(57)【要約】【課題】光の減衰を低減すること。【解決手段】転移デバイス１は、基板７から順に、下部電極３、絶縁膜４、転移層５、上部電極６の順に積層した積層構造を成している。下部電極３の電位が上部電極６の電位より高くなると、トンネル電流が流れる。これにより、転移層５は、半導体性から金属性に転移する。下部電極３の電位が下部電極６の電位と同じになると、転移層５が、金属性から半導体性に転移する。転移層５は、金属性の場合には高反射率であり、半導体性の場合には低反射率である。転移層５が画素又はセグメント表示要素として配列されていれば、反射型表示装置が提供される。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧印加手段と、
前記電圧印加手段から印加された電圧により半導体性と金属性との間を転移する転移層とを備えることを特徴とする転移デバイス。
【請求項２】
前記電圧印加手段と前記転移層との間に絶縁層が介在することを特徴とする請求項１に記載の転移デバイス。
【請求項３】
前記転移層は、前記電圧印加手段からの順バイアスにより半導体性から金属性に転移され、
前記電圧印加手段からの逆バイアスにより金属性から半導体性に転移され、
前記電圧印加手段と前記転移層を等電位とすることによって転移されないことを特徴とする請求項１又は２に記載の転移デバイス。
【請求項４】
荷重が加わることにより半導体性と金属性との間を転移する転移層と、
前記転移層に荷重を加える荷重付与手段と、を備えることを特徴とする転移デバイス。
【請求項５】
前記荷重付与手段は、正電圧又は負電圧のうちの一方が印加されると前記転移層に圧縮荷重を加え、正電圧又は負電圧のうちの他方が印加されると前記転移層に引張荷重を加え、正電圧及び負電圧の何れもが印加されないと前記転移層に荷重を与えず、
前記荷重付与手段によって前記転移層に圧縮荷重が加えられると前記転移層が半導体性から金属性に転移され、
前記荷重付与手段によって前記転移層に引張荷重が加えられると前記転移層が金属性から半導体性に転移され、
前記荷重付与手段によって前記転移層に荷重が加えられないと前記転移層が転移されないことを特徴とする請求項４に記載の転移デバイス。
【請求項６】
前記転移層にＳｍＳ又はＳｍ（１−α）ＧｄαＳ（但し、αはゼロを越え１未満である。）が含まれることを特徴とする請求項１から５の何れかに記載の転移デバイス。
【請求項７】
可逆的に水素を吸蔵・放出しうる水素貯蔵層と、
前記水素貯蔵層上に形成され、水素イオンを伝導する水素イオン伝導膜と、
前記水素イオン伝導膜上に形成され、金属を含有する転移層と、を備え、
前記水素貯蔵層と前記転移層との間に印加される電圧に依存して、前記転移層が金属から金属水素化物との間で可逆的に転移されることを特徴とする転移デバイス。
【請求項８】
前記転移層に含まれる金属がイットリウムであることを特徴とする請求項７に記載の転移デバイス。
【請求項９】
請求項１から８の何れか一項に記載の転移デバイスの前記転移層が画素又はセグメント表示要素として配列されていることを特徴とする表示装置。
【請求項１０】
請求項３又は５に記載の転移デバイスの前記転移層がメモリセルとして形成されていることを特徴とするメモリ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属性と半導体性との間を可逆的に転移させる転移バイス、金属を水素化・脱水素化させる転移デバイス並びに前記転移デバイスを用いた表示装置及びメモリ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、コンピュータ、携帯電話機、情報家電機器、液晶ディスプレイ等に代表されるエレクトロニクス機器が益々多機能・高機能・高性能化されるとともに複雑なシステムとして変貌を遂げている。このようなエレクトロニクス機器の出現と進歩を可能にするために、エレクトロニクス機器を構成するトランジスタ等といった単位デバイスの開発・研究が進められている。
【０００３】
液晶ディスプレイを構成する単位デバイスとして液晶デバイス（ＬＣＤ）が知られている。液晶デバイスは、透明電極、配向板、液晶層、配向板、対向電極の順に積層した積層構造を成している。液晶デバイスでは、透明電極と対向電極との間の電圧レベルが制御されることで液晶層の配向が変化し、液晶層の配向の変化及び偏光板の偏光作用によって液晶パネルを透過する光の透過率が変化する。
【０００４】
また、液晶デバイスの代替として、特開平７−１０４３２３号公報に記載された光シャッタデバイスがある。この光シャッタデバイスは、下部透明電極、電荷秩序−無秩序転移層（例えば、Ｙｂ４Ａｓ３、Ｓｍ４Ｂｉ３、Ｅｕ４Ａｓ３、Ｅｕ３Ｓ４）、絶縁層、上部透明電極の順に積層した積層構造を成している。この光シャッタデバイスでは、下部透明電極と上部透明電極との間の電圧レベルが制御されることで電荷秩序−無秩序転移層が電荷秩序状態−電荷無秩序状態に可逆的に転移し、その転移によってプラズマ端の電磁波振動数が変化し、プラズマ端の変化によって電荷秩序−無秩序転移層の透過率が変化する。
【０００５】
液晶デバイス又は光シャッタデバイスを反射型表示装置に用いる場合には、光を反射する鏡面を必要とする。液晶デバイスの場合には対向電極を光反射性としたり、透明な対向電極に鏡面を対向配置したりすれば、液晶デバイスを反射型表示装置に用いることができる。光シャッタデバイスの場合には下部電極又は上部電極に鏡面を対向配置すれば、光シャッタデバイスを反射型表示装置に用いることができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
液晶デバイスであっても、光シャッタデバイスであっても反射型表示装置に用いる場合には、光の透過率を変化させることで反射率を間接的に変化させている。つまり、偏光板や位相差板のように可視光での透過率が比較的低い層を含むいくつかの層を光が透過し、鏡面でその光が反射し、再びいくつかの層を反射光が透過する。従って、光が層を透過している際に光が減衰し、表示画面が暗かったり、表示画面のコントラストが低くかったりする。
そこで、本発明の課題は、光の減衰を低減することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するために、請求項１に記載の発明に係る転移デバイスは、例えば図１に示すように、
電圧印加手段（例えば、下部電極３）と、
前記電圧印加手段から印加された電圧により半導体性と金属性との間を転移する転移層（例えば、転移層５）と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
請求項１に記載の発明では、電圧印加手段により電圧が印加されると、転移層から電子が放出されるか或いは転移層内に電子が局在化するために、少なくとも転移層の一部が電子欠損状態となり、転移層内の元素の価数が変わって転移層が半導体性から金属性に転移し、転移層が高反射率になる。
【０００９】
転移層の転移は可逆的であり、電圧印加手段からの電圧が解除されたり、電圧の向きが逆になったりすることによって、転移層の電子欠損が無くなり、転移層が金属性から半導体性に転移する。転移層が半導体性に転移すると、転移層が低反射率になる。
【００１０】
このように、本発明では、電圧印加手段により転移層周囲の電圧を制御することで転移層の反射率を変化させることができる。つまり、この転移デバイスは電気的な制御で光学的な制御を行うことができるものである。
【００１１】
電気的制御によって転移層を高反射率−低反射率に変化させることができるので、転移層が画素又はセグメント表示要素として配列されていれば、転移デバイスを用いた表示装置が提供される。転移デバイスの転移層を画素又はセグメント表示要素として用いれば、転移層自体が光を反射することから、画素又はセグメント表示要素が明るいときと画素又はセグメント表示要素が暗いときとの光の強度差が顕著に表れ、表示画面が高コントラストである。
【００１２】
また、転移層自体で反射率が変化しているので、光を効率よく用いることができる。つまり、外部からの光はいくつかの層を透過せずとも、転移層に入射し、転移層で光が反射するため、光の減衰が従来の液晶デバイスや光シャッタデバイスに比較しても低減することが可能となる。更に、液晶デバイスは液晶層を透過しているため視角依存性が高いが、転移デバイスは転移層自体で光が反射しているため、液晶デバイスに比較しても視角依存性が低い。
【００１３】
ここで、電圧印加手段と転移層との間に絶縁層が介在してもよく、絶縁層の厚さが１００Å（オングストローム）未満であれば、電子が絶縁層を通過しやすく、トンネル効果が効率よく発生する。また、転移層がＳｍＳ又はＳｍ（１−α）ＧｄαＳ（但し、αはゼロを越え１未満である。）であっても良い。
【００１４】
また、転移層が転移層と電圧印加手段との間の電圧に依存して金属−半導体に可逆的に転移するが、金属−半導体の転移が電圧に対してヒステリシスをもって転移することもある。つまり、転移層は、電圧印加手段からの順バイアスにより半導体性から金属性に転移され、電圧印加手段からの逆バイアスにより金属性から半導体性に転移され、電圧印加手段と転移層を等電位とすることによって転移されない。
【００１５】
転移層は金属性である場合より半導体性である場合のほうが抵抗率がより高く、転移層はヒステリシスをもって金属−半導体に転移する。転移層がメモリセルとして形成されていれば、転移デバイスを用いたメモリ装置が提供される。なお、転移層をメモリセルとして用いた場合、転移層が低抵抗率の金属性に転移したことが『０』又は『１』の一方を書き込んだことであり、転移層が高抵抗率の半導体性に転移したことが他方を書き込んだことである。そして、転移層と電圧印加手段が等電位になった時が記憶保持状態である。したがって無電圧、つまり電力を消費することなく前の状態を維持することが可能となる。これは表示装置における静止画にも応用可能である。
【００１６】
また、請求項４に記載の発明に係る転移デバイスは、例えば図５に示すように、
荷重が加わることにより半導体性と金属性との間を転移する転移層（例えば、転移層２１）と、
前記転移層に荷重を加える荷重付与手段（例えば、圧電素子２３，２４）と、を備える。
【００１７】
請求項４に記載の発明では、荷重付与手段によって荷重が転移層に与えられると、転移層は荷重に依存して半導体性と金属性との間を可逆的に転移する。転移層が金属性に転移すると、転移層が高反射率になり、転移層が半導体性に転移すると、転移層が低反射率になる。
【００１８】
このように、本発明では、荷重付与手段を制御することで転移層の反射率を変化させることができる。特に、転移層自体で反射率が変化しているので、光を効率よく用いることができる。つまり、外部からの光はいくつかの層を透過せずとも、転移層に入射し、転移層で光が反射するため、光の減衰が従来の液晶デバイスや光シャッタデバイスに比較しても低減している。更に、転移層自体で光が反射しているため、転移デバイスは液晶デバイスに比較しても視角依存性が低い。
【００１９】
また、転移層は荷重に依存して金属性−半導体性に可逆的に転移するが、金属−半導体の転移が荷重に対してヒステリシスをもっていることもある。つまり、荷重付与手段によって転移層に圧縮荷重が加えられると転移層が金属性に転移され、荷重付与手段によって前記転移層に引張荷重が加えられると転移層が半導体性に転移され、荷重付与手段によって転移層に荷重が加えられないと転移層が転移されない。ここで、荷重付与手段は、正電圧又は負電圧のうちの一方が印加されると転移層に圧縮荷重を加え、正電圧又は負電圧のうちの他方が印加されると転移層に引張荷重を加え、正電圧及び負電圧の何れもが印加されないと転移層に荷重を与えないように設定されてもよい。
【００２０】
転移層は金属性である場合より半導体性である場合のほうが抵抗率がより高く。従って、転移層がメモリセルとして形成されていれば、転移デバイスを用いたメモリ装置が提供される。
【００２１】
また、転移層を高反射率−低反射率に変化させることができるので、転移層が画素又はセグメント表示要素として配列されていれば、転移デバイスを用いた表示装置が提供される。転移層自体が光を反射することから、画素又はセグメント表示要素が明るいときと画素又はセグメント表示要素が暗いときとの光の強度差が顕著に表れ、表示画面が高コントラストである。
【００２２】
また、請求項７に記載の発明に係る転移デバイスは、例えば図６に示すように、
可逆的に水素を吸蔵・放出しうる水素貯蔵層（例えば、水素貯蔵電極５６）と、
前記水素貯蔵層上に形成され、水素イオンを伝導する水素イオン伝導膜（例えば、水素イオン伝導膜５４）と、
前記水素イオン伝導膜上に形成され、金属を含有する転移層（例えば、転移層５５）と、を備え、
前記水素貯蔵層と前記転移層との間に印加される電圧に依存して、前記転移層が金属から金属水素化物との間で可逆的に転移されることを特徴とする。
【００２３】
請求項７に記載の発明では、水素貯蔵層と転移層との間に印加される電圧に依存して、水素貯蔵層と転移層との間で水素が交換される。つまり、水素貯蔵層が転移層より高電位になると、転移層が脱水素化され、水素イオンが水素イオン伝導膜を通過し、水素貯蔵層が水素を吸蔵する。一方、転移層が水素貯蔵層より高電位になると、水素貯蔵層が水素を放出し、転移層が水素化される。転移層には金属が含有されており、転移層が水素化すると転移層が低反射率の金属水素化物に転移し、転移層が脱水素化すると転移層が高反射率の金属単体に転移する。
【００２４】
このように、本発明では、水素貯蔵層と転移層との間の電圧を制御することで転移層の反射率を変化させることができる。つまり、この転移デバイスは電気的な制御で光学的な制御を行うことができるものである。
【００２５】
特に、転移層自体で反射率が変化しているので、光を効率よく用いることができる。つまり、外部からの光はいくつかの層を透過せずとも、転移層に入射し、転移層で光が反射するため、光の減衰が従来の液晶デバイスや光シャッタデバイスに比較しても低減している。更に、転移層自体で光が反射しているため、液晶デバイスや光シャッタデバイスに比較しても視野角を広くすることができる。
【００２６】
また、電気的制御によって転移層を高反射率−低反射率に変化させることができるので、転移層が画素又はセグメント表示要素として配列されていれば、転移デバイスを用いた表示装置が提供される。転移デバイスの転移層を画素又はセグメント表示要素として用いれば、転移層自体が光を反射することから、画素又はセグメント表示要素が明るいときの反射光の強度と、画素又はセグメント表示要素が暗いときの反射光の強度との差が顕著に表れ、表示画面が高コントラストである。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を用いて本発明の具体的な態様について説明する。ただし、発明の範囲を図示例に限定するものではない。
【００２８】
〔第一の実施の形態〕
図１は転移デバイス１を示した断面図である。図１に示すように、転移デバイス１は、下部電極３と、絶縁層４と、転移層５と、上部電極６と、を備え、基板７上に設けられている。
【００２９】
基板７は、石英ガラス等といったガラス基板又はポリカーボネート等といったプラスチック基板であり、透明であっても良いし不透明であっても良い。
【００３０】
基板７上には透明な下部電極３が成膜されている。下部電極３は、金属又は合金であり、導電性を有している。
【００３１】
下部電極３上に絶縁層４が成膜されている。絶縁層４は、電気的に絶縁性を有し、例えば窒化シリコン又は酸化シリコンからなる。
【００３２】
絶縁層４上に転移層５が成膜されている。転移層５は、希土類に含まれる元素（スカンジウム、イットリウム及びランタノイド系の１５元素）とカルコゲン元素（酸素、硫黄、セレン、テルル、ポロニウム）とがほぼ一対一の組成比で化合してなる化合物（希土類モノカルコゲナイド）で形成されており、例えばＳｍＳ（硫化サマリウム）で形成されている。また、希土類元素が一種類でなくてもよく、例えばＳｍ（１−α）ＧｄαＳ（但し、０＜α＜１）のように、複数の希土類元素と酸素族元素が一対一の組成比で化合していれば良い。
【００３３】
ここで、転移層５の構成物である希土類モノカルコゲナイドは、通常（常温及び常圧であり、電界の印加されていない状態）では半導体としての性質を有する。一方、転移層５に正孔が注入されると、希土類モノカルコゲナイドが金属としての性質を有する。希土類モノカルコゲナイドが金属−半導体に転移するが、この転移は可逆となっているので金属性である希土類モノカルコゲナイドに電子が注入されると、希土類モノカルコゲナイドが金属性から半導体性に転移する。
【００３４】
このような転移は、希土類モノカルコゲナイドを構成する希土類元素の価数が変化することによって引き起こされると考えられている。希土類モノカルコゲナイドとしてＳｍＳの場合には、通常Ｓｍは＋２価であり、Ｓは−２価であるが、ＳｍＳに正孔が注入されると、Ｓｍが＋３価になる。
【００３５】
希土類モノカルコゲナイドは金属−半導体に転移するが、金属性の場合と半導体性の場合とでは電気伝導性が異なる。つまり、希土類モノカルコゲナイドは金属性の場合には抵抗率が低く、半導体性の場合には抵抗率が高い。希土類モノカルコゲナイドとしてＳｍＳの場合には、半導体性の場合には抵抗率が１０〔ｍΩ・ｍ〕程度であり、金属性の場合には抵抗率が０．１〔ｍΩ・ｍ〕程度である。
【００３６】
また、希土類モノカルコゲナイドは金属−半導体に転移するが、金属性の場合と半導体性の場合とでは電磁波（光）に対しての反射特性が異なる。図２には、ＳｍＳが半導体性である場合の電磁波の反射率と電磁波の波長との関係が示されているとともに、ＳｍＳが金属性である場合の電磁波の反射率と電磁波の波長との関係が示されている。図２において、横軸は、ＳｍＳに入射した電磁波の波長を示し、縦軸は、ＳｍＳに入射した電磁波の反射率を示す。なお、電磁波の波長が電磁波のエネルギーに反比例するから、横軸は電磁波のエネルギーも示す。
【００３７】
図２に示すように、ＳｍＳが金属性である場合では、反射率が急激に低下している波長領域があるが、反射率の極小値をプラズマ端という。ＳｍＳが金属性である場合では、プラズマ端の波長は可視光領域（おおよそ３８０ｎｍ〜７８０ｎｍ）に含まれている。ＳｍＳが金属性である場合には、入射する波長がプラズマ端より長波長であるときに反射率が高い。ＳｍＳが半導体性に転移するとプラズマ端の波長も変化し、図２のグラフの波長領域では反射率が約１０％以下に低くなる。図２のグラフの波長領域では、金属性であるＳｍＳは、半導体性であるＳｍＳよりも全体として反射率が高い。
【００３８】
転移層５上に透明な上部電極６が成膜されている。上部電極６は、導電性を有する。
【００３９】
以上の転移デバイス１を駆動するためには、転移デバイス１にスイッチング素子９を接続し、転移デバイス１に印加する電圧をオン・オフすることをスイッチング素子９で行えば良い。詳細には、上部電極６を直流電圧源８の負極に接続し、直流電圧源８の正極をスイッチング素子９に接続し、スイッチング素子９を下部電極３に接続し、上部電極６、直流電圧源８、スイッチング素子９及び下部電極３を直列にする。スイッチング素子９としては、ゲートに印加される電圧によってオン・オフする電界効果トランジスタ等を用いることができる。
【００４０】
なお、以下では、下部電極３が上部電極６より高電位の場合を順バイアス電圧といい、上部電極６が下部電極３より高電位の場合を逆バイアス電圧という。
【００４１】
次に、本実施形態の作用について説明する。
スイッチング素子９をオン状態にすると、順バイアス電圧が下部電極３と上部電極６との間に印加され、下部電極３が正電位になるために、トンネル効果で転移層５の電子が絶縁層４を通過して下部電極３へ移動する、或いは転移層５における絶縁層４との界面近傍に電子が局在化することによって、転移層５の少なくとも上部電極６側では電子が欠損し、結果として転移層５に正孔が注入される。そのため、転移層５が金属性に転位する。転移層５がＳｍＳである場合、スイッチング素子９をオン状態にすることによって、Ｓｍの一部が＋２価から＋３価になって、ＳｍＳが金属性に転移する。
【００４２】
一方、スイッチング素子９をオフ状態にすると、転移層５と下部電極３との間の電圧がゼロになり、転移層５の電子欠損が無くなり、転移層５が半導体性に転移する。転移層５がＳｍＳである場合、スイッチング素子９をオフ状態にすることによって、Ｓｍが＋３価から＋２価になって、ＳｍＳが半導体性に転移する。
【００４３】
上部電極６と下部電極３との間に電圧が印加されることで、トンネル電流が良好に流れるためには、絶縁層４の厚さを比較的薄くした方が望ましく、絶縁層４の厚さが１００Å未満であるのが望ましく、更に望ましくは１０Å以上１００Å未満であるのが良い。なお、上部電極６がなくても良く、その場合には転移層５が電極を兼ねて、転移層５に直流電圧源８の負極が接続されることなる。
【００４４】
以上のような転移デバイス１を反射型表示装置に用いることができる。図２に示したように、希土類モノカルコゲナイドが半導体性である場合には可視光領域で電磁波の反射率が低く、希土類モノカルコゲナイドが金属性である場合には可視光領域で電磁波の反射率が高い。従って、転移層５の反射率の高低をスイッチング素子９のオン・オフで制御すると、転移層５を画素又はセグメント表示要素として使用することができる。
【００４５】
転移デバイス１を反射型表示装置に用いる場合には、下部電極３、上部電極６を透明電極としているので、上部電極６の上方から転移デバイス１を見ることで、転移層５の反射率の変化を認識することができる。つまり、スイッチング素子９がオン状態になると転移層５が高反射率になるため、転移層５を明るく認識することができ、一方、スイッチング素子９がオフ状態になると転移層５が低反射率になるため、転移層５を暗く認識することができる。従って、転移層５を画素又はセグメント表示要素として配列すれば、上部電極６側が表示面となる反射型表示装置が提供される。
【００４６】
逆に、絶縁層４、下部電極３及び基板７が透明であれば、基板７の下方から転移デバイス１を見ることで、転移層５の反射率の変化を認識することができる。従って、転移層５を画素又はセグメント表示要素として配列すれば、基板７側が表示面となる反射型表示装置が提供される。
また基板７の下方に光源を配置させ、転移層５の反射率の変化により光源から上部電極６側への光の出射率を変化させることで表示させることも可能である。
【００４７】
透明電極である下部電極３及び上部電極６は、その成分は、例えば錫−インジウム酸化物（ＩＴＯ）、亜鉛−インジウム酸化物（ＩＺＯ）、酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）、酸化スズ（ＳｎＯ２）又は酸化亜鉛（ＺｎＯ）である。また、絶縁層４の成分が例えば窒化シリコン又は酸化シリコンであれば、絶縁層４は透明である。
【００４８】
転移デバイス１が基板７上にマトリクス状に配列されていれば、転移層５が画素となるマトリクス表示型の表示装置を提供することができ、転移デバイス１が基板７上に所定パターン状（例えば、８の字状）に配列されていれば、転移層５がセグメント表示要素となるセグメント表示型の表示装置を提供することができる。
【００４９】
特に転移層５自体で反射率が直接変化しているので、光を効率よく用いることができる。つまり、上部電極６側が表示画面となれば、外部からの光は上部電極６のみを透過し、転移層５に入射し、転移層５で光が反射するため、光の減衰が従来の液晶デバイスや光シャッタデバイスに比較しても低減している。また、基板７側が表示画面となれば、外部からの光は、基板７、下部電極３及び絶縁膜４のみを透過し、転移層５に入射し、転移層５で光が反射するため、光の減衰が従来の液晶デバイスや光シャッタデバイスに比較しても低減している。
【００５０】
また、反射光が殆ど減衰しないため、転移層５が金属性の時の反射光の強度と、転移層５が半導体性の時の反射光の強度との差が顕著になる。従って、コントラストの高い表示画面となる。
【００５１】
更に、転移層５自体で光が直接反射しているため、転移デバイス１は液晶デバイスに比較しても視角依存性が低い。つまり、液晶デバイスを反射型に用いた場合には、液晶層において光の透過率を変化させることで間接的に反射率を変化させているから、液晶デバイスは視角依存性が高いが、転移層５において光が反射しているため、転移デバイスは視覚依存性が低い。
【００５２】
ところで、転移層５を金属性から半導体性へ転移させる場合に、上述では上部電極６と下部電極３との間の電圧をゼロにしているが、上部電極６の電位が下部電極３の電位より高くなるように逆バイアス電圧を上部電極６及び下部電極３に印加しても良い。特に、転移層５の厚さや絶縁層４の厚さによっては、転移層５が金属性であるときに上部電極６と下部電極３との間の電圧がゼロになっても、転移層５が半導体性に転移しない場合がある。この場合には、上部電極６と下部電極３との間に逆バイアス電圧を印加すれば、転移層５が下部電極３より高電位になり、転移層５が金属性から半導体性に転移する。
【００５３】
この場合、図３に示された転移デバイス１のように、順バイアス電圧又は逆バイアス電圧のうちの何れか一方に切り替えるスイッチング素子１０をスイッチング素子９の代わりに設ければ良い。図３の転移デバイス１では、直流電圧源８に並列になって直流電圧源１１が設けられているが、直流電圧源１１の正極が上部電極６に接続され、直流電圧源１１の負極がスイッチング素子１０に接続されている。上部電極６、直流電圧源８、スイッチング素子１０及び下部電極３が直列になっているとともに、上部電極６、直流電圧源１１、スイッチング素子１０及び下部電極３が直列になっている。
【００５４】
図３の転移デバイス１では、スイッチング素子１０が直流電圧源８に切り替わると、順バイアス電圧が下部電極３と上部電極６との間に印加され、下部電極３が転移層５より高電位となる。トンネル効果によって転移層５の電子が絶縁層４を通過して下部電極３へ移動するので、トンネル電流が流れる。従って、転移層５が金属性に転位する。
【００５５】
一方、スイッチング素子１０が直流電圧源９に切り替わると、逆バイアス電圧が下部電極３と上部電極６との間に印加され、転移層５が下部電極より高電位となり、転移層５に電子が注入される。そのため、転移層５が半導体性に転移する。
【００５６】
また、スイッチング素子１０がオフ状態となって直流電圧源８，９にも切り替わらない場合、下部電極３と上部電極６との間に電圧が印加されず、下部電極３と上部電極６が等電位になる。この場合には、希土類モノカルコゲナイドの転移がヒステリシスをもっているから、転移層５が以前の状態を維持する。
【００５７】
つまり、スイッチング素子１０が直流電圧源８の接続からオフ状態になった場合には転移層５は金属性のままであり、スイッチング素子１０が直流電圧源９の接続からオフ状態になった場合には転移層５は半導体性のままである。
【００５８】
勿論、図３の転移デバイス１についても、転移層５が画素又はセグメント表示要素として配列されることで、図３の転移デバイス１を反射型表示装置に用いることができる。
【００５９】
また、転移層５がヒステリシスをもって金属−半導体に転移する場合には、図３の転移デバイス１をランダムアクセスメモリ（メモリ装置）に用いることができる。
【００６０】
上述したように、希土類モノカルコゲナイドが半導体性である場合には抵抗率が高く、半導体性である場合に比較して希土類モノカルコゲナイドが金属性である場合には抵抗率がより低い。従って、例えば図４に示すように転移層５を可変抵抗とみなし、電界効果トランジスタ１２のソースとドレインのうちの一方とアース１３との間に転移層５を直列に接続することで、転移層５がメモリセルとして形成されたランダムアクセスメモリを提供することができる。
【００６１】
ランダムアクセスメモリにおいては、複数のビット線１５，１５，…が互いに平行に配列され、ビット線１５に対して垂直な複数のワード線１４，１４，…が互いに平行に配列されている。ワード線１４に電界効果トランジスタ１２のゲートが接続され、電界効果トランジスタ１２のソースとドレインのうちの他方がビット線１５に接続されている。
【００６２】
以上のようなランダムアクセスメモリを書き込み駆動するためには、全てのメモリセル（つまり、転移層５）を順次走査する。走査されたメモリセルに「０」を書き込む場合には、スイッチング素子１０が直流電圧源８に切り替わり、上部電極６と下部電極３との間に順バイアス電圧を印加する。これにより、下部電極３が転移層５より高電位になり、転移層５が金属性に転位する。走査されたメモリセルに「１」を書き込む場合には、スイッチング素子１０が直流電圧源９に切り替わり、上部電極６と下部電極３との間に逆バイアス電圧を印加する。これにより、転移層５が下部電極３より高電位になり、転移層５が半導体性に転移する。走査されていないメモリセルに記憶保持している場合には、スイッチング素子１０がオフ状態となるから、上部電極６と下部電極３との間の電圧がゼロとなり、転移層５が転移しない。
【００６３】
以上のようなランダムアクセスメモリを読み込み駆動するためには、全てのワード線１４，１４，…を順次走査する。走査されたワード線１４に接続された電界効果トランジスタ１２がオン状態になり、オン状態の電界効果トランジスタ１２を通じて転移層５及びビット線１５に電流が流れる。ここで、ワード線１４，１４，…の電圧が定電圧である場合には、転移層５が金属性のときには（つまり、メモリセルに「０」が書き込まれたときには）電流が大きく、転移層５が半導体性のときには（つまり、メモリセルに「１」が書き込まれたときには）電流が小さい。従って、それぞれのワード線１４に流れる電流の大きさを検知すれば、メモリセルに「０」が書き込まれているか、メモリセルに「１」が書き込まれているかを読み取ることができる。
【００６４】
なお、走査されたメモリセルの「０」・「１」と、順バイアス電圧・逆バイアス電圧との関係は逆であっても良い。つまり、走査されたメモリセルに「０」を書き込む場合に、上部電極６と下部電極３との間に逆バイアス電圧を印加して、走査されたメモリセルに「１」を書き込む場合に、上部電極６と下部電極３との間に順バイアス電圧を印加しても良い。
【００６５】
〔第二の実施の形態〕
第一の実施の形態では電気的に希土類モノカルコゲナイドを金属−半導体転移させていたが、第二の実施の形態では機械的に希土類モノカルコゲナイドを金属−半導体転移させる。
【００６６】
図５は、別の例の転移デバイス２０を示した図面である。図５に示すように、転移デバイス２０は、転移層２１と、ブラックマスク２２と、圧電素子２３，２４とを備え、基板２９上に設けられている。
【００６７】
基板２９は、石英ガラス等といったガラス基板又はポリカーボネート等といったプラスチック基板であり、透明である。
【００６８】
基板２９上に転移層２１が成膜されている。転移層２１は、上記第一の実施形態における転移層５と同一の成分である。従って、転移層２１は金属−半導体に転移し得る。
【００６９】
上述したように希土類モノカルコゲナイドは通常では半導体としての性質を有する。一方、希土類モノカルコゲナイドに圧縮荷重が作用すると、希土類モノカルコゲナイドは金属性に転移する。希土類モノカルコゲナイドとしてＳｍＳの場合には、常圧がＳｍＳに作用すると、ＳｍＳは半導体としての性質を有し、ＳｍＳに６．５×１０５〔Ｐ〕以上の圧力が作用すると、ＳｍＳは金属としての性質を有する。図２に示したように、ＳｍＳが金属−半導体に転位することによって、プラズマ端の波長も変化する。なお、希土類モノカルコゲナイドが金属−半導体に転移するが、この転移は可逆となっており、希土類モノカルコゲナイドの圧縮荷重が除去されると、希土類モノカルコゲナイドは半導体性から金属性に転移する。
【００７０】
転移層２１の周囲においてブラックマスク２２が基板２９上に成層されている。ブラックマスク２２は遮光性を有する。
【００７１】
圧電素子２３，２４は、平面視して十字に交わっており、圧電素子２３，２４の交差部分が転移層２１に重なっている。圧電素子２３が圧電素子２４の下になっており、圧電素子２３がブラックマスク２２及び転移層２１上に形成されている。
【００７２】
圧電素子２３は、電極２５と電極２６との間に正電圧が印加されると下に曲がり、電極２５と電極２６との間に負電圧が印加されると上に曲がる。圧電素子２４も、電極２７と電極２８との間に正電圧が印加されると下に曲がり、電極２７と電極２８との間に負電圧が印加されると上に曲がる。なお、例えばブラックマスク２２と圧電素子２３，２４の間に隙間があることで、ブラックマスク２２があっても圧電素子２３，２４は下に曲がることができるようになっている。
【００７３】
スイッチング素子３０がオン状態になると、電極２５と電極２６との間に正電圧が印加され、スイッチング素子３０がオフ状態になると、電極２５と電極２６との間の電圧がゼロになる。同様に、スイッチング素子３１がオン状態になると、電極２７と電極２８との間に正電圧が印加され、スイッチング素子３１がオフ状態になると、電極２５と電極２６との間の電圧がゼロになる。
【００７４】
次に、本実施形態の作用について説明する。
スイッチング素子３０，３１をオン状態にすると、圧電素子２３，２４が下に曲がり、転移層２１に圧縮荷重が作用する。そのため、転移層２１に含まれた希土類モノカルコゲナイドが半導体性から金属性に転移する。
【００７５】
一方、スイッチング素子３０，３１をオフ状態にすると、圧電素子２３，２４の曲げがなくなり、転移層２１に荷重が作用しない。従って、転移層２１が金属性から半導体性に転移する。
【００７６】
以上のような転移デバイス２０は、反射型表示装置に用いることができる。図２に示したように、希土類モノカルコゲナイドが半導体性である場合には可視光領域で反射率が低く、希土類モノカルコゲナイドが金属性である場合には可視光領域で反射率が高い。
【００７７】
従って、転移層２１を画素又はセグメント表示要素として配列すれば、反射型表示装置が提供される。転移デバイス２０を基板２９上にマトリクス状に配列すれば、転移層２１が画素となるマトリクス表示型の反射型表示装置を提供することができ、転移デバイス２０が所定パターン状（例えば、８の字状）に配列されていれば、転移層２１がセグメント要素となるセグメント表示型の表示装置を提供することができる。
【００７８】
マトリクス表示型であってもセグメント表示型であっても、転移層２１に圧縮荷重が作用されている場合に転移層２１が明るく見え、転移層２１に荷重が作用してない場合に転移層２１が暗く見える。
【００７９】
転移層２１自体で反射率が直接変化しているので、光を効率よく用いることができる。つまり、外部からの光は、基板２９のみを透過し、転移層２１に入射し、転移層２１で光が反射するため、光の減衰が従来の液晶デバイスや光シャッタデバイスに比較しても低減している。
【００８０】
更に、転移層２１自体で光が直接反射しているため、転移デバイス２０は液晶デバイスに比較しても視角依存性が低い。
【００８１】
また、マトリクス表示型であってもセグメント表示型であっても、基板２９が透明となることで、基板２９側から転移層２１の明暗を見ることができる。この場合、転移層２１の周囲に遮光性のブラックマスク２２が形成されているため、基板２９側から圧電素子２３，２４を見ることができず、圧電素子２３，２４の色及び反射率が画素又はセグメント表示要素の反射率に影響されない。また、転移層２１の周囲にブラックマスク２２が形成されているため、隣り合う転移層２１の区切りがはっきり表れ、高画質な反射型表示装置が提供される。
【００８２】
ところで、転移層２１を金属性から半導体性へ転移させる場合に、上述では転移層２１に作用する圧縮荷重を除荷しているが、圧縮荷重を除荷しただけでは転移層２１が金属性から半導体性に転移しない場合がある。この場合には、金属性の転移層２１に引張荷重を負荷すれば、転移層２１が金属性から半導体性に転移する。つまり、転移層２１の転移は荷重に対してヒステリシスをもっている。従って、引張荷重が作用された転移層２１から引張荷重を除荷しても、転移層２１が半導体性から金属性に転移しない。
【００８３】
転移層２１の転移がヒステリシスをもっている場合、転移層２１を金属性にするときは、スイッチング素子３０，３１に代えて図示しないスイッチング素子で電極２５と電極２６との間に正電圧を印加するようにするとともに、電極２７と電極２８との間に正電圧を印加するようにする。この状態からスイッチング素子がオフ状態になることによって、電極２５と電極２６との間の電圧がゼロになるとともに電極２７と電極２８との間の電圧がゼロになっても、転移層２１が金属性のままである。
【００８４】
一方、転移層２１を半導体性にするときは、スイッチング素子で電極２５と電極２６との間に負電圧を印加するようにするとともに、電極２７と電極２８との間に負電圧を印加するようにする。この状態からスイッチング素子がオフ状態になることによって、電極２５と電極２６との間の電圧がゼロになるとともに電極２７と電極２８との間の電圧がゼロになっても、転移層２１が半導体性のままである。
【００８５】
また、転移層２１がヒステリシスをもって金属−半導体に転移する場合には、転移デバイス２０をランダムアクセスメモリに用いることができる。転移デバイス２０をランダムアクセスメモリに用いる場合には、転移層２１をメモリセルとして形成する。つまり、転移層２１が半導体性である場合に比較して転移層２１が金属性である場合には抵抗率がより低いという性質を利用し、図４のように転移層２１を可変抵抗とみなすことで、転移層５に代えて転移層２１がメモリセルとなるランダムアクセスメモリを提供することができる。
【００８６】
ランダムアクセスメモリを書き込み駆動するためには、全てのメモリセル（つまり、転移層２１）を順次走査する。走査されたメモリセルに「０」を書き込む場合には、電極２５と電極２６との間に正電圧を印加するとともに、電極２７と電極２８との間に正電圧を印加すれば、転移層２１が金属性に転位する。走査されたメモリセルに「１」を書き込む場合には、電極２５と電極２６との間に負電圧を印加するとともに、電極２７と電極２８との間に負電圧を印加すれば、転移層２１が半導体性に転位する。走査されていないメモリセルに記憶保持している場合には、電極２５と電極２６との間の電圧をゼロとするとともに、電極２７と電極２８との間の電圧をゼロとすれば、転移層２１が転移せずに以前の状態を維持する。
【００８７】
ランダムアクセスメモリを読み込み駆動するためには、全てのワード線１４，１４，…を順次走査する。走査されたワード線１４に接続された電界効果トランジスタ１２がオン状態になり、オン状態の電界効果トランジスタ１２を通じて転移層２１及びビット線１５に電流が流れる。ここで、ワード線１４，１４，…の電圧が定電圧である場合には、転移層２１が金属性のときには（つまり、メモリセルに「０」が書き込まれた場合には）電流が大きく、転移層２１が半導体性のときには（つまり、メモリセルに「１」が書き込まれた場合には）電流が小さい。従って、それぞれのワード線１４に流れる電流の大きさを検知すれば、メモリセルに「０」が書き込まれているか、メモリセルに「１」が書き込まれているかを読み取ることができる。
【００８８】
〔第三の実施の形態〕
図６は、転移デバイス５０を示した断面図である。図６に示すように、転移デバイス５０は、水素貯蔵電極５３と、水素イオン伝導膜（水素イオン交換膜）５４と、転移層５５と、上部電極５６と、を備え、基板５７上に設けられている。
【００８９】
基板５７は、石英ガラス等といったガラスといったガラス基板又はポリカーボネート等といった基板であり、透明であっても良いし、不透明であっても良い。
【００９０】
基板５７上に水素貯蔵電極５３が成膜されている。水素貯蔵電極５３は、水素を可逆的に吸蔵（水素化）・放出（脱水素化）できる性質を有する。水素貯蔵電極５３としては、Ｍｇ系材料、Ｔｉ系材料、炭素系材料等がある。
【００９１】
水素貯蔵電極５３上に水素イオン伝導膜５４が成膜されている。水素イオン伝導膜５４は水素イオンを伝導できる固体電解質である。
【００９２】
水素イオン伝導膜５４上に転移層５５が形成されている。転移層５５の主成分は希土類金属であり、希土類金属は可逆的に水素化・脱水素化できる性質を有している。
【００９３】
希土類金属が水素化すると、希土類水素化物が生成される。希土類水素化物としては、二水素化物（ＲＨ２：Ｒは希土類元素）と三水素化物（ＲＨ３）のものが知られている。本実施形態では、希土類金属としてイットリウム（Ｙ）を用いるが、その他に二水素化する希土類金属を用いても良い。
【００９４】
希土類金属としてイットリウムの場合には、イットリウムが水素化するとイットリウム二水素化物（ＹＨβ：β≒１．７〜２．３）が生成される。イットリウム二水素化物が脱水素化すると、イットリウムが生成される。
【００９５】
希土類金属（単体）と希土類二水素化物とでは電磁波に対しての反射特性が異なる。特に可視光領域では、希土類金属は希土類二水素化物より反射率が低い。
【００９６】
図７には、イットリウムである場合の電磁波の反射率と電磁波のエネルギーとの関係が示されているとともに、イットリウム二水素化物である場合の電磁波の反射率と電磁波のエネルギーとの関係が示されている。図７において、横軸は、入射した電磁波のエネルギーを示し、縦軸は、入射した電磁波の反射率を示す。なお、電磁波のエネルギーが電磁波の波長に反比例するから、横軸は電磁波の波長も示す。
【００９７】
図７に示すように、イットリウムの場合には、プラズマ端の波長が可視光領域に含まれていないので、可視光領域においては電磁波の反射率が比較的高い。一方、イットリウム二水素化物の場合には、プラズマ端の波長が可視光領域又は可視光領域の近傍となるため、電磁波の反射率が非常に低い。
【００９８】
転移層５５上に上部電極５６が成膜されている。上部電極５６は、導電性を有する。なお、上部電極５６がなくても良く、その場合には転移層５５が電極を兼ねる。
【００９９】
初期状態では、水素貯蔵電極５３又は転移層５５の何れか一方が水素化し、他方が脱水素化しているのが望ましい。転移層５５に含まれる希土類金属がイットリウムの場合、初期状態で脱水素化している転移層５５を形成するには、アルゴン雰囲気下でスパッタリングを行えば良い。一方、初期状態で水素化している転移層５５を形成するには、アルゴン雰囲気下でスパッタリングを行うことで、６０ｎｍ／秒の成膜速度でイットリウム膜を成膜し、その後、５００ｐｐｍのアルゴン雰囲気下でイットリウム膜を３５０℃に加熱し、イットリウム膜を水素化することで、イットリウム二水素化物の転移層５５が形成される。
【０１００】
以上の転移デバイス５０を動作させるためには、転移デバイス５０にスイッチング素子６０を接続し、スイッチング素子６０に印加する順バイアス電圧・逆バイアス電圧をスイッチング素子６０で制御すれば良い。詳細には、直流電圧源５８の負極及び直流電圧源５９の正極を上部電極５６に接続し、直流電圧源５８の正極及び直流電圧源５９の負極をスイッチング素子６０に接続し、スイッチング素子６０を水素貯蔵電極５３に接続し、スイッチング素子６０で直流電圧源５８，５９を切り替えれば良い。なお、上部電極５６がない場合には、直流電圧源５８の負極を転移層５５に接続し、直流電圧源５９の正極を転移層５５に接続すれば良い。
【０１０１】
以下では、水素貯蔵電極５３が上部電極５６より高電位の場合を順バイアス電圧といい、上部電極５６が水素貯蔵電極５３より高電位の場合を逆バイアス電圧という。
【０１０２】
次に、本実施形態の作用について説明する。
スイッチング素子６０で直流電圧源５８に切り替わると、順バイアス電圧が水素貯蔵電極５３と上部電極５６との間に印加され、水素貯蔵電極５３が転移層５５より高電位となる。すると、水素貯蔵電極５３では脱水素反応が起き、水素イオンが水素貯蔵電極５３から転移層５５へと水素イオン伝導膜５４を通過し、転移層５５では水素化反応が起こる。従って、転移層５５の希土類金属が水素化し、転移層５５は希土類二水素化物に転移する。
【０１０３】
次いで、スイッチング素子６０で直流電圧源５９に切り替わると、逆バイアス電圧が水素貯蔵電極５３と上部電極５６との間に印加され、転移層５５が水素貯蔵電極５３より高電位となる。すると、転移層５５では脱水素反応が起き、水素イオンが転移層５５から水素貯蔵電極５３へと水素イオン伝導膜５４を通過し、水素貯蔵電極５３では水素化反応が起こる。従って、転移層５５の希土類二水素化物が脱水素化し、転移層５５は希土類金属に転移する。
【０１０４】
以上のような転移デバイス５０を反射型表示装置に用いることができる。図７に示したように、希土類金属単体の場合には可視光領域で電磁波の反射率が高く、希土類二水素化物である場合には可視光領域で電磁波の反射率が低い。従って、転移層５５の反射率をスイッチング素子６０の切り替えで制御すると、転移層５５を画素又はセグメント表示要素として使用することができる。
【０１０５】
転移デバイス５０を反射型表示装置に用いる場合には、下部電極５３、上部電極５６をＩＴＯといった透明電極にしているので、上部電極５６の上方或いは下部電極５３の下方から転移デバイス５０を見ることで、転移層５５の反射率の変化を認識することができる。つまり、スイッチング素子６０が直流電圧源５８に切り替わると転移層５５が高反射率になるため、転移層５５を明るく認識することができ、一方、スイッチング素子６０が直流電圧源５９に切り替わると転移層５５が低反射率になるため、転移層５５を暗く認識することができる。従って、転移層５５を画素又はセグメント表示要素として使用すれば、上部電極５６側が表示面となる反射型表示装置が提供される。
【０１０６】
転移デバイス５０が基板５７上にマトリクス状に配列されていれば、転移層５５が画素となるマトリクス表示型の表示装置が提供することができ、転移デバイス５０を基板５７上に所定パターン状（例えば、８の字状）に配列されていれば、転移層５５がセグメント表示要素となるセグメント表示型の表示装置が提供することができる。
【０１０７】
転移層５５自体で反射率が直接変化しているので、光を効率よく用いることができる。つまり、外部からの光は、基板５７のみを透過し、転移層５５に入射し、転移層５５で光が反射するため、光の減衰が従来の液晶デバイスや光シャッタデバイスに比較しても低減している。
【０１０８】
更に、転移層５５自体で光が直接反射しているため、転移デバイス５０は液晶デバイスに比較しても視角依存性が低い。
【０１０９】
【発明の効果】
本発明によれば、電極と転移層との間の電圧に依存して転移層自体で反射率が変化しているので、光を効率よく用いることができ、光の減衰が従来の液晶デバイスや光シャッタデバイスに比較しても低減する。更に、転移層自体で光が直接反射しているため、液晶デバイスに比較しても視角依存性が低い。
【０１１０】
また、転移層に与える荷重に依存して転移層自体で反射率が変化しているので、光を効率よく用いることができ、光の減衰が従来の液晶デバイスや光シャッタデバイスに比較しても低減する。更に、転移層自体で光が直接反射しているため、液晶デバイスに比較しても視角依存性が低い。
【０１１１】
また、水素貯蔵層と転移層との間の電圧に依存して転移層自体で反射率が変化しているので、光を効率よく用いることができ、光の減衰が従来の液晶デバイスや光シャッタデバイスに比較しても低減する。更に、転移層自体で光が直接反射しているため、液晶デバイスに比較しても視角依存性が低い。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、転移デバイスの断面図である。
【図２】図２は、ＳｍＳに入射した電磁波の波長と反射率との関係を示したグラフである。
【図３】図２は、転移デバイスの断面図である。
【図４】図４は、ランダムアクセスメモリの等価回路図である。
【図５】図５（ａ）は、転移デバイスの平面図であり、図５（ｂ）は、転移デバイスの断面図である。
【図６】図６は、転移デバイスの断面図である。
【図７】図７は、Ｙ及びＹＨβに入射した電磁波のエネルギーと反射率との関係を示したグラフである。
【符号の説明】
１，１０，２０　転移デバイス
３　　　下部電極（電圧印加手段）
４　　　絶縁層
５　　　転移層
２１　　　転移層
２３，２４　　　圧電素子（荷重付与手段）
５０　　　転移デバイス
５３　　　水素貯蔵電極（水素貯蔵層）
５４　　　水素イオン伝導膜
５５　　　転移層
【図１】
2004085688.tif 000003
【図２】
2004085688.tif 000004
【図３】
2004085688.tif 000005
【図４】
2004085688.tif 000006
【図５】
2004085688.tif 000007
【図６】
2004085688.tif 000008
【図７】
2004085688.tif 000009