JPH1140866A

JPH1140866A - 酸化物超電導論理回路装置

Info

Publication number: JPH1140866A
Application number: JP9189383A
Authority: JP
Inventors: Haruhiro Hasegawa; 晴弘長谷川; Yoshinobu Taruya; 良信樽谷; Tokumi Fukazawa; 徳海深沢; 一正 ▲高▼木; Kazumasa Takagi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1997-07-15
Filing date: 1997-07-15
Publication date: 1999-02-12

Abstract

(57)【要約】【課題】層構成やジョセフソン接合の配置に関する制
約を満足した、量子磁束パラメトロン素子からなる酸化
物超電導論理回路を実現できない。【解決手段】量子磁束パラメトロン素子の素子パター
ン９１と接地パターン９２とをジョセフソン接合部分で
分け、かつ各素子パターン間を接続する接続パターンを
連続形状で形成する酸化物超電導体層と、成膜された酸
化物超電導体層にジョセフソン接合を形成させる部分を
連続した線上に有し各接地パターンを一つの共通接地パ
ターンで形成させる基板９０と、素子パターンと接続パ
ターンおよび接地パターンを被う絶縁層上に成膜され素
子パターンの超電導閉ループを形成するインダクタ部分
に磁気結合される金属層とからなり、酸化物超電導体層
を接地面の領域１０１とそれ以外の領域１０２に分割
し、全ての量子磁束パラメトロン素子をそれ以外の領域
１０２に含ませた酸化物超電導論理回路装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、酸化物超電導体を
用いて作製された量子磁束パラメトロン素子からなる酸
化物超電導論理回路に係り、特に、量子磁束パラメトロ
ン素子の動作条件と回路の作製制約条件とを満足させた
構成の酸化物超電導論理回路装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、量子磁束パラメトロン素子の設計
や素子動作に関しては、アイ・イー・イー・イートラ
ンザクションズオンアップライドスーパーコンダ
クティビィティー第３巻１９９３年第３０２２頁
から第３０２８頁（IEEE Transactions on Applied Sup
erconductivity vol. 3 (1993) pp.3022-3028）に記載
されている。以下、これを第１の従来例として引用す
る。また、酸化物超電導体からなる論理回路の設計や動
作に関しては、アイ・イー・イー・イートランザクシ
ョンズオンアップライドスーパーコンダクティビ
ィティー第５巻１９９５年第３４０１頁から第３
４０４頁（IEEE Transactions on Applied Superconduc
tivity vol. 5 (1995) pp.3401-3404）に記載されてい
る。以下、これを第２の従来例として引用する。

【０００３】酸化物超電導体からなる量子磁束パラメト
ロン素子を作製するためには、酸化物超電導論理回路を
作製する際に生じる固有の制約条件を考慮しながら、量
子磁束パラメトロン素子の動作条件を満足する必要があ
る。まず、量子磁束パラメトロン素子動作のためには、
第１の従来例に記載されているように、超電導閉ループ
のループインダクタンス、すなわち第１のインダクタン
スと第２のインダクタンスの和と第１および第２のジョ
セフソン接合の超電導臨界電流の積を概ね磁束量子程度
に設定する必要がある。

【０００４】また、信号電流は熱雑音を打ち消す程度の
大きさが必要であり、このため数十Ｋの動作温度では、
超電導臨界電流は概ね数十μＡ以上が必要である。従っ
てループインダクタンスは、概ね数十ｐＨ以下の小さい
値に抑えなければならない。さらに、出力電流は負荷イ
ンダクタンスに反比例する。従って、十分大きな出力電
流を得るためには、量子磁束パラメトロン素子間の距離
をできるだけ短くして、負荷インダクタンスを小さくす
る必要がある。

【０００５】一方、一般に酸化物超電導論理回路では酸
化物超電導体の積層構造を実現することは難しい。例え
ば、上下２層の酸化物超電導体層の超電導性を保つため
には、ＳrＴiＯ3等の特定の絶縁体層や成膜条件が必要
であり、回路作製のプロセス条件を制限している。ま
た、酸化物超電導体の成膜時には微粒子の異物が形成さ
れやすい。これらの微粒子は、層間絶縁膜である絶縁体
層を破壊し、層間をショートさせ、回路動作の障害を引
き起こす原因となっている。従って、酸化物超電導論理
回路では、できる限り酸化物超電導体の積層構造を含ま
ない層構成が望ましい。

【０００６】また、酸化物超電導論理回路におけるジョ
セフソン接合としては、基板に段差を形成したステップ
エッジ型や、基板としてバイクリスタルを用いたバイク
リスタル型が用いられる。これらによるジョセフソン接
合は、上記第２の従来例の図１に記載されているよう
に、エッジや基板接合が存在する一直線上にのみ配置可
能であり、任意の位置に配置することはできない。従っ
て、酸化物超電導論理回路を作製する際には、これらジ
ョセフソン接合の配置に関する制約を考慮して回路を構
成する必要がある。

【０００７】特に、第２の従来例は、ＲＳＦＱ素子（Ｒ
ＳＦＱ：Rapid Single Flux Quantum）を用いて酸化物
超電導論理回路を作製した例であるが、このＲＳＦＱ素
子では、回路素子要素が直接結合型のみで接続され、磁
気結合型を含まない。そのため素子の構成が比較的簡単
である。これに対し、量子磁束パラメトロン素子は、回
路素子要素が、直接結合型と磁気結合型の両方で接続さ
れ、素子の構成が複雑である。そのため、複数の量子磁
束パラメトロン素子を用いて酸化物超電導論理回路を作
製した例はなく、最適なレイアウトの構成も示されてい
ない。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】解決しようとする問題
点は、従来の技術では、量子磁束パラメトロン素子の動
作条件を満足し、かつ、層構成やジョセフソン接合の配
置に関する制約が考慮された酸化物超電導論理回路装置
を作製することができない点である。本発明の目的は、
これら従来技術の課題を解決し、量子磁束パラメトロン
素子を用いた実用化が可能な酸化物超電導論理回路装置
を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の酸化物超電導論理回路装置は、基板上に、
酸化物超電導体層と絶縁体層および金属層を設けた層構
成とし、１層の酸化物超電導体層を用いた量子磁束パラ
メトロン素子の作製を可能とした。このことにより、層
構成やジョセフソン接合の配置に関する制約が十分に考
慮された、かつ、量子磁束パラメトロン素子の動作条件
を満足するレイアウトの構成が可能となる。すなわち、
酸化物超電導体層により、量子磁束パラメトロン素子の
素子パターンと接地パターンとをジョセフソン接合部分
で分けて形成すると共に、各素子パターン間を接続する
接続パターンを連続した形状で形成することにより、複
数の量子磁束パラメトロン素子を、一層の酸化物超電導
体で作成することができる。特に、接続パターンが連続
している、すなわち、量子磁束パラメトロン素子は全て
接地パターンの領域面以外の連続した領域に形成されて
いるので、量子磁束パラメトロン素子間を接地パターン
の領域を介せずに接続でき、接続長を短くして、負荷イ
ンダクタンスを小さくすることができる。また、接地パ
ターンは、ジョセフソン接合部分で素子パターンと分け
られており、接地面と量子磁束パラメトロン素子とが近
接して形成される。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を、図面に
より詳細に説明する。図１は、本発明の酸化物超電導論
理回路装置の本発明に係る構成の第１の実施例を示すブ
ロック図であり、図２は、図１における酸化物超電導論
理回路装置内の量子磁束パラメトロン素子の等価回路を
示す回路図、図３は、図１における酸化物超電導論理回
路装置内の量子磁束パラメトロン素子のレイアウトを示
す説明図である。

【００１１】図１に示す本例の酸化物超電導論理回路装
置は、ステップエッジ型ジョセフソン接合を用いて、１
４個の量子磁束パラメトロン素子と１個のｄｃ−ＳＱＵ
ＩＤ（：Direct Current Superconducting Quantum Int
erference Device、量子干渉計）を形成し、これによ
り、８：１マルチプレクサを作製したものである。本図
１において、９０はＳrＴiＯ3からなる基板、９１は量
子磁束パラメトロン素子の素子パターン、９２は接地パ
ターン、９３は接続パターン、１０１は接地パターン９
２からなる接地面の領域、１０２はそれ以外の領域であ
る。

【００１２】素子パターン９１、接地パターン９２、接
続パターン９３のそれぞれの構成は、図２の等価回路で
示されるが、まず、このような量子磁束パラメトロン素
子の作製プロセスを、図３を用いて説明する。図３にお
いて、１０は酸化物超電導体層、２０は金属層、３０は
絶縁層、４０はジョセフソン接合位置、９０は基板であ
る。

【００１３】基板９０としてＳrＴiＯ3を用い、この基
板９０上に電子線リソグラフィを用いて、Ｓiからなる
マスクパターンを作製する。このマスクパターンは、ジ
ョセフソン接合位置４０を境界として基板９０の半平面
を覆うように形成する。そして、Ａr＋Ｏ2イオンエッチ
ングにより基板９０をエッチングして、ジョセフソン接
合位置４０に、高さh=240nmのステップを形成する。次
に、基板９０上に、膜厚t=120nmのＹＢa2Ｃu3Ｏ7からな
る酸化物超電導体層１０を、レーザアブレーション法に
より成膜する。これにより、ジョセフソン接合が、酸化
物超電導体層１０とジョセフソン接合位置４０の交線に
形成されることになる。

【００１４】そして、電子線リソグラフィやＡrイオン
エッチングにより酸化物超電導体層１０を加工し、図の
ような形状で素子パターン９１と接続パターン９３およ
び接地パターン９２を形成した後、シャドーマスクを用
いて抵抗加熱蒸着法により膜厚t=600nmのＳiＯからなる
絶縁体層３０を成膜する。このＳiＯ蒸着時、基板の温
度は５００℃以上に上昇することはない。従って、酸化
物超電導体層１０は酸素が離脱せず、特性の劣化も起こ
らない。さらに、同様にして抵抗加熱蒸着法により膜厚
t=280nmのＡuからなる金属層２０を成膜し、電子線リソ
グラフィやＡrイオンエッチングにより加工する。この
ようにして、本図３に示す量子磁束パラメトロン素子を
作製する。

【００１５】尚、酸化物超電導体の成膜時には、微粒子
の異物が形成されやすい。これらの微粒子は、層間絶縁
膜である絶縁体層を破壊し、層間をショートさせ、回路
動作の障害を引き起こす原因となっている。しかし、本
実施例では、この微粒子の直径は高々100nm程度とあ
り、ＳiＯ絶縁体層３０の膜厚（t=600nm）に比べて十分
小さく、この微粒子は、ＳiＯ絶縁体層３０により十分
被覆できる。また、基板温度の低い蒸着法を用いるの
で、酸化物超電導体層１０を劣化させることなく、十分
厚い膜厚のＳiＯ絶縁体層３０を成膜することができ
る。

【００１６】一方、酸化物超電導体の積層構造を実現す
るために、金属層２０として酸化物超電導体を用いる。
この時、上下２層の酸化物超電導体層の超電導性を保つ
ため、絶縁体層３０には、ＳrＴiＯ3等特定の材料を用
いる。尚、一般にＳrＴiＯ3を成膜するためには５００
℃以上の高温の基板温度が必要であるが、この時、酸化
物超電導体層１０は、酸素の離脱等により特性が劣化し
やすくなる。従って、回路作製プロセス条件、たとえ
ば、ＹＢa2Ｃu3Ｏ7、ＳrＴiＯ3成膜時の酸素分圧、入射
エネルギーは許容範囲が狭まり、ＳrＴiＯ3の膜厚等の
作製プロセスパラメータは所望の値が得られにくくな
る。その結果、ＹＢa2Ｃu3Ｏ7の超電導性やＳrＴiＯ3の
絶縁性も劣化しやすくなる。

【００１７】次に、このようにして作製した量子磁束パ
ラメトロン素子の構成を、図２を用いて説明する。本実
施例の量子磁束パラメトロン素子は、図２の等価回路に
示すように、図３の酸化物超電導体層１０からそれぞれ
形成された信号入力線１２、負荷インダクタ１３、第
１，第２のジョセフソン接合１１１，１１２、第１，第
２のインダクタ１１３，１１４、接地面１１５と、図３
の金属層２０からそれぞれ形成されたクロック入力線２
１、第３，第４のインダクタ２２，２３から構成されて
いる。

【００１８】第１のジョセフソン接合１１１、第１のイ
ンダクタ１１３、第２のインダクタ１１４、第２のジョ
セフソン接合１１２が順に接続されて、超電導閉ループ
１１が形成され、第１のジョセフソン接合１１１と第２
のジョセフソン接合１１２の接続点が接地面１１５に接
続されている。第１，第２のジョセフソン接合１１１，
１１２と、第１，第２のインダクタ１１３，１１４とに
より図１および図２における素子パターンが形成され、
信号入力線１２、負荷インダクタ１３により図２におけ
る接続パターン９３が形成され、そして、第３，第４の
インダクタ２２，２３により図２における接地パターン
９２が形成される。

【００１９】信号入力線１２の端子の一方と負荷インダ
クタ１３の端子の一方は、超電導閉ループ１１の一部で
ある第１のインダクタ１１３と第２のインダクタ１１４
の接続点に接続されている。そして、クロック入力線２
１と第３のインダクタ２２と第４のインダクタ２３は順
に直列接続され、図３の絶縁体層３０を介して、第１の
インダクタ１１３と第３のインダクタ２２、および、第
２のインダクタ１１４と第４のインダクタ２３がそれぞ
れ磁気結合されている。

【００２０】このように、本例では、第３のインダクタ
２２と第４のインダクタ２３を、図３の酸化物超電導体
層１０とは異なる層、すなわち図３の金属層２０から形
成している。従って、直接結合型および磁気結合型の両
方で回路素子要素を接続しながら、超電導閉ループ１１
を小さくすることができる。実際の具体的な例では、第
１、第２のジョセフソン接合１１１，１１２の幅を２μ
ｍ、第１、第２のインダクタンス１１３，１１４の幅を
３μｍ、中央のホールを縦２μｍ×横６μｍとすること
により、素子動作に適当な小さいループインダクタンス
Ｌ＝８ｐＨを実現することができた。

【００２１】このようして構成された量子磁束パラメト
ロン素子を複数個組み合わせて接続ることにより、図１
および図４に示す８：１マルチプレクサを作製すること
ができる。図４は、図１における酸化物超電導論理回路
装置の等価回路を示す回路図である。本等価回路で示す
複数の量子磁束パラメトロン素子からなる８：１マルチ
プレクサの作製プロセスは、Ｓiからなるマスクのパタ
ーンを除いて、図２および図３で示した作製プロセスと
同様である。すなわち、Ｓiからなるマスクパターン
は、基板の半平面を覆うのではなく、ジョセフソン接合
を形成する付近にのみ形成する。

【００２２】本例の８：１マルチプレクサは、基板（９
０）上に形成された酸化物超電導体層（１０）と絶縁体
層（３０）と金属層（２０）とから構成された１４個の
量子磁束パラメトロン素子と１個のｄｃ−ＳＱＵＩＤか
らなり、量子磁束パラメトロン素子は、酸化物超電導体
層から形成された第１のジョセフソン接合（１１１）と
第２のジョセフソン接合（１１２）と第１のインダクタ
（１１３）と第２のインダクタ（１１４）と信号入力線
（１２）と負荷インダクタ（１３）と接地面（１１５）
と、金属層から形成されたクロック入力線（２１）と第
３のインダクタ（２２）と第４のインダクタ（２３）か
らなる。

【００２３】第１のジョセフソン接合と第１のインダク
タと第２のインダクタと第２のジョセフソン接合が順に
接続されて超電導閉ループを形成している。また、クロ
ック入力線と第３のインダクタと第４のインダクタが順
に直列接続され、信号入力線の端子の一方と負荷インダ
クタの端子の一方が超電導閉ループの一部に接続されて
いる。また、第１のジョセフソン接合と第２のジョセフ
ソン接合の接続点が接地面に接続されている。

【００２４】さらに、第１のインダクタと第３のインダ
クタが磁気結合され、第２のインダクタと第４のインダ
クタが磁気結合される。各量子磁束パラメトロン素子を
形成する負荷インダクタの端子の他方は、隣接する他の
量子磁束パラメトロン素子の信号入力線の端子の他方に
接続されるか、負荷インダクタの端子の他方、もしく
は、接地面に接続される。このような構成とすることに
より、基板は接地面の領域とそれ以外の２つの領域に分
割して形成でき、量子磁束パラメトロン素子は全てそれ
以外の領域に含ませることができる。さらに、接地面を
各量子磁束パラメトロン素子に近接して形成することが
できる。

【００２５】本図４におけるＩb，Ｓ0，Ｓ1，Ｓ2，Ｉg2
は、それぞれ、クロック入力線に印加される信号電流で
あり、これらの配線は図３の金属層２０から形成する。
また、Ｉ0−Ｉ7は、信号入力線に印加する信号電流、Ｉ
g1およびＶoutは、ｄｃ−ＳＱＵＩＤに印加する電源電
流、出力電圧であり、これらの配線は、共に、図３の酸
化物超電導体層１０から形成する。さらに、Ｉ0−Ｉ7は
８ビットの入力信号、Ｓ0，Ｓ1，Ｓ2は３ビットの選択
信号である。入力信号はこれらの選択信号により選択さ
れ、ｄｃ−ＳＱＵＩＤを通して出力されることになる。

【００２６】量子磁束パラメトロン素子は、図３におけ
る酸化物超電導体層１０のレイアウトが重要である。ま
た、一般に、論理回路を作製するためには複数の素子を
接続しなければならない。量子磁束パラメトロン素子で
論理回路を作製する場合、１つの素子の図２に示す負荷
インダクタ１３の端子の一方は、他の素子の図２に示す
信号入力線１２の端子の一方、または、他の素子の図２
に示す負荷インダクタ１３の端子の一方、または図２に
示す接地面１１５に接続する。そして、十分大きな出力
電流を得るためには、負荷インダクタンスは小さくしな
ければならないが、これまでの従来例では、負荷インダ
クタンスを小さく保ちながら複数の量子磁束パラメトロ
ン素子を接続するための好適なレイアウトを示した例は
なかった。

【００２７】本例では、図３の酸化物超電導体層１０
を、図１に示すレイアウトとすることにより、このよう
な、負荷インダクタンスを小さく保ちながら複数の量子
磁束パラメトロン素子を接続することができる。すなわ
ち、図３で示すように、量子磁束パラメトロン素子の酸
化物超電導体層１０は、ジョセフソン接合位置４０を境
として、接地面の領域とそれ以外の領域に分けることが
でき、図１において、基板９０上の図３の酸化物超電導
体層１０を、接地面の領域１０１とそれ以外の領域１０
２の２つに分割できる。そして、全ての量子磁束パラメ
トロン素子は、それ以外の領域１０２に含まれるように
レイアウトする。

【００２８】さらに、この基板９０に関しては、それ以
外の領域１０２は、接地面の領域１０１により分割され
ていない、いわゆる単連結となっている。従って、各量
子磁束パラメトロン素子は、全ての負荷インダクタと信
号入力線を、接地面の領域を介さずに接続できる。ま
た、量子磁束パラメトロン素子の配線は、接地面の領域
１０１に近接し、全ての素子が接地面の領域１０１に埋
めこまれるようにレイアウトされている。このことによ
り、量子磁束パラメトロン素子の負荷インダクタンスが
低減する。それと共に、接地面についても、線幅が増大
するのでインダクタンスが低減する。このようにして、
素子の動作条件を満足する回路素子要素の値が得られる
ので、量子磁束パラメトロン素子からなる酸化物超電導
論理回路を実現できる。

【００２９】このような配線のインダクタンスを見積も
るため、実際に、別の基板上に直接結合型ｄｃ−ＳＱＵ
ＩＤを作製し、注入電流／ＳＱＵＩＤ電圧を測定し、そ
の周期特性から配線のインダクタンスを求めた。その結
果、本実施例の層構成である１層のＹＢa2Ｃu3Ｏ7で
は、線幅ｗ＝０.５mｍ−３.０mｍについて、正方形当た
りのインダクタンスは、温度６０Ｋ以下の十分低温でＬ
＝１.２５ｐＨ／squareであった。従って、本図１のレ
イアウトでは、量子磁束パラメトロン素子の負荷インダ
クタンスは、高々３０ｐＨとなる。これは、素子動作を
実現するために十分に小さい値であリ、本図１のレイア
ウトにより、８：１マルチプレクサを実現できる。

【００３０】次に、他のレイアウトでの８：１マルチプ
レクサの構成例を説明する。図５は、本発明の酸化物超
電導論理回路装置の本発明に係る構成の第２の実施例を
示すブロック図である。本第２の例は、バイクリスタル
型ジョセフソン接合を用いて、１４個の量子磁束パラメ
トロン素子と１個のｄｃ−ＳＱＵＩＤを形成し、これに
より、第１の実施例の図４で示した同じ等価回路で表さ
れる８：１マルチプレクサを作製した例である。層構成
は、第１の実施例と同じＡu／ＳiＯ／ＹＢa2Ｃu3Ｏ7で
あリ、成膜、リソグラフィ、エッチング等の各作製プロ
セスも第１の実施例と同様である。

【００３１】本例の基板９０ａはバイクリスタル基板で
あり、ジョセフソン接合位置４０ａがバイクリスタルの
接合面である。ジョセフソン接合は、酸化物超電導体層
とジョセフソン接合位置４０ａの交線に形成される。酸
化物超電導体層は、ジョセフソン接合位置４０ａを境と
して、接地面の領域１０１ａとそれ以外の領域１０２ａ
の２つに分割されている。そして、全ての量子磁束パラ
メトロン素子は、それ以外の領域１０２ａに含まれるよ
うにレイアウトされている。

【００３２】このように、基板９０上において、それ以
外の領域１０２ａは、接地面の領域１０１ａにより分割
されていないので、量子磁束パラメトロン素子の負荷イ
ンダクタと信号入力線は全て接地面の領域１０１ａを介
することなく接続できる。これにより、負荷インダクタ
ンスを低減した量子磁束パラメトロン素子からなる酸化
物超電導論理回路を実現できる。

【００３３】さらに、第１の実施例のステップエッジ型
ジョセフソン接合では、基板に段差を形成しているの
で、Ａu配線がこの段差を乗り越えるために十分な膜厚t
=280nmを必要としたが、本第２の実施例では、ジョセフ
ソン接合としてバイクリスタル型を用いたので、このよ
うな段差がなくなり、回路作製プロセスの制約はより緩
くなリ、実際、膜厚t=200nmのＡuを用いて回路を作製で
き、歩留まりも向上する。また、金属層であるＡu配線
の段差による断線が減少し、回路作製の歩留まりがさら
に向上する。

【００３４】図６は、本発明の酸化物超電導論理回路装
置の本発明に係る構成の第３の実施例を示すブロック図
であり、図７は、その等価回路を示す回路図である。図
６で示す本第３の実施例は、バイクリスタル型ジョセフ
ソン接合を用いて、８個の量子磁束パラメトロン素子と
１個のｄｃ−ＳＱＵＩＤを形成し、これより図７の等価
回路で表される８：１マルチプレクサを作製したもので
ある。層構成は、第１，第２の実施例と同じＡu／ＳiＯ
／ＹＢa2Ｃu3Ｏ7であリ、成膜、リソグラフィ、エッチ
ング等の各作製プロセスも第１，第２の実施例と同様で
ある。

【００３５】第１，第２の実施例では、選択信号のビッ
ト数はＳ0，Ｓ1，Ｓ2の３ビットと小さいが、量子磁束
パラメトロン素子は１４個を要した。本第３の実施例で
は、選択信号は８ビットと大きいが、量子磁束パラメト
ロン素子は８個と少ない数で構成できる。図６および図
７中のＩb0−Ｉb7は、金属層から形成されたクロック入
力線に印加される信号電流であり、これらが選択信号と
なる。

【００３６】図６において、基板９０ｂはバイクリスタ
ル基板であり、ジョセフソン接合位置４０ｂがバイクリ
スタルの接合面である。ジョセフソン接合は酸化物超電
導体層とジョセフソン接合位置４０ｂの交線に形成され
る。酸化物超電導体層は、ジョセフソン接合位置４０ｂ
を境として、接地面の領域１０１ｂとそれ以外の領域１
０２ｂの２つに分割されている。そして、全ての量子磁
束パラメトロン素子は、それ以外の領域１０２ｂに含ま
れるようにレイアウトされている。

【００３７】このように、基板９０ｂ上において、それ
以外の領域１０２ｂは、接地面の領域１０１ｂにより分
割されていないので、第１、第２の実施例と同様に、量
子磁束パラメトロン素子の負荷インダクタと信号入力線
は全て接地面の領域１０１ｂを介することなく接続でき
る。これにより、負荷インダクタンスを低減した量子磁
束パラメトロン素子からなる酸化物超電導論理回路を実
現できる。さらに、第２の実施例と同様に、ジョセフソ
ン接合としてバイクリスタル型を用いたので、このよう
な段差がなくなり、回路作製プロセスの制約はより緩く
なリ、かつ、段差による断線が減少し、回路作製の歩留
まりが向上する。

【００３８】図８は、本発明の酸化物超電導論理回路装
置の本発明に係る構成の第４の実施例を示すブロック図
である。本例は、基板９０ｃ上において、接地面の領域
１０１ｃが、それ以外の領域１０２ｃにより分割された
構成となっている。このようなレイアウトにおいても、
第１〜第３の実施例と同様に、量子磁束パラメトロン素
子の負荷インダクタと信号入力線は全て接地面の領域１
０１ｃを介することなく接続でき、負荷インダクタンス
を低減した量子磁束パラメトロン素子からなる酸化物超
電導論理回路を実現できる。尚、本例の酸化物超電導論
理回路装置では、各接地面の領域１０１ｃ間は回路外で
接続する。

【００３９】以上、図１〜図８を用いて説明したよう
に、本実施例の酸化物超電導論理回路装置は、基板上
に、酸化物超電導体層と絶縁体層および金属層を設けた
層構成からなり、さらに、酸化物超電導体層について、
接地面の領域とそれ以外の領域に分割し、全ての量子磁
束パラメトロン素子を、それ以外の領域に含むように形
成する。従って、量子磁束パラメトロン素子の負荷イン
ダクタと信号入力線は全て接地面の領域を介せずに接続
できるので、量子磁束パラメトロン素子の動作条件を満
足する最適なレイアウトを構成でき、量子磁束パラメト
ロン素子からなる酸化物超電導論理回路を実現できる。

【００４０】すなわち、本実施例の酸化物超電導論理回
路装置は、酸化物超電導体層と絶縁体層および金属層の
層構成であり、少なくとも１層の酸化物超電導体層を用
いて作製される。このように、１層構成の酸化物超電導
体層で量子磁束パラメトロン素子と接地面を形成する場
合、接地面の領域が量子磁束パラメトロン素子の含まれ
る領域を２つ以上に分け、基板が３つ以上の領域に分割
されると、異なる領域に含まれる量子磁束パラメトロン
素子間の負荷インダクタと信号入力線は接地面の領域を
介せずには接続できないことになるが、本例では、基板
を接地面の領域とそれ以外の２つの領域に分割し、全て
の量子磁束パラメトロン素子がそれ以外の領域に含まれ
るようにする。

【００４１】このことにより、それ以外の領域は単連結
となるので、量子磁束パラメトロン素子の負荷インダク
タと信号入力線は全て接地面の領域を介せずに接続でき
ることになる。従って、層構成やジョセフソン接合の配
置に関する制約の下で動作条件を満足するに好適なレイ
アウトを構成でき、これにより、量子磁束パラメトロン
素子からなる酸化物超電導論理回路を実現できる。具体
的には、金属層と絶縁体層の材料を適宜に選択すること
により、酸化物超電導体層、金属層、絶縁体層の成膜条
件を最適化し、層間ショートを抑え回路動作の障害のな
い酸化物超電導論理回路を実現する。

【００４２】尚、本発明は、図１〜図８を用いて説明し
た実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱し
ない範囲において種々変更可能である。例えば、本例の
層構成では、金属層は超電導体であるが、必ずしも超電
導体である必要はなく、絶縁体層と同様に、材料は自由
に選択できる。この場合、各層が形成する回路素子要素
は適当に選択しなければならない。

【００４３】

【発明の効果】本発明によれば、量子磁束パラメトロン
素子の動作条件を満足し、かつ、層構成やジョセフソン
接合の配置に関する回路構成の制約が考慮された酸化物
超電導論理回路を作製することができ、量子磁束パラメ
トロン素子を用いた酸化物超電導論理回路装置を実用化
することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の酸化物超電導論理回路装置の本発明に
係る構成の第１の実施例を示すブロック図である。

【図２】図１における酸化物超電導論理回路装置内の量
子磁束パラメトロン素子の等価回路を示す回路図であ
る。

【図３】図１における酸化物超電導論理回路装置内の量
子磁束パラメトロン素子のレイアウトを示す説明図であ
る。

【図４】図１における酸化物超電導論理回路装置の等価
回路を示す回路図である。

【図５】本発明の酸化物超電導論理回路装置の本発明に
係る構成の第２の実施例を示すブロック図である。

【図６】本発明の酸化物超電導論理回路装置の本発明に
係る構成の第３の実施例を示すブロック図である。

【図７】図６における酸化物超電導論理回路装置の等価
回路を示す回路図である。

【図８】本発明の酸化物超電導論理回路装置の本発明に
係る構成の第４の実施例を示すブロック図である。

【符号の説明】

１０：酸化物超電導体層、１１：超電導閉ループ、１
２：信号入力線、１３：負荷インダクタ、２０：金属
層、２１：クロック入力線、２２：第３のインダクタ、
２３：第４のインダクタ、３０：絶縁体層、４０，４０
ａ，４０ｂ：ジョセフソン接合位置、９０，９０ａ〜９
０ｃ：基板、９１：素子パターン、９２：接地パター
ン、９３：接続パターン、１０１，１０１ａ〜１０１
ｃ：接地面の領域、１０２，１０２ａ〜１０２ｃ：それ
以外の領域、１１１：第１のジョセフソン接合、１１
２：第２のジョセフソン接合、１１３：第１のインダク
タ、１１４：第２のインダクタ、１１５：接地面。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ▲高▼木一正埼玉県比企郡鳩山町赤沼2520番地株式会社日立製作所基礎研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の量子磁束パラメトロン素子を接続
してなる酸化物超電導論理回路装置であって、上記量子
磁束パラメトロン素子の素子パターンと接地パターンと
をジョセフソン接合部分で分けて形成すると共に、各素
子パターン間を接続する接続パターンを連続した形状で
形成する酸化物超電導体層と、該酸化物超電導体層が成
膜され、該成膜された上記酸化物超電導体層に上記ジョ
セフソン接合を形成させる部分を連続した線上に有し、
複数の上記接地パターンを一つの共通接地パターンで形
成させる基板と、該基板上で上記素子パターンと上記接
続パターンおよび上記接地パターンを形成した上記酸化
物超電導体層を被う絶縁層と、該絶縁層上に成膜され、
上記酸化物超電導体層の上記素子パターンでの超電導閉
ループを形成するインダクタ部分に信号を磁気結合によ
り供給する金属層とからなることを特徴とする酸化物超
電導論理回路装置。
【請求項２】請求項１に記載の酸化物超電導論理回路
装置において、上記素子パターンは、上記超電導閉ルー
プを形成する第１，第２の上記インダクタと第１，第２
の上記ジョセフソン接合からなり、上記接続パターン
は、上記第１，第２のインダクタの中間点に接続される
入力線および負荷インダクタとからなり、該負荷インダ
クタを、隣接する上記量子磁束パラメトロン素子の上記
入力線もしくは上記負荷インダクタに接続し、上記接地
パターンは、上記第１，第２のインダクタに上記第１，
第２のジョセフソン接合を挾んで対向して上記超電導閉
ループを形成し、上記金属層は、上記第１，第２のイン
ダクタのそれぞれと磁気結合する第３，第４のインダク
タからなることを特徴とする酸化物超電導論理回路装
置。
【請求項３】請求項１、もしくは、請求項２のいずれ
かに記載の酸化物超電導論理回路装置において、上記金
属層は、酸化物超電導体からなることを特徴とする酸化
物超電導論理回路装置。
【請求項４】請求項１から請求項３のいずれかに記載
の酸化物超電導論理回路装置装置において、上記基板
は、全ての上記ジョセフソン接合を形成させる部分を、
一つの連続した線上に有し、全ての上記接地パターンを
一つの共通接地パターンで形成させることを特徴とする
酸化物超電導論理回路装置。
【請求項５】請求項１から請求項４のいずれかに記載
の酸化物超電導論理回路装置において、上記基板は、上
記ジョセフソン接合を形成する部分として、連続した段
差を有することを特徴とする酸化物超電導論理回路装
置。
【請求項６】請求項１から請求項４のいずれかに記載
の酸化物超電導論理回路装置において、上記基板は、上
記ジョセフソン接合を形成させる部分を連続した直線上
に有することを特徴とする酸化物超電導論理回路装置。
【請求項７】請求項５に記載の酸化物超電導論理回路
装置において、上記基板はバイクリスタル基板からな
り、該バイクリスタルの接合面で上記ジョセフソン接合
を形成することを特徴とする酸化物超電導論理回路装
置。