JPS63237584A

JPS63237584A - 光応答性スイツチ素子

Info

Publication number: JPS63237584A
Application number: JP62073348A
Authority: JP
Inventors: Tomotsugu Kamiyama; 智嗣上山; Satoru Isoda; 悟磯田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1987-03-26
Filing date: 1987-03-26
Publication date: 1988-10-04

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、生体材料又は生体模擬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Ａ）に近づけることが
でき、高密度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、永田穣共著の集積回路工学（１）
、Ｐ、１４７に記載されている第６図に示す様な電界効
果型トランジスタ（ＦＥＴ）があった。

図において、（８）はｎ型シリコン基板、（９）はチャ
ンネル領域、（１０）はＰ″層、（１１）は３４０ｇ膜
、（１２）はソース電極、（１３）はゲート電極、（１
４）はドレイン電極である。

次に動作について説明する。従来のＦＥＴスイッチング
動作させるには、ゲート電極（１３）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（１２）とドレイン電極（１４）間の表面
層における電流キャリア数を変化させ、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偵の構造のトランジスタ素子を用
いたＬＳＩとして、４Ｍ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０．２μｍ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０．２μ−
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
材料または生体模擬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
にそのうちのスイッチ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、Ｈｚ、有機
酸１、Ｎ　Ａ　Ｄ　（Ｐ　）　Ｈ（Ｎｉｃｏｔｉｎｅａ
ｓｉｄｅ　Ａｄｅｎｉｎｓ　Ｄｉｎｕｃｌｅｏｔｉｄｅ
　（Ｐｈｏｓｐｈａｔｅ）などの還元性の科学物質から
電子を引き抜く酵素タンパク質とともに、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
有するタンパク質（以下、電子伝達タンパク質と記す）
が複数種類存在している。そしてこれらの電子伝達タン
パク質は生体膜中に一定の配向性をもって埋め込まれて
いる。

さらに、電子伝達タンパク質の中にはフラボプロティン
のように、光を照射されることによってその中の電子エ
ネルギー状態が変化し、その結果、電子の伝達速度が変
化するものが知られている。

このようにタンパク質は生体膜中で精巧な配置をとるこ
と、及び光感応性のものがあることのため、電子をタン
パク質分子の方向に沿って流すこと及びその電子の流れ
を光照射によって分子レベルで制御することができると
考えられる。

ところでタンパク質の持つ配向性は、タンパク質が三次
元的に非対称な形をとっているためと考えられる。タン
パク質の一例としてフラボトキシンを第３図に模式的に
示す０図において、（６）は光照射によって電子のエネ
ルギー状態が変わる感応基であるＦＭＮ　（フラビンモ
ノヌクレオチド）、（７）はアミノ酸からなる高分子で
あり、両者は化学的に結合されている。このように生体
材料は配向性を持っていることが知られているが、タン
パク質の一部の構造を変化させた変性タンパク質や人工
的に高分子と感応基を結合させた生体膜模擬材料を用い
ても配向性を得ることが可能で、電子の動きを分子レベ
ルで光を用いて制御することができると考えられる。即
ち、この配向性のために、隣接するタンパク質問には電
子が移動することなく、電極間の電子の流れを制御する
ことが可能である。

従って光照射によって電子のエネルギー状態の変化する
感応基と、それに化学的に結合しているる高分子からな
る生体材料または生体ＭＡ擬材料を用い、これの配向を
制御して電極を接続すれば、光照射を行うことによって
スイッチング特性を生ずる極めて微小な素子を形成でき
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に到ったもの
である。

即ち本発明に係る光応答性スイッチ素子は、配向性を有
する生体材料または生体模擬材料で形成され、光照射に
よって可逆的に電子のエネルギー状態が変化する光感応
性物質と、この光感応性物質を介在させて、上記光感応
性物質にそれぞれ電気的に接続される２個の電極とを備
え、上記光感応性物質の光照射による電気的抵抗の変化
を利用して上記両電極間の電位差を変化させるようにし
たものである。

〔作　用〕

この発明においては、配向性を有する光感応性物質と２
つの電極からなる素子と抵抗素子とを接続することによ
って光応答スイッチ特性を発生させる。即ち第４図に示
す回路図と光感応性物質に接続された２つの電極間の電
気抵抗値と電位差の光応答性を示す第５図（ａ）〜（ｂ
）を用いて説明すると、抵抗素子（５）（抵抗値Ｒ）と
本発明による素子とを直列に接続し、その両端に電位　
Ｅｏを印加しておくと、光感応性物質の両端の電位Ｅは
、光感応性物質の持つ抵抗　Ｒｐが光照射の強弱の変化
同図（ａ）に伴いＲｐ＋”ＲＩ）ｚと変化する同図（ｂ
）のに従ってＥｒ”Ｅｔと変化することができ同図（Ｃ
）、これにより光に応答するスイッチング特性を呈する
素子を得ることができる。

これらの構成および光照射による抵抗の変化は従来の半
導体トランジスタのスイッチング機能とバイアスのかけ
方を除き同様と考えられ、上記構成によりスイッチング
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、この素子を用いて高密度化が可能な集積回路が得ら
れる。

〔実施例〕

以下、この発明の一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スイッチ素子を拡大して
示す模式的断面構成図であり、第２図はその分解斜視図
である０図において、（１）は絶縁特性を持つ例えばガ
ラス製基板、（２）はＡｇ、Ａｕ、Ａｔなどの金属製電
極で、基板（１）上に複数条が平行に形成されている。

（３）は光感応性電子伝達タンパク質であるフラボトキ
シンで作成された蛋白質膜すなわち光感応性物質膜で、
上記複数条の電極（２）上に形成されている。（４）は
上記複数条の平行電極（２）と直角方向に平行して形成
された複数条のＳｍｏｇなどの透明電極で、上記光感応
性物質膜（３）上に形成されている。このように構成さ
れたスイッチ素子は、第１図で示すような一定方向に電
子伝達通路Ａを有する。また、上記のようにして形成さ
れた素子に対し、本実施例では第４図に示すように透明
電極（４）を通して光が照射される。また光感応性電子
伝達タンパク質（３）に電１！ｌｉ　（２）、（４）及
び抵抗素子（５）を介して電位差Ｅ０が印加される。

次に上記素子の製造方法について説明する。

まず、基板（１）上に金［ｔｉ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（２）を
形成する、そして該電極（２）上に光感応性電子伝達蛋
白質としてのフラボトキシンを用いて単分子膜を作成す
る訳であるが、これらの膜を作成するには、Ｌ　Ｂ　（
ＬａｎＢｕｉｒ−Ｂｌｏｄｌｅｔｔ）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５
５巻、２０４〜２１３頁、昭和１０年４月（Ｉｗｌｎｇ
　Ｌａｎｇｒａｕｉｒ）、■ジャーナルオプアメリカン
ケミカルソサイテ４　（Ｋ、ＢＩｏｄｇｅｔｔ：Ｊｏｕ
ｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｍｅｒｉｃａｎ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ
　５ｏｃｉｅｔｙ）５７巻、Ｐ４Ｏ１０，１９３５年、
■杉道夫ら、団体物理、Ｖｏｌ　１７．Ｐ７４４〜７５
２．１９８２年、■ジャーナルオンコロイド　アンド　
インターフェイス　サイセンス（Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ
　Ｃｏ１ｏｉｄ　ａｎｄ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　５ｃｉ
ｅｎｃｅ）νＯＬ　６８．Ｐ４７１〜４７７．１９７９
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’Ｉ極（２）を形成した基板（１）
を垂直に挿入して浸けて行くと、該電極（２）を有する
基板（１）にフラボトキシン膜が付着接合し、光感応性
電子伝達タンパク質膜（３）が作成される。このとき、
基１　（１）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（１）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、光感応性電子伝達りンバク質
膜（３）上に金属薄膜を電子伝達タンパク質が破壊され
ないほどの低温で作成し、電極（４）を得る。

また、上記製法において水面に滴下する光感応性電子伝
達タンパク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く、これに
よれば上記脂質又は脂肪酸が光感応性電子伝達タンパク
質の分子の支持体として作用し、光感応性電子伝達タン
パク質の配向が整えられる。

また、金属電極と光感応性電子伝達タンパク質膜間の電
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、その他光感
応性電子伝達タンパク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・た金属電極をタンパ
ク質溶液に浸漬してタンパク質分子を上記電極上に吸着
させる方法も考えられる。この方法においては、上記し
たタンパク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、タンパク質を吸着させる電極とタ
ンパク′Ｒ溶液との間に正または負の電位を印加してタ
ンパク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（
２）と（４）間に光感応性電子伝達タンパク質（３）が
介在しているが、光が照射されていないときには第５図
（ｄ）に示すように、タンパク質中のＦＭＮの電子のエ
ネルギー状態はＳｌである。しかし光が照射されると電
子のエネルギー状態はＳｔとなり、電子を放出しやすい
状態となる。そのためにタンパク質（３）に接続された
２つの電極（２）。

（４）間の抵抗が小さくなる。第５図（ａ）は本実施例
の光応答性スイッチ素子に照射される光強度の変化（λ
８．λ２またはＩ＋−１ｇ）を示す特性図で、同図（ｂ
）および（ｃ）はそれぞれ光強度の変化に伴う本素子の
抵抗値の変化（ＲＰＩ−Ｒｐｓ）および２つの電極間の
電位差の変化（Ｅ＋”Ｅｔ）を示す特性図である。即ち
、は光照射の強弱に伴って、本素子の電極（２）の電位
が変化し、これを識別することによりスイッチ特性を実
現できる。上記構成及び光照射による抵抗の変化は、従
来の半導体トランジスタのスイッチング機能とバイアス
のかけ方を除き同様と考えられ、上記構成によりスイッ
チ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が可能な集積回路が得ら
れる。

なお、電極（２）、　（４）としてシトクロームＣ系タ
ンパク質などの電子伝達タンパク質を用いてもよい、こ
の場合、他の生体材料を用いた素子との電気的な接続が
分子レベルで微細に行える。

また、上記実施例では光を透明電極（４）を通して光感
応性タンパク質（３）に照射するようにしたが、光を素
子の垂直方向から、直接光感応性タンパク質（３）に照
射するようにしてもよい。

また、上記実施例では光感応性物質（３）がフラボトキ
シンで作成されたタンパク質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、例えば次のようなも
のが用いられてもよい、■フラビン、レチノール、クロ
ロフィル類、カロチノイド、またはこれらの物質とタン
パク質もしくは変性タンパク質との結合物質、■フラビ
ン、レチノール、クロロフィル類、およびカロチノイド
のうちの少なくとも一種を変化させた物質ちタンパク質
または変性タンパク質との結合物質、■フラボプロティ
ン、ロドプシン、またはこれらの物質の変性物質。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば、配向性を有する生体
材料または生体模擬材料で形成され、光照射によって可
逆的に電子のエネルギー状態が変化する光感応性物質と
、この光感応性物質を介在させて、上記光感応性物質に
それぞれ電気的に接続される２個の電極とを備え、上記
光感応性物質の光照射による電気抵抗の変化を利用して
上記両電極間の電位差を変化させるようにしたので、ス
イッチ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、この素子を用いた集積回路の高密
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図はこの発明の一実施例による光応答性スイッチ素
子を拡大して示す模式的断面構成図、第２図は第１図の
ものの全体を示す分解斜視図、第３図は第１図の実施例
で光感応性物質として用いられるフラボトキシンの化学
構造を示す模式図、第４図はこの発明の一実施例による
光応答性スイッチ素子と抵抗素子とを組み合わせた回路
図、第５図は光照射強度の変化（第５図ａ）に対する抵
抗値（第５図ｂ）と電位差（第５図Ｃ）の応答、および
ＦＭＮの電子エネルギー状態の変化（第５図ｄ）を示す
特性図、第６図は従来の電界効果型スイッチ素子を示す
断面図である。図において、（１）、　（８）は基板、（２）、　（４
）（１２）。（１３）　、　（１４）は電橋、（３）は光感応性物質
、（５）は抵抗素子、（９）はチャネル領域、（１０）
は２１層、（１１）はＳ１０！層である。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１図第２図第３図第４図第５図第６図手続補正書（自発）６２１０７’ 昭和　　年　　月　　日１、事件の表示　　　特願昭６２−７３３４８号３、補
正をする者代表者　志　岐　守　哉４、代理人＼醜　′ ５、補正の対象明細書の発明の詳細の欄６、補正の内容（１）明細書をつぎのとおり訂正する。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）配向性を有する生体材料または生体模擬材料で形
成され、光照射によって可逆的に電子のエネルギー状態
が変化する光感応性物質と、この光感応性物質を介在さ
せて、上記光感応性物質にそれぞれ電気的に接続される
２個の電極とを備え、上記光感応性物質の光照射による
電気的抵抗の変化を利用して上記両電極間の電位差を変
化させるようにした光応答性スイッチ素子。
（２）光感応性物質は、フラビン、レチナール、クロロ
フィル類、カロチノイド、または上記物質とタンパク質
もしくは変性タンパク質との結合物質である特許請求の
範囲第１項記載の光応答性スイッチ素子。
（３）光感応性物質は、フラビン、レチナール、クロロ
フィル類、およびカロチノイドのうちの少なくとも一種
を変化させた物質とタンパク質または変性タンパク質と
の結合物質である特許請求の範囲第１項記載の光応答性
スイッチ素子。
（４）光感応性物質は、フラボプロティン、ロドプシン
、または上記物質の変性物質である特許請求の範囲第１
項記載の光応答性スイッチ素子。
（５）少なくとも一方の電極は電子伝達タンパク質であ
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
光応答性スイッチ素子。
（６）少なくとも一方の電極は透明電極である特許請求
の範囲第１項ないし第５項の何れかに記載の光応答性ス
イッチ素子。