CN105676259A - 一种基于二硫化钼晶体管的闪烁体探测器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于二硫化钼晶体管的闪烁体探测器，所述闪烁体探测器包括一导电硅基底，所述导电硅基底背表面设有栅电极，正表面设有栅绝缘层，所述栅绝缘层上设有单层二硫化钼，所述单层二硫化钼两端设有源电极和漏电极，所述源电极和漏电极连接栅绝缘层；所述单层二硫化钼上设有闪烁体，所述闪烁体位于源电极和漏电极之间，所述闪烁体外包覆有保护层。本发明所述的基于二硫化钼晶体管的闪烁体探测器为光电晶体管并作为闪烁体探测器的光电转换器件，在单层二硫化钼上直接沉积闪烁体作为高能粒子接收体，具有灵敏度高，响度速度快，结构简单，成本低的特性。
Description
技术领域
本发明涉及到的辐射探测的技术领域，特别涉及到一种基于二硫化钼晶体管的闪烁体探测器及其制作方法。
背景技术
辐射探测技术在X射线探测、CT、核医学放射性核素成像、环境辐射监测、高能射线探测等领域有着广泛的应用，而闪烁体探测器系统是探测放射性物质射线剂量、能谱、计数率等最常用的设备之一。其在特殊核材料检测、放射性物质检测、低剂量环境检测、射线能谱测量等领域，由于其探测效率高、测量灵敏度高、能谱响应广等特点，使它成为这些领域的首选技术。
传统闪烁探测器采用光电倍增管作为光电转换器件。当光照射到光电倍增管的光阴极时，光阴极向真空中激发出光电子，这些电子被外电场(或磁场)加速，聚焦于第一次极，这些冲击次极的电子能使次极释放更多的电子聚焦于第二次极。依此类推，经过十次以上倍增,光电子的放大倍数可达到108～1010。最后把放大后的电子用阳极收集作为信号输出。因为采用了二次发射倍增系统，采用光电倍增管的闪烁探测器具有检测灵敏度高、信噪比高和线性度好的特点，但由于光电倍增管为基于外光电效应和二次电子发射效应的电子真空器件，长时间使用易老化且制造成本极高。
此外，硅光电二极管也常被采用作为闪烁探测器的光电转转换器件。硅光电二极管一般为PIN结构，本征区吸收区吸收荧光后产生电子空穴对，在反向偏压的作用下，载流子被收集形成电流信号。采用硅光电二极管的闪烁探测器具有成本低、易形成大面积阵列的优势，但由于PIN光电二极管转换效率低下，导致闪烁体探测器灵敏度低，信噪比差。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于二硫化钼晶体管的闪烁体探测器及其制作方法，采用单层二硫化钼为光电晶体管并作为闪烁体探测器的光电转换器件，在单层二硫化钼上直接沉积闪烁体作为高能粒子接收体，具有结构简单，容易制造的特点，且成本低，且所得的闪烁体探测器具有灵敏度高，响度速度快。
为此，本发明采用以下技术方案：
一种基于二硫化钼晶体管的闪烁体探测器的制作方法，所述闪烁体探测器包括一导电硅基底，所述导电硅基底背表面设有栅电极，正表面设有栅绝缘层，所述栅绝缘层上设有单层二硫化钼，所述单层二硫化钼两端设有源电极和漏电极，所述源电极和漏电极连接栅绝缘层；所述单层二硫化钼上设有闪烁体，所述闪烁体位于源电极和漏电极之间，所述闪烁体外包覆有保护层；其制作方法包括如下：
1)提供一硅基底，正表面热氧化形成一定厚度的SiO2层作为栅绝缘层，背表面蒸镀形成栅电极；
2)在栅绝缘层上转移单层二硫化钼，利用光刻技术在单层二硫化钼两端形成源电极和漏电极的图案化，并蒸镀沉积形成源电极和漏电极；
3)在单层二硫化钼上形成闪烁体，在闪烁体外蒸镀形成保护层，即得到基于二硫化钼的闪烁体探测器。
优选的，所述导电硅基底为N型硅基底，其厚度为200nm-300nm。
优选的，所述作为绝缘层的SiO2层的厚度为60-120nm。
优选的，所述栅电极采用电子束蒸发设备蒸镀形成的，其材料为Cu、Au、Ti、Al或者Ag中的至少一种，厚度为30-100nm。
优选的，所述单层二硫化钼采用PMMA法转移至栅绝缘层上。
优选的，所述源电极和漏电极的材料为Cu、Au、Ti、Al或者Ag中的至少一种，采用电子束蒸发设备蒸镀形成的，其厚度为50-100nm。
优选的，所述闪烁体为CsI(Tl)、CsI(Na)、ZnS(Ag)或者NaI(Tl)，其在单层二硫化钼表面采用旋涂或者外延的方式形成。
优选的，所述保护层的材料为Al、Ti或者Ag中的至少一种，采用电子束蒸发设备蒸镀形成的，其厚度为60-120nm。
本发明采用以上技术方案，采用单层二硫化钼为光电晶体管并作为闪烁体探测器的光电转换器件，在单层二硫化钼上直接沉积闪烁体作为高能粒子接收体，具有结构简单，容易制造的特点，且成本低。且由于单层二硫化钼具有较高的电子迁移率，单层二硫化钼制备的光电晶体管探测器件的可见光响应速率880mA/W，该数值远远高于基于硅材料的光探测器(～100mA/W)，因而具有极高的探测灵敏度；单层二硫化钼吸收区厚度仅为0.65nm，有利于减小暗电流的产生，探测器具有较高的信噪比。
附图说明
图1为本发明基于二硫化钼晶体管的闪烁体探测器的结构侧视图。
图2为本发明基于二硫化钼晶体管的闪烁体探测器的结构俯视图。
图3为本发明基于二硫化钼晶体管的闪烁体探测器的制作方法结构流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、特征和优点更加的清晰，以下结合附图及实施例，对本发明的具体实施方式做出更为详细的说明，在下面的描述中，阐述了很多具体的细节以便于充分的理解本发明，但是本发明能够以很多不同于描述的其他方式来实施。因此，本发明不受以下公开的具体实施的限制。
一种基于二硫化钼晶体管的闪烁体探测器的制作方法，所述闪烁体探测器如图1、图2所示，包括一导电硅基底10，所述导电硅基底10背表面设有栅电极11，正表面设有栅绝缘层12，所述栅绝缘层12上设有单层二硫化钼13，所述单层二硫化钼13两端设有源电极14和漏电极15，所述源电极14和漏电极15连接栅绝缘层12；所述单层二硫化钼13上设有闪烁体16，所述闪烁体16位于源电极14和漏电极15之间，所述闪烁体16外包覆有保护层17；其制作方法如图3所示，包括如下：
1)提供一硅基底10，正表面热氧化形成一定厚度的SiO2层作为栅绝缘层12，背表面蒸镀形成栅电极11；
2)在栅绝缘层12上转移单层二硫化钼13，利用光刻技术在单层二硫化钼13两端形成源电极和漏电极的图案化，并蒸镀沉积形成源电极14和漏电极15；
3)在单层二硫化钼12上形成闪烁体16，在闪烁体16外蒸镀形成保护层17，即得到基于二硫化钼的闪烁体探测器。
其中，所述导电硅基底10为N型硅基底，其厚度为200nm-300nm。
其中，所述作为绝缘层12的SiO2层的厚度为60-120nm。
其中，所述栅电极11采用电子束蒸发设备蒸镀形成的，其材料为Cu、Au、Ti、Al或者Ag中的至少一种，厚度为30-100nm。
其中，所述单层二硫化钼13采用PMMA法转移至栅绝缘层上。
其中，所述源电极14和漏电极15的材料为Cu、Au、Ti、Al或者Ag中的至少一种，采用电子束蒸发设备蒸镀形成的，其厚度为50-100nm。
其中，所述闪烁体16为CsI(Tl)、CsI(Na)、ZnS(Ag)或者NaI(Tl)，其在单层二硫化钼表面采用旋涂或者外延的方式形成。
其中，所述保护层17的材料为Al、Ti或者Ag中的至少一种，采用电子束蒸发设备蒸镀形成的，其厚度为60-120nm。
二硫化钼是近来发现的一种二维层状纳米材料，属于过渡金属硫化物系列。当材料减薄到一定程度时,随着层数的减少,其禁带宽度增加,到单层材料时,禁带宽度增加到1.80eV,同时,能带结构也变为直接带隙，可见光吸收效率高。
本发明采用单层二硫化钼为光电晶体管并作为闪烁体探测器的光电转换器件，直接在单层二硫化钼上沉积闪烁体作为高能粒子接收体，具有结构简单，容易制造的特点，且成本低。同时，由于单层二硫化钼具有较高的电子迁移率，单层二硫化钼制备的光电晶体管探测器件的可见光响应速率880mA/W，该数值远远高于基于硅材料的光探测器(～100mA/W)，因而具有极高的探测灵敏度；单层二硫化钼吸收区厚度仅为0.65nm，有利于减小暗电流的产生，探测器具有较高的信噪比。
采用本发明所述基于二硫化钼晶体管的闪烁体探测器，其工作原理在于：在单层二硫化钼光电晶体管的沟道层上沉积闪烁体，当高能粒子进入闪烁体时，闪烁体的原子或分子受激而产生荧光，荧光被单层二硫化钼吸收，产生能自由移动的载流子，载流子在源漏电极电压下形成光电流信号，而光电流的产生只取决于入射光的强度，因而具有较好的线性度。基于场效应晶体管的光探测器，在栅电场及源、漏电场作用下，器件表面高能粒子的微量变化将引起器件沟道电流的大量变化，从而具有很高的检测灵敏度。
综上，本发明所述的基于二硫化钼晶体管的闪烁体探测器，具有灵敏度高，响度速度快，结构简单，成本低的特性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于二硫化钼晶体管的闪烁体探测器的制作方法，其特征在于，所述闪烁体探测器包括一导电硅基底，所述导电硅基底背表面设有栅电极，正表面设有栅绝缘层，所述栅绝缘层上设有单层二硫化钼，所述单层二硫化钼两端设有源电极和漏电极，所述源电极和漏电极连接栅绝缘层；所述单层二硫化钼上设有闪烁体，所述闪烁体位于源电极和漏电极之间，所述闪烁体外包覆有保护层；其制作方法包括如下：
1)提供一硅基底，正表面热氧化形成一定厚度的SiO2层作为栅绝缘层，背表面蒸镀形成栅电极；
2)在栅绝缘层上转移单层二硫化钼，利用光刻技术在单层二硫化钼两端形成源电极和漏电极的图案化，并蒸镀沉积形成源电极和漏电极；
3)在单层二硫化钼上形成闪烁体，在闪烁体外蒸镀形成保护层，即得到基于二硫化钼的闪烁体探测器。
2.根据权利要求1所述的一种基于二硫化钼晶体管的闪烁体探测器的制作方法，其特征在于，所述导电硅基底为N型硅基底，其厚度为200nm-300nm。
3.根据权利要求1所述的一种基于二硫化钼晶体管的闪烁体探测器的制作方法，其特征在于，所述作为绝缘层的SiO2层的厚度为60-120nm。
4.根据权利要求1所述的一种基于二硫化钼晶体管的闪烁体探测器的制作方法，其特征在于，所述栅电极采用电子束蒸发设备蒸镀形成的，其材料为Cu、Au、Ti、Al或者Ag中的至少一种，厚度为30-100nm。
5.根据权利要求1所述的一种基于二硫化钼晶体管的闪烁体探测器的制作方法，其特征在于，所述单层二硫化钼采用PMMA法转移至栅绝缘层上。
6.根据权利要求1所述的一种基于二硫化钼晶体管的闪烁体探测器的制作方法，其特征在于，所述源电极和漏电极的材料为Cu、Au、Ti、Al或者Ag中的至少一种，采用电子束蒸发设备蒸镀形成的，其厚度为50-100nm。
7.根据权利要求1所述的一种基于二硫化钼晶体管的闪烁体探测器的制作方法，其特征在于，所述闪烁体为CsI(Tl)、CsI(Na)、ZnS(Ag)或者NaI(Tl)，其在单层二硫化钼表面采用旋涂或者外延的方式形成。
8.根据权利要求1所述的一种基于二硫化钼晶体管的闪烁体探测器的制作方法，其特征在于，所述保护层的材料为Al、Ti或者Ag中的至少一种，采用电子束蒸发设备蒸镀形成的，其厚度为60-120nm。
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