JPS6310561A

JPS6310561A - 整流素子

Info

Publication number: JPS6310561A
Application number: JP61155446A
Authority: JP
Inventors: Satoru Isoda; 悟磯田; Shigetoshi Nara; 奈良　重俊; Tomotsugu Kamiyama; 智嗣上山; Hiroaki Kawakubo; 川窪　広明
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1986-07-01
Filing date: 1986-07-01
Publication date: 1988-01-18
Anticipated expiration: 2010-07-31
Also published as: JPH0770763B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は、集積回路分野における整流素子に関するも
ので、生体材料を該素子の構成材料として用いることに
より、そのサイズを生体分子レベルの超微細な大きさく
数十・〜数百人）に近づけることができ、高密度、高速
化を図ることができるようにしたものである。

〔従来の技術〕

従来、集積回路に用いられている整流素子としては、第
７図に示すＭＯ３構造のものがあった。

図において、ｌはｐ形シリコン基板、２はｎ影領域、３
はｐ影領域、４はｎ影領域、５は５ｔｏ２膜、６，７は
電極であり、これら２つの電極６゜７間でｐ−ｎ接合（
ｐ影領域３−ｎ影領域４接合）が形成され、これにより
整流特性が実現されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来のＭＯ３構造の整流素子は以上のように構成されて
いるため、微細加工が可能であり、現在では上記構造の
整流素子あるいはこれと類似の構造のトランジスタ素子
を用いたＬＳＩとして、２５６にビットＬＳＩが実用化
されている。

ところで、榮積回路のメモリ容量と演算速度を上昇させ
るには、素子そのものの微細化が不可欠であるが、Ｓｉ
を用いる素子では０．２μ−程度の超微細パターンで電
子の平均自由行程と素子セイズとがほぼ等しくなり、素
子の独立性が保たれなくなるという限界を抱えている。

このように、日々発展を続けているシリコンテクノロジ
ーも、微細化の点ではいずれは壁に突きあたることが予
想され、新しい原理に基づく電気回路素子であって上記
０．２μ〜の壁を破ることのできるものが求められてい
る。

この発明は、かかる状況に迄みてなされたもので、生体
材料を電気回路素子の構成材料として用いることにより
、そのサイズを生体分子レベルの超微細な大きさにまで
近づけることのできる電気回路素子を、特にそのうちの
整流素子を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

ところで、微生物の生体膜及び高等生物のミトコンドリ
アの内膜中には、それぞれ機能は異なるが、Ｈ２，有機
酸、　Ｎ　Ａ　Ｄ　（Ｐ　）　Ｈ（Ｎｉｃｏｔｉｎｅａ
ＩＩＩｉｄＡｄｅｎｉｎｅ　Ｄｉｎｕｃｌｅｏｔｉｄｅ
　（Ｐｈｏｓｐｈａｔｅ））などの還元性の化学物質か
ら電子を引き抜く酵素蛋白質とともに、その引き抜かれ
た電子を生体膜の定められた方向に運ぶ電子伝達能を有
する一俺白質（以下電子伝達蛋白質と記す）が複数種類
存在している。

そしてこれらの電子伝達蛋白質は生体膜中に一定の配向
性をもって埋め込まれ、分子間で電子伝達が起こるよう
に特異的な分子間配置をとっている。

このように、電子伝達蛋白質は生体膜中で精巧な配置を
もって連鎖状に並んでいるため、これを利用すれば電子
の動きを分子レベルで制御することができると考えられ
る。

第６図に電子伝達蛋白質の連鎖（電子伝達系）の−例と
して、ミ）コンドリアの内膜の電子伝達系を模式的に示
す０図において、８はミトコンドリアの内膜、９〜１５
は電子伝達蛋白質であり、還元性有機物であるＮＡＤＨ
（図中Ｌ）、コハク酸（図中Ｍ）からそれぞれＮＡＤＨ
−Ｑ還元酵素９、コハク酸脱水素酵素１０により引き抜
かれた電子は、Ｎ　Ａ　Ｄ　Ｈ−Ｑ還元酵素９．コハク
酸膜水素酵素１０−チトクロームｂ　（１１）−チトク
ロームＣＩ（１２）−チトクロームｃ　＝？’１３）−
チトクロームａ　（１４）−チトクロームａ３　　（１
５）の経路で伝達し、出口側Ｎで最終的に酸素に渡され
、水を生ずる。

第６図に示した電子伝達蛋白質は電子伝達時に酸化還元
（レドックス）反応を伴い、各電子伝達蛋白質のレドッ
クス電位の負方向の準位から正方向の準位へと電子を流
すことができる。即ち、整流特性を示す。

また、最近の知見によれば、同一生体内に存在している
電子伝達蛋白質ばかりでなく、異種の生体内に存在する
電子伝達蛋白質を組み合わせても電子伝達が可能な電子
伝達蛋白質複合体を形成することが可能であることが示
されている。

従って、適当なレドックス電位を持つ電子伝達蛋白質を
２種類（Ａ及びＢ）用い、これらをＡ−Ｂと２層に累積
させれば、それらのレドックス電位の違いを利用して整
流特性を生ずる接合を形成できると考えられる０本件発
明者はこのことに着目してこの発明を創作したものであ
る。

即ち、本発明に係る整流素子は、天然に存在する電子伝
達蛋白質を化学的に改変したり、またそれを模倣してな
る第１電子伝達物質で作成された第１電子伝達物質膜と
、上記第１電子伝達物質のレドックス（酸化還元）電位
と異なるレドックス電位を有する第２電子伝達物質で作
成され、上記第１電子伝達物質膜に累積して接着接合さ
れた第２電子伝達物質膜と、それぞれ上記第１．第２電
子伝達物質に接続される第１．第２の電極とを設けたも
のである。

〔作用〕

この発明においては、レドックス電位の異なる少なくと
も２種類の電子伝達物質を接合したその複合体は整流特
性を発生させる。即ち、第５図（ａ）。

（ｂｌに示すＡ−Ｂ型電子伝達物質複合体の模式図とそ
のレドックス電位の関係を用いて説明すると、異なるレ
ドックス電位を有する２つの電子伝達物質Ａ、　　Ｂを
接合してなる複合体は、電子は、図中実線矢印で示すよ
うにレドックス電位の負の準位から正の準位へは容易に
流れるが、逆方向（図中破線矢印方向）へは流れに（い
という整流特性を呈し、この複合体を用いることにより
ｎ型半導体とｐ型半導体とを接合してなるｐ−ｎ接合と
類似の性質を示す整流素子を得ることができる。

〔実施例〕

以下、本願の第１の発明の実施例を図について説明する
。第１図はこの発明の一実施例による整流素子が組み込
まれた装置の模式的断面構成図であり、図において、１
６は絶縁特性を持つ基板、１７はＡｇｌ　Ａｕ、Ａ１な
どの金属製電極で、基板１６上に複数条が平行に形成さ
れている。１８は第１の改変電子伝達蛋白質で作成され
た第１電子伝達蛋白質膜で、この第１の改変電子伝達蛋
白質は、チトクロームＣ等の天然電子伝達蛋白質にアミ
ノ酸を結合したり、また−〇をＦやＣＨ３に。

あるいはＣをＳｔ等に！換したアミノ酸誘導体を結合し
てなるものである。１９は上記第１の改変電子伝達蛋白
質のレドックス電位と異なるレドックス電位を有する第
２の改変電子伝達蛋白質で作成された第２電子伝達蛋白
質膜で、上記第１電子伝達蛋白質膜１８に累積して接着
接合されている。

この第２の改変電子伝達蛋白質も上記と同様に天然電子
伝達蛋白質を改変してなるものである。２０は複数条の
平行電極１７と直角方向に形成された複数条の平行電極
で、第２電子伝達蛋白質膜１９上に形成されている。第
２スは形成した整流素子を組み込んだ装置を分解して示
す分解斜視図である。

次に上記装置の製造方法について説明する。

まず、基板１６上にイオンビーム法２分子線法。

蒸着法等を利用して全屈薄膜を作成し、電極１７を形成
する０次に上記改変電子伝達蛋白質（以下、単に電子伝
達蛋白質と記す）用いて単分子膜及びそれらの累積７１
８，１９を作成する訳であるが、これらの１１１８．１
９を作成するには、ＬＢ（Ｌａｎｇｍｕｉｒ−Ｂｌｏｄ
ｇｅｔｔ）法を用いればよい、このＬＢ法の詳細につい
ては、■電気学会９に誌、第５５巻、　２０４〜２ｔａ
頁、昭和１０年４月（）ｗｉｎｇ　Ｌａｎｇｓｕｉｒ＞
、■ジャーナル　オブ　アメリカン　ケミカル　ソサイ
ティ（Ｋ、Ｂｌｏｄｇｅｔｔ　：　Ｊｏｕｒｎ（１０）
　ｏｆ　ＡｍｅｒｉｃａｎＣｈｅｍｉｃ（１０）　５ｏ
ｃｉｅｔｙ）　５７巻、　Ｐ４Ｏ１０，１９３５年、■
杉道夫ら、固体物理、　Ｖｏｌ　１７．　Ｐ７４４〜７
５２．１９８２年、■ジャーナル　オブ　コロイド　ア
ンド　インターフェイス　サイエンス（Ｊｏｕｒｎ（１
０）　ｏｆ　Ｃｏ１１ｏｉｄａｎｄ　Ｉｎｔｅｒｆａｃ
ｅ　　５ｃｉｅｎｃｅ　　）　Ｖｏｌ　６１３＋　Ｐ４
７１〜４７７゜１９７９年、などに記載されている。

−例を説明すると、水槽の水面に第１の電子伝達蛋白質
の溶液を滴下し、水面に第１の電子伝達蛋白質の単分子
膜を形成する。この第１電子伝達蛋白質膜が形成された
水槽に電極１７を形成した基板１６を垂直に挿入し浸し
て行くと、該電極１７を有する基板１６に第１電子伝達
蛋白質膜１８が付着接合する。

このとき、基板１６を水槽に挿入し浸していったが、逆
に水面下から垂直に引き上げるようにして基板１６上に
第１電子伝達蛋白質膜１８を形成するようにしてもよい
。

次に水槽の水面に第２の電子伝達蛋白質の溶液を滴下し
、水面に第２の電子伝達蛋白質の単分子膜を形成する。

そして上記第１電子伝達蛋白質膜１８が作成された基板
１６を、第２電子伝達蛋白質膜を有する水槽に垂直に挿
入し浸して行くと、第１電子伝達蛋白質膜１８上に第２
電子伝達蛋白質膜１９が付着接合される。続いて、基板
１６の第２電子伝達蛋白質膜１９上に金Ｒ薄膜をイオン
ビーム法、分子線法、蒸着法などを利用して電子伝達物
質膜が破壊されないほどの低温で作成する。

なお、上記第１．第２電子伝達蛋白質膜１８゜１９は、
単分子膜であっても、また別の改変電子伝達蛋白質の膜
をこれに重ねたものであってもよい。このとき各々に重
ねた膜の両電子伝達蛋白質間のレドックス電位差は、第
１．第２の両電子伝達蛋白質間のレドックス電位差より
小さいものを選定する。

また、上記製法において水面に滴下する電子伝達蛋白質
溶液に予め脂質及び脂肪酸のいずれかを混合し、該混合
溶液を水面に滴下して水面に膜を形成し、これを基板に
付着接合させるようにしてもよく、これによれば上記脂
質又は脂肪酸が電子伝達蛋白質の分子の支持として作用
し、電子伝達蛋白質の配向が整えられる。

また、金属電極と電子伝達蛋白質膜間の電子の授受を良
好にするためには、金属電極を４，４゛−ビピリジル（
ｂｉｐｙｒｉｄｇｌ　）　、２．２°−ビピリジルなど
で化学修飾しておいてもよい。

その他電子伝達蛋白質膜の作成法としては、金属電極あ
るいは有機分子で表面を修飾した金属電極を、改変した
電子伝達蛋白質等の溶液に浸漬して該改変蛋白質分子を
電橋上に吸着させる方法も考えられる。この方法におい
ては、上記した電子伝達蛋白質を吸着させる１掻以外に
１ないし２本の電極を溶液中に浸漬し、電子伝達蛋白質
を吸着させる電極と蛋白質溶液との間に正または負の電
位を印加して改変蛋白質分子の電極への吸着を制御する
ことも可能である。

次に作用効果について説明する。

第３図（ａ）は本素子の電極１７と電極２０間に電圧■
を印加したときのＩ−Ｖ特性、即ち整流特性を示す。本
素子の電圧印加に対する電子の流れ等は第５図（（１０
）、　（ｂｌで述べた作用と同様であり、−第１゜第２
の電子伝達蛋白質のレドックス電位の相違により整流特
性を示す。また、印加電圧Ｖが第３図（（１０）の範囲
を越える領域では、第３図山）に示すように負電圧を増
大したときは電流が減少するという負性抵抗を示し、一
方正電圧を増大したときはレドックス電位の逆転による
電流が発生するという特性を示すが、これは電子伝達蛋
白質の電子伝達機構の特性によるものである。

このような本実施例の構成及び電圧印加に対応する電流
の変化の挙動は、従来の半導体整流素子（ｐ−ｎ接合タ
イプ）と同様と考えられ、上記構成により整流素子を分
子レベルの超微細な大きさの素子として実現でき、該素
子を用いて高密度化８高速度化が可能な集積回路が得ら
れる。

また、上記実施例において電極と電子伝達蛋白質膜との
間に脂肪酸等の有機薄膜を形成した場合、該薄膜の有機
分子は蛋白質分子の配向支持を行なうものとなり、電子
伝達蛋白質の配向が整えられる。これを第４図の模式図
を用いてモデル的に説明すると、有機薄膜２１．２２を
設けることにより、液膜の有機分子の凸部２１ａと第１
の改変電子伝達蛋白質の凹部１８ａがはまりあい、また
第２の改変電子伝達蛋白質の凹部１９ａと有機分子の凸
部２２ａがはまりあい、これにより第１．第２の改変電
子伝達蛋白質の配向が整えられることになる。また電極
ど電子伝達蛋白質とを直接接合させると、それらの間の
電子の授受が困難となったり、蛋白質が変性してしまう
ことがあるが、上記有機薄膜を設けることにより上記不
具合は解消され、信頼性の高い素子を形成できる。

なお、上記実施例では改変電子伝達蛋白質として、チト
クロームＣ等の天然電子伝達蛋白質にアミノ酸等を結合
したものを用いたが、これは上記天然電子伝達蛋白質の
活性中心の構造のみを保持してその他の部分を改変して
構成した改変蛋白質を用いてもよい、また第１．第２の
電子伝達蛋白質の一方のみを改変蛋白質としてもよい。

また、電子伝達蛋白質への電子の供給に＃）Ｉ素を利用
するようにしてもよい。

また、改変すべき天然の電子伝達蛋白質としては、非ヘ
ム−鉄・硫黄蛋白質、チトクロームＣ系蛋白質、チトク
ロームｂ系蛋白質、チトクロームａ１フラボドキシン、
プラストシアニン、チオレドキシンなどがある。

また、各電子伝達物質は、異種電子伝達物質間では一定
方向のみに電子が流れるという性質を利用して電子伝達
物質分子単位で、累積膜に垂直な方向には電子が流れ、
上記累積膜に平行な方向で隣接する電子伝達物質分子間
では電子の授受が起こらないような所定の分子配置をと
るようＬＢ法などで配向させることが望ましい。

さらに、上記実施例では電子伝達蛋白質膜を２層累積し
た場合について説明したが、これは３層以上累積させて
もよく、上記実施例と同様の効果が得られる。

次に本願の第２の発明の実施例について説明する。

前記第１の発明では、素子を構成する材料として、天然
の蛋白質の一部を改変したり、また天然の蛋白質にアミ
ノ酸等を化学的に結合したものを使用したが、本願の第
２の発明は、人工的な有機合成法により電子伝達蛋白質
の機能を模倣した有機分子あるいは有機金属錯体分子を
上記素子を構成する材料として用いたものである。

上記のような物質の例としては、Ｆｅ２＋やフラビンな
ど酸化還元反応をする化学物質が、化学的に合成したポ
リエチレン等のポリマーに取り囲まれるように形成され
た人工電子伝達物質、即ちポリマー、ベンゼンなどπ電
子を持つ物質、及び酸化還元物質を結合して形成された
人工電子伝達物質がある。

このようなものの構成及び作用効果は、前記第１の発明
の実施例と同様であり、素子サイズを生体分子レベルの
超微細な大きさに近づけることで可能である。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば、相互にレドックス電
位の異なる電子伝達物質で第１．第２の電子伝達物質膜
を形成し、これにより整流動作を行わせるようにしたの
で、整流素子サイズを生体分子レベルの超微細な大きさ
に近づけろことができ、該素子を用いた集積回路の高密
度化、高速度化を図ることができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による整流素子が組み込まれ
た装置の模式的断面構成図、第２図は該装置の分解斜視
図、第３図（ａ）　（ｂｌはともに上記整流素子のｒ−
ｖ特性図、第４図は上記整流素子中に形成された有機′
Ｒ膜の作用効果を説明するための模式図、第５図（δ）
は電子伝達蛋白質複合体の構成図、第５図（ｂｌはその
レドックス電位を示す図、第６図はミトコンドリアの内
膜の電子伝達系を示す模式図、第７図は従来のＭＯ３構
成整流素子を示す断面図である。１７．２０・・・電極、１８・・・第１電子伝達蛋白質
膜、１９・・・第２電子伝達蛋白質膜。なお図中同一符号は同−又は相当部分を示す。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）生体材料あるいは擬似生体材料であり電子を一定
方向に伝達可能な第１の電子伝達物質で作成された第１
電子伝達物質膜と、上記第１の電子伝達物質のレドックス電位と異なるレド
ックス電位を有する第２の電子伝達物質で作成され、上
記第１電子伝達物質膜上に累積して接着接合された第２
電子伝達物質膜と、それぞれ上記第１、第２の電子伝達物質に接続された第
１、第２の電極とを備え、上記第１、第２の電子伝達物質の一方又は両方が天然に
存在する電子伝達蛋白質にアミノ酸又はアミノ酸誘導体
を結合してなるものであり、上記第１、第２の電子伝達
物質のレドックス電位の違いを利用して整流特性を呈す
るようにしたことを特徴とする整流素子。
（２）上記アミノ酸誘導体は、ＨをＦ又はＣＨ３に、あ
るいはＣをＳｉに置換してなるものであることを特徴と
する特許請求の範囲第１項記載の整流素子。
（３）上記天然に存在する電子伝達蛋白質は、非ヘム−
鉄・硫黄蛋白質、チトクロームｃ系蛋白質、チトクロー
ムｂ系蛋白質、チトクロームａ、フラボドキシン、プラ
ストシアニン、又はチオレドキシンであることを特徴と
する特許請求の範囲第１項又は第２項記載の整流素子。
（４）上記電子伝達蛋白質膜は単分子膜であることを特
徴とする特許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれか
に記載の整流素子。
（５）上記電子伝達物質への電子の供給に酵素を利用す
るようにしたことを特徴とする特許請求の範囲第１項な
いし第４項のいずれかに記載の整流素子。
（６）上記各電極は金属電極であることを特徴とする特
許請求の範囲第１項ないし第５項のいずれかに記載の整
流素子。
（７）上記各電極は、金属電極を有機分子で化学修飾し
たものであることを特徴とする特許請求の範囲第６項記
載の整流素子。
（８）上記各電子伝達物質膜は、その電子伝達物質が、
各膜が累積された方向と垂直な方向に電子が流れ、水平
方向の隣接する電子伝達物質分子間では電子の授受がな
されないよう配向されていることを特徴とする特許請求
の範囲第１項ないし第７項のいずれかに記載の整流素子
。
（９）上記電子伝達物質の配向用支持体として、脂質又
は脂肪酸のいずれかを用いたことを特徴とする特許請求
の範囲第１項ないし第８項のいずれかに記載の整流素子
。
（１０）上記電子伝達蛋白質と電極との間には、それら
の間の電流の授受を良好なものとし、かつ上記電子伝達
物質を配向支持する有機分子又は有機金属錯体からなる
薄層が形成されていることを特徴とする特許請求の範囲
第１項記載の整流素子。
（１１）生体材料あるいは擬似生体材料であり電子を一
定方向に伝達可能な第１の電子伝達物質で作成された第
１電子伝達物質膜と、上記第１の電子伝達物質のレドックス電位と異なるレド
ックス電位を有する第２の電子伝達物質で作成され、上
記第１電子伝達物質膜上に累積して接着接合された第２
電子伝達物質膜と、それぞれ上記第１、第２電子伝達物質膜に接続された第
１、第２の電極とを備え、上記第１、第２の電子伝達物質の一方又は両方が人工的
な有機合成法により天然に存在する電子伝達蛋白質の機
能を模倣してなる有機分子又は有機金属錯体分子であり
、上記第１、第２の電子伝達物質のレドックス電位の違
いを利用して整流特性を呈するようにしたことを特徴と
する整流素子。
（１２）上記有機分子又は有機金属錯体分子は、酸化還
元物質がポリマーに取り囲まれるようにして形成された
ものであることを特徴とする特許請求の範囲第１１項記
載の整流素子。
（１３）上記有機分子又は有機金属錯体は、ポリマー、
π電子を持つ物質、及び酸化還元反応をする物質を結合
してなるものであることを特徴とする特許請求の範囲第
１２項記載の整流素子。