Light-Induced Noise Reduction of Lightly Doped Silicon-based Neural Electrode

Chunrong Wei Fei Wang Weihua Pei Zhiduo Liu Xurui Mao Hongze Zhao Sikai Wang Yijun Wang Xiaowei Yang Yuanyuan Liu Shanshan Zhao Qiang Gui Hongda Chen

Citation:  Wei Chunrong, Wang Fei, Pei Weihua, Liu Zhiduo, Mao Xurui, Zhao Hongze, Wang Sikai, Wang Yijun, Yang Xiaowei, Liu Yuanyuan, Zhao Shanshan, Gui Qiang, Chen Hongda. Light-Induced Noise Reduction of Lightly Doped Silicon-based Neural Electrode[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2020, 36(12): 2005033-0. doi: 10.3866/PKU.WHXB202005033 shu

轻掺杂硅基神经电极的光噪声消减

    通讯作者: 裴为华, peiwh@semi.ac.cn
  • 基金项目:

    国家重大研究发展计划项目 2016YFB0402405

    中国科学院战略性先导科技专项 XDB32040200

    国家自然科学基金 61671424

    国家重大研究发展计划项目(2017YFA0205903, 2017YFA0701100, 2016YFB0402405), 国家自然科学基金(61634006, 61671424), 中国科学院战略性先导科技专项(XDB32030100, XDB32040200), 中国科学院前沿科学重点研究项目(QYZDY-SSW-JSC004)资助

    国家重大研究发展计划项目 2017YFA0205903

    中国科学院前沿科学重点研究项目 QYZDY-SSW-JSC004

    国家重大研究发展计划项目 2017YFA0701100

    中国科学院战略性先导科技专项 XDB32030100

    国家自然科学基金 61634006

摘要: 硅基神经电极是记录神经细胞放电活动的一种实用工具。使用标准的集成电路加工技术,在宽度仅为70 μm的单个硅基针上能排布上千个电极记录位点。光遗传学的发展使控制神经元活动更加精确,通过在给予光刺激的同时记录神经元的电活动,可以获取更丰富的脑活动信息。当使用黄光或蓝光刺激神经元时,光子的能量大于硅衬底的禁带宽度,价带电子被激发到导带,从而生成电子-空穴对。因此,在光刺激下使用硅基神经电极时,硅基板中的光生载流子将严重干扰电极的信噪比。为满足在光刺激同时记录电活动的应用需求,必须减少光对硅基神经电极的噪声干扰。传统的降噪方法是使用重掺杂硅作为衬底材料,通过增加杂质浓度来降低载流子寿命,从而降低硅电极的光学噪声。但是,重掺杂的硅衬底比轻掺杂的硅衬底具有更多的晶格缺陷,这使得硅基电极更加脆弱,并且该方法与标准的集成电路加工技术不兼容。通过分析在轻掺杂硅衬底上制造电极的光致噪声机理,我们发现由光激发产生的载流子的不均匀分布将使轻掺杂硅衬底极化。由光致极化引起的电势将影响在其上制造的电极。将轻掺杂硅衬底金属化和接地将有效降低极化电位。使用这种方法,由光诱发的噪声幅度将下降到原始值的0.87%。为了确保神经元的放电率,将光刺激脉冲频率选择为20 Hz。在1 mW·mm-2的光照下,电极的背景噪声可控制在45 μV以下,可以满足一般光遗传学应用的需求。经过上述方式改造后的轻掺杂硅衬底将满足光遗传学应用对神经探针的要求。与传统的通过重掺杂整个衬底降低光噪声方法不同,该方法与标准的集成电路加工技术兼容,为利用标准集成电路加工技术制备高密度、高通量硅电极提供了噪声消除方法。

English

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  • 发布日期:  2020-12-15
  • 收稿日期:  2020-05-12
  • 接受日期:  2020-06-12
  • 修回日期:  2020-06-10
  • 网络出版日期:  2020-06-15
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
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    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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