DE69714522T2

DE69714522T2 - Magnetostatische Wellenanordnung

Info

Publication number: DE69714522T2
Application number: DE1997614522
Authority: DE
Inventors: Takashi Fuji; Masaru Fujino; Mikio Geho; Hiroshi Takagi
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1996-06-20
Filing date: 1997-05-22
Publication date: 2002-12-05
Anticipated expiration: 2017-05-23
Also published as: DE69714522D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft magnetostatische Wellenvorrichtungen und insbesondere eine magnetostatische Wellenvorrichtung, die einen magnetischen Granatfilm umfasst, wobei das Material des magnetischen Granatfilms durch die allgemeine Formel:
(Y1-rKr)&sub3;(Fe1-aAa)&sub5;O&sub1;&sub2;
angegeben ist, worin R mindestens eine Art ist, gewählt aus La, Bi, Gd und Lu; A mindestens eine Art ist, gewählt aus Al, Ga, In und Sc; r und a jeweils innerhalb der Bereiche 0 ≤ r ≤ 1 bzw. 0 ≤ a < 1 liegen; und r und a nicht gleichzeitig null sein können;
Eine solche Vorrichtung ist aus der EP-A-0 559 095 bekannt.
Der Trend zu einem intensiveren Austausch von Informationen führte in jüngster Zeit zu einem steigenden Bedarf an Mikrowellenvorrichtungen zur Verarbeitung von Signalen in Mikrowellenbandbereichen. Bezugnehmend insbesondere auf Vorrichtungen für die Analogverarbeitung erfolgt eine Entwicklung bei Signal verarbeitenden Vorrichtungen, wie Resonatoren, Filtern und S/N-Verstärkern. Als für solche magnetostatischen Wellenvorrichtungen verwendete Materialien werden durch YIGs angegebene magnetische Granatmaterialien hauptsächlich verwendet.
Ein YIG wird wie ein Film auf einem Einkristallsubstrat aus Gadolinium-Gallium-Granat (GGG), Samarium-Gallium-Granat (SGG), Neodym-Gallium-Granat (NGG) oder dergleichen hauptsächlich unter Verwendung eines epitaxialen Flüssigphasen-Verfahrens (LPE-Verfahrens) gebildet und wird in einer in ein Substrat integrierten Konfiguration verwendet.
Die Fig. 6 zeigt einen Geräuschfilter, welcher ein Beispiel für eine magnetostatische Wellenvorrichtung ist. Der Geräuschfilter schließt ein GGG-Substrat 1 und einen auf dem GGG-Substrat 1 vorgesehenen Einkristall-Granatfilm 2 ein. Der Geräuschfilter schließt weiterhin ein Paar an Elektroden 3, die auf dem Einkristall-Granatfilm 2 vorgesehen sind, ein. In Fig. 6 bezeichnet das Symbol H die Richtung des angelegten externen Magnetfeldes, Iin bezeichnet die Richtung des Eintritts der Mikrowelle, W bezeichnet die Fortpflanzungsrichtung von magnetostatischen Oberflächenwellen (MSSW), und Iout bezeichnet die Richtung der Erzeugung der Mikrowelle. Für die Zwecke der Einstellung der magnetischen Charakteristika eines solchen YIG und die Anpassung der Gitterkonstante davon an diejenige des Substrats wird aktiv daran gearbeitet, Materialien mit verschiedenen Elementen zu entwickeln, die für die C-Stelle (die Position von Y) und A, D = Stelle (die Position von Fe) eines YIG substituiert werden. Die Bezeichnungen "C- Stelle" und "A, D-Stelle" sind Darstellungsformen, wie sie zur Darstellung eines magnetischen Granatmaterials unter Verwendung der folgenden Formel verwendet werden: C&sub3;(A, D)&sub5;O&sub1;&sub2;. Solche Substitutions-R,A : YIGs (Substitutions-Yttrium-Eisen-Granate) werden immer mehr zu vorherrschenden Materialien für magnetostatische Wellenvorrichtungen.
In der Zwischenzeit gilt ein Einkristall als bevorzugt, wenn er keine Veränderung seiner Zusammensetzung als Ganzes aufweist und gleichförmig ist vom kristallographischen Standpunkt betrachtet. Die höchstmögliche Gleichförmigkeit wurde auch bei der Entwicklung von Substitutions-R,A : YIGs, die unter Anwendung von LPE-Verfahren angefertigt werden, verfolgt.
Allerdings gab es dadurch ein Problem, dass die Halbwertsbreite (AH) der ferromagnetischen Resonanz, die eine wichtige magnetische Eigenschaft für ein für eine magnetostatische Wellenvorrichtung verwendetes Substitutions-R,A : YIG ist, nicht bevorzugt sein kann, wenn die Dicke des Films gering ist, insbesondere wenn die Filmdicke 6 um oder weniger beträgt.
Zudem waren herkömmliche magnetostatische Wellenvorrichtungen nicht erfolgreich darin, der Nachfrage nach Vorrichtungen mit einer Betriebsfrequenzbandbreite, die so breit wie möglich ist, zu genügen, welche eine Charakteristik ist, die aus verschiedenen Gründen einschließlich dem Ausgleich von Temperaturcharakteristika erforderlich ist.
Es ist daher ein Hauptziel der vorliegenden Erfindung, eine magnetostatische Wellenvorrichtung bereitzustellen, welche selbst mit einem Substitutions-R,A : YIG mit einer geringen Filmdicke arbeitet und welche ein breiteres Betriebsfrequenzband aufweist.
Die vorliegende Erfindung stellt eine magnetostatische Wellenvorrichtung der oben genannten Art bereit, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass die Kristallstruktur des magnetischen Granatfilms ein Übergitter aufweist.
Bei der obenstehenden magnetostatischen Wellenvorrichtung kann das Übergitter durch Röntgenstrahlungs-Diffraktometrie bestimmt werden.
Bei der obenstehenden magnetostatischen Wellenvorrichtung kann es eine Reihe von Begleitreflexionen bei dem magnetischen Granatfilm kommen, wenn darauf eine Schwingkurve unter Anwendung von Röntgenstrahlungs-Diffraktometrie gemessen wird, und ein Hauptgitterpunkt der Begleitreflexionen kann die Reflexion nullter Ordnung sein.
Die Angabe "es kommt zu einer Reihe von Begleitreflexionen bei dem magnetischen Granatfilm, wenn eine Schwingkurve darauf unter Anwendung der Röntgenstrahlungs-Diffraktometrie gemessen wird, und ein Hauptgitterpunkt der Begleitreflexionen ist die Reflexion nullter Ordnung ", bedeutet, dass die Kristallstruktur sich periodisch verändert und dass es eine Wiederholungsstruktur gibt, die ein ganzzahliges Vielfaches einer Zelleinheit ist, die unter Anwendung des Schwingkurven-Verfahrens oder des Kleinwinkel-Röntgenstrahlungs-Streuungsverfahrens in dem Feld der Röntgenstrahlungs-Diffraktometrie bestimmt werden kann.
Im allgemeinen treten, wenn angenommen wird, dass eine reguläre Wiederholungsstruktur (als "Übergitter" bezeichnet) in einem Einkristall vorliegt und dass L den Zyklus der Wiederholungsstruktur in einem solchen Fall repräsentiert, Gitterpunkte, deren Einheit I/L ist, nahe dem Ursprung auf, und solche Gitterpunkte sind unter Einsatz des Röntgenstrahlungs-Kleinwinkel- Streuungsverfahrens festzustellen. Weiterhin tritt eine Gruppe von Gitterpunkten, deren Einheit 1/L ist, gleichzeitig um jeden der Gitterpunkte wie in Kleinwinkelregionen auf. Die Messung der Schwingkurve der Reflexionen eines Index (hkl) in der Wiederholungsrichtung ermöglicht den Erhalt von L aus der untenstehend gezeigten Gleichung 1, wo m und n für die Größenbereiche der Begleitreflexionen stehen.
L = (m - n)λ/{2(sinθm - sinθn)} Gleichung 1
I steht für die Wellenlänge der Röntgenstrahlung, und qm und qn stehen jeweils für Bragg- Winkel in Zusammenhang mit den Begleitreflexionen der m-ten bzw. n-ten Ordnung.
Während mögliche Verfahren für die Einführung dieser Wiederholungsstruktur (Übergitter) beispielsweise ein Verfahren einschließen, bei welchem die Rotation des Substrats periodisch umgekehrt wird wie bei einem LPE-Verfahren, und ein Verfahren, bei welchem sich die Wachstumsposition periodisch verändert, kann jegliches Verfahren angewandt werden, solange es die Einführung periodischer Veränderungen der Struktur ermöglicht. Die Zusammensetzung eines Substitutions-R,A : YIG kann mit den Strukturveränderungen variieren oder kann eine gleichförmige Zusammensetzung ohne eine Veränderung sein. Da weiterhin der Film normalerweise senkrecht zu dem Film gezüchtet wird, liegt diese Wiederholungsstruktur in senkrechter Richtung zu dem Film vor. In der Praxis kann der Zyklus jeglicher Wert sein, solange er ein ganzzahliges Vielfaches der Einheitszelle ist.
Als Dotiermittel für einen Substitutions-R,A : YIG-Einkristallfilm gemäss den bekannten Techniken (zum Beispiel der japanischen Patentveröffentlichung Nr. H2-97495), sind La, Bi, Gd und Lu für R in der chemischen Formel (Y1-rKr)&sub3;(Fel-aAa)&sub5;O&sub1;&sub2; zweckmäßig, und Al, Ga, In und Sc sind für A in selbiger zweckmäßig, berücksichtigt man die Größen der Radien, Feststofflöslichkeit bei dem YIG-Film und die Valenz der Ionen. Gemäß der vorliegenden Erfindung unterliegt das Ausmaß der Substitution für ein Substitutions-R,A : YIG keiner Begrenzung zur Regulierung der Sättigungsmagnetisierung und der Gitterkonstante in einem weiten Bereich.
Magnetostatische Wellenvorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung sind Vorrichtungen, welche magnetostatische Wellen (MSSW (magnetostatische Oberflächenwellen), MSFVW (magnetostatische vorwärtsgerichtete volumetrische Wellen) und MSBVW (magnetostatische rückwärtsgerichtete volumetrische Wellen) verwenden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung besitzt ein Substitutions-R,A : YIG-Film, bei dem es sich um einen magnetischen Granatfilm handelt, der einen Teil einer magnetostatischen Wellenvorrichtung der Erfindung bildet, eine Struktur, welche sich periodisch in senkrechter Richtung zu dem Film verändert. Dieser Film gibt der magnetostatischen Wellenvorrichtung einen breiteren Betriebswellenbandbereich. Da weiterhin ein magnetischer Granatfilm aus diesem Substitutions- R,A : YIG gute ferromagnetische Resonanzcharakteristika zeigt, selbst wenn er dünn ist, kann der Anwendungsbereich einer magnetostatischen Wellenvorrichtung erweitert werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine magnetostatische Wellenvorrichtung erhalten werden, welche selbst mit einem Substitutions-R,A : YIG mit einer geringen Filmdicke, z. B. 5 um, arbeitet, aber gute ferromagnetische Resonanzcharakteristika zeigt trotz der geringen Filmdicke; und welche eine breitere Betriebsfrequenzbandbreite besitzt.
Die obenstehenden und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung noch offensichtlicher.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Fig. 1 ist eine graphische Darstellung, welche eine Schwingkurve in der Nähe einer (888)- Reflexion eines magnetischen Granatfilms, welcher bei einer magnetostatischen Wellenvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, zeigt.
Die Fig. 2 ist eine graphische Darstellung, welche eine Schwingkurve in der Nähe einer (888)- Reflexion eines magnetischen Granatfilms, welcher bei einer magnetostatischen Wellenvorrichtung als ein Vergleichsbeispiel verwendet wird, zeigt.
Die Fig. 3 ist eine Draufsicht, welche ein Messsystem zum Messen der Filtercharakteristika zeigt.
Die Fig. 4 ist eine graphische Darstellung, welche die Frequenzcharakteristika einer magnetostatischen Wellenvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
Die Fig. 5 ist eine graphische Darstellung, welche die Frequenzcharakteristika einer magnetostatischen Wellenvorrichtung als Vergleichsbeispiel zeigt.
Die Fig. 6 ist eine perspektivische Ansicht einer magnetostatischen Wellenvorrichtung (Geräuschfilter).

Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen

Eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun beschrieben.
Ein La,Ga : YIG (Y2,93La0,07Fe4,60Ga0,40O&sub1;&sub2;)-Film wurde bis zu einer Dicke von 5 um auf einem (111)-GGG-Substrat mittels eines LPE-Verfahrens unter Verwendung einer Schmelze vom PbO- B&sub2;O&sub3;-Typ gezüchtet. Dabei wurde die Rotation des Substrats in der Schmelze alle 15 Sekunden umgedreht, um periodische strukturelle Veränderungen bei dem YIG-Film einzuführen. Im Folgenden wird der Substitutions-La,Ga : YIG-Film als "REV1" bezeichnet. Eine Röntgenstrahlungs- Schwingkurve von REV1 wurde in Bezug auf eine (888)-Reflexion gemessen. Die Fig. 1 ist eine graphische Darstellung, welche die Schwingkurve in der Nähe der (888)-Reflexion von REV1 zeigt. In Fig. 1 steht die durch "YIG" angegebene Reflexion für eine Reflexion von REV1, und die durch "GGG" angegebene Reflexion steht für eine Reflexion von GGG, welche das Substrat ist. Die durch die Pfeile angegebenen Reflexionen in Fig. 1 sind Begleitreflexionen von einer laminaren Struktur, deren Kristallstruktur sich periodisch verändert. Wie anhand von Fig. 1 offensichtlich wird, traten Begleitreflexionen bei REV1 auf, die das Vorliegen einer periodischen Struktur nachwiesen.
Weiterhin wurde ein La,Ga : YIG-Film bis zu einer Dicke von 5 um ausgebildet unter Verwendung eines LPE-Verfahrens als ein Vergleichsbeispiel unter Bedingungen, die alle dieselben waren wie diejenigen für REV1, mit der Ausnahme, dass das Substrat in der Schmelze nur in einer Richtung ohne Umkehrung rotiert wurde. Im Folgenden wird der Substitutions-La,Ga : YIG- Film als "ROT1" bezeichnet. Eine Röntgenstrahlungs-Schwingkurve von ROT1 wurde bezüglich einer (888)-Reflexion, wie sie bei REV1 erfolgte, gemessen. Die Fig. 2 ist eine graphische Darstellung, welche die Schwingkurve in der Nähe der (888)-Reflexion von ROT1 zeigt. In Fig. 2 steht die durch "YIG" angegebene Reflexion für eine Reflexion von ROT1, und die durch "GGG" angegebene Reflexion steht für eine Reflexion von GGG, welches das Substrat ist. Wie anhand von Fig. 2 offensichtlich wird, trat keine Begleitreflexion bei ROT 1 auf.
Im Anschluss wurde die Messung der ferromagnetischer Resonanz (FMR) bei jedem von REV1 und ROT1 durchgeführt, und es wurde ein äußeres magnetisches Feld darauf in senkrechter Richtung zu den YIGs angelegt, um die Halbwertsbreite (ΔH) der ferromagnetischen Resonanz zu messen. Als ein Resultat davon lieferte zwar REV1 ein bevorzugtes Resultat von 0,86 Oe, doch zeigte ROT1 kein Resonanzspektrum vom Lorenzschen Typ wie dasjenige von REV1 und wies keine messbare (ΔH) auf. Normalerweise muss eine magnetostatische Wellenvorrichtung einen (ΔH)-Wert von 1,0 Oe oder weniger aufweisen, um von Nutzen zu sein.
Als nächstes wurde jedes von REV1 und ROT1 einem Beschneidungsprozess und einem Prozess zum Entfernen des YIG-Films auf einer Seite davon unterzogen und einer Messung der MSSW- Filtercharakteristika, welche grundlegende Charakteristika einer magnetostatischen Wellenvorrichtung sind, unter Einsatz des in Fig. 3 gezeigten Messsystems unterworfen. Eine Stripline bzw. Bandleitung 10 wurde auf einem Epoxysubstrat ausgebildet, und eine Probe für die Messung 12, auf welcher REV1 und ROT1 verarbeitet wurden, wurde auf die Stripline 10 platziert. Die Frequenzcharakteristika dieser Filme als Filter wurden durch eine Netzwerk-Analysenvorrichtung 14 gemessen, wobei ein äußeres magnetisches Feld von 60 G parallel zu dem Epoxysubstrat in Richtung des in Fig. 3 gezeigten Pfeils A angelegt wurde. Als eine Folge davon zeigte ROT1 als ein Vergleichsbeispiel überhaupt keine Filtercharakteristika, und REV1 gemäß der vorliegenden Erfindung zeigte gute Filtercharakteristika.
Eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nunmehr beschrieben.
La,Ga : YIG (Y2,93La0,07Fe4,60Ga0,40O&sub1;&sub2;)-Filme wurden bis zu einer Dicke von 20 mm unter Verwendung derselben Schmelze, Bedingungen und des Verfahrens, wie diejenigen in der ersten Ausführungsform, gezüchtet, mit der Ausnahme, dass die Wachstumszeit verlängert wurde. Ein Substitutions-La,Ga : YIG-Film, in welchen periodische Strukturveränderungen durch Umkehren der Rotation des Substrats während des obigen Verfahrens eingeführt wurden, wird im Folgenden als "REV2" bezeichnet. Andererseits wird ein Substitutions-La,Ga : YIG-Film als Vergleichsbeispiel, welcher durch Rotierenlassen des Substrats lediglich in einer Richtung ohne Umkehrung gezüchtet wurde, als "ROT2" bezeichnet. Die Röntgenstrahlungs-Schwingkurven von REV2 und ROT2 wurden bezüglich der (888)-Reflexionen davon, wie sie in der ersten Ausführungsform erfolgten, gemessen. Als eine Folge traten zwar Begleitreflexionen bei REV2 auf, wodurch das Vorliegen einer periodischen Struktur nachgewiesen wurde, doch es trat keine Begleitreflexion bei ROT2 auf.
Im Anschluss wurde die Messung von ferromagnetischer Resonanz (FMR) bei jedem von REV2 und ROT2 durchgeführt, und die Halbwertsbreite (ΔH) der ferromagnetischen Resonanz wurde wie in der ersten Ausführungsform gemessen. Als eine Folge lieferten REV2 bzw. ROT2 Werte von 0,92 Oe und 0,88 Oe, die beide kleiner als 1,0 Oe waren. Was die Sättigungsmagnetisierung (4nMs) angeht, lieferten REV2 und ROT2 ähnliche Werte von 1150 G bzw. 1160 G.
Als nächstes wurde jedes von REV2 und ROT2 einer Messung der MSSW-Filtercharakteristika unter Einsatz des in Fig. 3 gezeigten Messsystems wie in der ersten Ausführungsform erfolgt unterzogen, um die Frequenzcharakteristika dieser Filme als Filter zu messen. Die Fig. 4 ist eine graphische Darstellung, welche das Resultat der Frequenzcharakteristika-Messung bei REV2 zeigt, und die Fig. 5 ist eine graphische Darstellung, welche das Resultat der Frequenzcharakteristika-Messung bei ROT2 zeigt. Während ROT2 als Vergleichsbeispiel einen Anstieg mit einem leichten Gradienten zeigte und einen flachen tatsächlichen Frequenzbereich von etwa 150 MHz wie in Fig. 5 gezeigt aufwies, zeigte REV2 gemäß der vorliegenden Erfindung einen steilen Anstieg und wies einen vergrößerten tatsächlichen Frequenzbereich von etwa 300 MHz auf, was etwa das Zweifache desjenigen von ROT2 wie in Fig. 4 gezeigt ist. Außerdem war REV2 bezüglich der Flachheit besser als ROT2.

Claims

1. Magnetostatische Wellenvorrichtung, umfassend:

einen magnetischen Granatfilm,

wobei das Material des magnetischen Granatfilms durch die allgemeine Formel:

(Y1-rKr)&sub3;(Fe1-aAa)&sub5;O&sub1;&sub2;

angegeben ist, worin R mindestens eine Art ist, gewählt aus La, Bi, Gd und Lu;

A mindestens eine Art ist, gewählt aus Al, Ga, In und Sc;

r und a jeweils innerhalb der Bereiche 0 < r ≤ 1 bzw. 0 ≤ a < 1 liegen; und r und a nicht gleichzeitig null sein können;

dadurch gekennzeichnet, dass

die Kristallstruktur des magnetischen Granatfilms ein Übergitter aufweist.

2. Magnetostatische Wellenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Übergitter durch Röntgenstrahlungs-Diffraktometrie bestimmt worden ist.

3. Magnetostatische Wellenvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Reihe von Satelliten- bzw. Begleitreflexionen in dem magnetischen Granatfilm vorliegt, wenn eine Schwingkurve darauf unter Anwendung von Röntgenstrahlungs-Diffraktometrie bestimmt wird, und

ein Hauptgitterpunkt der Begleitreflexionen die Reflexion nullter Ordnung ist.