JPH0213101A

JPH0213101A - フェリ磁性薄膜共鳴素子

Info

Publication number: JPH0213101A
Application number: JP16380888A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Nakano; 浩幸中野; Yasuyuki Mizunuma; 水沼　康之; Takahiro Ougihara; 扇原　孝浩; Tsutomu Okamoto; 勉岡本; Yoshikazu Murakami; 義和村上
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1988-06-30
Filing date: 1988-06-30
Publication date: 1990-01-17

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、同調発振器例えばマイクロ波通信機の局部発
振器に用いて好適なフェリ磁性薄膜共鳴素子に係わる。

〔発明の概要〕

本発明は、伝送線路に磁気的に結合されたフェリ磁性薄
膜に垂直に直流バイアス磁界を与えてその磁界強度によ
って共鳴周波数を可変できるフエＩＪ　ｆａ性薄膜共鳴
素子において、その周縁端面を垂直端面とすることによ
ってフェリ磁性薄膜共鳴素子の耐電力特性を向上させて
、例えばマイクロ波同調発振器への適用において、その
高出力化、広帯域化及び低位相雑音化を可能にする。

〔従来の技術〕

ＹＩＧ　（ここでＹＩＧとはイツトリウム、鉄、ガーネ
ットを指称するが、これに各種添付物を有するものも含
んで指称する。）球を用いた同調発振器が提案されてい
る（特公昭５３−３２６７１号）。

このＹＩＧ球はマイクロ波帯で共振特性のＱが高いこと
、共振周波数がＹＩＧの体積によらないことから小型に
構成できること、ＹＩＧ球に印加するバイアス磁界を変
えることによってその共振周波数を広帯域で直線的に変
えることができることなどの特徴を有する。

しかしながらこのようなＹＩＧ球を使用した同調発振器
においてはＹＩＧ球を用いるため、この同調発振器のマ
イクロ波集積回路（ＭＩＣ）基板上への一体化が困難で
、このため構成の自由度が低い。また、この同調発振器
は、それぞれこのＹＩＧ球のカップリングループを構成
するリードワイヤ、またはリボンの調整及びカップリン
グループとＹＩＧ球との位置調整をして結合強度を合わ
せる必要があると共に振動に弱いという不都合がある。

このような不都合を回避した同調発振器としては、ＹＩ
Ｇ薄膜を用いた同調器が例えば特願昭５９１１４７９３
号において提案されている。

このＹＩＧ薄膜を用いたマイクロ波同調発振器において
は、ユニフォームモードが励起され易く、スプリアスモ
ードが励起されにくいように、ＧＧＧ（ガドリニウム・
ガリウム・ガーネット）基板上にＬＰＥ　（液晶エピタ
キシー）法により育成されたＹＩＧ単結晶膜を、フォト
ＩＪソゲラフイー技術によって、すなわちフォトレジス
ト膜をエツチングマスクとして選択的エツチングによっ
て例えばディスク状にするという方法がとられている。

このＹＩＧ薄膜共鳴素子は、小型に構成できろこと、Ｌ
、　Ｐ　Ｅ及びリソグラフィ技術による選択的エンチン
グによって量産的に製造できること、更に薄膜材料であ
ることから、マイクロストリップラインなどを伝送線路
としてＭＩＣ化を容易に行うことができるなどの利点を
有する。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、このリソグラフィによるＹＩＧフェリ磁性薄
膜共鳴素子を例えば特願昭６２−２９９３８３号出願で
提案した発振器における共振器として天袋し、広帯域か
つ高出力特性を実現するために、能動素子のバイアス条
件を深く設定し、大電力で動作させようとすると、ＹＩ
Ｇ薄膜共鳴素子に非線形動作が起こる。

ＹＩＧ単結晶体における大電力人力による非線形動作と
しては、スピン波の発生による第１次スピン波非線形動
作と第２次スピン波非線形動作があることが知られてい
る（Ｊ、　ＨＥＬＳＺＡＪＮ著、ｒＹＩＧＲＥＳＯＮＡ
ＴＯＲ３ＡＮＤ　ＦＩＬＴＥＲ３，ＪＯＨＮ　ｌ’１ｌ
ＬＥＹ＆５ＯＮｓ発行参照）。１１次スピン波はユニフ
ォームモードの半分の周波数で外部直流磁界と４５°を
なす角度に発生し易く、基本発振周波数の１７２周波数
発振の原因となる。２次スピン波は、ユニフォームモー
ドと同じ周波数で、外部直流磁界と同じ方向に発生し易
く、多重モード発振の原因となる。

一方、ＹＩＧ薄膜共鳴素子において、非線形動作が生じ
にくいようにするには、すなわち大電力による強いスピ
ンの歳差運動によってもスピン波が立ちにくいように、
つまり、その耐電力特性を向上させるには、ＹＩＧ単結
晶の体積を増やすことが考えられ、これがためには例え
ばＹＩＧ薄膜素子における面積を大にするとか、膜厚を
厚くするなどが考えられる。しかしながら、面積を大と
する場合は、このＹＩＧ薄膜共鳴素子と磁気的に結合さ
せるマイクロストリップラインとの結合ライン長が長く
なることから、ラインによる寄生発振が起こり易くなり
、また、膜厚が厚くなると、ＬＰＥによるＹＩＧ膜内に
歪が生じるという不都合が発生して来る。

本発明者等は、フォトリフグラフィによるＹＩＧフエＩ
Ｊ磁性薄膜共鳴素子が耐電力特性に劣ることの原因が、
その周縁端面に依存するものであることを究明した。す
なわち従前のＹＩＧフェリ磁性薄膜素子の作製は、前述
したようにフォ）　ＩＪソグラフィによるものであり、
この場合、先ず第１０図Ａに示すように、ＧＧＧ基板（
１）上にＬＰＥによって単結晶ＹＩＧ薄膜、すなわちフ
ェリ磁性薄膜（２）をエピタキシーする。そして、これ
の上にフォトレジスト（３）を塗布、パターン露光、現
像処理して所要のパターン例えば、”円形または方形に
形成する。そして、このフォトレジスト（３）をマスク
としてフェリ磁性薄膜（２）の化学的エツチングを行っ
て７オトレジスト（３〕のパターンに応じてパターンの
パターン下にもその周縁からエツチングが進行する・こ
とによってパターン化されたＹＩＧフェリ磁性薄膜（２
）は、その周縁端面（２ａ）が斜面となる。

このようにしてエツチングがなされたパターン化された
ＹＩＧフェリ磁性薄膜（２）について、第１Ｏ図已に凋
線ａで示すように、基板（１）を切断して、第１１図或
いは第１３図にそれぞれその上面図を示し、第１２図或
いは第１４図にそれぞれの断面図を示すように、ディス
ク状或いは方形状パターンを有する薄膜共鳴素子を得る
。このように、フォ）　ＩＪソグラフィによって得た素
子は、そのＹＩＧフェリ磁性薄膜（２）の周縁端面（２
ａ）は、上述のサイドエッチによる斜面となる。

ところがこのように素子周縁の端面（２ａ）が、斜面と
なる場合、その斜面の存在によって膜面方向のスピン波
のモードが比較的豆ち易く耐電力特性が劣化することが
究明された。そして、特に、前述したように、体積の増
大化をはかるべくＹＩＧ薄膜の厚さを大とするときは、
よりこの斜面部分の面積が広くなり、むしろ耐電力特性
の劣化が顕著になる。

本発明においては、上述した課題の解決すなわちＹＩＧ
フェリ磁性薄膜共鳴素子の耐電力特性劣化についての改
善、すなわち非線形動作の改善をはかる。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、第１図にその一例の断面図を示すように、フ
ェリ磁性薄膜（１１）と、このフェリ磁性薄膜（１１）
に垂直に直流バイアス磁界を与える直流バイアス磁界印
加手段（１２）と、フェリ磁性薄膜（１１）に磁気的に
結合される伝送線路すなわちマイクロストリップライン
（１３）とを有して成るフェリ磁性薄膜共鳴素子（２０
）において、そのフェリ磁性薄膜（１１）は機械加工、
例えはグイシングソウによる切断によって第２図或いは
第４図にその平面図を示し、第３図或いは第５図に各断
面図を示すように、方形状或いはディスク状でその端面
（ｌｌａ）　　がこの薄膜（１１）の主面に対してほぼ
垂直な端面とされた構成とする。

〔作用〕

本発明によるフェリ磁性薄膜共鳴素子は、その耐電力特
性が向上した。これはそのフェリ磁性薄膜（１１）の端
面（ｌｌａ）　　が垂直とされたことによってスピン波
が立ちにくくなり、耐電力特性の向上がはかられたもの
と思われる。

〔実施例〕

前記特願昭６２−２９９３８３号出願の同調発振器ＹＴ
Ｏ（ＹＩＧ−Ｔｕｎｅｄ　０ｓｃｉｌｌａｔｏｒ）を構
成する場合の一例を説明する。この場合、第６図に示す
ように、１１〜１４　Ｇ　Ｈｚオーダーの（Ｋｕ−バン
ド）ＹＴＯに適用する例であり、この場合発振用の能動
素子（２１）として例えばＧａＡｓによるＦＥＴが用い
られ、主としてこの能動素子（２１）と帰還素子として
の本発明によるＹＩＧフェリ磁性薄膜共鳴素子（２０）
と、インピーダンス整合回路（２２）とＰ　Ｌ　Ｌ（Ｐ
ｈａｓｅ　ＬｏｃｋｅｄＬｏｏｐ）回路（２３）とニヨ
リＹＴＯが構成さレル。ｚＬはＹＴＯの出力に接続され
ている負荷インピーダンスを示す。

共鳴素子（２０）は、直流バイアス磁界印加手段（１２
）を有する。この手段（１２）は例えば第１図に示すよ
うに、パーマロイ等より成る上部及び下部磁気ヨークク
３１）及び（３２）を有し、例えば上部磁気ヨーク（３
１）には、センタポール（３１Ｃ）　　が設けられ、こ
れに線輪（３３）が巻装される。また、このセンターポ
ール（３１ｃ）　　には、このセンターポール（３１Ｃ
）の軸心方向にＮＳ着磁された永久磁石（３４）と、整
磁板（３５）とが配置される。下部磁気ヨーク（３２）
の底部内面には、例えば真ちゅうより成る先端接地導体
（３６）が配設され、その上端にこれと電気的に接続す
る例えば＾Ｕメツキより成る上部接地導体（３７）を有
するアルミナ等より成る非磁性基板（３７Ｓ）が配され
る。また、下部磁気ヨーク（３２）の底部内面には先端
接地導体（３６）と電気的に連結するＡｕ箔１、ｌ箔等
より成る下部接地導体（３８）が被着される。

そして固接地導体（３７）及び（３８）間に空気層（４
０）を介して例えばＧＧＧより成る誘電体基板（３９）
が配置される。この誘電体基板（３９）には、その一方
の面に伝送線路すなわちマイクロストリップライン（１
３）’、能動素子（２１）としてのＦＥＴ、インピーダ
接続される。基板（３９）の他方の面には、ＹＩＧによ
るフェリ磁性薄膜（１１）がマイクロストリップライン
（１３）と対向してこれと磁気的に結合するように配置
される。ＹＩＧ薄膜（１１）は、非磁性基板例えばＧＧ
Ｇ基板（１０）上にＬＰＥされ、基板（１０）と共に機
械加工例えばグイシングソウによって１辺が２ｍｍの第
２図及び第３図で示された方形状に、またその端面（ｌ
ｌａ）　　が垂直面となるように切り出されて成る。こ
のフェリ磁性薄膜（１１）は、直流バイアス磁界印加手
１（１２）に対向して、これによる直流磁界内に配され
るようにする。

そしてＹＩＧフェリ磁性薄膜（１１）が結合されたマイ
クロストリップライン（１３）に能動素子（２１）のＦ
ＥＴのソースが接続され、ＦＥＴのドレインはインピー
ダンス整合回路（２２）に接続される。またこのＦＥＴ
（２１＞のゲートは、第６図に示すように、帰還用リア
クタンスＬ、を介して接地される。すなわち、このＹＴ
Ｏの例では、コモンゲートの直列帰還型の同調発振器で
ある。

このような構成において直流バイアス磁界印加手段（１
２）の線輪（３３）への通電電流によって共鳴素子（２
０）の共鳴層１１数、ずわなち同調周波数の制御を行う
。すなわち、周波数同調に必要な磁界Ｉ」のうち固定分
は永久磁石（３４）による固定磁界によりまかない、可
変分は線輪（３３）による可変磁界によりまかなう。例
えば、マイクロ波による衛星通信や地上通信の帯域はシ
ステムによる異なるが、通信帯域幅は一つのシステム当
り約５００ＭＨｚであるので、この薄膜ＹＴＯの同調範
囲の下限が１３Ｇｔ（ｚである場合を例として考えると
、同調範囲は１３ＧＨ２〜１３．５Ｇ）Ｉｚの範囲とな
るが、この場合、１３ＧＨｚの同調に必要な永久磁石（
３４）によりまかない、残りの５００ＭＨｚ程度の同調
に必要なｔ磁界（約１８００ｅ）だけを線輪（３３）で
まかなえばよいことになる。

線輪（３３）には、ＰＬＬ回路（２３）が接続されてい
る。また、このＰＬＬ回路（２３）はこの薄膜ＹＴＯの
出力に接続されている。そして、このＰＬＬ回路（２３
）に接続されているチャンネル選択回路（４１）により
チャンネル選択が行われると、このＰＬＬ回路（２３）
に供給されるこの薄膜ＹＴＯの発振出力が分周器で低周
波に下げられた後に水晶発振器等による基準周波数と位
相比較され、その結果に応じた制ｔＨｊ４流がこのＰＬ
Ｌ回路（２３）で発生されてこの制御電流が線輪（３３
）に帰還される。この結果、この線輪（３３）に流す電
流、したがってＹＩＧフェリ磁性薄膜（１１〉による薄
膜共振子に印加する磁界Ｈの大きさが変えられて目的の
チャンネル選択が行われるようになっている。

この実施例によれば、ＰＬＬ回路（２３）から線輪（３
３）に直接帰還が与えられるので、チャンネル選択のた
めの回路構成が簡単化される。このようにＰＬＬ回蹟２
３）から線輪（３３）に直接帰還を与えることが可能に
なったのは、周波数同調に必要な磁界Ｈのうち固定分は
永久磁石（３４）によって得るようにして線輪（３３）
で受は持つ磁界を小さく、したがって、その巻数を小さ
くしたことに因る。

また、本発明を６〜７ＧＨｚ（Ｃ−バンド）ＹＴＯに適
用する場合のフェリ磁性薄膜（１１）の共振構造は、例
えば第９図に示す構造を採る。第９図において第１図と
対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する
が、この場合においては、例えばアルミナより成る誘電
体基板り３９）上に、マイクロストリップライン（１３
）と、能動素子（２１）、整合回路（２２）等のＭＩＣ
を構成し、マイクロス）　ＩＪツブライン（１３）上に
ＹＩ（’、フェリ磁性薄膜（１：）を有する基板（１０
）を接着する。また、この場合、能動素子（２１）は、
バイポーラトランジスタが用いられ、そのエミッタがＹ
ＩＧフェリ磁性薄膜（１１）が結合されたマイクロスト
リップライン（１３）の接地端とは反対側で接続される
。トランジスタのドレインは整合回路（２２）に接続さ
れる。基板（３９）の他方の面にはＡｕメツキ等による
接地導体層（３８）が形成され下部磁気ヨーク（３２）
の底部内面に接合される。

今、この第９図に説明した共振器構造において、第２図
及び第３図に示した方形状で垂直端面（ｌｌａ）を有す
るＹＩＧによるフェリ磁性薄膜（１１）を用いて非線形
効果が現われ始める臨界人力電力、すなわち耐電力を測
定したところ１７．６ｄＢｍ　となった。

この場合、方形状薄膜（１１）の−辺は２ｍｍとじた（
以下この共振器構造による共鳴素子を構成Ａという）。

一方、この構成Δと同一の共振器構造をとり、その実効
的共振体積がほぼ同等と見做される半径２ｍｍのディス
ク状の第１１図及び第１２図で示した端面（２ａ）が斜
面をなす従前のＹＩＧによるフェリ磁性薄膜（１１）を
用いた共鳴素子（以下これを構成りという）の同様の耐
電力を測定したところ１３．５ｄＢｍとなり、本発明構
成によるときは、従前に比し、４、１ｄＢの向上がなさ
れた。

また、これら構成Ａ及び已におけるその能動素子（２１
）のバイポーラトランジスタのコレクタ・エミッタ間電
圧Ｖ。２＝６．４８Ｖ　、コレクタ電流Ｉ。＝１５、９
ｍＡとしたときの周波数６．２６ＧＨｚ付近の発振スペ
クトラムは、第７図及び第１５図に示すようになった。

第１５図の従前の構成已によるものでは、多重モードの
発生がみられ、第２次スピン波非線形動作が確認される
が、第７図の本発明による構成Ａによる場合は、単一ス
ペクトラムとなっていて、耐電力特性にすぐれているこ
とがわかる。

第８図は本発明による構成Ａと、従前による構成りの周
波数特性の測定結果を示したもので、同図において曲線
（８１）は構成Ａ、（８２）は構成已によるものである
。この場合、構成Ａについては６．１８ＧＨｚ　におい
てＶＣＥ　＝６．４８Ｖ、　Ｉ　ｃ　＝１５．３ｍＡと
し、構成已については、同様に６．１８Ｇｆｌｚ　にお
いてＶＣＥ＝５、７０Ｖ、　Ｉ　ｃ　＝　１２．９ｍＡ
とした場合である。これら曲線（８１）及び（８２）を
比較して明らかなように、本発明による構成Ａでは多重
モードが発振しにくいことからバイアスを深く設定して
大電力動作が可能となり、これによって構成已に比して
全体的に約ｌｄＢの高出力化が可能となった。また、１
０ｄＢｍ以上の発振出力が得られる周波数帯域も約２０
０ＭＨｚ広がり広帯域化される。そして、構成りでは、
５．６０ＧＨｚ以下の周波数で１７２周波数発振が観察
され、第２次スピン波非線形動作が確認されたが、本発
明による構成Ａでは発振下限周波数の４．０ＧＨｚまで
１７２周波数発振が観察されなかった。

〔発明の効果〕

上述したところから明らかなように、本発明によれば、
耐電力特性の向上がはかられたことによって能動素子の
バイアス条件を深く設定しても、非線型動作が起こりに
くくなり、高出力かつ広周波数帯域で動作するフエＩＪ
磁性薄膜同調発振器を作製することが可能となった。

更に、例えば第６図の構成において耐電力特性にすぐれ
たＹＩＧフェリ磁性薄膜共鳴素子の使用によりスミスチ
ャート上で共鳴素子（２０）側から能動素子（２１）及
び整合回路（２２）側をみたデバイス線と、能動素子（
２１）から共鳴素子（２０）側をみた反射ループが交差
する発振動作点を反射ループ内で耐電力特性は弱いがＱ
値は高い中心付近に設定することができるので低位相ノ
イズ特性を有する発振器を構成することができる。

また、フォトリソグラフィーの工程の回避によりフォト
レジストの塗布、パターン露光、現像処理の作業が回避
され量産化がはかられると共に、歩留りの向上がはから
れる。

【図面の簡単な説明】

東１図及び第９図はそれぞれ本発明素子の各側の断面図
、第２図及び第４図はそれぞれフエＩＪ　ｆａ性薄膜の
各側の平面図、第３図及び第５図はそれぞれ第２図及び
第４図のＡ−Ａ線上のｖｆｒ面図、第６図は発振器の一
例の構成図、第７図は本発明素子の発振スペクトラム、
第８図は周波数特性曲線図、第１０図は従前ＹＩＧフェ
リ磁性薄膜の製造工程図、第１１図及び第１３図はそれ
ぞれ従前のフェリ磁性薄膜の平面図、第１２図及び第１
４図は第１１図及び第１３図のＡ−Ａ線上の断面図、第
１５図は従前素子の発振スペクトラムである。（１１）はフェリ磁性薄膜、（１２）は直流バイアス磁
界印加手段、（１３）は伝送線路（マイクロストリップ
ライン”）　、（２０）はフェリ磁性共鳴素子、（２１
〉は能動素子、（２２）はインピーダンス整合回路、（
２３）はＰＬＬ回路である。代　　理　　人　　　　　伊　　藤　　　　　真向　　
　　　　　　松　　隈　　秀　　盛ＧＬ：Ｉσ基板、７．り有シＬ生］膜 −ｌ’ｊＬバイア石＆界ｆＪ７７１１７＋Ｊ＝Ｍ、ｆ犬
送緯２４（？イタ０スＬリヅフ１ライン）フェリ８版４
生共Ｑへ索長・−上音Ｉ！石巌乱ヨーク、−丁合Ｉｓ磁覧ヨーク、線輪氷久不瓜石、Ｖ石区才反先ｗｎ部接地導体上部接地導体基板・下合阿發ｉ！２導体・訪１訂枳賑故３１ｃ　・・・センターホ６−ル同８囚発１辰器の一イク１拗構域図第６図４ト士展７△０クトラム第７図１０・−・・Ｇｌｙ＆基板ｌｔ　−−・−７工リ着＆＋左薄ル陰１２−一一・直流バイアス否鱈印加季段ｔ３　−−−　
伝送ｍ１ＩＩ（ｖイクｏｚｈリヅ７°ライン）２０　・
−・７工リ磁７１只１島１１チ木発ＢＭ素子の断面図第９図３１−・・・上部靭１北ヨーク３２−−−、Ｔ邪磁気、ヨーク３３−−−・線輪Ｊ４−一一永久繊る３５−ｍ−・瞥楯板３６−・−先ｇ部接地導体３７・・・−上部撞増導体３８・・・・Ｔ部接地算体３９−・、誘ｊ体基版ｊｃ　−− 亡ン７−ホ０−ル第１Ｇ図第１ｚ図第１４図発４７侵Ｚへ０り）−ラ／に第１５図

Claims

【特許請求の範囲】　フェリ磁性薄膜と、該フェリ磁性薄膜に垂直に直流バイアス磁界を与える直
流バイアス磁界印加手段と、フェリ磁性薄膜に結合される伝送線路とを有して成るフ
ェリ磁性薄膜共鳴素子において、上記フェリ磁性薄膜はその端面が該薄膜の主面に対して
ほぼ垂直な端面とされたことを特徴とするフェリ磁性薄
膜共鳴素子。