CN108815714B - 一种可延展柔性的光电针灸器件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可延展柔性光电针灸器件的制备方法，包括以下步骤：步骤1、制备可延展柔性光电针灸探头阵列；步骤2、在可延展柔性光电针灸探头阵列的底面涂覆可延展柔性绝缘材料，完成封装，形成可延展柔性光电针灸器件。本发明还提供了一种可延展柔性光电针灸器件，其包括：可延展柔性光电针灸探头阵列、可延展柔性绝缘材料，可延展柔性绝缘材料涂覆在可延展柔性光电针灸探头阵列的表面。本发明是把传统的无机半导体器件和有机柔性可延展基底相结合的新型柔性无机集成器件，既保留了无机器件的诸多优点，又具备了柔性和可延展性以及防水、人体生物组织相容性等功能。

Description

一种可延展柔性的光电针灸器件及其制备方法

技术领域

本发明属于可穿戴半导体光电子器件技术和纳米材料技术领域，具体是一种基于无机半导体材料和有机可延展柔性基底集成的可延展柔性的光电针灸器件及其制备方法。

背景技术

我国传统中医中的针灸技术已遍布几乎所有的中医医院，传统针灸治疗按一定的穴位将针灸针刺入体内，多数使用的是不锈钢/银针或金针等，使用前需要消毒并且如果断裂会使针滞留体内，对人体造成二次伤害。另外我们知道光动力医疗领域是利用不同波长的光电器件与人体相互作用进行治疗。传统的光动力治疗仪是体积庞大，不便携的医疗仪器，只能在医院由医生进行。

发明内容

鉴于上述技术问题，本发明的目的在于提供一种可延展柔性的光电针灸器件及其制备方法。

本发明提出了一种全新的思路，制备出可贴附于人体的可延展柔性的光电针灸器件，比创可贴还柔软，且人体有很多不同曲率半径的表面，因此器件必须做成可延展的，传统的绑带及刚性器件已经不能满足要求。器件里面含米粒大小的核心元器件，可通过外界遥控发光并作用于人体穴位，可通过核心元器件的输出功率来及时调整作用深度，这样我们针灸时就不再需要刺入体内，进行无创的针灸治疗。

本发明的核心部件是一个光电发光器件，包括发光二极管或激光二极管，传统的二极管是刚性器件，众所周知，无机半导体器件具有亮度高、寿命长、稳定性好，尤其是迁移率和光电转换效率都是其无可比拟的优势。但缺点是刚性的，不具备可延展性。近年来，随着微纳加工技术和材料科学的迅猛发展，诸多柔性器件制备方法应运而生，本发明是把传统的无机半导体器件和有机柔性可延展基底相结合的新型柔性无机集成器件，既保留了无机器件的诸多优点，又具备了柔性和可延展性以及防水、人体生物组织相容性等功能。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

根据本发明的一个方面，提供了一种可延展柔性光电针灸器件的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、制备可延展柔性光电针灸探头阵列；

步骤2、在可延展柔性光电针灸探头阵列的底面涂覆可延展柔性绝缘材料，完成封装，形成可延展柔性光电针灸器件。

优选地，步骤1包括以下步骤：

步骤11、利用外延生长技术，在半导体衬底上生长光电器件外延结构。

步骤12、清洗外延结构，生长刻蚀掩膜层，光刻形成面阵器件的光刻胶和掩膜层图形，腐蚀出阵列台面。

步骤13、生长钝化层，完成有源区的保护。

步骤14、电极开孔，金属图形化，退火合金化之后形成欧姆接触。

步骤15、腐蚀多余N型接触层，形成具有单元结构形状的基片。

步骤16、采用光刻剥离或金属刻蚀的方式进行面阵器件的互连走线，形成绝缘层-电极-绝缘层金属互连结构，两个绝缘层分别为第一可延展柔性绝缘材料、第二可延展柔性绝缘材料。

步骤17、涂覆第三可延展柔性绝缘材料，将单元结构和互连结构包裹。

步骤18、去除衬底和界面结构层。

优选地，在步骤11中，所述外延结构从上至下依次为：P型接触层、电流扩展层、P型限制层、功能层、N型限制层、N型接触层、界面结构层；其中，电流扩展层、P型限制层、功能层、N型限制层构成有源区。

优选地，半导体衬底的材料为：GaAs、AlGaAs、AlGaInP、GaP、InP或Gasb。

优选地，在步骤12中，所述阵列台面为环形结构，环形结构的内环为圆形，环形结构的外环为圆形、方形、五边形或六边形。

优选地，在步骤16中，在基片上涂覆第一可延展柔性绝缘材料；然后在涂覆有第一可延展柔性绝缘材料的基片上进行阵列的金属互连走线，根据应用需要使阵列的各光电器件之间形成串并联的电极连接，金属导线的形状为二维走线形式或三维立体走线形式；互连线定义好之后，再在基片上涂覆第二可延展柔性绝缘材料。

优选地，所述二维走线形式包括蛇形、自相似、拱桥形。

优选地，所述金属包括金、AuGeNi合金材料，金属的厚度介于100nm和300nm之间。

优选地，第一可延展柔性绝缘材料、第二可延展柔性绝缘材料、第三可延展柔性绝缘材料、可延展柔性绝缘材料为：含有萘醌及其衍生物的光刻胶、聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷、脂肪族或芳香族无规共聚聚酯、聚丙烯酸酯中的一种或多种。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种可延展柔性光电针灸器件，其包括：可延展柔性光电针灸探头阵列、可延展柔性绝缘材料，可延展柔性绝缘材料涂覆在可延展柔性光电针灸探头阵列的表面。

从上述技术方案可以看出，本发明一种可延展柔性的光电针灸器件及其制备方法至少具有以下有益效果其中之一：

(1)本发明的光电针灸器件具有一定的可延展柔性，可以贴附于人体的表面，穿戴方便，并且针灸时不再需要刺入体内，进行无创的针灸治疗；

(2)本发明是把传统的无机半导体器件和有机柔性可延展基底相结合的新型柔性无机集成器件，既保留了无机半导体器件的诸多优点，又具备了柔性和可延展性以及防水、人体生物组织相容性等功能。

附图说明

图1是本发明实施例中在衬底上生长适用于可延展柔性光电针灸器件的外延结构示意图。

图2是本发明实施例中在外延结构上进行掩膜图形制备的示意图。

图3是本发明实施例中对外延进行刻蚀到N型接触层的示意图。

图4是本发明实施例中在已刻蚀到N型接触层后的外延结构上进行钝化层制备的示意图。

图5是本发明实施例中在N、P接触层上生长金属电极后的示意图。

图6是本发明实施例中去除多余N接触层后的光电针灸阵列的示意图。

图7是本发明实施例中在针灸阵列表面涂覆一层绝缘层的示意图。

图8是本发明实施例中制备完柔性绝缘材料-金属互连材料-柔性绝缘材料多层互连结构后的示意图。

图9是本发明实施例中涂覆可延展柔性绝缘材料后的示意图。

图10是本发明实施例中去除衬底和界面结构层后的示意图。

图11是本发明实施例中制备完可延展柔性材料光电针灸器件的结构示意图；

【主要元件】

1-衬底；

2-界面结构层；

3-N型接触层；

4-有源区；

5-P型接触层；

6-光刻胶掩膜；

7-钝化层；

8-N电极；

9-P电极；

10-第一可延展柔性绝缘材料；

11-金属；

12-第二可延展柔性绝缘材料；

13-第三可延展柔性绝缘材料；

14-可延展柔性绝缘材料。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明提供了一种基于无机半导体材料的可延展柔性光电针灸器件的制备方法，如图1-11所示。该方法具体包括以下步骤：

步骤1、制备可延展柔性光电针灸探头阵列；

步骤2、在可延展柔性光电针灸探头阵列的底面涂覆可延展柔性绝缘材料，完成封装，形成可延展柔性光电针灸器件。

在其中一个具体实施例中，步骤1具体包括以下步骤：

步骤11、利用外延生长技术，在半导体衬底上生长光电器件外延结构。

步骤12、清洗外延结构，生长刻蚀掩膜层，光刻形成面阵器件的光刻胶和掩膜层图形，腐蚀出阵列台面。

步骤13、生长钝化层，完成有源区的保护。

步骤14、电极开孔，金属图形化，退火合金化之后形成欧姆接触。

步骤15、腐蚀多余N型接触层，形成具有单元结构形状的基片。

步骤16、采用光刻剥离或金属刻蚀的方式进行面阵器件的互连走线，形成绝缘层-电极-绝缘层金属互连结构，两个绝缘层分别为第一可延展柔性绝缘材料、第二可延展柔性绝缘材料。

步骤17、涂覆第三可延展柔性绝缘材料，将单元结构和互连结构包裹。

步骤18、去除衬底和界面结构层。

在步骤11中，光电器件可以为发光二极管LED或激光二极管。使用材料生长技术，依次在半导体传统刚性衬底上生长界面结构层(牺牲层，腐蚀停止层)、N型接触层、有源区、P型接触层，比传统光电二极管增加了一层或几层界面结构层；以GaAs衬底1为例，对衬底进行标准化清洗后，生长外延结构。外延结构沿生长方向从下到上依次为AlAs界面结构层2、N型接触层3、有源区4、P型接触层5；如图1所示，有源区4从下到上依次包括N型限制层、功能GaAs层、P型限制层、电流扩展层，在后续的处理过程中，针对这个外延层的处理是一致的；其中N型接触层、P型接触层为重掺杂，N型限制层和P型限制层为轻掺杂，功能层背景掺杂。作为一种具体的实施方式，无机半导体衬底的材料包括GaAs、AlGaAs、AlGaInP、GaP、InP或Gasb。

在步骤12中，将外延生长的具有界面结构层2的外延结构，置于丙酮和无水乙醇中超声5分钟(温度55℃)；再用去离子水冲洗20遍；氮气吹干，完成外延结构的清洗。采用光刻技术，经过旋涂光刻胶、前烘、曝光、后烘、显影，在外延结构形成圆环形图形化的光刻胶掩膜6，如图2所示，圆环内环半径为10微米，外环半径为80微米；采用ICP刻蚀至N型接触层3上表面；完成清洗光刻胶，如图3所示。环形图形的内环为圆形，外环除了为圆形外，还可以是方形、五边形、六边形。

在步骤13中，生长二氧化硅，并通过光刻形成光刻胶掩膜，RIE刻蚀二氧化硅，制备侧面和表面二氧化硅钝化层7；置于丙酮和无水乙醇中超声5分钟(温度55℃)；再用去离子水冲洗20遍；氮气吹干，完成清洗光刻胶，如图4所示。

在步骤14中，刻蚀二氧化硅钝化层7，进行电极开孔；溅射金属金锗镍30nm、金100nm；置于丙酮中浸泡30分钟，使用功率为40w的超声清洗机进行超声剥离，时间30秒，直至金完全剥离，得到完好的金属电极图形；金属电极包括N电极8和P电极9，P电极9位于光电器件上台面上，N电极8位于上台面附近刻蚀露出的N型接触层3上表面；对于圆环形台面，采用圆环形的电极结构，符合光电器件科学设计，利于光电器件相对均匀的复合发光；完成超声剥离，依次置于丙酮和无水乙醇中超声3分钟；用去离子水冲洗20遍；使用快速退火炉进行20秒升温至170℃，保持20秒，10秒升温至335℃保持5秒，10秒升至450℃，保持60秒，60秒时间下降至100℃，100℃之后取出，得到光电器件单元片；完成退火合金化，形成欧姆接触，如图5所示；

在步骤15中，采用比台面更大的图形包含下层电极区域，形成完整的单元结构台面，并用光刻胶或二氧化硅进行保护。对保护后基片进行刻蚀，通过ICP或湿法腐蚀将单元结构突显出来，反应停止在界面结构层2上表面，形成具有单元结构形状的基片，如图6所示。

在步骤16中，对步骤15形成的基片进行第一可延展柔性绝缘材料10的覆盖，并在该材料上定义电极接触和互连走线。然后将绝缘材料刻蚀为互连线包层。

可延展柔性绝缘材料例如聚酰亚胺(PI)可以通过旋涂的方式对基片外延结构进行覆盖，如图7所示。将聚酰亚胺涂敷在基片上，进行4000转/分的匀胶30秒，然后在140℃下烘烤1小时，可以获得2μm左右的PI。并且该条件制备的PI可以被碱性显影液腐蚀，制备电极窗口的显影和腐蚀可以一步完成。例如，采用2μm厚的AZ5214反胶作为掩膜时，显影18s可以获得较好的电极窗口图形，PI的钻蚀也在可控范围内。

在柔性可延展的有机基片上进行阵列的金属互联走线。在PI上暴露出电极窗口后，由于窗口侧壁为正台型，因此通过金属溅射可以对电极窗口形成互连。溅射200nm的金11后，通过光刻、腐蚀制备互连走线。其中，P型接触为正极，N型接触为负极，根据应用需要使阵列的各光电器件之间形成串并联的电极连接，金属导线的形状包括多种可延展的特点，如蛇形，自相似，拱桥形等二维和三维立体走线形式。注意示意图只是结构示意，并不代表实际互连方式。金属除了为金外，还可以是AuGeNi合金材料，金属的厚度介于100nm和300nm之间。

互连线定义好之后，再在基片上用相同的方法制备一层较厚的PI 12，即第二可延展柔性绝缘材料，形成PI-Au-PI(10-11-12)的三层结构，用于对互连线形成包层结构，进行力学和电学的隔离。再通过光刻工艺，将PI层刻蚀为包裹单元结构、导线结构的整体包裹型结构，其中部分留空，如图8所示。在金属走线之前和之后分别淀积柔性可延展的有机基底，空间上包裹金属的弯曲，并给金属的弯曲留下变形空间。

在步骤17中，在步骤16形成的基片上，涂覆第三可延展柔性绝缘材料13，将单元结构和互连结构包裹起来。可延展柔性绝缘材料优选为PDMS。将PDMS和固化剂以重量比10:1的比例调兑，并浇筑在基片上，用低转速进行匀胶。然后在60℃下固化2.5小时，如图9所示。

在步骤18中，对衬底1和界面结构层2进行去除，得到具有可延展柔性的光电针灸探头阵列。对衬底进行机械减薄。根据工艺条件和柔性需要，单元结构一般保留10μm以内，即单元结构台面最高处和衬底距离为10μm以内。当采用了合适的界面结构层时，单元结构的刻蚀以到达界面结构层为止。将基片固定在磨抛机上，用机械磨抛的方式将衬底减薄至100μm左右，防止在后续步骤中减薄对柔性部分产生不利影响。然后，采用柠檬酸缓冲液+H₂O₂＝4:1的腐蚀液对衬底进行腐蚀。由于界面结构层很难被柠檬酸缓冲液腐蚀，因此对腐蚀液有很好的停止作用。将基片浸泡在腐蚀液中约1小时，观察到衬底被去除后即刻将剩余柔性部分取出，放置清水中处理。剩余的衬底在腐蚀液作用下会腐蚀掉，腐蚀反应将停在界面结构层，对于界面结构层，在10％HF的腐蚀液中漂洗数秒即刻去除。即可得到可延展柔性光电针灸探头阵列，如图10所示。衬底的去除包括机械磨抛、采用Ar离子刻蚀、反应离子刻蚀、等离子刻蚀或湿法刻蚀等方法。

在步骤2中，在步骤18得到的可延展柔性光电针灸探头阵列的基础上，在N型接触层3下面旋涂一层可延展柔性绝缘材料14，完成整个器件的封装，得到可延展柔性光电针灸器件，如图11所示。

在某一实施例中，第一可延展柔性绝缘材料、第二可延展柔性绝缘材料、第三可延展柔性绝缘材料、可延展柔性绝缘材料可以为：含有萘醌及其衍生物的光刻胶、聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷、脂肪族或芳香族无规共聚聚酯、聚丙烯酸酯中的一种或多种。

本发明提供了一种基于无机半导体材料的可延展柔性光电针灸器件，其包括：可延展柔性光电针灸探头阵列、可延展柔性绝缘材料，可延展柔性绝缘材料涂覆在可延展柔性光电针灸探头阵列的表面。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明可延展柔性的光电针灸器件及其制备方法有了清楚的认识。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

金属互联不仅仅是金或其合金，可以用石墨烯、银纳米线等来代替。

还需要说明的是，本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

综上所述，本发明提供一种可延展柔性的光电针灸器件及其制备方法。该制备方法包括：在无机半导体衬底上生长界面结构层；在界面结构层上继续生长发光二极管的有源区；对外延材料进行刻蚀加工；在外延材料的表面形成欧姆接触；对外延材料进行侧壁钝化和结构保护；在外延结构上制作互连结构；在外延结构上制备衬底去除时所用的固定结构；使用可延展柔性材料进行外延剥离，形成可延展柔性光电针灸探头。本发明选穴位方便、体积小、能耗小，适于长时间佩戴，治疗更有针对性和安全性。

应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。

再者，说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意含及代表该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能作出清楚区分。

应注意，贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在以下描述中，一些具体实施例仅用于描述目的，而不应该理解为对本发明有任何限制，而只是本发明实施例的示例。在可能导致对本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。应注意，图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本发明实施例的内容。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种可延展柔性光电针灸器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、制备可延展柔性光电针灸探头阵列，其包括以下步骤：

步骤11、利用外延生长技术，在半导体衬底上生长光电器件外延结构；

步骤12、清洗外延结构，生长刻蚀掩膜层，光刻形成面阵器件的光刻胶和掩膜层图形，腐蚀出阵列台面；

步骤13、生长钝化层，完成有源区的保护；

步骤14、电极开孔，金属图形化，退火合金化之后形成欧姆接触；

步骤15、腐蚀多余N型接触层，形成具有单元结构形状的基片；

步骤16、采用光刻剥离或金属刻蚀的方式进行面阵器件的互连走线，形成绝缘层-电极-绝缘层金属互连结构，两个绝缘层分别为第一可延展柔性绝缘材料、第二可延展柔性绝缘材料；

步骤17、涂覆第三可延展柔性绝缘材料，将单元结构和互连结构包裹；

步骤18、去除衬底和界面结构层；

步骤2、在可延展柔性光电针灸探头阵列的底面涂覆可延展柔性绝缘材料，完成封装，形成可延展柔性光电针灸器件。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤11中，所述外延结构从上至下依次为：P型接触层、电流扩展层、P型限制层、功能层、N型限制层、N型接触层、界面结构层；其中，电流扩展层、P型限制层、功能层、N型限制层构成有源区。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤11中，半导体衬底的材料为：GaAs、AlGaAs、AlGaInP、GaP、InP或Gasb。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤12中，所述阵列台面为环形结构，环形结构的内环为圆形，环形结构的外环为圆形、方形、五边形或六边形。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤16中，在基片上涂覆第一可延展柔性绝缘材料；然后在涂覆有第一可延展柔性绝缘材料的基片上进行阵列的金属互连走线，根据应用需要使阵列的各光电器件之间形成串并联的电极连接，金属导线的形状为二维走线形式或三维立体走线形式；互连线定义好之后，再在基片上涂覆第二可延展柔性绝缘材料。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述二维走线形式包括蛇形、自相似、拱桥形。

7.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于，所述金属包括金、AuGeNi合金材料，金属的厚度介于100nm和300nm之间。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，第一可延展柔性绝缘材料、第二可延展柔性绝缘材料、第三可延展柔性绝缘材料、可延展柔性绝缘材料为：含有萘醌及其衍生物的光刻胶、聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷、脂肪族或芳香族无规共聚聚酯、聚丙烯酸酯中的一种或多种。

9.一种根据权利要求1-8任一项所述的制备方法制备的可延展柔性光电针灸器件，其包括：可延展柔性光电针灸探头阵列、可延展柔性绝缘材料，可延展柔性绝缘材料涂覆在可延展柔性光电针灸探头阵列的表面。

Images