JPH01141418A - 集積回路 - Google Patents
集積回路Info
- Publication number
- JPH01141418A JPH01141418A JP62300707A JP30070787A JPH01141418A JP H01141418 A JPH01141418 A JP H01141418A JP 62300707 A JP62300707 A JP 62300707A JP 30070787 A JP30070787 A JP 30070787A JP H01141418 A JPH01141418 A JP H01141418A
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- current
- junction
- voltage
- josephson junction
- state
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
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- Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
- Logic Circuits (AREA)
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。
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
本発明はジョセフソン接合素子を用いた集積回路に関す
る。
る。
従来の技術
ジョセフソン接合素子を利用したデジタル論理集積回路
は次世代の超高速論理回路の有力な候補として研究開発
が進められている。特に超伝導材料としてニオブや窒化
ニオブを用いたジョセ７ノン接合が制御性良く作製でき
るようになって以来、ジッセフノン接合集積回路の集積
度は向上し、数千ゲートの集積度をもつＬＳＩが試作さ
れるようになった。これらのＬＳＩの動作速度もゲート
あたりの伝搬遅延時間が１０ ｐｓｅｃを切９１〜２ｐ
Ｓ１５Ｃにまで達しつつあプ、超高速で低消費電力の集
積回路として有望である。またジョセフソン接合集積回
路の最大の欠点であった動作温度の問題も、セラミック
ス系酸化物超伝導体の出現によシ、超・伝導臨界温度が
液体窒素温度（７７ｋ）を越えた材料が得られるように
なり、液体窒素中で動作させることも原理的には可能と
なりつつある。第６図に典型的なジョセフソン接合集積
回路のＯＲゲートの回路図を示す。入力信号電流ム又は
Ｂが存在する時にはジョセフソン接合素子で入力信号は
磁場を生じ接合は電圧状態となる。すると負荷抵抗Ｒを
流れる電流の大半は次段へと流れ出し出力電流信号ム＋
Ｂを生ずる。入力信号ム、Ｂ共に００状態ではジテセフ
ソン接合Ｊは超伝導状態を保ち電圧降下を生じないため
負荷抵抗Ｒを流れる電流は接合Ｊを通って流れるため出
力電流は生じない。これが従来のジョセフソン接合を用
いた集積回路の動作の基本原理である。負荷抵抗Ｈのか
わりに負荷をジョセフソン接合で構成するなどの変型は
種々あるが基本的な動作は第６図に示した回路で表わさ
れる。このようなジョセフソン接合集積回路には動作上
大きな欠点が存在する。すなわち−旦ジラセフソン接合
Ｊが電圧状態に移行すると電流をオフしない限り電圧状
態を維持して超伝導状態には復帰しない点である。第３
図に理想的なジョセフソン・トンネル接合の電圧−電流
特性を示す。電流０の状態から電流が流れ出すとジョセ
フソン超電流が流れ始め接合の両端には電圧を生じない
。しかし電流がある臨界値ＩＣまで達するともはや超電
流を流し続けることはできなくなり電圧状態へと遷移す
る。−旦電圧状態に移行すると電流値を減少させても電
圧状態を維持したまま原点へ戻っていく。実際には電流
０まで電圧状態が保たれるわけではなく有限値Ｉ ｎｉ
ｎで超伝導状態すなわちゼロ電圧状態に戻るがいずれに
せよ大きなヒステリシスをもった電流電圧特性を示す。
は次世代の超高速論理回路の有力な候補として研究開発
が進められている。特に超伝導材料としてニオブや窒化
ニオブを用いたジョセ７ノン接合が制御性良く作製でき
るようになって以来、ジッセフノン接合集積回路の集積
度は向上し、数千ゲートの集積度をもつＬＳＩが試作さ
れるようになった。これらのＬＳＩの動作速度もゲート
あたりの伝搬遅延時間が１０ ｐｓｅｃを切９１〜２ｐ
Ｓ１５Ｃにまで達しつつあプ、超高速で低消費電力の集
積回路として有望である。またジョセフソン接合集積回
路の最大の欠点であった動作温度の問題も、セラミック
ス系酸化物超伝導体の出現によシ、超・伝導臨界温度が
液体窒素温度（７７ｋ）を越えた材料が得られるように
なり、液体窒素中で動作させることも原理的には可能と
なりつつある。第６図に典型的なジョセフソン接合集積
回路のＯＲゲートの回路図を示す。入力信号電流ム又は
Ｂが存在する時にはジョセフソン接合素子で入力信号は
磁場を生じ接合は電圧状態となる。すると負荷抵抗Ｒを
流れる電流の大半は次段へと流れ出し出力電流信号ム＋
Ｂを生ずる。入力信号ム、Ｂ共に００状態ではジテセフ
ソン接合Ｊは超伝導状態を保ち電圧降下を生じないため
負荷抵抗Ｒを流れる電流は接合Ｊを通って流れるため出
力電流は生じない。これが従来のジョセフソン接合を用
いた集積回路の動作の基本原理である。負荷抵抗Ｈのか
わりに負荷をジョセフソン接合で構成するなどの変型は
種々あるが基本的な動作は第６図に示した回路で表わさ
れる。このようなジョセフソン接合集積回路には動作上
大きな欠点が存在する。すなわち−旦ジラセフソン接合
Ｊが電圧状態に移行すると電流をオフしない限り電圧状
態を維持して超伝導状態には復帰しない点である。第３
図に理想的なジョセフソン・トンネル接合の電圧−電流
特性を示す。電流０の状態から電流が流れ出すとジョセ
フソン超電流が流れ始め接合の両端には電圧を生じない
。しかし電流がある臨界値ＩＣまで達するともはや超電
流を流し続けることはできなくなり電圧状態へと遷移す
る。−旦電圧状態に移行すると電流値を減少させても電
圧状態を維持したまま原点へ戻っていく。実際には電流
０まで電圧状態が保たれるわけではなく有限値Ｉ ｎｉ
ｎで超伝導状態すなわちゼロ電圧状態に戻るがいずれに
せよ大きなヒステリシスをもった電流電圧特性を示す。
このようなジョセフソン接合を第６図のような回路に適
用した場合、出力電流のオン状態からオフ状態への遷移
がおこらないという欠点があった。
用した場合、出力電流のオン状態からオフ状態への遷移
がおこらないという欠点があった。
つまり一旦電圧状態に移行したジョセフソン接合は、入
力電流ム、Ｂが共に流れなくなり、接合の臨界電流Ｉｃ
が復帰した後でも電圧状態のまま保持され従って負荷を
流れる電流は出力として流れ出し正常な論理動作を行な
わない。このため従来のジョセフソン接合集積回路では
１クロツクごとに接合をリセットしてやる必要があった
。具体的には電源Ｖｓを交流電源とするなどの方策が考
えられていたが回路的な複雑さは避けがたいだけでなく
、速度的にも使いやすさの面からも問題が多くジョセフ
ソン接合集積回路の実用化を阻む大きな要因となってい
た。
力電流ム、Ｂが共に流れなくなり、接合の臨界電流Ｉｃ
が復帰した後でも電圧状態のまま保持され従って負荷を
流れる電流は出力として流れ出し正常な論理動作を行な
わない。このため従来のジョセフソン接合集積回路では
１クロツクごとに接合をリセットしてやる必要があった
。具体的には電源Ｖｓを交流電源とするなどの方策が考
えられていたが回路的な複雑さは避けがたいだけでなく
、速度的にも使いやすさの面からも問題が多くジョセフ
ソン接合集積回路の実用化を阻む大きな要因となってい
た。
発明が解決しようとする問題点
以上述べたように従来のジョセフソン接合集積回路では
、ジョセフソン接合にヒステリシス特性が存在するため
正常な論理動作を行わせるためには一旦電源をリセット
しなければならないという問題があった。本発明はこの
ようなジョセフソン接合集積回路の問題点を解決しよう
とするものである。
、ジョセフソン接合にヒステリシス特性が存在するため
正常な論理動作を行わせるためには一旦電源をリセット
しなければならないという問題があった。本発明はこの
ようなジョセフソン接合集積回路の問題点を解決しよう
とするものである。
問題点を解決するための手段
本発明は上記従来技術の問題点を解決するため、二個の
ジョセフソン接合素子と定電流源を有し、定電流源を流
れる電流を二個のシロセフノン接合素子のどちらか一方
に流し、電流の流れている接合を電圧状態とし、電流の
流れていない接合を電流遮断状態とすることで接合の両
端の電力降下を出力電圧として取り出すようにしたもの
である。
ジョセフソン接合素子と定電流源を有し、定電流源を流
れる電流を二個のシロセフノン接合素子のどちらか一方
に流し、電流の流れている接合を電圧状態とし、電流の
流れていない接合を電流遮断状態とすることで接合の両
端の電力降下を出力電圧として取り出すようにしたもの
である。
作用
本発明は上記した構成により定電流源を流れる一定電流
を切シ換えてジョセフソン接合の両端を電圧状態と遮断
状、態に切り換えることにより論理動作を行うため、電
源電圧は一定電圧を供給すればよく、ジョセフソン接合
のヒステリシス特性から生ずる複雑な回路構成をとる必
要がなく、高速で簡便なジョセフソン接合集積回路を実
現できる。
を切シ換えてジョセフソン接合の両端を電圧状態と遮断
状、態に切り換えることにより論理動作を行うため、電
源電圧は一定電圧を供給すればよく、ジョセフソン接合
のヒステリシス特性から生ずる複雑な回路構成をとる必
要がなく、高速で簡便なジョセフソン接合集積回路を実
現できる。
実施例
第１図は本発明のジョセフソン集積回路の一実施例を示
す回路図である。定電流源ＩＯは具体的には抵抗体、各
種のトランジスタ、ジョセフソン接合またはそれらの組
み合せで構成されるもので一定電流値Ｉ、を与える電流
源であればよい。
す回路図である。定電流源ＩＯは具体的には抵抗体、各
種のトランジスタ、ジョセフソン接合またはそれらの組
み合せで構成されるもので一定電流値Ｉ、を与える電流
源であればよい。
ジョセフソン接合’１＊ ’２は通常のトンネル型ジョ
セフソン接合でその電流電圧特性は第３図で与えられる
。スイッチング素子Ｓ１＋８２は電圧制御の電流可変素
子である。具体的には半導体で構成されたバイポーラ・
トランジスタや各種の電界効果トランジスタ（ＦＩＴ）
を用いればよい。
セフソン接合でその電流電圧特性は第３図で与えられる
。スイッチング素子Ｓ１＋８２は電圧制御の電流可変素
子である。具体的には半導体で構成されたバイポーラ・
トランジスタや各種の電界効果トランジスタ（ＦＩＴ）
を用いればよい。
特にＧａＡｓ ／ム１ＩＧａＡｓを用いた高電界易動度
トランジスタ（ＨＫ Ｍ Ｔ ） ヤｓｉ ＭＯ５ＦＩ
ＣＴは液体ヘリウム温度で動作させると非常に良い特性
を示すことが知られておシ、スイッチング素子Ｓ１．Ｓ
２として使うことができる。また近年τＢａ２Ｃｕ３０
７−δを始めとする液体窒素温度で動作する高温超伝導
素子が開発されつつあり、これらの物質を用いたジコセ
フンン素子と半導体素子を組み合わせれば液体窒素温度
で、本発明の集積回路を動作させることもできる。
トランジスタ（ＨＫ Ｍ Ｔ ） ヤｓｉ ＭＯ５ＦＩ
ＣＴは液体ヘリウム温度で動作させると非常に良い特性
を示すことが知られておシ、スイッチング素子Ｓ１．Ｓ
２として使うことができる。また近年τＢａ２Ｃｕ３０
７−δを始めとする液体窒素温度で動作する高温超伝導
素子が開発されつつあり、これらの物質を用いたジコセ
フンン素子と半導体素子を組み合わせれば液体窒素温度
で、本発明の集積回路を動作させることもできる。
通常の製造プロセスによりＭＯ８集積回路を作製した後
、例えばスパッタまたは電子ビーム蒸着等によりＷｂ
、ムｅを堆積し、ムｈｏｓ酸化膜から成るジョセフソン
・トンネル・バリアを形成した後再びＮｂを堆積してパ
ターニングを行なう。このようにしてスイッチング素子
Ｓ１．Ｓ２、定電流源”Ｏｓジョセフソン接合Ｊ１＊’
２を集積した第１図のような回路を構成することは容易
である。この回路の動作を第２図に基づいて説明する。
、例えばスパッタまたは電子ビーム蒸着等によりＷｂ
、ムｅを堆積し、ムｈｏｓ酸化膜から成るジョセフソン
・トンネル・バリアを形成した後再びＮｂを堆積してパ
ターニングを行なう。このようにしてスイッチング素子
Ｓ１．Ｓ２、定電流源”Ｏｓジョセフソン接合Ｊ１＊’
２を集積した第１図のような回路を構成することは容易
である。この回路の動作を第２図に基づいて説明する。
スイッチング素子Ｓ１．Ｓ２を流れる電流は入力電圧ム
、Ｔに対して第２図に示すように変化する。この時定電
流源ＩＯの値はジョセフソン接合’１＋’２の臨界電流
値Ｉ。
、Ｔに対して第２図に示すように変化する。この時定電
流源ＩＯの値はジョセフソン接合’１＋’２の臨界電流
値Ｉ。
よシも大きくなければならない。入力電圧はハイレベル
の時Ｖｏ＋Δ／２、ローレベルの時ｖｏ−Δ／２とする
。入カムがローレベルからハイレベルに切り換わる時、
スイッチング素子Ｓ１を流れる電流は０からＩｏまで変
化するが負荷となるジョセフソン接合Ｊ１の電流電圧特
性は第３図で示されるので電流値がｘｃまでの間は接合
Ｊ１の両端には電圧を生じない。しかし電流値がＩｃを
越した途端に接合Ｊ１は電圧状態に移行しΔの電圧降下
を生ずる。従って出力電圧は接合Ｊ１の電圧降下量を反
映してＶ、から Ｖ、−Δに、すなわちハイレベルから
ローレベルに遷移する。一方スイツチング素子Ｓ２ で
は入力電圧がハイレベルからローレベルに変化する時、
電流はＩＯから０に減少する。
の時Ｖｏ＋Δ／２、ローレベルの時ｖｏ−Δ／２とする
。入カムがローレベルからハイレベルに切り換わる時、
スイッチング素子Ｓ１を流れる電流は０からＩｏまで変
化するが負荷となるジョセフソン接合Ｊ１の電流電圧特
性は第３図で示されるので電流値がｘｃまでの間は接合
Ｊ１の両端には電圧を生じない。しかし電流値がＩｃを
越した途端に接合Ｊ１は電圧状態に移行しΔの電圧降下
を生ずる。従って出力電圧は接合Ｊ１の電圧降下量を反
映してＶ、から Ｖ、−Δに、すなわちハイレベルから
ローレベルに遷移する。一方スイツチング素子Ｓ２ で
は入力電圧がハイレベルからローレベルに変化する時、
電流はＩＯから０に減少する。
つまり接合Ｊ２での電圧降下は最初Δであったものが、
電流値が１ ｗｉｎ以下になると超伝導状態に移行し電
圧降下０となる。つまシ出力電圧はＶ、−ΔからＶ、に
、すなわちローレベルからハイレベルに遷移する。この
ように第１図の回路はインバータとして動作する論理回
路を構成する。この時ジョセフソン接合’１ｅ’２は電
流０状態と電圧状態のふたつの状態をとり、従来のジョ
セフソン接合集積回路でのように電圧状態と超伝導電流
状態の二値をとるわけではないのでジョセフソン接合を
いちいちリセットする必要はない。つまり第３図に示す
ジョセフソン接合のヒステリシス特性を外部からクロッ
クごとにリセットしなくても論理状態の反転ごとに自動
的にリセットされる。従って従来のジョセフソン接合集
積回路のように電磁を交 ・流電源とするなどの複雑な
回路構成をとる必要はなく簡単で使いやすいジぢセフノ
ン接合集積回路を構成することができる。また通常の差
動スイッチ型の論理回路に比べてジ四セフノン接合素子
を負荷として用いるため超高速のスイッチング動作を実
現することができる。第４図は本発明の集積回路で構成
したＮＯＲゲート回路である。このようなスイッチング
素子の組み合わせにより複雑な集積回路を容易に構成す
ることができる。また入出力信号が電圧信号であるため
、従来のジョセフソン接合集積回路のように電流信号を
扱う複雑さがなく適当なレベルシフト回路を付加すれば
次段の論理回路への接続は容易である。
電流値が１ ｗｉｎ以下になると超伝導状態に移行し電
圧降下０となる。つまシ出力電圧はＶ、−ΔからＶ、に
、すなわちローレベルからハイレベルに遷移する。この
ように第１図の回路はインバータとして動作する論理回
路を構成する。この時ジョセフソン接合’１ｅ’２は電
流０状態と電圧状態のふたつの状態をとり、従来のジョ
セフソン接合集積回路でのように電圧状態と超伝導電流
状態の二値をとるわけではないのでジョセフソン接合を
いちいちリセットする必要はない。つまり第３図に示す
ジョセフソン接合のヒステリシス特性を外部からクロッ
クごとにリセットしなくても論理状態の反転ごとに自動
的にリセットされる。従って従来のジョセフソン接合集
積回路のように電磁を交 ・流電源とするなどの複雑な
回路構成をとる必要はなく簡単で使いやすいジぢセフノ
ン接合集積回路を構成することができる。また通常の差
動スイッチ型の論理回路に比べてジ四セフノン接合素子
を負荷として用いるため超高速のスイッチング動作を実
現することができる。第４図は本発明の集積回路で構成
したＮＯＲゲート回路である。このようなスイッチング
素子の組み合わせにより複雑な集積回路を容易に構成す
ることができる。また入出力信号が電圧信号であるため
、従来のジョセフソン接合集積回路のように電流信号を
扱う複雑さがなく適当なレベルシフト回路を付加すれば
次段の論理回路への接続は容易である。
発明の効果
以上述べてきたように本発明によれば、ジョセフソン接
合のヒステリシス特性から生ずる複雑な回路構成をとる
必要のない高速で簡便なジョセフソン接合集積回路を実
現することができ、その実用的効果は極めて大きい。
合のヒステリシス特性から生ずる複雑な回路構成をとる
必要のない高速で簡便なジョセフソン接合集積回路を実
現することができ、その実用的効果は極めて大きい。
第１図は本発明の一実施例を示す集積回路の回路図、第
２図は第１図の回路の動作特性を示す特性図、第３図は
ジ四セフノン接合素子の電圧電流特性を示す特性図、第
４図は本実施例の集積回路により構成したＮＯＲゲート
の回路図、第６図は従来のジョセフソン接合集積回路の
ＯＲゲートの回路図である。 Ｊ１＋Ｊ２・・・・・・ジョセフソン接合、Ｉｏ・・・
・・・定電流源、Ｓｊ＋Ｓ２・・・・・・スイッチング
素子。
２図は第１図の回路の動作特性を示す特性図、第３図は
ジ四セフノン接合素子の電圧電流特性を示す特性図、第
４図は本実施例の集積回路により構成したＮＯＲゲート
の回路図、第６図は従来のジョセフソン接合集積回路の
ＯＲゲートの回路図である。 Ｊ１＋Ｊ２・・・・・・ジョセフソン接合、Ｉｏ・・・
・・・定電流源、Ｓｊ＋Ｓ２・・・・・・スイッチング
素子。
Claims (1)
- 二個のジョセフソン接合素子と、定電流源と、前記定
電流源を流れる電流を切り換える切換手段を備え、該手
段により電流を切換えることにより前記二個のジョセフ
ソン素子の内の片方を電圧状態とし、残りの一方を電流
遮断状態としてスイッチング動作を行い、前記ジョセフ
ソン接合素子の両端の電圧降下を出力として取り出すよ
うにした集積回路。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62300707A JPH01141418A (ja) | 1987-11-27 | 1987-11-27 | 集積回路 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62300707A JPH01141418A (ja) | 1987-11-27 | 1987-11-27 | 集積回路 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01141418A true JPH01141418A (ja) | 1989-06-02 |
Family
ID=17888121
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62300707A Pending JPH01141418A (ja) | 1987-11-27 | 1987-11-27 | 集積回路 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH01141418A (ja) |
-
1987
- 1987-11-27 JP JP62300707A patent/JPH01141418A/ja active Pending
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