[논문]FET센서 감도 향상 측정을 위한 최적화

손영수

doi:10.14478/ace.2014.1122

초록
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전계 효과 트랜지스터(FET) 기반의 이온 또는 바이오센서에 대한 연구는 지금까지 활발하게 이루어지고 있다. 본 논문에서는 여러 가지 측정 방법 중에 FET 게이트 절연체 위의 감지막과 이온 또는 생분자의 상호작용으로 전하 분포의 변화가 일어나면 이로 인해 드레인 전류의 변화를 측정하는 방법을 기반으로, 동일한 입력 신호, 즉 동일한 이온 또는 생분자의 농도에 대해 최적의 출력 신호를 얻기 위한 방법에 대해 논의한다. 대표적인 FET 센서는 이온 감지 FET (ISFET)로 본 논문에서는 pH를 측정하는 센서를 이용하였다. ISFET는 게이트 전압 대신 기준전극 전압을 가하는데 이 기준전극 전압과 드레인 전류의 관계식을 측정하여, 가장 기울기가 큰 곳을 찾아 이를 기준으로 동작범위에서의 입력 변화에 대해 출력 신호인 포화영역에서 드레인 전류의 변화가 큰 조건을 설정해 보았다.

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Field-effect transistor (FET)-based ion or biosensors have been intensively studied so far. Among many measurement methods, the variation of the drain current can be induced when ions or biomolecules are interacted with sensing membranes located on the gate insulator of FET. One of typical FET-type ...

Field-effect transistor (FET)-based ion or biosensors have been intensively studied so far. Among many measurement methods, the variation of the drain current can be induced when ions or biomolecules are interacted with sensing membranes located on the gate insulator of FET. One of typical FET-type sensors is an ion-sensitive field-effect transistor (ISFET) utilized in this study. In ISFET, the voltage is usually applied to the reference electrode instead of the gate voltage. Firstly, the voltage applied to the reference electrode versus the drain current was observed, and the steepest slope in this graph was found. Using this point, the optimized condition was established for the larger variation of the drain current in the saturated region in response to the variation of the input in the dynamic range.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 FET형 이온 또는 바이오센서를 이용하여 target 또는 analyte을 감지할 때, gate 절연체 위 감지막에 전하 분포가 바뀌었을 때 출력 신호가 어떻게 바뀌는지에 대해 간단하게 언급하고, 동량의 입력 변화에 대해 최적의 출력 신호를 얻기 위한 gate 전압의 선택에 대해 토의하고자 한다. 이를 위해 사용되는 FET형 센서는 pH를 측정할 수 있는 ISFET이다.
4 V보다 큰 전압이 인가되는 효과를 가지게 되면 그때 V_d = 3 V에서의 I_d 값은 포화영역이 아닌 곳에서 측정하게 될 수 있다. 포화영역에서의 pH의 변화량과 포화영역이 아닌 곳에서 동일한 pH의 변화량을 비교해 보았다. 예를 들어, V_ref = 3.

제안 방법

역으로 Φ를 일정하다고 가정보고 V_ref가 변한다고 고려해도 두 관계식에서의 입력신호-출력신호와의 선형성은 변하지 않는다. 따라서 먼저 ISFET의 V_ref-I_d의 관계를 얻어 선형적인 영역을 찾았다. Figure 3는 V_d를 2, 3, 그리고 4 V로 고정시키고 얻은 n-channel ISFET의 V_ref-I_d 그래프이다.
본 실험에서 센서의 입력은 수소 이온 농도, 즉 pH로 ISFET의 gate 절연체 위에 있는 감지막(Al₂O₃)과 상호작용하면 이 부분에 전하분포의 변화가 일어나며, 출력은 이 변화에 따른 I_d의 변화값을 측정하는 것이다. Gate 절연체 위에 있는 감지막(Al₂O₃) 부분의 전하분포의 변화는 ISFET에 V_ref 인가전압에 변화를 주는 것과 유사하다.
따라서 gate 표면 부분의 전하 밀도 변화와 유사한 역할을 하는 기준전극의 전압(V_ref)과 I_d 사이의 관계에서 선형 구간을 확인하고, 이 영역 안의 임의의 V_ref를 선택하여 입력 동작범위에서 출력 신호인 I_d 값이 모두 포화영역이 되도록 해야 한다. 본 연구에서 사용한 n-channel ISFET의 일정한 V_d 값에 대해 V_ref-I_d 그래프를 구하고, I_d를 V_ref에 대해 한 번 미분하여 최대값을 구한다. 이 V_ref의 최대값과 이 값을 얻을 때 주어진 일정한 V_d 값에서 I_d을 조사하면 이는 I_d가 포화영역이 시작되는 곳이었다.
Figure 3에서 보는 바와 같이 V_d가 증가 함에 따라 선형영역도 증가함을 알 수 있다. 선형영역의 범위를 대략적으로 구할 수 있고, 작은 입력 변화에 큰 출력을 유도할 수 있는 영역을 얻기 위해 V_ref-I_d 그래프에서 I_d를 V_ref에 대해 한번 미분해서 최대값을 구하였다. I_d를 V_ref에 대해 한번 미분한 그래프를 Figure 4에 나타내었다.
사용된 측정 대상은 표준 pH (standard pH : Duksan, Gyeonggi-do, Korea)를 사용하였다. 센서의 전압-전류 특성을 파악하기 위해 V_ref를 양의 전압으로 증가시키면서 source와 drain 전압차(V_d)와 I_d 사이의 관계를 측정하였고, 이를 위해 처음으로 사용된 용액은 DI (deionized)-water이다. V_ref-I_d의 그래프와 V_d-I_d 그래프를 획득하기 위해 사용된 분석 장비는 반도체 소자 분석기(Elecs EL-423, Daegu, Korea)를 사용하였다.

대상 데이터

본 논문에서 사용된 ISFET은 pH 측정용으로 제작되었으며, pH를 감지하기 위해서 사용한 감지막은 Al₂O₃이다[12]. 사용된 센서는 n-channel ISFET으로 MOSFET의 gate 전압에 해당되는 전압은 기준 전극에 걸어주는 전압(V_ref)으로 source나 기판(substrate)에 비해 양(+)의 전압을 충분히 걸어주면 channel에 반전(inversion)이 일어나 I_d가 흐르게 되고, 이 전압(V_ref)을 높일수록 I_d의 값은 증가하게 된다.
사용된 센서는 n-channel ISFET으로 MOSFET의 gate 전압에 해당되는 전압은 기준 전극에 걸어주는 전압(V_ref)으로 source나 기판(substrate)에 비해 양(+)의 전압을 충분히 걸어주면 channel에 반전(inversion)이 일어나 I_d가 흐르게 되고, 이 전압(V_ref)을 높일수록 I_d의 값은 증가하게 된다. 사용된 측정 대상은 표준 pH (standard pH : Duksan, Gyeonggi-do, Korea)를 사용하였다. 센서의 전압-전류 특성을 파악하기 위해 V_ref를 양의 전압으로 증가시키면서 source와 drain 전압차(V_d)와 I_d 사이의 관계를 측정하였고, 이를 위해 처음으로 사용된 용액은 DI (deionized)-water이다.
V_ref-I_d의 그래프와 V_d-I_d 그래프를 획득하기 위해 사용된 분석 장비는 반도체 소자 분석기(Elecs EL-423, Daegu, Korea)를 사용하였다. 사용한 기준전극은 Ag/AgCl로 KCl으로 채워진 제품이다. DI-water에서 n-channel ISFET의 V_d-I_d 사이의 관계를 Figure 2에 나타내었다.

이론/모형

센서의 전압-전류 특성을 파악하기 위해 V_ref를 양의 전압으로 증가시키면서 source와 drain 전압차(V_d)와 I_d 사이의 관계를 측정하였고, 이를 위해 처음으로 사용된 용액은 DI (deionized)-water이다. V_ref-I_d의 그래프와 V_d-I_d 그래프를 획득하기 위해 사용된 분석 장비는 반도체 소자 분석기(Elecs EL-423, Daegu, Korea)를 사용하였다. 사용한 기준전극은 Ag/AgCl로 KCl으로 채워진 제품이다.

성능/효과

2 V와 V_d = 3 V에서 모든 I_d 값은 포화영역에 있었다. 또한 pH 2에서 pH 12에 대한 Al₂O₃-ISFET의 출력은 선형적으로 변화하는 것을 확인할 수 있었다.
8%)이다. 이 결과에서 알 수 있듯이 V_d가 증가할수록 민감도도 증가하고 선형구간도 함께 증가함을 알 수 있다. 하지만 V_d 값을 크게 하면 전력 손실이 따라 커진다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	FET형 이온 또는 바이오센서의 기본 원리는?	FET형 이온 또는 바이오센서의 기본 원리는 감지막이 측정하고자 하는 전하를 띤 대상과 상호작용을 하면 gate 표면 부분의 전하 밀도 변화로 인해 Id 값이 변하는 원리를 이용한다. 따라서 gate 표면 부분의 전하 밀도 변화와 유사한 역할을 하는 기준전극의 전압(Vref)과 Id 사이의 관계에서 선형 구간을 확인하고, 이 영역 안의 임의의 Vref를 선택하여 입력 동작범위에서 출력 신호인 Id 값이 모두 포화영역이 되도록 해야 한다.
	FET 기반의 센서를 실리콘을 기반으로 했을 때, 장점은?	Bergveld[1]가 1970년에 처음으로 MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)를 변형한 ISFET (ion-sensitive FET)를 소개한 이후로 FET 기반의 센서는 지금까지 고감도, 비표지, 현시적 이온 또는 바이오센서로서 연구되어 왔다[2,3]. 특히 실리콘(silicon)을 기반으로 하면 회로와의 집적화를 통한 지능화에 유리하고 또한 성숙된 반도체 기술을 활용한다는 관점에서 소형화에 유리하다[2-4]. FET형 이온 또는 바이오센서의 기본 원리는 Figure 1에서 보듯이 감지막(sensing membrane)을 FET의 gate 절연막 위에 형성하고 이 감지막이 측정하고자 하는 전하를 띤 대상(target, analyte)과 상호작용을 하면, gate 표면 부분의 전하 밀도 변화가 gate 절연막 아래 channel(반도체와 절연체 경계면 아래 반도체에 있는 source와 drain사이 전류가 흐를 수 있는 경로)에 있는 전하 carrier의 양(농도)에 변화를 유도한다.
	pH로 ISFET의 gate 절연체 위에 있는 감지막(Al2O3)과 상호작용을 하면, 어떤 변화가 일어나는가?	본 실험에서 센서의 입력은 수소 이온 농도, 즉 pH로 ISFET의 gate 절연체 위에 있는 감지막(Al2O3)과 상호작용하면 이 부분에 전하분포의 변화가 일어나며, 출력은 이 변화에 따른 Id의 변화값을 측정하는 것이다. Gate 절연체 위에 있는 감지막(Al2O3) 부분의 전하분포의 변화는 ISFET에 Vref 인가전압에 변화를 주는 것과 유사하다.

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