用于輻射探測的新型半導體器件結(jié)構仿真研究.pdf

1、近年來，X射線和γ射線在放射性治療、CT成像等輔助醫(yī)療領域發(fā)揮著越來越重要的作用，開發(fā)新型高性能射線探測器勢在必行?；诎雽w器件的射線探測器憑借體積小、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，成為新型探測器的研究熱門。目前主流的半導體射線劑量探測器主要有基于金屬-氧化物-半導體場效應管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOS

2、FET）和基于浮柵場效應管（Floating Gate Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,FG-MOS）器件結(jié)構的探測器，這些探測器通過半導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，來標定吸收射線劑量。本文主要圍繞用于輻射探測的新型半導體器件結(jié)構開發(fā)，介紹了傳統(tǒng)半導體探測器結(jié)構的主要類型、發(fā)展現(xiàn)狀和存在的問題，針對這些問題，研究了三種新型半導體器件結(jié)構，并

3、通過Santaurus-TCAD和Silvaco-TCAD半導體器件仿真工具，仿真驗證了這些器件用于輻射探測的可行性。由于本文中的仿真基于未經(jīng)封裝的半導體器件，因此基于這些器件的“探測器”，文中統(tǒng)稱為半導體輻射“探測器件”。
　　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，通過PN結(jié)探測輻照。仿真結(jié)果顯示該半導體輻射探測器件靈

4、敏度高，線性度好，相比傳統(tǒng)探測器件，其復位機制功耗更低、耗時更短、對器件造成的損傷更小。針對半浮柵晶體管中PN結(jié)反向泄漏電流造成的暗電流對半浮柵充電的現(xiàn)象，論文中進行了仿真研究，結(jié)果表明該探測器件適合應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是本文作者通過結(jié)合半浮柵與駝峰二極管的概念提出器件結(jié)構，該結(jié)構用

5、于 X射線和γ射線劑量探測，復位機制與SFGT結(jié)構相同，具有功耗低、用時短和零損傷的優(yōu)勢，并且探測靈敏度更高，體積更小?；趯捊麕Р牧蟂iC的SFGCD結(jié)構消除了該器件中因內(nèi)嵌PN結(jié)而固有的暗電流對浮柵充電的問題。
　　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，在射線探測研究領域受到廣泛關注，然而卻因其對高能

6、射線吸收效率低的缺陷，在實際應用中受到限制。本文通過仿真研究了AlGaN/GaN/AlGaN雙異質(zhì)結(jié)HEMT在輻照前后輸出電流的變化，并通過采用AlN摩爾組分漸變生長的AlGaN勢壘層，形成緩變AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)，對器件結(jié)構進行了優(yōu)化，得到接近107量級的極高電流增益，彌補了材料對射線吸收效率低的問題。
　　本文研究的三種用于輻射探測的新型半導體器件結(jié)構，相比傳統(tǒng)半導體輻射探測器件都具有一定優(yōu)勢，適合應用在輔助醫(yī)療領域，同時