ジョセフソン素子のディジタル応用
著者 岡部 洋一
雑誌名 電気学会雑誌
巻 104
号 2
ページ p111‑114
発行年 1984‑02
URL http://id.nii.ac.jp/1146/00007630/
i Bか
U D C〔 6 2 1 . 3 1 5 . 5 5 : 5 3 7 . 3 1 2 . 6 2 〕 : 6 8 1 . 3 2
ジ ョセフソン素子の
デ ィジタル応用
1. は じ め に
情報化社会の発展につれ, より高速で大容量の電子 計算機の必要性が
年 々高 ま りつつあ る｡例えば,気 象 における大気の運
動の ような,三次元空間の ものをシ ミュレーシ ョンし
ようとす ると,記憶容量 も多 くい る し,計算量 も莫大
とな り,正確な数値予報には高速で 大形の計算機が不
可欠 とな る｡高速の計算機 には高速 で動作す る素子が
必要 にな るとい うことで着 目された のが,敬‑数十
p
s
の立 ち上 り時間を もつ ジ ョセ フソ ン素子であ る｡1 9
6 0
年 の 中 ごろに アメ リカI BM
社 が この素子を計算機に利用す る構想を打 ち出して
(
1'以 莱,アメ リカおよび 日本を中心 として,,実用化に向 け 精力的な研究がなされている｡2.
ジ ョセ フ ソ ン接 合 の特 性 一 ジョセ フソン接合は,図
1
に示す ように二つの超電 導体を弱 く結合 した ものであ る
｡ (a)
図は,現在, デ ィジタル回路 に広く用い られてい るもので,鉛系の超 電 導体を トンネル
バ リアにより弱 く結合 した ものであ る｡ また
(ち)
は二つの超電導体の間を薄い超電導体あ るいは細い超電導
体で接続 した ものであ る｡ この接続 部 には半導
体あ るいは常電導体 も用い られ る｡
こうした接合部はバル クと同様 に超電導電流が流れ
ト ン ネ J L / BP
b‑BllPbJn‑Au
(a)鉛系 トンネル形 ジ ョセフソン
昭59‑2 (b) 接合
弱結合形 ジ ョセフソン接合
図
1
ジ ョセ フソン接合正
員岡 部
篭 三滴琴冨級
洋 一
東京大学工学部電気工学科 るが,超電導性が弱 く,
電 流を強 くし て い く と, 比 較的弱い電流 レベルで超電
つま り
2
×1 01 5 Wb
とい う小 さな量であ る｡(1 ∫
)式 は電流が電圧積分の非線形関数で与え られ る,ちま り 非線形 リア クタンスであることを示 している｡ ￠ は, 従 って磁気 インダ クタンスの磁束に対応す る量となる が,実際に磁束が蓄え られ るわ けではないので,特に フラクソイ ドと別の名称で呼ばれている｡図2に示 した直流特性は,実は こうした非線形 リア クタンスに,並列に静電容量と非線形抵抗を付 けた等 価回路で説明で きる｡図
2
の超電導状態は (1
)式で ￠ が一定の状態に対応す る｡ 当然 ￠ の時間微分 であ る 電圧は 0とな り, また超電導電流はr I
t<Z
cを満足す る｡超電導性が破壊す ると電圧が発生 し, ￠は無限に 増大 し, (1)
式 より電流は振動的になる｡ このような 交流振動は極めて高周波数のため直流特性 には現われ ず,直流特性はほぼ非線形抵抗の樽性で与え られ ることになる｡
これか ら説明す る計算機用の回路 も, こうした図
2
や図 3の特性 を利用 して設計 され る｡3 .
ジ ョセフソン論理 回路I BM
社が,最初の構想で提案した 論理回路 の原理 図を図4
に示す｡ この回路は図2
に示す直流特性を利 用 したもので,定電流 源 と負荷抵抗によって図2の破 線に示す ような負荷直線を実現す る｡接合の直流特性 と負荷直線の交点が二つで きるが, それ らをそれぞれ 論理の 0と1
に対応 させ る｡まず回路を うま く初期化 し,接合の状態を図2
のA
点 にしてお く｡ ここへ回 路左か らくる入力線のいずれかに電流を流す ことによ り,負荷直線をず らし, 図2
のA
点を 不安定 にす る と, 回路の状態は β 点へと遷移す る｡ この遷移によ り,接合 にはほとんど直流電流が流れな くな り,電流 は負荷抵抗の方へ流れ るようになる｡ この負荷抵抗へ 流れ る電流により,更に､,次段を トリガす るようにする｡
この回路の状態が,いずれの入力線にの った電流に 対 して も遷移す るようにしておけば
OR
回路 とな る図
4
電圧形論理 回路 し, 2人力線共に電流が流れてい るときのみ遷移す る ようにしておけば
AND
回路 となる｡いずれにして も ジ ョセフソン論理回路は初 期
状態として
A
点にセ ッ トした状態がβ
点に遷移す るか香かによって論理を 行 なうもので ラッ
チ論理 となっている｡
A
点を不安定にす るには負荷直線 を 移 動 して もよ いが,接合の
J
｡を減 らす こともよ く用い られ る｡接 合面積の大 きな接合,あ るいは複
数の接合を.並列にし てあ る程度の領域に広げたもの
に磁界をかけると,接 合全体の 7.が磁界で制御 され
る｡ この性質を利用し た ラッチ論理回路は磁界結合形論理
回路 と呼ばれ(3), 最 も実用化段階に
あ る論理回路である｡
入力線を直接接合 に接続 し,
電流の注入 により負荷 直線の位置をず らす形式の論理
回路は電流結合形論理 回路 と呼ばれ
( 4 )
,近年盛んに研究 されている｡磁界結 合形回路の ように大 きな面積を
とらず,設計マージン も大 き くとれ るが,信 号が入力
側に戻 りやす く,一方 向性を保つのが困難であ り,今後の研究成果
が期待 さ れてい る｡現在, こうした直流特性上の
2
安定点を利用 した, いわゆる電圧形論理回路により,ゲー ト遅延時間数ps の ものが発表されてい る｡ この
遅延時間はかな り速い ものであ るが, ジョセ フソン素
子その ものの原理的な 遅延時間と比較すると, まだ‑
けた近 く遅い.その主 な理 由は トンネル形 ジ ョセフソン
接合の.もっている並 列静電容量であ る｡ この容量の
影響を少な くす るには トンネルバ リアをわずかに薄 く
すれば よい｡ このよう にす ると ん が急増す るのに対
し,静電容量はわずか しか増加しないか らであ る｡ し
か し,静電容量を相対 的に減 らし,接合の時定数を速
くす ると,図
2
の直流 特性が変化し,二つの安定点が得に くくなることが知 られている｡従 って,直流特性を利用 しない論理回路
が必要 となって くる｡更に電圧形論理回路 には,パ
ンチスルーとい うやっ かいな問題があ る(5)｡ これは大
きな静電容量のために 接合のダンピングが悪 くなり, 7
)セ ッ トの際,一度起 きた交流振動が容易に減衰せず
, リセ ッ ト時間を短 く す ると,超電導状態に リセ ット
で きな くな るとい う現 象であ る｡ このため, ゲー ト遅
延時間 は 数psにで き て も, クロック周期はns程度
にせざるを得 な くな っ てい る｡ この意味で も,接合の
静電容量を抑え,かつ それに適 した回路の開発
が必要 となって くる｡
そ こで開発されつつあ るのが
,直流特性の代 りに図
3
の電流 Jとフラクソイ ド ￠の間の関係を利用 した 回路である(6)｡考 え方は,電圧
形論理回路 と同様であ り
,∫‑
￠ 特性 に2
箇所 (不安定点 も入れると
3
箇所)1 1 2
(2 8 )
1 1 5
図
5
フラクソイ ド形論理 回路 で交わ る図
3
の破線の ような負荷直線を引き, そのと きで きる安定 な二つの交点
A
およびB
を論理の0
と1
に対応 させ ようとい うものであ る｡動作原理 も電 圧形の もの と極めて似ており,
負荷直線 または接合の
Z
cを入力によ り変化 させ, 図3
の
A
点を不安定 にし てB
点に遷移 させ,論理を行 な うものであ る｡ 唯一 の違いは,負荷直線が
7‑
￠ 図の上で 直線であ ること か ら,抵抗で実現 されるのではな く, インダクタンス により実現 され る点で
ある｡従 って, この論理回路は 図
5
の形で実現 され ることとな る｡
フラクソイ ド形論理回路は論
理の 0と
1
に対応す る 点が動的な不安定性 を一切 もっていず,高速でかつ消 費電力の少ない とい う長所を もって
いる｡ しか し,負 荷を
￠o /
Zc程度のインダ クタンスに設計す る必要 があ り, このため
信号の長距離伝送が難 しいなど, まだ解 決すべ き問題
が少な くない｡
4
ジ. ジ ョセ フソン
記 憶回路ョセフソン計算機の中で用い られ る記憶回路は, 前述
の フラクソイ ド形論理回路 に似た 原 理 で 動 作 す る.そ
の一例を図
6
に示す(7). この回路は1
ビッ ト分 のメモ リーセルを示 してい る｡ こうしたセルを縦横に 数
多 く並べ,更に Zwや Zbに信号を送 るためのデ コ ー
ダ回路
,J
∫か ら外へ出て くる信号を処 理 す るセン ス回路を付 けて全体のメモ リーは構成 され る｡
ある特
定のセルにビッ トを書 き込むには, そのセル に対応
す る 7.0と Zbに電流を流す. この書 き込み動図
6
記 憶 回 路昭59‑2
ミ ニ 解 説 作は,図
3
の負荷直線 を Iwの電流 および Zbの磁 界 結合により上または下へ移
動 し,二つの安定点の うち 片方を不安定 にす ることに
より,セルの状態を 0また は
1
にセ ッ トす る. どちらを不安定 にす るかは,Ibの 電流方向により選択す る
ことがで きる｡
読み出しは Zw と Zbに特定 な方向
の電流を流 し′
そのとき遷移が起 るか香かを JJ上 に
置かれた接合に より検知す る｡娩出の際,通常はセル
の情報は破壊 さ れ るが,回路のダン ピングを うま く調
整し, もとの状 態に戻
す非破壊形 メモ リーも作 られている｡
現在メモ リーとして
は,デ コーダやセンス回路 まで も含めた
1kbi t
程度の集積回路が作成 されている｡
5 . なぜ ジ ョセ フソン
計算機 か
超高速計算機を作 るには素子の速度が速い ことは当 然必要であ るが, それだ
けでは駄 目であ る｡高集積が で きる必要がある｡例え
ば クロック周期 として
1ns
を 考えてみよう｡ この時間で信号の到達で きる距離は,6 .
今後の発展ジ ョセ フソン集積回路 は 目覚 ましい勢いで進んで お り,論理 回路はゲー ト数で
1 0 0
程度, ゲー ト遅延時間 数psの ものが, また記憶回路は1 , 00 0
ビッ ト程度の ものが発表 されてい る｡今後は こうした開発の延長上 に存在す る問題 と,新 し く発生す る問題があ ろう｡まず延長の問題 としては, ば らば らの回路を組み合 せ る技術の開発が急務のテーマであ る｡ また回路が極 低温で しか動作 しないため,従来半導体回路で用い ら れて きた常温でのブ ローバによる回路診断が不可能 と なる｡回路の巨大化につれ,あ らか じめ故障診断回路 を組み入れ るような診断技術が必要 とな って くる｡
現在の延長線か らずれた新 しい問題 と しては, まず 材料の問題があ げられ る｡現在主 として用 い られてい る接合材料であ る鉛系合金は安定 な トンネルバ リアを 作 るが,結 晶粒径が大 きく,素子の縮少化 に通 草ない こと, 拡散な どの問題があ ること,接合の上下 の材料 が異な ること,温度 サイ クルに弱い こと, などの幾つ かの問題点を抱えてい る｡ このため,高融点金属であ るニオブ系の接合が開発 されつつあ る｡ まだ トンネル バ リアに問題があ るが, 安定 な接合 として期待 されて い る｡
次に弱結合形接合の研究があげ られ る｡ この接合は トンネル形に比べ静電容量が小 さいとい う特長を もつ が,微細加工技術を必要 きし, このためまだ物理が明 白でな く研究の域を出ていない｡
第三に高速論理 回路の開発,特 にフラク ソイ ド形論 理 回路の研究が必要であ ると思われ る｡
第 四は新超電導素子の開発であ ろう｡ ジョセフソン
素子は現在の ところラッチ理論が中心であ り, また本 質的に
2
端子素子であ る｡ このため, 否定論理が組み 難い｡ フ ァンイン, フ ァンアウ トが少ない,方 向性が 取 り難いなどの幾つかの問題点 を抱えてい る｡ このた め超電導で動作す る何 らかの3
端子素子の ような素子 の開発が次の大 きなテーマとな り得 る｡7 . む す び
現在のジ ョセ フソン素子のデ ィジタル応用について 超高速計算機を中心 に, 回路方式,必要性, 問題点, 将来 につ いて述べた｡当面の開発 目標 となってい る大 形計算機については,現在のシ リコン技術 に近い窒素 冷却のシ リコン集積回路,
Ga As
集 積 回路,HEMT
などの技術が使われ る可能性が高い と思われ る｡ しかし, その先の超高速計算機となると, いまの ところジ ョセ フソン素子以外では実現不可能 と思われ る｡ この 意 味で,今後 さ らにジ ョセ フソン計算機の研究が進展 す ることを期待 してやまない｡
(昭和
5 8
年9 月 1 3
日受付)文 献
(1) W .Anacker.･ZEEE Trams,Magnetics AtAGl5,968 (1969)
(2)B.D.Josephson.･Phys.Leliers 1,51(1962) (3)H･H･Zappe:ZEEE Trans･.Magnetics AqAG13,41
(1977)
(4) T.R.Gheewala.AAppl.Phys,Letters 33,781(1978) (5) T.A.Fulton& R C.Dynes:Solid‑State Commun.
‑ 9,1069 (1971)
(6) 冒.Tamura,Y.Okabe& T.Sugano:Appl.Phys.
､ Letters 39,761(1981)
(7) W.H.Henkels&H.H.Zappe:IEEE I.Solid‑State Circuiis SC‑10,591(1978)
