專利名稱：一種植入式藍寶石基二維神經(jīng)激勵芯片及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種植入式藍寶石基二維神經(jīng)激勵芯片及其制備方法。所述芯片經(jīng)封裝后可構(gòu)成發(fā)光、傳輸與探頭一體化集成的植入式二維神經(jīng)光激勵裝置，屬于集成光學，半導體制造和神經(jīng)工程技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著對神經(jīng)系統(tǒng)研究的深入，細胞級的神經(jīng)細胞活動調(diào)制對于研究神經(jīng)活動在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中傳輸擴散的性質(zhì)，建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)機能模型至關(guān)重要。與此同時，一些復雜神經(jīng)疾病，和對通常治療方法有抗性的動作或情緒失常，如帕金森病、張力障礙、運動神經(jīng)元病、阿茲海默癥甚至一些精神疾病如重度抑郁等，其機理逐漸被揭示出來，屬于神經(jīng)系統(tǒng)或腦部功能區(qū)域神經(jīng)元細胞的衰退所致，神經(jīng)信號的細胞級人工激勵是治愈和緩解這些癥狀的有效手段之一。神經(jīng)信號的人工激勵要達到細胞級精度有賴于安全、高性能的微型植入式裝置。微型植入式裝置的工作原理為:將人工產(chǎn)生的激勵信號通過特定傳輸信道傳輸?shù)侥繕松窠?jīng)組織，激發(fā)或抑制目標神經(jīng)組織中神經(jīng)細胞的活動。由于神經(jīng)電生理信號的電本質(zhì)，傳統(tǒng)的神經(jīng)激勵信號為電信號，傳統(tǒng)的植入式裝置由電信道和植入電極構(gòu)成。近年來，隨著基因技術(shù)的發(fā)展，在其輔助下可見光信號成為對神經(jīng)系統(tǒng)進行細胞級激勵的有效媒介。相比神經(jīng)電激勵，神經(jīng)光激勵有以下優(yōu)點:1、使用獨立信道，不受電生理環(huán)境影響。通過微電極向組織生理環(huán)境注入激`勵電流，會與激勵起的神經(jīng)電信號相互作用、干擾；而光束與神經(jīng)電信號不會相互干擾。2、對生物有機體副作用很小。長期植入時，注入電流的并發(fā)癥與副作用不可忽視；而光束為安全的信號，不會影響生理環(huán)境。3、配合相應(yīng)的基因手段能夠?qū)崿F(xiàn)神經(jīng)活動的激發(fā)與抑制。電激勵僅能實現(xiàn)神經(jīng)細胞的激發(fā)，不能實現(xiàn)神經(jīng)活動的抑制；而借助相應(yīng)基因工程手段，光激勵能夠?qū)崿F(xiàn)神經(jīng)活動的激發(fā)與抑制。4、光束可以被聚焦，以提高激勵精度。電信號會在生理環(huán)境中向各個方向均等擴散，影響調(diào)控的精度；而光束可以被聚焦到微米級的點上，由于神經(jīng)細胞的尺寸約為f 10 μ m,因此可以實現(xiàn)細胞級的精確激勵。微型神經(jīng)植入式裝置一般來說要滿足以下設(shè)計要求:(I)高效傳輸神經(jīng)激勵信號。(2)機械性能較好，不易損壞。(3)植入部分的材料對人體健康無害。(4)結(jié)構(gòu)緊湊、體積小巧，與所植入神經(jīng)組織的尺寸相適應(yīng)。大多數(shù)應(yīng)用于新皮層、脊髓組織或視神經(jīng)的微型植入式裝置都需要具備二維激勵功能，以對目標神經(jīng)組織的某個區(qū)域進行整體激勵。目前，平面微加工工藝已經(jīng)成為設(shè)計與制備微型神經(jīng)植入式裝置的重要手段，這種工藝能夠制造出一體化的集成神經(jīng)激勵芯片，比如基于平面微加工工藝的二維神經(jīng)電激勵芯片集成了微電極陣列作為植入部分。近年來，隨著神經(jīng)光激勵技術(shù)的發(fā)展，二維神經(jīng)光激勵芯片也得到了一定發(fā)展，主要為基于光源發(fā)光面外接波導探針陣列的二維光激勵芯片?；诠庠窗l(fā)光面接合波導探針陣列的二維光激勵芯片為:在光源發(fā)光面上接合光波導陣列，以接合的光波導陣列作為神經(jīng)光激勵探針，接合的光波導陣列一般為由石英或聚合物制成，比如石英或聚合物光纖。光源以發(fā)光二極管陣列為例。上述基于光源發(fā)光面接合波導探針陣列的二維光激勵芯片存在的缺陷是:1、從光源入射到接合波導探針陣列的損耗較大。光從發(fā)光二極管有源層產(chǎn)生，經(jīng)襯底入射到波導陣列中，根據(jù)菲涅耳公式(見《光學原理》1.5.2:菲涅耳公式，玻恩著，電子工業(yè)出版社，ISBN:9787121012563)，光從不同種介質(zhì)分界面入射要發(fā)生損耗，損耗隨兩種介質(zhì)的折射率差增大而增大，而一般用于波導芯層的生物相容材料，如醫(yī)用玻璃或聚合物，其折射率為1.3^1.5，由于襯底晶體的折射率較大(如藍寶石的折射率為1.7 1.8)，這類芯片的光傳輸效率較低；本發(fā)明直接在藍寶石襯底另一個表面延伸出波導陣列，減小了傳輸損耗。2、波導包層的尺寸限制了二維光激勵的刺激點密度?；谑⒒蚓酆衔锏牟▽儆谌鯇Р▽?，即芯層與包層之間的折射率差不超過
0.1%，對光的束縛能力較弱(見《導波光學》第36頁:弱導近似，范崇澄、彭吉虎編著，北京理工大學出版社，ISBN7-81013-136-2/TN.11)，必須較厚的包層，因此波導探針單元的最小橫向尺寸取決于包層的橫向尺寸，但石英光纖的包層直徑> 125 μ m，聚合物光纖包層直徑> 500 μ m，這限制了基 于光源發(fā)光面接合波導探針陣列的二維光激勵芯片相鄰刺激點的間隔；本發(fā)明所用藍寶石探針的折射率超過1.7，對光的束縛能力較強，故不需外包層，且可根據(jù)需要定制其橫向尺寸，并不限于圓柱形結(jié)構(gòu)，最小橫向尺寸可達到20 μ m，由于神經(jīng)細胞的尺寸約廣10 μ m，因此可以實現(xiàn)細胞級的精確激勵。3、從光源上直接制備波導，工藝復雜。以發(fā)光二極管為例，在其光出射面上制備波導，并降低光傳輸損耗，涉及到復雜的工藝，如襯底的削薄或剝離，厚波導層的淀積，大高寬比波導結(jié)構(gòu)的成型等，雖然可以采用現(xiàn)成制備好的波導，如光纖等，但又會遇到連接的問題；本發(fā)明采用厚度>lmm的襯底，在其上直接制備波導，工藝簡便，實用性強。4、光源與波導探針陣列仍需牢固接合和微米級對準。光源與波導探針陣列沒能實現(xiàn)集成一體化，需要額外接合，而探針陣列與光源的發(fā)光面不易牢固連接，連接時需要精細操作使探針陣列與光源或光源陣列進行微米級對準；本發(fā)明實現(xiàn)了藍寶石基二維電致發(fā)光陣列與探針陣列的集成一體化，結(jié)構(gòu)緊湊，便于實用。5、基于石英或聚合物的波導的機械性能較差?；谑⒒蚓酆衔锏牟▽У臋C械性能較差，石英的楊氏模量為5(T70GPa，不耐彎折，容易斷裂，不適合長期植入，而聚合物的楊氏模量僅為0.f5GPa，硬度不夠，無法刺入神經(jīng)組織；本發(fā)明所用藍寶石探針，其表面硬度為9，楊氏模量為30(T450GPa，便于實用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問題是提供一種單片集成了電致發(fā)光陣列與藍寶石波導探針陣列，能夠降低傳輸光路中的損耗，能夠提高二維激勵的空間密度和精度，結(jié)構(gòu)緊湊、材料安全、機械性能優(yōu)秀的植入式藍寶石基二維神經(jīng)激勵芯片及其制備方法。本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:本發(fā)明所述的一種植入式藍寶石基二維神經(jīng)激勵芯片，包括:藍寶石襯底，在藍寶石襯底的一個表面上設(shè)有mXn電致發(fā)光陣列，在藍寶石襯底的另一個表面上設(shè)有mXn藍寶石探針陣列,mXn電致發(fā)光陣列中的發(fā)光單元與mXn藍寶石探針陣列中的探針單元相對應(yīng)，m為I到20之間的任一正整數(shù)，η為I到20之間的任一正整數(shù)，所述mXn藍寶石探針陣列為所述植入式藍寶石基二維神經(jīng)激勵芯片的可植入部分。本發(fā)明進一步采用以下技術(shù)措施來優(yōu)化上述技術(shù)方案:所述的mXn電致發(fā)光陣列中的電致發(fā)光單元包括:氮化鎵緩沖層，在氮化鎵緩沖層上設(shè)有硅摻雜η型氮化鎵，在硅摻雜η型氮化鎵上方設(shè)有鎂摻雜ρ型氮化鎵，在硅摻雜η型氮化鎵與鎂摻雜P型氮化鎵之間設(shè)有5 20級氮化鎵/銦鎵氮量子阱，所述5 20級氮化鎵/銦鎵氮量子阱包括5 20層銦鎵氮量子阱，在相鄰兩層銦鎵氮量子阱之間有氮化鎵勢壘層，在硅摻雜η型氮化鎵上連接有陰極，在鎂摻雜ρ型氮化鎵上連接有陽極。所述的mXn藍寶石探針陣列中的藍寶石探針單元由直接從藍寶石襯底上延伸形成的藍寶石波導以及從藍寶石波導上直接延伸形成的藍寶石探頭組成。本發(fā)明所述的一種基于陣列藍寶石基波導探針的植入式二維神經(jīng)激勵芯片的制備工藝，包括以下步驟:步驟1:制備厚度大于 I毫米的藍寶石襯底，在藍寶石襯底的一個表面依次制備氮化鎵緩沖層、硅摻雜η型氮化鎵層、5 20級氮化鎵/銦鎵氮量子阱及鎂摻雜P型氮化鎵層；步驟2:在制備好的鎂摻雜ρ型氮化鎵層上涂一層光刻膠，采用光刻工藝得到mXn電致發(fā)光陣列的圖形，刻蝕后得到mXn電致發(fā)光陣列；步驟3:在制備好的mXn電致發(fā)光陣列上涂一層光刻膠，采用光刻工藝得到每個電致發(fā)光單元對應(yīng)陰極和陽極的圖形，經(jīng)金屬淀積、去除光刻膠后完成所述陰極和陽極的制備；步驟4:在制備好的mXn電致發(fā)光陣列上涂一層光刻膠，以保護mXn電致發(fā)光陣列；步驟5:將藍寶石襯底倒置，自藍寶石襯底的另一個表面制備按mXn陣列分布的藍寶石探針單元的探頭陣列，再自按mXn陣列分布的藍寶石探針單元的探頭陣列制備出按mXn陣列分布的藍寶石探針單元的波導陣列，形成由所述探頭陣列和波導陣列構(gòu)成的mXη藍寶石探針陣列。本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果:本發(fā)明所述芯片通過對厚度超過1_的藍寶石襯底的兩個表面進行處理得到，單片集成了電致發(fā)光陣列與藍寶石波導探針陣列，通過直接在藍寶石襯底上制備波導，降低了傳輸光路中的損耗，同時二維激勵的密度和精度也得到了提高，芯片結(jié)構(gòu)緊湊，材料性質(zhì)穩(wěn)定，機械性能優(yōu)秀，與驅(qū)動電路封裝后，可構(gòu)成發(fā)光、傳輸與探針一體化集成的植入式二維神經(jīng)光激勵裝置，適合長期植入神經(jīng)組織。1、采用與電致發(fā)光陣列襯底相同的介質(zhì)作為波導陣列，結(jié)構(gòu)的光輸送效率高。本發(fā)明直接在藍寶石襯底一個表面上設(shè)置發(fā)光單元，另一個表面上設(shè)置藍寶石波導探針，光信號在發(fā)光單元中產(chǎn)生，進入藍寶石襯底后經(jīng)過藍寶石波導的傳輸，從藍寶石探頭中出射。發(fā)光單元所處的有源層由氮化鎵PN結(jié)和多級銦鎵氮量子阱組成，有源層的厚度不超過20 μ m，對光的傳輸影響輕微。藍寶石襯底與波導探針屬于同種介質(zhì)，根據(jù)菲涅耳公式(見《光學原理》1.5.2:菲涅耳公式，玻恩著，電子工業(yè)出版社，ISBN:9787121012563)，光從襯底入射到同種介質(zhì)的波導探針中，避免了光入射不同介質(zhì)分界面的損耗，與現(xiàn)有基于光源發(fā)光面接合波導探針陣列的二維光激勵芯片相比，提高了結(jié)構(gòu)的光輸送效率3(Γ40%，參照圖5。2、可以根據(jù)需要定制探頭形狀，聚焦光束，壓縮出射光斑。本發(fā)明根據(jù)刻蝕深度改變光掩模，可以定制藍寶石波導探針的探頭形狀為錐形或球形曲面，以實現(xiàn)光束聚焦，和出射光斑的壓縮，能夠提高神經(jīng)光激勵的空間精度和目標組織中光探頭周圍的光強密度2到3倍，并且對尺寸約1-10 μ m的神經(jīng)細胞實現(xiàn)細胞級的精確激勵。如圖6所示。3、波導的折射率高，對光束的約束性強，可不用包層，并根據(jù)需要定制探針陣列的密度與形狀。本發(fā)明所用藍寶石探針，折射率超過1.7，對光的束縛能力較強，故不需要包層(見《導波光學》第36頁:弱導近似，范崇澄、彭吉虎編著，北京理工大學出版社，ISBN7-81013-136-2/TN.11)，且限于圓柱形結(jié)構(gòu)，根據(jù)工藝，探針所用波導的最小橫向尺寸可達到20 μ m，因此可以根據(jù)需要定制探針陣列的密度，相鄰探針間的最小距離可達約50 μ m04、層次簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，機械性能優(yōu)良。本發(fā)明所涉及植入式藍寶石基二維神經(jīng)激勵芯片，其層次結(jié)構(gòu)與普通陣列LED芯片完全一樣，結(jié)構(gòu)緊湊。直接利用藍寶石波導探針陣列作為可植入部分，機械性能比聚合物波導和光纖更好，不易發(fā)生斷裂。藍寶石的物理和化學性質(zhì)穩(wěn)定，表面硬度為9，楊氏模量為30(T450GPa，對人體無害，適合作為長期植入(連續(xù)佩戴2個月以上，見)使用。5、制備過程中可整體解決發(fā)光單元與波導間的接合與對準問題，便于大規(guī)模制備。發(fā)明所涉及植入式藍寶石基二維神經(jīng)激勵芯片的制備工藝，首先在藍寶石襯底的一個表面制備mXn電致發(fā)光陣列，用光刻膠保護制備好的mXn電致發(fā)光陣列，再在藍寶石襯底的另一個表面制備mXn藍寶石探針陣列。通過調(diào)整藍寶石襯底兩個表面上印圖所使用的光掩模，直接在藍寶石襯底上制備電致發(fā)光陣列與波導探針陣列，整體解決所述兩陣列之間的接合與對準。6、制備流程與現(xiàn)有工藝兼容，實用性強。本發(fā)明所涉及植入式藍寶石基二維神經(jīng)激勵芯片的制備工藝，是在藍寶石襯底的一個表面直接制備mX η電致 發(fā)光陣列,在另一個表面直接制備mX η藍寶石探針陣列，實現(xiàn)了藍寶石襯底上的晶圓級處理，與藍寶石晶圓的半導體淀積、刻蝕等工藝相兼容，便于大規(guī)模制備。


圖1為本發(fā)明所涉及植入式藍寶石基二維神經(jīng)激勵芯片在厚度>1_的藍寶石襯底晶圓上的位置，圖中放大部分為所述植入式藍寶石基二維神經(jīng)激勵芯片的結(jié)構(gòu)示意圖，包括:藍寶石襯底I，在藍寶石襯底的一個表面上設(shè)有mX η電致發(fā)光陣列，在藍寶石襯底的另一個表面上設(shè)有mX η藍寶石探針陣列，所述電致發(fā)光陣列中的發(fā)光單元2與所述藍寶石探針陣列中的探針單元3相對應(yīng)。圖2為本發(fā)明所涉及植入式藍寶石基二維神經(jīng)激勵芯片的一個激勵單元的層次結(jié)構(gòu)圖，所述激勵單元自下到上包括以下層次結(jié)構(gòu):32藍寶石探針單元的探頭、31藍寶石探針單元的波導、I藍寶石襯底、21氮化鎵緩沖層，22硅摻雜η型氮化鎵、5 20級氮化鎵/銦鎵氮量子阱、鎂摻雜P型氮化鎵23以及電極，所述5 20級氮化鎵/銦鎵氮量子阱包括5 20層銦鎵氮量子阱242，在相鄰兩層銦鎵氮量子阱242之間有氮化鎵勢壘層241，所述電極包括硅摻雜η型氮化鎵22上連接有陰極25，在鎂摻雜ρ型氮化鎵23上連接有陽極26。圖3為本發(fā)明所涉及植入式藍寶石基二維神經(jīng)激勵芯片制備工藝步驟的示意圖，從上到下依次為:金屬有機氣相外延生長(MOVPE)方法在藍寶石襯底一個表面外依次生長氮化鎵緩沖層21、硅摻雜η型氮化鎵22、5 20級氮化鎵/銦鎵氮量子阱24以及鎂摻雜ρ型氮化鎵23 ；紫外光刻法制備電致發(fā)光單元2的圖形；感應(yīng)耦合等離子(ICP)刻蝕制備電致發(fā)光單元2 ；紫外光刻法制備陰極25與陽極26`的圖形；電子束蒸發(fā)(EBE)法制備陰極25與陽極26 ；倒置襯底，保護制備好的電致發(fā)光陣列；紫外光刻法制備探頭31的圖形，ICP刻蝕制備探頭31，刻蝕到一定深度更換光刻所用光掩模，重復紫外光刻和ICP刻蝕；制備出探頭31形狀；紫外光刻制備波導32圖形，ICP刻蝕制備藍寶石探針的波導32。圖4為本發(fā)明所涉及植入式藍寶石基二維神經(jīng)激勵芯片制備工藝的流程圖；圖5為本發(fā)明所涉及植入式藍寶石基二維神經(jīng)激勵芯片的一個激勵單元的光傳輸效率與基于光源發(fā)光面接合波導探針陣列的二維光激勵芯片的類似激勵單元的光傳輸效率的比較，圖中橫坐標代表被采用作為波導層的不同材料的折射率，縱坐標表示激勵單兀的光傳輸損耗。圖6本發(fā)明所涉及植入式藍寶石基二維神經(jīng)激勵芯片的錐形探頭對激勵光束的聚焦效果，所用錐形探頭的錐長為直徑的2.5倍，圖中橫坐標代表光束向前傳輸?shù)木嚯x，縱坐標表示光束中心的相對強度，從圖中所知，經(jīng)聚焦初始的光強提高到無探頭情況下的2.3
倍左右。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步的詳細說明:
實施例1:藍寶石襯底I，在藍寶石襯底I的一個表面上設(shè)有mX η電致發(fā)光陣列，在藍寶石襯底I的另一個表面上設(shè)有mXn藍寶石探針陣列，mXn電致發(fā)光陣列中的發(fā)光單元2與mXn藍寶石探針陣列中的探針單元3相對應(yīng)，m為I到20之間的任一正整數(shù)，η為I到20之間的任一正整數(shù)，所述mXn藍寶石探針陣列為所述植入式藍寶石基二維神經(jīng)激勵芯片的可植入部分。本發(fā)明進一步采用以下技術(shù)措施來優(yōu)化上述技術(shù)方案:所述的mXn電致發(fā)光陣列中的電致發(fā)光單元2包括:氮化鎵緩沖層21，在氮化鎵緩沖層21上設(shè)有硅摻雜η型氮化鎵22，在硅摻雜η型氮化鎵22上方設(shè)有鎂摻雜ρ型氮化鎵23，在硅摻雜η型氮化鎵22與鎂摻雜ρ型氮化鎵23之間設(shè)有5 20級氮化鎵/銦鎵氮量子阱，所述5 20級氮化鎵/銦鎵氮量子阱包括5 20層銦鎵氮量子阱242，在相鄰兩層銦鎵氮量子阱242之間有氮化鎵勢壘層241，在硅摻雜η型氮化鎵22上連接有陰極25，在鎂摻雜ρ型氮化鎵23上連接有陽極26。所述的mXn藍寶石探針陣列中的藍寶石探針單元2由直接從藍寶石襯底I上延伸形成的藍寶石波導41以及從藍寶石波導41上直接延伸形成的藍寶石探頭42組成。實施例2:本發(fā)明所述的一種所述基于陣列藍寶石基波導探針的植入式二維神經(jīng)激勵芯片的制備工藝，包括以下步驟:步驟1:制備厚度大于I毫米的藍寶石襯底I，在藍寶石襯底I的一個表面依次制備氮化鎵緩沖層21、硅摻雜η型氮化鎵層22、5 20級氮化鎵/銦鎵氮量子阱24及鎂摻雜ρ型氮化鎵層23，其方法為:在藍寶石襯底I的一個表面采用金屬有機氣相外延生長(MOVPE)方法，采用氫氣作為載流氣體，氣體流量為5 40SLM (標準升每分鐘)，控制反應(yīng)腔總氣壓在5(T750Torr (毫米汞柱)，具體步驟如下:步驟1.1:反應(yīng)溫度為100(Γ1100° C，反應(yīng)氣體為氨氣、三甲基鎵，氣體體積比氨氣:三甲基鎵=100(Γ2000:1，在藍寶石襯底I上制備氮化鎵緩沖層21，厚度介于I到20 μ m之間；步驟1.2:反應(yīng)溫度為100(Γ1100° C，反應(yīng)氣體為氨氣、三甲基鎵及硅烷，氣體體積比三甲基鎵:硅烷=50(Γ5000:1，氨氣:三甲基鎵=100(Γ2000:1，在氮化鎵緩沖層21上制備硅摻雜η型氮化鎵22，厚度介于0.4到5 μ m之間；步驟1.3:反應(yīng)溫度為70(T85(TC，反應(yīng)氣體為氨氣、三甲基鎵及三甲基銦，氣體體積比三甲基鎵:三甲基銦=0.Γ10:1，氨氣:三甲基鎵+三甲基銦=5000 5500:1，在η型氮化鎵層上制備第一層銦鎵氮量子阱242，厚度介于20Α到80Α之間，銦鎵氮量子阱242中銦與鎵的物質(zhì)的量之比介于0.05:0.95到0.45:0.55之間；步驟1.4:維持反應(yīng)溫度不變，反應(yīng)氣體為氨氣、三甲基鎵，氣體體積比氨氣:三甲基鎵=1000^2000:1，，在第一 層銦鎵氮量子阱242上制備一層氮化鎵勢壘層241，厚度介于20A到80A之間；步驟1.5:依次重復步驟1.3、1.4五到二十次，形成5 20級氮化鎵/銦鎵氮量子阱24 ；步驟1.6:反應(yīng)溫度為100(Γ1100° C，反應(yīng)氣體為氨氣、三甲基鎵及二茂鎂，氣體體積比三甲基鎵:二茂鎂=100 1000:1，氨氣:三甲基鎵+ 二茂鎂=1000 2000:1，在5 20級氮化鎵/銦鎵氮量子阱24上制備鎂摻雜ρ型氮化鎵層23，厚度介于0.2到2 μ m之間；步驟2:在制備好的鎂 摻雜ρ型氮化鎵23層上涂一層光刻膠，采用光刻工藝得到mXn電致發(fā)光陣列的圖形，刻蝕后得到mXn電致發(fā)光陣列，其所用方法，具體步驟如下:步驟2.1:采用厚正性光刻膠AZ9260，在制備好的鎂摻雜ρ型氮化鎵層23上涂一層光刻膠，旋涂速度為50(Tl500rpm ；步驟2.2:采用電熱板對涂膠后的芯片進行軟烘，烘焙溫度為105 115°C，烘焙時間為150 200 秒；步驟2.3:采用光掩模(如《半導體制造工藝基礎(chǔ)》第278頁:索引所示，[美]施敏，梅凱瑞著，安徽大學出版社，ISBN978-7-81110-292-5 )覆蓋軟烘后的芯片，在365 405nm波長紫外光下曝光，曝光量為1500 6000mJ/cm2 ；步驟2.4:采用電熱板對曝光后的芯片進行硬烘，使圖形穩(wěn)固，烘焙溫度為8(noo°c，烘焙時間為6(Γ300秒；步驟2.5采用體積濃度為20%的ΑΖ400Κ或AZ300MIF顯影劑對硬烘后的芯片進行處理，以得到mXn電致發(fā)光陣列的圖形；步驟2.6采用感應(yīng)耦合等離子(ICP)刻蝕對顯影后的芯片進行刻蝕，腔室的工作氣壓保持
0.5 2.0Pa，芯片溫度保持1(T20°C，感應(yīng)功率50(T2000W，直流偏置電壓-100到-500V，刻蝕氣體為氯氣，氣體流量為4(T70sCCm (標準毫升每分鐘)，輔助氣體為三氯化硼或溴化氫，氣體流量為l(T20sccm,附加氣體為気氣或氣氣,氣體流量為(TlOsccm,保持總氣體流量為60 80sccm ；步驟3:在制備好的mXn電致發(fā)光陣列上涂一層光刻膠，采用光刻工藝得到每個電致發(fā)光單元2對應(yīng)陰極25和陽極26的圖形，經(jīng)金屬淀積、去除光刻膠后完成所述陰極25和陽極26的制備，其所用方法，具體步驟如下:步驟3.1:采用厚正性光刻膠AZ9260，在制備好的鎂摻雜P型氮化鎵層上涂一層光刻膠，旋涂速度為50(Tl500rpm ；步驟3.2:采用電熱板對涂膠后的芯片進行軟烘，烘焙溫度為105 115°C，烘焙時間為150 200 秒；步驟3.3:采用光掩模覆蓋軟烘后的芯片，在紫外光下曝光，曝光量為150(T6000mJ/cm2 ；步驟3.4:采用電熱板對曝光后的芯片進行硬烘使圖形穩(wěn)固，烘焙溫度為8(Γ100° C，烘焙時間為6(Γ300秒；步驟3.5:采用1:4ΑΖ400Κ或AZ300MIF顯影劑對硬烘后的芯片進行處理，以得到陰極25和陽極26的圖形；步驟3.6:采用電子束蒸發(fā)(EBE)法，蒸發(fā)的真空度〈I X IO-7Torr,保持顯影后的芯片溫度為10(Γ300 ，電子槍束流5 10mA，電壓為6 8kV，蒸發(fā)時間為5 10分鐘，鉻/金(Cr/Au)厚度約 50 200nm ；步驟3.7:采用有機溶劑丙酮，異丙醇或N-甲基吡咯烷酮對淀積金屬層后的芯片進行清洗，去除光刻膠圖形及其上附著的金屬，得到每個電致發(fā)光單元對應(yīng)陰極和陽極；步驟4:在制備好的mXn電致發(fā)光陣列上涂一層光刻膠，以保護mXn電致發(fā)光陣列，其所用方法具體步驟如下:步驟4.1:采用厚正性光刻膠AZ9260，在制備好的鎂摻雜P型氮化鎵層上涂一層光刻膠，旋涂速度為50(Tl500rpm ；步驟4.2:采用電熱板對完成涂膠的芯片進行軟烘，烘焙溫度為105 115°C，烘焙時間為150 200 秒；步驟4.3:采用紫外光對軟烘后的芯片進行曝光，曝光量為150(T6000mJ/cm2 ；步驟4.4:采用電熱板對曝光后的芯片進行硬烘使圖形穩(wěn)固，烘焙溫度為8(T10(TC，烘焙時間為6(Γ300秒；步驟5:將藍寶石襯底I倒置，自藍寶石襯底I的另一個表面制備按mXn陣列分布的藍寶石探針單元3的探頭陣列，再自按mXn陣列分布的藍寶石探針單元3的探頭陣列制備出按mXn陣列分布的藍寶石探針單元3的波導陣列，形成由所述探頭陣列和波導陣列構(gòu)成的mXn藍寶石探針陣列3，形成由所述探頭陣列和波導陣列構(gòu)成的mXn藍寶石探針陣列，其所用方法，具體步驟如下:
步驟5.1:將藍寶石襯底I倒置。采用厚正性光刻膠AZ9260，在制備好的鎂摻雜ρ型氮化鎵層23上涂一層光刻膠，旋涂速度為50(Tl500rpm ；步驟5.2:采用電熱板對涂膠后的芯片進行軟烘，烘焙溫度為105 115°C，烘焙時間為150 200 秒；步驟5.3:采用光掩模覆蓋軟烘后的芯片，在紫外光下曝光，曝光量為150(T6000mJ/cm2 ；步驟5.4:采用電熱板對曝光后的芯片進行硬烘，使圖形穩(wěn)固，烘焙溫度為8(Γ100° C，烘焙時間為6(Γ300秒；步驟5.5:采用體積濃度為20%的ΑΖ400Κ或AZ300MIF顯影劑對硬烘后的芯片進行處理，以得到按mXn陣列分布的藍寶石探針單元3的探頭在下一次刻蝕中所需的圖形；步驟5.6: 采用感應(yīng)耦合等離子(ICP)刻蝕對顯影后的芯片進行刻蝕，腔室的工作氣壓保持
1.0 4.0Pa,芯片溫度保持(TlO°C，感應(yīng)功率50(T2000W，直流偏置電壓-300到-900V，刻蝕氣體為三氯化硼，氣體流量為7(T90SCCm (標準毫升每分鐘)，輔助氣體為氯氣或溴化氫，氣體流量為lOlOsccm，刻蝕氣體與輔助氣體的總流量約lOOsccm，附加氣體為氬氣或氙氣，氣體流量為(T40sccm，保持總氣體流量為10(Tl40sccm ；步驟5.7:更換光掩模，重復5.1到5.6 ；步驟5.8:重復5.1到5.7十到五十次，得到按mXn陣列分布的藍寶石探針單元3的探頭陣列；步驟5.9:采用制備按mXn陣列分布的藍寶石探針單元3的探頭陣列過程中最后一次使用的光掩模，重復5.1到5.5，得到按mXn陣列分布的藍寶石探針單元(3)的波導陣列；步驟5.10:清洗、去膠，完成所述mXn藍寶石探針陣列的制備，并得到植入式藍寶石基二維神經(jīng)激勵芯片。
權(quán)利要求
1.一種植入式藍寶石基二維神經(jīng)激勵芯片，其特征在于，包括: 藍寶石(Al2O3)襯底(I)，在藍寶石襯底(I)的一個表面上設(shè)有mXn電致發(fā)光陣列，在藍寶石襯底(I)的另一個表面上設(shè)有mXn藍寶石探針陣列，mXn電致發(fā)光陣列中的發(fā)光單元(2)與mXn藍寶石探針陣列中的探針單元(3)相對應(yīng)，m為I到20之間的任一正整數(shù)，η為I到20之間的任一正整數(shù)，所述mXn藍寶石探針陣列為所述植入式藍寶石基二維神經(jīng)激勵芯片的可植入部分。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于陣列藍寶石基波導探針的植入式二維神經(jīng)激勵芯片，其特征在于: 所述的mXn電致發(fā)光陣列中的電致發(fā)光單元⑵包括:氮化鎵(GaN)緩沖層(21)，在氮化鎵緩沖層(21)上設(shè)有硅摻雜η型氮化鎵(22)，在硅摻雜η型氮化鎵(GaN=Si) (22)上方設(shè)有鎂摻雜P型氮化鎵(GaN = Mg) (23)，在硅摻雜η型氮化鎵(22)與鎂摻雜P型氮化鎵(23)之間設(shè)有5 20級氮化鎵/銦鎵氮量于阱，所述5 20級氮化鎵/銦鎵氮(InGaN)量子阱包括5 20層銦鎵氮量于阱(242)，在相鄰兩層銦鎵氮量子阱(242)之間有氮化鎵勢壘層(241)，在硅摻雜η型氮化鎵(22)上連接有陰極(25)，在鎂摻雜ρ型氮化鎵(23)上連接有陽極(26)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于陣列藍寶石基波導探針的植入式二維神經(jīng)激勵芯片，其特征在于: 所述的mXn藍寶石探針陣列中的藍寶石探針單元(3)由直接從藍寶石襯底(I)上延伸形成的藍寶石波導(31)以及從藍寶石波導(31)上直接延伸形成的藍寶石探頭(32)組成。
4.一種權(quán)利要求1所述基于陣列藍寶石基波導探針的植入式二維神經(jīng)激勵芯片的制備工藝，其特征在于，包括 以下步驟: 步驟1:制備厚度大于I毫米的藍寶石襯底(I)，在藍寶石襯底(I)的一個表面依次制備氮化鎵緩沖層(21)、硅摻雜η型氮化鎵層(22)、5 20級氮化鎵/銦鎵氮量子阱(24)及鎂摻雜P型氮化鎵層(23)； 步驟2:在制備好的鎂摻雜ρ型氮化鎵(23)層上涂一層光刻膠，采用光刻工藝得到mXn電致發(fā)光陣列的圖形，刻蝕后得到mXn電致發(fā)光陣列； 步驟3:在制備好的mXn電致發(fā)光陣列上涂一層光刻膠，采用光刻工藝得到每個電致發(fā)光單元(2)對應(yīng)陰極(25)和陽極(26)的圖形，經(jīng)金屬淀積、去除光刻膠后完成所述陰極(25)和陽極(26)的制備； 步驟4:在制備好的mXn電致發(fā)光陣列上涂一層光刻膠，以保護mXn電致發(fā)光陣列； 步驟5:將藍寶石襯底(I)倒置，自藍寶石襯底(I)的另一個表面制備按mXn陣列分布的藍寶石探針單元(3)的探頭陣列，再自按mXn陣列分布的藍寶石探針單元(3)的探頭陣列制備出按mXn陣列分布的藍寶石探針單元(3)的波導陣列，形成由所述探頭陣列和波導陣列構(gòu)成的mXn藍寶石探針陣列。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備工藝，其特征在于: 步驟I所述在藍寶石襯底(I)的一個表面依次制備氮化鎵緩沖層(21)、硅摻雜η型氮化鎵層(22)、5 20級氮化鎵/銦鎵氮量子阱(24)及鎂摻雜ρ型氮化鎵層(23)的方法為:在藍寶石襯底(I)的一個表面采用金屬有機氣相外延生長(MOVPE)方法，采用氫氣(H2)作為載流氣體，氣體流量為5 40SLM(標準升每分鐘)，控制反應(yīng)腔總氣壓在50 750Torr (毫米萊柱),具體步驟如下: 步驟1.1: 反應(yīng)溫度為1000 1100° C，反應(yīng)氣體為氨氣(NH3)、三甲基鎵(TMGa)，氣體體積比氨氣:三甲基鎵=1000 2000: 1，在藍寶石襯底(I)上制備氮化鎵緩沖層(21)，厚度介于I至Ij 20 μ m之間； 步驟1.2: 反應(yīng)溫度為1000 1100° C，反應(yīng)氣體為氨氣、三甲基鎵及硅烷(SiH4),氣體體積比三甲基鎵:硅烷=500 5000: 1，氨氣:三甲基鎵=1000 2000: 1，在氮化鎵緩沖層(21)上制備硅摻雜η型氮化鎵(22)，厚度介于0.4到5 μ m之間； 步驟1.3: 反應(yīng)溫度為700 850° C，反應(yīng)氣體為氨氣、三甲基鎵及三甲基銦(TMIn)，氣體體積比三甲基鎵:三甲基銦=0.1 10: 1，氨氣:三甲基鎵+三甲基銦=5000 5500: 1，在η型氮化鎵層上制備第一層銦鎵氮量子阱(242)，厚度介于2從到8爐之間，銦鎵氮量子阱(242)中銦與鎵的物質(zhì)的量之比介于0.05: 0.95到0.45: 0.55之間； 步驟1.4: 維持反應(yīng)溫度不變，反應(yīng) 氣體為氨氣、三甲基鎵，氣體體積比氨氣:三甲基鎵=1000 2000: 1，，在第一層銦鎵氮量子阱(242)上制備一層氮化鎵勢壘層(241)，厚度介于20Α到80Α之間；步驟1.5: 依次重復步驟1.3、1.4五到二十次，形成5 20級氮化鎵/銦鎵氮量子阱(24)； 步驟1.6: 反應(yīng)溫度為1000 1100° C，反應(yīng)氣體為氨氣、三甲基鎵及二茂鎂(Cp2Mg)，氣體體積比三甲基鎵:二茂鎂=100 1000: I，氨氣:三甲基鎵+ 二茂鎂=1000 2000: 1，在5 20級氮化鎵/銦鎵氮量子阱(24)上制備鎂摻雜ρ型氮化鎵層(23)，厚度介于0.2到2ym之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備工藝，其特征在于: 步驟5所述的由所述探頭陣列和波導陣列構(gòu)成的mXn蓋寶石探針陣列采用以下方法得到，具體步驟如下: 步驟5.1: 將藍寶石襯底(I)倒置。采用厚正性光刻膠AZ9260，在制備好的鎂摻雜ρ型氮化鎵層(23)上涂一層光刻膠，旋涂速度為500 1500rpm ； 步驟5.2: 采用電熱板對涂膠后的芯片進行軟烘，烘焙溫度為105 115° C，烘焙時間為150 200 秒； 步驟5.3: 采用光掩模覆蓋烘焙后的芯片，在紫外光下曝光，曝光量為1500 6000mJ/cm2 ； 步驟5.4:采用電熱板對曝光后的芯片進行硬烘，使圖形穩(wěn)固，烘焙溫度為80 100° C，烘焙時間為60 300秒； 步驟5.5: 采用感應(yīng)耦合等離子(ICP)刻蝕對顯影后的芯片進行刻蝕，腔室的工作氣壓保持·1.0 4.0Pa,芯片溫度保持O 10 ° C，感應(yīng)功率500 2000W，直流偏置電壓-300到-900V，刻蝕氣體為三氯化硼，氣體流量為70 90sCCm(標準毫升每分鐘)，輔助氣體為氯氣或溴化氫，氣體流量為10 30sccm，刻蝕氣體與輔助氣體的總流量約lOOsccm，附加氣體為IS氣(Ar)或氣氣(Xe),氣體流量為O 40sccm,保持總氣體流量為100 140sccm ；步驟5.6: 采用體積濃度為20%的AZ400K或AZ300MIF顯影劑對硬烘后的芯片進行處理，以得到按mXn陣列分布的藍寶石探針單元(3)的探頭在下一次刻蝕中所需的圖形； 步驟5.7: 更換光掩模，重復5.1到5.6 ； 步驟5.8: 重復5.1到5.7十到五十次，得到按mXn陣列分布的藍寶石探針單元(3)的探頭陣列； 步驟5.9: 采用制備按mXn陣列分布的藍寶石探針單元(3)的探頭陣列過程中最后一次使用的光掩模，重復5.1到5.5，得到按mXn陣列分布的藍寶石探針單元(3)的波導陣列；步驟5.10: 清洗、去膠，完成所述 mXn藍寶石探針陣列的制備，并得到植入式藍寶石基二維神經(jīng)激勵芯片。
全文摘要
一種植入式藍寶石基二維神經(jīng)激勵芯片及其制備方法。所述芯片為在藍寶石襯底的一個表面上設(shè)有電致發(fā)光陣列，在所述襯底另一個表面上設(shè)有藍寶石探針陣列，作為所述芯片的可植入部分，所述探針陣列中的探針單元與所述電致發(fā)光陣列中的發(fā)光單元相對應(yīng)。所述制備方法包括在厚度大于1毫米的蓋寶石襯底的一個表面依次制備氮化鎵緩沖層、硅摻雜n型氮化鎵層、多級氮化鎵/銦鎵氮量子阱及鎂摻雜p型氮化鎵層，經(jīng)紫外光刻和刻蝕形成所述電致發(fā)光陣列，并采用紫外光刻、金屬淀積等制備陰極和陽極；采用紫外曝光的光刻膠保護電致發(fā)光陣列，在所述襯底另一個表面上依次制備所述藍寶石探針陣列的探頭陣列和波導陣列，以形成藍寶石探針陣列。
文檔編號A61N5/06GK103083827SQ20121057402
公開日2013年5月8日 申請日期2012年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月26日
發(fā)明者孫小菡, 董納, 陳源源, 蔣衛(wèi)鋒 申請人:東南大學