JP3990386B2 - マイクロ波伝送線路およびマイクロ波フィルタ - Google Patents

Description

本発明は、マイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ：Monolithic Microwave Integrated Circuit）等で用いられるマイクロ波伝送線路およびマイクロ波フィルタに関する。

マイクロ波帯での高透磁率材料として、ＹＩＧ（yttrium iron garnet）に代表されるフェリ磁性絶縁体が専ら用いられてきた。しかしながら、ＹＩＧは、飽和磁化Ｍｓが小さいために磁気共鳴周波数が低く、５ＧＨｚ以上の周波数帯域での利用が困難である。また、ＹＩＧは、半導体基板上に薄膜として形成することが困難なために、マイクロ波集積回路での利用も難しい。

現在では、ＹＩＧに替えてあらためて金属磁性体を利用することが見直されている。その理由は、マイクロ波集積回路の微細化に伴って電磁場が微小領域に集中し、これにより厚さ数μｍのスキンデプス内のマイクロ波磁場と金属磁性層との間で大きな相互作用を得ることができるようになったからである。金属磁性体は、半導体基板上に容易に薄膜として形成することができ、特に、マイクロストリップライン型あるいはコプレナガイド型のマイクロ波伝送線路を構成する磁性材料として注目されている。これらマイクロ波伝送線路を用いることによって、高周波フィルタ、インピーダンス変換器、共振器、移相器、波長短縮型導波路などのマイクロ波デバイスを実現することができる。

金属磁性体を用いたマイクロ波伝送線路において、広帯域化やフィルタを実現するために、ＣｏＺｒＮｂアモルファス合金磁性薄膜、Ｆｅ、パーマロイなどの金属磁性薄膜の利用が提案されている（例えば、非特許文献１，非特許文献２参照）。ＣｏＺｒＮｂ、Ｆｅ、パーマロイはＹＩＧよりも大きな飽和磁化を持つため、磁気共鳴周波数が５〜６ＧＨｚと高く、磁気共鳴周波数以下の信号を伝送するマイクロ波集積回路や磁気共鳴によるフィルタに利用することができると考えられている。

５ＧＨｚ帯以上の信号を伝送する場合、伝送損失を低減させるために、マイクロ波伝送線路の磁気共鳴周波数を信号周波数の２倍程度、すなわち１０ＧＨｚ以上に高める必要がある。しかしながら、上記した金属磁性薄膜では磁気共鳴周波数を１０ＧＨｚ以上とするには１Ｋエルステッド（Ｏｅ）以上の磁場を印加する必要がある。そのため、これら金属磁性薄膜を数ＧＨｚ帯のマイクロ波伝送線路またはそれを用いたマイクロ波デバイスに用いるのは現実的ではない。例えば、現実的に印加可能な数１００エルステッドの外部磁場の下での共鳴周波数は高々１０ＧＨｚ程度である。

そこで、マイクロ波伝送線路を形成する磁性層として、強磁性体／反強磁性体の積層膜を用いることが提案されている（特許文献１参照）。この積層膜は、強磁性層の磁化を固着させるために、磁気ヘッドなどで広く利用されている。強磁性体（例えば、Ｃｏ）と反強磁性体（例えば、ＩｒＭｎ）の間には界面を介して交換相互作用が働くことが知られている。この交換相互作用によって、強磁性層に有効磁場を印加することができる。有効磁場を利用すると、原理的には強磁性層の共鳴周波数を高めることが可能となる。

特開２００３−２５７７３９号公報 中山英俊，山本知広，佐藤敏郎，山沢清人，三浦義正，宗像誠，八木正昭，日本応用磁気学会誌，第２８巻，第２号，１５７（２００４） Bijoy Kuanr, Z. Celinski, R. E. Camley, Appl. Phys. Lett. 83, 3969 (2003)

しかしながら、強い有効磁場を印加するためには反強磁性体層の厚さを強磁性層の厚さよりも十分厚くする必要があり、かつ強磁性層の厚さを十分薄くしなければならない。このため、共鳴に関与しない反強磁性層の体積が大きくなり、実効的な飽和磁化が減少してしまう。すなわち、共鳴周波数を大幅に増大させることは困難となる。また、電気伝導度の低い反強磁性層の体積が大きいと、渦電流による損失が増大し素子特性が劣化する。ＮｉＯなどの絶縁性の反強磁性体を用いることも考えられるが、そのような遷移金属酸化物は一般に誘電損失が大きいため、この場合も素子特性が劣化する。以上の理由から、強磁性体／反強磁性体の積層膜を用いたとしても、１０ＧＨｚ以上の帯域で利用可能なマイクロ波デバイスを形成する手段としては有効ではないことが分かる。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、金属磁性体を用いたより高周波域での利用が可能なマイクロ波伝送線路およびマイクロ波フィルタを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかるマイクロ波伝送線路は、共鳴周波数を決定する磁性層として、第１強磁性体、非磁性体、及び第２強磁性体を積層した積層膜を含み、前記第１強磁性体と前記第２強磁性体とが反強磁性結合していることを特徴とする。

また、本発明にかかるマイクロ波フィルタは、上記マイクロ波伝送線路を用いて作成されたことを特徴とする。

本発明にかかるマイクロ波伝送線路およびマイクロ波フィルタは、磁性層として、強磁性体と非磁性体とからなる積層膜として提供された人工反強磁性体を用いているので、共鳴周波数を律束する渦電流の増大や、有効磁場に寄与しない材料の体積の増大を抑えることができ、高周波域での利用が可能となるという効果を奏する。

以下に、本発明にかかるマイクロ波伝送線路およびマイクロ波フィルタの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。但し、図面は模式的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは現実のものとは異なる。また、図面の相互間において同じ部分を指す場合であっても、互いの寸法や比率が異なって示されている部分もある。

（実施の形態１）
実施の形態１にかかるマイクロ波伝送線路は、磁性層として強磁性体／非磁性体／強磁性体の積層膜からなる人工反強磁性体を用いることを特徴とする。ここでは、マイクロ波伝送線路の応用例として、バンドストップフィルタについて説明する。図１は、実施の形態１にかかるマイクロ波伝送線路の斜視図であり、特に、マイクロストリップライン型のバンドストップフィルタを実現する構造を示している。図１に示すマイクロ波伝送線路１００は、半導体基板１０上に、順に、接地層１２、絶縁層１４、磁性層２０、導電層１６が積層された構造を有する。また、図１に示すように、接地層１２の長手方向に垂直な方向の幅は、半導体基板１０の幅よりも短い。ストリップラインは、絶縁層１４、磁性層２０、および、導電層１６によって形成され、その幅は、接地層１２の幅よりも短い。

磁性層２０は、非磁性層２２を強磁性層２１および強磁性層２３で挟んだ積層膜である。したがって、磁性層２０は、人工反強磁性体として機能する。例えば、非磁性層２２としてＲｕを用い、強磁性層２１，２３としてＣｏを用いることができる。特に、このＣｏ／Ｒｕ／Ｃｏ積層膜において、Ｒｕの膜厚が約１．５ｎｍ以下であると、Ｃｏ層間に反強磁性的な相互作用が働き２層のＣｏ層の磁化は互いに逆向きに配向することが知られている。磁性層２０の厚さは、数１００ｎｍであり、導電層１６の厚さは数μｍである。磁性層２０をこのように薄くしてよい理由は、バンドストップフィルタとして機能する磁気共鳴周波数域では、磁性体の透磁率の虚数部が増大し、スキンデプスが数１００ｎｍに減少するからである。

図１では、磁性層２０は、強磁性層２１／非磁性層２２／強磁性層２３の３層から形成されるが、図２に示すように、それに代えて、磁性層と非磁性層を多数積層して形成された磁性層３０を用いても良い。図２に示す磁性層３０では、６つの強磁性層３１〜３６と、各強磁性層間に位置する５つの非磁性層４１〜４５とによって多層膜を形成している。このように、多くの積層数によって人工反強磁性体を形成することによって、共鳴周波数帯域の信号をより効率よく吸収することができ、理想的なバンドストップフィルタを提供することができる。

人工反強磁性体の共鳴モードには、図３に示すように、共鳴周波数の低い音響モードに加え、低磁場においても共鳴周波数が高い光学モードが存在する。光学モードの共鳴周波数は非磁性層の厚さおよび材料に依存するが、その共鳴周波数は数１００エルステッドの弱い外部磁場の下でも１０ＧＨｚ以上にすることが容易である。特に、光学モードの共鳴周波数は実効磁化に依存しないので、強磁性体／反強磁性体からなる積層膜のような実効磁化の減少に伴う共鳴周波数の低下は生じない。また、非磁性層２２の厚さは強磁性層２１，２３に比較して十分薄くでき、さらに導電層１６としてＣｕなどの電気伝導度の高い金属を用いることができるので、積層膜において一般に生じる渦電流による損失を極めて小さくすることが可能である。

なお、強磁性層２１，２３として、Ｆｅ，Ｃｏ、パーマロイなどの強磁性金属を用い、非磁性層２２として、Ｒｈ，Ｒｕ，Ｉｒ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ｖ，Ｒｅ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｗ，Ｔａなどの遷移金属を用いると、強磁性層２１，２３間に強い相互作用が生じ、上記した光学モードの周波数を高めることができる。

以上、バンドストップフィルタを例にして、共鳴周波数を増大させることのできる実施形態について述べたが、移相器や波長短縮型導波路についても同様に議論することができる。図４は、一定の外部磁場の下に置かれた磁性体について、透磁率（実部μ’，虚部μ”）の周波数依存性を示した模式図である。透磁率の虚部μ'' が最大となる領域、すなわち、共鳴周波数ｆ₀（図４の領域Ａ１）は、マイクロ波の吸収が増大するので、マイクロ波伝送線路１００をバンドストップフィルタとして利用することができる。

マイクロ波伝送線路１００を移相器として利用できる周波数域は、虚部μ'' が小さく実部μ' の絶対値および磁場依存性が大きい領域Ａ２である。したがって、１０ＧＨｚ以上の帯域で用いる移相器では磁性体の共鳴周波数を１０ＧＨｚ以上に高めておくことが望ましい。移相器の構造は、バンドストップフィルタの構造と同様に図１および図２に示した構造を用いることができるが、図４から分かるように移相器として用いる周波数域では透磁率の実部、虚部とも共鳴周波数近くの値に比較すると小さい。スキンデプスは透磁率の平方根に反比例するため、この周波数域におけるスキンデプスは１μｍ以上と大きい。従って、移相器の場合はバンドストップフィルタの場合と異なり磁性体の膜厚は数μｍ必要となる。

波長短縮型導波路では伝送損失を十分小さくしなければならないので、マイクロ波伝送線路１００を波長短縮型導波路として利用できる周波数域は、図４の領域Ａ３である。したがって、１０ＧＨｚ以下の導波路として用いる場合でも、共鳴周波数を１０ＧＨｚ以上に高めておくことが重要となる。移相器の場合と同様にスキンデプスは１μｍ以上になるので、磁性体の膜厚は数μｍ必要である。

以下に、実施の形態１にかかるマイクロ波伝送線路をバンドストップフィルタとして作製した例とそのバンドストップフィルタの評価について説明する。図５は、その作製例によって得られたマイクロ波伝送線路２００の斜視図である。図１に示したマイクロ波伝送線路１００では、磁性層２０は絶縁層１４上に形成されているが、スパッタリングで作製された絶縁層上に、良好な磁性層を形成することはしばしば困難な場合がある。そこで、マイクロ波伝送線路２００では、周知のスパッタ成膜工程とリソグラフィ工程によって、ＧａＡｓ基板２１０上に、順に、接地層２１２、磁性層２２０、絶縁層２１４、第１導電層２１７、第２導電層２１８が積層されている。すなわち、マイクロ波伝送線路２００は、図１と異なり、磁性層２２０は接地層２１２上に形成され、絶縁層２１４は磁性層２２０上に形成されている。このような構造によっても、後述するグラフからわかるように、高周波帯域の信号伝送を許容することができる。

スパッタ成膜は、約１Ｋエルステッドの外部磁場をＧａＡｓ基板２１０面内に印加して行った。接地層２１２はＡｇで形成され、その厚さｄ₀は２μｍとした。磁性層２２０は、Ｃｏ（３．２ｎｍ）／Ｒｕ（０．９ｎｍ）が多数積層された積層膜であり、その総膜厚ｄ₁は約４００ｎｍとした。絶縁層２１４はＳｉＯ₂で形成され、その厚さｄ₂は８μｍとした。第１導電層２１７はＡｇで形成され、第２導電層２１８はＡｕで形成され、これら導電層からなるストリップラインの幅Ｗは２０μｍとし、その厚さｄ₃は２μｍとした。このバンドパスフィルタの全長Ｌは３ｍｍとした。

フィルタ特性の評価は一定の外部磁場をストリップライン方向に印加した状態で、ネットワークアナライザを用いて行った。また、フィルタと測定ケーブルの接続にはマイクロ波プローバを用いた。図６は、１００エルステッドの外部磁場の下で得られたフィルタ特性を示すグラフである。約１７ＧＨｚに共鳴吸収に伴う透過パワーの減少が観測される。最大減衰量は２０ｄＢ、半値幅は０．２ＧＨｚ、挿入損失は２ｄＢであった。

また、図５に示したマイクロ波伝送線路２００において、磁性層２２０の厚さを１μｍとすることによって、このマイクロ波伝送線路２００を移相器として機能させることができた。図７は、周波数２２ＧＨｚの信号に対して得られた移相器の特性を示すグラフである。横軸は外部磁場、縦軸は位相シフトを表す。６００エルステッドの外部磁場変化で約１００度の位相変化が観測された。

図５に示すマイクロ波伝送線路２００では、磁性層２２０と絶縁層２１４の幅は、接地層２１２の幅と一致し、第１導電層２１７および第２導電層２１８によってストリップラインが形成されているが、磁性層２２０、絶縁層２１４、第１導電層２１７、第２導電層２１８の４層によってストリップラインを形成してもよい。また、絶縁層と導電層によってストリップラインを形成してもよい。図８は、この場合のマイクロ波伝送線路を示す斜視図である。マイクロ波伝送線路３００では、半導体基板３１０上に、順に、接地層３１２、磁性層３２０、絶縁層３１４、導電層３１６が積層され、絶縁層３１４および導電層３１６によってストリップラインが形成されている。なお、磁性層３２０は、図１と同様に、強磁性層３２１／非磁性層３２２／強磁性層３２３の積層膜、すなわち人工反強磁性体で形成される。

以上に説明したように、実施の形態１にかかるマイクロ波伝送線路によれば、磁性層として、強磁性層／非磁性層／強磁性層の積層膜からなる人工反強磁性体を用いているので、共鳴周波数を律束する渦電流の増大や、有効磁場に寄与しない材料の体積の増大を抑えることができ、１０ＧＨｚ以上の高周波域での利用が可能となる。

また、このマイクロ波伝送線路を用いて、マイクロ波フィルタ（バンドストップフィルタ、バンドパスフィルタなど）、移相器、波長短縮型導波路、インピーダンス変換器、共振器などのマイクロ波デバイスを構築した場合にも、上記したマイクロ波伝送線路の効果を享受することができる。なお、これらマイクロ波デバイスは、実施の形態１にかかるマイクロ波伝送線路のサイズやパターンを調整することによって実現可能である。

（実施の形態２）
実施の形態２にかかるマイクロ波伝送線路は、コプレナガイド型のバンドストップフィルタを例示するものである。図９は、実施の形態２にかかるマイクロ波伝送線路の斜視図である。図９に示すマイクロ波伝送線路４００は、半導体基板４１０上に、磁性層４２０、接地層４１２ａ，４１２ｂが形成され、磁性層４２０上にさらに導電層４１６が積層された構造を有する。磁性層４２０は、強磁性層４２１／非磁性層４２２／強磁性層４２３からなる積層膜で形成され、実施の形態１と同様に人工反強磁性体として機能する。２つの接地層４１２ａ，４１２ｂは、磁性層４２０および導電層４１６によって形成されるストリップラインの両側にその長手方向に沿って形成される。また、接地層４１２ａ，４１２ｂのそれぞれはストリップラインから所定の距離だけ離れて位置する。特に、このコプレナガイド型のバンドストップフィルタでは、図１に示したマイクロ波伝送線路１００で必要であった絶縁層を必要としない。

この実施の形態２にかかるマイクロ波伝送線路であっても、磁性層として人工反強磁性体を用いているので、実施の形態１と同じ効果を享受することができる。また、このマイクロ波伝送線路を用いて、上記したような種々のマイクロ波デバイスを構築することができる。

（実施の形態３）
実施の形態３にかかるマイクロ波伝送線路は、磁性層として、異方性エネルギーＫ_u1の大きな磁性材料を用いることを特徴とする。

磁化に働く有効磁場は、磁気異方性エネルギーＫ_u1に依存することが知られている。よって、単一の磁性層で共鳴周波数を増大させるには、磁気異方性エネルギーＫ_u1が大きな金属磁性体を用いることが有効である。例えば、Ｋ_u1＝１０⁶ｅｒｇ／ｃｍ³の磁性体の場合、飽和磁化Ｍ_s＝１０００ Ｇとすると、有効磁場は約２０００エルステッドとなり、共鳴周波数を１５ＧＨｚ以上に高めることが可能となる。薄膜形成が可能で異方性エネルギーの大きな磁性体として、例えば、ＣｏＣｒＴａ，ＣｏＣｒＴａＰｔ，ＣｏＣｒＴａＮｂなどのＣｏＣｒ系合金、Ｃｏ／Ｐｄ，Ｃｏ／Ｐｔ，Ｃｏ−Ｃｒ−Ｔａ／ＰｄなどのＣｏ多層膜、ＣｏＣｒＰｔ系合金、ＦｅＰｔ系合金、さらに希土類を含むＳｍＣｏ系合金やＴｂＦｅＣｏ合金が利用できる。

以下に、実施の形態３にかかるマイクロ波伝送線路をコプレナガイド型のバンドストップフィルタとして作製した例とそのバンドストップフィルタの評価について説明する。図１０は、その作製例によって得られたマイクロ波伝送線路５００の斜視図である。図１０に示したマイクロ波伝送線路５００において、図９と共通する部分には同一の符号が付されており、人工反強磁性体として機能する積層膜に代えて、単層の磁性層５２０を用いている点が図９と異なる。また、基板として、サファイア基板５１０を用いている。

磁性層５２０を大きな磁気異方性エネルギーＫ_u1＝３．３ｘ１０⁶ｅｒｇ／ｃｍ²をもつＣｏＣｒ₁₅Ｐｔ₁₂合金で形成し、その厚さを２００ｎｍとした。また、磁性層５２０および導電層４１６によって形成されるストリップラインの幅は、２０μｍとし、厚さは２μｍとした。さらに、そのストリップラインと接地層４１２ａ，４１２ｂとの間隔は１０μｍとした。このバンドストップフィルタについて、実施の形態１と同様に、透過率の周波数依存性を評価したところ、１８．６ＧＨｚにおいて最小透過率が観測された。また、最大減衰量３２ｄＢ、半値幅０．６ＧＨｚ、挿入損失２ｄＢが観測された。

以上に説明したように、実施の形態３にかかるマイクロ波伝送線路によれば、磁性層として、磁気異方性エネルギーが１０⁶erg/cm³以上の強磁性体薄膜を用いているので、共鳴周波数を律束する渦電流や、有効磁場に寄与しない材料の体積を増大させることなく、１０ＧＨｚ以上の高周波域での利用が可能となる。なお、このマイクロ波伝送線路を用いて、上記したような種々のマイクロ波デバイスを構築することもできる。

上述した実施の形態１および２に示した磁性層を構成する強磁性体として、実施の形態３に示した磁性材料、すなわち磁気異方性エネルギーが１０⁶erg/cm³以上の強磁性体薄膜を用いてもよい。この場合、より高い周波帯域まで利用可能なマイクロ波伝送線路またはそれを用いたマイクロ波デバイスを提供することが可能となる。

本発明は、上述したような特定の実施形態に限定されるものではなく、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。すなわち、本発明にかかる実施の形態は、添付の特許請求の範囲およびその均等物にかかる発明の要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。

以上のように、本発明にかかるマイクロ波伝送線路は、高周波帯域で利用可能な、マイクロ波フィルタを代表とするマイクロ波デバイスの構成要素として有用であり、特に、バンドストップフィルタ、移相器、波長短縮型導波路、インピーダンス変換器、共振器の基本要素として適している。

実施の形態１にかかるマイクロ波伝送線路の斜視図である。 磁性層の他の例を示す断面図である。 人工反強磁性体の共鳴モードの説明図である。 一定の外部磁場の下に置かれた磁性体について、透磁率の周波数依存性を示した模式図である。 実施の形態１にかかるマイクロ波伝送線路の作製例を示す斜視図である。 １００エルステッドの外部磁場の下で得られたフィルタ特性を示すグラフである。 周波数２２ＧＨｚの信号に対して得られた移相器の特性を示すグラフである。 実施の形態１にかかるマイクロ波伝送線路の他の例を示す斜視図である。 実施の形態２にかかるマイクロ波伝送線路の斜視図である。 実施の形態３にかかるマイクロ波伝送線路の斜視図である。

符号の説明

１０，２１０，３１０，４１０ 半導体基板
５１０ サファイア基板
１２，２１２，４１２ａ，４１２ｂ 接地層
１４，２１４，３１４ 絶縁層
１６，２１７，２１８，３１６，４１６ 導電層
２０，２２０，３２０，４２０，５２０ 磁性層
２１，２３，３１〜３６，３２１，３２３，４２１，４２３ 強磁性層
２２，４１〜４５，３２２，４２２ 非磁性層
１００，２００，３００，４００，５００ マイクロ波伝送線路

Claims (6)

1. 共鳴周波数を決定する磁性層として、第１強磁性体、非磁性体、及び第２強磁性体を積層した積層膜を含み、
   前記第１強磁性体と前記第２強磁性体とは反強磁性結合していることを特徴とするマイクロ波伝送線路。
2. 半導体基板と、
   前記半導体基板上に位置する接地層と、
   前記接地層上に位置する絶縁層と、
   前記絶縁層上に位置する磁性層と、
   前記磁性層上に位置する導電層と、を備え、
   前記磁性層は、共鳴周波数を決定するものとして、第１強磁性体、非磁性体、及び第２強磁性体を積層した積層膜を含み、
   前記第１強磁性体と前記第２強磁性体とは反強磁性結合していることを特徴とするマイクロ波伝送線路。
3. 半導体基板と、
   前記半導体基板上に位置する接地層と、
   前記接地層上に位置する磁性層と、
   前記磁性層上に位置する絶縁層と、
   前記絶縁層上に位置する導電層と、を備え、
   前記磁性層は、共鳴周波数を決定するものとして、第１強磁性体、非磁性体、及び第２強磁性体を積層した積層膜を含み、
   前記第１強磁性体と前記第２強磁性体とは反強磁性結合していることを特徴とするマイクロ波伝送線路。
4. 半導体基板と、
   前記半導体基板上に位置する磁性層と、
   前記半導体基板上に位置し且つ前記磁性層と並置された接地層と、
   前記磁性層上に位置する導電層と、を備え、
   前記磁性層は、共鳴周波数を決定するものとして、第１強磁性体、非磁性体、及び第２強磁性体を積層した積層膜を含み、
   前記第１強磁性体と前記第２強磁性体とは反強磁性結合していることを特徴とするマイクロ波伝送線路。
5. 前記非磁性体は、導電体であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載のマイクロ波伝送線路。
6. 請求項１〜５のいずれか一つに記載されたマイクロ波伝送線路によって作製されたことを特徴とするマイクロ波フィルタ。

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