集传感器及发光器为一体的高度集成型生物芯片及方法

摘要

本发明涉及生命科学半导体芯片的技术领域，更具体地，涉及集传感器及发光器为一体的高度集成型生物芯片及方法。本发明集成了传感器、参比电极、发光器，芯片尺寸更小，易植入生物体内，操作方便。本发明具有尺寸小、制作工艺简单、测试精度高、稳定性好、损耗低、重复性好，易植入生物体内等特点，能在对各类生物分子环境进行光照刺激的同时进行生物分子的测量。

说明书

技术领域

本发明涉及生命科学半导体芯片的技术领域，更具体地，涉及集传感器及发光器为一体的高度集成型生物芯片及方法。

背景技术

近年来，传感器在生物医学、生命科学等领域深受重视。传感器的概念最先由Clark等人于1962年提出。1967年，Updike和HIcks根据Clark的设想，设计和制作了第一个酶电极(传感器)一一葡萄糖电极。生物体内除了酶以外，还有其他许多其他具有类似识别作用的物质，例如，抗体、抗原、激素等，若把类似的有识别作用的物质固定在膜上也能作传感器的敏感元件。人们把这类用固定化的生物体成分：抗原、抗体、激素等，或生物体本身：细胞、细胞体〔器)、组织作为敏感元件的传感器称为传感器或简称生物传感器。在最初的巧年时间内、传感器主要以研制酶电极等电化学生物传感器为主。进入80年代后，由于生命医学、生命科学等得到人类极大重视，传感器的研究和开发呈现出突飞猛进的局面。

为了检测生物体内分子的浓度，在离子敏场效应晶体管（ISFET）的基础上，将ISFET的传感区域覆盖敏感膜，即进行表面功能划修饰及表征。传感器的工作机理是利用表面处理技术使其敏感膜能够吸附特定的物质。这些物质改变了表面的电压降，从而改变沟道电阻，通过外电路检测沟道电阻的变化从而间接得到溶液中物质的浓度。

另外，随着科学技术的发展，认识和了解LED技术，对我们来说是非常必要的。发光二极管( LED) 作为新型高效固体光源, 具有高效、节能、环保、寿命长、安全、色彩丰富、体积小、响应速度快、耐振动、易维护等显著优点。它的出现被公认为是21 世纪最具发展前景的高技术领域之一 。

目前，传感器工作时需外置玻璃参比电极，这种电极制备工艺复杂，价格高，易碎，体积大且无法集成。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供集传感器及发光器为一体的高度集成型生物芯片及方法，该传感器及发光器可植入生物体内在对各类生物分子进行光照刺激的同时进行生物分子的测量。

本发明的技术方案是：集传感器及发光器为一体的高度集成型生物芯片，其中，通过选区生长得到传感器与发光器的不同外延结构；其中传感器自下而上包括衬底层，以及依次形成在衬底层上的缓冲层、GaN层、AlGaN层；所述GaN层上形成凸台，GaN层和AlGaN层形成在GaN层的凸台上，所述AlGaN层上形成有源电极金属和漏电极金属，所述GaN层上形成参比电极，所述源电极金属和漏电极金属之间形成生物分子膜，所述生物分子膜即为传感区域；其中发光器自下而上包括衬底层，以及依次形成在衬底层上的缓冲层、GaN层、AlGaN层、图形化掩膜层、在传感器的外延结构上进行选择性外延生长的n-GaN层、有源层、p-GaN层以及透明导电薄膜，所述GaN层上形成凸台，GaN层、AlGaN层、图形化掩膜层、在传感器的外延结构上进行选择性外延生长的n-GaN层、有源层、p-GaN层以及透明导电薄膜形成在GaN层的凸台上，所述p电极金属设置在透明导电薄膜上，n电极金属设置在AlGaN层上；GaN层上还设有多个Pad区域，所述源电极金属、漏电极金属、参比电极、p电极金属、n电极金属、皆与对应的Pad区域电连接。

本发明中，一种高度集成型传感器，包括衬底层，以及依次形成在衬底层上的缓冲层、GaN层、AlGaN层，所述GaN层上形成凸台，GaN层和AlGaN层形成在GaN层的凸台上，所述AlGaN层上形成有源电极金属和漏电极金属，两者之间的区域形成生物分子膜，生物分子膜即为传感区域。所述GaN层上形成参比电极。

传感器集成了固态参比电极（参比电极材料可为铂（Pt）、（Au）等），制成高度集成型传感器。所述源电极金属、漏电极金属通过金属引线与Pad区域电连接，所述参比电极为长条状与Pad区域直接接触形成电连接。通过金属引线将Pad区域远离传感区域，使得芯片工作更稳定。本发明中，Pad区域用于扎针测试，Pad区域和金属引线均为金属材料制成，例如Ti/Au、Ni/Au等。

进一步地，在源电极金属和漏电极金属之间形成生物分子膜，不同的修饰及表征方式可得到不同的生物分子膜可以实现对不同的特异性分子的识别和测试，也可不进行修饰及表征即无生物分子膜，可对溶液进行pH测试。

这种传感器具备了传统传感器的优点，同时，这种传感器体积小，精度高，易植物生物体内。

对于发光器部分，本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种芯片尺寸小，稳定性好、发光效率高的金字塔发光器。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下方案实现：

发光器，包括衬底层，以及依次形成在衬底层上的缓冲层、GaN层、AlGaN层、图形化掩膜层、在传感器的外延结构上进行选择性外延生长的n-GaN层、有源层、p-GaN层以及透明导电薄膜，所述GaN层上形成凸台，GaN层、AlGaN层、图形化掩膜层、在传感器的外延结构上进行选择性外延生长的n-GaN层、有源层、p-GaN层以及透明导电薄膜形成在GaN层的凸台上，所述p电极金属设置在透明导电薄膜上，n电极金属设置在AlGaN层上。

进一步地，发光器的n-GaN层、有源层及p-GaN层的选择性外延生长是在传感器的外延基础上进行生长的，在传感器的外延结构上进行选择性外延生长的n-GaN层、有源层、p-GaN层构成三维立体结构，其结构包括但不限于六角金字塔结构。

进一步地，n电极金属设置在AlGaN层上，p电极金属设置在透明导电薄膜上，n电极金属与n-GaN层之间由GaN层与AlGaN层之间形成的2DEG电连接。电流从p电极金属注入从n电极金属流出，该导通电驱动发光器，从而将传感器与发光器高度集成。

进一步地，本制备方法可通过控制覆盖掩膜开口的大小与形状控制发光器的大小及结构，发光器还可制备成条带状（截面为三角形）等。

该集传感器及发光器为一体的高度集成型生物芯片，所述GaN层上还设有多个Pad区域，所述源电极金属、漏电极金属、参比电极、p电极金属、n电极金属分别与对应的Pad区域电连接。衬底层和缓冲层的材料以及各层材料的厚度可根据实际情况进行选择。该芯片将传感器与GaN基发光器一体化。传感器及发光器可分别单独工作，也可同时工作。芯片小而薄，集成度高，易植入生物体内，对生物组织的损伤较小。能在对各类生物分子环境进行光照刺激的同时进行各类生物分子的测量。

进一步的，所述集传感器及发光器为一体的高度集成型生物芯片的表面覆盖有封装层，所述封装层对应的源电极金属和漏电极金属之间的生物分子传感区域、参比电极的端部以及Pad区域设有开口。对芯片进行绝缘保护的同时，需要将相应的区域裸露以便于测试。封装材料采用的是一种高度绝缘、生物兼容性好的封装材料，这种封装材料能够使用半导体工艺进行开口。

集传感器及发光器为一体的高度集成型生物芯片的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1. 在衬底上依次生长缓冲层、GaN层、AlGaN层，制备出传感器的外延结构；

S2. 在传感器的外延结构上制备图形化掩膜层；

S3. 在上述图形化掩膜层上进行选择性外延生长n-GaN层、有源层、p-GaN层；

S4. 选择性腐蚀图形化掩膜层；

通过上述S1至S4步骤先制备出传感器外延结构，再在传感器的外延结构上进行选择性外延生长制备出芯片的外延结构；

S5. 选择性沉积透明导电薄膜；

S6. 选择性刻蚀AlGaN层及一定厚度的GaN层；

S7. 分别蒸镀源电极金属、漏电极金属、参比电极、p电极金属、n电极金属；

S8. 蒸镀引线及Pad；

S9. 对传感器传感区域进行表面功能化修饰及表征；

通过上述S1至S9步骤制成集传感器及发光器为一体的高度集成型生物芯片。

与现有技术相比，有益效果是：本发明集成了传感器、参比电极、发光器，芯片尺寸更小，易植入生物体内，操作方便。本发明具有尺寸小、制作工艺简单、测试精度高、稳定性好、损耗低、重复性好，易植入生物体内等特点，能在对各类生物分子环境进行光照刺激的同时进行生物分子的测量。

附图说明

图1为实施例1立体结构图。

图2为实施例1俯视结构图。

图3为实施例1传感器剖面结构图。

图4为发光器剖面结构图。

图5为实施例1外延制备过程第一立体图。

图6为实施例1外延制备过程第二立体图。

图7为实施例1外延制备过程第三立体图。

图8为实施例1外延制备过程第四立体图。

图9为实施例1封装层开口示意图（图中虚线部分为开口处）。

图10为实施例2立体结构图。

图11为实施例3立体结构图。

图12为实施例4背面立体结构图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

实施例1

如图1~8所示，一种集传感器及发光器为一体的高度集成型生物芯片，其中传感器自下而上包括衬底层，以及依次形成在衬底层上的缓冲层、GaN层、AlGaN层。所述GaN层上形成凸台，GaN层和AlGaN层形成在GaN层的凸台上，所述AlGaN层上形成有源电极金属和漏电极金属，所述GaN层上形成参比电极，所述源电极金属和漏电极金属之间形成生物分子膜，所述生物分子膜即为传感区域；其中发光器自下而上包括衬底层，以及依次形成在衬底层上的缓冲层、GaN层、AlGaN层、图形化掩膜层、在传感器的外延结构上进行选择性外延生长的n-GaN层、有源层、p-GaN层以及透明导电薄膜，所述GaN层上形成凸台，GaN层、AlGaN层、图形化掩膜层、在传感器的外延结构上进行选择性外延生长的n-GaN层、有源层、p-GaN层以及透明导电薄膜形成在GaN层的凸台上，所述p电极金属设置在透明导电薄膜上，n电极金属设置在AlGaN层上。GaN层上还设有多个Pad区域，所述源电极金属、漏电极金属、参比电极、p电极金属、n电极金属、皆与对应的Pad区域电连接。

如图9所示，所述集传感器及发光器为一体的高度集成型生物芯片的表面覆盖有封装层，所述封装层对应的源电极金属和漏电极金属之间的生物分子传感区域、参比电极的端部以及Pad区域设有开口（开口如图9所示的虚线部分）。

实施例2

本实施例与实施例1类似，区别在于，如图10所示传感器源漏电极之间没有生物分子膜，即没有进行该区域的表面功能化修饰及表征。该芯片源漏电极之间即为传感区域可进行溶液pH测量。

实施例3

本实施例与实施例1类似，区别在于，把实施例1中的圆形掩膜改成方形掩膜，同时把n-GaN层、有源层、p-GaN层构成的金字塔结构替换为如图11所示的条带状结构（截面为三角形）。

实施例4

本实施例与实施例1类似，区别在于，如图12所示在芯片背面形成有电极1、电极2、电极3、电极4以及相应的引线与Pad。电极与Pad之间由引线电连接。电极1、电极2、电极3、电极4可用于生物体神经等电位变化测量与记录。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。