CN115939718A

CN115939718A - 一种谐振芯片及其制作方法

Info

Publication number: CN115939718A
Application number: CN202211538318.6A
Authority: CN
Inventors: 李毅; 杨亚涛
Original assignee: Southern University of Science and Technology
Current assignee: Southern University of Science and Technology
Priority date: 2021-12-06
Filing date: 2022-12-01
Publication date: 2023-04-07
Also published as: CN114156625A; WO2023104012A1

Abstract

本发明涉及半导体领域，涉及一种谐振芯片及其制作方法。谐振芯片包括：介电层。介电层上设置有谐振通道；介电层包括谐振器与过渡介电层；谐振器形成在过渡介电层表面；谐振通道依次贯通谐振器与过渡介电层；谐振器用于与激发光形成共振响应，并使得电场能量局限在谐振通道内；过渡介电层用于隔离生物分子通过，使生物反应仅在谐振通道内反应。相对于金属包覆层，本申请使用介电层避免了电磁波的能量损耗以及光淬灭的问题。带有谐振通道放入谐振器，将电磁场束缚在谐振通道当中，实现对于谐振通道内单分子荧光过程的增强。使生物反应仅在谐振通道内反应，从而控制和提高反应物的捕获概率。

Description

一种谐振芯片及其制作方法

技术领域

本发明涉及半导体领域，具体而言，涉及一种谐振芯片及其制作方法。

背景技术

固态电子学技术与生物研究应用的结合取得了很多重要进展，包括分子阵列技术、微流控芯片技术、化学敏感场效应晶体管以及零模式波导等有价值的传感技术。

分子阵列技术，即DNA阵列(美国专利6261776)、微流控芯片技术(美国专利5976336)、化学敏感场效应晶体管、零模式波导(中国专利CN101467082B)，以及其他有价值的传感技术。

零模式波导(ZMW)阵列使半导体制造技术进一步拓展到研究和诊断中，已经用于一系列生物化学分析，特别是基因分析领域。典型的ZMW包括透明基材上的不透明包覆层中的开口、井洞或者纳米尺度的芯部。芯部的狭窄尺度会始终阻止频率高于特定截止频率的电磁辐射传播穿过该芯部，因此通过辐照非常小的体积，可以访问极少量的反应物，包括单分子反应。

通过在单分子水平监控反应，能够精确识别和/或监控给定的反应，是单分子DNA排序技术领域的基础——通过单个DNA聚合酶以模板依赖的方式进行DNA链的分子合成来监控分子。

但是现有的阵列芯片在进行生物化学荧光分析时，往往存在荧光测序的准确率低且荧光信号的信噪比较低的问题。

目前，通常使用金属的ZMW阵列在芯部激发场强的相对强度低，然而这需要高输入功率，来满足单分子检测的信噪比。高输入功率会增加DNA聚合酶的错误率，同时更容易对生物荧光分子产生光漂白等光化学过程，引入不必要的光学干扰和错误。

ZMW在阻止电磁波辐射传播的过程中会产生大量的电磁波能量损耗。在高输入功率的前提下，这些能量损耗会以热量的形式传播到体系中，从而影响基板的生化稳定性，影响DNA聚合酶的活性和错误率。

由于ZMW主要是光损耗大的金属薄膜上的开口或者井洞，荧光信号在辐射的过程中存在光淬灭的问题，即辐射荧光的酶反应位点与金属芯部的相对距离会严重影响单分子荧光辐射的强度。

上述问题中大部分都是由于基材所选材料体系决定的。基材的生化稳定性可以通过涂覆或者单分子层表面修饰包被。然而，常规的改变结构设计并没有从根本上解决高输入功率、升温以及光淬灭的问题，即对酶过程引入的干扰和错误的上升并没有有效解决方案。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种谐振芯片及其制作方法。

第一方面，本申请提供一种谐振芯片，包括：

介电层，介电层上设置有谐振通道，谐振通道贯通介电层；

介电层包括谐振器与过渡介电层；

谐振器形成在过渡介电层表面；

谐振通道依次贯通谐振器与过渡介电层；谐振器用于与激发光形成共振响应，并使得电场能量局限在谐振通道内；过渡介电层用于隔离生物分子通过，使生物反应仅在谐振通道内反应。

首先，本申请谐振芯片设置光损耗低、高折射系数的介电层，相对于现有ZMW的金属包覆层，避免了电磁波的能量损耗以及光淬灭的问题。

其次，本申请提出和设计了带有谐振通道的谐振器，设计原理不同于ZMW的阻止频率高于特定截止频率的电磁辐射传播穿过该芯部，而是通过谐振器的电磁模式相互作用将光场能量束缚在谐振通道当中，实现对于谐振通道内单分子荧光过程的增强。

最重要的是，本芯片两层介电层的设计，其中谐振器，用于识别和/或监控给定反应；与激发光形成共振响应，并使得电场能量局限在谐振通道内；过渡介电层用于隔离生物分子通过，使生物反应仅在谐振通道内反应，从而控制和提高反应物的捕获概率。

在本申请的其他实施例中，上述的谐振器为岛状。

在本申请的其他实施例中，上述的谐振器的边缘形成规则形状或者拓扑形状。

在本申请的其他实施例中，上述的谐振通道为狭缝状、规则孔或者不规则孔状。

在本申请的其他实施例中，上述的谐振通道最窄宽度的最大值为20nm。

在本申请的其他实施例中，上述的谐振通道的总体积控制在单分子探测量级。

在本申请的其他实施例中，上述的介电层由非金属材料制成。

在本申请的其他实施例中，上述的谐振器与过渡介电层的材料可以相同或者不相同。

在本申请的其他实施例中，上述的谐振芯片还包括：

衬底；

形成于衬底表面的导电层。

在本申请的其他实施例中，上述的导电层由电极材料制成，用于外接电压。

在本申请的其他实施例中，上述的谐振芯片还包括：形成于导电层表面的附着层；介电层形成于附着层的表面。

在本申请的其他实施例中，上述的附着层由多孔材料制成。

在本申请的其他实施例中，上述的谐振芯片包括渗水孔；渗水孔贯通衬底和导电层，并与附着层接触。

本申请提供一种谐振芯片，谐振芯片包括：

衬底；

位于衬底一侧的导电层；

位于导电层一侧的附着层；

位于附着层一侧的介电层，其中，介电层上设置有谐振狭缝，谐振狭缝贯通介电层。

在本申请的其他实施例中，上述的介电层包括谐振器与过渡介电层；

过渡介电层位于附着层的一侧，谐振器位于过渡介电层的一侧；

谐振狭缝依次贯通谐振器与过渡介电层。

在本申请的其他实施例中，上述的谐振器为圆形、方形等规则或不规则型状，谐振狭缝的形状为条状矩形，谐振狭缝设置于谐振器的中心。

在本申请的其他实施例中，上述的制作谐振器与过渡介电层的材料包括磷化镓、氮化镓等非金属材料。

在本申请的其他实施例中，上述的介电层还包括介电波导，介电波导位于过渡介电层上。

在本申请的其他实施例中，上述的介电波导发射的光束水平入射谐振器。

在本申请的其他实施例中，上述的介电波导发射的光束与谐振器平行。

在本申请的其他实施例中，上述的导电层与衬底上还设置有渗水孔，渗水孔的位置与谐振狭缝对应。

第二方面，本申请提供一种谐振芯片的制作方法，方法包括：

在介电层上设置谐振通道，使谐振通道贯通介电层；

介电层包括谐振器与过渡介电层，使谐振器形成在过渡介电层表面；使谐振通道依次贯通谐振器与过渡介电层；谐振器用于与激发光形成共振响应，并使得电场能量局限在所述谐振通道内；过渡介电层用于隔离生物分子通过，使生物反应仅在所述谐振通道内反应。

在本申请的其他实施例中，本申请提供一种谐振芯片的制作方法，方法包括：

提供一衬底；

沿衬底的一侧生成导电层；

沿导电层的一侧生成附着层；

沿附着层的一侧制作介电层，其中，介电层上设置有谐振狭缝，谐振狭缝贯通介电层。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施方式提供的谐振芯片的剖面示意图之一；

图2为本申请实施方式提供的谐振芯片的剖面示意图之二；

图3为本申请实施方式提供的谐振芯片的结构示意图之一；

图4为本申请实施方式提供的谐振芯片的剖面示意图之三；

图5为本申请实施方式提供的谐振芯片的透视图；

图6为本申请实施方式提供的谐振芯片的结构示意图之二；

图7为本申请实施方式提供的谐振芯片的结构示意图之三；

图8为本申请实施方式提供的谐振芯片的制作方法流程图；

图9为本申请实施方式提供的谐振芯片的制作方法流程图之二；

图10为本申请实施例提供的磷化镓谐振器芯片；其中，图10中，(a)扫描电镜俯视图，(b)459nm波长光激发条件下的电磁波近场聚焦分布，(c)584nm波长光激发条件下的电磁波近场聚焦分布；

图11为本申请实施例提供的磷化镓谐振器芯片的初步计算与加工图，谐振器不同狭缝长度下的(a)散射谱、(b)吸收谱、(c)电磁场增强性能；(d)已加工的不同狭缝尺寸磷化镓谐振器芯片；

图12为本申请实施例和对比例提供的芯片的初步验证；(a)磷化镓谐振器和ZMW的吸收、散射谱对比；(b)磷化镓谐振器狭缝内和ZMW孔内电磁场增强性能；

图13为本申请实施例和对比例提供的介电谐振芯片的计算验证；(a)ZMW和磷化镓谐振芯片的增强荧光量子产率对比；(b)ZMW和磷化镓谐振芯片的荧光辐射增强对比；

图14为本申请实施例和对比例提供的芯片增强荧光的计算验证；(a)ZMW荧光辐射的孔内分布；(b)磷化镓谐振器的荧光辐射的狭缝内分布；(c)氮化镓谐振器的荧光辐射的狭缝内分布；

图15为本申请实施例提供的介电波导谐振芯片增强激发的初步验证；(a)四种激发方式的示意图；(b)对应激发方式下的电场增强谱；(c)对应激发方式下的电场分布图；

图16为本申请实施例提供的介电波导谐振芯片增强量子产率的初步计算验证；(a)波导谐振芯片上不同单元的示意图，以及(b)初始量子产率为0.3时与(c)初始量子产率为0.003时的荧光量子产率增强图谱。(d)片上收集的示意图与辐射方向性。

图标：101-介电层；102-附着层；103-导电层；104-衬底；1011-谐振器；1012-过渡介电层；1013-介电波导。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。

因此，以下对本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

正如背景技术中所记载的，目前，固态电子学技术与生物研究应用的结合取得了很多重要进展，包括分子阵列技术、微流控芯片技术、化学敏感场效应晶体管以及零模式波导等有价值的传感技术。

针对现有技术所存在的问题，均是发明人在经过实践并仔细研究后得出的结果，因此，上述问题的发现过程以及下文中本发明实施例针对上述问题所提出的解决方案，都应该是发明人在发明过程中做出的贡献。

有鉴于此，为了解决上述问题，本申请提供了一种谐振芯片，通过设置谐振通道，大大地提高了通道内生物分子的荧光增强效果，从而有效地提高荧光测序的准确率以及荧光信号的信噪比。

参照图1-图7，本申请一些实施方式提供一种谐振芯片，包括：介电层101。介电层101上设置有谐振通道，谐振通道贯通介电层101。

上述的谐振通道即图1中的谐振狭缝。当谐振器与激发光形成共振响应时，能够使得电场能量局限在该谐振通道内。而图1中的谐振狭缝也称作谐振通道，即电场能量同样能够局限在图1的谐振狭缝中。

进一步地，上述的介电层101包括谐振器1011与过渡介电层1012。

进一步地，谐振器1011形成在过渡介电层1012表面。

进一步地，谐振通道依次贯通谐振器1011与过渡介电层1012；谐振器1011用于与激发光形成共振响应，并使得电场能量局限在谐振通道内；过渡介电层1012用于隔离生物分子通过，使生物反应仅在谐振通道内反应。

本申请的谐振芯片是利用高折射率的介电谐振器1011及谐振通道结构，其在可见光波段具有丰富的电磁模式特性，在特定的波长下电极子与环形极子模式相互作用使得近场能量局限在谐振器1011的谐振通道内，在远场散射显现为无极子模式，此时电场全部集中在谐振通道中，提高了局域电场强度，同时该结构在荧光辐射过程中辅助增强荧光分子的量子产率，并实现方向性辐射，有利于荧光信号的收集。

进一步地，在本申请一些实施方式中，谐振器1011为岛状。

上述岛状的谐振器1011即对应于图3中圆盘状的谐振器1011。换句话说，图3中圆盘状的谐振器1011也可以称为岛状的谐振器1011。即凸出于过渡介电层1012的谐振器，均能够用于与激发光形成共振响应。

进一步地，在本申请一些实施方式中，谐振器1011的边缘形成规则形状或者拓扑形状。

换句话说，本申请的谐振器1011整体的形状是不限定的。例如，在一些具体的实施方式中，上述的呈岛状的谐振器1011可以是圆盘状；可以是底部边缘呈圆盘状，但是在圆盘形状的底面的表面存在凸起，形成岛状。也可以是底部边缘呈四边形或者其他不规则形状，例如拓扑形状，但是在四边形或者其他不规则形状的底面的上表面存在凸起，形成岛状。

进一步地，在本申请一些实施方式中，谐振通道最窄处宽度的最大值为20nm。在该范围内，能够极大地提高谐振通道内部的局域电场强度，同时提高在荧光辐射过程中辅助增强荧光分子的量子产率。

进一步可选地，在本申请一些实施方式中，谐振通道的宽度为0.1nm～19.8nm。进一步可选地，在本申请一些实施方式中，谐振通道的宽度为1nm～19nm。示例性地，谐振通道的宽度为1nm、2nm、3nm、4nm、5nm、6nm、7nm、8nm、9nm、10nm、11nm、12nm、13nm、14nm、15nm、16nm、17nm、18nm或者19nm。

进一步地，在本申请一些实施方式中，谐振通道的总体积控制在单分子探测量级。通过控制谐振通道的总体积控制在单分子探测量级，能够保证单分子进入该谐振通道，提高在荧光辐射过程中辅助增强荧光分子的量子产率。

示例性地，上述单分子探测量级是利用狭缝通道实现生物溶液探测体积达到10^- ²¹L量级。

进一步地，在本申请一些实施方式中，介电层101由介电材料制成。

进一步可选地，在本申请一些实施方式中，上述的介电层101由磷化镓、氮化镓等介电材料制成。

在本申请其他可选的实施方式中，上述的介电层101也可以选择由领域其他常见的介电材料制成。

进一步地，在本申请一些实施方式中，谐振器1011与过渡介电层1012的材料可以相同或者不相同。

示例性地，在本申请一些实施方式中，谐振器1011与过渡介电层1012的材料均为磷化镓；即谐振器1011与过渡介电层1012的材料均由磷化镓制成。

在本申请其他可选的实施方式中，谐振器1011与过渡介电层1012的材料不相同。示例性地，谐振器1011与过渡介电层1012的材料分别为磷化镓和氮化镓。即谐振器1011由磷化镓制成；过渡介电层1012由氮化镓制成。

进一步地，在本申请一些实施方式中，谐振芯片包括：介电层101、衬底104、形成于衬底表面的导电层103、形成于导电层103表面的附着层102；介电层101形成于附着层102的表面。

此处的介电层101可以采用前述任一实施方式中提供的介电层101。

本芯片采用至少两层包覆层的设计，其中一层介电层101，连续的介电谐振器阵列，用于识别和/或监控给定反应；另一层附着层102，多孔输运结构，可采用直流电泳或者介电泳的方式，控制和提高反应物的捕获概率。

进一步地，在本申请一些实施方式中，导电层103由电极材料制成，用于外接电压。

进一步可选地，在本申请一些实施方式中，导电层103可以由介电薄膜(氮化硅)或者导电薄膜(氧化铟锡，ITO)制成。

在本申请其他可选的实施方式中，上述的导电层103也可以采用本领域其他常见的导电材料制成。

进一步地，在本申请一些实施方式中，附着层102由多孔材料制成，用于将生物分子附着于该层的表面，同时还用于保证在液体环境下进行生物分子测试的透水性，加强液体的进出，提高液体的流动性。

进一步可选地，在本申请一些实施方式中，附着层102由多孔的氧化铝或氧化钛薄膜制成。

在本申请一些实施方式中，上述的附着层102的材料可以选择本领域其他常见的孔材料制成。

进一步地，在本申请一些实施方式中，谐振芯片包括渗水孔；渗水孔贯通衬底104和导电层103，并与附着层102接触。

上述渗水孔即对应于图4中渗水孔。通过设置渗水孔，谐振狭缝中的液体可以通过附着层102，浸入渗水孔中，以此来提高液体的流动性。

本申请一些实施方式提供一种谐振芯片的制作方法，方法包括：

在介电层上设置谐振通道，使谐振通道贯通介电层；

进一步地，在本申请一些具体的实施方式中，上述的谐振芯片按照以下步骤制备：

高质量的三五族材料薄膜以及氮化物材料薄膜可以通过外延沉积的方式生长在晶格匹配的衬底上。其典型的加工工艺如图9所示(沿箭头方向为制备步骤方向)，首先，附着层102(例如，多孔的氧化铝或氧化钛薄膜)可以通过原子层沉积的方式覆盖于夹心衬底表面(例如，图中Gap衬底中间夹心AlGap)；其次，导电层103(介电薄膜(例如，氮化硅)或者导电薄膜(例如，氧化铟锡，ITO))可以通过物理沉积或者化学沉积的方式形成于另一衬底104(衬底，例如二氧化硅)上；再次，将两个衬底通过键合的方式组装在一起，化学腐蚀法选择性地除去牺牲层(例如，图中夹心AlGaP或者AlGaN)。然后在附着层102表面沉积介电层101，并形成谐振器1011。三五族或者氮化物单晶基底可以重复利用。在键合后三五族或者氮化物薄膜，通过两步曝光和蚀刻形成所需图案和通孔。最后可以选择通过长时间腐蚀打开衬底的支撑层，得到反应液入口，可以得到图9。

在本申请其他可选的实施方式中，多孔介电谐振器也可以选择其他高折射系数薄膜(例如二氧化钛TiO₂、硫系玻璃Sb₂S₃等)，这些材料对于品质要求更低，通常可以通过蒸镀和溅射等方式加工，因此可以直接形成于含有多孔氧化铝或氧化钛的衬底上。后续光刻(或纳米压印)和刻蚀工艺与前述三五族以及氮化物体系相同。

进一步可选地，在本申请其他可选的实施方式中，加工好的器件通过等离子氧清洗，可以进行装配，形成流体腔室，以供溶液与多孔介电谐振器相互作用。带有流体的器件可以放置于倒置的显微镜或者CMOS相机上成像，用于单分子荧光信号的检测。同时芯片所携带的电极以及流体通道可以与电学控制和检测器相连，操控带电的生物单分子进出狭缝的过程。

相对于常规的ZMW，本申请提出和使用无光损耗、高折射系数的介电材料作为基板的包覆层，完全规避开金属包覆层的使用，从而避免了电磁波的能量损耗以及光淬灭的问题。

本申请提出和设计带有谐振通道的谐振器，设计原理不同于ZMW的阻止频率高于特定截止频率的电磁辐射传播穿过该芯部，而是通过谐振器将电磁场束缚在狭缝当中，实现对于狭缝内单分子荧光过程的增强。

本申请一些实施方式提供一种谐振芯片。

请结合参阅图1，作为一种可选的实施方式，该谐振芯片包括衬底104、导电层103、附着层102以及介电层101；其中，导电层103位于衬底104的一侧，附着层102位于导电层103的一侧，介电层101位于附着层102的一侧，即衬底104、导电层103、附着层102以及介电层101逐层连接。其中，介电层101上设置有谐振狭缝，谐振狭缝贯通介电层101。

本实施例中，衬底104作为芯片的支撑层用于固定导电层103，并保证其上方的各层级单元的结构稳固；可以通过外接设备对导电层103施加适当的电压，从而加速待测样本在谐振狭缝处的生物特异性反应；附着层102也称之为生物附着渗水层，用于将生物分子附着于该层的表面，同时还用于保证在液体环境下进行生物分子测试的透水性，加强液体的进出，提高液体的流动性；介电层101采用全介电纳米材料制成，介电层101上设置有贯穿的谐振狭缝，从而构成谐振单元，在特定波长光的入射下，介电层101可以将光场能量束缚在介电层101内，由于谐振狭缝的存在打破了原有的极化模式，使得光场能量全部集中在谐振狭缝内部，实现局域场的增强，有利于提高谐振狭缝内部荧光分子的发光效率即荧光增强，从而有效地提高荧光测序的准确率以及荧光信号的信噪比。

下面以生物分子荧光测试为例，对本实施提供的谐振芯片做具体的说明。

在利用该谐振芯片对生物分子进行荧光测试时，需要将该谐振芯片浸入液体环境中，液体环境中有对应的生物分子，生物分子会慢慢移动至谐振狭缝中，并附着于附着层102的表面，此时，通过照射对应波长的光束，由于谐振狭缝的存在，会使得光场能量集中于谐振狭缝内部，从而达到荧光增强并提高荧光测序的准确率以及荧光信号的信噪比的目的。同时，由于附着层102自身存在一定的渗透性，其也可以提高液体环境的流动性，在需要观察生物分子的特异性反应时，可以通过对导电层103施加适当的电压来实现。

请参阅图2，作为另外一种可选的实施方式，介电层101包括谐振器1011与过渡介电层1012。

过渡介电层1012位于附着层102的一侧，谐振器1011位于过渡介电层1012的一侧，即附着层102、过渡介电层1012以及谐振器1011逐层设置。

谐振狭缝依次贯通谐振器1011与过渡介电层1012。

在本实施例中，谐振器1011与过渡介电层1012为同种介电材料制成，其本质是一体制作成型的。过渡介电层1012的作用主要是为了将附着层102与液体环境进行隔离，从而使得生物分子通过谐振狭缝附着于附着层102上，而谐振器1011的作用主要是为了吸收光场能量。

需要说明的是，介电层101当为平面结构时，谐振器1011与过渡介电层1012位于同一平面，二者融为一体，形成介电层101。而当介电层为凸状结构时，介电层101分为谐振器1011与过渡介电层1012时，其本质只为介电层101的另外一种结构。

请参阅图3，在另外一种可能的实施方式中，谐振器1011为圆形，谐振狭缝的形状为条状矩形，谐振狭缝设置于谐振器1011的中心。

需要说明的是，具体来讲，谐振器1011为圆盘形状，谐振狭缝为狭窄的长条矩形，谐振狭缝的中心点与谐振器1011的圆心垂直对其，谐振狭缝依次贯穿谐振器1011与过渡介电层1012。长条状的谐振狭缝，可以更好的提高荧光增强的效果。

在另外一种可能的实施例中，制作谐振器1011与过渡介电层1012的材料包括磷化镓。

需要说明的是，上述谐振器1011与过渡介电层1012的材料只是实施方式的一种，包括但不限于磷化镓，也可以是其他无光损耗的，具有高折射系数的介电材料，从而有利于避免光场能量的损耗以及光淬灭的问题。

在另外一种可选的实施方式中，介电层101的折射率高于附着层102的折射率，也就说，介电层101的材料应当选择折射系数高于附着层102材料折射系数的介电材料。

由于生物样本是处于液体环境中的，所以为了提高液体环境的流动性，在另外一种可选的实施方式中，请结合参阅图4和图5，导电层103与衬底104上还设置有渗水孔，渗水孔的位置与谐振狭缝对应。

渗水孔的位置与谐振狭缝对应是指，渗水孔应当设置于谐振狭缝的正下方，且渗水孔的中心点与谐振狭缝的中心点位于同一垂直轴线上。

通过设置渗水孔，谐振狭缝中的液体可以通过附着层102，浸入渗水孔中，以此来提高液体的流动性。

一般而言，谐振芯片在空间光垂直入射其表面时，极化模式会影响其电场空间分布，在特定波长下的光场能量被束缚在狭缝内部，实现狭缝内的分子荧光增强，不过这种垂直激发体系很难实现芯片上的光激发，不利于一体化集成光系统的构建。

有鉴于此，请结合参阅图6，在另外一种可能的实施方式中，介电层101还包括介电波导1013，介电波导1013位于过渡介电层1012上。

需要说明的是，在本实施例中，介电波导位于过渡介质层上，介电波导应当与谐振器1011位于同一平面，且二者厚度相同，通过设置介质波导，可以实现激发光平行入射谐振器1011，从而在谐振狭缝中实现更高能量的光场局域，大大地提高了谐振狭缝内的分子荧光增强效果，并且实现了便携式集成光系统的构建。

在可选的实施方式中，请继续参阅图6，介电波导1013发射的光束水平入射(如图中箭头所示，其为光束的发射方向)谐振器1011，从而实现激发光水平入射。

需要说明的是，本实施例中的水平入射是指，当介电波导1013与谐振器1011位于同于平面时，介电波导1013发射的光束通过谐振器1011的侧面(即垂直于过渡介电层1012的一面)入射谐振器1011。

需要说明的是，在实际的应用中，可以根据需要调整介电波导1013的位置，从而调整其发射的光束的方向。

在另外一种可选的实施方式中，请结合参阅图7，所述介电波导1013发射的光束与所述谐振器1011平行(如图中箭头所示，其为光束的发射方向)。

在本实施例中，虽然介电波导1013仍然与谐振器1011位于同一平面，但是，介电波导1013发射的光速并不通过谐振器1011的侧面入射谐振器1011，而是与整个谐振器1011平行，光束在介电波导1013中全内反射的传输形式导致了波导表面处产生倏逝波，当谐振器1011贴近介电波导1013侧面时，波导表面处的倏逝波能量可以耦合进入谐振器1011内，由于谐振狭缝的存在使得电场束缚在谐振狭缝当中，可以实现谐振狭缝内分子荧光增强，并且通过设定介电波导1013侧面与谐振器1011的间距可以提高耦合效率。

需要说明的是，在本实施例中，介电波导1013的长度是可以任意设置的，在本实施例中，优选的将介电波导1013延长至芯片的边缘。

请结合参阅图8，本申请实施例还提供了一种谐振芯片的制作方法，方法包括以下步骤：

步骤201：提供一衬底104；

步骤202：沿衬底104的一侧生成导电层103；

步骤203：沿导电层103的一侧生成附着层102；

步骤204：沿附着层102的一侧制作介电层101，其中，介电层101上设置有谐振狭缝，谐振狭缝贯通介电层101。

在另外一种可选的实施方式，在上述步骤204之后，该方法还包括：

步骤205：将介电层101划分为谐振器1011与过渡介电层1012，过渡介电层1012位于附着层102的一侧，谐振器1011位于过渡介电层1012的一侧，谐振狭缝依次贯通谐振器1011与过渡介电层1012。

可选的，上述步骤205中，谐振器1011为圆形，谐振狭缝的形状为条状矩形，谐振狭缝设置于谐振器1011的中心。

以下结合实施例对本申请的特征和性能作进一步的详细描述：

实施例1

提供一种磷化镓谐振器芯片，且结构如图1。

二氧化硅的衬底104表面形成有氧化铟锡导电层103，导电层103表面形成有多孔三氧化二铝附着层102，附着层102表面形成有过渡介电层1012，过渡介电层1012表面形成有圆盘状的谐振器1011。谐振通道为狭缝状。过渡介电层1012和谐振器1011均由磷化镓形成。

对比例1

提供现有技术中常见的芯片：ZMW。

以下对实施例1和对比例1芯片的性能进行检测，其结果(图10-图16)利用有限时域差分方法进行相关激发、辐射等计算，适用于生物检测的液体环境：

实验例

1、实施例1的芯片的电磁波近场聚焦检测。

图10本申请实施例提供的磷化镓谐振器芯片。其中，图10中，(a)扫描电镜俯视图，(b)459nm波长光激发条件下的电磁波近场聚焦分布，(c)584nm波长光激发条件下的电磁波近场聚焦分布。

图10(a)展示了电子束曝光和反应离子刻蚀可以实现半导体圆盘中小于30纳米宽的狭缝。从初步仿真计算来看，如图10(b)、10(c)所示，将狭缝放置于无极子模式(459nm、584nm的激发波长)下的圆盘中心可以有效地汇聚电磁场，其最高值可以达到120。

2、实施例1芯片的电场强度检测。

图11为本申请实施例提供的磷化镓谐振器芯片的初步计算与加工图，谐振器不同狭缝长度下的(a)散射谱、(b)吸收谱、(c)电磁场增强性能。(d)已加工的不同狭缝尺寸磷化镓谐振器芯片。

图11(a)和图11(b)展示了初步仿真计算下，谐振器不同狭缝长度的散射和吸收谱的变化趋势，可以看出在激发波长下谐振芯片出现两个散射谷，这对应了共振模式下的无极子态，同时从图11(c)的电场强度增强看到，无极子态下的谐振通道内电场强度普遍得到增强，在激发波长下也出现了“双共振增强”。图11(d)展示了已加工的不同狭缝尺寸半导体谐振芯片。

3、对实施例1和对比例1芯片的电磁场增强性能进行检测。结果如图12。

图12为本申请实施例提供的磷化镓谐振芯片的初步验证。(a)磷化镓谐振器和ZMW的吸收、散射谱对比。(b)磷化镓谐振器狭缝内和ZMW孔内电磁场增强性能。

图12(a)展示了磷化镓谐振芯片与ZMW的吸收、散射截面对比，可以看出磷化镓谐振器芯片相比于ZMW具有更低的吸收，磷化镓谐振器在可见波段具有两个明显的散射波谷，这两个波谷对应谐振器的共振模式。同时根据图12(b)的电磁场增强性能来看，磷化镓谐振芯片在共振模式下具有很强的电场能量，相比于ZMW的孔内电场能量也高出了一个数量级。

4、对实施例1和对比例1芯片的增强荧光量子产率进行检测。结果如图13。

图13本申请实施例和对比例提供的介电谐振芯片的计算验证。(a)ZMW和磷化镓谐振芯片的增强荧光量子产率对比。(b)ZMW和磷化镓谐振芯片的荧光辐射增强对比。

图13(a)展示了ZMW与磷化镓谐振芯片的增强荧光量子产率对比，磷化镓谐振器在可见光波段可以产生更高的荧光量子产率，其中从左侧两个图谱中提取了4个荧光波长的信息，汇总在右侧的增强荧光量子产率谱线(实线代表磷化镓谐振芯片，虚线代表ZMW)，磷化镓谐振芯片相比于ZMW可以产生高出了一个数量级的荧光量子产率。图13(b)展示了ZMW与磷化镓谐振芯片的增强荧光辐射对比，磷化镓谐振器在无极子模式下可以产生更高的荧光辐射，其中从左侧两个图谱中提取了4个荧光波长的信息，汇总在右侧的增强荧光辐射谱线(实线代表磷化镓谐振芯片，虚线代表ZMW)，磷化镓谐振芯片相比于ZMW可以产生高出了一个数量级的荧光辐射增强。

5、对实施例1和对比例1芯片的增强荧光的计算验证。结果如图14。

图14本申请实施例和对比例提供的介电谐振芯片增强荧光的计算验证。(a)ZMW荧光辐射的孔内分布。(b)磷化镓谐振器的荧光辐射的狭缝内分布。(c)氮化镓谐振器的荧光辐射的狭缝内分布。

图14(a)展示了荧光辐射在ZMW孔内分布情况，在555nm/568nm辐射波长下的荧光强度高于其在647nm/660nm辐射波长下的强度；图14(b)、图14(c)分别展示了荧光辐射在磷化镓、氮化镓谐振器狭缝内分布情况，明显看出介电谐振芯片对荧光的增强效果要优于ZMW结构。

6、对实施例1和对比例1芯片的增强激发的初步验证。结果如图15。

图15是本申请实施例提供的介电波导谐振芯片增强激发的初步验证。(a)四种激发方式的示意图。(b)对应激发方式下的电场增强谱。(c)对应激发方式下的电场分布图。

图15(a)展示了波导激发谐振芯片的方式，包含波导端面耦合、嵌入耦合、以及侧边耦合(不同狭缝朝向)，根据图15(b)中的电场增强结果来看，端面耦合方式在500nm-700nm的激发波长下可以产生更高的电场增强，从图15(c)的电场分布分析，端面耦合、嵌入耦合和侧边耦合(狭缝长轴平行于波导)可以更好地将能量局限在谐振器的狭缝通道中，有利于实现谐振芯片的片上激发。

7、对实施例1和对比例1芯片的增强量子产率的初步计算验证。结果如图16。

图16是本申请实施例提供的介电波导谐振芯片增强量子产率的初步计算验证。(a)波导谐振芯片上不同单元的示意图，以及(b)初始量子产率为0.3时与(c)初始量子产率为0.003时的荧光量子产率增强图谱。(d)片上收集的示意图与辐射方向性。

图16(a)展示了荧光源在波导谐振芯片不同单元的放置情况，包含放置在单一芯片基底、放置在谐振器的谐振通道、放置在带基底的谐振器，以及放置在波导谐振芯片中，根据图16(b)、16(c)中的量子产率增强结果来看，谐振器的存在对量子产率增强起到了关键作用，波导谐振芯片对低量子产率的荧光源，可以产生更高的荧光增强。从图16(d)的辐射方向性分析，波导谐振芯片由于片上波导的设计，可以将更多的荧光辐射能量耦合进波导中，进一步实现荧光信号的片上收集。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims

1.一种谐振芯片，其特征在于，包括：

介电层，所述介电层上设置有谐振通道，所述谐振通道贯通所述介电层；

所述介电层包括谐振器与过渡介电层；

所述谐振器形成在所述过渡介电层表面；

所述谐振通道依次贯通所述谐振器与所述过渡介电层；所述谐振器用于与激发光形成共振响应，并使得电场能量局限在所述谐振通道内；所述过渡介电层用于隔离生物分子通过，使生物反应仅在所述谐振通道内反应。

2.根据权利要求1所述的谐振芯片，其特征在于，所述谐振器为岛状。

3.根据权利要求2所述的谐振芯片，其特征在于，所述谐振器的边缘形成规则形状或者拓扑形状。

4.根据权利要求1所述的谐振芯片，其特征在于，所述谐振通道为狭缝状、规则孔或者不规则孔状。

5.根据权利要求4所述的谐振芯片，其特征在于，

所述谐振通道最窄处的宽度最大值为20nm。

6.根据权利要求4所述的谐振芯片，其特征在于，

所述谐振通道的总体积控制在单分子探测量级。

7.根据权利要求1-6任一项所述的谐振芯片，其特征在于，所述介电层由非金属材料制成。

8.根据权利要求7所述的谐振芯片，其特征在于，所述谐振器与所述过渡介电层的材料可以相同或者不相同。

9.根据权利要求1所述的谐振芯片，其特征在于，

所述谐振芯片还包括：

衬底；

形成于所述衬底表面的导电层。

10.根据权利要求9所述的谐振芯片，其特征在于，

所述导电层由电极材料制成，用于外接电压。

11.根据权利要求9所述的谐振芯片，其特征在于，

所述谐振芯片还包括：

形成于所述导电层表面的附着层；所述介电层形成于所述附着层的表面。

12.根据权利要求11所述的谐振芯片，其特征在于，

所述附着层由多孔材料制成。

13.根据权利要求11所述的谐振芯片，其特征在于，

所述谐振芯片包括渗水孔；所述渗水孔贯通所述衬底和所述导电层，并与所述附着层接触。

14.一种谐振芯片，其特征在于，所述谐振芯片包括：

衬底；

位于所述衬底一侧的导电层；

位于所述导电层一侧的附着层；

位于所述附着层一侧的介电层，其中，所述介电层上设置有谐振狭缝，所述谐振狭缝贯通所述介电层。

15.根据权利要求14所述的谐振芯片，其特征在于，所述介电层包括谐振器与过渡介电层；

所述过渡介电层位于所述附着层的一侧，所述谐振器位于所述过渡介电层的一侧；

所述谐振狭缝依次贯通所述谐振器与所述过渡介电层。

16.根据权利要求15所述的谐振芯片，其特征在于，所述谐振器为圆形，所述谐振狭缝的形状为条状矩形，所述谐振狭缝设置于所述谐振器的中心。

17.根据权利要求15所述的谐振芯片，其特征在于，制作所述谐振器与所述过渡介电层的材料包括磷化镓。

18.根据权利要求15所述的谐振芯片，其特征在于，所述介电层还包括介电波导，所述介电波导位于所述过渡介电层上。

19.根据权利要求18所述的谐振芯片，其特征在于，所述介电波导发射的光束水平入射所述谐振器。

20.根据权利要求18所述的谐振芯片，其特征在于，所述介电波导发射的光束与所述谐振器平行。

21.根据权利要求14所述的谐振芯片，其特征在于，所述导电层与所述衬底上还设置有渗水孔，所述渗水孔的位置与所述谐振狭缝对应。

22.一种谐振芯片的制作方法，其特征在于，所述方法包括：

提供一衬底；

沿所述衬底的一侧生成导电层；

沿所述导电层的一侧生成附着层；

沿所述附着层的一侧制作介电层，其中，所述介电层上设置有谐振狭缝，所述谐振狭缝贯通所述介电层。

23.权利要求1-13任一项所述的谐振芯片的制作方法，其特征在于，所述方法包括：

在介电层上设置谐振通道，使所述谐振通道贯通所述介电层；

所述介电层包括谐振器与过渡介电层，使所述谐振器形成在所述过渡介电层表面；使所述谐振通道依次贯通所述谐振器与所述过渡介电层；所述谐振器用于与激发光形成共振响应，并使得电场能量局限在所述谐振通道内；所述过渡介电层用于隔离生物分子通过，使生物反应仅在所述谐振通道内反应。