JPS63237562A - スイツチ素子 - Google Patents

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スイッチ素子に関す
るもので、酸化還元物質を該素子の構成材料として用い
ることにより、そのサイズを分子レベルの超微細な大き
さく数十〜数百Ａ）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□ているスイッチ素子として
は、例えば柳井久義、永田穣共者の集積回路工学ｆｌ＋
に記載されているような第３図に示す電界効果型トラン
ジスタ（ＦＥＴ）があった。図において、０υはｎ形シ
リコン基板、ａｚはチャンネル領域、ａ３はＰ４層、（
ロ）は５ＩＣｈ膜、αつはソース電極、αＱはゲート電
極、ａで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
ト電極を介して印加するゲート電圧の制御により行う。

即ち、ゲート電圧によってソース電極（Ｉｓ）とドレイ
ン電極０η間の表面層における電流キャリヤ数を変化さ
せ、これにより電流を制御する。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来のスイッチ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スイッチ
素子あるいはこれと類イ以の構造の整流素子を用いたＬ
ＳＩ　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界させ
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０．２μｍ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
０．２μｍ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、酸化
還元物質を電気回路素子の構成材料として用いることに
より、そのサイズを分子レベルの超微細な大きさまで近
づけることのできる電気回路素子を、特にそのうちのス
イッチ素子を得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、生体内には、電子を定められた方向へ運ぶ電
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おり、該電子伝達蛋白質は、例え
ば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
の負の順位から正の順位へと電子を流すことができるも
のであり、これを利用すれば電子の動きを分子レヘルで
制御することができると考えられる。

また、最近の知見によれば、生体内に存在している電子
伝達蛋白質以外の電子伝達物質を組み合わせて電子伝達
が可能な電子伝達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物質を２
種類（Ａ及びＢ）用い、Ａ−Ｂ−Ａと３層接着接合すれ
ば、それらのレドックス電位の差異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。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。

そこで本発明に係るスイッチ素子は、第１の酸化還元物
質で作成された第り酸化還元物質膜と、上記第１Ｍ化還
元物質のレドックス（酸化還元）電位と異なるレドック
ス電位を有する第２の酸化ぷ元物質で作成され、上記第
１酸化還元物質膜上に累積して接着接合された第２酸化
還元物質膜と、上記第２酸化還元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３の酸化還元物質で
作成され、上記第２酸化還元物質股上に累積して接着接
合された第３酸化還元物？ｒ膜と、それぞれ上記第１．
第２．第３酸化還元物質膜に電気的に、あるいは電気的
影響を与えるために接続される第１、第２．第３の電極
とを備え、上記第１２第２゜第３酸化還元物質膜のうち
の１者が蛋白質膜であり、他の２者のうちの１者がＬＢ
膜または化学修飾膜であり、残りの１者が上記蛋白質膜
、Ｌ　Ｂ膜、または化学修飾膜であり、上記各酸化１元
物質のレドックス電位の差異を利用してトランジスタ特
性またはスイッチング特性を発生させるようにしたもの
である。

Ｃ作用〕 この発明においては、レドックス電位の蹟なる少なくと
も２種類の酸化還元物質によりトランジスタ特性又はス
イッチング特性を発生させる。即ち、第４図ｆａｌ、（
ｂｌのＡ−Ｂ−Ａ型酸化還元１１５Ｊ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、この酸化
還元物質Ａ　Ｃ３＋　、　　Ｂ　ｆ４＋　、　　Ａ（５
）を接合してなる複合体では、Ａ、Ｂ、Ａｆｉ化還光還
元物質ドックス電位の分布をＢ酸化還元物質への印加電
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。

〔実施例〕

以下、この発明に一実施例を図をもとに説明する。第１
図はこの発明の一実施例によるスイッチ素子を拡大して
模式的に示す断面構成図であり、図において、＋１１は
絶縁性を有する基板、（２ａ）　、　（２ｂ）　。

（２ｃ）はそれぞれ第１．第２．第３の電極、＋３１　
、　（４１。

（５）はそれぞれ第１．第２．第３の酸化還元物質膜で
あり、この例は第１酸化還元物質膜（３）が金属電極（
２ａ）を有機合成分子で化学修飾して作成された単分子
膜すなわち化学修飾膜、第２ａ１！化還元物質膜（４）
が電子を一定方向に伝達可能な、すなわち膜（４）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
向されているレドックス蛋白質または擬似レドックス蛋
白質からなる膜すなわち蛋白質膜、第３酸化還元物質膜
（５）がラングミューア・ブロジエ’７ト法で作成され
た有機合成分子の単分子膜すなわちＬＢＩＩ！である場
合を示す。（６）は親水性基、（７）は疏水性のメチレ
ン鎖、＋８１．　＋９１はそれぞれ適当なレドックス電
位を有する酸化還元機能団である。

このような構成になる素子では、例えば酸化還元機能団
＋８１．（９１としてレドックス電位が約−２００ｍν
のフラビン分子団、レドックス蛋白＠　（４１としてレ
ド・ノクス電位が＋２５５ｍνのチトクロームＣを用い
ると、電極（２ａ）　、　（２ｂ）　、　（２ｃ）に対
する電圧の印加状態によってスイッチング特性を呈する
ようになる。

次にこの作用効果について第２図を参照して説明する。

第２図ｆａ）は本実施例のスイッチ素子の電圧印加状態
を示す模式図で、同図価）はこのときの各酸化還元物質
のレドックス電位状態を示す図である。

同図ｆｂｌにおいて、実線で示すａ状態のレドックス電
位は電圧ｖ１及びＶｔを印加していない状態を示し、一
点鎖線で示すｂ状態のレドックス電位は電圧ｖ１を印加
せず、かつ電圧Ｖｔを電極（２Ｃ）に対し負電圧として
印加したときの状Ｂ（オフ状態）を示し、破線で示すＣ
状態のレドックス電位は電圧ｖ２をｂ状態と同様に印加
するとともに、電圧Ｖ、を電極（２Ｃ）に対して負電圧
として印加□したときの状態（オン状態）を示す。

ｂ状態では電極（２ｃ）と電極（２ａ）との間で電子は
流れず、Ｃ状態では電子が流れる。即ち、電極（２ｃ）
と（２ａ）との間に一定の負電圧ｖ２を印加しておき、
電極（２ｃ）と（２ｂ）との間の一定の負電圧Ｖ、をオ
ン−オフすることにより、電極（２Ｃ）と（２ｂ）との
間に流れる電流をオン−オフすることが可能であり、ス
イッチング特性を実現できる。ｖ６はフラビン分子団と
チトクロームＣとのレドックス電位の差である。

このような本実施例によれば従来の半導体スイッチ素子
（ｐ−ｎ−ｐ接合タイプ）と同様の動作を行なうスイッ
チ素子を、分子レベルの超？ａ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、高速度化が可能な集
積回路を得ることができる。

なお、上記実施例ではレドックス蛋白質または擬偵レド
ックス蛋白質からなる膜およびＬＢ膜が単分子膜である
場合について説明したが、単分子膜累積膜であってもよ
く、また、レドックス蛋白質としては、非ヘムー鉄・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、チオレドキシン等が用いられる。

また、ＬＢＩｌｆｉや化学修飾膜に用いられる有機合成
分子の酸化還元機能団としては、ビオロゲン類、フラビ
ン類、チオエン類、有機金属錯体、酸化還元色素、また
はこれらの物質と他の有機物との結合体等が用いられ、
有機金属錯体としてはフタロシアニン、ポルフィリン、
アヌレンの誘導体等が、酸化還元色素としてはメチレン
ブルー、メチルカブリブルー、ガロシアニン、インドフ
ェノール、インジコ、フェノサフラニン、ニュートラル
レッド、トルイジンブルー等が挙げられる。

また、上記実施例では、化学修飾膜として金属硫黄結合
を利用した場合を示したが、これ以外に−０−５ｉ−結
合を用いてもよく、また、金属電極表面と修飾される分
子が直接結合しない物理吸着を利用した化学修飾法によ
って作成された膜であってもよい。

さらに、上記実施例では、第１酸化還元物質膜（３）が
化学修飾膜、第２酸化還元物質膜（４）が蛋白質、第３
酸化還元物質ＩＩＩ（５１がＬＢ膜である場合について
説明したが、これに限るものではなく、第１゜第２．第
３酸化還元物質膜（３１，（４１，１５１のうち１者が
蛋白質膜であり、他の２者のうちの１者がＬＢ膜または
化学修飾膜であり、残りの１者が蛋白質膜、ＬＢ膜、ま
たは化学修飾膜であればよく、組合せはいろいろ考えら
れる。

なお、参考として、第１．第２．第３酸化還元物質膜＋
３１．　＋４１．　＋５１がそれぞれ化学修飾膜がＬＢ
膜であるスイッチ素子も考えられる。

（発明の効果〕 以上のように、この発明によれば、第１の酸化還元物質
で作成された第１酸化還元物質膜と、上記第１酸化還元
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の酸化還元物質で作成され、第１酸化還元物質膜上
に累積して接着接合された第２酸化還元物質膜と、上記
第２酸化還元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３の酸化還元物質で作成され、上記第２
酸化還元物質膜上にＸ積して接着接合された第３酸化還
元物ｉｔ膜と、上記第１．第３酸化還元物質膜にそれぞ
れ電気的に接続された第１．第３の電極と、上記第２酸
化還元物質膜に電気的影響を与えるための第２の電極と
を備え、上記第１．第２゜第３酸化還元物質膜のうちの
１者が蛋白質膜であり、他の２者のうちの１者がＬＢＩ
ＩＩまたは化学修飾膜であり、残りの１者が上記蛋白質
膜、ＬＢ膜、または化学修飾膜であり、上記各酸化還元
物質のレドックス電位の差異を利用してトランジスタ特
性またはスイッチング特性を呈するスイッチ素子を構成
したので素子サイズを分子レベルの超微細な大きさに近
づけることができ、該素子を用いて高密度化が可能な集
積回路を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例によるスイッチ素子を拡大
して模式的に示す断面構成図、第２図ｆａｔは上記スイ
ッチ素子の電圧印加状態を示す模式図、口 第針絢はその各酸化還元物質のレドックス電位状態を示
す説明図、第３図は従来のＭＯ３構成のスイッチ素子の
一例を示す断面構成図、第４図（ａｌはＡ−Ｂ−Ａ型酸
化還元物質複合体を示す模式図、第４図（ｂ）はレドッ
クス電位状態を示す図である。 図において（１）は基板、（２ａ）は第１電極、（２ｂ
）は第２電極、（２ｃ）は第３電極、（３）は第１ａ！
ｆ化還元物賞膜、（４）は第２酸化還元物質膜、（５）
は第３酸化還元物質膜、（６）は親水性基、（７）は疏
水性メチレン鎖、＋８１．　＋９１は酸化還元機能団で
ある。 なお、各図中同一符号は同一または相当部分を示すもの
とする。 代　　理　　人　　　　　大　　岩　　増　　雄第２図 第３図 第４図

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）第１の酸化還元物質で作成された第１酸化還元物
   質膜と、 上記第１酸化還元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の酸化還元物質で作成され、第１
   酸化還元物質膜上に累積して接着接合された第２酸化還
   元物質膜と、 上記第２酸化還元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３の酸化還元物質で作成され、上記
   第２酸化還元物質膜上に累積して接着接合された第３酸
   化還元物質膜と、 上記第１，第３酸化還元物質膜にそれぞれ電気的に接続
   された第１，第３の電極と、 上記第２酸化還元物質膜に電気的影響を与えるための第
   ２の電極とを備え、 上記第１，第２，第３酸化還元物質膜のうちの１者がレ
   ドックス蛋白質もしくは擬似レドックス蛋白質からなる
   膜（以下、蛋白質と略す）であり、他の２者のうちの１
   者がラングミューア・ブロジェット法で作成された有機
   合成分子の単分子膜もしくは単分子累積膜（以下、ＬＢ
   膜と略す）、または有機合成分子で化学修飾して作成さ
   れた単分子膜（以下、化学修飾膜と略す）であり、残り
   の１者が上記蛋白質、ＬＢ膜、または化学修飾膜であり
   、 上記各酸化還元物質のレドックス電位の差異を利用して
   トランジスタ特性またはスイッチング特性を発生させる
   ようにしたスイッチ素子。
2. （２）レドックス蛋白質は、非ヘム−鉄・硫黄蛋白質、
   チトクロームｃ系蛋白質、チトクロームを系蛋白質、チ
   トクロームａ、フラボドキシン、プラストシアニン、ま
   たはチオレドキシンである特許請求の範囲第１項記載の
   スイッチ素子。
3. （３）レドックス蛋白質または擬似レドックス蛋白質か
   らなる膜は単分子膜または単分子膜累積膜である特許請
   求の範囲第１項または第２項記載のスイッチ素子。
4. （４）レドックス蛋白質または擬似レドックス蛋白質か
   らなる膜は、上記レドックス蛋白質または擬似レドック
   ス蛋白質が、上記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特許請求
   の範囲第１項ないし第項のいずれかに記載のスイッチ素
   子。
5. （５）有機合成分子は、ビオロゲン類、フラビン類、チ
   オニン類、有機金属錯体、酸化還元色素、またはこれら
   の物質と他の有機物との結合体を酸化還元機能団として
   有する特許請求の範囲第１項ないし第４項の何れかに記
   載のスイッチ素子。
6. （６）酸化還元色素は、メチレンブルー、メチルカブリ
   ブルー、ガロシアニン、インドフェノール、インジコ、
   フェノサフラニン、ニュートラルレッド、またはトルイ
   ジンブルーである特許請求の範囲第５項記載のスイッチ
   素子。
7. （７）有機金属錯体は、フタロシアニン、ポルフィリン
   、またはアヌレンの誘導体である特許請求の範囲第５項
   記載のスイッチ素子。
8. （８）電極の金属電極である特許請求の範囲第１項ない
   し第７項の何れかに記載のスイッチ素子。