KR101061554B1 - Sensor with nano gaps and method for manufacturing same - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예에 따른 나노 갭 센서는 보다 용이하게 제조할 수 있도록 소스 전극과, 드레인 전극과, 상기 소스 전극과 상기 드레인 전극을 연결하는 채널, 및 상기 채널과 이격되어 인접하게 배치된 게이트 전극을 포함하고, 상기 소스 전극, 상기 드레인 전극, 상기 채널, 및 상기 게이트 전극은 동일한 타입의 물질로 도핑된 실리콘층으로 이루어진다.Nanogap sensor according to an embodiment of the present invention is a source electrode, a drain electrode, a channel connecting the source electrode and the drain electrode, and a gate spaced adjacent to the channel so as to be more easily manufactured And an electrode, wherein the source electrode, the drain electrode, the channel, and the gate electrode are made of a silicon layer doped with the same type of material.
본 발명의 일 실시예에 따른 나노 갭 바이오 센서의 제조 방법은 기판 상에 실리콘층을 도포하는 실리콘층 형성 단계와, 상기 실리콘층 상에 레지스트층을 도포하는 레지스트층 형성 단계와, 상기 레지스트층에 패턴을 형성하는 레지스트층 패터닝 단계와, 상기 실리콘층을 에칭하여 나노 갭을 형성하는 실리콘층 패터닝 단계와, 상기 레지스트층을 제거하는 레지스트층 제거 단계와, 상기 실리콘에 전체적으로 불순물을 도핑하는 불순물 도핑 단계, 및 검출 대상 물질과 반응하는 수용기를 상기 나노 갭에 위치시키는 수용기 부착 단계를 포함한다.Method of manufacturing a nano-gap biosensor according to an embodiment of the present invention is a silicon layer forming step of applying a silicon layer on a substrate, a resist layer forming step of applying a resist layer on the silicon layer, and in the resist layer A resist layer patterning step of forming a pattern, a silicon layer patterning step of forming a nanogap by etching the silicon layer, a resist layer removing step of removing the resist layer, and an impurity doping step of doping impurities entirely into the silicon And attaching the receptor to position the receptor in the nanogap that reacts with the substance to be detected.
나노 갭, 센서, 도핑, 전극 Nanogap, sensor, doping, electrode
Description
본 발명은 나노 갭을 갖는 센서 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서 보다 상세하게는 한 번의 도핑으로 전극들을 형성할 수 있는 나노 갭을 갖는 센서 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a sensor having a nano gap and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a sensor having a nano gap and a method of manufacturing the same that can form electrodes in a single doping.
나노기술(NT; Nano Technology)은 정보기술(IT; Information Technology) 및 생명공학기술(BT; Bio Technology)와 더불어 21세기 산업 발전을 주도할 새로운 패러다임의 기술로서 주목 받고 있다.Nano Technology (NT), along with Information Technology (IT) and Biotechnology (BT), is attracting attention as a new paradigm that will lead industrial development in the 21st century.
또한, 나노기술은 물리학, 화학, 생물학, 전자공학, 및 재료공학 등 여러 과학기술 분야가 융합되어, 기존 기술의 한계를 극복하고, 다양한 산업 분야에 기술혁신을 줌으로써, 인류의 삶의 질을 획기적으로 향상시킬 것으로 기대되고 있다.In addition, nanotechnology is a convergence of various scientific and technological fields such as physics, chemistry, biology, electronics, and materials engineering, overcoming the limitations of existing technologies, and innovating technology in various industries to dramatically improve the quality of human life. It is expected to improve.
바이오 센서는 효소나 항체와 같이 생물체를 이루고 있는 특정 분자를 검출하는 검출기이다. 화학적, 광학적, 전기적인 방법으로 검출하는 방법이 있으며, 이 중에서 전기적인 검출방법은 검출장비가 간단하고, 검출시 신호 손실이 적은 장점이 있다. Biosensors are detectors that detect specific molecules that make up organisms, such as enzymes and antibodies. There is a method of detecting by chemical, optical, and electrical methods, among which the electrical detection method has the advantage of a simple detection equipment, less signal loss during detection.
나노 구조를 사용하는 검출소자는 고민감도, 빠른 응답특성, 저전력 소모, 소형화 등의 장점을 가지고 있다. 지금까지 나노선, 나노 튜브 등의 나노 소재를 센싱하는 부분에 적용한 나노 검출 소자들이 많이 연구되고 있다. 그러나 이러한 소자들은 합성법 등으로 이미 만들어진 나노 소재를 조작해서 소자를 제작하므로 수율이 낮고 소자를 재현성 있게 제작하는 것이 어려운 문제가 있다.Detection device using nano structure has advantages such as high sensitivity, fast response, low power consumption and miniaturization. Until now, a lot of nano-detection devices applied to the sensing part of nano-materials such as nanowires and nanotubes have been studied. However, since these devices fabricate devices by manipulating nanomaterials that have already been produced by synthetic methods, there is a problem in that yield is low and it is difficult to manufacture devices reproducibly.
최근 나노 갭을 센싱부분으로 사용하는 센서가 제안되고 있다. 나노 갭 사이에 생체 물질이 들어 있는 용액을 주입하여, 나노 갭에 바이오 물질을 고정함으로써, 나노 갭 양 단의 전기적인 특성 변화를 통해 특정 바이오 물질을 검출할 수 있기 때문에 수 나노미터의 폭을 가진 나노 갭은 전기적인 센서로 사용될 수 있다. 반도체 공정으로 나노갭을 제작하면, 나노갭의 폭, 길이, 특성 등의 제어가 쉽고 재현성 있게 대량으로 생산할 수 있는 장점이 있다. Recently, a sensor using a nano gap as a sensing part has been proposed. By injecting a solution containing biomaterials between the nanogaps, and fixing the biomaterials in the nanogaps, specific biomaterials can be detected by changing the electrical properties across the nanogaps. Nano gaps can be used as electrical sensors. Fabrication of nanogap by semiconductor process has the advantage that it is easy to control the width, length and characteristics of nanogap and can be produced in large quantities with reproducibility.
그러나 나노 갭 양단의 전기적 특성을 측정하는 2단자 방법을 사용하므로 검출 민감도가 낮은 어려움이 있다. However, since the two-terminal method of measuring the electrical characteristics of both ends of the nanogap is used, there is a low detection sensitivity.
이를 극복하기 위해, 소스전극, 드레인전극, 채널, 게이트 전극을 포함하는 트랜지스터 형식의 나노 갭 전계 효과 소자가 제안되고 있다. 채널층과 게이트전극층 사이에 수직으로 나노 갭이 존재하는 소자의 경우, 소자 제작을 위한 공정을 진행 하는 동안, 또는 검출 실험을 진행하는 동안 점착력, 표면장력 등에 의해 나노 갭이 무너지는 현상이 발생하는 어려움이 있다. In order to overcome this problem, a transistor-type nanogap field effect device including a source electrode, a drain electrode, a channel, and a gate electrode has been proposed. In the case of a device in which a nanogap exists vertically between the channel layer and the gate electrode layer, a phenomenon in which the nanogap collapses due to adhesive force and surface tension occurs during the device fabrication process or during the detection experiment. There is difficulty.
이를 극복하기 위해, 채널과 게이트 전극사이에 수평 나노 갭이 존재하는 나노 갭 전계 효과 소자가 제안되었다. 그러나 채널과 다른 전극을 서로 반대되는 타 입으로 도핑하기 위해 소자제작 공정이 매우 복잡해 지는 단점이 있다. To overcome this, a nanogap field effect device has been proposed in which a horizontal nanogap exists between a channel and a gate electrode. However, there is a disadvantage in that the device fabrication process becomes very complicated to dope the channel and the other electrode in opposite types.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로서 본 발명의 목적은 제작이 용이한 나노 갭 센서 및 이의 제조 방법을 제공함에 있다.The present invention is to solve the problems as described above, an object of the present invention is to provide a nano-gap sensor and a manufacturing method thereof that is easy to manufacture.
본 발명의 일 실시예에 따른 나노 갭 센서는 소스 전극과, 드레인 전극과, 상기 소스 전극과 상기 드레인 전극을 연결하는 채널, 및 상기 채널과 이격되어 인접하게 배치된 게이트 전극을 포함하고, 상기 소스 전극, 상기 드레인 전극, 상기 채널, 및 상기 게이트 전극은 동일한 타입의 물질로 도핑된 실리콘층으로 이루어진다.The nanogap sensor according to an embodiment of the present invention includes a source electrode, a drain electrode, a channel connecting the source electrode and the drain electrode, and a gate electrode spaced apart from and adjacent to the channel. The electrode, the drain electrode, the channel, and the gate electrode are made of a silicon layer doped with the same type of material.
상기 소스 전극, 상기 드레인 전극, 상기 채널, 및 상기 게이트 전극은 P형 물질로 도핑될 수 있으며, 상기 드레인 전극에는 전원의 양극이 연결되고, 상기 소스 전극에는 전원의 음극이 연결되며, 상기 게이트 전극에는 전원의 양극이 연결될 수 있다.The source electrode, the drain electrode, the channel, and the gate electrode may be doped with a P-type material, an anode of a power source is connected to the drain electrode, a cathode of the power source is connected to the source electrode, and the gate electrode The anode of the power supply can be connected to the.
상기 소스 전극, 상기 드레인 전극, 상기 채널, 및 상기 게이트 전극은 N형 물질로 도핑될 수 있으며, 상기 드레인 전극에는 전원의 양극이 연결되고, 상기 소스 전극에는 전원의 음극이 연결되며, 상기 게이트 전극에는 전원의 음극이 연결될 수 있다.The source electrode, the drain electrode, the channel, and the gate electrode may be doped with an N-type material, an anode of a power source is connected to the drain electrode, a cathode of the power source is connected to the source electrode, and the gate electrode The cathode of the power source can be connected to the.
상기 소스 전극, 상기 드레인 전극, 상기 채널, 및 상기 게이트 전극은 동일 한 물질로 도핑될 수 있으며, 상기 게이트 전극은 하나 또는 둘 이상으로 이루어지며, 상기 채널과 나노 갭을 사이에 두고 이격 배치될 수 있다.The source electrode, the drain electrode, the channel, and the gate electrode may be doped with the same material, and the gate electrode may be one or two or more, and may be spaced apart from each other with the channel and the nano gap therebetween. have.
상기 게이트 전극과 상기 채널 사이의 나노 갭에는 검출 대상 물질과 반응하는 수용기가 부착될 수 있으며, 상기 드레인 전극, 상기 소스 전극 및 상기 게이트 전극의 상면에는 금속단자가 부착될 수 있다. 또한, 상기 드레인 전극, 상기 소스 전극, 및 상기 게이트 전극에는 산화막이 형성될 수 있으며, 상기 드레인 전극, 상기 소스 전극, 및 상기 게이트 전극은 동일한 높이로 이루어질 수 있다.The nanogap between the gate electrode and the channel may be attached with a receptor that reacts with the detection target material, and a metal terminal may be attached to the drain electrode, the source electrode and the upper surface of the gate electrode. In addition, an oxide layer may be formed on the drain electrode, the source electrode, and the gate electrode, and the drain electrode, the source electrode, and the gate electrode may have the same height.
또한, 상기 채널은 10nm 내지 300nm의 폭을 갖고, 100nm 내지 50000nm의 길이를 갖도록 형성될 수 있으며, 상기 나노 갭은 10nm 내지 300nm의 폭을 갖도록 형성될 수 있다.In addition, the channel may have a width of 10 nm to 300 nm, and may be formed to have a length of 100 nm to 50000 nm, and the nano gap may be formed to have a width of 10 nm to 300 nm.
본 발명의 일 실시예에 따른 나노 갭 바이오 센서의 제조 방법은 기판 상에 실리콘층을 도포하는 실리콘층 형성 단계와, 상기 실리콘층 상에 레지스트층을 도포하는 레지스트층 형성 단계와, 상기 레지스트층에 패턴을 형성하는 레지스트층 패터닝 단계와, 상기 실리콘층을 에칭하여 나노 갭을 형성하는 실리콘층 패터닝 단계와, 상기 레지스트층을 제거하는 레지스트층 제거 단계와, 상기 실리콘에 전체적으로 불순물을 도핑하는 불순물 도핑 단계, 및 검출 대상 물질과 반응하는 수용기를 상기 나노 갭에 위치시키는 수용기 부착 단계를 포함한다.Method of manufacturing a nano-gap biosensor according to an embodiment of the present invention is a silicon layer forming step of applying a silicon layer on a substrate, a resist layer forming step of applying a resist layer on the silicon layer, and in the resist layer A resist layer patterning step of forming a pattern, a silicon layer patterning step of forming a nanogap by etching the silicon layer, a resist layer removing step of removing the resist layer, and an impurity doping step of doping impurities entirely into the silicon And attaching the receptor to position the receptor in the nanogap that reacts with the substance to be detected.
상기 불순물은 P형 물질 또는 N형 물질로 이루어질 수 있으며, 상기 실리콘층 패터닝 단계에서는 드레인 전극과 소스 전극, 및 상기 드레인 전극과 상기 소스 전극을 연결하는 채널 및 상기 체널과 이격되어 인접하게 배치된 게이트 전극을 형 성할 수 있다.The impurity may be formed of a P-type material or an N-type material. In the silicon layer patterning step, a drain electrode and a source electrode, and a channel connecting the drain electrode and the source electrode and a gate spaced apart from the channel are adjacent to each other. Electrodes can be formed.
나노 갭 센서의 제조 방법은 상기 드레인 전극, 상기 소스 전극, 및 상기 게이트 전극의 상면에 금속 전극을 부착하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 반도체 층에는 산화막이 형성될 수 있다.The method of manufacturing a nanogap sensor may further include attaching a metal electrode to an upper surface of the drain electrode, the source electrode, and the gate electrode, and an oxide layer may be formed on the semiconductor layer.
상기 불순물 도핑 단계는 상기 레지스트층 제거 단계 이후에 실시될 수 있으며, 상기 불순물 도핑 단계는 상기 실리콘층 형성 단계 이후에 실시될 수 있다.The impurity doping step may be performed after the resist layer removing step, and the impurity doping step may be performed after the silicon layer forming step.
또한, 상기 불순물 도핑 단계에서 상기 나노 갭을 G1(nm)이라 하고, 상기 불순물의 도즈량을 D1이라 하면, 0.01*G1*1E13atoms/cm3≤D1≤18E19-G1*8E17atoms/cm3일 수 있다.In the impurity doping step, when the nanogap is referred to as G1 (nm) and the dopant amount of the impurity is D1, 0.01 * G1 * 1E13atoms / cm 3 ≤D1≤18E19-G1 * 8E17atoms / cm 3 . .
본 발명에 따르면 한 번의 도핑만으로 나노 갭 센서를 제작할 수 있다. 채널과 게이트 전극 간의 나노 갭이 수평으로 이격된 수평 나노 갭으로 이루어지므로 나노 갭의 무너짐 현상을 방지할 수 있고, 제작 공정이 보다 간단하며, 목표 검출 물질의 접근이 용이하다. According to the present invention, a nanogap sensor can be manufactured with only one doping. Since the nanogap between the channel and the gate electrode is a horizontal nanogap spaced horizontally, it is possible to prevent the nanogap from collapsing, the manufacturing process is simpler, and the target detection material is easily accessed.
본 발명에 있어서 '~상에'라 함은 대상부재의 위 또는 아래에 위치함을 의미하는 것이며, 반드시 중력방향을 기준으로 상부에 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.In the present invention, "on" means to be located above or below the target member, and does not necessarily mean to be located above the gravity direction.
또한, 본 기재에 있어서 '나노 갭 센서'라 함은 나노 갭을 갖는 센서를 의미 하며, '나노 갭'이라 함은 나노 단위 크기의 폭을 갖는 갭을 의미한다. 한편, 본 기재에 있어서 '채널'이라 함은 전자 또는 정공이 이동하는 통로를 의미하며, '타입'이라 함은 P형 타입 또는 N형 타입을 의미한다.In addition, in the present description, "nano gap sensor" means a sensor having a nano gap, and "nano gap" means a gap having a width of a nano unit size. Meanwhile, in the present description, 'channel' means a passage through which electrons or holes move, and 'type' means a P-type type or an N-type type.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 이하에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. As those skilled in the art would realize, the described embodiments may be modified in various different ways, all without departing from the spirit or scope of the present invention. In the drawings, parts irrelevant to the description are omitted in order to clearly describe the present invention, and like reference numerals designate like elements throughout the specification.
도 1a 내지 도 2j는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 갭 바이오 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 공정도이다.1A to 2J are process charts illustrating a method of manufacturing a nanogap biosensor according to an embodiment of the present invention.
도 1a 내지 도 1j를 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 나노 갭 센서의 제조 방법은 기판(110) 상에 실리콘층(112)을 도포하는 실리콘층(112) 형성 단계와 실리콘층(112) 상에 레지스트층(114)을 도포하는 레지스트층(114) 형성 단계와, 레지스트층(114)에 패턴을 형성하는 레지스트층(114) 패터닝 단계와, 실리콘층(112)을 에칭하여 나노 갭(140)을 형성하는 실리콘층(112) 패터닝 단계와, 상기 레지스트층(114)을 제거하는 레지스트층(114) 제거 단계와 상기 실리콘층(112)에 전체적으로 불순물을 도핑하는 불순물 도핑 단계, 및 검출 대상 물질과 반응하는 수용기(115)를 나노 갭(140)에 위치시키는 수용기(115) 부착 단계를 포함한다.1A to 1J, the method of manufacturing a nanogap sensor according to the present embodiment may include forming a
도 1a에 도시된 바와 같이, 기판(110)을 준비한다. 기판은 SiO2, 유리 등의 절연 물질로 이루어질 수 있다.As shown in FIG. 1A, a
도 1b에 도시된 바와 같이 기판(110) 상에 실리콘층(112)을 형성한다. 실리콘층(112)은 증착, 코팅, 성장 등의 방식으로 형성될 수 있다.As shown in FIG. 1B, a
도 1c에 도시된 바와 같이 실리콘층(112) 상에 레지스트층(114)을 형성한다. 레지스트층(114)은 광경화성 레지스트 또는 열경화성 레지스트로 이루어질 수 있으며 스핀 코팅, 디스펜싱 등의 방법으로 실리콘층 상에 형성될 수 있다.As shown in FIG. 1C, a
도 1d에 도시된 바와 같이 레지스트층(114)을 패터닝한다. 레지스트층(114)은 임프린트 리소그래피, E-빔 리소그래피, 광 리소그래피 등 다양한 방법으로 패터닝될 수 있다.The
도 1e에 도시된 바와 같이 레지스트층(114) 아래에 형성된 실리콘층(112)을 에칭하여 실리콘층(112)에 패턴을 형성 한다.As shown in FIG. 1E, the
기판(110)으로 플라즈마를 조사하여 드라이 에칭으로 에칭을 실시한다. 본 실시예에서는 건식 에칭(dry etching) 방식으로 에칭을 실시하는 것으로 예시하고 있지만, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며 습식 에칭(wet etching) 방식으로 에칭을 실시할 수도 있다.Plasma is irradiated to the
이러한 에칭에 의하여 도 2에 도시된 바와 같이 소스 전극(182), 드레인 전극(184), 게이트 전극(120, 130) 및 채널(186)이 형성된다. 소스 전극(182), 드레인 전극(184)과, 게이트 전극(120, 130) 및 채널(186)은 기판(110) 위로 돌출된 실 리콘층(112)으로 이루어진다.As a result of this etching, as illustrated in FIG. 2, the
채널(186)은 소스 전극(182)과 드레인 전극(184)을 연결하며. 게이트 전극(120, 130)은 채널(186)에서 이격되어 나노 갭(140)을 형성하면서 배치된다.The
도 1f에 도시된 바와 같이 레지스트층(114)을 제거하고 실리콘층(112)에 불순물을 도핑한다.As shown in FIG. 1F, the resist
이와 같이 본 실시예에서는 실리콘층(112)을 패터닝하고, 레지스트층(114)을 제거한 후, 실리콘층(112)에 불순물을 도핑하는 것으로 예시하고 있으나, 본 발명이 이에 제한된 것은 아니다. 불순물 도핑 단계는 기판(110) 상에 실리콘층(112)을 형성하는 단계 이후에 실시될 수도 있다. 이에 따르면 불순물을 도핑한 후, 실리콘층에 레지스트층을 형성하게 된다.As described above, although the
불순물은 보론(Br) 갈륨(Ga) 등의 3족 물질 또는 인(P), 아세나이드(As) 등의 5족 물질로 이루어질 수 있다. 불순물은 이온 주입법으로 도핑되는데, 실리콘층(112)으로 불순물 이온(151)을 가속하여 충돌시켜 실리콘층(112)으로 이온을 삽입한다. 이와 같이 이온 주입법으로 도핑을 실시하면 원하는 양만큼 불순물을 용이하게 주입할 수 있다.The impurity may be made of a
실리콘층(112) 전체를 도핑하여 소스 전극(182), 드레인 전극(184), 게이트 전극(120, 130), 및 채널(186)은 동일한 불순물로 도핑된다. 즉, 실리콘층(112)을 하나의 타입으로만 형성하고, P형 불순물과 N형 불순물이 함께 존재하지 아니한다.The
실리콘층(112)으로 입사된 불순물 입자의 도즈량은 나노 갭(140)의 폭이 100nm일 때, 10E19atoms/cm3이하로 되어야 하며, 나노 갭 200nm일 때는 2E19atoms/cm3이하로 되어야 한다. 즉, 나노 갭을 G1(nm)이라 하고, 도즈량을 D1이라 하면, D1≤18E19-G1*8E17atoms/cm3 이어야 한다. 이보다 더 큰 도즈량으로 도핑하면 게이트 전압에 따른 채널(186)의 전류 변화가 너무 작아서 센서로서 작동하기가 어려운 문제가 있다.The dose of the impurity particles incident on the
또한, 실리콘층(112)으로 입사된 불순물 입자의 도즈량은 나노 갭 폭이 100nm일 때를 기준으로 1E13atoms/cm3 이상이어야 한다. 이보다 더 작은 도즈량으로 도핑하면 채널에 거의 전류가 흐르지 않아서 전류의 변화를 측정하기 어려운 문제가 있다.In addition, the dose amount of the impurity particles incident on the
이상에 살펴본 것을 종합하면 나노 갭을 G1(nm)이라 하고, 도즈량을 D1이라 할 때, D1은 아래의 식 1을 만족하여야 한다.In summary, when the nanogap is G1 (nm) and the dose is D1, D1 must satisfy the following Equation 1.
[식 1][Equation 1]
0.01*G1*1E13atoms/cm3≤D1≤18E19-G1*8E17atoms/cm3 0.01 * G1 * 1E13atoms / cm 3 ≤D1≤18E19-G1 * 8E17atoms / cm 3
도 1g에 도시된 바와 같이 소스 전극(182), 드레인 전극(184), 게이트 전극(120, 130)에 금속단자(116)를 형성한다. 금속단자(116)는 전원과 전극들(120, 130, 182, 184)이 잘 연결되도록 하며 반드시 형성되어야 하는 것은 아니고, 전극에 전선이 직접 부착될 수도 있다.As illustrated in FIG. 1G,
도 1h에 도시된 바와 같이 실리콘층(112) 위에 소자의 전기적 안정성을 높이 기 위한 산화막(118)을 형성한다. 나노갭 사이에 산화막이 존재함으로써, 게이트전극과 채널간의 전자 tunneling 효과를 줄일 수 있어, 전기적 안정성이 향상된다. 이에 따라 산화막(118)은 소스 전극(182), 드레인 전극(184), 채널(186), 및 게이트 전극(120, 130) 상에 형성된다. 산화막은 열산화법, 증착법 등으로 형성할 수 있다. 증착법으로 산화막을 형성하는 경우 산화막(118)은 실리콘층(112)뿐만 아니라 금속단자(116)의 표면에도 형성될 수 있다. 반면, 열산화법으로 산화막을 형성하는 경우에는 금속단자(116)의 표면에는 산화막(118)이 형성되지 아니하고, 실리콘층(112)에만 산화막을 형성할 수 있다.As shown in FIG. 1H, an
도 1i에 도시된 바와 같이 검출하고자 하는 목표 물질(117)과 특이하게 반응하는 수용기(115)를 나노 갭(140)에 부착한다. 이 때, 수용기(115)는 게이트 전극(120, 130) 쪽에 부착될 수 있으며, 채널(186) 쪽에 부착될 수도 있다. 수용기(115)의 종류를 달리함으써 다양한 물질의 존재를 확인할 수 있다.As shown in FIG. 1I, a
도 1j에 도시된 바와 같이 목표 물질(117)이 나노 갭(140)에 위치하면 채널(186)을 통과하는 전류의 양이 변하게 된다. 다시 말하면, 채널의 전류양을 조절하는 게이트 전압이 바뀌게 된다. 이를 통해서 목표 물질(117)의 존재를 검출할 수 있다.As shown in FIG. 1J, when the
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 갭 센서를 도시한 사시도이다.2 is a perspective view illustrating a nanogap sensor according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 나노 갭 센서는 소스 전극(182)과 드레인 전극(184), 및 소스 전극(182)과 드레인 전극(184)을 연결하는 채널(186)을 포함한다. 소스 전극(182), 드레인 전극(184), 채널(186)은 기 판(110) 상에서 돌출된 실리콘층으로 이루어진다.Referring to FIG. 2, the nanogap sensor according to the present exemplary embodiment includes a
채널(186)은 10nm 내지 300nm의 폭으로 이루어질 수 있으며, 채널(186)의 길이는 100nm 내지 50000nm로 이루어질 수 있다.The
채널(186)의 양쪽에는 채널(186)에서 이격되어 나노 갭(140)을 형성하는 게이트 전극들(120, 130)이 위치한다. 나노 갭(140)은 그 폭이 10nm 내지 300nm로 이루어질 수 있다. 나노 갭(140)의 폭이 10nm보다 작게 형성되면 검출 목표 물질이 나노 갭(140) 사이에 제대로 위치하지 못하거나, 조그마한 전압의 변화로도 전류의 변화가 커서 전류의 변화가 목표 물질 때문인지 노이즈 때문인지 구분하기 어려운 문제가 있다.
또한, 나노 갭(140)의 폭이 300nm보다 크면 게이트 전극(120, 130)와 채널(140) 사이의 거리가 너무 멀어져서 게이트 전극(120, 130)에서 발생한 필드의 영향이 채널(186)에 제대로 전달되지 못하게 되고, 또한 목표 검출 물질이 나노갭의 특성에 미치는 영향이 낮아 목표 검출 물질의 존재 여부를 검출하기 어려운 문제가 발생한다.In addition, when the width of the
게이트 전극(120, 130)도 기판(110) 상에서 돌출된 실리콘층으로 이루어진다. 게이트 전극(120, 130)은 채널(186)의 일측에 인접하게 설치된 제1 게이트 전극(120)과 채널(186)의 타측에 인접하게 설치된 제2 게이트 전극(130)을 포함한다. 본 실시예에서는 게이트 전극(120, 130)이 둘로 이루어진 것으로 예시하고 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 게이트 전극은 하나 또는 둘 이상으로 이루어질 수 있다. 게이트 전극의 개수에 상한을 두지 않는 것은 게이트 전극의 수가 지나치게 많으면 다만, 제작 비용의 측면에서 무리는 있지만, 게이트 전극의 개수가 많을 수록 측정 민감도가 높아지기 때문이다.The
상기한 바와 같이 소스 전극(182), 드레인 전극(184), 채널(186), 및 게이트 전극(120, 130)은 동일한 타입의 물질로 도핑된 실리콘층으로 이루어진다. 이러한 구조물들은 한번의 도핑으로 반도체성을 가지므로 동일한 물질로 도핑되어 있다.As described above, the
이와 같이 한번의 도핑만으로 상기한 소스 전극(182), 드레인 전극(184), 채널(186), 및 게이트 전극(120, 130)을 형성하면 보다 용이하게 나노 갭 센서를 제조할 수 있다. 또한, 이들이 동일한 물질층으로 이루어지므로 이들은 동일한 높이로 이루어진다.As such, when the
이에 따르면 채널(186)과 게이트 전극(120, 130)이 동일한 높이로 이루어지고 나노 갭(140)이 수평으로 이격된 수평 나노 갭으로 이루어지므로 나노 갭의 무너짐 현상을 방지할 수 있고, 제작 공정이 보다 간단하며, 목표 검출 물질의 접근이 용이하다.Accordingly, since the
소스 전극(182), 드레인 전극(184), 채널(186), 및 게이트 전극(120, 130)은 P형 물질로 도핑될 수 있으며, N형 물질로 도핑될 수도 있다.The
소스 전극(182), 드레인 전극(184), 및 게이트 전극(120, 130) 상에는 전원과의 안정적인 연결을 위하여 금속으로 금속단자(116)가 형성된다.The
게이트 전극(120, 130)과 채널(186) 사이의 나노 갭(140)에는 목표 물질의 검출을 위한 수용기(115)가 설치되어 있다.The nano-
소스 전극(182), 드레인 전극(184), 채널(186) 및 게이트 전극(120, 130)이 N형으로 도핑된 때에는 도 3에 도시된 바와 같이 드레인 전극(184)에는 전원(192)의 양극이 연결되고, 소스 전극(182)에는 전원(192)의 음극이 연결되며, 제1 게이트 전극(120)에는 전원(193)의 음극이 연결되고 제2 게이트 전극(130)에도 전원(192)의 음극이 연결된다.When the
이와 같이 연결하면, 전자들이 게이트 전극(120, 130)에서 발생한 필드에 의해 밀려남에 따라 채널(186)에는 공핍층이 형성된다. 이 때, 게이트 전극(120, 130)의 전압을 일정하게 조절하면 채널(186)을 통해서 전류가 흐른다. 게이트 전압과 채널을 통해서 흐르는 전류의 관계는 도 4에 나타나 있다.In this connection, as the electrons are pushed by the field generated in the
한편, 소스 전극(182), 드레인 전극(184), 채널(186) 및 게이트 전극(120, 130)이 P형으로 도핑된 때에는 드레인 전극(184)에 전원(191)의 양극이 연결되고, 소스 전극(182)에는 전원(192)의 음극이 연결되며, 제1 게이트 전극에는 전원(193)의 양극이 연결되고 제2 게이트 전극에도 전원(192)의 양극이 연결된다.Meanwhile, when the
이 상태에서 목표 물질(117)이 나노 갭(140)에 위치하지 않는 경우에는 도 4의 실선과 같이 게이트 전압에 따른 일정한 전류가 채널을 통해서 흐르게 된다. 만일 목표 물질(117)이 나노 갭(140)에 위치하면 필드의 세기가 변하여 전류-전압 선도가 오른쪽 또는 왼쪽으로 이동한다. 전류-전압 선도의 이동 방향은 목표 물질의 종류와 전기적 특성 등에 따라 달라진다. 이를 위하여 전류의 검출을 위한 전류계와 전압의 검출을 위한 전압계가 나노 갭 바이오 센서에 연결 설치될 수 있다.In this state, when the
도 5는 AI 항체 검출을 위한 나노 갭 센서에서 최초 게이트 전압에 따른 드레인 전류와, 수용기가 부착된 상태에서의 게이트 전압에 따른 드레인 전류 및, 목 표 물질이 부착된 상태에서의 게이트 전압에 따른 드레인 전류를 각각 나타낸 그래프이다.5 illustrates a drain current according to an initial gate voltage, a drain current according to a gate voltage in a state where a receptor is attached, and a drain according to a gate voltage in a state where a target material is attached in a nanogap sensor for detecting an AI antibody. A graph showing the currents respectively.
도 5에 도시된 바와 같이, 최초 전류-전압 선도에서 수용기가 부착되면 전류-전압 선도가 오른쪽으로 이동하고, 목표 물질은 AI(avian influenza) 항체가 부착되면 더 오른쪽으로 이동하는 것을 알 수 있다.As shown in FIG. 5, it can be seen that when the receptor is attached to the initial current-voltage diagram, the current-voltage diagram moves to the right side, and the target substance moves to the right side when the avian influenza (AI) antibody is attached.
이와 같은 전류-전압 선도의 변화를 통해서 목표 물질이 존재하는지 여부를 용이하게 확인할 수 있다. 또한, 한가지 물질을 도핑하는 것으로 소스 전극(182), 드레인 전극(184), 게이트 전극(120, 130), 및 채널(186)을 형성함으로써 보다 용이하게 나노 갭 센서를 제조할 수 있다.This change in the current-voltage diagram makes it easy to determine whether the target material is present. In addition, the nanogap sensor may be more easily manufactured by forming the
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.In the above description of the preferred embodiment of the present invention, the present invention is not limited thereto, and various modifications and changes can be made within the scope of the claims and the detailed description of the invention and the accompanying drawings. Naturally, it belongs to the range of.
도 1a 내지 도 1j는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 갭 센서의 제조 방법을 구성하는 단계의 흐름도이다.1A to 1J are flowcharts of steps of constructing a method of manufacturing a nanogap sensor according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 갭 센서를 도시한 사시도이다.2 is a perspective view illustrating a nanogap sensor according to an embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 갭 센서에 전원이 연결된 상태를 도시한 구성도이다.3 is a diagram illustrating a state in which a power source is connected to the nanogap sensor according to an embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 갭 센서의 전류와 전압 선도를 나타낸 그래프이다.Figure 4 is a graph showing the current and voltage diagram of the nanogap sensor according to an embodiment of the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
110: 기판 112: 실리콘층110: substrate 112: silicon layer
114: 레지스트층 115: 수용기114: resist layer 115: receptor
116: 금속단자 117: 목표 물질116: metal terminal 117: target material
118: 산화막 120, 130: 게이트 전극118:
140: 나노 갭 182: 소스 전극140: nanogap 182: source electrode
184: 드레인 전극 186: 채널184: drain electrode 186: channel
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