超導體(Superconductor)顧名思義就是會呈現電阻為零之超導現象的材料，其關鍵條件是必須處於某個臨界溫度(Tc)之下，通常是接近絕對零度(0K，-273.15°C)到大約203K(-70°C)。零電阻意味著在超導體內部流通的電流不會有損耗，因此以該類材料打造的電子元件可望達到目前半導體晶片難以企及的省電效率與性能，也讓超導電子(Superconductor Electronics, SCE)被視為未來突破摩爾定律(Moore’s Law)極限、迎接量子運算時代的關鍵技術。
目前被動與主動(線性/非線性)超導體元件都已經存在，被動元件的案例包括作為電感、傳輸線或諧振器使用的超導線(Superconducting Wires)。不同於一般有電阻之材料形成的迴路，超導迴路的電流是永久循環的，這種特性類似理想電容器，但迴路中儲存的不是電荷，而是磁通量。而主動超導體元件就是約瑟芬接面(Josephson Junction, JJ)，應用於非線性行為與開關；JJ在實體上是一種雙端子元件，通常是被打造為像是具備超導平面或觸點的超導薄膜電容器，如圖1所示。
(圖片來源：INTERNATIONAL ROADMAP FOR DEVICES AND SYSTEMS，2022年版)
圖1中的灰色部分代表超導體電極，電極間的空間能以絕緣體、半導體或金屬填充；虛線部份顯示一個選擇性的弱連結，可用與電極相同的材料製作。圖1c是JJ元件的電路符號，其中的兩個點則代表庫柏對(Cooper Pair)。穿透薄阻障層的庫柏對量子穿隧，能實現在觸點之間流動、零壓降的超導電流(Supercurrent)；超導電流的最大值稱為臨界電流(Critical Current, Ic)。
當流經JJ的電流超過其臨界電流，就會開啟該元件產生單通量量子輸出(Single Flux Quantum, SFQ)；SFQ數位邏輯透過電路元件中的磁通量量子(Magnetic Flux Quanta)為磁通量的最小單位，其存在/不存在/極化或位置，來代表「0」或是「1」。這種透過JJ來開關磁通量，並且像是感應迴路中的循環電流那樣儲存磁通量的SFQ電路迥異於半導體電路；後者是以電晶體來開關電荷，並將電荷儲存在電容器中。
除了SFQ，超導電子元件還有多個數位邏輯系列，其中有大部分是以傳遞一個或多個SFQ，在邏輯閘之間溝通狀態值。一般SFQ邏輯閘的行為就像是狀態機，需要時脈訊號來邏輯評估及重設邏輯閘；而這種在邏輯網路中需要明確使用邏輯閘訊號的方式，為傳統RTL設計典範的應用帶來了顯著的挑戰。SFQ系列數位邏輯有一種被大量應用的快速單通量量子(Rapid Single Flux Quantum, RSFQ)電路，利用電阻器來分配DC電流，提供穩定電源的同時也簡化了超導電路設計，在本文稍後會提到一些不同數位邏輯的應用範例。
供應超導電子電路的電流同時用於補償能量損耗，以及改變電路中的超導相位差(Superconducting Phase Differences)，讓電路朝想要的方向偏壓運作。該供應電流的種類(交流或直流電)和幅度則取決於電路本身或邏輯家族。超導相位控制在超導電子電路設計上是一個非常重要的部分，幾乎所有超導元件的運作都與相位控制有關，對提升超導元件性能與擴大其應用至關重要，但在CMOS電路設計中完全沒有可以類比的技術，目前研究人員正在努力開發能有效控制超導相位的各種方法。
超導電子元件潛力應用
儘管超導電子技術的研究已經超過半世紀，目前該類元件的實際應用仍然非常有限，主要是原本就需要在低溫環境下運作的系統，例如低溫冷凍儲存和運輸設備、核磁共振影像(MRI)設備與核子加速器採用的超導磁鐵，以及單光子探測器、量子電腦等。而目前整體超導電子領域與相關度量標準發展聚焦於JJ元件，該類元件在無線電天文學應用的THz 探測器，還有以超導量子干涉元件(SQUID)為基礎的磁場感測器、梯度計中都扮演關鍵角色。
也有一些不需要低溫運作環境的應用，可獲益於超導電子元件的特性提升運算性能、感測靈敏度/解析度或是省電效益，像是大型資料中心與支援各種AI功能的高性能運算系統，甚至是虛擬貨幣挖礦設備，還有天文學、地球物理學等領域的學術研究，以及生物科技與醫療領域應用的精密顯微鏡等檢測設備。例如SQUID的高敏感度就能實現非侵入性的電生理活動量測，目前市面上已經有不少醫療設備採用該技術，銷售規模達到5億美元以上。
SQUID主要應用於局部性癲癇區域診斷所需的腦磁圖(Magnetoencephalography, MEG)成像，還有診斷胎兒心跳異常的心磁圖(Magnetocardiography, MCG)等生物磁力計(Bio Magnetometers)。而這類醫療應用超導電子技術除了必須具備讓醫事人員容易使用、且能展現卓越成效的臨床接受度，以及人體使用安全性，設備成本也需要降至一定水準。目前高通道數量SQUID設備(如MCG)，每通道成本需要數千美元，若能有顯著的降低，或是研發出可以不需要搭配昂貴磁場屏蔽室以避免外在磁場干擾的技術，將可進一步擴大市場版圖。
超導電子元件也能在通訊應用中發揮效能，例如以具備JJ元件搭配憶阻器(Memristor)實現混沌加密(Chaos Encryption)，還有將高溫超導體濾波器應用於無線通訊基地台以提升覆蓋率以及資料吞吐量(曾有一家名為Superconductor Technologies的美國業者號稱其高溫超導體技術已應用於超過1萬個基地台，但這家公司已經被醫療照護業者Clearday收購)。
此外以超導電子打造的高速類比數位轉換器(ADC)與數位訊號處理器(DSP)，可望為軟體定義無線電應用帶來優勢；美國業者HYPRES以超導體元件打造的數位RF接收器也採用了超導體ADC與DSP，其超導體元件運作於約4K溫度、免製冷劑的全自動冷凍系統中，除了軟體無線電、衛星通訊等應用，也能支援國防軍事、頻譜監測等領域的應用需求。
超導電子也能支援在10K以下低溫運作之量子電腦本地控制與讀取功能，提供更少能量耗散以及更快反應速度的優勢；預期隨著量子電腦應用規模擴大，對應用超導電子支援控制與讀取的需求也會隨之成長。傳統馮紐曼(Von Neumann)運算架構使用的CMOS處理器也能以超導體處理器取代，日本東京大學與名古屋大學的研究團隊就發表過內建記憶體的RSFQ數位邏輯8位元處理器，還有16位元的RQL(Reciprocal Quantum Logic)處理器。其他運算架構如神經形態運算(Neuromorphic Computing)、記憶體內運算(Compute-in-Memory)，也有超導電子元件可以發揮的空間。
有待克服的挑戰
儘管具備龐大應用潛力以及優異特性，超導電子元件的進一步擴大應用仍待克服目前面臨的諸多挑戰，除了電路設計本身需要解決在電流、時脈等方面的複雜性，以及因應該類元件對磁場與振動的敏感性，在實際製造上也得解決往更大尺寸晶圓片、更先進製程轉移的難題，還有因為製造溫度必須低於200°C，與CMOS製程的400°C差距頗大，會需要完全不同的元件製造方法。
目前能夠生產複雜超導電路(內含超過10萬個JJ)的據點中，有些不能製造商業產品，其他則在產能取得上有限。較好的做法是有多座晶圓廠可以專門處理超導電子的特定材料，並能以一定水準的良率生產商用產品。市場需要經妥善特徵化製程的多專案晶圓(MPW)服務與製程，以及比現有方案更完整的、可用的製程設計套件(PDK)。
新材料、製程以及元件的開發，都是推動超導電子的未來發展需要繼續進行的工作。目前JJ通常是在兩個以採用鈮(Niobium, Nb)材料的超導電極之間，形成氧化鋁(Aluminum Oxide, AlOx)阻障層薄膜，以圖1a的形式最為普遍。但JJ面對製程變異度的敏感性會高於CMOS 電晶體，這帶來了生產上的挑戰；儘管超導電子元件不太需要微縮尺寸以取得開關速度優勢，但是若要在晶片上增加JJ元件的數量，進一步微縮其製程仍有其必要性。
