(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｌａ1-xＳｒxＭｎＯ3（０．１７５≦ｘ≦０．４）、Ｎｄ1-xＳｒxＭｎＯ3（０．２≦ｘ≦０．４）、Ｌａ1-xＣａxＭｎＯ3（０．１７５≦ｘ＜０．４）、Ｎｄ0.5Ｐｄ0.5ＭｎＯ3、のいずれかから構成され、且つ酸素欠陥が存在する又は酸素欠陥が存在しない強相関電子材料層と、
前記強相関電子材料層に接続され、異なった電圧が印加される一対の電極と、
前記強相関電子材料層に電界を印加することによって前記強相関電子材料層の磁化を変化させて、磁気転移温度を上昇させ、局在スピンの揺らぎを減少させ、前記一対の電極間に流れる電流を制御する電界印加手段と、
を具備することを特徴とする電子部材。
【請求項２】
Ｌａ1-xＳｒxＭｎＯ3（０．１７５≦ｘ≦０．４）、Ｎｄ1-xＳｒxＭｎＯ3（０．２≦ｘ≦０．４）、Ｌａ1-xＣａxＭｎＯ3（０．１７５≦ｘ＜０．４）、Ｎｄ0.5Ｐｄ0.5ＭｎＯ3、のいずれかから構成され、且つ酸素欠陥が存在する又は酸素欠陥が存在しない強相関電子材料層と、
前記強相関電子材料層に接続され、異なった電圧が印加される一対の電極と、
前記強相関電子材料層に電界を印加することによって前記強相関電子材料層に磁場を印加させて局在スピンを平行にさせ、前記一対の電極間に流れる電流を制御する前記電界印加手段と、
を具備することを特徴とする電子部材。
【請求項３】
Ｌａ1-xＳｒxＭｎＯ3（０．１７５≦ｘ≦０．４）、Ｎｄ1-xＳｒxＭｎＯ3（０．２≦ｘ≦０．４）、Ｌａ1-xＣａxＭｎＯ3（０．１７５≦ｘ＜０．４）、Ｎｄ0.5Ｐｄ0.5ＭｎＯ3、のいずれかから構成され、且つ酸素欠陥が存在する又は酸素欠陥が存在しない強相関電子材料層と、
前記強相関電子材料層に接続され、異なった電圧が印加される一対の電極と、
前記強相関電子材料層に電界を印加することによって前記強相関電子材料層の磁気転移に伴う金属−非金属転移を起こして前記一対の電極間に流れる電流を制御する電界印加手段と、
を具備することを特徴とする電子部材。
【請求項４】
Ｌａ1-xＳｒxＭｎＯ3（０．１７５≦ｘ≦０．４）、Ｎｄ1-xＳｒxＭｎＯ3（０．２≦ｘ≦０．４）、Ｌａ1-xＣａxＭｎＯ3（０．１７５≦ｘ＜０．４）、Ｎｄ0.5Ｐｄ0.5ＭｎＯ3、のいずれかから構成され、且つ酸素欠陥が存在する又は酸素欠陥が存在しない強相関電子材料層と、
前記強相関電子材料層に接続され、異なった電圧が印加される一対の電極と、
前記強相関電子材料層に電界を印加することによって前記強相関電子材料層の磁気転移に伴う金属−非金属転移を起こして前記強相関電子材料層の透過率を制御する電界印加手段と、
を具備することを特徴とする電子部材。
【請求項５】
Ｌａ1-xＳｒxＭｎＯ3（０．１７５≦ｘ≦０．４）、Ｎｄ1-xＳｒxＭｎＯ3（０．２≦ｘ≦０．４）、Ｌａ1-xＣａxＭｎＯ3（０．１７５≦ｘ＜０．４）、Ｎｄ0.5Ｐｄ0.5ＭｎＯ3、のいずれかから構成され、且つ酸素欠陥が存在する又は酸素欠陥が存在せず、印加される電界に応じて、ファラデイ効果とカー効果の少なくとも一方が変化する強相関電子材料層と、
前記強相関電子材料層に電界を印加することにより、ファラデイ回転角とカー回転角の少なくとも一方を制御する電界印加手段と、
前記強相関電子材料層の一面に配置された磁性体の層と、
光の入射側と出射側に配置された偏光板と、
を具備することを特徴とする電子部材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、チャージトランジション（Ｃ−Ｔ）ギャップ型の強相関電子物質から構成される電子部材、半導体装置、光学装置、及びアクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
マグネティックポーラロンの存在及び非存在によって強磁性状態と常磁性状態とに転移する磁性半導体を用いた半導体デバイスが、特開平０７−９５７５４号公報に開示されている。この公報に開示された半導体デバイスは、電界を印加してマグネティックポーラロンの形成を制御することにより、磁性半導体層を強磁性体と常磁性体に交互に転移することができる。このような材料は、磁性半導体として典型的な材料として知られているが、強相関電子物質として適用される可能性を有している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この公開公報に開示された磁性半導体材料は、Ｇｄを添加したＥｕＯであり、動作温度範囲が１００Ｋ（絶対温度）以下であり、常温での動作が困難である。
また、この公報には、この半導体デバイスの応用例としては、半導体装置の強磁性と常磁性の切り替えを応用したアクチュエータが開示されているのみであり、応用技術の確立が望まれる。
【０００４】
さらに、従来、半導体層の磁気的性質と電気的性質又は光学的性質を結び付けた電子部材は知られていない。
【０００５】
この発明は上記実状に鑑みてなされたもので、常温で磁気的特性を切り替えることができる電子部材を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明の電子部材は、
Ｌａ1-xＳｒxＭｎＯ3（０．１７５≦ｘ≦０．４）、Ｎｄ1-xＳｒxＭｎＯ3（０．２≦ｘ≦０．４）、Ｌａ1-xＣａxＭｎＯ3（０．１７５≦ｘ＜０．４）、Ｎｄ0.5Ｐｄ0.5ＭｎＯ3、のいずれかから構成され、且つ酸素欠陥が存在する又は酸素欠陥が存在しない強相関電子材料層と、
前記強相関電子材料層のキャリアの移動度、磁化、磁気転移温度、透過率、ファラデイ効果、カー効果等を変化させるように前記強相関電子材料層に電界を印加する電界印加手段と、
を具備することを特徴とする。
【０００７】
強相関電子材料は、印加電界に応じて、キャリアの移動度、磁化、磁気転移温度、透過率、ファラデイ効果、カー効果等が変化する。従って、電界印加手段により、強相関電子材料のこれらの特性を制御して、電流スイッチ、光スイッチ、表示装置等として使用することができる。また、強相関電子材料の磁化の変化を用いて、アクチュエータを構成することもできる。
【０００８】
前記強相関電子材料層は、酸素欠陥を含むことが望ましい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態にかかる電子部材について説明する。
はじめに、この発明で使用するチャージトランジションギャップ型の強相関電子材料について、Ｌａ1ーxＳｒxＭｎＯ3を例に説明する。
この材料のうち、磁性及び電気伝導性をつかさどるのはＭｎのｄ電子（ｄ軌道の電子）である。マンガンイオンＭｎ3-は、図１に示すように、６個の酸素イオンＯ2-によって囲まれている（６配位）。
【００１０】
Ｍｎのｄ軌道は、Ｏの結晶場の影響によって３重縮退の軌道（ｔ２g軌道）と２重縮退の軌道（ｅg軌道）に分裂しており、各ｄ軌道はエネルギーバンドを形成する。ＬａＭｎＯ3（Ｌａ2+，Ｍｎ3+、Ｏ2-）の場合、図２（Ａ）に示すように、Ｍｎ3+はｄ軌道に４個の電子を収容する。通常の一体近似のバンド理論では、この状態では、ＬａＭｎＯ3は金属である。しかし、この系では、電子間の強いクーロン相互作用のために電子は移動できず、ＬａＭｎＯ3は絶縁体となる。
【００１１】
この系を電気導電体にする手法としては、２重縮退のｄ軌道（ｅg軌道）にホールを導入させるということがある。例えば、Ｌａ3+の一部をＳｒ2+で置換すると、Ｍｎ3+の一部はＭｎ4+となり、図２（Ｂ）に模式的に示すように、一部の２重縮退のｄ軌道に空きができる。このため、電子（ホール）が移動可能になり、この系は電気導電体になる。
【００１２】
ｅg軌道は酸素の２ｐ軌道と強く混成するために比較的広がっている。一方、ｔ2g軌道は局在性が強く、近似的に局在スピンと考えてよい。
【００１３】
ＬａＭｎＯ3は反強磁性であるので、ｔ2g軌道のスピンは反対方向で平行に並んでいる。しかし、Ｓｒをドープすると、前述のように、電子（ホール）が移動可能となり、局在モーメント間の強磁性的交換相互作用として働く。このため、スピンは反平行からずれ、自発磁化の出現を促す。これは、局在モーメントが互いに平行になった方が電子（ホール）の移動が容易になるためである。
【００１４】
図３にＬａ0.6Ｓｒ0.4ＭｎＯ3膜のファラデー効果（ファラデー回転角）θfＫ（ｄｅｇ）を示す。ファラデー回転角θfＫは磁化に比例する。ここで、図３は、Ｌａ0.6Ｓｒ0.4ＭｎＯ3膜の磁化の変化を間接的に示す。図３から、Ｓｒをドープして２重縮退のｄ軌道（ｅg軌道）にホールを導入することにより、反強磁性体であるＬａＭｎＯ3をＬａ1ーxＳｒxＯ3（０＜ｘ＜１）にして、強磁性体に変換できることが理解できる。
【００１５】
また、図３から、外部磁場Ｈｃの印加により、局在スピンが平行になり、その結果、磁化が増加することが理解できる。このため、磁気転移温度（キューリ温度）ＴＣも少なくともｘ≦０．４では、Ｓｒの濃度の増加につれて上昇することがわかる。同様に、キューリ温度ＴＣはホール濃度の増加に応じて上昇する。また、温度が低下するにつれて、局在スピンの乱れが減少し、磁化が増加する。
【００１６】
図３のグラフでは、外部磁場Ｈｃが±１５ＫＯｅでも磁化が飽和していない。これは、局在スピンが完全に平行になっていないためである。磁化が飽和しない傾向はＳｒの濃度が低い方が著しい。即ち、Ｓｒ濃度が高く、ホール濃度が高い程、局在スピンが平行になり易く、磁化が飽和しやすくなる。
【００１７】
Ｌａ1ーxＳｒxＭｎＯ3膜に電界を印加してホールを誘導した場合も、Ｓｒの濃度を高くした場合と同様に、局在スピンが平行になり易くなり、局在スピンの揺らぎが減少し、キャリアの移動度が高くなる。また、電界を印加してホールを誘導することにより、磁気転移温度（キューリ温度）ＴＣも印加電界に応じて変化する。従って、磁気転移温度ＴＣを適切な値に設定して、印加電界を制御することにより、Ｌａ1ーxＳｒxＭｎＯ3膜の磁気的特性及び電気的特性を種々に切り替えることができる。
【００１８】
また、Ｌａ1ーxＳｒxＭｎＯ3膜は、その磁気的特性の変化に伴って、その光学特性も変化する。従って、印加電界を制御して、その光学特性を変更することができる。
【００１９】
以上Ｌａ1ーxＳｒxＭｎＯ3を例に説明したように、Ｃ−Ｔギャップ型の強相関電子物質は、電界を印加してホール濃度を制御することにより、その磁気的性質、電気的性質、光学的特性が種々に変化する。従って、これらの特性を適切に制御することにより、優れた特性の電子部材、半導体装置等が得られる。
そこで、以下に、Ｃ−Ｔギャップ型の強相関電子物質を用いた電子部材及び半導体装置の具体的な実施の形態を説明する。
【００２０】
（第１の実施の形態）
以下、この発明の電子部材の第１の実施の形態として、強相関電子材料を用いた半導体装置について、図４〜図６を参照して説明する。
この半導体装置は、図４（Ａ）に示すように、Ｌａ1ーxＳｒxＭｎＯ3からなる半導体層１１と、半導体層１１上に離間して配置されたソース電極１２とドレイン電極１３と、ソース電極１２とドレイン電極１３間に配置された絶縁膜（ゲート絶縁膜）１４と、ゲート絶縁膜１４の上に配置されたゲート電極１５と、より構成される。
【００２１】
図４（Ｂ）に示すように、ゲート電極１５に０Ｖ（又は正電圧）を印加した状態では、半導体層１１中のチャネル領域中のホールの密度及びその移動度は非常に小さい。従って、半導体層１１は高抵抗の状態を維持する。このため、ソース電極１２に正電圧を印加し、ドレイン電極１３に負電圧を印加しても、ソース電極１２とドレイン電極１３の間のチャネル領域に電流は流れない。
【００２２】
これに対し、図４（Ｃ）に示すように、ゲート電極１５に負電圧を印加した状態では、半導体層１１のチャネル領域にホールが誘起され、さらに、その移動度が大きくなり、半導体層１１は導通状態になる。このため、チャネルを介してソース電極１２からドレイン電極１３に電流が流れる。
【００２３】
即ち、図４の構成の半導体装置は、ゲート電圧を制御することにより、スイッチングする電流スイッチ、即ち、トランジスタとして機能する。
この半導体装置の電流スイッチの動作自体は、シリコン等を用いた通常のＦＥＴと同一である。しかし、動作メカニズムが従来のＦＥＴとは全く異なる。
【００２４】
以下に、Ｌａ0.7Ｓｒ0.3ＭｎＯ3を例に上記構成の半導体装置の動作メカニズムを説明する。
図５に熱分解法で作成したＬａ0.7Ｓｒ0.3ＭｎＯ3膜の抵抗率Ｒの温度変化を示す。図５（Ａ）の横軸は絶対温度Ｔの逆数を表し、縦軸は抵抗率Ｒの対数値を表す。また、図５（Ｂ）の横軸は絶対温度Ｔを表し、縦軸は抵抗率Ｒを表す。
【００２５】
図５（Ａ）に示すように、磁気転移温度（キューリ温度）ＴＣ付近（約３５０Ｋ，１／Ｔ＝約０．００２８６）から５００Ｋ（１／Ｔ＝約０．００２）の温度領域では、抵抗率Ｒは、対数グラフ上で温度の逆数１／Ｔに対して直線状に変化する。従って、この温度領域での抵抗率Ｒの変化はキャリアの活性化が主要因である。活性化エネルギーは酸素欠陥が存在する場合には約１４０meV、酸素欠損がほとんど存在しない場合は、約５０meV程度である。
【００２６】
これに対し、磁気転移温度ＴＣ（３５０Ｋ）より低温側（１／Ｔ＞約０．００２８６）の特性は、図５（Ａ）に示すように活性化型の特性からずれる。これは、磁気転移温度ＴＣ以下の温度で、局在スピンが所定方向に整列し始めるためである。図５（Ｂ）に実線で示すように、抵抗率Ｒは室温（約２９０Ｋ）で０．２８Ω・ｃｍ程度の値となる。この値はバルク状態のＬａＭｎＯ3の抵抗率よりも１桁以上大きい。Ｌａの一部をＳｒで置換することによるホールの導入が、酸素欠損により抑制されるためである。
【００２７】
さらに、温度を下げると、抵抗率Ｒは２５０Ｋ近傍にブロードなピークを有している。ブロードなピークよりも低温側では、局在スピンの揺らぎは減少し、抵抗率Ｒも減少する。さらに、低温側では、ほとんど温度依存性をもたない温度領域が存在する。
【００２８】
ゲート電極１５にマイナス電圧を印加した場合には、半導体層１１のチャネル領域にキャリアであるホールが誘起される。半導体層１１の温度が磁気転移温度ＴＣより低い室温ＴAの状態にあるとすると、このホールによって、以下のｉ）〜iii）の現象が生ずる。
【００２９】
ｉ）  局在スピンの揺らぎが減少し、半導体層１１の磁化が変化し、チャネル領域の磁気転移温度ＴＣが上昇し、キャリアの移動度が上昇する。このため、チャネル層の伝導度が上昇する。即ち、ホールの誘起により、局在スピンの揺らぎが減少し、磁気転移温度ＴＣが上昇する。このため、図５（Ｂ）に破線で示すように、抵抗率Ｒは、電圧無印加時のグラフを右側にシフトした状態になり、抵抗率Ｒは、温度が相対的に低下したのと同様の状態（温度ＴBの状態）になり、抵抗率Ｒが大幅に減少する。このため、チャネル層の伝導度が上昇する。
【００３０】
ii）  電界の印加により、磁場を半導体層１１に印加し、局在スピンが平行化するため、キャリアの移動度が上昇し、チャネルの伝導度が上昇する。即ち、この物質は電界又は外部磁場の印加により、局在スピンが平行になり、キャリアの移動度が上昇する。例えば、図６は磁場の印加によるＬａ0.7Ｓｒ0.3ＭｎＯ3膜の抵抗率の変化を示し、外部磁場の印加により抵抗率Ｒが減少することを示している。
【００３１】
iii）  電界による半導体層１１内のキャリア濃度の上昇により、チャネル層の伝導度が上昇する。このメカニズムは通常のＦＥＴの伝導度上昇のメカニズムと同一である。
【００３２】
ゲート電極１５への負電圧の印加により、以上のｉ）〜iii）のメカニズムが複合的に生ずるため、チャネル領域の伝導度が上昇し、半導体装置はオンする。
【００３３】
以上説明したように、この実施の形態の半導体装置によれば、ゲート電圧を制御して、磁化を制御することにより、そのオン・オフを制御することができる。この半導体装置は、オン時のキャリア密度が非常に高い。このため、チャネルに光が当たってもキャリアの変化は少なく、光に強い半導体装置が得られる。また、外因不純物の影響が少ないため、プロセス管理が容易になり、材料費、装置が安価となり、低価格で製造が容易になる。
【００３４】
また、電流のオン・オフだけでなく、ゲート電圧を制御することにより、電流の変調及び増幅も可能である。
【００３５】
（第２の実施の形態）
第１の実施の形態の半導体装置は、チャネル領域の磁化を制御し、これにより、半導体装置のオン・オフを制御したが、磁気転移とそれに伴う金属−非金属転移を起こすことにより、半導体装置のオン・オフを制御することも可能である。そこで、以下、電界の印加により磁気転移を起こす半導体装置について説明する。
【００３６】
図７はＬａ0.825Ｓｒ0.175ＭｎＯ3の結晶の抵抗率Ｒの温度変化を示す。低温では、結晶は金属相にあり、抵抗率Ｒが低い。磁気転移温度ＴＣに近づくと、抵抗率Ｒは急激に上昇しＴＣ近傍で極大を示す。さらに、温度上昇に応じて結晶の抵抗率Ｒは徐々に低下する。
【００３７】
この結晶の磁気転移温度ＴＣは２９０Ｋであり、室温（結晶の温度）は磁気転移温度ＴＣよりも若干高い。このため、通常の温度状態では、この結晶は高抵抗の状態となる。
一方、この結晶に電界を印加してホールを誘起すると、磁気転移温度ＴＣが上昇し、ＴＣ’となる。このため、相対的に温度が低下したことに等しくなり、結晶の温度は磁気転移温度ＴＣ’より低くなる。このため、この結晶は金属状態となり、その抵抗率Ｒは低下する。
【００３８】
従って、図８（Ａ）に示すように、Ｌａ0.825Ｓｒ0.175ＭｎＯ3を半導体層２１とし、その上にゲート絶縁膜２４を介してゲート電極２５を配置し、ゲート電圧を制御することにより、チャネル領域を金属状態と非金属状態との間で転移させることができる。
【００３９】
即ち、図８（Ｂ）に示すように、ソース電極２２に正電圧、ドレイン電極２３に負電圧を印加し、ゲート電極２５に０Ｖ（又は正電圧）を印加した状態では、半導体層２１の磁気転移温度ＴＣは室温（半導体層２１の温度）より低い。このため、半導体層２１は半導体又は絶縁体状態となり、チャネルは高抵抗状態を維持する。従って、ソース電極２２とドレイン電極２３との間に電流は流れず、このトランジスタはオフ状態となる。
【００４０】
一方、図８（Ｃ）に示すように、ゲート電極２５に負電圧を印加した状態では、チャネル領域にホールが誘導され、磁気転移温度ＴＣが上昇し、半導体層２１の温度より高くなる。このため、磁気転移が起こり、チャネル領域は金属状態となり、伝導状態になる。即ち、チャネルが生成される。従って、ソース電極２２とドレイン電極２３との間に電流が流れる。このため、このトランジスタはオン状態となる。
【００４１】
このような構成の半導体装置によれば、オン時のキャリア密度が非常に高い。このため、チャネルに光が当たってもキャリアの変化は少なく、光に強い半導体装置が得られる。また、外因不純物の影響が少ないため、プロセス管理が容易になり、材料費、装置が安価となり、低価格で製造が容易になる。
【００４２】
また、電流のオン・オフだけでなく、ゲート電圧を制御することにより、電流の変調及び増幅も可能である。
また、半導体材料としては、Ｌａ0.825Ｓｒ0.175ＭｎＯ3に限定されず、例えば、Ｎｄ0.5Ｐｄ0.5ＭｎＯ3、Ｌａ0.825Ｃａ0.175ＭｎＯ3等も同様に使用可能である。
【００４３】
（第３の実施の形態）
第１及び第２の実施の形態においては、電流のオンとオフを制御する電流スイッチを例にこの発明を説明したが、この発明は光スイッチにも適用可能である。そこで、以下、電界の印加により磁気転移を起こす強相関電子材料を用いた光スイッチについて説明する。
【００４４】
この実施の形態の光スイッチは、図９に示すように、Ｌａ0.825Ｓｒ0.175ＭｎＯ3等の強相関電子物質から構成された半導体層３１と、半導体層３１に接続された接地電極３２と、ゲート絶縁膜３３を介して配置されたゲート電極３４と、から構成される。
【００４５】
反射率Ｒが小さく、多重反射が無視できる場合、半導体層３１の透過率は数１で表される。
【数１】
Ｔ＝Ｉ／Ｉ0＝（１−Ｒ）2ｅｘｐ（−βｔ）
Ｉ0：入射光の強度          ｔ：半導体層の厚さ
Ｉ：透過光の強度          Ｒ：半導体層の反射率
β：減衰係数
【００４６】
減衰係数βは数２で表される。
【数２】
β＝α＋Ｓim＋Ｓop
α  ：吸収係数
Ｓim：析出物、残留気孔、結晶粒界等の構造の不完全性に起因する散乱（レイリー散乱、ミー散乱等）
Ｓop：光学異方性に基づく散乱
【００４７】
図９（Ａ）に示すように、ゲート電圧が０Ｖの状態では、半導体層３１の温度が磁気転移温度ＴＣより高いため、半導体層３１は半導体状態又は絶縁体状態であり、反射率Ｒ及び吸収係数αは小さい。このため、数１の（１−Ｒ）は１に近い値になり、ｅｘｐ（−βｔ）も１に近い値となる。このため、透過率Ｔは１に近い値となる。
【００４８】
これに対し、図９（Ｂ）に示すように、ゲート電圧がマイナスになると、半導体層３１にホールが誘起され、磁気転移温度ＴＣが上昇し、半導体層３１は金属状態に転移する。金属状態では、反射率Ｒ及び吸収係数αは大きくなり、（１−Ｒ）は０に近い値になり、ｅｘｐ（−βｔ）も０に近い値となる。このため、透過率Ｔは大幅に減少し、光源３８からの入射光は半導体層２１をほとんど通過できなくなる。
【００４９】
他のパラメータのうち厚さｔ（資料の厚さ）及びＳimは、金属−非金属転移に依存しない。また、Ｓopは効果があっても小さい。
従って、ゲート電極２４に印加する電圧を制御して、キャリア濃度を制御することにより、光のスイッチングが可能となる。
【００５０】
また、光のオン・オフだけでなく、印加電圧を制御することにより、半導体層３１の透過光の強度を変調することも可能である。
【００５１】
半導体層３１のキャリア密度は非常に高い。このため、外因不純物の影響が少なく、プロセス管理が容易になり、材料費、装置が安価となり、低価格で製造が容易になる。
【００５２】
（第４の実施の形態）
強相関電子物質は、キャリア濃度を制御することにより、そのファラデー回転角が変化する。従って、ファラデー回転角を制御することにより、光スイッチを構成することも可能である。
以下に、ファラデー回転角の制御による光スイッチの構成を説明する。
【００５３】
この実施の形態の光スイッチは、図１０（Ａ）に示すように、Ｌａ0.825Ｓｒ0.175ＭｎＯ3等の強相関電子物質から構成された半導体層４１と、半導体層４１に接続された接地電極４２と、ゲート絶縁膜４３を介して配置されたゲート電極４４と、半導体層４１の下面に配置され、半導体層４１の磁化の方向をそろえるための透明磁性体４５と、半導体層４１を挟んで配置された一対の偏光板４６、４７と、光源４８とから構成される。
【００５４】
図１１は半導体層４１を構成する強相関電子材料Ｌａ1ーxＳｒxＭｎＯ3のファラデー回転角の波長依存性を示す。図示するように、５５０ｎｍ以下の波長領域でファラデー回転角は急激に大きくなり、４５０ｎｍ近傍で極大となり、４００ｎｍ以下で正負の符号が逆転し、さらに、短波長側で増大する。また、Ｓｒの割合ｘに応じてファラデー回転角が変化する。
ファラデー回転角は大きいところで１０4ｄｅｇ／ｃｍのオーダーとなり、これは、ＹＩＧ系の材料と比較しても１桁以上大きい。
【００５５】
今、半導体層４１の温度が磁気転移温度ＴＣのわずかに下にあるとする。ゲート電極４４に０Ｖを印加した状態では、半導体層４１は半導体状態にあり、ファラデー回転角は小さい。この状態で、光源４８からの光が透過しないように、一対の偏光板４６、４７の光軸を設定する。
【００５６】
一方、ゲート電極４４にマイナス電圧を印加し、半導体層４１中にホールを誘起すると、実効的な磁気転移温度ＴＣ及び半導体層４１の磁化が上昇し、半導体層５１内のファラデー回転角は大きくなる。従って、この状態で光が透過するように、一対の偏光板４６、４７を調整すれば、光シャッタや表示素子として機能させることができる。
【００５７】
なお、ゲート電極４４に０Ｖを印加した状態で、光源４８からの光を透過させ、ゲート電極４４にマイナス電圧を印加した状態で、光源４８からの光を遮断するように偏光板４６、４７を配置してもよい。
【００５８】
ファラデー効果と同様に、カー効果もキャリア濃度を制御することにより変化する。従って、図１２に示すように、光源４８及び入射側偏光板４６を配置し、反射光を出力側偏光板４７で検出するようにしてもよい。
【００５９】
（第５の実施の形態）
第１又は第２の実施の形態では電流スイッチを、第３及び第４の実施の形態では光学スイッチを単体で示したが、図１３に示すように、光学スイッチ５１と電流スイッチ５２をマトリクス状に配置し、さらに、必要に応じて、カラーフィルタ等を配置することにより、任意の画像を表示させることも可能である。
【００６０】
光スイッチ５１と電流スイッチ５２は、図１４に示すように、誘電体５３等によりそれぞれ電気的に絶縁されて同一基板５４内に形成されており、電流スイッチ５２のドレイン電極が光スイッチの透明ゲート電極５５に接続され、透明ゲート電極５５は抵抗５６を介して接地されている。
【００６１】
このような構成によれば、電流スイッチ５２のゲート電極５７に０Ｖ又は正の電圧を印加することにより、電流スイッチ５２がオフし、光スイッチ５１のゲート電極５５がプルダウンされて接地電圧が印加される。このため、光スイッチ５１がオンし、この光スイッチ５１を光が透過する。これに対し、電流スイッチ５２のゲート電極５７に負電圧を印加することにより、電流スイッチ５２がオンし、光スイッチ５１のゲート電極５５には正電圧が印加される。このため、光スイッチ５１がオフし、光が遮断される。
【００６２】
このようにして、第１又は第２の実施の形態の電流スイッチと第３又は第４の実施の形態の光スイッチを用いて表示装置を構成することができる。
【００６３】
（第６の実施の形態）
上記実施の形態においては、この発明を半導体装置又は光学装置に応用した例を説明したが、アクチュエータなどに適用可能である。以下、アクチュエータに適用した実施の形態を説明する。
図１５は、アクチュエータの一例を示す。このアクチュエータでは、フィルム基板６１の上に複数の半導体装置６２ａ，６２ｂ，６２ｃ・・・・・・が一定の間隔をおいて直線的に配列され、半導体装置６２ａ，６２ｂ，６２ｃ・・・・・・の情報に１つの永久磁石板６３が移動可能に配置された構造となっている。各半導体装置６２ａ，６２ｂ，６２ｃ・・・・・・は、接地された半導体層６４と、ゲート絶縁膜６５と、ゲート電極６６から構成されている。
【００６４】
半導体装置６２ａ，６２ｂ，６２ｃ・・・・・・の各ゲート電極６４に０Ｖ，−２Ｖ、−３Ｖ、−４Ｖというように、４つ毎に電圧を印加する。すると、ゲート電圧−２Ｖ、−３Ｖ、−４Ｖが印加された半導体層６４が、印加電圧の絶対値が大きい程強い強磁性となり、ゲート電圧０Ｖが印加された半導体層６４が常磁性となる。従って、永久磁石板６３は、強磁性状態にある半導体装置６２ｄに最も強く吸引され、この半導体装置６２ｄ上に保持される。次に、印加電圧状態を右側に１つシフトすると、半導体装置６２ｅが最も強磁性状態となる。この結果、永久磁石６３は、半導体装置６２ｅに吸引されてその上に移動する。このような動作原理により、永久磁石６３が直線的に移動する。
【００６５】
図１６は、アクチュエータの他の例の構成を示す。このアクチュエータでは、円板状のフィルム基板７１の上面外周部に複数の半導体装置７２が一定の間隔をおいて配列され、フィルム基板７１の中心部に出力軸７３が回転可能に設けられ、出力軸７３に基端部を取り付けられたアーム７４の先端部下面に円板状の永久磁石７５が取り付けられた構造となっている。このアクチュエータでは、上述したような動作により、永久磁石７５が複数の半導体装置７２上を移動し、これに伴い、アーム７４及び出力軸７３が回転する。この場合、出力軸７３及びアーム７４を省略し、永久磁石７５自体から出力を得るようにしても良い。
【００６６】
なお、図１７に示すように、円板状のフィルム基板８１の下面外周部の同一半径上に金属電極８２、絶縁膜８３及び半導体層８４をこの順で積層してなる２つの半導体装置を設け、この２つの半導体装置８５によりフィルム基板８１の上方に配置された永久磁石８６を同時に吸引するようにしても良い。
また、図１５に示すように、フィルム基板６１の上面に複数の半導体装置６２ａ，６２ｂ、６２ｃ・・・・・・を一定の間隔をおいて直線的に配列し、これを図示しない円筒型部材の外周面に巻回し、その外側に永久磁石を移動可能に配置した構成としてもよい。
【００６７】
（第７の実施の形態）
Ｃ−Ｔギャップ型の強相関電子材料に酸素欠陥が存在しない場合、或いは、酸素欠陥がきわめて少ない場合、抵抗率Ｒの極大値と磁気転移温度ＴＣはほぼ一致する。しかし、この場合、半導体装置の動作温度範囲が限られてしまう。そこで、強相関電子材料としては化１又は化２に示すように酸素欠陥を含むことが望ましい。
【００６８】
【化１】
Ｌａ1-xＳｒxＭｎＯ3-y  （ｘ：０．４未満）
【化２】
Ｎｄ1-xＳｒxＭｎＯ3-y  （ｘ：０．４未満）
【００６９】
Ｎｄ1ーxＳｒxＭｎＯ3-yの抵抗率と温度との関係を、ｘ＝０．２、０．３、０．４の場合について、図１８（Ａ）と（Ｂ）に示す。これらの図から、Ｎｄ1ーxＳｒxＭｎＯ3-yについても、Ｌａ1ーxＳｒxＭｎＯ3-yと同様に作用することが理解できる。
また、化３、化４に示すように、Ｓｒに代えてＣａを使用してもよい。
【００７０】
【化３】
Ｌａ1-xＣａxＭｎＯ3-y  （ｘ：０．４未満）
【化４】
Ｎｄ1-xＣａxＭｎＯ3-y  （ｘ：０．４未満）
【００７１】
化５、化６に示すように希土類は一部他の希土類で固溶可能であり、ＳｒとＣａも互いに固溶可能である。
【００７２】
【化５】
（ＬａＮｄ）1-xＳｒxＭｎＯ3-y  （ｘ：０．４未満）
【化６】
（ＬａＮｄ）1-xＣａxＭｎＯ3-y  （ｘ：０．４未満）
【００７３】
なお、この発明は上記実施の形態に限定されず、種々の変形及び応用が可能である。例えば、この発明のＣ−Ｔ型の強相関電子材料は、上記実施の形態で例示した構成に限定されず、他の種々の組み合わせを使用できる。
また、半導体装置の構成も上記実施の形態に限定されない。半導体層中のキャリア濃度を適宜制御できるならば、他の構成を採用してもよい。
例えば、図１９に示すように、半導体層９１上に金属電極９２を直接形成し、半導体層９１と金属電極９２とのショットキーバリアを形成し、金属電極８２に印加するゲート電圧によりキャリアの濃度を制御するようにしても良い。
【００７４】
【発明の効果】
この発明の電子部材によれば、強相関電子材料層を使用し、キャリア濃度を外部から変調することにより、電流スイッチング機能、増幅機能、光スイッチング機能等を実現している。この強相関電子材料層は、他の半導体材料と比較してキャリア濃度が非常に高い。従って、この発明によれば、外因性の不純物の影響、強相関電子材料層への光の照射の影響等の小さい半導体装置、光学装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＭｎＯの結晶構造の図である。
【図２】（Ａ）はＬａＭｎＯ3の電子状態を示す図、（Ｂ）はＬａＳｒＭｎＯ3の電子状態を示す図である。
【図３】Ｌａ0.6Ｓｒ0.4ＭｎＯ3の温度と外部磁界とファラデー回転角の関係を示すグラフである。
【図４】（Ａ）はこの発明の第１の実施の形態に係る半導体装置を示す図であり、（Ｂ）はＯＦＦ状態を示す図、（Ｃ）はＯＮ状態を示す図である。
【図５】（Ａ）と（Ｂ）は、Ｌａ0.7Ｓｒ0.3ＭｎＯ3の温度と抵抗率の関係を示す図である。
【図６】Ｌａ0.7Ｓｒ0.3ＭｎＯ3の温度と抵抗率と磁場の関係を示す図である。
【図７】Ｌａ0.825Ｓｒ0.175ＭｎＯ3の温度と抵抗率の関係を示す図である。
【図８】（Ａ）はこの発明の第２の実施の形態に係る半導体装置を示す図であり、（Ｂ）はＯＦＦ状態を示す図、（Ｃ）はＯＮ状態を示す図である。
【図９】この発明の第３の実施の形態に係る光スイッチを示す図であり、（Ａ）はＯＮ状態を示す図、（Ｂ）はＯＦＦ状態を示す図である。
【図１０】この発明の第４の実施の形態に係る光スイッチを示す図であり、（Ａ）はＯＦＦ状態を示す図、（Ｂ）はＯＮ状態を示す図である。
【図１１】Ｌａ1ーxＳｒxＭｎＯ3の波長とファラデー角とｘとの関係を示す図である。
【図１２】この発明の第４の実施の形態に係る光スイッチの変形例を示す図である。
【図１３】光スイッチと電流スイッチをマトリクス状に配置した状態を示す平面図である。
【図１４】光スイッチと電流スイッチを接続した構成を示す断面図である。
【図１５】この発明の第６の実施の形態に係るアクチュエータの構成を示す図である。
【図１６】アクチュエータの変形例を示す図である。
【図１７】アクチュエータの変形例を示す図である。
【図１８】（Ａ）と（Ｂ）は、Ｎｄ1ーxＳｒxＭｎＯ3の温度と抵抗率とｘとの関係を示す図である。
【図１９】ゲート電極と半導体層をショットキー接続した半導体装置の例を示す断面図である。
【符号の説明】
１１・・・半導体層、１２・・・ソース電極、１３・・・ドレイン電極、１４・・・ゲート絶縁膜、１５・・・ゲート電極、２１・・・半導体層、２２・・・ソース電極、２３・・・ドレイン電極、２４・・・ゲート絶縁膜、２５・・・ゲート電極、３１・・・半導体層、３２・・・接地電極、３３・・・ゲート絶縁膜、３４・・・ゲート電極、４１・・・半導体層、４２・・・接地電極、４３・・・ゲート絶縁膜、４４・・・ゲート電極、５１・・・光スイッチ、５２・・・電流スイッチ、５３・・・誘電体、５４・・・半導体層、５５・・・ゲート電極、５６・・・抵抗、５７・・・ゲート電極、６１・・・フィルム基板、６２ａ〜６２ｇ・・・半導体装置、６３・・・永久磁石、６４・・・半導体層、６５・・・ゲート絶縁膜、６６・・・ゲート電極、７１・・・フィルム基板、７２・・・半導体装置、７３・・・出力軸、７４・・・アーム、７５・・・永久磁石、８１・・・フィルム基板、８２・・・金属電極、８３・・・絶縁膜、８４・・・半導体層、８５・・・半導体装置、８６・・・永久磁石
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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