벌크 실리콘 무접합 전계효과 트랜지스터 바이오센서의 성능 향상 연구 = Study on the Performance Improvement of Bulk Silicon Junctionless Field-Effect Transistor-Based Biosensors

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 표지 없이(real-time, label-free) 바이오분자를 검출할 수 있는 FET 기반 바이오센서의 한계를 극복하기 위해 Bulk Junctionless BioFET 구조를 제안하였다. 기존 반전 모드 BioFET은 소스/드레인 접합 형성의 복잡성과 잡음 문제가 있으며, 기존 JL-BioFET은 주로 초박막 SOI 기판을 사용해 공정 비용과 확장성에 제약이 있었다.

제안된 Bulk JL-BioFET은 게이트 없이 0 V 바이어스 조건에서 생체분자 전하에 의해 유도되는 채널 전류(또는 저항) 변화를 통해 센싱을 수행한다. Sentaurus TCAD 시뮬레이션을 통해 SOI 구조와 Bulk 구조를 비교한 결과, Bulk JL-BioFET은 n⁺ 활성층과 p형 기판 사이에서 형성되는 수직 공핍 효과로 인해 0 V에서도 더 깊은 공핍 상태와 높은 감도를 나타냈다. 이를 바탕으로 활성층 두께 및 채널·기판 도핑 농도를 체계적으로 조절하여 감도를 최적화하였다.

그러나 Bulk 구조에서는 기판으로부터 공급되는 전자에 의한 전하 보상 효과가 발생하여 바이오분자 표면 전하에 의한 채널 변조가 제한되는 문제가 확인되었다. 이를 해결하기 위해 활성층 하부에 doped field-stop layer (DFSL)를 도입하여 수직 전기장 분포를 재형성하고, 기판에서 채널로 유입되는 전자를 억제함으로써 채널의 정전기적 제어력을 강화하였다. 또한 asymmetric source/drain (ASD) 구조를 적용하여 측방 전기장을 조절함으로써 소스 인근의 전위 강하를 증가시키고, 전자 주입 효율을 향상시켰다. 그 결과 turn-on 전압 감소, subthreshold 특성 개선, 그리고 드레인 전압에 의한 전도 경로 변조가 강화되었다.

DFSL과 ASD 구조를 동시에 적용한 경우 두 효과가 시너지로 작용하여, 기존 최적화된 Bulk JL-BioFET 대비 약 30배 수준의 감도 향상을 달성하였다. 액체 환경에서 발생하는 전해질 변동이나 이중층 효과를 완전히 제거할 수는 없지만, 제안된 구조적 개선을 통해 채널에 대한 전기적 제어력이 크게 향상되어 게이트 없는 동작에서도 안정적이고 명확한 바이오센싱 신호를 확보할 수 있었다. 본 결과는 웨이퍼 공정과 호환 가능한 저전력 Bulk JL-BioFET 플랫폼의 실현 가능성을 제시한다.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 2. 이론적 배경 4
• 2.1. 바이오센서 개요 4
• 2.1.1. 바이오센서의 종류 및 동작 원리 5
• 2.2. FET 기반 바이오센서(BioFET) 8
• 2.2.1. BioFET의 동작 원리 10
• 2.2.2. BioFET의 연구 동향 11
• 2.3. 무접합 전계효과 트랜지스터(Junctionless FET, JL-FET) 13
• 2.4. 연구 목적 및 범위 16
• 3. 벌크 실리콘 무접합 전계효과 트랜지스터 바이오센서(Bulk JL-BioFET) 18
• 3.1. Bulk JL-BioFET 구조 설계 18
• 3.1.1. 전산모사 모델 20
• 3.1.2. JL-FET 기반 소자의 전기적 특성 보정 21
• 3.2. 2단자 Bulk JL-BioFET의 동작 원리 22
• 3.3. Bulk JL-BioFET 특성 분석 25
• 3.3.1. 전기적 특성 분석 25
• 3.3.2. 바이오센싱 특성 분석 28
• 3.4. Bulk JL-BioFET의 성능 최적화 31
• 3.4.1. 활성층 두께 최적화 31
• 3.4.2. 채널 및 기판 도핑 농도 최적화 33
• 4. 비대칭 소스/드레인 구조(ASD)의 Bulk JL-BioFET 36
• 4.1. 3차원 구조 설계 37
• 4.1.1. 전산모사 모델 및 전기적 특성 보정 39
• 4.1.2. 바이오센싱 파라미터 정의 39
• 4.2. 바이오센싱 특성 분석 41
• 4.2.1. 도핑 필드 스탑층(DFSL) 두께 변화 영향 45
• 4.2.2. DFSL-ASD 구조 적용 영향 48
• 4.3. 구조별 종합 성능 비교 54
• 5. 결론 56