JPH02168606A

JPH02168606A - マイクロ波素子

Info

Publication number: JPH02168606A
Application number: JP22952989A
Authority: JP
Inventors: Toshihiko Riyuuou; 俊彦流王; Satoru Fukuda; 悟福田; Tatsuo Mori; 達生森; Masayuki Tanno; 雅行丹野
Original assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Priority date: 1988-09-30
Filing date: 1989-09-05
Publication date: 1990-06-28
Anticipated expiration: 2010-05-24
Also published as: JPH0748425B2

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）本発明は酸化物ガーネット単結晶、特には周波数１００
Ｍ）Ｉｚから数１００）Ｉｚのマイクロ波帯で使用され
るマイクロ波素子、例えばアイソレーター、サーキュレ
ータ−用の新規な磁性膜として有用とされる酸化物ガー
ネット単結晶およびこれを用いたマイクロ波素子に関す
るものである。

（従来の技術とその問題点）従来、マイクロ波素子用の磁性材料としてはフラックス
法で育成されたＹＩＧ結晶が使われていたが、フラック
ス法で作られたマイクロ波素子は製造コストが高いとい
う不利があるためにこれについては半導体工業で開発さ
れたウェーハプロセス技術が応用できる液相エピタキシ
ャル法で育成したＹ［結晶を使用することが提案されて
いる。

しかし、このＹＩＧ結晶は格子定数が１２．３７６人で
あり、一方基板として用いる単結晶の格子定数はガドリ
ニウム・ガリウム・ガーネット（以下ＧＧＧと略記する
）が１２．３８３人、一部をＣａ、　Ｍｇまたは２ｒで
置換したＧＧＧが１２．４５人、１２．４９６人、サマ
リム・ガリウム・ガーネット（以下ＳＧＧと略記する）
が１２．４３８人、ネオジム・ガリウム・ガーネット（
以下ＮＧＯと略記する）が１２．５０８人で、いずれの
場合もＹＩＧ結晶の格子定数とは合致しない。このため
、このような基板単結晶上に育成したＹＩＧ結晶のエピ
タキシャル膜と基板結晶の格子定数のミスマツチが増大
し、このミスマツチに基づいて歪が増大し、極端な場合
にはエピタキシャル膜に割れが発生するという不利が生
じる。

（発明の構成）本発明はこのような不利を解決した高品質のマイクロ波
素子用材料として有用とされる酸化物ガーネット単結晶
およびマイクロ波素子に関するもので、これは基体単結
晶の上にこの基体単結晶と格子定数が合致する組成式（
Ｙｌ−ｘＭｘ）ａＦｅａ−ａＯ１２または（Ｙｌ−Ｊｘ
）ａ（Ｆｅ＋−ｘＮｙ）８−ｓＯｓ２（ここにＭはＬａ
、　Ｂｉ、Ｇｄ、　Ｌｕから、またＮはＡ１、Ｇａ％Ｉ
ｎ、　　Ｓｃから選択される少なくとも１つの元素、Ｘ
はＯ＜ｘ＜０．９０、ｙはＯ１］０≦ｙ≦０．２０、ａ
は３，１≧ａ≧３．Ｏ）で示される磁性膜結晶をエピタ
キシャル成長させてなることを特徴とするものである。

すなわち、本発明者らは共振周波数の温度依存性と基板
結晶とエピタキシャル成長層との格子定数のミスマツチ
がなく、育成される膜にピットを生じさせないマイクロ
波素子材料の開発につイテ種々検討した結果、基板材料
として格子定数が一定である公知の基板単結晶を使用し
、これにエピタキシャル成長させるべき磁性膜結晶はこ
の基板単結晶の格子定数に±０．００３人の範囲で合致
するものとするということから、公知のＹＩＧ結晶の（
Ｃ）サイトを占めているイツトリウム（Ｙ）をＹとイオ
ン半径が異なり、かつマイクロ波吸収スペクトル線幅を
大きくしない元素であるランタン（Ｌａ）　、ビスマス
（Ｂｉ）　、ガドリニウム（Ｇｄ）、ルテチウム（Ｌｕ
）で置換したもの、およびざらにＦｅの一部をＡｌ、　
Ｃａ、　Ｉｎ、　Ｓｃで置換したもの、したがって組成
式（Ｙｌ−ｘＭｘ）ａＦｅａ−ｇｏ＋ｚまたは（Ｙｌ−
ｘＭＸ）ａ（Ｆｅ＋−ｘＮｙ）８−ａｏ１２（ここにＭ
はＬａ％Ｂｉ％Ｇｄ、　Ｌｕから、またＮはＡｌ、Ｃａ
、Ｉｎ、　Ｓｃら選択される少なくとも１つの元素、Ｘ
はＯ＜ｘ　＜０．９０、ｙは０．１０≦ｙ≦０．２０．
ａは３．１≧ａ≧３．０）で示されるものとすればよい
ということを見出し、前記した基板単結晶の上にこのＹ
ＩＧ結晶のＹを部分的にＬａ、　Ｂｆ、Ｇｄ、　Ｌｕで
置換して、またざらにＦｅを部分的に＾ｌ、Ｃａ、　Ｉ
ｎ、　Ｓｃで置換してこの基板単結晶の格子定数に合致
する格子定数をもつようにした磁性膜結晶をエピタキシ
ャル成長させたところ、このものは格子定数のミスマツ
チが防止されるので、クランク、ビットが生じ難く、特
にこれらよりなるマイクロ波素子はすぐれた物性を示す
ということを確認し、ここに使用する基板単結晶、エピ
タキシャル膜の組成、この製造方法について研究を進め
て本発明を完成させた。

本発明の酸化物ガーネット単結晶を構成するガーネット
基板単結晶は格子定数が１２．３８３人であるＧＧＧ、
　　格子定数が１２．４３８人であるＳＧＧ　、格子定
数が１２．５０８人であるＮＧＧ、　ＧＧＧにＣａ、　
Ｚｒを置換して格子定数を１２．４５としたＳＯＧ　　
（信越化学工業（株）製部品名）およびＧＧＧにＣａ、
　Ｚｒ、　Ｍｇを置換して格子定数を１２．４９６人と
したＮＯＧ　　（信越化学工業（株）製部品名）が例示
される。なお、これらの基板単結晶はいずれも公知のも
のであるが、これらはＧｄｚＯｓ、Ｓｍ、０３、Ｎｄ２
Ｏ３または必要に応じＣａＯ１Ｍｇ０１ＺｒＯなどのド
ーパント材をそれぞれＧａ２Ｏ３の所定量と共にルツボ
に仕込み、高周波誘導でそれぞれの融点以上の温度に加
熱して溶融したのち、この溶液からチョクラルスキー法
で単結晶を引上げることによって得ることができるが、
このものはこの単結晶から切り出したウェーハを例えば
熱リン酸でエツチングしたのち格子定数を測定すると１
２．３８３〜１２．５０８人を示すことが確認された。

また、この基板単結晶上にＬＰＥ法でエピタキシャル成
長させる構造体は上記したように組成式が（Ｙｌ−Ｊ、
ｌ）ａ　Ｆｅａ−ａＯｒ□または（Ｙｌ−ｘＭｊｉ　（
Ｆｅ＋−ｘＮｙ）８−ａＯ２２で示され、このＭがＬａ
、　Ｂｉ、　Ｇｄ、　ＬｕまたＮがＡｌ、Ｃａ、　Ｉｎ
、　Ｓｃの少なくとも１種の元素から選択されるもので
、ＸはＯ＜ｘ　＜０．９０、ｙは０．１０′Ｓａｙ≦０
２０、ａは３．１≧ａ≧３．０の範囲の値のものとされ
る。

これは従来公知のＹＩＧ単結晶の（Ｃ）サイトを占める
Ｙをそれとはイオン半径が異なり、かつマイクロ波吸収
スペクトル線幅を大きくしない元素であるＬａ、　Ｂｉ
、　Ｇｄ、　Ｌｕで置換したもの、また場合によっては
ざらにＦｅの一部をＡｌ、　Ｃａ、　Ｉｎ％Ｓｃで置換
したものとし、この置換量を調節してこのものの格子定
数を上記した基板単結晶の格子定数と±０．００３人の
誤差範囲内で合致するようにすると、このものを基板単
結晶上にエピタキシャル結晶させたときに格子定数のミ
スマツチが防止されるのでクラック、ビットが生じなく
なり、特にマイクロ波素子としてすぐれた物性をもつ酸
化物ガーネット単結晶が得られるという本発明者らの見
出した新知見にもとづくものである。

この式　（Ｙｌ　−ｘＭｘ）　ａ　Ｆｅａ−８０１２ま
たは（Ｙｌ−ｘＭＸ）−（Ｆｅ＋−ｙＮｙ）　ａ−ａｏ
１２で示される単結晶は白金ルツボ中にＹ２Ｏ３、Ｆｅ
２Ｏ２、Ｍ２Ｏ３（Ｍは前記に同じ）またはＮｚ０ｓ（
Ｎは前記に同じ）をフラックスとしてのＰｂ０．Ｂ２０
．と共に仕込み、１，０５０〜１．１５０℃に加熱して
これを融解させたのち７５０〜９５０℃まで温度を下げ
、この融液からＬＰＥ法で単結晶を成長させることによ
りて得ることができるが、このものの格子定数はここに
添加する各成分の量を調節することによって行えばよい
。

なお、このものは基板ＸＬ結晶にエピタキシャル成長さ
せるのであるが、これは酸化物ガーネット単結晶の各金
属成分の酸化物とフラックス成分からなる融液中に基板
単結晶を浸漬し、これを引き上げることによってこの基
板単結晶面上にこれをエピタキシャル成長させるように
すればよい。

つぎに本発明の各基板単結晶と±０．ＱＯａ人〜±０．
０１人の範囲で合致する酸化物ガーネット単結晶を第１
表、第２表に示す。

第　　１　　表　　（Ｙ＋−Ｊｘ）、ＦＩ！ａ−ｉｏ１
２で使用されるマイクロ波素子、例えばアイソレーター
、サーキュレータ−用の磁性膜としても有用とされる。

つぎに本発明の実施例をあげるが、例中におけるマイク
ロ波吸収スペクトルの測定は次記によって行なったもの
である。

［マイクロ波吸収スペクトル〕得られたエピタキシャルウェー八から試料として２．６
　Ｘ２．ｌｉ　ｍｌ１１の小片を切出し、これを強磁性
共鳴装置によりマイクロ波吸収スペクトルを測定し、そ
の半値幅（△Ｈ）を求めた。

実施例１基板としてＧＧＧ単結晶ウェつ八をへい、第３表に示す
エピタキシャル膜を形成させる金属成分の酸化物の所定
量をフラックス成分としてのＰｂＯ１Ｂ２０３と共に白
金ルツボに仕込み、１，１００℃に加熱してこれを溶融
させ、この融液からＬＰＥ法でＧＧＧ単結晶ウェーへの
＜１１１　＞方向にエピタキシャル膜を厚さ５０μｍに
成長させて酸化物ガーネット単結晶を作ったところ、こ
れらの格子定数は第３表第　２　表（Ｙ＋−ｘＬ）ａ（
Ｆａｔ−ｘＮｙ）８−ａｏ１２上記したような方法で得
られる本発明の酸化物ガーネット単結晶は、基板単結晶
とエピタキシャル成長層との格子定数のミスマツチもな
く、さらには育成されたエピタキシャル膜にビットを生
じることもないので、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、共振周波数の温度依存性も
なく、このものは例えば周波数１００Ｍ）Ｉｚから数１
０ＧＨｚのマイクロ波帯に示した値となり、基板単結晶
としての（ｉＧＧのそれにほぼ合致しており、これらの
ウェーハ表面を顕微鏡で観察したところ、これにはその
いずれにもクランク、ヒビという欠陥はみられなかった
。

また、これらのエピタキシャルウェー八から２．６　ｘ
２．６ｍｍの小片を切出し、これを用いた強磁性共鳴装
置について、マイクロ波吸収スペクトルの半値幅（ΔＨ
）をもとめたところ、これは△Ｈ−０，６０ｅと良好な
値を示した。

第３表実施例２基板としてＳＧＧ単結晶を用い、エビタキシャル膜を形
成させる成分のＹ２Ｏ５、Ｂｉ、０３、Ｆｅ、０．の配
合比を変えて実施例１と同様に処理してＳＧＧ単結晶ウ
ェーへの＜１１１　＞方向に式（Ｙｏ、　）Ｊｉｏ、　
２８）　３．０４０１２で示されるエピタキシャル膜を
厚さ５４０μｍに成長させて酸化物ガーネット単結晶を
作ったところ、このものの格子定数は１２．４３８人で
基板単結晶としてのＳＧＧのそれに合致しており、この
ウェーハ表面を顕微鏡で観察したところ、これにはクラ
ック、ヒビという欠陥はみられなかった。

また、実施例１と同様にこのエピタキシャルウェーハを
用いた強磁性共鳴装置を用いてマイクロ波吸収スペクト
ルの半値幅（△Ｈ）を求めたところ、これは△Ｈ＝Ｌ、
ＩＱｅと良好な値を示した。

実施例３基板としてＮＧＧ　＄結晶ウェー八を用い、エピタキシ
ャル膜を形成させる成分のＹ２Ｏ３、ＢｈＯｓ、Ｆｅ、
０の配合比を変えて実施例１と同様に処理してＮＧＯ単
結晶ウェーへの＜１１１　＞方向に（Ｙｏ、　４Ｊｉｏ
、　５ｓ）ｓ、　０２０１２で示されるエピタキシャル
膜を厚さ５０μｍに成長させて酸化物ガーネット単結晶
を作ったところ、このものの格子定数は１２．５０８人
で基板単結晶としてのＮＧＧのそれに合致しており、こ
のウェーハ表面を顕微鏡で観察したところ、これにはク
ランク、ヒビという欠陥はみられなかった。

また実施例１と同様に、このエピタキシャルウェーハを
用いた強磁性共鳴装置を用いてマイクロ波吸収スペクト
ルの半値幅（△Ｈ）を求めたところ、これは△Ｈ＝１．
７０ｅと良好な値を示した。

実施例４基板としてＧＧＧの一部をＣａ、　Ｚｒで置換し、格子
常数を１２．４５人としたＳＯＧ　　（前出）ウェーハ
を用い、エピタキシャル膜を形成させる成分のＹ２Ｏ３
，８ｆ２０３、Ｆｅ２Ｑ、の配合比を変えて実施例１と
同様に処理してＳＯＧ単結晶ウェーへの＜１１１　＞方
向に式（Ｙｏ、　ａａＢｉｏ、　３２）　３．０４０１
２で示されるエピタキシャル膜を厚さ５０μｍに成長さ
せて酸化物ガーネット単結晶を作ったところ、このもの
の格子定数は１２．４５人で基板単結晶としてのＳＯＧ
のそれに合致しており、このウェーハ表面を顕微鏡で観
察したところ、これにはクラック、ヒビという欠陥はみ
られなかった。

また実施例１と同様に、このエピタキシャルウェーハを
用いた強磁性共鳴装置を用いてマイクロ波吸収スペクト
ルの半値幅（△Ｈ）を求めたところ、これは△Ｈ＝１．
３０ｅと良好な値を示した。

実施例５基板としてＧＧＧの一部をＣａ％２ｒ％Ｍｇで置換し、
格子定数を１２．４９６人としたＮＯＧ　（前出）ウェ
ーハを用い、第４表に示す各エピタキシャル膜を形成さ
せる金属成分の酸化物の所定量とフラックス成分よりな
る融液より実施例１と同様に処理してＮＯＧ単結晶ウェ
ーへの＜１１１　＞方向にエピタキシャル膜を厚さ５０
μｍに成長させて酸化物ガーネット単結晶を作フたとこ
ろ、これらの格子定数は第４表に示した値となり、単結
晶としてのＮＯＧのそれにほぼ合致しており、これらの
ウェーハ表面を顕微鏡で観察したところ、これにはその
いずれにもクランク、ヒビという欠陥はみられなかった
。

また、実施例１と同様にこのエピタキシャルウェーハを
用いた強磁性共鳴装置を用いてマイクロ波周波スペクト
ルの半値ＩＩＩ！　（△Ｈ）を求めたところを、これら
はいずれも△Ｈ＝１．４０ｅと良好な値を示した。

第４表実施例６基板としてＧＧＧ単結晶を使用し、第５表に示した各エ
ピタキシャル膜を形成する金属成分の酸化物の所定量を
フラックス成分としてのＰｂＯ１Ｂ２０゜と共に白金ル
ツボに仕込み、実施例１と同様に処理し、この融液から
ＬＰＥ法でＧＧＧ　ｓ、結晶の＜１１１　＞方向にエピ
タキシャル膜を厚さ５０μｍに成長させて酸化物ガーネ
ット単結晶を作ったところ、これらの格子定数は第５表
に示した結果となり、ＧＧＧのそれにほぼ合致しており
、これらのウェーハの表面を顕微鏡で観察したところ、
これらにはそのいずわにもクランク、ヒビの欠陥はみら
れなかった。

また、実施例１と同様にこのエピタキシャルウェー八を
用いた強磁性共鳴装置を用いてマイクロ波吸収スペクト
ルを測定し、その半値幅△Ｈを求めたところ、これらは
いずれも△Ｈ＝０．７００ｅと良好な値を示した。

第５表磁前進体積波０ＪＳＦＶＷ）を用いた高周波チューナプ
ルフィルターを構成した［第１図（ａ）、（ｂ）参照）
］。

ＭＳＦＶＷ励振・検出用のアルミニウム電極は通常のフ
ォトリングラフィ法により作成した。第２図は実施例１
の周波数特性を示したものであるが、実施例２〜６の各
試料についても同じ結果が得られた。この高周波チュー
ナプルフィルターの中心周波数は周波可変用のコイルの
電流値の制御により０．３〜１０ＧＨｘで可変ある。

つぎにこれを用いて下式実施例１〜６で作成した各酸化物ガーネット単結晶基板
を試料として、これらの膜を伝搬する静にしたがってフ
ィルターの中心周波数の温度依存性（ＴＣＰ）を６０℃
、２０℃ならびに一２０℃の周波数の測定値より求めた
ところ、第３図の曲線Ａに示したとおりの結果が得られ
た。なお、本実施における外部磁場発生装置には、周囲
の温度によらず任意の一定磁場を発生できるものを用い
た。

また、比較のために行った従来公知のＹＩＧ／ＧＧＧの
基板については第３図の曲線Ｂに示した温度依存性であ
ることから、本発明のものが非常にすぐれたＴＣＰを示
すことが確認された。

実施例８実施例７における実施例１の試料を用いての高周波チュ
ーナプルフィルターを用いて第４図に示した構造の高周
波チューナプル発振器を構成し、この発振器の発振スペ
クトルを観測したところ、第５図に示した結果が得られ
たが、実施例２〜６の各試料についても同じ結果が得ら
れた。

この発振器は周波数可変用コイルの電流値を制御するこ
とによって０．３〜１０（＋Ｈｚの任意の周波数出力を
示したが、この発振器を用いて下式％式％）にしたがフてこの発振器の発振周波数の温度依存性（Ｔ
ＣＰ）を６０℃、２０℃ならばに一２０℃の周波数の測
定値より求めたところ、実施例１における第３図の曲線
Ａと同一の結果が得られた。なお、この実施例において
外部磁場発生には周囲の温度によらず任意の一定磁場を
発生できるものを用いた。

また、比較のために従来公知のＹ［／ＧＧＧ基板を用い
た場合について同様な方法でそのＴＣＦを求めたところ
、このものは実施例）における第３図の曲線Ｂと同一の
結果を示したので、本発明のものが非常にすぐれたＴＣ
Ｐを示すものであることが確認された。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明のマイクロ波素子よりなる高周波
チューナプルフィルタ一部分斜視図、第１図（ｂ）は高
周波チューナプルフィルターの縦断面図、第２図は第１
図（ａ）、（ｂ）の高周波チューナプルフィルターの特
性例を示すグラフ、第３図は第１図（ａ）、（ｂ）の高
周波チューナプルフィルターおよび比較例としてのＹＩ
Ｇ／ＧＧＧを用いたフィルターの周波数温度依存性（Ｔ
ＣＰ）を示したグラフであり、第４図は第１図（ａ）、
（ｂ）のフィルターを用いた高周波チューナプル発振器
の縦断面図、第５図は第４図の高周波チューナプル発振
器の発振スペクトルを示したものである。第図エヒ′り〜！／ヤｌし４大基板（ｂ）第図 □周迫れ（ＧＨｚ）第図 □圓ｊ座段（Ｇ）（７）

Claims

【特許請求の範囲】

１．基板単結晶の上にこの基板単結晶と格子定数が合致
する組成式（Ｙ＿１＿−＿ｘＭ＿ｘ）＿ａＦｅ＿８＿−
＿ａＯ＿１＿２または（Ｙ＿１＿−＿ｘＭ＿ｘ）＿ａ（
Ｆｅ＿１＿−＿ｙＮ＿ｙ）＿８＿−＿ａＯ＿１＿２（こ
こにＭはＬａ、Ｂｉ，Ｇｄ、Ｌｕから、またＮはＡｌ、
Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｃから選択される少なくとも１つの元素
、ｘは０＜ｘ＜０．９０、ｙは０．１０≦ｙ≦０．２０
、ａは３．１≧ａ≧３．０）で示される磁性膜結晶をエ
ピタキシャル成長させてなることを特徴とする酸化物ガ
ーネット単結晶。
２．基板単結晶がガドリニウム・ガリウム・ガーネット
であり、格子定数が１２．３８３±０．００３Åである
請求項１に記載の酸化物ガーネット単結晶。
３．基板単結晶がネオジム・ガリウム・ガーネットであ
り、格子定数が１２．５０８±０．００３Åであットで
あり、格子定数が１２．５０８±０．００３Åである請
求項１に記載の酸化物ガーネット単結晶。
４．基板単結晶がサマリウム・ガリウム・ガーネットで
あり、格子定数が１２．４３８±０．００３Åである請
求項１に記載の酸化物ガーネット単結晶。
５．基板単結晶が一部をＣａとＺｒで置換したガドリニ
ウム・ガリウム・ガーネット系であり、格子常数が１２
．４５±０．０１Åである請求項１に記載の酸化物ガー
ネット単結晶。
６．基板単結晶が一部をＣａ、Ｚｒ、Ｍｇで置換したガ
ドリニウム・ガリウム・ガーネット系であり、格子定数
が１２．４９６±０．００３Åである請求項１に記載の
酸化物ガーネット単結晶。
７．基板単結晶の上にこの基板単結晶と格子定数が合致
する組成式（Ｙ＿１＿−＿ｘＭ＿ｘ）＿ａＦｅ＿８＿−
＿ａＯ＿１＿２または（Ｙ＿１＿−＿ｘＭ＿ｘ）＿ａ（
Ｆｅ＿１＿−＿ｘＮｙ＿）＿８＿−＿ａＯ＿１＿２（こ
こにＭはＬｉ、Ｂｉ、Ｇｄ、Ｌｕから、またＮはＡｌ、
Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｃから選択される少なくとも１つの元素
、ｘは０＜ｘ＜０．９０、ｙは０．１０≦ｙ≦０．２０
、ａは３．１≧ａ≧３．０）で示される磁性膜結晶をエ
ピタキシャル成長させてなる酸化物ガーネット単結晶を
用いてなることを特徴とするマイクロ波素子。
８．基板単結晶がガドリニウム・ガリウム・ガーネット
であり、格子定数が１２．３８３±０．００３Åである
請求項７に記載のマイクロ波素子。
９．基板単結晶がネオジム・ガリウム・ガーネットであ
り、格子定数が１２．５０８±０．００３Åである請求
項７に記載のマイクロ波素子。
１０．基板単結晶がサマリウム・ガリウム・ガーネット
であり、格子定数が１２．４３８±０．００３Åである
請求項７に記載のマイクロ波素子。
１１．基板単結晶が一部をＣａ、Ｚｒで置換した、ガド
リニウム、ガリウム、ガーネット系であり、格子常数が
１２．４５±０．０１Åである請求項７に記載のマイク
ロ波素子。
１２．基板単結晶が一部をＣａ、Ｚｒ、Ｍｇで置換した
、ガドリニウム、ガリウム、ガーネット系であり、格子
定数が１２．４９６±０．００３Åである請求項７に記
載のマイクロ波素子。