KR100235766B1

KR100235766B1 - 정자파 장치의 삽입손실 및 리플의 억제방법

Info

Publication number: KR100235766B1
Application number: KR1019970001288A
Authority: KR
Inventors: 마코토 구마토리야; 다카시 후지이; 히로시 다카기
Original assignee: 무라타 야스타카; 가부시키가이샤 무라타 세이사쿠쇼
Priority date: 1996-01-22
Filing date: 1997-01-17
Publication date: 1999-12-15
Also published as: DE69702777D1; US5871856A; EP0785618A1; EP0785618B1; KR970060277A; DE69702777T2

Abstract

본 발명은, Gd₃Ga₅O₁₂로 표시되는 단결정 기판 위에 액상의 에피택시법(liquid phase epitaxy)에 의해 형성되는, Y_3－xM_xFe_5－yN_yO₁₂(식중에서, M은 La, Bi, Lu 및 Gd로부터 선택된 적어도 1종이며; N은 Al, In 및 Sc로부터 선택된 적어도 1종이고; x와 y는 각각 0＜x≤1.0, 0＜y≤1.5로 정의된다)로 표시되는 단결정막을 사용하는 정자파 장치(magnetostatic wave device)에 있어서, 상기 단결정막이 상기한 단결정 기판의 격자정수(lattice constant)보다 더 큰 격자정수를 가지며; 두 격자정수의 차(△a)가 0.0004㎚≤△a≤0.001㎚의 범위에 있음을 특징으로 하는 정자파 장치에 관한 것이다. 이 정자파 장치는 (작은 삽입손실(insertion loss) 및 작은 리플(ripple) 등과 같은) 양호한 특성을 갖고 있다.

[색인어]

액상의 애피택시법, 단결정막, 정자파 장치, 삽입손실, 리플

Description

정자파 장치의 삽입손실 및 리플의 억제방법 {A method for reducing insertion loss and ripple of a magnetostatic wave device}

본 발명은 자성 가닛(magnetic garnet) 단결정막을 사용하는 정자파 장치(magnetostatic wave device)에 관한 것이다.

종래 액상의 에피택시법(liquid phase epitaxy)에 의해 가닛 단결정 기판상에 성장된 자성 가닛의 단결정막은 버블 메모리(bubble memory)나 광학 아이솔레이터(optical isolator) 용의 자성재료로서 이용되어 왔다.

정자파 장치용의 자성 가닛으로는, 종래 융제법(flux method)이나 플로팅 존(floating-zone)용융법으로 얻어지는 자성 가닛 단결정의 벌크(bulk)를 구상으로 가공하여 고도의 정밀도로 연마처리된 것을 사용하였다. 그러나 이러한 구상가공은 대량 생산이 용이하지 않은 단점이 있다.

최근에는 이러한 상황에 대응하여, 액상의 에피택시법에 의해 가닛 단결정 기판상에 자성 가닛 단결정을 성장시키는 방법으로 정자파 장치를 제조하고 있다. 이러한 액상의 에피택시법에 의하면 자성 가닛 단결정막의 품질이 양호해질 수 있으며, 이로써 자성 가닛의 단결정 벌크를 구체로 가공하기 위한 구상 가공이나 고정밀도의 연마처리는 필요하지 않다. 따라서 장치의 구조가 단순해지는 잇점이 있다.

한편, 자성 가닛 단결정막의 자기 특성(magnetic property) 중의 하나인 포화자화(Is : saturation magnetization)는, 정자파 장치의 동작주파수(working frequency)와 연관되어 있다. 그러므로, 동작주파수가 낮은 경우에는 포화자화를 감소시키는 방법이 일반적이다. 이를 위하여, 일반적으로는, 대표적인 자성 가닛인 Y₃Fe₅O₁₂중의 Fe³⁺의 일부를 Ga³⁺또는 Al³⁺등의 비자성 이온으로 치환함으로써 대응하고 있다. 이러한 치환의 결과, 가닛 단결정 기판과 이 기판위에 성장한 자성 가닛 단결정막의 격자정수(lattice constant)에 있어서의 부정합(mismatching)이 증가하게 되었다. 이러한 부정합은 그들의 이온 반경에 있어서의 차이에 기인한다. 결정학적인 품질을 손상시키지 않기 위하여, 일반적으로 Y₃Fe₅O₁₂중의 Y³⁺의 일부를 La³⁺또는 Bi³⁺로 치환하고, Y₃Fe₅O₁₂중의 Fe³⁺의 일부를 Sc³⁺로 치환하여 대응하고 있다.

그러나, 종래의 액상의 에피택시법에 의해 형성되는 자성 가닛 단결정막을 사용하는 정자파 장치는, 삽입손실(insertion loss)이 높고 리플(ripple)이 발생하기 때문에, 양호한 특성을 제공할 수 없는 문제가 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 작은 삽입손실(insertion loss) 및 작은 리플(ripple) 등과 같은 양호한 특성을 갖는 정자파 장치를 제공하는 것이다.

자성 가닛 단결정막을 Gd₃Ga₅O₁₂등의 가닛 단결정 기판상에 액상의 에피택시법에 의해 성장시키는 경우에 있어서 특성상 문제가 되는 점은, 가닛 단결정 기판과 자성 가닛 단결정막의 격자정수에 있어서 차이가 있다(어느 정도의 부정합량이 있다)는 것이다.

가닛 단결정 기판위에 성장한 자성 가닛 단결정막을 사용하는 버블 메모리나 광학 아이솔레이터의 경우, 소정의 자기 특성을 조절하기 위하여 격자정수의 부정합량을 의도적으로 증가시키거나 감소시키는 방법을 이용하여 왔다. 예를 들면, 부정합량을 증가시키는 것은 변형(strain)에 기인한 응력유도 이방성 자계(stress-induced anisotropic magnetic field)를 발생시키며, 역으로 부정합량을 감소시키는 것은 자계를 상쇄시킨다.

정자파 장치에 사용되는 자성 가닛 단결정막에서는 일반적으로 강자성공명반치폭(△H : ferromagnetic resonance half-width)이 작을수록 바람직하다고 받아들여지고 있기 때문에, 본 발명자들은 이러한 요구는 격자정수의 부정합량을 제로(0)에 가까운 값으로 감소시킴으로써 달성될 수 있다고 판단하였다.

계속하여, 본 발명자들은 격자정수의 부정합량과, 삽입손실이나 리플과 같은 정자파 장치의 특성과의 관계에 대하여 예의 연구하였다. 그 결과로서, 정자파 장치의 특성은, 격자정수에 있어서 부정합량이 거의 없을 때보다, 어느정도의 부정합량이 있을 때 개선된다는 것을 발견하였다. 이러한 발견에 근거하여 본 발명에 이르른 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 정자파 장치의 일례를 보여주는 사시도이다.

도 2는 실시예 1의 정자파 장치의 필터특성(filter characteristics)을 보여주는 도면이다.

도 3은 실시예 2의 정자파 장치의 필터특성을 보여주는 도면이다.

도 4는 비교예의 정자파 장치의 필터특성을 보여주는 도면이다.

＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞

1 ... 단결정 기판

2 ... 자성 가닛의 단결정막

3, 4 ... 트랜스듀서

5, 6 ... 흡수체

H_ex... 외부 자계

I_in... 마이크로파의 입력방향

W ... 표면파의 전파방향

I_out... 마이크로파의 출력방향

본 발명에 따른 정자파 장치는, Gd₃Ga₅O₁₂로 표시되는 단결정 기판 위에 액상의 에피택시법에 의해 형성되는, Y_3－xM_xFe_5－yN_yO₁₂(식중에서, M은 La, Bi, Lu 및 Gd로부터 선택된 적어도 1종이며; N은 Al, In 및 Sc로부터 선택된 적어도 1종이고; x와 y는 각각 0＜x≤1.0, 0＜y≤1.5로 정의된다)로 표시되는 단결정막을 사용하는 정자파 장치에 있어서, 상기 단결정막이 상기한 단결정 기판의 격자정수보다 더 큰 격자정수를 가지며; 두 격자정수의 차(△a)가 0.0004㎚≤△a≤0.001㎚의 범위에 있음을 특징으로 한다.

이러한 구성에 의해, 삽입손실이 작고 리플이 작은, 양호한 특성을 갖는 정자파 장치를 제공할 수 있게 된다.

이하, 자성 가닛 단결정막과 Gd₃Ga₅O₁₂의 단결정 기판의 격자정수에 있어서의 차 △a(또는 부정합량)에 대하여 살펴본다. 이러한 두 격자정수 사이의 차는 단결정 기판에 대하여 압축응력(compressive stress)을 가하게 되며, 이에 의해 단결정막에 변형(strain)이 발생하게 된다. 이 변형은 단결정막의 결정격자를 단결정막면에 대하여 수평으로 끌어당겨 연장시킨다. 그 결과, 예를들어 표면 정자파(surface magnetostatic wave)에서와 같이, 단결정막에 대하여 수평으로 직류(DC)자계가 인가되는 경우, 전자 스핀(electron spin)의 자화방향은 DC 자계의 방향과 거의 일치하게 된다. 그 결과, 단결정막에서 내부자계는 더욱 더 균일해진다.

본 발명에서는 격자정수의 차(△a)를 0.0004㎚≤△a≤0.001㎚의 범위내로 한정하고 있으며, 그 이유는 다음과 같다.

즉, 격자정수의 차 △a가 0.001㎚를 초과하는 경우, 단결정막 내의 변형에 의해 단결정막내에 불균일한 이방성 자계가 발생하게 되며, 정자파 장치로서의 특성에 있어서 변동이 심하여 재현성을 기대할 수 없어 바람직하지 않다. 또한 단결정막 내의 변형에 기인한 유도자기이방성이 커지게 되고, 이에 의해 저주파수에서의 동작이 곤란해진다. 게다가, 격자정수의 차 △a가 커질수록 단결정막에 크랙(cracking)이 발생되므로 바람직하지 않다.

한편, 격자정수의 차 △a가 0.0004㎚ 미만인 경우, 정자파 장치용으로 사용되는 단결정막은 삽입손실과 리플을 억제하는 효과를 얻을 수가 없으므로 바람직하지 않다. 또, 웨이퍼(wafer)로부터 칩을 절단하여 정자파 장치를 제작하는 경우, 단결정막은 삽입손실과 리플 등의 특성에 있어서 변동이 심하다.

상기한 바에 의해, 단결정막과 단결정 기판과의 상호작용은 작게하는 것을 고려할 수 있다.

＜실시예＞

본 발명에 따른 정자파 장치는 하기의 실시예를 참조하여 더욱 상세하게 설명한다.

＜실시예 1＞

가열 오븐에 설치된 백금도가니에, 자성 가닛을 구성하는 원소의 산화물로서 Y₂O₃0.39몰%, Fe₂O₃9.17몰%, La₂O₃0.07몰%, Ga₂O₃0.37몰%와, 용제로서 PbO 84.00몰%, B₂O₃6.00몰%를 충전한 후, 약 1200℃로 가열 융용시켜 균질화하였다. 그후 용융액을 880~900℃로 냉각시키고 그 온도로 유지하여 자성 가닛용 용용액을 과포화시켰다.

이 용융액에 (111)면을 갖는 Gd₃Ga₅O₁₂의 단결정 기판을 침적하였다. 이렇게 하여 소정의 조성식 Y_2.95La_0.05Fe_4.55Ga_0.45O₁₂을 갖는 두께 20㎛의 자성 가닛 단결정막을 얻었다.

이렇게 하여 얻은 단결정막의 포화자화(Is)는 0.125Wb/㎡이었고, 강자성공명반치폭(△H)는 53.5A/m이었다. 또, 단결정막과 단결정 기판의 격자정수의 차(또는 부정합량)(△a ＝ (단결정막의 격자정수) － (단결정기판의 격자정수))는, X-선 락킹 커브법(X-ray rocking curve method)에 의해 2결정 분광계(double crystal spectrometer)로 측정한 결과, 0.0005㎚이었다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 4㎜×4㎜ 평방의 칩상으로 절단한 단결정 기판(1)의 자성 가닛 단결정막(2) 위에, Al 증착에 의해 선폭 50㎛의 두 개의 트랜스듀서(3, 4)를 2㎜의 간격으로 형성하여 표면 정자파 장치를 제작하였다. 이 장치에 대하여, 4475A/m의 직류자계(H_ex)를 막면과 트랜스듀서에 평행하게 인가하였을 때의 필터특성(filter characteristics)을 측정하였다. 그 결과를 도 2에 나타내었다.

도 1에서, 5, 6은 정자파 장치의 흡수체(absorber)를 나타내며, I_in은 마이크로파의 입력방향을, W는 표면파(MSSW)의 전파방향을, I_out은 마이크로파의 출력방향을 나타낸다.

＜실시예 2＞

가열 오븐에 설치된 백금도가니에, 자성 가닛을 구성하는 원소의 산화물로서 Y₂O₃0.38몰%, Fe₂O₃9.17몰%, La₂O₃0.08몰%, Ga₂O₃0.37몰%와, 용제로서 PbO 84.00몰%, B₂O₃6.00몰%를 충전한 후, 약 1200℃로 가열 융용시켜 균질화하였다. 그후 용융액을 880~900℃로 냉각시키고 그 온도로 유지하여 자성 가닛용 용용액을 과포화시켰다.

실시예 1에서와 동일한 방법으로, 이 용융액에 (111)면을 갖는 Gd₃Ga₅O₁₂의 단결정 기판을 침적하였다. 이렇게 하여 소정의 조성식 Y_2.95La_0.05Fe_4.55Ga_0.45O₁₂을 갖는 두께 20㎛의 자성 가닛 단결정막을 얻었다.

이렇게 하여 얻은 단결정막의 포화자화(Is)는 0.125Wb/㎡이었고, 강자성공명반치폭(△H)는 62.0A/m이었다. 또, 단결정막과 단결정 기판의 격자정수의 차(△a)(또는 부정합량)는, 실시예 1에서와 동일한 방법으로 측정한 결과, 0.0009㎚이었다.

실시예 1에서와 동일한 방법으로 표면 정자파 장치를 제작하였다. 이 장치에 대하여 필터특성을 측정하였다. 그 결과를 도 3에 나타내었다.

＜비교예＞

가열 오븐에 설치된 백금도가니에, 자성 가닛을 구성하는 원소의 산화물로서 Y₂O₃0.41몰%, Fe₂O₃9.17몰%, La₂O₃0.05몰%, Ga₂O₃0.37몰%와, 용제로서 PbO 84.00몰%, B₂O₃6.00몰%를 충전한 후, 약 1200℃로 가열 융용시켜 균질화하였다. 그후 용융액을 880~900℃로 냉각시키고 그 온도로 유지하여 자성 가닛용 용용액을 과포화시켰다.

이렇게 하여 얻은 단결정막의 포화자화(Is)는 0.123Wb/㎡이었고, 강자성공명반치폭(△H)는 87.5A/m이었다. 또, 단결정막과 단결정 기판의 격자정수의 차(△a)(또는 부정합량)는, 실시예 1에서와 동일한 방법으로 측정한 결과, -0.0003㎚이었다.

실시예 1에서와 동일한 방법으로 표면 정자파 장치를 제작하였다. 이 장치에 대하여 필터특성을 측정하였다. 그 결과를 도 4에 나타내었다.

도 2 내지 도 4로부터 명백히 알 수 있는 바와 같이, 실시예 1과 2의 정자파 장치는 비교예의 정자파 장치에 비하여, 삽입손실 및 리플이 작은 등의 양호한 필터특성을 얻을 수 있다.

상기한 실시예에서는, 조성식 Y_2.95La_0.05Fe_4.55Ga_0.45O₁₂으로 표시되는 자성 가닛 단결정막의 경우에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니며, 상기한 자성 가닛 단결정막 대신에, 예를 들면 Y_2.78La_0.02Bi_0.20Fe_4.50Ga_0.50O₁₂와 Y_2.85Bi_0.15Fe_4.30Sc_0.10Ga_0.60O₁₂등과 같이, Y_3－xM_xFe_5－yN_yO₁₂(식중에서, M은 La, Bi, Lu 및 Gd로부터 선택된 적어도 1종이며; N은 Al, In 및 Sc로부터 선택된 적어도 1종이다)로 표시되는 자성 가닛 단결정막을 사용하여도, 상기 단결정막의 격자정수가 단결정 기판의 격자정수보다 더 크고, 이들 두 격자정수의 차(△a)가 0.0004㎚≤△a≤0.001㎚의 범위에 있기만 하면, 동등한 정도의 필터특성을 얻을 수 있다.

이상의 설명에서 명백한 바와 같이, Gd₃Ga₅O₁₂의 단결정 기판과 그 위에 형성된 자성 가닛 단결정막과의 격자정수의 차(△a ＝ (단결정막의 격자정수) － (단결정기판의 격자정수))가 0.0004㎚≤△a≤0.001㎚의 범위에 있는 단결정막을 사용함으로써 삽입손실이 작고 리플이 작은, 양호한 특성을 갖는 정자파 장치를 제공할 수 있다.

Claims

Gd₃Ga₅O₁₂의 단결정 기판 위에 액상의 에피택시법에 의해 형성되는, Y_3－xM_xFe_5－yN_yO₁₂(식중에서, M은 La, Bi, Lu 및 Gd로부터 선택된 적어도 1종이며; N은 Al, In 및 Sc로부터 선택된 적어도 1종이고; x와 y는 각각 0＜x≤1.0, 0＜y≤1.5로 정의된다)로 표시되는 단결정막을 사용하는 정자파 장치의 삽입손실 및 리플(ripple)의 억제방법에 있어서,

상기 단결정막이 상기한 단결정 기판의 격자정수보다 더 큰 격자정수를 가지며; 두 격자정수의 차(△a)가 0.0004㎚≤△a≤0.001㎚의 범위에 있도록 하는 방법.