JPS62124698A - 超伝導記憶装置 - 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、情報をアブリコソフ磁束量子の形で超伝導体
内に記憶する超伝導記憶装置に関するものである。

〔従来の技術〕

アブリコソフ磁束量子を記憶情報として用いた装置は、
特公昭６−３４１９４号公報やアブライドフィジンクス
レター誌（Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔ
ｅｒｓ、Ｖｏｌ、３９　Ｎｏ、１２　Ｄｅｓｅｍｂｅｒ
　１９８１．ｐｐ、９９２〜９９３）に既に開示されて
いる。

第９図はアブリコソフ磁束量子記憶装置の従来例のひと
つを示す概略斜視図である。アブリコソフ磁束量子を保
持するための膜厚の薄い超伝導体膜５１と、超伝導体膜
５１の一部を下部電極とし超伝導体膜５２を上部電極と
する磁束量子検出用ジョセフソン接合５３と、超伝導体
膜５１の端５近くに設けられた磁束量子書込線５４と、
超伝導体膜５１の端５５を除く周辺を囲む超伝導体膜５
１よりも膜厚の厚い超伝導体膜５１゛とで構成されてい
る。なお、Ｂは超伝導体膜５１内に保持されているアブ
リコソフ磁束量子を概念的に表しているものである。

このアブリコソフ磁束量子記憶装置は、超伝導体膜５１
内に保持されているアブリコソフ磁束量子の有無を記憶
状態のｒｌＪ　　ｒＯＪに対応させている。すなわち、
超伝導体膜５１内にアブリコソフ磁束量子が保持される
と、その磁束量子がジョセフソン接合５３に影響を与え
てジョセフソン接合５３における闇値電流Ｉｊを低下さ
せることを利用しており、闇値電流Ｉｊの変化を記憶状
態のｒｌＪ　　ｒＯＪに対応させているのである。

情報の読み出しは、適当な値のバイアス電流１ｂをジョ
セフソン接合５３に与えることにより行う。

すなわち、アブリコソフ磁束量子が超伝導体膜５１内に
保持された場合の闇値電流Ｉｊと保持されていない場合
のそれとの間の値を持つバイアス電流１ｂをジョセフソ
ン接合５３に与えると、アブリコソフ磁束量子が保持さ
れていればジョセフソン接合５３に電圧が発生（有電圧
状態）し、保持されていなければ電圧は零（零電圧状態
）となるのである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところが、この従来のアプリコンブ磁束量子記憶装置は
、書き込みに非常に大きな問題点をもっていた。

記憶状態「１」の書き込みは、書込線５４に所定の方向
の電流を流して磁界を発生させ、超伝導体膜５１に端５
５から所定の向き（たとえば、上向き）のアブリコソフ
磁束量子を内部発生させることにより達成する。一方、
記憶状態「０」の書き込みは、そのときの記憶状態に応
じて異なる手順を用いて行わなければならない。すなわ
ち、書込前の記憶状態が１１」であれば、書込線５４に
逆向きの電流を流して下向きの磁束量子を超伝導体膜５
１に内部発生させ、上向きの磁束量子と対消滅させるこ
とによってアブリコソフ磁束量子数を零にする。また、
記憶状態が「０」であれば書込線５４に何等電流を流さ
ないことによりそのままの状態を維持し、実質的に「０
」書き込みとする。

このように、従来のアブリコソフ磁束量子記憶装置では
、書き込み前にそのつど必ず記憶状態を読み出す必要が
あり、書き込みのアクセス時間を無用に長くし、この記
憶セルを用いて計算機を構成するとマシンサイクル時間
が長くなるという問題点があった。

また、記憶状態「１」からｒＯＪ書き込みを行う場合に
、磁束量子を正確に対消滅させることは非常に困難であ
る。対消滅が不十分であれば上向きのアブリコソフ磁束
量子が一部残留してしまい、対消滅を過剰に行えば下向
きのアブリコソフ磁束量子が保持されてしまう。したが
って、アブリコソフ磁束量子を過不足なく対消滅させる
必要性から書込動作マージンが非常に狭くなり、安定動
作が困難であった。また、書込動作を繰り返し行ううち
に、完全対消滅し損なった残留アブリコソフ磁束量子が
徐々に蓄積していき、誤動作を生じるに至るという問題
点があった。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の超伝導記憶装置は上記問題点に鑑みてなされた
ものであり、磁場が印加されることによってアブリコソ
フ磁束量子を内部発生しそのアブリコソフ磁束量子を前
記磁場を取り除いた状態でも自己保持する超伝導体層を
有する情報記憶手段と、情報に対応している電流が通電
されることによって前記情報記憶手段の超伝導体層に与
える磁場を発生する超伝導体層を有する情報書込手段と
、前記情報記憶手段の超伝導体層に自己保持されている
アブリコソフ磁束量子のつくる磁場に感応する少なくと
もひとつ以上のジョセフソン接合素子および前記ジョセ
フソン接合素子におけるアブリコソフ磁束量子による磁
場と平行な成分を有する磁場を発生する制御線を有する
情報読出手段とを具備する超伝導記憶装置であって、前
記情報読出手段を構成するジョセフソン接合素子が前記
情報書込手段により作られる磁場とは鎖交しない場所に
配置されているものである。

〔作用〕

情報書込手段を構成する超伝導体層に与える電流の向き
によって情報記憶手段の超伝導体層に記憶情報の「０」
または「１」に対応する上向きまたは下向きのアブリコ
ソフ磁束量子が選択的に保持される。そして、制御線に
制御電流１ｃｓを与えると共にジョセフソン接合素子に
バイアス電流ｌｓを与えると、アブリコソフ磁束量子の
向きに対応してジョセフソン接合素子が有電圧状態また
は零電圧状態のいずれかとなる。なお、制御線に制御電
流１ｃｓを与えると共にジョセフソン接合素子にバイア
ス電流Ｉｓを与えたときに、情報書込手段を構成する超
伝導体層に電流が流れていても、この電流により作られ
る磁場はジョセフソン接合素子の電圧状態になんら影響
を与えない。

〔実施例〕

以下、実施例と共に本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明の一実施例を示す平面配置図であり、第
２図はそのｎ−ｎ断面図である。情報記憶手段１は、磁
場が印加されることによってアブリコソフ磁束量子αを
内部発生し、そのアブリコソフ磁束量子を該磁場が除去
された後も自己保持する超伝導体層２を情報記憶用要素
として有する。

超伝導体層２は例えば方形または長方形に形成されてお
り、相対する一対の辺をそれぞれ３ａおよび３ｂとし、
また、相対する他の一対の辺をそれぞれ３ｃおよび３ｄ
とする。なお、この超伝導体層２は第２種の超伝導体か
らなる。

情報書込手段１１は、電流が通電されることによって、
情報記憶手段１の超伝導体層２に与える磁場を発生する
ストライプ状の超伝導体層１２を情報書込用要素として
有する。この場合、超伝導体層１２は情報記憶手段１の
超伝導体層２と並置するために、超伝導体層２の辺３Ｃ
に沿って延長している。

情報読出手段２１は、情報記憶手段１の超伝導体層２が
自己保持しているアブリコソフ磁束量子に感応するジョ
セフソン接合素子２２およびこのジョセフソン接合素子
２２に所定の磁界を与える制御線３４を情報読出用要素
として有する。ジョセフソン接合素子２２は、下部電極
としての超伝導体層３２と上部電極としての超伝導体層
２６との間にトンネル障壁層２５を介在させることによ
って構成されている。すなわち、情報記憶手段１の超伝
導体層２上に超伝導体層３２が下部電極として形成され
、超伝導体層３２上に窓２３が穿設された絶縁層２４が
形成され、超伝導体層３２の窓２３に臨む領域に例えば
超伝導体層３２の材料の酸化物でなるトンネル障壁ＪＷ
２５が形成され、さらに、絶縁層２４上に窓２３を覆う
ように超伝導体層２６力月二部電極として形成されてい
る。また、トンネル障壁層２５は後述する磁場不感領域
５の位置に配置されている。磁場不感領域５は第１図に
おいては一点鎖線で、第２図においてはＸ印で示してい
る。制御線３４はストライプ状の超伝導体層からなり、
トンネル障壁層２５の上方を横切るように、超伝導体層
２６上に絶縁層３３を介して形成されている。

つぎに、本実施例の動作を説明する。

情報の１１」に対応する電流ＩＡを情報書込手段１１の
超伝導体層１２に第１の方向に流すと、これに応じて超
伝導体層１２から情報「１」に対応する磁場（第２図に
おいて、超伝導体層１２を中心として反時計回りの磁場
）が発生し、その磁場が情報記憶手段１の超伝導体層２
に印加される。

このため、情報記憶手段１の超伝導体層２の辺３０部に
情報「１」に対応するアブリコソフ磁束量子αが第１の
向き（上向き「↑」）に内部発生する。そして、磁場の
印加を続けると、アブリコソフ磁束量子が辺３０部にお
いて次々と発生し、先に内部発生したアブリコソフ磁束
量子を互いに働く斥力により情報読出手段２１側に押し
込んでゆく。

情報読出手段２１側に移動してきたアブリコソフ磁束量
子はジョセフソン接合素子２２の下部電極である比較的
厚い超伝導体層３２の存在によりそれ以上の移動が妨げ
られる。このようにして、情報記憶手段１にアブリコソ
フ磁束量子が侵入し′　　ていき、ある程度以上のアブ
リコソフ磁束量子が侵入してしまうと、こんどはアブリ
コソフ磁束量子の互いの斥力により侵入が困難となり飽
和状態となる。このアブリコソフ磁束量子は、電流ＩＡ
が除かれたときには、超伝導体層２のピン止め力（アブ
リコソフ磁束量子を捕獲する力）により自己保持される
。

つぎに、情報の１０」に対応する電流ＩＢを、情報書込
手段１１の超伝導体層１２に、上述した電流ＩＡとは逆
の第２の方向に流すと超伝導体層１２から上述の情ｆｌ
ｒｌＪに対応する磁場とは逆向きの磁場が発生し、この
磁場によって情報記憶手段１の超伝導体層２に、情報「
０」に対応するアブリコソフ磁束量子が情報「１」に対
応するアブリコソフ磁束量子とは逆の第２の向き（下向
き「↓」）に内部発生する。この内部発生した情報「０
」に対応するアブリコソフ磁束量子は前述した上向きの
アブリコソフ磁束量子と同様に侵入していき、既に自己
保持されている情報「１」に対応する上向きのアブリコ
ソフ磁束量子と結合して対消滅する。そしてさらに、情
報「０」に対応するアブリコソフ磁束量子が侵入するこ
とによって最終的には情報「０」に対応するアブリコソ
フ磁束量子のみが情報記憶手段１の超伝導体層２に残留
し保持される。これが情報「０」の保持状態である。

つぎに、情報の読み出しについて説明する。記憶状態の
検出は、制御電流１ｃｓを情報読出手段２１の超伝導体
層３４に流すと共に、所定のバイアス電流Ｉｓを情報読
出手段２１のジョセフソン接合素子２２に超伝導体層２
６とトンネル障壁層２５と超伝導体層３２を通じて流す
ことにより行う。第３図はジョセフソン接合素子２２の
闇値特性を示す図であり、横軸は制御線３４に流す制御
電流値、縦軸はジョセフソン接合素子２２に流すバイア
ス電流値である。同図において、破線７はアブリコソフ
磁束量子が情報記憶手段１に保持されていないときの闇
値特性曲線、実線８は「０」状態に相当するアブリコソ
フ磁束量子が保持されているときの闇値特性曲線、実線
９は「１」状態に相当するアブリコソフ磁束量子が保持
されているときの闇値特性曲線である。このように、記
憶状態によって闇値特性が横軸に沿って遷移するのは、
情報記憶手段１の超伝導体層２に保持されたアブリコソ
フ磁束量子が作る磁界の影響によるものである。

いま、ジョセフソン接合素子２２にバイアス電流Ｉｓを
流すと共に、制御線３４に第１の方向に制御電流Ｉｃｓ
を流すことによって動作点をＡの位置に移動させること
ができる。同図から、「０」状態であれば動作点Ａが闇
値特性曲線８の内側にあるためジョセフソン接合素子２
２は零電圧状態が維持され、「１」状態であれば動作点
Ａは闇値特性曲線９の外側に出てしまうことから有電圧
状態に転移することが判る。この現象は、「０」状態の
ときには下向きのアブリコソフ磁束量子が作る磁界と制
御電流Ｉｃｓが作る磁界とがトンネル障壁層２５部にお
いて互いに打ち消しあい、「１」状態にあるときには上
向きのアブリコソフ磁束量子の磁界と制御電流１ｃｓＯ
：）磁界とが相互に加わることにより生じる。このよう
な作用によって、所定のバイアス電流Ｉｓと制御電流１
ｃｓとを同時に流したときのジョセフソン接合素子２２
の電圧状態により記憶状態が「１」であるか「０」であ
るかを読み出すことができる。

つぎに、磁場不感領域５について説明する。

第４図ないし第６図は超伝導体と磁場との関係を示した
ものであり、Ｍは紙面垂直方向に広がる超伝導体層、ｃ
Ｌは超伝導体層Ｍの法線方向の中心線である。第４図は
、紙面上方から一様磁場Ｈが超伝導体層Ｍに印加されて
いる時の磁力線を表したものである。電磁見学のマック
スウェル方程式を解けば明らかなように、印加された磁
場Ｈは超伝導体特有のマイスナー効果により中心線ＣＬ
を境にして超伝導体層Ｍ上で左右に分かれる。すなわち
、一様磁場の場合は中心線ｃＬと超伝導体層Ｍが交差す
るところから右側では右向きの磁場成分があり、左側で
は左向きの磁場成分があり、中央部では平行磁場が向き
を変え、中央部近傍では磁場は極めて小となる。この平
行磁場が極めて微小となる領域を磁場不感領域５とする
。第５図および第６図は超伝導体ＮＭの近傍に紙面垂直
方向に延びる電流線Ｎを配置し、この電流線Ｎに電流を
流して磁場を発生させた場合の磁力線を表しており、第
５図は電流線Ｎが超伝導体層Ｍと同一平面上にある場合
、第６図は同一平面上にない場合を示している。この場
合も磁場不感領域５の位置は電磁気宇のマンクスウェル
方程式の計算、または有限要素法などのシミュレーショ
ンで容易に決定できる。第５図の場合は超伝導体層Ｍの
中心線よりわずかに電流線Ｎに近づいたところが磁場不
感領域５となる。また、第６図においては、超伝導体層
Ｍの法線方向をＺ軸とし上方を正方向とすれば、磁場不
感領域５は、正方向側の表面（図における上側の表面）
では超伝導体層Ｍの中心よりも大きく電流線Ｎから離れ
た所となり、負方向側表面（図における下側の表面）で
は超伝導体層Ｍの中心よりも大きく電流線Ｎに近づいた
所となる。このように、超伝導体を磁場の中においたと
きには磁場不感領域５が存在することなる。

本実施例（第１図および第２図）では、第７図に示すよ
うに、情報書込時において情報記憶手段１および情報読
出手段２１が情報書込手段１１により作られる磁場の中
に置かれることになるが、情報読出手段２１のジョセフ
ソン接合素子２２のトンネル障壁層２５が該磁場に対す
る磁場不感領域５に配置されているため、書込電流によ
る読出動作に対する悪影響を防止できる。すなわち、ジ
ョセフソン接合素子２２に加わる磁場は蓄積されたアブ
リコソフ磁束量子による磁場のみとなり、書込動作直後
の書込電流による磁場が残留しているようなときでも、
直ちに読出動作が可能である。

もちろん、書込動作終了前に読出動作を行っても書込電
流が作る磁場の影響は全くうけないので、読出の誤動作
は生じない。したがって、書込・読出を行う際に時間的
余裕を持たせる必要がなく、動作速度を早めることがで
きる。また、書込・読出動作時間の重なりを防止するた
めの複雑なタイミング回路が不要となる。

さらに、情報書込手段１１の書込線を２本用い、２本の
書込線双方に電流が供給されたときのみ十分な情報書込
磁界が生じるように構成してマトリクスメモリセルとす
る場合が考えられるが、本実施例によれば半選択状態（
一方の書込線のみが通電されている状態）においても読
出動作を行うことができ、メモリのサイクルタイムを短
くすることができる。すなわち、半選択状態時にば情報
読出手段２１に磁場が与えられるが、情報読出手段２１
のジョセフソン接合素子２２のトンネル障壁層２５が書
込磁場に対する磁場不感領域５に配置されているため、
半選択状態でも書込電流による読取誤動作は生じない。

なお、本実施例ではトンネル障壁層２５の中心と磁場不
感領域５とを完全に一致させているが、磁場不感領域５
は必ずしもトンネル障壁層２５の中心でな（ともよい。

また、水平成分の磁場不感領域５が適当な位置に得られ
ない場合は、ジョセフソン接合素子２２として、垂直方
向に接合部が形成されているいわゆるエツジジャンクシ
ョンを用いれば、上記実施例と同様に情報書込手段によ
り作られる磁場と鎖交しない位置にジョセフソン接合素
子２２を配置できる。

また、上記の実施例ではジョセフソン接合素子として第
８図（Ａ）の概念図に示すように単一のトンネル障壁層
２５を持つものを用いているが、同図（Ｂ）に示すよう
にトンネル障壁層を２つ持ついわゆるスクイド（ＳＱＩ
ＪＩ［ｌ）形のものを用いてもよい。同図において２６
．２６″は上部電極、２５．２５’はトンネル障壁層、
３２．３２’は下部電極であり、スクイド形を用いる場
合にはアブリコソフ磁束量子による磁束（破線矢印）が
中央の空間を横切るように構成することにより、闇値特
性を変化させることができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明の超伝導記憶装置によれば、
情報書込手段を構成する超伝導体層に与える電流の向き
によって情報記憶手段の超伝導体層に記憶情報の「１」
または「０」に対応する上向きまたは下向きのアブリコ
ソフ磁束量子を選択的に保持させるものであり、上向き
のアブリコソフ磁束量子を保持する場合であっても下向
きのアブリコソフ磁束量子を保持する場合であっても書
込前の記憶状態のアブリコソフ磁束量子を対消滅させた
うえでさらに飽和状態となるまで書き込むので、アブリ
コソフ磁束量子の有無を情報要素とする従来のアブリコ
ソフ磁束量子記憶装置のように書込時に記憶内容をその
つど確認したうえで磁束量子を過不足なく正確に対消滅
させることは不要である。したがって、書込操作が簡単
となるばかりでなく、書込動作マージンを広くとること
ができる。そのうえ、残留するアブリコソフ磁束量子の
蓄積による誤動作もない。

さらに、前記情報読出手段を構成するジョセフソン接合
素子が情報書込手段により作られる磁場とは鎖交しない
場所に配置されているので、情報書込手段を構成する超
伝導体層に電流が流れていても、この電流により作られ
る磁場はジョセフソン接合素子の電圧状態になんら影響
を与えない。

そのため、読取動作と書込動作とを重ねて行うことがで
き、メモリのサイクルタイムの短縮化すなわち高速動作
化ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す平面配置図、第２図は
その■−■断面図、第３図はジョセフソン接合素子２２
の闇値特性を示す図、第４図ないし第６図はそれぞれ超
伝導体と磁場との関係を示した断面図、第７図は第２図
に示した本実施例装置と書込磁場との関係を示した断面
図、第８図はジョセフソン接合素子の概念を示す斜視図
、第９図は従来のアブリコソフ磁束量子記憶装置を示す
斜視図である。 ■・・・情報記憶手段、２・・・超伝導体層、５・・・
磁場不感領域、１１・・・情報書込手段、２１・・・情
報読出手段、２２・・・ジョセフソン接合素子、３４・
・・制御線。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 磁場が印加されることによってアブリコソフ磁束量子を
   内部発生しそのアブリコソフ磁束量子を前記磁場を取り
   除いた状態でも自己保持する超伝導体層を有する情報記
   憶手段と、情報に対応している電流が通電されることに
   よって前記情報記憶手段の超伝導体層に与える磁場を発
   生する超伝導体層を有する情報書込手段と、前記情報記
   憶手段の超伝導体層に自己保持されているアブリコソフ
   磁束量子のつくる磁場に感応する少なくともひとつ以上
   のジョセフソン接合素子および前記ジョセフソン接合素
   子におけるアブリコソフ磁束量子による磁場に平行な成
   分を有する磁場を発生する制御線を有する情報読出手段
   とを具備する超伝導記憶装置であって、前記情報読出手
   段を構成するジョセフソン接合素子が前記情報書込手段
   により作られる磁場とは鎖交しない場所に配置されてい
   ることを特徴とする超伝導記憶装置。