KR101056385B1 - 검출 소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 검출 소자는 유체 내의 특정 작용기에 반응하는 반응 물질층, 절연층의 상하에 위치한 제1 전극과 제2 전극을 포함하며, 상기 반응 물질층 하부에 상기 제1 전극이 형성되어 있는 검출 커패시터, 그리고 상기 검출 커패시터의 상기 제1 전극과 연결되어 있는 게이트 전극을 포함하는 전계 효과 트랜지스터를 포함하며, 상기 반응 물질층은 표면적을 넓히기 위한 전도성 입체 구조 형태를 가진다. 따라서 전하집적부의 전도성 입체구조물의 표면적을 넓히고 유체의 흐름에 대해 입체적으로 형성함으로써, 커패시터 공유 효과 및 게이트에 인가되는 전압 변화량을 극대화함으로써 훨씬 높은 고민감도를 가질 수 있다.
검출 소자, 바이오 센서, 전계효과 트랜지스터

Description

검출 소자{THE SENSING DEVICE}
본 발명은 유체 내에 존재하는 특정 작용기를 검출하기 위한 검출 소자에 관한 것으로, 특정 작용기를 가진 생체 분자를 검출하기 위한 이른바 바이오 센서로서 반도체 제조 공정을 적용하여 제작될 수 있다.
본 발명은 지식경제부 및 정보통신연구진흥원의 IT성장동력기술개발 사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2008-S-014-01, 과제명: 가정용 고감도 배뇨분석 센서 모듈].
유체 내에 존재하는 특정 작용기를 검출하기 위한 검출 소자는 생체 용액 내에 아미노산이나 DNA 분자의 존재 여부를 검출하는 바이오 센서 분야에 널리 사용될 것으로 예상된다.
최근에 바이오 기술(Biology Technology, BT)을 기반으로, 그동안 독자적으로 발전을 거듭해왔던 IT(Information Technology) 및 NT(Nano Technology) 기술들을 융합시켜 새로운 기술적 기반을 개발하기 위한 노력이 급속히 진행되고 있다. 특히, 나노-바이오(NT-BT) 융합기술의 하나인 나노-바이오칩 분야에서 혈액 내 단백질 검출을 목적으로 하는 바이오 센서에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
나노-바이오칩 분야에서 특정 바이오 물질의 검출, 분석 및 정량화를 위한 다양한 방법들이 개발되고 있다. 그 중에서 대표적인 것이 특정 바이오 물질을 형광 레이벌링(fluorescence labeling)을 통하여 검출하는 방법이다. 형광 레이벌링 방법은 현재 통용되고 있는 DNA 칩에서 많이 응용되고 있다.
그러나 형광 레이벌링 방법은 특정 바이오 물질을 검출하기 위하여 혈액, 타액과 같은 측정시료의 추가적인 바이오 화학적 준비 단계가 필요하므로 다양한 물질들을 적용하기 어렵다.
예를 들어, 단백질을 레이벌링 하는 경우, 기능성 단백질의 약 50% 정도가 불특정(unspecific) 레이벌링 과정에서 비활성화된다. 따라서 매우 작은 양의 분석 대상물질(analyte)만이 목적에 맞게 이용 가능하다.
이에 따라, 민감도나 재현성을 향상시키면서 반도체 공정을 이용하여 대량생산이 가능한 실리콘에 근간을 둔 바이오 센서들이 제안되었다.
예를 들어, 최근 몇 년간 버텀업(Bottom-up) 방식으로 CVD 성장 방식을 통해 만들어진 실리콘 나노선(Si-nano wire)을 이용하여 특정 물질을 검출할 수 있는 고 민감도를 갖는 바이오 센서가 많이 연구되었지만, 최근에는 Top-down 방식으로 현재 산업체 CMOS 제조 공정을 이용하여 대량 생산이 가능하며, 쉽게 구현 가능하고, 재현성이 확보되는 실리콘 나노선 바이오 센서에 관한 연구가 많이 진행되고 있다.
또한, CMOS 공정을 그대로 사용하고 소자의 구조도 전계효과 트랜지스터(FET) 형태를 하고 있는 감이온 전계효과 트랜지스터(ISFET: ion-sensitive field effect transistor)에 관한 연구 결과도 많이 발표되었다.
감이온 전계효과 트랜지스터는 용액 속의 타켓 분자가 센서의 프로브 분자와 상호 반응을 하여 표면 전하를 증가시켜 센서의 전도도(conductivity)를 변화시키는 점은 나노선 바이오 센서와 유사하지만, 일반적인 전계효과 트랜지스터의 구조를 하고 게이트 상부에 흡착된 타켓 분자에 의해 게이트 전압이 결정되며, 게이트 전압은 트랜지스터의 동작 특성 곡선의 패턴을 따르는 점에 특징이 있다.
그러나, 프로브 분자와 타켓 분자의 반응에 의해 형성되는 전하 변화량은 전체 게이트 전압의 큰 변화를 만들기 힘들어 민감도가 많이 떨어진다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 감지 능력이 향상된 검출 소자를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 검출 소자는 유체 내의 특정 작용기에 반응하는 반응 물질층, 절연층의 상하에 위치한 제1 전극과 제2 전극을 포함하며, 상기 반응 물질층하부에 상기 제1 전극이 형성되어 있는 검출 커패시터, 그리고 상기 검출 커패시터의 상기 제1 전극과 연결되어 있는 게이트 전극을 포함하는 전계 효과 트랜지스터를 포함하며, 상기 반응 물질층은 표면적을 넓히기 위한 전도성 입체 구조 형태를 가진다.
상기 제2 전극은, 상기 전계 효과 트랜지스터의 소스 전극과 전도적으로 연 결되며, 상기 전계효과 트랜지스터의 기판보다 전도성이 높은 전도성 물질로 형성될 수 있다.
상기 제1 전극은, 상기 게이트 전극과 동일한 물질로 형성될 수 있다.
상기 검출 커패시터의 절연층 두께가 상기 전계효과 트랜지스터의 게이트 절연층보다 더 두꺼울 수 있다.
상기 검출 커패시터의 커패시턴스가, 상기 전계효과 트랜지스터의 게이트 커패시턴스의 1/5보다 작을 수 있다.
상기 전계효과 트랜지스터는 상기 게이트 전극의 전하량의 변화에 의해 전류가 흐르는 소스/드레인 전극, 상기 소스/드레인 전극 및 채널을 덮으며 형성되는 게이트 절연층, 그리고 상기 게이트 절연층 위에 형성되며, 상기 검출 커패시터의 일전극과 연결되어 있는 상기 게이트 전극을 포함할 수 있다.
상기 전도성 입체 구조는 망사형 또는 기둥형일 수 있다.
상기 전도성 입체 구조는 망사형의 금속 나노 와이어 구조물에 의해 형성될수 있다.
상기 검출 커패시터의 절연층은 검출하려는 유체를 내부로 이동시키는 평판 형태를 가지며, 상기 제1 전극은 상기 절연층의 상부로 접하는 평판 형태를 가지며, 상기 제2 전극은 상기 절연층의 하부로 접하는 평판 형태를 가지며, 상기 전도성 입체 구조물이 상기 제1 전극의 상부에 위치할 수 있다.
상기 검출 커패시터의 절연층은 고분자 합성수지 혹은 유리로 이루어지며,
상기 제1 전극 및 제2 전극은 금속으로 이루어질 수 있다.
상기 검출 커패시터의 절연층은 검출하려는 유체를 내부로 이동시키는 도관 형태를 가지며, 상기 제1 전극은 상기 절연층의 안쪽으로 접하는 도관 형태를 가지며, 상기 제2 전극은 상기 절연층의 바깥쪽으로 접하는 도관 형태를 가지며, 상기 전도성 입체 구조물이 상기 제1 전극의 안쪽에 위치할 수 있다.
상기 검출 커패시터의 절연층은 고분자 합성수지로 이루어지며, 상기 제1 전극 및 제2 전극은 금속으로 이루어질 수 있다.
본 발명에 따르면, 검출 소자는 트랜지스터의 서브트레시홀드(Subthreshold) 영역의 전기적 특성을 이용할 뿐만 아니라, 전하집적부의 전도성 입체구조물의 표면적을 넓히고 유체의 흐름에 대해 입체적으로 형성함으로써, 커패시터 공유 효과 및 게이트에 인가되는 전압 변화량을 극대화함으로써 훨씬 높은 고민감도를 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 검출 소자는 튜브관 형태로 커패시터를 제조함으로써, 제조 및 구성이 단순화되고, 검출 소자의 내구성이 향상되며, 적용 및 교체가 용이하다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사 한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하에서는 감이온 전계효과 트랜지스터의 구조에서 전하를 집적시킬 수 있는 부분을 전하집적부로 따로 형성하고, 집적된 전하를 게이트에 전달하여 프로브 분자와 타켓 분자의 반응에 의해 형성되는 전하 변화량을 극대화함으로써, 특정 바이오 물질의 검출하기 위한 민감한 구조를 갖는 바이오 센서를 제작하는 기술이 제안된다.
도 1a 및 도 1b는 감이온 전계효과 트랜지스터의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 1a를 참고하면, 소스/드레인 영역(110a)을 가지는 기판(100) 상에 소스/드레인 전극(120) 및 복수의 절연층(110, 130, 140)을 가지는 감이온 전계효과 트랜지스터는 소스/드레인 전극(120)을 가지는 일반적인 구조를 가지나, 채널을 제어하는 게이트 전극을 가지지 않는다.
채널 상에 생체 용액의 특정 작용기에 반응하는 프로브 분자(미도시)를 고정하는 경우, 프로브 분자가 특정 작용기를 포함한 타켓 분자와 반응을 하면, 타켓 분자의 전하량의 변화에 의해 게이트 전극의 제어력이 바뀌어 소스/드레인 전극(120) 사이의 전류 변화를 만든다.
도 1b와 같은 전계효과 트랜지스터의 게이트 전압에 따른 드레인 전류의 전기적 특성 곡선을 살펴보면, 서브트레시홀드(Subthreshold) 영역(V0-V1)에서는 드레인 전류가 게이트 전압에 따라 매우 민감하게 변화한다.
초기 게이트 전압 Va에서의 드레인 전류가 Ia이면, 게이트 표면에 형성된 프로브 분자에 타켓 분자가 결합하여 게이트의 전압 변화를 유발하여 게이트 전압이 Vb로 변화하면, 드레인 전류는 Ib가 된다.
따라서 이러한 서브트레시홀드 영역을 센싱 영역으로 이용할 경우, 게이트 전압의 미세한 변화로 센싱 신호인 드레인 전류의 변화를 크게 유도할 수 있다.
하지만, 현재는 단위 면적당 표면 반응을 통해 유발할 수 있는 게이트 전압 변화량이 매우 적기 때문에 이에 따른 센싱 신호인 드레인 전류의 변화량이 크게 높지는 않은 실정이다. 즉, 센서의 민감도가 만족할 만한 수준이 되지 못한다.
도 1c는 조절 전극부가 있는 검출 소자의 감이온 전계효과 트랜지스터를 나타내는 개략적인 단면도이다.
도 1a와 달리, 검출 소자는 트랜지스터(160)의 절연층(170) 상으로 조절 전극(185)을 가지며 기준 전압을 만들어 주는 조절 전극부(175)을 포함하며, 채널 상부를 노출시키지 않고 넓은 전하집적부(180)를 별도로 가진다. 즉, 좁은 면적의 채널 상부를 이용하지 않고 넓은 면적의 전하집적부(180)를 만들어 반응 물질층 (190)으로부터의 전하 변화를 검출하기 때문에 일관성 있는 결과를 얻을 수 있다.
그러나, 전하집적부(180) 면적을 넓혀서 집적하는 전하량을 증가시키면 시킬수록 면적 증가량과 같은 양의 커패시턴스가 증가하기 때문에 게이트 전압변화량은 면적 변화와 무관하게 일정하다.
이하에서는 게이트 전압변화량을 증가시킬 수 있는 검출 소자에 대하여 설명한다.
도 2a는 본 발명의 한 실시예에 따른 검출 소자의 구조를 도시한 단면도이고, 도 2b는 도 2a의 바이오 센서의 동작 원리를 설명하기 위한 등가 회로도이다.
본 발명의 검출 소자는 전계효과 트랜지스터(A) 및 검출 커패시터(B)로 구성된다.
전계효과 트랜지스터(A)는 d1의 폭의 채널 및 소스/드레인 영역(210a)을 포함하는 기판(200), 예를 들어 폴리실리콘에 형성된 소자 절연층(210), 게이트 전극(240)의 전하량의 변화에 의해 전류가 흐르는 소스/드레인 전극(220), 소스/드레인 전극(220) 및 채널을 덮으며 형성되는 게이트 절연층(230), 그리고 게이트 전극(240)이 적층되어 있다.
이때, 게이트 절연층(230) 및 게이트 전극(240)은 검출 커패시터(B) 영역까지 확장되어 있으며, 게이트 전극(240)은 검출 커패시터(B)의 일 전극과 연결되어 있다. 다른 소정의 특성을 개선하기 위해 게이트 전극(240)을 검출 커패시터(B)의 일 전극과 독립된 형태로, 별도의 공정/재질로 구현할 수도 있다.
게이트 전극(240) 위에는 절연층(250)인 보호막이 형성되어 있다.
검출 커패시터(B)는 게이트 전극(240)과 연결되어 있는 일 전극, 일 전극 하부의 절연층 및 타전극을 포함한다.
검출 커패시터(B)의 절연층은 게이트 절연층(230)과 동일한 산화실리콘층으로 형성될 수 있으며, 이때, 검출 커패시터(B)의 절연층으로 작용하는 부분의 두께를 게이트 절연층(230)으로 작용하는 부분의 두께보다 현저하게 두껍게 함으로써 검출 커패시터(B)의 커패시턴스를 줄일 수 있다. 이러한 절연층의 두께를 매우 두껍게 만들어 줌으로써 소자의 동작 특성은 매우 큰 변화가 있게 된다.
이때, 게이트 절연층(230)과 검출 커패시터(B)의 절연층을 일체로 구성할 수도 있으나, 서로 다른 공정으로 구성할 수도 있다. 예를 들어, 게이트 절연층(230)으로는 산화실리콘 또는 high-k 물질을 사용하면서, 커패시터(B)의 절연층으로는 얇은 두께로도 충분히 작은 커패시턴스를 얻기 위해 low-k 물질을 사용할 수 있다.
검출 커패시터(B)는 절연층(250)으로 덮여있는 일전극의 일부가 노출되어 있으며, 노출된 일전극 위로 유체 내의 특정 작용기에 반응하는 프로브 분자를 포함하는 반응 물질층(260)을 더 포함한다.
반응 물질층(260)은 표면적을 넓히고, 검출하고자 하는 반응성 물질과의 반응 확률을 높이기 위하여, 입체적인 구조를 가지며, 솜뭉치와 같은 망사형 모양의 하고 있는 금속 나노 와이어 구조물, 혹은 평판(sheet) 모양의 그물형(mesh) 구조 물, 기둥 모양의 구조물 등이 될 수 있다.
이러한 전도성 입체 구조를 가지는 반응 물질층(260)은 반드시 일전극과 전기적 접촉이 이루어져야 한다.
또한, 검출 커패시터(B)의 일전극 및 타전극은 트랜지스터(A)의 기판(200)인 p형 기판의 전도도보다 큰 전도도를 가지는 다른 전도성 물질로 구현할 수도 있다.
검출 커패시터(B)의 타전극인 폴리실리콘막은 생략될 수도 있으나, 존재하는 경우 검체 유체 내 함유된 특정 작용기에 의해 변화된 검출 커패시터의 특성을 상기 전계효과 트랜지스터의 소스에 전달하는 성능이 향상된다.
기판(200)과 검출 커패시터(B) 절연층 사이에 별도의 전극이 존재하지 않는 경우에는, 기판(200)과 검출 커패시터(B) 절연층의 경계면이 커패시터의 타전극 역할을 한다. 이 경우 검출 커패시터(B)의 타전극과 전계효과 트랜지스터(A)의 기판(200)이 공유되는데, 이는 검출 커패시터(B) 및 전계효과 트랜지스터(A)에 바이어스를 조정하는데 유연성을 떨어뜨릴 수 있으며, 기판(200)을 접지로 잡아주기 위한 추가 공정이 요구된다. 또한, 기판(200)과 검출 커패시터(B) 절연층의 경계면에는 그 특성상 바이어스가 걸릴 수 있는데, 이러한 바이어스에 의해 도핑 농도가 낮은 벌크 실리콘으로서 기판 영역 중 타전극 부근 영역에서 공핍(depletion)이 일어나기 때문에 필요없이 커패시턴스가 가변될 수도 있다. 따라서 검출 커패시터(B)의 타전극은 전계효과 트랜지스터(A)의 기판(200)인 p형 기판의 전도도 보다 큰 전도도를 가지는 물질(예: 금속이나 폴리실리콘)로, 상기 기판과 별도로 형성하는 것이 바람직하다.
도 2a의 구조는 도 2b의 왼쪽의 전기적 등가회로로 표현될 수 있다.
이때, 전하 집적부인 검출 커패시터(B)의 면적을 넓게 만들면 CANT는 증가하게 되고, 반면 검출 커패시터(B)의 절연층의 두께를 두껍게 만들면 CANT는 감소하게 된다. 이러한 특성을 이용하여 CANT의 값이 CTr의 값보다 5배 이하로 훨씬 작게 만들어 주게 되면, 가운데의 등가회로로 간단히 표현될 수 있다. 즉, 검출 커패시터(B)의 활성층 면적을 넓어진 만큼 절연층의 두께를 증가시켜, 바람직하게 CANT의 값이 CTr의 값보다 5배 이하가 되도록 조절한다면, CANT의 영향을 최소화시킬 수 있다.
CANT 및 CTr은, 검출 커패시터(B)의 면적(AANT), 트랜지스터(A)의 채널 면적(Agate), 커패시터 절연층의 두께(tANT)및 유전률(εANT), 게이트 절연층(230)의 두께(tox) 및 유전률(εox)로 결정되는 바, 상기 파라미터들은 하기 수학식의 관계를 만족하여야 한다. 이는 5배 정도의 커패시턴스 차이라면, 한쪽의 영향을 무시할 수 있을 정도가 되기 때문이다.
5CANT ≤ CTr ⇔ 5εANTAANT/tANT ≤ εoxAgate/tox
또한, 검출 커패시터(B)의 상부 전극의 표면적이 트랜지스터(A)의 게이트 면적보다 훨씬 넓고 CSAM을 이루고 있는 링크 물질층의 높이도 게이트 절연층(230)보 다 보통 더 작기 때문에 가운데 등가회로는 오른쪽의 등가회로로 간단히 바꿀 수 있다. 오른쪽 등가회로의 의미는 전체 등가 커패시턴스는 트랜지스터의 커패시턴스 CTr로 일정하기 때문에, 넓은 전하집적부를 통해 타켓 물질의 반응을 더 많이 유도함으로써 전하변화량을 증가시키는 동시에 전체 등가 커패스턴스는 일정하기 때문에 게이트 전압변화량을 크게 증가시킬 수 있음을 의미한다.
본 실시예의 검출 소자는 구현에 따라, 상기 검출 커패시터(B)를 복수 개 구비할 수 있으며, 또는 도 2a에 도시한 검출 커패시터(B) 및 전계효과 트랜지스터(A) 구조를 복수개 구비할 수 있다. 이 경우에 각 커패시터(B)의 표면에 서로 다른 프로브 분자가 고정된 반응 물질층(260)을 형성할 수 있다.
한편, 본 실시예의 반응 물질층(260)을 형성하는 프로브 분자는 항원, 항체, DNA 및 단백질로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나 또는 이들의 조합으로 형성될 수 있다.
이하에서는 도 3a 내지 도3c를 참고하여, 본 발명의 다른 실시예에 대하여 설명한다.
도 3a 내지 3c는 검출 커패시터를 실리콘 기판이 아닌 다른 기판으로 형성한검출 소자의 구조를 나타낸 것이다.
도 2a의 검출 소자와 같이, 검출 소자는 전계효과 트랜지스터와 전하 집적을 위한 검출 커패시터를 포함한다.
도시한 검출 소자의 전계효과 트랜지스터는 패키징이 완료된 상용 트랜지스 터를 리더기 내부에 장착하여 저렴하고 재현성 있는 구조를 만들 수 있으며, 검체 유체가 통과하는 도관의 일부를 검출 커패시터로 구현할 수 있다.
즉, 본 실시예의 평판형 검출 커패시터는 절연물질 또는 유전물질로 이루어진 절연 기판(300)을 검출 커패시터의 절연층으로 가지며, 절연 기판 상하에 전도체 기판(310, 320)을 형성하여 양 전극을 가진다.
일 전극 위에는 전도성 입체 구조를 가지는 반응 물질층(330)이 형성되어 있다.
전도체 기판(310, 320)은 금속으로 구현할 수 있으며, 절연 기판(300)은 고분자 합성수지 혹은 유리 등으로 구현할 수 있다.
일 전극에 대응하는 상부 전도체 기판(320)은, 바람직하게 반응 물질층(330) 을 이루는 프로브 분자(335)에 대한 표면 고정화 처리가 용이한 특정 물질, 예를 들어 Au(금)이 코팅되어 있거나, 금속판 자체가 상기 프로브 분자의 표면 고정화 가능한 물질 그 자체인 것이 바람직하다. 따라서, 본 실시예의 경우 검체 유체 내의 특정 작용기에 반응하는 프로브 분자(335)는, 상기 상부 전도체 기판(320)에 직접 접하여 형성될 수도 있고, 상기 상부 전도체 기판(320)의 상부에 코팅된 표면 고정화 가능 물질층에 접하여 형성될 수도 있으며, 또한, 반응 물질층(330)을 이루는 상부 전도체 기판(320) 위의 전도성 입체구조물(331)에 형성될 수 있다.
본 실시예의 상부 전도체 평판(320)과 하부 전도체 평판(310) 사이에 절연 평판(300)이 존재하게 되어 커패시터 구조를 형성한다. 이때, 민감도와 분석가능영역을 제어하기 위해 평판의 크기를 서로 다르게 할 수 있다. 또한, 상부/하부 전도 체 평판(310, 320)은 서로 전도적 연결이 되지 않도록 되어야 하며 외부 전극과 접촉을 용이하도록 설계되는 것이 바람직하다.
다음으로, 도 4a 내지 도 4c를 참고하여 본 발명의 다른 실시예를 설명한다.
도 4a 내지 도 4c는 검출 커패시터를 도관형으로 구현한 것으로서, 본 실시예의 도관형 검출 커패시터는 절연물질 또는 유전물질로 이루어진 절연 도관(420)이 커패시터의 절연층 물질이 되며, 도관의 내면 및 외면에 접합된 도관 형상의 2개의 전도체 도관(410, 430)이, 커패시터의 양 전극이 된다. 상기 전도체 도관(410, 430)은 금속관으로 구현하는 것이 용이하다. 상기 절연 도관(420)은 고분자 합성수지로 구현할 수 있다.
제1 전극에 대응하는 내부 전도체 도관(410)은, 바람직하게 반응 물질층(415)을 이루는 프로브 분자에 대한 표면 고정화 처리가 용이한 특정 물질, 예를 들어 Au(금)이 코팅되어 있거나, 금속관 자체가 상기 프로브 분자의 표면 고정화 가능한 물질 그 자체인 것이 바람직하다. 따라서, 본 실시예의 경우 검체 유체 내의 특정 작용기에 반응하는 반응 물질층(415)의 프로브 분자는 상기 내부 전도체 도관(410)에 직접 접하여 형성될 수도 있고, 상기 내부 전도체 도관의 안쪽에 코팅된 표면 고정화 가능 물질층에 접하여 형성될 수도 있으며, 내부 전도체 도관(410) 내의 전도성 입체구조물에 형성될 수 있다.
본 실시예의 내부 전도체 도관(410)과 외부 전도체 도관(430) 사이에 절연 도관(420)이 존재하게 되어 커패시터 구조를 형성한다. 이때, 민감도와 분석가능영역을 제어하기 위해 관의 크기와 직경 혹은 모양을 서로 다르게 할 수 있다. 또한, 내부/외부 전도체 도관(410, 420)은 서로 전도적 연결이 되지 않도록 되어야 하며 외부 전극과 접촉을 용이하도록 설계되는 것이 바람직하다.
상기 도 2a 내지 4c에 도시한 검출 소자의 검출 과정을 살펴보면 다음과 같다. 앞서 설명한 바와 같이, 반응 물질층의 프로브 분자의 반응에 의한 특정 작용기를 포함한 타겟 분자의 검출은, 검출 커패시터의 전하량의 변화를 유발하고, 검출 커패시터의 양 전극에 게이트/소스가 연결된 전계효과 트랜지스터의 게이트 전압 변화량으로서 전달된다. 타겟 분자 검출에 의해 야기된 상기 변화들은 드레인 전류의 변화량을 통해 리더기에 의해 읽혀지며, 읽혀진 데이터는 공지된 다양한 분석을 통해 검출 결과로서 디스플레이될 수 있다.
검출시 상기 트랜지스터에서 전계효과 트랜지스터의 전압변화에 따른 전류변화가 민감한 서브트레시홀드 영역의 전기적 특성을 이용하여야 하므로, 상기 검출 커패시터 및 전계효과 트랜지스터의 사양 및 외부 바이어스 등을 맞추어, 반응 물질층의 반응에 따른 게이트의 전압변화가 상기 전계효과 트랜지스터의 서브트레시홀드 영역에서 작용되어야 한다.
한편, 특수하게 소스/드레인을 비대칭적은 특성을 가지도록 제작하는 경우를 제외하고, 일반적인 MOS 트랜지스터의 소스와 드레인의 구별은 상대적인 것이므로, 본 발명의 경우에도 소스/드레인이라고 칭한 것은 설명의 편의를 위한 것에 불과하며 이에 한정되지 않는다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
도 1a 내지 도 1c는 감이온 전계효과 트랜지스터의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 2a는 본 발명의 한 실시예에 따른 검출 소자의 구조를 도시한 단면도이고, 도 2b는 도 2a의 바이오 센서의 동작 원리를 설명하기 위한 등가 회로도이다.
도 3a 내지 3c는 검출 커패시터를 실리콘 기판이 아닌 다른 기판으로 형성한검출 소자의 구조를 나타낸 것이다.
도 4a 내지 도 4c는 검출 커패시터를 도관형으로 구현한 것으로서

Claims (12)

  1. 유체 내의 특정 작용기에 반응하는 반응 물질층,
    절연층의 상하에 위치한 제1 전극과 제2 전극을 포함하며, 상기 반응 물질층하부에 상기 제1 전극이 형성되어 있는 검출 커패시터, 그리고
    상기 검출 커패시터의 상기 제1 전극과 연결되어 있는 게이트 전극을 포함하는 전계 효과 트랜지스터
    를 포함하며,
    상기 반응 물질층은 전도성 물질로 이루어지며 표면적을 넓히기 위한 입체 구조를 갖는
    검출 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전극은,
    상기 전계 효과 트랜지스터의 소스 전극과 전도적으로 연결되며, 상기 전계효과 트랜지스터의 기판보다 전도성이 높은 전도성 물질로 형성되는
    검출 소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 전극은,
    상기 게이트 전극과 동일한 물질로 형성되는
    검출 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 검출 커패시터의 절연층 두께가 상기 전계효과 트랜지스터의 게이트 절연층보다 더 두꺼운
    검출 소자.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 검출 커패시터의 커패시턴스가, 상기 전계효과 트랜지스터의 게이트 커패시턴스의 1/5보다 작은
    검출 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전계효과 트랜지스터는
    상기 게이트 전극의 전하량의 변화에 의해 전류가 흐르는 소스/드레인 전극,
    상기 소스/드레인 전극 및 채널을 덮으며 형성되는 게이트 절연층, 그리고
    상기 게이트 절연층 위에 형성되며, 상기 검출 커패시터의 일전극과 연결되어 있는 상기 게이트 전극
    을 포함하는
    검출 소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 입체 구조는 망사형 또는 기둥형인
    검출 소자.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 전도성 물질로 이루어지며 입체 구조를 갖는 반응 물질층은 망사형의 금속 나노 와이어 구조물로 형성되는
    검출 소자.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 검출 커패시터의 절연층은 검출하려는 유체를 내부로 이동시키는 평판 형태를 가지며,
    상기 제1 전극은 상기 절연층의 상부로 접하는 평판 형태를 가지며,
    상기 제2 전극은 상기 절연층의 하부로 접하는 평판 형태를 가지며,
    상기 전도성 물질로 이루어지며 입체 구조를 갖는 반응 물질층은 상기 제1 전극의 상부에 위치하는
    검출 소자.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 검출 커패시터의 절연층은 고분자 합성수지 혹은 유리로 이루어지며,
    상기 제1 전극 및 제2 전극은 금속으로 이루어지는
    검출 소자.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 검출 커패시터의 절연층은 검출하려는 유체를 내부로 이동시키는 도관 형태를 가지며,
    상기 제1 전극은 상기 절연층의 안쪽으로 접하는 도관 형태를 가지며,
    상기 제2 전극은 상기 절연층의 바깥쪽으로 접하는 도관 형태를 가지며,
    상기 전도성 물질로 이루어지며 입체 구조를 갖는 반응 물질층은 상기 제1 전극의 안쪽에 위치하는
    검출 소자.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 검출 커패시터의 절연층은 고분자 합성수지로 이루어지며,
    상기 제1 전극 및 제2 전극은 금속으로 이루어지는
    검출 소자.
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