高灵敏度AlGaN/GaN HFET植入式神经探针：无栅控通过光电化学刻蚀实现

《Micromachines》：High-Sensitivity AlGaN/GaN HFET Implantable Neural Probe Without Gate Control Enabled by Photoelectrochemical Etching

　　

植入式神经探针需同时具备生物相容性、电化学稳定性和高信号保真度，是神经电生理研究的核心器件。本文中，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（PEC）刻蚀和传感区域尺寸优化，探针在无栅控条件下获得最大跨导值，即最高灵敏度。经数字滤波处理后，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。牛蛙坐骨神经离体记录进一步验证了其生物传感性能，展示了选择性捕获活跃神经组织复合动作电位（CAP）的能力。

植入式神经探针是神经回路研究、神经系统疾病诊断和新兴脑机接口技术的核心器件。传统金属微电极虽具优良导电性，但在长期植入中面临电化学不稳定性（如界面极化、阻抗变化和材料降解），导致信号漂移和噪声升高。基于互补金属氧化物半导体（CMOS）的神经阵列虽提高了记录密度，但仍依赖电极界面并需外部参考电极建立稳定电位，限制了微型化和长期可靠性。场效应晶体管（FET）基神经接口通过半导体转换机制替代直接电化学电荷转移，将胞外电位变化调制沟道电导，实现信号放大。其中，AlGaN/GaN异质结场效应晶体管（HFET）因高电子迁移率、大跨导、宽工作范围及优异化学稳定性而备受关注。然而，传统AlGaN/GaN HFET通常为耗尽型，最大跨导出现在负栅压，需参考电极施加并维持栅极电位，这引入了额外材料界面和潜在不稳定性。为消除参考电极，需精确调控生物界面与二维电子气（2DEG）沟道间的静电耦合。研究人员通过光刻蚀凹槽工程已证明可改变2DEG特性、阈值电压和跨导，但将最大灵敏度工作点直接对齐零栅压以实现无参考电极神经传感的研究仍不充分。本研究通过协同器件与表面工程开发了无参考电极的AlGaN/GaN HFET神经探针。该论文发表在《Micromachines》上。

研究人员首先引入光电化学（PEC）刻蚀策略，选择性氧化并溶解暴露的AlGaN势垒层，形成凹槽传感区域，改变表面到沟道的静电耦合，将峰值跨导移至零栅压附近，实现耗尽型HFET的自偏置操作。同时，通过减小源漏电极间有源面积优化传感区域几何结构，增强本征跨导并提升信号放大能力。经优化，器件在无栅控条件下达到最大跨导值（32.47 mS/mm），并实现微伏级信号检测（最低50 μV，经数字滤波后信噪比约8.04 dB）。离体牛蛙坐骨神经记录进一步验证了该探针检测刺激诱发神经活动的能力，展示了选择性捕获复合动作电位（CAP）的生理响应。

主要关键技术方法包括：（1）光电化学（PEC）刻蚀，利用265 nm深紫外LED阵列（功率密度40.0 mW/cm2）和0.52 mol/L K?S?O?电解液，在暴露AlGaN势垒层上形成凹槽传感区域，改变表面到沟道静电耦合；（2）传感区域几何优化，通过改变传感区域长度与源漏间距之比（L_Sens/L_SD），结合Sentaurus TCAD仿真与实测，减小该比值以提升跨导；（3）数字滤波后端信号处理，对源漏电流记录进行滤波以增强刺激锁定响应，并基于均方根（RMS）值计算信噪比（SNR）。离体验证采用牛蛙坐骨神经样本，通过电刺激诱发复合动作电位（CAP）记录。

研究结果部分：

**3.1 光电化学刻蚀对跨导和工作点的调控**
通过PEC刻蚀处理，器件的转移特性变陡，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（增强超100%），且峰值位置从负栅压区移至零偏压附近。经3分钟刻蚀后，峰值跨导在0 V附近达到约17.94 mS/mm。该结果表明PEC刻蚀既能增强器件灵敏度，又能将最优工作点对齐零栅压条件，实现无参考电极神经记录。

**3.2 传感区域几何优化提升跨导**
Sentaurus TCAD仿真显示，随传感区域长度与源漏间距之比（L_Sens/L_SD）增大，跨导单调下降。实验验证了该趋势，含有较小传感区域比例的器件表现出更高跨导。结合PEC处理与几何优化，峰值跨导进一步增至32.47 mS/mm，证实协同优化策略在保持零栅压附近工作时有效提升本征灵敏度。

**3.3 无参考电极的模拟神经信号检测**
使用协同优化器件，在磷酸盐缓冲液（PBS）中对50、100、200、400 μV模拟输入进行无参考电极检测。在V_DS=0.6 V时，器件产生稳定电流响应。50 μV输入在原始记录中因背景仪器噪声被掩盖，经数字滤波后，刺激锁定响应清晰可辨，峰峰值电流响应为67.83 nA，基线噪声均方根为26.89 nA，后处理信噪比（SNR）为8.04 dB。该结果证明优化后的AlGaN/GaN HFET具有足够跨导增益，无需参考电极即可检测微伏级信号。需注意，原始噪声为系统级背景，包括信号源、传输路径、热噪声、1/f噪声及电磁干扰等，故SNR应视为系统级指标。

**3.4 离体牛蛙坐骨神经记录验证**
通过离体牛蛙坐骨神经实验，验证探针记录生物电生理信号的能力。在50和100 mV刺激下未检测到神经响应，表明低于激活阈值。当刺激幅度增至200 mV时，记录到清晰的复合动作电位（CAP），并观察到肌肉收缩。更高刺激幅度下CAP持续出现，表明激活阈值在100–200 mV之间。重复性测试显示，神经失活后（锌铜刺激不再引发肌肉收缩）相同刺激条件下无CAP响应，证实探针选择性响应活跃神经组织，不产生假阳性。CAP幅度随刺激强度增加而增大，并趋于稳定平台，符合生理募集行为。

**3.5 与代表性神经接口技术的比较**
通过与CMOS微电极阵列、聚合物基神经接口、电解质栅控晶体管、纳米尺度FET及AlGaN/GaN HFET传感器对比，本器件的关键区别在于：PEC凹槽工程结合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（峰值跨导32.47 mS/mm，50 μV输入后处理SNR约8.04 dB）。短期稳定性测试数小时内无明显退化，但长期老化和慢性在体研究仍需开展。

讨论部分总结：本研究通过PEC凹槽工程和传感区域几何优化，展示了无参考电极AlGaN/GaN HFET神经探针的可行性。研究结论翻译如下：本研究展示了一种通过光电化学凹槽工程和传感区域几何优化实现的无参考电极AlGaN/GaN HFET神经探针。协同器件工程策略将峰值跨导工作点移至零栅压，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。优化器件可分辨低至50 μV的类神经信号，在当前实验条件下后处理系统级信噪比约为8.04 dB。离体牛蛙坐骨神经实验进一步展示了刺激依赖性复合动作电位记录，响应在神经激活阈值以上出现，并在神经失活后消失。与代表性神经接口技术相比，本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。这些结果确立了所提出的HFET架构用于神经电生理接口的可行性。