JPH0974230A - イントリンシック接合磁束量子メモリ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 液体窒素温度（７７Ｋ）以上でも動作する超
高速低消費電力のイントリンシック接合磁束量子メモリ
を提供することを課題とする。 【解決手段】 酸化物高温超伝導体に磁束量子を保持さ
せ、保持された磁束量子の極性を２値論理の「１」と
「０」とに対応させた超伝導メモリにおいて、酸化物高
温超伝導体は、上部超伝導電極となる強超伝導性層と、
下部超伝導電極となる強超伝導性層と、上部超伝導電極
および下部超伝導電極に挟まれたバリア層となる弱超伝
導性層とを持つ積層構造を有し、さらに上記積層構造に
形成され、かつ互いに直列に接続された複数個のトンネ
ル形ジョセフソン接合の一つをメモリ状態検出素子とし
て用いた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液体窒素温度（７
７Ｋ）の近傍あるいはそれ以上の温度で動作するイント
リンシック接合磁束量子メモリに関するものである。よ
り具体的には低消費電力でかつ高速で動作するメモリデ
バイスに関するものである。また、具体的な応用例とし
ては、超伝導コンピュータ用メモリ、通信データ処理用
メモリ等への応用が期待される。

【０００２】

【従来の技術】高速論理ゲートとしては、金属系の低温
超伝導体であるニオブ（Ｎｂ）を用いたＮｂ−ＡｌＯ_x
−Ｎｂジョセフソン接合で形成した論理ゲートが最も高
速で動作する。また、このような論理ゲートは、１．５
ｐｓｅｃ／ゲートのデバイス最高速記録（半導体デバイ
スも含めて）を保持している。このジョセフソン接合は
薄い絶縁層（ＡｌＯ_x ）を超伝導体でサンドイッチにし
たいわゆるＳＩＳ接合（トンネル形接合）であり、ジョ
セフソン接合の中でもこのＳＩＳ接合タイプが最も高速
で動作する。またこのような高速論理ゲートと同様の環
境で動作する高速メモリとしては永久電流形メモリ
（Ｗ．Ｈ．Ｈｅｎｋｅｌｓ ｅｔ ａｌ．：ＩＥＥＥ
Ｊ．Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ，ＳＣ
１４−５，ｐ．７９４（１９７９））や単一磁束量子メ
モリ（Ｐ．Ｇｕｅｒｅｔ ｅｔ ａｌ．：ＩＥＥＥ Ｔ
ｒａｎｓ．ｏｎ ＭＡＧ−１３，ｐ．５２（１９７
７））がある。これらはＮｂ−ＡｌＯ_x −Ｎｂジョセフ
ソン接合と超伝導ループを組み合わせて構成したメモリ
である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、高温超伝導体
では、７７Ｋ以上で動作する高温超伝導メモリデバイス
はまだ実現されていない。その理由として、ＳＩＳ接合
が実現されていないこと、および高温超伝導体同士の良
好な超伝導性コンタクトの実現が困難であること等であ
る。

【０００４】一方、Ｂｉ系高温超伝導体であるＢｉＳｒ
ＣａＣｕＯでは結晶軸のｃ軸方向に層状構造ができ、Ｂ
ｉ₂ Ｏ₃ 層とＳｒＯ層が絶縁体トンネルバリヤ層（Ｉ
層）の役割を果たす。そのため、自然にＳＩＳ接合タイ
プのジョセフソン接合が形成されている。これがいわゆ
るイントリンシック接合でｃ軸方向に多数個のジョセフ
ソン接合がスタック状に積層されている。このイントリ
ンシック接合がヒステリシスをもつＳＩＳ接合タイプの
電流−電圧特性を示すことは、ＢｉＳｒＣａＣｕＯ単結
晶バルクで測定されている（Ｒ．Ｋｌｅｉｎｅｒ ｅｔ
ａｌ．：Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．６８（１９９
２）ｐ．２３９４）。また同様の特性がＴｌ系超伝導体
でも得られている（Ｒ．Ｋｌｅｉｎｅｒ ａｎｄ Ｐ．
Ｍｕｌｌｅｒ：Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ４９（１９９４）
ｐ．１３２７）。

【０００５】このイントリンシック接合を用いると電流
注入形の超高速論理ゲートが構成可能である。このよう
に７７Ｋ以上で動作する高温超伝導論理ゲートが実現さ
れると、今度は同様の環境で動作する高温超伝導メモリ
が必要となる。

【０００６】本発明は、上記課題を解決し、イントリン
シック接合を用いて液体窒素温度７７Ｋ以上で動作する
イントリンシック接合磁束量子メモリを提供することを
目的とする。すなわち、本発明では、高温超伝導体を用
いたＳＩＳ接合タイプのジョセフソン接合の製作が難し
く、このために液体窒素温度（７７Ｋ）あるいはそれ以
上の温度で動作する高温超伝導メモリが実現できないと
いう問題点を解決するものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】したがって上記問題点を
解決するために、本発明にもとづくイントリンシック接
合磁束量子メモリは、酸化物高温超伝導体に磁束量子を
保持させ、保持された上記磁束量子の極性を２値論理の
「１」と「０」とに対応させた超伝導メモリにおいて、
上記酸化物高温超伝導体は上部超伝導電極となる強超伝
導性層と、下部超伝導電極となる強超伝導性層と、上記
上部超伝導電極および上記下部超伝導電極に挟まれたバ
リア層となる弱超伝導性層とを持つ積層構造を有し、さ
らに、上記積層構造に形成され、かつ互いに直列に接続
された複数個のトンネル形ジョセフソン接合の一つをメ
モリ状態検出素子として用いたことを特徴とする。

【０００８】好ましくは、上記酸化物高温超伝導体に形
成された孔からなる磁束量子保持領域が設けられてい
る。

【０００９】好ましくは、上記下部超伝導電極は、上記
酸化物高温超伝導体から上記複数個のトンネル形ジョセ
フソン接合となるべき部分の周囲を所定の深さまでエッ
チングすることによって切り出され、かつ上記複数個の
トンネル形ジョセフソン接合の共通電極となるもので、
さらに上記エッチングされた部分の下の層状構造に形成
された孔を磁束量子保持領域とする。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明にもとづくイントリンシッ
ク接合磁束量子メモリの実施形態の一例では、層状構造
をもつ高温超伝導薄膜（例えばＢｉＳｒＣａＣｕＯ）で
発現するイントリンシック接合（スタック状のＳＩＳ接
合）を用いて、磁束量子メモリ（金属系低温超伝導体で
構成、４．２Ｋ動作：Ｋ．Ｍｉｙａｈａｒａ ｅｔ ａ
ｌ．：Ｕ．Ｓ．Ｐａｔｅｎｔ Ｎｏ．４７６４８９８
Ａｕｇ．１６（１９８８））に相当する超伝導メモリを
高温超伝導体として構成する。

【００１１】以下、本発明にもとづくイントリンシック
接合磁束量子メモリの実施形態の一例を図面を参照しな
がら説明する。なお、すべての図において同一参照符号
は同一構成要素を示す。

【００１２】図１は、イントリンシック接合を用いて磁
束量子メモリが構成されたメモリデバイス構造の概略的
構成を説明するための斜視図である。図中、参照符号１
は積層イントリンシック接合で形成した磁束量子検出接
合、２は面積の広い積層イントリンシック接合で形成し
たコンタクト接合、３は磁束量子を保持するための高温
超伝導体の孔、４は磁束量子を書き込むための超伝導リ
ンク（幅の細い超伝導体の部分）、５は積層イントリン
シック接合１および２を形成するためにメサエッチング
した層の下の超伝導体層で共通下部電極となる部分であ
る。さらに、参照符号６および７は層間絶縁層（ＳｉＯ
などで形成）、８および９はメタル配線層、１０は磁束
量子書き込み制御線（メタル配線層）、１１は磁束量子
読み出し制御線（メタル配線層）である。

【００１３】図２は図１のＡ−Ａ′線に沿う断面図であ
る。参照符号１ないし１１は図１と同一の構成要素を示
す。また、参照符号１２は高温超伝導薄膜をエピタキシ
ャル成長させるためのエピタキシャル基板（例えばＭｇ
Ｏなど）、１３は高温超伝導体膜を全層エッチングした
部分、１４は積層イントリンシック接合を形成するため
に高温超伝導薄膜５を所定の深さまでメサエッチングし
た部分、１５はメサエッチングした部分を絶縁層（例え
ばＳｉＯ）で埋め戻した部分である。

【００１４】つぎに、本実施形態のメモリデバイス構造
を積層構造高温超伝導薄膜で構成する場合について説明
する。まずエピタキシャル基板１２に、例えば層状構造
の高温超伝導薄膜ＢｉＳｒＣａＣｕＯを蒸着あるいはス
パッタなどでエピタキシャル成長させる。このとき薄膜
の結晶構造のｃ軸が基板面に垂直に配向し、ａｂ面が基
板面に平行になるように薄膜を成長させる。層状構造体
が強い高温超伝導薄膜においては、このような結晶方位
の薄膜が最も成長しやすく、得られた膜の結晶性も優れ
ている。次にフォトリソグラフィでパターニングしたフ
ォトレジストをマスクとして薄膜を基板面までエッチン
グ加工（イオンミリングや化学エッチング）して高温超
伝導薄膜のデバイスパターンを形成する。このとき、磁
束量子蓄積部となる高温超伝導体の孔３と書き込み制御
線の下の超伝導体のくびれ部分も同時に全層エッチング
して形成する。そして次に同様にフォトリソグラフィで
パターニングしたフォトレジストをマスクとして薄膜を
所定の深さまでエッチング加工し、積層イントリンシッ
ク接合１、２（メサエッチング部分１４）を形成する。
これらの積層イントリンシック接合１、２に対して薄膜
表面からエピタキシャル基板１２の表面に向けて電流
（バイアス電流）を流し、薄膜表面と基板面との間で電
圧を測定する。この測定によって得られる電流−電圧特
性によれば、ゼロ電圧で超伝導電流（ジョセフソン電
流）が流れる、いわゆるジョセフソン接合を多数個直列
に接続したかたちとなる。特にＢｉＳｒＣａＣｕＯ薄膜
をエピタキシャル基板１２上に設けた場合、この薄膜は
絶縁性のバリヤ層となるので、積層イントリンシック接
合はトンネル形ジョセフソン接合（ＳＩＳ接合）とな
る。積層イントリンシック接合１および２の下部電極は
メサエッチング部分１４の下で高温超伝導薄膜５によっ
て超伝導性を保ったまま接続されている。またメサエッ
チングのあとでレジストを残したまま絶縁体薄膜ＳｉＯ
を堆積させてその後でレジストを除去（いわゆるリフト
オフ）するとメサエッチングした部分１５をＳｉＯで埋
め戻すことができる。

【００１５】この上に再びフォトリソグラフィでパター
ニングしたフォトレジストを用いて層間絶縁層７および
メタル配線層８，９，１１を蒸着およびリフトオフで形
成することができる。また層間絶縁層６および磁束量子
書き込み制御線（メタル層）１０は、埋め戻し層１５
（ＳｉＯ）を適当な深さまでエッチングしてからメタル
層１０を蒸着してリフトオフすることで形成できる。

【００１６】図３は図１および図２に示したメモリデバ
イスの動作を説明するための図である。図中、参照符号
１６は磁束量子書き込み制御線１０に流れる書き込み制
御電流が発生する磁界、１７は磁束量子読み出し制御線
１１に流れる読み出し制御電流が発生する磁界、１８は
磁束量子蓄積部の孔３に保持された磁束量子が発生する
磁界である。

【００１７】まず各部分の機能を説明する。積層イント
リンシック接合１および２の部分では、積層構造の超伝
導性が強い層がジョセフソン接合の超伝導電極として働
き、超伝導性の弱い層がジョセフソン接合のトンネルバ
リヤ層として働く。すなわちこの部分はトンネル形のＳ
ＩＳジョセフソン接合が多数個膜厚方向に積層されて構
成され、互いに直列に接続されたいわゆるイントリンシ
ック接合を形成する。このうち接合１は磁束量子蓄積部
３に保持された磁束量子の磁界を検出する磁束量子検出
接合である。接合２はジョセフソン電流が接合１に較べ
て充分に大きくなるように大きな接合面積で形成された
イントリンシック接合でコンタクト接合（すなわち超伝
導どうしの接続部に超伝導電流を流すために形成された
接合でメモリの動作中は常に超伝導状態にあり、電圧転
移することのないジョセフソン接合）である。参照符号
３は超伝導リンク４から侵入した磁束量子を保持する磁
束量子蓄積部（孔）である。磁束量子の書き込みは書き
込み制御線１０に電流を流したとき発生する磁界１６が
超伝導リンク４を通過して磁束量子蓄積部３に侵入し磁
束量子となることで行われる。磁界１８によって発生す
る磁束量子蓄積部３に保持された磁束量子の検出は、磁
束量子検出接合１で行われる。保持された磁束量子の磁
界１８の一部は図３に示されるように、磁束量子検出接
合１のトンネルバリヤ層に印加される。この磁束量子検
出接合１ではバイアス電流をメタル配線層８から供給
し、共通下部電極５を通ってコンタクト接合２を介して
メタル配線層９に流す。また制御電流線１１に制御電流
を流すとこの磁界１７の一部は保持磁束量子の磁界１８
と同様に磁束量子検出接合１のトンネルバリヤ層に印加
される。

【００１８】つぎに本実施例のメモリデバイスの動作を
説明する。

【００１９】このメモリでは磁束量子蓄積部３に保持さ
れる磁束量子の極性をメモリの「１」，「０」に対応さ
せる。ここでは図３の磁束量子の方向（磁界の極性）を
「１」として説明する。

【００２０】「１」書き込み動作は、書き込み制御線１
０に図３の方向に電流を流すことで行う。この電流によ
って発生する磁界の一部は、超伝導リンク４を通って磁
束量子蓄積部３に侵入し、「１」の磁束量子が保持され
る。この磁束量子は書き込み電流を取り去っても磁束量
子蓄積部３に保持される。ただし磁束量子蓄積部の磁束
量子保持能力よりも多くの磁束量子が書き込まれた場合
には書き込み電流を取り去ったときに余分な磁束量子が
超伝導リンク４を通って放出される。

【００２１】「０」書き込み動作は、書き込み制御線１
０に図３と逆方向に電流を流すことで行う。それによっ
て、磁束量子蓄積部３に対して「１」の場合と逆向きの
磁界が侵入し、「０」の磁束量子が保持される。この
時、もし直前のメモリ状態が「１」であった場合には最
初に磁束量子蓄積部３には正方向の磁束量子が保持され
ているけれども、「０」書き込み動作により書込まれる
逆方向の磁界によりすべて打ち消され、さらに逆方向の
磁束量子が書き込まれることによって、結果として逆方
向の磁束量子のみが保持される「０」状態となる。

【００２２】読み出し動作は、読み出し制御線１１に読
み出し制御電流Ｉ_C を流すことで行う。

【００２３】図４は、読み出し制御線１１に読み出し制
御電流Ｉ_C を流す一方で、図１のメタル配線層８から９
にバイアス電流Ｉ_B を流した場合の検出接合１の制御特
性（ジョセフソン電流の制御電流依存性）を説明するた
めのグラフである。図中、実線は磁束量子が保持されて
いない場合、一点鎖線は磁束量子蓄積部に「１」の磁束
量子が保持された場合、破線は磁束量子蓄積部に「０」
の磁束量子が保持された場合を示す。図４に表された制
御特性は、検出接合１のトンネルバリヤ層に磁界が印加
されることによって接合１にゼロ電圧の状態で流し得る
バイアス電流（ジョセフソン電流）が減少する様子をプ
ロットしたものである。したがって、動作点がこの山の
中にある場合には、検出接合１はゼロ電圧状態のままで
あり、この山の外へ動作点が出ると検出接合１は電圧状
態に転移する。この特性では、保持されている磁束量子
の磁界が検出接合１のトンネルバリヤ層に加わることに
よって特性が横方向（制御電流軸方向）にシフトしてい
る。読み出し動作においては、図４で動作点がＡ点にく
るように検出接合１にバイアス電流Ｉ_B を流しておき、
次に読み出し制御電流線１１に制御電流を流して動作点
をＢ点に移動させる。このとき磁束量子蓄積部３に保持
されている磁束量子が「１」の場合はＡ点，Ｂ点とも
「１」の山の中にあるので検出接合１は電圧転移しな
い。しかしこのとき保持されている磁束量子が「０」の
場合はＢ点は「０」の山の外にあるため検出接合１は電
圧転移を起こす。したがって読み出し動作の結果、検出
接合１が電圧転移を起こしたか否かで磁束量子蓄積部に
保持された磁束量子が「１」か「０」かを判別すること
ができる。

【００２４】このメモリは書き込み制御線を２本用いて
ワード線およびビット線としてこの両者の一致選択で書
き込みセル選択を実現できる。

【００２５】また読み出しセル選択はバイアス電流線８
および９と読み出し制御線１１をワード線とビット線と
して用いてこの両者の一致したセルの検出接合１が電圧
転移するか否かで読み出しセル選択を実現できる。

【００２６】このようにしてこのメモリは非破壊読み出
しのランダムアクセスメモリとなる。しかもこのメモリ
では、読み出しに高速動作する積層イントリンシック接
合を用いているため、動作速度が非常に速いという特徴
がある。また超伝導ジョセフソン接合を用いたメモリで
あるため消費電力が半導体メモリの約１／１０００と小
さいため熱的制限が緩いため高密度に実装できるので超
小型で大容量高速のメモリが実現できる。

【００２７】なお本発明の実施例の説明においては、主
にＢｉＳｒＣａＣｕＯ薄膜の場合について述べたが、積
層イントリンシック接合が形成される高温超伝導体であ
れば、どのような材料であっても本発明の構造は構成可
能であり、材料がＢｉＳｒＣａＣｕＯ薄膜に限定される
ものではない。

【００２８】また図１，図２，図３においてメタル配線
層（８，９，１０，１１）を用いているが、これは必ず
しも常伝導の金属薄膜を用いる必要はなく、技術的に可
能であればこれらは酸化物高温超伝導体でも良いし、そ
の他の導電体でもよい。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、液体窒素温度（７
７Ｋ）以上でも動作する超高速低消費電力のイントリン
シック接合磁束量子メモリを実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のイントリシック接合磁束量子メモリの
一実施形態として、イントリンシック接合を用いて磁束
量子メモリが構成されたメモリデバイス構造の概略的構
成を説明するための斜視図である。

【図２】図１のＡ−Ａ′線に沿う断面図である。

【図３】高温超伝導磁束量子メモリの動作を説明するた
めのメモリデバイス主要部の模式的断面図である。

【図４】高温超伝導磁束量子メモリの磁束量子検出接合
のジョセフソン電流の制御電流依存性を示すグラフであ
る。

【符号の説明】

１ 積層イントリンシック接合（磁束量子検出接合） ２ 積層イントリンシック接合（コンタクト接合） ３ 磁束量子を保持するための高温超伝導体の孔（磁束
量子蓄積部） ４ 磁束量子を書き込むための超伝導リンク（幅の細い
超伝導体の部分） ５ メサエッチングの下の超伝導体層で共通下部電極と
なる部分（高温超電導薄膜） ６，７ 層間絶縁層 ８，９ メタル配線層 １０ 磁束量子書き込み制御線（メタル配線層） １１ 磁束量子読み出し制御線（メタル配線層） １２ エピタキシャル基板 １３ 高温超伝導体膜を全層エッチングした部分 １４ 積層イントリンシック接合を形成するために高温
超伝導薄膜５を所定の深さまでメサエッチングした部分 １５ 高温超伝導体をメサエッチングした部分を絶縁層
（例えばＳｉＯ）で埋め戻した部分 １６ 書き込み制御線１０に流れる書き込み制御電流が
発生する磁界 １７ 読み出し制御線１１に流れる読み出し制御電流が
発生する磁界 １８ 磁束量子蓄積部の孔３に保持された磁束量子が発
生する磁界

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鈴木 実 東京都千代田区内幸町１丁目１番６号 日 本電信電話株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 酸化物高温超伝導体に磁束量子を保持さ
   せ、保持された前記磁束量子の極性を２値論理の「１」
   と「０」とに対応させた超伝導メモリにおいて、 前記酸化物高温超伝導体は、上部超伝導電極となる強超
   伝導性層と、下部超伝導電極となる強超伝導性層と、前
   記上部超伝導電極および前記下部超伝導電極に挟まれた
   バリア層となる弱超伝導性層とを持つ積層構造を有し、
   さらに、 前記積層構造に形成され、かつ互いに直列に接続された
   複数個のトンネル形ジョセフソン接合の一つをメモリ状
   態検出素子として用いたことを特徴とするイントリンシ
   ック接合磁束量子メモリ。
2. 【請求項２】 前記酸化物高温超伝導体に形成された孔
   からなる磁束量子保持領域が設けられたことを特徴とす
   る請求項１に記載のイントリンシック接合磁束量子メモ
   リ。
3. 【請求項３】 前記下部超伝導電極は、前記酸化物高温
   超伝導体から前記複数個のトンネル形ジョセフソン接合
   となるべき部分の周囲を所定の深さまでエッチングする
   ことによって切り出され、かつ前記複数個のトンネル形
   ジョセフソン接合の共通電極となるもので、さらに前記
   エッチングされた部分の下の層状構造に形成された孔を
   磁束量子保持領域とすることを特徴とする請求項１に記
   載のイントリンシック接合磁束量子メモリ。