[发明专利]一种辐射敏感场效应晶体管及其制备方法

说明书

本发明公开了一种硅衬底上的辐射敏感场效应晶体管(RadFET)及其制备方法。该器件的绝缘沟道层依次为：湿法制备的二氧化硅层、石墨烯薄膜、以及干法制备的二氧化硅层。多层石墨烯材料作为沟道层，增强了RadFET探测器的灵敏度；且湿法制备的疏松氧化硅层起到缓冲作用，可以有效减缓高能粒子辐射带来的器件损伤，同时避免了石墨烯薄膜与源漏电极直接接触带来的界面问题，提高了器件的寿命和性能。此外，对干法制备的二氧化硅进行离子注入工艺，引入较高浓度的杂质陷阱，可以有效的调整器件的阈值电压，同时减小源漏接触电阻，增强器件灵敏度。该RadFET探测器工艺简单、制备成本低，适用于辐射总剂量的探测，具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明属于半导体器件制造领域，具体涉及一种硅衬底上的辐射敏感场效应晶体管(RadFET)的设计及制备方法。

背景技术

RadFET探测器主要用于空间辐射总剂量的测量，可以估算空间飞行器电子元器件、材料和设备受到空间辐射的影响程度。由于总辐射剂量是电子元器件失效的因素之一，空间辐射总剂量监测可以为卫星长寿命设计提供工程技术数据。空间存在复杂的辐射环境，主要包括粒子辐射和电磁辐射。这些空间辐射对飞行器材料、电子器件、设备及飞行人员的安全等构成了严重的威胁，因此开发先进辐射探测器及相关探测技术、研究空间环境对航天器及航天员的影响，成为航天工程安全保障的重要内容之一。此外，在非空间领域，RadFET探测器还可以应用到各种地面辐射计量的探测(如放射医疗、辐射实验、集成电路制造工艺线以及各种大中型探测设备等)。

辐射探测器的工作原理基于粒子与物质之间的相互作用，主要用来对辐射和粒子的微观现象进行观察和研究。根据MOSFET对器件的栅氧化层电荷敏感的原理可以获得RadFET探测器。在RadFET探测器中，厚栅氧化层在射线的作用下激发、电离，产生电子-空穴对。电子在电场作用下从栅极逸出，空穴则被固定为氧化层电荷，从而改变MOSFET的阈值电压，并且通过相关的读出电路并进行放大，得到的输出电压信号与所在区域的吸收剂量一致，对辐射源进行探测。

根据与高能粒子相互作用的物质的不同，可以将常见的辐射探测器分为气体探测器、闪烁探测器、半导体探测器及其他探测器。相比之下，半导体RadFET探测器具有便于集成、体积小、重量轻、功耗低等优点，是一种理想的射辐射剂量探测器，可广泛应用于航空航天探测、核工业防护及医疗放射等领域。

目前，有关RadFET探测器的制备研究和其辐照模型的探索在不断深入，比如氧化层厚度、工艺等因素对探测器灵敏度的研究，以及阈值调整注入对探测器性能的研究等。石墨烯材料的优异特性使其比较适合应用于RadFET探测器，且基于石墨烯的RadFET探测器的相关研究处于刚刚起步的阶段。

发明内容

本发明的目的在于提供一种辐射敏感场效应晶体管(RadFET)的制备方法，旨在提高RadFET探测器的性能。

本发明的技术方案是：

一种基于石墨烯薄膜材料的场效应晶体管，包括衬底、栅电极、栅介质、沟道层和源漏电极。其中，衬底为单晶硅，在衬底上形成栅电极，在栅电极上形成栅介质层，在栅介质层上形成绝缘沟道层，绝缘沟道层材料由湿法制备的疏松二氧化硅层、半导体石墨烯薄膜层(提高灵敏度)，在石墨烯薄膜上干法制备一层致密二氧化硅层构成，在沟道层的两端分别形成源电极和漏电极。

本发明的辐射敏感场效应晶体管的制备方法包括以下步骤：

1)在硅衬底上生长一层导电薄膜，光刻刻蚀形成栅电极；

2)光刻栅介质层和沟道层图案，连续干法工艺制备生长栅介质层，绝缘沟道层中的疏松二氧化硅层采用湿法工艺制备，覆盖石墨烯薄膜层，在石墨烯薄膜上干法制备一层致密二氧化硅层，随后通过离子注入对顶层二氧化硅进行掺杂，获得沟道层；

3)生长一层导电薄膜，光刻刻蚀形成源电极和漏电极；