紧密封装的双色微型LED实现皮层特异性双向体内光遗传学电生理学（AlGaInP/GaAs） *
1. 概述
本工作报道了一种基于非均匀堆叠的III–V外延膜的单片神经探针，其中紧密堆积的双色微型LED和微电极分别以20μm和50μm的间距放置。蓝色和红色LED都具有高亮度、小光斑、快速响应和低电压操作的特点，而微电极涂有聚（3，4-亚乙基二氧噻吩）聚苯乙烯磺酸酯（PEDOT:PSS）层，用于高保真神经记录。由此产生的高产量装置证明了它们用于小鼠体感皮层第IV层和第V层的双向体内光遗传学电生理学，其中观察到双色LED以皮层层特异性的方式激发和抑制大脑动力学，可能是由于层间信号通路。由可扩展探针实现的这种层特异性双向体内光遗传学研究可能会增加对脑回路的高分辨率询问，并最终揭示神经疾病模型。
2. 样品制备
使用与之前报道的类似方法，在商用外延硅上GaN晶片上制造交叉条蓝色LED阵列，不同之处在于在p-GaN上施加了Ni/Au（7/10nm）电流扩展层，以进一步降低接触电阻。具体而言，选择Ti/Al/Cr/Au层（10/70/10/120 nm）、铟锡氧化物层（ITO；120 nm）和Cr/Au层（10/120 nm）分别用作n-、p-和焊盘接触。用PECVD-SiO2层（约200 nm）钝化阵列后，我们在顶部旋涂SU8层（约5μm），并在95°C下软烤10分钟。
在另一端，将AlGaInP浸入GaAs晶片上（来自中芯晶研）在NH4OH/H2O2=1:6中，以将AlGaInP外延层（约5.86μm）与GaAs衬底分离。该湿法蚀刻步骤完全去除GaAs衬底（约350μm），并在Si-GaInP蚀刻停止层（171nm）处停止。然后，使用移液管将这些分离的外延层从蚀刻剂转移到去离子水中，用新鲜的去离子水冲洗它们三次，并将它们放置在蓝色LED阵列上涂覆的软烤SU8层上，使c-GaP层（红色LED的p接触）面朝上。通过在干燥器中干燥装置、通过UV曝光交联SU8和硬烘焙步骤（200°C，30分钟），将这些外延层永久结合到SU8上。采用缓慢的升温过程（约10°C/分钟）来防止SU8在外延层下方的自由基流动。接下来，使用与蓝色LED阵列类似的方法在外延层上制造交叉条红色LED阵列。具体而言，选择Cr/Au层（40/120 nm）、ITO层（120 nm）和Cr/Au（40/120纳米）分别用作n-、p-和焊盘接触。然后用PECVD-SiO2（约200 nm）和SU8（约5μm）层钝化整个阵列。
图1 AlGaInP-on-GaAs外延片结构
在钝化的双色LED之上，制造了具有Cr/Pt/Cr/Au层（10/50/10/120nm）作为焊盘接触的Cr/Au基（10/50nm）MEA。通过溅射SiO2（约10nm）和旋涂SU8（约5μm）层对所得器件进行钝化，然后进行湿法蚀刻步骤（稀释缓冲氧化物蚀刻剂，1:50）以打开电极和焊盘区域。
在LED-MEA集成器件的正面，通过一系列反应电离蚀刻步骤在设计的柄结构周围形成了一个250μm宽的沟槽区域，该沟槽区域用于去除沟槽中的SiO2/SU8/GaN层（由12μm光刻胶层图案化）并停止在Si衬底处。然后，使用DRIE步骤来去除沟槽中80毫米厚的Si，这有助于确定探针的最终厚度（约50毫米），同时在接下来的背面减薄步骤中留下约30毫米的蚀刻公差。接下来，在器件背面图案化光致抗蚀剂层（约12μm），然后将Si衬底减薄至750μm，使用另一个DRIE步骤。这个台阶形成了一个约50μm厚的探针结构，并将探针与晶片的主体分离。
将定制的PCB与电缆连接器和不锈钢丝焊接在一起，用作参考电极/接地电极（去除约1cm长的全氟烷氧基涂层）。最后，我们将探针引线接合到PCB上，并用紫外线固化环氧树脂封装接合线。
图2 双色微型LED制备流程图
3. 结论
光遗传学通过不同颜色的光（即双向性）刺激或抑制相同的神经元来操纵大脑电路，此外，其还与电生理学合作，对大脑进行低串扰、高分辨率的探测。然而，受限于可行的集成方法，具有紧密封装的双色光源的神经探针仍然不发达，这使得高分辨率双向体内光遗传学电生理学在技术上具有挑战性。
本研究报道了一种基于非均匀堆叠的III–V外延膜的单片神经探针，该探针分别与紧密堆积的双色微型发光二极管（LED）和微电极以20um和50um的间距集成。由此产生的设备能够在小鼠体感皮层的第IV层和第V层实现双向体内光遗传学电生理学，观察到双色LED来刺激和抑制特定层的大脑动力学。这种层间双向体内光遗传学研究非常适合可扩展探针，可以增加对大脑电路的高分辨率询问，并为动物疾病模型提供线索。
更多GaAs LED晶片信息或疑问，请邮件咨询：vp@honestgroup.cn