In this thesis, a silicon nanowire field effect transistor (FET) straddled by the double-gate is investigated for biosensor application. The separated double-gates, G1 (primary) and G2 (secondary), allow independent voltage control to modulate channel potential. Therefore, the detection sensitivity is enhanced by the use of G2. The sensing window is significantly broadened compared to the case of employing G1 only, which is nominally used in conventional nanowire FET-based biosensors.
The double-gate nanowire FET is fabricated on a silicon-on-insulator (SOI) substrate. The structure of the device is very similar to the FinFET. The double-gate structure is formed by means of chemical mechanical polishing (CMP) process that separates a single-gate into double gates. Nanowire surface exposed after the CMP process is used as a sensing region to detect charged biomolecules. In addition, one of the two gates also can be served as a sensing antenna where biomolecules are immobilized. Threshold voltage and drain current are modulated due to the charge of the biomolecules. The double-gate nanowire FETs are also fabricated on a silicon bulk substrate for low-cost applications. Wet-based measurement system is constructed for real-time measurement and detection of biomolecules in the solution medium.
In order to detect biomolecules on the sensor surface, surface functionalization methods are discussed. DNA is immobilized on the sensor surface with covalent and electrostatic methods. Antigen and antibody are functionalized with several methods using a silica-binding protein (SBP) and protein G. Charged polymers with positive and negative polarities are bound on the device surface with self-assembled monolayer techniques.
Sensing results are presented to detect pH solution, charged polymers, DNA, and antigen-antibody interactions. By monitoring the change in threshold voltage or drain current, we can detect chemical species and biomolecules. The experiments are carried out in the dry and wet environment. Using several control experiments, the specificity of the biosensor is confirmed.
Signal amplification methods are investigated in terms of bias conditions and geometric parameters. Using asymmetric biasing to the double gates, the signal is enhanced. By modulating the gate oxide and nanowire width, the signal can be further amplified. These results are confirmed with the experiment and simulation.
Finally, capacitive modeling of the double-gate nanowire FET is carried out to provide a design guideline for highly sensitive nanowire biosensors.
본 학위논문에서는, 바이오센서 응용을 위한 double-gate 구조의 실리콘 나노와이어 전계효과 트랜지스터(이하 double-gate 나노와이어 트랜지스터)에 대해서 연구하였다. 두 개의 게이트는 독립적인 전압 조절을 통해 채널 전위를 조절한다. 두 번째 게이트의 사용을 통해 검출 민감도를 증가시킬 수 있다. 한 개의 게이트를 사용하는 일반적인 나노와이어 트랜지스터 바이오센서와 비교하여 더 높은 신호폭을 확보하였다.
Double-gate 나노와이어 트랜지스터를 silicon-on-insulator 기판에서 제작하였다. 그 구조는 FinFET 과 매우 유사하다. 화학적 기계적 연마과정을 통해서 연결되어 있는 하나의 게이트를 두 개로 나눈다. 연마과정 이후 노출된 나노와이어 표면이 전하를 가진 바이오물질을 검출하는 센싱 영역으로 사용된다. 그리고 두 개 중 하나의 게이트가 또한 센싱 영역으로 사용될 수 있다. 트랜지스터의 문턱전압과 드레인 전류가 바이오물질의 전하에 의해서 변화하게 된다. Double-gate 나노와이어 트랜지스터의 저비용 제작을 위해 실리콘 bulk 기판 상에서 제작하였다. 또한, 용액 상에서 바이오물질을 실시간 측정하기 위한 시스템을 구축하였다.
센서 표면에서 바이오물질을 검출하기 위해, 표면 처리 방법들에 대해서 기술하였다. DNA 는 센서 표면에 공유결합과 정전기력 방법을 통해서 표면에 고정시켰다. 항원과 항체는 실리카 결합 단백질과protein G 를 사용하여 표면처리를 수행하였다. 양전하와 음전하를 가지는 전하 고분자들을 자가조립단분자막 방법을 통해서 표면에 고정시켰다.
pH 용액, 전하 고분자, DNA, 항원-항체 결합에 대한 검출 결과에 대해 논의하였다. 문턱전압 또는 드레인 전류를 관찰함으로써, 화학물질과 바이오물질을 검출해 낼 수 있다.
실험은 공기 중과 용액 상에서 수행되었다. 여러 대조 실험을 통해서 바이오물질의 선택성을 확인하였다.
전압 조건과 구조적 변수를 고려하여 신호증폭을 위한 방법들에 대해 연구하였다. 두 개의 게이트에 대한 비대칭적 전압을 인가하여 신호를 증폭하였다. 게이트 산화막 두께와 나노와이어 폭을 조절함으로써 신호를 추가적으로 증폭시켰다. 이 결과를 실험과 시뮬레이션을 통해서 검증하였다.
마지막으로, double-gate 나노와이어 트랜지스터에 대한 캐패시터 모델을 수행하여 민감도 높은 바이오센서의 제작에 대한 가이드 라인을 제시하였다.
