(57)【要約】【課題】数ｍＶの電圧領域で動作可能な整流素子を提供する。【解決手段】整流素子１００は、ジョセフソン接合１１０および磁場発生部１３０を備える。ジョセフソン接合１１０は、第１方向に延びる上部電極１１２および下部電極１１４と、上部電極１１２と下部電極１１４がオーバーラップする接合領域１１６に設けられた障壁層１１８と、を有する。磁場発生部１３０は、接合領域１１６に外部磁場ＢＥＸを与える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極および第２電極と、前記第１電極と前記第２電極がオーバーラップする接合領域に設けられた障壁層と、を有するジョセフソン接合と、
前記接合領域に外部磁場を与える磁場発生部と、
を備えることを特徴とする整流素子。
【請求項２】
前記磁場発生部は、前記接合領域に隣接して設けられた磁性体を含むことを特徴とする請求項１に記載の整流素子。
【請求項３】
前記磁場発生部は、隣接して配置された複数の磁性体を含むことを特徴とする請求項２に記載の整流素子。
【請求項４】
前記複数の磁性体はそれぞれ、強さおよび向きが独立に磁化されていることを特徴とする請求項３に記載の整流素子。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載の整流素子を備えることを特徴とする超伝導回路用の電源回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、整流素子および超伝導回路用の電源回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
低消費電力かつ高速な超伝導回路の開発が進められている。超伝導回路は、ジョセフソンコンピュータとも称され、超伝導ジョセフソン素子を利用して構成される。超伝導回路の動作に必要なバイアス電圧（電源電圧）はｍＶのオーダー（０．１ｍＶ〜５．０ｍＶ）であり、Ｖのオーダーで動作する半導体回路よりも著しく低電圧で動作可能である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Soya Taniguchi, Hiroshi Ito, Kouta Ishikawa, Hiroyuki Akaike, and Akira Fujimaki、「Cryogenic ferromagnetic patterns with controlled magnetization for superconducting phase-shift elements」、Japanese Journal of Applied Physics 54, 043101 (2015), March 2, 2015
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般的に、交流電源から直流電圧を生成するためには、整流回路が利用される。半導体回路における整流回路は、ダイオードを利用して構成されるため、生成可能な直流電圧は、ダイオードのしきい値（順方向電圧Ｖｆともいう）によって制約を受ける。半導体のダイオードのしきい値Ｖｆは材料によって０．５〜１．５Ｖのオーダーであるから、ｍＶオーダーの直流電圧を生成することは困難である。
【０００５】
本開示はこうした状況に鑑みてなされており、その目的のひとつは、数ｍＶの電圧領域で動作可能な整流素子の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示のある態様は整流素子に関する。整流素子は、ジョセフソン接合と磁場発生部とを備える。ジョセフソン接合は、第１電極および第２電極と、第１電極と第２電極がオーバーラップする接合領域に設けられた障壁層と、を有する。磁場発生部は、接合領域に外部磁場を与える。
【０００７】
なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本開示の表現を装置、システムなどの間で変換したものもまた、本開示の態様として有効である。
【発明の効果】
【０００８】
本開示によれば、整流素子および超伝導回路用の電源回路を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】半導体ダイオードのＩＶ特性を示す図である。
【図２】図２（ａ）は、実施の形態に係る整流素子の平面図であり、図２（ｂ）はジョセフソン接合の断面図である。
【図３】インライン型のジョセフソン接合の臨界電流ＩＣの外部磁場ＢＥＸの依存性を示す図である。
【図４】外部磁場ＢＥＸを与えたときのジョセフソン接合のＩＶ特性を示す図である。
【図５】図２の整流素子のＩＶ特性を簡略化して示す図である。
【図６】図６（ａ）〜（ｃ）は、整流素子の動作波形図である。
【図７】図７（ａ）、（ｂ）は、一実施例に係る整流素子の平面図および断面図である。
【図８】実際に製造した整流素子の平面図を示す顕微鏡写真である。
【図９】電源回路の等価回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、好適な実施の形態を図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
【００１１】
また図面に記載される各部材の寸法（厚み、長さ、幅など）は、理解の容易化のために適宜、拡大縮小されている場合がある。さらには複数の部材の寸法は、必ずしもそれらの大小関係を表しているとは限らず、図面上で、ある部材Ａが、別の部材Ｂよりも厚く描かれていても、部材Ａが部材Ｂよりも薄いこともあり得る。
【００１２】
はじめに、本明細書における「整流特性」について説明する。図１は、半導体ダイオードのＩＶ特性を示す図である。半導体ダイオードは、アノードカソード間の電圧Ｖがしきい値（順方向電圧）ＶＦより低い領域においてインピーダンスが非常に高くなり、電流Ｉが非常に小さい。アノードカソード間電圧Ｖがしきい値ＶＦを超えると、電流Ｉは指数関数的に増大していく。すなわち、しきい値を超える正方向の電圧印加に対しては正方向に電流が流れ、しきい値より低い電圧印加（負の電圧印加を含む）に対しては電流が流れない。ツェナー電圧ＶＺを超えるような逆バイアス状態あるいはリーク電流を考慮しなければ、ダイオードには、アノードからカソードに向かう電流のみが流れ、一般的にはこれが整流特性と認識されている。
【００１３】
本明細書では、「整流」という言葉を、より広義に使用するものとする。すなわち本明細書における「整流特性」は、一般的な整流特性に加えて、逆バイアス状態において逆電流が流れることが許容し、向きの異なる同じ大きさの電圧印加に対して、向きおよび大きさの異なる電流が流れる特性も含む。電流を入力、電圧を出力として捉えた場合も同様である。
【００１４】
半導体ダイオードのしきい値ＶＦはゲルマニウムで０．２Ｖ、シリコンで０．６Ｖ以上である。これに対して、以下で説明する本開示に係る整流素子は、数ｍＶの超低電圧の電圧領域で動作する。
【００１５】
図２（ａ）は、実施の形態に係る整流素子１００の平面図であり、図２（ｂ）はジョセフソン接合１１０の断面図である。図２（ａ）を参照すると、整流素子１００は、ジョセフソン接合１１０および磁場発生部１３０を備える。ジョセフソン接合１１０は、上部電極１１２、下部電極１１４および障壁層（トンネル障壁層ともいう）１１８を備える。上部電極１１２および下部電極１１４は、第１方向（Ｘ方向）に延びて形成される。障壁層１１８は、上部電極１１２と下部電極１１４がオーバーラップする接合領域１１６に、上部電極１１２と下部電極１１４に挟まれて設けられる。たとえば上部電極１１２および下部電極１１４は、ニオブ（Ｎｂ）などの超伝導材料を用いることができる。障壁層１１８は、非常に薄い（たとえば数ｎｍオーダー）の絶縁膜であり、たとえば酸化アルミニウム（ＡｌＯＸ）を用いることができる。なお障壁層１１８としては、そのほか、酸化ニオブ、その他適切な絶縁材料を用いることができる。
【００１６】
図２（ｂ）に示すジョセフソン接合１１０は、シリコン（Ｓｉ）などの基板１２０上に形成される。より詳しくは、シリコン基板１２０上に金属のグランドプレーン１２２が形成され、さらにその上層に、酸化シリコン（ＳｉＯ２）などの絶縁層１２４が形成される。
【００１７】
このジョセフソン接合１１０において、電流Ｉは上部電極１１２および下部電極１１４が延びる第１方向（Ｘ方向）に流れる。このようなジョセフソン接合１１０を、インライン型と称する。
【００１８】
図２（ａ）に戻る。磁場発生部１３０は、接合領域１１６に第１方向（Ｘ方向）と交差する第２方向に外部磁場ＢＥＸを与える。外部磁場ＢＥＸは静的な直流磁場であってよい。第２方向は第１方向と垂直、すなわちＹ方向であることが好ましいが、その限りではなく、接合領域１１６に磁場を与えることができればよい。
【００１９】
以上が整流素子１００の構成である。続いてその動作原理を説明する。図３は、インライン型のジョセフソン接合の臨界電流ＩＣの外部磁場ＢＥＸの依存性を示す図である。横軸が外部磁場ＢＥＸを、縦軸は正負の臨界電流ＩＣを示す。外部磁場ＢＥＸを与えない状態（ＢＥＸ＝０）では、正負対象の臨界電流ＩＣが得られ、外部磁場ＢＥＸを与えると、正負の臨界電流ＩＣに非対称性が生ずる。本発明者らは、外部磁場ＢＥＸを与えたときの正負の臨界電流ＩＣの非対称性に着目し、ジョセフソン接合を整流素子として利用しうることを着想した。
【００２０】
図４は、外部磁場ＢＥＸを与えたときのジョセフソン接合のＩＶ特性を示す図である。横軸は電極間に印加する電圧Ｖを、縦軸は電極間に流れる電流Ｉｂを示す。Ｖ＝０は、電圧を与えていないのに電流が流れる超伝導状態を示しており、このときに流れる電流Ｉｂ（正負のピーク）が臨界電流ＩＣである。図４の例では外部磁場ＢＥＸを与えることにより、正の臨界電流ＩＣが小さく、負の臨界電流ＩＣの絶対値が大きくなっている。
【００２１】
以上が整流素子１００の基本構造である。図５は、図２の整流素子１００のＩＶ特性を簡略化して示す図である。この整流素子１００は、２つの観点から整流特性を有するものと把握できる。
【００２２】
第１の観点は、整流素子１００を、電圧入力、電流出力のデバイスと捉えたものである。この場合、しきい値ＶＴＨは０Ｖであり、Ｖ＞ＶＴＨの領域において、順方向に相対的に大きい電流｜ＩＦ｜が流れ、Ｖ＜ＶＴＨの領域において、逆方向に相対的に小さい電流｜ＩＲ｜が流れることとなり、非常に小さいしきい値（実質的にゼロ）の整流特性が実現できている。
【００２３】
第２の観点は、整流素子１００を、電流入力、電圧出力のデバイスと捉えたものである。この場合、整流素子１００は、正の電流しきい値ＩＦと、負の電流しきい値ＩＲを有しており、Ｉ＞ＩＦの領域で、正の電圧を発生させ、Ｉ＜ＩＲの領域で、負の電圧を発生させる。Ｉ＞ＩＦもしくはＩ＜ＩＲの領域において、一点鎖線で示すように、電圧Ｖは電流依存性を有してもよい。
【００２４】
このように実施の形態に係る整流素子１００によれば、超伝導回路において、非常に小さいしきい値電圧を有する整流素子を提供できる。
【００２５】
さらに整流素子１００の整流特性（具体的には図５に示す電流ＩＦ，ＩＲとして把握される）は、磁場発生部１３０が発生する外部磁場ＢＥＸに応じて制御することができる。半導体ダイオードにおける順方向電圧が物性値であるのに対して、本実施の形態の整流素子１００における整流特性は制御可能なパラメータであり、半導体ダイオードにはない利点を有していると言える。
【００２６】
図６（ａ）〜（ｃ）は、整流素子１００の動作波形図である。ここでは整流素子１００のコンダクタンス特性を利用する例を説明する。図６（ａ）は、｜ＩＦ｜＜｜ＩＲ｜である整流素子１００の動作を示しており、｜ＩＲ｜よりも小さい振幅を有する交流電流ＩＡＣが入力されている。ＩＡＣ＞ＩＦの期間、正の出力電圧ＶＯＵＴが発生し、ＩＡＣ＜ＩＦの期間、出力電圧ＶＯＵＴはゼロとなる。出力電圧ＶＯＵＴの時間平均を取れば、正の電圧を得ることができ、整流されていると言える。
【００２７】
図６（ｂ）は、｜ＩＦ｜＞｜ＩＲ｜である整流素子１００の動作を示し、｜ＩＦ｜よりも小さい振幅を有する交流電流ＩＡＣが入力されている。ＩＡＣ＜ＩＲの期間、負の出力電圧ＶＯＵＴが発生し、ＩＡＣ＞ＩＲの期間、出力電圧ＶＯＵＴはゼロとなる。出力電圧ＶＯＵＴの時間平均を取れば、負の電圧を得ることができ、整流されていると言える。
【００２８】
図６（ｃ）は、｜ＩＦ｜＜｜ＩＲ｜である整流素子１００の動作を示し、｜ＩＲ｜よりも大きい振幅を有する交流電流ＩＡＣが入力されている。ＩＡＣ＜ＩＲの期間、負の出力電圧ＶＯＵＴが発生し、ＩＡＣ＞ＩＦの期間、正の出力電圧ＶＯＵＴが発生する。出力電圧ＶＯＵＴの時間平均をとれば、正の電圧を得ることができ、整流されていると言える。
【００２９】
なお、図６（ａ）〜（ｃ）において、出力電圧ＶＯＵＴの振幅は、数ｍＶ（≒２．５ｍＶ）と非常に小さいことに留意されたい。
【００３０】
図６（ａ）〜（ｃ）から明らかなように、整流素子１００を利用することにより、交流電流を供給したときに、平均値が正（または負）にオフセットした電圧を発生することができ、これを整流作用と把握することもできる。
【００３１】
当然ながら、整流素子１００を、電圧入力、電流出力のインピーダンスデバイスとして用いた場合でも整流作用が得られる。この場合には、整流素子１００は、交流電圧を供給したときに、平均値が正（または負）にオフセットした電流を発生することができる。
【００３２】
本開示は、図２から把握され、あるいは上述の説明から導かれるさまざまなデバイス、装置、回路に及ぶものであり、特定の構成に限定されるものではない。以下、本開示の範囲を狭めるためではなく、発明の本質や回路動作の理解を助け、またそれらを明確化するために、より具体的な実施例や変形例を説明する。
【００３３】
図７（ａ）、（ｂ）は、一実施例に係る整流素子１００Ａの平面図および断面図である。この実施例において磁場発生部１３０Ａは、少なくともひとつの磁性体１３２を含む。図７では４個の磁性体１３２が示されるが、その個数は任意である。磁性体１３２は、たとえばパラジウム−ニッケル（ＰｄＮｉ）が好適であるが、その限りではない。磁性体１３２は導体１３４の上に形成してもよい。
【００３４】
各磁性体１３２は、接合領域１１６に対して第２方向（Ｙ方向）に隣接して設けられている。また複数の磁性体１３２は、第１方向（Ｘ方向に）に隣接して配置されている。各磁性体１３２は、Ｙ方向の成分を含む磁場を発生するように磁化されている。複数の磁性体１３２のサイズは異なっていてもよく、また異なる間隔で配置してもよい。さらに磁性体１３２ごとに磁化の向きが異なっていてもよい。
【００３５】
以上が整流素子１００Ａの構造である。この整流素子１００Ａによれば、複数の磁性体１３２それぞれの磁化の強さ、向きを独立に制御することにより、整流素子１００に、所望とする整流特性を持たせることができる。
【００３６】
図８は、実際に製造した整流素子１００Ｂの平面図を示す顕微鏡写真である。この整流素子１００は、１個の磁性体１３２のみを有している。障壁層１１８のサイズは２０×１μｍであり、磁性体１３２の幅は１０．６μｍである。
【００３７】
続いて整流素子１００の用途を説明する。整流素子１００は、超伝導回路の電源回路に好適に使用できる。図９は、電源回路２００の等価回路図である。電源回路２００は、数ｍＶの電源電圧ＶＤＤ（もしくは電源電流ＩＤＤ）を発生し、負荷である超伝導回路３００に供給する。
【００３８】
図９に示すように電源回路２００は、交流電源２０２、トランス２０４、整流回路２０６、平滑素子２０８を備える。トランス２０４の巻線比がｎ：１であるとすると、トランス２０４の２次側には、交流電源２０２が発生する交流電圧ＶＰの１／ｎ倍の交流電圧ＶＳが発生する。この交流電圧ＶＳの振幅は数ｍＶであり、この交流電圧ＶＳが整流回路２０６によって半波整流もしくは全波整流され、平滑素子２０８によって平滑されて、電源電圧ＶＤＤが生成される。電源回路２００が定電圧源として振る舞う場合には、平滑素子２０８は平滑コンデンサが好適であり、定電流源として振る舞う場合には、平滑素子２０８はインダクタンスが好適である。なお電源回路２００のトポロジーは特に限定されず、フライバックコンバータ、フォワードコンバータ、ＤＣ／ＤＣコンバータなどであってもよいし、それらを修正した回路であってもよい。
【００３９】
整流回路２０６は、上述した整流素子１００を用いて構成できる。整流回路２０６の構成は特に限定されず、整流素子１００を用いて半波整流回路や全波整流回路を構成すればよい。
【００４０】
トランス２０４の２次巻線は、交流電圧源あるいは交流電流源として振る舞う。整流素子１００の整流特性を利用することにより、直流の電源電圧あるいは直流の電源電流を生成できる。
【００４１】
以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。
【００４２】
（変形例１）
図７（ａ）、（ｂ）の整流素子１００Ａでは、磁性体１３２により磁場を発生したが、その限りでなく、整流素子１００の近傍にその他の磁化手段を配置してもよいし、コイルなどによって磁場を発生してもよい。
【００４３】
（変形例２）
実施の形態では、インライン型のジョセフソン接合を用いたがその限りではなく、オーバーラップ型のジョセフソン接合を用いてもよい。すなわちジョセフソン侵入長より接合の一辺が大きい、いわゆる「長い接合」であればよい。
【００４４】
（変形例３）
整流素子１００のＩＶ特性（整流特性）は、上で示したものには限定されるものではなく、外部磁場の与え方に応じてさまざまな整流特性を実現できる。
【００４５】
（変形例４）
別の観点からみると、整流素子１００は正負で異なるクランプレベルを有するクランプ素子と把握することができる。したがって、上の説明での整流素子を、クランプ素子と読み替えたものも、本開示および発明の範囲に含まれる。
【００４６】
（変形例５）
実施の形態では整流素子１００の用途として電源を説明したがその限りではなく、上述したＩＶ特性を利用した保護素子や定電流源、定電圧源として利用してもよい。
【００４７】
本開示の一態様の概要は、次の通りである。本開示のある態様の整流素子は、第１電極および第２電極と、第１電極と第２電極がオーバーラップする接合領域に設けられた障壁層と、を有するジョセフソン接合と、接合領域に外部磁場を与える磁場発生部と、を備える。この態様によると、外部磁場を与えることにより、ジョセフソン接合のＶ−Ｉ特性に非対称性を導入でき、ひいては整流特性を得ることができる。
【００４８】
磁場発生部は、接合領域に隣接して設けられた磁性体を含んでもよい。磁性体を回路内に集積化することにより、装置を小型化できる。
【００４９】
磁場発生部は、隣接して配置された複数の磁性体を含んでもよい。複数の磁性体のレイアウトに応じて、接合領域に与える磁場の強度分布を制御できる。
【００５０】
複数の磁性体はそれぞれ、強さおよび向きが独立に磁化されてもよい。これにより磁場の強度分布の制御の自由度が高まる。
【００５１】
本開示の別の態様は、超伝導回路用の電源回路に関する。電源回路は、上述のいずれかの態様の整流素子を備えてもよい。これにより数ｍＶオーダーの超低電圧の電源電圧を生成できる。
【００５２】
実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用の一側面を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。
【符号の説明】
【００５３】
１００…整流素子、１１０…ジョセフソン接合、１１２…上部電極、１１４…下部電極、１１６…接合領域、１１８…障壁層、１３０…磁場発生部、１３２…磁性体、２００…電源回路、２０２…交流電源、２０４…トランス、２０６…整流回路、２０８…平滑素子。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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