JPS6310562A

JPS6310562A - トランジスタ素子

Info

Publication number: JPS6310562A
Application number: JP61155447A
Authority: JP
Inventors: Satoru Isoda; 悟磯田
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: 2011-01-31
Also published as: JPH0810774B2

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】〔卒業上の利用分野］この発明は、集積回路分野におけるトランジスタ素子に
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トランジスタ素子とし
ては、第７図に示す電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）
があった０図において、１はｎ形シリコン基板、２はチ
ャンネル領域、３はＰ土層、４は５ｉ０２膜、５はソー
ス電極、６はゲート電極、７はドレイン電極であり、こ
の従来のＦＥＴをトランジスタ動作又はスイッチング動
作させるには、ゲート電極に印加するゲート電圧を制御
して行う、即ち、ゲート電圧によってソース電極５とド
レイン電極７間の表面層における電流キャリア数を変化
させれば、これにより電流が制御される。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来のトランジスタ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トラ
ンジスタ素子あるいはこれと類似の構造の整流素子を用
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、集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、Ｓｔ
を用いる素子では０．２μｍ程度の超微細パターンで電
子の平均自由行程と素子サ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電界を抱えている。

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、かかる状況に鑑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
トランジスタ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
ｍｉｄｅＡｄｅｎｉｎｅ　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
る蛋白質（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、電子を蛋白質連鎖に沿
って流すことが可能で、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、ミトコンドリアの内股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（ＴＩ！Ｊ中Ｍ）からそれぞれＮ
ＡＤＨ−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、ＮＡＤＨ−Ｑ還元酵素９．コハク
酸脱水素酵素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（１５）
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単位から正方向の準位へと電子を流
すことができる。

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（、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、通光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−Ａと３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
てトランジスタ特性又はスイッチング特性を生ずる接合
を形成できると考えられる６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、本発明に係るトランジスタ素子は、相互に隣接す
る電子伝達蛋白質間でレドックス電位の異なる第１．第
２．第３電子伝達蛋白質で作成された第１．第２．第３
電子伝達蛋白質膜を順に接着接合して設け、それぞれ上
記第１．第２．第３電子伝達蛋白質膜に接続される第１
．第２．第３の電極を設け、第１．第３の電極とそれに
対応する電子伝達蛋白質膜間に有機薄膜を設けたもので
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３つの電子伝達蛋白質はトランジスタ特性又
はスイッチング特性を呈する。即ち、第５図（ａ）、　
（ｂ）に示すＡ−Ｂ−Ａ型電子伝達蛋白質複合体の模式
図とそのレドックス電位の関係を用いて説明すると、こ
の電子伝達蛋白質Ａ、Ｂ。

Ａを接合してなる複合体では、Ａ、Ｂ、Ａ蛋白質のレド
ックス電位の分布を、Ｂ蛋白質への印加電圧を制御して
変化させることができ、これによりｎ型半導体とｐ型半
導体とを接合してなるｐ−ｎ−ｐ接合と類似のトランジ
スタ特性又はスイッチング特性を呈する素子を得ること
ができる。

また、その際本発明においては、電極と電子伝達蛋白質
膜との間に有機分子又は有機金ｒＦＩｋ錯体からなる薄
膜を設けたから、電子伝達蛋白質の配向が整えられ、ま
た電極と電子伝達蛋白質膜との間の電流の授受が良好に
行われる。

〔実施例〕

以下、本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トランジスタ素子が
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、１６は絶縁特性を持つ例えばガラス製基板、１７は
Ａｇ、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。２３は上記金属製電極１
７上に累積された有機分子又は有機金属錯体からなる有
機薄膜、１８は電子伝達蛋白質であるフラボトキシンで
作成された第１電子伝達蛋白質膜で、上記有機薄膜２３
上に形成されている。２０は上記複数条の平行電極１７
と直角方向に形成された複数条の平行電極、１９は電子
伝達蛋白質であるチトクロームＣで作成された第２電子
伝達蛋白質膜で、第１電子伝達蛋白質膜１Ｂに累積して
接着接合され、電極２０に接合されている。２１は電子
伝達蛋白質であるフラボトキシンで作成された第３電子
伝達蛋白質膜で、上記第２電子伝達蛋白質膜１９に累積
して接着接合されている。２４はこの第３電子伝達蛋白
質膜２１上に形成された有機薄膜、２２は上記複数条の
平行電極２０と直角方向に形成された複数条の平行電極
で、第３電子伝達蛋白質膜２１上に上記有機￥！ｉ膜２
４を介して形成されている。第２図は形成したトランジ
スタ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。

このように構成されたトランジスタ素子は、第１図に示
すような一定方向に電子伝達通路Ｅを有し、この電子伝
達通路Ｅと交わるように形成された電極１７と２２間の
電流の流れを、電極２０に印加する電圧によって制御す
るものである。

次に上記装置の製造方法について説明する。

まず、基板１６上に金属！膜をイオンビーム法。

分子線法、蒸着法等を利用して作成し、金属電極１７を
形成する。そして該電極１７上に有機分子又は有機金属
錯体からなる有機薄膜２３を蒸着法等により形成する０
次に上記電子伝達蛋白質としてのチトクロームＣとフラ
ボトキシンを用いて単分子膜及びそれらの累積膜を作成
する訳であるが、これらの襖を作成するには、Ｌ　Ｂ　
（Ｌａｎｇｍｕｉｒ−Ｂｌｏｄｇｅｔｔ）法を用いれば
よい。このＬＢ法の詳細については、■電気学会雑誌、
第５５巻、２０４〜２１３頁、昭和１０年４月（Ｉｗｉ
ｎｇ　Ｌａｎｇｍｕｉｒ　）、■ジャーナル　オブ　ア
メリカン　ケミカル　ソサイテイ　　　（に、ＢＩｏｄ
ｇｅｔｔ　　　：　　　Ｊｏｕｒｎａｌ　　　ｏｆ　　
　Ａｍｅｒｉｃａｎ　　ＣｈｅｍｉｃａｌＳｏｃｉｅｔ
ｙ）　５７巻、　Ｐ４Ｏ１０，１９３５年、■杉　通人
ら。

固体物理、　Ｖｏｌ　１１．　Ｐ７４４〜７５２．１９
８２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（Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃ
ｏ１１ｏｉｄ　ａｎｄＩｎｔｅｒｆａｃｅ　５ｃｉｅｎ
ｃｅ　　）　Ｖｏｌ　６８．　Ｐ４７Ｌ〜４７７＋　１
９７９年、などに記載されている。−例を説明すると、
水槽の水面にフラボトキシン溶液を滴下し、水面にフラ
ボトキシンの単分子膜を形成する。そしてこのフラボト
キシン膜を形成した水槽に、電極１７及び有機薄膜２３
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及び有機薄膜２３を有する基板１６にフラボトキ
シン膜が付着接合し、第１電子伝達蛋白質膜１８が作成
される。

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
フラボトキシン膜を形成するようにしてもよい。

次に上記と同様の方法で、上記第１電子伝達蛋白質膜１
８上に電極２０を作成する。このとき、電子伝達蛋白質
が破壊されないよう低温で作成する必要がある。続いて
、水槽の水面にチトクロームＣ溶液を滴下し、水面にチ
トクロームＣの単分子膜を形成する。そして上記第１電
子伝達蛋白質１８及び電極２０が作成された基板１６を
、チトクロームＣの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上にチトクローム
Ｃ膜が付着接合し、電極２０に接合した第２電子伝達蛋
白質膜１９が作成される。同様にして基板１６の第２電
子伝達蛋白質膜１９上にフラボトキシン膜を付着接合し
て第３電子伝達蛋白質膜２１を作成し、さらにこの上に
有機薄膜２６及び電極２４を作成する。

なお、上記電子伝達蛋白質膜は、単分子膜であっても、
また別の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０例えば第１電子伝達蛋白質を２層累積して形
成した場合は、これらの両電子伝達蛋白質膜間のレドッ
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。各種の電子伝
達蛋白質のレドックス電位は、［高野　常広著；蛋白質
核酸酵素、　　２７．　　ＰＬ５４３．１９８２年」に
記載されており、チトクロームＣとフラボトキシンのレ
ドックス電位差は約６６５ｍＶである。

また、上記例では有機ｉ膜２３，２４を形成するに際し
、蒸着法等で形成する場合について述べたが、これは水
面に滴下する電子伝達蛋白質溶液に予め有機分子として
の脂質及び脂肪酸のいずれかを混合し、該混合溶液を水
面に滴下して水面上に膜を形成し、これを基板に付着接
合させるようにしてもよい。

その他有機薄膜及び電子伝達蛋白質膜の作成法としては
、有機分子で表面を修飾して金屈電極上に有機薄膜を形
成し、該電極を蛋白質溶液に浸漬して蛋白質分子を上記
有機薄膜を有する電極上に吸着させる方法も考えられる
。この方法においては、上記した蛋白質を吸着させる電
極以外に１ないし２本の電極を溶液中に浸漬し、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１図において、電極１７と電極２０間に第１電子伝達
蛋白質膜１８が介在しているが、第１電子伝達蛋白質１
１ｉ１８だけであれば、誘電体として作用するので両電
極１７と２０間の絶縁は保たれる。しかし、上記のよう
に第１．第２及び第３電子伝達蛋白質膜が配向を整えら
れて累積され、接着接合されると、電極１７と２２間の
電子の授受が可能となる。即ち、電極２０は第２電子伝
達蛋白質１！１１９に対して絶縁的であるが、この電極
２０に電圧を印加することにより、第２の電子伝達蛋白
質膜１９に対して電気的影響を与えることができる。！
！ｐち電極２０は従来のＦＥＴのゲート電極に相当し、
電極１７．２２はそれぞれソース電穫、ドレイン電極に
相当する。

第３図（Ｍｌは本実施例のトランジスタ素子の電圧印加
状態を示す模式図で、同図（ｂｌはこのときの各電子伝
達蛋白質膜のレドックス電位状態を示す図である。電極
１７と２０との間に電極１７側を正として電圧ｖ１を印
加し、電極２０と２２との間に電極２０側を正として電
圧ｖ２を印加すると、レドックス電位状態は第３図山）
の実線のように変化する。同図の破線は電圧印加前の状
態を示しており、ｖＯはチトクロームＣとフラボトキシ
ンのレドックス電位の差で、約６６５ｍＶである。上記
構成及び電圧印加によるレドックス電位の変化は、従来
の半導体トランジスタ（ｐ−ｎ−ｐ接合タイプ）と同様
と考えられ、上記構成によりトランジスタ素子を分子レ
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、高速度化が可能な集積回路が得られる
。

また、上記実施例では電極と電子伝達蛋白質膜との間に
有機薄膜を形成しているので、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＊ｌｌＩ２３．２４を設ける
ことにより、液膜の有機分子の凸部２３ａ、２４ａとフ
ラボトキシンの凹部１８ａ、２１ａがはまりあい、これ
により各蛋白質分子の配向が整えられることになる。ま
た電極と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、本実施例ではそのような不具合も
解消され、信頼性の高い素子を形成できる。

なお、上記実施例では第１及び第３電子伝達蛋白質とそ
れらの電極間に有機薄膜を設けた場合について説明した
が、これらに加えて第２電子伝達蛋白質に接続される電
極の両面にも上記同様の有機薄膜を設けるようにしても
よい、また電子伝達蛋白質への電子の供給に酵素を利用
するようにしてもよい。

また、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ａ、フラボトキシン、プラストシアニン
、チオレドキシンなどがあり、これらのうちから第１．
第２の電子伝達蛋白質を選択するにあたっては、分子間
の配向と、電極が形成された基板に対する配向とが電子
伝達に通−したものを選定する。

また上記実施例では２種類の蛋白質の累積膜でトランジ
スタ素子を構成した場合について説明したが、これは３
種類以上の蛋白質の累積膜として構成してもよい。

また、各電子伝達蛋白質は、異種電子伝達蛋白質間では
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蛋白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。

また、本発明では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、それらの間に有機薄膜を設
けたが、これは、金属電極を４゜４゛　−ビピリジル（
ｂｉｐｙｒｉｄｇｌ　）、２，２′　−ビピリジルなど
で化学修飾しても同様の効果が期待できる。

〔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蛋白質で第１．第２゜第３の電子伝
達蛋白質膜を形成し、各電子伝達蛋白質のレドックス電
位の違いを利用してトランジスタ動作又はスイッチング
動作を行わせるようにしたので、トランジスタ素子サイ
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。まｈ上記電子伝達蛋白質膜と電極と
の間に有機薄膜を設けたので、これにより電子伝達蛋白
質の配向を良好にすることが可能となり、また蛋白質と
電極間の電子の授受を良好とすることができ、かつ蛋白
質の変性を防止できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例によるトランジスタ素子が組
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（ａｌは上記トランジスタ素子の電
圧印加状態を示す模式図、第３図（ｂ）はその各電子伝
達蛋白質膜のレドックス電位状態を示す図、第４図は上
記トランジスタ素子中に形成された有機薄膜の作用効果
を説明するための模式図、第５図（ａ）は電子伝達蛋白
質複合体の模式図、第５図（′ｂ）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図は従来の電界効果型トランジス
タ素子を示す断面図である。１７．２０．２２・・・電極、１８・・・第１電子伝達
蛋白質膜、１９・・・第２電子伝達蛋白質膜、２１・・
・第３電子伝達蛋白質膜、２３．２４・・・有機薄膜。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）電子を一定方向に伝達可能な第１電子伝達蛋白質
で作成された第１電子伝達蛋白質膜と、上記第１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電子伝達蛋白質で作成され、上記第１電子伝達
蛋白質膜上に累積して接着接合された第２電子伝達蛋白
質膜と、上記第２電子伝達蛋白質と異なるレドックス電
位を有する第３電子伝達蛋白質で作成され、上記第２電
子伝達蛋白質膜上に累積して接着接合された第３電子伝
達蛋白質膜と、それぞれ上記第１、第２、第３電子伝達蛋白質膜に接続
された第１、第２、第３の電極と、上記第１の電極と第
１電子伝達蛋白質膜間及び第３の電極と第３電子伝達蛋
白質間に設けられ、上記電子伝達蛋白質を配向支持しか
つ上記両電子伝達蛋白質膜とそれらの電極との間の電流
の授受を良好とする有機分子又は有機金属錯体からなる
有機薄膜とを備え、上記各電子伝達蛋白質のレドックス電位の違いを利用し
てトランジスタ特性又はスイッチング特性を呈するよう
にしたことを特徴とするトランジスタ素子。
（２）上記電子伝達蛋白質は、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項記載のトランジスタ素子。
（３）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項又は第２項記載のトラン
ジスタ素子。
（４）上記電子伝達蛋白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３項のいずれかに記載のトランジスタ素子。
（５）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４項のいずれかに記載のト
ランジスタ素子。
（６）上記各電子伝達蛋白質膜は、その電子伝達蛋白質
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蛋白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５項のいずれかに記載のト
ランジスタ素子。
（７）上記有機薄膜を構成する有機分子は脂質又は脂肪
酸のいずれか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６項のいずれかに記載のトランジスタ素子
。
（８）上記第１の電極と第２の電極とは相互に直角に配
置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トランジスタ素子。
（９）上記第１及び第２の電極は、それぞれ複数の平行
な線状電極群であることを特徴とする特許請求の範囲第
８項記載のトランジスタ素子。
（１０）上記第２の電極と第３の電極とは相互に直角に
配置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９項のいずれかに記載のトランジスタ素子。
（１１）上記第２及び第３の電極は、それぞれ複数の平
行な線状電極群であることを特徴とする特許請求の範囲
第１０項記載のトランジスタ素子。