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논문 기본 정보

자료유형
학위논문
저자정보

이희호 (경북대학교, 경북대학교 대학원)

지도교수
신장규.
발행연도
2016
저작권
경북대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

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본 논문에서는 AlGaN/GaN을 기반으로 HFET형 및 extended-gate형 바이오센서를 제작하고 그 전기적인 특성을 확인하였다. 감지대상 물질로는 스트렙타비딘-바이오틴 복합체와 C-reactive protein (CRP)가 사용되었다. Au와 thiol이 반응하여 자기조립 단분자 층을 형성하는 것을 이용하여 바이오 물질을 고정 하는데 사용하였다. 감지 물질에 따른 각각의 센서 출력 변화를 확인하였으며, 감지 물질에 따른 측정한계 또한 측정되었다.
첫 번째로, 영전위 회로를 적용한 AlGaN/GaN HFET 기반의 바이오센서를 제작하고 전기적인 특성을 확인하였다. 영전위 회로는 FET형 센서의 게이트 전압을 출력으로 하는 회로이다. 기존 고가의 반도체 파라미터 분석 장치 없이도 센서의 출력을 관찰 할 수 있다는 장점이 있다. 11-MUA, CRP-antibody, CRP 고정에 따른 HFET 센서의 전류 변화 및 그에 따른 게이트 표면 전압 변화를 확인하였다. 또한 제안된 센서는 넓은 범위의 CRP (10 ng/mL ~ 1000 ng/mL)를 측정 할 수 있음을 확인하였다.
두 번째로, 차동 출력 방식을 이용한 Bio-HFET/Ref-HFET/QRE 센서 시스템을 제작하고 출력특성을 확인하였다. Au, Pt는 Bio-HFET, Ref-HFET의 게이트 물질로 사용되었으며, 이는 11-MUA 물질의 선택적 부착을 위해 사용이 되었다. 또한 Pt 유사전극은 기존의 상용 Ag/AgCl 전극을 대체하기 위하여 칩에 집적 되었다. 11-MUA, CRP-antibody, CRP 물질의 부착에 따른 게이트 표면 전하의 변화를 Bio-HFET의 전류 변화로 확인 하였으며, XPS 측정을 통하여 각각의 물질이 고정화 되는 것을 검증 하였다. 차동 출력 측정 방식은 주변 환경 노이즈를 제거하여 센서의 측정 한계를 높일 수 있었다. 따라서 기존 단일 센서의 측정 한계인 10 ng/mL 보다 1000배 낮은 0.01 ng/mL 농도의 CRP 를 측정 할 수 있었다.
마지막으로, AlGaN/GaN 기반의 extended-gate HFET형 바이오센서를 제작하고 이를 이용하여 스트렙타비딘-바이오틴 복합체를 검출하였다. 또한 게이트 바이어스를 인가하기 위하여 상용 Ag/AgCl 기준전극을 이용하였다. SAM, 스트렙타비딘, 바이오틴이 extended-gate 영역에 부착됨에 따라서 제작된 센서의 전류가 변화하는 것을 확인하였다. 0.1 ng/mL ~ 1000 ng/mL 농도의 바이오틴이 제작된 센서의 성능을 확인 하기 위하여 사용되었으며, 센서의 측정 한계는 0.1 ng/mL 로 확인되었다. 추가적으로 extended-gate 바이오센서와 normal-gate 바이오센서의 장기 안정성을 확인하였다.

목차

1. Introduction 1
2. Theoretical Background 4
2.1 Nitride Semiconductors 4
2.2 AlGaN/GaN Heterostructure 7
2.2.1 Spontanesou and Piezoelectric Polarization 9
2.2.2 Conduction Band Discontinuity 11
2.3 Conventional Biosensors 12
2.3.1 Electrochemical Sensors 14
2.3.2 Optical Sensors 15
2.3.3 Mass Sensitive Sensors 16
2.4 FET-Type Biosensors 17
2.4.1 Principles of FET Operation 17
2.4.2 Si-Based MOSFETs vs. AlGaN/GaN-Based HFETs 20
2.4.3 Principles of FET-Type Biosensor for Protein Detection 22
3. AlGaN/GaN-Based HFET-Type Biosensors for Detection of CRP 26
3.1 AlGaN/GaN HFET-Type Biosensor with Null-Balancing Circuit 26
3.1.1 Motivation 26
3.1.2 Device Structure and Fabrication 28
3.1.2 Reagents and Bio-Experiment Procedures 30
3.1.3 Null-Balancing Circuit 31
3.1.4 Verification of SAM Formation 33
3.1.5 Electrical Characteristics of a Null-Balancing Circuit Applied HFET-Type Biosensor 35
3.2 AlGaN/GaN-Based Differential-Mode HFET-Type Biosensor 45
3.2.1 Motivation 45
3.2.2 Device Structure and Fabrication 47
3.2.3 Operational Priciple of Differential-Mode Biosensor 49
3.2.4 Reagents and Bio-Experiment Procedures 51
3.2.5 Verification of 11-MUA Immobilization 52
3.2.6 I-V Characteristics of the Bio-HFET 54
3.2.7 Noise Reduction Characteristics of the Differential-Mode Biosensor 57
3.2.8 Real-Time Detection of CRP 60
3.2.9 Output Voltage Characteristics of Differential-Mode Biosensor with Respect to CRP Concentration 62
4. AlGaN/GaN-Based Extended-Gate HFET-Type Biosensor 64
4.1 Motivation 66
4.2 Device Fabrication 66
4.3 Measurement Setup 71
4.4 Reagents and Bio-Experiment Procedures 72
4.5 I-V Characteristics of Extended-Gate HFET-Type Biosensor 73
4.6 Verification of 16-MHDA Immobilization 79
5. Conclusion 82
6. References 84
Abstract in Korean 96
List of Pubilications 98

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