In this thesis, investigations of a nanogap embedded field effect transistor biosensor including device structure, operational principle, detection of purified biomolecules, applicability to real serum sample, noise source, and sensitivity improvement were discussed.
The nanogap embedded field effect transistor biosensor is fabricated by CMOS process. Overall structure of the device is a ring-gate FET which is easy to fabricate compared to a conventional planar FET because of absence of isolation process. Due to the use of CMOS process and its structure, nanogap embedded field effect transistor can be produced massively and cheaply which is a suitable property for a disposable biosensor in POCT system.
An operational principle of nanogap embedded field effect transistor was explained by dielectric constant effect and charge effect. The dielectric constant effect is one of the most important characteristic which differentiates the nanogap embedded field effect transistor from nanowire-based biosensor and ion-sensitive field effect transistor biosensor. A noise source which was originated from the device fabrication process was characterized and it was concluded that effects of the noise source are negligible.
DNA was used to characterize the fabricated biosensor and it was concluded that the device can be used as a biosensor. Based on the analysis which was acquired during the DNA detection, C-reactive protein in human serum was successively detected. In addition, the nanogap embedded field effect transistor showed good enough false-positive and false-negative test result which means that the device can be commercialized.
Two methods to improve the device performance were suggested. The first method is to measure substrate current instead of threshold voltage. With this measurement scheme, SNR of the biosensor was improved. Another method is to use of passivation layer. With depositing a CYTOP passivation layer except sensing site, high sensitivity can be achieved.
이 논문은 나노갭을 갖는 전계 효과 트랜지스터 (NeFET) 바이오센서의 구조, 동작 원리, 정제된 바이오 물질 검출, 혈청내 바이오 물질의 검출, 잡음 분석, 민감도 향상에 대하여 논의한다.
NeFET는 CMOS process를 이용하여 제작되었으며, 전체적인 구조는 링 게이트 FET의 형태를 갖는다. 링 게이트 FET는 소자 isolation 과정이 필요 없어 일반적인 평면형 FET에 비하여 쉽게 제작이 가능하다. 따라서 제안된 NeFET는 값싸게 대량으로 생산 가능하며 이러한 특성은 POCT 시스템에 필요한 disposable 바이오센서에 적합하다.
NeFET의 동작 원리는 유전 상수 효과와 전하 효과로 나누어 설명되었다. 유전 상수 효과는 NeFET를 기존의 나노와이어 바이오센서나 ISFET (ion-sensitive field-effect transistor)와 차별화 하는 중요한 특징이다. 소자의 제작 과정 중 발생하는 잡음의 원인이 분석되었으며, 이러한 잡음은 소자 동작에 큰 영향을 주지 않는 것을 확인하였다.
소자의 동작을 확인하기 위하여 DNA를 검출하였으며 이를 통해 제안된 소자가 바이오센서로서 동작함을 확인하였다. DNA 검출을 기반으로 하여 환자의 혈청 내 CRP (C-reactive protein)이 성공적으로 검출되었다. 추가로 false-positive, false-negative test가 수행되었으며, 상용화되기 충분한 false-positive, false-negative rate을 확보하였다.
소자의 성능 향상을 위한 두가지 방법이 제안되었다. 첫번째 방법은 일반적으로 선택되는 검출 parameter를 바꾸는 것으로 기존에 사용된 threshold voltage 대신 substrate current를 선택하였다. 이러한 측정 방법의 변화로 바이오센서의 SNR (signal-to-noise ratio)가 향상 되었다. 두 번째 방법은 passivation 층을 이용한다. 초소수성을 갖는 CYTOP passivation 층을 sensing site를 제외한 영역에 만들어 줌으로서 높은 민감도를 획득할 수 있다.
