一種半浮柵晶體管γ射線劑量探測器及探測方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于輻射劑量探測器領域，尤其涉及利用半浮柵結構的，一種半浮柵晶體 管y射線劑量探測器及探測方法。
【背景技術】
[0002] Y射線劑量探測器在空間探索、核設施監控、射線治療及生物醫學等諸多領域發 揮著重要作用，探測器類型主要有蓋格計數管、熱釋光探測器、閃爍體探測器和半導體探測 器。隨著科技進步，半導體探測器憑借體積小、成本低、靈敏度高的技術優勢顯示出巨大的 開發前景和價值。
[0003] 半導體y射線探測器大致可以分為PN結二極管型和場效應管（field effect tranSist〇r，FET)型兩大類。其中PN結型探測器主要用于劑量率測量，結構簡單、能夠實時 輸出，并且由于靈敏區域材料硅的電離能較低，單位輻射劑量下產生的電子空對較多，因而 分辨率和靈敏度較高，然而PN結輻射產生電流直接輸出，信號微弱且受溫度影響較大，對 讀出電路要求高。場效應管探測器主要用于測量總吸收劑量，最早由Holmes-Siedle等人 在1970s提出。這類探測器主要基于P型溝道金屬-氧化物-半導體（P-channel Metal Oxi de Semi conductor，PM0S)場效應管設計，通過柵氧中空穴陷講對福照產生空穴的捕獲， 降低器件閾值電壓，從而以器件閾值電壓的變化來指示吸收輻射劑量。這類探測器需要退 火操作來進行復位，該過程往往需要在高溫高壓條件下進行，花費時間長，并且會對靈敏區 造成損傷。1988年Braunig D、Knoll M最早設計了基于浮柵場效應管（floating gate M0SFETs，FG_M0S)的y射線探測器，其結構特點在于利用被柵氧包裹的多晶硅層來存儲輻 照產生的電子或空穴，而不再依賴于氧化層中的空穴陷阱，復位過程通過熱載流子注入或 Fowler-Nordheim隧穿的方式向浮柵沖入電子（或空穴），相對PMOS型探測器退火操作更 為方便，但是依然需要IOV以上的偏壓。Kahilainen J等人在1996年設計了一款帶有氣 體電離腔室的浮柵型福射探測器，直接離子存儲劑量劑（direct ion storage dosimeter， DIS)，這種探測器通過浮柵收集氣體在輻照中電離產生的離子，實現對吸收劑量的監測，由 于氣體電離能較高，探測器體積較大，靈敏度不高。經過近幾十年國內外研究人員對包括 PMOS型和FG-MOS型場效應管探測器結構、材料以及工藝過程的研究與優化，這類探測器已 經成為當前主流Y和X射線劑量探測器，具備體積小、靈敏度高、功耗低的優勢，被廣泛應 用于放射性醫療、航天等諸多領域。然而這類探測器的復位過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，花費時間較長，并且會對柵氧化層 造成損傷。

【發明內容】

[0004] 本發明的目的是提供一種具有半浮柵結構，體積小，操作簡單的，一種半浮柵晶體 管y射線劑量探測器。本發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射線劑量探測方法。
[0005] -種半浮柵晶體管y射線劑量探測器，在平面摻雜勢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構，半浮柵結構與n型溝道中的p型勢皇層直接接觸，半浮 柵結構的參雜類型與P型勢皇層的參雜類型相同。
[0006] -種半浮柵晶體管Y射線劑量探測方法，包括以下幾個步驟，
[0007] 步驟一：進行復位操作，在控制柵極施加正偏壓，源極施加負偏壓，漏極接地，促使 半浮柵結構與n型溝道之間的pn結正向偏置，初始存儲于半浮柵上的空穴經由p型勢皇層 從源極流出，導致半浮柵電勢降低，晶體管溝道完全耗盡；
[0008] 步驟二：進行輻照操作，將完全耗盡的晶體管溝道作為探測靈敏區，射線入射到靈 敏區，產生的空穴經由P型勢皇層被半浮柵收集和存儲，輻照過程中不施加電壓，半浮柵上 空穴的積累導致探測器閾值電壓的漂移；
[0009] 步驟三：進行探測器信號的讀取，通過讀取探測器輻照前后閾值電壓的變化量，標 定吸收輻射劑量值。
[0010] 有益效果
[0011] 本發明利用與溝道接觸的半浮柵收集輻照產生的電荷，復位時只需要施加不高于 2V的偏壓使浮柵與溝道之間的pn結正向偏置，整個過程用時不超過lms，速度快操作便利， 并且不會對靈敏區造成損傷。該探測器靈敏度高，體積小，功耗低，操作簡單，適合應用于放 射治療領域。
【附圖說明】
[0012] 圖1為傳統雙柵型平面摻雜勢皇晶體管結構示意圖；
[0013] 圖2為本發明公開的半浮柵型平面摻雜勢皇晶體管探測器的結構示意圖；
[0014] 圖3為本發明探測器輻照過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為本發明探測器輻照前后溝道能帶變化示意圖；
[0016] 圖5為本發明探測器輻照前后I-V曲線變化及信號讀出過程中浮柵存儲電荷量變 化示意圖；
[0017] 圖6為本發明探測器閾值電壓隨吸收劑量變化關系線性擬合圖。
【具體實施方式】
[0018] 下面將結合附圖對本發明做進一步詳細說明。
[0019] 針對傳統劑量探測器復位操作功耗高、耗時長的問題，本發明提出一種具有半浮 柵結構的平面摻雜勢皇晶體管Y射線劑量探測器。復位操作可以在低電壓偏置下快速完 成。
[0020] 本發明的技術方案如下：
[0021] -種基于半浮柵晶體管的半導體Y射線劑量探測器，其結構上下對稱，包括半浮 柵和平面摻雜勢皇晶體管。
[0022] 半浮柵結構嵌于所述平面摻雜勢皇晶體管的控制柵極與溝道之間，并與溝道內的 P型摻雜勢皇層直接接觸，摻雜類型相同。
[0023] p型摻雜勢皇層及其兩側n型摻雜溝道構成探測器靈敏區，在探測器復位后處于 耗盡狀態。
[0024] 該射線劑量探測器的操作方法為：
[0025] 1)探測器的復位：在控制柵極施加合適正偏壓，源極施加負偏壓，漏極接地，促使 半浮柵結構與n型溝道之間的pn結正向偏置，清除存儲在半浮柵上的空穴。復位操作完成 時，半浮柵電勢降低，n型溝道完全耗盡。
[0026] 2)輻照產生電荷的收集：該過程中探測器所有電極接地或浮空，y或X射線入射 到探測器靈敏區，電離產生的電子在電場作用下從探測器的源極和漏極流出，空穴經由溝 道中P型摻雜勢皇區移動到半浮柵結構，并最終存儲在半浮柵上。半浮柵上空穴積累導致 探測器閾值電壓漂移。
[0027] 3)探測器信號的讀取：在探測器漏極施加固定電流，讀取探測器輻照前后閾值電 壓，用探測器閾值電壓變化量標