DE3721799C2 - Integrierte Redox-Bauelementschaltung und Verfahren zum Herstellen - Google Patents

Integrierte Redox-Bauelementschaltung und Verfahren zum Herstellen

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Description

Die Erfindung betrifft eine integrierte Redox-Bauelementschaltung mit elektronischen Redox-Bauelementen, die durch Verwendung von Oxidations-Reduktions-Substanzen gebildet sind, und Verfahren zum Herstellen.
Bisher wurden elektrische Bauelemente, beispielsweise Gleichrichterbauelemente mit dem Aufbau gemäß Fig. 1 bei üblichen integrierten Schaltungen verwendet. In Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen (11) ein p-Siliciumsubstrat, das Bezugszeichen (12) bezeichnet einen n-Bereich, das Bezugszeichen (13) bezeichnet einen p-Bereich, das Bezugszeichen (14) bezeichnet einen n-Bereich, das Bezugszeichen (15) bezeichnet dünne SiO2-Schichten und die Bezugszeichen (16, 17) bezeichnen Elektroden. Gemäß Fig. 1 wird zwischen den Elektroden (16, 17) ein p-n-Übergang gebildet (durch den Übergang des p-Bereiches (13) und des n-Bereiches (14)), wodurch Gleichrichtereigenschaften erhalten werden.
Die üblichen Gleichrichterbauelemente können überaus fein bearbeitet werden, wodurch eine Großintegration von 1 M Bits entsteht, in welcher die Gleichrichterbauelemente mit dem vorausgehend erwähnten Aufbau oder Transistoren mit ähnlichem Aufbau nunmehr zum Einsatz kommen.
Um derartige Bauelemente bezüglich der Speicherkapazität und der Rechengeschwindigkeit zu verbessern, müssen die Bauelemente aber unbedingt mit überfeinem Aufbau ausgeführt sein. Da die mittlere freie Weglänge der Elektronen etwa 0,2 µm bei Si beträgt, können in Si keine feineren Muster gebildet werden.
Es ist daher zu erwarten, daß die sich entwickelnde Siliciumtechnologie im Hinblick auf den überfeinen Aufbau in naher Zukunft großen Schwierigkeiten gegenüberstehen könnte und daher ein elektrisches Schaltungselement erforderlich ist, das auf einem neuen Prinzip beruht, das die 0,2 µm-Grenze überwinden kann.
Um der vorausgehend aufgeführten Schwierigkeit zu begegnen, wurde ein integriertes Bauelement geschaffen, das in überfeiner Größe auf biomolekularem Niveau realisiert wird, indem Biostoffe als Bestandteile des integrierten Bauelementes verwendet werden. Die Einzelheiten des Bauelementes sind in der deutschen Offenlegungsschrift DE-A-36 00 564 beschrieben. Das integrierte Bauelement (das anschließend als integriertes Redox-Bauelement bezeichnet wird), wird nachfolgend kurz erläutert.
Ein Gleichrichterbauelement mit Gleichrichtereigenschaften, die jenen eines Halbleiters mit p-n-Übergang ähnlich sind, und ein Transistor mit Transistoreigenschaften, die jenen eines Transistors mit einem p-n-p-Übergang ähnlich sind, wurden unter Verwendung einer Redox-(Oxidations-Reduktions)-Potentialdifferenz zwischen zwei oder mehr Arten von zum Elektronentransport dienenden Proteinen entwickelt, die in vivo vorhanden sind und wirksam werden, um Elektronen über eine Oxidations-Reduktions-Reaktion zu transportieren. Somit wurden die Bauelemente in überfeiner Größe auf biomolekularem Niveau ausgeführt, wodurch eine mit hoher Geschwindigkeit arbeitende Schaltung hoher Dichte erreicht wird.
Ferner wurden weitere Bauelemente entwickelt, beispielsweise Widerstände, Kondensatoren und dergleichen, die eine gute Affinität bezüglich der vorausgehend aufgeführten Bauelemente aufweisen, um eine integrierte Redox-Bauelementschaltung zu schaffen, die die aufgeführten Bauelemente verwendet. Jedoch wurden Leitungen zur elektrischen Verbindung derartiger Bauelemente miteinander in einer integrierten Bauelementschaltung noch nicht untersucht.
Im allgemeinen benötigen integrierte Schaltungen auch Trennbereiche, um ein Bauelement von den nächsten benachbarten Bauelementen zu trennen. In ähnlicher Weise benötigen integrierte Schaltungen, die die vorausgehend beschriebene Redox-Bauelemente verwenden, ebenfalls Bauelement-Trennbereiche. Ferner müssen die Trennbereiche eine gute Affinität hinsichtlich der Stoffe aufweisen, die die Redox-Bauelemente bilden.
Eine integrierte Schaltung mit Transistoren aus hochmolekularem Material ist bekannt aus Patent Abstracts of Japan E-395, 19.11.1985, Bd. 9, Nr. 291, 60-130 857. Das gezeigte Bauelement weist einen Film aus Polyacethylen auf, durch den eine Transistorfunktion erzielt werden kann. Der leitende hochmolekulare Film ist auf einem isolierenden Substrat angeordnet und die beiden Enden des Films werden als Elektroden des Transistors verwendet. Die Verbindungen zwischen den vorgesehenen mehreren Transistoren erfolgt ebenfalls mit Hilfe eines leitenden hochmolekularen Films.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine integrierte Redox-Bauelementschaltung zu schaffen, die Leitungen und Trennbereiche zwischen den Redox-Bauelementen aufweist, die eine gute Affinität bezüglich der jeweiligen Redox-Bauelemente haben, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen integrierten Redox-Bauelementschaltung anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die integrierte Redox-Bauelementschaltung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie das Verfahren gemäß Patentanspruch 13 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Bei der Erfindung wird davon Gebrauch gemacht, daß im allgemeinen Oxidations-Reduktions-Substanzen, wie beispielsweise ein Elektronentransportprotein oder dergleichen durch Bestrahlung mit einem Energiestrahl entaktiviert werden, so daß die Substanzen ihre Elektronentransportfunktion verliert und zu einem Isolierstoff werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigt
Fig. 1 eine Schnittdarstellung eines üblichen Gleichrichterbauelementes,
Fig. 2(A) eine typische Darstellung eines Redox-Gleichrichterbauelementes,
Fig. 2(B) eine Darstellung der Redoxpotentialzustände gem. Fig. 2(A),
Fig. 3 eine typische Darstellung eines Redox-Schalterbauelementes,
Fig. 4 eine Schnittdarstellung eines Redox-Gleichrichterbauelementes,
Fig. 5 eine typische Schnittansicht eines Redox-Schalterbauelementes,
Fig. 6(A) bis 6(E) typische Darstellungen, die Verfahrensschritte zur Herstellung einer integrierten Redox-Bauelementschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung angeben,
Fig. 7(A) bis 7(C) Darstellungen des typischen Aufbaus und Herstellungsverfahrens einer integrierten Redox-Bauelementschaltung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 8 ein Schaltbild, das der integrierten Redox- Bauelementschaltung gemäß Fig. 7 äquivalent ist,
Fig. 9(A) eine typische Ansicht einer integrierten Redox-Bauelementschaltung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 9(B) ein Schaltbild, das der integrierten Redox-Bauelementschaltung nach Fig. 9(A) äquivalent ist,
Fig. 10(A) eine typische Darstellung einer integrierten Bauelementschaltung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
Fig. 10(B) ein Schaltbild, das der integrierten Redox-Bauelementschaltung nach Fig. 10(A) äquivalent ist.
Zunächst werden vor der Beschreibung von Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen integrierten Redox-Bauelementschaltung die vorausgehend aufgeführten elektronischen Redox-Bauelemente beschrieben.
Ein Redox-Gleichrichterbauelement wird gemäß Fig. 2(A) hergestellt, indem zwei Arten von Elektronentransport-Proteinen, die ein voneinander unterschiedliches Redox-(Oxidations-Reduktions)-Potential aufweisen, aufgebracht und verbunden werden, beispielsweise indem ein Cytochrom c-Molekül (1) und ein Flavodoxinmolekül (2) aufeinander aufgebracht und miteinander verbunden werden. Da die Redox-Potentiale des Cytochroms c (1) und des Flavodoxins (2) gemäß Fig. 2(B) sich voneinander unterscheiden, weist dieses Bauelement Gleichrichtereigenschaften auf, so daß Elektronen mühelos vom negativen Redoxpotentialpegel zum positiven Redoxpotentialpegel in Richtung des in der Zeichnung voll ausgezogenen Pfeiles (die anschließend als "positive Richtung" bezeichnet wird) fließen können, während Elektronen kaum in der entgegengesetzten Richtung fließen (die durch den in der Zeichnung gestrichelt eingetragenen Pfeil angegeben ist). Daher sind die Gleichrichtereigenschaften des Bauelementes die gleichen wie jene einer p-n-Flächendiode, die durch Verbinden eines n-Leitungstyp-Halbleiters und eines p-Leitungstyp-Halbleiters gebildet wird. In der Zeichnung bezeichnen die Bezugszeichen (4a, 4b) Elektroden zur Zuführung einer Spannung (V) an das Bauelement.
Ferner wird ein Redox-Schalterbauelement gemäß Fig. 3 hergestellt, indem drei Elektronentransport-Proteine (2a, 1 und 2b) zweier oder mehrerer Typen mit unterschiedlichem Redoxpotential verwendet werden. Das heißt, das Schalterbauelement wird als Transistor hergestellt, der ähnliche Eigenschaften wie ein üblicher Transistor aufweist, der aus einem Halbleiter mit p-n-p-Übergang besteht. In Fig. 3 bezeichnen die Bezugszeichen (4a, 4b, 4c) Elektroden.
Schließlich wird beispielsweise ein Redox-Widerstand hergestellt, indem ein Paar Elektroden eines Elektronentransportkomplexes oder einer Anzahl von Elektronentransportkomplexen aus zwei Elektronentransport-Proteinen bei dem vorausgehend erwähnten Gleichrichterbauelement verwendet werden. Falls eine Anzahl von Elektronentransportkomplexen im Widerstand verwendet wird, sind die Komplexe in Reihe zwischen einem Paar Elektroden angeordnet, so daß die Elektronentransportwege parallel liegen. Ferner wird beispielsweise ein Redox-Kondensator hergestellt, indem der vorausgehend erwähnte Elektronentransportkomplex zwischen einem Paar Elektroden angeordnet wird, so daß die Elektroden und Elektronentransportwege parallel liegen, oder der Kondensator wird hergestellt, indem zwischen einem Elektrodenpaar Proteinmoleküle ohne Elektronentransportfunktion angeordnet werden.
Der zweckmäßige Aufbau des vorausgehend aufgeführten Gleichrichterbauelementes ist in Fig. 4 dargestellt. In Fig. 4 bezeichnet das Bezugszeichen (76) ein Substrat mit Isoliereigenschaften und das Bezugszeichen (77) bezeichnet eine Anzahl Elektroden aus Metall, wie beispielsweise Ag, Au, Al oder dergleichen. Die Elektroden (77) liegen parallel zueinander auf dem Substrat (76) . Das Bezugszeichen (78) bezeichnet eine erste dünne Elektronentransport-Proteinschicht, die aus Cytochrom c mittels eines Verfahrens, wie beispielsweise des LB- (Langmuir-Blodgett)-Verfahrens hergestellt wurde und das Bezugszeichen (79) bezeichnet eine zweite dünne Elektronentransport-Proteinschicht, die aus Flavodoxin mittels eines Verfahrens, wie beispielsweise des LB-Verfahrens, hergestellt wurde. Die zweite dünne Elektronentransport-Proteinschicht (79) wird auf der ersten dünnen Elektronentransport-Proteinschicht (78) aufgebracht und mit dieser verbunden. Das Bezugszeichen (80) bezeichnet eine Anzahl paralleler Elektroden, die auf der zweiten dünnen Elektronentransport-Proteinschicht (79) derart ausgebildet sind, daß die parallelen Elektroden (80) senkrecht zu den parallelen Elektroden (77) verlaufen.
Der zweckmäßige Aufbau des vorausgehend aufgeführten Schalterbauelementes ist in Fig. 5 angegeben.
In Fig. 5 bezeichnet das Bezugszeichen (86) ein Substrat mit Isoliereigenschaften und das Bezugszeichen (87) bezeichnet eine Anzahl Elektroden aus Metall, beispielsweise Ag, Au, Al oder dergleichen. Die Elektroden (87) sind parallel zueinander auf dem Substrat (86) ausgeführt. Das Bezugszeichen (88) bezeichnet eine erste dünne Elektronentransport-Proteinschicht, die aus Flavodoxin mittels eines Verfahrens, wie beispielsweise des LB-Verfahrens, hergestellt wurde. Die erste dünne Elektronentransport-Proteinschicht (88) ist auf den Elektroden (87) ausgebildet. Das Bezugszeichen (90) bezeichnet eine Anzahl paralleler Elektroden, die auf der ersten dünnen Elektronentransport-Schicht (88) so ausgebildet sind, daß die parallelen Elektroden (90) senkrecht zu den parallelen Elektroden (87) verlaufen. Das Bezugszeichen (89) bezeichnet eine zweite dünne Elektronentransport-Proteinschicht, die aus Cytochrom c in ähnlicher Weise aufgebracht wurde, beispielsweise mittels des LB-Verfahrens. Die zweite dünne Elektronentransport-Proteinschicht (89) ist auf der ersten dünnen Elektronentransport-Proteinschicht (88) aufgebracht und mit dieser verbunden und an die Elektroden (90) angeschlossen. Das Bezugszeichen (91) bezeichnet eine dritte dünne Elektronentransport-Proteinschicht, die aus Flavodoxin in ähnlicher Weise hergestellt wurde, beispielsweise mittels eines LB-Verfahrens. Die dritte dünne Elektronentransport-Proteinschicht (91) ist auf der zweiten dünnen Elektronentransport-Proteinschicht (89) aufgebracht und mit dieser verbunden. Das Bezugszeichen (92) bezeichnet eine Anzahl paralleler Elektroden, die auf der dritten dünnen Elektronentransport-Proteinschicht (91) derart ausgebildet ist, daß die parallelen Elektroden (92) senkrecht zu den parallelen Elektroden (90) verlaufen.
Fig. 6(E) zeigt eine integrierte Redox-Bauelementschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, in welcher das Bezugszeichen (6) ein Substrat darstellt und das Bezugszeichen (7) eine erste Elektroden-Schicht, die auf dem Substrat (6) ausgebildet ist und aus Proteinmolekülen (7a, 7b) besteht. Die Proteinmoleküle (7a, 7b) sind jeweils Cytochrom c3-Moleküle und inaktives Cytochrom c3. Die erstgenannten Moleküle (7a) arbeiten als leitendes Protein, das Elektronen in allen Richtungen transportieren kann, und die letztgenannten Moleküle (7b) arbeiten als Isolierstoff, der durch Entaktivieren der Leitfähigkeit von Cytochrom c3 (7a) durch Bestrahlung mit einem Energiestrahls, beispielsweise einem Elektronenstrahl, einem Ionenstrahl, einem Molekülstrahl, einem Elementarteilchenstrahl, einem Röntgenstrahl, einem Gammastrahl oder einem Ultraviolettstrahl (UV) hergestellt wurde. Das Bezugszeichen (3) bezeichnet eine elektronische Redox-Bauelementschicht aus Biostoffen oder Pseudo-Biostoffen zur Erzielung von Gleichrichtereigenschaften, Schaltereigenschaften und dergleichen. Das Bezugszeichen (8) bezeichnet eine zweite Elektroden-Schicht, die auf der elektronischen Redox-Bauelementschicht (3) ausgebildet ist und aus Proteinmolekülen (8a, 8b) besteht. Die Proteinmoleküle (8a, 8b) sind jeweils Cytochrom c3 und inaktives Cytochrom c3. Ersteres (8a) arbeitet als leitendes Protein und letzteres (8b) arbeitet als Isolierstoff, der durch Entaktivieren der Leitfähigkeit von Cytochrom c3 (8a) durch Bestrahlen mit einem Energiestrahl in gleicher Weise wie vorausgehend erläutert wurde, hergestellt ist.
Das Verfahren zur Herstellung der Schaltung dieses Ausführungsbeispiels wird anschließend unter Bezugnahme auf die Fig. 6(A) bis 6(E) beschrieben.
Zunächst wird eine dünne Schicht aus Cytochrom c3 (7a) auf dem Substrat (6) hergestellt, um dadurch eine erste Elektrodenschicht (7) (Fig. 6(A)) zu bilden. Anschließend erfolgt zur Erzielung eines erforderlichen Musters des Cytochroms c3 (7a) eine teilweise Bestrahlung durch einen Energiestrahl, beispielsweise einen Elektronenstrahl, einen Ionenstrahl, einen Röntgenstrahl, einen UV-Strahl oder dergleichen, so daß die Leitfähigkeit des Cytochroms c3 (7a) teilweise verloren geht und ein entaktiviertes Cytochrom c3 (7b) (Fig. 6(B)) hergestellt wird. Sodann wird eine Redox-Bauelementschicht (3) auf der ersten Elektrodenschicht (7) (Fig. 6(C)) hergestellt und anschließend wird eine zweite Elektrodenschicht (8) aus Cytochrom c₃ (8a) darauf ausgebildet (Fig. 6(D)). Schließlich wird in der zweiten Elektrodenschicht (8) das gleiche Muster wie in der ersten Elektrodenschicht (7) mittels Bestrahlung durch einen Energiestrahl hergestellt, beispielsweise durch einen Ionenstrahl oder dergleichen, auf gleiche Weise wie sie vorausgehend für die erste Elektrodenschicht (7) (Fig. 6(E)) beschrieben wurde.
In der vorstehend beschriebenen Redox-Bauelementschaltung bestehen die Elektroden aus dem gleichen Proteinwerkstoff, der für die Redox-Bauelementschicht verwendet wurde, so daß diese Bauteile eine gute Affinität zueinander haben. Ferner haben die Bauelemente eine superfeine Größe auf molekularem Niveau, so daß eine bioelektrische Bauelementschaltung mit hoher Dichte und hoher Arbeitsgeschwindigkeit erhalten wird.
Obgleich das vorausgehend aufgeführte Ausführungsbeispiel den Fall betrifft, bei welchem Cytochrom c₃ als ein Protein zur Herstellung der Elektrodenschichten verwendet wird, können andere Proteine oder andere Pseudo-Biowerkstoffe verwendet werden, soweit sie für den Elektronentransport in allen Richtungen geeignet sind und eine Leitfähigkeit haben, die künstlich beseitigt werden kann.
Fig. 7(C) zeigt eine Redox-Bauelementschaltung mit Elektroden, Leitungen und einer Trennanordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. In der Zeichnung bezeichnet jedes der Bezugszeichen (5a, 5b) einen Transistor, der beispielsweise aus einer Einheit Cytochrom c (1) und zwei Einheiten Flavodoxin (2) besteht, wobei die Bezugszeichen (21a-21c) Elektroden des Transistors (5a) bezeichnen, die aus Cytochrom c₃ bestehen, die Bezugszeichen (22a-22c) be­ zeichnen Elektroden des Transistors (5b), die aus Cytochrom c₃ bestehen, und das Bezugszeichen (23) bezeichnet einen Isolierstoff, der durch Entaktivieren von Cytochrom c₃ hergestellt ist. Die zwei Transistoren (5a, 5b) sind durch den Isolierstoff (23) getrennt. Das Bezugszeichen (28) bezeichnet eine Leitung aus Cytochrom c₃, die die Elektroden (21a, 22a) miteinander verbindet. Die Bezugszeichen (24, 25) bezeichnen Elektroden aus Metall, beispielsweise Au, Pt, Al oder dergleichen. Die Elektrode (24) ist mit der Transistorelektrode (21b) verbunden und die Elektrode (25) ist mit der Transistorelektrode (22b) verbunden. Sowohl Cytochrom c und Flavodoxinmoleküle, aus denen die Transistoren (5a, 5b) aufgebaut sind, sind Elektronentransport-Proteine mit Elektronentransportfunktionen zur Leitung der Elektronen in vorgegebener Richtung und beide Moleküle sind derart aufeinander aufgebracht und miteinander verbunden, daß sie in einer spezifischen Anordnung orientiert liegen.
Der Betrieb und die Wirkungsweise dieses Ausführungsbeispiels wird anschließend unter Bezugnahme auf das Herstellungsverfahren erläutert. Fig. 7(A) bis 7(C) sind perspektivische Darstellungen, die den Herstellungsprozeß der integrierten Redox-Bauelementschaltung zeigen.
Die beiden Transistoren (5a, 5b) werden gemäß Fig. 7(A) aus Cytochrom c und Flavodoxin hergestellt. Cytochrom c3 (26) ist derart angeordnet, daß es die Transistoren (5a, 5b) umgibt. Zu diesem Zeitpunkt hat das Cytochrom c3 eine Elektronentransportfunktion, um die Elektronen in alle Richtungen zu leiten. Anschließend wird die dünne Proteinschicht mittels eines Röntgenstrahls durch eine Maske (27) bestrahlt, die ein vorgegebenes Strahl-Abschirmmuster aufweist, so daß die Transistoren (5a, 5b) und deren Elektroden nicht durch den Röntgenstrahl erreicht werden. Der vom Röntgenstrahl erreichte Teil des Cytochroms c3 wird entaktiviert und verliert dadurch seine Leitfähigkeit. Obgleich die Bestrahlung mittels eines Röntgenstrahls über eine Maske beschrieben wurde, kann eine derartige Bestrahlung mittels eines Röntgenstrahls unmittelbar durch Abtastung ohne Maskierung des Cytochroms c3 erfolgen, um das Cytochrom c3 entsprechend einem geforderten Muster zu entaktivieren.
Infolgedessen sind gemäß Fig. 7(C) die beiden Transistoren (5a, 5b) durch Cytochrom c3 (23) isoliert, das somit zu einem Isolierstoff entaktiviert wurde, und die Elektroden (21a-21c, 22a-22c) der Transistoren (5a, 5c) sind nicht kurzgeschlossen, sondern voneinander isoliert. Fig. 8 ist ein Schaltbild einer Schaltung, die jener der Fig. 7(C) äquivalent ist.
Die Verwendung von Elektroden, Leitungen und einer Bauelement-Trennanordnung gemäß diesem Ausführungsbeispiel macht es möglich, daß das im elektronischen Redox-Bauelement verwendete leitende Protein, die Elektroden desselben und dergleichen an beliebiger Stelle angeordnet sind, womit eine integrierte Redox-Bauelementschaltung mit überaus hoher Dichte erhalten wird. Ferner besteht der als Trennbereich dienende Isolierstoff aus der gleichen Oxidations-Reduktions-Substanz, die für andere benachbarte Bauelemente verwendet wird, so daß der Isolierstoff eine gute Affinität zu den anderen Bauelementen aufweist.
Obgleich das vorausgehend aufgeführte Ausführungsbeispiel für den Fall dargestellt wurde, in welchem Cytochrom c3 als das Protein verwendet wird, das zur Herstellung eines Isolierstoffes entaktiviert werden kann, können andere Arten eines Naturproteins, beispielsweise Häme-Eisen-Schwefel-Proteine, Cytochrom b-Protein, Cytochrom a, Flavodoxin, Plastocyanin, Thioredoxin und dergleichen verwendet werden. Ferner können andere Substanzen verwendet werden, die durch Beibehaltung der aktiven Zentralstruktur der natürlich vorkommenden Elektronentransport-Proteine und durch Modifizierung der übrigen Struktur derselben erhalten wurden. Anders ausgedrückt, Pseudo-Elektronentransport-Proteine können verwendet wurden, die durch Modifizierung oder Denaturierung der Struktur der Aminosäure der natürlich auftretenden Elektronentransport-Proteine erhalten wurden, indem die Funktionsgruppe, wie beispielsweise eine Methylgruppe, mit einer anderen Funktionsgruppe oder in anderer Weise ersetzt wurde. Ferner können andere Pseudo-Elektronentransport-Proteine, die aus einem niedrigmolekularen Oxidations-Reduktions-Substrat und einer organischen hochmolekularen Kette bestehen, verwendet werden, beispielsweise Pseudo-Elektronentransport-Proteine, die aus Flavinmononukleotid und Polyglutaminsäure bestehen, sowie Pseudo-Elektronentransport-Proteine, die aus Porphyrin und Polystyrol bestehen. Ferner können andere Substanzen verwendet werden, die aus einer Kombination eines niedrigmolekularen Oxidations-Reduktions-Substrates mit einem niedrigmolekularen organischen Stoff ohne Oxidations-Reduktions-Funktion hergestellt sind, beispielsweise Substanzen, die aus einer Kombination von Flavinmononukleotid und Cyclodextran hergestellt sind, sowie Substanzen, die aus einer Kombination aus Porphyrin und Stearinsäure hergestellt sind. Ferner können organische Moleküle oder synthetisch hergestellte Organometallkomplexmoleküle verwendet werden, um die Funktionen der natürlich vorkommenden Elektronentransport-Proteine zu imitieren, beispielsweise der Polymere, der Substanzen mit n-Elektronen und der Substanzen, die durch chemische Bindung von Substanzen hergestellt worden sind, die einer Oxidation und Reduktion unterliegen.
Fig. 9(A) zeigt eine Redox-Bauelementschaltung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die gleichen Bezugszeichen in jeder der Fig. 9(A) und 7(C) beziehen sich auf die gleichen Bauteile. Bei diesem Ausführungsbeispiel liegen acht Anschlüsse (T4-T11) der vier Gleichrichterbauelemente (3) über Leitungen (28) in einer Ebene (der in der Zeichnung dargestellten Oberseite). Fig. 9(B) zeigt eine Schaltung, die jener der Fig. 9(A) äquivalent ist.
Ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Herstellung der Schaltung wird anschließend beschrieben.
Zuerst wird eine monomolekulare Schicht aus Cytochrom c3 als erste Schicht hergestellt und anschließend mittels eines Energiestrahls bestrahlt, so daß das Cytochrom c3 zum Inaktiven Cytochrom c3 (23) umgewandelt wird. Anschließend wird eine monomolekulare Schicht aus Cytochrom c3 auf der ersten Schicht zur Erzielung einer zweiten Schicht gebildet und anschließend wird das Cytochrom c3 der zweiten Schicht entaktiviert, mit Ausnahme der Stellen, wo Elektroden und Leitungen liegen sollen. Sodann wird auf der zweiten Schicht eine dritte Schicht ausgebildet, und anschließend wird das Cytochrom c3 der dritten Schicht entaktiviert, mit Ausnahme der Stellen, wo Leitungen liegen sollen. Schließlich wird das inaktive Cytochrom c3 an den Stellen mittels Energiestrahlbehandlung entfernt, wo Cytochrom c liegen soll, um elektronische Bauelemente zu bilden, und anschließend werden diese Stellen mit Cytochrom c (1) aufgefüllt. Eine vierte Schicht und eine fünfte Schicht werden in der gleichen Weise, wie vorausgehend beschrieben, hergestellt, womit eine Schaltung gemäß diesem Ausführungsbeispiel erhalten wird.
Entsprechend der Redox-Bauelementschaltung mit dem vorausgehend aufgeführten Aufbau können die positiven und negativen Elektroden der Gleichrichterbauelemente innerhalb der integrierten Schaltung nach außen zu den erforderlichen Stellen geführt werden, beispielsweise Stellen an der in der Zeichnung dargestellten Oberseite, mit Hilfe von Leitungen des Elektronentransport- Proteins, das sich zum Transport von Elektronen in allen Richtungen eignet, während die Leitungen durch isolierendes Protein isoliert werden. Entsprechend kann eine Schaltung erhalten werden, in der ein beliebiges Muster hergestellt und anschließend die Elektroden und Leitungen mühelos gebildet werden. Alle Bauteile dieser Schaltung, d. h. Gleichrichterbauelemente, Elektroden, Leitungen und Isolierstoffe, bestehen aus Protein, so daß eine gute Affinität der Bauteile miteinander erwartet wird. Ferner sind die Bauelemente in überfeiner Größe auf molekularem Niveau ausgeführt, so daß eine Schaltung von überaus hoher Dichte und sehr hoher Geschwindigkeit erhalten wird.
Fig. 10(A) zeigt eine integrierte Redox-Bauelementschaltung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die gleichen Bezugszeichen dieser und anderer Zeichnungen beziehen sich auf den gleichen oder ähnlichen Bauteil. In der Zeichnung stellen (T12-T17) Anschlüsse dar und (C, D, E, F) sind Elektronentransport-Proteinmoleküle mit voneinander verschiedenem Redoxpotential und haben Elektronentransportfunktionen, um die Elektronen in vorgegebene Richtungen zu leiten. Dabei kann das Redoxpotentialverhältnis von (C, D, E) als monotoner Anstieg entsprechend C < D < E ausgedrückt werden. Anders herum gesehen läßt sich das Verhältnis als monotoner Abfall ausdrücken. Die Fig. 10(B) zeigt eine Schaltung, die jener der Fig. 10(A) äquivalent ist.
Bei diesem Ausführungsbeispiel unterscheiden sich die Elektronentransport-Proteine (C, D, E, F) bezüglich des Redoxpotentials voneinander und sind jeweils sowohl mit Flavodoxin (2) und mit Cytochrom c (1) verbunden, die jeweils den Drain-Elektroden und Gate-Elektroden der Schalttransistoren (5a, 5b) entsprechen, mittels Cytochrom c3, das eine Elektronentransportfunktion zur Leitung der Elektronen in allen Richtungen aufweist, wodurch jeweilige Leitungen für die Drain-Elektroden und Gate-Elektroden gebildet werden, damit die jeweiligen Anschlüsse derselben in einer Ebene erhalten werden. In der auf diese Weise gebildeten Schaltung sind das Elektronentransport-Protein (F) und die Leitungen zur Verbindung der Proteine (C, D, E) miteinander in einer spezifischen Anordnung angeordnet, so daß ein Strom entsprechend dem Redoxpotentialunterschied nur in einer Richtung fließen kann. Entsprechend können die Leitungen von benachbarten Schalttransistoren und dergleichen isoliert werden. Auf diese Weise kann eine stärker miniaturisierte Schaltung erhalten werden, in welcher ein Isolierstoff eingespart wird.

Claims (14)

1. Integrierte Redox-Bauelementschaltung, gekennzeichnet durch
eine Anzahl elektronischer Redox-Bauelemente (1, 2, 2a, 2b; 3; 5a, 5b; 78, 79; 88, 89, 91), die durch Verwendung einer Oxidations-Reduktions-Substanz gebildet sind,
eine Anzahl mit diesen elektronischen Bauelementen verbundenen Elektroden (4a, 4b, 4c; 21a, 21b, 21c, 22a, 22b, 22c; 77, 80; 87, 90, 92),
eine Anzahl von mit den Elektroden verbundenen Leitungen (28), die aus Oxidations-Reduktions-Substanzen bestehen, und
Isolierstoffe, die an mindestens einer Stelle zwischen den elektronischen Bauelementen, zwischen den Elektroden der elektronischen Bauelemente, zwischen den elektronischen Bauelementen und den Leitungen und zwischen den Leitungen liegen, um dazwischen eine Trennung zu bewirken, wobei die Isolierstoffe aus einer Oxidations-Reduktions-Substanz bestehen, die mittels Bestrahlung mit einem Energiestrahl entaktiviert wurde.
2. Integrierte Redox-Bauelementschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden aus Oxidations-Reduktions-Substanzen bestehen.
3. Integrierte Redox-Bauelementschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiestrahl ein Elektronenstrahl, ein Ionenstrahl, ein Elementarteilchenstrahl, ein Molekularstrahl, ein Gammastrahl, ein Röntgenstrahl oder ein Ultraviolettstrahl ist.
4. Integrierte Redox-Bauelementschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxidations-Reduktions-Substanz ein Elektronentransport-Protein ist.
5. Integrierte Redox-Bauelementschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxidations-Reduktions-Substanz ein Pseudo-Elektronentransport-Protein ist.
6. Integrierte Redox-Bauelementschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Pseudo-Elektronentransport-Protein sich aus einem niedrigmolekularen Oxidations-Reduktions-Substrat und einer organischen, hochmolekularen Kette zusammensetzt.
7. Integrierte Redox-Bauelementschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxidations-Reduktions-Substanz durch Bindung eines niedrigmolekularen Oxidations-Reduktions-Substrates an einem niedrigmolekularen organischen Stoff ohne Oxidations-Reduktions-Funktion hergestellt wird.
8. Integrierte Redox-Bauelementschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronischen Redox-Bauelemente einen Elektronentransport-Baustoff umfassen, der Elektronen in vorgegebener Richtung transportieren kann.
9. Integrierte Redox-Bauelementschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die aus der Oxidations-Reduktions-Substanz bestehenden Leitungen hergestellt werden, indem ein Elektronentransport-Protein, das sich zum Transport von Elektronen eignet, in einer vorgegebenen Richtung derart angeordnet ist, daß das Redoxpotential des Elektronentransport-Proteins sich monoton erhöht oder erniedrigt.
10. Integrierte Redox-Bauelementschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die aus Oxidations-Reduktions-Substanz bestehenden Leitungen hergestellt werden, indem ein Elektronentransport-Protein verwendet wird, das Elektronen in alle Richtungen transportieren kann.
11. Integrierte Redox-Bauelementschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der aus Oxidations-Reduktions-Substanz bestehende Isolierstoff gebildet wird, indem ein Elektronentransport-Protein, das Elektronen in alle Richtungen transportieren kann, entaktiviert ist.
12. Integrierte Redox-Bauelementschaltung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektronentransport-Protein Cytochrom c3 umfaßt.
13. Verfahren zur Herstellung einer integrierten Redox-Bauelementschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
gekennzeichnet durch folgende Schritte:
Herstellung einer ersten Elektrodenschicht (7) auf einem Substrat (6), die eine erste dünne, leitende Proteinschicht (7a, 7b) umfaßt,
Beaufschlagung eines ersten Teils (7a) der ersten Elektrodenschicht mit einem Energiestrahl und Entaktivierung der Leitfähigkeit des ersten Teils (7a) der ersten Elektrodenschicht, um dadurch einen ersten Isolierteil in der ersten Elektrodenschicht zu bilden,
Herstellung einer elektrischen Redox-Bauelementschicht (3), die eine Oxidations-Reduktions-Substanz umfaßt, auf der ersten Elektrodenschicht,
Herstellung einer zweiten Elektrodenschicht (8), die eine zweite dünne, leitende Proteinschicht (8a, 8b) umfaßt, die sich zum Transport von Elektronen in allen Richtungen eignet, auf der Redox-Bauelementschicht, und
Beaufschlagung eines zweiten Teils (8a) der zweiten Elektrodenschicht mit einem Energiestrahl und
Entaktivierung der Leitfähigkeit des zweiten Teils (8a) der zweiten Elektrodenschicht, um dadurch einen zweiten Isolierteil in der zweiten Elektrodenschicht zu bilden.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und zweite leitende Protein aus einem Bestandteil einer Gruppe ausgewählt ist, die Cytochrom c3, Häme-Eisen-Schwefel-Protein, Cytochrom b, Cytochrom a, Flavodoxin, Plastocyanin und Thioredoxin umfaßt.
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