Development of Contacts for CZT-based X and Gamma Ray Detectors

Abstract

Oggigiorno i detector di radiazione ionizzante sono impiegati in diversi campi. Questi includono diagnostica per immagini (CT, SPECT), monitoraggio ambientale (controllo del fondo di radioattività naturale ed di aree contaminate), la sicurezza nazionale (controllo di cargo e bagagli) e l'astrofisica (studio delle emissioni x e γ dai corpi celesti). Negli ultimi decenni l'impiego di dispositivi a semiconduttore sta diventato sempre più importante sostituendo i classici scintillatori in svariati settori applicativi. I rilevatori a semiconduttore possono vantare di una migliore risoluzione energetica grazie alla conversione diretta della radiazione incidente in un segnale elettrico. Tra i semiconduttori, il tellururo di cadmio e zinco (CdZnTe o semplicemente CZT) soddisfa le principali richieste dei rivelatori di radiazioni. Il CdZnTe rappresenta il miglior compromesso in termini di efficienza energetica, elevato numero atomico Z, resistività e capacità di funzionare a temperatura ambiente. Attualmente è possibile realizzare rivelatori performanti con buona risoluzione energetica ed alta efficienza. Il CZT è particolarmente indicato per le applicazioni in cui sistemi di raffreddamento ingombranti sono fortemente scoraggiati o impossibili da implementare. Inoltre il suo alto numero atomico consente l’impiego in applicazioni dove la radiazione incidente è estremamente energetica (come nelle applicazioni spaziali). Purtroppo il CZT mostra alcuni problemi non ancora risolti. Nella mia tesi di dottorato ho focalizzato i miei sforzi nello studio dei contatti. I due aspetti principali che ho affrontato sono la geometria del contatto ed il metallo di cui è costituito. Il metallo costituente determina il tipo di contatto: la natura bloccante o ohmica dei contatti dipendono principalmente da esso. In questa tesi è riportato un approfondito studio, realizzato per diversi metalli, sulla struttura a bande, sulle proprietà elettriche e sulle caratteristiche fisico-chimiche dell'interfaccia metallo semiconduttore. L'altro aspetto importante, studiato durante il mio dottorato di ricerca, è la configurazione geometrica degli elettrodi. Con geometrie appropriate, è possibile recuperare il deterioramento delle prestazioni spettroscopiche causato dalle scarse proprietà di trasporto delle lacune. Inoltre la scelta del layout dei contatti è fortemente influenzata dalle richieste dell’applicazione in cui verrà impiegato il dispositivo. Queste richieste possono essere ad esempio l'efficienza di raccolta, la risoluzione energetica, la possibilità di fare imaging, ecc. In questa tesi sono riportati i più importanti risultati, ottenuti presso l'IMEM-CNR e il Dipartimento di Fisica dell'Università di Parma negli ultimi tre anni, per quanto riguarda i rilevatori di radiazione.

Nowadays ionizing radiation detectors are widely employed in several application fields. These include medical imaging (CT, SPECT), environmental monitoring (control of the background radiation and contaminated areas), homeland security (cargo and luggage control) and astrophysics (study of x- and γ-ray emission from celestial bodies). In last decades the employment of semiconductor devices is getting more and more important and they have replaced classical scintillators in various application fields. Semiconductor based detectors can achieve better energy resolution thanks to the direct conversion of incident radiation into electrical signal. Among the compound semiconductors Cadmium Zinc Telluride (CdZnTe or simply CZT) meets the main radiation-detector demands. CdZnTe represents the best compromise in terms of energy efficiency, high atomic number Z, resistivity, and room temperature operation capability. For these reasons with CZT material nowadays high performance detectors with good energy resolution, high detection efficiency and room temperature operation capability can be fabricated. CZT is particularly appropriate in several application where cumbersome cooling systems are strongly discouraged or impossible to implement. Furthermore the high Z of CdZnTe allows its employment in high-energy spectroscopy (as in space application) with relatively low device thickness. Unfortunately CZT shows some issues not yet overcome by the scientific community. In my PhD thesis I have focused my effort on the study of contacts. The two main aspects that I have addressed are constituent metal and electrode geometry. The constituent metal determines the contact type, blocking or ohmic nature of contacts are primarily dependent on the deposited metal. Comprehensive study of the band structure, electrical properties and physicochemical characteristics of the metal-semiconductor interface carried out on different metals is reported in this thesis. The other important aspect, covered during my PhD, is the geometric configuration of electrodes. With appropriate geometries, we are able to recover the deterioration of spectroscopic performance due to poor hole transport properties. Moreover, for each specific application, some contact layouts can be more performing than another, depending on the properties required such as collection efficiency, energetic resolution, imaging capability, etc. This thesis includes some efforts and results, reached at IMEM-CNR and Physics Department of the University of Parma during the last three years, on devices for radiation detection applications.