低温デバイス開発室
低温超電導（ニオブ）デバイス実用化への取り組み
研究目的
- 低温デバイス開発室では、単一磁束量子（SFQ）回路を始めとする金属超電導体ニオブを用いたデバイス開発を行い、低消費電力性、高速性、高感度性において既存技術の限界を打破する技術を創出する。
研究テーマ
- JST/CREST「単一磁束量子回路による再構成可能な低電力高性能プロセッサ」（H19.4-H25.3）
- 新アーキテクチャReconfigurable Data Path (RDP)をSFQデバイスで実現し、半導体技術と比べて消費電力1/100の10 TFLOPSデスクサイドスーパーコンピュータ基盤技術を構築するためのニオブ集積回路製造プロセス技術開発
SFQ/RDPによる10TFLOPSデスクサイド スーパーコンピュータのイメージ（JST/CREST) |
- 文科省科研費基盤S「断熱モード単一磁束量子回路の導入によるサブμＷマイクロプロセッサの研究」（H22.7～H27.3）
- SFQ回路の消費電力を従来比1/400～1/105に低減するための製造プロセス技術開発
演算速度、消費エネルギーにおけるSFQ回路の優位性とさらなる改善 |
- 最先端研究開発支援プログラムFIRST「量子情報処理プロジェクト」（H22.7～H26.3）
- SFQ回路の消費電力を従来比1/400～1/105に低減するための製造プロセス技術開発
目標とする超電導量子ビットのレイアウト例 |
- 文部科学省科研費基盤B「超伝導光子検出器の多画素化のための広帯域・広ダイナミックレンジ読出回路」（H23.7～H26.3）
- 超電導検出器アレイ多重読み出しのためのマイクロ波SQUIDを(独)産業技術総合研究所と共同で開発
共振を用いたマイクロ波SQUID TES多重読出しスキーム |
主な成果
- ニオブデバイス作製プロセス
- 独自の平坦化技術を開発し、ニオブ9層デバイスを実現
- ニオブ9層デバイスを用いた2×2RDPの45GHz動作確認
- プロセス不良の原因を解明し、1チップ上7万JJからなるシフトレジスタ回路の無欠陥動作
- CMPを用いた上部電極/接合コンタクトによる微細接合作製法開発
- 量子ビット用微細Al接合パターン（最小径30nm）形成
平坦化ニオブ9層デバイスの断面SEM写真（JST/CREST) |
ニオブ9層プロセスで作製した2×2RDP |
消費電力が従来のSFQ回路の1/500のシフトレジスタ回路 |
量子ビット用微細Al接合パターン形成 （FIRST) |
- SFQ回路設計技術の開発
- SFQ回路のセルベース設計法を確立
- 高速・無損失の超電導配線（PTL）を開発
- SFQ回路自動設計ツールを開発し、40万JJ級のSFQ回路が約8時間で設計できることを実証
- SFQ回路システム化技術の開発
- 複数のチップを超電導配線を有する基板上に配置するマルチチップモジュール（MCM）技術を開発し、SFQパルスのチップ間117Gb/s伝送を確認
- SFQチップを冷凍機で冷却したスイッチシステムと4台のPCを用いてPC間動画転送実験に成功
- SFQ回路への40Gb/s光入力実験に成功
主な応用分野
- 超電導検出器アレイの多重読出し
（材料分析、質量分析、放射線検出、X線天文等） - 超電導量子コンピュータ
- 光ネットワークのモニタリング（高速計測）
- ネットワークの消費電力問題を解決するルータ用スイッチ
- 小型・低消費電力スーパーコンピュータを実現するための超電導アクセラレータ
- 電気計測の国家標準
主要論文
- K. Hinode, T. Satoh, S. Nagasawa and M. Hidaka, “Origin of Hydrogen-inclusion-induced Critical Current Deviation in Nb/AlOx/Al/Nb Josephson Junctions”, Journal of Applied Physics, 107 p 073906 , 2010.
- H. Suzuki, M. Oikawa, K. Nishii, K. Ishihara, K. Fujiwara, M. Maruyama, M. Hidaka, “Design and Demonstration of a 5-Bit Flash-Type SFQ A/D Converter Integrated With Error Correction and Interleaving Circuits”, IEEE Trans. Appl. Supercond. vol. 21 no. 3, p. 671-676, 2011 .
- M. Maruyama, H. Suzuki, Y. Hashimoto and M. Hidaka, “A Flash A/D Converter Using Complementary Combined SQUIDs”, IEEE Trans. Appl. Supercond., 19, pp. 680-684, 2009.
- M. Hidaka, S. Nagasawa, K. Hinode and T. satoh, “Improvements in Fabrication Process for Nb-based single flux quantum circuits in Japan”, IEICE Trans. ELECTRON., E91-C, pp. 318-324, 2008.
- 日高睦夫「単一磁束量子（SFQ）技術の基礎と現状」まぐね/Magnetics Jpn., Vol. 5, pp. 4-11, 2010.
H24年2月終了のNEDO プロジェクト成果
NEDO「次世代高効率ネットワークデバイス技術開発」 （H19.6-H24.3）
- 開発目標
- 25 Gbps光信号波形をソフトウエア補正なしに観測できるSFQ回路をベースとしたリアルタイムオシロの開発
- SFQ高速A/Dコンバータ（ADC）の開発
- 50 GS/sサンプリングの5ビットADC
- 25 Gbps信号入力帯域
- SFQデバイス作製プロセスの高度化
- Jc増加と制御性の向上
- ADCの高周波冷凍機実装
- SFQ回路への光入力
- 成果
- 相補型コンパレータ採用とJc向上により5ビットADC50 GS/s (50 GS/s ×1)の達成
- 入力トランス改善による帯域向上(信号入力帯域25 Gbps以上)
- 高周波冷凍機実装技術の開発と40 Gbps光入力によるSFQ回路動作実証
（左）SFQ ADCのサンプリング周波数見積もり（Jcはジョセフソン接合の臨界電流密度） |
冷凍機実装用チップとクライオパッケージ |
トランス新構造による入力帯域改善 |
（左）冷却システムを用いた5bit ADCの測定実験 （右）5bit ADCの出力波形 |