Study on electrokinetics behavior in nanochannels with all around gate electrode

Abstract

반도체와 클린룸 기술의 발전에 따라서, 인류가 제작 가능한 소자는 나노미터 스케일까지 도달하면서 많은 신생사물들이 등장하게 되었다. 그 가운데 나노플루이딕스가 존재한다. 나노플루이딕스는 <나노테크놀로지>와 <플루이딕스>의 합성어로, 두 개의 장점을 한 몸에 안고 있다. 이렇게 제작된 나노플루이딕스 소자는 생체분자 분석, 청정 에네지 생성과 같은 여러 분야에 사용되고 있다. 그리하여 지난 10년간 이에 관하여 많은 연구가 진행되었다. 나노플루이딕스는 수용액 속에서 전하를 띈 입자, 특히 생체분자에 관한 연구에 많은 관심을 가지고 있다. 많은 생체분자는 수용액 상태에 존재하고 그 크기가 10 nm 미만 이다. 그러므로 정확하게 나노미터 스케일을 가지는 플랫폼을 통하여 수용액 속에 있는 생체분자의 분석이 가능해 진다. 하지만 수용액 속의 생체분자를 컨트롤하려면 먼저 그 안에 있는 이온의 움직임부터 컨트롤 해야 한다. 이 논문에서는 all–around 게이트가 삽입된 이온트랜지스터를 제작하여, 그를 통하여 이온의 흐름을 컨트롤하였다. 특히, 소자의 제작에 있어서 10 nm 급의 채널 크기를 제작하는 공정 기술을 개발함과 아울러, 투명전극인 AZO (Al –doped Zinc Oxide)을 gate로 사용하였다. 그리고 유전상수가 실리콘 옥사이드의 2배, 그리고 표면전하가 -1.8 mC/m2로, 거의 0에 가까운 알루미늄 옥사이드를 사용함으로, 소자가 기존에 발표된 이온트랜지스터와는 달리 게이트의 극성과 관계없이 ambipolar 특성을 갖는 소자를 제작하였다. 그 이유는 게이트 구조와 알루미늄 옥사이드의 고유의 표면전하 양과 밀접한 관계가 있다. all–around 게이트 구조는 같은 유전상수와 두께를 가지는 planar 게이트 구조보다, 같은 게이트 전압에서 5배 이상의 추가적인 표면전하를 생성할 수 있다. 그리고 논문에서 사용된 알루미늄 옥사이드의 표면이 거의 전하를 띄지 않고 있기 때문에, 그 극성을 더 쉽게 바꿀 수 있다. 이 소자로 수용액 농도 에서 까지 측정함으로써, 게이트 효과를 증명하였다. 그리고 측정결과를 COMSOL simulation 을 통하여 검증하였다. 게이트가 부분적으로 형성된 본 소자에서는 fringing field effect와 counter ion condensation이 일어나는 것을 간접적으로 증명하였다. 투명전극으로 사용되는 AZO (Al –doped Zinc Oxide) 를 게이트로 사용하였기 때문에, 생체분자의 흐름을 전기적으로 컨트롤하고, 광학으로 동시에 관찰가능한 소자이다. 이런 점에서 볼때, 이 소자는 앞으로 생체분자 분석에 아주 유용한 툴로 사용될 것이다.

In this thesis, we fabricated all – around gated IFET (Ionic Field Effect Transistor) which could control the ion transport in nanofluidic devices. On the view of nanochannel fabrication, we developed fabrication method of sub 10 nm nanochannels with transparent AZO (Al – doped Zinc Oxide) gate electrode. And we utilized high dielectric constant material Al2O3 (9) instead of conventional SiO2 (4.5). Furthermore, the surface charge density of Al2O3 was only -1.8 mC/m2, almost neutral polarity. Therefore, the device exhibited ambipolar behavior in ID vs VG (Ionic current vs Gate voltage) relation, compare to conventional IFET (Ionic Field Effect Transistor). The reason of ambipolar behavior came from the gate structure and inherent surface charge density. Because of all – around gate structure, the gate voltage could induce more than 5 times extra charge at surface, and the almost neutral surface charge could reverse the polarity more easily. Finally, we measured the ionic current at wide range of electrolyte concentration (10-5 ~ 10-2 M) with gate voltage variation to verify the gate effect. The experimental ambipolar results were validated with COMSOL simulation. And the fringing effect and counter ion condensation effect was proved indirectly with partially gate embedded IFET (Ionic Field Effect Transistor). Finally, the material of gate electrode AZO (Al – doped Zinc Oxide) is transparent, thus the flow of ions or bio – molecules are controlled electrically, observed optically at the same time. That point of view, this device will be new concept nanofluidic devices for bio – molecules analysis.