Direct electrical detection of the binding of antibody and antigen of avian influenza (AI) virus was demonstrated through a side-gated silicon nanowire field-effect transistor derived from a double-gate FinFET. A simple detection method was employed in which the charge effect coming from the biomolecules was ob-served through the threshold voltage (VT) shift. Although the overall structure of the device is realized on a silicon-on-insulator (SOI) substrate, due to the presence of a local backgate, the proposed device is individual-ly addressable and the operating voltage is markedly low compared with similar nanowire-type biosensors with global backgates. Furthermore, its unique structure allows for the channel to be immune to the noise from the biomolecules which can be problematic for nanogap FET biosensors. Finally, it was demonstrated that the sensitivity of NW-FET sensors can be greatly enhanced when the same dopant type is used for both channel region and source and drain (S/D). This type of FET, known as accumulation mode (AM) FETs, functions under different operating principle compared with conventional inversion mode (IM) FETs. The improved sensitivity is attributed to the different conduction mechanism and current components of AM devices. The results have been verified through a direct comparison with a conventional IM device. The proposed device in this work is CMOS-compatible, highly reproducible, and monolithic integration with the readout circuits is achievable. Hence, this approach provides a step toward the large scale development of sensor chips for their potential use in medicine and biotechnology.
본 연구에서는 레이블링 과정 없이도 간단하게 바이오 물질을 검출할 수 있음이 검증된 실리콘 나노와이어를 기반한 바이오센서의 새로운 플랫폼을 제시한다. 본 연구에서 제안한 새로운 플랫폼이 주는 장점은 크게 세가지로 나뉘어 진다. 첫째로 기존에 탑다운 방식을 이용한 바이오센서들은 일반적으로 나노갭을 만들어 바이오 물질을 고정시켰기 때문에 물질의 안정적인 고정을 보장하기 어려웠고, 검출 과정에서 노이즈에 의한 신호의 반감 효과 또한 컸다. 때문에 본 연구에서는 탑다운 공정을 이용하되 바이오 소자의 플랫폼은 기존의 나노갭을 형성한 방식이 아니라 나노와이어 전면에 걸쳐 바이오 분자가 부착 될 수 있는 구조를 개발하였다. 둘째로 기존의 바이오센서를 위한 실리콘 나노와이어와는 다르게 개별적인 나노와이어들의 선택이 가능하다. 즉, 다양한 바이오 분자를 소자 위에 부착하였을 때 각각 다른 나노와이어를 선택함으로써 동시에 다양한 물질을 검출할 수 있다는 장점이 있다. 더 나아가서 이는 궁극적으로 바이오 칩 또는 센서 칩 등이 취하는 형태에 한 걸음 더 다가설 수 있게 하는 플랫폼이라고 할 수 있겠다. 마지막으로 본 연구에선 기존의 트랜지스터와는 다르게 전하의 인버전 (Inversion) 이 아니라 어큐뮬레이션 (Accumulation) 을 통해 동작하는 독특한 트랜지스터를 이 연구에서 제안하는 구조에 적용을 하였다. 본 연구에서 제안한 소자의 독특한 구조 덕분에 인버전 형태의 바이오센서와 어큐뮬레이션 형태의 바이오센서의 직접적인 비교가 가능하였다. 결론적으로 말한다면, 본 연구를 통해서 어큐뮬레이션 형태의 소자가 가지는 다른 동작 원리와 전류의 위치 때문에 소자의 바이오 물질 검출도가 증가하였다. 탑다운 방식을 이용한 소자라는 이유로 본 연구에서 제안한 바이오센서는 차후 제어 및 Read-out 회로의 추가가 용이하도록 되어있다.
