The continuous improvement in the semiconductor industry has been successfully achieved by the reducing dimensions of CMOS (complementary metal oxide semiconductor) technology. For the last four decades, the scaling down of physical thickness of SiO₂ gate dielectrics has improved the speed of output drive current by shrinking of transistor area in front-end-process of integrated circuits. A higher number of transistors on chip resulting in faster speed and lower cost can be allowable by the scaling down and these fruitful achievements have been mainly made by the thinning thickness of one key component - Gate Dielectric - at Si based MOSFET (metal-oxide-semiconductor field effect transistor) devices. So far, SiO2 (silicon dioxide) gate dielectric having the excellent material and electrical properties such as good interface (i.e., Dit ~ 2x10¹⁰ eV⁻¹cm⁻²), low gate leakage current, higher dielectric breakdown immunity (≥10MV/cm) and excellent thermal stability at typical Si processing temperature has been popularly used as the leading gate oxide material. The next generation Si based MOSFETs will require more aggressive gate oxide scaling to meet the required specifications. Since high-k dielectrics provide the same capacitance with a thicker film, the leakage current reduction, therefore, less the standby power consumption is one of the huge advantages. Also, it is easier to fabricate during the process because the control of film thickness is still not in the critical range compared to the same leakage current characteristic of SiO₂ film. HfO₂ based gate dielectric is considered as the most promising candidate among materials being studied since it shows good characteristics with conventional Si technology and good device performance has been reported. However, it has still many problems like insufficient thermals stability on silicon such as low crystallization temperature, low k interfacial regrowth, charge trapping and so on. The integration of hafnium based high-k dielectric into CMOS technology is also limited by major issues such as degraded channel mobility and charge trapping. One approach to overcome these obstacles is using alternative substrate materials such as SiGe, GaAs, InGaAs, and InP to improve channel mobility. High electron mobility in the III-V materials has attracted significant attention for a possible application as a channel material in metal/oxide/semiconductor (MOS) transistors. One of the main challenges is that III-V MOSFETs generally lack thermodynamically stable insulators of high electrical quality, which would passivate the interface states at the dielectric/substrate interface and unpin the Fermi level. To address this issue, various dielectric, such as Si/SiO₂, Ge, SiGe, SiN and Al₂O₃, were considered as an interface passivation layer (IPL). Atomic Layer Deposited (ALD) Al₂O₃ has demonstrated superior IPL characteristics compared to the other candidates due to its high dielectric constant and interface quality. However, defect density in Al₂O₃ is still too high even as several cleaning methods such as NH₄OH, (NH₄)₂S and F treatment have been developed, which limits the performance of III-V MOSFETs. In the first part of this study, theoretical approaches to understand the motivation and requirements as an high-k gate dielectric or interfacial layer, and properties of ALD beryllium oxide (BeO) for Si and III-V MOS devices have been investigated. The second part of this study focuses on the precursor synthesis and fundamental material characterization of ALD BeO thin film using physical, optical and electrical analysis. Film properties such as self-cleaning reaction and oxygen diffusion barrier will be presented. At the third part, depletion mode transistor and self-aligned MOSFETs using ALD BeO on Si and InP high mobility substrates have been investigated. And as for the final part of this study, the density functional theory of Be(CH₃)₂ precursor, electromagnetics, and thermodynamics were investigated to understand the reaction mechanism and self-cleaning reaction, and to evaluate the gate dielectrics such as Al₂O₃, BeO, SiO₂, and HfO₂. / text

A radiação ionizante é amplamente utilizada em diversas áreas na indústria e na medicina. No campo da medicina, a radiação ionizante é utilizada tanto para fins terapêuticos como para fins diagnósticos, abrangendo assim um grande intervalo de doses de diferentes tipos de radiações. Para certificar que a finalidade da prática esteja sendo alcançada, são necessários estudos detalhados de detectores e dispositivos que atendam aos diferentes tipos de radiações. Neste trabalho foi realizado um estudo das características dosimétricas de amostras de BeO em feixes padronizados de radiodiagnóstico convencional, mamografia e tomografia computadorizada, utilizando as técnicas de termoluminescência (TL) e luminescência opticamente estimulada (OSL) e propondo um sistema adequado para sua utilização em dosimetria de feixes. Os principais resultados obtidos foram: alta sensibilidade à luz branca durante a irradiação, boa reprodutibilidade das respostas TL e OSL (coeficientes de variação inferiores a 5%), parâmetros cinéticos correspondentes aos valores obtidos em todos os métodos testados, sem fading dentro do período estudado para ambas as técnicas. As características dosimétricas obtidas neste trabalho mostram a possibilidade de aplicação das amostras de BeO em dosimetria da radiação X, considerando os intervalos de dose empregados, pelas técnicas de TL e OSL. Assim, as amostras de BeO apresentaram sua utilização potencial para dosimetria de feixes de radiodiagnóstico convencional, mamografia e tomografia computadorizada. / The ionizing radiation is widely used in several areas in industry and medicine. In the field of medicine, the ionizing radiation is used both for therapeutic purposes and for diagnostic purposes, thus covering a wide range of doses of different types of radiation. To certify that the goal of practice is being achieved detailed studies of detectors and devices that respond to different types of radiation are required. In this work, a study of dosimetric characteristics of BeO samples was performed in standard beams of conventional diagnostic radiology, mammography and computed tomography, using the techniques of thermoluminescence (TL) and optically stimulated luminescence (OSL), and proposing a suitable system for its use in beam dosimetry. The main results obtained were: high sensitivity to white light during the irradiation, good reproducibility of responses TL and OSL (coefficients of variation of less than 5%), and kinetics parameters corresponding to the values obtained in all of the tested methods, without fading within the observed period for both techniques. The dosimetric characteristics obtained in this work show the possibility of application of BeO samples for dosimetry of X radiation, considering the tested dose interval, by the TL and OSL techniques. Thus, the BeO samples presented potential use for dosimetry of conventional diagnostic radiology, mammography and computed tomography beams.

A radiação ionizante é amplamente utilizada em diversas áreas na indústria e na medicina. No campo da medicina, a radiação ionizante é utilizada tanto para fins terapêuticos como para fins diagnósticos, abrangendo assim um grande intervalo de doses de diferentes tipos de radiações. Para certificar que a finalidade da prática esteja sendo alcançada, são necessários estudos detalhados de detectores e dispositivos que atendam aos diferentes tipos de radiações. Neste trabalho foi realizado um estudo das características dosimétricas de amostras de BeO em feixes padronizados de radiodiagnóstico convencional, mamografia e tomografia computadorizada, utilizando as técnicas de termoluminescência (TL) e luminescência opticamente estimulada (OSL) e propondo um sistema adequado para sua utilização em dosimetria de feixes. Os principais resultados obtidos foram: alta sensibilidade à luz branca durante a irradiação, boa reprodutibilidade das respostas TL e OSL (coeficientes de variação inferiores a 5%), parâmetros cinéticos correspondentes aos valores obtidos em todos os métodos testados, sem fading dentro do período estudado para ambas as técnicas. As características dosimétricas obtidas neste trabalho mostram a possibilidade de aplicação das amostras de BeO em dosimetria da radiação X, considerando os intervalos de dose empregados, pelas técnicas de TL e OSL. Assim, as amostras de BeO apresentaram sua utilização potencial para dosimetria de feixes de radiodiagnóstico convencional, mamografia e tomografia computadorizada. / The ionizing radiation is widely used in several areas in industry and medicine. In the field of medicine, the ionizing radiation is used both for therapeutic purposes and for diagnostic purposes, thus covering a wide range of doses of different types of radiation. To certify that the goal of practice is being achieved detailed studies of detectors and devices that respond to different types of radiation are required. In this work, a study of dosimetric characteristics of BeO samples was performed in standard beams of conventional diagnostic radiology, mammography and computed tomography, using the techniques of thermoluminescence (TL) and optically stimulated luminescence (OSL), and proposing a suitable system for its use in beam dosimetry. The main results obtained were: high sensitivity to white light during the irradiation, good reproducibility of responses TL and OSL (coefficients of variation of less than 5%), and kinetics parameters corresponding to the values obtained in all of the tested methods, without fading within the observed period for both techniques. The dosimetric characteristics obtained in this work show the possibility of application of BeO samples for dosimetry of X radiation, considering the tested dose interval, by the TL and OSL techniques. Thus, the BeO samples presented potential use for dosimetry of conventional diagnostic radiology, mammography and computed tomography beams.

Im Zuge dieser Arbeit wurden die für die Dosimetrie mit BeO-OSL-Detektoren wichtigen Größen Energieansprechvermögen und Nachweiseffizienz experimentell ermittelt. Anschließend konnten die Ergebnisse genutzt werden, um ein Modell der lokalen Sättigung zur Berechnung der Effizienz für unterschiedlichste Bestrahlungsbedingungen zu generieren. Mit Hilfe des Modells lassen sich Vorhersagen zur Nachweiseffizienz für Photonen und Elektronen in dem in der Personen- und Ortsdosimetrie gängigen Energiebereich von 10 keV bis zu mehreren MeV treffen. Dabei nimmt die Effizienz für Elektronen mit sinkenden Energien kontinuierlich ab. Photonen zeigen einen ähnlichen Effekt, jedoch kommt es bei Energien im Bereich von 40-80 keV zu einem kurzen Anstieg der Effizienz mit fallender Energie, welcher sich durch die Wechselwirkungseigenschaften der Photonen erklären lässt. Die experimentellen und modellierten Nachweiseffizienzen können genutzt werden, um die Anzeige eines BeO-OSL-Detektor aus mit Strahlungstransportprogrammen ermittelten Dosiswerten zu berechnen. Auf experimentell gestützte Optimierungen von Bestrahlungsgeometrien kann so größtenteils verzichtet werden. Als Beispiel für die Anwendung der Nachweiseffizienz werden das Energieansprechvermögen für Beta-Strahler, des iBeOx-Personendosimeters sowie die Konzeption eines OSL-Ortsdosimeters aufgeführt. / In the course of this work, the experimental detection efficiency for BeO-OSL-detectors was determined for different radiation qualities. Subsequently the results were used to generate a model of local saturation for calculating the efficiency for different irradiation conditions. With the help of the model predictions for the detection efficiency for photons and electrons in the common energy range for personal and environmental dosimetry, reaching from 10 keV up to some MeV, are possible. The efficiency for electrons decreases with falling energy continuously. Photons show a similar effect, but for energies ranging from 40-80 keV the efficiency increases with decreasing energy. This can be explained by the interaction effects of the photons with the detector material. The experimental and modelled detection efficiencies can be used to calculate the display of a BeO-OSL detector from dose values determined with radiation transport programs. Three examples, the energy dependence for beta emitters, for the iBeOx personal dosimeters and the development of an environmental OSL-dosimeter are listed.

In dieser Arbeit soll der Messeffekt einer BeO-Sonde korrigiert werden. Dieser wird durch Radiolumineszenz im Sondenmaterial ausgelöst. Abhängig vom Stoßbremsvermögen der auftretenden Teilchen treten dabei Sättigungseffekte der Sonde auf, welche zu einer Dosisunterschätzung führen. Das Lumineszenzspektrum der Sonde zeigt Maxima bei zwei verschiedenen Wellenlängen. Diese werden bei variabler Geschwindigkeit der auftretenden Teilchenstrahlung untersucht. Durch Kombination des Messaufbaus mit einem geeigneten Strahlteiler kann das Spektrum am Wendepunkt in zwei Anteile zerlegt und das Verhältnis der Zählraten untersucht werden. Es zeigt sich, dass sich dieses Verhältnis mit der Geschwindigkeit der auftretenden Teilchen ändert. Da es auch mit deren Bremsvermögen korreliert, wird es genutzt um eine Korrekturfunktion für den Messeffekt der BeO-Sonde aufzustellen.

Im Zuge dieser Arbeit wurden die für die Dosimetrie mit BeO-OSL-Detektoren wichtigen Größen Energieansprechvermögen und Nachweiseffizienz experimentell ermittelt. Anschließend konnten die Ergebnisse genutzt werden, um ein Modell der lokalen Sättigung zur Berechnung der Effizienz für unterschiedlichste Bestrahlungsbedingungen zu generieren. Mit Hilfe des Modells lassen sich Vorhersagen zur Nachweiseffizienz für Photonen und Elektronen in dem in der Personen- und Ortsdosimetrie gängigen Energiebereich von 10 keV bis zu mehreren MeV treffen. Dabei nimmt die Effizienz für Elektronen mit sinkenden Energien kontinuierlich ab. Photonen zeigen einen ähnlichen Effekt, jedoch kommt es bei Energien im Bereich von 40-80 keV zu einem kurzen Anstieg der Effizienz mit fallender Energie, welcher sich durch die Wechselwirkungseigenschaften der Photonen erklären lässt. Die experimentellen und modellierten Nachweiseffizienzen können genutzt werden, um die Anzeige eines BeO-OSL-Detektor aus mit Strahlungstransportprogrammen ermittelten Dosiswerten zu berechnen. Auf experimentell gestützte Optimierungen von Bestrahlungsgeometrien kann so größtenteils verzichtet werden. Als Beispiel für die Anwendung der Nachweiseffizienz werden das Energieansprechvermögen für Beta-Strahler, des iBeOx-Personendosimeters sowie die Konzeption eines OSL-Ortsdosimeters aufgeführt.:1 Einleitung 2 Theoretische Grundlagen 2.1 Grundlagen zur Dosimetrie ionisierender Strahlung 2.2 Optisch Stimulierte Lumineszenz 2.3 Dosimetrie mit Hilfe der Optisch Stimulierten Lumineszenz 3 Material und Methoden 3.1 Berylliumoxiddetektoren und Dosimeter 3.2 Auswerteverfahren 3.3 Bestrahlungsmöglichkeiten 3.4 Strahlungstransportberechnungen 4 Experimentelle Ergebnisse 4.1 Rechnerisches Ansprechvermögen für BeO-OSL-Detektoren 4.2 Experimentelles Ansprechvermögen für BeO-OSL-Detektoren 4.3 Vergleich von rechnerischem und experimentellem ASV für BeO- Detektoren 4.4 Effizienz für BeO-OSL-Detektoren 5 Modellierung der Effizienz von BeO-OSL-Detektoren 5.1 Target-Modell 5.2 Berechnung der Effizienz auf Grundlage des Modells der lokalen Sättigung 5.3 Ergebnisse der Modellierung 6 Anwendungen 6.1 Ansprechvermögen für Beta-Strahler 6.2 Energieansprechvermögen des iBeOx-Personendosimeters 6.3 Konzeption eines Ortsdosimeters auf Basis des iBeOx-Dosimetriesystems 7 Zusammenfassung 8 Literaturverzeichnis A Anhang A.1 Theorie A.2 Messdaten und Ergebnisse A.3 Effizienzen für unterschiedliche Bestrahlungsgeometrien / In the course of this work, the experimental detection efficiency for BeO-OSL-detectors was determined for different radiation qualities. Subsequently the results were used to generate a model of local saturation for calculating the efficiency for different irradiation conditions. With the help of the model predictions for the detection efficiency for photons and electrons in the common energy range for personal and environmental dosimetry, reaching from 10 keV up to some MeV, are possible. The efficiency for electrons decreases with falling energy continuously. Photons show a similar effect, but for energies ranging from 40-80 keV the efficiency increases with decreasing energy. This can be explained by the interaction effects of the photons with the detector material. The experimental and modelled detection efficiencies can be used to calculate the display of a BeO-OSL detector from dose values determined with radiation transport programs. Three examples, the energy dependence for beta emitters, for the iBeOx personal dosimeters and the development of an environmental OSL-dosimeter are listed.:1 Einleitung 2 Theoretische Grundlagen 2.1 Grundlagen zur Dosimetrie ionisierender Strahlung 2.2 Optisch Stimulierte Lumineszenz 2.3 Dosimetrie mit Hilfe der Optisch Stimulierten Lumineszenz 3 Material und Methoden 3.1 Berylliumoxiddetektoren und Dosimeter 3.2 Auswerteverfahren 3.3 Bestrahlungsmöglichkeiten 3.4 Strahlungstransportberechnungen 4 Experimentelle Ergebnisse 4.1 Rechnerisches Ansprechvermögen für BeO-OSL-Detektoren 4.2 Experimentelles Ansprechvermögen für BeO-OSL-Detektoren 4.3 Vergleich von rechnerischem und experimentellem ASV für BeO- Detektoren 4.4 Effizienz für BeO-OSL-Detektoren 5 Modellierung der Effizienz von BeO-OSL-Detektoren 5.1 Target-Modell 5.2 Berechnung der Effizienz auf Grundlage des Modells der lokalen Sättigung 5.3 Ergebnisse der Modellierung 6 Anwendungen 6.1 Ansprechvermögen für Beta-Strahler 6.2 Energieansprechvermögen des iBeOx-Personendosimeters 6.3 Konzeption eines Ortsdosimeters auf Basis des iBeOx-Dosimetriesystems 7 Zusammenfassung 8 Literaturverzeichnis A Anhang A.1 Theorie A.2 Messdaten und Ergebnisse A.3 Effizienzen für unterschiedliche Bestrahlungsgeometrien

Viele Festkörperdosimetriesonden haben eine hohe räumliche und zeitliche Auflösung. Jedoch zeigt ihr Messsignal Quench-Effekte beim Einsatz in Protonenstrahlungsfeldern mit hohem linearen Energietransfer (LET). Ohne eine Korrektur dieses verminderten Messeffekts würde dies zu einer Unterschätzung der Dosis führen. In dieser Arbeit wurde ein Messsystem entwickelt, das auf einem an eine Lichtleitfaser gekoppelten sensitiven Volumen aus Berylliumoxid basiert, dessen Lumineszenzlicht während der Messung spektral geteilt wird. Dadurch entsteht eine zusätzliche Information, die eine Aussage über die Restreichweite und somit über den LET von Protonen am Messort ermöglicht. Es konnte gezeigt werden, dass das Signalverhältnis der beiden spektralen Anteile stark mit der Restreichweite von initial monoenergetischen Protonen korreliert. Auf dieser Basis wurde eine Korrekturfunktion implementiert, welche die Dosisunterschätzung für Protonen mit Anfangsenergien kleiner als 145 MeV gut ausgleicht. Eine beobachtete Abhängigkeit der Signalverhältnisbasierten Dosiskorrektur von der initialen Protonenenergie führt jedoch dazu, dass die Korrektur für initial höherenergetische Protonen bei hohem LET weiterhin eine unterschätzte Dosis liefert.:1 Einleitung 2 Physikalische Grundlagen zur Dosimetrie in Photonen- und Protonenfeldern 2.1 Strahlungsfeldgrößen 2.2 Wechselwirkungen von Photonen mit Materie 2.3 Wechselwirkungen geladener Teilchen mit Materie 2.4 Wichtige Größen der Dosimetrie und dosimetrische Konzepte 2.5 BeO-basierte Faser-Dosimetriesonden 3 Material und Methoden 3.1 Verwendetes Messsystem 3.2 Dosis-Kalibrierung des Messsystems im Photonen-Referenzfeld 3.3 Messungen im Protonenfeld an der UPTD 3.4 LET-abhängige Korrektur des Messeffekts 3.5 Verifikation 4 Ergebnisse 4.1 Dosis-Kalibrierung im Photonen-Referenzfeld 4.2 Messungen im Protonenfeld 4.3 LET-abhängige Korrektur des Messeffekts 4.4 Verifikation 5 Diskussion 6 Zusammenfassung / Many solid dosemeters offer high spatial and temporal resolution. However, a common problem is their quenching in regions of high linear energy transfer (LET) during measurements in proton beams. This leads to reduced measurement signal, and thus, to dose underestimation. Hence, a dose correction is necessary. In this work a dosimetric system was developed which is based on a fiber coupled sensitive volume of beryllium oxide. Its radioluminescence signal is split into two spectral parts during measurement. Thereby one can obtain additional information that enables access to the values of residual range and LET of proton beams at the point of measurement. It could be shown that there exists a strong correlation between the signal ratio of both spectral parts of luminescence and the residual range of monoenergetic proton beams. Based on this, a correction function was implemented which allows for the adjustment of dose underestimation for measurements in proton beams of initial energies less than 145 MeV. Nevertheless, the signal ratio based correction function was observed to be dependent on the initial proton beam energy. Hence, the underestimation of the dose remains in the case of higher initial proton energies in regions of high LET.:1 Einleitung 2 Physikalische Grundlagen zur Dosimetrie in Photonen- und Protonenfeldern 2.1 Strahlungsfeldgrößen 2.2 Wechselwirkungen von Photonen mit Materie 2.3 Wechselwirkungen geladener Teilchen mit Materie 2.4 Wichtige Größen der Dosimetrie und dosimetrische Konzepte 2.5 BeO-basierte Faser-Dosimetriesonden 3 Material und Methoden 3.1 Verwendetes Messsystem 3.2 Dosis-Kalibrierung des Messsystems im Photonen-Referenzfeld 3.3 Messungen im Protonenfeld an der UPTD 3.4 LET-abhängige Korrektur des Messeffekts 3.5 Verifikation 4 Ergebnisse 4.1 Dosis-Kalibrierung im Photonen-Referenzfeld 4.2 Messungen im Protonenfeld 4.3 LET-abhängige Korrektur des Messeffekts 4.4 Verifikation 5 Diskussion 6 Zusammenfassung

In dieser Arbeit wird der Durchgang von Gammastrahlung durch Betonstrukturen spektroskopisch und dosimetrisch untersucht, welcher im Rückbau kerntechnischer Anlagen aufgrund der Kontamination der Betonsubstanz durch radioaktive Spalt- oder Aktivierungsprodukte von Interesse ist. Dazu wurde ein Betonphantom erstellt, dessen Zusammensetzung der im Kraftwerk genutzten Substanz möglichst nahekommt, und ein Aufbau mit variierender Geometrie realisiert. Darin wurden spektroskopische Messungen mithilfe einer aus Gadolinium-Aluminium-Gallium-Granat bestehenden faseroptischen Szintillationssonde durchgeführt. Zudem wurden dosimetrische Messungen mittels Berylliumoxid-Detektoren im Phantom umgesetzt. Somit konnte sowohl die Abhängigkeit der applizierten Dosisleistung als auch der Energieverteilung der Gammastrahlung von der Phantomabmessung bestimmt werden. Eine computergestützte Simulation des Messaufbaus mit beiden Messsystemen führte daraufhin zu Ergebnissen, welche gut mit den Messwerten übereinstimmen.:1 Einleitung 1 2 Physikalische Grundlagen 2 2.1 Wichtige Gröÿen der Strahlungsphysik 2 2.2 Das Zerfallsgesetz 3 2.3 Schwächung von Photonenstrahlung 3 2.4 Wechselwirkung von Photonen mit Materie 4 2.5 Dosimetrie mittels optisch stimulierter Lumineszenz 7 2.6 Spektrometrie mittels Szintillationsdetektoren 9 2.7 Energiedepositionshistogramm eines Szintillationsdetektors 11 2.8 Entstehung von Kontaminationen im Kernreaktor 13 3 Messaufbau 15 3.1 Das Messsystem der BeO-Dosimeter 15 3.2 Das Messsystem des GAGG-Szintillationsdetektors 16 3.3 Die 22Na-Quelle 18 3.4 Aufbau des Sandphantoms 19 3.5 Messwertaufnahme 22 3.6 Simulation der Messungen 23 4 Ergebnisse und Auswertung 25 4.1 Dosimetrische Messung und Simulation 25 4.2 Spektroskopische Messung und Simulation 27 4.2.1 Kalibrierung des GAGG-Messsystems 27 4.2.2 Messergebnisse des GAGG-Detektors 29 4.3 Ergebnisse der spektroskopischen Simulation 31 4.3.1 Faltung des Simulationsspektrums 34 4.4 Auswertung der spektroskopischen Messung und Simulation 35 5 Diskussion 40 6 Zusammenfassung 43 Literatur 44