JPS62179181A - ジヨセフソン集積回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、接地薄膜内にトラップ（捕捉）された磁束を
取り除く手段を有するジョセフソン集積回路に関する。

（従来の技術） ジョセフソン集積回路は基板上に超伝導薄膜を形成して
なり、その超伝導薄膜は接地薄膜とこの接地薄膜上に設
けたジョセフソン回路薄膜とからなる。このジョセフソ
ン回路薄膜がジョセフソン接合、干渉計ループ等のジョ
セフソン回路をなしている。

超伝導薄膜によって作られるジョセフソン集積回路の正
常動作をさまたげる障害のひとつとして、従来から超伝
導薄膜における磁束のトラップという現象が問題になっ
ていた。臨界温度Ｔｃをもつ完全な超伝導薄膜の温度Ｔ
がＴ＞ＴｃからＴくＴｃまで下がることにより、始め超
伝導薄膜を貫ぬいていた弱い磁場はマイスナー効果によ
ってすべて超伝導薄膜から排除される。しかし、もしこ
の超伝導薄膜の超伝導性が多少たりとも不純物、格子欠
陥などによってそこなわれると、Ｔ＜Ｔｃの状態におい
て磁場は超伝導膜内から完全には排出されず、トラップ
された磁束として薄膜内に残る。磁場の十分弱い状態で
は、トラップされる磁束はボルテックスとよばれる量子
化された磁束である（磁束量子Φ。＝２刈叶７Ｇ／ｃｍ
２）。通常の方法で製作される超伝導薄膜はいずれも完
全なものではなく、アイ・イー・イー・イー件うンズア
クションズ・オン・マグネティクス（ＩＥＥＥ　Ｔｒａ
ｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ）Ｖｏ
ｌ、ＭＡＧ−１９゜Ｎｏ、３．１９８３に述べられてい
るような、磁束量子のトラップ現象が起きる事が知られ
ている。実際のジョセフソン回路は各ゲート間、ライン
間の磁気的結合を小さくするために接地薄膜上に作られ
ている。しかし、この接地薄膜内に磁束量子がトラップ
されていて（即ち、ボルテックスが存在して）、そして
そのトラップされた磁束が干渉計ループ又はジョセフソ
ン接合自身に結合しているとすると、ジョセフソン集積
回路は誤動作を起す。第２図に上記のような状態を示す
。

第２図は磁束量子をトラップした超伝導薄膜の模式的な
断面図である。図中、１は接地薄膜、２は干渉計ループ
、３はジョセフソン接合、４はボルテックス（トラップ
された磁束量子）、５は磁力線を示す。ボルテックス４
の径は約５０ｎｍ、磁場が貫ぬく接合の断面は約３００
ｎｍＸ　５０００ｎｍ、干渉計の径は約１１００００ｎ
、膜厚はすべて約３００ｎｍである。第２図のようにト
ラップされた磁束が、ジョセフソン接合３と結合してい
ると、その接合３のジョセフソン電流が小さくなるし、
またそれが干渉計ループ２と結合していると干渉計ゲー
トの制御特性に変化をもたらす。いずれの場合も磁気的
結合の度合によってはその磁気的結合がゲートの誤動作
を誘発する原因となる。通常ジョセフソン集積回路の動
作は磁気遮蔽の中の非常に低い磁場中で行なわれる。

この種の磁気遮蔽内の磁場は約１ｏｐｃはどであるが、
この磁場は例えば１０ｃｍＸ　Ｌｏａｎのチップ総面積
を持つ複数のジョセフソン集積回路チップからなるジョ
セフソンコンピュータ内に約５０００個の磁束量子をト
ラップさせコンピュータの誤動作の原因となる。実際に
はジョセフソンコンピュータを冷却する時に熱起電力に
よって誘起される電流によって、上記のようなサイズを
持つコンピュータはさらに多くの（数万個乃至数十万個
の）磁束量子をトラップするであろうと推測されていて
、このような環境下での正常な演算動作はほとんど不可
能である。

従来ではこのように接地薄膜にトラップされた磁束の影
響が避けられるように回路初期化するには、以下に述べ
る方法があった。その方法ではまず接地薄膜以外の超伝
導薄膜、即ちジョセフソン回路薄膜が常伝導状態になる
ようにする。こうすることにより接地薄膜中にトラップ
された磁束ボルテックスは、ジョセフソン回路薄膜の影
響を受けずに超伝導状態にある接地薄膜中を移動出来る
。上記のような接地薄膜を超伝導状態に保ち同時にそれ
以外の超伝導薄膜（ジョセフソン回路薄膜）を常伝導状
態にする方式として、たとえば接地薄膜以外の超伝導薄
膜にその薄膜の超伝導臨界電流以上の電流を生入する方
式、または接地薄膜以外の超伝導薄膜の材料としてその
超伝導臨界温度Ｔが接地薄膜の材料の超伝導臨界温度Ｔ
。。よりも低い材料を選びＴｃＪ＜Ｔ＜Ｔ。０という温
度Ｔに環境温度を設定する方式などがある。この状態で
、接地薄膜内に電流密度Ｊを持つ電流（ボルテックス駆
動電流）を流すとローレンツ力Ｆ＝ＪＸΦ０がボルテッ
クスに対して作用する（Φ０は磁束量子であり、Ｆ、Ｊ
、Φ。はベクトル量である）。このローレンツ力によっ
てボルテックスは接地薄膜内をボルテックス駆動電流に
垂直な方向に向って駆動される。

超伝導薄膜内では、ピン留めセンターを呼ばれるボルテ
ックスの初期の位置からボルテックスが脱出するのを防
ぐピン留め力Ｆ、が存在する事が知られている。このピ
ン留め力Ｆ、大きさは、薄膜の材料、膜質、膜厚などに
よって左右される。したがってローレンツ力Ｆによって
薄膜内のボルテックスを駆動するにはＦ＞Ｆ、という条
件が満足しなければならない。つまりある一定の電流密
度Ｊ、＝ＦＰ／Φ０以上の電流を薄膜内に流さないとボ
ルテックスは駆動小米ない。

第３図はＪ＞ＪＰという電流密度Ｊを超伝導接地薄膜に
流した時の接地薄膜の模式断面図である。第３図中１は
接地薄膜、４はボルテックス、６は反ボルテックス、７
は接地薄膜を流れる電流、８はローレンツ力である。反
ボルテックスにはボルテックスの反対の方向に磁束がト
ラップされている。第３図かられかるように、このよう
な場合接地薄膜の中心部からボルテックスまたは反ボル
テックスはとり除かれている。

（発明が解決しようとする問題） しかし電流密度を上げ過ぎると、薄膜内電流に平行した
超伝導薄膜の辺部に超伝導臨界磁場Ｈ６（第２種超伝導
導体であればＨ６１）以上の磁場が生じてしまい、新し
いボルテックスが薄膜内に生じてしまう。このような状
態の臨界電流をＪ。＝ＫＨｏとすると（Ｋは定数）、理
想的なボルテックス駆動電流ＪはＪｏ＞Ｊ＞Ｊ、となる
。実際には超伝導薄膜内の電流密度は、膜辺部で高く、
中心部で低くなっているが、本特許の論議にはさしされ
りないので、電流密度はすべて均一なＪとする。

言うまでもなく、薄膜のピン留め力ＦＰは小さければ小
さいはどイｆ利であるが、薄膜により例えばＪ、＞Ｊｏ
というような極端な条件を持つものもある。

上記のように極端ではなくとも、ピン留め力が大きいと
Ｊ、とＪ。の差が縮まり、Ｊ、＜Ｊ＜Ｊ。という条件を
満たすＪの動作領域が狭くなる。

（問題点を解決するための手段） 前述の問題点を解決するために本発明が提供する手段は
、接地薄膜上の一定の領域にジョセフソン回路を設けて
なるジョセフソン集積回路であって、前記接地薄膜のボ
ルテックスにローレンツ力を作用してそのボルテックス
を移動させる電流が供給される端子が前記接地薄膜の相
対する縁辺に設けてあり、前記ジョセフソン回路が設け
てない領域の前記接地薄膜の少なくとも一部分に前記ジ
ョセフソン回路が設けてある領域の前記接地薄膜より膜
厚の領域をもうけた事を特徴とするジョセフソン集積回
路である。

（作用） 前記のボルテックス駆動電流密度Ｊの狭い動作領域を広
くするために、本発明では薄膜内電流に平行した超伝導
薄膜の辺部に、ピン留め力を強くするために中心部より
も厚い接地薄膜の領域をもうける。

超伝導薄膜の膜質が均一だとすると、例えば第２図から
れかるように膜厚が厚ければ厚いほどボルテックスの断
面積は大きくなり、それにしたがってピン留め力も増大
する。したがってこの辺部のピン留め力をＦＰ？すると
、電流密度Ｊがたとえ多少Ｊ。以上であってもＪＰＥ　
”　ＦＰｇ’Φ。以上であれば薄膜辺部から侵入したボ
ルテックスは、辺部の大きなピン留め力ＦＰｇにより薄
膜辺部に固定され、薄膜の中心部へ向ってローレンツ力
によって移動する事が出来ない。

第４図及び第５図に上記の各情況を図解して示す。これ
らの図はいずれで超伝導接地薄膜の断面図であり、図中
１は接地薄膜、４はボルテックス、６は反ボルテックス
、７は接地薄膜を流れる電流、８はローレンツ力、９は
接地薄膜中膜厚の厚い部分、１０はピン留め力である。

反ボルテックスにはボルテックスの反対の方向に磁束が
トラップされている。

第４図は電流密度が増えＪ＞Ｊｏ＞Ｊ、又はＪ＞Ｊ、＞
Ｊｏとなった場合のボルテックスの分布である。これは
ボルテックスと反ボルテックスが絶えず接地薄膜の辺部
より膜内に侵入し、ローレンツ力によって膜中各部へと
駆動され、膜のほぼ中心部でお互いに衝突して消滅する
ボルテックスの定常的に流動する状態である。第５図は
接地薄膜の辺部にピン留め力の強い膜厚の厚い部分９を
配置し、第４図のように電流密度であっても、膜辺部の
ピン留め力Ｆ、。＝ΦＯＪＰｇが、ＪＰ、＞Ｊ＞Ｊ、＞
Ｊｏ又はＪ、、＞　Ｊ　＞Ｊｏ＞　Ｊ、であれば、ボル
テックスの定常的に流動する状態はまのがれる事が出来
、薄膜中心部にはボルテックスが存在しない状態を示し
た。

（実施例） 第１図（ａ）及び第１図（ｂ）に本発明の実施例を示す
。

第１図（ａ）は本実施例の上面図、第１図（ｂ）はその
断面図である。両図中１は接地薄膜、１１はジョセフソ
ン回路が分布している領域、１２は電源、１３は電流供
給線、１４はボルテックス駆動電流供給端子、９は接地
薄膜中膜厚の厚い部分である。

第１図（ａ）と（ｂ）中１５の部分は膜厚が他の接地薄
膜の部分よりも厚いので、その部分のピン留め力は中心
部と比較して大きい。このような構造を持つ接地薄膜を
使用すると、第５図で示したようなＪ、８〉Ｊ＞Ｊｏ＞
Ｊ、又はＪ、Ｆ、＞　Ｊ　＞　Ｊ、＞　Ｊｏという広い
電流密度での領域正常にボルテックスを接地薄膜の中心
部から取り除く事が出来る。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明を使用する事により、ジョ
セフソン回路中のボルテックスを取り除くために接地薄
膜中に流すボルテックス駆動電流の上限を増す事が出来
る。したがってボルテックス駆動電流の動作マージンが
より大きくなり、ローレンツ力に対して比較的ピン留め
力の強い膜質を持った接地薄膜中央部からもボルテック
スを取り除く事が出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明の実施例の模式的な上面図、第１
図（ｂ）はその断面図、第２図は接地薄膜に磁束量子が
トラップされている状態にあるジョセフソン集積回路の
超伝導薄膜を示す模式的な断面図、第３図はピン留め力
以上のローレンツ力を発生させるボルテックス駆動電流
によりボルテックスを膜中各部より取り除いた状態を示
す模式的断面図、第４図はボルテックスが定常的に流動
している状態を示す模式的断面図、第５図は接地薄膜辺
部にピン留め力の強い部分を配置した状態の模式的断面
図。 １接地薄膜 ２干渉計ループ ３ジョセフソン接合 ４ポルテツクス ５磁力線 ６反ボルテックス ７接地薄膜を流れる電流 ８０−レンツ力 ９接地薄膜中膜厚の厚い部分 １０ピン留め力 １１ジョセフソン回路が分布している領域１２電源 １３電流供給線 １４ポルテツクス駆動電流供給端子 −−゛） Ｑ−−リーＩ−ｒ’７Ｆ−二′ Ｉ−’　　＝　＋＋　　　、　１イ　２．・　　　　ロ
ー−′第３図 Ｊｃ〉Ｊ＞Ｊ、ｐ オ　４　図 Ｊ＞ＪＱ＞ｆｒ　　ズｌ−！　　Ｊ：＞Ｊりンエ７幾簿
Ｈ月１ブυ上夙

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 接地薄膜上の一定の領域にジョセフソン回路を設けてな
   るジョセフソン集積回路において、前記接地薄膜のボル
   テックスにローレンツ力を作用してそのボルテックスを
   移動させる電流が供給される端子が前記接地薄膜の相対
   する縁辺に設けてあり、前記ジョセフソン回路が設けて
   ない領域の前記接地薄膜の少なくとも一部分に前記ジョ
   セフソン回路が設けてある領域の前記接地薄膜より膜厚
   の厚い領域をもうけた事を特徴とするジョセフソン集積
   回路。