钛基高度可控 Parylene C 涂层用于侵入式生物医学应用

《Micromachines》：Highly Controlled Parylene C Coating on Titanium for Invasive Biomedical Applications

　　

在本研究中，研究人员使用AlGaN/GaN异质结场效应晶体管（HFET）替代传统金属微电极制备脑神经探针。通过光电化学刻蚀（PEC）和传感区域尺寸优化，该探针在无栅极控制下具有最大跨导值，即最高灵敏度。经过数字滤波处理后，该神经探针对低至50 μV的生物模拟信号实现了8.04 dB的信噪比（SNR），证实了其检测微伏级信号的能力。离体牛蛙坐骨神经记录进一步验证了其生物传感性能，展示了从活跃神经组织中选择性捕获复合动作电位（CAP）的能力。

植入式神经探针是神经电生理研究中的核心器件，需同时具备生物相容性、电化学稳定性和高信号保真度。传统金属微电极虽广泛用于电生理记录，但其长期植入性能受限于电化学不稳定性，包括界面极化、阻抗变化和材料降解，导致信号漂移和噪声增加。尽管基于CMOS的神经阵列通过集成放大和复用提高了记录密度和信号处理能力，但其仍依赖电极界面，并需外部参考电极稳定电位，限制了微型化和长期可靠性。基于场效应晶体管（FET）的神经接口通过半导体换能机制替代直接电化学电荷转移，可减少对参考电极的依赖，但常规AlGaN/GaN异质结场效应晶体管（HFET）通常为耗尽型器件，最大跨导出现在负栅压下，仍需参考电极维持栅极电位。此前研究虽探索了参考电极辅助的AlGaN/GaN HFET生物传感器，但额外电极引入材料界面和不稳定性，削弱了半导体神经接口的慢性植入优势。因此，研究人员开展本研究，旨在通过协同器件工程和表面工程，实现无参考电极的AlGaN/GaN HFET神经探针，使其在零栅压下具有高灵敏度，从而消除外部参考电极，提升微型化和长期稳定性。

研究人员采用光电化学刻蚀（PEC）策略选择性氧化并溶解暴露的AlGaN势垒层，形成凹槽传感区域，以调节表面与二维电子气（2DEG）通道之间的静电耦合，使跨导峰值向零栅压偏移。同时，优化传感区域几何尺寸，减小传感区域与源漏间距的比例，进一步提升跨导。最终器件在无参考电极条件下实现自偏置操作，检测低至50 μV的微伏级类神经信号，并在离体牛蛙坐骨神经上验证了刺激诱发的复合动作电位（CAP）记录能力。该研究证明了通过直接工程化AlGaN/GaN传感区域实现高灵敏度无参考电极神经接口的可行性，为高密度半导体神经探针提供了新方向，论文发表在《Micromachines》。

主要关键技术方法包括：金属有机化学气相沉积（MOCVD）在c面蓝宝石衬底上生长AlGaN/GaN异质结；光刻和电感耦合等离子体（ICP）刻蚀定义器件隔离；电子束蒸发Ti/Al/Ni/Au形成源漏欧姆接触；PECVD沉积SiO₂钝化层；利用265 nm深紫外LED阵列和K₂S₂O₈电解液进行光电化学刻蚀（PEC）形成凹槽传感区域；Sentaurus TCAD仿真并实验优化传感区域长度与源漏间距比例。样本来源为离体牛蛙坐骨神经。

**3.1 光电化学刻蚀对跨导和工作点的调谐**
通过PEC刻蚀处理，AlGaN/GaN HFET的转移特性变陡，表明源漏电流对栅压变化更敏感。峰值跨导从8.35 mS/mm提升至17.94 mS/mm，增幅超过100%，同时跨导峰值从负栅压区域向零栅压偏移。经3分钟刻蚀后，峰值跨导在0 V附近达到约17.94 mS/mm，证明PEC刻蚀可同时增强器件灵敏度并将最佳工作点对准零栅压，实现无参考电极操作。

**3.2 传感区域几何优化增强跨导**
通过Sentaurus TCAD仿真发现，跨导随传感区域长度与源漏间距比例（L_Sens/L_SD）增大而单调递减。实验验证了该趋势，具有较小传感区域比例的器件表现出更高跨导。结合PEC处理后，峰值跨导进一步增至32.47 mS/mm，确认了协同优化策略在保持零栅压操作下有效提升神经探针本征灵敏度。

**3.3 无参考电极检测模拟神经信号**
在磷酸盐缓冲液（PBS）中，利用外部信号发生器对传感区域施加50、100、200和400 μV模拟输入，源漏电压设为0.6 V。原始记录中，50 μV输入被背景噪声掩盖；经数字滤波后，时间锁定响应清晰可辨，峰值幅度为67.83 nA，基线噪声标准差26.89 nA，后处理信噪比（SNR）为8.04 dB。结果表明优化后的AlGaN/GaN HFET具备足够跨导增益，可在无参考电极条件下检测微伏级信号。

**3.4 离体牛蛙坐骨神经记录验证**
对离体牛蛙坐骨神经施加2 ms宽度、1 Hz频率的脉冲电刺激，幅度从50 mV递增至2 V。在50和100 mV刺激下，未检测到肌肉收缩或神经响应；当刺激幅度升至200 mV时，记录到清晰的复合动作电位（CAP），并伴随稳定肌肉收缩。更高刺激幅度下CAP持续出现，表明神经激活阈值在100至200 mV之间。重复性测试中，神经失活后（锌铜刺激无反应）在相同刺激下无CAP检出，证实探针选择性响应活跃神经组织，且CAP幅度随刺激强度增加而增大，符合生理募集规律。

**3.5 与代表性神经接口技术比较**
与CMOS微电极阵列、聚合物基神经接口、电解质栅控晶体管、纳米FET和AlGaN/GaN HFET传感器相比，本研究器件的核心区别在于通过PEC凹槽工程和传感区域几何优化，将高跨导工作点移至零栅压，实现无参考电极自偏置操作，同时保持微伏级信号检测能力。优化后的器件峰值跨导为32.47 mS/mm，在50 μV输入下后处理信噪比约8.04 dB，短期稳定性在数小时测量中未见明显退化。

本研究通过光电化学凹槽工程和传感区域几何优化，实现了无参考电极AlGaN/GaN HFET神经探针。该组合器件工程策略将跨导峰值工作点移至零栅压附近，并将峰值跨导从8.35 mS/mm提升至32.47 mS/mm，从而无需外部参考电极即可实现自偏置操作，同时保持对弱电信号的高灵敏度。优化后的器件可分辨低至50 μV的类神经信号，在当前实验条件下经后处理的系统级信噪比约为8.04 dB。离体牛蛙坐骨神经实验进一步证明了刺激依赖性复合动作电位（CAP）记录，在神经激活阈值以上观察到响应，而在神经失活后消失。与代表性神经接口技术相比，该器件的主要区别在于通过直接工程化AlGaN/GaN传感区域，将微伏级检测能力与无参考电极自偏置操作相结合。这些结果证实了所提出的HFET架构用于神经电生理接口的可行性。