KR20110071737A - 전계효과 트랜지스터 및 이에 기반한 센서 - Google Patents

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Abstract

전계효과 트랜지스터에 있어서, 소스 전극 및 드레인 전극과 별개로 형성되며 반도체 채널의 표면에 접촉하여 쇼트키 장벽을 형성하는 전극을 형성함으로써 쇼트키 장벽의 조절을 용이하게 할 수 있다.

Description

전계효과 트랜지스터 및 이에 기반한 센서 {Field Effect Transistor and Sensor based the Same}
본 발명은 전계효과 트랜지스터 및 이에 기반한 센서에 관한 기술을 제공한다
전계효과 트랜지스터(field effect transistor, FET) 는 전자나 홀을 공급하는 소스 영역과 소스에서 공급된 전자나 홀을 받아서 고갈시키는 드래인 영역을 포함하고, 이 전자나 홀의 흐름을 제어하는 게이트 영역이 존재한다. 게이트에서 전자나 홀의 흐름을 제어하는 방식이 게이트에 인가된 전압에 의하여 형성되는 전계를 사용하므로, 이러한 구조를 전계효과 트랜지스터라 한다.
무어의 법칙을 근간으로 하는 전계효과 트랜지스터는 성공적인 소형화를 거듭하여 최근에 는 50 nm 크기로 구성된 약 1억 개의 트랜지스터가 집적된 칩을 생산하고 있다. 그러나 트랜지스터의 크기가 50 nm 이하로 줄어들면서 단순한 소형화 과정은 근본적인 물리적인 한계에 접근하게 되었다. 이러한 소형화의 한계를 뛰 어넘기 위한 노력의 일환으로 SOI 트랜지스터, 다중게이트 구조의 트랜지스터, 및 쇼트키 트랜지스터 등의 새로운 소자가 연구개발 중에 있다.
또한, 반도체 특성을 갖는 단일겹 탄소 나노튜브는 전하이동도가 우수한 전계효과 트랜지스터(FET)로 만들어질 수 있다. 탄소 나노튜브 트랜지스터의 우수한 전하이동도와 모든 구성 원자가 표면에 위치하는 탄소 나노튜브의 특성을 결합시켜 표면에서 일어나는 화학적/생물학적 반응을 검출하는 고감도 센서로 이용하려는 노력이 최근 들어 활발하게 진행되고 있다. 탄소 나노튜브 기반의 센서는 화학/생물학 반응에서 나타나는 전하의 이동 또는 하전상태를 측정하므로 비표지 방식이며 검출시간이 짧고 반도체 공정을 이용하여 생산되므로 경제성 또한 우수한 장점을 갖는다.
최근 탄소 나노튜브 성장 및 분리기술이 발전하면서 기존의 벌크 소재 및 복합재로 한정되었던 탄소 나노튜브의 응용분야도 탄소 나노튜브 기반의 전자소자 및 센서 등으로 확장될 수 있을 것으로 예측된다.
본 발명은 쇼트키 장벽의 제어를 용이하게 할 수 있는 전계효과 트랜지스터 및 이를 이용한 센서를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 기판; 상기 기판 상에 형성된 반도체 채널; 상기 반도체 채널의 양 단에 형성된 소스 전극 및 드레인 전극; 및 상기 소스 전극 및 드레인 전극과 별개로 형성되며 반도체 채널의 표면에 직접 접촉하여 쇼트키 장 벽(Schottky Barrier)을 형성하는 제 3 전극;을 포함하는 전계효과 트랜지스터를 제공한다.
상기 소스 전극, 드레인 전극 및 제 3 전극은 서로 평행하게 형성되고, 상기 반도체 채널은 전극의 폭 방향에 대하여 수직 방향으로 형성될 수 있다.
상기 기판은 예를 들어, 실리콘 웨이퍼, III-V족 반도체 기판, II-VI 족 반도체 기판, 에피텍셜 성장된 SiGe 기판, 유리, 석영, 금속 및 플라스틱으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
상기 반도체 채널은 나노선 또는 나노튜브로 이루어질 수 있다. 상기 나노선은 실리콘(Si), 산화아연(ZnO), 오산화바라듐(VO), 질화갈륨(GaN), 인화갈륨(GaP), 인화인듐(InP), 인듐비소(InAs), 갈륨비소(GaAs), 산화티탄(TiO2), 산화주석(SnO2), 질화알루미늄(AlN), 및 이들의 혼합물 또는 합금으로 이루어진 군에서 선택되고, 상기 나노튜브는 단일벽 나노튜브(Single Walled NanoTube), 다중벽 나노튜브(Mullti Walled NanoTube), 및 다발형 나노튜브(Rope NanoTube)로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
상기 소스 전극 및 드레인 전극은 백금(Pt), 금(Au), 크롬(Cr), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 티타늄(Ti), 몰리브덴(Mo), 납(Pb), 이리듐(Ir), 로듐(Rh), 코발트(Co), 텅스텐(W), 탄탈륨(Ta), 어븀(Er), 이터븀(Yb), 사마륨(Sm), 이트륨(Y), 가돌륨(Gd), 터븀(Tb), 세륨(Ce), 및 이들의 혼합물 또는 합금 로 이루어진 군에서 선택된 금속으로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 소스 전극 및 드레인 전극의 표면 및/또는 반도체 채널과의 접촉면은 절연성 물질로 피복될 수 있다.
상기 제 3 전극은 반도체 채널이 n형 반도체 물질로 이루어진 경우 일함수가 반도체의 일함수보다 큰 금속으로 이루어지고, 반도체 채널이 p형 반도체 물질로 이루어진 경우 제 3 전극은 일함수가 반도체의 일함수보다 작은 금속으로 이루어 질 수 있다.
상기 제 3 전극은 복수 개이고, 복수 개의 제 3 전극들 사이 간격 또는 소스/드레인 전극과 제 3 전극 사이 간격은 1 ~ 20 ㎛일 수 있으며, 상기 제 3 전극의 폭은 반도체 채널 폭의 2배 이상일 수 있다.
경우에 따라 상기 전계효과 트랜지스터는 상기 기판의 하부에 형성된 게이트 전극 및/또는 상기 게이트 전극과 기판 사이에 형성되는 게이트 절연막;을 더욱 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면은 반도체 채널; 상기 반도체 채널의 양 측에 형성된 소스 전극 및 드레인 전극; 상기 소스 전극 및 드레인 전극과 별개로 형성되며 반도체 채널의 표면에 직접 접촉하여 쇼트키 장벽을 형성하는 제 3 전극; 및 상기 제 3 전극의 표면에 부착되고 표적물질과 특이적으로 결합하는 반응물질; 을 포함하는 전계효과 트랜지스터 기반 센서를 제공한다.
일 예에 따르면, 상기 소스 전극 및 드레인 전극의 표면 및/또는 반도체 채널과의 접촉면은 절연성 물질로 피복될 수 있다. 또한, 상술한 바와 같이 반도체 채널이 n형 반도체 물질로 이루어진 경우에는 제 3 전극은 일함수가 반도체의 일함 수보다 큰 금속으로 이루어지고, 반도체 채널이 p형 반도체 물질로 이루어진 경우에는 제 3 전극은 일함수가 반도체의 일함수보다 작은 금속으로 이루어질 수 있다.
상기 제 3 전극의 표면에서 표적물질과 반응물질이 특이적으로 결합할 때 제 3 전극의 일함수가 변화할 수 있다. 상기 제 3 전극의 표면은 반응물질과 반응성을 갖는 작용기 또는 링커 분자를 포함하도록 개질될 수 있다. 상기 제 3 전극은 복수 개이고, 복수 개의 제 3 전극들 사이 간격 또는 소스/드레인 전극과 제 3 전극 사이 간격은 1 ~ 20 ㎛이며, 제 3 전극의 폭은 반도체 채널 폭의 2배 이상일 수 있다.
상기 제 3 전극의 개수, 형태, 및 크기로 이루어진 군에서 선택된 1 이상을 조절함으로써 쇼트키 장벽에 의한 접촉저항을 조절할 수 있다.
상기 표적물질은 폴리뉴클레오티드, 폴리펩티드, 올리고당, 호르몬, 유기분자, 생체이물, 바이오분자, 가스, 및 화학물질로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
이하, 본 발명의 이점들과 특징들 및 이를 수행하는 방법들이 하기 실시예들에 대한 상세한 설명 및 첨부된 도면들을 참조함으로써 더욱 용이하게 이해될 수 있을 것이다. 그러나, 본 발명은 많은 다양한 형태로 실시될 수 있으며, 여기서 언급한 실시예들로만 한정되어 구성되는 것은 아니다.
또한, 본 발명의 명세서 및 청구항에 사용된 성분, 반응 조건 등의 수치을 나타내는 모든 숫자는 변형될 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 상반된 언급이 없다면, 본 발명의 명세서 및 첨부된 청구항에 나타난 수적인 파라미터는 본 발명의 목적하는 바에 따라 달라질 수 있는 근사값이다.
1. 전계효과 트랜지스터
도 1 및 2에는 본 발명의 일 예에 따른 전계효과 트랜지스터의 평면도 및 수직단면도가 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 전계효과 트랜지스터(Field Effect Transitor, FET; 100)는 기판(140); 상기 기판(140) 상에 형성된 반도체 채널(110); 상기 소스 전극(121) 및 드레인 전극(122)과 별개로 형성되며 반도체 채널(110)의 표면에 직접 접촉하여 쇼트키 장벽(Schottky Barrier)을 형성하는 제 3 전극(130); 을 포함한다.
소스 전극(121), 드레인 전극(122), 및 제 3 전극은 서로 이격되어 평행하게 형성되고, 반도체 채널(110)은 전극의 폭 방향에 대하여 수직 방향으로 형성되어 있다.
이러한 구조의 전계효과 트랜지스터는 제 3 전극(130)과 반도체 채널(110)의 접촉에 의해 쇼트키 접합을 형성함으로써 쇼트키 장벽 트랜지스터를 구성한다. 쇼트키 장벽 트랜지스터는 캐리어 전달속도가 빠르고 문턱전압이 0.3~0.4V 정도로서 낮으므로 저전압, 대전류에서도 우수한 효율을 발휘하고 감도가 우수하다.
종래에는 소스/드레인 전극(121, 122)과 반도체 채널(110)의 접촉에 의해서만 쇼트키 장벽을 형성함으로써 소스/드레인 전극(121, 122)과 반도체 채널(110)의 접촉 저항이 고정적이거나 조절에 한계가 있었다.
반면, 본 발명의 실시예들에 따르면 제 3 전극(130)의 크기 또는 개수 등을 다양하게 함으로써 쇼트키 장벽의 수를 용이하게 변화시킬 수 있고, 이에 따라 쇼트키 장벽에 의한 접촉 저항의 조절이 용이하다.
상기 기판(140)은 실리콘 웨이퍼, III-V족 반도체 기판, II-VI 족 반도체 기판, 에피텍셜 성장된 SiGe 기판, 유리, 석영, 금속 및 플라스틱으로 이루어진 군에서 선택될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
상기 반도체 채널(110)은 트랜스듀서(transducer)의 역할을 수행하며 기판(140) 상에 형성되는 바, 예를 들어 기판(140) 상에 채널을 형성한 후 반도체 물질을 부가하여 형성될 수 있다. 상기 반도체 물질은 특별히 제한되지 않으며 공지의 반도체 물질을 사용할 수 있고, 예를 들어, 나노선 또는 나노튜브로 이루어질 수 있다.
상기 나노선은 예를 들어 실리콘(Si), 산화아연(ZnO), 오산화바라듐(VO), 질화갈륨(GaN), 인화갈륨(GaP), 인화인듐(InP), 인듐비소(InAs), 갈륨비소(GaAs), 산화티탄(TiO2), 산화주석(SnO2), 질화알루미늄(AlN) 등을 들 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
상기 나노튜브는 예를 들어 탄소나노튜브를 들 수 있다. 탄소나노튜브는 탄소 동소체로서 하나의 탄소가 다른 탄소원자와 육각형 벌집무늬로 결합되어 튜브형태를 이루고 있는 물질이며, 직경이 나노미터(nm) 수준으로 극히 작은 영역의 물질 이다. 이러한 탄소 나노튜브는 우수한 기계적 특성, 전기적 선택성, 전계방출 특성 등을 갖는 것으로 알려져 있다. 탄소 나노튜브는 그래파이트 시트(graphite sheet)가 둥글게 말린 상태이며, 말리는 각도 및 형태에 따라서 전기적으로 도체 또는 반도체의 특성을 보인다. 또한, 탄소 나노튜브는 벽을 이루고 있는 결합 수에 따라 단일벽 나노튜브(Single Walled NanoTube) 또는 다중벽 나노튜브(Mullti Walled NanoTube)로 구분하고, 단일벽 나노튜브가 여러개로 뭉쳐있는 형태를 다발형 나노튜브(Rope NanoTube)라 한다.
상기 반도체 채널(110)의 크기는 특별히 제한되지 않으며, 반도체 채널(110)의 폭(W1)이 커지면 제 3 전극과의 접촉 면적이 증가하여 쇼트키 접촉이 증가하고, 반도체 채널(110)의 길이(L1)가 길어지면 제 3 전극의 개수를 증가시킬 수 있으므로 쇼트키 접촉이 증가한다. 다만, 반도체 채널(110)의 길이(L1)가 지나치게 증가하면 저항 증가로 인해 전류 특성이 나빠질 수 있고, 반대로 너무 짧으면 제 3 전극이 형성될 수 있는 개수가 줄어들어 센싱 감도의 향상 효과를 발휘할 수 없으므로 이를 고려하여 적절한 범위에서 설정할 수 있다. 예를 들어, 반도체 채널(110)의 폭(W1)은 약 0.1 ~ 10 ㎛ 또는 0.1 ~ 5 ㎛ 정도이고, 길이(L1)는 약 0.1 ~ 100 ㎛ 또는 10 ~ 40 ㎛ 정도일 수 있다.
상기 소스/드레인 전극(121, 122)은 반도체 또는 금속으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 백금(Pt), 금(Au), 크롬(Cr), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 티타늄(Ti), 몰리브덴(Mo), 납(Pb), 이리듐(Ir), 로듐(Rh), 코발트(Co), 텅스텐(W), 탄탈륨(Ta), 어븀(Er), 이터븀(Yb), 사마륨(Sm), 이트륨(Y), 가돌륨(Gd), 터븀(Tb), 세륨(Ce), 또는 이들의 합금 등을 포함하나 이에 한정되지 않는다. 소스/드레인 전극(121, 122)이 금속성 물질로 이루어지면 반도체 채널(110)과의 접합부에서도 쇼트키 장벽이 형성될 수 있다.
상기 소스/드레인 전극(121, 122)의 면적이 커질수록 누설전류의 양이 커질 수 있으므로 이를 고려하여 적절하게 설정할 수 있다. 필요에 따라 소스/드레인 전극(121, 122)의 표면은 산화 또는 누설전류 방지를 위해 절연성 물질을 도포할 수 있다. 절연성 물질은 특별히 제한되지 않으며 공지의 절연성 고분자 등을 사용할 수 있다.
상기 제 3 전극(130)은 반도체 채널(110)과 접촉하여 쇼트키 장벽을 형성하는 바, '쇼트키 장벽(Schottky barrier)'은 금속과 반도체를 접촉시켰을 때 발생하는 전위 장벽을 말한다. 금속과 반도체의 접촉특성은 이론적으로 두 물질 사이 계면에 어떤 형태의 층도 존재하지 않고, 금속-반도체간의 상호 혼합 또는 상호 확산이 없는 상태에서 금속의 일함수 (work function)와 반도체의 전자 친화도 (electron affinity)에 의하여 좌우된다. 즉, 금속- 반도체 접촉면에의 전위 장벽은 일함수와 전자친화도와의 차와 거의 같다.
이에 제 3 전극은 금속성 물질로 이루어지고, 반도체 채널(110)을 형성하는 물질을 고려하여 적절히 선택할 수 있다. 금속-반도체 간 쇼트키 접합이 일어나면 n형 반도체의 경우 고준위 전자들이 금속으로 유입되는 바, 반도체에서 금속으로 유출된 전자에 해당하는 부분에 정공이 위치한다. p형 반도체의 경우 금속에서 반도체로 전자가 유입되는 바, 정공이 반도체에서 금속으로 유입된다. 이에 금속 표 면은 양의 극성을 띄고, 반도체 표면은 음의 극성을 띈다. 금속의 전자들은 반도체 표면 음의 극성에 의해 이동에 방해를 받는 바 쇼트키 장벽을 형성한다.
따라서, 반도체 채널(110)이 n형 반도체 물질로 이루어진 경우에는 금속의 일함수가 반도체의 일함수보다 큰 경우 쇼트키 장벽이 형성되므로 제 3 전극은 반도체 채널(110) 보다 큰 일함수를 갖는 금속으로 이루어질 수 있다. 반대로, 반도체 채널(110)이 p형 반도체 물질로 이루어진 경우에는 금속의 일함수가 반도체의 일함수보다 작은 경우 쇼트키 장벽이 형성되므로 제 3 전극은 반도체 채널(110) 보다 작은 일함수를 갖는 금속으로 이루어질 수 있다.
제 3 전극(130)의 크기는 특별히 제한되지 않지만, 반도체 채널(110)과의 접촉에 의해 쇼트키 장벽을 형성할 수 있도록 제 3 전극의 폭(W3)이 적어도 반도체 채널(110)의 폭(W1)과 동일하거나 그 보다 클 수 있고, 제 3 전극의 폭(W3)이 지나치게 작을 경우에는 제 3 전극(130)의 양단에서 Damage 효과가 있을 수 있으므로 반도체 채널(110)의 폭(W1)에 비해 약 2배 이상 크게 형성할 수 있다.
제 3 전극(130)은 복수 개로 이루어질 수 있으며, 제 3 전극(130)의 개수가 증가함에 따라 쇼트키 장벽의 수 역시 증가한다. 도 3에서 예시적으로 도시된 바와 같이, 하나의 제 3 전극과 반도체 채널(110)의 접점이 2 개라면, n개의 제 3 전극들(131, 132, 133)을 포함하는 경우 쇼트키 장벽의 수는 2n개가 된다(도 3의 점선 원 참조). 다만, 제 3 전극(130)의 개수가 너무 많아지면 접촉저항이 지나치게 높아질 수 있으므로 반도체 채널(110)의 길이에 따라 적절한 범위에서 선택할 수 있으며, 예를 들어, 2 ~ 10개, 또는 3 ~ 8개일 수 있다. 또한, 복수 개의 제 3 전극들(131, 132, 133) 사이 간격 또는 소스/드레인 전극(121, 122)과 제 3 전극(131, 133) 사이 간격은 특별히 제한되지 않으며, 간섭현상이 발생하지 않는 범위에서 채널의 길이(L1) 및 제 3 전극의 높이(H3)를 고려하여 적절히 조절할 수 있고, 예를 들어 약 1~20 ㎛, 1~10 ㎛ 또는 2~5 ㎛ 범위일 수 있다.
상기 제 3 전극(130) 의 형태는 특별히 제한되지 않으며, 바형, 원형, 타원형, 사각형, 마름모형 등 적용되는 소자에 적합하도록 최적화할 수 있다.
경우에 따라, 본 발명의 예시에 따른 전계효과 트랜지스터(100, 101)에는 게이트 전극이 형성될 수 있다. 하나의 예에서, 상기 기판(140)의 하부에 형성된 게이트 전극(150)이 형성될 수 있으며, 상기 게이트 전극과 기판(140) 사이에 형성되는 게이트 절연막(160)이 형성될 수도 있다.
2. 전계효과 트랜지스터 기반 센서
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상술한 전계효과 트랜지스터에 기반한 센서를 제공한다. 이와 관련하여 도 4에는 본 발명의 일 예에 따른 전계효과 트랜지스터 기반 센서가 모식적으로 도시되어 있다. 설명의 편의를 위해 도 1 내지 3에 나타난 구성요소에 대응하는 부위에는 동일한 식별번호를 부여하였다.
도 4를 참조하면, 전계효과 트랜지스터 기반 센서(300)는 반도체 채널(110); 상기 반도체 채널(110)의 양 측에 형성된 소스 전극(121) 및 드레인 전극(122); 상기 소스 전극(121) 및 드레인 전극(122)과 별개로 형성되며 반도체 채널(110)의 표면에 직접 접촉하여 쇼트키 장벽을 형성하는 제 3 전극(130); 및 상기 제 3 전 극(130)의 표면에 부착되고 검출대상인 표적물질(320)과 특이적으로 결합하는 반응물질(310); 을 포함한다.
이러한 전계효과 트랜지스터 기반 센서(300)는 쇼트키 장벽의 변화에 의한 전기전도도 변화 검출을 통해 표적물질(320)을 검출할 수 있다. 예를 들어, 표적물질(320)을 포함하는 샘플을 상기 제 3 전극(130) 표면에 부착된 반응물질(310)에 제공하고, 반도체 채널(110)에 흐르는 전류 값을 측정하여 미반응시의 전류값과 비교함으로써 표적물질(320)을 검출할 수 있다.
검출원리를 구체적으로 살펴보면, 반응물질(310)과 표적물질(320)이 특이적으로 결합하면 제 3 전극(130)의 일함수가 변화하며, 이에 따라 제 3 전극(130)-반도체 채널(110) 접합에 의한 쇼트키 장벽에 따른 접촉 저항 역시 변화한다. 즉, 제 3 전극(130)의 일함수의 변화는 반도체 채널(110)의 전기전도도에 반영된다. 따라서, 이러한 변화를 검출함으로써 표적물질(320)과 반응물질(310)의 특이적 결합여부를 센싱할 수 있다. 예를 들어, 금(Au)으로 이루어진 제 3 전극(130)과 탄소나노튜브로 이루어진 반도체 채널(110)이 쇼트키 접합을 형성하고, 제 3 전극(130) 표면에 부착된 반응물질인 단일가닥 DNA가 이에 상보서열을 갖는 표적물질 DNA를 반응시키는 경우 제 3 전극(130)의 일함수가 낮아진다. 이에 따라, 쇼트키 장벽이 높아지므로 접촉 저항이 증가하여 반도체 채널(110)의 전기전도도가 낮아지게 된다. 따라서, 전기전도도의 변화를 측정함으로써 표적물질(320)을 용이하게 검출할 수 있다.
이와 달리, 소스/드레인 전극(121, 122)과 반도체 채널(110)의 접합에 의한 쇼트키 장벽 만을 이용하여 표적물질(320)을 센싱하는 경우에는 쇼트키 장벽의 조절이 용이하지 않아 검출감도에 한계가 있다. 또한, 소스/드레인 전극(121, 122)의 표면에 반응물질(310)이 부착되어 있는 경우, 전원부와 연결되고 넓은 표면적의 소스/드레인 전극(121, 122)에서 누설전류(Leakage Current)가 발생하므로 센싱감도가 저하된다.
본 발명의 예에 따른 전계효과 트랜지스터 기반 센서(300)는 제 3 전극(130)이 반도체 채널(110)의 표면에 부착되어 쇼트키 장벽을 형성하고, 제 3 전극(130)의 개수 등의 조절을 통해 쇼트키 장벽의 수가 증가될 수 있으므로 표적물질(320)과 반응물질(310)이 반응하였을 때 전류의 변화량이 커짐으로써 검출감도가 향상된다. 또한, 반응물질(310)이 제 3 전극(130)의 표면에 부착되어 있으며, 소스 전극(121) 및 드레인 전극(122)의 표면은 절연성 물질로 피복함으로써 절연막(200)을 형성할 수 있어서 누설전류를 최소화할 수 있다.
제 3 전극(130)을 형성하는 물질은 반도체 채널(110)의 형성물질을 고려하여 선택할 수 있다. 앞서 항목 1에서 상술한 바와 같이, 반도체 채널(110)이 n형 반도체 물질로 이루어진 경우에는 제 3 전극(130)은 일함수가 반도체의 일함수보다 큰 금속으로 이루어지고, 반도체 채널(110)이 p형 반도체 물질로 이루어진 경우에는 제 3 전극(130)은 일함수가 반도체의 일함수보다 작은 금속으로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 제 3 전극(130)은 복수 개일 수 있고, 복수 개의 제 3 전극(130)들 사이 간격 또는 소스/드레인 전극과 제 3 전극 사이 간격은 1 ~ 20 ㎛ 정도일 수 있며, 제 3 전극(130)의 폭은 반도체 채널(110) 폭의 2배 이상일 수 있다.
상기 반응물질(310)은 표적물질(320)과 특이적으로 결합하는 물질로서, 용어 '표적물질'은 검출하고자 하는 대상인 물질을 의미하고, 예를 들어, 바이오분자, 가스 분자, 화학물질 등을 들 수 있다. 또한, 반응물질(310)과 표적물질(320)이 '특이적으로 결합한다'는 것은 반응물질(310)이 표적물질 이외의 물질(330)과는 결합하지 않는 것을 의미한다. 예를 들어, 특정한 염기 서열의 표적물질이 상보적인 염기 서열의 반응물질와 혼성화 반응을 하는 것을 들 수 있다. 여기서, 혼성화 (Hybridization)는 단일가닥 폴리뉴클레오티드 프로브가 자신과 상보되는 다른 폴리뉴클레오티드와 반응하여 이중나선 구조의 폴리뉴클레오티드를 형성하는 것을 의미한다.
상기 반응물질(310)은 제 3 전극(130)의 표면에 물리, 화학적으로 흡착 또는 부착된다. 이를 용이하게 하기 위해, 제 3 전극(130)의 표면을 개질할 수 있다. 예를 들어, 상기 제 3 전극(130)의 표면은 아미노기, 카르복시기, 옥소기 및 티올기 등의 반응성 작용기 또는 링커 분자를 포함하도록 개질될 수 있다. 또한, 상기 반응물질(310) 역시 일 단부에 제 3 전극(130)의 표면의 반응성 작용기와 결합되는 작용기가 결합되어 있을 수 있다. 예를 들어, 제 3 전극(130)은 알데하이드(－CHO) 등으로 표면개질될 수 있고, 상기 반응물질(310)의 단부에는 아민(NH2)이 부착될 수 있다.
쇼트키 장벽은 제 3 전극(130)의 개수, 제 3 전극(130)과 반도체 채널(110)의 접촉부 크기에 비례하여 증가하므로 제 3 전극(130)의 개수, 크기, 형태 등의 조절을 통해 용이하게 조절할 수 있다.
상기 표적물질(320)은 예를 들어, 바이오분자일 수 있고, 반응물질(310)은 바이오분자와 특이적으로 결합하는 프로브(probe)일 수 있다 상기 바이오분자 또는 프로브는 DNA, RNA, PNA, LNA, 또는 이들의 혼성체 등의 폴리뉴클레오티드; 항체 또는 항원 단편(예: 모노클로날 항체, 폴리클로날 항체, 또는 CDR 등의 결합 파트너), 효소, 기질, 리간드, 압타머, 수용체 등의 폴리펩티드; 올리고당; 호르몬; 유기 분자; 또는 생체이물 등을 들 수 있다. 이에, 표적물질(320)과 반응물질(310)의 특이적 결합은 폴리뉴클레오티드-폴리뉴클레오티드 상호결합; 항체-폴리뉴클레오티드 상호결합; 항체-호르몬 상호결합; 항체-생체이물 상호결합, 항체-폴리펩티드 상호결합 등이 포함된다.
용어 '폴리뉴클레오티드'는 일반적으로 비변형(non-modified) 또는 변형된(modified) RNA 또는 DNA 등의 모든 폴리리보뉴클레오티드(RNA) 또는 폴리데옥시리보뉴클레오티드(DNA)를 지칭한다. '폴리뉴클레오티드'는 단일- 또는 이중-가닥 DNA, 단일- 및 이중-가닥 영역의 혼합물인 DNA, 단일- 및 이중-가닥 RNA, 단일- 및 이중-가닥 영역의 혼합물인 RNA, 단일- 또는 이중 가닥, 또는 단일- 및 이중 가닥 영역의 혼합물일 수 있는 DNA 및 RNA를 포함하는 하이브리드 분자를 포함하나 이에 한정되지 않는다. 또한, '폴리뉴클레오티드'는 RNA 또는 DNA, 또는 RNA 및 DNA 모두를 포함하는 3중 가닥 영역을 포함한다. 또한 올리고뉴클레오티드로 지칭되는 상대적으로 짧은 폴리뉴클레오티드를 포함한다. 이외에도 인공 DNA 유사체인 PNP(Peptide Nucleic Acid), 플라스미드(Plasmid) DNA, 엔지니어드(Engineered) DNA 등도 포함된다.
용어 '폴리펩티드'는 둘 이상의 아미노산이 펩티드 결합 또는 변형된 펩티드 결합을 통해 결합된 펩티드 또는 단백질을 의미한다. '폴리펩티드'는 펩티드, 올리고펩티드 또는 올리고머 등의 단쇄 및 단백질 등의 장쇄를 모두 포함한다. '폴리펩티드'는 천연적 방법 또는 당업계에 공지된 화학적 변형 기술에 의해 변경된 아미노산 서열을 포함한다. 이러한 변형은 아세틸화, 아실화, ADP-라이보실화, 아미드화, 비오틴화, 플라빈의 공유 부착, 헴(heme) 부분의 공유 부착, 뉴클레오티드 또는 뉴클레오티드 유도체의 공유 부착, 지질 또는 지질 유도체의 공유 부착, 포스포티딜이노시톨의 공유 부착, 가교결합, 사이클화, 디술피드 결합 형성, 탈메틸화, 공유 가교의형성, 시스틴의 형성, 피로글루타메이트의 형성, 포르밀화, 감마-카르복실화, 글리코실화, GPI 앵커(anchor) 형성, 히드록실화, 요오드화, 메틸화, 미리스토일화, 산화, 단백질 가수분해 가공, 포스포릴화, 프레닐화, 라세미화, 셀레오일화, 황화, 아르기닐화와 같이 아미노산의 단백질에 대한 전달-RNA 매개 첨가 및 유비퀴틴화를 포함한다.
또한, 표적물질(320)이 가스(gas) 분자인 경우 전계효과 트랜지스터 기반 센서(300)는 가스 센서로서 기능할 수 있다. 예를 들어, 제 3 전극(130)의 표면에 수소가스를 선택적으로 인식할 수 있는 반응물질(310)인 Pd 나노입자를 코팅하여 수소센서를 구성할 수 있다. 또는, 제 3 전극(130)의 표면에 이산화탄소를 선택적으로 인식할 수 있는 반응물질(310)인 전분을 코팅하여 이산화탄소 센서를 구성할 수도 있다. 또한, 제 3 전극(130)의 표면에 반응물질(310)인 고분자 및 불소계 전 도성 고분자를 고정화하여 신경가스 사린의 유사체인 DMMP를 검출할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 따라 본 발명을 상술한다.
[실험예 1]
도 1에서와 같은 전계효과 트랜지스터를 제조하였다. 반도체 채널(110)의 폭(W1)은 2㎛, 길이(L1)는 30㎛로 하였다. 소스/드레인 전극(121, 122)의 폭(W2) 및 높이(H2)는 각각 10㎛, 4㎛로 하였고, 제 3 전극(130)의 폭(W3) 및 높이(H3)는 각각 12㎛, 4㎛로 하였다. 전극들 사이 간격은 4 ㎛로 하였다.
제조된 전계효과 트랜지스터를 전기화학 셀에 장착한 후, 소스 및 드레인 전극 사이에 0.1 V 의 bias 전압을 연속적으로 인가하면서 9 ml 의 인산완충용액 (PBS)으로 채웠다.
상기 소자가 일정한 전류를 나타내면서 안정화되면 100 nM 의 DNA 용액을 마이크로 피펫(Pipette)이용하여 셀에 주입하고 전류의 변화를 관찰한다. 동일한 크기의 반도체 채널을 가진 소자에 대해서 하기 표 1 에서와 같이 제 3 전극의 개수를 변화시켜 가면서 DNA 검출 실험을 하였고, 그 결과를 하기 표 1 및 도 5 내지 7에 나타내었다.
[표 1]
Figure 112009079095216-PAT00001
실시예 1의 제 3 전극이 1 개인 경우 대략 7~8% 정도의 변화 비율을 보였고, 실시예 2의 제 3 전극이 3개인 경우 약 12% 정도의 변화 비율을 보였으며, 실시예 3의 제 3 전극이 5개인 경우 대략 16% 정도의 변화 비율을 보였다.
따라서, 제 3 전극의 개수가 증가할수록 DNA가 검지되었을 때 전하량의 변화, 즉 전류변화량이 더 크다는 것을 확인할 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전계효과 트랜지스터의 평면도이다;
도 2는 도 1에서 a-a' 선의 단면도이다;
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전계효과 트랜지스터의 평면도이다;
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전계효과 트랜지스터 기반 센서의 모식도이다;
도 5 은 실험예 1에서 제 3 전극이 1개인 경우 전류변화를 나타낸 그래프이다;
도 6 은 실험예 1에서 제 3 전극이 3개인 경우 전류변화를 나타낸 그래프이다;
도 7 은 실험예 1에서 제 3 전극이 5개인 경우 전류변화를 나타낸 그래프이다.
<도면의 주요 부호에 대한 설명>
100, 101: 전계효과 트랜지스터 110: 반도체 채널
121, 122: 소스/드레인 전극 130: 제 3 전극
140: 기판 150: 게이트 전극
200: 절연막 300: 전계효과 트랜지스터 기반 센서
310: 반응물질 320: 표적물질

Claims (19)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 형성된 반도체 채널;
    상기 반도체 채널의 양 단에 형성된 소스 전극 및 드레인 전극; 및
    상기 소스 전극 및 드레인 전극과 별개로 형성되며 반도체 채널의 표면에 직접 접촉하여 쇼트키 장벽(Schottky barrier)을 형성하는 제 3 전극;
    을 포함하는 전계효과 트랜지스터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 소스 전극, 드레인 전극 및 제 3 전극은 서로 평행하게 형성되고, 상기 반도체 채널은 제 1 내지 3 전극의 폭 방향에 대하여 수직 방향으로 형성되는, 전계효과 트랜지스터.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 실리콘 웨이퍼, III-V족 반도체 기판, II-VI 족 반도체 기판, 에피텍셜 성장된 SiGe 기판, 유리, 석영, 금속 및 플라스틱으로 이루어진 군에서 선택된, 전계효과 트랜지스터.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체 채널은 나노선 또는 나노튜브로 이루어진, 전계효과 트랜지스터.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 나노선은 상기 나노선은 실리콘(Si), 산화아연(ZnO), 오산화바라듐(VO), 질화갈륨(GaN), 인화갈륨(GaP), 인화인듐(InP), 인듐비소(InAs), 갈륨비소(GaAs), 산화티탄(TiO2), 산화주석(SnO2), 질화알루미늄(AlN), 및 이들의 혼합물 또는 합금으로 이루어진 군에서 선택되고, 상기 나노튜브는 단일벽 나노튜브(Single Walled NanoTube), 다중벽 나노튜브(Mullti Walled NanoTube), 및 다발형 나노튜브(Rope NanoTube)로 이루어진 군에서 선택되는, 전계효과 트랜지스터.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 소스 전극 및 드레인 전극의 표면 및/또는 반도체 채널과의 접촉면은 절연성 물질로 피복된, 전계효과 트랜지스터.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 소스 전극 및 드레인은 각각 독립적으로 백금(Pt), 금(Au), 크롬(Cr), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 티타늄(Ti), 몰리브덴(Mo), 납(Pb), 이리듐(Ir), 로듐(Rh), 코발트(Co), 텅스텐(W), 탄탈륨(Ta), 어븀(Er), 이 터븀(Yb), 사마륨(Sm), 이트륨(Y), 가돌륨(Gd), 터븀(Tb), 세륨(Ce) 및 이들의 혼합물 또는 합금으로 이루어진 군에서 선택된 금속으로 이루어진, 전계효과 트랜지스터.
  8. 제 1 항에 있어서,
    반도체 채널이 n형 반도체 물질로 이루어진 경우 제 3 전극은 일함수가 반도체의 일함수보다 큰 금속으로 이루어지고, 반도체 채널이 p형 반도체 물질로 이루어진 경우 제 3 전극은 일함수가 반도체의 일함수보다 작은 금속으로 이루어지는, 전계효과 트랜지스터.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 3 전극은 복수 개이고, 복수 개의 제 3 전극들 사이 간격은 1 ~ 20 ㎛인, 전계효과 트랜지스터.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 3 전극의 폭은 반도체 채널 폭의 2배 이상인, 전계효과 트랜지스터.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판의 하부에 형성된 게이트 전극; 및/또는
    상기 게이트 전극과 기판 사이에 형성되는 게이트 절연막;
    을 더욱 포함하는 전계효과 트랜지스터.
  12. 반도체 채널;
    상기 반도체 채널의 양 측에 형성된 소스 전극 및 드레인 전극;
    상기 소스 전극 및 드레인 전극과 별개로 형성되며 반도체 채널의 표면에 직접 접촉하여 쇼트키 장벽을 형성하는 제 3 전극; 및
    상기 제 3 전극의 표면에 부착되고 표적물질과 특이적으로 결합하는 반응물질;
    을 포함하는 전계효과 트랜지스터 기반 센서.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 소스 전극 및 드레인 전극의 표면 및/또는 반도체 채널과의 접촉면은 절연성 물질로 피복된, 전계효과 트랜지스터 기반 센서.
  14. 제 12 항에 있어서,
    반도체 채널이 n형 반도체 물질로 이루어진 경우에는 제 3 전극은 일함수가 반도체의 일함수보다 큰 금속으로 이루어지고, 반도체 채널이 p형 반도체 물질로 이루어진 경우에는 제 3 전극은 일함수가 반도체의 일함수보다 작은 금속으로 이루어지는, 전계효과 트랜지스터 기반 센서.
  15. 제 14 항에 있어서,
    표적물질과 반응물질이 특이적으로 결합할 때 제 3 전극의 일함수가 변화하는, 전계효과 트랜지스터 기반 센서.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제 3 전극의 표면은 반응물질과 반응성을 갖는 작용기 또는 링커 분자를 포함하도록 개질된, 전계효과 트랜지스터 기반 센서.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 3 전극은 복수 개이고, 복수 개의 제 3 전극들 사이 간격은 1 ~ 20 ㎛이며, 제 3 전극의 폭은 반도체 채널 폭의 2배 이상인, 전계효과 트랜지스터 기반 센서.
  18. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 3 전극의 개수, 형태, 및 크기로 이루어진 군에서 선택된 1 이상을 조절함으로써 쇼트키 장벽에 의한 접촉저항을 조절하는, 전계효과 트랜지스터 기반 센서.
  19. 제 12 항에 있어서,
    상기 표적물질은 폴리뉴클레오티드, 폴리펩티드, 올리고당, 호르몬, 유기분 자, 생체이물, 바이오분자, 가스, 및 화학물질로 이루어진 군에서 선택되는, 전계효과 트랜지스터 기반 센서.
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