JPS63172479A - 磁束量子素子 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） この発明は、ジョセフソン線路中における磁束量子（ジ
ョセフソンボルテックスと呼ばれる）の停止および再転
ばんの制御機能を有する磁束母子素子に関し、例えば高
速論理回路やメモリ等に応用されるものである。

（従来の技術） 磁束量子素子は、ジョセフソン線路に磁束母子が停止し
て存在する状態を“１″に対応させ、また磁束１子が再
転ばん等により存在しない状態を“０″に対応させて論
理回路やメモリ等の機能を実現することができる。

このような機能を有する従来の磁束量子素子としては、
例えば第１０図に示すよう゛なものがある（Ｓ、　５ａ
ｋａｉ、　Ａｋｏｈ　　ａｎｄ　　Ｈ，Ｈａｙａｋａｗ
ａ　：信学技報５ＣＥ８５−１５　（１９８５）７）。

第１０図中、１０は分布定数形のジョセフソン線路であ
り、分布定数形ジョセフソン線路１０は、超伝導体から
なる上部電極１０１および下部電極１０２の間にトンネ
ルバリア１０３が挟まれた接合構造を基体として構成さ
れ、この接合構造が磁束量子の伝ぱん方向（第１０図の
横方向）にロンドンの侵入距離λの５倍程度以上の長さ
に形成されている。そして、このような分布定数形ジョ
セフソン線路１０中の所要位置に、上部電極１０１と下
部電極１０２とを短絡するように磁束量子の停止手段と
しての抵抗体１４が設けられている。

ここで、ジョセフソン線路には、上述のような分布定数
形ジョセフソン線路１０のほかに、第１３図に示すよう
な集中定数形ジョセフソン線路２０がある。集中定数形
ジョセフソン線路２０は、超伝導体からなる上部電極２
０１および下部電極２０２の間に、所定長さのトンネル
バリア２０３とトンネル電流が流れ得ないような膜厚の
絶縁層２０４とが交互に介挿された構造を有している。

各トンネルバリア２０３の部分の長さは、ロンドンの侵
入距離λよりも小さく形成されている。トンネルバリア
２０３の部分で第１４図の等価回路に示すようなジョセ
フソン接合（以下単に接合という）１１が形成され、絶
縁ｍ２０４の部分でインダクタンスが形成されている。

上部電極２０１には、各接合１１にバイアス電流Ｉｂを
供給するためのバイアス電流供給線１２が接続されてい
る。

ところで、磁束は、超伝導体に侵入することはできない
。このため、上述のように上部電極と下部電極が超伝導
体であるジョセフソン線路中においては磁束量子は超伝
導性が弱く電流の変化により常伝導となるトンネルバリ
ア中に存在する。そしてさらに、上部電極２０１と下部
電極２０２との間に絶縁層２０４が存在する集中定数形
のジョセフソン線路２０では、絶縁層２０４は弱い超伝
導体であるトンネルバリア２０３部の接合１１と上部電
極２０１および下部電極２０２の超伝導体とで構成され
る超伝導ループで囲まれているので、磁束量子１３は、
この絶縁層２０４、即ち超伝導ループ内に存在する。こ
の超伝導ループからはループの一部の超伝導性が失われ
ない限り磁束量子は出入りすることができない。

磁束量子１３が伝ぱんまたは再転ばんするとは、磁束量
子１３に伴なう周回電流Ｉｓとバイアス電流１ｂとの和
の電流１　ｂ＋　ｌ　ｓにより磁束量子１３の伝ぱん方
向前方の接合１１がボルテックス転移してその部分の超
伝導性が失われ、さらに磁束量子１３がバイアス電流Ｉ
ｂによるローレンツ力を受けて前方の超伝導ループに移
動することを意味する。したがって、伝ぱん方向前方の
接合１１・がボルテックス転移しないようにすれば磁束
量子１３を停止させるという現象が生じるのである。

第１１図は、前記第１０図に示した磁束が子素子の動作
モード特性を示す図である。斜線内の領域が非伝ぱん領
域であ″す、磁束母子の伝ぱん方向前方の接合がボルテ
ックス転移しない領域である。

そして斜線領域よりも上の領域が、伝ぱん領域であり、
磁束量子の伝ぱん方向前方の接合がボルテックス転移す
る領域である。

バイアス電流１ｔ）＋　と磁束量子に伴なう周回電流Ｉ
Ｓｒの和の電流がボルテックス転移の領域に入ったとき
磁束量子が伝ぱん（再転ばん）される。

そして上部電極１０１と下部電極１０２とを短絡する抵
抗体１４は、磁束量子を駆動する役割を果すバイアス電
流と磁束量子に伴なう周回電流とを分流させ、バイアス
電流をＩｂｒからＩｂ２に、また周回電流をＩＳ＋かう
１５３に低減させて前方方向の接合をボルテックス転移
させないようにして磁束量子を停止させるということを
行なっていた。

（発明が解決しようとする問題点） 従来の磁束量子素子では、上部電極と下部電極が抵抗体
で短絡されていたため、抵抗体が接続された部分だけで
なく、ジョセフソン侵入距離λｊ程度の範囲の周辺にお
いても磁束量子に駆動力を与えるバイアス電流が抵抗体
に分流されてしまう。

このため抵抗体が接続された箇所の前後において駆動力
が抑制されて磁束量子の伝ぱん速度の低下を招き、磁束
―子素子の持つ特徴の１つである高速伝ぱん性を十分に
生かすことができないという問題点があった。

第１２図の（Ａ）、（Ｂ）は、従来の磁束吊子素子にお
ける上述のような伝ぱん速度の低下を、シュミレーショ
ンにより示したものである。第１２図（Ａ）はジョセフ
ソン線路中に短絡抵抗体を設けない場合のシュミレーシ
ョン結果、第１２図（Ｂ）はジョセフソン線路中に磁束
量子が停止するような値の短絡抵抗体を設けた場合のシ
ュミレーション結果である。両図ともジョセフソン線路
内の各接合の位相の時間変化をプロットしたものである
。シュミレーションの条件は βｃ−３５００ 短絡抵抗体の抵抗値＝〇、１Ω である。ここにβＣはマツカンバーパラメータと呼ばれ
、周知の無名数ファクターである。

磁束量子が、その接合を通過したことは、位相が２π変
化することで示される。そこで各接合における位相変化
を比較すると磁束量子がジョセフソン線路中に侵入して
から抵抗短絡部分の直前の接合に到達するまで（１０λ
ｊの区間）の時間から、抵抗体が接続されたことにより
、伝ぱん速度は約８０％に低下している。また抵抗短絡
部分の直ｆｔｔ２λｊの区間の８［の比較から、抵抗体
が接続されたことにより、伝ぱん速度は約５０％低下し
ている。

そして上記の結果から磁束量子素子を論理素子として応
用する場合、つまり特に線路長を短くして使用するとき
に抵抗体短絡を用いると動作速度の低下を招（という問
題点があった。また、伝ぱん速度の低下はバイアス電流
の２１流値を増加させる、あるいは抵抗体の値を調整し
て線路の制動条件を軽くするということにより低減でき
るが、このようにすると磁束量子が停止するマージンが
狭くなるため得策ではない。

この発明は上記事情に基づいてなされたもので、磁束量
子の伝ぱん速度を低下させることなく伝ぱん中の磁束量
子の停止および再転ばんを的確に実現することのできる
磁束量子素子を提供することを目的とする。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） この発明は上記問題点を解決するために、超伝導体から
なる上部電極および下部電極の闇にトンネルバリアが挟
まれた接合を有するジョセフソン線路に、インダクタン
ス生成手段で構成され前記ジョセフソン線路を伝ぱんす
る磁束量子を停止させる手段と、磁束量子の伝ぱん方向
前方の前記接合をボルテックス転移させて停止した磁束
量子を再伝ぱんさせる手段とを具備させたことを要旨と
する。

（作用） 磁束量子を停止させる手段はインダクタンス生成手段で
構成されているので、磁束量子に伴なう周回電流のみが
前記第１１図中、１５２で示すように低減されて伝ぱん
中の磁束量子が停止される。

停止している磁束量子を再伝ぱんさせる際は、磁束量子
を再伝ぱんさせる手段から、伝ぱん方向前方の接合に補
助バイアス′Ｒ１が注入され伝ぱん方向前方の接合がボ
ルテックス転移して磁束量子が再転ばんされる。

上記のように、磁束量子に駆動力を与えるバイアス電流
に対しては、°これを抑制することなく磁束量子の停止
が行なわれるので、磁束量子の伝ぱん速度は低下するこ
となく、その停止および古仏ばんが行なわれる。

（実施例） 以下、この発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図ないし第４図は、この発明の第１実施例を示す図
である。この実施例は集中定数形ジョセフソン線路に適
用されている。

なお、第１図、第２図および後述の各実施例を示す図に
おいて、前記第１０図、第１３図および第１４図におけ
る部材および部位等と同一ないし均等のものは、前記と
同一符号を以って示し、重複した説明を省略する。

まず、磁束量子素子の構成を説明すると、この実施例で
は、基中定数形ジョセフソン線路２０の所要位置におけ
る上部電極２０１と下部電極２０２との間に、所要の厚
さおよび磁束量子１３の伝ぱん方向に所要の長さを有す
るインダクタンス用絶縁層２が介挿され、このインダク
タンス用絶縁層２の介挿部に、磁束量子を停止させる手
段としてのインダクタンス構成部（インダクタンス生成
手段）１が形成されている。

インダクタンス構成部１における単位長さ当りのインダ
クタンスＬｏの値は次式で与えられる。

Ｌｏ＝（λ１＋λ２　＋　ｄ　）　・μ／Ｗ　　＝（１
）ここに λ１　：上部電極ロンドン侵入距離 λ２　：下部電極ロンドン侵入距離 ｄ：インダクタンス用絶縁層の厚さ μ：絶縁層形成物質の透磁率 Ｗ二接台幅（磁束量子の伝ぱん方向と直交する方向の長
さ） である。

インダクタンス用絶縁層２は、集中定数形ジョセフソン
線路を構成する絶縁層２０４と同材質のものが用いられ
、この絶縁層２０４の長さよりも長く形成されている。

したがってインダクタンス構成部１におけるインダクタ
ンスの値は、絶縁層２０４の部分に形成されるインダク
タンスよりも大きく形成されている。

４は各接合１１にバイアス電流を供給するためのバイア
ス電流供給線であり、インダクタンス構成部１の部分に
は、このバイアス電流供給線４のほかに、磁束量子の伝
ぱん方向前方の接合１１に補助バイアス電流を注入する
ための電流注入線５が接続されている。この電流注入線
５により停止した磁束ω子を古仏ばんさせる手段が構成
されている。

次に上記のように構成された磁束量子素子の動作を説明
する。

いま、第２図に示すように磁束量子１３がインダクタン
ス構成部１で構成されるインダクタンスループに存在す
るとき、このインダクタンスループには磁束量子１３に
伴なう次式のような周回電流Ｉｓが流れる。

ｌｓ−φｏ　／　Ｌ　　　　　　　　　　　・・・（２
）ここに φ０　：磁束量子 Ｌ：インダクタンスループのインダクタンス値（ｐＨ） 上記（２）式から、インダクタンスループのインダクタ
ンス値りを所定値以上に設定すると、周回電流が前記第
１１図中１８２で示したように低減されて伝ぱん方向前
方の接合１１がボルテックス転移せず、磁束量子１３は
磁束量子を停止させる手段であるインダクタンス構成部
１に停止される。

第３図は、磁束量子の停止特性をシュミレーション結果
により示したもので、バイアス条件Ｉｂ／Ｉｃ ■ｂ＝バイアス電流供給１１４から供給されるバイアス
電流値 ＩＣ＝臨界電流値 をパラメータとして、ジョセフソン線藷のインダクタン
ス値およびインダクタンスループのインダクタンス値に
よる磁束量子の停止条件を示したものである。各パラメ
ータによる特性線の上側が磁束量子が停止する停止領域
であり、下側が磁束量子が伝ぱん（古仏ばん）する伝ぱ
ん領域である。

同特性のシュミレーションモデルとしては、磁束量子の
高速伝ぱん性を生かすことができ、しかも安定伝ぱん可
能であるという条件を考慮にいれて βｃ＝３５００ の系が用いられた。

上記のシュミレーション結果は、磁束量子をインダクタ
ンスループに停止させるために必要なインダクタンス値
はバイアス電流１ｂの増加とともに大きくなることを示
しており、そのインダクタンス値が６．４ｐＨ以上に定
められると安定伝ぱん中の磁束母子がインダクタンス構
成部１に確実に停止されることが示されている。

また、上記と同様の条件において、磁束量子がジョセフ
ソン線路に侵入してからインダクタンス構成部１が設け
られた箇所までの磁束量子の伝ぱん速度は、インダクタ
ンス構成部１゛が設けられない場合の速度の９７％程度
である。したがってインダクタンス構成部１を設けたこ
とによる伝ぱん速度の低下はほとんどなくこの発明の１
つの目的である伝ぱん速度を低下させることなく磁束量
子を確実に停止させることが実現されている。

一方、上記のようにしてインダクタンスループに停止さ
れた磁束量子１３を古仏ばんさせる際は、電流注入Ｉ！
！５からインダクタンスループの前方の接合１１に所要
値の補助バイアス電流がトリガー的に注入される。この
結果、周回電流の低減分が補われて、伝ぱん方向前方の
接合がボルテックス転移し、磁束量子１３が古仏ばんさ
れる。

第４図は、磁束量子の古仏ばん特性をシュミレーション
結果により示したもので、補助バイアス電流を注入とだ
ときと、注入しないときとについての磁束量子の挙動を
示したものである。

同図中、破線特性は補助バイアス電流を注入したときの
特性であり、実線特性は補助バイアス電流を注入しない
ときの特性である。また、同図中Ｉｊは接合に流れる電
流を示している。両特性ともに、特性線の右側が磁束量
子が伝ぱん（古仏ばん）する伝ぱん領域である。

同特性のシュミレーションの系は、前記第３図の特性の
ときのシュミレーションの系と同じである。

上記のシュミレーション結果は、バイアス電流およびイ
ンダクタンス値等を適値に設定して、補助バイアス電流
を注入しないときには停止し注入したときには古仏ばん
する動作領域（破線の斜線領域）を用いることにより、
インダクタンス構成部１に停止した磁束量子を、補助バ
イアス電流の注入により確実に古仏ばんさせ得ることを
示している。

第５図には、この発明の第２実施例を示す。この実施例
は、分布定数形ジョセフソン線路に適用されている。

そして分布定数形ジョセフソン線路１０の所要位置に、
前記第１実施例のものと同様のインダクタンス用絶縁層
２が介挿されてインダクタンス構成部１が形成されてい
る。

また第５図には図示省略されているが、前記第１図と同
様のバイアス電流供給線および補助バイアス電流注入用
の電流注入線が接続されている。

インダクタンス構成部１への磁束量子の停止動作および
停止した磁束量子の古仏ばん動作は、前記第１実施例の
ものとほぼ同様である。

第６図には、この発明の第３実施例を示す。この実施例
は、分布定数形ジョセフソン線路に適用されている。

そして分布定数形ジョセフソン線路１０の所要位置にお
ける接合を所要の長さだけ所要幅に狭く形成することに
よりインダクタンス構成部３が形成されている。接合の
幅を狭く形成することにより、前記０）式中のＷの値が
小さくなり、単位長さ当りのインダクタンス値Ｌｏを、
ジョセフソン線路１０中の他の部分のインダクタンス値
よりも所要値だけ大きくすることができる。

前記第２実施例の場合と同様に、第６図には図示省略さ
れているが、前記第１図と同様のバイアス電流供給線お
よび補助バイアス電流注入用の電流注入線が接続されて
いる。

インダクタンス構成部３への磁束量子の停止動作および
停止した磁束量子の古仏ばん動作は、前記第１実施例の
ものとほぼ同様である。

なお、この実施例の態様のインダクタンス構成部３は、
集中定数形ジョセフソン線路を用いた磁束量子素子にも
適用することができる。

第７図ないし第９図には、この発明の第４実施例を示す
。この実施例は集中定数形ジョセフソン線路に適用され
ている。

そして集中定数形ジョセフソン線路２０中に、所要間隔
をおいて複数個のインダクタンス構成部１が配設され、
シフトレジスタが構成されている。

また、これとともに各インダクタンス構成部１に、磁束
（６）子を再伝ぱんさせる手段としての電流注入線５が
それぞれ接続されている。さらにこの実施例では情報の
読出し手段として、インダクタンス構成部１のインダク
タンスに、磁束量子を検出するために用いられる５ＱＵ
ＩＤ６が磁気的に結合されている。７ａは読出し信号線
、７ｂはバイアス電流供給線である。

この実施例に係る磁束量子素子の動作を説明すると、各
インダクタンス構成部１に対する磁束量子の停止動作お
よび停止した磁束量子の再転ばん動作は、前記第１実施
例のものとほぼ同様である。

そしてインダクタンス構成部１に磁束量子が停止して存
在する状態が“１”、磁束量子が存在しない状態が“０
”に対応される。磁束量子をジョセフソン線路２０の一
方の端から侵入させるか否かで新たな情報が書込まれ、
且つ各インダクタンス構成部１に同時にパルス状の補助
バイアス電流が注入されることにより、停止していた磁
束量子が次のインダクタンス構成部１までそれぞれ伝ぱ
んされる。このようにして記憶状態が１ステツプづつ移
動するシフトレジスタ動作が実現される。

一方、読出し動作は、インダクタンス構成部１に停止し
ている磁束量子に伴なう周回電流を、５ＱＵＩＤ６の閾
値特性のシフトの形で検出することにより実現される。

第９図は、この５ＱＬＩＩＤ６の閾値特性を示すもので
、同図中、実線特性はインダクタンス構成部１に磁束量
子が停止していないときのＨｆｔｉ特性、破線特性は磁
束量子が停止しているときの閾値特性である。両特性と
もに特性線を越えた上の領域が電圧転移領域である。

したがって読出し用の信号として、読出し信号線７ａお
よびバイアス電流供給線７ｂから、それぞれＩＣ３およ
びＩｂ３を加えると、インダクタンス構成部１に磁束量
子が停止していないときには５ＱＵＩＤ６は電圧転移せ
ず、そのバイアス供給点には電圧が発生しない。一方、
磁束量子が停止しているときには電圧転移して５ＱＵＩ
Ｄ６のバイアス供給点に電圧が発生する。したがって読
出し用の信号ＩＣ３およびＩｂ３を加えたときの５ＱＵ
ＩＤ６の検出電圧の有無でインダクタンス構成部１のメ
ｉり状態が検出される。

［発明の効果］ 以上説明したように、この発明によれば、磁束量子を停
止させる手段はインダクタンス生成手段で構成されてい
るので、磁束量子に伴なう周回電流のみが低減されて磁
束量子の停止が行なわれ、磁束量子に駆動力を与えるバ
イアス電流は抑制されることがない。このため磁束量子
の伝ぱん速度を低下させることなく伝ぱん中の磁束吊子
の停止および再転ばんを的確に実現することができると
いう利点がある。

【図面の簡単な説明】

゛第１図はこの発明に係る磁束量子素子の第１実施例を
示す構成図、第２図は同上第１実施例の等価回路を示す
回路図、第３図および第４図は同上第１実施例の動作特
性を示すもので第３図は磁束量子の停止特性を示す特゛
性図、第４図は磁束量子の再転ばん特性を示す特性図、
第５図はこの発明の第２実施例を示す斜視図、第６図は
この発明の第３実施例を示す斜視図、第７図はこの発明
の第４実施例を示す構成図、第８図は同上第４実施例の
等価回路を示す回路図、第９図は同上第４実施例におけ
る磁束量子検出用５ＱＵＩＤのａｌｌ特性を示ず特性図
、第１ｏＷＩは従来の磁束量子素子の斜視図、第１１図
は同上従来例の動作モード特性を示す特性図、第１２図
は同上従来例におけるジョセフソン線路中の磁束量子の
伝ぱん特性を示す特性図、第１３図は従来の集中定数形
ジョセフソン線路の構成図、第１４図は同上集中定数形
ジョセフソン線路の等価回路を示す回路図である。 １．３：インダクタンス構成部（インダクタンス生成手
段）、 ２：インダクタンス用絶縁層、 ４：バイアス電流供給線、 ５：電流注入線、 １０：分布定数形ジョセフソン線路、 １１：接合、 ２０：集中定数形ジョセフソン線路。 １０１．２０１　：上部電極、 １０２．２０２：下部電極、 １０３．２０３：トンネルバリア。 代理人　　弁理士　　三　好　保　男 第１図 ２゜ 第２図 曳 第６図 ｃ３ 第９図 第１０図 第１１図 第１３図 第１４図

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）超伝導体からなる上部電極および下部電極の間に
   トンネルバリアが挟まれた接合を有するジョセフソン線
   路に、インダクタンス生成手段で構成され前記ジョセフ
   ソン線路を伝ぱんする磁束量子を停止させる手段と、磁
   束量子の伝ぱん方向前方の前記接合をボルテックス転移
   させて停止した磁束量子を再伝ぱんさせる手段とを具備
   させたことを特徴とする磁束量子素子。
2. （２）前記ジョセフソン線路は集中定数形ジョセフソン
   線路であることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記
   載の磁束量子素子。
3. （３）前記ジョセフソン線路は、分布定数形ジョセフソ
   ン線路であることを特徴とする特許請求の範囲第１項に
   記載の磁束量子素子。
4. （４）前記インダクタンス生成手段は、前記上部電極と
   下部電極との間に所要の厚さおよび磁束量子の伝ぱん方
   向に所要の長さを有する絶縁層を介挿して構成したもの
   であることを特徴とする特許請求の範囲第２項または第
   ３項に記載の磁束量子素子。
5. （５）前記インダクタンス生成手段は、前記接合の幅を
   所要幅に狭く形成したものであることを特徴とする特許
   請求の範囲第２項または第３項に記載の磁束量子素子。
6. （６）前記磁束量子を再伝ぱんさせる手段は、磁束量子
   の伝ぱん方向前方の接合に補助バイアス電流を注入する
   電流注入線であることを特徴とする特許請求の範囲第２
   項ないし第５項のいずれかに記載の磁束量子素子。
7. （７）前記磁束量子を停止させる手段および停止した磁
   束量子を再伝ぱんさせる手段を、ジョセフソン線路上に
   所要間隔をおいて複数個設けたことを特徴とする特許請
   求の範囲第２項ないし第６項のいずれかに記載の磁束量
   子素子。