CN107706288B - 集光电极与微电极为一体的集成式生物芯片及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及生命科学半导体芯片制造的技术领域，更具体地，涉及集光电极与微电极为一体的集成式生物芯片及制备方法。集光电极与微电极为一体的集成式生物芯片，其中，包括：利用半导体发光器件激发荧光粉，从而获得580nm的光，并用滤波片过滤掉半导体激发光，使得最终照射生物组织的光为580nm的光；其制备过程分为光电极的制作与微电极的制作，光电极与微电极分别位于衬底的正反面，且实现对光照区域电位的精准测量，具有良好的时空精确性；在长好外延层的透明衬底正面，包括掩膜层、p极金属、n极金属、线路与PAD部分、温度传感器、介质层、荧光粉层、金属反射镜；在其背面，有滤波层，微电极层；之后，对整个器件进行封装，仅仅使光电极的PAD、微电极的尖端与PAD三个部分暴露在外面。
Description
技术领域
本发明涉及生命科学半导体芯片制造的技术领域，更具体地，涉及集光电极与微电极为一体的集成式生物芯片的制备方法。
背景技术
20世纪40年代，由于微电极和细胞内记录技术的发展，使得电生理学方面的研究取得了极大的突破，人们前所未有的实现了对个别单一神经细胞的功能活动、神经元膜的生理物理特性、以及有关个别神经元在神经元回路中的位置和作用等方面的研究。随着对神经系统认识的不断完善，人们开始尝试改善或治疗神经方面的疾病,可以通过神经的电活动来诊断疾病。不管是记录神经组织信号，还是刺激神经组织，都离不开神经电极，但其刺激的原理是通过电刺激，由于电刺激提供的强度过大，容易引起局部神经组织温度过高，从而对神经组织造成一定损害。另外，电刺激的时空精确性较差，不容易实现对特定神经细胞的精确刺激与信号记录。在这种背景下，光遗传学技术应运而生。
光遗传学技术是将光学和分子遗传学有机结合后产生的一门新兴技术，这种方法是利用光刺激光敏感通道蛋白来控制神经元的活动及功能。应用这项技术，将光敏感蛋白表达在特定神经元中，通过不同波长或频率的光刺激激活或抑制特定的神经元，来达到控制动物行为的目的。光遗传学技术避免了上述电刺激的缺点，它通过光敏蛋白在特定细胞上的表达，使得随后的光刺激局限在某一类型的特定神经元，避免影响到周围组织；而且光刺激的速度可以达到亚毫秒级，这样就可以有效地模拟正常神经元的放电现象。
目前，主要有光敏感通道蛋白(ChR2)与嗜盐菌紫质(NpHR)这2种光敏蛋白。光敏感通道蛋白(ChR2)对470nm的光刺激最为敏感，能够引起神经兴奋；嗜盐菌紫质(NpHR)对580nm的光刺激最为敏感，能够抑制神经兴奋。当前的研究主要集中于对470nm的光电极的研究，对580nm的光电极的研究较少。然而，生物研究中对580nm的光电极具有更高的需求。
当前，已有AlGaInP材料的半导体器件发出580nm的光，但基于AlGaInP材料只能生长在非透明的GaAs衬底上，因此无法实现衬底背面出光，从而不能直接在衬底背面制作微电极。对GaAs衬底进行剥离，并转移至透明衬底上可实现背面微电极的制作。然而，这种方式工艺复杂，集成度低。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供集光电极与微电极为一体的集成式生物芯片及制备方法，其集微电极与光电极于一体，在对光敏感蛋白提供光刺激的同时，精确记录对应点的电位变化。
本发明的技术方案是：集光电极与微电极为一体的集成式生物芯片，包括
利用半导体发光器件激发荧光粉，从而获得580nm的光，并用滤波片过滤掉半导体激发光，使得最终照射生物组织的光为580nm的光；其制备过程分为光电极的制作与微电极的制作，光电极与微电极分别位于衬底的正反面，且实现对光照区域电位的精准测量，具有良好的时空精确性；在长好外延层的透明衬底正面，包括掩膜层、p极金属、n极金属、线路与PAD部分、温度传感器、介质层、荧光粉层、金属反射镜；在其背面，有滤波层，微电极层；之后，对整个器件进行封装，仅仅使光电极的PAD、微电极的尖端与PAD三个部分暴露在外面。
进一步的，本芯片采用透明衬底，其中透明衬底的材料可为Al2O3、ZnO、SiC；正面光电极p极金属采用透光率高的导电材料。其中p极金属材料可为ITO(Indium-Tin-Oxide),IZO(In—ZnO),GZO(Ga—ZnO),AZO(Al—ZnO),AGZO(Al—Ga ZnO),IGZO(In—Ga ZnO),薄Ni/Au等。ITO透明电极的生长方法为电子束蒸发(EBE)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)、磁控溅射(PVD)等。
进一步的，使用金属反射镜提高衬底背面的出光效率。其材料可为金(Au)、银(Ag)、铝(Al)、铜(Cu)等。温度传感器的材料可为一切电阻温度直线性的金属，比如铂(Pt)、铜(Cu)等。
进一步的，荧光粉的材料可为YAG荧光粉((Y2Gd)3(Al2Ga)5O12:Ce3+)、TAG:Ce荧光粉、铝酸盐(Aluminate)、硅酸盐(Silicate)、氮化物(Nitride)以及氮氧化物(Oxynitride)荧光材料。荧光粉层的制作方法可选用：直接贴上含有荧光粉的贴片、点胶法制备荧光粉膜、旋涂法制备荧光粉膜。
进一步的，微电极尖端部分可采用透明金属，从而提高出光率；或者采用非透明金属，利用各微电极之间的间隙来透光。
进一步的，金属反射镜与布拉格反射镜(DBR)可采用蒸镀、生长的方式或者贴上含有同等反射功能的薄贴片。其中布拉格反射镜(DBR)的材料可为SiO2/TiO2、AlInN/GaN、AlInN/AlN、SiGe/Si等。
本发明中，此芯片小而薄，植入体内，对生物组织的损伤较小。光电极与微电极的集成度高，能够实现在对特定神经敏感蛋白进行光刺激的同时，进行精准的电位记录，即具有较高的时空分辨性。同时由于uLED的小巧便携，使得实验小鼠不被束缚，能够自由活动，对光遗传学实验的研究具有极大的帮助。感光蛋白在外界光的刺激下，能够影响细胞膜内外的电位。嗜盐菌紫质(NpHR)对580nm的光刺激最为敏感，能够抑制神经兴奋。580nm光的获得，主要是通过半导体发光器件去激发荧光粉，并通过滤波片过滤掉半导体激发光，仅让580nm的光通过。本实验中采用旋涂荧光粉与硅胶混合物的方式，得到均匀、平铺的荧光粉层，并利用金属反射镜使得GaN基蓝宝石衬底的LED发出的蓝光能够来回经过荧光粉层，从而减少荧光粉层的厚度。最后出射的光为激发光与发射光的混合物，因此需要在蓝宝石衬底的背面生长一层布拉格反射镜(DBR)反射掉激发光，仅允许580nm的光通过。衬底须透明，因此选用蓝宝石衬底。
具体操作步骤如下：(1)在长好LED的蓝宝石衬底上利用ICP干法刻蚀，刻蚀出P型台，接着利用PECVD沉积掩膜介质层，刻蚀出P型与N型窗口，分别蒸镀上电极金属；(2)在介质层上通过光刻、整面蒸镀金属、剥离或腐蚀的方式得到线路与PAD部分；(3)在介质层上通过光刻、整面蒸镀金属、剥离或腐蚀的方式得到温度传感器；(4)沉积透明介质层，并旋涂或滴涂荧光粉层于n、p极上方，之后再制作金属反射镜。(5)整面涂上保护层材料，并将制备好的样品翻至背面，并对蓝宝石衬底进行减薄抛光。(6)在样品的背面，制作有滤波功能的布拉格反射镜(DBR)；(7)在介质层上通过光刻、整面蒸镀金属、剥离或刻蚀的方式得到微电极；(8)器件的正反面均涂上保护层材料对器件进行封装，并让四个透明微电极尖端窗口及PAD窗口裸露出来。
优选的，本申请中优选GaN基蓝宝石衬底；n、p极金属分别优选Ti/Al/Ni/Au、ITO；线路与PAD部分优选Ni/Au或Ti/Au；温度传感器优选Pt或Ni金属；滤波片优选布拉格反射镜(DBR)。整个器件的尺寸优选长*宽＝1cm*0.30mm；p极与PAD的形状优选圆形，n极对应优选同心圆环；荧光粉涂层优选位于蓝宝石衬底的正面，且涂覆方式优选部分涂覆；金属反射镜也优选部分涂覆。对蓝宝石衬底进行减薄抛光处理，整个工艺过程尽可能控制器件的厚度，使其厚度较小，从而减少光电极插入生物组织时造成的损伤。
与现有技术相比，有益效果是：本发明不仅具有神经刺激功能，还具有神经电信号记录功能，实现光电极与微电极一体化集成，提供刺激的光为神经敏感蛋白最敏感的580nm。光电极与微电极分别位于透明衬底的两侧，实现光刺激点与电位记录点具有极高的一致性，整个器件具有极高的时空分辨性。目前，已有AlGaInP材料的半导体器件发出580nm的光，但基于AlGaInP材料只能生长在非透明的GaAs衬底上，因此无法直接实现衬底背面出光，需要进行衬底转移，转移至透明衬底上。然而，这种方式工艺复杂，集成度低。此发明则较好的解决了该问题，其利用半导体发光器件激发荧光粉，从而获得580nm的光，并用滤波片过滤掉半导体激发光，只让580nm的光通过。此发明实现了光电极与微电极的高度集成，器件结构简单，小而薄，易于植入体内，在光遗传学方面有广泛前景。
附图说明
图1为实施例1正面立体结构图。
图2为实施例1背面立体结构图。
图3为实施例1俯视结构图。
图4为实施例1仰视结构图。
图5甲、乙为实施例1中植入生物体内部分器件示意图；丙为实施例2增添结构部分图。
图6为实施例1沿图5甲、乙虚线处的截面图。
图7为实施例1封装层开口第一示意图(图中虚线部分为开口处)。
图8为实施例1封装层开口第二示意图(图中虚线部分为开口处)。
图9为实施例3示意图。
图10为实施例4器件结构截面图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
实施例1
如图1、2、3、4、5、6所示，该实例将微电极和光电极高度集成在针型衬底的两侧。在蓝宝石衬底的正面为光电极部分，在蓝宝石衬底上依次形成缓冲层、n-GaN层、MQWS层、p-GaN层。清洗过后，光刻显影并沉积掩膜层，腐蚀开窗露出n、p极对应的位置，依次蒸镀n、p极、线路与pad、温度传感器部分的金属，紧接着沉积介质层起到保护隔离的作用，再涂覆荧光粉涂层，然后蒸镀金属反射镜。对衬底进行剪薄抛光之后，在其背面生长布拉格反射镜(DBR)、蒸镀微电极部分。最后对器件整体进行封装，仅仅只是露出如图7、8所示的虚线圆部分。
下面结合例图1—8对实施例1的制作流程进行详细的说明。
(1)在GaN基蓝宝石衬底的正面，含有掩膜层。掩膜层的材料可以选用SiO2、SiN，Al2O3等高阻特性材料，沉积方法可以选用PECVD、磁控溅射等。接着在掩膜层的上表面涂覆光刻胶层，并通过光刻选择性刻蚀掩膜层形成N、P极窗口。
(2)在N、P极窗口处依次蒸镀欧姆金属层，并进行合金处理，从而形成良好的欧姆接触。P极欧姆金属材料为ITO、薄Ni/Au，N极欧姆金属材料为Ti/Al/Ni/Au。接着再制作金属导线与PAD部分，其制备方法可采用“整面蒸镀+刻蚀”或者“光刻+蒸镀+剥离”等方法。
(3)通过涂胶光刻开出温度传感器的形状，并蒸镀金属Pt或Ni，再整面沉积介质层。介质层的材料可以选用SiO2、Si3N4，Al2O3等高阻特性材料，沉积方法可以选用PECVD、磁控溅射等。
(4)在荧光粉层中，可选择直接将含有荧光粉的薄贴片贴在LED层上方，或者直接涂上荧光粉与硅胶的混合物，有点涂与旋涂两种方式。其中荧光粉的材料可为YAG荧光粉((Y2Gd)3(Al2Ga)5O12:Ce3+)、TAG:Ce荧光粉、铝酸盐(Aluminate)、硅酸盐(Silicate)、氮化物(Nitride)以及氮氧化物(Oxynitride)荧光材料。
(5)在金属反射镜层与布拉格反射镜层(DBR)中，采用部分蒸镀金属与整面生长DBR材料的方式。其中金属反射镜层材料可为金(Au)、银(Ag)、铝(Al)、铜(Cu)等；布拉格反射镜层(DBR)的材料为SiO2/TiO2、AlInN/GaN、AlInN/AlN、SiGe/Si等。
(6)微电极层进行制作的过程中，保证图5甲、乙虚线位置处精准对齐，从而确定光电极发出的光经经过透明衬底从4个微电极之间的“十字间隙”透射出来，照射到生物神经细胞上。最后对整个器件进行封装。封装材料可为聚对二甲苯(Parylene)，聚酰亚胺(Polyimide)。
实施例二
此器件结构与实例一相似，仅仅只是设想有一种金属贴片能够直接贴在荧光粉层的上方，对光起到反射作用；能够有另一种反射镜，能够反射掉激发光，仅仅只让580nm的光通过，再将此金属贴片贴在蓝宝石衬底的背面即可。微电极透光部分可采用在衬底上蒸镀透明金属的方式(如图5丙阴影部分)。透明金属既起到了检测神经电位变化的作用，又可以让光从中透过。
实施例三
如图9所示，在设计的过程中，可将P极金属，PAD设计成圆形，四方形，三角形等等，N极金属可设计成非闭合的圆环状，非闭合的矩形边，三条正方形边状等等。将制备好的光极与微电极一体化的光电极嵌入到柔性材料中，此器件弥补了蓝宝石易碎的缺点，与实例一相比在生物体内更具持久性。
实施例四
如图10所示，器件的结构发生了轻微改变。与实例一相比，荧光粉涂层不再位于衬底的正面，而是位于衬底的背面，介于衬底与滤波片之间。
综上所述，本发明提供了一种制备出光极与微电极一体化的光电极器件的方法。该器件集成度高，能够对特定的神经组织进行光刺激与电位记录，具有较高的时空分辨性。由于器件小而薄，能减少插入体内时对生物组织的损伤。同时能够发出580nm光，抑制神经兴奋，对实验小鼠的活动范围无束缚。此器件对光遗传学，神经学实验具有极其重大的意义。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (7)
1.集光电极与微电极为一体的集成式生物芯片，其特征在于，包括：
利用半导体发光器件激发荧光粉，从而获得 580nm 的光，并用滤波片过滤掉半导体激发光，使得最终照射生物组织的光为 580nm 的光；其制备过程分为光电极的制作与微电极的制作，光电极与微电极分别位于衬底的正反面，且实现对光照区域电位的精准测量，具有良好的时空精确性；在长好外延层的透明衬底正面光刻显影并沉积掩膜介质层，腐蚀开窗露出 n 极和 p 极对应的位置，依次蒸镀 P 极金属、n 极金属、线路与 PAD 部分、温度传感器部分的金属，紧接着沉积掩膜介质层，再涂覆荧光粉涂层，然后蒸镀金属反射镜；其中，n极金属非闭合的围设于p极金属周围，温度传感器非闭合的围设n极金属周围，温度传感的两端、P 极金属和 n 极金属分别通过线路与 PAD 部分连接；在长好外延层的透明衬底背面依次设置滤波层和微电极层；之后，对整个器件进行封装，仅仅使光电极的 PAD、微电极的尖端与 PAD 三个部分暴露在外面。
2.根据权利要求 1 所述的集光电极与微电极为一体的集成式生物芯片，其特征在于：采用透明衬底，其中透明衬底的材料为 Al2O3、ZnO 或 SiC；正面光电极 p 极金属采用透光率高的导电材料；其中 p 极金属材料为 ITO、IZO、GZO、AZO、 AGZO、IGZO；ITO 透明电极的生长方法为电子束蒸发、金属有机化学气相沉积或磁控溅射。
3.根据权利要求 1 所述的集光电极与微电极为一体的集成式生物芯片，其特征在于：使用金属反射镜提高衬底背面的出光效率；其材料为金、银、铝或铜；温度传感器的材料是电阻值随温度直线性变化的金属。
4.根据权利要求 1 所述的集光电极与微电极为一体的集成式生物芯片，其特征在于：所述的荧光粉的材料为 YAG 荧光粉、TAG:Ce 荧光粉、铝酸盐、硅酸盐、氮化物以及氮氧化物荧光材料；荧光粉层的制作方法为直接贴上含有荧光粉的贴片、点胶法制备荧光粉膜或旋涂法制备荧光粉膜。
5.根据权利要求 1 所述的集光电极与微电极为一体的集成式生物芯片，其特征在于：微电极尖端部分采用透明金属，从而提高出光率；或者采用非透明金属，利用各微电极之间的间隙来透光。
6.根据权利要求1所述的集光电极与微电极为一体的集成式生物芯片，其特征在于：滤波层为布拉格反射镜，金属反射镜与布拉格反射镜采用蒸镀、生长的方式或者贴上含有同等反射功能的薄贴片；其中布拉格反射镜的材料为SiO2/TiO2、AlInN/GaN、AlInN/AlN或SiGe/Si。
7.权利要求 1 所述的集光电极与微电极为一体的集成式生物芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在长好 LED 的蓝宝石衬底上利用 ICP 干法刻蚀，刻蚀出P 型台，接着利用 PECVD沉积掩膜介质层，刻蚀出 P 型与 N 型窗口，分别蒸镀上电极金属；(2) 在掩膜介质层上通过光刻、整面蒸镀金属、剥离或腐蚀的方式得到线路与 PAD 部分；(3)在掩膜介质层上通过光刻、整面蒸镀金属、剥离或腐蚀的方式得到温度传感器； (4)沉积掩膜介质层，并旋涂或滴涂荧光粉层于 P 极金属、n 极金属上方，之后再制作金属反射镜；(5)整面涂上保护层材料，并将制备好的样品翻至背面，并对蓝宝石衬底进行减薄抛光；(6)在样品的背面，制作有滤波功能的布拉格反射镜；(7)在掩膜介质层上通过光刻、整面蒸镀金属、剥离或刻蚀的方式得到微电极；(8)器件的正反面均涂上保护层材料对器件进行封装，并让四个透明微电极尖端窗口及 PAD 窗口裸露出来。
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