專利名稱：輻射探測器的制作方法
技術領域：
本發明的目的在于提供一種探測離子輻射的方法，該方法采用一種帶浮動柵MOSFET晶體管的劑量計。本發明的另外目的在于提供一種用來實現上述方法的劑量計，以及探測離子輻射的MOSFET晶體管的使用方法。
作為探測離子輻射的裝置應當具有如下特點1.結構簡單。
2.積分輻射劑量測量時，作為“無源”探測器，即不用電源工作的能力。
3.足夠的靈敏度(＜1mrem或1μSv)，使能用于人體及環境輻射監測。
4.始于10Kev或更小值的足夠寬的低能區，用以測量低能χ輻射和γ輻射。
5.當探測器的外圍結構合適時，該探測器有測量如β粒子，質子和α粒子等帶電粒子以及中子的能力。
6.能夠無損和直接讀出劑量/劑量率的電子讀數使能構成直讀儀器。
7.讀出方法簡易且成本低，可構成袖珍式直讀的劑量計。
然而，具有上述特點的裝置尚未被人知。例如，根據現有技術，可用下述裝置探測離子輻射。
1.光致發光玻璃劑量計光致璃發光玻璃劑量計滿足上面提及的大部分要求，除了最后的關于讀出方法簡易且成本低之外。這是因為目前所用的讀出方法是以高精度紫外光源為基礎的，這種紫外光源是和光學濾波器及當材料受到紫外輻射時測量熒光的熒光探測器組合在一起的。另外，這種方法中使用的材料，即磷酸鹽玻璃，對環境的影響很敏感，這就要求在操作和測量過程中要非常小心。
2.電容式劑量計最有名的電容式劑量計是所謂的QFD(石英纖維劑量計)，它也叫作PIC或袖珍電離室(Ion Chamber)。它將一個電容式劑量計和一個積分式靜電計組合在一起，用戶可以通過觀察纖維的位置，即纖維的偏轉來讀數。原理上，電容式劑量計滿足上述除簡易和無損電子讀數方法外的所有要求。
用光學方法來確定靜電計纖維位置的電子化讀數法很早就發展起來了，但是這些方法在袖珍式裝置的讀數中都不能充分發揮作用，其它的電容式劑量計，包括所謂的駐極體劑量計，也同樣缺乏無損讀出方法所需的東西。
3.MOS劑量計MOS劑量計是基于測量永久電荷的俘獲，它引起由輻射激發的MOSFET晶體管中絕緣二氧化硅層能譜慢化。這類裝置滿足除足夠靈敏度外的所有要求。因此，它們適合于測量大約從1rem或10mSV開始的高劑量輻射。
美國專利公布號4788581中披露了一種大家熟知的MOS劑量計。這種劑量計的硅襯底上有一層帶浮動柵的氧化硅層，用于收集從固體中來的離子對。因為固體中的離子對的遷移率很小，所以在浮動柵上加了一個有源柵(active gate)以便有效地收集浮動柵上的電荷，這意味著在這種裝置的各柵級之間形成了一個輻射敏感區。
由于美國專利出版號4788581的劑量計的結構的限制，其靈敏度是很低的。它適合于測量1rem或10mSv或更高強度的輻射。因此，它不適合于個人輻射監測，這種監測需要范圍為1μSv或0.1mrem的測量靈敏度。
輻射測量裝置中存在的最普遍缺點是輻射影響的剩余，至少是“準剩余”的。這意味著為使裝置得以重復使用，必須采用特殊的處理以逆轉輻射的影響。然而，一般的要求是輻射測量裝置應是電學方式可逆的。
本發明的目的在于消除上述問題，從而獲得一種沒有上述缺點的新方法和新裝置。
本發明的方法的特點是使離子輻射穿過一個開放的氣隙或氣體空間或者一個封閉的氣隙或氣體空間來對MOSFET晶體管的浮動柵極表面起作用，從而在所述柵極表面需要有一個裸露的區域，或者一個被導體，半導體或薄的絕緣層覆蓋的區域。
絕緣層的厚度不能超過，例如5mm，從而仍能讓電荷通過而到達真正的柵極。然而，最好有一部分柵極表面是完全裸露的。
本發明劑量計的特點是MOSFET晶體管的浮動柵表面至少有部分裸露的，或者是被導體，半導體或一絕緣體薄層覆蓋，所述浮動柵位于一個開放的氣隙或氣體空間或封閉的空氣或氣體空間中。
本發明的用來檢測離子輻射的MOSFET晶體管的使用特點是在MOSFET晶體管的浮動柵上形成一層電荷，該層電荷由于有晶體管暴露在其中的離子輻射的影響而發生變化，從而根據所述柵極上電荷的變化確定輻射劑量。
本發明是基于測量離子輻射對存儲在MOSFET晶體管，或金屬氧化物硅晶體管的浮動柵電容上的電荷的影響。大家知道帶浮動柵的MOSFET晶體管的電荷保存特性是極其優秀的。因此，他們特別適合用來做固定存儲器，包括數字和模擬的EPROM和EEPROM存儲器。
在一個典型的MOSFET記憶單元中，在“無源”，也就是說，無偏置的條件下，有效輻射靈敏體積主要由絕緣氧化層組成。這意味著輻射靈敏物質的體積是如此之小以致于這種器件除了在很高劑量(＞1Krad)的條件下對調子輻射都是不敏感的。
因此，本發明是基于通過諸如將少量氣體充入一個被較厚的壁材料包圍的空間中，增大有效輻射靈敏體積；在帶浮動柵的MOSFET晶體管中所述空間直接包圍著MOSFET晶體管的所述柵極。引入氣體和壁材料的目的是充當在其中發生電離的物質的有效體積。
在氣隙中形成的電子或正離子，于柵極第一次被充到合適的電位后，在柵極周圍的電場的影響下，為該柵極收集起來。初次充電通過傳統的方式，例如通過FN隧道貫穿技術完成。
通過測量晶體管的漏-源溝道的導電率，可在電荷本身不消失的情況下測定柵極電荷量。這類似于讀出存在模擬EEPROM存儲器中的信息。
整體的輻射靈敏度能通過改變MOSFET的結構從而增加或減小柵極電容而得到調整。外部并聯的電容能用來降低靈敏度。
選擇適當的氣體，氣壓，和包圍氣體空間的壁材料，可確定檢測器的能量響應。假如氣體的體積、氣壓和周圍的壁材料的選擇符合組織等效(tissue-equivalent)，那么檢測器的劑量響應將精確地匹配人體組織的劑量響應，從而能夠構成組織等效的人體劑量劑。
本發明在下面的例子中得到描述，在描述時還參考了附圖，其中
圖1是本發明檢測器的概要剖面圖；圖2對應于圖1示出了檢測器的第二種具體實施例；圖3對應于圖1示出了檢測器的第三種具體實施例；圖4對應于圖1示出了檢測器的第四種具體實施例；圖5對應于圖1示出了檢測器的第五種具體實施例；圖6示出了圖5檢測器的輻射讀出裝置。
圖7是檢測器的第六種具體實施例。
圖1概要地表示了本發明的一種檢測器，在最簡單的情況下它只是一個MOSFET晶體管10。在源極11和漏極12之間加一個足夠高的電壓，就在晶體管10的柵極13上形成一層電荷。這引起通過柵極絕緣體14的氧化層產生FN隧道貫穿效應，同時導致未連接的，也即浮動柵13上的電位在所需電荷條件下被設定。
柵極13上的電荷一般說來可以是正的，也可以是負的，只要它不同于硅襯底18上的電荷。假如晶體管10未被暴露于離子輻射中，該柵極電位可在長時間內保持不變。電荷只能通過絕緣氧化層14或沿其表面泄漏。
然而，在圖1所示的晶體管10的浮動柵13的氧化層絕緣體14上形成了一通孔17，通過該孔柵極13與周圍的空氣空間直接接觸。假如晶體管10暴露到離子輻射環境下，柵極13上的電荷將產生一個電場，該電場將吸收該空氣空間中由于輻射作用而產生的離子。這些離子被柵極13上的電荷中和，同時也中和了柵極13上的電荷，從而導致柵極13的電位變化。這樣就能根據柵極13上的電位變化情況確定輻射劑量。
圖2中的晶體管10對應于圖1中的晶體管，但是在浮動柵13的前面放置了一塊平板19。基本上這平板可以用任何固體材料制成。這平板沒有必要非得是金屬的，甚至沒有必要非得是導電材料的。然而，當晶體管10暴露到離子輻射中時，平板19能導致更有效地產生離子。這樣就提高了測量效率。為了提高某一特定方向的測量靈敏度，我們還可以利用平板19的方位和狀態。
圖3所示的晶體管10中有一個被柵極絕緣體14的氧化層封閉的氣隙或氣體空間24與浮動柵13相關聯。當晶體管暴露到離子輻射中時，這一空間24進一步提高了離子的形成。可以說，連同MOSFET晶體管10的浮動柵13一起形成了一個電離室。
圖4所示的探測器中將一個N-溝道MOSFET晶體管10安裝在一個充氣的腔20內。所述的腔由例如0.5mm厚的薄鋁制成。腔20的壁21通過限流電阻16與晶體管10的源極11電連接。導體15通過絕緣體23穿過腔20的壁21連接到晶體管10的漏極12。晶體管10的柵極13沒有連接，也就說是浮空的。通過在漏極12和壁21間加一個足夠高的電壓，使柵極13被充電，這樣，通過柵絕緣體14發生FN溝道現象，于是就使柵極電位被設定到某一值Vg。在漏極12和壁21間加一個適當的電壓VDD并同時測量漏-源電流Ids1，就可以測得初始導電率。
假如不使檢測器暴露到離子輻射中，柵電位可以在很長時間，甚至幾年內保持不變，因為電荷只能通過絕緣氧化層14或沿其表面從所述柵極泄漏。
假如腔20暴露到離子輻射中，在腔20內的空氣空間24中將形成離子對。離子對被腔20的導電壁21吸收并在導電壁21中由于受到電子的作用而被中和。在柵極13上，正電荷吸收最后被收集到柵13表面上的電子，從而中和了柵極13上的電荷。這就導致了電位Vg降低。
在漏極12和壁21之間加一個適當的電壓并測量所產生的漏-源電流Ids2，使導電率得到測量。比較輻射后測得的電流Ids2和初始電流Ids1，可以確定積分輻射劑量。使用已校準的輻射源，可以確定電流-輻射劑量的相關關系。
圖5示出了一個主要由安裝在盒20內的MOSFET晶體管10組成的檢測器。在盒20的壁21上，與晶體管10的浮動柵13的氧化層絕緣體14中所成孔的同一位置上形成一個孔，這意味著柵極13與周圍的空氣空間直接接觸。一旦晶體管10暴露到離子輻射中，柵極13上的電荷就形成一個電場，它吸收由于輻照而在空氣空間中形成的離子。
如圖5所示的檢測器中，還將一個能更有效地收集離子的導體22連到浮動柵13上。該導體被一個嵌入到盒20的網25保護起來，該網同時還蓋住柵極絕緣體14氧化層內的孔17。為了能在源極11和漏極12間加一個電壓，并相應地測出它們之間的電荷的減少，通過導線26和27將源極11和漏極12連接到連接器28和29，所述連接器28和29安裝在盒20的壁21上。
圖6示出一種輻射讀出裝置30，用它能讀出使圖5所示的檢測器暴露于其中的輻射劑量。為了讀數，將圖5所示檢測器的盒20的壁21中的連接器28和29插入位于輻射讀出裝置30的壁上的連接器32和33中，連接器32和33又通過導線34和35連到讀出裝置30的測量電子單元36。當把晶體管10組成的檢測器和讀出裝置30互相連接起來時，就能從顯示單元37中讀取輻射劑量。
圖7示出一個將MOSFET晶體管10和測量電子單元36置于同一盒20中的檢測器。既然配有電源的測量部分36通過導線26和27與晶體管10相連，就能隨時從顯示單元37中讀取所獲得到的輻射劑量。
關于上面討論的圖，應該注意它們的大小不是按照真正的比例畫的。例如，為清楚起見，MOSFET晶體管與其余部分相比被極大地放大了。實際上，晶體管可以由極薄的膜制成。
然而，本發明的本質是從MOSFET晶體管柵極電荷的變化確定輻射劑量。并且不必對柵極放電就可在任何時候測得輻射劑量。這樣的無源使用方式是經濟的，因為探測器不必包括有電源。
本發明采用氣體為介質，并且若氣體空間較大，還可能導致過高的靈敏度。在使柵極被充電到已知電荷狀態的情況下，在有輻射存在時，由于柵極電荷在氣體中形成的電場的影響，所述柵極將吸收氣體中形成的離子。所述盒子或網可以防止干擾，并且作為固體物質相應于一層厚空氣層而增加電離度。
在本發明所述的探測器中，無需在浮動柵和位于它前面的平板間形成一個電場。公知的探測器采用有源柵，將MOSFET晶體管安置成讓它的柵極與空氣直接觸，或者暴露于氣體，如周圍的空氣中，那么在這之間就無任何東西所能阻止電荷的通過。
顯然，對本領域的熟練技術人員來說，在下述的權利要求范圍內本發明的不同方案都是可以變化的。
權利要求
1.一種利用帶浮動柵(13)MOSFET晶體管的劑量計測量離子輻射的方法，其特征在于所述離子輻射對MOSFET晶體管(10)的浮動柵(13)表面起作用，這是通過一個開放的氣隙或氣體空間或封閉的氣隙或氣體空間(24)來影響的，該空間(24)使所述柵極表面上有一未經覆蓋的區域(17)或者有一個由導體、半導體或薄絕緣體覆蓋的區域。
2.一種如權利要求1所述的方法，其特征在于所述離子輻射通過固體板(19)或另外的壁材料(21)對MOSFET晶體管(10)的未覆蓋的浮動柵(13)起作用。
3.一種如權利要求1或2所述的方法，其特征在于利用所述柵極先被充電到適當電位之后，在其周圍電場的作用下，將所述開放的或封閉的氣隙或氣體空間中形成的電子或離子收集在所述浮動柵(13)上。
4.一種如權利要求1或2或3所述的方法，其特征在于選擇所述氣體空間(24)中所用的合適氣體、氣壓以及圍成該氣體空間的壁材料(21)，以確定所述探測器的能量響應。
5.一種權利要求1到4任一項所述的方法，其特征在于選擇氣體空間(24)中氣體的量，氣壓和周圍的壁材料(21)，使之成為組織等效的，在這種情況下探測器的劑量響應將與人體組織的劑量響應精確匹配。
6.一種離子輻射檢測器，它是由帶浮動柵(13)的MOSFET晶體管(10)組成的劑量計，其特征在于所述MOSFET晶體管(10)的浮動柵(13)表面至少有一部分是未被覆蓋的，或者是被導體、半導體或薄的絕緣體覆蓋，并將所述浮動柵表面置于開放的氣隙或氣體空間或者是封閉的氣隙或氣體空間(24)中。
7.一種如權利要求6所述的劑量計，其特征在于在所述MOSFET晶體管(10)浮動柵的未覆蓋表面的前面有至少一塊固體板(19)或腔(20)的壁(21)。
8.一種如權利要求6或7所述的劑量計，其特征在于該劑量計被置于一個盒(20)中，被固定在所述盒的壁(21)上的連接器(28，29)分別連到MOSFET晶體管(10)的源極(11)和漏極(12)。
9.一種如權利要求8所述的劑量計，其特征在于該劑量計包含一個帶連接器(32，33)的輻射讀出裝置(30)，劑量計上相應的連接器(28，29)可連接到上述連接器(32，33)上，用以讀取MOSFET晶體管(10)浮動柵(13)上的電荷。
10.一種如權利要求6或7所述的劑量計，其特征在于該劑量計包含一個MOSFET晶體管(10)和一個用來讀取浮動柵(13)上電荷的測量電子單元(36)。
11.探測離子輻射的MOSFET晶體管的使用方法，其特征在于一些電荷形成在MOSFET晶體管(10)的浮動柵(13)上；由于有晶體管暴露在其中的離子輻射的作用，使浮動柵上的電荷量發生變化；通過浮動柵上發生的電荷量變化確定輻射劑量。
12.一種如權利要求11所述的MOSFET晶體管(10)的使用方法，其特征在于通過在源極(11)和漏極(12)之間加一個電壓使電荷形成在MOSFET晶體管(10)的浮動柵(13)上；電荷形成后，離子輻射對浮動柵的未被覆蓋的區域(17)起作用，或者對被導體、半導體或薄的絕緣體覆蓋的區域起作用；從所述柵極上發生的電荷變化確定輻射劑量。
13.一種如權利要求11或12所述的MOSFET晶體管(10)的使用方法，其特征在于所述浮動柵(13)上的電荷量是通過在源極(11)和漏極(12)間加一個適當的電壓并測得此時的電流而測得的，與輻射劑量成比例的浮動柵上電荷的變化量是通過與初始電流輻照后測得的電流的比較而測得的。
全文摘要
一種通過讓離子輻射穿過氣隙或氣體空間作用于MOSFET晶體管的浮柵(13)表面來探測離子輻射的方法。為了這一目的，在形成探測器的MOSFET晶體管的浮柵表面上形成了一個未覆蓋區域。MOSFET晶體管是這樣來使用的在它的浮柵上形成一層電荷，由于有晶體管暴露在其中的離子輻射的作用，所述電荷發生變化，從而通過柵電荷的變化測得輻射劑量。
文檔編號H01L27/14GK1138901SQ94194317
公開日1996年12月25日 申請日期1994年10月28日 優先權日1993年10月28日
發明者朱卡·卡西萊寧 申請人:拉多斯技術公司