A Study on Highly Sensitive BioFETs based on Honeycomb Nanowires

Abstract

The biologically sensitive field-effect transistor (BioFET) is the most promising sensor for ubiquitous healthcare applications due to its advantages such as small size, low power consumption, high-speed response, label-free detection, high sensitivity, high stability, and suitability for mass-production and integration with other electronic systems. Recently, nanowires (NWs) have been used for the channel region of the devices due to the enhanced gate controllability and size compatibility to that of biological molecules for cell and protein studies. In this study, a honeycomb nanowire (HCNW) structure is proposed for highly sensitive BioFETs due to many structural benefits. The HCNW is a structure with repetitive hexagonal nanowire blocks. It has remarkable advantages in three aspects such as structural stability, surface area, and self-optimized current path. First, the HCNW shows superior structural stability due to its outstanding capability in force transferring. Therefore, we are able to fabricate the suspended nanowire structure without additional fabrication techniques and to make the fabrication process free from the stiction problem. Second, the surface area of the HCNWs is higher than that of the conventional straight-line nanowires (SLNWs). Hence, the effective width of the device is increased and the sensitivity in the strong inversion regime is enhanced. Finally, the self-optimized current path enhances the current drivability of the devices as well and suppresses statistical device-to-device variation statistically. For a fair comparison of electrical characteristics between the HCNW and the SLNW BioFETs, both devices were fabricated on the same wafer with a distance of 300 microns. The HCNW BioFETs clearly show enhanced electrical characteristics such as lower threshold voltage, lower subthreshold swing, and higher drain current in the same gate overdrive voltage than those of the SLNW devices. Improved electrical characteristics mainly come from geometrical benefits of the HCNW such as the increased effective width and optimal current path. As a result, these notable characteristics of the HCNW enable higher sensitivity in all operation regimes, caused by lower subthreshold swing in the subthreshold regime and higher transconductance in the strong inversion regime. The above results show that the HCNW structure is very promising for enhancing the device performance and for realizing highly sensitive biosensors. For miniaturization for hand-held applications, an Ag/AgCl pseudo-reference electrode (pRE) was embedded on the wafer. The pREs were fabricated using a combination of conventional microfabrication technique and electrochemical reaction with optimization. The open-circuit potential (OCP) characteristics between the pRE and a commercial reference electrode have been measured in order to evaluate the influence of the pRE potential on the device performance. The embedded pRE shows stable voltage drivability and the potential was insensitive to the hydrogen ion concentration and biological molecule concentration with offset of 6 mV and 1.5 mV for pH and alpha fetoprotein concentration, respectively. Those characteristics are critical for the reference electrodes of biosensors.

평균 수명의 증대 및 삶의 질에 대한 관심이 급격히 증가하여 U-health에 대한 요구가 급증하고 있다. 이에 발맞추어 U-health에 사용되는 센서에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 많은 센서 중 BioFET(biologically sensitivie field effect transistor)는 소형화에 유리하며, 저전력 소모, 빠른 반응속도, 무표지 검출, 높은 감도, 높은 안정성, 대량생산에 유리하며 전자 시스템에 적용이 수월한 장점을 가지고 있어 U-health용 센서 소자로 각광받고 있다. 최근 BioFET의 채널에 1차원 구조인 나노선을 이용한 연구가 널리 진행되고 있다. 나노선은 고유의 높은 게이트 제어능력으로 센서의 감도를 높일 수 있을 뿐 아니라, 구조체의 크기가 생체물질의 크기와 유사하여 감지시의 외부영향을 최소화 할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 나노선 BioFET에 관하여 지속적인 연구가 이루어지고 있으나 나노선의 구조를 이용하여 특성을 증대시키기 위한 연구는 진행된 바 없다. 본 학위 논문에서는 U-health 시스템에 적용할 수 있는 벌집 나노선을 이용한 BioFET의 개발에 대하여 논하였다.xm 벌집 나노선은 정육각형 형태의 나노선이 연속적으로 배열 된 구조로 기존의 직선형 나노선에 비하여 다음의 장점을 가지고 있다. 첫째, 높은 구조적 안정성을 가지고 있다. 이는 나노선 벌집구조의 높은 유연성과 뛰어난 응력 전달능력에 때문이다. 따라서 벌집 나노선은 별도의 공정기술 없이도 3차원 구조의 나노선 채널 제작에 용이하며 직선 나노선에서 발생하는 뒤틀림현상을 방지한다. 둘째, 벌집구조의 표면적은 기존의 나노선에 비하여 넓다. 따라서 구동 전류량을 높일 수 있어 선형 영역에서의 감도에 중요한 인자인 트랜스컨덕턴스를 증대시킨다. 마지막으로 네트워크 구조로 인한 자기 최적 전류경로로 소자의 전류구동능력을 향상시키고 소자간 성능차를 감소시키는 효과가 있다. 벌집 나노선과 기존의 직선형 나노선의 직접적 비교를 위하여 단일 기판상에 300 마이크론 간격으로 소자를 배치하였다. 벌집 나노선 소자는 낮은 문턱전압, 낮은 문턱전압 이하 영역에서의 전류 기울기, 동일 게이트 오버드라이브 전위에서 높은 전류값과 같은 향상 된 전기적 특성을 보였다. 이러한 특성은 벌집 나노선의 넓어진 채널 넓이와 자기 최적 전류경로와 같은 구조적 장점으로부터 얻어진다. 향상 된 소자 특성으로 인하여 소자의 모든 동작영역에서 벌집 나노선 소자가 높은 감도를 보였다. 따라서 벌집 나노선은 고감도 바이오센서에 가장 유력한 나노선 구조이다. 소자의 소형화를 위하여 Ag/AgCl 가상 기준전극을 기판에 집적화하였다. 가상 기준전극은 기존의 반도체 공정 기술과 전기화학 반응을 이용하여 형성되었다. 반응 시간을 달리한 전극의 개방 회로 전위측정을 수행하여 반응 조건 최적화를 수행하였다. 집적화 된 가상 기준전극은 안정적인 전류 구동능력을 보였다. 또한 구동 전위는 수소 이온농도 및 단백질 농도에 영향을 받지 않아 기준전극으로써 우수한 특성을 보였다. 측정 된 전위 오프셋은 수소이온 측정 시 6mV, 알파 태아단백질 측정 시 1.5 mV였다.