic junction is used for the rapid operation, the operational rate is featured by extreme rapidity. Through these procedures, the title intrinsic junction magnetic quantum memory can be operated even at the liquid nitrogen temperature exceeding 77K.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、液体窒素温度(7
7K)の近傍あるいはそれ以上の温度で動作するイント
リンシック接合磁束量子メモリに関するものである。よ
り具体的には低消費電力でかつ高速で動作するメモリデ
バイスに関するものである。また、具体的な応用例とし
ては、超伝導コンピュータ用メモリ、通信データ処理用
メモリ等への応用が期待される。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a liquid nitrogen temperature (7
The present invention relates to an intrinsic junction magnetic flux quantum memory which operates at a temperature near 7 K) or higher. More specifically, the present invention relates to a memory device that consumes low power and operates at high speed. Further, as a concrete application example, application to a memory for a superconducting computer, a memory for processing communication data, etc. is expected.

【0002】[0002]

【従来の技術】高速論理ゲートとしては、金属系の低温
超伝導体であるニオブ(Nb)を用いたNb−AlOx
−Nbジョセフソン接合で形成した論理ゲートが最も高
速で動作する。また、このような論理ゲートは、1.5
psec/ゲートのデバイス最高速記録(半導体デバイ
スも含めて)を保持している。このジョセフソン接合は
薄い絶縁層(AlOx )を超伝導体でサンドイッチにし
たいわゆるSIS接合(トンネル形接合)であり、ジョ
セフソン接合の中でもこのSIS接合タイプが最も高速
で動作する。またこのような高速論理ゲートと同様の環
境で動作する高速メモリとしては永久電流形メモリ
(W.H.Henkels et al.:IEEE
J.Solid−State Circuits,SC
14−5,p.794(1979))や単一磁束量子メ
モリ(P.Gueret et al.:IEEE T
rans.on MAG−13,p.52(197
7))がある。これらはNb−AlOx −Nbジョセフ
ソン接合と超伝導ループを組み合わせて構成したメモリ
である。
2. Description of the Related Art As a high speed logic gate, Nb-AlO x using niobium (Nb) which is a metal-based low temperature superconductor is used.
The logic gate formed of the -Nb Josephson junction operates at the highest speed. In addition, such a logic gate has 1.5
It holds the maximum device speed recording (including semiconductor devices) of psec / gate. This Josephson junction is a so-called SIS junction (tunnel type junction) in which a thin insulating layer (AlO x ) is sandwiched with a superconductor, and the SIS junction type operates at the highest speed among the Josephson junctions. As a high-speed memory that operates in the same environment as such a high-speed logic gate, a persistent current type memory (WH Henkels et al .: IEEE) is used.
J. Solid-State Circuits, SC
14-5, p. 794 (1979)) and a single magnetic flux quantum memory (P. Gueret et al .: IEEE T).
rans. on MAG-13, p. 52 (197
There is 7)). These are memory formed by combining Nb-AlO x -Nb Josephson junctions and superconducting loop.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】しかし、高温超伝導体
では、77K以上で動作する高温超伝導メモリデバイス
はまだ実現されていない。その理由として、SIS接合
が実現されていないこと、および高温超伝導体同士の良
好な超伝導性コンタクトの実現が困難であること等であ
る。
However, in high temperature superconductors, high temperature superconducting memory devices operating at 77K or higher have not yet been realized. The reasons are that SIS bonding has not been realized, and that it is difficult to realize good superconducting contact between high temperature superconductors.

【0004】一方、Bi系高温超伝導体であるBiSr
CaCuOでは結晶軸のc軸方向に層状構造ができ、B
23 層とSrO層が絶縁体トンネルバリヤ層(I
層)の役割を果たす。そのため、自然にSIS接合タイ
プのジョセフソン接合が形成されている。これがいわゆ
るイントリンシック接合でc軸方向に多数個のジョセフ
ソン接合がスタック状に積層されている。このイントリ
ンシック接合がヒステリシスをもつSIS接合タイプの
電流−電圧特性を示すことは、BiSrCaCuO単結
晶バルクで測定されている(R.Kleiner et
al.:Phys.Rev.Lett.68(199
2)p.2394)。また同様の特性がTl系超伝導体
でも得られている(R.Kleiner and P.
Muller:Phys.Rev.B49(1994)
p.1327)。
On the other hand, BiSr which is a Bi-based high temperature superconductor
CaCuO has a layered structure in the c-axis direction of the crystal axis,
The i 2 O 3 layer and the SrO layer are insulator tunnel barrier layers (I
Layer). Therefore, a SIS junction type Josephson junction is naturally formed. This is a so-called intrinsic junction in which a large number of Josephson junctions are stacked in the c-axis direction. It has been measured in a BiSrCaCuO single crystal bulk that the intrinsic junction exhibits a current-voltage characteristic of a SIS junction type having hysteresis (R. Kleiner et.
al. : Phys. Rev. Lett. 68 (199
2) p. 2394). Similar characteristics have also been obtained with Tl-based superconductors (R. Kleiner and P.
Muller: Phys. Rev. B49 (1994)
p. 1327).

【0005】このイントリンシック接合を用いると電流
注入形の超高速論理ゲートが構成可能である。このよう
に77K以上で動作する高温超伝導論理ゲートが実現さ
れると、今度は同様の環境で動作する高温超伝導メモリ
が必要となる。
By using this intrinsic junction, a current injection type ultra high speed logic gate can be constructed. If a high-temperature superconducting logic gate operating at 77K or higher is realized in this manner, then a high-temperature superconducting memory operating in a similar environment is required.

【0006】本発明は、上記課題を解決し、イントリン
シック接合を用いて液体窒素温度77K以上で動作する
イントリンシック接合磁束量子メモリを提供することを
目的とする。すなわち、本発明では、高温超伝導体を用
いたSIS接合タイプのジョセフソン接合の製作が難し
く、このために液体窒素温度(77K)あるいはそれ以
上の温度で動作する高温超伝導メモリが実現できないと
いう問題点を解決するものである。
An object of the present invention is to solve the above problems and to provide an intrinsic junction magnetic flux quantum memory which operates at a liquid nitrogen temperature of 77 K or higher using an intrinsic junction. That is, according to the present invention, it is difficult to manufacture a SIS junction type Josephson junction using a high temperature superconductor, and therefore a high temperature superconducting memory that operates at a liquid nitrogen temperature (77K) or higher cannot be realized. It solves the problem.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】したがって上記問題点を
解決するために、本発明にもとづくイントリンシック接
合磁束量子メモリは、酸化物高温超伝導体に磁束量子を
保持させ、保持された上記磁束量子の極性を2値論理の
「1」と「0」とに対応させた超伝導メモリにおいて、
上記酸化物高温超伝導体は上部超伝導電極となる強超伝
導性層と、下部超伝導電極となる強超伝導性層と、上記
上部超伝導電極および上記下部超伝導電極に挟まれたバ
リア層となる弱超伝導性層とを持つ積層構造を有し、さ
らに、上記積層構造に形成され、かつ互いに直列に接続
された複数個のトンネル形ジョセフソン接合の一つをメ
モリ状態検出素子として用いたことを特徴とする。
In order to solve the above problems, therefore, an intrinsic junction flux quantum memory according to the present invention allows an oxide high temperature superconductor to hold a flux quantum and hold the above flux quantum. In a superconducting memory in which the polarity of is associated with binary logic "1" and "0",
The oxide high-temperature superconductor comprises a strong superconducting layer serving as an upper superconducting electrode, a strong superconducting layer serving as a lower superconducting electrode, a barrier sandwiched between the upper superconducting electrode and the lower superconducting electrode. One of a plurality of tunnel type Josephson junctions formed in the above laminated structure and connected in series with each other is used as a memory state detection element. It is characterized by being used.

【0008】好ましくは、上記酸化物高温超伝導体に形
成された孔からなる磁束量子保持領域が設けられてい
る。
Preferably, a magnetic flux quantum retention region consisting of holes formed in the oxide high temperature superconductor is provided.

【0009】好ましくは、上記下部超伝導電極は、上記
酸化物高温超伝導体から上記複数個のトンネル形ジョセ
フソン接合となるべき部分の周囲を所定の深さまでエッ
チングすることによって切り出され、かつ上記複数個の
トンネル形ジョセフソン接合の共通電極となるもので、
さらに上記エッチングされた部分の下の層状構造に形成
された孔を磁束量子保持領域とする。
Preferably, the lower superconducting electrode is cut out from the oxide high-temperature superconductor by etching to a predetermined depth around the plurality of tunnel type Josephson junctions, and A common electrode for multiple tunnel-type Josephson junctions,
Further, the hole formed in the layered structure below the etched portion is used as a magnetic flux quantum holding region.

【0010】[0010]

【発明の実施の形態】本発明にもとづくイントリンシッ
ク接合磁束量子メモリの実施形態の一例では、層状構造
をもつ高温超伝導薄膜(例えばBiSrCaCuO)で
発現するイントリンシック接合(スタック状のSIS接
合)を用いて、磁束量子メモリ(金属系低温超伝導体で
構成、4.2K動作:K.Miyahara et a
l.:U.S.Patent No.4764898
Aug.16(1988))に相当する超伝導メモリを
高温超伝導体として構成する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION In an example of an embodiment of an intrinsic junction magnetic flux quantum memory according to the present invention, an intrinsic junction (stacked SIS junction) expressed by a high temperature superconducting thin film (for example, BiSrCaCuO) having a layered structure is used. Using a magnetic flux quantum memory (made of a metal-based low-temperature superconductor, 4.2K operation: K. Miyahara et al.
l. : U. S. Patent No. 4764898
Aug. 16 (1988)) as a high temperature superconductor.

【0011】以下、本発明にもとづくイントリンシック
接合磁束量子メモリの実施形態の一例を図面を参照しな
がら説明する。なお、すべての図において同一参照符号
は同一構成要素を示す。
An example of an intrinsic junction magnetic flux quantum memory according to the present invention will be described below with reference to the drawings. In all the drawings, the same reference numerals indicate the same constituent elements.

【0012】図1は、イントリンシック接合を用いて磁
束量子メモリが構成されたメモリデバイス構造の概略的
構成を説明するための斜視図である。図中、参照符号1
は積層イントリンシック接合で形成した磁束量子検出接
合、2は面積の広い積層イントリンシック接合で形成し
たコンタクト接合、3は磁束量子を保持するための高温
超伝導体の孔、4は磁束量子を書き込むための超伝導リ
ンク(幅の細い超伝導体の部分)、5は積層イントリン
シック接合1および2を形成するためにメサエッチング
した層の下の超伝導体層で共通下部電極となる部分であ
る。さらに、参照符号6および7は層間絶縁層(SiO
などで形成)、8および9はメタル配線層、10は磁束
量子書き込み制御線(メタル配線層)、11は磁束量子
読み出し制御線(メタル配線層)である。
FIG. 1 is a perspective view for explaining a schematic structure of a memory device structure in which a magnetic flux quantum memory is formed by using an intrinsic junction. In the figure, reference numeral 1
Is a magnetic flux quantum detection junction formed by a laminated intrinsic junction, 2 is a contact junction formed by a laminated intrinsic junction having a large area, 3 is a hole of a high temperature superconductor for retaining the magnetic flux quantum, and 4 is a written magnetic flux quantum Is a superconducting link (a portion of the superconductor having a narrow width) 5 for a superconducting layer below the layer mesa-etched to form the laminated intrinsic junctions 1 and 2 and serving as a common lower electrode. . Further, reference numerals 6 and 7 are interlayer insulating layers (SiO 2
Etc.), 8 and 9 are metal wiring layers, 10 is a magnetic flux quantum write control line (metal wiring layer), and 11 is a magnetic flux quantum read control line (metal wiring layer).

【0013】図2は図1のA−A′線に沿う断面図であ
る。参照符号1ないし11は図1と同一の構成要素を示
す。また、参照符号12は高温超伝導薄膜をエピタキシ
ャル成長させるためのエピタキシャル基板(例えばMg
Oなど)、13は高温超伝導体膜を全層エッチングした
部分、14は積層イントリンシック接合を形成するため
に高温超伝導薄膜5を所定の深さまでメサエッチングし
た部分、15はメサエッチングした部分を絶縁層(例え
ばSiO)で埋め戻した部分である。
FIG. 2 is a sectional view taken along the line AA 'in FIG. Reference numerals 1 to 11 denote the same components as in FIG. Further, reference numeral 12 is an epitaxial substrate (for example, Mg) for epitaxially growing a high temperature superconducting thin film.
O, etc.), 13 is a portion obtained by etching all layers of the high-temperature superconductor film, 14 is a portion obtained by mesa-etching the high-temperature superconducting thin film 5 to a predetermined depth to form a laminated intrinsic junction, and 15 is a portion obtained by mesa-etching. Is a portion backfilled with an insulating layer (eg, SiO).

【0014】つぎに、本実施形態のメモリデバイス構造
を積層構造高温超伝導薄膜で構成する場合について説明
する。まずエピタキシャル基板12に、例えば層状構造
の高温超伝導薄膜BiSrCaCuOを蒸着あるいはス
パッタなどでエピタキシャル成長させる。このとき薄膜
の結晶構造のc軸が基板面に垂直に配向し、ab面が基
板面に平行になるように薄膜を成長させる。層状構造体
が強い高温超伝導薄膜においては、このような結晶方位
の薄膜が最も成長しやすく、得られた膜の結晶性も優れ
ている。次にフォトリソグラフィでパターニングしたフ
ォトレジストをマスクとして薄膜を基板面までエッチン
グ加工(イオンミリングや化学エッチング)して高温超
伝導薄膜のデバイスパターンを形成する。このとき、磁
束量子蓄積部となる高温超伝導体の孔3と書き込み制御
線の下の超伝導体のくびれ部分も同時に全層エッチング
して形成する。そして次に同様にフォトリソグラフィで
パターニングしたフォトレジストをマスクとして薄膜を
所定の深さまでエッチング加工し、積層イントリンシッ
ク接合1、2(メサエッチング部分14)を形成する。
これらの積層イントリンシック接合1、2に対して薄膜
表面からエピタキシャル基板12の表面に向けて電流
(バイアス電流)を流し、薄膜表面と基板面との間で電
圧を測定する。この測定によって得られる電流−電圧特
性によれば、ゼロ電圧で超伝導電流(ジョセフソン電
流)が流れる、いわゆるジョセフソン接合を多数個直列
に接続したかたちとなる。特にBiSrCaCuO薄膜
をエピタキシャル基板12上に設けた場合、この薄膜は
絶縁性のバリヤ層となるので、積層イントリンシック接
合はトンネル形ジョセフソン接合(SIS接合)とな
る。積層イントリンシック接合1および2の下部電極は
メサエッチング部分14の下で高温超伝導薄膜5によっ
て超伝導性を保ったまま接続されている。またメサエッ
チングのあとでレジストを残したまま絶縁体薄膜SiO
を堆積させてその後でレジストを除去(いわゆるリフト
オフ)するとメサエッチングした部分15をSiOで埋
め戻すことができる。
Next, a case where the memory device structure of this embodiment is formed of a laminated structure high temperature superconducting thin film will be described. First, a high-temperature superconducting thin film BiSrCaCuO having a layered structure, for example, is epitaxially grown on the epitaxial substrate 12 by vapor deposition or sputtering. At this time, the thin film is grown so that the c-axis of the crystal structure of the thin film is oriented perpendicular to the substrate surface and the ab plane is parallel to the substrate surface. In a high temperature superconducting thin film having a strong layered structure, a thin film having such a crystal orientation is most likely to grow, and the resulting film has excellent crystallinity. Next, using a photoresist patterned by photolithography as a mask, the thin film is etched to the substrate surface (ion milling or chemical etching) to form a device pattern of the high temperature superconducting thin film. At this time, the hole 3 of the high-temperature superconductor to be the magnetic flux quantum storage portion and the constricted portion of the superconductor below the write control line are simultaneously formed by etching all layers. Then, similarly, the thin film is etched to a predetermined depth using the photoresist patterned by photolithography as a mask to form the laminated intrinsic junctions 1 and 2 (mesa etching portion 14).
A current (bias current) is applied to the laminated intrinsic junctions 1 and 2 from the thin film surface toward the surface of the epitaxial substrate 12, and the voltage is measured between the thin film surface and the substrate surface. According to the current-voltage characteristics obtained by this measurement, a so-called Josephson junction, in which a superconducting current (Josephson current) flows at zero voltage, is connected in series. In particular, when a BiSrCaCuO thin film is provided on the epitaxial substrate 12, this thin film serves as an insulating barrier layer, so that the laminated intrinsic junction becomes a tunnel type Josephson junction (SIS junction). The lower electrodes of the laminated intrinsic junctions 1 and 2 are connected under the mesa etching portion 14 by the high temperature superconducting thin film 5 while maintaining superconductivity. After the mesa etching, the insulator thin film SiO is left with the resist remaining.
And then removing the resist (so-called lift-off), the mesa-etched portion 15 can be backfilled with SiO 2.

【0015】この上に再びフォトリソグラフィでパター
ニングしたフォトレジストを用いて層間絶縁層7および
メタル配線層8,9,11を蒸着およびリフトオフで形
成することができる。また層間絶縁層6および磁束量子
書き込み制御線(メタル層)10は、埋め戻し層15
(SiO)を適当な深さまでエッチングしてからメタル
層10を蒸着してリフトオフすることで形成できる。
An interlayer insulating layer 7 and metal wiring layers 8, 9 and 11 can be formed thereon by vapor deposition and lift-off using a photoresist patterned by photolithography again. Further, the interlayer insulating layer 6 and the magnetic flux quantum write control line (metal layer) 10 are the backfill layer 15
It can be formed by etching (SiO) to an appropriate depth, depositing the metal layer 10 and lifting off.

【0016】図3は図1および図2に示したメモリデバ
イスの動作を説明するための図である。図中、参照符号
16は磁束量子書き込み制御線10に流れる書き込み制
御電流が発生する磁界、17は磁束量子読み出し制御線
11に流れる読み出し制御電流が発生する磁界、18は
磁束量子蓄積部の孔3に保持された磁束量子が発生する
磁界である。
FIG. 3 is a diagram for explaining the operation of the memory device shown in FIGS. 1 and 2. In the figure, reference numeral 16 is a magnetic field generated by a write control current flowing through the magnetic flux quantum write control line 10, 17 is a magnetic field generated by a read control current flowing through the magnetic flux quantum read control line 11, and 18 is a hole 3 of the magnetic flux quantum storage portion. This is the magnetic field generated by the magnetic flux quantum retained at.

【0017】まず各部分の機能を説明する。積層イント
リンシック接合1および2の部分では、積層構造の超伝
導性が強い層がジョセフソン接合の超伝導電極として働
き、超伝導性の弱い層がジョセフソン接合のトンネルバ
リヤ層として働く。すなわちこの部分はトンネル形のS
ISジョセフソン接合が多数個膜厚方向に積層されて構
成され、互いに直列に接続されたいわゆるイントリンシ
ック接合を形成する。このうち接合1は磁束量子蓄積部
3に保持された磁束量子の磁界を検出する磁束量子検出
接合である。接合2はジョセフソン電流が接合1に較べ
て充分に大きくなるように大きな接合面積で形成された
イントリンシック接合でコンタクト接合(すなわち超伝
導どうしの接続部に超伝導電流を流すために形成された
接合でメモリの動作中は常に超伝導状態にあり、電圧転
移することのないジョセフソン接合)である。参照符号
3は超伝導リンク4から侵入した磁束量子を保持する磁
束量子蓄積部(孔)である。磁束量子の書き込みは書き
込み制御線10に電流を流したとき発生する磁界16が
超伝導リンク4を通過して磁束量子蓄積部3に侵入し磁
束量子となることで行われる。磁界18によって発生す
る磁束量子蓄積部3に保持された磁束量子の検出は、磁
束量子検出接合1で行われる。保持された磁束量子の磁
界18の一部は図3に示されるように、磁束量子検出接
合1のトンネルバリヤ層に印加される。この磁束量子検
出接合1ではバイアス電流をメタル配線層8から供給
し、共通下部電極5を通ってコンタクト接合2を介して
メタル配線層9に流す。また制御電流線11に制御電流
を流すとこの磁界17の一部は保持磁束量子の磁界18
と同様に磁束量子検出接合1のトンネルバリヤ層に印加
される。
First, the function of each part will be described. In the laminated intrinsic junctions 1 and 2, the layer having a strong superconducting property of the laminated structure functions as a superconducting electrode of the Josephson junction, and the layer having a weak superconducting property functions as a tunnel barrier layer of the Josephson junction. That is, this part is a tunnel type S
A large number of IS Josephson junctions are stacked in the film thickness direction to form so-called intrinsic junctions connected in series. Among these, the junction 1 is a magnetic flux quantum detection junction that detects the magnetic field of the magnetic flux quantum held in the magnetic flux quantum storage unit 3. Junction 2 is an contact junction formed with a large junction area so that the Josephson current is sufficiently larger than that of junction 1 (that is, formed to pass a superconducting current to the connection between superconducting layers). The junction is always in the superconducting state during operation of the memory, and does not transfer voltage (Josephson junction). Reference numeral 3 is a magnetic flux quantum accumulating portion (hole) that holds the magnetic flux quantum that has entered from the superconducting link 4. The writing of the magnetic flux quantum is performed by the magnetic field 16 generated when a current is applied to the write control line 10 to pass through the superconducting link 4 and enter the magnetic flux quantum accumulating portion 3 to become a magnetic flux quantum. The detection of the magnetic flux quantum generated by the magnetic field 18 and held in the magnetic flux quantum storage unit 3 is performed by the magnetic flux quantum detection junction 1. A part of the magnetic field 18 of the held magnetic flux quantum is applied to the tunnel barrier layer of the magnetic flux quantum detection junction 1 as shown in FIG. In this magnetic flux quantum detection junction 1, a bias current is supplied from the metal wiring layer 8 and passed through the common lower electrode 5 and the contact junction 2 to the metal wiring layer 9. Further, when a control current is passed through the control current line 11, a part of this magnetic field 17 becomes a magnetic field 18 of the holding flux quantum.
Is applied to the tunnel barrier layer of the magnetic flux quantum detection junction 1 in the same manner as.

【0018】つぎに本実施例のメモリデバイスの動作を
説明する。
Next, the operation of the memory device of this embodiment will be described.

【0019】このメモリでは磁束量子蓄積部3に保持さ
れる磁束量子の極性をメモリの「1」,「0」に対応さ
せる。ここでは図3の磁束量子の方向(磁界の極性)を
「1」として説明する。
In this memory, the polarities of the magnetic flux quanta held in the magnetic flux quantum storage unit 3 are made to correspond to "1" and "0" of the memory. Here, the direction of the magnetic flux quantum (polarity of the magnetic field) in FIG. 3 will be described as “1”.

【0020】「1」書き込み動作は、書き込み制御線1
0に図3の方向に電流を流すことで行う。この電流によ
って発生する磁界の一部は、超伝導リンク4を通って磁
束量子蓄積部3に侵入し、「1」の磁束量子が保持され
る。この磁束量子は書き込み電流を取り去っても磁束量
子蓄積部3に保持される。ただし磁束量子蓄積部の磁束
量子保持能力よりも多くの磁束量子が書き込まれた場合
には書き込み電流を取り去ったときに余分な磁束量子が
超伝導リンク4を通って放出される。
The "1" write operation is performed by the write control line 1
This is performed by passing a current in the direction of 0 in FIG. A part of the magnetic field generated by this current penetrates the magnetic flux quantum storage unit 3 through the superconducting link 4, and the magnetic flux quantum of "1" is held. This magnetic flux quantum is retained in the magnetic flux quantum storage unit 3 even if the write current is removed. However, if more magnetic flux quanta are written than the magnetic flux quantum accumulating portion has, the extra magnetic flux quanta are released through the superconducting link 4 when the write current is removed.

【0021】「0」書き込み動作は、書き込み制御線1
0に図3と逆方向に電流を流すことで行う。それによっ
て、磁束量子蓄積部3に対して「1」の場合と逆向きの
磁界が侵入し、「0」の磁束量子が保持される。この
時、もし直前のメモリ状態が「1」であった場合には最
初に磁束量子蓄積部3には正方向の磁束量子が保持され
ているけれども、「0」書き込み動作により書込まれる
逆方向の磁界によりすべて打ち消され、さらに逆方向の
磁束量子が書き込まれることによって、結果として逆方
向の磁束量子のみが保持される「0」状態となる。
The "0" write operation is performed by the write control line 1
It is performed by passing a current in the direction of 0 in the direction opposite to that in FIG. As a result, a magnetic field in the opposite direction to that in the case of "1" enters the magnetic flux quantum storage unit 3, and the magnetic flux quantum of "0" is held. At this time, if the immediately preceding memory state is “1”, the flux quantum in the positive direction is first held in the flux quantum storage unit 3, but the reverse direction written by the “0” write operation is performed. Are all canceled by the magnetic field of, and the magnetic flux quanta in the opposite direction are written, resulting in the "0" state in which only the magnetic flux quanta in the opposite direction are held.

【0022】読み出し動作は、読み出し制御線11に読
み出し制御電流IC を流すことで行う。
The read operation is performed by causing a read control current I C to flow through the read control line 11.

【0023】図4は、読み出し制御線11に読み出し制
御電流IC を流す一方で、図1のメタル配線層8から9
にバイアス電流IB を流した場合の検出接合1の制御特
性(ジョセフソン電流の制御電流依存性)を説明するた
めのグラフである。図中、実線は磁束量子が保持されて
いない場合、一点鎖線は磁束量子蓄積部に「1」の磁束
量子が保持された場合、破線は磁束量子蓄積部に「0」
の磁束量子が保持された場合を示す。図4に表された制
御特性は、検出接合1のトンネルバリヤ層に磁界が印加
されることによって接合1にゼロ電圧の状態で流し得る
バイアス電流(ジョセフソン電流)が減少する様子をプ
ロットしたものである。したがって、動作点がこの山の
中にある場合には、検出接合1はゼロ電圧状態のままで
あり、この山の外へ動作点が出ると検出接合1は電圧状
態に転移する。この特性では、保持されている磁束量子
の磁界が検出接合1のトンネルバリヤ層に加わることに
よって特性が横方向(制御電流軸方向)にシフトしてい
る。読み出し動作においては、図4で動作点がA点にく
るように検出接合1にバイアス電流IB を流しておき、
次に読み出し制御電流線11に制御電流を流して動作点
をB点に移動させる。このとき磁束量子蓄積部3に保持
されている磁束量子が「1」の場合はA点,B点とも
「1」の山の中にあるので検出接合1は電圧転移しな
い。しかしこのとき保持されている磁束量子が「0」の
場合はB点は「0」の山の外にあるため検出接合1は電
圧転移を起こす。したがって読み出し動作の結果、検出
接合1が電圧転移を起こしたか否かで磁束量子蓄積部に
保持された磁束量子が「1」か「0」かを判別すること
ができる。
In FIG. 4, while the read control current I C is passed through the read control line 11, the metal wiring layers 8 to 9 of FIG.
6 is a graph for explaining a control characteristic of the detection junction 1 when a bias current I B is applied to (the dependence of the Josephson current on the control current). In the figure, the solid line indicates that the magnetic flux quantum is not held, the alternate long and short dash line indicates that the magnetic flux quantum storage unit stores a magnetic flux quantum of "1", and the broken line indicates that the magnetic flux quantum storage unit indicates "0".
The magnetic flux quantum of is held. The control characteristic shown in FIG. 4 is a plot of how the bias current (Josephson current) that can flow in the junction 1 at zero voltage is reduced by applying a magnetic field to the tunnel barrier layer of the detection junction 1. Is. Therefore, when the operating point is in this peak, the detection junction 1 remains in the zero voltage state, and when the operating point goes out of this peak, the detection junction 1 transitions to the voltage state. In this characteristic, the magnetic field of the retained magnetic flux quantum is applied to the tunnel barrier layer of the detection junction 1 to shift the characteristic in the lateral direction (control current axis direction). In the read operation, the bias current I B is made to flow to the detection junction 1 so that the operating point becomes the point A in FIG.
Next, a control current is passed through the read control current line 11 to move the operating point to point B. At this time, when the magnetic flux quantum held in the magnetic flux quantum storage unit 3 is "1", the detection junction 1 does not undergo voltage transition because both the points A and B are in the mountain of "1". However, when the magnetic flux quantum held at this time is "0", the point B is outside the peak of "0", and therefore the detection junction 1 causes a voltage transition. Therefore, as a result of the read operation, it is possible to determine whether the magnetic flux quantum held in the magnetic flux quantum storage unit is "1" or "0" depending on whether or not the detection junction 1 has caused a voltage transition.

【0024】このメモリは書き込み制御線を2本用いて
ワード線およびビット線としてこの両者の一致選択で書
き込みセル選択を実現できる。
In this memory, the write cell selection can be realized by using two write control lines as a word line and a bit line and selecting the coincidence between them.

【0025】また読み出しセル選択はバイアス電流線8
および9と読み出し制御線11をワード線とビット線と
して用いてこの両者の一致したセルの検出接合1が電圧
転移するか否かで読み出しセル選択を実現できる。
The read cell is selected by the bias current line 8
Using 9 and 9 and the read control line 11 as a word line and a bit line, the read cell selection can be realized depending on whether or not the detection junction 1 of the coincident cell of these two makes a voltage transition.

【0026】このようにしてこのメモリは非破壊読み出
しのランダムアクセスメモリとなる。しかもこのメモリ
では、読み出しに高速動作する積層イントリンシック接
合を用いているため、動作速度が非常に速いという特徴
がある。また超伝導ジョセフソン接合を用いたメモリで
あるため消費電力が半導体メモリの約1/1000と小
さいため熱的制限が緩いため高密度に実装できるので超
小型で大容量高速のメモリが実現できる。
In this way, this memory becomes a nondestructive read random access memory. Moreover, since this memory uses the laminated intrinsic junction which operates at high speed for reading, it has a characteristic that the operation speed is very high. Further, since the memory uses a superconducting Josephson junction, the power consumption is as small as about 1/1000 that of a semiconductor memory, so the thermal limit is loose and it can be mounted at a high density.

【0027】なお本発明の実施例の説明においては、主
にBiSrCaCuO薄膜の場合について述べたが、積
層イントリンシック接合が形成される高温超伝導体であ
れば、どのような材料であっても本発明の構造は構成可
能であり、材料がBiSrCaCuO薄膜に限定される
ものではない。
In the description of the embodiments of the present invention, the case of the BiSrCaCuO thin film was mainly described, but any material can be used as long as it is a high temperature superconductor in which a laminated intrinsic junction is formed. The structure of the invention is configurable and the material is not limited to BiSrCaCuO thin films.

【0028】また図1,図2,図3においてメタル配線
層(8,9,10,11)を用いているが、これは必ず
しも常伝導の金属薄膜を用いる必要はなく、技術的に可
能であればこれらは酸化物高温超伝導体でも良いし、そ
の他の導電体でもよい。
Although the metal wiring layers (8, 9, 10, 11) are used in FIGS. 1, 2 and 3, this does not necessarily require the use of a normal conductive metal thin film and is technically possible. If so, these may be high-temperature oxide superconductors or other conductors.

【0029】[0029]

【発明の効果】以上説明したように、液体窒素温度(7
7K)以上でも動作する超高速低消費電力のイントリン
シック接合磁束量子メモリを実現できる。
As described above, the liquid nitrogen temperature (7
It is possible to realize an ultra-high speed and low power consumption intrinsic junction magnetic flux quantum memory that operates at 7K) or higher.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明のイントリシック接合磁束量子メモリの
一実施形態として、イントリンシック接合を用いて磁束
量子メモリが構成されたメモリデバイス構造の概略的構
成を説明するための斜視図である。
FIG. 1 is a perspective view for explaining a schematic configuration of a memory device structure in which a magnetic flux quantum memory is configured by using an intrinsic junction as one embodiment of an intrinsic junction magnetic flux quantum memory of the present invention.

【図2】図1のA−A′線に沿う断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG.

【図3】高温超伝導磁束量子メモリの動作を説明するた
めのメモリデバイス主要部の模式的断面図である。
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the main part of the memory device for explaining the operation of the high temperature superconducting flux quantum memory.

【図4】高温超伝導磁束量子メモリの磁束量子検出接合
のジョセフソン電流の制御電流依存性を示すグラフであ
る。
FIG. 4 is a graph showing the control current dependence of the Josephson current of a flux quantum detection junction of a high temperature superconducting flux quantum memory.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 積層イントリンシック接合(磁束量子検出接合) 2 積層イントリンシック接合(コンタクト接合) 3 磁束量子を保持するための高温超伝導体の孔(磁束
量子蓄積部) 4 磁束量子を書き込むための超伝導リンク(幅の細い
超伝導体の部分) 5 メサエッチングの下の超伝導体層で共通下部電極と
なる部分(高温超電導薄膜) 6,7 層間絶縁層 8,9 メタル配線層 10 磁束量子書き込み制御線(メタル配線層) 11 磁束量子読み出し制御線(メタル配線層) 12 エピタキシャル基板 13 高温超伝導体膜を全層エッチングした部分 14 積層イントリンシック接合を形成するために高温
超伝導薄膜5を所定の深さまでメサエッチングした部分 15 高温超伝導体をメサエッチングした部分を絶縁層
(例えばSiO)で埋め戻した部分 16 書き込み制御線10に流れる書き込み制御電流が
発生する磁界 17 読み出し制御線11に流れる読み出し制御電流が
発生する磁界 18 磁束量子蓄積部の孔3に保持された磁束量子が発
生する磁界
1 Multilayer Intrinsic Junction (Flux Quantum Detection Junction) 2 Multilayer Intrinsic Junction (Contact Junction) 3 High-Temperature Superconductor Hole (Flux Quantum Accumulator) for Holding Flux Quantum 4 Superconducting Link for Writing Flux Quantum (Narrow width superconductor part) 5 Part that becomes common lower electrode in superconductor layer under mesa etching (high-temperature superconducting thin film) 6,7 Interlayer insulating layer 8,9 Metal wiring layer 10 Flux quantum write control line (Metal wiring layer) 11 Magnetic flux quantum read-out control line (metal wiring layer) 12 Epitaxial substrate 13 Part where the high temperature superconductor film is etched in all layers 14 High temperature superconducting thin film 5 has a predetermined depth to form a laminated intrinsic junction. 15 Mesa-etched part up to now 15 Mesa-etched part of the high-temperature superconductor is backfilled with an insulating layer (eg, SiO) Magnetic field 6 Fluxoid read control current flowing through the magnetic field 17 read control line 11 is held in the hole 3 of the magnetic field 18 flux quantum storage unit generating a write control current flowing through the write control line 10 is generated is generated

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鈴木 実 東京都千代田区内幸町1丁目1番6号 日 本電信電話株式会社内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Minoru Suzuki 1-6, Uchisaiwaicho, Chiyoda-ku, Tokyo Nihon Telegraph and Telephone Corporation

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 酸化物高温超伝導体に磁束量子を保持さ
せ、保持された前記磁束量子の極性を2値論理の「1」
と「0」とに対応させた超伝導メモリにおいて、 前記酸化物高温超伝導体は、上部超伝導電極となる強超
伝導性層と、下部超伝導電極となる強超伝導性層と、前
記上部超伝導電極および前記下部超伝導電極に挟まれた
バリア層となる弱超伝導性層とを持つ積層構造を有し、
さらに、 前記積層構造に形成され、かつ互いに直列に接続された
複数個のトンネル形ジョセフソン接合の一つをメモリ状
態検出素子として用いたことを特徴とするイントリンシ
ック接合磁束量子メモリ。
1. A high-temperature oxide superconductor holds a magnetic flux quantum, and the retained magnetic flux quantum has a polarity of "1" of binary logic.
In the superconducting memory corresponding to "0", the oxide high-temperature superconductor comprises a strong superconducting layer serving as an upper superconducting electrode, a strong superconducting layer serving as a lower superconducting electrode, and A weak superconducting layer serving as a barrier layer sandwiched between the upper superconducting electrode and the lower superconducting electrode, and
Further, an intrinsic junction magnetic flux quantum memory, wherein one of a plurality of tunnel type Josephson junctions formed in the laminated structure and connected in series with each other is used as a memory state detecting element.
【請求項2】 前記酸化物高温超伝導体に形成された孔
からなる磁束量子保持領域が設けられたことを特徴とす
る請求項1に記載のイントリンシック接合磁束量子メモ
リ。
2. The intrinsic junction magnetic flux quantum memory according to claim 1, further comprising a magnetic flux quantum holding region formed of a hole formed in the high temperature oxide superconductor.
【請求項3】 前記下部超伝導電極は、前記酸化物高温
超伝導体から前記複数個のトンネル形ジョセフソン接合
となるべき部分の周囲を所定の深さまでエッチングする
ことによって切り出され、かつ前記複数個のトンネル形
ジョセフソン接合の共通電極となるもので、さらに前記
エッチングされた部分の下の層状構造に形成された孔を
磁束量子保持領域とすることを特徴とする請求項1に記
載のイントリンシック接合磁束量子メモリ。
3. The lower superconducting electrode is cut out from the high temperature oxide superconductor by etching to a predetermined depth around the plurality of tunnel type Josephson junctions. 2. The in-hole according to claim 1, wherein the tunnel quantum Josephson junction serves as a common electrode, and the hole formed in the layered structure below the etched portion serves as a magnetic flux quantum retention region. Trinsic junction magnetic flux quantum memory.
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