DE102020132756B3

DE102020132756B3 - Ferroelektrischer Biochip

Info

Publication number: DE102020132756B3
Application number: DE102020132756.0A
Authority: DE
Inventors: Maximilian Becker; Claus Burkhardt
Original assignee: NMI Naturwissenschaftliches und Medizinisches Institut
Current assignee: NMI Naturwissenschaftliches und Medizinisches Institut
Priority date: 2020-12-09
Filing date: 2020-12-09
Publication date: 2022-03-24
Anticipated expiration: 2040-12-10
Also published as: WO2022122756A1; EP4260055A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Biochip (13) mit mindestens einer Kopplungsanordnung (21) zur elektrischen Stimulation von biologischem Material (24) oder für elektrische Messungen an dem biologischen Material (24), wobei der Biochip (13) aufweist: eine Trägerstruktur (23), die an und/oder in der Kopplungsanordnung (21) angeordnet ist; und eine Schicht (17), deren eine Schichtfläche (19) an der Kopplungsanordnung (21) angeordnet ist, und deren gegenüberliegende Schichtfläche eine Kopplungsfläche (15) zur Stimulation des biologischen Materials (24) und/oder zur Messung an dem biologischen Material (24) bildet. Um eine verbesserte Stimulationseffizienz des Biochips (13) zu erzielen, wird vorgeschlagen, dass die Schicht (17) ferroelektrische Eigenschaften aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Biochip mit mindestens einer Kopplungsanordnung zur elektrischen Stimulation von biologischem Material oder für elektrische Messungen an dem biologischen Material.
Aus dem Patent EP 1 478 737 B1 ist ein Biochip bekannt, der zur kapazitiven Stimulation und/oder Detektion biologischer Gewebe eingerichtet ist. Zur Verbesserung der Ankopplungseffizienz der in diesem Biochip vorgesehenen rein kapazitiven Kopplung wird vorgeschlagen, ein Dielektrikum mit einer möglichst hohen relativen Dielektrizitätskonstanten ε_r, nämlich TiO₂, zu verwenden.
EP 1 085 319 A1 offenbart eine Vorrichtung auf Basis von organischem Material zur Erfassung eines Probenanalyts. DE 103 51 201 B3 offenbart eine Sensorvorrichtung mit Waferbondverbindungsaufbau und Herstellungsverfahren derselben. DE 102 51 243 B3 offenbart einen Biochip zur kapazitiven Stimulation und/oder Detektion biologischer Gewebe sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung. US 2002/ 0 076 561 A1 offenbart einen festen Träger für die Immobilisierung von Oligonukleotiden.
Ferner existieren Halbleiterbauelemente, die Bereiche aus einem ferroelektrischen Material aufweisen. Entsprechende Herstellungsprozesse sind ebenfalls bekannt. Ein Beispiel für ein solches Halbleiterbauelement ist der ferroelektrische Feldeffekttransistor (FeFET). Angewendet werden solche Halbleiterbauelemente beispielsweise um nichtflüchtige Halbleiterspeicher herzustellen.
Trotz der erreichten Fortschritte im Bereich der Biochips mit rein kapazitiver Kopplung, reicht deren Stimulationseffizienz in der Regel nicht aus, um beispielsweise Mikroelektroden-Arrays (MEAs) oder elektrisch aktive Implantate mit einer hohen räumlichen Dichte von Elektroden zu realisieren. Die Stimulationseffizienz bestimmt die minimale Fläche der einzelnen Elektroden, für die eine wirksame elektrische Stimulation des biologischen Materials, welches Nervenzellen enthalten kann, praktisch möglich ist.
Die Aufgabe der vorliegen Erfindung ist somit einen Biochip mit verbesserter Stimulationseffizienz bereitzustellen, mit dem beispielsweise Mikroelektroden-Arrays oder elektrisch aktive Implantate mit hoher Dichte von Elektroden realisiert werden können, wobei auch elektrochemische Degradationsprozesse an den Elektroden unterbunden werden sollten.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Biochip mit mindestens einer Kopplungsanordnung zur elektrischen Stimulation von biologischem Material oder zum elektrischen Messen an dem biologischen Material, vorgeschlagen, wobei der Biochip aufweist: eine Trägerstruktur, die an und/oder in der mindestens einen Kopplungsanordnung angeordnet ist; und eine Schicht, deren eine Schichtfläche an der Kopplungsanordnung angeordnet ist, und deren gegenüberliegende Schichtfläche eine Kopplungsfläche zur elektrischen Stimulation des biologischen Materials und/oder für elektrische Messungen an dem biologischen Material bildet; der dadurch gekennzeichnet ist, dass die Schicht ferroelektrische Eigenschaften aufweist. Anders ausgedrückt, weist die Schicht eines solchen Biochips einen nichtlinearen und/oder hysteretischen Zusammenhang zwischen einem elektrischen Feld E innerhalb der Schicht und einer elektrischen Verschiebungsdichte D auf, welcher durch das Vorhandensein einer ferroelektrischen Polarisation P^(FE) innerhalb der Schicht hervorgerufen wird. Dieses nichtlineare und hysteretische Verhalten dieses Zusammenhangs D(E) wird auch als ferroelektrisches Verhalten bezeichnet. In diesem Sinne gehören zu Materialien mit ferroelektrischen Eigenschaften auch antiferroelektrische Materialien, ferrielektrische Materialien, multiferroische Materialien oder Relaxor-ferroelektrische Materialien. Die Schicht kann also ferroelektrische, antiferroelektrische, ferrielektrische und/oder Relaxor-ferroelektrische Materialien aufweisen oder auch aus einem dieser Materialien gebildet sein.
Die Erfinder haben erkannt, dass die Schicht mit den ferroelektrischen Eigenschaften einen zusätzlichen Beitrag zur elektrischen Stimulation des biologischen Materials bewirkt, welche von der ferroelektrischen Polarisation in der Schicht herrührt. Dieser zusätzliche Beitrag tritt neben einen durch die bekannte rein kapazitive Stimulation bedingten Beitrag. Der zusätzliche Beitrag kann in vielen Fällen sogar höher sein als der Beitrag der rein kapazitiven Kopplung.
Die Schicht kann beispielsweise Hafniumoxid (HfO₂) mit ferroelektrischen Eigenschaften aufweisen oder daraus gebildet sein. Derartiges ferroelektrisches Hafniumoxid ist kompatibel mit bekannten Halbleiterprozessen, wie beispielsweise der CMOS-Technik, sodass eine einfache Herstellung des Biochips möglich ist.
Eine weitere Verbesserung der Eigenschaften des Biochips und/oder eine Vereinfachung des Herstellungsverfahrens kann durch Dotierung von Hafniumoxid erzielt werden, beispielsweise, wenn das Hafniumoxid mit ferroelektrischen Eigenschaften mit Silizium dotiert ist. Alternativ hierzu kann das Hafniumoxid auch mit einem der folgenden Materialien dotiert sein: Aluminium (Al), Germanium (Ge), Yttrium (Y), Gadolinium (Gd), Lanthan (La) oder Strontium (Sr).
Beispielsweise kann das Hafniumoxid mit ferroelektrischen Eigenschaften auch mit Zirkonium (Zr) dotiert sein. Das heißt, dass die Schicht ein Material der Klasse Hf_1-xZr_xO₂ aufweist oder aus einem solchen gebildet ist.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem Material um Hf_0.5Zr_0.5O₂. Dieses Material hat eine hohe remanente Polarisation P_r im Vergleich zu anderen Dotierungen mit Zirkonium, wodurch der oben beschriebene zusätzliche Beitrag zur elektrischen Stimulation von biologischem Material besonders ausgeprägt ist.
Es kann auch vorgesehen sein, dass die Schicht Zirkonoxid (ZrO₂) mit ferroelektrischen Eigenschaften aufweist oder aus solchem gebildet ist.
Ferner kann vorgesehen werden, dass die Schicht Aluminiumscandiumnitrid mit ferroelektrischen Eigenschaften aufweist oder aus Aluminiumscandiumnitrid gebildet ist. Unter Aluminiumscandiumnitrid sind Materialien der Klasse Al_1-xSC_xN zu verstehen. Diese Materialklasse ist einerseits kompatibel zu gängigen Herstellungsverfahren, mit denen auch CMOS-Schaltungen hergestellt werden, und weist andererseits eine besonders hohe remanente Polarisation von über 100 µC/cm² auf.
Die Anwendbarkeit der hier beschriebenen technischen Lehre ist nicht auf Materialien mit rein ferroelektrischen Eigenschaften beschränkt. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Schicht multferroische Eigenschaften aufweist. Die Schicht kann also ein multiferroisches Material aufweisen oder aus einem solchen gebildet sein. Bei dem multiferroischen Material kann es sich beispielsweise um Bismutferrit (BiFeO₃) handeln.
Insbesondere im Falle der elektrischen Stimulation des biologischen Materials kann eine Dicke der Schicht größer als 200 nm sein und hierbei vorzugsweise im Bereich zwischen 200 nm und 1500 nm, insbesondere zwischen 500 nm und 1500 nm oder zwischen 200
nm und 800 nm, liegen. Anders als bei bekannten Biochips, die eine ausschließlich kapazitive Kopplung aufweisen und somit auf eine möglichst geringe Schichtdicke zur Erzielung einer möglichst großen Kopplungskapazität angewiesen sind, kann bei dem hier beschriebenen Biochip die Schichtdicke relativ hoch gewählt werden und trotzdem eine gute Stimulationseffizienz erzielt werden. Die hohe Schichtdicke gewährleistet eine gute elektrische Isolierung zwischen Biochip und biologischem Material, d. h. geringe Leckströme. Ferner ist ein Biochip mit einer vergleichsweise großen Schichtdicke langzeitstabiler.
Wenn die Trägerstruktur ein Substrat aus einem Halbleitermaterial aufweist oder aus einem solchen gebildet ist, kann der Biochip einfach mit aus der Halbleitertechnik bekannten Herstellungsprozessen hergestellt werden. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Trägerstruktur mindestens eines der folgenden Materialien aufweist oder daraus gebildet ist: Polyimid, Epoxidharz, Parylene. Diese Materialien sind biokompatibel und deshalb zur Herstellung des Biochips besonders geeignet. Es können aber auch andere biokompatible und/oder dielektrische Materialien verwendet werden.
Insbesondere wenn der Biochip (auch) für elektrische Messungen an dem biologischen Material eingerichtet ist, kann die Schicht einen Teil eines ferroelektrischen Feldeffekttransistors (FeFET) des Biochips bilden. Der FeFET kann hierbei einen Teil einer Eingangsstufe einer entsprechenden Messschaltung bilden. Es kann auch vorgesehen sein, dass der FeFET zu einem künstlichen Neuron gehört. Dieses kann zum Beispiel mit einem im biologischen Material vorhandenen biologischen Neuron gekoppelt sein.
Hierbei kann vorgehen werden, dass die Kopplungsfläche eine Gate-Elektrode des ferroelektrischen Feldeffekttransistors aufweist oder eine solche bildet. Hierbei kann die Schicht einer ferroelektrisch wirkenden Isolierschicht des FeFETs entsprechen. Alternativ ist auch ein mehrschichtiger Aufbau des Gate-Bereichs des FeFETs denkbar, wobei der Gate-Bereich die ferroelektrische Schicht und eine weitere Schicht umfasst, bei der es sich um eine Isolierschicht handeln kann.
Beispielsweise kann der der Biochip mehrere voneinander getrennte Kopplungsflächen unterschiedlicher Kopplungsanordnungen des Biochips aufweisen. Hierbei kann jeweils einer Kopplungsanordnung je eine Kopplungsfläche zugeordnet sein. Auf diese Weise kann ein mehrkanaliger Biochip bereitgestellt werden. Die Kopplungsflächen können beispielsweise entlang einer Linie oder in einem Raster angeordnet sein. Ein solcher Biochip kann mehrere voneinander getrennte Schichten mit ferroelektrischen Eigenschaften aufweisen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zum Herstellen eines Biochips mit mindestens einer Kopplungsanordnung zur elektrischen Stimulation von biologischem Material oder für elektrische Messungen an dem biologischen Material vorgeschlagen, wobei das Verfahren aufweist: Anordnen einer Trägerstruktur an und/oder in die Kopplungsanordnung; und Herstellen einer Schicht derart, dass deren eine Schichtfläche an der Kopplungsanordnung angeordnet ist, und deren gegenüberliegende Schichtfläche eine Kopplungsfläche zur elektrischen Stimulation des biologischen Materials und/oder für elektrische Messungen an dem biologischen Material bildet, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass die Schicht als Schicht mit ferroelektrischen Eigenschaften hergestellt wird. Mit einem solchen Verfahren lassen sich die oben im Zusammenhang mit dem Biochip beschriebenen Vorteile realisieren. Die Merkmale des Biochips können in entsprechender Weise in dem Verfahren vorgesehen werden.
Eine weitere Ausführungsform umfasst ein elektrisch aktives Implantat mit dem hier beschriebenen Biochip.
Bei dem Implantat kann es sich zum Beispiel um ein Retina-Implantat, ein Cochlea-Implantat, ein Implantat zur Tiefenhirn-Stimulation und/oder ein Implantat zum Bereitstellen eines Brain-Machine-Interface handeln. Generell können Implantate zur Stimulation von Nervenzellen und/oder für Messungen an Nervenzellen vorgesehen werden, wobei solche Implantate mindestens einen hier beschriebenen Biochip aufweisen.
Als noch weitere Ausführungsform wird eine In-Vitro-Anordnung mit einem hier beschriebenen Biochip und einer Elektrolytaufnahme, das heißt einer Anordnung zur Aufnahme eines Elektrolyten offenbart, wobei die Elektrolytaufnahme zum Anordnen des Elektrolyts an mindestens einer Kopplungsfläche des Biochips zur elektrischen Stimulation des biologischen Materials und/oder zum elektrischen Messung an dem biologischen Material eingerichtet ist.
Hiermit kann eine In-Vitro-Anordnung bereitgestellt werden, die mindestens ein biologisches Neuron und mindestens ein künstliches Neuron aufweist. Das biologische Neuron kann beispielsweise durch eine Nervenzelle des im Elektrolyt befindlichen biologischen Materials gebildet werden. Das künstliche Neuron kann einen FeFET umfassen, der Teil des Biochips sein kann und wie oben beschrieben ausgeführt sein kann.
Das Implantat oder die In-Vitro-Anordnung kann einen vom Biochip getrennten Halbleiterchip aufweisen, wobei ein Anschluss des Halbleiterchips über eine Leiterbahn mit einer an die Schichtfläche angrenzenden Elektrodenschicht elektrisch verbunden ist und die Leiterbahn und der Biochip auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind.
Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der folgenden Beschreibung. Hierbei zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Anordnung mit einem Biochip;
2 den Grundaufbau des Biochips aus 1;
3 eine Stimulationseinrichtung des Biochips aus 1;
4 eine Darstellung der Funktionsweise der Stimulationseinrichtung aus 3;
5 eine graphische Darstellung des zeitlichen Verlaufs eines möglichen Spannungssignals U(t) für die Stimulationseinrichtung aus 3;
6 eine graphische Darstellung des nichtlinearen und hysteretischen Zusammenhangs D(E) zwischen elektrischem Feld und elektrischer Verschiebungsdichte einer ferroelektrischen Schicht des Biochips;
7 eine ähnliche Darstellung wie in 6, jedoch für den Fall einer antiferroelektrischen Schicht;
8 eine Messeinrichtung des Biochips aus 1;
9 eine weitere Messeinrichtung des Biochips aus 1; und
10 eine Biochip-Anordnung mit einer Messeinrichtung.

1 zeigt eine Anordnung 11 mit einem Biochip 13. In dem gezeigten Beispiel weist die Anordnung lediglich einen Biochip 13 auf. Es ist jedoch auch möglich, mehrere Biochips, vorzugsweise in einem Raster nebeneinander angeordnet, an oder in der Anordnung 11 vorzusehen. Die Anordnung 11 weist mehrere Kopplungsflächen 15 auf. Je nach genauer Ausgestaltung kann mindestens eine dieser Kopplungsflächen 15 zur elektrischen Stimulation von biologischem Material, insbesondere einer darin befindlichen Nervenzelle, eingerichtet sein. Außerdem kann mindestens eine dieser Kopplungsflächen 15 für elektrische Messungen an dem biologischen Material, insbesondere einer darin befindlichen Nervenzelle, eingerichtet sein. Der Biochip 13 kann also mehrere Kopplungsflächen 15 aufweisen, wobei jede Kopplungsfläche 15 genau einer Kopplungsanordnung 21 des Biochips 13 zugeordnet ist. Die Kopplungsflächen 15 und/oder die Kopplungsanordnungen 21 können entlang einer Linie oder, wie in 1 dargestellt, in einem Raster angeordnet sein.
Bei der Anordnung 11 kann es sich beispielswiese um ein elektrisch aktives Implantat wie etwa eine Neuroprothese handeln. Die Anordnung kann ein Cochlea- oder Retina-Implantat sein. Ferner kann es sich bei der Anordnung 11 um ein Implantat zur Tiefen-Hirnstimulation zur Behandlung von neurologischen Krankheitsbildern wie etwa der Parkinson-Krankheit handeln. Bei solchen Neuroprothesen 11 kann vorgesehen sein, dass alle Kopplungsflächen 15 des mindestens einen Biochips 13 zur Stimulation von Nervenzellen eingerichtet sind.
Alternativ dazu kann es sich bei der Anordnung um eine In-Vitro-Anordnung handeln, die ein Mikroelektrodenarray (MEA) aufweist, dessen Mikroelektroden den Kopplungsflächen 15 entsprechen. Eine solche In-Vitro-Anordnung kann mindestens ein biologisches Neuron, das durch eine im biologischen Gewebe befindliche Nervenzelle gebildet ist, und/oder mindestens ein künstliches Neuron, das zum Biochip 13 gehört, aufweisen. Eine solche Anordnung kann beispielsweise zum Studium neuronaler Netzwerke bzw. Nervengewebe angewendet werden. Das biologische Material kann sich in einem Elektrolyt befinden, der über eine geeignete Elektrolytaufnahme der Anordnung 11, wie beispielsweise einen Elektrolytbehälter 16, mit dem Biochip 13, insbesondere dessen Kopplungsflächen 15, in Kontakt gebracht werden kann.
Bekannte Anordnungen 11 (beispielsweise Neuroprothesen und nicht rein kapazitive MEAs) weisen elektrische leitfähige (metallische) Elektroden auf. Solche Elektroden ermöglichen einen hohen Ladungsübertrag pro Flächeneinheit (Stimulationseffizienz) von elektrischer Ladung zwischen dem biologischen Material und dem Biochip 11. Die große Stimulationseffizienz erlaubt es, die Fläche der einzelnen Elektroden klein zu halten, was wiederum eine hohe Flächendichte an Elektroden erlaubt. Allerdings ist zu beachten, dass ein zur erfolgreichen Stimulation von Nervenzellen erforderlicher Schwellenwert der an das Nervengewebe zu übertragenen Ladungsdichte von der Größe der Elektroden bzw. der Kopplungsflächen 15 abhängt.
Nachteilig an leitfähigen Elektroden ist, dass an der Grenzfläche Elektrode/Elektrolyt irreversible elektrochemische Prozesse in Form eines Faradayschen Stroms auftreten können, die zu einer Degradation der Elektrode oder zu Zellschäden im biologischen Material führen können. Die Faradayschen Ströme an den Elektroden können zumindest zu einem großen Teil vermieden werden, wenn ein Biochip mit rein kapazitiver Kopplung verwendet wird. Ein solcher Biochip weist üblicherweise leitfähige Bereiche (zum Beispiel p-dotierte Bereiche in Silizium) auf, die mit einer dielektrischen Schicht bedeckt sind, die die Faradayschen Ströme unterbindet. Die Stimulationseffizienz dieser Biochips ist aber relativ gering und wird insbesondere durch die relative Dielektrizitätskonstante der dielektrischen Schicht und deren Dicke bestimmt. Es wird somit versucht, Materialien mit einer möglichst hohen relativen Dielektrizitätskonstante zu verwenden und die Dicke der Schicht gering zu halten. Eine geringe Schichtdicke kann allerdings zu erhöhten Leckströmen führen, was dem Ziel der Reduktion irreversibler Prozesse entgegenwirkt.
Bei der hier beschriebenen Anordnung 11 weist der Biochip 13 mindestens eine Schicht 17 mit ferroelektrischen Eigenschaften auf, die durch die Kopplungsfläche 15 begrenzt wird.
Der Grundaufbau des Biochips 13 ist in 2 im Detail gezeigt. Man erkennt, dass eine der Kopplungsfläche 15 gegenüberliegende Schichtfläche 19 der Schicht 17 an eine Trägerstruktur 23 der Kopplungsanordnung 21 des Biochips 13 angrenzt. Die Kopplungsfläche 15 und die Schichtfläche 19 bilden gegenüberliegende Schichtflächen der Schicht mit ferroelektrischen Eigenschaften 17. Was die genaue Ausgestaltung der Trägerstruktur 23 angeht, besteht ein großer Gestaltungsspielraum. Beispielsweise kann die Trägerstruktur 23 wie in 2 dargestellt aus einer Schicht bestehen. Diese Schicht kann beispielsweise leitfähige Bereiche aufweisen, welche aus einem Halbleitermaterial bestehen, das, um eine gewünscht elektrische Leitfähigkeit zu erreichen, p-dotiert oder n-dotiert ist. Die Trägerstruktur 23 kann aber auch metallische Leiterbahnen aufweisen, welche in oder an der Trägerstruktur 23 angeordnet sind. Ferner kann die Trägerstruktur 23 aus einem flexiblen und biokompatiblen Material wie beispielsweise Polyimid bestehen.
Die Kopplungsfläche 15 der Schicht 17 begrenzt den Biochip zu einem Bereich 25 hin, in dem sich das biologische Material befindet. Das biologische Material kann sich in einem Elektrolyt 24 befinden. Der Biochip 13 und der Bereich 25 mit dem biologischen Material sind Bestandteile der Biochip-Anordnung 11. Das biologische Material kann mindestens eine Nervenzelle aufweisen, die ein biologisches Neuron bilden kann.
In dem gezeigten Beispiel bildet die Kopplungsfläche 15 eine Elektrode mit einer im Wesentlichen glatten Oberfläche. In einem nicht gezeigten Beispiel ist die Kopplungsfläche 15 so bearbeitet, dass sie einen erhöhten Flächeninhalt aufweist. Hierdurch kann eine aktiv wirksame Oberfläche vergrößert werden, um den Ladungsübertrag weiter zu steigern. Die Kopplungsfläche 15 kann insgesamt kreisförmig sein mit einem Durchmesser von 5 µm bis 200 µm, vorzugsweise 5 µm bis 100 µm, insbesondere 30 µm. Die Kopplungsfläche 15 kann auch eine andere Form, beispielweise eine Rechteck- oder Quadratform oder die Form eines sonstigen Polygons haben (vorzugsweise mit demselben Flächeninhalt wie die kreisförmige Kopplungsfläche). Sind mehrere Kopplungsflächen 15 pro Biochip 13 vorgesehen, können diese einen kleinsten Abstand von 5 µm bis 500 µm voneinander aufweisen.
3 zeigt einen Querschnitt eines Biochips, der zur elektrischen Stimulation des biologischen Materials eingerichtet ist. Die Trägerstruktur 23 weist hier zwei Schichten auf, nämlich eine direkt an die Schichtfläche 19 angrenzende elektrisch leitfähige Elektrodenschicht 27, die aus Metall oder dotiertem Halbleitermaterial gebildet sein kann, und eine an die Elektrodenschicht 27 angrenzende Substratschicht 29. Die Elektrodenschicht 27 liegt also zwischen der Schicht 17 und der Substratschicht 29. Die Elektrodenschicht 27 ist an der Schicht 17 angeordnet, sodass sie mit dem ferroelektrische Eigenschaften aufweisendem Material der Schicht 17 zusammenwirkt, insbesondere wenn eine sich zeitlich ändernde elektrische Spannung U(t) an die Elektrodenschicht 27 angelegt wird. Zum Anlegen der Spannung kann wie in 3 schematisch dargestellt eine geeignete Kontaktierung vorgesehen werden, über die eine Spannungsquelle 31 an die Elektrodenschicht 27 angeschlossen werden kann. Ferner kann die Biochip-Anordnung 11 eine Gegenelektrode 33 aufweisen, mit der das biologische Material und/oder der Elektrolyt 24 kontaktierbar sind.
Soll das sich im Elektrolyt 24 befindende biologische Material (z. B. eine Nervenzelle) stimuliert werden, wird eine elektrische Spannung U(t) an die als Elektrode wirkende Elektrodenschicht 27 und die Gegenelektrode angelegt. Anders als bei Vorrichtungen mit ausschließlich elektrisch leitfähigen Elektroden ist der Elektrolyt 24 gegenüber der Elektrodenschicht 27 elektrisch isoliert, sodass kein Gleichstrom fließen kann, der zu einem elektrochemischen Ladungstransport führt.
Wie in 4 dargestellt, kommt es infolge der zeitlichen Änderung der von der Spannungsquelle 31 erzeugten Spannung U(t) trotzdem zu einer Ladungsverschiebung bzw. einem Stromfluss im Elektrolyt 24, welcher zur elektrischen Stimulation des darin befindlichen biologischen Materials genutzt wird. Wie bei der rein kapazitiven Stimulation entspricht der Stromfluss im Elektrolyt einem Maxwellschen Verschiebungsstrom.
Die Verschiebungsstromdichte ist gegeben als die zeitliche Ableitung $J_{D} = \frac{\partial D}{\partial t} .$
Für ein Material mit ferroelektrischen Eigenschaften ist D(E) = ε₀ε_rE + P^(FE) (E), wobei ε₀ die Permittivität des Vakuums bezeichnet.
Im Falle einer ferroelektrischen Schicht setzt sich daher die Verschiebungsstromdichte $J_{D} = ε_{0} ε_{r} \frac{\partial}{\partial t} E + \frac{\partial}{\partial t} P^{(F E)} (E)$
im Elektrolyt 24 aus zwei Anteilen zusammen. Ein Anteil wird durch eine zeitliche Änderung der dielektrischen Polarisation P^(DE) verursacht, die ihrerseits von dem mit der Spannung U(t) korrespondierenden elektrischen Feld E(t) innerhalb der Schicht 17 verursacht wird. Diese rein dielektrische Verschiebungsstromdichte ist proportional zur Dielektrizitätskonstanten ε_r der Schicht 17 und bildet den einzigen Beitrag bei der rein kapazitiven Stimulation von biologischem Material. Bei einer Schicht mit ferroelektrischen Eigenschaften tritt jedoch ein weiterer Anteil hinzu, welcher von der zeitlichen Änderung der ferroelektrischen Polarisation P^(FE) verursacht wird, die ihrerseits ebenfalls von dem mit der Spannung U(t) korrespondierenden elektrischen Feld E(t) innerhalb der Schicht 17 verursacht wird. Für eine Schicht 17 der Dicke d (siehe 2), welche durch die beiden Schichtflächen 15, 19 begrenzt ist gilt dabei der Zusammenhang $E (t) = \frac{U (t)}{d} .$
5 zeigt exemplarisch den zeitlichen Verlauf eines bipolaren Spannungssignals in Form einer Sinusschwingung mit einer Frequenz f von 100 Hz und einer Amplitude U_max = -U_min, wobei ein Wert des Spannungssignals während seines zeitlichen Verlaufs einen Maximalwert U_max und einen Minimalwert U_min annimmt, welche einem Maximalwert E_max und einem Minimalwert E_min der korrespondirenden elektrischen Feldstärke E innerhalb der Schicht 17 entsprechen. Solche Spannungssignale können beispielsweise zur elektrischen Stimulation von elektrogenen Zellen eingesetzt werden, sie können aber auch dazu verwendet werden den nichtlinearen und hysteretischen Zusammenhang D(E) von Materialien mit ferroelektrischen Eigenschaften zu messen.
6 zeigt den typischen Verlauf des nichtlinearen und hysteretischen Zusammenhangs D(E) für ein ferroelektrisches Material. Durch das Anlegen einer Feldstärke E welche oberhalb der materialspezifischen Koerzitivfeldstärke E_C liegt kann die ferroelektrische Polarisation umgepolt werden. Nach Abschalten des elektrischen Felds bleibt die remanente Polarisation P_r = P^(FE)(0) erhalten, welche je nach Vorgeschichte die zwei Zustände +P_r und -P_r annehmen kann. Auf Basis dieser zwei stabilen Zustände basieren ferroelektrische Speicher.
7 zeigt den typischen Verlauf des nichtlinearen und hysteretischen Zusammenhangs D(E) für ein antiferroelektrisches Material. Die ferroelektrische Hysterese tritt hier erst ab einer kritischen Feldstärke E_CR auf. Nach Abschalten des elektrischen Felds verschwindet die elektrische Polarisation wieder.
Aus der Kenntnis des in 6 und 7 dargestellten nichtlinearen und hysteretischen Zusammenhangs D(E) eines Materials mit ferroelektrischen Eigenschaften lässt sich die Stimulationseffizienz quantifizieren. Wird die Stimulationseffizienz mit einer auf eine Flächeneinheit etwa der Kopplungsfläche 15 bezogenen übertragenen Ladungsdichte ρ_stim quantifiziert (hervorgerufen durch ein Spannungssignal U(t) wie beispielsweise das in 5 und gemessen z. B. in µC/cm²), ergibt sich der folgende allgemeine Zusammenhang ρ_stim = D(E_max) - D(E_min).
Bei der Umpolung eines ferroelektrischen Materials, welches beispielsweise die in 6 gezeigte Hystereskurve D(E) aufweist, folgt aus dem allgemeinen Zusammenhang für die Stimulationseffizienz
$ρ_{s t i m} = C_{s} (U_{m a x} - U_{m i n}) + 2 P_{r}$
Hierbei entspricht C_s der Kapazität pro Flächeneinheit (gemessen z. B. in µF/cm²) eines durch die beiden Schichtflächen 15, 19 gebildeten Plattenkondensators und P_r entspricht dem Betrag der remanenten Polarisation des ferroelektrischen Materials der Schicht 17.
Der von den ferroelektrischen Eigenschaften herrührender Anteil 2P_r der übertragenen Ladungsdichte ρ_stim ergibt sich dadurch, dass die von der Spannungsquelle 31 erzeugte Spannung U(t) eine Umpolung der remanenten Polarisation P_r in der Schicht 17 bewirkt. Zum Ansteuern des Biochips 13 kann die Amplitude des Spannungssignals U(t) so gewählt werden, dass die korrespondierende Feldstärke E in der Schicht 17 betragsmäßig mindestens so groß ist wie die Koerzitivfeldstärke E_C.
Die Schicht 17 kann aus Hafniumoxid (HfO₂) mit ferroelektrischen Eigenschaften oder dotiertem Hafniumoxid mit ferroelektrischen Eigenschaften bestehen oder selbiges zumindest enthalten.
Beispielsweise kann die Schicht 17 aus mit Zirkonium dotiertem Hafniumoxid (Hf_1-xZr_xO₂) bestehen oder selbiges zumindest enthalten. Für x = 0,5 ergibt sich Hf_0.5Zr_0.5O₂, mit dem sich die Schicht 17 mit einer Dicke von d = 9,5 nm herstellen lässt. Eine solche Schicht 17 hat folgende Eigenschaften bei U_min = 0V und U_max = IV: $\in_{r} = 40, C_{S} = 3,7 μ F / {cm}^{2}, E_{C} = 100 kV / cm, P_{r} = 16 μ C / {cm}^{2}, ρ_{s t i m} = 35,7 μ C / {cm}^{2}$
Man erkennt, dass der Anteil 2P_r in diesem Beispiel schon 32 µ C/cm2 beträgt also den durch die rein kapazitive Stimulation erzielten Anteil weit übersteigt.
Die Schicht 17 kann auch aus Aluminiumscandiumnitrid (Ai_1-xSC_xN) mit ferroelektrischen Eigenschaften bestehen oder selbiges zumindest enthalten. Dieses Material ist kompatibel mit Halbleiterherstellungsprozessen, die auch zum Herstellen von CMOS-Schaltungen verwendet werden. Wegen seiner relativ hohen remanenten Polarisation von über 100 µC/cm² ergeben sich übertragbare Ladungsdichten von mehr als 200 µC/cm².
Das Material, aus dem die Schicht 17 besteht oder das die Schicht 17 aufweist, kann darüber hinaus auch ein Antiferroelektrikum sein. Bei dem Material kann es sich beispielsweise um mit Silizium (Si) dotiertes Hafniumoxid (HfO₂) handeln. Antiferroelektrika weisen einen in 7 qualitativ dargestellten Verlauf D(E) auf.
Schließlich kann das Material, das die Schicht 17 aufweist oder aus dem die Schicht 17 besteht, auch multiferroische Eigenschaften aufweisen, d.h. sowohl ferroelektrisch als auch ferromagnetisch sein. Beispielsweise kann es sich hierbei um Bismutferrit (BiFeO₃) handeln.
Da die Stimulationseffizienz maßgeblich von den ferroelektrischen Eigenschaften bestimmt wird, kann die Dicke d der Schicht 17 vergleichsweise groß gewählt werden. Anstelle des oben gennannten Werts von d = 9,5 nm sind auch deutlich größerer Werte möglich, z. B. mehr als 200 nm, 200 nm bis 1500 nm, 200 nm bis 800 nm oder 500 nm bis 1500 nm.
8 zeigt einen Ausschnitt aus einem Biochip 13, der zum Durchführen von elektrischen Messungen an dem im Elektrolyt 24 befindlichen biologischen Material eingerichtet ist. Die Trägerstruktur 23 weist eine Substratschicht 29 aus Halbleitermaterial auf. In der Substratschicht 29 sind, vorzugsweise in einem Bereich, der an die Schicht 17 angrenzt, jeweils eine Drain-Zone 35 und eine Source-Zone 37 angeordnet. Die beiden Zonen 35, 37 sind voneinander beabstandet an der Schicht 17 angeordnet. Die beiden Zonen 35 und 37 können dadurch gebildet sein, dass das Halbleitermaterial dort bezüglich einer Dotierung der Substratschicht 17 außerhalb der Zonen 35, 37 entgegengesetzt dotiert ist. Beispielsweise können die beiden Zonen 35, 37 n-dotiert sein und der Rest der Substratschicht 29 kann p-dotiert sein (oder umgekehrt).
Die Substratschicht 29, die Drain-Zone 35 und die Schicht 17 bilden einen ferroelektrischen Feldeffekttransistor (FeFET). Die Kopplungsfläche 15 der Schicht 17 entspricht dabei einem Gate-Kontakt des FeFETs 39, der mit dem Elektrolyt 24 elektrisch verbunden ist. Die Schicht 17 bildet eine Isolierschicht des FeFETs 39, die mit einem Gate-Oxid eines klassischen MOSFETs vergleichbar ist. Die Drain-Zone 35, die Source-Zone 37 sowie die Substratschicht 29 sind mit entsprechenden Anschlüssen U_D, U_S und U_B des FeFETs 39 elektrisch verbunden, die jeweils einen Drain-Kontakt, einen Source-Kontakt und einen Bulk-Kontakt des FeFETs 39 bilden. Der Elektrolyt 24 kann mittels einer Referenzelektrode auf ein Bezugspotential, zum Beispiel ein Massepotential GND, gebracht sein. Hierbei kann vorgesehen sein, dass der Bulk-Anschluss U_B des FeFET sich auf demselben elektrischen Potential befindet wie der Elektrolyt 24 und/oder dass die Referenzelektrode in die Substratschicht 29 integriert ist.
Der FeFET 39 kann ein Teil einer Eingangsstufe der Biochip-Anordnung 11 bilden, die für elektrische Messungen an biologischem Material, insbesondere an darin enthaltenen Nervenzellen, ausgeführt ist. Ferner kann der FeFET 39 darüber hinaus ein Teil eines künstlichen Neurons sein. Insgesamt können mit Hilfe der Biochip-Anordnung 11 Untersuchungen an Nervengewebe vorgenommen werden. Die Biochip-Anordnung 11 kann für neuromorphes Computing verwendet werden. Außerdem kann es sich bei der Biochip-Anordnung 11 um ein Brain-Machine-Interface (Gehirn-Maschinen-Schnittstelle), insbesondere um ein Brain-Computer-Interface (Gehirn-Computer-Schnittstelle), handeln.
Eine Messeinrichtung des Biochips 11 kann auch wie in 9 gezeigt aufgebaut sein. Anders als die in 7 gezeigten Messeinrichtung weist die Trägerstruktur 23 eine elektrische Verbindungsanordnung („Metal Stack“ 41) auf. Der Drain-Zone 35 und der Source-Zone 37 sind eine Isolierschicht 47 zugeordnet, sodass sich eine MOSFET-Struktur 42 umfassend die beiden Zonen 35, 37 und die Isolierschicht 47 ergibt. Die Isolierschicht 47 kann auf der Substratschicht 29 angeordnet sein und/oder aus Polysilizium bestehen. Die Verbindungsanordnung 41 ist so zwischen der Isolierschicht 47 und der ferroelektrischen Schicht 17 angeordnet, dass sie diese miteinander elektrisch verbindet. In dem gezeigten Beispiel sind in der verwendeten Halbleitertechnologie sechs Metalllagen („Metal Layers“) vorgesehen. Dementsprechend weist die Verbindungsanordnung 41 sechs in verschiedenen Metalllagen angeordnete Leiter 43 auf, wobei Leiter benachbarter Metalllagen über Durchkontaktierungen („Vias“ 45) miteinander verbunden sind. Abweichend hiervon kann die Anzahl der Metalllagen je nach Bedarf variiert werden.
Ein weiteres Beispiel für eine Messeinrichtung stellt die in 10 gezeigte Anordnung 11 dar, die sich besonders zum Durchführen von In-vivo-Messungen eignet. Ähnlich wie in der Messeinrichtung aus 9 weist die Messeinrichtung einen MOSFET auf. Dieser gehört jedoch zu einem vom Biochip 13 getrennten Halbleiterchip 49. Ein Anschluss des Halbleiterchips 49 ist über eine Leiterbahn 43 mit der Elektrodenschicht 27 elektrisch verbunden. Bei dem Anschluss kann es sich um einen Gate-Anschluss des MOSFET handeln. In dem gezeigten Beispiel ist die Leiterbahn 43 auf dem Substrat 29 des Biochips 13 angebracht. Das Substrat 29 kann aus einem biokompatiblen dielektrischen Material, wie zum Beispiel einem Polyimid gebildet sein. Hierbei können die Leiterbahn 43 und das Substrat 29 eine flexible Leiterplatte („Flex PCB“) bilden. Die Leiterbahn 43 kann beispielsweise aus Gold bestehen und/oder an einer vom Substrat 29 abgewandten Seite, zum Beispiel mittels einer Parylene-Schicht, elektrisch isoliert sein.
Bei der Messeinrichtung können die Elemente 43, 27 und 17 mehrfach vorhanden sein und nebeneinander, beispielsweise in einer Richtung, die zumindest im Wesentlichen orthogonal zur Zeichenebene der 10 verläuft, angeordnet sein. Auf diese Weise ergibt sich eine mehrkanalige Messanordnung mit mehreren Kopplungsanordnungen 21.
Die Anordnung 11 in 10 kann auch zur Stimulation des biologischen Materials eingerichtet sein. Hierzu kann zumindest ein Teil der Kopplungsflächen und/oder einer Schaltung im Halbleiterchip 49 entsprechend ausgestaltet sein. Werden für die Messungen und für die Stimulation unterschiedliche Kopplungsflächen an den jeweiligen Schichten 17 verwendet, können die Messungen und die Stimulation an verschiedenen Orten an einer Oberfläche der Anordnung 11 bzw. an verschiedenen Orten des biologischen Materials durchgeführt werden. Es wird also eine simultane und ortsaufgelöste Messung und Stimulation ermöglicht.
Zusammengefasst wird vorliegend ein Biochip 13 beschrieben, der den in den 6 und 7 gezeigten nichtlinearen und hysteretischen Verlauf D(E) der elektrischen Verschiebungsdichte D in der Schicht mit ferroelektrischen Eigenschaften 17 in Abhängigkeit vom elektrischen Feld E ausnutzt, um einen höheren Ladungsübertrag in den Elektrolyten 24 zu erreichen als mit einer rein kapazitiven Stimulation möglich wäre. Hierdurch kann eine elektrische Stimulation von biologischem Material mit einer höheren Stimulationseffizienz erzielt werden. Dies wiederum ermöglicht erstmals den Aufbau von Mikroelektroden-Arrays und elektrisch aktiven Implantaten mit einer hohen Elektrodendichte ohne elektrochemischen Ladungstransport zwischen der Kopplungsfläche 15 und dem Elektrolyt 24. Ferner können Messungen am biologischen Material mit Hilfe des FeFETs 39, mit Hilfe einer Messeinrichtung mit dem MOSFET 42, oder mit Hilfe einer passiven Messeinrichtung durchgeführt werden.

Claims

Biochip (13) mit mindestens einer Kopplungsanordnung (21) zur elektrischen Stimulation von biologischem Material (24) oder zum elektrischen Messen an dem biologischen Material (24), wobei der Biochip (13) aufweist: - eine Trägerstruktur (23), die an und/oder in der Kopplungsanordnung (21) angeordnet ist; und - eine Schicht (17), deren eine Schichtfläche (19) an der Kopplungsanordnung (21) angeordnet ist, und deren gegenüberliegende Schichtfläche eine Kopplungsfläche (15) zur elektrischen Stimulation des biologischen Materials (24) und/oder zum elektrischen Messen an dem biologischen Material (24) bildet; dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (17) ferroelektrische Eigenschaften aufweist.
Biochip (13) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (17) Hafniumoxid mit ferroelektrischen Eigenschaften aufweist.
Biochip (13) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Hafniumoxid mit ferroelektrischen Eigenschaften mit Silizium dotiert ist.
Biochip (13) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Hafniumoxid mit ferroelektrischen Eigenschaften mit Zirkonium dotiert ist.
Biochip (13) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das mit Zirkonium dotierte Hafniumoxid mit ferroelektrischen Eigenschaften die Zusammensetzung Hf_0.5Zr_0.5O₂ aufweist.
Biochip (13) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (17) Zirkonoxid mit ferroelektrischen Eigenschaften aufweist.
Biochip (13) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (17) Aluminiumscandiumnitrid mit ferroelektrischen Eigenschaften aufweist.
Biochip (13) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dicke (d) der Schicht (17) größer als 200 nm ist, vorzugsweise im Bereich zwischen 200 nm und 1500 nm, vorzugsweise zwischen 200 nm und 800 nm, liegt.
Biochip (13) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerstruktur (23) ein Substrat (29) aus einem Halbleitermaterial aufweist.
Biochip (13) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (17) einen Teil eines ferroelektrischen Feldeffekttransistors (39) des Biochips (13) bildet.
Biochip (13) nach Anspruch 10, wobei die Schicht (17) eine Isolierschicht des ferroelektrischen Feldeffekttransistors (39) bildet.
Biochip (13) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Biochip (13) mehrere voneinander getrennte Kopplungsflächen (15) unterschiedlicher Kopplungsanordnungen (21) des Biochips (13) aufweist.
Verfahren zum Herstellen eines Biochips (13) mit mindestens einer Kopplungsanordnung (21) zur elektrischen Stimulation von biologischem Material (24) oder zum elektrischen Messen an dem biologischen Material (24), wobei das Verfahren aufweist: - Anordnen einer Trägerstruktur (23) an und/oder in die Kopplungsanordnung (21); und - Herstellen einer Schicht (17) derart, dass deren eine Schichtfläche (19) an der Kopplungsanordnung (21) angeordnet ist, und deren gegenüberliegende Schichtfläche eine Kopplungsfläche (15) zur elektrischen Stimulation des biologischen Materials (24) und/oder zum elektrischen Messen an dem biologischen Material (24) bildet; dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (17) als Schicht mit ferroelektrischen Eigenschaften hergestellt wird.
Implantat (11) mit einem Biochip (13) mit mindestens einer Kopplungsanordnung (21) zur elektrischen Stimulation von biologischem Material (24) oder zum elektrischen Messen an dem biologischen Material (24), dadurch gekennzeichnet, dass der Biochip ein Biochip (13) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 ist.
Implantat (11) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Implantat um ein Retina-Implantat, ein Cochlea-Implantat, ein Implantat zur Tiefenhirn-Stimulation und/oder ein Implantat zum Bereitstellen eines Brain-Machine-Interface handelt.
Implantat (11) nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Implantat einen vom Biochip (13) getrennten Halbleiterchip (49) aufweist, wobei ein Anschluss des Halbleiterchips über eine Leiterbahn (43) mit einer an die Schichtfläche (19) angrenzenden Elektrodenschicht (27) elektrisch verbunden ist und die Leiterbahn (43) und der Biochip (13) auf einem gemeinsamen Substrat (29) angeordnet sind.
In-Vitro-Anordnung (11) mit mindestens einem Biochip (13) und einer Elektrolytaufnahme (16) zur Aufnahme eines Elektrolyten (24), der biologisches Material aufweist, wobei die Elektrolytaufnahme zum Anordnen des Elektrolyts (24) an mindestens einer Kopplungsfläche (15) des Biochips zur elektrischen Stimulation des biologischen Materials und/oder zum elektrischen Messen an dem biologischen Material eingerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Biochip ein Biochip (13) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 ist.
Anordnung (11) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung (11) mindestens ein biologisches Neuron und mindestens ein künstliches Neuron aufweist.