(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導膜からなる下部電極と、
前記下部電極の一部の表面に形成された障壁層と、
前記障壁層を覆う超電導膜からなる上部電極と、を備え、
前記下部電極、障壁層、および上部電極により形成された超電導接合部を有する超電導接合素子であって、
前記下部電極は矩形の形状を有し、
前記超電導接合部は、その臨界電流密度が下部電極の幅および／または奥行きに基づいて制御されてなることを特徴とする超電導接合素子。
【請求項２】
前記下部電極に絶縁膜を介して電気的に接地された超電導接地膜をさらに備え、
前記下部電極は、絶縁膜に形成された接続窓を介して超電導接地膜と電気的に接続されてなることを特徴とする請求項１記載の超電導接合素子。
【請求項３】
前記超電導接合部は、その臨界電流密度が前記接続窓の面積に基づいてさらに制御されてなることを特徴とする請求項２記載の超電導接合素子。
【請求項４】
前記下部電極および上部電極は、酸化物超電導材料からなることを特徴とする請求項１〜３のうち、いずれか一項記載の超電導接合素子。
【請求項５】
磁束量子を信号の担体とし、基板上に超電導膜からなる下部電極と、前記下部電極の一部の表面に形成された障壁層と、前記障壁層を覆う超電導膜からなる上部電極と、を備え、前記下部電極、障壁層、および上部電極により形成された複数の超電導接合部を有する超電導接合回路であって、
前記複数の超電導接合部を構成する下部電極は、矩形の形状を有し、
前記複数の超電導接合部はそれぞれ、その臨界電流密度が下部電極の幅および／または奥行きに基づいて制御されてなることを特徴とする超電導接合回路。
【請求項６】
前記複数の超電導接合部を構成する下部電極は、その面積が実質的に同等に設定されてなることを特徴とする請求項５記載の超電導接合回路。
【請求項７】
前記複数の超電導接合部を構成する下部電極は、略同一形状であることを特徴とする請求項５または６記載の超電導接合回路。
【請求項８】
前記下部電極に絶縁膜を介して電気的に接地された超電導接地膜をさらに備え、
前記下部電極は、絶縁膜に形成された接続窓を介して超電導接地膜と電気的に接続されてなることを特徴とする請求項５〜７のうち、いずれか一項記載の超電導接合回路。
【請求項９】
前記超電導接合部は、その臨界電流密度が前記接続窓の面積に基づいてさらに制御されてなることを特徴とする請求項８記載の超電導接合回路。
【請求項１０】
前記複数の下部電極を互いに電気的に接続する超電導膜からなる下部電極接続膜をさらに備えることを特徴とする請求項８または９記載の超電導接合回路。
【請求項１１】
前記下部電極接続膜は下部電極上に設けられてなることを特徴とする請求項１０記載の超電導接合回路。
【請求項１２】
前記下部電極接続膜が複数設けられてなり、該複数の下部電極接続膜は、各々異なる下部電極を互いに電気的に接続することを特徴とする請求項１０または１１記載の超電導接合回路。
【請求項１３】
前記接続窓の面積が１００μｍ2以下に設定されることを特徴とする請求項８〜１２のうち、いずれか一項記載の超電導接合回路。
【請求項１４】
前記下部電極および上部電極は、酸化物超電導材料からなることを特徴とする請求項５〜１３のうち、いずれか一項記載の超電導接合回路。
【請求項１５】
前記超電導接地膜または下部電極接続膜は、酸化物超電導体からなることを特徴とする８〜１４のうち、いずれか一項記載の超電導接合回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導接合素子および超電導接合回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
常伝導状態から超電導状態に相転移する臨界温度は、金属合金型では２３Ｋ以下であったが、１９８７年に臨界温度が９２ＫのＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x（ＹＢＣＯ）の銅酸化物超電導体が発見されて以来、酸化物超電導体の研究が盛んに行われている。酸化物超電導体は、常電導体から超電導体に換わる臨界温度が液体窒素よりも高く、冷却媒体として液体窒素や、冷却器を使用できるため冷却コストが液体Ｈｅと比較して大幅に低減できる。また、磁場を印加した場合の臨界電流の低下も従来の金属超電導体と比較して大幅に小さいという特長も有する。
【０００３】
このような超電導体は多岐に亘る用途が期待されている。その一つとして、超電導エレクトロニクスの分野での超電導接合素子からなる超電導接合回路が挙げられる（例えば非特許文献１参照。）。超電導接合素子は、２つの超電導体を弱い超電導性をもった超電導接合部で結合した構造をしている。超電導接合素子は、例えば、超電導現象に特有な磁束量子を、外部から印加した電圧により制御できるようにしたものなので、超電導接合回路は、巨視的量子効果に起因する高速応答性および低雑音性という特長を有する。
【０００４】
図１に示す、２つの超電導接合素子２０１ａ，２０１ｂからなる超電導接合回路２００を例に、超電導接合回路の動作を説明する。２つの超電導接合素子２０１ａ，２０１ｂはそれぞれ１個の超電導接合２０２ａ，２０２ｂを有し、直流電流源２０３から一方の超電導体を介して超電導接合２０２ａ，２０２ｂに直流電流（バイアス電流Ｉｂ）を供給する。これと共に、入力側から磁束量子φ0に伴う電流パルスを供給すると、超電導接合２０２ａを流れるバイアス電流Ｉｂに重畳され、超電導接合部２０２ａを流れる電流が増加する。このとき、超電導接合部２０２ａは、図２に示すように、超電導状態である“ゼロ電圧状態Ａ”から、超電導接合部２０２ａに流れる電流が臨界電流Ｉｃを超え、“有限電圧状態Ｂ”へのスイッチングが起こる。さらに、超電導接合部２０２ａの“有限電圧状態Ｂ”へのスイッチングにより次の超電導接合部２０２ｂに磁束量子に伴う電流パルスが流れ、同様の動作で、“ゼロ電圧状態Ａ”から“有限電圧状態Ｂ”へのスイッチングが起こる。このようにして磁束量子は次々と超電導接合素子２０１ａ，２０１ｂを伝送される。超電導接合部２０２ａ，２０２ｂのスイッチングはトンネル現象に基づいているので、スイッチング時間は１ｐｓ以下である。また、動作レベルが極めて低いので１個の超電導接合素子２０１ａ，２０１ｂの消費電力は数ｎＷであることが見積もられており、超高速で低消費電力のスイッチング素子が実現できることが期待されている。
【０００５】
図３は、図１の等価回路図に対応する超電導接合回路の平面図であり、図４は、図３に示すＡ−Ａ線断面図である。なお、図３では直流電流源を省略している。
【０００６】
図３および図４を参照するに、超電導接合回路２００は、基板２０５上に下部電極２０６と、下部電極２０６の端面に形成された障壁層２０８と、障壁層２０８に接する上部電極２０９と、下部電極と上部電極との絶縁膜２００や、上部電極２０９を覆う保護膜２１１等が設けられている。２つの超電導接合素子２０１ａ，２０１ｂの上部電極２０９は互いに接続されており、障壁層２０８が超電導接合部２０２ａ，２０２ｂを形成している。図示されていない直流電流源から上部電極２０９および障壁層２０８を介して下部電極２０６ａ，２０６ｂにバイアス電流が流される。２つの下部電極２０６ａ，２０６ｂはそれぞれ接地されている。
【０００７】
ところで、超電導接合回路の各々の超電導接合部の臨界電流は、障壁層２０８の接合面積に依存することが知られている。図４に示すように、各々の超電導素子間で、下部電極２０６の厚さと障壁層２０８の傾斜角がそれぞれ略同等の場合、接合面積は、上部電極２０９の幅（図３に示す幅ＪＷ）に依存する。各々の上部電極２０９の幅を略同等となるように設定することで、臨界電流は略同等になり、超電導回路動作が安定することが期待される。
【非特許文献１】ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓ．Ａｐｐｌ．Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄ．ｖｏｌ．１３，ｐｐ．８０９−８１２，２００３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、図３および図４に示す超電導接合回路２００では、各々の超電導接合素子２０１ａ，２０１ｂの臨界電流（図２に示すＩｃ）のばらつきが大きいため、磁束量子に伴う電流パルスを供給しても、スイッチングしない超電導接合素子があり、あるいはスイッチングしてもその電流マージンが極めて狭い超電導接合素子がある。そのため、少数の超電導接合素子により構成された基本的な論理回路や超電導線路でも安定して動作しないという問題がある。さらにこの問題は素子数が多くなればなるほど深刻化する。
【０００９】
そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、本発明の目的は、臨界電流密度さらには臨界電流を高精度で制御可能な超電導接合素子および超電導接合回路を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本願発明者等は、鋭意検討の結果、超電導接合回路において、超電導接合部を形成する一方の電極である下部電極の面積に基づいて超電導接合部の臨界電流密度を制御できることを知得したものある。すなわち、本願発明者等は、超電導接合部の接合面積を複数の超電導接合部間で同等としても、超電導臨界電流のばらつきが動作しないほど大きな原因として、下部電極の面積が互いに異なるためであることを知得したものである。例えば先に示した図３および図４に示す超電導接合回路では、超電導接合部２０２ａ，２０２ｂの下部電極の面積が互いに異なるため、それらの臨界電流密度が異なってくる。そのため、接合面積を同等としても臨界電流が異なり、超電導接合素子２０１ａ，２０１ｂが動作しなかった。そこで、本発明は、下部電極の面積に基づいて臨界電流密度を制御することで、安定して動作する超電導接合素子および超電導接合回路を実現したものである。
【００１１】
本発明の一観点によれば、超電導膜からなる下部電極と、前記下部電極の一部の表面に形成された障壁層と、前記障壁層を覆う超電導膜からなる上部電極と、を備え、前記下部電極、障壁層、および上部電極により形成された超電導接合部を有する超電導接合素子であって、前記下部電極は矩形の形状を有し、前記超電導接合部は、その臨界電流密度が下部電極の幅および／または奥行きに基づいて制御されてなることを特徴とする超電導接合素子が提供される。
【００１２】
本発明によれば、下部電極の面積に基づいて超電導接合部の臨界電流密度を制御することで、従来不可能であった、超電導接合素子の臨界電流を高精度で設定できる。
【００１３】
本発明の他の観点によれば、磁束量子を信号の担体とし、基板上に超電導膜からなる下部電極と、前記下部電極の一部の表面に形成された障壁層と、前記障壁層を覆う超電導膜からなる上部電極と、を備え、前記下部電極、障壁層、および上部電極により形成された複数の超電導接合部を有する超電導接合回路であって、前記複数の超電導接合部を構成する下部電極は、矩形の形状を有し、前記複数の超電導接合部はそれぞれ、その臨界電流密度が下部電極の幅および／または奥行きに基づいて制御されてなることを特徴とする超電導接合回路が提供される。
【００１４】
本発明によれば、下部電極の面積に基づいて超電導接合部の臨界電流密度を制御することで、超電導接合回路の多数の超電導接合部の臨界電流密度を高精度で制御でき、所望の臨界電流に設定できるようになる。その結果、安定して動作する超電導接合回路を実現できる。
【００１５】
前記複数の下部電極は略同一形状であってもよい。
【００１６】
さらに、前記下部電極に絶縁膜を介して電気的に接地された超電導接地膜をさらに備え、前記下部電極は、絶縁膜に形成された接続窓を介して超電導接地膜と電気的に接続されてなる構成としてもよく、さらに前記超電導接合部は、その臨界電流密度が接地窓の面積に基づいてさらに制御されてなる構成としてもよい。これによりさらに高精度に臨界電流密度を設定できる。
【００１７】
前記下部電極および上部電極は、酸化物超電導体からなる構成としてもよく、磁気遮蔽層は、酸化物超電導体からなる構成としてもよい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、臨界電流密度さらには臨界電流を高精度で制御可能な超電導接合素子および超電導接合回路を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下図面を参照しつつ実施の形態を説明する。
【００２０】
（第１の実施の形態）
図５は、本発明の第１の実施の形態に係る超電導接合回路の平面図、図６は、図５に示すＢ−Ｂ線断面図、図７は、第１の実施の形態に係る超電導接合回路の等価回路図である。
【００２１】
図５〜図７を参照するに、第１の実施の形態に係る超電導接合回路１０は、５つの超電導接合素子２０1〜２０5を接続した超電導接合線路である。超電導接合回路１０は、図７に示すように、超電導接合素子２０1〜２０5が、それぞれのインダクタ２１が直列になるように接続され、インダクタ２１同士の接続点で直流電流源２２と超電導接合部１６1〜１６5とが接続されている。
【００２２】
超電導接合回路１０（超電導接合素子２０1〜２０5）は、基板１１と、基板１１上に形成された、超電導磁気遮蔽膜１２と、第１層間絶縁膜１３と、下部電極１４と、下部電極１３を覆う第２層間絶縁膜１５と、下部電極１４の端面に形成された障壁層１７と、障壁層１７に接し、第１層間絶縁膜１３および第２層間絶縁膜１５の一部を覆う上部電極１８と、上部電極１８を覆う保護膜１９から構成される。
【００２３】
基板１１としては、ＭｇＯ、イットリウム安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、ＳｒＴｉＯ3、（ＬａＡｌＯ3）0．3−（ＳｒＡｌ0．5Ｔａ0．5Ｏ3）0．7（ＬＳＡＴ）、ＬａＡｌＯ3、およびＳｒＴｉＯ3等を用いることができる。
【００２４】
超電導磁気遮蔽膜１２、下部電極１４、および上部電極１８としては、超電導材料であれば特に限定されず、例えばＮｂ、Ｐｂ等の単元素や合金の超電導材料、Ｎｂ3Ｓｎ、Ｖ3Ｓｉ等の化合物超電導材料、酸化物超電導材料等が挙げられる。これらの超電導材料うち、超電導臨界温度が高く、冷却コストを低減できる点で、酸化物超電導材料を用いることが好ましい。酸化物超電導材料としては、例えば、ＹＢＣＯ（ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-X）、ＹＢＣＯのイットリウムの一部あるいは全部を一種以上の希土類金属元素で置換した材料、Ｈｇ−Ｍ−Ｃｕ−Ｏ（元素ＭがＢａ、Ｓｒ、およびＣａのうち少なくとも１つの元素からなる。）等の水銀系超電導材料、Ｂｉ2Ｓｒ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏ10等のビスマス系超電導体が挙げられる。
【００２５】
下部電極１４、障壁層１７、および上部電極１８により形成される超電導接合部１６は、いわゆるジョセフソン接合を形成する。本発明のジョセフソン接合の形態としては、積層型、粒界接合型、ステップエッジ型、およびランプエッジ型のいずれでもよいが、第１の実施の形態ではランプエッジ型を例に説明する。
【００２６】
障壁層１７は、絶縁膜を下部電極１４の表面に成長させてもよく、絶縁膜を設ける代わりに、下部電極１４の表面の一部をイオンビーム、例えばアルゴンイオンビームを照射して、数原子層の損傷層を形成する等の改質を行ってもよい。
【００２７】
第１層間絶縁膜１３および第２層間絶縁膜１５としては、例えば、ＣｅＯ2、ＳｒＴｉＯ3、（ＬａＡｌＯ3）0．3−（ＳｒＡｌ0．5Ｔａ0．5Ｏ3）0．7（ＬＳＡＴ）、および（ＳｒＡｌ0．5Ｔａ0．5Ｏ3）0．7（ＳＡＴ）が挙げられる。
【００２８】
また、超電導接合回路１０を構成する各層１２〜１５，１８は、スパッタ法、レーザアブレーション法、蒸着法、化学的気相成長（ＣＶＤ）法等を用いて形成される。また、下部電極１４や上部電極１８のパターニングや下部電極１４の傾斜面の形成は、イオンミリング等の公知のドライエッチング法、例えばイオンミリングが用いられる。
【００２９】
図５に示すように、上部電極１８の各々は、所定の接合幅を有して、障壁層１７を介して下部電極１４との間に超電導接合部１６を形成している。上部電極１８は、各々の超電導接合素子２０1〜２０5同士を接続し、インダクタ２１を形成している。また、超電導接合部１６1〜１６5には、直流電流源２２により上部電極１８を介してバイアス電流が供給されている。なお、直流電流源２２は超電導接合素子２０2〜２０5にも接続されているがその図示を省略している。
【００３０】
下部電極１４は、第１層間絶縁膜１３の一部に形成された厚さ方向に貫通する開口部を介して超電導磁気遮蔽膜１２に接触している。なお、図６に示すように、下部電極１４と第１層間絶縁膜１３との界面において、下部電極１４が平坦な状態から第１層間絶縁膜１３の膜厚方向に傾斜を開始する位置を境界として、その境界の内側の領域を接続窓１４ａと称する。なお、ランプエッジ型以外のジョセフソン接合の場合は、接合窓は第１層間絶縁膜１３に形成された下部電極１４と超電導磁気遮蔽膜１２とを電気的に接続する配線のために形成された開口部の領域である。さらに接続窓の面積は、接続窓を平面視した場合の面積である。
【００３１】
また、下部電極１４の各々は、超電導接合素子２０1〜２０5毎に１つずつ設けられている。各々の超電導接合部１６1〜１６5の臨界電流密度は、下部電極１４の面積に基づいて制御される。次に詳細を説明するが、超電導接合部１６1〜１６5の臨界電流密度は、下部電極１４の面積に対して負の相関を有する。したがって、超電導接合回路１０の超電導接合部１６1〜１６5の下部電極１４の面積を同等に設定することで、各々の超電導接合部１６1〜１６5の臨界電流密度を互い同等とすることができる。なお、下部電極１４の面積は、超電導接合回路１０を平面視した場合（例えば図５に示す場合）の下部電極１４の面積である。
【００３２】
また、図５には示されていないが、一つの下部電極１４に、２つ以上の超電導接合部を形成しても、超電導接合部１６1〜１６5の臨界電流密度は、一つの超電導接合部を形成した場合の臨界電流密度と同等である。
【００３３】
さらに、超電導接合部１６1〜１６5の各々は、その接合面積に基づいて臨界電流を制御する。接合面積は、ランプエッジ型の場合、上部電極１８の幅（接合幅）、下部電極１４の膜厚、および障壁層１７が形成された下部電極１４の端面の基板面に対する角度の積である。超電導接合部１６1〜１６5の各々で、下部電極１４の膜厚、および下部電極１４の障壁層１７が形成された端面の基板面に対する角度を同等に設定することで、上部電極１８の幅（接合幅）に基づいて超電導接合部１６1〜１６5の各々の臨界電流を制御できる。すなわち、下部電極１４の面積と上部電極１８の幅（接合幅）に基づいて超電導接合部１６1〜１６5の臨界電流を制御できる。例えば、超電導接合部１６1〜１６5の各々について、下部電極１４の面積、下部電極１４の膜厚、下部電極１４の障壁層１７が形成された端面の基板面に対する角度、および上部電極１８の幅（接合幅）のそれぞれを互いに同等に設定することで、超電導接合部１６1〜１６5の臨界電流を同等に設定することができる。
【００３４】
超電導接合回路１０の基本的な動作は先の図１に示す超電導接合回路と同様である。すなわち、入力側から磁束量子に伴う電流パルスを供給すると、超電導接合部１６1を流れるバイアス電流Ｉｂに重畳され、先の図２に示すように、超電導状態である“ゼロ電圧状態Ａ”から、超電導接合部１６1に流れる電流が臨界電流Ｉｃを超え、“有限電圧状態Ｂ”へのスイッチングが起こる。さらに、超電導接合部１６1の“有限電圧状態Ｂ”へのスイッチングにより次の超電導接合部１６2に磁束量子に伴う電流パルスが流れ、同様の動作で、“ゼロ電圧状態Ａ”から“有限電圧状態Ｂ”へのスイッチングが起こる。このようにして磁束量子は次々と超電導接合素子２０1〜２０5を伝送される。超電導接合回路１０は、下部電極１４の面積が各々の超電導接合部１６1〜１６5で同等に設定され、さらに接合幅が同等に設定されているので、超電導接合部１６1〜１６5の臨界電流が同等となる。したがって、各々の超電導接合部１６1〜１６5のスイッチング動作が安定し、超電導接合回路１０は磁束量子の伝搬を安定して行うことができ、回路動作が安定する。
【００３５】
次に、臨界電流（臨界電流密度）と下部電極１４の面積との関係を調べるために、下部電極１４の幅および奥行きをそれぞれ異ならせて回路を形成し、臨界電流を測定する試験を行った。
【００３６】
図８は、臨界電流と下部電極の幅との関係を調べるための超電導接合回路の平面図である。図８を参照するに、一つの基板上に、下部電極の幅（Ｘ軸方向の長さ）だけが互いに異なる６個の超電導接合素子ＴＰＷ1〜ＴＰＷ6を形成した。各々の超電導接合素子の断面構成は図６の第１の実施の形態に係る超電導接合素子と同様であるので詳細な説明を省略する。
【００３７】
超電導接合素子ＴＰＷ1〜ＴＰＷ6は、下部電極の幅ＷＤを１０μｍ〜１００μｍの範囲で異ならせて形成されている。また、超電導接合素子ＴＰＷ1〜ＴＰＷ6の各々の下部電極１４の奥行きＤＰ（Ｙ軸方向の長さ）、超電導接合部の接合幅ＪＷ、接合窓１４ａの大きさを、それぞれ同一に設定した。奥行きＤＰは２５μｍ、接合幅ＪＷは５μｍ、接合窓１４ａの下部電極１４は５μｍ×５μｍに設定し、接合窓と超電導接合部との距離は１０μｍとした。また、上部電極１８が２つに分かれているのは、一方に直流電流源を、他方に電圧計を接続するためである。
【００３８】
また、超電導接合素子ＴＰＷ1〜ＴＰＷ6を構成する材料は、基板１１がＭｇＯ、超電導磁気遮蔽膜１２、下部電極１４および上部電極１８がＬａ0.2Ｙ0.9Ｂａ1.9Ｃｕ3Ｏx、第１層間絶縁膜１３および第２層間絶縁膜１５がＳｒＳｎＯ3、保護膜１９がＡｕである。また、下部電極１４の膜厚を２００ｎｍ、上部電極１８の膜厚を２００ｎｍ、障壁層１７が形成された傾斜面を基板面に対して約３０度に設定し、接合面積を約２μｍ2とした。なお、超電導磁気遮蔽膜１２および下部電極１４はＤＣスパッタ法を用いて形成した。また、上部電極１８はパルスレーザ蒸着法を用いて形成した。第１層間絶縁膜１３、第２層間絶縁膜１５、および保護膜１９はＲＦスパッタ法を用いて形成した。また、障壁層１７を下部電極１４の端面（傾斜面）にＡｒイオンを照射して形成した。
【００３９】
図９は、臨界電流と下部電極の幅との関係を示す図である。ここで、縦軸は臨界電流であるが、ＴＰＷ1〜ＴＰＷ6の接合面積は同等であるので、臨界電流密度と下部電極の幅との関係をも示していることになる。
【００４０】
図９を参照するに、臨界電流は、下部電極の幅に対して負の相関を有することが分かる。すなわち、下部電極の幅が増加するほど臨界電流（臨界電流密度）は減少することが分かる。
【００４１】
図９の臨界電流と下部電極の幅との関係の回帰式を、下部電極の幅ＷＤ、臨界電流Ｉｃとして表すと、下記式（１）となる。
Ｉｃ＝（ＷＤ×１５００）-0.19  …  （１）
上記式（１）において、所望の幅ＷＤに対して、変化割合ΔＷＤに設定した場合の臨界電流Ｉｃの変化割合ΔＩｃは、上記式（１）から、
ΔＩｃ＝（ΔＷＤ＋１）-0.19−１  …  （２）
となる。例えば、ΔＷＤが−０．３、すなわち、所望の幅ＷＤの７０％に設定した場合、上記式（２）によればΔＩｃ＝０．７-0.19−１＝０．０７となり、所望の臨界電流Ｉｃに対して７％の増加になる。
【００４２】
一方、ΔＷＤが＋０．３、すなわち、所望の幅ＷＤの１３０％に設定した場合、上記式（２）によればΔＩｃ＝１．３-0.19−１＝−０．０４９となり、所望のＩｃに対して４．９％の増加になる。
【００４３】
このように、上記式（２）によれば、所望の臨界電流Ｉｃに対して、臨界電流Ｉｃのばらつき（標準偏差σ／平均値Ａｖｇ）を±５％以内の範囲に設定するためには、下部電極１４の幅ＷＤのばらつき（標準偏差σ1／平均値Ａｖｇ1）を±２３％以内の範囲に設定すればよいことが分かる。
【００４４】
この臨界電流Ｉｃと下部電極１４の幅ＷＤとの関係は臨界電流密度と下部電極１４の幅ＷＤとの関係においても同様である。したがって、下部電極１４の幅ＷＤにより臨界電流密度のばらつき（標準偏差σ1／平均値Ａｖｇ1）を同様にして制御し、さらに、超電導接合部の接合幅ＪＷにより所望の臨界電流となるように設定することができる。
【００４５】
次に、臨界電流（臨界電流密度）と下部電極の奥行きとの関係を調べるために次のような試験を行った。
【００４６】
図１０は、臨界電流と下部電極の奥行きとの関係を調べるための超電導接合回路の平面図である。図１０を参照するに、一つの基板上に、下部電極の奥行き（Ｙ軸方向の長さ）だけが互いに異なる５個の超電導接合素子ＴＰＤ1〜ＴＰＤ5を形成した。各々の超電導接合素子ＴＰＤ1〜ＴＰＤ5の構成、材料、および膜厚は図８の試験パターンと同様であるので、詳細な説明を省略する。
【００４７】
超電導接合素子ＴＰＤ1〜ＴＰＤ５は、下部電極１４の奥行きを１５μｍから１０５μｍまで異ならせて形成されている。また、超電導接合素子ＴＰＤ1〜ＴＰＤ５の各々の下部電極１４の幅ＷＤ、超電導接合部１６の接合幅ＪＷ、接合窓１４ａの大きさを、それぞれ同一に設定した。幅ＷＤを１５μｍ、接合幅ＪＷを５μｍ、接合窓の大きさを５μｍ×５μｍに設定し、接合窓と超電導接合部との距離を１０μｍとした。
【００４８】
図１１は、臨界電流と下部電極の奥行きとの関係を示す図である。ここで、縦軸は臨界電流であるが、ＴＰＤ1〜ＴＰＤ5の接合面積は同等であるので、臨界電流密度と下部電極の奥行きとの関係をも示していることになる。
【００４９】
図１１を参照するに、臨界電流は、下部電極の奥行きに対して負の相関を有することが分かる。すなわち、下部電極の奥行きが増加するほど臨界電流（臨界電流密度）は減少することが分かる。
【００５０】
図１１の臨界電流と下部電極の奥行きとの関係の回帰式を、下部電極の奥行きＤＰ、臨界電流Ｉｃとして表すと、下記式（３）となる。
Ｉｃ＝（ＤＰ×１３００）-0.19  …  （３）
上記式（３）において、所望の奥行きＤＰに対して、変化割合ΔＤＰに設定した場合の臨界電流Ｉｃの変化割合ΔＩｃは、上記式（３）から、
ΔＩｃ＝（ΔＤＰ＋１）-0.19−１  …  （４）
となる。上記式（４）は、上記式（２）のΔＷＤをΔＤＰに置き換えた以外は同等である。したがって、上記式（４）を用いると、所望の臨界電流Ｉｃに対して、臨界電流Ｉｃのばらつき（標準偏差σ2／平均値Ａｖｇ2）を±５％以内の範囲に設定するためには、下部電極１４の奥行きＤＰのばらつき（標準偏差σ2／平均値Ａｖｇ2）を±２３％以内の範囲に設定すればよいことが分かる。
【００５１】
この臨界電流Ｉｃと下部電極１４の奥行きＤＰとの関係は臨界電流密度と下部電極１４の奥行きＤＰとの関係においても同様である。したがって、下部電極１４の奥行きＤＰにより臨界電流密度のばらつき（標準偏差σ2／平均値Ａｖｇ2）を同様にして制御し、さらに、超電導接合部１６の接合幅ＪＷにより所望の臨界電流となるように設定することができる。
【００５２】
さらに、以上のことから下部電極１４の幅ＷＤおよび奥行きＤＰの両方に基づいて、臨界電流密度および臨界電流を高精度で制御できる。すなわち、超電導接合回路において、設計値として様々な臨界電流の超電導接合部を備える場合であっても、下部電極の幅および奥行きを略同等として、臨界電流密度を略同等とし、さらに、接合幅ＪＷにより臨界電流を設定することができる。
【００５３】
また、上記式（２）および（４）は、ΔＷＤとΔＤＰとが異なるだけで、他は同一であることから、ΔＩｃに与える影響は下部電極の幅ＷＤと奥行きＤＰとで同じ程度であることが分かる。したがって、幅ＷＤと奥行きＤＰとの積、すなわち下部電極１４の面積に基づいて、臨界電流密度および臨界電流を高精度で制御できることが十分に期待できる。
【００５４】
なお、上記２つの試験では、下部電極１４が矩形（正方形を含む。）の場合について行ったが、菱形やその他の多角形、円形、楕円形等の他の形状の場合も同様に、下部電極１４の面積に基づいて臨界電流密度および臨界電流を高精度で制御できることが十分に期待できる。
【００５５】
さらに、本願発明者等は、上述した下部電極１４の幅ＷＤや奥行きＤＰの他に、下部電極１４を超電導磁気遮蔽膜と接続する接続窓の面積が臨界電流（臨界電流密度）に影響を与えることを知得した。臨界電流（臨界電流密度）と下部電極の接合窓の面積との関係を調べるために次のような試験を行った。
【００５６】
図１２は、臨界電流と下部電極の接合窓の面積との関係を調べるための超電導接合回路の平面図である。図１２を参照するに、一つの基板上に、下部電極の接続窓の大きさだけが互いに異なる５個の超電導接合素子ＴＰＣ1〜ＴＰＣ５を形成した。接合窓は、先の図６において説明したように、下部電極１４と第１層間絶縁膜１３との界面において、下部電極１４が平坦な状態から第１層間絶縁膜１３の膜厚方向に傾斜を開始する位置を境界として、その境界の内側の領域である。各々の超電導接合素子ＴＰＣ1〜ＴＰＣ５の構成、材料、および膜厚は図８の試験パターンと同様であるので、詳細な説明を省略する。
【００５７】
超電導接合素子ＴＰＣ1〜ＴＰＣ５は、下部電極の接合窓１４ａの面積を、１６μｍ2〜４００μｍ2まで異ならせ形成されている。具体的には、超電導接合素子ＴＰＣ1〜ＴＰＣ５の接合窓１４ａの大きさは、それぞれ、幅×奥行きで表すと、４μｍ×４μｍ、８μｍ×８μｍ、１２μｍ×１２μｍ、１６μｍ×１６μｍ、２０μｍ×２０μｍである。また、超電導接合素子ＴＰＣ1〜ＴＰＣ５の各々の下部電極１４の幅ＷＤおよび奥行きＤＰ、超電導接合部１６の接合幅ＪＷを、それぞれ同一に設定した。幅ＷＤは３５μｍ、奥行きＤＰは３５μｍ、接合幅ＪＷは５μｍに設定し、接合窓と超電導接合部との距離は８μｍとした。
【００５８】
図１３は、臨界電流と下部電極の接合窓の面積との関係を示す図である。ここで、縦軸は臨界電流であるが、ＴＰＤ1〜ＴＰＤ5の接合面積は同等であるので、臨界電流密度と下部電極の接合窓の面積との関係をも示していることになる。
【００５９】
図１３を参照するに、臨界電流は、下部電極の接合窓の面積が１００μｍ2以下ではほとんど変化せず、１００μｍ2を超えると次第に減少する傾向となっている。この曲線の傾向から下部電極の接合窓１４ａの面積が１６μｍ2より小さい場合でも臨界電流の変化は少なく、１６μｍ2より小さい面積に設定してもよい。但し、下部電極の接合窓１４ａを容易に形成できる観点からは、下部電極の接合窓１４ａの面積を１６μｍ2以上に設定することが好ましい。
【００６０】
なお、下部電極の接合窓１４ａの面積が臨界電流（臨界電流密度）に影響を与えるメカニズムについては明らかではないが、本願発明者等は、下部電極の接合窓１４ａの大きさにより、下部電極１４を形成する際の下部電極１４の放熱状態が変化して、下部電極１４に生じる内部応力の大きさが変化することに原因があるのでないかと推察している。
【００６１】
以上説明したように、第１の実施の形態によれば、下部電極の面積に基づいて超電導接合部の臨界電流密度および臨界電流を制御することができる。特に、下部電極の面積を超電導接合素子間で実質的に同等とすることで、超電導接合素子間の超電導接合部の臨界電流密度および臨界電流のばらつきを抑制できる。その上、超電導接合素子間で超電導接合部の接合幅を制御することで、所望の臨界電流を有する超電導接合素子からなる超電導接合回路を形成できる。
【００６２】
さらに、下部電極の接合窓の面積を上記の所定の範囲（１００μｍ2以下）に設定することで、超電導接合素子間において超電導接合部の臨界電流密度および臨界電流のばらつきをいっそう抑制できる。よって、安定して動作する超電導接合回路を実現できる。
【００６３】
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態では、第１の実施の形態の超電導接合回路の応用例を説明する。第２の実施の形態に係る超電導接合回路は、いわゆるトグルフリップフロップ回路を備える超電導接合回路である。
【００６４】
図１４は、本発明の第２の実施の形態に係る超電導接合回路の平面図、図１５は、図１４に示す超電導接合回路の等価回路図である。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、その説明を省略する。
【００６５】
図１４および図１５を参照するに、第２の実施の形態に係る超電導接合回路３０は、電気信号から磁束量子信号への変換を行う入力側変換回路３１、磁束量子を伝搬する入力側超電導線路３２、磁束量子が供給されると出力状態が順次変化するトグルフリップフロップ回路３３、磁束量子を伝搬する出力側超電導線路３４、および磁束量子信号から電気信号への変換を行う出力側変換回路３５からなる。これらの要素回路３１〜３５からなる超電導接合回路３０は、超電導接合部Ｊ1〜Ｊ15、インダクタ２１、および直流電流源２２1〜２２5が組み合わされて形成されている。次に、超電導接合回路３０の動作を説明する。
【００６６】
入力側変換回路３１では、入力部Ｉｎに電流パルスが供給されると、超電導接合部Ｊ2に流れる電流が増加する。直流電流源２２1からのバイアス電流と電流パルスの和が臨界電流を超えると超電導接合部Ｊ2がスイッチして、磁束量子に伴う電流パルスを発生する。発生した磁束量子は、入力側超電導線路３２に伝搬する。なお、ここで「スイッチする」を、説明の便宜上、“ゼロ電圧状態Ａ”から“有限電圧状態Ｂ”へ転移する意味で使用する。
【００６７】
入力側超電導線路３２では、磁束量子を超電導接合部Ｊ３およびＪ４を順次高速で伝搬すると共に、磁束量子に伴う電流パルスの波形整形を行う。
【００６８】
トグルフリップフロップ回路３３では、磁束量子に伴う電流パルスが供給される以前の状態は、直流電流源２２3からのバイアス電流が超電導接合部Ｊ６→超電導接合部Ｊ５→超電導接合部Ｊ７→グランドの方向と、超電導接合部Ｊ８→グランドの方向に流れている。このとき、磁束量子がトグルフリップフロップ回路３３に供給されると、磁束量子に伴う電流パルスにより、超電導接合部Ｊ５はバイアス電流と電流パルスとが同方向なのでスイッチし、超電導接合部Ｊ６はバイアス電流と電流パルスとが逆方向なのでスイッチしない。超電導接合部Ｊ６を通った電流パルスは超電導接合部Ｊ８に流れる。超電導接合部Ｊ８ではバイアス電流と電流パルスとが同方向に流れるので、超電導接合部Ｊ８がスイッチし、磁束量子が出力側超電導線路３４に出力される。
【００６９】
この磁束量子の出力と同時に、磁束量子がインダクタ２１1→超電導接合部Ｊ７およびインダクタ２１1→超電導接合部Ｊ５→超電導接合部Ｊ６の方向に伝搬するが、超電導接合部Ｊ５〜Ｊ７のいずれもがスイッチしないため磁束量子が保持される（持続電流が流れる）。このとき、バイアス電流の方向は超電導接合部Ｊ８→インダクタ２１1→超電導接合部Ｊ７に変わっている。そして、インダクタ２１1が共通するループのインダクタ２１1→超電導接合部Ｊ５→超電導接合部Ｊ６の方向に循環電流が流れる。
【００７０】
次の磁束量子がトグルフリップフロップ回路３３に供給されると、循環電流と磁束量子に伴う電流パルスが同方向となる超電導接合部Ｊ６をスイッチして、電流パルスを止め、超電導接合部Ｊ５は打ち消し合い電流パルスを通す。また、超電導接合部Ｊ７では持続電流と電流パルスが同方向に流れるのでスイッチし、回路外に出力される。また、超電導接合部Ｊ７→インダクタ２１1→超電導接合部Ｊ８の方向にも電流パルスが流れるが、いずれの超電導接合部も臨界電流を超えないためスイッチせず、インダクタ２１1に流れる電流を打ち消して初期状態に戻す。
【００７１】
以上を繰り返して、時系列で供給される２つの磁束量子のうちの１つを出力側超電導線路３４に出力する。
【００７２】
出力側超電導線路３４では、入力側超電導線路３２と同様にして、磁束量子が超電導接合部Ｊ９〜Ｊ１１を順次高速で伝搬すると共に、磁束量子に伴う電流パルスの波形整形を行う。
【００７３】
出力側変換回路３５では、磁束量子に伴う電流パルスが供給されると、超電導接合部Ｊ１２がスイッチし、超電導接合部Ｊ１２→Ｌ２→超電導接合部Ｊ１３に磁束量子が保持される。Ｌ２を共通するループのＬ２→超電導接合部Ｊ１４→超電導接合部Ｊ１５の方向に循環電流が流れるが、超電導接合部Ｊ１４およびＪ１５の臨界電流が超電導接合部Ｊ１２およびＪ１３よりも低く設定されているのでスイッチし、有限電圧状態になる。このときリセット信号入力部ＲＳからのリセット信号がＪ１３に入力されると、磁束量子が外部に出されるため有限電圧状態は終了し、出力信号がパルス状となる。
【００７４】
図１６は、第２の実施の形態に係る超電導接合回路の波形図である。図１６を図１４および図１５と共に参照するに、入力側変換回路３１の入力部Ｉｎにパルス状の入力電流を供給する。また、出力側変換回路３５のリセット信号入力部ＲＳにパルス状のリセット電流を供給する。出力側変換回路３５の出力部Ｏｕｔには、入力電流のパルスの一つおきに、パルス状の出力信号が出力される。図１６では、入力電流のパルスの立ち上がりに対して略同じタイミングで出力信号のパルスが生成されているが、これは、時間のスケールの一目盛り（１ｍｓｅｃ）に対して、信号の伝搬が極めて高速なためである。
【００７５】
図１４に戻り、超電導接合部Ｊ１〜Ｊ１５の各々の下部電極１４は、超電導接合部Ｊ1の下部電極１４を除き、略同等の幅および奥行きに設定されている。したがって、第１の実施の形態において説明したように、超電導接合部Ｊ２〜Ｊ１５の臨界電流密度が略同等となっている。これにより、超電導接合部Ｊ２〜Ｊ１５のそれぞれについて所定の接合幅を設定することで、回路動作に必要な臨界電流を、そのばらつきを抑制して設定できる。
【００７６】
なお、超電導接合部Ｊ１の場合は、下部電極１４にインダクタが形成されているため、他の下部電極よりも総面積が大きくなっている。その面積が他の下部電極の面積の約２倍に設定している。このような場合は、上述した臨界電流密度と下部電極の面積との関係および臨界電流と接合幅との関係から所望の臨界電流に設定できる。
【００７７】
第２の実施の形態によれば、多数の超電導接合素子を組み合わせた超電導接合回路３０において、下部電極１４の面積に基づいて臨界電流密度を設定でき、さらに、下部電極の面積を略同等に形成することにより、超電導接合部の臨界電流密度を略同等にすることができる。さらに、接合幅を設定することで、臨界電流を制御することができる。
【００７８】
次に、第２の実施の形態に係る実施例、および本発明によらない比較例を説明する。
【００７９】
図１７は、第２の実施の形態に係る実施例の超電導接合回路の平面図、図１８は比較例に係る超電導接合回路の平面図である。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、その説明を省略する。
【００８０】
図１７を参照するに、実施例の超電導接合回路４０は、図１４に示す超電導接合回路の入力側超電導線路３２および出力側超電導線路３４において、各々、超電導接合素子を１つおよび２つ追加した以外は同様の構成を有する。その他の構成は同様であるので説明を省略する。下部電極１４は、入力側変換回路３１の超電導接合部Ｊａ1の下部電極以外の下部電極１４は、２２１μｍ2に設定されている。なお、超電導接合部Ｊａ1の下部電極１４の面積は、３３２μｍ2に設定されている。
【００８１】
また、図１８を参照するに、比較例の超電導接合回路２２０は、下部電極２２６1〜２２６7が異なる面積で形成されている以外は、図１７に示す実施例の超電導接合回路と略同様に構成されている。下部電極２２６1〜２２６7の面積は、それぞれ、３３２μｍ2、２３２０μｍ2、２２１μｍ2、２２１μｍ2、５６００μｍ2、２２１μｍ2、２２１μｍ2に設定されている。
【００８２】
図１９は、図１６に示す実施例の超電導接合回路の臨界電流を測定するための回路、図２０は、図１８に示す比較例に係る超電導接合回路の臨界電流を測定するための回路である。
【００８３】
図１９および図２０を先の図１７および図１８と共に参照するに、実施例および比較例の臨界電流を測定するための回路４０Ａ，１２０Ａは、それぞれ、磁束量子が伝搬する線路が断線され、各々の超電導接合素子の臨界電流が測定可能に形成されている。図示を省略するが上部電極１８には可変電流電源を接続し、下部電極１４，２２６1〜２２６7に電気的に接続されている超電導磁気遮蔽膜（隠れて図示されず。）を接地し、超電導接合部Ｊａ1〜Ｊａ16，Ｊｂ１〜Ｊｂ１６に並列に電圧計を接続した。但し、入力側変換回路３１では、下部電極１４と超電導磁気遮蔽膜を電気的に接続せずに、入力部Ｉｎを接地した。
【００８４】
図２１は、実施例および比較例の臨界電流密度を示す図である。図２１を参照するに、比較例では、超電導接合部Ｊｂ１〜Ｊｂ１６の平均値は５６．８ｋＡ／ｃｍ2、標準偏差は１５．４ｋＡ／ｃｍ2となり、標準偏差／平均値は２７．１％となる。これに対して、実施例では、超電導接合部Ｊａ１〜Ｊａ１６の平均値は１２１ｋＡ／ｃｍ2、標準偏差は１０．５ｋＡ／ｃｍ2となり、標準偏差／平均値は８．７％となる。したがって、標準偏差／平均値により比較すると、実施例の超電導接合回路は比較例の超電導接合回路よりも臨界電流密度のばらつきが極めて低減されたことが分かる。
【００８５】
（第３の実施の形態）
図２２は、本発明の第３の実施の形態に係る超電導接合回路の平面図、図２３は図２２に示すＣ−Ｃ線断面図である。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、その説明を省略する。０
図２２および図２３を参照するに、第３の実施の形態に係る超電導接合回路７０は、図５等に示す第１の実施の形態に係る超電導接合回路の変形例である。超電導接合回路７０は、下部電極１４の表面に接触して、各々の下部電極１４を接続する下部電極接続膜７１と、下部電極接続膜７１を覆う保護膜７２をさらに設けた以外は第１の実施の形態に係る超電導接合回路と略同様に構成されている。
【００８６】
下部電極接続膜７１は、超電導材料からなり、下部電極１４の辺部分に形成された傾斜面、および第１および第２層間絶縁膜１３，１５の一部の表面を覆うように、各々の下部電極１４に亘って形成されている。下部電極接続膜７１の超電導材料は、下部電極や上部電極と同様の材料から選択される。また、下部電極接続膜７１は、上部電極１８とは接触しない位置に形成されている。下部電極接続膜７１を設けることで上部電極１８から超電導接合部１６1〜１６5を介して下部電極１４に流れ込んだ電流を、超電導磁気遮蔽膜１２を介して流れるだけでなく、下部電極接続膜７１を介しても流れるので、下部電極１４間を接続するインダクタンスを低減できる。これにより、超電導接合回路７０は磁束量子をさらに高速で伝搬することができる。
【００８７】
なお、保護膜７２は、保護膜１９と同様の材料からなる。また、下部電極１４と下部電極接続膜７１との間に障壁層７３が形成されている。これは、製造容易性の点から、障壁層１７を形成する際に下部電極１４の表面全体にイオンビーム照射したことによる。障壁層７３は下部電極１４と下部電極接続膜７１とにより超電導接合部を形成するが、回路動作上は、常にゼロ電圧状態であり、スイッチすることはない。それは、接合幅が、超電導接合部１６1〜１６5の接合幅よりも極めて大きいので、臨界電流が超電導接合部１６1〜１６5の臨界電流よりも極めて大きいからである。なお、障壁層７３を設けることは必須ではない。
【００８８】
超電導接合素子２０1〜２０5の各々は下部電極接続膜７１を設けても、下部電極１４の面積に基づいて超電導接合部の臨界電流密度および臨界電流を制御することができる。
【００８９】
なお、下部電極接続膜７１と下部電極１４とが接触する領域が下部電極１４の面積に占める割合には特に制限はないが、下部電極接続膜７１は、下部電極１４の四つの辺のうちできるだけ多くの辺と接触することが好ましい。但し、下部電極接続膜７１は、上部電極１８と接触しない程度に離隔して設ける必要がある。下部電極接続膜７１は、上部電極１８の下部電極接続膜７１側の辺から、例えば５μｍ離隔することが好ましい。
【００９０】
第３の実施の形態によれば、下部電極接続膜７１を設けることにより、下部電極間のインダクタンスを低減でき、超電導接合回路７０は磁束量子をさらに高速に伝搬することができる。また、第３の実施の形態に係る超電導接合回路７０は、第１の実施の形態と同様の効果を有することはいうまでもない。
【００９１】
（第４の実施の形態）
第４の実施の形態に係る超電導接合回路は、図１４に示す第２の実施の形態に係る超電導接合回路と、第３の実施の形態に係る超電導接合回路を組み合わせたものである。
【００９２】
図２４は、本発明の第４の実施の形態に係る超電導接合回路の平面図である。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、その説明を省略する。
【００９３】
図２４を参照するに、第４の実施の形態に係る超電導接合回路８０は、トグルフリップフロップ回路を含む超電導接合回路８０である。超電導接合回路８０は、下部電極接続膜８１を設けた以外は、図１４の第２の実施の形態に係る超電導接合回路３０と同様に構成される。
【００９４】
超電導接合回路８０は、下部電極１４のそれぞれを接続する超電導材料からなる下部電極接続膜８１が設けられている。下部電極接続膜８１は、先の図２３に示す下部電極接続膜７１と同様に、下部電極１４の一部の表面および下部電極１４間の第１層間絶縁膜１３の一部の表面を覆うように、各々の下部電極１４に亘って形成されている。本願発明者等の検討によれば、下部電極間のインダンクタンスは、下部電極接続膜８１を設けない場合は０．７ｐＨであったが、下部電極接続膜８１を設けた場合は０．４ｐＨに低減された。
【００９５】
第４の実施の形態によれば、このように下部電極接続膜８１を設けることで、下部電極間１４のインダクタンスを低減でき、高速の超電導接合回路８０を実現できる。また、超電導接合回路８０は、第２の実施の形態に係る超電導接合回路と同様の効果を有する。
【００９６】
なお、超電導接合回路８０は、一つの下部電極接続膜８１により下部電極１４間を接続しているが、超電導接合回路の回路パターンに応じて、複数の下部電極接続膜７１を配置してもよい。
【００９７】
図２５は、第４の実施の形態の変形例に係る超電導接合回路の平面図である。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、その説明を省略する。
【００９８】
図２５を参照するに、第４の実施の形態の変形例に係る超電導接合回路８５は、下部電極接続膜８１ａ，８１ｂが２つに分離されている以外は、図２４に示す第４の実施の形態に係る超電導接合回路８０と同様に構成される。このように、下部電極膜を２つに分離して設けることで、回路パターンの冗長性が増し、回路設計が容易になる。
【００９９】
（第５の実施の形態）
第５の実施の形態に係る第１例〜第４例の超電導接合回路において、第１の実施の形態の超電導接合回路の応用例を説明する。
【０１００】
図２６は、本発明の第５の実施の形態に係る第１例の超電導接合回路の平面図、図２７は図２６に示す超電導接合回路の等価回路図である。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、その説明を省略する。
【０１０１】
図２６および図２７を参照するに、第５の実施の形態に係る第１例の超電導接合回路９０は、２つの出力部Ｏｕｔ1，Ｏｕｔ2を有するトグルフリップフロップ回路９３を備える超電導接合回路である。超電導接合回路９０は、電気信号から磁束量子信号への変換を行う入力側変換回路９１、磁束量子を伝搬する入力側超電導線路９２、トグルフリップフロップ回路９３、磁束量子を伝搬する出力側超電導線路９４ａ，９４ｂおよび磁束量子信号から電気信号への変換を行う出力側変換回路９５ａ，９５ｂからなる。超電導接合回路９０は、入力部Ｉｎに供給される電流パルスに応じて、２つの出力部Ｏｕｔ1，Ｏｕｔ2からパルス状の出力信号が交互に出力される。超電導接合回路９０の基本的な構成は図１４の第２の実施の形態に係る超電導接合回路と同様であるので、その構造および動作の詳細な説明を省略する。
【０１０２】
超電導接合回路９０は、超電導接合部の各々の下部電極１４が、入力側変換回路９１の入力部Ｉｎ側の下部電極１４−１を除き、略同等の幅および奥行きに設定されている。したがって、第１の実施の形態において説明したように、超電導接合部の臨界電流密度が略同等となっている。これにより、超電導接合部のそれぞれについて所定の接合幅を設定することで、回路動作に必要な臨界電流を設定できると共に臨界電流のばらつきを抑制できる。
【０１０３】
図２８は、第５の実施の形態に係る第２例の超電導接合回路の平面図、図２９は図２８に示す超電導接合回路の等価回路図である。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、その説明を省略する。
【０１０４】
図２８および図２９を参照するに、第５の実施の形態に係る第２例の超電導接合回路１００は、セットリセットフリップフロップ回路を備える超電導接合回路である。超電導接合回路１００は、電気信号から磁束量子信号への変換を行う入力側変換回路１０１ａ，１０１ｂ、磁束量子を伝搬する入力側超電導線路１０２ａ，１０２ｂ、セットリセットフリップフロップ回路１０３、磁束量子を伝搬する出力側超電導線路１０４、および磁束量子信号から電気信号への変換を行う出力側変換回路１０５からなる。
【０１０５】
超電導接合回路１００の動作を簡単に説明する。入力部Ｓｅｔから電流パルス入力されると入力側変換回路１０１ａにおいて磁束量子に変換され、入力側超電導線路１０２ａを伝搬し、セットリセットフリップフロップ回路１０３の超電導接合部Ｊ２１がスイッチする。これにより磁束量子が超電導接合部Ｊ２１、インダクタ２１ａ、超電導接合部Ｊ２２およびグランドからなるループ内に保持される。
【０１０６】
このとき、入力部Ｒｅｓｅｔから電流パルス入力されると超電導接合部Ｊ２２がスイッチされ、保持された磁束量子が、出力側超電導線路１０４および出力側変換回路１０５を介して出力される。なお、超電導接合部Ｊ２３は磁束量子の逆流を防止するために設けられている。また、超電導接合部Ｊ２４は、入力部Ｓｅｔに連続して２つの電流パルスが供給された場合に、２つ目の電流パルスに起因する磁束粒子が超電導接合部Ｊ２１、インダクタ２１ａ、超電導接合部Ｊ２２およびグランドからなるループ内に保持された磁束量子への関与を防止する。
【０１０７】
なお、超電導接合回路１００の基本的な構成は図１４の第２の実施の形態に係る超電導接合回路と同様であるので、その構造および動作の詳細な説明を省略する。
【０１０８】
超電導接合回路１００は、超電導接合部の各々の下部電極１４が、入力側変換回路１０１ａ，１０１ｂの入力部Ｓｅｔ，Ｒｅｓｅｔ側の下部電極１４−２ａ，１４−２ｂを除き、略同等の幅および奥行きに設定されている。したがって、超電導接合回路１００は、第１の実施の形態において説明したように、超電導接合部の臨界電流密度が略同等となっている。これにより、超電導接合部のそれぞれを所定の接合幅の設定することで、回路動作に必要な臨界電流を設定できると共に臨界電流のばらつきを抑制できる。
【０１０９】
図３０は、第５の実施の形態に係る第３例の超電導接合回路の平面図、図３１は図３０に示す超電導接合回路の等価回路図である。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、その説明を省略する。
【０１１０】
図３０および図３１を参照するに、第５の実施の形態に係る第３例の超電導接合回路１１０は、コンフルエンスバッファ回路を備える超電導接合回路である。超電導接合回路１１０は、電気信号から磁束量子信号への変換を行う入力側変換回路１１１ａ，１１１ｂ、磁束量子を伝搬する入力側超電導線路１１２ａ，１１２ｂ、コンフルエンスバッファ回路１１３、磁束量子を伝搬する出力側超電導線路１１４、および磁束量子信号から電気信号への変換を行う出力側変換回路１１５からなる。
【０１１１】
超電導接合回路１１０の動作を簡単に説明する。入力部Ｉｎ1および入力部Ｉｎ2のいずれかに電流パルスが入力されると入力側変換回路１１１ａまたは１１１ｂにおいて磁束量子に変換され、入力側超電導線路１１２ａまたは１１２ｂを伝搬し、コンフルエンスバッファ回路１１３の超電導接合部Ｊ31あるいはＪ32がスイッチする。そして、磁束量子は出力側超電導線路１１４を介して出力部Ｏｕｔから出力される。コンフルエンスバッファ回路１１３は、量子信号が入力部Ｉｎ１，Ｉｎ２側に逆流することを防止する。また、入力部Ｉｎ1および入力部Ｉｎ2に同時に流パルスが入力された場合は、一つの量子信号のみが出力部Ｏｕｔに伝搬される。
【０１１２】
なお、超電導接合回路１１０の基本的な構成は図１４の第２の実施の形態に係る超電導接合回路と同様であるので、その構造および動作の詳細な説明を省略する。
【０１１３】
超電導接合回路１１０は、超電導接合部の各々の下部電極１４が、入力側変換回路１１１ａ，１１１ｂの入力部Ｉｎ1，Ｉｎ2側の下部電極１４−３を除き、略同等の幅および奥行きに設定されている。したがって、超電導接合回路１１０は、第１の実施の形態において説明したように、超電導接合部の臨界電流密度が略同等となっている。これにより、超電導接合部のそれぞれを所定の接合幅の設定することで、回路動作に必要な臨界電流を設定できると共に臨界電流のばらつきを抑制できる。
【０１１４】
図３２は、第５の実施の形態に係る第４例の超電導接合回路の平面図、図３３は図３２に示す超電導接合回路の等価回路図である。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、その説明を省略する。
【０１１５】
図３２および図３３を参照するに、第５の実施の形態に係る第４例の超電導接合回路１１０は、インバータ回路を備える超電導接合回路である。超電導接合回路１２０は、電気信号から磁束量子信号への変換を行う入力側変換回路１２１ａ，１２１ｂ、磁束量子を伝搬する入力側超電導線路１２２ａ，１２２ｂ、インバータ回路１２３、磁束量子を伝搬する出力側超電導線路１２４、および磁束量子信号から電気信号への変換を行う出力側変換回路１２５からなる。
【０１１６】
超電導接合回路１２０の動作を簡単に説明する。入力部Ｉｎに電流パルスが入力されると入力側変換回路１２１ａにおいて磁束量子に変換され、入力側超電導線路１２２ａを伝搬し、インバータ回路１２３の超電導接合部Ｊ41がスイッチして、超電導接合部Ｊ41、インダクタ２１ｂ、超電導接合部Ｊ42からなるループに図３３に示す矢印の方向に流れる電流パルスを伴う磁束量子が保持される。このとき、入力部Ｃｌｏｃｋに電流パルスが入力され磁束量子がインバータ回路１２３に供給されると、超電導接合部Ｊ42がスイッチして保持されていた磁束量子が打ち消され、超電導接合部Ｊ41、インダクタ２１ｂ、超電導接合部Ｊ42からなるループがリッセットされる。かかるループに磁束量子が保持されていないときに入力部Ｃｌｏｃｋに電流パルスが入力されると、超電導接合部Ｊ43がスイッチして磁束量子が出力側超電導線路１２４を介して出力部Ｏｕｔから出力される。
【０１１７】
なお、超電導接合回路１２０の基本的な構成は図１４の第２の実施の形態に係る超電導接合回路と同様であるので、その構造および動作の詳細な説明を省略する。
【０１１８】
超電導接合回路１２０は、超電導接合部の各々の下部電極１４が、入力側変換回路１１２ａ，１２１ｂの入力部Ｉｎ，Ｃｌｏｃｋ側の下部電極１４−４ａ，１４−４ｂおよびインバータ回路１２３の下部電極１４−５を除き、略同等の幅および奥行きに設定されている。したがって、超電導接合回路１２０は、第１の実施の形態において説明したように、超電導接合部の臨界電流密度が略同等となっている。これにより、超電導接合部のそれぞれを所定の接合幅の設定することで、回路動作に必要な臨界電流を設定できると共に臨界電流のばらつきを抑制できる。
【０１１９】
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１２０】
【図１】従来の超電導接合回路の等価回路図である。
【図２】超電導接合回路の動作を説明するための図である。
【図３】図１の等価回路図に対応する超電導接合回路の平面図である。
【図４】図３に示すＡ−Ａ線断面図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係る超電導接合回路の平面図である。
【図６】図５に示すＢ−Ｂ線断面図である。
【図７】第１の実施の形態に係る超電導接合回路の等価回路図である。
【図８】臨界電流と下部電極の幅との関係を調べるための超電導接合回路の平面図である。
【図９】臨界電流と下部電極の幅との関係を示す図である。
【図１０】臨界電流と下部電極の奥行きとの関係を調べるための超電導接合回路の平面図である。
【図１１】臨界電流と下部電極の奥行きとの関係を示す図である。
【図１２】臨界電流と下部電極の接合窓の面積との関係を調べるための超電導接合回路の平面図である。
【図１３】臨界電流と下部電極の接合窓の面積との関係を示す図である。
【図１４】本発明の第２の実施の形態に係る超電導接合回路の平面図である。
【図１５】図１４に示す超電導接合回路の等価回路図である。
【図１６】第２の実施の形態に係る超電導接合回路の波形図である。
【図１７】第２の実施の形態に係る実施例の超電導接合回路の平面図である。
【図１８】比較例に係る超電導接合回路の平面図である。
【図１９】実施例の超電導接合回路の臨界電流密度を測定するための回路である。
【図２０】比較例に係る超電導接合回路の臨界電流密度を測定するための回路である。
【図２１】実施例および比較例の臨界電流密度を示す図である。
【図２２】本発明の第３の実施の形態に係る超電導接合回路の平面図である。
【図２３】図２２に示すＣ−Ｃ線断面図である。
【図２４】本発明の第４の実施の形態に係る超電導接合回路の平面図である。
【図２５】第４の実施の形態に係る変形例の超電導接合回路の平面図である。
【図２６】本発明の第５の実施の形態に係る第１例の超電導接合回路の平面図である。
【図２７】図２６に示す超電導接合回路の等価回路図である。
【図２８】第５の実施の形態に係る第２例の超電導接合回路の平面図である。
【図２９】図２８に示す超電導接合回路の等価回路図である。
【図３０】第５の実施の形態に係る第３例の超電導接合回路の平面図である。
【図３１】図３０に示す超電導接合回路の等価回路図である。
【図３２】第５の実施の形態に係る第４例の超電導接合回路の平面図である。
【図３３】図３２に示す超電導接合回路の等価回路図である。
【符号の説明】
【０１２１】
１０，３０，４０，７０，８０，８５，９０，１００，１１０，１２０    超電導接合回路
１１    基板
１２    超電導磁気遮蔽膜
１３    第１層間絶縁膜
１４，１４−１，１４−２ａ，１４−２ｂ，１４−３，１４−４ａ，１４−４ｂ，１４−５      下部電極
１４ａ    接続窓
１５    第２層間絶縁膜
１６，１６1〜１６5，Ｊ１〜Ｊ１５，Ｊａ１〜Ｊａ１６    超電導接合部
１７，７３    障壁層
１８      上部電極
１９，７２    保護膜
２０，２０1〜２０5    超電導接合素子
２１，２１1，２１2，２１ａ，２１ｂ    インダクタ
２２，２２1〜２２5    直流電流源
３１，９１，１０１ａ，１０１ｂ，１１１ａ，１１１ｂ，１２１ａ，１２１ｂ    入力側変換回路
３２，９２，１０２ａ，１０２ｂ，１１２ａ，１１２ｂ，１２２ａ，１２２ｂ    入力側超電導線路
３３，９３，１０３    トグルフリップフロップ回路
３４，９４ａ，９４ｂ，１０４，１１４，１２４    出力側超電導線路
３５，９５ａ，９５ｂ，１０５，１１５，１２５    出力側変換回路
４０Ａ    臨界電流密度を測定するための回路
７１，８１，８１ａ，８１ｂ    下部電極接続膜
１１３    コンフルエンスバッファ回路
１２３    インバータ回路
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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