KR101343890B1 - 광전 변환 소자, 반도체 장치 및 전자 기기 - Google Patents
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Abstract
임의(任意)의 형상(形狀)의 곡면 위에 광전 변환 소자(光電變換素子)를 형성하는 것이 가능하게 될 뿐만 아니라, 광전 변환 재료를 복잡한 화학 합성을 이용하는 일 없이 간단하게 구성할 수 있고, 광 전류의 쌍방향성(雙方向性)도 가지는 광전 변환 소자를 제공하는 것을 과제로 한다.
본 발명에서는, 금속 등의 도전(導電) 재료로 이루어지는 제1 전극(11)과 이 제1 전극(11) 위(上)에 고정된 아연 시토크롬 c(Zinc cytochrome c)(12)와 금속 등의 도전 재료로 이루어지는 제2 전극(13)에 의해 광전 변환 소자를 구성한다. 아연 시토크롬 c(12)에 광이 조사(照射)되면 소자 내부를 광 전류가 흐른다. 제1 전극(11)과 제2 전극(13)과의 사이의 전위차(電位差), 아연 시토크롬 c에 조사하는 광의 강도(强度) 및 아연 시토크롬 c에 조사하는 광의 파장 중의 적어도 하나를 조절하는 것에 의해 광 전류의 크기 및/또는 극성(極性)을 변화시킨다.
전극, 광전 변환 기능을 가지는, 금속을 포함하는 전자 전달 단백질, 용기, 전해질 용액, 바이어스 전원, 참조 전극, 다공체 도전 재료, 구멍, 포토다이오드, 단일 전자 트랜지스터, 판독출력 게이트 전극, 광전 변환 소자.
Description
도 1은 아연 시토크롬 c의 분자 구조를 도시하는 개략 선도,
도 2는 본 발명의 제1 실시형태에 따른 광전 변환 소자를 도시하는 개략 선도,
도 3은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 광전 변환 소자의 평가에 이용한 아연 시토크롬 c 담지(擔持; carrying) 드롭모양 전극을 도시하는 도면 대용(代用) 사진,
도 4는 본 발명의 제1 실시형태에 따른 광전 변환 소자의 평가 시스템을 도시하는 개략 선도,
도 5는 본 발명의 제1 실시형태에 따른 광전 변환 소자의 평가 결과를 도시하는 개략 선도,
도 6은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 광전 변환 소자의 평가 결과를 도시하는 개략 선도,
도 7은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 광전 변환 소자의 평가 결과를 도시하는 개략 선도,
도 8은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 광전 변환 소자의 평가 결과를 도시하는 개략 선도,
도 9는 본 발명의 제1 실시형태에 따른 광전 변환 소자의 평가 결과를 도시하는 개략 선도,
도 10은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 광전 변환 소자의 평가 결과를 도시하는 개략 선도,
도 11은 본 발명의 제2 실시형태에 따른 광전 변환 소자를 도시하는 개략 선도,
도 12는 본 발명의 제2 실시형태에 따른 광전 변환 소자의 하나의 실시예에서의 상태의 천이 및 전자의 흐름을 도시하는 개략 선도,
도 13은 본 발명의 제3 실시형태에 따른 광전 변환 소자를 도시하는 개략 선도,
도 14는 본 발명의 제4 실시형태에 따른 광전 변환 소자에서 아연 시토크롬 c가 고정되는 전극의 재료로서 이용되는 다공체 전극 재료를 도시하는 개략 선도,
도 15는 본 발명의 제4 실시형태에 따른 광전 변환 소자에서 아연 시토크롬 c가 고정된 다공체 전극 재료를 도시하는 개략 선도,
도 16은 본 발명의 제4 실시형태에 따른 광전 변환 소자에서 아연 시토크롬 c가 고정된 다공체 전극 재료의 골격을 도시하는 단면도,
도 17은 본 발명의 제5 실시형태에 따른 광 검출기를 도시하는 회로도,
도 18은 본 발명의 제5 실시형태에 따른 광 검출기의 구조예를 도시하는 평 면도,
도 19는 본 발명의 제5 실시형태에 따른 광 검출기의 구조예를 도시하는 단면도,
도 20은 본 발명의 제5 실시형태에 따른 광 검출기의 구조예를 도시하는 단면도,
도 21은 본 발명의 제6 실시형태에 따른 CCD 이미지 센서를 도시하는 단면도,
도 22는 본 발명의 제7 실시형태에 따른 인버터 회로를 도시하는 회로도,
도 23은 본 발명의 제7 실시형태에 따른 인버터 회로의 구조예를 도시하는 회로도.
[부호의 설명]
11…전극, 12…광전 변환 기능을 가지는, 금속을 포함하는 전자 전달 단백질, 13…전극, 14…용기, 15…전해질 용액, 16…바이어스 전원, 17…참조 전극, 41…다공체 도전 재료, 42…구멍, 51…포토다이오드, 52…단일 전자 트랜지스터, 71…p형 Si 기판, 73…판독출력 게이트 전극, 74, 75…n형 층, 76…수광부, 81…광전 변환 소자, 91…p형 Si 기판, 92…n형 층.
본 발명은, 광전 변환 소자(光電變換素子), 반도체 장치 및 전자 기기(電子機器)에 관한 것으로서, 특히, 광전 변환을 행하는 수광부(受光部)에 광전 변환 및 전자 전달(電子傳達; electron transferring) 단백질을 이용한 광전 변환 소자, 반도체 장치 및 전자 기기에 관한 것이다.
광전 변환 소자로서는, 종래부터, 무기(無機) 반도체를 이용한 것과 유기 반도체를 이용한 것이 알려져 있다.
그렇지만, 무기 반도체를 이용한 종래의 광전 변환 소자는, 기판(基板)으로서 평탄한 것을 이용하지 않으면 안되어, 임의(任意)의 형상(形狀)의 곡면 위(上)에 소자를 형성하는 것은 곤란했다. 또, 유기(有機) 반도체를 이용한 종래의 광전 변환 소자는, 임의의 형상의 곡면 위에 형성하는 것은 가능하지만, 유기 반도체를 얻기 위해서 복잡한 유기 합성이 필요했다.
임의의 형상의 곡면 위에 형성할 수 있을 가능성을 가지는 광전 변환 소자로서 형광(螢光) 단백질을 이용한 것이 있다. 이것에 관해서, 최근, 나노포러스(nanoporous) 용액(15) 티탄(TiO2) 전극에 아연 시토크롬 c(Zn cytochrome c)를 랜덤하게 흡착(吸着; adsorb)시킨 시료(試料)에서, 아연 시토크롬 c에의 광 조사(光照射)에 의해서 여기(勵起; excite, pump)된 전자가 TiO2의 전도대(傳導帶)에 주입(注入; inject)됨으로써 광 전류가 발생하는 것이 보고되어 있다(비특허 문헌 1 참조).
또, 금(金) 기판 위에 고정화(固定化; immobilize)된 철(鐵) 시토크롬 c(Fe cytochrome c)와 녹색 형광 단백질(green fluorescent protein, GFP)과의 2층 구조의 단분자막(單分子膜)에서, 광 조사에 의해서 광 전류가 발생하는 것이 보고되어 있다(비특허 문헌 2 참조).
또한, 금 기판 위에 고정화된 펩티드(peptide)의 단분자막에서, 광 조사에 의해서 광 전류가 발생하는 것이 보고되어 있다(비특허 문헌 3 참조). 이 비특허 문헌 3에서는, 서로 광 응답성이 다른(異) 2종(種)의 펩티드를 하나의 금 기판 위에 유황(硫黃) 화합물인 디술피드(disulfide)의 단분자막을 거쳐서 고정화하는 것에 의해, 광 전류의 극성(極性)을 조사광의 파장에 의해서 제어하고 있다.
또, 아연 시토크롬 c의 합성 방법이 보고되어 있다(비특허 문헌 4 참조).
또, 철 시토크롬 c를 단분자 흡착시킨 금 전극의 제작(作製) 방법이 보고되어 있다(비특허 문헌 5 참조).
[비특허 문헌 1] Emmanuel Topoglidis, Colin J. Campbell, Emilio Palomares, and James R. Durrant, Chem. Commun. 2002, 1518-1519
[비특허 문헌 2] Jeong-Woo Choi and Masamichi Fujihira, Appl. Phys. Lett. 84, 2187-2189(2004)
[비특허 문헌 3] Shiro Yasutomi, Tomoyuki Morita, Yukio Imanishi, Shunsaku Kimura, Science 304, 1944-1947(2004)
[비특허 문헌 4] Martin Braun, Stefan Atalick, Dirk M. Guldi, Harald Lanig, Michael Brettreich, Stephan Burghardt, Maria Hatzimarinaki, Elena Ravanelli, Maurizio Prato, Rudi van Eldik, and Andreas Hirsch, Chem. Eur. J. 9, 3867-3875(2003)
[비특허 문헌 5] Ryutaro Tanimura, Michael G. Hill, Emanuel Margoliash, Katsumi Niki, Hiroyuki Ohno, and Harry Gray, Electrochem. Solid-State Lett. 5, E67-E70(2002)
비특허 문헌 1에서 광 전류가 관측되는 것은, 전하(電荷) 분리 기능을 가지는 TiO2 전극에 아연 시토크롬 c를 흡착시키고 있는 것에 의한다고 생각되지만, TiO2는 저항율(抵抗率)이 지극히 높은 절연체이기 때문에, 광 전류를 외부로 유효하게 취출(取出; extract)하는 것은 곤란하고, 이 구성은 광전 변환 소자에 부적합(不向; unsuitable)하다.
또, 비특허 문헌 2에서는 광 전류의 검출에 주사형(走査型) 터널(tunneling) 현미경을 이용하고 있으며, 광전 변환 소자의 구체적 구성에 대해서는 개시(開示)되어 있지 않다. 또, 광 전류에 쌍방향성(雙方向性)은 발견되지(見出; 보이지) 않고 있다.
그래서, 본 발명이 해결하려고 하는 과제는, 임의의 형상의 곡면 위에 광전 변환 소자를 형성하는 것이 가능하게 될 뿐만 아니라, 광전 변환 재료를 복잡한 화학 합성을 이용하는 일 없이 간단하게 구성할 수 있고, 광 전류의 쌍방향성도 가지는 광전 변환 소자, 이 광전 변환 소자를 이용한 반도체 장치 및 전자 기기를 제공 하는 것이다.
본 발명자들은, 상기 과제를 해결하기 위해서 예의(銳意) 연구를 행한 결과, 주사형 터널 현미경을 이용하는 일 없이, 아연 시토크롬 c가 단분자 흡착하고 있는 금(金)의 구모양(球狀; spherical) 전극과 이것에 대향하는 전극을 가지는 구성에 있어서, 아연 시토크롬 c의 광 여기에 수반하는 광 전류의 관측에 비로소(처음으로) 성공했다. 이 경우, 구모양 전극-대향 전극 사이의 전위차와 구모양 전극 위의 아연 시토크롬 c에의 조사광 강도(强度)를 조절하는 것에 의해서, 광 전류의 극성(흐르는 방향)과 크기와의 양쪽(兩方; both)을 제어하는 것이 가능하다는 것을 발견(見出; find)했다. 여기서, 구모양 전극-대향 전극 사이의 전위차라 함은, 전압 인가에 의해서 인위적으로 만들어내는 바이어스 전압과, 구모양 전극과 대향 전극과의 자연(自然; spontaneous) 전극 전위의 차(差)와의 양쪽의 의미를 포함한다. 또, 어두운 전류(暗電流; dark current)가 정상적으로 생기고 있는 경우, 광 조사에 의해서 이 전류의 극성을 반전시키는 것이 가능하다는 것도 발견했다. 또, 이상의 것은, 아연 시토크롬 c 이외의 광전 변환 기능을 가지는, 금속을 포함하는 전자 전달 단백질에서도 마찬가지로 성립한다고 생각된다.
본 발명은, 본 발명자들에 의한 상기의 연구 결과에 의거해서 더욱더 검토를 행한 결과, 안출(案出)된 것이다.
즉, 상기 과제를 해결하기 위해서, 제1 발명은,
도전(導電) 재료로 이루어지는 제1 전극과 이 제1 전극 위에 고정된 아연 시토크롬 c, 그의 유도체(誘導體) 또는 그의 변이체(變異體)와 도전 재료로 이루어지는 제2 전극을 가지는 것을 특징으로 하는 광전 변환 소자이다.
도 1의 (a) 및 (b)에 아연 시토크롬 c의 리본 모델도(圖)를 도시한다. 도 1의 (a)는 아미노산(酸) 측쇄(側鎖)도 도시한 것, 도 1의 (b)는 아미노산 측쇄를 생략한 것이다. 이 아연 시토크롬 c의 중심에 있는 포르피린에는 중심 금속으로서 아연이 배위(配位; coordinate)되어 있고, 광 흡수(光吸收)나 광 유기(光誘起; photo-induced) 전자 이동(電子移動; electron transfer) 반응의 중심으로 되는 것이다. 이 아연 시토크롬 c 중 포르피린을 둘러싸는(取卷; surrounding) 단백질 부분은 절연체이다. 따라서, 이 아연 시토크롬 c는, 전자 이동의 반응 중심으로서의 포르피린이 얇은 절연체 사이에 끼인 구조를 가지고, 일종(一種)의 이중 터널 접합 소자로 간주할 수가 있다. 혹은, 이 아연 시토크롬 c는, 포르피린 주위가 얇은 절연체에 의해 둘러싸인 구조를 가지기 때문에, 일종의 양자(量子; quantum) 도트로 간주할 수도 있으며, 이 양자 도트를 일차원적, 이차원적 또는 삼차원적으로 배치하는 것에 의해 양자 도트 집합(集合) 소자를 얻을 수가 있다 . 아연 시토크롬 c는 가시광 영역에 소렛대(帶)(Soret Band) 및 Q대라고 불리는 특징적인 흡수 피크를 가지고, 가시광에 의해 광 여기하는 것이 가능하다.
아연 시토크롬 c의 유도체는, 아연 시토크롬 c의 골격(骨格; skeleton)인 아미노산 잔기(殘基; residues)가 화학 수식(化學修飾; chemically modify)된 것이다. 아연 시토크롬 c의 변이체는, 아연 시토크롬 c의 골격인 아미노산 잔기의 일 부가 다른(他) 아미노산 잔기로 치환(置換; replace)된 것이다.
아연 시토크롬 c에 대해서 철 시토크롬 c 등의 다른 전자 전달 단백질을 하나 또는 복수 결합(結合; bond)시키는 것에 의해, 아연 시토크롬 c에서 광 여기에 의해 발생한 전자를 이들 전자 전달 단백질 사이를 순차(順次) 터널 효과에 의해 전달시켜서 그의 말단(末端; end)까지 전달시키는 것이 가능하다. 이 경우, 아연 시토크롬 c에 결합한 전자 전달 단백질은 배선으로서 작용(act; 기능)한다. 아연 시토크롬 c에 DNA 배선을 접속하도록 해도 좋다.
아연 시토크롬 c, 그의 유도체 또는 그의 변이체(이하에서는, 특별히 단정(斷; specify)하지 않는 한(限) 단지 「아연 시토크롬 c」라고 한다)는, 전자 전달 기능에 더하여 광전 변환 기능을 가지기 때문에, 광 여기에 의해 전자를 발생시킬 수 있고, 이 전자를 신속하게 외부로 전도(傳導; transfer)시킬 수 있는 것에 의해 광 전류를 얻을 수가 있다.
아연 시토크롬 c는, 도전 재료로 이루어지는 제1 전극 위에, 적어도 1분자, 일반적으로는 단분자막 또는 다분자막(多分子膜)으로서 고정되고, 예를 들면 정전적(靜電的; electrostatic) 결합이나 화학 결합 등에 의해 고정된다. 기판 위에 제1 전극을 서로 분리해서 복수 설치하고, 이들 각각에 하나 또는 복수의 아연 시토크롬 c를 고정하도록 해도 좋다. 이 아연 시토크롬 c의 제1 전극 위에의 고정은 직접적으로 행해도 좋고, 예를 들면 유황 원자(原子) 등의 헤테로 원자를 가지는 유기 화합물 등으로 이루어지는 중간층을 거쳐서 간접적으로 행해도 좋다. 이 중간층으로서는, 아연 시토크롬 c의 광 여기에 의해 발생한 전자가 제1 전극으로 이 동한 후, 이 전자가 다시 아연 시토크롬 c로 되돌아오는 현상(現象), 즉 역(逆) 전자 이동을 방지할 수 있는 것, 바꾸어 말하면 정류성(整流性; rectification capability)을 가지는 것을 이용하는 것이 바람직하다. 이와 같은 중간층으로서는, 예를 들면 유황 화합물인 디술피드의 단분자막을 들 수 있다(비특허 문헌 3 참조). 제1 전극에 이용하는 도전 재료는, 이 제1 전극 위에 아연 시토크롬 c를 직접 고정하는 경우에는 이 고정화능(固定化能; 고정화 기능, 고정화 능력)이 뛰어난 것인 것이 바람직하고, 중간층을 거쳐서 고정하는 경우에는 이 중간층의 고정화능이 뛰어난 것인 것이 바람직하다. 구체적으로는, 이 도전 재료로서는, 예를 들면 금속, 도전성(導電性) 유리(glass), 도전성 산화물, 도전성 고분자(高分子) 등을 이용할 수가 있다. 제1 전극의 표면 형상은, 예를 들면 오목면(凹面; convex surface), 볼록면(凸面; concave surface), 오목볼록면(凹凸面; convex-concave surface) 등의 임의의 형상이어도 좋고, 어느 형상의 면에도 용이하게 아연 시토크롬 c를 고정하는 것이 가능하다. 제2 전극의 도전 재료로서도, 제1 전극에 이용하는 도전 재료와 마찬가지인 것을 이용할 수가 있다. 제1 전극 및 제2 전극의 적어도 한쪽을 통해서 광을 입사(入射)시키는 경우, 이들 제1 전극 및 제2 전극의 적어도 한쪽은 가시광에 대해서 투명하게 구성된다.
이 광전 변환 소자는, 아연 시토크롬 c의 광전 변환 기능 및 전자 전달 기능을 해(損)치지 않는 한, 용액(전해질(電解質) 용액) 중, 드라이한(dry; 건조한) 환경 중의 어느것에서도 동작시키는 것이 가능하다. 전해질 용액 중에서 동작시키는 경우에는, 전형적(典型的)으로는, 제1 전극 위에 고정된 아연 시토크롬 c에 대해서 간격을 두고서(空; spacing) 대향하도록 제2 전극이 설치(設; arrange)되고, 이들 제1 전극 및 제2 전극이 전해질 용액 중에 침지(浸漬; immerse)된다. 이 전해질 용액의 전해질(혹은, 레독스종(種))로서는, 제1 전극에서 산화 반응이 일어나고, 제2 전극에서 환원 반응이 일어나는 것, 또는 제1 전극에서 환원 반응이 일어나고, 제2 전극에서 산화 반응이 일어나는 것이 이용된다. 구체적으로는, 전해질(혹은, 레독스종)로서는, 예를 들면 K4[Fe(CN)6］이나 [Co(NH3)6]Cl3 등이 이용된다. 드라이한 환경 중에서 동작시키는 경우에는, 전형적으로는, 예를 들면 아연 시토크롬 c를 흡착하지 않는 고체 전해질, 구체적으로는 예를 들면 한천(寒天; agar)이나 폴리아크릴 아미드겔 등의 습윤(濕潤)한 고체 전해질이, 제1 전극 위에 고정된 아연 시토크롬 c와 제2 전극과의 사이에 끼워넣어지고, 매우 적합(好適)하게는 이 고체 전해질 주위에 이 고체 전해질의 건조를 방지하기 위한 봉지벽(封止壁; barrier wall)이 설치된다. 이들 경우에 있어서는, 제1 전극과 제2 전극과의 자연 전극 전위의 차에 의거한 극성으로, 아연 시토크롬 c로 이루어지는 수광부에서 광을 수광했을 때에 광 전류를 얻을 수가 있다.
이 광전 변환 소자를 전해질 용액 중에서 동작시키는 경우, 아연 시토크롬 c를 고정하는 제1 전극의 재료로서 다공체(多孔體) 도전 재료를 이용할 수도 있다. 이 다공체 도전 재료는 비표면적(比表面積)이 크기 때문에, 전극 전체의 표면적을 지극히 크게 할 수 있으며, 이 다공체 도전 재료의 표면에 아연 시토크롬 c를 고정하는 것에 의해, 아연 시토크롬 c를 삼차원적으로 고밀도(高密度)로 고정할 수 있 고, 그 만큼(分) 많은 광 전류를 얻을 수가 있다. 다공체 도전 재료는, 구체적으로는, 금속 재료(금속 또는 합금)나, 골격을 강고(强固; strengthen)하게 한(약함(脆; fragility)을 개선한) 카본계(系) 재료 등을 이용할 수가 있다. 다공체 도전 재료로서 금속 재료를 이용하는 경우, 예를 들면 니켈, 구리(銅), 은(銀), 금, 니켈-크롬 합금, 스텐레스강(綱) 등의 발포(發泡) 금속 혹은 발포 합금은 입수(入手)하기 쉬운 재료의 하나이다. 이 다공체 도전 재료의 다공율(多孔率) 및 구멍 지름(孔徑)(구멍의 최소지름)은, 아연 시토크롬 c의 크기를 고려하고, 매우 적합하게는 더욱더 광의 입사 방향에서 보아 전극의 최심부(最深部; the deepest portion)에 광이 도달할 수 있도록 적당히 결정되지만, 구멍 지름은 일반적으로는 10㎚∼1㎜, 전형적으로는 10㎚∼600㎛이다. 이 다공체 도전 재료는, 구멍이 모두 서로 연통(連通; communicate)하도록 하는 것이 바람직하다.
이 광전 변환 소자에서는, 제1 전극과 제2 전극과의 사이의 전위차, 아연 시토크롬 c에 조사하는 광의 강도 및 아연 시토크롬 c에 조사하는 광의 파장 중의 적어도 하나를 조절하는 것에 의해, 소자 내부를 흐르는 광 전류의 크기 및/또는 극성을 변화시킬 수가 있다. 여기서, 제1 전극과 제2 전극과의 사이의 전위차라 함은, 전압 인가(印加; application)에 의해서 인위적으로 만들어내는 바이어스 전압과, 제1 전극과 제2 전극과의 자연 전극 전위의 차와의 양쪽의 의미를 포함한다.
이 광전 변환 소자는, 예를 들면 광 검출기(광 센서)에 이용할 수 있으며, 필요에 따라서 광 전류의 증폭 회로 등을 아울러 이용할 수가 있다. 광 검출기는 광 신호의 검출 등의 각종 용도(用途)로 이용할 수 있으며, 인공 망막(人工網膜) 등에 응용하는 것도 가능하다. 이 광전 변환 소자는, 태양 전지(太陽電池)로서 이용하는 것도 가능하다.
이 광전 변환 소자는, 광전 변환을 이용하는 각종 장치나 기기 등에 이용할 수 있으며, 구체적으로는, 예를 들면 수광부를 가지는 전자 기기 등에 이용할 수가 있다.
제2 발명은,
도전 재료로 이루어지는 제1 전극과 이 제1 전극 위에 고정된 아연 시토크롬 c, 그의 유도체 또는 그의 변이체와 도전 재료로 이루어지는 제2 전극을 가지는 광전 변환 소자를 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 장치이다.
이 반도체 장치에 있어서, 광전 변환 소자는 반도체 기판 위에 고정된다. 이 반도체 기판 위에는, 전형적으로는, 광전 변환 소자로부터 취출되는 광 전류를 증폭하거나 하는 반도체 소자나 전자 회로 등이 종래 공지의 반도체 테크놀로지에 의해 형성된다. 반도체 기판은, Si 등의 원소(元素) 반도체로 이루어지는 반도체 기판이더라도, GaAs 등의 화합물 반도체로 이루어지는 반도체 기판이더라도 좋다. 이 반도체 장치는, 예를 들면 광전자(光電子; optoelectronic) 집적 회로 장치로서 구성할 수가 있다. 이 광전자 집적 회로 장치에서는, 예를 들면 반도체 기판 위에 광전 변환 소자에 더하여, 반도체 레이저나 발광(發光) 다이오드 등의 발광 소자나 전자 회로 등이 형성된다. 이 경우, 발광 소자로부터의 광을 광전 변환 소자에 입사시키도록 해도 좋다.
이 반도체 장치의 기능이나 용도는 불문하지만, 구체적으로는, 광 검출기, 광 신호 처리 장치, 촬상 소자(MOS 이미지 센서, 전하 전송(轉送) 소자(CCD) 등) 등이다.
제2 발명에 있어서는, 상기 이외의 것은, 그 성질에 반(反)하지 않는 한, 제1 발명에 관련해서 설명했던 것이 성립한다.
제3 발명은,
도전 재료로 이루어지는 제1 전극과 이 제1 전극 위에 고정된 광전 변환 기능을 가지는, 금속을 포함하는 전자 전달 단백질과 도전 재료로 이루어지는 제2 전극을 가지는 것을 특징으로 하는 광전 변환 소자이다.
제4 발명은,
도전 재료로 이루어지는 제1 전극과 이 제1 전극 위에 고정된 광전 변환 기능을 가지는, 금속을 포함하는 전자 전달 단백질과 도전 재료로 이루어지는 제2 전극을 가지는 광전 변환 소자를 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 장치이다.
제3 및 제4 발명에 있어서, 광전 변환 기능을 가지는, 금속을 포함하는 전자 전달 단백질로서는, 아연 시토크롬 c 등의 시토크롬 c 이외에, 페레독신, 루브레독신, 플라스토시아닌, 아주린(azurin), 슈도아주린, 스텔라시아닌 등을 들 수 있다.
제3 및 제4 발명에 있어서는, 상기 이외의 것에 대해서는, 그 성질에 반하지 않는 한, 제1 및 제2 발명에 관련해서 설명했던 것이 성립한다.
제5 발명은,
하나 또는 복수의 광전 변환 소자를 가지는 전자 기기에 있어서,
적어도 하나의 상기 광전 변환 소자로서, 도전 재료로 이루어지는 제1 전극 과 이 제1 전극 위에 고정된 아연 시토크롬 c, 그의 유도체 또는 그의 변이체와 도전 재료로 이루어지는 제2 전극을 가지는 광전 변환 소자를 이용하는
것을 특징으로 하는 것이다.
제6 발명은,
하나 또는 복수의 광전 변환 소자를 가지는 전자 기기에 있어서,
적어도 하나의 상기 광전 변환 소자로서, 도전 재료로 이루어지는 제1 전극과 이 제1 전극 위에 고정된 광전 변환 기능을 가지는, 금속을 포함하는 전자 전달 단백질과 도전 재료로 이루어지는 제2 전극을 가지는 광전 변환 소자를 이용하는
것을 특징으로 하는 것이다.
제5 및 제6 발명에 따른 전자 기기는, 기본적으로는 어떠한 것이더라도 좋으며, 휴대형(携帶型; portable instruments)의 것과 거치형(据置型; stationary instruments)의 것과의 쌍방(雙方)을 포함하지만, 구체적인 예를 들면 디지털 카메라, 카메라 일체형(一體型) VTR(비디오 테이프 레코더) 등이다.
제5 및 제6 발명에 있어서는, 상기 이외의 것에 대해서는, 그 성질에 반하지 않는 한, 제1∼제4 발명에 관련해서 설명했던 것이 성립한다.
상술한 바와 같이 구성된 본 발명에 있어서는, 아연 시토크롬 c 등의 광전 변환 기능을 가지는, 금속을 포함하는 전자 전달 단백질은, 웨트(wet) 프로세스를 이용하는 것에 의해, 곡면 등의 임의의 표면 형상의 제1 전극 위에 간단하게 고정할 수가 있다. 또, 이 광전 변환 기능을 가지는, 금속을 포함하는 전자 전달 단백질은, 천연 유래(天然由來; naturally-occurring)의 단백질을 원료로서 이용하는 것에 의해, 필요한 합성 반응을 최소한으로 억제할 수 있으며, 유기 반도체와 같은 복잡한 화학 합성을 이용하는 일 없이 간단하게 얻을 수가 있다. 또, 이 구성에서는, 제1 전극과 제2 전극과의 사이의 전위차, 아연 시토크롬 c에 조사하는 광의 강도 및 아연 시토크롬 c에 조사하는 광의 파장 중의 적어도 하나를 조절하는 것에 의해, 소자 내부를 흐르는 광 전류의 크기 및/또는 극성을 변화시킬 수가 있다.
[발명을 실시하기 위한 최량의 형태]
이하, 본 발명의 실시형태에 대해서 도면을 참조하면서 설명한다.
도 2에 본 발명의 제1 실시형태에 따른 광전 변환 소자를 도시한다. 도 2에 도시하는 바와 같이, 이 광전 변환 소자에서는, 도전 재료로 이루어지는 전극(11) 위에, 광전 변환 기능을 가지는, 금속을 포함하는 전자 전달 단백질(12)의 단분자막 또는 다분자막이, 직접적 또는 중간층을 거쳐서 간접적으로 고정되어 있다. 도 2에서는 전극(11)은 평탄한 표면 형상을 가지도록 도시되어 있지만, 전극(11)의 표면 형상은 임의이며, 오목면, 볼록면, 오목볼록면 등의 어느것이더라도 좋다. 전극(11) 위에 고정된 광전 변환 기능을 가지는, 금속을 포함하는 전자 전달 단백질(12)의 단분자막 또는 다분자막에 대해서 간격을 두고서 대향하도록 도전 재료로 이루어지는 전극(13)이 설치되어 있다. 이들 전극(11, 13)은, 용기(容器)(14) 중에 넣어진 전해질 용액(15) 중에 침지되어 있다. 전해질 용액(15)은, 광전 변환 기능을 가지는, 금속을 포함하는 전자 전달 단백질(12)의 기능을 손상(損)시키지 않는 것이 이용된다. 또, 이 전해질 용액(15)의 전해질(혹은, 레독스종)은, 전극 (11)에서 산화 반응이 일어나고, 전극(13)에서 환원 반응이 일어나는 것, 또는, 전극(11)에서 환원 반응이 일어나고, 전극(13)에서 산화 반응이 일어나는 것이 이용된다.
이 광전 변환 소자에 의해 광전 변환을 행하려면 , 바이어스 전원(電源)(16)에 의해 참조 전극(17)에 대해서 전극(11)에 바이어스 전압을 인가한 상태에서, 전극(11)에 고정된 광전 변환 기능을 가지는, 금속을 포함하는 전자 전달 단백질(12)에 광을 조사한다. 이 광은, 광전 변환 기능을 가지는, 금속을 포함하는 전자 전달 단백질(12)의 광 여기가 가능한 파장을 가지고, 통상(通常)은 가시광이다. 이 경우, 전극(11)에 인가하는 바이어스 전압, 조사하는 광의 강도 및 조사하는 광의 파장 중의 적어도 하나를 조절하는 것에 의해서, 소자 내부를 흐르는 광 전류의 크기 및/또는 극성을 변화시킬 수가 있다. 광 전류는 단자(18a, 18b)로부터 외부로 취출된다.
광전 변환 기능을 가지는, 금속을 포함하는 전자 전달 단백질(12)로서는, 이미 열거(擧)한 것을 이용할 수가 있다.
전극(11, 13)을 구성하는 도전 재료는, 이미 열거한 것을 이용할 수 있으며, 필요에 따라서 적당히 선택되지만, 구체적으로는, 예를 들면 금, 백금(白金), 은 등의 금속, ITO(인듐-주석 복합 산화물), FTO(불소 도프(fluorine-doped) 산화 주석), 네사(Nesa) 유리(SnO2 유리) 등의 금속 산화물 혹은 유리 등으로 대표되는 무기 재료 이외에, 도전성 고분자(폴리티오펜, 폴리피롤, 폴리아세틸렌, 폴리디아세 틸렌, 폴리파라페닐렌, 폴리파라페닐렌술피드 등), 테트라티아플루바렌 유도체(TTF, TMTSF, BEDT－TTF 등)를 포함하는 전하 이동 착체(錯體)(예를 들면, TTF－TCNQ 등) 등을 이용할 수가 있다. 전극(11) 위에 고정된, 광전 변환 기능을 가지는, 금속을 포함하는 전자 전달 단백질(12)의 전부 또는 거의 전부에 광이 조사되도록 하기 위해서, 매우 바람직하게는, 이들 전극(11, 13)의 적어도 한쪽은, 광전 변환 기능을 가지는, 금속을 포함하는 전자 전달 단백질(12)의 광 여기에 이용되는 광(통상, 가시광)에 대해서 투명한 도전성 재료, 예를 들면 ITO, FTO, 네사 유리 등에 의해 구성된다.
<실시예>
1. 시료의 제작
고순도(高純度)의 금선(金線)의 일단(一端; one end)을 버너로 녹여서 직경 수(數)㎜의 드롭모양(狀)(drop-shaped)의 형상으로 한 것을 전극(11)에 이용했다. 이 드롭모양의 금을 10-카르복시-1-데칸티올(HS(CH2)10COOH)의 에탄올 용액에 담그는(浸; 침지하는) 것에 의해서, HS(CH2)10COOH의 자기 조직화(自己組織化) 단분자막(self-assembled monolayer, SAM)을 중간층으로 해서 드롭모양의 금 표면 위에 형성했다. 이렇게 해서 얻어진 SAM 전극을 아연 시토크롬 c의 10mMTris-HCl 버퍼 용액(pH8. 0)에 담그는 것에 의해서, 드롭모양의 금 표면에 HS(CH2)10COOH와 아연 시토크롬 c가 흡착한 2층 구조의 SAM 전극을 제작했다. 이하에서, 이 2층 구조의 SAM 전극을 아연 시토크롬 c 전극이라고 부른다. 이 아연 시토크롬 c 전극을 도 3 에 도시한다. 또한, 아연 시토크롬 c의 합성은 비특허 문헌 4에 따랐다. 또, 아연 시토크롬 c 전극의 제작은 비특허 문헌 2에서의 철 시토크롬 c 전극의 제작 방법을 모방(倣)했다.
2. 측정 준비(準備)
아연 시토크롬 c 전극의 표면에 구석구석까지(萬遍無; entire; 모조리) 단색광(單色光)을 조사할 수 있고, 또 광 조사의 타이밍을 셔터의 개폐에 의해서 제어할 수 있는 바와 같은 광학 실험계(實驗系; experimental system)를 갖추었다(整; prepare; 준비했다). 그리고, 아연 시토크롬 c 전극을 작용극(作用極; working electrode), 은선(銀線)을 참조 전극, 백금선(白金線)을 대극(對極; counter electrode; 상대 전극)으로 해서 포텐셔스태트(potentiostat)에 접속하고, 이들 전극을, 2. 5mM K4[Fe(CN)6]을 포함하는 10mM 인산(燐酸) 버퍼 수용액(pH7. 0)에 담궜다. 이 실험계를 도 4에 도시한다. 도 4에서, 부호 (21)은 광원으로서의 Xe 램프(150W), (22)는 Xe 램프(21)의 발광 스펙트럼 중의 가시광선을 효율좋게 투과해서 열선을 반사하는 콜드 필터(cold filter), (23)은 집광 렌즈, (24)는 광의 투과/비투과를 제어하는 셔터(0. 5㎐), (25)는 집광 렌즈, (26)은 셔터(24)를 통과한 광을 소망(所望)의 파장으로 단색화(單色化)하는 모노크로미터, (27)은 집광 렌즈, (28)은 용기, (29)는 K4[Fe(CN)6]을 포함하는 인산 버퍼 수용액, (30)은 작용극으로서의 아연 시토크롬 c 전극, (31)은 참조 전극으로서의 은선, (32)는 대극으로서의 백금선, (33)은 모노크로미터(26)에서 단색화된 광을 반사하는 Al 미 러, (34)는 포텐셔스태트를 나타낸다. 셔터(24)의 개폐 및 모노크로미터(26)에 의해 단색화되는 광의 파장은 컴퓨터(35)에 의해 제어할 수 있도록 되어 있다.
3. 광 전류의 관찰
셔터(24)를 닫으면서 아연 시토크롬 c 전극(30)에 은선(31)에 대해서+313mV의 바이어스 전압을 인가하고, 그 상태인 채 60초간 정치(靜置; hold)했다. 이 때, 어두운 전류가 서서히 감소했다. 다음에, 셔터(24)를 열어서 파장 380㎚의 광을 1초간(秒間) 조사하고, 다시 셔터(24)를 닫고서 1초간 휴지(休止; pause)했다. 그 후, 파장 381㎚의 광을 1초간 조사하고, 1초간 휴지, 파장 382㎚의 광을 1초간 조사하고 1초간 휴지하고 하는 방식(具合; manner)으로 광의 조사와 휴지를 1초마다 되풀이하면서 광의 파장을 1㎚씩 소인(掃引; sweep)했다. 이와 같은 간헐적(間歇的)인 광 조사의 과정에서의 전류값의 시간 변화를 계측한 결과, 조사광의 온/오프(ON/OFF)와 동기(同期)하는 펄스 상태의 전류 변화, 즉 광 전류가 관찰되었다. 그 결과를 도 5에 도시한다.
상기의 측정에 의해서 얻어진 개개(個個)의 펄스에서, 그의 상승(立上; rise) 폭과 하강(立下; fall) 폭과의 평균값을 구하고, 이것을 광 전류값으로 하고, 각 파장에서의 광 전류값을 플로트(plot)해서 광 전류 작용 스펙트럼을 얻었다(도 6). 얻어진 광 전류 작용 스펙트럼은 아연 시토크롬 c의 흡수 스펙트럼의 상사형(相似形)이며, 이것으로부터, 이 광 전류가 아연 시토크롬 c의 광 여기에 수반하는 것인 것이 확인되었다.
도 7에는, 얻어진 광 전류 작용 스펙트럼을 입사광의 강도를 일정하게 해서 보정한 것, 도 8에는, 얻어진 광 전류 작용 스펙트럼을 입사 포톤(photons) 수를 일정하게 해서 보정한 것을 도시한다.
4. 광 전류의 방향 및 크기의 제어
도 9에 도시하는 바와 같이, 아연 시토크롬 c 전극(30)에 인가하는 바이어스 전압을 조절하는 것에 의해서, 광 전류의 극성(흐르는 방향)과 크기와의 양쪽을 제어하는 것이 가능했다.
5. 광 조사에 의한 정상(定常) 전류 방향의 반전(反轉)
도 10에 도시하는 바와 같이, 아연 시토크롬 c 전극(30)에 인가하는 바이어스 전압을, 어두운 곳에서 지극히 미약한 부(負)의 전류가 얻어지는 바와 같은 바이어스 전압(여기에서는 +23mVvs. Ag)으로 설정했을 때, 광 조사에 의해서 이 전류의 극성을 반전시키는 것이 가능했다.
이상과 같이, 이 제1 실시형태에 따르면, 아연 시토크롬 c 등의 광전 변환 기능을 가지는, 금속을 포함하는 전자 전달 단백질(12)을 광전 변환 재료로 이용한 신규한 광전 변환 소자를 실현할 수가 있다. 이 광전 변환 소자에 의하면, 전극(11)에 인가하는 바이어스 전압, 조사하는 광의 강도 및 조사하는 광의 파장 중의 적어도 하나를 조절하는 것에 의해서, 소자 내부를 흐르는 광 전류의 크기 및/또는 극성을 변화시킬 수 있으므로, 여러가지 응용이 가능하다. 이 광전 변환 기능을 가지는, 금속을 포함하는 전자 전달 단백질(12)은 간단하게 합성할 수 있고, 유기 반도체와 같은 복잡한 화학 합성이 불필요(不要)하므로, 광전 변환 소자를 제조하는데 있어서 유리하다. 또, 전극(11)의 표면 형상을 임의로 선택할 수 있으므로, 광전 변환 소자의 구조를 설계할 때의 자유도(自由度)가 높다.
다음에, 본 발명의 제2 실시형태에 따른 광전 변환 소자에 대해서 설명한다. 이 광전 변환 소자는, 제1 실시형태에 따른 광전 변환 소자와 마찬가지로, 전해질 용액 중에서 동작시키는 것이다.
도 11에 이 광전 변환 소자를 도시한다. 도 11에 도시하는 바와 같이, 이 광전 변환 소자에서는, 제1 실시형태에 따른 광전 변환 소자와 같이 바이어스 전원(16)을 이용해서 바이어스 전압을 발생시키는 것이 아니라, 전극(11, 13)이 가지는 자연 전극 전위의 차를 바이어스 전압으로서 이용한다. 이 경우, 참조 전극(17)은 이용할 필요가 없다. 따라서, 이 광전 변환 소자는, 전극(11, 13)을 이용하는 2전극계(二電極系)이다.
상기 이외는 제1 실시형태와 마찬가지이다.
이 광전 변환 소자에 대해서, 참조 전극으로서의 은선(31)을 이용하지 않는 것을 제외하고 제1 실시형태에서 기술한 실시예와 마찬가지 조건에서 광 전류의 측정을 실시한 바, 얻어진 광 전류 작용 스펙트럼에 상기 실시예와 마찬가지로 소렛대 및 Q대가 관찰되며, 관찰된 광 전류가 확실하게 아연 시토크롬 c의 광 여기에 수반하는 것인 것이 확인되었다. 이 2전극계의 광전 변환 소자에서의 상태의 천이(遷移) 및 전자의 흐름을 도 12에 도시한다. 도 12 중의 P는 아연 시토크롬 c를 나타낸다.
또, 참조 전극으로서의 은선(31)을 이용하지 않고, 또한 대극으로서의 백금선(32) 대신에 ITO 기판을 이용한 것을 제외하고 제1 실시형태에서 기술한 실시예 와 마찬가지 조건에서 광 전류의 측정을 실시한 바, 얻어진 광 전류 작용 스펙트럼에 상기 실시예와 마찬가지로 소렛대 및 Q대가 관찰되며, 관찰된 광 전류가 확실하게 아연 시토크롬 c의 광 여기에 수반하는 것인 것이 확인되었다.
이 제2 실시형태에 따르면, 제1 실시형태와 마찬가지 이점을 얻을 수가 있다.
다음에, 본 발명의 제3 실시형태에 따른 광전 변환 소자에 대해서 설명한다. 제1 및 제2 실시형태에 따른 광전 변환 소자가 용액 중에서 동작시키는 것인데 대해서, 이 광전 변환 소자는 드라이한 환경 중에서 동작시킬 수가 있는 것이다.
도 13에는 이 광전 변환 소자를 도시한다. 도 13에 도시하는 바와 같이, 이 광전 변환 소자에서는, 전극(11) 위에 광전 변환 기능을 가지는, 금속을 포함하는 전자 전달 단백질(12)의 단분자막 또는 다분자막이, 직접적 또는 중간층을 거쳐서 간접적으로 고정되어 있고, 이 광전 변환 기능을 가지는, 금속을 포함하는 전자 전달 단백질(12)의 단분자막 또는 다분자과 전극(13)과의 사이에 고체 전해질(19)이 끼워넣어져 있고, 또 고체 전해질(19) 주위를 둘러싸도록, 고체 전해질(19)의 건조를 방지하기 위한 봉지벽(20)이 설치되어 있다. 고체 전해질(19)로서는, 광전 변환 기능을 가지는, 금속을 포함하는 전자 전달 단백질(12)의 기능을 손상시키지 않는 것이 이용되고, 구체적으로는, 단백질을 흡착하지 않는 한천이나 폴리아크릴 아미드 겔 등이 이용된다. 전극(11, 13)의 적어도 한쪽은, 광전 변환 기능을 가지는, 금속을 포함하는 전자 전달 단백질(12)의 광 여기에 이용되는 광에 대해서 투명한 도전성 재료, 예를 들면 ITO, FTO, 네사 유리 등에 의해 구성된다.
이 광전 변환 소자에 의해 광전 변환을 행하려면, 전극(11, 13)이 가지는 자연 전극 전위의 차를 바이어스 전압으로서 이용하고, 전극(11)에 고정된 광전 변환 기능을 가지는, 금속을 포함하는 전자 전달 단백질(12)에 광을 조사한다. 이 광은, 광전 변환 기능을 가지는, 금속을 포함하는 전자 전달 단백질(12)의 광 여기가 가능한 파장을 가지는 것이다. 이 경우, 전극(11, 13)이 가지는 자연 전극 전위의 차, 조사하는 광의 강도 및 조사하는 광의 파장 중의 적어도 하나를 조절하는 것에 의해서, 소자 내부를 흐르는 광 전류의 크기 및/또는 극성을 변화시킬 수가 있다.
상기 이외는 제1 실시형태와 마찬가지이다.
이 제3 실시형태에 따르면, 제1 실시형태와 마찬가지 이점을 얻을 수가 있다.
다음에, 본 발명의 제4 실시형태에 따른 광전 변환 소자에 대해서 설명한다.
이 광전 변환 소자는, 전극(11)의 재료로 다공체 도전 재료를 이용하는 것을 제외하고, 제1 실시형태에 따른 광전 변환 소자와 마찬가지 구성을 가진다.
도 14에는 이 다공체 도전 재료(41)의 구조를 모식적(模式的)으로 도시한다. 도 14에 도시하는 바와 같이, 이 다공체 도전 재료(41)는 삼차원 그물코모양(網目狀; network) 구조를 가지고, 그물코에 상당하는 다수의 구멍(42)을 가진다. 이 경우, 이들 구멍(42) 끼리는 서로 연통하고 있지만, 반드시 모든 구멍(42) 끼리가 연통하고 있지 않아도 좋다. 이 다공체 도전 재료(41)로서는, 매우 적합하게는, 발포 금속 혹은 발포 합금, 예를 들면 발포 니켈이 이용된다. 이 다공체 도전 재료(41)의 다공율은 일반적으로는 80% 이상, 보다 일반적으로는 90% 이상이며, 구멍 (42)의 지름은, 일반적으로는 예를 들면 10㎚∼1㎜, 보다 일반적으로는 10㎚∼600㎛, 더욱더 일반적으로는 1∼600㎛, 전형적으로는 30∼400㎛, 보다 전형적으로는 80∼230㎛이지만, 이것에 한정되는 것은 아니다.
도 15에 도시하는 바와 같이, 이 다공체 도전 재료(41)의 표면에, 광전 변환 기능을 가지는, 금속을 포함하는 전자 전달 단백질(12)의 단분자막 또는 다분자막을, 직접적 또는 중간층을 거쳐서 간접적으로 고정한다. 이 상태의 다공체 도전 재료(41)의 골격의 단면도를 도 16에 도시한다.
이 제4 실시형태에 따르면, 발포 금속 혹은 발포 합금 등으로 이루어지는 다공체 도전 재료(41)는, 구멍(42)의 지름이 충분히 크고, 엉성(粗; loose)한 삼차원 그물코 모양 구조를 가지면서, 고강도이고 게다가 높은 도전성을 가지며, 필요 충분한 표면적을 얻을 수가 있다. 이 때문에, 전극(11)을 이 다공체 도전 재료(41)를 이용하여 구성하고, 이 다공체 도전 재료(41)의 표면에 광전 변환 기능을 가지는, 금속을 포함하는 전자 전달 단백질(12)의 단분자막 또는 다분자막을 고정하는 것에 의해, 이 광전 변환 기능을 가지는, 금속을 포함하는 전자 전달 단백질(12)을 삼차원적으로 고밀도로 고정화할 수 있으므로, 제1 실시형태와 마찬가지 이점에 더하여, 광전 변환 소자의 광전 변환 효율의 대폭적인 향상을 도모할 수 있다고 하는 이점을 얻는 것이 가능하다.
다음에, 본 발명의 제5 실시형태에 따른 광 검출기에 대해서 설명한다.
도 17은 이 광 검출기를 도시하는 회로도이다. 도 17에 도시하는 바와 같이, 이 광 검출기는, 제1∼제4 실시형태의 어느것인가에 의한 광전 변환 소자로 이 루어지는 포토다이오드(51)와, 이 포토다이오드(51)의 출력을 증폭하기 위한 단일 전자 트랜지스터(52)에 의해 구성되어 있다. 단일 전자 트랜지스터(52)는 드레인측의 미소 터널 접합 J1과, 소스측의 미소 터널 접합 J2에 의해 구성되어 있다. 이들 미소 터널 접합 J1 , J2의 용량을 각각 C1, C2로 한다. 예를 들면, 포토다이오드(51)의 전극(13)은 부하 저항 RL을 거쳐서 접지(接地)되어 있고, 그 전극(11)은 포토다이오드(52)를 바이어스하기 위한 정전압(正電壓) VPD를 공급하는 정극(正極) 전원에 접속되어 있다. 한편, 단일 전자 트랜지스터(52)의 소스는 접지되어 있고, 그 드레인은 출력 저항 Rout를 거쳐서 정전압 Vcc를 공급하는 정극 전원에 접속되어 있다. 그리고, 포토다이오드(51)의 전극(13)과 단일 전자 트랜지스터(52)의 게이트가 용량 Cg를 거쳐서 서로 접속되어 있다.
상술한 바와 같이 구성된 이 광 검출기에서는, 포토다이오드(51)에 광이 조사되어 광 전류가 흘렀을 때에 부하 저항 RL의 양단(兩端)에 발생하는 전압에 의해 용량 Cg가 충전되고, 이 용량 Cg를 거쳐서 단일 전자 트랜지스터(52)의 게이트에 게이트 전압 Vg가 인가된다. 그리고, 이 용량 Cg에 축적된 전하량의 변화 ΔQ=CgΔVg를 측정하는 것에 의해 게이트 전압 Vg의 변화 ΔVg를 측정한다. 여기서, 포토다이오드(51)의 출력을 증폭하기 위해서 이용되고 있는 단일 전자 트랜지스터(52)는, 종래의 트랜지스터의 예를 들면 100만배(萬倍)의 감도로, 용량 Cg에 축적된 전하량 의 변화 ΔQ=CgΔVg를 측정할 수가 있는 것이다. 즉, 단일 전자 트랜지스터(52)는 미소한 게이트 전압 Vg의 변화 ΔVg를 측정할 수 있기 때문에, 부하 저항 RL의 값을 작게 할 수가 있다. 이것에 의해, 광 검출기의 대폭적인 고감도화 및 고속화를 도모할 수가 있다. 또, 단일 전자 트랜지스터(52) 측에서는 대전(帶電) 효과에 의해 열 잡음이 억제되므로, 증폭 회로 측에서 발생하는 잡음을 억제할 수가 있다. 또, 단일 전자 트랜지스터(52)는 그의 기본 동작에서 1개의 전자 터널 효과 밖에 이용하지 않으므로, 지극히 저소비 전력이다.
이 광 검출기에서는, 상술한 바와 같이 포토다이오드(51)와 단일 전자 트랜지스터(52)는 용량 결합되어 있다. 이 때의 전압 이득은 Cg/C1로 주어지기 때문에, 미소 터널 접합 J1의 용량 C1을 충분히 작게 해 두는 것에 의해, 이 광 검출기의 다음 단(次段)에 접속되는 소자를 구동하는데 충분한 크기의 출력 전압 Vout를 얻을 수가 있다.
다음에, 이 광 검출기의 구체적인 구조예에 대해서 설명한다.
이 예에서는, 단일 전자 트랜지스터(52)가 금속/절연체 접합에 의해 구성된 것이고, 포토다이오드(51)가 제2 실시형태에 따른 광전 변환 소자에 의해 구성된 것이다.
도 18은 이 광 검출기의 평면도이다. 또, 도 19는 이 광 검출기에서의 포트다이오드(51)의 부분 단면도, 도 20은 이 광 검출기에서의 단일 전자 트랜지스터 (52)의 부분 단면도이다.
도 18, 도 19 및 도 20에 도시하는 바와 같이, 이 광 검출기에서는, 예를 들면 반도체 기판과 같은 기판(61) 위에, 예를 들면 SiO2막, SiN막, 폴리이미드막과 같은 절연막(62)이 설치되어 있다. 포토다이오드(51) 부분에서의 절연막(62)에는 개구(62a)가 설치되어 있다. 그리고, 이 개구(62a)의 내부 기판(61) 위에 전극(11)이 설치되고, 이 전극(11) 위에 광전 변환 기능을 가지는, 금속을 포함하는 전자 전달 단백질(12)의 단분자층이 직접적 또는 간접적으로 고정되며, 그 위에 전극(13)이 설치되어 있다. 이 경우, 광은 이 전극(13)을 투과해서 수광되므로, 이 전극(13)은, 광전 변환 기능을 가지는, 금속을 포함하는 전자 전달 단백질(12)의 광 여기에 이용되는 광에 대해서 투명하게 구성되어 있다.
한편, 단일 전자 트랜지스터(52) 부분에서는, 절연막(62) 위에 소스 전극(63) 및 드레인 전극(64)이 서로 대향해서 설치되어 있다. 그리고, 이들 소스 전극(63) 및 드레인 전극(64)의 각각의 일단부(一端部)와 부분적으로 겹치도록 게이트 전극(65)이 형성되어 있다. 여기서, 적어도 이 게이트 전극(65)이 겹쳐져 있는 부분의 소스 전극(63) 및 드레인 전극(64)의 표면에는 예를 들면 막두께(膜厚)가 0. 수(數)㎚∼수㎚의 절연막(66)이 형성되어 있고, 따라서 게이트 전극(65)은 이 절연막(66)을 거쳐서 소스 전극(65) 및 드레인 전극(66)의 각각의 일단부와 부분적으로 겹쳐져 있다. 이 겹침부(重部; overlaid portions)의 크기는, 전형적으로는, 수 100㎚×수100㎚ 이하이다. 이 경우, 게이트 전극(65)과 소스 전극(63)이 절연 막(66)을 거쳐서 겹쳐진 부분이 각각 도 17에서의 미소 터널 접합 J1, J2에 대응한다. 이들 게이트 전극(65), 소스 전극(63) 및 드레인 전극(64)은, 예를 들면 Al, In, Nb, Au, Pt 등의 금속으로 이루어진다.
도시는 생략하지만, 필요에 따라서, 포토다이오드(51) 및 단일 전자 트랜지스터(52)를 덮(覆; cover)도록 전면(全面)에 패시베이션막(passivation film)이 설치된다.
이 경우, 포토다이오드(51)의 전극(13)의 일단부는, 단일 전자 트랜지스터(52)의 게이트 전극(65)과 근접해 있다. 그리고, 패시베이션막이 설치되어 있지 않은 경우에는, 전극(13)의 일단부와 게이트 전극(65)과의 사이에 공기층이 끼인(sandwiched) 구조의 캐패시터가 형성되고, 그것에 의해서 이 전극(13)과 게이트 전극(65)이 용량 결합된다. 또, 패시베이션막이 설치되는 경우에는, 전극(13)의 일단부와 게이트 전극(65)과의 사이에 이 패시베이션막이 끼인 구조의 캐패시터가 형성되고, 그것에 의해서 이 전극(13)과 게이트 전극(65)이 용량 결합된다.
이상과 같이, 이 제5 실시형태에 따르면, 단일 전자 트랜지스터(52)에 의해 포토다이오드(51)의 출력을 증폭하도록 구성되어 있으므로, 종래의 통상의 트랜지스터에 의해 포토다이오드의 출력을 증폭하는 종래의 일반적인 광 검출기에 비해서, 광 검출의 대폭적인 고속화, 고감도화 및 저소비 전력화를 도모할 수가 있다.
다음에, 본 발명의 제6 실시형태에 따른 CCD 이미지 센서를 나타낸다. 이 CCD 이미지 센서는, 수광부, 수직 레지스터 및 수평 레지스터를 가지는 인터라인 전송 방식의 것이다.
도 21에 이 CCD 이미지 센서의 수광부 및 이 수광부 근방의 수직 레지스터의 단면 구조를 도시한다. 도 21에 도시하는 바와 같이, p형 Si 기판(71)(혹은, n형 Si 기판에 형성된 p웰 층) 위에 게이트 절연막(72)이 형성되고, 이 게이트 절연막(72) 위에 판독출력(讀出; read) 게이트 전극(73)이 형성되어 있다. 이 판독출력 게이트 전극(73)의 양측 부분의 p형 Si 기판(71) 중에 n형 층(74) 및 수직 레지스터를 구성하는 n형 층(75)이 형성되어 있다. n형 층(74) 위 부분의 게이트 절연막(72)에는 개구(72a)가 형성되어 있다. 그리고, 이 개구(72a)의 내부의 n형 층(74) 위에, 예를 들면 제3 실시형태에 따른 광전 변환 소자가 수광부(76)로서 형성되어 있다. 이 CCD 이미지 센서의 상기 이외의 구성은, 종래 공지의 인터라인 전송 방식의 CCD 이미지 센서의 구성과 마찬가지이다.
이 CCD 이미지 센서에서는, 광전 변환 소자의 전극(13)에 대해서 전극(11)을 정(正)의 전압으로 바이어스해 둔다. 수광부(76)에서 광전 변환 기능을 가지는, 금속을 포함하는 전자 전달 단백질(12)에 광이 입사하면 광 여기에 의해 발생한 전자가 n형 층(74)에 흘러들어간다(유입한다). 다음에, 수직 레지스터를 구성하는 n형 층(75)에 n형 층(74)보다 높은 전압을 인가한 상태에서 판독출력 게이트 전극(73)에 정전압을 인가하는 것에 의해 이 판독출력 게이트 전극(73) 바로아래(直下)의 p형 Si 기판(71)에 n형 채널을 형성하고, 이 n형 채널을 통해서 n형 층(74)의 전자를 n형 층(75)에 판독출력한다. 이 후, 이렇게 해서 판독출력된 전하는 수직 레지스터 내에서 전송되고, 또 수평 레지스터에서 전송되며, 출력 단자로부터 촬상 된 화상에 대응하는 전기 신호가 취출된다.
이 제6 실시형태에 따르면, 수광부(76)에 광전 변환 기능을 가지는, 금속을 포함하는 전자 전달 단백질(12)을 이용한 신규한 CCD 이미지 센서를 실현할 수가 있다.
다음에, 본 발명의 제7 실시형태에 따른 인버터 회로를 나타낸다.
이 인버터 회로를 도 22에 도시한다. 도 22에 도시하는 바와 같이, 이 인버터 회로에서는, 제1∼제4 실시형태의 어느것인가에 의한 광전 변환 소자와 마찬가지 구성의 광전 변환 소자(81)와 부하 저항 RL이 직렬로 접속되어 있다. 여기서, 부하 저항 RL은 전극(11)과 접속되어 있다. 부하 저항 RL의 일단에 소정의 정의 전원 전압 VDD가 인가됨과 동시에, 전극(13)이 접지된다. 광전 변환 소자(81)의 광전 변환 기능을 가지는, 금속을 포함하는 전자 전달 단백질(12)에 신호광으로서 예를 들면 가시광을 조사하면 광전 변환 소자(81)가 온(ON)해서 광 전류가 흐르는 것에 의해 전극(11)으로부터의 출력 전압 Vout는 로우 레벨로 되고, 가시광의 조사를 멈추(止)면 광전 변환 소자(81)가 오프해서 광 전류가 흐르지 않게 되는 것에 의해 전극(11)으로부터의 출력 전압 Vout는 하이 레벨로 된다.
이 인버터 회로의 구조예를 도 23에 도시한다. 도 23에 도시하는 바와 같이, 이 구조예에서는, p형 Si 기판(91)(혹은, n형 Si 기판에 형성된 p웰층) 중에 부하 저항 RL로서 이용되는 n형 층(92)이 형성되어 있다. p형 Si 기판(91)의 표면 에는 예를 들면 SiO2과 같은 절연막(93)이 형성되어 있다. 이 절연막(93)에는, n형 층(92)의 일단부 및 타단부(他端部)에 개구(93a, 93b)가 형성되어 있다. 개구(93a) 내부의 n형 층(92) 위에 광전 변환 소자(81)가 형성되어 있다. 개구(93b)를 통해서 전극(94)이 n형 층(92)과 옴 컨택트(Ohmic contact)하고 있다. 이 p형 Si 기판(91)에는, 필요에 따라서, 상기의 인버터 회로에 더하여, 출력 전압 Vout에 의해 구동되는 각종 전자 회로(증폭 회로 등)를 형성할 수가 있다.
이 제7 실시형태에 따르면, 광전 변환 기능을 가지는, 금속을 포함하는 전자 전달 단백질(12)을 이용한 광전 변환 소자(81)와 부하 저항 RL에 의해 인버터 회로를 구성할 수 있는 것에 의해, 이 인버터 회로를 이용해서 논리 회로 등의 각종 회로를 구성할 수가 있다.
이상, 본 발명의 실시형태 및 실시예에 대해서 구체적으로 설명했지만, 본 발명은, 상술한 실시형태 및 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상에 의거하는 각종 변형이 가능하다.
예를 들면, 상술한 실시형태 및 실시예에서 열거한 수치, 구조, 구성, 형상, 재료 등은 어디까지나 예에 불과하며, 필요에 따라서 이들과 다른(異) 수치, 구조, 구성, 형상, 재료 등을 이용해도 좋다.
본 발명에 따르면, 임의의 형상의 곡면 위에 광전 변환 소자를 형성하는 것 이 가능하게 될 뿐만 아니라, 광전 변환 재료로서 이용되는 광전 변환 기능을 가지는, 금속을 포함하는 전자 전달 단백질은 복잡한 화학 합성을 이용하는 일 없이 간단하게 구성할 수 있고, 광 전류의 쌍방향성 등도 가지는 신규(新規)한 광전 변환 소자 및 이 광전 변환 소자를 이용한 반도체 장치를 얻을 수 있으며, 이 광전 변환 소자를 수광부에 이용한 전자 기기를 실현할 수가 있다.
Claims (12)
- 도전(導電) 재료로 이루어지는 제1 전극과, 이 제1 전극 위(上)에 고정된 아연 시토크롬 c(Zinc cytochrome c), 아연 시토크롬 c의 유도체(誘導體), 또는 아연 시토크롬 c의 변이체(變異體)와, 도전 재료로 이루어지는 제2 전극을 가지며,상기 아연 시토크롬 c, 아연 시토크롬 c의 유도체 또는 아연 시토크롬 c의 변이체의 단분자막(單分子膜) 또는 다분자막(多分子膜)이 상기 제1 전극 위에 고정되어 있고,상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이의 전위차(電位差), 상기 아연 시토크롬 c, 아연 시토크롬 c의 유도체, 또는 아연 시토크롬 c의 변이체에 조사(照射)하는 광의 강도(强度), 및 상기 아연 시토크롬 c, 아연 시토크롬 c의 유도체, 또는 아연 시토크롬 c의 변이체에 조사하는 광의 파장 중의 적어도 하나를 조절하는 것에 의해 소자 내부에 흐르는 광 전류의 크기 또는 극성(極性)을 변화시키는 것을 특징으로 하는 광전 변환 소자(光電變換素子).
- 삭제
- 제1항에 있어서,상기 제2 전극은 상기 제1 전극 위에 고정된 상기 아연 시토크롬 c, 아연 시토크롬 c의 유도체, 또는 아연 시토크롬 c의 변이체에 대해서 간격을 두고서(空; spacing) 대향하도록 설치되어 있고, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극이 전해질(電解質) 용액 중(中)에 침지(浸漬; immerse)되어 있는 것을 특징으로 하는 광전 변환 소자.
- 제1항에 있어서,상기 제1 전극 및 상기 제2 전극의 적어도 한쪽은 가시광(可視光)에 대해서 투명한 것을 특징으로 하는 광전 변환 소자.
- 제1항에 있어서,상기 제1 전극 위에 고정된 상기 아연 시토크롬 c, 아연 시토크롬 c의 유도체, 또는 아연 시토크롬 c의 변이체와 상기 제2 전극 사이에 고체 전해질이 끼워넣어져(挾入; sandwich) 있는 것을 특징으로 하는 광전 변환 소자.
- 제5항에 있어서,상기 고체 전해질은 상기 아연 시토크롬 c, 아연 시토크롬 c의 유도체, 또는 아연 시토크롬 c의 변이체를 흡착(吸着; adsorb)하지 않은 것을 특징으로 하는 광전 변환 소자.
- 삭제
- 도전 재료로 이루어지는 제1 전극과, 이 제1 전극 위에 고정된 아연 시토크롬 c, 아연 시토크롬 c의 유도체, 또는 아연 시토크롬 c의 변이체와, 도전 재료로 이루어지는 제2 전극을 가지는 광전 변환 소자를 가지며,상기 아연 시토크롬 c, 아연 시토크롬 c의 유도체, 또는 아연 시토크롬 c의 변이체의 단분자막(單分子膜) 또는 다분자막(多分子膜)이 상기 제1 전극 위에 고정되어 있고,상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이의 전위차(電位差), 상기 아연 시토크롬 c, 아연 시토크롬 c의 유도체, 또는 아연 시토크롬 c의 변이체에 조사(照射)하는 광의 강도(强度), 및 상기 아연 시토크롬 c, 아연 시토크롬 c의 유도체, 또는 아연 시토크롬 c의 변이체에 조사하는 광의 파장 중의 적어도 하나를 조절하는 것에 의해 소자 내부에 흐르는 광 전류의 크기 또는 극성(極性)을 변화시키는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
- 도전 재료로 이루어지는 제1 전극과, 이 제1 전극 위에 고정된 광전 변환 기능(機能; capability)을 가지며, 금속을 포함하는 전자 전달(電子傳達; electron transferring) 단백질과, 도전 재료로 이루어지는 제2 전극을 가지며,아연 시토크롬 c, 아연 시토크롬 c의 유도체 또는 아연 시토크롬 c의 변이체의 단분자막(單分子膜) 또는 다분자막(多分子膜)이 상기 제1 전극 위에 고정되어 있고,상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이의 전위차(電位差), 상기 아연 시토크롬 c, 아연 시토크롬 c의 유도체, 또는 아연 시토크롬 c의 변이체에 조사(照射)하는 광의 강도(强度), 및 상기 아연 시토크롬 c, 아연 시토크롬 c의 유도체, 또는 아연 시토크롬 c의 변이체에 조사하는 광의 파장 중의 적어도 하나를 조절하는 것에 의해 소자 내부에 흐르는 광 전류의 크기 또는 극성(極性)을 변화시키는 것을 특징으로 하는 광전 변환 소자.
- 도전 재료로 이루어지는 제1 전극과, 이 제1 전극 위에 고정된 광전 변환 기능을 가지며, 금속을 포함하는 전자 전달 단백질과, 도전 재료로 이루어지는 제2 전극을 가지며,아연 시토크롬 c, 아연 시토크롬 c의 유도체, 또는 아연 시토크롬 c의 변이체의 단분자막(單分子膜) 또는 다분자막(多分子膜)이 상기 제1 전극 위에 고정되어 있고,상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이의 전위차(電位差), 상기 아연 시토크롬 c, 아연 시토크롬 c의 유도체, 또는 아연 시토크롬 c의 변이체에 조사(照射)하는 광의 강도(强度), 및 상기 아연 시토크롬 c, 아연 시토크롬 c의 유도체, 또는 아연 시토크롬 c의 변이체에 조사하는 광의 파장 중의 적어도 하나를 조절하는 것에 의해 소자 내부에 흐르는 광 전류의 크기 또는 극성(極性)을 변화시키는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
- 하나 또는 복수(複數)의 광전 변환 소자를 가지는 전자 기기(機器)에 있어서,적어도 하나의 상기 광전 변환 소자로서, 도전 재료로 이루어지는 제1 전극과, 이 제1 전극 위에 고정된 아연 시토크롬 c, 아연 시토크롬 c의 유도체, 또는 아연 시토크롬 c의 변이체와, 도전 재료로 이루어지는 제2 전극을 가지는 광전 변환 소자를 이용하며,상기 아연 시토크롬 c, 아연 시토크롬 c의 유도체, 또는 아연 시토크롬 c의 변이체의 단분자막(單分子膜) 또는 다분자막(多分子膜)이 상기 제1 전극 위에 고정되어 있고,상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이의 전위차(電位差), 상기 아연 시토크롬 c, 아연 시토크롬 c의 유도체, 또는 아연 시토크롬 c의 변이체에 조사(照射)하는 광의 강도(强度), 및 상기 아연 시토크롬 c, 아연 시토크롬 c의 유도체, 또는 아연 시토크롬 c의 변이체에 조사하는 광의 파장 중의 적어도 하나를 조절하는 것에 의해 소자 내부에 흐르는 광 전류의 크기 또는 극성(極性)을 변화시키는 것을 특징으로 하는 전자 기기.
- 하나 또는 복수의 광전 변환 소자를 가지는 전자 기기에 있어서,적어도 하나의 상기 광전 변환 소자로서, 도전 재료로 이루어지는 제1 전극과, 이 제1 전극 위에 고정된 광전 변환 기능을 가지며, 금속을 포함하는 전자 전달 단백질과, 도전 재료로 이루어지는 제2 전극을 가지는 광전 변환 소자를 이용하며,아연 시토크롬 c, 아연 시토크롬 c의 유도체, 또는 아연 시토크롬 c의 변이체의 단분자막(單分子膜) 또는 다분자막(多分子膜)이 상기 제1 전극 위에 고정되어 있고,상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이의 전위차(電位差), 상기 아연 시토크롬 c, 아연 시토크롬 c의 유도체, 또는 아연 시토크롬 c의 변이체에 조사(照射)하는 광의 강도(强度), 및 상기 아연 시토크롬 c, 아연 시토크롬 c의 유도체, 또는 아연 시토크롬 c의 변이체에 조사하는 광의 파장 중의 적어도 하나를 조절하는 것에 의해 소자 내부에 흐르는 광 전류의 크기 또는 극성(極性)을 변화시키는 것을 특징으로 하는 전자 기기.
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