Brevet FR2533373A1 — publié le 19840323

-1 - "Résonateur à disque présentant une couche de grenat épitaxiale et dispositif à micro-ondes muni d'un tel résonateur à disque " L'invention concerne un résonateur à disque présentant un substrat en matériau de grenat à base de la composition A 3 Ga 5 12, A représentant au moins un ion du groupe IIIA de la classification périodique des éléments chimiques et présentant au moins une couche épitaxiale appliquée sur le substrat et réalisée en un matériau de grenat ferrimagnétique de la composition Y 3 Fe x Mx 012, M étant un ion non magnétique pouvant occuper tant des positions de réseau octaédriques que des positions de réseau tétraédriques. Des résonateurs à disque (axialement aimantés) peuvent être utilisés par exemple comme résonateurs ferrimagnétiques pour des os- cillateurs accordables et filtres dans la gamme d'ondes VHF, UHF, SHF et EHF Ils peuvent en principe fonctionner à des fréquences de ré- sonance basses De plus, dans des résonateurs à disque, il ne se pro- duit pas de couplage de la résonance ferromagnétique avec des modes magnétostatiques dégénérés. Ces résonateurs à disque se sont avérés efficaces en prati- que,-mais leur gamme d'utilisation nécessite cependant une épaisseur de disque monocristallin dans la gamme comprise entre 20 /um et 100/um Selon l'état actuel de la technique, de tels disques mono- cristallins ne peuvent pas être réalisés sans problèmes De plus, un désavantage économique est que la réalisation de tels disques mono- cristallins entraîne des frais assez élevés. On a essayé de réaliser des résonateurs à disque d'une fa- çon plus économique avec le procédé connu de la technique à couche mince, pour lesquels des couches épitaxiales, par exemple d'une épaisseur de couche de 3,um, respectivement 10 um, en (Y,La)3 (Fe, Ga)5012 sont déposées sur des substrats de Gd 3 Ga 5012 disponibles dans le commerce (Mat Res Bull 12 ( 1977), pages 73 à 740). Cette technique de couche est notablement plus économique que la réalisation de disques monocristallins monolithiques de grenat d'yttriumfer dopés à l'aide de gallium par exemple, du fait que la couche magnétique désirée est appliquée de façon épitaxiale dans une étape du processus (par exemple sans post-traitement) sur un substrat -2- moins coûteux par rapport aux disques monocristallins monolithiques de grenat d'yttrium-fer, et, de ce fait, il serait désirable de ne pas réaliser des résonateurs à disque présentant avec des disques monocristallins mais avec une structure correspondant aux couches épitaxiales. Il se présente cependant les désavantages suivants: Alors que des disques monocristallins monolithiques en Y 3 (Fe, Ga)5012 montrent pratiquement indépendamment de l'épais- seur de couche la largeur de raie de résonance ferrimagnétique dési- rée de A H La)3 (Fe, Ga)5012 réalisées par voie épitaxiale sur des subs- trats de Gd 3 Ga 5012 , une épaisseur de couche croissant à partir d'environ 5/um s'accompagna d'une forte augmentation de la largeur de raie de résonance ferromagnétique aussi bien qu'un anor- tissement additionnel augmentant et une répartition irrégulière de la position et de l'intensité des raies de résonance séparées dans la gamme de fréquence du spectre de raies magnétostatique Du fait que des applications de résonateurs à disque comme résonateurs pour os- cillateurs et filtres dans la gamme de micro-ondes requièrent une épaisseur de couche du matériau actif de 5 um à 100 um, notamment de 20/um à 100/um, les couches de Y, La 3 (Fe, Ga)5012 con- nues ne peuvent pas être utilisées pour ce but. L'invention est basée sur l'idée de perfectionner un réso- nateur à disque du genre mentionné dans le préambule de façon que le résonateur à disque présentant des couches épitaxiales substituées de grenat d'yttrium-fer, une épaisseur de couche > 51 um présentant une largeur de raies de résonance ferrimagnétique de faible valeur comparable comme dans les résonateurs à disque constitués par un dis- que monocristallin monolithique en matériau de grenat ferrimagnéti- que. Conformément à l'invention, ce but est atteint du fait que A est choisi de façon que et/ou le substrat présente une composition répondant à la formule A 3 (Ga, D)5012, D représentant un ion non magnétique inférieur à l'ion gallium et peut occuper tant des posi- tions de réseau octaédriques que tétraédriques telles que les cons- tantes de réseau ao du matériau de substrat et du matériau de cou- che diffèrent, l'une de l'autre, d'un écart A a 0,0003 nm. -3- L'invention, qui est également relative à un dispositif à micro-ondes présentant un résonateur à disque comme décrit ci-dessus, est basée sur l'idée que la largeur de raie de résonance ferrimagné- tique est tributaire de la structure homogène du réseau cristallin du cristal constituant le corps de résonateur Cela n'est pas un problè- me pour les résonateurs à disque constitués par un disque monocris- tallin monolithique en matériau de grenat ferrimagnétique Toutefois, il est difficile lorsque le monocristal de grenat ferrimagnétique est appliqué sous forme d'une couche épitaxiale sur un substrat de grenat de composition différente et, de ce fait, d'une constante de réseau différente Pour obtenir une largeur de raie de résonance ferromagné- tique aussi faible que possible, il faut que le monocristal de subs- trat présente une même structure cristallographique et une constante de réseau pratiquement égale à celle de la couche à appliquer Du fait que la composition de la couche et, de ce fait, son paramètre cristallographique doivent être définis pour la propriété magnétique désirée pour l'application de résonateurs, il faut adapter le subs- trat du point de vue cristallographique à la couche En effet, on a constaté que l'adaptation de la constante de réseau de la couche à celle du substrat par remplacement partiel de l'yttrium diamagnétique par du lanthane diamagnétique qui présente un plus grand rayon d'ions que l'yttrium, aboutit aux susdites propriétés désavantageuses de la couche. Dans d'autres formes de réalisation avantageuses de-lain- vention, le matériau de substrat présente une composition répondant à l'une des formules Gd 3 (Ga, Al)5012; Y 3 Ga 5 012- Dy 3 Ga 5012 Y(Ga, Al)5012, Dy 3 (Ga, Al)5012 ou (Gd, Y)3 Ga 5 012 et le matériau de couche présente une composition répondant à 12 une des formules Y 3 (Fe' Ga)5012 ou Y 3 (Fe, Al)5012. Les avantages obtenus avec l'invention consistent notamment dans le fait que le remplacement d'au moins une partie du gallium et/ou du gadolinium dans le matériau de substrat par un ion présen- tant un plus petit rayon d'ions que le gallium respectivement le ga- dolinium, comme par exemple de l'aluminium, de l'yttrium ou du dys- prosium, permet d'obtenir une adaptation extrêmement précise de la constante de réseau du substrat à la constante de réseau de la couche -4à-appliquer chaque fois sur le substrat Ainsi, il est possible de réaliser des résonateurs pouvant être obtenus comme structure de cou- che présentant des couches assez épaisses de grenat ferromagnétique. Lorsqu'une partie des ions fer de la couche épitaxiale doit être remplacée par des ions aluminium, il est recommandé d'utiliser des substrats présentant déjà des constantes de réseau très sembla- bles à celles de la couche à déposer (dans ce cas Y 3 (Fe, A 1)5012); comme matériau de substrat entre en ligne de compte Y 3 Ga 5012 ou Dy 3 Ga 5012 Une adaptation rigoureuse de la constante de réseau du matériau de substrat à celle du matériau de couche peut être obtenue en outre de façon analogue à celle décrite ei-dessus pour le grenat de gadolinium-gallium. La description ci-après, en se référant aux dessins an- nexés, le tout donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien com- prendre comment l'invention peut être réalisée. La figure 1 représente les spectres de raie de résonance ferrimagnétiques de couches épitaxiales (Y 3, La)3 (Fe, Ga)5012 d'épaisseur différente sur des substrats de Gd 3 Ga 5012 (état de la technique), La figure 2 représente un spectre de raies de résonance ferrimagnétique d'une couche épitaxiale de Y 3 Fe 44 Gao, 6012 sur un substrat de grenat de gadolinium-gallium portant comme substi- tuant de l'yttrium (disque de résonateur conforme à l'invention), et La figure 3 montre un disque de résonateur en un substrat supportant une couche de grenat d'yttrium-fer formée par voie épita- xiale. Exemple 1 Pour une couche épitaxiale de grenat d'yttrium-fer 2 à ap- pliquer sur un substrat et portant des substituants, présentant une constante de réseau a O = 1,2366 nm, on utilisa, comme substrat, un monocristal de la composition Gd 2 5 Yo Ga 5012. 2,5 05 a 512. D'abord on va décrire la réalisation de ce cristal mixte: Les substances de départ ( 324,14 g de Gd 203, 333,86 g de Ga 203 et 42,0 g de Y 203; poids total 700 g) furent mélangées, pressées dans une forme cylindrique et frittées à l'air à 1400 C. Puis, le corps fritté fut fondu dans un creuset en iridium chauffé par voie inductive à environ 1900 C dans un appareil de tira- -5- ge de cristaux fermé L'appareil est traversé par un mélange gazeux constitué par 20 % de N 2 + 80 % de C 02 Comme germe sert une barre monocristalline cylindrique en grenat de gadolinium/gallium Le pro- cessus de tirage s'effectue de façon connue selon le procédé de Czochralski La vitesse de croissance est de 5,0 mm/h, la vitesse de rotation de 45 t/min Le cristal formé présentait une longueur de 100 mm et un diamètre maximal de 35 mm La constante de réseau A ao était de 1, 2366 nm, l'écart A ao de la valeur pour la constante de réseau entre le début de croissance et la fin de croissance ne dépassant pas 2 10-4 nm A partir des monocristaux ainsi formés constitués par du grenat de gadolinium-gallium portant comme substi- tuant de l'yttrium furent coupés des disques orientés selon d'une épaisseur de 0,5 mm Au cours d'un processus d'épitaxie en pha- se liquide, les disques de substrat coupés, à partir du monocristal, perpendiculairement à la direction de croissance furent immergés dans une solution en fusion de la composition correspondant aux couches à réaliser pour la réalisation des couches de grenat ferrimagnétiques de la composition Y 3 Fe 44 Ga 0,6012 selon la techniqe connue (voir par exemple J of Cryst Growth 52 ( 1981) pages 722 à 728. Comme bain pour la réalisation de couches de grenat d'yt- trium-fer portant des substituants et présentant la composition Y 3 Fe,44 Gao,6012 fut utilisé un bain de 2000 g de la composi- tion suivante (indication en % en moles): Pb O 81,75 B 203 5,74 0,66 Y 203 Fe 203 11,26 Ga O 3 0,59 Ces substances de départ furent fondues à 1050 C dans une creuset en platine et agitées pendant plusieurs heures à l'aide d'un agitateur de platine pour assurer l'homogénéisation Le bain fut re- froidi à 965 C et la température fut maintenue constante Le substrat fixé dans un récipient en platine fut immergé dans le bain et tourné à une vitesse de rotation de 80 t/min En 30 minutes, il se forma sur le substrat une couche d'une épaisseur de 31/um de la composition indiquée. -6- La figure 2 représente le spectre de raies de résonance fer- rimagnétique de ladite couche épitaxiale de Y 3 Fe 4 Gao 6012 d'une épaisseur de 31 /um sur un substrat de Gd 2 Yo Ga 5012. L'intensité et la position régulière des raies de résonance et de la largeur de raie de résonance ferrimagnétique d'environ 40 A/m correspond aux valeurs à atteindre avec un disque monocristallin monolithique en Y 3 (Fe, Ga)5012 comme cristal de résonateur. Contrairement au spectre de raies de résonance selon la figure 2, les spectres de raies de résonance selon la figure 1, qui concernent des couches de (Y, La)3 (Fe, Ga)5012 connues sur des substrats de Gd 3 Ga Oî 12, montrent, pour une épaisseur de couche croissante, une position irrégulière des raies de résonance, aussi bien qu'un amortissement additionnel dans la gamme du spectre de raie magnétostatique perturbé, qui se perçoit du fait que le signal à micro-ondes ne retourne pas au niveau de référence du dispositif de mesure entre les raies de résonance séparées, comme dans le cas du spectre de raies de résonance non perturbé selon la figure 2 Sur les deux figures, d signifie l'épaisseur de couche de la couche épitaxia- le en question, les niveaux de référence du dispositif de mesure pour la couche examinée en question furent enregistrés à une intensité de champ magnétique élevée, de sorte que la résonance ferromagnétique de la couche se situe largement au-dessus de la gamme de fréquences de mesure choisie. Comme exemple pour l'adaptation de la constante de réseau a O du substrat à celle de la couche épitaxiale désirée fut décrite, avec l'exemple 1, la possibilité de partir d'un matériau de grenat pour le substrat à base de la composition A 3 Ga 5012, A étant du gadolinium avec de l'yttrium comme substituant Le technicien est libre d'utiliser, au lieu du gadolinium et de l'yttrium, au moins un autre élément approprié du groupe IIIA de la classification périodi- que des éléments chimiques Toutefois, pour adapter la constante de réseau ao du substrat à-celle de la couche, on peut procéder avec succés également de façon qu'une partie des ions gallium soit rempla- cée par exemple par un ion non magnétique plus petit, par exemple de l'aluminium Une autre possibilité de l'adaptation de la constante de réseau 3 du substrat à celle de la couche est de remplacer tant -7- une partie des ions galliumn par exemple par des ions aluminium et de faire un choix approprié pour A dans les éléments du groupe IIIA de la classification périodique des éléments chimiques. Ces diverses possibilités de l'adaptation de leurs constan- tes de réseau ao peuvent être effectuées sans inconvénients pour le technicien On ne donne à cet effet qu'un seul autre exemple expli- quant la version du remplacement du gallium par de l'aluminium dans un substrat de grenat de gadolinium-gallium et l'adaptation visée de la constante de réseau ao du substrat à celle d'une couche de gre- nat d'yttrium-fer portant du gallium comme substituant. Exemple 2 Pour une couche épitaxiale de Y 3 Fe 1 Ga 09012 à appliquer sur un substrat et présentant une constante de réseau a = 1, 2363 nm est utilisée, comme substrat, un monocristal de la com- position Gd 3 Ga 4,7 Al 0,3012 D'abord on décrit la réalisation de ce cristal mixte: Les substances de départ( 408,00 g de Gd 203, 330,52 g de Ga 203 et 11,148 g de A 12 3, poids total 750 g) furent mélan- 23 123 gées, pressées dans une forme cylindrique et frittées à l'air à 13607 C. Puis, le corps fritté fut fondu dans un creuset en iridium chauffé par voie inductive à-environ 1850 C dans un appareil de tira- ge de cristal fermé L'appareil fut traversé par un mélange gazeux constitué par 50 % de N 2 + 50 % de C 02 o Comme germe sert une barre monocristalline cylindrique en grenat de gadolinium-gallium Le pro- cessus de tirage fut effectué de façon connue selon le procédé de Czochralski La vitesse de croissance est de 5,0 mm/h, la vitesse de rotation de 33 t/min Le cristal formé présentait une longueur de 80 mm et un diamètre maximal de 40 mmo La constante de réseau a était o de 1,2363 nm, l'écart à a de la valeur pour la constante de ré- seau entre le début de croissance et la fin de croissance ne dépas- sant pas 1 10-4 nm A partir des monocristaux de Gd 3 Ga 4 A 103 O A 12 ainsi formés furent coupés des disques orientes selon 1113 d'une épaisseur de 0,5 mm et polis Les dis- ques de substrat à partir du monocristal formé coupés perpendiculai- rement à la direction de croissance, furent immergés selon un proces- sus d'épitaxie en phase liquide dans une solution en fusion d'une -8composition correspondant aux couches à réaliser pour la réalisation de couches de grenat ferrimagnétiques de la composition A 3 Fe 4 Gar 9012 selon la technique connue (comparer par exem- ple J of Cryst Growth 52 ( 1981), pages 722 bis 728) comme bain pour la réalisation de couches de Y 3 Fe 1 Ga 09 12 fut utilisé un bain de 2000 g de la composition suivante (indication en % en moles): Pb O 84,23 B O 5,90 y 203 8,37 Fe 203 0,62 Ga 23 0,88 Les substances de départ furent fondues à 1050 'C dans un creuset en platine et agitées pendant plusieurs heures avec un agita- teur en platine pour assurer l'homogénéisation Le bain fut refoidi à 9340 C et la température fut maintenue constante Le substrat fixé dans un récipient en platine fut immergé dans le bain et tourné à une vitesse de rotation de 70 t/min Au cours de 40 minutes de croissance il se forma une couche d'une épaisseur de 34 um de la composition indiquée sur le substrat. D'une façon générale, il y a lieu de noter que l'épaisseur de la couche épitaxiale est tributaire des exigences de couplage en question au résonateur Le technicien n'aura pas en peine de choisir l'épaisseur de couche optimale à base desdits paramètres. -9- REVENDICATIONS 1 Résonateur à disque présentant un substrat en matériau de grenat à base de la composition A 3 Ga 5012, A représentant au moins un ion du groupe IIIA de la classification périodique des élé- ments chimiques et présentant au moins une couche épitaxiale appli- quée sur le substrat et réalisée en un matériau de grenat ferrimagné- tique de la composition Y 3 Fe 5 x Mx 012, M étant un ion non ma- gnétique pouvant occuper tant des positions de réseau octaédriques que des positions de réseau tétraédriques, caractérisé en ce que A est choisi de façon que et/ou le substrat présente une composition répondant à la formule A 3 (Ga, D)5012, D représentant un ion non magnétique inférieur à l'ion gallium et peut occuper tant des posi- tions de réseau octaédriques que tétraédriques telles que les cons- tantes de réseau a du matériau de substrat et du matériau de cou- che diffèrent l'une de l'autre d'un écart a a non supérieur à 0,0003 nm. 2 Résonateur à disque selon la revendication 1, caractérisé en ce que M représente du gallium ou de l'aluminium. 3 Résonateur à disque selon la revendication 1, caractérisé en ce que D représente de l'aluminium. 4 Résonateur à disque selon la revendication 1, caractérisé en ce que A représente du gadolinium, de l'yttrium et/ou du dyspro- sium. Résonateur à disque selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau de substrat présente une composition répondant à la formule (Gd, Y)3 Ga 5 012 et que le matériau de couche pré- sente une composition répondant à la formule Y 3 (Fe, Ga)5012. 6 Résonateur à disque selon la revendication 5, caractérisé en ce que le matériau de substrat présente une composition répondant d 2,5 Y 0,5 Ga 5012 et que le matériau de couche présente une composition répondant à la formule y 3 Fe 4,4 Gao,6012. 7 Résonateur à disque selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau de substrat présente une composition répondant à la formule Gd (Ga, Al) 012 et que le matériau de couche pré- sente une composition répondant à la formule Y 3 (Fe, Ga)5012. -10- 8 Résonateur à disque selon la revendication 7, caractérisé en ce que le matériau de substrat présente une composition répondant a la formule Gd 3 Ga 497 7 A 03012 et que le matériau de couche présente une composition répondant à la formule Y 3 Fe 41 Ga 09 012. 9 Résonateur à disque selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau de substrat présente une composition répondant à la formule Y 3 Ga 5012 et que le matériau de couche présente une composition répondant à la formule Y 3 (Fe, Al)5012. 10 Résonateur à disque selon la revendication 9, caractérisé en ce que le matériau de substrat présente une composition répondant à la formule Y 3 Ga 5012 et que le matériau de substrat présente un composition répondant à la formule Y 3 (Fe 3,65 Al,35) 12. 11 Résonateur à disque selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau de substrat présente une composition répondant à la formule Dy 3 Ga 5012 et que la matériau de couche présente une composition répondant à la formule Y 3 (Fe, Al)5012. 12 Résonateur à disque selon la revendication 11, caractérisé en ce que le matériau de substrat présente une composition répondant à la formule Dy 3 Ga 5012 et que le matériau de substrat présente une composition répondant à la formule Y 3 (Fe 4,05 Al 095)O 12 ' 13 Résonateur à disque selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau de substrat présente une composition répondant à la formule Y 3 (Ga, Al)5012 et que le matériau de couche pré- sente une composition répondant à la formule Y 3 (Fe, Al)5012. 14 Résonateur à disque selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau du substrat présente une composition répondant à la formule Dy 3 (Ga, Al)5012 et que le matériau de couche pré- sente une composition répondant à la formule Y 3 (Fe, Al)5012. 15 Résonateur à disque selon l'une des revendications précé- dentes, caractérisé en ce que l'épaisseur de la couche épitaxiale se situe dans la gamme comprise entre 5/um et 100/um. 16 Dispositif à micro-ondes présentant un résonateur à disque selon l'une des revendications précédentes.