In this thesis, the underlap-embedded FET is proposed for the FET-type bio sensor for label-free, sensitive, electrical detection of bio molecules in dry and wet environment.
To investigate the effectiveness of the underlap device as a biosensor, the SBP-AIa which is the designed bio molecules for attachment to the silica surface and anti-AI were prepared. After the immobilization of the SBP-AIa, anti-AI was introduced for antigen and antibody binding. The drain current was significantly decreased by the binding of anti-AI. The decrement of drain current came from the negative charge characteristics of the anti-AI in buffer solution of pH 7.4. Subsequently, a set of control experiment was carried out to confirm the bio experimental results. From the selectivity test of AI antigen and antibody, it was conclude that the change in the drain current resulted only from the bio molecules in the underlap channel region.
The drain current reduction was also shown for the result which device was exposed in air ambient. In the underlap device, the decrement of drain current came from the negative charges introduced on the underlap channel region, and therefore, it can conclude that biosensor can operate using the charge characteristic of bio molecules which is exposed in air ambient.
For further investigation, additional bio experiment using biotin and streptavidin was performed. Because of negative charge characteristic of streptavidin in the pH 7.4, it showed similar tendency with SBP-AIa and anti-AI case.
본 석사 논문에서는 underlap 구조의 MOSFET을 이용하여 두 가지 노출 환경에 대해 라벨이 없고, 충분한 민감도를 가지며 바이오 물질의 전기적 검출이 가능한 바이오 센서로서의 동작 여부를 살펴보았다.
Underlap 구조를 갖는 MOSFET의 전기적 특성을 살펴본 결과 게이트와 채널 부분에 offset이 존재하지 않는 기존 MOSFET과 비교하여 더 높은 문턱 전압을 갖는 것을 확인하였다. 또한underlap 길이가 증가함에 따라 더 높은 문턱 전압을 갖는 방향으로 나타났다. 이러한 특성은 소자가 공기 중에 노출되어 있을 때나 완충 용액에 노출되어 있을 경우 모두에 대해 나타났으며, 소자가 용액 상에 존재할 때 같은 underlap 길이에 대해 더 작은 문턱 전압을 갖는 것을 볼 수 있었다.
Underlap-FET소자가 용액 상에 노출되어 있을 때 바이오 센서로서의 동작 여부를 살펴보기 위하여 조류독감 항원과 oxide와 결합력이 좋은 단백질이 합쳐진 형태의 SBP-AIa와 조류독감 항체인 anti-AI로 바이오 실험을 진행하였다. 바이오 물질 결합 후 소자의 특성측정을 진행할 때, 소자가 PBS 용액에 노출되도록 실험을 수행하였다. SBP-AIa가 결합되어 있는 소자에 anti-AI를 첨가할 경우, 드레인 전류가 급격히 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 anti-AI가 가지고 있는 음성의 전하에 의해 underlap 부분의 inversion 현상이 더욱 힘들어졌기 때문이다. 추가로 SBP-AIa와 anti-AI 각각에 대해 특이결합을 하지 않는 바이오 물질을 이용한 selectivity 실험을 통해 앞서 나타난 변화가 타겟 바이오 물질의 결합에 의한 것임을 증명하였다.
또한 소자가 노출된 환경에 따라 검출 결과가 어떻게 나타나는지를 비교하였다. 여기서 두 노출 환경에 대해서SBP-AIa와 anti-AI를 이용한 바이오 실험은 동일하게 수행되었다. Underlap-FET 소자가 공기 중에 노출되어 있는 상태에서 진행된 특성 측정이나 용액 중에 노출되어 있는 상태에서 진행된 특성 측정 모두 anti-AI의 결합에 대해 드레인 전류의 감소를 보였다. 두 가지 노출 환경 모두에 대해 Underlap 길이가 증가할수록 드레인 전류의 변화량은 증가하였다. 또한 anti-AI의 농도가 감소할수록 드레인 전류의 변화량은 감소하였다. 이를 통해 소자가 공기 중에 노출된 상태에서도 바이오 물질의 전하 특성에 의해 바이오 물질의 검출이 진행될 수 있음을 알 수 있다. 추가로, 공기 중에 노출된 상태에서 측정한 결과가 용액 중에 있을 때와 비교하여 더 큰 드레인 전류 감소량을 보이는데, 이는 물의 유전율이 크기 때문에 소자가 용액 중에 있을 때 gate fringing field의 영향이 증가하여 underlap channel의 전하에 대한 민감도가 감소하기 때문이다.
마지막으로 underlap-FET 소자가 다른 바이오 물질에 대해서도 바이오 센서로서의 타당한 동작을 보여줌을 증명하기 위해 biotin과 streptavidin을 이용하여 바이오 실험을 진행하였다. Streptavidin은 pH7.4에서 음전하 특성을 갖기 때문에 streptavidin의 결합에 따라 underlap-FET 소자의 드레인 전류가 감소하였다. 이는 앞선 SBP-AIa와 anti-AI를 이용한 실험에서 나타난 결과에 부합된다.
이러한 underlap구조를 라벨이 필요없고, 민감하며, 다양한 바이오 물질에 대해 실시간 측정이 가능한 바이오센서로 사용할 수 있으며 더 나아가 대단위 스크리닝 테스트와 빠른 진단 키트에 사용될 가능성 또한 엿볼 수 있다.
