一种植入式蓝宝石基二维神经激励芯片及其制备方法

专利名称：一种植入式蓝宝石基二维神经激励芯片及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种植入式蓝宝石基二维神经激励芯片及其制备方法。所述芯片经封装后可构成发光、传输与探头一体化集成的植入式二维神经光激励装置，属于集成光学，半导体制造和神经工程技术领域。
背景技术：
随着对神经系统研究的深入，细胞级的神经细胞活动调制对于研究神经活动在神经网络中传输扩散的性质，建立神经网络机能模型至关重要。与此同时，一些复杂神经疾病，和对通常治疗方法有抗性的动作或情绪失常，如帕金森病、张力障碍、运动神经元病、阿兹海默症甚至一些精神疾病如重度抑郁等，其机理逐渐被揭示出来，属于神经系统或脑部功能区域神经元细胞的衰退所致，神经信号的细胞级人工激励是治愈和缓解这些症状的有效手段之一。神经信号的人工激励要达到细胞级精度有赖于安全、高性能的微型植入式装置。微型植入式装置的工作原理为:将人工产生的激励信号通过特定传输信道传输到目标神经组织，激发或抑制目标神经组织中神经细胞的活动。由于神经电生理信号的电本质，传统的神经激励信号为电信号，传统的植入式装置由电信道和植入电极构成。近年来，随着基因技术的发展，在其辅助下可见光信号成为对神经系统进行细胞级激励的有效媒介。相比神经电激励，神经光激励有以下优点:1、使用独立信道，不受电生理环境影响。通过微电极向组织生理环境注入激`励电流，会与激励起的神经电信号相互作用、干扰；而光束与神经电信号不会相互干扰。2、对生物有机体副作用很小。长期植入时，注入电流的并发症与副作用不可忽视；而光束为安全的信号，不会影响生理环境。3、配合相应的基因手段能够实现神经活动的激发与抑制。电激励仅能实现神经细胞的激发，不能实现神经活动的抑制；而借助相应基因工程手段，光激励能够实现神经活动的激发与抑制。4、光束可以被聚焦，以提高激励精度。电信号会在生理环境中向各个方向均等扩散，影响调控的精度；而光束可以被聚焦到微米级的点上，由于神经细胞的尺寸约为f 10 μ m,因此可以实现细胞级的精确激励。微型神经植入式装置一般来说要满足以下设计要求:(I)高效传输神经激励信号。(2)机械性能较好，不易损坏。(3)植入部分的材料对人体健康无害。(4)结构紧凑、体积小巧，与所植入神经组织的尺寸相适应。大多数应用于新皮层、脊髓组织或视神经的微型植入式装置都需要具备二维激励功能，以对目标神经组织的某个区域进行整体激励。目前，平面微加工工艺已经成为设计与制备微型神经植入式装置的重要手段，这种工艺能够制造出一体化的集成神经激励芯片，比如基于平面微加工工艺的二维神经电激励芯片集成了微电极阵列作为植入部分。近年来，随着神经光激励技术的发展，二维神经光激励芯片也得到了一定发展，主要为基于光源发光面外接波导探针阵列的二维光激励芯片。基于光源发光面接合波导探针阵列的二维光激励芯片为:在光源发光面上接合光波导阵列，以接合的光波导阵列作为神经光激励探针，接合的光波导阵列一般为由石英或聚合物制成，比如石英或聚合物光纤。光源以发光二极管阵列为例。上述基于光源发光面接合波导探针阵列的二维光激励芯片存在的缺陷是:1、从光源入射到接合波导探针阵列的损耗较大。光从发光二极管有源层产生，经衬底入射到波导阵列中，根据菲涅耳公式(见《光学原理》1.5.2:菲涅耳公式，玻恩著，电子工业出版社，ISBN:9787121012563)，光从不同种介质分界面入射要发生损耗，损耗随两种介质的折射率差增大而增大，而一般用于波导芯层的生物相容材料，如医用玻璃或聚合物，其折射率为1.3^1.5，由于衬底晶体的折射率较大(如蓝宝石的折射率为1.7 1.8)，这类芯片的光传输效率较低；本发明直接在蓝宝石衬底另一个表面延伸出波导阵列，减小了传输损耗。2、波导包层的尺寸限制了二维光激励的刺激点密度。基于石英或聚合物的波导属于弱导波导，即芯层与包层之间的折射率差不超过
0.1%，对光的束缚能力较弱(见《导波光学》第36页:弱导近似，范崇澄、彭吉虎编著，北京理工大学出版社，ISBN7-81013-136-2/TN.11)，必须较厚的包层，因此波导探针单元的最小横向尺寸取决于包层的横向尺寸，但石英光纤的包层直径> 125 μ m，聚合物光纤包层直径> 500 μ m，这限制了基 于光源发光面接合波导探针阵列的二维光激励芯片相邻刺激点的间隔；本发明所用蓝宝石探针的折射率超过1.7，对光的束缚能力较强，故不需外包层，且可根据需要定制其横向尺寸，并不限于圆柱形结构，最小横向尺寸可达到20 μ m，由于神经细胞的尺寸约广10 μ m，因此可以实现细胞级的精确激励。3、从光源上直接制备波导，工艺复杂。以发光二极管为例，在其光出射面上制备波导，并降低光传输损耗，涉及到复杂的工艺，如衬底的削薄或剥离，厚波导层的淀积，大高宽比波导结构的成型等，虽然可以采用现成制备好的波导，如光纤等，但又会遇到连接的问题；本发明采用厚度>lmm的衬底，在其上直接制备波导，工艺简便，实用性强。4、光源与波导探针阵列仍需牢固接合和微米级对准。光源与波导探针阵列没能实现集成一体化，需要额外接合，而探针阵列与光源的发光面不易牢固连接，连接时需要精细操作使探针阵列与光源或光源阵列进行微米级对准；本发明实现了蓝宝石基二维电致发光阵列与探针阵列的集成一体化，结构紧凑，便于实用。5、基于石英或聚合物的波导的机械性能较差。基于石英或聚合物的波导的机械性能较差，石英的杨氏模量为5(T70GPa，不耐弯折，容易断裂，不适合长期植入，而聚合物的杨氏模量仅为0.f5GPa，硬度不够，无法刺入神经组织；本发明所用蓝宝石探针，其表面硬度为9，杨氏模量为30(T450GPa，便于实用。

发明内容
本发明要解决的问题是提供一种单片集成了电致发光阵列与蓝宝石波导探针阵列，能够降低传输光路中的损耗，能够提高二维激励的空间密度和精度，结构紧凑、材料安全、机械性能优秀的植入式蓝宝石基二维神经激励芯片及其制备方法。本发明采用如下技术方案:本发明所述的一种植入式蓝宝石基二维神经激励芯片，包括:蓝宝石衬底，在蓝宝石衬底的一个表面上设有mXn电致发光阵列，在蓝宝石衬底的另一个表面上设有mXn蓝宝石探针阵列,mXn电致发光阵列中的发光单元与mXn蓝宝石探针阵列中的探针单元相对应，m为I到20之间的任一正整数，η为I到20之间的任一正整数，所述mXn蓝宝石探针阵列为所述植入式蓝宝石基二维神经激励芯片的可植入部分。本发明进一步采用以下技术措施来优化上述技术方案:所述的mXn电致发光阵列中的电致发光单元包括:氮化镓缓冲层，在氮化镓缓冲层上设有硅掺杂η型氮化镓，在硅掺杂η型氮化镓上方设有镁掺杂ρ型氮化镓，在硅掺杂η型氮化镓与镁掺杂P型氮化镓之间设有5 20级氮化镓/铟镓氮量子阱，所述5 20级氮化镓/铟镓氮量子阱包括5 20层铟镓氮量子阱，在相邻两层铟镓氮量子阱之间有氮化镓势垒层，在硅掺杂η型氮化镓上连接有阴极，在镁掺杂ρ型氮化镓上连接有阳极。所述的mXn蓝宝石探针阵列中的蓝宝石探针单元由直接从蓝宝石衬底上延伸形成的蓝宝石波导以及从蓝宝石波导上直接延伸形成的蓝宝石探头组成。本发明所述的一种基于阵列蓝宝石基波导探针的植入式二维神经激励芯片的制备工艺，包括以下步骤:步骤1:制备厚度大于 I毫米的蓝宝石衬底，在蓝宝石衬底的一个表面依次制备氮化镓缓冲层、硅掺杂η型氮化镓层、5 20级氮化镓/铟镓氮量子阱及镁掺杂P型氮化镓层；步骤2:在制备好的镁掺杂ρ型氮化镓层上涂一层光刻胶，采用光刻工艺得到mXn电致发光阵列的图形，刻蚀后得到mXn电致发光阵列；步骤3:在制备好的mXn电致发光阵列上涂一层光刻胶，采用光刻工艺得到每个电致发光单元对应阴极和阳极的图形，经金属淀积、去除光刻胶后完成所述阴极和阳极的制备；步骤4:在制备好的mXn电致发光阵列上涂一层光刻胶，以保护mXn电致发光阵列；步骤5:将蓝宝石衬底倒置，自蓝宝石衬底的另一个表面制备按mXn阵列分布的蓝宝石探针单元的探头阵列，再自按mXn阵列分布的蓝宝石探针单元的探头阵列制备出按mXn阵列分布的蓝宝石探针单元的波导阵列，形成由所述探头阵列和波导阵列构成的mXη蓝宝石探针阵列。本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果:本发明所述芯片通过对厚度超过1_的蓝宝石衬底的两个表面进行处理得到，单片集成了电致发光阵列与蓝宝石波导探针阵列，通过直接在蓝宝石衬底上制备波导，降低了传输光路中的损耗，同时二维激励的密度和精度也得到了提高，芯片结构紧凑，材料性质稳定，机械性能优秀，与驱动电路封装后，可构成发光、传输与探针一体化集成的植入式二维神经光激励装置，适合长期植入神经组织。1、采用与电致发光阵列衬底相同的介质作为波导阵列，结构的光输送效率高。本发明直接在蓝宝石衬底一个表面上设置发光单元，另一个表面上设置蓝宝石波导探针，光信号在发光单元中产生，进入蓝宝石衬底后经过蓝宝石波导的传输，从蓝宝石探头中出射。发光单元所处的有源层由氮化镓PN结和多级铟镓氮量子阱组成，有源层的厚度不超过20 μ m，对光的传输影响轻微。蓝宝石衬底与波导探针属于同种介质，根据菲涅耳公式(见《光学原理》1.5.2:菲涅耳公式，玻恩著，电子工业出版社，ISBN:9787121012563)，光从衬底入射到同种介质的波导探针中，避免了光入射不同介质分界面的损耗，与现有基于光源发光面接合波导探针阵列的二维光激励芯片相比，提高了结构的光输送效率3(Γ40%，参照图5。2、可以根据需要定制探头形状，聚焦光束，压缩出射光斑。本发明根据刻蚀深度改变光掩模，可以定制蓝宝石波导探针的探头形状为锥形或球形曲面，以实现光束聚焦，和出射光斑的压缩，能够提高神经光激励的空间精度和目标组织中光探头周围的光强密度2到3倍，并且对尺寸约1-10 μ m的神经细胞实现细胞级的精确激励。如图6所示。3、波导的折射率高，对光束的约束性强，可不用包层，并根据需要定制探针阵列的密度与形状。本发明所用蓝宝石探针，折射率超过1.7，对光的束缚能力较强，故不需要包层(见《导波光学》第36页:弱导近似，范崇澄、彭吉虎编著，北京理工大学出版社，ISBN7-81013-136-2/TN.11)，且限于圆柱形结构，根据工艺，探针所用波导的最小横向尺寸可达到20 μ m，因此可以根据需要定制探针阵列的密度，相邻探针间的最小距离可达约50 μ m04、层次简单，结构紧凑，机械性能优良。本发明所涉及植入式蓝宝石基二维神经激励芯片，其层次结构与普通阵列LED芯片完全一样，结构紧凑。直接利用蓝宝石波导探针阵列作为可植入部分，机械性能比聚合物波导和光纤更好，不易发生断裂。蓝宝石的物理和化学性质稳定，表面硬度为9，杨氏模量为30(T450GPa，对人体无害，适合作为长期植入(连续佩戴2个月以上，见)使用。5、制备过程中可整体解决发光单元与波导间的接合与对准问题，便于大规模制备。发明所涉及植入式蓝宝石基二维神经激励芯片的制备工艺，首先在蓝宝石衬底的一个表面制备mXn电致发光阵列，用光刻胶保护制备好的mXn电致发光阵列，再在蓝宝石衬底的另一个表面制备mXn蓝宝石探针阵列。通过调整蓝宝石衬底两个表面上印图所使用的光掩模，直接在蓝宝石衬底上制备电致发光阵列与波导探针阵列，整体解决所述两阵列之间的接合与对准。6、制备流程与现有工艺兼容，实用性强。本发明所涉及植入式蓝宝石基二维神经激励芯片的制备工艺，是在蓝宝石衬底的一个表面直接制备mX η电致 发光阵列,在另一个表面直接制备mX η蓝宝石探针阵列，实现了蓝宝石衬底上的晶圆级处理，与蓝宝石晶圆的半导体淀积、刻蚀等工艺相兼容，便于大规模制备。


图1为本发明所涉及植入式蓝宝石基二维神经激励芯片在厚度>1_的蓝宝石衬底晶圆上的位置，图中放大部分为所述植入式蓝宝石基二维神经激励芯片的结构示意图，包括:蓝宝石衬底I，在蓝宝石衬底的一个表面上设有mX η电致发光阵列，在蓝宝石衬底的另一个表面上设有mX η蓝宝石探针阵列，所述电致发光阵列中的发光单元2与所述蓝宝石探针阵列中的探针单元3相对应。图2为本发明所涉及植入式蓝宝石基二维神经激励芯片的一个激励单元的层次结构图，所述激励单元自下到上包括以下层次结构:32蓝宝石探针单元的探头、31蓝宝石探针单元的波导、I蓝宝石衬底、21氮化镓缓冲层，22硅掺杂η型氮化镓、5 20级氮化镓/铟镓氮量子阱、镁掺杂P型氮化镓23以及电极，所述5 20级氮化镓/铟镓氮量子阱包括5 20层铟镓氮量子阱242，在相邻两层铟镓氮量子阱242之间有氮化镓势垒层241，所述电极包括硅掺杂η型氮化镓22上连接有阴极25，在镁掺杂ρ型氮化镓23上连接有阳极26。图3为本发明所涉及植入式蓝宝石基二维神经激励芯片制备工艺步骤的示意图，从上到下依次为:金属有机气相外延生长(MOVPE)方法在蓝宝石衬底一个表面外依次生长氮化镓缓冲层21、硅掺杂η型氮化镓22、5 20级氮化镓/铟镓氮量子阱24以及镁掺杂ρ型氮化镓23 ；紫外光刻法制备电致发光单元2的图形；感应耦合等离子(ICP)刻蚀制备电致发光单元2 ；紫外光刻法制备阴极25与阳极26`的图形；电子束蒸发(EBE)法制备阴极25与阳极26 ；倒置衬底，保护制备好的电致发光阵列；紫外光刻法制备探头31的图形，ICP刻蚀制备探头31，刻蚀到一定深度更换光刻所用光掩模，重复紫外光刻和ICP刻蚀；制备出探头31形状；紫外光刻制备波导32图形，ICP刻蚀制备蓝宝石探针的波导32。图4为本发明所涉及植入式蓝宝石基二维神经激励芯片制备工艺的流程图；图5为本发明所涉及植入式蓝宝石基二维神经激励芯片的一个激励单元的光传输效率与基于光源发光面接合波导探针阵列的二维光激励芯片的类似激励单元的光传输效率的比较，图中横坐标代表被采用作为波导层的不同材料的折射率，纵坐标表示激励单兀的光传输损耗。图6本发明所涉及植入式蓝宝石基二维神经激励芯片的锥形探头对激励光束的聚焦效果，所用锥形探头的锥长为直径的2.5倍，图中横坐标代表光束向前传输的距离，纵坐标表示光束中心的相对强度，从图中所知，经聚焦初始的光强提高到无探头情况下的2.3
倍左右。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明:
实施例1:蓝宝石衬底I，在蓝宝石衬底I的一个表面上设有mX η电致发光阵列，在蓝宝石衬底I的另一个表面上设有mXn蓝宝石探针阵列，mXn电致发光阵列中的发光单元2与mXn蓝宝石探针阵列中的探针单元3相对应，m为I到20之间的任一正整数，η为I到20之间的任一正整数，所述mXn蓝宝石探针阵列为所述植入式蓝宝石基二维神经激励芯片的可植入部分。本发明进一步采用以下技术措施来优化上述技术方案:所述的mXn电致发光阵列中的电致发光单元2包括:氮化镓缓冲层21，在氮化镓缓冲层21上设有硅掺杂η型氮化镓22，在硅掺杂η型氮化镓22上方设有镁掺杂ρ型氮化镓23，在硅掺杂η型氮化镓22与镁掺杂ρ型氮化镓23之间设有5 20级氮化镓/铟镓氮量子阱，所述5 20级氮化镓/铟镓氮量子阱包括5 20层铟镓氮量子阱242，在相邻两层铟镓氮量子阱242之间有氮化镓势垒层241，在硅掺杂η型氮化镓22上连接有阴极25，在镁掺杂ρ型氮化镓23上连接有阳极26。所述的mXn蓝宝石探针阵列中的蓝宝石探针单元2由直接从蓝宝石衬底I上延伸形成的蓝宝石波导41以及从蓝宝石波导41上直接延伸形成的蓝宝石探头42组成。实施例2:本发明所述的一种所述基于阵列蓝宝石基波导探针的植入式二维神经激励芯片的制备工艺，包括以下步骤:步骤1:制备厚度大于I毫米的蓝宝石衬底I，在蓝宝石衬底I的一个表面依次制备氮化镓缓冲层21、硅掺杂η型氮化镓层22、5 20级氮化镓/铟镓氮量子阱24及镁掺杂ρ型氮化镓层23，其方法为:在蓝宝石衬底I的一个表面采用金属有机气相外延生长(MOVPE)方法，采用氢气作为载流气体，气体流量为5 40SLM (标准升每分钟)，控制反应腔总气压在5(T750Torr (毫米汞柱)，具体步骤如下:步骤1.1:反应温度为100(Γ1100° C，反应气体为氨气、三甲基镓，气体体积比氨气:三甲基镓=100(Γ2000:1，在蓝宝石衬底I上制备氮化镓缓冲层21，厚度介于I到20 μ m之间；步骤1.2:反应温度为100(Γ1100° C，反应气体为氨气、三甲基镓及硅烷，气体体积比三甲基镓:硅烷=50(Γ5000:1，氨气:三甲基镓=100(Γ2000:1，在氮化镓缓冲层21上制备硅掺杂η型氮化镓22，厚度介于0.4到5 μ m之间；步骤1.3:反应温度为70(T85(TC，反应气体为氨气、三甲基镓及三甲基铟，气体体积比三甲基镓:三甲基铟=0.Γ10:1，氨气:三甲基镓+三甲基铟=5000 5500:1，在η型氮化镓层上制备第一层铟镓氮量子阱242，厚度介于20Α到80Α之间，铟镓氮量子阱242中铟与镓的物质的量之比介于0.05:0.95到0.45:0.55之间；步骤1.4:维持反应温度不变，反应气体为氨气、三甲基镓，气体体积比氨气:三甲基镓=1000^2000:1，，在第一 层铟镓氮量子阱242上制备一层氮化镓势垒层241，厚度介于20A到80A之间；步骤1.5:依次重复步骤1.3、1.4五到二十次，形成5 20级氮化镓/铟镓氮量子阱24 ；步骤1.6:反应温度为100(Γ1100° C，反应气体为氨气、三甲基镓及二茂镁，气体体积比三甲基镓:二茂镁=100 1000:1，氨气:三甲基镓+ 二茂镁=1000 2000:1，在5 20级氮化镓/铟镓氮量子阱24上制备镁掺杂ρ型氮化镓层23，厚度介于0.2到2 μ m之间；步骤2:在制备好的镁 掺杂ρ型氮化镓23层上涂一层光刻胶，采用光刻工艺得到mXn电致发光阵列的图形，刻蚀后得到mXn电致发光阵列，其所用方法，具体步骤如下:步骤2.1:采用厚正性光刻胶AZ9260，在制备好的镁掺杂ρ型氮化镓层23上涂一层光刻胶，旋涂速度为50(Tl500rpm ；步骤2.2:采用电热板对涂胶后的芯片进行软烘，烘焙温度为105 115°C，烘焙时间为150 200 秒；步骤2.3:采用光掩模(如《半导体制造工艺基础》第278页:索引所示，[美]施敏，梅凯瑞著，安徽大学出版社，ISBN978-7-81110-292-5 )覆盖软烘后的芯片，在365 405nm波长紫外光下曝光，曝光量为1500 6000mJ/cm2 ；步骤2.4:采用电热板对曝光后的芯片进行硬烘，使图形稳固，烘焙温度为8(noo°c，烘焙时间为6(Γ300秒；步骤2.5采用体积浓度为20%的ΑΖ400Κ或AZ300MIF显影剂对硬烘后的芯片进行处理，以得到mXn电致发光阵列的图形；步骤2.6采用感应耦合等离子(ICP)刻蚀对显影后的芯片进行刻蚀，腔室的工作气压保持
0.5 2.0Pa，芯片温度保持1(T20°C，感应功率50(T2000W，直流偏置电压-100到-500V，刻蚀气体为氯气，气体流量为4(T70sCCm (标准毫升每分钟)，辅助气体为三氯化硼或溴化氢，气体流量为l(T20sccm,附加气体为気气或氣气,气体流量为(TlOsccm,保持总气体流量为60 80sccm ；步骤3:在制备好的mXn电致发光阵列上涂一层光刻胶，采用光刻工艺得到每个电致发光单元2对应阴极25和阳极26的图形，经金属淀积、去除光刻胶后完成所述阴极25和阳极26的制备，其所用方法，具体步骤如下:步骤3.1:采用厚正性光刻胶AZ9260，在制备好的镁掺杂P型氮化镓层上涂一层光刻胶，旋涂速度为50(Tl500rpm ；步骤3.2:采用电热板对涂胶后的芯片进行软烘，烘焙温度为105 115°C，烘焙时间为150 200 秒；步骤3.3:采用光掩模覆盖软烘后的芯片，在紫外光下曝光，曝光量为150(T6000mJ/cm2 ；步骤3.4:采用电热板对曝光后的芯片进行硬烘使图形稳固，烘焙温度为8(Γ100° C，烘焙时间为6(Γ300秒；步骤3.5:采用1:4ΑΖ400Κ或AZ300MIF显影剂对硬烘后的芯片进行处理，以得到阴极25和阳极26的图形；步骤3.6:采用电子束蒸发(EBE)法，蒸发的真空度〈I X IO-7Torr,保持显影后的芯片温度为10(Γ300 ，电子枪束流5 10mA，电压为6 8kV，蒸发时间为5 10分钟，铬/金(Cr/Au)厚度约 50 200nm ；步骤3.7:采用有机溶剂丙酮，异丙醇或N-甲基吡咯烷酮对淀积金属层后的芯片进行清洗，去除光刻胶图形及其上附着的金属，得到每个电致发光单元对应阴极和阳极；步骤4:在制备好的mXn电致发光阵列上涂一层光刻胶，以保护mXn电致发光阵列，其所用方法具体步骤如下:步骤4.1:采用厚正性光刻胶AZ9260，在制备好的镁掺杂P型氮化镓层上涂一层光刻胶，旋涂速度为50(Tl500rpm ；步骤4.2:采用电热板对完成涂胶的芯片进行软烘，烘焙温度为105 115°C，烘焙时间为150 200 秒；步骤4.3:采用紫外光对软烘后的芯片进行曝光，曝光量为150(T6000mJ/cm2 ；步骤4.4:采用电热板对曝光后的芯片进行硬烘使图形稳固，烘焙温度为8(T10(TC，烘焙时间为6(Γ300秒；步骤5:将蓝宝石衬底I倒置，自蓝宝石衬底I的另一个表面制备按mXn阵列分布的蓝宝石探针单元3的探头阵列，再自按mXn阵列分布的蓝宝石探针单元3的探头阵列制备出按mXn阵列分布的蓝宝石探针单元3的波导阵列，形成由所述探头阵列和波导阵列构成的mXn蓝宝石探针阵列3，形成由所述探头阵列和波导阵列构成的mXn蓝宝石探针阵列，其所用方法，具体步骤如下:
步骤5.1:将蓝宝石衬底I倒置。采用厚正性光刻胶AZ9260，在制备好的镁掺杂ρ型氮化镓层23上涂一层光刻胶，旋涂速度为50(Tl500rpm ；步骤5.2:采用电热板对涂胶后的芯片进行软烘，烘焙温度为105 115°C，烘焙时间为150 200 秒；步骤5.3:采用光掩模覆盖软烘后的芯片，在紫外光下曝光，曝光量为150(T6000mJ/cm2 ；步骤5.4:采用电热板对曝光后的芯片进行硬烘，使图形稳固，烘焙温度为8(Γ100° C，烘焙时间为6(Γ300秒；步骤5.5:采用体积浓度为20%的ΑΖ400Κ或AZ300MIF显影剂对硬烘后的芯片进行处理，以得到按mXn阵列分布的蓝宝石探针单元3的探头在下一次刻蚀中所需的图形；步骤5.6: 采用感应耦合等离子(ICP)刻蚀对显影后的芯片进行刻蚀，腔室的工作气压保持
1.0 4.0Pa,芯片温度保持(TlO°C，感应功率50(T2000W，直流偏置电压-300到-900V，刻蚀气体为三氯化硼，气体流量为7(T90SCCm (标准毫升每分钟)，辅助气体为氯气或溴化氢，气体流量为lOlOsccm，刻蚀气体与辅助气体的总流量约lOOsccm，附加气体为氩气或氙气，气体流量为(T40sccm，保持总气体流量为10(Tl40sccm ；步骤5.7:更换光掩模，重复5.1到5.6 ；步骤5.8:重复5.1到5.7十到五十次，得到按mXn阵列分布的蓝宝石探针单元3的探头阵列；步骤5.9:采用制备按mXn阵列分布的蓝宝石探针单元3的探头阵列过程中最后一次使用的光掩模，重复5.1到5.5，得到按mXn阵列分布的蓝宝石探针单元(3)的波导阵列；步骤5.10:清洗、去胶，完成所述mXn蓝宝石探针阵列的制备，并得到植入式蓝宝石基二维神经激励芯片。
权利要求
1.一种植入式蓝宝石基二维神经激励芯片，其特征在于，包括: 蓝宝石(Al2O3)衬底(I)，在蓝宝石衬底(I)的一个表面上设有mXn电致发光阵列，在蓝宝石衬底(I)的另一个表面上设有mXn蓝宝石探针阵列，mXn电致发光阵列中的发光单元(2)与mXn蓝宝石探针阵列中的探针单元(3)相对应，m为I到20之间的任一正整数，η为I到20之间的任一正整数，所述mXn蓝宝石探针阵列为所述植入式蓝宝石基二维神经激励芯片的可植入部分。
2.根据权利要求1所述的基于阵列蓝宝石基波导探针的植入式二维神经激励芯片，其特征在于: 所述的mXn电致发光阵列中的电致发光单元⑵包括:氮化镓(GaN)缓冲层(21)，在氮化镓缓冲层(21)上设有硅掺杂η型氮化镓(22)，在硅掺杂η型氮化镓(GaN=Si) (22)上方设有镁掺杂P型氮化镓(GaN = Mg) (23)，在硅掺杂η型氮化镓(22)与镁掺杂P型氮化镓(23)之间设有5 20级氮化镓/铟镓氮量于阱，所述5 20级氮化镓/铟镓氮(InGaN)量子阱包括5 20层铟镓氮量于阱(242)，在相邻两层铟镓氮量子阱(242)之间有氮化镓势垒层(241)，在硅掺杂η型氮化镓(22)上连接有阴极(25)，在镁掺杂ρ型氮化镓(23)上连接有阳极(26)。
3.根据权利要求1所述的基于阵列蓝宝石基波导探针的植入式二维神经激励芯片，其特征在于: 所述的mXn蓝宝石探针阵列中的蓝宝石探针单元(3)由直接从蓝宝石衬底(I)上延伸形成的蓝宝石波导(31)以及从蓝宝石波导(31)上直接延伸形成的蓝宝石探头(32)组成。
4.一种权利要求1所述基于阵列蓝宝石基波导探针的植入式二维神经激励芯片的制备工艺，其特征在于，包括 以下步骤: 步骤1:制备厚度大于I毫米的蓝宝石衬底(I)，在蓝宝石衬底(I)的一个表面依次制备氮化镓缓冲层(21)、硅掺杂η型氮化镓层(22)、5 20级氮化镓/铟镓氮量子阱(24)及镁掺杂P型氮化镓层(23)； 步骤2:在制备好的镁掺杂ρ型氮化镓(23)层上涂一层光刻胶，采用光刻工艺得到mXn电致发光阵列的图形，刻蚀后得到mXn电致发光阵列； 步骤3:在制备好的mXn电致发光阵列上涂一层光刻胶，采用光刻工艺得到每个电致发光单元(2)对应阴极(25)和阳极(26)的图形，经金属淀积、去除光刻胶后完成所述阴极(25)和阳极(26)的制备； 步骤4:在制备好的mXn电致发光阵列上涂一层光刻胶，以保护mXn电致发光阵列； 步骤5:将蓝宝石衬底(I)倒置，自蓝宝石衬底(I)的另一个表面制备按mXn阵列分布的蓝宝石探针单元(3)的探头阵列，再自按mXn阵列分布的蓝宝石探针单元(3)的探头阵列制备出按mXn阵列分布的蓝宝石探针单元(3)的波导阵列，形成由所述探头阵列和波导阵列构成的mXn蓝宝石探针阵列。
5.根据权利要求4所述的制备工艺，其特征在于: 步骤I所述在蓝宝石衬底(I)的一个表面依次制备氮化镓缓冲层(21)、硅掺杂η型氮化镓层(22)、5 20级氮化镓/铟镓氮量子阱(24)及镁掺杂ρ型氮化镓层(23)的方法为:在蓝宝石衬底(I)的一个表面采用金属有机气相外延生长(MOVPE)方法，采用氢气(H2)作为载流气体，气体流量为5 40SLM(标准升每分钟)，控制反应腔总气压在50 750Torr (毫米萊柱),具体步骤如下: 步骤1.1: 反应温度为1000 1100° C，反应气体为氨气(NH3)、三甲基镓(TMGa)，气体体积比氨气:三甲基镓=1000 2000: 1，在蓝宝石衬底(I)上制备氮化镓缓冲层(21)，厚度介于I至Ij 20 μ m之间； 步骤1.2: 反应温度为1000 1100° C，反应气体为氨气、三甲基镓及硅烷(SiH4),气体体积比三甲基镓:硅烷=500 5000: 1，氨气:三甲基镓=1000 2000: 1，在氮化镓缓冲层(21)上制备硅掺杂η型氮化镓(22)，厚度介于0.4到5 μ m之间； 步骤1.3: 反应温度为700 850° C，反应气体为氨气、三甲基镓及三甲基铟(TMIn)，气体体积比三甲基镓:三甲基铟=0.1 10: 1，氨气:三甲基镓+三甲基铟=5000 5500: 1，在η型氮化镓层上制备第一层铟镓氮量子阱(242)，厚度介于2从到8爐之间，铟镓氮量子阱(242)中铟与镓的物质的量之比介于0.05: 0.95到0.45: 0.55之间； 步骤1.4: 维持反应温度不变，反应 气体为氨气、三甲基镓，气体体积比氨气:三甲基镓=1000 2000: 1，，在第一层铟镓氮量子阱(242)上制备一层氮化镓势垒层(241)，厚度介于20Α到80Α之间；步骤1.5: 依次重复步骤1.3、1.4五到二十次，形成5 20级氮化镓/铟镓氮量子阱(24)； 步骤1.6: 反应温度为1000 1100° C，反应气体为氨气、三甲基镓及二茂镁(Cp2Mg)，气体体积比三甲基镓:二茂镁=100 1000: I，氨气:三甲基镓+ 二茂镁=1000 2000: 1，在5 20级氮化镓/铟镓氮量子阱(24)上制备镁掺杂ρ型氮化镓层(23)，厚度介于0.2到2ym之间。
6.根据权利要求4所述的制备工艺，其特征在于: 步骤5所述的由所述探头阵列和波导阵列构成的mXn盖宝石探针阵列采用以下方法得到，具体步骤如下: 步骤5.1: 将蓝宝石衬底(I)倒置。采用厚正性光刻胶AZ9260，在制备好的镁掺杂ρ型氮化镓层(23)上涂一层光刻胶，旋涂速度为500 1500rpm ； 步骤5.2: 采用电热板对涂胶后的芯片进行软烘，烘焙温度为105 115° C，烘焙时间为150 200 秒； 步骤5.3: 采用光掩模覆盖烘焙后的芯片，在紫外光下曝光，曝光量为1500 6000mJ/cm2 ； 步骤5.4:采用电热板对曝光后的芯片进行硬烘，使图形稳固，烘焙温度为80 100° C，烘焙时间为60 300秒； 步骤5.5: 采用感应耦合等离子(ICP)刻蚀对显影后的芯片进行刻蚀，腔室的工作气压保持·1.0 4.0Pa,芯片温度保持O 10 ° C，感应功率500 2000W，直流偏置电压-300到-900V，刻蚀气体为三氯化硼，气体流量为70 90sCCm(标准毫升每分钟)，辅助气体为氯气或溴化氢，气体流量为10 30sccm，刻蚀气体与辅助气体的总流量约lOOsccm，附加气体为IS气(Ar)或氣气(Xe),气体流量为O 40sccm,保持总气体流量为100 140sccm ；步骤5.6: 采用体积浓度为20%的AZ400K或AZ300MIF显影剂对硬烘后的芯片进行处理，以得到按mXn阵列分布的蓝宝石探针单元(3)的探头在下一次刻蚀中所需的图形； 步骤5.7: 更换光掩模，重复5.1到5.6 ； 步骤5.8: 重复5.1到5.7十到五十次，得到按mXn阵列分布的蓝宝石探针单元(3)的探头阵列； 步骤5.9: 采用制备按mXn阵列分布的蓝宝石探针单元(3)的探头阵列过程中最后一次使用的光掩模，重复5.1到5.5，得到按mXn阵列分布的蓝宝石探针单元(3)的波导阵列；步骤5.10: 清洗、去胶，完成所述 mXn蓝宝石探针阵列的制备，并得到植入式蓝宝石基二维神经激励芯片。
全文摘要
一种植入式蓝宝石基二维神经激励芯片及其制备方法。所述芯片为在蓝宝石衬底的一个表面上设有电致发光阵列，在所述衬底另一个表面上设有蓝宝石探针阵列，作为所述芯片的可植入部分，所述探针阵列中的探针单元与所述电致发光阵列中的发光单元相对应。所述制备方法包括在厚度大于1毫米的盖宝石衬底的一个表面依次制备氮化镓缓冲层、硅掺杂n型氮化镓层、多级氮化镓/铟镓氮量子阱及镁掺杂p型氮化镓层，经紫外光刻和刻蚀形成所述电致发光阵列，并采用紫外光刻、金属淀积等制备阴极和阳极；采用紫外曝光的光刻胶保护电致发光阵列，在所述衬底另一个表面上依次制备所述蓝宝石探针阵列的探头阵列和波导阵列，以形成蓝宝石探针阵列。
文档编号A61N5/06GK103083827SQ20121057402
公开日2013年5月8日 申请日期2012年12月26日 优先权日2012年12月26日
发明者孙小菡, 董纳, 陈源源, 蒋卫锋 申请人:东南大学