In recent years, numerous researches on the silicon nanowire biologically sensitive field effect transistors (BioFETs) have been done since Charlse Lieber group at Harvard University disclosed the pioneering experiment results. It is well known that the silicon nanowire BioFETs is fast, label free, inexpensive and ultrahigh sensitive compared to other existing bio sensor technologies. Thanks to these advantages, we expect that one can use them to implement early diagnosis of cancers, AIDS (HIV), etc. with detecting specific bio-molecules such as antigen from the pure blood. In addition, the BioFETs can be applicable for the many areas where the highly sensitive and precise sensors are needed.
In this thesis, we have developed an in-house simulation tool for silicon nanowire BioFETs solving the three-dimensional drift-diffusion equation and Poisson-Boltzmann equation, self-consistently, and also fabricated some samples and measured their characteristics. Because BioFETs have buffer solution with many ions, the simulation of them should take it into account: the BioFETs are simulated using the Poisson-Boltzmann equation instead of usual Poisson equation. After figuring out how to apply the Poisson-Boltzmann equation for buffer solution of different pH and concentration, we have built the simulator and analyzed the characteristics of BioFETs. Especially, we have confirmed experimentally and simulation-wise, the change of drain current or conductance with respect to the change of pH buffer solution.
In the simulations of the BioFETs, the charge of bio-molecules such as protein, DNA etc. was determined by difference between their isoelectric point (pI) and pH of buffer solution. Various probe and target bio-molecules charges, due to different pH of buffer solution, result in the change of the sensitivity of Bio-FETs. With the aid of the simulation works, the sensitivity of BioFETs can be optimized with the pH of buffer solution, which is close to pI of probe bio-molecules.
The scaling behaviors of channel length, width, thickness and doping concentration of BioFETs are also important to improve the sensitivity. Our simulation results indicate that the channel length does not affect the sensitivity, whereas the sensitivity increases if the width, thickness of channel is smaller and doping concentration is lower. In addition, BioFETs can be applied toward investigation of the electronic property such as determination of the pI value of bio-molecules.
하버드 찰스 리버 그룹 연구팀이 나노선 구조의 바이오 전자 소자를 제안 및 연구 결과를 발표하면서 최근에 이에 대한 많은 연구가 이루어져 왔다. 나노선 구조를 갖는 바이오 전자 소자는 기존의 바이오 센서 기술에 비해서 빠르고, 형광 물질 사용하지 않고, 저렴하면서도 높은 감도를 갖는 것으로 알려지고 있다. 이러한 장점을 이용하여, 인체의 혈액으로부터 아주 적은 양의 암 관련 단백질(항원)을 측정해냄으로써, 암뿐만 아니라 각종 병에 대한 조기 진단이 바이오 전자 소자를 통해서 가능할 것으로 기대되고 있다. 그 밖에도, 신약 개발, 바이러스 검출 등 높은 감도 및 정확성을 가진 센서를 필요로 하는 다양한 분야에서도 응용할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
본 연구에서는 공정 및 측정 실험뿐만 아니라 실리콘 나노선 구조의 바이오 전자 소자 시뮬레이터를 3 차원 표동-확산 방정식 (Drift-Diffusion equation)과 포아송-볼츠만 방정식 (Poisson-Boltzmann equation)을 상호 모순 없는 계산 방법 (self-consistent calculation method)를 사용하여 개발하였다. 일반 소자 시뮬레이터와 다르게 바이오 전자 소자는 이온을 가진 버퍼 용액을 갖기 때문에, 일반적인 포아송 방정식이 아닌, 볼츠만 분포 함수가 포함된 포아송-볼츠만 방정식을 사용하게 된다. 이러한 포아송-볼츠만 방정식을 버퍼 용액의 농도나 pH의 변화에 따라 어떻게 적용하여 풀어야 하는지 알아보고, 이러한 변화가 바이오 전자 소자 특성에 어떠한 영향을 미치는지 분석한다. 특히, pH의 변화를 통해서 바이오 전자 소자의 전류 및 전도도가 변화하게 되는데, 이러한 특성에 대해서 실험을 직접 수행하고, 이를 시뮬레이션으로 검증 및 이론적으로 분석을 하였다.
바이오 전자 소자는 수치 해석적 방법을 사용하여 성공적으로 시뮬레이션 될 수 있었다. 검출하고자 하는 단백질, DNA 등과 같은 생체 물질들은 버퍼 용액의 pH와 각자 가지는 pI (isoelectric point)에 의해서 자신이 가장 안정한 방향으로 총 전하 량이 결정된다. 즉, 탐침으로 사용될 생체 물질(항체)과 검출하고자 하는 생체 물질(항원)의 pI 값과 버퍼 용액의 pH 차이 역시 바이오 전자 소자의 감도 변화에 영향을 줄 수 있음을 알 수 있었으며, 시뮬레이션 결과를 통해 버퍼 농도가 탐침으로 사용될 생체 물질의 pI 값에 가까울 때, 감도를 최적화 할 수 있음을 알 수 있었다.
바이오 전자 소자가 나노선 구조로 제안된 만큼, 소자 크기 변화에 따른 특성 및 감도 변화 연구 역시 매우 중요한 이슈이다. 채널의 길이, 폭, 두께 그리고 도핑 농도에 따른 시뮬레이션을 수행하였으며, 그 결과 채널 길이는 바이오 전자 소자의 감도 변화에 큰 영향을 주지 않는다는 사실을 알 수 있었으며, 채널의 폭, 두께는 얇아질수록 바이오 전자 소자의 감도가 좋아진다는 사실을 확인할 수 있었다. 또한, 바이오 전자 소자는 특정 생체 물질 감지뿐만 아니라, 생체 물질의 pI 값과 같은 전기적 성질을 찾을 수 있는 센서로도 사용 될 수 있음을 발견하였다.
