Fenomeni di polarizzazione in rivelatori Al/CdTe/Pt per spettroscopia X e gamma

Over the years the use of semiconductor detectors has had a strategic importance in X and gamma (1 keV – 2 MeV) spectroscopy, with excellent results both in medical and astrophysics applications. The medical imaging (mammography, computed tomography), environmental monitoring (CMB) from the focal plane detectors for X telescopes and astrophysical systems, X-ray fluorescence in the Cultural Heritage represent some important applications. The semiconductor detectors have been widely used due to their interesting properties especially when compared with the conventional detection systems (gas and scintillators); a better signal-noise ratio and therefore a better energy resolution, thanks to the small average energy of ionization. Moreover, thanks to their high density compared to gas detectors provide improved detection efficiency with the possibility of achieving compact and portable systems. The materials traditionally used for the realization of detectors for X and gamma spectroscopy are silicon (Si) and germanium (Ge). Despite the good transport properties of charge carriers and the excellent level of purity, the low atomic number (Si: Z = 14; Ge Z = 32) limits the detection efficiency in the range of high energy (hard X-rays and gamma), while the narrow band gap (Si ~ 1.1 eV, Ge: ~ 0.7 eV) does not allow to operate in ambient temperature conditions. Over the past two decades, have been proposed and studied new detectors based on compound semiconductors (GaAs, Hgl2, CdTe, CdZnTe, TlBr) with band gap and atomic number greater than the Si and Ge, which are able to ensure good performance even at room temperature. The cadmium telluride (CdTe) represents one of the most promising materials, characterized by a high atomic number (ZCd = 48; ZTe = 52; Eg 1.44 eV) and a large band gap (~ 1.44 eV). Despite the interesting physical properties, the main disadvantages of these detectors are related to the phenomena of trapping of charge carriers due to defects and impurities present in the crystals. CdTe detectors are usually realized with ohmic contacts (Pt, Au) on both electrodes (anode and cathode), due to the low leakage currents (< 10 nA). In order to be able to increase the electric field, with consequent improvements of the collection efficiency, without excessive increases of the leakage current, the CdTe detectors are also made with anode blocking contacts (e.g. In, Al) and ohmic on the cathode (Pt, Au). The main critical aspect of such a configuration is the inability to create anode pixel structures, which are useful for improving the spectroscopic properties. For this reason, have been proposed and studied new CdTe detectors with aluminium contacts. However, the main drawback of these detectors is the temporal instability (polarization), which entails a degradation of spectroscopic performance over time, namely, a deterioration of the energy resolution, the variation of the calibration in energy and the reduction in the detection efficiency. This phenomenon, which is due to the over time reduction of the active zone of the detector, occurs more rapidly at high temperatures and low bias voltages and is due to the ionization of deep acceptor centers (detrapping) present in the semiconductor. In this work are presented new prototypes of CdTe detectors with blocking contact, made with anode aluminium (Al), with planar and pixel structures. The purpose of this work is to study experimentally the electrical and spectroscopic properties of these detectors, focusing on the mechanisms of charge transport and the phenomenon of polarization. The present work is part a research project, carried out by a research group of the Department of Physics and Chemistry, University of Palermo, which aims to develop advanced portable detection systems, able to do imaging and high-resolution spectroscopy, in a wide energy range (1 – 150 keV), and to operate also under high fluences (> 106 fotoni/mm2/sec), that can be used for medical (mammography, tomography) and industrial (inspections and controls quality) applications. The first chapter presents the basic physical properties of the CdTe material, the specific mechanisms that regulate the metal-semiconductor contact, the phenomena of polarization and finally the main applications of CdTe detectors. The second chapter presents the results of the electrical characterization of planar CdTe detectors, focusing on the charge transport mechanisms and the polarization phenomenon. The third chapter summarizes the results of the spectroscopic characterization of the investigated detectors in the 22 – 122 keV range, focusing on the effects of the polarization and the correlation between electrical and spectroscopic phenomena. The fourth chapter presents the results of electro-optical characterization. These experiments were carried out at the Institute of Physics of the Charles University in Prague, during a period spent living abroad, under the guidance of the Director of the Institute, the Prof. Jan Franc. Finally, in the fifth chapter the results of the electrical characterization of a pixel CdTe detector are presented.

L’uso dei rivelatori a semiconduttore ha avuto, negli anni, un’importanza strategica nella spettroscopia X e gamma (1 keV – 2 MeV), con eccellenti risultati sia in applicazioni mediche che astrofisiche. L’imaging medicale (mammografia, tomografia computerizzata), il monitoraggio ambientale (radiazione di fondo), rivelatori da piano focale per telescopi X in astrofisica e sistemi di fluorescenza a raggi X nei Beni Culturali ne rappresentano alcune importanti applicazioni. I rivelatori a semiconduttore hanno trovato largo impiego grazie alle loro interessanti proprietà soprattutto se confrontate con i sistemi di rivelazione tradizionali (a gas e scintillatori); un migliore rapporto segnale-rumore e quindi una migliore risoluzione energetica grazie alla piccola energia media di ionizzazione. Inoltre, grazie alla loro elevata densità rispetto ai rivelatori a gas garantiscono una migliore efficienza di rivelazione con la possibilità di realizzare sistemi compatti e portatili. I materiali tradizionalmente utilizzati per la realizzazione di rivelatori per spettroscopia X e gamma sono il silicio (Si) e il germanio (Ge). Nonostante le buone proprietà di trasporto dei portatori di carica e l’eccellente livello di purezza, il modesto numero atomico (Si: Z = 14; Ge: Z = 32) ne limita l’efficienza di rivelazione in range energetici elevati (raggi X duri e gamma), mentre la stretta band gap (Si: ∼ 1.1 eV; Ge: ∼ 0.7 eV) non ne consente l’uso in condizioni di temperatura ambiente. Negli ultimi due decenni, sono stati proposti e studiati nuovi rivelatori basati su semiconduttori composti (GaAs, HgI2, CdTe, CdZnTe, TlBr) con band gap e numero atomico maggiori del Si e Ge, capaci di garantire buone prestazioni anche a temperatura ambiente. Il tellururo di cadmio (CdTe) ne rappresenta uno dei materiali più promettenti, caratterizzato da un elevato numero atomico (ZCd = 48; ZTe = 52; Eg = 1.44 eV) e da un’ampia band gap (∼ 1.44 eV). Nonostante le interessanti proprietà fisiche, i principali inconvenienti di questi rivelatori sono legati ai fenomeni di trapping dei portatori di carica dovuti a difetti ed impurità presenti nei cristalli. Tradizionalmente, i rivelatori CdTe sono realizzati con contatti ohmici (Pt, Au) su entrambi gli elettrodi (anodo e catodo), grazie alle correnti di leakage piuttosto contenute (< 10 nA). Al fine di potere incrementare il campo elettrico, con conseguenti miglioramenti nell’efficienza di raccolta, senza eccessivi aumenti della corrente di leakage, i rivelatori CdTe sono anche realizzati con contatti raddrizzanti sull’anodo (In, Al) e ohmici sul catodo (Pt, Au). L’impossibilità di creare strutture a pixel sull’anodo in indio, utili per migliorare le proprietà spettroscopiche, rappresenta il principale aspetto critico di tale configurazione. Per questo motivo sono stati proposti e studiati nuovi rivelatori CdTe con contatti in alluminio. Tuttavia, il principale inconveniente di cui soffrono questi ultimi è l’instabilità temporale (polarizzazione) che comporta una degradazione delle prestazioni spettroscopiche nel tempo; ovvero, un peggioramento della risoluzione energetica, la variazione della calibrazione in energia ed una riduzione dell’efficienza di rivelazione. Questo fenomeno che tra l’altro comporta una riduzione della zona attiva del rivelatore, si manifesta con maggior rapidità ad alte temperature e a basse tensioni ed è riconducibile alla ionizzazione dei centri accettori profondi (detrapping) presenti nel semiconduttore. In questo lavoro sono stati presentati nuovi prototipi di rivelatori CdTe con caratteristiche raddrizzanti, realizzati con anodo in alluminio (Al) sia di tipo planare che a pixel. Lo scopo del presente lavoro è quello di studiare sperimentalmente le proprietà elettriche e spettroscopiche dei rivelatori focalizzando l’attenzione sui meccanismi di trasporto di carica e sul fenomeno della polarizzazione. Il presente lavoro è parte integrante di un progetto di ricerca più ampio, portato avanti da un gruppo di ricerca del Dipartimento di Fisica e Chimica dell’Università di Palermo, che ha lo scopo di sviluppare sistemi portatili di rivelazione avanzati, in grado di fare imaging e spettroscopia ad elevata risoluzione in un’ampia gamma di energie (1 – 150 keV) e soprattutto anche in condizioni di flusso proibitive (> 106 fotoni/mm2/sec), per applicazioni mediche (mammografia, tomografia) ed industriali (ispezioni e controlli di qualità). Il primo capitolo illustra le principali proprietà fisiche del CdTe, i particolari meccanismi che regolano il contatto metallo-semiconduttore, i fenomeni di polarizzazione ed infine le principali applicazioni dei rivelatori CdTe. Il secondo capitolo presenta i risultati della caratterizzazione elettrica di rivelatori CdTe planari, focalizzando l’attenzione sui meccanismi di trasporto di carica e sugli effetti della polarizzazione. Nel terzo capitolo sono riportati i risultati della caratterizzazione spettroscopica dei rivelatori nel range 22 – 122 keV, con particolare attenzione alla correlazione tra i fenomeni elettrici e spettroscopici dovuti alla polarizzazione. Il quarto capitolo presenta i risultati della caratterizzazione elettro-ottica Le attività sperimentali sono state effettuate presso l’Istituto di Fisica dell’Università della Charles University di Praga durante un periodo di permanenza all’estero sotto la guida del direttore dell’Istituto, il Prof. Jan Franc. Infine, nel quinto capitolo vengono presentate le proprietà elettriche di un rivelatore CdTe a pixel.