DE3722941C2 - - Google Patents

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Description

Die Erfindung betrifft ein Hybridschaltkreis­ element nach dem Anspruch 1.
Ein derartiges Hybridschaltkreiselement kann verschie­ dene elektronische Redox-Bauelemente enthalten, die unter Verwen­ dung von Oxidation-Reduktionsmaterialien, wie z. B. Redox­ proteinen, hergestellt werden.
Ein Beispiel eines üblichen Gleichrichterbauelements für integrierte Schaltkreise hat den in Fig. 1 dargestellten Aufbau. In Fig. 1 sind ein p-Typ Siliziumsubstrat 11, eine n-Typ Zone 12, eine p-Typ Zone 13 und eine n-Typ Zone 14 dargestellt. Weiter sind SiO2-Filme 15 und Elektro­ den 16 und 17 dargestellt. Das heißt, es wird zwischen den zwei Elektroden 16 und 17 eine p-n-Übergangszone (die p-Typ Zone 13 - die n-Typ Zone 14) ausgebildet, so daß sich eine Gleichrichtercharakteristik ergibt.
Das oben beschriebene übliche Gleichrichterbauelement kann fein bearbeitet werden, und man erhält eine 256K-bit LSI (large scale integration) im praktischen Gebrauch, die die Gleichrichterbauelemente und Transistoren ähnlichen Aufbaus umfaßt.
Um die Speicherkapazität und die Arbeitsgeschwindigkeit eines integrierten Schaltkreises zu steigern, ist es wesentlich, die Größe der Bauelemente zu vermindern. Es besteht jedoch z.B. bei einem Bauelement unter Verwendung von Si die Begrenzung darin, daß die mittlere freie Weglänge der Elektronen in µm/s in der Größenordnung von 0,2 µm liegt und daß daher feinere Muster in Si nicht gebildet werden können. Es ist daher zu er­ warten, daß sich die Siliziumtechnologie, die sich von Tag zu Tag weiter entwickelt, bald hinsichtlich der Ver­ minderung der Bauelementgröße an einer Grenze befindet. Es be­ steht daher ein starkes Bedürfnis, ein neues elektrisches Schaltkreiselement zu schaffen, das die technologische Grenze der oben erwähnten 0,2 µm durchbrechen kann.
Es wurde daher ein Gleichrichterbauelement mit einer Gleich­ richtcharakteristik ähnlich der einer p-n-Übergangszone, die durch p-Typ und n-Typ Halbleiter ausgebildet wird, und ein Transistor, der eine Transistorcharakte­ ristik ähnlich der eines p-n-p-Übergangszonentransistors aufweist, unter Verwendung von Elektronenübergangspro­ teinen, die in einem Organismus existieren, d.h. unter Verwendung ihrer Redoxpotentialdifferenz, entwickelt. Dies führte zu dem Ergebnis, daß es möglich wurde, äußerst kleine Bauelemente bis zum biomolekularen Bereich zu erhalten, wodurch eine hohe Dichte und hohe Arbeitsge­ schwindigkeit der Schaltkreise möglich wird. Diese Bauele­ mente sind in der DE 36 00 564 A1 be­ schrieben.
Um weiter einen elektronischen Redox-Bauelementschaltkreis mit derartigen Elementen auszubilden, wurden Bauele­ mente, wie z.B. Widerstände, Kondensatoren, die eine hohe Affinität für diese Bauelemente zeigten, entwickelt. Dieser Entwicklung folgte eine Entwicklung, wie man einen Schaltkreis mit diesen Elementen bildete. Es kann dies­ bezüglich angenommen werden, daß es möglich ist, den Schaltkreis unter Verwendung von elektrischen Redoxele­ menten aus Biomaterialien und üblichen Halbleiterbauelemen­ ten zu bilden.
Aus der Literaturstelle "Funkschau", 20/1984, Seiten 41-44 ist ein Biosensor bekannt, bei dem eine organisch- biologische Schicht auf einem Halbleiterbauelement, nämlich einem Feldeffekttransistor, angeordnet und mit ihm elektrisch funktionell verbunden ist.
In Anbetracht des oben gesagten ist es Aufgabe der vor­ liegenden Erfindung, ein Hybridschaltkreiselement zu schaffen, das elektrische Redox-Bauelemente und übliche Halbleiterelemente umfaßt.
Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 gekennzeichne­ te Erfindung gelöst.
Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Hybridschaltkreiselements und Verfahren zu seiner Herstellung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 ein Diagramm zur Darstellung eines Beispiels eines üblichen Gleichrichterbauelements;
Fig. 2a) ein Diagramm zur Darstellung eines Beispiels eines Redox-Gleichrichterbauelements;
Fig. 2b) ein Diagramm zur Darstellung der Redoxpotentiale des in Fig. 2a) dargestellten Gleichrichterbau­ elements;
Fig. 3 ein Diagramm zur Darstellung eines Beispiels eines Redox-Schaltelements;
Fig. 4 ein Diagramm zur Darstellung eines Beispiels eines Redox-Widerstands;
Fig. 5 ein Diagramm zur Darstellung eines Redox-Kondensators;
Fig. 6 eine Schnittansicht zur Darstellung des Aufbaus einer Anordnung mit Redox-Gleichrichterbauelementen;
Fig. 7 eine Schnittansicht zur Darstellung des Aufbaus mit Redox-Schaltelementen;
Fig. 8 ein Diagramm zur Darstellung eines Schaltkreises aus elektronischen monolithischen Redox-Bauelementen;
Fig. 9 und 10 Schnittansichten zur Darstellung des Aufbaus von Hybridschaltkreiselementen gemäß einem ersten und einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
Fig. 11 eine perspektivische Explosionsansicht zur Dar­ stellung des in Fig. 7 gezeigten elektrischen Redox-Schaltelements.
Zuerst sollen ein Gleichrichterbauelement, ein Schaltelement, ein Widerstands und ein Kondensator beschrie­ ben werden, die elektronische Redoxelemente sind.
In dem Gleichrichterbauelement D, das in Fig. 2a) darge­ stellt ist, werden zwei Arten von Elektronenübertragungs­ proteinen mit unterschiedlichem Redoxpotential, nämlich z.B. ein Flavodoxinmolekül 1 und ein Cytochrom-c-Molekül 2, miteinander zur Ausbildung einer Verbindung verbunden, und ein Paar Elektroden 4a und 4b werden mit den entsprechenden Molekülen verbunden. Bei dem so ausgebildeten Gleichrichterbau­ element D ist das Redoxpotential des Flavodoxinmoleküls 1 von dem des Cytochrom-c-Moleküls 2 unterschiedlich, wie dies in Fig. 2b) dargestellt ist, so daß, wenn zwischen den Molekülen eine Spannung aufgebracht wird, das Gleichrichterbau­ element eine Kennlinie zeigt, bei der die Elektronen von dem negativen Niveau zum positiven Niveau in dem Redoxpotential fließen, wie dies durch die ausgezogene Linie mit Pfeil dar­ gestellt ist, wobei es jedoch für sie schwierig ist, in der entgegengesetzten Richtung zu fließen, wie dies mittels einer gestrichelten Linie mit Pfeil dargestellt ist. D.h., die Kennlinie des Gleichrichterbauelements ist ähnlich der Gleichrichterkennlinie einer p-n-Übergangsdiode, die durch Verbinden eines n-Typ Halbleiters und eines p-Typ Halblei­ ters ausgebildet ist.
In Fig. 3a) ist ein Schaltelement dargestellt. Es umfaßt ein Cytochrom-c-Molekül 2, das an beiden Enden mit einem Flavodoxinmolekül 1 verbunden ist. Weiter sind Elektroden 4c, 4d und 4e mit den entsprechenden Molekülen 1, 2 und 1 verbunden. Das so ausgebildete Schalt­ element Tr weist die in Fig. 3b) dargestellte Kennlinie auf. Wenn keine Spannung an den Elektroden 4c, 4d und 4e anliegt, weist es eine Potentialcharakteristik auf, die mittels der ausgezogenen Linie a dargestellt ist. Wenn an der Elektrode 4c eine negative Spannung V2 in bezug auf die Elektrode 4e anliegt, wird die Redoxpotentialcharakteristik durch die Linie b wiedergegeben. Wenn zusätzlich zur Span­ nung V2 eine negative Spannung V1 an der Elektrode 4d in bezug zur Elektrode 4e anliegt, wird die Redoxpotential­ charakteristik durch die Linie 4c wiedergegeben. Im Falle der Redoxpotentialcharakteristik a oder b fließt in dem Bauelement kein Strom. Im Falle der Redoxpotentialcharakteri­ stik c fließt jedoch ein Strom. Es kann daher bei einer zwischen den Elektroden 4c und 4e anliegenden Spannung V2 das Anliegen der Spannung V1 zwischen den Elektroden 4d und 4e so gesteuert werden, daß daß das Bauelement eine Schalt­ charakteristik aufweist.
In Fig. 4 ist ein Widerstand dargestellt. Bei dem Widerstand sind die oben be­ schriebenen Verbindungen (zwei Verbindungen im Falle von Fig. 4) in einer antiparallelen Verbindung zwischen einem Paar Elektroden 4f und 4g angeordnet. Bei dem Widerstand R kann der Widerstand auf einen gewünschten Wert durch Änderung der Anzahl der Verbindungen eingestellt werden.
Für den Kondensator C kann bei­ spielsweise ein Proteinmolekül verwendet werden, das hin­ sichtlich der Elektronenübertragung inaktiv ist und eine hohe Dielektrizitätskonstante aufweist, wobei dieses Proteinmolekül als Dielektrikum verwendet wird und zwischen einem Paar Elektroden 4h und 4i angeordnet ist.
Der tatsächliche Aufbau des oben beschriebenen Gleichrich­ terbauelements ist in Fig. 6 dargestellt.
In Fig. 6 ist ein Substrat 76 mit einer hohen Isoliereigen­ schaft dargestellt. Mehrere Metallelektroden 77 aus Ag, Au oder Al sind parallel auf dem Substrat 76 angeordnet. Ein erster Elektronenübertragungsproteinfilm 78 aus Cytochrom- c-Molekülen ist auf dem Substrat 76 entsprechend einem LB (Langmuir-Blodgett) Verfahren oder ähnlichem ausgebildet.
Auf dem ersten Elektronenübertragungsproteinfilm 78 ist ein zweiter Elektronenübertragungsproteinfilm 79 aus Flavo­ doxinmolekülen entsprechend dem LB-Verfahren oder ähnlichem ausgebildet. Weiter sind mehrere Elektroden 80 auf dem zweiten Elektronenübertragungsproteinfilm 79 so angeordnet, daß sie senkrecht zu den vorher erwähnten Elektroden 77 verlaufen. In Fig. 6 kann der Film 78 ein monomolekularer Film organischer, synthetischer Moleküle sein, der ent­ sprechend dem LB-Verfahren ausgebildet ist, und die Filme 78 und 79 können ein Stapel monomolekularer Filme aus orga­ nischen, synthetischen Molekülen sein, die entsprechend dem LB-Verfahren hergestellt sind. Weiter kann der Film 78 ein monomolekularer Film sein, der durch chemische Modifikation ausgebildet ist, d.h. es kann ein monomolekularer Film sein, der durch chemisches Modifizieren der Elektrode 77 mit or­ ganischen, synthetischen Molekülen ausgebildet ist.
Der tatsächliche Aufbau des oben beschriebenen Schaltele­ ments ist in Fig. 7 dargestellt.
In Fig. 7 ist ein Substrat 86 mit einer Isoliereigenschaft vorgesehen. Auf dem Substrat 86 sind mehrere Metallelektro­ den 87 aus Ag, Au oder Al parallel ausgebildet. Ein erster Elektronenübertragungsproteinfilm 88 aus Flavodoxinmolekü­ len ist auf den Elektroden 87 ausgebildet. Auf dem ersten Elektronenübertragungsproteinfilm 88 sind mehrere parallele Elektroden 90 so ausgebildet, daß sie senkrecht zu den Elektroden 87 angeordnet sind. Über dem ersten Elektronen­ übertragungsproteinfilm 88 ist ein zweiter Elektronenüber­ tragungsproteinfilm 89 aus Cytochrom-c-Molekülen mittels des LB-Verfahrens oder ähnlichem so ausgebildet, daß er mit den Elektroden 90 verbunden ist. Ein dritter Elektronen­ übertragungsproteinfilm 91 aus Flavodoxinmolekülen ist über dem zweiten Elektronenübertragungsproteinfilm 89 durch das LB-Verfahren oder ähnlichem ausgebildet. Schließlich sind mehrere parallele Elektroden 92 auf dem dritten Elektronen­ übertragungsproteinfilm 91 so angeordnet, daß sie senkrecht zu den parallelen Elektroden 90 verlaufen.
Wenn die oben beschriebenen verschiedenen Bauelemente mit dem leitenden Protein, das Elektronen in allen Richtungen über­ tragen kann, verbunden sind, und das Protein, das keine Elektronen übertragen kann, als Isolator verwendet wird, wird ein elektrisches, monolithisches Redox-Schaltkreiselement nur unter Verwendung von Proteinmolekülen geschaffen.
In Teil (c) von Fig. 8 ist ein monolithisches Schaltkreis­ element nur aus Proteinmolekülen dargestellt, dessen equi­ valenter Schaltkreis eine Kombination der Teile (a) und (b) von Fig. 8 darstellt. D.h., die Gleichrichterbauelemente D1 bis D4 (siehe Fig. 2), die Schaltelemente Tr1 und Tr2 (siehe Fig. 3), die Widerstandselemente R1 und R2 (R1 be­ stehend aus D1 und D2, und R2 bestehend aus D3 und D4) und der Kondensator C1 (siehe Fig. 5) werden verwendet, und diese Bauelemente sind mit den leitenden Proteinmolekülen 4 verbunden, die Elektronen in allen Richtungen übertragen können, während sie durch die isolierenden Proteinmoleküle 5 mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstanten isoliert sind, wenn dies erforderlich ist. Es wird somit ein Hoch­ geschwindigkeitsschaltkreis hoher Dichte geschaffen, dessen Größe äußerst klein bis zu einem biomolekularen Niveau hin ist.
Fig. 9 zeigt ein Hybridschaltkreiselement gemäß einer ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Auf einem Substrat 1 ist eine Si-Schicht 2 (die im allgemeinen ein LSI darstellt) ausgebildet. Auf einem Teil der Si-Schicht 2 ist eine Iso­ lierschicht aus SiO2, Si3N4 oder Polyimid ausgebildet. Weiter ist ein elektronisches, monolithisches Redoxschalt­ kreiselement 4, z.B. wie es in Fig. 8 dargestellt ist, vor­ gesehen. Dieses Schaltkreiselement kann jedoch einen einfacheren Aufbau aufweisen. Schließlich sind in Fig. 9 Leiter 5 vorgesehen, die das elektrische Redoxschaltkreiselement 4 mit der Si- Schicht 2 verbinden. In dem Ausführungsbeispiel wird das elek­ trische Redoxschaltkreiselement 4 durch die Isolierschicht 3 auf der Si-Schicht 2 ausgebildet, und die Si-Schicht 2 ist elektrisch mit dem elektrischen Redoxschaltkreiselement 4 über die Leiter 5 verbunden.
In dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel sind das elektri­ sche Redoxschaltkreiselement und die Si-Schicht miteinander auf dem gleichen Substrat verbunden. Die Kennlinie des sich ergebenden Schaltkreises ist daher die Kombination der hohen Dichte und der Hochgeschwindigkeitseigenschaft des elektri­ schen Redoxschaltkreiselements und der Kennlinie des Halb­ leiterbauelements.
Fig. 10 zeigt ein Hybridschaltkreiselement gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. In Fig. 10 sind die Teile, die denen in Fig. 9 entsprechen, mit gleichen Bezugs­ zeichen versehen. Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel ist das elektrische Redoxschaltkreiselement 4 auf der gesamten oberen Fläche der Si-Schicht 2 über der Isolierschicht 3 angeordnet, und das elektrische Redoxschaltkreiselement 4 ist mit der Si-Schicht 2 mittels Leitern verbunden, die sich durch die Isolierschicht 3 erstrecken, so daß ein vielschich­ tiger Aufbau aus dem elektrischen Redoxschaltkreiselement 4 und der Si-Schicht 2 ausgebildet wird. Statt der Si-Schicht kann ebenfalls eine GaAs-Schicht verwendet werden.
Das zweite Ausführungsbeispiel ergibt, ähnlich wie das erste Ausführungsbeispiel, einen Schaltkreis, der die Vorteile der zwei Bauelemente aufweist, und der Integrationsgrad des Schalt­ kreises ist gesteigert.
Im folgenden soll nun das Verdrahtungsverfahren eines elektronischen Redox-Bauelements beschrieben werden, d.h. ein Verfahren zur Ausbildung der Elektroden in dem elektroni­ schen Redox-Bauelement (siehe Fig. 11). Fig. 11 stellt eine perspektivische Explosionsansicht dar, die den Aufbau des Schaltelements von Fig. 7 darstellt. Die Metallelektroden 87, 90 und 92 bestehen aus Metall, z.B. aus Pt, Ag, Au oder Al. Die Elektroden 87 sind parallel angeordnet, die Elektro­ den 90 sind parallel angeordnet und die Elektroden 92 sind ebenfalls parallel angeordnet. Diese Elektroden sind unter Verwendung von Masken in gewünschten Mustern ausgebildet, wobei die Masken durch optische Belichtung unter Verwendung eines Energiestrahls, z.B. sichtbarer Strahlen, ultravio­ letter Strahlen oder X-Strahlen, ausgebildet wurden. Die Vakuumbeschichtung von Pt, Au oder Al kann bei Raumtempe­ ratur erreicht werden. Beispielsweise kann Au bis zu einer Dicke im Bereich von einigen Hundertsteln nm bis zu eini­ gen Tausendsteln nm vakuumbeschichtet werden.
Diese Elektroden können in dem gewünschten Verdrahtungs­ muster entsprechend dem CVD (chemical vapor deposition =chemische Bedampfung) Verfahren unter Verwendung von molekularen Strahlen, Ionenstrahlen oder Laserstrahlen vor­ gesehen werden. Bei diesem Verfahren wird der Strahl ent­ sprechend einem gewünschten Muster direkt auf das Metall aufgebracht, und die Elektroden können bei einer Temperatur unter 50°C ausgebildet werden.
Die oben beschriebenen zwei Verdrahtungsverfahren sind in den Fällen der Fig. 9 und 10 anwendbar, in denen das elek­ tronische Redoxschaltkreiselement 4 mit der Si-Schicht 2 ver­ bunden wird.
Wie oben beschrieben, werden die Metallverdrahtungsmuster entsprechend einem Metallverdrahtungsmuster-Ausbildungsver­ fahren ausgebildet, das das gleiche ist, wie für einen integrierten Halbleiterschaltkreis, d.h., daß das Verfahren unter Verwendung von Masken, die durch optische Belichtung unter Verwendung eines Energiestrahls oder dem Verfahren des direkten Ausbildens des Musters eines Metallfilms ent­ sprechend dem CVD-Verfahren unter Verwendung von Molekularstrahlen, Ionen­ strahlen oder Laserstrahlen, ausgebildet wird. Man erhält somit einen Schaltkreis mit ultrahoher Dichte und ultra­ hoher Geschwindigkeit, der hinsichtlich seiner Größe äußerst klein bis hin zu einem molekularen Bereich hergestellt werden kann.
In den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen sind die Elek­ troden linear und parallel angeordnet. Es sind jedoch Abänderungen möglich.
Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen werden Elektro­ nenübertragungsproteine zur Ausbildung des elektronischen Redox-Bauelements verwendet; es können jedoch ebenfalls Elekro­ nenübertragungsmaterialien verwendet werden, die als Schein­ biomaterialien bekannt sind.
Wie oben beschrieben, besteht das Hybridschaltkreiselement aus dem elektronischen Redox-Bauelement und dem Halbleiterbauelement. Die Kennlinie des beschriebenen Hybridschaltkreiselements ist daher eine Kombination der hohen Dichte und der Hochgeschwindigkeitskennlinie des elektronischen Redox-Bauelements und der Kennlinie des Halbleiter-Bauelements.

Claims (5)

1. Hybridschaltkreiselement, gekennzeichnet durch ein elektronisches Redox-Bauelement (4), das aus Redoxmaterialien her­ gestellt ist, und ein Halbleiterelement (2), das mit dem elektrischen Redox-Bauelement (4) verbunden ist, wobei diese Bauelemente (2, 4) elektrisch mit­ einander durch elektrische Leiter (5) verbunden sind.
2. Hybridschaltkreiselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Redoxmaterialien aus einer Gruppe vom Biomaterialien und Scheinbiomaterialien ausgewählt sind, die in ihnen eine Elektronenübertragung gestatten.
3. Verfahren zur Herstellung eines Hybridschaltkreis­ elements nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
Ausbilden eines gewünschten Metallverdrahtungsmusters mittels einer durch optische Belichtung unter Verwendung eines Energiestrahls ausgebildeten Maske auf einer ein elektronisches Redox-Bauelement bildenden Schicht,
Verbinden des elektronischen Redox-Bauelements mit dem Halb­ leiterbauelement, und
elektrisches Verbinden der zwei Bauelemente miteinander mit elektrischen Leitern.
4. Verfahren zur Herstellung eines Hybridschaltkreis­ elements nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
Ausbilden eines gewünschten Metallverdrahtungsmusters mittels direktem musterförmigen Aufbringen eines Metall­ films nach einem chemischen Bedampfungsverfahren auf dem Redox-Bauelement,
Verbinden des elektronischen Redox-Bauelements mit dem Halb­ leiterbauelement, und
elektrisches Verbinden der zwei Bauelemente miteinander mit elektrischen Leitern.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das chemische Bedampfungsverfahren ein Molekular-, Ionen­ strahl- und Laserstrahl-Verfahren ist.
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