JPS63188979A - 超伝導記憶装置 - 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〕 この発明は、情報をジョセフソン磁束量子の形で超伝導
層中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〕

従来、磁束量子の形で超伝導層中に情報を記憶する超伝
導記憶装置が特願昭６０−２５５１３６号明細書または
第４６回応用物理学会予阿集２Ａ−ＺＤ−４等に開示さ
れている。後者は第６図に示すように、絶縁層１を介し
て第２８［の超伝導層２．３が設けられ、超伝導層３の
上側には情報読出部４が設けられている。情報読出部４
は超伝導体で形敢された読出を極５および制御電極６か
ら構成され、それらは相互に絶縁されており、読出電極
５にはバイアス１流が供給され、制御電極６には読み出
し用の制御電流が供給されるようになっている。また超
伝導層２の端部であつで情報読出部４の量子方向と平行
な一方の端部２ａの付近には超伝導体からなる書込電極
７が設けられ、書込電流が供給されるようになっている
。

このように構成された装置において、書込電極７に書込
電流を供給すると磁場が発生し、その磁場が超伝導層２
，３に影響を与える。超伝導層２゜３は共に第２種超伝
導体で作られているが、超伝導層３は超伝導層２より厚
みが厚く形成されている。その厚さは、書込電流によ多
発生した磁場が超伝導層２は通過するが、超伝導層３は
通過しないように選ばれている。このように構成するこ
とＫよシ、超伝導層２のうち、超伝導層３で覆われてい
ない部分だけ磁束が通過し、超伝導層２の端部２ａの超
伝導体が常伝導体に変えられ、そこで磁束童子が発生し
、磁束量子が一度発生するとその磁束量子はそこに接す
る情報読出部方向の超伝導体を常伝導体に変えながら情
報読出部４の方向に移動する。また、この磁束量子は磁
場が除去された後もビン止め力によシ自己保持される性
質を有している。

このようにして書き込まれた情報は制御電極６に読出用
の制御電流を供給し、また読出電極に読出電流を供給す
ることによってそれ゛らの電流による磁場と、保持され
ている磁束量子による磁場の相互作用によって記憶され
た情報が読み出される。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながらこのような従来の装置において発生する磁
束量子は第２種超伝導体中に発生するアブリコソフ磁束
量子であるため、磁束量子を発生させるために超伝導体
を常伝導体に変えねばならず、このため非常に大きなエ
ネルギが必要であシ、実用性に問題があった。また、磁
束量子の移動も超伝導体を常伝導体に変えながら進むた
め、書込速度が遅いという問題を有していた。

〔問題点を解決するための手段〕

このような問題を解決するためにこの発明は、磁束量子
を発生させる超伝導体にその端部から情報読山部付近ま
で連続して接するジョセフソン接合部を設けたものであ
る。

〔作用〕

超伝導体端部に露出しているジョセフソン接合部でジョ
セフソン磁束量子が発生し、その磁束量子がジョセフソ
ン接合部に添って移動する。

〔実施例〕

第１図はこの発明の一実施例を示す図であシ、−第６図
と同一部分は同記号を用いている。図において、磁束量
子蓄積部２０は第２図に示すように、複数の島状の超電
導体２１の接合部に超伝導性の弱い網目状のジョセフソ
ン接合部２２を肩するように作られている。このジョセ
フソン接合ｓ　２２は第１図に示すように、少なくとも
超伝導層３で覆われていない記号８で示す情報記憶領域
の部分には必らず存在し、第１図および第２図に点線お
よび太目の笑線で示したように、そのジョセフソン接合
部のうち少なくとも１つは記号２２ａ　で示すように、
端部２０ａから情報読山部付近まで（厳密には情報読出
部４の付近まで移動した磁束量子が制御電極６に供給さ
れる制御電流により発生する磁場に影響を与え、その影
響が後述する検出用ジョセフソン接合部に電圧変化をお
こす位置まで〕連続して接している必要がある。ジョセ
フソン接合部２２ａ　のよう々連続して接しているジョ
セフソン接合部を必要があるとき記憶用ジョセフソン接
合部と定義する。また、ジョセフソン接合部２２ａは磁
束量子蓄積部２０の端部２０ａに少なくともその一部が
露出している露出部２２ａｔを有する必要がある。

第１図の記号９ａ、９ｂ　は超伝導層３と読出電極５と
の間に挿入されている絶縁物（この絶縁物は前述したよ
うに第１図には図示していない）に設けられた窓で、こ
の窓を含む■−■方向の断面図が第３図である。第３図
において１０は前述の窓９ａ、９ｂが設けられている絶
縁物、１１は超伝導層３のうち窓９ａ、９ｂで覆われる
領域が酸化されて形成されたトンネル障壁層、１２は鎖
交磁束数を増加させるための絶縁物である。読出電極５
は絶縁物１０．１２の上部に接して設けられるとともに
、その一部は窓９ａ、９ｂｆ：埋め、トンネル障壁層１
１の上面に接している。このトンネル障壁層１１は非常
に薄く、ＢＭＬ導層３および読出電極５の近接効果によ
りジョセフソン接合を形成するようになっている。以下
、そのジョセフソン接合を記憶用ジョセフソン接合部と
区別して呼称する必要がおるとき、読出用ジョセフソン
接合部と定義する。１３は制御電債６と読出電極５を絶
縁するための絶縁物でちる。第３図の絶縁物のうち、絶
縁物１だけが第１図に現われている。

このように構成された装置の動作は次の通シである。先
ず情報の記憶について説明する。情報の記憶を行なうと
きは第１図に示す書込電流を書込極Ｔに流す。このとき
、情報「ｌ」に対応する電流を矢印方向に流すとすれば
、情報「０」に対応する電流は反対方向に流すものとす
る。との書込電流によυ磁場が発生し、その磁場が磁束
量子蓄積部２０に供給される。このことにょシ、磁束量
子蓄積部２０の端部２０ａに露出しているジョセフソン
接合部２２ａｌに磁束量子が発生し、発生した磁束量子
は磁場による力および、端部で次々に発生する磁束量子
によシ作用する斥力によって情報読出部４の方向に押し
込まれる。

ジョセフソン接合部２２（記号２２ａ＋２２ＪＪを含む
）は隣接する超伝導体の近接効果によって常伝導体の絶
縁膜が弱い超伝導体に変えられているものであるから、
その部分を常伝導体にするには本来の超伝導体を常伝導
体に変えるエネルギの数１０分の１以下のエネルギで裏
足シる。そして、発生した磁束量子が磁場により作用す
る力、および後から発生する磁束量子との斥力によシ移
動するがこのとき、本来の超伝導体である島状の超伝導
体２１を常伝導体に変えながら移動するよりも、近接効
果によって弱い超伝導体となっているジョセフソン接合
部２２を常伝導体に変えながら移動する方がはるかにエ
ネルギが少なくてすむ。このため、磁束量子はジョセフ
ソン接合部２２に添って移動するわけであるが、磁束量
子を情報読出部４に影響を与える位置まで移動させるた
めに、前述したように、端部２０ａから情報読出部付近
まで連続して接するジョセフソン接合部が少なくとも１
つは必要な理由がここにある。また、このようにジョセ
フソン接合部に添って磁束量子を移動する形態は従来の
ものよシもはるかに少ないエネルギですむため、磁束量
子の移動速度は従来のものより数千倍早い。

情報読出部４の方向に移動してきた磁束量子は厚みの厚
い超伝導層３の存在によシ、それ以上の移動が妨げられ
る。このようにして、磁束量子蓄積部２０に設けられた
ジョセフソン接合部２２に磁束量子が侵入していき、あ
る程度以上の磁束量子が侵入してしまうと、今度は磁束
量子の互いの斥力により、侵入が困難となり、飽和状態
に達する。このようにして侵入した磁束量子は磁束量子
蓄積部２０のビン止め力（磁束量子を捕獲する力）によ
シ自己保持される。

書込電極７に流す電流を前述と逆の方向にすると、今ま
でと逆向きの磁場が発生し、この磁場によって磁束量子
蓄積部２０に今までと逆向き、すなわち前述の磁束量子
の向きが第１図において紙面の下から上向きの方向であ
る場合、今度は上から下の方向に向いた磁束量子が発生
する。この磁束量子も前述の磁束量子と同様にジョセフ
ソン接合部２２に添って情報読出部４の方向に進んで行
き、既に自己保持されている反対向きの磁束量子と結合
して対消滅する。そしてさらに、新たな磁束量子が侵入
することによって、最終的には以前に自己保持されてい
たとは逆向きの磁束量子だけが超伝導層２０に残留し、
保持される。このため、前者の状態が情報ｒｌＪを記憶
した状態とするなら・後者のものは情報「０」を記憶し
た状態に相当する。

次に記憶された情報の読出しについて説明する。

胱出しは制御電流Ｉｃｓ　を制御電極６に供給するとと
もに、所定のバイアス電流Ｉｓを読出電極５に供給する
ことによって行なう。このとき、バイアス流Ｉｓ　は読
出電極５からトンネル障壁層１１を介して超伝導層３に
流れるが、このバイアス電流の値は、制御電極６に供給
されている制御電流による磁場と、移動してきた磁束量
子による磁場のうち、制″＠電流による磁場と同一方向
の磁場が加え合わされたとき、トンネル障壁層１１に電
圧が発生する有電圧状態となるように設定されている。

第４図は読出用ジョセフソン接合部のｆＪ５ｍ特性を示
す図であり、横軸は制御電極６に供給する制御電流、縦
軸は読出電極５に供給するバイアス電流である。図にお
いて点線は磁束量子が発生していないときの閾値特性曲
線、実線はｒＯＪ状態に相当する磁束量子が保持されて
いるときの閾値特性曲線、一点鎖線は「１」状態に相当
する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、磁束量子蓄積部２０に保持された磁束量
子が作る磁界の影響によるものである。

今、続出電極５に前述した値のバイアス電流１ｓを供給
するとともに、制＠電極６に第１図の矢印方向の制御電
流ＩＣ８を供給することによって動作点を第４図の記号
Ａの位置に移動させることができる。この図は「０」記
憶状態であれば動作点Ａが実紗で示す閾値特性曲線の内
側にあるため、トンネル障壁層１１は苓電圧状態が維持
され、「ｌ」記憶状態であれば動作点Ａは一点鎖線で示
す閾値特性曲線の外側に出てし、まうことから、有電圧
状態に転移するξとを示している。この現象は［０，１
状態のときには磁束量子が作る磁場と、制御電流Ｉｃｓ
が作る磁場とがトンネル障壁Ｎ１１において互いに折消
し合い、「１」状態にあるときは互いに那わシ合うこと
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とを同時に供給したとき
のトンネル障壁層１１の電圧状態によって、記憶状態が
ｒｌＪであるか、「０」であるかを読み出すことができ
る。

＋ＰＩ報記憶装置の記憶動作特性は書込電極７に供給す
る書込′ｔｒｌｆ、の値が小さいことおよび書込速度の
速いことが必要である。これらは前述したようにいずれ
も従来のものよりも非常に小さな値をとるので、従来の
ものよシもはるかに優れ′ｆＣ，特性を肩していること
になる。また、従来は超伝導層２に８２ｍ超伝導性を肩
するものしか用いることができなかつ念が、この例のも
のは磁束玉子が発生および移動する個所は超伝導層では
なく、記憶用ジョセフノン接合部でおるから、超伝導１
−２自体は第１種でも第２褌でも良く、材料の選択範囲
が広くなる。

第２図に示すような網目状のジョセフノン接合部を形成
するには、絶縁性表面を有する基板として例えば、５ｒ
Ｔｉ０３、Ａｔ！　Ｏｓ　、Ｍ９ＡＬｔ　Ｏ４の表面Ｋ
　Ｂ＆　Ｐｂ１−ｘＢ１工０３を蒸着し、堆積後に酸素
や酸化鉛等の雰囲気中において高熱温度処理することＫ
よυ粒界ジョセフンン接合を形成できる。また、Ｓ　１
０２　、Ａｔ２０ｉに例えばＩｎやＳｎ等を蒸着し、堆
積後に酸素等の雰囲気中において暴露処理することによ
り、例えはＩ　ｎｏ３、Ｓ　ｎ０３　衿でなる絶縁／ｍ
が超伝導微粒子のまわりに形成される工程をとることも
できる。この蒸増、酸化の工程を多数回線や返すことに
よって超伝導微粒子Ｈ膜粒界ジョセフンン接合を形成し
、次にその蒸着膜に対しイオンエツチング処理ｔｉは化
学エツチング処理を施こすことによって所望の形状を有
するものを得ることができる。また、超伝導体にその超
伝導性を損なわせる不純物、例えば酸素や磁性不純物を
網目状に導入することもできる。これには例えばＳ　ｔ
Ｏｚ　、Ａｔｚ　ＯｓにＮｂやＰｂ等を蒸着し、堆積後
に島状になったフォトレジストでなるマスク層を用い、
酸素やＦｅ等の超伝導性を損なわせる不純物を例えばイ
オン注入することにより、網の目状に超伝導性の弱い部
分が形成される。その後、このマスク層を除去し、次に
その膜に対し、イオンエツチング処理または化学エツチ
ング処理を施とすことによって、所望の形状を持ったも
のを形成するととができる。または基板上にマスク層を
形成し、その後に超伝導膜を蒸着し、次に有機溶媒等に
よシフオドレジスト上の超伝導薄膜を除去し、島状にな
ったフォトレジストでなるマスク層を用い、酸素やＦｅ
等の超伝導性を損なわせる不純物を例えばイオン注入法
を用いて、網の目状に形成することもできる。

なお、以上の実施例において網目状の概念は第２図に示
すように、ある一平面が網目状になるように説明してき
たが、これは第５図に示すように、風船のような球形の
ものを複数押しつげ、水平面および垂直面ともに絹目状
に々るようにしても良い。また網目とは多角形に限定さ
れず四角形等でも良い。　　　　　゛ 〔発明の効果〕 以上説明したようにこの発明は情報を記憶させる超伝導
層に記憶用ジョセフノン接合を形成したので、情報書込
みのためのエネルギが少なく、また書込速度が早く、実
用的な装置が得られるという効呆を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す斜視図、第２図は第
１図における情報を記憶する部分の超伝導体の一例を示
す斜視図、第３図は第１図の■−■断面図、第４図は情
報読出部の閾値特性を示すグラフ、第５図は網目状の他
の概念を示す斜視図、第６図は従来装置の一例を示す斜
視図である。 １．１０，１２，１３・・・・絶縁物、２．３・・・・
超伝導層、４・・・・情報読出部、５・・・・読出電極
、６県・・・制御電極、Ｔ・・・・畳込電流、８・・・
・情報記憶領域、９ａ　、　９ｂ・・・・窓、１１・・
・・トンネル障壁層、２０・・・・磁束量子蓄積部、２
１・・・・超伝導体、２２・・・・ジョセフノン接合部
。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 磁場が印加されることによつて端部で磁束量子を発生で
   き、その磁束量子が情報読出部に向つて移動するととも
   に、磁場を取除いた状態でもすでに発生した磁束量子を
   保持できる磁束量子蓄積部を少なくとも有する超伝導記
   憶装置において、当該磁束量子蓄積部は端部から情報読
   出部方向に連続して接するジョセフソン接合部を備え、
   そのジョセフソン接合部は磁束量子を発生する端部に少
   なくとも一部が露出し、かつ移動した磁束量子により発
   生した磁場が情報読出部に影響を与える位置まで連続し
   ていることを特徴とする超伝導記憶装置。