氮化镓和石墨烯混合集成光电芯片及其制备方法

1.本发明涉及光电芯片领域，具体涉及一种氮化镓和石墨烯混合集成光电芯片及其制备方法。


背景技术：

2.光遗传学最早通过光纤耦合激光光源为体内或体外活体提供光刺激，但由于光纤有线连接对动物行为的约束限制，以及群体性实验中光纤会缠绕、打结的问题。神经科学家们一直致力于开发新型的采用无线能量传输方式供电的光电装置和器件，以led(发光二极管)直接作为光源或者led耦合光纤或波导的方式是光遗传学的主要选择。led便宜、寿命长。相比激光器，成本低得多，散射角也更大。且led的发光波长可以从红外到紫外覆盖整个可见光波段，神经科学家们总能找到合适他们的那款。更重要的是，led能实现ms级脉冲开关，适合于快速的神经反应。但是目前大部分神经科学家由于使用的仍然是商用的led，比单个神经元大不少，可定制化程度低，想要实现单个神经元的光刺激难度大，形成光刺激阵列就更加困难了，限制了对神经回路的研究。
3.针对光源优化的同时，科学家们对供电电路和系统也进行了不断的优化，追求更小更轻的外接装置以减小对动物的负担，进一步的将整个光电器件全部植入体内，摆脱体外束缚的困扰。对于后者来说，就要求更小的器件面积。但是大部分目前用的体内植入器件都是由封装级、贴片式的商用电子元器件组成电路，最小尺寸受到器件大小的限制，因此更好的选择是制作更微型的集成芯片式电路，最小面积可达毫米级。但是大幅度缩小的面积会对片上电感、电容、二极管、电阻还有器件的散热等有更高的要求。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明实施例提供了一种氮化镓和石墨烯混合集成光电芯片及其制备方法，以期至少部分地解决上述技术问题。
5.作为本发明的一个方面，本发明实施例提供了一种氮化镓和石墨烯混合集成光电芯片，包括：芯片主体和钝化层，上述钝化层覆盖在上述芯片主体上；其中，上述芯片主体包括衬底、第一线圈金属层、肖特基接触金属层、肖特基二极管、电容下电极金属层、第一介质隔离层、第二介质隔离层、电容上电极金属层、发光二极管、底金属层、第二线圈金属层、石墨烯层；上述第一线圈金属层、上述肖特基二极管、上述发光二极管均设置在上述衬底上；上述肖特基接触金属层设置在上述第一线圈金属层与上述肖特基二极管之间的上述衬底上，并延伸至上述肖特基二极管上表面，上述肖特基接触金属层与上述第一线圈金属层的末端连接；上述电容下电极金属层设置在上述衬底上，并延伸至上述肖特基二极管表面；在上述衬底上设置上述电容下电极金属层，上述电容下电极金属层上设置上述第一介质隔离层；上述电容上电极金属层设置在上述第一介质隔离层上，并延伸至上述发光二极管上表面；上述底金属层设置在衬底上，并延伸至上述发光二极管的上表面；在上述衬底上设置有上述底金属层上，上述底金属层上设置上述第二介质隔离层；上述第二介质隔离层上设置
上述第二线圈金属层，上述第二线圈金属层的末端与上述底金属层连接；上述第一线圈金属层、上述电容上电极金属层、上述底金属层、上述第二线圈金属层上均设置上述石墨烯层。
6.根据本发明实施例，上述钝化层的材料包括柔性材料层。
7.根据本发明实施例，上述柔性材料层包括聚对苯二甲酸乙二醇酯层、聚酰亚胺层、聚对二甲苯层、聚氨酯层、聚二甲基硅氧烷层、共聚酯层、嵌段共聚物层、光刻胶层中的一种或多种。
8.根据本发明实施例，上述衬底包括硅衬底、蓝宝石衬底、碳化硅衬底、氮化镓衬底中的一种或多种。
9.根据本发明实施例，上述介质隔离层的材料包括ta2o5、si3n4、sio2、tio2、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚二甲基硅氧烷中的一种或多种。
10.根据本发明实施例，上述肖特基接触金属层的材料包括al、ni、au、pt、ir、mo、pd、ti、w中的一种或多种。
11.根据本发明实施例，上述第一线圈金属层的材料、上述第二线圈金属层的材料均包括cu，al，pt，au，cr，ti，ni中的一种或多种。
12.根据本发明实施例，上述石墨烯层包括至少一层石墨烯。
13.根据本发明实施例，上述芯片主体的面积包括4～16mm2。
14.作为本发明的另一个方面，本发明实施例还提供了一种制备上述光电芯片的方法，包括：
15.提供一衬底；在上述衬底上定义第一区域、第二区域、第三区域、第四区域、第五区域；在上述第二区域的上述衬底上制作肖特基二极管，在上述第四区域的衬底上制作发光二极管；在上述第一区域与上述第二区域之间的上述衬底上和上述肖特基二极管上制作肖特基接触金属层，使上述肖特基接触金属层与上述肖特基二极管形成肖特基接触；在上述肖特基二极管上、上述第三区域的上述衬底上制作电容下电极金属层；在上述发光二极管上、上述第五区域的上述衬底上制作底金属层；在上述电容下电极金属层上、在上述第三区域与上述第四区域之间的上述衬底上制作第一介质隔离层；在上述第五区域的上述底金属层上制作第二介质隔离层；在上述第一介质隔离层上、上述第三区域与上述第四区域之间的上述衬底上、上述发光二极管上制作电容上电极金属层；在上述第一区域的上述衬底上制作第一线圈金属层，上述第一线圈金属层的末端与上述肖特基二极管形成金属层连接；在上述第二介质隔离层上制作第二线圈金属层，上述第二线圈金属层的末端与上述底金属层形成金属层连接；在上述第一线圈金属层上、上述电容上电极金属层上、上述底金属层上、上述第二线圈金属层上制作石墨烯层，得到芯片主体；在上述芯片主体上制作钝化层，得到光电芯片。
16.本发明实施例涉及的光电芯片，由于肖特基二极管、发光二极管等器件都是通过金属层实现电连接，可以有效缩小光电芯片的尺寸。同时，在线圈金属层上设置石墨烯层，能大幅度减小线圈电阻，减少电阻损耗，增强线圈电磁转换性能；在电容上电极金属层、底金属层上设置石墨烯层，能减小底金属层的电阻，减小底金属层和发光二极管、介质隔离层接触的欧姆接触电阻，增强发光二极管的散热性能，并改善电容的高频性能。
附图说明
17.图1示意性地示出了本发明实施例中光电芯片的剖面结构示意图；
18.图2示意性的示出了本发明实施例中光电芯片的制备工艺流程图。
具体实施方式
19.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，对本发明作进一步的详细说明。
20.本发明实施例提供了一种氮化镓和石墨烯混合集成光电芯片，包括：芯片主体和钝化层，上述钝化层覆盖在上述芯片主体上；其中，上述芯片主体包括衬底、第一线圈金属层、肖特基接触金属层、肖特基二极管、电容下电极金属层、第一介质隔离层、第二介质隔离层、电容上电极金属层、发光二极管、底金属层、第二线圈金属层、石墨烯层；上述第一线圈金属层、上述肖特基二极管、上述发光二极管均设置在上述衬底上；上述肖特基接触金属层设置在上述第一线圈金属层与上述肖特基二极管之间的上述衬底上，并延伸至上述肖特基二极管上表面，上述肖特基接触金属层与上述第一线圈金属层的末端连接；上述电容下电极金属层设置在上述衬底上，并延伸至上述肖特基二极管表面；在上述衬底上设置上述电容下电极金属层，上述电容下电极金属层上设置上述第一介质隔离层；上述电容上电极金属层设置在上述第一介质隔离层上，并延伸至上述发光二极管上表面；上述底金属层设置在衬底上，并延伸至上述发光二极管的上表面；在上述衬底上设置有上述底金属层上，上述底金属层上设置上述第二介质隔离层；上述第二介质隔离层上设置上述第二线圈金属层，上述第二线圈金属层的末端与上述底金属层连接；上述第一线圈金属层、上述电容上电极金属层、上述底金属层、上述第二线圈金属层上均设置上述石墨烯层。
21.图1示意性地示出了本发明实施例中光电芯片的剖面结构示意图。
22.如图1所示，光电芯片，包括：芯片主体和钝化层302，钝化层302覆盖在芯片主体上。光电芯片上包括五个区域，分别是第一区域a、第二区域b、第三区域c、第四区域d、第五区域e。
23.芯片主体包括衬底100、第一线圈金属层203a、肖特基接触金属层101、肖特基二极管201、电容下电极金属层102、第一介质隔离层103a、第二介质隔离层103b、电容上电极金属层104、发光二极管202、底金属层105、第二线圈金属层203b、石墨烯层301。
24.电容下电极金属层102和肖特基接触金属101设置在肖特基二极管201和衬底100上；且电容下电极金属层102一端与肖特基二极管201接触，作为欧姆接触金属；另一端位于第一介质隔离层103a下面，作为电容下电极金属。肖特基接触金属101一端与肖特基二极管201接触，作为肖特基接触金属；另一端于第一线圈金属层203a相连，起金属互联的作用。
25.电容下电极金属层102一端与肖特基二极管201接触，作为欧姆接触金属；另一端位于第一介质隔离层103a下面，作为电容下电极金属。第一介质隔离层103a设置电容下电极金属层102和衬底100上。电容上电极金属层104设置在第一介质隔离层103a、衬底100和发光二极管202上，其一端位于第一介质隔离层103a上，作为电容上电极金属；另一端与发光二极管202接触，作为欧姆接触金属。
26.底金属层105设置在衬底100上，并延伸至发光二极管202的上表面；底层金属层105一端与第二线圈金属层203b相连，起金属互联的作用；另一端与发光二极管202接触，作
为欧姆接触金属。
27.第二线圈金属层203b，其设置在衬底100、底金属层105和第二介质隔离层103b上，位于光电芯片的最外围。
28.石墨烯层301设置在第一线圈金属层203a、第二线圈金属层203b、电容上电极金属层104和底金属层105上。
29.本发明实施例涉及的光电芯片，由于肖特基二极管、发光二极管等器件都是通过金属层实现电连接，可以有效缩小光电芯片的尺寸。同时，在线圈金属层上设置石墨烯层，能大幅度减小线圈电阻，减少电阻损耗，增强线圈电磁转换性能；在电容上电极金属层、底金属层上设置石墨烯层，能减小底金属层的电阻，减小底金属层和发光二极管、介质隔离层接触的欧姆接触电阻，增强发光二极管的散热性能，并改善电容的高频性能。
30.根据本发明实施例，上述钝化层的材料包括柔性材料层。
31.根据本发明实施例，上述柔性材料层包括聚对苯二甲酸乙二醇酯层、聚酰亚胺层、聚对二甲苯层、聚氨酯层、聚二甲基硅氧烷层、共聚酯层、嵌段共聚物层、光刻胶层中的一种或多种。
32.根据本发明实施例，上述柔性材料的形状包括但不限于正方形、圆形、矩形。上述发光二极管可以采用从近红外到近紫外波段中的任意一种。
33.通过本发明实施例，本发明实施例中采用柔性材料作为钝化层，使得光电芯片在植入生物体内时，能够减少器件植入时对生物组织的伤害和免疫、炎症反应。
34.根据本发明实施例，上述衬底包括硅衬底、蓝宝石衬底、碳化硅衬底、氮化镓衬底中的一种或多种。
35.根据本发明实施例，上述介质隔离层的材料包括ta2o5、si3n4、sio2、tio2、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚二甲基硅氧烷中的一种或多种。
36.根据本发明实施例，上述肖特基接触金属层的材料包括al、ni、au、pt、ir、mo、pd、ti、w中的一种或多种。
37.根据本发明实施例，上述第一线圈金属层的材料、上述第二线圈金属层的材料均包括cu，al，pt，au，cr，ti，ni中的一种或多种。
38.根据本发明实施例，第一线圈金属层、第二线圈金属层的形状包括但不限于正方形、圆形、矩形。在一些实施例中，也可以采用由多个线圈并联的方式组成上述第一线圈金属层、第二线圈金属层，并联线圈的个数包括但不限于3个。
39.根据本发明实施例，上述石墨烯层包括至少一层石墨烯。
40.根据本发明实施例，石墨烯层可以为单层，双层，多层中的任一种。其位置不局限于在金属层之上，视工艺流程的不同，也可以使其位于金属层之下，或与金属层交替生长，夹于金属层中间。
41.通过本发明实施例，石墨烯层与线圈金属层结合，能大幅度减小线圈电阻，减少电阻损耗，增强线圈电磁转换性能。石墨烯层与电容上电极金属层和底层金属层结合，能减小底金属层的电阻，减小底金属层和发光二极管、介质隔离层接触的欧姆接触电阻，增强发光二极管的散热性能，并改善电容的高频性能。
42.根据本发明实施例，上述芯片主体的面积包括4～16mm2。
43.通过本发明实施例，由于芯片主体体积为毫米级，使其在“光遗传学探针”、“血糖
监测”、“光控给药”、“多肽检测”、“电子皮肤”和“生理健康监控”等需要光源刺激的领域具有良好的应用前景。
44.作为本发明的另一个方面，本发明实施例还提供了一种制备上述光电芯片的方法，包括：
45.提供一衬底；在上述衬底上定义第一区域、第二区域、第三区域、第四区域、第五区域；在上述第二区域的上述衬底上制作肖特基二极管，在上述第四区域的衬底上制作发光二极管；在上述第一区域与上述第二区域之间的上述衬底上和上述肖特基二极管上制作肖特基接触金属层，使上述肖特基接触金属层与上述肖特基二极管形成肖特基接触；在上述肖特基二极管上、上述第三区域的上述衬底上制作电容下电极金属层；在上述发光二极管上、上述第五区域的上述衬底上制作底金属层；在上述电容下电极金属层上、在上述第三区域与上述第四区域之间的上述衬底上制作第一介质隔离层；在上述第五区域的上述底金属层上制作第二介质隔离层；在上述第一介质隔离层上、上述第三区域与上述第四区域之间的上述衬底上、上述发光二极管上制作电容上电极金属层；在上述第一区域的上述衬底上制作第一线圈金属层，上述第一线圈金属层的末端与上述肖特基二极管形成金属层连接；在上述第二介质隔离层上制作第二线圈金属层，上述第二线圈金属层的末端与上述底金属层形成金属层连接；在上述第一线圈金属层上、上述电容上电极金属层上、上述底金属层上、上述第二线圈金属层上制作石墨烯层，得到芯片主体；在上述芯片主体上制作钝化层，得到光电芯片。
46.图2示意性地示出了本发明实施例中光电芯片的制备工艺流程图。
47.如图2所示，光电芯片的制备工艺包括步骤s1～s9。
48.步骤s1：提供一衬底，并在衬底上定义第一区域、第二区域、第三区域、第四区域、第五区域。
49.步骤s2：在第二区域、第四区域的上述衬底上，经过多次光刻、干法刻蚀、化学腐蚀和清洗过程分别制作肖特基二极管和发光二极管。
50.步骤s3：在步骤s2得到的结构基础上，经过光刻、溅射(sputter)、电子束蒸发(eb)、剥离、化学腐蚀和清洗在第一区域与第二区域之间制作出肖特基接触金属，之后经过退火在肖特基接触金属和肖特基二极管接触的区域形成肖特基接触。
51.步骤s4：在步骤s3得到的结构基础上，经过光刻、溅射(sputter)、电子束蒸发(eb)、剥离、化学腐蚀和清洗等过程同时在第三区域制作出电容下电极金属层、在第五区域制作出底层金属层。
52.步骤s5：在步骤s4得到的结构基础上，经过光刻、溅射(sputter)、等离子体增强化学气相沉积(pecvd)、原子层沉积(ald)、干法刻蚀、化学腐蚀和清洗同时在电容下电极金属层上制作出第一介质隔离层、在底金属层上制作出第二介质隔离层。
53.步骤s6：在步骤s5得到的结构基础上，经过光刻、溅射(sputter)、电子束蒸发(eb)、剥离、化学腐蚀和清洗在第一介质金属层上制作出电容上电极金属层。
54.步骤s7：在步骤s6得到的结构基础上，经过光刻、溅射(sputter)、电子束蒸发(eb)、剥离、化学腐蚀和清洗同时在第一区域制作出第一线圈金属层、在第五区域制作出第二线圈金属层。
55.步骤s8：在步骤s7得到的结构基础上，经过转移、化学气相沉积(cvd)、光刻、干法
刻蚀、化学腐蚀和清洗在第一线圈金属层、第二线圈金属层、电容上电极金属层、底金属层上制作出石墨烯层。
56.步骤s9：在步骤s8得到的结构基础上，经过旋涂、化学气相沉积(cvd)、光刻、固化、化学腐蚀、干法刻蚀和清洗制作钝化层作为保护。
57.通过本发明实施例，采用半导体工艺直接在衬底上制作集成电容、肖特基二极管、发光二极管和电感线圈，制作过程中不需要经过元器件转移、焊接、粘黏等过程，增强了芯片可靠性和持久性。同时，由于采用半导体工艺直接在衬底上制作发光二极管，能够有效缩小发光二极管的尺寸，能实现单个神经元光刺激或多个神经元的阵列式光刺激。
58.还需要说明的是，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。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。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。
59.并且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。另外，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。
60.除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本发明的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中
±
10％的变化、在一些实施例中
±
5％的变化、在一些实施例中
±
1％的变化、在一些实施例中
±
0.5％的变化。
61.再者，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。
62.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，其本身并不意味着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做出清楚区分。
63.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。
64.类似地，应当理解，为了精简本发明并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。
65.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，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。