[发明专利]超导磁通量子存储单元结构及其写入和读取方法

说明书

本发明提供一种超导磁通量子存储单元结构及其写入和读取方法，该结构包括：约瑟夫森结存储环路，具有一个第一约瑟夫森结；发热电阻，设置于约瑟夫森结存储环路中的第一约瑟夫森结附近，用于控制约瑟夫森结的温度。通过在第一约瑟夫森结附近设置发热电阻，利用发热电阻发热来调节第一约瑟夫森结区附近的温度，从而改变其临界电流，而不需要通过外部磁场耦合来改变第一约瑟夫森结的临界电流，相对于现有技术中的外部磁场耦合的方式调制临界电流，本发明采用发热电阻调制临界电流可使得约瑟夫森结存储环路的面积大大减小；利用纳米桥结替代传统的隧道结，在获得高动态电感的同时也可以进一步减小存储环路对几何电感的需求从而减小环路面积，并且也可以缩小第一约瑟夫森结的面积。

技术领域

本发明属于超导电子信息技术领域，特别是涉及一种超导磁通量子存储单元结构及其写入和读取方法。

背景技术

基于CMOS的半导体集成电路，随着特征尺寸的减小和集成度的提高使得电路的功耗居高不下，时钟频率经过了十几年的发展，缓慢提高到了4.2GHz，逐渐趋于停滞。寻求新的材料以达到更高的时钟频率与较低的能耗迫在眉睫。

基于超导材料的数字电路采用脉冲宽度为ps量级的单磁通电压脉冲传输信号，以约瑟夫森结(Josephson Junction，JJ)作为开关元件。RSFQ(Rapid single flux quantum)电路所需的电压为几个mV，电路整体功耗为几个mW，可以高密度集成而没有功耗过高的担忧。ps量级的传输信号以及接近光速的信号传输速度可以使超导数字电路的工作频率达到近100GHz。传统半导体一级缓存的读取速度为1ns左右，无法满足高速超导数字电路的存取需求，因此设计制备与超导数字电路速度相匹配的高速存储器是实现超高速RSFQ微处理器的重要部分。

伦敦理论预言了超导闭合环路内的磁通量子化现象。利用超导环路可以存储和检测磁通量子的性质，发展出了多种基于超导材料的存储单元。二十世纪八十年代，Henkels基于RF SQUID分别采用Pb和Nb材料制作了第一个单磁通量子存储器，以磁通量子的有无来作为0和1。Henkels通过一个三结SQUID来改变RF SQUID的临界电流使超导环路可以捕获磁通量子，并产生稳定的超导环路电流使得状态得以一直存在。其数据的读取是通过一个DCSQUID检测超导环路中存储的磁通量子。这一最早的存储单元模型由于电感大小和工艺的限制导致读取电路的精度有限，采用两个磁通量子来表示状态1，致使其存取速度接近1ns。随后Yuh在Henkels的基础上加入缓冲门以消除半选择状态，用三个双结SQUID来完成读写操作，扩大了存储器输入控制信号的工作阈值。然而该存储单元的结构相对复杂，一个单元需要使用6个3.75μm的JJ，使其面积达到了50μm*52μm，误比特率达到了46％。1989年，Kurosawa提出了一种全新的存储单元结构，利用不对称的DC SQUID控制磁通量子的存储，判断读取时是否产生电压脉冲来实现01读出。这一结构虽然简单，但是额外的写回结构来实现非破坏性读出以及信号的时序控制限制了存储单元的读取速度。Suzuki在1988年将RFSQUID中不同磁通量子个数改变时产生的电压脉冲通过两个与超导环路并联的电容转换为电流脉冲信号，然后通过一个预偏置为亚临界状态的JJ检测这一电流脉冲。这一结构采用电容来实现数据的读出使得单元面积为100μm*50μm，不利于大规模集成。随后Polonsky和Yuh在Suzuki的基础上改进了读出方式，用约瑟夫森传输线JTL来实现状态读取和传输，不同的是Polonsky在每个存储单元添加了一个预偏置的JJ实现读出，而Yuh用一个预偏置的JJ实现数个存储单元的读出。但是这两个方案都停留在存储单元结构的实现，没有制作出完整的可存取Kb大小的存储器。Nagasawa和Tahara用两个RF SQUID组成了可实现非破坏性读出的存储单元，并且将双结SQUID垂直耦合至超导环路大大减小了存储单元的面积。这一结构经过多次改进实现了完整的存储器和350ps的读取速度，然而受限于单元尺寸很难大幅度减小和读取速度难以提高，这一类型的存储器没有得到实际的应用。高临界电流密度可以缩短存取时间，但是由于刻蚀精度，结尺寸缩小到1μm后很难实现高临界电流密度，存储单元尺寸难以进一步缩小。并且由于单元电路对几何电感的需求，单元面积难以大幅度减小。单元之间必须保持一定距离以减小磁耦合的影响，也限制了单元集成密度。二十世纪初，各国开始研究以RSFQ D触发器为存储单元来实现高速移位寄存器存储器，约瑟夫森结为直流偏置，避免了交流电源的使用，使这一类型的存储器时钟频率可以达到50GHz。目前基于移位寄存器的256b存储器所占面积已达到了2.17mm²，存储器面积过大制约了移位寄存器的发展。Takahashi等人设计的1kb移位寄存存储器的偏置电流达到了1.3A，随着集成度的增加，大电流带来的磁场和静态功耗问题不可忽略。