Brevet FR2783357A1 — publié le 20000317

La présente invention concerne une couche mince monocristalline de grenat magnétique, un procédé pour sa fabrication et un dispositif à ondes hyper- fréquences comportant cette couche mince monocristalline de grenat, et plus particulièrement une couche mince monocristalline de grenat magnétique qui est utilisée pour un dispositif à ondes hyperfréquences telles qu'un limiteur ou un filtre à bruit. Une couche mince monocristalline de Y3Fe5O12 (YIG) est une substance importante utilisée comme couche mince monocristalline de grenat magnétique pour un dispositif à ondes hyperfréquences. En particulier, une telle couche mince monocristalline de YIG a de remarquables propriétées dues à une largeur de bande ferromagnétique (AH) extrêmement étroite. Quand cette couche mince monocristalline de YIG est appliquée à un dispositif à ondes hyper- fréquences, cette caractéristique permet de rendre petite la différence entre un signal d'entrée et un signal de sortie. En outre, une autre caractéristique d'une telle couche mince monocristalline de YIG est qu'il se produit un phénomène de saturation à une puissance électrique relativement faible par rapport au signal d'entrée. Une telle couche mince monocristalline de YIG est largement utilisée dans les dispositifs à ondes hyperfréquences tels que les limiteurs et les filtres à bruit qui utilisent les caractéristiques évoquées ci-dessus. Une couche mince monocristalline de grenat magnétique contenant du fer, différente d'une couche mince monocristalline de YIG, est aussi appliquée aux dispositifs à ondes hyperfréquences de la même manière qu'une couche mince monocristalline de YIG. Bien qu'une couche mince monocristalline de grenat magnétique présente les excellentes propriétés évoquées ci-dessus, elle présente également des inconvénients, à savoir de grandes pertes d'insertion, une longue durée de réponse transitoire et une grande puissance d'entrée saturée qui dégradent les propriétés mentionnées ci-dessus lorsqu'une couche mince monocristalline de grenat magnétique est appliquée à des dispositifs à ondes hyperfréquences. Ces caracté- ristiques sont particulièrement importantes pour de telles applications. La présente invention a pour but de fournir une couche mince mono- cristalline de grenat magnétique permettant d'obtenir un dispositif à ondes hyper- fréquences présentant des performances supérieures. La présente invention a aussi pour but de fournir un procédé de fabrication de cette couche mince monocristalline de grenat magnétique et un dispositif à ondes hyperfréquences comportant une telle couche mince. Selon la présente invention, la couche mince monocristalline de grenat magnétique utilisée pour un dispositif à ondes hyperfréquences contient Pb dans un domaine compris entre 0 et environ 4 000 ppm en masse. De préférence, cette couche mince monocristalline de grenat magnétique contient en outre du fer. Le procédé de fabrication de cette couche mince monocristalline de grenat magnétique selon l'invention comprend une étape de croissance de la couche mince monocristalline de grenat magnétique par épitaxie en phase liquide au moyen d'un fondant à base de PbO à une température d'au moins environ 940 C. A titre d'alternative, l'étape de croissance peut être mise en oeuvre par épitaxie en phase liquide au moyen d'un fondant à base de PbO ayant une teneur en un composé de Pb, exprimée en PbO, au plus égale à environ 70 % en masse. Dans ce procédé, les deux alternatives ci-dessus peuvent être combinées. Ainsi, selon la présente invention, il est possible d'empêcher les pertes d'insertion, une augmentation de la durée de réponse transitoire et de la puissance électrique d'entrée saturée dans le cas d'un dispositif à ondes hyperfréquences qui utilise la couche mince monocristalline de grenat magnétique. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit et se réfère au dessin annexé dont la figure unique est une vue isométrique d'un exemple de dispositif à ondes hyperfréquences selon la présente invention. Les présents demandeurs ont étudié des améliorations des couches minces monocristallines de grenat magnétique et ont constaté que le plomb contenu dans ces couches minces à titre d'impureté a une influence défavorable sur les pertes d'insertion, la durée de réponse transitoire et la puissance d'entrée saturée. Conventionnellement, on fait croître une couche mince mono- cristalline de grenat magnétique au moyen d'un procédé d'épitaxie en phase liquide utilisant un fondant à base de PbO car PbO fond à une température relativement basse, est stable à l'état fondu et présente une faible viscosité. Ces caractéristiques sont importantes pour faire croître une excellente couche mince monocristalline de grenat magnétique, mais les présents demandeurs ont constaté que le plomb présent dans le fondant de PbO est incorporé de manière néfaste dans la couche mince monocristalline de grenat magnétique obtenue pendant la croissance cristalline. D'après les études menées par les présents demandeurs, on suppose que Pb est sous forme de Pb2+ ou de Pb4+ dans la couche mince monocristalline de grenat magnétique obtenue et que Pb2+ ou Pb4+ réduit Fe3+ en Fe2+, ce qui dégrade les caractéristiques concernant les pertes d'insertion, la durée de réponse transitoire et la puissance d'entrée saturée. Bien qu'il soit possible de faire croître une couche mince mono- cristalline de grenat magnétique sans plomb en employant un flux sans plomb, il est impossible de faire croître une couche mince monocristalline de grenat magnétique présentant une excellente cristallinité sans utiliser PbO. Compte tenu de ce qui précède, selon la présente invention, la couche mince monocristalline de grenat magnétique utilisée pour un dispositif à ondes hyperfréquences comprend Pb dans le domaine compris entre 0 et environ 4 000 ppm en masse car, quand la teneur en Pb est limitée à environ 4 000 ppm en masse ou moins, la couche mince monocristalline de grenat magnétique présente d'excellentes caractéristiques concernant les pertes d'insertion, la durée de réponse transitoire et la puissance d'entrée saturée. On a constaté qu'il est possible de limiter la quantité de Pb dans la couche mince en contrôlant la température ou la teneur en PbO du fondant, ou les deux. Il est possible de faire croître la couche mince monocristalline de grenat contenant Pb à raison d'environ 4 000 ppm en masse ou moins par épitaxie en phase liquide en utilisant un fondant à base de PbO à une température d'au moins environ 940 C. Conventionnellement, on considérait qu'il était préférable de faire croître une couche mince monocristalline de grenat à basse température de manière à améliorer la cristallinité de la couche mince. Ceci est en accord avec l'emploi d'un fondant à base de PbO. Toutefois, comme on l'expliquera dans la suite, on a constaté que l'ampleur de contamination par Pb décroît quand la température de croissance augmente. Quand on porte la température au-delà de 940 C, il peut être approprié d'abaisser la teneur en Pb du fondant. A titre d'alternative, on réalise l'épitaxie en phase liquide en utilisant un fondant à base de PbO ayant une teneur en un composé de Pb, exprimée en PbO, qui ne dépasse pas environ 70 % en masse. On a constaté aussi que l'ampleur de contamination par Pb diminue quand la température de croissance augmente et que, si la teneur en un composé de Pb ne dépasse pas environ 70 %, l'ampleur de contamination par Pb diminue beaucoup. On peut employer une température de croissance inférieure à 940 C si la teneur en PbO est suffisamment basse. On va maintenant décrire des modes de réalisation de la présente invention que l'on préfère en se référant à la figure unique du dessin qui est une vue en perspective d'un dispositif à ondes hyperfréquences selon un exemple de la présente invention. Le dispositif à ondes hyperfréquences 10 comprend une couche mince monocristalline de grenat magnétique 12 formée sur l'une des surfaces principales d'un substrat de Gd3Ga5O12 14. Deux transducteurs 16a et 16b constitués par des fils métalliques sont disposés parallèlement à distance l'un de l'autre sur la couche mince monocristalline de grenat magnétique 12. Une borne du transducteur 16a est reliée à une borne d'entrée (non représentée) et l'autre borne est reliée à la masse. De plus, un champ magnétique en courant continu est appliqué au dispositif 10 dans une direction parallèle à la surface principale de la couche mince monocristalline de grenat magnétique 12 et dans une direction parallèle aux transducteurs 16a et 16b, comme l'indique la flèche H0. Exemple 1 On a utilisé un substrat de Gd3Ga5O12 comme substrat pour former une couche mince monocristalline de grenat magnétique par épitaxie en phase liquide. Puis, on a utilisé comme matières premières Fe203, Y203, PbO et B203 en des quantités de 7,5 % en masse, 0,5 % en masse, 90,0 % en masse et 2,0 % en masse respectivement, que l'on a mélangées, introduites dans un creuset en platine maintenu dans un four électrique vertical, homogénéisées à une température de 1200 C et fait fondre. On a maintenu la masse fondue à une température de croissance constante comprise entre 930 et 950 C indiquée dans le tableau 1 suivant, de manière que le grenat soit sursaturé. Puis, on a plongé le substrat de Gd3GasO]2 dans la masse fondue et on l'a fait tourner pendant une durée prédéterminée. Ensuite, on a retiré le substrat de la masse fondue et on l'a fait tourner à grande vitesse pour éliminer sous l'influence de la force centrifuge la masse fondue située sur la couche mince monocristalline de grenat magnétique. On a ainsi formé une couche mince monocristalline de grenat magnétique de Y3Fe5Ol2 d'une épaisseur d'environ 10 pm. On a produit des dispositifs 10 à ondes hyperfréquences tels que celui représenté sur la figure en utilisant les couches minces monocristallines de grenat magnétique ainsi obtenues et on a mesuré les pertes d'insertion, la durée de réponse transitoire et la puissance électrique d'entrée saturée. De plus, on a mesuré la teneur en Pb des couches minces monocristallines de grenat magnétique obtenues. Les résultats correspondants sont présentés dans le tableau I ci-dessous. Dans le tableau 1, les échantillons comportant un astérisque * ne sont pas conformes à la présente invention. Tableau 1 Echantillon Température Teneur en Pertes Durée de Puissance n de Pb de la d'insertion réponse d'entrée croissance couche (dB) transitoire saturée ( C) mince (ppm (ns) (dBm) en masse) 1* 930 6200 16 330 -17 2* 935 5800 14 290 -18 3 940 3900 9 180 -25 4 945 2100 7 170 -26 * 950 pas de formation de couche mince monocristalline de YIG Comme le montre le tableau 1, les échantillons n 1, 2 et 5 qui ne sont pas conformes à la présente invention n'ont pas permis d'obtenir des dispositifs à ondes hyperfréquences présentant des faibles pertes d'insertion, une courte durée de réponse transitoire et une faible puissance d'entrée saturée, ou n'ont pas permis de former une couche mince monocristalline de grenat magnétique. Au contraire, les échantillons n 3 et 4 qui sont conformes à la présente invention ont permis de produire des dispositifs à ondes hyperfréquences ayant de faibles pertes d'insertion, une courte durée de réponse transitoire et une faible puissance électrique d'entrée saturée. Exemple 2 On a utilisé un substrat de Gd3Ga50O2 comme substrat pour former une couche mince monocristalline de grenat magnétique par épitaxie en phase liquide. Puis, on a utilisé comme matières premières Fe203, Y203 et B203 en des quantités de 7,5 % en masse, 0,5 % en masse et 2,0 % en masse, respectivement, et PbO et MoO3 en les quantités indiquées dans le tableau 2 suivant. Puis, on a mélangé toutes les matières premières, on les a introduites dans un creuset en platine maintenu dans un four électrique vertical, on les a homogénéisées à une température de 1200 C et on les a fait fondre. On a maintenu la masse fondue résultante à une température de 920 C de manière que le grenat soit sursaturé. Puis, on a plongé le substrat de Gd2Ga5O12 dans la masse fondue et on l'a fait tourner pendant une durée prédéterminée. Ensuite, on a retiré le substrat de la masse fondue et on l'a fait tourner à grande vitesse pour éliminer sous l'influence de la force centrifuge la masse fondue présente sur la couche mince mono- cristalline de grenat magnétique. On a ainsi formé une couche mince mono- cristalline de grenat magnétique de Y3Fe5OI2 d'une épaisseur d'environ 10 pm. On a produit des dispositifs à ondes hyperfréquences 10 en utilisant les couches minces monocristallines de grenat magnétique obtenues et on a mesuré les pertes d'insertion, la durée de réponse transitoire et la puissance électrique d'entrée saturée. De plus, on a mesuré la teneur en Pb des couches minces mono- cristallines de grenat magnétique obtenues. Les résultats obtenus sont présentés dans le tableau 2 ci-dessous. Dans le tableau 2, les échantillons comportant un astérisque ne sont pas conformes à la présente invention. Tableau 2 Echantillon Teneur en Teneur en Teneur en Pertes Durée de Puissance n PbO MoO3 Pb de la d'insertion réponse d'entrée (% en (% en couche (dB) transitoire saturée masse) masse) mince (ns) (dBm) (ppm en masse) 6* 90 0 8400 22 390 -14 7* 80 10 6700 18 300 -17 8 70 20 3500 10 190 -25 9 60 30 3100 8 160 -27 Comme le montre le tableau 2, les échantillons n 6 et 7 qui ne sont pas conformes à l'invention n'ont pas permis de produire des dispositifs à ondes hyperfréquences ayant de faibles pertes d'insertion, une courte durée de réponse transitoire et une faible puissance électrique d'entrée saturée. Au contraire, les échantillons 8 et 9 conformes à la présente invention ont permis de produire des dispositifs à ondes hyperfréquences ayant de faibles pertes d'insertion, une courte durée de réponse transitoire et une faible puissance électrique d'entrée saturée. Exemple 3 On a utilisé un substrat de Gd3Ga5O12 comme substrat pour former une couche mince monocristalline de grenat magnétique par épitaxie en phase liquide. Puis, on a utilisé comme matières premières Fe203, Y203, La203, Ga203 et B203 en des quantités de 7,0 % en masse, 0,5 % en masse, 0,1 % en masse, 0,4 % en masse et 2,0 % en masse, respectivement, ainsi que PbO et MoO3 en les quantités indiquées dans le tableau 3 ci-dessous. Puis, on a mélangé toutes les matières premières, on les a introduites dans un creuset en platine maintenu dans un four électrique vertical, on les a homogénéisées à une température de 1200 C et on les a fait fondre. On a maintenu la masse fondue résultante à une température de 900 C de manière que le grenat soit sursaturé. Puis, on a plongé le substrat de Gd3Ga5012 dans la masse fondue et on l'a fait tourner pendant une durée prédéterminée. Ensuite, on a retiré le substrat de la masse fondue et on l'a fait tourner à grande vitesse pour éliminer sous l'effet de la force centrifuge la masse fondue présente sur la couche mince monocristalline de grenat magnétique. On a ainsi obtenu une couche mince monocristalline de grenat magnétique de (Y,La)3(Fe,Ga)5012 d'une épaisseur d'environ 10 pm. On a produit des dispositifs à ondes hyperfréquences 10 en utilisant les couches minces monocristallines de grenat magnétique ainsi obtenues et on a mesuré les pertes d'insertion, la durée de réponse transitoire et la puissance électrique d'entrée saturée. De plus, on a mesuré la teneur en Pb des couches minces monocristallines de grenat magnétique obtenues. Les résultats correspon- dants sont présentés dans le tableau 3 ci-dessous. Dans le tableau 3, les échantillons comportant un astérisque * ne sont pas conformes à la présente invention. Tableau 3 Echantillon Teneur en Teneur en Teneur en Pertes Durée de Puissance n PbO MoO3 Pb de la d'insertion réponse d'entrée (% en (% en couche (dB) transitoire saturée masse) masse) mince (ns) (dBm) (ppm en masse) * 90 0 8900 24 330 -19 11* 80 10 7200 19 280 -20 12 70 20 3900 10 180 -28 13 60 30 3000 9 160 -29 Comme le montre le tableau 3, les échantillons n 10 et 1 qui ne sont pas conformes à la présente invention n'ont pas permis de produire des dispositifs à ondes hyperfréquences ayant de faibles pertes d'insertion, une courte durée de réponse transitoire et une faible puissance électrique d'entrée saturée. Au contraire, les échantillons 12 et 13 conformes à la présente invention ont permis de produire des dispositifs à ondes hyperfréquences ayant de faibles pertes d'insertion, une courte durée de réponse transitoire et une faible puissance électrique d'entrée saturée. Exemple 4 On a utilisé un substrat de Gd3Ga5Ol2 comme substrat pour former une couche mince monocristalline de grenat magnétique par épitaxie en phase liquide. Puis, on a utilisé comme matières premières Fe203, Y203 et B203 en des quantités de 7,5 % en masse, 0,5 % en masse et 2,0 % en masse, respectivement, ainsi que PbO, PbF2 et MoO3 en les quantités indiquées dans le tableau 4 ci- dessous. Puis, on a mélangé toutes les matières premières, on les a introduites dans un creuset en platine maintenu dans un four électrique vertical, on les a homogénéisées à une température de 1200 C et on les a fait fondre. On a maintenu la masse fondue à une température de 910 C de manière que le grenat soit sursaturé. Puis, on a plongé le substrat de Gd3Ga5O12 dans la masse fondue et on l'a fait tourner pendant une durée prédéterminée. Ensuite, on a retiré le substrat de la masse fondue et on l'a fait tourner à grande vitesse pour éliminer sous l'influence de la force centrifuge la masse fondue présente sur la couche mince monocristalline de grenat magnétique. On a ainsi formé une couche mince mono- cristalline de grenat magnétique de Y3F501O2 d'une épaisseur d'environ 10 pm. On a produit des dispositifs à ondes hyperfréquences 10 en utilisant les couches minces monocristallines de grenat magnétique obtenues, et on a mesuré les pertes d'insertion, la durée de réponse transitoire et la puissance électrique d'entrée saturée. De plus, on a mesuré la teneur en Pb des couches minces mono- cristallines de grenat magnétique obtenues. Les résultats correspondants sont présentés dans le tableau 4 ci-dessous. Dans le tableau 4, les échantillons comportant un astérisque ne sont pas conformes à la présente invention. Tableau 4 Teneur Teneur Teneur Teneur en Pb de Durée de Puissance Echan- en PbO en PbF2 en MoO3 la couche Pertes réponse d'entrée tillon n (%c en (% en (%c en mince d'insertion transitoire saturée masse) masse) masse) (ppm en (dB) (ns) (dBm) masse) 14* 85 5 0 6400 23 300 -16 * 75 5 10 6000 20 260 -17 16 65 S 20 2100 9 200 -25 17 55 5 30 1800 7 170 -27 Comme le montre le tableau 4, les échantillons n 14 et 15 qui ne sont pas conformes à la présente invention n'ont pas permis de produire des dispositifs à ondes hyperfréquences ayant de faibles pertes d'insertion, une courte durée de réponse transitoire et une faible puissance électrique d'entrée saturée. Au contraire, les échantillons 16 et 17 conformes à la présente invention ont permis de produire des dispositifs à ondes hyperfréquences ayant de faibles pertes d'insertion, une courte durée de réponse transitoire et une faible puissance électrique d'entrée saturée. Ainsi, comme le montrent les exemples précédents, en réduisant la concentration en Pb d'une couche mince monocristalline de grenat magnétique à environ 4 000 ppm en masse ou moins, il est possible de limiter les pertes d'insertion à des valeurs ne dépassant pas 10 dB, la durée de réponse transitoire à des valeurs ne dépassant pas 200 ns et la puissance électrique d'entrée saturée a des valeurs ne dépassant pas -25 dBm. REVENDICATIONS 1. Couche mince monocristalline de grenat magnétique, caractérisée en ce qu'elle a une teneur en Pb comprise dans le domaine de 0 à environ 4 000 ppm en masse. 2. Couche mince monocristalline de grenat magnétique selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre du fer. 3. Couche mince monocristalline de grenat magnétique selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce qu'elle est obtenue par épitaxie en phase liquide. 4. Procédé de fabrication d'une couche mince monocristalline de grenat magnétique, caractérisé en ce qu'il comprend la croissance d'une couche mince monocristalline de grenat magnétique par épitaxie en phase liquide et l'emploi d'un fondant à base de PbO (a) à une température au moins égale à environ 940 C et/ou (b) ayant une teneur en un composé de Pb, exprimée en PbO, d'au plus environ 70 % en masse. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite couche mince monocristalline de grenat magnétique comprend en outre du fer. 6. Dispositif à ondes hyperfréquences, caractérisé en ce qu'il comprend une couche mince monocristalline de grenat magnétique (12) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 et un substrat (14).