Transport modeling and measurements in solid state photo-detectors

Abstract

The research is part of a project to study the 𝐼𝐼−𝑉𝐼 semi-insulating materials and especially the binary compound CdTe and the ternary compound Cd1-xZnxTe(CZT). The great interest about these materials lies in their ability to solve high-energy photons from the spectroscopic point of view. With a very remarkable stopping power, due to the high atomic number of its components and a high signal to noise ratio, due to a resistivity of the order of 1011 Ω⋅ cm, the CZT ranks as one of the best radiation detectors at room temperature. Furthermore, the charge collection efficiency is closely related to the product between mobility μ and the lifetime τ of the carriers (electrons and holes) and it depends strongly on the spatial profile of the electric field. The non-uniformity of the electric field within the CZT is confirmed both by numerical simulations and by experimental evidence (Pockels effect). The spatial profile of the electric field, that governs the transport of the charge carriers, should be investigated. The technique used to obtain information about the transport and the electric field inside the material is a technique TOF (time of flight) called Laser Excited-Transient Current Technique: (LE-TCT). The transient measurements performed on full-area detectors have involved the study and the comparison of different samples. The analysis of current transients was made using a new model (2τ model) that allows to obtain both the transport parameters and the electric field profile within the material. Recently, complex geometries such as pixelated detectors and strip detectors have been developed with the intention to couple a good spectroscopic performance to a good spatial resolution. In this way, a single device can identify the type of X and γ rays source, either to its location. A complex geometry, however, entails complications from the point of view of the calculation of the current signal. A new model (1τ model), developed and proposed in this thesis, allows both to decouple the contribution of the weighting (geometrical field) from that due to the electric field (physical field), and to obtain the mobility and lifetime of the carriers. Finally, a new diffusion model suitable for the study of the thermal spread of the carriers, a phenomenon assumed to be negligible in the previous models, is presented. The model allows to obtain the diffusion coefficient, directly proportional to the mobility of carriers which then can be calculated in two independent ways starting from the current transients.

La ricerca è parte di un progetto per lo studio dei materiali II-VI semi-isolanti, soprattutto del composto binario CdTe e del composto ternario Cd1-xZnxTe(CZT). Il grande interesse per questi materiali risiede nella loro capacità di risolvere fotoni ad alta energia dal punto di vista spettroscopico. Con un elevato potere di frenamento, dovuto all'elevato numero atomico dei suoi componenti, e con un elevato rapporto segnale-rumore, dovuto una resistività dell'ordine di 1011 Ω⋅ cm, il CZT si pone come uno dei migliori rivelatori di radiazione a temperatura ambiente. Inoltre l'efficienza di raccolta di carica è strettamente correlata al prodotto tra la mobilità μ e il tempo di vita τ dei portatori (elettroni e lacune) e dipende fortemente dal profilo spaziale del campo elettrico. La non uniformità del campo elettrico all'interno del CZT è confermato sia da simulazioni numeriche che da evidenze sperimentali (effetto Pockels). Il profilo spaziale del campo elettrico, che governa il trasporto dei portatori di carica, deve essere quindi studiato. La tecnica utilizzata per ottenere informazioni relative al trasporto di carica e al campo elettrico all'interno del materiale è una tecnica TOF (di tempo di volo) denominata Laser Excited-Transient Current Technique: (LE-TCT). Le misure effettuate su rivelatori con contatti full-area hanno coinvolto lo studio e la comparazione dei diversi campioni. L'analisi dei transienti di corrente è stata realizzata utilizzando un nuovo modello (2τ model) che ha permesso di ottenere sia i parametri di trasporto sia il profilo di campo elettrico all'interno del materiale. Recentemente sono state messe a punto geometrie complesse come pixel e strip, con l’intenzione di accoppiare una buona performance spettroscopica ad una buona risoluzione spaziale. In questo modo, un unico dispositivo è in grado di identificare sia l’energia del fotone incidente, sia la sua posizione d’impatto. Una geometria complessa, tuttavia, comporta complicazioni dal punto di vista del calcolo del segnale corrente. Un nuovo modello (1τ model), sviluppato e proposto in questa tesi, ha permesso sia di disaccoppiare il contributo del campo di weighting (campo geometrico) da quello dovuto al campo elettrico (campo fisico), sia di ottenere i valori di mobilità e di tempo di vita dei portatori. Infine viene presentato un nuovo modello adatto per lo studio della diffusione termica dei portatori, fenomeno considerato trascurabile nei modelli precedenti. Il modello permette di ottenere il coefficiente di diffusione, quantità direttamente proporzionale alla mobilità dei portatori, che quindi può essere calcolata in due modi indipendenti a partire dai transienti di corrente.