Nükleer radyasyona duyarlı alan etkili transistör tabanlı radyasyon sensörlerinin uzay uygulamaları için geliştirilmesi ve karakterizasyonu
Development and characterization of nuclear radiation sensitive field-effect transistor based radiation sensors for space applications
Yazar: BUĞRA KOCAMAN
Danışman: DOÇ. DR. EYLEM GÜVEN
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Nanoteknoloji ve Nanotıp Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Astronomi ve Uzay Bilimleri = Astronomy and Space Sciences ; Bilim ve Teknoloji = Science and Technology ; Savunma ve Savunma Teknolojileri = Defense and Defense Technologies
Dizin: Gama radyasyonu = Gamma radiation ; Işınlama = Irradiation ; MOS transistör = MOS transistor ; Radyasyon dedektörü = Radiation detector

Özet:
Transistörler, nanoteknolojinin sunmuş olduğu avantajlardan en fazla yararlanılan uygulama alanlarının başında gelmektedir. Üretim tekniklerinin gelişmesiyle birlikte daha küçük, daha verimli ve daha hızlı çalışabilen transistörlerin üretilmesi mümkün olmaktadır. Anahtarlama ve güç düzenleme gibi amaçlarla elektronik devre elemanı olarak kullanılabilmelerinin yanında, transistörler başka amaçlar içinde kullanılabilmektedir. Transistörlerin en sık kullanılan çeşitlerinden biri olan metal oksit yarı iletken alan etkili transistörlerin (MOSFET) radyasyon sensörü olarak kullanıldığı birçok çalışma mevcuttur. Bununla birlikte, 100 nm altında oksit tabaka kalınlıklarına sahip sensörlerin, uzay radyasyonu uygulamalarına yönelik olan çalışmaların literatürde yetersiz olduğu görülmüştür. Bu tez çalışmasında, uzay uygulamalarına yönelik olarak nükleer radyasyona duyarlı alan etkili transistör (NürFET) olarak adlandırılan radyasyon sensörlerinin kullanıldığı bir radyasyon dedektörünün geliştirilmesi ve radyasyon altında karakterizasyonu amaçlanmıştır. Bu amaçla, sensörlerin çalışma performanslarının radyasyon altında gerçek zamanlı ölçülmesine imkân sağlayan, uydularda da kullanılabilecek bir radyasyon dedektörü tasarlanmış ve üretilmiştir. Nükleer radyasyona duyarlı alan etkili transistörün kapı ucu malzemesi olarak silikon dioksit (SiO2) kullanılmıştır. 40 nm, 60 nm ve 100 nm'lik 3 farklı oksit tabaka (SiO2) kalınlığına sahip nükleer radyasyona duyarlı alan etkili transistör tipi radyasyon sensörlerinin çalışma performansları, daha önce çeşitli uzay görevlerinde kullanılmış olan Radiation Sensing Field Effect Transistor (RADFET) ve Floating Gate Dosimeter (FGDOS) sensörleri ile karşılaştırılmıştır. Dedektörün ve sensörlerin çalışma performansları, Kobalt-60 (Co-60) radyasyon kaynağı ile test edilerek ilgili sonuçlar sunulmuştur. Radyasyon dedektörü 256 saniye ve 416 saniye olmak üzere  iki farklı zaman aralığında radyasyona maruz bırakılmıştır. İlk radyasyon testi 256 saniye sürmüştür. İlk test basamağında tüm sensörler (nükleer radyasyona duyarlı alan etkili transistör, RADFET ve FGDOS) başarılı bir şekilde çalıştırılmıştır. Maruz kalınan radyasyon doz seviyesinin çok yüksek olmasından dolayı FGDOS sensörü ilk ışınlama sırasında dedektör devresinin tıkanmasına (kilitlenmesine) sebep olmuştur. Bu sebeple, ikinci radyasyon testi öncesi, FGDOS sensörü yazılım yardımıyla devreden çıkarılmıştır. İkinci radyasyon testi 416 saniye sürmüştür. İkinci test basamağında nükleer radyasyona duyarlı alan etkili transistör tipi radyasyon sensörleri ve RADFET sensörleri başarılı bir şekilde çalıştırılmıştır. Oksit tabaka kalınlıklarının artmasıyla birlikte nükleer radyasyona duyarlı alan etkili transistör tipi radyasyon sensörlerinin radyasyona olan hassasiyetinin arttığı gözlemlenmiştir. Nükleer radyasyona duyarlı alan etkili transistör tipi radyasyon sensörlerinin eşik gerilimlerinde meydana gelen kayma miktarlarının üretici tarafından 10 A'lık sabit akım kaynağı ile ölçülmesi önerilmektedir. Uzay ortamının zorlayıcı koşulları sebebiyle 10 A'nın hassas bir şekilde verilmesi kolay değildir. Bu sebeple, dedektör devresi üzerinde kullanılması göreceli olarak daha kolay olan 100 A'lık ikinci bir sabit akım kaynağı daha kullanılmıştır. 40 nm oksit tabaka kalınlığına sahip nükleer radyasyona duyarlı alan etkili transistör tipi radyasyon sensörünün eşik geriliminde meydana gelen kayma miktarı, ilk radyasyon testinde, 10 A'lık akım kaynağı ile 3,698 mV, 100 A'lık akım kaynağı ile 3,884 mV olarak ölçülmüştür. 40 nm oksit tabaka kalınlığına sahip nükleer radyasyona duyarlı alan etkili transistör tipi sensörün eşik geriliminde meydana gelen kayma miktarı, ikinci radyasyon testinde, 10 A'lık akım kaynağı ile 5,668 mV, 100 A'lık akım kaynağı ile 6,081 mV olarak ölçülmüştür. 60 nm oksit tabaka kalınlığına sahip nükleer radyasyona duyarlı alan etkili transistör tipi sensörün eşik geriliminde meydana gelen kayma miktarı, ilk radyasyon testinde, 10 A'lık akım kaynağı ile 7,134 mV, 100 A'lık akım kaynağı ile 8,091 mV olarak ölçülmüştür. 60 nm oksit tabaka kalınlığına sahip nükleer radyasyona duyarlı alan etkili transistör tipi sensörün eşik geriliminde meydana gelen kayma miktarı, ikinci radyasyon testinde, 10 A'lık akım kaynağı ile 10,103 mV, 100 A'lık akım kaynağı ile 10,330 mV olarak ölçülmüştür. 100 nm oksit tabaka kalınlığına sahip nükleer radyasyona duyarlı alan etkili transistör tipi sensörün eşik geriliminde meydana gelen kayma miktarı, ilk radyasyon testinde, 10 A'lık akım kaynağı ile 8,826 mV, 100 A'lık akım kaynağı ile 9,342 mV olarak ölçülmüştür. 100 nm oksit tabaka kalınlığına sahip nükleer radyasyona duyarlı alan etkili transistör tipi sensörün eşik geriliminde meydana gelen kayma miktarı, ikinci radyasyon testinde, 10 A'lık akım kaynağı ile 13,603 mV, 100 A'lık akım kaynağı ile 14,066 mV olarak ölçülmüştür. Radyasyon dedektörü, uzay radyasyonunun yarattığı etkilerden biri olan toplam iyonize doz (TID) etkisini ölçmek amacıyla tasarlanmıştır. Maruz kalınacak olan radyasyon doz seviyesi, uydunun yapısal modelinde (dış yüzeyinde/panellerinde) kullanılan malzeme tipi ile ilişkilidir. Bu sebeple, kavramsal bir uydu modeli yaratılarak, dört farklı malzeme tipi (uydu dış yüzey malzemesi) için yörüngede maruz kalınacak olan radyasyon dozu analiz programı ile hesaplanmıştır. Uydu yapısal modelinde, uydu dış yüzey malzemesi olarak, polimetil metakrilat (PMMA), cam (SiO2), alüminyum (Al) ve kurşun (Pb) malzemeleri kullanılmıştır. Malzemelerin kalınlıkları 0,5 mm, 1 mm, 2 mm, 3 mm, 4 mm ve 5 mm olarak seçilmiştir. Bu malzemelerin üzerine uydu içinde ve uydu dışında olacak şekilde silisyum (Si) nokta dedektörleri tanımlanarak her bir nokta için ilgili radyasyon doz değerleri elde edilmiştir. Uydu dış yüzey malzemesi olarak polimetil metakrilat kullanıldığında yörüngede maruz kalınacak olan radyasyon doz seviyeleri, uydunun merkez noktasında tanımlanmış olan silisyum nokta dedektörüne göre, 0,5 mm, 1 mm, 2 mm, 3 mm, 4 mm ve 5 mm kalınlıkları için sırasıyla 291 krad, 90,56 krad, 31,69 krad, 17,03 krad, 10,57 krad ve 7,171 krad olarak hesaplanmıştır. Uydu dış yüzey malzemesi olarak cam kullanıldığında yörüngede maruz kalınacak olan radyasyon doz seviyeleri, uydunun merkez noktasında tanımlanmış olan silisyum nokta dedektörüne göre, 0,5 mm, 1 mm, 2 mm, 3 mm, 4 mm ve 5 mm kalınlıkları için sırasıyla 74,53 krad, 26,25 krad, 8,504 krad, 4,320 krad, 2,945 krad ve 2,428 krad olarak hesaplanmıştır. Uydu dış yüzey malzemesi olarak alüminyum kullanıldığında yörüngede maruz kalınacak olan radyasyon doz seviyeleri, uydunun merkez noktasında tanımlanmış olan silisyum nokta dedektörüne göre, 0,5 mm, 1 mm, 2 mm, 3 mm, 4 mm ve 5 mm kalınlıkları için sırasıyla 74,39 krad, 26,10 krad, 8,356 krad, 4,281 krad, 2,965 krad ve 2,472 krad olarak hesaplanmıştır. Uydu dış yüzey malzemesi olarak kurşun kullanıldığında yörüngede maruz kalınacak olan radyasyon doz seviyeleri, uydunun merkez noktasında tanımlanmış olan silisyum nokta dedektörüne göre, 0,5 mm, 1 mm, 2 mm, 3 mm, 4 mm ve 5 mm kalınlıkları için sırasıyla 5,822 krad, 3,270 krad, 2,428 krad, 2,067 krad, 1,839 krad ve 1,641 krad olarak hesaplanmıştır. Radyasyon analiz sonuçlarına göre malzeme kalınlıklarının ve özkütlelerin artmasıyla, uydu içerisinde maruz kalınacak olan doz seviyelerinin azaldığı gösterilmiştir. Tez çalışması kapsamında elde edilen tüm bulgular değerlendirildiğinde, tasarımı ve üretimi gerçekleştirilmiş olan nükleer radyasyona duyarlı alan etkili transistör tabanlı radyasyon sensörlerinin kullanıldığı radyasyon dedektörünün uzay uygulamalarında önemli bir potansiyele sahip olduğu düşünülmektedir.

Abstract:
Transistors are one of the most important application areas of nanotechnology. It has been possible to produce smaller, more efficient, and faster transistors with the development of production techniques. In addition to their use as electronic circuit components for switching and power regulation purposes, transistors can also be used for other purposes. There are many studies in which Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors (MOSFET) -namely one of the most common transistor types- are used as radiation sensors.  However, studies on space radiation applications using sensors that have oxide layer thicknesses below 100 nm have been found to be insufficient in the literature. The main objective of this study is developing and characterizing a radiation detector using radiation sensors called Nuclear Radiation Sensitive Field Effect Transistor (NürFET) with 40 nm, 60 nm, and 100 nm gate oxide thicknesses for space applications. The material type of gate oxide layer is silicon dioxide (SiO2).  A radiation detector, which can also be utilized in satellites, was designed and manufactured to measure the performances of sensors. To determine the performances of the sensors, the radiation tests were performed and all measurements were collected in real-time. Additionally, there are two (2) sensors on the detector which were used in space missions before to compare and analyze the performances of Nuclear Radiation Sensitive Field Effect Transistor type radiation sensors. One of these sensors is Radiation Sensitive Field Effect Transistor (RADFET) and the other one is Floating Gate Dosimeter (FGDOS). The performances of the detector and sensors were tested with Cobalt-60 (Co-60) Gamma radiation source. The radiation detector was exposed to radiation in two steps. The first irradiation step lasted in 256 seconds and all radiation sensors (NürFET, RADFET, and FGDOS) were operated successfully. In the first irradiation, after a while, FGDOS did not work because of the high radiation dose and it congested the detector electrically. In the second part of the test, FGDOS was removed from the circuitry with the help of software. The second irradiation step lasted for 416 seconds. Nuclear Radiation Sensitive Field Effect Transistor and RADFET sensors were operated successfully. It has been shown that the sensitivity of radiation sensors increases with the increasing oxide layer thicknesses. It is recommended by the manufacturer of the Nuclear Radiation Sensitive Field Effect Transistor type radiation sensor that the shifts in threshold voltages of Nuclear Radiation Sensitive Field Effect Transistor type radiation sensors should be read with 10 A constant current source. However, it is not easy to supply "10 A" constant current precisely because of the harsh conditions of the space environment. Therefore, a second constant current source of 100 A is used which is relatively easier to use on the detector circuit. In the first radiation test, the threshold voltage shift for a 40 nm Nuclear Radiation Sensitive Field Effect Transistor type radiation sensor was measured 3.698 mV with 10 A and 3.884 mV with 100 A. In the second radiation test, the threshold voltage shifts for a 40 nm Nuclear Radiation Sensitive Field Effect Transistor type radiation sensor was measured 5.668 mV with 10 A and 6.081 mV with 100 A. In the first radiation test, the threshold voltage shift for a 60 nm Nuclear Radiation Sensitive Field Effect Transistor type radiation sensor was measured 7.134 mV with 10 A and 8.091 mV with 100 A. In the second radiation test, the threshold voltage shifts for a 60 nm Nuclear Radiation Sensitive Field Effect Transistor type radiation sensor was measured 10.103 mV with 10 A and 10.330 mV with 100 A. In the first radiation test, the threshold voltage shift for a 100 nm Nuclear Radiation Sensitive Field Effect Transistor type radiation sensor was measured 8.826 mV with 10 A and 9.342 mV with 100 A. In the second radiation test, the threshold voltage shifts for a 100 nm Nuclear Radiation Sensitive Field Effect Transistor type radiation sensor was measured 13.603 mV with 10 A and 14.066 mV with 100 A. The radiation detector was designed to measure the Total Ionizing Dose (TID) effect, one of the effects of Space radiation. The radiation dose level to be exposed in orbit is related to the type of material used in the structural model (outer surface/panels) of the satellite. For this purpose, a conceptual satellite model was created and the radiation dose to be exposed in orbit for four different material types (satellite outer surface/panel) was calculated with the analysis program. Polymethyl methacrylate (PMMA), glass (SiO2), aluminum (Al), and lead (Pb) materials were used in the satellite structural model. The thicknesses of the materials were chosen as 0.5 mm, 1 mm, 2 mm, 3 mm, 4 mm, and 5 mm. On these materials, silicon (Si) point detectors were identified on the inner and outer surface of the satellite and corresponding dose values were obtained for each point. The exposed dose levels for the silicon point detector which was assigned at the center of the satellite were calculated on orbit - for polymethyl methacrylate material - as 291 krad, 90.56 krad, 31.69 krad, 17.03 krad, 10.57 krad and 7.171 krad for shielding thicknesses of satellite 0.5 mm, 1 mm, 2 mm, 3 mm, 4 mm, and 5 mm, respectively. The exposed dose levels for the silicon point detector which was assigned at the center of the satellite were calculated on orbit - for glass material - as 74.53 krad, 26.25 krad, 8.504 krad, 4.320 krad, 2.945 krad and 2.428 krad for shielding thicknesses 0.5 mm, 1 mm, 2 mm, 3 mm, 4 mm, and 5 mm, respectively. The exposed dose levels for the silicon point detector which was assigned at the center of the satellite were calculated on orbit - for aluminum material - as 74.39 krad, 26.10 krad, 8.356 krad, 4.281 krad, 2.965 krad, and 2.472 krad for shielding thicknesses 0.5 mm, 1 mm, 2 mm, 3 mm, 4 mm and 5 mm, respectively. The exposed dose levels for the silicon point detector which was assigned at the center of the satellite were calculated on orbit - for lead material - as 5.822 krad, 3.270 krad, 2.428 krad, 2.067 krad, 1.839 krad and 1.641 krad for shielding thicknesses 0.5 mm, 1 mm, 2 mm, 3 mm, 4 mm, and 5 mm, respectively. The radiation analysis result shows that the exposed dose for the point which is inside the satellite decreases with the increase of thicknesses and material density. According to the radiation test and analysis results obtained within the scope of this thesis study, a radiation detector using the Nuclear Radiation Sensitive Field-Effect Transistor based radiation sensors that can measure space radiation dose has been successfully designed and manufactured for space applications. When all findings obtained are evaluated, it can be concluded that the designed and produced radiation detector, utilizing Nuclear Radiation Sensitive Field-Effect Transistor based radiation sensors, could have an important potential for space applications.