DE3722941A1 - Hybridschaltkreiselement und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Hybridschaltkreis­ element gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie auf ein Verfahren zur Herstellung eines Hybridschaltkreis­ elements gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 3 und 4.

Ein derartiges Hybridschaltkreiselement umfaßt verschie­ dene elektrische Redoxelemente, die unter Verwendung von Oxidation-Reduktionmaterialien, wie z.B. Redoxproteinen, hergestellt werden.

Ein Beispiel eines üblichen Gleichrichterelements für integrierte Schaltkreise hat den in Fig. 1 dargestellten MOS-Aufbau. In Fig. 1 ist ein p-Typ Siliconsubstrat 11, eine n-Typ Zone 12, eine p-Typ Zone 13, eine n-Typ Zone 14 dargestellt. Weiter sind SiO₂-Filme 15 und Elektroden 16 und 17 dargestellt. D.h., es wird zwischen den zwei Elek­ troden 16 und 17 eine p-n-Übergangszone (die p-Typ Zone 13 - die n-Typ Zone 14) ausgebildet, so daß sich eine Gleich­ richtercharakteristik ergibt.

Das oben beschriebene übliche Gleichrichterelement mit dem MOS-Aufbau kann fein bearbeitet werden, und man erhält eine 256K-bit LSI (large scale integration) im praktischen Ge­ brauch, die die Gleichrichterelemente und Transistorelemen­ te ähnlichen Aufbaus umfaßt.

Um die Speicherkapazität und die Arbeitsgeschwindigkeit eines integrierten Schaltkreises zu steigern, ist es wesent­ lich, die Größe der Elemente zu vermindern. Es besteht je­ doch z.B. bei einem Element unter Verwendung von Si die Begrenzung darin, daß in einem äußerst feinen Muster in der Größenordnung von 0,2 µm der mittlere freie Elektronenweg im wesentlichen gleich der Größe des Elements ist, so daß die Unabhängigkeit des Elements nicht länger aufrechter­ halten werden kann. Es ist daher zu erwarten, daß sich die Silicontechnologie, die sich von Tag zu Tag weiter­ entwickelt, bald hinsichtlich der Verminderung der Element­ größe an einer Grenze befindet. Es besteht daher ein star­ kes Bedürfnis, ein neues elektrisches Schaltkreiselement zu schaffen, das die technologische Grenze der oben er­ wähnten 0,2 µm durchbrechen kann.

Es wurde daher ein Gleichrichterelement mit einer Gleich­ richtcharakteristik ähnlich der einer p-n-Übergangszone, die durch p-Typ und n-Typ Halbleiter ausgebildet wird, und ein Transistorelement, das eine Transistorcharakteristik ähnlich der eines p-n-p-Übergangszonentransistors aufweist, unter Verwendung von Elektronenübergangsproteinen, die in einem Organismus existieren, d.h. unter Verwendung ihrer Redoxpotentialdifferenz, entwickelt. Dies führte zu dem Ergebnis, daß es möglich wurde, äußerst kleine Elemente bis zum biomolekularen Bereich zu erhalten, wodurch eine hohe Dichte und hohe Arbeitsgeschwindigkeit der Schaltkreise möglich wird.

Diese Elemente sind in der Beschreibung der US-Patentschrift 46 13 541 oder der deutschen Patentanmel­ dung DE 36 00 564 beschrieben.

Um weiter einen elektrischen Redoxelementschaltkreis mit derartigen Elementen auszubilden, wurden Elemente, wie z.B. Widerstände, Kondensatoren, die eine hohe Affinität für diese Elemente zeigten, entwickelt. Dieser Entwicklung folgte eine Entwicklung, wie man einen Schaltkreis mit diesen Elementen bildete. Es kann diesbezüglich angenommen werden, daß es möglich ist, den Schaltkreis unter Verwen­ dung von elektrischen Redoxelementen aus Biomaterialien und üblichen Halbleiterelementen zu bilden.

In Anbetracht des oben gesagten ist es Aufgabe der vorlie­ genden Erfindung, ein Hybridschaltkreiselement zu schaffen, das elektrische Redoxelemente und übliche Halbleiterele­ mente umfaßt, und ein Verfahren zur Herstellung derselben, insbesondere das Verfahren zu ihrer Verdrahtung, zu schaf­ fen.

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1, 3 und 4 gekenn­ zeichnete Erfindung gelöst.

Bei einem Hybridschaltkreiselement gemäß der Erfindung wird ein elektrisches Redoxelement unter Verwendung von Redox­ materialien, z.B. Biomaterialien oder Scheinbiomaterialien, die eine Elektronenübertragung gestatten, ausgebildet und mit Halbleiterelementen verbunden, woraufhin diese Elemente dann elektrisch mittels elektrischen Leitern verbunden werden.

Bei einem Verfahren zur Herstellung eines Hybridschaltkreis­ elements wird ein gewünschtes Metallverdrahtungsmuster mittels einer durch optische Belichtung unter Verwendung eines Energiestrahls oder mittels direktem musterförmigen Aufbringen eines Metallfilms nach einem chemischen Bedamp­ fungsverfahren auf einer ein elektrisches Redoxelement unter Verwendung von Redoxmaterialien bildenden Schicht ausgebil­ det.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Diagramm zur Darstellung eines Beispiels eines üblichen MOS-Typ Gleichrichterelements;

Fig. 2a) ein Diagramm zur Darstellung eines Beispiels eines Gleichrichterelements gemäß der Erfindung;

Fig. 2b) ein Diagramm zur Darstellung der Redoxpotentiale des in Fig. 2a) dargestellten Gleichrichter­ elements;

Fig. 3 ein Diagramm zur Darstellung eines Beispiels eines erfindungsgemäßen Schaltelements;

Fig. 4 ein Diagramm zur Darstellung eines Beispiels eines erfindungsgemäßen Widerstandselements;

Fig. 5 ein Diagramm zur Darstellung eines erfindungsge­ mäßen Kondensators;

Fig. 6 eine Schnittansicht zur Darstellung des Aufbaus einer Anordnung mit Gleichrichterelementen;

Fig. 7 eine Schnittansicht zur Darstellung des Aufbaus mit Schaltelementen;

Fig. 8 ein Diagramm zur Darstellung eines Schaltkreises aus elektrischen monolithischen Redoxelementen;

Fig. 9 und 10 Schnittansichten zur Darstellung des Aufbaus von Hybridschaltkreiselementen gemäß einer ersten und einer zweiten Ausführungsform der Erfindung; und

Fig. 11 eine perspektivische Explosionsansicht zur Dar­ stellung des in Fig. 7 gezeigten elektrischen Redoxelementschaltkreises.

Zuerst sollen ein Gleichrichterelement, ein Schaltelement, ein Widerstandselement und ein Kondensatorelement beschrie­ ben werden, die elektrische Redoxelemente gemäß der Erfin­ dung sind.

In dem Gleichrichterelement D, das in Fig. 2a) darge­ stellt ist, werden zwei Arten von Elektronenübertragungs­ proteinen mit unterschiedlichem Redoxpotential, nämlich z.B. ein Flavodoxinmolekül 1 und ein Cytochrom-c-Molekül 2, miteinander zur Ausbildung einer Verbindung verbunden, und ein Paar Elektroden 4 a und 4 b werden mit den entsprechenden Molekülen verbunden. Bei dem so ausgebildeten Gleichrichter­ element D ist das Redoxpotential des Flavodoxinmoleküls 1 von dem des Cytochrom-c-Moleküls 2 unterschiedlich, wie dies in Fig. 2b) dargestellt ist, so daß, wenn zwischen den Molekülen eine Spannung aufgebracht wird, das Gleichrichter­ element eine Kennlinie zeigt, bei der die Elektronen von dem negativen Niveau zum positiven Niveau in dem Redoxpotential fließen, wie dies durch die ausgezogene Linie mit Pfeil dar­ gestellt ist, wobei es jedoch für sie schwierig ist, in der entgegengesetzten Richtung zu fließen, wie dies mittels einer gestrichelten Linie mit Pfeil dargestellt ist. D.h., die Kennlinie des Gleichrichterelements ist ähnlich der Gleichrichterkennlinie einer p-n-Übergangsdiode, die durch Verbinden eines n-Typ Halbleiters und eines p-Typ Halblei­ ters ausgebildet ist.

In Fig. 3a) ist ein Schaltelement gemäß der Erfindung dargestellt. Es umfaßt ein Cytochrom-c-Molekül 2, das an beiden Enden mit einem Flavodoxinmolekül 1 verbunden ist. Weiter sind Elektroden 4 c, 4 d und 4 e mit den entsprechenden Molekülen 1, 2 und 1 verbunden. Das so ausgebildete Schalt­ element Tr weist die in Fig. 3b) dargestellte Kennlinie auf. Wenn keine Spannung an den Elektroden 4 c, 4 d und 4 e anliegt, weist es eine Potentialcharakteristik auf, die mittels der ausgezogenen Linie a dargestellt ist. Wenn an der Elektrode 4 c eine negative Spannung V ₂ in bezug auf die Elektrode 4 e anliegt, wird die Redoxpotentialcharakteristik durch die Linie b wiedergegeben. Wenn zusätzlich zur Span­ nung V ₂ eine negative Spannung V ₁ an der Elektrode 4 d in bezug zur Elektrode 4 e anliegt, wird die Redoxpotential­ charakteristik durch die Linie 4c wiedergegeben. Im Falle der Redoxpotentialcharakteristik a oder b fließt in dem Element kein Strom. Im Falle der Redoxpotentialcharakteri­ stik c fließt jedoch ein Strom. Es kann daher bei einer zwischen den Elektroden 4 c und 4 e anliegenden Spannung V ₂ das Anliegen der Spannung V ₁ zwischen den Elektroden 4 d und 4 e gesteuert werden, so daß das Element eine Schalt­ charakteristik aufweist.

In Fig. 4 ist ein Widerstandselement gemäß der Erfindung dargestellt. Bei dem Widerstandselement sind die oben be­ schriebenen Verbindungen (zwei Verbindungen im Falle von Fig. 4) in einer antiparallelen Verbindung zwischen einem Paar Elektroden 4 f und 4g angeordnet. Bei dem Widerstands­ element R kann der Widerstand auf einen gewünschten Wert durch Änderung der Anzahl der Verbindungen eingestellt werden.

Für das Kondensatorelement C gemäß der Erfindung kann bei­ spielsweise ein Proteinmolekül verwendet werden, das hin­ sichtlich der Elektronenübertragung inaktiv ist und eine hohe Dielektrizitätskonstante aufweist, wobei dieses Ele­ ment als Dielektrikum verwendet wird und zwischen einem Paar Elektroden 4 h und 4 i angeordnet ist.

Der tatsächliche Aufbau des oben beschriebenen Gleichrich­ terelements ist in Fig. 6 dargestellt.

In Fig. 6 ist ein Substrat 76 mit einer hohen Isoliereigen­ schaft dargestellt. Mehrere Metallelektroden 77 aus Ag, Au oder Al sind parallel auf dem Substrat 76 angeordnet. Ein erster Elektronenübertragungsproteinfilm 78 aus Cytochrom- c-Molekülen ist auf dem Substrat 76 entsprechend einem LB (Langmuir-Blodgett) Verfahren oder ähnlichem ausgebildet.

Auf dem ersten Elektronenübertragungsproteinfilm 78 ist ein zweiter Elektronenübertragungsproteinfilm 79 aus Flavo­ doxinmolekülen entsprechend dem LB-Verfahren oder ähnlichem ausgebildet. Weiter sind mehrere Elektroden 80 auf dem zweiten Elektronenübertragungsproteinfilm 79 so angeordnet, daß sie senkrecht zu den vorher erwähnten Elektroden 77 verlaufen. In Fig. 6 kann der Film 78 ein monomolekularer Film organischer, synthetischer Moleküle sein, der ent­ sprechend dem LB-Verfahren ausgebildet ist, und die Filme 78 und 79 können ein Stapel monomolekularer Filme aus orga­ nischen, synthetischen Molekülen sein, die entsprechend dem LB-Verfahren hergestellt sind. Weiter kann der Film 78 ein monomolekularer Film sein, der durch chemische Modifikation ausgebildet ist, d.h. es kann ein monomolekularer Film sein, der durch chemisches Modifizieren der Elektrode 77 mit or­ ganischen, synthetischen Molekülen ausgebildet ist.

Der tatsächliche Aufbau des oben beschriebenen Schaltele­ ments ist in Fig. 7 dargestellt.

In Fig. 7 ist ein Substrat 86 mit einer Isoliereigenschaft vorgesehen. Auf dem Substrat 86 sind mehrere Metallelektro­ den aus Ag, Au oder Al parallel ausgebildet. Ein erster Elektronenübertragungsproteinfilm 88 aus Flavodoxinmolekü­ len ist auf den Elektroden 87 ausgebildet. Auf dem ersten Elektronenübertragungsproteinfilm 88 sind mehrere parallele Elektroden 90 so ausgebildet, daß sie senkrecht zu den Elektroden 87 angeordnet sind. Über dem ersten Elektronen­ übertragungsproteinfilm 88 ist ein zweiter Elektronenüber­ tragungsproteinfilm 89 aus Cytochrom-c-Molekülen mittels des LB-Verfahrens oder ähnlichem so ausgebildet, daß er mit den Elektroden 90 verbunden ist. Ein dritter Elektronen­ übertragungsproteinfilm 91 aus Flavodoxinmolekülen ist über dem zweiten Elektronenübertragungsproteinfilm 89 durch das LB-Verfahren oder ähnlichem ausgebildet. Schließlich sind mehrere parallele Elektroden 92 auf dem dritten Elektronen­ übertragungsproteinfilm 91 so angeordnet, daß sie senkrecht zu den parallelen Elektroden 90 verlaufen.

Wenn die oben beschriebenen verschiedenen Elemente mit dem leitenden Protein, das Elektronen in allen Richtungen über­ tragen kann, verbunden sind, und das Protein, das keine Elektronen übertragen kann, als Isolator verwendet wird, wird ein elektrisches, monolithisches Redoxelement nur unter Verwendung von Proteinmolekülen geschaffen.

In Teil (c) von Fig. 8 ist ein monolithisches Schaltkreis­ element nur aus Proteinmolekülen dargestellt, dessen equi­ valenter Schaltkreis eine Kombination der Teile (a) und (b) von Fig. 8 darstellt. D.h., die Gleichrichterelemente D ₁ bis D ₄ (siehe Fig. 2), die Schaltelemente Tr ₁ und Tr ₂ (siehe Fig. 3), die Widerstandselemente R ₁ und R ₂ (R ₁ be­ stehend aus D ₁ und D ₂, und R ₂ bestehend aus D ₃ und D ₄) und der Kondensator C ₁ (siehe Fig. 5) werden verwendet, und diese Elemente sind mit den leitenden Proteinmolekülen 4 verbunden, die Elektronen in allen Richtungen übertragen können, während sie durch die isolierenden Proteinmoleküle 5 mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstanten isoliert sind, wenn dies erforderlich ist. Es wird somit ein Hoch­ geschwindigkeitsschaltkreis hoher Dichte geschaffen, dessen Größe äußerst klein bis zu einem biomolekularen Niveau hin ist.

Fig. 9 zeigt ein Hybridschaltkreiselement gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Auf einem Substrat 1 ist eine Si-Schicht 2 (die im allgemeinen ein LSI darstellt) ausgebildet. Auf einem Teil der Si-Schicht 2 ist eine Iso­ lierschicht aus SiO₂, Si₃N₄ oder Polyimid ausgebildet. Weiter ist ein elektrisches, monolithisches Redoxschalt­ kreiselement 4, z.B. wie es in Fig. 8 dargestellt ist, vor­ gesehen. Dieses Element kann jedoch einen einfacheren Aufbau aufweisen. Schließlich sind in Fig. 9 Leiter 5 vorgesehen, die das elektrische Redoxschaltkreiselement 4 mit der Si- Schicht 2 verbinden. In der Ausführungsform wird das elek­ trische Redoxschaltkreiselement 4 durch die Isolierschicht 3 auf der Si-Schicht 2 ausgebildet, und die Si-Schicht 2 ist elektrisch mit dem elektrischen Redoxschaltkreiselement 4 über die Leiter 5 verbunden.

In der oben beschriebenen Ausführungsform sind das elektri­ sche Redoxschaltkreiselement und die Si-Schicht miteinander auf dem gleichen Substrat verbunden. Die Kennlinie des sich ergebenden Schaltkreises ist daher die Kombination der hohen Dichte und der Hochgeschwindigkeitseigenschaft des elektri­ schen Redoxschaltkreiselements und der Kennlinie des Halb­ leiterelements.

Fig. 10 zeigt ein Hybridschaltkreiselement gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. In Fig. 10 sind die Teile, die denen in Fig. 9 entsprechen, mit gleichen Bezugs­ zeichen versehen. Bei der zweiten Ausführungsform ist das elektrische Redoxschaltkreiselement 4 auf der gesamten oberen Fläche der Si-Schicht 2 über der Isolierschicht 3 angeordnet, und das elektrische Redoxschaltkreiselement 4 ist mit der Si-Schicht 2 mittels Leitern verbunden, die sich durch die Isolierschicht 3 erstrecken, so daß ein vielschich­ tiger Aufbau aus dem elektrischen Redoxschaltkreiselement 4 und der Si-Schicht 2 ausgebildet wird. Statt der Si-Schicht kann ebenfalls eine GaAs-Schicht verwendet werden.

Die zweite Ausführungsform ergibt, ähnlich wie die erste Ausführungsform, einen Schaltkreis, der die Vorteile der zwei Elemente aufweist, und der Integrationsgrad des Schalt­ kreises ist gesteigert.

Im folgenden soll nun das Verdrahtungsverfahren eines elektrischen Redoxelements beschrieben werden, d.h. ein Verfahren zur Ausbildung der Elektroden in dem elektri­ schen Redoxelement (siehe Fig. 11). Fig. 11 stellt eine perspektivische Explosionsansicht dar, die den Aufbau des Schaltelements von Fig. 7 darstellt. Die Metallelektroden 87, 90 und 92 bestehen aus Metall, z.B. aus Pt, Ag, Au oder Al. Die Elektroden 87 sind parallel angeordnet, die Elektro­ den 90 sind parallel angeordnet und die Elektroden 92 sind ebenfalls parallel angeordnet. Diese Elektroden sind unter Verwendung von Masken in gewünschten Mustern ausgebildet, wobei die Masken durch optische Belichtung unter Verwendung eines Energiestrahls, z.B. sichtbarer Strahlen, ultravio­ letter Strahlen oder X-Strahlen, ausgebildet wurden. Die Vakuumbeschichtung von Pt, Au oder Al kann bei Raumtempe­ ratur erreicht werden. Beispielsweise kann Au bis zu einer Dicke im Bereich von einigen Zehnteln Angström bis zu eini­ gen Hundertsteln Angström vakuumbeschichtet werden.

Diese Elektroden können in dem gewünschten Verdrahtungs­ muster entsprechend dem CVD (chemical vapor deposition =chemische Bedampfung) Verfahren unter Verwendung von molekularen Strahlen, Ionenstrahlen oder Laserstrahlen vor­ gesehen werden. Bei diesem Verfahren wird der Strahl ent­ sprechend einem gewünschten Muster direkt auf das Metall aufgebracht, und die Elektroden können bei einer Temperatur unter 50°C ausgebildet werden.

Die oben beschriebenen zwei Verdrahtungsverfahren sind in den Fällen der Fig. 9 und 10 anwendbar, in denen das elek­ trische Redoxschaltkreiselement 4 mit der Si-Schicht 2 ver­ bunden wird.

Wie oben beschrieben, werden die Metallverdrahtungsmuster entsprechend einem Metallverdrahtungsmuster-Ausbildungsver­ fahren ausgebildet, das das gleiche ist, wie für einen integrierten Halbleiterschaltkreis, d.h., daß das Verfahren unter Verwendung von Masken, die durch optische Belichtung unter Verwendung eines Energiestrahls oder dem Verfahren des direkten Ausbildens des Musters eines Metallfilms ent­ sprechend dem CVD-Verfahren unter Verwendung von Ionen­ strahlen oder Laserstrahlen, ausgebildet wird. Man erhält somit einen Schaltkreis mit ultrahoher Dichte und ultra­ hoher Geschwindigkeit, der hinsichtlich seiner Größe äußerst klein bis hin zu einem molekularen Bereich hergestellt werden kann.

In den oben beschriebenen Ausführungsformen sind die Elek­ troden linear und parallel angeordnet. Es sind jedoch eben­ falls Abänderungen möglich, ohne sich von der Erfindung gemäß den beigefügten Ansprüchen zu entfernen.

Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen werden Elektro­ nenübertragungsproteine zur Ausbildung des elektrischen Redoxelements verwendet; es können jedoch ebenfalls Elekro­ nenübertragungsmaterialien verwendet werden, die als Schein­ biomaterialien bekannt sind.

Wie oben beschrieben, besteht das Hybridschaltkreiselement aus dem elektrischen Redoxelement und dem Halbleiterelement. Die Kennlinie des Hybridschaltkreiselements gemäß der Er­ findung ist daher eine Kombination der hohen Dichte und der Hochgeschwindigkeitskennlinie des elektrischen Redoxelements und der Kennlinie des Halbleiterelements.

Weiter wird gemäß der Erfindung das Metallverdrahtungsmuster auf der das elektrische Redoxelement bildenden Schicht unter Verwendung der Maske ausgebildet, die durch die Be­ lichtung mit einem optischen Strahl hergestellt wurde, oder die Verdrahtungsleiter werden direkt in dem gewünschten Muster mittels eines Metallfilms entsprechend dem CVD-Ver­ fahren aufgebracht, das Molekularstrahlen, Ionenstrahlen oder Laserstrahlen verwendet. Der Schaltkreis mit einem elektrischen Redoxelement kann auf diese Weise ausgebildet werden, wobei er äußerst klein bis zu einem molekularen Bereich hin hergestellt werden kann.

Claims (5)

1. Hybridschaltkreiselement, gekennzeichnet durch ein elektrisches Redoxelement (4), das aus Redoxmaterialien hergestellt ist, und ein Halbleiterelement (2), das mit dem elektrischen Redoxelement (4) verbunden ist, wobei diese Elemente (2, 4) elektrisch miteinander mit elek­ trischen Leitern (5) verbunden sind.

2. Hybridschaltkreiselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Redoxmaterialien aus einer Gruppe vom Biomaterialien und Scheinbiomaterialien ausgewählt werden, die in ihnen eine Elektronenübertragung gestatten.

3. Verfahren zur Herstellung eines Hybridschaltkreis­ elements, gekennzeichnet durch folgende Schritte: Ausbilden eines gewünschten Metallverdrahtungsmusters mittels einer durch optische Belichtung unter Verwendung eines Energiestrahls ausgebildeten Maske auf einer ein elektrisches Redoxelement unter Verwendung von Redox­ materialien bildenden Schicht, Verbinden des elektrischen Redoxelements mit einem Halb­ leiterelement, und elektrisches Verbinden der zwei Elemente miteinander mit elektrischen Leitern.

4. Verfahren zur Herstellung eines Hybridschaltkreis­ elements, gekennzeichnet durch folgende Schritte: Ausbilden eines gewünschten Metallverdrahtungsmusters mittels direktem musterförmigen Aufbringen eines Metall­ films nach einem chemischen Bedampfungsverfahren, Verbinden des elektrischen Redoxelements mit einem Halb­ leiterelement, und elektrisches Verbinden der zwei Elemente miteinander mit elektrischen Leitern.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man als chemisches Bedampfungsverfahren ein Verfahren verwendet, das man aus der Gruppe von Molekular-, Ionen­ strahl- und Laserstrahl-Verfahren auswählt.