JP3547089B2

JP3547089B2 - マイクロ波素子材料

Info

Publication number: JP3547089B2
Application number: JP30367393A
Authority: JP
Inventors: 悟福田; 雅行丹野; 俊彦流王
Original assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Priority date: 1993-12-03
Filing date: 1993-12-03
Publication date: 2004-07-28
Anticipated expiration: 2019-07-28
Also published as: JPH07157399A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はマイクロ波素子材料、特には磁性ガーネット単結晶からなる静磁波または磁気共鳴を利用するマイクロ波素子材料およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
マイクロ波素子材料については、従来から磁性ガーネット単結晶からなるものが使用されており、具体的には単結晶基板の（１１１）面上にエピタキシャル成長させた式Ｙ_３Ｆｅ_５Ｏ_１２で示されるＹＩＧが汎用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この（１１１）面基板上に成長させたＹＩＧなどはマイクロ波素子として要求される磁気共鳴半値幅（△Ｈ）の低減に限界があり、したがってこれを用いて低損失のマイクロ波フィルターやＱの高いマイクロ波共振器を作ることが難しいという不利がある。
そのため、これを改善する目的において単結晶基板の（１００）面上に磁性ガーネット単結晶薄膜をエピタキシャル成長させたものも提案されているが、このものは最低共鳴周波数は小さくなるものの、結晶欠陥とクラックの量が多くなり、しかも磁気共鳴半値幅が大きくなるために、これを用いて低損失のマイクロ波フィルターやＱの高いマイクロ波共振器を作ることが難しいという不利がある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明はこのような不利を解決したマイクロ波素子材料に関するもので、これは一般式Ｒ_３Ｆｅ_５−ａＭ_ａＯ_１２（ここにＲはＹ、Ｌａ、Ｌｕ、Ｂｉから選択される少なくとも一つの元素（Ｙのみの場合を除く）、ＭはＡｌ、Ｓｃ、Ｇａ、Ｉｎから選択される少なくとも一つの元素、０≦ａ≦０．９）で示される磁性ガーネット単結晶において、磁性ガーネット単結晶の格子定数が１２．３７０Å以下であることを特徴とするものである。
【０００５】
すなわち、本発明者らは上記したような不利、問題点を解決したマイクロ波素子材料を開発すべく種々検討した結果、式Ｙ_３Ｆｅ_５Ｏ_１２で示されるＹＩＧのＹの一部または全部をイオン半径がＹ^３＋より小さな元素を主体とする磁気共鳴半値幅を大きくしない陽イオンで置換するか、またはＦｅの一部をイオン半径がＦｅ^３＋より小さな非磁性陽イオンを主体とする非磁性イオンで置換すると、この磁性ガーネット単結晶の格子定数を１２．３７０Å以下とすることができ、これをＹＩＧの磁気共鳴半値幅よりも小さな値をもつ、すぐれたマイクロ波素子材料として得られることを見出し、この製造方法についての研究を行なって本発明を完成させた。
以下にこれをさらに詳述する。
【０００６】
【作用】
本発明はマイクロ波素子材料に関するものであり、このマイクロ波素子材料は一般式Ｒ_３Ｆｅ_５−ａＭ_ａＯ_１２（ここにＲはＬａ、Ｙ、Ｌｕ、Ｂｉから選択される少なくとも一つの元素（Ｙのみの場合を除く）、ＭはＡｌ、Ｇａ、Ｓｃ、Ｉｎから選択される少なくとも一つの元素、０≦ａ≦０．９）で示される磁性ガーネット単結晶において、磁性ガーネット単結晶の格子定数が１２．３７０Å以下であることを特徴とするものである。この磁性ガーネット単結晶は磁気共鳴半値幅の小さいものとなるので、マイクロ波素子材料として有用なものとなる。
【０００７】
本発明のマイクロ波素子材料は上記したＲ_３Ｆｅ_５−ａＭ_ａＯ_１２（Ｒ、Ｍ、ａは前記に同じ）で示される磁性ガーネット単結晶からなるものであり、これにはＬｕ_３Ｆｅ_５Ｏ_１２、（ＹＬｕ）_３Ｆｅ_５Ｏ_１２、（ＹＬａＬｕ）_３Ｆｅ_５Ｏ_１２、Ｙ_３（ＦｅＡｌ）_５Ｏ_１２、（ＹＬｕ）_３（ＦｅＧａ）_５Ｏ_１２、（ＢｉＹＬｕ）_３（ＦｅＡｌ）_５Ｏ_１２、（ＹＬｕ）_３（ＦｅＧａＡｌ）_５Ｏ_１２などが例示される。これらの材料を用いて低損失のマイクロ波フィルターやＱの高いマイクロ波共振器を作るためには、これらの材料の磁気共鳴半値幅が小さいことが必要となるという不利があった。
【０００８】
この磁気共鳴半値幅については、これが磁性イオン同士の相互作用の強さに関係しているが、この磁性膜結晶の格子定数を小さくすると単結晶中で酸素を仲立ちとして隣接するＦｅイオン同士の距離が短くなってＦｅイオン間の相互作用が強くなり、その結果磁気共鳴半値幅が低減するものと考えられるので、この格子定数を１２．３７０Å以下としたところ、このものはその磁気共鳴半値幅が格子定数が１２．３７０Å以上あるものの磁気共鳴半値幅より小さい０．３５〜０．４４Ｏｅにまで低下することが見出され、したがってこのものは静磁波または磁気共鳴に利用できることが確認された。
【０００９】
この磁性ガーネット単結晶の格子定数を１２．３７０Å以下とするには、例えばこれが式Ｙ_３Ｆｅ_５Ｏ_１２で示されるＹＩＧの場合にはこのＹの一部または全部をイオン半径がＹ^３＋より小さな元素を主体とする磁気共鳴半値幅を大きくしない陽イオンで置換するか、またはＦｅの一部をイオン半径がＦｅ^３＋より小さな非磁性陽イオンを主体とする非磁性イオンで置換すればよい。このガーネット結晶中のＹの一部または全部を置換できるイオン半径がＹ^３＋より小さく、かつ磁気共鳴半値幅を大きくしない陽イオンとしてはＬｕ^３＋がよく、これには磁気共鳴半値幅を大きくしないＬａ、Ｂｉを一部添加してもよい。また、ガーネット結晶中のＦｅの一部を置換できる非磁性陽イオンとしてはＡｌ^３＋、Ｇａ^３＋、Ｉｎ^３＋、Ｓｃ^３＋が挙げられるが、このうち好ましいものはＦｅ^３＋よりイオン半径の小さいＡｌ^３＋、Ｇａ^３＋とすることがよい。
また、磁気共鳴半値幅をさらに下げる目的で、これに２価または４価の金属イオンである、例えばＣａ^２＋、Ｇｅ^４＋を添加してもよい。
【００１０】
したがって、このマイクロ波素子用材料の製造は、一般式Ｙ_３−ｚＧｄ_ｚＧａ_５Ｏ_１２（ここに０≦ｚ≦２．９７）で示されるガーネット結晶を基板材料とし、この基板材料の上に液相エピタキシャル法で、一般式Ｒ_３Ｆｅ_５−ａＭ_ａＯ_１２（Ｒ、Ｍ、ａは前記のとおり）で示される格子定数が１２．３７０Å以下である磁性ガーネット単結晶を基板材料とエピタキシャル膜との格子定数の差を０．００５Å以下で育成すればよい。
【００１１】
この基板材料は式Ｙ_３−ｚＧｄ_ｚＧａ_５Ｏ_１２（ここに０≦ｚ≦２．９７）で示されるガーネット単結晶とされるが、これは格子定数が１２．２８Åから１２．３８３Åまでこのｚ値によって変化させることができる。
この基板上には液相エピタキシャル法で磁性ガーネット単結晶が育成されるのであるが、このエピタキシャル膜は白金るつぼ中にＲ_２Ｏ_３、Ｆｅ_２Ｏ_３および必要に応じて金属Ｍの酸化物の所定量をフラックスとしてのＰｂＯ、Ｂ_２Ｏ_３と共に仕込み１，１００〜１，２００℃に加熱してこれを融解させたのち、この過冷却状態の融液から液相エピタキシャル法で単結晶を成長させることによって得ることができる。
【００１２】
しかし、この場合には得られる磁性ガーネット単結晶の格子定数を１２．３７０Å以下としなければならないので、この液相エピタキシャル法による単結晶の育成に当っては基板結晶とエピタキシャル膜との格子定数の差を０．００５Å以下として育成することが必要とされ、これによればクラックもなく、エピタキシャル膜表面が鏡面状で格子定数が１２．３７０Å以下であり、したがって磁気共鳴半値幅も磁束による増加が認められず、これが従来のＹＩＧよりも小さいものを得ることができるので、このものはマイクロ波素子用材料としてすぐれた物性をもつものとなり、これは例えば周波数１００ＭＨｚから数１０ＧＨｚのマイクロ波帯で使用されるマイクロ波素子として有用とされる。
【００１３】
【実施例】
つぎに本発明の実施例、比較例をあげるが、例中における各試料の組成式はＩＣＰ発光分析法による測定結果から求めたもの、また格子定数はボンド法による測定結果を示したものであり、この磁気共鳴半値幅（△Ｈ）は９．２ＧＨｚによる測定値を示したものである。
【００１４】
実施例１〜８、比較例１〜６
目的とする磁性ガーネット単結晶を成長させる基板単結晶として、ガドリニウム・ガリウム・ガーネット（ＧＧＧ）単結晶を構成する元素の一部をＹで置換した、格子定数が１２．２８０〜１２．３８３Åのものと、ＧＧＧ単結晶を構成する元素の一部をＣａ、Ｍｇ、Ｚｒで置換した、格子定数が１２．３８３〜１２．４２６Åのもので、厚さが４００μｍで直径が２インチのＧＧＧ単結晶のウエーハを用意した。
【００１５】
ついで、純度が９９．９９％以上である所定量（８種類）のＹ_２Ｏ_３、Ｌｕ_２Ｏ_３、Ｌａ_２Ｏ_３、Ｂｉ_２Ｏ_３、Ｇａ_２Ｏ_３、Ｓｃ_２Ｏ_３、Ｆｅ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３をフラックス成分としてのＰｂＯ、Ｂ_２Ｏ_３と共に白金るつぼに仕込み、１，１００℃に加熱して溶融し、この融液から上記した基板単結晶ウエーハ上に、液相エピタキシャル法で８種類の酸化物ガーネット単結晶を成長させ、この単結晶の組成、格子定数を測定したところ、表１に示したとおりの結果が得られ、これらの単結晶から１．０×１．０ｍｍ角の試料を切り出し、この試料を強磁性共鳴装置の９．２ＧＨｚの円柱状キャビティ内に、この試料が印加磁界に対して垂直になるようにセットして磁気共鳴半値幅を測定したところ、表１に併記したとおりの結果が得られた。
【００１６】
しかし、比較のために融液製造のための酸化物ガーネット単結晶の組成を表１に記載した比較例１〜６に示したものとし、実施例と同じ方法で酸化物ガーネット単結晶を成長させ、このものの格子定数と磁気共鳴半値幅をしらべたところ、表１に併記したとおりの結果が得られた。
【００１７】
【表１】

【００１８】
【発明の効果】
本発明はマイクロ波素子材料に関するものであり、これは前記したようにこのマイクロ波素子材料は一般式Ｒ_３Ｆｅ_５−ａＭ_ａＯ_１２（ここにＲはＹ、Ｌａ、Ｌｕ、Ｂｉから選択される少なくとも一つの元素（Ｙのみの場合を除く）、ＭはＡｌ、Ｓｃ、Ｇａ、Ｉｎから選択される少なくとも一つの元素、０≦ａ≦０．９）で示される磁性ガーネット単結晶において、磁性ガーネット単結晶の格子定数が１２．３７０Å以下であることを特徴とするものである。このマイクロ波素子材料には磁気共鳴半値幅がＹＩＧよりも小さいものとなるので、静磁波または磁気共鳴を利用するマイクロ波素子材料としてすぐれたものになるという有利性が与えられる。

Claims

一般式Ｒ_３Ｆｅ_５−ａＭ_ａＯ_１２（ここにＲはＹ、Ｌａ、Ｌｕ、Ｂｉから選択される少なくとも一つの元素（Ｙのみの場合を除く）、ＭはＡｌ、Ｓｃ、Ｇａ、Ｉｎから選択される少なくとも一つの元素、０≦ａ≦０．９）で示される磁性ガーネット単結晶において、磁性ガーネット単結晶の格子定数が１２．３７０Å以下であることを特徴とするマイクロ波素子材料。
マイクロ波素子材料が式Ｙ_{３−（ｘ＋ｙ）}Ｌａ_ｘＬｕ_ｙＦｅ_５−ａＭ_ａＯ_１２（ここに０≦ｘ≦０．４、０．０４≦ｙ≦３．０、０≦ａ≦０．９）で示されるものである請求項１に記載したマイクロ波素子材料。
マイクロ波素子材料が式Ｙ_３−ｙＬｕ_ｙＦｅ_５−ａＭ_ａＯ_１２（ここに０．０４≦ｙ≦３．０、０≦ａ≦０．９）で示されるものである請求項１に記載したマイクロ波素子材料。