一種半浮柵晶體管γ射線劑量探測(cè)器及探測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于輻射劑量探測(cè)器領(lǐng)域，尤其涉及利用半浮柵結(jié)構(gòu)的，一種半浮柵晶體 管y射線劑量探測(cè)器及探測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] Y射線劑量探測(cè)器在空間探索、核設(shè)施監(jiān)控、射線治療及生物醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域發(fā) 揮著重要作用，探測(cè)器類型主要有蓋格計(jì)數(shù)管、熱釋光探測(cè)器、閃爍體探測(cè)器和半導(dǎo)體探測(cè) 器。隨著科技進(jìn)步，半導(dǎo)體探測(cè)器憑借體積小、成本低、靈敏度高的技術(shù)優(yōu)勢(shì)顯示出巨大的 開(kāi)發(fā)前景和價(jià)值。
[0003] 半導(dǎo)體y射線探測(cè)器大致可以分為PN結(jié)二極管型和場(chǎng)效應(yīng)管（field effect tranSist〇r，F(xiàn)ET)型兩大類。其中PN結(jié)型探測(cè)器主要用于劑量率測(cè)量，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能夠?qū)崟r(shí) 輸出，并且由于靈敏區(qū)域材料硅的電離能較低，單位輻射劑量下產(chǎn)生的電子空對(duì)較多，因而 分辨率和靈敏度較高，然而PN結(jié)輻射產(chǎn)生電流直接輸出，信號(hào)微弱且受溫度影響較大，對(duì) 讀出電路要求高。場(chǎng)效應(yīng)管探測(cè)器主要用于測(cè)量總吸收劑量，最早由Holmes-Siedle等人 在1970s提出。這類探測(cè)器主要基于P型溝道金屬-氧化物-半導(dǎo)體（P-channel Metal Oxi de Semi conductor，PM0S)場(chǎng)效應(yīng)管設(shè)計(jì)，通過(guò)柵氧中空穴陷講對(duì)福照產(chǎn)生空穴的捕獲， 降低器件閾值電壓，從而以器件閾值電壓的變化來(lái)指示吸收輻射劑量。這類探測(cè)器需要退 火操作來(lái)進(jìn)行復(fù)位，該過(guò)程往往需要在高溫高壓條件下進(jìn)行，花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，并且會(huì)對(duì)靈敏區(qū) 造成損傷。1988年Braunig D、Knoll M最早設(shè)計(jì)了基于浮柵場(chǎng)效應(yīng)管（floating gate M0SFETs，F(xiàn)G_M0S)的y射線探測(cè)器，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在于利用被柵氧包裹的多晶硅層來(lái)存儲(chǔ)輻 照產(chǎn)生的電子或空穴，而不再依賴于氧化層中的空穴陷阱，復(fù)位過(guò)程通過(guò)熱載流子注入或 Fowler-Nordheim隧穿的方式向浮柵沖入電子（或空穴），相對(duì)PMOS型探測(cè)器退火操作更 為方便，但是依然需要IOV以上的偏壓。Kahilainen J等人在1996年設(shè)計(jì)了一款帶有氣 體電離腔室的浮柵型福射探測(cè)器，直接離子存儲(chǔ)劑量劑（direct ion storage dosimeter， DIS)，這種探測(cè)器通過(guò)浮柵收集氣體在輻照中電離產(chǎn)生的離子，實(shí)現(xiàn)對(duì)吸收劑量的監(jiān)測(cè)，由 于氣體電離能較高，探測(cè)器體積較大，靈敏度不高。經(jīng)過(guò)近幾十年國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)包括 PMOS型和FG-MOS型場(chǎng)效應(yīng)管探測(cè)器結(jié)構(gòu)、材料以及工藝過(guò)程的研究與優(yōu)化，這類探測(cè)器已 經(jīng)成為當(dāng)前主流Y和X射線劑量探測(cè)器，具備體積小、靈敏度高、功耗低的優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng) 用于放射性醫(yī)療、航天等諸多領(lǐng)域。然而這類探測(cè)器的復(fù)位過(guò)程依然需要高溫高電壓的退 火，或者較高電壓下的熱載流子注入和隧穿，功耗較高，花費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)，并且會(huì)對(duì)柵氧化層 造成損傷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種具有半浮柵結(jié)構(gòu)，體積小，操作簡(jiǎn)單的，一種半浮柵晶體 管y射線劑量探測(cè)器。本發(fā)明的目的還包括提供一種敏度高，功耗低的，一種半浮柵晶體 管Y射線劑量探測(cè)方法。
[0005] -種半浮柵晶體管y射線劑量探測(cè)器，在平面摻雜勢(shì)皇晶體管的控制柵極與溝 道之間的絕緣層中嵌入半浮柵結(jié)構(gòu)，半浮柵結(jié)構(gòu)與n型溝道中的p型勢(shì)皇層直接接觸，半浮 柵結(jié)構(gòu)的參雜類型與P型勢(shì)皇層的參雜類型相同。
[0006] -種半浮柵晶體管Y射線劑量探測(cè)方法，包括以下幾個(gè)步驟，
[0007] 步驟一：進(jìn)行復(fù)位操作，在控制柵極施加正偏壓，源極施加負(fù)偏壓，漏極接地，促使 半浮柵結(jié)構(gòu)與n型溝道之間的pn結(jié)正向偏置，初始存儲(chǔ)于半浮柵上的空穴經(jīng)由p型勢(shì)皇層 從源極流出，導(dǎo)致半浮柵電勢(shì)降低，晶體管溝道完全耗盡；
[0008] 步驟二：進(jìn)行輻照操作，將完全耗盡的晶體管溝道作為探測(cè)靈敏區(qū)，射線入射到靈 敏區(qū)，產(chǎn)生的空穴經(jīng)由P型勢(shì)皇層被半浮柵收集和存儲(chǔ)，輻照過(guò)程中不施加電壓，半浮柵上 空穴的積累導(dǎo)致探測(cè)器閾值電壓的漂移；
[0009] 步驟三：進(jìn)行探測(cè)器信號(hào)的讀取，通過(guò)讀取探測(cè)器輻照前后閾值電壓的變化量，標(biāo) 定吸收輻射劑量值。
[0010] 有益效果
[0011] 本發(fā)明利用與溝道接觸的半浮柵收集輻照產(chǎn)生的電荷，復(fù)位時(shí)只需要施加不高于 2V的偏壓使浮柵與溝道之間的pn結(jié)正向偏置，整個(gè)過(guò)程用時(shí)不超過(guò)lms，速度快操作便利， 并且不會(huì)對(duì)靈敏區(qū)造成損傷。該探測(cè)器靈敏度高，體積小，功耗低，操作簡(jiǎn)單，適合應(yīng)用于放 射治療領(lǐng)域。
【附圖說(shuō)明】
[0012] 圖1為傳統(tǒng)雙柵型平面摻雜勢(shì)皇晶體管結(jié)構(gòu)示意圖；
[0013] 圖2為本發(fā)明公開(kāi)的半浮柵型平面摻雜勢(shì)皇晶體管探測(cè)器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014] 圖3為本發(fā)明探測(cè)器輻照過(guò)程中空穴的迀移與收集示意圖，圖3 (a)為沿溝道中間 橫向能帶圖，圖3(b)為沿P摻雜層縱向能帶圖；
[0015] 圖4為本發(fā)明探測(cè)器輻照前后溝道能帶變化示意圖；
[0016] 圖5為本發(fā)明探測(cè)器輻照前后I-V曲線變化及信號(hào)讀出過(guò)程中浮柵存儲(chǔ)電荷量變 化示意圖；
[0017] 圖6為本發(fā)明探測(cè)器閾值電壓隨吸收劑量變化關(guān)系線性擬合圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0019] 針對(duì)傳統(tǒng)劑量探測(cè)器復(fù)位操作功耗高、耗時(shí)長(zhǎng)的問(wèn)題，本發(fā)明提出一種具有半浮 柵結(jié)構(gòu)的平面摻雜勢(shì)皇晶體管Y射線劑量探測(cè)器。復(fù)位操作可以在低電壓偏置下快速完 成。
[0020] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0021] -種基于半浮柵晶體管的半導(dǎo)體Y射線劑量探測(cè)器，其結(jié)構(gòu)上下對(duì)稱，包括半浮 柵和平面摻雜勢(shì)皇晶體管。
[0022] 半浮柵結(jié)構(gòu)嵌于所述平面摻雜勢(shì)皇晶體管的控制柵極與溝道之間，并與溝道內(nèi)的 P型摻雜勢(shì)皇層直接接觸，摻雜類型相同。
[0023] p型摻雜勢(shì)皇層及其兩側(cè)n型摻雜溝道構(gòu)成探測(cè)器靈敏區(qū)，在探測(cè)器復(fù)位后處于 耗盡狀態(tài)。
[0024] 該射線劑量探測(cè)器的操作方法為：
[0025] 1)探測(cè)器的復(fù)位：在控制柵極施加合適正偏壓，源極施加負(fù)偏壓，漏極接地，促使 半浮柵結(jié)構(gòu)與n型溝道之間的pn結(jié)正向偏置，清除存儲(chǔ)在半浮柵上的空穴。復(fù)位操作完成 時(shí)，半浮柵電勢(shì)降低，n型溝道完全耗盡。
[0026] 2)輻照產(chǎn)生電荷的收集：該過(guò)程中探測(cè)器所有電極接地或浮空，y或X射線入射 到探測(cè)器靈敏區(qū)，電離產(chǎn)生的電子在電場(chǎng)作用下從探測(cè)器的源極和漏極流出，空穴經(jīng)由溝 道中P型摻雜勢(shì)皇區(qū)移動(dòng)到半浮柵結(jié)構(gòu)，并最終存儲(chǔ)在半浮柵上。半浮柵上空穴積累導(dǎo)致 探測(cè)器閾值電壓漂移。
[0027] 3)探測(cè)器信號(hào)的讀取：在探測(cè)器漏極施加固定電流，讀取探測(cè)器輻照前后閾值電 壓，用探測(cè)器閾值電壓變化量標(biāo)