YIG単結晶薄膜を用いたマイクロインダクタの超高周波特性とその理論的解析

近年半導体を始め種々の電子デバイスの集積化が著しく進歩し、電子機器の小型化・軽量化が急速に実現しつつある。しかしインダクタンスを含む回路は集積化から取り残されている。このような状況に対し、最近高性能磁性薄膜の研究も大きな進展を見せ、微細加工技術を併用して小型で高周波帯域で使用可能なマイクロインダクタの開発が試みられるようになってきた。本研究は優れた絶縁特性を有し、超高周波帯域でも高い透磁率を示すことで知られる化学量論的組成を持つYIG単結晶の薄膜を、GGG基板上に厚さ約50μm程度エピタキシャル成長させ、薄膜面上に直接銅の平面コイルを微細加工技術を駆使して構成することにより、超高周波帯でも高いインダクタンス値を示す新型のマイクロインダクタを実現するとともにその設計指針を明らかにし、更にこれに関連する測定技術、高周波解析技術等についても併せて開発することを目的とした。その結果、まず導体幅30μm、導体厚1μm、導体間隔20μmの15往復のつづら折れコイルを膜厚20μm以上のYIGでサンドイッチした構造の磁性薄膜インダクタでは1μHに匹敵する高いインダクタンスが得られることを明らかにした。これはつづら折れコイルを用いた薄膜インダクタとしては極めて大きな値である。次いで、薄膜インダクタ中の磁束分布を簡便に表示可能なT型及びπ型等価回路を導出し、YIG単結晶膜による磁性薄膜インダクタのみならず、合金磁性薄膜インダクタについても適用可能であることを実験との対比から確認した。最後に以上の結果に基づき、YIG単結晶薄膜を用いたマイクロインダクタにおける特性の理論限界を求め、1mm角の大きさで、インダクタンスが0.5μH、100MHzにおけるQが100以になるとの注目すべき予測結果を得た。以上のように本研究は、ほぼ所期の目的を達成することができた。

近年半導体を始め種々の電子デバイスの集積化が著しく進歩し、電子機器の小型化・軽量化が急速に実現しつつある。しかしインダクタンスを含む回路は集積化から取り残されている。このような状況に対し、最近高性能磁性薄膜の研究も大きな進展を見せ、微細加工技術を併用して小型で高周波帯域で使用可能なマイクロインダクタの開発が試みられるようになってきた。本研究は優れた絶縁特性を有し、超高周波帯域でも高い透磁率を示すことで知られる化学量論的組成を持つYIG単結晶の薄膜を、GGG基板上に厚さ約50μm程度エピタキシャル成長させ、薄膜面上に直接銅の平面コイルを微細加工技術を駆使して構成することにより、超高周波帯でも高いインダクタンス値を示す新型のマイクロインダクタを実現するとともにその設計指針を明らかにし、更にこれに関連する測定技術、高周波解析技術等についても併せて開発することを目的とした。その結果、まず導体幅30μm、導体厚1μm、導体間隔20μmの15往復のつづら折れコイルを膜厚20μm以上のYIGでサンドイッチした構造の磁性薄膜インダクタでは1μHに匹敵する高いインダクタンスが得られることを明らかにした。これはつづら折れコイルを用いた薄膜インダクタとしては極めて大きな値である。次いで、薄膜インダクタ中の磁束分布を簡便に表示可能なT型及びπ型等価回路を導出し、YIG単結晶膜による磁性薄膜インダクタのみならず、合金磁性薄膜インダクタについても適用可能であることを実験との対比から確認した。最後に以上の結果に基づき、YIG単結晶薄膜を用いたマイクロインダクタにおける特性の理論限界を求め、1mm角の大きさで、インダクタンスが0.5μH、100MHzにおけるQが100以になるとの注目すべき予測結果を得た。以上のように本研究は、ほぼ所期の目的を達成することができた。