JPS63261885A - 三接合直流スキツドゲ−ト - 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〉 本発明はジョゼフソン効果を利用した圧接合直流スキッ
ドゲートに関し、特に高利得（高感度）と広動作マージ
ンの双方を共に満足させるべく改良された非対称三接合
直流スキッドゲートに関する。

〈従来の技術〉 ジョゼフソンスイッチングゲートの一つとして直流スキ
ッドゲートが知られているが、ｒ、Ｉｋ　ｒ＋”利得を
高く採るため、昨今では開発当初の二接金型に代え、三
接合型、すなわち三つのジョゼフソン素子を用いるもの
が専ら使用されるようになっている。

そうした三接合型直流スキッドゲートの基本的な物的構
成は第１．２図に示されるが、第１図示の圧接合直流ス
キッドゲートｌＯはゲート電流の供給法に関してセンタ
ーフィート型と呼ばれ、第２図示のそれはスプリットフ
ィート型と呼称される。

どちらのタイプのスキットゲ−１−１０もその構成や１
００本的な作用自体はすてに周知であるため、簡７Ｆ、
に説明すると、第１図示のセンターフィート型圧接合直
流スキッドゲート１０はまず、ゲート電流１ｇの供給線
路１＋に関し、その正極側と負極側（接地側）との外接
読点ｐ、　、　ｐ２の間に挿入された超伝導閉回路１３
を有し、この超伝導閉回路１３はまた、点ｐ、　、　ｐ
２間に互いに並列に挿入された三つの分岐線路＋３１　
、］：ＩＣ，１３Ｒから成っている。

そして図中、中央に示す分岐線路１”ｌｌｃ中にはジョ
ゼフソン素子、Ｉ２シか含まれていないが、これと値列
な関係にある他の二つの分岐線路！３Ｌ　、１３ｎ中に
はそれぞれジョゼフソン素子Ｊ、　、　Ｊ、とインダク
タンスＬ１、Ｌ２の直列回路か含まれており、これら各
インダクタンスＬ１、Ｌ２はル制御電流線路１２に形成
されたインダクタンスＬｃ＋　、Ｌ（＋２に磁気誘導結
合している。

もっとも、各インダクタンスＬ、　、　Ｌ２：　Ｌｃ、
　、Ｉ、ｃ２は、一般に線路の長さや幅を適当に設定す
る等して形成されたものであり、図中、分割的に示され
ているインダクタンスＬ１、Ｌ２；ｌ、。ｌ　１Ｌｌｃ
２も、実際にはそれぞれ一連の有意線路幅部分て形成さ
れることが多い。なお抵抗Ｒ，、Ｒ２は共振抑制用のダ
ンピング抵抗であるが、場合により省略可能なこともあ
る。

こうした圧接合直流スキットゲート１０ては、ゲート電
流線路Ｉｔにゲート電流＋ｇを流した状態下で制御電流
線路１２に：ｖ制御電流１ｃを流すと、両者の相互作用
により超伝導閉回路１３内のジョゼフソン素子Ｊ、〜Ｊ
３が所定のシーケンスに従って電圧状態にスイッチング
し、したがってスキッドゲートとしてのそれまでの零電
圧状態が電圧状態に遷移して、ゲート電流１ｇを負荷抵
抗Ｒ，の方に転流させることができる。

この電圧状態も、制御電流ＩＣを零に戻し、ゲート電流
１ｇを零に戻せばｉＱ、び零電圧状態に変わり、ゲート
としてリセットすることができる。

第２図示のスプリットフィード型ゲートｌＯは、超伝導
閉回路１３内の各インダクタンスＬ１、Ｌ２がそわぞれ
二つに分割されてインダクタンスＬｌ＋　＋’１２およ
びＬ２゜、１．２２になり、これに対応してｉｔ、（Ｉ
御電流線路１２の誘導結合インダクタンスＬＣＩ　、１
＝Ｃ２も、それぞれ分割された直列インダクタンスＬＣ
Ｉ　ｌ　＋　Ｌｃ１２およびＬｃ２１　＋　Ｌｃ２２て
構成されている点と、ゲート電流線路１１の結合点がそ
れぞれ分離抵抗を介した後、当該インダクタンスＬ＋　
ｌ　１ＬＩ２　：　Ｌ２１１Ｌ２２の各接続点ＰＩＩ　
＋Ｐ１２になっている点でセンターフィード型のスキッ
トゲートと相違するが、基本的な動作は上記説明をその
まま援用することができ、相違は専ら後述の閾値特性上
に見られる。

しかるにまた、上記第Ｌ２図示の圧接合直流スキットゲ
ート１０は、さらに内蔵のジョゼフソン素子、１．　、
　Ｊ２．　Ｊ３の臨界電流値関係から対称型と非対称型
とに分類できる。

対称型とは左右分岐線路＋３Ｌ　、ｌ：ＩＲ中のジョゼ
フソン素子Ｊ、　、　Ｊ３の臨界電流値Ｉ。ｌ＋’０３
が等しく、中央の分岐線路＋３Ｃ中のジョゼフソン素子
Ｊ２の臨界電流値Ｉ。２に対して共にＮ分の−の関係に
あるものを８い、非対称型とは左右のジョゼフソン素子
Ｊ、　、　Ｊ３の臨界電流値■。ｌ　＋’０３が共に異
なるものを言う。式で表せば対称型が下記式■、非対称
型が下記式■となる。

１０１：１０２：［０３＝１：Ｎ：１　　　・”−■１
０１　　：＋０２　　：＋０３　＝１　：Ｎ：Ｋ　　　
”・・−■なおこうした場合、正規化数“１”で表され
た臨界電流値Ｉ。１は単位電流値Ｉ。で表すことができ
る。すなわち、 ■。ｌ”１０　　　　　　　　　　・・・・・・■であ
る。

〈発明が解決しようとする問題点〉 例えば第１図示のセンターフィード型と第２図示のスプ
リットフィード型とを比べた上で、物理的な構造上、ど
ちらがより実用的であるかと訂う議論はすでになされて
いる。結論的には第１図に示されたセンターフィート型
スキッドゲートの方が将来的に有望とされている。第２
図示のスプリットフィード型スキッドゲートは、後述す
るように特性上において若干有利な点があるにしても、
その構造が複雑に過ぎ、かつまた相当に大型化する欠点
を否めないからである。

しかるに、これとは別な観点からすると、いず九の構成
を採用しようとも、なお解決しなければならない問題は
残っている。

周知のように、第Ｌ２図示構成の三接合直流スキッドゲ
ー）ＩＱにおいて既述の０式に従う対称構成を採用し、
例えば各ジョゼフソン素？−Ｊ、〜Ｊ３の臨界電流値１
Ｇ＋　＝■０２　＋　１０３の関係を１：２：１（Ｎ＝
２）に選んだ場合、その閾値特性は代表的に第３図示の
ようになる。

この特性は実際に第１図示スキッド構成において、 ＬＩＯ＝　０．２へ：たたしへは一９磁束量子；し＋＝
６．２１ｐＨ； Ｌ２　＝　６．２１ｐＨ； １ｏ＋＝Ｉｏ： ＩＯ３−２１０； １（１３＝　１０　： として得られたコンピュータシュミレーション結果に即
し、多くのプロット点をフリーハンドでたどったもので
ある。

もっともこうした特性曲線の傾向は、この具体°例に限
らず、１：２：１の臨界電流値関係を採用する対称型に
共通のものであり、第２図示のスプリットフィート型の
゛スキットケートＩＯでも全体め傾向としては似たよう
なものとなる。

この第３図から読取れる対称型に共通の問題は、まずそ
の特性曲線上、図中に点■で示した部分の傾きが余り急
に採れないということである。

これは丁度、なたらかな山の稜線のような形をしている
が、良く知られているように、こうした緩やかな傾斜は
電流ゲインを稼ぐ（感度を一ヒげる）上で不利なことを
意味する。

そこで従来からも、こうした対称型を採用しながら感度
の向上を目指す一手法として、例えば第１図示構成のス
キッドゲート１０において超伝導閉回路１３内のインダ
クタンスＬ＋　、　Ｌ２の値を大きくするという手段が
採られた。

このようにすると、動特性上で重要な部分である傾斜部
分■の傾きは確かにきつくなり、高感度化をある程度は
果たせるかのようであったが、新たな問題として、矢印
■で示されるように、制御電流軸（正しくは単位電流値
ｌ。で正規化しているので制御電流比Ｔｃ／Ｉｏ軸）上
での隣の山との距離が短くなってき、また山の頂き部分
が矢印■で示されるように低下し、逆に谷の部分が矢印
■で示されるように上がってくるという結果を招いた。

隣の山の存在はもちろん、磁束の量子性によるものであ
り、所定間隔で繰返し並ぶが、このように山と山の間隔
が詰まる上、頂点も下がり、また谷も浅くなるという現
象が生ずると、それは動作マージンＭ１の狭小化に継か
る。

動作マージンとは、これ自体周知であるが、簡単に言え
ばゲート電流１ｇと制御電流［ｃのベクトル和によって
閾値曲線部分■を横切り、ゲートを零電圧状態から電圧
状態に遷移させ得る当該１ｇと１ｃの値の組の分布範囲
を示し、一般に図示のような矩形領域で表されるが、こ
れはもちろん、できるだけ広い方が良い。

しかし、例えば先のパラメータに従って構成された第３
図示の特性においては、当該動作マージンＭ１はせいぜ
い±３２％ないし３３％程度しか得られていない。

これに対し、実は第２図示のスプリットフィード型の三
接合直流スキッドゲートＩＯはこの点の改良を図って提
案されたもので、インダクタンスの増大に伴う閾値曲線
の山の低下や谷の上昇はある程度抑えることができる。

が、このスプリットフィード型スキッドゲート１０にお
いても、インダクタンスの増加に伴う山と山の接近は防
ぐことができず、むしろその程度が大きくなってくる。

そのため、動作マージンＭｌとして見ると、矢印■方向
の幅が極めて狭くなりがちで、結局は上記と同程度の動
作マージンしか得られなかったのである。

こうした事情に鑑み、従来、さらなる提案として成され
たものが既述の非対称構成である。

つまり、三つのジョゼフソン素子の臨界電流値１ｏ＋　
、ｒｏｚ　、　Ｉ。３の関係を既述の０式に即し、例え
ば１：２：２（Ｎ＝２．に＝２）に採る等するのである
。

このようにした場合の閾値特性の曲線傾向は代表的に第
４図示のようになる。

直ぐに分かるように、部分■の傾きはかなり急になって
いる。しかし問題なのは、山の頂き部分がゲート電流軸
（同様に正確にはゲート電流比Ｉｇ／　ｌ　ｏ’ｌ’ｔ
　）上から外れ、ｉｔｄ制御電流軸に沿ッテ図示の場合
、石方向■に移動していることである。

これは結局、実効的な動作マージンを狭めることになる
。ゲート電流軸切片（図示の場合はほぼ４１ｏ点）から
上の部分は使えないからである。

また、このような非対称構成にしても、インダクタンス
し２．シ２の値を共に大きくすると、やはり同様に、セ
ンターフィード型では矢印■、０．■で示されるような
、またスプリットフィード型では矢印■で示されるよう
な既述の問題が発生し、根本的な問題の解決には至らな
いのである。

しかるに、上記各種従来例の欠点に鑑みると、逆に望ま
しい結果というものが理解される。それはまず、閾値曲
線上の部分■の傾きが急であることに加え、山は高く、
谷は深くて、隣の山とも部分に離れ、動作マージンを大
きく採り得ることである。

そしてまた、上記条件を満たす上てインダクタンスの増
加設計にのみ頼らないことも大切である。インダクタン
スの増加は既述の欠点を招き易いだけなく、物理的ない
し機械的な構造上も寸法の大型化を招き、望ましくない
からである。

本発明はこうした観点から成されたもので、高感度（高
電流ゲイン）と広動作マージンを確保し得る圧接合直流
スキッドゲートの提供を主目的としたものである。

く問題点を解決するための手段〉 上記目的達成のため、本発明は下記構成の非対称三接合
直流スキッドゲートを提供する。

その両端でゲート電流線路に接続し、互いに並列関係に
ある第一、第二、第三の分岐線路により構成された超伝
導閉回路を有し、上記第一の分岐線路中にはインダクタ
ンスＬ１と臨界電流値Ｉ。１のジョゼフソン素子の直列
回路を、上記第二の分岐線路中には理解電流値Ｉ。２の
ジョゼフソン素子のみを、また上記第三の分岐線路中に
はインダクタンスＬ２と臨界電流値１０３のジョゼフソ
ン素子の直列回路を設けて成り、上記インダクタンスＬ
、　、　Ｌ２には制御電流線路か磁気誘導結合した非対
称三接合直流スキッドゲートであって： Ｌｌ＞Ｌ２　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・
・・・・・■１０１＜１０２　　　　　　　　　・・・
・・・■１０１　＜１０３　　　　　　　　　　・・・
・・・■１、＋’ｌｏ＋＝　Ｌ２”１０３　　　　　　
　　・・・・”■とした非対称三接合直流スキッドゲー
ト。

〈作用および効果〉 上記本発明の構成においても、式■、■は既述した従来
の非対称三接合直流スキッドゲートですでに採用されて
いた条件である。

しかし０式の構成要件、すなわち左右分岐線路１、．１
３Ｒ中のインダクタンスＬ１、Ｌ２そのものにも非対称
性を持たせるというのは本発明により始めて提言された
ものであり、従来においては全て、絶対値のいかんにか
かわらず、１．１＝Ｌ２であった。

しかるに、第１図示のセンターフィード型の圧接合直流
スキッドゲートに本発明を適用する場合には、当該第１
図中のインダクタンスし１．シ２かそのまま本発明要旨
構成中のインダクタンスＬ、　、　Ｌ２に対応する。

一方、第２図に示したスプリットフィード型の圧接合直
流スキッドゲートに本発明を適用する場合には、各分岐
線路１３Ｌ　、＋３Ｒ内で分割されたインダクタンスＬ
＋＋　＊　Ｌ１２　；　Ｌ２１１Ｌ２２はそれぞれ直列
なので、本発明要旨構成中におけるインダクタンスＬ、
　、　Ｌ２はそのため、次の関係となる。

Ｌｌ＝ＬＩｌ＋Ｌ１２　　　　　　　　・・・・・・■
Ｌ２＝　　Ｌ２１　＋　Ｌ２２　　　　　　　　　　　
　　　・・・・・・ｑΦいずれにしても、上述のように
本発明により走入された条件に即して非対称三接合直流
スキットゲートを構成すると、その結果は後述の代表的
な実施例にも認められるように、極めて望ましいものと
なる。

端的に言って動特性上で重要な閾値曲線の傾斜部分の傾
きは急になり、にもかかわらず山ないし頭は部分高く、
また谷も適度な深さに留めることができ、なによりも隣
合う山同志の近接を効果的に防ぐことかできる。山の位
置もほぼゲート電流１陥上に置くことができる。

その結果、高利得性ないし高感度性を保ちながらも動作
マージンは十分に広くなり、各種実験結果の中から本発
明による特性向上度合の少ないもの控目に選んでも、例
えば±４２％程度は稼ぐことに成功している。従来例に
比しての１０％向上は相当に大きな向上度合であり、実
際にはもっと広い動作マージンをも得ることができる。

このように、本発明はこの種の非対称三接合直流スキッ
トゲートとして一つの方向を指示、特定するもので、当
該分野に寄ち−する所、大である。

なお、スプリットフィード型の三接合直流スキッドゲー
トに本発明を適用する場合には、既述の本発明による必
ヨｎ要件に加え、望ましくはＩｏ＋−Ｌ＋＋＝Ｌ＋ｚ、
Ｉｏ２　　　　　・・・・・・０１ｏｚ・Ｌ２＋＝　Ｌ
ｚ２１ｏ：＋　　　　　　”・・＠なる条件を実施例的
に加えると、より高い感度、より広い動作マージンを得
ることができる。

〈実　施　例〉 本発明の要旨構成に即する一つの実施例として、物的構
成に第１図示のセンターフィード型圧接合直流スキッド
ゲートＩＯを採用した場合につき説明する。

既述の０〜０式に従う具体的な値は下記の通りである。

Ｌ［Ｏ＝　０．２へ； Ｌ、　：　６．２１９１１　； Ｌ２＝　３．１０５１）ＩＩ； １ｏ＋＝Ｉｏ； １．２＝　２１ｏ； ｌ０３＝２１゜＝ ただし、−磁束量子＠、　＝　２．０７ｘ　１Ｏ−１５
Ｗｂ　：この条件は、第１図中の分岐線路＋３Ｈのイン
ダクタンスＬ２の方が分岐線路１３Ｌの中のインダクタ
ンスし、の半分であることを表しているが、その特性は
同様にコンピュータシュミレーション結果の多数のプロ
ット点をフリーハンドでトレースした第５図に示されて
いる。

制御電流１ｃが零の状態でこのスキッドゲートに流し得
る最大ゲート電流ｒｇの値は、上記の条件１ｏ＋＝Ｔｏ
　；　　１０２＝　２１ｏ　；　　＋ｏ＊＝　２１ｏか
ら明らかなように、それらの総和５［ｏであるが、第５
図示の特性においては当該最大ゲート電流値はその値に
極めて近く、　４．６Ｉｏ程度も得られており、一方、
谷は１分深く、　１．８＋。程度に抑えられている。

また、磁束量子が２％、３＋ｏ、・・・・・・となるに
伴って繰返し表れる制御電流！Ｉｌ［ｈ（ｒｃ／１０軸
）に沿う閾値曲線の山の間隔もかなり採れ、図示範囲内
には隣の山は全く表れていない。

そのため動作マージンＭ２は右手が欠ける程、十分広く
なっており、一方で閾値曲線の傾斜も満足すべき程度に
ある。

実際上、本発明の効果は他の具体的数値に従う実験例で
も確認されており、最低限でも±４２％程度は確保され
る。

さらに、第２図に示されたスプリットフィード型構成に
従う三接合直流スキッドゲートの場合にも、本発明要旨
構成中における限定条件に従って構成されたものは十分
有、０の結果を示し、特にこのスプリットフィード型の
場合には、すでに作用の項においても述べたが、 Ｌ、＝　Ｌ１、＋Ｌ、２　　　　　　　・・・・・・■
Ｌ２＝　Ｌ２．＋１２□　　　　　　・・・・・・［相
］として本発明の条件式■〜■を満足させるに加え、さ
らに、 ＩＯ＋”Ｌｌｌ”Ｌ１２．１０２　　　　　　・・・・
・・■Ｉ０２・Ｌ２１”Ｌ２２・ｒｏ３　　　　　　・
・・・・・＠なる条件を加味すると、特に山の潰れを効
果的に抑止することができる。

なお、本発明によった場合、上記のように電気的な特性
上の改良のみならず、結果として物理的な寸法上の効果
も得られる。上述の実施例中に見られるように、Ｌｌ＞
１２であるとく当該実施例ではＬ２＝　Ｌ、／　２　）
、この小さな方Ｌ２に要するインダクタンス形成上の面
積部分は大きく節約できるからである。実際上、この種
の回路ではインダクタンス部分が最も大きな面積を占め
ることがらして、この効果にも極めて有意なものがある
。

【図面の簡単な説明】

第１図はセンターフィード型圧接合直流スキッドゲート
の基本的な構成図、第２図はスプリットフィート型圧接
合直流スキットゲートの基本的な構成図、第３図は従来
において対称型に構成された三接合直流スキッドケート
に見られる代表的な閾値特性図、第４図は従来において
非対称型に構成された三接合直流スキットケートに見ら
れる代表的な閾値特性図、第５図は本発明に従って構成
された非対称圧接合直流スキッドケートの閾値特性の傾
向を示す一実／ｉａ例の代表的な特性図、である。 図中、ｌＯは三接合直流スキッドゲート、１１はゲート
電流線路、１２はＭ［開電流線路、１３は超伝導閉回路
、Ｊ、　、　＋２．　、＋３はジョゼフソン素子、Ｌ、
　、　Ｌ２はインダクタンス、Ｉｏ＋　１１０２１１０
：ｌはそれぞれ各ジョゼフソン素子の臨界７ヒ流値、で
ある。 指定代理人　　　　　　工業技術院 第３図 Ｉｃ／Ｉ。 第５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 その両端でゲート電流線路に接続し、互いに並列関係に
   ある第一、第二、第三の分岐線路により構成された超伝
   導閉回路を有し、上記第一の分岐線路中にはインダクタ
   ンスＬ＿１と臨界電流値Ｉ＿０＿１のジョゼフソン素子
   の直列回路を、上記第二の分岐線路中には理解電流値Ｉ
   ＿０＿２のジョゼフソン素子のみを、また上記第三の分
   岐線路中にはインダクタンスＬ＿２と臨界電流値Ｉ＿０
   ＿３のジョゼフソン素子の直列回路を設けて成り、上記
   インダクタンスＬ＿１、Ｌ＿２には制御電流線路が磁気
   誘導結合した非対称三接合直流スキッドゲートであって
   ； Ｌ＿１＞Ｌ＿２・・・・・・（１） Ｉ＿０＿１＜Ｉ＿０＿２・・・・・・（２）Ｉ＿０＿１
   ＜Ｉ＿０＿３・・・・・・（３）Ｌ＿１・Ｉ＿０＿１＝
   Ｌ＿２・Ｉ＿０＿３・・・・・・（４）とした非対称三
   接合直流スキッドゲート。