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

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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及。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

技术介绍
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；本专利技术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；本专利技术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；本专利技术采用厚度>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；本专利技术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；本专利技术所用蓝宝石探针，其表面硬度为9，杨氏模量为30(T450GPa，便于实用。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术采用如下技术方案:本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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/铟镓本文档来自技高网...

【技术保护点】
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(1)，在蓝宝石衬底(1)的一个表面上设有m×n电致发光阵列，在蓝宝石衬底(1)的另一个表面上设有m×n蓝宝石探针阵列，m×n电致发光阵列中的发光单元(2)与m×n蓝宝石探针阵列中的探针单元(3)相对应，m为1到20之间的任一正整数，n为1到20之间的任一正整数，所述m×n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。

【技术特征摘要】
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； ...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙小菡，董纳，陈源源，蒋卫锋，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：