用于輻射探測(cè)的新型半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)仿真研究.pdf

1、近年來(lái)，X射線和γ射線在放射性治療、CT成像等輔助醫(yī)療領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，開發(fā)新型高性能射線探測(cè)器勢(shì)在必行。基于半導(dǎo)體器件的射線探測(cè)器憑借體積小、功耗低、靈敏度高，可以與電子線路集成在同一芯片上，以及可以在零偏壓條件下工作的優(yōu)勢(shì)，成為新型探測(cè)器的研究熱門。目前主流的半導(dǎo)體射線劑量探測(cè)器主要有基于金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOS

2、FET）和基于浮柵場(chǎng)效應(yīng)管（Floating Gate Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,FG-MOS）器件結(jié)構(gòu)的探測(cè)器，這些探測(cè)器通過(guò)半導(dǎo)體器件輻照前后器件閾值電壓、飽和漏極輸出電流等參數(shù)的變化，來(lái)標(biāo)定吸收射線劑量。本文主要圍繞用于輻射探測(cè)的新型半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)開發(fā)，介紹了傳統(tǒng)半導(dǎo)體探測(cè)器結(jié)構(gòu)的主要類型、發(fā)展現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題，針對(duì)這些問(wèn)題，研究了三種新型半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)，并

3、通過(guò)Santaurus-TCAD和Silvaco-TCAD半導(dǎo)體器件仿真工具，仿真驗(yàn)證了這些器件用于輻射探測(cè)的可行性。由于本文中的仿真基于未經(jīng)封裝的半導(dǎo)體器件，因此基于這些器件的“探測(cè)器”，文中統(tǒng)稱為半導(dǎo)體輻射“探測(cè)器件”。
　　第一種是半浮柵晶體管（Semi Floating Gate Transistor,SFGT）。SFGT在FG-MOS的漏極有源區(qū)植入大面積PN結(jié)結(jié)構(gòu)，通過(guò)PN結(jié)探測(cè)輻照。仿真結(jié)果顯示該半導(dǎo)體輻射探測(cè)器件靈

4、敏度高，線性度好，相比傳統(tǒng)探測(cè)器件，其復(fù)位機(jī)制功耗更低、耗時(shí)更短、對(duì)器件造成的損傷更小。針對(duì)半浮柵晶體管中PN結(jié)反向泄漏電流造成的暗電流對(duì)半浮柵充電的現(xiàn)象，論文中進(jìn)行了仿真研究，結(jié)果表明該探測(cè)器件適合應(yīng)用在較高劑量率的背景環(huán)境。
　　第二種是半浮柵控駝峰二極管（Semi Floating Gate Controlled Camel Diode,SFGCD）。SFGCD是本文作者通過(guò)結(jié)合半浮柵與駝峰二極管的概念提出器件結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)用

5、于 X射線和γ射線劑量探測(cè)，復(fù)位機(jī)制與SFGT結(jié)構(gòu)相同，具有功耗低、用時(shí)短和零損傷的優(yōu)勢(shì)，并且探測(cè)靈敏度更高，體積更小?；趯捊麕Р牧蟂iC的SFGCD結(jié)構(gòu)消除了該器件中因內(nèi)嵌PN結(jié)而固有的暗電流對(duì)浮柵充電的問(wèn)題。
　　第三種是基于GaN材料體系雙異質(zhì)結(jié)高電子遷移率晶體管（High Electron Mobility Transistor,HEMT）。GaN材料具有優(yōu)越的抗輻照能力，在射線探測(cè)研究領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注，然而卻因其對(duì)高能

6、射線吸收效率低的缺陷，在實(shí)際應(yīng)用中受到限制。本文通過(guò)仿真研究了AlGaN/GaN/AlGaN雙異質(zhì)結(jié)HEMT在輻照前后輸出電流的變化，并通過(guò)采用AlN摩爾組分漸變生長(zhǎng)的AlGaN勢(shì)壘層，形成緩變AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)，對(duì)器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，得到接近107量級(jí)的極高電流增益，彌補(bǔ)了材料對(duì)射線吸收效率低的問(wèn)題。
　　本文研究的三種用于輻射探測(cè)的新型半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)，相比傳統(tǒng)半導(dǎo)體輻射探測(cè)器件都具有一定優(yōu)勢(shì)，適合應(yīng)用在輔助醫(yī)療領(lǐng)域，同時(shí)