In this work, we present a dielectric modulated field effect transistor (DMFET) and label-free electrical detection of protein-ligand binding by using DMFET. The device was fabricated by standard CMOS process, except for the Cr/Au gate deposition. Au was chosen as a gate electrode because of high affinity between Au layer and bio-molecules. The 15 nm of vertical nanogap was successfully fabricated by the wet-etching Cr layer which was deposited as an adhesion layer between Au gate and gate oxide. The nanogap was modified with biotin and streptavidin. After binding streptavidin to biotin on the gold surface, the drain and gate current was measured with various gate voltages. The large threshold voltage was observed when biotin-streptavidin binding was achieved. It is because the total gate capacitance is increased as the nanogap is filled with biotin and streptavidin. The gate current was also increased after biotin-streptavidin binding. It means that when the nanogap was densely filled with biotin and streptavidin after forming the binding, it provides the current path that electrons tunneled from the inversed channel can flow through the binding to the gate. To confirm that the dramatic current and threshold voltage changes are due to the biotin-streptavidin binding, the nanogap of the device was analyzed with 6 different groups. As a result, only biotin-streptavidin binding is absolutely the most effective factor for changing electrical characteristics of DMFET device and the device also shows high specificity for detecting biotin-streptavidin binding. Furthermore, the threshold voltage was returned to its initial state, before modification when the biotin-streptavidin binding was reversibly broken. We also verified the presence of SAM, biotin, and streptavidin by using AFM.
The proposed device showed much better sensitivity than previously reported FET-type biosensors for detecting bio-molecules, especially protein-ligand binding. In addition, it is expected that such a DMFET-type biosensor can detect various protein molecules, such as DNA, cancer markers, and antibodies, and could be used as a part of a lab-on-a-chip for full electronic detection.
바이오센서로의 응용을 위한 수직적 나노갭을 갖는 유전층이 개질된 FET 소자에 대한 제작 및 그 특성에 대해 연구하였다. Standard CMOS 공정을 기본으로 하여 바이오 물질과의 강한 접합력을 가진 Au를 게이트 물질로 사용하여 FET 소자를 제작 후, adhesion layer로 사용된 Cr층을 선택적으로 wet-etching 공정을 통해 식각하여 15nm의 두께를 갖는 나노갭을 Au 게이트 아래에 형성하였다. 그 후, biotin과 streptavidin을 나노갭에 고정화 시킨 후 Cr layer의 식각 전 후 및 바이오 물질 접합 전 후의 소자의 전기적 특성을 측정하였다. 그 결과, 어떤 바이오 물질도 접합하지 않았을 때, 그리고 biotin만 접합하였을 때와 비교하여 biotin-streptavidin 결합을 형성하였을 때만 급격한 threshold voltage 변화를 관찰하였다. 이는 나노갭안에 바이오 물질이 접합함에 따라 gate dielectric 층의 capacitance값의 증가에 의한 것이다. 또한 biotin-streptavidin 결합이 형성 되었을 때만 급격한 게이트 누설전류가 증가 하는 것을 확인하였다. 이는 biotin-streptavidin 결합이 형성 되었을 때, 이 결합을 통해 전자가 흐를 수 있는 통로가 제공된 다는 것을 뜻한다. 또한 소자의 전기적 특성을 줄 수 있는 다른 요소들과 biotin-streptavidin 결합의 특이성을 알아보기 위해 대조군을 설정, 비교실험을 통해서 오직 biotin-streptavidin 결합만이 소자의 전기적 특성 변화에 큰 영향을 미치는 것을 확인하였다. 또한 biotin-streptavidin결합을 없애었을 때, 결합을 형성하기 전 상태로 돌아가는 것 통해 소자의 전기적 특성 변화가 biotin-streptavidin 결합에 의해서 생기는 것을 확인하였다. 마지막으로 AFM 측정을 통해 Au gate 표면에 bio-molecule이 수행한 공정을 통해 고정된 것을 확인하였다. 제작된 FET 소자는 이전에 제안된 FET형태의 다른 바이오센서들에 비해 상당히 향상된 검출 민감도를 보인다. 이를 통해 단백질-리간드 결합뿐 아니라 DNA, 암 진단 표지자, 항체-항원 반응 등을 검출하는 바이오센서로서의 응용에 사용될 수 있다.
